DE3685749T2 - Tastungsempfindliche anzeigeleuchte. - Google Patents

Tastungsempfindliche anzeigeleuchte.

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Description

    Einführung
  • Die Erfindung betrifft eine berührungsempfindliche Anzeigeleuchte und insbesondere betrifft sie eine Leuchtdiode, die einen Berührungs- oder Annäherungsfühler enthält, der als Schaltmittel wirkt.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Als LEDs bekannte Leuchtdioden sind in der elektrischen/elektronischen Industrie sehr beliebt geworden. Eine Leuchtdiode ist eine elektronische Festkörper-Komponente, die typischerweise eine in Vorwärtsrichtung betriebene p/n-Halbleiter- Sperrschichtdiode umfaßt. Licht wird sehr nahe bei dem oder innerhalb des Sperrschichtbereichs emittiert, wenn injizierte Löcher und Elektronen durch die Sperrschicht diffundieren und miteinander kombinieren. Die kombinierenden Löcher und Elektronen setzen Energie frei und ein Teil dieser Energie wird direkt als Photonen freigesetzt. Leuchtdioden können hergestellt werden durch Eindiffundieren von p- und n-Verunreinigungen in einen entsprechenden Halbleiter zur Bildung einer Sperrschicht. Ein üblicherweise zur Herstellung von Licht im sichtbaren Spektrum emittierenden Leuchtdioden benutzter Halbleiter ist Gallium-Arsenidphosphid.
  • Die Diode wird üblicherweise in Kunststoff eingekapselt und bestimmt einen zylindrischen Aufbau mit einem kuppelförmigen Oberteil, wobei der Durchmesser der Anordnung in der Größenordnung von 5 mm liegt.
  • Leuchtdioden spielen eine bedeutsame Rolle in der elektrischen/elektronischen Industrie. Sie schaffen ein einfaches und wirksames Mittel zum Anzeigen eines bestimmten Zustandes einer Vielzahl von Komponenten in einer elektronischen Schaltung. Ihre geringe Größe und ihre Haltbarkeit machen sie ideal zur Verwendung in Instrumententafeln und an Schaltplatinen. Sie werden häufig benutzt, den Status von Schaltermitteln anzuzeigen und werden oft benachbart zu einem Schalter angeordnet, um den Schaltzustand des Schalters zu bezeichnen.
  • In letzter Zeit haben Gesellschaften wie Hewlett Packard LEDs erzeugt, die integrierte Schaltungen innerhalb des Aufbaus der LED enthalten.
  • DE-A 31 46 328 (Siemens AG) beschreibt eine Leuchtdiode, die eine Helligkeitssteuerung enthält, wodurch die Helligkeit des Leuchtens der Diode sich in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungsbeleuchtung ändert. Die Leuchtdiode ist in eine Kunststoffkuppel eingekapselt und besitzt einen Sensor, der die Intensität der Umgebungsbeleuchtung erfaßt.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Leuchtdioden-Anordnung, die eine eingebaute Schaltfähigkeit besitzt.
  • Erfindungsgemäß wird eine Leuchtdioden-Anordnung geschaffen mit einer in einer Kunststoffkuppel eingebetteten Leuchtdiode und einer einen Ausgang zu externer Elektronik umfassenden Kontakt-Schalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt-Schalteinrichtung innerhalb der Kunststoffkuppel von außen bedienbar angeordnet ist, und die Leuchtdiode eine visuelle Anzeige des Zustandes der Schalteinrichtung bietet.
  • Vorzugsweise umfaßt die Schalteinrichtung einen auf oder neben der Spitze der Kunststoffkuppel angeordneten leitfähigen Bereich.
  • Die Schalteinrichtung kann ein Widerstands-Kontaktschalter, ein Spannungserfassungs-Kontaktschalter, ein Kapazitätserfassungs-Kontaktschalter oder ein Kontaktschalter mit Näheempfindlichkeit sein.
  • Bei einer Ausführung umfaßt die Schalteinrichtung ein innerhalb der Kunststoffkuppel angeordnetes Element mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit, wodurch auf die Spitze der Kuppel wirkender externer Druck von dem Element mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit erfaßt wird.
  • Das Element mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit kann einen Widerstand, eine piezoelektrische oder piezoresistive Schicht oder einen Halbleiter-Piezowiderstand oder einen Transistor umfassen.
  • Bei einer anderen Ausführung umfaßt die Schalteinrichtung ein lichtempfindliches Element, das von einem Gegenstand oder einer Fingerspitze in Nähe der Oberseite der Kunststoffkuppel reflektiertes Licht von der lichtemittierten Diode erfaßt. Der Lichtsensor kann einen Fototransistor oder eine Fotodiode umfassen.
  • Der Ausdruck "Kuppel" betrifft, wenn er in dieser Beschreibung benutzt wird, den oberen Abschnitt der Diode, der nach außen hin eine Vielzahl von Profilen bieten kann.
