DE102018128189A1

DE102018128189A1 - Mehrstufiger kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE102018128189A1
Application number: DE102018128189.7A
Authority: DE
Inventors: Alan Roger MOREY; Alex James COWCHER
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Parlex Pacific Ltd Hong Kong Cn
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-05-23
Also published as: FR3092952B1; CN109813346B; GB2568543A; US20190155416A1; GB2568543B; GB201719289D0; FR3092952A1; CN109813346A; US10983638B2

Abstract

Es wird ein mehrstufiger kapazitiver Sensor (10) mit einer Schichtstruktur vorgeschlagen, umfassend eine Benutzer-Kontaktfläche (12), einen ersten kapazitiven Sensor (14) für die Benutzer-Kontaktfläche (12), einen zweiten kapazitiven Sensor (24), der in einer von der Benutzer-Kontaktfläche (12) wegführenden Richtung von dem ersten kapazitiven Sensor (14) beabstandet ist, und ein leitendes Element (22). Das leitende Element (22) ist zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor (14, 24) positioniert und befindet sich in Eingriff mit dem ersten Schaltungssubstrat (18) und ist von dem zweiten kapazitiven Sensor (24) beabstandet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das leitende Element (22) unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche (12) relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor (24) ausgelenkt, um einen Abstand dazwischen zu ändern, so dass eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor (24) entsteht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen kapazitiven Sensor, insbesondere, aber nicht unbedingt zur Verwendung bei Bedienfeldern an einem Armaturenbrett in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die einen solchen mehrstufigen kapazitiven Sensor verwendet, ein Verfahren zum Herstellen des mehrstufigen kapazitiven Sensors und ein Verfahren zum Bereitstellen eines mehrstufigen Betriebs für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In modernen Fahrzeugen werden normalerweise Bedienelemente verwendet, die am Armaturenbrett angebracht sind und Schalter nutzen, die an oder hinter der Armaturenbrettverkleidung montiert sind. Ein Benutzer kann diese Bedienelemente auf der Basis der berührungsbasierten Technologie aktivieren. Bisher waren zu diesem Zweck mechanische Schalter oder Drehschalter vorgesehen, zum Beispiel zum Bedienen der Klimaanlage, des Navigationssystems oder der Audiofunktionen in dem Fahrzeug.
ÜBERSICHT
Ein Thema im Zusammenhang mit mechanischen Schaltern ist, dass in der Verkleidung und/oder in dem Verkleidungsträger des Armaturenbretts eine Öffnung vorgesehen werden muss, damit der Benutzer den Schalter betätigen kann. Außerdem wird hinter der Verkleidung relativ viel Raum für den Einbau der beweglichen Komponenten des Schalters benötigt. Dies kann gegebenenfalls das ästhetische Aussehen der Armaturenbrettverkleidung schmälern.
Es wurden auch kapazitive Schalter in Betracht gezogen, da sich solche Schalter problemlos hinter Verkleidungen integrieren lassen, ohne die Ästhetik der Verkleidung zu stören. Jedoch sind kapazitive Schalter anfällig für eine Falschauslösung, wenn ein Benutzer seine Hand in die Nähe des Schalters bringt. Dies kann dazu führen, dass in dem Fahrzeug unbeabsichtigt Funktionen aktiviert werden und der Fahrer gefährlich abgelenkt wird.
ÜBERSICHT
Ein mehrstufiger kapazitiver Sensor umfasst eine Benutzer-Kontaktfläche; einen ersten kapazitiven Sensor, der an der oder angrenzend an die Benutzer-Kontaktfläche positioniert und derart angeordnet ist, dass er als kapazitiver Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche wirkt; einen zweiten kapazitiven Sensor, der in einer von der Benutzer-Kontaktfläche wegführenden Richtung von dem ersten kapazitiven Sensor beabstandet ist; und ein leitendes Element, das zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor positioniert ist, wobei das leitende Element von dem zweiten kapazitiven Sensor beabstandet ist. Unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche wird eine relative Bewegung des leitenden Elements und des zweiten kapazitiven Sensors bewirkt, so dass ein Abstand zwischen dem leitenden Element und dem kapazitiven Sensor geändert wird, um eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor zu schaffen.
Vorzugsweise umfasst der mehrstufige kapazitive Sensor ferner ein erstes Schaltungssubstrat, an welchem der erste kapazitive Sensor montiert ist, und ein zweites Schaltungssubstrat, an welchem der zweite kapazitive Sensor montiert ist.
Vorzugsweise ist das leitende Element ein auslenkbares leitendes Element, das sich mit dem ersten Schaltungssubstrat im Eingriff befindet und relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor ausgelenkt wird.
Vorzugsweise umfasst der mehrstufige kapazitive Sensor ferner ein Distanzelement, das zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungssubstrat positioniert ist, wobei das Distanzelement zwischen dem auslenkbaren leitenden Element und dem zweiten kapazitiven Sensor einen Hohlraum definiert, in welchem das auslenkbare leitende Element auslenkbar ist.
Vorzugsweise ist das leitende Element direkt an dem ersten Schaltungssubstrat montiert.
Vorzugsweise ist das leitende Element auf dem ersten Schaltungssubstrat aufgedruckt.
Vorzugsweise ist das leitende Element an einer Befestigungsmembrane montiert, die an dem ersten Schaltungsubstrat befestigt werden kann.
