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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bistabiles Aktorsystem für eine Braille-Anzeige, die Braille-Anzeige selbst und ein Verfahren zum Darstellen von Informationen auf der Braille-Anzeige. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Mechanismus für elektrothermische Aktoren und einen Antrieb für einen Braille-Flächendisplay.
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HINTERGRUND
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Braille-Anzeigen (oder Braille-Displays) sind Ausgabegeräte, die die Braille-Schrift für visuell eingeschränkte Menschen dynamisch darstellen können, um damit das Lesen von Texten in digitalen Medien zu ermöglichen. Die zentralen Elemente dabei sind erhabene Pins (Stifte), auch Taxel genannt (=Taktiles Element; analog zu Pixel=Picture Element), die in einer Gruppe gemeinsam ein Zeichen bilden und einzeln dynamisch je nach Buchstabe/Zeichen in eine ertastbare (z.B. um ca. 0,5 mm erhabene) oder nicht ertastbare (versenkte) Position gebracht werden. Eine Gruppe von 6 Elementen (bekannt von Medikamentenpackungen) umfassen beispielsweise einen einfachen Zeichensatz, eine Gruppe von 8 Elementen einen erweiterten Zeichensatz. Braille-Anzeigen können auch mit Computer-Tastaturen verbunden oder darin integriert werden.
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Solche haptischen Displays bieten im Vergleich zu Screenreadern den blinden Nutzern vielseitigere Interaktionsmöglichkeiten, komplexere Informationen, wie z.B. Grafikelemente oder Tabellen, sind jedoch bisher nicht vollständig darstellbar.
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Konventionelle Braille-Anzeigen nutzen beispielsweise Piezokeramiken als Antriebselemente. Jedoch besitzen diese Geräte wie z.B. Hyperbraille-Display ein Gewicht von ca. 5,5 kg und Abmessungen von 41 × 25 × 6 cm3 und sind damit nicht für den mobilen Gebrauch geeignet. Zudem sind für die Verwendung von Piezoaktoren hohe Steuerspannungen (z.B. mehrere Hundert Volt) erforderlich, sodass eine aufwändige Steuerelektronik und Isolation der spannungsführenden Komponenten zu gewährleisten ist.
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Bei anderen Braille-Anzeigen werden zur Bewegung der tastbaren Braille-Pins auf der Oberfläche Antriebe auf Basis von elektrothermischen Aktoren genutzt, die eine hohe Packungsdichte für das Braille-Raster mit Abständen von 2,5 mm bei einer gleichzeitig hohen Auslenkung von 500 µm aufweisen. Um die Leistungsaufnahme der elektrothermischen Aktoren im Betrieb zu reduzieren und deren Einsatz in mobilen Anwendungen zu ermöglichen, werden die Stifte durch einen bistabilen Mechanismus bzw. unter Nutzung einer Verriegelung mechanisch fixiert. Eine solche Aktoranordnung ist beispielsweise in
DE 10 2015 120 430 A1 offenbart.
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Nachteile dieser konventionellen Systeme sind daher, dass sie entweder sehr groß, schwer, nicht transportabel und teuer sind oder aufgrund der geforderten Fertigungstoleranzen nur schwer herzustellen und deshalb hinsichtlich der Zuverlässigkeit nicht optimal sind (Aktoren bleiben teils hängen). Insbesondere im Hinblick auf tragbare Elektronik (z.B. in Verbindung mit Smartphones) sind kompakte, portable Displays für visuell eingeschränkte Anwender wünschenswert. Insbesondere besteht ein Bedarf nach Braille-Anzeigen, die neben Texten auch andere Elemente, wie Tabellen, Textabsätze und Menüs mit hoher Auflösung darstellen können. Hierfür braucht es entsprechende Aktorsysteme.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein bistabiles Aktorsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Darstellung von Information auf einer Braille-Anzeige nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bistabiles Aktorsystem für eine Braille-Anzeige mit einer Vielzahl von Braille-Stiften. Das Aktorsystem umfasst einen oder mehrere Hubstifte und ein oder mehrere Aktorelemente mit jeweils einer Aktorspitze, die parallel in einer Bildebene der Braille-Anzeige zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar sind. Die jeweilige Aktorspitze ist in der ersten Position zwischen dem zumindest einen Hubstift und einem zugehörigen Braille-Stift angeordnet und in der zweiten Position seitlich versetzt dazu angeordnet. Außerdem umfasst das Aktorsystem einen Hubaktor, der eine Vorspannkraft für den einen oder die mehreren Hubstifte bereitstellt, um ein Hervorstehen von ertastbaren Braille-Stiften zu ermöglichen.
