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Stand der Technik
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Zur Realisierung einer Benutzerinteraktion mit einem zu bedienenden Gerät werden zunehmend berührungsempfindliche Oberflächen, auch „Touchpad“, auf Grundlage resistiver oder kapazitiver Sensoren eingesetzt. Es gibt dabei Bestrebungen, die Berührinteraktion über diese Sensoren mit haptischem Feedback für einen Benutzer anzureichern, beispielsweise durch die Integration eines elektromagnetischen Aktors hinter dem Sensor. Eine bekannte Umsetzung dieses Ansatzes sind beispielsweise sogenannte Touchscreens von Smartphones.
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In der Schrift
US 2016/0042888 A1 ist ein Bedienelement mit haptischer Rückmeldung beschrieben, auf dessen einem Bediener zugesandter Bedienoberfläche ein beleuchtetes Symbol dargestellt ist. Das Bedienelement ist durch einen Stapel aus Funktionsschichten gebildet, umfassend eine Lichtquelle, eine Symbol-Maske, eine Sensor-Schicht zur Erfassung einer auf das Bedienelement einwirkenden Bedienkraft, eine elektromechanische Polymerschicht zur Erzeugung des haptischen Effekts sowie eine zwischen Sensor- und elektromechanischer Polymerschicht angeordneten Dämpfungsschicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche schlägt eine alternative Lösung zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Bedienelement vor. Von besonderem Vorteil ist dabei der einfachere Aufbau der erfindungsgemäßen Lösung.
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Dazu wird ein Bedienelement mit haptischer Rückmeldung vorgeschlagen,
mit einer transparenten oder transluzenten EAP-Schicht, welche zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen, eine erste davon dem Bediener zugewandt, eine zweite davon vom Bediener abgewandt, aufweist,
mit einer auf der ersten Oberfläche der EAP-Schicht angeordneten ersten Elektrodenschicht, welche zum Abstrahlen von in die EAP-Schicht eingekoppeltem Licht an die Umgebung zumindest in Teilbereichen transparent oder transluzent ausgeführt ist,
mit einer auf der zweiten Oberfläche der EAP-Schicht angeordneten zweiten Elektrodenschicht,
wobei die EAP-Schicht sowohl als Sensor zur Erfassung einer auf die erste Oberfläche einwirkenden Kraft als auch Aktors zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung fungiert.
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Vorteilhaft ist es dabei, die Sensorfunktion und die haptische Aktorfunktion in einem Bauteil zu vereinen. Hierbei kommen vorzugsweise piezoelektrische Materialien in Gestalt der EAP- (Elektro Aktive Polymer-) Schicht zum Einsatz, die den Piezoeffekt, das heißt eine Änderung der Polarisation und damit Auftreten einer messbaren elektrischen Spannung bei Verformung, zur Realisierung der Sensorfunktionalität, und den inversen Piezoeffekt, das heißt eine Verformung der Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung, zur Realisierung der haptischen Aktorfunktionalität ausnutzen.
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Der Begriff transparent wird hier und im Folgenden im Sinne von bild- oder blickdurchlässig bzw. durchsichtig, insbesondere aber im Sinne von Lichtdurchlässig verwendet. Fensterglas oder optisches Glas ist ein Beispiel für transparentes Material. Im Unterschied dazu bedeutet transluzent Licht-teildurchlässig bzw. durchscheinend. Schreibpapier ist beispielsweise typischerweise transluzent.
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Das Kernelement des Bedienelements, nämlich der Schichtenstapel aus EPA-Schicht und den beiden Elektrodenschichten kann dabei vorteilhaft im Druckverfahren hergestellt werden. Als elektroaktives Polymer kann dabei beispielsweise der piezoelektrische Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) eingesetzt werden.
