DE102017203598A1 - Electromagnetic actuator - Google Patents
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Abstract
Ein elektromagnetischer Aktuator (2) weist mindestens einen Oszillator (10) mit einem Magnet (12) und mindestens einen Stator (6) mit einem Elektromagnet (8), der den mindestens einen Oszillator (10) zumindest teilweise umgibt, auf. Darüber hinaus weist der elektromagnetische Aktuator (2) ein Feedback-Element (4) auf, auf das der mindestens eine Oszillator (10) einwirkt. Der elektromagnetische Aktuator ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Oszillator (10) bei Anregung durch den mindestens einen Stator (6) eine auf das Feedback-Element (4) einwirkende Kippbewegung vollzieht. Statt der Kennzeichnung durch die Kippbewegung des Oszillators (10) kann der elektromagnetische Aktuator (2) auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die magnetische Orientierungsrichtung (36) des Oszillators (10) senkrecht zur magnetischen Orientierungsrichtung (38) des Stators (6) steht. An electromagnetic actuator (2) has at least one oscillator (10) with a magnet (12) and at least one stator (6) with an electromagnet (8) which at least partially surrounds the at least one oscillator (10). In addition, the electromagnetic actuator (2) has a feedback element (4), which is acted upon by the at least one oscillator (10). The electromagnetic actuator is characterized in that the at least one oscillator (10) when excited by the at least one stator (6) performs a tilting movement acting on the feedback element (4). Instead of the marking by the tilting movement of the oscillator (10), the electromagnetic actuator (2) may also be characterized in that the magnetic orientation direction (36) of the oscillator (10) is perpendicular to the magnetic orientation direction (38) of the stator (6).
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, der insbesondere in Mobiltelefonen, Tablets, Touchpads, Smartwatches oder Schaltelementen, beispielsweise Lichtschaltern, eingesetzt wird. Vorzugsweise soll mit Hilfe des elektromagnetischen Aktuators eine Vibration erzeugt werden, die von insbesondere einem der oben genannten elektronischen Geräte als Feedback abgegeben wird.The invention relates to an electromagnetic actuator which is used in particular in mobile telephones, tablets, touchpads, smartwatches or switching elements, for example light switches. Preferably, a vibration is to be generated with the aid of the electromagnetic actuator, which is delivered by in particular one of the above-mentioned electronic devices as feedback.
Aktuatoren werden eingesetzt, um elektrische Signale in mechanische Bewegungen umzusetzen. Ein vorrangiges Einsatzgebiet dieser Aktuatoren ist die Erzeugung von haptischem und/ oder akustischem Feedback durch beispielsweise Schwingungen bzw. Vibrationen. Elektronische Geräte, wie beispielsweise Mobiltelefone, Tablets, Touchpads, Smartwatches, Spielekonsolen und Touchelemente für Schalter und dergleichen setzen Aktuatoren ein, um dem Benutzer ein spürbares und/ oder hörbares Feedback über Informationseingaben und Informationsausgaben zu geben.Actuators are used to convert electrical signals into mechanical movements. A primary field of application of these actuators is the generation of haptic and / or acoustic feedback by, for example, vibrations or vibrations. Electronic devices such as cellular phones, tablets, touchpads, smartwatches, game consoles and touch elements for switches and the like employ actuators to provide the user with noticeable and / or audible feedback about information input and information output.
Mobiltelefone nutzen Vibrationen beispielsweise einerseits zur Informationsausgabe, um den Benutzer lautlos auf eingehende Anrufe hinzuweisen. In einer geräuschsensiblen Umgebung, beispielsweise in Meetings, kann hierdurch eine Informationsausgabe an den Nutzer erfolgen, ohne eine Störung der Umgebung zu erzeugen. In geräuschintensiven Umgebungen, wie beispielsweise auf Konzerten, in denen akustische Signale nicht wahrgenommen werden können, lassen sich hierdurch ebenfalls Informationen an den Benutzer übermitteln.For example, mobile phones use vibration to output information to silently alert the user to incoming calls. In a noise-sensitive environment, such as in meetings, this can be an information output to the user without causing a disturbance to the environment. In noisy environments, such as at concerts where acoustic signals can not be perceived, information can also be transmitted to the user.
Andererseits werden Vibrationen in modernen Mobiltelefonen mit Touchdisplay eingesetzt, um dem Benutzer ein Feedback auf seine Eingaben zu geben. On the other hand, vibrations are used in modern mobile phones with touch display to give the user feedback on his inputs.
Diese Funktion des Feedbacks wird ebenfalls in anderen Touchelementen, wie beispielsweise berührungsempfindlichen Schaltelementen, beispielsweise Touchpads, eingesetzt. Diese Touchelemente verfügen nicht über mechanische Bedienelemente, wie beispielsweise eindrückbare Tasten oder umlegbare Schalter. Somit erhält der Benutzer kein direktes Feedback. Um dem Benutzer dennoch eine Bestätigung über seine Eingabe zu geben, können hierzu Aktuatoren eingesetzt werden. Da Touchelemente im Vergleich zu mechanischen Schaltern mehrere Eingabemöglichkeiten bieten, kann mit Hilfe von Aktuatoren ein jeweils spezifisches Feedback ausgegeben werden. Touchelemente bieten die Möglichkeit, unterschiedliche Eingaben durch beispielsweise ein kurzes Berühren, ein langes Berühren, mehrmaliges Berühren, eine bewegte Berührung, eine mehrfache Berührung (Multi-touch) oder eine gleichzeitige mehrfache Bewegung, beispielsweise „pinch to zoom“, zur Erzeugung. Aktuatoren können hierauf jeweils ein spezifisches Feedback durch beispielsweise verschiedenen Vibrationsintensitäten, Vibrationszeitintervalle, usw. geben.This function of the feedback is also used in other touch elements, such as touch-sensitive switching elements, such as touchpads. These touch elements do not have mechanical controls, such as push-buttons or foldable switches. Thus, the user receives no direct feedback. To give the user yet a confirmation of his input, actuators can be used for this purpose. Since touch elements offer several input options compared to mechanical switches, a specific feedback can be output with the help of actuators. Touch elements offer the possibility of different inputs, for example by a short touch, a long touch, repeated touch, a moving touch, a multi-touch or a simultaneous multiple movement, for example, "pinch to zoom", for generating. Actuators can then each give a specific feedback by, for example, different vibration intensities, vibration time intervals, etc.