Vorzugsweise umfasst der mehrstufige kapazitive Sensor ferner ein Versteifungselement, das an dem zweiten Schaltungssubstrat befestigt ist.
Vorzugsweise umfasst der mehrstufige kapazitive Sensor ferner eine Klebstoffschicht, die das erste Schaltungssubstrat an der Benutzer-Kontaktfläche festlegt.
Vorzugsweise ist das zweite Schaltungssubstrat ein flexibles Schaltungssubstrat.
Vorzugsweise umfasst der mehrstufige kapazitive Sensor ferner ein rückseitiges Auslenkelement, das an dem zweiten Schaltungssubstrat oder an dieses angrenzend positioniert ist, wobei das zweite Schaltungssubstrat unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche durch das rückseitige Auslenkelement auslenkbar ist.
Vorzugsweise ist mindestens ein Vorsprung vorgesehen, der mit der Benutzer-Kontaktfläche verbunden ist, wobei das zweite Schaltungssubstrat unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche durch den oder jeden Vorsprung auslenkbar ist.
Vorzugsweise ist das leitende Element als leitfähiges Gitter oder als durchgehende leitfähige Platte ausgebildet oder ist mit einer dielektrischen Schicht versehen.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von ersten kapazitiven Sensoren vorgesehen, wobei jeder der mehrzähligen kapazitiven Sensoren über eine gemeinsame elektrische Verbindung verbunden ist.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von zweiten kapazitiven Sensoren vorgesehen, wobei jeder der mehrzähligen kapazitiven Sensoren über eine gemeinsame elektrische Verbindung verbunden ist.
Vorzugsweise ist der zweite kapazitive Sensor unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche in Richtung auf das leitende Element auslenkbar.
Vorzugsweise ist zumindest das leitende Element oder zumindest der zweite leitende Sensor an einem mechanisch bewegbaren Element montiert, das sich unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche bewegen lässt.
Vorzugsweise ist ein Vorsprung vorgesehen, der mit der Benutzer-Kontaktfläche verbunden ist, wobei das leitende Element an dem Vorsprung derart montiert ist, dass es unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor bewegbar ist.
Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle zum mehrstufigen Steuern einer elektronischen Einrichtung umfasst einen mehrstufigen kapazitiven Sensor wie vorstehend beschrieben, wobei die Benutzer-Kontaktfläche an einem Bedienfeld der elektronischen Einrichtung gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrstufigen kapazitiven Sensors, umfassend die folgenden Schritte:

a] das Bereitstellen eines ersten kapazitiven Sensors;
b] das Bereitstellen eines leitenden Elements, das mit dem ersten kapazitiven Sensor in Eingriff bringbar ist;
c] das Bereitstellen eines zweiten kapazitiven Sensors;
d] das Positionieren des leitenden Elements zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor, wobei das leitende Element von dem zweiten kapazitiven Sensor beabstandet wird; und
e] das Befestigen des ersten kapazitiven Sensors an der oder angrenzend an die Benutzer-Kontaktfläche, um den ersten kapazitiven Sensor derart anzuordnen, dass dieser als kapazitiver Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche wirkt und dass unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche eine relative Bewegung des leitenden Elements und des zweiten kapazitiven Sensors bewirkt wird und dadurch eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor entsteht.

Figurenliste
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei sind identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, in all diesen Zeichnungsfiguren generell identisch gekennzeichnet, und Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind generell im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet:

1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung eine erste Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, wie diese in einem Armaturenbrett eines Fahrzeugs eingebaut ist, gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt in einer Schnittansicht eine zweite Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
4 zeigt in einer Schnittansicht eine dritte Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
5 zeigt in einer Schnittansicht eine vierte Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
6 zeigt in einer Schnittansicht eine fünfte Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
7 zeigt in einer Schnittansicht eine sechste Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen im Detail erläutert, so dass technische Lösungen und andere vorteilhafte Wirkungen der Erfindung ersichtlich sind. Es versteht sich, dass die Zeichnungen nur zur Bezugnahme und zur Erläuterung dienen und nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung zu sehen sind. In den Zeichnungen dargestellte Dimensionen sollen lediglich eine verständliche Beschreibung ermöglichen, geben jedoch keine proportionale Beziehung an.
Es wird auf 1 Bezug genommen, in der ein mehrstufiger kapazitiver Sensor gezeigt ist, der allgemein mit Bezugsziffer 10 gekennzeichnet ist und geeignet ist für die Verwendung als Teil eines Mensch-Maschine-Schnittstellen-Berührungsfeldes, insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise für die Installation in Fahrzeugen, speziell als Teil eines Bedienfeldes eines Armaturenbretts. Der mehrstufige kapazitive Sensor 10 kann in einem zweistufigen Prozess aktiviert werden. Wenn sich ein Benutzer dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10 nähert, findet keine Aktivierung des mehrstufigen kapazitiven Sensors 10 statt. Nach dem anfänglichen Kontakt bestimmt der mehrstufige kapazitive Sensor 10 die Lage des Fingers des Benutzers, wobei keine Auslösung erzielt wird, ehe der Benutzer eine Kraft ausübt, um das Auslösen und Zünden des mehrstufigen Kondensators 10 durchzuführen.
