WO2019193006A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer haptischen rückmeldung - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung einer haptischen rückmeldung Download PDF

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WO2019193006A1
WO2019193006A1 PCT/EP2019/058300 EP2019058300W WO2019193006A1 WO 2019193006 A1 WO2019193006 A1 WO 2019193006A1 EP 2019058300 W EP2019058300 W EP 2019058300W WO 2019193006 A1 WO2019193006 A1 WO 2019193006A1
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WO
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interface
base plate
piezoelectric actuator
touch
reinforcing element
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/058300
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Neuwirth
Harald Kastl
Original Assignee
Tdk Electronics Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Tdk Electronics Ag filed Critical Tdk Electronics Ag
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Priority to CN201980023509.9A priority patent/CN111971642A/zh
Priority to DE112019001785.3T priority patent/DE112019001785B4/de
Priority to US17/045,136 priority patent/US11402914B2/en
Publication of WO2019193006A1 publication Critical patent/WO2019193006A1/de
Priority to US17/809,663 priority patent/US11592905B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a haptic feedback.
  • Interface can be about an air conditioner, a
  • touch-sensitive displays in vehicles is that a driver of the vehicle may be forced to actively look at the screen to recognize that a key has been successfully pressed
  • touch-sensitive screens and other interfaces are often combined with a
  • an interface can be vibrated in order to inform the user of the correct operation of the key in this way.
  • the object of the present invention is to provide an improved device for generating a haptic feedback. This object is solved by the subject matter of present claim 1.
  • Feedback proposed, which has an interface with a touch-sensitive surface, a piezoelectric actuator and a mechanical reinforcing element.
  • the mechanical reinforcing element is on the
  • Reinforcement element is attached directly or indirectly to the interface.
  • the mechanical reinforcing element is configured and arranged to deform in a first direction as a result of a change in an extension of the piezoelectric actuator in such a way that a portion of the mechanical reinforcing element relative to the
  • piezoelectric actuator in a second direction which is perpendicular to the first direction, is moved. This exerts a force on the interface that the
  • touch-sensitive surface moves.
  • this can exert a force on the interface that intersects the interface in a direction perpendicular to
  • touch-sensitive surface moves.
  • a piezoelectric actuator after detecting an actuation of the touch-sensitive Surface within a few milliseconds produce a haptic feedback. This provides the piezoelectric
  • Actuator a significantly shorter response time than other means for generating a haptic feedback such as linear resonators.
  • the mechanical reinforcing element may be configured to change the extent of the piezoelectric
  • the mechanical reinforcing member may allow a large and heavy interface to be moved with a piezoelectric actuator. If the interface were moved only by a distance whose length corresponds to the change in the extent of the actuator, the resulting movement would be difficult to perceive for the human sense of touch. However, the interface may be moved a distance the length of which corresponds to the amplitude of the movement of the portion in the second direction, resulting in a greater movement of the interface, which is well perceivable to the human sense of touch.
  • the second direction may be in particular perpendicular to the first direction.
  • the second direction can be the lateral one
  • the actuator and the reinforcing element are such
  • the interface can due to a low
  • the actuator can handle more than one mechanical
  • the actuator comprises two mechanical reinforcing elements, one of which on its upper side, which faces the interface, and one on its lower side, which is of the
  • Interface is remote, is arranged.
  • On the arranged on the bottom reinforcing element could in
  • the interface may preferably be a screen with a touch-sensitive surface.
  • Interface also act to a simple button or other input device.
  • the portion of the mechanical reinforcing member may be attached to a side surface of the interface that is perpendicular to the touch-sensitive surface.
  • the arrangement of the portion of the side surface may result in a simple structure in which the
  • Reinforcement unit are designed to move the interface in the lateral direction.
  • the force generated by the actuator can be achieved by the arrangement of the mechanical reinforcing element on the side surface in a simple manner and without significant losses to the interface
  • the device may have a base plate, wherein the piezoelectric actuator arranged thereto and
  • the haptic feedback can be generated by a relative movement of the interface to the base plate.
  • the base plate can be configured in particular to the installation of the device in a
  • any device such as a vehicle or a
  • the piezoelectric actuator may be arranged and configured to intersect the interface at an angle
  • Such an arrangement of the interface can be selected, for example, if the interface is an overhead display (English: Overhead Display).
  • An overhead screen can be used in vehicles, for example.
  • the interface may be connected to the base plate via a flexible connection.
  • the flexible connection can be designed such that a relative movement of the interface to the base plate is made possible.
  • the flexible connection can ensure that the interface can not move away from the base plate beyond a maximum distance and at the same time always relative to the base plate for producing the haptic
  • the flexible connection may comprise one or more springs.
  • the sprung connection comprises a soft material, for example a rubber.
  • the flexible connection can fix the interface in the lateral direction on the base plate.
  • the flexible connection may be the interface in a direction perpendicular to the touch-sensitive
  • the flexible connection may comprise a spring, a damper, a foam element or a rubber buffer.
  • the flexible connection may be configured to permit movement of the interface relative to the baseplate and to provide a bias voltage for movement of the interface relative to the baseplate
  • the interface can rest loosely on the base plate.
  • the interface can be free floating to the base plate. In this case, the interface can be mechanically fastened only to the piezoelectric actuator.
  • the mechanical reinforcing element can with the
  • Interface be connected by a bond, a screw, a weld, a clamp, a strain or a soldering.
  • the mechanical reinforcing element can communicate with the interface directly or indirectly
  • connection of the mechanical reinforcing element to the interface can be configured such that at least the partial area of the reinforcing element is not relative to the Interface can be moved. Accordingly, the connection may be configured so that the interface of a movement of the portion of the mechanical
  • the piezoelectric actuator can be connected to the base plate by gluing, screwing, welding or clamping directly or indirectly via at least one
  • the further element may be, for example, one or more mechanical reinforcing elements.
  • the mechanical reinforcing element may be designed and arranged such that the movement of the subarea in the second direction has a greater amplitude than that
  • the reinforcing element can
  • the amplitude of the movement in the second direction may be at least five times greater than the change in the second direction
  • the amplitude is at least ten times greater.
  • the partial area may be from a surface of the
  • the mechanical reinforcing member has two end portions which are on the surface of the piezoelectric
  • Actuator are attached, wherein the two end portions directly adjoin the portion, wherein the two end portions are arranged on opposite sides of the portion.
  • the mechanical reinforcing element may be bow-shaped.
  • the device may further comprise a control unit configured to apply a voltage pulse to the
  • the piezoelectric actuator when an actuation of the touch-sensitive surface is detected.
  • the control unit can be integrated in the interface.
  • the voltage pulse may be, for example, a single sinusoidal, rectangular or
  • sawtooth voltage pulse act.
  • it can also be two or more sinusoidal, rectangular or
  • the control unit may be configured to a
  • touch-sensitive surface oppressive object is generated a haptic feedback, which simulates a force jump.
  • the jump in force can be modeled for the user, the feeling of actuation of a mechanical button.
  • the leap in force is characterized by the fact that the user is given the haptic impression that after exceeding a switching point, a mechanical resistance of the surface suddenly decreases.
  • the device may further include a second mechanical
  • the actuator may be arranged between the two reinforcing elements, the second mechanical reinforcing element being designed and
  • the second reinforcing element may be identical in construction to the first reinforcing element.
  • Figures 1, 2 and 3 each show a piezoelectric actuator with two reinforcing elements.
  • FIG. 4 shows schematically a generation of a haptic feedback.
  • Figure 5a and Figure 5b show a first embodiment of a device for generating a haptic feedback.
  • Figure 6a and Figure 6b show a second embodiment of a device for generating a haptic feedback.
  • Figures 7 to 14 show a third to tenth
  • Embodiment of a device for generating a haptic feedback Embodiment of a device for generating a haptic feedback.
  • Figure 15a and Figure 15b show an eleventh embodiment of a device for generating a haptic feedback.
  • Figures 16 to 18 show a twelfth to fourteenth
  • Embodiment of a device for generating a haptic feedback Embodiment of a device for generating a haptic feedback.
  • FIG. 19 shows a voltage pulse derived from a
  • Control unit can be applied to the piezoelectric actuator for generating a haptic feedback and the resulting deflection of the actuator over time.
  • Figures 1, 2 and 3 show a piezoelectric
  • Actuator 11 with two reinforcing elements 13a, 13b The piezoelectric actuator 11 can be used in a device according to the invention for generating a haptic feedback.
  • the piezoelectric actuator 11 constitutes a sintered component having a plurality of piezoelectric layers 22 and internal electrodes 21.
  • the piezoelectric actuator 11 has, in particular, a multiplicity of piezoelectric or active layers 22, which are arranged one above the other in a stack. Between the piezoelectric
  • inner electrodes 21 are arranged.
  • the piezoelectric layers 22 may be lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics).
  • PZT ceramic may further contain Nd and Ni in addition.
  • the PZT ceramic may further include Nd, K and optionally Cu.
  • the PZT ceramic may further include Nd, K and optionally Cu.
  • piezoelectric layers a Pb (Zr x Tii- x) O3 + y
  • the piezoelectric layers 22 have a stacking direction S.
  • the stacking direction S extends along end faces 24 of the actuator 11. Specifically, the piezoelectric layers 22 are along a vertical
  • the actuator 11 has two isolation regions 12.
  • the respective isolation region 12 is formed in an end region of the actuator 11.
  • the respective insulation region 12 is formed in the region of an end face 24 of the actuator 11.
  • isolation region 12 only internal electrodes 21 of one polarity extend as far as the end face 24 of the actuator 11.
  • the isolation region 12 can be used to make contact with the actuator 11.
  • Insulation region 12 are provided with external electrodes 23 for electrical contacting.
  • the actuator 11 is designed such that when an electrical voltage is applied, a deformation of the actuator 1
  • the piezoelectric layers 22 are polarized such that the application of an electrical voltage between the internal 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 extension of the actuator 1 across the
  • the device has two reinforcing elements 13a, 13b. If voltage is applied to the actuator 11, the reinforcing elements 13a, 13b deform at least partially as a result of the change in the extent of the actuator 11, as will be described in detail later.
