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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Touch-Display nach Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Touch-Displays als Mensch-Maschine-Schnittstelle kommen grundsätzlich in Smartphones und Tablets oder auch im Automobil zum Einsatz. Im Gegensatz zu einer klassischen Bedienung mittels Knöpfen oder Drehreglern geht bei Touch-Displays aufgrund der flachen Display-Oberfläche die haptische Rückmeldung bei der Bedienung verloren.
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Zur Verbesserung der Bedienbarkeit wird dem Benutzer heute bereits in vielen mobilen Endgeräten ein sogenanntes haptisches Feedback, also die Erzeugung von taktil wahrnehmbaren Vibrationen angeboten. Dabei wird, beispielsweise mittels elektromechanischer Aktuatoren, das gesamte Gerät zur niederfrequenten (typ. Frequenzen im Bereich 100 Hz - 1 kHz) Vibration angeregt. Ein solches taktiles Rückmeldungssystem mit Vibrationen im niedrigen Frequenzbereich wird als vibrotaktiles Feedback bezeichnet. Die Übertragung dieser Technologie auf großformatige Touch-Displays, wie sie zum Beispiel vermehrt im Automobil zum Einsatz kommen, scheitert an den zu bewegenden Massen und der mit der niederfrequenten Anregung verbundenen Geräuscherzeugung.
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Als Lösungsansatz ist es grundsätzlich bekannt, Ultraschallwandler zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen im Frequenzbereich größer 20 kHz einzusetzen, sodass ebenfalls taktil wahrnehmbare Vibrationen erzeugt werden und somit der Nutzer einen Unterschied im Kontakt zwischen Finger und Touch-Display wahrnimmt und damit eine haptische Rückmeldung erhält. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen vibrotaktilen Feedback basiert der Effekt auf veränderten Kontakteigenschaften zwischen Finger und Scheibe, sobald die Scheibe mit Ultraschallwellen beaufschlagt wird. Indem das Ultraschallsignal in einem bestimmten zeitlichen Muster ein- und wieder ausgeschaltet wird, wird dem Benutzer z. B. das Gefühl einer Oberflächenstruktur bei Berührung des Displays vermittelt, oder es wird die haptische Wahrnehmung bei der Betätigung eines Druck-Knopfes nachgebildet.
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In
US 9,639,158 B2 wird beispielsweise die Kombination beider oben beschriebenen Technologien zur Optimierung eines taktilen Rückmeldungssystems hinsichtlich eines Touch-Displays beschrieben.
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Bei den bekannten Konzepten zur Realisierung eines solchen haptischen Displays mittels Ultraschallschwingungen werden sogenannte Biegewellen im Deckglas des Displays erzeugt. Biegewellen sind Schwingungen mit Auslenkungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle und somit senkrecht zur Displayoberfläche. Diese Biegewellen führen aufgrund ihrer senkrecht zur Displayoberfläche gerichteten Geschwindigkeitsverteilung zu einer Schallabstrahlung. Aufgrund der zur Erzeugung einer haptischen Empfindung erforderlichen Schwingungsamplituden kann der von der Displayoberfläche abgestrahlte Ultraschall Schalldruckpegel erreichen, die zu einer möglichen Gefährdung des Gehörs des Bedieners und/oder zur Störung von in der Nähe des Displays betriebenen akustischen Systemen (Mikrofone) führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Touch-Display derart weiterzuentwickeln, dass eine Schallabstrahlung sowie eine Dämpfung im Touch-Display reduziert wird, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass ausreichend hohe Schwingungsamplituden für eine möglichst gute haptische Wahrnehmung erzeugt werden.
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Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch ein Touch-Display umfassend ein Deckglas und mindestens einen Ultraschallwandler zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung für einen Nutzer des Touch-Displays. Dabei ist der Ultraschallwandler dazu ausgebildet, das Deckglas in Längsschwingungen im Ultraschall-Frequenzbereich anzuregen.
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Unter dem Begriff „Längsschwingungen“ sind insbesondere Longitudinalschwingungen zu verstehen. Dies sind Schwingungen beziehungsweise Wellen in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Schwingung beziehungsweise Wellen und somit in der Ebene des Touch-Displays.
