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Dokumentenidentifikation DE102006059850B4 23.10.2008
Titel Optischer Sensor
Anmelder Diehl AKO Stiftung & Co. KG, 88239 Wangen, DE
Erfinder Arnold, Georg, 91126 Schwabach, DE
DE-Anmeldedatum 15.12.2006
DE-Aktenzeichen 102006059850
Offenlegungstag 26.06.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.10.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.10.2008
IPC-Hauptklasse H03K 17/78(2006.01)A, F, I, 20061215, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und insbesondere einen solchen optischen Sensor für einen berührungsempfindlichen Tastschalter, der zur Verwendung in einer Bedienungseinrichtung eines elektronischen Haushaltsgeräts geeignet ist.

Der grundsätzliche Aufbau und das Grundprinzip eines optischen Sensors für einen berührungsempfindlichen Tastschalters sind zum Beispiel aus der DE 40 07 971 A1 bekannt. Der optische Sensor weist einen elektromagnetische Strahlung aussendenden Sender und einen elektromagnetische Strahlung empfangenden Empfänger auf, die hinter einer für die elektromagnetische Strahlung zumindest teildurchlässigen Abdeckung angeordnet sind. Ferner ist im Allgemeinen eine Strahlungsleiteinrichtung zwischen dem Sender und dem Empfänger einerseits und der Abdeckung andererseits vorgesehen, um die vom Sender ausgesendete Strahlung zur Abdeckung zu leiten und die durch die Abdeckung eindringende reflektierte Strahlung zum Empfänger zu leiten.

Im einfachsten Fall besteht diese Strahlungsleiteinrichtung zum Beispiel aus einem Blendenrahmen, der den Sender und den Empfänger umgibt. Zur Erzielung eines besseren Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses ist es weiter bekannt, als Strahlungsleiteinrichtung Lichtleiter einzusetzen, wie dies beispielsweise in der DE 197 00 836 C1 oder der DE 10 2004 025 878 A1 offenbart ist.

Ferner zeigt die DE 10 2004 053 496 A1 einen optischen Sensor für einen berührungsempfindlichen Tastschalter, bei dem der Sender und der Empfänger hinter entsprechenden Ausnehmungen einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte dient gleichzeitig als Blendenrahmen und die Flanken ihrer Ausnehmungen können mit einer Reflexionsschicht versehen sein.

Die DE 10 2005 025 782 A1 offenbart einen berührungsempfindlichen Tastschalter mit einem optischen Sensor und einem Blendenrahmen, wobei die Eintritts- und Austrittsöffnungen des Blendenrahmens gegenüber den übrigen Strahlungsdurchgängen verengt ausgebildet sind.

Eine vorteilhafte Anwendung derartiger optischer Sensoren ist der Einsatz in berührungsempfindlichen Tastschaltern für Bedienungseinrichtungen von elektronischen Haushaltsgeräten, wie Kochherden, Glaskeramik-Kochfeldern, Mikrowellenherden und dergleichen, bei denen der Tastschalter zur einfachen Bedienung und Reinigung hinter einer Abdeckung, wie beispielsweise einer Glasplatte oder Glaskeramikplatte untergebracht ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs beschriebenen Art mit einem Blendenrahmen weiterzuentwickeln, der einen verringerten Störabstand aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der optische Sensor weist einen elektromagnetische Strahlung aussendenden Sender; einen elektromagnetische Strahlung empfangenden Empfänger; eine für die elektromagnetische Strahlung zumindest teildurchlässige Abdeckung, hinter der der Sender und der Empfänger angeordnet sind; und einen Blendenrahmen, der zwischen dem Sender und dem Empfänger einerseits und der Abdeckung andererseits vorgesehen ist, um die vom Sender ausgesendete Strahlung zur Abdeckung zu leiten und die durch die Abdeckung eindringende reflektierte Strahlung zum Empfänger zu leiten, und der den Sender und den Empfänger umgibt und an seiner der Abdeckung zugewandten Seite eine dem Sender zugeordnete Austrittsöffnung und eine dem Empfänger zugeordnete Eintrittsöffnung aufweist, auf. Erfindungsgemäß ist der optische Sensor dadurch gekennzeichnet, dass der Blendenrahmen so ausgebildet ist, dass sich der Strahlendurchgang für die vom Sender ausgesendete Strahlung in Richtung zur Austrittsöffnung hin auf der der Eintrittsöffnung abgewandten Seite in Richtung zur Eintrittsöffnung hin verjüngt und/oder sich der Strahlendurchgang für die vom Empfänger empfangene Strahlung in Richtung zur Eintrittsöffnung hin auf der der Austrittsöffnung abgewandten Seite in Richtung zur Austrittsöffnung hin verjüngt, sodass die Abstrahlcharakteristik des Senders aus der Abdeckung heraus in Richtung zur Empfangscharakteristik des Empfängers in die Abdeckung hinein geneigt ist und/oder die Empfangscharakteristik des Empfängers in die Abdeckung hinein in Richtung zur Abstrahlcharakteristik des Senders aus der Abdeckung heraus geneigt ist.

