WO2014202188A1 - Kapazitiver berührungsschalter - Google Patents

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WO2014202188A1
WO2014202188A1 PCT/EP2014/001558 EP2014001558W WO2014202188A1 WO 2014202188 A1 WO2014202188 A1 WO 2014202188A1 EP 2014001558 W EP2014001558 W EP 2014001558W WO 2014202188 A1 WO2014202188 A1 WO 2014202188A1
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touch switch
capacitive touch
carrier plate
elastically deformable
sensor electrode
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PCT/EP2014/001558
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Inventor
Bruno Fuhge
Original Assignee
Diehl Ako Stiftung & Co. Kg
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • 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
    • H03K17/9622—Capacitive touch switches using a plurality of detectors, e.g. keyboard
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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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
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/96062—Touch switches with tactile or haptic feedback
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    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960785—Capacitive touch switches with illumination

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive touch switch according to the preamble of claim 1.
  • touch sensitive touch switches or touch switches are often used, which by a simple touch by a user, for example, a certain Initiate switching operation and / or change a device setting.
  • a capacitive sensing element of electrically conductive material together with, for example, a user's finger via a dielectric (often in the form of a cover plate of electrically insulating material) forms a capacitance corresponding to the actuation of the switch, i. the touch or non-touching of the capacitive sensor element associated touch pad is variable.
  • the change in the capacitance value of the capacitive sensor element has a corresponding effect on an output signal of the sensor circuit, which can be processed by an evaluation and evaluated to possibly interpret an operation of the capacitive touch switch.
  • Capacitive touch switches are robust and can be manufactured variably and inexpensively.
  • the described basic structure of a capacitive touch switch has no feel.
  • the microcontroller connected to the sensor element can control an additional optical or acoustic signal element.
  • this approach requires additional hardware in the form of the signal element and higher processing power of the microcontroller.
  • the invention has for its object to provide an improved capacitive touch switch that can give a user in a simple way feedback on its operation of the touch switch.
  • the capacitive touch switch has a carrier plate, a sensor electrode arranged on the carrier plate and an elastically deformable probe element.
  • the elastically deformable probe element is arranged on a user side of the carrier plate such that it at least partially covers the sensor electrode.
  • the elastically deformable probe element in its relaxed resting state has a predetermined distance from the carrier plate and the sensor electrode, which can be reduced by a force exerted by the user side force.
  • the sensor electrode is associated with an elastically deformable probe element whose distance from the sensor electrode can be reduced by a force exerted by the user side, ie by the user.
  • the sensor electrode together with, for example, a finger of the user spaced above the feeler element, forms a capacitance which is variable in accordance with the actuation of the switch, ie the application of force to the feeler element and the resulting reduction in the distance between finger and sensor electrode.
  • This change of Capacity value can be recorded and evaluated. Since the user exerts a force when operating the capacitive touch switch, he receives haptic feedback on the operation of the touch switch in a simple manner.
  • the elastically deformable probe element can also provide protection of the sensor electrode and the carrier plate against mechanical, thermal, fluid, chemical or the like influences, so that the corresponding protective mechanisms for the sensor electrode or the carrier plate can be omitted and performed simpler.
  • the elastically deformable probe element and its distance to the sensor electrode in the relaxed resting state can be selected so that merely touching the probe element by the user (i.e., without sufficient force to deform the probe element) is not sufficient to actuate the capacitive touch switch. In this way, for example, erroneous operations can be prevented by accidental contact of the touch switch or at least reduced their risk.
  • the "carrier plate” in this context is, for example, a printed circuit board or a plastic plate, The carrier plate can also be designed as a stable plate body or have only foil thickness.
  • the term "sensor electrode” is intended to designate a substantially planar, electrically conductive element which is suitable for forming one electrode of a capacitance, the sensor electrode being fundamentally of any desired shape and dimensions, the shape and dimensions of which correspond to the desired design of the sensor
  • the sensor electrode can have a continuous sensor section, a plurality of sensor sections electrically connected to one another or a plurality of separate sensor sections.
  • the "arrangement" of the sensor electrode on the support plate in this context includes in particular, but not exclusively arranging (mounting, fastening, etc.) on a surface of the support plate, arranging with (small) distance to the support plate and arranging (integrating, etc).
  • the sensor electrode is preferably arranged on the user side of the carrier plate In another embodiment of the invention, the sensor electrode is arranged on the side of the carrier plate facing away from the user so that the carrier plate forms a part of the dielectric.
  • the controller is e.g. of the household appliance to which the evaluation electronics are connected.
  • the transmitter may also be integrated in this controller.
  • the transmitter can be arranged on the carrier plate or be placed separately from this.
  • the controller can be arranged either on the carrier plate or separately from this.
  • the term "user side” refers to the side of the respective component which faces a user in the installed state of the touch switch
  • the user side can also be referred to as the outside in this context, and the side facing away from the user can also be referred to in this context Inside be designated.
  • the "elastically deformable feeler element” refers to any type of element or part of a component that is touched by a user in the installed state of the touch switch and can be deformed by an application of force after termination of the force exercise in its original, relaxed Oxford, Initial state back.
