DE19856007A1 - Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor - Google Patents
Anzeigevorrichtung mit BerührungssensorInfo
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Abstract
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor besteht aus einer an sich bekannten elektrochromen Zelle oder einer Flüssigkristallzelle, die sich zwischen zwei transparenten Platten, einer transparenten Deckplatte und einer transparenten Trägerplatte befindet. An mindestens einer der Stirnflächen der transparenten Deckplatte ist eine Strahlungsquelle angeordnet, deren Licht in die Deckplatte eintritt und diese ausleuchtet. An der Trägerplatte ist mindestens ein Photoempfänger montiert, in dessen photoempfindlichem Raumwinkelbereich ein Teil oder die gesamte Deckplattenfläche liegt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die mit einem neuen Be
rührungssensor kombiniert ist.
Vorrichtungen, die Informationen anzeigen und die Berührung der Anzeigefläche
oder eines Teilbereichs der Anzeigefläche in ein elektrisches Signal umwandeln, sind
bekannt. Sie werden häufig als Touch Screen bezeichnet (siehe z. B. Firmenbroschüre
Fa. Leukhardt Systemelektronik, Tuttlingen: LS-IC - Die leistungsstarke Industrie
computer-Familie, 1998).
Touch-Screens dienen überwiegend als Eingabegeräte für Computer und elektroni
sche Meß- und Regelungsgerate, insbesondere in Produktionsbetrieben und ähnlichen
Umgebungen, in denen herkömmliche Computer-Eingabegeräte wie eine Maus oder
eine Tastatur wegen der starken Staub- und Schmutzbelastung sehr schnell verschlei
ßen. Das auf den Touch-Screens dargestellte Bild besteht häufig aus einigen Erläute
rungstexten und einer Reihe von Feldern, deren Berührung einer bestimmten Daten-
oder Befehlseingabe entspricht.
Bekannte Touch-Screens sind z. B. aufgebaut aus Flüssigkristallanzeigen (LCD =
liquid crystal display) oder Kathodenstrahlröhren (CRT = cathode ray tube), und
einer zusätzlichen berührungssensitiven Vorrichtung.
Diese berührungssensitive Vorrichtung arbeitet zum Beispiel auf optischer Basis.
Eine Lichtschranke, bestehend aus einer Lichtquelle und einem Photoempfänger,
wird bei ausreichender Annäherung mit dem Finger oder einem anderen lichtun
durchlässigen Objekt an die Berührungsfläche der Touch-Screen unterbrochen. Diese
Unterbrechung erzeugt ein Signal. Soll die Berührung bestimmter Teilflächen auf
einer Screen unterschiedliche Signale erzeugen, so besteht das Sensorsystem aus
zwei Reihen von Lichtschranken, die zueinander gekreuzt entlang von zwei Seiten
der Screen angeordnet sind. Jeder Lichtquelle liegt ein Photoempfänger gegenüber
(US 5 179 369). Ein solches System ist komplex und daher auIwendig in der Her
stellung und störanfällig im Dauerbetrieb, da die in einem Rahmen um die Be
rührungsfläche angeordneten Elemente der Lichtschranke, nämlich die Lichtquellen
und die Photoempfänger, leicht verschmutzen.
Eine weitere Möglichkeit, berührungssensitive Vorrichtungen herzustellen, sind
drucksensitive Folien (US 4 444 998). Drucksensitive Folien bestehen aus minde
stens zwei Schichten, einer elektrisch leitfahigen Schicht und einer Widerstands
schicht. Ohne äußere Einflüsse stehen diese beiden Schichten nicht in elektrischem
Kontakt miteinander. Erst wenn an einer Stelle durch Berührung Druck auf die Folie
ausgeübt wird, wird ein elektrischer Kontakt hergestellt. Die Widerstandsschicht
dieser im allgemeinen rechteckigen Folie ist über die ganze Länge jeder ihrer vier
Kanten mit einem gut leitfähigen Kontakt versehen. Die leitfahige Schicht ist nur an
einer Stelle kontaktiert. Es wird abwechselnd an die beiden kürzeren Kanten und an
die beiden längeren Kanten der Widerstandsschicht eine elektrische Spannung ange
legt. Wenn durch Berührung der Folie an einer bestimmten Stelle der Kontakt zwi
schen der leitfähigen Schicht und Widerstandsschicht hergestellt wird, tritt am
Kontakt der leitfähigen Schicht eine zwischen zwei Werten alternierende Spannung
auf. Aus diesen beiden Spannungswerten können über einen Kalibrierschritt, in dem
der Spannungsabfall in der Widerstandsfolie in Abhängigkeit vom Abstand zu den
kontaktierten Kanten eingeht, die Koordinaten der Berührungsstelle berechnet
werden. Ein Problem bei dieser Art von Touch-Screen ist die Alterungsempfindlich
keit. Wegen der ständigen mechanischen Belastung während des Oebrauchs und we
gen thermischer und strahlungsbedingter Belastungen verändern sich die Folien. Sie
verspröden zum Beispiel.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor besteht aus einer
an sich bekannten elektrochromen Zelle oder einer Flüssigkristallzelle, die sich zwi
schen zwei transparenten Platten, einer transparenten Deckplatte und einer
transparenten Trägerplatte befindet. An mindestens einer der Stirnflächen der
transparenten Deckplatte ist eine Strahlungsquelle angeordnet ist, deren Licht in die
Deckplatte eintritt und diese ausleuchtet. An der Trägerplatte ist mindestens ein
Photoempfänger montiert ist, in dessen photoempfindlichem Raumwinkelbereich ein
Teil oder die gesamte Deckplattenfläche liegt.
