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Die Erfindung betrifft ein Eingabegerät mit einem Array von Kraftsensoren. Vorbekannte Eingabegeräte weisen eine berührempfindliche Eingabefläche auf, d.h. der berührempfindlichen Eingabefläche sind ein oder mehrere Berührsensoren zugeordnet. Diese Art von Eingabegeräten stellt auf die ausschließliche Detektion der Berührung ab, eine Information über die dabei durch den Bediener aufgebrachte Betätigungskraft steht nicht zur Verfügung. Es besteht aber zunehmend Bedarf nach solchen Eingabegeräten, bei denen der Bediener ein haptisches Feedback dann erhält, wenn der Bediener eine Eingabe auf der Eingabefläche vornimmt. Um zufällige Berührungen der Eingabefläche von intendierter Betätigung besser unterscheiden zu können und um dem an althergebrachte, mechanische Bedienelemente gewohnten Bediener ein ähnliches haptisches Feedback liefern zu können, wurden solche Eingabegeräte entwickelt, die eine Betätigungskraftmessung gestatten, um in Abhängigkeit der gemessenen Betätigungskraft ein haptisches Feedback erzeugen zu können. Bei Eingabegeräten mit einem Array von Bedienflächen, d.h. mit mehreren in einer ausgedehnten Eingabefläche aufgenommenen Bedienflächen, ist zur „Ortsauflösung“ ein Array aus mehreren Kraftsensoren vorgesehen. Bevorzugt ist jeder Bedienfläche möglichst ein Kraftsensor zugeordnet, um einer Betätigung der einzelnen Bedienfläche, im Folgenden auch Betätigungsfläche genannt, beispielsweise bei Überschreiten einer gemessenen Mindestbetätigungskraft der Betätigung eine Schaltfunktion zuordnen zu können. Kapazitive Sensoren sind im Vergleich zu beispielsweise piezoelektrischen Sensoren kostengünstig und eine Kraftmessung mit dieser Art von Sensor ist bauraumsparend zu realisieren. Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist jedoch, dass sie empfindlich auf Veränderung durch Eindringen von Fremdkörpern, wie Flüssigkeiten, in die durch sie definierte Messkapazität und Veränderung ihrer Elektrodengeometrie, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, reagieren.
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Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung für ein Eingabegerät mit einem Array von Betätigungsflächen und einem zugehörigen Array von kapazitiven Kraftsensoren, welche kostengünstig hergestellt werden kann und deren Funktionssicherheit verbessert dauerhaft sichergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Eingabegerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Verwendungsanspruchs. Ein entsprechend vorteilhaftes Herstellungsverfahren ist Gegenstand des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft ein Eingabegerät mit einer ein Array von Betätigungsflächen definierenden flächigen Blende und mit einem Array von kapazitiven Kraftsensoren sowie einem Träger. Die Blende ist beispielsweise im Vergleich zum Träger elastisch nachgebender ausgebildet und/oder gegenüber dem Träger beweglich gelagert. Erfindungsgemäß sind die Betätigungsflächen auf einer dem Bediener zugewandten Oberfläche der Blende angeordnet, also vom Bediener aus gesehen sichtbar angeordnet, während erfindungsgemäß der Träger auf einer dem Bediener abgewandten Seite der Blende, d.h. vom Bediener aus gesehen unter der Blende, angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist jeweils einer der kapazitiven Kraftsensoren vorgesehen, eine Messkapazität zwischen Blende und Träger auszubilden, die jeweils einer der mehreren Betätigungsflächen zugeordnet ist. Der kapazitive Kraftsensor weist erfindungsgemäß jeweils wenigstens eine erste, der Blende zugeordnete Elektrode und wenigstens eine zweite, dem Träger zugeordnete Elektrode zum Ausbilden der Messkapazität auf.