  • the elastically deformable probe element is preferably made of an electrically non-conductive material, but it is also embodiments of the invention with an electrically conductive sensing element conceivable.
  • the elastically deformable probe element is preferably made of a plastic material (for example polyester, polycarbonate, etc.).
  • the elastic deformability of the probe element is preferably effected by its shape and / or its choice of material.
  • the "overlapping" of the sensor electrode by the probe element should in particular denote an overlap in a projection of the probe element onto the sensor electrode spaced therefrom.
  • the elastically deformable feeler element has a predetermined "distance" to the carrier plate and the sensor electrode on the carrier plate in its relaxed resting state (ie when the touch switch is not actuated or without a force applied by a user.) If the sensor electrode lies on the user side of the carrier plate, this has Probe element in its idle state, in particular a distance greater than zero from the sensor electrode (and thus a correspondingly larger to the carrier plate), the sensor electrode is, however, on the other side of the carrier plate, the probe element in its idle state in particular has a distance greater than zero from the carrier plate Depending on the configuration of the elastically deformable probe element, this predetermined distance is essentially constant or different over the feeler element In this context, in particular a mean distance, a maximum distance, a minimum distance or the like from the feeler element to the carrier plate or to the sensor electrode are understood.
  • the distance between the elastically deformable probe element and the sensor electrode or the carrier plate is preferably empty or filled with air or contains a compressible, preferably
  • the elastically deformable probe element is part of a membrane keyboard.
  • the probe element designates a section or area of the membrane keypad which is elastically deformable and is associated with the sensor electrode.
  • the elastically deformable probe element preferably has a curvature directed outwards towards the user side, which can be deformed inwards in the direction of the carrier plate, is essentially flat and can be deformed inwards towards the carrier plate, or points away from the user side inwardly directed curvature, which can be deformed further inwards towards the support plate.
  • the elastically deformable probe element is at least partially transparent and is arranged on the support plate at least one light-emitting element.
  • the capacitive touch switch may be backlit to optically identify, for example, the touch switch and / or to indicate to the user an operating condition of the touch switch.
  • the at least one "light-emitting element" on the carrier plate is preferably a light-emitting diode (LED) and / or an optical waveguide
  • LED light-emitting diode
  • One, two, three or more light-emitting diodes can be provided on the carrier plate, in which case light-emitting diodes of different wavelengths can also be used in the case of several light-emitting diodes to control the color of the backlight of the touch switch depending on, for example, its operating state or the operating state of the household appliance.
  • the elastically deformable probe element or the membrane keyboard is provided with a marking for identifying the capacitive touch switch. This marking is preferably designed as a printing, embossing and / or shaping of the probe element.
  • the elastically deformable probe element or the membrane keyboard is firmly connected to the carrier plate, preferably glued.
  • a cover plate made of an electrically non-conductive material is disposed between the elastically deformable probe element or the membrane keyboard and the support plate.
  • the cover plate is preferably made of a plastic material or a glass material.
  • the cover plate is an aperture, for example, of an electronic household appliance.
  • the elastically deformable probe element or the membrane keyboard is preferably fixed to the cover plate, preferably glued and / or the cover plate is preferably fixedly connected to the carrier plate, preferably glued.
  • the capacitive touch switch of the invention can be used advantageously in an operating device, in particular an operating device of an electronic household appliance such as a cooker, a hob, a microwave oven, a dishwasher, a washing machine, a clothes dryer or the like.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a capacitive touch switch according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the capacitive touch switch 10 has a printed circuit board as a support plate 12, on the user side (top in the figure), an electrically conductive contact surface is provided as the sensor electrode 14.
  • This sensor electrode 14 is connected via electrical lines in / on the support plate 12 with a controller (not represented), which contains an evaluation (eg in the form of a microcontroller).
  • a membrane keyboard 16 is arranged, which has an elastically deformable probe element 18 in the region of the sensor electrode 14.
  • the elastically deformable probe element 18 is formed by a special shaping of the plastic film 16 (e.g., polyester, polycarbonate, or the like) which has an outward bulge toward the user side.
  • the feeler element 18 of the membrane keyboard 16 in its relaxed resting state, which is shown in Fig. 1, a predetermined distance from the sensor electrode 14 on the support plate 12.
  • this distance at a force by a user (after at the bottom of the figure).
  • the probe element 18 returns to the rest state shown in Figure 1 back.
  • the sensor electrode 14 forms a capacitance with an (initial) capacitance value with this and with a dielectric formed by the feeler element 18 and the air gap.
  • the sensitivity of the sensor circuit is selected (e.g., by a correspondingly large predetermined stand-by distance and a corresponding algorithm of the evaluation electronics) such that the mere touching of the probe element 18 is not yet evaluated as an actuation of the capacitive touch switch 10.
  • the air gap between the sensor electrode 14 and the feeler element 18 is reduced.
  • the dielectric between the sensor electrode 14 and the user's finger also decreases, as a result of which the capacitance value also increases changed.
  • This capacitance value change is evaluated by the transmitter as an actuation of the capacitive touch switch 10.
  • the elastically deformable feeler element 18 provides a feel for generating this feedback.
