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Die Erfindung betrifft eine Geräte-Anordnung.
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Moderne Computer werden in zunehmendem Maße in Form sogenannter Tablet-Computer – in Fachkreisen auch vereinfacht "Tablets" genannt – hergestellt. Bei einem solchen Tablet handelt es sich um einen tragbaren Computer mit flacher Geometrie, der über ein in Form eines Touchscreens ausgebildetes, berührungsempfindliches Display verfügt. Das Display des Tablets dient gleichzeitig als Eingabeeinheit, was die separate Bereitstellung einer Tastatur oder einer Maus überflüssig macht. Tablets der neuesten Generation ähneln in ihrem Leistungsumfang jenem moderner Smartphones.
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Aufgrund ihrer einfachen Handhabung finden Tablet-Computer auch in zunehmendem Maße in explosionsgefährdeten Bereichen wie beispielsweise Bohrinseln o.ä. als Arbeitsgerät Anwendung. Für jedwede elektronische Geräte, die in solchen, explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen, gelten u.a. in der DIN-Norm EN 60079-0 definierte Anforderungen hinsichtlich der zwingend erforderlichen mechanischen Festigkeit der Geräte. Gerade die Displays herkömmlicher, kommerziell erhältlicher Tablet-PCs genügen den in dieser Norm spezifizierten Mindestanforderungen jedoch nicht.
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Eine Möglichkeit, die mechanische Festigkeit des Displays eines Tablets zu erhöhen, besteht nunmehr darin, auf dessen Oberseite eine zusätzliche, durchsichtige Glasscheibe mit hoher Glashärte anzubringen. Als problematisch im Zusammenhang mit einer solchen zusätzlichen Glasscheibe erweist sich jedoch die bei einem Touchscreen zwingend notwendige Detektion einer Berührung des Displays durch den Nutzer. Diese erfolgt in herkömmlichen Tablets typischerweise mittels oberflächen-kapazitiver Signaldetektion. Wird nun auf dem eigentlichen Display eine zusätzliche Glasscheibe angebracht, so besteht die Gefahr, dass die erforderliche Signalkopplung zwischen dem Benutzer, wenn dieser das Display bzw. die darauf angebrachte Glasscheibe berührt, und dem elektronischen Gerät nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit gewährleistet ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer Geräte-Anordnung mit einem ein Display aufweisenden elektronischen Gerät zu schaffen, die sich insbesondere für die Verwendung in einem explosionsgefährdeten Bereich eignet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, auf dem Display des elektronischen Geräts zwei jeweils durchsichtige Fensterscheiben anzubringen, wobei eine erste Scheibe aus einem, vorzugsweise gehärteten, Glas hergestellt ist. Die zweite Scheibe ist hingegen aus einer Keramik mit einer extrem hohen mechanischen Festigkeit hergestellt, wobei die erste Fensterscheibe sandwichartig zwischen dem Display und der zweiten Fensterscheibe angeordnet ist. Im Zusammenspiel ergibt sich ein mechanisch hochstabiler Aufbau – auch im Falle von von außen auf das Display wirkenden mechanischen Stößen – der beiden Fensterscheiben, welcher die erfindungsgemäße Geräte-Anordnung für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen wie etwa Bohrinseln etc. qualifiziert. Insbesondere erfüllt die erfindungsgemäße Geräte-Anordnung eine mechanische Schutzfunktion, so dass das elektronische Gerät die in der DIN-Norm EN 60079 “Explosionsfähige Atmosphäre Teil 0: Geräte-Allgemeine Anforderungen“ aufgeführten mechanischen Anforderungen im Zusammenhang mit Schlag- und Falltests. Dabei wird durch die Verwendung einer Keramik als Scheibenmaterial vermieden, dass zur Erzielung der gewünschten mechanischen Festigkeit ein Glas mit zu hoher Glasdicke herangezogen werden muss – ein solches würde sowohl den Benutzerkomfort bei der Benutzung des im Gehäuse angeordneten elektronischen Geräts mindern. Außerdem ergäben sich auch Probleme bei der kapazitiven Signalkopplung des Displays nach außen, so dass dieses im Gehäuse nicht mehr ohne weiteres Touchscreen verwendet werden könnte. Die genannten Probleme werden also bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gehäuses mit zwei aufeinander angebrachten Fensterscheiben, zum einen aus einem Glas, zum anderen aus einer Keramik, vermieden.
