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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Bedieneinrichtung für ein Elektrogerät
sowie ein Verfahren zu ihrer Auswertung, wobei die Bedieneinrichtung
ein formveränderliches bzw. elastisches Bedien-Feld aufweist,
unter dem mindestens ein Piezo-Sensorelement angeordnet ist.
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Aus
der
DE 198 11 372
A1 ist es bekannt, bei einem Kochfeld unter dessen Edelstahl-Rahmen
Piezo-Sensorelemente als Bedienelemente anzuordnen. Mit diesen kann
erfasst werden, wenn eine Bedienperson einen Finger auf den Bereich
oberhalb des Piezo-Sensorelements aufgelegt hat als Bedien-Aktion.
Die Anbringung der Piezo-Sensorelemente an der Unterseite des Bedien-Feldes
ist aber relativ aufwändig, ebenso deren elektrische Kontaktierung.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Bedieneinrichtung
sowie ein Auswerteverfahren dafür zu schaffen, mit denen Nachteile
des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere
sowohl Anordnung als auch Anschluss leicht und sicher möglich
sind, auch bei einer größeren Anzahl von Piezo-Sensorelementen.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Bedieneinrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Auswertung mit den
Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und
werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut
der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme
zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Piezo-Sensorelement
auf der Rückseite einer Leiterplatte angeordnet ist, insbesondere
daran befestigt ist. Die Leiterplatte wird mit der gegenüberliegenden
Vorderseite flächig an der Unterseite des Bedien-Feldes
angebracht bzw. daran angeordnet und befestigt. Somit wird also
das Piezo-Sensorelement nicht direkt an der Unterseite des Bedien-Feldes
befestigt, was insbesondere bei einer größeren
Anzahl von Piezo-Sensorelementen aufwändig ist, sondern
indirekt. Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Bedien-Feld
Teil eines Rahmens oder einer Frontblende des Elektrogerätes ist
bzw. einen Teil davon bildet. Die Befestigung des mindestens einen
Piezo-Sensorelementes an der Leiterplatte kann durch herkömmliche,
großserientechnisch erprobten Verfahren erfolgen, wie sie
gerade bei Bestückung von Leiterplatten bekannt sind. Des
weiteren kann dann die Leiterplatte mit dem mindestens einen Piezo-Sensorelement
als Baueinheit soweit vorgefertigt werden, dass diese Baueinheit beim
Zusammenbau des Elektrogerätes nur noch mit dem Bedien-Feld
bzw. Rahmen oder Frontblende eines Elektrogerätes verbunden
werden muss bzw. daran befestigt wird. So ist ein präziser
Aufbau der Bedieneinrichtung gut möglich mit präziser
Funktion, für die hier der mechanische Aufbau wichtig ist.
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Vorteilhaft
können auf der Leiterplatte mehrere Piezo-Sensorelemente
für mehrere Bedienelemente vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft
sind, möglicherweise bis auf die Ausnahme eines mechanischen
Ein-/Ausschalters, alle Bedienelemente der Bedieneinrichtung durch
derartige, insbesondere gleichartige, Piezo-Sensorelemente realisiert.
Dies vereinfacht den Herstellungsaufwand. Dabei können mehrere
Piezo-Sensorelemente bei ausreichend genauer Bedienbarkeit relativ
nahe beieinander angeordnet werden. Es ist sogar möglich,
ihren Abstand zueinander geringer zu halten als Länge oder
Breite eines solchen Piezo-Sensorelementes. So lassen sich auch
linienartige Bedien-Elemente bilden, die auch als „Slider” bekannt
sind und deren Realisierung mit kapazitiven Sensorelementen beispielsweise
aus der
DE 10
2004 024 835 B3 , der
DE
10 2004 044 355 oder der
DE 10 2005 018 298 hervorgeht, auf
die hier diesbezüglich explizit verwiesen wird.
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Ein
Piezo-Sensorelement für die Bedieneinrichtung ist vorteilhaft
scheibenartig bzw. als dünne oder flache Scheibe ausgebildet.
