CN111670542A - 用于产生主动触觉反馈的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生主动触觉反馈的设备（1），所述设备具有：至少一个压电致动器（4），所述压电致动器具有多个压电层和布置在所述多个压电层之间的内部电极；第一放大元件（5）和第二放大元件（6），其中所述压电致动器（4）布置在放大元件（5、6）之间，其中所述压电致动器（4）被构造和布置为在施加电压时改变所述压电致动器沿第一方向（R1）的伸展，而且其中所述放大元件（5、6）被构造和布置为由于所述压电致动器（4）的伸展的变化而变形为使得相应的放大元件（5、6）的部分区域（5b、6b）相对于所述压电致动器（4）沿与所述第一方向（R1）垂直的第二方向（R2）移动；和驱动电路（10），所述驱动电路被设计为向所述压电致动器（4）施加电压，使得所述放大元件（5、6）被变形为使得相对于按压所述设备（1）的对象产生模仿力跳变的触觉反馈。

Description

用于产生主动触觉反馈的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生主动触觉反馈的设备以及一种用于产生主动触觉反馈的方法。
背景技术
用于对仪器进行操作的机械按键和开关越来越多地被纯电子变型方案、例如触摸屏所替代。在使用传统的机械开关时，通过力跳变对切换点的克服用信号通知按键已成功被按压。
图1示出了机械按键的力-位移图。在此，在横轴上绘制机械按键被按压的位移。在纵轴上绘制被施加到按键上的力。
首先，几乎在不费力的情况下按压按键。机械按键可以通过弹簧来预紧。当要克服弹簧应力时，所要花费的力才增加。在此，首先发生其中力保持恒定的空程，然后力线性增加。如果到达切换点SP，则力以力跳变的形式减小。在图1中，切换点SP通过附图标记SP来表征。
力跳变被用户感知到并且用信号通知用户对按键的操纵成功。在克服切换点SP之后并且在力跳变之后，所要施加的力重新增加。就在到达按键的机械末端挡块之前不久，所要施加的力越来越强烈地增加。
对于操纵体验来说关键的是在克服切换点时出现的力跳变。用户感觉到按键的机械阻力减小并且意识到按键已成功被操纵。即使在可能不会感知到声音反馈的非常嘈杂的环境下，通过该触觉印象也向用户可靠地确认按键已被按压。
在纯电子人机接口的情况下，缺少力跳变形式的触觉反馈。因而，为了识别这种接口是被正确操作的，经常迫使用户主动地看显示器。由此，可能使用户分散注意力。例如，在车辆中也越来越多地使用触摸屏。在这种情况下，如果迫使用户看屏幕，则可能会损害安全性。为了避开该缺点，常见的是：给触摸屏配备触觉反馈。
从EP 246233 B1和WO 2016/075131 A1公知用于产生触觉反馈的设备的示例。然而，在这些设备的情况下，可实现的偏移十分有限。由于只是小的可实现的偏移，这些偏移只能在比如150Hz与250Hz之间的窄频带内良好地被感觉到，因为这里人类触觉最敏感。
发明内容
现在，本发明的任务是：说明一种用于产生触觉反馈的经改善的设备和经改善的方法，其中例如上文提到的设备的缺点被克服。该任务通过独立权利要求的主题来解决。
提出了一种设备，该设备具有至少一个压电致动器、第一放大元件、第二放大元件和驱动电路。压电致动器具有多个压电层和布置在其间的内部电极。压电致动器布置在这些放大元件之间，其中压电致动器被构造和布置为在施加电压时改变该压电致动器沿第一方向的伸展，而且其中这些放大元件被构造和布置为由于压电致动器的伸展的变化而变形为使得相应的放大元件的部分区域相对于压电致动器沿与第一方向垂直的第二方向移动。驱动电路被设计为：向压电致动器施加电压，使得这些放大元件被变形为使得相对于按压该设备的对象产生模仿力跳变的触觉反馈。
压电致动器相对于用于产生触觉反馈的其它装置、例如不平衡电机或线性谐振器提供了响应时间短得多的优点。短的响应时间可能引起：在操纵按键与开始触觉反馈之间没有花过多时间并且因此不发生用户的误解。只有通过短的响应时间才可以尽可能准确地模仿机械按键的触觉特性，而且用户可以体验到他直观上所预期的感觉。由此，可以普遍改善用户的使用体验。
通过使用这两个放大元件，可以实现：显著增大该移动的对于产生触觉反馈来说重要的幅度。这些放大元件可以被设计为使得压电致动器沿第一方向的移动被转化成沿第二方向的移动，该沿第二方向的移动的幅度是沿第一方向的移动的至少5倍、优选地至少10倍。由此，这些放大元件可以引起：该触觉反馈比使用压电致动器本身的长度变化来产生触觉反馈的情况强烈得多。由此可以保证：即使在忙碌情况下，用户也可以可靠地感知到所实现的偏移。因此可以保证：提供远超出用户所能感知到的探测阈的触觉反馈。