Das Licht breitet sich von der Strahlungsquelle über die angestrahlte Stirnfläche der
Deckplatte durch Totalreflexion an den Orenzflächen der Deckplatte aus (Pedrotti,
F. L.; Pedrotti, L. S.; Introduction to Optics; S. 38-40). Bei Berührung der Deck
plattenoberfläche mit einem Finger entstehen Kontaktflächen zwischen der Platte und
der überwiegend aus Phosphorlipiden bestehenden obersten Hautschicht. Die Lipid
schicht hat einen Brechungsindex im Bereich 1,5 bis 1,6. Dieser Werte liegt in der
Nähe des Brechungsindexes einer transparenten Platte oder sogar darüber, so daß der
größte Teil des ohne Berührung totalreflektierten Lichtes an der berührten Stelle der
Plattenoberfläche nicht mehr total reflektiert wird, sondern in die Haut eindringt und
in ihr stark gestreut wird. In der Berührungszone bildet sich ein heller Fleck, der vom
Photoempfänger an der gegenüber Trägerplatte der Anzeigevorrichtung detektiert
wird. Die Ausdehnung und die Helligkeit dieses Flecks variiert in Abhängigkeit vom
Berührungsdruck. Durch eine geeignet konzipierte Auswerteelektronik läßt sich die
Empfindlichkeit des Berührungssensors auf ein gewünschtes Maß einstellen.
Eine elektrochrome Zelle, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt
werden kann, ist zum Beispiel aus US 3 451 741 bekannt. Sie besteht aus zwei
transparenten Platten, die im Folgenden Oberplatte und Unterplatte genannt werden,
die durch einen Dichtungsring zu einer Zelle zusammengefügt sind. In dem so gebil
deten Zellvolumen befindet sich das elektrochrome Medium. Die Ober- und Unter
platte sind auf ihren dem Medium zugewandten Seiten mit einer transparenten elek
trisch leitfähigen Beschichtung versehen.
Eine Flüssigkristallzelle, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt
werden kann, ist aus Birenda Bakadur "Liquid Crystal Displays", Verlag Oordon and
Breach New York and London 1984 bekannt. Die Flüssigkristallzelle besteht aus
zwei transparenten Platten, die im Folgenden Oberplatte und Unterplatte genannt
werden, zwischen denen sich das flüssigkristalline Medium befindet. Auf ihren
einander zugewandten Seiten sind die Platten mit einer transparenten elektrisch
leitfahigen Beschichtung und mit einer Orientierungsschicht versehen. Die Orientie
rungsschicht dient zur Ausrichtung der Flüssigkristalle. An ihren voneinander abge
wandten Seiten sind die transparente Ober- und Unterplatte mit einer Polarisations
folie versehen. Eventuell kann zur Korrektur von Farbfehlern noch eine Retarderfolie
zwischen die Ober- bzw. Unterplatte und die Polarisationsfolie eingefügt werden.
Die Oberplatte der elektrochromen Zelle oder der Flüssigkristallzelle kann mit der
Deckplatte und die Unterplatte mit der Trägerplatte identisch sein.
Die Anzeigevorrichtung kann als reflektive Anzeige ohne eigene Lichtquelle aus
gestaltet sein. In diesem Fall weist die Trägerplatte vorzugsweise auf ihrer Innenseite
eine Beschichtung auf, die das sichtbare Licht überwiegend reflektiert, während sie
für das Licht, das von der Strahlungsquelle an der Deckplatte emittiert wird, über
wiegend transparent ist. Alternativ kann die reflektierende Bescnichtung bevorzugt
im Zentrum des photoempfindlichen Raumwinkelbereichs des Photodetektors eine
für das Licht der Strahlungsquelle, die die Deckplatte beleuchtet, transparente Stelle
enthalten.
Die Anzeigevorrichtung kann als transmissive Anzeige mit einer zusätzlichen Licht
quelle zur Hinterleuchtung der Anzeige ausgestaltet sein. In diesem Fall weist die
Trägerplatte vorzugsweise auf ihrer Innenseite eine Beschichtung auf, die sowohl für
das sichtbare Licht der zusätzlichen Lichtquelle zur Hinterleuchtung wie auch für das
Licht, das von der Strahlungsquelle an der Deckplatte emittiert wird, überwiegend
transparent ist. Die beiden Spektralbereiche, in denen die Strahlungsquelle für die
Hinterleuchtung einerseits und Strahlungsquelle an der Deckplatte andererseits
emittieren, sind bevorzugt vollständig voneinander getrennt, um eine gegenseitige
Beeinflussung zu vermeiden. Die Hinterleuchtung erfolgt durch flächige Beleuchtung
des elektrochromen Mediums oder der Flüssigkristalle von der der Trägerplatte zuge
wandten Seite aus.
