WO2022012847A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines haptischen signals - Google Patents

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base plate
spring
plate
haptic module
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Bernhard STANJE
Andreas PENTSCHER-STANI
Johannes Burger
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TDK Electronics AG
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Definitions

  • the invention relates to a device for generating a haptic signal.
  • the device has a spring-loaded suspension via which a base plate and a cover plate are connected to one another, which are moved relative to one another in order to generate the haptic signal.
  • US Pat. No. 10,345,910 B1 shows a device in which a cover and a base are connected to one another via springs.
  • the suspension by the springs cannot prevent the cover from tipping relative to the base. For example, when a force is applied to a left edge of the cover, the left edge of the cover moves toward the base and the right edge of the cover moves away from the base.
  • the aim is in particular to specify a device with a single actuator that can generate a haptic signal at any position of a cover plate, with the cover plate being able to have significantly larger dimensions than a haptic module that has the actuator.
  • the actuator can preferably also be used to enable force sensing at any position of the cover plate, ie to detect a force exerted on the cover plate.
  • a device for generating a haptic signal which has a haptic module, a base plate and a cover plate.
  • the base plate and the cover plate are arranged parallel to one another, with the cover plate having a stop surface pointing towards the base plate and an upper side pointing away from the base plate, the haptic module being arranged between the base plate and the cover plate, with a first partial area of the haptic module on the stop surface of the cover plate rests and a second portion of the haptic module rests on the base plate.
  • the device has a spring-loaded suspension via which the base plate and the cover plate are mechanically connected to one another.
  • the spring-loaded suspension is designed in such a way that the stop surface of the cover plate is moved towards the base plate when the cover plate is in a neutral position and a force in the direction of the base plate is applied to any point on the upper side of the cover plate, so that there is always a compressive force is transferred to the haptic module when a force in the direction of the base plate is applied to any point on the top of the cover plate.
  • the suspension can thus be designed in such a way that a force on any point of the cover plate in the direction of the base plate always leads to a pressure force exerted by the stop surface on the haptic module. Conversely, vibration of the haptic module can cause a force to be exerted on the stop surface that impacts each point the cover plate is transferred. It can thus be ensured by the suspension that a haptic signal is generated at every point of the cover plate, with a haptic signal also being generated in particular at remote edge regions of a large-area cover plate.
  • the suspension can also ensure that actuation of the cover plate by a user at any point on the cover plate, even at a remote edge point of a large-area cover plate, always results in a pressure force being exerted by the stop surface on the haptic module.
  • the device can make it possible to generate a haptic signal at any position on the cover plate, since a compressive force is always transmitted to the haptic module when a force is exerted in the direction of the base plate at any point on the upper side of the cover plate. Accordingly, a vibration of the single actuator can be transmitted to any position of the top plate, including the edge areas.
  • the spring-loaded suspension has a first spring element, which allows movement of the top plate relative to the base plate.
  • the spring-loaded suspension also has a guide element which prevents movement of the top plate from the neutral position in a direction away from the base plate or which prevents movement of the top plate from the neutral position in a direction away from the base plate against movement of the top plate the neutral position on the base plate too difficult.
  • the first spring element thus enables the two plates to move relative to one another.
  • the guide element allows the mobility of the two plates relative to one another in turn limit and lead to a movement of the cover plate such that tilting of the cover plate is avoided.
  • the guide element can be, for example, a stop against which the cover plate rests in the rest state and which prevents the cover plate from moving away from the base plate.
  • the guide element can be a second spring element that differs from the first spring element in terms of its rigidity.
  • the second spring element can ensure that the sprung suspension has a higher resistance to tensile forces than to compressive forces.
  • the guide element can cause the cover plate to move in a more controlled manner and prevent the cover plate from tilting even when the cover plate is actuated in an edge region.
  • a suspension which has a guide element in addition to a first spring element can make it possible to combine a single haptic module with a cover plate with larger dimensions than would be possible with a suspension without a guide element.
  • the guide element can impede or prevent a movement of the cover plate away from the base plate, so that it is ensured that forces exerted on the cover plate are always transmitted to the haptic module, regardless of the position at which these forces act. Conversely, vibrations generated by the haptic module are also transmitted to every point on the cover plate and cause this point to vibrate.
  • the first spring element and the guide element can be structurally separate elements. Accordingly, the first spring element and the guide element are not in one piece.
  • the spring-loaded suspension can have a plurality of first spring elements and a plurality of guide elements.
  • the stop surface can be designed to transfer a force acting on the cover plate to the haptic module.
  • the stop surface can actuate the haptic module.
  • a vibration generated by the haptic module can be transferred from the stop surface to the cover plate.
  • the spring-loaded suspension can be configured so that the stop surface that actuates the haptic module is always moved towards the haptic module when the cover plate is in the neutral position and a force is applied in the direction of the base plate at any point on the upper side of the top plate is exerted, regardless of where on the upper side the force is applied. Forces that act on the edge areas of the top also lead to actuation of the haptic module.
  • the spring-loaded suspension can be configured to prevent or at least minimize tilting of the top plate relative to the base plate. Accordingly, the cover plate moves from the neutral position substantially linearly towards the base plate when a force is applied to a point at any point on the upper side of the cover plate. Preferably, each point of the top surface of the top plate is moved towards the base plate when the top plate is in the neutral position and a force in the direction of the base plate is applied to any point on the upper side of the top plate.
  • the spring-loaded suspension can ensure that the haptic module can vibrate any point of the cover plate.
  • the spring-loaded suspension can ensure that a haptic signal can be easily perceived by a user at every point on the upper side of the cover plate. Applying a compressive force to any point on the top plate moves the top plate from the neutral position to an activated position.
  • the spring-loaded suspension ensures that the top plate is closer to the base plate in the activated position than in the neutral position. If the haptic module now vibrates the cover plate in the activated position relative to the base plate, the cover plate performs a vibrating movement relative to the base plate, which can be easily felt by a user of the cover plate over the entire upper side of the cover plate.
  • the sprung suspension can be scalable over a wide range of sizes. Accordingly, the device can be manufactured in different sizes. This makes it possible to use the device for surfaces in different dimensions, for example for displays, control panels or input elements.
  • the haptic module can be designed in particular to move the cover plate relative to the base plate in a direction away from the base plate or towards the base plate. This upward and downward movement of the cover plate relative to the base plate generates a signal that a user can perceive haptically.
  • the haptic module can in particular have a piezoelectric actuator as the only actuator. Piezoelectric actuators are particularly suitable for generating haptic signals because they have a short response time and can be operated at different frequencies and can therefore generate different haptic signals.
  • the piezoelectric actuator can also be operated as a sensor.