  • the elastically deformable feeler element 18 can be designed, for example, in the manner of a "crackpot frog" which snaps into place when force is applied or released.
  • the membrane keyboard 16 may also be printed on its user side (20). Thereby, the capacitive touch switch 10 may be marked for the user (e.g., by a symbolic or written description of its functionality, by a color ring, etc.).
  • the capacitive touch switch 10 may also be characterized by a special shape of the elastically deformable sensing element 18 in the plane perpendicular to the plane of the drawing of Figure 1 (e.g., circular, annular, triangular, square, rectangular, etc.) for the user.
  • the sensor electrode 14 behind the probe element 18 is then preferably similarly shaped and dimensioned as the probe element 18.
  • identification of the touch switch 10 by its probe element 18 can also be used for visually impaired users in an advantageous manner.
  • the membrane keypad 16 is fixedly connected to the support plate 18, for example with an adhesive layer or a double-sided adhesive strip 22. In the region of the sensor electrode 14 and the probe element 18, the bond 22 is omitted in this embodiment. Sticking or laminating the membrane keyboard 16 on the support plate 12 is preferably carried out bubble-free as possible.
  • a second embodiment of a capacitive touch switch will now be explained. The same or corresponding components are labeled with the same reference numerals as in the first embodiment.
  • the elastically deformable probe element 8 'of the membrane keyboard 16 is formed substantially flat, i. It is in the relaxed state of rest substantially in the plane of the remaining membrane keyboard 16.
  • the support plate 12 and the membrane keyboard 16 - in the area outside of the probe element 18th '- Preferably provided an additional spacer foil 24.
  • the probe element 18 'shown in Fig. 2 can be pressed by a user down toward the sensor electrode 14 to actuate the capacitive touch switch 10. After canceling the force, the probe element 18 'then returns to its rest state shown in Fig. 2.
  • the second embodiment corresponds to the above-described capacitive touch switch of FIG. 1.
  • the elastically deformable feeler element in its relaxed resting state can already be arched somewhat inwards in the direction of the sensor electrode 14.
  • the probe element is then pressed further inwards in order to reduce the distance between the finger and the sensor electrode 14.
  • a light emitting diode 26 is arranged as a light-emitting element on the support plate 12. Due to the curved to the user side probe element 18 is in this embodiment behind the probe element 18 sufficient space for the light-emitting element 26. Basically, this embodiment is also conceivable in combination with a flat probe element 18 'or an inwardly curved probe element.
  • the light-emitting element 26 is used to backlight the probe element 18 to optically identify the capacitive touch switch 10 for the user.
  • the user may also be provided with the lighting element 26 with information about the operating state of the touch switch 10 or, for example, the household appliance in which the touch switch is installed (e.g., on / off, color, flashing light, etc.).
  • the probe element 18 is at least partially translucent.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a touch switch 10 as a variant of this backlit touch switch 10, in which the feeler element 18 is masked in a light-impermeable manner by means of, for example, a print 20 '.
  • a print 20 ' In this way, for example, an illuminated symbol can be displayed for the user or the probe element 18 can simply be backlit annularly.
  • FIGS. 3 and 4 in each case a small-sized, side emitting light emitting diode (mini / micro side LED) is shown for the bulb 26, other light-emitting diodes (eg top LED, etc.) can be used here.
  • a fifth embodiment of a capacitive touch switch will now be explained.
  • the same or corresponding components are labeled with the same reference numerals as in the first embodiment.
  • a cover plate 30 is disposed in this embodiment, between the membrane keyboard 16 and the support plate 12.
  • This cover plate 30 is made for example of an electrically non-conductive plastic material and formed for example by a control panel of a household appliance.
  • the cover plate 30 forms in this case a part of the dielectric between the sensor electrode 14 and the user.
  • This cover plate 30 is both bonded to the support plate 12 (32) and bonded to the membrane keyboard 18 (34).
  • the fifth embodiment corresponds to the above-described capacitive touch switch of FIG. 1.
  • FIGS. 1 to 5 described above can also be combined in any desired manner one or more times with each other.

Landscapes

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

Abstract

Ein kapazitiver Berührungsschalter (10) weist eine Trägerplatte (12); eine auf der Trägerplatte (12) angeordnete Sensorelektrode (14); und ein elastisch verformbares Tastelement (18), welches auf einer Benutzerseite der Trägerplatte (12) derart angeordnet ist, dass es die Sensorelektrode (14) zumindest teilweise überdeckt, auf. Das elastisch verformbare Tastelement (18) hat in seinem entspannten Ruhezustand einen vorbestimmten Abstand zur Trägerplatte (12) und zur Sensorelektrode (14), der durch eine von der Benutzerseite ausgeübte Krafteinwirkung verringert werden kann. Das elastisch verformbare Tastelement (18) stellt eine zusätzliche Haptik bereit, mit welcher einem Benutzer ein Feedback über die Betätigung des kapazitiven Berührungsschalters (10) gegeben werden kann.

Description

Kapazitiver Berührungsschalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Berührungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In vielen elektrischen bzw. elektronischen Geräten, insbesondere auch in Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen, Waschmaschinen, Wäschetrocknern und dergleichen, werden häufig berührungs- empfindliche Tastschalter bzw. Berührungsschalter eingesetzt, die durch ein einfaches Berühren durch einen Benutzer zum Beispiel einen bestimmten Schaltvorgang auslösen und/oder eine Geräteeinstellung ändern.
