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Dokumentenidentifikation DE102004026672B4 03.05.2007
Titel Berührungsschalteinrichtung
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Zenker, Thomas, Dr., 55268 Nieder-Olm, DE
Vertreter Jeck · Fleck · Herrmann Patentanwälte, 71665 Vaihingen
DE-Anmeldedatum 28.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004026672
Offenlegungstag 29.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H03K 17/955(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03K 17/96(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G06F 3/03(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Berührungsschalteinrichtung mit mindestens einer kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode, die an der dem Bediener abgewandten Seite einer durchgängigen, ein dielektrisches Trägermaterial aufweisenden Bedienblende im Bedienbereich angeordnet ist, wobei an der dem Bediener abgewandten Seite der Bedienblende eine elektrisch leitende Schicht angeordnet ist, welche in elektrisch isolierte flächige Bereiche strukturiert ist.

Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Berührungsschalter bekannt. Derartige Berührungsschalter werden im Allgemeinen einsetzt, um Schaltvorgänge durch eine durchgängige Fläche aus Glas oder Kunststoff hindurch auslösen zu können. Derartige Flächen erlauben bedienungs- und reinigungsfreundliche Systeme zu entwickeln, die zudem einen breiten Gestaltungsspielraum hinsichtlich einer Dekorierung, Hinterleuchtung und Hinterlegung mit Displayeinheiten erlauben. Dazu werden die Berührungsschalter hinter der Fläche, die beispielsweise die Bedienfläche für ein elektrisches oder elektronisch ansteuerbares Gerät, eine Glaskeramik-Kochfläche oder eine sonstige Eingabeeinheit beispielsweise von Geräten im öffentlichen Bereich, wie Verkaufsautomaten und Informations- oder Bedienterminals, bei Automobilen, Computern und in der Medizin darstellt, angeordnet. Durch Berühren der Fläche im Bereich des Berührungsschalters wird dann der Schaltvorgang ausgelöst, wobei die eigentliche Schaltfunktion von elektronischen Schaltern oder Relais ausgeführt wird.

Die kapazitiven Berührungsschalter weisen zumindest eine aktive Elektrode auf, die hinter einer durchgängigen Abdeckung im Bereich der Schaltfläche angeordnet ist. Die Schaltfunktion wird ausgelöst, wenn sich ein ausreichend großer, leitfähiger Körper, beispielsweise ein menschlicher Finger, in der Nähe der Elektrode befindet.

Die DE 197 06 168 A1 beschreibt ein derartiges kapazitives System, bei dem als Sensoren zum Beispiel Metallfedern oder leitfähige Kunststofftasten von der dem Benutzer abgewandten Seite an die Bedienblende bzw. das Bedienfeld gedrückt sind.

Aus der EP 0 795 233 B1 ist bekannt, flächige Sensorelemente direkt auf die die Elektronik tragend Leiterplatine aufzubringen, welche wiederum unmittelbar hinter der Bedienblende angeordnet ist. Dazu werden flächige Sensorelemente direkt auf eine elektronische Leiterplatine aufgebracht, welche wiederum unmittelbar hinter der Bedienblende angeordnet wird, insbesondere angedrückt oder flächig verklebt. Beim Andrücken oder Ankleben muss nachhaltig ein Luftspalt vermieden werden, damit sich unter Feuchtigkeitseinwirkung die Toucheigenschaften nicht verändern können.

Aus der EP 0 042 167 B1 ist bekannt, zwei Elektroden auf der dem Bediener abgewandten Seite der Bedienblende anzuordnen. Auf der dem Bediener zugewandten Seite ist eine weitere Elektrode angeordnet, welche die beiden unteren Elektroden überdeckt. Die beiden unteren Elektroden werden von einer Elektronik so angesteuert, dass sie als Reihenschaltung zweier Kapazitäten wirken. Die Kopplung erfolgt dabei über die obere Elektrode. Berührt der Bediener die obere Elektrode, wird diese auf Masse gelegt und die Kopplung des Signals wird stark geschwächt.

Bei den Berührungsschalteinrichtungen nach Stand der Technik ergeben sich häufig Probleme hinsichtlich einer klimatisch und dielektrisch stabilen Anbringung der Sensorelektroden an die Bedienblende. Zudem ist stets ein aufwändiges Positionieren der Sensorelektroden relativ zur Dekorierung der Blende notwendig, wobei auch die Kontaktierung zwischen den Sensorelektroden und den elektronischen Platinen und die Ansteuerung und Auswertung der Sensorelektroden oftmals sehr aufwändig und somit kostenintensiv ist.

