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Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die meisten Sensoren verfügen zumindest über eine einfache manuelle Eingabeschnittstelle, um bestimmte Funktionen des Sensors auszuwählen, Parameter zu setzen oder sonstige Konfigurationen vorzunehmen. Das einfachste Bedienelement dafür ist ein Knopf oder eine Taste. Um mehr als nur eine einfache Ein-/Aus-Information vorgeben zu können, sind solche Knöpfe bisweilen auch als Wippe oder Drehknopf ausgestaltet.
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Oft ist dafür eine Weichkomponente des Gehäuses erforderlich, um durch Verformen auf den Druck des bedienenden Fingers zu reagieren. Das wiederum erschwert die Reinigung, die aber Voraussetzung für eine Reihe von Anwendungen besonders im Hygienebereich ist, also insbesondere im Bereich der Lebensmittel oder Medizin. Denn zum einen wird die glatte Oberfläche gestört, wo sich dann Ablagerungen bilden, und außerdem kann es durch Hochdruck und aggressive Reinigungsmittel zu Beschädigungen kommen. Flexible Kunststoffe sind zudem meist nicht ausreichend temperaturbeständig. Durch Alterung können sie beispielsweise die Weichmacher verlieren, dadurch verspröden und in der Folge undicht werden. Bei Einsatz des Sensors in einem größeren Temperaturbereich treten zudem merkliche Druckunterschiede zwischen der Gehäuseinnen- und -außenseite auf. In hermetisch dichten Gehäusen ohne Druckausgleichselement stellt die Weichkomponente eine Stelle dar, welche dem im Gehäuseinneren entstehendem Überdruck oder Unterdruck ausgesetzt ist und deshalb nach innen oder außen verformt wird. Auf diese Weise kann sogar ein ungewollter Tastendruck ausgelöst werden. Probleme gerade mit der Reinigung entstehen auch unabhängig von einer Weichkomponente durch Undichtigkeiten sowie Vorsprünge und sonstige Unebenheiten der Gehäuseoberfläche durch das Bedienelement.
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Bekannt sind auch virtuelle Tasten, die beispielsweise auf einer Infrarotmessung oder einer kapazitiven Messung beruhen. Eine virtuelle Taste spricht bereits auf Berührung oder sogar einen Finger in der Nähe an. Optische Messungen bedürfen natürlich eines optisch transparenten Fensters, und das stellt eine Schwachstelle im Hygienekonzept dar. Kapazitive Tasten erfordern für eine ungestörte Messung ein nichtleitfähiges Gehäusematerial oder eine isolierte Anordnung, wodurch sich die Herstellung des Gehäuses verkompliziert und verteuert. Zudem reagieren kapazitive Tasten empfindlich auf Wassertropfen und ähnliche Anhaftungen. Dies führt gerade bei der Messung von Prozessgrößen oder im Außenbereich häufig zu Problemen.
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Aus dem Bereich der kommerziellen Endgeräte, wie Mobiltelefone oder Notebooks, sind Touchpads und Touchanzeigen bekannt. Dort wird aber weder auf besondere Robustheit oder gar ein Hygienekonzept geachtet. Das zugrundeliegende Prinzip ist in der Regel elektromagnetisch, sei es kapazitiv, induktiv oder resistiv.
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Die
DE 20 2009 005 480 U1 offenbart einen Sensor mit einem Gehäuse und einem als Multi-Touch-Bedienfeld ausgebildeten Bedienelement, das ähnlich wie bei einem Smartphone auf Fingergesten reagiert. Die zugrundeliegende Technologie wird nicht näher beschrieben. Zwar wird bevorzugt auf eine spaltfreie Integration in das Gehäuse geachtet, aber darin drückt sich aus, dass eine Gehäusewand aufgetrennt werden muss, um das Multi-Touch-Bedienfeld nachträglich einzufügen, und somit entsteht eine Schwachstelle bei der Reinigung.
