DE3146152A1

DE3146152A1 - Optoelektrisches tastenfeld

Info

Publication number: DE3146152A1
Application number: DE19813146152
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Kfm. Dr. 7100 Heilbronn Haag; Günter Dipl.-Phys. Dr. 7000 Stuttgart Haag
Original assignee: Individual
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1981-11-21
Filing date: 1981-11-21
Publication date: 1983-06-01
Also published as: DE3146152C2

Description

OPTOELEKTRONISCHES TASTENFELD
Bezeichnung/Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tastenfeld, aufgebaut auf optoelektronischer Basis, wobei Sensoren , welche unterhalbe des Tastenfeldes angeordnet sind, auf Veränderungen des Photonenfeldes reagieren und Schaltvorgänge auslösen. Die Veränderungen des Photonenfeldes können z.B. hervorgerufen werden durch Veränderungen der optischen Verhältnisse auf der Oberseite des optoelektronischen Tastenfeldes, z.B. durch Änderung des Reflexions- und/oder Absorptionsverhaltens oder durch das Eindrücken einer Taste. Die Tasten können beliebige Schaltvorgänge auslösen. Ein Computer- Terminal, eine Schreibmaschine oder ein Sensorfeld zur Mustererkennung, als auch Schalter jeglicher Art können damit aufgebaut werden.
Stand der Technik Bekannt sind Schalter und Tastenfelder der verschiendensten Art, wie z.B.
1. Druckschalter - oder Drucktasten. Hierbei wird auf mechanische Art ein Druckknopf, Schalter, Taste, Stift oder ein sonstiges Element gedrückt und ein Schaltvorgang ausgelöst.
Beispiele hierfür sind Typenhebelmaschine, Tastaturen für Rechner, Schalter für Maschinen, Lichtschalter usw.
2. Touch- Control- Schalter. Hierbei wird durch Berühren eines Sensorfeldes ein Schaltvorgang ausgelöst. Die Arbeitsweise dieser Touch- Control- Schalter erfolgt auf a) piezoelektrischer Basis b) induktiver Basis c) kapazitiver Basis Schaltzeit und Zuverlässigkeit dieser Schalter ist zur Zeit für viele Anwendungen unbefriedigend. Ebenso sind Fehlschaltungen leicht möglich.Je nach Ausführung werden Schaltvorgänge nicht bei allen auf die Sensorfelder aufgebrachten Materialien und/oder Anpressdrucken erzielt.
Dieser Nachteil verhindert einen Einsatz in der Prozesssteuerung. oder Mustererkennung. Auch ist der Platzbedarf der Touch- Control- Schalter sehr groß.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative zu den bisher bekannten Tastaturen und Schaltern zu entwickeln und das Anwendungsspektrum in die Bereiche z.B. der ProzeßsteuerungundMustererkennung zu erweitern. Dabei soll insbesondere Wert auf das Erreichen schneller Schaltzeiten, eine Verringerung von Fehlschaltungen und eine lange Lebensdauer der Tastatur gelegt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Tastenfeldes soll der Aufbau von Ein-Ausgabegeräten ( Terminals ) , z.B. für Rechenanlagen unter Verzicht auf jegliche Art von Mechanik ermöglicht werden. Auch soll das optoelektronische Tastenfeld eine direkte optische Datenverarbeitung ermöglichen. Weitere Anwendungsgebiete sind denkbar dnd möglich, sollen hier jedoch nicht im einzelnen ausgeführt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensoren optoelektronischer Art sind und entsprechend der gewünschten Verwendung kombiniert und ausgeführt werden.Diese Sensoren sprechen auf Veränderungen des Photonenfeldes an. Eine nachgeschaltete Auswerteeinheit bewirkt einen Schaltvorgang, wenn die Änderungen des Photonenfeldes bestimmte Schwellwerte oder Grenzwert erreichen oder überschreiten.
In der vorliegenden Beschreibung ist stets von Licht die Rede.
Der Ausdruck Licht ist in diesem Zusammenhang als Sammelbegriff für elektromagnetische Strahlung beliebigerArt zu verstehen, d.h. für das optoelektronische Tastenfeld kann elektromagnetische Strahlung beliebiger dem jeweiligen Problem angepaßter Wellenlänge, Verwendung finden.
