EP4128536A1 - Sensorvorrichtung für eine bedieneingabevorrichtung - Google Patents

Sensorvorrichtung für eine bedieneingabevorrichtung

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EP4128536A1
EP4128536A1 EP21715524.1A EP21715524A EP4128536A1 EP 4128536 A1 EP4128536 A1 EP 4128536A1 EP 21715524 A EP21715524 A EP 21715524A EP 4128536 A1 EP4128536 A1 EP 4128536A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
electrode
sensor device
contact element
operating force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21715524.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha Staude
Raphael MACK
Benjamin Dietz
Onofrio Intini
Mohamed Mohamed Elamin Elzain ELAMIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP4128536A1 publication Critical patent/EP4128536A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/962—Capacitive touch switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H13/00—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for pushing or pulling in one direction only, e.g. push-button switch
    • H01H13/02—Details
    • H01H13/26—Snap-action arrangements depending upon deformation of elastic members
    • H01H13/48—Snap-action arrangements depending upon deformation of elastic members using buckling of disc springs
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    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/965—Switches controlled by moving an element forming part of the switch
    • H03K2217/9651—Switches controlled by moving an element forming part of the switch the moving element acting on a force, e.g. pressure sensitive element

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for an operator input device, the sensor device having a capacitive sensor and a contact switch.
  • the capacitive sensor has a first electrically conductive sensor electrode and at least one second electrically conductive sensor electrode, which are designed and arranged relative to one another in such a way that they form a sensor capacitance between them, whereby a change in the sensor capacitance can be brought about by applying an operating force to the sensor device .
  • the contact switch has a first electrical contact element and a second electrical contact element, which are designed and arranged relative to one another in such a way that an electrical connection between the first electrical contact element and the second electrical contact element is separated in an operating force-free state. By applying an operating force in the actuating direction that is greater than a defined contact closing force, an electrical connection can be established between the first electrical contact element and the second electrical contact element.
  • Generic sensor devices in particular combined sensor devices designed as described above, which have both a capacitive sensor and a contact switch, are generally known from the prior art, with the generic sensor devices known from the prior art usually having the capacitive sensor and the contact switch are each formed from separate components, especially in the case of capacitive sensors that are designed as force sensors.
  • an object of the present invention to provide an alternative sensor device, in particular an improved sensor device, in particular a simpler and more compactly constructed sensor device.
  • the contact switch has a first electrical contact element and a second electrical contact element, which are designed and arranged relative to one another in such a way that an electrical connection between the first electrical contact element and the second electrical contact element is separated in an operating force-free state.
  • a sensor device is characterized in that one of the sensor electrodes of the capacitive sensor forms one of the two electrical contact elements of the contact switch, in particular the first sensor electrode or the second sensor electrode.
  • the joint use of one of the sensor electrodes of the capacitive sensor also as an electrical contact element makes it possible to provide a particularly compact combined sensor device with a capacitive sensor and a contact switch.
  • the present invention makes it possible, in particular, to provide a sensor device which requires fewer components compared to a sensor device known from the prior art that is fundamentally similar or comparable in functionality.
  • the capacitive sensor is a capacitive force sensor, ie a sensor by means of which a force can be capacitively determined, in particular an operating force applied to the sensor device.
  • the sensor device is designed and set up to use the capacitive sensor to detect an operating force applied to the operating input device in a functional state of use in an operating input device, in particular an operating force that is applied to the operating input device perpendicular to a user interface.
  • a sensor device is designed and set up in particular for use in an operator input device, which preferably has an operator interface and is particularly preferably operable by applying a pressure operator to the operator interface, in particular by applying an operator in an operating direction that is perpendicular to User interface extends, wherein the sensor device is particularly preferably designed to be arranged below the user interface in the control device, in particular such that an operating force applied to the user interface can be transferred to the sensor device via the user interface or by means of the user interface.
  • An operator input device can, for example, be a touch display or the like or have one or more touch operator controls.
  • contact closing force is understood to mean an operating force which is at least so great that the first electrical contact element and the second electrical contact element touch each other in such a way that an electrical connection is established.
  • an “operating force-free state” is understood to mean a state in which no operating force acts on the sensor device, i.e. a state that is not acted upon by an operating force, that is, an inactivated state.
  • the first electrically conductive sensor electrode and the second electrically conductive sensor electrode are designed and arranged relative to one another in such a way that they are arranged in an operating force-free state at a defined distance from one another and by applying an operating force to the Sensor device the distance between the first sensor electrode and the second sensor electrode is changeable, whereby a change in the sensor capacitance can particularly preferably be brought about.
  • a sensor device is designed and set up in such a way that by applying an operating force in the actuating direction, ie in a direction perpendicular to a user interface of a corresponding operating input device for which the sensor device is provided, the distance between the first sensor electrode and the second sensor electrode can be changed, in particular can be reduced, and a change in the sensor capacitance can be effected.
  • the first sensor electrode and the second sensor electrode are preferably arranged opposite one another.
  • a capacitive sensor can also have more than two sensor electrodes, a sensor device according to the invention preferably having a first sensor electrode and a second sensor electrode, in particular arranged opposite the first sensor electrode.
  • a sensor device according to the invention preferably having a first sensor electrode and a second sensor electrode, in particular arranged opposite the first sensor electrode.
  • Each of the first and second sensor electrodes can be designed in several parts or can be formed by a group of several individual electrodes or electrode segments. In this way, a higher spatial resolution can be achieved if necessary.
  • Such a configuration of a sensor device according to the invention also enables redundant detection or evaluation.
  • the first sensor electrode and the second sensor electrode can alternatively also be arranged next to one another, in particular in a common plane, in which case a change in the sensor capacitance can particularly preferably be brought about by changing another capacitively effective element, particularly preferably through a capacitively effective actuating element and / or by a capacitively active electrical contact element, for example by an electrically conductive actuating electrode and / or by an electrically conductive contact element.
  • the first sensor electrode and / or the second sensor electrode of the capacitive sensor is designed as an actuation electrode, in particular the first sensor electrode, and by applying an operating force relative to the other sensor electrode, in particular to the second sensor electrode, like that movable and / or changeable in its shape by applying an operating force in such a way, in particular reversible, that a change in the distance, in particular a reduction in the distance, can be brought about between the first sensor electrode and the second sensor electrode, with particularly preferably only one of the two sensor electrodes of the capacitive Sensor is designed as an actuating electrode.
  • the actuating electrode of the capacitive sensor forms one of the two electrical contact elements of the contact switch, in particular the first electrical contact element.
  • the actuating electrode is particularly flat and is so flexible and / or flexurally elastic and accommodated in the sensor device that a curvature of the actuating electrode can be brought about by applying an operating force or a in an operating force-free state already existing curvature can be changed, so that the distance between the first sensor electrode and the second sensor electrode changes, in particular reduced, and a change in the sensor capacitance is effected.
  • a particularly simple sensor device which not only enables precise and reliable capacitive distance detection, but also a reliable establishment of an electrical contact or an electrical connection between the first electrical contact element and the second electrical contact element by applying a sufficiently large operating force, which is in particular greater than a required contact closing force.
  • the actuating electrode can be a flat structure, ie, for example, a flat electrode, or one applied in this way to a flat carrier material and / or have an electrically conductive structure incorporated into a carrier material in such a way that the electrically conductive structure extends at least partially over a defined area.
  • the actuating electrode can also have an electrically conductive wire which is applied to a carrier material in a meander shape or similar to a fabric or which is incorporated in a carrier material in a meander shape or similar to a fabric.
  • the actuating electrode is designed in such a way that a detected change in distance can clearly indicate an applied operating force.
  • the actuation electrode is designed in such a way that the application of an operating force, in particular in the actuation direction, repeatedly and reproducibly leads to a defined, in particular elastic and thus reversible deformation and thus to a defined change in distance between the actuation electrode and the other sensor electrode.
  • an operating force deformation path curve can be determined for the actuating electrode, which can be stored in the sensor device in particular as a map, as an interpolation function, as a parameterized function or the like in the sensor device, with the aid of a stored operating force deformation path curve being particularly preferred the operating force applied to the sensor device can be determined as a function of a capacitively detected distance or a capacitively detected change in distance between the actuating electrode and the other sensor electrode.
  • the sensor electrode which is intended to be arranged facing the user interface in a functional installation state in an operator input device, is designed as an actuating electrode. This enables a particularly simple transfer of an operating force applied to the operator interface of an operator input device to the actuating electrode and thus a particularly simple and compact design of the sensor device.
  • the actuating electrode is preferably attached to its outer edge, in particular only to its edge, at least in sections along its circumference in the sensor device, the actuating electrode being in particular a snap-action disk and preferably having a dome-shaped or dome-shaped shape in an operating force-free state.
  • the actuating electrode can also be fastened along its entire circumference in the sensor device instead of only in sections, whereby the actuating electrode can in principle either be fastened in the sensor device from only one side, e.g. by soldering or gluing or the like, or can be clamped on both sides , for example like a drumhead like the skin of a drum in a tension ring.
  • the edge or the edge sections can preferably extend in a plane which, in relation to a functional installation state in an operator control input device, runs in particular parallel to an operator interface.
  • an actuating electrode on the one hand, a sufficient distance between two sensor electrodes for a capacitive distance sensor can be achieved in a tight installation space and, on the other hand, an actuating electrode can be provided in a simple manner with a defined operating force-deformation path curve which, with little operating force, is sufficiently elastic and thus allows reversible deformation to enable the contact switch to close.
  • the actuating electrode is particularly preferably designed in such a way that it already has a curved shape without operating force, in particular is convex, i.e. it rises towards the user interface or slopes downwards away from the user interface.
  • a sensor device with a particularly simple design and with a harmonious operating feeling can be provided if the actuating electrode has, in particular, a projection surface that is essentially in the form of a circular disk. That is to say, when a projection surface in the form of a circular disk is obtained when the actuating electrode is projected into a plane, in particular with a substantially circular base surface.
  • a sensor device is preferred for a particularly simple transfer of the operating force from the user interface to the actuating electrode designed in such a way that the actuating electrode can be arranged with its center, in particular with the tip of its curvature, directly below the operating surface, in particular reaching up to the operating surface.