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Die
US 9 323 393 B2 befasst sich mit einem Display und einem biometrischen piezoelektrischen Ultraschallsensor, der aber nicht zur Konfiguration eines Sensors verwendet wird.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Integration einer Eingabeschnittstelle in einen Sensor zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensor nach Anspruch gelöst. Der Sensor ist insbesondere zum Bestimmen einer Prozessgröße ausgebildet, wie Temperatur, Druck, Durchfluss oder Füllstand. Ein erstes Bedienelement des Sensors hat die Funktion der einleitend erläuterten Eingabeschnittstelle. Dazu wird die Position und/oder die Positionsänderung eines zweiten Bedienelements auf dem ersten Bedienelement erfasst. Das zweite Bedienelement ist somit kein Teil des Sensors, sondern dessen Gegenstück zur Bedienung, insbesondere ein Finger mit oder ohne Handschuh, aber auch ein anderer Gegenstand wie ein Stift oder dergleichen. Eine Steuer- und Auswertungseinheit nimmt abhängig von der erfassten Position oder Positionsänderung Einstellungen des Sensors vor. Dazu zählen beispielsweise das Setzen von Parametern, das Auswählen, Aktivieren, Abschalten oder Anpassen von Funktionen oder Betriebsarten und ähnliche Konfigurationen. Die Steuer- und Auswertungseinheit ist vorzugsweise auch für die primäre Sensorfunktion zuständig, also das Auswerten und Aufbereiten von Sensorsignalen eines Sensorelements. Die Steuer- und Auswertungseinheit kann aber auch in mehrere Hardwarebausteine oder Funktionsblöcke unterteilt sein, die sich diese Aufgaben teilen.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, in dem ersten Bedienelement einen bildgebenden Ultraschallsensor einzusetzen. Damit werden Bilddaten des zweiten Bedienelements aufgenommen, und diese werden ausgewertet, um die Position beziehungsweise Positionsänderung zu bestimmen. Insbesondere für den Fall, dass eine Positionsänderung bestimmt werden soll, werden dazu vorzugsweise auch Bilddaten von mindestens einem früheren Zeitpunkt herangezogen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das quasi als ultraschallbasiertes Touchpad ausgestaltete erste Bedienelement sehr intuitiv und verlässlich zu handhaben ist. Es bietet dabei auch die Möglichkeit komfortabler, kraftfreier und flexibler Einstellungen an einem kompakten, einheitlichen Sensorgehäuse. Einen mechanischen Verschleiß von Schaltern, Tastern oder sonstigen beweglichen Teilen gibt es nicht, und Weichmaterialien wie Gummi sind auch nicht erforderlich. Weiterhin ist damit ein besonders dichtes Gehäuse des Sensors möglich, wobei auf Dichtungen im Bereich der Bedienelemente verzichtet werden kann und dort keine Aussparungen im Gehäusematerial notwendig sind. Somit ist ein Hygienedesign vergleichsweise einfach einzuhalten, und das ist besonders bei einem Sensor für die Bestimmung einer Prozessgröße von Vorteil, wo das erste Bedienelement häufig in Kontakt mit Medien des Prozesses oder Reinigungsmedien kommt. Indem keine besonderen Aussparungen oder dergleichen im Gehäuse erforderlich sind, verbessert sich zugleich die EMV-Robustheit.
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Der Sensor weist bevorzugt eine Anzeigeeinheit auf, um darauf Informationen zur Unterstützung beim Setzen oder Verändern von Einstellungen des Sensors darzustellen. Die Anzeigeeinheit stellt beispielsweise den aktuell einzustellenden Parameter oder die zu aktivierende Funktion dar. Eine weitere Anzeigemöglichkeit ist eine Rückmeldung über die letzte Eingabe an dem ersten Bedienelement, also beispielsweise ein Richtungspfeil der erkannten Positionsänderung. Allgemein kann über die Kombination des ersten Bedienelements und der Anzeigeeinheit eine Menüführung durch die Einstellungsmöglichkeiten des Sensors erfolgen.
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Erstes Bedienelement und Steuer- und Auswertungseinheit sind bevorzugt dafür ausgebildet, eine Berührung, eine kreisförmige Bewegung und/oder eine Bewegung des zweiten Bedienelements in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung zu erkennen. Eine Berührung hat beispielsweise dieselbe Wirkung wie das Drücken eines herkömmlichen Knopfes. Bei einer kreisförmigen Bewegung, etwa durch Umfahren eines Punktes mit dem Finger, kann die Richtung mit dem Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn erfasst werden. Weiterhin kann die Erfassung von Positionsänderungen auf zwei Hauptrichtungen wie eine X- und eine Y-Richtung reduziert ist. Damit ist das erste Bedienelement funktional, möglicherweise auch konstruktiv als X-Y-Kreuz ausgestaltet, und im letztgenannten Fall ergibt sich eine Art Einknopf-Bedienkonzept. Denkbar ist auch, die Richtungen zu trennen, also je einen Berührungsbereich für die X-Richtung und die Y-Richtung vorzusehen. Für eine einfache Einstellungsmöglichkeit kann auch insgesamt die Erkennung nur einer Richtung genügen, also der X- oder der Y-Richtung. Durch Kombination und Teilkombination von Berührung, Erkennung von Kreisen mit und gegen den Uhrzeigersinn, von Bewegung in X-Richtung und/oder Bewegung in Y-Richtung sind eine Vielzahl von Eingaben unterscheidbar.