DE2524437A1

DE2524437A1 - Schalttafelstruktur einer kapazitiv gekoppelten tastatur

Info

Publication number: DE2524437A1
Application number: DE19752524437
Authority: DE
Inventors: Jon Edward Fox
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-06-14
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE2524437C3; NL181390C; CA1030662A; DK142718B; DE2524437B2; NL181390B; IT1037483B; CH584425A5; AR203341A1; SE7506085L; BE829203A; DK142718C; YU147375A; FR2280295A1; SE402397B; CS210653B2; JPS51656A; NL7506648A; GB1473976A; ES438448A1

Description

Böblingen, den 27. Mai 1975

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RA 974 006

Schalttafelstruktur einer kapazitiv gekoppelteten Tastatur

Diese Erfindung betrifft die Schalttafelstruktur einer kapazitiv gekoppelten Tastatur mit auslenkbaren, an ihrem unteren Ende ein elektrisch leitendes Koppelglied aufweisenden Tasten und einer mit Abstand unterhalb der Koppelglieder angeordneten Schaltungstafel, die in einer Schaltungsanordnung als Kopplungsstelle deckungsgleich zu jedem Koppelglied in einer Ebene wenigstens zwei voneinander isolierte, nahe nebeneinander liegende Flächenelektroden aufweist, von denen die eine als Speiseelektrode an einer Wechselspannung liegt und die andere als Empfangselektrode mit einem Verstärker verbunden ist, wobei alle Flächenelektroden der Schaltungstafel und deren Verbindungsleitungen vorzugweise ein Matrixsystem von Kopplungsstellen bilden.

Derartige Schalttafelstrukturen sind zweckmäßigerweise ein Bestandteil von kapazitiv gekoppelten Tastaturen, insbesondere für tastenbediente Geräte der Daten- und Textverarbeitung, wie Rechen- und Schreibmaschinen, oder Druck- und Setzmaschinen zur Eingabe von Schriftzeichen, Daten, Informationen und/oder Steuerungsbefehlen.

Es sind bereits kapazitive gekoppelte Tastaturen bekannt, bei denen das untere Ende der federnd auslenkbaren Tasten jeweils mit einem elektrisch leitenden, vorzugsweise scheibenförmigen Kopplungsglied bestückt ist. In einem Abstand, der nur geringfügig größer ist als die Auslenkhub einer Taste, ist unterhalb der Kopp-

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lungsglieder eine Schaltungstafel als Träger von Flächenelektroden und Verbindungsleitungen angeordnet. Unter jedem Tasten-Koppelglied ist die Oberseite der Schaltungstafel mit einem Paar flächenhaften Elektroden belegt, die voneinander isoliert nahe beieinander liegen und zueinander eine geringe Koppelkapazität aufweisen. Von den paarweise angeordneten Elektroden ist eine, die nachfolgend als Speiseelektrode bezeichnet wird, mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, die hochfrequente Signale liefert. Die andere, als Empfangselektrode bezeichnete, Flächenelektrode ist über eine Ausgangsleitung mit einem Verstärker, einem Detektor oder mit logischen Schaltkreisen verbunden. Das Koppelglied einer Taste, die Speiseelektrode und die Empfangselektrode bilden eine kapazitive Koppelstelle, bzw. einen variablen Blindwiderstand, der elektrisch aus zwei in Reihe geschalteten veränderlichen Kondensatoren gebildet wird. In der Ruhestellung der Taste ist die Gesamtkapazität einer Koppelstelle klein, bzw. der Blindwiderstand hoch und in der Auslenkstellung der betätigten Taste ist die Gesamtkapazität relativ groß und der Blindwiderstand klein. Der Kopplungsstelle nachgeschaltete logische Schaltungskreise oder Detektoren werden von den Kapazitätsänderungen bzw. den Änderungen des Blindwiderstandes beeinflußt.

Bei den kapazitiv gekoppelten Tastaturen sind die Kopplungsstellen vorzugsweise in Form einer Matrix angeordnet, die aus Mi-Zeilen und N-Spalten besteht. So sind beispielsweise in M-Zeilen die Speiseelektroden und in N-Spalten die Empfangselektroden kreuzweise miteinander verbunden.

Als Stand der Technik ist bekannt:

Deutsche Offenlegungsschrift 1 940 554. Diese offenbart ein federnd auslenkbares Tastenelement für Eingabeeinrichtungen als Umwandler einer mechanischen Bewegung in ein elektrisches Signal. Bei diesem kapazitiven Tastenelement ist das auslenkbare Koppelglied an seiner Unterseite isoliert und ist über zwei parallelen, auf einer Schaltungstafel befestigten, als Elektroden dienenden Leiterstreifen angeordnet.

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Deutsche Offenlegungsschrift 2 247 972. Diese offenbart eine Abfühleinrichtung für eine Kapazitätsmatrix, bei der die kapazitiven Kopplungsstellen zeilen- oder spaltenweise angesteuert und entsprechend zeilen- oder spaltenweise auf das Vorhandensein von Ausgangssignalen abgetastet werden,

Deutsche Offenlegungsschrift 2 254 3¹JO. Diese offenbart ein kapazitives Tastenfeld und in einem Matrixsystem angeordnete kapazitive Speicherstellen.

