DE19744791A1

DE19744791A1 - Arrangement for a capacitive keyboard

Info

Publication number: DE19744791A1
Application number: DE1997144791
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Dickfeld
Original assignee: Erich Dipl Ing Dickfeld
Current assignee: EDISON SENSOR SYSTEME GMBH & CO.KG, 01979 LAUCHHAM
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1997-10-10
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-10-11
Also published as: DE19744791C2

Abstract

Between a first (1) and a second (6) transparent dielectric layer conductor tracks (2) and (5) are positioned one above the other in isolated planes to form a matrix. Where they cross they expand to form common switch surfaces which are connected to remote electronic systems. A transparent plate (7) screens the switch surfaces on one side. The keyboard can be fixed to diverse backgrounds or behind a glass panel

Description

DESCRIPTION OF THE PRIOR ART

Neben der meßtechnischen Erfassung von Kapazitäten sind aus der Sensorik kapazitive Annäherungsschalter bekannt, die in ein High/Low-Signal wandeln, wobei die Sensorfläche oftmals an der Stirnseite eines kompakten Gehäuses angeordnet ist und ihre Kapazität zur Gehäusemasse die Schwingbedingung beeinflußt. Ein solcher Aussetzoszillator muß unmittelbar am Meßort installiert werden, eine örtliche Trennung von Sensorfläche und Auswerteelektronik wird wegen des empfindlichkeitsmindernden Einflusses parasitärer Kapazitäten vermieden. Induktivitäten und Mittkopplungseffekte bei Tastaturanordnungen zwingen zu selektiven Lösungen, schaffen Abgleich- und Positionierungsprobleme und stehen dem Trend zur Miniaturisierung entgegen. Prinzipbedingt erreichen sie nur geringe Schaltfolgefrequenzen und reagieren empfindlich auf Fremdfelder und die Anwesenheit von Wasser mit seiner hohen Dielektrizitätskonstanten. Aus der Druckschrift DE 40 06 119 A1 ist bekannt, daß die aktive Elektrode eines kompakten kapazitiven Wegaufnehmers, aus Oszillator, Sende- und Empfangskapazität, Demodulator und Schaltverstärker bestehend, durch eine Abschirmelektrode ergänzt wurde, um den Einfluß von Wasser zu reduzieren und statische Kapazitäten abzuschirmen. Aus der Druckschrift DE-G 94 03 322.6 ist eine Berührungsschalterplatte bekannt, deren selektive Elektronik unmittelbar hinter den Elektroden auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet ist, um so eine anschmiegsame, flächenhafte Verklebung mit einer gekrümmten Vorderplatte zu erzielen. In der Druckschrift EP-P 517745 wird eine kapazitive Schaltungskarte mit einer speziellen Schichtenstruktur aus Leiterbahnengitter und Schirmflächen bei Verwendung unterschiedlich leitfähiger Materialien beschrieben, um parasitäre Koppelelemente in ihrem Einfluß zurückzudrängen und dennoch ein auswertbares Signal für nachgeordnete Verstärker zu erhalten. Es sind Hochfrequenztasten bekanntgeworden, die als Hinterglastastatur zusammen mit einer unmittelbar angeschlossenen Auswerteelektronik installiert werden. Alternativ zu kapazitiven Sensoren werden mechanische Kontakte und Schalter als Eingabeelemente von Informationen mit nicht unerheblichem technischen Aufwand durch magnetische, optische und andere Sensoren ersetzt. Die Druckschrift EP-A 618680 beschreibt, wie durch eine Glasscheibe hindurch aus der Reflexion eines Infrarotstrahles, z.Bsp. an einem sich nähernden Finger, ein Ausgangssignal sicher abgeleitet wird. In addition to the measurement of capacities, capacitive sensors are also used Proximity switches known to convert into a high / low signal, the Sensor surface is often arranged on the front of a compact housing and their Capacity to the housing mass affects the vibration condition. Such a The oscillator must be installed directly at the measuring location, a local separation from Sensor surface and evaluation electronics is due to the sensitivity reducing Influence of parasitic capacities avoided. Inductors and feedback effects Keyboard arrangements force selective solutions, create matching and Positioning problems and oppose the trend towards miniaturization. In principle, they only achieve low switching frequency and are sensitive on foreign fields and the presence of water with its high Dielectric constant. From document DE 40 06 119 A1 it is known that the active Electrode of a compact capacitive displacement transducer, consisting of an oscillator, transmitter and Receiving capacity, demodulator and switching amplifier consisting of a Shielding electrode has been added to reduce the influence of water and static Shield capacities. From the document DE-G 94 03 322.6 is one Touch switch plate known, the selective electronics immediately behind the Electrodes is arranged on a flexible printed circuit board in order to create a to achieve extensive bonding with a curved front plate. In the Document EP-P 517745 is a capacitive circuit card with a special Layer structure of conductor track grid and screen areas different when used conductive materials described to influence parasitic coupling elements push back and still an evaluable signal for downstream amplifiers receive. High-frequency keys have become known as back glass keyboards can be installed together with directly connected evaluation electronics. As an alternative to capacitive sensors, mechanical contacts and switches are used as Input elements of information with not inconsiderable technical effort magnetic, optical and other sensors replaced. EP-A 618680 describes how through a glass pane from the reflection of an infrared beam, e.g. on an approaching finger, an output signal is safely derived.

