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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
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In zunehmendem Maße werden unter anderem in Kraftfahrzeugen herkömmliche Tasten und Schalter zur Bedienen von Geräten durch rein elektronische Varianten, insbesondere durch berührungsempfindliche Bildschirme, ersetzt. Besonders vorteilhaft ist dabei die hohe Vielseitigkeit der berührungsempfindlichen Bildschirme. Mit einer einzigen Schnittstelle kann etwa eine Klimaanlage, ein Navigationsgerät, ein Autoradio und eine Beleuchtung gesteuert werden. Häufig werden zu diesem Zweck große und schwere Bildschirme in Kraftfahrzeugen verbaut.
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Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von berührungsempfindlichen Bildschirmen in Fahrzeugen besteht jedoch darin, dass ein Fahrer des Fahrzeugs gezwungen sein könnte, aktiv auf den Bildschirm zu sehen, um erkennen zu können, dass eine Taste erfolgreich gedrückt wurde beziehungsweise dass eine gewünschte Funktion korrekt ausgelöst worden ist. Gerade in Kraftfahrzeugen kann dies ein Sicherheitsrisiko darstellen, da der Fahrer auf diese Weise für eine gewisse Zeit abgelenkt ist.
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Um diesen Nachteil zu umgehen, werden berührungsempfindliche Bildschirme und andere Schnittstellen häufig mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung versehen. Beispielsweise kann nach dem Betätigen einer virtuellen Taste eine Schnittstelle in Vibration versetzt werden, um auf diese Weise dem Benutzer das korrekte Bedienen der Taste zurückzumelden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung vorgeschlagen, die eine Schnittstelle mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche, einen piezoelektrischen Aktuator und ein mechanisches Verstärkungselement aufweist. Das mechanisches Verstärkungselement ist an dem piezoelektrischen Aktuator und der Schnittstelle befestigt und dazu ausgebildet und angeordnet, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in eine erste Richtung derart zu verformen, dass ein Teilbereich des mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, bewegt wird, und dadurch eine Kraft auf die Schnittstelle ausgeübt wird, die die Schnittstelle in eine Richtung lateral zur berührungsempfindliche Oberfläche bewegt.
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Die Verwendung eines piezoelektrischen Aktuators zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung bietet den Vorteil einer kurzen Ansprechzeit. Ein piezoelektrischer Aktuator kann nach dem Erkennen einer Betätigung der berührungsempfindlichen Oberfläche innerhalb von wenigen Millisekunden eine haptische Rückmeldung erzeugen. Damit bietet der piezoelektrische Aktuator eine deutlich kürzere Ansprechzeit als andere Mittel zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung wie beispielsweise Linearresonatoren.
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Das mechanische Verstärkungselement kann dazu ausgebildet sein, die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung in eine Bewegung des Teilbereichs in die zweite Richtung zu übersetzen, wobei die Amplitude der Bewegung in die zweite Richtung deutlich größer ist als die Änderung der Ausdehnung des Aktuators. Dementsprechend kann es das mechanische Verstärkungselement ermöglichen, mit einem piezoelektrischen Aktuator eine große und schwere Schnittstelle zu bewegen. Würde die Schnittstelle nur um eine Strecke bewegt werden, deren Länge der Änderung der Ausdehnung des Aktuators entspricht, wäre die sich so ergebende Bewegung für den menschlichen Tastsinn nur schwer wahrnehmbar. Die Schnittstelle kann jedoch um eine Strecke bewegt werden, deren Länge der Amplitude der Bewegung des Teilbereichs in die zweite Richtung entspricht, so dass sich eine größere Bewegung der Schnittstelle ergibt, die für den menschlichen Tastsinn gut wahrnehmbar ist.
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Die zweite Richtung kann insbesondere senkrecht zur ersten Richtung sein. Die zweite Richtung kann der lateralen Richtung entsprechen, in die die Schnittstelle zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung bewegt wird.