此外，由于使用这些放大元件，触觉反馈也可以强得足以在大型人机接口、例如大屏幕中被使用。在不使用这些放大元件的情况下，这种大型人机接口并不能足够强烈地被移动。
压电致动器沿第一方向的伸展的变化尤其可以是沿与堆叠方向垂直的方向的长度变化，其中压电层和内部电极沿堆叠方向重叠地布置。因此，压电致动器沿第一方向的伸展的变化可以是致动器的横向收缩。由于压电效应，可能发生压电致动器沿第一方向的伸展的变化，该压电效应在压电层中由于被施加在第一与第二内部电极之间的电压而形成。
这些放大元件的部分区域沿其移动的第二方向可以是压电致动器的堆叠方向。
触觉反馈被设计为使得力跳变被模仿。尤其是，对于按压人机接口的用户来说可以产生力跳变的印象。在此，用户可以用他的手指或者物体、如笔来按压该接口。力跳变的印象可以通过非常短的振动来产生，该振动向用户传达机械阻力短暂减小的感觉，如这在克服机械按键的切换点SP时常见的那样。在此，振动可以被理解为短暂的振动，该短暂的振动被用户感知为单个事件。
驱动电路可以被设计为在压电致动器上施加电压，该电压具有单个的正弦脉冲、单个的矩形脉冲、单个的锯齿形脉冲、单个的半正弦脉冲、单个的半矩形脉冲或单个的半锯齿形脉冲的形式。替选地，驱动电路可以被设计为在压电致动器上施加电压，该电压具有多个正弦脉冲、多个矩形脉冲、多个锯齿形脉冲、多个半正弦脉冲、多个半矩形脉冲或多个半锯齿形脉冲的形式。在此，所述多个脉冲可以被用户感知为单个事件。所述多个脉冲例如可以分别是两个脉冲。与一个脉冲相比，通过使用多个脉冲可以使反馈增强。
在所有这些形式的情况下，所施加的电压都可以在短时间内强烈地发生变化。在锯齿形或矩形脉冲的情况下，该强烈变化可以是突然的。在正弦或半正弦脉冲的情况下，该强烈变化通过脉冲的足够陡峭的沿来引起。通过所施加的电压的强烈变化，可以将致动器置于振动，该振动导致这些放大元件的部分区域的振动。如已经阐述的那样，短的振动被用户感知为力跳变并且以这种方式传达克服切换点的印象。
此外，只要在足够短的时间之内使电压改变足够大的数值，所施加的电压就也可能会具有任意的其它形式。
按照一个实施例，驱动电路被设计为：如果有力被施加到该设备上并且被施加到该设备上的力超过力阈，则向压电致动器施加以一个电压脉冲或多个电压脉冲形式的电压。电压脉冲尤其可以是矩形或正弦形。通过电压脉冲来触发压电致动器的振动，该振动被用户感知为力跳变。
按照另一实施例，驱动电路可以被设计为：如果有力被施加到该设备上并且被施加到该设备上的力超过力阈，则突然提高向压电致动器施加的电压。通过对力阈的预先限定，可以规定被模仿的切换点处于多大被施加的力。
驱动电路还可以被设计为：使向压电致动器施加的电压保持恒定，直至被施加到该设备上的力低于力阈。在低于力阈时，电压可以突然被降低。由此可以实现：压电致动器不仅在超过力阈时而且在低于力阈时分别发生振动并且与此相应地两次产生触觉反馈。在此，不仅在操纵按键时而且在放开按键时都给用户传达力跳变的感觉。
该设备可以被构造为识别被施加到该设备上的力。为此，例如可以使用单独的压力传感器，该压力传感器布置在人机接口上并且对被施加到人机接口上的压力进行测量。
如果该设备识别出被施加到该设备上的力超过预先限定的力阈，则可以产生触觉反馈。为此，接着可以向压电致动器施加电压。
在一个实施例中，该设备被设计为识别在压电致动器的内部电极之间产生的电压，该电压由于被施加到该设备上的力而形成。该设备还可以被设计为：依据在内部电极之间产生的电压的水平来识别被施加到该设备上的力。在这种情况下，可以省去压力传感器。由此得到具有少量组件的紧凑构造。
与此相应地，这些内部电极可以在该设备中承担双重功能。这些内部电极可以一方面用于识别被施加到人机接口上的力，因为在这种情况下在这些内部电极之间产生电压，而另一方面如果在这些内部电极之间施加电压则可触发致动器的长度变化，借助于该长度变化来产生主动触觉反馈。
该设备可以被设计为通过如下方式来产生主动触觉反馈：在压电致动器的内部电极之间施加电压，该电压导致致动器的长度变化。该设备可以被设计为产生模仿力跳变的触觉反馈，其方式是突然改变向压电致动器施加的电压，由此将压电致动器置于振动。
压电致动器的振动频率以及借此这些放大元件的部分区域的振动频率可以在10Hz至500Hz的大范围内。因为由于使用这些放大元件而可以产生远超出用户的探测阈的强烈的触觉反馈，所以该反馈不限于从150Hz至200Hz的频率范围，在该频率范围内，帕西尼氏小体以及借此人类触觉最敏感。更确切地说，也可以产生具有更低的频率、即在10Hz至100Hz的范围内的频率的触觉反馈或者具有更高的频率、即在250Hz至500Hz的范围内的频率的触觉反馈，该触觉反馈可以被用户可靠地感知到。通过这些放大元件的部分区域沿第二方向的移动的大的幅度，可以保证：即使触觉反馈的频率应该会处在范围150Hz至200Hz之外，用户也可靠地感知到该触觉反馈。