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Blende und dem Träger wenigstens ein an Blende und Träger haftendes Kissen aus elastisch nachgebenden und/oder komprimierbaren Kissenmaterial angeordnet. Bei Einwirken einer Betätigungskraft auf die jeweilige Betätigungsfläche der Blende kommt es aufgrund der Nachgiebigkeit des Kissens zur einer Annäherung der ersten und zweiten Elektrode und damit zu einer Veränderung der Messkapazität, welche durch eine Auswerteinheit detektiert wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen Mindeständerung einer Schaltzustandsänderung eines mit dem Eingabegerät zu steuernden Aggregats bewirkt. Bevorzugt weist das Eingabegerät ferner einen Aktor zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks auf, der gleichzeitig oder im Nachgang mit der Zuordnung der Schaltzustandsänderung durch die Auswerteinheit aktiviert wird. Durch die konstruktive Auslegung insbesondere durch die Verwendung eines Kissens wird eine zuverlässige Funktion des Kraftsensors sichergestellt, da das Eindringen von Fremdkörpern oder Fluiden durch das Kissen erschwert oder ausgeschlossen ist. Eine Veränderung der Messkapazität aufgrund äußerer Einflüsse abgesehen von gewollter, durch die Einwirkung der Betätigungskraft bewirkter, relativer Lageveränderung von erster und zweiter Elektrode ist somit weitgehend ausgeschlossen
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Es obliegt dem Fachmann in Abhängigkeit der Materialien von Blende und Träger ein geeignetes das entsprechende Haftvermögen, d.h. die entsprechende Adhäsion, bereitstellendes Material für das Kissen und/oder für die mit der Blende oder dem Träger in Berührkontakt stehende Schicht des Kissens auszuwählen. Beispielsweise kann das Kissen eine die entsprechende Adhäsion bereitstellende Beschichtung, beispielsweise eine Klebstoffschicht, aufweisen. Als ein geeignetes Haftvermögen wird beispielsweise eine Haftfestigkeit (peel strength) von mehr als 1 N/cm angesehen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kissenmaterial, das Material der Blende und das Material des Trägers so gewählt sind, dass jeweils ein Haftvermögen von mehr als 1 N/cm bereitgestellt wird. Dieses Haftvermögen wird beispielsweise bei einer auf das Kissen wirkenden Zugkraft mit Ausrichtung von 90° zur jeweiligen Haftoberfläche, d.h. Blendenoberfläche bzw. Trägeroberfläche gemessen.
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Durch das Haftvermögen des Kissens wird ein Eindringen von Fremdstoffen, wie Flüssigkeiten und Feststoffen, in die durch die Elektroden definierte Messkapazität unterbunden, so dass die Messkapazität des unbelasteten Kraftsensors dauerhaft aufrechterhalten werden kann und Kalibrierungen auf ein Mindestmaß reduziert werden können. Darüber hinaus wirkt die Haftung einer Trennung des Kissens von Blende bzw. Träger entgegen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei einem unbelasteten Kraftsensor auf, wenn ein benachbarter Kraftsensor belastet wird. Dabei kann es ohne die Haftung beispielsweise zu einem Abheben der Blende von dem Kissen kommen, wodurch die Gefahr des Fremdkörpereindringens erhöht wird. Dies wird durch das erfindungsgemäße Haftvermögen vermieden.
