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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Tastatur mit kapazitätssensitiven
Tastenfeldern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Tastaturen
können
beispielsweise als Schnittstelle zwischen einem Menschen und einer Maschine
dienen. Dabei können
mit Hilfe der Tastatur Daten an die Maschine eingegeben werden.
Wenn es sich zum Beispiel bei solchen eingegebenen Daten um sicherheitsrelevante
Daten handelt, die nicht von unbefugten Dritten abgehört oder
verändert
werden dürfen,
sollte die Tastatur gegen mögliche
Manipulationen seitens Dritter geschützt sein. Solche gegen Manipulation
geschützte
Tastaturen können
beispielsweise für
sogenannte Bezahlterminals von Vorteil sein, bei denen zum Beispiel
eine geheim zu haltende PIN (Personal Identification Number) mittels der
Tastatur eingegeben werden kann.
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Herkömmliche
Tastaturen weisen typischerweise eine Leiterplatte auf, an deren
Oberfläche
elektrisch leitende Kontaktflächen
vorgesehen sind. Die Kontaktflächen
bestehen meist aus jeweils zwei benachbart angeordneten Kontakthälften. Über der
Leiterplatte ist in der Regel ein Schaltelement angeordnet, bei
dem an einer zu der Leiterplatte hin gerichteten Oberfläche ein
elektrisch leitendes Element vorgesehen ist, beispielsweise in Form
einer Kohlepille oder eines Metallplättchens. Wird eine in einer
solchen Schaltmatte ausgebildete Taste betätigt, schließt das elektrisch
leitfähige
Element die beiden auf der Leiterplatte angeordneten Kontakthälften kurz.
Eine solche Überbrückung der
beiden Kontakthälften
kann mit Hilfe einer Auswerteelektronik, z. B. eines Mikrocontrollers
detektiert werden. Bei einer herkömmlichen Tastatur sind dabei
meist eine Mehrzahl von Paaren von Kontakthälften mit einem Mikrocontroller
in einer Matrix-artigen Weise verschaltet, um die Anzahl der notwendigen
Leitungen zu reduzieren.
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Ein
potentieller Angriff auf eine solche herkömmliche Tastatur, um mit Hilfe
der Tastatur eingegebene Daten abzuhören oder zu manipulieren, könnte darin
bestehen, die einer Taste zugeordneten Kontakthälften von außen elektrisch
zu kontaktieren, so dass ein Betätigen
der Taste von einem externen Angreifer detektiert werden könnte. Anstatt
einzelne Tasten abzugreifen, könnte
auch die gesamte Tastatur abgehört
werden, indem eine Auswerteschaltung an die Tastaturmatrix angeschlossen
würde.
Dies kann insbesondere angesichts freiliegender, elektrisch kontaktierbarer
Kontakthälften
einfach möglich sein.
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Es
sind weiterhin herkömmliche
Tastaturen bekannt, bei denen anstatt elektrisch überbrückbarer Kontakthälften kapazitive
Elemente vorgesehen sind. Dabei ist jeweils einem Tastenfeld der
Tastatur ein kapazitives Element zugeordnet. Die Kapazität bzw. der
Kapazitätswert
eines kapazitiven Elementes ändert
sich je nachdem, ob das Tastenfeld betätigt wird oder nicht. Eine
mit den kapazitiven Elementen verbundene Messelektronik kann somit
aufgrund eines sich ändernden
Kapazitätswertes
eines kapazitiven Elements detektieren, ob ein Tastenfeld betätigt wurde.
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Es
hat sich jedoch herausgestellt, dass auch solche mit kapazitätssensitiven
Tastenfeldern versehene Tastaturen manipuliert werden können.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einer Tastatur, bei der ein Abhören bzw.
eine Manipulation von eingegebenen Daten zumindest erschwert ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diesem
Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch
entsprochen werden. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind unter anderem in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Tastatur beschrieben,
die eine Mehrzahl von Tastenfeldern, eine Mehrzahl von kapazitiven
Elementen und eine Messelektronik aufweist. Jedes kapazitive Element
ist dabei einem Tastenfeld zugeordnet und dazu ausgelegt, bei Betätigen des
ihm zugeordneten Tastenfeldes seinen Kapazitätswert zu ändern. Die Messelektronik dient
zur Messung des Kapazitätswerts
eines jeden der kapazitiven Elemente. Die Messelektronik ist dabei
dazu ausgebildet, eine Änderung
des Kapazitätswertes
eines der kapazitiven Elemente zwischen einem in einem ersten Kapazitätwertbereich
liegenden Nichtbetätigungsniveau
und einem in einem zweiten Kapazitätwertbereich liegenden Betätigungsniveau
zu detektieren und daraufhin ein Betätigungssignal auszugeben. Die
Messelektronik ist ferner dazu ausgebildet, eine Änderung
des Kapazitätswertes
des einen kapazitiven Elements zwischen dem in dem ersten Kapazitätwertbereich
liegenden Nichtbetätigungsniveau
und einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs liegenden Manipulationsniveau
zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal auszugeben.
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Anders
ausgedrückt
kann die vorliegende Erfindung als auf der folgenden Idee basierend
angesehen werden: Eine mit einer Mehrzahl von kapazitiven Elementen
versehene Tastatur ist mit Hilfe ihrer Messelektronik nicht nur
dazu in der Lage, zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht
betätigten Zustand
einer Taste bzw. eines Tastenfeldes zu unterscheiden, sondern sie
kann darüber
hinaus auch detektieren, wenn sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elementes über einen
oberen Grenzwert hinaus erhöht,
was die Messelektronik dann zur Ausgabe eines Alarmsignals veranlasst.