Das Neigen der Abstrahl- und/oder der Empfangscharakteristik in Richtung zur jeweils anderen Charakteristik bewirkt, dass der Kreuzungsbereich zwischen Abstrahl- und Empfangscharakteristik näher zur Abdeckung verschoben wird. Als Ergebnis wird das Empfangssignal bei einem auf den optischen Sensor gelegten Finger größer und die Empfangssignalstärke-Abstand-Kurve fällt mit größere werdendem Abstand von der Abdeckung stärker, sodass eine Fehlbedienung durch im Abstand am optischen Sensor vorbei streichende Finger oder durch andere reflektierende Objekte minimiert werden kann. Mit anderen Worten wird der Störabstand des optischen Sensors deutlich reduziert.

Zur Verstärkung des obigen Effekts können die Abstrahlcharakteristik des Senders aus der Abdeckung heraus und/oder die Empfangscharakteristik des Empfängers in die Abdeckung hinein zusätzlich verbreitert werden, indem die Innenflächen des Blendenrahmens zumindest teilweise die elektromagnetische Strahlung reflektierend ausgebildet sind.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus und der Funktionsweise eines optischen Sensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Blendenrahmen als Strahlungsleiteinrichtung;

2 eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen optischen Sensors mit einem Blendenrahmen zum Vergleich;

3 ein Diagramm zum Vergleichen des Störabstands zwischen den in 1 und 2 dargestellten optischen Sensoren;

4 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus und der Funktionsweise eines optischen Sensors gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel mit Hohlleitern als Strahlungsleiteinrichtung; und

5 eine schematische Schnittansicht des Aufbaus und der Funktionsweise eines optischen Sensors gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel mit Lichtleitern als Strahlungsleiteinrichtung.

Nachfolgend werden unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie zwei Vergleichsbeispiele, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, anhand eines optischen Sensors näher erläutert, der für einen berührungsempfindlichen Tastschalter einer Bedienungseinrichtung eines elektronischen Haushaltsgeräts eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung ist aber selbstverständlich nicht nur auf diese spezielle Anwendung des optischen Sensors beschränkt.

Ferner wird in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen als elektromagnetische Strahlung bevorzugt Infrarotstrahlung benutzt, ohne dass die vorliegende Erfindung nur darauf beschränkt sein soll.

Zunächst werden unter Bezug auf 1 bis 3 der Aufbau und die Funktionsweise eines optischen Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Der optische Sensor des berührungsempfindlichen Tastschalters weist auf einer Leiterplatte 10 einen Infrarot-Sender 12 und einen Infrarot-Empfänger 14 auf. Der Sender 12 und der Empfänger 14 sind von einem Blendenrahmen 16 umgeben, der an seiner Oberseite eine dem Sender 12 zugeordnete Austrittsöffnung 18 und eine dem Empfänger zugeordnete Eintrittsöffnung 20 aufweist. Der aus einem möglichst IR-undurchlässigen Material gebildete Blendenrahmen 16 ist zum Beispiel mit Füßen durch Löcher in der Leiterplatte 10 eingesteckt und so an dieser befestigt.

