DE10224537A1

DE10224537A1 - Kapazitive Tastatureinrichtung und Verfahren zur Herstellung einer solchen kapazitiven Tastatureinrichtung

Info

Publication number: DE10224537A1
Application number: DE2002124537
Authority: DE
Inventors: Helmut Sonlenker
Original assignee: Fela Hilzinger Leiterplat GmbH
Current assignee: FELA GMBH, DE
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: DE10224537B4; DE10224537B8

Abstract

Erfindungsgemäß werden zur Herstellung einer kapazitiven Tastatureinrichtung folgende Verfahrensschritte hintereinander durchgeführt: DOLLAR A - Bereitstellen einer transparenten Frontplatte (1); DOLLAR A - Aufbringen eines ein Tastaturdesign darstellenden Farbaufdruckes bzw. Farbschicht (3) auf die Rückseite der Frontplatte (1); DOLLAR A - Aufbringen einer Haftschicht (5) auf den Farbaufdruck (3); DOLLAR A - Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht (7) auf die Haftschicht (5); DOLLAR A - Strukturierung der elektrisch leitenden Schicht (7), entsprechend von einer kapazitiven Schaltungsanordnung notwendigen Sensorelektroden und Leiterbahnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Tastatureinrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen kapazitiven Tastatureinrichtung.
Kapazitive Tastatureinrichtungen mit einer frontseitigen Glasscheibe sind zum Beispiel aus der Zeitschrift Elektronikpraxis No. 2, 29.01.2002, Seite 84 bis 85 bekannt. Diese Hinterglas- Tastaturen sind Eingabesysteme auf der Basis kapazitiver Sensorik. Hinterglas-Tastaturen haben mit einer mechanischen Tastatur nur die Tastenflächen gemein. Aus ihrem Aufbau in Verbindung mit kapazitiver Sensorik resultieren eine Reihe von Eigenschaften, die die Hinterglas-Tastatur für verschiedene Applikationen prädestiniert, für die mechanische Tastaturen kaum geeignet sind. Bei diesen Hinterglas-Tastaturen handelt es sich um Eingabegeräte, die hinter massiven Glasfronten oder sonstigem, transparenten, nicht leitendem Material über als Tasten wirkende kapazitikapazitive Sensoren verfügen und die auf Annäherung eines Gegenstandes (Finger, Hand) ansprechen. Die Sensorsignale werden elektronisch verstärkt und als Schalt- oder Digitalsignale zur Steuerung von Maschinen oder Computern benützt. In dem genannten Artikel liegt hinter der Glasscheibe eine gedruckte Beschriftung mit Tastensymbolen. Diese gedruckte Beschriftung ist zwischen die Glasscheibe und eine Leiterplatte mit Sensorflächen eingelegt. Die gedruckte Beschriftung lässt sich ohne weiteres austauschen, weil es sich bei der Glasplatte, der gedruckten Beschriftung und der Leiterplatte mit Sensorflächen um drei völlig getrennte Einheiten handelt, welche separat hergestellt und anschließend aufeinander montiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte kapazitive Tastatureinrichtung so weiterzubilden, dass diese kompakter aufbaubar und leichter handhabbar ist. Insbesondere soll die aufzufindende kapazitive Tastatureinrichtung auch leichter montierbar sein. Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, wie eine solche kapazitive Tastatureinrichtung hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird für die kapazitive Tastatureinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 9.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und beansprucht.
