Interfacce utente più accattivanti, affidabili ed efficaci

INTERFACCE UOMO-MACCHINA –

I progressi nei pulsanti piezoelettrici a sfioramento permetteranno una vasta adozione di queste soluzioni grazie alle possibilità offerte ai progettisti di differenziare i prodotti attraverso un’estetica creativa, una elevata robustezza e un rapporto costo-benefici favorevole.

Negli ultimi anni, abbiamo tutti preso confidenza con i pulsanti a sfioramento utilizzati, in particolare, sui dispositivi elettronici di consumo quali telefoni cellulari e computer tablet. La maggior parte di questi adotta tecnologie di rilevamento tattile capacitivo. Tuttavia, le tecnologie a sfioramento resistive e piezoelettriche possono offrire un'alternativa migliore in molte applicazioni. Inoltre, i recenti sviluppi nella tecnologia Sep (Software enhanced piezoelectric) garantiranno una diffusione sempre più ampia di questa flessibile soluzione low-cost per la progettazione di robusti controlli a sfioramento. Di seguito viene fornita una panoramica dei principali fattori che devono essere considerati nella scelta di una soluzione touch e mette in evidenza alcuni dei più recenti sviluppi tecnici, sottolineando il crescente interesse verso l'integrazione del feedback tattile nei comandi touch.

Perché touch?

Le ragioni principali legate all'adozione della tecnologia touch nelle interfacce uomo-macchina sono la maggiore libertà di progettazione, il miglioramento dell'esperienza dell'utente, e il risparmio sui costi.
Gli interruttori elettromeccanici convenzionali rappresentano ormai un'opzione inadeguata sotto molti aspetti. Esistono migliaia di tipi diversi di comandi elettromeccanici, ma la loro combinazione in una interfaccia accattivante è spesso un compito difficile che richiede tempo. Una volta completato il progetto, è difficile creare varianti del pannello di controllo o modificare il design. Spesso, questi componenti si dimostrano l'elemento più inaffidabile dei sistemi elettrici ed elettronici, in particolare quando tali sistemi operano in ambienti poco favorevoli. I commutatori elettromeccanici sono inoltre una soluzione costosa e poco elegante per un circuito elettrico. La loro presenza impone dei fori, comporta un assemblaggio spesso di tipo manuale, e impone notevoli difficoltà di progettazione per quanto riguarda la protezione dei pannelli contro la penetrazione di umidità o di altri contaminanti.

Alternativa a basso costo:
tastiere resistive a membrana


Gli switch tattili resistivi sono composti da due strati di tracce conduttive separate da un distanziatore isolante. I singoli switch sono definiti dai fori del distanziale, che permettono agli strati conduttivi di entrare in contatto quando un dito o uno stilo li avvicina. Poiché per stabilire un contatto è richiesto un movimento meccanico tra 0,1 mm e 0,5 mm , la copertura del pannello grafico per gli interruttori deve essere abbastanza flessibile, limitando la scelta dei materiali. Per fornire un feedback tattile possono essere utilizzate cupole in plastica o metallo, ma questo può aumentare il movimento richiesto fino a 1 mm, aggiungendo inoltre dei problemi di usura meccanica che provoca nel tempo una variazione della "sensazione" tattile.

Touch capacitivo:
nessun movimento meccanico,
ma altre limitazioni

Negli ultimi anni, telefoni cellulari e tablet Pc hanno imposto nel settore delle interfacce una vera rivoluzione, soprattutto grazie all'avvento di varie forme di rilevamento tattile capacitivo a supporto di touch screen e tastiere. Le posizioni degli interruttori sono definite mediante un pattern o una matrice XY di tracce conduttive sulla superficie interna del pannello. Nel caso di un display con copertura in vetro, viene utilizzato dell'ossido di indio stagno (ITO) trasparente. Il tocco viene rilevato quando il dito dell'utente disturba il campo elettrostatico generato da un segnale di comando, creando un accoppiamento capacitivo agli elettrodi riceventi o verso terra. Sensibilità, velocità, precisione e risoluzione nella registrazione del contatto destinato rappresentano i compromessi progettuali e di funzionamento. Questi fattori sono influenzati da umidità o altri contaminanti presenti sulla superficie tattile, mentre il funzionamento può essere compromesso o de tutto impossibilitato se l'utente indossa dei guanti. L'impossibilità di utilizzare parti metalliche impedisce lo sviluppo di touch panel realmente robusti, mentre la reattività incoerente può spesso rendere difficile fornire tempestivamente un feedback visivo o audio per l'utente.

