Tastenlose Bedienkonzepte
Optical Force Sensing ersetzt mechanische Tasten
Optical Force Sensing ermöglicht versiegelte, tastenlose Designs für Smartphones und Wearables. Die Technologie verspricht mehr Gestaltungsfreiheit, bessere Abdichtung und geringere Montagekosten, stellt Entwickler jedoch vor völlig neue Integrations- und Kalibrierungsaufgaben.
Auf dem Mobile World Congress vor wenigen Wochen wurden die neuesten Trends im Bereich Mobile Devices vorgestellt. Einer dieser Trends ist eine neue Generation von Mobilgeräten und Wearables, die gänzlich ohne Tasten auskommt. Auf Grundlage von Näherungssensoren und dem sogenannten Optical Force Sensing (OFS) wird so ein eleganteres Design möglich, mit höherer Wasserdichtigkeit, geringeren Montagekosten und einer größeren Materialauswahl – Vorteile, die für Designer und Hersteller von großem Interesse sind. Die Licht- und Sensorexperten von ams Osram sehen in der neuen Technologie großes Marktpotential und erläutern, was bei der Umsetzung wichtig ist.
Warum sind tastenfreie Geräte ein Trend?
Nutzer erwarten heute Endgeräte, die in allen Lebenslagen mithalten – ob beim Strand- oder Skiurlaub, oder falls sie im Alltag eine versehentliche Kaffee-Dusche abbekommen. Dabei sollen sie aber hochwertig aussehen – möglichst ohne klobige Schutzhüllen. Mechanische Tasten stellen nach wie vor eine Schwachstelle hinsichtlich der Abdichtung dar und verursachen zudem substanzielle Fertigungskosten (Teile, Montage und Tests). Der Ersatz von Tasten durch OFS-Technologien ermöglicht es Designern, versiegelte, durchgehende Oberflächen mit taktiler, kontextsensitiver Eingabe anzubieten. Diese erfolgt beispielsweise durch sanfte, mittlere und harte Berührung (Multi-Touch-Modus); kurzes Drücken zum Annehmen eines Anrufs; langes Drücken zum Öffnen eines Sprachassistenten; sowie „Hovern“ oder leichtes Drücken zum Scrollen. Die hierfür verwendeten Näherungssensoren funktionieren dabei unter nahezu jeder Oberfläche – Metall, Glas, Holz, Kunststoff oder Stoff.
Oberfläche – Metall, Glas, Holz, Kunststoff oder Stoff.
Aktuelle Marktstudien bestätigen das Potenzial für diesen Technologietrend. Der Gesamtmarkt für optische Sensoren wurde 2024 auf einen niedrigen bis mittleren zweistelligen Milliardenwert geschätzt und soll Prognosen zufolge bis 2030 stark wachsen, weil Bildgebung und Sensorik in immer mehr Endgeräte Einzug halten. Wearables bleiben eine besonders attraktive Plattform: Der Wearables-Markt wurde 2024 auf mehrere zehn Milliarden Dollar geschätzt und expandiert weiter (Smartwatches, Ringe, Ohrhörer – allesamt ideale Kandidaten für eine optimierte Benutzererfahrung)[i]. Allein der Markt für Smart Rings wurde 2024 auf rund 706 Millionen US-Dollar geschätzt, mit einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate im hohen zweistelligen Bereich. Das zeigt, dass winzige, kontaktlose Interaktionsgeräte immer beliebter werden[ii].
Haptik- und Touch-Technologien – ein angrenzender Markt, den OFS erweitern kann – hat bereits ein Volumen von mehreren Milliarden Dollar und wächst weiter, weil Marken in komplexere Eingabemethoden investieren. Die Konvergenz dieser Trends deutet auf ein milliardenschweres Marktpotenzial für OFS in Konsumgütern in den nächsten 5–10 Jahren[iii].
Vorteile: wasserdicht, günstiger und größere Materialauswahl
Für Produktentwickler eröffnen OFS- und knopflose Designs eine Vielzahl praktischer Vorteile:
Vollkommene Wasserdichtigkeit: Durch den Verzicht auf mechanische Öffnungen wird die Abdichtung des Geräts auf IP67/68 (oder besser)[iv] vereinfacht, weil keine Druckknopfwellen oder Membrannähte vorhanden sind. Das ist ein entscheidender Vorteil für den Einsatz im Freien und beim Sport (Skifahren, Surfen) sowie für Geräte in Küche oder Bad.
Geringere Material- und Montagekosten (BOM): Mechanische Tasten erfordern zusätzliche Bauteile, Leiterplattenausschnitte, Federn/Dämpfer und Kalibrierungsschritte. OFS-Module (LED + Fotodiode + kleines analoges Frontend/AFE) ermöglichen einen Luftspalt und können sehr nah unter der Oberfläche montiert werden, was sie besonders robust macht. Sie lassen sich zudem mit hocheffizienten, automatisierten Fertigungsanlagen in ein Display, eine Rückwandplatine oder auf einer Leiterplatte integrieren. Das reduziert in hohem Maße die Bauteil- und Arbeitskosten bei der Serienfertigung.
Jede Oberfläche wird interaktiv: Designer können Eingabesensoren hinter Metall, Holzfurnier, Glas oder technischen Textilien platzieren – was neue industrielle Designs und hochwertige Materialauswahl ohne spezielle mechanische Aktuatoren ermöglicht.
Verbesserte Haltbarkeit und Haptik: Weil keine beweglichen Teile vorhanden sind, gibt es keinen mechanischen Verschleiß oder Störungen bei den Tasten. In Kombination mit intelligentem haptischem Feedback (Vibration oder punktuelles Geräusch) erhalten Nutzer Rückmeldungen trotz einer versiegelten Oberfläche. Im Vergleich zu einer mechanischen Taste, die lediglich Ein/Aus signalisiert, liefert OFS mehr Informationen und kann zwischen leichtem, mittlerem und festem Druck unterscheiden.