  • the actuator 11 is disposed between the reinforcing elements 13a, 13b.
  • the reinforcing elements 13a, 13b are at least partially on a top 25 and a
  • Reinforcing element 13a, 13b preferably has a width which corresponds to the width of the actuator 11. The same applies preferably to the length of the reinforcing elements 13a, 13b.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b is integrally formed.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b has a rectangular shape.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b is strip-shaped.
  • Reinforcing element 13a, 13b is formed curved or bent.
  • Sheet metal strip is bent, as detailed below
  • each of the integral reinforcing elements 13a, 13b is subdivided into several regions or sections.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b has a partial region or first region 17a, 17b.
  • the partial region 17a, 17b respectively has a first section or central region 19a,
  • the partial area 17a, 17b also has in each case two second sections or connecting areas 20a, 20b.
  • Reinforcement element 13a, 13b close directly to the central region 19a, 19b of the respective
  • the respective reinforcing element 13a, 13b also has two end regions 18a, 18b.
  • the end regions 18a, 18b directly adjoin the connecting regions 20a, 20b of the respective reinforcing element 13a, 13b.
  • a connecting region 20a, 20b connects an end region 18a, 18b to the middle region 19a, 19b of a reinforcing element 13a, 13b.
  • Reinforcing element lie directly on a surface of the actuator 11.
  • the first and the second end region 18a of the first reinforcing element 13a lie on a partial region of the upper side 25 of the actuator 11.
  • the first and second end regions 18b of the second reinforcing 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 15.
  • the respective partial area 17a, 17b is spaced from the surface of the actuator 11.
  • the free area 16 has a height h.
  • the maximum height h and thus the maximum distance between the actuator 11 and the partial area 17a, 17b is preferably less than or equal to 3 mm, preferably 2.5 mm.
  • the height h of the free area 16 varies along the
  • the central region 19a, 19b of the respective partial region 17a, 17b is formed such that it runs parallel to the surface of the actuator 11.
  • the height h of the free area 16 in the region of the central region 19a, 19b is maximum.
  • connection region 20a, 20b extends obliquely to the surface of the actuator 11.
  • the respective connection region 20a, 20b encloses an angle with the upper side 25 or the lower side 26 of the actuator 11.
  • the angle is preferably less than or equal to 45 °. This reduces the height h of the free area 16 in the direction of the central area 19a, 19b towards the end area 18a, 18b of the respective reinforcing element 13a, 13b. Consequently, the respective reinforcing element 13a, 13b has a curved shape.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b also has at least one thinning 14, preferably several
  • Thinning 14 on.
  • the respective reinforcing element 13a, 13b has four thinnings 14.
  • the thinning 14 can be used as an area
  • the thinning 14 are provided so that the reinforcing element 13a, 13b at the location of the thinning 14 at deflection of the
  • Actuator 11 can bend.
  • the thinnings 14 are preferably formed in transition areas of the respective reinforcing element 13a, 13b.
  • a thinning 14 is in each case formed in the transition region between connecting region 20a, 20b and end region 18a, 18b. Furthermore, there is in each case a thinning 14 in the transition region between the central region 19a, 19b and the connection region 20a, 20b. In the transition regions, the reinforcing element 13a, 13b must bend as the actuator 11 deforms.
  • Thinning 14 provide the necessary flexibility of
  • the second direction R2 is perpendicular to the first direction RI.
  • the second direction R2 runs along the stacking direction S.
  • the central regions 19a, 19b move in the second direction R2. This bends the respective
  • Reinforcement element 13a, 13b in place of the thinning 14 between the central region 19a, 19b connecting portions 20a, 20b and between connecting portions 20a, 20b and
  • End regions 18a, 18b are identical to End regions 18a, 18b.
  • Actuator 11 prevents. Rather, the end regions 18a, 18b move with the actuator 11 in the first direction RI. It Thus, a relative movement takes place between the end regions 18a, 18b and the partial regions 17a, 17b.
  • FIG. 1 shows schematically the piezoelectric actuator 11 shown in Figs. 1 to 3 .
  • Figure 4 shows schematically the piezoelectric actuator 11 shown in Figs. 1 to 3 .
  • the device 1 has an interface 2 with a touch-sensitive surface 3. This is preferably a touch-sensitive
  • Interface 2 triggered.
  • the interface 2 is moved in a lateral direction RL.
  • the lateral direction RL is perpendicular to the direction of the pressure on the
  • the lateral direction RL is parallel to the touch-sensitive surface 3.
  • Bend stiffness of the screen are excited when moving in a parallel direction undesirable natural oscillations. These cause the user to vary the haptic feedback at different positions on the screen perceives strongly. However, this problem does not occur with movements in the lateral direction RL.
  • the movement of the interface 2 in the lateral direction RL can be caused by the piezoelectric actuator 11.
  • piezoelectric actuator 11 arranged mechanical
  • Reinforcing element 13 a wherein the upper side 25 of the piezoelectric actuator 11 is the side facing the interface 2.
  • the mechanical reinforcing element 13b arranged on the lower side 26 of the piezoelectric actuator 11 is referred to below as the second mechanical reinforcing element 13b, the underside 26 of the piezoelectric actuator 11 being referred to as the second mechanical reinforcing element 13b
  • Reinforcement element 13b is an optional component. According to alternative embodiments, the device 1 has only the first reinforcing element 13a arranged on the upper side 25 of the actuator 11 and no second reinforcing element 13b.
  • FIG. 5a and 5b show a first embodiment of the device 1 for generating a haptic feedback.
  • FIG. 5a shows a plan view and
  • FIG. 5b shows a lateral cross section.
  • the device 1 has a base plate 4.
  • Base plate 4 may be a bottom plate or a rear wall.
  • the haptic feedback is generated by a relative movement of the interface 2 to the base plate 4.
  • the base plate 4 remains substantially unmoved, while the interface 2 in the lateral
  • the base plate 4 can be attached to another device, such as a vehicle.
  • the base plate 4 can be compared to the
  • Interface 2 have a much larger mass, for example, at least ten times as large mass as the mass of the interface. 2
  • the base plate 4 can form a frame.
  • the frame has an opening or recess whose shape substantially corresponds to the shape of the interface 2.
  • the base plate can thus frame the interface 2.
  • the device 1 furthermore has the piezoelectric actuator 11 described in connection with FIGS. 1 to 3.
  • the first reinforcing element 13a is at a
  • Part 17a attached to the side surface 2a.
  • the central portion 19a is fixed to the side surface 2a such that the interface 2 can not move relative to the central portion 19a, thus following any movement of the central portion 19a.
  • the portion 17a may be fixed to the side surface 2a of the interface 2 by a non-releasable connection, for example, an adhesive joint or a weld, or by a detachable connection, for example, a screw connection.
  • the piezoelectric actuator 11 is attached to the interface 2 such that the second direction R2 into which the Can be moved portion 17a due to a change in the extension of the actuator 11 in the first direction RI corresponding to the lateral direction RL.
  • Interface 2 moves in the lateral direction RL. In this way the haptic feedback is generated.
  • the second reinforcing member 13b is further attached to
  • portion 17b of the second reinforcing element 13b may be glued, for example, to the base plate 4, bolted to the base plate 4 or with the
  • Base plate 4 to be welded. Since the base plate 4 either has a much higher mass than the interface 2 or is attached to another device, such as a vehicle, the base plate 4 is not moved by a change in the extension of the actuator 11.
  • the interface 2 is in the first embodiment only via the two reinforcing elements 13a, 13b and the
  • the device 1 has no further mechanical connection between the interface 2 and the base plate 4. Accordingly, the interface 2 can move relative to the base plate 4.
  • the interface 2 is loose the base plate 4 on.
  • the base plate 4 is arranged parallel to the touch-sensitive surface of the interface.
  • Figure 6a and Figure 6b show a second embodiment of the device 1.
  • Figure 6a shows a plan view and Figure 6b shows a cross section.
  • the interface 2 is connected via a flexible connection 5 to the base plate 4.
  • the flexible connection 5 may be formed on a side surface 2b of the cut surface 2, which is opposite to the side surface 2a, which is connected to the first
  • Reinforcement element 13a is connected.
  • the flexible connection 5 can also be on another side surface of the interface 2 or on a plurality of side surfaces of the
  • Interface 2 may be formed.
  • the flexible connection 5 a spring 27, which connects the interface 2 with the base plate 4.
  • the flexible connection 5 may also have two or more springs 27, each connecting the interface 2 with the base plate 4.
  • the flexible connection 5 is a resilient
  • the flexible connection 5 can be a
  • the spring 27 of the flexible connection 5 connects the
  • Interface 2 in the lateral direction with the base plate 4, i. in a direction perpendicular to
  • the interface 2 is fixed to the base plate 4 by the piezoelectric actuator 11 and the flexible connection 5 such that the interface 2 is suspended above the base plate.
  • the interface 2 is not applied to the base plate 4.
  • the partial region 17a of the first reinforcing element 13a with the lateral surface 2a is the
  • Interface 2 connected. Accordingly, by a movement of the portion 17a in the second direction R2, a haptic feedback can be generated, wherein the interface 2 is moved in the lateral direction RL.
  • the piezoelectric actuator 11 does not have to be firmly fixed to that of the
  • Base plate 4 formed frame to be connected.
  • Figure 7 show a third embodiment of
  • Figure 7 shows a cross section.
  • Reinforcement elements 13 a, 13 b arranged on the first side surface 2 a of the interface 2.
  • the first reinforcing element 13a is directly connected to the first
  • the second reinforcing element 13 b is directly connected to the base plate 4.
  • the interface 2 is connected via a flexible connection 5 to the base plate 4.
  • the flexible connection 5 is on a bottom of the interface 2, which faces the base plate 4 is arranged. Accordingly, the flexible connection 5 is formed perpendicular to the lateral direction RL, in which the interface 2 is moved in the generation of the haptic signal. In the lateral direction is the
  • the side surface 2 b facing the side surface 2 a is not connected to the base plate 4. Accordingly, the device according to the third embodiment, a flexible connection 5 of the interface 2 with the
  • Base plate 4 in the vertical direction and no flexible connection 5 of the interface 2 with the base plate 4 in the lateral direction RL.
