DE102013206100A1

DE102013206100A1 - Annäherungsschalter mit differentialkontaktoberfläche

Info

Publication number: DE102013206100A1
Application number: DE102013206100A
Authority: DE
Inventors: Stuart C. Salter; Pietro Buttolo; Cornel Lewis Gardner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9197206B2; US20130271204A1; CN103378837A; CN103378837B

Abstract

Es werden eine Annäherungsschalteranordnung und ein Verfahren zum Aktivieren eines Annäherungsschalters geschaffen. Die Anordnung enthält einen Annäherungssensor, der ein Signal erzeugt, und eine Kontaktoberfläche in der Nähe des Annäherungssensors, die ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung aufweist. Außerdem enthält der Annäherungsschalter eine Steuerschaltungsanordnung, die das Signal verarbeitet, um eine differentielle Zunahme des Aktivierungssignals, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt, zu erfassen. Die Steuerschaltungsanordnung erfasst die Aktivierung des Schalters aufgrund dessen, dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt. Ferner kann die Aktivierung aufgrund eines stabilen Signals bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Schalter und insbesondere auf Annäherungsschalter mit einer verbesserten Bestimmung der Schalteraktivierung.
Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit verschiedenen durch Nutzer zu betätigenden Schaltern wie etwa Schaltern zum Betreiben von Vorrichtungen einschließlich elektrischer Fensterheber, Scheinwerfer, Scheibenwischer, Schiebedächer oder Sonnendächer, der Innenraumbeleuchtung, Radio- und Infotainmentvorrichtungen und verschiedener anderer Vorrichtungen ausgestattet. Im Allgemeinen müssen diese Arten von Schaltern durch einen Nutzer betätigt werden, um eine Vorrichtung zu aktivieren oder zu deaktivieren oder um eine Art einer Steuerfunktion auszuführen. Annäherungsschalter wie etwa kapazitive Schalter nutzen einen oder mehrere Annäherungssensoren, um ein Abfühlaktivierungsfeld zu erzeugen und um Änderungen an dem Aktivierungsfeld, die eine Nutzerbetätigung des Schalters angeben, die üblicherweise durch Finger eines Nutzers in nächster Nähe oder in Kontakt mit dem Sensor verursacht wird, abzufühlen. Üblicherweise sind kapazitive Schalter zum Erfassen einer Nutzerbetätigung des Schalters aufgrund eines Vergleichs des Erfassungsaktivierungsfelds mit einem Schwellenwert konfiguriert.
Häufig nutzen Schalteranordnungen mehrere kapazitive Schalter in nächster Nähe zueinander, wobei sie allgemein erfordern, dass ein Nutzer einen einzelnen gewünschten kapazitiven Schalter auswählt, um die beabsichtigte Operation auszuführen. In einigen Anwendungen wie etwa bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug besitzt der Fahrer des Fahrzeugs wegen der Ablenkung des Fahrers beschränkte Fähigkeit, die Schalter zu sehen. In solchen Anwendungen ist es erwünscht zu ermöglichen, dass der Nutzer die Schalteranordnung auf eine bestimmte Schaltfläche hin untersucht, während eine vorzeitige Bestimmung der Schalteraktivierung vermieden wird. Somit ist es erwünscht zu unterscheiden, ob der Nutzer einen Schalter zu aktivieren beabsichtigt oder einfach auf eine spezifische Schalterschaltfläche hin untersucht, während er sich auf eine Aufgabe mit höherer Priorität wie etwa das Fahren konzentriert oder keinen Schalter zu aktivieren beabsichtigt.
Dementsprechend ist es erwünscht, eine Annäherungsschalteranordnung zu schaffen, die die Verwendung von Annäherungsschaltern durch eine Person wie etwa einen Fahrer eines Fahrzeugs verbessert.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Annäherungsschalter geschaffen. Der Annäherungsschalter enthält einen Annäherungssensor, der ein Signal erzeugt. Außerdem enthält der Annäherungssensor eine Kontaktoberfläche in der Nähe des Annäherungssensors, die ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung aufweist. Ferner enthält der Annäherungsschalter eine Steuerschaltungsanordnung, die das Signal verarbeitet, um eine differentielle Zunahme des Signals zu erfassen, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt. Die Steuerschaltungsanordnung erfasst aufgrund dessen, dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt, die Aktivierung des Schalters.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aktivieren eines Annäherungsschalters geschaffen. Das Verfahren enthält den Schritt des Bereitstellens eines Annäherungssensors, der ein Signal erzeugt. Außerdem enthält das Verfahren die Schritte des Bereitstellens einer Kontaktoberfläche mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung in der Nähe des Annäherungssensors und des Verarbeitens des Signals zum Erfassen einer differentiellen Zunahme des Signals, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt. Ferner enthält das Verfahren den Schritt des Erfassens der Aktivierung des Schalters aufgrund dessen, dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt.
Diese und weitere Aspekte, Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden vom Fachmann auf dem Gebiet beim genauen Lesen der folgenden Beschreibung, der Ansprüche und der beigefügten Zeichnungen verstanden und gewürdigt.