    • Beschreibung der Zeichnung
  • Verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielsweise mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
  • Fig 1 bis 7 Seitenansichten sind, die verschiedene Ausführungsbeispiele von Leuchtdioden mit darin enthaltenen Schaltereinrichtungen darstellen;
  • Fig. 8 ein Blockschaltbild ist, das ein Ausführungsbeispiel der Verwendung einer eine Schaltereinrichtung enthaltenden LED darstellt;
  • Fig. 9 ein Schaltbild ist, das die LED der Fig. 8 in Verwendung zur Steuerung eines fortschaltenden Ausgangssignals zeigt;
  • Fig. 10 ein Schaltbild ist, das die Verwendung einer LED mit Schaltereinrichtung zur Schaffung eines Schalters mit einem einfachen "Moment-Ein"-Ausgangssignal zeigt;
  • Fig. 11a, b und c jeweils Drauf-, Seiten- und Vorderansichten einer einen Belastungs/Verformungsfühler enthaltenden LED;
  • Fig. 12 ein Blockschaltbild einer einen piezoresistiven Belastungs/Verformungsfühler enthaltenden LED ist; und
  • Fig. 13 ein Schaltbild einer einen piezoresistiven Belastungs/Verformungsfühler enthaltenden LED ist.
    • Beschreibung bevorzugter Ausführungen
  • Die verschiedenen in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungen betreffen Schaltereinrichtungen enthaltende Leuchtdioden (LEDs). In den verschiedenen Ausführungen sind die gleichen Bezugszeichen für gleiche Bauteile verwendet. Im wesentlichen umfaßt die berührungsempfindliche Leuchtdiode eine LED 10 einer von vielen bekannten in lichtdurchlässige Kunststoffkuppeln 11 eingekapselten Arten. Die Kuppel 11 umfaßt eine kuppelförmige Oberseite 12 und einen zylindrischen Abschnitt 13, der an einer Grundplatte 14 angebracht ist. Die Grundplatte wird üblicherweise integral mit der Kuppel geformt und enthält mit Abstand voneinander drei elektrische Klemmen, die aus der Grundplatte heraus vorstehen, nämlich eine Ausgangsklemme 16, eine Erdklemme 17 und eine Schalter-Ausgangsklemme 18. Die Kunststoffkuppel, in der die LED eingekapselt ist, besteht bevorzugt aus warmaushärtendem Harz oder ist durch Einspritzformung eines Thermokunststoffs hergestellt. Die Kunststoffkuppel ist transparent oder lichtdurchlässig und wird so hergestellt, daß sie einen Außendurchmesser von ca. 5 mm besitzt. Das ist der Standarddurchmesser für übliche LEDs und erlaubt die Verwendung der berührungsempfindlichen LED bei bereits bestehenden Schaltungs- oder Abdecktafeln.
  • Die in den in Fig. 1 bis 7 der beigefügten Zeichnung beschriebenen berührungsempfindlichen LEDs enthalten vier Kategorien von Schalteinrichtungen, nämlich:
    • (a) Widerstands-Berührungsschalter.
  • Der Widerstandswert zwischen zwei oder mehr Elektroden wird durch den Kontakt eines Fingers oder eines anderen Leitmaterials reduziert. Diese Änderung ist das Schaltsignal und kann durch Schaltelektronik in oder extern von der berührungsempfindlichen LED gemessen und verwendet werden.
    • (b) Spannungserfassungs-Berührungsschalter.
  • Der menschliche Körper wirkt als eine Art von Antenne und führt Wechselspannungen mit hoher Impedanz, die durch elektromagnetische Felder von Quellen wie der Netzverdrahtung eingekoppelt sind. Diese Spannungen können durch einen einzigen leitenden Sensorbereich an der berührungsempfindlichen LED erfaßt werden. Bei Berührung oder enger Annäherung eines Fingers können diese Spannungen erfaßt und als ein Schaltsignal benutzt werden. Eine Berührung mit dem leitenden Sensorbereich ist nicht Voraussetzung, da diese Spannungen von einem dem leitenden Sensor eng benachbarten Finger kapazitiv eingekoppelt werden können.
    • (c) Kapazitätserfassungs-Berührungsschalter.
  • Der menschliche Körper wirkt als kleiner, an einem Ende geerdeter Kondensator. Dieser Effekt kann durch eine elektronische Schaltung benutzt werden, um die Berührung oder enge Nachbarschaft eines Fingers zu einem leitenden Sensor zu erfassen. Diese Art von Berührungsschalter kann mit einem einzigen leitenden Sensorbereich an der berührungsempfindlichen LED arbeiten. Die durch enge Nachbarschaft oder Berührung eines Fingers verursachte Kapazitätsänderung zwischen dem leitenden Sensorbereich und elektrischer Erde wird als Schaltsignal benutzt. Diese Kapazitätsänderung kann durch Verfahren wie das Erfassen eines von dem leitenden Sensor zu elektrischer Erde fließenden Stroms eines Hochfrequenzoszillators oder durch die Verschlechterung oder harmonische Filterung eines an dem leitenden Fühler vorhandenen oszillierenden Signals erfaßt werden.
    • (d) Leiterannäherungs-Berührunasschalter.
  • Diese Schalter erfordern keinen Kontakt und benutzen typischerweise mehr als einen leitenden Sensorbereich. Bei diesen Schaltern ändert die Nähe eines Leiters, wie eines Fingers, die induktive oder kapazitive Kopplung zwischen zwei oder mehr leitenden Bereichen an oder innerhalb der Kunststoffverkapselung der berührungsempfindlichen LED.
  • Aus dem Vorstehenden sollte zu verstehen sein, daß der Ausdruck "berührungsempfindlich" Schaltermittel umfaßt, bei denen entweder ein externes Element positiv den Fühler berührt oder das externe Element in enge Nachbarschaft zu dem Fühler gebracht wird. Der Ausdruck "berührungsempfindlich" ist nicht auf tatsächliche Berührung begrenzt.
