Electrons

Technologia nakładek dotykowych rezystancyjnych 4W/5W


Wprowadzenie

     Nakładki lub monitory dotykowe pozwalają na skuteczne zaimplementowanie interfejsu dotykowego pomiędzy użytkownikiem a urządzeniem. Nakładki dotykowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle oraz systemach Digital Signage w takich urządzeniach jak monitory przemysłowe, panele PC, infokioski, standy multimedialne oraz przenośne urządzenia. Jednym z najpopularniejszych nakładek są nakładki dotykowe wykonane w technologii rezystancyjnej cztero przewodowe (4W) oraz pięcio przewodowe (5W).

     Nakładki dotykowe rezystancyjne są jednych z najpopularniejszych nakładek dotykowych. Najczęściej można je spotkać w takich aplikacjach jak urządzenia PDS, punkty sprzedaży, infokioski, medycyna, przemysł.


Konstrukcja i zasada działania

     Nakładki dotykowe rezystancyjne 4W/5W charakteryzuje wspólna zasada działania oraz podobna technologia wykonania. Nakładki rezystancyjnych złożone są z kilku warstw. Pierwsza warstwa od strony spodniej jest to warstwa szklana z naniesioną warwą rezystancyjną ITO. Druga warstwa złożona jest z warstwy poliestru z naniesioną warstwą przewodzącą i umiejscowiona jest od strony wierzchniej. Pomiędzy nimi zachowana jest izolacja powietrzna wraz z izolacyjnymi dyspenserami (rys. 1) 

     W momencie dotyku następuje wygięcie wierzchniej warstwy poliestru i kontakt elektryczny warstwy przewodzącej z warstwą rezystancyjną. Na skutek tego zostaje wygenerowane napięcie elektryczne, które następnie jest przetwarzane na sygnał cyfrowy i odczyt współrzędnych X oraz Y miejsca dotyku.

     Ponieważ dotyk, w nakładkach rezystancyjnych, aktywowany jest siłą nacisku, pozwala to na użycie praktycznie dowolnego aktywatora takiego jak: palec, rysik, rękawiczka, karta płatnicza i wiele innych.

 

Nakładki 4W

     Nakładki dotykowe rezystancyjne 4W (four-wire) należą do najprostszych technologicznie nakładek dotykowych. Konstrukcja złożona jest z dwóch warstw przewodzącej oraz rezystancyjnej z dwoma wyprowadzonymi na każdą warstwę, tworząc jedno wyprowadzenie cztero przewodowe (rys. 2). Warstwa rezystancyjna najczęściej wykonana jest z przezroczystego materiału ITO charakteryzującego się dobrymi właściwościami elektrycznymi.

 

Na rysunku 3 oraz 4 przedstawiony jest poglądowy schemat wyprowadzeń oraz podłączenia nakładki.


     Zasada działania jest bardzo prosta. W pierwszej kolejności kontroler zasila linie pionowe (warstwę spodnia) napięciem 5V natomiast linie poziome są nasłuchiwane poprzez pomiar napięcia. W momencie dotyku następuję zwarcie obu powierzchni generując napięcie na warstwie wierzchniej, które odczytywane jest przez kontroler. W zależności od wysokości napięcia określana jest współrzędna X. Następnie następuję natychmiastowe odwrócenie procesu. Warstwa wierzchnia zostaje zasilana napięciem 5V i następuje odczyt napięcia odłożonego na warstwie tylnej (współrzędnej Y).

 

Zalety:

> niski koszt produkcji,
> łatwość instalacji i wymiany,
> szeroka kompatybilność z kontrolerami i systemami operacyjnymi.
> aktywacja powierzchni praktycznie dowolnym elementem, zarówno palcem, rękawiczką jak i rysikiem,
> możliwością pracy w różnych warunkach środowiskowych, odpornością na wilgoć zachlapania oraz kurz.
 

Wady:

Nakładki dotykowe rezystancyjne 4W posiadają również wady wynikające z technologii.

