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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung mit
berührungsempfindlicher Taste.
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Steuervorrichtungen mit berührungsempfindlicher Taste enthalten wenigstens
eine kapazitiv wirkende Taste, die mit einer elektronischen Schaltung verbunden
ist, die im wesentlichen einen Generator zur Erzeugung einer Sinusspannung
umfaßt, der über die Taste und einen Gleichrichter mit einem Eingang eines
Komparators verbunden ist, dessen anderer Eingang eine Referenzgleichspannung
empfängt. Dieser Komparator liefert ein Signal mit zwei Zuständen, die für die
Aktivierung (Berührung) bzw. Nichtaktivierung der Taste durch einen Benutzer
kennzeichnend sind. Das Prinzip der Erfassung der Berührung ist die Erfassung der
Kapazitätserhöhung der Taste, wenn der Benutzer seinen Finger darauf legt. Diese
Erhöhung ist gering: im allgemeinen 10 bis 20%. Sie ist aufgrund dessen, daß die
Kapazität der Taste klein ist, etwa 3 pF, schwer zu erfassen. Bei der Berührung
erhöht sie sich auf einen Wert von etwa 3,3 bis 3,6 pF. Die Erzeugung des
Erfassungssignals kann in drei Phasen zerlegt werden:
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- Erzeugung des Wechselstromsignals für die Erregung der Kapazität der
Taste,
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- Erfassung des Scheitelwerts des Signals an den Anschlüssen des von der
Taste gebildeten Kondensators,
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- Vergleich dieses Scheitelwerts mit einem Referenzsignal und Erzeugung
des Berührungserfassungssignals.
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Wie oben angegeben wurde, ist aufgrund des kleinen Ausgangswerts der
Kapazität der Taste und ihrer geringen Änderung die Umsetzung der Phase der
Erfassung des Werts kritisch. Daraus ergibt sich, daß die beiden anderen Phasen dies
ebenfalls sind. Tatsächlich wird diese Phase der Erfassung des Werts mit Hilfe
einer Gleichrichterdiode verwirklicht. Die der Diode eigentümliche Kapazität
bildet eine Störkapazität, die der Güte der Erfassung abträglich ist. Um die
Vergleichsphase zu verwirklichen, muß ein Erfassungssignal mit einem Scheitelwert
großer Amplitude erzeugt werden, um den direkten Spannungsabfall an den
Anschlüssen der Diode vernachlässigbar zu machen. Das Erregungssignal muß ein
möglichst reines Sinussignal sein, damit die Auswirkungen der Störkapazität der
Diode (von etwa 1 bis 2 pF) die Erfassung der Berührung nicht stören. Dieses
Signal muß außerdem aufgrund dessen, daß die Kapazität der Taste das Signal
integriert, eine konstante Form aufweisen, um die Empfindlichkeit der Taste nicht
zu verändern. Ferner muß der Scheitelwert dieses Signals stabil sein, um die
Empfindlichkeit der Taste nicht zu verändern. Insbesondere muß er temperaturstabil
sein, was eine teure Generatorschaltung erfordert, eine Bedingung, die mit den
Zwängen einer Serienproduktion unverträglich ist. Zudem benötigt eine solche
Generatorschaltung viel Platz, was bei bestimmten Anwendungen ein Nachteil ist.
Eine Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist beispielsweise
aus EP-A-0 668 657 bekannt.
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Die vorliegende Erfindung hat eine Steuervorrichtung mit wenigstens einer
kapazitiven Taste zum Gegenstand, die keinen teuren und/oder voluminösen
Generator zur Erzeugung einer Wechselspannung benötigt, deren Empfindlichkeit
und Reproduzierbarkeit nicht oder nur wenig von Schwankungen der Amplitude
und der Form der Wechselspannung oder von Schwankungen der Temperatur der
Komponenten dieser Vorrichtung abhängen und die so kostengünstig wie möglich
ist.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist in Anspruch 1 beschrieben. Diese
Vorrichtung wird durch einen Generator zur Erzeugung eines periodischen
Signals gespeist, das vorzugsweise einen von null verschiedenen Mittelwert
aufweist, vorteilhaft ein Rechtecksignal ist, beispielsweise von einem
Mikroprozessor erzeugt wird und dessen zyklisches Verhältnis veränderbar sein kann, wobei
dieser Generator mit einem ersten Eingang eines Komparators über eine
Detektorschaltung mit zwei Dioden verbunden ist, die angepaßt sind und in Serie
zueinander entgegengesetzt sind und mit einer Widerstandsteilerbrücke verbunden sind,
die zwischen dem ersten Eingang des Komparators und einer Referenzklemme
angeschlossen ist, wobei der gemeinsame Punkt der zwei Widerstände der
Teilerbrücke mit dem gemeinsamen Punkt der zwei Dioden verbunden ist, wobei
letzterer mit der berührungsempfindlichen Taste verbunden ist, und wobei dieser
Generator im übrigen mit dem zweiten Eingang des Generators über eine
Integratorschaltung verbunden ist.
