專利名稱：光電鍵盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)測量設(shè)備的由手指操作的光電鍵盤，它包括至少兩個紅外發(fā)射器、至少兩個紅外探測器和一個罩。
瑞士專利676，177描述了一個光電、選擇指操作的鍵盤-它被布置在顯示窗口或排式計數(shù)器的層壓玻璃板后面，所述層壓玻璃板備有字符區(qū)域，-具有各能產(chǎn)生一個關(guān)聯(lián)操作信號的鍵組，-每個鍵帶有一個紅外發(fā)射器，紅外發(fā)射器布置在層壓玻璃板的內(nèi)側(cè)并發(fā)射紅外光線，這些紅外光線通過光闌被校準(zhǔn)為實(shí)際上垂直于所述內(nèi)側(cè)，-具有和每個紅外發(fā)射器相鄰的指向?qū)訅翰ＡО宓囊粋€紅外探測器。
-所述紅外探測器位于由關(guān)聯(lián)的紅外發(fā)射器所發(fā)射的紅外線的主要發(fā)射區(qū)域內(nèi)并在一個選擇指處被漫散射，但是位于從層壓玻璃板的外側(cè)和/或內(nèi)側(cè)所反射的紅外線之外，并-具有一個操作電路，包括
-用于各個鍵的獨(dú)立的放大器和獨(dú)立的閾開關(guān)、和-電流脈沖發(fā)生器以饋入紅外發(fā)射器。
關(guān)于操作電路，該現(xiàn)有技術(shù)只提到電流脈沖的饋送是按節(jié)約電流的原則處理的。
現(xiàn)有技術(shù)的鍵盤通過對紅外發(fā)射器和紅外探測器的空間布局達(dá)到相當(dāng)好的信噪比，但是這種鍵盤沒有考慮紅外發(fā)射器的一個基本特性，在長期運(yùn)行后這個特性變?yōu)橛硬焕?，即在不變電流?qiáng)度下經(jīng)過長期的運(yùn)行時間后出現(xiàn)的有名所發(fā)射的紅外線的強(qiáng)度下降。就此而論非常清楚增加紅外發(fā)射器的發(fā)射功率不能改善長時期的信噪比。
正如發(fā)明者的研究所表明的那樣，為達(dá)到優(yōu)化信噪比，除了需要優(yōu)化紅外發(fā)射器和探測器的空間布局之外，這種空間布局優(yōu)化對于厚罩，即當(dāng)其厚度超出2mm到3mm，和為了達(dá)到緊湊設(shè)計而把紅外發(fā)射器和紅外探測器緊靠在一起的情況是特別重要的，還需要把操作電路設(shè)計為可防止上述的強(qiáng)度下降。
進(jìn)而，為滿足工業(yè)測量設(shè)備不同類別的防爆要求的厚罩必然需要在選擇指和紅外探測器之間有很大的距離，這樣和薄罩相比在探測器處出現(xiàn)的信息水平減小了。同樣，對于這種厚罩紅外發(fā)射器發(fā)射功率的增加不能改進(jìn)信噪比。
本申請的發(fā)明用一種最優(yōu)的方式來達(dá)到這些目的。即，通過最優(yōu)的交互布局，紅外發(fā)射器處的偽信號水平必定被減小而探測器的有用信號水平必定達(dá)到盡可能的高。同時，通過適當(dāng)?shù)目紤]可操作性，即對選擇指操作的足夠快速和可靠的“探測”的適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，紅外線發(fā)射器長期運(yùn)行后紅外光線發(fā)射的強(qiáng)度衰減必定減小，這樣初始強(qiáng)度可盡可能長久地保持著。
