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Flexible Funktionslayouts bei kapazitiven Tastaturen

Autor / Redakteur: Jens Kieselbach * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Im Gegensatz zu einem Touchscreen ist der Hersteller einer klassischen Tastatur mit mechanischen Tasten im Layout eingeschränkt. Eine neuartige Entwicklung verspricht flexible Tastaturlayouts.

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Tastatur: Klassische Tastaturen verfügen nur über ein starres Design und die Funktion der Tasten lässt sich nicht ändern. Mit einer neuartigen Entwicklung bekommt eine kapazitive Tastatur ein flexibles Layout.
Tastatur: Klassische Tastaturen verfügen nur über ein starres Design und die Funktion der Tasten lässt sich nicht ändern. Mit einer neuartigen Entwicklung bekommt eine kapazitive Tastatur ein flexibles Layout.
(Bild: Gett)

Touchscreens vereinen das Bedienen und Beobachten auf einer Oberfläche. Voraussetzung ist eine hohe Transparenz von Deckglas und Flächensensor, welche die Sicht auf den darunter liegenden Monitor oder Display uneingeschränkt gewährt. Auf ihm werden die Elemente zum Bedienen und Visualisieren über einen Webbrowser oder mit dedizierter Software und Apps angezeigt. Der Vorteil besteht im freien Design: Form, Position, Symbolik, Funktion und grafische Ausgestaltung sind nahezu unbegrenzt möglich.

Anders verhält es sich bei mechanischen Tastaturen. Sie besitzen ein starres Tastenlayout; freie Tastenformen sind aus Kostengründen kaum realistisch. Änderungen des Funktionsdesigns bringen signifikante Setup-Kosten mit sich. Das trifft ebenfalls auf kapazitive Tastaturen zu. In der konventionellen Ausführung ist ihr Tastenlayout durch die festgelegte Positionierung von Einzelsensoren gekennzeichnet. Änderungen des Designs erfordern daher hohen Aufwand. Dank einer neuartigen Entwicklung lässt nun jedoch eine flexible Umsetzung individueller Layouts möglich werden.

Wozu kapazitive Tastaturen, wenn es Touchscreens gibt?

Nicht immer ist der Einsatz eines Displays mit der Funktion eines Touchscreens sinnvoll. Kostenvorteile, Robustheit, Flächenhomogenität, dedizierte Beleuchtung und die Unabhängigkeit von Software sind nur einige Faktoren, die für kapazitive Tastaturen sprechen. Dazu kommt die Unabhängigkeit von Größenvorgaben der Displays. Zudem lassen sie sich einfach in Systeme implementieren. Die Voraussetzung sind wie bei Touchscreens nicht-leitfähige, transparente und robuste Oberflächen.

Als typisches Beispiel dient an dieser Stelle ein kapazitives Bedienfeld mit vier Tasten, das in einer Flurfördermaschine verbaut ist. Mit den Tasten werden die Elementarfunktionen „Up“, „Down“, „Left“ und „Right“ ausgeführt. Der Einsatz eines Kleindisplays mit Touchscreen wäre in diesem Fall wenig zielführend, weil überdimensioniert, so dass eine kapazitive Tastatur den Vorzug erhält. Hinzu kommt, dass eine Tastatur wesentlich weniger Rechenleistung benötigt als ein Display. In der Regel handelt es sich lediglich um einen Decoder mit Mikrocontroller statt eines PCs oder Mini-Rechners wie dem Raspberry.

Verschiedene Flächensensoren, ein Wirkprinzip

Um es vorwegzunehmen: Die flexible Gestaltung von Layouts bei kapazitiven Tastaturen findet in der physischen Größe des elektronischen Funktionsträgers ihre Grenzen.

Wie bei den Touchscreens auch ist es für eine Anwendung zunächst notwendig, die Abmessungen der aktiven Benutzeroberfläche zu definieren. Diese Formate könnten dabei als Quasi-Standardtypen gelten:

- Tastenstreifen mit bis zu vier Tasten
- Tastenfeld mit bis zu 16 Tasten
- Tastatur im bekannten PC-Tastatur-Layout mit 105 Tasten

Die Abmessungen sind der Ausgangspunkt für die Konzeption des Funktionsträgers. Dieser ist mit einem Flächensensor ausgestattet, der ein elektromagnetisches Feld generiert. Dabei existieren zwei prinzipielle Ansätze. Der erste basiert auf einer Leiterplatte, die mit einem kapazitiven Flächensensor ausgestattet ist. Dabei handelt es sich um Layer aus Kupfer in der Ausführung als Sensormatrix. Diese Technik findet sich ebenfalls bei Touchpads, wie sie in handelsüblichen Laptops verbaut sind.

Ein zweiter Ansatz besteht darin, einen kapazitiven Flächensensor zu verwenden, der als transparente Leitermatrix umgesetzt ist. Das kann beispielsweise ITO sein. Das entspricht im Kern der eines projiziert-kapazitiven Touchscreens. Die physischen Träger sind aus Glas oder Folie gefertigt und damit transparent.

