Warum individuelle Dateneingabe- und Bedienlösungen?

In der Geräteentwicklung und -herstellung geht der Trend immer mehr zur Individualisierung. Dies betrifft vor allem die Schnittstelle Mensch-Maschine, die exakt auf das Gesamtkonzept der Maschine, des Gerätes oder des Systems abgestimmt sein muss. Grund ist zum einen die immer stärker zunehmende Spezialisierung in Bezug auf Technologie, Branche und Nutzererwartung. Zum anderen ist sie notwendig, um sich designmäßig und technologisch vom Wettbewerb zu unterscheiden. Gemeinsamer Nenner aller kundenspezifischer Bediensysteme ist jedoch die strikte Bedarfsorientierung. Je besser sie den Kundenwünschen und den spezifischen Einsatz- und Umgebungsbedingungen Rechnung tragen, umso mehr zahlen sie sich in der Praxis aus. Während Standardprodukte ihrem Charakter nach Bedarfe verallgemeinern, werden kundenspezifische Lösungen präzise in den Bedarf hinein konzipiert.

Unsere Tastatur-Technologien

Design-, Dekor- und Frontfolien

Industrietaugliche Polyesterfolien sind das am häufigsten eingesetzte Material zur Realisierung von Bedienfeldern in der Dateneingabetechnik. Sie ermöglichen eine wasser- und staubdichte Oberfläche und bieten maximale Freiheit in der grafischen Gestaltung des jeweiligen Layouts und Designs. Durch die rückseitige Bedruckung der transparenten Folie ergibt sich ein hoher Schutzgrad gegen Abrieb, Chemikalien und Reinigungsmittel.

Frontfolien, auch als Design- oder Dekorfolien nach ihren grafikorientierten Eigenschaften bezeichnet, werden als oberer Abschluss für verschiedene Tastenarten und -technologien appliziert. Diese reichen vom mechanischen Kurzhubtaster bis zum ultraflachen Folienschaltpaket. Je nach Einsatzzweck lassen sich Hinterleuchtungseffekte ebenso wie Tastenreliefs direkt auf der Folie oder antimikrobielle Beschichtungen realisieren. Frontfolien werden in der Regel mit einem Tasten- bzw. Bedienmodul als deren oberer Abschluss kombiniert. Bei Bedarf können sie jedoch auch als reine Zulieferkomponente angeboten werden.

Als Bedienoberfläche finden Polyesterfolien überall dort Verwendung, wo Widerstandsfähigkeit gegen Verschmutzung zum einen und deren Beseitigung durch Reinigungsmittel zum anderen notwendig sind. So werden sie bevorzugt in Medizingeräten, in Bediengeräten für Maschinen und Anlagen oder im Apparate- und Gerätebau eingesetzt.

Schematische Darstellung:
Dekorfolie
Frontfolie - Individuelle Designfolie mit rückseitiger Klebeschicht ohne Prägung
Dekorfolie mit LED-Fenster
Designfolie mit LED-Fenster – Frontfolie mit transparenter Aussparung für eine Status-LED
Dekorfolie mit LED-Fenster und Reliefdruck
Designfolie mit LED-Fenster und Reliefdruck - Bedruckung der Dekorfolie auf Epoxydharz-Basis
Dekorfolie mit Kissenprägung bzw. Flächenprägung
Designfolie mit Kissenprägung bzw. Flächenprägung - ermöglicht erhabene Tasten auf Dekor- und Frontfolien
Dekorfolie mit Blasenprägung bzw. Domprägung
Designfolie mit Blasenprägung bzw. Domprägung - ermöglicht taktile Rückmeldung ohne mechanisches Schaltelement
Dekorfolie mit Rahmenprägung bzw. Randprägung
Designfolie mit Rahmenprägung bzw. Randprägung - umlaufender Tastenrand ermöglicht intuitive Fingerführung
Flexible Folientastaturen

Flexible Folientastaturen sind langjähriger und bewährter Standard im Maschinen-, Geräte- und Apparatebau. Mit einer Dekor-/Frontfolie bieten sie eine wasser- und staubdichte sowie abriebfeste Oberfläche. Als Tastenelement kommen Schaltpakete aus Polyester zum Einsatz, die leitfähig bedruckt sind und durch Abstandshalter Tastenfunktionalität besitzen. Möglich ist auch der Einsatz flacher mechanischer Schaltelemente wie Metalldome. Diese Schaltpakete werden mit der Frontfolie verklebt und bilden eine Tastatureinheit.

Vorteilhaft ist neben der hohen Beständigkeit und Flexibilität die Möglichkeit, kompakte Tastenlayouts bei geringster Bauhöhe zu realisieren. Gerade bei eingeschränktem Platzangebot wie bei Handgeräten oder Kleinapparaten sind flexible Folientastaturen oftmals unumgänglich. Nachteilig sind der niedrige Tastenhub bei gleichsam relativ hoher Betätigungskraft und die gering ausgeprägte Tastenerhebung, was vom herkömmlichen Bedienkomfort einer PC-Tastatur erheblich abweicht und die hochfrequente Eingabe von Daten erschwert.

Flexible Folientastaturen kommen in Geräten sowohl für die Industrie als auch für den Hausgebrauch zum Einsatz. In den meisten Fällen bekommen sie dort den Vorzug, wo ein konstruktiv bedingt kompaktes Tastenfeld notwendig ist und Umwelteinflüsse wie Schmutz und Feuchtigkeit auftreten. Ein typisches Einsatzgebiet sind medizinische Geräte und Apparate oder Fernbedienungen von elektronischen Geräten.