本發(fā)明主要在于用于工業(yè)測量設(shè)備上的光電、由選擇指操作的鍵盤，包括-至少兩個鍵，每個鍵用來生成一個關(guān)聯(lián)的操作信號，-一個紅外可透射罩，-每個鍵配有一個紅外發(fā)射器，紅外發(fā)射器安裝在罩的內(nèi)側(cè)并且校準(zhǔn)為實(shí)際上垂直于所述內(nèi)側(cè)的方向發(fā)射紅外線，-紅外發(fā)射器按僅夠單獨(dú)操作的最小間隔并列布置，-和各個紅外發(fā)射器相鄰的一個紅外探測器，利用對紅外屏蔽的透光涂料把紅外探測器和紅外發(fā)射器隔開，紅外探測器指向罩，-所述紅外探測器位于由關(guān)聯(lián)的紅外發(fā)射器所發(fā)射的紅外線的主要發(fā)射區(qū)域內(nèi)并且在一個選擇指處被漫散射，但是位于罩的外側(cè)和/或內(nèi)側(cè)所反射的紅外線之外，和-一個操作電路，其包括-用于每個鍵的獨(dú)立的控制和檢測電路，-它產(chǎn)生饋入各自紅外發(fā)射器，傳號/空號比小于1∶1的電流控制脈沖，-各個控制和檢測電路的電流控制脈沖的頻率處于相同的數(shù)量級，-控制和檢測電路還提供一個雙態(tài)信號，該信號的一種電平由選擇指指定給非操作狀態(tài)，信號的另一電平出現(xiàn)于隨著一種操作發(fā)生的檢測時間之后，和-所有鍵共有的掃描電路-它產(chǎn)生周期性的時窗脈沖-該脈沖的傳號/空號比小于1∶1，-該脈沖的持續(xù)時間長于檢測時間，和-該脈沖把電流開關(guān)切換到傳導(dǎo)狀態(tài)，該電流開關(guān)將所有的控制和檢測電路連接到電壓電源的接頭上，-所述掃描電路產(chǎn)生一個聯(lián)樣信號，其在頻率上和時窗脈沖相等，和-借助取樣脈沖在檢測時間之后從各個雙態(tài)信號的一個電平上形成各個操作信號，該電平出現(xiàn)在每個時窗脈沖的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，時窗脈沖的傳號空號比至多為1∶10。在本發(fā)明的另一個最佳實(shí)施例中電流脈沖的傳號空號比至多也為1∶10。在本發(fā)明的再一個最佳實(shí)施例中，鍵盤具有3個鍵。
本發(fā)明特別具有下述優(yōu)點(diǎn)-通過紅外發(fā)射器和探測器的屏蔽板使現(xiàn)有布局的信噪比得到進(jìn)一步改善。
-罩的外側(cè)上的反射將不操作鍵盤。因此，罩外側(cè)結(jié)露水或被污染是允許的。在現(xiàn)有技術(shù)的布局里，這會引起誤操作。
-罩的厚度是可以選擇的，從而可以滿足各種防爆要求;因此玻璃罩可為5毫米厚，但是最好更厚。
-由于紅外發(fā)射器的垂直方位以及由于屏蔽板，與現(xiàn)有技術(shù)的布局相比紅外探測器可以更加靠近紅外發(fā)射器，這樣紅外發(fā)射器可以按僅僅足以單獨(dú)操作的最小間隔并列布置。
-因此，可以構(gòu)造緊湊的鍵盤。
-由紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外線的強(qiáng)度下降減少到這樣的程度，即在工業(yè)測量設(shè)備的使用期限內(nèi)不再需要更換常規(guī)的紅外發(fā)射器。
通過下述對實(shí)施例的說明并結(jié)合相應(yīng)附圖，本發(fā)明可變得更加清楚，其中

圖1在紅外發(fā)射器和紅外探測器的布局方面示意地說明本發(fā)明依據(jù)的原理;
圖2從頂視圖、底視圖和兩個剖面圖上說明一個光電三部件鍵盤的紅外發(fā)射器和紅外探測器的安裝;
圖3是操作電路的一個方塊圖;