Der Sender 12 und der Empfänger 14 sind innerhalb von jeweiligen Hohlräumen unterhalb der Blendenöffnungen 18, 20 angeordnet, die vorzugsweise durch eine im Wesentlichen IR-undurchlässige Trennwand 22 voneinander getrennt sind. Direkt auf der Oberseite des Blendenrahmens 16 liegt eine Abdeckung 24 aus einem für Infrarotstrahlung zumindest teildurchlässigen Material, zum Beispiel eine Glaskeramikplatte eines Haushaltskochherdes.

Im herkömmlichen Fall, wie er in 2 veranschaulicht ist, wird die vom Sender 12 ausgesendete Strahlung durch den Blendenrahmen 16 durch die Austrittsöffnung 18 aus der Abdeckung 24 herausgeleitet, wobei diese Abstrahlcharakteristik 26 des Senders 12, genauer die Abstrahlcharakteristik 26 des Senders 12 aus der Abdeckung 24 heraus, im Wesentlichen eine relativ geradlinige Keulenform aufweist.

Bei einer Betätigung des berührungsempfindlichen Tastschalters durch einen auf die Oberfläche der Abdeckung 24 gelegten Finger wird die Strahlung des Senders 12 diffus und mehrfach gestreut, sodass genügend Streustrahlung auf den Empfänger 14 reflektiert wird und dieser ein entsprechendes Messsignal an eine Auswerteschaltung senden kann, um eine entsprechende Schaltfunktion auszulösen. Die Empfangscharakteristik 28 des Empfängers 14, genauer die Empfangscharakteristik 28 des Empfängers 14 in die Abdeckung 24 hinein, ist analog zur Abstrahlcharakteristik 26 des Senders 12 in einer im Wesentlichen geradlinigen Keulenform im Wesentlichen parallel zur Abstrahlcharakteristik 26 ausgebildet.

Wie ein Vergleich von 2 (herkömmlicher optischer Sensor) mit 1 zeigt, ist der Blendenrahmen 16 des optischen Sensors erfindungsgemäß so ausgebildet, dass einerseits die Abstrahlcharakteristik 26 des Senders 12 und die Empfangscharakteristik 28 des Empfängers 14 kugelförmig verbreitert sind und anderseits die Abstrahlcharakteristik 26 und die Empfangscharakteristik 28 aufeinander zu geneigt sind. Wie deutlich in 1 erkennbar, bewirkt dies, dass der Kreuzungsbereich 30 zwischen Abstrahl- und Empfangscharakteristik 26, 28, der den gesamtempfindlichen Bereich des Sensors darstellt, näher zur Abdeckung 24 hin verschoben wird, was einen deutlich reduzierten Störabstand des so aufgebauten optischen Sensors bewirkt, wie nachfolgend erläutert.

Die Neigung von Abstrahl- und Empfangscharakteristik 26, 28 zueinander wird durch eine entsprechende Formgebung des Blendenrahmens 16, insbesondere eine Verjüngung der beiden Strahlendurchgänge in Richtung zum jeweils anderen Strahlendurchgang hin in der in 1 veranschaulichten Weise erreicht. Bei einer geeigneten Konstruktion des Blendenrahmens 16 kann der relevante Kreuzungsbereich 30 der Charakteristiken 26, 28 bis in den Oberflächenbereich der Abdeckung 24 hinein gelegt werden. Ein Objekt außerhalb dieses gesamtempfindlichen Bereichs 30 kann so kaum eine Strahlungsreflexion in den Empfänger 14 verursachen.

