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Die
Erfindung betrifft ein taktiles Display gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Taktile
Displays werden dazu verwendet, als Ausgabeeinheiten von Rechnern
Daten für
Blinde lesbar auszugeben. Die Datenausgabe erfolgt typischerweise
in einer Zeile, auf welcher die Braille-Zeichen in Wanderschrift
dargestellt werden. Die in der Regel stiftförmigen Tastkörper sind
zweischen einer Ruhestellung, in welcher sie im wesentlichen in
einer Tastfäche
liegen, und einer Anzeigestellung verlagerbar, in welcher sie über die
Tastfläche überstehen. Man
hat so ein ähnliches
Erhebungsbild wie auf geprägten
Braille-Dokumenten. Die Verstellung der Tastkörper erfolgt unter Verwendung
von elektrischen Aktoren, die durch eine geeignete Betriebsschaltung
gespeist werden.
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Der
Aufbau derartiger Displays ist bisher mit einem hohen manuellen
Einsatz verbunden, weshalb die Displays teuer sind und daher aus
Kostengründen
so klein wie möglich
gehalten werden.
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Es
wäre nun
wünschenswert,
derartige taktile Displays zu geringeren Kosten herstellen zu können, was
auch die Realisierung von Flächendisplays ermöglichen
würde,
die auch graphische Informationen auszugeben gestatten, z. B. einen
Bildschirminhalt graphisch ausgeben.
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Für die vorliegende
Erfindung soll daher ein taktiles Display geschaffen werden, welches
aus standardisierten durch Automaten herstellbaren einzelnen Platinen
aufgebaut ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
ein taktiles Display mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen taktilen
Display haben die einzelnen Platinen exakt identischen und einfachen
Aufbau. Alle auf die normalerweise als gedruckte Schaltung ausgebildeten
Platine aufgebrachten Komponenten finden sich auf einer Seite der
Platine, was die Herstellung vereinfacht. Auf der zweiten Platinenseite
muß nur
ein Steckverbinderteil vorgesehen werden. Die Steckverbinderteile
der Platine bilden zusammen einen senkrecht zur Platinenebene verlaufenden
Steuersignalbus und Speisesignalbus.
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Auf
diese Weise lassen sich auch ausgedehnte taktile Displays wirtschaftlich
herstellen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die
eoben angesprochenen beiden beiden Busse können bei einem Display gemäß Anspruch
2 problemlos über
gemeinsame Steckverbinderteile geführt werden, da die Spannungen
vergleichbar groß sind.
Die Erzeugung der zum Betätigen
der Aktoren notwendigen hohen Spannung erfolgt durch auf den Platinen
selbst angeordnete Hochspannungsgeneratoren.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
3 ist im Hinblick auf die Realisierung von Platinen, die eine große Anzahl
von Aktoren tragen, unter Verwendung ein facher Standardbausteine
von Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
4 gestattet es, die Adressierung für die einzelnen Tastkörpergruppen,
die in der Praxis jeweils einem Braille-Zeichen zugeordnet sind, und aufeinanderfolgende
Tastkörpergruppen
(in der Praxis Braille-Zeichen) durch ein Gruppen-Adressiersignal und
einen Grppenglied-Adressiersignal zu bewerkstelligen.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
5 gestattet es, ein Display mit sehr langen Zeilen zu realisieren,
was mit einer einzigen Platine schwierig wäre, schon im Hinblick auf die
benötigte 100%ige
Fehlerfreiheit. Auch im Hinblick auf eine preisgünstige Reparatur erfindungsgemäßer taktiler Displays
ist die Unterteilung langer Zeilen in mehrere Platinen von Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
6 gestattet eine besonders einfache und kompakte Anbringung der
Aktoren an der Platine. Die Aktoren sind im nicht mit Hochspannung
beaufschlagten Zustand eben und können in diesem Zustand (ggfs.
mit einem sehr kleinen Abstand von ein Zehntel mm) über der
Platinenoberfläche
liegen. Bei Spannungsbeaufschlagung biegen sie sich dann von der
Platinenoberfläche
weg. Erfolgt dabei die Tastkörperbetätigung durch
die Aktoren über
Keilflächengetriebe
erhält
man eine Bewegung der Tastkörper
in der Plattenebene senkrecht zu der Plattenkante, längs der
die Aktoren angeordnet sind. In Abwandlung können die Aktoren im freien
Zustand gekrümmt und
von der sie tragenden Platine weg gekrümmt sein und sich bei Spanungsbeaufschlagung
gegen die Platine bewegen.