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Optional sind die Braille-Stifte dem einen Hubaktor zugeordnet, um durch den Hubaktor nur dann gemeinsam aus der Bildebene heraus gedrückt zu werden, wenn entsprechende Aktorspitzen der Aktorelemente sich in der ersten Position befinden.
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Optional sind die mehreren Aktorelemente in verschiedenen Ebenen angeordnet (z.B. in zwei oder drei Ebenen) und die Hubstifte weisen verschiedene Längen auf, um die Aktorspitzen der Aktorelemente in den verschiedenen Ebenen zu kontaktieren.
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Optional umfasst der Hubaktor eine Feder, die die Vorspannkraft für die Hubstifte bereitstellt. Die Vorspannkraft zeigt beispielsweise aus der Bildebene heraus.
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Optional umfassen die Aktorelemente jeweils einen elektrothermischen In-Plane-Aktor. Außerdem kann der Hubaktor zumindest einen der folgenden Antriebe umfassen: einen magnetischen Antrieb, einen pneumatischen Antrieb, einen elektrostatischen Antrieb, einen thermischen Antrieb, einen elektrodynamischen Antrieb, einen Schrittantrieb mit einem der vorhergenannten Aktorprinzipien.
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Optional umfassen die Aktorelemente jeweils einen Verformungskörper mit zumindest zwei Polymermaterialien, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Optional umfassen die Aktorelemente jeweils einen Verformungskörper mit einem Polymermaterial (z. B. u-förmig gestaltet), wobei die Auslenkung eines Aktorelements durch Erzeugung eines Temperaturunterschieds in dem Polymermaterial erzeugt wird. Außerdem kann zumindest eines der Polymermaterialien eine strukturierte Metallbeschichtung als Heizelement aufweisen, um den Vorformungskörper beim Beheizen parallel zu der Bildebene zu bewegen. Das Heizelement kann auch in das Polymermaterial eingebettet sein.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Braille-Anzeige mit mehreren bistabilen Aktorsystemen wie sie zuvor definiert wurden und jeweils nur einen Hubaktor zum Anheben von mehreren Braille-Stiften. Dadurch wird eine bereichsweise Programmierung der Braille-Anzeige ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zum Darstellen von Informationen auf der beschriebenen Braille-Anzeige. Das Verfahren umfasst:
- - Absenken mehreren Hubstiften durch den Hubaktor;
- - Programmieren der zugehörigen Braille-Stifte durch ein Aktivieren oder Deaktivieren der zugehörigen Aktorelemente, sodass in einer ersten, deaktivierten Position eine jeweilige Aktorspitze eines der Aktorelemente zwischen dem Hubstift und einem zugehörigen Braille-Stift angeordnet ist und in einer zweiten, aktivierten Position seitlich versetzt dazu angeordnet ist; und
- - Anheben der mehreren Hubstifte durch den Hubaktor, um nur ertastbare Braille-Stifte hervorstehen zu lassen.
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Ausführungsbeispiele lösen zumindest einen Teil der eingangs erwähnten Probleme durch einen neuen, bistabilen Mechanismus für die Braille-Stifte (Braille-Pins). Hierbei wird eine bestimmte Anzahl von Stiften in einem Flächenelement zusammengefasst (z. B. 4 × 4 Stifte oder eine beliebige andere Anzahl). Die Darstellung eines gewünschten Zeichens erfolgt beispielsweise dadurch, dass in einer ersten Phase ein gemeinsamer Aktor, der Hub- oder Tauchspulenaktor, die Stifte senkt, um daran anschließend in einer Programmierphase die horizontale Aktoren (Aktorelemente) zwischen den Hubstiften und den Braille-Stiften zu bewegen (oder eben nicht zu bewegen). Schließlich werden die Hubstifte wieder nach oben gefahren. Die Braille-Stifte, an denen ein horizontaler Aktor sich zwischen dem entsprechenden Hubstift und Braille-Stift befindet, sind Braille-Stifte in der erhabenen Position. Die Braille-Stifte können um die Dicke des Aktorelements angehoben werden. Optional können durch Aufdicken oder Abdünnen der Aktorspitze am Aktorelement beliebige Hübe der Braille-Stifte erzeugt werden. Die Stifte werden in der Regel soweit angehoben, dass sie um ca. 0,5 mm oder auch mehr über der Tastplatte des Displays erhaben sind (sie sollten haptisch fühlbar sein). Die übrigen Braille-Stifte sind versenkt bzw. haptisch nicht fühlbar. Die so eingestellten Positionen werden ohne weitere Energiezufuhr gehalten und das System ist somit bistabil. Das Raster von Braille-Stiften kann Abstände von ca. 2,5 mm aufweisen oder auch kleinere oder größere Abstände aufweisen.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein bistabiles Aktorsystem für eine Braille-Anzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch die beispielhafte Aktoranordnung aus der 1.
