DE102019108971A1

DE102019108971A1 - Displaysystem

Info

Publication number: DE102019108971A1
Application number: DE102019108971.9A
Authority: DE
Inventors: Anthony Beck; Andreas Richter; Georgi Paschew
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-04-06
Also published as: DE102019108971B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen, welches mindestens eine taktil ausgebildete Schicht, umfassend Taxel in Taxel-Feldern sowie eine elastisch ausgebildete Taxel-Membran, und mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht aufweist, umfassend mikrofluidische Durchkontaktierungen und mikrofluidische Kanäle, wobei die taktil und fluidisch ausgebildete Schicht eine taktil ausgebildete Displayoberfläche bilden. Das erfindungsgemäße Displaysystem umfasst weiterhin mindestens einen Kontrollchip, umfassend als Einheiten mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung, mindestens eine elektronische Steuereinrichtung und mindestens eine Temperiervorrichtung. Im Sinne der Erfindung weist die mikrofluidische Steuereinrichtung mindestens eine Kontrollschicht auf, welche wiederum mindestens ein Fluidreservoir, ein Steuerelement und mindestens einen Aktor, welcher in dem Steuerelement angeordnet und informationstechnisch mit diesem verbunden ist, umfasst. Im Sinne der Erfindung weist die elektronische Steuereinrichtung mindestens eine Aktivierungsschicht umfassend mindestens einen elektrischen Chip mit mindestens einer elektronisch Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Displaysystems zur taktilen Vermittlung von Informationen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen.
Im Zuge der Funktionenintegration multifunktionaler und mobiler Elektronik rücken neue Displayfunktionen, welche die herkömmliche visuelle Wiedergabe von Informationen erweitern, in den Interessenfokus. Dabei werden insbesondere visuelle, akustische und vbrotaktile Informationsdarbietungen auf Touch-Displays bzw. Touch-Screens realisiert.
Bisher hat sich etabliert, dem Benutzer bei der Bedienung glatter Displayoberflächen ein kurzweiliges Feedback zu geben, beispielsweise durch Vibration des gesamten Gerätes oder durch ein „Klick“-Geräusch bei Tastendruck. Dabei ist die haptische Wahrnehmung jedoch nur unzureichend ausgebildet. Weiterhin nachteilig wird dem Benutzer während der Berührung volle Konzentration abverlangt, indem z.B. der Finger visuell geführt an der richtigen Stelle des Displays positioniert werden muss.
Taktil ausgebildete Displays bzw. Displayoberflächen vermitteln Informationen durch Änderung ihrer Oberflächeneigenschaften. Sie ermöglichen bei Bedarf das Erscheinen und Verschwinden physischer Tasten auf einem optisch ausgebildeten Flachdisplay. Die Tasten heben sich aus der Oberfläche des Displays fühlbar heraus und erleichtern damit die Gerätebedienung. Benutzer sollen dabei, basierend auf einer nutzerorientierten Gestaltung (Human-Centered-Design Ansatz), die auf dem Display dargestellten Tasten nicht nur sehen, sondern auch physikalisch berühren, um einen reellen, dem menschlichen Grundbedürfnis zugrunde liegenden Nutzervorteil aus dem Umgang mit der Bedienoberfläche zu ziehen. Laut Studien beansprucht die taktile Rückmeldung eine geringere Aufmerksamkeit des Nutzers und ermöglicht so eine deutlich erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn nämlich aufeinanderfolgende Eindrücke schnell gelöst werden müssen, ist das Gefühl der Berührung etwa fünfmal schneller als die optische Informationsverarbeitung [1].
Elektro-vibrotaktile Displays, wie sie u.a. in US 2012/0268412 A1 beschrieben sind, erwecken beim Benutzer den Eindruck von Texturen auf einer glatt ausgebildeten, hochauflösenden Displayoberfläche. Dazu stimulieren mechano-elektrische Vibrationen und elektrische Spannungsfelder des Geräts die Rezeptoren sowie die Flüssigkeit führenden Schichten der Haut, wodurch sich der Widerstand der Oberflächenreibung gefühlt verändert und auf diese Weise unterschiedliche Oberflächenstrukturen simuliert werden können. Vorteil dieser Technologie ist die freie Programmierbarkeit und Variationsvielfalt an projizierbaren Strukturen auf der Displayoberfläche. Die haptischen Wahrnehmungsgrenzen des Menschen (bzw. der Sinnesorgane) von Oberflächenvibration liegt im Frequenzbereich zwischen 50 bis 300 Hz und lässt sich mit den vorhandenen Technologien vollständig und schnell abbilden. Die Qualität des Displaybildes wird durch diese Technologie nicht oder nur unbedeutend verringert. Nachteilig kann dem menschlichen Sinnesorgan jedoch bei ruhendem Finger (d.h. keine oder geringere Frequenz als 50 Hz) oder bei zu schneller Bewegung (d.h. Stimulation über 300 Hz) keine Struktur mehr simuliert werden. Zudem können vibrotaktile Tastaturen und Bedienfelder Körperkanten nur geringfügig darstellen und durch den Nutzer nur unzureichend lokalisiert werden. Dadurch bleibt der positive Effekt einer gesteigerten Reaktionsgeschwindigkeit, welche zu einer Verringerung der notwendigen Aufmerksamkeit, die wiederum zu einer erhöhten Multitasking-Fähigkeit führt, aufgrund fehlender bzw. inkonsequenter taktiler Rückmeldung aus.
Den Mangel an Lokalisierbarkeit von Tasten- und anderen Körperkanten lösen statisch-taktile Displays, bei denen Strukturen tatsächlich physisch vorhanden und höhenveränderlich sind. Sogenannte Braille E-Books, wie sie z.B. von den Entwicklern Yanko Design (http://www.yankodesign.com/2009/04/17/braille-e-book/), Blitab (https://biitab.com/) oder Anagraphs (http://www.damngeeky.com/2014/04/24/20680/anagraphs-electronic-braille-reader-hooks-mobile-devices.html) vorgestellt werden, ähneln der Form eines Tablets und sind in der Lage, Brailleschrift auf einer glatten Displayoberfläche abzuheben und somit dreidimensional darzustellen. Dabei wurden verschiedene Aktorsysteme genutzt, um sehbehinderten Nutzern den Zugang zur medialen Welt zu ermöglichen, indem physikalische Eingangsgrößen wie elektrische Spannungen in eine Ausgangsgröße wie beispielsweise ein mechanisches Signal umgewandelt werden. Eine Übersicht zu aktuellen Forschungsergebnissen taktiler Displays und unterschiedlichen Aktorprinzipien wird in [2,3] dargestellt. Die genannten Technologien konzentrieren sich auf die Lösung der Kommunikation mit Blinden mittels taktiler Präsentation von Information. Für Normalsehende fehlen wichtige Lösungsansätze bezüglich einfacher Bedienbarkeit, geringem Packmaß, niedrigem Preis hinsichtlich einer Massenfertigungstauglichkeit sowie Transparenz.
Weitere mögliche Aktorprinzipien basieren auf mikrofluidischen Prozessen oder werden mit mikrofluidischen Systemen kombiniert. Exemplarisch wird auf die Schrift US 2018/0158367 A1 verwiesen, bei deren Realisierung winzige Mengen eines Fluids (Flüssigkeit(en) und/oder Gas(e)) dazu verwendet wird, Blasen auf dem Display zum Ertasten zu formen. Dabei werden in dieser Schrift die Blasen nicht durch die Funktion von Steuerelementen geformt. Auch hier ist nachteilig, dass es sich bei diesen Braille E-Books um Nischenprodukte handelt, welche aufgrund ihrer hohen Kosten und komplizierten Aktorsysteme nicht wirtschaftlich sind. Ebenso ist eine Kombination mit üblichen bildgebenden Displays nicht möglich zw. weisen sie keine eigene visuell-graphische Oberfläche auf.
In der Schrift DE 102 26 746 A1 wird eine taktile Anzeigeeinheit offenbart, die ein haptisches Feedback für den Benutzer mittels Polymeraktoren wie Hydrogelen ermöglicht. Hydrogele sind physikalisch und kovalent verbundene dreidimensionale Netzwerke aus Polymerketten. Durch die Aufnahme von Wasser als Lösungsmittel quellen diese Polymerketten auf und vergrößern ihr Volumen um ein Vielfaches. Bei der Expansion bzw. Kontraktion durch Entzug des Lösungsmittels sind die Hydrogele in der Lage, durch Volumenzunahme mechanische Arbeit zu verrichten. Es wird beschrieben, wie diese Polymeraktoren reversibel ausgelenkt werden, um selbst oder in Kombination mit einem Mechanismus, direkt für höhenveränderliche Strukturen genutzt werden können. Des Weiteren wird ein hydraulischer Ansatz erwähnt, bei dem durch Überdruck der elastische Teil einer Abdeckung über einem Volumen ausgelenkt wird und dadurch taktile Information auf einer Oberfläche erzeugt. Das Auslenken der Membran sowie durch die Aufrechterhaltung des Drucks werden temperatursensitive Hydrogel-Ventile direkt vor und nach der taktilen Struktur gesteuert. Es wird erwähnt, dass durch die indirekte Steuerung (Ventilsteuerung) die Leistungsaufnahme des Systems reduziert wird und gleichzeitig die Systemdynamik verbessert werden kann. Zuletzt wird auf die gute Miniaturisierbarkeit und Integrierbarkeit von Hydrogelventilen in komplexen Systemen hingewiesen. Als nachteilig bei diesem Lösungsansatz wird die Nähe der Steuerelemente (wärmeempfindliche Hydrogele) zur taktilen Oberfläche angesehen. Die exponierte Lage der taktilen Displayoberfläche führt zu einem hohen Einfluss verschiedenster Umweltbedingungen (z. B. Wärme und UV-Strahlung durch Sonnenlicht). Diesen Einflüssen muss, um die Funktionstüchtigkeit der Steuerelemente zu gewährleisten, entgegengewirkt werden. Durch denkbare Maßnahmen (z.B. Isolierung) entsteht ein komplizierter und dickschichtiger Systemaufbau, was wiederum in hohem Fertigungsaufwand und der Verwendung spezieller, kostenintensiver Materialien resultieren kann. Eine mögliche transparente Umsetzung des Konzeptes führt in dieser Anordnung umso mehr zu deutlich erhöhten Kosten.
Einen ähnlichen konstruktiven Weg schlägt WO 01/93228 A2 vor, bei welchem taktile Informationen, ebenfalls für ein Blindenschriftdisplay, durch ein ventilgeregeltes Array mittels hydraulisch-mechanischem System realisiert wird. In diesem Ansatz werden die Eigenschaften bisheriger taktiler Displays verbessert, indem spezielle Designs der beweglichen Bereiche entwickelt sowie deren mechanischen Verbindung und Wirkung optimiert wurden. Es wird zudem auf die Verwendung von Kunststofffolien hingewiesen. Eine Umsetzung in ein vollständig transparentes System wurde auch hier nicht in Betracht gezogen.
Die Erhaltung der optischen Qualität für ein neues, weiträumig gewerblich nutzbares Displaykonzept ist jedoch unerlässlich. Das kalifornische Unternehmen Tactus Technologies™ vermarktet ein Touchscreen-Add-on (Gehäuse) unter dem Namen PHORM, das mittels Mikrofluidik physische Schaltflächen erstellt und eine reversible, transparente Tastatur auf einem Display erzeugt. Das Prinzip dieser Technik wird u.a. in der US 8,179,375 B2 , US 2016/0162064 A1 , US 2015/0253853 A1 , US 2015/0077363 A1 und US 9,557,813 B2 beschrieben. Das Abheben der Knöpfe aus der elastischen Displayoberfläche wird über den Druck einer einströmenden öligen Flüssigkeit in eine mikrofluidische Kanalstruktur realisiert. Der Druck im Kanalsystem des PHORM-Displays wird über einen mechanisch verschiebbaren Verdrängungskörper erzeugt. Diese Aufgabe kann auch motorisch gelöst werden. Der größte Nachteil dieser Realisierung ist jedoch, dass es sich bei den aktivierbaren Druckknöpfen um ortsgebundene, relativ große Elemente handelt, die zur Beeinträchtigung des Displaybildes bzw. Verminderung der optischen Qualität aufgrund von Lichtbrechung und Lupenwirkung führen. Ungelöst bleibt die freie Tastenprogrammierbarkeit, da alle vorhandenen Tasten gleichzeitig ausgebildet werden und eigenständig abgegrenzte Bereiche (Kompartimente) nicht differenziert beschalten und somit aktiviert werden können. Weiterhin ist die Ansteuerung der Tasten, welche über Kanäle mit einem Reservoir gekoppelt sind, nicht effektiv und schnell genug und wirkt somit bei der Bedienung des Systems einschränkend.
Aufgabe ist es daher, ein taktil ausgebildetes System bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Dabei soll eine Komplettlösung in Form eines Displaymoduls angeboten werden, welches physisch fühlbare Topographien ausbilden kann und gleichzeitig aufgrund hoher Transparenz und freier taktiler Programmierbarkeit die optische Darstellung und Benutzung nicht einschränkt.
Durch ein effizienteres aktorisches Ansteuerungskonzept soll die Mensch-Computer-Interaktion sowie die Bedienbarkeit der Geräte durch taktiles Feedback verbessert werden. Durch diese verbesserte und multifunktional ausgestaltete Benutzerinteraktion soll die Multitasking-Fähigkeit des Benutzers am Gerät durch erleichterte Bedienung optimiert werden. Dabei soll das System nicht nur zu einem gesteigerten Nutzererlebnis und einer effektiveren Interaktion mit dem Produkt führen, sondern soll auch eine erhöhte Sicherheit bei der Bedienung bieten.
Das zur Verfügung gestellte System und dessen Betrieb soll dabei kompakt ausgebildet und wirtschaftlich rentabel sein, indem es auf nahezu allen etablierten, kommerziell erhältlichen Displays und physikalischen Bedienoberflächen (allgemeine Benutzerschnittstellen) eingesetzt werden kann und die interne Steuerung der aktivierbaren Elemente für veränderliche Menüführungen wie Updates anpassbar ist.
Weiterhin soll das taktil ausgebildete System adaptiv auf verschiedene Geometrien und ohne Nutzereinschränkung angebracht werden und die Bedienung kommerzieller Geräte durch aktivierbares, haptisches Feedback verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Displaysystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen, welches Baugruppen, Einheiten und Folien aufweist. Das erfindungsgemäße Displaysystem weist mindestens eine taktil ausgebildete Schicht auf, welche mindestens ein Taxel-Feld aufweist. Dabei umfasst das Taxel-Feld mindestens ein Taxel, wobei das Taxel einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum mit einem Fluid befüllbar ausgebildet ist. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens eine elastisch ausgebildete Taxel-Membran auf, welche mit den Taxel-Feldern gekoppelt ist und die Begrenzung der taktil ausgebildeten Schicht zur Umgebung des Displaysystems darstellt. Ferner weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht, welche zur Befüllung oder Entleerung der Hohlräume dient und mikrofluidische Zuleitungen aufweist. Dabei umfassen die mikrofluidischen Zuleitungen zumindest eine Folie mit mindestens einer mikrofluidische Durchkontaktierung, wobei die mindestens eine mikrofluidische Durchkontaktierung mit dem mindestens einen Taxel-Feld fluidisch verbunden ist, und zumindest eine Folie mit mindestens einen mikrofluidischen Kanal, wobei der mindestens eine mikrofluidische Kanal mit dem mindestens einen Hohlraum des Taxels fluidisch verbunden ist Die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht bilden dabei eine taktil ausgebildete Displayoberfläche. Das erfindungsgemäße Displaysystem weist mindestens einen Kontrollchip auf, wobei der Kontrollchip mit den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht über die mikrofluidischen Zuleitungen der fluidisch ausgebildeten Schicht verbunden ist. Dabei umfasst der Kontrollchip als Einheiten mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung, welche mindestens eine Kontrollschicht aufweist. Die Kontrollschicht umfasst zumindest eine Folie mit mindestens einem Steuerelement, welches zum Öffnen oder Schließen der mikrofluidischen Zuleitungen zu dem mindestens einen Taxel-Feld der taktil ausgebildeten Schicht ausgebildet ist, und zumindest eine Folie mit mindestens einen Aktor, welcher in oder auf dem Steuerelement angeordnet und mit diesem gekoppelt ist und dem Antrieb des mindestens einen Steuerelements dient, indem der Aktor derart ausgebildet ist, zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Gleichgewichtszustand reversibel zu wechseln, sowie mindestens ein Fluidreservoir. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens eine elektronische Steuereinrichtung auf, welche mindestens eine Aktivierungsschicht aufweist. Die Aktivierungsschicht umfasst zumindest eine Folie mit mindestens einen elektrischen Chip, der wiederum mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit umfasst, welche über Mittel zur Signalübertragung mit dem mindestens einem Steuerelement, der mindestens einen Steuereinheit und dem mindestens einen Druckgenerator informationstechnisch gekoppelt ist, sowie zumindest eine Folie mit mindestens einer Steuereinheit. Weiterhin weist die elektronische Steuereinrichtung mindestens einen Druckgenerator auf, welcher fluidisch mit dem Fluidreservoir gekoppelt ist und zur Befüllung und Entleerung der mikrofluidischen Zuleitungen dient. Ferner umfasst der Kontrollchip mindestens eine Temperiervorrichtung.
