EP3821326A1 - Stiftförmiges eingabe- und/oder ausgabegerät und verfahren zur erzeugung eines haptischen signals - Google Patents

Stiftförmiges eingabe- und/oder ausgabegerät und verfahren zur erzeugung eines haptischen signals

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EP3821326A1
EP3821326A1 EP19740486.6A EP19740486A EP3821326A1 EP 3821326 A1 EP3821326 A1 EP 3821326A1 EP 19740486 A EP19740486 A EP 19740486A EP 3821326 A1 EP3821326 A1 EP 3821326A1
Authority
EP
European Patent Office
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pen
output device
shaped input
piezoelectric actuator
actuator
Prior art date
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Pending
Application number
EP19740486.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Georg KÜGERL
Harald Kastl
Günter AFLENZER
Roman PUCHLEITNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP3821326A1 publication Critical patent/EP3821326A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
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    • G01R19/16576—Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533 comparing DC or AC voltage with one threshold
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/206—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using only longitudinal or thickness displacement, e.g. d33 or d31 type devices

Definitions

  • the present invention relates to a pen-shaped input and / or output device and a method for generating a haptic signal.
  • Augmented reality applications are increasingly using pens with which a surface can be scanned. A user should be given the impression that the pen would be moved over a previously saved area. To make the surface profile realistic
  • Such a pen is known for example from US 8,988,445 B2.
  • the pin has a linear actuator
  • the object of the present invention is to provide an advantageous pen-shaped input and / or output device. Another object is to find an advantageous method for
  • a pen-shaped input and / or output device has an actuator unit that has a piezoelectric actuator.
  • the input and / or output device can have further piezoelectric actuators.
  • a piezoelectric actuator can be manufactured in different geometries. Accordingly, the
  • Vibrations generated by the actuator can be used to generate a realistic haptic signal.
  • the piezoelectric actuator can be excited to vibrate with frequencies from a wide frequency spectrum.
  • an input voltage applied to the piezoelectric actuator can have a frequency between 5 Hz and 10 KHz. Because different frequencies can be used in this way, the piezoelectric actuator can be excited to vibrate in a wide frequency range. In this way, different haptic impressions can be created that emulate the different textures of a surface.
  • a signal applied to the piezoelectric actuator can have any signal shape. For example, the piezoelectric actuator is not sinusoidal
  • Either a single-layer actuator or a piezoelectric actuator can be used as the piezoelectric actuator
  • Multi-layer component in which the internal electrodes and the piezoelectric layers arranged between them alternate
  • the piezoelectric actuator can make it possible
  • piezoelectric actuator can be changed. This allows, for example, different textures from
  • the pen-shaped input and / or output device can be used both as an input device and as an output device in one
  • Application for example a virtual reality application or an augmented reality application.
  • an entry can be made by a user moving the pen-shaped device to a specific position. In this way, the user of the application can transmit a control command, for example.
  • the pen-shaped device is output in that a haptic signal is transmitted to a user by a vibration of the actuator unit.
  • the pen-shaped device can only be operated as an input device or only as an output device or as a combined input and output device.
  • the pen-shaped input and / or output device can have a control unit which is designed to apply a voltage to the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator can be excited to vibrate by the voltage applied to the piezoelectric actuator.
  • the vibrations can represent a haptic signal for a user who grips or holds the pen-shaped input and / or output device. Depending on the frequency and the amplitude of the vibration of the piezoelectric actuator, a different haptic impression can be generated by the user.
  • a profile can be stored in the control unit, wherein the control unit can be configured to the
  • the profile can in particular be the profile of a surface.
  • the profile of the profile of the first surface can in particular be the profile of a surface.
  • Surface can reflect a texture of the surface.
  • the haptic signal can be changed depending on a roughness of a surface that is to be reproduced by the haptic signal.
  • the pen-shaped input and / or output device can be configured to use the piezoelectric actuator as a sensor, on the piezoelectric actuator due to actuation of the pen-shaped input and / or
  • Output device a voltage can be generated, the pen-shaped input and / or output device
  • Output device can be operated in a reading mode in which the device is guided along one or more surfaces and thereby stores a profile of the surfaces.
  • the pen-shaped input and / or output device can be configured to use the piezoelectric actuator simultaneously as a sensor and to generate a vibration. For example, it can be in the reading mode in which the
  • piezoelectric actuator as a sensor for reading a
  • Profile of a surface is used, be able to generate a vibration with the help of the actuator. Becomes
  • the actuator can consequently move from one control electronics to one
  • Vibration can be excited.
  • the vibration can signal the user, for example, a change in the operating mode.
  • the vibration can signal to the user that the device switches to standby mode in order to prevent damage.
  • the piezoelectric actuator can be operated simultaneously as a sensor.
  • One can at the
  • Piezoelectric actuator applied voltage to be monitored. In this way, control signals that
  • the device can be switched off automatically or put into standby mode to avoid damage.
  • the control unit can be configured to
  • control unit can either the piezoelectric on the basis of a previously stored profile or on the basis of a profile read by the pin-shaped input and / or output device in the reading mode
  • the pen-shaped input and / or output device can furthermore have a pushbutton element which is connected to the actuator unit.
  • the pushbutton element can be arranged at the writing end of the pen and can accordingly be designed via a
  • the probe element can be tapered.
  • the probe element can have a probe tip.
  • the feeler element can be arranged movably to a base body of the pen-shaped input and / or output device. Accordingly, the touch element can be moved when a surface is touched.
  • the pushbutton element can be designed for this purpose
  • Piezoelectric actuator to be set in vibration, wherein the haptic signal can be generated by the vibration of the probe element.
  • the actuator unit can have a mechanical reinforcement element that is attached to the piezoelectric actuator.
  • the mechanical reinforcement element can do this
  • piezoelectric actuator is moved in a second direction, which is perpendicular to the first direction.
  • the mechanical reinforcing element can be designed to convert a movement of the actuator into a movement in the second direction with a larger amplitude. By increasing the amplitude, the haptic
  • the piezoelectric actuator can be designed and arranged to generate a vibration by changing the length using the d31 effect or the d33 effect.
  • the pen-shaped input and / or output device can have an inclination sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device can have a distance sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device can have a speed sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device can have an acceleration sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device can have further sensors.
  • Each of the sensors mentioned here can be designed as a MEMS component.
  • Each of the sensors mentioned here can be a separate sensor.
  • two or more of the sensors mentioned here can be determined by a single component which is designed to determine a plurality of measured variables.
  • the sensors mentioned here can enable
  • Measured variables for example an angle of inclination, a
  • these measured variables can be taken into account both when generating a haptic signal by the actuator unit and when reading in a surface profile. This allows an accuracy of the read
  • the output device is also full without the sensors mentioned here or with only some of the sensors mentioned here
  • the sensors therefore only serve to increase the accuracy, but are not absolutely necessary for the basic functioning of the device.
  • the piezoelectric actuator can be used as a sensor and, for example, measure an acceleration.
  • the acceleration can be deduced from a voltage generated at the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator can be used as
  • Acceleration sensor can be used and, in one embodiment, a separate acceleration sensor can be dispensed with.
  • An evaluation unit connected to the piezoelectric actuator can be designed to distinguish between a voltage that is generated by moving the device over a surface to be read and the surface on the piezoelectric
  • Actuator exerts a force and a voltage that is generated by the device experiencing an acceleration and a force acting on the actuator. Both types of voltages can have characteristic patterns that can be recognized by the evaluation unit.
  • An acceleration that is recognized by the piezoelectric actuator used as the acceleration sensor can be caused, for example, by knocking the pen-shaped input and / or output device on a surface. Other movements of the pen-shaped input and / or output device that are executed by a user and that represent a control command can also be accelerated
  • An evaluation unit connected to the piezoelectric actuator can be configured to transmit the scanning signal, which is generated from the movement over a surface, by others
  • An angle detected by the inclination sensor can be taken into account when activating the actuator unit and / or when evaluating a voltage generated on the actuator unit.
  • Speed can be taken into account when actuating the actuator unit and / or when evaluating a voltage generated at the actuator unit.
  • Acceleration sensor can detect acceleration when the actuator unit is activated and / or during an evaluation a voltage generated at the actuator unit are taken into account.
  • the pen-shaped input and / or output device can be designed to recognize a control signal.
  • the control signal cannot be sent via an operating element such as a button or a touch-sensitive one
  • control signal can be based on
  • the pen-shaped input and / or output device has no
  • Control element via which a user gives a control signal by actuating the control element.
  • control signals could be given by tapping the pen-shaped input and / or output device one or more times on a surface, and / or by pressing the pen-shaped input and / or output device onto the surface for a certain period of time and / or by the pen-shaped input and / or
  • Output device is moved in a certain way, whereby a characteristic acceleration pattern is exerted.
  • Examples of movement of the device, which can represent a control signal, are shaking the device or circular movement of the device.
  • Control signal also by picking up the
  • control signals always result in a force being exerted on the piezoelectric actuator.
  • a probe element of the device can act on the surface of the piezoelectric actuator and deform it, so that, as a result, a voltage arises at the actuator. If the pen-shaped input and / or output device is moved in a certain way, an acceleration pattern characteristic of this movement is exerted on the device. As a result of the acceleration
  • Circuit connected to the actuator can be configured to recognize the control signals on the basis of the voltage generated at the piezoelectric actuator.
  • Output device can be configured to recognize a start signal, the actuator unit being activated only after the start signal has been recognized.
  • a pen-shaped input and / or output device can be constructed, which enables energy-saving operation. unintentional
  • Energy source of the device such as a battery, is not unnecessarily loaded.
  • the start signal is an example of the above
  • Control signals Other conceivable control signals can be
  • Switch-off signal that switches off the device or switches to a standby mode.
  • the pen-shaped input and / or output device can be configured to one
  • the piezoelectric actuator can be used as a pressure sensor. For this purpose, a voltage generated in the piezoelectric actuator by the pressure exerted on the pen-shaped input and / or output device can be read out.
  • the piezoelectric actuator is preferably arranged directly under a surface of the pen-shaped input and / or output device.
  • the piezoelectric actuator is preferably arranged at a position at which a finger is typically one
  • the piezoelectric actuator can also be configured to recognize that the device is held on the basis of a voltage generated in the piezoelectric actuator.
  • the pen-shaped input and / or output device can have two piezoelectric actuators, which are each arranged directly below the surface and are each arranged at a position at which a finger of a user holding the device is typically located.
  • the two piezoelectric actuators can be configured to be used as pressure sensors and to recognize that they are being picked up.
  • the pen-shaped input and / or output device can
  • the piezoelectric actuator is sufficient for use in the read-in mode, since it is a Sensor can be used and based on the
  • piezoelectric actuator generated voltage can be inferred from a profile of a surface to be read.
  • Output device can be constructed. Furthermore, the omission of sensors can contribute to miniaturization of the device.
  • the device can have a maximum of two further sensors in addition to the piezoelectric actuator.
  • the two further sensors can be, for example, two of the following sensors: inclination sensor, speed sensor,
  • the device can also have more than two
  • the present relates to
  • Output device that has an actuator unit with a
  • the pen-shaped input and / or output device can be the pen-shaped input and / or output device described above. All of the structural and functional features disclosed in connection with the device can also apply to the method. All structural and
  • the method thus offers the advantages that result from the
  • Actuator unit result. This includes short response times and short decay times, which enable the generation of a realistic haptic signal.
  • a high degree of adaptability in the geometric design of the piezoelectric actuator which enables use in various pen-shaped input and output devices.
  • a haptic signal can be generated over a high frequency bandwidth.
  • the control unit can apply a voltage to the piezoelectric actuator in such a way that the vibration of the piezoelectric actuator generates a signal that creates a haptic impression of a surface.
  • Different surfaces can be created with a
  • the pen-shaped input and / or output device can be moved along a surface, the surface acting on an element connected to the actuator unit and thereby generating a voltage from the piezoelectric actuator which is recognized by an evaluation unit and which Evaluation unit stores a value that is characteristic of the generated voltage and thereby stores a profile of the surface.
  • the piezoelectric actuator can be used as a sensor.
  • the element connected to the actuator unit can be a touch element.
  • control unit can
  • Evaluation unit is taken into account when creating the profile of the surface.
  • the angle can be an angle of inclination.
  • Speed is taken into account by the evaluation unit when creating the profile of the surface.
  • Acceleration is taken into account by the evaluation unit when creating the profile of the surface.
  • the angle, the speed and the acceleration can each be determined by appropriate sensors.
  • the pen-shaped input and / or output device can be in a virtual reality application or in an augmented reality
  • Output device can be captured, with a height of the control unit to the piezoelectric actuator
  • Tilt angle can be adjusted.
  • a speed at which the pen-shaped input and / or output device is moved can be detected, wherein a height of the voltage applied by the control unit to the piezoelectric actuator can be adjusted taking into account the speed.
  • Input and / or output device experiences can be detected, wherein a level and a frequency of the voltage applied by the control unit to the piezoelectric actuator can be adjusted taking into account the acceleration.
  • Output device to a surface can be recognized by the device. For example, by using a
  • Distance sensor based, for example, on ultrasound or an optical measurement.
  • a control signal can be recognized by the pen-shaped input and / or output device.
  • the control signal can be recognized in particular on the basis of sensor information by suitable algorithms.
  • the control signal can be recognized in that a voltage measured at the piezoelectric actuator has a predefined threshold value
  • Exceeding the threshold can be attributed to the device tapping on a surface.
  • Different control signals can be recognized by how often the voltage measured at the piezoelectric actuator exceeds the predefined threshold value within a time interval. This allows you to choose between a simple and a multiple knock can be distinguished. A simple and a multiple knock can be done with different
  • Control signals are associated.
  • Threshold values can be concluded, for example, by permanently pressing the device on a surface.
  • the pen-shaped input and / or output device can be designed to recognize a start signal, the actuator unit being activated after the start signal has been recognized.