Deutsche Offenlegungsschrift 2 337 670. Diese betrifft eine tastengesteuerte Dateneingabevorrichtung, deren nach Art einer Matrix in Zeilen und Spalten angeordnete Tasten ein elektrisches Signal beeinflussen.

Amerikanisches Patent 3 696 908. Dieses betrifft eine kapazitiv gekoppelte Tastatur, bei der an einer Kopplungsstelle auf einer Schaltungstafel sich zwei stationäre Flächenelektroden befinden, von denen jede mit einem in Reihe geschalteten Schaltkreis verbunden ist.

Zum besseren Verständnis der mit kapazitiven Tastaturen zusammenhängenden Technik sei auf das amerikanische Patent 3 786 497 verwiesen, in dem Einzelheiten der elektronischen Schaltkreise erläutert sind, die im Zusammenhang mit einer kapazitiv gekoppelten elektronischen Matrix-Tastatur verwendet werden. Auch in der USA-Defensive Publication T 904008, ist eine Verstärkerschaltung sowie die allgemeine Schaltung für eine kapazitive Matrix für die Benutzung mit einer kapazititiven Tastatur beschrieben.

Bei den kapazitiven Tastaturen besteht die allgemeine Forderung, die Schaltungsanordnung, insbesondere an den Kopplungsstellen, die Oberflächen der Kopplungsglieder und der Flächenelektroden vor Verschmutzung, Korrosion und Einwirkungen der Luftfeuchte sowie anderen Umwelteinflüssen zu schützen.

Besonders bei den in Matrixform ausgeführten Schaltungsanordnungen

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von kapazitiven Tastaturen ergeben sich Schwierigkeiten in der Leitungsführung zu den in den Kopplungsstellen auf der Oberseite einer Schaltungstafel paarweise angeordneten Plächenelektroden. Um die Streukapazitäten und den Grundpegel der Kapazität einer Kopplungsstelle in einer Schaltungstafel möglichst klein zu halten, ist man bestrebt, die Leitungen zu den Speise- und Empfangselektroden so zu führen, daß diese Leitungen einen möglichst großen Abstand zueinander aufweisen. Es ergeben sich jedoch dann Schwierigkeiten, wenn beispielsweise in der Matrix-Schaltungsanordnung eine große Anzahl von Kreuzungspunkten der Leitungen vorkommt. Die Vermeidung von Kreuzungen und die Lösung dieser Schwierigkeiten erfolgt im allgemeinen dadurch, daß die Leitungen auf den beiden Oberflächen einer Schaltungsplatte angeordnet werden, wobei allerdings die Verbindungen zwischen Schaltungsteilen, z.B. zu den Plächenelektroden, durch innenplattierte Löcher erfolgen muß, die die Schaltungsplatte durchdringen. Diese Leitungsführungstechnik ist bei den sogenannten gedruckten Schaltungstafeln allgemein gebräuchlich.

Auf diese Weise ist es zwar möglich, sehr flache Strukturen von Schaltungstafeln herzustellen, was bei Tastaturen immer erstrebenswert ist, doch ergeben sich große Herstellungskosten und häufig Fehler wegen der Schwierigkeiten, die bei der Herstellung guter innenplattierter Löcher und komplizierter Leitungsmuster auf beiden Seiten einer Schaltungstafel auftreten.

Es wäre deshalb eine wesentliche Verbesserung, wenn es möglich wäre, einerseits auf die innenplattierten Löcher und andererseits auf die Photoätz-Prozesse zu verzichten, die bei der Herstellung von gedruckten Schaltungstafeln eine Rolle spielen. Es ist klar, daß man um die Anordnung von Leitungen auf beiden Seiten einer Schaltungstafel nicht herumkommt, wenn die M χ N-Matrix größer als 2x2 Kopplungsstellen ist, und außerdem die M- und N-Leitungen zwecks Verbindung mit der übrigen Schaltungsanordnung an einen Rand der Schaltungstafel geführt werden müssen, da es nicht möglich ist ohne Verwendung komplizierter isolierter Leitungs-

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kreuzungen auszukommen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Struktur einer Schaltungstafel für eine kapazitiv gekoppelte Tastatur zu schaffen, bei der die Schaltungsanordnung der Flächenelektroden und der Verbindungsleitungen gegen Verschmutzung, Luftfeuchtigkeitseinfluß und sonstigen Umwelteinwirkungen geschützt sind. Andere Forderungen bestehen darin, daß die vorstehend erwähnten Nachteile und Mangel von bekannten Schaltungstafeln für kapazitive Tastaturen weitestgehend vermieden sind, daß die zu einer Kopplungsstelle und den Anschlußflächen führenden Leitungen möglichst kreuzungsfrei und von einander entfernt sind und sich vorzugsweise auf beiden Seiten einer dielektrischen Trennschicht erstrecken und daß die fertige Schaltungstafel eine möglichst kompakte Struktur und eine geringe Dicke aufweist. Eine sehr wesentliche Forderung besteht darin, daß die neue Schaltungstafel auf einfache Weise herstellbar und für die Massenfertigung geeignet sein muß und billig zu fertigen ist, wobei eine zuverlässige Leitungsverbindung gewährleistet sein muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltungstafel mehrschichtig ist und übereinanderliegend eine untere, eine mittlere und eine obere dielektrische Platte enthält, daß in den beiden Ebenen zwischen den drei Platten elektrisch voneinander isoliert eine erste und eine zweite Schaltungsanordnung eingebettet sind, die jeweils die Flächenelektroden, die Verbindungsleitungen und die Anschlußflächen enthalten; daß für jede Kopplungsstelle der Tasten in der ersten Schaltungsanordnung jeweils ein erstes Paar Flächenelektroden und in der zweiten Schaltungsanordnung deckungsgleich ein zweites Paar Flächenelektroden vorgesehen sind, daß ein erstes Paar Flächenelektroden aus einer mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Speiseelektrode und einer Kopplungselektrode besteht, ein zweites Paar Flächenelektroden wenigstens aus einer mit einer Ausgangsleitung verbundenen Empfangselektrode und einer Blindelektrode oder einem Füllstück besteht, und daß die Flächenelektroden so angeordnet sind, daß

