EP1485929B1

EP1485929B1 - Stellelement auf der basis eines folienschalters

Info

Publication number: EP1485929B1
Application number: EP03731668A
Authority: EP
Inventors: Oliver Völckers
Original assignee: Individual
Current assignee: VOELCKERS, OLIVER
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2003-01-11
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2023-01-11
Also published as: DE50313219D1; EP1485929A1; DK1485929T3; ATE486358T1; DE10203114A1; WO2003063193A1; ES2355189T3

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einem Stellelement versehenen elektrischen Schalter zur Bedienung eines elektronisch gesteuerten elektrischen Gerätes, der auf der Basis eines Folienschalter arbeitet, wobei das Stellelement sich eignet, mit mehreren Stellelementen in einem Bedienpult zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt zu werden und ein Verfahren zur Auswertung der durch das Stellelement ausgelösten Schaltimpulse.
Elektrische Geräte mit Funktionen, die für Benutzer zugänglich sind, verfügen über Bedienelemente in der Form von Schaltern und Reglern, die eine Betätigung in elektrische Signale umsetzen. Für solche Bedienpanels sind eine Reihe von Technologien bekannt.
Platinen können mit Potentiometern in Dreh- oder Schiebe-Ausführung bestückt sein, die eine Bedienung in einen bestimmten elektrischen Widerstand umsetzen, sowie mit Schaltern, die je nach Position bestimmte Schaltkreise dauerhaft öffnen oder schließen (Umschalter).
Platinen können auch mit einer Anzahl von Tastern bestückt werden, die bei Andruck kurzzeitig einen Kontakt schließen, sowie mit Drehimpulsgebern, die eine Drehbewegung in eine wiederholte Tastenbetätigung umsetzen, deren Anzahl der Drehbewegung entspricht.
Anstelle von einer Platinen-Bestückung können blank liegende Leiterbahnen einer Platine auch mit einer flexiblen Tastenmatte belegt werden, deren Tastenkappen über einen mechanischen Druckpunkt verfügen und die bei Betätigung eine elektrisch leitfähige Fläche mit den blank liegenden Leiterbahnen in Kontakt bringen.
Zwei Folien, die auf der Innenseite mit elektrischen Leiterbahnen versehen sind, können über eine zusätzliche Folie zur Abstandhaltung (engl. Spacer) so flächig verklebt werden, daß an definierten Aussparungen der Abstandsfolie Taster entstehen, die bei Andruck einen elektrischen Kontakt schließen.
Folientasten können zur besseren Bedienung auch mit mechanischen Tastenkappen ausgestattet werden, die einen Andruck auf die Folientaster weitergeben. Diese Konstruktion ist auch bei Tastaturen in Schreibmaschinen-Anordnung für Computer gebräuchlich.
Folien-Panels können außer Schaltern im Sinne von Tastern auch mit kraftabhängigen Widerständen (FSR für Force Sensing Resistors) ausgestattet sein, die die Kraft des Andrucks und ggf. auch die Position (sog. Linearpotentiometer) in einen definierten elektrischen Widerstand umsetzen.
Vom Standpunkt der Ergonomie sind Platinen mit Potentiometern und Umschaltern am günstigsten, weil deren Betätigung nicht nur mit einer fühlbaren Bewegung der Elemente einher geht, sondern die Schaltzustände auch durch die Stellung der Elemente sichtbar sind.
Am zweitbesten in Sachen Ergonomie schneiden Platinen mit Drucktastern und Drehimpulsgebern ab. Auch hier korrespondiert die Betätigung mit einer spürbaren mechanischen Bewegung der Elemente, diese springen jedoch danach in eine Ruheposition, so daß an der Stellung der Elemente keine Schaltzustände erkennbar sind.
Tastenmatten auf Platinen bieten immer noch einen spürbaren Druckpunkt, allerdings fühlt sich dieser wegen des weicheren Materials deutlich schwammiger und ungenauer an. Eine Drehbewegung kann von Tastenmatten nicht ausgeführt werden. Folientastaturen liefern eine noch schwächere, kaum spürbare Rückmeldung bei ihrer Betätigung, weil der Auslöseweg in der Größenordnung von nur einem Millimeter liegt. Damit die Betätigung überhaupt erkennbar ist, werden Folientasten oft mit einem akustischen Signalgeber ausgestattet, der jeden Tastendruck mit einem leisen "Piepton" quittiert. Doch das ist nur eine Notlösung, die wirklich mechanisch beweglichen Steuerelementen unterlegen ist.
Folienförmige Kraftsensoren bieten bisher keine fühlbare Rückmeldung, sind daher nur sehr grob bedienbar und haben noch keine wesentliche Bedeutung erlangt.
All diese Techniken für Bedienpanels lassen sich auch kombinieren, was aber selten geschieht. Die technischen und ökonomischen Qualitäten verhalten sich leider umgekehrt zu den ergonomischen Qualitäten: Potentiometer und Umschalter sind zur Ansteuerung moderner digitaler Elektronik aufwendig, teuer und anfällig. Mechanische Taster und Drehimpulsgeber sind immer noch ergonomisch günstig, aber verhältnismäßig schwer, groß und teuer.
Tastenmatten sind flacher, leichter und billiger, bieten aber nur eine zweitklassige mechanische Rückmeldung. Folientasten sind extrem flach, leicht und preisgünstig und gut zur Kombination mit digitalen Schaltungen geeignet, bieten jedoch nur minimalen Komfort.
Platinen mit Potentiometern und Umschaltern werden zunehmend von Platinen mit Tastern und Drehimpulsgebern verdrängt.
Folientastaturen haben sich für Anwendungen etabliert, bei denen eine besonders flache Bauweise gefordert ist oder von einer Person nur sehr wenige Dateneingaben erforderlich sind (Fotokopierer, Geldautomaten).