  • the start signal can be given by holding the device in hand, by bringing the device closer to one
  • the pen-shaped input and / or output device can be configured to determine an acceleration on the basis of a voltage recorded by the piezoelectric actuator. Accordingly, the piezoelectric actuator can be used as an acceleration sensor. Alternatively or in addition, the pen-shaped input and / or
  • Output device have a separate acceleration sensor.
  • the device can be designed to recognize characteristic acceleration patterns that make it possible
  • the piezoelectric actuator can be used simultaneously as a sensor and to generate a vibration
  • Figure 1 shows a cross section through a pen-shaped input and / or output device according to a first
  • FIG. 2 shows the pen-shaped input and / or output device shown in FIG. 1 in a perspective view.
  • Figure 3 shows part of an input and / or output device according to a second embodiment.
  • Figure 4 shows a piezoelectric actuator with two mechanical reinforcement elements.
  • Figure 5 shows a pen-shaped input and / or
  • Figure 6 shows a pen-shaped input and / or
  • Output device 1 according to a further exemplary embodiment.
  • Figure 1 shows a cross section through a pen-shaped input and / or output device 1.
  • Figure 2 shows this
  • the pen-shaped input and / or output device 1 can be used in a virtual reality application or in an augmented reality Application can be used to transmit a haptic signal to a user. This can create a haptic impression for the user. For example, the user can be given the impression that a pen-shaped input and / or output device 1 would have a
  • Input and / or output device 1 has an actuator unit which is designed to generate vibrations which give the user the haptic impression of a movement of the actuator unit
  • the pen-shaped input and / or output device 1 can be used in two different operating modes.
  • the first mode of operation is also called "play mode"
  • the actuator unit is used to generate a vibration that gives a user a haptic
  • the second operating mode is also referred to as the "read-in mode"
  • Input and / or output device 1 guided along a surface.
  • the force exerted by the surface on the pen-shaped input and / or output device 1 is recognized by the pen-shaped input and / or output device 1 and a surface profile calculated therefrom is stored.
  • a "haptic signal" can be generated in the "playback mode", for example that in the "read mode”
  • the actuator unit has a piezoelectric actuator 11. In the one shown in Figure 1 and Figure 2
  • the piezoelectric actuator 11 is a piezoelectric multilayer component which generates a vibration using the d31 effect. As a result, the expansion of the piezoelectric actuator 11 changes across the direction of polarization and the electric field.
  • the piezoelectric actuator 11 can be operated as a longitudinal actuator. A vibration is generated using the d33 effect.
  • the electric field in a piezoelectric layer 22 is parallel to the direction of the
  • the piezoelectric actuator 11 shown in FIGS. 1 and 2 is a piezoelectric one
  • Multilayer component has a multiplicity of internal electrodes 21 and piezoelectric layers 22 which are alternately stacked one above the other.
  • the piezoelectric actuator 11 could have a single layer
  • Act actuator which has a single piezoelectric layer and two outer electrodes.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 has a base body 2.
  • the base body 2 is tubular.
  • the piezoelectric actuator 11 and further elements of the pen-shaped input and / or output device 1 are arranged in the base body 2.
  • the base body 2 can be one
  • the shape of the base body 2 defines the pen-shaped configuration of the input and / or output device 1.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 has a first end 3, which is the writing end of a pen
  • the second end 4 lies opposite the first end 3 and forms the end which is usually held by a user of the pen-shaped input and / or output device 1.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 also has a touch element 5.
  • the sensing element 5 is connected to the piezoelectric actuator 11.
  • there is a first end 6 of the piezoelectric actuator 11 which is connected to the first end 3 of the pin-shaped input and / or
  • Output device 1 has, attached to the sensing element 5, for example by an adhesive connection.
  • the probe element 5 could be connected to the piezoelectric actuator via a spring-loaded connection.
  • the sensing element 5 has a tapered shape on the side pointing away from the piezoelectric actuator 11.
  • the tapered shape simulates the writing end of a pen in the pen-shaped input and / or output device 1.
  • the tactile element 5 forms a tactile tip 8.
  • the haptic signal gives a user the impression that the tactile element 5, in particular the tactile tip 8, would be moved over a surface.
  • the probe tip 8 can be pointed or rounded.
  • the piezoelectric actuator 11 will vibrate
  • the vibrations are transmitted to the sensing element 5.
  • the touch element 5 is excited to vibrations, which produce the haptic impression of a movement of the touch element 5 over a surface.
  • the probe element 5 is arranged in the base body 2, the probe tip 8 passing through the tapered end is formed, protrudes from the base body 2.
  • Probe 5 is movable relative to the base body 2.
  • the probe tip 8 can move relative to the base body 2 in particular when the probe element 5 vibrates.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 also has a holding element 9. On the holding element 9 there is a second end 7 of the piezoelectric actuator 11, which is the first end 6 of the piezoelectric actuator 11
  • piezoelectric actuator 11 is such on the
  • the piezoelectric actuator 11 is not transferred to the holding element 9.
  • the holding element 9 can for example be an injection molded part.
  • the holding element 9 can be a printed circuit board on which a control unit 10 and / or an evaluation unit 12 are formed.
  • the holding element 9 is inside the base body 2
  • the holding element 9 is fixed to the
  • piezoelectric actuator 11 are not on the
  • Base bodies 2 can form an inert mass that is too heavy to move from the piezoelectric actuator 11
  • Vibrations to be excited Vibrations to be excited. Alternatively, damping can prevent the vibration of the
  • the base body 2 is thus of the
  • piezoelectric actuator 11 mechanically decoupled.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 has the above-mentioned control unit 10.
  • the Control unit 10 is electronics that can be connected to piezoelectric actuator 11.
  • the control unit 10 is indicated schematically in FIG. 1.
  • the control unit 10 is shown in the here
  • Embodiment may be formed on the holding element 9.
  • the piezoelectric actuator 11 is connected to the control unit 10.
  • the control unit 10 is designed to apply a voltage, in particular an AC voltage, to the piezoelectric actuator 11. As a result, the piezoelectric actuator 11 can be excited to vibrate.
  • a voltage in particular an AC voltage
  • Control unit 10 AC voltage applied to the piezoelectric actuator 11 can have a frequency from a wide frequency spectrum.
  • the control unit 10 can be configured, for example, to
  • the haptic impressions of different textures on different surfaces can be created.
  • the piezoelectric actuator 11 can additionally in the
  • read-in mode can be used as a sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 can have the evaluation unit 12.
  • the evaluation unit 12 is indicated schematically in FIG. 1.
  • the Electronics that form the control unit 10 also form the evaluation unit 12.
  • the surface acts on the probe element 8 and exerts a force on the piezoelectric actuator 11 via the probe element 8.
  • the force exerted on the piezoelectric actuator 11 results in the piezoelectric effect in the piezoelectric
  • Actuator 11 generates a voltage.
  • the evaluation unit 12 is connected to the piezoelectric actuator 11 and detects the voltage generated. That from the evaluation unit 12
  • Detected signal is processed by the evaluation unit 12 and the evaluation unit 12 stores a value that is characteristic of the voltage detected on the piezoelectric actuator 11. In this way, the
  • Evaluation unit 12 create a profile of the surface.
  • the created profile of the surface is stored by the evaluation unit 12.
  • the profile stored by the evaluation unit 12 can be used by the control unit 10 to apply a corresponding voltage to the
  • Figure 3 shows part of a pen-shaped input and / or output device 1 according to a second
  • Output device 1 also has an actuator unit with a piezoelectric actuator 11.
  • the piezoelectric piezoelectric piezoelectric piezoelectric actuator 11 is a piezoelectric actuator 11.
  • the actuator is plate-shaped here.
  • the actuator unit also has a mechanical reinforcing element 13a.
  • the mechanical reinforcing element 13a is on the
  • Piezoelectric actuator 11 attached and configured to amplify a change in length of the piezoelectric actuator 11.
  • the mechanical reinforcing element 13a cannot be seen in FIG. 3 and is explained in connection with FIG.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 likewise has a pushbutton element 5 and a holding element 9.
  • the sensing element 5 essentially corresponds to the sensing element 5 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the sensing element 5 is designed to move away from the piezoelectric actuator 11 in
  • the feeler element 5 is freely movable to the holding element 9 and to a base body 2, not shown in FIG. 3.
  • the holding element 9 is fixed to the piezoelectric
  • Actuator 11 is mechanically decoupled from the base body 2, so that vibration of the piezoelectric actuator 11 is not transmitted to the base body 2.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 according to the second exemplary embodiment also has a control unit 10.
  • the piezoelectric actuator 11 can also be used in the second exemplary embodiment as a sensor for reading in a surface profile. It can
  • FIGS 4, 5 and 6 show a piezoelectric
  • the piezoelectric actuator 11 can be in one
  • the actuator could also be used without the mechanical reinforcement elements 13a, 13b or with only one mechanical reinforcement element 13a, which is arranged between the piezoelectric actuator and the feeler element.
  • the piezoelectric actuator 11 is a sintered one
  • the piezoelectric actuator 11 has in particular a plurality of piezoelectric or active layers 22 which are arranged one above the other to form a stack. Between the piezoelectric
  • the inner electrodes 21 are arranged in layers 22. Inner electrodes 21 are of different polarity
  • the piezoelectric layers 22 have a stacking direction S.
  • the stacking direction S extends along end or side surfaces 24 of the actuator 11.
  • the piezoelectric layers 22 are along a vertical one
  • the respective end face 24 can also be used
  • External electrodes 23 are provided for electrical contacting.
  • the actuator 11 is configured such that when an electrical voltage is applied, the actuator 1 is deformed
  • the piezoelectric layers 22 are polarized in such a way that the application of an electrical voltage between the inner electrodes 21 leads to a transverse contraction of the actuator 11, in which the length of the actuator 11 changes perpendicular to the stacking direction S. Consequently, there is a change in the extent of the actuator 1 transversely to
  • the device has the two mechanical reinforcing elements 13a, 13b. If voltage is applied to the actuator 11, the mechanical ones deform
  • Reinforcing elements 13a, 13b at least in part as a result of the change in the extent of the actuator 11, as will be described in detail later.
  • the actuator 11 is between the mechanical ones
  • the mechanical reinforcement elements 13a, 13b are at least partially on an upper side 25 and a lower side 26 of the actuator 11.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b preferably has a width which corresponds to the width of the Actuator 11 corresponds. The same applies preferably to the length of the mechanical reinforcement elements 13a, 13b.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b is formed in one piece.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b is formed in one piece.
  • Reinforcing element 13a, 13b has a rectangular shape.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b is designed in the form of a strip.
  • Reinforcing element 13a, 13b is curved or bent.
  • the respective mechanical reinforcement element has a sheet metal strip.
  • Sheet metal strip is bent, as detailed below
  • Each of the one-piece mechanical reinforcement elements 13a, 13b is subdivided into several areas or sections.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b has a central region 17a, 17b.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b also has two connection areas 20a, 20b.
  • the two connection areas 20a, 20b of the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b of the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b also has two connection areas 20a, 20b.
  • Mechanical reinforcement elements 13a, 13b directly adjoin the central region 17a, 17b of the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b.
  • the middle area 17a, 17b of the respective mechanical reinforcement elements 13a, 13b of the respective mechanical reinforcement elements 13a, 13b directly adjoin the central region 17a, 17b of the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b.
  • reinforcing element 13a, 13b is surrounded on both sides by the two connecting regions 20a, 20b.
  • the respective mechanical reinforcement element 13a, 13b also has two end regions 18a, 18b.
  • connection areas 20a, 20b of the respective reinforcing element 13a, 13b directly adjoin the connection areas 20a, 20b of the respective reinforcing element 13a, 13b.
  • a connecting area 20a, 20b connects an end area 18a, 18b to the central area 17a, 17b of a reinforcing element 13a, 13b.
  • the two end regions 18a, 18b of the respective mechanical reinforcement element lie directly on a surface of the actuator 11.
  • the first and second end regions 18a of the first mechanical reinforcement element 13a thus rest on a partial region of the upper side 25 of the actuator 11.
  • the first and second end regions 18b of the second mechanical reinforcement element 13b rest on a partial region of the underside 26 of the actuator 11.
  • the end regions 18a, 18b are preferably permanently connected to the surface of the actuator 11.
  • the end regions 18a, 18b are connected to the surface of the actuator 11 by an adhesive connection.
  • Connection areas 20a, 20b and the bottom 26 and the top 25 of the actuator 11 is located
  • the height of the free area 16 varies along the free area 16.
  • the middle area 17a, 17b is designed such that it runs parallel to the surface of the actuator 11. The height of the free area 16 is thus
  • connection area 20a, 20b runs obliquely to the surface of the actuator 11. In other words, the respective connection area 20a, 20b closes an angle with the upper side 25 or the lower side 26 of the
  • Actuator 11 a The angle is preferably less than or equal to 45 °. This reduces the height of the open area 16 in the direction of the central region 17a, 17b
  • the respective mechanical reinforcing element 13a, 13b also has at least one thinning 14, preferably a plurality of thinning 14, which can ensure the necessary flexibility of the mechanical reinforcing element 13a, 13b.
  • the second direction R2 is perpendicular to the first direction RI.
  • the second direction R2 runs along the stacking direction S.
  • the central region 17a, 17b and the connecting region 20a, 20b thus form a partial region of the mechanical reinforcing element 13a, 13b, which is moved in the second direction R2 relative to the actuator 11 when the extension of the Actuator 11 is changed in the first direction RI.
  • the central regions 17a, 17b move in the second direction R2.
  • the respective mechanical reinforcing element 13a, 13b bends instead of the
  • connection areas 20a, 20b and end areas 18a, 18b On the other hand, movement of the end regions 18a, 18b in the second direction R2 is prevented by the adhesive connection with the actuator 11. Rather, the end regions 18a, 18b move with the actuator 11 in the first direction RI. There is thus a relative movement between the end regions 18a, 18b and the partial regions 17a, 17b.
  • Figure 5 shows a pen-shaped input and / or output device 1 according to another
  • the pen-shaped input and / or output device 1 has
  • Measurement data determined by the sensors can also make it possible to use the
  • the inclination sensor 27 is configured to one
  • the angle of inclination can in particular be an angle between a longitudinal axis of the pen-shaped input and / or output device 1 and a real surface or a virtual surface.