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Der Aktuator und das Verstärkungselement sind derart angeordnet, dass die Schnittstelle in eine Richtung lateral zu ihrer berührungsempfindlichen Oberfläche bewegt wird. Für einen Nutzer ist eine solche Bewegung nicht zu unterscheiden von einer Bewegung der Schnittstelle senkrecht zu ihrer berührungsempfindlichen Oberfläche. Bei Bewegungen senkrecht zur berührungsempfindlichen Oberfläche, die im Folgenden auch als Bewegungen in die parallele Richtung bezeichnet werden, kann die Schnittstelle aufgrund einer geringe Biegesteifigkeit gegenüber Bewegungen in die parallele Richtung in unerwünschte Eigenschwingungen versetzt werden. Derartige Eigenschwingungen bewirken, dass der Benutzer die haptische Rückmeldung an verschiedenen Positionen auf der Oberfläche unterschiedlich stark wahrnimmt. Wird die Schnittstelle dagegen in die laterale Richtung bewegt, treten keine Eigenschwingungen der Schnittstelle auf und der Nutzer nimmt an jeder Position der Schnittstelle die haptische Rückmeldung gleichstark war. Für den Nutzer ergibt sich dadurch ein angenehmeres Benutzungserlebnis.
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Der Aktuator kann mit mehr als einem mechanischen Verstärkungselement verbunden sein. Vorzugsweise weist der Aktuator zwei mechanische Verstärkungselemente auf, von denen eines auf seiner Oberseite, die der Schnittstelle zugewandt ist, und eines auf seiner Unterseite, die von der Schnittstelle abgewandt ist, angeordnet ist. Auf das auf der Unterseite angeordnete Verstärkungselement könnte in alternativen Ausführungsformen verzichtet werden.
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Die Schnittstelle kann vorzugsweise ein Bildschirm mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche sein. Derartige Bildschirme sind häufig groß und schwer und weisen bei Bewegungen in die parallele Richtung eine geringe Biegesteifigkeit auf. Dementsprechend ist insbesondere bei derartigen Schnittstellen eine Bewegung in die laterale Richtung zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung vorteilhaft.
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In alternativen Ausgestaltungen könnte es sich bei der Schnittstelle auch um einen einfache Taste oder ein anderes Eingabegerät handeln.
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Der Teilbereich des mechanischen Verstärkungselements kann an einer Seitenfläche der Schnittstelle befestigt sein, die senkrecht zu der berührungsempfindlichen Oberfläche ist. Durch die Anordnung des Teilbereichs an der Seitenfläche kann sich ein einfacher Aufbau ergeben, bei dem der piezoelektrische Aktuator und die mechanische Verstärkungseinheit dazu ausgestaltet sind, die Schnittstelle in die laterale Richtung zu bewegen. Die von dem Aktuator erzeugte Kraft kann durch die Anordnung des mechanischen Verstärkungselements an der Seitenfläche in einfacher Weise und ohne wesentliche Verluste auf die Schnittstelle übertragen werden.
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Ferner kann die Vorrichtung eine Grundplatte aufweisen, wobei der piezoelektrischen Aktuator dazu angeordnet und ausgestaltet ist, die Schnittstelle in eine laterale Richtung relativ zu der Grundplatte zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zu bewegen. Insbesondere kann die haptische Rückmeldung durch eine Relativbewegung der Schnittstelle zu der Grundplatte erzeugt werden. Die Grundplatte kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, den Einbau der Vorrichtung in ein beliebiges Gerät, beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Mobiltelefon, zu ermöglichen. Dazu kann die Grundplatte dazu ausgestaltet sein, an dem beliebigen Gerät mechanisch befestigt zu werden.
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Die Schnittstelle kann mit der Grundplatte über eine gefederte Verbindung verbunden sein. Dabei kann die gefederte Verbindung derart ausgestaltet sein, dass eine Relativbewegung der Schnittstelle zu der Grundplatte ermöglicht wird. Durch die gefederte Verbindung kann sichergestellt werden, dass die Schnittstelle sich nicht über einen Maximalabstand hinaus von der Grundplatte wegbewegen kann und gleichzeitig sich stets relativ zu der Grundplatte zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung bewegen kann. Die gefederte Verbindung kann eine oder mehrere Federn aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die gefederte Verbindung ein weiches Material, beispielsweise einen Gummi, aufweisen.
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Das mechanische Verstärkungselement kann mit der Schnittstelle durch eine Klebung, eine Verschraubung, eine Verschweißung oder eine Klemmung verbunden sein. Dabei kann die Verbindung des mechanischen Verstärkungselements mit der Schnittstelle derart ausgestaltet sein, dass zumindest der Teilbereich des Verstärkungselementes nicht relativ zu der Schnittstelle bewegt werden kann. Dementsprechend kann die Verbindung dazu ausgestaltet sein, dass die Schnittstelle einer Bewegung des Teilbereichs des mechanischen Verstärkungselementes folgt.