  • the flexible connection 5 has two rubber buffers 28.
  • the rubber buffers 28 have an elasticity that allows lateral movements of the interface 2 relative to the base plate 4.
  • the flexible connection 5 causes a
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment of the device.
  • the flexible connection 5 has springs 27.
  • the springs 27 connect the
  • Interface 2 can be moved relative to the base plate 4.
  • the springs 27 instead of the
  • Rubber buffer 28 differs the fourth
  • Figure 9 shows a fifth embodiment of
  • the flexible connection 5 has a flat foam element 29 which is fixed to the underside of the interface 2 and to the base plate 4.
  • the foam element 29 allows a lateral movement of the interface 2 relative to the base plate 4.
  • the foam element 29 causes a bias of the interface 2 relative to the base plate 4, which overcome must be, so that the interface 2 can be moved relative to the base plate 4.
  • Foam element 29, a sheet rubber element can be used.
  • Figure 10 shows a sixth embodiment of the
  • FIG. 10 shows a lateral cross section.
  • the device according to the sixth embodiment has a flexible connection 5 between the side surface 2 b of the interface and the base plate 4.
  • the flexible connection 5 between the side surface 2 b of the interface and the base plate 4.
  • connection has a foam element 29.
  • the flexible connection is formed in the lateral direction RL.
  • a flexible connection in the vertical direction between the interface 2 and the base plate 4 is not provided.
  • the flexible connection 5 in the lateral direction RL allows movement of the interface 2 in the lateral direction RL relative to the base plate 4, wherein a bias voltage generated by the flexible connection 5 must be overcome.
  • Figure 11 shows a seventh embodiment of the
  • the interface 2 is floating over the base plate 4
  • the interface 2 is on the side surface 2a via the piezoelectric actuator 11 and the
  • Embodiment is particularly suitable for light interfaces 2, such as small screens.
  • the first reinforcing element 13a may be connected to the interface be bolted.
  • the second reinforcing element 13b may be screwed to the base plate 4.
  • Figure 12 shows an eighth embodiment of the
  • the piezoelectric actuator 11 is not laterally of the
  • Actuator 11 is arranged such that it can excite the interface 2 to movements in the lateral direction RL.
  • the second reinforcing element 13b is directly attached to the base plate 4.
  • the first reinforcing element 13 a is fastened to a first connecting element 30.
  • the first reinforcing element 13 a is screwed to the first connecting element 30.
  • the first connection element 30 is attached to the underside of the interface 2.
  • the interface 2 is arranged in free-floating fashion over the base plate 4.
  • Interface 2 is just over from the first one
  • Reinforcement member 13 a is attached to the first connecting member 30 and the first connecting member 30 is fixed to the interface 2, the interface 2 is moved in a lateral direction relative to the base plate 4. This generates the haptic signal.
  • FIG. 13 shows a ninth embodiment of the invention
  • Reinforcement element 13b is not fastened directly to the base plate 4, but to the second connecting element 31, which in turn is fastened to the base plate 4.
  • FIG. 14 shows a tenth embodiment of FIG
  • Connections 5 of the interface 2 are provided with the base plate 4.
  • Interface 2 are each connected via a flexible connection 5 in the lateral direction RL to the base plate 4.
  • the flexible connections 5 each have a spring 27.
  • the flexible connections 5 cause a bias between the interface 2 and the base plate 4, which must be overcome so that the interface 2 to
  • Figure 15a and Figure 15b show an eleventh embodiment of the device.
  • the interface 2 is not arranged parallel to the base plate 4. Rather, the interface 2 and the base plate 4 form an angle.
  • the piezoelectric actuator 11 is disposed on the first side surface 2a of the interface. The piezoelectric actuator 11 is configured to provide
  • Figure 16 shows a twelfth embodiment, which differs from the eleventh embodiment by another
  • FIG. 17 shows a thirteenth embodiment.
  • the interface 2 is also moved at an angle 0 ° ⁇ 90 ° to the base plate 4.
  • the piezoelectric actuator 11 and the piezoelectric actuator 11 are also moved at an angle 0 ° ⁇ 90 ° to the base plate 4.
  • Reinforcing elements 13a, 13b are arranged on the first side surface 2a of the interface 2.
  • Side surface 2b of the interface 2 is a flexible Compound 5 is arranged, which has a spring 27.
  • the spring 27 connects the second side wall 2b with the
  • FIG. 18 shows a fourteenth embodiment of the invention
  • Reinforcement members 13a, 13b are disposed between a lower surface of the interface 2 facing away from the touch-sensitive surface 3 and the base plate 4.
  • the actuator 11 is configured to interface with the 2 in a direction perpendicular to the touch-sensitive
  • the direction of movement with the base plate 4 includes an angle of 90 °.
  • the direction of movement with the base plate 4 includes an angle of 90 °.
  • the flexible connection 5 provides a bias between the interface 2 and the base plate 4, which must be overcome for a movement of the interface 2.
  • the flexible connection 5 is designed such that it moves the interface 2 relative to
  • FIG. 19 shows a voltage pulse derived from a
  • Curve Kl shows the time course of the applied voltage.
  • a single half-sinusoidal pulse with a pulse width of 3.3 ms is applied, which corresponds to a frequency of 300 Hz.
  • Curve K2 shows the time course of the deflection of the piezoelectric actuator 11 in the first direction due the applied pulse. A maximum deflection is already reached after about 5 ms. Accordingly, the response time is very low. As a comparison, it is based on linear resonators
  • piezoelectric actuator 11 a short Abschwing in which the amplitude of the deflections decreases rapidly.
  • the control unit may apply a pulse to the actuator 11 in such a way that the impression of a force jump arises for the user.
  • This force jump can simulate the behavior of a mechanical button and thus give the user a click feeling.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung aufweisend eine Schnittstelle (2) mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche (3), einen piezoelektrischen Aktuator (11), und ein mechanisches Verstärkungselement (13a), wobei das mechanisches Verstärkungselement (13a) an dem piezoelektrischen Aktuator (11) befestigt ist, und wobei das mechanisches Verstärkungselement (13a) an der Schnittstelle (2) direkt oder indirekt befestigt ist, und wobei das mechanisches Verstärkungselement (13a) dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators (11) in eine erste Richtung (R1) derart zu verformen, dass ein Teilbereich (17a) des mechanischen Verstärkungselements (13a) relativ zu dem piezoelektrischen Aktuator (11) in eine zweite Richtung (R2), die senkrecht zur ersten Richtung (RI) ist, bewegt wird, und dadurch eine Kraft auf die Schnittstelle (2) ausgeübt wird, wobei die die Schnittstelle (2) durch die auf sie ausgeübte Kraft in eine Richtung (RL) lateral zur berührungsempfindlichen Oberfläche (3) bewegt wird, oder wobei die Schnittstelle (2) durch die auf sie ausgeübte Kraft in eine Richtung senkrecht zur berührungsempfindlichen Oberfläche (3) bewegt wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
In zunehmendem Maße werden unter anderem in Kraftfahrzeugen herkömmliche Tasten und Schalter zur Bedienen von Geräten durch rein elektronische Varianten, insbesondere durch berührungsempfindliche Bildschirme, ersetzt. Besonders vorteilhaft ist dabei die hohe Vielseitigkeit der
berührungsempfindlichen Bildschirme. Mit einer einzigen
Schnittstelle kann etwa eine Klimaanlage, ein
Navigationsgerät, ein Autoradio und eine Beleuchtung
gesteuert werden. Häufig werden zu diesem Zweck große und schwere Bildschirme in Kraftfahrzeugen verbaut.
Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung von
berührungsempfindlichen Bildschirmen in Fahrzeugen besteht jedoch darin, dass ein Fahrer des Fahrzeugs gezwungen sein könnte, aktiv auf den Bildschirm zu sehen, um erkennen zu können, dass eine Taste erfolgreich gedrückt wurde
beziehungsweise dass eine gewünschte Funktion korrekt ausgelöst worden ist. Gerade in Kraftfahrzeugen kann dies ein Sicherheitsrisiko darstellen, da der Fahrer auf diese Weise für eine gewisse Zeit abgelenkt ist.
Um diesen Nachteil zu umgehen, werden berührungsempfindliche Bildschirme und andere Schnittstellen häufig mit einer
Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung versehen. Beispielsweise kann nach dem Betätigen einer virtuellen Taste eine Schnittstelle in Vibration versetzt werden, um auf diese Weise dem Benutzer das korrekte Bedienen der Taste zurückzumelden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen
Rückmeldung vorgeschlagen, die eine Schnittstelle mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche, einen piezoelektrischen Aktuator und ein mechanisches Verstärkungselement aufweist. Das mechanisches Verstärkungselement ist an dem
piezoelektrischen Aktuator befestigt. Das mechanische
Verstärkungselement ist an der Schnittstelle direkt oder indirekt befestigt. Das mechanische Verstärkungselement ist dazu ausgebildet und angeordnet, sich in Folge einer Änderung einer Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in eine erste Richtung derart zu verformen, dass ein Teilbereich des mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem
piezoelektrischen Aktuator in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, bewegt wird. Dadurch wird eine Kraft auf die Schnittstelle ausgeübt, die die
Schnittstelle in eine Richtung lateral zur
berührungsempfindlichen Oberfläche bewegt. Alternativ kann dadurch eine Kraft auf die Schnittstelle ausgeübt werden, die die Schnittstelle in eine Richtung senkrecht zur
berührungsempfindlichen Oberfläche bewegt.
Die Verwendung eines piezoelektrischen Aktuators zur
Erzeugung der haptischen Rückmeldung bietet den Vorteil einer kurzen Ansprechzeit. Ein piezoelektrischer Aktuator kann nach dem Erkennen einer Betätigung der berührungsempfindlichen Oberfläche innerhalb von wenigen Millisekunden eine haptische Rückmeldung erzeugen. Damit bietet der piezoelektrische
Aktuator eine deutlich kürzere Ansprechzeit als andere Mittel zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung wie beispielsweise Linearresonatoren.