Das erfindungsgemäße Displaysystem wird auch als multi-taktiles Display (multi-tactile Display) bezeichnet.
Durch das erfindungsgemäße Displaysystem wird für den Benutzer vorteilhaft sowohl das haptische, als auch das taktile Erfassen von Informationen ermöglicht. Dabei werden unter dem haptischen Erfassen das aktive Ertasten oder Erfühlen (Exploration) verstanden, um Informationen über die räumliche Anordnung von Objekten zu erhalten. Unter dem taktilen Erfassen wird das passive Wahrnehmen von Informationen, beispielsweise durch extern herbeigeführte Deformation der Hautoberfläche (Rezeption) durch Oberflächenänderung, verstanden.
Im Folgenden wird ausschließlich der Begriff „taktil“ verwendet, wobei im Sinne der Erfindung gleichzeitig die „haptische“ Komponente eingeschlossen wird. Beispielsweise umfasst das taktile Feedback bzw. Erfassen auch gleichzeitig das haptische Feedback bzw. Erfassen oder die taktile Vermittlung von Informationen umfasst auch die haptische Vermittlung von Informationen.
Unter einer Information, im Folgenden auch taktile Information genannt, wird im Sinne der Erfindung ein für den Benutzer wahrnehmbarer Reiz über die Haut verstanden. Dabei ist hinsichtlich der Information zu unterscheiden in „taktiler Reiz“, welcher einhergeht mit lokalen physikalischen Erhebungen aus der Displayoberfläche und in „kein taktiler Reiz“, beruhend auf einer glatt ausgebildeten Displayoberfläche. Liegt ein taktiler Reiz vor, so unterteilt sich dieser wiederum in das Erfühlen und Ertasten von harten und weichen Strukturen.
In einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Displaysystem mit einem Display oder einem Touchpad kompatibel und mit diesem kombinierbar. Dabei wird im Folgenden Touchscreen als verallgemeinernder Begriff für Touchpad und Display verwendet. In einer Ausführungsform ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche des erfindungsgemäßen Displaysystems mit einem Touchscreen kompatibel und mit diesem kombinierbar. In einer weiteren Ausführungsform ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche des erfindungsgemäßen Displaysystems mit prinzipiell glatt ausgebildeten Oberflächen, beispielsweise Fenstern, kompatibel und mit diesen kombinierbar.
Bei dem Touchscreen kann es sich um einen herkömmlichen und kommerziell erhältlichen Touchscreen handeln, welcher mit dem erfindungsgemäßen Displaysystem nachträglich aufgerüstet werden kann. Der Touchscreen wiederum ist Bestandteil eines bildgebenden technischen Gerätes wie eines Computers bzw. Laptops oder eines Mobilgerätes wie beispielsweise eines Tablets, Smartphones, eines Navigationsgeräts oder eines E-Books. Dabei weist der Touchscreen im Sinne der Erfindung auch eine optisch dargestellte Tastatur auf.
In Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens eine taktil ausgebildete Displayoberfläche und einen Kontrollchip auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Touchscreen, welcher das erfindungsgemäße Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Touchscreen eine taktil ausgebildete Displayoberfläche oder einen Kontrollchip des erfindungsgemäßen Displaysystems oder eine Kombination von beiden auf. Dabei weist die taktil ausgebildete Displayoberfläche mindestens eine taktil ausgebildete Schicht und mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht auf. Der Kontrollchip weist mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung und mindestens eine elektronische Steuereinrichtung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Displaysystem in einem Touchscreen verwendet. In einer weiteren Ausführungsform werden nur Bestandteile des erfindungsgemäßen Displaysystems wie die taktil ausgebildete Displayoberfläche oder der Kontrollchip in einem Touchscreen verwendet. Dabei fallen unter die Bestandteile alle Baugruppen, Schichten, Folien und Einheiten des erfindungsgemäßen Displaysystems. In Ausführungsformen ist der Touchscreen mit dem erfindungsgemäßen Displaysystem oder zumindest mit Teilen des erfindungsgemäßen Displaysystems, insbesondere dem Kontrollchip, über eine elektronische Signalkopplung zur Signalleitung bzw. zum Signalaustausch verbunden. In Ausführungsformen ist die elektronische Signalkopplung lösbar ausgebildet.
Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Displaysystem nicht auf die Kombination mit technischen, bildgebenden Touchscreens begrenzt. Als ein weiteres Anwendungsfeld des erfindungsgemäßen Displaysystems bietet sich im Bereich der Architektur des Produktdesigns. So können transparente, bei Bedarf aktivierbare taktile Elemente, zum Beispiel als Lichtschalter, auf sonst glatten Oberflächen wie beispielsweise Glas genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen verwendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Displaysystems zur taktilen Vermittlung von Informationen verwendet.
In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Displaysystem mehrere Baugruppen auf, wobei die Baugruppen funktional ausgebildeten Schichten, im Folgenden Schichten genannt, entsprechen und ein Schichtsystem bilden. In Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens vier Baugruppen auf, welche eine taktil ausgebildete Schicht, eine fluidisch ausgebildete Schicht, eine Kontrollschicht und eine Aktivierungsschicht umfassen.
In Ausführungsformen ist zumindest eine Baugruppe des Kontrollchips als Platine ausgebildet.
Erfindungsgemäß bilden die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht eine taktil ausgebildete Displayoberfläche.
In Ausführungsformen sind die einzelnen Baugruppen horizontal übereinander angeordnet. Bevorzugt sind die taktil ausgebildete Schicht, die fluidisch ausgebildete Schicht und die Kontrollschicht horizontal angeordnet. Ganz bevorzugt sind die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht horizontal angeordnet. Es sind jedoch auch beliebige andere räumliche Orientierungen möglich, so können die einzelnen Baugruppen auch vertikal oder versetzt nebeneinander angeordnet sein oder in einer Kombination einer ggfs. versetzt ausgebildeten horizontalen und vertikalen Anordnung. Somit entspricht die taktil ausgebildete Displayoberfläche einem System aus gestapelten Schichten.
In weiteren Ausführungsformen sind die Baugruppen in körperlichem Kontakt miteinander angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst eine Schicht wiederum mehrere Folien, jedoch mindestens eine Folie.
Die Folien einer Schicht bilden ein Foliensystem. Dabei kann sich das Foliensystem innerhalb der Schicht, aber auch über mehrere Schichten erstrecken. Dabei entspricht eine Schicht des erfindungsgemäßen Displaysystems einem System aus gestapelten Folien.
Dabei entspricht die Folie einer Lage, welche mindestens eine funktionale Aufgabe im Schichtsystem erfüllt. In Ausführungsformen erfüllt eine Folie zwei funktionale Aufgaben.
Durch die Folien und die damit einhergehende Realisierung ihrerfunktionalen Aufgaben können mindestens zwei Schichten des erfindungsgemäßen Displaysystems miteinander kombiniert werden.
In Ausführungsformen weist die Folie, bedingt durch den Herstellungsprozess, eine definierte Struktur, bestimmte Materialeigenschaften sowie eine festgelegte Position und Reihenfolge innerhalb der Schicht auf. Dabei kann, aber muss die Folie nicht zwingend durch ein typisches Folienherstellungsverfahren hergestellt worden sein. Dadurch ist die Folie in der vorliegenden Erfindung nicht auf eine typische Folie beschränkt.
In Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Displaysystem eine taktil ausgebildete Displayoberfläche auf. Dabei entspricht die taktil ausgebildete Displayoberfläche in einer Ausführungsform einem Touchscreen.
In einer Ausführungsform ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche zumindest teilweise transparent ausgebildet. Bevorzugt ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche komplett transparent ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die taktil ausgebildete Displayoberfläche als Baugruppen mindestens eine taktil ausgebildete Schicht und mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht.
In Ausführungsformen ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche mit dem Kontrollchip, bevorzugt der Kontrollschicht des Kontrollchips, informationstechnisch und fluidisch gekoppelt. Die fluidische Kopplung erfolgt dabei stets über mindestens eine mikrofluidischen Kanal aufweisende Folie und über mindestens eine mikrofluidische Durchkontaktierung aufweisende Folie. Die informationstechnische Kopplung erfolgt über Mittel zur Signalübertragung.
In weiteren Ausführungsformen ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche mit der elektronischen Steuereinrichtung, bevorzugt mit der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit verbunden. In Ausführungsformen ist diese Verbindung lösbar ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das erfindungsgemäße Displaysystem als Baugruppe eine taktil ausgebildete Schicht auf. Die taktil ausgebildete Schicht bildet die Oberfläche und Begrenzung des erfindungsgemäßen Displaysystems nach außen, zum Benutzer hin. Dabei übermittelt die taktil ausgebildete Schicht das taktile Feedback direkt an den Benutzer.
In einer Ausführungsform ist die taktil ausgebildete Schicht zumindest teilweise transparent ausgebildet. Dabei bezieht sich „zumindest teilweise“ auf lokal ausgewählte Stellen und/oder Folien der taktil ausgebildeten Schicht. Dabei ist die taktil ausgebildete Schicht bevorzugt komplett transparent ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist die taktil ausgebildete Schicht zumindest teilweise elastisch ausgebildet.
In Ausführungsformen erlaubt die taktil ausgebildete Schicht aufgrund ihres Aufbaus die Wiedergabe taktiler Informationen an den Benutzer.
Im Sinne der Erfindung weist die taktil ausgebildete Schicht als Folie mindestens eine Schutzfolie auf, welche im Folgenden auch als Taxel-Membran bezeichnet wird.
In einer Ausführungsform ist die Taxel-Membran elastisch ausgebildet. Vorteilhaft ist die Taxel-Membran dadurch mechanisch beweglich ausgebildet. Wird im Folgenden die Bewegung, insbesondere die Deformation und Expansion der Taxel bzw. einzelner oder mehrerer Taxel-Felder erwähnt, ist damit stets auch die Bewegung, insbesondere die Deformation und Expansion, der Taxel-Membran erfasst, welche mit den Taxeln und folglich auch den Taxel-Feldern gekoppelt ist.
Dabei ist die Taxel-Membran auf der taktil ausgebildeten Schicht zur Außenseite der Displayoberfläche hin, also zur Umgebung und in Richtung des Benutzers, angebracht. Dadurch ist der Finger des Benutzers bei Interaktion in direktem Kontakt mit der Taxel-Membran.
Dabei entspricht die Außenseite bzw. Umgebung der Displayoberfläche der zum Benutzer zeigenden Seite der taktil ausgebildeten Displayoberfläche, an welcher die direkte Interaktion und Berührung der taktil ausgebildeten Displayoberfläche erfolgt.
Erfindungsgemäß stellt die Taxel-Membran die Begrenzung der taktil ausgebildeten Schicht zur Umgebung des Displaysystems dar. In Ausführungsformen zählen zu den funktionalen Aufgaben der Taxel-Membran folglich, die äußere Begrenzung des erfindungsgemäßen Displaysystem zum Benutzer und somit zur Umgebung darzustellen, da diese dem Benutzer als nächstes zugewandt ist. Somit wird dem Benutzer durch die Taxel-Membran taktiles Feedback übermittelt. Weiterhin soll die Oberfläche des erfindungsgemäßen Displaysystem durch die Taxel-Membran vor extern wirkenden Einflüssen, welche von der Außenseite bzw. Umgebung des Displaysystems stammen, geschützt werden. Dies wird durch die vorteilhaften Eigenschaften der Taxel-Membran realisiert. Vorteilhaft erfolgt durch die Taxel-Membran eine beschädigungsfreie direkte Interaktion des Benutzers mit dem Touchscreen.
Erfindungsgemäß ist die Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht elastisch ausgebildet. Vorteilhaft ist die Taxel-Membran dadurch flexibel und reversibel verformbar und deformierbar ausgebildet. Vorteilhaft weist die Taxel-Membran eine hohe Reißfestigkeit, gute Abriebfestigkeit, ausreichende Gleiteigenschaften und stabile Oberflächeneigenschaften auf. Dazu zählt auch, dass die Taxel-Membran chemisch inert, stabil und vor UV-Einstrahlung schützend ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist die Taxel-Membran zumindest teilweise transparent ausgebildet. Bevorzugt ist die Taxel-Membran komplett transparent ausgebildet.
In Ausführungsformen erstreckt sich die Taxel-Membran großflächig entlang der taktil ausgebildeten Schicht und überdeckt somit die einzelnen Taxel und Taxel-Felder.
Im Sinne der Erfindung ist die Taxel-Membran direkt mit den Taxel-Feldern und somit den Taxeln der taktil ausgebildeten Schicht gekoppelt. Bei Erwähnung des Taxel-Feldes sind im Folgenden sind daher immer auch die einzelnen Taxel eines Taxel-Feldes inbegriffen.
Somit weist jedes Taxel-Feld eine Taxel-Membran auf, welche so auf dem Taxel-Feld angeordnet ist, dass sie zur Außenseite der Displayoberfläche weist Indem die Aktivierung der Taxel-Felder erfolgt, erfolgt also auch gleichzeitig die Aktivierung der Taxel-Membran. Dabei werden bei der Aktivierung die entsprechenden Taxel-Felder und die mit ihnen gekoppelte Taxel-Membran ausgelenkt, deformiert und gedehnt. Im Ruhezustand liegt die Taxel-Membran annähernd planar und glatt auf den Hohlräumen der Taxel und somit auf den Taxel-Feldern.
Dabei haben die Dicke und die Materialeigenschaften der Taxel-Membran sowie die Grundfläche des Taxel und somit auch des Hohlraums Auswirkungen auf die Steifigkeit, Langzeitstabilität und Höhenverstellbarkeit des Taxel eines Taxel-Feldes. In einer Ausführungsform ist die Taxel-Membran strukturiert ausgebildet, indem sie beispielsweise unterschiedlich ausgebildete Dicken aufweist. Dabei ist die Strukturierung sich ausdehnender Taxel-Membranen bereits Stand der Technik [3].
In einer weiteren Ausführungsform weist die Taxel-Membran zusätzliche Stützstrukturen auf. In einer weiteren Ausführungsform besteht die Taxel-Membran aus einem anderen Material als die Taxel und Taxel-Felder.
In alternativen Ausführungsformen ist die taktil ausgebildete Schicht selbst als Taxel-Membran mit den aufgeführten Eigenschaften ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung weist die taktil ausgebildete Schicht als Folie mindestens eine taktile Folie auf. In Ausführungsformen zählen zu den funktionalen Aufgaben der taktilen Folie, dass diese zur Ausbildung physischer Tasten bzw. einer physischen Tastatur ausgebildet ist.
In Ausführungsformen setzt sich die taktile Folie aus Taxel-Feldern zusammen, die wiederum mindestens ein Taxel umfassen. Die Taxel-Felder mit den Taxeln sind jeweils strukturiert ausgebildet und bilden eine Taxel-Struktur. Dabei entsprechen die Taxel-Felder der taktil ausgebildeten Schicht dem taktilen Bereich des erfindungsgemäßen taktil ausgebildeten Displays.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine taktil ausgebildete Schicht mindestens ein Taxel-Feld auf. In einer Ausführungsform setzt sich die taktil ausgebildete Schicht aus einer Vielzahl von Taxel-Feldern zusammen.
Im Sinne der Erfindung umfasst ein Taxel-Feld mindestens ein Taxel. In Ausführungsformen umfasst ein Taxel-Feld mindestens einen mit den anderen Folien fluidisch verknüpften Taxel. In Ausführungsformen umfasst ein Taxel-Feld mehrere, jedoch mindestens zwei miteinander fluidisch verbundene Taxel, welche jeweils auch mit den anderen Folien des erfindungsgemäßen Displaysystems fluidisch verknüpft sind.
