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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion eines Schaltvorgangs, aufweisend einen kapazitiven Sensor, welcher eine erste Kondensatorplatte, angeordnet in einer ersten Ebene einer ersten Leiterplatte, eine zweite Kondensatorplatte, beabstandet zur ersten Kondensatorplatte angeordnet und ein Abstandsmittel, angeordnet zwischen der ersten Ebene der ersten Leiterplatte und der zweiten Kondensatorplatte, aufweist.
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In vielen elektronischen Geräten wie beispielsweise TV-Geräten, Rundfunkempfängern, Smartphones, Tablets, Laptops, Küchengeräten und Maschinen in Produktionsbereichen werden kapazitive Sensoren, auch als kapazitive Touch-Sensoren bezeichnet, eingesetzt, um Schaltvorgang zu detektieren und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal zu erzeugen, mittels welchem beispielsweise eine bestimmte Funktion der Anlage oder des Geräts aufgerufen wird.
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Das Funktionsprinzip derartiger kapazitiver Sensoren beruht auf der Änderung der Kapazität bzw. des Kapazitätswerts eines Kondensators.
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Bekannt ist auch, derartige kapazitive Sensoren unter anderem für die Messung von Abständen, Drücken, Wegen, Winkeln, der Detektion von Gegenständen innerhalb ihres Erfassungsbereichs oder der Detektion einer Annäherung oder Berührung und anderen Größen einzusetzen.
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Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sensoren bekannt, bei welchen eine erste Kondensatorplatte auf einer Leiterplatte oder einem Substrat angeordnet und mit einer entsprechenden elektronischen Auswerteschaltung elektrisch verbunden ist. Meist ist diese erste Kondensatorplatte mit einer Abdeckung aus einem nichtleitenden Material wie einem Kunststoff überzogen.
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Derart wird einerseits ein Schutz der ersten Kondensatorplatte gegen Korrosion und Verschmutzungen wie auch ein bei einem Kondensator übliches Dielektrikum ausgebildet.
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Die Aufgabe der mit der ersten Kondensatorplatte verbundenen Auswerteschaltung besteht in der Ermittlung des aktuellen Kapazitätswerts des Sensors sowie in einem Vergleich mit einem vorgegebenen Schwellwert. Beispielsweise bei einer Ermittlung eines aktuellen Kapazitätswertes, welcher über dem vorgegebenen Schwellwert liegt, wird durch die Auswerteschaltung ein Ausgangssignal erzeugt, welches einen erkannten Schaltvorgang charakterisiert.
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Bei dieser Ausführung eines kapazitiven Sensors wird eine zweite Kondensatorplatte beispielsweise durch die Oberfläche eines Fingers eines Nutzers ausgebildet. Nähert sich der Finger der ersten Kondensatorplatte, so verändert sich der zwischen der ersten Kondensatorplatte und der Fingeroberfläche ausgebildete Kapazitätswert in Abhängigkeit von der Entfernung zueinander.
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Vorgesehen ist es, beispielsweise bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Kapazitäts-Schwellwert, also bei einem Unterschreiten eines bestimmten Abstands zwischen der Fingeroberfläche und der ersten Kondensatorplatte, ein Ausgangssignal durch die Auswerteschaltung zu erzeugen.
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Bekannt sind auch Ausführungen, bei denen mehrere erste Kondensatorplatten nebeneinander aufgereiht oder in einer Matrix angeordnet werden. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, eine Positionsbestimmung bei einer Annäherung einer Fingeroberfläche zu realisieren und derart beispielsweise neben der Detektion eines Schaltvorgangs bei einer Berührung auch eine X-Koordinate oder eine X- und eine Y-Koordinate für die Annäherung der Fingeroberfläche zu bestimmen.
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Derartige kapazitive Sensoren sind relativ kostengünstig herzustellen, haben aber den Nachteil, dass bei einer Betätigung des Sensors mit einem feuchten Finger ein völlig anderer Kapazitätswert ermittelt wird, als bei der Betätigung mit einem sehr trockenen Finger. Somit hat sowohl die Feuchtigkeit der Hautoberfläche als auch eine elektrische Verbindung des Nutzers zu einem Erdpotenzial einen Einfluss auf den Schaltvorgang.
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Somit kann es einerseits zu einem verfrühten, ungewollten Auslösen einer Schaltfunktion kommen, während andererseits keine Schaltfunktion ausgelöst wird. Somit können derartige kapazitive Sensoren nur unter eingeschränkten Umgebungsbedingungen sicher eingesetzt werden.
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Alternativ sind kapazitive Sensoren bekannt, welche sowohl über eine erste als auch eine zweite in einem definierten Abstand fest angeordnete Kondensatorplatten verfügen.