  • At least one of the two sensor electrodes of the capacitive sensor is also designed as a reference electrode, in particular the second sensor electrode, and is arranged stationary in the sensor device and preferably in its shape and / or Position cannot be changed by applying an operating force, ie in particular designed and arranged in the sensor device in such a way that it is unchangeable in position and shape and thus does not move or deform when an operating force is applied.
  • an operating force ie in particular designed and arranged in the sensor device in such a way that it is unchangeable in position and shape and thus does not move or deform when an operating force is applied.
  • the other of the two sensor electrodes, in particular the reference electrode, is preferably also flat, the reference electrode extending in a further advantageous embodiment of a sensor device according to the invention, in particular in a further development, preferably in a plane plane, in particular in such a way that it extends in a Functional installed state of the sensor device in an operating device with an operating surface, to which an operating force can be applied to operate the operating device, extends parallel to the operating surface, in particular both in a condition free of operating force and in a condition acted upon by an operating force in an operating direction.
  • the reference electrode in particular like the actuating electrode, can be a flat structure, ie for example a flat electrode, or else an electrically conductive structure applied in this way to a flat carrier material and / or worked into a carrier material in this way, that the electrically conductive structure extends at least partially over a defined area.
  • the reference electrode instead of a flat electrode, can also be an electrically conductive wire have, which is applied in a meander shape or similar to a fabric on a carrier material or which is incorporated in a carrier material in a meander shape or similar to a fabric.
  • the reference electrode or a carrier material or carrier element on which the reference electrode is applied is designed to be rigid and / or arranged to be rigid, for example fastened to a rigid carrier device, e.g. a carrier plate such as, in particular, a printed circuit board or the like.
  • a rigid carrier device e.g. a carrier plate such as, in particular, a printed circuit board or the like.
  • a particularly advantageous sensor device is obtained when the reference electrode is arranged in a functional installation state of the sensor device in an operating input device on a side of the actuating electrode facing away from the operating surface.
  • the reference electrode is preferably designed at least substantially in the shape of a circular ring, in particular as an annular disk that is completely closed in the circumferential direction or as a slotted annular disk with a first annular disk edge and a second annular disk edge.
  • the reference electrode based on a functional installation state of the sensor device in an operating input device, is with a user interface, in particular on a side of the operating electrode facing away from the user interface and preferably with its center arranged below a center of the actuating electrode, in particular concentric to the actuating electrode.
  • the sensor device also has a contact element electrode which forms the other electrical contact element, in particular the second electrical contact element, the contact element electrode preferably also being flat and in particular with the Reference electrode is arranged in one plane.
  • the contact element electrode can also be designed as an electrically conductive contact element and / or actuating electrode and by applying an operating force relative to the first sensor electrode and / or the second
  • the sensor electrode can be moved in such a way and / or its shape and / or position can be changed by applying an operating force in such a way that a change in the sensor capacitance between the first sensor electrode and the second sensor electrode can be brought about.
  • the contact element electrode is arranged in a central region of the reference electrode, the contact element electrode being in particular in the form of a circular disk.
  • the reference electrode can in particular be designed as a closed circular disk, preferably with only one electrode connection, or as a slotted circular disk with preferably one or two electrode connections.
  • the contact element electrode is preferably arranged on a side of the actuating electrode facing away from the user interface, based on a functional installation state of the sensor device in an operator input device, in particular if the actuating electrode is a snap-action disk and / or is dome-shaped or dome-shaped.
  • the actuating electrode can also be planar or plate-shaped and the contact element electrode can be dome-shaped or dome-shaped.
  • one and the same electrode can also be the actuating electrode and the contact element electrode at the same time (cf. in particular the exemplary embodiment shown in FIG. 8).
  • the actuating electrode has at least one electrode connection and is, in particular, 1-channel, ie comprises only one electrode segment, the reference electrode and / or the contact element electrode preferably 1-channel or multi-channel, in particular 2-channel with two separate electrode segments, each electrode segment forming a channel having at least one electrode connection, preferably two electrode connections.
  • the sensor device in particular a control and evaluation device, which the sensor device preferably also has, is also designed and set up to carry out a corresponding continuity test of at least one electrode with two electrode connections.
  • a control and evaluation device which the sensor device preferably also has, is also designed and set up to carry out a corresponding continuity test of at least one electrode with two electrode connections.
  • a distance can be detected redundantly, while with a corresponding 2-channel configuration and arrangement of the contact element electrode, the establishment of the electrical contact between the first contact element and the second contact element can be detected redundantly.
  • a reference electrode designed as a slotted annular disk can be particularly advantageous, preferably with a first electrode connection, in particular arranged on or in the area of the first annular disk edge, and with a second electrode connection, in particular on or in the area of the second annular disk edge.
  • the capacitive sensor is in particular a force sensor, wherein the capacitive sensor device is particularly preferably also designed and set up to measure a current sensor capacitance and / or to detect a change in the sensor capacitance, to evaluate it and, depending on the detected sensor capacitance, to determine an applied operating force and to generate an operating signal.
  • the sensor device in particular the capacitive force sensor, particularly preferably has a correspondingly designed and configured sensor capacitance detection and evaluation device.
  • the force sensor makes it possible, for example, to distinguish accidental contact, which is characterized by a low operating force, from a deliberate touch, which is usually characterized by a considerably greater, applied operating force.
  • the sensor device is designed and set up to use the capacitive sensor to detect whether the contact switch is in an unactuated initial state, ie a zero position, or in an actuated state .
  • This enables the contact switch to be “monitored” in a simple manner, in particular without further additional components.
  • a sensor device can be provided with which a high level of functional reliability can be achieved.
  • a distance between the first sensor electrode and the second sensor electrode can preferably be detected and evaluated and a state of the contact switch can be recognized as an unactuated initial state, ie as a zero position, this being recognized in particular when the distance between the first Sensor electrode and the second sensor electrode is greater than a defined zero position distance.
  • the unactuated initial state of the contact switch can be recognized particularly reliably.
  • an actuation state can preferably be recognized with the aid of the capacitive sensor, the sensor device preferably being designed and set up to recognize this when the distance between the first sensor electrode and the second sensor electrode is zero, ie when an electrical contact is made or an electrical connection between the first electrical contact element and the second electrical contact element.
  • the actuation state of the contact switch can be recognized particularly reliably.
  • an additional condition for the actuation state can be that a detected operating force must also be greater than a defined operating force threshold value.
  • the actuation state of the contact switch can be recognized particularly reliably.
  • the sensor device is also designed and set up when an electrical connection between the first electrical contact element and the second electrical contact element is separated, a capacitive coupling between the actuating electrode and of the contact element electrode or between the contact element electrode designed as an actuating electrode and the other contact element or a change in the capacitive coupling between them, in particular redundant to a sensor capacitance and / or a change in the sensor capacitance between the first sensor electrode and the second sensor electrode of the capacitive sensor .
  • the distance or, in the case of a force sensor, an applied operating force can be detected particularly precisely and redundantly, at least at times, in particular without further additional components, but simply with the aid of the contact element electrode of the contact switch.
  • redundant Detection a sensor device with a particularly high level of functional reliability can be provided.
  • FIG. 1 shows a half section through a first exemplary embodiment of a sensor device according to the invention in a perspective illustration
  • FIG. 2 shows a plan view of parts of the sensor device from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a plan view of parts of the sensor device from FIG. 1 similar to FIG.
  • FIGS. 1 to 3 shows a plan view of the reference electrode and the contact element electrode of the sensor device from FIGS. 1 to 3,
  • FIG. 5 shows an associated operating force / deformation path diagram from FIG.
  • FIG. 6 shows a plan view of the reference electrode and the contact element electrode of a second exemplary embodiment of a sensor device according to the invention
  • FIG 7 shows a plan view of the reference electrode and the contact element electrode of a third exemplary embodiment of a sensor device according to the invention
  • FIG 8 shows a half section through a further exemplary embodiment of a sensor device according to the invention in a perspective illustration.
  • FIG. 1 to 4 show, in different views, a first exemplary embodiment of a sensor device 10 according to the invention, FIG. 1 showing a half-section through the sensor device 10 in a perspective illustration.
  • 2 shows a top view of parts of this sensor device 10.
  • FIG. 3 also shows a top view, similar to FIG. 2, but with a partially transparent actuating electrode 11 A.
  • FIG. 4 shows a top view only of a reference electrode 11 B and a contact element electrode 12B of the sensor device 10.
  • This sensor device 10 has a first sensor electrode 11 A, a second sensor electrode 11 B and a third electrically conductive electrode 12B, the second sensor electrode 11B and the third electrode 12B being applied to a rigid carrier plate 21 in the form of a printed circuit board 21 and in are arranged on a common plane.
  • the first sensor electrode 11 A is flat and flexible or flexurally elastic, particularly advantageously as a snap disk 11 A made of sheet metal, the snap disk 11 A together with the second sensor electrode 11 B forming a sensor capacitance as part of a capacitive sensor 11, in in this case as part of a capacitive force sensor 11.
  • the snap disk 11 A is designed in particular as an actuating electrode 11 A and its shape can be changed, in particular elastically and reversibly deformed, by applying an operating force F in such a way that the application of an operating force F changes a distance d between the snap disk 11 A and the second sensor electrode 11 B can be effected.
  • the snap disk 11 A is dome-shaped or dome-shaped, in particular with an essentially circular base area, the snap disk 11 A being slightly curved in an operating force-free state as shown in FIG. 1 and only in sections at its outer edges 13 is fastened in the circumferential direction via fastening electrodes 16 on the carrier plate 21 and is electrically connected to an evaluation and detection device, not shown here, of the sensor device 10.
  • the second sensor electrode 11 B of the capacitive force sensor 11 serves as a reference electrode 11 B or as a fixed reference electrode 11 B for distance measurement and is rigid and fixed on the carrier plate 21 in a fixed manner in terms of its position as well as its position and shape.
  • the reference electrode 11B is electrically connected to the above-mentioned evaluation and detection device of the sensor device 10, not shown here, via connecting lines 17 and 19 (cf. FIGS. 2 to 4).
  • the evaluation and detection device is designed accordingly to use the capacitively detected distance d between the snap disk 11 A and the rigid and rigidly designed or rigid disk 11 A and its position, shape and location .
  • Arranged reference electrode 11 B to infer the applied operating force F or to determine this.