Dokument US-A-6031190 offenbart ein Stellelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezweckt einen mit einem Stellelement versehenen elektrischen Schalter zur Bedienung eines elektronisch gesteuerten elektrischen Gerätes, der auf der Basis eines Folienschalters arbeitet, wobei das Stellelement sich eignet, mit mehreren Stellelementen in einem Bedienpult zu einer Funktionseinheit mit unterschiedlichen Gehäuseformen zusammengefaßt zu werden, zu schaffen, der flach, leicht, bruchfest, robust gegenüber Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, ist, sich verschleißfrei benutzen und sich möglichst in einem gesteuerten vollautomatisierten Herstellungsprozeß auf entsprechenden Automaten herstellen läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein platzsparendes und kostengünstig herstellbares Stellelement zur Bedienung eines elektronisch gesteuerten elektrischen Gerätes, das auf der Basis eines Folienschalters arbeitet und das zur direkten Kombination mit digitalen Schaltungen geeignet ist und eine Vielzahl von unterschiedlichen Steuerelementen bietet, die eine mechanisch fühlbare Rückmeldung liefern und deren Stellung auf dem Panel unterschiedliche Schaltzustände signalisieren kann, und ein Verfahren zur Auswertung der durch das Stellelement ausgelösten Schaltimpulse zu entwickeln. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil genannten Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Eine Frontplatte fixiert Bedienelemente so auf einer Folie mit Folienschaltern, daß sie zur Bedienung beweglich bleiben. Die Unterseite der Bedienelemente ist mit mechanischen Aktivatoren ausgestattet, die bei Bewegung der Bedienelemente kurzzeitig Schalter im Folienschaltelement auslösen. Über eine Matrixschaltung, wie bei Tastaturen, wird die Aktivierung von Schaltern der jeweiligen Funktion eines Bedienelements zugeordnet.
Somit erscheint ein Bedienpanel von außen wie herkömmliche Regler und Schalter, während die elektrischen Eigenschaften identisch mit denen von Tastaturen sind. Die Folienschaltung bietet eine besonders robuste, preisgünstige und flache Konstruktion.
Alle weiteren in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung dienen der Lösung und der Ausgestaltung der Erfindung.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Stellelemente als Bestandteile eines Bedienpanels
Fig. 2: einen Folienschalter im Ruhezustand und im aktivierten Zustand,
Fig. 3: eine Ansicht des erfindungsgemäßen Bedienpanels einer Waschmaschine,
Fig. 4: eine Frontplatte des Bedienpanels ohne Stell- elemente,
Fig. 5: Schaltzustände der Stellelemente,
Fig. 6: Leiterbahn-Layout eines Waschmaschinen-Bedien- panels, obere Ebene,
Fig. 7: Leiterbahn-Layout des Waschmaschinen-Bedienpanels, untere Ebene,
Fig. 8: Raststufe eines Stellelements an der Frontplatte im Ruhezustand,
Fig. 9: Raststufe eines Stellelementes an der Frontplatte im Schaltzustand
Fig. 10: Zulässige Bereiche für Folienschalter, abhängig von Raststufen
Fig. 11: Variante des Bedienpanels in Flachausführung
Fig. 12: Flachausführung eines Stellelements im Querschnitt im Ruhezustand,
Fig. 13: Flachausführung eines Stellelements im Querschnitt im aktiven Zustand,
Fig. 14: Zustandsabfolge bei Betätigung eines Stell- elementes in Flachausführung,

In Fig. 1 sind erfindungsgemäß ausgebildete Stellelemente als Bestandteile eines Bedienpanels zu sehen. Eine Frontplatte 11 ist auf das Chassis 12 eines elektronisch gesteuerten elektrischen Gerätes aufgesteckt und mit einer üblichen Schnappverriegelung oder Verschraubung gesichert.
Zwischen Chassis 12 und Frontplatte 11 befindet sich eine Schaltfolie 13, auf der die Stellelemente aufliegen. Im Beispiel handelt es sich um einen Drehregler 14, einen Drehwahlschalter 15, einen Schiebeschalter 16 und einen Taster 17. Die Griffe 14; 15; 16; 17 dieser Stellelemente ragen aus den passenden Öffnungen der Frontplatte 11 heraus, so daß sie leicht zur Bedienung zugänglich und entsprechend der vorgesehenen Schaltstellungen beweglich sind.
Dabei werden die Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelemente durch überstehende Ränder 18 unter der Frontplatte 11 gehalten. Die Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelemente können im einfachsten Fall lose auf einer Schaltfolie 13, die keine Öffnungen aufweist, aufliegen, wie gezeigt. Wenn nötig, kann der Sitz der Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelemente durch spezielle Ausformungen des Chassis 12 unterstützt werden, denkbar wären z.B. drehbare Achsen für die Griffe 14; 15. Solche unterstützenden Teile des Chassis 12 können durch Öffnungen in der Schaltfolie 13 zugänglich sein. Eine Aktivatorfeder 19 bewegt sich mit der Betätigung des jeweiligen Griffes 14; 15; 16; 17 der Stellelemente und kann dabei bestimmte Schalter in der Schaltfolie 13 schließen.
In Fig. 2 ist der Folienschalter 13 vergrößert abgebildet. Der Aufbau der Schichten des Folienschalters entspricht dem der Schaltfolien 13, die z.B. in PC-Tastaturen eingebaut werden: Eine Basisschicht 21 ist mit einer abstandhaltenden Schicht 22 verbunden, auf der die Oberschicht 23 angebracht ist. Die Abstandsschicht 22 ist an bestimmten Kontaktpunkten mit Aussparungen versehen, die dort jeweils einen Hohlraum 24 bilden.
An diesem Hohlraum 24 kann eine Leiterbahn 25 auf der unteren Basisschicht 23 einen elektrischen Kontakt mit einer weiteren Leiterbahn 26 auf der Oberschicht 21 bilden, wenn sie durch einen Aktivator 27 bzw. Aktivatorfeder 19 in Fig. 1 mechanisch etwas zusammengedrückt werden. Dies ist eine Technik ähnlich den bekannten Folientastaturen, mit dem Unterschied, daß die Oberschicht 23 nicht direkt mit dem Finger berührt wird, sondern vom Aktivator 27 ausgelöst wird.
