DE102018101145A1

DE102018101145A1 - Verbesserter Kraftsensor in Folientechnik

Info

Publication number: DE102018101145A1
Application number: DE102018101145.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Staude; Raphael Mack; Norbert Vajda; Onofrio Intini
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-20
Also published as: DE102018101145B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Eingabevorrichtung (10) mit einer Kraftsensorik für ein Fahrzeug, mit einer biegbaren kapazitativen Sensorschicht (14), die eine Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden (20, 21, 22, 24) aufweist, und einem Bedienflächenelement (12), wobei die kapazitative Sensorschicht (14) einen ersten Bereich (26) aufweist, der rückseitig an dem Bedienflächenelement (12) gehalten ist, die kapazitative Sensorschicht (14) einen zweiten Bereich (28) aufweist, der relativ zu dem ersten Bereich (26) um 180° umgebogen ist, die kapazitative Sensorschicht (14) einen dritten Bereich (30) aufweist, der relativ zu dem zweiten Bereich (28) um 180° umgebogen ist, zwischen dem ersten Bereich (26) und dem zweiten Bereich (28) ein Halteelement (34) angeordnet ist, und zwischen dem zweiten Bereich (28) und dem dritten Bereich (30) eine kompressible Schicht (36) angeordnet ist, wobei in dem zweiten Bereich (28) und dem dritten Bereich (30) jeweils eine kapazitative Sensorelektrode (20, 21, 22, 24) angeordnet ist, und der zweite Bereich (28) und der dritte Bereich (30) mit der kompressiblen Schicht (36) einen Kraftsensor (42) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung mit einer Kraftsensorik für ein Fahrzeug, mit einer biegbaren kapazitativen Sensorschicht, die eine Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden aufweist, und einem Bedienflächenelement, wobei die kapazitative Sensorschicht einen ersten Bereich aufweist, der rückseitig an dem Bedienflächenelement gehalten ist.
Im Stand der Technik sind Eingabevorrichtungen bekannt, die eine Betätigungskraft auf eine Oberfläche messen können. Solche Eingabevorrichtungen werden auch als Mensch-Maschine-Interface (MMI) oder human machine interface (HMI) bezeichnet. Aus der aufgebrachten Betätigungskraft wird dabei auf eine Bedienabsicht einer Bedienperson geschlossen. Durch eine solche Kraftsensorik können Fehlbedienungen mit einer hohen Zuverlässigkeit vermieden werden. Eine einfache Berührung, wie sie beispielsweise bei entsprechenden berührungsempfindlichen Eingabevorrichtungen erfasst werden, kann demgegenüber leicht versehentlich durchgeführt werden, oder mit einer falschen Eingabevorrichtung vorgenommen werden. Entsprechend kann eine Bedienung erfasst werden, auch wenn diese Berührung unbeabsichtigt oder falsch erfolgt ist.
Insbesondere beim Fahren eines Fahrzeugs kommt es leicht zu Fehlbedienungen. Dies liegt einerseits darin begründet, dass ein Fahrzeugführer beim Führen des Fahrzeugs einen großen Teil seiner Aufmerksamkeit eben auf das Führen des Fahrzeugs verwenden muss, und eine Bedienung der Eingabevorrichtung quasi „nebenbei“ erfolgt. Darüber hinaus kann es selbst bei modernen Fahrzeugen mit einem sehr guten Fahrwerk beim Fahren zu Fahrzeugbewegungen kommen, welche die Bedienung der Eingabevorrichtung erschweren. Gegenüber einer einfachen Erfassung einer Berührung ist es bei einer Kraftsensorik erforderlich, dass die Bedienung zusätzlich eine Kraftschwelle überschreitet, so dass eine fehlerhafte Bedienung demgegenüber mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auftritt.
Bei der Kraftsensorik kommen spezielle Kraftsensoren zum Einsatz, die eine Kraft bei der Bedienung der Eingabevorrichtung erfassen. Diese Kraftsensoren sind teure separate Teile, wodurch die Kosten für eine solche Eingabevorrichtung insgesamt vergleichsweise hoch sind. Außerdem haben solche Kraftsensoren häufig einen großen Platzbedarf, der entsprechend berücksichtigt werden muss. Diese Nachteile konnten bisher nicht auf zufriedenstellende Weise überwunden werden.
In diesem Zusammenhang ist aus der US 2010/0230181 A1 eine Eingabevorrichtung bekannt, die eine erste Elektrode, die auf einer Trägerseite positioniert ist; eine zweite Elektrode, die auf einer Betriebsseite so angeordnet ist, dass sie der ersten Elektrode mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegt und sich aufgrund eines Betriebsdrucks näher an die erste Elektrode bewegt; eine erste Kapazitätserfassungseinheit, die eine Änderung der elektrostatischen Kapazität von einer Änderung des Potentials oder des Stroms der zweiten Elektrode erfasst, wenn ein menschlicher Finger näher an die zweite Elektrode herangeführt worden ist; und eine zweite Kapazitätserfassungseinheit, die eine Änderung der elektrostatischen Kapazität von einer Änderung des Potentials oder des Stroms der ersten Elektrode erfasst, wenn die zweite Elektrode näher an die erste Elektrode bewegt worden ist, umfasst.
