DE3535551A1 - Tastenfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Tastenfeld entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Tastenfelder der in Rede stehenden Art werden für Computereingaben, für elektrische Schreibmaschinen, jedoch auch für Taschenrechner, Werkzeugmaschinen usw. benötigt. Bei den bekannten Anordnungen wird beim Tasteneindruck ein elektrischer Kontakt geschlossen, welcher eine Impulsfolge, z. B. nach dem ASCII-Code auslöst. Dabei werden für derartige Tastenfelder, auch "Keyboards" genannt, Metallkontakte verwendet. Tasten mit Metallkontakten sind teilweise jedoch sehr kompliziert mit vielen Einzelteilen aufgebaut. Sie fordern bei millionenfacher Betätigung und geforderter Funktionssicherheit Goldkontakte, die relativ teuer sind.

Zur Verbilligung ist man daher auf Silicongummiteile oder Siliconmatten ausgewichen, die an den Kontaktstellen mit leitfähigen Materialien versehen sind. Derartige Silicongummikontakte sind als Billigbauweise nicht für Präzisionstastenfelder mit hoher Lebensdauer einsetzbar, da exakte und hohe Funktionsfähigkeit nicht über leitfähige Gummiteile garantiert werden können.

Weiterhin sind Folientastaturen mit metallisierten oder bedruckten Folien bekannt. Diese sind jedoch auch nur begrenzt einsatzfähig, d. h. sie sind nicht für andauernde Schreib- oder Rechentätigkeit gedacht. Sie haben jedoch den Vorteil, daß sie ebenso wie die Membranbauweise staub- und wasserdicht sind.

Als aufwendigste und teuerste Lösung sind die sogenannten "Reedrelais" bekannt, bei denen Kontakte in hermetisch abgeschlossenen Glasverpackungen funkenlos und explosionssicher über außen liegende Magneten betätigt werden. Die Reedrelais weisen eine sehr hohe Funktionssicherheit auf, die jedoch durch hohe Kosten erkauft werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tastenfeld für Schreibmaschinen, Computer, Rechenmaschinen, Telefon, Kommandozentralen, Steuerungen, Musikinstrumente oder dgl. vorzuschlagen, welches eine sehr hohe Funktionssicherheit hat, ohne mechanische Kontaktbetätigung arbeitet, unempfindlich gegen Staub und Wassereinwirkung und praktisch verschleißfrei ist, das jedoch auf der anderen Seite weniger Aufwand und Kosten als beispielsweise die genannten Reedrelais verursacht.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.

Bei dem Gegenstand der Erfindung handelt es sich also um ein kontaktloses, optisches Tastenfeld oder ein Tastenfeld mit optisch arbeitenden Einzeltasten, wobei als Lichtquelle infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht bevorzugt wird. Da mit einem Tastendruck mehrere Lichtkanäle gleichzeitig beeinflußt werden können, können auch mehrere Funktionen gleichzeitig ausgelöst werden. Alternativ können durch den Tastendruck untereinanderliegende Lichtkanäle durch Niederdrücken der Taste betätigt werden, so daß mehrere Funktionen nacheinander ausgelöst werden können.

Da das Auslösen der Kontakte kontaktlos erfolgt, ist eine Funkenbildung unmöglich. Das Tastenfeld ist also explosionssicher. Die Kontakte können nicht verschleißen.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Tastenfeld;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform;

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen der Ausbildung einer Taste mit Lichtstrahlunterbrechung;

Fig. 6 bis 8 Ausführungsformen von Tasten mit zugeordneten Lichtquellen.

Fig. 9 schematisch ein Tastenfeld mit drei sich kreuzenden Scharen und

Fig. 10 vergrößert einen Tastenschaft mit einem reflektierenden Code.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Keyboard besteht aus einer Grundplatte 1 mit einer mit Nuten versehenen Matrize 2, in welcher sich Scharen (3, 4) von Rillen, Lichtbahnen oder Lichtschachten kreuzen. Auf die Matrize ist z. B. eine Gummimatte 5 aufgebracht, aus welcher Tasten 6 ausgeprägt sind, die an ihrer Unterseite je einen Ansatz 7 besitzen, der, wie an linker Stelle in Fig. 2 dargestellt, bei Eindruck der Taste 6 in den zugeordneten Kreuzungspunkt der Nuten 3, 4 eingedrückt wird. Mittels einer Sammelschiene 8 wird z. B. über entsprechende optische Linsen 9 Licht, insbesondere Infrarotlicht oder ultraviolettes Licht, in die Scharen 3, 4 eingespeist. Den anderen, den Linsen 9 gegenüberliegenden Enden der Scharen 3 und 4 sind Photoelemente 11 und 12 zugeordnet, worunter geeignete photoelektrische Bauelemente im weitesten Sinn zu verstehen sind, also sowohl solche bei denen die bei der Bestrahlung entstehende EMK als Stromquelle ausgenutzt wird als auch solche, bei denen bei Lichteinfall die Strom-Spannung charakteristisch verändert wird, wie bei den Photodioden.

