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01  Um auch gehobenen Designansprüchen gerecht zu werden, kann Rafi die stabilen Frontplatten, unter denen Touchscreens oder auch kapazitive Tasterfelder positioniert werden, beliebig formen und bearbeiten.

Industrietaugliche Touchscreens mit 24-Zoll Diagonale

02  Bei resistiven Sensoren wird die Eingabe durch Druck auf die Folien an der Oberfläche des Touchscreens ausgelöst.

03  Bei kapazitiven Sensoren löst das Anlegen einer Kapazität an der Glasoberfläche die Eingabe an der rückwärtigen Folie aus.

04  Auch Wasser auf der Oberfläche führt bei Glasscape­Touchscreens zu keinen funktionalen Einschränkungen.

05  Durch die Filtermöglichkeiten der integrierten Controller lösen auch verschiedene Reinigungsmittel und bestimmte Berührungen keine Eingabe aus. Dadurch lassen sich diese Touchscreens auch im laufenden Betrieb reinigen.

Seit 2003 entwickelt Rafi robuste Eingabegeräte mit kapazitiver Touchsensorik für den industriellen Einsatz. Die ersten Geräte kamen 2005 auf den Markt. Seither wurde das Glasscape-Programm ständig weiterentwickelt. Seit neuestem stellt das Unternehmen industrietaugliche Touchscreens auf Grundlage selbstgefertigter Glassensoren her, die durch eigenständige Erkennung von Fehleingaben die Bediensicherheit erhöhen und Bilddiagonalen bis zu 24 Zoll bieten.

Hinsichtlich des industriellen Einsatzes bieten kapazitive Touch-Bediensysteme gegenüber tastenbasierten Ein­gabegeräten diverse Vorteile: Verzicht auf verschleißbare elektromechanische Komponenten, komplett geschlossene Gehäusefronten, in die keine Flüssigkeiten oder Staub eindringen können, sowie ideale hygienische Bedingungen. Speziell die letzte Eigenschaft ist für den Einsatz in Pharma-, Lebensmittel- oder medizinischen Bereichen ausschlaggebend, da sich die glatten Oberflächen einfach und gründlich entkeimen lassen.
Rafi hat das Potenzial kapazitiver Touch-Sensorik für industrielle Anwendungen bereits frühzeitig erkannt und fertigt seit 2005 Touch-Bediensysteme nach kundenspezifischen Vorgaben. Anforderungsabhängig stattet der Hersteller die Oberflächen mit Tasterfeldern, Slidern, Wheels, Trackpads oder auch Displays mit oder ohne Touch-Funktion aus. Ebenfalls gehören Touchscreens, die seit kurzem mit Bildschirmdiagonalen bis 24 Zoll erhältlich sind, zum Glasscape-Programm (Bild 1).

Die weitaus meisten Eingabesysteme mit Touch-Funktionalität, die ­heute im industriellen Umfeld eingesetzt werden, verwenden noch die relativ preisgünstige resistive Touchtechnik, die auf dem Spannungsteilerprinzip basiert (Bild 2). Dabei werden die Displays auf der Frontseite mit leitenden, transparenten Indiumzinnoxid-Folien (ITO-Folien) überzogen, die durch mikroskopische, „Spacer-Dots“ genannte, Abstandhalter voneinander getrennt sind. Wird auf eine Stelle Druck ausgeübt, berühren sich die Schichten und an der Kontaktstelle fällt ein Teil der anliegenden Spannung über die gegenüberliegende Folie ab. Anhand des Spannungsabfalls werden die Berührungskoordinaten ermittelt.
Durch die Exposition der Folien an der Oberfläche unterliegen resistive Touch-Systeme nicht nur allgemeinem Verschleiß, sondern können bei unsachgemäßer Nutzung oder durch Kontakt mit scharfkantigen Gegenständen beschädigt werden. Da zur Eingabe Druck ausgeübt werden muss und Funktionalitäten wie Multitouch und Gestensteuerung gar nicht oder nur mit Einschränkungen umzusetzen sind, bietet diese Technik nur geringen Bedienkomfort. Hinzu kommt, dass die Folien fast ein Drittel der Display-Helligkeit schlucken.