Der mehrstufige kapazitive Sensor 10 hat eine Schichtstruktur mit einer Benutzer-Kontaktfläche oder einem Element 12, mit der oder dem ein Benutzer mit dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10 interagieren kann, und einen ersten kapazitiven Sensor 14, der an der Benutzer-Kontaktfläche 12 oder angrenzend an dieselbe positioniert ist. Der erste kapazitive Sensor 14 ist derart ausgebildet, dass er als kapazitiver Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche 12 wirken kann und die erste Stufe des mehrstufigen Auslöseprozesses zulässt. Die Benutzer-Kontaktfläche 12 ist hier zum Beispiel vorzugsweise an einem Benutzer-Kontaktelement 16 eines Armaturenbretts eines Fahrzeugs gebildet und kann aus einem beliebigen Material bestehen, das sich unter Anwendung einer Kraft auslenken lässt, wie zum Beispiel Leder, Holz, dünnes Metall oder Kunststoffmaterial. Die Benutzer-Kontaktfläche 12 könnte jedoch an einem beliebig geeigneten Benutzer-Kontaktelement, das mit dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10 in Eingriff gebracht wird, gebildet sein.
Der erste kapazitive Sensor 14 kann vorzugsweise durch ein erstes Schaltungssubstrat 18 gestützt und besonders bevorzugt direkt an dem ersten Schaltungssubstrat 18 montiert sein, wenngleich ein Aufdrucken des ersten kapazitiven Sensors 14 auf das erste Schaltungssubstrat 18 ebenfalls möglich wäre. Wie erwähnt wurde, kann das erste Schaltungssubstrat 18 vorzugsweise über eine Klebstoffschicht 20 mit dem Benutzer-Kontaktelement 16 verbunden sein, wobei die Klebstoffschicht 20 den ersten kapazitiven Sensor 14 vorzugsweise umschließt oder einkapselt, um die Möglichkeit eines Kurzschlusses einzuschränken.
Vorzugsweise ist das erste Schaltungssubstrat 18 beispielsweise als flexibles Substrat wie ein Polymer-Dickfilm vorgesehen, könnte alternativ aber auch Papier oder eine FR4-Schaltungsplatte sein. Alternativ könnte ein eigens vorgesehenes Schaltungssubstrat entfallen, und der erste kapazitive Sensor 14 könnte direkt mit einem Benutzer-Bedienelement auf einer Rückseite der Benutzer-Kontaktfläche 12 verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform würde dies zu einer direkten Verbindung mit der Rückseite des Benutzer-Kontaktelements 16 führen.
Geht man in einer von der Benutzer-Kontaktfläche 12 wegführenden Richtung durch die Schichtstruktur des mehrstufigen kapazitiven Sensors 10, so ist ein auslenkbares leitendes Element 22 vorgesehen, das sich mit dem ersten Schaltungssubstrat 18 in Eingriff befindet oder diesem zugeordnet ist, so dass eine an der Benutzer-Kontaktfläche 12 ausgeübte Kraft das auslenkbare leitende Element 22 in einer von der Benutzer-Kontaktfläche 12 wegführenden Richtung auslenken kann.
Es versteht sich, dass das auslenkbare leitende Element 22 mit dem ersten Schaltungssubstrat 18 nicht notwendigerweise direkt verbunden sein muss. Es könnte vielmehr ein Zwischenelement vorgesehen sein, zum Beispiel eine eigene Befestigungsmembrane, die an dem ersten Schaltungssubstrat 18 befestigt werden kann, um für die notwendige Verbindung mit der Benutzer-Kontaktfläche 12 zu sorgen.
Vorzugsweise ist das auslenkbare leitende Element 22 als leitendes Gitter ausgebildet, wobei jedoch jedes geeignete leitende Erdungselement vorgesehen sein könnte, zum Beispiel eine durchgehende Platte aus leitfähigem Material. Ferner kann das auslenkbare leitende Element 22 mit einer dielektrischen Schicht versehen sein.
Es ist dann ein zweiter kapazitiver Sensor 24 vorgesehen, der in einer von der Benutzer-Kontaktfläche 12 wegführenden Richtung von dem ersten kapazitiven Sensor 14 beabstandet ist, so dass das auslenkbare leitende Element 22 zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor 14, 24 positioniert ist. Der zweite kapazitive Sensor 24 ist vorzugsweise an einem zweiten Schaltungssubstrat 26 montiert, wobei das auslenkbare leitende Element 22 unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche 12 in Richtung auf das zweite Schaltungssubstrat 26 ausgelenkt werden kann.
Vorzugsweise ist das zweite Schaltungssubstrat 26 als flexibles Substrat vorgesehen, beispielsweise als Polymer-Dickfilm, könnte jedoch alternativ zum Beispiel auch Papier oder eine FR4-Schaltungsplatte sein.
Es wird bevorzugt, dass zwischen dem auslenkbaren leitenden Element 22 und dem zweiten kapazitiven Sensor 24 eine Trennung durch die Befestigung von einem oder mehreren Schalter-Distanzelementen 28 vorgesehen ist, das oder die das auslenkbare leitende Element 22 und somit das erste Schaltungssubstrat 18 mit dem zweiten Schaltungssubstrat 26 verbindet oder verbinden, wodurch ein Hohlraum 30 definiert wird, in welchem sich der zweite kapazitive Sensor befindet.
In der dargestellten Ausführungsform ist das zweite Schaltungssubtrat 26 an einem rückseitigen Stütz- oder Versteifungselement 32 montiert. Letzteres kann ein starres Materialstück sein, das eine Auslenkung des zweiten kapazitiven Sensors 24 verhindert, wenn an der Benutzer-Kontaktfläche 12 eine Kraft ausgeübt wird. Vorzugsweise ist das zweite Schaltungssubstrat 26 an dem rückseitigen Versteifungselement 32 festgeklebt. Das rückseitige Versteifungselement 32 könnte zum Beispiel die Funktion des zweiten Schaltungssubstrats übernehmen, wenn man eine starre Schaltungsplatte verwenden würde.
