DE3604120A1

DE3604120A1 - Beruehrungsempfindlicher sensor

Info

Publication number: DE3604120A1
Application number: DE19863604120
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Hoebel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-02-10
Filing date: 1986-02-10
Publication date: 1987-08-13
Also published as: DE3604120C2

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungsempfindlichen Sensor. Insbesondere betrifft sie einen großflächigen Sensor, der in Verbindung mit einem Bildschirm in der medizinischen Technik eingesetzt werden kann.

Berührungsempfindliche Sensoren werden auf vielen Gebie ten der Technik eingesetzt. Beispielsweise werden groß flächige Sensoren als sogenannte "Touch Screen" vor Bild schirmen verwendet (US-PS 4 340 777; US-PS 4 355 202; EP-OS 0 126 345) z. B. in der medizinischen Technik. Der berührungsempfindliche Sensor ist durchsichtig, so daß von der Bildröhre auf den Bildschirm projizierte Symbole für Bedienungsfunktionen, wie z. B. Lautstärke, Hellig keit, etc., von außen sichtbar sind. Durch Berühren des Sensors mit dem Finger an der Stelle, wo die gewünschte Bedienungsfunktion sichtbar ist, wird diese in Gang ge setzt. Von dem Sensor wird dabei zunächst die Koordi nate des Fingerdrucks ermittelt, die der betreffenden Bedienungsfunktion zugeordnet ist, und daraufhin wird der zugehörige Einstellparameter geändert.

Bei komplizierten Geräten (z. B. Computer-Display, Pa tientenmonitor) mit vielen Einstellparametern ist man zu der erwähnten Plazierung des Sensors vor der Bildröhre übergegangen. Dieses bietet den Vorteil, denselben Ort auf dem Sensor mehrfach, also mit unterschiedlichen Funk tionen belegen zu können. In denselben xy-Koordinaten lassen sich von der Bildröhre verschiedene Bedienungs funktionen auf den Bildschirm und damit auf den Sensor projizieren. Entsprechend der jeweils dargestellten Projektion bewirkt der Fingerdruck die Veränderung unterschiedlicher Einstellparameter.

Aus der Firmendruckschrift "CM 504 Touch Pad Module" der Fa. BSR (USA) Ltd., 3/84, ist ein berührungsloser Sen sor bekannt, welcher aus zwei übereinanderliegenden Schichten von leitfähigem Material besteht. Die beiden Schichten sind durch flexible, schaumstoffartige Ab standshalter voneinander getrennt. Die Ränder der un teren Schicht sind an ihren gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einem Kontaktpaar versehen. Auf diese Weise läßt sich der Widerstand der unteren Schicht sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung bestimmen. Durch Druck auf die obere der beiden Schichten, welche auf ein Bezugspotential, z. B. Massepotential, gelegt ist, wird an einer beliebigen Stelle der unteren Schicht ein Kurz schluß zu Masse hergestellt. Über die randseitigen Kon takte der ersten Schicht lassen sich die beiden Teilwi derstände für die x-Koordinate zwischen Kontaktseite und Kurzschlußpunkt bestimmen. Analog gilt dieses für die beiden Kontaktseiten, die der y-Koordinate zugeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich also relativ einfach der Ort eines Fingerdrucks auf dem Sensor bestimmen. Bei die sem Sensor sind die beiden Schichten jeweils auf einer durchsichtigen Plexiglasscheibe aufgebracht. Dabei ent stehen vier Grenzflächen für das sichtbare Licht, welche selbst im hochpolierten Zustand jeweils eine Reflexion von ca. 4% aufweisen. Insgesamt kommt also eine stören de Reflexion von ungefähr 16 % zustande, wenn nicht eine aufwendige Entspiegelung vorgenommen wird. Weiterhin ist bei diesem Sensor zu bedenken, daß zwischen der ersten und der zweiten Schicht Hohlräume gebildet werden, wel che zwangsläufig einen Ansatz für die Entstehung von Mikroorganismen bilden. Dadurch kann die Lebensdauer des Sensors ungünstig beeinflußt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen berührungsempfind lichen Sensor so auszubilden, daß er weitgehend unanfäl lig gegen klimatische Veränderungen ist und gleichzeitig ein geringes Reflexionsverhalten aufweist.

Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß die ge nannten Bedenken ausgeräumt werden können, wenn es ge lingt, einen einlagigen Sensor zu schaffen.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sensor gelöst, welcher mit folgenden Merkmalen verse hen ist:

a) einer Anzahl von ersten und zweiten gegeneinander isolierten Streifen aus einem elektrisch leitenden Material,
b) elektrischen Kontakten, die an einem Rand der ersten Streifen und an gegenüberliegenden Rändern der zwei ten Streifen angebracht sind,
c) einer Spannungsquelle, die an die stirnseitigen Kon takte der zweiten Streifen angeschlossen ist, und
d) einem Meßgerät zur Bestimmung der Koordinate eines auf zumindest zwei benachbarte Streifen ausgeübten Drucks, bei dem eine elektrische Kopplung zwischen diesen beiden benachbarten Streifen hervorgerufen wird, wobei das Meßgerät jeweils an einem Kontakt eines ersten Streifens und einem Kontakt eines be nachbarten zweiten Streifens angeschlossen ist.

Durch die Maßnahme der gegeneinander isolierten Strei fen wird erreicht, daß die bei der Erläuterung des Stan des der Technik genannten beiden Schichten einlagig und nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß nur noch ein Träger notwendig ist, um den Sensor mechanisch stabil zu halten. Das bedeutet, daß das Reflexionsverhalten wesentlich verbessert ist: an stelle von vier Grenzflächen sind nur noch zwei Grenz flächen wirksam. Die Streifen sind entweder direkt mit dem Finger berührbar und damit zugänglich oder aber durch eine Schutzschicht vor Verschmutzung gesichert. In beiden Fällen existieren keine Hohlräume innerhalb des Sensors, welcher bei ungünstigen Klimabedingungen für ein Mikroklima, wie z. B. Feuchtigkeit, Pilzbildung, etc., verantwortlich ist. Der meßtechnische Aufwand ist vergleichbar zu dem bei bestehenden Sensoren, so daß von dort her keine Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Die Spannungsquelle kann eine Gleich- oder Wechselspan nungsquelle sein. Die elektrische Kopplung bei Finger druck ist somit entweder galvanisch oder kapazitiv.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispie len anhand von zwei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 die Aufsicht auf einen einlagigen berührungs empfindlichen Sensor und

Fig. 2 einen Querschnitt des Sensors, der auf der Außen fläche einer Bildröhre angeordnet ist.

In Fig. 1 ist mit 1 ein ebener großflächiger, berührungs empfindlicher Sensor bezeichnet, ein sogenannter "Touch Screen". Der Sensor 1 umfaßt eine Anzahl von ersten Streifen 3 und dazwischen verschachtelt eine Anzahl von zweiten Streifen 5, welche beide aus durchsichtigem, elektrisch leitfähigem Material bestehen. Als Material hat sich ein Gemisch aus Indiumoxid und Zinnoxid bewährt. Diese Streifen sind auf einen Plexiglasträger (nicht dargestellt), insbesondere einer dünnen Plexiglasschei be, aufgebracht. Der Plexiglasträger befindet sich in der Aufsichtzeichnung nach Fig. 1 unterhalb der Streifen 3, 5. Er dient zur Stabilisierung des Sensors 1, da die Streifen 3, 5 aus sehr dünnem Material gefertigt sind.

Anstelle der Plexiglasscheibe ist es auch möglich, di rekt eine Bildröhre als Träger für die Streifen 3, 5 zu wählen. In diesem Fall werden die Streifen 3, 5 bei spielsweise auf die äußere Glasoberfläche der Bildröhre aufgedampft und anschließend mit einer dünnen Schutz schicht versehen. Die Schutzschicht schützt sowohl vor Verschmutzung als auch vor Vergiftung der Streifen 3, 5 bei Kontakt mit dem Finger des Bedienenden während der Betätigung des Sensors 1. Weiterhin hat die Schutzschicht die Funktion, vor mechanischen Beschädigungen zu schüt zen und, sofern der Sensor 1 im medizinischen Bereich zur Anwendung kommt, den dort herrschenden Sicherheits anforderungen bezüglich der elektrischen Spannung ge recht zu werden. Die Anwendung des Sensors 1 in Kombi nation mit einer Bildröhre ist in Fig. 2 dargestellt und wird später beschrieben.