Von außen sehen die Griffe 14; 15; 16; 17 der Bedienelemente genau so aus und fühlen sich so an wie herkömmliche Drehregler und Schalter. Als Beispiel ist in Fig. 3 ein Bedienpanel einer Waschmaschine dargestellt, das erfindungsgemäß aufgebaut ist. Als Bedienelemente sind ein Drehregler 31, ein Dreh-Umschalter mit vier Stellungen 32, ein Schiebeschalter mit zwei Stellungen 33 und ein Taster 34 vorhanden, die den Elementen 14, 15, 16 und 17 von Fig. 1 entsprechen.
Die Griffe 14; 15; 16; 17 der Bedienelemente sind beweglich in Aussparungen der Frontplatte 11 eingelegt. Fig. 4 zeigt die Frontplatte 11 nach Fig. 1 ohne Bedienelemente mit den vier Aussparungen. Z.B. dient das runde Loch 41 zur Aufnahme des Tasters 34 nach Fig. 3 und 17 nach Fig. 1. Durch einen überstehenden Rand 18 nach Fig. 1 sind die Griffe 14; 15; 16; 17 der Bedienelemente jeweils gegen Herausfallen gesichert. Schiebeschalter 33 nach Fig. 3 und Schieberegler erfordern rechteckige, längliche Aussparungen in der Frontplatte; 11 Drehregler 14 und Drehwahlschalter 15 liegen in runden Öffnungen.
Den Schaltstellungen 51; 52 der Griffe 14; 15; 16; 17 der Bedienelemente, wie sie auf der Frontplatte 11 sichtbar sind, entsprechen bestimmte Kontaktpunkte auf den Leiterbahnen 25, 26 des Folienschalters 21; 22; 23; 24, 25; 26 nach Fig. 2. Diese Kontaktpunkte auf den Leiterbahnen 25, 26 sind dabei jedoch nicht, wie bei Platinen üblich, den Schaltstellungen direkt zugeordnet. Das wäre die naheliegende Lösung, die bei Folienschaltern jedoch nicht realisierbar ist. Wenn die Aktivatoren 27 nach Fig. 2 und 19 nach Fig. 1 dauerhaft einen Folienschalter betätigen würden, würde sich die elastische Oberschicht 23 nach Fig. 2 der Schaltfolie 13 nämlich verformen.
Zum einen würde der Aktivator 27 auf dem Folienschalter keinen zuverlässigen dauerhaften Kontakt schließen, weil die Federkraft des Aktivators 27 dafür zu schwach ist, noch würde der Kontakt zuverlässig geöffnet, wenn eine weitere Schaltstellung gewählt würde. Die Oberschicht 23 des über einen längeren Zeitraum mechanisch aktivierten Schalters würde sich wie erwähnt verformen, praktisch kleben bleiben und eine undefinierte elektrische Leitfähigkeit besitzen. Deshalb wurden bisher auch keine dauerhaften Umschalter dieser Art auf der Basis von Folienschaltern realisiert.
Die Erfindung nutzt statt dessen die mechanischen Raststellungen der Bedienelemente aus, um in den Zwischenzuständen während des Bedienvorgangs einen kurzzeitigen mechanischen und elektrischen Kontakt herzustellen. Dem entsprechend sind, wie in der Schaltstellung 52 nach Fig. 5 erkennbar, nur drei Kontaktpunkte nötig, um vier Schaltstellungen des Drehumschalters 32 nach Fig. 3 auszuwerten. Nur während der Bewegung des Bedienelements werden einzelne Kontaktpunkte kurzzeitig berührt und die entsprechenden elektrischen Kontakte geschlossen.
Die betätigten Kontakte wirken dabei elektrisch wie eine herkömmliche Tastatur mit Drucktastern, während die Bedienung den alten elektromechanischen Umschaltern entspricht. Das Stellelement und das erfindungsgemäß mit Stellelementen versehene Bedienpanel kann so aufgebaut werden, daß es bei der Bedienung nicht von einem Bedienpanel mit elektromechanischen Umschaltern zu unterscheiden ist.
Allerdings bietet die Erfindung neue Möglichkeiten. So kann eine Vielzahl von Schaltstellungen 51 im Kreis oder in einer Linie angeordnet sein, wodurch sich annähernd die Bedienung eines Dreh- bzw. Schiebe-Potentiometers ergibt. Das ist deshalb möglich, weil diese Vielzahl von Schaltstellungen bzw. Folienschaltern mit einer minimalen mechanischen Rastung versehen sind, die nicht als Funktion eines Umschalters wahrgenommen wird. Mit mechanischen Umschaltern wäre dies sehr schwierig zu erreichen, weil diese mit stärkeren Federkräften versehen sein müssen, um auch bei Erschütterungen einen dauerhaften Kontakt zu gewährleisten.
In Fig. 5, sind die Kontaktpunkte 51 des Drehreglers 31 nach Fig. 3 und 14 nach Fig. 1 abgebildet. Für diese Kontaktpunkte genügen elf Kontaktpunkte um zwölf Schalterstellungen zu charakterisieren, wobei diese Schalterstellungen so weiche Raststufen besitzen, daß sie sich annähernd wie ein herkömmliches Potentiometer bewegen lassen. Im Beispiel einer Waschmaschinen-Temperatureinstellung reichen zwölf Unterscheidungen völlig für die Funktion aus. Bei anderen Anwendungen -wie einem Lautstärke- oder Helligkeitsreglerreichen rund fünfzehn bis sechzig Schaltstufen aus, um die Illusion einer stufenlosen Einstellung zu erwecken.
Der Drehwahlschalter 15 nach Fig. 1 und 32 nach Fig. 3 mit den Kontaktpunkten 52 funktioniert in analoger Weise zu dem Drehumschalter 32 mit den Kontaktpunkten 51, hat jedoch nur vier Stellungen mit einer stärker fühlbaren Rastung.