Es versteht sich, dass bei einem gut definierten Verhältnis zwischen der Benutzer-Kontaktfläche 12, die beispielsweise als Benutzer-Kontaktelement 16 eines Armaturenbretts in einem Fahrzeug ausgebildet sein kann, und dem rückseitigen Versteifungselement 32 das Distanzelement 28 entfallen könnte. Das Benutzer-Kontaktelement 16 kann eine Verkleidung eines Armaturenbretts in dem Fahrzeug sein. Der Hohlraum 30 würde dann als Positionsverhältnis zwischen der Benutzer-Kontaktfläche 12 und dem rückseitigen Versteifungselement 32 definiert werden.
Ein als Teil einer Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10 ausgebildeter Schalter ist wie folgt betätigbar: Ein Benutzer berührt die Benutzer-Kontaktfläche 12, um eine Funktion einer elektronischen Einrichtung zu wählen, die durch die Mensch-Maschine-Schnittstelle gesteuert wird. Dies führt zu einer nachweisbaren Änderung an dem ersten kapazitiven Sensor 14. Jedoch erfolgt keine Funktionsauslösung.
Bei Ausübung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche 12, beispielsweise durch Fingerdruck, kann der Benutzer die Funktion der elektronischen Einrichtung aktivieren. Dies geschieht, indem das auslenkbare leitende Element 22 in den Hohlraum 30 hinein ausgelenkt wird, um den Abstand des auslenkbaren leitenden Elements 22 relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor 24 zu ändern. Das Ergebnis ist eine nachweisbare Änderung an dem zweiten kapazitiven Sensor 24, der für die Aktivierung der Funktion der elektronischen Einrichtung verwendet werden kann. Es sollte beachtet werden, dass der zweite kapazitive Sensor 24 unter Anwendung der Kraft entweder nicht oder nur zu einem geringeren Grad als das auslenkbare leitende Element 22 ausgelenkt wird, wodurch die Änderung des Abstands zwischen dem auslenkbaren leitenden Element 22 und dem zweiten kapazitiven Sensor 24 ermöglicht wird.
Diese Anordnung schafft eine Schaltanordnung mit dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10, der über eine erste und zweite Aktivierungs- und/oder eine Deaktivierungsstufe verfügt. Die Empfindlichkeit des mehrstufigen kapazitiven Sensors 10 kann durch eine sorgfältige Wahl der Schichtstruktur des mehrstufigen kapazitiven Sensors 10 abgestimmt bzw. optimiert werden. Zum Beispiel können die Dicke des Distanzelements 28, der Bereich und/oder die Tiefe des Hohlraums 30 und/oder der Abstand zwischen der Rückfläche des Benutzer-Kontaktelements 16 und dem rückseitigen Versteifungselement 32 sämtlich während des Zusammenbaus des mehrstufigen kapazitiven Sensors 10 eingestellt werden, um die Empfindlichkeit der verschiedenen Stufen der stufenweisen Aktivierung wahlweise einzustellen.
Der mehrstufige kapazitive Sensor 10 kann folgendermaßen hergestellt werden. Der erste kapazitive Sensor 14 kann an dem ersten Schaltungssubstrat 18 montiert werden, und das auslenkbare leitende Element 22, das mit dem ersten Schaltungssubstrat 18 in Eingriff bringbar ist, kann so vorgesehen werden, dass es vorzugsweise von dem ersten kapazitiven Sensor 14 beabstandet und damit elektrisch isoliert ist.
Der zweite kapazitive Sensor 24 wird dann ebenfalls an dem zweiten Schaltungssubtrat 26 montiert, und das erste und das zweite Schaltungssubstrat 18, 26 werden miteinander verbunden, so dass das auslenkbare leitende Element 22 zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor 14, 24 positioniert und von dem zweiten kapazitiven Sensor 24 beabstandet ist. Vorzugsweise wird die Verbindung durch die Verwendung des Distanzelements 28 erzielt, welches das erste und das zweite Schaltungssubstrat 18, 26 verbindet.
Das erste Schaltungssubstrat 18 kann dann an der Benutzer-Kontaktfläche 12 montiert werden, welche zum Beispiel eine Verkleidung eines Armaturenbretts in einem Motorfahrzeug sein kann, so dass der erste kapazitive Sensor 14 an der Benutzer-Kontaktfläche 12 oder an diese angrenzend positioniert ist und für die Wirkung als kapazitiver Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche 12 angeordnet ist. Alternativ könnte der erste kapazitive Sensor 14 direkt an einem die Benutzer-Kontaktfläche 12 definierenden Benutzer-Kontaktelement montiert werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das auslenkbare leitende Element 22 dann unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche 12 in Richtung auf den zweiten kapazitiven Sensor 24 ausgelenkt werden, um einen Abstand dazwischen zu ändern, so dass eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor 24 entsteht.
Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für das Armaturenbrett eines Fahrzeugs lässt sich somit durch die - vorzugsweise haftende - Verbindung einer kapazitiven Schaltungsanordnung 34 mit der Rückseite oder einer Verkleidung des Armaturenbretts schaffen. Die kapazitive Schaltungsanordnung 34 umfasst den ersten kapazitiven Sensor 14, das erste Schaltungssubstrat 18, das auslenkbare leitende Element 22, das Distanzelement 28, den zweiten kapazitiven Sensor 24, das zweite Schaltungssubstrat 26 und vorzugsweise die rückseitige Versteifung 32, sofern notwendig.