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Der piezoelektrische Aktuator kann mit der Grundplatte durch eine Klebung, eine Verschraubung, eine Verschweißung oder eine Klemmung direkt oder indirekt über zumindest ein weiteres Element verbunden sein. Bei dem weiteren Element kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere mechanische Verstärkungselemente handeln.
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Das mechanische Verstärkungselement kann dazu ausgebildet und angeordnet sein, dass die Bewegung des Teilbereichs in die zweite Richtung eine größere Amplitude aufweist als die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung. Das Verstärkungselement kann dementsprechend eine Übersetzung bilden, die die Bewegung des Aktuators in die erste Richtung in die zweite Richtung umlenkt und dabei die Amplitude der Bewegung vergrößert. Dabei kann die Amplitude der Bewegung in die zweite Richtung mindestens fünfmal größer sein als die Änderung der Ausdehnung des Aktuators, vorzugsweise ist die Amplitude zumindest zehnmal größer.
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Der Teilbereich kann von einer Oberfläche des piezoelektrischen Aktuators beabstandet angeordnet sein, wobei das mechanische Verstärkungselement zwei Endbereiche aufweist, die an der Oberfläche des piezoelektrischen Aktuators befestigt sind, wobei sich die beiden Endbereiche unmittelbar an den Teilbereich anschließen, wobei die beiden Endbereiche an gegenüberliegenden Seiten des Teilbereichs angeordnet sind. Durch eine Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung werden die Endbereiche aufeinander zubewegt oder voneinander wegbewegt. Dadurch kann der Teilbereich in die zweite Richtung bewegt werden.
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Das mechanische Verstärkungselement kann bügelförmig sein.
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Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, einen Spannungspuls an den piezoelektrischen Aktuator anzulegen, wenn eine Betätigung der berührungsempfindlichen Oberfläche erkannt wird. Die Steuereinheit kann in die Schnittstelle integriert sein. Bei dem Spannungspuls kann es sich beispielsweise um einen einzelnen sinusförmigen, rechteckförmigen oder sägezahnförmigen Spannungspuls handeln. Alternativ kann es sich auch um zwei oder mehr sinus-, rechteck- oder sägezahnförmige Spannungspulse handeln.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgestaltet sein, einen Spannungspuls an den piezoelektrischen Aktuator anzulegen, der bewirkt, dass das mechanische Verstärkungselement derart verformt wird, dass gegenüber einem auf die berührungsempfindliche Oberfläche drückenden Objekt eine haptische Rückmeldung erzeugt wird, die einen Kraftsprung nachbildet. Durch den Kraftsprung kann für den Nutzer das Gefühl der Betätigung einer mechanischen Taste nachempfunden werden. Der Kraftsprung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Benutzer der haptische Eindruck vermittelt wird, dass nach Überschreiten eines Schaltpunktes ein mechanischer Widerstand der Oberfläche sprunghaft abnimmt.
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Die Vorrichtung kann ferner ein zweites mechanisches Verstärkungselement aufweisen, das an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist. Der Aktuator kann zwischen den beiden Verstärkungselementen angeordnet sein, wobei das zweite mechanische Verstärkungselement dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge der Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung derart zu verformen, dass ein Teilbereich des zweiten mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, bewegt wird. Das zweite Verstärkungselement kann baugleich zu dem ersten Verstärkungselement sein.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
- 1, 2 und 3 zeigen jeweils einen piezoelektrischen Aktuator mit zwei Verstärkungselementen.
- 4 zeigt schematisch eine Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
- 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
- 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
- 7 zeigt einen Spannungspuls, der von einer Steuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung angelegt werden kann und die daraus resultierende Auslenkung des Aktuators im zeitlichen Verlauf.
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Die 1, 2 und 3 zeigen einen piezoelektrischen Aktuator 11 mit zwei Verstärkungselementen 13a, 13b. Der piezoelektrische Aktuator 11 kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung eingesetzt werden.