第一放大元件可以具有截锥形板材。第二放大元件可以具有截锥形板材。
这些放大元件可以分别被设计为将致动器沿第一方向的长度变化转换成沿第二方向的长度变化。这些放大元件可以分别用于：使致动器的由于该致动器的横向收缩而发生的长度变化放大。为了该目的，这些放大元件可以分别被成型为使得在这些放大元件的边缘区域收缩或伸长的情况下发生这些放大元件的中间区域的显著上升或下降。这些放大元件可以分别一并有助于将本体的横向收缩转换成沿致动器的堆叠方向的显著的长度变化。
截锥形板材可具有边缘区域，该边缘区域固定在致动器的上侧或下侧。该边缘区域例如可借助于粘贴、钎焊或熔焊来固定在致动器上。该板材还可具有中间区域，该中间区域沿堆叠方向远离致动器的上侧或下侧。如果致动器由于施加在这些内部电极之间的电压而经历横向收缩，则该板材的中间区域与上侧或下侧的距离可以显著发生变化。
该板材可具有钛或者由钛组成。尤其是对于这里用于产生主动触觉反馈的当前应用来说，钛具有重要的优点。在由人类来操纵该设备的情况下，水份、例如以手指出汗形式的水份可能落到该板材上。这些水份可能导致腐蚀。然而，钛是特别耐腐蚀的材料，使得钛可以良好地保护该设备以防由于腐蚀而引起的长期损害。
钛还具有高机械负荷能力，使得其可以延长该器件的使用寿命。
钛还具有如下热膨胀系数，该热膨胀系数与致动器的热膨胀系数非常接近。由此，该板材与致动器的连接部在温度发生变化时没有显著承受机械负荷。
机械放大元件可以是金属弓形件。这样的放大元件可以与长方形的压电致动器相结合地被使用，该长方形的压电致动器的长度大于其宽度。这样的细长的致动器和所属的弓形放大元件能够相对于具有方形底面和截锥形放大元件的致动器实现经改善的微型化，而且附加地可以在输入电压相同的情况下产生更大的力。
机械放大元件可以没有凹槽而可以具有恒定的壁厚度。替选地，机械放大元件可具有至少一个凹槽，该凹槽减小了对该机械放大元件的变形的机械阻力。凹槽可引起：利用小的力就可以使放大元件变形。不过，如果放大元件被构造得具有微小的厚度，则省去凹槽可以是有利的，因为这些放大元件否则可能会过于不稳定。
压电致动器可具有方形底面。替选地，压电致动器可具有其长度大于其宽度的底面。在此，该底面可以是以下面，该面的面法线指向电极和压电材料堆叠的堆叠方向。长度可以表示该底面的最长侧的伸展。宽度可以表示该底面的最短侧的伸展。
该设备可以具有底板和人机接口，该人机接口被设计为被对象操纵，其中压电致动器布置在底板与人机接口之间。尤其可以通过如下方式来产生触觉反馈：将这些放大元件的部分区域相对于彼此的移动转换成人机接口相对于底板的移动。
按照另一方面，本发明涉及一种用于利用上述设备来产生主动触觉反馈的方法。在此，如果作用于该设备的力超过力阈，则由驱动电路来改变向压电致动器施加的电压。
附图说明
在下文，本发明依据附图进一步予以阐述。
图1示出了机械按键的力-位移图。
图2示出了用于产生主动触觉反馈的设备1。
图3示出了压电致动器的特性，该特性在施加单个的半正弦脉冲时得出。
图4示出了锯齿形脉冲，该锯齿形脉冲可以作为电压被施加给致动器。
图5示出了力-位移图，该力-位移图示出了用户如何感知对人机接口的操纵。
图6以透视图示出了压电致动器和所属的放大元件。
图7示出了压电致动器和所属的放大元件的侧视图。
图8示出了对致动器的上侧的俯视图。
具体实施方式
图2示出了用于产生主动触觉反馈的设备1。在此，主动触觉反馈被设计为在将压力施加到设备1上的用户处产生按压机械按键的感觉。为了该目的，设备1被设计为使得所产生的触觉反馈模仿力跳变。
设备1具有人机接口2。在此，该人机接口是可由设备1的用户操纵的操纵元件。例如，人机接口2可以是触摸屏，如其例如在移动电话或其它终端设备中常见的那样。用户可以对人机接口2进行操纵，其方式是该用户用手指或物体、例如笔来按压人机接口2的操作界面3。
设备1还具有压电致动器4。压电致动器4是多层器件，该多层器件具有压电材料和内部电极的交替布置的层。压电致动器4被设计为由于所施加的电压而变形。压电致动器4尤其被设计为：如果改变向压电致动器4施加的电压，则沿第一方向R1改变该压电致动器的长度。
设备1还具有第一放大元件5和第二放大元件6。第一放大元件5布置在压电致动器4的上侧4a，该上侧朝向人机接口2。第二放大元件6布置在压电致动器4的下侧4b，该下侧背离人机接口2。
放大元件5、6中的每个放大元件都是截锥形板材，其中该板材的边缘区域5a、6a固定在压电致动器4的上侧4a或下侧4b，而且相应的板材的中间区域5b、6b与压电致动器4间隔开。放大元件5、6被设计为：将压电致动器4沿第一方向R1的长度变化转换成沿与第一方向垂直的第二方向R2的移动。在此，这些放大元件还被设计为使得沿第二方向的移动的幅度大于沿第一方向的移动的幅度。