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Im Rahmen des Druckverfahrens kann die bedienerseitige erste Elektrodenschicht oder bedienerseitige und zweite, vom Bediener abgewandte Elektrodenschicht bereichsweise ausgespart werden. Diese Aussparung oder Aussparungen bilden ein Symbol, etwa ein Ein-/Ausschalter-Symbol oder ein anderes ein Bedienelement kennzeichnendes Symbol. Alternativ ist es auch möglich, die Elektrodenschicht oder Elektrodenschichten aus einem transparenten oder transluzenten Material zu fertigen und anschließend bereichsweise lichtundurchlässig zu überdrucken, so dass nur die nicht überdruckten Bereiche transparent oder transluzent bleiben und somit ein ein Bedienelement kennzeichnendes Symbol bilden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist die EAP-Schicht an ihrem Umfang und/oder der aus der EAP-Schicht und den beiden Elektrodenschichten gebildete Schichten-Stapel an seinem Umfang fixiert, wobei diese Fixierung einer Ausdehnung der EPA-Schicht oder des Schichten-Stapels in einer Richtung parallel zu den Oberflächen der EAP-Schicht entgegenwirkt.
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Die Fixierung kann beispielsweise durch eine stirnseitige Fassung des Schichtenstapels realisiert sein. Alternativ kann die Fixierung beispielsweise auch durch eine Verklebung des Schichtenstapels auf einem Rahmen entlang der äußeren Kanten einer der Oberflächen des Schichtenstapels umgesetzt sein. So dehnt sich die EAP-Schicht bei Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten in Richtung senkrecht zum Verlauf der angelegten Spannung aus. Dabei vergrößert sich die Länge und Breite der EAP-Schicht bzw. deren Durchmesser parallel zu der ersten und der zweiten Oberfläche. Die Fixierung wirkt dieser Ausdehnung parallel zu erster und zweiter Oberfläche entgegen mit dem Ergebnis, dass sich die EAP-Schicht in Richtung auf den Bediener zu aufwölbt. Dieses Aufwölben des Schichtenstapels wird zur Erzeugung des haptischen Effekts, das heißt zur Erzeugung einer fühlbaren Rückmeldung für den Benutzer bei Betätigung und/oder Berührung des Bedienelements genutzt.
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In einer Variante kann auch ein zweiter Schichtenstapel, der die EAP-Schicht oder den Schichtenstapel umfasst, an seinem Umfang fixiert sein. Dabei kann der zweite Schichtenstapel eine weitere Schicht umfassen, die die EAP-Schicht oder den Schichtenstapel überragt, deren Umfang also größer als der der EAP-Schicht oder des Schichtenstapels ist. Für die Funktionsweise der Erfindung muss dabei diese weitere Schicht eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, so dass diese die durch die Ausdehnung der EAP-Schicht oder des Schichten-Stapels erzeugten Kräfte auf die Fixierung überträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt das Bedienelement über eine Lichtquelle zum Einkoppeln von Licht in die EAP-Schicht. Das Licht der Lichtquelle kann dabei über eine Stirnfläche der EAP-Schicht einkoppelt werden. Dazu kann die Lichtquelle der Stirnfläche benachbart angeordnet sein oder die Stirnfläche über einen Lichtleiter mit der Lichtquelle verbunden sein. Alternativ kann das Licht der Lichtquelle auch durch die zumindest bereichsweise transparent oder transluzent ausgebildete zweite Elektrodenschicht hindurch über die zweite, bedienerabgewandte Oberfläche in die EAP-Schicht eingekoppelt werden. Insbesondere kann dazu die Lichtquelle auf der bedienerabgewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist auch eine Bedienvorrichtung mit einem wie vor beschriebenen Bedienelement mit einer Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die EAP-Schicht auf das Einwirken einer Bedienkraft zu überwachen und die EAP-Schicht mit einem Steuersignal zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung durch die EAP-Schicht zu beaufschlagen.