Kapazitiver Touch bietet höheren Komfort
Das kapazitive Prinzip hingegen beruht auf einer Änderung des elektrischen Feldes zwischen einzelnen Sektoren des Sensors (Bild 3). Ein Vorteil liegt darin, dass die Sensoren bzw. die sensitive Beschichtung nicht an der Außenseite, sondern an der Rückseite des Touchscreens bzw. der Frontplatte aufgebracht werden und damit komplett vor verschleißenden oder zerstörerischen Einwirkungen geschützt sind.
Es gibt drei unterschiedliche Bau­arten kapazitiver Sensoren. Für die Applikation von Tasterfeldern auf nicht transparenten Oberflächen verwendet Rafi Ausführungen in Kupfer mit klassischem Leiterplattenaufbau. Für transparente Trägerscheiben für Touchscreens werden auf der Rückseite entweder ITO-Folien auflaminiert oder per Sputterverfahren eine leitende TCO-Beschichtung aufgebracht, die danach per Laser- oder Lithografieverfahren strukturiert wird. Die so entstandenen Leiterbahnen auf den Folien bzw. Beschichtungen bilden ein Raster. An den Kreuzungspunkten entsteht beim Anlegen einer Spannung ein elektrisches Feld, das sich durch die Berührung mit einem Finger verändert. Eine Auswerteelektronik errechnet aus den Veränderungen des Feldes die Koordinaten des Berührungspunkts.

Da die Sensoren statt auf Druck nur auf das Anlegen ­einer Kapazität reagieren und dafür kein leitender Kontakt nötig ist, kann bei Bedarf Sicherheits- oder Plexiglas für die Frontscheibe verwendet werden. Die Folien oder Beschichtungen absorbieren nur rund 10 % des Lichts und beeinträchtigen die Qualität der Bildwiedergabe nur unwesentlich. Ebenso eignet sich die Technik für Gestensteuerung und Multitouch, wobei die Bedienqualität maßgeblich von der Güte des verwendeten Touchcontrollers abhängt.
Bis vor zwei Jahren verwendete Rafi für die Glasscape-Geräte hauptsächlich Foliensensoren. Mit der Fertigung der Folien beauftragte das Unternehmen asiatische Zulieferer, führte aber die Entwicklung des Sensordesigns und den sensiblen Laminiervorgang im eigenen Haus durch. Doch die wachsende Nachfrage großer Smartphone- und PC-Hersteller nach Folien und die Ausrichtung asiatischer Anbieter auf den Massenmarkt für Handys verursachte Lieferengpässe. Zudem nahmen viele Folienlieferanten nur noch Großaufträge an oder beschränkten die Fertigung auf kleinere Foliengrößen, wie sie für mobile Geräte benötigt werden. In der Folge verlängerten sich die Lieferfristen und die Ware wies zunehmend Produktionsfehler auf. Deshalb beschloss das Unternehmen, der drohenden Lieferunsicherheit mit der Eigenfertigung von Glassensoren zu begegnen.

