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Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor, eine Sensoranordnung mit einem solchen Berührungssensor sowie ein Display mit einer solchen Sensoranordnung.
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In Anwendungen wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen werden heutzutage zahlreiche Funktionen mittels Sensoren gesteuert. Diese erkennen im Gegensatz zu klassischen beweglichen Drucktastern bereits eine Berührung durch einen Finger eines Benutzers. Typischerweise werden derartige Systeme heutzutage kapazitiv realisiert.
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Ebenso sind bereits Infrarotsysteme bekannt, welche eine Annäherung an ein Objekt wie beispielsweise ein Display erkennen können, jedoch nicht zur klaren Unterscheidung zwischen einer bloßen Nähe und einer definitiven Berührung in der Lage sind.
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Des Weiteren wurde festgestellt, dass es bei kapazitiven Systemen nicht möglich ist, in Kombination mit einer angrenzenden, elektrisch leitenden Dekoroberfläche zu arbeiten.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Berührungssensor bereitzustellen, welcher im Vergleich zum Stand der Technik alternativ, beispielsweise einfacher oder anders anwendbar, ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung mit einem solchen Berührungssensor bereitzustellen. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Display mit einer solchen Sensoranordnung bereitzustellen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch einen Berührungssensor, eine Sensoranordnung sowie ein Display gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft einen Berührungssensor. Der Berührungssensor weist einen Hauptkörper mit zumindest einer Auflagefläche auf. Der Berührungssensor weist eine Lichtquelle auf, welche zum Einleiten von Licht in den Hauptkörper ausgebildet ist. Der Berührungssensor weist einen Lichtdetektor auf, welcher zum Erfassen des aus dem Hauptkörper austretenden Lichts ausgebildet ist. Der Berührungssensor weist ferner eine Steuerungsvorrichtung auf. Diese ist mit dem Lichtdetektor verbunden und ist dazu konfiguriert, abhängig von dem erfassten Licht einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand zu unterscheiden. In dem ersten Zustand liegt zumindest ein Objekt auf der Auflagefläche auf. In dem zweiten Zustand liegt kein Objekt auf der Auflagefläche auf.
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Mittels des erfindungsgemäßen Berührungssensors kann zur Detektion einer Auflage eines Objekts Licht bzw. eine dazugehörige optische Messung verwendet werden, so dass auf eine kapazitive Messung verzichtet werden kann. Dies vermeidet insbesondere Störeinflüsse durch abdeckende oder benachbarte elektrisch leitende Flächen. Dadurch wird der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Berührungssensors deutlich erhöht, da er beispielsweise benachbart zu elektrisch leitenden Dekoroberflächen verwendet werden kann.
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Bei dem Objekt kann es sich insbesondere um einen Finger einer menschlichen Hand handeln. Es kann sich jedoch auch um ein anderes Objekt handeln, beispielsweise um ein speziell zur Bedienung ausgebildetes Objekt wie einen Stift oder einen Handschuh. Grundsätzlich ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Berührungssensors nicht auf eine bestimmte Art von Objekten eingeschränkt.
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Es sei verstanden, dass die Steuerungsvorrichtung die beiden Zustände als solche unterscheidet, und zwar insbesondere anhand von vorgegebenen Kriterien. Die Zuordnung, dass das Objekt aufliegt oder nicht, ist typischerweise eine Schlussfolgerung aus den technisch erkannten Zuständen.
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Bei dem Licht kann es sich insbesondere um ein Infrarotlicht handeln. Insbesondere kann dazu die Lichtquelle zum Aussenden von Infrarotlicht ausgebildet sein und/oder der Lichtdetektor kann zum Detektieren von Infrarotlicht ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass Infrarotlicht für das menschliche Auge nicht sichtbar ist und keine schädliche oder gesundheitsgefährdende Strahlung darstellt. Auch andere Arten von Licht können jedoch verwendet werden.