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Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zur Bedienung eines Geräts mittels mindestens eines Bedienelements mit haptischer Rückmeldung wie vorstehend beschrieben, welches insbesondere Teil einer Bedieneinrichtung des Geräts sein kann, wobei die EAP-Schicht des Bedienelements auf das Einwirken einer Bedienkraft überwacht wird und aus einer erkannten Bedienkraft-Einwirkung ein Steuersignal für das Gerät abgeleitet wird und wobei die EAP-Schicht, insbesondere in Reaktion auf eine erkannte Bedienkraft-Einwirkung, beispielsweise einen Betätigungs-Druck oder eine Berührung des Bedienelements mit einem Bedienmittel, etwa einem Finger eines Bedieners, mit einem Steuersignal zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung durch die EAP-Schicht beaufschlagt wird. Die Überwachung auf das Einwirken einer Bedienkraft auf das Bedienelement kann insbesondere durch eine, vorzugsweise als programmgesteuerter Prozessor ausgebildete, Steuereinrichtung bewerkstelligt werden, welche mit dem Bedienelement und/oder der Bedieneinrichtung zum Austausch von Signalen verbunden ist. Die Erzeugung des Steuersignals zur Ansteuerung des Bedienelements kann vorzugsweise ebenfalls durch die Steuereinrichtung erfolgen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Es zeigen
- 1A, 1B, 1C und 1D Skizzen zur Verdeutlichung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Bedienelements
- 2 eine Explosions-Skizze einer schematischen Darstellung eines Bedienelements gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 2A einen Schnitt durch eine schematische Darstellung des Bedienelements gemäß 2
- 3 eine Aufsicht auf ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bedienelements, aus der typischen Perspektive eines Bedieners
- 4 ein Blockschaltbild einer Bedieneinrichtung, welche ein erfindungsgemäßen Bedienelement umfasst.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Haptische Bedieneinrichtungen haben grundsätzlich den Vorteil, dass die Sensorfunktion zum Erfassen einer Bedienung mittels eines Bedienmittels, beispielsweise eines oder mehrerer Finger eines Benutzers und eine haptische Aktorfunktionalität, also eine für den Benutzer bei Berührung oder Bedienung der Bedieneinrichtung fühlbare Rückmeldung durch die Bedieneinrichtung in einem Bauteil vereint werden.
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Hierbei können insbesondere piezoelektrische Materialien zum Einsatz kommen, die den Piezoeffekt, also die Änderung einer Polarisation und damit Auftreten einer messbaren elektrischen Spannung bei Verformung des Materials, zur Realisierung der Sensorfunktionalität, und den inversen Piezoeffekt, also Verformung der Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung, zur Realisierung der haptischen Aktorfunktionalität ausnutzen.
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Als Materialien können dabei piezoelektrische Keramiken zum Einsatz kommen.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich hingegen auf eine Umsetzung auf Grundlage elektroaktiver Polymere, kurz EAP, also Polymere mit piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise einem piezoelektrischem Kunststoff wie Polyvinylidenfluorid, kurz PVDF.
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In 1A bis 1C ist das Grundprinzip eines gedruckten haptischen Aktors dargestellt. Dieser besteht wie in 1A dargestellt in einer einfachen Ausführung aus einer EAP-Schicht 13, hier einer PVDF-Schicht, die sich zwischen einer ersten, oberen leitfähigen Elektrodenschicht 12 und einer zweiten, unteren leifähigen Elektrodenschichten 14 angeordnet ist. Das aus den beiden Elektroden und der dazwischen eingeschlossenen EAP-Schicht kann auch als Schichten-Stapel bezeichnet werden.
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Durch Stapeln mehrerer PVDF-Schichten mit zwischenliegenden Elektroden gemäß 1D kann die Stärke des Aktors verstärkt werden.