Eine weitere Berührungsschalteinrichtung ist aus der US 4,614,937 bekannt. Dabei sind an eine kapazitive Berührungselektrode eine Emitter-Elektrode und eine Empfänger-Elektrode kapazitiv angekoppelt. Die Emitter- und die Empfänger-Elektrode sind auf gegenüberliegenden Seiten eines dielektrischen Materials angeordnet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Berührungsschalteinrichtung anzugeben, bei welcher galvanische Anbindungen und damit Kontaktierungsprobleme vermieden werden. Darüber hinaus soll bei möglichst kompakter Bauform eine elektrische Ankopplung weiterer Elektronik, insbesondere der Bedienelektrodenauswertung an die Elektrodenflächen kostenmäßig und verfahrenstechnisch vorteilhaft möglich sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eine gattungsgemäße Berührungsschalteinrichtung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, indem durch den mindestens einen elektrisch isolierten flächigen Bereich bzw. die elektrisch isolierten flächigen Bereiche mindestens eine Zuleitung und mindestens eine Kontaktzone definiert ist. Die Touch-Elektrode ist dabei über die Zuleitung mit der Kontaktzone verbunden.

Die Kontaktzone wiederum ist mit einer darunter liegenden Anschlussschicht kapazitiv gekoppelt, wobei die Anschlussschicht mit einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Auswertung der Berührungs- oder Touch-Elektrode verbunden ist. Die Anschlussschicht kann auch Teil der elektronischen Schaltungsanordnung sein.

Mit dieser Anordnung wird sichergestellt, dass an die Elektrodenstruktur, bestehend aus Zuleitung und Kontaktzonen, keinerlei elektronische Schaltung galvanisch, das heißt direkt leitend, verbunden oder angeschlossen ist. Die Elektrodenstruktur bildet mit einer dielektrischen Bedienblende, zum Beispiel aus Glas, einen mechanischen Verbund, der zunächst ein von der elektronischen Platine getrenntes Modul darstellt, das einfach montiert werden kann. Die weiteren Schichten sind dann ausschließlich kapazitiv gekoppelt.

Die Sensorelektroden lassen sich mit diesem Aufbau über automatische, standardisierte Druck-, Beschichtungs- und Abtragungsprozesse in dekorierte Bedienblenden integrieren. Es ist kein aufwändiges Positionieren und Aufkleben separater Touchelektrodenmodule erforderlich, die auf das jeweilige Bedienblendenlayout angepasst sein müssen. Das Positionieren der Elektronik an die Kontaktflächen der Bedienblende kann in einem kompakten Layout und standardisierten Verfahrensschritt und damit kostengünstiger erfolgen.

Die mindestens eine kapazitive Berührungs- oder Touchsensorelektronik kann dabei als Einzelsensor oder Teil eines kapazitiven Touchscreens ausgebildet sein, so dass moderne Anwendungen realisiert werden können. In die Bedienblende lassen sich bereits Elektrodenflächen als Teil von Bediensensoren integrieren, ohne dass die mechanischen Abmessungen, die Transparenz, das Dekor und die Stabilität der Bedienblende verändert werden müssen. Weiterhin soll dabei ein aufwändiges Positionieren der Sensorelektroden relativ zur Dekorierung der Blende überflüssig werden.

Es lassen sich auf einfache Weise insbesondere transparente elektrisch leitende Schichten herstellen, wobei die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen Sn-oxid, In-Sn-oxid (ITO) oder dergleichen elektrisch leitendes Metalloxid aufweisen. Alternativ können die elektrisch leitenden Strukturen ein feines, für das menschliche Auge nicht oder kaum sichtbares Metallgitter oder eine dünne, im sichtbaren Wellenlängenbereich quasi-transparente Metallflächen aufweisen.

Zu designerischen Zwecken lässt sich an der dem Bediener zugewandten Seite des Trägermateriales eine Dekor- und/oder Schutzschicht anordnen. Wenn die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen im Bereich des Trägermaterials angeordnet sind, lassen sich diese für den Bediener durch die Dekor- und/oder Schutzschicht abdecken.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist an der dem Bediener abgewandten Seite der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen eine elektrisch isolierende Schutzschicht als Schutz vor mechanischen, chemischen oder dergleichen die Berührungsschalteinrichtung gefährdenden Beanspruchungen angeordnet.

Besondere designerischen Möglichkeiten werden dadurch eröffnet, dass das Trägermaterial der Bedienblende und die elektrisch leitende Schicht transparent und/oder transluzent ausgebildet sind und gleichzeitig die elektrisch isolierende Schutzschicht als Dekorschicht zur optischen Gestaltung ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Schutz- und Dekorschicht Träger und Farbpigmente keramischer Farbmischungen aufweisen.

