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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft berührungsempfindliche Bedienelemente, welche im Bereich der Computertechnik und der Unterhaltungselektronik in Form von sogenannten Touchpads oder Touch-Displays weite Verbreitung gefunden haben und zunehmend auch bei Unterhaltungs-, Informations- und Assistenzsystemen in Fahrzeugen Anwendung finden.
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Insbesondere bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen besteht dabei das Bestreben, solche berührungsempfindliche Bedienelemente zu haptifizieren, das heißt mit einer haptischen Rückmeldungs-Funktion zu versehen, um eine gezielte und zuverlässige Bedienung von Geräten oder Funktionen auch ohne ständige Blickzuwendung auf das zu bedienende Gerät oder die Bedienoberfläche zu erleichtern. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass auf glatten Bedienoberflächen, beispielsweise Touch-Pads und Touch-Displays, damit fühlbare Schalter oder Taster simuliert werden.
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Bei Anwendungen in Fahrzeug-Systemen bestehen dabei infolge der typischen Betriebsbedingungen bei fahrenden Fahrzeugen, demgegenüber begrenztem Bauraum, daneben hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit infolge wechselnder Umweltbedingungen und Betriebsfestigkeit aufgrund der typischen langen Nutzungsdauer von Kraftfahrzeugen besondere Anforderungen.
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Ein bekannter Ansatz besteht darin, piezoelektrische Aktoren direkt auf der Bedienoberfläche zu verkleben. Piezoelektrische Aktoren sind dabei beispielsweise aus einem flachen quaderförmigen piezoelektrischen Kristall gebildet, auf dessen Ober- und Unterseite jeweils eine Elektrodenplatte aufgebracht ist. Bei Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren dehnen sich diese typischerweise in z-Richtung, also senkrecht zu den Oberflächen der Elektrodenplatten aus, gleichzeitig ziehen sich die Kristalle in x- und y- Richtung, also parallel zu den Elektrodenplatten zusammen, wodurch infolge der Verklebung eine mechanische Spannung in der Bedienoberfläche erzeugt wird, welche einen fühlbaren Effekt, bzw. im Falle einer periodischen Ansteuerung, eine Schwingung an der Bedienoberfläche zur Folge hat.
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Ein anderer Ansatz zur Realisierung einer berührungsempfindliche Bedienoberfläche ist beispielsweise in
EP1956466B1 beschrieben. Die
EP1956466B1 offenbart eine berührungsempfindliche Schnittstelle mit einer vibrierenden Kontaktfläche und Vibrationsmitteln, die dazu geeignet sind, eine mechanische Vibrationsverformung der Kontaktfläche zu erzeugen, so dass ein sogenannter „Squeeze Film“-Effekt erzeugt wird und die Tastempfindung beim Berühren der Kontaktfläche verändert wird, welche
- - eine Vibrationsstruktur mit einer Platte, bei welcher eine der Seiten die vibrierende Kontaktfläche der Schnittstelle bildet, und mit einer piezoelektrischen Schicht, die auf der anderen Seite der Platte fixiert ist, wobei die Struktur zumindest einen Biegemodus aufweist, der durch eine Resonanzfrequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz gekennzeichnet ist umfasst und welche weiterhin
- - elektrische Versorgungsmittel, die an die piezoelektrische Schicht angeschlossen sind, umfasst,
wobei die piezoelektrische Schicht und die elektrischen Versorgungsmittel dazu geeignet sind, den Biegemodus der Vibrationsstruktur hervorzurufen und in der Vibrationsstruktur stehende Lamb-Wellen mit einer Ausbreitungsrichtung entlang zumindest einer geradlinigen Ausbreitungsachse zu erzeugen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ermöglicht in vorteilhafter Weise die Haptifizierung berührungsempfindlicher Bedienelemente, wobei eine zuverlässige Funktion unter für Kraftfahrzeuge typischen Betriebsbedingungen und eine Betriebsfestigkeit für Kraftfahrzeuge typische Benutzungsdauern von vielen Jahren sichergestellt wird. Unter zuverlässiger Funktion wird dabei subsummiert, dass die haptifizierten berührungsempfindlichen Bedienelemente, also insbesondere Touchpad oder Touch-Display, bei Berührung in Abhängigkeit einer jeweiligen Bedienfunktion nicht nur eine haptische Rückmeldung erzeugen, sondern dass diese haptische Rückmeldung auch unter typischen Einsatzbedingungen in Kraftfahrzeugen für den Benutzer deutlich fühlbar ist.