Das mechanische Verstärkungselement kann dazu ausgebildet sein, die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen
Aktuators in die erste Richtung in eine Bewegung des
Teilbereichs in die zweite Richtung zu übersetzen, wobei die Amplitude der Bewegung in die zweite Richtung deutlich größer ist als die Änderung der Ausdehnung des Aktuators.
Dementsprechend kann es das mechanische Verstärkungselement ermöglichen, mit einem piezoelektrischen Aktuator eine große und schwere Schnittstelle zu bewegen. Würde die Schnittstelle nur um eine Strecke bewegt werden, deren Länge der Änderung der Ausdehnung des Aktuators entspricht, wäre die sich so ergebende Bewegung für den menschlichen Tastsinn nur schwer wahrnehmbar. Die Schnittstelle kann jedoch um eine Strecke bewegt werden, deren Länge der Amplitude der Bewegung des Teilbereichs in die zweite Richtung entspricht, so dass sich eine größere Bewegung der Schnittstelle ergibt, die für den menschlichen Tastsinn gut wahrnehmbar ist.
Die zweite Richtung kann insbesondere senkrecht zur ersten Richtung sein. Die zweite Richtung kann der lateralen
Richtung entsprechen, in die die Schnittstelle zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung bewegt wird.
Der Aktuator und das Verstärkungselement sind derart
angeordnet, dass die Schnittstelle in eine Richtung lateral zu ihrer berührungsempfindlichen Oberfläche bewegt wird. Für einen Nutzer ist eine solche Bewegung nicht zu unterscheiden von einer Bewegung der Schnittstelle senkrecht zu ihrer berührungsempfindlichen Oberfläche. Bei Bewegungen senkrecht zur berührungsempfindlichen Oberfläche, die im Folgenden auch als Bewegungen in die parallele Richtung bezeichnet werden, kann die Schnittstelle aufgrund einer geringe
Biegesteifigkeit gegenüber Bewegungen in die parallele
Richtung in unerwünschte Eigenschwingungen versetzt werden. Derartige Eigenschwingungen bewirken, dass der Benutzer die haptische Rückmeldung an verschiedenen Positionen auf der Oberfläche unterschiedlich stark wahrnimmt. Wird die
Schnittstelle dagegen in die laterale Richtung bewegt, treten keine Eigenschwingungen der Schnittstelle auf und der Nutzer nimmt an jeder Position der Schnittstelle die haptische
Rückmeldung gleichstark war. Für den Nutzer ergibt sich dadurch ein angenehmeres Benutzungserlebnis.
In einigen Anwendungen kann eine Bewegung der Schnittstelle in die Richtung senkrecht zur berührungsempfindlichen
Oberfläche gewünscht sein.
Der Aktuator kann mit mehr als einem mechanischen
Verstärkungselement verbunden sein. Vorzugsweise weist der Aktuator zwei mechanische Verstärkungselemente auf, von denen eines auf seiner Oberseite, die der Schnittstelle zugewandt ist, und eines auf seiner Unterseite, die von der
Schnittstelle abgewandt ist, angeordnet ist. Auf das auf der Unterseite angeordnete Verstärkungselement könnte in
alternativen Ausführungsformen verzichtet werden.
Die Schnittstelle kann vorzugsweise ein Bildschirm mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche sein. Derartige
Bildschirme sind häufig groß und schwer und weisen bei
Bewegungen in die parallele Richtung eine geringe Biegesteifigkeit auf. Dementsprechend ist insbesondere bei derartigen Schnittstellen eine Bewegung in die laterale
Richtung zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung
vorteilhaft .
In alternativen Ausgestaltungen könnte es sich bei der
Schnittstelle auch um einen einfache Taste oder ein anderes Eingabegerät handeln.
Der Teilbereich des mechanischen Verstärkungselements kann an einer Seitenfläche der Schnittstelle befestigt sein, die senkrecht zu der berührungsempfindlichen Oberfläche ist.
Durch die Anordnung des Teilbereichs an der Seitenfläche kann sich ein einfacher Aufbau ergeben, bei dem der
piezoelektrische Aktuator und die mechanische
Verstärkungseinheit dazu ausgestaltet sind, die Schnittstelle in die laterale Richtung zu bewegen. Die von dem Aktuator erzeugte Kraft kann durch die Anordnung des mechanischen Verstärkungselements an der Seitenfläche in einfacher Weise und ohne wesentliche Verluste auf die Schnittstelle
übertragen werden.
Ferner kann die Vorrichtung eine Grundplatte aufweisen, wobei der piezoelektrischen Aktuator dazu angeordnet und
ausgestaltet ist, die Schnittstelle relativ zu der
Grundplatte zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zu bewegen. Insbesondere kann die haptische Rückmeldung durch eine Relativbewegung der Schnittstelle zu der Grundplatte erzeugt werden. Die Grundplatte kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, den Einbau der Vorrichtung in ein
beliebiges Gerät, beispielsweise ein Fahrzeug oder ein
Mobiltelefon, zu ermöglichen. Dazu kann die Grundplatte dazu ausgestaltet sein, an dem beliebigen Gerät mechanisch
befestigt zu werden.
Der piezoelektrischen Aktuator kann dazu angeordnet und ausgestaltet sein, die Schnittstelle in einem Winkel
relativ zu der Grundplatte zur Erzeugung der haptischen
Rückmeldung zu bewegen, wobei 0° d d 180°. Ist der Winkel = 0°, liegt eine Bewegung der Schnittstelle parallel zur Grundplatte vor. Ist der Winkel = 90°, liegt eine Bewegung der Schnittstelle senkrecht zur Grundplatte vor. Es sind auch Bewegungen in eine beliebig andere Richtung der Schnittstelle relativ zur Grundplatte möglich. Dabei kann die Schnittstelle insbesondere schräg zur Grundplatte bewegt werden.
Ist der Winkel im Bereich 90° < d 180° kann die
Schnittstelle in Bezug auf die Grundplatte überhängend angeordnet sein. Eine derartige Anordnung der Schnittstelle kann beispielsweise gewählt werden, wenn es sich bei der Schnittstelle um einen Überkopf-Bildschirm (engl.: Overhead Display) handelt. Ein Überkopf-Bildschirm kann beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden.
Die Schnittstelle kann mit der Grundplatte über eine flexible Verbindung verbunden sein. Dabei kann die flexible Verbindung derart ausgestaltet sein, dass eine Relativbewegung der Schnittstelle zu der Grundplatte ermöglicht wird. Durch die flexible Verbindung kann sichergestellt werden, dass die Schnittstelle sich nicht über einen Maximalabstand hinaus von der Grundplatte wegbewegen kann und gleichzeitig sich stets relativ zu der Grundplatte zur Erzeugung der haptischen
Rückmeldung bewegen kann. Die flexible Verbindung kann eine oder mehrere Federn aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die gefederte Verbindung ein weiches Material, beispielsweise einen Gummi, aufweisen.
Die flexible Verbindung kann die Schnittstelle in lateraler Richtung an der Grundplatte befestigen. Alternativ oder ergänzend kann die flexible Verbindung die Schnittstelle in eine Richtung senkrecht zur berührungsempfindlichen
Oberfläche an der Grundplatte befestigen.
Die flexible Verbindung kann eine Feder, einen Dämpfer, ein Schaumstoffelement oder einen Gummipuffer aufweisen.
Die flexible Verbindung kann dazu ausgestaltet sein, eine Bewegung der Schnittstelle relativ zu der Grundplatte zu ermöglichen und eine Vorspannung zu erzeugen, die für eine Bewegung der Schnittstelle relativ zu der Grundplatte
überwunden werden muss.
Die Schnittstelle kann auf der Grundplatte lose aufliegt.
Die Schnittstelle kann freischwebend zur Grundplatte sein. Dabei kann die Schnittstelle nur an dem piezoelektrischen Aktuator mechanisch befestigt sein.
Das mechanische Verstärkungselement kann mit der
Schnittstelle durch eine Klebung, eine Verschraubung, eine Verschweißung, eine Klemmung, eine Verspannung oder eine Lötung verbunden sein. Das mechanische Verstärkungselement kann mit der Schnittstelle direkt oder indirekt über
zumindest ein weiteres Element verbunden sein. Dabei kann die Verbindung des mechanischen Verstärkungselements mit der Schnittstelle derart ausgestaltet sein, dass zumindest der Teilbereich des Verstärkungselementes nicht relativ zu der Schnittstelle bewegt werden kann. Dementsprechend kann die Verbindung dazu ausgestaltet sein, dass die Schnittstelle einer Bewegung des Teilbereichs des mechanischen
Verstärkungselementes folgt.
Der piezoelektrische Aktuator kann mit der Grundplatte durch eine Klebung, eine Verschraubung, eine Verschweißung oder eine Klemmung direkt oder indirekt über zumindest ein
weiteres Element verbunden sein. Bei dem weiteren Element kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere mechanische Verstärkungselemente handeln.
Das mechanische Verstärkungselement kann dazu ausgebildet und angeordnet sein, dass die Bewegung des Teilbereichs in die zweite Richtung eine größere Amplitude aufweist als die
Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung. Das Verstärkungselement kann
dementsprechend eine Übersetzung bilden, die die Bewegung des Aktuators in die erste Richtung in die zweite Richtung umlenkt und dabei die Amplitude der Bewegung vergrößert.
Dabei kann die Amplitude der Bewegung in die zweite Richtung mindestens fünfmal größer sein als die Änderung der
Ausdehnung des Aktuators, vorzugsweise ist die Amplitude zumindest zehnmal größer.
Der Teilbereich kann von einer Oberfläche des
piezoelektrischen Aktuators beabstandet angeordnet sein, wobei das mechanische Verstärkungselement zwei Endbereiche aufweist, die an der Oberfläche des piezoelektrischen
Aktuators befestigt sind, wobei sich die beiden Endbereiche unmittelbar an den Teilbereich anschließen, wobei die beiden Endbereiche an gegenüberliegenden Seiten des Teilbereichs angeordnet sind. Durch eine Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung werden die Endbereiche aufeinander zubewegt oder voneinander wegbewegt. Dadurch kann der Teilbereich in die zweite Richtung bewegt werden .