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Eine
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Tastatur
kann wie folgt verstanden werden: So lange ein Tastenfeld der Tastatur
nicht betätigt
wird, liegt der Kapazitätswert
des diesem Tastenfeld zugeordneten kapazitiven Elements innerhalb
eines ersten Kapazitätwertbereichs.
Dieser als Nichtbetätigungsniveau
bezeichnete Kapazitätswert
braucht nicht notwendigerweise ein fester, konstanter Wert zu sein.
Das Nichtbetätigungsniveau
kann beispielsweise aufgrund von Klimaeinflüssen geringfügig schwanken.
Der erste Kapazitätwertbereich
kann dabei so gewählt
sein, dass der Kapazitätswert
eines kapazitiven Elements trotz solcher vorhersehbarer Schwankungen
im Normalbetrieb der Tastatur stets innerhalb des ersten Kapazitätwertbereichs
bleibt, solange die zugehörige
Taste bzw. das zugehörige Tastenfeld
nicht gezielt betätigt
wird.
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Wenn
ein Tastenfeld betätigt
wird, beispielsweise durch direktes händisches Berühren des
Tastenfeldes durch einen Anwender oder durch Niederdrücken einer
darüber
angeordneten Taste, ändert sich
der Kapazitätswert
des zugeordneten kapazitiven Elements aufgrund der zusätzlichen
Kapazität des
Fingers des Anwenders bzw. der Taste. Die Messelektronik ist derart
ausgebildet, dass sie eine Änderung
des Kapazitätswerts
zwischen dem Nichtbetätigungsniveau
und einem entsprechenden Betätigungsniveau
detektieren kann und daraufhin ein Betätigungssignal ausgeben kann.
Das Betätigungsniveau
braucht dabei, ähnlich
wie das Nichtbetätigungsniveau,
kein fester Wert sein, sondern kann sich innerhalb eines Kapazitätwertbereichs
befinden. Üblicherweise
wird der zweite Kapazitätwertbereich, in
dem sich das Betätigungsniveau
befindet, oberhalb des ersten Kapazitätwertbereichs, in dem sich das
Nichtbetätigungsniveau
befindet, liegen, da der Kapazitätswert
des kapazitiven Elements bei Betätigung
in der Regel zunimmt.
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Das
von der Messelektronik gelieferte Betätigungssignal kann beispielsweise
an eine Auswerteelektronik weitergeleitet werden, die dem zu einem
bestimmten kapazitiven Element zugeordneten Betätigungssignal beispielsweise
einen bestimmten Datenwert zuordnen kann. Auf diese Weise kann durch sukzessives
Betätigen
unterschiedlicher Tastenfelder der Tastatur ein Datensatz wie z.
B. eine PIN eingegeben werden.
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Die
Messelektronik der erfindungsgemäßen Tastatur
ist jedoch nicht nur in der Lage, eine Kapazitätwertänderung zwischen einem Nichtbetätigungsniveau
und einem Betätigungsniveau
zu detektieren. Sie ist darüber
hinaus dazu ausgebildet, auch eine Änderung des Kapazitätswertes
eines kapazitiven Elements hin zu einem oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs
liegenden Manipulationsniveau zu detektieren und daraufhin ein Alarmsignal
auszugeben. Mit anderen Worten kann der zweite Kapazitätwertbereich
nicht nur eine untere Grenze haben, oberhalb der die Messelektronik
eine Betätigung
des zugehörigen
Tastenfeldes erkennt, sondern auch eine obere Grenze, oberhalb der
die Messelektronik nicht mehr von einer Betätigung des zugehörigen Tastenfeldes
ausgeht, sondern von einer Manipulation der Tastatur.
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Anders
ausgedrückt
kann die Messelektronik erkennen, wenn sich der Kapazitätswert eines
kapazitiven Elements über
einen oberen Grenzwert, bis zu dem unter Normalbedingungen von einer
korrekten Betätigung
des Tastenfeldes ausgegangen werden kann, bewegt. Bei einem solchen
zu hohen Kapazitätswert
geht die Messelektronik dann davon aus, dass die Tastatur in irgendeiner
Weise manipuliert wurde und gibt ein Alarmsignal aus. Dieses Alarmsignal
kann beispielsweise zur Erzeugung eines akustisch oder visuell wahrnehmbaren
Alarms führen oder
an eine Leitzentrale weitergegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße Tastatur
kann dabei ausnutzen, dass sich der Kapazitätswert eines kapazitiven Elementes
in der Regel erhöht,
wenn versucht wird, die Tastatur zu manipulieren. Zum Beispiel erhöht sich
dieser Kapazitätswert,
wenn im Rahmen eines Manipulationsversuchs eine Spionageelektronik parallel
an ein kapazitives Element oder an sonstige in der Tastatur vorhandene
elektronische Bauteile angeschlossen wird. Auch wenn im Rahmen eines Manipulationsversuchs
eine drucksensitive Folie oder ein zusätzlicher Schaltkreis über der
eigentlichen Tastatur angeordnet wird, um eine Betätigung von
Tastenfeldern zu erkennen und an einen unbefugten Dritten weiterzugeben,
erhöht
sich in der Regel der Kapazitätswert
der darunter liegenden kapazitiven Elemente der Tastatur. Bereits
beim Vornehmen der manipulativen Maßnahmen kann sich dabei der
Kapazitätswert
so stark erhöhen,
dass er als oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs liegendes Manipulationsniveau
von der Messelektronik erkannt wird. Falls sich der Kapazitätswert allein
aufgrund des Manipulationsversuchs jedoch nicht so stark erhöht, dass
das Manipulationsniveau erreicht würde, so führt in der Regel zumindest
die nächste Betätigung eines
Tastenfeldes einer derart manipulierten Tastatur dazu, dass sich
der entsprechende Kapazitätswert
bis auf ein Manipulationsniveau erhöht, so dass spätestens
dann ein Alarmsignal ausgegeben wird.
