Touchbedienung

Kein Tastatur-Eingabegerät gestattet eine vergleichbare intuitive Bedienung wie Touchscreens: mit wenig Aufwand können unmissverständliche Bedienführungen auch für Anwender ohne Vorkenntnisse realisiert werden. Kontaktbezogene Fehlbedienungen, wie sie bei Tastaturen möglich sind, lassen sich ausschließen. Die Technik, die zunächst in Monitoren öffentlicher Informationsstellen oder bei PDAs ihren Einsatz fand und dann im Bereich der Smartphones eine Revolution auslöste, erobert nun auch Anwendungsbereiche in der Industrie. Rafi bietet mit dem Glasscape -Programm extrem robuste Touchbediengeräte, deren Funktionalität weder durch Schmutz noch durch das Tragen von Arbeitshandschuhen beeinträchtigt wird. Die tastenlosen Anzeige- und Bedienoberflächen sind verschleißfrei und bieten besonders in Anwendungen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie große Vorteile hinsichtlich der Hygiene. Aber galt Touchtechnologie bisher nicht als besonders empfindlich? Es kommt ganz darauf an, welche Technik verwendet wird. Derzeit werden sieben verschiedene Verfahren eingesetzt, die sich teilweise stark in ihrer Robustheit gegen mechanische Einwirkungen, Präzision und ihrer Sensibilität unterscheiden. Im Folgenden werden die Verfahren und ihre wichtigsten Vor- und Nachteile vorgestellt.

Resistive Touchscreens

Die resistive ist die älteste, am häufigsten anzutreffende und kostengünstigste Touchtechnologie (Bild 1). Bereits die ersten PDAs mit Touchscreen verwendeten diese Technik, die auch heute noch viele Handyhersteller einsetzen. Dabei werden auf der Bildschirmoberfläche zwei transparente, elektrisch leitfähige ITO-Folien (ITO = Indiumzinnoxid, ein lichtdurchlässiger Halbleiter) aufgebracht, die durch winzige, aufgedruckte Abstandshalter voneinander getrennt werden. An die Folien wird abwechselnd eine Gleichspannung angelegt, sodass der Spannungsabfall an einer der Folien in horizontaler, an der anderen Folie in vertikaler Richtung verläuft. Berühren sich die Folien an der gedrückten Stelle, entsteht im Prinzip eine Brückenschaltung, bei der ein Teil der Spannung über die gegenüberliegende Folie abfällt.

Durch Messungen der jeweiligen Spannungsänderungen werden die X- und Y-Koordinaten des Druckpunktes bestimmt, an dem die Brücke geschlossen wird. Stabilere und präzisere Varianten dieser Technik, die wegen der Anzahl der Elektroden als Four-Wire-Technik bezeichnet wird, sind Five-Wire-, bzw. auch Six-Wire-, Seven-Wire- und Eight-Wire-Systeme. Weder Schmutz noch Feuchtigkeit können bei resistiven Touchscreens zu Einschränkungen oder Fehlfunktionen führen  Allerdings kann die Folienoberfläche leicht durch scharfe Gegenstände beschädigt werden. Ein Einsatz in Industrieumgebungen oder dort, wo Sicherheit gegen Vandalismus notwendig ist, ist somit nicht empfehlenswert.

Kapazitive Touchscreens

Neben dem resistiven zählt das kapazitive Verfahren heute zu der meistverwendeten Technik. Auch dieses erheblich jüngere Verfahren basiert auf leitenden Beschichtungen des Monitors. Das Prinzip ist aber ein gänzlich anderes: Hier werden zwei Folien mit sehr dünn aufgedruckten Leiterbahnen so übereinandergelegt, dass sich die Leiterbahnen überkreuzen und ein Gittermuster bilden, ohne sich zu berühren (Bild 2). Zwischen den Kreuzungspunkten der Leiterbahnen der beiden Folien entsteht ein gleichmäßiges elektrisches Feld. An der Stelle, an der von außen eine Kapazität angelegt wird – mit anderen Worten: eine Berührung durch den Finger erfolgt – ändert sich das Feld. Eine Auswertungselektronik misst die Ströme und errechnet daraus die Koordinaten des Berührungspunkts. Der immense Vorteil kapazitiver Systeme besteht darin, dass die Folien auf der Rückseite des Bildschirmglases angebracht werden können und damit vor jeglicher Beschädigung sicher sind. Anders als resistive Systeme reagieren kapazitive Systeme nicht auf Druck, sondern auf Berührung durch leitende Körper. Oft wird angenommen, dass eine Bedienung von kapazitiven Touchscreens mit behandschuhten Händen nicht möglich sei. Das gilt aber nicht grundsätzlich, sondern ist eine Frage der sensorischen Abstimmung.