- 3 zeigt weitere Details der Aktorelemente aus dem Aktorsystem der 1.
- 4A-4D veranschaulichen beispielhaft die Arbeitsweise eines einzelnen Aktorelementes.
- 5A, 5B zeigen beispielhaft eine mögliche Aktivierung der Aktorelemente durch Aufheizung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein bistabiles Aktorsystem für eine Braille-Anzeige 10. Die Braille-Anzeige 10 umfasst eine Tastplatte 15 mit einer Vielzahl von Öffnungen, durch die sich mehrere Braille-Stifte 50 erstrecken, die in einer aktivierten Position (siehe Braille-Stifte 50A) eine erhabene Position haben, in der sie sich oberhalb der Tastplatte 15 erstrecken, oder in einer deaktivierten Position sind (siehe Braille-Stifte 50B), in der sie in der Tastplatte 15 versenkt sind bzw. nicht ertastet werden können.
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Das Aktorsystem umfasst zu jedem Braille-Stift 50 ein zugehöriges Aktorelement 120 und einen zugehörigen Hubstift 110. Das Aktorelement 120 umfasst einen elektrothermisch aktivierbaren Verformungskörper 124, an dem eine Aktorspitze 122 befestigt ist. Die Aktorspitze 122 ist über den Verformungskörper 124 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar. In der ersten Position ist die Aktorspitze 122 zwischen dem jeweiligen Braille-Stift 50 und dem jeweiligen Hubstift 110 angeordnet (siehe z.B. das Aktorelement 120A). In der zweiten Position ist die Aktorspitze 122 seitlich versetzt zu einer Verbindungslinie zwischen dem jeweiligen Braille-Stift 50 und dem Hubstift 110 angeordnet, so dass der zugehörige Braille-Stift 50B in dieser Position entsprechend in der Tastplatte 15 versenkbar ist. Beispiele für die zweite Position sind die Braille-Stifte 50B mit den zugehörigen Aktorelementen 120B.
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Außerdem umfasst das Aktorsystem einen Hubaktor 130 mit einer Hubplatte 132 zur Kontaktierung der Hubstifte 110, einer Vorspanneinrichtung 135 (z.B. eine Feder oder Biegeelemente / Biegebalken), die eine Vorspannkraft F auf die Hubplatte 132 ausübt, um die entsprechenden Braille-Stifte 50A in der ersten Position aus der Tastplatte 15 herauszudrücken. Außerdem umfasst der Hubaktor 130 einen Aktorantrieb 134, der ausgebildet ist, um ansprechend auf eine entsprechende Steuerung die Hubplatte 132 entgegen der Vorspannkraft F der Vorspanneinrichtung 135 zu bewegen, um ein Absenken aller Braille-Elemente 50 zu erreichen. Der Aktorantrieb 134 kann beispielsweise einen Magneten umfassen, um den sich eine Spule erstreckt und bei Aktivierung eine Magnetkraft erzeugt, die z. B. der Vorspannkraft entgegen wirkt. Eine Bodenplatte 140 kann einen unteren Anschlag für die Vorspanneinrichtung 135 bilden und beispielsweise eine Rückseite der Braille-Anzeige 10 darstellen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von Braille-Stiften 50 durch nur einen Hubaktor 130 betätigt. In der 1 ist beispielhaft ein Anzeigenbereich von 4 × 4 Braille-Stiften gezeigt, die gemeinsam über den Hubaktor 130 betätigt werden können, wobei während der Betätigung eine Umprogrammierung der Aktorelemente durchführbar ist, da in dieser Position die Braille-Stifte 50 von den Hubstiften getrennt sind, so dass die Aktorspitzen 122 der Aktorelemente 120 zwischen den Braille-Stiften 50 und den Hubstiften 110 bewegbar sind.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch die beispielhafte Aktoranordnung, wie sie in der 1 dargestellt ist. In dem Ausführungsbeispiel der 2 sind wiederum innerhalb einer Reihe zwei Braille-Stifte 50A in der erhabenen, ertastbaren Position und zwei Braille-Stifte 50B in der abgesenkten Position. Außerdem zeigt die 2, dass beispielsweise die Aktorelemente 120 in mehreren Ebenen angeordnet sein können, um ausreichend Platz zur Unterbringung der Aktorelemente 120 zu haben bzw. um gleichzeitig eine möglichst hohe Auflösung mit den Braille-Stiften 50 zu erreichen.