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Der Vorteil an Longitudinalwellen in der Ebene des Touch-Displays ist, dass diese bei gleicher haptischer Wahrnehmung weniger Schall abstrahlen, da die Schwingung in der Ausbreitungsrichtung, das heißt innerhalb des Touch-Displays, erfolgt. Schwingungsanteile senkrecht zur Oberfläche, das heißt eine Schwingung in Dickenrichtung des Displays, treten bei dieser Schwingungsform lediglich durch die Querkontraktion auf und sind vernachlässigbar. Aufgrund der in Festkörpern immer vorhandenen Querkontraktion und damit auftretenden geringen Schwingungskomponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung spricht man jedoch auch von Quasi-Longitudinalwellen oder Dehnwellen. Da nur senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsgeschwindigkeiten Luftschall anregen, erzeugen Longitudinalwellen eine deutlich geringere Schallabstrahlung als Biegewellen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit eine mögliche Störung durch Schallabstrahlung bis hin zu einer Gefährdung des Gehörs eines Nutzers des Touch-Displays vermieden. Das ist gerade im Automobilbereich, bedingt durch die Größe der Touch-Displayoberfläche und den geringen Abstand zwischen dem Display und dem Nutzer, beispielsweise dem Fahrer oder dem Beifahrer, besonders relevant.
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Unter dem Begriff „Touch-Display“ ist insbesondere ein berührungssensitiver Eingabebildschirm zu verstehen, der vorzugsweise ferner zur Darstellung einer Bedienfläche ausgebildet ist. Das Touch-Display ist vorzugsweise dazu ausgebildet, auf die Berührung mit einem oder mehreren Fingern eines Nutzers oder eines entsprechenden Stiftes zu reagieren.
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Das Touch-Display umfasst neben dem Deckglas, das vor allem die für den Nutzer sichtbare und zu berührende Oberfläche darstellt, eine berührungssensitive Schicht, die vor allem elektronisch verschaltet ist, in anderen Worten ein Touch-Panel, wobei das Deckglas mit dieser Schicht vorzugsweise über eine transparente Klebeschicht verbunden ist. Bei dem Touch-Panel handelt es sich insbesondere um die eigentliche berührungssensitive Schicht inklusive der Bildschirmeinheit..
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Ein weiterer Vorteil von Längsschwingungen, besonders im Vergleich zu Biegewellen, liegt daher in einer deutlich geringeren Deformation der Klebeschicht, die auch als Bonding bezeichnet wird, zwischen dem Deckglas und dem Touch-Panel, was zu einer geringeren Dämpfung und somit einer geringeren Wärmeentwicklung und Übertragung der Schwingungen im Deckglas auf den Rest des Touch-Displays führt. Umgekehrt führt dies im Deckglas zu ausgeprägteren Schwingungen mit größeren Amplituden und somit einer homogenen Schwingungsverteilung über das gesamte Deckglas, was die haptische Wahrnehmung verbessert. Bei Biegeschwingungen tritt eine deutlich erhöhte Dämpfung durch die starke Deformation der Klebeschicht ein, die aus einem viskoelastischen Material, beispielsweise Acryl, Silikon oder Epoxidharz bestehen kann. Dies kann bei Biegewellen im Gegensatz zu Längsschwingungen zu einer räumlich inhomogenen Schwingungsverteilung und somit einer schlechteren haptischen Wahrnehmung führen.
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Es kann das Deckglas in insbesondere mindestens einem Randbereich des Touch-Displays, vorzugsweise in sämtlichen Randbereichen des Touch-Displays, über das Touch-Panelüberstehen.
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Insbesondere ist der Ultraschallwandler dazu ausgebildet, Längsschwingungen in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 500 kHz zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Frequenz der Längsschwingung größer als 200 kHz. Es stellen sich somit Wellenlängen ein, die aufgrund der Materialeigenschaften von Glas in der typischen Größenordnung des Doppelten einer Fingerbreite beziehungsweise darunter liegen. Dies dient zur Erzielung eines für den Nutzer über die gesamte Displayoberfläche als gleichartig wahrgenommenen haptischen Gefühls.
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Insbesondere ist der Ultraschallwandler als piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Dieser umfasst insbesondere mindestens ein Piezoelement, das vor allem als Piezokeramik verstanden werden kann. Bei einer Ansteuerung des Piezoelementes mit einem variablen elektrischen Potential entsteht eine Auslenkung in mindestens einer Richtung.
