DE3512269A1

DE3512269A1 - Kapazitive schalter

Info

Publication number: DE3512269A1
Application number: DE19853512269
Authority: DE
Inventors: Peter William Exning Newmarket Alexander
Original assignee: Phosphor Products Co Ltd Poole Dorset; TI Group Services Ltd Edgbaston Birmingham; Phosphor Products Co Ltd; TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Corporate Services Ltd
Priority date: 1984-04-05
Filing date: 1985-04-03
Publication date: 1985-10-17
Also published as: ES541961A0; ES8609808A1; CH663868A5; AU4079385A; PT80228A; FI851359L; NO851285L; FR2562740A1; DK152485A; JPS6116426A; KR850007528A; IT1184268B; IT8547923A0; ZA852584B; BE902102A; US4743895A; GB8508627D0; GB8408847D0; GB2157080B; NL8501000A

Description

TeDTKE - BüHLING -KiNNE ^GrÜPE: ' SSStKÄ H

/ertreter beim EPA

JIF

-7-

r> Λ O pg>l.-lng. H.Tiedtke M

ftLLMANN - GRAMS - OTRUIF bipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-lngrR Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann 3512269 Dipl.-Ing. K Grams

DIpl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent München

3. April 1985

DE 4723

case PP1517TIRL

TI (Group Services}, Limited Birmingham, Großbritannien

und
Phosphor Products Co., Limited

Poole, Dorset, Großbritannien

Kapazitive Schalter

Die Erfindung bezieht sich auf kapazitive Schalter.

Der erfindungsgemäße kapazitive Schalter gemäß einer Ausführungsform weist eine erste Elektrode, die an oder nahe einer Oberfläche aus dielektrischem Material angebracht ist, sowie eine zweite Elektrode und eine leitende Fläche auf, die beide an der von der ersten Elektrode abgewandten Seite der Schicht aus dem dielektrischem Material und in Überlagerung mit der ersten Elektrode angebracht sind, wobei die erste und die zweite Elektrode sowie die leitende Fläche so angeordnet sind, daß der Schalter zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand schaltbar ist, wobei bei einem der Zustände der Signalübertragungsfaktor zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auf ausgeprägte Weise von dem Signalübertragungsfaktor bei

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Deutsche Bank (München) Kto 286 1060 Postscheckamt (München) Kto. 670-43-804

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dem anderen der beiden Zustände ist.

Die leitende Fläche und die zweite Elektrode können nebeneinander mit einem kleinen Spalt zwischen ihnen oder übereinandergesetzt unter Zwischensetzung einer weiteren Schicht aus dielektrischem Material angeordnet werden. Eine geeignete Abstimmung hinsichtlich der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ,Q auf dem direkten Weg und über die leitende Fläche bzw. Flächenelektrode kann durch zweckdienliche Bemessung von Flächen A der Überlappungen zwischen den verschiedenen Elektroden, von Abständen d zwischen den verschiedenen Elektroden und/oder von Dielektrizitätskonstanten k der

. c dielektrischen bzw. Isolierschichten zwischen den ver-ο

schiedenen Elektroden erreicht werden.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis

Ak/d für (leitende Fläche zu erster Elektrode)
Ak/d für (erste Elektrode zu zweiter Elektrode)
8:1 oder mehr; am günstigsten ist ein Verhältnis in der Größenordnung von 40:1. Das angestrebte Verhältnis kann auf zweckdienliche Weise dadurch erzielt werden, daß die leitende Fläche bzw. die Flächenelektrode und die erste Elektrode im wesentlichen gleich bemessen werden, während die Breite der zweiten Elektrode in einem Verhältnis von 8:1 oder darüber verringert wird.

Die direkte kapazitive Kopplung zwischen der leitenden Fläche und der ersten Elektrode hat vorzugsweise einen Betrag in der gleichen Größenordnung wie die Kopplung zwischen der leitenden Fläche und der zweiten Elektrode, wobei das Verhältnis der kapazitiven Kopplungen am günstigsten zwischen 1:2 und 2:1 liegt.

Die leitende Fläche kann in bezug auf die erste und

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zweite Elektrode fest ausgebildet werden. Bei dieser Gestaltung ist die erste Elektrode auf kapazitive Weise über die leitende Fläche mit der zweiten Elektrode gekoppelt, so daß dann, wenn beispielsweise durch Berühren oder Erden der leitenden Fläche an die leitende Fläche eine elektrische Last entweder direkt oder kapazitiv angelegt wird, die Kopplung über die leitende Fläche wirksam unterbrochen wird. Infolgedessen entsteht eine beträchtliche Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Falls an eine der Elektroden ein Lesesignal angelegt wird, ergibt diese Kapazitätsänderung eine Änderung der Amplitude eines Ausgangssignals an der anderen Elektrode. Diese

ρ- Amplitudenänderung kann erfaßt und zu Schaltzwecken herangezogen werden.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die leitende Fläche gegenüber der den Schalter betätigenden Person und on gegenüber Erde bzw. Masse isoliert, jedoch federnd angebracht, so daß sie zur Schalterbetätigung zu der ersten Elektrode hin bewegt werden kann. Bei dieser Gestaltung nimmt die Kopplung von der ersten Elektrode über die leitende Fläche zu der zweiten Elektrode zu, sobald sich die leitende Fläche zu der ersten Elektrode hin bewegt. Infolgedessen nimmt auf die Betätigung des Schalters hin die effektive Kapazität des Schalters beträchtlich zu, was bei dem Ausgangssignal zu einer entsprechenden Änderung führt, die erfaßt und für Schaltzwecke herangezogen werden kann.