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Beispielhaft sind in der 2 zwei Ebenen dargestellt, in einer ersten Ebene befindet sich beispielsweise das Aktorelement 120A und 120B, während in einer zweiten, darunter anliegenden Ebene das Aktorelement 120C und das Aktorelement 120D angeordnet sind. Die Aktorelemente 120A und 120C sind dabei aktiviert, so dass sich die Aktorspitzen 122 zwischen den Braille-Stiften 50A und dem jeweiligen Hubstiften 110A, 110B befinden, während die Aktorelemente 120B, 120D in der deaktivierten Position befinden, so dass die entsprechenden Aktorspitzen 122 seitlich versetzt zu den Braille-Stifte 50B und den entsprechenden Hubstiften 110A, 110B angeordnet sind.
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Aufgrund der Anordnung der Aktorelemente 120 in verschiedenen Ebenen weisen ebenfalls die Hubstifte 110A, 110B eine unterschiedliche Länge auf, so dass sie sich bis zu der jeweiligen Aktorspitze 122 des entsprechenden Aktorelementes 120 erstrecken. Die langen Hubstifte 110A gehören zu den Aktorelementen 120A, 120B in der oberen Ebene, während die kurzen Hubstifte 110B zu den Aktorelementen 120C, 120D in der oberen Ebene gehören.
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Die Hubstifte 110A, 110B können dabei direkt mit der Hubplatte 132 verbunden sein bzw. daran befestigt sein, so dass sie gleichzeitig durch eine Aktivierung des Hubantriebes 134 vertikal bewegbar sind.
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Es versteht sich, dass die Anzahl der Braille-Stifte 50 in den Figuren lediglich beispielhaft 16 Elemente umfasst. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Braille-Stifte 50 verschieden gewählt sein. So können beispielsweise ganze Zeilen der Anordnung gleichzeitig durch einen Hubaktor bewegt werden. In einem solchen Beispiel ist die Hubplatte 132 entsprechend länglich ausgebildet, so dass viele Braille-Stifte 50, die eine Zeile der Darstellung bilden, gleichzeitig betätigt werden können.
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3 zeigt weitere Details der Aktorelemente 120. Die Aktorelemente 120 sind beispielhaft U-förmig ausgebildet, so dass sie sich beispielsweise durch eine lokale Erwärmung lateral bewegen, wenn sich beispielsweise der eine Arm der U-förmigen Ausgestaltung anders ausdehnt oder zusammenzieht als der andere Arm.
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Außerdem ist das Aktorelement 120 an einer Rahmenstruktur 160 über Gelenkelemente 126 befestigt, um ein Bewegen des jeweiligen Aktorelementes 120 relativ zu der Rahmenstruktur 160 zumindest in einem bestimmten Bereich zu erleichtern. Auch die Aktorspitze 122 kann über ein Befestigungselement 123 mit dem Verformungskörpers 124 verbunden werden, das Deformationen in einem bestimmten Bereich erlaubt.
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Die Höhe der Aktorspitze 122 entlang der Aktivierungsrichtung ist dabei derart gewählt, dass ein Ertasten des hervorstehenden Braille-Stiftes 50A aus dem Tastplatte 15 heraus durch einen Nutzer problemlos möglich ist. So liegt die Höhe der Aktorspitze 122 beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm.
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4A bis 4D veranschaulichen Details des bistabilen Mechanismus der Aktorelemente 120, der in zwei stabilen Lagen ohne Stromzufuhr positionierbar ist.
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Die 4A zeigt eine Nulllage des Aktorelementes 120, bei dem beispielsweise noch kein Hubstift 110 eingelegt ist. 4B zeigt den Einbau eines Hubstiftes 110, der aufgrund der Vorspannkraft F das Aktorelement 120 nach oben verbiegt. Hierfür sind die entsprechende Gelenkelemente 126 des Aktorelementes 120 relativ zu der Rahmen 160 vorgesehen.
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Der bistabile Mechanismus entsteht durch einen Hubstift 110, welcher beim Einbau in das Gesamtsystem die Position der Aktorspitze 122 einnimmt und so die frei bewegliche Seite des Aktorelementes 120 aus der Ebene hinausbewegt wird. Zur Reduzierung der erforderlichen Kraft zur Bewegung der Aktorspitze 122 sind in dem elektrothermischen Aktorelement 120 hierfür die Festkörpergelenke 123,126 an der Aktorspitze 122 und der eingespannten Seite zum Rahmen 160 vorgesehen. Ohne weitere Energiezufuhr kann das Aktorelement 120 so in einer „erhöhten“ ersten stabilen Lage gehalten werden.
