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Die Erfindung betrifft ein berührungsempfindliches Bedienelement mit einer Bedienplatte, an deren Außenoberfläche ein Erfassungsbereich gebildet ist, und mit einer hinter der Bedienplatte angeordneten Sensorik, welche ausgebildet ist, ein Antasten des Erfassungsbereichs zu erkennen.
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Bisher werden sicherheitskritische Bedienelemente, wie sie beispielsweise in der Industrie oder Medizintechnik zur Anwendung kommen, vielfach als mechanische Bedienelemente wie beispielsweise Schalter und Tasten realisiert. Diese haben den Vorteil, dass sie nur genau dann auslösen, wenn es erwünscht ist. Es besteht eine große Robustheit gegenüber vielen Umwelteinflüssen und Fehlauslösungen. Die Taste muss gezielt gedrückt werden, um sie zu aktivieren.
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Ferner ist bei sicherheitskritischen Bedienelementen eine sogenannte Erstfehlersicherheit von Bedeutung. Dies bedeutet, dass ein beliebiger erster Fehler ohne Konsequenz bleiben muss. Blockiert beispielsweise ein mechanisches Bedienelement, so würde die aktive Schaltstellung auch nach Loslassen des Tasters ungewollt anhalten (erster Fehler). Durch die Verwendung zweier separater Bedienelemente sowie einer Routine, die nur dann eine Aktion auslöst, wenn beide Bedienelemente betätigt sind, kann die Erstfehlersicherheit gewährleistet werden. Derartigen redundanten Lösungen sind jedoch Lösungen zu bevorzugen, welche eine hinreichende Erstfehlersicherheit innerhalb eines Bedienelements zu erreichen.
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Moderne Gerätebedienungen und Steuerungen werden heute vielfach über die Verwendung einer Berührungssensorik realisiert, wie sie aus Smartphones und Tabletcomputern bekannt sind. Diese Technologien bieten enorme Vorteile, da sie sehr flexibel sind und durch deren Kombination mit modernen Displays unterschiedliche Bedienkonzepte nahezu frei konfiguriert werden können. Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, Berührungssensorik auch im Bereich der sicherheitskritischen industriellen und medizinischen Gerätesteuerung einzusetzen und dabei mechanische Schaltelemente zu ersetzen. Die derzeit in der Berührungssensorik verfügbaren Technologien sind allerdings nicht ausreichend robust gegenüber diversen möglichen Fehlauslösungen und bieten kaum Erstfehlersicherheit. So wird beispielsweise ein kapazitiv arbeitender Berührungssensor durch Flüssigkeitsfilme erheblich gestört. Ein resistiver Berührungssensor kann beispielsweise durch die ungewollte Ablage von Gegenständen fehlausgelöst werden. Generell kann es bei beispielsweise den nachfolgend genannten Einflüssen zum ungewollten Auslösen einer Berührungssensorik kommen: unbeabsichtigte mechanische Einwirkungen, Licht oder Strahlung, Feuchtigkeit oder Schmutz auf der Oberfläche, flüchtiges Wischen, Erschütterungen oder elektromagnetischer Felder.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein berührungsempfindliches Bedienelement bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine für sicherheitskritische Anwendungen ausreichende Erstfehlersicherheit und allgemein Sicherheit gegen Fehlauslösungen aufweist.
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein berührungsempfindliches Bedienelement mit einer Bedienplatte, an deren Außenoberfläche ein Erfassungsbereich gebildet ist, und mit einer hinter der Bedienplatte angeordneten Sensorik, welche ausgebildet ist, ein Antasten des Erfassungsbereichs zu erkennen, wobei die Sensorik wenigstens zwei Sensoren umfasst, die auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruhen und jeweils für sich genommen ausgebildet sind, ein Antasten des Erfassungsbereichs zu erkennen.
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Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Sensoren, welche auf unterschiedliche Messprinzipien zurückgreifen, kann eine Sicherheit gegen Fehlauslösungen und somit eine Erstfehlersicherheit gewährleistet werden. Wie ein mechanischer Schalter löst das erfindungsgemäße Bedienelement daher nur dann aus, wenn es auch tatsächlich auslösen soll.
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Der Erfassungsbereich ist beispielsweise knopfförmig und weist typischerweise eine Fläche von weniger als maximal etwa 4 cm2 auf. Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf eindimensionale Schaltunkte und nicht auf zweidimensionale flächige Schaltflächen, wie diese beispielsweise von Touchscreens bekannt sind.