In der Patentschrift DE 195 01 232 ist ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven, digitalen Annäherungsschalter beschrieben, der über einen Regelkreis statische Umgebungskapazitäten kompensiert und nur Kapazitätsänderungen, etwa durch eine Handannäherung ausgelöst, auswertet.In the patent DE 195 01 232 a method and a circuit arrangement for a capacitive, digital proximity switch described, the static via a control loop Ambient capacities compensated and only capacity changes, for example by a Manual approach triggered, evaluated.

DISADVANTAGES OF THE PRIOR ART

Bei vielen recherchierten Lösungen erweist es sich als nachteilig, am Eingabeort einer Information rückseitig einer Gehäusewandung oder darauf elektronische Wandler oder mechanische Schalter anordnen zu müssen sowie ihre Stromversorgung sicherzustellen. Die bekanntgewordenen kapazitiven Systeme besitzen darüber hinaus den Nachteil, auf kapazitive Änderungen im Detektionsbereich sowie bei Anwesenheit von dielektrischen Stoffen die Schalteigenschaften zu ändern. Eine Installation auf metallischen Oberflächen führt zu starken kapazitiven Nebenschlüssen und Empfindlichkeitsverlusten. Lediglich die Patentschrift DE 195 01 232 gibt an, automatisch Umgebungseinflüsse zu kompensieren und die Auswerteelektronik fernab der Sensorflächen positionieren zu können. Die gleichzeitige Nutzung einer Handeingabetastatur als Schnittstelle für externe Steuergeräte ist nicht bekannt.With many researched solutions, it proves to be disadvantageous to have one at the point of entry Information on the back of a housing wall or electronic converters on it need to arrange mechanical switches and ensure their power supply. The capacitive systems that have become known also have the disadvantage of capacitive changes in the detection range and in the presence of dielectric Fabrics to change the switching properties. An installation on metallic surfaces leads to strong capacitive shunts and loss of sensitivity. Only that Patent specification DE 195 01 232 specifies to automatically compensate for environmental influences and to be able to position the evaluation electronics far from the sensor surfaces. The simultaneous Use of a hand-held keyboard as an interface for external control devices is not known.