Folientastaturen mit Schnappscheiben auf Leiterplatte

Bei dieser Technologie handelt es sich um eine mit mechanischen Schaltelementen bestückte Leiterplatte, deren oberer Abschluss eine Polyesterfolie ist. Im Gegensatz zu flexiblen Folientastaturen besitzen sie eine höhere Eigensteifigkeit und lassen sich in Racks oder Gehäuseausschnitte einbauen. Das Hauptcharakteristikum ist die flache Bauhöhe trotz hoher mechanischer Festigkeit, welche durch die Leiterplatte sichergestellt wird. Als Schaltelemente kommen Schnappscheiben aus Metall zum Einsatz, die ihrerseits eine flache Bauhöhe aufweisen und damit einen vergleichsweise geringen Tastenhub. Die Frontfolie, die die eigentliche Bedienoberfläche bildet, kann in verschiedensten Designs von der Rückseite bedruckt werden. Damit ist sie widerstandsfähig gegen Verunreinigungen und Chemikalien. Für eine verbesserte Haptik kann die Frontfolie geprägt oder mit Reliefs bedruckt sein, was dem Finger Orientierung und Führung ermöglicht.

Der Vorteil dieser Technologie sind die flache Bauhöhe sowie ein kompaktes Tastenraster. Dies ermöglicht sogar die Abbildung eines vollständigen MFII-Layouts (105 Tasten) auf relativ kleiner Fläche. Durch die flache Bauhöhe einer leiterplattenbasierten Folientastatur mit Schnappscheiben ist selbst der Einbau in Panels und Fronten mit geringer Tiefe problemlos möglich. Weniger geeignet sind die Tastaturen für den Einsatz in Umgebungen mit schweren mechanischen Einflüssen oder dort, wo eine Industrietastatur mit alternativer Schalttechnologie ohne Begrenzung an Bauhöhe oder Tastenraster eingesetzt werden kann. Bei drei bis vier Newton notwendiger Betätigungskraft und einem geringen Tastenhub ergibt sich ein eingeschränkter Tastkomfort, der eine flüssige und frequente Eingabe nur bedingt zulässt.

Daher kommen Folientastaturen mit Schnappscheibe auf Leiterplatte dort zur Anwendung, wo ein geringes Platzangebot für das Tastaturmodell verfügbar und wo eine nur geringe Bauhöhe möglich ist. Dabei handelt es sich in der Praxis um Bereiche wie Schaltpulte, Hausgeräteanlagen oder Mess- und Diagnosegeräte.

Folientastaturen mit Kurzhubtastern

Diese Tastaturen sind häufig im Industrieumfeld eingesetzt und bewähren sich selbst unter schwierigsten Bedingungen. Eine mit Kurzhubtastern bestückte Leiterplatte und eine Aluminiumfrontplatte mit einer Dekorfolie als oberer Abschluss bilden dabei die konstruktive Grundlage. Durch den Einsatz einer Metallfrontplatte erreichen die Tastaturen einen hohen Schlagfestigkeitsgrad zum einen und eine maximale Eigenstabilität zum anderen. Die Mikrotaster mit kurzem Schaltweg ermöglichen ein angenehmes, präzises Tastgefühl trotz der geschlossenen Folienoberfläche. So ist die Betätigungskraft im Vergleich zu anderen industrietauglichen Schalttechnologien relativ gering, während die Rückführung der Taste selbst beim Tragen von Handschuhen gut spürbar ist.

Durch ihre robuste Bauweise, ihre effiziente Bedienbarkeit und ihre mechanische Festigkeit sind die Modelle hervorragend für die Integration im industriellen Maschinen- und Anlagenbau geeignet. Die Montage erfolgt über Bohrungen oder rückseitige Stehbolzen. Durch ihre hohe Eigensteifigkeit lassen sie sich verwindungsfrei in Ausschnitte oder Racks einbauen. Zudem existieren Modelle im Gehäuse für die Verwendung in Konsolen oder auf Ablagen. Durch die verwendeten Kurzhubtaster ist die Eingabe von Fließtexten nur bedingt möglich. In der Kombination einer geschlossenen Polyesterfolie als Bedienoberfläche mit einem mechanischen Taster sind diese Modelle jedoch die am komfortabelsten zu bedienenden. Gleichsam sind sie die kostenintensivsten dieser Tastaturkategorie.

Werkzeugmaschinen, Metallbearbeitungsmaschinen und Schaltschränke sind die klassischen Einsatzorte dieser Tastaturen. Selbst unter den dort vorherrschenden schwierigen Umgebungsbedingungen funktionieren die Tastaturen auch über lange Zeiträume mechanisch und elektrisch zuverlässig.

Tastaturen mit Langhubtastern

Der Tastenanschlag einer herkömmlichen PC-Tastatur resultiert in der Regel aus der Verwendung von Langhubtastern. Charakteristisch sind die niedrige Betätigungskraft von ca. einem Newton und die gleichsam schnelle, nachdrückliche Rückführung der Taste in die Ausgangsposition. Trotz verschiedener technischer Ausführungen, die je nach Anbieter variieren, ist die Grundkonstruktion ähnlich. In einem Kunststoffgehäuse wird ein Stößel oder Aktuator, der ebenso aus Kunststoff gefertigt ist, linear vertikal in einer Fassung geführt. Am unteren Ende befindet sich eine Feder aus rostfreiem Stahl, die die Rückstellung der Taste bzw. deren Hub überhaupt erst ermöglicht. Üblich ist dabei ein Hub von drei bis vier Millimetern, der gleichzeitig den klassischen Schaltweg einer Langhubtaste definiert. Die Kontaktgabe erfolgt durch den direkten Kontakt des Stößels mit der Leiterplatte. Auf der Unterseite des Stößels ist dann ein kontaktgebendes Element wie z.B. eine Goldbeschichtung aufgebracht. Möglich ist auch der Einsatz einer Metallschnappscheibe, die der Stößel aktiviert und die ihrerseits den Kontakt mit der Leiterplatte schließt.