Obwohl für die transparente Frontplatte jegliche Materialien, die durchsichtig oder weitgehend durchsichtig sind, geeignet im Sinne der vorliegenden Erfindung erscheinen, wird bevorzugt eine Glasscheibe verwendet. Vorzugsweise ist diese Glasscheibe temperaturstabil, so dass eine Erwärmung der Glasscheibe bei einem nachfolgenden Lötvorgang nicht zum Bruch der Glasscheibe führt.
Erfindungsgemäß wird auf die Rückseite der Glasscheibe eine Farbschicht beziehungsweise ein Farbaufdruck aufgebracht, der die Symbolik der einzelnen Tastaturelemente trägt. Sofern die Rückseite der Glasscheibe sich als zu glatt herausstellt, um eine Farbschicht zu tragen, wird vorzugsweise diese Rückseite der Glasscheibe aufgerauht. Dies kann durch chemisches Ätzen der Rückseite oder durch mechanisches Schleifen, also Mattieren, der Rückseite der Glasscheibe geschehen. In einem nächsten Schritt wird auf die Farbschicht beziehungsweise den Farbaufdruck ein Haftmittel, vorzugsweise eine Harzschicht, aufgebracht.
Auf diese Harzschicht wird eine Leiterbahnenschicht, vorzugsweise eine Kupferschicht aufgebracht, die später entsprechend den notwendigen Leiterbahnen und den Sensorelektroden strukturiert werden kann.
Die Haftschicht, die bevorzugt als Harzschicht ausgebildet ist, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als Doppelschicht, also in zwei Teilhaftschichten nacheinander aufgetragen. Die erste Teilhaftschicht wird bei Raumtemperatur und in einem entstaubten Raum unmittelbar auf die Farbschicht aufgebracht. Sollte sich herausstellen, dass die Farbschicht zu glatt ist, wird auch diese aufgerauht, vorzugsweise mittels mechanischem Beschleifen mit Bimsmehl.
Nachdem diese erste Teilhaftschicht getrocknet wurde, wird die zweite Teilhaftschicht, die ebenfalls bevorzugt eine Harzschicht ist, zusammen mit der auf dieser Teilhaftschicht bereits aufgebrachten Leiterbahnenschicht, zum Beispiel Kupferschicht, auflaminiert. Anschließend erfolgt in konventioneller Technik, das heißt mittels Fototechnik oder Siebdrucktechnik, die Strukturierung der Leiterbahnenschicht. Dabei entstehen die notwendigen Leiterbahnen beziehungsweise Sensorelektroden, welche unmittelbar hinter den Tastenelementen des Farbaufdrucks sitzen.
Nachdem die Leiterbahnen und/oder Sensorelemente geätzt sind, wird vorzugsweise eine Lötstopplackschicht auf diese Elemente aufgebracht, diese weiter lötfähig gehalten. Anschließend kann die Bestückung und Kontaktierung dieser Leiterbahnen beziehungsweise Sensorelektroden mittels Bauelementen erfolgen. Es können auch Steckverbinder an diese Leiterbahnen angelötet werden.
Bei dem Lötvorgang ist darauf zu achten, dass die Glasscheibe samt Farbaufdruck, Haftschicht und Kupferschicht langsam erwärmt werden, damit keine Zerstörung beziehungsweise kein Reißen der Glasplatte aufgrund der Temperaturbelastung auftritt.
Die kapazitive Tastatureinrichtung gemäß der Erfindung kann vorzugsweise in unterschiedlichen Tastaturfeldern, wie zum Beispiel Mikrowellenherde, Kochplattenbedienfelder, Lichtschalter, Zugangskontrollsystemen etc. eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße kapazitive Tastatureinrichtung und das Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung wird nachfolgend im Zusammenhang mit vier Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Tastatureinrichtung in Form einer Bedientastatur mit zehn Ziffernelementen und weiteren vier Buchstabenelementen in Draufsicht und Seitenansicht,