In Ausführungsformen ist das Taxel-Feld als skalierbare Einheit ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Taxel-Feld unabhängig von Seitenmaß, Grundfläche, Anzahl sowie Anordnung der in ihm enthaltenen Taxel ausgebildet ist.
Das Taxel-Feld kann in einem aktivierten Zustand, bei Befüllung des Hohlraums mit Fluid, oder einem deaktivierten Zustand, bei Entleerung des Hohlraums vom Fluid, vorliegen. Somit weist das Taxel-Feld einen Ruhezustand, welcher bei oder nach der Entleerung des Hohlraums vom Fluid auftritt, oder einen Aktivzustand, welcher bei Befüllung des Hohlraums mit Fluid auftritt, auf. Bei einem aktivierten Taxel-Feld liegen auch die einzelnen Taxel des Taxel-Feldes in einem aktivierten Zustand vor. Gleiches gilt bei einem deaktivierten Taxel-Feld.
Werden im Folgenden nur Taxel bzw. nur Taxel-Felder erwähnt, so versteht es sich von selbst, dass damit auch die Taxel-Felder bzw. Taxel einhergehen. Denn alle die Taxel betreffenden Aktionen entsprechen auch gleichzeitig den Aktionen der Taxel-Felder, welche die entsprechenden Taxel aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform können einzelne Taxel eines Taxel-Feldes individuell und separat aktiviert und deaktiviert werden.
In Ausführungsformen wird die eingenommene Fläche der Taxel-Felder durch die verfügbare Fläche und/oder durch den Grad der Integrationsmöglichkeit der Steuerelemente limitiert.
In Ausführungsformen ist jedes individuelle Taxel-Feld fluidisch mit einem Steuerelement gekoppelt. In weiteren Ausführungsformen ist jedes individuelle Taxel-Feld informationstechnisch mit der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit gekoppelt.
Dabei erfolgt die Auswahl der zu aktivierenden Taxel-Felder über die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit der elektronischen Steuereinrichtung des Kontrollchips, wodurch die entsprechend angesteuerten Taxel-Felder individuell auswählbar und ansteuerbar sind.
Im Sinne der Erfindung weist ein Taxel, auch taktiles Pixel genannt, einen Hohlraum auf, der auch als Kavität bezeichnet wird, wobei der Hohlraum mit einem Fluid befüllbar ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Hohlräume für ein mindestens ein Fluid befüllbar ausgebildet. In gefülltem Zustand stellt der Hohlraum somit ein mit Fluid gefülltes Volumen dar.
In einer Ausführungsform entspricht ein Taxel einem vordefinierten taktilen Element. In einer weiteren Ausführungsform entspricht ein Taxel einer abgerundet ausgebildeten Mikrostruktur, wobei die Taxel jeweils so angeordnet sind, dass die abgerundet ausgebildete Mikrostruktur zur Außenseite des erfindungsgemäßen Displaysystems weist und zu dieser hin geöffnet ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform weist ein Taxel und somit auch der Hohlraum des Taxel eine runde bzw. abgerundete Grundfläche auf. Vorteilhaft wird dadurch die größte Stabilität bzw. eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte bei einem aktivierten Taxel-Feld gewährleistet. Allerdings ist das Taxel nicht auf eine bestimmt Geometrie hinsichtlich der Grundfläche oder dreidimensionalen Erscheinung beschränkt.
In einer Ausführungsform sind die Taxel zumindest teilweise transparent ausgebildet. Bevorzugt sind alle Taxel und somit auch die Taxel-Felder komplett transparent ausgebildet.
Durch die geringe Dimensionierung der einzelnen Taxel ist es möglich, unterschiedlich ausgebildete taktile Merkmale wie Konturen, Reliefs oder Texturen mit hoher Auflösung und somit gut für den Benutzer erkennbar und erfühlbar darzustellen.
In einer Ausführungsform ist jedes Taxel-Feld hinsichtlich seiner Steifigkeit, Langzeitstabilität und Höhenverstellbarkeit veränderlich. Dabei können diese Eigenschaften individuell für jedes Taxel-Feld separat angesteuert werden. In einer alternativen Ausführungsform sind die einzelnen Taxel hinsichtlich Steifigkeit, Langzeitstabilität und Höhenverstellbarkeit veränderlich ausgebildet, wodurch jedes Taxel individuell und separat angesteuert werden kann.
Indem die taktil ausgebildete Schicht mit der Taxel-Membran überzogen ist, sind es auch die einzelnen Taxel-Felder und folglich auch die einzelnen Taxel.
In Ausführungsformen weist die taktil ausgebildete Schicht mindestens einen mikrofluidischen Kanal aufweisende Folie auf. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine mikrofluidische Kanal mit dem mindestens einen Hohlraum des Taxels fluidisch verbunden. Innerhalb der taktil ausgebildeten Schicht sind die Hohlräume der einzelnen Taxel eines Taxel-Feldes durch diese mikrofluidischen Kanäle fluidisch miteinander verbunden. In Ausführungsformen ist die fluidische Verbindung stets lösbar ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das erfindungsgemäße Displaysystem als Baugruppe mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht auf.
In einer Ausführungsform ist die fluidisch ausgebildete Schicht zumindest teilweise transparent ausgebildet. Dabei bezieht sich „zumindest teilweise“ auf lokale Stellen und/oder Folien der fluidisch ausgebildeten Schicht. Dabei ist die fluidisch ausgebildete Schicht bevorzugt komplett transparent ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die fluidisch ausgebildete Schicht zumindest teilweise elastisch ausgebildet. Vorteilhaft ist die fluidisch ausgebildete Schicht dadurch flexibel und reversibel verformbar und deformierbar ausgebildet. Dabei kann es sich bei dem Material der fluidisch ausgebildeten Schicht um dasselbe Material der taktil ausgebildeten Schicht handeln, wodurch das Verbinden beider Schichten vorteilhaft in einer einfachen Art und Weise erfolgt.
Erfindungsgemäß dient die fluidisch ausgebildete Schicht zur Befüllung oder Entleerung der Hohlräume der Taxel der Taxel-Felder. Im Sinne der Erfindung weist die fluidisch ausgebildete Schicht dazu mikrofluidische Zuleitungen auf, über welche Befüllung und Entleerung erfolgen. Die mikrofluidischen Zuleitungen reichen bis in die Einheiten des Kontrollchips, sodass auch der Kontrollchip mikrofluidische Zuleitungen aufweist. Dabei entsprechen die mikrofluidischen Zuleitungen gleichzeitig mikrofluidischen Ableitungen. In Ausführungsformen sind die mikrofluidischen Zuleitungen mit den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht fluidisch verbunden.
In einer Ausführungsform umfassen die mikrofluidischen Zuleitungen der fluidisch ausgebildeten Schicht zumindest eine Folie mit mindestens einer mikrofluidischen Durchkontaktierung und zumindest eine Folie mit mindestens einem mikrofluidischen Kanal. Damit wird durch die fluidisch ausgebildete Schicht die Zuführung, Verteilung und Abführung der Fluide in die und aus der taktil ausgebildeten Schicht ermöglicht.
In einer Ausführungsform erfolgt durch die fluidisch ausgebildete Schicht die Befüllung der Hohlräume der Taxel mittels eines Druckgenerators. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt durch die fluidisch ausgebildete Schicht die Entleerung der Hohlräume der Taxel durch den entgegengerichteten Zug des Fluids aus den mikrofluidischen Kanälen mittels des gleichen Druckgenerators, oder allein durch die Rückstellkraft der Taxel-Membran bei Relaxation.
Im Sinne der Erfindung weist die fluidisch ausgebildete Schicht mindestens eine, einen mikrofluidischen Kanal aufweisende Folie auf, im Folgenden vereinfacht nur als mikrofluidischer Kanal bezeichnet.
Dabei ist die funktionale Aufgabe der mikrofluidischen Kanäle an die aus der Elektrotechnik bekannten metallischen Leiterbahnen angelehnt. In einer alternativen Ausführungsform sind die mikrofluidischen Kanäle zumindest teilweise als Schläuche ausgebildet. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen der mikrofluidischen Kanäle denkbar.
In einer Ausführungsform sind die mikrofluidischen Kanäle zumindest teilweise transparent ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform sind die mikrofluidischen Kanäle zumindest teilweise elastisch ausgebildet.
In Ausführungsformen ist die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht fluidisch über mikrofluidische Kanäle und mikrofluidische Durchkontaktierungen miteinander gekoppelt. Dabei erfolgt die fluidische Kopplung über mikrofluidische Kanäle und mikrofluidische Durchkontaktierungen, wobei die mikrofluidischen Kanäle stets über mikrofluidische Durchkontaktierungen zu anderen Folien des erfindungsgemäßen Displaysystems enden.
In Ausführungsformen stellen die mikrofluidischen Kanäle die Verbindung zwischen einzelnen Einheiten des Kontrollchips und den Baugruppen der taktil ausgebildeten Displayoberfläche her. Dabei reichen die mikrofluidischen Kanäle von der taktil ausgebildeten Schicht bis zu den Folien des Kontrollchips. Vorzugsweise sind die Baugruppen der taktil ausgebildeten Displayoberfläche durch die mikrofluidischen Kanäle mit der mikrofluidischen Steuereinrichtung und der elektronischen Steuereinrichtung des Kontrollchips fluidisch und informationstechnisch gekoppelt.
In einer Ausführungsform reichen die mikrofluidischen Kanäle vom Fluidreservoir des Kontrollchips bis zu den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht. In einer weiteren Ausführungsform ist jedem Taxel-Feld der taktil ausgebildeten Schicht ein solcher mikrofluidischer Kanal zugeordnet, welcher dort endet. Dabei weist jedes Taxel-Feld wiederum ein Verteilungssystem, ebenfalls mikrofluidische Kanäle umfassend, auf, durch welches das durch die mikrofluidischen Kanäle beförderte Fluid in die einzelnen Taxel innerhalb eines Taxel-Feldes befördert, verteilt und auch wieder abgeleitet wird.
In Ausführungsformen ist jeder einzelne mikrofluidische Kanal der fluidisch ausgebildeten Schicht über ein Steuerelement des mikrofluidischen Kontrollchips jeweils separat kontrollierbar ansteuerbar.
In Ausführungsformen weist ein mikrofluidischer Kanal mindestens eine Pfostenstruktur auf, welche in dem mikrofluidischen Kanal angeordnet ist und vorteilhaft als Begrenzung und Stabilisierung des mikrofluidischen Kanals dient.
Im Sinne der Erfindung weist die fluidisch ausgebildete Schicht mindestens eine, eine mikrofluidische Durchkontaktierung aufweisende Folie auf, im Folgenden vereinfacht nur als mikrofluidische Durchkontaktierung bezeichnet. Dabei weist die fluidisch ausgebildete Schicht bevorzugt mindestens zwei mikrofluidische Durchkontaktierungen aufweisende Folien auf, wobei diese zwei Folien durch eine Folie, welche mikrofluidische Kanäle aufweist, getrennt wird. Vorzugsweise sind die mikrofluidischen Kanäle und die mikrofluidischen Durchkontaktierungen gestapelt angeordnet und nehmen somit verschiedene Ebenen in der fluidisch ausgebildeten Schicht ein, wobei jedoch die mikrofluidischen Durchkontaktierungen durch die Folie mit den mikrofluidischen Kanälen hindurch reichen. Somit verbinden die mikrofluidische Durchkontaktierungen aufweisende Folien die Folien der fluidisch ausgebildeten Schicht und/oder die Folien der taktil ausgebildeten Displayoberfläche und/oder die Folien des erfindungsgemäßen Displaysystems.
In einer bevorzugten Ausführungsform reichen die mikrofluidischen Durchkontaktierungen von der taktil ausgebildeten Schicht bis zur fluidisch ausgebildeten Schicht, wodurch diese Schichten mittels der mikrofluidischen Durchkontaktierungen fluidisch miteinander verbunden sind. In Ausführungsformen sind die Taxel-Felder der taktil ausgebildeten Schicht über mikrofluidische Durchkontaktierungen mit der fluidisch ausgebildeten Schichtfluidisch verbunden. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine mikrofluidische Durchkontaktierung mit dem mindestens einen Taxel-Feld fluidisch verbunden. Dabei ist jedem Taxel-Feld der taktil ausgebildeten Schicht eine solche mikrofluidische Durchkontaktierung zugeordnet. Somit stellen die mikrofluidischen Durchkontaktierungen die mikrofluidisch ausgebildeten Verbindungen zwischen den einzelnen Folien der taktil ausgebildeten Schicht und der fluidisch ausgebildeten Schicht her. Eine weitere funktionale Aufgabe der mikrofluidischen Durchkontaktierungen ist die Zu- und Abführung sowie die Verteilung des Fluids in die und aus der taktil ausgebildeten Schicht. In alternativen Ausführungsformen sind die einzelnen Taxel der Taxel-Felder über mikrofluidische Durchkontaktierungen mit der fluidisch ausgebildeten Schicht fluidisch verbunden. In Ausführungsformen können die fluidischen Verbindungen lösbar ausgebildet sein.
Zumindest ein Ende des mikrofluidischen Kanals endet in einer mikrofluidischen Durchkontaktierung, sodass diese Durchkontaktierungen Knotenpunkte bilden und die Verteilung des Fluids innerhalb der Schichten der taktil ausgebildeten Displayoberfläche ermöglichen.
Durch die mikrofluidischen Durchkontaktierungen und der damit einhergehenden Realisierung ihrer funktionalen Aufgaben können zumindest die taktil ausgebildete und die fluidisch ausgebildete Schicht des erfindungsgemäßen Displaysystems miteinander kombiniert werden. Indem bevorzugt zwei mikrofluidische Durchkontaktierungen aufweisende Folien vorliegen, erfolgt das Hin- und Abführen des Fluid jeweils von der fluidisch ausgebildeten Schicht zur taktil ausgebildeten Schicht und zum Kontrollchip.
In Ausführungsformen sind die mikrofluidischen Durchkontaktierungen zumindest teilweise transparent ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform sind die mikrofluidischen Durchkontaktierungen zumindest teilweise elastisch ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist das erfindungsgemäße Displaysystem mindestens einen Kontrollchip auf. In Ausführungsformen entspricht der Kontrollchip einem mikrofluidischen Bauelement und wird daher auch als mikrofluidischer Kontrollchip bezeichnet. In weiteren Ausführungsformen umfasst der Kontrollchip als Baugruppen mindestens eine Kontrollschicht und mindestens eine Aktivierungsschicht.
In einer Ausführungsform dient der Kontrollchip der Realisierung der Steuerung des erfindungsgemäßen Displaysystems.
Im Sinne der Erfindung der mindestens eine Kontrollchip mehrere Einheiten. Dabei können die Einheiten nebeneinander oder übereinander, d.h. gestapelt, angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst der Kontrollchip als Einheiten mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung und eine elektronische Steuereinrichtung. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt durch die Einheiten des Kontrollchips die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Displaysystems. In einer weiteren Ausführungsform vereint der Kontrollchip weiterhin die Energieversorgung zur Förderung und Steuerung von Fluiden im Displaysystem.
Dazu weist der Kontrollchip weiterhin mindestens einen Energiespeicher auf, welcher der Energieversorgung des erfindungsgemäßen Displaysystems dient. In einer Ausführungsform ist der Energiespeicher als Ladegerät, insbesondere als Batterie oder Akkumulator ausgebildet.
In Ausführungsformen ist der Kontrollchip zumindest teilweise transparent ausgebildet. Dabei bezieht sich „zumindest teilweise“ auf lokale Stellen, Einheiten und/oder Folien des Kontrollchips. In Ausführungsformen, im Falle eines transparent ausgebildeten Kontrollchips, kann dieser in oder auf der taktil ausgebildeten Displayoberfläche angeordnet sein.
In Ausführungsformen ist der Kontrollchip direkt in der taktil ausgebildeten Displayoberfläche integriert. In weiteren Ausführungsformen ist der Kontrollchip extern von der taktil ausgebildeten Displayoberfläche angeordnet, beispielsweise im Gehäuse des Touchscreens. Vorteilhaft entsteht durch diese Platzersparnis eine kompaktere Bauform der taktil ausgebildeten Displayoberfläche. Weiterhin vorteilhaft ergibt sich durch die externe Anordnung des Kontrollchips eine Abschirmung desselben vor Umwelteinflüssen. Im Falle der externen Anordnung muss der Kontrollchip nicht zwingend transparent ausgebildet sein.