该设备还具有底板7。第一放大元件5的中间区域5b固定在人机接口2上。第二放大元件6的中间区域6b固定在底板7上。如果现在放大元件5、6的中间区域5b、6b相对于彼此沿第二方向R2移动，则该移动被转换到人机接口2相对于底板7的移动。底板7的重量是人机接口2的数倍，使得底板7基本上不移动。如果人机接口2相对于底板7被移动，则对于按压人机接口7的用户来说形成触觉反馈。
在此，人机接口2的移动的幅度通过这两个放大元件5、6沿第二方向R2的移动的幅度来确定。该移动比压电致动器4沿第一方向R1的长度变化具有更大的幅度。因而，所产生的触觉反馈比使用压电致动器4本身的移动来产生触觉反馈的情况强烈得多。由于这里负责触觉反馈的移动的幅度大，用户即使在忙碌情况下也可以可靠地感知到该反馈。此外，也可能会使用大型人机接口2、例如大屏幕。由于触觉反馈强烈，设备1的该设计方案还能够实现：使用非常宽的频谱来产生触觉反馈。
该设备还具有至少两个弹簧8。这两个弹簧8布置在人机接口2与底板7之间并且在此在人机接口2与底板7之间被压合并且因此夹紧。通过弹簧8，使人机接口2弹簧悬挂在与底板7平行的位置。在此，弹簧8防止人机接口2相对于底板8的翻转移动。同时，弹簧8提供了足够的移动自由度，使得在压电致动器4相对于底板7移动时可以使人机接口2沿第二方向R2移动。这种移动的幅度通常小于1mm、优选地小于500µm。
设备1还具有测量单元9。测量单元在图2中示意性地勾画出。测量单元9与压电致动器4的至少两个内部电极连接并且当在这些内部电极之间产生电压时可以进行识别。如果用户按压人机接口2，则该力经由人机接口2和第一放大元件5被施加到压电致动器4上。由此，在压电致动器4中形成电压，该电压被测量单元9记录。现在，测量单元9可以根据该被记录的电压反推出被施加到设备1上的力。
在一个未示出的替选的实施例中，设备1可具有单独的力传感器，该力传感器识别被施加到人机接口2上的力。在这种情况下，不是使用在致动器4中所产生的电压来测量力。
设备1还具有驱动电路10，该驱动电路被设计为向致动器4施加电压，以便产生主动触觉反馈。在下文考虑能施加给致动器4的不同的电压，这些电压分别能够产生主动触觉反馈，该主动触觉反馈产生力跳变的印象。
如果向致动器4施加电压，则致动器4沿第一方向R1的长度发生变化并且通过放大元件5、6将该长度变化转换成沿第二方向R2的幅度放大的移动。在此，这两个放大元件5、6的中间区域5b、6b要么远离彼此移动要么相向移动。通过向压电致动器4施加电压，产生致动器的短的振动，该短的振动被按压人机接口2的用户感知为触觉反馈。
每当向压电致动器4施加的电压在短时间内、例如在小于10ms的时间段之内显著发生变化时，都产生触觉反馈。通过改变向压电致动器4施加的电压，使该压电致动器置于振动，因为该压电致动器的长度发生变化。这不仅在快速提高所施加的电压的情况下实现而且在快速降低所施加的电压的情况下实现。
图3示出了压电致动器4的特性，该特性在施加单个的半正弦脉冲时得出。
在此，曲线K1示出了由驱动电路10向压电致动器4施加的电压的变化过程。该电压具有单个的半正弦脉冲，该半正弦脉冲具有为3.3ms的脉冲宽度、即约为300Hz的频率。在图3中，在横坐标轴上绘制以秒为单位的时间。在纵坐标轴上，关于曲线K1绘制所施加的电压的以V为单位的水平。
曲线K2示出了由于向致动器4施加的电压而引起的放大元件5、6的偏移的变化过程。在图3中，在横坐标轴上绘制以秒为单位的时间。在纵坐标轴上，关于曲线K1绘制固定在压电致动器4上的放大元件5、6沿第二方向R2的以µm为单位的偏移。
能看到：最大偏移在约5ms之后达到约250µm。与此相应地，设备1具有非常微小的响应时间。根据使用压电致动器4来产生触觉反馈，得出小于10ms的微小的响应时间。
在所施加的电压降低到0V之后，压电致动器4表现出振荡衰减特性。该压电致动器的长度变化的幅度以及借此还有放大元件5、6的移动的幅度持续减小。在约0.02s之后，致动器4的振动完全消退。
整体上，作为对所施加的电压脉冲的反应，压电致动器4实施短的振动。该短的振动的幅度持续减小。由致动器4所实施的振动被按压人机接口2的用户感知为触觉反馈。尤其是，对于按压人机接口2的操作界面3的用户来说似乎人机接口2的机械阻力短暂减小了。与此相应地，对于用户来说形成力跳变的印象。
图4示出了锯齿形脉冲，该锯齿形脉冲可以作为电压被施加给致动器4。在此，在横坐标轴上绘制以秒为单位的时间，而在纵坐标轴上绘制在相应的时间点所施加的以伏特为单位的电压。在时间点t0，识别出有对人机接口2的操纵。例如，测量单元9可以识别出有力被施加到人机接口2上。在这里所示出的示例中，该力在时间点t0低于预先限定的力阈。现在，由驱动电路10向致动器4施加电压。