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einerseits die Speiseelektroden und die Blindelektroden und andererseits die Kopplungselektroden und die Empfangselektroden übereinander liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Schalttafelstruktur für eine kapazitiv gekoppelte Tastatur sind die in der· Aufgabenstellung erwähnten Forderungen, insbesondere diejenige, daß die Leitungsverbindung durch plattierte Löcher in der Schalttafel vermieden werden soll, dadurch erfüllt, daß die einzelnen Kopplungsstellen aus zwei flächenhaften Elektrodenpaaren gebildet werden, die getrennt durch eine dielektrische Folie in zwei Schichten deckungsgleich übereinander liegen.

Die Reihenkapazität einer Kopplungsstelle setzt sich aus zwei veränderlichen Kapazitäten und einer festen Kapazität zusammen. Eine erste veränderliche Kapazität besteht zwischen der Speiseelektrode und dem Koppelglied, die zweite veränderliche Kapazität besteht zwischen dem Koppelglied und der Kopplungselektrode und die feste Kapazität besteht zwischen der Koppelelektrode und der Empfangselektrode. Die feste Kapazität zwischen der Speiseelektrode und der Blindelektrode hat einen vernachlässigbaren kleinen Einfluß auf die Kopplungsstelle. Die Blindelektrode kann deshalb in der Tafelstruktur auch ein elektrisch nicht leitendes Distanzstück sein, dessen Zweck darin besteht, die Herstellung einer planen Schaltungstafel zu ermöglichen.

Die erste und die zweite Schaltungsanordnung, die jeweils die Elektrodenpaare, die Verbindungsleitungen und die zungenförmigen Anschlußflächen enthalten, liegen übereinander in zwei verschiedenen Ebenen und sie sind durch die mittlere Platte, welche beispielsweise eine Folie sein kann, voneinander isoliert. Die beiden Schaltungsanordnungen haften zweckmäßigerweise auf den zueinander zeigenden Seiten der oberen und unteren Platte als spiegelbildliche Muster der Flächenelektroden. Zur Herstellung einer kompakten Schalttafelstruktur werden die beiden äußeren Platten unter Beifügung der mittleren Trennfolie zusammengefügt. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Schaltungsanordnungen auf beiden RA 974 006

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Seiten der mittleren Platte anzubringen, so daß die Flächenelektroden deckungsgleich übereinanderliegen.

Die beiden Schaltungsanordnungen in einer Schaltungstafel können mittels eines Druckverfahrens unter Verwendung von leitender Farbe auf die isolierenden Platten oder Folien aufgebracht werden, oder auch durch ein lithographisches Verfahren, bei dem die Flächenelektroden, die Leiterbahnen und die zungenformigen Anschlußflächen aus einer plattierten Kupferschicht geätzt werden.

Weitere Einzelheiten über die erfindungsgemäße Struktur einer Schaltungstafel für kapazitiv gekoppelte Tastaturen werden nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen beschrieben.

Von den Zeichnungen stellen dar:

Fig. IA Die auf eine Isolierplatte aufgebrachte erste

Schaltungsanordnung einer kapazitiven Matrix-Tastatur,

Fig. IB eine zweite bis auf die Anschlußflächen spiegelbildliche Schaltungsanordnung des ersten Schaltungsmusters gemäß Fig. IA,

Fig. 2 in einer vergrößerten und auseinandergezogenen

schematischen Abbildung den Querschnitt durch die "Sandwich"-Struktur der Schaltungstafel, die sich beim Zusammenbau der die Schaltungsanordnungen tragenden Platten gemäß den Fign. IA und IB mit einer Zwischenisolation ergibt.

Die Fig. IA zeigt eine flexible Schaltungsplatte, deren Isolierplatte 1 vorzugsweise aus dünnem dielektrischem Kunststoffmaterial, beispielsweise einer Folie von 0,05 mm Dicke besteht. Auf einer Oberflächenseite der dünnen Isolierplatte 1 ist eine Anzahl von gedruckten oder geätzten, elektrisch leitenden ersten Flächen-RA 974 006

