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Berührungsschaltfeld für einen Bildschirm
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Die Erfindung betrifft ein sensitives, transparentes Berührungsschaltfeld
an Bildschirmen.
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Neben den längst standardisierten Eingabeelementen, wie Tastatur,
Rollkugel, Graphiktableau usw. gewinnt der berühungssensitive Bildschirm, auch unter
dem Begriff "Touch Panel" bekannt, zur interaktiven Bedienerführung immer größere
Bedeutung. Die wachsende Zahl rechnergestützter Prozesse mit immer komfortableren
und daher auch zunehmend aufwendigeren Softwareprogrammen, verlangt nach benutzerfreundlichen
Eingabemedien. Ein berührungsempfindlicher Bilschirm bietet hier die Möglichkeit
einer "Tastatur mit wechselnder Beschriftung". Anwendungsorientierte Menuefelder
auf dem Bildschirm strukturieren den Programmablauf, steigern die Übersichtigkeit
und verhindern Fehlbedienungen.
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Auf einem derartigen Bildschirm können demnach in beliebiger Anzahl
und Anordnung Berührungsfelder mit wechselnder Bedeutung dargestellt werden, zur
Eingabe oder Abfrage von Daten und/oder Befehlen. Dabei werden vom Bildschirm die
Konturen jeder einzelnen Berührungsfläche und deren Bedeutung (entsprechend einer
Taste) dargestellt, so daß der Bediener auf dem darüber befindlichen Berührungsschaltfeld
das gewünschte Feld berühren kann und somit einen ganz
bestimmten
Befehl bewirkt. Für die Erkennung, welches Feld im Eiild#c1ijrm bzw. innerhalb des
Schaltfeldes von Bediener berührt wurde, sind unterschiedliche Ausführungsformen
bekannt.
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So sind beispielsweise in der Umrahmung eines Bildschirmes Infrarotsender
und -empfänger oder auch Ultraschalldetektoren gegenüberliegend angeordnet, so daß
bei Berührung einer bestimmten Fläche innerhalb des Bildschirmes die entsprechenden
XY-Koordinaten erkannt und als Befehl ausgewertet werden können.
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Beide Ausführungsarten sind aber sehr anfällig gegen Verschmutzung
und auch sehr teuer.
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In anderen bekannten Anordnungen, bei denen zwei elektrisch leitende
Folien eine Membran bilden, wird der elektrische Widerstand der Folien ausgewertet.
Bei dieser Anordnung hat sich als nachteilig herausgestellt, daß der elektrische
Kontakt zwischen den Folien und den Elektroden relativ unzuverlässig ist und somit
ein "Weglaufen" der eingestellten Koordinaten bzw. ein merkliches Absinken der Linearität
zu verzeichnen ist. Diese Umstände haben eine hohe Ausfallquote zur Folge.
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Weitere berührungssensitive Bildschirme sind derart aufgebaut, daß
auf einem transparenten Träger, meist eine Glasplatte, beidseitig sich überlappende
leitende Flächen vorhanden sind und daß bei Berührung einer Fläche durch eine menschliche
Person eine kapazitive Änderung eines angelegten Potentials bewirkt wird. Diese
vorbeschriebene Ausführungsform ist beispielsweise durch die US-PS 4136 291 und
durch die US-PS 4230 967 bekannt. Insbesondere aus der US-PS 4230 967 ergibt sich,
daß vor einer Kathodenstrahlröhre ein transparentes Berührungsschaltfeld - wie vorstehend
erläutert -angeordnet ist. Diese Anordnung bedingt einen siebenschichtigen Aufbau
vor der Oberfläche der Kathodenstrahlröhre. Die dadurch auftretenden Lichtverluste
bedingen einen größeren Strahlstrom, der die Lebensdauer der CRT-Röhre verkürzt.
Der größere Strahlstrom und die Streuung durch die sieben Schichten vergrößern die
Unschärfe des Schriftbildes.
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Insbesondere ist hierbei weiterhin nachteilig, daß die dem Bediener
zugewandte Schicht auf dem transparenten Träger stromführend ist und nur durch 2
sehr dünne Schichten (Dielektrica, Antireflexschicht) gegen eine Berührung durch
den Bediener isoliert ist. Diese beiden äußeren Schichten dürfen deshalb nicht entfernt
werden, obwohl sie teilweise unnötig sind.
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Als weiterer Nachteil sei erwähnt, daß die Dielektrica-Schicht parasitäre
Kapazitäten erhöht.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Berührungsschaltfeld
der eingangs genannten Art für diverse Bildschirme zu schaffen, bei welchem die
kapazitiven Berührungsfelder auf einem transparenten Träger galvanisch von der Elektronik
getrennt angeordnet sein sollen, die Anzahl der Schichten auf dem Träger verringert
werden können und die elektrische Sicherheit für den Bediener erhöht wird.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Berührungsschaltfeldes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der vorteilhafte Aufbau eines erfindungsgemäßen Berührungsschaltfeldes
sieht demnach vor, daß die für die kapazitive Änderung notwendigen stromführenden
und transparenten Metallschichtfelder, welche eine einzelne Berührungsfläche repräsentieren,
ausschließlich
auf einer Seite, d. h. in einer gemeinsamen Ebene des transparenten Trägers anzuordnen,
wobei wiederuin diese Fläche dem Bediener nicht zugänglich ist.
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Oblicheinqeise wird diese Fläche bei der Anbringung auf der Vorderseite
eines Bildschirmes, beispielsweise mit der Vorderfläche einer Kathodenstrahlröhre,
verklebt oder mit minimalem Abstand zu einem beliebigen Bild schirm befestigt. Auf
der dem Bediener zugewandten Seite des transparenten Trägers sind lediglich die
separaten Berührungsfelder aufgebracht, welche die aut der Rückseite getrennt angeorneten,
jeweiligen Einspeisungs- und Abfragefelder, überdecken. Der Bediener ist damit galvanisch
absolut von den stromführenden Flächen des Berührungsfeldes getrennt und gesichert.
Ein derartiger Aufbau eines Berührungsschaltfeldes benötigt daher auch keine dielektrische
Schicht mehr.
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Die sich gegenüberliegenden oder überlappenden Flächen auf beiden
Seiten des Trägers dürfen aus Gründen der guten Transparenz nur wenige Atomschichten
dick sein.
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Als vorteilhafte Metallschicht zur Bildung des gewünschten Kondensatoreffektes
hat sich eine Beschichtung mit einer goldhaltigen Legierung#von etwa 0,1 Hm Dicke
als günstig erwiesen. Diese Legierungen sind auf hohe Temperaturen, Griffestigkeit,gute
chemische Resistenz und geringen elektischen Widerstand hin optimiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Berührungsschaltfeldes
ist die dem Bediener zugewandte Seite des Trägers mit einer Oberflächenmattierung
versehen, zur Vermeidung von Spiegelungen und Reflektionen.
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Dadurch entfällt die bisher übliche Antireflektionsschichtr die für
diesen Anwendungsfall sowieso weniger geeignet ist, da diese Schicht ihre refle?ktionsmincdernden
Eigenschaften durch Hautkontakt verliert (Handschweiß verursacht glänzende FincJerabdrücke)
Es ist erkennbar, daß ein erfindungsgemäßes Schaltfeld nur unwesentlich dicker ist
als der transparente Träger.
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Dadurch ergibt sich ein überaus flacher Aufbau, welcher somit an der
Frontseite eines beliebigen Bildschirmes befestigbar ist. Die Form und Größe von
Bildschirmen ist hierbei gleichgültig, auch ob es sich um eine gewölbte Frontscheibe
oder um einen planebenen Bildschirm handelt.
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Er;Yähnt sei noch, daß der Träger des Berührungsschaltfeldes auch
als zusätzlicher Druckschirm, z. B. Implusionsschutzschirm wirken kann.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine Trägerplatte mit den Einspeisungs- und Abfragefeldern
Fig. 2 das Prinzip der Erfindung Fig. 3 die Trägerplatte nach Fig. 1, mit den Berührungsschaltfeldern
Fig. 4 das Prinzip der Feldschaltung Fig. 5 ein Blockschaltbild der entsprechenden
elektronischen Ansteuerung und Auswertung Fig. 6a-b ein erfindungsgemäßes Berührungsschaltfeld
vor dem Schirm einer Flüssig-Kristall-Anzeige angebracht
Zunächst
soll das Prinzip der Erfindung an Hand der Fig. 2 A - 2 C erläutert werden.
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Ein nicht leitendes Trägermaterial, beispielsweise Glas, nach Fig.
2 A liegt zwischen den leitenden Feldern 2, 3 und 4. Die Felder 2 und 4 sind elektrisch
mit einer Steuerschalteinheit 5 verbunden. Ein periodisches Niederspannungswechselsignal
wird auf das Feld 2 aufgebracht. Das Trägermaterial 1 wirkt als Dielektrikum, somit
ergibt sich eine kapazitive Kopplung C 1 zwischen den sich teilweise deckenden Feldern
2 und 3. Feld 3 überlappt Feld 4, so daß auch zwischen diesen leitenden Flächen
eine kapazitive Kopplung C 2 vorhanden ist (Fig. 2B, 2C).