  • the spring-loaded suspension can form a mechanical suspension via which the base plate and the cover plate are mechanically connected to one another.
  • the spring-loaded suspension can exert a spring force on the cover plate which must be overcome in order to move the cover plate relative to the base plate.
  • a state of the device in which no force is exerted by the haptic module on the cover plate or the base plate and in which no external force is exerted on the cover plate is referred to as a neutral position.
  • the neutral position is a rest position of the device.
  • the device can be activated by applying a force to the top plate, causing the top plate to open the base plate is moved. In doing so, the top plate can be moved from the neutral position to an activated position in which it is closer to the base plate than in the neutral position.
  • the haptic module can be configured to exert a force on the cover plate in the activated position that causes the cover plate to vibrate.
  • the haptic module can have a length that is less than one-tenth a length of the top panel, and the haptic module can have a width that is less than one-tenth the width of the top panel.
  • the length and the width can denote extensions of the haptic module and the cover plate in directions perpendicular to a stacking direction in which the cover plate, the haptic module and the base plate are arranged one above the other.
  • the length and the width can be perpendicular to each other.
  • the haptic module and the cover plate can each be rectangular.
  • the length of the haptic module can preferably be less than one twentieth or less than one fiftieth of the length of the cover plate.
  • the width of the haptic module can preferably be less than one twentieth or less than one fiftieth of the width of the cover plate.
  • the haptic module can be dimensioned significantly smaller than the cover plate. Due to the suspension, which has the guide element in addition to the first spring element, a single haptic module, which has a single actuator, can be sufficient to generate a haptically perceptible signal at every position of the significantly larger cover plate and to actuate the cover plate at each to recognize any position.
  • the spring-loaded suspension can have a counter bearing with a stop against which the cover plate rests in the neutral position. The stop can form the guide element.
  • the abutment of the top plate against the stopper can prevent movement of the top plate from the neutral position. It is therefore not possible to move the cover plate away from the base plate. In this exemplary embodiment, only a movement of the cover plate towards the base plate is possible from the neutral position.
  • the abutment prevents tilting, in which, for example, edge areas of the cover plate are moved away from the base plate. In one embodiment, the abutment ensures that the stop surface, which is in contact with the haptic module, moves towards the haptic module.
  • the base plate may have the sprung suspension stop which is parallel to a top surface of the top plate and abuts the stop in the neutral position.
  • the counter bearing with the stop can limit a movement of the cover plate relative to the base plate and thus ensure that every point of the cover plate is always moved towards the base plate when a force is exerted on the cover plate.
  • the base plate can have a guide rail in which the cover plate engages and which is designed to guide a movement of the cover plate.
  • the guide rail can only allow purely linear movements of the cover plate.
  • the guide rail can make it possible to guide a movement of the top plate even if the top plate has left the neutral position.
  • the spring-loaded suspension also has a second spring element which exerts a spring force on the cover plate which can only be overcome when the cover plate moves away from the base plate.
  • the second spring element can form the guide element.
  • the first spring element exerts a spring force that acts on the cover plate in both the tensile and compressive directions.
  • the second spring element exerts a spring force that acts only against the direction of pull.
  • movement of the cover plate away from the base plate is made more difficult than movement of the cover plate toward the base plate.
  • the combination of the two different spring elements has the effect that a movement of the cover plate is guided towards the base plate and tilting of the cover plate against the base plate is minimized.
  • the device can have a plurality of spring elements of the first spring element type and a plurality of spring elements of the second spring element type.
  • a rigidity of the second spring element can be higher than a rigidity of the first spring element.
  • the spring-loaded suspension can have a higher rigidity against movements of the cover plate away from the base plate than against movements of the cover plate towards the base plate. The spring-loaded suspension thus has a direction-dependent system stiffness.
  • the first and the second spring element can be any spring elements.
  • the spring elements can be z-shaped.
  • the spring elements can be a writing or spiral spring, a leaf spring, a flat spring or a snap-action disc spring.
  • the spring elements can have a flexible material or consist of a flexible material, for example a rubber, an elastomer or a foam.
  • the device can have a single haptic module for generating a vibration, which is arranged centrally between the base plate and the cover plate. Since when a force acts on any point of the cover plate, each point of the cover plate is moved towards the base plate, the force is always transmitted to the haptic module. Therefore, the arrangement of a single centrally arranged haptic module is sufficient. In comparison to devices that have several haptic modules e, a simpler and space-saving device can thus be constructed.
  • the haptic module can have a piezoelectric actuator with a top and a bottom, a first mechanical reinforcement element and a second mechanical reinforcement element.
  • the first mechanical reinforcement element is arranged on an upper side of the actuator and has the first partial area.
  • the second mechanical reinforcement element is arranged on the underside of the actuator and has the second partial area.
  • the first mechanical reinforcement element and the second mechanical reinforcement element are designed and arranged in such a way that a change in length of the piezoelectric actuator in a direction parallel to the upper side results in a movement of the first partial area perpendicular to the upper side and a movement of the second partial area in a direction opposite to the direction into which the first partial area moves is converted.
  • the first partial area can bear against an inner side of the cover plate, which points towards the base plate.
  • the second partial area can rest on an inside of the base plate that points toward the cover plate.
  • the piezoelectric actuator may include a piezoelectric ceramic or a piezoelectric polymer.
  • the piezoelectric actuator may have alternately stacked internal electrodes and layers of piezoelectric material arranged parallel to the top of the actuator.
  • the first mechanical reinforcement element and the second mechanical reinforcement element may be frusto-conical and cymbal-shaped, respectively. This form is well suited for converting changes in length of the actuator in a direction perpendicular thereto, whereby the amplitude of the movement can be increased.
  • the device can have evaluation electronics that are connected to the haptic module, the evaluation electronics being designed to measure an electrical voltage generated by the haptic module when a force exerted on the cover plate exceeds a predefined force threshold. Exceeding the The force threshold and its recognition can be referred to as "force sensing”. The evaluation electronics can interpret the exceeding of the force threshold as actuation of the cover plate and, in this case, cause the haptic module to generate a vibration.
  • the cover plate can be designed to detect a position of a touch on the cover plate, with the evaluation electronics being designed to take into account a position-dependent correction factor when detecting the force exerted.
  • the cover plate can be permanently connected to a touch-sensitive surface, which is designed to detect a position of touching the touch-sensitive surface, with the evaluation electronics being designed to take into account a position-dependent correction factor when detecting the force exerted.
  • the position-dependent correction factor can compensate for the fact that forces that are exerted on different positions of the cover plate are not transferred to the haptic module to the same extent. For example, a force exerted centrally on the cover plate could be transmitted more strongly to the haptic module than a force acting on an edge area.