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Im
folgenden werden mögliche
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile sowie Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Tastatur
im Detail diskutiert.
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Die
Tastatur kann eine beliebige Mehrzahl von Tastenfeldern aufweisen.
Beispielsweise kann die Tastatur 10 Tasten mit einer Nummerierung „0” bis „9” aufweisen,
so dass ein beliebiger Zahlencode eingegeben werden kann. Es können aber
auch Tastenfelder vorgesehen sein, denen Buchstaben oder sonstige
Zeichen zugeordnet sind.
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Ein
Tastenfeld kann beispielsweise ein flächiger Bereich der Tastatur
sein, den ein Anwender berühren
bzw. niederdrücken
kann, wenn er den dem Tastenfeld zugeordneten Dateninhalt eingeben
will.
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Ein
kapazitives Element kann jedes beliebige elektronische Bauteil sein,
das einen Kapazitätswert
aufweist und das seinen Kapazitätswert
bei Annäherung
anderer kapazitiver Gegenstände ändern kann.
Beispielsweise kann ein kapazitives Element als flächig angeordneter
Kondensator ausgebildet sein, der in der Nähe einer Bedienungsoberfläche der Tastatur
angeordnet ist. Wenn sich ein Gegenstand aus einem geeigneten, insbesondere
dielektrischen Material der Bedienungsoberfläche nähert, ändert sich der Kapazitätswert des
in dessen Nähe
befindlichen kapazitiven Elements.
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Die
Messelektronik kann ein beliebiger Schaltkreis sein, der mit den
kapazitiven Elementen elektrisch verbunden ist und der dazu in der
Lage ist, deren jeweiligen augenblicklichen Kapazitätswert zu messen.
Der von der Messelektronik gemessene Kapazitätswert kann analog oder digital
aufgenommen und verarbeitet werden.
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Die
Messelektronik kann dazu in der Lage sein, zu erkennen, wenn sich
der Kapazitätswert
eines kapazitiven Elements in einem ersten Kapazitätswertbereich
befindet, und dies dahingehend zu bewerten, dass das zugeordnete
Tastenfeld derzeit nicht betätigt
wird. Das innerhalb des ersten Kapazitätwertbereichs liegende Nichtbetätigungsniveau wird
auch als „Baseline” bezeichnet.
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Die
Messelektronik ist ferner in der Lage, zu erkennen, wenn sich der
Kapazitätswert
des kapazitiven Elements derart ändert,
dass er sich in einem zweiten Kapazitätwertbereich befindet, woraufhin von
einer Betätigung
des zugeordneten Tastenfeldes ausgegangen wird.
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Der
erste und der zweite Kapazitätwertbereich
können
dabei fest vorgegebene und in die Messelektronik vorprogrammierte
Bereiche sein. Alternativ können
die Kapazitätwertbereiche
nachträglich von
einem Betreiber der Tastatur wählbar
einprogrammiert werden. Als weitere Alternative ist das „intelligente
Lernen” der
Tastatur möglich,
indem der Tastatur vorhersehbare Betriebsbedingungen unter bestimmten
Umgebungsbedingungen vorgegeben werden und die Tastatur dann jeweils
den einem nicht betätigten
Zustand und einem betätigten
Zustand zugehörigen
Kapazitätswert
erlernen kann.
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Die
Messelektronik ist außerdem
dazu in der Lage, nicht nur zu erkennen, ob sich der gemessene Kapazitätswert innerhalb
des ersten Kapazitätwertbereichs,
des zweiten Kapazitätwertbereichs
oder außerhalb
beider Kapazitätwertbereiche
befindet, sondern insbesondere, ob er sich oberhalb des zweiten
Kapazitätwertbereichs
befindet. In einem solchen Fall geht die Messelektronik davon aus,
dass die Tastatur manipuliert wurde, da sich der Kapazitätswert ansonsten
nicht in einem solch hohen Wertbereich befinden dürfte. Sie
gibt daraufhin ein Alarmsignal aus.
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Die
Messelektronik kann dabei derart eingerichtet sein, dass das Alarmsignal
erst dann ausgegeben wird, wenn über
eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Mindestzeitdauer hinweg ein
Kapazitätswert
oberhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs gemessen
wird. Auf diese Weise können
Fehlalarme zum Beispiel aufgrund kurzzeitiger Schwankungen oder
kurzzeitiger statischer Aufladungen weitgehend vermieden werden.
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Die
Messelektronik befindet sich vorzugsweise innerhalb eines die Tastatur
umgebenden bzw. bildenden Gehäuses.
Insbesondere kann sich die Messelektronik in einem in besonderer
Weise gegen Zugriff von außen
geschützten
Bereich des Gehäuses
befinden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Messelektronik ferner dazu ausgebildet,
eine Änderung
des Kapazitätswerts
eines der kapazitiven Elemente zwischen dem in dem ersten Kapazitätwertbereich
liegenden Nichtbetätigungsniveau
und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich
liegenden Zwischenniveau zu detektieren und sofern das Zwischenniveau
länger
als eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Zeitdauer detektiert wird,
ein Warnsignal auszugeben.