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Der Hauptkörper ist bevorzugt für das von der Lichtquelle eingeleitete Licht transparent. Dadurch kann die Lichtleitung in dem Hauptkörper verbessert werden. Unter einer transparenten Ausführung kann insbesondere verstanden werden, dass das von der Lichtquelle eingeleitete Licht in dem Hauptkörper ohne nennenswerte Absorption geleitet wird.
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An der Auflagefläche kann insbesondere eine vollständige Totalreflexion des Lichts auftreten, wenn kein Objekt auf der Auflagefläche aufliegt. Dies entspricht einer typischen Realisierung von Lichtleitern, wobei das gesamte auf eine Fläche von innen auftreffende Licht wieder in den Lichtleiter reflektiert wird.
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An der Auflagefläche kann insbesondere keine vollständige Totalreflexion des Lichts auftreten, wenn ein Objekt auf der Auflagefläche aufliegt. Durch das Aufliegen eines Objekts wie beispielsweise eines Fingers auf der Auf lagefläche kann somit die Totalreflexion gestört werden, weshalb in diesem Fall nicht mehr das gesamte auf die Auflagefläche von innen auftreffende Licht reflektiert wird, sondern ein Teil des Lichts aus dem Hauptkörper herausgeleitet wird. Dies eröffnet eine Möglichkeit zur Unterscheidung, ob ein Objekt auf der Auflagefläche aufliegt oder nicht.
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Die Steuerungsvorrichtung kann insbesondere die Zustände anhand eines Vergleichs einer Intensität des austretenden Lichts mit einem Schwellenwert unterscheiden. Beispielsweise kann der erste Zustand bei einer Intensität erkannt werden, welche kleiner als der Schwellenwert ist. Der zweite Zustand kann beispielsweise bei einer Intensität erkannt werden, welche größer als der Schwellenwert ist. Dadurch kann die weiter oben beschriebene Totalreflexion bzw. deren Störung bei aufliegendem Objekt in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, die interessierenden Zustände zu unterscheiden. Insbesondere kann bei einer Störung der Totalreflexion aufgrund eines aufliegenden Objekts davon ausgegangen werden, dass die erkannte Intensität kleiner ist, wobei zur Unterscheidung in einfacher Weise ein Schwellenwert vorgegeben werden kann.
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Der Hauptkörper kann sich insbesondere entlang einer Längsrichtung erstrecken. Dabei kann es sich insbesondere um eine Längsrichtung handeln, welche senkrecht auf einem Querschnitt des Hauptkörpers steht. Der Querschnitt kann dabei insbesondere konstant sein. Dadurch kann der Hauptkörper beispielsweise in Form einer Leiste realisiert werden, wobei durch die Ausführung des Berührungssensors in vorteilhafter Weise erkannt werden kann, ob ein Objekt aufliegt oder nicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist der Hauptkörper im Querschnitt einen ersten Schenkel und einen dazu abgewinkelten zweiten Schenkel auf. An dem ersten Schenkel oder an dem zweiten Schenkel kann die Auflagefläche ausgebildet sein.
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Eine solche Ausführung mit erstem und zweitem Schenkel hat sich für typische Einbausituationen als vorteilhaft erwiesen. Es sei jedoch erwähnt, dass der Hauptkörper auch andere Ausführungen seines Querschnitts haben kann, beispielsweise einen rechteckförmigen oder ovalen Querschnitt.
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Die Lichtquelle und der Lichtdetektor können insbesondere an im Querschnitt gegenüberliegenden Enden des Hauptkörpers angeordnet sein. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass sich das Licht durch den Querschnitt des Hauptkörpers ausbreitet. Lichtquelle und/oder Lichtdetektor können entlang einer Längserstreckung des Hauptkörpers ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Sensoranordnung. Die Sensoranordnung weist einen Berührungssensor gemäß der Erfindung auf. Diesbezüglich kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Die Sensoranordnung weist ferner einen Annäherungssensor auf. Die Steuerungsvorrichtung ist dazu konfiguriert, bei Erkennen des ersten Zustands eine Position in zumindest einer Dimension entlang der Auflagefläche mittels des Annäherungssensors zu bestimmen.