Weiterhin ist aus der JP 2009 193 467 A1 eine Vereinfachung eines Prozesses zum Einbau einer Leiterplatte in ein Gehäuse durch Ausbilden eines Platinenmontageverfahrens und um eine Beseitigung von Prozessen für Drahtführung und zur Verbindung zwischen Leiterplatten bekannt. Eine Bauteilmontageplatte umfasst eine flexible Leiterplatte mit einer Öffnung an einer vorbestimmten Position und mindestens einen Kuppelschalter, der auf einer ersten Oberflächenseite montiert ist, wenn eine Seitenfläche der Platte als eine erste Oberfläche und die andere Seitenfläche der Platte als zweite Oberfläche bezeichnet ist. Die Montageplatte weist eine flexible Struktur auf, in der die zweite Oberflächenseite über die erste Oberflächenseite gefaltet ist, so dass die Öffnung der Platte über dem Kuppelschalter auf der ersten Fläche positioniert ist. Diese Struktur ermöglicht es, dass die Platine im gefalteten Zustand in einen vorbestimmten Fall eingebaut wird. Nachdem die Platine montiert ist, kann der Kuppelschalter auf der ersten Oberfläche durch die Öffnung von der zweiten Oberflächenseite in einer Betriebsfläche des Gehäuses betätigt werden.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Eingabevorrichtung mit einer Kraftsensorik für ein Fahrzeug anzugeben, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, und die eine komfortable Bedienung ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit eine Eingabevorrichtung mit einer Kraftsensorik für ein Fahrzeug angegeben, mit einer biegbaren kapazitativen Sensorschicht, die eine Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden aufweist, und einem Bedienflächenelement, wobei die kapazitative Sensorschicht einen ersten Bereich aufweist, der rückseitig an dem Bedienflächenelement gehalten ist, die kapazitative Sensorschicht einen zweiten Bereich aufweist, der relativ zu dem ersten Bereich um 180° umgebogen ist, die kapazitative Sensorschicht einen dritten Bereich aufweist, der relativ zu dem zweiten Bereich um umgebogen ist, zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ein Halteelement angeordnet ist, und zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich eine kompressible Schicht angeordnet ist, wobei in dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich jeweils eine kapazitative Sensorelektrode angeordnet ist, und der zweite Bereich und der dritte Bereich mit der kompressiblen Schicht einen Kraftsensor bilden.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, einen Kraftsensor dadurch zu bilden, dass zwei kapazitative Sensoren miteinander gekoppelt werden. Durch die kompressible Schicht kann dabei eine Kopplung der beiden kapazitativen Sensoren beeinflusst werden, indem die kompressible Schicht beim Einwirken einer Kraft deformiert wird, d.h. die kompressible Schicht wird zusammengedrückt. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen der ersten kapazitativen Sensorelektrode und der zweiten kapazitativen Sensorelektrode, wodurch sich die Kopplung der beiden kapazitativen Sensoren ändert. Das Zusammendrücken der kompressiblen Schicht hängt dabei von einer darauf einwirkenden Kraft ab, so dass durch die beiden kapazitativen Sensoren gemeinsam mit der kompressiblen Schicht ein Kraftsensor gebildet wird. Die kapazitative Sensorschicht ist somit einteilig gebildet und kann wie im Stand der Technik bekannt gebildet werden, um kapazitative Sensoren herzustellen, wobei der Kraftsensor durch die Verwendung der an sich bekannten kapazitativen Sensorschicht mit den kapazitativen Sensorelektroden mit der kompressiblen Schicht gebildet wird.
Die kapazitative Sensorschichte kann sich über den Bereich des Kraftsensors hinaus erstrecken, wobei in dem Bereich des zu bildenden Kraftsensors die beiden kapazitativen Sensorelektroden angeordnet sind. Dabei ist es ausreichend, wenn die kompressible Schicht lediglich im Bereich der übereinander positionierten ersten und zweiten kapazitativen Sensorelektroden ausgebildet bzw. angeordnet ist. Aufgrund der Biegbarkeit der kapazitativen Sensorschicht kann sich diese beispielsweise bei Krafteinwirkung in den Bereich der kompressiblen Schicht hinein verformen, oder eine seitliche Verdrängung erfahren. Durch das Halteelement wird dabei eine mechanische Entkopplung des Kraftsensors von dem Bedienflächenelement erreicht. Außerdem kann ein haptisches Feedback bei einer Betätigung des Kraftsensors bereitgestellt werden. Dadurch wird die Eingabevorrichtung mit einem hohen Bedienkomfort bereitgestellt.
Vorzugsweise weist die kapazitative Sensorschicht eine möglichst hohe Biegbarkeit auf, um einen geringen Biegeradius zu erreichen und einen kompakten Kraftsensor bereitstellen zu können. Vorzugsweise weist die kapazitative Sensorschicht insgesamt eine oder mehrere Trägerschichten auf, die sich durch die gesamte kapazitative Sensorschicht erstrecken. Durch das Umbiegen kann die Eingabevorrichtung im Wesentlichen aus einer einzelnen Sensorschicht gebildet werden, wobei verschiedene Bereiche verschiedene Funktionen übernehmen können.