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Der piezoelektrische Aktuator 11 stellt ein gesintertes Bauelement mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 22 und Innenelektroden 21 dar. Der piezoelektrische Aktuator 11 weist insbesondere eine Vielzahl von piezoelektrischen oder aktiven Schichten 22 auf, die übereinander zu einem Stapel angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen Schichten 22 sind die Innenelektroden 21 angeordnet. Dabei sind Innenelektroden 21 unterschiedlicher Polarität alternierend angeordnet.
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Bei den piezoelektrischen Schichten 22 kann es sich um Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken (PZT-Keramiken) handeln. Die PZT-Keramik kann ferner zusätzlich Nd und Ni enthalten. Alternativ kann die PZT-Keramik ferner zusätzlich Nd, K und gegebenenfalls Cu aufweisen. Alternativ können die piezoelektrischen Schichten eine Pb (ZrxTi1-x) O3 + y Pb (Mn1/3Nb2/3) O3 enthaltenden Zusammensetzung aufweisen.
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Die piezoelektrischen Schichten 22 weisen eine Stapelrichtung S auf. Die Stapelrichtung S erstreckt sich entlang von Stirn- bzw. Seitenflächen 24 des Aktuators 11. Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 22 entlang einer vertikalen Ausdehnung bzw. Dicke des Aktuators 11 gestapelt.
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Der Aktuator 11 weist zwei Isolationsbereiche 12 auf. Der jeweilige Isolationsbereich 12 ist in einem Endbereich des Aktuators 11 ausgebildet. Insbesondere ist der jeweilige Isolationsbereich 12 im Bereich einer Stirnfläche 24 des Aktuators 11 ausgebildet.
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Im Isolationsbereich 12 reichen nur Innenelektroden 21 einer Polarität bis an die Stirnfläche 24 des Aktuators 11. Der Isolationsbereich 12 kann zur Kontaktierung des Aktuators 11 verwendet werden. Beispielsweise kann der jeweilige Isolationsbereich 12 mit Außenelektroden 23 zur elektrischen Kontaktierung versehen werden.
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Der Aktuator 11 ist so ausgestaltet, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Aktuators 1 stattfindet. Dabei handelt es sich um eine Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11 in eine erste Richtung R1. Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 22 derart polarisiert, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Innenelektroden 21 zu einer Querkontraktion des Aktuators 11 führt, bei der sich die Länge des Aktuators 11 senkrecht zur Stapelrichtung S verändert. Folglich erfolgt eine Änderung der Ausdehnung des Aktuators 1 quer zur Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld (d31 Effekt).
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Um den Effekt der Längenänderung in Stapelrichtung S weiter zu verstärken weist die Vorrichtung zwei Verstärkungselemente 13a, 13b auf. Wird an den Aktuator 11 Spannung angelegt, so verformen sich die Verstärkungselemente 13a, 13b zumindest teilweise in Folge der Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11, wie später im Detail beschrieben wird.
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Der Aktuator 11 ist zwischen den Verstärkungselementen 13a, 13b angeordnet. Die Verstärkungselemente 13a, 13b liegen zumindest teilweise auf einer Oberseite 25 bzw. einer Unterseite 26 des Aktuators 11 auf. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist vorzugsweise eine Breite auf, welche der Breite des Aktuators 11 entspricht. Gleiches gilt vorzugsweise für die Länge der Verstärkungselemente 13a, 13b.
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Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b ist einstückig ausgebildet. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist eine rechteckige Form auf. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b ist streifenförmig ausgebildet. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b ist gekrümmt bzw. verbogen ausgebildet. Beispielsweise weist das jeweilige Verstärkungselement einen Blechstreifen auf. Der Blechstreifen ist gebogen, wie im Folgenden im Detail erläutert wird.
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Jedes der einstückigen Verstärkungselemente 13a, 13b ist in mehrere Bereiche oder Abschnitte untergliedert. So weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b einen Teilbereich oder ersten Bereich 17a, 17b auf. Der Teilbereich 17a, 17b weist jeweils einen ersten Abschnitt oder mittleren Bereich 19a, 19b auf.
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Der Teilbereich 17a, 17b weist ferner jeweils zwei zweite Abschnitte oder Verbindungsbereiche 20a, 20b auf. Die beiden Verbindungsbereiche 20a, 20b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b schließen sich unmittelbar an den mittleren Bereich 19a, 19b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b an. Der mittlere Bereich 19a, 19b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b ist mit anderen Worten von den beiden Verbindungsbereichen 20a, 20b zu beiden Seiten hin umgeben.