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Dazu wird zunächst vorgesehen, elektrisch ansteuerbare Aktorelemente, vorzugsweise piezoelektrische Aktorelemente stoffschlüssig auf einem Trägerelement zu befestigen, wobei das Trägerelement wiederum auf einem plattenförmigen Deckelement des berührungsempfindlichen Bedienelements befestigt wird. Das Trägerelement hat dabei die Aufgabe, in Reaktion auf eine elektrische Ansteuerung erfolgende Kontraktionen und/oder Expansionen der Aktorelemente mit hoher Effizienz, das heißt mit möglichst geringem Energieaufwand seitens der Ansteuerung, in eine Verformung des Deckelements umzusetzen. Bei geeigneter periodischer Ansteuerung kann damit eine Schwingung, beispielsweise in Form von stehenden Wellen oder Lamb-Wellen auf der Oberfläche des Deckelements erzeugt werden. Typische Resonanzfrequenzen liegen dabei im Bereich von ca. 50 kHz bis 75 kHz. Diese Wellen sind für einen Benutzer, der mit einem oder mehreren Fingern auf das Bedienelement zugreift, in der oder den mehreren zugreifenden Fingerspitze/n fühlbar oder, beispielsweise in Gestalt eines sogenannten „Squeeze-Films“, mit den Fingerspitzen wahrnehmbar.
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An das Trägerelement werden dabei im vorliegenden Kontext besondere Anforderungen gestellt.
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Zum einen soll das Trägerelement für einen kommerziellen Einsatz leicht und kostengünstig fertigbar sein. Weiterhin muss das Trägerelement die zur Erfüllung der grundsätzlichen Funktion erforderlichen mechanischen Eigenschaften, insbesondere ausreichende Biegesteifigkeit bzw. Elastizitäts-Modul sowie Betriebsfestigkeit bei Beaufschlagung mit den gewünschten durch die Aktorelemente verursachten mechanischen Spannungen, aufweisen. Weiterhin müssen diese Eigenschaften für die in Kraftfahrzeugen üblichen Temperaturbereiche im Bereich von -40 Grad Celsius bis +85 Grad, vorzugsweise bis 105 Grad Celsius, einer bei in praller Sonne geparkten Fahrzeugen auftretenden Temperatur, gegeben sein. Des Weiteren sollen die Trägerelemente mit Blick auf wechselnde Umweltbedingungen auch eine Korrosionsresistenz aufweisen.
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Diese Anforderungen könnten mit Aluminium-Strangpressprofilen als Trägerelementen erfüllt werden, die insbesondere besonders kostengünstig herzustellen, leicht und, beispielsweise nach Eloxierung, korrosionsfest sind.
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Im Kontext der angedachten Anwendung, nämlich eines haptifizierten Bedienelements, hier insbesondere eines haptischen Displays, also einer Anzeige mit haptischer Rückmeldefunktion im Kraftfahrzeug ergibt sich jedoch eine weitere Anforderung an das Trägerelement. Grundsätzlich ist es zur Einkopplung der von den Aktorelementen verursachten mechanischen Spannungen oder der dadurch ausgelösten Schwingungen in das Deckelement des Bedienelements erforderlich, dass das Trägerelement möglichst hart, das heißt biegesteif und unelastisch an das Deckelement des Bedienelements angekoppelt wird.
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Im Falle eines Aluminiumprofils als Trägerelement weist dieses einen von Glas als Deckelement deutlich verschiedenen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten auf. Dies gilt auch für Deckelemente aus PMMA und PC, welche Materialien im Infotainment-Bereich ebenfalls Anwendung finden können.