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Mit
anderen Worten kann gemäß dieser
Ausführungsform
die Messelektronik nicht nur erkennen, wenn sich der Kapazitätswert eines
kapazitiven Elements oberhalb einer Obergrenze des zweiten Kapazitätwertbereichs
befindet, sondern auch, wenn er sich unterhalb des unteren Grenzwerts
des zweiten Kapazitätwertbereichs,
das heißt,
zwischen dem ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich, befindet. Ein
solcher auf einem Zwischenniveau befindlicher Kapazitätswert kann
auf eine Manipulation der Tastatur hinweisen.
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Da
dieser Zwischenbereich jedoch beim Übergang zwischen einem Nichtbetätigungszustand zu
einem Betätigungszustand
zwangsläufig
durchlaufen wird, geht die Messelektronik von einer Wahrscheinlichkeit
eines Manipulationsversuchs erst dann aus, wenn sich der Kapazitätswert länger als
eine bestimmte Zeitdauer auf einem solchen Zwischenniveau befindet.
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Die
bestimmte Zeitdauer kann dabei, je nach Anwendungsgebiet, im Bereich
von wenigen Sekunden bis hin zu einigen Stunden betragen. Wenn die Messelektronik über einen
derart langen Zeitraum erkennt, dass sich der Kapazitätswert eines
bestimmten kapazitiven Elements weder auf einem Nichtbetätigungsniveau
noch auf einem Betätigungsniveau, sondern
irgendwo dazwischen befindet, gibt sie ein Warnsignal aus. Dieses
Warnsignal kann beispielsweise von einer Auswerteelektronik empfangen
werden.
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Je
nachdem, wie sensibel diese Auswerteelektronik eingestellt ist,
kann sie das Warnsignal ähnlich
wie ein Alarmsignal behandeln und einen Alarm verursachen, oder
sie kann eine abgestufte Version eines Alarms, beispielsweise einen
lediglich visuell wahrnehmbaren Alarm, verursachen. Alternativ kann sie
abwarten, ob das Warnsignal eine bestimmte Zeitdauer hin aufrechterhalten
wird, und erst dann einen Alarm auslösen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Tastenfelder an einer Oberfläche der
Tastatur derart angeordnet, dass sie von einem Bediener händisch berührt werden
können,
wobei ein einem jeweiligen Tastenfeld zugeordnetes kapazitives Element
derart angeordnet ist bzw. ausgelegt ist, dass sich sein Kapazitätswert bei
händischer
Berührung
vom Nichtbetätigungsniveau
zum Betätigungsniveau ändert.
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Mit
anderen Worten kann das kapazitive Element direkt auf oder knapp
unterhalb einer Oberfläche
der Tastatur angeordnet sein. Das kapazitive Element kann dabei
nach außen
hin offen liegen, d. h. die das kapazitive Element bildenden Bestandteile können nach
außen
hin frei liegen. Es ist jedoch bevorzugt, dass das kapazitive Element
nach außen
hin durch eine elektrisch isolierende Schicht beispielsweise in
Form einer Folie, einer Lackschicht oder einer dünnen Glasplatte abgedeckt ist.
Wenn sich ein Bediener mit seinem Finger einem Tastenfeld nähert und
es schließlich
berührt, ändert das
daran bzw. knapp darunter angeordnete kapazitive Element seinen
Kapazitätswert.
Der erste und der zweite Kapazitätwertbereich
sind dabei so gewählt,
dass die Messelektronik ein Nichtbetätigungsniveau misst, solange
keine Berührung
durch den Finger stattfindet, und ein Betätigungsniveau misst, sobald
eine Berührung stattfindet.
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Eine
solche Tastatur kommt ohne bewegliche Tasten aus. Es wird keine
mechanische Betätigung,
zum Beispiel aufgrund eines ausgeübten Drucks, detektiert, sondern
eine Änderung
eines Kapazitätswerts,
der daraus resultiert, dass ein zusätzliches, vorzugsweise dielektrisches
Medium, wie es auch von einem menschlichen Finger dargestellt wird,
in die Nähe
des Tastenfeldes gebracht wird und somit den Kapazitätswert des
kapazitiven Elements ändert.
Ein zusätzlicher
Vorteil ist, dass solche Tastaturen eine ebene, einfach zu reinigende
Oberfläche haben
können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist einem Tastenfeld eine geprägte Folie
zugeordnet.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann einem Bediener der Tastatur eine taktile Rückmeldung über die Betätigung eines Tastenfeldes gegeben
werden. Die geprägte
Folie kann derart ausgebildet sein, dass ein gewisser Mindestdruck
auf sie ausgeübt
werden muss, damit sie von einer nicht betätigten Konfiguration in eine
betätigte
Konfiguration umschnappt. In der nicht betätigten Konfiguration kann die
geprägte Folie
den Finger des Bedieners derart auf Abstand zu dem kapazitiven Element
halten, dass dessen Kapazitätswert
kaum beeinflusst wird und die Messelektronik somit von einem unbetätigten Zustand
ausgeht. Erst wenn die geprägte
Folie aufgrund des Fingerdrucks in die betätigte Konfiguration umgeschnappt ist,
kommt der Finger bzw. ein dielektrisches Element an der zum kapazitiven
Element hin gerichteten Oberfläche
der Folie in die Nähe
des kapazitiven Elements, so dass sich der gemessene Kapazitätswert entsprechend
erhöht
und die Messelektronik von einem Betätigungszustand ausgehen kann.