Verwendung finden Langhubtaster traditionell in Kunststofftastaturen. Dort ermöglichen sie auf Grund ihrer leichten Bedienbarkeit und ihrer schnellen Tastenrückführung eine hochfrequente Dateneingabe. Ihr Hub und ihre Betätigungskraft sind typisch für die elektronische Zeichenerfassung und somit als De-facto-Optimum zu bezeichnen. Möglich ist der Einsatz dieser Tasterart aber auch in Edelstahltastaturen. Statt einer Tastenkappe aus Kunststoff wird hier eine Tastenkappe aus Edelstahl aufgesetzt.

Vorteile entfalten Tastaturen mit Langhubtastern eindeutig beim Bedienkomfort, wo sie als „Idealbesetzung“ gelten können. Vor allem in rauen Umgebungen hingegen wirken sich ihre Anfälligkeit gegen mechanische Einflüsse, die erhöhte Einbautiefe sowie die aufwändige Umsetzung staubgeschützter Lösungen eher nachteilig aus. Daher kommen sie in professionellen Bereichen meist als Backup- oder Servicetastatur zum Einsatz, wo normale Umgebungsbedingungen vorherrschen.

Silikonschaltmatten / Silikontastaturen

Silikonschaltmatten gehören zu den Schalttechnologien mit dem breitesten Einsatzspektrum. Dies reicht von der designorientierten Fernbedienung für den Heimbereich bis zum Einsatz in schwierigsten industriellen Bedingungen. Die Matten sind aus Naturkautschuk gefertigt und werden entweder im Press- oder Spritzverfahren hergestellt. Elastizität und Formtreue sind die beiden entscheidenden Eigenschaften, die Silikontasten zu Allroundern machen. Dabei handelt es sich immer um eine Silikonlage mit erhaben ausgeformten Tasten, die beweglich sind und einen vertikalen Hub ähnlich einer Langhubtaste besitzen. Für die Bedienbarkeit wichtige Parameter wie Stärke der Matte, Tastenform oder die Elastizität des Walkbereiches (beweglicher Teil der jeweiligen Taste, auch Stege genannt) werden im Herstellungsverfahren berücksichtigt.

Die Varianten von Silikonschaltmatten sind vielfältig. Die geringste „Ausbaustufe“ ist eine transparente, geprägte Lage, die als Transfer- und Hubmedium zwischen einer Tastenkappe (z.B. Edelstahl oder Kunststoff) und einem Schaltelement (z.B. Folienschaltpaket oder Metallschnappscheibe) dient. Die maximale Ausbaustufe ist eine Silikonschaltmatte mit leitfähiger Tastenunterseite und Hartplastikkappen, die auf die ausgeformten Silikontasten aufgebracht sind. Möglich ist auch eine unterschiedliche Einfärbung der Silikontasten selbst. Meist werden die Matten hinter eine Plastik- oder Metallfrontplatte fixiert, die Ausschnitte zur Durchführung der ausgeformten Tasten besitzen.

Integriert werden Tastaturen mit Silikonschaltmatten in ähnlichen Einsatzbereiche wie die einer flexiblen Folientastatur. Allerdings liegt der Akzent hier noch stärker auf dem Sektor der Heimelektronik. Die Tasten einer Silikonmatte erfordern – je nach Ausgestaltung der Matte - ca. 1,5 Newton Betätigungsdruck, was sie in die Nähe einer herkömmlichen PC-Tastatur rückt. Das komfortable Tastgefühl zum einen sowie der hohe Schutzgrad der geschlossenen Matte zum anderen begünstigen die Integration in Fernbedienungen, Messinstrumente, mobile Terminals oder Bedienpanels in der Verkehrsmitteltechnik. Nachteilig sind die relativ hohen Werkzeugkosten bei der Realisierung individueller Lösungen sowie die zunehmende Anfälligkeit des Walkbereiches für Einrisse je niedriger die Betätigungskraft gefordert ist.

Silikonummantelte Tastaturen

Tastaturen dieser Kategorie besitzen ein Gehäuse, das vollständig aus Silikon gefertigt ist. In der Regel besteht dieses aus einem Oberteil und einem Unterteil. Beide Komponenten werden durch Silikon oder ähnliche Medien verklebt. Dadurch ergibt sich ein geschlossener Aufbau, der meist einen Schutzgrad von IP68 besitzt und damit wasserdicht ist. Selbst ein Untertauchen in Flüssigkeiten ist möglich. Die obere Silikonmatte besitzt ausgeformte, fühlbare Tasten, die beim Gießen der Silikonmatten ausgeführt werden. Um einen Abrieb der aufgedruckten Tastensymbole zu vermeiden und um die Oberfläche schmutzabweisender zu realisieren werden diese mit einer speziellen Beschichtung (Coating) versehen. Diese erhöht zudem die Haltbarkeit des Materials und stellt eine angenehme Bedienung sicher.