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Bei den in Kraftfahrzeugen abhängig von Umgebungsbedingungen und im Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen im Bereich mindestens mittlerer bis hoher zweistelliger Grad-Celsius-Temperaturspannen würden daraus erhebliche mechanische Spannungen zwischen dem Trägerelement und dem Deckelement entstehen, die die grundsätzliche Funktion, daneben aber auch die Betriebsfestigkeit des Systems beeinträchtigen könnten.
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Daher wird vorgeschlagen, das Trägerprofil aus Stahl zu fertigen. Die Materialwahl Stahl hat den Vorteil, dass dieser einen ähnlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie Gläser, welche typischerweise als Deckelemente für Touch-Displays in Frage kommen. Zudem können Stahlprofile beispielsweise im Walzverfahren kostengünstig und in großen Mengen hergestellt werden.
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Im Sinne einer effizienten Umsetzung der elektrischen Ansteuersignale für die Aktorelemente in Schwingungen im Deckelement ist es weiterhin erforderlich, die Aktorelemente möglichst hart, das heißt unelastisch und mit geringstmöglicher mechanischer Dämpfung an dem Trägerelement zu befestigen.
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Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Aktorelemente auf dem Trägerelement aufzulöten. Dies hat zudem den Vorteil, dass die Aktorelemente einseitig über das Trägerelement elektrisch kontaktiert werden können, so dass die Verdrahtung der Aktorelemente vereinfacht wird.
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Die Erfindung richtet sich mithin auf eine Anregungsvorrichtung, ausgebildet zur Befestigung an einem plattenförmigen Deckelement eines berührungsempfindlichen Bedienelements, umfassend ein durch einen Metallprofilträger gebildetes Trägerelement und auf dem Trägerelement befestigte Aktorelemente, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Aktorelemente auf dem Trägerelement aufgelötet sind.
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Vorzugsweise ist dabei der Metallprofilträger aus Stahl gefertigt. Insbesondere kann der Metallprofilträger kostengünstig und massenproduktionstauglich im Walzverfahren hergestellt werden.
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Vorzugsweise werden die Aktorelemente mittels eines niedrig schmelzenden Metall-Lotes auf dem Trägerelement aufgelötet. Piezo-Aktoren, die eine mögliche und hier bevorzugte Ausgestaltung der Aktorelemente darstellen, verfügen über eine Höchsttemperatur, die sogenannte Curie-Temperatur, deren Überschreiten eine schlagartige Depolarisation und damit Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Piezo-Aktorelemente zur Folge haben kann. Es können auch schon vor Erreichen der Curie-Temperatur Beeinträchtigungen auftreten. Es ist daher anzustreben, soweit Abstand zur Curie-Temperatur mit der Prozesstemperatur einzuhalten wie möglich.
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In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Aktorelemente innerhalb mindestens einer Ausnehmung in einer Aufnahmefläche des Trägerelements, insbesondere in einer sich über die Längenausdehnung des Trägerelements erstreckenden rinnenförmigen Vertiefung der Aufnahmefläche, angeordnet werden bzw. sind.
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Dies erleichtert die Positionierung bzw. Ausrichtung der Aktorelemente auf der Aufnahmefläche des Trägerelements im Fertigungsprozess, indem die Aktorelemente zumindest einseitig an eine Kante der Rinne angelegt werden. Weiterhin wird das Risiko eines Aufschwimmens und Wanderns der Aktorelemente auf der Aufnahmefläche im Lötprozess bei erhitztem und damit erweichtem oder verflüssigtem Lot verringert. Die Aktorelemente werden durch den zumindest einseitigen Formschluss in Position gehalten. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn, wie im vorliegenden Fall die Aufnahmefläche nicht parallel, sondern gekippt zu einer zur Befestigung des Trägerelements auf dem Deckelement vorgesehenen Fuß-Fläche steht.