Die beiden kapazitativen Sensoren in dem zweiten und dritten Bereich werden von einer Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung gemeinsam angesteuert und/oder ausgewertet, um ein Maß für die einwirkende Kraft zu bestimmen. Dabei kann jeweils ein so gebildeter Kraftsensor alleine angesteuert und/oder ausgewertet werden, oder in Kombination mit wenigstens einem weiteren Kraftsensor. Die Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung kann separat zu der Eingabevorrichtung ausgeführt sein, beispielsweise um eine zentrale Auswertung der Krafteinwirkung durchzuführen, oder als Teil der Eingabevorrichtung. In diesem Fall kann die Eingabevorrichtung unmittelbar ein Maß für die Krafteinwirkung ausgeben.
Die Eingabevorrichtung ist zur Verwendung in einem Fahrzeug ausgeführt, beispielsweise als Bedienelement für eine Komponente des Fahrzeugs. Dabei kann die Eingabevorrichtung einer Komponente fest zugeordnet sein, oder zur Bedienung einer Mehrzahl Komponenten des Fahrzeugs ausgeführt sein.
Die kapazitative Sensorschicht weist wenigstens in dem zweiten und dritten Bereich jeweils eine kapazitative Sensorelektrode auf, die außenseitig oder innerhalb der kapazitativen Sensorschicht angeordnet sein können. Die kapazitativen Sensorelektroden können beispielsweise flächig ausgeführt sein, oder in einer Fläche angeordnet sein, beispielsweise ein Leiter, der in einer Fläche in einer prinzipiell beliebigen Form angeordnet ist, beispielsweise mäanderförmig oder spiralförmig. Dabei kann jede Sensorelektrode ein oder mehrere elektrisch getrennte Elektrodenelemente umfassen, die gemeinsam die entsprechende Sensorelektrode bilden.
Die kapazitative Sensorschicht kann in dem zweiten und dritten Bereich jeweils eine Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden aufweisen, die entsprechend übereinander angeordnet sind, um eine Mehrzahl benachbarter Kraftsensoren zu bilden. Dabei müssen sich das Halteelement und die kompressible Schicht entsprechend weit erstrecken, um die benachbarten Kraftsensoren zu bilden.
Die kompressible Schicht ermöglicht eine Bewegung und/oder Verformung der kapazitativen Sensorschicht im Bereich des so gebildeten Kraftsensors, indem die kompressible Schicht selber komprimiert wird. Dadurch können sich die erste und die zweite kapazitative Sensorelektrode relativ zueinander bewegen. Die Bewegung ist vorzugsweise derart, dass sich die zwei kapazitativen Sensorelektroden in einer flächigen Anordnung relativ zueinander bewegen. Dies kann bei einer Verformung der Sensorschicht verstärkt werden. Typischerweise ist die Bewegung der beiden kapazitativen Sensorelektroden bei Krafteinwirkung in einer Richtung aufeinander zu, während sich die beiden kapazitativen Sensorelektroden nach der Krafteinwirkung voneinander wegbewegen. Dabei kann die kapazitative Sensorschicht im Bereich des Kraftsensors die Verformung erfahren, um die erste und die zweite kapazitative Sensorelektrode relativ zueinander bewegen.
Mit dem gebildeten Kraftsensor kann ein prinzipiell beliebiges Maß für die Krafteinwirkung bestimmt werden. Es wird typischerweise ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, welches das Maß für die Kraft angibt. Eine Messung der Kraft ist nicht erforderlich. Eine Betätigung des Kraftsensors erfolgt definitionsgemäß von einer Seite der kapazitativen Sensorschicht im Bereich der ersten kapazitativen Sensorelektrode, wobei die erste und die zweite kapazitative Sensorelektrode prinzipiell austauschbar sein können.
Das Bedienflächenelement stellt eine Fläche zur Bedienung der Eingabevorrichtung bereit. Das Bedienflächenelement kann entsprechend beispielsweise eine Beschriftung oder andersartige Markierung tragen. Außerdem kann das Bedienflächenelement beispielsweise mit einer Beleuchtung ausgeführt sein, um eine Rückmeldung über einen Schaltzustand der Eingabevorrichtung anzuzeigen, oder ähnliches. Das Bedienflächenelement kann prinzipiell eine beliebige Größe aufweisen, beginnend beispielsweise bei der Größe einer Fingerspitze zur Bedienung. Die Befestigung der kapazitativen Sensorschicht rückseitig an dem Bedienflächenelement bewirkt eine mechanische Kopplung, um über das Bedienflächenelement eine Kraft in den Kraftsensor einzuleiten.