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Durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann der Berührungssensor in vorteilhafter Weise mit einem Annäherungssensor kombiniert werden. Der Annäherungssensor ist dabei typischerweise dazu in der Lage, eine Position eines Objekts wie beispielsweise eines Fingers zu bestimmen, jedoch mit der bereits weiter oben erwähnten Unschärfe bezüglich der tatsächlichen Kontaktierung. Der Berührungssensor kann demgegenüber eine Berührung zuverlässig erkennen, wobei es sich hierbei typischerweise um eine Ja/Nein-Entscheidung handelt, d.h. der Berührungssensor kann nicht erkennen, an welcher Stelle er berührt wurde. Der Annäherungssensor kann jedoch genau diese fehlende Information liefern, wodurch sich Berührungssensor und Annäherungssensor zu einer synergetisch wirkenden Einheit ergänzen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Leiste in einem Fahrzeug realisiert werden, welche bei erkannter Auflage eines Fingers oder eines anderen Objekts eine Einstellung eines Werts über einen gewissen Bereich ermöglicht. Beispielsweise kann damit eine Lautstärke einer Medienwiedergabe eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Display mit einer Anzeigeeinheit zum Anzeigen grafischer Informationen und einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Der Hauptkörper des Berührungssensors ist bevorzugt benachbart zur Anzeigeeinheit angeordnet. Dadurch kann der Hauptkörper als benachbart zur Anzeigeeinheit vorgesehene Bedieneinheit verwendet werden, welche beispielsweise in der weiter oben beschriebenen Art und Weise zur Einstellung eines Parameters verwendet werden kann. Dies kann bevorzugt direkt benachbart zur Anzeigeeinheit oder besonders bevorzugt unterhalb der Anzeigeeinheit vorgesehen sein, da an dieser Stelle eine besonders intuitive Bedienung möglich ist.
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Der Annäherungssensor kann eine Anzahl von Sendern und eine Anzahl von Empfängern aufweisen, wobei die Sender in der Anzeigeeinheit integriert sind und die Empfänger benachbart zur Anzeigeeinheit angeordnet sind. Die Sender können dabei insbesondere als eine Mehrzahl von Flächen ausgebildet sein, welche Licht, beispielsweise Infrarotlicht, aussenden, wobei zeitlich abfolgend hintereinander jeweils nur eine dieser Flächen angeschaltet ist. Die Sender können reflektiertes Licht empfangen. Somit kann durch Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens eine Position eines Objekts vor den Sendern erkannt werden. Durch die Kombination mit dem Berührungssensor kann ein solcher Annäherungssensor die bereits weiter oben erwähnten vorteilhaften Eigenschaften aufweisen.
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Fern- und Nahfelderkennung eines Annäherungssensors wie beispielsweise eines Infrarotsystems können beispielsweise über einen Lichtleiter realisiert werden. Dieser Lichtleiter kann beispielsweise von einem weiteren, insbesondere bügelförmigen, Lichtleiter überbaut werden, welcher eine zusätzliche Funktion der Fingerauflagenerkennung hinzufügt. Dabei kann es sich beispielsweise um den weiter oben erwähnten Hauptkörper handeln.
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Der eben erwähnte Lichtleiter bzw. Hauptkörper kann beispielsweise eine Oberfläche des Systems bilden oder kann mittels optischen Bondings an einer transparenten Oberfläche angebracht werden. Hierzu kann beispielsweise ein Seamless-Design verwendet werden.
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Die Fingerauflageerkennung kann beispielsweise auf dem Prinzip der unterbrochenen Totalreflexion basieren. Dies kann bedeuten, dass eine durch den Sender eingekoppelte Infrarotstrahlung mittels Totalreflexion im Lichtleiter geführt wird und am anderen Ende auf den Empfänger auftrifft. Berührt ein Finger die Oberfläche des Lichtleiters, wird Strahlung an dieser Position ausgekoppelt, was zur Reduzierung der Empfangsenergie führt. Der Abfall der Signalstärke kann detektiert werden.
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Ein bekanntes Basissystem kann dadurch beispielsweise um einen Sender und einen Empfänger erweitert werden, die von einem bereits vorhandenen IC bzw. einer bereits vorhandenen Steuerungsvorrichtung getrieben werden können.