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Vorteilhafterweise sind die zwei Dioden Teil einer "Monochip" genannten
gleichen integrierten Schaltung wie etwa der Schaltung BAV 70 oder BAW 56.
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Die vorliegende Erfindung wird verständlicher beim Lesen der genauen
Beschreibung zweier Ausführungsformen, die als nichteinschränkende Beispiele
gegeben sind und durch die beigefügte Zeichnung veranschaulicht sind, worin:
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- Fig. 1 ein Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist,
die ein Diodenpaar mit gemeinsamer Katode verwendet,
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- Fig. 2 ein Signalformdiagramm ist, das an der Vorrichtung von Fig. 1
aufgenommen worden ist, und
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- Fig. 3 ein Stromlaufplan einer Variante der erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung ist, die ein Diodenpaar mit gemeinsamer Anode verwendet.
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Die in Fig. 1 gezeigte Steuerschaltung 1 ist zur Erzeugung eines Logiksignals
mit zwei Zuständen 0 und 1 bestimmt, wovon der eine der Berührung einer
kapazitiven Taste 2 durch den Benutzer entspricht und der andere der Nichtberührung
dieser Taste entspricht. Dieses Logiksignal tritt an der Ausgangsklemme 3 der
Schaltung 1 auf und wird in herkömmlicher Weise durch (nicht gezeigte)
Schaltungen, die kein Teil der Erfindung und von irgendeinem geeigneten Typ sind,
ausgewertet.
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Die Schaltung 1 umfaßt einen Generator 4 zur Erzeugung einer periodischen
Spannung mit einem von null verschiedenen Mittelwert. Dieser Generator ist
beispielsweise ein Mikroprozessor. Vorzugsweise ist diese Spannung eine
Rechteckspannung mit einem zyklischen Verhältnis von 50%. Die Ausgangsklemme 5 des
Generators 4 ist mit einer Gleichrichterschaltung 6 verbunden, die eine
Doppeldiode 7 in einem Gehäuse und einen Kondensator 8 umfaßt. Die Doppeldiode 7 ist
aus zwei Dioden 7A und 7B mit gemeinsamer Katode zusammengesetzt, die
somit gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Die Anode der Diode 7A ist mit dem
Anschluß 5 verbunden, während die Anode der Diode 7B mit dem Kondensator 8
verbunden ist. Diese Dioden 7A und 7B entstammen derselben
Halbleitermaterialscheibe ("Wafer" auf englisch) und sind in einem gemeinsamen Gehäuse
eingeschlossen. Sie sind somit infolge ihres Herstellungsverfahren angepaßt. Dies
sind beispielsweise Dioden, die die Bezeichnung BAV 70 tragen, deren weiterer
Vorteil ist, daß sie preiswert sind. Die gemeinsame Katode der Diode 7 ist mit der
aktiven Elektrode der Taste 2 und außerdem über einen Widerstand 9 mit der
Masse verbunden. Ein Widerstand 10 ist zur Diode 7B parallelgeschaltet. Die
Werte der Widerstände 9 und 10 entsprechen vorteilhaft dem Verhältnis 1 /2. Der
Ausgang des Gleichrichters 6 ist mit dem invertierenden (-) Eingang eines
Operationsverstärkers 11 verbunden, dessen Ausgang mit dem Anschluß 3 verbunden
ist. Der Anschluß 5 ist außerdem über eine Integratorschaltung 12 mit dem nicht-
invertierenden (+) Eingang des Verstärkers 11 verbunden. Diese
Integratorschaltung 12 enthält einen Vorwiderstand 13 gefolgt von einem Ableitkondensator 14,
der zu einem Widerstand 15 parallelgeschaltet ist. In einem Ausführungsbeispiel
haben die Widerstände 9, 10, 13 und 15 die Werte 430 kΩ, 1 MΩ, 56 kΩ bzw.
390 kΩ, während die Kondensatoren 8 und 14 die Werte 33 nF bzw. 100 nF
haben. Der Verstärker 11 ist eine integrierte Schaltung LM 339.