Der erste Bereich kann ebenfalls eine oder mehrere Sensorelektroden aufweisen. Dadurch kann die Eingabevorrichtung eine Eingabe durch Annäherung und/oder Berührung ermöglichen, d.h. bevor eine wesentliche Kraft auf das Bedienflächenelement ausgeübt wird. Eine Auswertung kann prinzipiell unabhängig von dem Kraftsensor erfolgen, oder in Kombination damit. Auch können Sensorelektroden in dem ersten Bereich versetzt von dem Kraftsensor angeordnet sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die kapazitative Sensorschicht eine Substratschicht und eine Dielektrikumsschicht auf, wobei die Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden zwischen der Substratschicht und der Dielektrikumsschicht positioniert ist. Die Substratschicht kann dabei als stabilisierende Trägerschicht dienen, während durch die Dielektrikumsschicht kapazitative Eigenschaften der kapazitativen Sensorschicht beeinflusst und durch eine entsprechende Wahl eines dielektrischen Materials eingestellt werden können. Die Anordnung der Substratschicht und der Dielektrikumsschicht in der kapazitativen Sensorschicht bewirkt, dass sich bei dem Kraftsensor die Dielektrikumsschicht oder die Substratschicht jeweils gegenüberliegt. Sowohl die Substratschicht wie auch die Dielektrikumsschicht können eine geeignete Verformbarkeit aufweisen, um eine Bewegung der beiden kapazitativen Sensorelektroden relativ zueinander durch ihre Verformung zu verstärken.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die kompressible Schicht ein Luftpolster auf, das zwischen wenigstens zwei Stützelementen angeordnet ist, und das Luftpolster ist in einem Bereich zwischen den beiden Sensorelektroden des zweiten und dritten Bereichs angeordnet. Durch die Stützelemente kann eine Dicke des Luftpolsters und damit eine mögliche Bewegung der beiden kapazitativen Sensorelektroden relativ zueinander eingestellt bzw. vorgegeben werden. Luft ist leicht komprimierbar, so dass die erste und die zweite Sensorschicht gut relativ zueinander beweglich sind. Die Stützelemente sind vorzugweise nicht oder nur gering kompressibel. Die Stützelemente können als punktförmige, linienförmige oder flächige Stützelemente ausgeführt sein, die mindestens an zwei gegenüberliegenden Seiten des Luftpolsters angeordnet sind. Auch können umlaufende Stützelemente nach der Art eines umlaufenden Stützrings miteinander verbunden sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei Stützelemente als selbstklebende oder selbsthaftende Stützelemente ausgeführt. Dadurch können die Stützelemente einfach an der ersten oder zweiten kapazitativen Sensorschicht angebracht werden. Die Anbringung der Stützelemente kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, beispielsweise bei der Herstellung der Sensorlage.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Halteelement als selbstklebendes oder selbsthaftendes Halteelement ausgeführt. Dadurch kann das Halteelement einfach an dem ersten oder zweiten Bereich der kapazitativen Sensorschicht angebracht werden. Die Anbringung des Halteelements kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, beispielsweise bei der Herstellung der kapazitativen Sensorschicht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Eingabevorrichtung ein Abstützelement auf, und die kapazitative Sensorschicht liegt mit ihrem dritten Bereich an dem Abstützelement an oder ist daran gehalten. Durch das Abstützelement kann eine Komprimierung der kompressiblen Schicht erleichtert oder verstärkt werden. Das Abstützelement ist typischerweise selber nicht oder nur gering verformbar. Eine Betätigung des Kraftsensors erfolgt entsprechend von einer Seite der kapazitativen Sensorschicht im Bereich der ersten kapazitativen Sensorelektrode. Das Abstützelement ist vorzugsweise mit einem Zwischenelement an dem Abstützelement angebracht bzw. daran gehalten. Das Zwischenelement ist weiter bevorzugt elastisch ausgeführt, um eine mechanische Entkopplung zu bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann das Zwischenelement selbstklebend ausgeführt sein, um eine Anbringung zu erleichtern.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden zur Erfassung einer Annäherung oder einer Berührung ausgeführt. Für die Erfassung der Annäherung ist die Sensorelektrode basierend auf einer Eigenkapazität (self capacitance, self mode) ausgeführt. Dies erlaubt auch die Erfassung einer Berührung beispielsweise mit Handschuhen. Für die Erfassung der Berührung ist die Sensorelektrode basierend auf einer Gegenkapazität (mutual capacitance, mutual mode) ausgeführt. Bei einer Erfassung von Gegenkapazitäten kann beispielsweise durch eine hohe Dichte an interpolierbaren Elektrodeninformationen eine präzisere Berührungserkennung durchgeführt werden. Jede kapazitative Sensorelektrode kann dabei individuell ausgeführt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung eine oder mehrere der Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden als kapazitative Guardelektrode ausgeführt. Die Guardelektrode verbessert die elektromagnetische Kompatibilität, um Probleme beim Betrieb der Eingabevorrichtung zu verhindern. Auch kann eine elektrische Kopplung zwischen den beiden Sensorelektroden durch Einflüsse von Feuchtigkeit oder Dampf beeinflusst werden. Auch solche Einflüsse können mit der Guardelektrode reduziert werden. Beim jedem Kraftsensor kann eine prinzipiell beliebige der