Zur Erzeugung eines Feedbacks wird eine Vielzahl unterschiedlicher Aktuatoren eingesetzt. Häufig werden hierbei Elektromotoren mit einer exzentrischen Masse eingesetzt, auch Unwuchtmotoren genannt. Hierbei erfährt der Elektromotor eine Unwucht, die eine Vibration auf die mit dem Elektromotor befestigte Oberfläche überträgt. Aktuatoren, die einen Elektromotor aufweisen, benötigen einen vergleichsweise hohen Platzbedarf. Aufgrund der Ausgestaltung haben diese Unwuchtmotoren einen relativ hohen Bedarf an Energie und führen somit bei der Verwendung in tragbaren Geräten zu kürzeren Akkulaufzeiten. Darüber hinaus weisen Elektromotoren eine vergleichsweise hohe Reaktionszeit auf.To generate a feedback, a multiplicity of different actuators are used. Often this electric motors are used with an eccentric mass, also called unbalance motors. Here, the electric motor experiences an imbalance, which transmits a vibration to the surface fixed to the electric motor. Actuators that have an electric motor, require a relatively large amount of space. Due to the design of these unbalance motors have a relatively high energy demand and thus lead to shorter battery life when used in portable devices. In addition, electric motors have a comparatively high reaction time.
Die Frequenz und die Amplitude des Feadbacks, beispielsweise der Vibration, eines Unwuchtmotors sind zwangsweise aneinander gekoppelt. So lassen sich beispielsweise schnelle und starke oder langsame und schwache Vibrationen erzeugen. Jedoch ist es nicht möglich, schnelle und schwache oder starke und langsame Vibrationen zu erzeugen. Mit Hilfe von Unwuchtmotoren können keine komplexen Schwingungen des Feedbacks, beispielsweise der Vibration, sondern lediglich sinusförmige Schwingungen erzeugt werden. So ist es nicht möglich, mit Hilfe von Unwuchtmotoren Schwingungen zu erzeugen, die einem komplexen Verlauf, beispielsweise von Tonwellen, entsprechen.The frequency and the amplitude of the Feadbacks, for example, the vibration of an unbalance motor are forcibly coupled together. For example, you can create fast and strong or slow and weak vibrations. However, it is not possible to produce fast and weak or strong and slow vibrations. With the help of unbalance motors no complex vibrations of the feedback, for example the vibration, but only sinusoidal vibrations can be generated. Thus, it is not possible to generate vibrations with the aid of unbalance motors, which correspond to a complex course, for example of sound waves.
Eine weitere Art von Aktuatoren zur Erzeugung einer Vibration ist aus der Druckschrift
Der federnde Aufbau des Aktuators zur Erzeugung einer linearen Vibration führt zu einer sehr dominanten Eigenfrequenz. Somit kann es zu Abweichungen zwischen dem gewünschten Feedback, beispielsweise der gewünschten Vibration, und dem tatsächlich erzeugten Feedback kommen. Um die vorgegebene Eigenfrequenz herum herrscht ein eingeschränktes effektives Frequenzband, das ca. +/- 5 bis 10 Hz ausmacht.The resilient structure of the actuator for generating a linear vibration leads to a very dominant natural frequency. Thus, it can be too Deviations occur between the desired feedback, for example the desired vibration, and the actually generated feedback. Around the given natural frequency, there is a limited effective frequency band, which is about +/- 5 to 10 Hz.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Aktuator zu schaffen, der eine geringe Größe aufweist.The object of the invention is to provide an electromagnetic actuator which has a small size.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen elektromagnetischen Aktuator gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Touchelement gemäß Anspruch 18.The object is achieved by an electromagnetic actuator according to claim 1 or by a touch element according to
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator weist mindestens einen Oszillator mit einem Magnet und mindestens einen Stator mit einem Elektromagnet, der den mindestens einen Oszillator zumindest teilweise umgibt, auf. Darüber hinaus weist der elektromagnetische Aktuator ein Feedback-Element auf, auf das der mindestens eine Oszillator einwirkt. Der elektromagnetische Aktuator ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Oszillator bei Anregung durch den mindestens einen Stator eine auf das Feedback-Element einwirkende Kippbewegung vollzieht. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar, dass der Oszillator als Magnet einen Elektromagnet aufweist und der Stator keine Elektromagnet, sondern einen anderen Magnet, wie beispielsweise einen Permanentmagnet, aufweist. Folglich erfährt nicht der Oszillator eine Anregung durch den Stator, sondern der Oszillator wird durch sich selbst angeregt und vollzieht aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Stator eine auf das Feedback-Element einwirkende Kippbewegung. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass statt eines Magneten, den der Oszillator bzw. der Stator aufweist, ein magnetischer Festkörper, insbesondere ein Metall, wie Eisen, Cobalt und Nickel, verwendet wird.The electromagnetic actuator according to the invention comprises at least one oscillator with a magnet and at least one stator with an electromagnet which at least partially surrounds the at least one oscillator. In addition, the electromagnetic actuator has a feedback element, which is acted upon by the at least one oscillator. The electromagnetic actuator is characterized in that the at least one oscillator, when excited by the at least one stator, effects a tilting movement acting on the feedback element. In a further embodiment, it is also conceivable that the oscillator has a magnet as a magnet and the stator has no electromagnet, but another magnet, such as a permanent magnet. Consequently, the oscillator does not experience excitation by the stator, but the oscillator is self-excited and undergoes a tilting motion on the feedback element due to interactions with the stator. Moreover, it is also conceivable that instead of a magnet, which has the oscillator or the stator, a magnetic solid, in particular a metal such as iron, cobalt and nickel, is used.
