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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement mit Drucksensor. Aufgrund ästhetischer Gesichtspunkte und zur Schaffung von Gestaltungspielraum sind generell Bedienelemente mit beliebiger Kontur der Betätigungsfläche angestrebt. Darüber hinaus ist die Realisierung von möglichst geschlossenen Blenden und darin nicht erkennbaren Betätigungsflächen also solchen Bedienelementen ohne Spalt zwischen Betätigungsfläche und ruhender Blende ferner auch vor dem Risiko des Eindringens von Staub und Flüssigkeiten bevorzugt. Es besteht daher Bedarf nach Bedienelementen, deren Betätigungsfläche in möglichst beliebige Oberflächen der umgebenden Blende integriert werden kann, wobei ein möglichst unsichtbarer also spaltfreier Übergang zwischen Blende und Betätigungsfläche realisiert werden kann. Ferner sind insbesondere im Automobilbereich Bedienelement erwünscht, die eine bauraumsparende Auslegung haben und deren Gewicht aus Gründen der Betriebsstoffeinsparung gering ist.
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Ein Bedienelement im Schichtaufbau gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus
US 2013/0 076 375 A1 bekannt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 sowie durch die Verfahren der nebengeordneten Ansprüche 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.
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Das erfindungsgemäße Bedienelement weist einen Schichtaufbau auf. Der Schichtaufbau umfasst eine elastisch verformbare erste Schicht, die eine dem Bediener zugewandte Betätigungsfläche definiert. Die erste Schicht weist im Bereich der Betätigungsfläche eine Wölbung, beispielsweise Bombierung auf, so dass sich insbesondere eine unebene Betätigungsfläche ergibt. Die Wölbung kann die gesamte Betätigungsfläche umfassen. Erfindungsgemäß umfasst ist aber auch eine oder mehrere in einer ansonsten ebenen Betätigungsfläche liegende Wölbung. Die Wölbung kann eine Senke oder eine Erhöhung in der Betätigungsfläche ausbilden. Erfindungsgemäß wirkt sich die Wölbung auf beide Seiten der ersten Schicht aus, sowohl auf die die Betätigungsfläche definierende Oberfläche als auch auf die der Betätigungsfläche abgewandten und damit rückwärtige Oberfläche der ersten Schicht.
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Die erste elastisch verformbare Schicht ist beispielsweise eine äußere Schicht des Schichtaufbaus. Die elastische Verformbarkeit der ersten Schicht dient im Wesentlichen der Rückstellung aus einer betätigten Stellung in eine unbetätigte Stellung. Die erste Schicht ist erfindungsgemäß aus einem Kunststoff, bevorzugt einem thermoplastischen Kunststoff, wie Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat. Der Schichtaufbau umfasst ferner einen auf der dem Bediener abgewandten Seite der ersten Schicht angeordneten, im Vergleich zur ersten Schicht starren Stützkörper. Das Bedienelement umfasst ferner einen zwischen dem Stützkörper und der ersten Schicht angeordneten Drucksensor, auch Kraftsensor genannt, der als flexible Folie oder als flexibler Folienschichtaufbau ausgebildet ist oder in eine flexible Folie oder in einen flexiblen Folienschichtaufbau integriert ist. Der erfindungsgemäße Drucksensor ist ausgelegt, eine auf die Betätigungsfläche wirkende Betätigungskraft aufgrund seiner Verformung zwischen der ersten Schicht und dem Stützkörper zu detektieren. Der Drucksensor ist beispielsweise ein piezoelektrischer Drucksensor.
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Der Drucksensor ist beispielsweise elektrisch mit einer Auswerteinheit verbunden, die beim Vergleich des gemessenen Druckwertes mi einem vorgegebenen Wert im Falle des Überschreitens des vorgegebenen Wertes eine dem Bedienelement zugewiesene Schaltfunktion auslöst.
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Durch die Verwendung eines Drucksensors im Folienaufbau lassen sich nahezu beliebige Oberflächenkonturen der Betätigungsfläche realisieren, in dem eine erste verformbare Schicht durch den Sensorfolienaufbau hinterlegt wird. Der Stützkörper kann leicht durch geeignete Maßnahmen so ausgebildet werden, dass die Sensorfolie oder der Sensorfolienaufbau durch den Stützkörper hinterfüttert wird. Somit lässt sich neben dem hohen gestalterischen Spielraum ein Bedienelement mit äußerst geringem Bauvolumen, ein insbesondere flaches Bedienelement, bei geringem Gewicht realisieren.