  • In Fig. 1 ist eine einfache Form einer berührungsempfindlichen LED 20 dargestellt. Diese berührungsempfindliche LED enthält keine interne Elektronik und umfaßt nur die einzelne in einer Kunststoffkuppel 11 eingekapselte Leuchtdiode 10. Die Oberseite 12 der Kuppel ist mit einer leitenden Beschichtung/Schicht 21 versehen, die über den Verkapselungskunststoff aufgetragen ist. Diese Schicht kann ein leitendes Oxid oder ein leitender Kunststoff sein. Es können auch metallische, durch Sprühverdampfung oder elektrolytisch wirkende Vorgänge aufgetragene Beschichtungen benutzt werden, um die Schicht zu schaffen. Die Beschichtung 21 ist für Licht von der Leuchtdiode 10 teilweise durchlässig. Eine metallische Leitung 22 ist an einer Kante der leitenden Beschichtung 21 angeklemmt und verbindet elektrisch diese Beschichtung mit der Schalter-Ausgangsklemme 18. Die berührungsempfindliche LED enthält auch die Erdklemme 17 und die Klemme 16 für positive Eingangsspannung. Bei dieser Ausführung wird die berührungsempfindliche LED mit externer Elektronikschaltung gekoppelt.
  • Bei den in Fig. 2 bis 7 dargestellten Ausführungen enthalten alle berührungsempfindlichen LEDs integrierte Schaltungen 69, die mit der Nullspannungs- oder Erdklemme 17 verbunden und elektrisch angeschlossen sind. Die positive Eingangsklemme 16 ist mit der integrierten Schaltung 69 über einen feinen Gold- oder Metalldraht 68 gekoppelt, der mit einem Meteallrahmenelement 67 der Klemme 16 und mit einem an der integrierten Schaltung ausgebildeten metallisierten Fleck verbunden ist. In gleicher Weise ist der Ausgang oder die Schalterklemme 18 mit der integrierten Schaltung 69 über eine feine Drahtleitung 69 gekoppelt. Ein feiner Draht 63 koppelt die integrierte Schaltung 69 mit der berührungsempfindlichen Schicht 21 über eine Leitung 62.
  • Ein Metallstreifen 61 ist mit der LED und der integrierten Schaltung nur für internen Aufbau gekoppelt. Die Leitung 61 ist dicht an der Grundplatte 14 der LED-Verkapselung abgetrennt.
  • Die integrierte Schaltung und ihr Betrieb mit der berührungsempfindlichen LED wird später in dieser Beschreibung erläutert.
  • Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist die Kuppel 12 der berührungsempfindlichen LED 30 mit einer leitenden Kappe 31 aus leitfähigem Kunststoff oder anderem leitenden Material versehen, das vollständig oder teilweise für Licht mit den durch die Leuchtdiode 10 emittierten Frequenzen durchlässig ist. Die leitende Kappe 31 ist mit der integrierten Schaltung 69 über eine Leitung 32 gekoppelt.
  • In der in Fig. 4 gezeigten Ausführung der berührungsempfindlichen LED ist die leitende Kappe oder die leitende Schicht an der Oberseite 12 der Kuppel 11 ersetzt durch eine Elektrode oder Leitung 41, die durch die Außenseite der Kuppel nach außen vorsteht, um einen Leitstift oder eine Leitfahne zu bilden, der bzw. die direkt zur Aktivierung der LED berührt werden kann.
  • Leitende Beschichtungen oder Schichten, die benutzt werden können, umschließen eine dünne Beschichtung aus einem Metall wie Gold, Silber oder Nickel oder Chrom. Diese Schicht kann dünn genug gemacht werden, um teilweise für Licht von der LED durchlässig zu sein. Diese Beschichtungen können unter Benutzung verschiedener Verdampfungs-, Sprüh- oder Elektroplattierungs- oder chemischer Abscheidungs-Verfahren aufgebracht werden.
  • Metalloxidfilme, wie Filme aus Indiumoxid, Zinnoxid und Zinkoxid sind lichtdurchlässig und elektrisch leitend. Diese Oxide werden aus diesem Grund gegenwärtig in einigen optoelektronischen Bestandteilen verwendet. Oxidfilme können benutzt werden, um die leitenden Berührungs"Aufnehm"-Elektroden zu bilden. Oxidfilme werden aufgetragen unter Benutzung vorhandener Verdampfungsverfahren. Manchmal werden diese Filme mit Verunreinigungen "dotiert", um ihre Eigenschaften zu modifizieren oder einzustellen.
    • Es gibt auch zwei Arten von leitenden Polymeren, nämlich:
  • i) Normalerweise nichtleitende Kunststoffe, die mit einem Füllstoff gemischt sind, der ein leitendes Ergebnis hervorruft. Beispielsweise sind das metall- oder graphit-gefüllte Thermopolymere oder Harze. Diese Materialien sind typischerweise lichtundurchlässig, ergeben jedoch teilweise durchlässige Elektroden, wenn sie als sehr dünne Beschichtungen benutzt werden, und
  • ii) wirklich leitende Polymere wie Polythiphen, Trans-Polyacetylen und Polyanilin sind elektrisch leitend. Diese Materialien ergeben teildurchlässige Elektroden, wenn sie als dünne Schichten benutzt werden.
  • Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführung sind in der berührungsempfindlichen LED 50 an der Oberseite 12 der Kuppel 11 zwei leitende Elektroden 51 und 52 in Form von leitenden Schichten an der Außenseite der Kuppel aufgenommen. Die leitenden Elektroden 51 und 52 sind mit kleinem Abstand voneinander angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt, und sind mit der integrierten Schaltung 69 über Leitungen 53 und 54 gekoppelt. Die Berührung eines Fingers ändert den Widerstand zwischen den beiden Elektroden, und das kann durch die Elektronik in der integrierten Schaltung erfaßt werden. Auch die enge Nachbarschaft eines Fingers erhöht die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 51 und 52, und dies kann auch durch die Elektronik in der integrierten Schaltung erfaßt werden. Falls der Sensor kapazitiv ist und keinen direkten Kontakt erfordert, können die Elektroden geschützt oder unter der Oberfläche der Verkapselungs-Kunststoffkuppel verborgen sein, wie in der Ausführung nach Fig. 6 dargestellt, in welcher die Elektroden 61 und 62 mit kleinem Abstand unter der Oberseite 12 der Kuppel 11 angeordnet sind.
  • Fig. 7 stellt eine Ausführung dar, bei der zwei Leuchtdioden 70 und 71 einander benachbart angeordnet und mit der integrierten Schaltung 69 so gekoppelt sind, daß sie im Gebrauch eine Betätigung der Schalteinrichtung, die in irgendeiner der vorstehend beschriebenen Formen vorhanden sein kann, eine abwechselnde Betätigung der Leuchtdioden 70 und 71 verursacht, die rot bzw. grün gefärbt sein können, wodurch grün "ein" anzeigt, daß die Ausgangsleitung Null Volt hat, und rot "ein" anzeigt, daß die Ausgangsleitung sich bei einer positiven Versorgungsspannung befindet. Es ist zu verstehen, daß eine Anzahl von Leuchtdioden innerhalb der einen berührungsempfindlichen LED aufgenommen sein können, um eine Farb-Abfolge zu schaffen, die einen Bereich von Zuständen anzeigt.
  • Fig. 8 stellt ein Blockschaltbild der in den Fig. 2 und 3 dargestellten berührungsempfindlichen LEDs dar und die zugeordnete Elektronikschaltung, die innerhalb der integrierten Schaltung 69 zur Schaffung der gewünschten Betätigung aufgenommen ist. Die LED ist durch Bezugszeichen 10 bezeichnet und der berührungsempfindliche Aufgriff durch Bezugszeichen 21 und 31. Diese Schaltung enthält eine Konstantstrom-LED- Ansteuerung, eine Berührungserfassungs- und Entprellungsschaltung, ein Flip-Flop zur Verleihung von Wechselbetrieb und eine Ausgangsansteuerungs-Festkörperschalterstufe. Beispiele von Elektronikbauteilen, die zur Verwirklichung der Schalterausgangsstufe benutzt werden können, sind ein Transistor, ein Triac, ein Diac, ein Analogschalter oder ein Logikpegelausgang wie ein CMOS-Inverter. Die in dem Blockschaltbild gezeigten Komponenten enden bei der "Spannungs-Eingangsklemme", der "Schalter-Ausgangsklemme" und der "Erdklemme".
  • Fig. 9 ist ein Schaltbild eines Spannungserfassungs-Berührungsschalters mit Einzelsensorelektroden 21, 31, 41. Er ist so dargestellt, daß er aus bestehenden Bauteilen aufgebaut ist, und in dieser Form wäre er geeignet als externe Elektronik zum Betrieb einer berührungsempfindlichen LED nach Fig. 1 ohne innere Elektronik. Wenn die Elektrode 21 berührt wird, werden die in dem menschlichen Körper vorhandenen elektrischen Wechselstromsignale zu dem Eingang des Schmitt-Triggers 81 geleitet. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 81 ist eine Rechteckwelle, die durch die Diode 82, die Widerstände 83 und 84 und den Kondensator 85 zu Gleichstrom gleichgerichtet wird. Dieser Gleichstrom, der vorhanden ist, während die Elektrode berührt wird, wird durch den zweiten Schmitt-Trigger 86 von Spannungsspitzen befreit. Das Ausgnagssignal des Schmitt-Triggers 86 steuert den Takteingang des Flip-Flop 87 an. Das Ausgangssignal 18 des Flip-Flop wechselt bei jeder aufeinanderfolgender Berührung zwischen Null Volt und positiver Versorgungsspannung. Wenn das Ausgangssignal 18 "ein" ist, steuert bei einer positiven Versorgungsspannung diese Spannung die LED 10 durch den Widerstand 90 an, der den Strom zur LED begrenzt.
  • Ein Äquivalent zu dieser Schaltung kann als integrierte Schaltung aufgebaut und in Ausführungen wie Fig. 2 und Fig. 3 verwendet werden.
  • Fig. 10 ist ein Schaltbild einer berührungsempfindlichen LED mit einer zwei-Elektroden-Widerstandserfassung mit einem einfachen "ein, solange berührt"-Ausgangssignal 18. Diese Schaltung ist geeignet zur Herstellung als integrierte Schaltung und würde eingesetzt werden, wie in Fig. 5 dargestellt.