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Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner zwei Endbereiche 18a, 18b auf. Die Endbereiche 18a, 18b schließen sich unmittelbar an die Verbindungsbereiche 20a, 20b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b an. Mit andere Worten verbindet jeweils ein Verbindungsbereich 20a, 20b einen Endbereich 18a, 18b mit dem mittleren Bereich 19a, 19b eines Verstärkungselements 13a, 13b.
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Die beiden Endbereiche 18a, 18b des jeweiligen Verstärkungselements liegen unmittelbar auf einer Oberfläche des Aktuators 11 auf. So liegen der erste und der zweite Endbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a auf einem Teilbereich der Oberseite 25 des Aktuators 11 auf. Weiterhin liegen der erste und der zweite Endbereich 18b des zweiten Verstärkungselements 13b auf einem Teilbereich der Unterseite 26 des Aktuators 11 auf.
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Die Endbereiche 18a, 18b sind vorzugsweise unlösbar mit der Oberfläche des Aktuators 11 verbunden. Insbesondere sind die Endbereiche 18a, 18b mit der Oberfläche des Aktuators 11 durch eine Klebeverbindung 15 verbunden.
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Der jeweilige Teilbereich 17a, 17b ist von der Oberfläche des Aktuators 11 beabstandet. Insbesondere befindet sich zwischen dem jeweiligen Teilbereich 17a, 17b und der Unterseite 26 bzw. der Oberseite 25 des Aktuators 11 ein Freibereich 16. Der Freibereich 16 weist eine Höhe h auf. Die maximale Höhe h und damit der maximale Abstand zwischen dem Aktuator 11 und dem Teilbereich 17a, 17b beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, bevorzugt 2,5 mm.
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Die Höhe h des Freibereichs 16 variiert entlang des jeweiligen Teilbereichs 17a, 17b. So ist der mittlere Bereich 19a, 19b des jeweiligen Teilbereichs 17a, 17b so ausgebildet, dass er parallel zu der Oberfläche des Aktuators 11 verläuft. Damit ist die Höhe h des Freibereichs 16 im Bereich des mittleren Bereichs 19a, 19b maximal. Der jeweilige Verbindungsbereich 20a, 20b verläuft hingegen schräg zur Oberfläche des Aktuators 11. Mit anderen Worten der jeweilige Verbindungsbereich 20a, 20b schließt einen Winkel mit der Oberseite 25 bzw. der Unterseite 26 des Aktuators 11 ein. Der Winkel ist vorzugsweise kleiner oder gleich 45°. Damit verkleinert sich die Höhe h des Freibereichs 16 in Richtung von mittleren Bereich 19a, 19b hin zum Endbereich 18a, 18b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b. Folglich weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b eine gebogene Form auf.
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Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner wenigstes eine Ausdünnung 14, vorzugsweise mehrere Ausdünnungen 14, auf. In den 1 bis 3 weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b vier Ausdünnungen 14 auf. Die Ausdünnungen 14 können dabei als ein Bereich angesehen werden, in dem das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b dünner ist, also eine geringere vertikale Ausdehnung oder Dicke hat, als im übrigen Bereich. Die Ausdünnungen 14 sind dazu vorgesehen, dass sich das Verstärkungselement 13a, 13b an der Stelle der Ausdünnung 14 bei Auslenkung des Aktuators 11 verbiegen kann. Bevorzugt sind die Ausdünnungen 14 in Übergangsbereichen des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b ausgebildet. Eine Ausdünnung 14 ist dabei jeweils im Übergangsbereich zwischen Verbindungsbereich 20a, 20b und Endbereich 18a, 18b ausgebildet. Ferner findet sich jeweils eine Ausdünnung 14 im Übergangsbereich zwischen mittlerem Bereich 19a, 19b und Verbindungsbereich 20a, 20b. In den Übergangsbereichen muss sich das Verstärkungselement 13a, 13b verbiegen, wenn sich der Aktuator 11 verformt. Die Ausdünnungen 14 stellen die nötige Flexibilität des Verstärkungselements 13a, 13b sicher.
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Wird nun an den Aktuator 11 Spannung angelegt, so bewegen sich die Teilbereiche 17a, 17b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b relativ zum Aktuator 11 in eine zweite Richtung R2. Die zweite Richtung R2 ist senkrecht zur ersten Richtung R1. Die zweite Richtung R2 verläuft entlang der Stapelrichtung S.