Das mechanische Verstärkungselement kann bügelförmig sein.
Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, einen Spannungspuls an den
piezoelektrischen Aktuator anzulegen, wenn eine Betätigung der berührungsempfindlichen Oberfläche erkannt wird. Die Steuereinheit kann in die Schnittstelle integriert sein. Bei dem Spannungspuls kann es sich beispielsweise um einen einzelnen sinusförmigen, rechteckförmigen oder
sägezahnförmigen Spannungspuls handeln. Alternativ kann es sich auch um zwei oder mehr sinus-, rechteck- oder
sägezahnförmige Spannungspulse handeln.
Die Steuereinheit kann dazu ausgestaltet sein, einen
Spannungspuls an den piezoelektrischen Aktuator anzulegen, der bewirkt, dass das mechanische Verstärkungselement derart verformt wird, dass gegenüber einem auf die
berührungsempfindliche Oberfläche drückenden Objekt eine haptische Rückmeldung erzeugt wird, die einen Kraftsprung nachbildet. Durch den Kraftsprung kann für den Nutzer das Gefühl der Betätigung einer mechanischen Taste nachempfunden werden. Der Kraftsprung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Benutzer der haptische Eindruck vermittelt wird, dass nach Überschreiten eines Schaltpunktes ein mechanischer Widerstand der Oberfläche sprunghaft abnimmt.
Die Vorrichtung kann ferner ein zweites mechanisches
Verstärkungselement aufweisen, das an dem piezoelektrischen Aktuator befestigt ist. Der Aktuator kann zwischen den beiden Verstärkungselementen angeordnet sein, wobei das zweite mechanische Verstärkungselement dazu ausgebildet und
angeordnet ist, sich in Folge der Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in die erste Richtung derart zu verformen, dass ein Teilbereich des zweiten mechanischen Verstärkungselements relativ zu dem piezoelektrischen
Aktuator in eine zweite Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, bewegt wird. Das zweite Verstärkungselement kann baugleich zu dem ersten Verstärkungselement sein.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der
Figuren näher erläutert.
Figuren 1, 2 und 3 zeigen jeweils einen piezoelektrischen Aktuator mit zwei Verstärkungselementen.
Figur 4 zeigt schematisch eine Erzeugung einer haptischen Rückmeldung .
Figur 5a und Figur 5b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
Figur 6a und Figur 6b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
Figuren 7 bis 14 zeigen ein drittes bis zehntes
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
Figur 15a und Figur 15b zeigen ein elftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung. Figuren 16 bis 18 zeigen ein zwölftes bis vierzehntes
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung.
Figur 19 zeigt einen Spannungspuls, der von einer
Steuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung angelegt werden kann und die daraus resultierende Auslenkung des Aktuators im zeitlichen Verlauf .
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen einen piezoelektrischen
Aktuator 11 mit zwei Verstärkungselementen 13a, 13b. Der piezoelektrische Aktuator 11 kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung 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.
Bei den piezoelektrischen Schichten 22 kann es sich um Blei- Zirkonat-Titanat-Keramiken ( PZT-Keramiken) handeln. Die PZT- Keramik kann ferner zusätzlich Nd und Ni enthalten.
Alternativ kann die PZT-Keramik ferner zusätzlich Nd, K und gegebenenfalls Cu aufweisen. Alternativ können die
piezoelektrischen Schichten eine Pb ( ZrxTii-x) O3 + y
Pb (Mni/3Nb2/3) O3 enthaltenden Zusammensetzung aufweisen. 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.
Der Aktuator 11 weist zwei Isolationsbereiche 12 auf. Der jeweilige Isolationsbereich 12 ist in einem Endbereich des Aktuators 11 ausgebildet. Insbesondere ist der jeweilige Isolationsbereich 12 im Bereich einer Stirnfläche 24 des Aktuators 11 ausgebildet.
Im Isolationsbereich 12 reichen nur Innenelektroden 21 einer Polarität bis an die Stirnfläche 24 des Aktuators 11. Der Isolationsbereich 12 kann zur Kontaktierung des Aktuators 11 verwendet werden. Beispielsweise kann der jeweilige
Isolationsbereich 12 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 zwei Verstärkungselemente 13a, 13b auf. Wird an den Aktuator 11 Spannung angelegt, so verformen sich die 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 Verstärkungselementen 13a, 13b angeordnet. Die Verstärkungselemente 13a, 13b liegen zumindest teilweise auf einer Oberseite 25 bzw. einer
Unterseite 26 des Aktuators 11 auf. Das jeweilige
Verstärkungselement 13a, 13b weist vorzugsweise eine Breite auf, welche der Breite des Aktuators 11 entspricht. Gleiches gilt vorzugsweise für die Länge der Verstärkungselemente 13a, 13b.
Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b ist einstückig ausgebildet. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist eine rechteckige Form auf. Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b ist streifenförmig ausgebildet. Das jeweilige
Verstärkungselement 13a, 13b ist gekrümmt bzw. verbogen ausgebildet. Beispielsweise weist das jeweilige
Verstärkungselement einen Blechstreifen auf. Der
Blechstreifen ist gebogen, wie im Folgenden im Detail
erläutert wird.
Jedes der einstückigen Verstärkungselemente 13a, 13b ist in mehrere Bereiche oder Abschnitte untergliedert. So weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b einen Teilbereich oder ersten Bereich 17a, 17b auf. Der Teilbereich 17a, 17b weist jeweils einen ersten Abschnitt oder mittleren Bereich 19a,
19b auf. Der Teilbereich 17a, 17b weist ferner jeweils zwei zweite Abschnitte oder Verbindungsbereiche 20a, 20b auf. Die beiden Verbindungsbereiche 20a, 20b des jeweiligen
Verstärkungselements 13a, 13b schließen sich unmittelbar an den mittleren Bereich 19a, 19b des jeweiligen
Verstärkungselements 13a, 13b an. Der mittlere Bereich 19a, 19b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b ist mit anderen Worten von den beiden Verbindungsbereichen 20a, 20b zu beiden Seiten hin umgeben.
Das jeweilige 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 19a, 19b eines Verstärkungselements 13a, 13b.
Die beiden Endbereiche 18a, 18b des jeweiligen
Verstärkungselements liegen unmittelbar auf einer Oberfläche des Aktuators 11 auf. So liegen der erste und der zweite Endbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a auf einem Teilbereich der Oberseite 25 des Aktuators 11 auf. Weiterhin liegen der erste und der zweite Endbereich 18b des zweiten 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 15 verbunden. Der jeweilige Teilbereich 17a, 17b ist von der Oberfläche des Aktuators 11 beabstandet. Insbesondere befindet sich zwischen dem jeweiligen Teilbereich 17a, 17b und der Unterseite 26 bzw. der Oberseite 25 des Aktuators 11 ein Freibereich 16.
Der Freibereich 16 weist eine Höhe h auf. Die maximale Höhe h und damit der maximale Abstand zwischen dem Aktuator 11 und dem Teilbereich 17a, 17b beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, bevorzugt 2,5 mm.
Die Höhe h des Freibereichs 16 variiert entlang des
jeweiligen Teilbereichs 17a, 17b. So ist der mittlere Bereich 19a, 19b des jeweiligen Teilbereichs 17a, 17b so ausgebildet, dass er parallel zu der Oberfläche des Aktuators 11 verläuft. Damit ist die Höhe h des Freibereichs 16 im Bereich des mittleren Bereichs 19a, 19b 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 h des Freibereichs 16 in Richtung von mittleren Bereich 19a, 19b hin zum Endbereich 18a, 18b des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b. Folglich weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b eine gebogene Form auf .
Das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b weist ferner wenigstes eine Ausdünnung 14, vorzugsweise mehrere
Ausdünnungen 14, auf. In den Figuren 1 bis 3 weist das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b vier Ausdünnungen 14 auf. Die Ausdünnungen 14 können dabei als ein Bereich
angesehen werden, in dem das jeweilige Verstärkungselement 13a, 13b dünner ist, also eine geringere vertikale Ausdehnung oder Dicke hat, als im übrigen Bereich. Die Ausdünnungen 14 sind dazu vorgesehen, dass sich das Verstärkungselement 13a, 13b an der Stelle der Ausdünnung 14 bei Auslenkung des
Aktuators 11 verbiegen kann. Bevorzugt sind die Ausdünnungen 14 in Übergangsbereichen des jeweiligen Verstärkungselements 13a, 13b ausgebildet. Eine Ausdünnung 14 ist dabei jeweils im Übergangsbereich zwischen Verbindungsbereich 20a, 20b und Endbereich 18a, 18b ausgebildet. Ferner findet sich jeweils eine Ausdünnung 14 im Übergangsbereich zwischen mittlerem Bereich 19a, 19b und Verbindungsbereich 20a, 20b. In den Übergangsbereichen muss sich das Verstärkungselement 13a, 13b verbiegen, wenn sich der Aktuator 11 verformt. Die
Ausdünnungen 14 stellen die nötige Flexibilität des
Verstärkungselements 13a, 13b sicher.
Wird nun an den Aktuator 11 Spannung angelegt, so bewegen sich die Teilbereiche 17a, 17b 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.
Insbesondere bewegen sich die mittleren Bereiche 19a, 19b in die zweite Richtung R2. Dabei biegt sich das jeweilige
Verstärkungselement 13a, 13b an Stelle der Ausdünnungen 14 zwischen mittlerem Bereich 19a, 19b 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 15 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.
Der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte piezoelektrische Aktuator 11 wird in einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung verwendet. Figur 4 zeigt schematisch die
Erzeugung der haptischen Rückmeldung.