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Auch
die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im Hinblick
auf geringe Abmessungen der Platinen in zur Platinenebene senkrechter
Richtung von Vorteil, da in dieser Richtung die elektronischen Komponenten
und die Aktoren den gleichen Raum einnehmen.
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Auch
die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ist im Hinblick
auf geringe Abmessungen der Platinen senkrecht zur Platinenebene
von Vorteil.
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Bauelemente
der Anzeige, die mehr Platz benötigen,
wie z. B. ein Netzteil, Kondensatoren zur Glättung der gleichgerichteten
transformierten Netzspannung und größere Normstecker und dgl. können gemäß Anspruch
9 auf einer randständigen
Platine des Platinenstapels angeordnet werden.
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Ein
Display gemäß Anspruch
10 ist im Hinblick auf eine besonders einfache und kostengünstige Bestückung der
Platine mit den Aktoren von Vorteil. Aufgrund der angegebenen Kontaktgeometrie von
Aktoren und Platine lassen sich die Aktoren einfach an den Kontaktstellen
mit der Platine verbinden, z. B. durch Löten, wie bei gedruckten Schaltungen üblich, oder
auch durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Klebers auf die
Kontaktflächen,
z. B. im Siebdruck. Durch dieses Vorgehen wird die Herstellung der
Platinen und damit des Displays deutlich billiger, außerdem läßt sich
durch die automatisierte Bestückung
der Platine mit Aktoren auch die Fehlerrate herabsetzen.
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Gemäß Anspruch
11 läßt sich
auch der zweite Anschluß der
Aktoren leicht verschalten.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
12 wird im Hinblick auf die Großserienfertigung
von Aktorenbestückten
Platinen bevorzugt.
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Oft
wird es gewünscht,
daß an
bestimmten Bereichen des taktilen Displays die Möglichkeit besteht, einfache
Eingaben vorzunehmen, z. B. einen Schalter zu betätigen (anklicken).
Diese Möglichkeit besteht
bei einem taktilen Display gemäß Anspruch 13
direkt bei einer Tastkörpergruppe
(üblicherweise einem
Braille-Zeichen zugeordnet), da die Tastfläche dort durch ein Lochplattensegment
gebildet ist, welches beweglich gelagert ist und dessen Bewegung durch
einen zugeordneten Sensor ermittelt wird.
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Mikroschalter
haben sich als einfache und zuverlässige Eingabeeinheiten an Tastenfeldern
bewährt.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 14 wird von dieser
bewährten
Technologie auch für
Eingaben bei Tastkörperfeldern
eines taktilen Displays Gebrauch gemacht.
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Dabei
zeichnet sich die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
15 durch einen besonders einfachen Aufbau aus. Das verlagerbare
Lochplattensegment kann z. B. eine angeformte Zunge an einer ausgedehnten
Lochplatte sein; es kann auch ein individuelles Lochplattensegment
sein, das verkippbar mit einer Lochplatten-Grundstruktur verrastet wird.
Im letztgenannten Fall wird das Lochplattensegment vorzugsweise
als zweiarmiger Hebel ausgebildet, dessen einer Arm die Lochplatte
darstellt und dessen anderer Arm auf den Sensor arbeitet.
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Wünscht man
eine starre Rastfläche,
so kann man eine Eingabemöglichkeit
bei einer Tastkörpergruppe
auch gemäß Anspruch
16 schaffen. Diese Anordnung zeichnet sich auch durch mechanisch
besonders einfachen Aufbau aus.
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Bei
einem Display gemäß Anspruch
17 ist eine Eingabemög lichkeit
jeweils einem Braille-Zeichen zugeordnet. Die Lochplattensegmente
können durch
ihre Ränder,
die eine kleine haptische Unregelmäßigkeit in der Tastfläche darstellen,
zugleich die Erkennung derjenigen Braille-Pixel erleichtern, die zu einem Braille-Zeichen
gehören.
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Bei
einem taktilen Display gemäß Anspruch 18
kann man die Kraft, mit welcher die einzelnen Tastkörper in
ihre Anzeigestellung gedrückt
werden, auf die individuellen Bedürfnisse des Benutzers auf einfache
Weise einstellen.
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Ein
Display gemäß Anspruch
19 ist im Hinblick auf direkte verlustarme Betätigung der Tastkörper von
Vorteil.
