DE19744791C2 - Kapazitive Tastatur - Google Patents

Description

Neben der meßtechnischen Erfassung von Kapazitäten sind aus der Sensorik kapazitive Annäherungsschalter bekannt, die in ein High/Low-Signal wandeln, wobei die Sensorfläche oftmals an der Stirnseite eines kompakten Gehäuses angeordnet ist und ihre Kapazität zur Gehäusemasse die Schwingbedingung beeinflußt. Ein solcher Aussetzoszillator muß unmittelbar am Meßort installiert werden, eine örtliche Trennung von Sensorfläche und Auswerteelektronik wird wegen des empfindlichkeitsmindernden Einflusses parasitärer Kapazitäten vermieden. Induktivitäten und Mittkopplungseffekte bei Tastaturanordnungen zwingen zu selektiven Lösungen, schaffen Abgleich- und Positionierungsproblme und stehen dem Trend zur Miniaturisierung entgegen. Prinzipbedingt erreichen sie nur geringe Schaltfolgefrequenzen und reagieren empfindlich auf Fremdfelder und die Anwesenheit von Wasser mit seiner hohen Dielektrizitätskonstanten. Aus der Druckschrift DB 40 06 119 A1 ist bekannt, daß die aktive Elektrode eines kompakten kapazitiven Wegaufnehmers, aus Oszillator, Sende- und Empfangskapazität, Demodulator und Schaltverstärker bestehend, durch eine Abschirmelektrode ergänzt wurde, um den Einfluß von Wasser zu reduzieren und statische Kapazitäten abzuschirmen. Aus der Druckschrift DE 94 03 322 U1 ist eine Berührungsschalterplatte bekennt, deren selektive Elektronik unmittelbar hinter den Elektroden auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet ist, um so eine anschmiegsame, flächenhafte Verklebung mit einer gekrümmten Vorderplatte zu erzielen. In der Druckschrift EP-0 517745 B1 wird eine kapazitive Schaltungskarte mit einer speziellen Schichtenstruktur aus Leiterbahnengitter und Schirmflächen bei Verwendung unterschiedlich leitfähiger Materialien beschrieben, um parasitäre Koppelelemente in ihrem Einfluß zurückzudrängen und dennoch ein auswertbares Signal für nachgeordnete Verstärker zu erhalten. Es sind Hochfrequenztasten bekanntgeworden, die als Hinterglastastatur zusammen mit einer unmittelbar angeschlossenen Auswerteelektronik installiert werden. Alternativ zu kapazitiven Sensoren werden mechanische Kontakte und Schalter als Eingabeelemente von Informationen mit nicht unerheblichem technischen Aufwand durch magnetische, optische und andere Sensoren ersetzt. Die Druckschrift EP-0 618680 B1 beschreibt, wie durch eine Glasscheibe hindurch aus der Reflexion eines Infrarotstrahles z. Bsp. an einem sich nähernden Finger, ein Ausgangsignal sicher abgeleitet wird.

In der Patentschrift DE 195 01 232 C1 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven, digitalen Annäherungsschalter beschrieben, der über einen Regelkreis statische Umgebungskapazitäten kompensiert und nur Kapazitätsänderungen, etwa durch eine Handannäherung ausgelöst, auswertet.

In der Schrift WO 8503605 ist eine mögliche Anordnung von benachbarten Sensorflächen aufgezeigt.

In der Schrift DE 88 12 393 U1 sind kapazitive Schaltfolien mit Erregerflächen und benachbarten Sensorflächen beschrieben, wobei eine leitfähige zusätzliche Schirmungsfläche parasitäre Koppelkapazitäten verringern soll.

In der Schrift US 5239152 wird dieses Prinzip ebenfalls verwendet, wobei die beiden Koppelflächen lichtdurchlässig ausgebildet sind und daher zusätzlich eine beleuchtete Tastenkennzeichnung ermöglichen.