Die Tasten funktionieren bei den meisten verfügbaren Versionen wie bei einer Silikonschaltmatte. Der Unterschied ist, dass die Silikonmatte in diesem Fall nicht das Transfermedium zwischen einer Taste und einem Kontakt ist, sondern dass die Silikonmatte selbst die Oberfläche bildet. Die Kontaktgabe kann über verschiedene Konzepte erfolgen. Grundsätzlich ist der Einsatz von mechanischen und nichtmechanischen Technologien möglich. Dies reicht vom Kurzhubtaster und Scherentaster über Metalldome bis hin zu Folienschaltpaketen. Am häufigsten verbreitet ist die Verwendung von Carbonpillen, die direkt unter die jeweilige ausgeformte Taste der Silikonmatte angebracht sind. Die Auswahl der Technologie richtet sich nach Einsatzfeld und Nutzerpräferenz – alle Schalttechnologien sind für bestimmte Szenarien konzipiert und entfalten dort ihre Vorteile. Obgleich sie für den Einsatz an PC-Arbeitsplätzen konzipiert ist, erreicht sie nicht voll deren gewohnte Taktilität. Grund dafür ist das Silikon als Oberflächenmedium, das eine weniger präzise Rückführung der Taste nach Betätigung bietet.

Zum Einsatz kommen Silikontastaturen an PC-Arbeitsplätzen, wo Sauberkeit und Hygiene, Sicherheit und Resistenz gegen Flüssigkeiten, Staub, Fette oder Öl gefragt sind. Dies beginnt bei Krankenhäusern, führt über die Lebensmittelindustrie und endet in der Industrieautomation.

Metall- und Edelstahltastaturen

Edelstahltastaturen haben die höchste Widerstandsfähigkeit aller Industrietastaturen. Nicht selten werden sie als vandalensichere Tastaturen angeboten. Diese Bezeichnung nimmt bereits eine der Haupteigenschaften vorweg: Der Schutz vor Zerstörung und Beschädigung. Der konstruktive Aufbau aller Modelle dieser Kategorie hat die Verwendung einer meist 2 mm starken Edelstahlfrontplatte mit Tastenkappen aus gleichem Material gemeinsam. Beide bilden ein robustes Schild und schützen die darunter liegenden Tasten und die Elektronik wirksam. Als Tastenkappen werden zumeist vorgefertigte Tastenkappen mit einer bestimmten Form verwendet. Parallel dazu existieren patentierte Technologien, die eine individuelle Geometrie auch in kleinen Stückzahlen erlauben.

Als Schalttechnologie kommen unterschiedliche Konzepte zur Anwendung. Unter der jeweiligen Edelstahltastenkappe können sich Langhubtaster, Kurzhubtaster, Metallschnappscheiben (Metalldome) oder eine Silikonschaltmatte befinden. Die Unterschiede ergeben sich aus der Präferenz des Herstellers sowie aus dem vorgesehenen Einsatzbereich. Während in der Industrie deutlich spürbare Tastenfeedbacks bevorzugt werden, kommen beim Public Computing eher leicht gängige Tasten zum Einsatz. Die Bandbreite von Edelstahltastaturen reicht dabei von der Einzeltaste über Ziffernblöcke bis hin zu Modellen mit vollem PC-Tastatur-Layout. In der Regel handelt es sich dabei um Einbautastaturen. Die Realisierung von Gehäusemodellen für die Desktop- oder Stand-Alone-Verwendung ist jedoch auch möglich.

Die Einsatzbereiche von Edelstahltastaturen sind sehr vielfältig. In der Schwerindustrie empfehlen sie sich wegen ihrer Unempfindlichkeit gegenüber extremen Einsatzbedingungen und mechanischen Einwirkungen. Im Public Computing wie z.B. Bankautomaten sind sie die erste Wahl wegen ihrer relativ leichten Bedienbarkeit in Kombination mit einem maximalen Schutzgrad. Zerstörungsversuche schlagen in den meisten Fällen fehl, weil die Tastenkappen aushebelsicher in der Frontplatte verankert sind. Die Robustheit und Langlebigkeit von Edelstahltastaturen schlägt sich in vergleichsweise hohen Anschaffungs- und Realisierungskosten nieder.

Glastastaturen / kapazitive Schalttechnologie

Bei dieser Technologie handelt es sich nicht um eine Tastentechnologie, sondern um ein elektromagnetisches Wirkprinzip. Statt physisch-mechanischer Transfermedien zwischen einer taktilen Oberfläche und einer Leiterplatte bzw- folie erfolgt die Signalgabe durch die Veränderung der Kapazität, die von einer Auswerteelektronik verarbeitet wird. Dazu wird von Sensoren – bei herkömmlichen Tastaturen die Kontakte – ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Berührt ein Gegenstand mit eigener natürlicher Kapazität dieses Feld, kommt es zu einer Änderung, was dann als Bedienevent gewertet wird. Die elektromagnetischen Felder können verschiedene Medien durchdringen. In der Dateneingabe bezieht sich dies auf nicht- bzw. wenig leitfähige Medien wie Glas oder Acryl Kunststoff (Acrylglas / PMMA).

Kapazitive Tastaturen besitzen einen relativ simplen Aufbau. Die eigentliche Herausforderung besteht vor allem in der Elektronikentwicklung und der Programmierung des Controllers. Prinzipiell dient ein festes Flächenmedium als Träger der Sensoren und Auswerteelektronik. Dies kann eine klassische Leiterplatte sein oder eine leitfähige Polyesterfolie. Diese wird dann unter Reinraumbedingungen hinter die eigentliche Bedienoberfläche gedruckt. Hierbei handelt es sich in der Praxis um Glas, das in Stärken von 0,8 bis 3 Millimetern zum Einsatz kommt. In Sonderfällen kann die Elektronik auch direkt auf die Rückseite der bedruckten Bedienoberfläche bzw. des Glases gedruckt werden.