In den Zeichnungen ist:
1 eine perspektivische Ansicht eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, der eine Dachkonsole aufweist, die eine Annäherungsschalteranordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform aufweist;
2 eine vergrößerte Ansicht der in 1 gezeigten Dachkonsole und Annäherungsschalteranordnung;
3 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie III-III in 2, die eine Anordnung von Annäherungsschaltern in Bezug zum Finger eines Nutzers zeigt;
4 eine schematische Darstellung eines in jedem der in 3 gezeigten kapazitiven Schalter genutzten kapazitiven Sensors;
5 ein Blockschaltplan, der die Annäherungsschalteranordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt;
6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der kapazitiven Schalter mit einer Kontaktoberfläche mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform;
7 eine Querschnittsansicht längs der Linie VII-VII in 6;
8 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines kapazitiven Sensors mit einer Kontaktoberfläche mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform;
9 eine Querschnittsansicht längs der Linie IX-IX aus 8;
10 ein Graph, der das einem Annäherungssensor zugeordnete Signal, während ein Nutzer einen Finger über den Sensor schiebt, in einer Untersuchungsbetriebsart darstellt;
11 ein Graph, der ein dem Annäherungsschalter zugeordnetes Signal, wenn der Nutzer einen festen Druck des Schalters ausführt, darstellt; und
12 ein Ablaufplan, der eine Routine zum Aktivieren eines Annäherungsschalters mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt.
Nach Bedarf werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings sind die offenbarten Ausführungsformen selbstverständlich lediglich beispielhaft für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendig für einen genauen Entwurf; einige schematische Darstellungen können überhöht oder minimiert sein, um eine Funktionsübersicht zu zeigen. Somit sind die spezifischen hier offenbarten Struktur- und Funktionseinzelheiten nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann auf dem Gebiet die verschiedenartige Nutzung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
In 1 und 2 ist allgemein der Innenraum eines Kraftfahrzeugs 10 dargestellt, der einen Fahrgastraum und eine Schalteranordnung 20, die mehrere Annäherungsschalter 22 nutzt, die eine Schalteraktivierungsüberwachung und -bestimmung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform aufweisen, aufweist. Das Fahrzeug 10 enthält allgemein eine Dachkonsole 12, die an dem Dachhimmel an der Unterseite des Dachs oder der Decke an der Oberseite des Fahrzeugfahrgastraums, allgemein über dem vorderen Fahrgastsitzbereich, montiert ist. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist die Schalteranordnung 20 mehrere Annäherungsschalter 22 auf, die in der Dachkonsole 12 nahe beieinander angeordnet sind. Die verschiedenen Annäherungsschalter 22 können irgendwelche einer Anzahl von Fahrzeugvorrichtungen und -funktionen steuern wie etwa die Bewegung eines Sonnendachs oder Schiebedachs 16 steuern, die Bewegung des Schiebedachschirms 18 steuern, die Aktivierung einer oder mehrerer Beleuchtungsvorrichtungen wie etwa einer Innenraum-Kartenleuchte/Leseleuchte und einer Innenraumdeckenleuchte 30 steuern und verschiedene andere Vorrichtungen und Funktionen steuern. Allerdings wird gewürdigt werden, dass sich die Annäherungsschalter 22 in Übereinstimmung mit verschiedenen Fahrzeuganwendungen an einem anderen Ort in dem Fahrzeug 10 wie etwa in dem Armaturenbrett, an anderen Konsolen wie etwa einer Mittelkonsole, an einer Tür, integriert in eine Berührungsbildschirmanzeige 14 für ein Radio- oder Infotainmentsystem wie etwa eine Navigations- und/oder Audioanzeige befinden können oder anderswo an Bord des Fahrzeugs 10 befinden können.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform sind die Annäherungsschalter 22 hier als kapazitive Schalter gezeigt und beschrieben. Jeder Annäherungsschalter 22 enthält wenigstens einen Annäherungssensor, der ein Abfühlaktivierungsfeld zum Abfühlen des Kontakts oder der nächsten Nähe (z. B. innerhalb eines Millimeters) eines Nutzers in Bezug auf den einen oder die mehrere Annäherungssensoren wie etwa einer Streifbewegung des Fingers eines Nutzers bereitstellt. Wie für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein sollte, ist das Abfühlaktivierungsfeld jedes Annäherungsschalters 22 in der beispielhaften Ausführungsform somit ein kapazitives Feld, wobei der Finger eines Nutzers Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit und dielektrische Eigenschaften aufweist, die eine Änderung oder Störung in dem Abfühlaktivierungsfeld veranlassen. Allerdings wird vom Fachmann auf dem Gebiet gewürdigt werden, dass zusätzliche oder alternative Typen von Annäherungssensoren wie etwa, aber nicht beschränkt auf, induktive Sensoren, optische Sensoren, Temperatursensoren, Widerstandssensoren oder Ähnliches oder eine Kombination davon verwendet werden können. Beispielhafte Annäherungssensoren sind in dem ATMEL® Touch Sensors Design Guide 10620 D-AT42-04/09, 9. April 2009, beschrieben, dessen gesamte Bezugnahme hier durch Literaturhinweis eingefügt ist.