在这里所示出的示例中，使由用户施加到人机接口2上的力缓慢提高，直至该力在时间点t0超过预先限定的力阈。由驱动电路10向致动器4施加的电压在时间点t0与t1之间持续被提高。在此，压电致动器4的长度以微小的速度来发生变化。与此相应地，致动器4只被激发到非常轻微的振动。
在时间点t1，施加到致动器4上的力超过预先限定的力阈。测量单元9监视被施加到人机接口2上的力。在时间点t1，驱动电路10施加的电压突然被设置到零。由此，类似于在图3中所示出的短的半正弦脉冲的情况，触发压电致动器4的强烈的长度变化并且与之相关联地触发放大元件5、6的显著突出的移动，由此产生针对按压人机接口2的用户的触觉反馈。
在图5中示出了力-位移图，该力-位移图示出了用户如何感知对人机接口2的操纵。在此，在纵坐标轴上示出了力，该力由用户按照他自己的感觉施加到人机接口上。在横坐标轴上示出了该接口按照用户的感觉被移动的位移。
预先限定的力阈这里为25N。如果达到力阈，则致动器4短暂地被置于振动。用户将该振动感知为力跳变。对于用户来说似乎由该用户施加到人机接口21上的力减小。如果用户接着进一步按压人机接口2，则所施加的力似乎重新升高。在图5中示出的力-位移图非常类似于在操纵机械按键时出现并且能在图1中看到的力-位移图。通过力跳变，可以清楚地向用户用信号通知人机接口2已被操纵。因此，机械按键的触觉特性可以通过设备1准确地被模仿。用户体验到他直观上所预期的感觉。因此，避免了用户的误解并且普遍提升了用户体验。
在一个替选的实施方式中，在达到力阈时可以向致动器4施加矩形电压。在此，突然提高该电压，使得产生针对用户的触觉反馈。所施加的电压保持持续被施加，直至测量单元9识别出被施加到人机接口2上的力低于力阈。接着，突然降低电压，由此重新发生致动器4的振动并且与之相关联地发生触觉反馈。由此，对于用户来说得出放开机械按键的感觉。再次通过触觉反馈模仿力跳变。
驱动电路10可以被设计为向压电致动器4施加以任意形式的电压。对于产生触觉反馈来说重要的是：使所施加的电压在短时间段之内显著发生变化。例如，所施加的电压可具有单个的正弦脉冲、单个的矩形脉冲、单个的锯齿形脉冲、单个的半正弦脉冲、单个的半矩形脉冲或单个的半锯齿形脉冲的形式。
因此，这里所描述的设备1能够将纯机械按键的优点与纯电子人机接口、例如触摸屏的优点相结合。纯机械按键的一个重要优点在于力跳变，该力跳变在操纵按键时出现并且向用户传达操纵成功的可靠的反馈。纯电子人机接口的优点例如在于：这些纯电子人机接口价格更低廉并且更多样化。还可以实现易于维护的、外观精美的操作界面。本设备能够克服纯电子人机接口的缺点：对于用户来说，在这些纯电子人机接口的情况下并不能轻易识别出该用户是否已经成功对某个按键进行操纵。
图6和7示出了一种替选的具有两个放大元件13a、13b的压电致动器11，该压电致动器可以替代在图2中示出的具有两个在图2中示出的放大元件5、6的致动器4地被使用。
在图2中示出的压电致动器4具有方形底面。所属的放大元件5、6是截锥形。
而在图6和7中示出的压电致动器11具有矩形底面。在此，该压电致动器的长度L大于其宽度B，其中长度L表示矩形底面的较长侧而宽度B表示矩形底面的较短侧。例如，长度L与宽度B之比可以在2:1与20:1之间。放大元件13a、13b是金属弓形件。放大元件13a、13b可具有钛或者由钛组成。
在图6和图7中示出的压电致动器11能够产生比在图2中示出的压电致动器4更大的力和更高的加速度。在下文，详细描述了压电致动器11和所属的放大元件13a、13b。
图6以透视图示出了压电致动器11和所属的放大元件13a、13b。图7示出了压电致动器11和所属的放大元件13a、13b的侧视图。图8还示出了对放大元件13a和致动器11的上侧的俯视图。
压电致动器11具有由沿堆叠方向S交替地重叠堆叠的内部电极21和压电层22构成的堆。压电致动器11具有：第一外部电极23，该第一外部电极布置在第一端面24上；和第二外部电极23，该第二外部电极布置在第二端面上。内部电极21沿堆叠方向S交替地与第一外部电极23或与第二外部电极23触点接通。
压电层22可以是锆钛酸铅陶瓷（PZT陶瓷）。PZT陶瓷还可以附加地包含Nd和Ni。替选地，PZT陶瓷还可以附加地具有Nd、K以及必要时Cu。替选地，压电层22可具有包含Pb(ZrxTi1-x)O3 + y Pb(Mn1/3Nb2/3)O3的成分。
内部电极21具有铜或者由铜组成。
压电致动器11为长方形。在此，其面法线指向堆叠方向S的面被称作底面。该底面为矩形。该底面的较长侧限定了压电致动器11的长度L，而该底面的较短侧限定了压电致动器11的宽度B。