  • the angle of inclination determined by the inclination sensor 27 can be controlled by the control unit 10 when the
  • piezoelectric actuator 11 are taken into account.
  • a haptic impression that arises when a pen is guided over a surface differs depending on whether the pen is perpendicular to the surface or is arranged at a shallow angle to the surface.
  • the haptic signal can change depending on the angle of inclination.
  • “playback mode” in which the actuator unit is used to generate a vibration that gives a user a haptic impression that the
  • the tilt angle data recorded by the tilt sensor can also be in the operating mode
  • “Reading mode” in which the piezoelectric actuator 11 is used as a sensor can be taken into account. If the piezoelectric actuator 11 is used as a sensor to read in the profile of a surface, the one between the pen-shaped input and / or
  • Output device 1 is arranged to the read surface.
  • the inclination sensor 27 makes it possible, for example, to read in a surface and thereby the pen-shaped one
  • the pen-shaped input and / or output device 1 is taken into account and the profile is saved in such a way that it does not depend on the angle of inclination when reading in. If the stored profile is later used in the “playback mode” operating mode, the pen-shaped input and / or output device 1 at a second angle, which differs from the first angle, on one surface
  • the inclination sensor 27 detects this change and the change in the angle of inclination can
  • Another of the sensors above is a
  • Speed sensor 28 determine a speed at which the pen-shaped input and / or output device 1 is moved over a surface. The speed information provided by the
  • Speed sensor 28 is determined can in both operating modes of the pen-shaped input and / or
  • Output device 1 can be used.
  • the haptic signal generated can be adjusted taking into account the speed at which the pen-shaped input and / or output device 1 is moved. Accordingly, a change in a haptic signal which results when a pen moves slowly or quickly a
  • the speed at which the pen-shaped input and / or output device 1 is moved over the surface to be read in is also taken into account, so that the surface profile is independent of the speed the pen-shaped input and / or
  • Output device 1 has been moved over the surface, can be read. If this profile is later used as a template
  • the haptic impression is not dependent on which one
  • the speed sensor 28 and the inclination sensor 27 can be formed by one and the same sensor. In the exemplary embodiment shown here, there are two separate sensors.
  • Another of the sensors above is a
  • Acceleration sensor 29 which measures an acceleration of the pen-shaped input and / or output device 1.
  • the acceleration information can both when using the Device for generating a haptic impression as well as when using the device for reading a surface profile are taken into account.
  • the haptic signal generated can be dependent on one
  • Output device 1 experiences, changed.
  • the acceleration when reading in a profile can be taken into account in such a way that the profile is stored in a way that it is independent of a
  • Acceleration is that the pen-shaped input and / or output device 1 experienced during the reading.
  • control command for example for a
  • the acceleration sensor 29 can thus be used to detect
  • Acceleration sensor 29 is a separate sensor. Alternatively or in addition to a separate acceleration sensor 29, the piezoelectric actuator 11 of the actuator unit can also be used as an acceleration sensor.
  • Piezoelectric actuator 11 is exercised and there is a Voltage at the piezoelectric actuator 11. Accordingly, the acceleration can be determined from the voltage generated by the piezoelectric actuator 11.
  • piezoelectric actuator 11 can thus as
  • Piezoelectric actuator 11 connected evaluation unit 12 can generate voltages caused by guiding the pin
  • the voltage generated at the piezoelectric actuator 11 can also be continuously monitored in the “playback mode” in order to determine the acceleration that the pen-shaped input and / or output device 1 experiences.
  • the inclination sensor 27, the speed sensor 28 and the acceleration sensor 29 can each be a MEMS component.
  • Output device 1 is, however, also without the ones mentioned here
  • Sensors 27, 28, 29 fully functional. Sufficient information can be collected on the basis of a voltage generated at the piezoelectric actuator 11 in order to create a profile of a surface to be read.
  • the control unit 10 and / or the evaluation unit 12 of the pen-shaped input and / or output device 1 are for this purpose configured to recognize a control signal, for example a start signal or other control signals.
  • Activation of the actuator unit can only be released after the start signal has been recognized.
  • the start signal can be recognized in different ways.
  • the control unit 10 can recognize when a user picks up the pen-shaped input and / or output device 1. Taking it in hand is called
  • the actuator unit can be activated by applying a voltage to the piezoelectric actuator 11.
  • picking up the pen-shaped input and / or output device 1 is associated with a characteristic movement and thus a characteristic acceleration pattern.
  • This acceleration pattern can be based on a measurement of the
  • Acceleration sensor and / or the voltage generated at the piezoelectric actuator 11 can be detected.
  • a voltage generated at the piezoelectric actuator 11 can also be monitored in a standby mode of the pen-shaped input and / or output device 1.
  • pick-up can also be recognized by reading out a voltage generated at the piezoelectric actuator 11 and using it as a pressure sensor.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 can have a distance sensor 30.
  • a start signal can be detected by the distance sensor 30, which determines a distance between the pen-shaped input and / or output device 1 and a real or virtual surface. Only when the distance falls below a predetermined minimum distance is this approach to the surface interpreted as a start signal and the application of a voltage to the actuator unit is released.
  • the distance sensor 30 can be a MEMS component.
  • the distance sensor 30 can be a distance
  • a distance to a virtual surface can be determined by appropriate software.
  • Touching the surface can be recognized in that a voltage is generated at the piezoelectric actuator 11.
  • the contact with the surface can be recognized in that the distance sensor 30 indicates a distance of zero.
  • a start signal can be given by tapping on a surface with the pen-shaped input and / or output device 1.
  • the piezoelectric actuator 11 experiences an impact, which leads to the generation of a short voltage pulse with a high voltage. If the voltage exceeds a predetermined Threshold value, the field is recognized as a control signal and the device is put into an active mode.
  • Control signals can also by tapping the
  • control unit 10 can choose between a single knock or a double knock
  • a threshold value for the voltage generated at the piezoelectric actuator 11 is exceeded within a predefined time period. For example, a single exceeding of the threshold value can be equated with a single knock.
  • the double knock is called
  • Control signal for the selection of a second operating mode e.g. read mode or
  • control signals could be, for example, by a long press on the pen-shaped input and / or
  • Output device 1 can be issued against the surface.
  • the time period over which the voltage generated at the piezoelectric actuator 11 lies above the threshold value can be detected.
  • such a long press can put the device from its active mode to the standby mode.
  • the input and / or output device 1 can be operated in the reading mode in which the device is guided along one or more surfaces and thereby saves a profile of the surfaces.
  • the piezoelectric actuator 11 is used as a sensor for detecting a voltage.
  • Vibration can also be generated via the piezoelectric actuator 11 in the read-in mode.
  • the piezoelectric actuator 11 can also generate a vibration in the reading mode when it is recognized that a user presses the device too firmly onto the surface to be read in and there is a risk of damage to the device.
  • the actuator 11 can be put into a brief strong vibration to warn the user and possibly to notify the user that the device is switched to the standby mode in order to
  • the device can also be used in the playback mode in which the actuator unit generates a vibration and in this way gives the user a haptic impression
  • piezoelectric actuator 11 used as a sensor.
  • the actuator 11 can be used as a sensor for detecting excessive pressure on the device.
  • Acceleration pattern that is used as a control signal can be recognized by the actuator 11 in the playback mode. Accordingly, the piezoelectric actuator 11 can be used simultaneously as a sensor and as an actuator for generating a vibration.
  • Acceleration sensor 29 each arranged on the holding element 9.
  • Each of the sensors 27, 28, 29 and 30 can also be arranged at any other location of the pen-shaped input and / or output element.
  • Figure 6 shows a pen-shaped input and / or
  • Output device 1 according to a further exemplary embodiment.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 has two piezoelectric actuators 11 which are in the device
  • FIG. 5 merely serves to simplify the position of the piezoelectric actuators 11, which are actually arranged within the device 1.
  • the two piezoelectric actuators 11 are each arranged at a position at which there is typically a finger 100, 101 of a user who grips and / or holds the pen-shaped input and / or output device 1.
  • the two piezoelectric actuators 11 are called
  • the two actuators 11 are arranged in a longitudinal direction L of the base body 2.
  • the longitudinal direction L extends from the first end 3 to the second end 4 of the
  • a single piezoelectric actuator 11 could be provided, which is arranged perpendicular to the longitudinal direction L.
  • the use of two longitudinally aligned actuators enables a finger 100, 101 to be reliably recognized.
  • the pen-shaped input and / or output device 1 is used in connection with a screen with touch functionality, it is possible to determine the position of the first end 3 of the device 1 via the touch functionality of the screen and to wirelessly communicate this information to the device.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1), aufweisend eine Aktoreinheit, die einen piezoelektrischen Aktuator (11) aufweist. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals.

Description

Beschreibung
Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät und Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals
Die vorliegende Erfindung betrifft ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals.
In dem Bereich der Virtual Reality-Anwendungen und der
Augmented Reality-Anwendungen kommen zunehmend Stifte zum Einsatz, mit denen eine Oberfläche abgetastet werden kann. Einem Nutzer soll dabei der Eindruck vermittelt werden, der Stift würde über eine zuvor abgespeicherte Fläche bewegt werden. Um das Profil der Oberfläche realitätsnah
wiederzugeben, ist ein Aktuator mit einer schnellen
Reaktionszeit vorteilhaft.
Ein derartiger Stift ist beispielsweise aus US 8 988 445 B2 bekannt. Der Stift weist einen Linearaktuator mit
Schwingspulen auf. Ein derartiger Aktuator hat eine lange Ansprechzeit und eine lange Abklingzeit. Dadurch kann ein Oberflächenprofil nicht in allen Details haptisch erfahrbar gemacht werden. Darüber hinaus ist bei dem in US 8 988 445 B2 beschriebenen Stift eine Vielzahl von Sensoren erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zur
Erzeugung eines haptischen Signals mit einem solchen Eingabe- und/oder Ausgabegerät anzugeben. Die Aufgabe wird durch das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst.
Es wird ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät vorgeschlagen, das eine Aktoreinheit aufweist, die einen piezoelektrischen Aktuator aufweist. Das stiftförmige
Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann in einer Ausführungsform weitere piezoelektrische Aktuatoren aufweisen.
Ein piezoelektrischer Aktuator kann in unterschiedlichen Geometrien gefertigt werden. Dementsprechend kann die
geometrische Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators an die Geometrie des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts angepasst werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines piezoelektrischen Aktuators besteht in einem schnellen Ansprech- und Abklingverhalten des
piezoelektrischen Aktuators. Nur durch ein schnelles
Ansprechen und Abklingen der von dem piezoelektrischen
Aktuator erzeugten Vibrationen kann ein realitätsnahes haptisches Signal erzeugt werden.
Der piezoelektrische Aktuator kann mit Frequenzen aus einem breiten Frequenzspektrum zu Vibrationen angeregt werden.
Beispielsweise kann eine an den piezoelektrischen Aktuator angelegte Eingangsspannung eine Frequenz zwischen 5 Hz und 10 KHz aufweisen. Dadurch, dass derartig verschiedene Frequenzen verwendet werden können, kann der piezoelektrische Aktuator zu Vibrationen in einem breiten Frequenzbereich angeregt werden. Dadurch können unterschiedliche haptische Eindrücke erzeugt werden, die die unterschiedlichen Texturen einer Oberfläche nachbilden. Ein an den piezoelektrischen Aktuator angelegtes Signal kann eine beliebige Signalform aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator ist beispielsweise nicht auf sinusförmige
Eingangssignale beschränkt.
Als piezoelektrischer Aktuator kann entweder ein einlagiger Aktuator verwendet werden oder ein piezoelektrisches
Vielschichtbauelement, bei dem Innenelektroden und dazwischen angeordnete piezoelektrische Schichten abwechselnd
übereinandergestapelt sind.
Der piezoelektrische Aktuator kann es ermöglichen
unterschiedliche haptische Signale zu erzeugen. Sowohl eine Amplitude als auch eine Frequenz einer Vibration des
piezoelektrischen Aktuators können verändert werden. Dadurch können beispielsweise unterschiedliche Texturen von
Oberflächen realitätsnah haptisch erfahrbar gemacht werden.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann sowohl als Eingabegerät als auch als Ausgabegerät in einer
Anwendung, beispielsweise einer Virtual Reality-Anwendung oder einer Augmented Reality-Anwendung, eingesetzt werden.
Bei der Verwendung als Eingabegerät kann eine Eingabe dadurch vorgenommen werden, dass ein Nutzer das stiftförmige Gerät an eine bestimmte Position bewegt. Auf diese Weise kann der Nutzer der Anwendung beispielsweise einen Steuerbefehl übermitteln. Bei der Verwendung als Ausgabegerät wird eine Ausgabe von dem stiftförmigen Gerät dadurch vorgenommen, dass durch eine Vibration der Aktoreinheit ein haptisches Signal an einen Nutzer übermittelt wird. Das stiftförmige Gerät kann nur als Eingabegerät oder nur als Ausgabegerät oder als kombiniertes Eingabe- und Ausgabegerät betrieben werden. Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann eine Ansteuereinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator anzulegen. Durch die an den piezoelektrischen Aktuator angelegte Spannung kann der piezoelektrische Aktuator zu Vibrationen angeregt werden. Die Vibrationen können für einen Nutzer, der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät greift oder festhält, ein haptisches Signal darstellen. Abhängig von der Frequenz und der Amplitude der Vibration des piezoelektrischen Aktuators kann ein unterschiedlicher haptischer Eindruck bei dem Nutzer erzeugt werden.
In der Ansteuereinheit kann ein Profil hinterlegt sein, wobei die Ansteuereinheit dazu ausgestaltet sein kann, den
piezoelektrischen Aktuator derart anzusteuern, dass das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ein Signal erzeugt, das einen haptischen Eindruck des hinterlegten
Profils erzeugt. Bei dem Profil kann es sich insbesondere um das Profil einer Oberfläche handeln. Das Profil der
Oberfläche kann eine Textur der Oberfläche wiedergeben.