Während beispielsweise beim iPhone (das ebenfalls mit einem kapazitiven Touchscreen ausgestattet ist) eine Bedienung mit Handschuhen nicht funktioniert, sind die Bedieneinheiten aus dem Glasscape -Programm von Rafi auch mit dicken Arbeitshandschuhen oder medizinischen Sterilhandschuhen aus Latex benutzbar. Neben der Robustheit zählt die Multitouch-Fähigkeit, also die gleichzeitige Bedienung mit zwei oder mehr Fingern, zu den weiteren Vorteilen kapazitiver Touchsysteme. Zudem gestattet die berührungssensible und nicht auf Druck basierende Bedienung die Implementierung von Gestensteuerung.

Induktive Touchscreens

Induktive Touchscreens seien an dieser Stelle der Vollständigkeit halber erwähnt; eigentlich trifft die Bezeichnung „Touchscreen“ nicht zu, da ein spezieller Stift zur Eingabe benötigt wird. Hinter dem Display befindet sich eine Platine mit Antennen und Sensoren, die ein HF-Signal sendet, das von einem Resonanzkreis im Stift empfangen, zurückgesendet und von den Sensoren zur Positionsbestimmung verwertet wird. Diese Technik spielt ihre Vorteile im abgegrenzten Einsatzbereich von Tablet-PCs und Grafiktablets aus.

Systeme mit Oberflächenwellentechnik

Bei dem Verfahren, das als Oberflächenwellentechnik oder häufig auch Surface Acoustic Wave (SAW) bezeichnet wird, transformieren Signalwandler in horizontaler und vertikaler Richtung ein hochfrequentes elektrisches Signal und senden es als Ultraschallwellen über das Display. Die Ultraschallwellen werden reflektiert und danach wieder in ein elektrisches Signal rückgewandelt. Fingerberührungen absorbieren bestimmte Frequenzen und verändern entsprechend die reflektierten Wellen. Dabei ruft jede Fingerposition eine spezifische Veränderung des Signals hervor.

Diese Veränderungen werden von einem Controller mit Referenzwerten verglichen und darüber die exakte Position bestimmt. Eine Variante dieses Verfahrens ist die akustische Pulserkennung (Acoustic Pulse Recognition (APR)), bei der keine Ultraschallwellen genutzt werden, sondern der Klang analysiert, den die Berührung der Scheibe hervorruft. Auch hier wird der für jede Position eindeutige Klang mit den Werten einer Referenztabelle abgeglichen. Die Verfahren eignen sich besonders gut für sehr große Bildschirme, zudem kann für das Display auch Panzerglas verwendet werden. Die Bedienung funktioniert auch mit Handschuhen, allerdings reagiert diese Technik empfindlich gegen Schmutz oder Feuchtigkeit auf dem Touchscreen. Zudem sind die Systeme nicht multitouchfähig.

Biegewellentechnik

Bei der Biegewellentechnik, auch als DST (dispersive signal technology) bezeichnet, werden die Schwingungen gemessen, die die Berührung des Bildschirms hervorruft. Anders als Oberflächenwellen durchlaufen Biegewellen den gesamten Querschnitt des Materials. In den vier Display-Ecken verzeichnen piezoelektrische Sensoren die sich vom Berührungspunkt ausbreitenden Wellen und senden die in Spannungssignale gewandelten Erschütterungen an einen Controller, der mit einem Algorithmus aus den übermittelten Werten die Berührungsposition errechnet. Unter den Touchtechniken für großformatige Touchscreens gilt DST als das präziseste und reaktionsschnellste Verfahren, das zudem weder durch Verunreinigungen noch durch Kratzer beeinträchtigt wird. Ein weiter Pluspunkt liegt in der Unempfindlichkeit: Ruhende Gegenstände auf dem Display werden ignoriert. Allerdings ist auch dieses System nicht multitouchfähig und teuer.