In der Schrift DE 295 19 714 U1 wird eine Kochfeldplatte mit Einmuldungen beschrieben, in die ein Finger mit Erdpotential gelegt werden kann. Unterhalb der Einmuldungen befindet sich eine Abgriffelektrode, die zum geerdeten Finger eine meßbare Kapazität bildet. Wiederum wird die Anwesenheit des Fingers zum Generieren eines Stellbefehles, z. B. für das Einschalten eines Kochfeldes, in einer nachgestalteten Elektronik benützt.

Bei vielen recherchierten Lösungen erweist es sich als nachteilig, am Eingabeort einer Information rückseitig einer Gehäusewandung oder darauf elektronische Wandler oder mechanische Schalter anordnen zu müssen sowie ihre Stromversorgung sicherzustellen. Die bekanntgewordenen kapazitiven Systeme besitzen darüber hinaus den Nachteil, auf kapazitive Änderungen im Detektionsbereich sowie bei Anwesenheit von dielektrischen Stoffen die Schalteigenschaften zu ändern. Eine Installation auf metallischen Oberflächen führt zu starken kapazitiven Nebenschlüssen und Empfindlichkeitsverlusten. Lediglich die Patentschrift DE 195 01 232 C1 gibt an, automatisch Umgebungseinflüsse zu kompensieren und die Auswerteelektronik fernab der Sensorflächen positionieren zu können. Die gleichzeitige Nutzung einer Handeingabetastatur als Schnittstelle für externe Steuergeräte ist nicht bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, z. Bsp. für die in der Patentschrift DE 195 01 232 vorgeschlagene Auswerteelektronik eine kapazitive Tasten- und Tastaturanordnung zu finden, die bei äußerst flacher Bauform plan auf jeden Untergrund aufgesetzt werden kann, durchsichtig für dahinterliegende Objekte wie Grafikdrucke, Projektionsschirme, LC-Anzeigen, Kontrolleuchten und PC-Bildschirme ist, vandaliamussicher aufgebaut ist und auch als Hinterglastastatur sowie bei extremen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann. Sie soll nicht nur zur Handeingabe dienen, sondern auch als kapazitive Schnittstelle für externe Steuergeräte verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Tastatur mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Mit der erfindungsgemäßen kapazitiven Tasten- und Tastaturanordnung in Verbindung mit einem geeigneten Auswerteverfahren, z. Bsp. in DE 195 01 232 C1 beschrieben, können Schaltflächen extreme Nähe zueinander aufweisen, Umgebungseinflüsse kompensiert und die Auswerteelektronik weitab angeordnet werden. Der einfache Aufbau kann deshalb extrem kompakt, monolitisch, flach, bruchsicher, transparent, chemisch inert und für einen weiten Temperaturbereich ausgelegt werden. Er ist vor und hinter dielektrischen Wandungen ebenso sicher zu betätigen wie einfach zu befestigen. Er bedarf weder Abgleich noch Stromzuführung und die extrem geringen Verschiebungströme erlauben für ihre Fortleitung hochohmige Zuleitungen, die darum extrem geringe Querschnitte haben können. So eignen sich dafür auch Folienleitungen mit aufgedampften Leiterzügen. Der Wegfall jeglicher Mechanik und Elektronik vor Ort, die Möglichkeit der beidseitigen Bedienbarkeit der Tastatur und eine nahezu vollständige Verschleißfreiheit und Vandalismussicherheit führen praktisch zu unbegrenzter Lebensdauer. An dielektrischem Material können Glas, Plexiglas, Polycarbonat, Fliesen, Marmor, Kunststoffe, Holz, Lackschichten u. a. eingesetzt und ein hoher Schutzgrad erzielt werden. Die erfindungsgemäßen Tasten- und Tastatur­ anordnungen sind wahlweise von einer oder beiden Seiten her bedienbar. Mit diesen Eigenschaften stehen preiswerte, universell einsetzbare Tastaturen und Taster für Aufzüge, Schaltuhren, Verriegelungen, Spielautomaten, Informationsflächen, Naßräume, Medizintechnik, Automatisierungstechnik bis hin zu Touchscreenanwendungen für rauhe Einsatzbedingungen bereit.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt des Schichtenaufbaues einer erfindungsgemäßen Tastatur. Parallele Leiterbahnen (2) und (5) kreuzen sich in Form einer Matrix (14) (siehe Fig. 2), wobei jede am Kreuzungspunkt (11) eine Breitenaufweitung vorzugsweise in Form zweier symmetrischer Quadrate innerhalb einer Schaltfläche (13) aufweist. Sie wird je zur Hälfte von beiden Aufweitungen (12) ausgefüllt. Eine Schaltfläche (13) kann auch von nur einer aufgeweiteten Leiterbahn ausgefüllt werden (Einzeltaste).