Das Photonenfeld, dessen Änderungen zur Auslösung eines Schaltvorganges herangezogen wird, kann z.B. durch einen Lichtsender erzeugt werden. Insbesondere eignenr.sich im infraroten arbeitenc Leuchtdioden hierzu. Als Sensoren eignen sich z.B. Photodioden oder Phototransistoren. Auch kann das durch die Wärmestrahlung eines Körpers bedingte Photonenfeld direkt in zugehörigen Sen- soren nachgewiesenY Veränderungen der empfangenen lokalen Wärmestrahlung für Schaltzwecke ausgenützt werden. Als Sensoren werden dann z.B. temperaturabhängige Widerstände verwendet.
Ebenso ist es möglich, das optische Signal über einen Lichtleiter beliebiger Art zur optoelektronischen Sende- und Empfangseinheit zu leiten. Damit können die elektronischen Bauelemente räumlich getrennt vom Tastenfeld angeordnet werden. Es ist daher auch möglich, die Elektronik thermisch zu isolieren, so daß das Tastenfeld auch unter extremen Umweltbedingungen eingesetzt werden kann. Auch eine direkte Weiterverarbeitung der optischen Signale ist denkbar und möglich. Die Lichtleiter können für einen oder mehrere Sensoren zu einer Einheit zusammengefaßt werden.
Es ist auch möglich, Sendeimpuls- und Empfangsimpuls durch einen gemeinsamen Lichtleiter zu übertragen.
Da die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Tastenfeldes keine mechanischen Kontakte enthält und daher auch keine durch die Schaltvorgänge bedingten Zündfunken entstehen, wird die Lebensdauer des Tastenfeldes allein durch die elektronischen Bauelemente begrenzt. Die Minimierung der aufwendigen mechanischen Teile an diesen Geräten ist ein besonderer Vorteil des beschriebenen Tastenfeldes. Das Tastenfeld ist sehr einfach von Schmutz zu säubern. Staub kann nicht mehr über die einzelnen Tasten ins Innere der Maschine oder Konsole usw. eindringen. Witterung und Staub können auch bei mechanischen Schaltern aller Art die Haltbarkeit und Einsatzmöglichkeiten begrenzen.
Möglich ist es ebenfallS,das Tastenfeld in Fällen einzusetzen, wo andere Schalter nicht verwendbar sind; ein winziger Kontaktpunkt genügt zur Auslösung des Schaltvorganges, wobei die Auswerteinheit so eingestellt werden kann, daß sie auch bei Annäherung und nicht nur bei direkter Berührung anspricht. Beispielhaft kann durch eine entsprechende Matrix von Sensorpunkten die Form und Lage eines Gegenstandes bestimmt werden und diese- Information zur Stellerung/Regelung ausgenützt werden, etwa im Rahmen eines industriellen Produktionsprozesses. Sämtliche Lichtsender können über einen gemeinsamen Impuls generator angesteuert werden. Die Signale der Lichtenpfänger werden zweckmäßigerweise in getrennten Auswerteeinheiten aufgearbeitet.
Es ist auch erfindungsgemäß möglich, den Schaltzustand ( Ein/Au einer einzelnen Taste des Tastenfeldes bei der jeweiligen Taste direkt zur Anzeige zu bringen. Auch kann die Tastatur von unten beleuchtet werden, zoBo durch den optischen Sensor, so daß ein einfaches arbeiten in abgedunkelten Räumen erreicht wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 - 6 der beigefügten Zeichnungen in ihrem Aufbau, ihrer Wirkung und Anwendung näher beispielhaft erläutert.
Dabei zeigen im einzelnen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Tastenfeldes, wobei Veränderungen der optischen Verhältnisse auf der Oberseite des Tastenfeldes zur Auslösung des Schaltvorganges ausgenützt werden; Fig 2 ein Ausführungsbeispiel des Tastenfeldes, wobei Veränderungen des Photonenfeldes infolge Abstandsveränderungen zwischen Sensor und Taste ausgenützt werden; Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Tastenfeldes unter ausschließlicher Verwendung von Lichtleitern; Fig.4 ein Ausführungsbeispiel einer einzelnen Taste 5 eines Tastenfeldes, welche mit einer optischen Anzeige des Schaltzustandes ausgerüstet ist; Fig.5 eine Prinzipanordnung eines Tastenfeldes, bestehend aus mehreren optoelektronischen Tasteg; Fig.6 ein Prinzipaufbau eines Tastenfeldes, welches Veränderungen der empfangenen lokalen Wärme strahlung für Schaltzwecke benützt.