Wenngleich in der vorstehenden Beschreibung eine einzelne Schalter- und Sensoranordnung angegeben ist, ist es selbstverständlich möglich, eine Mehrzahl von kapazitiven Sensoren zu verknüpfen; wobei solche Anordnungen bei kapazitiven Bedienanordnungen vom Typ eines Schiebereglers verwendet werden. Solchermaßen könnten eine Mehrzahl von ersten kapazitiven Sensoren und/oder eine Mehrzahl von zweiten kapazitiven Sensoren vorgesehen sein, wodurch sich die Funktionalität des mehrstufigen kapazitiven Sensors verbessern ließe. Die mehrzähligen Sensoren könnten jeweils über eine gemeinsame Verbindung miteinander verbunden sein, was die Funktionen eines Schiebereglers ermöglichen würde.
2 zeigt in einer stilisierten Ansicht, wie ein mehrstufiger kapazitiver Sensor 10 in ein Motorfahrzeug integriert werden kann, wobei das Armaturenbrett des Motorfahrzeugs allgemein mit Bezugsziffer 100 gekennzeichnet ist. Verschiedene Anzeigen in dem Fahrzeug können auf Anzeigebildschirmen 136 angezeigt werden, zum Beispiel der Beschleunigungsmesser oder Temperaturanzeigen.
Es kann jedoch auch eine Anzahl von Benutzerschnittstellen 138 vorhanden sein, in welche der Fahrer oder Fahrgäste Befehle eingeben können, wobei diese Benutzerschnittstellen 138 mehrstufige Schalter wie vorstehend beschrieben verwenden können. Zutreffende Benutzerschnittstellen 138 könnten das Navigationssystem 140, das Audiosystem 142, die Klimaanlage 144 des Fahrzeugs oder das Display 146 des Armaturenbretts sein, ohne Beschränkung hierauf. In jedem Fall bildet die Benutzer-Schnittstelle 138 die Benutzer-Kontaktfläche 12 an einem Bedienfeld der relevanten elektronischen Einrichtung.
Dadurch dass diese Benutzerschnittstellen 138 mit mehrstufigen kapazitiven Sensoren 10 versehen sind, kann die Person, die die Tools aktiviert, sicher sein, dass nicht fälschlicherweise eine Zündung erfolgt, indem der Benutzer zufällig und/oder unbeabsichtigt die eine oder andere Steuerung aktiviert. Ferner sind in der Verkleidung des Armaturenbretts 100 keine Öffnungen notwendig, was zu einer besseren Ästhetik beiträgt.
Die Erfindung wurde bisher in Verbindung mit einer Anordnung beschrieben, bei der ein auslenkbares leitendes Element verwendet wird. Es versteht sich jedoch, dass das wesentliche Merkmal des Sensors eine relative Bewegung zwischen dem leitenden Element und dem zweiten kapazitiven Sensor ist, wodurch ein mehrstufiges kapazitives Fühlen ermöglicht wird. Einige alternative Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Ein mehrstufiger kapazitiver Sensor vom Tastentyp, der global bei Pos. 210 angegeben ist, ist in 3 gezeigt, wobei Komponenten, die identisch oder ähnlich sind wie die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Komponenten, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber in der folgenden Beschreibung nicht mehr näher erläutert werden.
Bei diesem mehrstufigen kapazitiven Sensor 210 sind die Benutzer-Kontaktfläche 212 und das Benutzer-Kontaktelement 216 relativ zu einer Verkleidungsfläche 248 bewegbar, in welcher der mehrstufige kapazitive Sensor 210 montiert ist. Der erste kapazitive Sensor 214, das erste Schaltungssubstrat 218 und das leitende Element 222 werden vorzugsweise starr an einer Rückfläche des Benutzer-Kontaktelements 212 montiert.
Der zweite kapazitive Sensor 224 und das zweite Schaltungssubstrat 226 werden anschließend montiert, vorzugsweise an einem rückseitigen Versteifungselement 232, wenngleich jede geeignete Stütze verwendet werden kann, so dass der zweite kapazitive Sensor 224 von dem leitenden Element 222 beabstandet und nicht mit diesem verbunden ist.
Eine auf das Benutzer-Kontaktelement 212 ausgeübte Kraft, beispielsweise durch einen angelegten Finger, kann die gesamte bewegliche Kontakteinheit, die zumindest das Benutzer-Kontaktelement 216, den ersten kapazitiven Sensor 214 und das leitende Element 222 umfasst, auslenken.
Hier sind Eingriffsvorsprünge 250 vorgesehen, die mit dem Benutzer-Kontaktelement 216 verbunden sind und sich von dem Benutzer-Kontaktelement erstrecken und über Federn 252 an dem rückseitigen Versteifungselement 232 montiert sind. Dies verhindert die Ausübung einer zu hohen Kraft auf das Benutzer-Kontaktelement, was andernfalls zu einem Kontakt zwischen dem leitenden Element 222 und dem zweiten kapazitiven Sensor 224 führen würde, und ermöglicht in vorteilhafter Weise auch die Rückstellung der beweglichen Kontakteinheit in ihre Ausgangsposition.
