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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einer mittels Schaltmatte realisierten elektrischen Schaltfunktionalität, insbesondere für den Automobilbereich. Eine derartige Schaltmatte, auch Schaltmatte oder Tastaturmatte genannt, ist das zentrale Bauteil in vielen Bedienelementen insbesondere solchen mit Tastschaltfunktionalität. Es bestimmt die Haptik, also den taktilen Eindruck, aber auch über die integrierte Kontaktpille auch das elektrische Verhalten. Derartige über einer Platine auch Leiterplatte genannt, angeordnete Schaltmatten sind üblicherweise aus Silikonkautschuk hergestellt und sorgen aufgrund der Zusammenführung von Haptik bzw. Rückstellung und elektrischer Schaltfunktion für eine hohe Integrationsdichte aber auch aufgrund des flächigen Aufbaus für einen Schutz, um das Eindringen von Staub, Schmutz und Flüssigkeit in den Kontaktierungsbereich des Bedienelements zu verhindern. Aus dem Grundmaterial Silikonkautschuk wird üblicherweise ein kegelstumpfförmiger oder glockenförmiger Dom geformt, der beispielsweise in der zentralen Achse in einen Zylinder übergeht. Unter dem Dom wird ein einseitig offener Hohlraum definiert, der auf der Platine platziert ist. Das außenliegende Zylinderende stellt den Angriffspunkt für ein Betätigungsteil dar. Das innere, in dem Hohlraum liegende Ende des Zylinders weist eine Kontaktpille aus elektrisch leitfähigem Material auf und stellt das elektrische Kontaktelement dar. Die Kontaktpille wirkt üblicherweise mit einer offenen, auf der Platine unter dem Dom angeordneten Kontaktierung auf der Leiterplatte zusammen, die von der Kontaktpille überbrückt wird. Meist werden mehrere Taster zusammen in einer Schaltmatte realisiert, es gibt aber auch einzelne Bedienelemente auf Basis einer Schaltmatte.
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Über die Form des Doms bzw. der Stege und die Materialeigenschaften des Basismaterials kann man die Haptik des Bedienelements in weiten Bereichen einstellen. Eine haptische Rückmeldung beim Betätigen eines Bedienelements erhöht die Bediensicherheit, da es einem Nutzer ermöglicht, unmittelbar zu erkennen, ob eine Funktion ausgelöst wurde. Eine haptische Rückmeldung bietet gegenüber einer akustischen Rückmeldung den Vorteil, dass diese auch in einem Umfeld mit Umgebungsgeräuschen, insbesondere einem Automobil, problemlos wahrgenommen werden kann.
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Über die Wahl der Kontaktpille kann man die elektrischen Eigenschaften des Bedienelements zwar festlegen, dadurch, dass aber die Kontaktpille in dem durch den zugehörigen Haptikdom definierten Hohlraum angeordnet ist, ist aber ihre geometrischen Auslegung durch die Abmessungen des jeweiligen Hohlraums in der Dicke und Größe beschränkt. Dazu unterliegt die Kontaktpille mechanischem Verschleiß, was regelmäßig die Schaltfunktion beeinträchtigt. Dem kann aufgrund der räumlichen Beschränkung des Hohlraums beispielsweise nicht durch eine entsprechende Auslegung der Kontaktpille begegnet werden.