Mit einer seiner flachen Seiten ist das Sensorelement dann auf der
Leiterplatte befestigt, beispielsweise festgeklebt. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung kann ein Piezo-Sensorelement eine Piezo-Keramikscheibe
aufweisen. Diese Piezo-Keramikscheibe kann mit einer Metallmembran
verbunden sein, insbesondere sind sie miteinander verklebt. Das
Piezo-Sensorelement weist sowohl auf seiner Oberseite als auch auf
seiner Unterseite einen elektrischen Anschluss auf. Vorteilhaft
ist dies ein flächiger Anschluss, was auf beiden Seiten
den Anschluss bzw. die elektrische Kontaktierung erleichtert. Grundsätzlich
ist ein derartiger Aufbau eines Piezo-Sensorelements bekannt.
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Auf
der Leiterplatte sind an einer Stelle, an der ein Piezo-Sensorelement
sein soll, Kontaktfelder vorgesehen. Diese sind insbesondere als
Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildet bzw. damit verbunden,
wobei davon wegführende Kontaktleitungen ebenfalls als
Leiterbahnen vorgesehen sein können. Zur elektrischen Kontaktierung
wird also ein Piezo-Sensorelement auf dem Kontaktfeld befestigt, wozu
vorteilhaft ein elektrisch leitfähiger Kleber als sogenannter
Leitkleber verwendet werden kann. Ein solches Aufkleben ermöglicht
eine sowohl zuverlässige Befestigung als auch eine leichte
Herstellung der elektrischen Verbindung und vermeidet möglicherweise
schädigende Methoden wie Löten.
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Eine
weitere bzw. die zweite elektrische Kontaktierung hat das Piezo-Sensorelement
an der von der Leiterplatte weg weisenden Seite, und diese kann beispielsweise
durch einen Kontaktbügel erfolgen. Ein solcher Kontaktbügel
kann von einem weiteren elektrischen Anschlussfeld samt Anschlussleitung, insbesondere
wiederum als Leiterbahn auf der Leiterplatte, auf die freiliegende
Seite bzw. Oberseite des Piezo-Sensorelementes reichen. Hier kann
vorgesehen sein, dass dieser weitere elektrische Anschluss an der
frei liegenden Seite des Piezo-Sensorelementes jeweils ein Anschluss
an eine Auswerteeinrichtung ist, der für jedes Piezo-Sensorelement einzeln
vorhanden ist. Der andere Anschluss, der direkt über ein
Kontaktfeld auf der Leiterplatte an das Sensorelement erfolgt, kann
dann ein gemeinsamer Masseanschluss sein. Dies kann selbstverständlich auch
andersherum gemacht werden. Der Vorteil eines gemeinsamen Masseanschlusses
an die frei liegende Seite der Piezo-Sensorelemente liegt darin, dass
hier ein Mehrfach-Kontaktbügel verwendet werden kann. Dieser
kann so ausgebildet sein, dass er bei einem oder zwei Befestigungspunkten
an der Leiterplatte mehrere Sensorelemente kontaktiert, insbesondere
alle. Ein elektrischer Kontakt eines solchen Kontaktbügels
an die frei liegende Seite des Piezo-Sensorelementes kann entweder
einfach durch Aufdrücken mit Anliegen erfolgen oder durch
eine Verklebung mit elektrisch leitfähigem Kleber.
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Als
Alternative zu einem Kontaktbügel oder Mehrfach-Kontaktbügel,
der beispielsweise als einfache Metallklammer aus Draht oder einem
flachen Blechstreifen ausgebildet ist, kann eine elektrische Kontaktierung
an die frei liegende Seite der Piezo-Sensorelemente über
eine weitere darauf aufgelegte Leiterplatte erfolgen, die entsprechende
Kontakte aufweist. Diese Kontakte können entweder direkt
an dem Piezo-Sensorelement anliegen oder aber über Brückenvorrichtungen
mit Federn oder elastischen Körpern erfolgen, möglicherweise
auch über einen vorgenannten elektrisch leitfähigen
Kleber.
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Grundsätzlich
können Piezo-Sensorelemente als Bedien-Elemente an der
Bedieneinrichtung frei platziert werden. Vorteilhaft wird mindestens
eine Linie von Piezo-Sensorelementen gebildet, insbesondere um ein
insgesamt längliches linienartiges Bedienelement nach Art
des genannten Sliders zu bilden. Die Reihe von Piezo-Sensorelementen
kann in einfacher Ausbildung gerade verlaufen, alternativ auch gekrümmt
bzw. bogenartig sein.