Der Vorteil dieser Technologie sind der enorme Designwert und die vollkommen ebene Oberfläche. Funktionell lassen sich diese Tastaturen hervorragend reinigen und desinfizieren. Dies prädestiniert sie für den Einsatz im Hygieneumfeld und in Bereichen mit hohem Designanspruch. Für den Nutzer ungewohnt dürfte die fehlende Fingerführung beim Schreiben von Texten durch nicht vorhandene Tastenerhebungen sein. Wie bei Smartphones ist auch hier der ständige Blick auf die Bedienoberfläche bzw. die Tasten notwendig. Eingesetzt werden professionelle kapazitive Tastaturen in der Gastronomietechnik, in der Konferenz-, Retail- und Hotelausstattung, in Self-Service-Systemen und in hygienerelevanten Umfeldern.

Integration Cursorsteuerung

Mit den so genannten Cursorsteuerungen ist es möglich den Mauszeiger über den Bildschirm zu bewegen. Diese Art der PC-Bedienung ergänzt die rein tastenbasierte PC-Bedienung in den 70iger Jahren des letzten Jahrhunderts. Den Beginn markierte dabei eine PC-Maus, die zum ersten Mal die Positionierung des eigentlichen Cursors und die Bewegung des Mauszeigers voneinander unabhängig machte. Bis zu diesem Zeitpunkt existierte lediglich ein Cursor, der in einem Computerprogramm die aktuelle Bearbeitungsposition markiert. Dieser wurde mit den Pfeiltasten der Tastatur an die entsprechende Position gebracht. Insofern ist der gebräuchliche Begriff „Cursorsteuerung“ nur ein Teil vom Ganzen; in den meisten Fällen handelt es sich um die Steuerung bzw. Bewegung des Mauszeigers.

Spätestens seit dem Zeitalter grafischer Bedienoberflächen ist diese Technologie unverzichtbarer Standard geworden.  Die PC-Maus ist dabei die typische Variante. Um jedoch die Integration von Mausfunktionalität in Geräten und Systemen zu ermöglichen, haben sich verschiedene Grundtypen integrierter Cursor- bzw. Maussteuerungen etabliert. Notwendig ist dies meist, wenn eine adäquate Ablage oder der notwendige Aktionsraum für eine Maus fehlen. Dies beginnt bei einem Minijoystick, der als Tastenform konstruiert ist, und reicht bis zum projiziert-kapazitiven Touchsensor, der die gesamte Operationsfläche, den Bildschirm nämlich, buchstäblich zum Mousepad ausgestaltet. Die Wahl einer integrierten Cursorsteuerung sollte immer exakt an den technischen Umgebungsbedingungen und dem Einsatzszenario ausgerichtet werden. 

Touchpads

Touchpads sind vom Prinzip her physische Flächensensoren. Sie besitzen eine berührungsempfindliche Oberfläche und einen Controller, der die Signale an der Oberfläche misst. Diese werden vom jeweiligen Betriebssystem verarbeitet, indem es die Fingerbewegungen in Mausbewegungen übersetzt. Die physische Größe eines Touchpads kann dabei unterschiedlich sein. So wird in der Regel ein Stand-Alone-Touchpad großzügiger ausgeführt sein als ein 65 x 50 mm großes Touchpad, das in einer Tastatur integriert ist. Zudem können je nach Bedarf zusätzliche Bedienfunktionen wie Gestensteuerung (Multitouch) oder Tapping bereitgestellt werden.

In der Praxis und speziell in der Industrieautomation haben sich – analog zu Touchscreens - resistive und kapazitive Varianten durchgesetzt. Resistive Touchpads benötigen zum Bedienen einen leichten Druck; es handelt sich dabei um zwei transparente, leitfähige Schichten, die mit Abstandhaltern voneinander getrennt sind.  Kapazitive Touchpads hingegen verwenden ein zweischichtiges Koordinatennetz aus Elektroden, das gitterähnlich angeordnet ist. Bei Berührung der Oberfläche verändert sich das elektrostatische Feld zwischen beiden Elektroden und wird von einem Microcontroller erfasst und verarbeitet.

Beide Touchpad-Varianten besitzen Vor- und Nachteile und werden je nach den spezifischen Umgebungsbedingungen und der Art der Bedienung eingesetzt. Der grundsätzliche Technologievorteil ist die bildschirmunabhängige Bewegung des Mauszeigers auf einer kleinen Fläche.

Trackballs

Trackballs sind Kugeln, deren Drehbewegung mit der Bewegung des Mauszeigers synchronisiert ist. Sie sind auf verschiedene Weise in Gehäusen gelagert. Die Kugeln können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. In der Praxis haben sich Edelstahl und Kunstharz bewährt. Die Durchmesser reichen von 13 mm bis hin zu 50 mm. Trackballs sind als Desktop-Varianten im Tischgehäuse, als Frontplatten oder als OEM-Einbaumodule verfügbar. Die Kugel wird in der Regel von zwei Tasten ergänzt, die die rechte und die linke Maustaste repräsentieren.

Als Funktionsweisen haben sich die mechanische, die optische und die laser-basierte Detektion der Kugelrotation durchgesetzt. Sie entfalten ihre spezifischen Vorteile je nach der Kombination Umgebungsbedingungen, Präzisionsanforderung und Bedienmodus. Zusätzliche Funktionen sind hohe Schutzgrade bis IP69k und IK10, Beleuchtungen oder herausnehmbare Kugeln. Als Schnittstellen steht eine große Bandbreite an Optionen zur Verfügung. Dies reicht vom Matrixausgang (Steckerleiste) über I2C bis hin zum anwendungsbereiten USB-Anschluss.