Im Fall eines kapazitiven Berührungsschalters bildet ein kapazitives Sensor- element aus einem elektrisch leitfähigen Material zusammen mit zum Beispiel einem Finger des Benutzers über ein Dielektrikum (häufig in Form einer Abdeckplatte aus einem elektrisch isolierenden Material) eine Kapazität, die entsprechend dem Betätigen des Schalters, d.h. dem Berühren oder Nicht- Berühren eines dem kapazitiven Sensorelement zugeordneten Berührungsfeldes variabel ist. Die Veränderung des Kapazitätswertes des kapazitiven Sensorelements wirkt sich entsprechend auf ein Ausgangssignal der Sensorschaltung aus, welches von einer Auswerteelektronik verarbeitet und ausgewertet werden kann, um ggf. eine Betätigung des kapazitiven Berührungsschalters zu interpretieren.
Kapazitive Berührungsschalter sind robust und können variabel und kostengünstig hergestellt werden. Allerdings besitzt der beschrieben Grundaufbau eines kapazitiven Berührungsschalters keinerlei Haptik. Um dem Benutzer ein Feedback über eine Betätigung des Berührungsschalters geben zu können, kann bei herkömmlichen Systemen der mit dem Sensorelement verbundene Mikrocontroller beispielsweise ein zusätzliches optisches oder akustisches Signalelement ansteuern. Dieser Lösungsansatz erfordert jedoch zusätzliche Hardware in Form des Signalelements und eine höhere Rechenleistung des MikroControllers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kapazitiven Berührungsschalter zu schaffen, der einem Benutzer auf einfache Weise ein Feedback über seine Betätigung des Berührungsschalters geben kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Berührungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße kapazitive Berührungsschalter weist eine Trägerplatte, eine auf der Trägerplatte angeordnete Sensorelektrode und ein elastisch verformbares Tastelement auf. Das elastisch verformbare Tastelement ist auf einer Benutzerseite der Trägerplatte derart angeordnet, dass es die Sensor- elektrode zumindest teilweise überdeckt. Außerdem hat das elastisch verformbare Tastelement in seinem entspannten Ruhezustand einen vorbestimmten Abstand zur Trägerplatte und zur Sensorelektrode, der durch eine von der Benutzerseite ausgeübte Krafteinwirkung verringert werden kann. Gemäß der Erfindung ist der Sensorelektrode ein elastisch verformbares Tastelement zugeordnet, dessen Abstand zur Sensorelektrode durch eine von der Benutzerseite, d.h. vom Benutzer ausgeübte Krafteinwirkung verringert werden kann. Die Sensorelektrode bildet zusammen mit zum Beispiel einem über das Tastelement beabstandeten Finger des Benutzers eine Kapazität, die ent- sprechend dem Betätigen des Schalters, d.h. der Kraftausübung auf das Tastelement und der dadurch verursachten Verkleinerung des Abstandes zwischen Finger und Sensorelektrode, variabel ist. Diese Veränderung des Kapazitätswertes kann erfasst und ausgewertet werden. Da der Benutzer beim Betätigen des kapazitiven Berührungsschalters eine Kraft ausübt, erhält er auf einfache Weise ein haptisches Feedback über die Betätigung des Berührungsschalters.
Das elastisch verformbare Tastelement kann zudem einen Schutz der Sensorelektrode und der Trägerplatte vor mechanischen, thermischen, fluiden, chemischen oder dergleichen Einflüssen bieten, sodass die entsprechenden Schutzmechanismen für die Sensorelektrode bzw. die Trägerplatte entfallen und einfacher ausgeführt sein können.
Darüber hinaus können das elastisch verformbare Tastelement und sein Abstand zur Sensorelektrode im entspannten Ruhezustand so gewählt werden, dass ein bloßes Berühren des Tastelements durch den Benutzer (d.h. ohne eine zur Verformung des Tastelements ausreichende Kraftausübung) nicht zum Betätigen des kapazitiven Berührungsschalters ausreicht. Auf diese Weise können zum Beispiel Fehlbedienungen durch eine zufällige Berührung des Berührungsschalters verhindert oder deren Risiko zumindest vermindert werden. Die„Trägerplatte" ist in diesem Zusammenhang zum Beispiel eine Leiterplatte oder eine Kunststoffplatte. Die Trägerplatte kann außerdem als ein stabiler Plattenkörper ausgebildet sein oder nur Folienstärke aufweisen.