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Bei einer derartigen Lösung, wie sie beispielsweise aus der
WO 2014/113542 A1 bekannt ist, ist beispielsweise eine erste Kondensatorplatte auf einer Leiterplatte oder einem Substrat angeordnet und mit einer entsprechenden elektronischen Auswerteschaltung elektrisch verbunden. Auf dieser Leiterplatte ist ein Abstandsmittel angeordnet, welches aus einem nichtleitenden Werkstoff besteht und an der Stelle der ersten Kondensatorplatte eine Aussparung aufweist. So kann beispielsweise für eine kreisförmige erste Kondensatorplatte in dem Abstandsmittel eine kreisförmige Öffnung vorgesehen sein. Meist weist die kreisförmige Öffnung im Abstandsmittel einen im Vergleich zur ersten Kondensatorplatte größeren Durchmesser auf.
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Eine zweite Kondensatorplatte wird durch einen auf dem Abstandsmittel aufgelegten elektrisch leitfähigen Werkstoff, wie beispielsweise einer Metallfolie oder einem Blech, ausgebildet. Die zweite Kondensatorplatte ist ebenfalls mit der Auswerteschaltung elektrisch verbunden.
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Ausführungen, in denen der gesamte Bereich über dem Abstandsmittel aus einem einzigen oder mehreren voneinander elektrisch isolierten Bereichen besteht, sind bekannt. Derart können mehrere voneinander elektrisch getrennte kapazitive Sensoren nebeneinander oder in einer Matrixform angeordnet werden.
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Zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte bildet sich eine Kapazität mit einem sich nicht oder nur unwesentlich verändernden Kapazitätswert aus, welcher durch die Auswerteschaltung ermittelt wird.
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Der auf dem Abstandsmittel aufgelegten elektrisch leitfähigen Werkstoff ist derart ausgeführt, dass er sich unter einer Krafteinwirkung, welche beispielsweise durch einen Finger eines Nutzers verursacht wird, elastisch verformt. Durch diese elastische Verformung der zweiten Kondensatorplatte ändert sich der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte und somit der Wert dieser Kapazität. Diese Veränderung des Kapazitätswerts wird von der angeschlossenen Auswerteschaltung erkannt. Somit kann durch die Auswerteschaltung bei einem Überschreiten oder einem Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts der Kapazität ein Ausgangssignal erzeugt werden oder sich beispielsweise der Pegel oder die Polarität eines von der Auswerteschaltung erzeugten Ausgangssignals ändern.
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Derart wird ein Schaltvorgang detektiert und beispielsweise eine mit diesem Schaltvorgang logisch zusammenhängendes Ereignis ausgelöst.
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Nachteilig an dieser Lösung ist es, dass nicht überprüft werden kann, ob die elastische Verformung der zweiten Kondensatorplatte durch einen Finger eines Nutzers oder einen anderen Gegenstand verursacht worden ist. Auch besteht die Möglichkeit, dass bei einer zu starken Verformung der zweiten Kondensatorplatte, welche nicht mehr rückgängig gemacht werden kann, eine dauerhafte Betätigung des Sensors fälschlicher Weise erkannt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anordnung zur Detektion eines Schaltvorgangs anzugeben, welche ein sicheres Erkennen eines Schaltvorgangs ermöglicht und somit fehlerhafte Schaltvorgänge sicher ausschließt.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Die Erfindung sieht vor, dass ein Erkennen bzw. eine Detektion eines Schaltvorgangs auf der Grundlage der Auswertung zweier voneinander elektrisch entkoppelter Schalter durchgeführt wird. Vorgesehen ist es, zwei Schalter mit unterschiedlichen Wirkprinzipien derart mechanisch und räumlich anzuordnen, dass durch die Betätigung des ersten Schalters unmittelbar auch der zweite Schalter betätigt werden kann.
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Zweckmäßig ist es, hierfür beispielsweise einen mechanischen Schalter, wie einen Taster, über einen kapazitiven Sensor derart anzuordnen, dass bei einem Druck auf den Taster auch eine Verformung einer Kondensatorplatte des kapazitiven Sensors bewirkt wird und somit beide Schalter geschalten werden. Als „geschaltet” wird hierbei ein Schalter verstanden, welcher von seinem Zustand ausgeschaltet in den Zustand eingeschaltet übergeht. Dabei kann der Übergang wie bei einem mechanischen Schalter klar durch eine Änderung eines Übergangswiderstands zwischen den entsprechenden Schaltkontakten von einem sehr großen bis unendlichen Widerstand hin zu einem Übergangswiderstand von wenigen Ohm klar abgegrenzt sein.
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In einer alternativen Ausführung wird als „geschaltet” ebenfalls ein Schalter verstanden, welcher von seinem Zustand eingeschaltet in den Zustand ausgeschaltet übergeht, wie bei einem Öffner.
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Alternativ kann, wie bei einem kapazitiven Sensor üblich, ein Kapazitätsschwellwert festgelegt werden, oberhalb dessen der Zustand des Sensors als betätigt oder eingeschaltet erkannt wird, während der Sensor unterhalb als nicht betätigt oder ausgeschaltet betrachtet wird.