Bei Eindruck einer Taste wird sowohl der Lichtstrahl in der Nut 3 als auch der Lichtstrahl in der Nut 4 unterbrochen, so daß jeweils zwei Photoelemente, nämlich ein Photoelement 11 und ein Photoelement 12 ansprechen. Obwohl also entsprechend der Darstellung bei 24 Tasten nur 11 Photoelemente 11, 12 benötigt werden, ergibt sich trotzdem eine klare Zuordnung, d. h. jeder Taste ist ein anderes Paar von Photoelementen aus der Serie 11 bzw. aus der Serie 12 zugeordnet. Es ist verständlich daß bei großen Tastenfeldern z. B. mit über 80 Tasten, wie bei Computerkeybords üblich, der Vorteil der relativ geringen Zahl von Photoelementen z. B. 6 Reihen mit je 15 Tasten also nur 21 Photoelemente stark ins Gewicht fällt.

Bei entsprechender Tastanzahl wird dann das Ansprechen gemäß dem ASCII-Code in ein 7-Bit-Schema mit einem achten Bit als Paritäts-Bit umgewandelt, womit sich alle üblichen großen und kleinen Buchstaben sowie die Ziffern und entsprechende Sonderzeichen darstellen lassen. Selbstverständlich kann auch das IBM-Codesystem angewendet werden, bzw. andere Codesysteme.

Es ist nicht erforderlich, daß die Photoelemente 11, 12 unmittelbar mit dem Tastenfeld verbunden sind. Das Tastenfeld kann z. B. mittels eines nicht dargestellten Glasfaserkabels an ein Terminal angeschlossen sein, in welchem dann die Unterbrechung der lichtelektrischen Impulse entsprechend ausgewertet wird.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Tastenordnung ist äußerst preisgünstig und trotzdem sehr betriebssicher. Ein Verschleiß ist so gut wie ausgeschlossen.

Die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung ermöglicht einen weicheren Anschlag, wie er für Schreibarbeiten bevorzugt wird. Die Grundplatte 1 trägt wiederum eine Auflage 2 mit der Anordnung der Nuten 3, 4. Der Schaft 13 einer Taste 14 ist in einer Bohrung 15 einer Führungsplatte 16 geführt. Der Tasteneindruck erfolgt gegen die Wirkung der Kraft einer Feder 17, wobei die Lichtstrahlen in den Nutkanälen 3, 4 unterbrochen werden.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform besitzt der Schaft 13 der Taste 14 sich senkrecht kreuzende Bohrungen 18. In einer Deckplatte 19, welche auch der Führung der Tastenschäfte 13 dient, sind Glasfaserkabel 21 eingebettet, welche die Lichtführung zu den Bohrungen 18 übernehmen. Bei Eindruck der Taste 14 gegen die Wirkung einer federnden Aufwölbung 22 in einer Kautschukplatte 23 werden die durch die sich kreuzenden Bohrungen 18 verlaufenden Lichtstrahlen unterbrochen, wodurch das zugeorndete Paar von Photoelementen 11, 12 anspricht.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen den Fall, daß anstelle einer Unterbrechung eines Lichtstrahles auch die Öffnung eines Lichtstrahlenweges benutzt werden kann. Eine Lichtquelle, die zweckmäßigerweise aus einer sogenannten Lichtdiode 29 besteht, ist in der Nähe des Schaftes 24 einer Taste 25 angeordnet. Der Tastenschaft 24 enthält Bohrungen 26, welche bei Eindruck der Taste 25 mit einer Bohrung 27 in einem Führungssteg 28 fluchten. Bei der Fluchtung der Bohrungen 26, 27 gelangt der Lichtstrahl von der Lichtdiode 29 zu einem Photoelement 31, welches anspricht und ein entsprechendes elektrisches Signal liefert.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind an dem Schaft 38 einer Taste 39 ein oder mehrere phosphoreszierernde Lichtquellen 32 angeordnet, welche bei Eindruck der Taste 39 ein Photoelement 33 oder über Weiterleitung durch einen Lichtkanal eines der photoelektrischen Elemente 11, 12 erregen. Derartig phosphoreszierenden Lichtquellen 32 sind mittlerweile technisch so weit entwickelt worden, daß sie leiterlos eingesetzt werden können und ihre Leuchtkraft bis zu 15 Jahren behalten.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform besitzt der Schaft 24 einer Taste 25 wiederum Bohrungen 26. Im Inneren des Tastenschaftes ist eine phosphoreszierende Lichtquelle 35 feststehend angeordnet. Bei Eindruck der Taste wird daher ein Lichtweg in zwei verschiedenen Richtungen über die Glasfaserkabeln 36 und 37 geöffnet. Dies bedeutet, daß verschiedene Photozellen, die den Glasfaserkabeln 36 und 37 zugeordnet sind, ansprechen und z. B. zwei verschiedene Funktionen auslösen können.