Dabei kann das Trägermaterial der Bedienblende und die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen zu > 90% im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und/oder transluzent ausgebildet sein.

Bei der Verwendung von Glas als Trägermaterial kann es notwendig sein, dieses einem Vorspannprozess bei hohen Temperaturen zu unterziehen. Deshalb sollen die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen und/oder die Schutz- und Dekorschicht derart ausgebildet sein, das deren Eigenschaften durch den Vorspannprozess bei Temperaturen > 650°C vollständig oder weitgehend erhalten bleiben.

Alternativ kann jedoch auch der Vorspannprozess dazu dienen, die gewünschten Eigenschaften der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen und/oder der Schutz- und Dekorschicht einzustellen.

In der elektrisch leitenden Schicht bzw. den elektrisch leitenden Strukturen lassen sich die ausgebildeten Zuleitungen von benachbarten Referenz- und/oder Masseelektroden umgeben und somit abschirmen, so dass entlang dieser Zuleitungen keine Auslösung der angebundenen Touchsensorfunktion erfolgen kann. Die Lücken zwischen den benachbarten Referenz- und/oder Masseelektrodenteilflächen, in denen die Zuleitung verläuft, können dabei vorzugsweise eine Breite von < 5 mm aufweisen, so dass die Zuleitungen und die Referenz- und/oder Masseelektroden bei Annäherung eines Fingers ausreichend bedeckt werden, um eine Auslösung des Schalters schaltungstechnisch zu unterbinden.

Zum Schutz vor Beschädigungen und zum Zweck der elektrischen Isolierung kann die Schutz- und Dekorschicht auf der dem Bediener abgewandten Seite der elektrisch leitenden Schicht ganz- oder teilflächig die elektrisch leitenden Strukturen elektrisch isolierend abdecken.

Gemäß einer weiteren besondern bevorzugten Ausführungsform ist an der dem Bediener abgewandten Seite der Schutz- bzw. Dekorschicht die elektrisch leitende, ganzflächige oder strukturierende Anschlussschicht zum kapazitiven oder elektrischen Ankoppeln der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen angeordnet, wobei die jeweilige Kontaktzone flächig ausgebildet ist. Dies stellt eine einfache Kontaktierung der Sensorelektroden über die kapazitive Ankopplung an den Kontaktzone dar. Es ist somit keine stabil galvanisch-leitende Verbindung, z.B. mittels Löten, elektrisch leitendes Kleben oder Heatsealing, erforderlich.

Es wird somit eine kosten- und verfahrenstechnisch günstige Lösung zur Kontaktierung zwischen Sensorelektroden und elektronischen Platine, die Ansteuerung und Auswertung der Sensorelektroden leisten, bereitgestellt. Zudem soll somit die Bedienblende mit den angebrachten oder integrierten Sensorflächen räumlich von der Auswertelektronik vorteilhaft entkoppelt werden, um weiteren Spielraum für Beleuchtung, hinterlegter Displaytechnik und Montage zu gewähren.

Dabei können zumindest Teilbereiche der elektrisch leitenden Anschlussschicht planparallel zu der Kontaktzone, die an der elektrisch leitenden Schicht bzw. an den elektrisch leitenden Strukturen definiert ist, und an der dem Bediener abgewandten Seite der Schutz- und Dekorschicht angeordnet sind, wobei die Teilbereiche der elektrisch leitenden Anschlussschicht elektrisch leitend mit der elektronischen Schaltungsanordnung verbunden sind.

Zur Ansteuerung und Auswertung der mindestens einen kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode ist die elektrisch leitende Anschlussschicht mit einer elektronischen Schaltungsanordnung verbunden. Alternativ kann die Anschlussschicht auch Bestandteil der Schaltungsanordnung sein.

Um eine besonders stabile und gleichzeitig praktikable Befestigung vorzusehen, ist die elektrisch leitende Anschlussschicht und/oder die elektronische Schaltungsanordnung an der dem Bediener abgewandten Seite der Schutz- bzw. Dekorschicht mittels einer Teil- oder ganzflächigen Klebeverbindung oder einer mechanischen Verbindung bzw. mechanischem Andrücken oder durch ein Chip-on-Glas-Verfahren direkt angebracht sein. Insbesondere wird hierdurch eine klimatisch und dielektrisch stabile Anbringung der Sensorelektroden an die Bedienblende gewährleistet, wobei die Schaltungsanordnung für den Bediener nicht sichtbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Berührungsschalteinrichtung ist es nicht notwendig, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen direkt an dem durch die mindestens eine kapazitive Berührungs- oder Touchsensorelektrode definierten Bedienbereiches kapazitiv gekoppelt ist bzw. sind. Vielmehr kann die kapazitive Ankopplung außerhalb des Bedienbereiches erfolgen.