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Die 4C zeigt ein Absenken des Hubstiftes 110 beim Programmieren der Braille-Anzeige 10. Das Programmieren in eine versenkte, nicht-ertastbare Position des Braile-Stifts wird dadurch erreicht, dass das Aktorelement 120 angeregt wird, so dass sich die Aktorspitze 122 lateral verschiebt und sich daher vor oder hinter dem Hubstift 110 befindet. Bei diesem Programmieren zieht der Hubaktor 130 zunächst die Hubstifte 110 entgegen der Vorspannkraft F nach unten, so dass sich die Aktorspitze 122 des Aktorelementes 120 frei in der lateralen Richtung parallel zur Anzeigenfläche bewegen kann.
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4D zeigt schließlich die zweite Position des Aktorelementes 120, bei der sich die Aktorspitze 122 lateral versetzt neben dem Hubstift 110 befindet, sodass bei einer Deaktivierung des Hubaktors 130 aufgrund der Vorspannkraft F das Stiftelement 110 neben die Aktorspitze 122 bewegt wird und so das Aktorelement 120 auch in der zweiten stabilen Position hält.
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Durch Senken des Hubstiftes 110 (durch den federnd aufgehängten Tauchspulantrieb 130) senkt sich auch der Verformungskörper 124 des Aktorelementes 120 zurück in die Ausgangsposition (siehe 4C). Durch eine Bestromung des Aktorelementes 120 kann sich in dieser „Programmierposition“ die Aktorspitze 122 in eine der beiden skizzierten lateralen Richtungen bewegt werden. Wird der Hubstift 110 angehoben, während sich die Aktorspitze 122 des Aktorelementes 120 lateral neben dem Hubstift 110 befindet, kann das Aktorelement 120 im Anschluss ohne weitere Energiezufuhr in dieser „gesenkten“ zweiten stabilen Lage gehalten werden (siehe 4D).
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5A und 5B veranschaulichen eine Aktivierung der Aktorelemente 120 infolge einer Aufheizung, wobei die Aktorspitze 122 und die Befestigung an der Rahmenstruktur 160 weggelassen wurden.
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In der 5A ist beispielhaft ein U-förmig ausgestaltetes Aktorelement 120 in einer Ausgangsposition dargestellt. Das Aktorelement 120 weist zwei parallel zueinander angeordnete Aktorschenkel 124 als Verformungskörper auf. Die Aktorschenkel 124 sind durch einen Verbindungsabschnitt 121 des Aktorelementes 120 miteinander verbunden. Endbereiche 125 der Aktorschenkel 124 sind ausgebildet, um eine Fixierung des Aktorelementes 120 zu ermöglichen. Sie unterscheidet sich somit von den gezeigten Gelenkstrukturen 126.
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5B zeigt eine schematisch Ansicht des Aktorelementes 120, wobei ein erster Schenkel 124a des Aktorelementes 120 erwärmt ist und sich auf Grund der Erwärmung ausgedehnt hat. Durch die Ausdehnung ist das Aktorelement 120 in eine durch einen Pfeil gekennzeichnete erste Richtung 127 ausgelenkt.
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Beide Aktorschenkel 124 sind beheizbar ausgestaltet. Entsprechende Heizelemente sind nicht gezeigt. Der erste Aktorschenkel 124a kann beispielsweise mit Hilfe eines innerhalb des ersten Aktorschenkels 124a angeordneten elektrischen Heizelements beheizt werden. Solange das Heizelement des ersten Aktorschenkels 124a elektrisch angesteuert wird, verbleibt das Aktorelement 120 in der in der 5B dargestellten ausgelenkten Position.
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Wird das Heizelement des ersten Aktorschenkels 124a nicht länger elektrisch angesteuert, kühlt sich der erste Aktorschenkel 124a ab, wobei sich eine durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnete erste Länge 128a des ersten Aktorschenkels 124a verkürzt, wodurch das Aktorelement 120 zurück in die in 5A dargestellte Ausgangsposition verlagert wird.
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Optional kann das Aktorelementes 120 einen weiteren Schaltvorgang vornehmen, wozu ein Heizelement des zweiten Aktorschenkels 124b elektrisch angesteuert werden kann. Hierdurch verlängert sich eine durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnete zweite Länge 128b des zweiten Aktorschenkels 124b und das Aktorelement 120 wird in eine der Richtung 127 entgegengesetzte Richtung verlagert.
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Vorteilhafterweise können polymere elektrothermomechanische Aktoren 120 genutzt werden, die einen leitenden (i.d.R. metallischen) Heizleiter (in den Figuren nicht gezeigt) zur Einkopplung von Joulscher Wärme und in den nichtleitenden (i.d.R. polymeren) Verformungskörper 124 aufweisen. Der Verformungskörper kann mehrere thermisch voneinander isolierte Balken aufweisen, wie beispielsweise die Schenkel der 5A, 5B. Die Erfindung soll aber nicht auf diese spezielle Form eingeschränkt werden. Es können beliebige andere thermisch verbiegbare Elemente als Verformungskörper genutzt werden, solange sie für die zuvor definierten Funktionen geeignet sind.