Die in 1 und 2 gezeigten Annäherungsschalter 22 stellen jeweils eine Steuerung einer Fahrzeugkomponente oder einer Vorrichtung bereit oder stellen eine bestimmte Steuerfunktion bereit. Einer oder mehrere der Annäherungsschalter 22 können der Steuerung der Bewegung eines Sonnendachs oder Schiebedachs 16 in der Weise, dass auf der Grundlage eines Steueralgorithmus veranlasst wird, dass sich das Schiebedach 16 in einer Öffnungs- oder Schließrichtung bewegt, dass das Schiebedach gekippt wird oder dass die Bewegung des Schiebedachs angehalten wird, gewidmet sein. Einer oder mehrere andere Annäherungsschalter 22 können der Steuerung der Bewegung eines Schiebedachschirms 18 zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung gewidmet sein. Sowohl das Schiebedach 16 als auch der Schirm 18 können in Reaktion auf eine Betätigung des entsprechenden Annäherungsschalters 22 durch einen Elektromotor betätigt werden. Andere Annäherungsschalter 22 können dem Steuern anderer Vorrichtungen wie etwa dem Einschalten einer Innenraum-Kartenleuchte/Leseleuchte 30, dem Ausschalten einer Innenraum-Kartenleuchte/Leseleuchte 30, dem Ein- und Ausschalten einer Innenraumdeckenleuchte, dem Entriegeln eines Kofferraums, dem Öffnen einer Heckklappe oder dem Abschalten eines Türlichtschalters gewidmet sein. Zusätzliche Steuerungen über die Annäherungsschalter 22 können das Betätigen elektrischer Türfensterheber nach oben und unten enthalten. Mittels der hier beschriebenen Annäherungsschalter 22 können verschiedene andere Fahrzeugsteuerungen gesteuert werden.
In 3 ist ein Abschnitt der Annäherungsschalteranordnung 20 dargestellt, der eine Anordnung dreier hintereinander angeordneter Annäherungsschalter 22 in enger Beziehung zueinander in Bezug auf den Finger 34 eines Nutzers während der Verwendung der Schalteranordnung 20 aufweist. Jeder Annäherungsschalter 22 enthält einen oder mehrere Annäherungssensoren 24, um ein Abfühlaktivierungsfeld zu erzeugen. Die Annäherungssensoren 24 können auf der oberen Oberfläche, die der Unterseitenkontaktoberfläche gegenüberliegt, der Polymerdachkonsole gebildet sein. Die Unterseite der Dachkonsole 12 weist für jeden Schalter 24, der ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung, das in einer Ausführungsform als ringförmige Mulde gezeigt ist, enthält, eine Kontaktoberfläche auf. Außerdem ist jeder Schalter 22 mit einer Beleuchtungsvorrichtung 70, die sich wie gezeigt auf der oberen Oberfläche für die Hintergrundbeleuchtung jedes Schalters 22 befindet, gezeigt.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform kann jeder der Annäherungssensoren 24 dadurch gebildet werden, dass leitende Tinte auf die obere Oberfläche der Polymerdachkonsole 12 gedruckt wird. Ein Beispiel eines Annäherungssensors 24 mit gedruckter Tinte ist in 4 gezeigt und weist allgemein eine Ansteuerelektrode 26 und eine Empfangselektrode 28 auf, die jeweils ineinandergreifende Finger zum Erzeugen eines kapazitiven Felds 32 aufweisen. Es wird gewürdigt werden, dass jeder der Annäherungssensoren 24 in Übereinstimmung mit anderen Ausführungsformen auf andere Weise wie etwa durch Montieren einer vorgeformten leitenden Leitungsbahn auf einem Substrat gebildet werden kann. Die Ansteuerelektrode 26 empfängt Rechteckschwingungs-Ansteuerimpulse, die mit der Spannung V_I angelegt werden. Die Empfangselektrode 28 weist einen Ausgang zum Erzeugen einer Ausgangsspannung V_O auf. Es wird gewürdigt werden, dass die Elektroden 26 und 28 in verschiedenen anderen Konfigurationen angeordnet sein können, um das kapazitive Feld als das Aktivierungsfeld 32 zu erzeugen.
In der hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsform wird an die Ansteuerelektrode 26 jedes Annäherungssensors 24 eine Spannungseingabe V_I als Rechteckschwingungsimpulse, die einen Ladeimpulszyklus aufweisen, der ausreicht, die Empfangselektrode 28 auf eine gewünschte Spannung zu laden, angelegt. Dadurch dient die Empfangselektrode 28 als eine Messelektrode. In der gezeigten Ausführungsform überschneiden sich angrenzende Abfühlaktivierungsfelder 32, die durch angrenzende Annäherungsschalter 22 erzeugt werden, etwas, wobei die Überschneidung in anderen Ausführungsformen aber nicht vorhanden zu sein braucht. Wenn ein Nutzer oder Betreiber wie etwa der Finger 34 des Nutzers in ein Aktivierungsfeld 32 eintritt, erfasst die Annäherungsschalteranordnung 20 die durch den Finger 34 an dem Aktivierungsfeld 32 verursachte Störung und bestimmt sie, ob die Störung ausreicht, um den entsprechenden Annäherungsschalter 22 zu aktivieren. Die Störung des Aktivierungsfelds 32 wird dadurch erfasst, dass das dem entsprechenden Signalkanal zugeordnete Ladungsimpulssignal verarbeitet wird. Wenn der Finger 34 des Nutzers zwei Aktivierungsfelder 32 berührt, erfasst die Annäherungsschalteranordnung 20 die Störung beider berührter Aktivierungsfelder 32 über getrennte Signalkanäle. Jeder Annäherungsschalter 22 weist seinen eigenen dedizierten Signalkanal auf, der Ladungsimpulszählwerte erzeugt, die wie hier diskutiert verarbeitet werden.