beiden Sensorelektroden als Guardelektrode ausgeführt sein. Bei einer Mehrzahl Sensorelektroden in dem ersten Bereich können eine oder mehrere der dortigen Sensorelektroden als Guardelektrode ausgeführt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Eingabevorrichtung ein Befestigungselement auf, das zwischen dem Bedienflächenelement und dem ersten Bereich der kapazitativen Sensorschicht angeordnet ist. Das Befestigungselement ist bevorzugt elastisch ausgeführt, um eine mechanische Entkopplung zu bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann das Befestigungselement selbstklebend ausgeführt sein, um eine Anbringung zu erleichtern. Das Befestigungselement kann wahlweise an dem Bedienflächenelement oder an der kapazitativen Sensorschicht im dem ersten Bereich der kapazitativen Sensorschicht angebracht sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Bedienflächenelement als Anzeigeelement, insbesondere nach der Art eines elektronisch ansteuerbaren Anzeigeelements ausgeführt. Das Bedienflächenelement kann somit zur Darstellung von Informationen genutzt werden, die auf dem Anzeigeelement dargestellt werden. Damit kann eine Eingabe mit dem Eingabeelement individuell durchgeführt und jeweils nach Bedarf angepasst werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Eingabevorrichtung ein haptisches Rückkoppelelement auf, das angeordnet und ausgeführt ist, bei einer Betätigung der Eingabevorrichtung eine haptische Rückkopplung zu erzeugen. Das haptische Rückkoppelelement kann integral mit dem Bedienflächenelement ausgeführt sein. Durch die erzeugte haptische Rückmeldung kann eine Eingabe über die Eingabevorrichtung bestätigt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist weist die Eingabevorrichtung eine Mehrzahl Kraftsensoren auf, die an einer Unterseite des Bedienflächenelements positioniert sind, insbesondere in Eckbereichen des Bedienflächenelements. Somit kann eine Betätigung der Eingabevorrichtung über das Bedienflächenelement auf dem Bedienflächenelement lokalisiert werden, abhängig von einer Kraft auf die einzelnen Kraftsensoren. Die Eingabevorrichtung kann dabei eine gemeinsame Verbindungsleitung zum Anschluss der Mehrzahl Kraftsensoren umfassen. Bei einem Bedienflächenelement mit Anzeigeelement kann zusätzlich das Anzeigeelement über die Verbindungsleitung elektrisch angeschlossen werden. Die Verbindungsleitung ist vorzugsweise nach der Art einer Flachbandleitung ausgeführt. Über eine gemeinsame Auswertung mehrerer Kraftsensoren kann nicht nur auf die Bedienposition geschlossen werden, sondern auch ein Vergleich mit einer Sensorik zur Erfassung einer Annäherung bzw. einer Berührung erfolgen. Dieser Vergleich kann zu einer Sicherheitsüberprüfung herangezogen werden. Die Sensorik zur Erfassung der Annäherung bzw. der Berührung kann gemeinsam mit dem Kraftsensor in der kapazitativen Sensorschicht ausgeführt sein. Alternativ können die erste und/oder zweite kapazitative Sensorelektrode angesteuert werden, um die Annäherung bzw. Berührung zu erfassen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Eingabevorrichtung eine Verbindungsleitung auf, und die kapazitative Sensorschicht ist in der Verbindungsleitung ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache und flexible Bereitstellung des Kraftsensors. Eine Position des Kraftsensors an der Unterseite des Bedienflächenelements kann somit nach Bedarf gewählt werden. Wenn die Verbindungsleitung beispielsweise austauschbar mit dem Bedienflächenelement verbunden ist, kann durch einen Austausch der Verbindungsleitung mit einem unterschiedlich angeordneten bzw. ausgebildeten Kraftsensor eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen zur Bedienung über das Bedienflächenelement erfolgen. Die Verbindungsleitung ist vorzugsweise eine Verbindungsleitung zur Ansteuerung eines Anzeigeelements des Bedienflächenelements, in welche zusätzlich wenigstens ein Kraftsensor integriert ist. Auch hier ist die Verbindungsleitung vorzugsweise nach der Art einer Flachbandleitung ausgeführt. Diese Ausgestaltung der Eingabevorrichtung ermöglicht es, den Kraftsensor erst bei Verwendung bereitzustellen. Die Verbindungsleitung kann zur elektrischen Ansteuerung des Bedienflächenelements ausgeführt sein. Die Verbindungsleitung kann zusätzlich zum elektrischen Anschluss der Kraftsensoren dienen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Eingabevorrichtung mit einer durch eine durchgehende kapazitative Sensorschicht ausgebildeten Kraftsensorik und einem Halteelement gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform in einer seitlichen Schnittansicht,
2 eine schematische Darstellung einer Eingabevorrichtung mit einem Bedienflächenelement und vier daran angebrachten Kraftsensoren gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ansicht von unten, und
3 eine schematische Darstellung einer Eingabevorrichtung mit einem Bedienflächenelement und einem in einer Verbindungsleitung ausgebildeten Kraftsensor gemäß einer dritten Ausführungsform in einer Ansicht von unten.

Die 1 zeigt eine Eingabevorrichtung 10 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in einem nicht dargestellten Fahrzeug, beispielsweise als Bedienelement für eine Komponente des Fahrzeugs. Dabei kann die Eingabevorrichtung einer Komponente fest zugeordnet sein, oder zur Bedienung einer Mehrzahl Komponenten des Fahrzeugs ausgeführt sein.
