DE102014104324A1

DE102014104324A1 - Bedienelement mit Kraftsensor

Info

Publication number: DE102014104324A1
Application number: DE102014104324.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kramlich; Martin Jeitner; Markus Klein; Benedikt Schmidt
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN204666286U; DE102014104324B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement (1, 2), aufweisend
eine Blende (3), mit wenigstens einer elastischen Schicht (4), die eine unter der Einwirkung einer Betätigungskraft (F) nachgebende Betätigungsfläche (12) definiert und mit einem auf der der Betätigungsfläche (12) abgewandten Seite der elastischen Schicht (4) angeordneten und an die elastische Schicht (4) angrenzenden Abstützsteil (5);
einen unter der elastischen Schicht (4) angeordneten Kraftsensor (8) zur Messung der auf die Betätigungsfläche (12) einwirkenden Betätigungskraft (F);
einen Stößel (7) zwischen der elastischen Schicht (4) und dem Kraftsensor (8) und zur Übertragung der Betätigungskraft (F) auf den Kraftsensor (8);
eine Platine (6), auf der der Kraftsensor (8) angeordnet ist,
wobei sich die Blende (3) auf der Platine (6) in dem den Kraftsensor (8) umgebenden Bereich der Platine (6) über das Abstützteil (5) abstützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einer Blende und einem Kraftsensor als den wesentlichen Komponenten, wobei die Blende eine elastische Schicht aufweist, die eine unter einer Betätigungskraft nachgebende Betätigungsfläche definiert. Derartige Bedienelemente mit nachgebender Betätigungsfläche weisen die Anforderung auf, dass einerseits die einwirkende Kraft sehr präzise auf den Kraftsensor, d.h. möglichst ohne Spiel und Deformation der mechanisch bei der Kraftübertragung wechselwirkenden Komponenten auf den Kraftsensor übertragen wird und andererseits eine vollständige Rückstellung der Betätigungsfläche in die nicht betätigte Stellung der Betätigungsstelle erforderlich ist, damit einerseits die Reproduzierbarkeit der Kraftmessung gegeben ist und andererseits die optische Erscheinung der Blende an sich durch eine Kraftmessung nicht verändert bzw. beeinträchtigt ist. Beispielsweise kann es leicht passieren, dass aufgrund von Spiel eine Überdehnung der elastischen Schicht und damit eine plastische Deformation dieser Schicht erfolgt, was dazu führt, dass beispielsweise Eindrücke in der Betätigungsfläche verbleiben. Dieses Problem tritt insbesondere bei metallischen, die Betätigungsfläche definierenden Schichten auf. Darüber hinaus tritt bei Anordnungen (Arrays) von derartigen Bedienflächen mit gemeinsamer Bedienfläche die Zielsetzung auf, die einzelnen Bedienelemente möglichst hinsichtlich der elektromechanischen Detektion der einzelnen Betätigungen aber auch optisch zu entkoppeln. D.h. eine singuläre Betätigung eines einzelnen Bedienelements darf hinsichtlich der Kraftmessung nicht auf die benachbarten Bedienelemente „übersprechen“ und ferner sollte eine Verformung der benachbarten unbetätigten Betätigungsflächen nicht oder zumindest im normalen Betrachtungsabstand visuell nicht wahrnehmbar sein.