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Mittels der ersten Fensterscheibe, die in einer bevorzugten Ausführungsform eine Dielektrizitätszahl von wenigstens 7 aufweist, wird sichergestellt, dass die elektrische Gesamt-Kapazität der beiden Fensterscheiben in Kombination ausreichend hoch ist, um die vom Display des elektronischen Geräts bereitgestellte Touchscreen-Funktionalität auch bei auf dem Display befestigten Fensterscheiben zu gewährleisten. Entsprechend kann die zweite Fensterscheibe alternativ oder zusätzlich eine Dielektrizitätszahl von höchstens 7 aufweisen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das gehärtete Glas der ersten Fensterscheibe eine Vickershärte von wenigstens 4 HV 1, vorzugsweise zwischen 4 HV1 und 7 HV1, aufweisen. Dabei ist "HV" die Vickers-Härte. Alternativ oder zusätzlich kann die Keramik zweiten Fensterscheibe eine Vickers-Härte von wenigstens 14 HV 1 aufweisen. Auf diese Weise kann das Display besonders gut gegen von außen auf das elektronische Gerät wirkende mechanische Schläge und Stöße geschützt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die erste Fensterscheibe eine mechanische Festigkeit von 80 bis 90MPa aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Fensterscheibe eine mechanische Festigkeit von 150 bis 250MPa aufweisen. Dies führt zu einer weiter verbesserten mechanischen Stoßfestigkeit der gesamten Geräte-Anordnung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Geräte-Anordnung mit einer ersten Fensterscheibe ausgestattet werden, deren Elastizitätsmodul wenigstens 90GPa, vorzugsweise zwischen 90GPa und 100GPa, beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Fensterscheibe vorgesehen werden, deren Elastizitätsmodul der wenigstens 280GPa beträgt. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, haben eine verbesserte mechanische Festigkeit der beiden Fensterscheiben gegenüber Stoßbelastung zur Folge.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Geräte-Anordnung mit einer ersten Fensterscheibe ausgestattet werden, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 2W/mK beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Fensterscheibe derart ausgestaltet werden, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 15W/mK beträgt. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, erlauben eine verbesserte Abführung von vom Display des elektronischen Geräts erzeugter Abwärme.
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Vorzugsweise kann die erste Fensterscheibe eine Scheibendicke von 1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt von 1,5mm, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Fensterscheibe eine Scheibendicke von 0,1mm bis 0,5mm, besonders bevorzugt von 0,5mm, besitzen. Je dünner die zweite Fensterscheibe ausgebildet wird, desto positiver wirkt sich dies aufgrund der damit einhergehenden Gewichtsreduktion auf den Benutzerkomfort des mit einer solchen Fensterscheibe ausgestatteten elektronischen Geräts aus. Darüber hinaus gilt, dass die elektrische Kapazität der ersten bzw. zweiten Fensterscheibe mit zunehmender Scheibendicke jeweils abnimmt und mit zunehmender Dielektrizitätszahl ∊ zunimmt. Der bekannte Zusammenhang zwischen elektrischer Kapazität C, Scheibendicke d, und der Dielektrizitätszahl ∊ lautet dabei C = ∊ ∊0 A/d, wobei A die Querschnittsfläche der ersten/zweiten Fensterscheibe und ∊0 die Dielektrizitätskonstante ist. Die Kapazität der zweiten Fensterscheibe, die mit geringerer Scheibendicke d ausgebildet ist als die erste Fensterscheibe, besitzt materialbedingt auch eine niedrigere Dielektrizitätszahl ∊ als die erste Fensterscheibe. Die Kombination der ersten Fensterscheibe aus Glas in Kombination mit einer zweiten Fensterscheibe aus einer Keramik verleiht der Scheibenanordnung sowohl eine verbesserte mechanische Festigkeit als auch die erforderliche elektrische Koppelkapazität. Somit ist die für Nutzereingaben erforderliche kapazitive Kopplung zwischen dem Benutzer und dem Display des elektronischen Geräts auch bei der hier vorgestellten Scheibenanordnung mit Fensterscheiben hoher mechanischer Festigkeit und relativ hoher Scheibendicke sichergestellt. Die elektrische Gesamtkapazität CG aus den Einzelkapazitäten C1, C2 der beiden Fensterscheiben berechnet sich in bekannter Weise gemäß der Formel CG = (C1·C2)/(C1 + C2).