Die optionale zusätzliche Verbreiterung von Abstrahl- und Empfangscharakteristik 26, 28 wird dadurch erreicht, dass die Innenflächen des Blendenrahmens 16 zumindest teilweise IR-reflektierend (Reflexion bevorzugt größer als 45% im relevanten Reflexionsbereich) ausgebildet sind. Der Blendenrahmen 16 sollte weiterhin auch möglichst IR-undurchlässig sein, wobei eine Transmission von weniger als 5% im relevanten Reflexionsbereich bevorzugt ist. Diese Eigenschaften des Blendenrahmens 16 können zum Beispiel durch entsprechende Beschichtungen und/oder Materialauswahlen des Blendenrahmens 16 bewirkt werden.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung des optischen Sensors ist in 3 nochmals veranschaulicht.

3 zeigt ein Kennliniendiagramm mit einer Kurve "a" für den herkömmlichen optischen Sensor von 2 und einer Kurve "b" für einen erfindungsgemäßen optischen Sensor gemäß 1, bei dem nur die Aufweitung, nicht aber die Neigung beider Charakteristiken 26, 28 realisiert ist. Die Abszisse zeigt den Abstand d (in mm) zwischen der Abdeckung 24 und einem Finger; auf der Ordinate ist das Empfangssignalniveau (in %) aufgetragen, wobei der Wert für einen auf dem Tastschalter aufliegenden Finger (d = 0) auf 100% gesetzt ist.

Wenn zum Beispiel ein herkömmlicher optischer Sensor (Kurve a) bei einem Fingerabstand von d = 7 mm anspricht, dann spricht ein optischer Sensor der Erfindung (Kurve b) bei einem Abstand von d = 3 mm an, wobei das Signal/Rausch-Verhältnis unverändert bleibt. Durch die steilere Signalniveau-Abstand-Kurve b wird der Störabstand des optischen Sensors deutlich vermindert. Das Problem herkömmlicher optischer Sensoren, dass sie bereits bei einer größeren Fingerentfernung ansprechen oder auch sehr schlecht ansprechen, kann auf diese Weise vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch das Empfangssignalniveau bei einem auf dem optischen Sensor aufliegenden Finger erhöht ist.

Wie oben dargelegt, kann die Reduzierung des Störabstands des optischen Sensors mit einfachen Mitteln (einem leicht modifizierten Blendenrahmen 16) erreicht werden, sodass der Montageaufwand und die Herstellungskosten gering gehalten werden können.

4 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Sensors gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie im obigen Ausführungsbeispiel, und auf eine wiederholende Beschreibung wird verzichtet.

Das Vergleichsbeispiel von 4 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform in der Ausgestaltung der Strahlungsleiteinrichtung. Die Strahlungsleiteinrichtung weist in diesem Fall einen ersten Hohlleiter 32, der dem Sender 12 zugeordnet ist, und einen zweiten Hohlleiter 34, der dem Empfänger 14 zugeordnet ist, auf. Die beiden Hohlleiter 32, 34 ersetzen den Blendenrahmen 16 und sind naturgemäß an ihren Innenflächen reflektierend ausgebildet, d. h. entsprechend beschichtet oder insgesamt aus einem entsprechenden Material ausgebildet. Im Bereich zur Abdeckung 24 hin sind die beiden Hohlleiter 32, 34 jeweils nach innen, d. h. in Richtung zum jeweils anderen Hohlleiter, geneigt ausgebildet.

Diese Konstruktion des optischen Sensors mit den beiden Hohlleitern 32, 34 bewirkt ähnliche Vorteile wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.

5 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Sensors gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel. Gleiche bzw. entsprechende Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie im obigen Ausführungsbeispiel, weshalb eine erneute Beschreibung weggelassen ist.

Der optische Sensor von 5 enthält anstelle des Blendenrahmens 16 als Strahlungsleiteinrichtung einen ersten Lichtleiter 36, der dem Sender 12 zugeordnet ist, und einen zweiten Lichtleiter 38, der dem Empfänger 14 zugeordnet ist.