Eine dritte Ausführungsform des mehrstufigen kapazitiven Sensors ist allgemein bei Pos. 310 in 4 angegeben. Identische oder ähnliche Komponenten wie jene, die in Verbindung mit der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben wurden, sind mit identischen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden der Kürze halber in der folgenden Beschreibung nicht mehr näher erläutert.
Bei diesem mehrstufigen kapazitiven Sensor 310 ist wiederum eine bewegbare Kontakteinheit vorgesehen, die zumindest das Benutzer-Kontaktelement 316 mit der Benutzer-Kontaktfläche 312, den ersten kapazitiven Sensor 314, das erste Schaltungssubstrat 318 und das leitende Element 222 umfasst. Diese bewegbare Kontakteinheit ist in Richtung auf den zweiten kapazitiven Sensor 324, das zweite Schaltungssubstrat 326 und - sofern vorhanden - das rückseitige Versteifungselement 332 bewegbar, um den Abstand zwischen dem leitenden Element 322 und dem zweiten kapazitiven Sensor 324 zu ändern.
Es ist jedoch auch ein zu greifendes Element 354 vorgesehen, das entweder an der oder angrenzend an die Benutzer-Kontaktfläche 312 oder an dem oder angrenzend an das Benutzer-Kontaktelement 316 positioniert ist, über welches der Benutzer die bewegliche Kontakteinheit handhaben kann. In der dargestellten Ausführungsform des mehrstufigen kapazitiven Sensors 310 handelt es sich um eine zu greifende Handhabe, wobei jedoch auch andere zu greifende Elemente denkbar sind, zum Beispiel Knöpfe oder Einstellräder.
Eine vierte Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors ist allgemein bei Pos. 410 in 5 angegeben. Identische oder ähnliche Komponenten wie jene, die in Verbindung mit der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform beschrieben wurden, sind mit identischen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden der Kürze halber in der folgenden Beschreibung nicht mehr näher erläutert.
Bei diesem mehrstufigen kapazitiven Sensor 410 ist wiederum eine bewegbare Kontakteinheit vorgesehen, die zumindest das Benutzer-Kontaktelement 416 mit der Benutzer-Kontaktfläche 412, den ersten kapazitiven Sensor 414, das erste Schaltungssubstrat 418 und das leitende Element 422 umfasst. An einer rückseitigen Fläche des Benutzer-Kontaktelements 416 ist ebenfalls ein Vorsprung 450 vorgesehen.
Das zweite Schaltungssubstrat 426 wird hier als flexibles oder zumindest teilweise flexibles Schaltungssubstrat vorgesehen, das durch den Vorsprung 450 kontaktierbar ist. Der zweite kapazitive Sensor 424 wird anschließend an dem zweiten Schaltungssubstrat 426 montiert. Die Anwendung einer Kraft durch den Benutzer an der Benutzer-Kontaktfläche 412 kann den Vorsprung in Richtung auf das zweite Schaltungssubstrat 426 zwingen, wodurch der zweite kapazitive Sensor 424 von dem leitenden Element 422 weg ausgelenkt wird, was zu einer nachweisbaren Änderung der Kapazität führt.
Es versteht sich, dass sich die bewegliche Kontakteinheit gegebenenfalls erübrigt, wenn bei dieser Anordnung als Benutzer-Kontaktelement 416 eine auslenkbare Verkleidung vorgesehen ist; wobei eine ausreichende Flexion der Verkleidung eine Bewegung des Vorsprungs 450 relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor 424 erlauben könnte.
Eine fünfte Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors ist allgemein bei Pos. 510 in 6 angegeben. Identische oder ähnliche Komponenten wie jene, die in Verbindung mit der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben wurden, sind mit identischen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden der Kürze halber in der folgenden Beschreibung nicht mehr näher erläutert.
Der erste kapazitive Sensor 514, das erste Schaltungssubstrat 518 und das leitende Element 522 sind vorzugsweise starr an dem Benutzer-Kontaktelement 516 montiert. Hier ist das zweite Schaltungssubstrat 526 jedoch ein flexibles Schaltungssubstrat, das an dem leitenden Element 522 montiert oder auf andere Weise mit dem Benutzer-Kontaktelement 516 derart verbunden ist, dass eine auf die Benutzer-Kontaktfläche ausgeübte Kraft das zweite Schaltungssubstrat 526 von dem Benutzer-Kontaktelement 516 wegdrückt. Diese Art der Montage lässt sich erreichen, indem zum Beispiel eine Klebeschicht 556 vorgesehen wird, die die Bildung eines Hohlraums 530 zwischen dem leitenden Element 522 und dem zweiten Schaltungssubtrat 526 erlaubt.
Es wird dann ein rückseitiges Auslenkelement 558 vorgesehen, das unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche 512 mit dem zweiten Schaltungssubtrat 526 in Kontakt gebracht werden kann, so dass der zweite kapazitive Sensor 524 in Richtung auf das leitende Element 522 ausgelenkt wird, was zu einer nachweisbaren Änderung der Kapazität führt.
Eine sechste Ausführungsform eines mehrstufigen kapazitiven Sensors ist allgemein bei Pos. 610 in 7 angegeben. Identische oder ähnliche Komponenten wie jene, die in Verbindung mit der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben wurden, sind mit identischen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden der Kürze halber in der folgenden Beschreibung nicht mehr näher erläutert.