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in den Bilddaten Oberflächenstrukturen des zweiten Bedienelements zu erkennen. Das sind beispielsweise Rillen der Haut oder Materialstrukturen eines Handschuhs. Wenn das zweite Bedienelement kein Körperteil, sondern ein Gegenstand ist, wird auch dieser Gegenstand meist eine erfassbare Oberflächenstruktur aufweisen.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in den Bilddaten einen Fingerabdruck zu erkennen. Damit ist das erste Bedienelement ein ultraschallbasierter Fingerabdrucksensor. Dieser Fingerabdrucksensor kann insbesondere als gekapseltes Modul samt Oberfläche für die Auflage des Fingers, Ultraschallwandler und demjenigen Teil der Steuer- und Auswertungseinheit sein, der für die Erkennung und Lokalisierung des Fingerabdrucks zuständig ist. Ein Fingerabdruck ist eine völlig eindeutige Struktur, der dementsprechend auch eine Position auf dem ersten Bedienelement zugeordnet werden kann. Die Positionserkennung ist impliziter Teil einer Fingerabdruckerkennung, die unabhängig von dem genauen Auflagepunkt des Fingers sein soll, und somit kann diese Positionsinformation auch zum Bedienen genutzt werden. Da ein Finger auch als solcher identifiziert wird, kann sicher angenommen werden, dass eine Bedienperson das erste Bedienelement angetippt hat und demnach mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Einstellung vornehmen will. Ein Fremdkörper, insbesondere ein Tropfen auf dem ersten Bedienelement, löst daher keine Fehlbedienung des Sensors aus. Im Gegensatz dazu würde etwa ein herkömmlicher kapazitiver Sensor nur ein beliebiges Objekt mit dielektrischen Eigenschaften erkennen, aber nicht unterscheiden können, was das für ein Objekt ist.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das zweite Bedienelement eindeutig zu identifizieren. Hierbei wird nicht nur eine Position oder Positionsänderung bestimmt, sondern es erfolgt zugleich eine Identifizierung und vorzugsweise Authentifizierung. Die Steuer- und Auswertungseinheit prüft also, ob überhaupt eine Berechtigung vorliegt, die gewünschte Einstellung vorzunehmen. Die Identifikation erfolgt vorzugsweise anhand eines Fingerabdrucks. Denkbar ist aber auch eine Codierung auf einem Handschuh oder einem sonstigen Gegenstand wie einem Bedienstift, der als zweites Bedienelement fungiert. Die eindeutige Identifizierung bedeutet zunächst nur ein Wiedererkennen mit früheren Zuweisungen von Berechtigungen. Ein Fingerabdruck würde auch erlauben, durch Abgleich mit einer Datenbank auf eine bestimmte Person zu schließen, aber der Sensor muss gar keinen Zugang zu derartigen Daten haben, sondern kann Anonymität wahren und die Identifikation gänzlich abstrakt halten, was die Einhaltung von Datenschutzbestimmungen erleichtert.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, zu einer Einstellung des Sensors eine Information zu speichern, welches zweite Bedienelement, insbesondere welcher Fingerabdruck, bei Vornahme der Einstellung erkannt wurde. Das ergibt eine Logging-Funktion, mit der sich die Einstellungshistorie nachvollziehen lässt.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in den Bilddaten einen Umriss des zweiten Bedienelements zu erkennen. Der Umriss kann die Erfassung von Oberflächenstrukturen ergänzen und in manchen Fällen, wie bei strukturlosem Material eines Handschuhs, auch ersetzen. Auch wenn momentan kein Fingerabdruck identifizierbar ist, lässt sich die Position beziehungsweise Positionsänderung womöglich noch aus dem Umriss erfassen.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Positionsänderung des zweiten Bedienelements durch Korrelation zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasster Bilddaten und/oder mit einem Verfahren des optischen Flusses zu bestimmen. Eine Positionsänderung könnte prinzipiell mit einem Dopplerverfahren auch direkt erfasst werden. Ansonsten wird sie über den Vergleich mit einer früheren Position festgestellt. Die dafür denkbaren Verfahren sind grundsätzlich aus der Bildverarbeitung bekannt, beispielsweise das Identifizieren von Bildmerkmalen zu einem Zeitpunkt und deren Wiedererkennung zu einem anderen Zeitpunkt, oder allgemein Verfahren der Korrelation und des optischen Flusses.