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elektroden 2 und 3 koplanar angeordnet, wobei jeweils ein Paar Flächenelektroden der Kopplungsstelle einer Taste zugeordnet sind. Ein derartiges erstes Paar Flächenelektroden 2, 3 wird aus einer Speiseelektrode 2 und einer Kopplungselektrode 3 gebildet, die, wie die Fig. IA zeigt, die gleiche rechteckige Flächenform aufweisen und voneinander isoliert sind, jedoch nahe beeinander liegen. Die Speiseelektroden 2 sind durch Leiterbahnen 4, die sich vorwiegend in Längsrichtung bzw. vertikaler Richtung der Isolierplatte 1 erstrecken, untereinander verbunden und sie bilden im montierten Zustand in einer Schaltungsmatrix Reihen und Spalten (M, N). Die Leiterbahnen 44 sind einzeln mit zungenförmigen Anschlußflächen 5 verbunden, die an einem Rand der Isolierplatte 1 angeord net sind. Wie aus der Fig. IA weiter zu ersehen ist, sind die Kopplungselek^roden 3 nicht miteinander verbunden, sondern sie bilden isolierte Inseln in der ersten Schaltungsanordnung.

Dieses Ausführungsbeispiel der Struktur einer mehrschichtigen Schaltungstafel enthält gemäß Fig. 2 eine Matrix von in zwei Ebenen liegenden ersten und zweiten Paaren von Flächenelektroden 2, und 2', 3', die durch die mittlere dielektrische Platte 6 voneinander getrennt, kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Die in der oberen Ebene liegende erste Schaltungsanordnung, welche die ersten Paare von Flächenelektroden 2, 3 und die Verbindungsleitungen 4 sowie Anschlußflächen 5 enthält, sind beispielsweise den M-Zeilen der Schaltungsmatrix zugeordnet. In der Matrix sind M und N ganze Zahlen. Die kapazitive Kopplungsstelle jeder Taste in der Tastatur wird aus einem ersten und einem zweiten Paar Flächenelektroden 2, 3 und 2', 3¹ gebildet, wobei das erste Elektrodenpaar 2, 3 in einer der M-Zeilen der Matrix enthalten ist und das zweite Elektrodenpaar 2^f, 3' in einer der N-Spalten.

In Fig. IB ist eine zweite Schaltungsplatte l^f mit einer spiegelbildlichen zweiten Schaltungsanordnung der in Fig. IA abgebildeten ersten Schaltungsanordnung dargestellt. Diese zweite Schaltungsanordnung nach Fig. IB enthält zweite Paare von Flächenelektroden 2¹ und 3', die deckungsgleich zu den ersten Paaren von Flä-

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chenelektroden 2, 3 der ersten Schaltungsanordnung sind. Jedes Paar der zweiten Flächenelektroden 2'₃ 3^f besteht aus gleichen Elektrodenflächen, von denen die eine als Blindelektrode 2¹ und die andere als Empfangselektrode 3' bezeichnet wird. Die Blindelektroden 3' bilden auf der Isolierplatte I¹, bzw. in der zweiten Schaltungsanordnung isolierte Inseln und sie dienen lediglich als Distanzelemente, damit bei der fertigen Schaltungstafel eine plane Oberfläche erreicht wird. Anstelle der Blindelektroden 3' sind auch elektrisch nicht leitende Distanzstücke verwendbar. In der zweiten Schaltungsanordnung nach Pig. IB sind die einzelnen Empfangselektroden 3 durch Leiterbahnen 4 untereinander verbunden, welche sich vorzugsweise in horizontaler Richtung auf der Isolierplatte 1' erstrecken. Diese Leiterbahnen 4 bilden bei einer fertigen Schaltungstafel in der Schaltungsmatrix Zeilen oder Spalten, die zu zungenförmigen Anschlußflächen 5 am Rand der Schaltplatte geführt sind. Da die Blinäelektroden 2¹ nicht angeschlossen sind, ist die Situation in der zweiten Schaltungsanordnung also genau umgekehrt zu der in Fig. IA gezeigten ersten Schaltungsanordnung. Die Isolierplatte I¹ dieser Schaltungsplatte, welche als untere Hälfte der fertigen Schaltungstafel in diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 di<ent, kann flexibel oder starr sein. Falls diese Isolierplatte 1· starr ist, kann sie als Träger der oberen flexiblen Schaltplatte dienen, wobei dann die Dicke der unteren Isolierplatte I¹ belanglos ist.

Die beiden Schaltungsplatten sind nach verschiedenen bekannten Verfahren herstellbar, bei denen die beiden Schaltungsmuster dadurch erzeugt werden, daß z.B. die Leiterbahnen 4, die Flächenelektrodenpaare 2, 3 und 2', 3* sowie die zungenförmigen Anschlußflächen 5 mittels elektrisch leitender Tinte- oder Leitfarbe jeweils auf eine Oberflächenseite der Isolierplatten 1 und 1' aufgedruckt werden. Die Erzeugung der ersten und zweiten Schaltungsmuster ist auch mittels konventioneller Photoätz-Techniken oder Metall-Plattierungsverfahren möglich. Als bevorzugtes Herstellungsverfahren für die Schaltungsanordnungen von bereits als Muster gefertigten Schaltungstafeln wurde eine Drucktechnik

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angewandt unter Verwendung von Silbertinte als Leitmaterial. Eine derartige Drucktechnik ist einfacher und weniger teuer als die bekannten Photoätz- bzw. MetallplattierungaVerfahren.