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Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Schichten-Stapel 12, 13, 14, hier symbolisiert durch den geschlossenen Schalter 22, über den eine Spannungsquelle 21 mit den beiden Elektrodenschichten 12 und 13 verbunden ist, wird ein elektrisches Feld in der EAP-Schicht ausgebildet, welches dazu führt, dass sich die EAP-Schicht in Richtung senkrecht zur angelegten Spannung bzw. senkrecht zum elektrischen Feld, hier also in Richtungen 181 und 182 parallel zur Oberfläche der EAP-Schicht in ausdehnt. Gleichzeitig zieht sich die EAP-Schicht 13 in Feldrichtung 183 und 184 zusammen, s- 2B.
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Durch eine geeignete Aufnahme der EAP-Schicht oder des die EAP-Schicht umfassenden Schichten-Stapels 12, 13, 14 kann die Längung bzw. Ausdehnung der EAP-Schicht in eine Krümmung bzw. Aufwölbung überführt werden, wie in 2C gezeigt. In 2C ist dazu der Schichten-Stapel mittels einer Einfassung 17 stirnseitig eingefasst bzw. eingespannt, welche die durch die Ausdehnung der EAP-Schicht 13 erzeugten Kräfte aufnimmt bzw. diesen entgegen wirkt und damit die Aufwölbung der EAP-Schicht 13 und damit des Schichten-Stapels 12, 13, 14 bewirkt.
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Diese Krümmung oder Aufwölbung des Schichten-Stapels ist für einen Bediener wahrnehmbar und kann zur Realisierung eines haptischen Feedbacks im Rahmen einer berühungsempfindlichen Bedienoberfläche genutzt werden.
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In 2 und 2A ist ein erfindungsgemäßes Bedienelement 1 dargestellt.
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Dieses umfasst zunächst den bereits in 1A, 1B und 1C dargestellten Aufbau, also einen Schichtenstapel aus erster, oberer Elektrodenschicht 12, zweiter, unterer Elektrodenschicht 14 und zwischen den beiden Elektrodenschichten eingeschlossener EAP- bzw. hier konkret PVDF-Schicht. Die EAP-Schicht ist dabei transparent oder transluzent, also für Licht zumindest teil-durchlässig oder durchscheinend. Die erste, obere Elektrodenschicht 12 ist beim fertigen Bedienelement bzw. Bedienfeld dem Benutzer zugewandt.
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PVDF kann in einem Film von 1mm Dicke noch eine optische Transmission von 93% aufweisen. Die Elektrodenschichten 12 und 14 werden auf die transparente oder transluzente EAP-Schicht 13 mit einem Siebdruckprozess aufgebracht. Durch die Verwendung einer entsprechenden Druckmaske können Strukturen und Symbole in die erste Elektrode 12 eingebracht, insbesondere aus dieser ausgespart werden, so dass diese in den ausgesparten Bereichen zumindest Licht-teildurchlässig ist.
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Das Bedien- bzw. Sensor/Aktor-Element 1 ist in Richtung Benutzer, also auf seiner ersten, oberen Elektrode 12 mit einer transparenten Schutzschicht 11 versehen, diese kann beispielsweise auf die erste Elektrodenschicht aufgeklebt sein. Die Schutzschicht 11 stellt die Oberfläche des Bedienelements 1 dar, welche dem Bediener zugewandt ist und auf welche der Bediener im Betrieb zugreift
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Der Schichtenstapel aus oberer Elektrode 12, EAP-Schicht 13 und unterer Elektrode 14 ist in seinem Randbereich, im vorliegenden Fall beispielsweise über einen Rahmen 15, der vorzugsweise aus Kunststoff wie beispielsweise PEN oder PET gefertigt sein kann, fixiert. Beispielsweise kann der Schichten-Stapel auf diesem Rahmen verklebt sein. Dieser Rahmen 15 dient dazu, die durch die Ausdehnung des Schichtenstapels in Richtung 181 und 182, also parallel zu seiner Oberfläche eingeleiteten Kräfte aufzunehmen und damit die Aufwölbung 36 des Schichten-Stapels gemäß 2C zu bewirken. Der Schichten-Stapel kann dabei unmittelbar auf den Rahmen 15 aufgeklebt sein. Unter dem Rahmen 15, also auf dem Schichten-Stapel 12, 13, 14 abgewandten Seite, ist eine Lichtquelle 16, beispielsweise eine LED 16 angeordnet.