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Zusätzlich kann der Lichtleiter bzw. der Hauptkörper als Fingerauflage dienen, kann infrarottransparent sein und das System vor Umwelteinflüssen schützen.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die beschriebene Ausführung eine deutliche Erweiterung der bestehenden Funktionalität mit einem geringen Mehraufwand möglich ist. Der Schaltungsaufwand wird dabei minimiert, was auch zu verringerten Risiken und Kosten führt.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
- 1: einen Berührungssensor, und
- 2: ein Display.
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1 zeigt einen Berührungssensor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
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Der Berührungssensor 10 weist einen Hauptkörper 20 auf. Dieser ist in einen ersten Schenkel 22 und einen zweiten Schenkel 24 unterteilt. Auf dem zweiten Schenkel 24 ist eine Auflagefläche 26 ausgebildet, auf welcher ein Objekt wie beispielsweise ein Finger aufliegen kann oder auch nicht.
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Links unten am Hauptkörper 20 ist eine Lichtquelle 30 angeordnet, welche zum Aussenden von Infrarotlicht in den Hauptkörper 20 ausgebildet ist. An der rechten Seite des Hauptkörpers 20 ist ein Lichtdetektor 35 zum Detektieren von Infrarotlicht angeordnet.
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In dem Hauptkörper 20 ist ein typischer Verlauf eines Lichtstrahls 37 dargestellt. Der Lichtstrahl 37 wird von der Lichtquelle 30 emittiert und bei dem dargestellten beispielhaften Verlauf zweimal an der Oberfläche des Hauptkörpers 20 totalreflektiert. Eine Totalreflexion tritt dabei an der Auflagefläche 26 auf.
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Bei dem dargestellten Verlauf mit zwei Totalreflexionen erreicht nahezu die gesamte von der Lichtquelle 30 ausgesendete Energie des Lichtstrahls 37 den Lichtdetektor 35. Würde jedoch auf der Auflagefläche 26 ein Objekt wie beispielsweise ein Finger aufliegen, so wäre die zweite Totalreflexion gestört. Es würde somit nicht mehr die gesamte Energie beim Lichtdetektor 35 eintreffen, sondern nur noch ein Bruchteil davon.
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Der Berührungssensor 10 weist ferner eine Steuerungsvorrichtung 40 auf, welche hier lediglich schematisch dargestellt ist und in nicht näher dargestellter Weise mit dem Lichtdetektor 35 verbunden ist. Der Lichtdetektor 35 meldet somit eine gemessene Intensität an die Steuerungsvorrichtung 40. Liegt diese Intensität über einem vorgegebenen Schwellenwert, so wird davon ausgegangen, dass die Totalreflexion nicht gestört ist und somit ein Zustand vorliegt, in welchem kein Objekt auf der Auflagefläche 26 aufliegt. Liegt die Intensität dagegen unter dem Schwellenwert, so wird davon ausgegangen, dass die Totalreflexion gestört ist, was auf die Auflage eines Objekts auf der Auflagefläche 26 hinweist. Somit kann die Steuerungsvorrichtung 40 in einfacher Weise unterscheiden, ob ein Objekt auf der Auflagefläche 26 aufliegt oder nicht.
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2 zeigt schematisch ein Display 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Display 100 weist eine Anzeigeeinheit 110 auf, welche in nicht näher dargestellter und beschriebener Weise als Flachbildschirm ausgeführt ist. Das Display 100 weist ferner eine Sensoranordnung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf.
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Die Sensoranordnung 200 weist einen Annäherungssensor 210 sowie einen Berührungssensor 10 wie weiter oben beschrieben auf. Der Hauptkörper 20 mit seiner Auflagefläche 26 ist dabei unmittelbar unterhalb der Anzeigeeinheit 110 angeordnet.
