DE69122782T2 - Infrarotberührungsempfindliche Eingabevorrichtung und Lichterzeugeraktivierungsschaltung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Tasteingabesystem zum Nachweisen des Vorhandenseins eines Elements in einem bestrahlten Feld, insbesondere betrifft sie eine Tasteingabevorrichtung zur Verwendung in einem Tasteingabesystem zum Nachweisen des Eindringens und der relativen Lage eines Elements, welches sich in einem bestrahlten Feld befindet, welches etwa benachbart zu einer elektronischen Anzeige angeordnet ist, wobei das bestrahlte Feld durch eine Mehrzahl von Lichtstrahlern und Lichtdetektoren gebildet wird.
• Verbunden mit der fortgesetzten und steigenden Verwendung von Videoanzeigen ist das Problem der Schnittstelle zwischen Bedienungsperson und Maschine. Üblicherweise erfolgt die Steuerung angezeigter Information oder von Kursoren über den Einsatz einer Tastatur. In jüngerer Zeit jedoch gestatten verschiedene Geräte einer Bedienungsperson die direkte Interaktion mit einer Videoanzeige. Diese Geräte enthielten Lichtgriffel, Tisch-Maus-Steuerungen oder Tasteingabevorrichtungen, beispielsweise in Form von Schaltermatrizen oder optoelektronischen Matrizen. Während benachbart zu einer Videoanzeige angebrachte Schalter-Auflagen im allgemeinen billig anzubringen und einzusetzen sind, sind sie jedoch empfindlich für Berührungsverschleiß sowie für eine Verzerrung der Videoinformation, die dem Betrachter oder der Bedienungsperson dargeboten wird, insbesondere in Situationen mit intensivem Arbeitseinsatz. Optoelektronische Matrix-Vorrichtungen verwenden Licht, im allgemeinen solches im Infrarotbereich, allerdings erzeugen sie eine Matrix, die für den Betrachter oder die Bedienungsperson unsichtbar ist und deshalb die angezeigte Videoinformation nicht stört und auch in Bereichen intensiver Benutzung keinem Verschleiß unterliegt. Systeme mit Opto-Matrixrahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel für ein solches System findet sich in der US-A-4,267,443. Die US-A-4,761,637 zeigt eine Tasteingabevorrichtung mit individuell adressierbaren Strahlern und Detektoren in getrennten Feldern.
• Normalerweise verwenden Tasteingabevorrichtungen eine Spannungsquelle von fünf Volt für den Betrieb der Logik, die üblicherweise zum Durchführen verschiedener Funktionen in einer Tasteingabevorrichtung eingesetzt wird. Es ist eines der Ziele der vorliegenden Erfindung, das Aktivieren einer Mehrzahl von Lichtabstrahlern unter Verwendung nur einer einzigen Fünf-Volt-Quelle zu verbessern. Hingegen besitzen konventionelle Tasteingabevorrichtungen individuell adressierbare Abstrahler, beispielsweise Leuchtdioden, in denen eine Fünf-Volt-Quelle die Energie liefert, die nicht nur zum Treiben jedes Strahlers benötigt wird, sondern auch für Serien-Elemente, bestehend aus einer Stromquelle und einer Stromsenke zum Adressieren jedes einzelnen Strahlers. Deshalb ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Stromquelle mit ausreichender Energie zum Treiben der einen hohen Widerstand aufweisenden Leuchtdioden und eine Adressierschaltung zu schaffen, die lediglich eine einzelne Fünf-Volt-Spannungsquelle flir die Tasteingabevorrichtung verwendet. Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen geeigneten Treiberstrom für die Leuchtdiode bereitzustellen, ohne das elektrische Rauschen in dem Tasteingabesystem zu steigern. Wenn eine herkömmliche Ladungspumpvorrichtung oder Transformatoranordnung in einem Tasteingabesystem eingesetzt würde, würde dies elektrisches Rauschen erzeugen, welches möglicherweise das Detektieren von Lichtstrahlen verkomplizieren könnte.
• Bei konventionellen Infrarot-Tasteingabesystemen unter Verwendung einer einzelnen Fünf-Volt-Quelle mit einer Leuchtdiode und einem Quellentreiber sowie einem Senkentreiber ist es nicht immer möglich, ausreichend Licht mit jeder der mehrfach vorhandenen Leuchtdioden in einer Tasteingabevorrichtung zu erzeugen. Die Spannungsabfälle an dem Senken- und dem Quellentreiber sowie an der jeweils ausgewählten Leuchtdiode sind in einigen Fällen größer als im Durchschnitt, was zu einer schwachen Signalabgabe durch diese Leuchtdiode führt. Dieser Faktor hängt stark ab von Schwankungen in den Sättigungsspannungen der Quellen- und Senken-Bauelemente und dem elektrischen Verhalten von Leuchtdioden, die nach derzeitiger Technologie gefertigt werden.
• Dieser Faktor verkompliziert die Herstellung eines Tasteingabesystems deutlich, insbesondere dann, wenn in dem Tasteingabesystem eine große Anzahl von Leuchtdioden verwendet wird. Derzeit muß ein Tasteingabesystem mit einer einzigen Fünf-Volt-Energiequelle aufgebaut und getestet werden, um festzustellen, ob die von jeder Leuchtdiode abgestrahlte Lichtenergie ausreicht flir den Nachweis durch den zugehörigen Fotodetektor. Mit der derzeitig verfügbaren Technologie besitzen zahlreiche mit einer Fünf-Volt-Quelle gespeiste Leuchtdioden eine angemessene Ausgangsleistung flir ein Infrarot-Tasteingabesystem.
