Kapazitive Tastaturen als Grundlage individueller Glasbedienflächen

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27.01.2011 Kapazitive Tastaturen sind die Basistechnologie zur Realisierung völlig planer, ästhetisch hochwertiger Bedienflächen. Sie bieten eine enorme Bandbreite an Umsetzungsmöglichkeiten. Insbesondere für die chemische Industrie ergibt sich auf Grund der realisierbaren widerstandsfähigen Oberflächen die Chance auf zuverlässige Dateneingabe unabhängig von den Umgebungsbedingungen.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Kapazitive Tastaturen werden bestehende Touchscreensysteme weder ersetzen noch verdrängen. Stattdessen sind sie als sinnvolle Ergänzung zu betrachten.
  • Aufgrund ihrer enormen Vielfältigkeit einerseits und ihres simplen Handlings andererseits werden wir kapazitive Tastaturen vornehmlich als Glasbedienflächen schon bald in vielen Anwendungen entdecken können.
  • Die Formenvielfalt, visuelle Raffinesse, Widerstandsfähigkeit und Funktionalität dieser Technologie könnte sie in einigen Bereich zur bevorzugten Variante der Dateneingabe werden lassen.

Aus Anwender- und Integratorenperspektive rangiert diese Technologie jedoch selten unter der korrekten technischen Bezeichnung. Vielmehr hat sich ein Begriffsdepot herausgebildet, das nicht die Dateneingabetechnologie, also kapazitive Tastaturen, benennt, sondern die damit realisierte Bedienoberfläche bzw. deren Bedienung. „Glastastaturen“, „Hinterglastastaturen“ oder „Touchtastaturen“ sind dabei die geläufigen Begriffe.

Die Leiterplatte als Träger der gesamten Funktionalität

Eine voll funktionierende, plug-and-play-fähige kapazitive Tastatur besteht lediglich aus einer Leiterplatte, die mit kapazitiven Sensoren und der Auswerteelektronik bestückt ist; diese Elemente sind mit Leiterbahnen verbunden. Dabei simulieren die kapazitiven Sensoren die Einzeltasten. Möglich ist aber auch die Simulation von Mauszeigefunktionalität, zum Beispiel Slider oder Drehregler. Das gesamte Tastaturlayout wird auf diese Weise durch die Anzahl und Anordnung der Sensoren repräsentiert. Nach Anschluss der kapazitiven Tastatur an einen Rechner erzeugen die Sensoren ein kapazitives Feld. Ändert der Finger dieses Feld, kommt es zwangsläufig zu einer Veränderung der Kapazität. Diese Veränderung des kapazitiven Feldes ist die Grundlage, ein Signal zu erzeugen und auszulösen, welches an die Auswerteelektronik gesendet wird.

Die Veränderung des kapazitiven Feldes ist also der entscheidende Vorgang der Dateneingabe, während dies bei einer herkömmlichen mechanischen Taste das Auftreffen des Tastenkontaktes mit dem Kontakt der Leiterplatte ist. Im Unterschied zur mechanischen Taste lässt sich die kapazitive Erzeugung des Dateneingabesignals jedoch im Rahmen elektronisch-physischer Grenzen beeinflussen. Der sogenannte Schwellwert bestimmt, bei welchem Grad der Veränderung des kapazitiven Feldes das Signal erzeugt wird. So kann eine Signalerzeugung beispielsweise bei materieller Berührung erreicht werden; möglich hingegen ist auch die Erzeugung eines Signals einige Millimeter über dem Sensor. Welche Variante letztlich gewählt wird, hängt unmittelbar mit den Anforderungen des Anwenders zusammen bzw. vom individuellen Tastempfinden. Das Justieren der Sensitivität kapazitiver Felder ist eine vornehmlich programmiertechnische Leistung, die vom Entwicklungspersonal für jede neue kapazitive Tastatur erbracht wird. In die Berechnung des Schwellwertes der kapazitiven Felder geht die Dicke des Materials ein, das als eigentliche Bedienfläche über der Leiterplatte fixiert wird.

Kapazitive Tastatur versus kapazitiver Touchscreen

Der Unterschied zwischen kapazitiven Tastaturen und Touchscreens erschließt sich dem Benutzer nicht sofort. Doch die Unterschiede sind gravierend. Beim Touchscreen ist die gesamte Oberfläche sensitiv, d.h. bei der Berührung jedes beliebigen Punktes wird ein Signal ausgelöst. Die eigentlichen Dateneingabeelemente hingegen werden auf einem darunter liegenden Display oder Monitor angezeigt. Der Touchscreen ist also immer an Rechner, Monitor und Software zur Erzeugung der Bedienelemente gekoppelt. Anders die kapazitive Tastatur: Neben der Tatsache, dass die Oberfläche reines Glas ist, funktioniert sie wie alle anderen Tastaturen stand-alone. Sensitiv sind nur die von den kapazitiven Sensoren durchdrungenen Flächen. Die Vorteile liegen dabei klar auf der Hand: Kapazitive Tastaturen mit Glasoberfläche benötigen weder einen Monitor noch eine Software. Sie besitzen eine robuste Oberfläche, sind komplett reinigungs- und desinfektionsfähig, lassen sich in vielen verschiedenen Formen fertigen – zum Beispiel oval oder polygon – und sind in großen Stückzahlen preisgünstiger. Nicht zuletzt überzeugt der hohe ästhetische Wert dieser Tastaturen.