In 5 ist die Annäherungsschalteranordnung 20 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dargestellt. Es sind mehrere Annäherungssensoren 24 gezeigt, die Eingaben in einen Kontroller 40 wie etwa in einen MikroKontroller bereitstellen. Der Kontroller 40 kann eine Steuerschaltungsanordnung wie etwa einen Mikroprozessor 42 und einen Speicher 48 enthalten. Die Steuerschaltungsanordnung kann eine Erfassungssteuerschaltungsanordnung enthalten, die das Aktivierungsfeldsignal jedes Sensors 22 verarbeitet, um durch Vergleichen des Aktivierungsfeldsignals mit einem oder mit mehreren Schwellenwerten gemäß einer oder mehreren Steuerroutinen eine Nutzeraktivierung des entsprechenden Schalters zu erfassen. Es wird gewürdigt werden, dass eine andere analoge und/oder digitale Steuerschaltungsanordnung genutzt werden kann, um jedes Aktivierungsfeldsignal zu verarbeiten, die Nutzeraktivierung zu bestimmen und eine Aktion zu initiieren. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform kann der Kontroller 40 ein QMatrix-Erfassungsverfahren nutzen, das von ATMEL^® verfügbar ist. Das ATMEL-Erfassungsverfahren nutzt einen WINDOWS^®-Host-C/C++-Compiler und -Debugger WinAVR, um die Entwicklung zu vereinfachen, und zum Testen das Hilfsmittel Hawkeye, das die Überwachung des internen Zustands kritischer Variablen in der Software sowie das Erheben von Protokollen von Daten für die Nachverarbeitung in Echtzeit zulässt.
Der Kontroller 40 stellt für eine oder mehrere Vorrichtungen, die zum Ausführen dedizierter Aktionen in Reaktion auf die erfasste Aktivierung eines Annäherungsschalters konfiguriert sind, ein Ausgangssignal bereit. Die eine oder die mehreren Vorrichtungen können z. B. ein Schiebedach 16 mit einem Motor zum Bewegen der Schiebedachscheibe zwischen einer offenen und einer geschlossenen und einer geneigten Stellung, einen Schiebedachschirm 18, der sich zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bewegt, und Beleuchtungsvorrichtungen 30, die ein- und ausgeschaltet werden können, enthalten. Es können andere Vorrichtungen wie etwa ein Radio zum Ausführen von Ein- und Aus-Funktionen, zur Lautstärkesteuerung, zur Sendersuche und andere Typen von Vorrichtungen zum Ausführen anderer dedizierter Funktionen gesteuert werden. Einer der Annäherungsschalter 22 kann dem Betätigen des Schiebedachs, um es zu schließen, gewidmet sein, ein anderer Annäherungsschalter 22 kann dem Betätigen des Schiebedachs, um es zu öffnen, gewidmet sein und ein weiterer Schalter 22 kann dem Betätigen des Schiebedachs in eine geneigte Stellung gewidmet sein, wobei diese alle veranlassen, dass ein Motor das Schiebedach in eine gewünschte Stellung bewegt. Der Schiebedachschirm 18 kann in Reaktion auf einen Annäherungsschalter 22 geöffnet werden und kann in Reaktion auf einen anderen Annäherungsschalter 22 geschlossen werden.
Ferner ist der Kontroller 40 mit einem mit dem Mikroprozessor 42 gekoppelten Analog/Digital-Komparator (A/D-Komparator) 44 gezeigt. Der A/D-Komparator 44 empfängt die Spannungsausgabe V_O von jedem der Annäherungsschalter 22, setzt das analoge Signal in ein digitales Signal um und stellt das digitale Signal für den Mikroprozessor 42 bereit. Außerdem enthält der Kontroller 40 einen Impulszähler 46, der mit dem Mikroprozessor 42 gekoppelt ist. Der Impulszähler 46 zählt die Ladungssignalimpulse, die an jede Ansteuerelektrode jedes Annäherungssensors angelegt werden, führt eine Zählung der Impulse aus, die notwendig sind, um den Kondensator zu laden, bis die Spannungsausgabe V_O eine vorgegebene Spannung erreicht, und stellt den Zählwert für den Mikroprozessor 42 bereit. Der Impulszählwert gibt die Kapazitätsänderung des entsprechenden kapazitiven Sensors an. Ferner ist der Kontroller 40 in Kommunikation mit einem impulsbreitenmodulierten Ansteuerpuffer 15 gezeigt. Der Kontroller 40 stellt für den impulsbreitenmodulierten Ansteuerpuffer 15 ein impulsbreitenmoduliertes Signal bereit, um eine Rechteckschwingungs-Impulsfolge V_I zu erzeugen, die an jede Ansteuerelektrode jedes Annäherungssensors/-schalters 22 angelegt wird. Der Kontroller 40 verarbeitet eine oder mehrere Steuerroutinen, die in der Weise gezeigt sind, dass sie die im Speicher gespeicherte Steuerroutine 100, um einen der Annäherungsschalter zu überwachen und eine Bestimmung hinsichtlich seiner Aktivierung vorzunehmen, enthalten.