  • an operating force deformation path characteristic map assigned to the snap disk 11A is stored, as shown by way of example in FIG. 5 is shown.
  • the applied operating force F can be clearly assigned to a deformation path covered or to a change in distance resulting therefrom as a result of an operating force F being applied to the snap-action disk 11A. Ie by means of this, with the aid of a detected distance d, in particular with the aid of a detected change in distance, it can be clearly determined how great the operating force F must have been in order to bring about this distance d or this change in distance.
  • a distance d reduced by the distance s2 corresponds to an applied operating force F2 and a distance d reduced by a distance s1 corresponds to an applied operating force F1.
  • the sensor device 10 furthermore has a contact switch 12, which has a first electrical contact element 12A and a second electrical contact element 12B, which are designed and arranged relative to one another in such a way that in an operating force-free state of the sensor device 10, as he 1, an electrical connection between the first electrical contact element 12A and the second electrical contact element 12B is separated, but by applying an operating force F in the actuating direction that is greater than a defined contact closing force, an electrical connection between the first electrical contact element 12A and the second electrical contact element 12B can be produced.
  • a contact switch 12 which has a first electrical contact element 12A and a second electrical contact element 12B, which are designed and arranged relative to one another in such a way that in an operating force-free state of the sensor device 10, as he 1, an electrical connection between the first electrical contact element 12A and the second electrical contact element 12B is separated, but by applying an operating force F in the actuating direction that is greater than a defined contact closing force, an electrical connection between the first electrical contact element 12A and the second electrical contact
  • the contact closing force corresponds to the operating force F2, which is achieved in particular when the distance d has been reduced by the distance s2 (cf. FIG. 5).
  • At least one contact element 12A, 12B in this case the first contact element 12A, is formed by one of the sensor electrodes 11A, 11B of the capacitive sensor 11, in which case the actuating electrode 11A or the snap disk 11A forms the first contact element 12A of the contact switch 12.
  • the second electrical contact element 12B of the contact switch 12 in this sensor device 10 is formed by a third electrode 12B, in particular by a separate contact element electrode 12B.
  • the reference electrode 11 B of the capacitive force sensor 11 in this sensor device 10 is in the form of an annular disk and its center Z2 is arranged concentrically to the center Z1 of the snap disk 11 A, in particular directly with its center Z2 below the dome of the snap disk 11 A.
  • the reference electrode 11 B is in this case designed as a slotted annular disk with a first annular disk edge 14 and a second annular disk edge 15, on each of which a connection line is provided via a first electrode connection E1 and a second electrode connection E2 17 or 19 is connected, via which the reference electrode 11 B is electrically connected to the evaluation and detection device already mentioned at the beginning.
  • the contact element electrode 12B of the contact switch 12 is designed in the shape of a circular disk, ie. H. in particular not slotted, but also arranged with their center Z3 concentric to the snap disk 11 A (and in the present case therefore also concentric to the reference electrode 11 B).
  • the contact element electrode 12B is also electrically connected to the evaluation and detection device of the sensor device 10 via a further electrode connection E3 and a connection line 18.
  • the reference electrode 11B and the contact element electrode 12B are each flat and arranged in a common and planar plane and, in particular, both are fastened to the carrier plate 21 in such a way that neither their position nor their shape or location changes when an operating force F is applied.
  • the annular disk-shaped configuration of the reference electrode 11 B and the circular disk-shaped configuration of the contact element electrode 12B enable a particularly compact configuration of a sensor device 10 according to the invention, in particular the arrangement of the contact element electrode 12B in a central area free of electrode material or in the recessed center of the reference electrode 11 B.
  • the sensor device 10 is designed in particular in such a way that in a functional installed state of the sensor device 10 in an operator input apparatus (not shown here) with an operator interface to which a Operating force F can be applied to actuate the operating input device, the reference electrode 11B and / or the contact element electrode 12B, in particular including the carrier plate 21, extend parallel to the operating surface.
  • a Operating force F can be applied to actuate the operating input device, the reference electrode 11B and / or the contact element electrode 12B, in particular including the carrier plate 21, extend parallel to the operating surface.
  • the sensor device 10 with its carrier plate 21 and the electrodes 11B and 12B fastened thereon can be arranged parallel to a user interface in an operator input device.
  • the two electrode connections E1 and E2 of the reference electrode 11 B which are located in particular at the outer ends or on the annular disk edges 14 and 15 of the reference electrode FB, enable a continuity test of the reference electrode 11 B to be carried out, as it is basically based on the prior art Technology is known and with which, for example, a break in the reference electrode 11B can be detected.
  • the contact element electrode 12B has only a single electrode connection E3 and, accordingly, only one associated connection line 18.
  • FIG Second exemplary embodiment of a sensor device 10 according to the invention shows that the configuration of the contact element electrode 12B as a 2-ended electrode is possible with two electrode connections E3 and E4, which accordingly enable an electrical connection to the evaluation and detection device of the sensor device 10 via an associated connection line 18 or 20 so that a continuity test is basically also possible for the contact element electrode 12B and an electrode break can basically be diagnosed.
  • the reference electrode 11B and / or the contact element electrode 12B can alternatively also and as shown by way of example for the reference electrode 11B in FIG. 7, instead of just a single electrode segment, as in the first two exemplary embodiments from FIGS several electrode segments 11 B-1, 11 B- 2, each electrode segment 11 B-1 or 11 B -2 thereby forming a separate (signal or sensor) channel. That is to say, in the example shown in FIG. 7, the reference electrode 11 B is accordingly designed with two channels, a first electrode segment 11 B-1 forming a first channel and a second electrode segment 11 B-2 forming a second channel.
  • Electrode segments 11 B-1 and 11 B-2 each have only a single electrode connection E1 or E2 and are each electrically connected to the evaluation and detection device via a corresponding connection line 17 or 19. It is also conceivable to design the individual electrode segments with two ends, ie to provide two electrode connections per electrode segment so that a continuity test is also possible for the individual electrode segments 11 B-1 and 11 B-2.
  • the division of an electrode into several electrode segments 11 B-1, 11 B-2 has the advantage that on the one hand spatially resolved capacitive detection is possible and also redundant detection of the distance d or, in the case of a contact element electrode 12B divided into several segments, redundant detection whether the contact switch 12 is open or closed.
  • Fig. 8 shows a half-section through a further embodiment of a fiction, contemporary sensor device 10 'in a perspective view, wherein in this inventive sensor device 10' the electrodes 11B and 12B in this case form the capacitive force sensor 21 and form the sensor capacitance between them, the Electrode 11B in particular forms the first sensor electrode and electrode 12B forms the second sensor electrode.
  • the snap disk 11 A is also designed as an electrode 11 A, in this case simultaneously as an actuating electrode and as a contact element electrode 12A, while the electrode 12B in this case forms the second sensor electrode 12B instead of the contact element electrode.

Landscapes

  • Switches That Are Operated By Magnetic Or Electric Fields (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensorvorrichtung (10) für eine Bedieneingabe- vorrichtung, aufweisend einen kapazitiven Sensor (11) sowie einen Kontaktschalter (12), wobei der kapazitive Sensor (11) eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11A) und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11B) aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie zwischen sich eine Sensorkapazität ausbilden, wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) auf die Sensorvorrichtung (10) eine Änderung der Sensorkapazität bewirkbar ist, wobei der Kontaktschalter (12) ein erstes elektrisches Kontaktelement (12A) und ein zweites elektrisches Kontaktelement (12B) aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass in einem bedienkraftfreien Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (12A) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (12B) getrennt ist, und wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) in Betätigungsrichtung, die größer als eine definierte Kontaktschließkraft ist, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (12A) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (12B) herstellbar ist, und wobei eine der Sensorelektroden (11A, 11B,12B) des kapazitiven Sensors (11, 21) eines der beiden elektrischen Kontakteelemente (12A, 12B) des Kontaktschalters (12) bildet.

Description

Sensorvorrichtung für eine Bedieneingabevorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine Bedieneingabe vorrichtung, wobei die Sensorvorrichtung einen kapazitiven Sensor sowie einen Kontaktschalter aufweist. Der kapazitive Sensor weist dabei eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode auf, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie zwischen sich eine Sensorkapazität ausbilden, wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft auf die Sensorvorrichtung eine Änderung der Sensorkapazität bewirkbar ist. Der Kontaktschalter weist ein erstes elektrisches Kontaktelement und ein zweites elektrisches Kontaktelement auf, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass in einem bedienkraftfreien Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement getrennt ist. Durch Aufbringen einer Bedienkraft in Betätigungsrichtung, die größer als eine definierte Kontaktschließkraft ist, kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement hergestellt werden.
Gattungsgemäße Sensorvorrichtungen, insbesondere wie vorbeschrieben ausgebildete, kombinierte Sensorvorrichtungen, die sowohl einen kapazitiven Sensor als auch einen Kontaktschalter aufweisen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, wobei bei den aus dem Stand der Technik bekannten, gattungsgemäßen Sensorvorrichtungen der kapazitive Sensor und der Kontaktschalter üblicherweise jeweils aus separaten Komponenten gebildet sind, insbesondere bei kapazitiven Sensoren, die als Kraftsensoren ausgebildet sind.
Für ähnliche Sensorvorrichtungen sei beispielhalber auf die KR 20190023171 , die DE 10 2014 019 241 oder die US 2011/0011650 verwiesen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegende Erfindung, eine alternative Sensorvorrichtung, insbesondere eine verbesserte Sensorvorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine einfachere und kompakter aufgebaute Sensorvorrichtung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung für eine Bedieneingabevorrichtung weist einen kapazitiven Sensor sowie einen Kontaktschalter auf, wobei der kapazitive Sensor eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie zwischen sich eine Sensorkapazität ausbilden, wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft auf die Sensorvorrichtung eine Änderung der Sensorkapazität bewirkbar ist. Der Kontaktschalter weist ein erstes elektrisches Kontaktelement und ein zweites elektrisches Kontaktelement auf, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass in einem bedienkraftfreien Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement getrennt ist. Durch Aufbringen einer Bedienkraft in Betätigungsrichtung, die größer als eine definierte Kontaktschließkraft ist, kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement hergestellt werden.
Eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sensorelektroden des kapazitiven Sensors eines der beiden elektrischen Kontakteelemente des Kontaktschalters bildet, insbesondere die erste Sensorelektrode oder die zweite Sensorelektrode.
Die gemeinsame Verwendung einer der Sensorelektroden des kapazitiven Sensors auch als elektrisches Kontaktelement ermöglicht die Bereitstellung einer besonders kompakten kombinierten Sensorvorrichtung mit einem kapazitiven Sensor und einem Kontaktschalter. Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere die Bereitstellung einer Sensorvorrichtung, welche weniger Bauteile im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten, in ihrer Funktionalität grundsätzlich ähnlichen bzw. vergleichbaren Sensorvorrichtung erfordert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist der kapazitive Sensor dabei ein kapazitiver Kraftsensor, d.h. ein Sensor mittels dem kapazitiv eine Kraft ermittelt werden kann, insbesondere eine auf die Sensorvorrichtung aufgebrachte Bedienkraft. Besonders bevorzugt ist die Sensorvorrichtung dafür dazu ausgebildet und eingerichtet, in einem funktionsgemäßen Verwendungszustand in einer Bedieneingabevorrichtung mithilfe des kapazitiven Sensors eine auf die Bedieneingabevorrichtung aufgebrachte Bedienkraft zu erfassen, insbesondere eine Bedienkraft, die senkrecht zu einer Bedienoberfläche auf die Bedieneingabevorrichtung aufgebracht wird.
Eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einer Bedieneingabevorrichtung ausgebildet und eingerichtet, welche bevorzugt eine Bedienoberfläche aufweist und besonders bevorzugt durch Aufbringen einer Druck-Bedienkraft auf die Bedienoberfläche betätigbar ist, insbesondere durch Aufbringen einer Bedienkraft in einer Betätigungsrichtung, die sich senkrecht zur Bedienoberfläche erstreckt, wobei die Sensorvorrichtung besonders bevorzugt dazu ausgebildet ist, unterhalb der Bedienoberfläche in der Bedienvorrichtung angeordnet zu werden, insbesondere derart, dass eine auf die Bedienoberfläche aufgebrachte Bedienkraft über die Bedienoberfläche oder mittels der Bedienoberfläche auf die Sensorvorrichtung übertragbar ist. Eine Bedieneingabevorrichtung kann beispielsweise ein Touchdisplay oder dergleichen sein oder ein oder mehrere Touch-Bedienelemente aufweisen.
Unter dem Begriff „Kontaktschließkraft“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Bedienkraft verstanden, welche wenigstens so groß ist, dass sich das erste elektrische Kontaktelement und das zweite elektrische Kontaktelement derart berühren, dass eine elektrische Verbindung hergestellt ist.
Unter einem „bedienkraftfreien Zustand“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Zustand verstanden, in dem keine Bedienkraft auf die Sensorvorrichtung wirkt, d.h. ein nicht mit einer Bedienkraft beaufschlagter Zustand, also ein unbetätigter Zustand.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode und die zweite elektrische leitfähige Sensorelektrode dabei derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass sie in einem bedienkraftfreien Zustand mit einem definierten Abstand zueinander angeordnet sind und durch Aufbringen einer Bedienkraft auf die Sensorvorrichtung der Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode veränderbar ist, wodurch besonders bevorzugt eine Änderung der Sensorkapazität bewirkbar ist.
Besonders bevorzugt ist eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dabei derart ausgebildet und eingerichtet, dass durch Aufbringen einer Bedienkraft in Betätigungsrichtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zu einer Bedienoberfläche einer entsprechenden Bedieneingabevorrichtung, für welche die Sensorvorrichtung vorgesehen ist, der Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode verändert werden kann, insbesondere verringert werden kann, und eine Änderung der Sensorkapazität bewirkt werden kann. Dazu sind die erste Sensorelektrode und die zweite Sensorelektrode bevorzugt gegenüberliegend angeordnet.
Grundsätzlich kann ein kapazitiver Sensor auch mehr als zwei Sensorelektroden aufweisen, wobei eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung bevorzugt eine erste Sensorelektrode und eine zweite, insbesondere gegenüberliegend von der ersten Sensorelektrode angeordnete Sensorelektrode aufweist. Dabei kann jede der ersten und zweiten Sensorelektroden mehrteilig ausgebildet sein oder durch eine Gruppe von mehreren Einzelelektroden oder Elektrodensegmenten gebildet sein. Hierdurch kann bei Bedarf eine höhere Ortsauflösung erreicht werden. Ebenso ermöglicht eine derartige Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung eine redundante Erfassung bzw. Auswertung.
Die erste Sensorelektrode und die zweite Sensorelektrode können alternativ auch nebeneinander angeordnet sein, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene, wobei in diesem Fall eine Änderung der Sensorkapazität besonders bevorzugt durch eine Änderung eines weiteren kapazitiv wirksamen Elements bewirkbar ist, besonders bevorzugt durch ein kapazitiv wirksames Betätigungselement und/oder durch ein kapazitiv wirksames elektisches Kontakteielement, beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Betätigungselektrode und/oder durch ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die erste Sensorelektrode und/oder die zweite Sensorelektrode des kapazitiven Sensors als Betätigungselektrode ausgebildet, insbesondere die erste Sensorelektrode, und durch Aufbringen einer Bedienkraft relativ zu der anderen Sensorelektrode, insbesondere zur zweiten Sensorelektrode, derart bewegbar und/oder in ihrer Form durch Aufbringen einer Bedienkraft derart veränderbar, insbesondere reversibel, dass eine Änderung des Abstands, insbesondere eine Verringerung des Abstands, zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode bewirkbar ist, wobei besonders bevorzugt nur eine der beiden Sensorelektroden des kapazitiven Sensors als Betätigungselektrode ausgebildet ist. D.h. besonders bevorzugt ist nur eine der Sensorelektroden des kapazitiven Sensors entsprechend bewegbar oder verformbar. Hierdurch kann mit einer besonders einfachen Ausgestaltung der Sensorvorrichtung eine kapazitiv erfassbare Abstandsänderung zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode ermöglicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, bildet dabei insbesondere die Betätigungselektrode des kapazitiven Sensors eines der beiden elektrischen Kontakteelemente des Kontaktschalters, insbesondere das erste elektrische Kontaktelement. Hierdurch kann eine besonders einfach auszugestaltende und einfach abzustimmende bzw. einstellbare Sensorvorrichtung bereitgestellt werden und damit eine besonders vorteilhafte Sensorvorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Betätigungselektrode insbesondere flächig ausgebildet und derart biegeweich und/oder biegeelastisch ausgebildet und in der Sensorvorrichtung aufgenommen, dass durch Aufbringen einer Bedienkraft eine Wölbung der Betätigungselektrode bewirkbar ist oder eine in einem bedienkraftfreien Zustand bereits bestehende Wölbung veränderbar ist, sodass sich der Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode ändert, insbesondere verringert, und eine Änderung der Sensorkapazität bewirkt wird. Hierdurch kann eine besonders einfache Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, welche nicht nur eine genaue und zuverlässige kapazitive Abstandserfassung ermöglicht, sondern außerdem eine zuverlässige Herstellung eines elektrischen Kontaktes bzw. einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement durch Aufbringen einer ausreichend großen Bedienkraft, welche insbesondere größer als eine erforderliche Kontaktschließkraft ist.
Die Betätigungselektrode kann dabei eine flächige Struktur sein, d.h. beispielsweise eine flächige Elektrode, oder aber eine auf einem flächigen Trägermaterial derart aufgebrachte und/oder in ein Trägermaterial derart eingearbeitete, elektrisch leitfähige Struktur aufweisen, dass sich die elektrisch leitfähige Struktur zumindest teilweise über eine definierte Fläche ausdehnt. Beispielsweise kann die Betätigungselektrode statt einer flächigen Elektrode auch einen elektrisch leitfähigen Draht aufweisen, der mäanderförmig oder ähnlich eines Gewebes auf ein Trägermaterial aufgebracht ist oder der mäanderförmig oder ähnlich eines Gewebes in ein Trägermaterial eingearbeitet ist.
Besonders bevorzugt ist die Betätigungselektrode dabei derart ausgebildet, dass von einer erfassten Abstandsänderung eindeutig auf eine aufgebrachte Bedienkraft geschlossen werden kann. Dazu ist die Betätigungselektrode insbesondere derart ausgebildet, dass das Aufbringen einer Bedienkraft, insbesondere in Betätigungsrichtung, wiederholt und reproduzierbar zu einer definierten, insbesondere elastischen und damit reversiblen Verformung und damit zu einer definierten Abstandsänderung zwischen der Betätigungselektrode und der anderen Sensorelektrode führt.
Besonders bevorzugt ist für die Betätigungselektrode ein Bedienkraft-Verformungsweg- Verlauf bestimmbar, welcher insbesondere in der Sensorvorrichtung als Kennfeld, als Interpolations-Funktion, als parametrisierte Funktion oder dergleichen in der Sensorvorrichtung hinterlegt sein kann, wobei besonders bevorzugt mithilfe eines hinterlegten Bedienkraft-Verformungsweg-Verlaufs in Abhängigkeit von einem kapazitiv erfassten Abstand bzw. einer kapazitiv erfassten Abstandsänderung zwischen der Betätigungselektrode und der anderen Sensorelektrode die auf die Sensorvorrichtung aufgebrachte Bedienkraft ermittelt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist vorzugsweise die Sensorelektrode, die dazu vorgesehen ist, in einem funktionsgemäßen Einbauzustand in einer Bedieneingabevorrichtung der Bedienoberfläche zugewandt angeordnet zu sein, dabei als Betätigungselektrode ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache Übertragung einer auf die Bedienoberfläche einer Bedieneingabevorrichtung aufgebrachten Bedienkraft auf die Betätigungselektrode und damit eine besonders einfache und kompakte Ausgestaltung der Sensorvorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Betätigungselektrode dabei vorzugsweise an ihrem äußeren Rand, insbesondere nur an ihrem Rand, zumindest abschnittsweise entlang ihres Umfangs in der Sensorvorrichtung befestigt, wobei die Betätigungselektrode insbesondere eine Schnappscheibe ist und vorzugsweise in einem bedienkraftfreien Zustand insbesondere eine kuppelförmige oder domförmige Form aufweist. Die Betätigungselektrode kann dabei auch entlang ihres ganzen Umfangs in der Sensorvorrichtung befestigt sein statt nur abschnittsweise, wobei die Betätigungselektrode dabei grundsätzlich entweder nur von einer Seite her in der Sensorvorrichtung befestigt sein kann, z.B. durch Löten oder Kleben oder dergleichen, oder aber beidseitig eingespannt sein kann, beispielsweise trommelfellartig wie das Fell einer Trommel in einem Spannring. Dazu kann sich der Rand bzw. können sich die Randabschnitte vorzugsweise in einer Ebene erstrecken, welche bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand in einer Bedieneingabevorrichtung insbesondere parallel zu einer Bedienoberfläche verläuft.