Fig. 2 ein erster Herstellschritt zur Herstellung einer solchen Tastatureinrichtung,
Fig. 3 ein nachfolgender Herstellschritt der Anordnung von Fig. 2, und
Fig. 4 ein weiterer nachfolgender Herstellschritt.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In Fig. 1 ist links in Draufsicht die erfindungsgemäße kapazitive Tastatureinrichtung anhand eines zehn Ziffern und zwei Buchstaben sowie zwei Zeichenelemente enthaltenen Bedienfeldes dargestellt.
Die Anordnung verfügt über eine vorzugsweise hitzebeständige frontseitige Glasscheibe 1, auf deren Rückseite eine Farbschicht 3 aufgebracht ist. Die Farbschicht 3 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel wie die Glasscheibe 1 eine rechteckförmige Außenkontur auf, ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch etwas kleiner als die Umrandung der Glasscheibe 1 gewählt. Die Farbschicht 3 kann, wie dargestellt, ähnlich einer Tastatur eines Telefons die Ziffern 1 bis 0 und die Zeichenelemente # * aufweisen. Zusätzlich sind im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zwei dreieckförmig gestaltete Buchstabentasten 3x, 3y vorgesehen. Der Farbaufdruck kann beispielsweise so sein, dass die einzelnen Tastenelemente 3a bis 3z rot gestaltet sind mit schwarzem Aufdruck der einzelnen Ziffern beziehungsweise Buchstaben beziehungsweise Figuren, während der verbleibende Bereich beispielsweise weiß gehalten ist. Allerdings sind beliebige Farbkonstellationen hier möglich.
Das Bedrucken der Glasscheibe 1 erfolgt vorzugsweise mittels Siebdrucktechnik. Andere Bedruckungstechniken sind ebenfalls möglich. Sofern die Rückseite der Glasscheibe 1 zu glatt für einen Farbaufdruck ist, wird die Rückseite der Glasscheibe 3 aufgerauht, um die Haftung der Farbschicht 3 zu erhöhen. Dieses Aufrauhen kann chemisch durch Anätzen oder mechanisch durch Mattieren erfolgen. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass die Farbschicht 3 gut auf der Rückseite der Glasscheibe 1 haftet.
Die Rückseite der Farbschicht 3, also die der Glasscheibe 1 abgewandte Fläche der Farbschicht 3 wird vorzugsweise ebenfalls aufgerauht, um die nachfolgend aufzubringende Schicht besser haften zu lassen. Dieser Aufrauhvorgang kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die rückseitige Fläche der Farbschicht 3 mit Bimsmehl geschliffen wird.
Auf diese vorzugsweise aufgerauhte Farbschicht 3 wird mittels Siebdruck ein Haftmittel, vorzugsweise ein APLD-Harz, wie es aus der EP 858725 B1 bekannt ist, aufgetragen. Das Aufbringen dieser Haftschicht, die vorzugsweise eine Harzschicht ist, erfolgt bei Raumtemperatur in einem klimatisierten und staubentsorgten Raum. Nach dem erfolgten Aufbringen wird diese Harzschicht getrocknet. Vorzugsweise werden die hierbei mit dem Harz beschichteten Glasplatten über ein Förderband in eine Lichtbestrahlungskammer, die ultraviolettes Licht ausstrahlt, geschickt. Der dabei zurückgelegte Verfahrweg der Glasscheiben sollte vorzugsweise mehrere Minuten, zum Beispiel zwölf Minuten dauern, damit das Harz ausdünsten kann. Die UV-Lichtbestrahlung erfolgt in einer Bestrahlungskammer bei etwa 60 Grad Celsius.