Die Steuerroutine 100 verarbeitet die verschiedenen Annäherungsschalter 22 und führt ein Verfahren zum Abfühlen einer Nutzereingabe an den Sensoren und zur Bestimmung der Aktivierung eines der Annäherungsschalteranordnung 20 zugeordneten Annäherungsschalters aus. Das Verfahren enthält die Schritte des Erzeugens eines Aktivierungsfelds mit jedem von mehreren Annäherungssensoren und des Erfassens eines Signals von jedem mehrerer Annäherungssensoren, die den Annäherungsschaltern zugeordnet sind, wegen einer Anwesenheit eines Nutzers. Das Verfahren enthält das Vergleichen des Signals mit einem Schwellenwert und das Weiterverarbeiten des Signals zum Erfassen einer differentiellen Zunahme des Signals, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche, die ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung aufweist, angibt. Das Verfahren erfasst die Aktivierung des Schalters, wenn das Signal einen Schwellenwert übersteigt und wenn das Differentialsignal den Differentialschwellenwert übersteigt. Ferner erfasst das Verfahren einen im Wesentlichen stabilen Zustand des Signals nach Erfassung der Differentialsignalzunahme und aktiviert es den Schalter ferner aufgrund des Vorhandenseins eines im Wesentlichen stabilen Zustands. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform kann der im Wesentlichen stabile Zustand erfassen, dass das Signal für eine Zeitdauer von wenigstens 100 Millisekunden auf einem konstanten Wert ist.
In 6 und 7 ist einer der Annäherungsschalter 22 mit einer Berührungsdruckflächen-Kontaktoberfläche 50, die auf der Oberseite eines Substrats 12 in der Nähe des Annäherungssensors gezeigt ist, dargestellt. Die Kontaktoberfläche 50 enthält ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung, das als ein Differentialsignalverstärkungsmerkmal mit einer Oberflächenkontur, die das Überstreichen der Berührungsdruckflächen-Kontaktoberfläche 50 zulässt, dient. In dieser Ausführungsform weist der kapazitive Schalter 22 eine Berührungskontaktoberfläche 50 auf, die auf der Schnittstellenseite des Substrats 12 mit einer ringförmigen Aussparung oder mit einer ringförmigen Mulde 52 als das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung, das zu einer isolierten Mittelscheibe 54 führt, gebildet ist. Die Mulde 52 ist eine Aussparung in der Kontaktoberfläche 50, deren Höhe im Vergleich zu den anderen Abschnitten der Kontaktoberfläche 50 geringer ist. Wie gezeigt ist, kann die Mulde 52 mit abgerundeten Kanten gebildet sein, um zu ermöglichen, dass der Finger eines Nutzers problemlos über die Kontaktoberfläche 50 gleitet. Die Mulde 52 weist eine ausreichende Breite auf, um zu ermöglichen, dass wenigstens ein Abschnitt des Fingers eines Nutzers teilweise in die Mulde verläuft, wenn der Finger mit erhöhter Kraft fest auf die Kontaktoberfläche 50 gedrückt wird. Der Annäherungssensor 24 ist in der Nähe der Kontaktoberfläche 50 bereitgestellt. In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der Sensor 24 auf dem Substrat 12 auf der gegenüberliegenden Seite der Kontaktoberfläche 50 allgemein in der Nähe der Mulde 52. Somit weist die Kontaktoberfläche 50 der Berührungsdruckfläche eine Oberflächenabweichung auf, die ermöglicht, dass ein Finger eines Nutzers während einer Untersuchungsbewegung über die Kontaktoberfläche 50 streicht, und die ermöglicht, dass der Finger auf der Berührungsdruckfläche niedergedrückt wird, so dass der Finger, der aus biegsamem Gewebe besteht, in die Mulde 52 eindringen kann, um die Interaktion mit dem abgefühlten Aktivierungsfeld zu erhöhen, was zu einem erhöhten Differentialsignal führt. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform kann die ringförmige Mulde 52 eine Breite von einem oder zwei Millimetern aufweisen.
Ferner ist die Kontaktoberfläche mit einer an ihrer hinteren Oberfläche bereitgestellten Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung 70 gezeigt. Die Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung 70 kann genutzt werden, um einen Mittelabschnitt wie etwa die Mittelscheibe 54 zu beleuchten, um die Berührungsdruckfläche und ein Symbol 72 zu erleuchten. Die Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung 70 kann eine oder mehrere LEDs enthalten. In der isolierten Scheibe 54 enthalten ist ein Symbol 72 in Form eines Bildanzeigers, das die Schalterfunktion angeben kann, gezeigt. Die Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung 70 kann das Symbol 72 in der Weise erleuchten, dass das Symbol 72 für einen Nutzer leicht sichtbar ist.