Beispielsweise kann das haptische Signal abhängig von einer Rauigkeit einer Oberfläche, die durch das haptische Signal wiedergegeben werden soll, verändert werden.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann dazu ausgestaltet sein, den piezoelektrischen Aktuator als Sensor zu verwenden, wobei an dem piezoelektrischen Aktuator infolge einer Betätigung des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts eine Spannung erzeugt werden kann, wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät eine
Auswerteeinheit aufweisen kann, die dazu ausgestaltet ist, die am piezoelektrischen Aktuator erzeugte Spannung zu erkennen und einen für die erzeugte Spannung charakteristischen Wert abzuspeichern. Das Eingabe- und
Ausgabegerät kann in einem Einlesemodus betrieben werden, in dem das Gerät entlang einer oder mehrerer Oberflächen geführt wird und dabei ein Profil der Oberflächen abspeichert.
Das stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann dazu ausgestaltet sein, den piezoelektrischen Aktuator zeitgleich als Sensor und zur Erzeugung einer Vibration zu verwenden. Beispielsweise kann es im Einlesemodus, in dem der
piezoelektrische Aktuator als Sensor zum Einlesen eines
Profils einer Oberfläche verwendet wird, möglich sein, mit Hilfe des Aktuators eine Vibration zu erzeugen. Wird
beispielsweise während des Einlesevorgangs erkannt, dass eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator ausgeübt wird, die über einem definierten Schwellwert liegt, kann der Aktuator in Folge dessen von einer Ansteuerelektronik zu einer
Vibration angeregt werden. Die Vibration kann dem Nutzer beispielsweise einen Wechsel des Betriebsmodus signalisieren. Alternativ kann die Vibration dem Nutzer signalisieren, dass das Gerät in den Standby-Modus schaltet, um eine Beschädigung zu verhindern.
Auch in einem Wiedergabemodus, in dem der piezoelektrische Aktuator verwendet wird, um ein haptisches Signal zu
erzeugen, kann der piezoelektrische Aktuator zeitgleich als Sensor betrieben werden. Dabei kann eine an dem
piezoelektrischen Aktuator anliegende Spannung überwacht werden. Auf diese Weise können Steuersignale, die
beispielsweise durch ein Klopfen mit dem Gerät gegen eine Oberfläche gegeben werden, erkannt werden. Alternativ oder ergänzend kann auf diese Weise erkannt werden, falls das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät mit einer zu starken Kraft gegen eine Oberfläche gedrückt wird. In diesem Fall kann das Gerät automatisch abgeschaltet oder in den Standby-Modus versetzt werden, um eine Beschädigung zu vermeiden .
Die Ansteuereinheit kann dazu ausgestaltet sein, den
piezoelektrischen Aktuator auf Basis der von der
Auswerteeinheit abgespeicherten Werte anzusteuern.
Dementsprechend kann die Ansteuereinheit entweder auf Basis von einem vorab hinterlegten Profil oder auf Basis eines durch das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät im Einlesemodus eingelesenen Profils den piezoelektrischen
Aktuator ansteuern.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann ferner ein Tastelement aufweisen, das mit der Aktoreinheit verbunden ist. Das Tastelement kann bei der stiftförmigen Form des Geräts an dem schreibenden Ende des Stifts angeordnet sein und dementsprechend dazu ausgebildet sein, über eine
tatsächliche oder virtuelle Oberfläche geführt zu werden. Das Tastelement kann spitz zulaufend sein. Insbesondere kann das Tastelement eine Tastspitze aufweisen. Das Tastelement kann beweglich zu einem Grundkörper des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerätes angeordnet sein. Dementsprechend kann das Tastelement bei Berühren einer Oberfläche bewegt werden. Das Tastelement kann dazu ausgestaltet sein, von dem
piezoelektrischen Aktuator in Vibration versetzt zu werden, wobei durch die Vibration des Tastelements das haptische Signal erzeugt werden kann.
Die Aktoreinheit kann ein mechanisches Verstärkungselement aufweisen, das an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist. Das mechanische Verstärkungselement kann dazu
ausgebildet und angeordnet sein, sich infolge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in eine erste Richtung derart zu verformen, dass ein Teilbereich des mechanische Verstärkungselements relativ zu dem
piezoelektrischen Aktuator in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, bewegt wird.
Das mechanische Verstärkungselement kann dazu ausgebildet sein, eine Bewegung des Aktuators in eine Bewegung in die zweite Richtung mit einer größeren Amplitude zu überführen. Durch die Vergrößerung der Amplitude kann das haptische
Signal verstärkt werden.
Der piezoelektrische Aktuator kann dazu ausgestaltet und angeordnet sein, durch eine Längenänderung unter Nutzung des d31-Effekts oder des d33-Effekts eine Vibration zu erzeugen.
Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät einen Neigungssensor aufweisen.
Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät einen Abstandssensor aufweisen.
Alternativ und/oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät einen Geschwindigkeitssensor aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät einen Beschleunigungssensor aufweisen. Alternativ und/oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät weitere Sensoren aufweisen. Jeder der hier genannten Sensoren kann als MEMS-Bauteil ausgeführt sein. Jeder der hier genannten Sensoren kann ein separater Sensor sein. Alternativ können zwei oder mehrere der hier genannten Sensoren durch ein einziges Bauelement, das dazu ausgestaltet ist, mehrere Messgrößen zu bestimmen,
ausgebildet sein. Die hier genannten Sensoren können es ermöglichen,
Messgrößen, beispielsweise einen Neigungswinkel, eine
Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder einen Abstand zu bestimmen, wobei diese Messgrößen sowohl bei der Erzeugung eines haptischen Signals durch die Aktoreinheit als auch bei dem Einlesen eines Oberflächenprofils berücksichtigt werden können. Dadurch kann eine Genauigkeit des eingelesenen
Oberflächenprofils erhöht werden und/oder eine
realitätsgetreuere Wiedergabe des haptischen Signals
ermöglicht werden. Das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät ist jedoch auch ohne die hier genannten Sensoren oder mit nur einigen der hier genannten Sensoren voll
funktionsfähig. Die Sensoren dienen somit lediglich einer Erhöhung der Genauigkeit, sind jedoch für die prinzipielle Funktionsweise des Geräts nicht zwingend erforderlich.
Der piezoelektrische Aktuator kann als Sensor verwendet werden und beispielsweise eine Beschleunigung messen. Dabei kann von einer an dem piezoelektrischen Aktuator erzeugten Spannung auf die Beschleunigung rückgeschlossen werden.
Dementsprechend kann der piezoelektrische Aktuator als
Beschleunigungssensor verwendet werden und es kann in einem Ausführungsbeispiel auf einen separaten Beschleunigungssensor verzichtet werden. Eine mit dem piezoelektrischen Aktuator verbundene Auswerteeinheit kann dabei dazu ausgestaltet sein, zu unterscheiden zwischen einer Spannung, die dadurch erzeugt wird, dass das Gerät über eine einzulesende Oberfläche bewegt wird und die Oberfläche dabei auf den piezoelektrischen
Aktuator eine Kraft ausübt, und einer Spannung, die dadurch erzeugt wird, dass das Gerät eine Beschleunigung erfährt und dabei eine Kraft auf den Aktuator wirkt. Beide Arten von Spannungen können charakteristische Muster aufweisen, die von der Auswerteeinheit erkannt werden können. Eine Beschleunigung, die von dem als Beschleunigungssensor verwendeten piezoelektrischen Aktuator, erkannt wird, kann beispielsweise durch ein Klopfen des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts auf eine Oberfläche verursacht werden. Auch andere von einem Nutzer ausgeführte Bewegungen des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts, die einen Steuerbefehl darstellen, können mit Beschleunigungen
verbunden sein, die von dem als Beschleunigungssensor
verwendeten piezoelektrischen Aktuator erkannt werden.
Eine Beschleunigung kann nicht nur dadurch auf das
stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ausgeübt werden, dass eine Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät über eine Oberfläche bewegt wird, verändert wird, sondern auch durch jegliche Bewegungen des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts, durch die eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator ausgeübt wird. Eine mit dem piezoelektrischen Aktuator verbundene Auswerteeinheit kann dazu ausgestaltet sein, das Abtastsignal , das aus der Bewegung über eine Oberfläche erzeugt wird, von anderen
Bewegungen, die eine Beschleunigung auf das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ausüben, zu unterscheiden.
Ein von dem Neigungssensor erfasster Winkel kann bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt werden. Eine von dem Geschwindigkeitssensor erfasste
Geschwindigkeit kann bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt werden. Eine von dem
Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigung kann bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt werden .
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann dazu ausgestaltet sein, ein Steuersignal zu erkennen. Das
Steuersignal kann dabei nicht über ein Bedienelement, wie etwa einen Knopf oder einen berührungsempfindlichen
Bildschirm, gegeben werden, sondern durch eine bestimmte Bewegung des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts. Insbesondere kann das Steuersignal aufgrund von
Sensorinformationen durch geeignete Algorithmen erkannt werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist das stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät kein
Bedienelement auf, über das ein Nutzer durch Betätigung des Bedienelements ein Steuersignal gibt.
Beispielsweise könnten Steuersignale gegeben werden, indem mit dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät einfach oder mehrfach auf eine Oberfläche geklopft wird, und/oder indem das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät über einen bestimmten Zeitraum auf die Oberfläche gedrückt wird und/oder indem das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät in einer bestimmten Weise bewegt wird, wodurch ein charakteristisches Beschleunigungsmuster ausgeübt wird. Beispiele für eine Bewegung des Geräts, die ein Steuersignal darstellen kann, sind ein Schütteln des Geräts oder ein kreisförmiges Bewegen des Geräts. Weiter könnte ein
Steuersignal auch durch ein In-die-Handnehmen des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts gegeben werden.
Die oben genannten Beispiele für Steuersignale führen stets dazu, dass eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator ausgeübt wird. Beim Klopfen oder Drücken des Geräts auf eine Oberfläche kann ein Tastelement des Geräts auf den piezoelektrischen Aktuator wirken und diesen verformen, so dass in Folge dazu eine Spannung an dem Aktuator entsteht. Wird das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabengerät in einer bestimmten Weise bewegt, wird ein für diese Bewegung charakteristisches Beschleunigungsmuster auf das Gerät ausgeübt. In Folge der Beschleunigung wird der
piezoelektrische Aktuator ebenfalls verformt und eine
Spannung an ihm erzeugt. Eine mit dem piezoelektrischen
Aktuator verbundene Schaltung kann dazu ausgestaltet sein, die Steuersignale auf Basis der an dem piezoelektrischen Aktuator erzeugten Spannung erkennen.
Beispielsweise kann das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät dazu ausgestaltet sein, ein Startsignal zu erkennen, wobei die Aktoreinheit nur nach Erkennung des Startsignals aktiviert wird. Dadurch kann ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät konstruiert werden, das einen energiesparenden Betrieb ermöglicht. Unbeabsichtigte
Aktivierungen könnten vermieden werden, so dass eine
Energiequelle des Geräts, beispielsweise eine Batterie, nicht unnötig belastet wird.
Das Startsignal ist ein Beispiel für die oben genannten
Steuersignale. Weitere denkbare Steuersignale können
Steuersignale zum Wechseln des Betriebsmodus oder eine
Ausschaltsignal sein, das das Gerät ausschaltet oder in einem Standby-Modus wechselt.
Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät dazu ausgestaltet sein, einen
mechanischen Druck zu erkennen, der von einem Nutzer auf das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ausgeübt wird, wenn der Nutzer das Gerät in der Hand hält. Dabei kann ein Erkennen eines In-die-Hand-Nehmens des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts beispielsweise als Startsignal
interpretiert werden. Der piezoelektrische Aktuator kann als Drucksensor verwendet werden. Eine in dem piezoelektrischen Aktuator durch den auf das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ausgeübten Druck erzeugte Spannung kann dazu ausgelesen werden. Vorzugsweise ist der piezoelektrische Aktuator unmittelbar unter einer Oberfläche des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts angeordnet. Dabei ist der piezoelektrische Aktuator vorzugsweise an einer Position angeordnet, an der sich typischerweise ein Finger eines
Nutzers befindet, der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät hält. Der piezoelektrische Aktuator kann darüber hinaus dazu ausgestaltet sein, ein Festhalten des Geräts anhand einer in dem piezoelektrischen Aktuator erzeugten Spannung zu erkennen.
In einer Ausführungsform kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegeräts zwei piezoelektrische Aktuatoren aufweisen, die jeweils unmittelbar unter der Oberfläche angeordnet sind und die jeweils an einer Position angeordnet sind, an der sich typischerweise ein Finger eines das Gerät haltenden Nutzers befinden. Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren können dazu ausgestaltet sein, als Drucksensoren verwendet zu werden und ein In-die-Hand-Nehmen zu erkennen.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann
zusätzlich zu dem piezoelektrischen Aktuator keinen weiteren Sensor aufweisen. Für die Verwendung des stiftförmigen
Eingabe- und/oder Ausgabegeräts im Wiedergabemodus sind keine Sensoren erforderlich. Für die Verwendung im Einlesemodus ist der piezoelektrische Aktuator ausreichend, da dieser als Sensor verwendet werden kann und auf Basis der an den
piezoelektrischen Aktuator erzeugten Spannung auf ein Profil einer einzulesenden Oberfläche rückgeschlossen werden kann.
Durch den Verzicht auf weitere Sensoren kann ein einfaches und kostengünstiges stiftförmiges Eingabe- und/oder
Ausgabegerät konstruiert werden. Ferner kann der Verzicht auf Sensoren zu einer Miniaturisierung des Gerätes beitragen.