> Ich słabym punktem jest słaba wytrzymałość powierzchni. Powierzchnia może ulec zniszczeniu na skutek zarysowania lub uderzenia. Wytrzymałość powierzchni to jedynie milion dotknięć na jeden punkt. Wada ta wynika z tego, że powierzchnia jest zbudowana z elastycznej warstwy, która na skutek naciśnięcia wygina się. Przy bardzo dużym obciążeniu (1mln dotknięć lub uderzeniu) warstwa ta może ulec deformacji, powodując mikroskopijne pęknięcia warstwy ITO, zmieniać właściwości elektryczne (rezystancje) lub zmieniać liniowość. Ewentualny koszt naprawy jest bardzo niski, ponieważ naprawa wymaga jedynie wymiany samej nakładki bądź samego kontrolera.

> Brak 100% przejrzystości

 
 
Nakładki 5W

     Nakładki rezystancyjne pięcio-przewodowe 5W są udoskonaloną wersją nakładek 4W. Nakładki te zostały pozbawione wad jakie, którymi charakteryzowały się nakładki 4W. Została wielokrotnie zwiększona wytrzymałość oraz odporność na uderzenia lub zarysowania. W tym przypadku elastyczna warstwa wierzchnia jest tylko warstwą do której przyłożone jest napięcie 5V i stanowi ona warstwę próbkującą. Warstwy na których odbywa się pomiar współrzędnych X oraz Y umiejscowione są na dolnej warstwie szklanej. Dzięki temu rozwiązaniu, wygięciu ulega jedynie warstwa próbkująca. W tym przypadku nawet jak ulegnie stałemu zniekształceniu, pomiar nadal jest wykonywany, ponieważ jest to tylko warstwa próbkująca a nie pomiarowa. Pojawiające się zniekształcenia również nie powodują błędów w pomiarach.

     Zasada działania w tym przypadku jest również bardzo prosta. W przypadku nakładek 5W jeden przewód wyprowadzony jest z warstwy wierzchniej (E), która pracuje jako powierzchnia próbkująca współrzędnych X oraz Y. Pozostałe cztery przewody podłączone są do narożników tylnej powierzchni szklanej (A, B, C, D). Kontroler w pierwszej kolejności aplikuje napięcie 5V na punkty A i B uziemiając punkty C i D. W ten sposób generowane jest napięcie pomiędzy dolną a górną krawędzią warstwy. W momencie dotyku następuję odczyt współrzędnej Y. Następnie kontroler aplikuję napięcie 5V na narożniki A i C uziemiając B i D. W tym momencie odczytywana jest współrzędna X (Rys. 5).

     Nakładki rezystancyjne 5W poprzez zastosowanie dodatkowej warstwy wierzchniej, która pracuje jako miernik napięcia, znacznie zwiększa wytrzymałość nakładki. Dzięki takiemu rozwiązaniu najważniejsze warstwy rezystancyjne są w pewien sposób chronione przed odkształceniami. Nakładka może pracować nieprzerwalnie nawet jeżeli nastąpią mikropęknięcia lub niejednolitości na powierzchni. Rozwiązanie to niesie za sobą wzrost ceny nakładki o ok 25% więcej niż nakładki 4W.


Kontroler do nakładek 4W/5W

     Nakładki dotykowe rezystancyjne dodatkowo wyposażone są w zewnętrzny kontroler sterujący, który pracuje jako przetwornik analogowo cyfrowy. Jest to prosty przetwornik analogowo cyfrowy, który odczytuje napięcie na obu warstwach (elektrodach) i przetwarza je na sygnał cyfrowy przekazując dane do komputera. W zależności od wielkości napięcia na pinach elektrod takie jest położenie punktu. Kontroler nakładki rezystancyjnej wymaga kalibracji aby przypisać odpowiednie napięcie na współrzędne X oraz Y.

Podsumowanie

     Nakładki rezystancyjne na obecną chwile pozostają najbardziej popularnymi nakładkami dotykowymi ze względu na niską cenę, szeroką dostępności oraz łatwy serwis. Natomiast na rynku widoczny jest wzrost zastosowań nakładek w dziedzinie systemów multimedialnych w których najbardziej popularne są nakładki SAW oraz IR.