DE102008032850A1 - Operating element with capacitive proximity sensor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement (1) mit kapazitiver Näherungssensorik, aufweisend eine Masse-Elektrode (2) und eine Sensorelektrode (3), wobei eine zwischen Masse-Elektrode (2) und Sensorelektrode (3) angordnete Richtelektrode (4), wobei die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass das elektrische Feld in eine Richtung fokussiert wird.The invention relates to an operating element (1) with capacitive proximity sensor, comprising a ground electrode (2) and a sensor electrode (3), wherein a between the ground electrode (2) and sensor electrode (3) angordnete directional electrode (4), wherein the sensor electrode (3) and the directional electrode (4) are designed and arranged such that the electric field is focused in one direction.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einer kapazitiven Näherungssensorik, aufweisend eine Sensorelektrode, eine Richtelektrode und eine Masse-Elektrode.The The present invention relates to a control element with a capacitive Proximity sensors, comprising a sensor electrode, a Directing electrode and a ground electrode.

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.Operating elements, in particular buttons, with a capacitive proximity sensor are known from the prior art. They are used, for example, to indicate the function that is carried out during the actual actuation or to permit a two-stage actuation when approaching the operating element. So reveals the utility model DE 203 11 127 U1 a probe with a metal cathode and a two-layer anode of indium tin oxide.

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.at the known controls with capacitive proximity sensor is a sensitive evaluation electronics necessary to make a change of the electric field between the sensor electrode and the itself to detect approaching object. This may be wrong lead to detection, although no approximation took place. It is therefore the object of the present invention an operating element with a capacitive proximity sensor to provide a simpler and more reliable Detection enabled.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bedienelement nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.These The object is achieved by an operating element according to claim 1. Advantageous embodiments are the dependent Claims to be taken.

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.One Control element according to the invention with capacitive Proximity sensor has a ground electrode and a sensor electrode on and arranged between ground electrode and sensor electrode Directional electrode, wherein the sensor electrode and the directional electrode are configured and arranged such that the electric field is focused in one direction. This direction is the one direction from which the control element is actuated, from the so one Approach takes place. At the same time done by the Ground electrode a shield in the opposite direction, so the Rear of the control.

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.It It should be noted that the term "between" ever has two meanings after use in this document. Based the electrodes are the geometric meaning, that is, that between the ground electrode and the Sensor electrode arranged directional electrode on the connection between the ground electrode and the sensor electrode is located. The directional electrode shields, from the sensor electrode, the ground electrode accordingly in whole or in part. Related to the electric field it is a broader meaning, since the electric Field not only in the geometric area between the ground electrode and the sensor electrode propagates, but also as a stray field outside this area. This stray field is also part of the electric field between the ground electrode and the sensor electrode.

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.In In a preferred embodiment, the sensor electrode and the directional electrode has the same potential. This will be a optimized distribution of the electric field between the ground electrode and reaches the sensor electrode. Besides, only one has to Potential for the two electrodes are provided.

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.In Advantageously, the sensor electrode and the directional electrode spaced apart. The distance becomes one optimized distribution of the electric field achieved. Prefers an air gap is at least partially between the sensor electrode and the directional electrode.

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.In An embodiment of the invention are the sensor electrode and the directional electrode parallel to each other. That means the mutually facing sides of the electrodes are parallel to each other. This leads to a uniform distribution of the electric field. Optionally, the ground electrode is parallel to the other two electrodes.

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.In In another embodiment, the sensor electrode and / or the directional electrode of a transparent, conductive Material. As a result, a light source for illuminating the operating element be provided, the light through the electrode from the inside to a Surface of the control meets, for example, as Function or search lighting.

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.Prefers the surface of the directional electrode is larger as the surface of the sensor electrode. It means that the surface of the directional electrode facing the sensor electrode greater than that of the directional electrode facing Surface of the sensor electrode.

Dadurch wird eine besondere Fokussierung des elektrischen Felds auf den Erfassungsbereich der Näherungssensorik erzielt.Thereby will be a special focusing of the electric field on the Detection range of the proximity sensor achieved.

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.Farther the distance between the directional electrode and the sensor electrode is preferred smaller than the distance of the directional electrode from the ground electrode. This results in an advantageous distribution of the electric field reached.

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.In an embodiment of the invention For example, the operating element has a first part which is arranged to be movable relative to a second part, wherein the sensor electrode and the directional electrode are arranged on the first part and the ground electrode is arranged on the second part. Thus, a flexible electrical contact is necessary only for the sensor electrode and the directional electrode. If the sensor electrode and the directional electrode have the same potential, the contact is reduced to a single flexible supply line. As a result of the arrangement of the electrodes on the two parts of the control element, the sensor electrode and the directional electrode are located next to the detection area of the proximity sensor as soon as possible, which enables safer and error-free detection.

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.In In one embodiment of the invention, the electrodes are on one arranged flexible carrier. The flexible carrier is for example a foil or a flexible printed circuit board. such Electrodes are easy to manufacture and flexible to use. there all three electrodes are arranged on the same carrier, each electrode on its own carrier or two electrodes on a first carrier and the third electrode on one second carrier.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei zeigtThe Invention is intended to be based on exemplary embodiments to be discribed. It shows

1 eine elektrische Feldverteilung für eine Näherungssensorik ohne Richtelektrode, 1 an electric field distribution for a proximity sensor without a directional electrode,

2 eine elektrische Feldverteilung für eine Näherungssensorik mit Richtelektrode, 2 an electric field distribution for a proximity sensor with directional electrode,

3 zwei flexible Leiterplatten mit Elektrodenstrukturen und 3 two flexible printed circuit boards with electrode structures and

4 einen Schnitt durch ein Bedienelement. 4 a section through a control.