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Der lichtundurchlässige Bereich der Elektroden 12 und 14 wird mit einem nicht transparenten Elektrodenmaterial hergestellt. Die lichtdurchlässigen Bereiche werden vorzugsweise dadurch realisiert, dass sich in diesen Bereichen kein Elektrodenmaterial befindet. Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn die lichtdurchlässigen Bereiche durch transparentes Elektrodenmaterial realisiert werden, wie beispielsweise Silbernanowire AgNW, Indiumzinnoxid ITO. Bei aktiver Lichtquelle 16 scheint das Licht durch die zumindest bereichsweise transparenten oder transluzenten Schichten 12, 13, 14 hindurch, so dass das gedruckte Symbol, hier ein Ein-/Ausschalter, hinterleuchtet wird, s. 3, dort Teilbild b. Bei inaktiver Lichtquelle 16 ist das Symbol hingegen nicht bzw. nur schwach zu sehen, s. 3, Teilbild a.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2A überragt die Schutzschicht 11 den Schichtenstapel 12, 13, 14 in radialer Richtung. Die Schutzschicht 11 ist dabei mechanisch steif, beispielsweise als Glasschicht ausgebildet. Der so gebildete zweite Schichten-Stapel, hier nun umfassend die Schutzschicht 11, die beiden Elektroden 12 und 14 sowie die EAP-Schicht 13 ist entlang seinem Rand bzw. Umfang fixiert. Die Fixierung erfolgt hier nicht am EAP-Schichten-Stapel 12, 13, 14 direkt, sondern mittelbar über die mit dem EAP-Schichten-Stapel 12 ,13, 14 verbundene Schutzschicht 11. Die Schutzschicht 11 ist dazu mit ihrer Unterseite auf dem Rahmen 15 aufgeklebt. Der EAP-Schichten-Stapel 12, 13, 14 hängt also in dem von dem Rahmen 15 gebildeten lichten Raum. Auch hier ist unterhalb des Rahmens 15 die Lichtquelle 16 angeordnet, welche durch die transparenten oder transluzenten Bereiche der beiden Elektroden 12 und 14 sowie die EPA-Schicht hindurch strahlt.
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In Abwandlung kann die Lichtquelle 16 auch derart ausgeführt bzw. angeordnet sein, dass sie das von ihr abgestrahlte Licht nicht oder nicht nur durch die zweite Elektroden-Schicht 14 hindurch, sondern statt dessen über die Stirnseite des Schichten-Stapels in die dort nicht abgedeckte Stirnfläche 131 der EAP-Schicht einstrahlt oder einkoppelt. Dies kann durch bezüglich des Schichtenstapels stirnseitige Anordnung der Lichtquelle 16, durch Umlenkung des Lichts der Lichtquelle 16, beispielsweise über reflektierenden Innenwände des Rahmens 15 oder mittels Lichtleiterstruktur erreicht werden.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Bedienvorrichtung 3 mit einem erfindungsgemäßen Bedienelement 1. Das Bedienelement 1 bzw. Sensor-Aktor-Element 1 ist mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden. Diese ist Rahmen der vorliegenden Erfindung dazu eingerichtet, die EAP-Schicht 13 bzw. den Schichtenstapel 12, 13, 14 auf das Einwirken einer Bedienkraft 35 zu überwachen und die EAP-Schicht 13 mit einem Steuersignal 31 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung 36 durch die EAP-Schicht 13 zu beaufschlagen. Diese ist ferner dazu eingerichtet, die Lichtquelle 16 anzusteuern und so die Beleuchtung des Bedienelements 1 zu steuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0042888 A1 [0002]