  • the force threshold that is stored in the evaluation electronics can be changeable.
  • a rigidity of the spring-loaded suspension against a movement of the cover plate towards the base plate can be smaller than a rigidity of the haptic module.
  • the spring-loaded suspension can be rigid against a movement of the cover plate away from the base plate be greater than or equal to a stiffness of the haptic module. This makes it easier for the cover plate to move in relation to the base plate.
  • the spring elements of the sprung suspension can be exchangeable.
  • the cover plate can be a screen, a control panel or an input element.
  • the device can have a connecting element via which the cover plate is firmly connected to a screen, a control panel or an input element.
  • the device can be designed to generate the haptic signal by applying an electrical voltage to the haptic module, such as causing a movement of the first portion towards the second portion or away from the second portion, so that the cover plate and the base plate be moved towards or away from each other.
  • the sprung suspension may include at least four spring members located near the corners of the top and base plates. This arrangement can guide movement of the top plate in a desired manner.
  • a device for generating a haptic signal comprising
  • the spring-loaded connection being designed in such a way that the stop surface is moved towards the base plate when the cover plate is in a neutral position and a force is applied in the direction of the base plate is applied to any point of the top of the cover plate.
  • the spring-loaded connection has an abutment with a stop against which the cover plate abuts in the neutral position.
  • the base plate forms the stop of the spring-loaded connection.
  • the cover plate has a projection which is parallel to the upper side of the cover plate and in the neutral position the projection abuts the stop.
  • the base plate has a guide rail, which the cover plate engages in and which is designed to guide a movement of the cover plate.
  • the spring-loaded connection is configured to prevent movement of the top plate from the neutral position in a direction away from the base plate.
  • the spring-loaded connection is configured such that movement of the cover plate from the neutral position in a direction away from the base plate is more difficult than movement of the cover plate from the neutral position towards the base plate.
  • the spring-loaded connection has at least one first spring element which exerts a spring force on the cover plate which has to be overcome when the cover plate moves towards the base plate and when the cover plate moves away from the base plate, and at least a second spring element which exerts a spring force on the cover plate which can only be overcome when the cover plate moves away from the base plate.
  • a stiffness of the second spring element is higher than a stiffness of the first spring element.
  • the spring-loaded connection has a higher stiffness against movements of the cover plate away from the base plate than against movements of the cover plate towards the base plate.
  • the device comprises a single component for generating a vibration and the component for generating a vibration is arranged centrally between the base plate and the cover plate.
  • the component for generating the vibration comprises a piezoelectric actuator with an upper side and a lower side, a first mechanical reinforcement element which is arranged on the upper side of the piezoelectric actuator and which has the first partial area, and a second mechanical reinforcement element, which is arranged on the underside of the piezoelectric actuator and which has the second partial area, wherein the first mechanical reinforcement element and the second mechanical reinforcement element are designed and arranged in such a way that a change in length of the piezoelectric actuator in a direction parallel to the upper side of the piezoelectric actuator in a movement of the first portion perpendicular to the top of the piezoelectric actuator and a movement of the second portion in a direction opposite to the direction in which the first portion moves.
  • the piezoelectric actuator comprises a piezoelectric ceramic or a piezoelectric polymer.
  • the cover plate is designed to detect a position of a touch of the cover plate, wherein the evaluation electronics are designed to take into account a position-dependent correction factor when detecting the force exerted, or wherein the cover plate is fixed to a touch-sensitive surface is connected, which is designed to detect a position of touching the touch-sensitive surface, wherein the evaluation electronics is designed to a position-dependent correction factor when recognizing the applied force.
  • a stiffness of the spring-loaded connection against a movement of the cover plate onto the base plate is smaller than a stiffness of the component, and/or wherein a stiffness of the spring-loaded connection against a movement of the cover plate away from the base plate is greater or is equal to the stiffness of the component.
  • the cover plate is a screen, a control panel or an input element, or wherein the device has a connecting element via which the cover plate is firmly connected to a screen, a control panel or an input element.
  • the device is designed to generate the haptic signal by applying an electrical voltage to the component, which causes a movement of the first partial area towards the second partial area or away from the second partial area, so that the cover plate and the base plate are moved towards each other or are moved away from each other.
  • the spring-loaded connection comprises at least four spring elements located near corners of the base plate and the top plate.
  • FIG. 1 shows a haptic module for generating a vibration in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a cross section through the haptic module.
  • Figures 3 to 6 show a device for generating a haptic signal according to a first embodiment.
  • FIGS. 7 to 8 show a device for generating a haptic signal according to a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a haptic module 100 for generating a vibration in a perspective view.
  • Figure 2 shows a cross section through the haptic module 100.
  • the haptic module 100 has a piezoelectric actuator 1 , a first mechanical reinforcement element 2 and a second mechanical reinforcement element 3 .
  • the haptic module 100 can be used in particular in a device for generating a haptic signal and for detecting operating signals.
  • the piezoelectric actuator 1 has a stack of inner electrodes 4 and piezoelectric layers 5 alternately stacked on top of one another in a stacking direction S.
  • the Piezoelectric actuator 1 has a first outer electrode 6 and a second outer electrode 7 .
  • the inner electrodes 4 are alternately contacted with the first outer electrode 6 or with the second outer electrode 7 .
  • the piezoelectric actuator 1 is cuboid.
  • a height indicates the expansion of the piezoelectric actuator 1 in the stacking direction S.
  • the height of the piezoelectric actuator 1 is smaller than its width and length.
  • the width and the length indicate the extent of the actuator 1 in directions perpendicular to the stacking direction S.
  • An upper side 8 and an underside 9 of the piezoelectric actuator 1 face each other in the stacking direction S.
  • the piezoelectric layers 5 can have a piezoelectric ceramic, in particular a lead zirconate titanate ceramic (PZT ceramic).
  • PZT ceramic can also contain Nd and Ni.
  • the PZT ceramic can additionally have Nd, K and optionally Cu.
  • the piezoelectric layers 5 can have a composition containing Pb(Zr x Tii-x) O3+y Pb(Mni / 3Nb2 / 3)O3.
  • the piezoelectric layers 5 can have a piezoelectric polymer.
  • the internal electrodes 4 have copper or are made of copper.
  • the piezoelectric actuator 1 is designed in such a way that a deformation of the piezoelectric actuator 1 takes place when an electrical voltage is applied.
  • the piezoelectric layers 5 are polarized such that the application of an electrical voltage between the internal electrodes 4 leads to a change in the expansion of the piezoelectric actuator 1 perpendicular to the stacking direction S.
  • the device has the two reinforcement elements 2,3.
  • the first reinforcement element 2 is fixed on the upper side 8 of the piezoelectric actuator 1 .