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Wie
bereits erläutert worden ist, sind vorteilhaft mehrere
Piezo-Sensorelemente an der Bedieneinrichtung vorgesehen. In vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung sind sie sämtlich identisch
ausgebildet. Sie können eine länglich-rechteckige
Form aufweisen mit einer langen Seite und einer kurzen Seite, wobei
bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ihre langen
Seiten nebeneinander liegen. Dies ist in Verbindung mit einem vorbeschriebenen sehr
geringen Abstand zwischen den Piezo-Sensorelementen vor allem dazu
geeignet, einen vorgenannten Slider zu bilden. Hierfür
kann in nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft
vorgesehen sein, dass die Piezo-Sensorelemente zwar mit ihren langen
Seiten benachbart und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet
sind. Allerdings sind diese langen Seiten in einem Winkel zwischen 45° und
90° zu einer Linie verdreht, entlang derer die Piezo-Sensorelemente
ungefähr angeordnet sind. Wenn zur Bedie nung ein Finger
mit einer gewissen Fläche über diese Linie durch
Auflegen bewegt wird, kann dadurch erreicht werden, dass dieser
Finger bzw. seine Position von mindestens einem Piezo-Sensorelement
erfasst werden kann, weil er sich darüber befindet. Er
kann also sozusagen nicht in der Abstandslücke zwischen
zwei Sensorelementen untergehen oder nicht gefunden bzw. festgestellt
werden. Die Piezo-Sensorelemente können aber auch wahlweise
beliebig und ungeordnet auf der Leiterplatte angeordnet sein.
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Bei
der Anordnung der Bedieneinrichtung an dem Bedien-Feld kann vorgesehen
sein, die Baueinheit aus Leiterplatte und Piezo-Sensorelementen
mittels eines doppelseitig klebenden Klebebandes mit ihrer Vorderseite
an der Rückseite des Bedien-Feldes festzukleben und zu
befestigen. Ein solches doppelseitiges klebendes Klebeband kann
nach Art einer Folie ausgebildet sein und sollte eine geringe Dicke aufweisen,
vorteilhaft etwa 0,2 mm oder weniger. Durch die Dicke des Klebebandes
kann ein Ausgleich von Toleranzen erfolgen. Ein solches doppelseitiges Klebeband
ermöglicht bei werkseitiger Anbringung an der Bedieneinrichtung
eine Vormontage der Befestigung bzw. Verklebung. Die Verklebung
kann aber auch hier durch Kleberauftrag erfolgen. Eine Verklebung
weist allgemein den Vorteil auf, dass eine Tastendruck-sensitive,
starre Ankopplung der Leiterplatte an die Bedienblende gewährleistet
wird.
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Durch
die Anordnung der Piezo-Sensorelement an der Leiterplatte und durch
deren Anordnung an der Rückseite des Bedien-Feldes wiederum
kann durch Ausnutzung einer wenn auch geringen Durchbiegung des
Bedien-Feldes durch Auflegen eines Fingers odgl. darauf und Übertragung
dieser Biegung auf das Piezo-Sensorelement auf ein Gegenlager für die
Sensorelemente verzichtet werden, wie dies ansonsten für
eine solche Bedieneinrichtung notwendig ist. Der Stand der Technik
in Form der
DE 198
11 372 A1 nämlich benötigt noch derartige
Gegenlager, die weiteren Montage- und Bauteilaufwand bedeuten. So kann
die von dem Bedien-Feld weg weisende Seite des Sensorelementes im
Wesentli chen, vorzugsweise vollständig, frei liegen. Dadurch
ist sowohl der Aufbau der Bedieneinrichtung als auch die Anbringung an
dem Bedien-Feld vereinfacht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
das Bedien-Feld Durchbrüche aufweist, hinter denen Leuchtanzeigen
angeordnet sind. Derartige Leuchtanzeigen können mittels
LED realisiert sein und vor allem dann die Durchbrüche
benötigen, wenn das Bedien-Feld aus Metall oder einem anderen
lichtundurchlässigen Material besteht. Derartige Leuchtanzeigen