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Neben
der taktilen Rückmeldung
ermöglicht die
geprägte
Folie auch, dass der Übergang
von der unbetätigten
Konfiguration zur betätigten
Konfiguration sehr schnell vonstatten geht, beispielsweise im Bereich
von Millisekunden, so dass die Zeitdauer, während der sich der gemessene
Kapazitätswert
im Normalzustand der Tastatur in einem Wertbereich zwischen dem
ersten und dem zweiten Kapazitätwertbereich
befindet, entsprechend kurz ist. Wenn ein entsprechendes Zwischenniveau
bei dieser Ausführungsform
der Tastatur über
einen längeren
Zeitraum anhält,
kann von einer Manipulation der Tastatur ausgegangen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist jedem Tastenfeld eine zwischen einer
unbetätigten
und einer betätigten
Position verlagerbare Taste zugeordnet. Die Taste weist dabei ein
Kapazitätswert-änderndes
Element auf. Die Taste und das ihr zugeordnete kapazitive Element
sind derart angeordnet bzw. ausgelegt, dass sich bei Verlagern der
Taste von der unbetätigten
in die betätigte
Position der Kapazitätswert
des kapazitiven Elements vom Nichtbetätigungsniveau zum Betätigungsniveau ändert.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
kann einem Bediener eine taktile Rückmeldung über die Betätigung einer Taste gegeben
werden. Die Tastatur weist in dieser Ausführungsform ähnliche Vorteile und Eigenschaften
auf wie die oben beschriebene Ausführungsform der Tastatur mit
der geprägten
Folie. Ein zusätzlicher
Vorteil bei dieser Ausführungsform
kann darin liegen, dass die mit bewegbaren Tasten ausgestattete
Tastatur ähnliche
Bedieneigenschaften haben kann wie herkömmliche Tastaturen. Einerseits
braucht ein Bediener seine Bedienungsgewohnheiten nicht umzustellen,
andererseits kann ein Angreifer von außen nicht im Vorhinein erkennen, dass
es sich nicht um eine herkömmliche
Tastatur mit durch mechanische Betätigung elektrisch überbrückbaren
Kontakten handelt, sondern um eine erfindungsgemäße Tastatur mit kapazitiver
Detektierung einer Betätigung
der Tasten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Tasten in einer Schaltmatte angeordnet.
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In
dieser Ausführungsform ähnelt die
Tastatur noch stärker
einer herkömmlichen
Tastatur. Im Extremfall kann es sogar genügen, die an den Tasten einer
herkömmlichen
Tastatur an der Unterseite vorgesehenen elektrisch leitendfähigen Kohlepillen
bzw. Metallplättchen
durch dielektrische Elemente zu ersetzen. Die sich einander gegenüberliegenden
Kontakthälften
einer herkömmlichen
Tastatur werden dann bei Niederdrücken der Taste nicht mehr kurzgeschlossen.
Da die beiden Kontakthälften
jedoch auch eine Art Kondensator bilden, ändert sich der Kapazitätswert des
durch die beiden Kontakthälften
erzeugten kapazitiven Elements. Um die herkömmliche Tastatur in eine erfindungsgemäße Tastatur
umzurüsten, muss
dann lediglich noch die mit den Kontakthälften verbundene Messelektronik
entsprechend umkonfiguriert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitives Element zu einem Äußeren der
Tastatur hin durch eine elektrisch isolierende Schicht abgedeckt.
Dadurch ist das entsprechende kapazitive Element nicht ohne weiteres
von außen
her elektrisch kontaktierbar. Die elektrisch isolierende Schicht
kann beispielsweise ein Lack oder eine Folie, vorzugsweise eine
selbstklebende Folie, sein. Vorzugsweise ist die elektrisch isolierende
Schicht opak, so dass die darunter befindlichen kapazitiven Elemente
von außen
nicht gesehen werden können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eines der kapazitiven Elemente im
Innern einer Leiterplatte aufgenommen.
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Durch
die Integration des kapazitiven Elements in die Leiterplatte kann
dieses noch besser gegen Beschädigung
bzw. gezielte Manipulation von außen geschützt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Tastatur ferner ein als Referenzgeber
dienendes kapazitives Element auf, das nicht einem Tastenfeld zugeordnet
ist.
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Ein
solches als Referenzgeber dienendes kapazitives Element kann in ähnlicher
Weise aufgebaut sein wie die den Tastenfeldern zugeordneten kapazitiven
Elemente. Es kann daher ein ähnliches elektrisches
Verhalten aufweisen wie letztere, wobei es jedoch nicht einem Tastenfeld
zugeordnet ist. Diese mangelnde Zuordnung kann dadurch geschehen, dass
dieses zusätzliche
kapazitive Element von außen
her nicht als Tastenfeld erkennbar ist. Alternativ kann das zusätzliche
kapazitive Element gezielt gegen eine Betätigung beispielsweise durch
eine Berührung
von außen
geschützt
sein.
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Das
als Referenzgeber dienende kapazitive Element kann beispielsweise
bei der Definition des ersten Kapazitätwertbereichs verwendet werden. Sein
Kapazitätswert
kann als Nichtbetätigungsniveau für die den
Tastenfeldern zugeordneten kapazitiven Elemente definiert werden.
Da sich sein Kapazitätswert ähnlich wie
derjenige der anderen kapazitiven Elemente aufgrund von Feuchtigkeitsschwankungen, Temperaturschwankungen,
etc. ändert,
wird somit das Nichtbetätigungsniveau
bzw. die „Baseline” kontinuierlich
den herrschenden Klimaeinflüssen
nachgeführt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die Messelektronik dazu ausgelegt, den Kapazitätswert eines
jeden kapazitiven Elements zyklisch zu messen.