In weiteren Ausführungsformen ist der Kontrollchip mit dem Gehäuse des Touchscreens elektronisch zur Signalleitung bzw. zum Signalaustausch verbunden. In Ausführungsformen ist die elektronische Verbindung lösbar ausgebildet.
Erfindungsgemäß umfasst der Kontrollchip als Einheit mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung. Die mikrofluidische Steuereinrichtung wird auch als mikrofluidisch integrierter Schaltkreis bezeichnet. In Ausführungsformen ist die mikrofluidische Steuereinrichtung als mikrofluidischer Chip ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist die mikrofluidische Steuereinrichtung in der Nähe der elektronischen Steuereinrichtung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die mikrofluidische Steuereinrichtung, ausgehend von der Draufsicht des Benutzers auf das erfindungsgemäße Displaysystem, über der elektronischen Steuereinrichtung angeordnet.
Erfindungsgemäß weist die mikrofluidische Steuereinrichtung des Kontrollchips als Baugruppe mindestens eine Kontrollschicht auf.
In Ausführungsformen weist die Kontrollschicht mindestens eine Folie mit mikrofluidischen Durchkontaktierungen und mindestens eine Folie mit mikrofluidischen Kanälen auf.
In Ausführungsformen ist die mindestens eine Kontrollschicht direkt mit der fluidisch ausgebildeten Schicht und somit direkt mit der taktil ausgebildeten Displayoberfläche über mikrofluidische Kanäle und mikrofluidische Durchkontaktierungen fluidisch verbunden, wodurch, zusammen mit dem Fluidreservoir und dem Fluid, ein geschlossen ausgebildeter Fluidkreislauf vorliegt. Dadurch ist die taktil ausgebildete Displayoberfläche wiederum mit der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit verbunden. In Ausführungsformen ist diese Verbindung lösbar ausgebildet.
In einer Ausführungsform befindet sich ein Fluid in einem geschlossenen Fluidkreislauf.
In einer alternativen Ausführungsform befinden sich zwei jeweils phasenseparierbar ausgebildete Fluide in einem geschlossenen Fluidkreislauf, wobei das erste Fluid in einem ersten Fluidreservoir und das zweite Fluid in einem zweiten Fluidreservoir gespeichert ist. Dabei ist das erste Fluidreservoir in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung oder als eigenständige Einheit an beliebiger Stelle des Kontrollchips angeordnet. Das zweite Fluidreservoir ist in einem anderen Bereich des Kontrollchips und/oder der taktil ausgebildeten Displayoberfläche des erfindungsgemäßen Displaysystems angeordnet - vorteilhaft dort, wo es sich aus platztechnischen Gründen anbietet. In einer alternativen Ausführungsform ist das zweite Fluidreservoir ebenfalls in der Kontrollschicht des Kontrollchips angeordnet. Vorteilhaft unterscheiden sich die Eigenschaften des ersten und zweiten Fluids voneinander, wodurch es zu keiner Durchmischung der Fluide kommt. Durch die beiden Fluide im geschlossenen Fluidkreislauf wird durch das erste Fluid das Aufquellen und Kollabieren des jeweiligen Aktors und durch das zweite Fluid die Befüllung der Folien der taktil ausgebildeten Displayoberfläche realisiert.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Kontrollschicht von den mikrofluidischen Kanälen der fluidisch ausgebildeten Schicht der taktil ausgebildeten Displayoberfläche durch eine Membran getrennt, wodurch zwei geschlossene und voneinander getrennte Fluidkreisläufe realisiert werden. Dabei befindet sich ein erstes Fluid in einem ersten Fluidreservoir, welches in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung oder als eigenständige Einheit an beliebiger Stelle des Kontrollchips angeordnet ist. Das zweite Fluid befindet sich in einem zweiten Fluidreservoir, welches in einem anderen Bereich des Kontrollchips und/oder der taktil ausgebildeten Displayoberfläche des erfindungsgemäßen Displaysystems angeordnet ist. Das erste und das zweite Fluid weisen gleiche oder unterschiedliche Eigenschaften auf. Das erste Fluid im ersten geschlossenen Fluidkreislauf dient als Steuerfluid, wodurch in dem ersten geschlossenen Fluidkreislauf das Aufquellen und Kollabieren des Aktors realisiert wird. Das zweite Fluid im zweiten geschlossenen Fluidkreislauf dient als hydraulisch ausgebildetes Fluid, wodurch in dem zweiten geschlossenen Fluidkreislauf die Aktivierung oder Deaktivierung der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder der taktil ausgebildeten Displayoberfläche realisiert wird.
Erfindungsgemäß umfasst die mindestens eine Kontrollschicht des Kontrollchips zumindest eine Folie mit mindestens einem Steuerelement. Bei dem Steuerelement handelt es sich um ein fluidisches Steuerelement, wobei das fluidische Steuerelement in der Anmeldung verkürzt als Steuerelement bezeichnet wird. In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Steuerelement der Folie in oder auf der Kontrollschicht angeordnet. Dabei wird das Steuerelement auch als Schaltelement bezeichnet.
In einer Ausführungsform sind die Steuerelemente in einem Array in oder auf der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform sind die Steuerelemente blockweise über die Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung verteilt angeordnet. Vorteilhaft vereinfacht sich damit das Routing der elektrischen Leiterbahnen und durch die flächenmäßig größere Verteilung der Steuerelemente wird das Risiko eines Hitzestaus auf der Platine reduziert, wodurch weniger Energie für die Wärmeabführung benötigt wird.
Im Sinne der Erfindung ist das mindestens eine Steuerelement zum Öffnen oder Schließen der mikrofluidischen Zuleitungen zu dem mindestens einen Taxel-Feld der taktil ausgebildeten Schicht ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist das Steuerelement mikromechanisch beweglich ausgebildet, um die mikrofluidische Zuleitung für das Fluid über die mikrofluidischen Durchkontaktierungen oder die mikrofluidischen Kanäle zum Taxel-Feld zu öffnen oder zu schließen und somit die Verbindung der Kontrollschicht zur taktil ausgebildeten Displayoberfläche herzustellen oder zu trennen.
Indem das Steuerelement geöffnet oder geschlossen wird, erfolgt die Aktivierung oder Deaktivierung der einzelnen Taxel-Felder. Der aktive Zustand des Taxel-Felds beschreibt die Möglichkeit, die Taxel zu befüllen oder zu evakuieren. Der deaktivierte Zustand des Taxel-Felds beschreibt, dass der Vorzustand, Taxel befüllt oder evakuiert, erhalten bleibt. Die Aktivierung oder Deaktivierung der einzelnen Taxel-Felder erfolgt durch die Steuerung des Strömungsflusses des Fluids aus dem Fluidreservoir der mikrofluidischen Steuereinrichtung über die fluidisch ausgebildete Schicht zur taktil ausgebildeten Schicht. In einer alternativen Ausführungsform sind einzelne Taxel der Taxel-Felder individuell aktivierbar oder deaktivierbar ausgebildet.
In Ausführungsformen ist das Steuerelement als Ventil, bevorzugt als Mikroventil, ausgebildet.
Erfindungsgemäß umfasst die mindestens eine Kontrollschicht des Kontrollchips zumindest eine Folie mit mindestens einem Aktor. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Aktor der Folie in oder auf der Kontrollschicht angeordnet.
Im Sinne der Erfindung ist der Aktor in oder auf dem Steuerelement angeordnet und somit mit diesem informationstechnisch und mechanisch gekoppelt. In Ausführungsformen ist jeweils mindestens ein Aktor in oder auf einem Steuerelement angeordnet und somit mit einem Steuerelement gekoppelt. In einer weiteren Ausführungsform sind die Aktoren deckungsgleich zu den Steuerelementen angeordnet.
In einer Ausführungsform sind sowohl das Steuerelement als auch der Aktor miniaturisiert ausgebildet.
Erfindungsgemäß dient der mindestens eine Aktor dem Antrieb des mindestens einen Steuerelements, sodass dieses geöffnet und/oder geschlossen werden kann.
In Ausführungsformen ist der Aktor platzsparend in oder auf der Kontrollschicht des Kontrollchips angeordnet und wird somit vor Umwelteinflüssen abgeschirmt, um vorteilhaft eine sichere Funktionalität gewährleisten zu können.
In einer Ausführungsform ist mindestens ein Aktor zur Aktivierung und Deaktivierung des mit dem Aktor gekoppelten Steuerelements ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Aktoren zur Aktivierung und Deaktivierung der mit dem Aktor gekoppelten Steuerelemente ausgebildet.
In Ausführungsformen entspricht die Aktivierung einer physikalischen Aktivierung, welche die elektrische, thermische oder optische Aktivierung oder eine Kombination dieser Aktivierungen umfasst. Gleiches gilt auch für die Deaktivierung.
In Ausführungsformen ist der Aktor aus einem Polymer gefertigt und wird auch als Polymeraktor bezeichnet. In weiteren Ausführungsformen ist der Aktor aus der Gruppe der intelligenten Werkstoffe (englisch: smart materials) ausgewählt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor als smartes Hydrogel (englisch: stimuliresponsive hydrogel) und somit als Hydrogel-Aktor ausgebildet. Daher wird diese bevorzugte Aktor-Form im Folgenden auch als Hydrogel-Aktor bezeichnet.
In Ausführungsformen ist der Aktor in der Lage, in Abhängigkeit von Druckänderungen sein Volumen zu ändern. Dabei führt die Druckbelastung des Aktors zu einer Volumenzunahme des Aktors und letztendlich zu einer Ausdehnung der Taxel-Membran. In einer Ausführungsform quellen dabei die Polymerketten des Aktors unter der Aufnahme eines Lösungsmittels reversibel auf und vergrößern ihr Volumen um ein Vielfaches. In einer weiteren Ausführungsform ziehen sich die Polymerketten des Aktors unter dem Entzug eines Lösungsmittels reversibel zusammen und verkleinern ihr Volumen um ein Vielfaches.
Die Volumenabnahme und Volumenzunahme des Aktors stellen eine reversibel ausgebildete mechanische Bewegung dar, durch welche der Aktor in der Lage ist, mechanische Arbeit zu verrichten.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Aktor des erfindungsgemäßen Displaysystems sensitiv ausgebildet gegenüber externen physikalischen Reizen, wobei die Reize elektrische, thermische oder optische Reizen oder eine Kombination dieser Reize umfassen.
Erfindungsgemäß ist der Aktor derart ausgebildet, zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Gleichgewichtszustand reversibel zu wechseln.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgen die physikalischen Reize als Eintrag elektrischer, thermischer oder optischer Energie oder einer Kombination dieser Energien auf die Aktivierungsschicht des erfindungsgemäßen Displaysystems.
In Ausführungsformen ist der Aktor hinsichtlich seines Volumenphasenübergangs derart ausgebildet, um in Abhängigkeit der Reaktion auf einen externen physikalischen Reiz und dessen Energieeintrag sowie in Umgebung mit einem Lösungsmittel unter Änderung seiner mechanischen Eigenschaften zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Gleichgewichtszustand in einer reversibel ausgebildeten mechanischen Bewegung wechseln können.
Durch die Aktivierung oder Deaktivierung der Aktoren oder einer Kombination dieser Aktivierungen werden die damit gekoppelten Steuerelemente ebenfalls aktiviert oder deaktiviert. Damit einhergehend erfolgt die Befüllung oder Entleerung der Hohlräume der Taxel der Taxel-Felder mit Fluid und somit eine Expansion oder Kontraktion derTaxel-Membran.
Der Wechsel zwischen diesen gequollenen und kollabierten Gleichgewichtszuständen des Aktors führt zu einem Schließen und Öffnen des mit ihm gekoppelten Steuerelements. Bei einem geöffneten Steuerelement wird dieses bei Druckaufschlag durch den Druckgenerator von einem Fluid durchströmt und dieses zu den Taxel-Feldern geleitet, wodurch sich die Taxel-Membran und somit die taktil ausgebildete Displayoberfläche kontrolliert ausgelenkt, ausdehnt und deformiert.
Indem der im oder auf dem Steuerelement angeordnete Hydrogel-Aktor das aktivierende Element darstellt, wird das Steuerelement auch als Hydrogel-basiertes Mikroventil bezeichnet.
Erfindungsgemäß umfasst der Kontrollchip mindestens ein Fluidreservoir. In Ausführungsformen ist das Fluidreservoir als Folie in oder auf der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung angeordnet. In alternativen Ausführungsformen ist das Fluidreservoir als eigenständige Einheit an beliebiger Stelle des Kontrollchips angeordnet. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Fluidreservoir als eigenständige Einheit an beliebiger Stelle der taktil ausgebildeten Displayoberfläche angeordnet.
Das Fluidreservoir entspricht einem Behältnis, welches als Speicher und Sammelstelle für mindestens ein Fluid ausgebildet ist. In einer Ausführungsformen ist eine Vielzahl von mehreren Fluidreservoirs, welche jeweils ein kleineres Volumen aufweisen, im Kontrollchip, beispielsweise in oder auf der Kontrollschicht angeordnet. Vorteilhaft kann so ein dünner Aufbau realisiert werden und das Fluid gezielt aus einzelnen Fluidreservoirs entnommen werden.
In Ausführungsformen ist das Fluidreservoir mikrofluidisch mit den Steuerelementen gekoppelt. Diese mikrofluidische Kopplung erfolgt über mindestens eine mikrofluidischen Kanal aufweisende Folie und über mindestens eine mikrofluidische Durchkontaktierung aufweisende Folie. Im Falle der geöffneten Steuerelemente sind die Taxel-Felder mit dem Fluidreservoir direkt fluidisch miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform entspricht das Fluidreservoir einer Folie und ist über mikrofluidische Durchkontaktierungen und mikrofluidische Kanäle mit dem Druckgenerator, den Steuerelementen der Kontrollschicht sowie anderen Schichten der taktil ausgebildeten Displayoberfläche verbunden. In Ausführungsformen ist diese Verbindung lösbar ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen ist das Fluidreservoir über einen fluidischen Eingang mit dem Druckgenerator fluidisch verbunden. Der fluidische Ausgang des Fluidreservoirs leitet das verdrängte Fluid in das Array der Steuerelemente der Kontrollschicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist der fluidische Ausgang des Fluidreservoirs in Form von mikrofluidischen Durchkontaktierungen ausgebildet. Vorteilhaft wird dadurch eine direktere Verbindung und eine Reduzierung der Länge der mikrofluidischen Kanäle, welche einhergeht mit den mikrofluidischen Widerständen im System, erreicht. Dabei befindet sich das Fluidreservoir nicht auf der gleichen Höhe wie die Steuerelemente, sondern etwas versetzt dazu angeordnet. Dabei können je nach Materialwahl des Fluidreservoirs auch hier Stützstrukturen notwendig sein, insbesondere wenn das Fluidreservoir nicht aus einem festen Material gefertigt ist.
In Ausführungsformen, wenn das Fluidreservoir aus einem festen bzw. starren Material gefertigt ist, ist das Fassungsvermögen des Fluidreservoirs derart ausgebildet, um alle Taxel-Felder ausreichend befüllen zu können.
In Ausführungsformen, wenn das Fluidreservoir aus einem weichen und elastischen Material wie beispielsweise einem Polymer gefertigt ist, weist das Fluidreservoir Stützstrukturen auf, welche vorteilhaft der Stabilität des Fluidreservoirs dienen. In einer Ausführungsform sind die Stützstrukturen als Kammerstützstrukturen ausgebildet und verbinden verschiedene Seiten, beispielsweise den Boden und die Decke, des Fluidreservoirs, sodass sich vorteilhaft das Volumen des Fluids bei Druckbelastung nicht übermäßig ausdehnt bzw. kollabieren kann und die jeweils verbundenen Seiten des Fluidreservoirs vorteilhaft auseinander gehalten werden können.
In Ausführungsformen enthält das Fluidreservoir ein Fluid.
Fluide im Sinne der Erfindung sind flüssige und/oder gasförmige Stoffe und/oder Gemische aus flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen. Bevorzugt ist das Fluid eine Flüssigkeit.
In Ausführungsformen ist das Fluid transparent ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist das Fluid phasenseparierbar ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen entspricht der Brechungsindex des Fluids möglichst dem Brechungsindex des das Fluid umgebenden Materials, insbesondere dem Brechungsindex der Hohlräume der Taxel-Felder.