Der Begriff„Sensorelektrode" soll in diesem Zusammenhang ein im Wesentlichen flächiges, elektrisch leitfähiges Element bezeichnen, welches geeignet ist, eine Elektrode einer Kapazität zu bilden. Die Sensorelektrode ist grundsätzlich beliebig geformt und dimensioniert; ihre Form und ihre Ausmaße sind entsprechend dem gewünschten Design des Berührungsschalters frei wählbar. Die Sensorelektrode kann einen zusammenhängenden Sensorabschnitt, mehrere elektrisch leitend miteinander verbundene Sensorabschnitte oder mehrere separate Sensorabschnitt aufweisen. Die „Anordnung" der Sensorelektrode auf der Trägerplatte umfasst in diesem Zusammenhang insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Anordnen (Aufbringen, Befestigen, etc.) auf einer Oberfläche der Trägerplatte, ein Anordnen mit (geringem) Abstand zur Trägerplatte und ein Anordnen (Integrieren, etc.) innerhalb der Trägerplatte. Die Sensorelektrode ist vorzugsweise auf der Benutzerseite der Trägerplatte angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorelektrode auf der dem Benutzer abgewandten Seite der Trägerplatte angeordnet, sodass die Trägerplatte einen Teil des Dielektrikums bildet.
Mit der Sensorelektrode ist vorzugsweise eine Auswerteelektronik zum Verarbeiten und Auswerten der an der Sensorelektrode abgreifbaren Ausgangssignale verbunden, um ein Betätigen des Berührungsschalters festzustellen. Von dieser Auswerteelektronik zu unterscheiden ist die Steuerung z.B. des Haushalts- gerätes, mit welcher die Auswerteelektronik verbunden ist. In einigen Anwendungen kann die Auswerteelektronik auch in diese Steuerung integriert sein. Die Auswerteelektronik kann auf der Trägerplatte angeordnet sein oder separat von dieser platziert sein. Ebenso kann die Steuerung entweder auf der Trägerplatte oder separat von dieser angeordnet sein.
Der Begriff „Benutzerseite" bezeichnet in diesem Zusammenhang die Seite des jeweiligen Bauteils, welche im eingebauten Zustand des Berührungsschalters einem Benutzer zugewandt ist. Die Benutzerseite kann in diesem Zusammenhang auch als Außenseite bezeichnet werden, und die dem Benutzer abgewandte Seite kann in diesem Zusammenhang auch als Innenseite bezeichnet werden.
Das„elastisch verformbare Tastelement" bezeichnet in diesem Zusammenhang jede Art eines Elements oder eines Teils einer Komponente, welche von einem Benutzer im eingebauten Zustand des Berührungsschalters berührt und durch eine Kraftausübung verformt werden kann. Die Verformbarkeit des Tastelements ist dabei elastisch, d.h. das Tastelement kehrt nach Aufhebung der Kraft- ausübung im Wesentlichen wieder in seinen ursprünglichen, entspannten Ruhebzw. Ausgangszustand zurück. Das elastisch verformbare Tastelement ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt, es sind aber auch Ausführungsformen der Erfindung mit einem elektrisch leitenden Tast- element denkbar. Das elastisch verformbare Tastelement ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial (zum Beispiel Polyester, Polycarbonat, etc.) gefertigt. Die elastische Verformbarkeit des Tastelements wird vorzugsweise durch seine Formgebung und/oder seine Materialwahl bewirkt. Die„Überdeckung" der Sensorelektrode durch das Tastelement soll in diesem Fall insbesondere eine Überdeckung bei einer Projektion des Tastelements auf die von diesem beabstandete Sensorelektrode bezeichnen. Tastelement und Sensorelektrode stehen - zumindest im entspannten Ruhezustand des elastisch verformbaren Tastelements - nicht miteinander in Kontakt.
Das elastisch verformbare Tastelement hat in seinem entspannten Ruhezustand (d.h. bei Nichtbetätigung des Berührungsschalters bzw. ohne Krafteinwirkung durch einen Benutzer) einen vorbestimmten„Abstand" zur Trägerplatte und zur Sensorelektrode auf der Trägerplatte. Befindet sich die Sensorelektrode auf der Benutzerseite der Trägerplatte, so hat das Tastelement in seinem Ruhezustand insbesondere einen Abstand größer Null von der Sensorelektrode (und damit auch einen entsprechend größeren zur Trägerplatte), befindet sich die Sensorelektrode dagegen auf der anderen Seite der Trägerplatte, so hat das Tastelement in seinem Ruhezustand insbesondere einen Abstand größer Null von der Trägerplatte (und damit auch einen entsprechend größeren zur Sensorelektrode). Dieser vorbestimmte Abstand ist - je nach Ausgestaltung des elastisch verformbaren Tastelements - über das Tastelement hinweg im Wesentlichen konstant oder unterschiedlich. Unter dem vorbestimmten Abstand soll daher in diesem Zusammenhang insbesondere ein mittlerer Abstand, ein maximaler Abstand, ein minimaler Abstand oder dergleichen vom Tastelement zur Trägerplatte bzw. zur Sensorelektrode verstanden werden. Der Abstand zwischen dem elastisch verformbaren Tastelement und der Sensorelektrode bzw. der Trägerplatte ist vorzugsweise leer bzw. mit Luft gefüllt oder enthält ein komprimierbares, bevorzugt elektrisch nicht leitendes Element (z.B. Schaumstoff oder dergleichen).
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verformbare Tastelement Teil einer Folientastatur. In diesem Fall bezeichnet das Tastelement einen Abschnitt bzw. Bereich der Folientastatur, der elastisch verformbar ausgebildet ist und der Sensorelektrode zugeordnet ist.