Der Signalübertragungsfaktor des Schalters (Lesesignal-Amplitude/Ausgangssignal-Amplitude) ändert sich zwischen dem geschalteten und dem ungeschalteten Zustand des Schalters vorzugsweise um zumindest den Faktor "2".

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Die kapazitiven Schalter mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau sind besonders für das Bilden von Schalteranordnungen bzw. Schalterfeldern geeignet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine Anordnung kapazitiver Schalter eine Vielzahl von Schaltern gemäß der vorangehenden Beschreibung auf, wobei die dielektrischen bzw. Isolierschichten der jeweiligen jq Schalter durch eine gemeinsame dielektrische bzw. Isolierplattee gebildet sind, an der die Schalter in gegenseitigen Abständen ausgebildet sind.

Vorzugsweise werden die kapazitiven Schalter in m Reihen -,ρ- aus η Schaltern angeordnet. Die zweiten Elektroden aller Schalter in einer jeweiligen Reihe können durch einen gemeinsamen leitenden Streifen gebildet sein, während die ersten Elektroden jeweils eines Schalters aus einer jeden Reihe durch einen weiteren gemeinsamen leitenden Streifen ^₀ gebildet sein können. Auf diese Weise können an der gesamten Anordnung der Schalter die zweiten Elektroden durch m Leiterstreifen und die ersten Elektroden durch η Leiterstreifen gebildet werden, wobei diese Leiterstreifen derart angeordnet werden, daß jeder Schalter eine eindeutige Kombination aus der ersten und der zweiten Elektrode hat. Beispielsweise können die die zweiten Elektroden bildenden Leiterstreifen miteinander ausgerichtet und unter rechten Winkeln zu den die ersten Elektroden bildenden Leiterstreifen angeordnet werden.

Die vorstehend beschriebene Schalteranordnung kann auf die in der GB-PS 2 059 657B beschriebene Weise im Multiplex betrieben werden.

_o_ Falls die leitenden Flächen, die ersten und zweiten Elektroden und die Schichten aus dielektrischem Material

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der Schalter oder der vorstehend beschriebenen Schalteranordnung aus lichtdurchlässigen Materialien hergestellt werden, können die Schalter mit einer Sichtanzeigeeinheit gemäß der Beschreibung in der GB-PS 2 002 522B kombiniert werden. Vorzugsweise enthält die eingesetzte Sichtanzeigeeinheit ein Sichtanzeigematerial, das zwischen einem Paar von Elektroden oder Sätzen von Elektroden angeordnet ist, wobei das Sichtanzeigematerial auf ein zwischen den Q Elektroden errichtetes elektrisches Feld durch eine sichtbare Darstellung anspricht. Zu derartigen Sichtanzeigeeinheiten zählen Gleichstrom-Elektroluminiszenz-Anzeigeeinheiten, WechseIstrom-Elektroluminiszenz-Anzeigeeinheiten, Flüssigkristall-Anzeigeeinheiten, Plasma-Anzeigeeinheiten, elektrochrome Anzeigeeinheiten und Elektrophorese-Anzeigeeinheiten. Diese Anzeigeeinheiten können derart gestaltet sein, daß sie eine feste Anzeige, die entweder ein- oder ausgeschaltet ist, oder alternativ eine veränderbare Anzeige ergeben, die durch Betätigen o des Schalters oder beispielsweise in einer Schalteranordnung durch Betätigen anderer Schalter verändert werden kann. Bei diesen Anzeigeeinheiten können lichtdurchlässige Elektroden an der Vorderseite der Anzeigeeinheit als erste Elektroden für die kapazitiven Schalter benutzt werden. Eine jeweilige erste Elektrode kann durch mehrere Anzeigeelektroden unter der Voraussetzung gebildet werden, daß zur Schalterabfrage alle Anzeigeelektroden gemeinsam adressiert werden können. Wenn die Anzeigeelektroden als erste Elektroden benutzt werden, ist es vorteilhaft, diese Elektroden als Lese- bzw. Abfrageelektroden zu benutzen, so daß mit einer Anzeigesteuerschaltung ein Lesesignal an die Elektroden angelegt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine Kapazitätsschalter/Sichtanzeige-Einheit einen kapazitiven Schalter oder eine Anordnung kapazitiver

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Schalter gemäß der vorangehenden Beschreibung, wobei die Bestandteile des kapazitiven Schalters oder der kapazitiven Schalter aus lichtdurchlässigem Material bestehen, ein an der Rückfläche der oder jeder ersten Elektrode angeordnetes Sichtanzeigematerial und eine an der Rückfläche des Sichtanzeigematerials angeordnete Anzeigeelektrode, an der in bezug auf den oder jeden kapazitiven Schalter Überlagerung bzw. Überlappung besteht.