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Die Erfindung sieht vor, die zwei Schalter in zwei verschiedenen Ebenen, vorzugsweise senkrecht übereinander ausgerichtet, anzuordnen. Derart kann sichergestellt werden, dass bei einem Einwirken eines Drucks auf den oberen mechanischen Schalter, beispielsweise durch einen Finger eines Nutzers, auch ein Druck auf den unteren kapazitiven Sensor ausgeübt wird. Unter Beachtung einer entsprechenden Anordnung und Dimensionierung, beispielsweise der die zweite Kondensatorplatte ausbildenden Ebene, um eine elastische Verformbarkeit sicherzustellen, wird bei einem Druck auf den mechanischen Schalter sowohl dieser als auch der darunterliegende kapazitive Sensorschalter geschaltet.
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Die beiden Schalter werden mit einer entsprechenden Auswerteschaltung verbunden, welche jeweils die Zustände der beiden Schalter getrennt voneinander überwacht.
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Zur Gewährleistung einer hohen Sicherheit bei der Detektion eines Schaltvorgangs wird erfindungsgemäß ein Schaltvorgang nur dann signalisiert, wenn beispielsweise bei beiden Schaltern ein Schaltvorgang von ausgeschaltet nach eingeschaltet detektiert worden ist. Diese Auswertung bzw. logische Verknüpfung der Schalterzustände kann in der Auswerteschaltung oder einer anderen geeigneten Anordnung, wie beispielsweise einer zentralen Steuereinrichtung eines Geräts oder einer Maschine, vorgenommen werden.
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Bei der Ausgestaltung des kapazitiven Sensors ist es wichtig, dass dessen oberer Abschluss, an welchem die zweite Kondensatorplatte angeordnet ist, entsprechend elastisch verformbar ausgeführt ist. Dies wird zum einen durch die Auswahl eines geeigneten Materials für die Abdeckung und eine entsprechende Materialstärke erreicht. Zum anderen ist es wichtig, dass der kapazitive Sensor einen entsprechend großen Raum zwischen den Kondensatorplatten ausbildet, insbesondere eine entsprechend große horizontale Ausdehnung, damit eine Durchbiegung ermöglicht werden kann. In einer beispielhaften Ausführung ist die Abdeckung als eine dünne Leiterplatte (PCB) ausgeführt.
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Vorteilhaft ist es, als mechanischen Schalter einen Taster einzusetzen, dessen Schaltkontakte bei der Betätigung des Schalters geschlossen werden. Das Schließen der Schaltkontakte wird durch die angeschlossene Auswerteschaltung erkannt. Bei einem zeitgleich erkannten Schalten des kapazitiven Sensors kann von der Auswerteschaltung dann ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt werden, welches einen detektierten Schaltvorgang kennzeichnet. Dieses Ausgangssignal kann ein Schaltimpuls sein, beispielsweise mit einer konstanten Pulsdauer oder einer Pulsdauer, welche an die Dauer der Betätigung des Tasters angepasst ist.
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Eine Alternative für einen Taster kann beispielsweise ein Druckschalter sein, dessen Kontakte bei der ersten Betätigung des Schalters geschlossen werden und dessen Kontakte erst wieder bei einer nachfolgenden Betätigung geöffnet werden. Erfindungsgemäß könnte der Schließvorgang des Schalters sowie gleichzeitig eine Betätigung des kapazitiven Sensors erkannt und ein entsprechendes Ausgangssignal bereitgestellt werden, um einen sicher detektierten Schaltvorgang anzuzeigen. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise solange ausgegeben werden, bis mit einem erneuten Betätigen des Druckschalters dessen Kontakte wieder getrennt werden und zeitgleich eine Betätigung des kapazitiven Sensors erkannt worden ist.
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Zur Befestigung des mechanischen Schalters und zur Verbindung der Schaltkontakte mit der Auswerteschaltung werden beispielsweise auf einer Leiterplatte entsprechende Leiterbahnen angeordnet. Mit diesen Leiterbahnen können die Kontakte des Schalters verlötet werden. Außerdem kann der Schalter zusätzlich mit der Leiterplatte durch einen Klebstoff verbunden und fixiert werden.
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Zur Gewährleistung einer sicheren Funktionsweise kann der kapazitive Sensor im Bereich der unteren ersten Kondensatorplatte mit einer Bohrung versehen sein, welche derart groß gewählt wird, dass Luft durch diese Bohrung hindurchströmen kann. Der erfindungsgemäß gestaltete kapazitive Sensor ist zwischen zwei Leiterplatten mit seinen Kondensatorplatten angeordnet. Durch ein üblicherweise eingesetztes Abstandsmittel, welches um die Kondensatorplatten herum angeordnet ist, kann ein abgeschlossener Hohlraum herausgebildet werden.