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Eine stabile Fixierung der ersten Fensterscheibe am Display kann erreicht werden, indem zwischen dem Display und der ersten Fensterscheibe eine erste Klebeschicht aus einem Klebstoff vorgesehen wird. Alternativ oder zusätzlich kann zur Befestigung der beiden Fensterscheiben aneinander auch zwischen der ersten Fensterscheibe und der zweiten Fensterscheibe eine zweite Klebeschicht aus demselben, oder, alternativ dazu, einem anderen geeigneten Klebstoff vorgesehen werden. Die Dielektrizitätszahl sollte bevorzugt im Wesentlichen jener ersten Fensterscheibe entsprechen.
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Um die Transparenz der beiden Fensterscheiben für einen Benutzer des Displays sicherzustellen, ist es zwingend erforderlich, als Klebstoffmaterial ein durchsichtiges Material, etwa einen Acrylat-Klebstoff zu verwenden.
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Darüber hinaus darf durch besagte Klebeschicht(en) die elektrische Gesamtkapazität der beiden Fensterscheiben nicht derart reduziert werden, dass dadurch die Touchscreen-Funktionalität des Displays beeinträchtigt würde. Folglich empfiehlt es sich, für den Klebstoff der Klebeschicht ein Material zu wählen, welches eine Dielektrizitätszahl von wenigstens 4 aufweist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Geräte-Anordnung,
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2 eine die kapazitiven Eigenschaften der in der Anordnung verbauten Fensterscheiben beschreibende. Schaltplanartige Darstellung der Geräte-Anordnung der 1.
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1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Geräte-Anordnung 1 in grobschematischer Darstellung.
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Die Geräte-Anordnung 1 umfasst ein elektronisches Gerät 2 in Form eines Tablet-Computers, das verschiedene herkömmliche elektronische und elektrische Komponenten – diese sind in 1 stark vereinfacht durch einen schraffierten und mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Bereich gekennzeichnet – und ein berührungsempfindliches Display 3 aufweist. Das Display 3 kann dabei eine Displaydicke dD von ungefähr 5 mm aufweisen. In Varianten des Beispiels sind auch andere Werte, beispielsweise im Bereich zwischen 3 mm und 10 mm, möglich. Ein Displayglas des Displays 3 kann ferner eine Dielektrizitätszahl ∊D zwischen 3 und 7 aufweisen.
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Wie 1 erkennen lässt, ist auf dem Display 3 ist eine durchsichtige erste Fensterscheibe 4a aus einen Glas angeordnet. Das Glas der Fensterscheibe 4a kann ein gehärtetes Glas sein. Für den Fall, dass die erste Fensterscheibe 4b aus einem solchen, gehärteten Glas hergestellt ist, empfiehlt sich ein Glas mit einer Vickers-Härte von wenigstens 4 HV1. Bevorzugt ist eine Variante mit einer Vickers-Härte von 4 bis 7 HV1. Auf einer vom Display 3 abgewandten Seite 5 der ersten Fensterscheibe 4a ist eine ebenfalls durchsichtige zweite Fensterscheibe 4b angebracht, die aus einer durchsichtigen Keramik hergestellt ist. Die Keramik der zweiten Fensterscheibe 4b kann eine Vickers-Härte von wenigstens 14 HV 1 aufweisen. Für die zweite Fensterscheibe 4b in Betracht kommt beispielsweise eine Keramikart, die dem Fachmann unter der Bezeichnung "Perlucor" bekannt ist.
