Przemysł 4.0 i związana z nim cyfryzacja radykalnie zmieniły wymagania stawiane systemom operacyjnym. Konwencjonalne techniki wprowadzania danych są spychane do defensywy. W interfejsie człowiek-maszyna od wielu lat ustanowiono procedury obsługi dotykowej (wprowadzanie dotykowe) oparte na pojemnościowej zasadzie działania. Jaka jest więc dziś rola klawiatur membranowych, które kiedyś były uważane za standard wprowadzania danych w środowisku przemysłowym i komercyjnym?

Czwarta rewolucja przemysłowa w dużej mierze przyczyniła się do zmiany interfejsu człowiek-maszyna. Wprowadzanie danych połączyło się z wizualizacją (obsługa i monitorowanie). Przede wszystkim możliwość projektowania interfejsu użytkownika za pomocą oprogramowania znacznie zmieniła możliwości panelów HMI. Wprowadzanie danych na ekranie za pomocą dotyku jest obecnie standardem w komputerach powszechnego użytku i przemysłowych. Nowe generacje mikrokontrolerów wraz z cyfrowymi systemami i podsystemami jeszcze bardziej przyspieszają ich rozwój. Dzięki temu możliwe stają się nowe panele operacyjne: ze sterowaniem głosowym i pierwsze wyświetlacze holograficzne z rozpoznawaniem gestów.

Klawiatura membranowa kontra ekran dotykowy

W niektórych zastosowaniach utrzymują się jednak tradycyjne interfejsy wprowadzania danych oparte na klawiszach. Widać to m.in. na przykładzie klasycznej klawiatury PC. Struktura fizyczna i sposób poruszania się klawiszy są nadal optymalne dla odczuć dotykowych operatora, szczególnie przy wprowadzaniu danych z dużą częstotliwością. 

Podobnie jest z wprowadzaniem danych w środowisku przemysłowym/komercyjnym. Chociaż systemy z ekranami dotykowymi są tu powszechnie stosowane, nie wszędzie się nadają. Ostatecznie często warunki środowiskowe, specyfika systemu i urządzenia, indywidualne preferencje użytkownika lub wymogi bezpieczeństwa są powodem, dla którego konieczne jest stosowanie klawiatury mechanicznej. Prym wiodą tu klawiatury membranowe, które są uważane za standard do pracy w wymagających środowiskach.

Poniższa tabela pokazuje bezpośrednie porównanie klawiatur membranowych i paneli z ekranem dotykowym. System ekranu dotykowego składa się zawsze ze złożonego zespołu wyświetlacza, czujnika dotykowego, szyby czołowej i oprogramowania do wyświetlania elementów obsługi.

Klawiatura membranowa: Jeden termin dla wielu wariantów

Termin klawiatura membranowa odnosi się zasadniczo do zginanej, elastycznej warstwy folii, która umożliwia realizowanie funkcji klawiatury i przełączania. W swojej podstawowej formie składa się ona z dwóch folii pokrytych lakierem przewodzącym. Folie są od siebie oddzielone przekładkami. Obszary, na których styk przełączający może zostać wyzwolony przez nacisk, stanowią klawisze. Klawisze na przedniej folii są zazwyczaj wytłoczone i umożliwiają odczuwanie dotyku.

Klawiatura membranowa może być również stosowana w klawiaturze PC. Umieszczona poniżej właściwych klawiszy, przyjmuje rolę elementu stykowego. Po naciśnięciu klawisze uderzają w pakiet przełączników membranowych i w ten sposób uruchamiają styk. 

Inna odmiana terminu klawiatury membranowe odnosi się do sztywnych, wytrzymałych klawiatur przemysłowych. Jest to płytka drukowana wyposażona w przyciski mechaniczne. Mogą to być mikroprzełączniki lub metalowe kopułki. Na powierzchnię nakładana jest warstwa folii. Zazwyczaj ma wytłoczone klawisze. Dzięki elastycznemu materiałowi, przyciski mechaniczne są łatwe w obsłudze.

Rodzaje klawiatur membranowych i ich zastosowanie

Elastyczne klawiatury membranowe z mechanicznymi elementami przełączającymi i bez nich. Ten wariant klawiatury jest długoletnim i sprawdzonym standardem w budowie maszyn i urządzeń. Z folią dekoracyjną/frontową oferuje wodoodporną, pyłoszczelną i odporną na ścieranie powierzchnię. Jako element kluczowy stosuje się płaskie pakiety przełączników z poliestru, które są nadrukowane z właściwościami przewodzącymi i posiadają kluczową funkcjonalność dzięki przekładkom. Możliwe jest również zastosowanie mechanicznych elementów przełączających, takich jak płaskie kopułki metalowe.

Klasycznym obszarem zastosowania są małe i średnie urządzenia elektryczne, które wymagają kilku przycisków do sterowania funkcjami. Począwszy od domowych urządzeń elektroniki użytkowej po technologię medyczną i przemysłowe urządzenia pomiarowe. Elastyczne klawiatury membranowe demonstrują w tych zastosowaniach swoje zalety w postaci kompaktowej, zajmującej niewiele miejsca konstrukcji. W ten sposób niezbędne klawisze można umieścić na niewielkiej powierzchni.