In Figur 1 ist mit 1 eine Abdeckung des Tastenfeldes bezeichnet, welche Vertiefungen 10 enthält, unterhalb deren die optoelektronischen Reflexkoppelelemente 3 angeordnet sind. Diese Reflexkoppelelemente 3 sind auf eine transparente Platte 2 auf gebracht. Die Vertiefungen 10 enthalten Kontaktpunkte 11 und entsprechen in ihrer Wirkungsweise den Tasten eines üblichen Tastenfeldes. Ein Reflexkoppelelement 3 besteht aus einem Lichtsender 4 und einem Lichtempfänger 5. Die Lichtsender 4 werden über einen gemeinsamen Impulsgenerator 6 betrieben wobei die Modulationsfrequenz des Lichtes so gewählt werden muß, daß die üblichen sich im Raume befindlichen Lichtquellen keinen Einfluß auf den Schaitzustand haben. Die Signale der Lichtempfänger 5 werden einer Auswerteeinheit mit Schwellwertschalter 7,8 zugeführt. Die vom Lichtsender 4 ausgehenden Lichtimpulse durchdringen die transparente Platte 2 und werden an deren Oberfläche teilweise reflektiert. Nähert man sich nun mit einem Finger 9 dem Kontaktpunkt 11 in der Vertiefung 10, so ändern sich die optischen Verhältnisse auf der Oberseite des Tastenfeldes und damit auch das Signal am Lichtempfänger 5. Die Schwellwertschalter der Auswerteinheit sind nun so eingestellt, daß erst bei Erreichen eines bestimmten Mindestabstandes zwischen Finger 9 und transparenter Platte 2 oder bei einem leichten Andrücken des Fingers 9 auf die transparente Platte 2 ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Entsprechend Fig.1 löst die Auswerteeinheit 7 einen Schaltvorgang aus, während die Auswerteeinheit 8 hier nicht anspricht.
Die Abdeckung des Tastenfeldes 1 kann auch aus elastischem Material ausgeführt werden, bzw. zu diesm Zweck aus mehreren Schichten aufgebaut sein, so daß ein Schaltvorgang erst bei einer elastischen Verformung der Abdeckung in der Nähe des entsprechenden Kontaktpunktes 11 ausgelöst wird. Das Reflexkoppelelement 3 kann auch aus diskreten Bauelementen, d.h. einer Sendediode- und einer Empfangsdiode, Phototransistor usw auf gebaut werden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Tastenfeldes dargestellt, wobei Veränderungen des Photonenfeldes infolge einer Abstandsänderung, wie sie z.B. durch das Eindrücken der Taste 23 gegenüber der Taste 20 entstehen, ausgewertet werden. Hier ist mit 13 die transparente Platte bezeichnet, auf welche eine Abdeckung 19 mit darin integrierten Schaltern 20,23 aufgebracht ist. Diese Abdeckung 19 wird vorzugsweise nicht transparent ausgeführt. Unterhalb der transparenten Platte 13 sind die Reflexkoppelelemente 12 angebracht. Die Lichtsender 17 werden hier beispielsweise über einen gemeinsamen Impulsgenerator 16 betrieben. Die Signale der Lichtempfänger 18 werden in den Auswerteschaltungen 14t15 weiterverarbeitet. Das vom Lichtsender 17 ausgesandte Licht durchdringt die transparente Platte 13 und gelangt nach Reflexion an einer sich auf der Innenseite der Taste befindlichen reflektierenden Schicht 21 zum Lichtempfänger 18. Drückt man nun beispielhaft mit einem Finger 22 die Taste ein, etwa die Taste 23, so ändert sich der auf den Lichtempfänger 18 auftreffende Photonenstrom in seiner Intensität.
Diese Intensitätsänderung wird nun als Schaltkriterium ausgewertet. Dabei sind die Schwellwertschalter der Auswerteinheiten 14,15 so eingestellt, daß erst beim Erreichen des Abstandes d, entsprechend Taste 23 und nicht beim Abstand a, entsprechend Taste 20, ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Die Auswerteeinheiten 14,15 können sehr empfindlich eingestellt werden, falls dies wünschenswert erscheint,so daß bereits ein sehr leichter Druck genügt, einen Schaltvorgang auszulösen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel ( Fig. ,), kein Umgebungslicht, wie etwa durch Fremdlichtquellen, zusätzlich zum von dem Lichtsender 17 emittierten Licht, auf die Lichtempfänger 18 auftrifft, wird erfindungsgemäß hier ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis erzielt. Dies vereinfacht den elektronischen Aufbau der Auswerteinheiten 14,15.