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Bei einer Einwirkung einer Druckkraft, beispielsweise auf die obere Kondensatorplatte, kann es durch die Verringerung des Volumens im Sensor zu einer Druckerhöhung kommen, welche der von außen einwirkenden Kraft entgegenwirkt. Um diese Druckerhöhung im Sensor zu vermeiden und dessen Funktion sicherzustellen, wird die Bohrung in eine der Kondensatorplatten eingebracht.
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Bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Detektion eines Schaltvorgangs mittels zweier Leiterplatten ist es auch vorgesehen, beispielsweise die unterste Ebene der ersten Leiterplatte mit Leiterzügen zur Aufnahme verschiedener Bauelemente sowie zur Herstellung von elektrischen Verbindungen vorzusehen. Eine derartige Verbindung kann die Verdrahtung einer oder mehrerer erster Kondensatorplatten mit der Auswerteschaltung sein. Außerdem können auf dieser Leiterplatte auch weitere benötigte Bauelemente aufgebracht werden, um beispielsweise eine Leuchtdiode zur Anzeige eines Schaltzustandes mit einer Spannung zu versorgen. Die aufgebrachten Bauelemente können auch ein Bestandteil der Auswerteschaltung sein.
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Die Erfindung sieht ferner vor, dass ein Erkennen bzw. eine Detektion eines Schaltvorgangs auf der Grundlage der Auswertung zweier voneinander elektrisch entkoppelter Schalter und der von diesen Schaltern getrennt voneinander erzeugten Schaltsignalen durchgeführt wird. Ein Schaltvorgang wird beispielsweise nur für den Fall erkannt und ein entsprechendes Ausgangssignal bereitgestellt, wenn bei beiden Schaltern je ein Schaltvorgang erkannt worden ist.
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Die Erzeugung dieses entsprechenden Ausgangssignals kann erfolgen, wenn beide Schalter zeitgleich betätigt werden. Alternativ kann auch bei einer zeitlich aufeinanderfolgenden Betätigung der Schalter das entsprechende Ausgangssignal bereitgestellt werden, wenn die aufeinanderfolgende Betätigung innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters erfolgt ist. Dabei ist es nicht wesentlich, von welchem Schalter der Schaltvorgang zuerst erkannt wurde.
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In einer Ausführung ist vorgesehen, für jeden der zwei Schalter eine Überwachung des Schaltvorgangs, beispielsweise mittels einer Auswerteschaltung vorzunehmen. In diesem Fall wird beim Erkennen eines Schaltvorgangs für den ersten Schalter ein erstes Ausgangssignal erzeugt und ausgegeben. Für den Fall des Erkennens eines Schaltvorgangs für den zweiten Schalter wird ein zweites Ausgangssignal erzeugt und ausgegeben.
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In einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, ein drittes Ausgangssignal zu erzeugen und auszugeben. Dieses dritte Ausgangssignal wird beispielsweise nur für den Fall erzeugt und ausgegeben, dass sowohl das erste als auch das zweite Ausgangssignal ausgegeben wurde. Somit wird das dritte Ausgangssignal nur erzeugt, wenn beide Schalter geschaltet sind. Das derart erzeugte und ausgegebene dritte Ausgangssignal kann somit die logische UND-Verknüpfung des ersten und des zweiten Ausgangssignals abbilden.
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Derart wird durch die Erfindung sichergestellt, dass nur dann eine Detektion eines Schaltvorgangs angezeigt wird, wenn sowohl der erste als auch der zweite Schalter einen Schaltvorgang erkannt haben. Derart können Fehlfunktionen ausgeschlossen und eine automatische Überwachung der Funktionsfähigkeit der Schalter bereitgestellt werden. Wird beispielsweise bei einem ersten Schalter ein Schaltvorgänge erkannt, während zum zweiten Schalter keine Veränderung detektiert werden kann, wurde der erste Schalter beispielsweise zu leicht betätigt, was ausversehen geschehen sein kann, oder der zweite Schalter funktioniert nicht mehr.
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Für den Fall des Erkennens einer Fehlfunktion oder eines Defekts an einem Schalter wird durch die Auswerteschaltung ein Fehlersignal ausgegeben. Wird beispielsweise ein erstes Ausgangssignal erzeugt, ohne dass ein zweites Ausgangssignal zumindest etwa zeitgleich erzeugt wird, kann von einer Fehlfunktion bei der Betätigung der Schaltanordnung oder einem Defekt des zweiten Schalters ausgegangen werden. In diesem Fall wird ein Fehlersignal erzeugt, welches beispielsweise einer zentralen Steuereinheit zugeführt und von dieser ausgewertet wird. Alternativ kann eine derartige Fehlfunktion unter Nutzung des erzeugten Fehlersignals auch zu einer optischen oder akustischen Ausgabe einer Fehlermeldung genutzt werden.