  • the second reinforcement element 3 is attached to the underside 9 of the piezoelectric actuator 1 .
  • the two reinforcement elements 2, 3 are identical.
  • the first reinforcement member 2 and the second reinforcement member 3 are frustoconical.
  • the first reinforcement element 2 and the second reinforcement element 3 each have an edge region 10 which is in direct contact with the piezoelectric actuator 1 .
  • the first reinforcement element 2 and the second reinforcement element 3 each have a partial area 11 which is at a distance from the piezoelectric actuator 1 .
  • the partial areas 11 are parallel to the upper side 8 and the lower side 9 of the piezoelectric actuator 1.
  • the first reinforcement element 2 and the second reinforcement element 3 each have a connection area 12 , the partial area 11 being connected to the edge area 10 via the connection area 12 .
  • the edge area 10 encloses the partial area 11 in a circular or elliptical shape.
  • the reinforcement elements 2, 3 are dimensioned and connected to the piezoelectric actuator 1 in such a way that the respective partial area 11 of the reinforcement elements 2, 3 executes a lifting movement in the stacking direction S as a result of a change in the expansion of the actuator 1 in a direction perpendicular to the stacking direction S, where the amplitude of the lifting movement is greater than the amplitude of the change in length of the actuator 1.
  • the reinforcement elements 2, 3 can be metal sheets.
  • the reinforcement elements 2, 3 can have titanium or consist of titanium.
  • the edge regions 10 of the reinforcement elements 2, 3 are permanently connected to the piezoelectric actuator 1.
  • the edge areas 10 can be connected to the actuator 1 by an adhesive connection.
  • FIGS. 3 to 6 show a device for generating a haptic signal, which has the haptic module 100 shown in FIGS.
  • FIG. 3 shows the device in a perspective view.
  • FIG. 4 shows a cross section through the device.
  • FIG. 5 shows the device in a perspective view, a cover plate 13 of the device being shown transparent.
  • Figure 6 shows a side view of the device
  • the device has a base plate 14 and a cover plate 13 .
  • the base plate 14 and the cover plate 13 are arranged parallel to one another.
  • FIG. Section 11 of the The second mechanical reinforcement element 3 bears against a side of the base plate 14 which faces towards the piezoelectric actuator 1 .
  • An air gap 15 is formed between the cover plate 13 and the base plate 14 which enables the cover plate 13 to be moved towards the base plate 14 .
  • the cover plate 13 and the base plate 14 are mechanically connected to one another via a spring-loaded suspension 16 .
  • the device In the figures the device is shown in the neutral position. In the neutral position, no voltage is applied to the piezoelectric actuator 1 and no force is applied to the top plate 13 . The neutral position is thus a rest position of the device.
  • the sprung suspension 16 has four z-shaped first spring elements 17 .
  • Each of the spring elements 17 is connected both to the base plate 14 and to the cover plate 13 .
  • the spring elements 17 are arranged symmetrically in the device. Each spring element 17 is near a corner of Base plate 14 and the cover plate 13 arranged. Each spring element 17 is arranged on a longitudinal edge of the base plate 14 and on a longitudinal edge of the cover plate 13 .
  • the spring elements 17 are arranged and a stiffness of the spring elements 17 is selected such that the cover plate 13 moves essentially linearly towards the base plate 14 when a force is exerted on any position on the cover plate 13 by a user.
  • the spring elements 17 have the effect that a force exerted on the cover plate 13 leads to a tilting of the cover plate 13 relative to the base plate 14 only to a very small extent.
  • a stiffness of the sprung suspension 16 against movement of the cover plate 13 toward the base plate 14 may be less than the stiffness of the haptic module 100.
  • the stiffness of the sprung suspension 16 against movement of the cover plate 13 away from the base plate 14 may be greater than or equal to the rigidity of the haptic module 100.
  • a movement of the cover plate 13 towards the base plate 14 can be facilitated by this choice of rigidity.
  • the spring-loaded suspension 16 between the cover plate 13 and the base plate 14 has a counter bearing 18 .
  • the counter bearing 18 has a stop 19 against which the cover plate 13 rests in the neutral position and which prevents the cover plate 13 from moving away from the base plate 14 .
  • the stopper 19 can form a guide element that prevents the cover plate 13 from moving in a direction away from the base plate 14 from the neutral position.
  • the top plate 13 is a rectangular plate.
  • the cover plate has an upper side 13a facing away from the base plate.
  • the top 13a of the cover plate 13 is designed to be actuated by a user, for example by the user pressing on the top 13a with a pen or a finger.
  • the upper side 13a is designed to transmit a haptically perceptible signal for the user by means of a vibration.
  • the cover plate 13 has an underside 13b which points towards the base plate 14 .
  • a stop surface 24 is formed on the underside 13b of the cover plate and rests against the partial area 11 of the first reinforcement element. The stop surface is designed to transmit a vibration of the haptic module to the cover plate 13 and to transmit a force acting on the cover plate 13 to the haptic module.
  • the cover plate 13 has a set-back region 20 into which an elevation 21 of the base plate engages.
  • the cover plate 13 has projections 22 .
  • the projections 22 project inwards.
  • the projections 22 are arranged in a guide rail 23 formed in the base plate 14 .
  • the base plate 14 is a rectangular plate.
  • the base plate 14 has the same width and the same length as the cover plate 13 .
  • the base plate 14 is arranged parallel to the cover plate 13 .
  • the elevations 21 are formed, which protrude towards the cover plate 13.
  • the elevations 21 are arranged between the spring elements 17 of the sprung suspension 16 .
  • the elevations 21 each form a guide rail 23 on their inner sides, in which the projections 22 of the cover plate 13 are arranged.
  • the projections 22 of the cover plate 13 are guided along the guide rail 23 when the cover plate 13 is moved towards the base plate 14 .
  • the base plate 14 has a surface which forms the stop 19 of the spring-loaded suspension 16 .
  • the projections 22 of the cover plate 13 rest against the stop 19 of the base plate 14 in the neutral position.
  • the cover plate 13 is moved towards the base plate 14 .
  • the stop surface 24 of the cover plate 13 is moved towards the base plate 13 and the piezoelectric actuator 1 .
  • the spring-loaded suspension 16 in suspension with the counter bearing ensures that tilting of the cover plate 13 relative to the base plate 14 is limited to a minimum and the cover plate 13 moves essentially linearly.
  • the mechanical reinforcement elements 2, 3 exert a force on the piezoelectric actuator 1, as a result of which the piezoelectric actuator 1 is pulled lengthwise and widthwise. Due to the piezoelectric effect, a voltage signal is now produced in the piezoelectric actuator 1 which can be read out by evaluation electronics which are connected to the piezoelectric actuator 1 .