Das Reflexkoppelelemen @@i@ @is@ elheft bei Taste 23 unterhalb der Platte 25 angebracht. @@ @cht transparent ausgeführt ist und eins Eoh@@@@ durch welche das Licht direkt auf die refle@@i@re @@ @@ gelangt und von dort zum Lichtempfänger 18. D@ @der @@@@@exion des Lichtes an der Oberfläche der eranspan@@ @@ @e 13 entfällt, ist das Signal/Rausch- Verhäl@nis diese @s @hrungsbeispiels gemäß Taste 23 noch besser aq.
In Figur 3 ist mit 31 eine Pla @ bszeichnet, welche Bohrungen oder sonstige Ausnebrrungs @ch die Lichtleiter an die Innenseite der Taster 35,36 @@@ g@@@hre werden. Die Tasten 35,36 sind hier wiederum in @@@ @x@@g 32 integriert.
Das vom Impulsgenerator mi @@ @@e@@e Lö ausgesandte Licht gelangt über die Lien@si@e. @ @@@ Reflexion an der reflektierenden Schicht 33 @@ die @er 37 und wird durhc diese zu den Auswerteeinheiten @@ @@g @@@@ welche mit Lichtempfängern ausgestattet sind. @ert @@@nigen in der Intensität des empfangenen Lichts, wie sis @ch Eindrücken einer Taste hervorgerufen werden, werde @@ @@ @es@immten Größe, für Schaltzwecke ausgenütr@@ Um eine dauerhafte Funktions er einzelnen Tasten sicherzustellen, wures ge@@@ @@ @@ ste 35 mit einer Feder ausgestattet.
Taste 36 gemäß Fig, 3 zeig@@@ @elle erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Taste de, @@@ @@emischen Tastenfeldes, welche einen Steg 37 ent @@@ @@ eingedrückten Zustand der Taste 36 kein Lich@ über @@ @@leiter 26 in den Lichtleiter 27 eingekoppelt @@i@@ @@@@ des besonderen Vorteil, daß man bei den Auswerteein@siben @ 30 a@ 30 auf sine Analogauswertung verzichten kann, wo@@d eine de @@@ @ee@ektronik vereinfacht.
Eine direkte optische Dalex@vel@ @beitung kann bei dieser Auslegung des Tastenfeldes ob@@ @s erfolgen.
Auch weitere korstruktive @@sg@@ @ @ungen der Tasten des erfindungsgemäßen Tastenfeldes si d @ @ @@r und möglich, sollen hier jedoch im einzelnen ni@@ @@@ werden.
Das beschiebene Verfahren ist auch bei konventionellen Tasten anwendbar, welche auf der Innenseite reflektierend ausgebildet sind und unterhalb denen sich die Reflexkoppelelemente bzw.
Lichtleiter befinden.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer einzelnen Taste 38 des Tastenfeldes, welche mit einer optischen Anzeige 45 des Schältzustandes ausgerüstet ist. Der Lichtsender 42 wird mit dem Impulsgenerator 41 angesteuert. Das vom Lichtsender 42 ausgesandte Licht wird bei Annäherung eines Gegenstandes oder Fingers auf die Taste 38 vermehrt auf den Lichtempfänger 43 reflektiert.Erreicht das Signal am Lichtempfänger 43 einen bestimmte ten Wert, bewirkt die nachgeschaltete Auswertelektronik 44 einen Schaltvorgang. Gleichzeitig mit diesem Schaltvorgang steuert die Auswertelektronik 44 einen weiteren Lichtsender 45 an, der im sichtbaren Bereich arbeitet und die Aufgabe besitzt, optisch den momentanen Schaltzustand wiederzugeben.
Die Lichtsender 42-,45 und der Lichtempfänger 43 sind hier beispielhaft zu einer Einheit 47 zusammengefaßt. Diese Einheit 47 befindet sich unterhalb der transparenten Platte 40, auf welche die Abdeckung 39 des Tastenfeldes aufgebracht ist. Die eine Auslösung des Schaltvorganges bewirkende Kontaktfläche'ist mit 46 bezeichnet.
In Figur 5 ist eine Prinzipanordnung eines Tastenfeldes 48, bestehend aus mehreren Tasten 49 - 57 dargestellt. Die Lichtsendei 59 - 67 werden durch den gemeinsamen Impulsgenerator 58 gleichzeitig angesteuert. Die Signale der einzelnen Lichtempfänger 68 - 76 werden einer Auswerteelektronik 77 zugeführt. Wird nun irgendeine der Tasten 49 - 57 gedrückt, bzw. berührt, so erfolgt ein entsprechender Schaltvorgang in der zu schaltenden bzw. anzusteuernden Einheit 78.