In Fig. 2 ist die Glasscheibe 1 mit aufgedruckter Farbschicht 3 und anschließend aufgebrachter Harzschicht 5a dargestellt.
Im Unterschied zu Fig. 1 ist die Harzschicht mit dem Bezugszeichen 5a bezeichnet, weil auf diese Harzschicht 5a, die eine erste Teilschicht bildet, eine weitere Harzschicht 5b (vergleiche Fig. 3) aufgebracht wird.
Diese weitere Harzschicht 5b bildet mit einer darüberliegenden Leiterbahnenschicht 7, zum Beispiel eine Kupferschicht, eine vorgefertigte Einheit und wird mittels Laminiertechnik auf die untere Teilschicht 5a auflaminiert. Das Auflaminieren erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur > etwa 100 Grad Celsius und < etwa 130 Grad Celsius. Vor dem Auflaminieren dieser aus der zweiten Teilschicht 5b und der Kupferschicht 7 bestehenden Doppelschicht wird die Glasscheibe 1 samt aufgebrachten Farbdruck 3 und erster Teilschicht 5a vorgewärmt auf ca. 50 bis 60 Grad Celsius.
Dieser Auflaminiervorgang der aus den Schichten 5b und 7 bestehenden Doppelschicht auf die erste Teilschicht 5a ist auch aus der bereits erwähnten EP 858725 B1 bekannt. Insoweit wird zum Zwecke der Offenbarung ausdrücklich auf dieses Dokument Bezug genommen. Dort wird allerdings weder eine Glasscheibe noch eine Farbschicht mit einer Haftschicht in Verbindung gebracht.
Im nächsten Schritt (vergleiche Fig. 4) wird die Leiterbahnenschicht 7 in konventioneller Weise strukturiert, um einzelne Leiterbahnen und/oder Sensorelektroden oder dergleichen zu bilden. Die Strukturierung erfolgt mittels Fototechnik oder Siebdrucktechnik und anschließendem Ätzvorgang. Nach dem Ätzen der Leiterbahnenschicht 7 wird bevorzugt ein Lötstopplack 9 auf die geätzten Leiterbahnen und/oder Sensorelektroden mittels Siebdruck und/oder Fotostrukturierung aufgetragen. Anschließend werden die freien Leiterflächen lötfähig gehalten, was beispielsweise mittels einem bekannten chemischen SN-Verfahren geschehen kann.
Es hat sich herausgestellt, dass bei einem anschließenden Bestücken dieser Leiterbahnen mittels bekannter Löttechnik darauf geachtet werden muss, dass die Glasscheibe 1 nicht zu Bruch geht aufgrund der hohen Temperaturbelastung. Zur Vermeidung dieses Problems und zum Schutz der Glasplatte 1 wird vorzugsweise die gesamte Sandwichanordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, vorgewärmt, so dass die Temperaturbelastung beim Lötvorgang auf ein Minimum reduziert wird.
In der Seitenansicht von Fig. 1 ist die fertig bestückte Anordnung dargestellt. Zur Verdeutlichung sind hier Bauelemente 20 auf die entsprechenden Lötpunkte der Leiterbahnenschicht 9 aufgelötet gezeichnet. Darüber hinaus ist auch ein Steckverbinder 22 dargestellt, der unmittelbar auf die Leiterbahnenschicht 9 aufgelötet sein kann, so dass externe Schaltungskomponenten an diesen Steckverbinder angeschlossen werden können. Bezugszeichenliste 1 Transparente Frontplatte, Glasscheibe
3 Farbaufdruck, Farbschicht
3a. .3z Tastaturelemente
5 Haftschicht, Harzschicht
5a Erste Haftteilschicht
5b Zweite Haftteilschicht
7 Leiterbahnenschicht
9 Lötstopplackschicht
20 Elektrische Bauelemente
22 Steckverbinder