Alternativ kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Gerät neben dem piezoelektrischen Aktuator höchstens zwei weitere Sensoren aufweisen. Bei den zwei weiteren Sensoren kann es sich beispielsweise um zwei der folgenden Sensoren handeln: Neigungssensor, Geschwindigkeitssensor,
Abstandssensor und Beschleunigungssensor. Durch die
Verwendung der weiteren Sensoren kann die Genauigkeit bei der Erzeugung des haptischen Signals und bei dem Einlesen des Oberflächenprofils erhöht werden. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen kann das Gerät auch mehr als zwei
Sensoren aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen
Signals mit einem stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegerät, das eine Aktoreinheit mit einem
piezoelektrischen Aktuator aufweist. Bei dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann es sich um das vorher beschriebene stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät handeln. Alle strukturellen und funktionellen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Gerät offenbart wurden, können auch auf das Verfahren zutreffen. Alle strukturellen und
funktionellen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart wurden, können auch auf das Gerät zutreffen. Bei dem Verfahren wird von einer Ansteuereinheit eine
Spannung an den piezoelektrischen Aktuator angelegt und der piezoelektrische Aktuator wird dadurch zu Vibrationen
angeregt, durch die das haptische Signal erzeugt wird. Das Verfahren bietet somit die Vorteile, die sich aus der
Verwendung des piezoelektrischen Aktuators in der
Aktoreinheit ergeben. Hierzu gehören kurze Ansprechzeiten und kurze Abklingzeiten, die die Erzeugung eines realitätsnahen haptischen Signals ermöglichen. Eine hohe Anpassungsfähigkeit in der geometrischen Ausgestaltung des piezoelektrischen Aktuators, die den Einsatz in verschiedenen stiftförmigen Eingabe- und Ausgabegeräten ermöglicht. Ferner kann ein haptisches Signal über eine hohe Frequenzbandbreite erzeugt werden .
Von der Ansteuereinheit kann eine Spannung derart an den piezoelektrischen Aktuator angelegt werden, dass durch die Vibration des piezoelektrischen Aktuators ein Signal erzeugt wird, das einen haptischen Eindruck einer Oberfläche erzeugt. Unterschiedliche Oberflächen können dabei durch eine
Variation in der Frequenz und/oder in der Amplitude des an den piezoelektrischen Aktuator angelegten Signals
nachempfunden werden.
In einem ersten Schritt kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät entlang einer Oberfläche bewegt werden, wobei die Oberfläche auf ein mit der Aktoreinheit verbundenes Element wirkt und dadurch von dem piezoelektrischen Aktuator eine Spannung erzeugt wird, die von einer Auswerteeinheit erkannt wird und wobei die Auswerteeinheit einen für die erzeugte Spannung charakteristischen Wert abspeichert und dadurch ein Profil der Oberfläche abspeichert. Dementsprechend kann der piezoelektrische Aktuator als Sensor genutzt werden. Bei dem mit der Aktoreinheit verbundenen Element kann es sich um ein Tastelement handeln.
In einem zweiten Schritt kann die Ansteuereinheit den
piezoelektrischen Aktuator auf Basis des abgespeicherten Profils ansteuern.
Während des ersten Schritts kann ein Winkel zwischen dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät und der
Oberfläche erfasst werden, wobei der Winkel von der
Auswerteeinheit bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt wird. Bei dem Winkel kann es sich um einen Neigungswinkel handeln. Alternativ oder ergänzend kann während des ersten Schritts eine Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät über die
Oberfläche bewegt wird, erfasst werden, wobei die
Geschwindigkeit von der Auswerteeinheit bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt wird. Alternativ oder ergänzend kann eine Beschleunigung, mit der das
stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät über die
Oberfläche bewegt wird, erfasst werden, wobei die
Beschleunigung von der Auswerteeinheit bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt werde. Der Winkel, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung können jeweils von entsprechenden Sensoren bestimmt werden.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann in einer Virtual Reality Anwendung oder einer Augmented Reality
Anwendung verwendet werden.
Ein Neigungswinkel des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts kann erfasst werden, wobei eine Höhe der von der Ansteuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator
angelegten Spannung unter Berücksichtigung des
Neigungswinkels angepasst werden kann. Eine Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät bewegt wird, kann erfasst werden, wobei eine Höhe der von der Ansteuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator angelegten Spannung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit angepasst werden kann. Eine Beschleunigung, die das stiftförmige
Eingabe- und/oder Ausgabegerät erfährt, kann erfasst werden, wobei eine Höhe und eine Frequenz der von der Ansteuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator angelegten Spannung unter Berücksichtigung der Beschleunigung angepasst werden kann.
Ein Abstand von dem stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegerät zu einer Oberfläche kann von dem Gerät erkannt werden. Beispielsweise durch Verwendung eines
Abstandssensors, der beispielsweise auf Ultraschall oder einer optischen Messung basiert.
Ein Steuersignal kann durch das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät erkannt werden. Das Steuersignal kann insbesondere aufgrund von Sensorinformationen durch geeignete Algorithmen erkannt werden. Das Steuersignal kann dadurch erkannt werden, dass eine an dem piezoelektrischen Aktuator gemessene Spannung einen vordefinierten Schwellwert
überschreitet. Das Überschreiten des Schwellwerts kann auf ein Klopfen des Geräts auf eine Oberfläche zurückgeführt werden .
Verschiedene Steuersignale können dadurch erkannt werden, wie oft die an dem piezoelektrischen Aktuator gemessene Spannung innerhalb eines Zeitintervalls den vordefinierten Schwellwert überschreitet. Dadurch kann zwischen einem einfachen und einem mehrfachen Klopfen unterschieden werden. Ein einfaches und ein mehrfaches Klopfen können mit unterschiedlichen
Steuersignalen assoziiert werden.
Verschiedene Steuersignale können durch die Dauer erkannt werden, in der die an dem piezoelektrischen Aktuator
gemessene Spannung den vordefinierten Schwellwert
überschreitet. Durch ein längeres Überschreiten des
Schwellwertes kann beispielsweise auf ein dauerhaftes Drücken des Geräts auf eine Oberfläche geschlossen werden.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann dazu ausgestaltet sein, ein Startsignal zu erkennen, wobei die Aktoreinheit nach Erkennung des Startsignals aktiviert wird. Das Startsignal kann durch ein in die Hand nehmen des Geräts gegeben werden, durch ein Annähern des Geräts an eine
Oberfläche oder durch ein Klopfen des Geräts gegen die
Oberfläche .
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät kann dazu ausgestaltet sein, auf Basis einer von dem piezoelektrischen Aktuator aufgezeichneten Spannung eine Beschleunigung zu bestimmen. Dementsprechend kann der piezoelektrischen Akuator als Beschleunigungssensor verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät einen separaten Beschleunigungssensor aufweisen. Das Gerät kann dazu ausgestaltet sein, charakteristische Beschleunigungsmuster zu erkennen, die es ermöglichen
definierte Bewegungen zu detektieren. Auf diese Weise können Steuersignale, die durch bestimmte Bewegungen des Geräts gegeben werden erkannt werden. Beispielsweise könnte durch ein Schütteln oder ein Kreisen des Geräts ein bestimmtes Steuersignal gegeben werden. Der piezoelektrische Aktuator kann zeitgleich als Sensor und zur Erzeugung einer Vibration verwendet werden
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel .
Figur 2 zeigt das in Figur 1 gezeigte stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät in einer perspektivischen Ansicht.
Figur 3 zeigt einen Teil eines Eingabe- und/oder Ausgabegerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figur 4 zeigt einen piezoelektrischen Aktuator mit zwei mechanischen Verstärkungselementen .
Figur 5 zeigt ein stiftförmiges Eingabe- und/oder
Ausgabegerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Figur 6 zeigt ein stiftförmiges Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1. Figur 2 zeigt das
stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in einer perspektivischen Ansicht.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 kann in einer Virtual Reality Anwendung oder einer Augmented Reality Anwendung verwendet werden, um einem Nutzer ein haptisches Signal zu übermitteln. Dadurch kann bei dem Nutzer ein haptischer Eindruck erzeugt werden. Beispielsweise kann bei dem Nutzer der Eindruck erzeugt werden, dass stiftförmige Eingabe- und/oder oder Ausgabegerät 1 würde über eine
Oberfläche bewegt werden. Dazu weist das stiftförmige
Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 eine Aktoreinheit auf, die dazu ausgestaltet ist, Vibrationen zu erzeugen, durch die dem Nutzer der haptische Eindruck einer Bewegung des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 über die Oberfläche vermittelt wird.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 kann in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi verwendet werden. Der erste Betriebsmodus wird auch als „Wiedergabemodus"
bezeichnet. Dabei wird die Aktoreinheit zur Erzeugung einer Vibration verwendet, die einem Nutzer einen haptischen
Eindruck vermittelt. Der zweite Betriebsmodus wird auch als „Einlesemodus" bezeichnet. Dabei wird das stiftförmige
Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 entlang einer Oberfläche geführt. Die von der Oberfläche dabei auf das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 ausgeübte Kraft wird von dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 erkannt und ein daraus berechnetes Oberflächenprofil wird abgespeichert. Im „Wiedergabemodus" kann ein haptisches Signal erzeugt werden, das beispielsweise das im „Einlesemodus"
abgespeicherte Oberflächenprofil wiedergibt.
Die Aktoreinheit weist einen piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Bei dem in Figur 1 und Figur 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem piezoelektrischen Aktuator 11 um ein piezoelektrisches Vielschichtbauelement, das unter Nutzung des d31-Effekts eine Vibration erzeugt. Folglich erfolgt eine Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators 11 quer zur Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel kann der piezoelektrische Aktuator 11 als Longitudinalaktor betrieben werden. Dabei wird unter Nutzung des d33-Effekts eine Vibration zu erzeugen. In
Longitudinalaktoren wird das elektrische Feld in einer piezoelektrischen Schicht 22 parallel zur Richtung der
Polarisation angelegt. Dadurch wird eine Dehnung oder
Auslenkung in Richtung der Polarisation induziert.
Bei dem in Figur 1 und 2 gezeigten piezoelektrischen Aktor 11 handelt es sich um ein piezoelektrisches
Vielschichtbauelement. Das piezoelektrische
Vielschichtbauelement weist eine Vielzahl von Innenelektroden 21 und piezoelektrischen Schichten 22 auf, die abwechselnd übereinander gestapelt sind. Alternativ könnte es sich bei dem piezoelektrischen Aktuator 11 um einen einlagigen
Aktuator handeln, der eine einzige piezoelektrische Schicht und zwei Außenelektroden aufweist.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist einen Grundkörper 2 auf. Der Grundkörper 2 ist rohrförmig. Der piezoelektrische Aktuator 11 sowie weitere Elemente des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 sind in dem Grundkörper 2 angeordnet. Der Grundkörper 2 kann einen
Kunststoff oder ein Metall aufweisen.
Der Grundkörper 2 definiert durch seine Form die stiftförmige Ausgestaltung des Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1. Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist ein erstes Ende 3, das dem schreibenden Ende eines Stifts
nachgebildet ist, und ein zweites Ende 4 auf. Das zweite Ende 4 liegt dem ersten Ende 3 gegenüber und bildet das Ende aus, das von einem Nutzer des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 üblicherweise gehalten wird.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist ferner ein Tastelement 5 auf. Das Tastelement 5 ist mit dem piezoelektrischen Aktuator 11 verbunden. Insbesondere ist ein erstes Ende 6 des piezoelektrischen Aktuators 11, das zu dem ersten Ende 3 des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts 1 weist, an dem Tastelement 5 befestigt, beispielsweise durch eine Klebeverbindung. In einem
alternativen Ausführungsbeispiel könnte das Tastelement 5 über eine gefederte Verbindung mit dem piezoelektrischen Aktuator verbunden sein.
Das Tastelement 5 weist eine auf der vom piezoelektrischen Aktuator 11 wegweisenden Seite spitz zulaufende Form auf. Die spitz zulaufende Form bildet in dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 das schreibende Ende eines Stiftes nach. Das Tastelement 5 bildet eine Tastspitze 8. Durch das haptische Signal kann einem Nutzer der Eindruck vermittelt werden, das Tastelement 5, insbesondere die Tastspitze 8, würde über eine Oberfläche bewegt werden. Die Tastspitze 8 kann spitz oder abgerundet sein.
Wird der piezoelektrische Aktuator 11 in Vibrationen
versetzt, werden die Vibrationen auf das Tastelement 5 übertragen. Dadurch wird das Tastelement 5 zu Vibrationen angeregt, die den haptischen Eindruck einer Bewegung des Tastelements 5 über eine Oberfläche erzeugen.
Das Tastelement 5 ist in dem Grundkörper 2 angeordnet, wobei die Tastspitze 8, die durch das spitz zulaufende Ende gebildet wird, aus dem Grundkörper 2 herausragt. Das
Tastelement 5 ist relativ zu dem Grundkörper 2 beweglich. Die Tastspitze 8 kann sich insbesondere bei einer Vibration des Tastelements 5 relativ zu dem Grundkörper 2 bewegen.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist ferner ein Halteelement 9 auf. An dem Halteelement 9 ist ein zweites Ende 7 des piezoelektrischen Aktuators 11, das dem ersten Ende 6 des piezoelektrischen Aktuators 11
gegenüberliegt, befestigt. Das zweite Ende 7 des
piezoelektrischen Aktuators 11 ist dabei derart an dem
Halteelement 9 befestigt, dass eine Vibration des
piezoelektrischen Aktuators 11 nicht auf das Halteelement 9 übertragen wird. Das Halteelement 9 kann beispielsweise ein Spritzgussteil sein. Alternativ kann das Halteelement 9 eine Leiterplatte sein, auf der eine Ansteuereinheit 10 und/oder eine Auswerteeinheit 12 ausgebildet sind.
Das Halteelement 9 ist innerhalb des Grundkörpers 2
angeordnet. Dabei ist das Halteelement 9 fest mit dem
Grundkörper 9 verbunden. Die Vibrationen des
piezoelektrischen Aktuators 11 werden nicht auf den
Grundkörper 2 übertragen. Das Halteelement 9 und der
Grundkörper 2 können eine träge Masse ausbilden, die zu schwer ist, um von dem piezoelektrischen Aktuator 11 zu
Vibrationen angeregt zu werden. Alternativ kann durch eine Dämpfung verhindert werden, dass eine Vibration des
piezoelektrischen Aktuators 11 auf den Grundkörper 2
übertragen wird. Der Grundkörper 2 ist somit von dem
piezoelektrischen Aktuator 11 mechanisch entkoppelt.