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Die von der Auswerteeinheit erzeugten Ausgangssignale, wie auch das Fehlersignal, können als analoge oder als digitale Ausgangssignale ausgegeben und derart an die mit der Schaltanordnung verbundenen elektrischen Einheiten angepasst werden. Ein derartiges Ausgangssignal kann auch eine aktuelle Information über die Anzahl der aktuell geschlossenen Schalter beinhalten. Derart kann einem Bediener eine Anzeige über den Zustand der bereits betätigten Schalter bereitgestellt werden. Beispielsweise in der Form, dass bei der Betätigung des ersten Schalters der Schalter mit einer ersten Farbe hinterleuchtet wird, währen bei einem weiteren Durchdrücken und somit der Betätigung des zweiten Schalters die Farbe in eine zweite Farbe wechselt und somit den erfolgreich detektierten oder durchgeführten Schaltvorgang anzeigt.
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Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
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1: einen ersten kapazitiven Sensor (Berührungssensor) aus dem Stand der Technik,
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2: einen zweiten kapazitiven Sensor aus dem Stand der Technik und
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3: eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Detektion eines Schaltvorgangs, welche auch einem kapazitiven Sensor zur Detektion eines Schaltvorgangs umfasst.
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Die 1 zeigt eine erste Variante eines kapazitiven Sensors 1, welcher auch als ein Berührungssensor nach dem Stand der Technik bezeichnet wird. Gezeigt ist eine Sensoranordnung 1 mit einer ersten Kondensatorplatte 2, wobei die erste Kondensatorplatte 2 auf einer ersten Leiterplatte 3 angeordnet und über einen ersten elektrischen Anschluss 4 mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden ist.
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Auf der ersten Leiterplatte 3 ist eine Abstandsmittel 5 aufgelegt und mit dieser fest verbunden. Das Abstandsmittel 5 weist im Bereich der ersten Kondensatorplatte 2 eine an die Geometrie der ersten Kondensatorplatte 2 angepasste und in Bezug auf die erste Kondensatorplatte 2 größere Öffnung auf. Über dem Abstandsmittel 5 ist eine Abdeckung 6 aus einem nichtleitenden Material wie einem Kunststoff angebracht und mit dem Abstandsmittel 5 fest verbunden.
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Nähert sich ein Finger 7 eines Nutzers der Abdeckung 6 oder berührt der Finger 7 die Abdeckung 6 bildet sich durch den Finger 7 eine zweite Kondensatorplatte heraus und die Auswerteschaltung registriert einen sich verändernden Kapazitätswert, welcher unter anderem von der Entfernung des Fingers 7 zur ersten Kondensatorplatte 2 abhängig ist.
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Die Detektion eines Schaltvorgangs mit dieser Anordnung 1 ist, wie bereits weiter oben beschrieben, dadurch möglich, dass ein Vergleich des aktuell ermittelten Kapazitätswerts mit einem Schwellwert erfolgt und beispielsweise bei einem Überschreiten des Schwellwerts ein Schaltvorgang detektiert und eine entsprechendes Ausgangssignal durch die Auswerteschaltung ausgegeben wird. Diese Detektion ist bedingt durch die Funktionsweise der Anordnung 1 stark von verschiedenen Faktoren abhängig und gewährleistet somit keine sichere Detektion.
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In der 2 ist ein weiterer kapazitiver Sensor 1 aus dem Stand der Technik gezeigt, welcher mit einer ersten Kondensatorplatte 2 und einer zweiten Kondensatorplatte 8 ausgestattet ist. Dieser Sensor 1 weist eine erste Kondensatorplatte 2 auf, welche auf einem Träger 3 wie beispielsweise einer Leiterplatte in einer ersten Ebene 10 angeordnet ist. Auf dieser Leiterplatte 3 ist ein Abstandsmittel 5 aufgelegt, welches an der Stelle der ersten Kondensatorplatte 2 eine entsprechende Aussparung aufweist. Über diesem Abstandsmittel 5 ist eine zweite Kondensatorplatte 8 angeordnet. Beide Kondensatorplatten 2 und 8 sind mittels eines ersten und eines zweiten elektrischen Anschlusses 4 und 9 mit einer nicht in der 2 dargestellten Auswerteschaltung verbunden, welche einen Kapazitätswert, der aus den beiden Kondensatorplatten 2 und 8 bestehenden Kondensatoranordnung, bestimmt.
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Durch das Abstandsmittel 5 werden beide Kondensatorplatten 2 und 8 in einem bestimmten, festen Abstand zueinander positioniert. In diesem Fall wird durch die Auswerteschaltung ein erster Kapazitätswert gemessen, welcher einem nicht betätigten oder geschalteten kapazitiven Sensor 1 zugeordnet wird.