Die Anordnung kann, wie dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, auch so getroffen werden, daß bei Eindruck einer Taste in zwei verschiedenen Stufen gegenüber Federwirkung auch zwei verschiedene Lichtwege geschlossen und/oder geöffnet werden. Damit können zwei verschiedene Funktionen hintereinander ausgelöst werden. Es kann jedoch auch, wenn sehr große Sicherheit verlangt wird, damit gewährleistet werden, daß erst das doppelte Ansprechen zweier verschiedener Kreise die Auslösung bewirkt, sodaß keine Auslösung stattfindet, wenn irgendwelche Fehlschaltungen vorliegen.

Von besonderem Vorteil ist bei der Ausführungsform gemäß der Erfindung, daß die Tasten nicht unbedingt sauber angeschlagen werden müssen, da der Lichtstrahl sicher vor Erreichen der Endposition unterbrochen wird oder ein Lichtweg geöffnet wird. Fehlschaltungen sind wegen der außerordentlichen Zuverlässigkeit einer optischen Schaltung ausgeschlossen. Die Lebensdauer eines Tastenfeldes wird lediglich durch die Wahl der mechanischen Mittel bestimmt. Die Konstruktion einer optischen Tastatur ist unkompliziert und einfach, so daß auch große Tastenfelder, wie sie z. B. für Musikinstrumente benötigt werden, gemäß der Erfindung ausgebildet werden können. Bei großen Lichtmatrizen ist die Planung neuer Tastenfelder durch wahlweises Einsetzen oder Umsetzen von Tasten in den Knotenpunkten möglich.

Falls für bestimmte Aufgaben zwei Tasten eingedrückt werden müssen, z. B. Groß-Kleinschreibung oder Funktionstaste mit einer Buchstabentaste, kann dieses Problem z. B. dadurch gelöst werden, daß der Eindruck der Funktionstaste in einem tiefer gelegenen Kanal einen Lichtstrahl freigibt, der unterbrochen oder freigegeben wird. Bei Musikinstrumenten können zahlreiche Variationsmöglichkeiten nützlich sein.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel, bei dem drei Scharen von sich kreuzenden Lichtstrahlen vorgesehen sind, d. h. in jedem einer Taste zugeordneten Kreuzungspunkt a-x können drei Lichtstrahlen unterbrochen, erzeugt oder reflektiert werden. Dies kann bei größeren Tastenfeldern zu einer Einsparung von Photoelementen führen. Darüber hinaus ergeben sich jedoch eine Reihe von neuartigen Möglichkeiten.

So können beispielsweise bei der Umschaltung von Groß- auf Kleinschreibung die der Schar 41 zugeordneten Photoelemente abgeschaltet und dafür die der Schar 42 zugeordneten Photoelemente eingeschaltet werden, während z. B. die der Schar 43 zugeordneten Photoelemente in Funktion bleiben. Darüber hinaus können z. B. bei Umschaltung auf einen technischen Zeichenbereich die Scharen 41 und 42 Verwendung finden. Bei Tastenfeldern, bei denen durch Auflegen einer neuen Tastenmatrize den Tasten andere Bedeutungen zugeordnet werden können, sind derartige Möglichkeiten äußerst wirkungsvoll. Selbstverständlich können auch vier oder fünf Scharen verwendet werden. Die Scharen können auch vertikal übereinander angeordnet werden.