• Aus dem Patent Abstract of Japan, Band 13, Nr.270 (E-776) [3618] - 21. Juni 1989, ist eine Ladungspump-Boosterschaltung bekannt. Diese Schrift offenbart eine eine Boosterschaltung bildende Ausgangsstufe mit einem ersten und einem zweiten PNP/NPN-Schalttransistor. An einen Verbindungsknoten zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor ist ein Kondensator geschaltet, der über eine erste Diode von einer Energiequelle aufgeladen wird, um über eine zweite Diode entladen zu werden. Eine durch das Laden/Entladen des Kondensators erhöhte Spannung wird an einem zweiten Kondensator am Ausgangsanschluß bereitgestellt. Bei der Abnahme der Booster-Spannung werden von einer Zeitsteuerschaltung den jeweiligen Basen des ersten und des zweiten Transistors Basissignale zugeführt, um eine abwechselnde Umschaltsteuerung vorzunehmen.
• Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Tasteingabevorrichtung zu schaffen, in der zusätzlicher Strom an jedes Lichtabstrahlelement unter Verwendung einer einzelnen Fünf-Volt-Leistungsquelle geliefert werden kann, so daß jede Leuchtdiode oder anderes Lichtabstrahlelement genügend Licht liefert für den Nachweis durch Lichtdetektoren, die am gegenüberliegenden Ende einer bestrahlten Anzeigefläche angeordnet sind.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines grundsätzlich stabilen Stroms derart, daß der Stromfluß durch jede Leuchtdiode zum Reduzieren von Stromschwankungen durch die Leuchtdioden innerhalb der individuell adressierbaren Matrix normiert wird. Aus diesem Grund werden die Lichtpegel in der Leuchtdiodenmatrix konstanter.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Tasteingabesystems, in welchem jede Leuchtdiode nicht von einem Strom getrieben werden muß, der ansonsten notwendig wäre, um die Leuchtdiode mit der geringsten Lichtabgabe der Matrix zu treiben, um dadurch das von solchen Leuchtdioden abgestrahlte Licht zu erhöhen, die von Haus aus eine bessere Leistung besitzen. Ein derartiges überstarkes Licht kann zu Problemen beim Betrieb eines Tasteingabesystems führen. Die Verwendung zu großen Stroms zum Treiben der Leuchtdioden führt auch zu einer im Zuge der Zeit eintretenden Verschlechterung der einzelnen Leuchtdioden.
• Erreicht werden diese Ziele erfindungsgemäß durch eine Tasteingabevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Abhängige Ansprüche 2 bis 9 stellen Verbesserungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 dar.
• Die erfindungsgemäße Tasteingabevorrichtung dient zum Detektieren des Vorhandenseins eines opaken Elements, beispielsweise eines Stifts oder eines Fingers einer Bedienungsperson, innerhalb eines bestrahlten Anzeigebereichs, beispielsweise der Anzeige oder einer Kathodenstrahlröhre, die als Ausgabeelement eines Rechners verwendet wird. Eine solche Tasteingabevorrichtung verwendet Lichtabstrahlbauelemente, beispielsweise Leuchtdioden, ferner Lichtdetektierelemente, beispielsweise Fotodetektoren, die entlang den Seiten des Anzeigebereichs angeordnet sind. Diese Lichtabstrahlelemente können vorzugsweise entlang zweier Seiten eines Rahmens angeordnet werden, während die Lichtdetektierelemente dann an den gegenüberliegenden beiden Seiten des Rahmens am Umfang der Ausgabeanzeigevorrichtung angeordnet sind. Diese Tasteingabevorrichtung enthält eine Spannungsquelle, die sich zum Treiben der in der Tasteingabevorrichtung verwendeten Legik eignet. Diese Spannungsquelle liefert außerdem den Strom zum Aktivieren individueller Lichtabstrahlelemente. Diese Lichtabstrahlelemente werden sequentiell aktiviert, so daß Lichtstrahlen den Anzeigebereich durchqueren und das Licht von jeder Leuchtdiode auf einen mit ihr ausgerichteten Fotodetektor fällt, beispielsweise einen Fototransistor. Die Aktivierungsschaltung für die Leuchtdioden enthält eine Ladungspumpe zwischen der Spannungsquelle und der zum sequentiellen Aktivieren vorgesehenen Einrichtung in der Schaltung der Lichtabstrahlelemente. Der Energiespeicherkondensator besteht aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren, um die insgesamt verfügbare Energie zu steigern. Eine Schaltvorrichtung dient zum abwechselnden Verbinden der negativen Seite der Leuchtdioden-Energiespeicherkondensatoren mit der Rückstromseite der 5V-Energiequelle während des Zeitintervalls zwischen der sequentiellen Aktivierung der Lichtabstrahlelemente, und der positiven Seite der 5V- Energiequelle während der Aktivierungszeit des Lichtabstrahlelements. Eine aus der Versorgungsspannung gebildete Grundspannung wird mithin an einer negativen Seite des Kondensators beim Aktivieren jedes Lichtabstrahlelements gebildet, so daß die Spannung an der positiven Seite des Kondensators größer ist als die Versorgungsspannung der Spannungsquelle während der Aktivierung jedes Lichtabstrahlelements. Damit läßt sich ein angemessener Strom durch jedes Lichtabstrahlelement leiten, um sicherzustellen, daß das von jedem Lichtabstrahlelement abgestrahlte Licht einen Minimum-Schwellenwert übersteigt, der notwendig ist für einen zufriedenstellenden Betrieb des Tasteingabebauelements. Da das Umschalten synchron mit dem Aktivieren des Lichtabstrahlele ments erfolgt, wird während der Detektier-Zeitspanne, die stattfindet, während das Lichtabstrahlelement aktiv ist, kein elektrisches Rauschen erzeugt.
• Die Erfindung eignet sich besonders für eine Tasteingabevorrichtung, welche mehrere Lichtabstrahlelemente in Form eines Feldes oder einer Matrix mit einer Quellentreiber- und einer Senkentreibereinrichtung zum individuellen Adressieren spezifischer Leuchtdioden für die sequentielle Aktivierung verwendet.
• Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 die Art und Weise, in der eine Bedienungsperson direkt mit einer Sichtanzeige interagiert, wobei eine erfindungsgemäße Tasteingabevorrichtung verwendet wird;
• Fig. 2 die Art und Weise, in der Lichtabstrahlbauelemente, wie z. B. Leuchtdioden, und Lichtdetektierbauelemente, im vorliegenden Fall Fototransistoren, am Umfang einer Sichtanzeige oder eines bestrahlten Feldes angeordnet sind;
• Fig. 3 ein Diagramm der Grund-Teilbaugruppen der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung;
• Fig. 4 eine Ansicht der grundlegenden Eingabe/Ausgabe der Steuerung für dieses System;
• Fig. 5 eine detaillierte schematische Ansicht des Ladungspumpabschnitts der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung;
• Fig. 6 eine detaillierte schematische Ansicht des Zählerabschnitts der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung;
• Fig. 7 eine Ansicht des Quellentreiberabschnitts der Schaltung;
• Fig. 8 eine schematische Ansicht des Lichtabstrahlelements oder der LED-Matrix für ein X-Feld oder eine X-Matrix;
• Fig. 9 eine detaillierte schematische Ansicht des Senkentreiberteils der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung;
• Fig. 10 eine Zeitsteuereinrichtung, die Pegel der Signale LED\, LCLK und MODE während der Aktivierung eines einzelnen Lichtabstrahlelements veranschaulicht; und
• Fig. 11 eine schematische Darstellung der Spannung an der positiven Seite eines Kondensators, der in dem Ladungspumpteil der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung verwendet wird.
• Fig. 1 zeigt die Art und Weise, in der eine Bedienungsperson direkt interagieren kann mit Information, die auf einem Schirm einer Kathodenstrahlröhre dargestellt wird, die in Verbindung mit einem Hauptrechner, beispielsweise einem Personal Computer, verwendet wird. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll Echtzeiteingaben in einen Personal Computer ermöglichen. Hierzu enthält die vorliegende Vorrichtung eine Einrichtung zum Übertragen von Echtzeit- Eingabeinformation direkt an den Hauptrechner. Allerdings versteht sich, daß die vorliegende Erfindung so angewendet werden kann, daß Eingabeinformation verarbeitet wird, die anschließend über eine RS232- Schnittstelle in konventioneller Weise an den Hauptrechner gegeben wird.
• Wie in Fig. 1 zu sehen ist, kann eine Bedienungsperson 16 über eine Kathodenstrahlröhre 10, die auf einem Bildschirm 12 Information anzeigt, einfach durch direktes Tasten spezieller Stellen auf dem Bildschirm 12 interagieren. Infrarotlicht abstrahlende Dioden und Detektoren, beispielsweise Fototransistoren, können in üblicher Weise in einem Ring oder Rahmen 20 am Umfang der Anzeigefläche 12 gelagert sein, so daß mehrere Infrarotstrahlen die Anzeigefläche 12 abtasten. Wenn die Bedienungsperson ihren Finger 18 an eine spezielle Stelle auf dem An zeigefeld 12 hält, werden ein oder mehrere Infrarotstrahlen zwischen den miteinander ausgerichteten Strahlern und Detektoren unterbrochen. Die spezielle Stelle des Fingers 18 der Bedienungsperson wird dann an den Hauptrechner übertragen. Allgemeiner gesprochen, schafft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung, mit der ein opakes Element, beispielsweise der Finger 18 der Bedienungsperson oder andere stiftförmige Teile, festgestellt werden können, wenn sie sich in einem Strahlungsfeld, beispielsweise dem Anzeigeschirm 12 befinden, welches dadurch gebildet wird, daß Lichtabstrahlelemente, beispielsweise Fototransistoren, am Umfang des bestrahlten Feldes so angeordnet sind, daß individuelle Lichtabstrahlelemente mit korrespondierenden individuellen Lichtdetektierelementen ausgerichtet sind.
• Fig. 2 zeigt Felder von Lichtabstrahlelementen und Felder von Lichtdetektierelementen, die am Umfang eines bestrahlten Feldes 12 angeordnet sind. Eine Berühreingabevorrichtung, wie sie hier dargestellt ist, ist in Verbindung mit der Anzeige einer Kathodenstrahlröhre üblicherweise in der Weise ausgestaltet, daß zwei orthogonale Felder von Lichtabstrahlbauelementen und zwei orthogonale Felder von Fofodetektoren entlang den Seiten eines rechteckigen Anzeigebereichs 12 angeordnet sind. Üblicherweise werden Leuchtdioden und Fototransistoren für derartige Tasteingabesysteme verwendet, wenngleich es sich versteht, daß andere Lichtabstrahlelemente und Lichtdetektierelemente in geeigneter Weise verwendet werden können. Wie hier dargestellt ist, ist entlang der linken Seite des den Anzeigebereich oder das bestrahlte Feld 12 umgebenden Rahmens 20 ein Y-Feld von Leuchtdioden (LEDs), Y1 bis YN angeordnet. Ein ähnliches Feld von Leuchtdioden X1 bis XN befindet sich am Boden des Rahmens 20. Felder von Fototransistoren X'1 bis X'N oben an dem Rahmen 20 sowie Y'1 bis Y'N entlang der rechten Seite des Rahmens 20 sind derart angeordnet, daß einzelne, sich entsprechende Leuchtdioden und Fototransistoren, beispielsweise X1-X'1 und X2-X'2 sowie Y1-Y'1 und Y2-Y'2 ausgerichtet sind. Wenn folglich von einem einzelnen Lichtabstrahlelement, beispielsweise X1, Licht abgestrahlt wird, fällt dieses Licht auf einen entsprechenden, ausgerichteten Fototransistor X'1. Allerdings zeigt Fig. 2 auch, daß das von einzelnen Leuchtdioden oder anderen Lichtabstrahlvorrichtungen emittierte Licht nicht nur auf den entsprechenden, ausgerichteten Fotodetektor fällt, sondern auch auf benachbarte