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Bevorzugt liegt die dem Drucksensor zugehörige Folie oder der Folienaufbau vollflächig am Stützkörper an. Bevorzugt wird der Stützkörper durch Vergießen und Aushärten einer Vergussmasse ausgebildet. Der Stützkörper wird beispielsweise aus einem ausgehärtenden Harz wie, Epoxidharz oder einem ausgehärtenden Zweikomponentenklebstoff gebildet, wobei das Harz oder der Kleber im nicht gehärtenden, fließfähigen Zustand auf den Drucksensor aufgebracht werden. Dadurch lässt sich eine spielfreie und damit besonders präzise Funktion des Bedienelements realisieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Bedienelements sind mehrere in einer Reihe oder Matrix angeordnete Drucksensoren und mehrere den einzelnen Drucksensoren zugeordnete und damit in einer entsprechenden Matrix angeordnete Betätigungsflächen vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Auslegung der einzelnen Bedienelemente wird eine sehr kompakte Ausgestaltung eines multifunktionalen Bedienelements erreicht. Andererseits erlaubt der hohe Gestaltungsspielraum des erfindungsgemäßen Bedienelements auch eine sehr flexible Anordnung der einzelnen Betätigungsflächen, nämlich prinzipiell nahezu jede beliebige relative Ausrichtung der Betätigungsflächen zueinander.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung stützt sich die erste Schicht außerhalb der Betätigungsfläche unmittelbar am Stützkörper ab. Dadurch wird erreicht, dass die bei der Betätigung bewirkte Verformung und damit Verbiegung der ersten Schicht sich im Wesentlichen auf deren Bereich der Betätigungsfläche beschränkt. Insbesondere bei einer erfindungsgemäßen Auslegung des Bedienelements mit mehreren, benachbarten Drucksensoren und mehreren zugehörigen Betätigungsflächen, kann eine vergleichsweise eng benachbarte Anordnung der Betätigungsflächen gewählt werden, ohne dass es zu einem „Übersprechen” eines einzelnen betätigten Bedienelements auf die benachbarten unbetätigten Bedienelemente kommt. Bevorzugt ist eine jeweils um die Betätigungsfläche umlaufende Abstützung der ersten Schicht am Stützkörper vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des Bedienelements mit einer außerhalb der Betätigungsfläche liegenden unmittelbaren Abstützung der ersten Schicht am Stützkörper ein dem Abstützungsbereich aus der Richtung der Betätigungsfläche vorgelagertes und eingegrabenes Polsterteil aus im Vergleich zum Stützkörper weichem Material zwischen erster Schicht und Stützkörper vorgesehen. Dieses vergleichsweise weiche Polsterteil sorgt dafür, dass die Gefahr der Überbeanspruchung, wie Überdehnung, der ersten Schicht am zur Betätigungsfläche nächstbenachbarten Rand der Abstützung minimiert wird. Diese Überdehnung kann ansonsten eine bleibende plastische Verformung der ersten Schicht beinhalten und die Rückstellung der ersten Schicht in die unbetätigte Stellung beeinträchtigen. Das Material des Polsterteils weist bevorzugt ein Elastizitätsmodul auf, das größer ist als das des Stützkörpers, noch bevorzugter eins, das größer ist als das des Stützkörpers und das der ersten Schicht.
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Bevorzugt ist die erste Schicht wenigstens bereichsweise innerhalb der Betätigungsfläche transparent oder transluzent ausgebildet, um beispielsweise eine hinterleuchtbare Symbolfläche in der Betätigungsfläche anzuordnen.
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Bevorzugt ist ferner der Drucksensor bereichsweise transparent oder bereichsweise transluzent ausgebildet oder durchbrochen, um die erste Schicht durch eine auf Seiten des Stützkörpers angeordnetes Beleuchtungsmittel hinterleuchten zu können. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Stützkörper wenigstens bereichsweise transparent oder transluzent ausgebildet. Bevorzugt ist der der Betätigungsfläche nächstbenachbarte Bereich des Stützkörpers transparent oder transluzent ausgebildet.
