CN207937988U - 具有力传感器阵列的输入设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种输入设备，具有限定操作表面阵列的平面状的面板和电容式力传感器阵列以及支承体，其中，操作表面布置在面板的与操作者面对的表面上并且支承体布置在面板的与所述操作者背离的一侧上，电容式力传感器中的每个分别形成在面板和支承体之间的测量电容，测量电容被分配给操作表面中的一个并且力传感器中的每个分别具有用于形成测量电容的至少一个被分配给面板的第一电极和至少一个被分配给支承体的第二电极，在面板和支承体之间设置有由间隔材料构成的间隔层，间隔层限定由被分配给操作表面的空腔构成的阵列，其中，空腔分别被用由与间隔材料相比可弹性地弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫完全地或者部分地填充。

Description

具有力传感器阵列的输入设备

技术领域

本实用新型涉及一种具有力传感器阵列的输入设备。

背景技术

已知的输入设备具有触摸敏感的输入表面，也就是说，所述触摸敏感的输入表面配设有一个或多个接触式传感器。这种类型的输入设备仅仅依赖于对触摸的检测，不能够提供有关在此情况下通过操作者施加的操作力的信息。但是，对这种输入设备的需求日益增加，在这种输入设备中，当操作者在输入表面上进行输入时，操作者就获得一种触觉式的反馈。为了能够将对输入表面的随机的触摸与想要的操作更好地区分开并且为了能够向习惯于传统的、机械的操作部件的操作者提供类似的触觉式的反馈，已经开发了这样的输入设备，这种输入设备允许对操作力进行测量，以便能够依赖于所测量的操作力来产生触觉式的反馈。在具有操控表面阵列，也就是说具有被容纳在一个延展的输入表面中的多个操控表面的输入设备中，为了“位置分辨”，设置了一个由多个力传感器构成的阵列。优选地，尽可能地为每个操控表面配设一个力传感器，以便能够例如在超过一个操作的所测量的最小操作力时为对各单个的操控表面，以下也称为操作表面，的操作配设一个切换功能。例如与压电式的传感器相比较，电容式的传感器是成本有利的并且借助于这种类型的传感器可以以节省结构空间的方式实现力的测量。然而，在这种类型的传感器中的缺点是，它们对由于诸如液体的外来物的侵入而引起的通过它们限定的测量电容的变化和例如由于温度波动而引起的它们的电极几何形状的变化的反应敏感。

实用新型内容

在这种背景下，需要一种用于具有操作表面阵列和所属的电容式力传感器阵列的输入设备的解决方案，所述输入设备可以以成本有利的方式进行制造并且它的功能可靠性可以改善地持久地得到保证。这个目的通过一种根据权利要求所述的输入设备来实现。一种同样有利的用途是并列的用途权利要求的主题。一种相应的有利的制造方法是权利要求的主题。有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。要指出的是，在这些权利要求中单个列出的特征可以以任意的、在技术上有意义的方式被相互组合并且揭示出本实用新型的另外的设计方案。尤其是与附图相关联的描述附加地表征和详细说明本实用新型。

本实用新型涉及一种输入设备，其具有限定操作表面阵列的、平面状的面板和具有电容式力传感器阵列以及支承体。例如与支承体相比，面板被设计成是可弹性地弯曲的和/或者相对于支承体被可运动地支承。按照本实用新型，操作表面被布置在面板的面对操作者的表面上，亦即从操作者方面来看被可看得见地布置，而按照本实用新型，支承体被布置在面板的背离操作者的一侧上，也就是说从操作者方面来看被布置在面板的下面。按照本实用新型，在每种情况下设置电容式力传感器中的一个力传感器，以形成在面板和支承体之间的测量电容，所述测量电容分别被分配给多个操作表面中的一个操作表面。按照本实用新型，电容式力传感器分别具有用于形成测量电容的至少一个被分配给面板的第一电极和至少一个被分配给支承体的第二电极。

按照本实用新型，至少一个附着在面板和支承体的上、由可弹性地弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫被布置在面板和支承体之间。当操作力被作用到面板的各自的操作表面上时，由于衬垫的柔韧性，发生第一电极和第二电极的彼此接近并且由此发生测量电容的变化，所述变化通过评价单元进行检测并且在超过预先设定的最小变化时引起要借助于输入设备进行控制的机组的切换状态改变。优选地，输入设备此外具有用于产生触觉的反馈的致动器，所述致动器在与切换状态改变的分配的同时或者之后通过评价单元被激活。通过衬垫的结构上的设计，尤其是通过衬垫的使用，保证了力传感器的可靠的功能，因为通过衬垫使得外来物或者流体的侵入变得困难或者被排除。因此，除了第一电极和第二电极的想要的、通过操作力的作用产生的、相对的位置变化以外，在很大程度上排除了由于外部的影响而引起的测量电容的变化。