OBJECT OF THE INVENTION

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, z.Bsp. für die in der Patentschrift DE 195 01 232 vorgeschlagene Auswerteelektronik eine kapazitive Tasten- und Tastaturanordnung zu finden, die bei äußerst flacher Bauform plan auf jeden Untergrund aufgesetzt werden kann, durchsichtig für dahinterliegende Objekte wie Grafikdrucke, Projektionsschirme, LCD-Anzeigen, Kontrolleuchten und PC-Bildschirme ist, vandalismussicher aufgebaut ist und auch als Hinterglastastatur sowie bei extremen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann. Sie soll nicht nur zur Handeingabe dienen, sondern auch als kapazitive Schnittstelle für externe Steuergeräte verwendbar sein.The object of the invention is, for example. for those in the patent specification DE 195 01 232 proposed evaluation electronics to find a capacitive key and keyboard arrangement, which can be placed flat on any surface with an extremely flat design, transparent for underlying objects such as graphic prints, projection screens, LCD displays, indicator lights and PC screens are vandal-proof and also used as a back glass keyboard and at extreme ambient temperatures can be. It should not only be used for manual input, but also as a capacitive one Interface can be used for external control units.

SOLUTION TO THE TASK

Eine oder mehrere untereinander verbundene, leitfähige transparente Schaltflächen beliebiger Kontur werden nebeneinander oder übereinander in voneinander isolierten Ebenen zwischen zwei transparenten dielektrischen Platten vorzugsweise eingeklebt und galvanisch oder kapazitiv mit einer bis über 10 Meter entfernten Auswerteelektronik durch Leitungen verbunden. Die transparenten Schaltflächen können einzeln oder übereinander angeordnet sein.One or more interconnected conductive transparent buttons any contours are next to each other or on top of each other in isolated layers preferably glued and galvanically between two transparent dielectric plates or capacitively with evaluation electronics up to 10 meters away through cables connected. The transparent buttons can be arranged individually or one above the other be.

Eine ebenfalls transparente leitfähige Fläche unterhalb einer der dielektrischen Platten schirmt die Schaltflächen von einer Seite her ab und ist ebenfalls mit der Auswertelektronik verbunden. Die Tastatur wird mit bekannten Verbindungstechniken auf unterschiedlichsten Untergründen befestigt oder hinter Glasflächen oder anderen nichtleitenden Wandungen angeordnet.A also transparent conductive surface below one of the dielectric plates shields the buttons from one side and is also equipped with the evaluation electronics connected. The keyboard is made using a variety of known connection techniques Attached to surfaces or behind glass surfaces or other non-conductive walls arranged.

ACHIEVABLE BENEFITS

Mit der erfindungsgemäßen kapazitiven Tasten- und Tastaturanordnung in Verbindung mit einem geeigneten Auswerteverfahren, z.Bsp. in DE 195 01 232 beschrieben, können Schaltflächen extreme Nähe zueinander aufweisen, Umgebungseinflüsse kompensiert und die Auswerteelektronik weitab angeordnet werden. Der einfache Aufbau kann deshalb extrem kompakt, monolitisch, flach, bruchsicher, transparent, chemisch inert und für einen weiten Temperaturbereich ausgelegt werden. Er ist vor und hinter dielektrischen Wandungen ebenso sicher zu betätigen wie einfach zu befestigen. Er bedarf weder Abgleich noch Stromzuführung und die extrem geringen Verschiebungsströme erlauben für ihre Fortleitung hochohmige Zuleitungen, die darum extrem geringe Querschnitte haben können. So eignen sich dafür auch Folienleitungen mit aufgedampften Leiterzügen. Der Wegfall jeglicher Mechanik und Elektronik vor Ort, die beidseitige Bedienbarkeit der Tastatur und eine nahezu vollständige Verschleißfreiheit und Vandalismussicherheit führen praktisch zu unbegrenzter Lebensdauer. An dielektrischem Material können Glas, Plexiglas, Polycarbonat, Fliesen, Marmor, Kunststoffe, Holz, Lackschichten u. a. eingesetzt und ein hoher Schutzgrad erzielt werden. Die erfindungsgemäßen Tasten- und Tastatur anordnungen sind wahlweise von einer oder beiden Seiten her bedienbar Mit diesen Eigenschaften stehen preiswerte, universell einsetzbare Tastaturen und Taster für Aufzüge, Schaltuhren, Verriegelungen, Spielautomaten, Informationsflächen, Naßräume, Medizintechnik, Automatisierungstechnik bis hin zu Touchscreenanwendungen für rauhe Einsatzbedingungen bereit. With the capacitive key and keyboard arrangement according to the invention in connection with a suitable evaluation method, e.g. described in DE 195 01 232, can Buttons are extremely close to each other, environmental influences are compensated for and the evaluation electronics are arranged far away. The simple structure can therefore extremely compact, monolithic, flat, shatterproof, transparent, chemically inert and for can be designed over a wide temperature range. It is in front of and behind dielectric Walls can be operated just as securely as they are easy to attach. It does not need to be compared power supply and the extremely low displacement currents allow for their Transmission of high-resistance supply lines, which can therefore have extremely small cross-sections. Foil lines with vapor-deposited conductor lines are also suitable for this. The elimination any mechanics and electronics on site, the bilateral operability of the keyboard and almost complete freedom from wear and vandalism security practically lead to unlimited life. The dielectric material can be glass, plexiglass, Polycarbonate, tiles, marble, plastics, wood, lacquer layers and the like. a. used and a high degree of protection can be achieved. The keyboard and keyboard according to the invention Arrangements can be operated from one or both sides With these properties, inexpensive, universally usable keyboards and buttons are available Elevators, timers, locks, gaming machines, information areas, wet rooms, Medical technology, automation technology up to touchscreen applications for rough Operating conditions ready.

DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt des Schichtenaufbaues einer erfindungsgemäßen Tastatur. Parallele Leiterbahnen (2) und (5) kreuzen sich in Form einer Matrix (14) (siehe Fig. 2), wobei jede am Kreuzungspunkt (11) eine Breitenaufweitung vorzugsweise in Form zweier symmetrischer Quadrate innerhalb einer Schaltfläche (13) aufweist. Sie wird je zur Hälfte von beiden Aufweitungen (12) ausgefüllt. Eine Schaltfläche (13) kann auch von nur einer aufgeweiteten Leiterbahn ausgefüllt werden (Einzeltaste). Fig. 1 shows a schematic section of the layer structure of a keyboard according to the invention. Parallel conductor tracks ( 2 ) and ( 5 ) intersect in the form of a matrix ( 14 ) (see FIG. 2), each at the crossing point ( 11 ) having a width widening, preferably in the form of two symmetrical squares within a button ( 13 ). It is filled in half by both widenings ( 12 ). A button ( 13 ) can also be filled by only one expanded conductor track (single button).

Ein Annähern oder Entfernen eines Fingers von den Schaltflächen (13) ist aufgrund der Flächenaufweitung (12) der Leiterzüge (2) und/oder (5) mit relativ großen Kapazitätsänderungen verbunden, die von der angeschlossenen Auswerteelektronik (3) als Annäherungs- und Entfernungssignal separat für jede Leitung registriert wird. Eine logische Verknüpfung dieser Signale erfolgt z.Bsp. in einem der Auswerteelektronik (3) nachgeschalteten Mikrorechner.Approaching or removing a finger from the buttons ( 13 ) is associated with relatively large changes in capacitance due to the widening of the area ( 12 ) of the conductor tracks ( 2 ) and / or ( 5 ), which changes separately from the connected evaluation electronics ( 3 ) as an approach and distance signal is registered for each line. These signals are logically linked, e.g. in a microcomputer downstream of the evaluation electronics ( 3 ).

Der erfindungsgemäße Strukturaufbau ermöglicht ein Bedienen der Tastatur von beiden Seiten her. Wird dies nicht gewünscht, wird eine zusätzliche Schirmfläche (7) benützt. Die statischen Zusatzkapazitäten werden von der Auswertelektronik (3) eleminiert. Streifenleitungen (8) oder Koaxialkabel (8) übernehmen die Verbindung zwischen Tastatur und Auswerteelektronik. Sie kann bis weit über 10 Meter entfernt angeordnet und integraler Bestandteil einer peripheren Zusatzelektronik sein.The structure of the invention enables the keyboard to be operated from both sides. If this is not desired, an additional screen surface ( 7 ) is used. The additional static capacities are eliminated by the evaluation electronics ( 3 ). Strip lines ( 8 ) or coaxial cables ( 8 ) take over the connection between the keyboard and the evaluation electronics. It can be arranged well over 10 meters away and can be an integral part of peripheral additional electronics.

