DE2534660A1 - Kapazitive tastatur - Google Patents

Description

Kapazitive Tastatur *

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Tastatur, welche die Kapazitätsänderung ausnutzt, die durch die Berührung einer ausgewählten Taste mit der Hand der Bedienungsperson hervorgerufen wird. Der grosse Vorteil kapazitiver Tastaturen liegt darin, dass sie auf jegliche bewegte Teile verzichten können und dass daher ihre Zuverlässigkeit sehr gross ist.

Durch Berührung steuerbare Anzeigegeräte werden in Datenverarbeitungseinrichtungen eingesetzt, bei denen eine Bedienungsperson mit einer Datenverarbeitungsanlage in Datenaustausch-Beziehung treten muss.

Es sind mit Kathodenstrahlröhren bestückte Anzeigegeräte bekanntgeworden,

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in denen drahtförmige Fühler auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre befestigt sind. Jeder dieser drahtförmigen Fühler ist mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, der ein Detektorkreis zugeordnet ist. Der Detektorkreis ist empfindlich für die Körperkapazität einer Bedienungsperson, die einen der Drähte berührt, und erzeugt ein Signal, welches die tatsächlich angezeigten Daten steuert. Die britischen Patentschriften 1,288,925 und 1,311,713 beschreiben derartige Kathodenstrahlröhren-Anzeigegeräte.

Kathodenstrahlröhren erfordern zu ihrem Betrieb einen erheblichen Aufwand an elektronischen Vorrichtungen, die wie die Röhren selbst relativ alterungsanfällig und insbesondere sehr voluminös sind. Diese Nachteile sollen mit der vorliegenden Erfindung überwunden werden.

Die Erfindung betrifft daher eine kapazitive Tastatur, die durch Berührung wenigstens einer Taste durch eine Bedienungsperson betätigt werden kann, und die gekennzeichnet ist durch ein an eine Wechselspannung liefernde Stromversorgung angeschlossenes Casentladungs-Panel, durch wenigstens eine elektrisch leitende Taste, welche Taste im elektrischen Streufeld des Gasentladungs-Panels angeordnet ist, und durch mit der Taste verbundene, zum Abtasten von Wechselspannungsschwankungen ausgelegte Mittel.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung läßt sich den Unteransprüchen entnehmen.

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Einzelheiten eines Ausführung sbei spiels der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine durch Berührung zu betätigende kapazitive Tastatur;

Fign. 2 u. 3 Signalspannungen, die bei unberührter bzw. berührter Taste auftreten;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines einer Taste zugeordneten Detektorkreises^;

Fig. 5 bei Betrieb der Schaltung gemäss Fig. 4 auftretende Spannungen;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines mittels Berührung steuerbaren Anzeigegerätes.

Fig. 1 zeigt eine durch Berührung betriebene kapazitive Tastatur, in welcher die vorliegende Erfindung verwirklicht ist. Die Fig. zeigt ein Gasentladungs-Panel 1, das hier nur kurz beschrieben werden soll, da eine detaillierte Beschreibung der Konstruktion eines derartigen Ga sent ladungs-Panels in der britischen Patentschrift 1,258,219 enthalten ist.

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Das Gasentladungs-Panel 1 besteht aus einer vorderen Glasplatte 2 und einer hinteren Glasplatte 3, die im Abstand voneinander angeordnet sind/ und deren Ränder miteinander verbunden sind, so dass ein allseits versiegelter Hohlraum entsteht. Durch den versiegelten Hohlraum erstrecken sich eine Anzahl von horizontalen Leitern 4 und vertikalen Leitern 5, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Der Hohlraum innerhalb dieses Gasentladungs-Panels ist mit einem ionisierbaren Gas gefüllt. Die Bereiche in der Nachbarschaft der sich wie Koordinaten schneidenden horizontalen und vertikalen Leiter 4 und 5 definieren Gasentladungs-Strecken, die im folgenden kurz als Gaszellen bezeichnet werden. Eine Gaszelle wird gezündet und zum Aufleuchten gebracht mittels einer Schreiboperation, bei welcher jeweils die halbe Auswahlspannung an die entsprechenden horizontalen und vertikalen Leiter angelegt wird, um über der Gaszelle eine Potentialdifferenz entstehen zu lassen, die die Zündspannung der Zelle überschreitet. Eine einmal gezündete Gaszelle wird durch eine periodische Haltespannung in diesem Zustand gehalten, welche Haltespannung kontinuierlich an alle horizontalen und vertikalen Leiter angelegt ist. Eine gezündete Gaszelle wird gelöscht durch eine Löschoperation, bei welcher das Potential über der Zelle zum Verschwinden gebracht wird.

Durch selektive Schreiboperationen kann Information auf dem Gasentladungs-

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Panel sichtbar gemacht werden in der Form von Zeichen, Symbolen, Linien und dergleichen. In der britischen Patentschrift 1,317,663 ist eine detaillierte Beschreibung der Betriebsweise eines Gasentladungs-Panels enthalten .