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Polymere Materialien weisen den Vorteil auf, dass sie relativ leicht sind und die gewünschte Flexibilität aufweisen und außerdem gewünschten thermischen Eigenschaften haben. Die bei Bestromung des Heizleiters eingeprägte thermische Energie in einen Balken und die daraus resultierende Wärmeausdehnung führt zu der gewünschten In-Plane-Auslenkung des Verformungskörpers 124 an der Aktorspitze 122.
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Ausführungsbeispiele nutzen somit für den Antrieb von Braille-Flächendisplays die folgenden zwei funktionell miteinander interagierenden Antriebslagen:
- 1) In der ersten (oberen) Antriebslage sind beispielhafte elektrothermische Aktorelemente 120 (In-plane-Aktoren) nach der obigen Beschreibung in zwei Schichten/Ebenen platziert. Durch eine geeignete Dimensionierung der elektrothermischen Aktoren 120 und durch einen Versatz der beiden Schichten/Ebenen können so die Aktorspitzen 122 in einem engen Raster (typischerweise 2,5 × 2,5 mm2) angeordnet werden. Über den Aktorspitzen 122 werden die taktile Braille-Stifte 50 angeordnet, die durch die Tastplatte 15 geführt und in Position gehalten werden. Eine Sicherung gegen Herausfallen der Braille-Stifte 50 ist nicht dargestellt, kann aber auf einfache Weise in Ausführungsbeispielen der Tastplatte 15 berücksichtigt werden.
- 2) In der zweiten (unteren) Antriebslage werden federnd aufgehängte Tauchspulantriebe 130 angeordnet, die eine (vertikale) Bewegung der Hubstifte 110 ermöglichen. Da die Miniaturisierbarkeit von Tauchspulantrieben 130 technologisch begrenzt ist, werden gemäß Ausführungsbeispielen mehrere Hubstifte 110 gleichzeitig mit einem Tauchspulantrieb 130 gehoben und gesenkt (z. B. 16 Stück). Die Hubstifte 110 sind hierfür auf einer gemeinsamen Hubplatte 132 angeordnet, in welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig die federnde Aufhängung der Tauchspulantriebe 134 realisiert ist.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Tauchspulantrieb 130 auch durch Antriebe mit andern Wirkprinzipien ersetzt werden, z.B. mit einem pneumatischen Antrieb, einem elektrostatischen Antrieb (z.B. Dielastomerwandler, oder Piezoantrieb), einem thermischer Antrieb ist (z.B. Bimetall oder Formgedächtnisantrieb), einem elektrodynamischen Antrieb (z.B. Schrittmotor, Linearantrieb), oder einem Schrittantrieb mit einem der vorhergenannten Aktorprinzipien (z.B. Servo und Spindelhubgetriebe).
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Zur Herstellung des entwickelten Antriebs für ein Braille-Flächendisplay 10 ist es zweckmäßig, die beiden Antriebslagen separat voneinander herzustellen und beim Einbau in ein geeignetes Gehäuse zueinander zu fügen. Die einzelnen Schichten der ersten (oberen) Antriebslage mit elektrothermischen Aktoren 120 können dabei mit Prozessen der Oberflächenmikromechanik oder der Leiterplattentechnik hergestellt werden.
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Die polymeren Verformungskörper 124 der Antriebe können Polymere mit hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen, z.B. aus den UV-lithographisch strukturierbaren Polymeren SU-8 bzw. SUEX (αSU-8 ≈ 44 ppm/K) oder aus Hochtemperaturkunststoffen wie Polyetheretherketon (PEEK; αPEEK ≈ 40 ppm/K). Da die elektrothermischen Aktorelemente 120 nur sehr geringe Kräfte bereitstellen müssen, ist auch der Einsatz von Niedertemperaturpolymeren wie z.B. HD-Polyethylen (HD-PE) mit hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von bis zu 80 ppm/K denkbar.