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Bevorzugt ist die erste Schicht uneben ausgestaltet. Beispielsweise ist im Bereich der Betätigungsfläche eine dreidimensionale Erhebung zur Schaffung einer haptischen Orientierungshilfe vorgesehen.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Drucksensor um einen kapazitiven Sensor im flexiblen Folienschichtaufbau. Beispielsweise weist jeder Sensor zwei durch eine elastische Schicht getrennte, metallische Elektroden auf. Diese weisen eine Kapazität auf, deren durch eine Formänderung der elastischen Schicht bewirkte Änderung durch eine Auswerteinheit detektierbar ist und mit einem vorgegebenen Wert vergleichbar ist. Zur elektrischen Isolation der Elektroden sind beispielsweise weitere die Elektroden abdeckende Schichten vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bedienelements mit den folgenden Schritten. Erfindungsgemäß ist ein Bereitstellungsschritt einer elastisch verformbaren, ersten Schicht, die eine dem Bediener zugewandte Betätigungsfläche definiert. Ferner ist ein zeitlich nachfolgender Aufbringungsschritt wenigstens eines Drucksensors auf der dem Bediener abgewandten Seite der ersten Schicht, wobei der Drucksensor als flexible Folie oder als flexibler Folienschichtaufbau ausgebildet ist oder in eine flexible Folie oder in einen flexiblen Folienschichtaufbau integriert ist, vorgesehen. In einem nachfolgenden Aufbringungsschritt wird ein fließfähiges Material zur Ausbildung eines Stützkörpers auf den Drucksensor aufgebracht. In einem nachfolgenden Aushärtschritt wird das Material zu einem im Vergleich zur ersten Schicht starren Stützkörper ausgehärtet, so dass der Drucksensor ausgelegt ist, eine auf die Betätigungsfläche wirkende Betätigungskraft aufgrund seiner Verformung zwischen der ersten Schicht und dem Stützkörper zu detektieren. Der Stützkörper wird beispielsweise aus einem ausgehärtenden Harz wie, Epoxidharz oder einem ausgehärtenden Zweikomponentenklebstoff gebildet, wobei das Harz oder der Kleber im nicht gehärtenden, fließfähigen Zustand auf den Drucksensor aufgebracht werden.
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Durch die Verwendung eines Drucksensors im flexiblen Folienaufbau lassen sich nahezu beliebige Oberflächenkonturen der Betätigungsfläche realisieren, in dem eine erste verformbare Schicht durch den Sensorfolienaufbau hinterlegt wird. Der Stützkörper kann leicht durch geeignete Maßnahmen so ausgebildet werden, dass die Sensorfolie oder der Sensorfolienaufbau durch den Stützkörper hinterfüttert wird. Somit lässt sich neben dem hohen gestalterischen Spielraum ein Bedienelement mit äußerste geringem Bauvolumen, ein insbesondere flaches Bedienelement realisieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des zuvor beschriebenen Verfahrens wird in einem Zwischenschritt nach der Bereitstellung der ersten Schritt und vor dem Aufbringen des fließfähigen Materials ein Polsterteil aus im Vergleich zum Stützkörper weichen Material im Bereich um die Betätigungsfläche angrenzend an die erste Schicht angeordnet. Dieses vergleichsweise weiche Polsterteil sorgt dafür, dass die Gefahr der Überbeanspruchung, wie Überdehnung, der ersten Schicht am Rand der Betätigungsfläche minimiert wird. Diese Überdehnung kann ansonsten eine bleibende plastische Verformung der ersten Schicht beinhalten und die Rückstellung der ersten Schicht in die unbetätigte Stellung beeinträchtigen.
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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:
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1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
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2 eine weitere Schnittansicht durch die erste Ausführungsform der 1;
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3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
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4 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
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5 eine perspektivische Rückansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
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6 eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Es weist einen Schichtaufbau mit einer äußeren, im Wesentlichen aus einem elastischen Kunststoff bestehenden, ersten Schicht 2 auf. Die erste Schicht 2 definiert eine Bedienoberfläche 13. Die erfindungsgemäße Wölbung der ersten Schicht 2 weist eine ausschließlich senkrecht zur Papierebene der Figur verlaufende Krümmung auf, so dass sie bei dem in 1 gezeigten, senkrecht zur Krümmungsebene verlaufenden Schnitt, wie auch in den noch zu beschreibenden 2, 3 und 4, nicht zu erkennen ist. Die Bedienoberfläche 13 umfasst mehrere, in einer Reihe angeordnete Betätigungsflächen 6.