  • Die Schaltung besteht aus komplementären p- und n-MOS-Feldeffekt-Transistoren 98 und 99, die als Inverter angeordnet sind. Der Widerstand 93 hält normalerweise das Eingangssignal zum Inverter hoch, was das Ausgangssignal 18 tief setzt. Fingerwiderstand über den Elektroden 51 und 52 zieht den Invertereingang tief, was den Ausgang 18 dicht an die positive Versorgungsspannung anheben läßt. Diese Spannung steuert auch die LED 10 an, der Strom wird aber durch den Widerstand 90 begrenzt.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungen arbeiten die Schaltermittel der berührungsempfindlichen LED alle mit widerstands-spannungserfassender induktiver oder kapazitiver Aufnahme.
  • Bei einer anderen Ausführung kann das Schaltermittel ein Lichtsensor sein, der Licht von der Leuchtdiode erfaßt, das durch einen Gegenstand oder einen Finger in großer Nähe zurück in die Kunststoffkuppel reflektiert wird. Typischerweise ist der Lichtsensor ein Fototransistor oder eine Fotodiode, und das Bauelement kann mehr als eine Leuchtdiode in unterschiedlichen Farben enthalten. Auf diese Weise können unterschiedliche Schaltzustände des Bauelements angezeigt werden, während immer Licht emittiert wird, um den Lichtsensor zu betätigen. Eine der Leuchtdioden kann Infrarotlicht aussenden, das nicht sichtbar ist, und das Gerät ausgeschaltet erscheinen läßt.
  • Die in Fig. 7 gezeigte körperliche Auslegung kann benutzt werden, um eine berührungsempfindliche LED mit optischer Erfassung aufzubauen. Eine Diode 71 ist eine lichtempfindliche Fotodiode und die zweite Diode 62 eine Leuchtdiode.
  • Licht von der Leuchtdiode 72 wird durch Annähern einer Fingerspitze zu der Fotodiode 71 reflektiert. Der in Gegenrichtung vorgespannte Strom durch die Fotodiode kann als ein Schaltsignal benutzt werden. In diesem Fall mit nur einer Leuchtdiode werden die unterschiedlichen Zustände des Schalters angezeigt durch unterschiedliche Intensitäten oder Blitzraten der Leuchtdiode, jedoch ist in jedem Fall ein Lichtausgangssignal weiter vorgesehen, um ein Schalten durch Reflexion von einer Fingerspitze zu der Fotodiode zu ermöglichen.
  • Typischerweise ist der Fotodetektor so ausgelegt, daß er speziell auf Licht von der Leuchtdiode anspricht, und durch Änderungen der Umgebungsbeleuchtung nicht beeinflußt wird. Der Fotodetektor ist nicht direktem Ausgangslicht von der Leuchtdiode ausgesetzt und spricht so auf Änderungen des reflektierten Lichts an.
  • Bei der in Fig. 11A, B und C dargestellten Ausführungen nimmt die berührungsempfindliche LED 100 in ähnlicher Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungen mindestens eine in einer Kuppel von entsprechendem Kunststoffmaterial eingekapselte Leuchtdiode auf. Die LED enthält eine Leistungseingangsklemme 16, eine Erdklemme 17 und eine Schalter-Ausgangsklemme 18 wie bei den vorherigen Ausführungen. Es ist auch zu verstehen, daß die berührungsempfindliche Leuchtdiode eine integrierende Schaltung 169 enthält, die auf ähnliche Weise über Golddrähte oder Whisker, in der gleichen Weise wie bei den früheren Ausführungen beschrieben, mit den Klemmen gekoppelt ist.
  • Der Hauptunterschied zwischen der in Fig. 11A, B und C dargestellten Ausführung und den früheren Ausführungen ist der, daß die Schalteinrichtung einen Belastungs/Verformungs-Sensor 130 umfaßt, der in der integrierten Schaltung aufgenommen ist, um auf Änderungen der Belastung/Verformung empfindlich zu reagieren, die durch körperliche Berührung an der Oberseite 12 der Kuppel 11 verursacht werden. Um die Belastung/Verformung zu orten, wenn die Kuppel berührt wird, ist eine Ringnut 132 bei dem Grundteil der Kuppel 11 und ein bananenförmiger Ausschnitt 131 im Inneren der Kuppel angeordnet, um einen Hohlraum zu bestimmen, der evakuiert werden kann. Die Kombination des Hohlraums 131 mit der Nut 132 verursacht Belastungskonzentrationen bei dem Belastungs/Verformungs-Sensor, um sicherzustellen, daß bei einer Berührung der Kuppel der Schalter aktiviert wird.
  • Bei einer anderen Alternative kann der Hohlraum durch einen unter Druck stehenden Einsatz ersetzt werden, der wiederum die Auswirkung hat, eine Belastungs/Verformungs-Konzentration zu verursachen.
  • Wie in Fig. 11 gezeigt, ist die integrierte Schaltung 169 mit der Leuchtdiode 10 über eine Feindrahtleitung 114 gekoppelt. Die integrierte Schaltung kann auch mit der Metall-Ausgangsklemme 18 über einen Feinmetalldraht 125 und mit der positiven Leistungseingangsklemme 16 über eine gleichartige Feindrahtleitung 126 gekoppelt sein. Der Belastungs/Verformungs-Sensor 130 kann von einem von drei Grundtypen sein, nämlich ein Widerstandselement, ein piezoelektrisches Element oder ein kapazitives Element.