Durch eine derartige Betätigungselektrode lässt sich auf engem Bauraum zum einen ein ausreichender Abstand zwischen zwei Sensorelektroden für einen kapazitiven Abstandssensor erreichen und zum anderen auf einfache Art und Weise eine Betätigungselektrode bereitstellen mit einem definierten Bedienkraft-Verformungsweg- Verlauf, die mit wenig Bedienkraft eine ausreichende, elastische und damit reversible Verformung ermöglicht, um ein Schließen des Kontaktschalters zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist die Betätigungselektrode dabei derart ausgestaltet, dass sie bedienkraftfrei bereits eine gewölbte Form aufweist, insbesondere konvex gewölbt ist, d.h. zur Bedienoberfläche hin ansteigend bzw. von der Bedienoberfläche weg abfallend gewölbt.
Eine Sensorvorrichtung mit einer besonders einfachen Ausgestaltung und mit einem harmonischen Bediengefühl lässt sich bereitstellen, wenn die Betätigungselektrode insbesondere eine im Wesentlichen kreisscheibenförmige Projektionsfläche aufweist. D.h. wenn man bei einer Projektion der Betätigungselektrode in eine Ebene im Wesentlichen eine kreisscheibenförmige Projektionsfläche erhält, insbesondere mit einer im Wesentlichen kreisrunden Grundfläche.
Für eine besonders einfache Übertragung der Bedienkraft von der Bedienoberfläche auf die Betätigungselektrode ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Betätigungselektrode mit ihrem Zentrum, insbesondere mit der Spitze ihrer Wölbung, unmittelbar unterhalb der Bedienoberfläche anordbar ist, insbesondere bis an die Bedienoberfläche heranreichend.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist ferner wenigstens eine der beiden Sensorelektroden des kapazitiven Sensors als Referenzelektrode ausgebildet, insbesondere die zweite Sensorelektrode, und ortsfest in der Sensorvorrichtung angeordnet und vorzugsweise in ihrer Form und/oder Lage durch Aufbringen einer Bedienkraft nicht veränderbar, d.h. insbesondere derart ausgebildet und in der Sensorvorrichtung angeordnet, dass sie in Lage und Form unveränderlich ist und somit beim Aufbringen einer Bedienkraft sich nicht bewegt oder verformt. Flierdurch kann auf besonders einfache Art und Weise eine ortsfeste Bezugselektrode für die Abstandsmessung bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die andere der beiden Sensorelektroden, insbesondere die Referenzelektrode, dabei ebenfalls flächig ausgebildet, wobei sich die Referenzelektrode in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, insbesondere in einer Weiterbildung, vorzugsweise in einer planen Ebene erstreckt, insbesondere derart, dass sie sich in einem funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung in einer Bedienvorrichtung mit einer Bedienoberfläche, auf die zum Betätigen der Bedienvorrichtung eine Bedienkraft aufbringbar ist, parallel zu der Bedienoberfläche erstreckt, insbesondere sowohl in einem bedienkraftfreien als auch in einem mit einer Bedienkraft in einer Betätigungsrichtung beaufschlagten Zustand. Flierdurch kann eine besonders kompakte, insbesondere unterhalb einer Bedienoberfläche flach bauende und sensitiv ansprechende bzw. gut bedienbare Sensorvorrichtung bereitgestellt werden.
Die Referenzelektrode kann dabei, insbesondere wie die Betätigungselektrode, in einer möglichen Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung eine flächige Struktur sein, d.h. beispielsweise eine flächige Elektrode, oder aber eine auf einem flächigen Trägermaterial derart aufgebrachte und/oder in ein Trägermaterial derart eingearbeitete, elektrisch leitfähige Struktur aufweisen, dass sich die elektrisch leitfähige Struktur zumindest teilweise über eine definierte Fläche ausdehnt. Beispielsweise kann die Referenzelektrode statt einer flächigen Elektrode auch einen elektrisch leitfähigen Draht aufweisen, der mäanderförmig oder ähnlich eines Gewebes auf ein Trägermaterial aufgebracht ist oder der mäanderförmig oder ähnlich eines Gewebes in ein Trägermaterial eingearbeitet ist.
Bevorzugt ist die Referenzelektrode oder ein Trägermaterial oder Trägerelement, auf dem die Referenzelektrode aufgebracht ist, insbesondere im Unterschied zur Betätigungselektrode, dazu biegesteif ausgebildet und/oder biegesteif angeordnet, beispielsweise auf einer biegesteifen Trägereinrichtung befestigt, bspw. einer Trägerplatte wie insbesondere einer Leiterplatte oder dergleichen.
Eine besonders vorteilhafte Sensorvorrichtung ergibt sich, wenn die Referenzelektrode in einem funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung in einer Bedieneingabevorrichtung auf einer von der Bedienoberfläche abgewandten Seite der Betätigungselektrode angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Referenzelektrode bevorzugt wenigstens im Wesentlichen kreisringscheibenförmig ausgebildet, insbesondere als in Umfangsrichtung vollständig geschlossene Ringscheibe oder als geschlitzte Ringscheibe mit einem ersten Ringscheibenrand und einem zweiten Ringscheibenrand. Hierdurch kann einerseits eine sehr kompakte Sensorvorrichtung bereitgestellt werden sowie andererseits eine Sensorvorrichtung, welche eine präzise, kapazitive Abstandsmessung ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Referenzelektrode, bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung in einer Bedieneingabevorrichtung mit einer Bedienoberfläche, insbesondere auf einer von der Bedienoberfläche abgewandten Seite der Betätigungselektrode und vorzugsweise mit ihrem Zentrum unterhalb eines Zentrums der Betätigungselektrode angeordnet, insbesondere konzentrisch zur Betätigungselektrode. Hierdurch kann einerseits eine sehr kompakte Sensorvorrichtung bereitgestellt werden sowie andererseits eine Sensorvorrichtung, welche eine präzise, kapazitive Abstandsmessung ermöglicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist die Sensorvorrichtung ferner eine Kontaktelementelektrode auf, welche das andere elektrische Kontaktelement bildet, insbesondere das zweite elektrische Kontaktelement, wobei die Kontaktelementelektrode vorzugsweise ebenfalls flächig ausgebildet ist und insbesondere mit der Referenzelektrode in einer Ebene angeordnet ist. Hierdurch kann eine Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, welche eine präzise, kapazitive Abstandsmessung ermöglicht und gleichzeitig eine gemeinsame Nutzung der Betätigungselektrode als elektrisches Kontaktelement, und dies außerdem noch mit einer besonders platzsparenden und kompakten Anordnung der einzelnen Elektroden.
Alternativ, insbesondere wenn die erste Sensorelektrode nicht gegenüberliegend angeordnet sind, sondern nebeneinander, insbesondere in einer Ebene nebeneinander, kann die Kontaktelementelektrode auch als elektrisch leitfähiges Kontaktelement und/oder Betätigungselektrode ausgebildet sein und durch Aufbringen einer Bedienkraft relativ zu der ersten Sensorelektrode und/oder der zweiten Sensorelektrode derart bewegbar sein und/oder ihre Form und/oder Lage durch Aufbringen einer Bedienkraft derart veränderbar sein, dass eine Änderung der Sensorkapazität zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode bewirkbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Kontaktelementelektrode dabei in einem Zentrumsbereich der Referenzelektrode angeordnet, wobei die Kontaktelementelektrode insbesondere kreisscheibenförmig ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende und kompakte Anordnung der einzelnen Elektroden. Die Referenzelektrode kann dabei insbesondere als geschlossene Kreisscheibe, vorzugsweise mit nur einem Elektrodenanschluss, oder als geschlitzte Kreisscheibe mit vorzugsweise einem oder zwei Elektrodenanschlüssen, ausgebildet sein.
Die Kontaktelementelektrode ist dabei vorzugsweise, bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung in einer Bedieneingabevorrichtung, auf einer von der Bedienoberfläche abgewandten Seite der Betätigungselektrode angeordnet, insbesondere, wenn die Betätigungselektrode eine Schnappscheibe ist und/oder kuppel- oder domförmig ausgebildet ist. Alternativ kann aber beispielsweise die Betätigungselektrode auch plan oder plattenförmig ausgebildet sein und die Kontaktelementelektrode kuppel- oder domförmig.
In einer weiteren alternativen, möglichen Ausgestaltung kann aber auch ein- und dieselbe Elektrode gleichzeitig Betätigungselektrode und Kontaktelementelektrode sein (vgl. insbesondere das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist die Betätigungselektrode wenigstens einen Elektrodenanschluss auf und ist insbesondere 1- kanalig ausgebildet, d.h. umfasst nur ein Elektrodensegment, wobei die Referenzelektrode und/oder die Kontaktelementelektrode vorzugsweise 1-kanalig oder mehrkanalig ausgebildet ist, insbesondere 2-kanalig mit zwei separaten Elektrodensegmenten, wobei jedes einen Kanal bildende Elektrodensegment jeweils wenigstens einen Elektrodenanschluss aufweist, vorzugsweise jeweils zwei Elektrodenanschlüsse.
Sind an einer der Elektroden jeweils zwei Elektrodenanschlüsse vorhanden, sind diese vorzugsweise derart angeordnet, insbesondere jeweils derart an einem Ende des Elektrodensegments, dass eine Durchgangsprüfung zur Erkennung eines Elektrodenbruchs durchführbar ist. Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung, insbesondere eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, welche die Sensorvorrichtung bevorzugt ferner aufweist, außerdem dazu ausgebildet und eingerichtet, eine entsprechende Durchgangsprüfung wenigstens einer Elektrode mit zwei Elektrodenanschlüssen durchzuführen. Hierdurch können höhere Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Insbesondere ist eine verbesserte Diagnose möglich. Mit 2-kanaligen Elektroden sind ferner redundante Zustandserfassungen der Sensorvorrichtung möglich.