Für den Schiebeschalter 16 nach Fig. 1 und 33 nach Fig. 3 ist nur ein einziger Kontakt nötig, um den Übergang zwischen den beiden Stellungen zu signalisieren. Da immer nur die Übergänge signalisiert werden und nicht die Stellung selbst, muß die Stellung aller Elemente in einem nichtflüchtigen Speicher wiedergespiegelt werden. Außerdem ergibt sich daraus die Anforderung für das erfindungsgemäße Bedienpanel, daß erstens einmalig eine Initialisierung mit bekannten Positionen stattfinden muß, und zweitens daß die Schalter permanent durch die zugehörige Elektronik überwacht werden müssen. Dies entspricht dem bei heutigen elektronischen Geräten oft vorhandenen Standby-Modus mit weiterlaufender Uhr und Tastenüberprüfung auch im scheinbar "ausgeschalteten" Zustand.
Bei dem Taster 17 nach Fig. 1 und 34 nach Fig. 3 ist wie bei allen üblichen Tastern ein Kontaktpunkt 54 nötig, um die Funktion zu erfüllen. Der Taster 17 in dem Bedienpanel hat im Unterschied zu den übrigen drei Bedienelementen keine besonderen Eigenschaften, die ihn von bekannten Folientasten mit mechanischem Aktivator unterscheiden. Der Druckpunkt solcher Taster kann entsprechend dem Stand der Technik über einen Dom (kleine konvexe Ausformung) in oder auf der Folie oder über einen Federmechanismus am Tastenrand gebildet werden.
Ein mögliches Leiterbahn-Layout, den Schaltstellungen 51; 52 entsprechend, ist in Fig. 6 (obere Seite, Sicht von oben) und Fig. 7 (untere Seite, Sicht von oben) abgebildet. Bei jedem Kontaktpunkt ist eine Verdickung der Leiterbahn ausgebildet, die durch Aussparungen des abstandhaltenden Hohlraumes 24 in Fig. 2 exakt an diesen Kontaktpunkten einen Folienschalter bildet. Außerhalb der Kontaktpunkte sind die Leiterbahnen 25; 26 von der Oberschicht 23 und der Basisschicht 21 durch die Abstandsschicht 22 von einander isoliert. Die Methoden für die Konstruktion solcher doppelseitiger flexibler Leiterbahnen 25; 26 sind grundsätzlich bekannt, nur das Layout und die Anwendung für bewegliche Aktivatoren auf Schaltfolien sind neu.
Aus dem Beispiel von Fig. 6 und 7 wird deutlich, daß für die Ansteuerung des relativ leistungsfähigen Waschmaschinen-Panels nur 4+4 Leiterbahnen nötig sind, um sowohl einen Drehregler, eine 4fach-Wahlschalter, einen Schiebeschalter und einen Taster zu realisieren.
Die 4 plus 4 Leiterbahnen werden an Steckkontakten 61 herausgeführt und können mit einer Platine verbunden werden, die mit elektronischen Komponenten zur Interpretation der Daten ausgestattet ist. Diese Steckkontakte 61 bilden ein flexibles Band, da die Schaltfolie 13 nach Fig. 1 dünn und biegsam ist und können somit Kabel einsparen, die sonst zur Verbindung von Bedienpanel und Hauptplatine des Geräts benötigt würden.
Diese erstaunlich geringe Anzahl wird dadurch erzielt, daß diese 4+4 Bahnen reihen- und spaltenweise abgetastet werden können, wie die bekannten Tastaturen elektronischer Geräte. Bei herkömmlichen Umschaltern wäre dies unmöglich, weil der permanente Kontakt eines Elements die zusammengefaßte Abtastung aller Elemente in einer Matrix behindern würde.
Aus diesen Ausführungen wird ersichtlich, daß sich die Erfindung von der Bedienung her wie ein traditionelles, mechanisch aufwendiges Stellelement bzw. von mehreren in einem Bedienpult zusammengefaßte Stellelement mit Potentiometern und Wahl-Umschaltern anfühlt, elektrisch jedoch identisch mit einer Tastatur ist. Dementsprechend können auch existierende Tastenmatrix-Scan-Module direkt für einen Anschluß an dem erfindungsgemäßen Gegenstand genutzt werden.
Beim Drehregler 14 und ebenso bei den Drehwahlschaltern 15 und Schiebeschalter 16 dürfen die Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelement nicht dauerhaft die Kontakte aktivieren, da dies -wie erwähnt- die obere Folienschicht schädigen (verformen) könnte. Beim Taster 17; 34 ist dies bereits durch die mechanische Konstruktion entsprechend dem Stand der Technik gewährleistet. Bei Bedienelementen mit mehreren einrastenden Stellungen ist das neu.
Die bei der Bedienung fühlbaren Raststellungen der Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelement werden bei der Erfindung wie nach dem Stand der Technik dadurch erzeugt, daß eine abgerundete Feder 84 nach Fig. 8 an ein wellenförmiges Gegenstück 81 drückt. Die Feder 84 und das Gegenstück 81 werden nun bei jeder Bewegung der Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelement aneinander vorbei bewegt. Dabei fährt die Feder die Erhebungen 82; 85 und Vertiefungen des wellenförmigen Gegenstücks 81 ab. Die Erhebungen zwingen die Feder, sich etwas gegen ihre Federspannung zusammenzudrücken. So kommt das Stellelement in Ruhestellung immer in den Vertiefungen zu stehen, wie in Fig. 8 gezeigt, denn die Feder auf jeder Erhebung ist kein stabiler Zustand.
Diese Technik von Raststufen ist bekannt in zahlreichen Variationen. Ob sich die Feder 84 auf der Frontplatte 11 befindet und das Gegenstück 81 auf der Frontplatte 11 oder umgekehrt, spielt für die Rastfunktion keine Rolle. Ebenso wenig spielt es eine Rolle, ob die Erhebungen und Vertiefungen horizontal oder vertikal zwischen Stellelementen und Frontplatte nach Fig. 1 angeordnet sind. Wichtig ist nur, daß fühlbare Raststufen existieren und die Zwischenstufen weggedrückt werden, so daß sie nur kurzzeitig eingenommen werden.