压电致动器11具有在5mm与20mm之间的长度L以及在2mm与8mm之间的宽度B。按照第一实施例，压电致动器11具有为12mm的长度L和为4mm的宽度B。在第二实施例中，压电致动器11具有为9mm的长度L和为3.75mm的宽度B。
压电致动器沿堆叠方向S的伸展限定了压电致动器11的高度H。压电致动器11的高度H可以在200µm与1000µm之间。例如，在第一和第二实施例中，高度H分别为500µm。
致动器11具有两个绝缘区域12。相应的绝缘区域12构造在致动器11的端部区域中。尤其是，相应的绝缘区域12构造在致动器的端面24的区域中。
在绝缘区域12中，只有一种极性的内部电极21延伸到致动器11的端面24。绝缘区域12可以被用于使致动器11触点接通。例如，可以给相应的绝缘区域12配备用于电触点接通的外部电极23。
致动器11被设计为使得在施加电压时发生致动器11的变形（沿第一方向R1的伸展）。尤其是，压电层22被极化为使得在这些内部电极21之间施加电压导致致动器11的横向收缩，其中致动器11的垂直于堆叠方向S的长度L发生变化。因此，致动器的伸展与极化方向横向地并且相对于电场横向地进行（d31效应）。
为了进一步增强沿堆叠方向S的长度变化的效果，该设备具有两个放大元件13a、13b。如果向致动器11施加电压，则由于致动器11的伸展的变化，放大元件13a、13b至少部分地变形，如稍后详细予以描述的那样。尤其是，这两个放大元件13a、13b被确定尺寸并且与致动器11连接为使得放大元件13a、13b的各一个部分区域17a、17b由于致动器的长度L的变化而实施沿堆叠方向S的往复直线运动，其中该往复直线运动的幅度大于致动器的长度L的变化的幅度。
致动器11布置在放大元件13a、13b之间。放大元件13a、13b至少部分地平放在致动器11的上侧25或下侧26上。
相应的放大元件13a、13b一体化地来构造。相应的放大元件13a、13b具有矩形形状。相应的放大元件13a、13b条形地来构造。相应的放大元件13a、13b弯曲或弯折地来构造。相应的放大元件13a、13b为弓形。例如，相应的放大元件具有板材条。相应的放大元件具有钛或者由钛组成。板材条是弯曲的，如在下文详细予以阐述的那样。
一体化的放大元件13a、13b中的每个放大元件都被细分成多个区域或部分。这样，相应的放大元件13a、13b具有部分区域或者第一区域17a、17b。部分区域17a、17b分别具有第一部分或者中间区域19a、19b。
部分区域17a、17b还分别具有两个第二部分或者连接区域20a、20b。相应的放大元件13a、13b的两个连接区域20a、20b直接连接到相应的放大元件13a、13b的中间区域19a、19b上。换言之，相应的放大元件13a、13b的中间区域19a、19b在两侧被这两个连接区域20a、20b包围。
相应的放大元件13a、13b还具有两个端部区域18a、18b。端部区域18a、18b直接连接到相应的放大元件13a、13b的连接区域20a、20b上。换言之，各有一个连接区域20a、20b使端部区域18a、18b与放大元件13a、13b的中间区域19a、19b连接。
相应的放大元件的两个端部区域18a、18b直接平放在致动器11的表面上。这样，第一放大元件13a的第一和第二端部区域18a平放在致动器11的上侧25的部分区域上。此外，第二放大元件13b的第一和第二端部区域18b平放在致动器11的上侧25或下侧26的部分区域上。
优选地，端部区域18a、18b与致动器11的表面不可松开地连接。尤其是，端部区域18a、18b与致动器11的表面通过粘接连接15来连接。
相应的部分区域17a、17b与致动器11的表面间隔开。尤其是，在相应的部分区域17a、17b与致动器11的下侧26或上侧25之间存在空闲区域16。空闲区域16具有高度h。在致动器11与部分区域17a、17b之间的空闲高度h在0.2mm与2.0mm之间，并且在第一实施例中为0.75mm而在第二实施例中为0.4mm，其中该空闲高度h说明了当没有电压施加在致动器11上并且没有外部力作用于放大元件13a、13b时在部分区域17a、17b与压电致动器11之间的最大距离。
空闲区域16的高度h沿着相应的部分区域17a、17b发生变化。这样，相应的部分区域17a、17b的中间区域19a、19b被构造为使得该中间区域平行于致动器11的表面地延伸。借此，空闲区域16的高度h在中间区域19a、19b的区域内最大。而相应的连接区域20a、20b相对于致动器11的表面斜地延伸。换言之，相应的连接区域20a、20b与致动器11的上侧25或下侧26成一个角度。该角度优选地小于或等于45°。借此，空闲区域16的高度h沿着从中间区域19a、19b朝向相应的放大元件13a、13b的端部区域18a、18b的方向减小。因此，相应的放大元件13a、13b具有弯曲形状。