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Ein in Feld 2 eingespeistes Wechselsignal kann somit wieder an Feld
4 ab abgegriffen werden. Die gesamte Anordnung kann als Reihenschaltung von Cl und
C2 (Fig. 2C) aufgefaßt werden, wobei Feld 3 beiden Kondensatoren gemeinsam ist.
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Wird nun Feld 3 berührt (Fingerkontakt),entsteht zwischen den beiden
Kondensatoren C1 und C2 ein weiterer Kondensator CK und ein Widerstand RK, bedingt
durch die Körperkapazität/Körperwiderstand der dieses Feld berührenden Person (Fig.
2D).
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Kondensatorflächen und -abstände sind so gewählt, daß durch CK/RK
ein deutlicher Masseschluß für das Wechselspannungssignal gebildet wird. Dies läßt
sich an einem Amplitudeneinbruch des Wechselsignales an Feld 4 erkennen.
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In Fig. 1 ist ein Berührungsschaltfeld für einen Bildschirm, beispielsweise
an der Frontseite einer Kathodenstrahlröhre anbringbar, dargestellt. Ein transparenter,
nicht leitender Träger 10 aus Glas oder Kunststoff, ca. 1 - 3 mm dick, ist mit einer
Wölbung versehen, welche einer nicht näher dargestellten Ka.t#odenstrahlröhre entspricht.
Dieser erhält eine zweiseitige, wenige Atomschichten starke Metallbeschichtung aus
einer entsprechend geeigneten goldhaltigen Legierung, wobei hier in Fig. 1 nur die
Beschichtung der Konkavseite, d. h. der Seite, welche nicht berührt wird, dargestellt
ist. Die Berühungsfelder sind, wie in Fig. 3 dargestellt, matrixförmig angeordnet.
Alle stromführenden bzw. stromrückführenden Leitungen und Felder befinden sich auf
der Konkavseite des transparenten Trägers 10. Die Konvexseite (Fig. 3) trägt ausschließlich
die Mittenabgriffe der Reihenkondensatoren, d. h., die Berührungsfelder, die galvanisch
von der Speise-und Auswerte-Elektronik 20 getrennt sind.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Konkavseite in Spalten organisiert.
In jede längliche durchgehende Spalte 11, 13, 15, 17 erfolgt eine Einspeisungüberentsprechend
gleich nummerierte Leitungen mit einem periodischen Niederspannungs-Wechselsignal
aus der Auswerte-Elektronik 20. Zwischen den Einspeisungsfeldern 11 - 17 befinden
sich Abfragefelder beispielsweise die Felder 12, 14,16,18. Die Abfragefelder sind
einzeln über Kabelbündel 21, 22 mit der Auswerte-Elektronik 20 verbunden. Ein Berührungsfeld
51, gemäß Fig. 3,auf der Vorderseite des Trägers 10 angeordnet, überdeckt die Einspeisungsspalte
11 und zur Hälfte das Abfragefeld 12.
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Während ein Berührungsfeld 52 ebenfalls das Abfragefeld 12 und die
Spalte 13 je zur Hälfte überdeckt.
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Damit das den Amplitudeneinbruch auslösende Berührungsfeld 51 oder
52 einwandfrei erkannt werden kann, müssen zwei unterschiedliche Wechselsignale
verwendet werden.
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Dies bedeutet, daß die Einspeisungsspalten 11 und 15 sowie 13 und
17 jeweils ein identisches Signal erhalten.
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Diese Anordnung bietet den Vorteil, die Anzahl der Rückleitungen zu
halbieren, da sich je zwei Berührungsfelder ein Abfragefeld teilen können.
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In Fig. 4 ist das Prinzip der Feldansteuerung dargestellt.
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Die Einspeisung der Spalten 11 und 13 sowie 15 und 17 erfolgt wechselweise
über einen elektronischen Umschalter 19, wobei jeweils die Spalten 11 und 15 gemeinsam
oder nach dem Umschalten 13 und 17 mit dem Einspeisesignal beaufschlagt werden.
Die von einer HF-Wechselspannungsquelle vorgegebene Einspeisung U (Q t) ist dabei
bedeutend größer als die Schaltfrequenz U (bot) des elektrischen Umschalters 19.
Die Berührungsfelder 51, 52 usw. können somit exakt über das gemeinsame Abfragefeld
12 erkannt werden.
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Statt des Einsatzes eines elektronischen Umschalters 19 und einer
Wechselspannungsquelle wäre auch die Verwendung zweier konstant anliegender, phasenverschobener
Signale denkbar.
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Um die gegenseitige Beeinflussung der Einspeisungs- und Abfrage felder
untereinander gering zu halten und gleichzeitig eine ausreichende HF-Abschirmung
zu erhalten, wurde auf der Konkavseite (Fig. 1) eine Grundabschirmung 24 vorgesehen.
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Diese ist über eine gemeinsame Masseleitung 23 mit der Ansteuerung
20 verbunden und besitzt an mehreren Stellen Aussparungen 25, um eine zusätzliche
Dämpfung der Nutzsignale, erzeugt durch parasitäre Massekapazitäten, möglichst gering
zu halten. Die Schaffung der Grundabschirmung erleichtert auch das Aufbringen der
sehr dünnen Metallschicht, vorzugsweise eine Goldlegierung auf den Träger, da nur
die Isolierbahnen markiert zu werden brauchen. Die Kontakierung des Berührungsschaltfeldes
kann auf unterschiedliche Art erfolgen: 1. Federkontakte 2. Leitgummikontakte 3.
Lötbare Anschlüsse.
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Das gesamte Berührungsschaltfeld liegt außermittig auf dem transparenten
Träger 10, damit neben den Berührungsschaltfelder noch weitere Rechnermitteilungen
durch die Kathodenstrahlröhre angezeigt werden können.
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Zur Reflexionsminderung kann der transparente Träger 10 mit angeätzer
Oberfläche verwendet werden.
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Eine Einfärbung des Trägers 10 wirkt gleichzeitig kontrasterhöhend.
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In Fig. 5 wird nunmehr die elektronische Auswertung 20, wie auch bereits
in Fig. 1 angedeutet, näher erläutert.
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Die berührungssensitiven Felder 12, 14, 16 ... 40 sowie die entsprechenden
Spalten 11, 13, 15, 17 auf dem Träger 10 werden mit einem Niederspannungs-Wechselsignal
aus einer Hochfrequenz-Wechs elspannungsquelle 61 gespeist. Prinzipiell könnte jede
beliebige Form einer Wechselspannung angelegt werden, bis hin zum Impulsbetrieb.
In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch ein Sinussignal verwendet, welches
durch den elektronischen Umschalter 19, ein 1 : 2 Multiplexer über je eine Verstärkerstufe
62, 63 an die Spalten 11, 15 sowie 13, 17 auf dem Träger 10 angelegt wird. Diese
Verstärkerstufen 62, 63 befinden sich in unmittelbarer Nähe des Berührungsschaltfeldes.
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Sie dienen ebenso dazu, das Ubersprechen auf den Leitungen 11, 15
und 13, 17 möglichst gering zu halten und sollen gleichfalls die Wechselspannung
am Berührungsschaltfeld 10 auf ihrend Endwert verstärken.
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Für die Abfragefelder 12 - 40 auf dem Träger 10 ist jeweils eine Impedanzwandelstufe
64 - 78 vorgesehen und zwar zweckmäßigerweise unmittelbar am Träger 10, da die Berührungsfelder
relativ kleine Kapazitäten haben und daher die Abfrageleitungen 12 - 40 wegen der
sich daraus ergebenden hohen Impedanz relativ störanfällig sind.
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Damit der elektronische Aufwand der Auswertung im Berührungsfall gering
bleibt, werden die Ausgänge der Impedanzwandelstufen 64 - 78 mittels eines Analog-Multiplexers
79 zusammengefaßt. Das Sinussignal der Wechselspannungsquelle 61 wird über Leitung
80 einem Analogmultiplizierer 81 zugeführt, so daß durch Analogmultiplikation dieses
Quellensignal mit dem stark verrauschten Signal des jeweiligen Abfragefeldes die
Störsicherheit der Auswertung mittels Synchrongleichrichtung wesentlich verbessert
wird.
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Eine anschließende Filterung der Wechselgröße durch einen Tiefpass
82 liefert, an den A/D-Eingang einer Mikrocomputereinheit 83, ein Analogsignal.
Sobald nun ein Berührungsschaltfeld 51, 52 usw. berührt wird, bricht die Amplitude
dieses Analogsignales ein und wird entsprechend in der Mikrocomputereinheit' 83
erkannt. Der Einheit 83, welche hier als Single-Ship-Prozessor bevorzugt wird, ist
ein Komparator 85 vorgeschaltet, welcher das Komparatorsignal des Sinussignales
80 an den Time-Pin 84 führt. Dadurch werden Interrupt's in der Mikrocomputereinheit
generiert, die jetzt wiederum die Adressensteuerung für die Multiplexer 19 und 79
bewirkt und gleichzeitig den Analogwert am A/D-Eingang einliest.