Pulsanti piezoelettrici:
flessibilità e robustezza per i pannelli tattili

Scoperto da Pierre e Jacques Curie nei primi anni 1880, l'effetto piezoelettrico (che significa elettrico a pressione) può essere utilizzato per superare i limiti di entrambe le tecnologie tattili, resistiva e capacitiva. Altrettanto importante, la tecnologia piezoelettrica può essere implementata a costi inferiori rispetto alla tecnologia tattile capacitiva.
Cristalli naturali di quarzo, sale di Rochelle, tormalina e ceramiche lavorate quali il titanato di bario e i titanati zirconati di piombo (PZT) producono elettricità quando un dito o uno stilo applicano una pressione meccanica. Benché sia necessario un certo movimento meccanico, esso è inferiore a 1μm, cioè vari ordini di grandezza in meno rispetto a quello dei touch panel resistivi. La pressione applicata alla mascherina del pannello viene trasmessa attraverso il disco piezoelettrico, o 'pillola', che si trova tra una lamina conduttiva e i contatti di rame sul Pcb. La copertura superiore - la parte che l'utente vede - è stampata o impressa in rilievo con le informazioni richieste mentre le pillole piezoelettriche (compatibili Rohs) vengono inserite nei fori in un distanziatore isolante. Lo strato, che di solito è solamente montato sopra il Pcb, può essere anche di soli 0,3 mm. Nelle prime implementazioni, i pulsanti piezoelettrici hanno sofferto di un funzionamento poco omogeneo causato dalle variazioni della pressione applicata, dai cambiamenti nella composizione dei materiali piezoelettrici e dalle derive dovute alla temperatura.

Un chip per garantire stabilità e affidabilità

Utilizzando dispositivi quali il chip sviluppato da Aito è possibile compensare queste variabili per consentire la creazione di pannelli touch piezoelettrici stabili e affidabili, anche in ambienti severi dove altre tecnologie touch potrebbero non funzionare del tutto.
Il chip controller svolge le seguenti funzioni:
- cattura il segnale analogico generato dalla pressione sulla pillola piezoelettrica, regolando la sensibilità attraverso la variazione del punto di commutazione in ingresso;
- comunica con un processore host tramite interfaccia I2C o Spi;
- produce una serie di uscite per generare il feedback per gli utenti, che può essere un suono (un buzzer), un'indicazione visiva (indicatore Led) o un effetto tattile (una sensazione fisica).
Rilevando le azioni sia di spinta sia di rilascio, è possibile misurare anche la durata del tocco. Questo significa che ogni tasto può svolgere due funzioni distinte associate al semplice tocco o al mantenimento prolungato. Notare, inoltre, che il feedback tattile è localizzato sul singolo pulsante sul pannello di controllo e che il tipo di vibrazione può essere adattato a una delle numerose risposte possibili. Questa tecnologia sviluppata da Aito, denominata Software Enhanced Piezo, è supportata da un consorzio di aziende che ha istituito un sito web www.sep-touch.org per promuoverla.
Uno dei vantaggi principali legato agli interruttori piezoelettrici è la libertà offerta ai progettisti di utilizzare qualsiasi materiale, sia conduttore elettrico sia isolante, per la mascherina del pannello. Gli elementi di commutazione possono essere organizzati su una superficie piana o curva, e di spessore variabile. Questa flessibilità di progettazione consente agli ingegneri di creare pannelli non solo tecnicamente adatti all'applicazione ma anche attraenti per utente finale del prodotto. La scelta del materiale di rivestimento può essere ottimizzata in funzione dell'ambiente operativo, garantendo la protezione da umidità, sostanze chimiche o radiazioni. Gli interruttori piezoelettrici possono anche essere facilmente adattati per far fronte a scariche elettrostatiche e per operare in modo affidabile in presenza di interferenze radio, effetti che possono entrambi causare problemi significativi nei pannelli touch capacitivi. La tecnologia piezo è anche una soluzione ad alta efficienza energetica; i pannelli capacitivi devono generare un campo elettrostatico permanente mentre i pannelli piezoelettrici generano il loro segnale solo quando vengono attivati, con il chip disalimentato fino a quando non viene ricevuto un input.
Gli strumenti di sviluppo Sep, che consentono di tarare la sensibilità e il feedback dei singoli pulsanti a sfioramento, comprendono dei kit di dimostrazione e di valutazione hardware, una biblioteca di strumenti di progettazione per Pc, una libreria software e una serie di documentazioni complete. La libreria software supporta la piattaforma di elaborazione Arduino, consentendo agli sviluppatori di dimostrare i prototipi prima di progettare il proprio hardware embedded.

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