圖4是包含在圖3操作電路里的掃描電路的方塊圖;
圖5表示產(chǎn)生在圖3操作電路里的各種信號的脈沖圖，以及圖6連同下一個脈沖圖在時間壓縮的尺度上表示圖5的一些脈沖圖。
圖1高度示意地說明作為本發(fā)明機(jī)械部分的基礎(chǔ)的原理。光電鍵盤的基本部件是一個紅外可透射罩1，一個紅外發(fā)射器3，一個紅外探測器4和一個屏蔽板5，它是防紅外的遮光涂料。為使該光電鍵盤起作用，選擇指2是必需的，選擇指可被帶到罩1的外側(cè)附近以操作該光電鍵盤并且充當(dāng)為一個漫射器。
紅外發(fā)射器3、紅外探測器4和屏蔽板5被布置在罩1的內(nèi)側(cè)12上，為清楚起見罩的厚度未在圖1中標(biāo)度。紅外發(fā)射器3的發(fā)射方向?qū)嶋H上垂直于罩1的內(nèi)側(cè)12或者只是稍微偏離該垂直方向。射線按這個方向校準(zhǔn)。
紅外探測器4的光學(xué)軸指向?qū)⒄?上的和罩1內(nèi)的折射考慮進(jìn)去的選擇指2的散射中心21。作為散射中心21，紅外發(fā)射器3的光學(xué)軸和紅外探測器4的光學(xué)軸的相交點(diǎn)在考慮罩1的光線折射的情況下得到定義。如果紅外發(fā)射器3準(zhǔn)確地垂直于罩1定向，當(dāng)然，只需要考慮選擇指2處的散射光的折射。
通常光闌和/或屏蔽式光導(dǎo)設(shè)備7可以保證只有來自選擇指2鄰近周圍的紅外線到達(dá)紅外探測器4。
紅外探測器4與紅外發(fā)射器3相鄰安裝，又通過屏蔽板5和紅外發(fā)射器隔開，屏蔽板5是防紅外的遮光涂料。紅外探測器4位于由紅外發(fā)射器3向前發(fā)射的紅外線的主要發(fā)射區(qū)域內(nèi)，并且在選擇指2處被漫散射，但是位于從罩1的外側(cè)和/或內(nèi)側(cè)所反射的紅外線之外。
在圖1中表明在紅外發(fā)射器3發(fā)射的紅外線中剛好經(jīng)過屏蔽板5的射線S3在罩1的內(nèi)側(cè)12和/或外側(cè)11上反射但不落到紅外探測器4上，因而不會造成一個偽信號。上述情況也適用于所有的那些射線，即它們相對于主射線S1的發(fā)射角度小于射線S3相對于主射線S1的發(fā)射角度，諸如射線S2。
如射線S4所示，所有以大角度從紅外發(fā)射器3發(fā)出的射線甚至不會到達(dá)罩1。紅外線的主要部分，其按垂直于罩1的方向發(fā)射，射到選擇指2的散射中心21上并且作為如散發(fā)射線S5一樣到達(dá)紅外探測器4的紅外敏感部分。這個散發(fā)射線是有用的光信號。
偽信號主要是由于因散射進(jìn)入的和在罩1的材料上多次反射而產(chǎn)生的射線部分所造成的。偽信號的強(qiáng)度要比按照上述現(xiàn)有技術(shù)布局時產(chǎn)生的偽信號的強(qiáng)度要小，尤其大大小于把紅外發(fā)射器和紅外探測器的光軸布局為具有相同入射角和出射角的情況。
圖2從頂視圖(中心之上)，底視圖(下面)和從左面和右面的剖面圖(沿頂視圖的對稱線剖取)說明用于三部件鍵盤的紅外發(fā)射器、紅外探測器和屏蔽板的支架6。支架6最好是一個塑料部件并和擋板成為一體并具有共同的脊61。
圖2的支架6是按沒有嵌入紅外發(fā)射器和紅外探測器時顯示的，這樣它們的插座31(用于紅外發(fā)射器)和42(用于紅外探測器)可以被更清楚地看到。罩1也被略去了，它是安裝在支架6的平的頂部(不能夠在頂視圖上表示出來)并且特別以一種能夠防止爆炸的方式固定(即擰緊)在支架6的邊緣上。