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Wird durch einen Nutzer durch ein Auflegen oder ein leichtes Drücken auf die obere zweite Kondensatorplatte 8 mittels eines Fingers 7 der Abstand zwischen den beiden Kondensatorplatten 2 und 8 verändert, da die obere Kondensatorplatte 8 derart ausgeführt ist, dass diese sich durchbiegen lässt, so wird von der Auswerteschaltung diese Aktion des Nutzers durch einen veränderten Kapazitätswert erkannt. Dieser Vorgang des elastischen Verformens der zweiten Kondensatorplatte 8 ist in der 2 dargestellt.
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Bei einem Erkennen eines sich verändernden Kapazitätswerts kann beispielsweise durch die Auswerteschaltung auch ein Vergleich mit einem Schwellwert erfolgen. Hierbei werden beispielsweise alle durch die Auswerteschaltung gemessenen Kapazitätswerte, welche unterhalb des Schwellwertes liegen, als ein nicht betätigter Sensor 1 interpretiert. Im Gegensatz hierzu werden alle über dem Schwellwert erkannten Kapazitätswerte als ein betätigter oder geschalteter Sensor 1 interpretiert oder detektiert oder umgekehrt.
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Durch die Auswerteschaltung wird ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, welches einen detektierten Schaltvorgang anzeigt.
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In der 3 ist eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Detektion eines Schaltvorgangs gezeigt. Die Darstellung zeigt eine erste Leiterplatte 3 mit zwei ersten Kondensatorplatten 2, welche aus einem oder mehreren Plattenteilen bestehen können. Die ersten Kondensatorplatten 2 sind beispielsweise direkt oder wie in der 3 dargestellt, über ein erstes Bauelement 16 und einen elektrischen Anschluss 4 mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden. Zu diesem Zweck kann an der Stelle der beispielsweise zweiteiligen Kondensatorplatte 2 eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte 3 vorgesehen werden.
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Die in der 3 gezeigte Ausführung der ersten Kondensatorplatte 2 in einer zweiteiligen Form kann beispielhaft angenommen werden. Eine einteilige Ausführung der Kondensatorplatte 2 mit einer mittigen Bohrung und/oder Durchkontaktierung ist selbstverständlich auch möglich, ohne die Funktionsweise der Anordnung 1 zu beeinträchtigen.
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Die erste Leiterplatte 3 weist in einer ersten Ebene 10 neben einer oder mehreren ersten Kondensatorplatten 2 noch eine oder mehrere Abstandsmittel 5 auf. Dieses Abstandsmittel 5 kann durch eine einteilige Platte mit entsprechenden Öffnungen oder durch passende Abschnitte auf der Leiterplatte 3 ausgeführt sein. Das Abstandsmittel 5 kann aus einem nichtleitenden Werkstoff, wie beispielsweise einem Kunststoff, bestehen.
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Alternativ kann das Abstandsmittel 5 eine Kupferbeschichtung auf der Leiterplatte 3 sein und mit der gleichen Technologie wie die Kondensatorplatten 2 auf der ersten Ebene 10 aufgebracht werden. In diesem Fall wird das Abstandsmittel 5 isoliert zu benachbarten Leiterbahnen auf der Leiterplatte 3 aufgebracht. Die erste Ebene 10 der ersten Leiterplatte 3 weist in diesem Fall beispielsweise Kupferbeschichtungen mit zwei unterschiedlichen Dicken auf. So kann eine erste Dicke der Kupferschicht etwa 35 μm betragen, während die Dicke der zweiten Kupferschicht für das Abstandsmittel 5 bei etwa 70 μm liegen kann.
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Auf der ersten Leiterplatte 3 können in der zweiten Ebene 11 weitere Leiterzüge zur Verbindung von weiteren zweiten Bauelementen 17 sowie zur Verdrahtung der ersten Kondensatorplatten 2 angeordnet sein. Die aufgebrachten zweiten Bauelemente 17 können auch ein Bestandteil der nicht dargestellten Auswerteschaltung zur Überwachung des kapazitiven Sensors 1 sein.
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Die 3 zeigt über der ersten Leiterplatte 3 eine zweite Leiterplatte 12, an deren Unterseite eine dritte Ebene 13 und an deren Oberseite eine vierte Ebene 14 ausgebildet ist. In der dritten Ebene 13 ist die zweite Kondensatorplatte 8, beispielsweise in Form einer flächenartigen Kupferschicht, welche sich über die gesamte dritte Ebene 13 der zweiten Leiterplatte 12 erstreckt, ausgebildet. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführung kann die zweite Kondensatorplatte 8 auch nur in den zugehörigen Bereichen über der ersten Kondensatorplatte 2 abschnittsweise ausgebildet sein. In beiden Fällen ist die Kondensatorplatte 8 oder sind die Kondensatorplatten 8 über einen nicht dargestellten zweiten elektrischen Anschluss mit der Auswerteschaltung verbunden.