Das elastisch verformbare Tastelement weist vorzugsweise eine zur Benutzerseite nach außen gerichtete Wölbung auf, welche nach innen in Richtung zur Trägerplatte verformt werden kann, ist im Wesentlichen flach ausgebildet und kann nach innen in Richtung zur Trägerplatte verformt werden, oder weist eine weg von der Benutzerseite nach innen gerichtete Wölbung auf, welche weiter nach innen in Richtung zur Trägerplatte verformt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verformbare Tastelement zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet und ist auf der Trägerplatte wenigstens ein Leuchtelement angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung kann der kapazitive Berührungsschalter hinterleuchtet werden, um zum Beispiel den Berührungsschalter optisch zu kennzeichnen und/oder dem Benutzer einen Betätigungszustand des Berührungsschalters anzuzeigen. Das wenigstens eine„Leuchtelement" auf der Trägerplatte ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) und/oder ein Lichtleiter. Es können insbesondere eine, zwei, drei oder mehr Leuchtdioden auf der Trägerplatte vorgesehen sein. Dabei können im Fall mehrerer Leuchtdioden auch Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlängen eingesetzt werden, um die Farbe der Hinterleuchtung des Berührungsschalters in Abhängigkeit zum Beispiel von seinem Betriebszustand oder dem Betriebszustand des Haushaltsgerätes anzusteuern. Bei den Leuchtdioden handelt es sich vorzugsweise um klein bauende Leuchtdiode (Mini-LEDs, Mikro-LEDs, SMD-LEDs, etc.) und um seitlich abstrahlende Leuchtioden (Side LEDs) oder nach oben abstrahlende Leuchtdioden (Top LEDs).
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verformbare Tastelement oder die Folientastatur mit einer Markierung zum Kennzeichnen des kapazitiven Berührungsschalters versehen. Diese Markierung ist vorzugsweise als eine Bedruckung, eine Prägung und/oder eine Formgebung des Tastelements ausgestaltet. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verformbare Tastelement oder die Folientastatur fest mit der Trägerplatte verbunden, bevorzugt verklebt.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem elastisch verformbaren Tastelement bzw. der Folientastatur und der Trägerplatte eine Abdeckplatte aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet. Die Abdeckplatte ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial oder einem Glasmaterial gefertigt. In einer speziellen Ausführungsform stellt die Abdeckplatte eine Blende zum Beispiel eines elektronischen Haushaltsgerätes dar.
Bei dieser Ausgestaltung ist das elastisch verformbare Tastelement oder die Folientastatur vorzugsweise mit der Abdeckplatte fest verbunden, bevorzugt verklebt und/oder ist die Abdeckplatte vorzugsweise mit der Trägerplatte fest verbunden, bevorzugt verklebt.
Der kapazitive Berührungsschalter der Erfindung kann in vorteilhafter Weise in einer Bedienvorrichtung, insbesondere einer Bedienvorrichtung eines elektronischen Haushaltsgerätes wie eines Herdes, eines Kochfeldes, eines Mikrowellenofens, einer Spülmaschine, einer Waschmaschine, eines Wäsche- trockners oder dergleichen eingesetzt werden. Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungsschalters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungsschalters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungs- Schalters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungsschalters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungsschalters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf Fig. 1 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungsschalters erläutert.
Der kapazitive Berührungsschalter 10 weist eine Leiterplatte als Trägerplatte 12 auf, auf deren Benutzerseite (oben in der Figur) eine elektrisch leitende Kontaktfläche als Sensorelektrode 14 vorgesehen ist. Diese Sensorelektrode 14 ist über elektrische Leitungen in/auf der Trägerplatte 12 mit einer Steuerung (nicht dargestellt) verbunden, welche eine Auswerteelektronik (z.B. in Form eines Mikrocontrollers) enthält.
Auf der Benutzerseite der Trägerplatte 12 und der Sensorelektrode 14 ist eine Folientastatur 16 angeordnet, welche im Bereich der Sensorelektrode 14 ein elastisch verformbares Tastelement 18 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das elastisch verformbare Tastelement 18 durch eine spezielle Formgebung der Kunststofffolie 16 (z.B. Polyester, Polycarbonat o.dgl.) gebildet, welche eine Wölbung nach außen zur Benutzerseite aufweist.
Hierdurch hat das Tastelement 18 der Folientastatur 16 in seinem entspannten Ruhezustand, der in Fig. 1 gezeigt ist, einen vorbestimmten Abstand zur Sensorelektrode 14 auf der Trägerplatte 12. Durch die elastische Verformbarkeit des Tastelements 18 wird dieser Abstand bei einer Krafteinwirkung durch einen Benutzer (nach unten in der Figur) verringert. Nach Aufhebung der Krafteinwirkung durch den Benutzer kehrt das Tastelement 18 wieder in den in Fig.1 gezeigten Ruhezustand zurück.
