Jste zde

Princip SAW dotykových ploch a displejů

Antonín Vojáček, 9. Červen 2007 - 13:24

Dotykové panely, resp. displeje, se stále častěji vyskytují tam, kde je nutné zajistit uživ. rozhraní mezi člověkem a zařízením. V budoucnu již nebude platit, že je najdeme jen u velkých displejů a drahých zařízení, ale najdeme je i u malinkých displejů běžných kancelářských a kuchyňských přístrojů. Pro ně se hodí stále málo známé SAW dotykové panely vyznačující se velkým rozlišením a odolností proti poškození.

Dotykové panely, potažmo dotykové displeje, se čím dál častěji objevují a využívají všude tam, kde je potřeba zajistit snadné a rychlé ovládání a řízení přístroje či aplikace, nebo vytvořit intuitivní komunikační rozhraní PC i pro méně technicky zdatné uživatele. Zatímco již malé dítě má přirozeně a automaticky tendenci se dotýkat na displeji zobrazených symbolů a tak v případě dotykového displeje provádět volbu, u ovládání klávesnicí nebo myší je již nutná určitá zkušenost a znalost, co za klávesy mačkat nebo jakým směrem a způsobem myší pohybovat. V tom je velká výhoda dotykových displejů, stejně tak jako větší kompaktnost takového zařízení a jeho menší rozměry (odpadá místo pro klávesnici nebo jiné rozhraní). Naopak za zápory se dá považovat někdy menší životnost, větší znečišťování displeje, zvláště při ovládání přímo prsty, z principu logické stínění zobrazení (například textu) v místě dotyku a paradoxně i horší orientaci v menu a programech pro lidi dlouhodobě vychované klávesnicí a myší.

Z pohledu vývoje a výskytu na trhu i principu a vlastností patří mezi nejmladší, nejzajímavější a dá se říct i nejlepší tzv. SAW touchscreens (Dotykové panely s povrchovou akustickou vlnou). Ty využívají akustické vlny - jednu z nejdokonalejších dotykových technologií. Je založena na vysílání akustických vln po skleněném panelu a následně jejich příjmu. Dotkne-li se prst skleněného podkladu, absorbuje část akustického vlnění. Změna vlnění je dotykovým panelem zaznamenána a posléze vyhodnocen bod dotyku. Protože je panel celoskleněný a nejsou na něm přidány žádné vrstvy, které se dají mechanicky poškodit, je tato technologie mnohem odolnější než technologie odporová. Čistě skleněný povrch dotykového panelu dává technologii větší propustnost světla než odporové technologie. Tato technologie je v již v současné době doporučována do veřejně přístupných informačních kiosků, výcvikových center nebo na jiná veřejně přístupná místa. Její nevýhodou je pak nutnost k dotyku použít jen měkké předměty (kůže, guma, měkký plast apod.) a nefunkčnost v prostředích, kde dochází ke intenzivnímu smáčení plochy. Také z důvodu omezené možnosti zapouzdření (max. IP65) nelze SAW dotykové panely použít v prostředí NEMA (krytí IP68).

Vlastnosti

Čistě skleněná konstrukce - vysoká průzračnost panelu
Větší rozlišení než jiné typy (odporové, kapacitní)
Nezměněná funkce ani při poškrábání povrchu
Dlouhodobě stabilní, nepotřebuje kalibraci
Někdy až 10letá záruka
Zvýšená odolnost proti poškození
Musí být ovládáno prstem nebo koženým ukazovátkem, tvrdá ukazovátka jako je například tužka nefungují
Z principu větší citlivost na znečištění - dnes ale úspěšně řešeno elektronikou
Vyrábí se ve velikostech 8.4” až 20”
Obvyklé krytí IP54 až IP65