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Es besteht daher Bedarf nach einer Auslegung des Bedienelements, bei der diese Beschränkung möglichst aufgehoben ist und sich damit insgesamt ein zuverlässigeres, insbesondere temperaturstabileres Bedienelement ergibt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bedienelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, das ein zwischen einer Ruhestellung und einer Schaltstellung beweglich gelagertes Betätigungsteil, eine Platine mit einer offenen Kontaktierung sowie eine benachbart zur Platine angeordnete Schaltmatte aus elastischem Material, beispielsweise Silikonkautschuk, aufweist. Erfindungsgemäß sind Ausführungsformen umfasst, bei denen die Schaltmatte im Ruhezustand beabstandet zur Platine angeordnet ist, bei denen die Schaltmatte wenigstens abschnittsweise an die Platine angrenzend angeordnet ist oder sich über ein separates Abstandsteil an der Platine abstützt. Die offene Kontaktierung umfasst wenigstens zwei zueinander beabstandet und damit in der Regel zueinander elektrisch isolierend angeordnete aber freiliegende, d. h. kontaktierbare, Kontaktflächen. Die Kontaktflächen sind beispielsweise in Form von in Kamm- oder Mäanderstruktur aufgebauten Leiterbahnen auf der Platine bereitgestellt. „Offen” im Sinne der Erfindung meint, dass die Kontaktflächen zwar nicht leitend gebrückt sind, aber durch Berührung elektrisch leitend verbunden werden können. Das erfindungsgemäße Bedienelement weist ferner wenigstens eine auf einer, der Platine zugewandten Seite der Schaltmatte ausgebildete Kontaktpille auf. Betätigungsteil, Schaltmatte, insbesondere deren Kontaktpille und Kontaktierung sind so angeordnet und ausgelegt, dass in der Ruhestellung die Kontaktierung durch die Kontaktpille nicht elektrisch geschlossen wird sondern spätestens in der Schaltstellung des Betätigungsteils die offene Kontaktierung der Platine durch die Kontaktpille geschlossen wird, d. h. die wenigstens zwei offenen Kontaktflächen elektrisch leitend überbrückt werden.
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Die Schaltmatte weist ferner wenigstens einen der Kontaktpille zugeordneten, durch Betätigung des Betätigungsteils in Richtung der Schaltstellung elastisch komprimierbaren, in seiner Ausgangsstellung ein einseitig offenes Hohlvolumen in der Schaltmatte definierenden Haptikdom auf. Die Schaltmatte einschließlich Haptikdom ist bevorzugt aus einem Kautschuk, noch bevorzugter einem Silikonkautschuk hergestellt.
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Der Haptikdom ist beispielsweise im Wesentlichen in Form einer Glocke oder eines hohlen Kegelstumpfes ausgebildet. Der Haptikdom ist vorgesehen, ein haptisches Feedback am Betätigungsteil zu bewirken, indem er seiner Komprimierung entgegenwirkend eine Rückstellkraft erzeugt, die am Betätigungsteil haptisch merkbar ist. ”Komprimierbar” im Sinne der Erfindung meint wenigstens eine Verringerung der in der Ursprungsstellung des Haptikdoms, die durch die Ruhestellung des Betätigungsteils definiert ist, vorhandenen Bauhöhe oder Volumens. Bevorzugt erfolgt diese Verringerung durch Kollabieren oder Zusammenfalten des Haptikdoms. Mit dem Begriff „elastisch komprimierbar” soll ferner eine selbständige Rückstellung des Haptikdoms in seine Ursprungsform nach Wegfall der Komprimiereinwirkung umfasst sein.
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Erfindungsgemäß ist die Kontaktpille außerhalb des durch den Haptikdom definierten Hohlvolumens angeordnet. Damit ist dessen Bemaßung unabhängig von der des Hohlvolumens wählbar. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kontaktpille sind damit erfindungsgemäß und vorteilhaft weitgehend unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des Haptikdoms und damit der Haptik einstellbar.
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Während über die Form des Doms, dessen Wanddicke und die Materialeigenschaften des Basismaterials die Haptik in weiten Bereichen einstellbar ist, sind nun unabhängig von der Haptik über die Größe der Kontaktpille und deren Materialeigenschaften die elektrischen Eigenschaften der Taste festlegbar. Beispielsweise ist die Kontaktpille aus einem karbonhaltigen Material hergestellt oder durch eine Beschichtung bereitgestellt oder es handelt sich um eine sogenannte Supra Conductive Pille (SC-Pille), also um ein mit Silikon gefülltes Nickelgitter. Erfindungsgemäß kann es sich bei der Kontaktpille um ein Goldplättchen oder eine Goldfolie oder um eine metallische Schnappscheibe handeln. Die von der Haptik unabhängige Auslegung, wie beispielsweise Dicke und Größe der Kontaktfläche, der Kontaktpille gestattet es eine möglichst raumsparende, langzeitstabile, auch bei hohen Temperaturschwankungen zuverlässige elektrische Funktion des Bedienelements zu realisieren. Bevorzugt ist die Schaltmatte samt Haptikdom und Kontaktpille einstückig ausgebildet, beispielsweise ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kontaktpille und dem Rest der Schaltmatte vorgesehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Betätigungsteil eine berührempfindliche Eingabefläche auf. Beispielsweise ist ein Touchpad oder ein Touchscreen, d. h. ein Kombination aus Anzeigeeinrichtung und berührungsempfindlicher Eingabefläche Teil des Betätigungsteils. Das erfindungsgemäße Konzept der Trennung von Schaltfunktionalität und Haptik spielt bei der Integration einer vergleichsweise ausgedehnten Betätigungsfläche in ein Betätigungsteil seine Vorteile aus. Hier kommt es einerseits auf möglichst gleichmäßige haptische Rückmeldung über die gesamte Betätigungsfläche an, dies meint auch eine über die Betätigungsfläche hinweg gleichmäßige Proportionalität zwischen Betätigungsweg und haptischer Rückmeldung. Während es bezüglich der elektrischen Schaltfunktionalität auf ein zuverlässiges Schalten und beispielsweise auf „lediglich” einen ausreichenden Anpressdruck in der jeweiligen Maximalstellung ankommt. Es hat sich herausgestellt, dass diesen beiden Anforderungen am besten Rechnung zu tragen ist, wenn Haptik und elektrische Schaltfunktion auseinanderfallen.