In Ausführungsformen entspricht das Fluid einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser oder Öl. In weiteren Ausführungsformen entspricht das Fluid einem Alkohol-Wasser-Gemisch, welches bevorzugt 20-40 vol% Alkoholanteil aufweist.
In einer Ausführungsform erfolgt durch das Fluid die Aktivierung oder Deaktivierung der Taxel-Felder, indem es über die vom Fluidreservoir abgehenden mikrofluidischen Kanäle über die fluidisch ausgebildete Schicht in die taktil ausgebildete Schicht zu den Taxel-Feldern verteilt wird. Dabei dient das Fluid zur Befüllung oder Entleerung der Taxel-Felder, wobei das Fluid durch Druckunterschiede in den mikrofluidischen Kanälen und den mikrofluidischen Durchkontaktierungen im erfindungsgemäßen Displaysystem vom Fluidreservoir zu den Taxel-Feldern und von dort wieder zurück zum Fluidreservoir transportiert wird.
In einer alternativen Ausführungsform erfolgt durch das Fluid die Aktivierung oder Deaktivierung gezielt angesteuerter einzelner Taxel, wobei das Fluid zur Befüllung oder Entleerung der Hohlräume der Taxel dient.
In Ausführungsformen bildet das Fluid mit dem Fluidreservoir und den mikrofluidischen Kanälen und mikrofluidischen Durchkontaktierungen einen geschlossen ausgebildeten Fluidkreislauf.
Erfindungsgemäß umfasst der Kontrollchip als Einheit eine Temperiervorrichtung. In einer Ausführungsform ist der Kontrollchip durch mindestens eine Temperiervorrichtung zumindest teilweise über seine Fläche kühlbar ausgebildet. Vorteilhaft wird dadurch der Kontrollchip des erfindungsgemäßen Displaysystems nicht überhitzt und entstehende Wärme effektiv abgeführt Durch die Temperiervorrichtung erfolgt die Kühlung und Abführung überschüssiger Wärme der Komponenten des Kontrollchips.
In einer Ausführungsform ist die Temperiervorrichtung in der Nähe der elektronischen Steuereinrichtung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Temperiervorrichtung in der Nähe der mikrofluidischen Steuereinrichtung, insbesondere der Steuerelemente, angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Temperiervorrichtung, ausgehend von der Draufsicht des Benutzers auf das erfindungsgemäße Displaysystem, unterhalb der elektronischen und mikrofluidischen Steuereinrichtung angeordnet.
In Ausführungsformen handelt es sich bei der Temperiervorrichtung um eine passive Kühlung.
In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei der Temperiervorrichtung um eine aktive Kühlung. In einer Ausführungsform funktioniert die Temperiervorrichtung ähnlich wie eine CPU-Kühlung.
In einer Ausführungsform weist die Temperiervorrichtung als Temperierelement elektrisch leitende Materialien wie ein Heizelement oder einen Heizwiderstand, einen elektrischen Widererstand oder ein Peltier-Element auf, ohne sich auf diese Ausführungen zu beschränken.
In einer weiteren Ausführungsform wird jeweils ein Steuerelement im Kontrollchip separat durch ein Temperierelement der Temperiervorrichtung gekühlt.
Erfindungsgemäß umfasst der Kontrollchip als Einheit mindestens eine elektronische Steuereinrichtung.
Die elektronische Steuereinrichtung bildet die Schnittstelle zwischen dem Kontrollchip und der taktil ausgebildeten Displayoberfläche.
Erfindungsgemäß weist die elektronische Steuereinrichtung mindestens eine Aktivierungsschicht auf. Dabei ist die Aktivierungsschicht eine Baugruppe des erfindungsgemäßen Displaysystems.
In Ausführungsformen weist die Aktivierungsschicht mindestens eine Folie mit mikrofluidischen Durchkontaktierungen und mindestens eine Folie mit mikrofluidischen Kanälen auf.
In Ausführungsformen ist die Aktivierungsschicht derart ausgebildet, ausgewählte Aktoren in der Kontrollschicht über den Energieeintrag eines physikalischen Reizes zu stimulieren. Daher ist die Aktivierungsschicht für die physikalische Aktivierung der Taxel-Felder elektrisch, thermisch oder optisch sensitiv steuernd oder aus einer Kombination dieser Reize steuernd ausgebildet, wobei hierfür zusammenfassend der Begriff „physikalisch steuernd“ verwendet wird. Dazu weist die Aktivierungsschicht mindestens eine Steuereinheit auf, welche in oder auf der Aktivierungsschicht angeordnet sind.
Im Sinne der Erfindung umfasst die mindestens eine Aktivierungsschicht des Kontrollchips zumindest eine Folie mit mindestens einer Steuereinheit. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit als elektrische, thermische Steuereinheit oder optische Steuereinheit ausgebildet. Dabei können elektrische, thermische oder optische Steuereinheiten auch beliebig miteinander kombiniert werden. In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Steuereinheit in oder auf der Aktivierungsschicht angeordnet.
In Ausführungsformen wird der physikalische Reiz zumindest von einer Steuereinheit der Aktivierungsschicht ausgesendet. In weiteren Ausführungsformen ist die mindestens eine Steuereinheit dazu bevorzugt in unmittelbarer Nähe der Aktoren und Steuerelemente angeordnet. In Ausführungsformen steuern die Steuereinheiten der Aktivierungsschicht die Aktoren der Kontrollschicht.
Durch die physikalische Aktivierung der Taxel-Felder erfolgt die Ausbildung physischer Knöpfe auf der an sich planaren taktil ausgebildeten Displayoberfläche, indem das in die Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder einströmende Fluid die Taxel-Membran ausdehnt und auslenkt.
In Ausführungsformen sind die Steuereinheiten miteinander verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst die physikalisch steuernd ausgebildete Aktivierungsschicht als elektrische Steuereinheit bevorzugt mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode. Dabei ist eine erste Folie der Aktivierungsschicht als Kathode und eine zweite Folie der Aktivierungsschicht als Anode ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die physikalisch steuernd ausgebildete Aktivierungsschicht für die thermische Aktivierung als thermische Steuereinheit mindestens eine Temperiereinheit. In Ausführungsformen ist die Temperiereinheit der thermischen Steuereinheit der Aktivierungsschicht wie die Temperiervorrichtung des Kontrollchips ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die physikalisch steuernd ausgebildete Aktivierungsschicht als optische Steuereinheit mindestens eine steuerbare Lichtquelle. In einer Ausführungsform ist die Lichtquelle als LED oder OLED ausgebildet, ohne sich auf diese Ausführungen zu beschränken. In einer alternativen Ausführungsform ist die optische Steuereinheit im Touchscreen angeordnet, wobei das Touchscreen in diesem Fall bevorzugt als Farbdisplay ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform sind mehrere Steuereinheiten in einem Array in oder auf der Aktivierungsschicht der elektronischen Steuereinrichtung angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform sind die Steuereinheiten blockweise über die Aktivierungsschicht der elektronischen Steuereinrichtung verteilt angeordnet, wodurch beispielsweise der elektrische Chip im Zentrum der Aktivierungsschicht angeordnet ist. Vorteilhaft vereinfacht sich damit das Routing der elektrischen Leiterbahnen und durch die flächenmäßig größere Verteilung der Steuereinheiten wird das Risiko eines Hitzestaus auf der Platine reduziert, wodurch weniger Energie für die Wärmeabführung benötigt wird.
In Ausführungsformen sind die Steuerelemente deckungsgleich zu den entsprechenden Steuereinheiten angeordnet.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Steuereinrichtung des Kontrollchips mindestens einen Druckgenerator.
In einer Ausführungsform wird das Fluid aus dem Fluidreservoir mit Hilfe des Druckgenerators in die mikrofluidischen Kanäle befördert. Der Druckgenerator ist mit einem Fluidreservoir fluidisch gekoppelt und stellt die Schnittstelle zwischen der elektronischen und der mikrofluidischen Steuereinrichtung dar.
In Ausführungsformen ist der Druckgenerator als Mikropumpe ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist der Druckgenerator als Druckpumpe oder Flusspumpe ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist der Druckgenerator miniaturisiert ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung ist der Druckgenerator mit dem Fluidreservoir gekoppelt und dientder Befüllung und Entleerung der mikrofluidischen Zuleitungen. Dabei ist die Kopplung von Druckgenerator mit Fluidreservoir fluidisch und informationstechnisch ausgebildet.
Bei geöffneten Steuerelementen sind die Taxel-Felder direkt mit dem Druckgenerator fluidisch verbunden.
In Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Aktivierungsschicht des Kontrollchips zumindest eine Folie mit mindestens einem elektrischen Chip. Dabei ist der mindestens eine elektrische Chip der Folie in oder auf der Aktivierungsschicht angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der Chip als Mikrochip, Prozessor oder elektrisch integrierter Schaltkreis ausgebildet.
Dabei sind die Steuereinheiten der Aktivierungsschicht über elektrische Leiterbahnen mit dem elektrischen Chip verbunden und werden von diesem angesteuert. Die elektrischen Leiterbahnen enden in einer elektrischen Masseleitung.
Der elektrische Chip enthält Informationen zur Aktivierung oder Deaktivierung der Steuereinheiten und dient der Ansteuerung der Steuereinheiten und der elektronischen Signalverarbeitung.
In Ausführungsformen ist der elektrische Chip informationstechnisch mit dem Druckgenerator verbunden.
Erfindungsgemäß weist der elektrische Chip mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit auf. In Ausführungsformen ist die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit in oder auf dem elektrischen Chip angeordnet.
Dabei dient die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit der Realisierung der Informations- und Signalverarbeitung sowie der Überwachung der Steuerung des Volumenstroms des Fluids in die taktil ausgebildete Displayoberfläche.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Computerprogrammprodukt auf der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips gespeichert.
Erfindungsgemäß ist der Kontrollchip mit den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht über die mikrofluidischen Zuleitungen der fluidisch ausgebildeten Schicht fluidisch verbunden. Dabei wird jede mikrofluidische Zuleitung über die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips separat angesteuert.
Im Sinne der Erfindung ist die mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips der Aktivierungsschicht über Mittel zur Signalübertragung informationstechnisch mit dem mindestens einen Steuerelement und somit auch mit dem mindestens einen Aktor der mikrofluidischen Steuereinrichtung des Kontrollchips informationstechnisch gekoppelt.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips über Mittel zur Signalübertragung informationstechnisch mit der mindestens einen Steuereinheit der Aktivierungsschicht gekoppelt. Dabei sendet die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit elektrische Signale aus, die als Steuersignale von der mindestens einen Steuereinheit der Aktivierungsschicht empfangen wird.
In Ausführungsformen handelt es sich bei den Mitteln zur Signalübertragung um elektrische Kabel oder elektrische Leiterbahnen. Diese enden in einer elektrischen Massenleitung. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei den Mitteln zur Signalübertragung um eine drahtlose Verbindung, welche beispielsweise als Bluetooth oder WLAN ausgebildet ist. Vorteilhaft erfolgt die Signalübertragung und -verarbeitung dabei in Echtzeit.
In einer Ausführungsform empfangen die Steuereinheiten die von der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips ausgehenden elektrischen Signale und erzeugen, je nach Ausbildung der Steuereinheit, einen Reiz. Der Aktor im Steuerelement wandelt diesen Reiz in eine mechanische Bewegung um.
Erfindungsgemäß ist die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips der Aktivierungsschicht über Mittel zur Signalübertragung informationstechnisch mit dem mindestens einen Druckgenerator gekoppelt. In Ausführungsformen funktioniert die jeweilige Übertragung der elektrischen Signale an den Druckgenerator parallel zur Signalübertragung an die Steuerelemente. Durch die elektrischen Signale, die von der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit und den Steuereinheiten der elektronischen Steuereinrichtung an den Druckgenerator ausgesendet werden, wird der Druckgenerator aktiviert.
In einer Ausführungsform weist die taktil ausgebildete Schicht und somit auch die taktil ausgebildete Displayoberfläche eine Topographie auf.
Dabei wird unter dem Sammelbegriff „Topographie“ die lokal definierte Darstellung taktiler Oberflächeneigenschaften wie Form, Kontur und Textur verstanden, welche durch die Taxel-Felder und die damit gekoppelte Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht realisiert werden. Diese Oberflächeneigenschaften (tactile features) sind bezüglich Form, Kontur und Textur veränderbar.
Dabei entspricht ein Taxel-Feld einem topographischen Bildpunkt auf der taktil ausgebildeten Displayoberfläche, wobei durch die Topographie für den Benutzer fühlbare Eigenschaften und Änderungen dieser Eigenschaften wie Form, Kontur und Textur realisiert werden. Bevorzugt tritt eine Änderung dieser Eigenschaften in Kombination auf.
In Ausführungsformen umfassen Form und Kontur beispielsweise eine als topographische Erhebung ausgebildete Höhenänderung und damit einhergehend eine kontrollierte Auslenkung, Ausdehnung und Deformation der Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht und somit der taktil ausgebildeten Displayoberfläche. Dabei ist durch die Anordnung mehrerer Taxel-Felder, die gleichzeitig expandieren, vorteilhaft die Ausdehnung der Taxel-Membran aus der taktil ausgebildeten Displayoberfläche deutlicher zu spüren, indem ein signifikantes Gefühl einer rauen Struktur beziehungsweise das taktile Erfassen einer spürbaren Topographie, zum Beispiel einer rechteckig ausgebildeten Taste, beim Benutzer hervorgerufen wird.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Textur beispielsweise die Steifigkeit, Rauigkeit und/oder Weichheit der taktilen Oberfläche, woraus u.a. eine Änderung der Reibung und wahrgenommener Rauigkeit und sogar eine „Klebrigkeit“ durch den Benutzer wahrgenommen werden kann. In Ausführungsformen werden aktivierte Taxel-Felder vom Benutzer als Bereiche mit stark erhöhter Rauigkeit oder als dreidimensionale Strukturkante wahrgenommen. Dabei wird die Strukturkante vom Benutzer umso deutlicher wahrgenommen, je größer der Steigungswinkel von der Taxel-Membran zur Grundfläche des Taxel ausgebildet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Displaysystems zur taktilen Vermittlung von Informationen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Displaysystems basiert auf einem innovativ ausgebildeten aktorischen Ansteuerungskonzept, welches mittels intelligenter Werkstoffe realisiert wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die flexible Steuerung und Programmierbarkeit der taktilen Bereiche ermöglicht, wodurch diese an die taktil ausgebildete Displayoberfläche anpassbar werden und die Bedienbarkeit des erfindungsgemäßen Displaysystems verbessert wird.
Durch die kontrollierte Deformation der Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht, welche auf einer Aktivierung basiert, bilden sich auf der an sich planar bzw. glatt taktil ausgebildeten Displayoberfläche physische Knöpfe aus, die für den Benutzer einfach zu ertasten sind.
Die Aktivierung der physischen Knöpfe erfolgt durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches auf einem aktorischen Ansteuerungskonzept basiert, bei welchem über die Aktoren Fluide differenziert in dem erfindungsgemäßen Displaysystem kontrolliert und geleitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sendet die mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips in Abhängigkeit der Sensitivität der mindestens einen Steuereinheit der Aktivierungsschicht von auf ihr eintreffende Reize ein elektrisches Signal an den Aktor.
Dabei wandelt der angesteuerte Aktor das elektrische Signal in ein mechanisches Signal um, indem er reversibel zwischen einem gequollenem und kollabierten Gleichgewichtszustand wechselt.
Die reversibel ausgebildete mechanische Bewegung erfolgt entweder, indem das Steuerelement des entsprechend angesteuerten Aktors durch das Kollabieren der Polymerstruktur des Hydrogel-Aktors, im Folgenden nur Kollabieren des Aktors genannt, geöffnet wird, sodass das Fluid aus dem Fluidreservoir über die fluidisch ausgebildete Schicht in die Hohlräume der Taxel der taktil ausgebildeten Schicht geleitet wird, oder indem das Steuerelement des entsprechend angesteuerten Aktors durch das Aufquellen der Polymerstruktur des Hydrogel-Aktors, im Folgenden nur Aufquellen des Aktors genannt, geschlossen wird, wodurch der Durchfluss des Fluids über die fluidisch ausgebildete Schicht hin zur taktil ausgebildeten Schicht gestoppt wird die Hohlräume der taktil ausgebildeten Schicht vom Fluid entleert werden.
Dabei erfolgt die Befüllung der Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder durch das Kollabieren des Aktors, indem sich das Steuerelement öffnet. Die Taxel-Felder liegen dadurch in einem aktivierten Zustand vor.