Eine besonders einfache und standardisierte Art der Kopplung wird dadurch realisiert, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen an in regelmäßigen Abständen zueinander angeordneten Anschlussbereichen mit der Anschlussschicht kapazitiv gekoppelt ist bzw. sind.

Um eine besonders gute Ankopplung zu ermöglichen, kann die Anschlussschicht als Metallschicht ausgebildet sein.

Gemäß einer weiterführenden Ausführungsform kann an der mindestens einen kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode ein Nachweissystem wirksam sein, bei dem die Sensorelektroden durch Oszillatorsignale angeregt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Berührungsschalteinrichtung ist eine Entkopplung von Sensorelektroden und deren Designeinbindung von der Sensorelektronik und damit eine größere Freiheit im Systemaufbau und im Design möglich. Insbesondere ergeben sich deutliche Vorteile in Verbindung mit Hinterlegung der transparenten oder transluzenten Sensorflächen oder deren Hinterlegung mit Displayeinheiten.

Die transparenten, einen Sensor umgebenden Bereiche, die nicht durch eine Dekor- und/oder Schutzschicht vollständig lichtdeckend abgedeckt sind, können mit einer LCD oder OLED-Anordnung oder dergleichen Anzeigeeinrichtung oder einer LED-Anordnung mit oder ohne Lichtführung, einer Anordnung flächiger OLED- oder EL-Leuchten oder dergleichen Beleuchtungseinrichtung hinterlegt sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 in schematischer Ansicht und im Schnitt den schematischen Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung mit einer integrierten elektrisch leitenden Touch-Elektrode;

2 in schematischer Seitenansicht und im teilweise transparenten Schnitt den detaillierten Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung;

3 ein elektronisches Ersatzschaltbild zu der in 2 gezeigten Berührungsschalteinrichtung;

4 in schematischer Draufsicht eine Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht gemäß einer ersten Ausführungsform;

5 in schematischer Draufsicht die in 4 dargestellte Berührungsschalteinrichtung mit angebrachter Dekorschicht;

6 in schematischer Seitenansicht die in 5 gezeigten Berührungsschalteinrichtung in Schnittansicht entlang der in 5 mit VI-VI bezeichneten Schnittlinie;

7 in schematischer Draufsicht eine mit mehreren als 2-Elektroden-Touchsensoren ausgeführten Einzelschaltern aufgebaute Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

8 in schematischer Draufsicht eine als analoger kapazitiver Touchscreen aufgebaute Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht gemäß einer dritten Ausführungsform.

1 zeigt in schematischer Ansicht und im Schnitt den schematischen Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung mit einer integrierten elektrisch leitenden Touch-Elektrode 10, die zwischen einem Trägermaterial 16 und einer Dekorschicht 28 angeordnet ist. Die Touch-Elektrode 10 ist über eine Anschlussschicht 30 kapazitiv an eine Elektronikplatine 34 gekoppelt, die z.B. die Ansteuerung und Auswertung der Touch-Elektrode 10 trägt.

2 zeigt in schematischer Seitenansicht und im teilweise transparenten Schnitt den Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung. Der Aufbau zeigt das dielektrische, transparente und/oder transluzente Trägermaterial 16, eine elektrisch leitende, strukturierte Schicht, welche eine Touchelektrode 10, eine Leiterbahn 24 und eine Kontaktzone 26 bilden, eine Dekor- und Isolierschicht 28 sowie eine Elektronikplatine 34 mit einer damit verbundenen Kontaktzone 32 zur kapazitiven Ankopplung an die Kontaktzone 26 der transparenten Leiterschicht.

Die Bedienblende 18 der Berührungsschalteinrichtung besteht bevorzugt aus einem überwiegend transparenten oder einem transluzenten, dielektrische Trägermaterial 16 mit einer auf der einem Bediener 12 abgewandten Seite 14 überwiegend transparenten, elektrisch leitenden Schicht, welche die Touchelektrode 10, die Leiterbahn 24 und die Kontaktzone 26 bilden. Dahinter liegt eine elektrisch nicht-leitenden Dekorschicht 28, so dass die elektrisch leitende Schicht als kapazitive Sensorfläche durch das Trägermaterial hindurch genutzt werden kann.

Die Dekorschicht 28 kann für den Bediener 12 das Erscheinungsbild der Blende weitestgehend bestimmen.