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Bevorzugt ist die Platine auf der der berührempfindlichen Eingabefläche abgewandten Seite des Betätigungsteils angeordnet. Beispielsweise umfasst die Platine Elektronik zur ortsauflösenden Auswertung der jeweiligen Berührung durch den Bediener.
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Bevorzugt wird bei Betätigung des Betätigungsteils in Richtung Schaltstellung die Platine mit der offenen Kontaktierung in Richtung der Kontaktpille bewegt. Beispielsweise ist die Platine beweglich gelagert oder elastisch federnd abgestützt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Bedienelements ist die offene Kontaktierung auf einer bauteiltragenden Seite der Platine angeordnet. Die bauteiltragende Seite meint eine bestückte Seite einer Platine. Durch die erfindungsgemäße Trennung von Haptikdom und Schaltdom, lassen sich offene Kontaktierungen in die bauteiltragende Seite einer Platine integrieren. Bei bekannten Lösungen wird üblicherweise eine ansonsten unbestückte Platine oder zumindest der bauteilfreie Bereich einer Platine zur Anordnung einer offenen Kontaktierung und zur Abstützung der Schaltmatte herangezogen. Dies ist durch das erfindungsgemäße Prinzip nicht mehr notwendig. Die erfindungsgemäße Lösung schafft die Möglichkeit, die offene Kontaktierung auf der bestückten Seite der Platine anzuordnen und von elektronischen Bauelementen in geringem lichtem Abstand von weniger als 5 Millimeter, bevorzugt weniger als 2 Millimeter, noch bevorzugter weniger als 1 Millimeter zu umgeben, um so Bauraum vorteilhaft einzusparen.
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Erfindungsgemäß soll bei dem Merkmal der Anordnung der Kontaktpille außerhalb des Hohlvolumens auch eine solche Anordnung umfasst sein, bei der die Kontaktpille auf dem Dom also auf der von dem Hohlvolumen abgewandten Seite des Doms angeordnet ist. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Kontaktpille neben dem Haptikdom angeordnet ist. Dies meint eine Anordnung seitlich versetzt zu dem Axialverlauf des Haptikdoms, dessen Axialverlauf parallel zur Betätigungsrichtung gewählt ist.