Die Eingabevorrichtung 10 umfasst ein Bedienflächenelement 12, das eine Fläche zur Bedienung der Eingabevorrichtung 10 bereitstellt. Das Bedienflächenelement 12 weist beispielhaft eine Beschriftung oder andersartige Markierung und eine Beleuchtung auf, um eine Rückmeldung über einen Schaltzustand der Eingabevorrichtung 10 anzuzeigen. In einer alternativen Ausführungsform ist das Bedienflächenelement 12 als elektronisch ansteuerbares Anzeigeelements zur Darstellung von Informationen ausgeführt.
Die Eingabevorrichtung 10 umfasst eine biegbare kapazitative Sensorschicht 14, die eine Substratschicht 16 und eine Dielektrikumsschicht 18 aufweist. Die Substratschicht 16 dient als stabilisierende Trägerschicht, und die Dielektrikumsschicht 18 beeinflusst kapazitative Eigenschaften der kapazitativen Sensorschicht 14.
Zwischen der Substratschicht 16 und der Dielektrikumsschicht 18 ist eine Mehrzahl kapazitativer Sensorelektroden 20, 21, 22, 24 angeordnet. Die kapazitativen Sensorelektroden 20, 21, 22, 24 sind flächig ausgeführt bzw. in einer Fläche angeordnet, beispielsweise mäanderförmig oder spiralförmig. Dabei kann jede Sensorelektrode 20, 21, 22, 24 ein oder mehrere elektrisch getrennte Elektrodenelemente umfassen, die gemeinsam die entsprechende Sensorelektrode 20, 21, 22, 24 bilden.
Die kapazitative Sensorschicht 14 umfasst drei Bereiche 26, 28, 30, wobei die drei Bereiche 26, 28, 30 jeweils durch Umbiegen der kapazitativen Sensorschicht 14 um 180°gebildet sind. Entsprechend umfasst die kapazi tative Sensorschicht 14 einen ersten Bereich 26, der rückseitig an dem Bedienflächenelement 12 gehalten ist. Dazu ist zwischen dem Bedienflächenelement 12 und dem ersten Bereich 26 der kapazitativen Sensorschicht 14 ein Befestigungselement 32 klebend befestigt. Das Befestigungselement 32 ist selbstklebend ausgeführt. Das Bedienflächenelement 12 ist über das Befestigungselement 32 mechanisch mit dem ersten Bereich 26 der kapazitativen Sensorschicht 14 gekoppelt.
An den ersten Bereich 26 schließt sich ein zweiter Bereich 28 an, der gegenüber dem ersten Bereich 26 um 180° umgebogen ist. Die kapazi tative Sensorschicht 14 weist dabei eine möglichst hohe Biegbarkeit auf, um einen geringen Biegeradius zu erreichen. Zwischen dem ersten Bereich 26 und dem zweiten Bereich 28 ist ein Halteelement 34 angeordnet. Das Halteelement 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel als selbstklebendes oder selbsthaftendes Halteelement 34 ausgeführt.
An den zweiten Bereich 28 schließt sich ein dritter Bereich 30 an, der wiederum gegenüber dem zweiten Bereich 28 um 180° umgebogen ist. Zwischen dem zweiten Bereich 28 und dem dritten Bereich 30 ist eine kompressible Schicht 36 angeordnet. Die kompressible Schicht 36 ist hier mit einem Luftpolster 38 ausgeführt, das zwischen seitlichen Stützelementen 40 angeordnet ist. Die Stützelemente 40 sind nur gering kompressibel. Die Stützelemente 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel als linienförmige Stützelemente 40 ausgeführt und an vier Seiten des Luftpolsters 32 angeordnet. Alternativ können die Stützelemente 34 nach der Art eines umlaufenden Stützrings miteinander verbunden sein. Die Stützelemente 34 sind als selbstklebende Stützelemente 34 zur klebenden Anbringung zwischen dem zweiten und dritten Bereich 26, 28 der kapazitativen Sensorschicht 14 ausgeführt.
In dem ersten Bereich 26 sind erste kapazitative Sensorelektroden 20, 21 angeordnet, in dem zweiten Bereich 26 ist eine zweite kapazitative Sensorelektrode 22 angeordnet, und in dem dritten Bereich 30 ist eine dritte kapazitative Sensorelektrode 24 angeordnet. Die kapazitativen Sensorelektroden 20, 21, 22, 24 sind dabei zur Erfassung einer Berührung basierend auf einer Gegenkapazität (mutual capacitance, mutual mode) ausgeführt. Alternativ sind die kapazitativen Sensorelektroden 20, 21, 22, 24 zur Erfassung einer Annäherung basierend auf einer Eigenkapazität (self capacitance, self mode) ausgeführt.
Im umgebogenen Zustand liegen die zweite und dritte kapazitative Sensorelektrode 22, 24 so übereinander, dass der zweite Bereich 28 und der dritte Bereich 30 mit der kompressiblen Schicht 36 einen Kraftsensor 42 bilden. Das Luftpolster 38 ist dabei in einem Bereich zwischen der zweiten und dritten kapazitativen Sensorelektrode 22, 24 angeordnet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine der ersten kapazitativen Sensorelektroden 20, 21 als kapazitative Guardelektrode 21 ausgeführt. Bei dem Kraftsensor 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel die zweite kapazitative Sensorelektrode 22 als Guardelektrode ausgeführt.