Ein Annähern oder Entfernen eines Fingers von den Schaltflächen (13) ist aufgrund der Flächenaufweitung (12) der Leiterzüge (2) und/oder (5) mit relativ großen Käpazitätsänderungen verbunden, die von der angeschlossenen Auswerteelektronik (3) als Annäherungs- und Entfernungssignal separat für jede Leitung registriert wird. Eine logische Verknüpfung dieser Signale erfolgt z. Bsp. in einem der Auswerteelektronik (3) nachgeschalteten Mikrorechner.

Der erfindungsgemäße Strukturaufbau ermöglicht ein Bedienen der Tastatur von beiden Seiten her. Wird dies nicht gewünscht, wird eine zusätzliche Schirmfläche (7) benützt. Die statischen Zusatzkapazitäten werden von der Auswertelektronik (3) eleminiert.

Streifenleitungen (8) oder Koaxialkabel (8) übernehmen die Verbindung zwischen Tastatur und Auswerteelektronik. Sie kann bis weit über 10 Meter entfernt angeordnet und integraler Bestandteil einer peripheren Zusatzelektronik sein.

Wählt man transparente, dielektrische Schichten (1), (6) und dampft transparente Leiterzüge (2), (5) z. Bsp. auf ein Glassubstrat auf, wird die Tastatur durchsichtig und sie kann von der Seite oder von unten her beleuchtet werden. Eine Tastenbelegungstabelle kann hinterlegt werden. In Verbindung mit einem Computerbildschirm sind so die unsichtbaren Schaltflächen softwaremäßig definierbar und sie dienen als Touchscreen.

Ein Einbau der Tastatur in Gerätegehäuse erfordert keine aufgesetzte Baueinheit mehr. Die Plastikgehäusewand des Gerätes selbst übernimmt die Funktion einer ersten dielektrischen Schicht (1). Noppen, Mulden oder Aufdrücke können zur optischen Ortsbestimmung der Schaltflächen dienen bzw. kapazitive Koppelflächen für externe Steuergeräte kennzeichnen. Damit entfallen Durchbrüche in der Gerätewand.

Eine Einzeltaste, nach diesem Prizip aufgebaut, ist an jeder Stelle einer Gehäuseinnenseite positionierbar. Äußerst flach gehalten, kann eine Einzeltaste oder Tastatur auch auf beliebige Oberflächen aufgeklebt oder -geschraubt werden.

Claims (5)

1. Kapazitive Tastatur mit matrixförmig zwischen einer ersten dielektrischen Schicht (1) und einer zweiten dielektrischen Schicht (6) übereinanderliegend angeordneten Leiterzügen (2, 5), wobei die Leiterzüge (2, 5) an ihren Kreuzungspunkten (11) jeweils eine Breitenaufweitung (12) innerhalb einer gemeinsamen Schaltfläche (13) aufweisen, und die dielektrischen Schichten (1, 6) oberhalb der Schaltflächen (13) Verdickungen (9) oder Einmuldungen (10) aufweisen, die kapazitive Koppelflächen für extern angeordnete Steuergeräte (15) bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenflächen einer der dielektrischen Schichten (1 oder 6) wahlweise eine leitfähige Schirmfläche (7) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (1 und 6), die Leiterzüge (2 und 5), die Isolierschicht (4) und die Schirmfläche (7) wahlweise transparent sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzüge (2 und 5) und die Schirmfläche (7) galvanisch oder kapazitiv über Leitungen (8) mit einer entfernten Auswerteelektronik (3) verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (1) und/oder die dielektrische Schicht (6) wahlweise Teil einer Wandung sind.