Claims

1. Kapazitive Tastatureinrichtung mit einer transparenten Frontplatte (1), auf deren rückseitigen Fläche eine Tastaturbeschriftung (3) mit mindestens einem Tastenelement (3a, 3b. . .3z) angeordnet ist, wobei auf der der Frontplatte (1) abgewandten Fläche der Tastaturbeschriftung (3) den Tastenelementen zugeordnete Sensorelektroden (8) einer kapazitiven Schaltungsansordnung sitzen zur Aufnahme einer Kapazitätsänderung bei Betastung eines jeweiligen Tastenelementes (3a, 3b. . .3z), dadurch gekennzeichnet, dass die Tastaturbeschriftung (3) als Farbauftrag unmittelbar auf die Rückseite der transparenten Frontplatte (1) aufgedruckt ist, dass auf dem Farbauftrag eine Haftschicht (5) sitzt, und dass auf dieser Haftschicht (5) eine die Sensorelektroden (8) beinhaltende, strukurierte Leiterbahnenschicht (7) haftet, welche von elektrischen Bauelementen (20) und/oder Steckverbindern (22) der kapazitiven Schaltungsanordnung kontaktierbar ist.

2. Kapazitive Tastatureinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Frontscheibe (1) auf ihrer Rückseite aufgerauht ist zur Erhöhung einer besseren Haftung des Farbaufdrucks (3).

3. Kapazitive Tastatureinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Frontplatte (1) eine Glasscheibe ist.

4. Kapazitive Tastatureinrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe auf ihrer Rückseite angeätzt oder mattiert ist.

5. Kapazitive Tastatureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbauftrag (3) rückseitig eine aufgerauhte Oberfläche aufweist zur Erhöhung der Haftung der aufgebrachten Haftschicht.

6. Kapazitive Tastatureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (3) eine Harzschicht ist.

7. Kapazitive Tastatureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht zweilagig auf den Farbauftrug (3) aufgebracht ist.

8. Kapazitive Tastatureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnenschicht (7) eine Kupferschicht ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Tastatureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende hintereinander stattfindende Verfahrensschritte:

- Bereitstellen einer transparenten Frontplatte (1);

- Aufbringen eines ein Tastaturdesign darstellenden Farbaufdruckes bzw. Farbschicht (3) auf die Rückseite der Frontplatte (1);

- Aufbringen einer Haftschicht (5) auf den Farbaufdruck (3);

- Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht (7) auf die Haftschicht (5)

- Strukturierung der elektrisch leitenden Schicht (7) ent sprechend von einer kapazitiven Schaltungsansordnung not wendigen Sensorelektroden und Leiterbahnen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als transparente Frontplatte (1) eine Glasplatte bereitgestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasplatte auf ihrer Rückseite aufgerauht wird, bevor der Farbaufdruck (3) aufgetragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauhen der Glasplatte durch chemische Ätzung oder mechanische Mattierung der Glasplatte erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Fläche des Farbaufdruckes (3) aufgerauht wird, bevor die Haftschicht (5) aufgetragen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufrauhen des Farbaufdruckes (3) die freie Fläche des Farbaufdruckes mit Bimsmehl geschliffen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) eine Harzschicht ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzschicht in zwei übereinanderliegenden Teilschichten nacheinander aufgebracht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilschicht (5a) der Harzschicht (5) mittels Siebdruck auf den Farbdruck bzw. die Farbschicht (3) aufgebracht wird, wobei das Aufbringen bei Raumtemperatur in einem klimatisierten und staubentsorgten Raum erfolgt und nach dem Aufbringen dieser Teilschicht (5a) ein Austrocknungsvorgang durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrocknungsvorgang mittels ultraviolettem Licht bei etwa 60°C für eine Dauer von ca. 5 bis 15 Minuten, vorzugsweise 12 Minuten, erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilschicht (5b) der Harzschicht (5) zusammen mit der Leiterbahnenschicht (7) auf die erste Teilschicht (5a) auflaminiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflaminieren bei einer Temperatur von > etwa 110°C und < etwa 130°C erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auflaminieren die transparente Frontplatte (1) mit aufgebrachtem Farbdruck (3) sowie erster Teilschicht (5a) auf etwa 50 bis 60°C vorgewärmt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnschicht (7) als Kupferfolienschicht ausgebildet ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnenschicht (7) mittels Fototechnik und/oder Siebdruck strukturiert wird zum Erhalt von Sensorelektroden und/oder Leiterbahnen.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen und/oder Sensorelektroden entsprechend der Fotostrukturierung oder Siebdruckstrukturierung geätzt werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lötstopplackschicht (9) auf die strukturierte Leiterbahnenschicht (7) aufgebracht wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Leiterbahnen lötfähig gehalten werden, in dem vorzugsweise ein chemisches Sn-Verfahren durchgeführt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestücken der strukturierten Leiterbahnenschicht (7) mittels Lötvorgang die transparente Frontplatte (1) zusammen mit den aufgebrachten, diversen Schichten unter Vermeidung eines Temperaturschocks langsam erwärmt wird.