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Bei der Bedienplatte kann es sich um eine transparente Glasplatte handeln. Als Materialien kommen sowohl Kunststoffglas als auch Mineralglas in Frage.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Sensorik drei oder mehr Sensoren, die auf einem unterschiedlichen Messprinzip beruhen und jeweils für sich genommen ausgebildet sind, ein Antasten des Erfassungsbereichs zu erkennen. Durch die Verwendung von drei Sensoren steigt das Sicherheitsniveau erheblich.
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Generell ist im Rahmen der Erfindung die Wahl solcher unterschiedlicher Sensortypen vorgesehen, die jeder für sich genommen prinzipiell einen Schaltvorgang erkennen können, jedoch unterschiedlich auf die möglichen Risiken einer Fehlauslösung reagieren. Durch entsprechende Auswertung lassen sich somit verschiedene Einflüsse auswerten und ausschließen, so dass nur die gewollte Bedienung erkannt wird und Fehler ausgeschlossen werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorik wenigstens einen, vorzugsweise wenigstens zwei und weiter vorzugsweise alle drei Sensoren aus der Gruppe umfassend einen Drucksensor, einen kapazitiven Sensor und einen optoelektronischen Sensor aufweist. Diese Sensortypen können jeder für sich genommen prinzipiell einen Schaltvorgang erkennen, reagieren jedoch unterschiedlich auf die möglichen Risiken einer Fehlauslösung.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bedienelement ein Gehäuse aufweist, das gemeinsam mit der Bedienplatte einen hinter der Bedienplatte ausgebildeten Raum umschließt. Die Bedienplatte kann passgenau in das beispielsweise kastenförmige Gehäuse integriert sein. Einer oder mehrere Sensoren, beispielsweise ein kapazitiver Sensor und/oder ein optoelektronischer Sensor können in diesem Raum hinter der Bedienplatte bzw. hinter dem Erfassungsbereich angeordnet sein. Ein Drucksensor kann beispielsweise in eine kleine Aussparung des Gehäusebodens integriert sein, so dass er plan auf die Gehäuseunterseite aufliegt.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens zwei und vorzugsweise alle Sensoren in einer senkrecht zur Ebene der Bedienplatte verlaufenden Richtung gestaffelt hinter der Bedienplatte angeordnet sind. Einige oder alle der Sensoren können in dem hinter der Bedienplatte ausgebildeten Raum angeordnet sein.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein kapazitiver Sensor direkt an der Rückseite der Bedienplatte und somit am nächsten zum Erfassungsbereich angeordnet ist. Ein Drucksensor kann von allen Sensoren am weitesten vom Erfassungsbereich entfernt angeordnet sein, beispielsweise in einem Bodenelement des Gehäuses und mithin an der Grenze bzw. außerhalb eines durch ein Gehäuse und die umschlossenen Raumes. Ein optoelektronischer Sensor kann zwischen dem kapazitiven Sensor und dem Drucksensor angeordnet sein. In einer Ausführungsform sind also vom Erfassungsbereich aus gesehen ein kapazitiver Sensor, ein optoelektronischer Sensor und ein Drucksensor in dieser Reihenfolge hintereinander gestaffelt hinter der Bedienplatte angeordnet.
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Der Drucksensor dient vor allem der Erkennung von Krafteinwirkungen auf die Bedienfläche bzw. den Erkennungsbereich. Dabei ist die Empfindlichkeit einstellbar bzw. programmierbar. Die Empfindlichkeit wird so eingestellt, dass der Sensor nicht bereits auslöst, wenn beispielsweise nur ein Blatt Papier auf die Bedienfläche gelegt wird, sondern nur bei gezielter Druckausübung.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass es sich bei dem Drucksensor um einen piezoresistiven Drucksensor handelt. Derartige Sensoren erzeugen selbst keine elektrische Spannung bei Druckänderung, sondern verändern unter Einwirkung von Druck ihren elektrischen Widerstand. Es handelt sich somit um passive Drucksensoren. Sie sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf.
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In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei dem Drucksensor um einen piezoelektrischen Drucksensor.
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Mit dem optoelektronischen Sensor werden Bewegungen wie beispielsweise die Annäherung eines Fingers an den Erfassungsbereich erkannt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensorik eine Lichtquelle, vorzugsweise eine LED-Lichtquelle umfasst, welche ausgebildet ist, Licht einer bestimmten Wellenlänge durch die Bedienplatte zu senden, und dass der optoelektronische Sensor ausgebildet ist, Reflexionen dieses Lichts zu erkennen. Das durch die Bedienplatte, vorzugsweise Glasscheibe emittierte Licht wird an der Umgebung reflektiert und der Sensor empfängt diese Reflexionen. Hierdurch können gezielt Bewegungen über dem Erfassungsbereich erkannt werden. Der verwendete Sensor ist so unempfindlicher gegenüber den äußeren Lichtverhältnissen, so dass auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen eine einwandfreie Erfassung gewährleistet ist.