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Das erste Bedienelement weist bevorzugt eine insbesondere einem Hygienedesign entsprechende Abdeckung auf. Nur diese Abdeckung ist von außen zugänglich, dort erfolgt die Erfassung des zweiten Bedienelements durch das erste Bedienelement. Die übrigen Komponenten des ersten Bedienelements, also der Ultraschallsensor und die zugehörigen Leitungen und Schaltelemente für dessen Ansteuerung und Auswertung, sind verdeckt und vorzugsweise dicht versiegelt. Die Abdeckung kann als eine Art Bedienknopf ausgestaltet sein, der aber gerade nicht wie ein eigentlicher Knopf gedrückt oder auf ähnliche Weise betätigt wird. Vielmehr erfolgt die Bedienung durch Berührung oder Streichen in bestimmte Richtungen.
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Die Abdeckung ist vorzugsweise integraler Teil einer Gehäusewand eines Gehäuses des Sensors. Das erste Bedienelement verändert also zunächst gar nichts am Gehäuse beziehungsweise äußeren Erscheinungsbild des Sensors im Vergleich zu einem Sensor ohne das erste Bedienelement. Die Gehäusewand mit dem ersten Bedienelement muss äußerlich nicht modifiziert werden, insbesondere wird dort keine Öffnung angebracht und später durch das erste Bedienelement verschlossen. Der Ultraschallwandler sitzt in dem Gehäuse und erfasst das zweite Bedienelement durch die Gehäusewand hindurch. Abdeckung ist hier also lediglich noch ein Name für den entsprechenden Bereich der Gehäusewand. Das Gehäuse, dass aufgrund der Ultraschalltechnologie im Gegensatz zu sämtlichen elektromagnetischen Verfahren auch durchgehend aus Metall sein kann, bleibt robust und einheitlich, ohne störende Vorsprünge, Nuten oder sonstige Schwachstellen für einen Reinigungsprozess insbesondere bei einem Sensor für den Hygienebereich. Es ist allerdings noch möglich, wie sogleich erläutert, die Gehäusewand im Bereich der Abdeckung zu modifizieren, um das erste Bedienelement sichtbar zu machen, wobei aber die Integrität des Gehäuses nicht verletzt wird.
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Die Abdeckung oder deren Umgebung weist bevorzugt eine Materialstrukturierung auf, um den Bereich des ersten Bedienelements kenntlich zu machen. Dabei kann es sich um Führungsnuten, eine Vertiefung oder eine Erhebung handeln. Die Materialstrukturierung dient nur dazu, dem Benutzer die intuitive Bedienung zu erleichtern, für die eigentliche Funktion des ersten Bedienelements ist sie nicht erforderlich. Deshalb gibt es eine große Freiheit in der Ausgestaltung, bei der beispielsweise ein Hygienedesign völligen Vorrang genießen darf, so dass beispielsweise nur allmähliche und abgerundete Übergänge vorgesehen sind. Eine Materialstrukturierung ist von dem Benutzer vor allem taktil erfassbar, kann aber auch so ausgestaltet sein, dass sie sichtbar ist. Eine Bedruckung auf dem Sensor, die durch wiederholte Reinigungsprozesse beschädigt würde, ist nicht erforderlich, aber dennoch denkbar.
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Die Abdeckung ist bevorzugt schräg zur Bodenebene angeordnet und/oder weist eine konvexe Krümmung auf. Die Bodenebene meint hier den Erdboden, also eine Horizontale zur Schwerkraft. Durch die Neigung können Flüssigkeiten leicht abfließen, sei es Medium aus einem Prozess, Feuchtigkeit aus der Umgebung oder ein Reinigungsmittel. Dabei macht sich diese Ausführungsform zunutze, dass die Funktion des ersten Bedienelements so gut wie nicht von der Geometrie der Abdeckung abhängt und daher die Freiheit für sonstige Designaspekte besteht.
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Der Ultraschallwandler weist bevorzugt einen Wellenleiter auf, um den Ultraschallwandler und den dem zweiten Bedienelement zugänglichen Teil des ersten Bedienelements räumlich voneinander zu trennen. Damit kann der Ultraschallwandler abgesetzt von der Kontaktstelle zwischen erstem und zweitem Bedienelement angeordnet werden, so dass die Anordnung der Komponenten innerhalb des Gehäuses des Sensors flexibler wird.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Sensors mit ultraschallbasiertem Bedienelement;
- 2 eine beispielhafte Darstellung zweier Positionen eines Fingers auf dem Bedienelement zur Erläuterung der Bestimmung einer Position beziehungsweise Positionsänderung;
- 3 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses eines Sensors im Bereich einer Anzeige und eines ultraschallbasierten Bedienelements mit der Form eines Knopfes und mit darum herum angeordneten Richtungspfeilen;
- 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses eines Sensors ähnlich 3, jedoch nun mit Richtungspfeilen auf dem Knopf;
- 5 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses eines Sensors ähnlich 4, jedoch nun mit von der Anzeige abgesetzter Anordnung des Bedienelements an einem Umfangsbereich des Gehäuses; und
- 6 eine dreidimensionale Darstellung eines Gehäuses eines Sensors ähnlich 4, jedoch nun mit getrennten Knöpfen für die X- und Y-Richtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 10. Die Erfindung betrifft die Bedienung des Sensors 10, also die Eingabe an einer Mensch-Maschine-Schnittstelle. Daher kann der Sensor 10 unterschiedlichste Messprinzipien nutzen und auf verschiedenste Weise aufgebaut sein. Die eigentliche Sensorfunktion ist in 1 sehr abstrakt durch ein Sensorelement 12 repräsentiert, das entsprechend dem Sensorprinzip ein Sensorsignal aus einer Messgröße 14 aus der Umgebung erfasst. Die Messgröße 14 kann wie dargestellt passiv erfasst werden, oder es wird ein Messsignal ausgesandt und wieder empfangen. Das Sensorsignal wird ein einer Steuer- und Auswertungseinheit 16 verarbeitet, um eine gewünschte Ausgabegröße zu gewinnen.