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Vorgesehen ist es, die zweite Leiterplatte 12 direkt oder mit einer aufgebrachten zweiten Kondensatorplatte 8 auf die Abstandsmittel 5 aufzulegen und somit die zwei Leiterplatten 3 und 12 fest miteinander zu verbinden, was durch die drei Pfeile in der 3 verdeutlicht werden soll. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch ein Verkleben oder ein Verschrauben erfolgen.
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Auf der vierten Ebene 14 der zweiten Leiterplatte 12 ist mindestens ein mechanischer Schalter 15 angeordnet. In der beispielhaften Ausführung der 3 sind zwei mechanische Schalter 15 nebeneinander angeordnet auf der zweiten Leiterplatte 12 gezeigt. Ein derartiger mechanischer Schalter 15 kann als ein Tastschalter, ein Öffner oder ein Druckschalter ausgeführt sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass bei der Betätigung des Schalters 15 ein Kontakt oder mehrere Kontakte in dem Schalter 15 geschlossen, geöffnet oder umgeschaltet werden. Zur Verbindung der Anschlüsse des Schalters 15 mit der Auswerteschaltung werden auf der vierten Ebene 14 entsprechende Leiterzüge vorgesehen, mit welchen die Anschlüsse verlötet werden können.
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Erfindungsgemäß ist ein mechanischer Schalter 15 derart auf der vierten Ebene 14 der zweiten Leiterplatte 12 positioniert, dass er sich direkt über der ersten Kondensatorplatte 2 der ersten Leiterplatte 3 befindet. Diese lotsenkrechte Montage über der Kondensatorplatt 2 ermöglicht es, dass eine Betätigung des Schalters 15 durch den Finger 7 eines Nutzers zu einer fast gleichzeitigen Betätigung zweier Schaltelemente, also des Schalters 15 selbst sowie des direkt unter dem Schalter 15 angeordneten kapazitiven Sensors 1, führt. Eine derartige Betätigung des Schalters 15 durch den Finger 7 ist in der 3 am Beispiel des links dargestellten Schalters 15 gezeigt.
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Im Ruhezustand ist der mechanische Schalter 15 beispielsweise in einer Position, in welcher seine Schaltkontakte geöffnet sind. Die mit dem Schalter 15 verbundene Auswerteeinheit registriert somit keine Schalterbetätigung.
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Der unter dem Schalter 15 angeordnete kapazitive Sensor 1, gebildet durch die Kondensatorplatten 2 und 8, wird ebenfalls von der Auswerteschaltung überwacht und liefert einen Kapazitätswert, welcher einem nicht betätigten Sensor 1 zugeordnet wird, da sich die beiden Kondensatorplatten 2 und 8 in einem durch die Abstandsmittel 5 fest vorgegebenen Abstand zueinander befinden und sich dieser Abstand auch nicht verändert.
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Wird der mechanische Schalter 15 durch einen Finger 7 oder ein vergleichbares Mittel betätigt, schließen sich die Schaltkontakte des Schalters 15 und die Auswerteschaltung erkennt einen geschlossenen Schalter 15.
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Bei einem Erkennen des geschlossenen Zustands des Schalters 15 kann durch die Auswerteschaltung ein erstes, den Schaltzustand des Schalters 15 kennzeichnendes, Ausgangssignal bereitgestellt werden.
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Der auf den Schalter 15 ausgeübte mechanische Druck, beispielsweise durch einen Finger 7, führt zu einer elastischen Verformung der zweiten Leiterplatte 12 sowie der zweiten Kondensatorplatte 8 insbesondere im Bereich unter dem Schalter 15. Zu diesem Zweck ist die zweite Leiterplatte 12 derart in ihrer Dicke und in ihrem Material ausgeführt, dass eine derartige Verformung ermöglicht wird.
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Die elastische Verformung der zweiten Kondensatorplatte 8 führt zu einer Änderung des Abstands zwischen den Kondensatorplatte 2 und 8 und somit zu einer Änderung des Kapazitätswerts des kapazitiven Sensors 1, welche durch die Auswerteschaltung ebenfalls erkannt wird. Bei einer ausreichenden Veränderung des Kapazitätswerts, über eine vorgegebene Schaltschwelle, wird durch die Auswerteschaltung ein zweites, weiteres Ausgangssignal bereitgestellt.
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Das erste und das zweite Ausgangssignal kann von der Auswerteschaltung ausgegeben und von einer weiteren angeschlossenen Schaltung ausgewertet werden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das erste und das zweite Ausgangssignal bereits in der Auswerteschaltung ausgewertet werden. So kann zur Verbesserung der Sicherheit beim Erkennen eines Schaltvorgangs von der Auswerteeinheit ein drittes Ausgangssignal nur für den Fall bereitgestellt werden, dass zuvor sowohl das erste als auch das zweite Ausgangssignal bereitgestellt worden ist. In diesem Fall wird das dritte Ausgangssignal durch die Auswerteschaltung also nur dann ausgegeben, wenn sowohl der mechanische Schalter 15 als auch der kapazitive Sensor 1 betätigt worden ist. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob das erste Ausgangssignal, infolge einer Betätigung des Schalters 15, oder das zweite Ausgangssignal, infolge einer Betätigung des kapazitiven Sensors 1, zuerst von der Auswerteschaltung bereitgestellt wurde. Erst in dem Zeitpunkt, in welchem beide Ausgangssignale bereitgestellt worden sind, wird das dritte Ausgangssignal ausgegeben.