Normalerweise ist bei der vorstehend beschriebenen Form der Sichtanzeigeeinheit über der Vorderseite der Sichtanzeigeeinheit eine lichtdurchlässige Abdeckung wie beispielsweise eine Glasplatte vorgesehen. Die erfindungs-

2g gemäßen Kapazitätsschalter/Sichtanzeigeeinheiten können infolgedessen dadurch geformt werden, daß auf eine vorgefertigte Sichtanzeigeeinheit eine lichtdurchlässige Auflage aufgebracht wird. Diese Auflage enthält dann eine der leitenden Fläche oder jeder leitenden Fläche entspre-

2Q chende zweite Elektrode, die an einer durchsichtigen dielektrischen bzw. Isolierschicht angebracht sind. Alternativ können die leitende Fläche und die zweiten Elektrode direkt auf der Frontabdeckung einer vorhandenen Sichtanzeigeeinheit ausgebildet werden.

Die Frontabdeckung und die vorderen Elektroden der

Sichtanzeigeeinheit werden dann mit den restlichen Bestandteilen des Schalters oder der Schalter ausgestattet. Wenn die Kapazitätsschalter/Sichtanzeige-Einheiten eine „₀ Anordnung bilden, können die Sichtanzeigeeinheiten gleichermaßen wie die kapazitiven Schalter in Multiplex betrieben bzw. angesteuert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispiel
läutert.

beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er-

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Fig. 1 zeigt schematisch einen Berührungsschalter als
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Schalters.

Fig. 2 zeigt die elektrische Äquivalenzschaltung des

in Fig. 1 gezeigten Schalters.

Fig. 3 und 4 zeigen im Querschnitt alternative Gestal-
IQ tungen von Berührungsschaltern als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen kapazitiven
Schalters.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Berührungsschalter/Sichtanzeige-Anordnung .

Nach Fig. 1 ist an der Vorderfläche einer Isolierschicht 11 aus dielektrischem Material wie Glas oder Kunststoff

2Q eine Berührungsfläche bzw. Tastelektrode 10 aus leitendem Material aufgebracht. An der hinteren Fläche der Isolierschicht 11 oder an der Vorderfläche einer dicken Isolierschicht 13 aus dielektrischem Material ist eine Auslesebzw. Sensorelektrode 12 in Form eines schmalen leitenden

2g Streifens mit einem Flächeninhalt angebracht, der wesentlich geringer als derjenige der Tastelektrode 10 ist. An der hinteren Fläche der Isolierschicht 13 ist eine leitende Lese- bzw. Abfrageelektrode mit dem gleichen Flächeninhalt wie die Tastelektrode 10 angebracht, wobei

₃q die Elektroden 10, 12 und 14 übereinandergesetzt sind. Nach Fig. 2 ist die Abfrageelektrode 14 mit einem Anschluß 15 zum Verbinden mit einem Schaltungsaufbau versehen, durch den elektrische Leseimpulse zugeführt werden können.

Wenn an der Tastelektrode 10 keine elektrische Last

BAD ORIGINAL

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anliegt, ist gemäß Fig. 2 die Sensorelektrode 2 mit der Abfrageelektrode 14 auf kapazitive Weise sowohl direkt als auch über die Tastelektrode 10 gekoppelt. Die Fläche der Sensorelektrode 12 in bezug auf die Tastelektrode 10 und die Abfrageelektrode 14 sowie die Dicken und die Dielektrizitätskonstanten der Isolierschichten 11 und 13 werden so gewählt, daß die Kapazität zwischen der Abfrageelektrode 14 und der Sensorelektrode 12 über die Tastelektrode 10, nämlich C-Cj/fC^ + C, ) zumindest die Größenordnung einer direkt zwischen der Abfrageelektrode 14 und der Sensorelektrode 12 bestehenden Kapazität C₁ hat. Unter diesen Bedingungen gilt für eine effektive Kapazität Cp des Schalters:

c_E = C_{1 +} c₂c₃/(c₂₊c₃)

Wenn eine Person die Tastelektrode 10 berührt, wird durch die elektrische Last an dieser wirkungsvoll die Kopplung der Abfrageelektrode 14 über die Tastelektrode 10 an die Sensorelektrode 12 unterbrochen. Die effektive Kapazität des Schalters wird dann zu: Cp = C. . Als typisches Beispiel haben die Tastelektrode 10 und die Abfrageelektrode 14 die Abmessungen 12,7 mm χ 9,525 mm, während die Sensorelektrode 12 die Abmessungen 1,0 mm χ 12,7 mm hat. Die Isolierschichten 11 und 13 sind Glasplättchen mit einer Dielektrizitätskonstante 7,5 und jeweiligen Dicken von 0,5 mm bzw. 3 mm. Bei einer solchen Gestaltung wurde die effektive Kapazität Cp des Schalters ohne Last als 1,6 pF ermittelt, während sie bei dem Anlegen einer Last bzw. bei dem Belasten der Tastelektrode 10 auf 0,8 pF abfiel.

Die Kapazitätsänderung bei dem Anlegen einer Last an die Tastelektrode 10 ruft eine entsprechende Änderung bei

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einem Ausgangssignal an der Sensorelektrode 12 hervor.

