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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einer kapazitiven
Näherungssensorik, aufweisend eine Sensorelektrode, eine
Richtelektrode und eine Masse-Elektrode.
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Bedienelemente,
insbesondere Taster, mit einer kapazitiven Näherungssensorik
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise
eingesetzt, um bei einer Annährung an das Bedienelement
die Funktion anzuzeigen, die bei der tatsächlichen Betätigung
ausgeführt wird, oder eine zweistufige Betätigung
zu ermöglichen. So offenbart das Gebrauchsmuster
DE 203 11 127 U1 einen
Taster mit einer Metallkathode und einer zweischichtigen Anode aus
Indiumzinnoxid.
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Bei
den bekannten Bedienelementen mit kapazitiver Näherungssensorik
ist eine empfindliche Auswertungselektronik notwendig, um eine Änderung
des elektrischen Feldes zwischen der Sensorelektrode und dem sich
nähernden Objekt zu detektieren. Dies kann fälschlich
zu einer Detektion führen, obwohl keine Annäherung
stattgefunden hat. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Bedienelement mit eine kapazitiven Näherungssensorik
bereitzustellen, das eine einfachere und zuverlässigere
Detektion ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Bedienelement nach Anspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen
Ansprüchen zu entnehmen.
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Ein
erfindungsgemäßes Bedienelement mit kapazitiver
Näherungssensorik weist eine Masse-Elektrode und eine Sensorelektrode
auf sowie eine zwischen Masse-Elektrode und Sensorelektrode angeordnete
Richtelektrode, wobei die Sensorelektrode und die Richtelektrode
derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass das elektrische Feld
in eine Richtung fokussiert wird. Diese Richtung ist diejenige Richtung,
aus der das Bedienelement betätigt wird, aus der also eine
Annäherung stattfindet. Gleichzeitig erfolgt durch die
Masse-Elektrode eine Abschirmung in die Gegenrichtung, also die
Rückseite des Bedienelements.
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Es
sei angemerkt, dass der Begriff „zwischen” je
nach Verwendung in diesem Dokument zwei Bedeutungen hat. Bezogen
auf die Elektroden handelt es sich um die geometrische Bedeutung,
das heißt, dass die zwischen der Masse-Elektrode und der
Sensorelektrode angeordnete Richtelektrode auf der Verbindung zwischen
der Masse-Elektrode und der Sensorelektrode liegt. Die Richtelektrode schirmt,
von der Sensorelektrode aus betrachtet, die Masse-Elektrode demnach
ganz oder teilweise ab. Bezogen auf das elektrische Feld handelt
es sich um eine umfassendere Bedeutung, da sich das elektrische
Feld nicht nur im geometrischen Bereich zwischen der Masse-Elektrode
und der Sensorelektrode ausbreitet, sondern auch als Streufeld außerhalb
dieses Bereiches. Dieses Streufeld ist ebenfalls Bestandteil des
elektrischen Feldes zwischen der Masse-Elektrode und der Sensorelektrode.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen die Sensorelektrode
und die Richtelektrode das gleiche Potential auf. Dadurch wird eine
optimierte Verteilung des elektrischen Feldes zwischen der Masse-Elektrode
und der Sensorelektrode erreicht. Außerdem muss nur ein
Potential für die beiden Elektroden bereitgestellt werden.
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In
vorteilhafter Weise sind die Sensorelektrode und die Richtelektrode
voneinander beabstandet angeordnet. Durch den Abstand wird eine
optimierte Verteilung des elektrischen Feldes erreicht. Bevorzugt
befindet sich ein Luftspalt zumindest teilweise zwischen der Sensorelektrode
und der Richtelektrode.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Sensorelektrode
und die Richtelektrode zueinander parallel. Das bedeutet, dass die
einander zugewandten Seiten der Elektroden zueinander parallel sind.
Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung
des elektrischen Feldes. Optional ist auch die Masse-Elektrode parallel
zu den beiden anderen Elektroden.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform besteht die Sensorelektrode und/oder
die Richtelektrode aus einem transparenten, leitfähigen
Material. Dadurch kann eine Lichtquelle zur Ausleuchtung des Bedienelements
vorgesehen sein, deren Licht durch die Elektrode von Innen auf eine
Oberfläche des Bedienelements trifft, beispielsweise als
Funktions- oder Suchbeleuchtung.
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Bevorzugt
ist die Oberfläche der Richtelektrode größer
als die Oberfläche der Sensorelektrode. Das bedeutet, dass
die der Sensorelektrode zugewandte Fläche der Richtelektrode
größer ist als die der Richtelektrode zugewandte
Fläche der Sensorelektrode.
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Dadurch
wird eine besondere Fokussierung des elektrischen Felds auf den
Erfassungsbereich der Näherungssensorik erzielt.
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Weiterhin
bevorzugt ist der Abstand der Richtelektrode von der Sensorelektrode
kleiner als der Abstand der Richtelektrode von der Masse-Elektrode.
Dadurch wird eine vorteilhafte Verteilung des elektrischen Feldes
erreicht.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Bedienelement ein
erstes Teil auf, das gegenüber einem zweiten Teil beweglich
angeordnet ist, wobei die Sensorelektrode und die Richtelektrode am
ersten Teil angeordnet sind und die Masse-Elektrode am zweiten Teil
angeordnet ist. Somit ist eine flexible elektrische Kontaktierung
nur für die Sensorelektrode und die Richtelektrode notwendig.
Wenn die Sensorelektrode und die Richtelektrode das gleiche Potential
aufweisen, reduziert sich die Kontaktierung auf eine einzige flexible
Zuleitung. Durch die Anordnung der Elektroden auf den beiden Teilen
des Bedienelements befinden sich die Sensorelektrode und die Richtelektrode
nächstmöglich am Erfassungsbereich der Näherungssensorik,
was eine sicherere und fehlerfreiere Detektion ermöglicht.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Elektroden auf einem
flexiblen Träger angeordnet. Der flexible Träger
ist beispielsweise eine Folie oder eine flexible Leiterplatte. Derartige
Elektroden sind einfach herzustellen und flexibel verwendbar. Dabei
sind alle drei Elektroden auf dem gleichen Träger angeordnet,
jede Elektrode auf einem eigenen Träger oder zwei Elektroden
auf einem ersten Träger und die dritte Elektrode auf einem
zweiten Träger.
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Die
Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher
beschrieben werden. Dabei zeigt
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1 eine
elektrische Feldverteilung für eine Näherungssensorik
ohne Richtelektrode,
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2 eine
elektrische Feldverteilung für eine Näherungssensorik
mit Richtelektrode,
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3 zwei
flexible Leiterplatten mit Elektrodenstrukturen und
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4 einen
Schnitt durch ein Bedienelement.
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In
der 1 ist exemplarisch die Verteilung des elektrischen
Feldes in einer Näherungssensorik eines Bedienelementes
dargestellt. Zwischen einer Masse-Elektrode 2 und einer Sensorelektrode 3 verlaufen
elektrische Feldlinien F. Der Erfassungsbereich der Näherungssensorik
befindet sich oberhalb der Sensorelektrode 3, der durch
eine in der 1 nicht dargestellte Vorderseite
einer Taste von der Sensorelektrode 3 getrennt ist. Es
ist ersichtlich, dass ein großer Teil der Feldlinien F
zwischen den beiden Elektroden 2 und 3 verläuft,
sich das elektrische Feld aber kaum in den Erfassungsbereich der
Näherungssensorik erstreckt.
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Die 2 zeigt
exemplarisch die Verteilung des elektrischen Feldes in einer Näherungssensorik, die
neben der Masse-Elektrode 2 und der Sensorelektrode 3 der
Näherungssensorik aus 1 eine zwischen
diesen beiden Elektroden 2 und 3 angeordnete Richtelektrode 4 aufweist.