Eine Kippbewegung bedeutet insbesondere eine zweidimensionale Bewegung. Bei einem Aktuator mit linearer Vibration, wie bspw. in
Aufgrund der Magnete, die Stator und Oszillator aufweisen, verfügen Stator und Oszillator über die entsprechenden magnetischen Eigenschaften des jeweiligen Magneten. Somit weist der Stator und der Oszillator ein Magnetfeld, einen Nordpol, einen Südpol, Feldlinien usw. auf.Due to the magnets, which have stator and oscillator, stator and oscillator have the corresponding magnetic properties of the respective magnet. Thus, the stator and the oscillator have a magnetic field, a north pole, a south pole, field lines and so on.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, insbesondere aufgrund der Kippbewegung, ist es, dass der elektromagnetische Aktuator nur eine geringe Luftmenge in Bewegung versetzt. Insbesondere im Vergleich zu anderen elektromagnetischen Aktuatoren kann hierdurch ein nahezu nicht hörbares haptisches Feedback, vorzugsweise eine Vibration, erzeugt werden, indem insbesondere Störgeräusche vermieden werden.An advantage of the present invention, in particular due to the tilting movement, is that the electromagnetic actuator sets only a small amount of air in motion. In particular, in comparison to other electromagnetic actuators thereby a virtually inaudible haptic feedback, preferably a vibration can be generated by noise in particular are avoided.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Feedback-Element eine Oberfläche, insbesondere eine Membran, auf. Bei dieser Oberfläche bzw. Membran handelt es sich dementsprechend um die Fläche, die das von dem Aktuator ausgehende Feedback zu einem Benutzer überträgt. Die Oberfläche bzw. die Membran muss hierbei keineswegs flach sein, sondern kann jeder erdenkbaren, insbesondere äußeren Form eines Objekts entsprechen. Beispielsweise ist eine flache, gekrümmte, wellige, gezackte, gewölbte und/ oder gebogene Oberflächen möglich.In a particularly preferred embodiment, the feedback element has a surface, in particular a membrane. Accordingly, this surface or membrane is the surface that transmits the feedback from the actuator to a user. In this case, the surface or the membrane does not have to be flat, but can correspond to any imaginable, in particular outer, shape of an object. For example, a flat, curved, wavy, jagged, curved and / or curved surfaces is possible.
In besonders bevorzugter Ausführungsform handelt es sich bei dem Feedback-Element um ein haptisches Feedback-Element. Demzufolge erzeugt der Aktuator eine Vibration, ein Beben, einen Stoß, einen insbesondere einzelnen Impuls, eine Schwingung bzw. eine wellenartige Verformung oder dergleichen. Bei der Berührung eines Benutzers mit dem Feedback-Element erfährt der Benutzer somit ein haptisches Feedback, insbesondere an seinen Fingern.In a particularly preferred embodiment, the feedback element is a haptic feedback element. As a result, the actuator generates a vibration, a tremor, a shock, a particular single pulse, a vibration, or the like. When a user touches the feedback element, the user thus experiences a haptic feedback, in particular on his fingers.
In bevorzugter Ausführungsform ist der Oszillator über ein Trägerelement mit dem Feedback-Element verbunden. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein elastisches Trägerelement. Beispielsweise kann ein Federelement, wie eine Feder, eine Spirale, ein Element aus Elastomer oder ein Textilelement eingesetzt werden. Der angeregte Oszillator kann somit Impulse über das Trägerelement auf das Feedback-Element übertragen, das sodann eine Vibration, eine Schwingung, Stöße, oder dergleichen erfährt, die als Feedback abgegeben werden können. Wird somit beispielsweise der Oszillator aufgrund eines am Stator anliegenden Stroms in Schwingungen versetzt, nimmt das Trägerelement diese Schwingungen auf und überträgt sie an das Feedback-Element. Dieses fängt hierdurch beispielsweise an zu vibrieren und gibt so ein Feedback ab.In a preferred embodiment, the oscillator is connected via a carrier element with the feedback element. This is in particular an elastic carrier element. For example, a spring element, such as a spring, a spiral, an element made of elastomer or a textile element can be used. The excited oscillator can thus transmit pulses via the carrier element to the feedback element, which then experiences a vibration, a vibration, shocks, or the like, which can be delivered as feedback. Thus, if, for example, the oscillator is caused to vibrate due to a current applied to the stator, the carrier element absorbs these vibrations and transmits them to the feedback element. This starts, for example, to vibrate and thus gives a feedback.