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Gemäß Anspruch
20 erhält
man den gewünschten
Versatz benachbarter Platinen ohne zusätzliche mechanische Halterungen.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1 eine
Frontansicht eines Ausschnittes eines taktilen Displays, wobei Teile
einer gemeinsamen Lochplatte weggebrochen sind und ein Teil der Platine
ohne Aktor-Bestückung
dargestellt ist;
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2 ein
Blockschaltbild einer der Platine des taktilen Displays nach 1;
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3 einen
vergrößerten Schnitt
durch den einem Braille-Zeichen zugeordneten Abschnitt einer Lochplatte
eines abgewandelten Displays für
eine Zeile von Braille-Zeichen, bei welchem an jeder Zeichenstelle
eine Eingabemöglichkeit
besteht;
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4 eine ähnliche
Ansicht wie 3, in welcher jedoch ein abgewandeltes
Braille-Display gezeigt ist;
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5 eine
Aufsicht auf die Unterseite eines piezoelektrischen Aktors, wie
er in einem taktilen Display gemäß einer
der 1 bis 4 verwendet werden kann;
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6 eine
Aufsicht auf die Oberseite zweier benachbarter piezoelektrischer
Aktoren angebracht auf einer Platine;
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7 einen
transversalen Schnitt durch eine Platinenanordnung, die in einem
Braille-Zeilendisplay Verwendung findet, wobei Piezo-Aktoren mit
ihrem freien Ende direkt auf Taststifte einwirken;
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8 eine
Aufsicht auf die Aktor-Seite eines ersten Platinentyps des in 7 gezeigten
Platinenstapels;
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9 eine
Aufsicht auf die Aktor-Seite eines zweiten Platinentyps des in 7 gezeigten
Platinenstapels; und
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10 eine
Aufsicht auf die Außenseite
einer randseitigen Platine des zweiten Typs.
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In 1 ist
ein einer Ecke benachbarter Bereich eines insgesamt mit 10 bezeichneten
taktilen Displays dargestellt. Das Display umfaßt einen rechteckigen Rahmen 12,
eine Rückwand 14 und
eine als Lochplatte ausgebildete Vorderwand 16. In der
Vorderwand 16 sind in regelmäßigem, gleichem Raster kleine Öffnungen 18 vorgesehen,
durch welche sich jeweils ein Taststift 20 erstreckt. Der
Taststift 20 kann in nachstehend noch genauer beschriebener
Weise zwischen einer Ruhestellung, in welcher seine Endfläche mit
der Oberfläche
der Vorderwand 16 bündig ist,
und einer Anzeigestellung, in welcher seine Endfläche über die
Oberseite der Vorderwand 16 übersteht, umgestellt werden.
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Die
Taststifte 20 werden durch piezoelektrische Aktoren 22 bewegt,
die beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel
lamellenförmige
oder blattfederähnliche
Geometrie haben. In einer Ruhestellung, die erhalten wird, wenn
keine Spannung angelegt ist, erstrecken sich die Aktoren 22 unter
sehr geringem Abstand über
der einen Begrenzungsfläche
von Platinen 24, die in 1 die untenliegende
Begrenzungsfläche,
in 2 die in der Zeichenebene liegende Begrenzungsfläche ist.
Werden die Aktoren 22 mit Spannung beaufschlagt, so krümmen sie
sich von der benachbarten Platinenoberfläche 24 weg.
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Diese
Biegebewegung senkrecht zur Platinenebene wird über ein Keilflächengetriebe 26,
welches in 2 der besseren Darstellbarkeit
halber um 90° gedreht
gezeigt ist, auf die Taststifte 20 übertragen, die demzufolge eine
in der Plattenebene liegende Bewegung in zur Ebene der Vorderwand 16 senkrechter
Richtung ausführen.
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Zur
Versorgung der piezoelektrischen Biegeschwinger, welche die Aktoren 22 enthalten,
ist für jede
der Platinen 24 ein Hochspannungsgenerator 28 in
Form eines integrierten Schaltkreises vorgesehen, der seinerseits
mit einer für
Computer-Anwendungen typischen Speisespannung versorgt wird, die z.
B. 12 V betragen kann.
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Die
Verbindung des Hochspannungsgenerators 28 mit den einzelnen
Aktoren 28 erfolgt über
eine Schalteinheit 30, die logisch eine Vielzahl einzelner Schalter
darstellt, die getrennt angesteuert werden können.
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Beim
hier betrachteten Ausführungsbeispiel erfolgt
die Adressierung der einzelnen Schalter gruppenweise. Für jeweils
acht der Aktoren 22 ist ein Schaltbaustein 32 vorgesehen,
der mit dem Ausgangssignal des Hochspannungsgenerators 28,
einem Baustein-Aktivierungssignal und einer Gruppenglied-Adressiersignal
beaufschlagt ist.