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Mit
anderen Worten können
die einzelnen kapazitiven Elemente sukzessive nacheinander gemessen
werden. Eine Messreihenfolge kann dabei statisch sein oder in vorgegebener
bzw. alternativ zufälliger
Weise zeitlich variiert werden. Sollte es einem Angreifer gelingen,
die der Messelektronik zugänglichen
Kapazitätsmesswerte
auszuspähen,
weiß er deswegen
trotzdem noch nicht, welches der den unterschiedlichen Tastenfeldern
zugeordneten kapazitiven Elemente die Messelektronik augenblicklich misst,
so dass ein Ausspähen
der über
die Tastatur eingegebenen Daten zusätzlich erschwert wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die Messelektronik der Tastatur programmierbar.
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Eine
solche programmierbare Messelektronik kann beispielsweise in Form
eines PSoC©-Mikrocontrollers
(Programmable System-on-Chip), der neben einem Mikrocontroller-Kern mit Flash und
SRAM zusätzlich
durch den Benutzer konfigurierbare Analog- und Digitalarrays aufweist
und der z. B. von der Firma Cypress angeboten wird, realisiert sein.
Mit diesen Arrays können
verschiedenste Applikationen realisiert werden. Die Konfigurierung
der Hardware kann sogar während
der Laufzeit auf eine andere im Speicher abgelegte Konfigurierung
umgeschaltet werden.
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In
der Messelektronik können
zum Beispiel die Grenzwerte des ersten und zweiten Kapazitätwertbereichs
programmiert werden. Außerdem
können
Zeitschwellen programmiert werden, die eingehalten werden müssen, damit
die Messelektronik zum Beispiel ein Betätigungsniveau, Manipulationsniveau
oder Zwischenniveau erkennt. Ferner können bestimmte Toleranzbereiche
einprogrammiert werden. Außerdem
kann die Reihenfolge eines sukzessiven Messvorgangs einprogrammiert
werden. Optional kann eine Empfindlichkeit eines jeden kapazitiven Elements
individuell eingestellt werden, so dass zum Beispiel ein „Ein”-Schalter
eine längere
Betätigung erfordert
als ein normales Tastenfeld. Außerdem
können
in die Messelektronik unterschiedliche Auswerteverfahren implementiert
werden und die ermittelten Daten gegebenenfalls sogar verschlüsselt werden. Um
eine nachträgliche
Anpassung der Tastatur an unterschiedliche Applikationen zu ermöglichen,
kann die Messelektronik mittels geeigneter Firmware umkonfiguriert
werden. Die Programmierbarkeit der Messelektronik erlaubt auch einen
geringen externen Verschaltungsaufwand bei gleichzeitig kurzer Entwicklungszeit.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die oben im Zusammenhang mit unterschiedlichen
Ausführungsbeispielen
beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert
werden können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen,
die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
eine Tastatur gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
beispielhaft das Verhalten des Kapazitätswerts eines kapazitiven Elements
in verschiedenen Betriebszuständen
der Tastatur.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Tastatur.
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4 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Tastatur.
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Alle
Figuren sind lediglich schematische Darstellungen. Insbesondere
Abstände
und Größenrelationen
sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu
wiedergegeben. In verschiedenen Figuren sind gleiche oder identische
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
im Querschnitt eine erfindungsgemäße Tastatur 1, bei
der kapazitive Elemente 3, die durch parallel zur Oberfläche der
Tastatur 1 angeordnete flächige Metallschichten 5 gebildet
sind, innerhalb einer Leiterplatte 7 ausgebildet sind.
An der Unterseite der Leiterplatte 7 befindet sich eine
Messelektronik 9, die durch vergrabene Durchsteiger 11 mit
den die kapazitiven Elemente 3 bildenden Metallschichten 5 verbunden
ist.
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Die
Messelektronik 9 ist dazu ausgelegt, den Kapazitätswert der
einzelnen kapazitiven Elemente 3 bzw. eine Änderung
des Kapazitätswertes
zu messen und je nach gemessenem Kapazitätswert entweder ein Betätigungssignal,
ein Alarmsignal, ein Warnsignal oder ein Nichtbetätigungssignal
auszugeben.
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Die
Messelektronik 9 befindet sich innerhalb eines gesicherten
Bereichs 13 unterhalb der eine Begrenzung nach außen hin
bildenden Leiterplatte 7. Die Messelektronik 9 kann
beispielsweise innerhalb des gesicherten Bereichs 13 durch
eine Harzmasse verkapselt sein.
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An
einer nach außen
gerichteten Oberfläche der
Leiterplatte 7 ist eine Deckfolie 15 vorgesehen. An
dieser Deckfolie können
die Tastenfelder 17, die von einem Bediener durch seinen
Finger betätigt werden
können,
durch eine Bedruckung optisch hervorgehoben sein.
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Die
Messung des Kapazitätswerts
der kapazitiven Elemente 3 lässt sich mit Hilfe der Messelektronik 9 auf
verschiedene Arten realisieren, beispielsweise mittels eines Capacitance-to-Digital-Konverters.
Prinzipiell werden nacheinander alle Tastenfelder 17 bzw.
deren zugeordnete kapazitiven Elemente 3 einzeln abgefragt
und nach einem Abfragezyklus wird das Ergebnis einer Auswerteschaltung
(nicht dargestellt) zur Verfügung
gestellt.
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Die
Messelektronik 9 kann mittels eines PSoC-Mikrocontrollers,
wie er beispielsweise von der Firma Cypress Semiconductor als sogenanntes
CapSense-Modul vertrieben wird und welcher ein Kapazitätsmessinterface
zur Verfügung
stellt, implementiert sein. Hier kann eine spezielle PSoC-Serie
mit zusätzlichem
Analog-Multiplexer gewählt
werden, um die Anzahl der möglichen
Messkanäle
(Tastenfelder) zu erweitern. Außerdem
wird das Digitalinterface zur Übertragung
der Tastencodes an die Auswerteschaltung gewählt. Zur Verfügung stehen
ein I2C-Bus, ein UART (nur Transmit) oder
auch Port-Pins, die per Software angesteuert werden. Eventuell sollte
auch ein Interrupt-Ausgang ergänzt
werden, um betätigte Tasten
schnell zu signalisieren. Abschließend werden die Softwaremodule
für Kapazitätsmessung
und Datenübertragung
konfiguriert und die Firmware für die
Gesamtfunktion erstellt.