  • the voltage signal exceeds a predefined force threshold, this is interpreted as actuation of the cover plate 13 .
  • an electrical voltage can be applied to the piezoelectric actuator 1, which causes the actuator 1 to vibrate.
  • the partial areas 11 of the reinforcement elements 2, 3 are moved relative to one another in the stacking direction S and the cover plate 13 is moved relative to the base plate 14.
  • the movement of the cover plate 13 can be perceived as a haptic signal by a user of the device.
  • the design and arrangement of the spring-loaded suspension 16 makes it possible for the device to have only a single piezoelectric actuator 1 which is arranged centrally between the base plate 14 and the cover plate 13 . Irrespective of the position of the cover plate 13 at which a force is exerted on the cover plate 13, the force always causes the stop surface 24 of the cover plate 13 to move towards the base plate 14 and thereby exerts a force on the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 can detect that a force is exerted on the top plate 13, regardless of the position of the Cover plate 13 the force is exerted.
  • the spring-loaded suspension 16 is designed in such a way that a vibration of the haptic module 100 moves the cover plate 13 and thus generates a haptically perceptible signal at every position of the cover plate 13 .
  • the piezoelectric actuator 1 can be connected to the evaluation electronics.
  • the evaluation electronics measure the electrical voltage generated in the actuator 1 and detect an actuation of the cover plate 13 when the voltage exceeds a predefined force threshold (force sensing).
  • the cover plate 13 can be designed to recognize the position of the cover plate 13 at which it is touched. This information can be forwarded to the evaluation electronics, with the evaluation electronics also taking into account a position-dependent correction factor in order to determine whether the predetermined threshold value is exceeded. Accordingly, the threshold value can be defined differently for different areas of the cover plate 13 depending on the position.
  • the cover plate 13 can be connected to a touch-sensitive surface that is touched by a user.
  • information about the position at which the touch-sensitive surface is touched can be passed on to the evaluation electronics, so that the latter can in turn take into account the position-dependent correction factor.
  • Figures 7 and 8 show a second embodiment of the device.
  • the device is in Shown perspective view, wherein the cover plate 13 is shown transparent.
  • FIG. 8 shows a cross section through the device according to the second exemplary embodiment.
  • the device according to the second embodiment has no counter bearing. Instead, the device according to the second exemplary embodiment has first spring elements 17 and second spring elements 25 .
  • the first spring elements 17 and the second spring elements 25 are each connected both to the cover plate 13 and to the base plate 14 .
  • the first spring elements 17 and the second spring elements 25 are Z-shaped.
  • the second spring elements 25 assume the function of the counter bearing.
  • the second spring elements 25 form a guide element which makes it more difficult for the cover plate 13 to move out of the neutral position in a direction away from the base plate 14 compared to a movement of the cover plate 13 out of the neutral position towards the base plate 14 .
  • the second spring elements 25 exert a spring force on the cover plate 13 which only has to be overcome when the cover plate 13 moves away from the base plate 14 .
  • the second spring elements 25 do not prevent the cover plate 13 from moving towards the base plate 14 .
  • the first spring elements are structurally identical to the spring elements of the first exemplary embodiment.
  • the first spring elements exert a spring force both against movements of the cover plate towards the base plate and against movements of the cover plate away from the base plate.
  • the spring-loaded suspension with the first and the second spring elements ensures that the cover plate is moved essentially linearly towards the base plate, regardless of the position at which a force acts on the cover plate.
  • the second spring elements are designed in such a way that movement of the top plate away from the neutral position away from the base plate is restricted.
  • the second spring elements have a higher rigidity than the first spring elements.
  • the spring-loaded suspension thus has a direction-dependent system stiffness.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals, aufweisend ein Haptik-Modul (100) zur Erzeugung einer Vibration, eine Grundplatte (14) und eine Deckplatte (13), die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Deckplatte (13) eine zur Grundplatte (14) hinweisende Anschlagsfläche (24) und eine von der Grundplatte (14) wegweisende Oberseite aufweist, wobei das Haptik-Modul (100) zwischen der Grundplatte (14) und der Deckplatte (13) angeordnet ist, wobei ein erster Teilbereich (11) des Haptik-Moduls (100) an der Anschlagsfläche (24) der Deckplatte (13) anliegt und ein zweiter Teilbereich (11) des Haptik-Moduls (100) an der Grundplatte (14) anliegt, und eine gefederte Aufhängung (16), über die die Grundplatte (14) und die Deckplatte (13) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die gefederte Aufhängung (16) derart ausgestaltet ist, dass die Anschlagsfläche (24) der Deckplatte (13) auf die Grundplatte (14) zu bewegt wird, wenn sich die Deckplatte (13) in einer neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte (14) auf einen beliebige Punkt der Oberseite der Deckplatte (13) ausgeübt wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals. Die Vorrichtung weist eine gefederte Aufhängung auf, über die eine Grundplatte und eine Deckplatte miteinander verbunden sind, welche zur Erzeugung des haptischen Signals relative zueinander bewegt werden.
US 10,345,910 Bl zeigt eine Vorrichtung, bei der eine Abdeckung und eine Basis über Federn miteinander verbunden sind. Die Aufhängung durch die Federn kann ein Kippen der Abdeckung relativ zur Basis nicht verhindern. Wird beispielsweise auf einen linken Rand der Abdeckung eine Kraft ausgeübt, wird der linke Rand der Abdeckung auf die Basis zubewegt und der rechte Rand der Abdeckung bewegt sich von der Basis weg.
Weitere Vorrichtungen zur Erzeugung haptischer Signale sind aus US 10,395,489 Bl und US 2019/0385420 Al bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals anzugeben. Ziel ist es dabei insbesondere, eine Vorrichtung mit einem einzigen Aktuator anzugeben, der an jeder Position einer Deckplatte ein haptisches Signal erzeugen kann, wobei die Deckplatte wesentlich größere Abmessungen aufweisen kann als ein Haptik-Modul, das den Aktuator aufweist. Vorzugsweise kann der Aktuator ferner dazu verwendet werden, an jeder Position der Deckplatte ein Force Sensing zu ermöglichen, d.h. eine auf die Deckplatte ausgeübte Kraft zu erkennen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals vorgeschlagen, die ein Haptik-Modul, eine Grundplatte und eine Deckplatte aufweist. Die Grundplatte und die Deckplatte sind parallel zueinander angeordnet, wobei die Deckplatte eine zur Grundplatte hinweisende Anschlagsfläche und eine von der Grundplatte wegweisende Oberseite aufweist, wobei das Haptik-Modul zwischen der Grundplatte und der Deckplatte angeordnet ist, wobei ein erster Teilbereich des Haptik-Moduls an der Anschlagsfläche der Deckplatte anliegt und ein zweiter Teilbereich des Haptik-Moduls an der Grundplatte anliegt. Die Vorrichtung weist eine gefederte Aufhängung auf, über die die Grundplatte und die Deckplatte mechanisch miteinander verbunden sind. Die gefederte Aufhängung ist derart ausgestaltet, dass die Anschlagsfläche der Deckplatte auf die Grundplatte zubewegt wird, wenn sich die Deckplatte in einer neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird, so dass stets eine Druckkraft auf das Haptik-Modul übertragen wird, wenn eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird.