Es ist eine bewegliche Kontakteinheit vorgesehen, bei welcher das Benutzer-Kontaktelement 616 mit der Benutzer-Kontaktfläche 612 an seiner Rückfläche mit wenigstens einem und vorzugsweise mit einer Mehrzahl von ersten kapazitiven Sensoren 614 versehen ist. Hier sind die ersten kapazitiven Sensoren 614 direkt an das Benutzer-Kontaktelement 616 geklebt, das als erstes Schaltungssubstrat wirken kann.
Es wird zumindest ein Vorsprung 650 vorgesehen, im vorliegenden Fall zwei Vorsprünge, die über Federn 652 montiert sind, wobei an jedem Vorsprung eine Befestigungselement 660 vorgesehen wird, das sich in dieser Ausführungsform seitlich von dem Vorsprung 650 erstreckt. Vorzugsweise erfolgt diese seitliche Erstreckung in einer von den ersten kapazitiven Sensoren 614 wegführenden Richtung, wie dargestellt, wenngleich auch eine mehr traditionelle „Sandwich“-Konstruktion in Erwägung gezogen werden könnte. Das leitende Element 622 wird an dem betreffenden Befestigungselement 660 montiert.
Der zweite kapazitive Sensor oder die zweiten kapazitiven Sensoren 624 werden dann an dem zweiten Schaltungssubstrat 626 montiert, das hier als starres Schaltungssubstrat dargestellt ist, und die Bewegung der beweglichen Kontakteinheit zwingt die leitenden Elemente 622 in Richtung auf die oder weg von den zweiten kapazitiven Sensoren 624, wodurch eine nachweisbare Kapazitätsänderung herbeigeführt wird.
Es versteht sich, dass die Technologie eines mehrstufigen Schalters ohne weiteres Anwendung in sämtlichen Gebieten Anwendung finden kann, in denen eine Schnittstelle mit einer Verkleidung, deren Berührung detektierbar ist, oder mit einer vorzugsweise flexiblen Membrane, deren Berührung detektierbar ist, verwendbar sind. Ferner könnte die Benutzer-Kontaktfläche 12 praktisch ein Berührungsbildschirm sein oder einen solchen umfassen.
Es versteht sich, dass jede Kombination einer elektrischen Kontaktform für jeden in dem mehrstufigen kapazitiven Sensor 10 verwendeten Kontakt vorgesehen sein könnte, und zwar abhängig von dessen Funktion, zum Beispiel einzelne Kurzschlussflächen, mehrfache Kontaktflächen, mit und ohne dielektrische Abstandshalter, wobei die Aufzählung der vorstehenden Kontakte keinesfalls erschöpfend ist.
Einer der Vorteile der Verwendung einer Benutzer-Kontaktfläche 12, die Teil eines Anzeigebildschirms der Benutzerschnittstelle der Vorrichtung ist, liegt darin, dass diese Benutzer-Kontaktfläche normalerweise zumindest teilweise transparent oder lichtdurchlässig ist. Es ist daher möglich, in dem Schalter ein Beleuchtungselement wie beispielsweise eine LED-Anordnung vorzusehen, die den Anzeigebildschirm und/oder die Benutzerschnittstelle beleuchtet und dem Benutzer hilft, umgehend zu erkennen, welche Funktion der Schalter hat.
Es ist daher möglich, einen mehrstufigen kapazitiven Sensor bereitzustellen, der insbesondere für die Nutzung als Bedienschalter von elektronischen Einrichtungen im Zusammenhang mit Fahrzeugen geeignet ist. Der mehrstufige kapazitive Sensor erfordert eine Berührung durch den Benutzer, um eine Funktion zu wählen, und anschließend die Ausübung einer Kraft durch den Benutzer, um die Wahl zu bestätigen. Dadurch werden in vorteilhafter Weise viele der Probleme im Zusammenhang mit einer fälschlicherweise erfolgenden Zündung von kapazitiven Sensoren in Fahrzeugen umgangen. Darüber hinaus müssen auch keine Öffnungen durch eine Armaturenbrettverkleidung eines Fahrzeugs gebohrt werden, wie das ansonsten notwendig ist, um mechanische Schalter oder Drehschalter anzubringen. Die Armaturenbrettverkleidung behält ihr homogenes Erscheinungsbild, ohne die Nutzbarkeit der Bedienfunktionen zu beeinträchtigen.
Sofern in der vorliegenden Beschreibung die Verben „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“, „haben“ und Abwandlungen derselben verwendet werden, geschieht dies in einem einschließenden Sinn, d.h. es soll nicht ausgeschlossen werden, dass neben einem genannten Element oder Merkmal weitere Elemente oder Merkmale vorhanden sind.
Bestimmte Merkmale der vorliegenden Erfindung, die der Übersichtlichkeit halber in getrennten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert sein. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die der Kürze halber in einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat oder in geeigneten Unterkombinationen vorgesehen sein.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele. Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen wird, sind innerhalb des Rahmens der Erfindung, der durch die anliegenden Ansprüche definiert wird, verschiedene andere oder weitere Modifikationen möglich.