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Als alternative oder zusätzliche Maßnahme zur Erreichung einer Unempfindlichkeit gegenüber äußerem Licht kann auch eine Modulation des LED Lichtes und eine Ausbildung des Sensors dergestalt vorgesehen sein, dass er nur bei der spezifischen Modulationsfrequenz anspricht.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lichtquelle im infraroten Bereich und/oder in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittiert.
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Beispielsweise kann die Lichtquelle zwei, drei oder mehrere unterschiedliche LED-Lichtquellen aufweisen, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren. Da das Reflexionsverhalten verschiedener Flüssigkeiten und Verschmutzungen von der Farbe des eingesetzten Lichtes abhängig ist, kann durch die Verwendung mehrerer unterschiedlich farbiger Lichtquellen eine Verbesserung bei der Selektivität der Erkennung erreicht werden. Beispiele umfassen eine oder mehrere im IR-Bereich emittierende Diode und/oder eine oder mehrere im sichtbaren Bereich emittierende Dioden. Eine Emission ausschließlich im IR-Bereich kann bevorzugt sein, weil dieses Licht nicht sichtbar und mithin nicht störend ist.
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In einer Ausführungsform können der optoelektronische Sensor und/oder die Lichtquellen direkt oberhalb des Drucksensors angeordnet werde, beispielsweise in einer Halterung an der zur Bedienplatte gewandten Seite des Drucksensors.
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Kapazitive Sensoren reagieren besonders empfindlich auf die Annäherung von Materialien mit einer hohen Permittivität, wie Wasser und mithin auch wasserhaltige biologische Materialien (Finger). In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der kapazitive Sensor eine unterhalb des Erfassungsbereichs an der Rückseite der Bedienplatte angeordnete, metallische oder metallisierte Touchfolie sowie einen ebenfalls an der Rückseite der Bedienplatte angeordnete, die Folie zumindest teilweise umgebenden metallischen oder metallisierten Ring umfasst. Die Touchfolie ist vorzugsweise transparent. Bei dem Ring kann es sich beispielsweise um einen Ring aus einem metallischen oder metallisierten Folienband handeln, das um die Touchfolie herum geklebt ist. Ein geeignetes Metall zur Fertigung bzw. Beschichtung des Folienbandes und/oder der Touchfolie stellt beispielsweise Kupfer dar. Die Touchfolie und der Ring stellen für sich genommen eigene Sensoren dar, die individuell ausgelöst werden können und einen Teil des gesamten kapazitiven Sensors bilden. In einer Ausführungsform ist dieser kapazitive Sensor so programmiert, dass eine Auslösung nur dann als solche erkannt wird, wenn nur die Touchfolie ein Signal liefert. So wird beispielsweise eine Fehlauslösung durch Handauflage auf die Bedienplatte vermieden. Dadurch ist es möglich, eine gezielte Gestensteuerung zu erreichen. Auch ist in einer Ausführungsform der kapazitive Sensor so programmiert, dass überprüft wird, ob der Ringfolie vor dem von der Touchfolie empfangenen Signal auch ein Signal geliefert hat. Nur wenn dies nicht der Fall ist, wird eine Auslösung erkannt. So wird beispielsweise eine Fehlauslösung durch Wischen über die Bedienplatte vermieden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Bedienelement noch eine Signallichtquelle zur Hintergrundbeleuchtung aufweist. Diese Signallichtquelle emittiert vorzugsweise an einer anderen Wellenlänge als die mit dem optoelektronischen Sensor gekoppelte Lichtquelle der Sensorik. Beispielsweise können in dem oben beschriebenen, unterhalb der Bedienplatte liegenden und durch ein Gehäuse definierten Raum eine oder mehrere LEDs der Signallichtquelle angeordnet sein, welche die Bedienplatte mit sichtbarem Licht hinterleuchten.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein medizinisches Gerät mit einem erfindungsgemäßen berührungsempfindlichen Bedienelement. Durch die Kombination der unterschiedlichen Sensoren ist es somit möglich, eine gezielte Bedienung des Erfassungsbereichs mit beispielsweise einem Finger zu erkennen und nicht frühzeitig oder fehlerhaft auszulösen. Ein ungewolltes Auslösen durch Störungen wie beispielsweise Flüssigkeiten, Gegenstände, etc. wird durch die Kombination der Sensoren verhindert. Durch die damit einhergehende Erstfehlersicherheit ist das erfindungsgemäße Bedienelement insbesondere für einen Einsatz in medizinischen Geräten, aber auch für sicherheitsrelevante industrielle Anwendungen geeignet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:
- 1: eine Ansicht auf die Außenoberfläche eines erfindungsgemäßen Bedienelements; und
- 2: eine Ansicht des Bedienelements mit abgenommener Bedienplatte.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bedienelements 1 gezeigt, welches eine Bedienplatte 10 und ein Gehäuse 20 aufweist, das gemeinsam mit der Bedienplatte 10 einen hinter der Bedienplatte ausgebildeten Raum 30 umschließt. Die Bedienplatte 10 ist passgenau in das kastenförmige Gehäuse 20 integriert und bildet deren oberen Abschluss. Bei der Bedienplatte 10 handelt es sich um eine transparente Glasplatte aus Mineralglas.