Ferner weist das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 die oben genannte Ansteuereinheit 10 auf. Bei der Ansteuereinheit 10 handelt es sich um eine Elektronik, die mit dem piezoelektrischen Aktuator 11 verbunden werden kann. Die Ansteuereinheit 10 ist in Figur 1 schematisch angedeutet. Die Ansteuereinheit 10 ist in dem hier gezeigten
Ausführungsbeispiel an dem Halteelement 9 ausgebildet sein. Der piezoelektrische Aktuators 11 ist mit der Ansteuereinheit 10 verbunden.
Die Ansteuereinheit 10 ist dazu ausgestaltet, eine Spannung, insbesondere eine Wechselspannung, an den piezoelektrischen Aktuator 11 anzulegen. Dadurch kann der piezoelektrische Aktuator 11 zu Vibrationen angeregt werden. Die von der
Ansteuereinheit 10 an den piezoelektrischen Aktuator 11 angelegte Wechselspannung kann eine Frequenz aus einem breiten Frequenzspektrum aufweisen. Die Ansteuereinheit 10 kann beispielsweise dazu ausgestaltet sein, eine
Wechselspannung mit einer Frequenz aus einem Frequenzspektrum zwischen 1 Hz und 10 kHz an den piezoelektrischen Aktuator 11 anzulegen. Abhängig von der Frequenz der angelegten
Wechselspannung verändert sich die Vibration des
piezoelektrischen Aktuators 11 und damit der haptische
Eindruck, der bei einem Nutzer des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerätes 1 erzeugt wird. Durch das Anlegen verschiedener Frequenzen können die haptischen Eindrücke verschiedener Texturen unterschiedlicher Oberflächen erzeugt werden .
Der piezoelektrische Aktuator 11 kann zusätzlich in dem
Betriebsmodus „Einlesemodus" als Sensor eingesetzt werden.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 kann die Auswerteeinheit 12 aufweisen. Die Auswerteeinheit 12 ist in Figur 1 schematisch angedeutet. Beispielsweise kann die Elektronik, die die Ansteuereinheit 10 ausbildet, auch die Auswerteeinheit 12 bilden.
Wird das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 über eine Oberfläche bewegt, so wirkt die Oberfläche auf das Tastelement 8 und übt über das Tastelement 8 eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator 11 aus. Durch die auf den piezoelektrischen Aktuator 11 ausgeübte Kraft, wird infolge des piezoelektrischen Effektes in dem piezoelektrischen
Aktuator 11 eine Spannung erzeugt. Die Auswerteeinheit 12 ist mit dem piezoelektrischen Aktuator 11 verbunden und erkennt die erzeugte Spannung. Das von der Auswerteeinheit 12
erkannte Signal wird von der Auswerteeinheit 12 aufbereitet und die Auswerteeinheit 12 speichert einen Wert ab, der für die an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erfasste Spannung charakteristisch ist. Auf diese Weise kann die
Auswerteeinheit 12 ein Profil der Oberfläche erstellen. Das erstellte Profil der Oberfläche wird von der Auswerteeinheit 12 abgespeichert.
Zu einem späteren Zeitpunkt kann das von der Auswerteeinheit 12 abgespeicherte Profil von der Ansteuereinheit 10 verwendet werden, um eine entsprechende Spannung an den
piezoelektrischen Aktuator 11 anzulegen und diesen zu
Vibrationen zu veranlassen. Dadurch kann der haptische
Eindruck erzeugt werden, das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 würde über die vorher abgespeicherte
Oberfläche geführt werden.
Figur 3 zeigt einen Teil eines stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel. Das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 weist ebenfalls eine Aktoreinheit mit einem piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Der piezoelektrische
Aktuator ist hier plättchenförmig. Die Aktuatoreinheit weist ferner ein mechanisches Verstärkungselement 13a auf. Das mechanische Verstärkungselement 13a ist an dem
piezoelektrischen Aktuator 11 befestigt und dazu ausgestaltet eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators 11 zu verstärken. Das mechanische Verstärkungselement 13a ist in Figur 3 nicht zu erkennen und wird im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert.
Ferner weist das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 ebenfalls ein Tastelement 5 und ein Halteelement 9 auf. Das Tastelement 5 entspricht im Wesentlichen dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Tastelement 5. Das Tastelement 5 ist dazu ausgestaltet, von dem piezoelektrischen Aktuator 11 in
Vibrationen versetzt zu werden. Das Tastelement 5 ist frei beweglich zu dem Halteelement 9 und zu einem in Figur 3 nicht gezeigten Grundkörper 2.
Das Halteelement 9 ist fest mit dem piezoelektrischen
Aktuator 11 verbunden. Dabei ist der piezoelektrische
Aktuator 11 von dem Grundkörper 2 mechanisch entkoppelt, so dass eine Vibration des piezoelektrischen Aktuators 11 nicht auf den Grundkörper 2 übertragen wird.
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ferner eine Ansteuereinheit 10 auf. Der piezoelektrische Aktuator 11 kann auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel als Sensor zum Einlesen eines Oberflächenprofils verwendet werden. Dabei kann das
stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät eine
Auswerteeinheit 12 aufweisen, die der im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Auswerteeinheit 12 entspricht .
Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen einen piezoelektrischen
Aktuator 11 mit zwei mechanischen Verstärkungselementen 13a, 13b, der in dem zweiten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Der piezoelektrische Aktuator 11 kann in einem
erfindungsgemäßen stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegerät zur Erzeugung eines haptischen Signals
eingesetzt werden. Alternativ könnte der Aktuator auch ohne die mechanischen Verstärkungselemente 13a, 13b oder mit nur einem mechanischen Verstärkungselement 13a, das zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem Tastelement angeordnet ist, eingesetzt werden.
Der piezoelektrische Aktuator 11 stellt ein gesintertes
Bauelement mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 22 und Innenelektroden 21 dar. Der piezoelektrische Aktuator 11 weist insbesondere eine Vielzahl von piezoelektrischen oder aktiven Schichten 22 auf, die übereinander zu einem Stapel angeordnet sind. Zwischen den piezoelektrischen
Schichten 22 sind die Innenelektroden 21 angeordnet. Dabei sind Innenelektroden 21 unterschiedlicher Polarität
alternierend angeordnet.
Die piezoelektrischen Schichten 22 weisen eine Stapelrichtung S auf. Die Stapelrichtung S erstreckt sich entlang von Stirn- bzw. Seitenflächen 24 des Aktuators 11. Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 22 entlang einer vertikalen
Ausdehnung bzw. Dicke des Aktuators 11 gestapelt.
Im Bereich einer Stirnfläche 24 des Aktuators 11 reichen nur Innenelektroden 21 einer Polarität bis an die jeweilige Stirnfläche 24 des Aktuators 11. Der Bereich kann zur
Kontaktierung des Aktuators 11 verwendet werden.
Beispielsweise kann die jeweilige Stirnfläche 24 mit
Außenelektroden 23 zur elektrischen Kontaktierung versehen werden .
Der Aktuator 11 ist so ausgestaltet, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Aktuators 1
stattfindet. Dabei handelt es sich um eine Änderung der
Ausdehnung des Aktuators 11 in eine erste Richtung RI.
Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 22 derart polarisiert, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Innenelektroden 21 zu einer Querkontraktion des Aktuators 11 führt, bei der sich die Länge des Aktuators 11 senkrecht zur Stapelrichtung S verändert. Folglich erfolgt eine Änderung der Ausdehnung des Aktuators 1 quer zur
Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld (d31 Effekt) .
Um den Effekt der Längenänderung in Stapelrichtung S weiter zu verstärken weist die Vorrichtung die zwei mechanischen Verstärkungselemente 13a, 13b auf. Wird an den Aktuator 11 Spannung angelegt, so verformen sich die mechanischen
Verstärkungselemente 13a, 13b zumindest teilweise in Folge der Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11, wie später im Detail beschrieben wird.
Der Aktuator 11 ist zwischen den mechanischen
Verstärkungselementen 13a, 13b angeordnet. Die mechanischen Verstärkungselemente 13a, 13b liegen zumindest teilweise auf einer Oberseite 25 bzw. einer Unterseite 26 des Aktuators 11 auf. Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b weist vorzugsweise eine Breite auf, welche der Breite des Aktuators 11 entspricht. Gleiches gilt vorzugsweise für die Länge der mechanischen Verstärkungselemente 13a, 13b.
Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b ist einstückig ausgebildet. Das jeweilige mechanische
Verstärkungselement 13a, 13b weist eine rechteckige Form auf. Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b ist streifenförmig ausgebildet. Das jeweilige mechanische
Verstärkungselement 13a, 13b ist gekrümmt bzw. verbogen ausgebildet. Beispielsweise weist das jeweilige mechanische Verstärkungselement einen Blechstreifen auf. Der
Blechstreifen ist gebogen, wie im Folgenden im Detail
erläutert wird.
Jedes der einstückigen mechanischen Verstärkungselemente 13a, 13b ist in mehrere Bereiche oder Abschnitte untergliedert. So weist das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b einen mittleren Bereich 17a, 17b auf.
Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner jeweils zwei Verbindungsbereiche 20a, 20b auf. Die beiden Verbindungsbereiche 20a, 20b des jeweiligen
mechanischen Verstärkungselements 13a, 13b schließen sich unmittelbar an den mittleren Bereich 17a, 17b des jeweiligen mechanischen Verstärkungselements 13a, 13b an. Der mittlere Bereich 17a, 17b des jeweiligen mechanischen
Verstärkungselements 13a, 13b ist mit anderen Worten von den beiden Verbindungsbereichen 20a, 20b zu beiden Seiten hin umgeben .
Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner zwei Endbereiche 18a, 18b auf. Die Endbereiche 18a,
18b schließen sich unmittelbar an die Verbindungsbereiche 20a, 20b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b an. Mit andere Worten verbindet jeweils ein Verbindungsbereich 20a, 20b einen Endbereich 18a, 18b mit dem mittleren Bereich 17a, 17b eines Verstärkungselements 13a, 13b.
Die beiden Endbereiche 18a, 18b des jeweiligen mechanischen Verstärkungselements liegen unmittelbar auf einer Oberfläche des Aktuators 11 auf. So liegen der erste und der zweite Endbereich 18a des ersten mechanischen Verstärkungselements 13a auf einem Teilbereich der Oberseite 25 des Aktuators 11 auf. Weiterhin liegen der erste und der zweite Endbereich 18b des zweiten mechanischen Verstärkungselements 13b auf einem Teilbereich der Unterseite 26 des Aktuators 11 auf.
Die Endbereiche 18a, 18b sind vorzugsweise unlösbar mit der Oberfläche des Aktuators 11 verbunden. Insbesondere sind die Endbereiche 18a, 18b mit der Oberfläche des Aktuators 11 durch eine Klebeverbindung verbunden.
Zwischen den mittleren Bereich 17a, 17b und den
Verbindungsbereichen 20a, 20b sowie der Unterseite 26 bzw. der Oberseite 25 des Aktuators 11 befindet sich ein
Freibereich. Die Höhe des Freibereichs 16 variiert entlang des Freibereichs 16. So ist der mittlere Bereich 17a, 17b so ausgebildet, dass er parallel zu der Oberfläche des Aktuators 11 verläuft. Damit ist die Höhe des Freibereichs 16 im
Bereich des mittleren Bereichs 17a, 17b maximal. Der
jeweilige Verbindungsbereich 20a, 20b verläuft hingegen schräg zur Oberfläche des Aktuators 11. Mit anderen Worten der jeweilige Verbindungsbereich 20a, 20b schließt einen Winkel mit der Oberseite 25 bzw. der Unterseite 26 des
Aktuators 11 ein. Der Winkel ist vorzugsweise kleiner oder gleich 45°. Damit verkleinert sich die Höhe des Freibereichs 16 in Richtung von mittleren Bereich 17a, 17b hin zum
Endbereich 18a, 18b des jeweiligen mechanischen
Verstärkungselements 13a, 13b. Folglich weist das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b eine gebogene Form auf .
Das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner wenigstes eine Ausdünnung 14, vorzugsweise mehrere Ausdünnungen 14, auf, die ein nötige Flexibilität des mechanischen Verstärkungselements 13a, 13b sicherstellen können .
Wird nun an den Aktuator 11 eine Spannung angelegt, so bewegen sich die mittlerer Bereich 17a, 17b und die
Verbindungsbereich 20a, 20b des jeweiligen
Verstärkungselements 13a, 13b relativ zum Aktuator 11 in eine zweite Richtung R2. Die zweite Richtung R2 ist senkrecht zur ersten Richtung RI . Die zweite Richtung R2 verläuft entlang der Stapelrichtung S. Die mittlerer Bereich 17a, 17b und die Verbindungsbereich 20a, 20b bilden somit einen Teilbereich des mechanischen Verstärkungselements 13a, 13b, der relativ zum Aktuator 11 in die zweite Richtung R2 bewegt wird, wenn die Ausdehnung des Aktuators 11 in die erste Richtung RI verändert wird.
Insbesondere bewegen sich die mittleren Bereiche 17a, 17b in die zweite Richtung R2. Dabei biegt sich das jeweilige mechanische Verstärkungselement 13a, 13b an Stelle der
Ausdünnungen 14 zwischen mittlerem Bereich 17a, 17b
Verbindungsbereichen 20a, 20b sowie zwischen
Verbindungsbereichen 20a, 20b und Endbereichen 18a, 18b. Hingegen wird eine Bewegung der Endbereiche 18a, 18b in die zweite Richtung R2 durch die Klebeverbindung mit dem Aktuator 11 verhindert. Vielmehr bewegen sich die Endbereiche 18a, 18b mit dem Aktuator 11 in die erste Richtung RI. Es findet damit eine Relativbewegung zwischen den Endbereichen 18a, 18b und den Teilbereichen 17a, 17b statt.
Es sind auch andere Ausgestaltungen des mechanischen
Verstärkungselements möglich . Figur 5 zeigt ein stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel .
Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist
Sensoren auf, die die Genauigkeit des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 beim Einlesen eines
Oberflächenprofils erhöhen können. Ferner können von den Sensoren ermittelte Messdaten es ermöglichen, mit dem
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 ein
realitätsnahes haptisches Signal einer Oberfläche zu
erzeugen .
Einer der oben genannten Sensoren ist ein Neigungssensor 27. Der Neigungssensor 27 ist dazu ausgestaltet, einen
Neigungswinkel des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts 1 zu erkennen. Bei dem Neigungswinkel kann es sich insbesondere um einen Winkel zwischen einer Längsachse des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 und einer realen Oberfläche oder einer virtuellen Oberfläche handeln. Alternativ kann eine Neigung des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 bezüglich einer Richtung zum
Erdboden bestimmt werden. Der von dem Neigungssensor 27 ermittelte Neigungswinkel kann von der Ansteuereinheit 10 bei der Ansteuerung des
piezoelektrischen Aktuators 11 berücksichtigt werden. Ein haptischer Eindruck, der bei dem Führen eines Stiftes über eine Oberfläche entsteht, ist unterschiedlich, abhängig davon, ob der Stift senkrecht auf der Oberfläche steht oder in einem flachen Neigungswinkel zu der Oberfläche angeordnet ist. Durch das Erkennen des Neigungswinkels zwischen dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 und einer realen oder einer virtuellen Oberfläche und das
Berücksichtigen dieses Winkels bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktuators 11 kann ein realistischerer haptischer Eindruck erzeugt werden, der auch die Neigung des Geräts zu der Oberfläche berücksichtigt und haptisch
erfahrbar wiedergibt. Insbesondere kann sich das haptische Signal abhängig von dem Neigungswinkel verändern. Dabei wird im Betriebsmodus „Wiedergabemodus", in dem die Aktoreinheit zur Erzeugung einer Vibration verwendet wird, die einem Nutzer einen haptischen Eindruck vermittelt, die vom
piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Vibration in
Abhängigkeit von dem vom Neigungssensor 27 ermittelten
Neigungswinkel verändert.
Die von dem Neigungssensor aufgezeichneten Daten bezüglich des Neigungswinkels können auch in dem Betriebsmodus
„Einlesemodus", in dem der piezoelektrische Aktuator 11 als Sensor verwendet wird, berücksichtigt werden. Wird der piezoelektrische Aktuator 11 als Sensor verwendet, um das Profil einer Oberfläche einzulesen, kann gleichzeitig der jeweils zwischen dem stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 und der jeweiligen Oberfläche vorliegenden Neigungswinkel von dem Neigungssensor 27 erfasst werden und bei dem Anlegen des Profils berücksichtigt werden. Dadurch können Profile unabhängig davon aufgezeichnet werden, in welchem Winkel das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 zu der eingelesenen Oberfläche angeordnet ist.
Durch den Neigungssensor 27 wird es beispielsweise möglich, eine Oberfläche einzulesen und dabei das stiftförmige
Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in einem ersten
Neigungswinkel relativ zu der Oberfläche zu halten. Beim Abspeichern des Profils wird der Neigungswinkel mit
berücksichtigt und es wird das Profil derart abgespeichert, dass es nicht von dem Neigungswinkel beim Einlesen abhängt. Wird das abgespeicherte Profil später im Betriebsmodus „Wiedergabemodus" verwendet, wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in einem zweiten Winkel, der vom ersten Winkel verschieden ist, auf einer Oberfläche
angeordnet ist, so kann ein realistischer haptischer Eindruck für die Anordnung des Geräts im zweiten Winkel erzeugt werden, obwohl die Oberfläche nicht mit diesem Winkel
eingelesen wurde.
Wird während des Einlesens einer Oberfläche der
Neigungswinkel zwischen der Oberfläche und dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 verändert, weil
beispielsweise ein Nutzer seinen Griff an das Gerät
verändert, erkennt der Neigungssensor 27 diese Veränderung und die Veränderung des Neigungswinkels kann bei der
Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt werden.
Ein weiterer der oben genannten Sensoren ist ein
Geschwindigkeitssensor 28. Insbesondere kann der
Geschwindigkeitssensor 28 eine Geschwindigkeit ermitteln, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 über eine Oberfläche bewegt wird. Die Geschwindigkeitsinformation, die von dem
Geschwindigkeitssensor 28 ermittelt wird, kann in beiden Betriebsmodi des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts 1 verwendet werden. Im „Wiedergabemodus" kann das erzeugte haptische Signal unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 bewegt wird, angepasst werden. Dementsprechend kann eine Veränderung eines haptischen Signals, die sich ergibt, wenn ein Stift langsam oder schnell über eine
Oberfläche bewegt wird, realitätsnah wiedergegeben werden.
Wird das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 im „Einlesemodus" verwendet, wird die Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 über die einzulesende Oberfläche bewegt wird, mitberücksichtigt, so dass das Oberflächenprofil unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 über die Oberfläche bewegt wurde, eingelesen werden kann. Wird dieses Profil später als Vorlage zur
Erzeugung eines haptischen Eindrucks verwendet, ist der haptische Eindruck nicht abhängig davon, mit welcher
Geschwindigkeit das Profil eingelesen wurde.
Der Geschwindigkeitssensor 28 und der Neigungssensor 27 können durch ein und denselben Sensor ausgebildet sein. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um zwei getrennte Sensoren.
Ein weiterer der oben genannten Sensoren ist ein
Beschleunigungssensor 29, der eine Beschleunigung des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 misst. Die Beschleunigungsinformation kann sowohl bei Verwendung des Geräts zum Erzeugen eines haptischen Eindrucks als auch beim Verwenden des Geräts zum Einlesen eines Oberflächenprofils mitberücksichtigt werden. Im Wiedergabemodus kann das erzeugte haptische Signal in Abhängigkeit von einer
Beschleunigung, die das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 erfährt, verändert werden. Im Einlesemodus kann die Beschleunigung beim Einlesen eines Profils derart mitberücksichtigt werden, dass das Profil in einer Weise abgespeichert wird, das es unabhängig von einer
Beschleunigung ist, die das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 während des Einlesens erfahren hat.
Ferner kann ein Steuerbefehl, beispielsweise für einen
Wechsel des Betriebsmodus des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1, dadurch von einem Nutzer erteilt werden, dass das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 geschüttelt wird oder dass der Nutzer mit dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 einmalig oder mehrmalig gegen eine Oberfläche klopft. All diese Bewegungen weisen charakteristische Beschleunigungsmuster auf, die von dem Beschleunigungssensor 29 erkannt werden können. Somit kann der Beschleunigungssensor 29 für das Erkennen von
Steuerbefehlen eingesetzt werden.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Beschleunigungssensor 29 ein separater Sensor. Alternativ oder ergänzend zu einem separaten Beschleunigungssensor 29 kann auch der piezoelektrische Aktuator 11 der Aktoreinheit als Beschleunigungssensor verwendet werden.
Erfährt das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät eine Beschleunigung wird dadurch eine Kraft auf den
piezoelektrischen Aktuator 11 ausgeübt und es entsteht eine Spannung am piezoelektrischen Aktuator 11. Dementsprechend kann aus der von dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugten Spannung die Beschleunigung bestimmt werden. Der
piezoelektrische Aktuator 11 kann somit als
Beschleunigungssensor betrieben werden. Im Betriebsmodus „Einlesemodus" wird die am piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Spannung laufend bestimmt. Die mit dem
piezoelektrischen Aktuator 11 verbundene Auswerteeinheit 12 kann Spannungen, die durch das Führen des stiftförmigen
Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 entlang einer Oberfläche erzeugt werden, von Spannungen, die durch die für die oben beschriebenen Bewegungen charakteristischen Beschleunigungen erzeugt werden, unterscheiden. Auch im „Wiedergabemodus" kann die am piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugt Spannung laufend überwacht werden, um so die Beschleunigung zu bestimmen, die das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 erfährt.
Der Neigungssensor 27, der Geschwindigkeitssensor 28 und der Beschleunigungssensor 29 können jeweils ein MEMS-Bauteile sein .
Durch die Verwendung der hier genannten Sensoren 27, 28, 29 kann eine Genauigkeit beim Einlesen eines Oberflächenprofils und bei der realitätsnahen Erzeugung eines haptischen Signals erhöht werden. Das stiftförmige Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 ist jedoch auch ohne die hier genannten
Sensoren 27, 28, 29 voll funktionsfähig. Allein auf Basis einer an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugten Spannung können genügend Informationen gesammelt werden, um ein Profil einer einzulesenden Oberfläche zu erstellen.
Die Ansteuereinheit 10 und/oder die Auswerteeinheit 12 des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 sind dazu ausgestaltet, ein Steuersignal, beispielsweise ein Startsignal oder andere Steuersignale, zu erkennen.
Eine Aktivierung der Aktoreinheit, z.B. durch ein Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 11, kann erst nach Erkennen des Startsignals freigegeben werden. Das Startsignal kann auf unterschiedliche Weise erkannt werden. Beispielsweise kann die Ansteuereinheit 10 erkennen, wenn ein Nutzer das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in die Hand nimmt. Das In-die-Handnehmen wird dabei als
Startsignal interpretiert. Erst nach Erkennen des
Startsignals kann die Aktoreinheit durch das Anlegen einer Spannung an dem piezoelektrischen Aktuator 11 aktiviert werden .
Das In-die-Handnehmen kann beispielsweise auf Basis der Messwerte eines oder mehrerer der oben beschriebenen Sensoren 27, 28, 29 bestimmt werden. Beispielsweise ist ein In-die- Handnehmen des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 mit einer charakteristischen Bewegung und somit einem charakteristischen Beschleunigungsmuster verbunden. Dieses Beschleunigungsmuster kann auf Basis einer Messung des
Beschleunigungssensors und/oder der am piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugten Spannung erkannt werden. Dazu kann eine an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Spannung auch in einem Standby Modus des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 überwacht werden. Wie im Zusammenhang mit Figur 6 erläutert wird, kann ein In-die-Handnehmen auch dadurch erkannt werden, dass eine an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Spannung ausgelesen wird und dieser als Drucksensor verwendet wird. Alternativ oder ergänzend kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 einen Abstandssensor 30 aufweisen.
Ein Startsignal kann durch den Abstandssensor 30 erkannt werden, der einen Abstand zwischen dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 und einer realen oder virtuellen Oberfläche bestimmt. Erst wenn der Abstand unter einen vorgegebenen Mindestabstand fällt, wird diese Annäherung an die Oberfläche als Startsignal interpretiert und das Anlegen einer Spannung an die Aktuatoreinheit freigegeben.
Bei dem Abstandssensor 30 kann es sich um ein MEMS-Bauteil handeln. Der Abstandssensor 30 kann einen Abstand
beispielsweise auf Basis einer optischen Messung oder auf Basis einer Ultraschallmessung bestimmen. Ein Abstand zu einer virtuellen Oberfläche kann durch eine entsprechende Software bestimmt werden.
Alternativ oder ergänzend kann eine Berührung des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 mit der
Oberfläche als Startsignal interpretiert werden. Die
Berührung der Oberfläche kann dadurch erkannt werden, dass eine Spannung an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugt wird. Alternativ kann die Berührung der Oberfläche dadurch erkannt werden, dass der Abstandssensor 30 einen Abstand von Null angibt.
Alternativ oder ergänzend kann ein Startsignal dadurch gegeben werden, dass mit dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 auf eine Oberfläche geklopft wird. Dabei erfährt der piezoelektrische Aktuator 11 einen Schlag, der zur Erzeugung eines kurzen Spannungsimpulses mit einer hohen Spannung führt. Überschreitet die Spannung eine vorgegeben Schwellwert, so wird der Schlag als Steuersignal erkannt und das Gerät in einen aktiven Modus versetzt.
Steuersignale können ebenfalls durch ein Klopfen des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerätes 1 auf die Oberfläche gegeben werden. Dabei können abhängig von der Anzahl der Klopfvorgänge unterschiedliche Steuersignale erteilt werden. Ähnlich wie bei einem Doppelklick bei einer Computermaus kann die Ansteuereinheit 10 zwischen einem einmaligen Klopfen oder einem zweimaligen Klopfen
unterscheiden. Dazu wird bestimmt, wie oft innerhalb einer vordefinierten Zeitspanne ein Schwellwert für die an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Spannung überschritten wird. Beispielsweise kann ein einmaliges Überschreiten des Schwellwertes mit einem einmaligen Klopfen gleichgesetzt werden. Durch das einmalige Klopfen kann das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in einen ersten
Betriebsmodus, z.B. den Wiedergabemodus oder den
Einlesemodus, versetzt werden. Ein zweimaliges Überschreiten des Schwellwertes kann mit einem doppelten Klopfen
gleichgesetzt werden. Das zweimalige Klopfen wird als
Steuersignal für die Auswahl eines zweiten Betriebsmodus aufgefasst wird, z.B. des Einlesemodus oder des
Wiedergabemodus .
Weitere Steuersignale könnten beispielsweise durch ein längeres Drücken des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts 1 gegen die Oberfläche erteilt werden. Dabei kann der Zeitraum, über den die an dem piezoelektrischen Aktuator 11 erzeugte Spannung oberhalb des Schwellwertes liegt, erfasst werden. Wird beispielsweise das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 über einen vordefinierten Zeitraum, beispielsweise einige Sekunden, gegen eine Oberfläche gedrückt, so wird dieses von der Ansteuereinheit 10 als Steuersignal aufgefasst. Beispielsweise kann ein solches längeres Drücken das Gerät von seinem aktiven Modus in den Standby-Modus versetzen.
Wie bereits erläutert kann das Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in dem Einlesemodus betrieben werden, in dem das Gerät entlang einer oder mehrere Oberflächen geführt wird und dabei ein Profil der Oberflächen abspeichert. In diesem Modus wird der piezoelektrische Aktuator 11 als Sensor zum Erkennen einer Spannung verwendet.