在替选的、这里未示出的实施方式中，相应的放大元件13a、13b可在该放大元件的相应的区域之间具有至少一个变薄部、优选地多个变薄部。
机械放大元件13a、13b可以分别是钛板材，该钛板材具有在0.1mm与0.4mm之间的厚度。该板材例如可具有为0.2mm的厚度。在板材厚度在这里所提到的范围内的情况下，该板材的对于实施往复直线运动来说所需的变形可以利用微小的力来引起。因而，可以省去通过变薄部来提高该板材的可变形性。与此相应地，该板材可以没有变薄部或者凹槽。
相应的放大元件13a、13b的扁平的中间区域19a、19b可具有在1.5mm与5.0mm之间的长度。在第一实施例中，中间区域19a、19b是3.5mm长。在第二实施例中，中间区域19a、19b是2.5mm长。端部区域18a、18b可具有在1.0mm与0.5mm之间的长度。在第一和第二实施例中，端部区域18a、18b分别是0.7mm长。不应该选择小于0.5mm的长度，因为否则在端部区域18a、18b与致动器11之间的粘接连接15可能不能足够强地被构造。
由致动器11和两个放大元件13a、13b组成的构件的总高度可以在5.0mm与1.0mm之间。在第一实施例中，该总高度为2.4mm。在第二实施例中，该总高度为1.7mm。
对于在电子仪器中使用压电致动器11和放大元件13a、13b来说，微型化是一个重要的着眼点。通过使用这里所描述的具有所说明的尺寸的构件，提供了如下构件，这些构件产生触觉信号并且在此只具有非常微小的空间需求。具有上文所说明的尺寸的构件例如可以被放置在移动电话或表壳的操作界面下方。
在第一实施例中，在所施加的电压为60V的情况下，得出为25µm的自由偏移或行程以及为3.5N的阻挡力。在此，刚度为0.14N/µm。在第二实施例中，在所施加的电压为60V的情况下，得出为15µm的自由偏移或行程以及为2.5N的阻挡力。在此，刚度为0.16N/µm。
如果现在向致动器11施加电压，则相应的放大元件13a、13b的部分区域17a、17b相对于致动器11沿第二方向R2移动。第二方向R2垂直于第一方向R1。第二方向R2沿着堆叠方向S延伸。
中间区域19a、19b尤其是沿第二方向R2移动。在此，相应的放大元件13a、13b在中间区域19a、19b与连接区域20a、20b之间以及在连接区域20a、20b与端部区域18a、18b之间的过渡部处被弯曲。
而通过与致动器11的粘接连接15来防止端部区域18a、18b沿第二方向R2的移动。更确切地说，端部区域18a、18b与致动器11一起沿第一方向R1移动。借此，在端部区域18a、18b与部分区域17a、17b之间发生相对移动。
附图标记列表
1 设备
2 人机接口
3 操作界面
4 压电致动器
4a 压电致动器的上侧
4b 压电致动器的下侧
5 第一放大元件
5a 边缘区域
5b 中间区域
6 第二放大元件
6a 边缘区域
6b 中间区域
7 底板
8 弹簧
9 测量单元
10 驱动电路
11 压电致动器
12 绝缘区域
13a 放大元件
13b 放大元件
15 粘接连接
16 空闲区域
17a、17b 部分区域
18a、18b 端部区域
19a、19b 部分区域的第一部分/中间区域
20a、20b 部分区域的第二部分/连接区域
21 内部电极
22 压电层
23 外部电极
24 端面
25 上侧
26 下侧
SP 切换点
R1 第一方向
R2 第二方向
K1 所施加的电压的变化过程
K2 放大元件的偏移的变化过程
B 致动器的宽度
h 空闲区域的高度
H 致动器的高度
L 致动器的长度
R1 第一方向
R2 第二方向
S 堆叠方向

Claims (18)

1.一种用于产生主动触觉反馈的设备（1），所述设备具有：
- 至少一个压电致动器（4、11），所述压电致动器具有多个压电层和布置在所述多个压电层之间的内部电极；
- 第一放大元件（5、13a）和第二放大元件（6、13b），其中所述压电致动器（4、11）布置在所述放大元件（5、6、13a、13b）之间，其中所述压电致动器（4、11）被构造和布置为在施加电压时改变所述压电致动器沿第一方向（R1）的伸展，而且其中所述放大元件（5、6、13a、13b）被构造和布置为由于所述压电致动器（4、11）的伸展的变化而变形为使得相应的放大元件（5、6、13a、13b）的部分区域（5b、6b）相对于所述压电致动器（4）沿与所述第一方向（R1）垂直的第二方向（R2）移动；和
- 驱动电路（10），所述驱动电路被设计为向所述压电致动器（4、11）施加电压，使得所述放大元件（5、6、13a、13b）被变形为使得相对于按压所述设备（1）的对象产生模仿力跳变的触觉反馈。
2.根据上一权利要求所述的设备（1），
其中所述驱动电路（10）被设计为向所述压电致动器（4、11）施加电压，所述电压具有单个的正弦脉冲、单个的矩形脉冲、单个的锯齿形脉冲、单个的半正弦脉冲、单个的半矩形脉冲、单个的半锯齿形脉冲、多个正弦脉冲、多个矩形脉冲、多个锯齿形脉冲、多个半正弦脉冲、多个半矩形脉冲或多个半锯齿形脉冲的形式。
3.根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述驱动电路（10）被设计为向所述压电致动器（4、11）施加电压，使得如果有力被施加到所述设备（1）上则所施加的电压首先持续升高并且如果被施加到所述设备（1）上的力超过力阈则所施加的电压突然降低。
4.根据权利要求1至2之一所述的设备（1），
其中所述驱动电路（10）被设计为：如果有力被施加到所述设备（1）上并且被施加到所述设备（1）上的力超过力阈，则向所述压电致动器（4、11）施加以一个电压脉冲或多个电压脉冲形式的电压。
5.根据权利要求1至2之一所述的设备（1），
其中所述驱动电路（10）被设计为：如果有力被施加到所述设备（1）上并且被施加到所述设备（1）上的力超过力阈，则突然提高向所述压电致动器（4、11）施加的电压；并且使向所述压电致动器（4）施加的电压保持恒定，直至被施加到所述设备（1）上的力低于所述力阈。
6.根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述设备（1）被设计为识别被施加到所述设备（1）上的力。
7. 根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述设备（1）被设计为识别在所述压电致动器（4、11）的内部电极之间产生的电压，所述电压由于被施加到所述设备（1）上的力而形成；而且
其中所述设备（1）被设计为依据在所述内部电极之间产生的电压的水平来识别被施加到所述设备（1）上的力。
8.根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述设备（1）被设计为通过如下方式来产生所述主动触觉反馈：在所述压电致动器（4、11）的内部电极之间施加电压，所述电压导致所述致动器（4）的长度变化。
9.根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述设备（1）被设计为产生模仿所述力跳变的触觉反馈，其方式是突然改变向所述压电致动器（4、11）施加的电压，由此将所述压电致动器（4、11）置于振动。
10.根据上一权利要求所述的设备（1），
其中所述振动的频率在从10Hz至500Hz的范围内，优选地在从10Hz至100Hz的范围内或者在从250Hz至500Hz的范围内。
11.根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述第一放大元件（5）具有截锥形板材，而且其中所述第二放大元件（6）具有截锥形板材。
12. 根据上一权利要求所述的设备（1），
其中所述截锥形板材分别具有边缘区域（5a、6a），所述边缘区域固定在所述压电致动器（4）的上侧（4a）或下侧（4b），而且
其中所述截锥形板材分别具有中间区域（5b、6b），所述中间区域远离所述上侧（4a）或所述下侧（4b）并且所述中间区域形成如下部分区域，所述部分区域被设计为沿所述第二方向（R2）移动。
13.根据权利要求11或12之一所述的设备（1），
其中所述板材分别具有钛。
14.根据上一权利要求所述的设备（1），
其中机械放大元件（13a、13b）是金属弓形件。
15.根据权利要求8或9之一所述的设备（1），
其中机械放大元件（13a、13b）没有凹槽并且具有恒定的壁厚度，
或者
其中机械放大元件（13a、13b）具有至少一个凹槽，所述凹槽减小了对所述机械放大元件的变形的机械阻力。
16. 根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述压电致动器（4）具有方形底面，或者
其中所述压电致动器（4）具有其长度（L）大于其宽度（B）的底面。
17. 根据上述权利要求之一所述的设备（1），
其中所述设备（1）具有底板（7）和人机接口（2），所述人机接口被设计为被所述对象操纵，而且
其中所述压电致动器（4、11）布置在所述底板（7）与所述人机接口（2）之间。
18.一种用于利用根据上述权利要求之一所述的设备（1）来产生主动触觉反馈的方法，
其中如果作用于所述设备（1）的力超过力阈，则由所述驱动电路（10）来改变向所述压电致动器（4、11）施加的电压。
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