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Durch die Überwachung des ersten und des zweiten Ausgangssignals besteht die Möglichkeit, die Funktionstüchtigkeit des Schalters 15 und des Sensors 1 zu prüfen. Dies ist möglich, da bei einer üblichen Betätigung des Schalters 15 davon ausgegangen werden kann, dass auch der kapazitive Sensor 1 mitbetätigt wird oder umgekehrt.
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Beispielsweise für den Fall, dass eine Betätigung des kapazitiven Sensors 1, aber keine Betätigung des mechanischen Schalters 15 erkannt wird, kann auf einen defekten mechanischen Schalter 15 geschlossen werden.
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Vorgesehen ist es auch, im Bereich der ersten Kondensatorplatte 2 der ersten Leiterplatte 3 eine Bohrung 18 vorzusehen, um eine elastische Verbiegung der zweiten Leiterplatte 12 zu unterstützen, indem ein im Hohlraum zwischen den Kondensatorplatten 2 und 8 entstehender Druck durch das Entweichen von Luft durch die vorgesehene Bohrung 18 abgebaut werden kann. Nach dem Ende der elastischen Verbiegung kann die Luft durch die Bohrung 18 auch wieder einströmen.
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In einer speziellen Ausführung der beschriebenen Erfindung kann die untere Leiterplatte 3 (PCB engl. printed circuit board) in der ersten Ebene 10 zwei Kupferbeschichtungen mit 35 μm und 70 μm Dicke aufweisen, während in der zweiten Ebene 11 eine Kupferlage mit 35 μm vorgesehen ist. Mittels der 70 μm Kupferbeschichtung werden hierbei die Abstandsmittel ausgebildet.
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Die zweite Leiterplatte 12 kann in der dritten Ebene 13 und in der vierten Ebene 14 beispielsweise Kupferlagen mit einer Dicke von jeweils 35 μm aufweisen.
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Dabei ist beispielsweise vorgesehen die erste Leiterplatte 3 mit einer Dicke von etwa 1700 μm auszuführen, während für die zweite Leiterplatte 12, aufgrund ihrer notwendigen Biegeeigenschaften, nur eine Dicke von etwa 300 μm vorgesehen ist.
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Als Materialien für die erste und die zweite Leiterplatte 3 und 12 kann ein mit Reaktionsharzen vorimpregniertes textiles Halbzeug (PREPREG) zum Einsatz kommen.
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Vorgesehen ist es, die erfindungsgemäße Anordnung auch derart auszuführen, dass mehrere dieser kombinierten mechanischen und kapazitiven Schalter 15 und 1 in einem Panel nebeneinander oder in einer Matrix angeordnet werden. Die 3 zeigt diesbezüglich einen kleinen Ausschnitt einer derartigen Anordnung mit nur zwei kombinierten Schaltern 15 und 1.
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Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung zur sicheren Detektion eines Schaltvorgangs kann beispielsweise in Konsolen oder Bedienelementen im Bereich der Landtechnik, in Forstfahrzeugen, in Fahrzeugen der Kommunaltechnik oder anderen mobilen Maschinen oder Fahrzeugen erfolgen, bei welchen eine Vielzahl von Funktionen an der Fahrzeug- oder Gerätetechnik steuerbar ist.
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In derartigen Maschinen oder Fahrzeugen werden häufig Bedienelemente in einer Joystickform eingesetzt, welche mit einer Vielzahl von Schaltelementen versehen sind. Für derartige Einsätze in einer robusten Umgebung ist eine sichere Detektion eine Schaltvorgangs sehr wichtig, da ein ungewolltes Auslösen einer Funktion an derartigen Fahrzeugen oder Maschinen sowohl Menschen als auch Sachwerte gefährdet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- erste Kondensatorplatte
- 3
- erste Leiterplatte (PCB)
- 4
- erster elektrischer Anschluss
- 5
- Abstandsmittel
- 6
- Abdeckung
- 7
- Finger
- 8
- zweite Kondensatorplatte
- 9
- zweiter elektrischer Anschluss
- 10
- erste Ebene
- 11
- zweite Ebene
- 12
- zweite Leiterplatte (PCB)
- 13
- dritte Ebene
- 14
- vierte Ebene
- 15
- mechanischer Schalter
- 16
- erste Bauelemente
- 17
- zweite Bauelemente
- 18
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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