Auch in dem Einlesemodus kann über den piezoelektrischen Aktuator 11 eine Vibration erzeugt werden. Beispielsweise kann der piezoelektrische Aktuator 11 auch im Einlesemodus dann eine Vibration erzeugen, wenn erkannt wird, dass ein Nutzer das Gerät zu fest auf die einzulesende Oberfläche drückt und die Gefahr einer Beschädigung des Gerätes besteht. In diesem Fall kann der Aktuator 11 in eine kurze starke Vibration versetzt werden, um den Nutzer zu warnen und möglicherweise um den Nutzer darauf hinzuweisen, dass das Gerät in den Standby-Modus geschaltet wird, um eine
Beschädigung zu vermeiden.
Ferner kann das Gerät auch in dem Wiedergabemodus verwendet werden, in dem die Aktoreinheit eine Vibration erzeugt und dem Nutzer auf diese Weise einen haptischen Eindruck
vermittelt, werden. Auch im Wiedergabemodus kann der
piezoelektrische Aktuator 11 als Sensor verwendet.
Insbesondere kann der Aktuator 11 als Sensor zum Erkennen eines zu starken Drucks auf das Gerät verwendet werden. Ein festes Drücken oder ein charakteristisches
Beschleunigungsmuster, das als Steuersignal genutzt wird, kann von dem Aktuator 11 im Wiedergabemodus erkannt werden. Dementsprechend kann der piezoelektrische Aktuator 11 zeitgleich als Sensor und als Aktuator zur Erzeugung einer Vibration eingesetzt werden.
In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Abstandssensor 30 an dem Tastelement 5 angeordnet. In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Neigungssensor 27, der Geschwindigkeitssensor 28 und der
Beschleunigungssensor 29 jeweils an dem Halteelement 9 angeordnet. Jeder der Sensoren 27, 28, 29 und 30 kann auch an einem beliebigen anderen Ort des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabeelements angeordnet sein.
Figur 6 zeigt ein stiftförmiges Eingabe- und/oder
Ausgabegerät 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 weist zwei piezoelektrische Aktuatoren 11 auf, die in dem Gerät
unmittelbar unter einer Oberfläche des Geräts 1 angeordnet sind. In der schematischen Darstellung der Figur 5 sind die piezoelektrischen Aktuatoren 11 zur vereinfachten Darstellung außerhalb des Geräts 1 gezeigt. Figur 5 dient lediglich der vereinfachten Darstellung der Position der piezoelektrischen Aktuatoren 11, die tatsächlich innerhalb des Geräts 1 angeordnet sind.
Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 11 sind jeweils an einer Position angeordnet, an der sich typischerweise ein Finger 100, 101 eines Nutzers befindet, der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 greift und/oder festhält.
Die beiden piezoelektrischen Aktuatoren 11 werden als
Drucksensoren verwendet. Eine an den piezoelektrischen Aktuatoren 11 in Folge des von den Fingern 100, 101
ausgeübten Drucks erzeugte Spannung wird ausgelesen. Auf diese Weise kann ein In-die-Hand-Nehmen und ein Festhalten des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 1 erkannt werden .
Die beiden Aktuatoren 11 sind in einer Längsrichtung L des Grundkörpers 2 angeordnet. Die Längsrichtung L erstreckt sich dabei vom ersten Ende 3 zu dem zweiten Ende 4 des
stiftförmigen Geräts 1. Alternativ könnte ein einziger piezoelektrischer Aktuator 11 vorgesehen sein, der senkrecht zu der Längsrichtung L angeordnet ist. Die Verwendung zweier längs ausgerichteter Aktuatoren ermöglicht es, eine Berührung durch einen Finger 100, 101 zuverlässiger zu erkennen. Die
Verwendung eines einzigen Aktuators 11 bietet den Vorteil eines geringen Platzbedarfs.
Wird das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät 1 in Verbindung mit einem Bildschirm mit Touchfunktionalität verwendet ist es möglich, über die Touchfunktionalität des Bildschirms die Position des ersten Endes 3 des Geräts 1 zu ermitteln und diese Information an das Gerät drahtlos zu kommunizieren .
Bezugszeichenliste
1 stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät
2 Grundkörper
3 erstes Ende des Eingabe- und/oder Ausgabegeräts
4 zweites Ende des Eingabe- und/oder Ausgabegeräts
5 Tastelement
6 erstes Ende des piezoelektrischen Aktuators
7 zweites Ende des piezoelektrischen Aktuators
8 Tastspitze
9 Halteelement
10 Ansteuereinheit
11 piezoelektrischen Aktuator
12 Auswerteeinheit
13a mechanisches Verstärkungselement
13b mechanisches Verstärkungselement
14 Ausdünnung
16 Freibereich
17a mittlerer Bereich
17b mittlerer Bereich
18a Endbereich
18b Endbereich
20a Verbindungsbereich
20b Verbindungsbereich
22 piezoelektrische Schicht
21 Innenelektrode
23 Außenelektrode
24 Stirnfläche
25 Oberseite
26 Unterseite
27 Neigungssensor
28 Geschwindigkeitssensor
29 Beschleunigungssensor 30 Abstandssensor
100 Finger
101 Finger
L Längsrichtung
RI erste Richtung R2 zweite Richtung S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1),
aufweisend eine Aktoreinheit, die einen
piezoelektrischen Aktuator (11) aufweist.
2. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
aufweisend eine Ansteuereinheit (10), die dazu
ausgestaltet ist, eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator (11) anzulegen.
3. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei in der Ansteuereinheit (10) ein Profil,
beispielsweise das Profil einer Oberfläche, hinterlegt ist, und
wobei die Ansteuereinheit (10) dazu ausgestaltet ist, den piezoelektrischen Aktuator (11) derart anzusteuern, dass das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) ein Signal erzeugt, das einen haptischen Eindruck des hinterlegten Profils erzeugt.
4. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
die dazu ausgestaltet ist, den piezoelektrischen
Aktuator (11) als Sensor zu verwenden, wobei an dem piezoelektrischen Aktuator (11) in Folge einer
Betätigung des stiftförmigen Eingabe- und/oder
Ausgabegeräts (1) eine Spannung erzeugt wird,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) eine Auswerteeinheit (12) aufweist, die dazu
ausgestaltet ist, die am piezoelektrischen Aktuator (11) erzeugte Spannung zu erkennen und einen für die erzeugte Spannung charakteristischen Wert abzuspeichern.
5. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
die dazu ausgestaltet ist, den piezoelektrischen
Aktuator (11) zeitgleich als Sensor und zur Erzeugung einer Vibration zu verwenden.
6. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß den Ansprüchen 2 und 5,
wobei die Ansteuereinheit (10) dazu ausgestaltet ist, den piezoelektrischen Aktuator (11) auf Basis der von der Auswerteeinheit (12) abgespeicherten Werte
anzusteuern .
7. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
aufweisend ein Tastelement (8), das mit der Aktoreinheit verbunden ist.
8. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Aktoreinheit ein mechanisches
Verstärkungselement (13a, 13b) aufweist, das an dem piezoelektrischen Aktuator (11) befestigt ist.
9. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das mechanische Verstärkungselement (13a, 13b) dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen
Aktuators (11) in eine erste Richtung (RI) derart zu verformen, dass ein Teilbereich (17a, 17b, 20a, 20b) des mechanischen Verstärkungselements (13a, 13b) relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator (11) in eine zweite
Richtung (R2), die senkrecht zur ersten Richtung (RI) ist, bewegt wird.
10. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der piezoelektrische Aktuator (11) dazu
ausgestaltet und angeordnet ist, durch eine
Längenänderung unter Nutzung des d31-Effekts eine
Vibration zu erzeugen,
oder
wobei der piezoelektrische Aktuator (11) dazu
ausgestaltet und angeordnet ist, durch eine
Längenänderung unter Nutzung des d33-Effekts eine
Vibration zu erzeugen.
11. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
ferner aufweisend einen Neigungssensor (27) und/oder einen Abstandssensor (30) und/oder einen
Geschwindigkeitssensor (28) und/oder einen
Beschleunigungssensor (29).
12. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei ein von dem Neigungssensor (27) erfasster Winkel bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt wird,
und/oder wobei eine von dem Geschwindigkeitssensor (28) erfasste Geschwindigkeit bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt wird,
und/oder
wobei eine von dem Beschleunigungssensor (29) erfasste Beschleunigung bei einer Ansteuerung der Aktoreinheit und/oder bei einer Auswertung einer an der Aktoreinheit erzeugten Spannung berücksichtigt wird.
13. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) dazu ausgestaltet ist, ein Steuersignal zu erkennen.
14. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) dazu ausgestaltet ist, das Steuersignal aufgrund von Sensorinformationen durch geeignete Algorithmen zu erkennen .
15. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät
(1) dazu ausgestaltet ist, ein Startsignal zu erkennen, wobei die Aktoreinheit nur nach Erkennung des
Startsignals aktiviert wird.
16. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät
(1) dazu ausgestaltet ist, auf Basis von dem piezoelektrischen Aktuator (11) aufgezeichneter
Spannungen eine Beschleunigung zu bestimmen.
17. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
die zusätzlich zu dem piezoelektrischen Aktuator (11) keinen weiteren Sensor aufweist, oder
die neben dem piezoelektrischen Aktuator (11) höchstens zwei weitere Sensoren aufweist.
18. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der piezoelektrische Aktuator (11) dazu
ausgestaltet ist, als Drucksensor verwendet zu werden.
19. Stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) dazu ausgestaltet ist, ein In-die-Hand-Nehmen oder ein Festhalten des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) anhand einer in dem piezoelektrischen Aktuator (11) erzeugten Spannung zu erkennen.
20. Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals mit einem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1), das eine Aktoreinheit mit einem piezoelektrischen
Aktuator (11) aufweist,
wobei von einer Ansteuereinheit (10) eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator (11) angelegt wird und der piezoelektrische Aktuator (11) dadurch zu
Vibrationen angeregt wird, durch die das haptische Signal erzeugt wird.
21. Verfahren gemäß Anspruch 20,
wobei von der Ansteuereinheit (10) eine Spannung derart an den piezoelektrischen Aktuator (11) angelegt wird, dass durch die Vibration des piezoelektrischen Aktuators (11) ein Signal erzeugt wird, das einen haptischen
Eindruck einer Oberfläche erzeugt.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21,
wobei in einem ersten Schritt das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) entlang einer Oberfläche bewegt wird, wobei die Oberfläche auf ein mit der
Aktoreinheit verbundenes Element wirkt und dadurch von dem piezoelektrischen Aktuator (11) eine Spannung erzeugt wird, die von einer Auswerteeinheit (12) erkannt wird und wobei die Auswerteeinheit (12) einen für die erzeugte Spannung charakteristischen Wert abspeichert und dadurch ein Profil der Oberfläche abspeichert.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22,
wobei in einem zweiten Schritt die Ansteuereinheit (10) den piezoelektrischen Aktuator (11) auf Basis des abgespeicherten Profils ansteuert.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23,
wobei während des ersten Schritts ein Winkel zwischen dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) der Oberfläche erfasst wird, und wobei der Winkel von der Auswerteeinheit (12) bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt,
und/oder
wobei während des ersten Schritts eine Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) über die Oberfläche bewegt wird, erfasst wird, wobei die Geschwindigkeit von der Auswerteeinheit (12) bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt, und/oder
wobei während des ersten Schritts eine Beschleunigung, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) über die Oberfläche bewegt wird, erfasst wird, wobei die Beschleunigung von der Auswerteeinheit (12) bei der Erstellung des Profils der Oberfläche berücksichtigt.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) in einer Virtual Reality Anwendung oder einer
Augmented Reality Anwendung verwendet wird.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25,
wobei ein Neigungswinkel des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) erfasst wird, wobei eine Höhe der von der Ansteuereinheit (10) an den
piezoelektrischen Aktuator (11) angelegten Spannung unter Berücksichtigung des Neigungswinkels angepasst wird,
und/oder
wobei eine Geschwindigkeit, mit der das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) bewegt wird, erfasst wird, wobei eine Höhe der von der Ansteuereinheit (10) an den piezoelektrischen Aktuator (11) angelegten
Spannung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit angepasst wird,
und/oder
wobei eine Beschleunigung, die das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) erfährt, erfasst wird, wobei eine Höhe und eine Frequenz der von der Ansteuereinheit (10) an den piezoelektrischen Aktuator (11) angelegten Spannung unter Berücksichtigung der Beschleunigung angepasst werden.
27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26,
wobei ein Abstand von dem stiftförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) zu einer Oberfläche von dem stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) erkannt wird .
28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27,
wobei ein Steuersignal durch das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät (1) erkannt wird.
29. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das Steuersignal dadurch erkannt wird, dass eine an dem piezoelektrischen Aktuator (11) gemessene
Spannung einen vordefinierten Schwellenwert
überschreitet .
30. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei verschiedene Steuersignale dadurch erkannt werden, wie oft die an dem piezoelektrischen Aktuator (11) gemessene Spannung innerhalb eines Zeitintervalls den vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 oder 30,
wobei verschiedene Steuersignal durch die Dauer erkannt werden, in der die an dem piezoelektrischen Aktuator (11) gemessene Spannung den vordefinierten Schwellenwert überschreitet .
32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 31, wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ein Startsignal erkennt und die Aktoreinheit nach
Erkennung des Startsignals aktiviert wird.
33. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das Startsignal durch ein In-die-Handnehmen des stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) gegeben wird, oder
wobei das Startsignal durch ein Annähern des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) an eine Oberfläche gegeben wird, oder
wobei das Startsignal durch ein Klopfen des
stiftförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (1) gegen die Oberfläche gegeben wird.
34. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 33,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät
(I) auf Basis einer von dem piezoelektrischen Aktuator
(II) aufgezeichneten Spannung eine Beschleunigung bestimmt .
35. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät ein charakteristisches Beschleunigungsmuster erkennt, und dadurch eine definierte Bewegung detektiert, die als Steuersignal interpretiert wird.
36. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 35,
wobei der piezoelektrische Aktuator (11) zeitgleich als Sensor und zur Erzeugung einer Vibration verwendet wird.
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