Die Vorrichtung 1 weist eine Schnittstelle 2 mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche 3 auf. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen berührungsempfindlichen
Bildschirm. Zur Betätigung der Schnittstelle 2 wird ein Druck auf die berührungsempfindliche Oberfläche 3 ausgeübt. Wird eine solche Betätigung erkannt, wird eine Vibration der
Schnittstelle 2 ausgelöst. Dazu wird die Schnittstelle 2 in eine laterale Richtung RL bewegt. Die laterale Richtung RL ist senkrecht zur Richtung der Druckausübung auf die
berührungsempfindliche Oberfläche 3. Die laterale Richtung RL ist parallel zur berührungsempfindlichen Oberfläche 3.
Für einen Benutzer der Vorrichtung 1 sind Bewegungen der Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL nicht
unterscheidbar von Bewegungen der Schnittstelle 2 in eine parallele Richtung, die senkrecht zur lateralen Richtung RL ist. Handelt es sich bei der Schnittstelle 2 um einen großen und schweren Bildschirm, bieten die Bewegungen in laterale Richtung RL gegenüber Bewegungen in die parallele Richtung wesentliche Vorteile. Aufgrund einer geringeren
Biegesteifigkeit des Bildschirms werden bei der Bewegung in paralleler Richtung unerwünschte Eigenschwingungen angeregt. Diese führen dazu, dass der Benutzer das haptische Feedback an verschiedenen Positionen des Bildschirms unterschiedlich stark wahrnimmt. Dieses Problem tritt bei Bewegungen in lateraler Richtung RL jedoch nicht auf.
Die Bewegung der Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL kann durch den piezoelektrischen Aktuator 11 veranlasst werden. Anhand der Figuren 5 und 6 werden
Ausführungsbeispiele erläutert, die Möglichkeiten zur
Befestigung des Aktuators 11 an der Schnittstelle 2 zeigen.
Im Folgenden wird das an der Oberseite 25 des
piezoelektrischen Aktuators 11 angeordnete mechanische
Verstärkungselement 13a als erstes mechanisches
Verstärkungselement 13a bezeichnet, wobei die Oberseite 25 des piezoelektrischen Aktuators 11 diejenige Seite ist, die der Schnittstelle 2 zugewandt ist. Das an der Unterseite 26 des piezoelektrischen Aktuators 11 angeordnete mechanische Verstärkungselement 13b wird im Folgenden als zweites mechanisches Verstärkungselement 13b bezeichnet, wobei die Unterseite 26 des piezoelektrischen Aktuators 11 der
Oberseite 25 gegenüberliegt. Das zweite mechanische
Verstärkungselement 13b ist ein optionales Bauelement. Gemäß alternativen Ausführungsformen weist die Vorrichtung 1 nur das erste, an der Oberseite 25 des Aktuators 11 angeordnete Verstärkungselement 13a und kein zweites Verstärkungselement 13b auf.
Figuren 5a und 5b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung. Figur 5a zeigt eine Draufsicht und Figur 5b zeigt einen seitlichen Querschnitt.
Die Vorrichtung 1 weist eine Grundplatte 4 auf. Die
Grundplatte 4 kann eine Bodenplatte oder eine Rückwand sein. Die haptische Rückmeldung wird durch eine Relativbewegung der Schnittstelle 2 zu der Grundplatte 4 erzeugt. Bei der
Relativbewegung bleibt die Grundplatte 4 im Wesentlichen unbewegt, während die Schnittstelle 2 in die laterale
Richtung RL bewegt wird. Die Grundplatte 4 kann dazu an einem weiteren Gerät, beispielsweise einem Fahrzeug, befestigt sein. Die Grundplatte 4 kann im Vergleich zu der
Schnittstelle 2 eine wesentlich größere Masse aufweisen, beispielsweise eine zumindest zehnmal so große Masse wie die Masse der Schnittstelle 2.
Die Grundplatte 4 kann einen Rahmen formen. Der Rahmen weist eine Öffnung oder Aussparung auf, deren Form im Wesentlichen der Form der Schnittstelle 2 entspricht. Die Grundplatte kann die Schnittstelle 2 somit umrahmen.
Die Vorrichtung 1 weist ferner den im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen piezoelektrischen Aktuator 11 auf. Das erste Verstärkungselement 13a ist an einer
Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 befestigt, die senkrecht zu der berührungsempfindlichen Oberfläche 3 der Schnittstelle 2 ist. Insbesondere ist der mittlere Bereich 19a des
Teilbereichs 17a an der Seitenfläche 2a befestigt. Dabei ist der mittlere Bereich 19a derart an der Seitenfläche 2a befestigt, dass die Schnittstelle 2 sich nicht relativ zu dem mittleren Bereich 19a bewegen kann und somit jeder Bewegung des mittleren Bereichs 19a folgt. Der Teilbereich 17a kann durch eine nicht-lösbare Verbindung, beispielsweise eine Klebeverbindung oder eine Verschweißung, oder durch eine lösbare Verbindung, beispielsweise eine Verschraubung, an der Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 befestigt sein. Der piezoelektrische Aktuator 11 ist derart an der Schnittstelle 2 befestigt, dass die zweite Richtung R2, in die der Teilbereich 17a in Folge einer Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11 in die erste Richtung RI bewegt werden kann, der lateralen Richtung RL entspricht.
Wird ein Spannungspuls an den Aktuator 11 angelegt, bewegt sich der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a in die zweite Richtung R2. Da die Schnittstelle 2 fest mit dem Teilbereich 17a verbunden ist, wird durch die Bewegung des Teilbereichs 17a in die zweite Richtung R2 die
Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL bewegt. Auf diese Weise wird die haptische Rückmeldung erzeugt.
Das zweite Verstärkungselement 13b ist ferner an der
Grundplatte 4 befestigt. Dabei ist der Teilbereich 17b des zweiten Verstärkungselementes 13b mit der Grundplatte 4 fest verbunden, so dass sich der mittlere Bereich 19b des
Teilbereichs 17b nicht relativ zur Grundplatte 4 bewegen kann. Der Teilbereich 17b des zweiten Verstärkungselements 13b kann beispielsweise an die Grundplatte 4 geklebt sein, mit der Grundplatte 4 verschraubt sein oder mit der
Grundplatte 4 verschweißt sein. Da die Grundplatte 4 entweder eine wesentlich höhere Masse als die Schnittstelle 2 aufweist oder an einem weiteren Gerät, beispielsweise einem Fahrzeug befestigt ist, wird die Grundplatte 4 durch eine Änderung der Ausdehnung des Aktuators 11 nicht bewegt.
Die Schnittstelle 2 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel nur über die beiden Verstärkungselemente 13a, 13b und den
piezoelektrischen Aktuator 11 mit der Grundplatte 4
verbunden. Die Vorrichtung 1 weist keine weitere mechanische Verbindung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4 auf. Dementsprechend kann die Schnittstelle 2 sich relativ zu der Grundplatte 4 bewegen. Die Schnittstelle 2 liegt lose auf der Grundplatte 4 auf. Bei der Erzeugung des haptischen
Signals gleitet die Schnittstelle 2 über die Grundplatte 4.
Die Grundplatte 4 ist parallel zur berührungsempfindlichen Oberfläche der Schnittstelle angeordnet.
Es ergibt sich somit ein einfacher Aufbau, der Bewegungen der Schnittstelle 2 in eine laterale Richtung RL relativ zu der Grundplatte 4 ermöglicht.
Figur 6a und Figur 6b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1. Figur 6a zeigt eine Draufsicht und Figur 6b zeigt einen Querschnitt.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 über eine flexible Verbindung 5 mit der Grundplatte 4 verbunden. Die flexible Verbindung 5 kann dabei an einer Seitenfläche 2b der Schnittfläche 2 ausgebildet sein, die der Seitenfläche 2a gegenüberliegt, die mit dem ersten
Verstärkungselement 13a verbunden ist. Alternativ kann die flexible Verbindung 5 auch an einer anderen Seitenfläche der Schnittstelle 2 oder an mehreren Seitenflächen der
Schnittstelle 2 ausgebildet sein.
In dem in Figur 6a und Figur 6b gezeigten zweiten
Ausführungsbeispiel weist die flexible Verbindung 5 eine Feder 27 auf, die die Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 verbindet. Die flexible Verbindung 5 kann auch zwei oder mehr Federn 27 aufweisen, die jeweils die Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 verbinden. Alternativ oder ergänzend zu den Federn 27 kann die flexible Verbindung 5 ein federndes
Material, beispielsweise ein weiches Gummi, aufweisen. Die flexible Verbindung 5 erlaubt Relativbewegungen der
Schnittstelle 2 zu der Grundplatte 4. Allerdings kann die Amplitude der Relativbewegung durch die flexible Verbindung 5 begrenzt sein. Die flexible Verbindung 5 kann eine
Vorspannung der Schnittstelle 2 relative zur Grundplatte 4 bewirken, die für eine Bewegung der Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4 überwunden werden muss.
Die Feder 27 der flexiblen Verbindung 5 verbindet die
Schnittstelle 2 in lateraler Richtung mit der Grundplatte 4, d.h. in eine Richtung, die senkrecht zur
berührungsempfindlichen Oberfläche 3 der Schnittstelle 2 ist.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 durch den piezoelektrischen Aktuator 11 und die flexible Verbindung 5 derart an der Grundplatte 4 befestigt, dass die Schnittstelle 2 über der Grundplatte aufgehängt ist. Die Schnittstelle 2 liegt nicht an der Grundplatte 4 an.
Wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits erläutert wurde, ist der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a mit der Seitenfläche 2a der
Schnittstelle 2 verbunden. Dementsprechend kann durch eine Bewegung des Teilbereichs 17a in die zweite Richtung R2 eine haptische Rückmeldung erzeugt werden, wobei die Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL bewegt wird.
Der piezoelektrische Aktuator 11 muss dabei im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel nicht fest mit dem von der
Grundplatte 4 gebildeten Rahmen verbunden sein. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel genannten Verbindungsmöglichkeiten einer Klebung,
Verschweißung oder Verschraubung des Teilbereichs 17b des zweiten Verstärkungselements 13b mit der Grundplatte 4, besteht bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit den Aktuator 11 zwischen der Schnittstelle 2 und einem von der Grundplatte 4 gebildeten Rahmen einzuklemmen. Dabei kann die Klemmung durch die flexible Verbindung 5 zwischen der Grundplatte 4 und der Schnittstelle 2 bewirkt werden. Die flexible Verbindung 5 kann dabei bei dem in Figuren 6a und 6b gezeigten Ruhezustand, in dem keine Spannung an dem Aktuator 11 anliegt, vorgespannt sein. Es ist ferner auch möglich, dass der Teilbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a lediglich durch die Klemmung mit der Schnittstelle 2
verbunden ist.