Die elektrisch leitende Schicht ist vorzugsweise in elektrisch isolierte flächige Bereiche 10, 24, 26 strukturiert, so dass verschiedene Strukturen und Anordnungen von leitenden Teilschichten dargestellt werden können, die als Touchsensorelektrode 10, Zuleitung 24 und Ankoppelzone 26 in verschiedenen Anordnungen genutzt werden können.

Dabei sind Anordnungen von Einzelschaltern oder als analoger kapazitiver Touchscreen, als Anordnungen von 1-Elektroden oder Mehr-Elektroden Touchsensoren möglich.

Die Zuleitungen sind vorzugsweise bei (nicht gezeigten) 1-Elektroden Systemen von Masseelektroden und bei Mehr-Elektroden Systemen von Referenz- oder Masseelektroden umgeben und abgeschirmt, so dass entlang dieser Zuleitungen keine Auslösung der angebundenen Touchsensorfunktion erfolgen kann.

Die Dekor- oder Schutzschicht 28 ist ganzflächig oder teilflächig aufgebracht, derart dass die flächigen, elektrisch leitenden Strukturen 10, 24, 26 vollständig und elektrisch isolierend abdeckt werden. Besteht das Trägermaterial 16 aus Glas oder Glaskeramik, so sind die elektrisch leitende Schicht und die Dekorschicht 28 vorzugsweise aus Materialien aufgebaut, die einem Vorspannprozess dieses Gesamtsystems standhalten.

Der elektrische Anschluss an die elektrisch leitenden (Teil-)Schichten erfolgt kapazitiv mit elektrisch leitenden flächigen Materialien 30, die unter die Dekorschicht 28 angebracht sind. Die ankoppelnde Fläche 32 ist Teil eines elektronischen Schaltungsaufbaus 34, der einen Schaltungsträger mit elektronischen Bauteilen umfasst und zur Ansteuerung und Auswertung der Touchsensorelektrode 10 dient.

Die Ankopplungskapazität ZK der Kopplung zwischen der Ankoppelzone 26 der elektrisch leitenden Schicht und der ankoppelnde Fläche 32 ist vorzugsweise größer als die sich bei Bedienung des Elektrodenbereiches ausbildende Kapazität ZS zwischen der Touchelektrode 10 und dem Finger des Bedieners 12. Die Aufbringung dieser Anschlussflächen kann nachträglich, nach Fertigstellung der Bedienblende, z.B. bei der Integration der Bedienblende in das Gerät erfolgen. Dabei kann der elektronische Schaltungsträger 34, z.B. eine handelübliche Elektronikplatine, durch mechanisches Andrücken, vorzugsweise durch flächiges Kleben angebracht werden. Die Gestaltung der transparenten Elektrodenfläche 10 und Zuleitungsbereiche 24 kann verschieden gestaltet sein, so dass die kapazitive Ankopplung über die später aufgebrachten Anschlussfläche 32 auch vorzugsweise außerhalb des Bedienbereiches 22 erfolgen kann. Alternativ können vorzugsweise mehrere Anschlussbereiche in einem standardisierten, regelmäßigen Abstand angeordnet sein.

Die Zuleitung 24 ist in einem transparenten oder transluzenten Bereich der Bedienblende 16 angeordnet. Die Zuleitung 24 ist mit einem transparenten oder transluzenten elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Metalloxid oder einer entsprechenden organischen Verbindung ausgeführt. Für den Fall, dass die Zuleitung 24 durch die Dekorierung der Blende für den Bediener nicht sichtbar abgedeckt ist, so kann die Zuleitung 24 oder auch die Kontaktfläche 26 zusätzlich oder ausschließlich durch Metallschichten dargestellt sein, um zusätzliche Impedanzen ZP insbesondere in der Zuleitung 24 zu vermeiden.

Die im Vergleich zu herkömmlich kontaktierten Sensorelektroden zusätzlich auftretenden Impedanzen ZP und ZK sind im Zusammen mit der Sensorelektronik so gestaltet, dass die Funktionsweise des Touchsensors 10 nicht beeinträchtigt wird.

Die Ankoppelkapazität ZK ist groß gegenüber der Bedienkapazität von ZS gehalten, damit die Touchauslösung über ZS nicht durch eine kleinere in Serie geschaltete Kapazität von ZK beeinträchtigt wird. Dies kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch eine genügend große Fläche der Ankoppelzone 32 und einem genügend kleinen Abstand zwischen den Ankoppelschichten 26 und 30 erreicht werden.

3 zeigt ein elektronisches Ersatzschaltbild zu der in 2 gezeigten Berührungsschalteinrichtung. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 10 die Touchelektrode, mit 26 und 30 die Ankoppelschichten und mit 34 die Touch-Elektronik bezeichnet.