Die flächige Beleuchtung kann aus einer an sich aus DE 32 23 706 bekannten licht
durchlässigen Rasterplatte bestehen, die zwischen der Unterplatte und der Träger
platte angeordnet ist, oder mit der Trägerplatte oder der Unterplatte der Zelle
identisch ist. An mindestens einer der Stirnflächen dieser lichtdurchlässigen Raster
platte ist eine Lichtquelle angeordnet. Die lichtdurchlässige Rasterplatte weist auf
ihrer von der Trägerplatte abgewandten Seite eine lichtbrechende rasterförmige Ober
flächenstruktur auf, an der das Licht aus dem Platteninneren stellenweise dosiert
austritt. Durch eine gezielt gewählte Anordnungsdichte der Oberflächenstrukturen
kann der Anteil des aus der Rasterplatte lokal austretenden Lichtes gesteuert werden.
Auf diese Weise läßt sich eine ungleichmäßige Ausleuchtung innerhalb der Raster
platte kompensieren. Durch eine Zunahme der Rasterdichte der Obefflächenstruktur
mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle kann insbesondere die Schwächung
des Lichtes mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle kompensiert werden. Die
Oberflächenstruktur kann zum Beispiel mit dem Siebdruckverfahren aufgebracht
werden. Zusätzlich ist auf oder über der strukttirierten Seite eine als Leuchtfläche
dienende Streuschicht angeordnet.
Die Anzeigevorrichtung kann als Kombination einer transmissiven und reflektiven
Anzeige auch als halb durchlässige und halb reflektierende Anzeige mit zusätzlicher
Lichtquelle ausgestaltet sein. In diesem Fall weist die Trägerplatte auf ihrer Innen-
Seite eine Bescnichtung auf, die sowohI für das sichtbare Licht der zusätzlichen
Lichtquelle zur Hinterleuchtung wie auch für das Umgebungslicht halb reflektierend
und halb durchlässig ist. Sie ist für das Licht, das von der Strahlungsquelle an der
Deckplatte emittiert wird, überwiegend transparent. Die Anzeigevorrichtung ist mit
einer eigenen flächig ausgedehnten Lichtquelle als Hinterleuchtung der Anzeige
ausgestattet. Die Lichtquelle zur Hinterleuchtung kann ein- oder ausgeschaltet
werden. Diese Anzeigevorrichtung ist sowohl in nahezu dunkler Umgebung mit
Hinterleuchtung als auch bei hellem Tageslicht ohne Hinterleuchtung gut ablesbar.
Die Deckplatte ist bevorzugt mindestens 0,05 mm, besonders bevorzugt mindestens
0,5 mm dick. Sie kann aus jedem Material mit einer niedrigen Lichtschwächung im
Spektralbereich der Strahlungsquelle bestehen. Bei der Beurteilung der Lichtschwä
chung muß die Länge, die der größten Ausdehnung der Platte entspricht, berück
sichtigt werden. Bevorzugt ist ein Material, bei dem das Licht der Strahlungsquelle
an einem Punkt der Deckplatte mit maximalem Abstand zur Quelle nicht mehr als
50% geschwächt ist. Bevorzugte Materialien sind Silikatgläser, Quarzgläser oder
transparente Polymere wie Polycarbonate, Polymethacrylate oder Polyester.
Um eine gute Totalreflexion des eingestrahlten Lichts in die Deckplatte zu gewähr
leisten, wird bevorzugt für die Deckplatte ein Material mit besonders hohem
Brechungsindex verwendet, besonders bevorzugt Glas mit einem Brechungsindex
über 1,6.
Zwischen der Deckplatte und der Oberplatte der elektrochromen Zelle oder der Flüs
sigkristallzelle kann ein Spalt sein, der eine Zwischenschicht bildet. Diese Zwischen
schicht wird mit einem Material mit einem Brechungsindex, der kleiner als der
Brechungsindex der Deckplatte ist, gefüllt, z. B. mit Luft oder mit durch
UV-Strahlung polymerisierbare Gemische aus polyftinktionellen (Meth)Acrylsäure
derivaten, monofunktionellen (Meth)Acrylsäureestern und geeigneten Fotoinitiato
ren wie etwa in US 4 919 514 beschrieben. Ebenfalls bevorzugt sind über einen Sol-
Gel-Prozeß hergestellte feste Materialien mit einer Porosität von mehr als 50% zum
Beispiel basierend auf Silikaten, Aluminaten und anderen binären oder ternären
Systemen (J. Fricke, A. Emmerling Aerogels-Preparation, Properties, Applications
in R. Reisfeld, C. K. Joergensen (Ed.) Chemistry, Spectroscopy and Applications of
Sol-Gel Glasses, Springer-Verlag 1992, S. 37-87).
Als Strahlungsquellen sowohl für die Beleuchtung der Deckplatte als auch für die
Hinterleuchtung der Anzeige sind z. B. Wolframlampen, Licht emittierende Halb
leiterdioden oder Halbleiter-Laserdioden geeignet. Der Bereich der spektralen
Empfindlichkeit des Photoempfängers muß das Emissionspektrum der Strahlungs
quelle umfassen. Bevorzugt stimmen das Maximum der Empfindlichkeit des Photo
empfängers und das Maximum im Emissionsspektrum der Strahlungsquelle überein.