Claims

Mehrstufiger kapazitiver Sensor (10, 210, 310, 410, 510, 610), umfassend: eine Benutzer-Kontaktfläche (12, 212, 312, 412, 512, 612); einen ersten kapazitiven Sensor (14, 214, 314, 414, 514, 614), der an der oder angrenzend an die Benutzer-Kontaktfläche (12, 212, 312, 412, 512, 612) positioniert ist und angeordnet ist, um als kapazitiver Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche (12, 212, 312, 412, 512, 612) zu wirken; einen zweiten kapazitiven Sensor (24, 224, 324, 424, 524, 624), der in einer von der Benutzer-Kontaktfläche (12, 212, 312, 412, 512, 612) wegführenden Richtung von dem ersten kapazitiven Sensor (14, 214, 314, 414, 514, 614) beabstandet ist; und ein leitendes Element (22, 222, 322, 422, 522, 622), das zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor positioniert ist, wobei das leitende Element (22, 222, 322, 422, 522, 622) von dem zweiten kapazitiven Sensor (24, 224, 324, 424, 524, 624) beabstandet ist; wobei unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche (12, 212, 312, 412, 512, 612) eine relative Bewegung des leitenden Elements (22, 222, 322, 422, 522, 622) und des zweiten kapazitiven Sensors (24, 224, 324, 424, 524, 624) bewirkt wird, so dass ein Abstand dazwischen geändert wird, um eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor (24, 224, 324, 424, 524, 624) zu schaffen.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend ein erstes Schaltungssubstrat (18, 218, 318, 418, 518), an welchem der erste kapazitive Sensor (14, 214, 314, 414, 514, 614) montiert ist, und ein zweites Schaltungssubstrat (26, 226, 326, 426, 526, 626), an welchem der zweite kapazitive Sensor (24, 224, 324, 424, 524, 624) montiert ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, wobei das leitende Element (22, 222, 322, 422, 522, 622) ein auslenkbares leitendes Element ist, das mit dem ersten Schaltungssubstrat (18, 218, 318, 418, 518) in Eingriff ist und relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor (24, 224, 324, 424, 524, 624) ausgelenkt wird.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Distanzelement (28), das zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungssubstrat positioniert ist, wobei das Distanzelement (28) zwischen dem auslenkbaren leitenden Element und dem zweiten kapazitiven Sensor einen Hohlraum (30) definiert, in welchem das auslenkbare leitende Element auslenkbar ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das leitende Element (22) direkt an dem ersten Schaltungssubstrat (18) montiert ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das leitende Element (22) an einer Befestigungsmembrane montiert ist, die an dem ersten Schaltungssubstrat (18) befestigt werden kann.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, ferner umfassend ein Versteifungselement (32), das an dem zweiten Schaltungssubstrat (26) befestigt ist, und eine Klebstoffschicht (20), die das erste Schaltungssubstrat (18) an der Benutzer-Kontaktfläche festlegt.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, ferner umfassend ein rückseitiges Auslenkelement (558), das an dem zweiten Schaltungssubstrat (526) oder an dieses angrenzend positioniert ist, wobei das zweite Schaltungssubstrat (526) unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche (512) durch das rückseitige Auslenkelement (558) auslenkbar ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Vorsprung (250, 450, 650) vorgesehen und mit der Benutzer-Kontaktfläche (212, 412, 612) verbunden ist und wobei das zweite Schaltungssubstrat (226, 426, 612) unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche (212, 412, 612) durch den oder jeden Vorsprung auslenkbar ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das leitende Element (22, 222, 322, 422, 522, 622) als leitfähiges Gitter oder eine durchgehende leitende Platte ausgebildet oder mit einer dielektrischen Schicht überzogen ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Mehrzahl von ersten kapazitiven Sensoren (614) vorgesehen ist und jeder der mehrzähligen ersten kapazitiven Sensoren über eine gemeinsame elektrische Verbindung verbunden ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Mehrzahl von zweiten kapazitiven Sensoren (624) vorgesehen ist und jeder der mehrzähligen zweiten kapazitiven Sensoren über eine gemeinsame elektrische Verbindung verbunden ist.
Mehrstufiger kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, wobei ein Vorsprung (250, 450, 650) vorgesehen und mit der Benutzer-Kontaktfläche (212, 412, 612) verbunden ist, wobei das leitende Element (222, 422, 622) an dem Vorsprung montiert ist, so dass es unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche relativ zu dem zweiten kapazitiven Sensor bewegbar ist.
Mensch-Maschine-Schnittstelle für eine mehrstufige Steuerung einer elektronischen Einrichtung, wobei die Mensch-Maschine-Schnittstelle umfasst: einem mehrstufigen kapazitiven Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Benutzer-Kontaktfläche an einem Bedienfeld der elektronischen Einrichtung gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mehrstufigen kapazitiven Sensors, umfassend die Schritte: a] das Bereitstellen eines ersten kapazitiven Sensors; b] das Bereitstellen eines leitenden Elements, das mit dem ersten kapazitiven Sensor in Eingriff bringbar ist; c] das Bereitstellen eines zweiten kapazitiven Sensors; d] das Positionieren des leitenden Elements zwischen dem ersten und dem zweiten kapazitiven Sensor, wobei das leitende Element von dem zweiten kapazitiven Sensor beabstandet wird; und e] das Befestigen des ersten kapazitiven Sensors an einer oder angrenzend an eine Benutzer-Kontaktfläche, so dass der erste kapazitive Sensor als Berührungssensor für die Benutzer-Kontaktfläche wirken kann und dass unter Anwendung einer Kraft an der Benutzer-Kontaktfläche eine relative Bewegung des leitenden Elements und des zweiten kapazitiven Sensors bewirkt wird, so dass ein Abstand dazwischen geändert wird, um eine nachweisbare Änderung einer Kapazität an dem zweiten kapazitiven Sensor zu schaffen.