专业人员负责依据面板和支承体的材料选择出用于衬垫和/或者用于衬垫的与面板或者支承体处于触碰式接触的层的合适的、提供相应的附着能力，也就是说相应的粘附力的材料。例如衬垫可以具有提供相应的粘附力的覆层，例如胶粘剂层。例如大于1N/cm的粘附强度(剥离强度)被看作是合适的附着能力。优选地规定，如此地选择衬垫材料、面板的材料和支承体的材料，即分别提供大于1N/cm的附着能力。这种附着能力例如在作用于衬垫上的拉力相对于各自的附着表面，也就是说面板表面或支承体表面具有90°的定向下进行测量。

通过衬垫的附着能力阻止了诸如液体和固体的外来物质侵入到通过电极限定的测量电容中，由此可以持久地维持未承受负载的力传感器的测量电容并且可以将校准降低到最小限度。此外，附着力抵制衬垫与面板或支承体的分离。当一个相邻的力传感器被承受负载时，这个问题例如在未承受负载的力传感器中出现。在此情况下，在没有附着力时例如可以发生面板从衬垫上提起，由此使外来物侵入的风险增大。这通过按照本实用新型的附着能力来避免。

为了提供足够的机械的牢固性，衬垫材料具有小于50kPa的剪切模量。在由塑料材料构造成的面板的组合中，具有1至50kPa，优选地10至30kPa，最优选地15至25kPa，如大约20kPa的弹性模量的衬垫材料已经证明是合适的。

按照一个优选的设计方案，衬垫的衬垫材料具有凝胶。粘弹性的流体被理解为凝胶。在本实用新型的意义上的凝胶是一种分散的***，所述分散的***由至少两种组分组成。在此情况下，固体的组分形成一种海绵状的、三维的网络，它的孔隙通过一种液体(液凝胶)或者一种气体(干凝胶)充满。液体的组分由此被固定在固体的组分里面。如果所述网络是高度多孔的并且空气是被储存的气体，那么所述凝胶也被称为气凝胶。在此情况下，两种组分彼此完全地渗透(双向相干)。用于在压力分布的部件中，例如在用于轮椅的坐垫中使用的凝胶物质主要基于聚氯乙烯、聚硅氧烷和聚氨酯进行说明，也就是说由多元醇和聚异氰酸酯构成的反应产物。被使用的凝胶的另一个优选的变型方案在反应混合物的基础上可由NCO-预聚合物和多元醇组分获得地进行制造。

按照另一个优选的设计方案，衬垫材料具有泡沫材料。优选涉及的是闭孔型的泡沫材料，例如泡沫橡胶，聚丙烯泡沫材料(这种类型的泡沫材料在BASF股份公司的Neopolen商标下销售)，聚乙烯泡沫塑料，海绵橡胶。

按照一个优选的设计方案，衬垫具有外壳和衬垫芯，其中，所述外壳和所述衬垫芯被以材料配合的方式连接起来。例如涉及的是具有被压实的外皮作为外壳的聚氨酯泡沫，这种类型的泡沫材料也被称为整体泡沫材料。在这种情况下，由于外壳的保护作用，衬垫芯可以由开孔型的泡沫材料构成。

按照一个优选的设计方案，在面板和支承体之间设置有由间隔材料，如塑料构成的间隔层，所述间隔层限定一个由被分配给操作表面的空腔构成的阵列，例如各有一个空腔被分配给一个操作表面。按照本实用新型，所述空腔分别被完全地或者部分地用在前面描述的由与间隔材料相比较可弹性地弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫填充。

例如，衬垫将空腔填充到80％或者以上，优选为90％或者以上，更优选为95％或者以上。留下的剩余空腔例如作为用于在操作力的作用下变形的衬垫的移位空间。

按照一个优选的设计方案，间隔层由薄膜构成。作为薄膜材料，也就是说间隔材料，优选使用PVC(聚氯乙烯)和PP(聚丙烯)。

优选地，间隔层经由第一胶粘剂层与支承体连接和/或者经由第二胶粘剂层与面板连接。由此实现由力传感器构成的阵列的密封和持久的牢固性。

按照另一个设计方案，第一电极通过面板的由导电的材料构成的第一电极层构成和/或者第二电极通过支承体的由导电的材料构成的第二电极层构成。优选地，第二电极层由连续的导电的层构成并且因此提供一个用于所述阵列的所有的力传感器的公共的电极。在一种设计方案中，第一电极是属于所述面板的电极结构的一部分，所述电极结构被设计成能够实施可位置分辨地电容式地检测在面板上、必要时也在操作表面外部的触摸。