Als Photoempfänger sind Halbleiter-Photoempfänger bevorzugt. Besonders bevor
zugt sind Silizium-Photodioden, Silizium-Phototransistoren und Silizium- oder
Silizium/Metalloxid-charge-coupled-devices.
Um den Einfluß des Umgebungslichtes auf den Berührungssensor auszuschalten,
kann zur Beleuchtung der Deckplatte eine Strahlungsquelle verwendet werden, deren
Emissionsspektrum außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, z. B. im infraroten
Spektralbereich bei einer Wellenlänge, die größer ist als 680 nm, bevorzugt größer
als 780 nm und besonders bevorzugt größer als 850 nm. Bevorzugt emittiert die
Strahlungsquelle in einem Spektralbereich, in dem die Absorption der Anzeige
vorrichtung niedrig ist und sich auch beim Umschalten der angezeigten Information
nicht stark ändert. Bei Verwendung einer elektrochromen Zelle als Anzeigevor
richtung liegt dieser Spektralbereich bevorzugt bei Wellenlängen größer als 780 nm.
Eine zusätzliche Maßnahme zur Vermeidung von Fehlern, die z. B. durch das Umge
bungslicht ausgelöst werden, ist der Einsatz der Lock-in-Technik (P. Cielo, Optical
Techniques for Industrial Inspection, Academic Press San Diego 1988, p. 128-130).
Die Strahlungsquelle wird in ihrer Strahlungsleistung periodisch mit der Zeit verän
dert mit der Frequenz fQ. Von den elektrischen Signalen des Photoempfangers wird
in einer nachgeschalteten elektronischen Einheit nur deijenige Teil des Signals
weitergeleitet, der sich ebenfalls periodisch mit der Zeit und annähernd mit derselben
Frequenz ändert wie die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle. Durch die Wahl der
Breite des akzeptierten Frequenzbandes ΔfP, des Signals aus dem Photoempfänger
um die Frequenz fQ kann die Trennung von erwünschten Signalen und Störsignalen
optimiert werden. Bevorzugt ist eine relative Breite des akzeptierten Frequenzbandes
ΔfP/fQ von weniger als 0.1, besonders bevorzugt ist eine relative Breite ΔfP/fQ von
weniger als 0.01.
Der Raumwinkelbereich, in den die Strahlungsquelle abstrahlt, sollte bevorzugt an
die beleuchtete Stirnfläche der Platte angepaßt sein, um eine möglichst vollständige
Einkopplung des Lichtes der Strahlungsquelle in die Platte zu erreichen.
Um besonders gute Reflexionen des eingestrahlten Lichts an den Stirnflächen der
Platte zu erhalten, können eine oder mehrere der Stirnflächen mit einem optisch re
flektierenden Material beschichtet sein. Diejenige Stirnfläche, die durch die Strah
lungsquelle beleuchtet wird, ist von der Beschichtung ausgenommen. Durch die
reflektierende Beschichtung der Stirnflächen wird das eingestrahlte Licht besonders
häufig innerhalb der Platte reflektiert, das heißt, es wird effizient genutzt, und die
Platte wird gleichmäßiger ausgeleuchtet. Bevorzugte Beschichtungen sind optisch
reflektierende Metalle und Metallegierungen wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Zinn
oder Aluminium. Bevorzugte Beschichtungsverfahren sind physikalische Vakuumbe
schichtungsverfahren wie Aufdampfen, Sputtern, Chemical Vapor Deposition (CVD)
(David A. Glocker, Ismat Shah (Ed.) Handbook of Thin Film Process Technologie,
Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadephia 1995). Auch das Aufkleben
von kommerziell erhältlichen metallbeschichteten Folien ist möglich.
Die Deckplatte kann in mehrere Berührungsfelder eingeteilt sein. Berührungsfelder
sind Bereiche der Anzeigevorrichtung, denen eindeutig ein Photodetektor zugeordnet
ist, in dessen photoempfindlichem Raumwirikelbereich nur dieser bestimmte Bereich
der Anzeigevorrichtung liegt. Bei Berührung unterschiedlicher Berührungsfelder
nehmen unterschiedliche Photodetektoren das durch die Berührung erzeugte Streu
licht auf. Aus den Signalen der einzelnen Photodetektoren läßt sich rekonstruieren,
welche Berührungsfelder berührt wurden. Der Abstand zweier benachbarter Be
rührungsfelder sollte nicht kleiner sein als der typische Durchmesser einer mensch
lichen Fingerkuppe von ca. 1 cm, um Fehlmeldungen zu vermeiden. Die Berüh
rungsfelder können für den Berührenden erkennbar auf der Platte markiert sein oder
durch die Anzeige dargestellt sein.
Der Berührungssensor kann auch ganz oder zeitlich begrenzt abgeschaltet werden.