Mit einer 2-kanaligen Referenzelektrode kann beispielsweise ein Abstand redundant erfasst werden, während bei einer entsprechenden 2-kanaligen Ausgestaltung und Anordnung der Kontaktelementelektrode das Herstellen des elektrischen Kontaktes zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement redundant erfasst werden kann. In vielen Fällen kann eine als geschlitzte Ringscheibe ausgebildete Referenzelektrode besonders vorteilhaft sein, vorzugsweise mit einem ersten, insbesondere am oder im Bereich des ersten Ringscheibenrandes angeordneten Elektrodenanschluss und mit einem zweiten, insbesondere am oder im Bereich des zweiten Ringscheibenrandes angeordneten Elektrodenanschluss.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist der kapazitive Sensor, wie eingangs bereits erwähnt, insbesondere ein Kraftsensor, wobei die kapazitive Sensoreinrichtung besonders bevorzugt ferner dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine aktuelle Sensorkapazität und/oder eine Änderung der Sensorkapazität zu erfassen, auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Sensorkapazität eine aufgebrachte Bedienkraft zu bestimmen und ein Bediensignal zu erzeugen. Besonders bevorzugt weist die Sensorvorrichtung, insbesondere der kapazitive Kraftsensor, dazu ferner eine entsprechend ausgebildete und eingerichtete Sensorkapazitätserfassungs- und Auswerteeinrichtung auf. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte und vor allem besonders vielfältig einsetzbare Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, insbesondere eine Sensorvorrichtung, mit der eine hohe Funktionssicherheit erreicht werden kann. Der Kraftsensor ermöglicht beispielsweise eine zufällige Berührung, die durch eine geringe Bedienkraft gekennzeichnet ist, von einer gewollten Berührung, die in der Regel durch eine erheblich größere, aufgebrachte Bedienkraft gekennzeichnet ist, zu unterscheiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet und eingerichtet, mithilfe des kapazitiven Sensors zu erkennen, ob sich der Kontaktschalter in einem unbetätigten Ausgangszustand, d.h. einer Nulllage, oder in einem Betätigungszustand befindet. Dies ermöglicht auf einfache Art und Weise eine „Überwachung“ des Kontaktschalters, insbesondere ohne weitere zusätzliche Komponenten. Hierdurch kann insbesondere eine Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, mit der eine hohe Funktionssicherheit erreicht werden kann.
Vorzugsweise kann dazu ein Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode erfasst und ausgewertet werden und ein Zustand des Kontaktschalters als unbetätigter Ausgangszustand erkannt werden, d.h. als Nulllage, wobei diese insbesondere erkannt wird, wenn der Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode größer als ein definierter Nulllagen- Abstand ist. Hierdurch kann der unbetätigte Ausgangszustand des Kontaktschalters besonders zuverlässig erkannt werden.
Entsprechend kann alternativ oder zusätzlich mithilfe des kapazitiven Sensors vorzugsweise ein Betätigungszustand erkannt werden, wobei die Sensorvorrichtung vorzugsweise dazu ausgebildet und eingerichtet ist, diesen zu erkennen, wenn der Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode Null ist, d.h. wenn ein elektrischer Kontakt hergestellt ist bzw. eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement. Hierdurch kann der Betätigungszustand des Kontaktschalters besonders zuverlässig erkannt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung, insbesondere in einer Weiterbildung, kann eine zusätzliche Bedingung für den Betätigungszustand sein, dass außerdem eine erfasste Bedienkraft größer als ein definierter Bedienkraftschwellwert sein muss. Hierdurch kann der Betätigungszustand des Kontaktschalters besonders zuverlässig erkannt werden. Insbesondere kann auf diese Weise besonders einfach eine zufällige oder durch einen Fehler verursachte Kontaktierung von einer gewünschten und durch eine Bedieneingabe herbeigeführten Kontaktierung unterschieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere in einer Weiterbildung, ist die Sensorvorrichtung ferner dazu ausgebildet und eingerichtet, wenn eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement getrennt ist, eine kapazitive Kopplung zwischen der Betätigungselektrode und der Kontaktelementelektrode oder zwischen der als Betätigungselektrode ausgebildeten Kontaktelementelektrode und dem anderen Kontaktelement oder jeweils eine Änderung der kapazitiven Kopplung zwischen diesen zu erfassen und auszuwerten, insbesondere redundant zu einer Sensorkapazität und/oder einer Änderung der Sensorkapazität zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten Sensorelektrode des kapazitiven Sensors. Hierdurch kann der Abstand bzw. im Falle eines Kraftsensors eine aufgebrachte Bedienkraft, zumindest zeitweise besonders genau und redundant erfasst werden, insbesondere ohne weitere zusätzliche Komponenten, sondern einfach mithilfe der Kontaktelementelektrode des Kontaktschalters. Durch die Möglichkeit der redundanten Erfassung kann eine Sensorvorrichtung mit einer besonders hohen Funktionssicherheit bereitgestellt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten, erkennbaren Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese technisch ausführbar ist.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche Bauteile zugunsten eines besseren Verständnisses gleiche Bezugszeichen aufweisen. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Halbschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf Teile der Sensorvorrichtung aus Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Draufsicht auf Teile der Sensorvorrichtung aus Fig. 1 ähnlich wie in
Fig. 2, jedoch mit teilweise transparenter Betätigungselektrode,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Referenzelektrode und die Kontaktelementelektrode der Sensorvorrichtung aus den Fig. 1 bis 3,
Fig. 5 ein zugehöriges Bedienkraft-Verformungsweg-Diagramm der
Betätigungselektrode der Sensorvorrichtung aus den Fig. 1 bis 3,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Referenzelektrode und die Kontaktelementelektrode eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
Fig. 7 eine Draufsicht auf die Referenzelektrode und die Kontaktelementelektrode eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, und Fig. 8 einen Halbschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in perspektivischer Darstellung.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen in verschiedenen Ansichten ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10, wobei Fig. 1 einen Halbschnitt durch die Sensorvorrichtung 10 in perspektivischer Darstellung zeigt. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf Teile dieser Sensorvorrichtung 10. Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Draufsicht, ähnlich wie in Fig. 2, jedoch mit teilweise transparenter Betätigungselektrode 11 A. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht nur auf eine Referenzelektrode 11 B und eine Kontaktelementelektrode 12B der Sensorvorrichtung 10.
Diese Sensorvorrichtung 10 weist dabei eine erste Sensorelektrode 11 A, eine zweite Sensorelektrode 11 B sowie eine dritte elektrisch leitfähige Elektrode 12B auf, wobei die zweite Sensorelektrode 11 B und die dritte Elektrode 12B auf einer starren Trägerplatte 21 in Form einer Leiterplatte 21 aufgebracht sind und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Die erste Sensorelektrode 11 A ist dabei flächig und biegeweich bzw. biegeelastisch ausgebildet, in besonders vorteilhafter Weise insbesondere als Schnappscheibe 11 A aus Metallblech, wobei die Schnappscheibe 11 A zusammen mit der zweiten Sensorelektrode 11 B eine Sensorkapazität als Teil eines kapazitiven Sensors 11 bildet, in diesem Fall als Teil eines kapazitiven Kraftsensors 11 . Die Schnappscheibe 11 A ist dabei insbesondere als Betätigungselektrode 11 A ausgebildet und durch Aufbringen einer Bedienkraft F derart in ihrer Form veränderbar, insbesondere elastisch und reversibel deformierbar, dass durch Aufbringen einer Bedienkraft F eine Änderung eines Abstands d zwischen der Schnappscheibe 11 A und der zweiten Sensorelektrode 11 B bewirkt werden kann.
Dazu ist die Schnappscheibe 11 A kuppelförmig bzw. domförmig ausgebildet, insbesondere mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundfläche, wobei die Schnappscheibe 11 A in einem bedienkraftfreien Zustand wie er in Fig. 1 gezeigt ist, leicht gewölbt ausgebildet ist und nur abschnittsweise an ihren äußeren Rändern 13 in Umfangsrichtung über Befestigungselektroden 16 auf der Trägerplatte 21 befestigt und elektrisch mit einer hier nicht dargestellten Auswertungs- und Erfassungseinrichtung der Sensorvorrichtung 10 elektrisch verbunden ist. Die zweite Sensorelektrode 11 B des kapazitiven Kraftsensors 11 dient als Referenzelektrode 11 B bzw. als feste Bezugselektrode 11 B für die Abstandsmessung und ist biegestarr und sowohl in ihrer Position als auch in ihrer Lage und Form unveränderlich auf der Trägerplatte 21 befestigt. Über Anschlussleitungen 17 und 19 (vgl. Fig. 2 bis 4) ist die Referenzelektrode 11 B dabei mit der vorstehend bereits erwähnten, hier nicht dargestellten Auswertungs- und Erfassungseinrichtung der Sensorvorrichtung 10 elektrisch verbunden.
Wird nun, wie in Fig. 1 durch den Pfeil symbolisiert, eine Bedienkraft F in einer Betätigungsrichtung auf die Schnappscheibe 11 A aufgebracht, verformt sich die Schnappscheibe 11 A, insbesondere elastisch und reversibel und derart, dass sich vor allem ihre Wölbung verringert bzw. die Kuppe abgeflacht wird. Dadurch verringert sich eine Flöhe der Kuppel, wodurch unmittelbar der Abstand d zur Referenzelektrode 11 Babnimmt. Diese Abstandsänderung kann mittels der vorstehend bereits erwähnten, hier nicht dargestellten Auswertungs- und Erfassungseinrichtung der Sensorvorrichtung 10 kapazitiv erfasst und ausgewertet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 mit einem Kraftsensor 11 als kapazitivem Sensor 11 ist die Auswertungs- und Erfassungseinrichtung dementsprechend dazu ausgebildet, anhand des kapazitiv erfassten Abstands d zwischen der Schnappscheibe 11 A und der in ihrer Position, Form und Lage unveränderlichen und biegestarr ausgebildeten bzw. angeordneten Referenzelektrode 11 B auf die aufgebrachte Bedienkraft F zu schließen bzw. diese zu ermitteln.