Fotodetektoren. Man beachte, daß, während das entlang der Mittellinie 22 zwischen Abstrahler-Detektor-Paaren X1-X'1 emittierte Licht auf den Detektor X'1 trifft, entlang einer Linie 24 emittiertes Licht innerhalb des Streuwinkeis konventioneller Lichtabstrahlbauelemente auf den benachbarten Fototransistor X'2 auftrifft. Bei 26 und 28 dargestelltes Licht könnte auch auf die Seiten des Rahmens 20 auftreffen, was bei in der Praxis eingesetzten Tasteingabesystemen zu gewissen Spiegelungs- und Reflexionsproblemen führt. Ein übliches Verfahren zum Sicherstellen, daß von einem gegebenen Lichtabstrahlbauelement X1 emittiertes Licht nur von dem entsprechenden Lichtdetektierbauelement oder Fototransistor X'1, und nicht von einem benachbarten Lichtdetektierbauelement, beispielsweise X'2, erfaßt wird, besteht darin, sequentiell die Lichtabstrahlbauelemente zu aktivieren und sequentiell die Felder von Fototransistoren abzutasten. In anderen Worten: wenn ein gegebenes Lichtabstrahlbauelement aktiviert wird und Licht abstrahlt, wird nur der dazugehörige Fototransistor aktiviert, wenngleich die benachbarten Fototransistoren auch beleuchtet werden. Damit erfolgt das Aktivieren einer Leuchtdiode X1 zur gleichen Zeit wie das Aktivieren des Fototransistors X'1, um auftreffendes Licht nachzuweisen. Der benachbarte Fototransistor X'2, auf den ebenfalls Licht von der Leuchtdiode X1 fällt, wird während des Intervalls, in welchem die Leuchtdiode X1 aktiviert wird, nicht eingeschaltet. Man beachte, daß dieses sequentielle und synchronisierte Aktivieren der Leuchtdioden und der Fototransistoren ein exaktes Nachweisen des Vorhandenseins eines opaken Elements zwischen miteinander ausgerichteten Leuchtdioden und Fototransistoren gestattet. Das Licht von einer benachbarten Leuchtdiode, welches nicht von einem opaken Element in dem Feld blockiert wird, aktiviert einen "blockierten" Fototransistor einfach deshalb, weil während der Aktivierungszeitspanne des "blockierten" Fototransistors diese Leuchtdiode nicht eingeschaltet wird. Dieses sequentielle Aktivieren von Lichtabstrahlbauelementen und Lichtdetektierelementen wird mit herkömmlichen Multiplex-Methoden erreicht, deren Abtastgeschwindigkeiten etwa zwanzig Abtastungen pro Sekunde betragen.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befinden sich sowohl die Lichtabstrahlelemente als auch die Lichtdetektierelemente in einer Matrix und sind individuell adressierbar. Obschon die Erfindung besonders wichtig ist bei einem Tasteingabesystem unter Verwendung individuell adressierbarer Lichtabstrahlelemente, sollte doch gesehen werden, daß sie auch bei einer Tasteingabevorrichtung verwendet werden könnte, in der mehrere Lichtabstrahlelemente gleichzeitig aktiviert werden. Die Lichtabstrahler-Aktivierschaltung wird im folgenden detailliert erläutert. Die spezielle Lichtdetektor-Aktivierschaltung zum Detektieren des Vorhandenseins oder des Fehlens von durch zugeordnete oder korrespondierende Lichtabstrahlelemente abgestrahlten Lichtstrahlen ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und es versteht sich, daß irgendeine von einer Anzahl geeigneter Detektor- Ausgestaltungen verwendet werden kann. Das US-Patent 4,761,637 zeigt eine individuell adressierbare Lichtdetektor-Aktivierungsschaltung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die verschiedenen Hauptabschnitte der Lichtabstrahlelement-Aktivierungsschaltung zeigt. Fig. 4 bis 9 enthalten detaillierte Darstellungen spezieller Abschnitte der in Fig. 3 dargestellten Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung. Fig. 3 zeigt, daß die Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung unter der Steuerung einer Steuerung 30 steht, die in Form eines Prozessors oder einer anderen Logikeinrichtung ausgebildet sein kann, die dazu dient, nicht nur die Lichtabstrahlelemente, sondern auch andere Elemente des Tasteingabesystems zu steuern. Es sollte verstanden werden, daß die Steuerung 30 ein Teil der Tasteingabevorrichtung sein kann, die an dem Ausgabedisplay eines Rechners angebracht ist, oder daß ein Teil der Logik innerhalb des Rechners selbst dazu verwendet werden kann, die logische Steuerung der Tasteingabeelemente zur Verfügung zu stellen. Drei Signale, nämlich MODE, LCLK und LED\ dienen zum Aktivieren der verschiedenen Abschnitte der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung in einer Weise, in der die individuellen Lichtabstrahlelemente X1 bis XN und Y1 bis YN individuell adressiert werden können. Ein Zähler 40 spricht auf die Signale MODE und LCLK seitens der Steuerung 30 an. Eine Ladungspumpe 50 spricht auf das von der Steuerung 30 kommende Signal LED\ an. Ein Zähler 40 erhöht einen Quellentreiber 60 und einen Senkentreiber 80, um individuelle Lichtabstrahlelemente, beispielsweise Leuchtdioden, innerhalb der Lichtabstrahlermatrix 70 zu adressieren. Eine Fünf-Volt- Spannungsquelle, die in nachfolgend zu erläuternder Weise von einer Ladungspumpe 50 erhöht wird, liefert den Strom zum Treiben des Quellentreibers 60, der individuell adressierbaren Lichtabstrahler in der Matrix 70 und des Senkentreibers 80. Der Zähler 40 und der Quellentreiber 60 sowie der Senkentreiber 80 bilden eine sequentielle Aktivierungseinrichtung zum individuellen, sequentiellen Aktivieren jedes Lichtabstrahlelements X1-XN und Y1-YN. Wie in Fig. 