Hoher Individualisierungsgrad von Bedienflächen und Benutzerdesigns

Das anwendungsrelevante Potenzial beginnt bei kapazitiven Tastaturen buchstäblich über der entsprechend bestückten Leiterplatte, die bereits das voll funktionierende Produkt darstellt. Da die kapazitiven Felder alle nichtleitfähigen Materialien bis zu einer Stärke von 10 mm durchdringen, sind verschiedene Werkstoffe als Benutzeroberfläche denkbar. Obwohl Plexiglas oder Kunststoff ebenso geeignet sind, wurde bisher in allen Projekten ausschließlich Glas in einer Stärke von 6 mm eingesetzt. Eine weitere kreative Möglichkeit wäre der Einsatz von Holz- oder Steinflächen als Benutzeroberfläche. Dazu ist bei entsprechenden Anfragen eine vertiefte Werkstoffforschung notwendig.

Beim Einsatz von Glas oder anderen transparenten Materialien als Bedienoberfläche sollte zum einen die Sicht auf die „blanke“ Leiterplatte vermieden werden; zum anderen bedarf es einer grafisch gestalteten Benutzeroberfläche. Dies wird durch den digitalen Druck einer Folie sichergestellt, die zwischen die Leiterplatte und der Benutzeroberfläche angebracht wird. Jedes grafisch gestaltete Tastenelement ist dabei folgerichtig über je einem Sensor positioniert. Generell sind alle Designs möglich; der Kreativität sind keine Grenzen gesetzt.
Neben der Designfolie, die unter der Glasfläche positioniert ist, erlaubt die Gravur des Glases oder das Aufbringen partieller Reliefs durch Lackaufdruck eine Haptik der Oberfläche. Eine andere Möglichkeit der Benutzerführung sind Beleuchtungseffekte. Das grundlegende Prinzip ist dabei das vollflächige Beleuchten der Glasoberfläche durch LED. Diese sind am Rand in gleichmäßigen Abständen angebracht und strahlen von der Kante aus in das Glas hinein. Aufgrund einer Gravur wird der Weg der Einstrahlung unterbrochen. Das Licht bricht sich an einer gravierten Stelle und strahlt nach oben aus. Die Farbe der LED kann frei gewählt werden.

Kapazitive Tastaturen: Wo, warum, wozu?

Der potenzielle Einsatz kapazitiver Tastaturen ist ebenso vielfältig, wie es datenverarbeitende Systeme gibt. So eignen sie sich als Bedienfelder zum Beispiel für Hifi-Anlagen, Heimkinosysteme, Haushaltsgeräte, Sanitäranlagen oder Gebäudesteuerung ebenso wie für medizinische Geräte, Infoterminals, Ticketautomaten, Fahrzeug- und Transportgerätesteuerung oder chice Point-of-Sale-Präsentationen. Überall dort erfüllen sie die Kriterien optischen Wertes, Funktionalität, Individualität und Robustheit. In der chemischen Industrie widerstehen Glasbedienfelder den meisten Stäuben, Gasen oder Flüssigkeiten. Bei einem abgedichteten Einbau eines Glasbedienfeldes in das jeweilige Panel – zum Beispiel durch Abdichtung der Einbaufuge mit Silikon – kann sogar ein Schutzgrad von IP68 erreicht werden.

In vielen Fällen rekrutieren sich die Anfragen bisher aus dem Medizingerätebau. Die Hauptanforderung sind dabei kapazitive Tastaturen mit Glasoberfläche. Durch die vollkommen ebene, robuste Fläche erfolgt die Reinigung lücken- und rückstandlos. Darüber hinaus sind die individuelle Formgebung, die weitgehend freie Tastenkonfiguration und das nahezu grenzenlose Design der Bedienelemente ausschlaggebend.

Kapazitive Tastaturen sind ausnahmslos anwendungsspezifische Projekte. Sämtliche Elemente werden entsprechend des Anforderungskatalogs entwickelt und gefertigt. Neben dem gebrauchsorientierten Design der Benutzeroberfläche wird auch der konstruktive Aspekt bedacht, denn in den meisten Fällen sind Glasbedienfelder in Geräte, Apparate oder Anlagen integriert. Die Montage als Fronteinbau-, Rückeinbau- oder auch Klebeversion ist üblich.

Heftausgabe: Februar 2011
André Zeidler , Marketingleiter, Gett Gerätetechnik

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André Zeidler , Marketingleiter, Gett Gerätetechnik

Autor: André Zeidler, Marketingleiter Gett Gerätetechnik

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