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MMI/Tastaturen Keine Kompromisse

| Redakteur: Kristin Rinortner

Eine neue Tastatur-Technologie, die auf piezoelektrischem Lack basiert, löst eine Reihe von Dateneingabe-Problemen: Hinsichtlich der Overlay-Materialien, Tastengröße und Form ist dieses System...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Eine neue Tastatur-Technologie, die auf piezoelektrischem Lack basiert, löst eine Reihe von Dateneingabe-Problemen: Hinsichtlich der Overlay-Materialien, Tastengröße und Form ist dieses System vollkommen flexibel. Das Verfahren erschließt Märkte, in denen die Kombination von hohen Anforderungen an Funktion und Design mit geringen Kosten gefragt ist.Flachtastaturen und -schalter basieren üblicherweise auf der membranen, der kapazitiven, der Infrarot- oder der piezoelektrischen Technologie. Membrane Schaltelemente benötigen einen Kontakthub zwischen 0,15 und 0,2 mm, um einen zuverlässigen Schaltvorgang und genügende Isolation zwischen den Kontakten zu gewährleisten. Diese mechanischen Bewegungen führen zu Abnutzungserscheinungen, welche die Lebensdauer der Schalter beschränkt. Die Anforderungen an die Bewegung begrenzen auch die Dicke und Festigkeit von Folien, die für den Schalter oder die Tastatur eingesetzt werden können.Mit kapazitiven oder Infrarot-Schaltern sollten diese Beschränkungen überwunden werden. Allerdings können diese Schalter nicht durch geschlossene metallische Schichten betrieben werden. Piezoelektrische Schalter und Tastaturen brauchen einen Hub von 1 bis 10 µm, um eine brauchbare Schaltspannung oder Ladung zu erzeugen. Es ist eher das Aufbringen einer Kraft als eine Bewegung, die ein Ausgangssignal im Schaltelement erzeugt. Der piezoelektrische Effekt wurde von Pierre und Jacques Curie im 19. Jahrhundert entdeckt. Piezoelektrizität (von: Druckelektrizität) ist eine Eigenschaft bestimmter kristalliner Werkstoffe, zu denen natürliche Kristalle wie Quarz, Rochelle-Salz, Turmalin und Keramiken wie Barium-Titanate und Blei-Zirconat-Titanate (PZT) gehören. Wird mechanischer Druck auf einen dieser Werkstoffe aufgebracht, verschiebt sich in der kristallinen Struktur eine zum Druck proportionale elektrische Ladung. Umgekehrt ändert sich die Form des Kristalls oder der Keramik, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.Vorteile des Piezo-EffektsDer Einsatz der Piezotechnik bei Schaltern bringt einige Vorteile mit sich: Weil die erforderliche physische Bewegung für das Betätigen eines piezoelektrischen Schaltelements vernachlässigbar klein ist, können Konstrukteure oder Systemdesigner praktisch jedes Material für die darüber liegende Schicht einsetzen: Polyester, Polycarbonat, anodisiertes Aluminium oder andere Metalle, Glas, Keramikerzeugnisse, Holz oder sogar Stein. Die Tastatur kann – je nach Material – gekrümmt oder verformt sein.Dies macht umwelttechnische oder ästhetische Kompromisse in der Mensch-Maschinen-Schnittstelle unnötig. Es bedeutet auch, dass jedes Fenster im Overlay (z.B. für LCD-Displays) ausreichend dick ausgeführt werden kann, um zuverlässigen Schutz in rauen Umgebungen zu gewährleisten. Bei der Wahl von Overlay-Materialien können die Anforderungen an Feuchtigkeits-, Chemikalien- oder Strahlungsbeständigkeit berücksichtigt werden. Die Schaltpakete oder Bedieneinheiten sind weitgehend hermetisch dicht. Die vernachlässigbare physische Bewegung eliminiert auch jeden auf mechanischer Ermüdung basierenden Ausfallmechanismus - piezoelektrische Schalter sind auf über 10 Mio. Betätigungen geprüft worden. Sie haben ein nahezu unbegrenztes Leben. Ausfallmöglichkeiten durch Schalt-Funken und dadurch verursachte Oxidation von Kontakten oder anderen leitfähigen Elementen innerhalb des Schalters sind nicht vorhanden.Piezoelektrischer Lack für MMIEine neue Methode zum Herstellen piezoelektrischer Schalter und Tastaturen sieht das Aufbringen von piezoelektrischem Lack anstelle von einzelnen Piezoelementen vor. Beim Piezo-Lack werden piezoelektrische Kristalle in einen Lack eingearbeitet. Die Leiterbahnen und der piezoelektrische Lack werden auf isolierende Folien (typ. PETP) gedruckt. Das piezoelektrische Material wird polarisiert, indem man Spannung an die Leiter anlegt. Dieser automatisierte Prozess bedeutet ganz erhebliche Kosteneinsparungen (bis zu 50%) bei der Fertigung. Somit sind die neuen Schalter preislich auch für große Serien interessant. Der Tastendruck wird durch das Auswerten der Ausgangsspannung von den 20 bis 30 µm dicken Schichten mit piezoelektrischem Material identifiziert. Über einen ASIC wird die vom Schaltdruck erzeugte Spannung oder Ladung verstärkt. Zudem unterdrückt es das Schalterprellen und reduziert elektrische Störungen.Flexibilität bei Werkstoffen, Größe und FormWie bereits erwähnt, liegt der entscheidende Nutzen der Piezoschalter-Technologie in der Flexibilität, die der Systemkonstrukteur hinsichtlich der Overlay-Materialien, Tastengröße und Form hat. Polyester, Polycarbonat, anodisiertes Aluminium, Stahl, Plexiglas und Glas werden üblicherweise verwendet. Diese können dick genug sein, um auch gegen Vandalismus zu bestehen. Das heißt, dass der Betrieb in fast jeder Umgebung möglich ist. Den Designern sind in puncto Materialien, Form und Funktion viele Möglichkeiten gegeben, die bisher nicht möglich waren – das sind genau die Eigenschaften, um ein einzigartiges Produkt zu kreieren.Wie bei anderen Tastaturen auch, sind u.U. physische, hörbare oder sichtbare Rückmeldungen für den erfolgten Schaltkontakt gewünscht. Weil fast keine physische Bewegung erfolgt, wird ein Tastenweg selten angewandt, kann jedoch durch Federelemente, Knackfrösche oder andere Methoden durchaus realisiert werden. Einbuchtungen als Fingerführungen im Overlay sind ebenfalls möglich und beliebt. Die hör- oder sichtbare Rückmeldung ist einfach und kostengünstig realisierbar mit handelsüblichen Summern, LEDs oder durch eine Anzeige auf dem LCD-Display des Systems. Piezo-Tastaturen waren lange Zeit beschränkt auf Anwendungen mit hohen technischen Anforderungen. Die vorgestellten Technologiefortschritte ermöglichen Konstrukteuren, die Vorteile von Piezo-Schaltern zu nutzen, ohne Kostennachteile gegenüber Membran-Schaltern oder kapazitiven Schaltertechniken zu haben.*Dieter Matter ist CEO bei der Algra AG in Merenschwand/Schweiz.

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