Moderne Eingabesysteme im Überblick
Geräte zu bedienen ist für uns Normalität. Allein das Mobiltelefon begleitet uns Tag und Nacht. Es reagiert auf Informationen, die wir auf die eine oder andere Art eingeben. Die Technologie der Touch-Bedienung bei den Smartphones wird PCAP genannt oder Projected Capacitive Touch. Alle Geräte, mit denen wir kommunizieren, benötigen moderne Eingabesysteme. Beim Notebook verwenden wir normalerweise eine Tastatur und eine Maus. Beim Ticketautomaten sind es zum Beispiel Tasten, oft in Verbindung mit einem Bildschirm. Geschirrspüler, Backofen, Mixer – all diese Geräte haben Tasten. Im Auto nutzen wir ebenfalls Tasten, Touch-Screen, Drehrad, Joystick, Sprachbefehle und teilweise sogenannte Gestures – also eine Ausdrucksbewegung, mit der wir einen Befehl übermitteln. Je nach Eingabe und Bedürfnis werden unterschiedliche Technologien als HMI (Human Machine Interface), respektive als Eingabesystem gewählt.
Verschiedene Arten von
Drucksensoren für
Eingabesysteme
Hinter jeder Taste steckt eine Art von Sensor. Er stellt fest, ob eine Taste gedrückt wird. Damit wird ein Verbraucher aktiviert oder die Information des Tastendrucks wird an ein Steuergerät weitergegeben. Der typische, einfache Schalter, beispielsweise ein Lichtschalter, schliesst oder unterbricht den Stromkreis. Licht an: Stromkreis geschlossen. Licht aus: Stromkreis unterbrochen. In diesem Fall ist der Verbraucher die Glühbirne, heute ein LED-Licht. Der Stromkreis wird also durch eine mechanische Bewegung geschlossen oder unterbrochen. Die meisten Tasten basieren auf dem On-Off-Prinzip.
Typischerweise werden Eingabesysteme wie folgt umgesetzt:
- Schliesskontakte
- Resistive Sensoren
- Piezoelektrische Sensoren
- Kapazitive Sensoren
- Agnostische Sensoren
Vergleich der gängigsten Eingabesysteme
Computertastaturen, Kopierertasten, Tasten an unterschiedlichen Haushaltgeräten usw. haben in den meisten Fällen Kurzhubtaster oder Mikroschalter. Bei geschlossenen Folientastaturen werden Kontakte teilweise durch einen Metalldom geschlossen, indem er durchgedrückt wird. Die meisten Taster haben solche „Schliesskontakte“. Die Vorteile: einfache Signalauswertung, natürliche taktile Rückmeldung durch Tastenhub, kein Stromverbrauch im Ruhezustand. Die Nachteile hingegen sind: eine mechanische Öffnung rund um die Taste, vorhandene Schmutzkanten, das Eingabepanel ist nicht wasserdicht und hat eine begrenzte Lebensdauer. Im Fall von Membrantastaturen kommt noch hinzu, dass die Bedingung der Kunststofffolie als Bedienfront die Gestaltungsmöglichkeiten einschränkt. Beide Varianten sind anfällig gegenüber Vandalismus.
So funktioniert ein resistiver Touchscreen
Der Resistive Touch, wie zum Beispiel ein resistiver Touchscreen, funktioniert wie folgt: Die Frontfolie wird auf die Rückfolie gedrückt und schliesst einen Kontakt. Die elektrischen Leiter sind in diesem Fall nahezu unsichtbar, damit der Bildschirm hinter dem Resistiv-Touch sichtbar bleibt. Ein solches Tastenfeld besteht aus Leiterbahnen, die oft als Matrix ausgeführt werden. Die beweglichen Folien als Oberfläche sind dabei Bedingung und schränken Designvarianten ein. Wenn die Frontfolie defekt ist, funktioniert das Eingabesystem meistens nicht mehr. Der resistive Touchscreen wurde inzwischen weitgehend durch den kapazitiven Touch oder PCAP substituiert.
Wann ein kapazitiver Sensor sinnvoll ist
Ein kapazitiver Sensor funktioniert völlig anders: Es ist eine Art von Sensor, der die Veränderungen in der Kapazität eines elektrischen Kondensators nutzt, um Informationen über die Umgebung zu erfassen oder auf Berührung zu reagieren. Der kapazitive Sensor enthält eine Elektronik, die die Kapazitätsänderung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Damit eine Kapazitätsänderung durch die Annäherung oder die Berührung eines Fingers detektiert werden kann, ist Voraussetzung, dass die Eingabefront nichtleitend ist. Glas oder Kunststoff als Eingabefront erfüllt diese Bedingung. Sämtliche metallischen Oberflächen sind jedoch ungeeignet. Ist der tastenauslösende Finger elektrisch isoliert, beispielsweise durch das Tragen von Handschuhen, kann keine Kapazitätsänderung festgestellt werden. Es wird kein Signal ausgelöst. Dies gilt auch bei der Bedienung des Geräts durch einen Stift oder einen Schlüssel. Wenn die kapazitive Bedienoberfläche nass oder schmutzig ist, wird die dadurch entstehende Kapazitätsänderung durch komplexe Algorithmen herausgefiltert. Dabei besteht die Herausforderung, einen beabsichtigten Tastendruck von anderen Störungen zu unterscheiden. Wir realisieren das, wenn die beabsichtigte Funktion ausbleibt oder verzögert ausgelöst wird (beispielsweise beim Keramikherd). Je nach Luftfeuchtigkeit, dem Benutzen von Handcreme oder Verschmutzungsgrad ist die kapazitive Technologie jedoch anfällig. Der Tastendruck wird nicht oder erst nach mehrfacher Bedienung erkannt.