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Eine Gruppe von Sensoren 10, für die sich das erfindungsgemäße Bedienkonzept wegen der guten Vereinbarkeit mit Reinigungs- oder Hygieneanforderungen besonders eignet, sind Sensoren 10 für die Bestimmung von Prozessgrößen, wie Temperatur, Druck, Durchfluss oder Füllstand. Solche Sensoren 10 werden beispielsweise an einem Behälter montiert, wobei in manchen Fällen ein Sensorkopf von außen zugänglich ist und eine Sonde oder ein sonstiges Element des Sensors 10 im Behälter angeordnet ist. Hierfür wäre als Beispiel ein Füllstandsensor nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie zu nennen (TDR, Time Domain Reflectometry).
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Der Sensor 10 weist ein Bedienelement 18 auf, mit dessen Hilfe über Benutzereingaben Einstellungen in dem Sensor 10 gesetzt oder verändert werden können. Dabei werden Konfigurationen oder Parametrierungen vorgenommen, also bestimmte Funktionen, Messparameter, Ausgabeformate und dergleichen gewählt oder angepasst. Das Bedienelement 18 weist einen für den Benutzer zugänglichen Kontaktbereich 20 auf, der auch als Abdeckung oder Berührungsfläche oder wegen der funktionellen Ähnlichkeit auch als Bedienknopf bezeichnet werden könnte, obwohl es tatsächlich kein Knopf im Sinne eines Umschaltens, Drehens oder Eindrückens ist.
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Vielmehr basiert das Bedienelement 18 auf Ultraschall. Mit Hilfe mindestens eines Ultraschallwandlers 22 wird ein Bild eines Fingers 24 aufgenommen, der den Kontaktbereich 20 berührt. Die Bilderfassung mittels Ultraschall ist an sich bekannt und wird daher nicht im Einzelnen beschrieben. Die Steuer- und Auswertungseinheit 16 bestimmt die Position oder eine Positionsänderung des Fingers 24 auf dem Kontaktbereich 20 in einer später unter Bezugnahme auf die 2 erläuterten Weise und nutzt diese Information, um den Sensor 10 wie gewünscht einzustellen. Der Finger 24 steht stellvertretend für ein Objekt, das das Bedienelement 18 für eine Einstellung des Sensors 10 benutzt. An anderer Stelle wird das Bedienelement 18 auch als erstes Bedienelement und der Finger 24 als zweites Bedienelement bezeichnet.
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Das Bedienelement 18 ist somit ein berührungsempfindliches Sensorelement oder Touchpad, das auf einem bildgebenden Ultraschallverfahren beruht. Ein derartiges Ultraschall-Matrix-Aktor-Sensorelement kann ein eigenes Modul sein. Abweichend von der Darstellung der 1 wird dann derjenige Teil der Steuer- und Auswertungseinheit 16, der mit der Steuerung und Auswertung des Bedienelements 18 befasst ist und somit zu dem Modul gehört, von demjenigen Teil für Sensorelement 12 separiert. Die Steuer- und Auswertungseinheit 16 kann also mehrere Hardwarebausteine aufweisen, die soweit erforderlich miteinander in Verbindung stehen, wobei insbesondere unterschiedliche Hardwarebausteine für das ultraschallbasierte Erzeugen von Bilddaten, für deren Auswertung zur Bestimmung einer Position oder Positionsänderung und für die eigentliche Sensorfunktion des Sensorelements 12 vorgesehen sein können.