Dazu ist in der Auswertungs- und Erfassungseinrichtung, bevorzugt wie bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10, welche insbesondere eine Sensorkapazitäts-Auswertungs- und -Erfassungseinrichtung ist, ein der Schnappscheibe 11 A zugeordnetes Bedienkraft-Verformungsweg-Kennfeld hinterlegt, wie es beispielhalber in Fig. 5 abgebildet ist.
Mittels diesem kann einem zurückgelegten Verformungsweg bzw. einer daraus resultierenden Abstandsänderung in Folge eines Aufbringens einer Bedienkraft F auf die Schnappscheibe 11 A eindeutig die aufgebrachte Bedienkraft F zugeordnet werden. D.h. mittels diesem kann mithilfe eines erfassten Abstands d, insbesondere mithilfe einer erfassten Abstandsänderung, eindeutig bestimmt werden, wie groß die aufgebrachte Bedienkraft F gewesen sein muss, um diesen Abstand d bzw. diese Abstandsänderung zu bewirken.
Wie anhand von Fig. 5 erkennbar ist, entspricht beispielsweise ein um den Weg s2 verringerter Abstand d einer aufgebrachten Bedienkraft F2 und ein um einen Weg s1 verringerter Abstand d einer aufgebrachten Bedienkraft F1.
Neben dem kapazitiven Kraftsensor 11 weist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 10 ferner einen Kontaktschalter 12 auf, der ein erstes elektrisches Kontaktelement 12A und ein zweites elektrisches Kontaktelement 12B aufweist, welche derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass in einem bedienkraftfreien Zustand der Sensorvorrichtung 10, wie er in Fig. 1 gezeigt, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 12A und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 12B getrennt ist, jedoch durch Aufbringen einer Bedienkraft F in Betätigungsrichtung, die größer als eine definierte Kontaktschließkraft ist, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement 12A und dem zweiten elektrischen Kontaktelement 12B herstellbar ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Kontaktschließkraft dabei der Bedienkraft F2, welche insbesondere erreicht wird, wenn der Abstand d um den Weg s2 verringert worden ist (vgl. Fig. 5).
Erfindungsgemäß wird bei diesem Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Kontaktelement 12A, 12B, in diesem Fall das erste Kontaktelement 12A, durch eine der Sensorelektroden 11 A, 11 B des kapazitiven Sensors 11 gebildet, wobei in diesem Fall die Betätigungselektrode 11 A bzw. die Schnappscheibe 11A das erste Kontaktelement 12A des Kontaktschalters 12 bildet.
Das zweite elektrische Kontaktelement 12B des Kontaktschalters 12 wird bei dieser Sensorvorrichtung 10 hingegen von einer dritten Elektrode 12B, insbesondere von einer separaten Kontaktelementelektrode 12B, gebildet. Wie insbesondere anhand der Fig. 3 und 4 gut erkennbar ist, ist die Referenzelektrode 11 B des kapazitiven Kraftsensors 11 bei dieser Sensorvorrichtung 10 dabei ringscheibenförmig ausgebildet und mit ihrem Zentrum Z2 konzentrisch zum Zentrum Z1 der Schnappscheibe 11 A angeordnet, insbesondere mit ihrem Zentrum Z2 unmittelbar unterhalb der Kuppel der Schnappscheibe 11 A. Die Referenzelektrode 11 B ist in diesem Fall dabei als geschlitzte Ringscheibe ausgebildet mit einem ersten Ringscheibenrand 14 und einem zweiten Ringscheibenrand 15, an welchem jeweils über einen ersten Elektrodenanschluss E1 bzw. über einen zweiten Elektrodenanschluss E2 jeweils eine Anschlussleitung 17 bzw. 19 angebunden ist, über welche die Referenzelektrode 11 B jeweils mit der eingangs bereits erwähnten Auswertungs- und Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden ist.
Die Kontaktelementelektrode 12B des Kontaktschalters 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 kreisscheibenförmig ausgebildet, d. h. insbesondere nicht geschlitzt, aber ebenfalls mit ihrem Zentrum Z3 konzentrisch zur Schnappscheibe 11 A angeordnet (und vorliegend damit auch konzentrisch zur Referenzelektrode 11 B). Über einen weiteren Elektrodenanschluss E3 und eine Anschlussleitung 18 ist die Kontaktelementelektrode 12B ebenfalls mit der Auswertungs- und Erfassungseinrichtung der Sensorvorrichtung 10 elektrisch verbunden.
Die Referenzelektrode 11 B und die Kontaktelementelektrode 12B sind dabei jeweils flächig ausgebildet und in einer gemeinsamen und planen Ebene angeordnet und insbesondere beide auf der Trägerplatte 21 derart befestigt, dass sich beim Aufbringen einer Bedienkraft F weder ihre Position noch ihre Form oder Lage verändert.
Die ringscheibenförmige Ausgestaltung der Referenzelektrode 11 B und die kreisscheibenförmige Ausgestaltung der Kontaktelementelektrode 12B ermöglichen eine besonders kompakte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10, insbesondere die Anordnung der Kontaktelementelektrode 12B in einem von Elektrodenmaterial freien Mittenbereich bzw. im ausgesparten, d.h. elektrodenmaterialfreien, Zentrum der Referenzelektrode 11 B.
Die Sensorvorrichtung 10 ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass sich in einem funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung 10 in einer hier nicht dargestellten Bedieneingabevorrichtung mit einer Bedienoberfläche, auf welche eine Bedienkraft F zum Betätigen der Bedieneingabevorrichtung aufgebracht werden kann, die Referenzelektrode 11 B und/oder die Kontaktelementelektrode 12B, insbesondere samt Trägerplatte 21 , parallel zu der Bedienoberfläche erstrecken. D. h. insbesondere kann die Sensorvorrichtung 10 mit ihrer Trägerplatte 21 und den darauf befestigten Elektroden 11 B und 12B parallel zu einer Bedienoberfläche in einer Bedieneingabevorrichtung angeordnet werden.
Die zwei Elektrodenanschlüsse E1 und E2 der Referenzelektrode 11 B, welche sich insbesondere an den äußeren Enden bzw. an den Ringscheibenrändern 14 und 15 der Referenzelektrode FB befinden, ermöglichen die Durchführung einer Durchgangsprüfung der Referenzelektrode 11 B, wie sie an sich grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist und mit welcher sich beispielsweise ein Bruch in der Referenzelektrode 11 B detektieren lässt.
Die Kontaktelementelektrode 12B weist bei dieser Sensorvorrichtung 10 dabei nur einen einzigen Elektrodenanschluss E3 auf und dementsprechend auch nur eine zugehörige Anschlussleitung 18. Grundsätzlich ist aber auch, wie beispielhalber in Fig. 6 dargestellt, welche eine Draufsicht auf die Referenzelektrode 11 B und die Kontaktelementelektrode 12B eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 zeigt, die Ausgestaltung der Kontaktelementelektrode 12B als 2-endige Elektrode möglich mit jeweils zwei Elektrodenanschlüssen E3 und E4, welche entsprechend über eine jeweils zugehörige Anschlussleitung 18 bzw. 20 eine elektrische Verbindung zur Auswertungs- und Erfassungseinrichtung der Sensorvorrichtung 10 ermöglichen, sodass auch für die Kontaktelementelektrode 12B grundsätzlich eine Durchgangsprüfung möglich wird und sich ein Elektrodenbruch grundsätzlich diagnostizieren lässt.
Darüber hinaus können die Referenzelektrode 11 B und/oder die Kontaktelementelektrode 12B statt nur einem einzigen Elektrodensegment, wie bei den ersten zwei Ausführungsbeispielen aus den Fig. 1 bis 6, alternativ auch und wie beispielhalber für die Referenzelektrode 11 B in Fig. 7 gezeigt, aus mehreren Elektrodensegmenten 11 B-1 , 11 B- 2 zusammengesetzt sein, wobei jedes Elektrodensegment 11 B-1 bzw. 11 B -2 dabei einen separaten (Signal- bzw. Sensor-)Kanal bildet. D.h. bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel ist die Referenzelektrode 11 B dementsprechend 2-kanalig ausgebildet, wobei ein erstes Elektrodensegment 11 B-1 einen ersten Kanal bildet und ein zweites Elektrodensegment 11 B-2 einen zweiten Kanal. Dabei haben bei diesem Ausführungsbeispiel die beiden Elektrodensegmente 11 B-1 und 11 B-2 jeweils nur einen einzigen Elektrodenanschluss E1 bzw. E2 und sind jeweils über eine entsprechende Anschlussleitung 17 bzw. 19 mit der Auswertungs- und Erfassungseinrichtung elektrisch verbunden. Denkbar ist aber auch, die einzelnen Elektrodensegmente jeweils 2-endig auszubilden, d.h. jeweils zwei Elektrodenanschlüsse pro Elektrodensegment vorzusehen, sodass auch für die einzelnen Elektrodensegmente 11 B-1 und 11 B-2 eine Durchgangsprüfung möglich wird.
Die Aufteilung einer Elektrode in mehrere Elektrodensegmente 11 B-1 , 11 B-2 hat den Vorteil, dass zum einen eine ortsaufgelöste kapazitive Erfassung möglich ist sowie außerdem eine redundante Erfassung des Abstands d bzw. bei einer in mehrere Segmente unterteilten Kontaktelementelektrode 12B eine redundante Erfassung, ob der Kontaktschalter 12 geöffnet oder geschlossen ist.
Fig. 8 zeigt einen Halbschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Sensorvorrichtung 10‘ in perspektivischer Darstellung, wobei bei dieser erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10‘ die Elektroden 11 B und 12B in diesem Fall den kapazitiven Kraftsensor 21 bilden und die Sensorkapazität zwischen sich ausbilden, wobei die Elektrode 11 B dabei insbesondere die erste Sensorelektrode bildet und die Elektrode 12B die zweite Sensorelektrode.
Durch Aufbringen einer Bedienkraft F auf die Schnappscheibe 11 A, die auch in diesem Fall das erste Kontaktelement 12A bildet, kann eine Änderung der Sensorkapazität zwischen Elektrode 11 B und der Elektrode 12B bewirkt werden.