按照一个优选的设计方案，所述空腔分别不仅通过在前面提到的间隔层而且此外通过面板和支承体来限制。优选地规定，所述空腔分别通过间隔层、属于面板的第一电极层和属于支承体的第二电极层来限制。

为了对操作表面用逆光照明，至少衬垫材料是半透明的材料。优选地，此外支承体和面板至少在操作表面的区域中是由半透明的材料构成的。

本实用新型此外涉及一种具有以下的步骤的、用于制造在前面描述的实施方式之一中的输入设备的方法。在第一提供步骤中，提供支承体。在一个施加层(施加步骤)中，将间隔层，例如经由第一粘接层，通过它的第一主表面施加到所述支承体上。所述间隔层，其优选地由薄膜构成，限定被分配给操作表面的空腔的阵列。在一个设计方案中，所述空腔在所述施加之前就已经被设置在所述间隔层中。优选地，所述间隔层在所述施加步骤中被整个表面地，也就是说作为连续的、至多被预先冲压的薄膜，施加到所述支承体上并且在一个在时间上随后的步骤中，所述间隔层的与所述空腔对应的区域被去除掉，所述区域例如作为被预先冲压的区域在先前的施加期间存在于所述间隔层中。由此便于将所述间隔层无气泡地和更均匀地施加到所述支承体上。

按照本实用新型，设置分别将由与间隔材料相比可弹性地弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫引入到所述空腔里面的步骤。优选地，这个步骤在时间上在将所述间隔层施加到所述支承体上面之后进行。但是也可以设想一些实施方式，在这些实施方式中，所述衬垫同时地与间隔层一起被施加到所述支承体上，因为所述衬垫被容纳在所述间隔层中。

在另一个施加步骤中，例如经由第二粘接层将所述面板施加到所述间隔层的与所述支承体背离的第二主表面上面和在所述空腔中的衬垫上面。作为备选方案，可能的是，首先将所述间隔层施加到所述面板上并且然后再施加到所述支承体上。在所述施加之前，各自的粘接层可以配设保护薄膜，所述保护薄膜在所述各自的施加之前被去除掉。

本实用新型此外涉及一种所述输入设备在它的在前面描述的实施方式之一中在机动车中的用途。

附图说明

本实用新型借助于以下的图详细地进行解释。这些图在此情况下应该理解为仅仅是示例性的并且仅仅是优选的变型实施方案。在图中:

图1显示了通过按照本实用新型的输入设备的一个实施方式的剖面视图；

图2显示了按照本实用新型的输入设备的第二实施方式的俯视图；

图3a至3d分别显示了用于说明按照本实用新型的用于制造来自图1中的输入设备的方法的剖面视图。

具体实施方式

图1显示了一个通过按照本实用新型的输入设备1的剖面视图。输入设备1具有平面状的面板8。这个面板8在它的与没有示出的操作者面对的外部的表面11上限定了操作表面10 阵列。输入设备1此外具有一个由多个电容式力传感器14构成的阵列，其中，每个操作表面10被配设有正好一个电容式力传感器14。按照本实用新型的输入设备1此外具有支承体2。面板8和支承体2被如此地构造，即在操作时在施加垂直地作用于操作表面10上的操作力下在各自的操作表面10的区域中在面板8和支承体10之间发生接近。为此，除了面板8和支承体2的材料选择和尺寸设计以外，此外在面板8和支承体之间设置有被构造成薄膜的间隔层5，所述间隔层一方面经由第一粘接层3与支承体2粘接起来并且另一方面经由第二粘接层7与面板8粘接起来，其中，为了更好地用图示进行说明，粘接层4，7在图1中分别被超大尺寸地放大地示出。为了提供面板8在支承体2的方向上在各自的操作表面10的区域中的柔韧性，间隔层5通过在薄膜材料中的空隙限定了空腔15，这些空腔通过由凝胶材料构成的衬垫6完全地或者部分地填充。这些衬垫6由于它们的弹性的可压缩性使得面板8能够在垂直地作用到各自的操作表面10上面的操作力的情况下可弹性地回位地接近支承体2。这种接近通过相关的电容式力传感器14以电容方式进行检测，并且因此是用于作用的操作力的一种尺度。这种检测如此地进行，即借助于在支承体侧的第二电极3和在面板侧的第一电极9限定一个测量电容，它的电容特性随着电极3，9的相对距离的改变而变化。因此每个电容式力传感器14分别具有至少一个被分配给面板8的第一电极9和至少一个被分配给支承体2的第二电极3，以便形成在前面提到的测量电容。如在图1中所显示的那样，这个第二电极3被设计成所有电容式力传感器14的连续的公共的电极层，而第一电极被设计成面板8的局部地限定在各自的操作表面10上的并且相互间交替地电绝缘地布置的电极层9。