Andererseits ist es in einer weiteren Ausführungsform möglich, dass der Oszillator direkt mit dem Feedback-Element verbunden ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Feedback-Element um ein elastisches Feedback-Element, insbesondere eine elastische Membran, handeln. Bei einer Anregung des Oszillators durch den Stator würde somit der Oszillator eine Schwingung, einen Impuls oder dergleichen direkt auf die elastische Membran übertragen und diese somit beispielsweise in Vibration versetzen, die als Feedback dient.On the other hand, in another embodiment it is possible for the oscillator to be connected directly to the feedback element. For example, the feedback element may be an elastic feedback element, in particular a elastic membrane, act. Thus, upon excitation of the oscillator by the stator, the oscillator would transmit a vibration, impulse, or the like directly to the elastic membrane, thus causing it to vibrate, for example, as a feedback.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Oszillator mit einem nicht elastischen, insbesondere steifen Trägerelement verbunden sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Stab handeln, der z.B. über ein Kugelgelenk oder Scharniergelenk mit dem Feedback-Element verbunden ist. Auch ist es möglich, dass der Oszillator beweglich, beispielsweise über ein Kugelgelenk oder Scharniergelenk, mit einem steifen Trägerelement verbunden ist. Bei einer Anregung des Oszillators durch den Stator vollzieht somit der Oszillator eine Kippbewegung und überträgt entweder über das nicht elastische Trägerelement Impulse an das Feedback-Element, das daraufhin ein Feedback, beispielsweise eine Vibration abgibt. Andererseits könnte der Oszillator auf eine Fläche auftreffen, die mit dem Feedback-Element verbunden ist und hierdurch Impulse erzeugen und auf das Feedback-Element übertragen, welches hierdurch ebenfalls ein Feedback, beispielsweise eine Vibration abgibt.In a further embodiment, the oscillator may be connected to a non-elastic, in particular stiff carrier element. This may be, for example, a rod, which may be e.g. connected via a ball joint or hinge joint to the feedback element. It is also possible that the oscillator is movable, for example via a ball joint or hinge joint, connected to a rigid support member. Upon excitation of the oscillator by the stator thus the oscillator performs a tilting movement and transmits either via the non-elastic support member pulses to the feedback element, which then emits a feedback, such as a vibration. On the other hand, the oscillator could impinge on a surface which is connected to the feedback element and thereby generate pulses and transmitted to the feedback element, which thereby also gives a feedback, such as a vibration.
Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform ein Trägerelement eingesetzt werden, das nicht direkt mit dem Feedback-Element verbunden ist, sondern beispielsweise an einer dem Feedback-Element gegenüberliegenden Haltevorrichtung, wie einer Wand so angebracht ist, dass der an dem Trägerelement angebrachte Oszillator zu dem Feedback-Element hinzeigt. Bei einer Anregung des Oszillators durch den Stator könnte der beispielsweise schwingende Oszillator einmalig oder fortwährend auf das Feedback-Element auftreffen und somit ebenfalls eine Vibration des Feedback-Elements hervorrufen. Hierbei kann es sich einerseits um ein elastisches Trägerelement, andererseits um ein nicht elastisches Trägerelement handeln. In einer weiteren Ausführungsform kann der Oszillator und ggf. der Stator in ein elastisches Feedback-Element eingelassen sein. Das elastische Feedback-Element, beispielsweise aus Elastomer, könnte somit den Oszillator insbesondere vollständig umfassen. Bei einer Anregung des Oszillators durch den Stator wird somit das elastische Feedback-Element direkt über den Oszillator beispielsweise in Schwingungen versetzt und gib somit eine Vibration ab.In addition, in a further embodiment, a support member may be used which is not directly connected to the feedback element, but, for example, on a holding device opposite the feedback element, such as a wall is mounted so that the attached to the support member oscillator to the Feedback element. Upon excitation of the oscillator by the stator, the oscillating oscillator, for example, could impinge once or continuously on the feedback element and thus also cause a vibration of the feedback element. On the one hand, this may be an elastic carrier element, on the other hand a non-elastic carrier element. In a further embodiment, the oscillator and possibly the stator can be embedded in an elastic feedback element. The elastic feedback element, for example made of elastomer, could thus in particular completely encompass the oscillator. When the oscillator is excited by the stator, the elastic feedback element is thus vibrated directly via the oscillator, for example, and thus emits a vibration.
Ferner ist in einer weiteren Ausführungsform der Oszillator nicht direkt mit dem Feedback-Element verbunden und weist auch ansonsten keine Verbindung zu beispielsweise einer Wand auf. Hierbei ist der Oszillator von dem Stator umgeben und befindet sich beispielsweise in einer Kammer. Bei einer Anregung des Oszillators durch den Stator erfährt der insbesondere frei bewegliche Oszillator eine Kippbewegung, so dass dieser, beispielsweise durch ein Auftreffen, insbesondere auf eine Kammerinnenseite Impulse erzeugt, die auf das Feedback-Element übertragen werden und dieses beispielsweise in Vibrationen versetzt, sodass es ein Feedback abgibt. Auch ist es denkbar, dass das Feedback-Element Impulse überträgt, die von dem Stator statt dem Oszillator, aufgrund der Interaktion von Stator und Oszillator, ausgehen und auf das Feedback-Element übertragen werden.Furthermore, in another embodiment, the oscillator is not directly connected to the feedback element and otherwise has no connection to, for example, a wall. In this case, the oscillator is surrounded by the stator and is located, for example, in a chamber. Upon excitation of the oscillator by the stator of the particular freely movable oscillator undergoes a tilting movement, so that this, for example, by impingement, in particular on a chamber inside generates pulses that are transmitted to the feedback element and this example, vibrated, so it give feedback. It is also conceivable that the feedback element transmits impulses emanating from the stator instead of the oscillator, due to the interaction of stator and oscillator, and transmitted to the feedback element.