Es besteht daher Bedarf nach einem gattungsgemäßen Bedienelement, mit präziser Kraftmessung und gleichzeitig möglichst geringer Gefahr einer plastischen und damit verbleibenden Verformung der die Betätigungsfläche definierenden, elastischen Schicht der Blende. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Das erfindungsgemäße Bedienelement weist eine Blende auf. Die Blende umfasst wenigstens eine elastische Schicht und ein auf der der Betätigungsfläche abgewandten Seite der wenigstens einen elastischen Schicht daran angrenzend angeordnetes Abstützsteil auf. Bei mehreren elastischen Schichten eines Schichtaufbaus, ergibt sich die erfindungsgemäße Angrenzung an die jeweils unterste Schicht des Schichtaufbaus. Die elastische Schicht definiert eine unter der Einwirkung einer Betätigungskraft nachgebende Betätigungsfläche auf. Eine nachgiebige Betätigungsfläche im Sinne der Erfindung meint eine Betätigungsfläche, welche eine elastische und damit rückführbare Verlagerung der Betätigungsfläche aus einer unbetätigten Stellung und damit unbelasteten Stellung in eine gedrückte Stellung und damit in eine belastete Stellung ermöglicht und umgekehrt. Der Begriff „Schicht“ ist weit auszulegen. So ist erfindungsgemäß diese Schicht nicht auf einen planparallelen oder parallelen Verlauf seiner Außenflächen beschränkt.
Das Bedienelement weist einen unter der wenigstens einen elastischen Schicht angeordneten Kraftsensor zur Messung einer auf die Betätigungsfläche einwirkenden Betätigungskraft auf. Zur Übertragung der Betätigungskraft auf den Kraftsensor ist erfindungsgemäß ferner ein Stößel zwischen der elastischen Schicht und dem Kraftsensor vorgesehen. Es ist ferner eine Platine vorgesehen, auf der der Kraftsensor angeordnet und beispielsweise verlötet ist. Die Blende stützt sich erfindungsgemäß auf der Platine in dem den Kraftsensor umgebenden Bereich der Platine über das Abstützteil der Blende ab. Das Abstützteil und damit die Blende liegen somit unmittelbar an der Platine an. Damit wird die an der Betätigungsfläche anliegende Betätigungskraft präzise, ohne Relativbewegungsverluste zwischen Blende und Kraftsensor auf letzteren übertragen. Bevorzugt ist der maximale Hub der Betätigungsfläche auf 1 mm, bevorzugt auf 0,5 mm noch bevorzugter 0,1 mm, meist bevorzugt 0,05 mm beschränkt.
Zur Vermeidung von Spiel und damit zur Vermeidung von „Totgang“ bei der Kraftübertragung bzw. Krafteinwirkung auf den Kraftsensor sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Blende aus den erfindungsgemäßen Komponenten der elastischen Schicht und dem Abstützteil einstückig ausgebildet. Noch bevorzugter sind die Blende und der Stößel einstückig ausgebildet.
In einer Ausgestaltung sind mehrere Abstützteil vorgesehen, die gleichmäßig um den Kraftsensor herum verteilt angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Abstützteil so ausgebildet, dass es ein den Kraftsensor umgebendes Hohlvolumen zwischen der Platine und der elastischen Schicht definiert. Bevorzugt wird das Hohlvolumen zur Betätigungsfläche hin durch die elastische Schicht beziehungsweise den Schichtaufbau begrenzt und bevorzugt in der entgegengesetzten Richtung durch die Platine begrenzt ist. Beispielsweise definiert das Abstützteil einen Ring oder einen rechteckigen oder quadratischen Rahmen um den Kraftsensor. Bevorzugt ist das Abstützteil aus einem Material gefertigt, das wenigstens bezüglich der Betätigungsrichtung, d.h. in Richtung der Betätigungskraft, formstabiler als das Material der wenigstens einen elastischen Schicht ist. Bevorzugt ist das Abstützteil aus einem thermoplastischen Kunststoff mit geringerer Elastizität als das Material der elastischen Schicht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Abstützteil aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt, noch bevorzugter aus einem glasfaserverstärktem, thermoplastischem Kunststoff gefertigt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die elastische Schicht aus einem Kunststoff, bevorzugt aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt. Bevorzugt ist die wenigstens eine elastische Schicht eine Metallschicht. Bevorzugt weist die Blende einen Schichtaufbau aus mehreren elastischen Schichten auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der im Schichtaufbau ausgeführten Blende weist eine äußere, dem Kraftsensor nächstbenachbarte, d.h. die unterste Schicht des Schichtaufbaus eine höhere Elastizität als die anderen, d.h. darüberliegenden und der Betätigungsfläche näheren Schichten des Schichtaufbaus auf.