In Figur 6 ist ein Prinzip@@@@ eines Tastenfelds dargestellt, das Veränderungen der empfange@@@ @oka@en @rmestrahlung für Schaltzwecke ausnützt. Die @e@@@@@@@@@@mpfindlichen Sensoren 83,84 sind in gutem Wärmekonoa @@ eine Schicht 79 eingebracht, die sich durch eine gute Vä@@ele@ix auszeichnet, z.B. eine Aluminiumplatte. Auf diese Sch@ @@ @9 ist eine Abdeckung 80 aufgebracht, welche an des S@@@ @ den Sensoren 83,84 Vertiefungen 81,82 enthält, die als @@@ @ wirken. Aus Stabilitätsgründen ist die Schicht 79 auf d @@ Platte 87 aufgebracht.
Diese Platte 87 kann bei en@sp@@ @der Dimensionierung der Schicht 79 und Abdeckung 20 auch @fallen Die Sensoren 83,84 sind mit den Auswerteeinhei@er @@ verbunden. Nähert sich nun z.B. ein Finger 88 der a@ 22, so ändert sich die Temperatur des Sensors 84. Diese @@@@ @uränderung und/oder die Änderungsgeschwindigkeit des Ter@@eratur des Sensors 84, wird in@ der nachfolgenden Auswer@eel@k@ronik 86 als Schaltkriterium ausgewertet Die ££-um»-gabe der gu ärmeleitenden Schicht 79 ist es, bei Entfernen des Fingers 79 or der Taste 82, die Temperatur des Sensors 84 möglichse sck@e@l wieder auf den ursprünglichen Zustand zurückzufü@@er

Claims

PATENTANSPRÜCHE DOptoelektronisches Tastenfeld, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Sensoren, welche auf Veränderungen des Photonenfeldes, welches durch Körperstrahlung oder eine Lichtquelle hervorgerufen wird, reagieren und in einer nachgeschal teten Auswenteeinheit einen Schaltvorgang bewirken, falls die Veränderungen des Photonenfeldes bestimmte Grenzen überschreiten.
2. Optoelektronisches Tastenfeld nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Veränderungen des Photonenfeldes durch Änderung der optischen Verhältnisse des optoelektronischen Tastenfeldes, etwa durch Änderung des Reflexions-und/oder Absorptionsverhaltens entstehen.
3. Optoelektronisches Tastenfeld. nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Veränderungen des Photonenfeldes durch mechanische Verformung des Tastenfeldes, etwa durch Eindrücken einer Taste hervorgerufen wird.
4. Optoelektronisches Tastenfeld nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tastenfeld aus temperaturempfindlichen Sensoren aufgebaut ist, welche auf Veränderungen der lokalen empfangenen Wärmestrahlung reagieren und Temperaturänderungen und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur als Schaltkriterium verwenden.
5. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 4 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoren in Vertiefungen des Tastenfeldes angeordnet sind, wobei dieses Tastenfeld aus einer transparenten Platte bestehen kann, oder einer Kombination verschiedener Schichten mit unterschiedlichen mechanischen und optischen Eigenschaften, so daß auch elastische Verformungen, z.B. in der Umgebung der Vertiefungen ermöglicht werden.
6. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 4 , d a -d u r c-h .g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoren unterhalb von Tasten des Tastenfeldes angeordnet sind, welche eingedrückt und/oder mechanisch verformt werden können, wobei an der Innenseite der Tasten eine reflektierende oder absorbierende Schicht aufgebracht ist.
7. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 6 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Lichtleiter und Glasfaseroptik verwendet werden, wobei an der Innenseite der Taste ein Steg angeordnet ist, welcher beim Eindrücken der Taste den Photonenstrom unterbricht und daher auch eine Digitalauswertung ermöglicht mit direkter optischer Datenweiterverarbeitung.
8. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 7 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Kombination von Sensoren in beliebiger Art ein Feld entsteht, das die Lage von Gegenständen auf/in diesem Feld anzeigt und eine automatische Steuerung/Veränderung der Lage dieser Gegenstände durch Vorrichtungen aller Art ermöglicht wird.
9. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 8 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sensoren zeitverzögert ansprechen.
10. Optoelektronisches Tastenfeld nach Ansprüchen 1 - 9 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vertiefungen und/oder Tasten des optoelektronischen Tastenfeldes mit einer optischen Anzeige des Schaltzustandes versehen sind und das Tastenfeld gebildet wird durch Reflexkoppelelemente spezieller Art, welche zusätzlich eine oder mehrere Sendedioden enthalten, die überwiegend im sichtbaren Bereich des Spektrums emittieren und zur optischen Anzeige des Schaltzustandes dienen.