Infrarot

Ebenfalls für große Monitore geeignet und praktisch unverwüstlich sind Systeme, bei denen ein Infrarot-Lichtgitter vor dem Bildschirm Finger oder Gegenstände registriert, die zum Bildschirm geführt werden. In jeder Koordinatenachse befinden sich Infrarot-LEDs und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite Sensoren, die Unterbrechungen des Lichtstrahls detektieren (Bild 3). Die Eingabe ist somit sowohl mit Handschuhen als auch mit jedem beliebigen Gegenstand möglich. Auch Multitouch kann realisiert werden. Die Stärke des Prinzips ist aber gleichzeitig auch seine Schwäche: Da das Lichtgitter nicht exakt auf der gleichen Ebene wie die Bildschirmoberfläche liegt, sondern davor, erfolgen Eingaben durch unpräzise Handbewegung schnell versehentlich. Gerade für das industrielle Umfeld ergeben sich weitere Nachteile, da auch Dampf, Tropfen, fliegende Späne und weitere Störeinflüsse zu unbeabsichtigten Eingaben führen können. Außerdem können die Sensoren leicht verstauben oder verdrecken.

Optische Positionserkennung

Bei der optischen Positionserkennung erfassen zwei Miniaturkameras in den beiden oberen Bildschirmecken die Fingerposition. Ein Vorteil dieser Technik ist der günstige Preis. Nachteile sind, wie auch beim Infrarotsystem, dass bauartbedingt ein Rahmen vor dem Bildschirm notwendig ist und dass unpräzise Handbewegungen leicht zu Fehlbedienungen führen können.

Touchscreens für den industriellen Einsatz

Touchscreens im industriellen Einsatz müssen unempfindlich gegen Schmutz und Feuchtigkeit sein, sich auch mit Handschuhen bedienen lassen und eine hohe Stabilität des Displays aufweisen, sodass auch ein darauf fallendes Werkzeug nicht gleich einen Sprung in der Scheibe hinterlässt (Bild 4). RAFI, ein führender Hersteller elektromechanischer Bauelemente und Bediensysteme für die Mensch-Maschine-Kommunikation, erfüllt mit den kapazitiv arbeitenden Bediengeräten aus der Glasscape -Reihe alle diese Anforderungen und zählt marktweit zu den ersten Anbietern, die die Touch-Technologie speziell für das industrielle Umfeld anbieten. Die robusten Eingabegeräte vereinen kapazitives Display und Eingabeelemente, die als Taster, Wheel, Slider oder Sensorfelder mit Näherungsschalter ausgeführt sein können, unter einer stabilen, geschlossenen Glasoberfläche mit Touch-Funktionalität. Damit weisen die Glasscape-Eingabegeräte weder verschleißbare Komponenten noch Öffnungen auf, durch die Staub und Feuchtigkeit ins Innere gelangen können. Seit Kurzem bietet Rafi die robusten Geräte auch mit einem 19“-Touchscreen an. Der Screen verfügt über eine Auflösung von elf Bit, ist multitouch-fähig und unterstützt die Touchfunktionalitäten von Windows 7, wie zum Beispiel Mehrfingereingabe und Gestensteuerung. Durch die fugenlose Oberfläche, das geschlossene Gehäuse und die Unempfindlichkeit gegen Schmutz und Feuchtigkeit eignen sich Glasscape -Bediengeräte gleichermaßen für den Einsatz in der Pharma- und Lebensmittelbranche, in der Prozess- und Fertigungsindustrie wie für die Haushalts- und Gebäudetechnik. Die Glasoberflächen lassen sich praktisch beliebig bearbeiten, formen, gestalten und rückseitig bedrucken.

(sb)