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Die
Aktor-Adressierung wird wie folgt durchgeführt:
Über einen Steuersignal-Datenbus 34 werden
die jeden einzelnen Aktor unterscheidenden Aktor-Steuersignale bereitgestellt,
die ein Rechner bzw. ein Display-Interface bereitstellt. An den
Steuersignal-Datenbus ist für
jede Platine 24 ein Signal-Zerlegungskreis 36 vorgesehen,
der das Aktor-Steuersignal in ein Gruppen-Steuersignal und ein Gruppenglied-Steuersignal
unterteilt. Das Gruppen-Steuersignal umfaßt so viele Bits, wie zur Darstellung
der Anzahl der Schaltbausteine 32 auf einer Platine 24 notwendig
ist.
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Sind
z. B. für
jede Platine 24 vierundsechzig Taststifte 20 vorgesehen,
so braucht man zu deren Ansteuerung acht Schaltbausteine 32,
so daß das Gruppen-Steuersignal
drei Bits umfassen muß. Ähnlich muß dann auch
das acht Aktoren unterscheidende Gruppenmitglied-Steuersignal drei
Bits aufweisen. Vor diese Steuersignale müssen dann noch Bits gesetzt
werden, welche die Platinen 24 zu unterscheiden gestatten.
Da typischerweise ein Braille-Display mindestens acht Zeilen umfaßt, benötigt man
hier nochmals drei Bits.
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In 2 ist
der Steuersignal-Datenbus, welcher an die verschiedenen Platinen
des Displays 10 geführt
wird, insgesamt mit 34 bezeichnet. Er ist durch eine Doppellinie
veranschaulicht, ebenso wie der lokale Datenbus 38, welcher
den Signalzerlegungskreis 36 mit den einzelnen Schaltbausteinen 32 verbinden.
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Die
Versorgung der Hochspannungsgeneratoren 28 der verschiedenen
Platinen 24 mitniederer Speisspannung wird durch einen
Speisesignalbus 40 gewährleistet.
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Physikalisch
werden der Steuersignalbus 38 und der Speisesignalbus 40 durch
eine Steckverbinderkette 44 realisiert, die komplementäre Steckverbinderteile 46, 48 aufweisen,
die fluchtend auf der Vorder- und Rückseite der Platinen 24 vorgesehen sind
und deren Kontakte durchkontaktiert sind. An die Durchkontaktierungen
sind Leiterbahnen der Platinen 24 elektrisch angeschlossen.
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In 1 entspricht
eine oberste Platine 24 den übrigen Platinen 24 mit
der Maßgabe,
daß sie auf
ihrer Außenseite
größere Elektronikkomponenten trägt, die
zum Betreiben des Displays notwendig sind. Es können dies insbesondere Komponenten
eines Netzteiles sein, z. B. Transformator, Glättungskondensatoren und auch
Tasten. Auf der Platine 24* kann aber auch das Interface
angeordnet sein, über welches
die Ansteuerung der Taststifte 20 erfolgt. Schließlich trägt die Platine 24* auch
einen Standard-Anschlußstecker
zum Anschließen
des Displays an einen Rechner, z. B. einen Sub-D-Stecker.
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Man
erkennt, daß man
die Abmessung des Displays 10 gemäß 1 in vertikaler
Richtung einfach dadurch erhöhen
kann, daß man
unten noch weitere Platinen 24 aufsteckt.
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Umgekehrt
kann man die Zeilenlänge
eines Displays unter Verwendung von Standard-Platinen 24 dadurch
vergrößern, daß man einfach
mehrere dieser Platinen in der gleichen Ebene nebeneinandersetzt.
In diesem Falle kann dann eine der obersten Platinen 24 noch
eine Koordinierungs-Elektronik aufweisen, die die anzuzeigende Information
auf die verschiedenen nebeneinanderliegenden Platinenstapel verteilt.
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Das
in 1 und 2 gezeigte taktile Display ist
ausschließlich
zur Ausgabe von Information geeignet. Für manche Anwendungsfälle wäre es jedoch
wünschenswert,
wenn man an einzelnen Stellen des Displays eine Eingabe vornehmen
könnte.
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3 zeigt
einen transversalen Schnitt durch einen Teil eines Braille-Liniendisplays,
welches für
die Ausgabe einer Braille-Zeichen-Linie gedacht ist. Bei diesem
Display trägt
die nun horizontal ausgerichtete Vorderwand 16 eine Mehrzahl
von beweglichen Lochplattensegmenten 56. Die Lochplattensegmente 50 betätigen bei
ihrer Bewegung einen bei unbelastetem Lochplattensegment betätigten Mikroschalter 52,
der von einer oberen Platine 54 getragen ist. Das Lochplattensegment 50 ist
mit einem Lagerabschnitt 56 in eine Öffnung 58 der oberen
Platine 54 eingeklipst, wodurch man eine Schwenklagerung erhält. Ein
angeformter Federabschnitt 60 des Lochplattensegmentes 56 stützt sich
an der Oberseite der oberen Platine 54 ab.