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Sofern die Breite der Rinne auf die Abmessungen der Aktorelemente angepasst ist, kann zudem eine ergänzende formschlüssige Verbindung der Aktorelemente mit dem Trägerelement erreicht werden, was den mechanischen Gütefaktor und damit den elektromechanischen Wirkungsgrad der aus Trägerelement und Aktorelementen gebildeten Anregungsvorrichtung erhöht.
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Die Erfindung richtet sich weiter auf ein Berührungsempfindliches Bedienelement welche eine erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung wie vor beschrieben, und weiter das plattenförmige Deckelement umfasst, wobei die Anregungsvorrichtung mit dem Deckelement verbunden ist, insbesondere auch dem Deckelement verklebt ist.
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In einer möglichen Abwandlung kann auch vorgesehen sein, dass das Deckelement zumindest bereichsweise mit einer oberflächlichen Metallisierung versehen ist. Für diesen Fall kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Anregungsvorrichtung auch auf dem Deckelement des berührungsempfindlichen Bedienelements aufgelötet ist. Wie im Falle der Aktorelemente kann auch damit der mechanische Gütefaktor und damit elektro-mechanische Wirkungsgrad der Schwingungserzeugung in dem Deckelement erhöht werden.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf die Herstellung einer Anregungsvorrichtung wie vorstehend beschrieben. Dazu wird ein Verfahren zum Herstellen dieser Anregungsvorrichtung vorgeschlagen mit den Schritten
- - Bereitstellen eines durch einen Metallprofilträger gebildeten Trägerelements,
- - Bereitstellen von Aktorelementen, insbesondere piezoelektrischen Aktorelementen,
- - Aufbringen eines Metall-Lotes auf zur Aufnahme der Aktorelemente vorgesehenen Bereichen auf einer Aufnahmefläche des Trägerelements oder jeweils auf Unterseiten der Aktorelemente,
- - Positionieren der Aktorelemente auf dem Trägerelement,
- - Erhitzen des Metall-Lotes auf eine Löt-Temperatur und damit Verlöten der Aktorelemente auf der Aufnahmefläche des Trägerelements.
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Um eine Bildung von Gaseinschlüssen und/oder Lunkern während bzw. als Folge des Lötvorgangs in der resultierenden Lötverbindung zwischen Aktorelementen und Trägerelementen zu vermeiden, ist bevorzugt ein zusätzlicher Schritt des Strukturierens des auf dem Trägerelement oder den Aktorelementen aufgebrachten Lotes zur Erzeugung von Kanälen in der durch Aufbringen des Lotes gebildeten Lot-Schicht vorgesehen. Dazu kann vorgesehen sein, das Lot auf der zu verlötenden Oberfläche mindestens eines der Verbindungspartner vollflächig aufzubringen und im Nachgang, bspw. durch Fräsen, zu strukturieren. Es kann alternativ auch vorgesehen, das Lot bereits beim Aufbringen zu strukturieren, beispielsweise durch Aufbringen des Lots in einem Siebdruckprozess. Alternativ kann auch vorgesehen werden, die Oberfläche zu strukturieren, beispielsweise mit Hilfe von Isolierlack analog einem Lötstopplack.
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Vorzugsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verlöten der Aktorelemente auf dem Trägerelement in einem Reflow-Prozess erfolgt, wobei eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des Lotes und einer Curie-Temperatur der Aktorelemente, vorzugsweise mit einem Sicherheitsabstand unterhalb der Curie-Temperatur der Aktorelemente, eingestellt wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann dabei weiterhin vorgesehen sein, dass das Trägerelement für den Lötprozess in einer Aufnahme gehalten wird, welche dazu dient, die Aufnahmefläche des Trägerelements, auf der die Aktorelemente verlötet werden, in eine horizontale Position zu bringen. Damit wird sichergestellt, dass die Aktorelemente während der Verflüssigung des Lots im Lötprozess nicht aus ihrer Befestigungsposition verrutschen.
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Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass die Aktorelemente vor dem Schritt des Verlötens und mindestens für die Dauer des Verlöten-Schrittes auf dem Trägerelement fixiert werden. Dies dient ebenfalls dem Zweck, eine präzise ausgerichtete Befestigung der Aktorelemente auf dem Trägerelement sicherzustellen.