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2 zeigt zwei Fingerabdrücke 24a-b eines Fingers 24 auf dem Kontaktbereich 20 in unterschiedlicher Position zu unterschiedlichen Zeitpunkten. In der Praxis herrschen vorzugsweise andere Größenverhältnisse, wo dann der Kontaktbereich 20 kleiner ist und eher grob die Abmessung eines Fingerabdrucks 24a-b aufweist. Das Bedienelement 18 erzeugt mit Hilfe des Ultraschallwandlers 22 Bilddaten der Fingerabdrücke 24a-b, genauer zu einem Zeitpunkt Bilddaten des einen Fingerabdrucks 24a und zu einem anderen Zeitpunkt Bilddaten des anderen Fingerabdrucks 24b bei veränderter Position deselben Fingers 24. Denkbar wären auch Fingerabdrücke 24a-b von zwei verschiedenen Fingern, die nacheinander den Kontaktbereich 20 berühren.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 16 bestimmt aus diesen Bilddaten die jeweilige Position des Fingerabdrucks 24a-b und durch Vergleich eine Positionsänderung 26. Daraus lassen sich bei Bedarf noch weitere Informationen ableiten, wie eine Bewegungsrichtung oder eine Geschwindigkeit. Es ist sogar in gewissem Sinne denkbar, eine Bewegung auf den Kontaktbereich 20 beziehungsweise weg von dem Kontaktbereich 20 zu erfassen, wie dies beim Antippen geschieht. Dann werden nämlich die Fingerabdrücke 24a-b kurz verschwinden und wieder auftauchen. Somit lässt sich auch eine Tippbewegung erkennen, sei sie einfach oder doppelt.
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Für die Bestimmung der Positionsänderung 26 stehen sämtliche aus der Bildverarbeitung bekannten Verfahren zur Verfügung, wie Kanten- und Merkmalserkennung, Korrelation oder Auswertung des optischen Flusses. Je höher die Bildwiederholrate, desto genauer kann eine Positionsänderung bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Fingerabdrücke 24a-b nicht nur als beliebige Bildmerkmale ausgewertet, sondern als Fingerabdrücke identifiziert. Das Bedienelement 18 ist somit als Fingerabdrucksensor ausgebildet. Um einen Fingerabdruck zu erkennen, müssen ohnehin Translation und sogar zu gewissem Grad Rotation berücksichtigt werden, da sonst eine exakte Vorgabe für die Lage des Fingers 24 einzuhalten wäre. Auf diese Translationsinformation kann als Positionsinformation zurückgegriffen werden. Dann sind gar keine weiteren Bildverarbeitungen erforderlich, sondern es wird eine sonst bei der Fingerabdruckerkennung nur implizite Zusatzinformation für einen anderen Zweck verwendet.
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Es ist zwar bevorzugt, aber nicht zwingend erforderlich, dass das Bedienelement 18 Fingerabdrücke 24a-b erkennt. Beispielsweise trägt der Anwender bei der Bedienung je nach Einsatzumgebung des Sensors 10 möglicherweise Handschuhe. Dadurch ist die eindeutige Signatur des Fingerabdrucks 24a-b nicht mehr zugänglich. Das Material des Handschuhs wird aber in der Regel auch feine Strukturen aufweisen, die mit dem ultraschallbasierten Bedienelement 18 erkannt werden können und aus denen auf entsprechende Weise eine Bewegungsrichtung des Fingers 24 bestimmt werden kann. Bei einem Material mit zu einheitlicher Struktur kann es passieren, dass die Berührungsfläche selbst zu wenig Bildmerkmale für die Ermittlung eines Bewegungsvektors zeigt. Dann lassen sich aber immer noch Umrisse als Ersatz oder Ergänzung auswerten. Eine solche Ergänzung durch Umrisse ist im Übrigen auch dann denkbar, wenn in den Bilddaten Struktur vorhanden ist. Die Ausführungen zu einem Finger 24 mit Handschuh gelten sinngemäß auch bei Verwendung eines anderen Objekts zur Bedienung anstelle des Fingers 24, beispielsweise eines Bedienstifts.
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Mit Hilfe der erfassten Positionen oder Positionsänderungen wird ein Touchpad realisiert, das insbesondere auf Richtungseingaben reagiert, d.h. Wischbewegungen des Fingers 24 in bestimmte Richtungen. Ergänzt werden kann dies durch die oben schon genannten Tippbewegungen. Damit lassen sich verschiedene Eingabefunktionen realisieren. So ist denkbar, durch Auf- und Abbewegung auszuwählen, was an dem Sensor 10 einzustellen ist, während Rechts- und Linksbewegungen den konkreten Wert für die Einstellung festlegen. Das wird vorzugsweise durch eine Anzeige unterstützt, seien es lediglich eine oder mehrere LEDs, ein Tonsignal, eine Vibration oder eine echte Anzeige. Auf einer solchen Anzeige kann auch ein Cursor in die der Bewegung des Fingers 24 entsprechende Richtung bewegt werden. Durch optionale Erkennung eines einfachen oder doppelten oder mehrfachen Antippens lassen sich bestimmte Elemente und damit Einstellungsmöglichkeiten wählen, aktivieren und deaktivieren. Das Bedienkonzept ist nicht auf Tippbewegungen angewiesen, denn beispielsweise kann eine Auswahl auch durch Erreichen bestimmter Stellen oder Anschlag des Cursors an bestimmten Stellen der Anzeige erfolgen.