Die ersten Streifen 3 und die zweiten Streifen 5 sind abwechselnd mit ihrer langen Seite nebeneinander angeord net und gegeneinander elektrisch durch einen Zwischen raum 4 isoliert. Die ersten Streifen 3 sind mit einem beliebigen Rand über einen hochohmigen Widerstand (nicht gesondert gezeigt) auf ein Bezugspotential, z. B. an Mas se gelegt. Die zweiten Streifen 5 sind an ihren kurzen, stirnseitigen Rändern an eine Spannungsquelle 7 gelegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils der linke stirnseitige Rand der zweiten Streifen 5 mit einem Kon takt versehen und an eine gemeinsame Kontaktbahn 9 ge führt, welche an eine Gleichspannungsquelle 7 a mit einer Spannung -U_B von z. B. -5 V angeschlossen ist, die mit ihrem anderen Pol am Bezugspotential liegt. Analog ist jeweils der rechte Rand der zweiten Streifen 5 mit einer Kontaktbahn 11 verbunden, welche an eine Gleichspannungs quelle 7 b der Betriebsspannung +U_B mit z. B. +5 V gelegt ist. Diese liegen ebenfalls mit ihrem anderen Pol auf Bezugspotential zwischen dem rechten Rand der zweiten Streifen 5 und dem linken Rand der zweiten Streifen 5 ergibt sich also eine Potentialdifferenz von 10 V. Die Mitte der zweiten Streifen 5 liegt dabei auf Potential Null, also dem Bezugspotential für die ersten Streifen 3.

Jeder der ersten Streifen 3 ist über ein zugeordnetes Meßgerät 13, das den erwähnten hochohmigen Widerstand be inhaltet, an das Bezugspotential gelegt. Im Ausführungs beispiel ist jedes Meßgerät 13 ein Gleichspannungsmeß gerät. Stattdessen kann auch ein einziges Meßgerät 13 vorgesehen sein, das im Multiplexverfahren (nicht ge zeigt) an die einzelnen ersten Streifen 3 gelegt wird.

In Fig. 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit seinen Achsen x, y eingezeichnet. Bei einem Fingerdruck auf eine beliebige Stelle 15 des Sensors 1 entsteht zwi schen einem ersten Streifen 3 und einem benachbarten zweiten Streifen 5 eine elektrisch leitende Verbindung. Dieses geschieht zwangsläufig, da die Streifenbreite so gewählt ist, daß auch beim Antippen nur mit der Fin gerspitze wenigstens zwei benachbarte Streifen über brückt werden.

Als Breite für jeden der Streifen 3, 5 und für den iso lierenden Zwischenraum zwischen den Streifen 3, 5 hat sich ca. 1 mm als zweckmäßig erwiesen. Infolge der Ver bindung durch den Fingerdruck befindet sich der betrof fene erste Streifen 3 nicht mehr auf Bezugspotential. Entsprechend dem Ort des Druckes entlang der x-Achse wird das Potential auf dem Streifen 3 auf einen Wert zwischen -5 V und +5 V gelegt. Der Gleichspannungswert ist linear abhängig von der x-Koordinate der Druckstel le 15. Ist der Fingerdruck beispielsweise am linken Rand (x=x ₁) des Sensors 1 ausgeübt worden, so wird dem ers ten Streifen 3 das Potential -5 V aufgeprägt, was von dem zugehörigen Meßgerät 13 erfaßt wird. Für den Fall, daß der Fingerdruck dagegen beispielsweise am rechten Rand (x=x ₂) ausgeübt wurde, befindet sich der erste Streifen 3 auf dem Potential +5 V, was wiederum vom zugehörigen Meßgerät 13 erfaßt wird. Bei x=(x ₂-x ₁)/2 ist das gemessene Potential 0 V. Aufgrund der linearen Abhängigkeit des Spannungswertes von der Koordinate x läßt sich aus dem gemessenen Spannungswert in einfacher Weise die x-Koordinate herleiten. Der gemessene Span nungswert ist selbst ein direkter Meßwert für den Ort x.

Zur Bestimmung der y-Koordinate ist es lediglich not wendig zu detektieren, welches der Meßgeräte 13 einen Ausschlag aufweist, d.h. einen Spannungswert ungleich Null anzeigt. Da jedem ersten Streifen 3 ein eigenes Meßgerät 13 zugeordnet ist, läßt sich daraus die Lage des ersten Streifens 3 in Bezug auf die y-Koordinate direkt herleiten.

Mit der vorliegenden Anordnung ist ein Sensor 1 ge schaffen, der lediglich aus einer einzigen Lage leit fähiger Streifen 3, 5 und zusätzlich einem durchsich tigen Träger besteht. Dadurch ist kein Zwischenraum zwischen den ersten Streifen 3 und den zweiten Streifen 5 vorhanden, welcher einen Ansatzpunkt für ein Mikro klima, z. B. mit Feuchtigkeit und Pilzbildung, bilden könnte.