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Exemplarisch kommen bei der Fertigung der elektrothermischen Aktorelemente 120 folgende Prozesse der Oberflächenmikromechanik zum Einsatz:
- - UV-Lithographie zur Strukturierung der polymeren Schichten des Verformungskörpers aus dem Photoresist SU-8 oder SUEX
- - Lamination zur Verbindung zweier polymerer Schichten des Verformungskörpers aus dem Photoresist SU-8 oder SUEX
- - PVD-Beschichtung des Verformungskörpers zum Aufbringen einer metallischen Schicht für Heizelemente z.B. aus Chrom, Aluminium, Konstantan und/oder Kupfer
- - Sprühbelackung des Verformungskörpers zum Aufbringen eines Photoresists für Ätzmasken der Heizelemente und dessen lithographische Strukturierung
- - Nasschemisches Ätzen der Heizelemente aus der metallischen PVD-Beschichtung und Entfernen der Ätzmaske z.B. durch geeignete Lösungsmittel (z.B. Aceton)
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Neben den erwähnten Prozessen sind zahlreiche weitere Verfahren zur Herstellung des entwickelten Aktorsystems denkbar, wie z.B. feinmechanische Strukturierung des Verformungskörpers 124 (Fräsen oder Laserschneiden polymerer Materialien), Tauchbelackung oder CVD-Beschichtung. Zur Erzeugung einer freibeweglichen Struktur an der Aktorspitze 122 (im Bereich der Überlappung beider Aktoren) wurden bisher Prozesse mit metallischen und polymeren Opferschichten erprobt, wobei auch der Einsatz anderer Opferschichten denkbar ist.
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Zur Fertigung der zweiten (unteren) Antriebslage mit Tauchspulantrieben 130 und den federnd aufgehängten Hubplatten 132 erscheint es zweckmäßig, die feststehenden Teile (Spule und Flussführung) und die bewegliche Teile (Hubplatten 132, Hubstifte 110 und die Federstrukturen 135) der Tauchspulantrieben 130 separat voneinander herzustellen und beim Einbau in das Gehäuse zueinander zu fügen.
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Zur Herstellung der feststehenden Teile (Spule und Flussführung) können zahlreiche Fertigungsverfahren genutzt werden. Mit geeigneten Wickelmaschinen können Kupferdrähte auf eine Flussführung aufgewickelt werden, welche mittels Bestückungsmaschinen und geeigneten Lötprozessen auf einer tragenden Platine mechanisch und elektrisch kontaktiert werden. Die beweglichen Teile (Hubplatten, Hubstifte und die Federstrukturen) können im Verbund durch Fräsen aus einer dünnen Platte (z.B. aus Aluminium, Stahl oder geeigneten Kunststoffen) z.B. mittels Fräsen oder Laserabtrag hergestellt werden. Mit Bestückungsmaschinen und geeigneten Klebeprozessen können z.B. Magneten auf die Hubplatten aufgebracht werden.
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Geeignete Braille-Stifte 50 können mittels Stereolithographie z.B. zur Prototypenfertigung oder mittels Spritzgießen hergestellt werden.
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Der entwickelte bistabile Mechanismus mit elektrothermischen Aktoren 120 lässt sich ohne Änderung der Funktionsweise auf unterschiedliche Weisen variieren, sodass das Aktorsystem an unterschiedliche Anwendungen oder Herstellungsverfahren angepasst werden kann. Die betrifft insbesondere:
- (i) Abmessungen: Durch die Unabhängigkeit der Funktionsweise von den eingesetzten Fertigungsverfahren ist das Aktorsystem skalierbar, sodass je nach Anwendung die Abmessungen des Mechanismus angepasst werden können. Neben den Abmessungen der elektrothermischen Aktoren 120 können zur Optimierung des Schaltverhaltens und der Lebensdauer auch die Geometrie und die Abmessungen der Hubstifte 110, der Aktorspitze 122 und der Braille-Stifte 50 angepasst werden. Insbesondere lässt sich der Höhenunterschied der beiden stabilen Positionen z.B. durch die Höhe der elektrothermischen Aktoren 120 einstellen.
- (ii) Drehung der Aktoren: Durch eine Drehung der Aktoren 120 können weitere Aktoranordnungen erzeugt werden, um je nach Anwendung eventuelle Restriktionen des Bauraums zu berücksichtigen.
- (iii) Andere elektrothermische Aktoren 120: Durch den Einsatz weiterer elektrothermischer Aktorgeometrien (z.B. eines sog. Kniehebelaktors) kann die Funktion des Aktorsystems in unterschiedlichen Geometrien hergestellt werden.
- (iv) Weitere Schichten: Durch die Ergänzung der entwickelten zweischichtigen Struktur um eine oder mehrere weitere Schichten (oder ggf. auch die Reduzierung auf nur eine Schicht), können die elektrothermischen Aktoren 120 neu angeordnet werden. So lassen sich z.B. größere elektrothermische Aktoren 120 mit höheren Auslenkungen verbauen oder eventuelle Restriktionen des Bauraums berücksichtigen. Weiterhin ist auch die Erzeugung von Hilfsstrukturen zur Montage weiterer Bauteile möglich. Eine weitere Schicht kann so z.B. auch elektrische Bauteile zur Kontaktierung und Ansteuerung der elektrothermischen Aktoren (Leiterbahnen zur Matrixverschaltung, MOSFETs zur Ansteuerung der Aktorelemente) oder sensorische Bauteile zur Zustandsüberwachung enthalten.