Vorteile von Glassensoren
Abhängig von der Touchscreen-Größe bieten Glas- und Foliensensoren spezifische Vorteile. Für kleinere Displays sind Foliensensoren die kostengünstigere Lösung. Dazu kommt, dass Foliensensoren konstruktionsbedingt leichter sind als Glassensoren. Bei Diagonalen bis 24 Zoll verwendet Rafi Glassensoren, da die Glassensoren Kostenvorteile bieten. Außerdem haben ITO-Sensoren einen höheren Flächenwiderstand als Glassensoren, was die Umsetzung großer Touchscreens mit den Folien erschwert. Auf Basis der eigengefertigten Glassensoren hat der Hersteller sein Glasscape-Programm um Geräteversionen mit 24-Zoll-Touchscreen erweitert, die bis zu 16 Berührungseingaben gleichzeitig verarbeiten können. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ist der erweiterte Temperaturbereich: Während er bei Foliensensoren zwischen –20 °C bis 65 °C liegt, eignen sich Glassensoren für den Einsatz von –40 °C bis 85 °C.
Mit den „maXTouch“-Controllern von Atmel erreichen Glasscape-Geräte einen neuen Grad an Industrie­tauglichkeit und Komfort. Zur Realisierung von Industrieapplikationen arbeitet Atmel mit Systempartnern zusammen, da die Integration und Umsetzung viel Expertenwissen erfordert. Die vergleichsweise preisgünstigen Einheiten sind in kostenoptimierten Versionen mit abgestuftem Leistungsumfang verfügbar. Mit den leistungsfähigsten Modellen, die Rafi für seine 24-Zoll-Touchscreens aus dem Glasscape-Programm verwendet, lassen sich aufgrund der hohen Knotendichte präzise Eingaben inklusive Multitouch-Fähigkeit realisieren. Zusätzlich lassen sich mit dem Controller auch bis zu 16 separate Tasten einbinden – ideale Bedingungen für die Bediensysteme, die in vielen Varianten Screens und Taster unter einem durchgängigen, robusten Frontglas vereinen.

Intelligente Erkennung von Fehleingaben
Vor allem im industriellen Umfeld kann sich die komfortable Bedienbarkeit kapazitiver Sensoren jedoch auch als Nachteil erweisen: Da schon leichte Berührungen Eingaben auslösen, führen auch unbedachte Bewegungen oder versehentliche Berührungen des Touchscreens schnell zu Fehleingaben. Das gilt auch für den Kontakt der Touch-Oberfläche mit Flüssigkeiten, mit dem gerade bei der Verwendung in indus­triellen Anwendungen zu rechnen ist. Hier bieten die vielfältigen Parametrierungs- und Filtermechanismen des verwendeten Controllers Abhilfe: Bei entsprechender Einstellung erkennen die Touchcontroller an der Kontaktfläche und am Bewegungsmuster der Eingabe, ob diese vorsätzlich erfolgt ist oder nicht absichtlich ausgelöst wurde. Beispielsweise lässt sich der Controller so parametrieren, dass er ungewöhnlich großflächige „Eingaben“, wie sie typischerweise nur durch Handballenauflage oder verlaufende Flüssigkeiten hervorgerufen werden, als Fehleingabe ignoriert. Die Touchcontroller gestatten eine so präzise Feinabstimmung, dass die Eingabeoberfläche auch in nassem Zustand problemlos zu bedienen ist (Bild 4).
Die Controller lassen sich nicht nur für Wasser parametrieren (mit Ausnahme kritischer Medien, wie Salzwasser), sondern auch für diverse andere Flüssigkeiten, wie Reinigungsmittel. Auf diese Weise lassen sich die Eingabeoberflächen der Baureihen sogar während des Betriebs reinigen (Bild 5). Ein weiterer Vorteil ist die elektromagnetische Verträglichkeit, welche die Anforderungen der Industrienorm übertrifft, sowie die hohe ESD-Festigkeit der Controller bis 20 kV.

Fazit
Staub- und Nässeschutz, Verschleißfreiheit und robuste Gehäuseausführungen sind obligatorische, aber bei weitem nicht die einzigen Bedingungen für die Industrietauglichkeit von Bedien- und Eingabesystemen. Die Glasscape-Geräte, die der Hersteller nach Kundenvorgaben produziert, zeichnen sich neben den robusten physischen Eigenschaften durch ­einen ­hohen Grad an Ergonomie und Bediensicherheit aus. Um dabei ­optimale Ergebnisse zu erzielen, werden die kapazitiven Systeme speziell auf die Anforderungen des Verwendungszwecks abgestimmt. Dazu gehört, dass die Arten möglicher Fehlbedienungen sowie die Medien, die am Einsatzort mit der Eingabeoberfläche in Kontakt kommen könnten, zuvor definiert und die Sensorik bzw. der Touchcontroller entsprechend parametriert werden. (mh)

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Autor: Carmen Hanser ist als Produktmanagerin Glasscape für die Rafi GmbH & Co. KG in Berg tätig.