6, 7 und 8 gezeigt ist, enthalten der Zähler 40, der Quellentreiber 60 und der Senkentreiber 80 integrierte Standard-Schaltungskomponenten. Der Zähler 40 enthält eine in Fig. 6 mit U16 bezeichnete Komponente, die in der bevorzugten Ausführungsform eine zwölfstufige Binärzählerkomponente vom Typ 74HC4040 aufweist, die in der in Fig. 6 gezeigten Weise konfiguriert ist. Der Quellentreiber 60 enthält zwei konventionelle Bauteile U17 und U18, die einen Eins-Zu-Zehn-Dekodertreiber von Typ 74L5145 mit offenem Kollektor und eine Achtkanal-Starkstrom-Quellentreibereinrichtung vom Typ 2580A in der in Fig. 7 gezeigten Weise konfiguriert enthält. Der Senkentreiber 80 enthält außerdem zwei Komponenten U20 und U19, die eine Drei-Zu-Acht-Dekoder-Demultiplexer-Komponente vom Typ 74HC237 bzw. eine Achtkanal-Darlington-Treiberkomponente vom Typ 2815A in der gemäß Fig. 9 konfigurierten Weise enthalten.
• Die Lichtabstrahlelemente X1-XN und Y1-YN in Fig. 8 enthalten. Reihen und Spalten von Leuchtdioden. Die Anodenseite jeder Reihe von Leuchtdioden in der Matrix 70 ist selektiv durch eine Leitung adressierbar, die von dem Quellentreiber 60 kommt. Jede Spalte wiederum ist selektiv adressierbar durch Verbindung jeder Kathode mit einer Leitung, die mit dem Senkentreiber 80 in Verbindung steht. Da jede Leuchtdiode X1-XN gemäß Fig. 8 eine einzigartige Reihen- und Spaltenadresse besitzt, ist jede Leuchtdiode individuell von dem Quellentreiber 60 und dem Senkentreiber 80 adressierbar. Fig. 8 zeigt nur die X-Feld-Leuchtdioden X1-XN. Allerdings versteht sich, daß ein ähnliches Feld von Y- Leuchtdioden in einem Tasteingabesystem verwendet würde, welches, gemäß Fig. 2 entlang zweier Achsen angeordnete Lichtabstrahlelemente enthält.
• Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Ladungspumpabschnitt 50 der Ladungsabstrahler-Aktivierungsschaltung speziell ausgelegt zum sequentiellen Boosten oder Erhöhen der Versorgungsspannung, die von einer Spannungsquelle geliefert wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugt diese Spannungsquelle eine Fünf-Volt-Versorgungsspannung, die sich zum Aktivieren der Legik in dieser Schaltung ebenso eignet wie für die Lichtdetektierschaltung. Der Ladungspumpabschnitt 50 der Lichtabstrahler-Aktivierungsschaltung befindet sich zwischen der Spannungsquelle und dem Quellentreiber 60, der einen Teil der sequentiellen Aktivierungseinrichtung enthält. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält dieser Ladungspumpabschnitt 50 eine Schaltvorrichtung aus zwei Transistoren Q1 und Q2, die auf das Signal LED\ ansprechen, welches von der Steuerung kommt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist Q1 ein P-Kanal-Feldeffekttransistor, und Q2 ist ein N-Kanal-Feldeffekttransistor. Man beachte, daß der erste Transistor Q2 dann leitet, wenn LED\ sich in dem einen Zustand befindet, während der zweite Transistor Q1 dann leitend ist, wenn das Signal LED\ sich in dem anderen Zustand befindet. Die Transistoren Q1 und Q2 bilden somit eine Schalteinrichtung zum Schalten des Kondensators aus einem ersten Zustand oder einer Aufladebetriebsart in einen zweiten Zustand oder eine Aktivierungsbetriebsart. In der Aktivierungsbetriebsart werden die Kondensatoren auf annähernd die Versorgungsspannung von 5V vorgeladen und werden dann additiv in Serie mit der Versorgungsspannung geschaltet, um so die Versorgungsspannungen bereitzustellen in Form einer 5-V- Grundspannung für die durch die Versorgungsspannung, die geladenen Kondensatoren und die Last gebildete Masche. Der erste Transistor Q1 ist über einen Widerstand R29 an die negative Seite der parallelen Kondensatoren C29 und C30 angeschlossen. Die positive Seite dieser parallelen Kondensatoren C29 und C30 wiederum ist über eine Diode CR5 an die Fünf-Volt-Spannungsquelle angeschlossen. Wenn der Transistor Q2 leitet, wird die im wesentlichen der Fünf-Volt-Versorgungsspannung entsprechende Spannung an der positiven Seite der parallelen Kondensatoren C29 und C30 bereitgestellt. Dies bildet die Aufladebetriebsart des Ladungspumpabschnitts 50. Der erste Transistor Q2, der zwischen der negativen Seite der Kondensatoren C29, C30 und Masse liegt, ist während der Zeitspanne zwischen dem Aktivieren der sequentiell aktivierten Lichtabstrahlelemente geschlossen, um die erste Spannung, die im wesentlichen der Fünf-Volt-Versorgungsspannung entspricht, an der positiven Seite des Kondensators bereitzustellen. Dieser erste Transistor Q2 wird geöffnet, wenn jedes Lichtabstrahlelement X1-XN sequentiell aktiviert wird. Der zweite Transistor Q1 liegt zwischen der Spannungsquelle und der negativen Seite des Kondensators C29, C30. Der zweite Transistor Q1 wird geschlossen, wenn jedes Lichtabstrahlelement aktiviert wird, um die Versorgungsspannung als eine Grundspannung an der negativen Seite des Kondensators bereitzustellen. Man beachte, daß in der Aktivierungsbetriebsart der zweite Transistor Q1 leitend ist und die Diode CR5 der Kondensatoren C29, C30 in Sperrichtung vorgespannt ist und nicht leitet. Während der Aktivierungsbetriebsart, während der der Transistor Q1 aktiviert wird, wird die Spannung an der positiven Seite der Kondensatoren C29, C30 (welche die von der Fünf-Volt-Spannungsversorgung gelieferte Spannung übersteigt) über den Widerstand R31 an die Quellentreiberkomponente U18 