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Bevorzugt ist die Kontaktpille auf einer Erhebung und/oder Verdickung der Schaltmatte angeordnet. Beispielsweise weist die Schaltmatte im Bereich der Kontaktpille in Kombination eine erhöhte Wandstärke WS und eine Erhebung auf. Letztere wird im Folgenden auch Schaltdom genannt. Beispielsweise weisen der Haptikdom eine Wandstärke WH und der Schaltdom eine Wandstärke WS auf und beide sind aus dem Material der Schaltmatte in einstückiger Form ausgebildet. Um eine höhere Steifigkeit des Schaltdoms im Vergleich zum Haptikdom zu gewährleisten, ist die Wandstärke WS des Schaltdoms größer als die Wandstärke WH des Haptikdoms, WS > WH. Bevorzugt ist die Wandstärke WS mindestens 1,5 mal so groß wie die Wandstärke WH; WS ≥ 1,5·WH, besonders bevorzugt ist die Wandstärke WS mindestens doppelt so groß wie die Wandstärke WH; WS ≥ 2·WH.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bildet die Schaltmatte im Bereich der Kontaktpille ein Sackloch aus, das der formschlüssigen Aufnahme eines Fortsatzes dient, die von einem im Vergleich zur Schaltmatte starren Auflageteil gebildet wird, so dass einerseits eine Lagefixierung der Schaltmatte erreicht wird, andererseits die Kontaktpille im an der Kontaktierung anliegenden Zustand kontaktpillennah durch das Auflageteil unterstützt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere Haptikdome um eine zugeordnete Kontaktpille herum angeordnet, wodurch das haptische Verhalten einstellbar ist. Noch bevorzugter sind die mehreren Haptikdome gleichmäßig beabstandet um die Kontaktpille angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die mehreren Haptikdome auf einem gedachten Dreieck um die Kontaktpille angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist angrenzend an den Haptikdom und zwischen der Schaltmatte und dem Betätigungsteil, gegebenenfalls zwischen der Schaltmatte und der Platine, ein Abstandselement angeordnet. Beispielsweise ist das Abstandselement ringförmig ausgebildet. Das Abstandselement dient der Übertragung der durch den Haptikdom bewirkten und der dem haptischen Feedback zugrundeliegenden Rückstellkraft auf das Betätigungsteil.
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Bevorzugt ist die Kontaktpille auf der Seite der Schaltmatte angeordnet, die dem einseitig offenen, durch den Haptikdom definierten Hohlvolumen abgewandt ist. Der Haptikdom weist regelmäßig eine Form auf, die entgegen der Betätigungsrichtung spitz zu läuft, beispielsweise ist er kegelstumpfförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Haptikdom regelmäßig an seinem, das Hohlvolumen bildende Ende im Vergleich zu seinem gegenüberliegenden, „spitzen” Ende mehr Bauvolumen und mehr Auflagefläche beansprucht. Da aufgrund der geringeren räumlichen Ausdehnung am spitzen Ende somit mehr Bauraum für die Kontaktpille bereitsteht, kann deren Kontaktfläche großzügiger bemessen werden, was die Zuverlässigkeit der Schaltfunktion erhöht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels, das im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
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1: einen Ausschnitt eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Bedienelement in seiner Ruhestellung,
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2: eine perspektivische Aufsicht auf die zugehörige Schaltmatte mit drei Haptikdomen und einem Schaltdom,
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3: eine perspektivische Rückansicht der in 2 gezeigten Schaltmatte.
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1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Dieses umfasst eine Schaltmatte 5 aus elastischem Silikonkaltschuk und ein darüber angeordnetes Betätigungsteil 30 in seiner Ruhestellung. Das Betätigungsteil 30 definiert eine berührempfindliche Eingabefläche 35. Beispielsweise umfasst das Betätigungsteil 30 ein Touchpad oder ein Touchscreen, welche durch resistive oder kapazitive Messung eine ortsauflösende Detektion der Berührung durchführen. Das Betätigungsteil definiert somit eine berührempfindliche Eingabefläche 35. Unter dem flachen Betätigungsteil 30 und damit starr verbunden und daran angrenzend ist eine Platine 32 als Flächengebilde angeordnet. Die Platine 32 ist einseitig bestückt, wobei die mit elektronischen Bauelementen 33 bestückte Seite dem Betätigungsteil abgewandt angeordnet ist. Die Bauelemente 33 sind beispielsweise vorgesehen, die Auswertung zur ortsauflösenden Detektion