Die Schnappscheibe 11 A ist in diesem Beispiel ebenfalls als Elektrode 11 A ausgebildet, in diesem Fall gleichzeitig als Betätigungselektrode und als Kontaktelementelektrode 12A, während die Elektrode 12B in diesem Fall die zweite Sensorelektrode 12B bildet statt der Kontaktelementelektrode.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 , kann, solange eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement und dem zweiten elektrischen Kontaktelement getrennt ist, eine kapazitive Kopplung bzw. eine Änderung dieser zwischen der Elektrode 11 A, d.h. der Schnappscheibe 11 A, und der Elektrode 12B redundant zu Sensorkapazität bzw. einer Änderung dieser zwischen den beiden Sensorelektroden 11 B und 12B erfasst werden. Neben den beschriebenen, verschiedenen Ausführungen und Ausgestaltungsmöglichkeiten sind eine Vielzahl weiterer Abwandlungen möglich, insbesondere konstruktiver Art, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.
Bezuaszeichenliste:
10 erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
11 , 21 kapazitiver Kraftsensor
12 Kontaktschalter
11 A erste Sensorelektrode / Betätigungselektrode / Schnappscheibe
11 B-1 erster T eil/Kanal der zweiten Sensorelektrode / Referenzelektrode
11 B-2 erster T eil/Kanal der zweiten Sensorelektrode / Referenzelektrode
11 B zweite Sensorelektrode / Referenzelektrode
12A erstes Kontaktelement
12B zweites Kontaktelement / Kontaktelementelektrode
13 Rand der ersten Sensorelektrode / Betätigungselektrode / Schnappscheibe
14 erster Ringscheibenrand
15 zweiter Ringscheibenrand
16 Befestigungselektrode
17 Anschlussleitung
18 Anschlussleitung
19 Anschlussleitung
20 Anschlussleitung
22 T rägerplatte / Leiterplatte d Abstand zwischen der ersten Sensorelektrode und der zweiten
Sensorelektrode E1 Elektrodenanschluss
E2 Elektrodenanschluss
E3 Elektrodenanschluss
F Bedienkraft
F1 , F2 zugehörige, aufgebrachte Bedienkraft s zurückgelegter Betätigungsweg, um den sich der definierte Abstand verändert hat s1 , s2 zurückgelegter Betätigungsweg-Wert
Z1 Zentrum der ersten Sensorelektrode / Betätigungselektrode /Schnappscheibe
Z2 Zentrum der zweiten Sensorelektrode / Referenzelektrode
Z3 Zentrum der Kontaktelementelektrode

Claims

Patentansprüche
1. Sensorvorrichtung (10, 10‘) für eine Bedieneingabevorrichtung, aufweisend: einen kapazitiven Sensor (11 , 21) sowie - einen Kontaktschalter (12), wobei der kapazitive Sensor (11 , 21) eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11 A; 11 B) und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11 B; 12B) aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie zwischen sich eine Sensorkapazität ausbilden, wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) auf die Sensorvorrichtung (10) eine Änderung der Sensorkapazität bewirkbar ist, wobei der Kontaktschalter (12) ein erstes elektrisches Kontaktelement (12A) und ein zweites elektrisches Kontaktelement (12B) aufweist, die derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass in einem bedienkraftfreien Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (12A) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (12B) getrennt ist, und wobei durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) in Betätigungsrichtung, die größer als eine definierte Kontaktschließkraft ist, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (12A) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (12B) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sensorelektroden (11 A, 11 B, 12B) des kapazitiven Sensors (11 , 21) eines der beiden elektrischen Kontakteelemente (12A, 12B) des Kontaktschalters (12) bildet.
2. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11 A) und die zweite elektrisch leitfähige Sensorelektrode (11 B) derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass sie in einem bedienkraftfreien Zustand mit einem definierten Abstand (d) zueinander angeordnet sind und durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) auf die Sensorvorrichtung (10) der Abstand (d) zwischen der ersten Sensorelektrode (11 A) und der zweiten Sensorelektrode (11 B) veränderbar ist.
3. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensorelektrode (11 A) und/oder die zweite Sensorelektrode (11 B) des kapazitiven Sensors (11) als Betätigungselektrode ausgebildet ist und durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) relativ zu der anderen Sensorelektrode (11 B, 11 A) derart bewegbar ist und/oder ihre Form durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) derart veränderbar ist, dass eine Änderung des Abstands (d) zwischen der ersten Sensorelektrode (11 A) und der zweiten Sensorelektrode (11 B) bewirkbar ist.
4. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselektrode(11A) des kapazitiven Sensors (11) eines der beiden elektrischen Kontakteelemente (12A, 12B) des Kontaktschalters (12) bildet, insbesondere das erste elektrische Kontaktelement (12A).
5. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselektrode (11 A) flächig ausgebildet ist und derart biegeweich und/oder biegeelastisch ausgebildet und in der Sensorvorrichtung (10) aufgenommen ist, dass durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) eine Wölbung der Betätigungselektrode (11 A) bewirkbar ist oder eine in einem bedienkraftfreien Zustand bereits bestehende Wölbung veränderbar ist, sodass sich der Abstand (d) zwischen der ersten Sensorelektrode (11 A) und der zweiten Sensorelektrode (11 B) ändert und eine Änderung der Sensorkapazität bewirkt wird.
6. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselektrode (11 A) an ihrem äußeren Rand (13) zumindest abschnittsweise entlang ihres Umfangs in der Sensorvorrichtung (10) befestigt ist, wobei die Betätigungselektrode (11 A) insbesondere eine Schnappscheibe (11 A) ist.
7. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner wenigstens eine der beiden Sensorelektroden (11 A,
11 B, 12A, 12B) des kapazitiven Sensors (11) als Referenzelektrode ausgebildet ist, insbesondere die zweite Sensorelektrode (11 B, 12B), und ortsfest in der Sensorvorrichtung (10, 10‘) angeordnet ist und in ihrer Form und/oder Lage durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) nicht veränderbar ist.
8. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (11 B, 12B) flächig ausgebildet ist und sich in einer planen Ebene erstreckt, vorzugsweise derart, dass sie sich in einem funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung (10, 10‘) in einer Bedieneingabevorrichtung mit einer Bedienoberfläche, auf die zum Betätigen eine Bedienkraft (F) aufbringbar ist, parallel zu der Bedienoberfläche erstreckt.
9. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (11 B) im Wesentlichen kreisringscheibenförmig ausgebildet ist, insbesondere als in Umfangsrichtung vollständig geschlossene Ringscheibe oder als geschlitzte Ringscheibe mit einem ersten Ringscheibenrand (14) und einem zweiten Ringscheibenrand (15).
10. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (11 B), bezogen auf einen funktionsgemäßen Einbauzustand der Sensorvorrichtung (10) in einer Bedieneingabevorrichtung mit einer Bedienoberfläche, auf einer von der Bedienoberfläche abgewandten Seite der Betätigungselektrode (11 A) mit ihrem Zentrum (Z2) unterhalb eines Zentrums (Z1) der Betätigungselektrode (11 A) angeordnet ist, insbesondere konzentrisch zur Betätigungselektrode (11 A).
11. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (10) ferner eine Kontaktelementelektrode (12B, 12A) aufweist, welche das andere elektrische Kontaktelement (12B, 12A) bildet, insbesondere das zweite elektrische Kontaktelement (12B, 12A), wobei die Kontaktelementelektrode (12B) vorzugsweise ebenfalls flächig ausgebildet ist und insbesondere mit der Referenzelektrode (11 B) in einer Ebene angeordnet ist oder als Betätigungselektrode (12A) und durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) relativ zu der ersten Sensorelektrode (11 B) und der zweiten Sensorelektrode (12B) derart bewegbar ist und/oder ihre Form durch Aufbringen einer Bedienkraft (F) derart veränderbar ist, dass eine Änderung der Sensorkapazität zwischen der ersten Sensorelektrode (11 B) und der zweiten Sensorelektrode (12B) bewirkbar ist.
12. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelementelektrode (12B) in einem Zentrumsbereich (Z2) der Referenzelektrode (11 B) angeordnet ist, wobei die Kontaktelementelektrode (12B) insbesondere kreisscheibenförmig ausgebildet ist.
13. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselektrode (11 A) wenigstens einen Elektrodenanschluss (E1 , E2) aufweist und insbesondere 1-kanalig ausgebildet ist, wobei die Referenzelektrode (11 B) und/oder die Kontaktelementelektrode (12B) insbesondere 1-kanalig oder mehrkanalig ausgebildet ist, insbesondere 2-kanalig und zwei Elektrodensegmente (11 B-1 , 11 B-2) aufweist.
14. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (11 , 21) ein Kraftsensor ist, wobei die Sensorvorrichtung (10, 10‘), insbesondere der kapazitive Sensor (11 , 21), dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine aktuelle Sensorkapazität und/oder eine Änderung der Sensorkapazität zu erfassen, auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Sensorkapazität eine aufgebrachte Bedienkraft (F) zu bestimmen.
15. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (10, 10‘) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, mithilfe des kapazitiven Sensors (11 , 21) zu erkennen, ob sich der Kontaktschalter (12) in einem unbetätigten Ausgangszustand oder in einem Betätigungszustand befindet.
16. Sensorvorrichtung (10, 10‘) nach Anspruch 3 in Verbindung mit einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (10, 10‘) ferner dazu ausgebildet und eingerichtet ist, wenn eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontaktelement (12A) und dem zweiten elektrischen Kontaktelement (12B) getrennt ist, eine kapazitive Kopplung zwischen der als Betätigungselektrode ausgebildeten Sensorelektrode (11 A) und der Kontaktelementelektrode (12B) oder zwischen der als Betätigungselektrode ausgebildeten Kontaktelementelektrode (12A) und dem anderen Kontaktelement (12B) oder jeweils eine Änderung der kapazitiven Kopplung zwischen diesen zu erfassen und auszuwerten, insbesondere redundant zu einer Sensorkapazität und/oder einer Änderung der Sensorkapazität zwischen der ersten Sensorelektrode (11 A; 11 B) und der zweiten Sensorelektrode (11 B; 12B) des kapazitiven Sensors (11 , 21).
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