Falls zusätzlich ein (nicht gezeigtes) Nachweissystem zur Anwendung kommt, bei dem die Sensorelektroden durch Oszillatorsignal angeregt werden, muss gewährleistet sein, dass die für die Anregung und den Nachweis charakteristische Frequenz des Systems durch die zusätzlichen Impedanzen ZP und ZK nicht maßgeblich beeinträchtigt wird. Die charakteristische Frequenz des Nachweissystems wird bei harmonischen Oszillatoranregungen im Allgemeinen die Oszillatorfrequenz selbst sein, insbesondere bei gepulsten Anregungen, bei denen der Nachweis über die Flankensteilheit, Spannungsniveaus im Pulsanstieg oder eine Phasenverschiebung geführt wird, ist die charakteristische Frequenz im wesentlichen durch das inverse Zeitintervall zwischen Pulsanfang und Nachweiszeitpunkt gegeben.

Bei Nachweissystemen, die ein Spannungs- oder Stromniveau über einen Spannungs- bzw. Stromteiler führen, ist zu beachten, dass die im wesentlichen &OHgr;schen und kapazitiven Komponenten von ZP und ZK kleiner als die Komponenten der Teiler bleiben oder als Teil dieser Teiler mit dimensioniert werden. Die Einstellung der erforderlichen &OHgr;schen und kapazitiven Werte kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch Auswahl eines geeigneten elektrisch leitenden Materials und der dielektrischen Zwischenschichten als auch durch Dimensionierung in Form und Schichtdicke der Zuleitungen, Ankoppelzonen und der isolierenden und klebenden Schichten geschehen.

Sensorsysteme, die auf kapazitiven Veränderungen in den Sensorfeldern beruhen, arbeiten im allgemeinen mit charakteristischen Frequenzen oberhalb von 100 kHz. Bei Bedienkapazitäten von ≤ 1 pF ergeben sich charakteristische Widerstände von ≥ 1 M&OHgr;. Die Koppelkapazität ZK kann leicht ≥ 10 pF eingestellt werden und mit elektrisch leitfähigen, transparenten Materialien, die handelsüblich typisch einen Flächenwiderstand von 20–300 &OHgr;/sq. tragen, bleiben selbst bei Zuleitungen im Längen-zu-Breitenverhältnis von 100 die Widerstände unter ∼2–30 k&OHgr;. Handelt es sich um niederohmige, schnelle Eingangsstufen, mit Eingangswiderständen Z, etwa im k&OHgr;-Bereich, was Messintervallen im nsec-Bereicn (GHz) entspricht, so dürfen diese Werte durch zusätzliche ohmsche Anteile von Zp im Zuleitungsbereich nicht wesentlich überschritten werden. Auch hier lassen sich immer noch ausreichend lange Zuleitungen darstellen, zum Beispiel mit 20 &OHgr;/sq. Beschichtungen Leiter im Längen-zu-Breitenverhältnis von etwa 50.

4 zeigt in schematischer Draufsicht eine Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht 28 gemäß einer ersten Ausführungsform. 5 zeigt in schematischer Draufsicht die in 4 dargestellte Berührungsschalteinrichtung mit angebrachter Dekorschicht 28. 6 zeigt in schematischer Seitenansicht die in 5 gezeigten Berührungsschalteinrichtung in Schnittansicht entlang der in 5 mit VI-VI bezeichneten Schnittlinie;

Die Berührungsschalteinrichtung gemäß der 4 weist die integrierte elektrisch leitenden Touch-Elektrode 10 auf, die zwischen dem Trägermaterial 16 und einer (in 4 ausgelassenen, in 5 angebrachten Dekorschicht 28) angeordnet ist. Die Dekorschicht 28 zeigt eine Schalterbeschriftung für die Schalterstellungen „ON/OFF". Die Touch-Elektrode 10 ist über die Zuleitungsschicht 24 mit dem Kontaktbereich 26 elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktbereich ist mit der drunter leigenden Anschlussschicht 30 kapazitiv an eine Elektronikplatine 34 gekoppelt, die z.B. die Ansteuerung und Auswertung der Touch-Elektrode 10 trägt. Die Elektronikplatine 34 ist mit einer Klebeschicht 29 an der Dekorschicht angebracht.

In 4 ist die transparente leitende Schicht 10, 24, 26 ist hier als ein 1-Elektroden Touchsensor ausgeführt. Die Sensitivität soll hier beispielhaft so eingestellt sein, dass die Schaltschwelle bei einer Aufliegefläche von d = 6 mm des Fingers erreicht wird, so dass ein Auslösen des „Touches" im zentralen Schaltfeld 10 möglich ist, jedoch nicht im Zuleitungsbereich 24 oder in der Kontaktzone 26, die jeweils nur eine Breite von 3 mm aufweisen.