  • Im Falle eines kapazitiven Elements wird eine Membran oder ein freitragendes Wandstück in die Oberfläche der integrierten Schaltung eingeätzt oder an ihr angebracht. Verformung des die integrierte Schaltung umgebenden Materials ändert dann die Kapazität zwischen den metallisierten Leitern an der Membran oder dem freitragenden Wandstück und nahegelegenen Leitern bei der integrierten Schaltung. Die Kapazitätsänderung kann auch als Schaltsignal für andere Elektroniken an der integrierten Schaltung benutzt werden. Als integrierte Schaltung ausgeführte auf diesem kapazitiven Prinzip beruhende Beschleunigungsmesser sind im Handel erhältlich.
  • Im Falle eines Widerstandselements ist der Widerstands-Belastungssensor in der integrierten Schaltung als eine Gruppe von Widerständen verkörpert, die an der Oberfläche der integrierten Schaltung angefertigt sind. Diese Widerstände sind Verformung durch den Verkapselungs-Kunststoff ausgesetzt, wenn eine Kraft auf die Oberseite der Kuppel übertragen wird. Die Widerstände ändern ihren Widerstandswert mit der Belastung und diese Änderung wird erfaßt und gedeutet durch die anderen Elektronikelemente, die an der Oberfläche der integrierten Schaltung hergestellt sind. Typischerweise ändern diese Widerstände ihren Widerstandswert infolge von Piezo-Widerstand und werden als Piezo-Resistoren bezeichnet.
  • Der in Fig. 11 dargestellte Belastungs/Verformungs-Sensor wird an einer integrierten Schaltung hergestellt. Dieser Sensor kann ein Piezo-Resistor sein oder es kann ein piezoelektrischer Sensor an dem Silizium-Chip hergestellt werden durch Beschichten des Sensorbereichs des Substrats mit einer dünnen Schicht von piezoelektrischem Material wie kristallinem Aluminiumnitrit. In beiden vorstehend beschriebenen Sensorauslegungen kann die Ansprech-Empfindlichkeit der Bauelemente erhöht werden, wenn die Sensorelementbereiche auf eine dünne Membran oder eine freitragende Fläche des Silizium-Chips gesetzt werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, wird die Dicke des Silizium-Plättchens in dem Sensorbereich verringert unter Benutzung von anisotropen Mikrobearbeitungs-Ätzverfahren. Durch diesen Vorgang kann die Unterseite des Silizium-Plättchens weggeätzt werden, um eine Membran oder einen freitragenden Bereich zu erzeugen.
  • Das piezoelektrische Belastungssensorgerät ergibt eine Ladungstrennung, wenn es einer Verformung unterworfen wird, die eine Potentialdifferenz über die Oberfläche des Materials erzeugt. Die zugeordnete Änderung des elektrischen Widerstands eines Leiters oder Halbleiters wird als piezoresistiver Effekt bezeichnet. Halbleiter-Resistoren werden an oder unter der Oberfläche einer integrierten Schaltung hergestellt; sie zeigen den piezoresistiven Effekt und können in eine auf kleine Widerstandsänderungen ansprechende Schaltung aufgenommen werden, um einen Verformungssensor zu bilden. Diese Widerstände können hergestellt werden unter Benutzung eingerichteter Diffusions- und Dotierungs-Verfahren oder durch Abscheiden einer piezoresistiven Schicht wie mikrokristallinem Silizium auf kleine Bereiche der Oberfläche der integrierten Schaltung. Ein besonderes Ausführungsbeispiel eines piezoresistiven Belastungssensorse ist ein Metalloxid- Halbleiter(MOS)-Feldeffekt-Transistor. Wenn eine Belastung auf einen Halbleiter aufgebracht wird, ergibt sich dort als Auswirkung eine Änderung der Ladungsträger-Beweglichkeit. Der Drain-Strom eines MOS-Feldeffekt-Transistors ist proportional der Ladungsträger-Beweglichkeit. Auf diese Weise kann ein MOS-Feldeffekt-Transistor auf einer integrierten Schaltung spetiell aufgebaut werden, um als ein auf Piezo-Widerstand beruhender Belastungs/Verformungs-Sensor zu wirken.
  • Es ist zu verstehen, daß der Belastungs/Verformungs-Sensor auch andere Arten enthalten kann wie piezoresistive Brücken, eingebettete Piezo-Widerstände oder Feldeffekt-Transistor mit piezoelektrischem Film (PI-FET).
  • In dem Blockschaltbild in Fig. 12 ist eine berührungsempfindliche LED mit einem piezoresistiven Belastungs/Verformungs- Element zusammen mit den anderen Bestandteilen der integrierten Schaltung dargestellt. Der Bereich des in Fig. 12 gezeigten Blockschaltbilds befindet sich innerhalb der gestrichelten Linie der Fig. 11a. Das Gerät hat drei elektrische Klemmen. Zwei Leitungen 16, 17 sind über der Spannungsdifferenz einer äußeren Leistungsversorgung angeschlossen, die dritte oder Ausgangsleitung 18 schaltet bei jeder aufeinanderfolgenden Fingerberührung zwischen einem tiefen und einem höheren Spannungspegel hin und her. Die Schalterwirkung der Ausgangsleitung wird insofern "von Spannungsspitzen befreit" oder "deglitched", als ein glatter rauschfreier Übergang zwischen den Spannungspegeln geschaffen wird, der zur Weiterverwendung mit Digitalelektronik geeignet ist.