Die Aufhängung kann somit derart ausgestaltet sein, dass eine Kraft auf einen beliebigen Punkt der Deckplatte in Richtung der Grundplatte stets zu einer von der Anschlagsfläche auf das Haptik-Modul ausgeübten Druckkraft führt. Umgekehrt kann eine Vibration des Haptik-Moduls dazu führen, dass eine Kraft auf die Anschlagsfläche ausgeübt wird, die auf jeden Punkt der Deckplatte übertragen wird. Somit kann durch die Aufhängung sichergestellt werden, dass an jedem Punkt der Deckplatte ein haptisches Signal erzeugt wird, wobei insbesondere auch auf entlegene Randbereiche einer großflächigen Deckplatte ein haptisches Signal erzeugt wird. Umgekehrt kann durch die Aufhängung auch sichergestellt werden, dass eine Betätigung der Deckplatte durch einen Nutzer an jedem beliebigen Punkt der Deckplatte, auch an einem entlegenen Randpunkt einer großflächigen Deckplatte, stets zu einer von der Anschlagsfläche auf das Haptik-Modul ausgeübten Druckkraft führt.
Die Vorrichtung kann es ermöglichen, an jeder Position der Deckplatte ein haptisches Signal zu erzeugen, da stets eine Druckkraft auf das Haptik-Modul übertragen wird, wenn eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird. Dementsprechend kann eine Vibration des einzigen Aktuators an jede Position der Deckplatte übertragen werden, auch an die Randbereiche.
Die gefederte Aufhängung weist ein erstes Federelement auf, das eine Bewegung der Deckplatte relativ zu der Grundplatte ermöglicht. Ferner weist die gefederte Aufhängung ein Führungselement auf, das eine Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position in eine Richtung weg von der Grundplatte verhindert oder das eine Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position heraus in eine Richtung weg von der Grundplatte gegenüber einer Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position auf die Grundplatte zu erschwert.
Das erste Federelement ermöglicht somit eine Bewegung der beiden Platten relativ zueinander. Das Führungselement kann die Beweglichkeit der beiden Platten relativ zueinander wiederum einschränken und dabei eine Bewegung der Deckplatte derart führen, dass ein Kippen der Deckplatte vermieden wird. Bei dem Führungselement kann es sich beispielsweise um einen Anschlag handeln, an dem die Deckplatte im Ruhezustand anliegt und der eine Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg verhindert. Alternativ kann es sich bei dem Führungselement um ein zweites Federelement handeln, das sich in seiner Steifigkeit von dem ersten Federelement unterscheidet. Beispielsweise kann das zweite Federelement dafür sorgen, dass die gefederte Aufhängung gegenüber Zugkräften einen höheren Widerstand aufweist als gegenüber Druckkräften .
Gegenüber Aufhängungen, die ein erstes Federelement jedoch kein Führungselement aufweisen, kann durch das Führungselement bewirkt werden, dass eine Bewegung der Deckplatte kontrollierter erfolgt und auch bei einer Betätigung der Deckplatte in einem Randbereich, ein Kippen der Deckplatte vermieden wird. Eine Aufhängung, die zusätzlich zu einem ersten Federelement ein Führungselement aufweist, kann es ermöglichen, ein einziges Haptik-Modul mit einer größer dimensionierten Deckplatte zu kombinieren als dieses bei einer Aufhängung ohne Führungselement möglich wäre.
Das Führungselement kann eine Bewegung der Deckplatte weg von der Grundplatte erschweren oder verhindern, so dass sichergestellt ist, dass auf die Deckplatte ausgeübt Kräfte stets auf das Haptik-Modul übertragen werden, unabhängig davon, an welcher Position diese Kräfte angreifen. Umgekehrt werden von dem Haptik-Modul erzeugte Vibrationen auch an jeden Punkt der Deckplatte übertragen und bewirken eine Vibration dieses Punktes. Das erstes Federelement und das Führungselement können baulich getrennte Elemente sein. Dementsprechend sind das erste Federelement und das Führungselement nicht einstückig.
Die gefederte Aufhängung kann mehrere erste Federelemente und mehrere Führungselemente aufweisen.
Die Anschlagsfläche kann dazu ausgestaltet sein, eine auf die Deckplatte wirkende Kraft auf das Haptik-Modul zu übertragen. Die Anschlagsfläche kann dabei das Haptik-Modul betätigen. Eine vom Haptik-Modul erzeugte Vibration kann von der Anschlagsfläche auf die Deckplatte übertragen werden.
Die gefederte Aufhängung kann dazu ausgestaltet sein, dass die Anschlagsfläche, die das Haptik-Modul betätigt, stets auf das Haptik-Modul zubewegt wird, wenn sich die Deckplatte in der neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird, unabhängig davon an welchem Punkt der Oberseite die Kraft einwirkt. Auch Kräfte, die an den Randbereichen der Oberseite wirken, führen somit zu einer Betätigung des Haptik-Moduls.
Die gefederte Aufhängung kann dazu ausgestaltet sein, ein Kippen der Deckplatte gegenüber der Grundplatte zu verhindern oder zumindest auf ein Minimum zu beschränken. Die Deckplatte bewegt sich dementsprechend aus der neutralen Position heraus im Wesentlichen linear auf die Grundplatte zu, wenn eine Kraft punktförmig auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte drückt. Vorzugsweise wird jeder Punkt der Oberseite der Deckplatte auf die Grundplatte zubewegt, wenn sich die Deckplatte in der neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird.
Auf dieser Weise wird sichergestellt, dass eine Kraft, die auf die Deckplatte wirkt, stets auf das Haptik-Modul übertragen wird, unabhängig davon, an welcher Position der Deckplatte die Kraft wirkt. Dadurch kann es ermöglicht werden, das Haptik-Modul zuverlässig als Sensor zur Erkennung einer auf die Deckplatte wirkenden Kraft zu verwenden.