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Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass das Trägerelement an der für die Aufnahme der Aktorelemente vorgesehenen Aufnahmefläche strukturiert wird, wobei die Strukturierung mindestens eine Ausnehmung zur zumindest einseitig formschlüssigen Aufnahme der Aktorelemente umfasst. Die Aktorelemente werden dann in diese Ausnehmung/en eingelegt.
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Dabei ist weiterhin vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung durch eine Rinne in der für die Aufnahme der Aktorelemente vorgesehenen Aufnahmefläche des Trägerelements gebildet wird.
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Diese mindestens eine Ausnehmung kann vorzugsweise während der Herstellung des Trägerelementes, insbesondere im Walzverfahren erzeugt wird.
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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
- 1 eine Darstellung eines prototypischen Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungswesentlichen Teils einer Anregungsvorrichtung für ein haptifizierten Bedienelements, insbesondere für eine berührungsempfindliches bzw. „Touch“-Display,
- 2 eine schematische Darstellung des erfindungswesentlichen Teils eines über die Anregungsvorrichtung aus 1 verfügenden berührungsempfindlichen Bedienelements, hier in Form eines „Touch“-Displays,
- 3A, 3B und 3C Skizzen zur Verdeutlichung des Wirkprinzips der Haptifizierung des Bedienelements mittels der erfindungsgemäßen Anregungsvorrichtung und
- 4 einen Ablaufplan für ein Verfahren zur Herstellung der Anregungsvorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 eine erfindungsgemäße Anregungsvorrichtung 1 dargestellt.
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Die Anregungsvorrichtung 1 umfasst ein Trägerelement 10. Dieses ist in Form eines Stahlprofilträgers 10 ausgeführt, der im Walzverfahren hergestellt ist. Das Trägerelement 10 weist ein Profil auf, welches mit einer Kombination eines „L“-Trägers mit einem modifizierten „T“-Träger beschrieben werden kann, wobei der horizontale Teil des „L“ einen Fußabschnitt 12 bildet, der horizontale Teil des „T“ hier geneigt ist, einen Kopfabschnitt 11 bildet und die vertikalen Abschnitte des „L“ und des „T“ gemeinsam einen Mittelabschnitt 13 bilden.
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Der Fußabschnitt 12 des Trägerelements 10 ist dazu ausgebildet und vorgesehen, auf einer Fläche eines plattenförmigen Deckelements 30 (2), im Falle eines berührungsempfindlichen Displays auf einem Deckglas 30 des Bedienelements, befestigt zu werden. Die Befestigung des Fußabschnitts 12 auf dem Deckelement 30 (2) erfolgt dabei in einer Ausführungsform der Erfindung durch Verkleben, beispielsweise mit einem hart und damit unelastisch aushärtenden |Kunstharz|[C1]-Klebstoff, insbesondere Epoxy-Klebstoff 31. In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Deckelement 30 bereichsweise eine metallische Oberfläche aufweist, beispielsweise kann eine Metallschicht auf das Deckelement bzw. Deckglas 30 aufgedampft oder gesputtert sein. In diesem Fall ist das Trägerelement 11 auf dem Deckelement befestigt, indem der Fußabschnitt 12 auf der Metalloberfläche des Deckelements aufgelötet ist.
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Das Trägerelement 10 weist weiterhin einen Kopfabschnitt 11 auf, welcher dem horizontalen Abschnitt des „T“ entspricht. Dabei ist in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der horizontale Teil des „T“ gekippt, so dass der Mittelabschnitt 13 und der Kopfabschnitt 11 auf der dem horizontalen Fuß-Abschnitt 12 zugewandten Seite einen spitzen Winkel von vorliegend 45 Grad einschließen.