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Insbesondere bewegen sich die mittleren Bereiche 19a, 19b in die zweite Richtung R2. Dabei biegt sich das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b an Stelle der Ausdünnungen 14 zwischen mittlerem Bereich 19a, 19b Verbindungsbereichen 20a, 20b sowie zwischen Verbindungsbereichen 20a, 20b und Endbereichen 18a, 18b.
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Hingegen wird eine Bewegung der Endbereiche 18a, 18b in die zweite Richtung R2 durch die Klebeverbindung 15 mit dem Aktuator 11 verhindert. Vielmehr bewegen sich die Endbereiche 18a, 18b mit dem Aktuator 11 in die erste Richtung R1. Es findet damit eine Relativbewegung zwischen den Endbereichen 18a, 18b und den Teilbereichen 17a, 17b statt.
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Der in den 1 bis 3 gezeigte piezoelektrische Aktuator 11 wird in einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung verwendet. 4 zeigt schematisch die Erzeugung der haptischen Rückmeldung.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Schnittstelle 2 mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche 3 auf. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen berührungsempfindlichen Bildschirm. Zur Betätigung der Schnittstelle 2 wird ein Druck auf die berührungsempfindliche Oberfläche 3 ausgeübt. Wird eine solche Betätigung erkannt, wird eine Vibration der Schnittstelle 2 ausgelöst. Dazu wird die Schnittstelle 2 in eine laterale Richtung RL bewegt. Die laterale Richtung RL ist senkrecht zur Richtung der Druckausübung auf die berührungsempfindliche Oberfläche 3. Die laterale Richtung RL ist parallel zur berührungsempfindlichen Oberfläche 3.
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Für einen Benutzer der Vorrichtung 1 sind Bewegungen der Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL nicht unterscheidbar von Bewegungen der Schnittstelle 2 in eine parallele Richtung, die senkrecht zur lateralen Richtung RL ist. Handelt es sich bei der Schnittstelle 2 um einen großen und schweren Bildschirm, bieten die Bewegungen in laterale Richtung RL gegenüber Bewegungen in die parallele Richtung wesentliche Vorteile. Aufgrund einer geringeren Biegesteifigkeit des Bildschirms werden bei der Bewegung in paralleler Richtung unerwünschte Eigenschwingungen angeregt. Diese führen dazu, dass der Benutzer das haptische Feedback an verschiedenen Positionen des Bildschirms unterschiedlich stark wahrnimmt. Dieses Problem tritt bei Bewegungen in lateraler Richtung RL jedoch nicht auf.
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Die Bewegung der Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL kann durch den piezoelektrischen Aktuator 11 veranlasst werden. Anhand der 5 und 6 werden Ausführungsbeispiele erläutert, die Möglichkeiten zur Befestigung des Aktuators 11 an der Schnittstelle 2 zeigen.
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Im Folgenden wird das an der Oberseite 25 des piezoelektrischen Aktuators 11 angeordnete mechanische Verstärkungselement 13a als erstes mechanisches Verstärkungselement 13a bezeichnet, wobei die Oberseite 25 des piezoelektrischen Aktuators 11 diejenige Seite ist, die der Schnittstelle 2 zugewandt ist. Das an der Unterseite 26 des piezoelektrischen Aktuators 11 angeordnete mechanische Verstärkungselement 13b wird im Folgenden als zweites mechanisches Verstärkungselement 13b bezeichnet, wobei die Unterseite 26 des piezoelektrischen Aktuators 11 der Oberseite 25 gegenüberliegt. Das zweite mechanische Verstärkungselement 13b ist ein optionales Bauelement. Gemäß alternativen Ausführungsformen weist die Vorrichtung 1 nur das erste, an der Oberseite 25 des Aktuators 11 angeordnete Verstärkungselement 13a und kein zweites Verstärkungselement 13b auf.
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5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung. Die Vorrichtung 1 weist eine Grundplatte 4 auf. Die haptische Rückmeldung wird durch eine Relativbewegung der Schnittstelle 2 zu der Grundplatte 4 erzeugt. Bei der Relativbewegung bleibt die Grundplatte 4 im Wesentlichen unbewegt, während die Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL bewegt wird. Die Grundplatte 4 kann dazu an einem weiteren Gerät, beispielsweise einem Fahrzeug, befestigt sein. Die Grundplatte 4 kann im Vergleich zu der Schnittstelle 2 eine wesentlich größere Masse aufweisen, beispielsweise eine zumindest zehnmal so große Masse wie die Masse der Schnittstelle 2.