Tabelle: Vor- und Nachteile zwischen Flächensensoren auf starren oder flexiblen Medien.
Tabelle: Vor- und Nachteile zwischen Flächensensoren auf starren oder flexiblen Medien.
(Bild: Gett)

Beide Varianten verwenden zwar unterschiedliche Trägermaterialien und Sensortypen; das Wirkprinzip jedoch ist gleich. In beiden Fällen generieren die Sensoren ein homogenes elektrisches Feld, das bei Berührung verändert wird. Ab einem bestimmten Schwellenwert (Sensitivität) wird das als Trigger bzw. Bedienevent identifiziert (Tabelle).

Wenn aktive Flächen als Bedienelemente dienen

Bild 1: Eine Leiterplatte mit herkömmlichen Einzelsensoren (links) und eine Sensormatrix (rechts).
Bild 1: Eine Leiterplatte mit herkömmlichen Einzelsensoren (links) und eine Sensormatrix (rechts).
(Bild: Gett)

Bild 2: Dank des kombinierten Touch-/Num-Pad erhält man auf der Tastatur eine Multifunktionalität.
Bild 2: Dank des kombinierten Touch-/Num-Pad erhält man auf der Tastatur eine Multifunktionalität.
(Bild: Gett)

Ist der Funktionsträger mit dem applizierten Flächensensor definiert, lassen sich Tasten, Touchpads, Slider und andere Bedienelemente frei positionieren. Die sogenannten Hot Spots kennzeichnen Berührungspunkte, die als aktive Bereiche ausgestaltet sind. Berührt der Finger diese, identifiziert und generiert der Decoder ein Bedienevent. Alle anderen Flächen, für die keine funktionelle Zuweisung vorliegt, bleiben inaktiv.

Die Abgrenzung aktiver Flächen von der Sensorfläche erfolgt durch eine spezielle Software, die auf Firmwareebene angesiedelt ist. Sie gestattet die Konfiguration aller sensitiven Flächen per Register. So erfordert beispielsweise die Kreation einer rechteckigen Taste vier Werte. Diese kennzeichnen jeweils die Position eines Eckpunktes. Bei einer runden Taste hingegen sind es zwei Werte – die Lage des Mittelpunktes und des Radius. Die Aktivflächen können mit verschiedenen Funktionen ausgestattet werden.

Eine davon ist das sogenannte Eventhandling, mit dem sich das Auslösemoment festlegen lässt. On touch oder on Release sind die gängigen Varianten. Auch eine Integration von Touchpad- oder Regelfunktionen wie Slider ist möglich. Eine andere – für kapazitive Eingabesysteme entscheidende – Funktion ist die Einstellung der Sensitivität. Dieses Feature ermöglicht die Festlegung der Schwelle, ab der ein Bedienevent erkannt wird. Ein weiterer Vorteil ist die kontextsensitive Funktionsgestaltung. So lassen sich einzelne Tastenbereiche mit eigener Alternativfunktion zusammenfassen. Möglich ist auch die Differenzierung einer Taste je nach Schaltzustand anderer Bedienelemente.

Die wichtigsten Vorteile auf einem Blick:

  • Eine Elektronikentwicklung für verschiedene Layouts
  • Einmaliger initialer Funktions- und Testprozess der Tastatur
  • Flexible Positionierung der Bedienelemente
  • Einmaliger EMV-Test
  • Einmalige CE-Erklärung
  • Kontextabhängige Mehrfachfunktionen für Tasten möglich
  • Nahezu beliebige Kombination von unterschiedlichen Tastenfunktionen

Physische Bedienoberfläche folgt elektronischem Layout

Sind das Layout, das Design und die Funktion der Bedienelemente auf elektronischer Ebene fixiert, kann die Umsetzung der physischen Bedienoberfläche erfolgen. Als nichtleitende, transparente Materialien haben sich Glas und Acrylglas in unterschiedlichen Stärken durchgesetzt. Die Bedruckung erfolgt per Siebdruck oder Digitaldruck auf die Rückseite.

Ein großer Vorzug – im Gegensatz zu mechanischen Tastaturen – besteht in den weitreichenden Möglichkeiten des graphischen Designs. Lediglich die Position der sensorischen Bedienelemente und deren Funktion setzen die Grenzen.

Ein Beispiel aus der Praxis für die Umsetzung eines Flächensensors als Tastatur ist die Cleankeys-Tastatur von Gett. In der aktuellen CK5-Serie wurde ein kombiniertes Num-/Touch-Pad implementiert. Mit einer dedizierten Umschalttaste lässt sich die Fläche wahlweise als Touchpad oder als Nummernblock einstellen. Das führt zu einer smarten Lösung, das Tastaturlayout trotz Abbildung der gesamten PC-Tastaturfunktionalität kompakt zu halten. Zudem ergibt sich so ein großzügiger, angenehm zu bedienender Feld für das Touchpad. Als Funktionsträger dient eine Leiterplatte mit einer bestückten Sensorfläche, welche die Größe eines Nummernblocks abbildet. Zudem ist die Tastatur nach dem Schutzgrad IP65 dank einer geschlossenen Oberfläche aus Gorilla-Glas geschützt und lässt sich mit Handschuhen bedienen.

* Jens Kieselbach ist Senior Field Application Engineer (FAE) bei Gett Gerätetechnik in Treuen.

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