Wie eingangs bereits erwähnt wurde und wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, enthält die fertige mehrschichte Schaltungstafel in ihrer Struktur eine obere, eine mittlere und eine untere Isolierplatte 1, 6, 1'. Es ist zweckmäßig, wenn diese drei Isolierplatten, insbesondere die obere und die mittlere, gute dielektrische Eigenschaften aufweisen. Die mittlere Isolierplatte 6 dient als dünne Trennschicht der unmittelbar an beiden Oberflächenseiten aneinanderliegenden ersten und zweiten Schaltungsanordnungen. Diese mittlere Isolierplatte 6 ist zweckmäßigerweise eine Folie, die die beiden Schaltungsanordnungen vollständig überdeckt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie die Fig. 2 zeigt, die erste Schaltungsanordnung auf der Unterseite der oberen Isolierplatte 1 angeordnet und die zweite spiegelbildliche Schaltungsanordnung befindet sich auf der Oberseite der unteren Isolierplatte l^f. Es ist günstig, wenn in dieser Schalttafelstruktur eine der äußeren Isolierplatten 1 oder 1' starr und die andere flxibel ist, so daß sich die flexible Platte an die Unebenheiten der Oberfläche der starren Isolierplatte ansohmiegen kann. In diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die untere Isolierplatte 1' ziemlich starr, da sie als Trägerplatte dient; die mittlere Folie 6 und die obere Isolierplatte 1 sind hingegen flexibel. Im fertigen Zustand ist die abgebildete mehrschichtige Schaltungstafel stabil und sie hat nur eine geringe Dicke.

Die Isolierplatten 1, I¹ und 6 der kapazitiven Schaltungstafel sind, wie die Figuren IA und IB zeigen, mit Passungslöchern versehen, die die genaue Ausrichtung der Isolierplatten und der Schaltungsanordnungen erleichtern. Zur Bildung der Schaltungstafel werden die beiden Isolierplatten 1, 1', welche jeweils Hälften der Schaltungstafel bilden, unter Beifügung der mittleren dielektrischen Folie 6 aneinandergefügt, so daß die beiden Schal-

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tungsanordnungen unmittelbar einander gegenüberliegen und lediglich durch die dielektrische Folie 6 voneinander getrennt sind. Die beiden Schaltungsplatten werden so aufeinandergelegt, daß die mit A bezeichneten Kanten zueinander ausgerichtet sind. Die sich dadurch ergebende Struktur der Schaltungstafel ist schematisch in Fig. 2 als eine auseinandergezogene Schnittansicht dargestellt.

Die so gebildete "Sandwich"-Struktur der Schaltungstafel besteht also aus einer unteren stabilen Isolierplatte I¹ als Träger, die auf ihrer Oberseite mit der zweiten Schaltungsanordnung versehen ist, welche die zweiten flächenhaften Elektrodenpaare 2', 3¹ enthält, sowie die Leiterbahnen 4 und die zungenförmigen Anschlußflächen 5· Auf der zweiten Schaltungsanordnung liegt die dünne Isolierschicht 6 und auf dieser die erste Schaltungsanordnung, die auf der oberen Isolierplatte 1 haftet. Diese erste oder obere Schaltungsanordnung enthält die ersten flächenhaften Elektrodenpaare 2, 3, die Leiterbahnen k und die zungenförmigen Anschlußflächen 5. Im zusammengebauten Zustand der beiden Schaltplatten ist die folienförmige Isolierplatte 6 in Berührung mit den beiden Schaltplatten, welche nun eine Einheit und eine kompakte Schaltungsttafel bilden.

In der Fig. 2 ist ausschnittsweise ein kleiner Teil der Schaltungstafel schematisch stark vergrößert und in auseinandergezogener Darstellung abgebildet, um eine bessere Übersicht über die Funktion und Struktur der kapazitiven Schaltungstafel zu erhalten. Die Fig. 2 zeigt, daß in einem Abstand über der Schaltungstafel ein elektrisch leitendes Koppelglied 7 an der Unterseite einer auslenkbaren Taste angeordnet ist. Durch nicht gezeigte Mittel kann dieses Koppelglied 7 beim Anschlag einer Taste mit der Oberseite der Isolierplatte 1 in Berührung gebracht werden. Diese Annäherung des Koppelgliedes 7 bewirkt eine intensive kapazitive Kopplung zwischen den deckungsgleich darunterliegenden ersten Elektrodenpaar 2, 3, von denen die eine Elektrode als Speiseelektrode 2 und die andere als Kopplungselektrode 3 bezeichnet

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wird. Die flächenhafte Speiseelektrode 2 ist über die Leiterbahn 4 und die zungenförmige Anschlußfläche 5 mit einer Speisespannungsquelle 8 verbunden, welche Wechselstromsignale liefert. Diese Wechselstromsignale werden kapazitiv bei ausgelenktem Koppelglied 7 zur benachbarten Koppelelektrode 3 übertragen. Bei einer Kopplungsstelle besteht zwischen der Speiseelektrode 2 und dem Kopplungsglied 7 die veränderliche Kapazität Cl und zwischen dem Kopplungsglied 7 und der Kopplungselektrode 3 besteht die variable Kapazität C2.