geliefert. Fig. 11 zeigt eine typische Änderung der Spannung an der positiven Seite der Kondensatoren C29, C30 während der sequentiellen Aktivierungszyklen der Lichtabstrahlschaltung durch eine Versorgungsspannung von 5 Volt. Man beachte, daß die Spannung an der positiven Seite der Kondensatoren C29 und C30 die Versorgungsspannung von 5 Volt während der Zeitspanne übersteigt, in der eine der Leuchtdioden X1-XN aktiviert ist. Der Widerstand R31 enthält eihen Strombegrenzungswiderstand und kann in dieser Schaltung dazu dienen, einen im wesentlichen konstanten Strom durch den Quellentreiber U18, die aktivierte Leuchtdiode X1-XN und die Senkentreiberkomponente U19 zu schicken. Die Verwendung des Ladungspumpabschnitts 50 in dieser Weise gewährleistet, daß jedes Lichtabstrahlelement X1-XN eine Lichtmenge abstrahlt, die einen Minimum- Schwellenwert übersteigt. Dieser Minimum-Schwellenwert reicht aus, um sicherzustellen, daß Licht, welches nicht von einem opaken Element gesperrt wird, beispielsweise den Finger 18 einer Bedienungsperson, ein korrespondierendes Lichtdetektierelement trifft und genügend Stärke besitzt, um von dem Lichtdetektierelement oder Fototransistor nachgewiesen zu werden.
• Bezugnehmend auf die Fig. 3 bis 11 erfolgt der Betriebsablauf der Lichtabstrahler-Treiber- oder -Aktivierungsschaltung folgendermaßen: Der Anfangszustand des Tasteingabesystems ist ein unbestimmter Zustand. Das System wird initialisiert durch Setzen des Signals MODE und des Signals LED\. Das Setzen des Signals MODE setzt den Zähler U16 an jeder Stelle auf Null. Das Signal LED\ schaltet zunächst sämtliche Leuchtdioden ein. Das Signal MODE wird beseitigt, während das Signal LED\ weiter erzeugt wird. Der Effekt dieser Aktionen setzt U17 auf 8, schaltet den Treiber 0 von U19 ein, da U17 auf einen unbenutzten Stift gesetzt ist, U18 nicht angesteuert wird und daher keine der Leuchtdioden eingeschaltet wird. Die Ladungspumpe wird von dem Signal LED\ gesteuert und mit ausgeschaltetem Q1 und eingeschaltetem Q2 gesetzt, was die Kondensatoren C29 und C30 auflädt, welche bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwei Kondensatoren mit 47 Mikrofarad sind, und zwar erfolgt das Aufladen über die Diode CRS und den Widerstand R29. Die erste Leuchtdiode X1 wird durch Beseitigen von LED\ eingeschaltet. Dies ändert U17 von der Ausgabe von 8 auf 0, was über den ersten Quellentreiber von U18 eine Spannung von der Ladungspumpe 50 an die obere Reihe von Leuchtdioden-Anoden liefert. Der andere Effekt des Beseitigens von LED\ besteht darin, daß die Spannung an der Ladungspumpe geschaltet wird. Mit niedrigem Pegel von LED\ wird Q2 ausgeschaltet und Q1 eingeschaltet, was die negative Seite des Kondensators C29, C30 auf die +5 Volt legt, die über Q1 von der Versorgungsspannung geliefert werden. Der positive Belag von C29, C30 wird nun auf etwa 9 Volt angehoben, und diese Spannung wird als Versorgungsspannung über den Widerstand R31 auf U18 gegeben. Die Diode CR5 ist nun in Sperrichtung gepolt, da der positive Belag von C29, C30 mehr als 5 Volt führt.
• Die Leuchtdiode wird durch das erneute Setzen von LED\ ausgeschaltet, was U17 zurück auf die Ausgabe 8 bringt. Dies bringt auch die Ladungspumpe in die Aufladebetriebsart zurück.
• Als nächstes wird das Lichtabstrahlelement X2 dadurch adressiert, daß LCLK gekippt wird, was in diesem Fall U16 von 0000000 auf 0000001 erhöht. Indem das Signal LA nun 1 beträgt, wählt U20 ein Y1 aus, was über U19 eine in der Nähe von Masse liegende Stromquelle an die Kathoden der Lichtabstrahlelemente in der zweiten Spalte der Matrix 70 legt.
• Erneut legt durch Löschen von LED\ der erste Spannungstreiber von U18 die Spannung der Ladungspumpe an die obere Reihe von Leuchtdioden-Anoden. Diese Matrixadresse schaltet das Lichtabstrahlelement X2 ein. Das Signal LED\ wird zum Ausschalten dieser Leuchtdiode erneut aktiviert. Dieser Prozeß dauert für sechs weitere Zyklen an, um durch sämtliche Leuchtdioden in der ersten Reihe zu laufen.
• Das erneute Umschalten von LCLK bewirkt, daß U16 auf 0001000 erhöht wird. Ist das Signal LED\ niedrig, adressiert es den Ausgang 1 von U17, was (über U18) die zweite Reihe auswählt. Man beachte, daß die Spaltenadresse (U20, U19) nach 000 zurückkehrt, was dem ersten Lichtabstrahlelement in der zweiten Reihe der Matrix entspricht.
• Nach dem Erhöhen von U16 durch die X-Leuchtdioden-Matrix geht die Zählung von 0111111(63) nach 1000000, was die richtige Adresse für die Leuchtdiode Y1 in dem Y-Feld von Lichtabstrahlelementen ist. Der Ablauf ist im wesentlichen der gleiche, mit der Ausnahme, daß nun die X-Reihen-Kathodentreiber U20 und U19 gesperrt sind, da LG hoch ist (dieser Steuereingang für U20 ist aktiv niedrig). Die entsprechende Komponente der Y-Leuchtdioden wird nun aktiv, da ihr Steuereingang aktiv hoch ist.
• Obschon die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sich besonders eignet für individuell adressierbare Lichtabstrahlelemente, sollte gesehen werden, daß diese Art und Weise der sequentiellen Erhöhung der den Lichtabstrahlelementen zugeführten Spannung auch bei anderen Ausgestaltungen und Adressiersystemen für Lichtabstrahlelemente eingesetzt werden kann. Auch können außer den bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Leuchtdioden anderen Lichtabstrahlelemente verwendet werden.