Grundsätzlich kann ein kapazitiver Sensor auch als Drucksensor verwendet werden. Die Bedienfläche wird durch einen Tastendruck verschoben oder verformt, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändern. Dies funktioniert auch bei metallischen Fronten. Eine prozesssichere Signalauswertung ist jedoch nicht einfach zu erreichen, da die Kapazität auch durch Wärme beeinflusst wird.
Ein piezoelektrischer Drucksensor
funktioniert über elektronische
Auswertung
Der piezoelektrische Drucksensor fällt ebenfalls unter die Liste gängiger Eingabesysteme: Eine metallische Membran ist mit piezoelektrischem Material beschichtet und fest mit einer Bedienfront verbunden. Durch den Tastendruck wird die Piezoscheibe leicht gedehnt. Dadurch gibt sie eine Spannung ab, die elektrisch ausgewertet werden kann. Die elektronische Auswertung von Spannung ist aufwendiger als zum Beispiel eine Widerstandsänderung. Die Unterscheidung von einem „Wärmesignal“ bei schnellen Temperaturänderungen zu einem Tastendruck kann schwierig sein. Für lange Tasteneingaben ist die Technologie weniger geeignet.
Was versteht man unter
Dehnmessstreifen?
Die gängigsten Drucksensoren basieren auf Dehnmessstreifen. So zum Beispiel auch Gewichtsmessungen für Waagen. Dehnmessstreifen erfassen Veränderungen im elektrischen Widerstand, die durch die Dehnung oder Verformung eines Materials verursacht werden.
Die Agnostik Touch Technologie
als neue Lösung unter den
Eingabesystemen
Die Agnostik Touch Technologie bedient sich der Dehnmessstreifen-Technologie. Der kleine, hoch sensible Kraftsensor mit integrierter Wheatstone-Brückenschaltung wird per automatisierter SMT-Bestückung auf eine Leiterplatte gelötet. Diese wiederum wird auf die Rückseite der Bedienfront geklebt. Der Tastendruck löst dann eine mechanische Biegung aus, die durch den Sensor als Veränderung des elektrischen Widerstandes übermittelt wird. Normalerweise gibt es einen Sensor pro Taste. Abhängig von der Geometrie oder Anwendung der Eingabe sind unterschiedliche Anordnungen sinnvoll. Denn je höher die Krafteinwirkung, desto grösser die mechanische Verformung der Bedienoberfläche. Der elektrische Widerstand verändert sich linear zur Verbiegung. Die Kraft des Tastendrucks dient demzufolge als zusätzliche Eingabedimension.
Was macht den Agnostik Sensor so
besonders?
Dem Material der Bedienfläche sind keine Grenzen gesetzt. Einzig eine minimale mechanische Biegung an der Bedienoberfläche im Mikrometerbereich ist nötig. Bei einer 1mm dicken Edelstahl Front reicht eine Krafteinwirkung von wenigen 100 Gramm – ähnlich einem Touch auf dem Smartphone. Das ist kaum vorstellbar und sehr beeindruckend zu erfahren.
Neben metallischen Oberflächen wie Edelstahl oder Aluminium eignen sich auch Glas, Keramik oder eine Bedienfront aus Holz für die agnostische Eingabe. Eine nicht spürbare mechanische Biegung reicht. Sie kann darüber hinaus durch einen Finger, aber auch durch einen Stift, Schlüssel oder ein Werkzeug erfolgen. Auch unabhängig davon, ob die Umgebung nass, kalt, heiss oder verschmutzt ist. Das macht diese Technologie zu einer idealen Lösung in einer Vielzahl von Maschinen , Geräten und Apparaten.
Bei der Agnostik Touch Technologie werden die Signale sämtlicher Sensoren von der Eingabefront durch eine Software ausgewertet. Krafteinwirkungen irgendwo auf der Oberfläche werden zuverlässig registriert. Das ergibt stabile und klar zugeordnete Tastensignale. So wird der Druck zwischen zwei Tasten identifiziert, aber nicht als Signal taxiert. Gleiches bei undefinierten Verbiegungen. Durch die Kalibrierung des Eingabesystems mit einer definierten Kraft, können unterschiedlichen Tasten eindeutige Signalmuster zugeordnet werden. Egal aus welchem Material die Eingabefront ist, die Tasten Sensitivität ist damit gleich und kann nach Bedarf verändert werden.