Wird eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 11 angelegt, so führt diese dazu, dass die Schnittstelle 2 infolge einer Bewegung der Verstärkungselemente 13a, 13b in die zweite Richtung R2 in die laterale Richtung RL relativ zu der Grundplatte 4 bewegt wird, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits erläutert wurde.
Figur 7 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 1. Figur 7 zeigt einen Querschnitt.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der
piezoelektrische Aktuator 11 mit den zwei
Verstärkungselementen 13a, 13b an der ersten Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 angeordnet. Insbesondere ist das erste Verstärkungselement 13a unmittelbar mit der ersten
Seitenfläche 2a verbunden. Das zweite Verstärkungselement 13b ist unmittelbar mit der Grundplatte 4 verbunden.
Die Schnittstelle 2 ist über eine flexible Verbindung 5 mit der Grundplatte 4 verbunden. Die flexible Verbindung 5 ist an einer Unterseite der Schnittstelle 2, die der Grundplatte 4 zugewandt ist angeordnet. Dementsprechend ist die flexible Verbindung 5 senkrecht zur lateralen Richtung RL ausgebildet, in die die Schnittstelle 2 bei der Erzeugung des haptischen Signals bewegt wird. In der lateralen Richtung ist die
Schnittstelle 2 nur auf der Seitenfläche 2a über den
piezoelektrischen Aktuator 11 und die beiden
Verstärkungselemente 13a, 13b mit der Grundplatte 4
verbunden .
Die Seitenfläche 2b, die der Seitenfläche 2a gegenüberliegt, ist nicht mit der Grundplatte 4 verbunden. Dementsprechend weist die Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine flexible Verbindung 5 der Schnittstelle 2 mit der
Grundplatte 4 in die senkrechten Richtung und keine flexible Verbindung 5 der Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4in die laterale Richtung RL auf.
Die flexible Verbindung 5 weist zwei Gummipuffer 28 auf. Die Gummipuffer 28 weisen eine Elastizität auf, die laterale Bewegungen der Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4 ermöglicht. Die flexible Verbindung 5 bewirkt eine
Vorspannung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4. Die Vorspannung muss überwunden werden, um die
Schnittstelle 2 relativ zu der Grundplatte 4 zu bewegen.
Die flexible Verbindung 5 ermöglicht es die Schnittstelle 2 zu stabilisieren und den Bewegungsradius, um den sich die Schnittstelle 2 bei der Erzeugung des haptischen Signals bewegt, zu begrenzen, ohne dabei Bewegungen der Schnittstelle 2 relativ zu der Grundplatte 4 vollkommen zu verhindern. Figuren 8 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung .
Die Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in der Ausgestaltung der flexiblen
Verbindung 5 zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel weist die flexible Verbindung 5 Federn 27 auf. Die Federn 27 verbinden die
Schnittstelle 2 in senkrechter Richtung mit der Grundplatte 4. Die Federn 27 ermöglichen eine laterale Bewegung der
Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4. Die Federn 27 bewirken eine Vorspannung der Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4, die überwunden werden muss, damit die
Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4 bewegt werden kann. Abgesehen von der Verwendung der Federn 27 statt der
Gummipuffer 28 unterscheidet sich das vierte
Ausführungsbeispiel nicht vom dritten Ausführungsbeispiel.
Figur 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung .
Die Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in der Ausgestaltung der flexiblen
Verbindung 5 zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel weist die flexible Verbindung 5 ein flächiges Schaumstoffelement 29 auf, das an der Unterseite der Schnittstelle 2 und an der Grundplatte 4 befestigt ist. Das Schaumstoffelement 29 ermöglicht eine laterale Bewegung der Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4. Das Schaumstoffelement 29 bewirkt eine Vorspannung der Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4, die überwunden werden muss, damit die Schnittstelle 2 relativ zur Grundplatte 4 bewegt werden kann. Alternativ zu dem
Schaumstoffelement 29 kann ein flächiges Gummielement verwendet werden.
Figur 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung. Figur 10 zeigt einen seitlichen Querschnitt.
Die Vorrichtung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel weist eine flexible Verbindung 5 zwischen der Seitenfläche 2b der Schnittstelle und der Grundplatte 4 auf. Die flexible
Verbindung weist ein Schaumstoffelement 29 auf. Die flexible Verbindung ist in lateraler Richtung RL ausgebildet. Eine flexible Verbindung in senkrechter Richtung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4 ist nicht vorgesehen. Wie auch im zweiten Ausführungsbeispiel ermöglicht die flexible Verbindung 5 in der lateralen Richtung RL eine Bewegung der Schnittstelle 2 in lateraler Richtung RL relativ zur Grundplatte 4, wobei eine von der flexiblen Verbindung 5 erzeugte Vorspannung überwunden werden muss.
Figur 11 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung. Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 freischwebend über der Grundplatte 4
angeordnet. Die Schnittstelle 2 ist an der Seitenfläche 2a über den piezoelektrischen Aktuator 11 und die
Verstärkungselemente 13a, 13b an der Grundplatte befestigt. Eine zusätzliche flexible Verbindung der Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 ist nicht vorgesehen. Das siebte
Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für leichte Schnittstellen 2, beispielsweise kleine Bildschirme. Das erste Verstärkungselement 13a kann mit der Schnittstelle verschraubt sein. Das zweite Verstärkungselement 13b kann mit der Grundplatte 4 verschraubt sein.
Figur 12 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung .
Bei der Vorrichtung gemäß dem achten Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Aktuator 11 nicht seitlich von der
Schnittstelle 2, sondern unter der Schnittstelle 2
angeordnet. Insbesondere ist der piezoelektrische Aktuator 11 zwischen der Unterseite der Schnittstelle 2 und der
Grundplatte angeordnet. Dabei ist der piezoelektrische
Aktuator 11 derart angeordnet, dass er die Schnittstelle 2 zu Bewegungen in die laterale Richtung RL anregen kann.
Das zweite Verstärkungselement 13b ist an der Grundplatte 4 unmittelbar befestigt. Das erste Verstärkungselement 13a ist an einem ersten Verbindungselement 30 befestigt. Das erste Verstärkungselement 13a ist mit dem ersten Verbindungselement 30 verschraubt. Das erste Verbindungselement 30 ist an der Unterseite der Schnittstelle 2 befestigt. Wird das erste Verbindungselement 30 von dem piezoelektrischen Aktuator 11 in die laterale Richtung RL bewegt, folgt die Schnittstelle 2 dieser Bewegung auf Grund der Verbindung des ersten
Verbindungselements 30 mit der Schnittstelle 2.
Gemäß dem achten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 freischwebend über der Grundplatte 4 angeordnet. Die
Schnittstelle 2 ist nur über die aus dem ersten
Verbindungselement 30, den piezoelektrischen Aktuator 11 und die beiden Verstärkungselemente 13a, 13b gebildete Verbindung mit der Grundplatte 4 verbunden. Eine zusätzliche flexible Verbindung ist nicht vorgesehen. Ein haptisches Signal wird erzeugt, wenn eine Wechselspannung an den piezoelektrischen Aktuator 11 angelegt wird. Eine Verformung des Aktuators 11 wird durch die
Verstärkungselemente 13a, 13b in einer Bewegung in die laterale Richtung RL mit einer vergrößerten
Bewegungsamplitude umgewandelt. Da das erste
Verstärkungselement 13a an dem ersten Verbindungselement 30 befestigt ist und das erste Verbindungselement 30 an der Schnittstelle 2 befestigt ist, wird die Schnittstelle 2 in lateraler Richtung relativ zur Grundplatte 4 bewegt. Dadurch wird das haptische Signal erzeugt.
Figur 13 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung .
Bei der Vorrichtung gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel ist im Vergleich zum achten Ausführungsbeispiel ein zweites
Verbindungselement 31 vorgesehen. Das zweite
Verstärkungselement 13b ist nicht direkt an der Grundplatte 4 befestigt, sondern an dem zweiten Verbindungselement 31, das wiederum an der Grundplatte 4 befestigt ist.
Figur 14 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung .
Das zehnte Ausführungsbeispiel basiert auf dem neunten
Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich zwei flexible
Verbindungen 5 der Schnittstelle 2 mit der Grundplatte 4 vorgesehen sind. Die Seitenflächen 2a und 2b der
Schnittstelle 2 sind jeweils über eine flexible Verbindung 5 in lateraler Richtung RL mit der Grundplatte 4 verbunden. Die flexiblen Verbindungen 5 weisen jeweils eine Feder 27 auf. Die flexiblen Verbindungen 5 bewirken eine Vorspannung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4, die überwunden werden muss, damit die Schnittstelle 2 zur
Erzeugung eines haptischen Signals relativ zur Grundplatte 4 in lateraler Richtung RL bewegt werden kann.
Figur 15a und Figur 15b zeigen ein elftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 2 nicht parallel zur Grundplatte 4 angeordnet. Vielmehr schließen die Schnittstelle 2 und die Grundplatte 4 einen Winkel ein. Der piezoelektrische Aktuator 11 ist an der ersten Seitenfläche 2a der Schnittstelle angeordnet. Der piezoelektrische Aktuator 11 ist dazu ausgestaltet, die
Schnittstelle 2 in die laterale Richtung RL parallel zur berührungsempfindlichen Oberfläche zu bewegen. Diese Richtung schließt mit der Grundplatte den Winkel ein. In dem in Figur 15a und Figur 15b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Winkel größer als 0° und kleiner als 90°. Ein Winkel von 0° ergibt sich bei einer Bewegung der Schnittstelle 2
parallel zur Grundplatte 4 wie in dem ersten bis zehnten Ausführungsbeispiel gezeigt.