In 8 und 9 ist ein Annäherungsschalter 22 mit einer Kontaktoberfläche mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung, das ein Differentialsignalverstärkungsmerkmal bereitstellt, in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Kontaktoberfläche 50 mit einer ringförmigen vorstehenden erhöhten Oberfläche 60 gebildet. In Ergebnis ist innerhalb der vorstehenden Wand 60 ein kreisförmiges tiefliegendes Gebiet 62 gebildet. Das erhöhte Oberflächenmerkmal 60 ermöglicht, dass ein Finger eines Nutzers während einer normalen Untersuchungsaktion mit wenig Ausdehnung in das Mittelgebiet 62 über den erhöhten ringförmigen Abschnitt 60 streicht. Wenn ein Betreiber den Schalter 22 mit einer festen Berührungsbewegung aktiviert, reicht der Finger in das offene Gebiet 62 und erhöht dadurch die Interaktion mit dem dem Sensor zugeordneten Abfühlaktivierungsfeld. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform kann das differentiell erhöhte Oberflächenänderungsmerkmal 60 eine Höhe von einem bis zwei Millimetern und einen Durchmesser von etwa 5 bis 20 Millimetern aufweisen.
Obwohl hier das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung, das eine ringförmige Aussparung und einen erhöhten ringförmigen Abschnitt erhält, gezeigt und beschrieben worden ist, wird gewürdigt werden, dass andere Höhenänderungen in der Kontaktoberfläche als das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung dienen können. Zum Beispiel kann das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung andere Formen und Größen, die in Bezug auf die Berührungsdruckflächen-Kontaktoberfläche 50 nach außen oder innen verlaufen, enthalten. In Übereinstimmung mit weiteren Ausführungsformen können zusätzlich mehrere komplexe Höhenänderungsebenen genutzt werden.
In 10 und 11 ist die Änderung der Sensorladungsimpuls-Zählwerte, die für ein einem in 6 und 7 gezeigten Annäherungsschalter 22 zugeordnetes Signal als Δ Sensorzählwert gezeigt ist, in einem Beispiel dargestellt. Die Änderung des Sensorladungsimpuls-Zählwerts (Δ Sensorzählwert) ist die Differenz zwischen einem initialisierten Referenzzählwert, ohne dass irgendein Finger oder anderes Objekt in dem Aktivierungsfeld vorhanden ist, und der entsprechenden Sensorablesung. In diesem Beispiel tritt der Finger des Nutzers in das dem Annäherungsschalter 22 zugeordnete Aktivierungsfeld 32 ein, während sich der Finger des Nutzers über den Schalter bewegt. Das durch die durchgezogene Linie 80 gezeigte Signal ist die Änderung (Δ) des dem entsprechenden kapazitiven Sensor 24 zugeordneten Sensorladungsimpuls-Zählwerts. In der offenbarten Ausführungsform sind die Annäherungssensoren 24 kapazitive Sensoren. Wenn ein Finger eines Nutzers in Kontakt mit dem Sensor 24 oder in seiner nächsten Nähe ist, ändert der Finger die bei dem entsprechenden Sensor 24 gemessene Kapazität. Die Kapazität ist parallel zu der parasitären Kapazität der unberührten Sensordruckfläche und wird somit als ein Versatz gemessen. Die vom Nutzer oder Betreiber induzierte Kapazität ist proportional zur Dielektrizitätskonstante des Fingers oder anderen Körperteils des Nutzers, wobei die Oberfläche zu der kapazitiven Druckfläche freiliegt, und ist umgekehrt proportional zu der Entfernung des Körperglieds des Nutzers zu der Schalterschaltfläche. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform wird jeder Sensor mit einer Spannungsimpulsfolge über eine Impulsbreitenmodulationselektronik (PWM-Elektronik) erregt, bis der Sensor bis auf ein Sollspannungspotential geladen ist. Ein solches Erfassungsverfahren lädt die Empfangselektrode auf ein bekanntes Spannungspotential. Der Zyklus wird wiederholt, bis die Spannung über den Messkondensator eine vorgegebene Spannung erreicht. Das Platzieren des Fingers eines Nutzers auf der Berührungsoberfläche des Schalters 22 führt eine externe Kapazität ein, die die Menge der in jedem Zyklus übertragenen Ladung erhöht und dadurch die Gesamtzahl von Zyklen verringert, die erforderlich sind, damit die Messkapazität die vorgegebene Spannung erreicht. Der Finger des Nutzers veranlasst, dass die Änderung des Sensorladungsimpuls-Zählwerts zunimmt, da dieser Wert auf dem initialisierten Referenzzählwert abzüglich der Sensorablesung beruht.