Dies ist vorteilhaft, um eine Fehlfunktion des Berührungssensors bei Berührungen zu
vermeiden, die nicht dem vorgesehenen Zweck des Schaltens dienen, wie z. B. beim
Reinigen. Die Abschaltung kann dadurch erfolgen, daß bei einer bestimmten zeitli
chen Abfolge von Berührungen des Sensors die zugehörigen elektrischen Signale des
oder der Photodetektoren in der nachgeschalteten Einheit zur Verarbeitung der elek
tronischen Signale eine Abschaltung auslösen. Die Abschaltung kann bedeuten, daß
keine weiteren Signale weiterverarbeitet werden. Die Abschaltung kann zeitlich be
grenzt sein oder kann durch eine weitere definierte Signalfolge wieder aufgehoben
werden.
Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform der beanspruchten Vorrichtung, die
nur ein Berührungsfeld enthält, die besondere zeitliche Abfolge des einen Signals da
rin bestehen, daß das Berührungsfeld innerhalb einer bestimmten Zeit, zum Beispiel
von 5 Sekunden, genau dreimal hintereinander berührt wird. Bei einer Ausführungs
form der beanspruchten Vorrichtung, die mindestens zwei Berührungsfelder enthält,
kann die besondere zeitliche Abfolge von Signalen zum Beispiel darin bestehen, daß
zwei bestimmte Berührungsfelder gleichzeitig und innerhalb einer bestimmten Zeit,
zum Beispiel von 5 Sekunden, genau zweimal hintereinander berührt werden. Diese
Signalfolge wird nun von der nachgeschalteten elektronischen Signalverarbeitungs
vorrichtung so weiterverarbeitet, daß zum Beispiel für 1 Minute kein der Berührung
eines Berührungsfeldes entsprechendes Signal weitergegeben wird.
Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor zeichnet sich
durch ihre Einfachheit im Aufbau aus. Sie enthält keinerlei bewegte Elemente. Sie
kann mit geringem Aufwand hergestellt werden, hat eine lange Lebensdauer und ist
schnell und einfach zu reinigen.
Die Figuren zeigen:
Fig. 1 Elektrochrome Zelle als Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor mit
separater Deckplatte und Trägerplatte.
Fig. 2 Elektrochrome Zelle als Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor mit
integrierter Deckplatte und Trägerplatte.
Fig. 3 Flüssigkristallzelle als transmissive Anzeigevorrichtung mit Berührungs
sensor und Hinterleuchtung.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt eine elektrochrome Zelle als Anzeigevor
richtung mit Berührungssensor. Die elektrochrome Zelle, besteht aus einer
transparenten Oberplatte 5 und einer transparenten Unterplatte 5' mit transparenten
elektrisch leitfähigen Beschichtungen 7, 7'. Die transparenten Platten 5, 5' sind durch
einen Dichtungsring 6 zu einer Zelle zusammengefügt. In dem so gebildeten Zellvo
lumen befindet sich das elektrochrome Medium 10. Die elektrochrome Zelle befindet
sich zwischen einer transparenten Deckplatte 1 und einer transparenten Trägerplatte
2. An der Stirnfläche der transparenten Deckplatte 1 ist eine Strahlungsquelle 3
angeordnet, deren Licht in die Deckplatte 1 eintritt und diese ausleuchtet. Die
Schwerpunktswellenlänge des von der Strahlungsquelle 3 ausgesandten Lichtes liegt
zwischen 800 bis 1000 nm. Im Zentrum der Trägerplatte 2 ist ein Photoempfänger 4
montiert, in dessen photoempfindlichem Raumwinkelbereich die Deckplattenfläche
liegt. Die maximale Empfindlichkeit des Photoempfangers liegt zwischen 800 bis
1000 nm. Die gesamte Anzeigevorrichtung wird durch Stirnplatten 8, 8' zusammen
gehalten. Dazu wurden die Platten 1, 2, 5 und 5' in die Nuten der Stirnplatten 8, 8'
eingeführt und verklebt.
Die transparenten, elektrisch leitfahigen Beschichtungen 7, 7' sind elektrisch leitend
mit einer steuerbaren Spannungsquelle 9 verbunden. In Abhängigkeit ihres Eingangs
signals gibt die Spannungsquelle 9 entweder die Spannung 0 Volt oder die Spannung
0,9 Volt ab und schaltet dadurch das elektrochrome Medium zwischen einem
transparenten Zustand und einem Zustand um, in dem es sichtbares Licht über
wiegend absorbiert. Licht aus dem Wellenlängenbereich 800 bis 1000 nm, wie es die
Strahlungsquelle 3 aussendet, wird dagegen von dem elektrochromen Medium in
beiden Zuständen nur wenig absorbiert.
Das Meßsignal des Photoempfängers 4 wird über einen regelbaren Verstärker 11 an
ein elektronisches Speicherelement 12 weitergeleitet. Charakteristisch für dieses
Speicherelement ist, daß sein Ausgangssignal nur zwei diskrete Spannungswerte
annehmen kann. Sie werden mit "aus" und "ein" bezeichnet. Jedesmal, wenn das
Ausgangssignal aus dem Verstärker 11 einen bestimmten Schwellwert überschreitet,
schaltet das Speicherelement 12 seinen Ausgangswert von "aus" nach "ein" um oder
umgekehrt. Wird nun die Deckplatte 1 mit einem Finger in etwa mittig berührt, so
leuchtet die Berührungszone im Licht der Strahlungsquelle 3 auf. Ein Teil dieses
Lichtes wird von dem Photoempfänger 4 registriert und im Verstärker 11 verstärkt.