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In einer Variante des Beispiels kann die Geräte-Anordnung 1 mit einer ersten Fensterscheibe 4a aus Glas ausgestattet werden, deren Elastizitätsmodul wenigstens 90GPa, vorzugsweise zwischen 90GPa und 100GPa, beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann für die zweite Fensterscheibe 4b eine Keramik verwendet werden, deren Elastizitätsmodul wenigstens 280GPa beträgt. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, haben eine verbesserte mechanische Festigkeit der beiden Fensterscheiben 4a, 4b gegenüber mechanischen Stößen zur Folge. Die erste Fensterscheibe 4a kann auch eine mechanische Festigkeit von 80 bis 90MPa aufweisen, die zweite Fensterscheibe von 150 bis 250MPa. Gerade die zweite Fensterscheibe 4b sorgt also für eine nochmals deutlich verbesserte Festigkeit der Anordnung aus den beiden Fensterscheiben 4a, 4b, was im Ergebnis eine verbesserte mechanische Stoßfestigkeit der gesamten Geräte-Anordnung bewirkt.
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In einer anderen Variante des Beispiels, welche mit der vorgenannten Variante kombiniert werden kann, kann die Geräte-Anordnung 1 mit einer ersten Fensterscheibe 4a ausgestattet werden, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 2W/mK beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Fensterscheibe vorgesehen werden, deren Wärmeleitfähigkeit wenigstens 15W/mK beträgt. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, erlauben eine verbesserte Abführung der vom Display 3 des elektronischen Geräts 2 erzeugter Abwärme.
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Das Material der ersten Fensterscheibe kann eine Dielektrizitätszahl ∊1 von wenigstens 7, vorzugsweise von wenigstens 10, aufweisen. Materialbedingt ist der Wert der Dielektrizitätszahl ∊2 der zweiten Fensterscheibe 4b geringer als jener ∊1 der ersten Fensterscheibe 4a. Bevorzugt ist ein Wert von weniger als 7. Die erste Fensterscheibe 4a weist ferner eine Scheibendicke d1 von ungefähr 1 mm auf. Vorstellbar sind selbstverständlich auch andere Werte, beispielsweise im Intervall zwischen 1mm und 2mm. Demgegenüber weist die zweite Fensterscheibe 4a mit einer Scheibendicke d2 von 0,5mm einen geringeren Wert auf als die erste Fensterscheibe 4a, besonders bevorzugt ist hier ein Wert von ungefähr 0,5mm. Auch hier sind in Varianten abweichende Werte möglich, bevorzugt sind jedoch Werte im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm. Zur Fixierung der ersten Fensterscheibe 4a am Display 3 ist zwischen dem Display 3 und der ersten Fensterscheibe 4a eine erste Klebeschicht 8a vorgesehen, die einen durchsichtigen Klebstoff umfasst. Als Material für den Klebstoff wird Acrylat verwendet. Es ist klar, dass die Klebeschicht 8a die elektrische Gesamtkapazität CG der beiden Fensterscheiben 4a, 4b ebenfalls beeinflusst. Folglich sollte der Klebstoff eine Dielektrizitätszahl von wenigstens 4 aufweisen. Die Verwendung desselben Klebstoffs unter Ausbildung einer zweiten Klebeschicht 9b empfiehlt sich auch zur Befestigung der zweiten Fensterscheibe 4b an der ersten Fensterscheibe 4a.