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Dabei lassen sich piezoelektrische Aktoren hinsichtlich der resultierenden mechanischen Auslenkung in verschiedene Kategorien unterteilen. Mindestens ein Ultraschallwandler kann als Längsschwinger ausgebildet sein und vorzugsweise an einer Stirnseite des Touch-Displays angeordnet sein.
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Bei der Ansteuerung eines als Längsschwinger ausgebildeten Ultraschallwandlers mit einem variablen elektrischen Potential erfolgt eine Auslenkung in Längsrichtung. In anderen Worten handelt es sich bei dem Ultraschallwandler um einen Longitudinalaktor, sodass die mechanische Kraft parallel zum angelegten elektrischen Feld wirkt. Es wird das elektrische Feld im Piezoelement parallel zur Richtung der Polarisation angelegt. Dadurch wird eine Dehnung oder Auslenkung in Richtung der Polarisation induziert, sodass eine Längsschwingung in das Display eingeleitet werden kann.
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Vorzugsweise kann der Ultraschallwandler das Deckglas an der Stirnseite umgreifen. Hierzu kann der Ultraschallwandler ein Koppelstück umfassen, das die Stirnseite an einem ersten Ende in Längsrichtung des Touch-Displays beidseitig umgreift, während an einem zweiten Ende das Piezoelement angeordnet ist. Insbesondere kann sich eine seismische Masse anschließen, sodass das Piezoelement zwischen einer seismischen Masse und dem Koppelstück angeordnet ist. Wird nun ein variables Potential angelegt, kommt es zu einer Längendehnung in Längsrichtung des Touch-Displays und somit zu einer Anregung und Krafteinleitung in Längsrichtung, sodass eine Längsschwingung resultiert. Ferner kann das Koppelelement so ausgebildet sein, dass die mechanische Nachgiebigkeit der Struktur erhöht wird, was zu einer Vergrößerung der Auslenkung und somit einer vergrößerten Anregung in Längsrichtung führt.
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Ferner kann mindestens ein Ultraschallwandler als Querschwinger ausgebildet sein und vorzugsweise in einem Randbereich des Touch-Displays angeordnet sein. Bei einem Querschwinger erfolgt bei einer Ansteuerung mit einem variablen elektrischen Potential eine Auslenkung in Querrichtung. In anderen Worten erfolgt die mechanische Kraft quer zum angelegten Feld und quer zur Polarisationsrichtung. Es handelt sich bei dem Ultraschallwandler somit vorzugsweise um einen Querkontraktor.
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Bei einer Ausbildung als Querschwinger umfasst der Ultraschallwandler insbesondere keine seismische Masse und kein Koppelelement, sondern es kann mindestens ein Piezoelement, vorzugsweise zwei Piezoelemente, direkt an dem Deckglas des Touch-Displays angeordnet sein. Insbesondere ist jeweils ein Piezoelement jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Deckglases angeordnet.
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Ferner kann der Ultraschallwandler, der als Querschwinger ausgebildet ist, ein Piezoelement umfassen, das an der Stirnseite des Deckglases des Touch-Displays angeordnet ist. Es wird somit die Querkontraktion des Piezoelementes dem Touch-Display direkt aufgeprägt und dieses zur Längsschwingung angeregt. Der Ultraschallwandler kann insbesondere als piezoelektrische Schicht ausgebildet sein, die auf der Stirnseite angeordnet beziehungsweise aufgedruckt sein kann.
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Ferner kann mindestens ein Ultraschallwandler als Scherschwinger ausgebildet sein und vorzugsweise in einem Randbereich des Touch-Displays angeordnet sein. In anderen Worten handelt es sich bei dem Ultraschallwandler vorzugsweise um einen Scheraktor.
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Bei einem Ansteuern des Piezoelementes mit einem variablen elektrischen Potential orthogonal zur Richtung der Polarisation, erfolgt eine Auslenkung in einer Scherung. Dabei kann ein derartiger Ultraschallwandler zwei Piezoelemente umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten des Deckglases des Touch-Displays angeordnet sind. Es können zwei seismische Massen vorgesehen sein, wobei zwischen einer seismischen Masse und dem Touch-Display je ein Piezoelement angeordnet ist. Auch bei einer solchen Ausbildung wird das Touch-Display in Längsrichtung angeregt. Auch kann ein Scherschwinger ohne seismische Masse ausgebildet sein, wobei dann zwei Piezoelemente an unterschiedlichen Seiten des Deckglases angeordnet sind, was zu einer verbesserten Krafteinleitung in das Deckglas führt.