Als Rechenbeispiel werden folgende Größen angenommen:

Berührfläche des Fingers: AF = 0,28 cm2 (d = 6 mm),

Fläche der Kontaktzonen 26 und 30: AK = 0,15 cm2,

Abstand des Fingers zur Touchelektrode 10: dF = 0,4 cm,

Abstand der Kontaktflächen 26 zu 30: dK = 10 um (bestehend aus 5 &mgr;m Dekordruck und 5 &mgr;m Klebeschicht 29),

die relative Dielektrizitätskonstante vereinfacht für alle Schichten: &egr;r = 1,5.

Dann ergibt sich für ZS = 0,1 pF (bei d = 6 mm) und für ZK = 20 pF und damit ZK >> ZS.

7 zeigt in schematischer Draufsicht eine mit mehreren als 2-Elektroden-Touchsensoren ausgeführten Einzelschaltern aufgebaute Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Hier sind beispielhaft Einzelschalter zugrunde gelegt, die als 2-Elektroden-System dargestellt sind. Die Schalter sind so ausgelegt, dass eine Auslösung jedes Schalters dann erfolgt, wenn die Berührfläche auf der inneren Elektrode 10 größer als die auf der äußeren Elektrode ist. Der Zuleitungsbereich 24 und der Anschlussbereich 26 sind von den Abmessungen derart gestaltet, dass hier keine Auslösung des Schalters geschehen kann. Dies ist geometrisch derart gelöst, dass eine Berührung mit dem Finger auf der äußeren Elektrode oder deren Zuleitungen 24 und Kontaktzonen 26 immer eine mindestens gleich große Berührfläche bildet wie auf den leitenden Flächen, die zur inneren Elektrode 10 gehören. Die Größe der Elektronikplatine 34 mit den Kontaktflächen 30 reduziert sich auf eine kleinere Fläche im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung, bei der die Touchelektroden 10 auf der Platine 34 integriert wären. Dies führt zu erheblichen Vorteilen in Bezug auf Kosten, Design und Transparenz in Verbindung mit Hinterleuchtung der Schaltbereiche 10.

8 zeigt in schematischer Draufsicht eine als analoger kapazitiver Touchscreen aufgebaute Berührungsschalteinrichtung ohne Dekorschicht gemäß einer dritten Ausführungsform.

Der dargestellte analoge kapazitive Touchscreen besitzt Anschlusspunkte in den Ecken des Bedienfeldes 10. Die Zuleitungen 24 verbinden die Anschlusspunkte mit Kontaktzonen 26, unter denen erfindungsgemäß in einfacher Weise eine entsprechende Elektronikplatine 34 zur Ansteuerung und Auswertung des Touchscreens angebracht ist. Die Zuleitungen 24 liegen unter einer Dekorierung 28 verborgen und können als dünne metallische Leiterbahnen dargestellt werden. Vorteilhaft ist in dieser Anwendung insbesondere die einfache Anbringung der Platine 34 mit den Kontaktzonen 26, so dass eine aufwendigere Kontaktierung über Löten, leitendes Kleben oder Heat-sealing von Anschlussleitern und den entsprechenden Verbindern zu den Anschlussleitern auf der Platine entfällt.