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An der Bedienplatte 10 ist ein knopfförmiger Erfassungsbereich 11 ausgebildet, der in etwa die Größe einer Fingerkuppe aufweist.
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Hinter der Bedienplatte 10 ist eine Sensorik angeordnet, welche insgesamt drei Sensoren 40, 50 und 60 umfasst.
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Nämlich ist direkt unterhalb des Erfassungsbereichs 11 ein kapazitiver Sensor 40 geklebt, der eine metallisierte aber transparente Touchfolie 41 sowie ein die Touchfolie ringförmig umgebendes und mit Kupfer metallisiertes Folienband 42 umfasst. Der Sensor 40 ist so programmiert, dass eine Auslösung nur dann als solche erkannt wird, wenn die Touchfolie 41 ein Signal liefert und das Folienband 42 kein Signal liefert. Der Sensor 40 ist ferner so programmiert, dass eine Auslösung nur dann als solche erkannt wird, wenn die Touchfolie 41 ein Signal liefert und das Folienband 42 nicht kurz, beispielsweise weniger als 50 Millisekunden zuvor auch ein Signal geliefert hat. So werden Fehlauslösungen durch Handauflage oder durch Wischen über die Bedienplatte 10 vermieden.
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Der Drucksensor 60 ist in dieser Ausführungsform am weitesten von der Bedienplatte 10 entfernt an der Bodenplatte 21 des Gehäuses 20 angeordnet, was aber in anderen Beispielen nicht zwingend so sein muss. Es handelt sich bei dem verwendeten Drucksensor um einen piezoresistiven Drucksensor, der in einer kleinen Aussparung in der Bodenplatte 21 integriert ist, sodass er plan auf der Unterseite der Bodenplatte aufliegt. Bei Druckausübung auf den Erfassungsbereich 11 wird das ganze Gehäuse 20 unmerklich nach unten gedrückt und ein resultierender Gegendruck durch einen unter dem Gehäuse 20 angeordneten Boden kann durch den piezoresistiven Drucksensor 60 erfasst werden. Die Empfindlichkeit des Sensors 60 ist so eingestellt, dass er nur bei gezielter Druckausübung auf den Erfassungsbereich 11 bzw. die Bedienplatte 10 auslöst, und nicht bereits bei Auflage eines sehr leichten Gegenstandes wie beispielsweise eines Blattes Papier.
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Über den Drucksensor 60 ist eine kleine Hülle gesetzt, in welche passgenau ein optoelektronischer Sensor 50 integriert ist. Der optoelektronischen Sensor 50 ist mit einer Anordnung an drei unterschiedlichen LED-Lichtquellen gekoppelt, wobei die einzelnen LED-Lichtquellen Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren (infrarot, rot, grün). Selbstverständlich können auch andere Zahlen und Wellenlängen zur Anwendung kommen. Der Sensor 50 ist ausgebildet, Reflexionen dieses Lichts zu erkennen, die auftreten, wenn das Licht durch die Bedienplatte 10 tritt, an der Umgebung reflektiert wird und anschließend wieder durch die Bedienplatte 10 zum Sensor 50 tritt. Hierdurch können gezielt Bewegungen über dem Erfassungsbereich 11 erkannt werden. Durch die Verwendung der LED-Lichtquellen ist der Sensor 50 unempfindlicher gegenüber den äußeren Lichtverhältnissen, so dass auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen eine einwandfreie Erfassung gewährleistet ist. Da das Reflexionsverhalten verschiedener Flüssigkeiten und Verschmutzungen von der Farbe des eingesetzten Lichtes abhängig ist, kann durch die Verwendung der drei unterschiedlich farbigen Lichtquellen eine Verbesserung bei der Selektivität der Erkennung erreicht werden.
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Durch die Verwendung der unterschiedlichen Sensoren 40, 50 und 60, welche auf unterschiedliche Messprinzipien zurückgreifen, kann eine Sicherheit gegen Fehlauslösungen und somit eine Erstfehlersicherheit gewährleistet werden. Wie ein mechanischer Schalter löst das erfindungsgemäße Bedienelement daher nur dann aus, wenn es auch tatsächlich auslösen soll.