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Vorzugsweise ist der Ultraschallwandler dazu ausgebildet, das Deckglas und ferner bevorzugt das Touch-Display mit einer Eigenfrequenz anzuregen. Dies führt zu einer besonders homogenen haptischen Wahrnehmung unabhängig vom Ort der Bedienung auf dem Deckglas des Touch-Displays.
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Der mindestens eine Ultraschallwandler kann eine Länge in der Längsrichtung des Touch-Displays von höchstens 10 mm aufweisen. In Dickenrichtung des Touch-Displays umfasst der mindestens eine Ultraschallwandler eine Dicke von mindestens 50 µm und maximal 10 mm, meistens bevorzugt weniger als 5 mm.
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Vorzugsweise kann das Touch-Display eine Vielzahl von Ultraschallwandlern umfassen, wobei die Ultraschallwandler in Bezug auf eine geometrische Mittellinie des Deckglases in Dickenrichtung symmetrisch angeordnet sein können. Die Mittellinie teilt das Touch-Display somit in zwei zueinander gespiegelte Hälften. Bei einem symmetrischen Aufbau der Ultraschallwandler bezüglich der geometrischen Mittelebene des Deckglases ist eine besonders effiziente Anregung von Längsschwingungen und eine Vermeidung von unerwünschten Biegeschwingungen gewährleistet.
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Insbesondere ist mindestens ein Ultraschallwandler, vorzugsweise sämtliche Ultraschallwandler, in einem Randbereich des Touch-Displays angeordnet. Vorzugsweise befindet sich mindestens ein Ultraschallwandler in jedem Randbereich des Touch-Displays. Dabei kann der mindestens eine Ultraschallwandler mit möglichst minimalen Abstand zum Rand angebracht sein, um eine maximal nutzbare Fläche für eine Bildschirmanzeige und die haptische Wahrnehmung zu erreichen. Der Abstand des mindestens einen Ultraschallwandlers zum Rand beträgt vor allem weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm.
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Die Verbindung zwischen dem mindestens einen Ultraschallwandler und dem Touch-Display kann insbesondere kraft- und/oder formschlüssig ausgebildet sein. Gleiches gilt für die Verbindung zwischen einem Piezoelement und einem Koppelelement und/oder zwischen einem Piezoelement und/oder einer seismischen Masse. Für die vorgenannten Verbindungen kann insbesondere eine Klebeverbindung vorgesehen sein, beispielsweise mittels eines ein- oder mehrkomponentigen Klebers auf Epoxidharzbasis, welcher beispielsweise unter Temperatur oder UV-Strahlung ausgehärtet ist. Ferner sind Acrylat- oder silikonbasierte Klebstoffe möglich. Ferner kann ein Piezoelement in Form eines Druckprozesses oder einer chemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung auf dem Touch-Display angeordnet sein.
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Es zeigen in rein schematischer Darstellung:
- 1: eine seitliche Ansicht der unterschiedlichen Schichten eines erfindungsgemäßen Touch-Displays;
- 2: eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Längsschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 3: eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Längsschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 4: eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Scherschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 5: eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Scherschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 6: eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Querschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 7: eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays mit einem als Querschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler;
- 8: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Touch-Display; und
- 9: eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Touch-Display.
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In 1 ist die Schichtstruktur eines erfindungsgemäßen Touch-Displays 100 zu sehen, und zwar besteht das Touch-Display aus einem Deckglas 101, dem Touch-Panel 103, welches die berührungssensitive Schicht sowie die Bildschirmanzeige umfasst, und einer Klebeschicht 102, die zwischen diesen angeordnet ist. Im Randbereich 104 steht das Deckglas 101 über das Touch-Panel103 über.