in Form beispielsweise von LED oder Sieben-Segment-Anzeigen können
ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein, die auch die Piezo-Sensorelemente
trägt. Die Erfindung eignet sich besonders gut für
Bedien-Felder aus Metall, insbesondere Edelstahl oder Aluminium. Deren
Dicke kann etwa einen Millimeter betragen oder weniger, unter Umständen
auch etwas mehr. Vorteilhaft ist im Bereich der Piezo-Sensorelemente die
Materialdicke gleichbleibend ohne eine Reduzierung, so dass die
Herstellung eines solchen Bedien-Feldes aus einem einzigen Metallteil
vereinfacht ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
der Bedieneinrichtung kann auch bei relativ dicken und somit relativ
steifen Bedien-Feldern das Auflegen eines Fingers mit nicht allzu
großer Kraft, beispielsweise 1 N oder sogar noch deutlich
darunter mittels eines Piezo-Sensorelements sowohl allgemein erkannt
werden als auch konkret bezüglich des Ort des Auflegens
bei mehreren, eng benachbarten Piezo-Sensorelementen unterschieden
werden. Es können aber auch große Tastendrücke,
beispielsweise deutlich größer als 10 N aufgenommen,
beispielsweise werden für vandalensichere Tastaturen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bedieneinrichtung
vorteilhaft eine Signalauswertung auf, die auch gleichzeitig eine
Ansteuerung für die Sensorelemente sein kann. Sie kann
eine Impedanzwandlung des von einem Piezo-Sensorelement erzeugten
Signals aufweisen bzw. die Impedanz eines davon abgegriffenen Signals
wandeln. Eine solche Impedanzwandlung weist vorteilhaft eine MOSFET-Schaltung
auf und ist an einen Mikrokontroller angeschlossen, der ebenfalls
zu der Signalauswertung zählt, möglicherweise
auch die Steuerung ist. In Weiterbildung der Erfindung können
in der Signalauswertung Differenziermittel vorgesehen sein, die
eine Signaldifferenz zwischen zwei benachbarten Piezo-Sensorelementen
bilden. Dazu sind die Differenziermittel jeweils mit den Sensorelementen verbunden,
wobei ein Ausgang eines solchen Differenziermittels einer weiteren
Bearbeitung bzw. Auswertung zugeführt wird. Vorteilhaft
kann vorgesehen sein, dass die Bedieneinrichtung mindestens drei
Piezo-Sensorelemente aufweist und jeweils zwei direkt benachbarte
Piezo-Sensorelenente mit jeweils einem Differenziermittel verbunden
sind. So können also das erste und das zweite Sensorelement
mit einem ersten Differenziermittel verbunden sein, das zweite und
das dritte Sensorelement mit einem zweiten Differenziermittel, usw.
Der Ausgang benachbarter Differenziermittel wird dann an eine Signalauswertung
gegeben um festzustellen, an welchem Sensorelement bzw. an welcher
Stelle die größte Signaländerung stattgefunden
hat. Als Differenziermittel können hier vorteilhaft Operationsverstärker
vorgesehen sein, die eine nachgeschaltete Signalverstärkung
zur sicheren Erkennung aufweisen können. In alternativer
Ausgestaltung der Erfindung können die Differenziermittel
nicht mit diskreten Bauteilen wie OP-Verstärkern aufgebaut
sein, sondern in einem Mikrokontroller, der auch für die
Signalauswertung verwendet werden kann. Das Ergebnis einer Impedanzwandlung
kann eben dann, wenn keine separaten OP-Verstärker vorgesehen
sind, direkt an einen A/D-Wandlereingang eines Mikrokontroller gegeben werden.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren
in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie
Zwischen- Überschriften beschränken die unter diesen
gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
seitliche Schnittdarstellung durch eine erste Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Bedieneinrichtung mit Piezo-Sensorelementen auf einer Leiterplatte
an der Rückseite einer Blende,
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2.