Ein Anschluß 16 verbindet die Sensorelektrode 12 mit einem Schaltungsaufbau, der für das Erfassen der Änderung des Ausgangssignals und für das Einleiten eines Schaltvorgangs durch eine derartige Änderung geeignet ist.

Statt des Bildens des Schalters aus gesonderten Isolierschichten 11 und 13 aus dielektrischem Material gemäß der

"LQ vorstehenden Beschreibung können die Elektroden 12 und 14 an der vorderen bzw. hinteren Oberfläche der Isolierschicht 13 beispielsweise durch Aufdampfen abgelagert werden. Danach kann an der Oberseite der Sensorelektrode 12 beispielsweise durch Tauchen oder Aufsprühen ein Film

-,ρ- aus Glas- oder Kunststoffmaterial mit einer Dicke von ungefähr 0,125 mm abgelagert werden, um die Isolierschicht 11 zu bilden. Dann kann auf der Oberseite des Glas- oder Kunststoffilms die Berührungsfläche bzw. Tastelektrode 10 abgelagert werden, um damit einen Schalter

2Q mit einstückigem Aufbau zu bilden.

Gemäß Fig. 3 werden die Tastelektrode 10 und die Sensorelektrode 12 nebeneinander an der vorderen Fläche der Isolierschicht 13 gebildet. An der hinteren Fläche der Isolierschicht 13 wird die Abfrageelektrode 14 auf die vorangehend beschriebene Weise gebildet, jedoch mit einem vergrößerten Flächeninhalt, so daß sie sowohl die Abtastelektrode 10 als auch die Sensorelektrode 12 überlappt. Die Tastelektrode 10 und die Sensorelektrode 12 können mittels einer dünnen Schicht 23 aus Isoliermaterial wie beispielsweise Glas oder Kunststoff geschützt werden, die auf die vorangehend beschriebene Weise gebildet wird.

Gemäß einem typischen Beispiel hat die Tastelektrode 10 die Abmessungen 12,7 mm χ 9,5 mm, während die Sensorelektrode 12 die Abmessungen 0,125 mm χ 12,7 mm hat und der

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Spalt bzw. Zwischenraum zwischen diesen 0,05 mm beträgt.

Wenn die Glas-Isolierschicht 3 mm dick ist und eine Dielektrizitätskonstante von 7,5 hat, ändert sich die effektive Kapazität des Schalters von 1,6 pF im unberührten Zustand auf 0,8 pF bei der Berührung.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 entspricht derjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Elektroden 10 und 12 -^q hinsichtlich der Lage vertauscht sind.

Infolge der relativen Größen der Sensorelektrode 12 und der Tastelektrode 10 entsteht trotz der obersten Lage der Sensorelektrode 12 durch das Berühren der oberen Fläche

,c des Schalters eine elektrische Belastung an der Tastelektrode 10, wodurch gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 1 und 2 die kapazitive Kopplung zwischen der Abfrageelektrode 14 und der Sensorelektrode 12 über die Tastelektrode 10 unterbrochen wird. Darüberhinaus wird bei dieser

„„ Anordnung durch die Tastelektrode 10 die Sensorelektrode

12 gegenüber einer direkten kapazitiven Kopplung mit der Abfrageelektrode 14 abgeschirmt, so daß infolgedessen bei der Berührung die effektive Kapazität des Schalters annähernd zu "0" wird.

Eine in Fig. 5 gezeigte Berührungsschalter/Sichtanzeige-Anordnung basiert auf einer Punktematrix-Gleichstrom-Elektroluminiszenzanzeige unter Verwendung der Gestaltung gemäß Fig. 1. Diese Anzeigeeinheit weist eine Glasplatte

13 auf, an deren Rückseite ein Satz paralleler langge-30

streckter Elektroden 21 angebracht ist. Über die Rückseite der Elektroden 21 ist eine Schicht 20 aus Leuchtstoff aufgebracht, auf deren hinterer Fläche ein zweiter Satz langgestreckter Elektroden 22 in rechten Winkeln zu

den Elektroden 21 aufgebracht ist. Die jeweiligen Elek-35

troden des einen Satzes überlappen daher alle Elektroden

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des anderen Satzes in der Weise, daß eine Punktematrix gebildet ist. Typischerweise können die Elektrodensätze 21 und 22 jeweils zwischen 20 und 40 Elektroden je cm enthalten. Die Elektroden 10, 19 und 21 sind lichtdurchlässig und bestehen aus Zinnoxid, wobei die Isolierschichten 11 und 13 gleichfalls aus transparentem dielektrischem Material bestehen.

!0 Die Elektroden 21 und 22 sind mit Eingangsanschlüssen für das einzelne Anlegen von Spannungsimpulsen an jede Elektrode versehen. Typischerweise hat die Leuchtstoffschicht 20 einen Leuchtschwellenwert von 80 bis 120 V, so daß die an die Elektroden 21 angelegten Impulse eine Spannung von

₁g 40 bis 60 V haben können, wenn die an die Elektroden 22 angelegten Impulse eine Spannung von -40 bis -60 V haben.