Claims (9)

1.Tasteingabevorrichtung zum Nachweisen des Vorhandenseins eines opaken Gegenstands (18) in einem bestrahlten Anzeigebereich (12),

a) wobei die Vorrichtung mehrere Lichtabstrahlelemente (X&sub1;-XN; Y&sub1;-YN) aufweist, die individuell mit mehreren Lichtdetektierelementen (X'&sub1;-X'N; Y'&sub1;-Y'N) ausgerichtet sind, wobei Licht von jedem einzelnen Lichtabstrahlelement auf ein zugehöriges Lichtdetektierelement fällt, falls es nicht durch das Vorhandensein eines opaken Gegenstands (18) abgehalten wird;

b) wobei die Vorrichtung außerdem eine Einrichtung enthält zum Verarbeiten des Nachweises von Licht oder fehlendem Licht durch die Lichtdetektierelemente, um das Fehlen des opaken Objekts bzw. zumindest das Vorhandensein und die Stelle des opaken Objekts festzustellen und anzuzeigen; und

c) außerdem enthaltend eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer ersten Versorgungsspannung und eine Einrichtung (30, 40, 60, 80) zum sequentiellen Aktivieren individueller Lichtabstrahlelemente, um Lichtstrahlen zu erzeugen, welche den Anzeigebereich (12) queren und auf zugehörige Lichtdetektierelemente auftreffen,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Vorrichtung außerdem eine Spannungserhöhungseinrichtung (50) zwischen der Spannungsquelle und der Einrichtung (30) zum sequentiellen Aktivieren enthält,