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Die Grundplatte 4 kann einen Rahmen formen. Der Rahmen weist eine Öffnung auf, deren Form im Wesentlichen der Form der Schnittstelle 2 entspricht. Die Grundplatte kann die Schnittstelle 2 somit umrahmen.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner den im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebenen piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Das erste Verstärkungselement 13a ist an einer Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 befestigt, die senkrecht zu der berührungsempfindlichen Oberfläche 3 der Schnittstelle 2 ist. Insbesondere ist der mittlere Bereich 19a des Teilbereichs 17a an der Seitenfläche 2a befestigt. Dabei ist der mittlere Bereich 19a derart an der Seitenfläche 2a befestigt, dass die Schnittstelle 2 sich nicht relativ zu dem mittleren Bereich 19a bewegen kann und somit jeder Bewegung des mittleren Bereichs 19a folgt. Der Teilbereich 17a kann durch eine nicht-lösbare Verbindung, beispielsweise eine Klebeverbindung oder eine Verschweißung, oder durch eine lösbare Verbindung, beispielsweise eine Verschraubung, an der Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 befestigt sein. Der piezoelektrische Aktuator 11 ist derart an der Schnittstelle 2 befestigt, dass die zweite Richtung R2, in die der Teilbereich 17a in Folge einer Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11 in die erste Richtung R1 bewegt werden kann, der lateralen Richtung RL entspricht.
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Wird ein Spannungspuls an den Aktuator 11 angelegt, bewegt sich der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a in die zweite Richtung R2. Da die Schnittstelle 2 fest mit dem Teilbereich 17a verbunden ist, wird durch die Bewegung des Teilbereichs 17a in die zweite Richtung R2 die Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL bewegt. Auf diese Weise wird die haptische Rückmeldung erzeugt.
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Das zweite Verstärkungselement 13b ist ferner an der Grundplatte 4 befestigt. Dabei ist der Teilbereich 17b des zweiten Verstärkungselementes 13b mit der Grundplatte 4 fest verbunden, so dass sich der mittlere Bereich 19b des Teilbereichs 17b nicht relativ zur Grundplatte 4 bewegen kann. Der Teilbereich 17b des zweiten Verstärkungselements 13b kann beispielsweise an die Grundplatte 4 geklebt sein, mit der Grundplatte 4 verschraubt sein oder mit der Grundplatte 4 verschweißt sein. Da die Grundplatte 4 entweder eine wesentlich höhere Masse als die Schnittstelle 2 aufweist oder an einem weiteren Gerät, beispielsweise einem Fahrzeug befestigt ist, wird die Grundplatte 4 durch eine Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11 nicht bewegt.
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Die Schnittstelle 2 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel nur über die beiden Verstärkungselemente 13a, 13b und den piezoelektrischen Aktuator 11 mit der Grundplatte 4 verbunden. Die Vorrichtung 1 weist keine weitere mechanische Verbindung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4 auf. Dementsprechend kann die Schnittstelle 2 sich relativ zu der Grundplatte 4 bewegen.
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Es ergibt sich somit ein einfacher Aufbau, der Bewegungen der Schnittstelle 2 in eine laterale Richtung RL relativ zu der Grundplatte 4 ermöglicht.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 über eine gefederte Verbindung 5 mit der Grundplatte 4 verbunden. Die gefederte Verbindung 5 kann dabei an einer Seitenfläche 2b der Schnittfläche 2 ausgebildet sein, die der Seitenfläche 2a gegenüberliegt, die mit dem ersten Verstärkungselement 13a verbunden ist. Alternativ kann die gefederte Verbindung 5 auch an einer anderen Seitenfläche der Schnittstelle 2 oder an mehreren Seitenflächen der Schnittstelle 2 ausgebildet sein.
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In dem in 6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel weist die gefederte Verbindung 5 eine Feder auf, die die Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 verbindet. Die gefederte Verbindung 5 kann auch zwei oder mehr Federn aufweisen, die jeweils die Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 verbinden. Alternativ oder ergänzend zu den Federn kann die gefederte Verbindung 5 ein federndes Material, beispielsweise ein weiches Gummi, aufweisen.