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Weiterhin kann die Geräte-Anordnung 1 um ein, insbesondere Gehäuse 13 mit einem Sichtfenster 10 ergänzt werden. Im Sichtfenster 10 sind dann wie in 1 gezeigt die beiden Fensterscheiben 4a, 4b angeordnet, um das Gehäuse 13 druckfest zu verschließen. Das elektronische Gerät 2 kann wie im Beispielszenario der 1 gezeigt auch mittels eines geeigneten Federungs-/Dämpfungsmechanismus 11, der mehrere federelastische Bauelemente 12, etwa aus einem Elastomer, umfassen kann, federelastisch am Gehäuse 11 gelagert werden. Das Display 3 einschließlich der beiden Fensterscheiben 4a, 4b ist berührungsempfindlich ausgebildet, d.h. die Touchscreen-Funktionalität des Displays 3 wird über die beiden Fensterscheiben 4a, 4b nach außen weitergegeben, so dass ein Benutzer 7 durch Berührung der zweiten Fensterscheibe 4b Eingaben am elektronischen Gerät 1 vorzunehmen vermag. Hierzu bedienen sich die beiden Fensterscheiben 4a, 4b dem einfachen Wirkprinzip der kapazitiven Kopplung, welches im Folgenden anhand der schaltplanartigen Darstellung der 2 näher erläutert werden soll.
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Die in 2 gezeigte elektrische Schaltungsanordnung 20 umfasst eine elektrische Spannungsquelle 21, welche ein Wechselspannungssignal, beispielsweise in der Art einer Rechteckspannung erzeugt und über die Signalleitung 22 an eine dem Fachmann bekannte elektronische Auswertungseinheit 23 überträgt. Letztere analysiert das von der Signalleitung 22 empfangene elektrische Signal. Die Spannungsquelle 21 und die Auswertungseinheit 23 können dabei Teil der Komponenten 6 des elektronischen Geräts 1 sein. Die Signalleitung 22 zwischen Spannungsquelle 21 und Auswertungseinheit 23 weist eine ständig vorhandene, konstante elektrische Kapazität C0 sowie einen ohmschen Widerstand R0 auf. welche auch die elektrische Kapazität des Displays 3 umfasst. Die erste und zweite Fensterscheibe 4a, 4b besitzen eine jeweilige elektrische Kapazität C1, C2, das Display 3 die Kapazität CD. Die elektrische Kapazität des menschlichen Körpers des Benutzers 7 des Displays 3 beträgt hingegen CM.
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Für den Fall, dass der Benutzer 7 die zweite Fensterscheibe 4b berührt, fungiert er als elektrischer Spannungsteiler, welcher den mit 24 bezeichneten Punkt der Signalleitung 22 über die Kapazitäten CD, C1, C2 des Displays 3 bzw. der beiden Fensterscheiben 4a, 4b und seinen Körper mit Kapazität CM mit der elektrischen Masse X verbindet. Eine derartige Berührung der Fensterscheibe 4b durch den Benutzer, die typischerweise stattfindet, um am elektronischen Gerät 2 eine Benutzereingabe vorzunehmen, ist in 2 abstrahiert mit Hilfe des elektrischen Schalters 25 wiedergegeben. In der geöffneten Position des Schalters findet keine Berührung der zweiten Fensterscheibe 4b durch den Benutzer 7 statt, und die beiden Fensterscheiben 4a, 4b mit ihren elektrischen Kapazitäten C1, C2 sowie das Display 3 mit Kapazität CD sind elektrisch von der Signalleitung 22 isoliert.
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Nur im geschlossenen Zustand des Schalters 25, welcher einer Berührung der Scheibe 4b entspricht, ist die vorangehend erläuterte elektrische Kopplung vorhanden. Bei geschlossenem Schalter 25 ändert sich jedoch – aufgrund der Kapazitäten CD, C1, C2, und CM die elektrische Signalform im Punkt 24 gegenüber einem Szenario, bei welchem der Schalter 25 geöffnet ist. Wie ausgeprägt nun diese Änderung der Signalform beim Umschalten des Schalters 25 ist, hängt u.a. stark von den Werten der Kapazitäten C1, C2 und CM ab. Dies bedeutet insbesondere, dass die durch die beiden Kapazitäten C1, C2 der ersten bzw. zweiten Fensterscheibe 4a, 4b festgelegte elektrische Gesamtkapazität CG der beiden Scheiben 4a, 4b gegenüber der Kapazität C0 nicht zu klein sein darf, da dann von der Auswertungseinheit 23 im Punkt 24 keine Änderung der Spannungsquelle 22 erzeugten Signalspannung mehr detektiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN-Norm EN 60079-0 [0003]
- DIN-Norm EN 60079 [0007]