Technische Herausforderungen
OFS bietet zwar klare Vorteile. Beim Ersetzen mechanischer Tasten sind jedoch technische Aspekte zu berücksichtigen. Weil OFS auf minimalen Änderungen der Lichtintensität basiert, ist eine sorgfältige Kalibrierung erforderlich, um Fehlauslösungen durch Temperaturschwankungen, Umgebungslicht oder Gehäuseverformungen zu vermeiden. Auch die Materialwahl spielt eine Rolle: Druck auf Glas verhält sich anders als Druck auf Metall oder Polymer, daher müssen Entwickler eine konsistente Reaktion auf allen Oberflächen gewährleisten.
Die Integration erhöht die Komplexität zusätzlich. Weil OFS gemeinsam mit der internen Gerätestruktur entwickelt werden muss, ergeben sich neue Anforderungen an die Ausrichtung und Langzeitstabilität, insbesondere nach Stürzen oder Kontakt mit Staub, Ölen oder Salzwasser. Nutzer sind an die haptische Sicherheit eines physischen Klicks gewöhnt, daher müssen Designer überzeugende haptische, akustische oder visuelle Signale entwickeln, um sicherzustellen, dass sich die Drucksteuerung intuitiv und zuverlässig anfühlt.
Für Entwickler, die Prototypen planen, bedeutet das, sich auf folgende Bereiche zu konzentrieren:
Emitter und Material des Gerätegehäuses: Wahl der Wellenlänge des Emitters und der Filter für eine korrekte Durchdringung bzw. Reflektion der Außenhülle des Geräts (z. B. dringt NIR-Licht im Bereich von 850 - 940 nm oft durch Kunststoffe und einige Textilien). Schmalbandfilter oder synchrone Impulsansteuerung reduzieren Störungen durch Umgebungslicht. Zusätzliche Filter mit Logiksteuerung können Tageslicht kompensieren.
Rauscharmes analoges Frontend (AFE): Ein rauscharmer, programmierbarer Verstärker und ein optimierter Analog-Digital-Wandler (ADC) sind entscheidend, um geringfügige Änderungen im reflektierten Licht der Berührungen (Drücken oder Hovern) zu erfassen. Eine zeitgesteuerte Erkennung mit gepulsten LEDs ermöglicht eine hohe Umgebungsgeräuschunterdrückung und einen geringeren durchschnittlichen Stromverbrauch.
LED-Ansteuerung und Wärmeregelung: Bei kleinen Wearables reduziert die Pulsmodus-Ansteuerung den durchschnittlichen Stromverbrauch und die Erwärmung; bei größeren Panels sorgen verteilte LEDs für eine räumliche Auflösung.
Signalverarbeitung & Machine Learning (ML): Leichtgewichtige Klassifikatoren werden direkt auf dem Gerät eingesetzt, um Fehlalarme (z. B. durch versehentlichen Kontakt in Taschen) herauszufiltern und die Druckstärke bestimmten Aktionen zuzuordnen. Sie kompensieren Temperaturschwankungen, Alterungserscheinungen der Oberfläche oder Steifigkeitsänderungen des Systems usw. Idealerweise tragen die gewählten Klassifikatoren zu einer inhaltsbasierten Rekalibrierung bei und gewährleisten so eine stabile Basislinie vor Messbeginn.
Mechanisches Design für die „Squeeze“-Transduktion: Entweder wird eine dünne, nachgiebige Schicht verwendet, die den optischen Pfad unter Druck leicht verformt, oder es wird auf eine optische Mehrwinkelgeometrie zurückgegriffen, die die Annäherung der Hand und lokale Krümmungsänderungen erfasst.
Die Wahl der optimalen LED- und Sensortechnologie ist die Grundlage für erfolgreiche Designs. ams Osram hat Produktlinien entwickelt, die speziell für intelligente Oberflächendesigns entwickelt wurden. Beispielsweise das größen- und energieoptimierte Analog-Frontend AS7150 in Kombination mit dem optischen Frontend SFH7061 sowie das AS7100, ein komplettes optisches Kraftsensormodul.
Fazit
Optical Force Sensing eröffnet neue Wege für ein kompromissloses Design. Versiegelte Geräte mit hochwertiger Haptik, geringeren Montagekosten und der Möglichkeit, neue Designs und Formen zu entwickeln sowie neue Materialien zu verwenden. Für Teams, die heute wettbewerbsfähige Verbraucherprodukte entwickeln, lohnt sich eine Machbarkeitsstudie auf Produktebene für OFS. Beginnen Sie mit einem Prototyp mit geringem Integrationsrisiko, optimieren Sie die Detektions- und Leistungsprofile und skalieren Sie dann auf größere Flächen, sobald Leistung, Haltbarkeit und die Beseitigung von Fehlerquellen validiert sind. Produktlinien wie die Analog- und Optical-Frontend-Serien, spezialisierte LEDs und Optical Force Sensing Sensoren von ams Osram bieten getestete und bewährte Komponenten, mit denen Entwickler die Marktchancen von OFS nutzen können.
Literatur:
[i] https://www.fortunebusinessinsights.com/optical-sensors-market-102097
[ii] https://www.fortunebusinessinsights.com/smart-ring-market-111418
[iii] https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/haptic-technology-market
[iv] IP67 = staubdicht und wasserdicht bis zu einer Eintauchtiefe von 1 m; IP68 = Schutz über 1 m, je nach Herstellerangaben (internationale Norm IEC 60529).
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