eine Rückansicht der Bedieneinrichtung aus 1 mit
Darstellung des elektrischen Anschlusses der Piezo-Sensorelemente,
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3 eine
alternative Bedieneinrichtung in vereinfachter Darstellung entsprechend 2,
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4 ein
Diagramm des Signalhubs über dem Berührweg bei
der Bedieneinrichtung gemäß 3 bei
Bewegen eines Fingers von links nach rechts,
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5 eine
Abwandlung der Bedieneinrichtung aus 3 mit zur
Längsrichtung schräg gestellten Sensorelementen,
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6 das
entsprechende Diagramm für den Signalhub über
dem Berührweg ähnlich 4 zu der Bedieneinrichtung
gemäß 5,
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7 eine
Verschaltung zur Signalauswertung eines Piezo-Sensorelements und
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8 eine
weitere Verschaltung zur Signalauswertung mehrerer Piezo-Sensorelemente
durch das erfindungsgemäße Differenzen-Auswertungsverfahren.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Bedieneinrichtung 11 dargestellt,
wie sie beispielsweise für ein vorgenanntes Elektrogerät
verwendet werden kann bzw. ein Teil davon sein kann. Die Bedieneinrichtung 11 weist
eine Blende 13 auf, beispielsweise als großflächige
Blende des Elektrogerätes. Die Blende kann aus Kunststoff
oder Metallblech bestehen, beispielsweise aus Edelstahl. Sie weist
eine Vorderseite 14 auf, an der mittig eine durch einen Pfeil
dargestellte Kraft angelegt ist. Diese Kraft kann von einer Bedienperson
durch Auflegen oder Aufdrücken mit einem Finger auf die
Vorderseite 14 erzeugt werden.
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An
einer Rückseite 15 der Blende 13 ist
sozusagen die Funktionalität der Bedieneinrichtung 11 vorgesehen.
Dazu ist an der Blende 13 mittels eines Klebestreifens 17,
der beidseitig klebend ist und auch durch eine Klebeschicht ersetzt
sein kann, eine Leiterplatte 19 als Träger für
Piezo-Sensorelemente 22 befestigt. Die Piezo-Sensorelemente 22a bis
c sind an der Rückseite 20 der Leiterplatte 19 aufgebracht. Sie
könnten zwar grundsätzlich auch mit einem Beschichtungsverfahren
wie beispielsweise Siebdruck odgl. als Dickschichtbauteile direkt
auf die Leiterplatte 19 aufgebracht werden. Vorteilhaft
werden sie jedoch als separate Bauteile hergestellt, beispielsweise
wie oben beschrieben aus einer Piezo-Keramikscheibe und einer Metallmembran,
und anschließend an der Leiterplatte 19 befestigt.
Als Befestigung bietet sich dann eine Verklebung an, insbesondere
mit einem elektrisch leitfähigem Kleber.
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Eine
elektrische Kontaktierung an ein Piezo-Sensorelement 22 erfolgt
zum einen an seiner Oberseite 23, was nachfolgend näher
erläutert wird. Zum anderen erfolgt eine elektrische Kontaktierung an
die Unterseite über ein in 2 in der
Draufsicht gestrichelt dargestelltes Kontaktfeld 25c, welches
in eine Massekontakt-Leiterbahn 26 auf der Leiterplatte 19 übergeht.
Die Kontaktfelder 25 und Massekontakt-Leiterbahn 26 werden
als übliche Kupferbahnen auf die Leiterplatte 19 aufgebracht
und verbinden den Masseanschluss sämtlicher Piezo-Sensorelemente 22 miteinander.
Dann wird auf dieses Kontaktfeld 25, welches in der Größe
auch unterschiedlich ausgebildet sein kann, das Piezo-Sensorelement 22 aufgebracht,
vorteilhaft aufgeklebt.
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Links
neben den Piezo-Sensorelementen 22a bis c sind jeweils
Kontaktfelder 28a bis c vorgesehen, die jeweils Anschluss-Leiterbahnen 29a bis
c aufweisen. Auch diese Kontaktfelder 28 samt Anschluss-Leiterbahnen 29 sind
wie die vorbeschriebenen Kontaktfelder 25 samt Leiterbahn 26 auf
der Leiterplatte 19 aufgebracht, vorteilhaft als Kupferbahnen.
Der elektrische Kontakt von einem Kontaktfeld 28 an die
Oberseite 23 des Piezo-Sensorelements 22 erfolgt über
Kontaktbügel 31a bis c. Diese sind U-förmig
gebogen, wie aus 1 zu ersehen ist, und bestehen
aus dünnem elastischem Kupferblech. Ein Ende ist auf einem
Kontaktfeld 28 befestigt, beispielsweise fest gelötet.
Das andere Ende liegt unter Vorspannung an der Oberseite 23 an.
Auch hier ist eine feste Verbindung möglich, beispielsweise
durch Löten oder mittels Verklebung. Über die
Anschluss-Leiterbahnen 29a bis c kann jedes einzelne Piezo-Sensorelement 22a bis
c individuell angesteuert bzw. ausgewertet werden. Die Montage sowohl der
Piezo-Sensorelemente 22 als auch der Kontaktbügel 31 kann
automatisiert erfolgen mit der Möglichkeit einer schnellen
und präzisen Fertigung in großen Mengen.