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2 zeigt
den von der Messelektronik 9 gemessenen Kapazitätswert C
in verschiedenen Betriebszuständen
der Tastatur 1.
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Während eines
ersten Nichtbetätigungszustandes 101,
bei dem ein Bediener mit seinem Finger nicht in die Nähe der Oberfläche der
Tastatur im Bereich des gerade ausgelesenen Tastenfeldes kommt, liegt
der gemessene Kapazitätswert
C innerhalb eines ersten Kapazitätwertbereichs 201.
Aufgrund von Umwelteinflüssen
kann der Kapazitätswert
innerhalb der oberen und unteren Grenze des ersten Kapazitätwertbereichs 201 leicht
variieren.
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Berührt ein
Anwender mit seinem Finger ein Tastenfeld 17, so steigt
in einem Betätigungszustand 103 der
gemessene Kapazitätswert
C aufgrund der zusätzlichen
von dem Finger bewirkten Kapazität
auf ein innerhalb eines zweiten Kapazitätwertbereichs 203 liegendes
Betätigungsniveau
an. Aufgrund verschiedener Einflüsse,
wie zum Beispiel der Größe des Fingers,
dem Handschweiß,
dem Anpressdruck und damit zusammenhängend der Andruckfläche, etc.
kann der gemessene Kapazitätswert
des Betätigungsniveaus
innerhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 variieren.
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Wird
der Finger wieder von der Tastatur entfernt, begibt sich der Kapazitätswert C
wieder zurück auf
das Nichtbetätigungsniveau,
anfangs eventuell mit einer geringfügigen Hysterese, siehe Schritt 105.
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Bei
einem Versuch, die Tastatur zu manipulieren, beispielsweise durch
Kontaktieren der die kapazitiven Elemente 3 bildenden Metallflächen 5,
wird eine zusätzliche
Kapazität
bewirkt. Alternativ kann ein Manipulationsversuch darin bestehen,
dass über die
Deckfolie 15 eine zusätzliche,
drucksensitive Folie angeordnet wird, die mit einer Auswerteelektronik verbunden
ist, die es einem Angreifer erlaubt, zu erkennen, welches der Tastenfelder
gerade betätigt wird.
Wie in Schritt 107 dargestellt, steigt daher der von der
Messelektronik 9 gemessene Kapazitätswert C über die obere Grenze des ersten
Kapazitätwertbereichs 201 hin
an. Dabei kann der Kapazitätswert
C dauerhaft innerhalb eines Bereichs zwischen dem ersten und dem
zweiten Kapazitätwertbereich
liegen, was von der Messelektronik als Zeichen für eine Manipulation ausgelegt
werden kann, woraufhin diese ein Warnsignal abgeben kann.
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Alternativ
kann, wie dies in Schritt 109 dargestellt ist, schon allein
durch den Manipulationsversuch oder spätestens bei Betätigen eines
Tastenfeldes der manipulierten Tastatur durch einen Benutzer der
von der Messelektronik 9 gemessene Kapazitätswert C über die
Obergrenze des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 hin
ansteigen. Dies signalisiert der Messelektronik 9 eindeutig,
dass die Tastatur manipuliert wurde, da solch hohe Kapazitätswerte
C ohne eine Manipulation nicht vorliegen dürfen. Die Messelektronik 9 gibt
daher ein Alarmsignal aus, das zur Erzeugung eines akustisch oder
visuell wahrnehmbaren Alarms, einer Übermittlung eines entsprechenden
Signals an eine Leitzentrale oder das komplette Stilllegen der Tastatur
führen
kann.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Tastatur 1'. Hierbei
befinden sich in der Deckfolie 15' an den Bereichen der Tastenfelder 17 geprägte Regionen 19,
in denen die Deckfolie 15' nach
oben gewölbt
und von der Oberfläche
der Leiterplatte 7 beabstandet ist. Bei Betätigung eines
Tastenfeldes 17 muss vom Finger eines Anwenders ein gewisser
Mindestdruck auf die geprägte
Folie 15' ausgeübt werden,
bevor diese nach unten schnappt. Durch das Umschnappen kommt der
Finger dem darunter angeordneten kapazitiven Element 3 plötzlich näher und
erhöht
auf diese Weise den dort gemessenen Kapazitätswert.
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Bei
der in 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tastatur 1” wurde
die Deckfolie durch eine Schaltmatte 21 ersetzt. Integral ausgebildet
mit der Schaltmatte sind Tasten 23, an deren unterer, zur
Oberfläche
der Leiterplatte 7 hin gerichteten Oberfläche Kapazitätswert-ändernde Elemente 25 in
Form von dielektrischen Plättchen
angeordnet sind.
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Solange
die Tasten 23 nicht niedergedrückt sind, sind die Kapazitätswert-ändernden
Elemente 25 so weit von den darunter liegenden kapazitiven Elementen 3 beabstandet,
dass sie deren Kapazitätswert
kaum beeinflussen. Wird eine Taste 23 von einem Anwender
niedergedrückt,
kommt das entsprechende Kapazitätswert-ändernde
Element 25 in die Nähe
bzw. direkt an die Oberfläche
der Leiterplatte 7 und somit in die Nähe des darin integrierten kapazitiven
Elements 3 und ändert
dessen Kapazitätswert
so stark, dass er innerhalb des zweiten Kapazitätwertbereichs 203 kommt
und somit als Betätigungsniveau
detektiert wird.