Während die ersten flächenhaften Elektrodenpaare 2, 3₅ bestehend aus der Speiseelektrode 2 und der Kopplungselektrode 3> in diesem Ausführungsbeispiel in der oberen Zwischenschicht angeordnet sind, befinden sich die zweiten flächenhaften Elektrodenpaare 2', 3', die jeweils aus einer Blindelektrode 2' und einer Empfangselektrode 3' gebildet werden, deckungsgleich zum ersten Elektrodenpaar 2, 3 in der unteren Zwischenschicht der Schaltungstafel. Dabei liegt über einer Blindelektrode 2' eine Speiseelektrode 2 und über einer Empfangselektrode 3' liegt eine Kopplungselektrode 3. Eine Kopplungselektrode 3 und eine Empfangselektrode 3' bilden eine feste Kapazität C3, die die Signale der Kopplungselektrode 3 auf die Empfangselektrode 3' koppelt. Die Empfangselektroden 3' sind über die Leiterbahnen 4 und die zungenförmigen Ausgangsanschlüsse 5 niit Verstärkern 9 oder mit logischen Schaltungskreisen verbunden.

Diese deckungsgleiche Anordnung der ersten und zweiten flächenhaften Elektrodenpaare 2, 3 und 2', 3' einer Kopplungsstelle in zwei übereinanderliegenden Ebenen in der Schaltungstafel, die durch die dünne Isolierplatte 6 voneinander getrennt sind, ergibt eine Reihenschaltung von drei Kapazitäten Cl, C2 und C3. Die von der Wechselspannungsquelle 8 in eine Speiseelektrode 2 des ersten Elektrodenpaares 2, 3 gelieferten Signale werden durch das Koppelglied 7 über die veränderbare Kapazität Cl zur Kopplungselektrode 3 des ersten Elektrodenpaares 2, 3 übertragen, die mit dem Koppelglied 7 eine zweite veränderliche Kapazität C2

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bildet. Die beiden Kapazitäten Cl und C2 sind praktisch gleich groß und sie haben ihren Maximalwert, wenn das Koppelglied 7 auf der Oberseite der Isolierplatte 1 anliegt. Die dritte unveränderliche Kapazität C3 besteht zwischen der Kopplungselektrode 3 und der Empfangselektrode 3', die lediglich durch das Dielektrikum der folienförmigen Isolierplatte 6 voneinander getrennt sind. Eine wie C3 gleich große feste Kapazität Ck besteht auch zwischen der Speiselektrode 2 und der Blindelektrode 2'. Diese Kapazität Ck wird bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht benötigt.

Als mittlere Isolierplatte 6 wird vorzugsweise eine dielektrische Kunststoffolie verwendet, die auf beiden Seiten mit Klebstoff versehen wird. Durch diese Klebewirkung haften nach dem Zusammenbau die drei Isolierplatten 1, 6, I¹ und die beiden spiegelbildlichen Schaltungsanordnungen mit den einander entsprechenden flächenhaften Elektroden 2 und 2* bzw. 3 und 3^f gut aneinander. Nach der Aushärtung des Klebstoffes sind die beiden aufeinanderliegenden Schaltungsplatten fest miteinander verbunden und sie bilden eine kapazitive Schaltungstafel mit einer mehrschichtigen Struktur. Die derart zusammengesetzte Schaltungstafel stellt eine dünne, beidseitig isolierte, symmetrische Schaltungsanordnung dar, die in zwei Zwischenschichten der Schaltungstafel eingebettet ist und die Wechselspannungssignale von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen leiten kann, wenn ein Koppelglied 7 in geeigneter Weise in die Nähe eines Paares der Elektroden 2, 3 bzw. 2¹, 3¹ gebracht wird. Diese mehrschichtige Schaltungstafel kann auch flexibel hergestellt werden, falls es für den Anwendungsfall zweckmäßig ist, wenn die drei Isolierplatten 1, I¹ und 6 aus einem flexiblen Material bestehen.

Nach dem Zusammensetzen der drei Isolierplatten 1, I¹ und 6 zu einer "Sandwich"-Struktur der Schaltungstafel wird zweckmäßigerweise im Anschluß an die Verklebung durch Zusammenpressen der aufeinanderliegenden Isolierplatten 1, 1' jeder Luft- und Feuchtigkeitsrest aus der mehrschichtigen Schalttafelstruktur entfernt. Durch die Verwendung von Klebstoff auf beiden Seiten der mittle-

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ren Isolierplatte 6 ergibt sich nach der Aushärtung des Klebstoffes eine versiegelte Struktur, bei der alle leitenden Schaltungsteile innerhalb des versiegelten Bereiches liegen. Ein besonderer Vorteil dieser aus mehreren Isolierschichten gebildeten Schaltungstafel besteht darin, daß keine galvanischen Verbindungen in den Isolierplatten 1, 1', 6 durch Löcher hindurchgeführt werden müssen. Durch die vorstehend beschriebene Schichtstruktur der Schaltungstafel wird die Notwendigkeit der Verwendung von innen plattierten Löchern vermieden und eine einfache, kostensparende Fertigungsweise erreicht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel für eine mehrschichtige kapazitive Schaltungstafel wurden für die obere und die untere Isolierplatten 1 und 1' der Schichtstruktur eine Kunststoffolie von je 0,05 mm Dicke verwendet.