Beispielsweise dienen diese Schichten der einstückigen Verbindung zwischen Stößel und Blende.
Zur Bereitstellung eines hinterleuchtenden Symbols in der Betätigungsfläche der Blende sind der Stößel und ein an den Stößel angrenzender Bereich der Blende transparent oder transluzent ausgebildet. Beispielsweise ist der Stößel aus transparentem oder transluzentem Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt.
Bevorzugt sind die Blende, noch bevorzugter Blende und Stößel, in einem Spritzgussverfahren beispielsweise in einem 2-Komponenten-Spritzgussverfahren hergestellt.
Der Kraftsensor ist beispielsweise ein piezoelektrischer Kraftsensor, bevorzugt ist er ein kapazitiver Sensor. Beispielsweise umfasst er zwei beabstandete Elektroden, die eine mit der Krafteinwirkung veränderliche Kapazität definieren.
Bevorzugt weist der Drucksensor einen unter dem Stößel angeordneten Durchbruch auf und das Bedienelement umfasst ferner ein Leuchtmittel, beispielsweise eine LED, das zur Hinterleuchtung der Blende in oder unter dem Durchbruch angeordnet ist. Damit werden eine zentrische Anordnung der Lichtquelle und ein verkürzter und direkter Lichtweg erreicht. Beispielsweise ist eine oder beide Elektroden des kapazitiven Sensors mit einem zentralen Durchbruch versehen.
Bevorzugt ist das Leuchtmittel in SMD-Bauweise ausgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist ferner die Platine einen Durchbruch auf, und das Leuchtelement ist auf der dem Kraftsensor abgewandten Seite der Platine angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird der Durchbruch in der Platine und der Durchbruch im Kraftsensor durchleuchtet. Diese Ausführungsform gestattet eine zentrale Anordnung der Lichtquelle ohne die Funktionalität und Empfindlichkeit des Kraftsensors einzuschränken.
Bevorzugt weist der Stößel einen Dornfortsatz auf, der in den Durchbruch des Kraftsensors eingreift. Dieser Dornfortsatz ist vorgesehen, um die Positionierung des auf den Kraftsensor einwirkenden Endes des Stößels bezüglich des Kraftsensors sicherzustellen, gleichzeitig dient der Dornfortsatz der effektiven Lichteinkopplung. Die Oberfläche des Dornfortsatzes ist beispielsweise in Form einer Linse oder einen Linsenstruktur ausgebildet.
Zur Vermeidung von Kraftübertragungsverlusten ist der Stößel zwischen Kraftsensor und elastischer Schicht im nicht betätigten Zustand elastisch vorgespannt angeordnet. Der Stößel weist beispielsweise in Bezug auf den lichten Abstand zwischen Platine und unbelasteter elastischer Schicht ein geringes Übermaß auf.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus mehreren Bedienelementen in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf, die eine gemeinsame elastische Schicht ausbilden. Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform jedes einzelnen Bedienelements gelingen die Entkopplung der einzelnen Bedienelemente hinsichtlich der elektromechanischen Detektion der einzelnen Betätigungen und/oder deren optische Entkopplung. D.h. eine singuläre Betätigung eines einzelnen Bedienelements „überspricht“ u.a. aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Abstützelements hinsichtlich der Kraftmessung nicht auf die benachbarten Bedienelemente. Ferner ist eine Verformung der benachbarten unbetätigten Betätigungsflächen nicht oder zumindest im normalen Betrachtungsabstand visuell nicht wahrnehmbar. Bevorzugt weisen die Bedienelemente der Anordnung eine gemeinsame Blende aus elastischer Schicht und Abstützteil auf. Noch bevorzugter weisen sie eine gemeinsame Blende und eine gemeinsame Platine auf. Die Erfindung betrifft ferner die vorteilhafte Verwendung des Bedienelements in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise im Armaturenbrett.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht durch eine Anordnung erfindungsgemäßer Bedienelemente 1, 2;
2 eine Ansicht auf die Unterseite der erfindungsgemäßen Blende 3.