Berührt ein Benutzer zum Beispiel mit seinem Finger das Tastelement 18, so bildet die Sensorelektrode 14 mit diesem und mit einem durch das Tastelement 18 und den Luftspalt gebildeten Dielektrikum eine Kapazität mit einem (Ausgangs-)Kapazitätswert. Vorzugsweise ist die Empfindlichkeit der Sensorschaltung so gewählt (z.B. durch einen entsprechend großen vorbestimmten Abstand im Ruhezustand und einen entsprechenden Algorithmus der Auswerte- elektronik), dass das bloße Berühren des Tastelements 18 noch nicht als ein Betätigen des kapazitiven Berührungsschalters 10 bewertet wird.
Drückt der Benutzer nun das Tastelement 18 nach unten, so verkleinert sich der Luftspalt zwischen der Sensorelektrode 14 und dem Tastelement 18. Als Folge verkleinert sich auch das Dielektrikum zwischen der Sensorelektrode 14 und dem Finger des Benutzers, wodurch sich auch der Kapazitätswert entsprechend verändert. Diese Kapazitätswertänderung wird von der Auswerteelektronik als ein Betätigen des kapazitiven Berührungsschalters 10 ausgewertet.
Da der Benutzer zum Betätigen des Berührungsschalters 10 eine ihm vom Tastelement 18 entgegengebrachte Kraft überwinden muss, bemerkt der Benutzer die Betätigung des Berührungsschalters 10, erhält also ein Feedback über seine Handlung. Das elastisch verformbare Tastelement 18 stellt dabei eine Haptik zum Erzeugen dieses Feedbacks bereit. Um das haptische Feedback für den Benutzer zu verstärken, kann das elastisch verformbare Tastelement 18 zum Beispiel in der Art eines „Knackfrosches" ausgebildet sein, der bei Krafteinwirkung bzw. deren Aufhebung umschnappt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Folientastatur 16 zudem auf ihrer Benutzerseite bedruckt sein (20). Hierdurch kann der kapazitive Berührungsschalter 10 für den Benutzer markiert werden (z.B. durch eine symbolische oder schriftliche Beschreibung seiner Funktionalität, durch einen Farbring, etc.).
Alternativ oder zusätzlich kann der kapazitive Berührungsschalter 10 auch durch eine spezielle Formgebung des elastisch verformbaren Tastelements 18 in der Ebene senkrecht zur Zeichnungsebene von Fig. 1 (z.B. kreisförmig, kreisringförmig, dreieckig, quadratisch, rechteckig, etc.) für den Benutzer gekennzeichnet sein. Die Sensorelektrode 14 hinter dem Tastelement 18 ist dann bevorzugt ähnlich geformt und dimensioniert wie das Tastelement 18. Eine derartige Kennzeichnung des Berührungsschalters 10 durch sein Tastelement 18 kann auch für sehbehinderte Benutzer in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Die Folientastatur 16 ist fest mit der Trägerplatte 18 verbunden, zum Beispiel mit einer Klebeschicht oder einem doppelseitigen Klebestreifen 22. Im Bereich der Sensorelektrode 14 bzw. des Tastelements 18 ist die Verklebung 22 in diesem Ausführungsbeispiel weggelassen. Das Aufkleben oder Laminieren der Folientastatur 16 auf die Trägerplatte 12 erfolgt vorzugsweise möglichst blasenfrei. Bezug nehmend auf Fig. 2 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungsschalters erläutert. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das elastisch verformbare Tastelement 8' der Folientastatur 16 im Wesentlichen flach ausgebildet, d.h. es liegt im entspannten Ruhezustand im Wesentlichen in der Ebene der restlichen Folientastatur 16. Um auch bei dieser Konstruktion einen vorbestimmten Abstand zwischen der Sensorelektrode 14 und dem Tastelement 18 zu erzielen, ist zwischen der Trägerplatte 12 und der Folientastatur 16 - im Bereich außerhalb des Tastelements 18' - vorzugsweise eine zusätzliche Distanzfolie 24 vorgesehen.
Auch das in Fig. 2 dargestellte Tastelement 18' kann von einem Benutzer nach unten in Richtung zur Sensorelektrode 14 gedrückt werden, um den kapazitiven Berührungsschalter 10 zu betätigen. Nach Aufheben der Krafteinwirkung kehrt das Tastelement 18' dann wieder in seinen in Fig. 2 gezeigten Ruhezustand zurück. Im Übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem oben beschriebenen kapazitiven Berührungsschalter von Fig. 1.
In einer weiteren Variante, die hier nicht dargestellt ist, kann das elastisch verformbare Tastelement in seinem entspannten Ruhezustand bereits etwas nach innen in Richtung zur Sensorelektrode 14 gewölbt sein. Bei einer Krafteinwirkung durch einen Benutzer wird das Tastelement dann weiter nach innen gedrückt, um den Abstand zwischen Finger und Sensorelektrode 14 zu verkleinern. Bezug nehmend auf Fig. 3 wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungsschalters erläutert. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist in diesem Ausführungsbeispiel neben der Sensorelektrode 14 eine Leuchtdiode als Leuchtelement 26 auf der Trägerplatte 12 angeordnet. Aufgrund des zur Benutzerseite nach außen gewölbten Tastelements 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel hinter dem Tastelement 18 ausreichend Platz für das Leuchtelement 26. Grundsätzlich ist diese Ausführungsform aber auch in Kombination mit einem flachen Tastelement 18' oder einem nach innen gewölbten Tastelement denkbar.