Die die Kapazitäten Cl..C4 bildenden flächenhaften Elektroden 2, 2^f, 3 und 3^!, sowie die Leiterbahnen 4 und die zungenförmigen Anschlußflächen 5 wurden, wie bereits erwähnt wurde, durch ein Druckverfahren mit einer silberhaltigen Leitfarbe hergestellt. Für die Elektroden 2, 2', 3 und 3' wurde jeweils eine Fläche in der Größe 12, 5 x 5 nun gewählt, wobei jeweils ein Paar Elektroden 2, 3 und 2', 3' nebeneinander auf einer Fläche von 12, 5 auf 12,5 mm angeordnet waren bei einem Mittenabstand der Flächenelektroden von etwa 18,5 mm.

Die in der Fig. 2 angedeuteten Kapazitäten Cl und C2 sind von der Elektrodenfläche, der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten der oberen Isolierplatte 1 und der Größe des Luftspaltes zwischen dem Koppelglied 7 und der Flächenelektroden 2, bzw. 3 abhängig. Wenn das Koppelglied 7 auf der Oberseite der Isolierplatte 1 aufliegt, dann beträgt die Gesamtkapazität der in einer Reihenschaltung angeordneten Kapazitäten Cl und C2 angenähert 11 pF. Wenn das Koppelglied 7 von der Isolierplatte 1 abgehoben ist und sich die Taste in der Ruhestellung befindet, verbleibt eine Restkapazität von weniger alsvpF f_{ür die} Reihenanordnung von Cl, C2. Die feste

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Kapazität C3, die die Signale von der oberen Koppelelektrode 3 durch die mittlere Isolierplatte 6 auf die Empfangselektrode 3' überträgt, hat eine Kapazität von etwa 4 bis 5 pF. Da die feste Kapazität C3 in Reihe mit der Gesamtkapazität von Cl, C2 liegt, welche bei betätigter Taste etwa 11 pF beträgt, ergibt sich bei einem Tastenanschlag eine Kapazitätsänderung von angenähert 9pF. Diese Kapazitätsänderung ist mehr als genug für eine zuverlässige Aussteuerung von Abtast- und Treiberschaltungen, die auf Kapazitätsänderungen von weniger als einem pF ansprechen.

Die silberhaltige Leitfarbe, die zum Drucken der flächenhaften Elektroden 2, 2¹ und 3, 3' auf den beiden Isolierplatten 1 und 1' benutzt wurde, hatte einen Widerstand von etwa 2 Ohm, gemessen an einer quadratischen Fläche. Die gedruckte Fläche einer Elektrode hat somit einen relativ hohen ohmschen Widerstandswert im Vergleich zur üblichen Leitungsverdrahtung durch Kupferleiter, die praktisch einen vernachlässigbaren kleinen Widerstandswert aufweist. Diese relativ hohen ohm¹sehen Widerstandswerte dieser gedruckten Schaltungsanordnungen stellen im Vergleich zu den kapazitiven Blindwiderständen dieser Schaltungsanordnung kein Problem dar, weil in der Schaltungstafel keine Gleichströme fließen. Weil im Zusammenhang mit der beschriebenen kapazitiven Kopplung Gleichströme keine Rolle spielen, ist der Einfluß dieses relativ hohen Reihenwiderstandes praktisch vernachlässigbar. Die ohm'sehen Widerstandswerte dieser gedruckten Schaltungsanordnungen können nur bei einer übertragung von größeren Strömen an Bedeutung gewinnen. Bei der kapazitiven Schaltungstafel hingegen in der vorstehend beschriebenen Struktur, wo verhältnismäßig kleine Wechselströme fließen, hat dieser reelle Widerstand keinen großen Einfluß auf den Scheinwiderstand der Schaltungsanordnung und ist praktisch vernachlässigbar.

Aus der vorstehenden Beschreibung des Ausführungsbeispieles der Struktur einer mehrschichtigen kapazitiven Schaltungstafel ergibt sich, daß durch die Verwendung von nur drei Einzelteilen, - von denen zwei mit Ausnahme ihrer Anschlüsse sich spiegelbildlich

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entsprechen - in den Isolierplatten der Schaltungstafel innenplattierte Löchern zur Zwischenverbindung bzw. zum Anschluß der Flächenelektroden vermieden werden und daß eine zuverlässige kapazitive Schaltungstafel herstellbar ist, die außerordentlich einfach zu fertigen und kostengünstig ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schalttafelstruktur einer kapazitiv gekoppelten Tastatur mit auslenkbaren, an ihrem unteren Ende ein elektrisch leitendes Koppelglied aufweisenden Tasten und einer mit Abstand unterhalb der Koppelglieder angeordneten Schaltungstafel, die in einer Schaltungsanordnung als Kopplungsstelle deckungsgleich zu jedem Koppelglied in einer Ebene wenigstens zwei voneinander isolierte, nahe nebeneinander liegende Flächenelektroden aufweist, von denen die eine als Speiseelektrode an einer Wechselspannung liegt, und die andere als Empfangselektrode mit einem Verstärker verbunden ist, wobei alle Flächenelektroden der Schaltungstafel und deren Verbindungsleitungen vorzugsweise ein Matrixsystem von Koppelstellen bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungstafel mehrschichtig ist und übereinanderliegend eine untere, eine mittlere und eine obere dielektrische Platte (1, 6, I¹) enthält, daß in den beiden Ebenen zwischen den drei Platten (1, I¹, 6) elektrisch voneinander isoliert eine erste und eine zweite Schaltungsanordnung (2..5) eingebettet ist, die jeweils paarweise angeordnete Flächenelektroden (2, 3 und 2¹, 3'), die Verbindungsleitungen (4) und die zungenförmigen Anschlußflächen (5) enthalten, daß für jede Kopplungsstelle der Tasten in der ersten Schaltungsanordnung jeweils ein erstes Paar Flächenelektroden (2, 3) und in der zweiten Schaltungsanordnung deckungsgleich dazu ein zweites Paar Flächenelektroden (2^T, 3') vorgesehen sind, daß ein erstes Paar Flächenelektroden (2, 3) aus einer mit einer Wechselspannungsquelle (8) verbundene Speiseelektrode (2) und einer Kopplungselektrode (3) besteht, daß ein zweites Paar Flächenelektroden(2', 3') aus einer mit einer Ausgangsleitung (4) verbundenen Empfangselektrode (3¹) und einer Blindelektrode (2') oder einem Füllstück besteht, und daß die Flächenelektroden (2, 2¹ und 3, 3') so angeordnet sind, daß einerseits eine Speiselektrode (2) und