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Oszillator eine zu der insbesondere flachen Oberfläche des Feedback-Elements parallel verlaufende magnetische Orientierungsrichtung auf. Die magnetische Orientierungsrichtung beschreibt die Verbindungslinie des Nordpols und des Südpols eines Magneten. Diese Verbindungslinie verläuft somit, bezogen auf die insbesondere flache Oberfläche des Feedback-Elements, parallel. Beispielsweise weist ein zylindrischer Diametralmagnet auf der einen Hälfte den Nordpol und auf der anderen Hälfte den Südpol auf. Die Verbindungslinie dieser beiden Pole beschreibt die magnetische Orientierungsrichtung. Insbesondere verläuft diese magnetische Orientierungsrichtung parallel zu einer vorzugsweise flachen Außenfläche des Oszillators und/ oder des Magneten. In einer Ausführungsform ist die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators parallel zu der insbesondere flachen Oberfläche des Feedback-Elements. Bevorzugt verlaufen somit die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators parallel zu der Außenfläche des Oszillators und/ oder des Magneten und ebenfalls parallel zu der Oberfläche des Feedback-Elements.In a preferred embodiment, the oscillator has a magnetic orientation direction parallel to the particular flat surface of the feedback element. The magnetic orientation direction describes the connecting line of the north pole and the south pole of a magnet. This connection line thus runs parallel to the particular flat surface of the feedback element. For example, a cylindrical diametrical magnet has the north pole on one half and the south pole on the other half. The connecting line of these two poles describes the magnetic orientation direction. In particular, this magnetic orientation direction is parallel to a preferably flat outer surface of the oscillator and / or the magnet. In one embodiment, the magnetic orientation direction of the oscillator is parallel to the particular flat surface of the feedback element. Thus, the magnetic orientation direction of the oscillator preferably extends parallel to the outer surface of the oscillator and / or the magnet and also parallel to the surface of the feedback element.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform steht die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators senkrecht zum Magnetfeld bzw. zur magnetischen Orientierungsrichtung des Stators. Innerhalb des Stators verlaufen die magnetischen Feldlinien nahezu geradlinig von der einen Öffnung zu der anderen Öffnung des Stators, ausgehend vom Südpol in Richtung Nordpol. Dementsprechend verlaufen die Feldlinien und somit das Magnetfeld und die magnetische Orientierungsrichtung innerhalb des Stators parallel zu der Längsschnittfläche des Stators. In besonders bevorzugter Ausführungsform steht somit die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators senkrecht zu der magnetischen Orientierungsrichtung des Stators. Folglich steht die Verbindungslinie zwischen Süd- und Nordpol des Oszillators senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen Süd- und Nordpol des Stators.In a particularly preferred embodiment, the magnetic orientation direction of the oscillator is perpendicular to the magnetic field or to the magnetic orientation direction of the stator. Within the stator, the magnetic field lines are almost straight from one opening to the other opening of the stator, starting from the south pole to the north pole. Accordingly, the field lines and thus the magnetic field and the magnetic orientation direction within the stator are parallel to the longitudinal sectional area of the stator. In a particularly preferred embodiment, the magnetic orientation direction of the oscillator is thus perpendicular to the magnetic orientation direction of the stator. Consequently, the connecting line between the south and north pole of the oscillator is perpendicular to the connecting line between the south and north pole of the stator.
Die oben beschriebene Ausführungsform beschreibt den elektromagnetischen Aktuator mit einem Oszillator, einem Stator und einem Feedback-Element derart, dass der elektromagnetische Aktuator dadurch gekennzeichnet ist, dass der durch den Stator angeregte Oszillator eine Kippbewegung durchführt, die auf das Feedback-Element einwirkt. Zur Definition der vorliegenden Erfindung ist es jedoch nicht zwingend notwendig, dass der Oszillator eine Kippbewegung durchführt. Demgegenüber ist es möglich, dass der elektromagnetische Aktuator mit einem Oszillator, einem Stator und einem Feedback-Element derart gekennzeichnet ist, dass die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators senkrecht zum Magnetfeld bzw. zur magnetischen Orientierungsrichtung des Stators steht. Vorstellbar ist diesbezüglich die Anordnung eines Oszillators, dessen magnetische Orientierungsrichtung zur magnetischen Orientierungsrichtung des Stators parallel verläuft, der derart angeordnet ist, dass er eine lineare Bewegung senkrecht zur magnetischen Orientierungsrichtung des Stators vollzieht. Beispielsweise könnte der Oszillator derart über eine Schienenführung mit dem Feedback-Element verbunden sein, dass die magnetische Orientierungsrichtung parallel zu der insbesondere flachen Oberfläche des Feedback-Elements verläuft. Durch eine Anregung des Stators würde sich der Oszillator linear entlang der Schienenführung bewegen. Bei einem Auftreffen des Oszillators, beispielsweise auf einem Prellbock an einem Ende der Schienenführung würde der Oszillator somit einen Impuls an das Feedback-Element übertragen, das als Feedback, insbesondere als Vibration abgegeben wird. Folglich ist in dieser alternativen Definition der Erfindung nicht die Kippbewegung, sondern die magnetische Orientierungsrichtung des Oszillators die senkrecht auf der magnetischen Orientierungsrichtung des Stators steht die entscheidende Kennzeichnung.The embodiment described above describes the electromagnetic actuator with an oscillator, a stator and a feedback element such that the electromagnetic actuator characterized in that the oscillator excited by the stator performs a tilting movement acting on the feedback element. However, to define the present invention, it is not absolutely necessary for the oscillator to perform a tilting movement. In contrast, it is possible that the electromagnetic actuator is characterized with an oscillator, a stator and a feedback element such that the magnetic orientation direction of the oscillator is perpendicular to the magnetic field or to the magnetic orientation direction of the stator. It is conceivable in this regard, the arrangement of an oscillator, the magnetic orientation direction parallel to the magnetic orientation direction of the stator, which is arranged such that it performs a linear movement perpendicular to the magnetic orientation direction of the stator. For example, the oscillator could be connected to the feedback element via a rail guide such that the magnetic orientation direction is parallel to the particular flat surface of the feedback element. By excitation of the stator, the oscillator would move linearly along the rail guide. Upon impact of the oscillator, for example on a buffer at one end of the rail guide, the oscillator would thus transmit a pulse to the feedback element which is delivered as feedback, in particular as vibration. Consequently, in this alternative definition of the invention, not the tilting movement but the magnetic orientation direction of the oscillator, which is perpendicular to the magnetic orientation direction of the stator, is the decisive marking.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weist der Oszillator einen diametral gepolten Magnet auf. Die diametrale Magnetisierung beschränkt sich hierbei nicht auf die Magnetisierung eines Scheibenmagneten, sondern umfasst ebenfalls eine diametrale, also eine in entgegengesetzter Richtung liegende, Magnetisierung bei anderen Magnetformen bzw. -geometrien als die des Scheibenmagneten. Dies betrifft beispielsweise eine Magnetisierung in Längsrichtung.In a particularly preferred embodiment, the oscillator has a diametrically poled magnet. The diametral magnetization is not limited to the magnetization of a disc magnet, but also includes a diametrical, so lying in the opposite direction, magnetization at other magnet shapes or geometries than that of the disc magnet. This applies, for example, a magnetization in the longitudinal direction.