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3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuses eines Sensors 10 im Bereich des Bedienelements 18, von dem von außen nur der Kontaktbereich 20 sichtbar ist. Die bereits im Vorabsatz erwähnte optionale Anzeige 28 ergänzt das Bedienkonzept, kann aber auch sonstige Informationen wie aktuelle Messwerte und dergleichen darstellen.
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Der Kontaktbereich 20 ist in eine Gehäusewand des Sensors 10 integriert, und zwar vorzugsweise in der Form, dass einfach ein Bereich der vorhandenen Gehäusewand als Kontaktbereich 20 fungiert. Es ist nicht erforderlich, eine Öffnung oder dergleichen in der Gehäusewand anzubringen und dort ein besonderes Material einzulassen, obwohl das alternativ vorstellbar wäre. In der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform unterscheidet sich die Gehäusewand zumindest von außen prinzipiell nicht von einem Sensor ohne Bedienelement 18. Sämtliche Funktionskomponenten des Bedienelements 18 befinden sich im Sensorinneren.
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An der Außenseite ist lediglich der Kontaktbereich 20 für den Anwender markiert, beispielsweise als Vertiefung oder Erhöhung. Insbesondere kann durch Ausfräsen oder Tiefziehen die Dicke des Metalls des Gehäuses partiell reduziert werden. Das gibt dem Finger 24 eine Führung, und es ist auch vorstellbar, durch die dünnere Materialschicht eine Ultraschallmessung zu begünstigen. Auch eine Bedruckung oder Laserbeschriftung ist denkbar. Durch solche Maßnahmen ergibt sich der optische und/oder haptische Eindruck eines Knopfes, aber funktionell handelt es sich weiterhin um eine unverletzte Sensorwand. Insbesondere kann der gesamte Sensor 10 in einem einheitlichen Metallgehäuse ohne abrupte Vorsprünge, Vertiefungen oder gar Öffnungen untergebracht sein und ist so gut geschützt, kann leicht und vollständig gereinigt werden und ist auch gut gegen elektromagnetische Einflüsse abgeschirmt. Obwohl ein Metallgehäuse wegen dieser Vorteile bevorzugt ist, ist auch ein nichtmetallisches Gehäuse beispielsweise aus Kunststoff möglich.
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Als weitere Orientierungshilfe für den Anwender sind in 3 um den Kontaktbereich 20 herum Richtungspfeile 30 angebracht, erneut als Materialstrukturierung und/oder optische Markierung. Entsprechend den Richtungspfeilen 30 unterscheidet das Bedienelement 18 vorzugsweise nicht beliebige Bewegungsrichtungen, sondern nur Bewegungen in X- und Y-Richtung. Es entsteht eine intuitive Einknopf-Bedienung, wobei aber der Kontaktbereich 20 ein auf bloße Berührung reagierender und richtungsselektiver Knopf ist.
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Die 4 bis 6 zeigen jeweils eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuses eines Sensors 10 im Bereich des Bedienelements 18 weitere Ausführungsformen. In 4 hat die Anzeige 28 ein quadratisches Seitenverhältnis, damit die Ausrichtung der Darstellung sehr einfach um 90° gedreht werden kann. Außerdem sind die Richtungspfeile 30 nun nicht neben, sondern in dem Kontaktbereich 20 angeordnet. In 5 ist der Kontaktbereich 20 am Umfang des Gehäuses untergebracht, damit für eine vergrößerte Anzeige 28 auf der Oberseite mehr Platz bleibt. In 6 ist die Erkennung von Bedienungen in X-Richtung und in Y-Richtung auf zwei Kontaktbereiche 20a-b aufgeteilt. Die Trennung hat den Vorteil, dass die Erkennung der Bewegungsrichtung einfacher und dadurch verlässlicher wird, da es jeweils nur einen Freiheitsgrad gibt. Das ist insbesondere für kleinere Kontaktbereiche 20a-b vorteilhaft.