Indem der Druckgenerator die Pumpleistung aktiviert, wird ein positiver Druck auf das Fluid im Fluidreservoir ausgeübt, wodurch dieses unter dem aufgebauten Druck in die Hohlräume des entsprechend angesteuerten Taxel-Feldes geleitet wird.
Dadurch kommt es zur kontrollierten Deformation und Expansion der über den Taxel-Feldern angeordneten und mit diesen gekoppelten Taxel-Membran, indem sich die Taxel-Membran nach oben und außen, in Richtung Umgebung zum Benutzer hin wölbt, ausdehnt und ausgelenkt wird, da das in den Hohlraum des entsprechend angesteuerten Taxel-Feldes einströmende Fluid gegen diese elastisch ausgebildete Taxel-Membran drückt. Dieser Taxel-Hub führt zu einer Expansion der Taxel-Membran in einem Steigungswinkel zur Grundfläche des Taxel. Dabei entspricht der Taxel-Hub dem Hub der Taxel-Membran und somit der Höhenverstellbarkeit der einzelnen Taxel-Felder.
Bevorzugt erfolgt das Einströmen des Fluids in die entsprechend angesteuerten Taxel-Felder und somit die Expansion der Taxel-Felder und der Taxel-Membran senkrecht zur taktil ausgebildeten Displayoberfläche nach außen zur Umgebung und somit senkrecht zu den Schichten des erfindungsgemäßen Displaysystems.
Die nach außen für den Benutzer spürbare Expansion der Taxel-Membran beträgt dabei, je nach aufgewendeten Druck und Durchmesser der Grundfläche des Taxels, ca. 1 mm aus der taktil ausgebildeten Displayoberfläche und wird dadurch für den Benutzer des Systems spürbar.
Die Entleerung der Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder erfolgt durch das Aufquellen des Aktors, indem sich das Steuerelement schließt. Nach der Entleerung liegen die Taxel-Felder in einem deaktivierten Zustand vor. Dieser deaktivierte Zustand bildet den Ausgangszustand und somit den Ruhezustand der Taxel-Felder.
Indem der Druckgenerator die Pumpleistung reduziert, wirkt der atmosphärische Druck und die Rückstellkraft der gedehnten Taxel-Membran auf die mit Fluid gefüllten Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder.
In einer alternativen Ausführungsform kehrt das Taxel-Feld durch eine Relaxations-Kraft F_r des Materials der Taxel-Membran in den Ruhezustand zurück, indem das zuvor vergrößerte Volumen des Hohlraums wieder verringert wird und das Fluid zurück in das Fluidreservoir fließt. Eine Aktivierung des Druckgenerators entfällt daher.
Das Fluid wird dabei aus den Hohlräumen der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder evakuiert, wodurch sich die Hohlräume entleeren und es zu einer kontrollierten Relaxation und Kontraktion der mit den Taxel-Feldern gekoppelten Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht kommt, indem die Taxel-Membran wieder nach innen, vom Benutzer weg, in Richtung Display zurückgezogen und abgesenkt wird. Das Fluid fließt in das Fluidreservoir zurück. Dabei ist eine vollständige Evakuierung des Hohlraums nicht durchführbar, sodass immer eine Restmenge an Fluid im Hohlraum verbleiben wird.
In einer weiteren Ausführungsform entspricht der negative Druck einer Kraftwirkung bei der Relaxation der Taxel-Membran, wodurch eine, im Gegensatz zum Unterdruck, langsamere Entleerung der Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder vom Fluid erfolgt.
In Ausführungsformen wird durch entgegengesetzte Pumpleistung ein Unterdruck im erfindungsgemäßen Displaysystem erzeugt, wodurch eine schnelle Entleerung der Hohlräume der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder vom Fluid erfolgt.
Dabei sind die Kräfte bei der Entleerung denen bei der Befüllung durch den Druckgenerator entgegen gerichtet.
In einer alternativen Ausführungsform, wenn die Kontrollschicht von den mikrofluidischen Kanälen der fluidisch ausgebildeten Schicht der taktil ausgebildeten Displayoberfläche durch eine Membran getrennt ist, wölbt sich diese Membran auf die mikrofluidischen Kanäle, wodurch diese aufgrund des sich ausbildenden Drucks geöffnet oder geschlossen werden und somit die mikrofluidische Zuleitung des hydraulisch ausgebildeten Fluids in die Taxel-Felder der taktil ausgebildeten Schicht ermöglicht wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Computerprogrammprodukt zur taktilen Vermittlung von Informationen verwendet.
Durch die aus der Mikrosystemtechnik bekannten Technologien ist die platzsparende Anordnung der Bestandteile des erfindungsgemäßen Displaysystems, beispielsweise der Steuerelemente, mikrofluidischen Kanäle, mikrofluidischer Durchkontaktierungen und des Fluidreservoirs in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung des Kontrollchips, vorteilhaft gut realisierbar.
Eine größere Herausforderung stellt hingegen die Anordnung der Steuereinheiten wie beispielsweise der thermischen Steuereinheiten, die Flusssteuerung des Fluids durch den Druckgenerator sowie informationsverarbeitender Bauelemente wie des elektrischen Chips für die elektronische Steuerung dar, da sich diese Komponenten nicht gegenseitig und untereinander beeinflussen. Darunter fällt auch die Organisation elektrischer Leitbahnen sowie Komponenten für die Schnittstellenkommunikation.
Die vorliegende Erfindung umfasst alle genannten Vorteile in einer Produktlösung mit der zusätzlichen Eigenschaft, dass im optisch relevanten Bereich das Foliensystem vollständig transparent gestaltet wird. Dadurch werden die bereits erwähnten hohen Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsvielfalten ermöglicht und es wird erwartet, dass die bisher ausgebliebene gewerbliche Nutzung taktiler Displaysysteme erfolgt und vorangetrieben wird.
Die Mensch-Computer-Interaktion wird durch die für den Benutzer reduzierte Reaktionszeit sowie die verbesserte Konditionierung vorteilhaft beschleunigt und wird dadurch effektiver und effizienter.
Weiterhin vorteilhaft wird die Multitasking-Fähigkeit aufgrund des Hinzufügens von taktilem Feedback erhöht, da der Benutzer dadurch eine reduzierte Aufmerksamkeit bei der Bedienung des Displays benötigt. Dabei wird unter Multitasking-Fähigkeit die Ausführung paralleler Aufgaben bei der Nutzung des Touchscreens eines bildgebenden technischen Geräts, welches das erfindungsgemäße Displaysystem umfasst, verstanden. Vorteilhaft erfolgt durch die parallele Bedienbarkeit des erfindungsgemäßen Displaysystems eine schnellere und zuverlässige Abarbeitung der vorliegenden Aufgabenfülle. Beispielhaft sei bezüglich der parallelen Bedienbarkeit auf das „blinde“ Schreiben auf dem Touchscreen verweisen, während sich die optische Wahrnehmung des Benutzers entweder auf einen anderen Bereich des Displays oder auf gleichzeitig ablaufende Prozesse, welche in der realen Umgebung des Benutzers konzentrieren kann. Dabei kann der Benutzer auch mit der realen Umgebung interagieren. Beispielsweise sei hier auf das Bedienen eines Navigationsgerätes verwiesen, welches die erfindungsgemäße taktil ausgebildete Displayoberfläche aufweist, während sich der Benutzer gleichzeitig auf den Straßenverkehr konzentriert. Weiterhin vorteilhaft erfordert die einzelne Abarbeitung der Aufgaben weniger Aufmerksamkeit durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Wahrnehmung.
Zudem erhöht sich vorteilhaft die Bediensicherheit durch die Ausbildung der „physischen“ Knöpfe aus einer eigentlich transparenten, planar ausgebildeten Oberfläche.
Da die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht relativ dünn ausgebildet sind, hat die taktil ausgebildete Displayoberfläche selbst nur einen geringen Einfluss auf die resistive oder kapazitive Funktion und Sensitivität handelsüblicher Touchscreens. Dadurch wird die sensorische Funktion bezüglich der Sensibilität des darunter liegenden Touchscreens nicht oder nicht merklich beeinflusst. Die taktil ausgebildete Displayoberfläche ist somit nur zur Übermittlung taktiler Informationen ausgebildet. Die Ermittlung von taktilen Informationen, zum Beispiel eines Tastendrucks, übernimmt der darunter liegende Touchscreen. Damit wird ein Großteil der zu verarbeitenden Informationen bereits gelöst.
Das erfindungsgemäße Displaysystem mit der taktil ausgebildeten Displayoberfläche besteht aus einem dünnen Foliensystem, welches für jede (kommerziell erhältliche) Touchscreengröße hergestellt werden kann sowie adaptiv aufgrund der materialeigenen Flexibilität auf eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Geometrien und Oberflächen aufgebracht werden kann, wodurch es multifunktional bzw. universell einsetzbar wird. Dabei bezieht sich der Begriff „multi“ für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Erfindung. Vorteilhaft können dadurch bestehende, bekannte Displays mit dem erfindungsgemäßen Displaysystem nachgerüstet werden. Weiterhin vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Displaysystem somit auf jede Art von Oberfläche anwenden.
Durch das erfindungsgemäße Displaysystem wird eine freie taktile Programmierbarkeit gewährleistet. Unter einer freien taktilen Programmierbarkeit ist dabei die unabhängige Aktivierung bzw. Deaktivierung der Taxel-Felder auf der Displayoberfläche zu verstehen. Mit dieser Programmierbarkeit einhergehend erfolgt ein Feedback auf herkömmlichen Touchscreens für eine verbesserte Interaktion mit dem Benutzer erzeugt, indem mit der taktilen Information eine zusätzliche Informations- und Kommunikationsebene für die taktile Wahrnehmung, neben der bisher dominierenden optischen und akustischen Wahrnehmung, bei der Mensch-Computer-Interaktion hinzugefügt wird.
Durch das erfindungsgemäße Displaysystem stellt sich für den Benutzer eine erhöhte Sicherheit durch unterschiedlich intensive Wahrnehmung des taktilen Feedbacks und taktiler Warnsignale ein.
Das innovative Aktorkonzept, welches auf dem Technologiebereich stimuli-sensitiver Polymere als Aktormaterial sowie der Mikrofluidik basiert, kann vorteilhaft durch Fertigungstechnologien aus der Mikrosystemtechnik ein hohes Maß an Miniaturisierbarkeit garantieren. Erhöhte Miniaturisierung, wie sie aus der Mikroelektronik bekannt ist, ermöglicht wiederum schnellere Schalt- bzw. Reaktionszeiten eines Systems.
Durch die Konzeptionierung des erfindungsgemäßen Displaysystems mit der bevorzugten externen und somit isolierten Anordnung des Kontrollchips, haben Umwelteinflüsse vorteilhaft einen deutlich geringeren Einfluss als bei bisherigen, ähnlichen Konzepten. Je geringer der Einfluss von Störparameter ist, desto weniger technologischer Aufwand muss betrieben werden bzw. desto weniger Maßnahmen müssen getroffen werden, um den Störparametern entgegen zu wirken. So können Leistungseinsparungen zum Beispiel durch reduzierte Kühlung des Systems erreicht werden. Eine einfache Adressierung der einzelnen Aktoren schafft die differenzierte Ansteuerung der physischen Knöpfe, wodurch die freie taktile Programmierbarkeit realisiert wird. Das erfindungsgemäße Displaysystem hat vorteilhaft eine geringe Leistungsaufnahme aufgrund der Kombination eines minimalen Einsatzes von Steuerelementen, gepaart mit geringer Volumenförderung und dem Ausnutzen verschiedener Materialeffekte, wie zum Beispiel die Kraftwirkung bei der Relaxation der Taxel-Membran. Die genannten Vorteile konnten bisher nur vereinzelt in einem Produkt für taktiles Feedback aus dem Stand der Technik realisiert werden.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßiger Anordnung miteinander zu kombinieren.
Ausführungsbeispiele
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die taktile Darstellung einer Tastatur auf dem erfindungsgemäßen Displaysystem sowie der Beschreibung der Displayfunktionalität und des taktilen Feedbacks. Weiterhin beziehen sich die Ausführungsbeispiele insbesondere auf die Anordnung der Einheiten und Baugruppen auf der taktil ausgebildeten Displayoberfläche und dem Kontrollchip. Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

1 ein Schema des Displaysystems, aufweisend eine taktil ausgebildete Displayoberfläche und einen Kontrollchip,
2 eine Detailansicht der taktil ausgebildeten Displayoberfläche aus 1 mit taktil ausgebildeter und fluidisch ausgebildeter Schicht,
3 eine Detailaufnahme eines Taxel-Feldes der taktil ausgebildeten Schicht aus 1 mit mehreren über mikrofluidische Kanäle verbundenen Taxeln (im Ruhezustand),
4 eine Schnittansicht der Detailaufnahme der taktil ausgebildeten Schicht aus 3,
5 eine Schnittansicht eines Taxel im Ruhezustand (links) und im Aktivzustand (rechts),
6 eine Detailansicht der Einheiten des Kontrollchips, mikrofluidischer Steuereinrichtung und elektronischer Steuereinrichtung aus 1,
7 eine schematische Darstellung von in der Kontrollschicht angeordneten Aktoren in einem gequollenen (links) und einen kollabierten Gleichgewichtszustand (rechts),
8 exemplarische Schnittansichten (A-A bzw. B-B) der Darstellungen aus 7, welche einen in der Kontrollschicht angeordneten Aktor in der Nähe der thermischen Steuereinheit der Aktivierungsschicht zeigt, welcher einen gequollenen (links) und einen kollabierten Gleichgewichtszustand (rechts) aufweist,
9 ein Foto von Taxeln eines deaktivierten (links) und aktivierten (rechts) Taxel-Feldes,
10 fotografische Seitenansichten eines höhenverstellbar ausgebildeten Taxel mit eingezeichnetem Steigungswinkel der Taxel-Membran,
11 eine schematische und fotografische Draufsicht eines höhenverstellbaren Taxel mit einer strukturiert ausgebildeten Taxel-Membran,
12 eine Detailansicht des Kontrollchips aus 1, als Einheiten umfassend eine mikrofluidische Steuereinrichtung, eine elektronische Steuereinrichtung und eine Temperiervorrichtung,
13 eine alternative Anordnung der thermischen Steuereinheiten auf der Aktivierungsschicht,
14 drei verschiedene schematische Ausgestaltungen des Fluidreservoirs in der Draufsicht.

1 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen Displaysystems in einer Explosionszeichnung, welches eine taktil ausgebildete Displayoberfläche (linke obere Seite der Figur) und einen Kontrollchip (rechte Seite der Figur) umfasst. Der Benutzer möchte auf seinem technischen Mobilgerät, hier einem Tablet, eine Nachricht verfassen. Dazu wird dem Benutzer beim Aktivieren einer Applikation ein Nachrichtenfenster sowie eine optisch dargestellte Tastatur auf der Oberfläche des Tablets eingeblendet. Aufgrund der transparenten Eigenschaften der taktil ausgebildeten Displayoberfläche erfolgt die Darstellung der Tastatur direkt auf der Oberfläche des bildgebenden Touchscreens 7 des Tablets und beeinträchtigt vorteilhaft dessen optische Eigenschaften nicht oder nur in sehr geringem Maße. Durch den sehr dünnen Aufbau der taktil ausgebildeten Displayoberfläche wird die sensorische Funktion bezüglich der Sensibilität des Touchscreens 7 nicht oder nicht merklich beeinflusst.
Die taktil ausgebildete Displayoberfläche weist eine taktil ausgebildete Schicht 1 mit Taxel-Feldern sowie eine fluidisch ausgebildete Schicht 2 auf, welche auf einem herkömmlichen, als Display ausgebildeten Touchscreen 7 angeordnet sind. Der Kontrollchip wiederum weist eine mikrofluidische Steuereinrichtung 4 und eine elektronische Steuereinrichtung 5 auf. Darüber hinaus dient der Kontrollchip als externe Steuereinheit und ist als Ganzes im Gehäuse des Touchscreens 7 untergebracht. Der Touchscreen 7 ist dabei mit dem Kontrollchip über eine elektronische Signalkopplung 6 zur Signalleitung bzw. zum Signalaustausch lösbar verbunden. Die taktil ausgebildete Displayoberfläche ist transparent ausgebildet und ist mit dem Kontrollchip über eine mikrofluidische Kopplung 3, aufweisend mikrofluidische Kanäle und mikrofluidische Durchkontaktierungen, verbunden.