Zur Verbreiterung der Abstrahlcharakteristik 26 des Senders 12 und der Empfangscharakteristik 28 des Empfängers 14 sind die der Abdeckung 24 zugewandten Stirnflächen der jeweiligen Lichtleiter 36, 38 diffus streuend (z. B. aufgerauht oder eingetrübt) ausgebildet.

Außerdem sind die beiden Lichtleiter 36, 38 insgesamt aufeinander zu geneigt angeordnet, wie in 5 dargestellt. Alternativ können die Lichtleiter 36, 38 auch nur in dem Bereich zur Abdeckung 24 hin entsprechend geneigt ausgebildet oder mit entsprechend angeschrägten Austritts- bzw. Eintrittsflächen ausgebildet sein. Durch die Schrägstellung der Lichtleiter 36, 38 werden auch die entsprechenden Charakteristiken aufeinander zu geneigt.

Insgesamt können auch in diesem Vergleichsbeispiel ähnliche Vorteile erzielt werden, wie sie oben in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben worden sind.

10
Leiterplatte
12
Sender
14
Empfänger
16
Blendenrahmen
18
Austrittsöffnung
20
Eintrittsöffnung
22
Trennwand
24
Abdeckung
26
Abstrahlcharakteristik
28
Empfangscharakteristik
30
Kreuzungsbereich
32
erster Hohlleiter
34
zweiter Hohlleiter
36
erster Lichtleiter
38
zweiter Lichtleiter


Anspruch[de]
Optischer Sensor, mit

einem elektromagnetische Strahlung aussendenden Sender (12);

einem elektromagnetische Strahlung empfangenden Empfänger (14);

einer für die elektromagnetische Strahlung zumindest teildurchlässigen Abdeckung (24), hinter der der Sender (12) und der Empfänger (14) angeordnet sind; und

einem Blendenrahmen (16), der zwischen dem Sender (12) und dem Empfänger (14) einerseits und der Abdeckung (24) andererseits vorgesehen ist, um die vom Sender (12) ausgesendete Strahlung zur Abdeckung (24) zu leiten und die durch die Abdeckung (24) eindringende reflektierte Strahlung zum Empfänger (14) zu leiten, und der den Sender (12) und den Empfänger (14) umgibt und an seiner der Abdeckung (24) zugewandten Seite eine dem Sender (12) zugeordnete Austrittsöffnung (18) und eine dem Empfänger (14) zugeordnete Eintrittsöffnung (20) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Blendenrahmen (16) so ausgebildet ist, dass sich der Strahlendurchgang für die vom Sender (12) ausgesendete Strahlung in Richtung zur Austrittsöffnung (18) hin auf der der Eintrittsöffnung (20) abgewandten Seite in Richtung zur Eintrittsöffnung (20) hin verjüngt und/oder sich der Strahlendurchgang für die vom Empfänger (14) empfangene Strahlung in Richtung zur Eintrittsöffnung (20) hin auf der der Austrittsöffnung (18) abgewandten Seite in Richtung zur Austrittsöffnung (18) hin verjüngt, sodass die Abstrahlcharakteristik (26) des Senders (12) aus der Abdeckung (24) heraus in Richtung zur Empfangscharakteristik (28) des Empfängers (14) in die Abdeckung (24) hinein geneigt ist und/oder die Empfangscharakteristik (28) des Empfängers (14) in die Abdeckung (24) hinein in Richtung zur Abstrahlcharakteristik (26) des Senders (12) aus der Abdeckung (24) heraus geneigt ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen des Blendenrahmens (16) zumindest teilweise die elektromagnetische Strahlung reflektierend ausgebildet sind, sodass die Abstrahlcharakteristik (26) des Senders (12) aus der Abdeckung (24) heraus und/oder die Empfangscharakteristik (28) des Empfängers (14) in die Abdeckung (24) hinein verbreitert sind.






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