Die Erfindung nutzt genau diesen Effekt, um eine dauerhafte Betätigung der Folienschalter und eine damit einher gehende Beschädigung der oberen Folienschicht zu verhindern. Wie in Fig. 10 dargestellt, wo sich die Feder 84 gerade von der Erhebung in die Vertiefung bewegt, korrespondieren die Erhebungen 102 des Gegenstücks 81 nach Fig. 8 mit den Kontaktpunkten 51, 52, 53, 54 nach Fig. 5 und mit den Kontaktpunkten auf den Leiterbahnen 25, 26 nach Fig. 2 und die Vertiefungen 101 mit den Bereichen der Schaltfolie, die mit der Abstandfolie 22 nach Fig. 2 versehen sind.
Somit bewirkt die Mechanik der Stellelemente mit ihren Raststufen, daß die Folientaster immer nur kurzzeitig den Kontakt schließen und die gesamte Schaltfolie wie eine Tastatur arbeitet, obwohl die Griffe 14; 15; 16; 17 der Stellelemente feste Positionen einnehmen. Das ist neu.
Abgesehen von dem Schutz der Folientaster vor Überbeanspruchung bewirkt die Taster-Funktion der Erfindung, daß sich die Kontakte der Stellelemente elektrisch in Form einer Matrix zusammenfassen lassen, was die Anzahl der nötigen Steuerleitungen drastisch reduziert.
Genau berechnet benötigen x herkömmliche Umschalter mit y Stellungen x mal y plus eine Steuerleitungen, während die Erfindung nur die zweimal Wurzel aus (x mal (y-1)) an Steuerleitungen benötigt. Bei fünf Schaltern mit jeweils acht Schaltstellungen sind dies 5 * 8 = 40 bzw. 2 * Wurzel aus (5 mal 7) = ca. 12. Das sind weniger als ein Drittel der Steuerleitungen. Zugleich macht die Rechnung deutlich, warum herkömmliche Umschalter bei einer digitalen Elektronik wenig praktikabel sind.
Die geringe Zahl der Steuerleitungen ließe sich noch weiter reduzieren, wenn sich bei jedem Kontaktpunkt ( Fig. 5) nicht nur ein Folienschalter, sondern zwei oder mehr Folienschalter befinden. Anhand der Abfolge und Größe dieser Kontakte und der daraus resultierenden Impulssequenzen und Amplituden-Längen ließe sich jeder Kontaktpunkt und damit jede Betätigung eines Stellelements sicher identifizieren. So ließe sich die 4x4-Matrix von Fig. 6 und Fig. 7 von acht Steuerleitungen auf bloße drei reduzieren. Diese drei Steuerleitungen würden auf zwei Kanälen bei jeder Betätigung eines Elements für jede Stellung spezifische "Morsezeichen" liefern.
Allerdings ginge eine solche Kombination von Folienschaltern bei Kontaktpunkten mit entweder einer geringeren Zuverlässigkeit oder erheblichen höheren Anforderungen an die Präzision der Folie und der Bedienelemente einher. Von daher wäre eine solche Kombinations-Lösung nur dann ökonomisch zu rechtfertigen, wenn eine möglichst geringe Anzahl von Steuerleitungen ein wesentliches Kriterium sind. Das könnte bei speziellen Anwendungen der Fall sein, etwa bei einer extrem großen Anzahl von Schaltern auf einem Bedienpult.
Als Hardware benötigt das erfindungsgemäße Stellelement bzw. ein aus Stellelementen bestehendes Bedienpanel zur Ansteuerung nur eines der bekannten Systeme zur Tastaturabfrage. Diese Hardware muß permanent aktiv sein (auch im Standby-Betrieb) und bei der ersten Inbetriebnahme initialisiert werden, indem alle Bedienelemente in einen definierten Zustand gebracht werden.
Diese Initialisierung kann durch eine Software halbautomatisch ablaufen, sofern alle Mehrfachschalter mit mehr als zwei Stellungen einmal so betätigt werden, daß mindestens zwei nebeneinander liegende Kontaktpunkte aktiviert werden und die Zweifach-Schiebeschalter in eine vorgegebene Stellung (etwa jeweils nach rechts und unten) gebracht werden.
Die Firmware (Betriebssoftware des Bedienpanels) verwaltet ständig ein elektronisches Abbild der Schalterstellungen. Dies ist nötig, da ja nur bei Veränderungen Impulse generiert werden. Jedes Mal, wenn ein aktivierter Kontaktpunkt ähnlich einem Tastenkode als Position auf der Abfragematrix gemeldet wird, wird der entsprechende Übergang aus einer Tabelle abgerufen und das Abbild der Schalterstellung entsprechend aktualisiert. Dabei kann das Verfahren einen einheitlichen Programmkode für beliebige erfindungsgemäße Bedienpanels verwenden, d.h. die spezifische Kontaktpunkt-Belegung in einer Tabelle ablegen.
Anstelle von Raststufen gibt es noch eine weitere Möglichkeit, um eine dauerhafte Beanspruchung des oberen Teils der Folie zu verhindern. In Fig. 11 ist eine Variante der Erfindung mit Stellelementen in Flachausführung zu sehen. Diese Variante ist geeignet für besonders kleine Geräte wie tragbare Audiospieler, Kameras. Hier spielt die geringe Baugröße und eine geringes Gewicht eine besondere Rolle, und außerdem sollen sich die Stellelemente des Geräts beim Transport nicht versehentlich verstellen dürfen.
Der Dreh-Wahlschalter in Flachausführung 111 ragt nur minimal (höchstens 2 bis 3 mm) aus der Gehäuse-Frontplatte heraus und kann daher nur mit einem Finger bzw. dem Daumen bedient werden. Ein Drehen des Wahlschalters durch Anfassen des Randes ist unmöglich, weil dieser bewußt flach gewählt ist.