Fig. 10 zeigt einen Tastenschaft mit einer Codierung, die für eine spezielle Taste typisch ist. Beim Eindrücken der Taste entsteht durch den reflektierten Lichtstrahl eine typische Impulsfolge, welche entsprechend ausgewertet wird.

Die Abtastung der Tasten kann auch durch Lichtblitze erfolgen. Es können mehrere Möglichkeiten miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel können Tasten mit einer Codierung 44 entsprechend Fig. 10, z. B. bei einer Textverarbeitungsanlage als Funktionstasten dienen.

Claims (14)

1. Tastenfeld, bei dem bei Eindruck einer bestimmten Taste des Feldes eine für die Taste charakteristische Impulsfolge erzeugt wird, die einer Auswerte-, Rechen- oder Schreibeinrichtung zugeleitet, ausgewertet und/oder abgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Tasteneindruck mindestens ein Lichtstrahl zu mindestem einem Photoelement (11, 12) unterbrochen oder reflektiert wird oder daß die Unterbrechung eines Lichtstrahles zu mindestens einem Photoelement (31, 33) aufgehoben wird und daß durch das Ansprechen des oder der Photoelemente (11, 12, 31, 33) die charakteristische Impulsfolge ausgelöst wird.

2. Tastenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (7, 13, 24) der Taste (6, 14, 25) bei der Eindrückbewegung mindestens zwei Lichtstrahlen unterbricht, von denen einer für die Zuordnung der Taste (6, 14, 25) zu einer bestimmten Reihe und der andere für die Zuordnung der Taste (6, 14, 25) zu einem bestimmten Platz in dieser Reihe charakteristisch ist.

3. Tastenfeld nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen in mehreren sich kreuzenden Scharen (3, 4) von Kanälen, Bahnen, Bohrungen oder Lichtleitern verlaufen und daß die Tasten (6, 14, 25) an den Kreuzungspunkten der Scharelemente angeordnet sind.

4. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betätigung einer Taste (6, 14, 25) in Abhängigkeit von der Eindrucktiefe mehrere Lichtkanäle nacheinander unterbrochen oder geöffnet werden.

5. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht zwischen den Tasten (6, 14, 25, 39) von einem Lichtleiter (36, 37), wie einem Glasfaserbündel, einem Acrylstab oder dgl. geleitet wird.

6. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das lichterzeugende Element eine Lichtdiode (29) oder eine phosphorizierende Lichtquelle (32, 35) ist.

7. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Taste (25, 39) ein lichterzeugendes Element (29, 32, 35) zugeordnet ist.

8. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrize (2) mit zwei Scharen (3, 4) von sich senkrecht kreuzenden Bahnen, Rillen oder Kanälen für die Lichtleitung vorgesehen ist, welche von einer elastischen Matte (5) abgedeckt ist, die an den Kreuzungsstellen der Kanäle je eine Aufwölbung besitzt, an deren Unterseite ein Ansatz (7) angeformt ist, der bei Eindruck der Aufwölbung in die Kanalkreuzung eingedrückt wird und dabei die Lichtstrahlen unterbricht.

9. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (13) jeder Taste (14) eine Deckplatte (19) mit Kanälen oder Bohrungen durchdringt, wobei das Licht durch Bohrungen (18) in dem Tastenschaft (13) weitergeleitet wird und daß bei Eindruck der Taste (14) die Bohrung (18) nach unten wandert, so daß die Lichtleitung unterbrochen wird bzw. umgekehrt eine Lichtverbindung hergestellt wird.

10. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl im ultravioletten oder im infrarotem Wellenbereich liegt.

11. Tastenfeld nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei sich in einem Winkel von etwa 120° kreuzende Scharen (41, 42, 43) von Lichtleitelementen vorgesehen sind, wodurch die Anzahl der Photoelemente verringert und/oder eine Umschaltung von Groß- auf Kleinschreibung oder auf ein anderes Tastensystem oder Alphabet, z. B. durch Abschalten der der ersten Schar zugeordneten Photoelemente und Anschalten der der dritten Schar zugeordneten Photoelemente ermöglicht wird.

12. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht bei Tasteneindruck reflektiert oder eine Lichtreflexion aufgehoben wird.

13. Tastenfeld nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Taste oder ein mit ihr bewegliches Glied ein Codemuster (44) trägt, so daß beim Tasteneindruck ein Codesignal reflektiert wird.

14. Tastenfeld nach Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines kontinuierlichen Lichtstrahls Lichtblitze oder eine Lichtblitzfolge ausgestrahlt werden.