Bei geeignet eingestellter Verstärkung des Verstärkers 11 reicht das so erzeugte
Signal aus, um das Speicherelement 12 zum Beispiel von "aus" nach "ein" umzu
schalten. Demzufolge schaltet die steuerbare Spannungsquelle 9 von der Spannung 0
Volt zur Spannung 0,9 Volt um und die elektrochrome Zelle wird dunkel. Durch
Wegnehmen des Fingers und erneutes Berühren der Deckplatte kann die Anzeige
vorrichtung wieder in den Zustand "aus" umgeschaltet werden, so daß die elektro
chrome Zelle wieder transparent wird. Das elektrische Ausgangssignal aus dem
Speicherelement 12 steht auch am Kontakt 13 zur Verfügung. Es kann zum Beispiel
in einem Steuer- oder Regelungskreis zum Ein- und Ausschalten eines elektrischen
Verbrauchers verwendet werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Anzeigevorrichtung mit Be
rührungssensor. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Anzeigevorrichtung ist
hier die Deckplatte 1 mit der Oberplatte 5 der elektrochromen Zelle und die
Trägerplatte 2 mit der Unterplatte 5' der elektrochromen Zelle identisch. Zum
Zusammenhalt der Vorrichtung sind in diesem Ausführungsbeispiel keine
Stirnplatten 8, 8' nötig.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung, eine Anzeige
vorrichtung auf Basis einer transmissiven Flüssigkristallzelle mit einem Berührungs
sensor sowie einer Hinterleuchtung der Zelle dargestellt.
Die Flüssigkristallzelle ist nach dem Prinzip des "twisted nematic liquid crystal
displays" aufgebaut. Das flüssigkristalline Medium 301 befindet sich in einer Zelle,
die aus einer transparenten Oberplatte 302 und einer transparenten Unterplatte 302'
und einem Dichtungsring 303 gebildet wird. Die dem flüssigkristallinen Medium
zugewandten Seiten der Platten 302 und 302' sind zum einen mit einer transparenten
elektrisch leitfähigen Beschichtung 304 und 304' und außerdem mit jeweils einer
sogenannten Orientierungsschicht 305 und 305' versehen. Die Orientierungsschich
ten 305 und 305' weisen eine Mikrostrukturierung der Oberfläche auf, die eine
Vorzugsrichtung angibt, entlang der sich die Moleküle des flüssigkristallinen
Mediums bevorzugt anordnen, solange nicht zusätzliche Kräfte auf sie wirken. Die
Vorzugsrichtungen der beiden Orientierungsschichten 305 und 305' sind um 90°
gegeneinander gedreht. Diese Drehung bewirkt, daß sich die Moleküle des flüssig
kristallinen Mediums in der Zelle zwischen den Orientierungsschichten schrauben
förmig ("twisted") anordnen.
Auf die dem flüssigkristallinen Medium nicht zugewandten Seiten der Oberplatte
302 und der Unterplatte 302' ist je eine Polarisationsfolie 306 und 306' aufgeklebt.
Der in diesen Folien enthaltene Farbstoff zeigt im Wellenlängenbereich von 800 bis
1000 nm nur noch eine sehr schwache Absorption. Daher sind die Polarisationsfolien
für Licht aus diesem Wellenlängenbereich unabhängig von dessen Polarisations
richtung nahezu transparent.
Über der Oberplatte 302, aber ohne direkten Kontakt zu ihr, befindet sich eine
Deckplatte 307, an deren Stirnfläche eine Strahlungsquelle 308 angeordnet ist, deren
Licht in die Deckplatte 307 eintritt und diese ausleuchtet. Die Schwerpunkts
wellenlänge des von dieser Strahlungsquelle ausgesandten Lichtes liegt bei etwa 800
bis 1000 nm.
Die gesamte aus den Elementen 301 bis 306 bestehende Einheit wird zusammen mit
der Deckplatte 307 durch die Stirnplatten 309 und 309' zusammengehalten. Dazu
wurden die Platten 302, 302' und 307 in die Nuten der Stirnplatten 309 und 309'
eingeführt und verklebt. Die hier die Trägerplatte ersetzende Hinterleuchtungseinheit
310 ist ebenfalls in die dafür vorgesehenen Nuten in den Stirnplatten 309 und 309'
eingeführt und mitverklebt worden.
Die Hinterleuchtungseinheit 310 besteht aus einer transparenten Rasterplatte 311,
deren drei Stirnflächen mit einer aufgeklebten Aluminiumfolie 312 verspiegelt sind.