2 zeigt eine Detailansicht der taktil ausgebildeten Displayoberfläche aus 1. Die taktil ausgebildete Displayoberfläche weist eine taktil ausgebildete Schicht 1 mit einer Vielzahl von Taxel-Feldern 16 und eine fluidisch ausgebildete Schicht 2 mit einer mikrofluidische Kanäle 15 aufweisenden Folie und einer mikrofluidischen Durchkontaktierungen 17 aufweisenden Folie auf. Dabei können die mikrofluidischen Kanäle auch als Schläuche ausgebildet sein.
3 zeigt eine Detailaufnahme eines Taxel-Feldes 16 der taktil ausgebildeten Schicht 1 aus 1. Das Taxel-Feld 16 weist eine Vielzahl von Taxel 18 auf, welche im Ruhezustand vorliegen. Dabei sind die einzelnen Taxel 18 des Taxel-Feldes 16 über mikrofluidische Kanäle 15 fluidisch und lösbar miteinander verbunden.
4 zeigt eine Schnittansicht der Detailaufnahme des Taxel-Feldes 16 der taktil ausgebildeten Schicht aus 3. Ein Taxel 18 setzt sich dabei jeweils aus einem Hohlraum 19 und einer als transparenten und elastischen Membran ausgebildeten Taxel-Membran 20 zusammen. Die Hohlräume 19 der drei Taxel im Ruhezustand 18 sind miteinander lösbar und fluidisch durch mikrofluidische Kanäle 15 verbunden. Die mikrofluidischen Kanäle 15 wiederum enden in einer mikrofluidischen Durchkontaktierung 17. Dabei reicht die mikrofluidische Durchkontaktierung 17 von der taktil ausgebildeten Schicht mindestens hin bis zur fluidisch ausgebildeten Schicht (in der Figur nicht gezeigt), wodurch diese Schichten durch die mikrofluidische Durchkontaktierung 17 lösbar und fluidisch miteinander verbunden werden und eine Verteilung des Fluids ermöglicht wird.
5 zeigt auf der linken Seite eine Schnittansicht eines Taxels im Ruhezustand 18 und auf der rechten Seite eine Schnittansicht eines Taxels im Aktivzustand 21. Die Taxel 18, 21 sind jeweils zur Außenseite der taktilen Displayoberfläche durch eine Taxel-Membran 20 bedeckt. Dabei bildet die Taxel-Membran 20 die Begrenzung der taktil ausgebildeten Schicht zur Umgebung des Displaysystems und ist direkt mit den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht gekoppelt.
Die ruhenden Taxel 18 werden aktiviert, indem die Heizelemente der thermischen Steuereinheiten (in der Figur nicht gezeigt) eingeschaltet werden und heizen. Damit einhergehend erfolgt eine Öffnung der Steuerelemente (in der Figur nicht gezeigt) durch den kollabierten Gleichgewichtszustand der Aktoren (in der Figur nicht gezeigt), wodurch die Taxel-Felder direkt mit dem Druckgenerator (in der Figur nicht gezeigt) fluidisch und lösbar verbunden werden. Ist der Druckgenerator ebenfalls aktiviert, wird das Fluid aus dem Fluidreservoir (in der Figur nicht gezeigt) mit Hilfe des Druckgenerators in den mikrofluidischen Kanal 15 und die mikrofluidische Durchkontaktierung (in der Figur nicht gezeigt) und von dort in den Hohlraum 19 des Taxel geleitet. Der ausgeübte Druck p 34 aktiviert das zuvor ruhende Taxel 18 und setzt es in einen Aktivzustand 21. Dadurch erfolgt eine Auswölbung der Taxel-Membran 20 nach oben, zum Benutzer weisend.
Diese Ausbildung der aktivierten Taxel 21 im Zusammenschluss als aktviertes Taxel-Feld (in der Figur nicht gezeigt) lässt sich vom Benutzer taktil begreifen. Durch die gezielte Ansteuerung ausgewählter Taxel-Felder auf der taktil ausgebildeten Schicht kann der Benutzer die TastaturFelder nicht nur sehen, sondern auch spüren.
Durch das Abschalten und Abkühlen der Heizelemente der thermischen Steuereinheiten kühlen auch die im kollabierten Gleichgewichtszustand befindlichen Aktoren ab und wechseln wieder reversibel zurück in den gequollenen Gleichgewichtszustand (in der Figur nicht gezeigt). Dadurch werden die fluidischen Steuerelemente geschlossen und der Druck p 34 kann ohne Pumpleistung im mikrofluidischen Kanal 15, in der mikrofluidischen Durchkontaktierung und dem Hohlraum 19 der entsprechend angesteuerten Taxel-Felder aufrechterhalten werden.
Durch das Abschalten, das Verschwinden der optisch dargestellten Tastaturfelder bzw. durch das Beenden der Applikation wird ein erneutes Signal an die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips (in der Figur nicht gezeigt) gesendet, konkret der Anwendung, welche zuvor die thermischen Steuereinheiten aktiviert hat. Dadurch sind die Taxel-Felder und folglich auch das aktivierte Taxel 21 mit dem Fluidreservoir durch die geöffneten fluidischen Steuerelemente fluidisch und lösbar miteinander verbunden.
Durch die Relaxations-Kraft F_r 33 des Materials der Taxel-Membran 20 kehrt das Taxel in den Ruhezustand 18 zurück, indem das zuvor vergrößerte Volumen des Hohlraums 19 durch Entleerung des Fluids wieder verringert wird und das Fluid zurück in das Fluidreservoir fließt. Eine Aktivierung des Druckgenerators ist damit nicht nötig. Die Taxel-Membran 20 relaxiert sich soweit, dass die Oberfläche der taktil ausgebildeten Schicht vom Benutzer als planar und glatt wahrgenommen wird. Damit ist die Erzeugung einer taktilen Oberfläche, wie in diesem Beispiel eine Tastatur auf einem Tablet, und deren Deaktivierung, durch die Rückkehr der deaktivierten Taxel in den Ruhezustand 18 beendet.
6 zeigt eine Detailansicht der Einheiten des Kontrollchips aus 1. Als Einheiten dargestellt sind die mikrofluidische Steuereinrichtung 4 und die elektronische Steuereinrichtung 5. Dabei weist die mikrofluidische Steuereinrichtung 4 eine Kontrollschicht mit einer Vielzahl von als Mikroventile ausgebildeten fluidischen Steuerelementen 10 auf. Dabei wiederum sind die fluidischen Steuerelemente 10 mikromechanisch beweglich ausgebildet, um die mikrofluidische Zuleitung für das Fluid über die mikrofluidischen Durchkontaktierungen 17 zum Taxel-Feld (in der Figur nicht gezeigt) zu öffnen oder zu schließen und somit die Verbindung der Kontrollschicht zur taktil ausgebildeten Displayoberfläche herzustellen oder zu trennen.
Weiterhin ist das Fluidreservoir 14 in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung 4 angeordnet, wobei das Fluidreservoir 14 mit den fluidischen Steuerelementen 10 mikrofluidisch gekoppelt ist. Dabei ist jeder Position auf der Kontrollschicht ein fluidisches Steuerelement 10 zugeordnet.
Die elektronische Steuereinrichtung 5 weist eine Aktivierungsschicht auf, auf welcher eine Vielzahl von als Heizelemente ausgebildeten thermischen Steuereinheiten 9 sowie ein als Mikrochip ausgebildeten elektrischer Chip 8 angeordnet ist. Die thermischen Steuereinheiten 9 sind dabei in einem Array auf der Aktivierungsschicht der elektronischen Steuereinrichtung 5 verteilt. Dabei sind die fluidischen Steuerelemente 10 der Kontrollschicht deckungsgleich zu den thermischen Steuereinheiten 9 der Aktivierungsschicht angeordnet.
Das Aktivieren der Applikation auf dem Touchscreen (in der Figur nicht gezeigt) entspricht gleichzeitig einem verwertbaren Signal für den elektrischen Chip 8. Auf dem elektrischen Chip 8 der Aktivierungsschicht ist die Information enthalten, mittels derer die als Heizelemente ausgebildete thermischen Steuereinheiten 9 aktiviert werden müssen, um gezielt verschiedene Positionen auf der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung 4 zu heizen. Der elektrische Chip 8 weist eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit (in der Figur nicht gezeigt) auf. Die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips 8 der Aktivierungsschicht ist über als elektrische Leiterbahnen ausgebildete Mittel zur Signalübertragung 29 mit den thermischen Steuereinheiten 9 gekoppelt und steuert diese an. Dabei enden die Mittel zur Signalübertragung 29 in einer elektrischen Massenleitung 30. Weiterhin umfasst die elektronische Steuereinrichtung 5 einen als Druckpumpe ausgebildeten Druckgenerator 13. Dabei ist die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips 8 der Aktivierungsschicht über weitere als elektrische Leiterbahnen ausgebildete Mittel zur Signalübertragung 29 zur Übertragung elektrischer Signale mit dem Druckgenerator 13 gekoppelt. Der Druckgenerator 13 ist mit dem Fluidreservoir 14 fluidisch gekoppelt und stellt die Schnittstelle zwischen der elektronischen und der mikrofluidischen Steuereinrichtung dar.
Die mikrofluidische Steuereinrichtung 4 ist, ausgehend von der Draufsicht des Benutzers auf das erfindungsgemäße Displaysystem, über der elektronischen Steuereinrichtung 5 angeordnet.
Durch die von den thermischen Steuereinheiten 9 eingetragene Wärme in die fluidischen Steuerelemente 10 schrumpfen die mit den fluidischen Steuerelementen 10 gekoppelten Aktoren (in der Figur nicht gezeigt) von einem gequollenen Gleichgewichtszustand in einen kollabierten Gleichgewichtszustand. Dadurch werden die mikrofluidischen Kanäle (in der Figur nicht gezeigt) geöffnet. Durch Aktivieren der Applikation wird gleichzeitig ein Signal vom elektrischen Chip 8 an den Druckgenerator 13 gesendet, wodurch Druck auf das Fluidreservoir (in der Figur nicht gezeigt) und somit gleichbedeutend Druck auf die damit verbundenen fluidischen Steuerelemente 10 ausgeübt wird.
Je nachdem, welches fluidische Steuerelement 10 angesteuert und geöffnet ist, wird Fluid aus dem Fluidreservoir über die mikrofluidische Kopplung durch die mikrofluidischen Kanäle zur fluidisch ausgebildeten Schicht transportiert und dort zu den entsprechend ausgewählten Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht verteilt.
7 zeigt eine schematische Darstellung von in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung in fluidischen Steuerelementen angeordneten Aktoren 11, 12. Dabei weisen die Aktoren einen gequollenen Gleichgewichtstand 11 (die beiden linken Darstellungen) und einen kollabierten Gleichgewichtszustand 12 (die beiden rechten Darstellungen) auf. Die Aktoren können in einfacher Anzahl (jeweils linke Abbildung) oder in mehrfacher Anzahl (jeweils rechte Darstellung) vorliegen. Im gequollenen Gleichgewichtszustand 11 wird der mikrofluidische Kanal 15 durch das gequollene Hydrogel blockiert. Im kollabierten Gleichgewichtszustand 12 sind die Hydrogele entquollen und das Fluid kann die Hydrogele im Ventil jeweils wieder durch den mikrofluidischen Kanal 15 passieren (zum Beispiel entlang der Pfeilrichtung). Pfostenstrukturen 32, welche in den mikrofluidischen Kanälen 15 angeordnet sind, dienen als Begrenzung und Stabilisierung der mikrofluidischen Kanäle 15.
8 zeigt exemplarische Schnittansichten (A-A bzw. B-B) der schematischen Darstellung der Kontrollschicht aus 7 mit jeweils einem in einfacher Anzahl vorliegenden Aktor 11, 12. Konkret wird dabei der Schnitt eines in der Kontrollschicht der mikrofluidischen Steuereinrichtung 4 angeordneten Aktors im gequollenen Gleichgewichtszustand 11 (linke Darstellung) und im kollabierten Gleichgewichtszustand 12 (rechte Darstellung) gezeigt, wobei der Aktor mit einer reversibel ausgebildeten mechanischen Bewegung zwischen diesen beiden Gleichgewichtszuständen wechselt. Dabei ist der jeweilige Aktor 11, 12 in einem fluidischen Steuerelement (in der Figur nicht gezeigt) angeordnet und mit diesem informationstechnisch und mechanisch gekoppelt. Die Aktoren 11, 12 in der Kontrollschicht sind als Hydrogel-Aktoren ausgebildet und in der Lage, in Abhängigkeit von Druckänderungen ihr Volumen zu ändern.
Die thermischen Steuereinheiten 9 sind in der elektronischen Steuereinrichtung 5 angeordnet. Durch die von den thermischen Steuereinheiten 9 eingetragene Wärme 35 in die fluidischen Steuerelemente schrumpfen die mit den fluidischen Steuerelementen gekoppelten Aktoren von einem gequollenen Gleichgewichtszustand 11 in einen kollabierten Gleichgewichtszustand 12.
Durch eine vom Druckgenerator (in der Figur nicht gezeigt) ausgelöste Druckbelastung wird eine Volumenzunahme des Aktors generiert, indem die Polymerketten des Aktors unter der Aufnahme eines als Lösungsmittel ausgebildeten Fluids reversibel aufquellen, wodurch dieser im gequollenen Gleichgewichtszustand 11 vorliegt. In Ausführungsformen entspricht das Fluid einem Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser oder Öl. Dabei ist das Fluid als Alkohol-Wasser-Gemisch mit einem Alkoholanteil von 30 vol% ausgebildet.
Die Volumenabnahme des Aktors erfolgt, indem sich die Polymerketten des Aktors unter dem Entzug des Lösungsmittels reversibel zusammenziehen und so ihr Volumen um ein Vielfaches verkleinern, wodurch der Aktor im kollabierten Gleichgewichtszustand 11 vorliegt.
Die Aktoren 11, 12 sind sensitiv gegenüber thermischen Reizen ausgebildet. Die Stimulation der Aktoren 11, 12 im fluidischen Steuerelement der Kontrollschicht erfolgt über den Energieeintrag eines thermisch ausgebildeten Reizes, welcher von der thermischen Steuereinheit 9 ausgesendet wird, die in unmittelbarer Nähe der Aktoren 11, 12 angeordnet ist. Somit wird die Wärmeübertragung von der thermischen Steuereinheit 9 auf den Aktor 12 direkt erfolgen, wodurch dieser kollabiert.
9 zeigt ein Foto, auf welchem Taxel im Ruhezustand 18 eines deaktivierten Taxel-Feldes 22 (linke Darstellung) und Taxel im Aktivzustand 21 eines aktivierten Taxel-Feldes 23 (rechte Darstellung) gezeigt sind. Die Strukturen sind für eine bessere Sichtbarkeit mit einem farbig ausgebildeten Fluid befüllt. Die einzelnen Taxel sind fluidisch lösbar untereinander durch mikrofluidische Kanäle 15 verbunden. Weiterhin ist in dem Foto eine mikrofluidische Durchkontaktierung 17 zu sehen, welche das Ende eines mikrofluidischen Kanals 15 im Taxel-Feld bildet.
Durch die aktivierten Taxel-Felder 23 wird taktiles Feedback realisiert. Das aktivierte Taxel-Feld 23 wird vom Benutzer als Bereich mit stark erhöhter Rauigkeit wahrgenommen. Die nebeneinander angeordneten aktivierten Taxel 21 bzw. aktivierten Taxel-Felder 23 werden vom Benutzer als Strukturkante wahrgenommen.
10 zeigt weitere fotografische Seitenansichten von höhenverstellbar ausgebildeten Taxeln. Der Taxel-Hub 27, d.h. die Höhenverstellbarkeit des Taxel, ist ansteigend von der zweiten bis zur vierten Abbildung von links ausgebildet. Die Taxel weisen eine Taxel-Membran 20 auf, welche als Schutzschicht auf dem jeweiligen Hohlraum (in der Figur nicht gezeigt) des Taxel aufliegt. In dem linken Foto ist der Steigungswinkel der Taxel-Membran zur Grundfläche des Taxel 24 eingezeichnet.