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Die 3 bis 6 zeigen nur eine beispielhafte Geometrie eines Gehäuses und auch nur beispielhafte Geometrien und Anordnungsmöglichkeiten von Kontaktbereich 20, Anzeige 28 und Richtungspfeilen 30, wobei letztere auch weggelassen sein können. Außerdem sind die gezeigten Variationen auch untereinander kombinierbar.
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Bei einigen Anwendungen, insbesondere im Außenbereich, im Prozessumfeld, im Umfeld von Lebensmitteln, Getränken beziehungsweise im Hygienebereich mit häufigem Kontakt mit Reinigungsmitteln ist es vorteilhaft, die Oberfläche im Kontaktbereich 20 schräg zum Fußboden auszurichten, damit keine Flüssigkeiten im Kontaktbereich 20 stehenbleiben. Dies ist in den 3, 4 und 6 der Fall. Im Beispiel der 5 ist der Kontaktbereich 20 seitlich angebracht, aber auch dieser ist zum Boden sogar maximal geneigt.
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Mittels Strahlformung des Ultraschalls in dem Bedienelements 18 sind auch Kontaktbereiche 20 möglich, die nicht plan, sondern gekrümmt ausgestaltet sind. Durch eine konvexe Formgebung lässt sich ebenfalls erreichen, dass Flüssigkeiten von dem Kontaktbereich 20 abfließen.
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Das Bedienelement 18 kann sich vorteilhafterweise an die Montageausrichtung des Sensors 10 anpassen. Die erkannte Bewegungsrichtung wird also anders interpretiert, beispielsweise die X-Richtung und die Y-Richtung in Abhängigkeit davon vertauscht, ob der Sensor 10 waagerecht oder senkrecht montiert ist. Eine solche Anpassung kann parametriert werden, oder ein zusätzlicher Intertial- beziehungsweise Gyrosensor erkennt die Montageausrichtung des Sensors 10 automatisch. Eine vorhandene Anzeige 28 wird dann ebenfalls entsprechend verdreht.
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Je nach Gehäuse- und Sensorkonzept kann es, etwa aus Platzgründen und wegen kleiner, enger Radien, Schwierigkeiten geben, den Ultraschallwandler 22 und die sonstigen funktionellen Komponenten des Bedienelements 18 direkt an die Innenseite des Gehäuses montieren zu müssen. Dann ist vorstellbar, den Ultraschallwandler 22 abgesetzt zu montieren und die Ultraschallsignale mit einem Wellenleiter zu dem Kontaktbereich 20 zu führen. Dann ist auch vorstellbar, den Ultraschallwandler 22 und zugehörige Elektronik auf der meist ohnehin vorhandenen Leiterplatte des Sensorelements 12 zu montieren und so eine besonders kompakte Bauweise mit weniger elektrischen Verbindungselementen zu erreichen. Dieses abgesetzte Konzept könnte beispielsweise in 5 genutzt werden, um die unebene Fläche des Kontaktbereichs 20 an den Ultraschallwandler 22 zu koppeln.
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Ist das Bedienelement 18 wie zu 2 erläutert in der Lage, Fingerabdrücke 24a-b zu erkennen, so lässt sich das für zusätzliche Authentifizierungs- und Diagnosefunktionen nutzen. Zumindest ein Teil der Einstellungsmöglichkeiten kann dann bestimmten, über den Fingerabdruck 24a-b identifizierten Personen vorbehalten bleiben, während sonst beispielsweise nur Messwerte und eventuell die aktuell gewählten Einstellungen gezeigt werden, die aber nicht verändert werden dürfen. Die Verwaltung der Berechtigungen muss nicht im Sensor 10 selbst erfolgen, sondern es kann dafür einen zentralen Dienst beispielsweise per Cloud geben, der sensorspezifisch die Anwenderrechte verwaltet. Der Sensor 10 fragt dort nach, ob die Identität eines bestimmten Anwenders oder auch ein noch gar nicht lokal identifizierter Fingerabdruck 24a-b überhaupt Einstellungen oder eine bestimmte Einstellung vornehmen darf oder nicht. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass weder der Sensor 10 noch die Anlage, in die er eingebunden ist, sich um die Verwaltung von gerätespezifischen Bedienrechten kümmern muss.
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Umgekehrt ist auch denkbar, nach einer Einstellung durch Abspeichern einer entsprechenden Information zu dokumentieren, welche Person die jeweilige Einstellung vorgenommen hat. Eine Identifikation wäre auch auf andere Weise vorstellbar, etwa durch eine künstliche Strukturierung in Form eines Codes auf einem Handschuh oder Bedienelement, aber natürlich bietet das nicht die gleiche Sicherheit wie die biometrische Identifizierung mittels Fingerabdruck.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009005480 U1 [0006]
- US 9323393 B2 [0007]