1 ist eine Schnittansicht durch eine Anordnung erfindungsgemäßer Bedienelemente 1, 2. Die Bedienelemente 1, 2 weisen eine gemeinsame Blende 3 auf, die u.a. eine elastische Schicht 4 aufweist. Die elastische Schicht 4 definiert für jedes Bedienelement 1, 2 jeweils eine Betätigungsfläche 12. Eine dort einwirkende Betätigungskraft F bewirkt ein elastisches Nachgeben der elastischen Schicht 4 in Richtung dieser Betätigungskraft F. Die der Betätigungskraft F folgende, elastische Verformung der elastischen Schicht 4 ist notwendig, da sich die elastische Schicht 4 über ein bezogen auf die Betätigungsfläche 12 äußeres Abstützteil 5 auf einer unter der Blende 3 angeordnete Platine 6 abstützt. Das Abstützteil 5 und die Platine 6 weisen gegenüber der elastischen Schicht 4 der Blende 3 eine höhere Formstabilität und eine geringere Elastizität auf. Das Abstützteil 5 ist so ausgestaltet, wie ferner die 2 zeigt, dass es für jedes einzelne Bedienelement 1, 2 jeweils ein Hohlvolumen 14 also eine Kammer zwischen der elastischen Schicht 4 und der Platine 4 ausbildet. Das Abstützteil 4 umgibt dabei rahmenartig dieses Hohlvolumen 14. Zentrisch in dem Volumen 14 ist ein Stößel 7 angeordnet, der der Übertragung der Betätigungskraft F von der elastischen Schicht 4 auf einen unter der Blende 3 angeordneten kapazitiven Kraftsensor 8 dient. Der Stößel 7 weist ebenfalls eine im Vergleich zur elastischen Schicht 4 höhere Formstabilität und geringere Elastizität auf und ist beispielsweise aus transparentem oder transluzentem PMMA hergestellt. Der Stößel 7 ist mit Übermaß in dem unbetätigten Hohlvolumen 14 aufgenommen. Der Stößel 7 kann als ein von der Blende 3 separates oder separierbares Teil ausgeführt sein. Er kann aber auch mit der Blende 3 einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise ist mit einer untersten Schicht eines Schichtaufbaus einstückig ausgebildet, wobei der Schichtaufbau Teil der Blende 3 ist.
Aufgrund seiner Transluzenz dient er somit ferner der Lichtübertragung von einem an oder auf der Platine 6 angeordneten Leuchtelement 9. Dazu weist die elastische Schicht 4 eine aus transluzentem Kunststoff hergestellten, darin eingebetteten Bereich 11 auf, der bei eingeschalteter Hinterleuchtung ein Symbol wiedergibt, welches der Funktionalität entspricht, die mit dem Bedienelement 1, 2 gesteuert oder geschaltet werden soll. Der Stößel 7 steht an seinem unteren Ende in Berührkontakt mit dem kapazitiven Kraftsensor 8, der durch zwei beanstandete Elektroden einen Messkondensator vorgibt, dessen Kapazität sich mit Kraftbeaufschlagung der oberen Elektrode und deren elastischer Verformung ändert und durch eine nicht näher gezeigte Messvorrichtung bestimmt wird. Die Elektroden des Kraftsensors weisen einen zentralen Durchbruch auf. In den Durchbruch 13 der oberen Elektrode ist formschlüssig ein Dornfortsatz 10 des Stößels 7 eingeführt, um die Position des Stößels 7 relativ zu dem Kraftsensor 8 sicherzustellen. Die untere Elektrode und die Platine 6 weisen einen zu dem vorgenannten Durchbruch koaxialen und deckungsgleichen Durchbruch auf, um mittels des auf der unteren Seite der Platine 6 angeordneten Leuchtelements, einer LED in SMD-Bauweise, eine Hinterleuchtung der Blende 3 zu erreichen, indem diese durch den Durchbruch in der Platine 6 und in dem Kraftsensor 8 über den Stößel 7 den transluzenten Bereich 11 in der elastischen Schicht 4 hinterleuchtet. Der Dornfortsatz 10 dient ferner der Lichteinkopplung.