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Der Mikrocomputer 83 übernimmt sowohl das Scannen der Abfragefelder
als auch die Weiterreichung der Daten über einen Ausgang 84, an einen Hostrechner.
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Der Einsatz einer Mikrocomputereinheit bringt den Vorteil mit sich,
daß man umfangreiche Überwachungsroutinen und automatische Nachjustagen vorsehen
kann, z. B. bei Temperaturänderungen oder bei Alterung der elektronischen Bausteine;
ebenso lassen sich die Berührungsfelder per Software entprellen. Ist die Identifikation
eines bestimmten Berührungsfeldes abgeschlossen, wird über den Ausgang 86 des Mikrocomputers
83 diese Information an einen Hostrechner übermittelt. Zur Rückmeldung wird ein
optisches und/oder akustisches Quittierungssignal am Bildschirm hervorgerufen, um
damit dem Bediener die Akzeptanz der Eingabe anzuzeigen. Beispielsweise kann bei
Verwendung eines Kathodenstrahlbildschirmes das berührte Feld nunmehr optisch getastet
werden. Damit bleibt gleichzeitig die letzte Befehlseingabe sichtbar.
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Das vorstehend beschriebene Berührungsschaltfeld kann bei einer Vielzahl
von Bildschirmen für unterschiedlichste Anwendungen und bei verschiedenen Arten
der Bildwiedergabe (Kathodenstrahlröhre, Flüssigkristallschirm, Projektion usw.)
verwendet werden. Es erspart die oft umfangreichen Eingabetastaturen, hierbei insbesondere
die Befehlstasten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind maximal 15 Berührungssensitive
"Tasten" auf dem Bildschirm zur gleichen Zeit nutzbar.
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Bei der Verwendung eines 12" CRT-Bildschirmes läßt bei dieser Aufteilung
des Berührungsschaltfeldes pro Feld etwa 33 alphanumerische Zeichen unterbringen.
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Je nach dem vorgegebenen Programm des Anwenders können auch weniger
"Tasten" durch den Bildschirm aufgerufen und angezeigt werden, so z.B. nur eine
Spalte auf der linken Seite des Bildschirmes mit 5 Berührungsfeldern.
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Die dabei vom Bildschirm nicht
aufgerufenen bzw.
nicht dargestellten Berührungsfelder bleiben für den Bediener fast unsichtbar. Die
äußerst dünnen Metallschichten auf dem Träger beeinträchtigen nicht die sonstigen
Darstellungen auf dem Bildschirm.
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Neben der vorstehend beschriebenen Verwendungsweise des erfindungsgemäßen
Berührungsschaltfeldes in Verbindung mit einer Kathodenstrahlröhre, wird gemäß Fig.
6, Fig. 6a und Fig. 6 b der Erfindungsgegenstand mit einem Flüssigkristallbildschirm
erläutert.
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D.rgeotellit ist ein Ausschnitt einer Flüssigkristallanzeige 90. Das
Berührungsschaltfeld 10 ist mittels einer transparenten Haftschicht 91 mit der dem
Bediener zugewandten Seite der Flüssigkristallanzeige verbunden.
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Selbstverständlich würde auch eine mechanische Halterung, beispielsweise
über einen gemeinsamen Rahmen, diese Verbindung ersetzen können. Der Träger 10 hat,
wie vorstehend bereits bekannt, auf der Rückseite die Einspeisungsspalte 11 und
die Abfragefelder 12 und 14, vereinfacht als strich-punktierte Linie dargestellt.
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Die Berührungsfelder 51, 52 (Fig. 6 a) entsprechen den Umrissen der
"Tasten 92 und 93". Durch Ansteuerung der entsprechenden Kristallzellen werden die
Rahmen sowie die darin lesbaren Begriffe sichtbar. In Fig. 6 ist das Feld 92 mit
dem Begriff "FÜGE EIN" und Feld 93 mit "LADE" belegt. In einem weiteren möglichen
Benutzungsschritt, d. h. im Verlauf einer Arbeit, die der Bediener an diesem Bildschirm
durchführt erhält, die "Taste" 92 die Bedeutung AUSGABE anstelle der vorherigen
Bedeutung "FÜGE EIN" und in dem Feld 93 wird nun der Begriff "DRUCKER" dargestellt.
Der Vorteil gegenüber bekannten Tasten mit meistens sehr knapper Beschriftung des
Tastenkopfes wird aus Vorstehendem
erkennbar, zumal recht ausgiebige
Inhalte in jedem Feld durch den entsprechenden Bildschirm darstellbar sind, zur
wesentlichen Offenheit und Erleichterung für den Bediener.