Die Richtelektrode 4 ist dabei größer
als die Sensorelektrode 3, wobei die Masse-Elektrode 2 und
die Richtelektrode 4 die Form einer runden oder rechteckigen
Scheibe haben. Die Richtelektrode 4 kann auch gleich groß sein
wie die Sensorelektrode 3 oder auch kleiner als die Sensorelektrode 3.
Die Richtelektrode 4 ist der Sensorelektrode 3 näher
als der Masse-Elektrode 2. Die Sensorelektrode 3 und
die Richtelektrode weisen das gleiche Potential auf. Optional ist
ein Verstärker vorgesehen, der das Potential für
die Richtelektrode 3 bezüglich des Potentials
der Sensorelektrode entkoppelt und/oder verstärkt.
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Durch
die Form, die Größe und die Anordnung der Elektroden 2, 3 und 4 ergibt
sich eine optimierte Verteilung des elektrischen Feldes. Das Feld wird
so fokussiert, dass sich mehr Feldlinien F in den Erfassungsbereich
der Näherungssensorik erstrecken als im Beispiel nach 1.
Dadurch hat eine Annäherung, beispielsweise eines Fingers,
einen stärkeren Einfluss auf das elektrische Feld als bei dem
Beispiel in 1. Dies erzeugt eine größere
Signaländerung, die einfacher und fehlerfreier detektierbar
ist.
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Die 3 zeigt
eine erste flexible Leiterplatte 5 mit der Sensorelektrode 3 und
eine zweite flexible Leiterplatte 6 mit der Masse-Elektrode 2 und
der Richtelektrode 4. Alle drei Elektroden 2, 3 und 4 sind rechteckig
ausgebildet und mit elektrischen Kontakten versehen. Die Sensorelektrode 3 besteht
aus drei gleich großen, zunächst elektrisch voneinander
getrennten Rechtecken, die je nach Anwendung bei der Herstellung
der Näherungssensorik fest elektrisch miteinander verbindbar
sind oder über ein nicht dargestelltes Schaltelement während
der Verwendung der Näherungssensorik miteinander verbindbar
sind. Je nach dem, ob die Verbindung zwischen den Teilen der Sensorelektrode 3 besteht,
weist die Näherungssensorik eine andere Feldverteilung
und damit eine andere Erfassungscharakteristik auf.
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Dargestellt
in der 4 ist eine Schnittdarstellung durch ein Bedienelement 1 in
Form eines Tasters mit einer Näherungssensorik. Die Näherungssensorik
ist beispielsweise, aber nicht notwendig aus den beiden flexiblen
Leiterplatten 5 und 6 aus 3 aufgebaut.
Die Längen der Richtelektrode 4 und der Sensorelektrode 3 sind
ungefähr gleich und betragen ungefähr ein Viertel
der Länge der Masse-Elektrode 2. Die Masse-Elektrode
ist daher dazu geeignet, das elektrische Feld derart abzuschirmen, dass
es sich im Wesentlichen auf der der Sensorelektrode 3 zugewandten
Seite der Masse-Elektrode 2 ausbildet. Die einander zugewandten
Flächen der Sensorelektrode 3 und der Richtelektrode 3 sind
zueinander parallel und durch einen Luftspalt konstanter Dicke voneinander
getrennt.
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Nähert
sich beispielsweise ein Finger einer Bedienperson dem Taster 1 und
damit der Sensorelektrode 3, wird dadurch das elektrische
Feld zwischen der Masse-Elektrode 2 und der Sensorelektrode 3 sowie
der Richtelektrode 4 verändert. Diese Änderung
wird mittels einer nicht dargestellten Auswerteelektronik detektiert
und ein entsprechendes Signal erzeugt. Auf dieses Signal hin wird
beispielsweise die Funktion, die eine Betätigung der Taste 1 auslösen würde,
angezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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