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Insbesondere
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Tastatur können sich
die folgenden Vorteile ergeben:
- – bei dem
kapazitiven Messverfahren ist kein direktes Tracen der Tasten bzw.
Tastenfelder möglich;
- – die
als Sensorflächen
wirkenden kapazitiven Elemente können
in eine Innenlage der Leiterplatte gelegt werden, so dass bei einem
Manipulationsversuch zuerst darüber
befindliche Tastenpads frei gefräst
werden müssten;
- – weiterhin
stellt jede zusätzlich
angeschlossene Leitung und nachfolgende Elektronik eine weitere parallel
geschaltete kapazitive Last dar, die von der Messelektronik bemerkt
werden kann. Hier kann dann zum Beispiel durch einen stillen Alarm an
den als Auswerteschaltung dienenden Hauptcontroller reagiert werden;
- – durch
die flexible Struktur des PSoC kann auf weitere Anforderungen flexibel
reagiert werden. So kann die Reihenfolge der Tastenabfrage in einem
Zyklus permanent geändert
werden oder die Übertragung
zu einem Hauptcontroller proprietär genutzt werden. Während des
Betriebs der Tastatur kann das Grundniveau der kapazitiven Elemente
adaptiv angepasst werden, um Effekten wie Temperatur und Luftfeuchte
Rechnung zu tragen. Hierzu und auch zur Manipulationserkennung kann
eventuell ein als Referenz dienendes zusätzliches kapazitives Element
ohne Tastenfunktion sinnvoll sein. Zusätzlich kann die Schaltschwelle
und Hysterese für
jedes einzelne Tastenfeld individuell eingestellt werden;
- – es
ist weiterhin denkbar, den Auswertebaustein bzw. die Messelektronik
in die Leiterplatte selbst zu verlagern und so den Angriff auf den
Chip selber zu erschweren bzw. zu verhindern.
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Gegenüber herkömmlichen
Tastaturen mit Kontaktflächen
kann die erfindungsgemäße kapazitive
Tastatur ferner folgende Vorteile haben:
- – ein Anschließen einer
Auswerteschaltung ohne Einfluss auf die Funktionalität der Tastatur
ist nahezu unmöglich;
- – eine
Realisierung von Tastaturen mit glatter Oberfläche, die leicht zu reinigen
ist, ist möglich;
- – Staub
und Schmutz haben kaum Einfluss auf die Funktionalität der Tastatur;
- – die
Kontaktflächen
der Tastenfelder weisen keine Abnutzungserscheinungen auf.
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Insbesondere
wenn die Messelektronik programmierbar ausgeführt ist, können ferner folgende Vorteile
erreicht werden:
- – es ergibt sich ein geringer
externer Schaltungsaufwand;
- – kurze
Entwicklungszeiten können
erreicht werden;
- – eine
Kalibrierung über
Firmware ist möglich;
- – eine
flexible und programmierbare Datenkommunikation mit einem Hauptcontroller,
und eventuell auch mit Datenverschleierung oder Datenverschlüsselung,
ist möglich;
- – eine
Anpassung an sich ändernde
Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur, Feuchtigkeit,
etc., ist während
des Betriebs der Firmware möglich;
- – eine
Anzahl der Tastenfelder und eine Reihenfolge von deren Abfrage ist
konfigurierbar; eine Empfindlichkeit kann für jeden Sensor individuell eingestellt
werden;
- – unterschiedliche
Auswerteverfahren können
implementiert werden und eine Konfiguration der Hardware kann während der
Laufzeit geändert werden.
- – Bauteiltoleranzen
können über die
Firmware ausgeglichen werden.
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Auch
weitere Ausgestaltungen, wie sie aufgrund der kapazitätssensitiven
Tastenfelder möglich sind,
können
in die erfindungsgemäße Tastatur
integriert werden. Beispielsweise können die Tastenfelder auch
als Schieberegler ausgebildet werden, um zum Beispiel Kontrast-,
Lautstärke-
oder Helligkeitswerte stufenlos einstellen zu können. Die kapazitiven Elemente
können
mit Hilfe durchsichtiger Leiter wie zum Beispiel ITO (Indium Tin
Oxide) ausgebildet werden, so dass hinter den kapazitiven Elementen
ein Bildschirm beispielsweise in Form von LCDs angeordnet werden
kann und die Tastatur in Form eines Touch-Pads ausgebildet werden
kann.
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Abschließend wird
angemerkt, dass die Ausdrücke
wie „aufweisend” oder ähnliche
nicht ausschließen
sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des
Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in
Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale
beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt,
dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt
werden sollen.
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- 1
- Tastatur
- 3
- kapazitives
Element
- 5
- Metallschicht
- 7
- Leiterplatte
- 9
- Messelektronik
- 11
- vergrabene
Durchsteiger
- 13
- gesicherter
Bereich
- 15
- Deckfolie
- 15'
- geprägte Deckfolie
- 17
- Tastenfeld
- 19
- geprägte Regionen
- 21
- Schaltmatte
- 23
- Taste
- 25
- Kapazitätswert-änderndes
Element
- 101
- Nichtbetätigungszustand
- 103
- Betätigungszustand
- 105
- Nichtbetätigungszustand
- 107
- Manipulationszustand
- 109
- Manipulationszustand
- 201
- erster
Kapazitätwertbereich
- 203
- zweiter
Kapazitätwertbereich