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Die Oberseite 111 des Kopfabschnitts 11 dient als Aufnahmefläche 111 für Aktorelemente 21, welche flächig auf der Aufnahmefläche entlang der Längserstreckungsrichtung des Trägerprofils 10, in der 1 von links vorne schräg nach rechts hinten verlaufend, in vorgegebenen Abständen zueinander mit einem niedrig schmelzenden, insbesondere deutlich unterhalb der Curie-Temperatur der hier verwendeten Piezo-Aktoren 21 schmelzenden, metallischen und elektrisch leitfähigen Lot aufgelötet sind. Die vorgegebenen Abstände sind dabei hier zueinander gleich gewählt und betragen ca. die einfache Breite eines Aktorelements 21 als Abstand zwischen den einander zugewandten Seitenkanten zweier benachbarter Aktorelemente 21. In bevorzugter Ausgestaltung werden die Abstände so gewählt, dass eine homogene stehende Welle auf dem Deckglas erzeugt wird
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Ein erster elektrischer Kontakt der Aktorelemente 21 ist über die Verlötung mit metallischem Lot auf dem stählernen Trägerelement 11 über das Trägerelement 11 selbst mit einer ersten Anschlussleitung 51 elektrisch verbunden. Die zweiten elektrischen Kontakte der Aktorelemente 21, welche durch ihre in 1 sichtbaren Oberflächen gebildet sind, sind untereinander über eine Drahtbrücke 53, welche auf den genannten Oberflächen der Aktorelemente 21 aufgelötet ist, verbunden. Die Drahtbrücke kann auch aufgeschweißt oder aufgeklebt werden. Diese Parallelschaltung der zweiten elektrischen Kontakte der Aktorelemente 21 ist mit einer zweiten Anschlussleitung 52 verbunden.
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Erste 51 und zweite Anschlussleitung 52 dienen dazu, die Aktorelemente 21, hier insbesondere Piezo-Aktoren 21, mit einer wechselförmigen Ansteuerspannung zu beaufschlagen, welche eine Kontraktion bzw. Expansion der Aktorelemente 21 in zur Aufnahmefläche 111 tangentialer Richtung bewirkt, so dass infolge der stoffschlüssigen, harten, d.h. dämpfungsarmen Ankopplung der Aktorelemente 21 an den Kopfabschnitt 11 des Trägerelements 10 mechanische Spannungen in das Trägerelement 10 eingebracht werden. Diese führen zu einer Deformation des Trägerelements 10 in Form von Durchbiegungen des Kopfabschnitts 11, welche durch den Mittelabschnitt 13 zum Fußabschnitt 13 übertragen und von diesem in das Deckelement 13 des berührungsempfindlichen Bedienelements eingekoppelt werden.
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In 2 ist schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung im Wirkzusammenhang dargestellt.
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Die Anregungsvorrichtung 1 ist auf einem Deckglas 30 eines berührungsempfindlichen Displays 32 befestigt, das heißt mit einem hart aushärtenden Klebstoff, beispielsweise einem Kunstharz-, vorzugsweise Epoxid-Klebstoff 31 auf dem Deckglas aufgeklebt. In alternativer Ausführung kann das Deckglas im Bereich unter der Schicht 31 auch eine Metallisierung 36 aufweisen, beispielsweisen kann dort eine Metallschicht 36 aufgedampft oder gesputtert sein. Diese Metallschicht kann beispielsweise dazu dienen, das Glas in diesem Bereich blickdicht zu gestalten, so dass die aus Sicht des Benutzers dahinter gelegenen Anregungsstrukturen nicht sichtbar sind. Diese Metallschicht kann zudem als EMV-Abschirmung bzw. -Schild dienen. In diesem Fall einer Metallschicht 36 auf dem Deckglas ist der Fußabschnitt 12 und damit das Trägerelement 10 vorzugsweise mittels eines geeigneten Lotes auf dem metallisierten Abschnitt 36 auf dem Deckglas 30 aufgelötet (31).
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Die dem Trägerelement 10 bzw. der Anregungsvorrichtung 1 sowie dem Display 32 abgewandte Seite bzw. Oberfläche 33 stellt gleichzeitig die dem Benutzer zugewandte Bedienelement-Oberfläche dar, auf welche der Benutzer mit einem Finger 40 seiner Hand zugreift.