Wo eine mit einem Impuls beaufschlagte Elektrode 21 eine mit einem Impuls beaufschlagte Elektrode 22 kreuzt, wird

2Q daher der dazwischenliegende Bereich der Leuchtstoffschicht 20 angeregt, so daß ein Leuchtpunkt entsteht. Durch das gleichzeitige Anlegen von Impulsen an geeignete Paare von Elektroden 21 und 22 können gleichzeitig mehrere Leuchtpunkte hervorgerufen werden, die ein Schrift-

2j- zeichen oder ein Symbol bilden, welches durch das Anlegen von Impulsen an andere Paare von Elektroden 21 und 22 geändert werden kann. Typischerweise haben diese Leuchteinschaltimpulse eine Dauer von 10 bis 100 με, wobei sie bei der Leuchtanzeige der Sichtanzeigeeinheit an die

„₀ Elektroden 21 und 22 mit einer Frequenz von 0,05 bis 2 kHz angelegt werden.

Die Abfrage- bzw. Sensorelektroden 19 haben die Form paralleler Streifen, die unter rechten Winkeln zu den

_O[- Elektroden 21 verlaufen. Über den Leiterstreifen 19 ist ob

die Isolierschicht 11 in Form eines dünnen Blatts aus

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dielektrischem Material angeordnet, an deren vorderer Fläche eine Vielzahl von Berührungsflächen bzw. Tastelektroden 10 ausgebildet ist. Die Tastelektroden 10 sind in Reihen, von denen jede über einen anderen der Leiterstreifen bzw. eine andere der Elektroden 19 gesetzt ist bzw. diese überlappt, sowie in Spalten angeordnet, von denen jede eine andere Gruppe der Elektroden 21 überlappt bzw. überdeckt.

Die Leiterstreifen 19 sind an einem Rand der Schalter/ Sichtanzeigeanordnung mit Anschlüssen versehen, über die sie mit einer geeigneten Abfrage- bzw. Sensorschaltung verbunden werden können.

Infolgedessen kann dadurch, daß aufeinanderfolgend jeweils ein elektrischer Leseimpuls an jede Gruppe der Elektroden 21 angelegt wird, während die anderen Elektroden 21 auf dem Potential "0" gehalten werden, und die

2Q Ausgangssignale an den jeweiligen Leiterstreifen 19 ermittelt werden, ein jeder Schalter in der Anordnung einzeln für sich abgefragt werden.

Zur Unterscheidung eines betätigten Schalters von allen anderen Schaltern in einer mit dem gleichen Sensorelektroden-Leiterstreifen 19 erfaßten Zeile sollte die Koppelkapazität zwischen einer jeweiligen Tastelektrode 10 und dem Leiterstreifen 19 wesentlich geringer als die Körperkapazität der den Schalter berührenden Person sein (d.h., minimal ungefähr 80 pF im Falle einer erwachsenen Person). Vorzugsweise beträgt die Kapazität zwischen einer jeweiligen Tastelektrode 10 und dem Sensorelektroden-Leiterstreifen 19 weniger als 10 pF. Ferner sollte zum Vermeiden einer auf dem längs der Schalterzeile zunehmenden Widerstand des Sensorelektroden-Leiterstreifens 35

19 beruhenden übermäßigen Dämpfung des Ausgangssignals,

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die falsche Schaltsignale ergeben könnte, der Gesamtwiderstand eines jeden der Sensorelektroden-Leiterstreifen 19 nicht 100 kOhm übersteigen.

Zweckdienlich kann die Schaltung für das Anlegen der Leuchteinschaltimpulse an die Elektroden 21 auch zum Anlegen der Leseimpulse herangezogen werden, jedoch wird die Schaltung so gestaltet, daß statt der für die Leuchteinschaltung erforderlichen Impulsansteuerung der einzelnen Elektroden alle Elektroden 21 einer Gruppe gleichzeitig mit Impulsen angesteuert werden. Diese Leseimpulse werden zwischen den Leuchteinschaltimpulsen angelegt, und zwar typischerweise mit einer Dauer in der Größenordnung von 10 ps bei einer Frequenz von 50 Hz. Wenn während des Anlegens der Leseimpulse an die Elektroden 21 an die Elektroden 22 keine Impulse angelegt werden, erreicht das Potential an der Leuchtstoffschicht nicht den Leuchtschwellenwert, so daß infolgedessen keine Sichtanzeige

2Q hervorgerufen wird.

Die vorstehend beschriebene Schalter/Sichtanzeige-Anordnung kann derart gestaltet werden, daß gesonderte Anzeigeflächen den darüberliegenden Schaltern zugeordnet

2g werden. Diese Anzeigen können nach Belieben durch Betätigung des Schalters oder anderer Schalter in der Anordnung verändert werden, wodurch eine Anordnung bzw. ein Feld mit programmierbaren Mehrfachfunktions-Schaltern gebildet wird. Bei dieser Betriebsart werden nur die

o₀ unterhalb der Tastelektroden 10 liegenden Elektroden 21 und 22 zu Beleuchtungszwecken herangezogen. Alternativ kann das ganze Feld als einziges Sichtanzeigefeld eingesetzt werden, wobei die Betätigung der Schalter Wirkungen hervorruft, die dem jeweils darunterliegenden Bereich der Sichtanzeige zugeordnet sind.