  • Die Leuchtdiode 10 wird durch die integrierte Schaltung gesteuert und mit Leistung versorgt, wenn die Ausgangsleitung sich bei dem höheren Spannungszustand befindet. Die Leuchtdiode wird mit Leistung durch einen Konstantstromkreis versorgt, so daß sie in einem Bereich von Versorgungsspannungen arbeitet. Die Versorgungsspannung kann sich von drei bis achtzehn Volt ändern und die Ausgangsleitung kann 100 mA führen.
  • Fig. 13 ist ein Schaltbild einer Berührungsschalter-LED, die einen Belastungs/Verformungs-Sensor benutzt mit einem einfachen "momentan ein"-Ausgangssignal. Der innerhalb der gestrichelten Grenzlinie befindliche Teil dieser Schaltung kann direkt an einer integrierten Schaltung unter Benutzung von MOS-Feldeffekt-Transistoren 153, 154 und eines Piezo-Widerstands 150 hergestellt werden. Die Schaltung besteht aus komplementären p- und n-MOS-Feldeffekt-Transistoren, die als einfacher Inverter angeordnet sind. Der Piezo-Widerstand 150 und der Festwiderstand 151 bilden einen Spannungsteiler. Das Ausgangssignal des Teilers 152 ist das Eingangssignal für den Inverter. Belastung an dem Piezo-Resistor ändert die Spannung am Invertereingang, wodurch eine große Änderung der Ausgangsspannung verursacht werden kann. Die Ausgangsleitung steuert auch die LED 10 über den Widerstand 90 an. Der Widerstand 90 begrenzt den maximalen Strom zu der LED 10.
  • An einer integrierten Schaltung hergestellte Belastungs/Verformungs-Sensoren werden durch Gesellschaften wie Motorola Inc. und Honeywell benutzt, um Miniatur-Gasdrucksensoren zu bauen und können von diesen Firmen erworben werden.
  • In allen vorstehend beschriebenen Ausführungen enthält die berührungsempfindliche Leuchtdiode die sichtbares Licht emittierende Diode sowie entsprechende Schaltermittel. Diese Kombination von Bauelementen zusammen mit der Auswahl der integrierten Schaltung erlaubt die Verwendung des Geräts in einer Vielzahl von Betätigungsarten. Typische Funktionen, die durch Benutzung einer entsprechenden Auslegung der integrierten Schaltung in das Gerät eingebaut werden können, sind:
  • 1. Die Ausgangsleitung schaltet zwischen einer niedrigeren und einer höheren ("ein") Spannung bei aufeinanderfolgenden externen Berührungen,
  • 2. eine einzelne Leuchtdiode wird gesteuert, um den Zustand des Geräts zu bezeichnen, wobei die Leuchtdiode "ein" ist, wenn sich die Ausgangsleitung bei positiver Versorgungsspannung befindet, und "aus", wenn die Ausgangsleitung beim Zustand Null Volt ist.
  • 3. Zwei Leuchtdioden mit unterschiedlicher Farbe sind in dem Gerät enthalten, wobei eine, z.B. grün, anzeigt, daß sich die Ausgangsleitung bei Null Volt befindet und die zweite, z.B. rot, daß die Ausgangsleitung "ein" ist.
  • 4. Die integrierte Schaltung kann Zeitgabefunktionen enthalten, z.B. kann die Ausgangsleitung nach jeder Berührung 10 s "ein" sein und sich dann selbst "aus" schalten.
  • 5. Das Gerät ist in einem speziell bekannten Zustand, wenn es zum ersten Mal eingeschaltet wird.
  • 6. Eine Leistungsabschalt-Speicherfähigkeit, so daß das Gerät sich an seinem Funktionszustand erinnert, wenn seine Versorgungsspannung wiederkehrt, und diesen Zustand beim nächsten Einschalten wieder aufnimmt.
  • 7. Ein Analogspannungs-Ausgangssignal mit einer Größe, die auf die Dauer oder die Zeit zwischen der Anzahl von Berührungserfassungen bezogen ist. Die Intensität des lichtaussendenden Bauelements oder seine Blinkrate kann auch benutzt werden, den Ausgangsspannungspegel anzuzeigen.
  • Es ist zu verstehen, daß die Auswahl und Auslegung der integrierten Schaltung, welche die Funktion der berührungsempfindlichen LEDs erfaßt, die Gegenstand dieser Erfindung ist, dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt sind und durch diese Erfindung in ihrer breitesten Form umfaßt werden.
  • Die erfindungsgemäße berührungsempfindliche Leuchtdiode schafft die Gelegenheit des Erwerbs eines handelsüblichen Gegenstandes, der die wohlbekannte Funktion einer LED aufweist, und gleichzeitig Berührungssteuerschaltung mit eingebauter elektronischer integrierter Schaltung umfaßt. Die berührungsempfindliche LED kombiniert die bereits bekannten Vorteile der üblichen LEDs mit den vielen Vorteilen, die von berührungsempfindlichen Schaltern herrühren. Die berührungsempfindliche LED verringert die Anzahl von in einer elektronischen Schaltung erforderlichen Bestandteilen und schafft eine in Kunststoff eingekapselte integrale Einheit zum Schutz gegen aggressive Umgebung wie Wasser und mechanischen Verschleiß und Verschmutzung. Die berührungsempfindliche LED ergibt in einer Einheit sowohl das Schalter- wie das Anzeigemittel an einer Stelle und so kann eine Anzahl von berührungsempfindlichen LEDs in einer Anordnung an einer Schalttafel oder direkt in Schaltkreisen angebracht werden zum Einsatz auf vielen Gebieten wie der Kraftfahrzeug-Industrie, der Labor-Untersuchung, Hi-Fi- und Verbraucher-Ausrüstung, industrielle und militärische Anwendung wie auch ausgeklügelte Untersuchungs- und Meßausrüstungen.