如在图2中示出的实施方式中那样，按照本实用新型的输入设备1可以被设计成触摸板，其中，所述操作表面10被集成到一个触摸敏感的输入表面11中。如在图2中示出的那样，各单个的操作表面10附加地通过分隔条12相互被分隔开，以便向将注意力仅仅集中到触觉的感官知觉上的操作者在操作时提供方向性指导。

借助于图3a至3d，在以下对用于制造在图1中示出的输入设备的实用新型的制造方法进行描述。首先，支承体2被提供。如在图3a中显示的那样，间隔层5通过间隔层的第一主表面经由第一粘接层4被粘接到支承体。为了避免间隔层5偏斜，间隔层5被整个表面地施加到支承体2上。间隔层5本身在它的第二主表面上设有第二粘接层7。所述第二粘接层可以在施加到支承体2上面期间被用一个没有示出的保护薄膜覆盖。如在图3a中示出的那样，冲压部位13被作为预定撕裂部位引入到间隔薄膜5里面，以便能够在一个在图3b中示出的步骤中将间隔层5的与空腔15对应的并且通过冲压部位13被预先设定的区域去除掉，其中，间隔层5因此限定被分配给操作表面10的空腔15的阵列。

如在图3c中显示的那样，在时间上随后分别将一个由与间隔层5的间隔材料相比可弹性弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫6引入到空腔15中的一个空腔里面，一直到全部的空腔6被填充。在所述方法的一个没有示出的变型方案中，衬垫6已经在间隔层5被施加到支承体2上之前就已经被引入到间隔层5的限定空腔15的空隙中。

在一个在图3d中示出的步骤中，面板8经由第二粘接层7被施加到与间隔层5的第一主表面相对置的间隔层5的第二主表面上面和在空腔15中的衬垫6上面。

Claims (12)

1.一种输入设备(1)，所述输入设备具有限定操作表面(10)阵列的平面状的面板(8)和电容式力传感器(14)阵列以及支承体(2)，其中，所述操作表面(10)被布置在所述面板(8)的与操作者面对的表面(11)上，并且所述支承体(2)被布置在所述面板(8)的与所述操作者背离的一侧上，并且其中每个电容式力传感器(14)分别形成在所述面板(8)和所述支承体(2)之间的测量电容，所述测量电容被分配给所述操作表面(10)中的操作表面并且每个电容式力传感器(14)分别具有用于形成所述测量电容的至少一个被分配给所述面板(8)的第一电极(9)和至少一个被分配给所述支承体(2)的第二电极(3)，其中，至少一个附着在所述面板(8)和所述支承体(2)上的、由可弹性地弯曲的和/或者可压缩的衬垫材料构成的衬垫(6)被布置在所述面板(8)和所述支承体(2)之间。

2.根据权利要求1所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)的所述衬垫材料具有凝胶。

3.根据权利要求1所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)的所述衬垫材料具有泡沫材料。

4.根据权利要求1所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)的所述衬垫材料具有闭孔型的泡沫材料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)的材料、所述面板(8)的材料和所述支承体(2)的材料被如此地选择，即分别实现大于1N/cm的附着能力。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)具有外壳和衬垫芯，其中，所述外壳和所述衬垫芯被以材料配合的方式连接起来。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的输入设备(1)，其中，在所述面板(8)和所述支承体(2)之间设置有由间隔材料构成的间隔层(5)，所述间隔层限定由被分配给所述操作表面(10)的空腔(15)构成的阵列，其中，所述空腔(15)分别用衬垫(6)完全地或者部分地填充，其中，所述间隔材料具有与所述衬垫材料相比较小的机械柔韧性。

8.根据权利要求7所述的输入设备(1)，其中，所述间隔层(5)经由第一粘接层(4)与所述支承体(2)连接和/或者经由第二粘接层(7)与所述面板(8)连接。

9.根据权利要求7所述的输入设备(1)，其中，所述空腔(15)此外分别通过所述面板(8)和通过所述支承体(2)限定。

10.根据权利要求7所述的输入设备(1)，其中，所述空腔(15)此外分别通过第一电极层和第二电极层限定。

11.根据权利要求10所述的输入设备(1)，其中，所述第一电极(9)通过所述面板(8)的由导电的材料构成的第一电极层构成和/或者所述第二电极(3)通过所述支承体(2)的由导电的材料构成的第二电极层构成。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的输入设备(1)，其中，所述衬垫(6)的所述衬垫材料是半透明的。