Außerdem kann die gefederte Aufhängung sicherstellen, dass das Haptik-Modul jeden Punkt der Deckplatte in Vibration versetzen kann. Die gefederte Aufhängung kann dabei dafür sorgen, dass ein haptisches Signal an jedem Punkt der Oberseite der Deckplatte für einen Nutzer gut wahrnehmbar ist. Wird eine Druckkraft auf einen beliebigen Punkt der Deckplatte ausgeübt, wird die Deckplatte aus der neutralen Position in eine aktivierte Position bewegt. Die gefederte Aufhängung sorgt dafür, dass die Deckplatte in der aktivierten Position näher an der Grundplatte ist als in der neutralen Position. Versetzt nun das Haptik-Modul die Deckplatte in der aktivierten Position in eine Vibration relativ zur Grundplatte, führt die Deckplatte eine Vibrationsbewegung relativ zur Grundplatte aus, die über die gesamte Oberseite der Deckplatte gut von einem Nutzer der Deckplatte haptisch wahrgenommen werden kann.
Die gefederte Aufhängung kann in einem weiten Größenbereich skalierbar sein. Dementsprechend kann die Vorrichtung in unterschiedlichen Größen gefertigt werden. Dadurch wird der Einsatz der Vorrichtung für Oberflächen in unterschiedlichen Dimensionen möglich, beispielsweise bei Displays, Bedienungsfeldern oder Eingabeelementen. Das Haptik-Modul kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, die Deckplatte relativ zu der Grundplatte in eine Richtung von der Grundplatte weg oder auf die Grundplatte zu zu bewegen. Diese Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Deckplatte relativ zu der Grundplatte erzeugt ein für einen Nutzer haptisch wahrnehmbares Signal. Das Haptik-Modul kann als einzigen Aktuator insbesondere einen piezoelektrischen Aktuator aufweisen. Piezoelektrische Aktuatoren eignen sich besonders gut zur Erzeugung haptischer Signale, da sie eine kurze Ansprechdauer haben und mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können und somit unterschiedliche haptische Signale erzeugen können.
Darüber hinaus kann der piezoelektrische Aktuator zusätzlich zur Aktuatorfunktion auch als Sensor betrieben werden.
Die gefederte Aufhängung kann eine mechanische Aufhängung ausbilden, über die die Grundplatte und die Deckplatte mechanisch miteinander verbunden sind. Die gefederte Aufhängung kann eine Federkraft auf die Deckplatte ausüben, die überwunden werden muss, um die Deckplatte relativ zu der Grundplatte zu bewegen.
Als neutrale Position wird ein Zustand der Vorrichtung bezeichnet, in dem von dem Haptik-Modul keine Kraft auf die Deckplatte oder die Grundplatte ausgeübt wird und in dem keine externe Kraft auf die Deckplatte ausgeübt wird. Bei der neutralen Position handelt es sich um eine Ruheposition der Vorrichtung .
Die Vorrichtung kann aktiviert werden, indem eine Kraft auf die Deckplatte ausgeübt wird, durch die die Deckplatte auf die Grundplatte zubewegt wird. Dabei kann die Deckplatte aus der neutralen Position in eine aktivierte Position bewegt werden, in der sie sich näher an der Grundplatte befindet als in der neutralen Position. Das Haptik-Modul kann dazu ausgestaltet sein, eine Kraft auf die Deckplatte in der aktivierten Position auszuüben, die eine Vibration der Deckplatte bewirkt.
Das Haptik-Modul kann eine Länge aufweisen, die weniger als ein Zehntel einer Länge der Deckplatte beträgt, und das Haptik-Modul kann eine Breite aufweisen, die weniger als ein Zehntel der Breite der Deckplatte beträgt. Dabei können die Länge und die Breite Ausdehnungen des Haptik-Moduls und der Deckplatte in Richtungen senkrecht zu einer Stapelrichtung, in der die Deckplatte, das Haptik-Modul und die Grundplatte übereinander angeordnet sind, bezeichnen. Die Länge und die Breite können dabei senkrecht zueinander sein. Das Haptik- Modul und die Deckplatte können jeweils rechteckig sein. Vorzugsweise kann die Länge des Haptik-Moduls kleiner als ein Zwanzigstel oder kleiner als ein Fünfzigstel der Länge der Deckplatte sein. Vorzugsweise kann die Breite des Haptik- Moduls kleiner als ein Zwanzigstel oder kleiner als ein Fünfzigstel der Breite der Deckplatte sein.
Dementsprechend kann das Haptik-Modul deutlich kleiner dimensioniert sein als die Deckplatte. Auf Grund der Aufhängung, die zusätzlich zu dem ersten Federelement das Führungselement aufweist, kann ein einziges Haptik-Modul, das einen einzigen Aktuator aufweist, ausreichen, an jeder Position der wesentlich größeren Deckplatte ein haptisch wahrnehmbares Signal zu erzeugen und eine Betätigung der Deckplatte an jeder beliebigen Position zu erkennen. Die gefederte Aufhängung kann in einem Ausführungsbeispiel ein Gegenlager mit einem Anschlag aufweisen, an dem die Deckplatte in der neutralen Position anliegt. Der Anschlag kann dabei das Führungselement ausbilden.
Das Anliegen der Deckplatte an dem Anschlag kann eine Bewegung der Deckplatte von der neutralen Position heraus verhindern. Es ist somit nicht möglich, die Deckplatte von der Grundplatte weg zu bewegen. Lediglich eine Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu ist in diesem Ausführungsbeispiel aus der neutralen Position heraus möglich. Dabei verhindert das Gegenlager ein Kippen, bei dem beispielsweise Randbereiche der Deckplatte von der Grundplatte weg bewegt werden. In einer Ausführungsform gewährleistet das Gegenlager, dass sich die Anschlagsfläche, welche in Kontakt mit dem Haptik-Modul steht, auf das Haptik- Modul zubewegt.
Die Grundplatte kann den Anschlag der gefederten Aufhängung aufweisen, der parallel zu einer Oberseite der Deckplatte ist und in der neutralen Position an dem Anschlag anliegt. Das Gegenlager mit dem Anschlag kann eine Bewegung der Deckplatte relativ zu der Grundplatte beschränken und so dafür sorgen, dass stets jeder Punkt der Deckplatte auf die Grundplatte zubewegt wird, wenn eine Kraft auf die Deckplatte ausgeübt wird.
Die Grundplatte kann eine Führungsschiene aufweisen, in die die Deckplatte eingreift und die dazu ausgestaltet ist, eine Bewegung der Deckplatte zu führen. Beispielsweise kann die Führungsschiene lediglich rein lineare Bewegungen der Deckplatte zulassen. Die Führungsschiene kann es ermöglichen eine Bewegung der Deckplatte auch dann zu führen, wenn die Deckplatte die neutrale Position verlassen hat.