Die Eingabevorrichtung 10 umfasst weiterhin ein Abstützelement 44, an dem der dritte Bereich 30 der kapazitativen Sensorschicht 14 mit einem Zwischenelement 46 befestigt ist. Das Abstützelement 44 ist selber nicht oder nur gering verformbar.
Die Eingabevorrichtung 10 weist außerdem ein hier nicht dargestelltes haptisches Rückkoppelelement auf, das angeordnet und ausgeführt ist, bei einer Betätigung der Eingabevorrichtung 10 über das Bedienflächenelement 12 eine haptische Rückkopplung zu erzeugen. Durch das elastisch ausgeführte Befestigungselement 32 wird dabei eine mechanische Entkopplung des Rückkoppelelements auf den Kraftsensor 42 bewirkt.
Die zweiten und dritten kapazitativen Sensorelektroden 22, 24 in dem zweiten und dritten Bereich 28, 30 werden von einer nicht dargestellten Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung gemeinsam angesteuert und/oder ausgewertet, um ein Maß für eine einwirkende Kraft zu bestimmen. Dabei kann jeweils ein so gebildeter Kraftsensor 42 alleine angesteuert und/oder ausgewertet werden, oder in Kombination mit wenigstens einem weiteren Kraftsensor 42. Es kann ein prinzipiell beliebiges Maß für eine Krafteinwirkung bestimmt werden, wobei von der. Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird, welches das Maß für die Kraft angibt.
Zusätzlich werden die ersten kapazitativen Sensorelektroden 20 in dem ersten Bereich 26 von der Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung angesteuert und/oder ausgewertet, um in an sich bekannter Weise eine Annäherung und/oder eine Berührung der Eingabevorrichtung 10 zu erfassen.
Die Steuerschaltung und/oder Auswerteschaltung kann separat zu der Eingabevorrichtung 10 ausgeführt sein, beispielsweise um eine zentrale Auswertung der Krafteinwirkung durchzuführen, oder als Teil der Eingabevorrichtung 10.
Eine Betätigung der Eingabevorrichtung 10 erfolgt von der Seite des Bedienflächenelements 12. Eine darauf ausgeübte Kraft wird über das Befestigungselement 32 und auf den ersten Bereich 26 der kapazitativen Sensorschicht 14 und darüber auf das Halteelement 34 übertragen. Von dort wird die Kraft auf den Kraftsensor 42 übertragen. Der Kraftsensor 42 selber stützt sich über das Zwischenelement 46 an dem Abstützelement 44 ab. Dadurch erfolgt eine Komprimierung des Luftpolsters 38. Dies bewirkt eine Verschiebung der zweiten und dritten kapazitativen Sensorelektrode 22, 24 derart, dass sich die zweite und dritte kapazitative Sensorelektrode 22, 24 bei einer Krafteinwirkung in ihrer flächigen Anordnung aufeinander zu bewegen, und nach der Krafteinwirkung entsprechend umgekehrt.
2 zeigt eine Eingabevorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Eingabevorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform basiert auf der Eingabevorrichtung 10 der ersten Ausführungsform, so dass nachfolgend nur Unterschiede zwischen den Eingabevorrichtungen 10 der ersten und zweiten Ausführungsform im Detail erörtert werden. Hier nicht erneut beschriebene Details entsprechen im Zweifel denen der Eingabevorrichtung 10 der ersten Ausführungsform.
Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die Eingabevorrichtung 10 ein rechteckiges Bedienflächenelement 12 mit vier daran angebrachten Kraftsensoren 42. Jeder der Kraftsensoren 42 ist wie in Bezug auf die Eingabevorrichtung 10 der ersten Ausführungsform beschrieben ausgeführt und entsprechend angeordnet. Die Kraftsensoren 42 sind an den vier Ecken des Bedienflächenelements 12 an einer Unterseite des Bedienflächenelements 12 angeordnet, und werden von der Steuer- und Auswerteschaltung gemeinsam angesteuert. Die Steuer- und Auswerteschaltung ist ausgeführt, eine Betätigung der Eingabevorrichtung 10 über das Bedienflächenelement 12 abhängig von einer Kraft auf die einzelnen Kraftsensoren 42 auf dem Bedienflächenelement 12 zu lokalisieren. Die Eingabevorrichtung 10 umfasst dabei eine gemeinsame Verbindungsleitung 50 zum Anschluss der Kraftsensoren 42. Die Verbindungsleitung 50 ist nach der Art einer Flachbandleitung ausgeführt mit einem flexiblen, flachen Kabel 52 und einem Stecker 54. Die Verbindungsleitung 50 ist aufgeteilt, um die vier Kraftsensoren 42 zu bilden.
3 zeigt eine Eingabevorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Eingabevorrichtung 10 der dritten Ausführungsform basiert auf der Eingabevorrichtung 10 der ersten Ausführungsform, so dass nachfolgend nur Unterschiede zwischen den Eingabevorrichtungen 10 der ersten und dritten Ausführungsform im Detail erörtert werden. Hier nicht erneut beschriebene Details entsprechen im Zweifel denen der Eingabevorrichtung 10 der ersten Ausführungsform.