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Die erste Schicht 2 samt Betätigungsflächen 6 ist einstückig ausgebildet. Es ist kein die Betätigungsfläche 6 umgebender Spalt in der Bedienoberfläche 13 vorgesehen. Auf der dem Bediener abgewandten Seite der ersten Schicht 2 ist angrenzend an die erste Schicht 2 jeweils im Bereich der Betätigungsfläche 6 ein Drucksensor 5 vorgesehen. Der Drucksensor 5 ist jeweils als kapazitiver flexibler Foliensensor ausgebildet. Jeweils angrenzend an den Drucksensor 5 ist ein Stützkörper 3 aus einem ausgehärteten Vergussmaterial angeordnet, so dass beim Einwirken einer Betätigungskraft FB auf die erste Schicht 2 im Bereich der Betätigungsfläche 6 eine durch Kapazitätsänderung messbare Deformation des Drucksensors 5 zwischen der ersten Schicht 2 und dem Stützkörper 3 auftritt. Der Stützkörper 3 wird beispielsweise aus einem ausgehärtenden Harz wie, Epoxidharz oder einem ausgehärtenden Zweikomponentenklebstoff gebildet, wobei das Harz oder der Kleber im nicht gehärtenden, fließfähigen Zustand auf den Drucksensor 5 aufgebracht werden. Der Stützkörper 3 erstreckt sich vollflächig über die Kraftsensoren 5 und den zwischen den Sensoren 5 liegenden Raum. Durch das Vergießen wird zwischen den Kraftsensoren 5 ein Abstützbereich 7 ausgebildet, in dem sich die erste Schicht 2 unmittelbar an dem Stützkörper 3 abstützt. Von der Betätigungsfläche 6 ausgesehen ist dem Abstützbereich ein die Betätigungsfläche 6 umlaufendes Polsterteil 4 vorgelagert angeordnet. Dessen Material weist ein Elastizitätsmodul auf, das größer ist als das des ausgehärteten Stützkörpers 3 und größer ist als das der ersten Schicht 2. Das Polsterteil 4 ist beispielsweise ringförmig, beispielsweise als quadratischer Ring oder als Kreisring, ausgebildet und schützt die erste Schicht 3 vor Überdehnung am Rand der Betätigungsfläche 6. Die in 2 gezeigte Schnittansicht ist eine weitere Schnittansicht der in 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Ausführungsform. Die in 2 gezeigte, zweite Ausführungsform des Bedienelements 1 unterscheidet sich im Wesentlichen von der ersten aus den 1 und 2 dadurch, dass der die Drucksensoren 5 beinhaltende Folienschichtaufbau 8 sich vollflächig über die dem Bediener abgewandte Rückseite der ersten Schicht 2 erstreckt, so dass es an dem Abstützbereich 7 fehlt, in dem die erste Schicht 2 sich unmittelbar an dem Stützkörper 3 abstützt. Die in 4 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen im Wesentlichen dadurch, dass die erste Schicht 2, der Drucksensor 5 sowie der Stützkörper 3 bereichsweise transluzent ausgebildet sind. Wobei der transparente, in der Betätigungsfläche 6 angeordnete transluzente Bereich 12 der ersten Schicht 2 ein Symbol wiedergibt, das der Funktionsbelegung des Bedienelements 1 entspricht. Dieses ist durch den transluzenten Bereich 9 des Stützkörpers 3 und den transluzenten Drucksensor 5 durch ein nicht dargestelltes Leuchtelement hinterleuchtbar.
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Die 5 und 6 zeigen in perspektivischer Darstellung eine vierte und fünfte Ausführungsform. 5 ist eine Rückansicht. In der Darstellung der vierten Ausführungsform ist die Wölbung der ersten Schicht 2, nämlich im Wesentlichen lediglich eine Krümmung in einer Richtung, gezeigt. Die Posterteile 4 sind bei dieser Ausführungsform als quadratischer Ring ausgebildet, in deren Zentrum jeweils ein Kraftsensor 5 angeordnet ist. Es sind ferner elektrische Leitungen 10 zur elektrisch leitenden Verbindung der Kraftsensoren 5 mit einer nicht dargestellten Auswerteinheit vorgesehen. 6 zeigt eine perspektivische Sicht auf die von der ersten Schicht 2 definierten Bedienoberfläche 13, in die die Betätigungsfläche 6 integriert ist. Anhand der fünften Ausführungsform der 5 wird deutlich, dass durch die flexible Anpassungsmöglichkeit der im flexiblen Folienaufbau realisierten Kraftsensoren 5 einerseits und durch die Hinterfüllung mit dem ursprünglich fließfähigen Material 3 des Stützkörpers eine nahezu beliebige Ausgestaltung der ersten Schicht 3 und deren Wölbung und damit der Bedienoberfläche 13 samt Betätigungsfläche 6 ermöglicht ist.