Trackballs kommen vornehmlich dort zum Einsatz, wo ein geringes Platzangebot für eine integrierte Cursorsteuerung verfügbar ist. Im Gegensatz zu Touchpads oder PC-Mäusen erlauben sie jedoch keine homogene Bewegung des Fingers, sondern erfordern diverse Rollzyklen vom Ausgangspunkt des Mauszeigers zu dessen Bestimmungsposition. Der grundsätzliche Technologievorteil liegt auf der hohen Widerstandsfähigkeit sowie der stark haptischen Führung der Kugel, die auch mit schweren Arbeitshandschuhen bedient werden kann.

Touchscreens / Touchsensoren

Touchsensoren, auch als Touchscreens bezeichnet, sind ähnlich wie Touchpads aufgebaut bzw. besitzen deren grundsätzliche Funktionsweise. Der größte Unterschied besteht darin, dass die hardwareseitige Trennung zwischen Eingabe- und Ausgabegerät aufgehoben ist. Die Dateneingabe bzw. die Bewegung des Cursors erfolgen quasi auf der Oberfläche des Displays. Als Flächensensoren verwenden Touchscreens daher hochtransparente Medien, um Sichteinschränkungen zu vermeiden. Die am meisten verwendeten Touch-Technologien sind die projiziert-kapazitive (auch p-cap genannt) und die resistive. Daneben existieren weitere Varianten für spezielle Anwendungen, die Infrarot- oder Schallwellen verwenden.

Ein resistiver Touchscreen reagiert wie auch ein resistives Touchpad auf Druck. Dieser besteht aus zwei Lagen, die unter Spannung stehen. Die obere Schicht ist aus Polyester und die darunter liegende oft aus Glas. Drückt man nun die Schichten zusammen, die von Spacern auseinandergehalten werden, kann man die jeweilige Spannungsänderung an den Rändern messen. Der Controller ermittelt so die Position der Druckstelle. Vorteilhaft ist bei dieser Technologie die Bedienbarkeit selbst mit schweren Arbeitshandschuhen oder beliebigen geeigneten Gegenständen. Als nachteilig erweisen sich Einschränkungen in der Auswertung der Signale (z.B. bei Gesten) sowie die Polyesteroberfläche, die nicht vollumfänglich gegen die Einflüsse eines Industrieumfeldes geschützt ist.

Der projiziert-kapazitive Touchsensor besteht aus einem Trägermedium. Das kann eine Glasplatte (Dünnglas) oder einer Polyesterfolie sein, die jeweils eine rasterförmige ITO-Beschichtung besitzen oder eine zweilagige Konstruktion von Leitungsdrähten (Matrixanordnung). Das so erzeugte elektrische Feld ermöglicht sowohl die Detektion mehrerer Berührungspunkte als auch die Auswertung von Bewegungen auf der Oberfläche. Der Vorteil besteht in der Vielseitigkeit der Bedienung. Nachteilig stellt sich die eingeschränkte Bedienung mit Handschuhen dar.

Touchsensoren sind standardmäßig in unterschiedlichen Diagonalen und Seitenverhältnissen verfügbar. Sie müssen mit der Glasfront des jeweiligen Bediensystems verbunden werden, was durch verschiedene Bonding-Verfahren unter Reinraumbedingungen realisiert wird. Der Technologievorteil besteht in der Zusammenführung von Ausgabe- und Eingabemedium sowie die flexibel per Software gestaltbare Bedienoberfläche (GUI).

Joysticks

Joysticks erlauben eine intuitive, vergleichsweise großzügige und quasi aus dem Handgelenk bewegungssynchrone Betätigung. Daher sind sie eher selten als reiner Mausersatz für klassische PC-Anwendungen im Einsatz, wo es auf schnelle und präzise Positionierung des Cursors ankommt. Vielmehr dienen sie meist als Bedienelement für bewegliche mechanische Systeme (z.B. Fahrzeuge und Hebearme) oder für die Steuerung grafischer Elemente am Bildschirm (z.B. Computerspiele). Ergonomisch besitzt ein Joystick eine nahezu optimale Form, der seinem Charakter mehr einem Werkzeug gleicht als andere Mauszeigegeräte.

Kriterien für die Selektion des geeigneten Joysticks sind vor allem die Achsenfunktion, die Federzugkraft zur Rückstellung des Hebels, die Kulissenführung bzw. die mechanische Begrenzung des Auslenkungsbereiches, die Bauform und die Größe des Steuerhebels. Darüber hinaus unterscheiden sie sich in digitaler und analoger Wirkweise. Während ein digitaler Joystick lediglich die Ausrichtung über vier Signalgeber erfasst, wird bei analogen Varianten auch der Auslenkungswinkel gemessen.   

Anwendungen für Joysticks sind vielfältig: Sie können im Gerätebau, als Steuereinheit für die Medizintechnik, in Baumaschinen und im Verkehrsmittelbau eingesetzt werden. Auch Rehabilitations- und Fürsorgeanwendungen offenbaren zahlreiche Einsatzmöglichkeiten wie die Bedienung von Krankenfahrstühlen oder Krankentransportvorrichtungen. Die intuitive und der menschlichen Ergonomie nahe kommende Bedienung ist hier ein entscheidender technologischer Vorteil.