Przełączniki membranowe z zatrzaskami na płytce drukowanej. W tej technologii płytka drukowana jest wyposażona w mechaniczne dyski zatrzaskowe, których górną część wykonana jest z folii poliestrowej. W przeciwieństwie do elastycznych klawiatur membranowych są one dużo sztywniejsze. Główną ich cechą jest niewielka wysokość konstrukcji przy dużej wytrzymałości mechanicznej, którą zapewnia płytka drukowana. Jako elementy przełączające stosowane są metalowe dyski zatrzaskowe.

Klawiatury tego typu są najczęściej stosowane tam, gdzie wymagany jest pełny układ klawiatury przy niewielkiej głębokości zabudowy i stosunkowo dużej trwałości. Typowymi obszarami zastosowań są konsole sterownicze i panele kontrolne w dyspozytorniach, instalacjach grzewczych i zasilających lub urządzeniach pomiarowych.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Elektrotechnika i technika łączeniowa

Panele membranowe interfejsami łączącymi człowieka i maszynę

Panele membranowe, inaczej zwane klawiaturami foliowymi lub membranowymi, to dziś jeden z podstawowych elementów większości maszyn czy urządzeń elektronicznych. Stosuje się je głównie jako panele operatorskie, które odpowiadają za interakcję użytkownika z maszyną. Dlaczego producenci różnego rodzaju elektroniki użytkowej korzystają z nich tak chętnie?

Raporty

Raport o cyfryzacji: świadoma transformacja w sektorze MŚP

Według raportu Konica Minolta czterech na pięciu przedstawicieli sektora Małych i Średnich Przedsiębiorstw uważa, że zwiększenie poziomu automatyzacji i cyfryzacji jest konieczne.

Klawiatury membranowe z mikro przyciskami. Klawiatury te składają się z płytki drukowanej wyposażonej w mikro przyciski i aluminiowego panelu przedniego jako elementu nośnego. Górne wykończenie stanowi folia dekoracyjna. Dzięki zastosowaniu metalowego panelu przedniego klawiatury osiągają one wysoki stopień odporności na uderzenia. Mikro przyciski z krótkim skokiem przełączania umożliwiają przyjemne, precyzyjne odczucia dotykowe pomimo zamkniętej powierzchni membrany.

Klawiatury membranowe z mikro przyciskami są najbardziej odpornym wariantem. Można je stosować w produkcji, przemyśle i handlu. Typowe zastosowania to wprowadzanie danych na liniach produkcyjnych przy obróbce metali, produkcji elektroniki lub produkcji żywności.

Pojemnościowe klawiatury membranowe. Pojemnościowe klawiatury membranowe nie mają ruchomych części. Zamiast tego reagują poprzez elektrodę czujnika na zbliżenie palca. Powierzchnia czujnika przycisku składa się z dwóch odizolowanych od siebie obszarów: elektrody nadawczej i odbiorczej. Powierzchnia robocza może być całkowicie płaska, ale możliwe jest również wytłoczenie lub nadruk. W przeciwieństwie do klawiatur pojemnościowych ze szklaną powierzchnią, te elementy haptyczne są znacznie łatwiejsze i tańsze w produkcji, nawet w małych ilościach.

Pojemnościowe klawiatury membranowe są stosowane w tych samych obszarach, co pojemnościowe klawiatury ze szklaną powierzchnią.

Istotnym czynnikiem jest zapewnienie wysokiego stopnia ochrony higienicznej. Wersje foliowe są często preferowane, gdy perspektywa kosztów bierze górę nad wartością projektową. Typowe obszary zastosowań to komercyjne urządzenia gastronomiczne, samoobsługowe dystrybutory napojów i innych towarów lub sprzęt medyczny.

Klawiatury z folią metalową. Szczególnym wariantem klawiatur membranowych są warianty z folią metalową. Istnieją dwa główne podejścia do tego zagadnienia. Opatentowana technologia Metal-Over-Cap umożliwia zastosowanie pojemnościowego czujnika dotykowego pod metalową powierzchnią. Z kolei tzw. technologia Click-Inox wykorzystuje folię ze stali nierdzewnej o grubości 0,2 mm, na której wytłoczone są kształty klawiszy. Wytłoczone klawisze są dotykowe i zamykają połączenie mechanicznie.

Oba warianty czerpią swoją przewagę z niezwykle wytrzymałej powierzchni metalowej, która wytrzymuje największe obciążenia. Dlatego te niszowe technologie są stosowane w bardzo wymagających środowiskach: publicznych obiektach sanitarnych, systemach zewnętrznych lub instalacjach w zakładach przetwórstwa spożywczego.

Porównanie różnych typów klawiatur membranowych

Poniższa tabela zawiera przegląd zalet i wad różnych wersji klawiatury membranowej, które są istotne dla danego zastosowania.

Klawiatury membranowe wciąż mają silną pozycję w kombinacji technologii HMI w erze cyfrowej. W niektórych zastosowaniach są one nawet lepszym wyborem niż ekran dotykowy. Również w cyfrowej przyszłości dalsze poleganie na tym, co sprawdzone i przetestowane, co również ewoluuje w niuansach, zapewni dalsze istnienie klawiatur membranowych.

Autor: Stefan Glaubitz, dyrektor zarządzający ATEG w Remscheid