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In
3 ist
eine Draufsicht auf eine weitere Bedieneinrichtung
111 dargestellt,
die ebenfalls drei Piezo-Sensorelemente
122a bis c aufweist.
Deren elektrische Anschlüsse sind der Übersichtlichkeit
halber gar nicht dargestellt, sie können jedoch entsprechend
derjenigen der Bedieneinrichtung
11 gemäß den
1 und
2 ausgebildet
sein. Des weiteren ist in Abwandlung zu der anderen Bedieneinrichtung hier
eine rechteckige Form für die Piezo-Sensorelemente
122 vorgesehen.
Insbesondere soll hier die Bedieneinrichtung
111 nicht
nur das jeweilige, sozusagen punktförmige Auslösen
einer Bedienfunktion durch Aufbringen einer Kraft in folge Auflegen
eines Fingers an die Vorderseite der Blende relativ mittig über
einem Piezo-Sensorelement erkennen. Es soll auch möglich
sein, einen aufgelegten und angedrückten Finger über
den Bereich der Piezo-Sensorelemente
122 zu ziehen. Eine
solche Bedieneinrichtung wird eben auch Slider genannt und ist beispielsweise
vom Grundsatz her aus der
DE 10 2004 024 835 B3 , der
DE 10 2004 044 355 oder der
DE 10 2005 018 298 grundsätzlich
bekannt. Diese lineare bzw. ziehende Bewegung kann dann mit verschiedenen
Bedienfunktionen verknüpft sein, was jedoch für die
vorliegende Patentanmeldung keine Rolle spielt. In der vorliegenden
Patentanmeldung geht es vielmehr um den konstruktiven Aufbau einer
solchen Bedieneinrichtung sowie, gerade im Zusammenhang mit mehreren
nebeneinander angeordneten Sensorelementen, um die Realisierung
bzw. vor allem auch Auswertung einer solchen Slider-Funktion.
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Es
ist offensichtlich, dass das Anlegen einer Kraft an der Vorderseite
der Blende entsprechend 1 auch eine Durchbiegung der
Blende bewirkt, wenngleich diese sehr gering sein kann, beispielsweise
im μm-Bereich. Diese Durchbiegung der Blende bewirkt auch
eine Durchbiegung der Leiterplatte und somit auch der Piezo-Sensorelemente,
was gut ausgewertet werden kann. Dabei ist aber gerade bei relativ
steifen Materialien für die Blende nicht völlig
zu vermeiden, dass sich nicht nur über einem einzigen Piezo-Sensorelement,
das sozusagen betätigt werden soll, sondern auch über
benachbarten Sensorelementen eine Durchbiegung ergibt und somit
auch hier ein Signalhub erzeugt wird, wenngleich dieser sehr viel
geringer ist. Gerade wenn für eine solche Slider-Funktion
wie bei 3 die Piezo-Sensorelemente 122 relativ
nahe beieinander sind, können sich sozusagen die Signale überlappen.
Dies ist aus dem Diagramm in 4 zu ersehen,
wo der Signalhub S abhängig von der Berührungsstelle
B aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, dass jeweils an einer strichpunktiert
dargestellten Mittelachse eines jeden Piezo-Sensorelements 122 der
Signalhub S am größten ist. Links oder rechts
davon nimmt mit zunehmender Entfernung der Signalhub S ab. Der hier
darge stellte lineare Verlauf ist eine Vereinfachung und muss in der
Praxis nicht unbedingt linear sein, gibt aber in etwa die Verhältnisse
wieder.
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Es
ist auch zu erkennen, dass beim Entlangziehen eines Fingers sozusagen
der Berührweg B durchlaufen wird. Es gibt immer wieder
Bereiche, in denen zwischen den Piezo-Sensorelementen 122 der
Signalhub S an beiden Sensorelementen etwa gleich groß ist,
also dort, wo sich die beiden dreieckförmigen Kurven schneiden.
In diesem Bereich gibt es auch einen sogenannten Überlappungsbereich Ü, in
dem an beiden Sensorelementen ein Signal S jeweils relativ klein
ist. Durch Vergleich miteinander kann auch hier der exakte Ort der
Berührung bzw. der Berührweg B erfasst werden.
Dies wird später noch näher erläutert.
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In 5 ist
eine Abwandlung der 3 mit einer Bedieneinrichtung 211 samt
Leiterplatte 213 dargestellt. Im Prinzip ähnlich
aufgebaute Piezo-Sensorelemente 222 mit Oberseiten 223 sind
dabei im Vergleich zu der Längsachse, entlang derer sich
sowohl in 3 als auch in 5 die
Sensorelemente befinden um etwa 30° verkippt. Da die Durchbiegung der
Blende bei Ausübung des Fingerdrucks nicht nur rein punktuell
ist, sondern sich über einen gewissen Bereich erstreckt,
und dieser Bereich bei Bewegung entlang der Längsrichtung
der Anordnung der Piezo-Sensorelement 222 sozusagen ebenfalls
eine gewisse Erstreckung senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung hat, überlappen
sich die Sensorelemente bzw. die an ihnen abgegriffenen Signalhübe
S stärker. Dies ist aus dem Diagramm aus 6 zu
ersehen, wo die Überlappung Ü jeweils erheblich
breiter ist als in 4. Dies ist also der eingangs
genannte Vorteil der Schrägstellung von länglichen
bzw. länglich-rechteckigen Sensorelementen. Die Position
eines Fingers mit Druck zwischen den Sensorelementen kann hier nämlich
besser erfasst werden, da in dem Zwischenraum zwischen dem Sensorelement, also
im Bereich der Überlappung Ü, ein größerer
Signalhub S vorliegt.
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In 7 ist
in dem Schaltdiagramm dargestellt, wie eine Impedanzwandlung bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Signalauswertung
eines Piezo-Sensorelements 22 ausgebildet sein kann. Es
ist zu erkennen, wie die Massekontakt-Leiterbahn 26 über
einen Widerstand R3 gegen Masse geführt ist, während über
den Widerstand R1 eine Gleichspannungsquelle V1 damit verbunden
ist. Über den Widerstand R5 sind Massekontakte 26 und
Anschlüsse 29 verbunden. Des weiteren geht dieser
Anschluss an die Basis eines Transistors T1 und ist auch über
den Kondensator C1 an Masse gelegt. An dem Transistor T1 liegt über
den Widerstand R2 die Versorgungsspannung V1 an, gleichzeitig ist
er über einen Widerstand R4 an Masse angeschlossen. Ein Signalausgang
TOut1 geht von der Schaltung an einen Eingang
In1 einer Steuerung 33, die in
einem Mikrocontroller ausgebildet ist. Des weiteren gehen Signalausgänge
der anderen Piezo-Sensorelemente 22 genauso an die Steuerung 33,
wie durch den Signalausgang TOut2 dargestellt
ist. Die Funktion dieser Impedanzwandlung ist leicht verständlich.
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Da
die Signalgewinnung auf dem Piezoeffekt der Piezo-Sensorelemente 22 basiert,
werden zwar relativ hohe Signalspannungen, aber sehr kleine Signalströme
zurückgeliefert. Für eine elektronische Auswertung
ist daher die beschriebene vorherige Impedanzwandlung von Vorteil.
Dazu wurde die MOSFET-Schaltung gemäß 7 entwickelt,
welche relativ kostengünstig realisiert werden kann. Die
Signalausgänge TOut können
dann direkt an den A/D-Wandlereingang des Mikrocontrollers 33 geschaltet
werden.
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In 8 ist
dargestellt, wie losgelöst von einer Signalaufbereitung
an einem einzelnen Piezo-Sensorelement 22 mit einem erfindungsgemäßen Differenzen-Messverfahren
Signale ausgewertet werden können. Insbesondere kann so
sowohl bei einer punktförmigen Betätigung als
auch bei einer vorgenannten Slider-Betätigung die Auswertung
verbessert werden.
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Dazu
ist ein erstes Piezo-Sensorelement 22a an den Minus-Eingang
eines OP-Verstärkers 35a angeschlossen. Der Anschluss 29b eines
zweiten Piezo-Sensorelements 22b ist sowohl an den Plus-Eingang
des selben OP-Verstärkers 35a als auch an den
Minus-Eingang eines zweiten OP-Verstärkers 35b angeschlossen.
Der Anschluss 29c eines dritten Piezo-Sensorelements 22c ist
an den Plus-Eingang des OP-Verstärkers 35b angeschlossen.
Dies kann für weitere Piezo-Sensorelemente beliebig fortgesetzt
werden.
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Das
Ausgangssignal mit der Differenz der Signale des zweiten Piezo-Sensorelements 22b und des
ersten Piezo-Sensorelements 22a bildet den Ausgang des
OP-Verstärkers 35a. Beim OP-Verstärker 35b ist
es die Differenz zwischen den Signalen des dritten Piezo-Sensorelements 22c und
des zweiten Piezo-Sensorelements 22b. Diese Signaldifferenzen
gehen an einen Signaleingang In(n) der Steuerung 33 zur
Auswertung, an welcher Stelle bzw. an welchem Sensorelement 22 die
Betätigung stattgefunden hat.
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Ein
wesentliches Merkmal für einen einwandfreien und störeinflussunabhängigen
Betrieb der Bedieneinrichtung ist eine intelligente Signalaufbereitung.
Störeinflüsse können EMV-Einflüsse
wie beispielsweise Burst-Beaufschlagung sein. Da die hier beschriebene
Bedieneinrichtung auf Piezo-Technologie basiert, handelt es sich
sozusagen um eine akustische Einheit, welche auch akustischen Störeinflüssen
ausgesetzt ist. Diese sind vielfältig und können
Körperschallbeaufschlagung durch Motorbrummen, Klopfen
auf das Bedienblech, Luftschall etc. sein.
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Um
eine Möglichkeit der Kompensation der Störgrößen
bzw. Störeinflüsse zu finden, kann eine theoretische
Betrachtung über das zeitliche Verhalten der Störbeaufschlagung
bzw. des Störgrößeneintrages auf die
einzelnen Sensorelemente angestellt werden. Wenn man davon ausgeht,
dass die Schallgeschwindigkeit in einem Körper, also beispielsweise bei
einem Bedien-Feld aus Metall, ein vielfaches höher ist
als die Ge schwindigkeit der Bedienung, also des Auflegens eines
Fingers, so kann man davon ausgehen, dass die Amplitudenänderung
durch Störeinkopplung nahezu gleichphasig an jedem Piezo-Sensorelement
anliegt, also die Signaländerung bei allen Sensorelementen
sozusagen in der gleichen Richtung stattfindet.
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Von
diesem Sachverhalt ausgehend, kann ein Verfahren zur Eliminierung
der Störeinflüsse angewendet werden, indem man
zwischen benachbarten Sensorelementen die beschriebene Signaldifferenz
bildet. Bei gleicher Signaländerung durch Störeinflüsse
wird die Signalsumme dann gleich Null. Wird aber ein Sensorelement
ordnungsgemäß betätigt, so erfährt
dieses einen anderen Signalhub als die benachbarten Sensorelemente
und die Signaldifferenz wird eindeutig positiv oder negativ, je
nach Drücken oder Loslassen des Sensorelements.
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Zur
Erhöhung der Kompensation der Störeinflüsse
kann diese Differenzbildung beliebig auch zwischen mehreren benachbarten
Sensorelementen durchgeführt werden. Dabei gilt, dass das
gedrückte Sensorelement gegenüber allen anderen
Sensorelementen nach Differenzbildung immer ein Maximum bilden muss,
siehe 8.
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In
einem Versuchsaufbau wurde die Wirkung dieser Art von Kompensation über
eine Signaldifferenzbildung mittels Operationsverstärkerschaltung mit
nachgeschalteter Signalverstärkung nachgewiesen. Es konnte
ein sehr guter Abstand zwischen Nutzsignal und Störsignal,
also Signal-Störabstand, erreicht werden. Dadurch konnte
einerseits die Bedieneinrichtung sehr druckempfindlich gestaltet
werden und andererseits zeigte sich, dass der Einfluss durch Druck
auf die benachbarten Sensorelemente aufgrund der Gesamtdurchbiegung
der Blende nahezu eliminiert werden konnte.
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Bei
der späteren Anwendung kann die Störgrößenkompensation
durch Differenzbildung sinnvollerweise im Mikrocontroller kostengünstig
durch geführt werden. Als elektronische Beschaltung ist
dann lediglich für jedes Sensorelement eine Impendanzwandlung
gemäß 7 erforderlich, welche bereits
eine Signalverstärkung beinhaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19811372
A1 [0002, 0014]
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