	SAW touchscreen akustická dotyková technologie
Velikost obrazu:	15"-17" diagonálně
Připojení:	PC Serial/COM Port nebo USB Port
Dotykové rozlišení:	4024 x 4024
Doba odezvy:	maximálně 10 ms
Aktivační síla:	méně než 60 gramů na čtvereční centimetr
Poziční přesnost:	maximální odchylka 3mm
Světelná propustnost:	90% jmenovité hodnoty
Životnost:	50 milionu dotyků v jednom místě
Pracovní teplota:	-10°C až 70°C
Chemická odolnost:	Alkohol, aceton, vazelína, základní domácí čističe; odolné vůči všem chemikáliím, které neničí sklo

Tab. 1. Příklad vlastností dotykového panelu s technologií SAW - produkt firmy VEKOBS s.r.o.

Použití

Internetové a informační kiosky
Automaty na lístky a vstupenky
Zábavná zařízení, herní konzole a automaty
Průmysl - řízení procesů, nastavení parametrů zařízení
Kancelářská technika
PDA, Tablet PC či moderní notebooky
Spotřební elektronika - fotoaparáty, kamery, přehrávače
Komunikační technika - mobilní telefony, GPS
Kancelářská technika
Inteligentní kuchyňská (bílá) technika - lednice, pračky, myčky ...
Řídící rozhraní zabezpečovacích systémů
Ovládání vytápění a klimatizace
Inteligentní budovy

Princip SAW touchscreenů

SAW touchscreens (Surface-acoustic-wave touchscreens) pracují na principu vysílání neslyšitelných zvukových vln (kmitočet obvykle 5 MHz) podél povrchu dotykové obrazovky ve směru osy x a y nebo šikmo napříč detekované plochy (od rohu k rohu), od piezoelektrických vysílačů k přijímačům. Když dojde k dotyku, např. prstu, nějaká část energie šířených zvukových vln je absorbována a právě úroveň útlumu vln se využívá k určení místa dotyku (souřadnic x a y). To se vyhodnocuje řídicí jednotkou porovnáním vyslaných a přijatých signálů, jejich útlumu a zpoždění. Tak by mohl znít stručný popis funkce, který vypadá vcelku jednoduše. Praxe je však trošku jiná a celá detailní struktura a funkce je trošku složitější.

Z pohledu obvyklé struktury SAW touchscreenu jde o jednu vrstvu skla, obvykle speciálně vytvrzeného a mechanicky odolného se čtyřmi měniči a speciálními reflexními prvky umístěnými u hran po krajích všech stran skleněné desky na její svrchní straně. 4 měniče, tvořené piezoelektickými materiály, jsou umístěné v rozích desky a natočeny ve směru reflexních prvků. Dva měniče jsou obvykle vysílače, které převádějí elektrický signál o frekvenci cca 5 MHz na akustické vlny šířící se po povrchu skleněné desky. Zbylé dva měniče jsou pak přijímače, které převádějí akustickou povrchovou vlnu zpět na elektrický signál. Soustava reflexních prvků je tvořena sérií krátkých "proužků" orientovaných pod úhlem 45°, které odráží akustickou vlnu z vysílače napříč detekované aktivní plochy a na druhé straně pak zpět do prostoru přijímače. Pro odstínění všech vln, které se odrazí od reflexních prvků jsou za nimi v rozích umístěny speciální pohlcující vrstvy. Tím se zamezí vzniku parazitních interferenčních jevů.

Obr. 1. Základní princip SAW dotykového panelu

Povrchové akustické vlny na skle jsou velmi snadno absorbovány měkkými materiály, které se ho dotýkají. Řídící elektronika vyrábí krátké vysokofrekvenční elektrické signály vždy pro jeden z vysílačů, který generuje vlny odrážené reflexními proužky napříč detekovanou plochou. Na opačné straně jsou protilehlými reflexními proužky odráženy zpět do rohu, kde je umístěn přijímač, který vlny opět převládá na elektrický signál. Tento proces reprezentuji detekci v jedné ose (1D), například v ose X. Použitím stejné struktury s dalším párem vysílač/přijímač a otočenou o 90° se již vytvoří detekce v 2. ose, například Y a vznikne tak požadovaná 2D detekce plochy.