圖3通過一個三部件鍵盤的操作電路8來說明本發(fā)明的電路部分所依據(jù)的原理。
圖3中的操作電路8包含了獨(dú)立的控制和檢測電路15、25、35，它們分別用三個光電鍵中的某一個及其各自的紅外發(fā)射器/探測器對13/14，23/24，33/34?？刂坪蜋z測電路產(chǎn)生電流控制脈沖Si1，Si2，Si3(見圖5a)，脈沖的傳號/空號比小于1∶1，最好小于1∶10，電流控制脈沖是必需的以饋送給各個紅外發(fā)射器。
如圖3所示，電流控制脈沖Si1，Si2，Si3被施加到與各個紅外發(fā)射器13，23，33串連的各個電子開關(guān)16、26、36的控制輸入上，紅外發(fā)射器13，23，33本身又通過限流電阻17、27、37和電壓電源的高壓接頭U相連接。
各個控制和檢測電路15、25、35的電流控制脈沖Si1、Si2、Si3的頻率為同一個數(shù)量級，即在5KHz和15KHz之間。換言之，不需要使電流控制脈沖Si1、Si2、Si3具有相同頻率;進(jìn)而省掉保證頻率相的所需措施。
每個控制和檢測電路15、25、35還產(chǎn)生一個雙態(tài)信號bs1、bs2、bs3(見圖5e)，它的一個電平L指定給選擇指2的不操作狀態(tài)，它的另一個電平H只在一個操作隨后的檢測時間dt(見圖5)之后出現(xiàn)。
關(guān)于控制和檢測電路15，25，35可使用Sharp公司的商用光電部件，即所謂的OPICs(用于光調(diào)制系統(tǒng)內(nèi)裝有信號處理電路的光檢測器)，型號標(biāo)記IS471F;相應(yīng)的數(shù)據(jù)表附在這里，在其中上面提到的檢測時間dt被稱為“響應(yīng)時間”。
OPICs是包含各個紅外探測器14、24、34的半導(dǎo)體集成電路。由于這個原因，這些紅外探測器在圖3中表示在控制和檢測電路15、25、35的塊中。
圖3的操作電路還包括一個所有光電鍵共用的掃描電路18，它產(chǎn)生周期性的時窗脈沖zf(見圖5b)。這些脈沖的傳號/空號比小于1∶1，最好小于1∶10，并且它們的持續(xù)時間要長于檢測時間dt。
時窗脈沖zf控制電流開關(guān)19，該開關(guān)把所有控制和檢測電路15、25、35和電壓電源的另一個接頭SN連接起來，并使電流開關(guān)變?yōu)橹芷谛缘貍鲗?dǎo)和不傳導(dǎo)。只有它的各個傳導(dǎo)狀態(tài)才接通所有紅外發(fā)射器13、23、33的電路，這樣它的傳導(dǎo)狀態(tài)在一種與操作的意義上疊加在由電流控制脈沖Si。引起的各個電子開關(guān)16、26、36的周期傳導(dǎo)狀態(tài)上。
這樣各個紅外發(fā)射器13、23、33只由電流脈沖i1、i2、i3貫通(見圖5c)。從而，紅外發(fā)射器的電流載荷和在現(xiàn)有技術(shù)中所描述的連續(xù)切換方式相比大大減小，這樣前面提到的強(qiáng)度下降可以避免。
掃描電路18還產(chǎn)生一個取樣信號S(見圖5f)，它和時窗脈沖zf在頻率上相等而且利用它各個操作信號n1、n2、n3從雙態(tài)信號bs.的一個電平(H或L)上形成，這個電平是在檢測時間dt之后各個時窗脈沖zf里存在的電平。
為此，圖3的掃描電路被更好地構(gòu)造為圖4的方塊圖的樣子。方波振蕩器41產(chǎn)生時窗脈沖zf，時窗脈沖，除了用來控制電子開關(guān)19以外的，還施加到延遲電路43上，它的延遲略短于時窗脈沖zf的持續(xù)時間但是長于探測時間dt。在延遲電路43的輸出處提供一個短的，實(shí)際上針狀的取樣信號脈沖s。