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Die Anregungsstruktur 10 wird von einer Steuereinrichtung 50 mit einem elektrischen Steuersignal beaufschlagt, den Aktorelementen 21 über die Leitungen 51 und 52 zugeführt ist. Das Steuersignal ist als Wechselspannungssignal ausgeführt, sodass die Aktorelemente mit wechselnder Polarität angesteuert werden und sich wechselweise tangential zur Aufnahmefläche 111 des Trägerelements zusammenziehen und ausdehnen. Dadurch werden mechanische Wechsel-Spannungen und in der Folge Verformungen in dem Trägerelement 10 erzeugt, welche mittels des Fußabschnitts 12 des Trägerelements 10 auf das Deckglas 30 übertragen werden und in denselben Biegespannungen und in der Folge Biegungen auslösen. Diese bilden eine Oberflächenwelle 35, im vorliegenden Fall beispielsweise eine Lamb-Welle, welche der Benutzer des Systems mit seinem die Oberfläche 33 berührenden Finger spüren kann. Je nach Ausprägung der Wellen im Deckglas ergeben sich dabei verschiedene haptische Effekte. Im Falle von Lamb-Wellen ergibt sich beispielsweise ein sogenannter Squeeze-Film, der sich in einer Variation der Reibung bei Überstreichen der Oberfläche 33 mit der Fingerspitze 40 äußert.
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Die Wirkungsweise der Anregungsvorrichtung ist in den 3A, 3B und 3C skizziert.
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In 3A ist zwischen den Anschlüssen 51 und 52 eine positive Spannung angelegt. In der Folge hat sich das Aktorelement 21 in seiner Dicke, also senkrecht zur Aufnahmefläche 111 des Trägerelements 10 ausgedehnt und gleichzeitig tangential zur Aufnahmefläche 111 zusammengezogen. Infolge der harten Ankopplung an die Aufnahmefläche 111 wird in dieser eine mechanische Spannung erzeugt, demzufolge die Aufnahmefläche 111 - aus Sicht des Aktorelements 21 - konkav verbogen wird. Diese Biegung des Kopfabschnitts 11 wird mittels des Mittelabschnitt 13 in den Fußabschnitt 12 des Trägerelements 10 und von diesem auf das Deckelement 30 übertragen. Auf diese Weise wird das Deckelement entlang der Längsausdehnung des Trägerelements 10 mit einer Biegespannung beaufschlagt.
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In 3B ist die Aktorelemente 21 und Trägerelement 10 umfassende Anregungsvorrichtung spannungsfrei. Es liegt zwischen den beiden Anschlussleitungen 51 und 52 und damit den Elektroden der Aktorelemente 21 keine elektrische Spannung an, die Aktorelemente sind in entspanntem Zustand und folglich wird auch in die Trägerstruktur und damit das Deckelement keine mechanische Spannung eingekoppelt.
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In 3C liegt zwischen den Anschlüssen 51 und 52 eine negative elektrische Spannung an. In der Folge hat sich das Aktorelement 21 in seiner Dicke, also senkrecht zur Aufnahmefläche 111 des Trägerelements 10 zusammengezogen und gleichzeitig tangential zur Aufnahmefläche 111 ausgedehnt. Infolge der harten Ankopplung an die Aufnahmefläche 111 wird in dieser eine mechanische Spannung erzeugt, demzufolge die Aufnahmefläche 111 - aus Sicht des Aktorelements 21 - konvex verbogen wird. Diese Biegung des Kopfabschnitts 11 wird mittels des Mittelabschnitts 13 in den Fußabschnitt 12 des Trägerelements 10 und von diesem auf das Deckelement 30 übertragen. Auf diese Weise wird das Deckelement entlang der Längsausdehnung des Trägerelements 10 mit einer Biegespannung beaufschlagt.
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Die Herstellung der Anregungsvorrichtung 1 ist in 4 skizziert.