Mechanik

Bediensysteme und -baugruppen benötigen mechanische Trägerelemente, die die einzelnen Komponenten aufnehmen und die notwendige Stabilität sicherstellen. Dies reicht von der Frontblende bis zum Gehäuse. Dabei kommen unterschiedliche Materialien, Geometrien und Konstruktionen zum Einsatz, die auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen abgestimmt sind. Physische Belastungen und Einwirkungen, extreme Temperaturen, Vibration, Staub, Flüssigkeiten und Feuchtigkeit sind dabei nur einige zu berücksichtigende Faktoren. Auf der anderen Seite haben mechanische Träger entscheidenden Einfluss auf das Design bzw. die ästhetische Wahrnehmung. Zur Erhöhung des visuellen Werts stehen eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung.

Frontplatten

Eine Frontplatte ist der dem Bediener zugewandte Abschluss eines Bediensystems. Sie besteht aus einem soliden, ebenen, möglichst verwindungsfreien Werkstoff. Bewährt haben sich Materialien wie Metall, Kunststoff oder Glas. Für spezielle, designorientierte Systeme sind auch Acryl-Mineral-Kunststoffe oder sogar Holz möglich. Als mechanischer Träger nehmen sie sämtliche Komponenten auf, die zur Bedienung und Visualisierung notwendig sind. Dies reicht vom Einzeltaster über Tastenfelder bis hin zu integrierten Displays. Zusätzlich können weitere Interfaces wie USB-Anschlüsse, RFID-Empfänger oder Chipkartenleser integriert werden. Die Integration von Frontplatten in Geräte und Apparate erfolgt über mechanische Aufnahmeelemente wie Stehbolzen, Montagebohrungen oder Klemmschellen.

Bedienfronten aus Metall

Als Träger für Bedien- und Visualisierungskomponenten ist Metall der geeignetste Werkstoff. Seine Robustheit und Stabilität führt zu großer Widerstandsfähigkeit und ermöglicht eine hohe Lastaufnahme. Damit können Monitore, Edelstahltastaturen oder Einzeltaster in eine einzige Front integriert werden. Ein weiterer Vorteil ist die leicht zu realisierende mechanische Ausstattung mit Stehbolzen oder Gewindebohrungen zur Aufnahme der vorgesehenen Bedienbaugruppen und zur Integration der Bedienfront selbst. Zum Schutz der Metalloberfläche sind Overlays aus PET-Folien üblich, die zudem eine erweiterte grafische Gestaltung ermöglichen. Aluminium kann seinerseits individuelle Farbgebungen durch Eloxierung oder Pulverbeschichtung erhalten.

Bedienfronten aus Glas

Glas hat sich mit dem Aufkommen kapazitiver Bediensysteme und -komponenten als Bedienfront etabliert. Touchsensoren (Touchscreens), kapazitive Taster oder Touchpads werden auf die Rückseite der Glasfläche laminiert. Die in der Regel drei bis sechs Millimeter starke Scheibe kann zudem kleinere Displays freitragend aufnehmen; für größere und schwerere Monitore ist eine Hinterkonstruktion aus stabilem Material notwendig. Der Vorteil von Glas als Bedienfront besteht in der flachen Oberfläche, die leicht zu reinigen ist, und aus der rückseitigen Bedruckung, die attraktive Designs erlaubt. Auf Grund der Transparenz von Glas lassen sich Hinterleuchtungseffekte erzielen, die von der einfachen Punktbeleuchtung bis zur diffusen Flächenbeleuchtung in Verbindung mit einer Interaktion reichen.

Gehäuse

In der Bedientechnik nehmen Gehäuse die jeweiligen Komponenten, Baugruppen und Komponenten mechanisch auf und kapseln sie gleichsam gegen äußere Einflüsse. Zudem ermöglichen sie die Montage bzw. Verbindung mit Maschinen und Anlagen per VESA, Haltebolzen oder Winkeln und Schienen. Ein wesentlicher Faktor ist auch die äußere Formgebung, die einen immer größeren Stellenwert einnimmt. Als Material werden in den meisten Fällen Metall oder Kunststoff verwendet. Gehäuse können je nach Umgebung spezifiziert werden. Typische zu definierende Werte sind neben Abmessung, Aufnahme und Formgebung der Schutzgrad gegen Staub und Flüssigkeiten (Dichtheit), der Temperaturbereich, der Stoß-/Schlagschutzgrad oder die für den Einsatzbereich relevanten EMV-Normen.

Dichtungen

In industriellen Umgebungen sind häufig Schutzgrade gefordert, die ein Dichtungskonzept notwendig machen. Im Mittelpunkt steht dabei die IP-Klassifizierung, die den Umfang des Eindringens von Feststoffen und Flüssigkeiten in das jeweilige Gerät bzw. System definiert. Für einen dem geforderten Schutzgrad entsprechenden Einbau besitzen Baugruppen und Komponenten zum einen feste Dichtungen auf Kautschuk- und Silikonbasis (z.B. Dichtschnüre), aus Schaumstoff (Moosgummi) oder doppelseitige Klebebänder. Flüssige Dichtungen werden zum anderen durch manuellen oder maschinellen Verguss meist in Spalten auf den Bedienoberflächen eingebracht. Ein typischer Fall ist hier ein Frontglas mit kapazitivem Sensor, das in ein Metallpanel eingebracht ist. Durch Verguss wird der Spalt zwischen Metall und Glas staub- und wasserdicht geschlossen.