圖4的掃描電路還包括3個D型觸發(fā)器44、45、46，它們的時鐘輸入由取樣信號s提供而它們的D輸入由各個雙態(tài)信號bs1、bs2、bs3提供。然后它們的Q輸出提供各個操作信號n1、n2、n3。
掃描電路的功能不僅能夠利用圖4所示的方式實(shí)現(xiàn)，由于其它原因也能夠利用工業(yè)測量設(shè)備所含有的微處理機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
圖5中按對時間的關(guān)系繪制各個信號對于圖5中的曲線，應(yīng)當(dāng)注意出于圖形表示的原因，一條曲線繪制在另一條曲線的下面，但沒有考慮前面所解釋的各單獨(dú)信號的時間關(guān)系，并且圖5d表示一個對應(yīng)于選擇指運(yùn)行的實(shí)際的信號。
圖6中，和圖5相比時間尺度被壓縮，而且沒有和圖5中電流控制脈沖si對應(yīng)的曲線，因?yàn)樗鼈儜?yīng)處在線的寬度之內(nèi)。
圖6a表示時窗脈沖zf，圖6b為紅外發(fā)射器13、23、33中的一個發(fā)射器的電流脈沖i··。圖6c仍是和操作對應(yīng)的實(shí)際信號，圖6d表示一個雙態(tài)信號bs..。圖6e表示取樣信號s，而圖6f為操作信號n.中的一個。從圖6c和6f可以看出操作信號n.的持續(xù)時間和選擇指2操作一個光電鍵的時間一樣長。
通過本發(fā)明的操作電路，前面反復(fù)提及的，取決于在射線發(fā)射期間流過紅外發(fā)射器的電荷的，即取決于電流和時間的乘積的，強(qiáng)度下降通過這種方式在時間上被大大地向后推移了，即在長的時間間隔里僅在時窗脈沖期間，也就是僅在操作的判斷期間，對紅外發(fā)射器發(fā)送一些短的電流脈沖。這就去消了已熟知的對復(fù)雜的強(qiáng)度控制的要求。
在一個如上面所述的實(shí)現(xiàn)了的測量設(shè)備里，電流控制脈沖si..的頻率在5千赫到15千赫之間，這對上面提到的部件IS471F是典型的，即各電流控制脈沖不具有相同的頻率，它們的傳號/空號比為1∶15。時窗脈沖zf的頻率約為10赫茲而傳號/空號比為1∶50。這樣時窗脈沖zf的持續(xù)時間約為2毫秒，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于部件IS471F給定的探測時間dt的最大值670微秒。對上面提到的電流時間乘積里的時間因子，這樣大約獲得50倍的延長。
考慮上述所提出的各種值，時窗脈沖的傳號/空號比可做成不同的，也就是在鍵盤操作期間的比值要大于不操作期間的比值。這使得有可能把上述電流時間乘積里的時間因子進(jìn)一步增大，例如，這可用一種附加的鍵掃描來達(dá)到。
由采用圖2的支架所形成的鍵盤可被用于工業(yè)測量設(shè)備，如流量表、水平指示器或化學(xué)分析器，并通過適當(dāng)?shù)剡x擇罩1的厚度，它可被容易地修改以滿足各種各樣的防爆要求。在這樣的設(shè)備里，鍵盤用來輸入信號，通過它各種設(shè)備參數(shù)可被選擇、設(shè)定、調(diào)整或改變，當(dāng)然最好借助于計算機(jī)。由于紅外發(fā)射器里的這種“雙重電流減少”，在這種測量設(shè)備的整個使用期限里預(yù)期不會出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度下降。