Weitergehend sind auch Magnetformen, insbesondere diametral gepolte Magnetformen denkbar, die nahezu jede äußere Form beschreiben, wie beispielsweise eine Scheibe, ein Quader, ein Würfeln, eine Kugeln, ein Ring, ein Zylinder, ein Kegel, ein Prisma, ein Hufeisen, ein Stab, ein Bügel usw.Furthermore, magnetic forms, in particular diametrically polarized magnetic forms are conceivable that describe almost any external shape, such as a disc, a cuboid, a dice, a sphere, a ring, a cylinder, a cone, a prism, a horseshoe, a rod, a hanger, etc.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Magnet des Oszillators um einen Permanentmagnet, auch Dauermagnet genannt.In a particularly preferred embodiment, the magnet of the oscillator is a permanent magnet, also called a permanent magnet.
Vorzugsweise umgibt der Stator den Oszillator ringförmig oder oval. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Stator den Oszillator vollständig umgibt. Insbesondere bedeutet dies, dass der Stator den Oszillator bezogen auf eine Ebene vollständig umgibt. Hierbei kann der Stator beispielsweise die Form eines Zylinders aufweisen, in dessen Inneren der Oszillator angeordnet ist.Preferably, the stator surrounds the oscillator annular or oval. It is particularly preferred that the stator completely surrounds the oscillator. In particular, this means that the stator completely surrounds the oscillator with respect to a plane. Here, the stator may for example have the shape of a cylinder, in the interior of which the oscillator is arranged.
Bei dem Elektromagnet des Stators handelt es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um eine Spule. Vorzugsweise handelt es sich um eine Spule, die eine zylinderförmige, beispielsweise ringförmige oder rechteckige Form aufweist. Die Wicklung der Spule besteht aus einem oder mehreren Drähten, die insbesondere Kupfer aufweisen. Es sind auch mehrere Wicklungen und die Verwendung von verschiedenen Drahtmaterialien möglich.The electromagnet of the stator is in a particularly preferred embodiment, a coil. Preferably, it is a coil which has a cylindrical, for example annular or rectangular shape. The winding of the coil consists of one or more wires, which in particular comprise copper. There are also several windings and the use of different wire materials possible.
Insbesondere liegt an dem Stator ein Strom mit alternierender Stromrichtung an. Weist der Oszillator statt eines Permanentmagneten oder dergleichen einen Elektromagnet auf, so kann ebenfalls an diesem ein alternierender Strom anliegen. Aufgrund der alternierenden Stromrichtung am Stator weist der Stator eine alternierende Polarität auf. Somit wechseln Nord- und Südpol jeweils die Position. Bei einem Stator, der eine insbesondere zylinderförmige Spule aufweist, liegt somit abwechselnd der Nord- und Südpol an der einen Zylinderöffnung bzw. abwechselnd an der anderen Zylinderöffnung. Aufgrund der alternierenden Polarität des Stators wechseln Nord- und Südpol des Stators jeweils ihre Position. Der Oszillator, der insbesondere einen Permanentmagnet aufweist, verfügt vorzugsweise über eine magnetische Orientierungsrichtung, die senkrecht zu der magnetischen Orientierungsrichtung des Stators steht, dessen Nord- und Südpol alternierend wechseln. Der Nordpol des Oszillators wird vom Südpol des Stators angezogen, der alternierend seine Position wechselt. Demgegenüber wird der Südpol des Oszillators vom Nordpol des Stators angezogen, der seine Position entgegen der des Südpols des Stators wechselt. Aufgrund dieser wechselnden Polarität bzw. Anziehung erfolgt eine hin und her verlaufende Bewegung der Süd- und Nordpolseiten des Oszillators und somit eine Kippbewegung des Oszillators. So richtet sich eine Seite des Oszillators in Richtung des Nordpols und eine andere Seite in Richtung des Südpols des Stators aus. Vorzugsweise erfolgt die Kippbewegung derart, dass die Symmetrieachse die zwischen Nordpol und Südpol des Oszillators liegt auch der Kippachse entspricht. Die Kippachse bezeichnet hierbei diejenige Achse, die zwischen dem Teil des Oszillators liegt, der in die eine Richtung angezogen wird und insbesondere somit dorthin kippt, und dem Teil des Oszillators, der in die andere Richtung angezogen wird und insbesondere somit in jene Richtung kippt.In particular, a current with alternating current direction is applied to the stator. If the oscillator has an electromagnet instead of a permanent magnet or the like, an alternating current can likewise be applied to it. Due to the alternating current direction on the stator, the stator has an alternating polarity. Thus, the north and south poles change their position. In the case of a stator which has a coil which is in particular cylindrical, the north and south poles thus alternately lie on one cylinder opening and alternately on the other cylinder opening. Due to the alternating polarity of the stator, the north and south poles of the stator each change their position. The oscillator, which in particular has a permanent magnet, preferably has a magnetic orientation direction which is perpendicular to the magnetic orientation direction of the stator whose north and south pole alternate alternately. The north pole of the oscillator is attracted by the south pole of the stator, which alternately changes its position. In contrast, the south pole of the oscillator is attracted by the north pole of the stator, which changes its position opposite to the south pole of the stator. Due to this alternating polarity or attraction, a reciprocating movement of the south and north pole sides of the oscillator and thus a tilting movement of the oscillator takes place. Thus, one side of the oscillator is oriented in the direction of the north pole and another side in the direction of the south pole of the stator. The tilting movement preferably takes place in such a way that the axis of symmetry which lies between the north pole and the south pole of the oscillator also corresponds to the tilt axis. The tilting axis here refers to that axis which lies between the part of the oscillator, which is attracted in one direction and thus in particular tilts there, and the part of the oscillator which is attracted in the other direction and thus in particular tilts in that direction.