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Die gefederte Verbindung 5 erlaubt Relativbewegungen der Schnittstelle 2 zu der Grundplatte 4. Allerdings kann die Amplitude der Relativbewegung durch die gefederte Verbindung 5 begrenzt sein.
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Wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits erläutert wurde, ist der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a mit der Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 verbunden. Dementsprechend kann durch eine Bewegung des Teilbereichs 17a in die zweite Richtung R2 eine haptische Rückmeldung erzeugt werden, wobei die Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL bewegt wird.
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Der piezoelektrische Aktuator 11 muss dabei im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nicht fest mit dem von der Grundplatte 4 gebildeten Rahmen verbunden sein. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel genannten Verbindungsmöglichkeiten einer Klebung, Verschweißung oder Verschraubung des Teilbereichs 17b des zweiten Verstärkungselements 13b mit der Grundplatte 4, besteht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit den Aktuator 11 zwischen der Schnittstelle 2 und einem von der Grundplatte 4 gebildeten Rahmen einzuklemmen. Dabei kann die Klemmung durch die gefederte Verbindung 5 zwischen der Grundplatte 4 und der Schnittstelle 2 bewirkt werden. Die gefederte Verbindung 5 kann dabei bei dem in 6 gezeigten Ruhezustand, in dem keine Spannung an dem Aktuator 11 anliegt, vorgespannt sein. Es ist ferner auch möglich, dass der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a lediglich durch die Klemmung mit der Schnittstelle 2 verbunden ist.
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Wird eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 11 angelegt, so führt diese dazu, dass die Schnittstelle 2 infolge einer Bewegung der Verstärkungselemente 13a, 13b in die zweite Richtung R2 in die laterale Richtung RL relativ zu der Grundplatte 4 bewegt wird, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits erläutert wurde.
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7 zeigt einen Spannungspuls, der von einer Steuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator 11 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung angelegt werden kann.
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Kurve K1 zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der angelegten Spannung. Es wird hier ein einzelner halbsinusförmiger Impuls mit einer Pulsweite von 3,3 ms angelegt, was einer Frequenz von 300 Hz entspricht.
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Kurve K2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators 11 in die erste Richtung infolge des angelegten Pulses. Eine maximale Auslenkung wird bereits nach etwa 5 ms erreicht. Dementsprechend ist die Ansprechzeit sehr gering. Als Vergleich wird auf Linearresonatoren verwiesen, die üblicherweise eine maximale Auslenkung erst etwa 100 ms nach dem Anlegen einer Spannung erreichen.
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Im Anschluss an die maximale Auslenkung zeigt der piezoelektrische Aktuator 11 ein kurzes Abschwingverhalten, bei dem die Amplitude der Auslenkungen schnell abnimmt.
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Es kann von der Steuereinheit ein Puls derart an den Aktuator 11 angelegt werden, dass für den Benutzer der Eindruck eines Kraftsprungs entsteht. Dieser Kraftsprung kann das Verhalten einer mechanischen Taste nachbilden und dem Benutzer somit ein Klickgefühl vermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Schnittstelle
- 2a
- Seitenfläche der Schnittstelle
- 2b
- Seitenfläche der Schnittstelle
- 3
- Berührungsempfindliche Oberfläche
- 4
- Grundplatte
- 5
- Gefederte Verbindung
- 11
- Piezoelektrischen Aktuator
- 12
- Isolationsbereich
- 13a
- Erstes Verstärkungselement
- 13b
- Zweites Verstärkungselement
- 14
- Ausdünnung
- 15
- Klebeverbindung
- 16
- Freibereich
- 17a, 17b
- Teilbereich
- 18a, 18b
- Endbereich
- 19a, 19b
- Erster Abschnitt des Teilbereichs / mittlerer Bereich
- 20a, 20b
- Zweiter Abschnitt des Teilbereichs / Verbindungsbereich
- 21
- Innenelektrode
- 22
- Piezoelektrische Schicht
- 23
- Außenelektrode
- 24
- Stirnfläche
- 25
- Oberseite
- 26
- Unterseite
- h
- Höhe
- R1
- Erste Richtung
- R2
- Zweite Richtung
- RL
- Laterale Richtung
- S
- Stapelrichtung