Ebenso wird der flache Schiebeschalter 112 nicht durch seitliches Verschieben eines herausragenden Griffs, sondern durch einen festen Druck auf die Oberseite des Griffs betätigt. Das Gleiche gilt für den Schieberegler 113, der im Unterschied zu der zuerst aufgeführten Variante der Erfindung keine Raststufen aufweist.
Alle diese Elemente bewegen sich bei der Bedienung geringfügig in Richtung der Frontplatte. In Fig. 12 ist ein flaches Bedienelement 121 zu sehen, das an den Rändern über eine Verriegelung 122 an der Frontplatte 123 gegenüber seitliches Verschieben geschützt wird. Eine weiche Feder 124 drückt gegen die Schaltfolie 125 abseits der Kontaktpunkte und verhindert ein Klappern des Griffes des Stellelements im Gehäuse. Die Aktivatorfeder 126 berührt die Schaltfolie 125 in der Ruhestellung nicht, sondern hat minimalen Abstand zu ihr.
Bei der Bedienung des Flach-Elements bewegt sich nun das ganze Element 121 geringfügig nach unten, ähnlich wie bei einem weichen Taster. Um ein solches Element seitlich zu verschieben, muß die Bedienperson nämlich eine gewisse Kraft aufbringen und einen festen Griff sicherstellen. Würde das Element nur leicht berührt, dann verhindert die Verriegelung 122 in Form von in einander greifenden Zähnen eine seitliche Verschiebung.
Wenn das Element also niedergedrückt wird, um es seitlich zu bewegen (Fig. 13), dann berührt die Aktivatorfeder 126 die Schaltfolie 125 an einem Kontaktpunkt und schließt damit einen Stromkreis. Die Verriegelung 122 ist freigegeben und ermöglicht ein seitliches Verschieben. Wenn das Element seitlich verschoben wird, dann kann die Aktivatorfeder 126 entsprechend der Stellung des Elements unterschiedliche Kontakte schießen und so als Schiebe- bzw- Drehschalter wirken.
Die Flach-Variante der Erfindung unterscheidet sich von der zuerst beschriebenen Variante dadurch, daß eine dauerhafte Kontaktierung nicht durch Raststufen verhindert wird, sondern durch die weiche Feder 124 in Verbindung mit der Möglichkeit, jedes Element geringfügig herunter zu drücken.
Der Ablauf dieser Schritte ist in Fig. 14 aufgezeigt. Beim Start 141 ist kein Kontakt geschlossen. Wird ein Stellelement jetzt berührt, dann schließt sich ein Kontakt 142 und bleibt so lange geschlossen, wie das Stellelement heruntergedrückt bleibt. Ein seitliches Verschieben oder Drehen zu anderen Kontakten 143 und 144 ist beliebig möglich. Nach dem Loslassen 145 wird der Kontakt wieder geöffnet.
Die Flachausführung der Erfindung ist geringfügig schwieriger zu bedienen als die große Ausführung, weil die Stellelemente nur an ihrer Oberseite berührt und verschoben werden können. Das kann bei mobilen Geräten ein Vorteil sein, da sich sehr kleine Bauweisen realisieren lassen und weil ein versehentliches Verstellen durch die Verriegelung unmöglich ist.
Außerdem erlaubt es die Flachausführung, auch stufenlose Regler ohne Rastung einzusetzen (Nr. 113 in Fig. 11). Anstelle einer Reihe von Folienschaltern kann ein folienförmiges Linearpotentiometer z.B. auf der Basis von FSR-Technik (Force Sensing Resistor, kraftabhängiger Widerstand) eingesetzt werden. Da die Aktivatorfeder immer nur kurzzeitig aufliegt, ist eine Überbeanspruchung der Folie ausgeschlossen. Die stufenlose Messung der Position durch das Linearpotentiometer gewährleistet eine hochauflösende Regelungsmöglichkeit.
Da die Aktivatorfeder 126 im Gegensatz zur Fingerbewegung definierte Eigenschaften in Bezug auf Andruckfläche, -winkel und -kraft besitzt, läßt sich anstelle eines Linearpotentiometers auch ein preisgünstiger, einfacher Widerstandsstreifen auf der Folie verwenden. Wie bei einem herkömmlichen Potentiometer ist der elektrische Widerstand bei dieser Variante von der Position des Griffes abhängig.
Linearpotentiometer und Widerstandsstreifen sind ansonsten eine bekannte Technik. Da sie bislang nur ohne mechanische Aktivatoren eingesetzt wurden, waren ihre ergonomischen Qualitäten sehr eingeschränkt. Die sichtbare und fühlbare Stellung eines solchen Stellelements ermöglicht einen Bedienkomfort, der vergleichbar ist mit herkömmlichen Schiebepotentiometern; allerdings ist die Erfindung flacher, mechanisch robuster und durch die Folie gegen Verschmutzung geschützt.
Im Vergleich zu Bedienpanels mit Potentiometern und Mehrfach-Umschaltern bietet die Erfindung einen gleich hohen Bedienungskomfort in Kombination mit wesentlich günstigeren mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Die Erfindung ist wesentlich flacher, leichter und robuster sowie wesentlich preisgünstiger und besser an die Erfordernisse digitaler Elektronik angepaßt.
Im Vergleich zu Drucktastern und Drehimpulsgebern bietet die Erfindung einen spürbar höheren Bedienungskomfort, weil die Position der Elemente sichtbar und fühlbar den Zustand des elektronischen Gerätes ausdrückt. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, Bedienungselemente zu benutzen, ohne auf ein Display schauen oder auf Pieptöne achten zu müssen. Das ist z.B. in der Autoindustrie ein wesentlicher Faktor zugunsten der Sicherheit. Außerdem ist die Erfindung etwas flacher, etwas leichter und deutlich preisgünstiger als Platinen mit Drucktastern und Drehimpulsgebern.
Im Vergleich zu Folientastaturen ist die Bedienung der Erfindung entscheidend komfortabler. Immerhin sind Folientastaturen etwas flacher, leichter und preisgünstiger herzustellen als die Erfindung. Das dürfte allerdings den Nachteil ihrer Bedienung ohne fühlbare Rückmeldung nur in wenigen Fällen ausgleichen.