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Die vorstehend beschriebenen Tastelektroden 10 und Leiterstreifen 19 können auf das Glas- oder Kunststoffblatt 11 aufgebracht sein, um eine Auflage zu bilden, die auf einen Glasabdeckschirm einer vorhandenen Anordnung bzw. eines vorhandenen Felds aufgebracht wird, damit eine Schalter/Sichtanzeige-Anordnung in der vorstehend beschriebenen Form entsteht.

Anhand der Fig. 5 wurde zwar eine Berührungsschalter/ Sichtanzeige-Anordnung beschrieben, jedoch können auf diese Weise auch einzelne Schalter/Sichtanzeige-Einheiten gebildet werden.

l§ Im Rahmen des Erfindungsgedankens können verschiedenerlei Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise erfolgt bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen das Schalten dadurch, daß an die Tastelektrode 10 eine elektrische Last angelegt wird, nämlich normalerweise durch die Tastelektrode 10 berührende Person. Dies hat den Nachteil, daß sich von Person zu Person die angelegte Last ändert und daher die Erfassungsschaltung für das Erfassen einen ziemlich breiten Arbeitsbereich haben muß. Eine besser beständige Signaländerung kann dadurch erzielt werden, daß eine Vorrichtung zum direkten Verbinden der Elektrode 10 mit Erde bzw. Masse vorgesehen wird.

I Die vorstehend beschriebenen Schalter oder Schalteranord- j

nungen können mit federnden Membranen versehen werden, j

OQ die in Abstand von der vorderen Fläche der Schalter an- j geordnet sind und die zur Schalterbetätigung gedrückt

werden müssen. Derart Membrane ergeben eine Fühl-Rückmel- j

dung und verhindern auch, daß leitende Flüssigkeiten die j

Oberfläche der Schalter erreichen und bei einer Schalter- j

anordnung die Tastelektroden 10 von zwei oder mehr ! Schaltern überbrücken. Wenn der Schalter als Berührungs-

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schalter arbeitet, kann die Membrane aus einem leitenden Material bestehen oder an ihrer Innenfläche eine leitende Beschichtung haben, welche mit Erde bzw. Masse verbunden ist, so daß bei der Schalterbetätigung die Tastelektrode 10 geerdet wird. Diese letztgenannte Gestaltung hat den Vorteil, daß der Schalter mittels eines nichtleitenden Stifts oder mit dem Finger in einem Handschuh betätigt werden kann. Wenn der Schalter eine bewegbare leitende

^O Fläche bzw. Tastelektrode hat, kann diese an der Innenfläche der Membran gebildet sein. Membrane der vorstehend beschriebenen Art können aus einem flachen federnden Blattmaterial gebildet werden, das von der Vorderfläche des Schalters durch Abstandhalter beabstandet ist. Die

-,ι- Membran kann jedoch auf zweckdienliche Weise aus einem Blatt mit einem Blasengebilde geformt werden, das über dem Schalter liegt. Bei einer Anordnung von Schaltern kann ein einzelnes Blatt mit einer Vielzahl von Blasengebilden, und zwar jeweils eines für einen jeden Schalter

2Q geformt werden, wobei das Blatt die ganze Anordnung überdeckt. Bei Schalter/Sichtanzeige-Einheiten können derartige Membrane gleichfalls unter der Voraussetzung eingesetzt werden, daß sie aus lichtdurchlässigem Material bestehen. Bei Schalter/Sichtanzeige-Einheiten

2g können die lichtdurchlässigen Isolierschichten 11 und 13 und/oder die Membran (falls eine solche eingesetzt wird) eingefärbt werden, um damit das ursprüngliche Aussehen der Sichtanzeige zu verbessern oder zu verändern.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 können statt der dort gezeigten Anordnung die Tastelektroden 10 und die Sensorelektroden 12 gemäß den Fig. 3 oder 4 eingesetzt werden.

Die Zeichnung ist nur eine schematische Darstellung und soll nicht die relativen Dimensionen und insbesondere die Dicken der Bestandteile angeben. Typischerweise haben

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jeweils die erste Isolierschicht 11 eine Dicke in der Größenordnung von 1mm, die zweite Isolierschicht 13 eine Dicke in der Größenordnung von 3mm, die Farbstoffschicht eine Dicke in der Größenordnung von 40 μπι und die Tastelektrode 10 sowie die verschiedenen Elektroden 12, 14, 19, 21 und 22 eine Dicke in der Größenordnung von 0,05μΐη.

Die Farbstoffschicht 20, die zugeordneten Elektroden 21 2Q und 22 sowie die Glasplatte 13 nach Fig. 5 können eine fertige Sichtanzeigeeinheit bilden. In diesem Fall können das dielektrische Blatt bzw. die Isolierschicht 11, die Tastelektroden 10 und die Sensorelektroden 19 eine gesonderte Kapazitätsschalter-Auflage bilden, die auf die -^g Sichtanzeigeeinheit derart aufgepaßt wird, daß die Tastelektroden 10 und die Elektroden 19 über die ersten Elektroden 21 gesetzt sind. Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Tastelektroden 10 und der Sensorelektroden 12 würden beide Elektroden an der gleichen Seite des 2Q dielektrischen Blatts bzw. der Isolierschicht 11 der Auflage liegen.

Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzte Ausdruck "Signalübertragungsfaktor" bezeichnet das Verhältnis der Größe bzw. Amplitude eines Impulses, der an der ersten oder der zweiten Elektrode im Ansprechen auf einen an die andere Elektrode angelegten Impuls auftritt, zu der Größe bzw. Amplitude des an die andere Elektrode angelegten Impulses.

Ein kapazitiver Schalter ist mit einer Isolierschicht aufgebaut, bei der an einer Oberfläche oder nahe derselben eine erste Elektrode angebracht ist und an der Gegenseite der Isolierschicht eine zweite Elektrode und eine leitende Fläche wie eine Berührungsfläche angeordnet sind. Die leitende Fläche und die zweite Elektrode sind

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über die erste Elektrode gesetzt. Die leitende Fläche und die zweite Elektrode können nebeneinander mit einer schmalen Lücke zwischen ihnen oder übereinander unter Zwischensetzung einer weiteren Isolierschicht angeordnet sein.

Solche Schalter können zu einer Anordnung gestaltet und mit einer Sichtanzeigeeinheit zusammengesetzt werden,

q wobei die Schalter über ein Sichtanzeigematerial wie eine Elektroluminiszenz-Schicht gesetzt werden, die zwischen einer Anzeigeelektrode an einer Seite und der ersten Elektrode an der anderen Seite liegt. Bei dieser Gestaltung bestehen alle Bestandteile mit Ausnahme des Sicht-

g₁ anzeigematerials und der Anzeigeelektrode aus transparentem Material.

Claims

T* Ο.. ^: Lf - - ' * jfy~ " ; : " Patentanwälte und

IEDTKE - DUHLING ' -PVl^TNE-" V3RUPE Vertreter beim EPA

f% Λ* C* Dipl.-Ing. H. Tiedtke f

r^LLMANN - URAMS - OTRUIF Dipl.-Chem.G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe

3512269 Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20 2403 8000 München 2

Tel.: 0 89-5396 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent München

3. April 1985

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case PP1517TIRL

Patentansprüche

(T) Kapazitiver Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß : eine erste Elektrode (14) an oder nahe einer Oberfläche : einer Isolierschicht (13) aus dielektrischem Material ^: angebracht ist und daß eine zweite Elektrode (12) und ^;' eine leitende Fläche (10) beide an der von der ersten ^ Elektrode (14) abgewandten Seite der Isolierschicht (13) ; und in überlagerung zur ersten Elektrode (14) angebracht ' sind, wobei die erste und die zweite Elektrode und die leitende Fläche so angeordnet sind, daß der Schalter zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand schaltbar ist und bei einem der Zustände der Signalübertragungsfaktor zwischen der ersten und der zweiten Elektrode deutlich verschieden von dem Signalübertragungsfaktor bei dem anderen der beiden Zustände ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode (1 2 ) übereinandergesetzt sind, wobei zwischen sie eine weitere Isolierschicht (11) aus dielektrischem Material gesetzt ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

BAD ORIGJNAL

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daß die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode

(12) mit einem kleinen Zwischenraum nebeneinander angeordnet sind.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis eines Quotienten Ak/d für den Zwischenraum zwischen der leitenden Fläche (10) und der ersten Elektrode (14) zu einem Quo-

IQ tienten Ak/d für den Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (14, 12) 8:1 oder größer ist, wobei A jeweils der Flächeninhalt der Überlappung zwischen der leitenden Fläche und der Elektrode bzw. zwischen den Elektroden ist, k jeweils die Dielektrizitätskonstante

Jg der Isolierschicht zwischen der leitenden Fläche und der Elektrode bzw. zwischen den Elektroden ist und d jeweils der Abstand zwischen der leitenden Fläche und der Elektrode bzw. zwischen den Elektroden ist.

„₀ 5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Quotienten Ak/d für den Zwischenraum zwischen der leitenden Fläche (10) und der ersten Elektrode (14) zu dem Quotienten Ak/d für den Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode de (14, 12) in der Größenordnung von 40:1 liegt.

6. Schalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite der leitenden Fläche (10) und der ersten Elektrode (14) zu der Breite

_ der zweiten Elektrode (12) 8:1 oder größer ist.

7. Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte kapazitive Kopplung zwischen der leitenden Fläche (10) und der ersten

Elektrode (14) die gleiche Größenordnung hat wie die 35

direkte kapazitive Kopplung zwischen der leitenden Fläche

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(10) und der zweiten Elektrode (12).

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der direkten kapazitiven Kopplung zwischen der leitenden Fläche (10) und der ersten Elektrode (14) zu der direkten kapazitiven Kopplung zwischen der leitenden Fläche (10) und der zweiten Elektrode (12) zwischen 1:2 und 2:1 liegt.

9. Schalter nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (10) in bezug auf die erste und die zweite Elektrode (14, 12) fest angebracht ist.

10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche (10) federnd derart angebracht ist, daß sie in bezug auf die erste Elektrode (14) bewegbar ist.