Obr. 2. Princip a popis základních prvků SAW dotykového panelu

Cesta odražených vln je kratší pro trasy blíže k páru vysílač / přijímač a delší pro opačnou (vzdálenou) stranu displeje. Protože je rychlost šíření zvuku v rámci dotykové plochy konstantní a v porovnání s rychlostí zpracování dnešní elektroniky relativně pomalá, není problém pro řídící a zpracovávající obvody rozlišit jednotlivé dráhy napříč dotykovou plochou mezi sebou podle doby, kterou vlna potřebuje k jejímu uražení. Díky tomuto efektu je vyslaná energie rovnoměrně časově rozprostřena v přijímaném signálu (z krátkého impulsu z vysílače vznikne široký obdélník v přijímači) a lze tak rozlišit útlumy v jednotlivých drahách a tedy i v místech displeje.

Obr. 3. Ukázka toho, co se děje při dotyku prstu na skleněnou aktivní plochu

Vysílání i příjem je stále aktivní, přičemž se střídá detekce ("skenování") v ose X a Y. Řízení si neustále vytváří a ukládá z přijímaného signálu "digitální mapu" dotykové plochy a tím umí případně eliminovat vliv trvalých tlumících prvků jako prach, nanesené nečistoty adaptivní změnou detekční hranice. Reaguje tak pouze jen na krátkodobé a výrazné útlumy způsobené například dotykem prstu skleněné plochy. Pozice dotyku je rozpoznána z výrazného útlumu signálu v určité časové pozici v přijatém signálu v ose X a Y. Dotykem na sklo nějakým měkkým materiálem (prstem, koženou rukavicí, gumovým ukazovátkem apod.) dojde k absorpci dostatečného množství energie vlny, aby byla překročena v elektronice nastavená "spínací" hranice. Z časové pozice naměřeného útlumu energie od počátku a konce příjmu se určí pozice dotyku na ploše = obrazovce. Digitální hodnoty souřadnic jsou již pak vyslány ke zpracování do PC, elektroniky displeje či jiného zařízení.

Upravený princip SAW panelů firmy Fujitsu

Vylepšený výše uvedený princip lze pak nalézt například u nejnovějších SAW dotykových panelů Fujitsu. Zde již není použita struktura vysílač-reflexní prvky-přijímač, ale celoplošné vysílače a přijímače. Odpadají tedy reflexní prvky a navíc SAW vlna se šíří šikmo napříč plochou namísto kolmo ke stěnám. Povrchová vlna je generována vysílačem v podobě proužku tenkého piezoelektrického materiálu (Piezo thin film) opatřeného jednou společnou (Planer electrode) a mnoha šípovitými elektrodami (Comb electrode) umístěné na skleněné podložce. Těmi je možné nejen generovat plošné SAW vlny, ale i určovat jejich směr šíření - viz obrázek níže.

Tento technologie umožňuje vytvářet pouze 0.7 mm tlustou dotykovou plochu s průzračností lepší než 98 % a s pouze 1.4 mm širokými okraji, které skrývají výše zmíněné piezoměniče (vysílače/přijímače).

Obr. 4. SAW dotykové panely Fujitsu - využívají plošných vysílačů a přijímačů

Závěr

SAW dotykové panely je možné vyrábět ve velkém rozpětí rozměrů a lze je tedy nasadit na různé rozměry displejů, tedy i na velmi dlouhé a úzké displeje. I když mimo výhody mají samozřejmě i některé nevýhody, kladné vlastnosti (vysoké rozlišení, dlouhodobá stabilita a vysoká průzračnost) však převažují a ty záporné (například vliv trvalého znečištění) lze elektronicky eliminovat. SAW dotykové panely tak jistě světlou budoucnost, pokud nebude vynalezena nějaká další, ještě lepší technologie.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz