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Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter, insbesondere einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In vielen elektrischen bzw. elektronischen Geräten, insbesondere auch in Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen, Waschmaschinen, Wäschetrocknern und dergleichen, werden häufig berührungsempfindliche Tastschalter bzw. Berührungs- und/oder Annäherungsschalter eingesetzt, die durch ein einfaches Berühren oder bloßes Annähern durch einen Benutzer zum Beispiel einen bestimmten Schaltvorgang auslösen und/oder eine Geräteeinstellung ändern.
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Im Fall eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters bildet ein kapazitiver Sensor zusammen mit zum Beispiel einem Finger des Benutzers über eine als Dielektrikum wirkende Abdeckplatte eine Kapazität, die entsprechend dem Betätigen des Schalters, d.h. dem Berühren / Annähern oder Nicht-Berühren / Nicht-Annähern eines dem kapazitiven Sensor zugeordneten Berührungsfeldes der Abdeckplatte variabel ist. Die Veränderung des Kapazitätswertes des kapazitiven Sensors wirkt sich entsprechend auf ein Ausgangssignal der Sensorschaltung aus, welches von einer Auswerteelektronik verarbeitet und ausgewertet werden kann, um ggf. eine Betätigung des kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters zu interpretieren.
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Der kapazitive Sensor eines solchen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters weist häufig eine Spiralfeder aus einem elektrisch leitfähigen Material zum Überbrücken eines mit fertigungs- und/oder Montagetoleranzen behafteten Abstandes zwischen der Abdeckplatte und einer hinter der Abdeckplatte angeordneten Trägerplatte auf (vgl. z.B.
DE 10 2005 053 792 B4 oder
DE 10 2007 050 654 B4 ). Es ist ferner bekannt, anstelle von Spiralfedern einen flexiblen Körper einzusetzen, der entweder selbst elektrisch leitfähig ausgestaltet ist (vgl. z.B.
EP 0 859 467 A1 ) oder von einem elektrisch leitfähigen Netz umspannt ist (vgl. z.B.
DE 10 2004 060 846 B4 ).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter zu schaffen, der speziell auch im Fall von größeren und/oder sich verändernden Abständen zwischen Abdeckplatte und Trägerplatte einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der kapazitive Berührungs- und/oder Annäherungsschalter enthält eine Abdeckplatte mit einer einem Benutzer zugewandten Benutzerseite und einer einem Benutzer abgewandten Innenseite, wobei die Abdeckplatte ein Betätigungsfeld definiert; eine Trägerplatte, die auf der Innenseite der Abdeckplatte mit Abstand zu dieser angeordnet ist, wobei die Trägerplatte auf ihrer der Abdeckplatte zugewandten Seite ein elektrisches Kontaktfeld aufweist; und einen kapazitiven Sensor, der im Bereich des Betätigungsfeldes zwischen der Abdeckplatte und der Trägerplatte angeordnet ist und mit dem elektrischen Kontaktfeld der Trägerplatte elektrisch leitend in Kontakt steht. Dieser kapazitive Berührungs- und/ oder Annäherungsschalter ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor eine elektrisch leitfähige, mäanderförmige Druckfeder mit einer Mehrzahl von Windungen aufweist.
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Eine mäanderförmige Druckfeder hat im Vergleich zu zum Beispiel Spiralfedern oder flexiblen Körpern den Vorteil, dass sie einen elektrisch leitenden Kontakt über einen größeren Abstand zuverlässig und langfristig gewährleisten kann. Dies gilt auch für toleranzbehaftete oder sich verändernde Abstände. Außerdem kann der Raumbedarf der mäanderförmigen Druckfeder in Querschnittsrichtung im Vergleich zu zum Beispiel Spiralfedern oder flexiblen Körpern reduziert werden. D.h. die mäanderförmige Druckfeder kann eine Kontaktfeder mit einem größeren Höhen-Flächen-Verhältnis bilden. Mäanderförmige Kontaktfedern mit elektrischer Leitfähigkeit können zudem kostengünstig gefertigt werden.
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Die „Abdeckplatte“ stellt bevorzugt eine Blende zum Beispiel eines elektronischen Haushaltsgerätes dar. Das „Betätigungsfeld“ in bzw. auf dieser Abdeckplatte soll den berührungs- bzw. annäherungsempfindlichen Bereich des kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters für den Benutzer definieren. Das Betätigungsfeld ist dabei bevorzugt integral mit der Abdeckplatte ausgebildet oder als separate Komponente in eine Ausnehmung in der Abdeckplatte integriert. Ferner kann das Betätigungsfeld aus dem gleichen Material oder aus einem anderen Material als die Abdeckplatte bestehen. Um als Dielektrikum für den kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter zu wirken, ist das Betätigungsfeld bevorzugt zumindest teilweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet. Das Betätigungsfeld weist ferner vorzugsweise eine optische und/oder haptische Kennzeichnung auf.
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Die „Trägerplatte“ kann zum Beispiel eine Leiterplatte oder eine Kunststoffplatte sein. Die Trägerplatte kann außerdem als ein stabiler Plattenkörper ausgebildet sein oder nur Folienstärke aufweisen. Außerdem ist die Positionierung und Ausrichtung dieser Trägerplatte grundsätzlich beliebig; sie kann wie bei herkömmlichen Konstruktionen im Wesentlichen parallel zur Abdeckplatte oder auch in einem von Null Grad verschiedenen Winkel zu dieser angeordnet werden.
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Mit dem kapazitiven Sensor sind über das elektrische Kontaktfeld der Trägerplatte vorzugsweise eine Sensorschaltung und eine Auswerteelektronik zum Verarbeiten und Auswerten der von der Sensorschaltung erzeugten Ausgangssignale verbunden, um ein Betätigen des Schalters durch ein Berühren / Annähern bzw. Nicht-Berühren / Nicht-Annähern festzustellen. Von dieser Auswerteelektronik zu unterscheiden ist die Steuerung z.B. des Haushaltsgerätes, mit welcher die Auswerteelektronik verbunden ist. In einigen Anwendungen kann die Auswerteelektronik auch in die Steuerung integriert sein. Die Auswerteelektronik kann auf der Trägerplatte angeordnet sein oder separat von dieser platziert sein. Ebenso kann die Steuerung entweder auf der Trägerplatte oder separat von dieser angeordnet sein.
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Die elektrische Leitfähigkeit der Druckfeder des kapazitiven Sensors kann durch die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials zum Formen der Druckfeder, ein Beschichten der Druckfeder mit einem elektrisch leitfähigen Material und dergleichen hergestellt werden. In diesem Zusammenhang muss die Druckfeder nicht vollständig elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass eine Kapazitätsveränderung der durch den kapazitiven Sensor zusammenmit zum Beispiel einem Finger des Benutzers über die als Dielektrikum wirkende Abdeckplatte durch die über das elektrische Kontaktfeld der Trägerplatte mit dem kapazitiven Sensor verbundene Sensorschaltung erfasst werden kann. Die Druckfeder des kapazitiven Sensors ist bevorzugt aus einem metallischen Material gefertigt.
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Die mäanderförmige Druckfeder des kapazitiven Sensors hat eine Mehrzahl von Windungen. Die Mehrzahl von Windungen umfasst vorzugsweise zwei, drei, vier, fünf und mehr Windungen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner ein elektrisch isolierendes Führungselement vorgesehen, das zwischen der Abdeckplatte und der Trägerplatte angeordnet ist und die Druckfeder des kapazitiven Sensors in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgibt.
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Das Führungselement ist bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Das Führungselement kann bevorzugt an der Trägerplatte und/oder er Abdeckplatte befestigt sein. Das Führungselement ist vorzugsweise im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet, wobei seine innere Querschnittsform an die Querschnittsform der Druckfeder angepasst ist und seine Innenmaße größer bemessen sind als die Außenmaße der Druckfeder in deren unbelasteten Zustand. Die Höhe des Führungselements parallel zur Längsrichtung der Druckfeder ist vorzugsweise kleiner bemessen als die Höhe der Druckfeder in deren unbelasteten Zustand. Das Führungselement umgibt die Druckfeder in Umfangsrichtung vollständig, teilweise oder abschnittweise, sodass die Druckfeder im zusammengebauten Zustand des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters in der gewünschten Position gehalten wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Führungselement zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgestaltet sein, sodass auf der Trägerplatte Leuchtmittel (z.B. LEDs) angeordnet werden können, die Licht in das Führungselement ausstrahlen, um das Betätigungsfeld der Abdeckplatte zu kennzeichnen oder zu hinterleuchten und/oder um dem Benutzer Informationen anzuzeigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mäanderförmige Druckfeder mehrere Windungsabschnitte auf, wobei ein letzter Windungsabschnitt auf der der Abdeckplatte zugewandten Seite ein elektrisch leitfähiges Sensorelement bildet.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der kapazitive Sensor ein elektrisch leitfähiges Sensorelement auf, das im Bereich des Betätigungsfeldes der Abdeckplatte positioniert ist, und weist die mäanderförmige Druckfeder mehrere Windungsabschnitte auf, wobei ein letzter Windungsabschnitt auf der der Abdeckplatte zugewandten Seite mit dem Sensorelement elektrisch leitend in Kontakt steht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung hat die mäanderförmige Druckfeder mehrere im Wesentlichen geradlinige Windungsabschnitte, die im unbelasteten Zustand der Druckfeder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Verbindungsabschnitte zwischen diesen Windungsabschnitten der Druckfeder sind bevorzugt bogenförmig ausgestaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckfeder aus einem Blechmaterial gebildet. D.h. die Windungsabschnitte und die Verbindungsabschnitte der Druckfeder haben eine gewisse Flächenausdehnung, sodass die Druckfeder bei Belastung insgesamt stabiler gegen ein Knicken, seitliches Ausweichen, etc. ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Druckfeder aus einem Drahtmaterial gebildet. In diesem Fall ist der Raumbedarf der Druckfeder in deren Querschnittsrichtung sehr klein, sodass der gesamte berührungs- und/oder Annäherungsschalter platzsparend ausgebildet sein kann.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, größtenteils schematisch:
- 1 eine Schnittansicht eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine Schnittansicht eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters, wie er zum Beispiel in einer Bedienvorrichtung eines elektronischen Haushaltsgeräts eingesetzt werden kann.
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Der Berührungs- und/oder Annäherungsschalter weist eine Abdeckplatte 10 auf, die beispielsweise ein Teil einer Bedienblende eines elektronischen Haushaltsgerätes ist. Diese Abdeckplatte 10 ist beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und hat eine einem Benutzer zugewandte Benutzerseite 10a (oben in 1) und eine einem Benutzer abgewandte Innenseite 10b (unten in 1). In der Abdeckplatte 10 ist zudem ein Betätigungsfeld 12 definiert, um den Berührungs- und/oder Annäherungsschalter für den Benutzer zu kennzeichnen. Diese Kennzeichnung kann zum Beispiel durch eine optische und/oder haptische Kennzeichnung des Betätigungsfeldes 12 erfolgen.
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Auf der Innenseite 10b der Abdeckplatte 10 ist mit einem Abstand zu dieser eine Trägerplatte 14 zum Beispiel in Form einer Leiterplatte angeordnet. Im Ausführungsbeispiel von 1 ist diese Trägerplatte 14 im Wesentlichen parallel zur Abdeckplatte 10 angeordnet. Die Trägerplatte 14 hat an ihrer der Abdeckplatte 10 zugewandten Seite ein elektrisches Kontaktfeld 16, das mit einer Sensorschaltung und weiter mit einer Auswerteschaltung verbunden ist.
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Zwischen dem Betätigungsfeld 12 der Abdeckplatte 10 und dem elektrischen Kontäktfeld 16 der Trägerplatte 14 ist ein kapazitiver Sensor 18 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel von 1 besteht dieser im Wesentlichen aus einer mäanderförmigen Druckfeder 20 mit einer Mehrzahl von Windungen.
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Diese mäanderförmige Druckfeder 20 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel einem metallischen Material gebildet. Die Druckfeder 20 kann dabei insbesondere aus einem Blechmaterial oder einem Drahtmaterial gefertigt sein.
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Die mäanderförmige Druckfeder 20 hat eine Mehrzahl von im Wesentlichen geradlinigen Windungsabschnitten 21, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen (zumindest im unbelasteten Zustand der Druckfeder). Diese Windungsabschnitte 21 sind durch gebogene Verbindungsabschnitte 22 miteinander verbunden.
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Der letzte Windungsabschnitt 21a der Druckfeder 20 auf der der Abdeckplatte 10 zugewandten Seite (oben in 1) bildet ein elektrisches leitfähiges Sensorelement. Dieser letzte Windungsabschnitt 21a ist im Bereich des Betätigungsfeldes 12 der Abdeckplatte 10 positioniert und stützt sich gegen die Innenseite 10b der Abdeckplatte 10 ab. Der letzte Windungsabschnitt 21a kann dann zusammen mit zum Beispiel einem Finger eines Benutzers, der das Betätigungsfeld 12 berührt oder sich diesem annähert, über die ein Dielektrikum bildende Abdeckplatte 10 eine Kapazität bilden, deren Kapazitätswert sich je nach Berühren / Annähern oder Nicht-Berühren / Nicht-Annähern des Fingers verändert.
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Der letzte Windungsabschnitt 21b der Druckfeder 20 auf der der Trägerplatte 10 zugewandten Seite (unten in 1) steht mit dem elektrischen Kontaktfeld 16 der Trägerplatte 14 elektrisch leitend in Kontakt. So kann die mit dem elektrischen Kontaktfeld verbundene Sensorschaltung die Kapazitätswertveränderung der oben beschriebenen Kapazität erfassen und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen, das dann von der Auswerteschaltung ausgewertet werden kann.
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Durch die Mäanderform der Druckfeder 20 kann diese einen relativen großen und/oder toleranzbehafteten bzw. sich verändernden Abstand zwischen der Abdeckplatte 10 und der Trägerplatte 14 zuverlässig und dauerhaft überbrücken. Außerdem kann die mäanderförmige Druckfeder 20 im Vergleich zu zum Beispiel Spiralfedern mit einer kleiner dimensionierten Querschnittsfläche konfiguriert werden, sodass der kapazitive Sensor 18 kleiner ausgestaltet werden kann und weniger Bauraum benötigt.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Druckfeder 20 des kapazitiven Sensors 18 ferner in ihrer Umfangsrichtung zumindest teilweise von einem Führungselement 24 umgeben, sodass die Druckfeder 20 dauerhaft an der gewünschten Position angeordnet ist. Das Führungselement 24 ist zum Beispiel im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet.
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Das Führungselement 24 ist elektrisch isolierend, zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Wahlweise kann das Führungselement 24 auch zumindest teilweise lichtdurchlässig sein, sodass es als Lichtleiter für Leuchtquellen (z.B. LEDs) auf der Trägerplatte 14 dienen kann, um zum Beispiel das Betätigungsfeld 12 der Abdeckplatte 10 zu hinterleuchten oder zu kennzeichnen.
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Wie in 1 angedeutet, hat das Führungselement 24 in einer Richtung parallel zur Längsachse der Druckfeder 20 (Oben/Unten-Richtung in 1) eine Höhe, die kleiner bemessen ist als die Höhe der Druckfeder 20 in dieser Richtung im unbelasteten Zustand der Druckfeder 20. Weiter hat das Führungselement 24 eine innere Querschnittsform, die an die Querschnittsform der Druckfeder 20 angepasst ist. Außerdem sind die Innenmaße des Führungselements 24 in dessen Querschnittsrichtungen größer bemessen als die Außenmaße der Druckfeder 20 in diesen Richtungen im unbelasteten Zustand der Druckfeder 20. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die mäanderförmige Druckfeder 20 beim Zusammenbau des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters und über dessen Lebensdauer hinweg innerhalb des Führungselements 24 bei Bedarf komprimiert werden kann.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters, wie er zum Beispiel in einer Bedienvorrichtung eines elektronischen Haushaltsgeräts eingesetzt werden kann. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel gekennzeichnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist der kapazitive Sensor 18 zusätzlich ein elektrisch leitfähiges Sensorelement 26 auf. Dieses Sensorelement 26 ist zum Beispiel im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet und liegt im Bereich des Betätigungsfeldes 12 der Abdeckplatte 10 an der Innenseite 10b der Abdeckplatte 10 an. So kann das Sensorelement 26 zusammen mit zum Beispiel einem Finger eines Benutzers, der das Betätigungsfeld 12 berührt oder sich diesem annähert, über die ein Dielektrikum bildende Abdeckplatte 10 eine Kapazität bilden, deren Kapazitätswert sich je nach Berühren / Annähern oder Nicht-Berühren / Nicht-Annähern des Fingers verändert.
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Der letzte Windungsabschnitt 21a der Druckfeder 20 auf der der Abdeckplatte 10 zugewandten Seite (oben in 2) stützt sich gegen das Sensorelement 26 ab und steht so mit diesem elektrisch leitend in Kontakt. Der letzte Windungsabschnitt 21b der Druckfeder 20 auf der der Trägerplatte 10 zugewandten Seite (unten in 2) steht mit dem elektrischen Kontaktfeld 16 der Trägerplatte 14 elektrisch leitend in Kontakt. So kann die mit dem elektrischen Kontaktfeld verbundene Sensorschaltung die Kapazitätswertveränderung der oben beschriebenen Kapazität erfassen und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugen, das dann von der Auswerteschaltung ausgewertet werden kann.
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Im Übrigen entsprechen Aufbau und Funktionsweise dieses zweiten Ausführungsbeispiels dem ersten Ausführungsbeispiel von 1.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abdeckplatte
- 10a
- Benutzerseite von 10
- 10b
- Innenseite von 10
- 12
- Betätigungsfeld
- 14
- Trägerplatte
- 16
- elektrisches Kontaktfeld
- 18
- kapazitiver Sensor
- 20
- mäanderförmige Druckfeder
- 21
- Windungsabschnitte von 20
- 21a
- letzter Windungsabschnitt von 20 zur Abdeckplatte
- 21b
- letzter Windungsabschnitt von 20 zur Trägerplatte
- 22
- Verbindungsabschnitte von 20
- 24
- Führungselement
- 26
- Sensorelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053792 B4 [0004]
- DE 102007050654 B4 [0004]
- EP 0859467 A1 [0004]
- DE 102004060846 B4 [0004]