Wählt man transparente, dielektrische Schichten (1), (6) und dampft transparente Leiterzüge (2), (5) z.Bsp. auf ein Glassubstrat auf, wird die Tastatur durchsichtig und sie kann von der Seite oder von unten her beleuchtet werden. Eine Tastenbelegungstabelle kann hinterlegt werden. In Verbindung mit einem Computerbildschirm sind so die unsichtbaren Schaltflächen softwaremäßig definierbar und sie dienen als Touchscreen.If one selects transparent, dielectric layers ( 1 ), ( 6 ) and vapors transparent conductor tracks ( 2 ), ( 5 ) e.g. on a glass substrate, the keyboard becomes transparent and can be illuminated from the side or from below. A key assignment table can be stored. In conjunction with a computer screen, the invisible buttons can be defined in software and serve as a touchscreen.

Ein Einbau der Tastatur in Gerätegehäuse erfordert keine aufgesetzte Baueinheit mehr. Die Plastikgehäusewand des Gerätes selbst übernimmt die Funktion einer ersten dielektrischen Schicht (1). Noppen, Mulden oder Aufdrücke können zur optischen Ortsbestimmung der Schaltflächen dienen bzw. kapazitive Koppelflächen für externe Steuergeräte kennzeichnen. Damit entfallen Durchbrüche in der Gerätewand.Installation of the keyboard in the device housing no longer requires an attached unit. The plastic housing wall of the device itself takes on the function of a first dielectric layer ( 1 ). Knobs, troughs or imprints can be used to optically locate the buttons or mark capacitive coupling surfaces for external control devices. This eliminates breakthroughs in the device wall.

Eine Einzeltaste, nach diesem Prinzip aufgebaut, ist an jeder Stelle einer Gehäuseinnenseite positionierbar. Äußerst flach gehalten, kann eine Einzeltaste oder Tastatur auch auf beliebige Oberflächen aufgeklebt oder -geschraubt werden.A single button, constructed according to this principle, is located at every point on the inside of the housing positionable. Extremely flat, a single key or keyboard can also be opened any surface can be glued or screwed on.

Claims

1. Arrangement for a capacitive keyboard is characterized in that preferably between a first dielectric layer ( 1 ) and a second dielectric layer ( 6 ) preferably parallel conductors ( 2 ) and ( 5 ) cross each other in mutually insulated levels and a matrix ( 14 ) form, at the crossing points ( 11 ) the conductor tracks ( 2 ) and ( 5 ) have a width widening within a common button ( 13 ), which they preferably fill in equal areas.

2. Arrangement according to claim 1 is characterized in that on the outer surfaces of one of the dielectric layers ( 1 ) or ( 6 ) optionally a conductive screen surface ( 7 ) is arranged.

3. Arrangement according to claim 1 is characterized in that the dielectric layers ( 1 ) and ( 6 ), the conductor tracks ( 2 ) and ( 5 ), the insulating layer ( 4 ) and the screen surface ( 7 ) are optionally transparent.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the conductor tracks ( 2 ) and ( 5 ) and the shield surface ( 7 ) are connected galvanically or capacitively via lines ( 8 ) to a remote evaluation electronics ( 3 ).

5. Arrangement according to claim 1 is characterized in that the dielectric layers ( 1 ) and / or ( 6 ) are optionally part of a wall.

6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the dielectric layers ( 1 ) and ( 6 ) optionally above the buttons ( 13 ) preferably have thickenings ( 9 ) or troughs ( 10 ), the capacitive coupling surfaces for externally arranged control units ( 15 ) form.