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.In the 1 exemplified is the distribution of the electric field in a proximity sensor of a control element. Between a ground electrode 2 and a sensor electrode 3 extend electric field lines F. The detection range of the proximity sensor is located above the sensor electrode 3 who by one in the 1 not shown front of a button from the sensor electrode 3 is disconnected. It can be seen that a large part of the field lines F between the two electrodes 2 and 3 runs, but the electric field hardly extends into the detection range of the proximity sensor.

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.The 2 shows an example of the distribution of the electric field in a proximity sensor, in addition to the ground electrode 2 and the sensor electrode 3 the proximity sensor off 1 one between these two electrodes 2 and 3 arranged directional electrode 4 having. The directional electrode 4 is larger than the sensor electrode 3 , wherein the ground electrode 2 and the directional electrode 4 have the shape of a round or rectangular disc. The directional electrode 4 can also be the same size as the sensor electrode 3 or smaller than the sensor electrode 3 , The directional electrode 4 is the sensor electrode 3 closer than the ground electrode 2 , The sensor electrode 3 and the directional electrode have the same potential. Optionally, an amplifier is provided, the potential for the directional electrode 3 decoupled and / or amplified with respect to the potential of the sensor electrode.

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.Due to the shape, size and arrangement of the electrodes 2 . 3 and 4 results in an optimized distribution of the electric field. The field is focused in such a way that more field lines F extend into the detection range of the proximity sensor than in the example 1 , As a result, an approach, for example a finger, has a stronger influence on the electric field than in the example in FIG 1 , This produces a larger signal change that is easier and more error-free detectable.

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.The 3 shows a first flexible circuit board 5 with the sensor electrode 3 and a second flexible circuit board 6 with the ground electrode 2 and the directional electrode 4 , All three electrodes 2 . 3 and 4 are rectangular and provided with electrical contacts. The sensor electrode 3 consists of three equal, initially electrically separated rectangles, which are fixed electrically connected to each other depending on the application in the production of the proximity sensor or can be connected to each other via an unillustrated switching element during use of the proximity sensor. Depending on whether the connection between the parts of the sensor electrode 3 exists, the proximity sensor has a different field distribution and thus a different detection characteristic.

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.Shown in the 4 is a sectional view through a control 1 in the form of a button with a proximity sensor. The proximity sensor, for example, but not necessary from the two flexible circuit boards 5 and 6 out 3 built up. The lengths of the directional electrode 4 and the sensor electrode 3 are approximately equal and about one quarter of the length of the ground electrode 2 , The ground electrode is therefore suitable for shielding the electric field so as to be substantially on that of the sensor electrode 3 facing side of the ground electrode 2 formed. The mutually facing surfaces of the sensor electrode 3 and the directional electrode 3 are mutually parallel and separated by an air gap of constant thickness.

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.For example, a finger of an operator approaches the button 1 and thus the sensor electrode 3 , thereby becomes the electric field between the ground electrode 2 and the sensor electrode 3 and the directional electrode 4 changed. This change is detected by means of evaluation electronics, not shown, and generates a corresponding signal. In response to this signal, for example, the function that an actuation of the button 1 would trigger.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Bedienelement (1) mit kapazitiver Näherungssensorik, aufweisend eine Masse-Elektrode (2) und eine Sensorelektrode (3), gekennzeichnet durch eine zwischen Masse-Elektrode (2) und Sensorelektrode (3) angeordnete Richtelektrode (4), wobei die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass das elektrische Feld in eine Richtung fokussiert wird.Control element ( 1 ) with capacitive proximity sensor, comprising a ground electrode ( 2 ) and a sensor electrode ( 3 ), characterized by an between ground electrode ( 2 ) and sensor electrode ( 3 ) arranged directional electrode ( 4 ), wherein the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ) are configured and arranged such that the electric field is focused in one direction. Bedienelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) das gleiche Potential aufweisen.Control element ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ) have the same potential. Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) voneinander beabstandet angeordnet sind.Control element ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ) are spaced from each other. Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Luftspalt zumindest teilweise zwischen der Sensorelektrode (3) und der Richtelektrode (4).Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized by an air gap at least partially between the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ). Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) zueinander parallel sind.Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ) are parallel to each other. Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (3) und/oder die Richtelektrode (4) aus transparentem leitfähigem Material besteht.Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor electrode ( 3 ) and / or the directional electrode ( 4 ) consists of transparent conductive material. Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Richtelektrode (4) größer ist als die Oberfläche der Sensorelektrode (3).Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface of the directional electrode ( 4 ) is larger than the surface of the sensor electrode ( 3 ). Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Richtelektrode (4) von der Sensorelektrode (3) kleiner ist als der Abstand der Richtelektrode (4) von der Masse-Elektrode (2).Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the distance of the directional electrode ( 4 ) from the sensor electrode ( 3 ) is smaller than the distance of the directional electrode ( 4 ) from the ground electrode ( 2 ). Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement (1) ein erstes Teil aufweist, das gegenüber einem zweiten Teil beweglich angeordnet ist, wobei die Sensorelektrode (3) und die Richtelektrode (4) am ersten Teil angeordnet sind und die Masse-Elektrode (2) am zweiten Teil angeordnet ist.Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the operating element ( 1 ) has a first part, which is arranged to be movable relative to a second part, wherein the sensor electrode ( 3 ) and the directional electrode ( 4 ) are arranged on the first part and the ground electrode ( 2 ) is arranged on the second part. Bedienelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2, 3, 4) auf einem flexiblen Träger angeordnet sind.Control element ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the electrodes ( 2 . 3 . 4 ) are arranged on a flexible support.
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