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Die obenbeschriebene Vorrichtung 1 arbeitet in der folgenden Weise. Das vom
Generator 4 erzeugte Signal ist ein periodisches Rechtecksignal mit der Periode T.
Während des ersten Abschnitts jeder Periode (beispielsweise zwischen t0 und t1
in Fig. 2) geht das Signal (zum Zeitpunkt t0) von 0 auf den Wert VE über und
behält diesen bis t1 bei. Zum Zeitpunkt t1 geht es auf null zurück und bleibt bis t2
auf null. Zum Zeitpunkt t0 geht die Spannung an den Anschlüssen des von der
Taste 2 gebildeten Kondensators CT nahezu sofort auf den Wert Vct, der kleiner
als VE ist, über, da die Impedanz von CT im Vergleich zur Impedanz der Diode
7A, über die sich CT auflädt, kleiner ist. Die Differenz zwischen Vct und VE ist
vor allem durch den Spannungsabfall an den Anschlüssen der Diode 7A bedingt.
Ab dem Zeitpunkt t1 entlädt sich der Kondensator CT über den Widerstand 9 und
über die durch den Widerstand 10 und den Kondensator 8 gebildete Schaltung,
und zwar bis auf einen Minimalwert Vm, der im Kondensator 8 gespeichert wird.
An den Anschlüssen dieses Kondensators 8 wird eine Spannung empfangen,
deren Wert im wesentlichen gleich dem Scheitelwert der Spannung an den Klemmen
des Tastenkondensators CT ist. Wenn der Benutzer seinen Finger auf die Taste 2
legt, steigt die Kapazität an, wodurch sich die Spannung an den Anschlüssen des
Kondensators 8 erhöht. Außerdem empfängt der (+)-Anschluß des Verstärkers 11
eine Spannung, die im wesentlichen gleich VE/2 ist, da die Elemente 13, 14 und
15 einen Integrator bilden, der an seinem Ausgang den Mittelwert der vom
Generator 4 gelieferten Spannung erzeugt. Wenn, wie oben angegeben wurde, das
zyklische Verhältnis der Spannung des Generators 4 gleich 1/2 ist (d. h., daß die
Zeitspanne t0:t1 gleich T/2 ist), ist der Mittelwert der vom Generator 4 gelieferten
Spannung gleich VE/2. Der durch den Verstärkter 11 gebildete Komparator 11
empfängt folglich an seinem (+)-Eingang eine feste Gleichspannung (gleich
VE/2), die als Referenzspannung betrachtet werden kann, und an seinem (-)-
Eingang die an den Anschlüssen des Kondensators 8 vorhandene Spannung.
Wenn letztere infolge der Berührung der Taste 2 ansteigt, wie oben angegeben
wurde, wird dieser Anstieg auch vom Komparator 11 erfaßt, dessen
Ausgangszustand dann die Berührung angibt.
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Der Wert der Spannung V8 an den Anschlüssen des Kondensators 8 läßt sich
in der folgenden Weise bestimmen. Wenn Vct die Spannung an den Anschlüssen
des durch die Taste 2 gebildeten Kondensators ist, V7A und V7B die Spannungen
an den Anschlüssen der Dioden 7A bzw. 7B sind, R9 der Wert des Widerstands 9
ist und C8 die Kapazität des Kondensators 8 ist, ergibt sich:
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V8 = VctScheitel + V7B, mit:
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VctScheitel = (VE - V7A)·(1 - eT/R9·CT), was sich nur wenig unterscheidet von
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(VE - V7A)·(1 - T/R9·CT).
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Unter Berücksichtung, daß V7A und V7B sehr klein gegenüber VE sind, daß
sich VctScheitel im Vergleich zu VE nur wenig ändert, wenn sich CT ändert, und
daß die Dioden 7A und 7B angepaßt sind, ergibt sich, daß sich V8 von VE/2 nur
wenig unterscheidet und der Strom in der Diode 7A praktisch zweimal so groß
wie der Strom in der Diode 7B ist, was dazu fährt, daß die Spannung an den
Anschlüssen der Diode 7A im wesentlichen gleich dem Doppelten der Spannung an
den Anschlüssen der Diode 7B ist, da die Arbeitsbereiche dieser Dioden in dem
linearen Abschnitt ihrer Kennlinie liegen (wobei im angegebenen Beispiel der
Strom in diesem Abschnitt etwa 25 uA beträgt).