Die Annäherungsschalteranordnung 20 kann die Handbewegung des Nutzers erkennen, wenn die Hand, insbesondere ein Finger, in nächster Nähe zu dem Annäherungsschalter 22 ist, um zu unterscheiden, ob der Nutzer die Absicht hat, einen Schalter 22 zu aktivieren, auf eine spezifische Schalterdruckfläche hin zu untersuchen, während er sich auf Aufgaben mit höherer Priorität wie etwa das Fahren konzentriert, oder das Ergebnis einer Aufgabe wie etwa des Einstellens des Rückspiegels ist, die nichts mit der Betätigung eines Annäherungsschalters 22 zu tun hat. Die Annäherungsschalteranordnung 20 kann in einer Untersuchungs- oder Absuchbetriebsart arbeiten, die ermöglicht, dass der Nutzer die Berührungssensortastenflächen oder -schaltflächen der Schalteranordnung 20 durch Führen oder Schieben eines Fingers in nächster Nähe zu den Schaltern untersucht, ohne eine Aktivierung eines Schalters auszulösen, bis die Absicht des Nutzers bestimmt ist. Die Annäherungsschalteranordnung 20 überwacht die Amplitude des in Reaktion auf das Aktivierungsfeld erzeugten Signals, vergleicht das Signal mit einem Schwellenwert, erfasst ferner eine differentielle Zunahme des Signals, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt, und erfasst aufgrund dessen, dass das Signal den Schwellenwert übersteigt und dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt, eine Aktivierung des Schalters. Somit ist eine Untersuchung der Annäherungsschalteranordnung zugelassen, während die Aktivierung erfasst wird, so dass es den Nutzern freisteht, die Schalterschnittstellen-Druckfläche mit seinen Fingern zu untersuchen, ohne versehentlich ein Ereignis auszulösen, die Schnittstellenansprechzeit schnell ist, die Aktivierung aufgrund einer Änderungsrate des Signals bzw. der Signale geschieht und eine versehentliche Aktivierung des Schalters verhindert oder verringert wird. Es wird gewürdigt werden, dass durch die Annäherungsschalteranordnung 20 ein jedem Schalter zugeordnetes Signal verarbeitet wird, um die Aktivierung und den entsprechenden Schalter zu bestimmen.
Wie in 10 gezeigt ist, tritt der Finger 34, während der Finger 34 des Nutzers über die Kontaktoberfläche gleitet, in das dem Sensor 24 zugeordnete Aktivierungsfeld ein, was eine Unterbrechung der Kapazität verursacht und dadurch, wie durch das Signal 80 mit einem Aktivierungsbewegungsprofil gezeigt ist, zu einer Zunahme von Δ Sensorzählwert führt. Die Annäherungsschalteranordnung überwacht das Signal 80 und bestimmt aufgrund einer differentiellen Zunahme des Signals, die einen festen Druck auf die dem Schalter zugeordnete Kontaktoberfläche angibt, ob der Betreiber eine Berührungsdruckfläche oder Berührungsschaltfläche zur Aktivierung des gegenwärtigen Schalters zu drücken oder die Schnittstelle zu untersuchen beabsichtigt. Das System und das Verfahren überwachen mit einem Δ Sensorzählwert, der eine höhere Aktivität an einem Sensor als Rauschen angibt, wann das Signal 80 einen Schwellenzählwert (THRESHOLD-Zählwert), der ein aktives Signal angibt, übersteigt. Wie in 10 zu sehen ist, übersteigt das Signal Δ Sensorzählwert den Schwellenwert für eine Zeitdauer, bevor es abfällt, was ein Gleiten oder eine Untersuchung des Fingers des Nutzers über den Sensor angibt.
In 11 ist das Signal 80 gezeigt, das einem Annäherungsschalter zugeordnet ist, wenn ein Finger eines Nutzers über den Schalter gleitet, anhält und einen festen Druck auf die Schalterkontaktoberfläche ausführt. Das Signal 80 steigt bis über den Schwellenwert an, besitzt dann wie gezeigt eine stabile Zeitdauer t_stable mit einem im Wesentlichen konstanten Wert, bevor es während des festen Drucks bis auf einen mit C_peak bezeichneten Spitzenwert ansteigt. Die Differenz des Signalanstiegs von C_base auf C_peak ist die als C_vb gezeigte Differentialsignalamplitude. Die Differentialsignalzunahme C_vb gibt einen festen Druck durch den Finger des Nutzers auf die Kontaktoberfläche an, in dem der Finger des Nutzers in die unteren erhöhten offenen Gebiete verläuft, die durch das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung bereitgestellt sind. Wenn die Differentialsignalzunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt, wird eine Aktivierung des Signals erfasst.
In 12 ist eine Routine 100 zum Aktivieren eines Annäherungsschalters auf der Grundlage der Nutzerschnittstelle mit dem Schalter dargestellt. In Schritt 102 beginnt das Verfahren 100, verschiedene den mehreren Annäherungsschaltern der Annäherungsschalteranordnung zugeordnete Signalkanäle zu erfassen. In Schritt 104 bestimmt die Routine 100 den Maximalsignalkanal Ch. Daraufhin geht die Routine 100 zum Entscheidungsschritt 106 über, um zu bestimmen, ob der Maximalsignalkanal Ch größer als ein Schwellenwert ist, und endet sie in Schritt 118, wenn das nicht der Fall ist. Falls der Maximalsignalkanal Ch größer als der Schwellenwert ist, geht die Routine 100 zum Entscheidungsschritt 108 über, um zu bestimmen, ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem Maximalkanal Ch und dem Durchschnittssignalkanal Ch_avg kleiner als ein stabiler Wert Ch_stable ist, und endet sie in Schritt 118, wenn das nicht der Fall ist. Falls der Absolutwert kleiner als Ch_stable ist, geht die Routine 100 zu Schritt 110 über, um Ch_base einzustellen, was den Basiswert für die Differentialsignalberechnung festsetzt. Nachfolgend geht die Routine 100 zum Entscheidungsschritt 112 über, um zu bestimmen, ob die Differenz des Werts von Ch_peak minus Ch_base den Differentialschwellenwert C_vb übersteigt, und endet sie in Schritt 118, wenn das nicht der Fall ist. Falls der Differentialsignalwert eine Differenz zwischen Ch_peak minus Ch_base aufweist, die größer als der Differentialschwellenwert C_vb ist, geht die Routine 100 zum Entscheidungsschritt 114 über, um zu bestimmen, ob der Absolutwert von Ch minus Ch_avg kleiner als Ch_stable ist, und endet sie in Schritt 118, wenn das nicht der Fall ist. Falls der Absolutwert kleiner als Ch_stable ist, geht die Routine 100 zu Schritt 116 über, um den Schalter zu aktivieren.