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Zur Bereitstellung einer ausreichenden mechanischen Haltbarkeit, weist das Kissenmaterial ein Schermodul von weniger als 50 kPa auf. In Kombination einer aus Kunststoffmaterial ausgebildeten Blende hat sich ein Kissenmaterial mit einem Elastizitätsmodul von 1 bis 50 kPa, bevorzugt von 10 bis 30 kPa, meist bevorzugt von 15 bis 25 kPa, wie etwa 20 kPa als geeignet erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kissenmaterial des Kissens ein Gel auf. Als Gel wird ein viskoelastisches Fluid verstanden. Ein Gel im Sinne der Erfindung ist ein disperses System, das aus mindestens zwei Komponenten besteht. Die feste Komponente bildet dabei ein schwammartiges, dreidimensionales Netzwerk, dessen Poren durch eine Flüssigkeit (Lyogel) oder ein Gas (Xerogel) ausgefüllt sind. Die flüssige Komponente ist dadurch in der festen immobilisiert. Ist das Netzwerk hochporös und Luft das eingelagerte Gas, so wird das Gel auch als Aerogel bezeichnet. Beide Komponenten durchdringen sich dabei vollständig (bikohärent). Gelmassen für die Verwendung in druckverteilenden Elementen, z.B. in Polstern für Rollstühle, sind vor allem auf der Basis von Polyvinylchlorid, von Polyorganosiloxanen und von Polyurethanen beschrieben, d.h. Umsetzungsprodukten aus Polyolen und Polyisocyanaten. Eine weitere bevorzugte Variante des verwendeten Gels wird auf Basis eines Reaktionsgemisches erhältlich aus NCO-Prepolymeren und Polyolkomponenten hergestellt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Kissenmaterial einen Schaumstoff auf. Bevorzugt handelt es sich um einen geschlossenporigen Schaumstoff, beispielsweise Moosgummi, Polypropylen-Schaumstoff (ein derartiger Schaumstoff wird unter der Marke Neopolen der BASF AG vertrieben), Polyethylen-Schaumstoff), Zellgummi.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kissen eine Hülle und einen Kissenkern auf, wobei die Hülle und der Kissenkern stoffschlüssig verbunden sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Polyurethan-Schaumstoff mit verdichteter Haut als Hülle, derartige Schaumstoffe sind auch als Integralschaumstoff bekannt. Der Kissenkern kann hierbei aufgrund der schützenden Wirkung der Hülle aus einem offenporigen Schaumstoff bestehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen der Blende und dem Träger eine Distanzschicht aus einem Distanzmaterial, wie Kunststoff vorgesehen, die ein Array aus den Betätigungsflächen zugeordneten Hohlräumen definiert, beispielsweise ist jeweils ein Hohlraum einer Betätigungsfläche zugeordnet. Der Hohlraum ist erfindungsgemäß jeweils mit dem zuvor beschriebenen Kissen aus im Vergleich zum Distanzmaterial elastisch nachgebenden und/oder komprimierbaren Kissenmaterial ganz oder teilweise gefüllt.
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Beispielsweise füllt das Kissen den Hohlraum zu 80% oder mehr, bevorzugt 90% oder mehr, noch bevorzugter 95% oder mehr aus. Der verbleibende Resthohlraum dient beispielsweise als Ausweichraum für das bei Einwirkung der Betätigungskraft sich verformende Kissen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Distanzschicht als Folie ausgebildet. Als Folien- d.h. Distanzmaterial werden bevorzugt PVC (Polyvinylchlorid) und PP (Polypropylen) verwendet.
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Bevorzugt ist die Distanzschicht über eine erste Haftkleberschicht mit dem Träger verbunden und/oder über eine zweite Haftkleberschicht mit der Blende verbunden. Dadurch wird eine Abdichtung und dauerhafte Haltbarkeit des Arrays aus Kraftsensoren erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die erste Elektrode durch eine erste Elektrodenschicht der Blende aus elektrisch leitendem Material und/oder die zweite Elektrode durch eine zweite Elektrodenschicht des Trägers aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Bevorzugt ist die zweite Elektrodenschicht als durchgängige leitende Schicht ausgebildet und stellt somit eine gemeinsame Elektrode für alle Kraftsensoren des Arrays bereit. Die erste Elektrode ist in einer Ausgestaltung Teil einer zur Blende gehörigen Elektrodenstruktur, die ausgebildet ist, eine ortsauflösende kapazitive Detektion einer Berührung auf der Blende gegebenenfalls auch außerhalb der Betätigungsflächen durchführen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Hohlraum jeweils nicht nur durch die zuvor erwähnte Distanzschicht sondern ferner durch die Blende und den Träger begrenzt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Hohlraum jeweils durch die Distanzschicht, die zur Blende gehörige erste Elektrodenschicht und die zum Träger gehörige zweite Elektrodenschicht begrenzt ist.