Schnittstellen

PC-/Hardware-Schnittstellen sind Kommunikationspunkte zwischen verschiedenen Subsystemen und Baugruppen, über die ein Datenaustausch stattfindet. Diese sind eindeutig definiert nach den physikalischen Eigenschaften der Schnittstellenleitungen, den ausgetauschten Signalen und deren Funktionalität. Relevant für Baugruppen der Bedientechnik sind vor allem die klassischen Peripherieschnittstellen sowie Bus-Schnittstellen. Sie dienen dazu, die Signale eines Bedienevents, das in der Regel bereits durch Controller zu lesbarem Code verarbeitet wurde, in geeigneter Weise an die jeweilige Gegenstelle weiterzugeben bzw. Daten von dieser zu empfangen. Zur Vereinheitlichung haben sich verschiedene Normen und Protokolle herausgebildet.

Tastaturmatrix

Bei einem Matrixinterface handelt es sich in der Regel um Steckerstifte, die auf der Rückseite einer Dateneingabe-Baugruppe in Reihenform aufgebracht sind. Die Dicke und der Abstand der so genannten Port-Pins zueinander sind genormt. Der Anschluss an ein Subsystem oder eine Auswerteeinheit erfolgt gewöhnlich über ein Flachbandkabel mit einem passenden weiblichen Steckverbinder.

Eine Tastatur-Matrix repräsentiert die elektronische Matrix einer Tastatur, die in Reihen und Spalten unterteilt ist. Bei einem Bedienevent wird die jeweilige Position des Bedienimpulses identifiziert und als Signal weitergegeben. Die Tastaturmatrix bietet somit lediglich die Ausgabe der elektrischen Impulse und bedarf einer Weitergabe an einen Controller oder eine andere Auswerteeinheit, um einen maschinenlesbaren Code zu generieren.

Controller

Der Controller ist die Brücke zwischen einer Bedieneinheit und einem weiterverarbeitenden EDV-System wie einem PC. Er dient dazu, die elektrischen Signale eines Bedienevents in einen computer- bzw. systemrelevanten Code zu übersetzen. Die Ausgabeinformation an einen PC, der Scancode, wird von dem jeweiligen Betriebssystem verstanden und verarbeitet. Wenn dies nicht der Fall ist, kommen Treiber zum Einsatz. In diesem Zusammenhang bezeichnet man einen Controller auch als Decoder. 

Controller für kapazitive Bedienbaugruppen funktionieren über ein anderes Prinzip. Sie detektieren die Position eines sich verändernden elektrischen Feldes auf der Bedienoberfläche. Bei Touchpads und Touchscreens sind dies flächige Bereiche; bei kapazitiven Tasten oder Tastaturen handelt es sich um Einzelpunkte. Über diese Controller kann u.a. auch die Sensitivität des Auslöseevents bestimmt werden.

Serielle Schnittstellen

Die serielle Schnittstelle bezeichnet die Datenübertragung zwischen zwei Geräten, bei denen einzelne Bits nacheinander und nicht parallel gesendet werden. Es existiert eine Vielzahl serieller Schnittstellen, deren Konzepte sich je nach physischem Steckverbinder, physischer Leitung, Übertragungsart, Übertragungsweise und Verwendungszweck unterscheiden.

Bekannte serielle PC-Peripherie-Schnittstellen sind RS232, PS/2 und auch USB. Selbst Bluetooth zählt zu diesem Datenübertragungskonzept. Im Bereich der geräteinternen Kommunikation (auf Platinen-Ebene) haben sich Standards wie I2C, I2S oder SPI herausgebildet. Die Wahl der richtigen Schnittstelle wird von einer großen Zahl von Faktoren beeinflusst und bedarf einer sorgfältigen Planung, Auswahl und Anpassung.

Feldbus-Schnittstellen

Ein BUS (Binary Unit System) ist ein System, das die Datenübertragung innerhalb eines Netzwerks regelt. Dabei wird ein gemeinsamer Übertragungsweg genutzt; die einzelnen Datenübertragungen bzw. die Kommunikation von Geräten und Modulen untereinander sind jedoch voneinander getrennt und klar geregelt. Je nach Zweck und Umgebung werden Unicast-, Broadcast- oder Multicast-Konzepte verwendet, welche die „Rechte“ von Sendern und Empfängern managen. Jede Baugruppe bzw. jedes Gerät innerhalb eines Bussystems besitzt dabei eine Adresse. Eine andere Art der Systemvernetzung durch Datenübertragung sind Ethernets, die im Gegensatz zu Bussystemen Switches verwenden.

Feldbusse werden in komplexen IT-gestützten Systemen verwendet. Dies reicht von Verkehrsmitteln wie Flugzeugen über die Gebäudeautomation bis hin zur Produktionssteuerung. Die Wahl eines Bus-Systems wird stark durch die eingesetzte SPS beeinflusst, weshalb sich bestimmte Quasi-Standards in Bezug auf SPS-Anbieter und verwendetem Feldbus herausgebildet haben. So ist die Kombination von Bosch-SPS mit Sercos oder eine Siemens-SPS mit Profibus gängige Praxis. Um Geräte und Baugruppen in Bus-Systeme einzubinden benötigen diese eindeutig definierte Voraussetzungen im Bereich des Interfaces und des Datenprotokolls.

Beispiele für individuelle Bediensysteme:

  • Silikontastatur / Silikonschaltmatte
  • Glastastatur / Kapazitive Tastatur
  • Folientastatur mit Schnappscheibe / Flexible Folientastatur
  • Folientastatur mit Kurzhubtasten als Frontrahmen mit Display-Ausschnitt
  • Edelstahltastatur als Folientastatur mit Domprägung und roter Hintergrundbeleuchtung
  • Edelstahltastatur mit Schnappscheiben-Technologie in kompaktem Edelstahl-Gehäuse
  • Bedruckte Edelstahlfolie mit Domprägung
  • Kundenspezifisches Display mit frontseitigen Tasten

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