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Der Annäherungssensor 210 weist insgesamt sechs Sender 211, 212, 213, 214, 215, 216 auf, welche als Flächen in der Anzeigeeinheit 110 ausgeführt sind. Diese sind dazu ausgebildet, Infrarotlicht auszusenden. Um dieses Infrarotlicht zu detektieren, weist der Annäherungssensor 210 ferner einen ersten Empfänger 217 und einen zweiten Empfänger 218 auf. Die Sender 211, 212, 213, 214, 215, 216 werden zeitlich alternierend angesteuert, so dass in kurzen Abständen hintereinander jeweils nur einer der Sender 211, 212, 213, 214, 215, 216 in Betrieb ist. Nähert sich ein Objekt wie beispielsweise eine Hand dem Display 100, so kann auf diese Weise anhand der Zeit, zu welcher die beiden Empfänger 217, 218 eine ausgesendete und reflektierte Infrarotstrahlung detektieren, die Position des Objekts vor dem Display 100 erkannt werden. Auf diese Weise kann jedoch noch nicht erkannt werden, ob das Objekt wie beispielsweise ein Finger einen Teil des Displays 100 berührt.
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Berührt das Objekt wie beispielsweise ein Finger die Auflagefläche 26, so wird in der weiter oben bereits erläuterten Art und Weise diese Berührung erkannt. Allein damit kann jedoch noch nicht erkannt werden, an welcher Stelle das Objekt die Auflagefläche 26 berührt. Dies kann jedoch durch den Annäherungssensor 210 erfolgen, da dieser die Position des Objekts vor dem Display 100 in der bereits beschriebenen Art und Weise erkennen kann. Somit kann eine Slider-Funktionalität entlang der Auflagefläche 26, d.h. in 2 in horizontaler Richtung, implementiert werden, d.h. es kann mittels des Berührungssensors 10 eine Berührung festgestellt werden und mittels des Annäherungssensor 210 kann eindimensional eine Position entlang der horizontalen Erstreckung der Auflagefläche 26 ermittelt werden. Dies kann beispielsweise zur Einstellung eines Parameters wie einer Lautstärke verwendet werden.
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Die gesamte beschriebene Funktionalität kann von der bereits beschriebenen Steuerungsvorrichtung 40 gesteuert werden, d.h. diese kann sowohl für die Steuerung des Berührungssensors 10 wie auch für die Steuerung des Annäherungssensors 210 verwendet werden. Letzteres beinhaltet insbesondere die Ansteuerung der Sender 211, 212, 213, 214, 215, 216 im Zeitmultiplexverfahren sowie das Auslesen der Empfänger 217, 218.
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Die zur Anmeldung gehörigen Ansprüche stellen keinen Verzicht auf die Erzielung weitergehenden Schutzes dar.
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Sofern sich im Laufe des Verfahrens herausstellt, dass ein Merkmal oder eine Gruppe von Merkmalen nicht zwingend nötig ist, so wird anmelderseitig bereits jetzt eine Formulierung zumindest eines unabhängigen Anspruchs angestrebt, welcher das Merkmal oder die Gruppe von Merkmalen nicht mehr aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs oder um eine durch weitere Merkmale eingeschränkte Unterkombination eines am Anmeldetag vorliegenden Anspruchs handeln. Derartige neu zu formulierende Ansprüche oder Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass Ausgestaltungen, Merkmale und Varianten der Erfindung, welche in den verschiedenen Ausführungen oder Ausführungsbeispielen beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigt sind, beliebig untereinander kombinierbar sind. Einzelne oder mehrere Merkmale sind beliebig gegeneinander austauschbar. Hieraus entstehende Merkmalskombinationen sind als von der Offenbarung dieser Anmeldung mit abgedeckt zu verstehen.
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Rückbezüge in abhängigen Ansprüchen sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Diese Merkmale können auch beliebig mit anderen Merkmalen kombiniert werden.
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Merkmale, die lediglich in der Beschreibung offenbart sind oder Merkmale, welche in der Beschreibung oder in einem Anspruch nur in Verbindung mit anderen Merkmalen offenbart sind, können grundsätzlich von eigenständiger erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Sie können deshalb auch einzeln zur Abgrenzung vom Stand der Technik in Ansprüche aufgenommen werden.