Gemäß der dritten Ausführungsform umfasst die Eingabevorrichtung 10 ein rechteckiges Bedienflächenelement 12, das hier integral als Anzeigevorrichtung ausgeführt ist. Die Eingabevorrichtung 10 umfasst weiter eine Verbindungsleitung 50 zum Anschluss des Bedienflächenelements 12 mit der Anzeigevorrichtung. Die Verbindungsleitung 50 ist nach der Art einer Flachbandleitung ausgeführt mit einem flexiblen, flachen Kabel 52 und einem Stecker 54. In der Verbindungsleitung 50 ist ein Kraftsensor 42 angeordnet. Der Kraftsensor 42 entspricht dem Kraftsensor 42 der ersten Ausführungsform. Der Kraftsensor 12 ist ebenfalls über die Verbindungsleitung 50 mit der Steuer- und Auswerteschaltung elektrisch verbunden.
Bezugszeichenliste

10: Eingabevorrichtung
12: Bedienflächenelement
14: kapazitative Sensorschicht
16: Substratschicht
18: Dielektrikumsschicht
20: erste kapazitative Sensorelektrode
21: erste kapazitative Sensorelektrode, Guardelektrode
22: zweite kapazitative Sensorelektrode, Guardelektrode
24: dritte kapazitative Sensorelektrode
26: erster Bereich
28: zweiter Bereich
30: dritter Bereich
32: Befestigungselement
34: Halteelement
36: kompressible Schicht
38: Luftpolster
40: Stützelement
42: Kraftsensor
44: Abstützelement
46: Zwischenelement
50: Verbindungsleitung
52: Kabel
54: Stecker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0230181 A1 [0005]
JP 2009193467 A1 [0006]

Claims

Eingabevorrichtung (10) mit einer Kraftsensorik für ein Fahrzeug, mit einer biegbaren kapazitativen Sensorschicht (14), die eine Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden (20, 21, 22, 24) aufweist, und einem Bedienflächenelement (12), wobei die kapazitative Sensorschicht (14) einen ersten Bereich (26) aufweist, der rückseitig an dem Bedienflächenelement (12) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitative Sensorschicht (14) einen zweiten Bereich (28) aufweist, der relativ zu dem ersten Bereich (26) um 180° umgebogen ist, die kapazitative Sensorschicht (14) einen dritten Bereich (30) aufweist, der relativ zu dem zweiten Bereich (28) um 180° umgebogen ist, zwischen dem ersten Bereich (26) und dem zweiten Bereich (28) ein Halteelement (34) angeordnet ist, und zwischen dem zweiten Bereich (28) und dem dritten Bereich (30) eine kompressible Schicht (36) angeordnet ist, wobei in dem zweiten Bereich (28) und dem dritten Bereich (30) jeweils eine kapazitative Sensorelektrode (20, 21, 22, 24) angeordnet ist, und der zweite Bereich (28) und der dritte Bereich (30) mit der kompressiblen Schicht (36) einen Kraftsensor (42) bilden.
Eingabevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitative Sensorschicht (14) eine Substratschicht (16) und eine Dielektrikumsschicht (18) aufweist, wobei die Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden (20, 21, 22, 24) zwischen der Substratschicht (16) und der Dielektrikumsschicht (18) positioniert ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kompressible Schicht (36) ein Luftpolster (38) aufweist, das zwischen wenigstens zwei Stützelementen (40) angeordnet ist, und das Luftpolster (38) in einem Bereich zwischen den kapazitativen Sensorelektroden (20, 21, 22, 24) des zweiten und dritten Bereichs (28, 30) angeordnet ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Stützelemente (40) als selbstklebende oder selbsthaftende Stützelemente (40) ausgeführt sind.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (10) ein Abstützelement (44) aufweist, und die kapazitative Sensorschicht (14) mit ihrem dritten Bereich (30) an dem Abstützelement (44) anliegt oder daran gehalten ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl kapazitative Sensorelektroden (20, 21, 22, 24) zur Erfassung einer Annäherung oder einer Berührung ausgeführt ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Mehrzahl kapazitative Sensorelektrode (20, 21, 22, 24) des zweiten Bereichs (28) oder des dritten Bereichs (30) als kapazitative Guardelektrode (21, 22) ausgeführt ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (34) als selbstklebendes oder selbsthaftendes Halteelement (34) ausgeführt ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (10) ein Befestigungselement (32) aufweist, das zwischen dem Bedienflächenelement (12) und dem ersten Bereich (26) der kapazitativen Sensorschicht (14) angeordnet ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienflächenelement (12) als Anzeigeelement, insbesondere nach der Art eines elektronisch ansteuerbaren Anzeigeelements ausgeführt ist.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (10) ein haptisches Rückkoppelelement aufweist, das angeordnet und ausgeführt ist, bei einer Betätigung der Eingabevorrichtung (10) eine haptische Rückkopplung zu erzeugen.
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung eine Mehrzahl Kraftsensoren (42) aufweist, die an einer Unterseite des Bedienflächenelements (12) positioniert sind, insbesondere in Eckbereichen des Bedienflächenelements (12).
Eingabevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabevorrichtung (10) eine Verbindungsleitung (50) aufweist, und die kapazitative Sensorschicht (14) in der Verbindungsleitung (50) ausgebildet ist.