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Es ergibt sich also: V8 # VE·(T/R9·CT)
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Diese Spannung, die an den Anschlüssen des Kondensators 8 auftritt und für
den Zustand der Taste 2 (ob betätigt oder nicht betätigt) charakteristisch ist, ist
dann von Spannungsabfällen in den Dioden 7A, 7B unabhängig. Es sei
angemerkt, daß der Widerstand 23 das Fließen des Entladestroms des Kondensators 8
ermöglicht, wenn die Diode 7B gesperrt ist, d. h. zwischen t'2 und t2 (siehe
Fig. 2), wodurch sich eine Stufe zwischen den zwei Zeitpunkten im Verlauf der
Spannung VctScheitel ergibt und 7B korrekt leiten kann.
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Die Störkapazitäten der Dioden 7A und TB betragen etwa 1 pF. Sie haben
infolge dessen, daß die Kapazität der Taste 2 und die Änderungen dieser Kapazität
klein sind, einen relativ großen Einfluß auf den Betrieb der Steuervorrichtung. Bei
der Vorrichtung der Erfindung wirkt die Störkapazität der Diode 7A als
differenzierendes Element auf die ansteigenden und absteigenden Flanken der vom
Generator 4 erzeugten Spannung ein, während die Störkapazität der Diode 7B als
integrierendes Element auf diese Spannung einwirkt, was dazu führt, daß sich ihre
jeweiligen Auswirkungen gegenseitig aufheben. Somit verschafft die Vorrichtung
der Erfindung dank der Anpassung der Dioden eine gute Reproduzierbarkeit ihrer
Eigenschaften und insbesondere eine Empfindlichkeit der Taste, die gegenüber
Schwankungen der Umgebungstemperatur stabil ist.
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- Der Generator 4 kann beispielsweise vom Typ mit Teiler mit festverdrahteter
Logik oder ein Mikroprozessor des Typs PWM (für "Pulse Width Modulation"
oder Impulsbreitenmodulation) sein. Seine Frequenz liegt beispielsweise zwischen
100 und 300 kHz. Das von einem solchen Generator erzeugte Signal ist
frequenzstabil (es stammt von einem quarzstabilisierten Oszillator), weshalb die
Empfindlichkeit der Taste stabil ist (aufgrund dessen, daß, wie oben angegeben wurde, V8
von der Periode dieses Signals abhängt, und aufgrund dessen, daß das zyklische
Verhältnis ebenfalls stabil ist, da es durch Teilung einer stabilen Frequenz durch 2
bestimmt ist).
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Die Amplitudenschwankungen der Spannung VE beeinträchtigen die
Empfindlichkeit der Vorrichtung nicht, da die Referenzspannung, die am (+)-Anschluß
des Verstärkers 11 ankommt, zu VE proportional ist: tatsächlich kommt an diesem
Anschluß der Mittelwert von VE, d. h. VE/2 im vorliegenden Fall, an, weil das
zyklische Verhältnis gleich 1/2 gewählt worden ist.
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In Fig. 3 ist der Stromlaufplan einer Variante der Vorrichtung der Erfindung
gezeigt, die eine Doppeldiode mit gemeinsamer Anode wie beispielsweise eine
Diode BAW56 einsetzt. In dieser Figur sind den Elementen, die jenen von Fig. 1
gleichen, dieselben Bezugszeichen zugewiesen worden.
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In Fig. 3 ist die Doppeldiode in ihrer Gesamtheit mit 16 bezeichnet und aus
Dioden 16A und 16B mit gemeinsamer Anode zusammengesetzt. Aufgrund der
Änderung des Sinns der Dioden 16A und 16B im Vergleich zu den Dioden 7A
und 7B, sind die Elemente 8, 9 und 15 nicht mit der Masse, sondern mit einer
positiven Spannung verbunden, die beispielsweise gleich +VE (+12 V im
vorliegenden Fall) ist, während der Ausgang der Erfassungsschaltung 6 mit dem (+
)-Eingang des Verstärkers 11 verbunden ist, dessen (-)-Eingang mit dem Ausgang der
Integratorschaltung 12 verbunden ist. Die Arbeitweise dieser Schaltung ist
dieselbe wie die der Schaltung von Fig. 1.
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Vorteilhafterweise kann das zyklische Verhältnis der vom Generator 4
erzeugten Rechteckspannung (durch Programmierung oder Regelung) von verschiedenen
äußeren Faktoren wie etwa der Temperatur oder dem Werkstoff (Glas,
Glaskeramik usw.), aus dem das Substrat der kapazitiven Taste hergestellt worden
ist, abhängen.