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In 2 ist eine seitliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Touch-Displays 100 zu sehen, das an einer Stirnseite 106 einenUltraschallwandler 10 umfasst. Der Ultraschallwandler 10 ist als Längsschwinger ausgebildet und umfasst ein Piezoelement 11, eine seismische Masse 12 und ein Koppelelement 13. Das Piezoelement 11 ist zwischen seismischer Masse 12 und Koppelelement 13 angeordnet. Das Koppelelement 13 umfasst dabei das Deckglas 101 des Touch-Displays 100 an dessen Stirnseite 106 beidseitig. Der Ultraschallwandler 10 umfasst eine Länge 15 in Längsrichtung 51 des Touch-Displays und eine Dicke 16 in Dickenrichtung 50 des Touch-Displays. Ferner ist in 2 beispielhaft die geometrische Mittellinie 60 in Dickenrichtung 50 zu sehen.
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Das Piezoelement 11 führt bei Anlegen eines variablen Potentials eine Längsdehnung und somit eine Bewegung in der Bewegungsrichtung 14 aus und leitet somit eine Längsschwingung in das Touch-Display 100 ein. Die Bewegungsrichtung 14 entspricht der Längsrichtung 51 des Touch-Displays 100.
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3 zeigt eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays 100 umfassend einen Ultraschallwandler 10, der bis auf die folgenden Unterschiede analog zu dem Ultraschallwandler 10 der 1 ausgebildet ist: Bei dem Ultraschallwandler der 3 weistdas Koppelelement 13 in dem Bereich, in dem es sich an das Piezoelement 11 anschließt, eine kleinere Ausdehnung in Dickenrichtung 50 auf, im Vergleich zu dem Bereich, an dem es die Stirnseite 106 des Deckglases 101 umschließt. Diese Verjüngung führt zu einer erhöhten mechanischen Nachgiebigkeit.
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Die Dicke in Dickenrichtung 50 der seismischen Masse entspricht erneut der Dicke im Bereich des Umschließens der Stirnseite 106. Die Bewegungsrichtung 14 ist erneut in Längsrichtung 51 des Displays 100 gerichtet.
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In 4 ist eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays 100 mit einem als Scherschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler 10 dargestellt. Der Ultraschallwandler 10 umfasst zwei Piezoelemente 11, die direkt an gegenüberliegenden Seiten des Deckglases 101 angeordnet sind, und zwei seismische Massen 12, wobei jeweils ein Piezoelement 11 zwischen einer seismischen Masse 12 und dem Deckglas 101 angeordnet ist. Der Ultraschallwandler 10 führt eine Bewegung in Bewegungsrichtung 14 aus, die der Längsrichtung 51 entspricht, und leitet somit eine Längsschwingung in das Touch-Display 100 ein.
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In 5 ist eine seitliche Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Touch-Displays 100 mit einem Ultraschallwandler 10 gezeigt, der als Scherschwinger ausgebildet ist, und der bis auf die folgenden Unterschiede analog zu dem Ultraschallwandler 10 der 4 ausgebildet ist: Der Ultraschallwandler 10 der 5 weist keine seismischen Massen 12 auf. Die Piezoelemente selbst dienen somit als träge Elemente. Es ist in gebrochenen Linien dargestellt, wie die Piezoelemente 11 eine Scherkontraktion und somit eine Bewegung 14 in Längsrichtung 51 des Touch-Displays 100 ausführen.
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In 6 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Touch-Display 100 gezeigt, das einen Ultraschallwandler 10 umfasst, der als Querschwinger ausgebildet ist und zwei Piezoelemente 11 umfasst, die eine Bewegung in Bewegungsrichtung 14 durchführen und somit eine Längsschwingung in das Touch-Display 100 einkoppeln.
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7 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Touch-Display 100 mit einem als Querschwinger ausgebildeten Ultraschallwandler 10. Der Ultraschallwandler 10 ist an der Stirnseite 106 des Deckglases 101 angeordnet und kann als auf die Stirnseite 106 aufgebrachte Schicht ausgebildet sein.
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8 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Touch-Display 100, und zwar auf dessen Deckglas 101, wobei in 8 deutlich die Randbereiche 104 des Touch-Displays 100 zu sehen sind, in denen jeweils mindestens ein Ultraschallwandler 10 angeordnet ist. Deutlich zu sehen ist, dass ein sichtbarer Bildschirmbereich 105 keinen Ultraschallwandler 10 umfasst.
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In 9 ist ebenfalls eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Touch-Display 100 zu sehen, bei dem die Ultraschallwandler 10 an der Stirnseite 106 des Touch-Displays 100 angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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