  • In einigen Ausführungenw wird die Funktion der berührungsempfindlichen LEDs verbessert durch die Verwendung von transparenten oder teilweise lichtdurchlässigen elektrisch leitenden Materialien oder Beschichtungen, um den leitenden berührungsempfindlichen Bereich oder solche Elektroden herzustellen. Auf diese Weise kann der berührungsempfindliche leitende Bereich bei einer bestimmten Kunststoffverkapselungsgröße groß sein und kann an oder nahe bei der Vorderfläche des Bauelements sein, ohne die Lichtausgabe von der LED innerhalb des Geräts zu verdunkeln oder abzuschatten. Auf diese Weise kann die LED hinter der Elektrode angebracht und doch durch die Elektrode sichtbar sein, wodurch die Möglichkeit verbessert wird, die Gesamtgröße des Bestandsteils zu verringern und gleichzeitig ein klar sichtbares Lichtausgangssignal zu erzeugen.

Claims (19)

1. Leuchtdioden-Anordnung mit einer in einer Kunststoffkuppel (11) eingebetteten Leuchtdiode (10) und einer einen Ausgang (18) zu externer Elektronik umfassenden Kontakt-Schalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt-Schalteinrichtung von außen bedienbar innerhalb der Kunststoffkuppel (11) angeordnet ist, und daß die Leuchtdiode (10) eine visuelle Anzeige des Zustands der Schalteinrichtung bietet.
2. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen auf oder neben der Spitze (12) der Kunststoffkuppel (11) angeordneten leitfähigen Bereich (21), (31), (41) umfaßt.
3. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung aus einem Widerstands- Kontaktschalter, einem Kontaktschalter mit Spannungserfassung, einem Kontaktschalter mit Kapazitätserfassung oder einem Kontaktschalter mit Näheempfindlichkeit besteht.
4. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen sich durch die Spitze (12) der Kunststoffkuppel (11) erstreckenden Leiter (41) umfaßt.
5. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (12) der Kuppel (11) mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist, das elektrisch mit der Diode (10) gekoppelt ist.
6. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (12) der Kuppel (11) aus elektrisch mit der Diode (10) gekoppeltem leitfähigem Kunststoff besteht.
7. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. mehrere leitende(r) Bereich(e) (51, 52) direkt unter der Außenfläche der Spitze (12) der Kuppel (11) angeordnet ist/sind, wobei die leitfähigen Bereiche (51, 52) mit der Diode (10) gekoppelt sind und die Schalteinrichtung durch kapazitive oder induktive Kopplung arbeitet.
8. Leuchtdioden-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material auf bzw. innerhalb der Kuppel (11) in bezug auf das von der hinter ihr angeordneten Leuchtdiode (10) kommende Licht durchlässig oder teilweise durchlässig ist.
9. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein innerhalb der Kunststoffkuppel (11) angeordnetes Element (130) mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit umfaßt, wobei auf die Spitze (12) der Kuppel (11) wirkender externer Druck von dem Element (130) mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit erfaßt wird.
10. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs- Empfindlichkeit einen Widerstand bzw. eine Reihe von Widerständen umfaßt.
11. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs- Empfindlichkeit in Form einer piezoelektrischen oder piezoresistiven Schicht auftritt.
12. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs- Empfindlichkeit aus einem Halbleiter-Piezowiderstand oder einem Transistor besteht, wobei ein Teil seines Aufbaus aus einem auf Belastung/Verformung ansprechenden Piezowiderstand besteht.
13. Leuchtdioden-Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit und eine elektronische Schaltung auf einer integrierten Schaltung 169 hergestellt sind.
14. Leuchtdioden-Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkuppel (11) eine Nut (132) umfaßt, die derart angeordnet ist, daß bei einer Berührung der Spitze (12) der Kuppel (11) eine Konzentration der Belastung in dem Bereich sichergestellt wird, in dem das Element (130) mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit angeordnet ist.
15. Leuchtdioden-Anordnung nach Ansprüchen 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffkuppel (11) einen Hohlraum (113) umfaßt, der derart angeordnet ist, daß bei einer Berührung der Spitze (12) der Kuppel (11) eine Konzentration der Belastung an der Stelle sichergestellt wird, an der sich das Element (130) mit Belastungs/Verformungs-Empfindlichkeit befindet.
16. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs- Empfindlichkeit auf einer integrierten Schaltung (169) hergestellt ist, und daß die Form bzw. Dicke der integrierten Schaltung (169) zur Erhöhung der Empfindlichkeit für Belastung/Verformung des empfindlichen Elements geätzt ist.
17. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (130) mit Belastungs/Verformungs- Empfindlichkeit einen Kondensator bzw. ein kapazitives Element umfaßt.
18. Leuchtdioden-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen innerhalb der Kunststoffkuppel (11) angeordneten Lichtsensor (71) zum Erfassen von Licht umfaßt, das von einem sich in der Nähe der Kuppel (11) befindenden Gegenstand bzw. einer Fingerspitze reflektiert wird.
19. Leuchtdioden-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine integrierte Schaltung (169) mit der Diode (10) und der Schalteinrichtung gekoppelt und in der Kunststoffkuppel (11) eingebettet ist.
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