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Zur Hinterleuchtung der Betätigungsfläche ist wenigstens das Kissenmaterial ein transluzentes Material. Bevorzugt sind ferner der Träger und die Blende wenigstens im Bereich der Betätigungsfläche aus transluzentem Material.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Eingabegeräts in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit den folgenden Schritten. In einem ersten Bereitstellungsschritt wird der Träger bereitgestellt. In einem Aufbringschicht wird die Distanzschicht, beispielsweise über die erste Haftklebeschicht, mit ihrer ersten Hauptfläche auf den Träger aufgebracht. Die Distanzschicht, die bevorzugt als Folie ausgebildet ist, definiert das Array von den Betätigungsflächen zugeordneten Hohlräumen. In einer Ausgestaltung sind die Hohlräume in der Distanzschicht schon vor dem Aufbringen vorgesehen. Bevorzugt wird die Distanzschicht im Aufbringungsschritt vollflächig, d.h. als zusammenhängende, allenfalls vorgestanzte Folie auf den Träger aufgebracht und in einem zeitlich nachfolgenden Schritt werden die den Hohlräumen entsprechenden Bereiche der Distanzschicht, die beispielsweise als vorgestanzte Bereiche in der Distanzschicht beim vorhergehenden Aufbringen vorhanden sind, entfernt. Dadurch wird ein blasenfreies und gleichmäßigeres Aufbringen der Distanzschicht auf den Träger erleichtert.
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Erfindungsgemäß ist ein Schritt des Einbringens von jeweils einem Kissen aus dem im Vergleich zum Distanzmaterial elastisch nachgebenden und/oder komprimierbaren Kissenmaterial in den Hohlraum vorgesehen. Dieser Schritt erfolgt bevorzugt zeitlich nach dem Aufbringen der Distanzschicht auf den Träger. Es sind aber Ausführungsformen denkbar, bei denen die Kissen gleichzeitig mit der Distanzschicht auf den Träger aufgebracht werden, weil die Kissen in der Distanzschicht aufgenommen sind.
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In einem weiteren Aufbringungsschritt erfolgt das Aufbringen der Blende auf die dem Träger abgewandte, zweite Hauptfläche der Distanzschicht und den in den Hohlräumen angeordneten Kissen beispielsweise über die zweite Haftklebeschicht. Es ist alternativ möglich die Distanzschicht zuerst auf die Blende und dann den Träger aufzubringen. Vor dem Aufbringen kann die jeweilige Haftklebeschicht mit einer Schutzfolie versehen sein, die vor dem jeweiligen Aufbringen entfernt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Eingabegeräts in einer seiner zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eingabegeräts;
- 2 eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Eingabegeräts;
- 3a bis 3d jeweils Schnittansichten zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Eingabegeräts aus 1.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch das erfindungsgemäße Eingabegerät 1. Das Eingabegerät 1 weist eine flächige Blende 8 auf. Diese Blende 8 definiert ein Array von Betätigungsflächen 10 auf seiner dem nicht dargestellten Bediener zugewandten, äußeren Oberfläche 11. Das Eingabegerät 1 weist ferner ein Array aus mehreren kapazitiven Kraftsensoren 14 auf, wobei jeder Betätigungsfläche 10 genau ein kapazitiver Kraftsensor 14 zugeordnet ist. Das erfindungsgemäße Eingabegerät 1 weist ferner einen Träger 2 auf. Blende 8 und Träger 2 sind so ausgebildet, dass bei einer Betätigung unter Aufbringung einer senkrecht auf die Betätigungsfläche 10 wirkenden Betätigungskraft es zu einer Annäherung zwischen Blende 8 und Träger 10 im Bereich der jeweiligen Betätigungsfläche 10 kommt. Dazu ist neben der Materialauswahl und Dimensionierung von Blende 8 und Träger 2 ferner zwischen der Blende 8 und dem Träger eine als Folie ausgebildete Distanzschicht 5 vorgesehen, die einerseits über die erste Haftklebeschicht 3 mit dem Träger 2 und andererseits über die zweite Haftklebeschicht 7 mit der Blende 8 verklebt ist, wobei die Haftklebeschichten 4, 7 in der 1 jeweils zur besseren Veranschaulichung überdimensional vergrößert