ライトパイプを使用してHMI設計を改善するための考慮事項

一般に HMI には「見やすさ」「分かりやすさ」「直感的」という 3 つの特徴があります。

このような理由から、装置を安全かつ効果的に使用するために必要な情報をオペレータに提供するために、点灯インジケータ (図 1) が一般的に使用されます。 これらのインジケーターに光を伝達する信頼性が高く効率的な方法の 1 つは、ライト パイプを使用することです。

HMI の照明付きインジケータを構成するにはさまざまな方法がありますが、ライト パイプ (フレキシブルおよびリジッドの両方) はエンジニアの間で非常に人気のある選択肢です。 これらを使用するといくつかの利点がありますが、これらの利点は、ライト パイプの形状、使用される材料、視野角、動作環境などの重要な要素を注意深く考慮したことに基づいています。 このような要因を設計の早い段階で考慮すると、HMI の点灯インジケータの有効性に大きな違いが生じます。

ライトパイプは、光強度の損失を最小限に抑えながら、LED (通常は PCB 上) からユーザー インターフェイスに光を効率的に伝達するために使用される透明なプラスチック ロッド (柔軟または硬質) です。 ただし、ライト パイプは、HMI にインジケーターを提供するための 1 つのオプションにすぎません。

その他のオプションには次のものがあります。

LED パネル マウント インジケータは、HMI パネルに直接取り付けられたハウジング内に収められた LED で構成されるユニットです。

通常、LED ディスプレイは、持ち運びが可能な小型軽量のデバイス向けに設計されており、照明付き 7 セグメント ディスプレイと静電容量式タッチ LED ディスプレイの両方が含まれます。

名前が示すように、回路基板インジケータは回路基板に直接取り付けられた LED であり、組み立てが簡単で、設計の柔軟性が優れています。

ライト パイプについて詳しく説明する前に、ライト パイプ、ライト ガイド、および光ディフューザーを区別することが重要です。

それを明確にした上で、フレキシブルとリジッドという 2 つの基本的なタイプのライト パイプを見てみましょう。

図 2 に示すようなフレキシブル ライト パイプはポリカーボネート ファイバーで作られており、狭いスペースや角の周囲に光を伝達することができ、光強度の損失を最小限に抑えます。

また、LED 光源にしっかりと取り付けられ、かなりの距離まで光を運びます (ただし、距離が長くなるとエネルギー損失が大きくなります)。 さらに、フレキシブルなライト パイプにより、設計エンジニアはさらに自由になり、光学系を適切に制御できるようになります。

図 3 に示すようなリジッド ライト パイプは、PCB LED 光源からコントロール パネルまでの距離が比較的短い場合に光を伝達するために使用されるポリマー ロッドです。

直線に沿って光を伝達することに加えて、光を他の角度で伝達できるようにするカスタム ジオメトリもあります。 ただし、光はこれらの非線形の硬いパイプを特定の点までしか追跡しません。

リジッド ライト パイプの利点としては、フレキシブル ライト パイプよりもコストが低いことが挙げられます。 欠点は、長さに制限があり、設計の柔軟性が低いことです。

デバイスの設計、選択した LED、ライト パイプに使用される材料、およびその設計 (次のセクションで説明します) に応じて、ライト パイプを HMI インジケータに使用すると、次のようないくつかの利点が得られます。

ライトパイプは、非常に幅広い HMI アプリケーションに使用できます。 これらは一般に、正しい操作とオペレータの安全のために視野角と色が重要な機械の重要な表示灯として使用されます。 HMI ライトインジケーターの重要な設計オプションには、ほんの数例を挙げると、LED の色、配色、表示特性などの要素が含まれます。

ライトパイプはコスト効率が高く、正しく設計されていれば、ユーザーに非常に効果的に光を伝達する信頼性の高い手段を提供します。

光のにじみ（または光の損失）は、光が目的の出口点以外のどこかに漏れるときに発生します。 光のにじみは、インターフェース上の本来あるはずのない光り、LED の色が互いに輝いたり混ざったり、(おそらく HMI にとって最も危険な) 誤った読み取り値など、いくつかの問題を引き起こす可能性があります。

適切な LED、適切に設計されたライト パイプ、および LED とインジケータ ポイント間の距離の最適化を組み合わせることで、光のにじみの可能性を最小限に抑えることができます。

慎重に設計されたライト パイプは、最も効果的なタイプの LED と光のにじみを防止するオプションを組み合わせ、ライト パイプとその材料の選択に細心の注意を払えば、困難な環境でも非常に効果的な信号伝達を実現できます。 これにより、インジケーターが明確に見え、その意味を認識できるため、安全性が向上し、オペレーターの応答時間も向上します。