In einem Ausführungsbeispiel weist die gefederte Aufhängung ferner ein zweites Federelement auf, das eine Federkraft auf die Deckplatte ausübt, die nur bei einer Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg zu überwinden ist. Das zweite Federelement kann das Führungselement ausbilden.
Dementsprechend ist für eine Bewegung von der Grundplatte von der Deckplatte weg eine höhere Kraft aufzuwenden als für eine Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu. Das erste Federelement übt eine Federkraft aus, die sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung auf die Deckplatte wirkt. Das zweite Federelement übt eine Federkraft aus, die nur gegen die Zugrichtung wirkt. In dem Ausführungsbeispiel mit den zwei unterschiedlichen Federelementen ist somit die Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg erschwert gegenüber einer Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu. Die Kombination der beiden unterschiedlichen Federelemente bewirkt, dass eine Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu geführt wird und ein Kippen der Deckplatte gegen die Grundplatte minimiert wird.
Die Vorrichtung kann mehrere Federelemente vom Typ des ersten Federelementes sowie mehrere Federelemente vom Typ des zweiten Federelementes aufweisen.
Eine Steifigkeit des zweiten Federelementes kann höher sein als eine Steifigkeit des ersten Federelementes. Die gefederte Aufhängung kann gegenüber Bewegungen der Deckplatte von der Grundplatte weg eine höhere Steifigkeit aufweisen als gegenüber Bewegungen der Deckplatte zu der Grundplatte hin. Die gefederte Aufhängung weist somit eine richtungsabhängige Systemsteifigkeit auf.
Bei dem ersten und dem zweiten Federelement kann es sich um beliebige Federelemente handeln. Beispielsweise können die Federelemente z-förmig sein. Alternativ kann es sich bei den Federelementen um eine Schreiben- oder Spiralfeder, eine Blattfeder, eine Flachfeder oder eine Schnappscheibenfeder handeln. Die Federelemente können ein nachgiebiges Material aufweisen oder aus einem nachgiebigen Material bestehen, beispielsweise einem Gummi, einem Elastomer oder einem Schaumstoff .
Die Vorrichtung kann ein einziges Haptik-Modul zur Erzeugung einer Vibration aufweisen, das mittig zwischen der Grundplatte und der Deckplatte angeordnet ist. Da bei Einwirken einer Kraft auf einen beliebigen Punkt der Deckplatte jeder Punkt der Deckplatte auf die Grundplatte zu bewegt wird, wird die Kraft in jedem Fall auf das Haptik- Modul übertragen. Daher reicht die Anordnung eines einzigen mittig angeordneten Haptik-Modul s aus. Im Vergleich zu Vorrichtungen, die mehrere Haptik-Modul e aufweisen, kann somit eine einfachere und platzsparende Vorrichtung konstruiert werden.
Das Haptik-Modul kann einen piezoelektrischen Aktuator mit einer Oberseite und einer Unterseite, ein erstes mechanisches Verstärkungselement und ein zweites mechanisches Verstärkungselement aufweisen. Das erste mechanische Verstärkungselement ist auf einer Oberseite des Aktuators angeordnet und weist den ersten Teilbereich auf. Das zweite mechanische Verstärkungselement ist auf der Unterseite des Aktuators angeordnet und weist den zweiten Teilbereich auf. Das erste mechanische Verstärkungselement und das zweite mechanische Verstärkungselement sind derart ausgestaltet und angeordnet, dass eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators in eine Richtung parallel zur Oberseite eine Bewegung des ersten Teilbereichs senkrecht zur Oberseite und eine Bewegung des zweiten Teilbereichs in eine Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die sich der erste Teilbereich bewegt, umgewandelt wird. Der erste Teilbereich kann dabei an einer Innenseite der Deckplatte anliegen, die zur Grundplatte hinweist. Der zweite Teilbereich kann an einer Innenseite der Grundplatte anliegen, die zur Deckplatte hinweist .
Der piezoelektrische Aktuator kann eine piezoelektrische Keramik oder ein piezoelektrisches Polymer aufweisen. Der piezoelektrische Aktuator kann abwechselnd gestapelte Innenelektroden und Schichten eines piezoelektrischen Materials aufweisen, die parallel zur Oberseite des Aktuators angeordnet sind.
Das erste mechanische Verstärkungselement und das zweite mechanische Verstärkungselement können kegelstumpfförmig beziehungsweise zimbelförmig sein. Diese Form eignet sich gut zur Umwandlung von Längenänderungen des Aktuators in eine dazu senkrechte Richtung, wobei die Amplitude der Bewegung vergrößert werden kann.
Die Vorrichtung kann eine Auswerteelektronik aufweisen, die mit dem Haptik-Modul verbunden ist, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, wenn eine auf die Deckplatte ausgeübte Kraft eine vordefinierte Kraftschwelle überschreitet, in dem eine von dem Haptik-Modul erzeugte elektrische Spannung gemessen wird. Das Überschreiten der Kraftschwelle und sein Erkennen kann als „Force Sensing" bezeichnet werden. Die Auswerteelektronik kann das Überschreiten der Kraftschwelle als Betätigung der Deckplatte interpretieren und in diesem Fall die Erzeugung einer Vibration durch das Haptik-Modul veranlassen.
Die Deckplatte kann dazu ausgestaltet sein, eine Position einer Berührung der Deckplatte zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen. Alternativ kann die Deckplatte fest mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche verbunden sein, die dazu ausgestaltet ist, eine Position der Berührung der berührungsempfindlichen Oberfläche zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen. In beiden Fällen kann durch den positionsabhängigen Korrekturfaktor ausgeglichen werden, dass Kräfte, die auf unterschiedlichen Positionen der Deckplatte ausgeübt werden, nicht im gleichen Maße auf das Haptik-Modul übertragen werden. Beispielsweise könnte ein zentral auf die Deckplatte ausgeübte Kraft stärker auf das Haptik-Modul übertragen werden, als eine Kraft, die an einem Randbereich wirkt.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Kraftschwelle, die in der Auswerteelektronik hinterlegt ist, veränderbar sein.
Eine Steifigkeit der gefederten Aufhängung gegen eine Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu kann kleiner sein als eine Steifigkeit des Haptik-Moduls. Alternativ oder ergänzend kann eine Steifigkeit der gefederten Aufhängung gegen eine Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg größer oder gleich einer Steifigkeit des Haptik-Moduls sein. Dadurch wird die Beweglichkeit der Deckplatte zu der Grundplatte hin erleichtert.
Die Federelemente der gefederten Aufhängung können austauschbar sein. Die Deckplatte kann einen Bildschirm, ein Bedienungsfeld oder ein Eingabeelement sein. