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Die Erfindung betrifft, gemäß dem Patentanspruch 1, eine berührungssensitive Bedienvorrichtung mit Luftkondensatoren und flexibler Leiterplatte.
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Zur Bedienung von Geräten wie z. B. Kühlschränke, Herde, Kaffeeautomaten, Handys, Smartphones, Bürogeräte, Messgeräte, Bankterminals, Spielkonsolen, Kassen usw. haben sich in den letzten Jahren berührungsempfindliche Sensortasten und sogenannte „Touchscreens”, d. h. berührungsempfindliche Anzeige-/Bedienfelder in der Art eines Bildschirms, eingeführt. Es gibt verschiedene Arten von Berührungssensoren/Touchscreens, nämlich resistive Berührungssensoren/Touchscreens, Berührungssensoren/Touchscreens mit akustischen Oberflächenwellen (SAW: Surface Acoustic Wave), induktive und kapazitive Berührungssensoren/Touchscreens (Oberflächen-kapazitive Systeme oder projiziert-kapazitive Systeme).
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Aus der
EP 1 704 642-B1 ist eine Bedieneinrichtung für ein Elektrogerät mit einem formveränderlichen oder elastischen Bedien-Feld und mindestens einem kapazitiven Sensorelement bekannt. Das formveränderliche oder elastische Bedien-Feld wird durch Drücken bzw. Auflegen eines Fingers mit Druck darauf verformt, wobei als die Bedienung auslösender Druck eine Kraft von etwa der Größenordnung einiger Newton anzusetzen ist. Unter dem Bedien-Feld ist ein kapazitives, vorzugsweise flächiges Sensorelement in Form einer elektrisch leitfähigen unteren Sensor-Fläche angeordnet. Diese bildet eine Kondensatorplatte des kapazitiven Sensorelements. Zwischen Bedien-Feld und Sensorelement bzw. Sensor-Fläche ist eine Dielektrikums-Schicht vorgesehen. Auf der Außenseite bzw. Oberseite ist das Bedien-Feld metallisch bzw. elektrisch leitfähig. Wird auf das Bedien-Feld gedrückt, so nähert sich dieses an die untere Sensorfläche an, die Dielektrikums-Schicht wird dünner und es erfolgt eine Kapazitätsänderung an dem Sensorelement. Diese Kapazitätsänderung wird durch eine entsprechende Auswertung überwacht und ab einer bestimmten Größe, welche in der Regel einem bestimmten Druck und damit einer bestimmten Durchbiegung des Bedien-Feldes entspricht, als gewollte Bedienung ausgewertet. Der Vorteil liegt vor allen darin, dass ein kapazitives Sensorelement mit den Vorteilen seiner Ansteuerung und Auswertung auch mit einer metallischen Oberfläche des zugehörigen Bedien-Feldes versehen sein kann. Insbesondere ist eine Integration in eine größere metallische Fläche möglich, von der ein nicht abgetrennter Bereich, der jedoch optisch gekennzeichnet sein kann, als Bedien-Feld verwendet wird. Vor allem ist es auch möglich, mehrere unterschiedliche Sensorelemente bzw. Bedien-Felder unter einer durchgängigen metallischen Fläche vorzusehen, ohne dass es zu gegenseitigen Beeinflussungen oder Störungen der Sensorelemente kommt. Das Bedien-Feld bzw. das Material, aus dem es besteht, kann durchgängig elektrisch leitfähig sein und besteht es aus einer Materialschicht. Wenn es im Bereich der Bedieneinrichtung oder der des einen Bedien-Feldes oder mehrerer Bedien-Felder unterbrechungsfrei ausgebildet ist, kann eine leicht zu reinigende und relativ unempfindliche Oberfläche für die Bedieneinrichtung geschaffen werden. Das Bedien-Feld kann aus dünnem Metall, beispielsweise in der Dicke einer Metallfolie mit weniger als 1 mm Dicke, insbesondere wenigen 100 μm Dicke, ausgebildet sein. Als Material bieten sich grundsätzlich beliebige Metalle an, deren Elastizität für die genannten Anforderungen ausreicht. Insbesondere kann Edelstahl oder ein verchromtes Metall verwendet werden, die aufgrund ihrer Eigenschaften bezüglich Korrosionsbeständigkeit bedeutende Vorteile aufweisen. Die Dielektrikums-Schicht kann grundsätzlich vielfältig ausgebildet sein. Über die zugehörige Dielektrizitätskonstante kann die Kapazität als Absolutwert am Sensorelement beeinflusst werden. Die hauptsächliche Anforderung an das Dielektrikum ist eine Kompressibilität durch eine eingangs genannte vorteilhafte Betätigungskraft. Es ist insbesondere auch möglich, Luft als Dielektrikums-Schicht vorzusehen. Dazu wird vorteilhaft einfach ein gewisser Abstand zwischen Sensor-Fläche bzw. Sensorelement und Bedien-Feld gelassen. Die Dielektrikums-Schicht kann dünner sein als 1 mm, vorzugsweise im Bereich weniger 100 μm liegen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind mehrere Sensorelemente mit jeweils Sensor-Fläche und Bedien-Felder darüber sowie die Dielektrikums-Schichten dazwischen vorgesehen, und zwar nebeneinander angeordnet mit einem gewissen Abstand zueinander. Insbesondere lässt sich dann eine Vereinfachung erreichen, wenn die Bedien-Felder aus einem durchgängigen Material, insbesondere Flachmaterial, wie beispielsweise Metallblech oder Metallfolie, gefertigt sind. Vorteilhaft sind dabei keine Durchbrüche vorgesehen, so dass eine Oberfläche wasserdicht ist und leicht gereinigt werden kann. Unterbrechungen, Ausnehmungen oder dergleichen, beispielsweise um die geringe Dicke für eine Elastizität zum Zusammendrücken zu erreichen, sind bevorzugt an der Unterseite, also zu den Sensorelementen hin, vorgesehen. Eine Sensor-Fläche kann mit einem gewissen Abstand, insbesondere wenige Millimeter, von einer leitfähigen Fläche umgeben sein, wobei diese eine Massefläche bildet. Bei einer Bedieneinrichtung mit mehreren Sensorelementen nebeneinander ist es von Vorteil, wenn eine gemeinsame und elektrisch verbundene bzw. durchgängige Massefläche vorgesehen ist. Diese kann bei einem Herstellungsverfahren aus derselben Metallschicht wie die Sensorfläche-Flächen herausgebildet sein, wobei sie durch Strukturieren elektrisch getrennt wird. Um die Sensor-Fläche sowie eine eventuelle Massefläche von einer unter Umständen elektrisch leitfähigen Unterseite der Bedien-Felder zu trennen sowie um den Raum zwischen Sensor-Fläche und Bedien-Feld für die Dielektrikums-Schicht zu schaffen, kann eine Abstands-Schicht vorgesehen sein. Diese sollte aus isolierendem Flachmaterial bestehen, welches auch als bearbeitbare Schicht aufgebracht werden kann. Es ist möglich, im Bereich der Sensor-Flächen Aussparungen vorzusehen, um dadurch die Dielektrikums-Schicht aus Luft zu bilden. Alternativ ist es möglich, die Abstands-Schicht aus einem Material mit geeigneter Dielektrizitätskonstante und geeigneter Dicke auszubilden, welches sich dann zwischen Sensor-Fläche und Bedien-Feld befindet und in ausreichendem Maß kompressibel sein sollte.
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Eine ähnliche Bedieneinrichtung für ein Haushaltsgerät mit einem formveränderlichen oder elastischen Bedien-Feld und mindestens einem kapazitiven Sensorelement ist aus dem
DE 20 2011 110 179-U1 bekannt. Ein Nachteil des aus der
EP 1 704 642-B1 bekannte Aufbaus, bei dem die andere Kondensatorplatte sich auf einer Leiterplatte befindet und als Leiterbahnstruktur ausgebildet ist, wobei die Leiterplatte dabei gleichzeitig der Schaltungsträger für die Schaltfunktionsauswertung und Signalaufbereitung ist, ist jedoch darin zu sehen, dass die Metalloberfläche elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sein muss. Um mögliche gefährliche elektrische Spannungen auf der berührbaren Metalloberfläche auszuschließen, ist eine galvanische Trennung der Schaltauswerteelektronik von der Netzversorgungsspannung erforderlich. Um eine Bedienvorrichtung zu schaffen, bei welcher ein kapazitiv arbeitendes Bedienelement im Hinblick auf die Betätigung und sichere Signaldetektion verbessert ist, umfasst die aus dem
DE 20 2011 110 179-U1 bekannte Bedienvorrichtung zumindest ein kapazitives Bedienelement, welches eine erste Kondensatorplatte und eine zweite Kondensatorplatte aufweist. Die erste Kondensatorplatte ist auf einer Leiterplatte ausgebildet und die zweite Kondensatorplatte ist über der ersten Kondensatorplatte angeordnet. Die zweite Kondensatorplatte ist relativ zur ersten Kondensatorplatte verformbar, so dass abhängig von der Verformung eine Abstandsänderung zwischen den beiden Kondensatorplatten erzeugbar ist. Abhängig von der Abstandsänderung ist eine mit der Betätigung des Bedienelements gekoppelte Bedienfunktion auslösbar. Zwischen der zweiten Kondensatorplatte und der Leiterplatte ist eine elektrisch leitfähige Kontaktfederplatte kontaktfrei zur ersten Kondensatorplatte angeordnet. Die elektrisch leitfähige Kontaktfederplatte ist darüber hinaus in elektrischem Kontakt zur Leiterplatte und auch in elektrischem Kontakt zur zweiten Kondensatorplatte angeordnet. Die Kontaktfederplatte weist ein Loch auf, welches im Bereich zwischen der ersten Kondensatorplatte und der zweiten Kondensatorplatte positioniert ist. Der vertikale Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten ist daher durch die Kontaktfederplatte nicht bedeckt. Durch eine derartige Ausgestaltung der Bedienvorrichtung kann eine elektrische Kontaktierung zwischen elektrisch leitfähigen Bereichen der Leiterplatte und der zweiten Kondensatorplatte erreicht werden. Dadurch kann der Bauraum minimiert und funktionell zuverlässig eine galvanische Trennung erfolgen, so dass die zweite Kondensatorplatte ohne unerwünschte Spannungsbeaufschlagung betrieben werden kann. Insbesondere dann, wenn diese zweite Kondensatorplatte die äußere Bedienfläche der Bedienvorrichtung darstellt, die von einem Nutzer beispielsweise mit einem Finger direkt berührt werden kann, ist eine derartige Ausgestaltung vorteilhaft, wobei eine galvanische Trennung zur Netzspannung ausgebildet ist oder Mindestabstände im Hinblick auf Luft- und Kriechstrecken vorgesehen sind. Die Kontaktfederplatte weist am Rand des Lochs zumindest eine Lasche auf, welche mit der Leiterplatte und der zweiten Kondensatorplatte in elektrischem Kontakt ist, wodurch an dieser Stelle somit die elektrische Kontaktierung hergestellt wird. Die Lasche stellt ein besonders flexibles Element dar, welches auch bei einer relativen Bewegbarkeit zwischen den beiden Kondensatorplatten, insbesondere aufgrund der Verformung der zweiten Kondensatorplatte bei einer Betätigung stets im Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Bereich der Leiterplatte und der zweiten Kondensatorplatte bleibt. Die Lasche ist gegenüber der Ebene der Kontaktfederplatte schräg bzw. verdreht angeordnet, so dass durch die Lasche auch ein Distanzelement gebildet ist, durch welches sich ein im Vergleich zur umgedrehten Position größerer Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte ergibt. Der Höhenabstand zwischen der Ebene der Kontaktfederplatte und einem davon maximal in vertikaler Richtung betrachtet entfernten Punkt einer gedrehten Lasche zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, insbesondere zwischen 0,25 mm und 0,35 mm, beträgt. Die Dicke der Kontaktfederplatte liegt vorzugsweise zwischen 0,02 mm und 0,1 mm, insbesondere 0,05 mm. Die Auslegung der Kontaktfederplatte ist insbesondere so gewählt, dass durch deren Materialstärke (Federhärte), durch die Länge und Breite der zumindest einen Lasche und deren Schränkung eine dauerelastische elektrische Kontaktierung zwischen der zweiten Kondensatorplatte und dem Kontaktbereich gewährleistet ist. Da die Federn gleichzeitig eine faradaysche Funktion übernehmen werden die Spalten zwischen den Laschen nicht als eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung gesehen (faradayscher Effekt). Insbesondere bilden sie die äußere radiale Begrenzung des Kondensators. In radialer Richtung ist diese Lasche somit so kurz bemessen, dass sie in zusammengebautem Zustand der Bedienvorrichtung und ihrer gedrehten Stellung nicht mit der ersten Kondensatorplatte in elektrischen Kontakt kommt. Der vertikale Raum zwischen der ersten Kondensatorplatte und der zweiten Kondensatorplatte ist im Flächenbereich der ersten Kondensatorplatte frei von diesen Laschen, so dass hierin lediglich ein freier Luftraum gebildet ist. Die zweite Kondensatorplatte ist als Metallplatte ausgebildet, welche ein zur Berührung durch einen Nutzer vorgesehenes äußeres Bauteil der Bedienvorrichtung ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist dann vorgesehen, dass durch direktes Auflegen eines Fingers eine Betätigung erfolgt, wobei insbesondere eine galvanische Trennung von der Netzspannung ausgebildet ist. Bei einer alternative Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Kondensatorplatte in der Bedienvorrichtung innen liegend angeordnet ist und somit nicht durch einen Finger direkt zugänglich und berührbar ist. Eine derartig positionierte zweite Kondensatorplatte ist dann nur indirekt über weitere von einem Nutzer berührbare Bauteile zur Verformung der als Metallplatte ausgebildeten zweiten Kondensatorplatte verbunden und somit nur indirekt betätigbar. Hierzu weist die Bedienblende eine ebene Außenfläche mit zumindest einer Berührzone auf, wobei die Berührzone mit einem unter der Bedienblende angeordneten längenstabilen Betätigungsstößel gekoppelt ist, und der Betätigungsstößel andererseits mit der zweiten Kondensatorplatte gekoppelt ist, so dass eine durch Betätigung hervorgerufene Verformung der Bedienblende an der Berührzone auf die zweite Kondensatorplatte übertragbar ist. Ein derartiger starrer und in seiner Länge nicht verformbarer Betätigungsstößel ermöglicht somit eine sehr direkte und genaue Bewegungsübertragung, wenn die Bedienblende durch einen Nutzer außenseitig an der Berührzone gedrückt wird. Da bei derartigen kapazitiven Bedienelementen die Abstandsänderungen auf Grund der relativ starren Metallplatte von beispielsweise 0,3 mm Dicke sich nur im Mikrometerbereich bewegen und eine sehr genaue Detektion erfolgen muss, kann durch einen derartig steifen und starren Betätigungsstößel auch eine sehr geringe Verformung der Bedienblende direkt auf die zweite Kondensatorplatte übertragen werden, so dass auch hier geringste Verformungen und damit verbundene Abstandsänderungen zwischen den Kondensatorplatten sicher und zuverlässig detektiert werden können. Die Betätigungskraft ist mit 2 N bis 8 N, vorzugsweise 4 N +/– 1 N, vorgegeben.
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Bei kapazitiven Schaltern ist anwendungsspezifisch eine Schaltschwelle auf einen fixen Pegel festzulegen, der sich bei Annäherung bzw. Berühren der Oberfläche der kapazitiven Schaltereinrichtung einstellt. Bei Über- oder Unterschreiten dieser Schaltschwelle wird ein Schaltvorgang, beispielsweise in einem Haushaltsgerät, ausgelöst. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass durch Kopplungsschwankungen der kapazitiven Koppelung, beispielsweise zwischen dem Finger und dem kapazitiven Schalter, die Signalpegel der kapazitiven Schalter schwanken und ein Erreichen der Schaltschwelle nicht immer sichergestellt werden kann. Die Kopplungsschwankungen können beispielsweise aufgrund wechselnden Massebezugs des Menschen oder aufgrund von Umwelteinflüssen verursacht werden. Um einerseits das Erreichen einer vorbestimmten Schaltschwelle sicherzustellen und andererseits zwischen einer Annäherung und einer Berührung eindeutig zu unterscheiden, ist aus der
DE 20 2008 013 083-U1 eine Einrichtung für die Berührungs-/Näherungsdetektion bekannt, welche eine Elektrodenstruktur, mit mindestens einer Detektorelektrode E1 und mindestens einer in einem vorbestimmten Abstand zur Detektorelektrode E1 angeordnete Hilfselektrode E2, mindestens zwei Modulationsmittel mit einer Einkoppelelektrode, und mindestens eine Detektionseinrichtung aufweist. Die mindestens eine Detektorelektrode E1 ist über die Modulationsmittel mit der Detektionseinrichtung koppelbar, wobei die Detektionseinrichtung dazu ausgestaltet ist, kapazitive Koppelungen zwischen den Elektroden E1, E2 und einem Objekt zu detektieren. Die Annäherung eines Objektes, beispielsweise eines Fingers, an die Elektroden E1, E2 bewirkt, dass sich die Koppelkapazitäten zwischen den Elektroden E1, E2 und dem Finger ändern. Die Änderungen dieser Koppelkapazitäten bewirken, dass sich auch die Modulation des an der Einkoppelelektrode eingekoppelten elektrischen Wechselfeldes ändert. Diese Änderung wird wiederum durch Detektion der modulierten Last von der Detektionseinrichtung detektiert. Damit die Detektionseinrichtung 200 die beiden von den Modulationseinrichtungen und amplitudenmodulierten Signale unterscheiden kann, ist es vorteilhaft, wenn beide Modulationseinrichtungen die Signale mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz amplitudenmodulieren. Das Berühren der Hilfselektrode E2 führt zu einem sprunghaften Anstieg der Gesamtkapazität zwischen dem Finger 260 und der Detektorelektrode E1, da sich die Gesamtkapazität sprunghaft der Koppelkapazität C1 nähert entsprechend zwei in Reihe geschalteter Kondensatoren, wobei mit zunehmender Annäherung des Fingers an die Hilfselektrode E2 die Koppelkapazität im Vergleich zur konstant bleibenden Koppelkapazität stark ansteigt, was bei der Berührung schließlich dazu führt, dass die Gesamtkapazität nahezu der Koppelkapazität C1 entspricht. Im Ersatzschaltbild würde dies einer Koppelkapazität mit in Serie geschaltetem sehr kleinem Widerstand entsprechen. Dieser sprunghafte Anstieg der kapazitiven Koppelung C1 führt wiederum zu einem sprunghaften Anstieg des von der Detektionseinrichtung berechneten bzw. ermittelten Signals.
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Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete Bedienvorrichtungen mit kapazitiven Sensorelementen und Auswertevorrichtung für die Auswertung der Koppelkapazität zwischen Objekt und Sensor bekannt. Jedoch fehlt in der Praxis eine Vorrichtung, welche ohne formveränderliches oder elastisches Bedien-Feld zur Änderung des Abstands der Elektroden des Kondensators eine zuverlässige Detektion der Kapazitätsänderung bei Berührung verwirklicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Bedienvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass die Sensoren als Luftkondensatoren ausgestaltet sind, welche eine allen Sensoren gemeinsame Metallplatte als Bedieneroberfläche und welche als Messelektrode jeweils eine im Abstand auf der ersten Lage einer mehrlagigen Leiterplatte zueinander angeordnete Sensorfläche aufweisen, dass zwischen der Metallplatte und erster Lage der Leiterplatte eine Luftschicht bestimmter Dicke ausgestaltet ist, wobei dieser Abstand durch mehrere im Abstand zueinander angeordnete Abstandshalter aus isolierendem Material bestimmt wird, dass zwischen dritter Lage, welche bestückt ist, und erster Lage der Leiterplatte eine Abschirmung angeordnet ist, dass ein allen Sensoren gemeinsamer Guardsensor vorgesehen ist, welcher über eine Verbindungsleitung mit einer in der Auswertevorrichtung angeordneten Steuereinrichtung verbunden ist, dass zur Einspeisung eines Prüfsignals alle Messelektroden mit einer gemeinsamen Modulationsstromquelle oder einer gemeinsamen Kompensationsstromquelle in Verbindung stehen und dass bei Berührung der Metallplatte durch einen Bediener, wobei dessen Kapazität zwischen Erde und Metallplatte in Serie geschaltet ist, das jeweilige Messsignal über eine Verbindungsleitung der Auswerteschaltung zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Bedienvorrichtung weist den Vorteil auf, dass die Messelektroden nur indirekt berührt werden und keine Spannung auf der allen Sensoren gemeinsamen Metallplatte, welche zugleich als Bedieneroberfläche dient, anliegt. Die GND-Elektrode der Sensoren ist nicht integriert, sondern wird vom zu detektierenden Objekt dargestellt und die Sensoren zeichnen sich durch geringe Empfindlichkeit gegen Verschmutzung und Betauung aus. Durch die Montage der Leiterplatte auf der Rückseite einer homogenen, durchgehenden Metalloberfläche sind keine Ausbrüche, Aussparungen oder anderen Prozessschritte notwendig, um für ein komplettes Einbaumodul mit Stromversorgung, bestückter Leiterplatte und Sensoren Platz zu schaffen. Dabei wird durch die Kombination aus Dielektrikums-Schicht aus Luft, deren Schichtdicke durch mehrere im Abstand zueinander angeordnete Abstandshalter aus isolierendem Material bestimmt wird, und Abstandshalter die Berührungssensorikempfindlichkeit der Sensoren weiter verbessert wird.
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In Weiterbildung der Erfindung sind, gemäß Patentanspruch 2, die Sensorflächen zeilenweise angeordnet und nach dem Anlegen der Spannung und Betriebsbereitschaft fragt die Steuereinrichtung zunächst in einem ersten Messzyklus alle ungeradzahligen Sensorflächen und dann alle geradzahligen Sensorflächen ab, wobei während des Abtastvorgangs inaktive Sensorflächen mit der Abschirmung verbunden sind.
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Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass der Ort der Berührung indirekt über den größeren Anstieg der Gesamtkapazität (im Vergleich zur übernächsten Messelektrode) zwischen dem Finger des Bedieners und der jeweiligen Messelektrode berechnet wird, da die beiden unmittelbar benachbarten Messelektroden inaktiv und mit der Abschirmung verbunden sind, d. h. deren (geringeres) elektrisches Feld beeinflusst die Kapazitätsänderung in geringerem Maße.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung in kombinierter Schnitt- und Blockschaltbilddarstellung.
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen berührungssensitiven Bedienvorrichtung bei der Sensoren S1, ... als Luftkondensatoren ausgestaltet sind. Vorzugsweise weisen alle Sensoren S1, ... eine gemeinsame Metallplatte M als Bedieneroberfläche auf. Als Messelektroden der einzelnen Sensoren S1, ... sind hierzu jeweils im Abstand zueinander auf der ersten Lage einer mehrlagigen Leiterplatte LP Sensorflächen SM1, ... angeordnet. Zwischen der Metallplatte M und erster Lage der Leiterplatte LP ist eine Luftschicht LU bestimmter Dicke ausgestaltet, wobei dieser Abstand durch mehrere im Abstand zueinander angeordnete Abstandshalter aus isolierendem Material D bestimmt wird. Zwischen dritter Lage L, welche bestückt ist, und erster Lage der Leiterplatte LP ist eine Abschirmung AB angeordnet. Weiterhin ist ein allen Sensoren S1, ... gemeinsamer Guardsensor GS vorgesehen, welcher über eine Verbindungsleitung VGS mit einer in einer Auswertevorrichtung A angeordneten Steuereinrichtung ST verbunden ist.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform einer dreilagigen Leiterplatte ist flexibel ausgeführt damit eine sichere und wiederholbare Funktion gewährleistet werden kann und die Sensorfläche SM1, ... sich immer in einem fest definierten Abstand zur Metalloberfläche/Metallplatte M befindet, egal wie die Oberfläche geformt ist. Es besteht so die Möglichkeit die Bedienvorrichtung/das Modul nicht nur auf planen, sondern auch auf konkaven oder konvexen Oberflächen zu montieren. Aufgrund dieser Flexibilität ergeben sich für das Design von Touchcontrol-Lösungen, völlig neue Möglichkeiten, welche die aktuellen starren Lösungen nicht zulassen.
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Ein weiterer Vorteil ist die Montage der Bedienvorrichtung/des Moduls auf einer homogenen, durchgehenden Metalloberfläche/Metallplatte M von vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm Dicke. Es sind keine Ausbrüche, Aussparungen oder anderen Prozessschritte notwendig um für ein komplettes Einbaumodul Platz zu schaffen.
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Insbesondere hat die dreilagige Leiterplatte LP eine definierte Dicke von nur 0,5 mm, wodurch eine ausreichende Flexibilität der Leiterplatte LP zur Anpassung an gewölbte Konturen erreicht wird, bei gleichzeitiger Stabilität der Leiterplatte LP über die Lebensdauer. Um die korrekte Funktionsweise zu garantieren ist es notwendig einen definierten Abstand zwischen Metall- und Leiterplattenoberfläche M, LP einzuhalten. Dieser Luftspalt ist vorzugsweise 0,25 mm, wobei berücksichtigt ist, dass Luft eine relativ geringe Durchschlagspannung besitzt. Weiterhin ist zur Einhaltung dieses Abstandes ein isolierendes und gleichzeitig die Berührungssensorikempfindlichkeit verbesserndes Material vorgesehen. Hierzu eignen sich unter anderem ABS Material (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) ist ein synthetisches Terpolymer aus den drei unterschiedlichen Monomerarten Acrylnitril, Butadien und Styrol) oder Leiterplatten-Prepregs (preimpregnated fibres, d. h. „vorimprägnierte Fasern”, wobei die Prepreg-Matrix aus einer Mischung von Harz und Härter besteht), welches sowohl als Abstandshalter fungiert als auch die durch die elektrostatische Anziehung hervorgerufenen Druckkräfte aufnimmt. Die erfindungsgemäße berührungssensitive Bedienvorrichtung arbeitet zuverlässig mit Metalloberflächen mit einer Dicke von 0,5 mm bis 1 mm. Im Rahmen der Erfindung können (mit einer entsprechenden Anpassung der Auswertevorrichtung A) auch andere Stärken benutzt werden.
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Die Leiterplatte LP ist wie folgt aufgebaut:
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– Lage 1 Sensor Lage
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Das benutzte Material ist FR4 (d. h. flame retardant (flammenhemmend) Klasse von schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen, bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe), die Kupferdicke ist ungefähr 35 μm, der Abstand zwischen den Sensormittelpunkten ist ungefähr 30 mm, der Durchmesser der aktiven Sensorfläche (Kreisform) SM1, ... ist ungefähr 5 mm.. Im Rahmen der Erfindung können auch andere Geometrien, insbesondere Rechtecke, Dreiecke, Ellipsen Anwendung finden. Die erste Lage weist keine anderen Signalleitungen, Abschirmungen oder Kupferflächen auf. Vias (Durchkontaktierung), welche die einzelnen Lagen untereinander verbinden, befinden sich innerhalb der aktiven Sensorfläche. Auf der Lage 1 wird zudem der Abstandshalter D montiert, welcher garantiert, dass der Abstand Leiterplatte LP-Metalloberfläche M eingehalten wird.
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– Lage 2 Abschirmung
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Das benutzte Material ist FR4, Kupferdicke 35 μm und es sind keine weiteren Datenleitungen vorgesehen. Die Mittellage stellt die elektrische Abschirmung der Sensorlage 1 mit den Sensorfläche SM1, ... (Lage 1) zum digitalen Teil (Lage 3) dar. Diese Lage ist für die Funktion des Moduls erforderlich, wobei die mittlere Lage der Leiterplatte einerseits durch die Abschirmung die Empfindlichkeit der Sensoren verbessert und andererseits Störsignale von der Auswertevorrichtung A fernhält. Hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder (elektromagnetische Wellen) können nur mit elektrisch leitfähigen, allseitig geschlossenen Hüllen ausreichender Dicke vollständig abgeschirmt werden: wegen des Skineffekts dringt ein elektromagnetisches Wechselfeld nur bis zur Skintiefe in elektrisch leitfähiges Material ein. Der Skineffekt erleichtert die Abschirmung elektromagnetischer Felder bei hohen Frequenzen, da bereits sehr dünnes Blech wirksam ist.
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– Lage 3 Digital Teil
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Das benutzte Material ist FR4, Kupferdicke 35 μm. Hier sind alle funktionstechnisch notwendigen Bauteile untergebracht, insbesondere Spannungsversorgung, Auswertevorrichtung A, Kommunikationsbausteine, etc.
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– Dicke der drei Lagen insgesamt: 0,5 mm +/– 0,16 mm
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Weiterhin sind Cmod Anschlüsse mittels eines 2n2F COG Kondensators mit Masse E verbunden und die Masse E ist mit der Metalloberfläche M verbunden. Alle Sensorelektroden/Sensorflächen SM1, ... weisen einen Serienwiderstand von 4k7 Ohm auf.
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Zur Einspeisung eines Prüfsignals stehen alle Messelektroden SM1, ... mit einer gemeinsamen Modulationsstromquelle MSQ oder einer gemeinsamen Kompensationsstromquelle KSQ in Verbindung. Bei Berührung (F) der Metallplatte M durch einen Bediener, wobei dessen Kapazität zwischen Erde E und Metallplatte M in Serie geschaltet ist, wird das jeweilige Messsignal über eine Verbindungsleitung M1, M2, ..., Mn der Auswerteschaltung A zugeführt.
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Mit diesem Schaltungsaufbau wird eine Serie von Luftkondensatoren aufgebaut (ein Luftkondensator für jeden Sensor S1, ...) mit einer gemeinsamen Elektrode (Metallteil M) und einer Serie von separierten Elektroden (Sensorflächen SM1). Wird die Oberfläche berührt, detektiert die Auswerteschaltung A die Veränderung in der Kapazität. Die Messelektrode SM1, welche die größte Veränderung des Messwertes zeigt, wird als aktive Sensorfläche erkannt. Bei einer Berührung der Oberfläche M durch den Bediener verändern sich alle angeschlossenen Kapazitäten marginal. Durch ein spezielles Auswerteverfahren, werden diese parasitären Kapazitäten jedoch ausgeblendet. Hierzu wählt die Steuereinrichtung ST die entsprechenden Elektroden SM1, ... nacheinander aus und tastet diese in einem vorbestimmten Zyklus ab. Da eine vorbestimmte Kapazität in den Elektroden SM1, ... selbst dann erzeugt wird, wenn der Finger F die Metalloberfläche M nicht berührt, vergleicht die Steuereinrichtung ST die gemessene Kapazität mit der Kapazität während Nichtberührung, erfasst die damit verbundene Kapazitätsänderung bei Berührung und speichert die Kapazitätsänderung ab.
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Der definierte geringe Abstand zwischen Metalloberfläche M und aktiver Sensorfläche SM1, ... erlaubt ein Detektieren der berührten Fläche, ohne jeglichen mechanischen Kraftaufwand durch den Bediener. Für die Detektion genügt es, die Fingerkuppe indirekt auf die aktive Sensorfläche SM1, ..., d. h. in einem vorbestimmten Bereich der Metalloberfläche M aufzulegen. Der vorbestimmte Bereich kann durch leitfähigen Aufdruck oder dergleichen auf der Metalloberfläche M visuell dargestellt werden. Die dünne Luftschicht LU zwischen Leiterplatte LP und Metalloberfläche M verhindert auch ein Kurzschließen der Sensorflächen SM1, ... durch den Bediener. Bei Berührung der Metalloberfläche M ist der Bediener zwischen Erde E und Metalloberfläche M in Serie geschaltet.
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Die Bedienvorrichtung/das Modul wird permanent mit Spannung versorgt. Die Sensorflächen (SM1, ...) sind vorzugsweise zeilenweise angeordnet. Nach Anlegen der Spannung und Betriebsbereitschaft tastet die Auswerteschaltung A (die Steuereinrichtung ST) in einem ersten Messzyklus (Zeitfenster beispielsweise von 20 ms bis 100 ms) zuerst alle ungeraden Sensorflächen SM1, ... (1, 3, 5...) und dann in einem weiteren Zeitfenster von beispielsweise 20 ms bis 100 ms die geraden Sensorflächen (2, 4, 6, ...) ab. Inaktive Sensorflächen SM1, ... werden während des Abtastvorgangs mit der Abschirmung AB verbunden. Dieser Ansatz erhöht die Störsicherheit vor einem Signalübersprechen und erlaubt es ferner die mechanischen Abstände zwischen den Sensorflächen SM1, ... zu verringern.
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Weiterhin weist die Auswertevorrichtung A einen Spannungsteiler DV auf, dessen Ausgang mit einem von der Steuereinrichtung ST gesteuerten Umschalter U für die Umschaltung zwischen modulierten und kompensierten Strom verbunden ist und dessen einer Eingang über den Kondensator Cmod an Masse E anliegt.
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Die über die Verbindungsleitungen M1, M2, ...., Mn zugeführten Messsignale liegen an den Eingängen eines in der Auswertevorrichtung A angeordneten, von der Steuereinrichtung ST gesteuerten Multiplexer MUX an, dessen Ausgang mit einem Analog-Digital-Konverter DAC (mit Messzeiten von ungefähr 5 msec, so dass Schwankungen der kapazitiven Koppelungs- bzw. Erdungsverhältnisse des Benutzers sich kaum auswirken) verbunden ist.
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Währen des Set-Up Prozesses ist es wichtig, dass alle aktiven Sensoren/Kanäle S1... mit gleichen Teilern (gleiche Taktrate für modulierten und kompensierten Strom) betrieben werden, ebenso müssen alle aktiven Sensoren/Kanäle S1... mit einer identischen ADC-Auflösung arbeiten. Die ADD-Frequenz darf während eines Scanvorgangs nicht verändert werden. Das Signal Noise Ratio (SNR-Verhältnis) sollte kleiner gleich 5 sein.
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Das Prüfsignal ist ein modulierter Gleichstrom im Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 14 MHz und unterschiedlicher Amplitude. Beispielsweise wird in jede Sensorfläche SF1, ... ein modulierter Strom (Prüfsignal) mit einer Frequenz von 12 MHz injiziert, während des Scanvorganges wird ein kompensierter Strom, geringer als der modulierte Strom appliziert. Für das Erkennen der aktivierten Sensorfläche S1... wird ein 16 Bit Analog-Digital-Konverter DAC angewendet. Die Signalstärke zur Erkennung liegt bei über 70% des Idealwertes.
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Der Erkennungswert und -hysterese wird für jeden Kanal unabhängig und individuell eingestellt. Zuerst werden die ungeraden, dann die geraden Sensorflächen eingestellt. Der Wert der Hysterese ist dauerhaft in der Auswertevorrichtung A hinterlegt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Messelektrode des Guardsensors GS die Sensorflächen SM1, ... in einem bestimmten Abstand umschließt. Nach dem Einschalten und ohne Aktivierung/Betätigung durch den Benutzer erfasst der Guardsensor GS die Umgebungsbedingungen aller aktiven Sensoren (S1, ...), wodurch eine Veränderung der Umgebungsbedingungen detektiert und aufgrund dieser Daten die Nulllinie jeweils neu für veränderte Umgebungsbedingungen kalkuliert wird.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung sind:
- – Kein Drücken oder mechanische Kraft zur Erkennung und Aktivierung der Sensoren notwendig,
- – Keine Limitierung der Sensorflächen innerhalb der mechanischen Parameter,
- – Abstand zwischen den Sensorflächen ungefähr 20 mm,
- – Kleinste aktive Sensorfläche ungefähr 15 × 15 mm,
- – Aufbau der Leiterplatte LP erlaubt Anpassung und konkave und konvexe Oberflächen,
- – Sensoren arbeiten auch unter Bedienung mit nassen Fingern oder bei kondensierter Metalloberfläche M.
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Zur Verdeutlichung des Prinzips der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung sind in 1 die elektrischen Feldlinien EF und EFB eingezeichnet. Die Feldlinien EF zeigen den Luftkondensator gebildet aus aktiver Sensorfläche SM1, ... (Plus-Pol) und Abschirmung AB (Minus-Pol) und die Feldlinien EFB den Luftkondensator gebildet ausgebildet aus aktiver Sensorfläche SM1, ... (Plus-Pol) und Metallplatte M (Minus-Pol). Bei Berührung der Metalloberfläche M wird dann die Körperkapazität C2 als zusätzliche in Serie liegende Kapazität hinzugeschaltet, was eine sprunghafte Veränderung der gemessenen Gesamtkapazität (am größten am Ort der Berührung) verursacht. Der modulierte Strom erzeugt das elektrische Feld in den Sensorelektroden SM1, ..., der Kondensator zwischen Sensorelektrode SM1, ... und Metalloberfläche M wird ebenfalls geladen. Der modulierte Strom lädt diesen Kondensator auf den Wert des Cmod Kondensators auf. Der Kompensationsstrom entlädt den Luftkondensator auf einen Wert, welcher unter dem des Cmod Kondensators liegt.
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Die Bedienung durch den Bediener erfolgt in der Regel durch Auflegen der Fingerkuppe auf die Metalloberfläche M über der markierten (leitfähiger Aufdruck oder dergleichen) aktiven Sensorfläche SM1, ... (Touch behind metal). Insbesondere erfolgt dies kraftlos und ohne Metallverformung oder -biegung. Im normalen Betriebsmodus, ohne Berührung der Metalloberfläche M haben der Kompensations- und Modulationsstrom die gleiche Zeit für das Laden und Entladen des Luftkondensators. Wird die Metalloberfläche M berührt, so benötigt der Modulationsstrom eine wesentlich kürzere Ladezeit. Das bedeutet, dass der Kompensationsstrom auch früher geschaltet wird, und somit kann der Kompensationsstrom den Luftkondensator nicht unter den Wert des Cmod Kondensators entladen. Die Berührung wird detektiert. Der Analog-Digitalwandler ADC misst das verbliebene Potential. Die Schaltzeiten für beide Ströme werden durch den Wert des Guardsensors GS bestimmt. Sind auf der Metalloberfläche M Verschmutzungen oder es wirken Störsignale ein, so wird die Kapazität der Elektroden SM1, ... angepasst. Eine SW-Routine ermittelt die Umgebungsbedingungen und ermittelt so die Werte für beide Ströme.
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Falls der Bediener dennoch Kraft aufwenden sollte, gibt es aufgrund des Designs und konstruktiven Aufbaus der Bedienvorrichtung/des Moduls kein Übersprechen der Sensorflächen SM1, ..., da die benachbarten Sensoren während dieser Zeit auf Masse E gelegt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Für den Anwendungsfall Haushaltsgerät, insbesondere Kühlgerät, kann die in einem offenen Gehäuse (d. h. ohne Gehäusedeckel, welches das Eindringen eines thermisch isolierenden Schaummaterial verhindert; in der Zeichnung nicht dargestellt) angeordnete Bedienvorrichtung/das Modul auf der Innenseite der Tür angeordnet und nach dem Ausschäumen in diesem Bereich festgehalten werden. Besondere Maßnahmen zur Abdichtung gegenüber Schwitzwasser oder korrosionsschützenden Maßnahmen müssen nicht vorgenommen werden. Auch ein Verschmutzen der Sensoroberflächen mit zuckerhaltigen Getränken, verschiedenen Soßen, Mehl, Teig, verschiedene Öle, Putzmittel, Milchprodukte, was im Kühlschrank gelagert werden könnte oder verschiedene Böden und Unterlagen (Kachel, Linoleum, Beton) oder verschiedene Benutzer wirken sich auf die Berührungserkennung kaum aus. Weitere Anwendungsfälle können sein Elektroherd, Lüfter, u. a.
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Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Patentanspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Patentanspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1704642 B1 [0003, 0004]
- DE 202011110179 U1 [0004, 0004]
- DE 202008013083 U1 [0005]