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In einem ersten Schritt 61 wird ein in einem Walzprozess erzeugter Stahlprofilträger mit dem in den 1 und 2 gezeigten Profil bereitgestellt. Die in diesen Figuren gezeigte Geometrie, d.h. Kombinierter „T“- und „L“-Träger mit abgeschrägtem Kopfabschnitt wurde so gewählt, dass sie tatsächlich auch in einem Walzprozess und damit Massenproduktions-tauglich, kostengünstig und zudem platzsparend hergestellt werden kann. Der Stahlprofilträger 10 kann dabei in einer bevorzugten Ausgestaltung auf seiner Aufnahmefläche 111, also der Oberseite des horizontalen bzw. hier schrägen Teils des „T“ eine in Längserstreckungsrichtung verlaufende rinnenförmige Vertiefung aufweisen. Die Breite der Rinne ist dabei an die Abmessungen der dort anzuordnenden Aktorelemente 21 angepasst, derart, dass die Aktorelemente vollständig durch die Rinne aufgenommen werden können. In weiter bevorzugter Ausführung kann die Rinnenbreite der Seitenlänge der Piezo-Aktorelemente 21 in entspanntem Zustand entsprechend oder mit geringer Toleranz im Bereich weniger Zehntel Millimeter breiter ausgeführt sein.
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In einem weiteren Schritt 62 werden die auf der Aufnahmefläche 111 aufzubringenden Aktorelemente 21 bereitgestellt.
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In einem weiteren Schritt 63 wird sodann vorzugsweise auf bezogen auf die Darstellung in 1 und 2 unterseitige Oberflächen, also Unterseiten der Aktorelemente 21 Metall-Lot aufgebracht. Im Falle von piezoelektrischen Aktoren 21, kurz Piezo-Aktoren, wird dabei ein unterhalb der Curie-Temperatur der Piezo-Aktoren schmelzendes Lot verwendet. Das Lot wird dabei vorzugsweise zur Ausbildung von Kanälen strukturiert auf die Unterseiten aufgebracht. Die Strukturierung kann dabei beispielsweise durch Bedrucken der Unterseiten der Aktorelemente 21 mit Lot erfolgen. Alternativ kann das Lot auch vollflächig aufgebracht und im Nachgang strukturiert werden.
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Alternativ oder ergänzend zum Aufbringen des Metalllotes auf die Unterseiten der Aktorelemente 21 kann das Lot auch direkt auf die Aufnahmefläche 111 des Trägerelements aufgebracht werden. Vorzugsweise wird dabei das Aufbringen des Lotes auf diejenigen Bereiche beschränkt, in denen die Aktorelemente positioniert werden sollen. Auch hier kann vorzugsweise vorgesehen werden, dass Kanäle in dem aufgebrachten Lot vorgesehen werden.
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Die in das Lot eingebrachten Kanäle dienen dazu, beim Löten beispielsweise von Flussmittel erzeugte Ausgasungen zuverlässig abzuleiten und Gas- oder Lufteinschlüsse oder Lunker in der Lotschicht zwischen Aktorelement 21 und Aufnahmefläche 111 zu vermeiden.
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In einem folgenden Schritt 64 werden die Aktorelemente 21 auf dem Trägerelement positioniert. Sofern die Aufnahmefläche 111 mit einer Rinne wie vor beschriebene ausgestaltet ist, wird die Positionierung der Trägerelemente durch die Rinne vorgegeben. Vorzugsweise werden die Aktorelemente 21 derart in die Rinne eingesetzt, dass sie mit mindestens einer Kante am Rinnenrand anliegen.
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In einem folgenden Schritt 65 wird das Metall-Lot auf seine Löt-Temperatur erhitzt und damit die Aktorelemente 21 auf der Aufnahmefläche 111 des Trägerelements 10 aufgelötet. Dieser eigentliche Lötvorgang kann in bevorzugter Ausgestaltung in einem Reflow-Prozess erfolgten. In bevorzugter Ausführung wird dabei eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des Lotes und einer Curie-Temperatur der Aktorelemente, vorzugsweise mit einem Sicherheitsabstand unterhalb der Curie-Temperatur der Aktorelemente 21, eingestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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