e) wobei auf das Aktivieren eines der Lichtabstrahlelemente hin die Spannungserhöhungseinrichtung in eine Speisebetriebsart eintritt, in der die Spannungsquelle elektrisch in Serie an die negative Seite eines Kondensators (C29, C30) der Spannungserhöhungseinrichtung (50) angeschlossen ist, und

f) die positive Seite des Kondensators in Reihe zu dem aktivierten Lichtabstrahlelement geschaltet ist, um dadurch an das aktivierte Lichtabstrahlelement eine zweite Versorgungsspannung anzulegen, welche erzeugt wird durch das Addieren der ersten Versorgungsspannung und der an dem Kondensator anstehenden Spannung, so daß die zweite Versorgungsspannung an der positiven Seite des Kondensators höher ist als die erste Versorgungsspannung der Spannungsquelle, während jedes der Lichtabstrahlelemente aktiviert wird, und

g) wobei während eines Zeitintervalls zwischen dem Aktivieren von sequentiell aktivierten Lichtabstrahlelementen die Spannungserhöhungseinrichtung (50) in eine Aufladebetriebsart gelangt, um den Kondensator aufzuladen,

h) wodurch die Spannungserhöhungseinrichtung wechselt zwischen der Versorgungsbetriebsart und der Aufladebetriebsart, synchron mit dem sequentiellen Aktivieren.

2. Tasteingabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum sequentiellen Aktivieren eine Quellentreibereinrichtung (60) und eine Senkentreibereinrichtung (80) aufweist, wobei dazwischen die Lichtabstrahlelemente in Form einer Matrix (70) geschaltet sind, so daß jedes Lichtabstrahlelement individuell adressierbar ist.

3. Tasteingabevorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungseinrichtung (50) eine Ladungspumpeinrichtung (50) enthält, die eine Schaltereinrichtung (Q1, Q2) aufweist, welche zwischen die Spannungsquelle und den Kondensator gelegt ist, wobei die Schaltereinrichtung umschaltbar ist zwischen einem ersten Zustand während des Intervalls zwischen dem Aktivieren der sequentiell aktivierten Lichtabstrahleinrichtungen, um den Kondensator (C29, C30) aufzuladen, und einem zweiten Zustand während der Aktivierung jedes Lichtabstrahlelements, wodurch der Kondensator teilweise entladen wird.

4. Tasteingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhungseinrichtung (50) den Kondensator, einen ersten Transistor (Q2) und einen zweiten Transistor (Q1) sowie eine Diode (CR5) aufweist, von denen der zweite Transistor zwischen die Spannungsquelle und die negative Seite des Kondensators geschaltet ist, der erste Transistor zwischen Masse und die negative Seite des Kondensators geschaltet ist, und die Diode zwischen der Spannungsquelle und der positiven Seite des Kondensators liegt.

5. Tasteingabevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Q2) während der Zeitspanne zwischen dem Aktivieren der sequentiell aktivierten Lichtabstrahlelemente geschlossen wird, um an der positiven Seite des Kondensators eine erste Spannung zu bilden, und der erste Transistor geöffnet und der zweite Transistor (Q1) geschlossen wird, wenn jedes Lichtabstrahlelement aktiviert wird, um die zweite Versorgungsspannung an der positiven Seite des Kondensators zu bilden.

6. Tasteingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30) zum sequentiellen Aktivieren der Lichtabstrahlelemente einen Mikroprozessor enthält, der auf die erste Versorgungsspannung anspricht und an die Lichtabstrahlelemente und die Spannungserhöhungseinrichtung (50) Aktivierungssignale liefert, und die Einrichtung (30) zum sequentiellen Aktivieren der Lichtabstrahlelemente eine Quellentreibereinrichtung (60) und eine Senkentreibereinrichtung (80) aufweist, die von dem Mikroprozessor gesteuert werden.

7. Tasteingabevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Versorgungsspannung fünf Volt beträgt und die zweite Versorgungsspannung, die von der Spannungsquelle und der damit in Reihe angeordneten Spannungserhöhungseinrichtung (50) an das Lichtabstrahlelement während dessen Aktivierung geliefert wird, mehr als fünf Volt beträgt.

8. Tasteingabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungseinrichtung (30) ein erstes Signal (LCLK) und ein zweites Signal (LED\) erzeugt, das erste Signal ein individuelles Lichtabstrahlelement auswählt, die ausgewählten Lichtabstrahlelemente aktivierbar sind durch Änderungen in dem zweiten Signal, und die Spannungserhöhungseinrichtung (50) durch Änderungen des zweiten Signals von der Aufladebetriebsart in die Versorgungsbetriebsart umgeschaltet wird, und dadurch mit jenem synchron ist.

9. Tasteingabevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellentreibereinrichtung (60) in mehreren Reihen selektiv an die Lichtabstrahlelemente angeschaltet wird und die Senkentreibereinrichtung (80) selektiv an Lichtabstrahlelemente in mehreren Spalten angeschlossen wird, wobei die Reihen und die Spalten eine Matrix (70) bilden, in welcher jedes einzelne Lichtabstrahlelement selektiv adressierbar ist.