Auf der Oberfläche der vorderen Glasplatte 2 ist eine Folie 6 aus Glas oder einem ähnlichen transparenten Isoliermaterial angeordnet. Auf der Oberfläche der Folie 6 ist ein Film aus leitendem Material in der Form von Tasten 7, Kontakten 8 und Verbindungsleitungen 9 niedergeschlagen. Der leitende Film ist vorzugsweise transparent, und es hat sich gezeigt, dass eine aufgedampfte Goldschicht den beabsichtigten Zweck erfüllt. Zur Vermeidung des Verschleisses der leitenden Tasten 7 ist die Folie 6 mit dem leitenden Film in Kontakt mit der Glasplatte 2 angeordnet.

Eine alternative Anordnung besteht darin, dass ein leitender Film direkt auf der äusseren Oberfläche der vorderen Glasplatte 2 niedergeschlagen wird, um die Tasten, die Kontakte sowie die Verbindungsleitungen zu bilden, und dass eine Schutzschicht aus Glas oder einem anderen transparenten Isoliermaterial darauf niedergeschlagen wird, um den leitenden Film zu schützen. >

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Während des Betriebes des Gasentladungs-Panels 1 wird kontinuierlich eine periodische Haltespannung an alle Horizontalleiter 4 sowie an alle Vertikalleiter 5 angelegt. Diese periodische Haltespannung hat typischerweise Rechteck wellenform mit einer Pulsrepetitionsfrequenz von 30 kHz. Bei diesem Wechselspannungsbetrieb des Gasentladungs-Panels 1 entsteht ein externes Streufeld, in welchem sich auch die Tasten 7 befinden. Demzufolge nehmen die Tasten 7 eine Signalspannung auf, die den Kontakten 8 zugeführt wird.

Die von den Tasten 7 aufgenommene Signalspannung ist für eine gegebene Tastengrösse über das ganze Gasentladungs-Panel 1 konstant und ist der Fläche der Taste proportional. Diese Signalspannung ist im wesentlichen unabhängig davon, ob die individuellen Gaszellen gezündet haben oder nicht. Bei der Bestimmung der Fläche der einzelnen Tasten wird je nach ihrer Lage dafür gesorgt, dass alle Tasten 7 eine gleich grosse Signalspannung aufnehmen können, die typischerweise eine Amplitude von 20 Volt hat. Fig. 2 zeigt die Wellenform der aufgenommenen Signalspannung. Wenn die Bedienungsperson eine Taste 7 berührt, fällt die Amplitude der von der Taste aufgenommenen Signalspannung auf einen Wert von weniger als 50% (Fig. 3) der ursprünglichen Signalspannung im unberührten Zustand der Taste. Dieser Spannungsabfall beruht auf der ka-

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pazitiven Belastung der Taste durch den Körper der Bedienungsperson.

Die Signalspannung wird durch einen Detektorkreis, der mit den Kontakten 8 verbunden ist, abgetastet. Der Detektorkreis erzeugt ein binäres Signal, das zur Steuerung der von dem Gasentladungs-Panel dargestellten Information benutzt werden kann.

Ein geeigneter Detektorkreis ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Taste 7 ist mit einem Kontakt 8 verbunden, der die Signalspannung an einen Widerstand 10 leitet. Die Widerstände 10 und 11 bilden einen Spannungsteiler und stellen für die Taste 7 einen hochohrnigen Widerstand dar. Das am Spannungsteilerabgriff auftretende reduzierte Signal wird durch eine Diode 12 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 13 geglättet, um die von der 30 kHz-Haltespannung herrührende Welligkeit, die der Rechteckwelle der Signal spannung überlagert ιεί, *r.i eliminieren. Die geglättet Signalgleichspannung wird dann dem negativen Eingang eines Differential-Verstärkers 14 zugeführt.

Wenn die Taste 7 nicht berührt ist, ergibt die in Fig. 2 dargestellte Signalspannung ein gleichgerichtetes Signal V . von angenähert 4,8 Volt

sig _%

am Eingang des Differentialverstärkers 14. Wenn die Taste 7 berührt wird,

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(Fig. 3), fällt diese Spannung zu einem gleichgerichteten Signal von

V von angenähert 2,4 Volt, wie in Fig. 5 gezeigt.