dargestellt sind. Zur Bereitstellung der Nachgiebigkeit der Blende 8 in Richtung des Trägers 2 im Bereich der jeweiligen Betätigungsfläche 10 definiert die Distanzschicht 5 durch Ausnehmungen im Folienmaterial Hohlräume 15 die durch Kissen 6 aus Gelmaterial ganz oder teilweise gefüllt sind. Diese Kissen 6 ermöglichen aufgrund ihrer elastischen Kompressibilität die elastisch rückstellbare Annäherung der Blende 8 an den Träger 2 bei senkrechter Einwirkung einer Betätigungskraft auf die jeweilige Betätigungsfläche 10. Diese Annäherung wird durch den betreffenden Kraftsensor 14 kapazitiv erfasst, und stellt somit ein Maß für die einwirkende Betätigungskraft dar. Die Erfassung erfolgt, indem mittels einer trägerseitigen, zweiten Elektrode 3 und einer ersten, blendenseitigen Elektrode 9 eine Messkapazität definiert wird, deren kapazitiven Eigenschaften mit der Änderung der Relativbeabstandung der Elektroden 3, 9 variiert. Somit weist jeder der Kraftsensoren 14 jeweils wenigstens eine erste, der Blende 8 zugeordnete Elektrode 9 und wenigstens eine zweite, dem Träger 2 zugeordnete Elektrode 3 zum Ausbilden der zuvor erwähnten Messkapazität auf. Wie in 1 gezeigt ist diese zweite Elektrode 3 als durchgehende gemeinsame Elektrodenschicht aller Kraftsensoren 14 ausgebildet, während die erste Elektrode als sich lokal auf die jeweilige Betätigungsfläche 10 begrenzende und wechselseitig elektrisch isoliert zueinander angeordnete Elektrodenschicht 9 der Blende 8 ausgebildet sind.
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Wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform gezeigt, kann das erfindungsgemäße Eingabegerät 1 als Touchpad ausgebildet sein, wobei die Betätigungsflächen 10 in eine berührempfindliche Eingabefläche 11 integriert sind. Wie in 2 gezeigt, sind die einzelnen Betätigungsflächen 10 zusätzlich durch Trennstege 12 voneinander separiert, um dem sich ausschließlich auf die haptische Sinneswahrnehmung konzentrierenden Bediener eine Orientierungshilfe bei der Betätigung zu geben.
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Anhand der 3a bis 3d wird nachfolgend das erfinderische Herstellungsverfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten Eingabegeräts beschrieben. Zuerst wird der Träger 2 bereitgestellt. Wie in 3a gezeigt, wird die Distanzschicht 5 mit der ersten Hauptfläche der Distanzschicht auf den Träger über die erste Haftklebeschicht 4 aufgeklebt. Das Aufbringungen der Distanzschicht 5 erfolgt, um Verwerfungen der Distanzschicht 5 zu vermeiden, vollflächig auf den Träger 2. Die Distanzschicht 5 ist ihrerseits auf ihrer zweiten Hauptfläche mit der zweiten Haftklebeschicht 7 versehen. Diese kann während des Aufbringens auf den Träger 2 mit einer nicht dargestellten Schutzfolie bedeckt sein. Wie in 3a gezeigt, sind Stanzstellen 13 als Sollreißstellen in die Distanzfolie 5 eingebracht, um in einem in 3b gezeigten Schritt die den Hohlräumen 15 entsprechenden und durch die Stanzstellen 13 vorgegebenen Bereiche der Distanzschicht 5 entfernen zu können, wobei die Distanzschicht 5 somit das Array von den den Betätigungsflächen 10 zugeordneten Hohlräumen 15 definiert.
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Wie in 3c gezeigt, erfolgt zeitlich nachfolgend das Einbringen von jeweils einem Kissen 6 aus dem im Vergleich zum Distanzmaterial der Distanzschicht 5 elastisch nachgebenden und/oder komprimierbaren Kissenmaterial in einen der Hohlräume 15, bis alle Hohlräume 6 gefüllt sind. In einer nicht dargestellten Variante des Verfahrens sind die Kissen 6 schon vor dem Aufbringen der Distanzschicht 5 auf den Träger 2 bereits in den die Hohlräume 15 definierenden Ausnehmungen der Distanzschicht 5 eingebracht.
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In einem in 3d gezeigten Schritt erfolgt das Aufbringen der Blende 8 auf eine der ersten Hauptfläche der Distanzschicht 5 gegenüberliegende zweite Hauptfläche der Distanzschicht 5 und den in den Hohlräumen 15 angeordneten Kissen 6 über die zweite Haftklebeschicht 7.