Figur 16 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel, das sich von dem elften Ausführungsbeispiel durch eine anders
ausgestaltete Grundplatte 4 unterscheidet.
Figur 17 zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel. Bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel wird die Schnittstelle 2 ebenfalls in einem Winkel 0° < < 90° zu der Grundplatte 4 bewegt. Der piezoelektrische Aktuator 11 und die
Verstärkungselemente 13a, 13b sind an der ersten Seitenfläche 2a der Schnittstelle 2 angeordnet. An der zweiten
Seitenfläche 2b der Schnittstelle 2 ist eine flexible Verbindung 5 angeordnet, die eine Feder 27 aufweist. Die Feder 27 verbindet die zweite Seitenwand 2b mit der
Grundplatte 4.
Figur 18 zeigt ein vierzehntes Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung. Der piezoelektrische Aktuator 11 und die
Verstärkungselemente 13a, 13b sind zwischen einer Unterseite der Schnittstelle 2, die von der berührungsempfindlichen Oberfläche 3 weg weist, und der Grundplatte 4 angeordnet. Der Aktuator 11 ist dazu ausgestaltet, die Schnittstelle 2 in eine Richtung senkrecht zur berührungsempfindlichen
Oberfläche 3 zu bewegen. Dabei schließt die Bewegungsrichtung mit der Grundplatte 4 einen Winkel von 90° ein. Zusätzlich ist zwischen der Unterseite der Schnittstelle 2 und der
Grundplatte eine flexible Verbindung 5 aufweisend Gummipuffer 18 ausgebildet. Die flexible Verbindung 5 sorgt für eine Vorspannung zwischen der Schnittstelle 2 und der Grundplatte 4, die für eine Bewegung der Schnittstelle 2 überwunden werden muss. Die flexible Verbindung 5 ist so ausgestaltet, dass sie Bewegungen der Schnittstelle 2 relativ zu
Grundplatte 4 erlaubt.
Figur 19 zeigt einen Spannungspuls, der von einer
Steuereinheit an den piezoelektrischen Aktuator 11 zur
Erzeugung einer haptischen Rückmeldung angelegt werden kann.
Kurve Kl zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der angelegten Spannung. Es wird hier ein einzelner halbsinusförmiger Impuls mit einer Pulsweite von 3,3 ms angelegt, was einer Frequenz von 300 Hz entspricht.
Kurve K2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Auslenkung des piezoelektrischen Aktuators 11 in die erste Richtung infolge des angelegten Pulses. Eine maximale Auslenkung wird bereits nach etwa 5 ms erreicht. Dementsprechend ist die Ansprechzeit sehr gering. Als Vergleich wird auf Linearresonatoren
verwiesen, die üblicherweise eine maximale Auslenkung erst etwa 100 ms nach dem Anlegen einer Spannung erreichen.
Im Anschluss an die maximale Auslenkung zeigt der
piezoelektrische Aktuator 11 ein kurzes Abschwingverhalten, bei dem die Amplitude der Auslenkungen schnell abnimmt.
Es kann von der Steuereinheit ein Puls derart an den Aktuator 11 angelegt werden, dass für den Benutzer der Eindruck eines Kraftsprungs entsteht. Dieser Kraftsprung kann das Verhalten einer mechanischen Taste nachbilden und dem Benutzer somit ein Klickgefühl vermitteln.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Schnittstelle
2a Seitenfläche der Schnittstelle
2b Seitenfläche der Schnittstelle
3 Berührungsempfindliche Oberfläche
4 Grundplatte
5 Gefederte Verbindung
11 Piezoelektrischen Aktuator
12 Isolationsbereich
13a Erstes Verstärkungselement
13b Zweites Verstärkungselement
14 Ausdünnung
15 KlebeVerbindung
16 Freibereich
17a, 17b Teilbereich
18a, 18b Endbereich
19a, 19b Erster Abschnitt des Teilbereichs / mittlerer
Bereich
20a, 20b Zweiter Abschnitt des Teilbereichs /
Verbindungsbereich
21 Innenelektrode
22 Piezoelektrische Schicht
23 Außenelektrode
24 Stirnfläche
25 Oberseite
26 Unterseite
27 Feder
28 Gummipuffer
29 Schaumstoffelement
30 Verbindungselement
31 Verbindungselement h Höhe RI Erste Richtung R2 Zweite Richtung RL Laterale Richtung S Stapelrichtung
Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung einer haptischen
Rückmeldung aufweisend
- eine Schnittstelle (2) mit einer
berührungsempfindlichen Oberfläche (3) ,
- einen piezoelektrischen Aktuator (11), und
- ein mechanisches Verstärkungselement (13a),
wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) an dem piezoelektrischen Aktuator (11) befestigt ist,
wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) an der Schnittstelle (2) direkt oder indirekt befestigt ist, wobei das mechanisches Verstärkungselement (13a) 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) des mechanischen Verstärkungselements (13a) relativ zu dem
piezoelektrischen Aktuator (11) in eine zweite Richtung (R2), die senkrecht zur ersten Richtung (RI) ist, bewegt wird, und dadurch eine Kraft auf die Schnittstelle (2) ausgeübt wird,
wobei die Schnittstelle (2) durch die auf sie ausgeübte Kraft in eine Richtung (RL) lateral zur
berührungsempfindlichen Oberfläche (3) bewegt wird, oder
wobei die Schnittstelle (2) durch die auf sie ausgeübte Kraft in eine Richtung senkrecht zur
berührungsempfindlichen Oberfläche (3) bewegt wird.
2. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die Schnittstelle (2) ein Bildschirm mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche (3) ist.
3. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Teilbereich (17a) des mechanischen
Verstärkungselements (13a) an einer Seitenfläche (2a) der Schnittstelle (2) befestigt ist, die senkrecht zu der berührungsempfindlichen Oberfläche (3) ist.
4. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
ferner aufweisend eine Grundplatte (4), wobei der piezoelektrischen Aktuator (11) dazu angeordnet und ausgestaltet ist, die Schnittstelle (2) relativ zu der Grundplatte (4) zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zu bewegen.
5. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der piezoelektrischen Aktuator (11) dazu
angeordnet und ausgestaltet ist, die Schnittstelle (2) in einem Winkel relativ zu der Grundplatte (4) zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zu bewegen, wobei 0° < < 180° .
6. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die Schnittstelle (2) mit der Grundplatte (4) über eine flexible Verbindung (5) verbunden ist.
7. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die flexible Verbindung die Schnittstelle in lateraler Richtung an der Grundplatte befestigt, und/oder
wobei die flexible Verbindung die Schnittstelle in eine Richtung senkrecht zur berührungsempfindlichen
Oberfläche an der Grundplatte befestigt.
8. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die flexible Verbindung eine Feder, einen Dämpfer, ein Schaumstoffelement oder einen Gummipuffer aufweist.
9 Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei die flexible Verbindung dazu ausgestaltet ist, eine Bewegung der Schnittstelle relativ zu der
Grundplatte zu ermöglichen und eine Vorspannung erzeugt, die für eine Bewegung der Schnittstelle relativ zu der Grundplatte überwunden werden muss.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5,
wobei die Schnittstelle (2) auf der Grundplatte (4) lose aufliegt .
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5,
wobei die Schnittstelle (2) freischwebend zur
Grundplatte (4) ist.
12. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11,
wobei der piezoelektrische Aktuator (11) mit der
Grundplatte (4) durch eine Klebung, eine Verschraubung, eine Verschweißung oder eine Klemmung direkt oder indirekt über zumindest ein weiteres Element verbunden ist .
13. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) mit der Schnittstelle (2) durch eine Klebung, eine
Verschraubung, eine Verschweißung, eine Klemmung, eine Verspannung oder eine Lötung direkt oder indirekt über zumindest ein weiteres Element verbunden ist.
14. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) dazu ausgebildet und angeordnet ist, dass die Bewegung des Teilbereichs (17a) in die zweite Richtung (R2) eine größere Amplitude aufweist als die Änderung der
Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators (11) in die erste Richtung (RI) .
15. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Teilbereich (17a) von einer Oberfläche des piezoelektrischen Aktuators (11) beabstandet angeordnet ist,
und
wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) zwei Endbereiche (18a) aufweist, die an der Oberfläche des piezoelektrischen Aktuators (11) befestigt sind, wobei sich die beiden Endbereiche (18a) des mechanischen Verstärkungselements (13a) unmittelbar an den
Teilbereich (17a) des mechanischen Verstärkungselements (13a) anschließen, und wobei die beiden Endbereiche (18a) an gegenüberliegenden Seiten des Teilbereichs (17a) des mechanischen Verstärkungselements (13a) angeordnet sind.
16. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mechanische Verstärkungselement (13a) bügelförmig ist.
17. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend eine Steuereinheit, die dazu
ausgestaltet ist, einen Spannungspuls an den
piezoelektrischen Aktuator (11) anzulegen, wenn eine Betätigung der berührungsempfindlichen Oberfläche (3) erkannt wird.
18. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei der Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, eine derartigen Spannungspuls an den piezoelektrischen
Aktuator (11) anzulegen, dass das mechanische
Verstärkungselement (13a) derart verformt wird, dass gegenüber einem auf die berührungsempfindliche
Oberfläche (3) drückenden Objekt eine haptische
Rückmeldung erzeugt wird, die einen Kraftsprung
nachbildet .
19. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend ein zweites mechanisches
Verstärkungselement (13b), das an dem piezoelektrischen Aktuator (11) befestigt ist, wobei der piezoelektrische Aktuator (11) zwischen den beiden mechanischen
Verstärkungselementen (13a, 13b) angeordnet ist, wobei das zweite mechanische Verstärkungselement (13b) dazu ausgebildet und angeordnet ist, sich in Folge der Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators (11) in die erste Richtung (RI) derart zu verformen, dass ein Teilbereich (17b) des zweiten mechanischen Verstärkungselements (13b) relativ zu dem
piezoelektrischen Aktuator (11) in eine zweite Richtung (R2), die senkrecht zur ersten Richtung (RI) ist, bewegt wird .
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