Anspruch[de]
Berührungsschalteinrichtung mit mindestens einer kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10), die an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) einer durchgängigen, ein dielektrisches Trägermaterial (16) aufweisenden Bedienblende (18) im Bedienbereich (22) angeordnet ist, wobei an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der Bedienblende (18) eine elektrisch leitende Schicht angeordnet ist, welche in elektrisch isolierte flächige Bereiche (10, 24, 26) strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektrisch isolierten flächigen Bereiche (10, 24, 26) die mindestens eine kapazitive Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10), mindestens eine Zuleitung (24) und mindestens eine Kontaktzone (26) definiert sind, die Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10) über die Zuleitung (24) mit der Kontaktzone (26) verbunden ist und die Kontaktzone (26) mit einer darunter liegenden Anschlussschicht (30) kapazitiv gekoppelt ist, wobei die Anschlussschicht (30) mit einer elektronischen Schaltungsanordnung (34) zur Ansteuerung und Auswertung der Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10) verbunden oder Teil derselben ist. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine kapazitive Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10) als Einzelsensor oder Teil eines kapazitiven Touchscreen ausgebildet ist. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) Sn-oxid oder In-Sn-oxid (ITO) aufweisen. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) ein feines, für das menschliche Auge nicht oder kaum sichtbares Metallgitter aufweist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) eine dünne, im sichtbaren Wellenlängenbereich quasitransparente Metallfläche aufweist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Bediener zugewanden Seite des Trägermaterials eine Dekor- und/oder Schutzschicht angeordnet ist. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen im Bereich des Trägermaterial angeordnet und für den Bediener (12) durch die Dekor- und/oder Schutzschicht abgedeckt ist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) eine elektrisch isolierende Schutzschicht (28) als Schutz vor mechanischen oder chemischen, die Berührungsschalteinrichtung gefährdenden Beanspruchungen angeordnet ist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (16) der Bedienblende und die elektrisch leitende Schicht transparent und/oder transluzent ausgebildet sind und/oder die elektrisch isolierende Schutzschicht (28) als Dekorschicht zur optischen Gestaltung ausgebildet ist. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schutz- und Dekorschicht (28) Träger und Farbpigmente keramischer Farbmischungen aufweist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (16) der Bedienblende (18) und die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) zu > 90% im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent und/oder transluzent ausgebildet sind. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem Glas-, Glaskeramik- oder Kunststoffmaterial besteht. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) und/oder die Schutz- und Dekorschicht (28) derart ausgebildet sind, dass deren Eigenschaften bei Verwendung von Glas- oder Glaskeramik als Trägermaterial bei einer Temperaturbehandlung von > 650°C oder bei Verwendung von Glas als Trägermaterial bei einem Vorspannprozess vollständig oder weitgehend erhalten bleiben. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschten Eigenschaften der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) und/oder der Schutz- und Dekorschicht (28) bei Verwendung von Glas- oder Glaskeramik als Trägermaterial durch eine Temperaturbehandlung von > 650°C oder bei Verwendung von Glas als Trägermaterial durch einen Vorspannprozess einstellbar sind. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrisch leitenden Schicht bzw. in den elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) ausgebildete Zuleitungen von benachbarten Referenz- und/oder Masseelektroden umgeben und abgeschirmt sind. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken zwischen den benachbarten Referenz- und/oder Masseelektrodenteilflächen, in denen die Zuleitung verläuft, eine Breite von < 5 mm aufweist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutz- und Dekorschicht (28) auf der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der elektrisch leitenden Schicht ganz- oder teilflächig die elektrisch leitenden Strukturen (10, 24, 26) elektrisch isolierend abdeckt. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der Schutz- bzw. Dekorschicht (28) die elektrisch leitende, ganzflächige oder strukturierte Anschlussschicht (30) zum kapazitiven oder elektrischen Ankoppeln der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen angeordnet ist, wobei die jeweilige Kontaktzone (26, 32) flächig ausgebildet ist. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche der elektrisch leitenden Anschlussschicht (30) planparallel zu der Kontaktzone (26), die an der elektrisch leitenden Schicht bzw. an den elektrisch leitenden Strukturen definiert ist, und an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der Schutz- und Dekorschicht angeordnet sind, wobei die Teilbereiche der elektrisch leitenden Anschlussschicht (30) elektrisch leitend mit der elektronischen Schaltungsanordnung (34) verbunden sind. Berührungsschalteinrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Anschlussschicht (30) und/oder die elektronische Schaltungsanordnung (34) an der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der Schutz- bzw. Dekorschicht (28) mittels einer teil- oder ganzflächigen Klebeverbindung (29) oder einer mechanischen Verbindung bzw. mechanischem Andrücken angebracht ist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung (34) durch ein Chip-on-Glas-Verfahren direkt auf der dem Bediener (12) abgewandten Seite (14) der Schutz- bzw. Dekorschicht (28) angebracht ist und für den Benutzer nicht sichtbar ist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen außerhalb (Kontaktzone 32) des durch die mindestens eine kapazitive Berührungs- oder Touchsensorelektrode (10) definierten Bedienbereiches (22) mit der Anschlussschicht (30) kapazitiv gekoppelt ist bzw. sind. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen an in regelmäßigen Abständen zueinander angeordneten Anschlussbereichen mit der Anschlussschicht kapazitiv gekoppelt ist bzw. sind. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschicht (30) als Metallschicht ausgebildet ist. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektode ein Nachweissystem wirksam ist, bei dem die Sensorelektroden durch Oszillatorsignale angeregt werden. Berührungsschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten, einen Sensor (10) umgebenden Bereiche, die nicht durch eine Dekor- und/oder Schutzschicht vollständig lichtdeckend abgedeckt sind, mit einer LCD- oder OLED-Anordnung oder einer LED-Anordnung mit oder ohne Lichtführung, oder mit einer Anordnung flächiger OLED- oder EL-Leuchten hinterlegt sind.






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