Anstelle der beiden gleichen Gleichspannungsquellen 7 a, 7 b, die hier zur Einfachheit der Darstellung verwendet wurde, ist es ebensogut möglich, eine Wechselspannungs quelle einzusetzen. In diesem Fall wird nicht ein strom leitender Kontakt durch den Fingerdruck verursacht, sondern eine andere Art der Kupplung, speziell eine Kapazitätsänderung zwischen den Streifen 3, 5 herbeige führt. Der Ort x des Fingerdrucks läßt sich dann z. B. über einen Schwingkreis bestimmen oder über die Phasen verschiebung der Wechselspannung. Der Ort wird wieder durch dasjenige Meßinstrument 13 bestimmt, das angespro chen hat.

In Fig. 2 ist der Sensor 1 in Seitenansicht bei direkter Aufbringung auf dem Bildschirm eine Bildröhre 20 darge stellt. Die ersten und zweiten durchsichtigen Streifen 3, 5 sind direkt auf der äußeren Oberfläche der Glas platte 22 der Bildröhre 20 aufgebracht. Sie können bei spielsweise dort aufgeklebt oder aufgedampft sein. Die Zwischenräume zwischen den Streifen 3, 5 sind mit einer Schutzschicht 24 ausgefüllt, die auch noch die Oberseiten der Streifen 3, 5 abdeckt. Auf diese Weise entstehen in dem Sensor 1 keine Hohlräume. Die Schutz schicht 24 weist vorzugsweise eine Dicke von Lambda Viertel auf, wobei die Wellenlänge Lambda z.B. ca. 550 nm beträgt. Es ist auf eine gute Anpassung der beiden Brechungsindices von Sensor 1 und Glasplatte 22 zu achten. Der Finger des Bedienenden, der durch seinen Fingerdruck eine Ortsbestimmung und davon abhängig eine Bedienungsfunktion (d.h. die Veränderung eines Einstell parameters an der Bildröhre 20 und an einem damit ver bundenen Gerät) in die Wege leitet, ist mit 26 bezeich net.

Claims

1. Berührungsempfindlicher Sensor mit

a) einer Anzahl von ersten und zweiten gegeneinander isolierten Streifen (3, 5) aus einem elektrisch leitenden Material,
b) elektrischen Kontakten, die an einem Rand der ersten Streifen (3) und an einander gegenüberliegenden Rändern der zweiten Streifen (5) angebracht sind,
c) einer Spannungsquelle (7 a, 7 b), die an die stirn seitigen Kontakte der zweiten Streifen (5) ange schlossen ist, und
d) mindestens einem Meßgerät (13) zur Bestimmung der Koordinate (x, y) eines auf zumindest zwei benach barten Streifen (3, 5) ausgeübten Drucks, bei dem eine elektrische Kopplung zwischen diesen beiden benach barten Streifen (3, 5) hervorgerufen wird, wobei das Meßgerät (13) an dem Kontakt des ersten Streifens (3) und einem der Kontakte eines benachbarten zweiten Streifens (5) angeschlossen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kontakte der ersten und zweiten Streifen (3, 5) räumlich abwechselnd an die Spannungsquelle (7 a, 7 b) bzw. über das Meßgerät (13) an ein Bezugspotential (M) gelegt sind.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die an die Spannungsquelle (7 a, 7 b) gelegten zweiten Streifen (5) an ihren beiden stirn seitigen Rändern jeweils mit einer gemeinsamen Kontakt bahn (9, 11) verbunden sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kontaktbahn (9) des einen Randes des Streifens (5) mit einem anderen Potential (-U_B, +U_B) beaufschlagt ist als die Kontaktbahn (11) des anderen Randes.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Span nungsquelle (7 a, 7 b) als eine Wechselspannungsquelle und das Meßgerät (13) zur kapazitiven Messung ausgebil det ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Streifen (3, 5) mit einer Schutzschicht (24) zur Ver meidung von Verschmutzung versehen sind.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht (24) eine Dicke von Lambda Viertel aufweist, wobei die Wellenlänge Lambda ca. 550 nm beträgt.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Streifen (3, 5) für sichtbares Licht transparent sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Streifen (3, 5) direkt auf die Außenseite (22) einer Bildröhre (20) aufgebracht sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Streifen (3, 5) aus einem Gemisch aus Indiumoxid und Zinnoxid bestehen.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Streifen (3, 5) jeweils eine Breite von ca. 1 mm aufweisen.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß neben jedem ersten Streifen (3) zumindest ein in der selben Ebene (x, y) angeordneter weiterer Streifen (5) liegt.