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)測量設(shè)備的光電、由選擇指操作的鍵盤，包括一至少兩個鍵，每個鍵用來生成一個關(guān)聯(lián)的操作信號，-一個紅外可透射罩，一每個鍵配有一個紅外發(fā)射器，紅外發(fā)射器安裝在罩的內(nèi)側(cè)并且被校準(zhǔn)為垂直于所述內(nèi)側(cè)的方向發(fā)射紅外線，--紅外線發(fā)射器按僅夠單獨(dú)操作的最小間隔并列布置，-和每個紅外發(fā)射器相鄰的有一個紅外探測器，它利用對紅外屏蔽的遮光涂料把紅外探測器和紅外發(fā)射器隔開，紅外探測器指向罩，--所述紅外探測器位于由關(guān)聯(lián)的紅外發(fā)射器所發(fā)射的紅外線的主要發(fā)射區(qū)域內(nèi)并且在一個選擇指處被漫散射，但是位于罩的外側(cè)和/或內(nèi)側(cè)所反射的紅外線之外，和-一個操作電路，其包括--用于各個鍵的獨(dú)立的控制和檢測電路，---它產(chǎn)生饋入相應(yīng)紅外發(fā)射器、傳號/空號比小于1∶1的電流控制信號，----各個控制和檢測電路的電流控制信號的頻率處于相同的數(shù)量級，---控制和檢測電路還提供一個雙態(tài)信號，該信號的一個電平由選擇指指定給非操作狀態(tài)，另一電平出現(xiàn)于一個操作隨后的檢測時間之后，和--所有鍵共有的掃描電路---它產(chǎn)生周期性的時窗脈沖----脈沖的傳號/空號比小于1∶1并且----脈沖的持續(xù)時間長于檢測時間，并且----脈沖把電流開關(guān)切換到傳導(dǎo)狀態(tài)，該電流開關(guān)把所有的控制和檢測電路連接到電壓電源的接頭上，---所述掃功電路產(chǎn)生一個取樣信號，其在頻率上和時窗脈沖相等，和----借助取樣脈沖在檢測時間之后從各個雙態(tài)信號的一個電平上形成各個操作信號，該電平出現(xiàn)在每個時窗脈沖的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1中所述的光電、由選擇指操作的鍵盤，其時窗脈沖的傳號/空號比至多為1∶10。
3.如權(quán)利要求1中所述的光電、由選擇指操作的鍵盤，其電流控制脈沖的傳號/空號比至多為1∶10。
4.如權(quán)利要求1中所述的光電、選擇指操作的鍵盤，帶有三個鍵。
全文摘要
用于工業(yè)測量設(shè)備的光電、由選擇指操作的鍵盤設(shè)計成為可達(dá)到最優(yōu)信噪比并在測量設(shè)備使用期限內(nèi)將紅外發(fā)射器的強(qiáng)度下降減為最小。具有一個紅外可透射罩(1)，對應(yīng)每個鍵在罩的內(nèi)側(cè)(12)安裝有一個紅外發(fā)射器，它被校準(zhǔn)為垂直于內(nèi)側(cè)的方向發(fā)射紅外線，一個和各個紅外發(fā)射器相鄰的紅外探測器，其被屏蔽板(5)的遮紅外光涂料和紅外發(fā)射器隔離而且它指向罩。
文檔編號H03K17/78GK1098522SQ9410394
公開日1995年2月8日 申請日期1994年4月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月2日
發(fā)明者湯姆斯·基勒, 沃爾夫根·布瑞貝里 申請人:恩德斯·豪斯·福勞威爾股份公司