Die in 9 beschriebene Strukturkante wird dabei vom Benutzer umso deutlicher wahrgenommen, je größer der Steigungswinkel der Taxel-Membran zur Grundfläche des Taxel 24 ausgebildet ist. Durch unterschiedliche Druckbelastung der Taxel-Membran 20 durch Variation des Steigungswinkels der Taxel-Membran zur Grundfläche des Taxels 24 oder des Taxel-Hubs 27 können die Strukturkanten unterschiedlich dargestellt werden. Je größer der Durchmesser der Grundfläche des Taxel ist, desto weniger Druck wird für die gleiche Höhenverstellbarkeit des Taxels 27 im Vergleich zu einer kleineren Grundfläche des Taxel benötigt. Die Steifigkeiten von Taxeln mit kleinerer Grundfläche werden bei gleichem Druck härter wahrgenommen als die Steifigkeiten von Taxeln mit vergleichsweise großen Grundflächen. Je dicker die Taxel-Membran 20 ausgebildet ist, umso mehr Druck wird für deren Auslenkung benötigt. Gleichzeitig erhöht sich auch die Stabilität und Langlebigkeit der Taxel.
11 zeigt eine schematische (linke Abbildung) und fotografische Draufsicht (rechte Abbildung) eines höhenverstellbaren Taxel mit einer strukturiert ausgebildeten darüber liegenden Taxel-Membran 20. Dabei weist die Taxel-Membran 20 durch Strukturierung festgelegte Bereiche unterschiedlicher Dicke auf - dabei handelt es sich um dünner ausgebildete Bereiche 25 und dicker ausgebildete Bereiche 26, wobei sich beide Bereiche konzentrisch um einen Mittelpunkt der Grundfläche des Taxel ausbreiten. Durch diese Strukturierung lässt sich die Auswölbungsform, Stabilität und gleiche Höhenverstellbarkeit des Taxel bei geringerem Druck einstellen. Beispielsweise ist der dünn gewählte Bereich der Taxel-Membran 25 deutlich dehnbarer und kann durch dicker gewählte Bereiche der Taxel-Membran 26 stabilisiert werden.
12 zeigt eine Detailansicht der Einheiten des Kontrollchips aus 1. Als Einheiten dargestellt sind die mikrofluidische Steuereinrichtung 4, die elektronische Steuereinrichtung 5 und eine auf einer CPU-Kühlung basierend ausgebildete Temperiervorrichtung 28. Die mikrofluidische Steuereinrichtung 4 und die elektronische Steuereinrichtung 5 wurden vom Aufbau her bereits in 6 beschrieben. Die mikrofluidische Steuereinrichtung 4 ist, ausgehend von der Draufsicht des Benutzers auf das erfindungsgemäße Displaysystem, über der elektronischen Steuereinrichtung 5 angeordnet, wobei die elektronische Steuereinrichtung 5 wiederum über der Temperiervorrichtung 28 angeordnet ist. Die Temperiervorrichtung 28 ist für die Abführung überschüssiger Wärme der Komponenten des Kontrollchips nötig.
13 zeigt eine alternative Anordnung der als Heizelemente ausgebildeten thermischen Steuereinheiten 9 auf der Aktivierungsschicht der elektronischen Steuereinrichtung 5 des Kontrollchips. Dabei sind die thermischen Steuereinheiten 9, anders als in 6 bzw. 12, nicht in einem Array, sondern blockweise über die Aktivierungsschicht der elektronischen Steuereinrichtung 5 verteilt angeordnet. Die Heizelemente der thermischen Steuereinheiten 9 sind alle miteinander verbunden (exemplarisch und aus Übersichtlichkeitsgründen ist dies aber nur im Block links vom elektrischen Chip 8 angedeutet).
Die elektronische Steuereinrichtung weist ferner einen als Mikrochip ausgebildeten elektrischen Chip 8 auf, welcher wiederum eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit (in der Figur nicht gezeigt) aufweist. Die elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips 8 der Aktivierungsschicht ist über als elektrische Leiterbahnen ausgebildete Mittel zur Signalübertragung 29 mit den thermischen Steuereinheiten 9 gekoppelt und steuert diese an. Dabei enden die Mittel zur Signalübertragung in einer elektrischen Massenleitung 30. Weiterhin umfasst die elektronische Steuereinrichtung 5 einen als Druckpumpe ausgebildeten Druckgenerator 13, welcher mit der elektronischen Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des elektrischen Chips 8 der Aktivierungsschicht über Mittel zur Signalübertragung zur Übertragung elektrischer Signale gekoppelt ist.
Durch die alternative Anordnung der thermischen Steuereinheiten 9 ist der elektrische Chip 8 im Zentrum der Aktivierungsschicht positioniert. Dadurch soll sich das Routing der elektrischen Leiterbahnen 29 vereinfachen und durch die flächenmäßig größere Verteilung der Steuereinheiten 9 und fluidischen Steuerelemente (in der Figur nicht gezeigt) wird das Risiko eines Hitzestaus auf der Platine reduziert, wodurch weniger Energie für die Wärmeabführung benötigt wird.
14 zeigt drei verschiedene schematische Ausgestaltungen des Fluidreservoirs 14 in der Draufsicht, welches jeweils in der Kontrollschicht des mikrofluidischen Steuereinrichtung 4 angeordnet ist.
Das Fluidreservoir 14 in der Darstellung 14a ist über mikrofluidische Durchkontaktierungen und mikrofluidische Kanäle (in den Darstellungen der Figur nur schematisch angedeutet) u.a. mit dem als Pumpe ausgebildeten Druckgenerator 13, welcher in der elektronischen Steuereinrichtung (in der Figur nicht gezeigt) angeordnet ist, fluidisch und lösbar verbunden. Dabei ist das Fluidreservoir 14 über einen fluidischen Eingang mit dem Druckgenerator 13 fluidisch und lösbar verbunden. Über den fluidischen Ausgang des Fluidreservoirs 14 wird das verdrängte Fluid in Fließrichtung 36 weiter in das Array der fluidischen Steuerelemente der Kontrollschicht geleitet. Die Verwendung keiner Stützstrukturen 31 basiert darauf, dass das Fluidreservoir 14 aus einem festen Material gefertigt ist.
Das Fluidreservoir 14 in der Darstellung 14b entspricht jenem Fluidreservoir aus der Darstellung 14a, wobei es darüber hinaus noch Stützstrukturen 31 aufweist, welche den Boden und die Decke des Fluidreservoirs 14 verbinden und stabilisieren, sodass sich das Volumen des Fluids bei Druckbelastung nicht übermäßig ausdehnt, beziehungsweise die der Hohlraum des Taxels nicht kollabieren kann. Die Verwendung der Stützstrukturen 31 basiert darauf, dass das Fluidreservoir 14 aus einem elastischen beziehungsweise weichen Polymer gefertigt ist.
Das Fluidreservoir 14 in der Darstellung 14c entspricht jenem Fluidreservoir aus der Darstellung 14b, wobei der fluidische Ausgang zur Kontrollschicht zusätzlich durch mehrere mikrofluidische Durchkontaktierungen 17 ersetzt wurde. Durch die mikrofluidischen Durchkontaktierungen 17 soll eine direktere Verbindung und eine Reduzierung der Länge der mikrofluidischen Kanäle (in der Figur nicht gezeigt) erreicht werden. Bei diesem Ansatz befindet sich das Fluidreservoir 14 nicht auf der gleichen Höhe wie das Array der fluidischen Steuerelemente (in der Figur nicht gezeigt), sondern etwas darüber. Auch hier sind je nach Materialwahl des Fluidreservoirs 14 Stützstrukturen 31 notwendig. Stützstrukturen 31 sind allgemein nachteilig, da dadurch das Potential an Blasenfallen und somit auftretenden Blasen im erfindungsgemäßen Displaysystem steigt. Maßnahmen gegen Blasen im Fluidkreislauf des erfindungsgemäßen Displaysystems müssen bei der Befüllung desselben getroffen werden. Die Blasen können durch die Verwendung entsprechend ausgebildeter Materialien sowie durch die Verwendung von Fluiden mit guten Benetzungseigenschaften oder dem Befüllen des Fluidreservoirs 14, welches eine mit Unterdruck belasteten Struktur aufweist, oder einer Kombination dieser Maßnahmen verhindert werden.
Zitierte Nichtpatentliteratur:

[1] MacLean, K. E., Haptic Interaction Design for Everyday Interfaces, Reviews of Human Factors and Ergonomics, Vol. 4, 2008, Nr. 1, 149-194
[2] Ishizuka, H., Miki, N., MEMS-based tactile displays, Displays, Vol. 37, 2015, 25-32
[3] Wu, X., A reconfigurable tactile display based on polymer MEMS technology, Dissertation, Georgia Institute of Technology, 2008

Bezugszeichenliste

1: taktil ausgebildete Schicht
2: fluidisch ausgebildete Schicht
3: mikrofluidische Kopplung
4: mikrofluidische Steuereinrichtung
5: elektronische Steuereinrichtung
6: elektronische Signalkopplung
7: Touchscreen
8: elektrischer Chip
9: thermische Steuereinheit
10: fluidisches Steuerelement
11: gequollener Gleichgewichtszustand des Aktors
12: kollabierter Gleichgewichtszustand des Aktors
13: Druckgenerator
14: Fluidreservoir
15: mikrofluidischer Kanal
16: Taxel-Feld
17: mikrofluidische Durchkontaktierung
18: Taxel im Ruhezustand (ruhender Taxel)
19: Hohlraum des Taxel
20: Taxel-Membran
21: Taxel im Aktivzustand (aktiviertes Taxel)
22: deaktiviertes Taxel-Feld (Ruhezustand)
23: aktiviertes Taxel-Feld (Aktivzustand)
24: Steigungswinkel der Taxel-Membran zur Grundfläche des Taxel
25: Bereich dünner Taxel-Membran
26: Bereich dicker Taxel-Membran
27: Taxel-Hub (Höhenverstellbarkeit des Taxel)
28: Temperiervorrichtung
29: Mittel zur Signalübertragung
30: elektrische Massenleitung
31: Stützstrukturen
32: Pfostenstruktur
33: Relaxations-Kraft Fr
34: Druck p
35: Wärme
36: Fließrichtung des Fluids

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2012/0268412 A1 [0005]
US 2018/0158367 A1 [0007]
DE 10226746 A1 [0008]
WO 0193228 A2 [0009]
US 8179375 B2 [0010]
US 2016/0162064 A1 [0010]
US 2015/0253853 A1 [0010]
US 2015/0077363 A1 [0010]
US 9557813 B2 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

MacLean, K. E., Haptic Interaction Design for Everyday Interfaces, Reviews of Human Factors and Ergonomics, Vol. 4, 2008, Nr. 1, 149-194 [0267]
Ishizuka, H., Miki, N., MEMS-based tactile displays, Displays, Vol. 37, 2015, 25-32 [0267]
Wu, X., A reconfigurable tactile display based on polymer MEMS technology, Dissertation, Georgia Institute of Technology, 2008 [0267]

Claims

Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Baugruppen, Einheiten und Folien aufweist: - mindestens eine taktil ausgebildete Schicht, welche mindestens ein Taxel-Feld aufweist, wobei ◯ ein Taxel-Feld mindestens ein Taxel umfasst, wobei das Taxel einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum mit einem Fluid befüllbar ausgebildet ist, ◯ mindestens eine elastisch ausgebildete Taxel-Membran, welche mit den Taxel-Feldern gekoppelt ist und die Begrenzung der taktil ausgebildeten Schicht zur Umgebung des Displaysystems darstellt, - mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht, welche zur Befüllung oder Entleerung der Hohlräume dient und mikrofluidische Zuleitungen aufweist, wobei die mikrofluidischen Zuleitungen ◯ zumindest eine Folie mit mindestens einer mikrofluidischen Durchkontaktierung, wobei die mindestens eine mikrofluidische Durchkontaktierung mit dem mindestens einen Taxel-Feld fluidisch verbunden ist, und ◯ zumindest eine Folie mit mindestens einen mikrofluidischen Kanal umfassen, wobei der mindestens eine mikrofluidische Kanal mit dem mindestens einen Hohlraum des Taxels fluidisch verbunden ist, ◯ wobei die taktil ausgebildete Schicht und die fluidisch ausgebildete Schicht eine taktil ausgebildete Displayoberfläche bilden, - mindestens einen Kontrollchip, wobei der Kontrollchip mit den Taxel-Feldern der taktil ausgebildeten Schicht über die mikrofluidischen Zuleitungen der fluidisch ausgebildeten Schicht verbunden ist, wobei der Kontrollchip als Einheiten umfasst: ◯ mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung, aufweisend ■ mindestens eine Kontrollschicht, umfassend • zumindest eine Folie mit mindestens einem Steuerelement, welches zum Öffnen oder Schließen der mikrofluidischen Zuleitungen zu dem mindestens einen Taxel-Feld der taktil ausgebildeten Schicht ausgebildet ist, und • zumindest eine Folie mit mindestens einen Aktor, welcher in oder auf dem Steuerelement angeordnet und mit diesem gekoppelt ist und dem Antrieb des mindestens einen Steuerelements dient, indem der Aktor derart ausgebildet ist, zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Gleichgewichtszustand reversibel zu wechseln, und • mindestens ein Fluidreservoir, ◯ mindestens eine elektronische Steuereinrichtung, aufweisend ■ mindestens eine Aktivierungsschicht, umfassend • zumindest eine Folie mit mindestens einen elektrischen Chip, aufweisend mindestens eine elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit, welche über Mittel zur Signalübertragung mit dem mindestens einem Steuerelement, der mindestens einen Steuereinheit und dem mindestens einen Druckgenerator informationstechnisch gekoppelt ist, • zumindest eine Folie mit mindestens einer Steuereinheit, ■ mindestens einen Druckgenerator, welcherfluidisch mit dem Fluidreservoir gekoppelt ist und zur Befüllung und Entleerung der mikrofluidischen Zuleitungen dient, und ◯ mindestens eine Temperiervorrichtung.
Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als Hydrogel-Aktor ausgebildet ist.
Displaysystem zur taktilen Vermittlung von Informationen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit als elektrische, thermische oder optische Steuereinheit ausgebildet ist, wobei die elektrische Steuereinheit mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode, die thermische Steuereinheit mindestens eine Temperiereinheit und die optische Steuereinheit mindestens eine steuerbare Lichtquelle umfasst.
Touchscreen, aufweisend ein Displaysystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur taktilen Vermittlung von Informationen.
Touchscreen, aufweisend eine taktil ausgebildete Displayoberfläche und/oder einen Kontrollchip wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, wobei die taktil ausgebildete Displayoberfläche mindestens eine taktil ausgebildete Schicht und mindestens eine fluidisch ausgebildete Schicht aufweist, und wobei der Kontrollchip mindestens eine mikrofluidische Steuereinrichtung und mindestens eine elektronische Steuereinrichtung aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Displaysystems zur taktilen Vermittlung von Informationen, wobei in Abhängigkeit der Sensitivität der zumindest einen Steuereinheit der Aktivierungsschicht von auf ihr eintreffende Reize die mindestens eine elektronisch Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des Kontrollchips ein elektrisches Signal an den Aktor sendet, wobei der angesteuerte Aktor das elektrische Signal in ein mechanisches Signal umwandelt, indem er reversibel zwischen einem gequollenem und kollabierten Gleichgewichtszustand wechselt. wobei sich das Steuerelement bei einem kollabierten Gleichgewichtszustand des Aktors öffnet, sodass das Fluid aus dem Fluidreservoir über die fluidisch ausgebildete Schicht in die Hohlräume der Taxel der taktil ausgebildeten Schicht geleitet wird, und dadurch eine kontrollierte Deformation und Expansion der mit den Taxel-Feldern gekoppelten Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht des Displaysystems erfolgt, und wobei sich das Steuerelement bei einem gequollenen Gleichgewichtszustand des Aktors schließt, sodass die Hohlräume der taktil ausgebildeten Schichtvom Fluid entleert werden und dadurch eine kontrolliere Relaxation und Kontraktion der mit den Taxeln gekoppelten Taxel-Membran der taktil ausgebildeten Schicht des Displaysystems erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reize als Eintrag elektrischer, thermischer oder optischer Energie oder einer Kombination in das Displaysystem erfolgen.
Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 6 oder 7 dient.
Elektronische Steuer-, Mess- und Auswerteeinheit des Kontrollchips, auf der das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Verwendung eines Displaysystems wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert oder eines Verfahrens, wie in Anspruch 6 oder 7 definiert, zur taktilen Vermittlung von Informationen.
Verwendung eines Displaysystems wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, in einem Touchscreen.
Verwendung eines Computerprogrammproduktes nach Anspruch 8 zur taktilen Vermittlung von Informationen.