Dem positiven Eingang des Differentialverstärkers 14 wird ein Referenzsignal V zugeführt, das von einer Spannungsquelle +V über einen veränderbaren Spannungsteiler mit den Widerständen 15 und 16 abgenommen wird und auf etwa 3,6 Volt eingestellt werden kann, d.h. zwischen den

Signalen V . und V , wie in Fig. 5 gezeigt,

s ig s ig j-

Ein Lastwiderstand 17 ist zwischen dem Ausgangsanschluss des Differentialverstärkers 14 und einer Spannungsquelle +V eingeschaltet. Wenn das gleichgerichtete Signal V , , das der unberührten Taste 7 entspricht, vorliegt, wird es durch den Verstärker 14 invertiert und erzeugt an dessen Ausgang eine niedrige Spannung. Das gleichgerichtete Signal V .

siy χ

schaltet hingegen die Ausgangsstufe des Verstärkers 14 ab und erzeugt eine hohe Spannung an seinem Ausgang. Diese Ausgangspotentiale können von konventionellen logischen Schaltungen verarbeitet werden.

Bei Verwendung eines Differentialyerstärkers des Typs l/4Module MC 3302 P der Firma Motorola haben sich folgende Werte für die Schaltelemente des Detektorkreises gemäss Fig. 4 als vorteilhaft erwiesen:

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Widerstände 10, 11 1 M Λ

Widerstand 15 2 00 Π

Widerstand 16 5 kfX

Widerstand 17 2,5 kfi

Kondensator 13 10 nF

+ V 5 Volt

Es hat sich gezeigt, dass die hier beschriebene Tastatur gegen Rauschen sehr unempfindlich ist, da die Signalspannung an den Tasten hoch ist und deshalb ein empfindlicher Verstärker nicht erforderlich ist. Auch haben externe elektrische Einflüsse und Netzbrummen durch den Körper der Bedienungsperson nur geringen Einfluss.

Fig. 6 zeigt ein durch Berührung betriebenes Gasentladungs-Panel, in dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung gelangt. Die Fig. ist in Blockform, und für Einzelheiten der Arbeitsweise eines Gasentladungs-Panels wird auf die bereits erwähnte britische Patentschrift 1,317,663 verwiesen. In Fig. 6 hat das Gasentladungs-Panel 1 Tasten 7, wie das bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist. Jede Taste 7 ist mit einer Detektorschaltung gemäss Fig. 4 verbunden, die hier durch den Block 18 dargestellt ist. Die binären Ausgangssignale des Detektors werden einer konventionellen Kodierschaltung 19 zugeführt, die auf N Aus-

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gangsleitungen 20 einen N-Bit-Code erzeugt, der eine eindeutige Zuordnung der Tastenposition gestattet.

Die N Ausgangsleitungen 20 sind mit dem Eingang einer Datenverarbeitungseinheit 21 verbunden, die ihrerseits an einen Datenvorrat 22 angeschlossen ist. Die Datenverarbeitungseinheit 21 liefert Steuersignale an ein Steuerwerk 23, das für die Steuerung der Schreib- und Leseoperationen und der Haltespannung verantwortlich ist. Das Steuerwerk 23 steuert demgemäss eine Horizontal-Auswahlschaltung 24 und eine Vertikal-Auswahlschaltung 25. Ueber die Auswahlschaltungen 24 und 25 werden die einzelnen Gaszellen des Gasentladungs-Panels 1 selektiv eingeschaltet.

Jede der Tasten 7 ist transparent und liegt über einer Anzeigeposition des Gasentladungs-Panels 1 in welcher Daten aus dem Datenvorrat 22 unter der Steuerung der Datenverarbeitungseinheit 21 dargestellt werden können. Eine Anzeigeposition auf dem Gasentladungs-Panel 1 kann daher sowohl eine Information-Position als auch eine Befehls-Position sein, wobei die letztere Möglichkeit gestattet, die gesamte zur Darstellung gelangende Information durch die Auswahl der Tasten zu bestimmen.

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Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE

1. J Kapazitive Tastatur, die durch Berührung wenigstens einer Taste durch

eine Bedienungsperson betätigt werden kann, gekennzeichnet durch ein an eine Wechselspannung liefernde Stromversorgung angeschlossenes Gasentladungs-Panel (1), durch wenigstens eine elektrisch leitende Taste (7), welche Taste (7) im elektrischen Streufeld des Gasentladungs-Panels (1) angeordnet ist, und durch mit der Taste (7) verbundene, zum Abtasten von Wechselspannungsschwankungen ausgelegte Mittel (18, Fig.4)

2. Tastatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Taste (7) aus einer metallischen Schicht besteht, die auf einem transparenten Isolator angeordnet ist.

3. Tastatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Isolator auf einer Oberfläche des Gasentladungs-Panels (1) angeordnet ist.

4. Tastatur nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht auf einer Oberfläche des Gasentladungs-Panels angeordnet ist.

5. Tastatur mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Taste C7) eine auf einer Oberfläche des Gasentladungs-Panels (1) angeordnete metallische Schicht umfaßt.

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6. Tastatur nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metellische Schicht transparent ist.

7. Tastatur mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel (18, Fig. 4) wenigstens einen mit einer Taste (7) verbundenen Differential Verstärker (14) aufweisen.

8. Tastatur mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Tasten (7) über einem Anzeigebereich des Gasentladungs-Panels (1) angeordnet ist.

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