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eine Blindelektrode (2') und andererseits eine Kopplungselektrode (3) und die Empfangselektrode (3¹) einander gegenüberliegen .
2. Schalttafelstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere als Trägerplatte vorgesehene Isolierplatte (I¹) stabil ist und daß auf deren Oberseite ein die zweiten Paare der Flächenelektroden (2', 3'), die Verbindungsleitungen (4) und zungenförmigen Anschlußflächen (5) umfassendes zweites Schaltungsmuster angeordnet ist, daß die obere Isolierplatte (1) flexibel ist und daß auf deren Unterseite ein die ersten Paare der Flächenelektroden (2, 3) die Verbindungsleitungen (4) und Anschlußflächen (5) umfassendes zweites Schaltungsmuster angeordnet ist und daß die mittlere Isolierplatte (6) eine die beiden Schaltungsmuster überdeckende Folie ist.
3. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verbindungsleitungen (4) zwischen den Flächenelektroden (2, 3 und 2', 3') und den Anschlußflächen (5) der einen Schaltungsanordnung vorwiegend in horizontaler Richtung und in der anderen Schaltungsanordnung vorwiegend in vertikaler Richtung sich erstrecken.
4. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere und die obere Isolierplatte (I¹, 1) deckungsgleich sind, daß die Schaltungsmuster der Flächenelektrodenpaare (2, 3 und 2', 3') auf den Plattenoberflächen zueinander spiegelbildlich angeordnet sind, und daß in den drei Isolierplatten (1, 1', 6) Bohrungen zur gegenseitigen Ausrichtung der Isolierplatten vorgesehen sind.
5. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungen gedruckte Lei-

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terbahnen (4) vorgesehen sind, die bei beiden Isolierplatten (1, 1^!) jeweils an der gleichen Randseite in breitere zungenförmige Anschlußflächen (5) übergehen, daß diese Anschlußflächen (5) der beiden Schaltungsanordnungen an den Plattenrändern gegeneinander versetzt sind und daß in den Plattenbereichen die Anschlußflächen (5) enthalten die benachbarte Isolierplatte entsprechend große Ausschnitte aufweist.
6. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schaltungsmuster bildenden Flächenelektroden (2, 3 und 3, 3')_s Leiterbahnen (4) und Anschlußflächen (5) aus mit Leitfähigkeitsfarbe gedruckten oder nach photolithographischen Ätzverfahren hergestellten leitenden Mustern bestehen.
7. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6₃ dadurch gekennzeichnet, daß die drei Isolierplatten (I₉ 1', 6) der Schaltungstafel luft- und feuchtigkeitsdicht miteinander verbunden sind.
8. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet j daß die Koppelglieder (7) der auslenkbaren Tasten gegenüber den Kopplungsstellen in eine Ruhe- und eine Auslenkstellung bringbar sind, derart, daß bei einer Kopplungsstelle deren Reihenkapazität (Cl..C3) zwischen der Speiseelektrode (2) und der Empfangselektrode (3^T) in der Auslenkstellung der Taste wesentlich größer ist als in der Ruhestellung der Taste.
9. Schalttafelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Isolierplatten (I₉ 1', 6) der Schaltungstafel angeordneten Flächenelektroden (2, 3 und 3, 3') und die Verbindungsleitungen (4) im zusammengebauten Zustand eine MxN-Matrix mit M-Reihen und N-Spalten bilden, die in zwei Ebenen übereinanderliegen,

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wobei M und N ganze Zahlen sind, und daß die M-Reihen der Matrix mit der Wechselspannungsquelle (8) und die N-Spalten mit je einer Ausgangsfläche (5) verbunden sind.
10. Schalttafelstruktur nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die an der oberen flexiblen Isolierplatte (1) haftenden Speiseelektroden (2) der ersten Flächenelektrodenpaare (2, 3) die M-Reihen der Matrix bilden, daß die an
der unteren Isolierplatte (I¹) haftenden Empfangselektroden (3¹) der zweiten Elektrodenpaare (2^T, 3¹) die M-Reihen der Matrix bilden, und daß die Kopplungselektroden (3) und die Blindelektroden 2¹) keine Anschlußleitungen aufweisen.

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