Nakładki rezystancyjne dotykowe w technologii 4W/5W – jak to działa?

Obecnie firmy dążą do optymalizacji swoich procesów i zwiększenia komfortu korzystania z ich usług i produktów w niemal w każdym aspekcie. Jedną ze sfer, na którą często zwraca się uwagę jest np. szybkość obsługi stanowisk kasowych, próba ułatwienia obsługi komputerów w parku maszynowym, czy też montaż przyśpieszających obsługę klienta infokiosków lub standów multimedialnych. W tym wszystkim pomaga nam coraz popularniejsza technologia dotykowa. 

Z racji tego, że koszty instalacji monitorów dotykowych mogą okazać się zbyt duże, a dodatkowo mogą wiązać się z czasowym wyłączeniem niektórych stanowisk warto przemyśleć skorzystanie z technologii, jaką oferują nakładki rezystancyjne. Pozwalają one na skuteczną implementację interfejsu dotykowego na dotychczasowych stanowiskach, a tym samym pozwalają na prostszą i szybszą interakcję użytkownika z programem. Do najpowszechniej wykorzystywanych należą nakładki dotykowe rezystancyjne wykonywane w technologii – czteroprzewodowej (4W) lub pięcioprzewodowej.

Zasada działania oraz technologia wykonania nakładek rezystancyjnych zarówno w technologii 4W, jak i 5W jest podobna. Opierają się one na warstwowej budowie, która dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów umożliwia przetwarzanie powstałego wskutek nacisku napięcia elektrycznego na sygnał cyfrowy, a następnie odczyt miejsca dotyku na osiach X oraz Y. 

Pierwsza warstwa nakładki rezystancyjnej - od strony spodniej - jest warstwą szklaną z naniesioną warwą rezystancyjną ITO. Druga warstwa złożona jest z poliestru uzupełnionego warstwą przewodzącą i umiejscowiona jest od strony wierzchniej. Pomiędzy nimi zachowana jest izolacja powietrzna wraz z izolacyjnymi dyspenserami (rys. 1) . Z uwagi na to, że 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.

Rezystancyjne nakładki dotykowe w systemie 4W, czyli tzw. four wire należą do najprostszych i najtańszych sposobów implementacji technologii dotykowej dostępnych na rynku. Nakładki składają się z dwóch warstw  - przewodzącej oraz rezystancyjnej, na których umieszczono po dwa paski przewodzące, tworzące łącznie jedno wyprowadzenie czteroprzewodowe (rys. 2.). Warstwa rezystancyjna jest w tym przypadku tworzona najczęściej z przeźroczystego materiału ITO, który charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami elektrycznymi. 

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

Zasada działania nie jest skomplikowana. W pierwszej kolejności kontroler zasila linie pionowe (warstwa spodnia) napięciem 5V, natomiast linie poziome są nasłuchiwane poprzez pomiar napięcia. W momencie dotyku następuję zwarcie obu powierzchni, co generuje napięcie na warstwie wierzchniej, które z kolei 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).

Każda technologia ma swoje mocne i słabe strony. Warto też podkreślić, że współcześnie praktycznie w każdej dziedzinie następuje rozwój, przez co niektóre rozwiązania szybko tracą na aktualności, a tym samym atrakcyjności. Podobnie jest z technologią nakładek rezystancyjnych 4W.

Do ich głównych wad należy:

• słaba wytrzymałość powierzchni, której przeciętna żywotność została oszacowana na milion dotknięć na punkt;
• niepełna przeźroczystość materiału. 

 
Nakładki rezystancyjne 4W z uwagi na swoją prostą budowę mają również wiele zalet. Przede wszystkim należą do nich: 

• niski koszt produkcji, a tym samym naprawy i wymiany wyeksploatowanych warstw;
• łatwość instalacji i konserwacji;
• wysoka kompatybilność z kontrolerami, a tym samym systemami operacyjnymi;
• możliwość aktywacji powierzchni przy użyciu dowolnego elementu;
• odporność na wilgoć i kurz, a tym samym możliwość pracy w różnych warunkach środowiskowych.

Nakładki dotykowe pięcioprzewodowe (5W) stanowią udoskonalenie technologii four wire. 

Zasada ich działania również jest prosta i opiera się na wielowarstwowej konstrukcji. W przypadku nakładek dotykowych 5W przewód główny wyprowadzony został 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 i 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 

W technologii pięcioprzewodowej wyeliminowano niektóre z niedoskonałości charakterystycznych dla nakładek 4W. Przede wszystkim wielokrotnie zwiększona została wytrzymałość oraz odporność na uderzenia oraz zarysowania. Efekt ten uzyskano w szczególności poprzez zastosowanie elastycznej warstwy wierzchniej stanowiącej warstwę próbkującą, do której przyłożone jest napięcie 5V. Elementy na których odbywa się faktyczny pomiar współrzędnych X oraz Y umiejscowione zostały na dolnej warstwie szklanej. Rozwiązanie to pozwala na wykonywanie bezbłędnego pomiaru nawet, gdy najbardziej narażona na czynniki mechaniczne warstwa wierzchnia zostanie uszkodzona. Minusem zastosowania tej technologii jest wyższa – średnio o 25% - cena.

Nakładki dotykowe rezystancyjne wyposażane są w zewnętrzny kontroler sterujący, który pracuje jako przetwornik analogowo - cyfrowy. Położenie punktu jest warunkowane napięciem na pinach elektrod. Kontroler odczytuje on napięcie na obu warstwach (elektrodach) i przetwarza je na sygnał cyfrowy przekazując następnie dane do komputera. Warto zaznaczyć, że kontrolery wymagają kalibracji, która pozwala na przypisanie odpowiedniego napięcia dla współrzędnych X oraz Y. 

Podsumowując warto podkreślić, że nakładki rezystancyjne są obecnie najpopularniejszymi nakładkami dotykowymi stosowanymi na rynku. Ich popularność jest zasługą niskiej ceny, szerokiej dostępności oraz łatwego serwisu. Wybierając nakładki warto dobrze przemyśleć wybór między technologią 4W i 5W. W przypadku, gdy z panelu nie będziemy często korzystać i nie będzie on narażony na szkodliwe czynniki zewnętrzne to można przemyśleć wybór starszego i tańszego rozwiązania opartego na technologii czteroprzewodowej. Jeżeli jednak urządzenie będzie często użytkowane, szczególnie w warunkach zewnętrznych, narażających go na ryzyko (jak np. bankomat lub stand multimedialny) to warto zastanowić się nad zastosowaniem nieco droższych, jednak znacznie bardziej wytrzymałych nakładek 5W. Mimo utrzymującej się dominacji nakładek rezystancyjnych, coraz bardziej widoczny jest wzrost zainteresowania nakładkami w z dziedziny systemów multimedialnych w których najbardziej popularne są nakładki SAW oraz IR.