11. Anordnung kapazitiver Schalter mit einer Vielzahl

von Schaltern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (13) der jeweiligen Schalter durch eine gemeinsame Isolierplatte gebildet sind, an der die Schalter in Abstand voneinander angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (12) einer Gruppe von Schaltern durch einen gemeinsamen Leiterstreifen (19) gebildet sind.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (14) einer Gruppe von Schaltern durch einen gemeinsamen Leiterstreifen (21) gebildet sind.

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14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter in mehreren Reihen (m) angeordnet sind, daß bei allen Schaltern in einer jeden Reihe die zweiten Elektroden (12) durch einen gemeinsamen Leiterstreifen (19) gebildet sind und daß bei jeweils einem Schalter aus einer jeden Reihe die ersten Elektroden (14) durch einen weiteren gemeinsamen Leiter-Streifen (21) gebildet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die die zweiten Elektroden (12) für eine jede Reihe (m) der Schalter bildenden Leiterstreifen (19) unter rechtem Winkel zu den die ersten Elektroden (14)

, c bildenden Leiterstreifen (21) angeordnet sind.

16. Anordnung nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität zwischen einer jeweiligen leitenden Fläche (10) und dem die zweiten Elektroden (12) bildenden Leiterstreifen (19) weniger als 1OpF beträgt.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 12, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des

_oc die zweiten Elektroden (12) bildenden Leiterstreifens

(19) nicht 100 kOhm übersteigt.

18. Kapazitätsschalter/Sichtanzeige-Einheit, gekennzeichnet durch einen kapazitiven Schalter gemäß einem der

Ansprüche 1 bis 10 oder eine Anordnung kapazitiver 30

Schalter gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Bestandteile (10 bis 14, 19, 21) des Schalters bzw. der Anordnung der Schalter aus lichtdurchlässigen Materialien bestehen, durch ein an der Rückfläche der oder jeder

ersten Elektrode (21) angebrachtes Sichtanzeigematerial 35

(20) und durch eine an der Rückfläche des Sichtanzeige-

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materials (20) in Überlagerung zu dem oder jedem kapazitiven Schalter angebrachte Anzeigeelektrode (22).

19. Einheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtanzeigematerial (20) eine Sichtanzeige durch ein elektrisches Feld ergibt, das zwischen der ersten Elektrode (21) und der Anzeigeelektrode (22) errichtet ist.

20. Einheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß das Sichtanzeigematerial (20) Elektroluminiszenz-Material, Flüssigkristall, ionisierbares Gas, elektrochromes Material oder Elektrophorese-Material enthält.

21. Einheit nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen von Anzeigesteuersignalen zwischen die ersten Elektroden (21) und die Anzeigeelektroden (22), eine Einrichtung zum

2Q Anlegen von Leseimpulsen an die ersten Elektroden (21) und eine Einrichtung zum Erfassen von Impulsen, die auf kapazitive Weise zu den zweiten Elektroden (19) übertragen werden.

22. Einheit nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der Anzeigesteuersignale auch zum Anlegen von Leseimpulsen an die ersten Elektroden (21 ) dient.

23. Einheit nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch eine Sichtanzeigeeinheit mit dem Sichtanzeigematerial (20), das zwischen der lichtdurchlässigen ersten Elektrode (21) und der Anzeigeelektrode (22) angebracht ist, die überlagert angeordnet sind, und mit einer vor der ersten Elektrode (21) angebrachten Abdeckung (13) aus lichtdurchlässigem dielektrischem Mate-

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rial, und durch eine Kapazitätsschalter-Auflage, die ein lichtdurchlässiges Blatt (11) aus dielektrischem Material aufweist, an dem aus_einem lichtdurchlässigen leitenden Material die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode (19) geformt sind," wobei die Auflage derart auf die Vorderfläche der Sichtanzeigeeinheit-Abdeckung (13) aufgebracht ist, daß die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode (19) über die erste Elektrode (21) gesetzt sind.

24. Kapazitätsschalter-Auflage zur Verwendung in Verbindung mit einer Sichtanzeigeeinheit, die ein Sichtanzeigematerial, das zwischen einer lichtdurchlässigen ersten Elektrode und einer Anzeigeelektrode angebracht ist, welche unter Überlagerung angeordnet sind, und eine vor der ersten Elektrode angebrachte Abdeckung aus lichtdurchlässigem dielektrischem Material aufweist, gekennzeichnet durch ein lichtdurchlässiges Blatt (11) aus

„₀ dielektrischem Material, an dem eine lichtdurchlässige leitende Fläche (10) und eine lichtdurchlässige zweite Elektrode (19) geformt sind, wobei die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode (19) derart angeordnet sind, daß bei dem Aufbringen der Auflage auf die Vorderfläche der Abdeckung (13) der Sichtanzeigeeinheit die leitende Fläche (10) und die zweite Elektrode (19) über die erste Elektrode (21) gesetzt sind, und wobei die erste Elektrode (21), die zweite Elektrode (19) und die leitende Fläche (10) derart angeordnet sind, daß der _ Schalter zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand schaltbar ist und in einem der Zustände der Signalübertragungsfaktor zwischen der ersten und der zweiten Elektrode deutlich verschieden von dem Signalübertragungsfaktor in dem anderen der beiden Zustände ist.