Das Leuchtelement 26 dient zum Hinterleuchten des Tastelements 18, um den kapazitiven Berührungsschalter 10 für den Benutzer optisch zu kennzeichnen. Wahlweise können dem Benutzer mit dem Leuchtelement 26 auch Informationen über den Betriebszustand des Berührungsschalters 10 oder zum Beispiel das Haushaltsgerät, in dem der Berührungsschalter eingebaut ist, mitzuteilen (z.B. durch ein/aus, Farbe, Blinklicht/Dauerlicht, etc.).
Um dieses Hinterleuchten des Berührungsschalters 10 zu ermöglichen, ist das Tastelement 18 zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet.
Im Übrigen entspricht das dritte Ausführungsbeispiel dem oben beschriebenen kapazitiven Berührungsschalter von Fig. 1. Fig. 4 zeigt als Variante dieses hinterleuchteten Berührungsschalters 10 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Berührungsschalters 10, bei dem das Tastelement 18 mittels zum Beispiel einer Bedruckung 20' lichtundurchlässig maskiert ist. Auf diese Weise kann für den Benutzer zum Beispiel ein beleuchtetes Symbol dargestellt werden oder das Tastelement 18 einfach ringförmig hinterleuchtet werden. Während in den Ausführungsbeispielen von Fig. 3 und 4 jeweils eine klein bauende, seitlich abstrahlende Leuchtdiode (Mini/Mikro Side LED) für das Leuchtmittel 26 dargestellt ist, können hier auch andere Leuchtdioden (z.B. Top LED, etc.) eingesetzt werden.
Bezug nehmend auf Fig. 5 wird nun ein fünftes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungsschalters erläutert. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Wie in Fig. 5 dargestellt, ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Folientastatur 16 und der Trägerplatte 12 eine Abdeckplatte 30 angeordnet. Diese Abdeckplatte 30 ist beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoffmaterial gemacht und beispielsweise durch eine Bedienblende eines Haushaltsgerätes gebildet. Die Abdeckplatte 30 bildet in diesem Fall einen Teil des Dielektrikums zwischen der Sensorelektrode 14 und dem Benutzer.
Diese Abdeckplatte 30 ist sowohl mit der Trägerplatte 12 verklebt (32) als auch mit der Folientastatur 18 verklebt (34).
Im Übrigen entspricht das fünfte Ausführungsbeispiel dem oben beschriebenen kapazitiven Berührungsschalter von Fig. 1 .
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 5 können darüber hinaus auch in beliebiger Weise ein- oder mehrfach miteinander kombiniert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kapazitiver Berührungsschalter (10), aufweisend:
eine Trägerplatte (12);und
eine auf der Trägerplatte (12) angeordnete Sensorelektrode (14);
dadurch gekennzeichnet, dass
ein elastisch verformbares Tastelement (18) auf einer Benutzerseite der Trägerplatte (12) derart angeordnet ist, dass es die Sensorelektrode (14) zumindest teilweise überdeckt, wobei das elastisch verformbare Tastelement (18) in seinem entspannten Ruhezustand einen vorbestimmten Abstand zur Trägerplatte (12) und zur Sensorelektrode (14) hat, der durch eine von der Benutzerseite ausgeübte Krafteinwirkung verringert werden kann.
2. Kapazitiver Berührungsschalter nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) Teil einer Folientastatur (16) ist.
3. Kapazitiver Berührungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) eine zur Benutzerseite nach außen gerichtete Wölbung aufweist, welche nach innen in Richtung zur Trägerplatte (12) verformt werden kann, im Wesentlichen flach ausgebildet ist und nach innen in Richtung zur Trägerplatte (12) verformt werden kann, oder eine weg von der Benutzerseite nach innen gerichtete Wölbung aufweist, welche weiter nach innen in Richtung zur Trägerplatte (12) verformt werden kann.
Kapazitiver Berührungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet ist; und
auf der Trägerplatte (12) wenigstens ein Leuchtelement (26) angeordnet ist.
Kapazitiver Berührungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) oder die Folientastatur (16) mit einer Markierung zum Kennzeichnen des kapazitiven Berührungsschalters (10) versehen ist.
Kapazitiver Berührungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) oder die Folientastatur (16) fest mit der Trägerplatte (12) verbunden ist, insbesondere verklebt ist.
Kapazitiver Berührungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem elastisch verformbaren Tastelement (18) bzw. der Folientastatur (16) und der Trägerplatte (12) eine Abdeckplatte (30) aus einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet ist.
Kapazitiver Berührungsschalter nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastisch verformbare Tastelement (18) oder die Folientastatur (16) mit der Abdeckplatte (30) fest verbunden, insbesondere verklebt ist und/oder die Abdeckplatte (30) mit der Trägerplatte (12) fest verbunden, insbesondere verklebt ist.
9. Bedieneinrichtung, insbesondere für ein elektronisches Haushaltsgerät, mit wenigstens einem kapazitiven Berührungsschalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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US20130141387A1 (en) * 2011-12-01 2013-06-06 Sam Royhob Capacitive touch sensor assembly for use in a wet environment

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