Im Vergleich zu Folientastaturen mit Tastenkappen sind Preis, Gewicht, Größe und Robustheit etwa gleich, während der Bedienungskomfort der Erfindung durch die genannten sicht- und fühlbaren Stellungen wesentlich besser ist.
Die erfindungsgemäße Schaltfolie mit Aktivatoren ist überwiegend automatisch aus einer geringen Anzahl Komponenten herstellbar. Sie ist bruchfest und durch die Montage hinter der Frontplatt geschützt vor Beschädigungen. Die Steckkontakte 61 in Fig. 6) können zusätzlich ein Kabel einsparen. Außerdem ist solch eine Folie im Prinzip an bestimmten Stellen faltbar, wodurch mehrere Gehäuseseiten eines Geräts mit einer Folie versorgt werden können.
Die Erfindung bietet das einzige Bedienpanel, das den Benutzern Zustände des Geräts über die Stellung seiner Elemente kommuniziert und zugleich zur Kombination mit digitaler Elektronik geeignet ist. Das erspart nicht nur zahlreiche Displayfunktionen, sondern ermöglicht kleinere Geräte, die zugleich leichter zu bedienen sein können.
Die Erfindung bietet die flachsten Bedienpanels mit mechanisch beweglichen Stellelementen und dem entsprechenden Komfort.

Aufstellung der Bezugszeichen

11: Frontplatte
12: Chassis
13: Schaltfolie
14: Drehregler
15: Drehwahlschalter
16: Schiebeschalter
17: Taster
18: Rand
19: Aktivatorfeder
21: Basisschicht
22: Abstandsschicht
23: Oberschicht
24: Hohlraum
25: Leiterbahn
26: Leiterbahn
27: Aktivator

31: Drehregler
32: Drehumschalter
33: Schiebeschalter
34: Taster
41: Loch
51: Schaltstellung
52: Schaltstellung
53
54: Schaltstellung
61: Steckkontakt
84: Federbelastete Kugel
81: Gegenstück
82: Erhebung
83
84: Feder
85: Erhebung

111: Drehwahlschalter
112: Schiebeschalter
113: Schieberegler
121: Stellelement
122: Verriegelung
123: Frontplatte
124: Feder
125: Schaltfolie
126: Aktivatorfeder
141: Start
142: Kontakt
143: Kontakt
144: Kontakt
145: Ende

Claims

Stellelement auf der Basis eines Folienschalters zur Bedienung eines elektronisch gesteuerten elektrischen Gerätes, wobei ein Griff (14; 15; 16; 17) in einer Frontplatte (11) in einer in dieser vorgesehenen Öffnung (41) beweglich und mechanisch betätigbar mit sichtbar und fühlbar unterscheidbaren Positionen angeordnet ist, wobei an der Unterseite des Griffes (14; 15; 16; 17) elastische Kontaktfedern (19; 27; 126) angebracht sind, sowie unterhalb des Griffes (14; 15; 16; 17;) ein Folienschaltelement, bestehend aus einer Basisschicht (21), aus einer aus einem verformbaren Material bestehenden Oberschicht (23) und aus einer elastischen Abstandsschicht (22) vorgesehen ist, wobei die Basisschicht (21) und die Oberschicht (23) an den einander zugewandten Flächen mit Leiterbahnen (25; 26), in der Form einer gedruckten Schaltung belegt sind, die an definierten Kreuzungspunkten der Leiterbahnen (25; 26) mit Kontaktpunkten (51; 52; 53; 54) versehen sind und die Abstandsschicht (22) an diesen Kontaktpunkten (51; 52; 53; 54) Hohlraume (24) aufweist, und ein ständig in schneller Abfolge die elektrischen Verbindungen aller Kontaktpunkte abtastender,
integrierter Schaltkreis vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet daß der Schaltkreis jederzeit auch im Standby-Betrieb wirksam ist, und ein zur Bereithaltung der Information über die jeweilige mechanische Schaltposition des Griffs (14; 15; 16; 17) eingesetzter elektronischer, nichtflüchtiger Speicher vorgesehen ist.
Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (14; 15; 16; 17) unterhalb der Kante der Öffnung (41) in der Frontplatte (11) mit einem das Herausfallen des Griffes (14; 15; 16; 17) aus der Frontplatte (11) verhindernden überstehenden Rand (18) versehen ist.
Stellelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (14; 15; 16; 17) des Stell-elements eine Feder (84) mit einem mit der Frontplatte (11) verbundenen Gegenstück (81) aufweist, die bei Bewegung des Griffs in Positionen, in der die Feder in abgerundete Kerben des Gegenstücks (81) greift, eine oder mehrere Raststellungen erzeugen.
Stellelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (14) als Drehregler mit einer Vielzahl kaum fühlbarer Raststellungen für eine annähernd stufenlose Regelung drehbar ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (16) als Schieberegler mit einer Vielzahl kaum fühlbarer Raststellungen für eine annähernd stufenlose Regelung zur Bewegung auf einer Achse in einer längeren, rechteckigen Frontplatten-Öffnung ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (15) als Drehschalter mit einer geringen Anzahl deutlich fühlbarer Raststellungen für eine Umschaltung zwischen verschiedenen Stellungen drehbar ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (17) als Schiebeschalter mit einer geringen Anzahl deutlich fühlbarer Raststellungen für eine Umschaltung zwischen verschiedenen Stellungen zur Bewegung auf einer Achse in einer rechteckigen Frontplatten-Öffnung ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (14; 15; 16; 17; 121) ca. 0,5 bis 4mm in Richtung einer unterhalb des Griffs befindlichen Schaltfolie (13; 125) bewegbar angeordnet ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (16; 112; 113; 121) am äußeren Rand (18) und die Unterseite der Ränder der Öffnungen (41) der Frontplatte (11; 123) mit Zähnen (122) ausgestattet sind und der verschiebbare Griff (16; 112; 113; 121) an seiner Unterseite mit einer, den Griff (16; 112; 113; 121) in Richtung der Frontplatte pressenden Feder (124) mit einer geringen Kraft versehen ist, wobei im Ruhezustand des Stellelements die Zähne (122) des Griffes (16; 112; 113; 121) in einer den Griff (16; 112; 113; 121) vor einer versehentlichen Verschiebung schützenden Eingriffsstellung stehen, während bei einer Betätigung des Stellelements sich der Griff (16; 112; 113; 121) ca. 0,5 bis 4mm in Richtung der unterhalb des Griffs befindlichen Schaltfolie (13; 125) bewegt, so daß die Verzahnung (122) gelöst ist und somit der Griff des Stellelements während der Betätigung seitlich frei innerhalb der Öffnung (41) verschiebbar ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement als flacher Drehregler für eine annähernd stufenlose Regelung drehbar ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement als flacher Schieberegler für eine annähernd stufenlose Regelung zur Bewegung auf einer Achse in einer längeren, rechteckigen Frontplatten-Öffnung ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement als flacher Drehschalter für eine Umschaltung zwischen verschiedenen Stellungen drehbar ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement mit Griff als flacher Schiebeschalter für eine Umschaltung zwischen verschiedenen Stellungen zur Bewegung auf einer Achse in einer rechteckigen Frontplatten-Öffnung ausgebildet ist.
Stellelement nach Anspruch 1, 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stellelemente in einem Bedienpult zusammengefaßt sind.
Stellelement nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktpunkte (51; 52; 53; 54) der in einem Bedienpult zusammengefaßten Stellelemente mittels der Leiterbahnen (25; 26) in der Form einer elektronisch abtastbaren Tastaturmatrix zusammengefaßt sind, wobei die Anzahl der benötigten Leiterbahnen (25; 26) auf der Basisschicht (21) und der Oberschicht (23) mindestens jeweils die Quadratwurzel der Anzahl der verwendeten Kontaktpunkte (51; 52; 53; 54) beträgt.
Verfahren zur Erzeugung von Schaltimpulsen durch die in einem Bedienpult angeordneten Stellelemente nach Anspruch 1 bis 7, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Griff (14; 15; 16; 17) der Stellelemente bei einer Betätigung an den Seiten eine entsprechende seitliche Bewegung vollzieht und beim Loslassen an durch Kerben des Gegenstücks (81) festgelegten Raststellungen zum Stehen kommt, wobei bei der Bewegung auf halber Strecke zwischen jeder Raststellung für kurze Zeit durch den mechanischen Druck der Kontaktfeder (19) jeweils eine unterschiedliche, für die Position spezifische elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen durch Betätigung der Folienschalter an den Kontaktpunkten (51; 52; 53; 54) wie bei einer Tastaturmatrix hergestellt wird, während nach dem Loslassen alle elektrischen Kontakte geöffnet werden und geöffnet bleiben.
Verfahren zur Erzeugung von Schaltimpulsen durch die in einem Bedienpult angeordneten Stellelemente nach Anspruch 1, 2, 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Griff des Stellelements (121) bei einer Betätigung an der Oberseite sich gegen die Kraft einer Feder (124) geringfügig ca. 0,5 bis 4mm in Richtung der Schaltfolie (125) bewegt und dadurch während der Betätigung eine Kontaktfeder (126) abhängig von der Position des Stellelements mechanischen Druck auf bestimmte Kontaktpunkte (51; 52; 53; 54) in der Schaltfolie ausübt und dadurch jeweils unterschiedliche, für die Position spezifische elektrische Verbindungen zwischen den Leiterbahnen durch Betätigung der Folienschalter an diesen Kontaktpunkten (51; 52; 53; 54) wie bei einer Tastaturmatrix hergestellt werden, während der Griff sich nach dem Loslassen wieder in seine Ruhestellung ca. 0,5 bis 4mm anhebt und so nach dem Loslassen alle elektrischen Kontakte geöffnet werden und geöffnet bleiben.
Verfahren zur Erzeugung von analogen Schaltimpulsen durch die in einem Bedienpult angeordneten Stellelemente nach Anspruch 1, 2, 8, 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Griff des Stellelements (121) bei einer Betätigung an der Oberseite sich gegen die Kraft einer Feder (124) geringfügig ca. 0,5 bis 4mm in Richtung der Schaltfolie (125) bewegt und dadurch während der Betätigung eine Kontaktfeder (126) abhängig von der Position des Stellelements mechanischen Druck auf bestimmte Positionen der Leiterbahn in der Oberschicht der Schaltfolie ausübt, die darauf an dieser Stelle einen elektrischen Kontakt mit einem streifenförmigen elektrischen Widerstand auf der Oberfläche der Unterschicht der Schaltfolie herstellt und diese elektrische Verbindung dadurch einen für die Position des Stellelements spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, so daß das Stellelement während der Betätigung abhängig von der Stellung des Griffs einen variablen Widerstand ähnlich einem herkömmlichen Potentiometer aufweist, während der Griff sich nach dem Loslassen wieder in seine Ruhestellung ca. 0,5 bis 4mm anhebt und nach dem Loslassen alle elektrischen Kontakte geöffnet werden.
Verfahren zur Auswertung von Schaltimpulsen durch die in einem Bedienpult angeordneten Stellelemente nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrierter Schaltkreis die elektrischen Verbindungen zwischen den Leiterbahnen jederzeit, auch bei einem Ruhezustand des elektronischen Geräts, wie bei einer Tastaturmatrix in schneller Abfolge ca. 20 bis 1000 mal pro Sekunde der Reihe nach auf Kontaktschließung überprüft, wobei anhand der Information über die vorherige Stellung des Griffs des Stellelements und des zuletzt geschlossenen Kontakts bei einer Bewegung des Griffs die neue Stellung des Griffs ermittelt wird und diese aktuelle Stellung des Griffs in einen nichtflüchtigen Speicher schreibt und dort für die weitere Verarbeitung zur Verfügung hält.