Claims

Bedienelement (1, 2), aufweisend eine Blende (3), mit wenigstens einer elastischen Schicht (4), die eine unter der Einwirkung einer Betätigungskraft (F) nachgebende Betätigungsfläche (12) definiert und mit einem auf der der Betätigungsfläche (12) abgewandten Seite der elastischen Schicht (4) angeordneten und an die elastische Schicht (4) angrenzenden Abstützsteil (5); einen unter der elastischen Schicht (4) angeordneten Kraftsensor (8) zur Messung der auf die Betätigungsfläche (12) einwirkenden Betätigungskraft (F); einen Stößel (7) zwischen der elastischen Schicht (4) und dem Kraftsensor (8) und zur Übertragung der Betätigungskraft (F) auf den Kraftsensor (8); eine Platine (6), auf der der Kraftsensor (8) angeordnet ist, wobei sich die Blende (3) auf der Platine (6) in dem den Kraftsensor (8) umgebenden Bereich der Platine (6) über das Abstützteil (5) abstützt.
Bedienelement (1, 2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Blende (3), bevorzugt die Blende (3) und der Stößel (7), einstückig ausgebildet sind.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstützteil (5) so ausgebildet ist, dass es ein den Kraftsensor (8) umgebendes Hohlvolumen (14) zwischen der elastischen Schicht (4) und der Platine (6) definiert, das bevorzugt zur Betätigungsfläche (12) hin durch die elastische Schicht (4) oder den Schichtaufbau begrenzt ist und in der entgegengesetzten Richtung bevorzugt durch die Platine (6) begrenzt ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstützteil (5) aus einem Material gefertigt ist, das wenigstens bezüglich der Betätigungsrichtung steifer als das Material der wenigstens einen elastischen Schicht (4) ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Abstützteil (5) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine elastische Schicht (4) eine Metallschicht ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blende (3) einen Schichtaufbau aus mehreren elastischen Schichten aufweist.
Bedienelement (1, 2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine äußere, dem Kraftsensor nächstbenachbarte Schicht des Schichtaufbaus eine höhere Elastizität als die anderen Schichten des Schichtaufbaus aufweist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stößel (7) und ein an den Stößel (7) angrenzender Bereich (11) der Blende (3) transparent oder transluzent ausgebildet ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blende (3), bevorzugt Blende (3) und Stößel (7), in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (8) einen unter dem Stößel (7) angeordneten Durchbruch (13) aufweist und das Bedienelement (1, 2) ein Leuchtmittel (9) aufweist, das zur Hinterleuchtung der Blende (3) in oder unter dem Durchbruch (13) angeordnet ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Platine (6) ferner einen Durchbruch aufweist und das Leuchtelement (9) auf der dem Kraftsensor (8) abgewandten Seite der Platine (6) angeordnet ist, wobei der Durchbruch in der Platine und der Durchbruch (13) im Kraftsensor (8) durchleuchtet werden.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stößel einen Dornfortsatz aufweist, der in den Durchbruch des Kraftsensors eingreift.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftsensor (8) ein kapazitiver Sensor ist.
Bedienelement (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stößel (7) zwischen Kraftsensor (8) und elastischer Schicht (4) im nicht betätigten Zustand elastisch vorgespannt angeordnet ist.
Anordnung aus mehreren Bedienelementen (1, 2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens eine gemeinsame elastische Schicht (4), bevorzugt eine gemeinsame Blende (3) und eine gemeinsame Platine (6) ausbilden.
Verwendung des Bedienelements (1, 2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Kraftfahrzeug.