最後に、圧入式の薄型拡散ライト パイプなどの特定のオプションを使用すると、取り付けが容易になります。

先ほど説明した潜在的な利点を活用できる効果的なライト パイプはどのように設計されるのでしょうか? ライトパイプの設計を選択する際に考慮すべき重要な側面がいくつかあり、これらの要素に早く対処するほど、設計はより効果的になります。

幅の狭い LED を選択するかどうかなど、単純な選択に見えるかもしれないことが、設計上の選択を大幅に制限したり、ライト パイプの性能を著しく損なったりする可能性のある他の要因を引き起こす可能性があります。

ライトパイプのタイプ、その形状、および使用される材料は、効果的な HMI 照明付きインジケータの設計において非常に重要です。

屈折は、反射の概念や光がライト パイプ内を進む際に反射する表面積と同様に、ライト パイプの幾何学的形状における主要な要素です。 場合によっては、光が漏れるのを防ぐためにライトパイプの外面を塗装する必要がある場合があります。

これは、ライト パイプの材料の選択が非常に重要である理由の 1 つでもあります。材料は光の反射と屈折に影響を与えます。

使用される代表的な材料には次のようなものがあります。

材質の選択は使用環境にも影響されることに注意してください。

HMI で使用される配色も同様に重要です。 下の図 4 は産業機器の標準的な配色を示しており、他の種類の機器やインターフェイスにも同様の配色とアイコンが存在します。

安全性と有効性を確保するには、インターフェースに対してオペレーターまたはユーザーが通常どこに位置するかということから始めて、視野角について質問する必要があります。 たとえば、彼らは機器の近くに座っているのでしょうか、手に持っているのでしょうか、足場の上に立っているのでしょうか、それとも地面に横たわっているでしょうか?

この医療機器のケーススタディで示されているように、望ましいレベルの照明強度と照明の均一性は、HMI でライトパイプを効果的に使用するための要素です。 また、照明は使用されるライト パイプだけでなく、インジケーター ライトに選択された LED の種類とその明るさにも依存することに注意してください。

ライトパイプで使用できる PCB 実装 LED には、明確なカテゴリがあります。 表面実装 (SMD) LED は、名前が示すとおり、ライト パイプに最も一般的に使用される LED タイプの 1 つであり、フレキシブル ライト パイプ オプションとリジッド ライト パイプ オプションの両方で動作します。 スルーホール LED は古い取り付けオプションであり、PCB ボードに取り付けるにはウェーブはんだ付け機を使用する必要があります。

SMD とスルーホール LED の両方に直角オプションもあります。 どの LED 取り付けタイプが最適であるかについては、答えは工学設計要件にあります。

ライト パイプで使用される表面のタイプも、ライト パイプ設計の使いやすさに大きな影響を与えます。 利用可能な表面は次のとおりです。

ライトパイプが使用される環境は設計に大きな影響を与え、多くの場合、使用する材料の種類の決定要因になります。

たとえば、屋外や高湿度レベルの環境では、設計者のニーズに合った IP (侵入保護) や NEMA (全米電気製造業者協会) 定格を備えた、より耐久性の高いライト パイプが必要です。

使用される材料の種類に大きな影響を与えるため、保管温度や動作温度などの環境温度も重要です。

HMI が高振動環境で使用される場合、または HMI が搭載されている機器が衝撃荷重を受ける可能性がある場合は、設計段階の早い段階で考慮する必要があります。 このような動作環境の問題は、機械的ソリューション、ライトパイプアクセサリ、または追加の取り付けハードウェアによって軽減できます。

設計段階の早い段階で、光源 LED からディスプレイ インジケーターまでの距離と、その距離が直線であるかどうか (直線でない場合はどのような角度が関係するか) を確立することも重要です。

どちらの要因も、使用されるライト パイプの種類やその他の特性を制約します。 LED から HMI のインジケータ位置までの距離が短く、直線であればあるほど、高効率の光の伝達が容易になることに留意してください。

一方、より長い距離では、良好な結果を得るために、より高輝度の LED またはライト パイプ アクセサリの使用が必要になる場合があります。 関係する角度は、ライト パイプの種類、その形状、および使用される材料にも大きな制約を与えます。

ライト パイプは HMI インジケータ ライトのソリューションであり、その意味を表示、理解、および迅速に解釈する能力を強化します。 ほとんどのニーズを満たす標準的なライトパイプ製品が数多く提供されており、これらの選択肢や組み合わせはすぐに膨大になってしまいます。

VCC は、さまざまな HMI ライト インジケータ ソリューションを提供するオプションです。 ライト パイプ設計は複雑なことが多いため、短いタイムラインであっても、多くのオプションと特性をナビゲートするためのサポートを提供します。

含まれるライト パイプ設計サービスの一部は次のとおりです。

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