Dementsprechend bestimmen die Annäherungsschalteranordnung und das Annäherungsschalterverfahren vorteilhaft die Aktivierung der Annäherungsschalter aufgrund eines Differentialsignals, das durch ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung veranlasst wird. Vorteilhaft ermöglichen das System und das Verfahren, dass ein Nutzer die Annäherungsschalterdruckflächen untersucht, was besonders in einer Kraftfahrzeuganwendung, in der eine Fahrerablenkung vermieden werden kann, nützlich ist.
Selbstverständlich können an der obenerwähnten Struktur Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von den Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und selbstverständlich sollen solche Konzepte von den folgenden Ansprüchen erfasst sein, sofern diese Ansprüche nicht explizit etwas anderes besagen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ATMEL® Touch Sensors Design Guide 10620 D-AT42-04/09, 9. April 2009 [0023]

Claims

Annäherungsschalter, der Folgendes umfasst: einen Annäherungssensor, der ein Signal erzeugt; eine Kontaktoberfläche in der Nähe des Annäherungssensors, die ein Merkmal einer differentiellen Höhenänderung umfasst; und eine Steuerschaltungsanordnung, die das Signal verarbeitet, um eine differentielle Zunahme des Signals zu erfassen, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt, wobei die Steuerschaltungsanordnung aufgrund dessen, dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt, die Aktivierung des Schalters erfasst.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltungsanordnung das Signal mit einem Schwellenwert vergleicht und den Schalter aktiviert, wenn das Signal den Schwellenwert übersteigt und wenn das Differentialsignal den Differentialschwellenwert übersteigt.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltungsanordnung ferner einen im Wesentlichen stabilen Zustand des Signals nach Erfassung der Differentialsignalzunahme erfasst und den Schalter aufgrund der Anwesenheit des im Wesentlichen stabilen Zustands und der Tatsache, dass das Differentialsignal den Differentialschwellenwert übersteigt, aktiviert.
Annäherungsschalter nach Anspruch 3, wobei der im Wesentlichen stabile Zustand umfasst, dass das Signal für eine Zeitdauer von wenigstens 100 Millisekunden auf einem im Wesentlichen konstanten Wert ist.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung ein tiefliegendes Gebiet in der Kontaktoberfläche umfasst.
Annäherungsschalter nach Anspruch 5, wobei das tiefliegende Gebiet eine ringförmige Mulde umfasst.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung ein erhöhtes Glied umfasst, das von der Kontaktoberfläche ausgeht.
Annäherungsschalter nach Anspruch 7, wobei das erhöhte Glied ein ringförmiges Glied umfasst.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, der ferner eine Hintergrundbeleuchtung umfasst, die sich in der Nähe der Kontaktoberfläche befindet.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei der Annäherungssensor einen kapazitiven Sensor umfasst.
Annäherungsschalter nach Anspruch 1, wobei der Annäherungsschalter in einem Fahrzeug genutzt wird.
Verfahren zum Aktivieren eines Annäherungsschalters, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Annäherungssensors, der ein Signal erzeugt; Bereitstellen einer Kontaktoberfläche mit einem Merkmal einer differentiellen Höhenänderung in der Nähe des Annäherungssensors; Verarbeiten des Signals zum Erfassen einer differentiellen Zunahme des Signals, die einen festen Druck auf die Kontaktoberfläche angibt; und Erfassen der Aktivierung des Schalters aufgrund dessen, dass die differentielle Zunahme einen Differentialschwellenwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner einen Schritt des Vergleichens des Signals mit einem Schwellenwert und des Aktivierens des Schalters, wenn das Signal den Schwellenwert übersteigt und wenn das Differentialsignal den Differentialschwellenwert übersteigt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Erfassens eines im Wesentlichen stabilen Zustands des Signals nach Erfassung der Differentialsignalzunahme und des Aktivierens des Schalters aufgrund der Anwesenheit des im Wesentlichen stabilen Zustands und aufgrund dessen, dass das Differentialsignal den Differentialschwellenwert übersteigt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Erfassens eines im Wesentlichen stabilen Zustands des Signals das Erfassen eines im Wesentlichen stabilen Zustands des Signals auf einem im Wesentlichen konstanten Wert für eine Zeitdauer von wenigstens 100 Millisekunden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung ein tiefliegendes Gebiet in der Kontaktoberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das tiefliegende Gebiet eine ringförmige Mulde umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Merkmal einer differentiellen Höhenänderung ein erhöhtes Glied umfasst, das von einer Kontaktoberfläche ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erhöhte Glied ein ringförmiges Glied umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Beleuchtens des Hintergrunds der Kontaktoberfläche umfasst.