des Touchpads oder Touchscreens durchzuführen. Das Betätigungsteil 30 und die Platine 32 sind aus der gezeigten Ruhestellung unter einer auf das Betätigungsteil 30 einwirkenden Betätigungskraft in eine nicht dargestellte Schaltstellung in Richtung eines unter der Schaltmatte 5 angeordneten, ruhenden Auflageteils 15 bewegbar. Auf einer dem Betätigungsteil 30 abgewandten Seite 34 der Platine 32 ist zwischen den elektronischen Bauelementen 33 eine in Ruhestellung offene Kontaktierung mit zwei in Ruhestellung zueinander elektrisch isolierten Kontakten 40 aufgebracht. Unter der Platine 32 und unmittelbar an diese angrenzend und um die Kontaktierung 40 herum verlaufend ist ein ringförmiges Abstandselement 50 zwischen der Schaltmatte 5 und der Platine 32 angeordnet. Dieses weist Ausnehmungen 51 auf, um so gewisse Bauelemente 33 brückenartig überspannen zu können. Beispielsweise können wenigstens drei beabstandete punktförmige oder wenigstens drei jeweils eine geschlossene Auflagefläche ausbildende Auflagebereiche vorgesehen sein, über die das Abstandselement 50 an der Platine 32 anliegt. Dieses Abstandselement 50 liegt mit seinem der Platine 32 abgewandten Ende auf der Oberseite der drei Haptikdome 10 auf, die um die Kontaktierung 40 herum in der Schaltmatte 5 ausgebildet sind. Diese Haptikdome 10 bewirken die Rückstellung der Platine 32 und des Betätigungsteils 30 in die Ruhestellung und erzeugen bei ihrem Zusammenwirken durch ihr schnappartiges Zusammenfaltverhalten und ihr immanentes Rückstellvermögen ein der Betätigungskraft entgegenwirkendes haptisches Feedback. Die Haptikdome 10 sind im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei sie an ihrem oberen, der Platine 32 zugewandten, „spitzen” Ende zylindrisch ausgebildet sind. Unter sich bilden die Haptikdome jeweils ein nach unten offenes Hohlvolumen 11 aus, welches durch Auflage auf dem flächigen Auflageteil 15 verschlossen wird. Zwischen den Haptikdomen 10 bildet die Schaltmatte 5 eine Erhebung 20, einen sogenannten Schaltdom, aus. Auf dem der Platine 32 zugewandten Ende trägt dieser Schaltdom 20 eine Kontaktpille 26 aus elektrisch leitfähigem Material. Die Kontaktpille 26 ist so angeordnet, dass sie in der Ruhestellung im Abstand A zu den Kontakten 40 angeordnet ist, während in der Schaltstellung die Platine 32 und damit die Kontakte 40 auf der Kontaktpille 26 in Auflage gelangen und die beiden Kontaktflächen 40 durch die Kontaktpille 26 elektrisch leitend überbrückt werden. Der Schaltdom 20 ist vergleichsweise starr ausgebildet. Bei gleicher Materialeigenschaft von Schaltdom 20 und Haptikdom 10 wird die hohe Steifigkeit unter anderem durch eine gegenüber der Wandstärke WH des Haptikdoms erhöhte Wandstärke WS des Schaltdoms 20 erreicht. Die Haptikdome 10 haben in ihrer Ursprungsform einen kegelstumpfförmigen Grundkörper mit einer Wandstärke WH. Die Wandstärke WS des Schaltdoms 20 ist größer als die Wandstärke WH der Haptikdome 10, wodurch eine höhere Steifigkeit des Schaltdoms 20 gegenüber einer äußeren Krafteinwirkung gewährleistet ist. Zusätzlich versteift wird der Schaltdom 20 dadurch, dass ein Fortsatz 24 des starren Auflageteils 15 von unten in ein Sackloch formschlüssig eingreift, das in der Schaltmatte 5, genauer im Schaltdom 20 ausgebildet ist. Die vergleichsweise starre Ausbildung des Schaltdoms 20 sorgt dafür, dass die durch die Betätigung bewegte Bewegung der Platine 32 in Richtung Auflageteil 15 und damit des Betätigungsteils 30 durch den Schaltdom 20 gestoppt wird und damit die Schaltstellung definiert ist.
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Auch die Stauchung der Haptikdome 10 wird an diesem Punkt gestoppt. Die Haptikdome 10 sind monostabil ausgebildet, entfällt die Krafteinwirkung wieder, so springt der Haptikdom 10 jeweils in seine Ursprungs- oder Ausgangsform zurück und sorgt gleichzeitig für eine Rückstellung der Platine 32 und damit auch des Betätigungsteils 30 in die Ruhestellung. Sowohl das Zusammendrücken der Haptikdome 10, bis man auf einen Widerstand stößt, als auch das Zurückspringen wird von einem Nutzer als haptische Rückmeldung wahrgenommen.
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In den 2 und 3 ist jeweils perspektivisch die in 1 gezeigte Schaltmatte 5 gezeigt. Sie umfasst drei Haptikdome 10 und einen im Zentrum angeordneten Schaltdom 20. Die Haptikdome 10 umfassen einen kegelstumpfförmigen Grundkörper der in ein zylindrisches Ende übergeht. In 3 ist eine Rückansicht der Schaltmatte 5 gezeigt.