Mittig zur vierten Stirnfläche der Rasterplatte 311 ist eine stabförmig ausgedehnte
Lampe 313 angebracht, deren Licht in die Rasterplatte 311 eintritt und diese aus
leuchtet. An der der Flüssigkristallzelle zugewandten Seite weist die transparente
Rasterplatte 311 Oberflächenstrukturen 314 auf. Diese streuen das im Inneren der
Rasterplatte 311 totalreflektierte Licht der Lampe 313 und strahlen diesen Lichtanteil
von der Rasterplatte 311 ab in Richtung der Flüssigkristallzelle. Die Rasterdichte der
Oberflächenstruktur 314 wird mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle
größer. Die zwischen der Rasterplatte 311 und der Flüssigkristallzelle angebrachte
Streuscheibe 315 dient der diffusen Streuung und damit der gleichmäßigen Ver
teilung des Lichtes. Durch die Hinterleuchtungseinheit wird eine außerordentlich
gleichmäßige Ausleuchtung der Flüssigkristallzelle erreicht.
Unterhalb der Hinterleuchtungsvorrichtung ist etwa im Zentrum der Rasterplatte 311
ein Photoempfänger 316 montiert. Das Meßsignal dieses Empfängers wird über einen
regelbaren Verstärker 317 an ein elektronisches Speicherelement 318 mit Schwell
wertverhalten und weiter an eine steuerbare Wechselspannungsquelle 319 der
Frequenz 500 Hertz weitergeleitet. Die Ausgangssignalleitungen der Wechsel
spannungsquelle 319 sind mit den beiden leitfahigen Beschlchtungen 304 und 304'
der Platten 302 und 302' verbunden. Wenn das Speicherelement 318 den Wert "aus"
weitergibt, beträgt das Ausgangssignal der Wechselspannungsquelle 319 0 Volt und
die Flüssigkristallzelle ist hell geschaltet. Hat das Speicherelement 318 den Wert
"ein", beträgt der Effektivwert der abgegebenen Wechselspannung 3 Volt und die
Zelle ist dunkel. Das Ausgangssignal des Speicherelementes 318 steht am Kontakt
320 zur weiteren Verwendung zum Beispiel in einer Steuerungs- oder Regelungs
anlage zur Verfügung.
Wird nun die Deckplatte 307 zum Beispiel mit einem Finger etwa mittig berührt, so
leuchtet die Berührungszone im Licht der Strahlungsquelle auf. Unabhängig vom
Schaltzustand der Flüssigkeitszelle gelangt der überwiegende Anteil des in den
photoempfindlichen Raumwinkelbereich des Empfängers 316 fallenden Teils dieses
Lichtes durch die gesamte Flüssigkristallzelle und auch durch die Hinterleuchtungs
einheit 310 hindurch bis auf den Photoempfänger 316. Das Photoempfängersignal
wird im Verstärker 317 verstärkt. Bei geeignet eingestellter Verstärkung des
Verstärkers 317 reicht das so erzeugte Signal aus, um das Speicherelement 318 zum
Beispiel von "aus" nach "ein" umzuschalten Die dann an der Zelle anliegende
Wechselspannung von 3 Volt schaltet die Zelle dunkel. Durch Wegnehmen des
Fingers und erneutes Berühren der Deckplatte kann die Anzeigevorrichtung wieder in
den Zustand "aus" umgeschaltet werden.
Claims (25)
1. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor, bestehend aus einer an sich
bekannten elektrochromen Zelle oder einer Flüssigkristallzelle, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrochrome Zelle oder die Flüssigkristallzelle sich
zwischen einer transparenten Deckplatte (1) und einer transparenten Träger
platte (2) befindet und an mindestens einer der Stirnflächen der transparenten
Deckplatte (1) eine Strahlungsquelle (3) angeordnet ist, deren Licht in die
Deckplatte (1) eintritt und diese ausleuchtet, und daß an der Trägerplatte (2)
mindestens ein Photoempfänger (4) montiert ist, in dessen photoempfind
lichem Raumwinkelbereich ein Teil oder die gesamte Deckplaftenfläche liegt.
2. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die elektrochrome Zelle aus einer transparenten Oberplatte (5)
und einer transparenten Unterplatte (5') besteht, wobei die beiden Platten
(5, 5') durch einen Dichtungsring (6) zu einer Zelle zusammengefügt sind
und sich in dem Zellvolumen ein elektrochromes Medium (10) befindet und
wobei die Platten (5, 5') auf ihren dem elektrochromen Medium zuge
wandten Seiten mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Beschichtung
(7', 7) versehen sind.
3. Anzeigevorrichtung mit Berührüngssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Flüssigkristallzelle aus einer transparenten Oberplatte (302)
und einer transparenten Unterplatte (302') besteht, die durch einen Dich
tungsring (303) zusammengefügt sind und zwischen denen sich die Flüssig
kristalle (301) befinden, wobei die einander zugewandten Seiten der Platten
(302, 302') mit einer transparenten, elektrisch leitfahigen Beschichtung
(304, 304') und mit einer Orientierungsschicht (305, 305') versehen sind
und die voneinander abgewandten Seiten der Platten (302, 302') mit einer
Polarisationsfolie (306, 306') versehen sind.
4. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochrome Zelle oder die Flüssig
kristallzelle eine Beschichtung der Unterplatte aufweist, die das sichtbare
Licht überwiegend reflektiert, während sie für das von der Strahlungsquelle
emittierte Licht überwiegend transparent ist.
5. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochrome Zelle oder die Flüssigkristall
zelle eine Beschichtung der Unterplatte aufweist, die bevorzugt im Zentrum
des photoempfindlichen Raumwinkelbereichs des Photodetektors eine für das
Licht der Strahlungsquelle transparente Stelle enthält.
6. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochrome Zelle oder die Flüssig
kristallzelle eine halb durchlässige und halb reflektierende Beschichtung der
Unterplatte aufweist.
7. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3
oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrochrome Medium oder das
flüssigkristalline Medium von der der Trägerplatte zugewandten Seite her
flächig beleuchtet wird.
8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
flächige Beleuchtung durch eine lichtdurchlässige Rasterplatte realisiert wird,
die zwischen der Unterplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, wobei an
mindestens einer der Stirnflächen der Rasterplatte eine Lichtquelle ange
ordnet ist und die Rasterplatte auf der von der Trägerplatte abgewandten Seite
eine lichtbrechende rasterförmige Oberflächenstruktur zum stellenweise
dosierten Austritt des Lichtes aus dem Platteninneren aufweist und wobei auf
oder über dieser Seite eine als Leuchtfläche dienende Streuschicht angeordnet
ist.
9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rasterdichte der Oberflächenstruktur der Rasterplatte mit zunehmendem Ab
stand von der Lichtquelle größer wird.
10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rasterplatte mit der Trägerplatte oder mit der Unterplatte der elektro
chromen Zelle oder der Flüssigkristallzelle identisch ist.
11. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte eine Dicke von mindestens
0,05 mm und bevorzugt mindestens 0,5 mm hat.
12. Anzeigevorrichtung mit Berührüngssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte einen Brechungsindex von
mindestens 1,5 und bevorzugt mindestens 1,6 hat.
13. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Oberplatte der elektro
chromen Zelle oder der Flüssigkristallzelle und der Deckplatte eine Zwi
schenschicht befindet.
14. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Zwischenschicht einen Brechungsindex aufweist, der
kleiner ist als der Brechungsindex der Deckplatte.
15. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach Anspruch 13 oder 14, da
durch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Luft oder aus durch
UV-Strahlung polymerisierbare Gemische aus polyfünktionellen (Meth)Acryl
säurederivaten, monofunktionellen (Meth)Acrylsäureestern oder geeigneten
Fotoinitiatoren, oder aus über einen Sol-Gel-Prozeß hergestellten festen
Materialien mit einer Porosität von mehr als 50% basierend auf Silikaten,
Aluminaten und anderen binären oder ternären Systemen besteht.
16. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterplatte der elektrochromen Zelle
oder der Flüssigkristallzelle mit der Trägerplatte und/oder die Oberplatte mit
der Deckplatte identisch ist.
17. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein Emissionsmaxi
mum bei einer Wellenlänge größer als 680 nm, bevorzugt größer als 780 nm
und besonders bevorzugt größer als 850 nm hat.
18. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle beleuchtete
Stirnfläche schwach streuend aufgerauht ist.
19. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine und maximal drei Stirn
flächen der Deckplatte mit einem optisch reflektierenden Material beschichtet
sind.
20. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach Anspruch 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß als optisch reflektierendes Material Gold, Silber, Kupfer,
Nickel oder Aluminium verwendet wird und die Schichten durch Auf
dampfen, Sputtern, CVD oder Aufkleben von metallbeschichteten Folien her
gestellt werden.
21. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Photoempfänger an der Trägerplatte
montiert sind, wobei im photoempfindlichen Raumwinkelbereich eines jeden
Photoempfängers ein bestimmter Bereich der Deckplatte liegt, der dem
Photoempfänger eindeutig zugeordnet ist.
22. Anzeigevorrichtung mit Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Photoempfänger eine Einheit zur Ver
arbeitung des elektrischen Signals nachgeschaltet ist.
23. Verfahren zur Berührungserkennung in der Anzeigevorrichtung mit Berüh
rungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle sich periodisch mit der Zeit mit
der Frequenz fQ ändert und das elektrische Signal des Photoempfängers in der
Weise weiterverarbeitet wird, daß überwiegend nur der Teil des Signals be
wertet wird, der sich ebenfalls periodisch mit der Zeit und annähernd mit
derselben Frequenz fQ ändert wie die Strahlungsleistung der Strahlungsquelle.
24. Verfahren zur Berührungserkennung in der Anzeigevorrichtung mit Berüh
rungssensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die relative
Breite ΔfP/fQ des bei der Weiterverarbeitung akzeptierten Frequenzbandes Afp
des Signals aus dem Photoempfänger um die Frequenz fQ weniger als 0.1 und
bevorzugt weniger als 0.01 beträgt.
25. Verfahren zur Berührungserkennung in der Anzeigevorrichtung mit Berüh
rungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß
der Berührungssensor ganz oder zeitlich begrenzt abgeschaltet werden kann
und sich nach einer vorgegebenen Zeit selber wieder einschaltet oder durch
eine bestimmte Signalfolge wieder eingeschaltet werden kann.
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