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Auf
diese Weise kann der mit dem Display arbeitende Benutzer an einer
bestimmten Stelle des Displays eine Rückmeldung veranlassen, indem
er einfach auf das Lochplattensegment drückt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist das Lochplattensegment 56 fest
auf die obere Platine 54 aufsetzt und hat eine Ausnehmung 62,
durch welche ein Betätigungsglied 64 des
Mikroschalters 52 zugänglich
ist.
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Wie
aus 5 ersichtlich, haben die einzelnen Aktoren 22 einen
lamellenförmigen
Grundkörper 66,
der aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, wobei das piezoelektrische
Material so geschnitten ist, daß der
Grundkörper 66 im
freien Zustand eine ebene blattfederähnliche Geometrie einnimmt,
während
sie unter einer Hochspannung von typischerweise 200 V gekrümmt sind.
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Alternativ
können
auch Aktoren verwendet werden, die spannungsfrei gekrümmt sind
und unter Hochspannung in eine im wesentlichen ebene Geometrie übergehen.
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Auf
die Unterseite des Grundkörpers 66 sind zwei
Elektroden 68, 70 beabstandet aufgedruckt. Die Oberseite
des Grundkörpers 66 trägt eine
weitere Elektrode 72.
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Im
auf die Platine eingebauten Zustand sind die beiden Elektroden 68, 70 elektrisch
leitend mit fluchtenden Leiterbahnstücken der Platine verbunden.
Diese Verbindung kann durch Löten
oder auch durch Verkleben erfolgen, wobei dann ein elektrisch leitender
Kleber verwendet wird, der durch eine Schablone, z. B. im Siebdruck
auf die Platine aufgebracht wird.
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Das
Anbringen der Grundkörper 66 läßt sich somit
in zwei Schritten durchführen:
Anbringen elektrisch leitenden Klebers auf den Anschluß-Leiterbahnstücken der
Platine und maschinelles Aufsetzen der einzelnen Aktoren 22 an
den so vorbereiteten Stellen derart, daß ihre Elektroden 68, 70 mit
den Anschluß-Leiterbahnstücken bleibend verbunden
werden.
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Die
Elektroden 72 aller Aktoren einer Platine werden durch
einen Draht 74 miteinander verbunden, was wiederum durch
Löten oder
durch elektrisch leitende Klebverbindungen erfolgen kann.
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Man
erkennt, daß ein
taktiles Display, wie es oben beschrieben wurde, aus Standard-Untereinheiten
besteht, die weitgehend automatisiert hergestellt werden können. Unter
Verwendung der standardisierten Platinen lassen sich Displays unterschiedlicher
Abmessungen aufbauen.
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Bei
dem in den 7 bis 10 gezeigten Zeilen-Display
sind Komponenten, die obenstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 in
funktionsähnlicher
Form beschrieben wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.
Diese Elemente brauchen nicht nachstehend nochmals im einzelnen
beschrieben zu werden.
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Wie
aus 7 ersichtlich, sind die einzelnen Platinen des
Stapels gegen einander versetzt, und zwar um eine Teilung einer
Braille-Punktmatrix. Die freien Enden der Aktoren 22 arbeiten
nun direkt auf die Taststifte 20, deren Bewegungsrichtung
nun senkrecht auf den Ebenen der Platinen stehen. Die Taststifte 20 haben
jeweils unterschiedliche Länge,
je nach dem, mit welcher Platine sie zusammenwirken.
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Die
Staffelung der Platine 24 wird dadurch erreicht, daß die Steckverbinderteile 46, 48,
die zu verschiedenen Seiten einer Platine 24 vorgesehen sind,
um eine Teilung des Braille-Pixelfeldes gegeneinander versetzt sind.
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Bei
dem in 7 gezeigten Platinenstapler sind auf die Außenseite
der obersten Platine 24 Tasten 76 aufgesetzt.
Dies ist aus 10 näher ersichtlich, welche die
Außenseite
der äußersten
Platine zeigt. Die Rückseite
dieser äußersten
Platine ist gemäß 9 ähnlich mit
Aktoren und Elektronikkomponenten bestückt, wie dies die in 8 gezeigten
Platinen 24 sind.
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Die
Aktoren 22 sind hier vom zweiten Typ, der spannungsfrei
gekrümmt
ist (gestrichelt angedeutet) und unter Spannung eben ist.