- (v) Position der Heizelemente: Um die thermische Energie zum Betrieb der Aktoren in den Verformungskörper einzukoppeln, ist es möglich, die Geometrie oder die Position der Heizelemente zu variieren. Durch die Anbringung der Heizelemente auf anderen Flächen (z.B. zwischen den polymeren Schichten sowie auf der Oberseite oder auf den Seitenflächen der Aktoren 120) lassen sich die Energieeffizienz und die Aktorperformance in Hinblick auf Stellwege und - kräfte optimieren.
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Ausführungsbeispiele bieten insbesondere die folgenden Vorteile:
- - Es wird eine kompakte und leichte Baugröße der Anzeige ermöglicht, da der Aktor 120 nur einen geringen Platzbedarf hat.
- - Es handelt sich um einen einfachen und gut herstellbaren Aufbau mit wenig Bedarf an zusätzlicher Technik (z.B. keine Druckluftversorgung, keine hohen Spannungen erforderlich).
- - Durch den Einsatz von GPS und mobilem Internet in modernen Smartphones ist es möglich geworden, die reale Umgebung eines Menschen mit computergenerierten Informationen anzureichern. Für blinde Menschen könnte ein solches System noch hilfreicher sein, wenn die durch den Sehsinn zugänglichen Informationen wie Beschilderungen, Fahrpläne und andere Informationen in Braille-Displays 10 dargestellt werden könnten. Es wäre so möglich, die Eigenständigkeit blinder Personen zu erhöhen.
- - Erhöhung der Robustheit durch Nutzung anderer bistabiler Mechanismen
- - Nutzung anderer Aktorprinzipien zur Erhöhung des Tasthubs an den taktilen Bildpunkten 50.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auch auf die Folgenden Gegenstände:
- Einen bistabilen Mechanismus, der durch einen elektrothermischen In-Plane-Aktor 120 und einen Hubstift 110 erzeugt wird, wobei:
- - der Hubstift 110 die Aktorspitze 122 des elektrothermischen In-Plane-Aktors 120 entweder aus der Herstellungsebene positionieren kann oder der elektrothermischen In-Plane-Aktor 120 durch Aktuierung beide stabilen Lagen ohne weitere Leistungszufuhr halten kann,
- - der Hubstift 110 mit einem Hubaktor 130 bewegt wird.
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Der Antrieb des Hubaktor 130 kann zumindest einen der folgenden Antriebe umfassen:
- - ein magnetischer Antrieb (z.B. Tauchspulantrieb)
- - ein pneumatischer Antrieb
- - ein elektrostatischer Antrieb (z.B. Dielastomerwandler, oder Piezoantrieb)
- - ein thermischer Antrieb (z.B. Bimetall oder Formgedächtnisantrieb)
- - ein elektrodynamischer Antrieb (z.B. Schrittmotor, Linearantrieb)
- - ein Schrittantrieb mit einem der vorhergenannten Aktorprinzipien (z.B. Servo- und Spindelhubgetriebe).
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Ein gleichzeitiger Hub mehrerer taktiler Bildpunkte 50 mit einem Hubaktor 130 ist möglich, sodass der Hubaktor 130 ausreichend groß dimensioniert werden kann, um die erforderlichen Auslenkungen und Kräfte zu erzeugen.
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Das Aktorkonzept ist prinzipiell in vielen Anwendungen denkbar, in denen ein Objekt ohne dauerhafte Energiezufuhr in einer von mehreren Positionen gehalten werden soll. Beispielhafte Anwendungen hierfür ist die Bewegung von taktilen Bildpunkten, um Informationen in haptischen Anzeigeelementen zu übermitteln. Weiterhin ist der Einsatz in Relais denkbar, in denen ein elektrischer Schaltkontakt zwischen einer leitenden und einer isolierenden Position bewegt werden muss.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Braille-Anzeige
- 15
- Tastplatte
- 50, 50A, 50B
- Braille-Stifte
- 110
- Hubstifte
- 115
- Führung für Hubstifte
- 120
- Aktorelement
- 121
- Verbindungsabschnitt(e)
- 122
- Aktorspitze der Aktorelemente
- 123
- Befestigungselement der Aktorspitze
- 124
- Verformungskörpers (z.B. Schenkel)
- 125
- Endbereiche
- 126
- Gelenkelemente der Aktorelemente
- 127
- Auslenkrichtung(en)
- 128
- Längen
- 130
- Hubaktor
- 132
- Hubplatte
- 134
- Aktorantrieb
- 135
- Vorspanneinrichtung (z.B. Federelement)
- 140
- Bodenplatte
- 160
- Rahmenstruktur
- F
- Vorspannkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015120430 A1 [0005]