In einer weiteren Ausführungsform erfährt die Kippachse zwar eine Drehung, aber keine insbesondere lineare, also entlang der Feldlinien des Stators verlaufende, Verschiebung. Vorzugsweise ist die Position der Kippachse ortsfest. In a further embodiment, although the tilting axis undergoes a rotation, but not in particular linear, ie along the field lines of the stator extending, displacement. Preferably, the position of the tilting axis is fixed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt an dem Stator bzw. an der Spule des Stators ein alternierender Strom mit verschiedenen Wechselfrequenzen, also Anzahl an Wechseln der Stromrichtung pro Zeiteinheit an. Hierdurch lässt sich die Häufigkeit des Kippens des Oszillators pro Zeiteinheit beeinflussen. Je häufiger die Stromrichtung geändert wird, also je höher die Wechselfrequenz, desto schneller kippt der Oszillator. Hierdurch kann die Frequenz der Impulse und insbesondere die Frequenz der Vibration des Feedback-Elements beeinflusst werden.In a particularly preferred embodiment, an alternating current with different alternating frequencies, that is to say a number of changes in the current direction per unit time, is applied to the stator or to the coil of the stator. This makes it possible to influence the frequency of tilting of the oscillator per unit of time. The more frequently the current direction is changed, ie the higher the alternating frequency, the faster the oscillator tilts. As a result, the frequency of the pulses and in particular the frequency of the vibration of the feedback element can be influenced.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass aufgrund der Kippbewegung und der Wechselfrequenz ein besonders angenehmes Feedback für einen Benutzer erzeugt werden kann. Handelt es sich bei dem Feedback um eine Vibration, so haben Untersuchungen ergeben, dass insbesondere Frequenzen um 200 Hz für Benutzer als angenehm empfunden werden.Another advantage of the present invention is that due to the tilting movement and the frequency of change a particularly comfortable feedback for a user can be generated. If the feedback is a vibration, then research has shown that especially frequencies around 200 Hz are perceived as pleasant for users.
Jedoch ist der Aktuator der vorliegenden Erfindung keineswegs auf bestimmte Frequenzen noch auf bestimmte Intervalle beschränkt. Vielmehr kann das gesamte Wahrnehmungsspektrum der haptischen Wahrnehmung ca 1-1.000 Hz abgedeckt werden und eine Ausgestaltung der Effekte individuell den Anforderungen entsprechend erfolgen.However, the actuator of the present invention is by no means limited to particular frequencies nor to specific intervals. Rather, the entire perceptual spectrum of the haptic perception ca 1-1000 Hz can be covered and a design of the effects individually according to the requirements.
Weitergehend liegt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Strom mit wechselnder Spannung am Stator bzw. an der Spule des Stators an. Hierdurch kann die Stromstärke und somit die magnetische Feldstärke des Stators beeinflusst werden. Durch eine Veränderung der magnetischen Feldstärke ändert sich die Anziehung der Spule und somit die Einwirkung auf den Oszillator. Je größer somit die anliegende Spannung am Stator, desto stärker wird der Osziallator von dem Stator beeinflusst, also angezogen bzw. abgestoßen. Demnach verändert sich durch die anliegende Spannung auch die Kippbewegung des Oszialltors, insbesondere dessen Auslenkung. Infolgedessen kann beispielsweise die Intensität der Impulse des Oszillators auf das Feedback-Element und hierdurch die Intensität der abgegebenen Vibration beeinflusst werden.Furthermore, in a particularly preferred embodiment, a current with alternating voltage is applied to the stator or to the coil of the stator. As a result, the current intensity and thus the magnetic field strength of the stator can be influenced. By changing the magnetic field strength, the attraction of the coil and thus the action on the oscillator changes. Thus, the greater the voltage applied to the stator, the more the oscillator is influenced by the stator, that is, attracted or repelled. Accordingly, the tilting movement of the oscillator, in particular its deflection, also changes due to the applied voltage. As a result, for example, the intensity of the pulses of the oscillator to the feedback element and thereby the intensity of the emitted vibration can be influenced.
Mit Hilfe der frei wählbaren Frequenz und Intensität ist es möglich, nahezu jede Schwingung zu erzeugen und somit beispielsweise verschiedene Vibrationssignale abzugeben. Ein Vibrationssignal ist hierbei nicht auf eine kontinuierliche Schwingung beschränkt, sondern es können Schwingungen mit verschiedenen Amplituden und verschiedenen Periodendauern erzeugt werden, die sich jederzeit variieren lassen. Somit lassen sich unterschiedlichste Vibrationssignale erzeugen. Auch ist es möglich, ein Feedback, beispielsweise eine Vibration, abzugeben, die dem Feedback von anderen, insbesondere mechanischen Bauteilen entspricht. Somit lässt sich die Haptik und/ oder das Feedback von anderen Bauteilen, wie beispielsweise Schaltern, simulieren bzw. imitieren. Mit Hilfe einer spezifischen Schwingung, die eine Vibration erzeugt, lässt sich beispielsweise der Schwingungscharakter eines Mikroschalters nachstellen.With the help of the freely selectable frequency and intensity, it is possible to generate almost any vibration and thus to give, for example, different vibration signals. In this case, a vibration signal is not limited to a continuous oscillation, but oscillations with different amplitudes and different period lengths can be generated, which can be varied at any time. Thus, a wide variety of vibration signals can be generated. It is also possible to deliver a feedback, for example a vibration, which corresponds to the feedback of other, in particular mechanical components. Thus, the feel and / or the feedback of other components, such as switches, simulate or imitate. By means of a specific vibration that generates a vibration, for example, the vibration character of a microswitch can be adjusted.
In einer weiteren Ausführungsform weist der elektromagnetische Aktuator einen Dämpfer auf. Dieser Dämpfer verhindert, dass der Oszillator direkten Kontakt mit dem Stator bzw. mit dem Feedback-Element hat und somit den Stator oder das Feedback-Element berührt. Der Oszillator kann dementsprechend eine Dämpfungsschicht bzw. einen Dämpfungsmantel aufweisen. Ebenfalls kann der Stator oder das Feedback-Element eine dämpfende Beschichtung, eine dämpfende Oberfläche, einen dämpfenden Mantel, oder dergleichen aufweisen. Dieser Dämpfer kann derart angeordnet und ausgestaltet sein, dass dieser Impulse, beispielsweise ausgelöst durch Stöße des Oszillators auf den Dämpfer, an das Feedback-Element überträgt und dieses hierüber ein Feedback, insbesondere eine Vibration erzeugt wird.In a further embodiment, the electromagnetic actuator has a damper. This damper prevents the oscillator from making direct contact with the stator or the feedback element, thus touching the stator or the feedback element. The oscillator can accordingly have a damping layer or a damping jacket. Also, the stator or the feedback element may include a damping coating, a damping surface, a damping jacket, or the like. This damper can be arranged and designed such that this pulse, for example, triggered by shocks of the oscillator to the damper, transmits to the feedback element and this is a feedback, in particular a vibration is generated.
Das erfindungsgemäße Touchelement, das beispielsweise zur Bedienung eines elektrischen Geräts vorgesehen ist, weist ein Feedback-Element nach einer der oben genannten Ausführungsformen auf.The touch element according to the invention, which is provided, for example, for operating an electrical device, has a feedback element according to one of the above-mentioned embodiments.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Touchelement um ein Touchelement eines Mobiltelefones, eines Tablets, eines Touchpads, einer Smartwatches, einer Spielekonsolen und insbesondere um ein Schaltelement, beispielsweise für ein elektrisches Gerät, insbesondere um ein Touchelement, für einen Lichtschalter. Aufgrund der Ausgestaltung des Feedback-Elements entsprechend der oben aufgeführten Ausführungsformen kann das Touchelement somit insbesondere eine Vibration erfahren und hierüber ein Feedback an einen Benutzer weitergeben.The touch element is preferably a touch element of a mobile phone, a tablet, a touchpad, a smartwatch, a game console and in particular a switching element, for example for an electrical device, in particular a touch element, for a light switch. Due to the design of the feedback element according to the embodiments listed above, the touch element can thus experience in particular a vibration and pass on a feedback to a user.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Touchelements ein optimales haptisches Feedback an den Benutzer übertragen werden kann.Another advantage of the invention is that due to the touch element according to the invention an optimal haptic feedback can be transmitted to the user.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Aktuators im Ausgangszustand -
2 eine schematische perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Aktuators in Kippbewegung -
3 eine schematisch Schnittansicht des elektromagnetischen Aktuators im Ausgangszustand -
4-7 verschiedene Ausführungsformen des elektromagnetischen Aktuators im Ausgangszustand -
8 eine schematische perspektivische Ansicht des Touchelements im Verwendungszustand
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1 a schematic perspective view of the electromagnetic actuator in the initial state -
2 a schematic perspective view of the electromagnetic actuator in tilting motion -
3 a schematic sectional view of the electromagnetic actuator in the initial state -
4-7 various embodiments of the electromagnetic actuator in the initial state -
8th a schematic perspective view of the touch element in the use state
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator
In dargestellter Ausführungsform weist der Oszillator
Bei Anlegen eines elektrischen Stroms an den Stator
Wird beispielsweise ein Gleichstrom an die Spule
Wird statt eines Gleichstroms ein alternierender Strom an die Spule
Je nach Wechselfrequenz, also Häufigkeit des Wechsels, der Stromrichtung und je nach anliegender Spannung am Stator
Das in
Konsequenterweise ist es denkbar, dass eine Dämpferfläche
Diese vier beispielhaften Funktionen, Einschalten, Ausschalten, Helldimmen und Dunkeldimmen, des Lichtschalters mit Bedienfeld
Mit Hilfe der frei einstellbaren Frequenz und Intensität des Feedbacks, insbesondere der Vibration, lassen sich darüber hinaus Feedbacks erzeugen, die ein Benutzer bereits von mechanischen Bauteilen, vorzugsweise Schaltern, kennt. So kann beispielsweise der typische Schwingungscharakter eines Schalters, insbesondere eines Mikroschalters, mit Hilfe einer individuellen Vibration simuliert werden und somit dem Benutzer ein Feedback gegeben werden, dass sich für ihn natürlich anfühlt, weil er es beispielsweise schon von einem Lichtschalter oder dergleichen kennt.With the aid of the freely adjustable frequency and intensity of the feedback, in particular the vibration, it is also possible to generate feedback that a user already knows about mechanical components, preferably switches. Thus, for example, the typical vibration character of a switch, in particular a microswitch, be simulated by means of an individual vibration and thus the user feedback are given that feels natural to him, because he already knows, for example, of a light switch or the like.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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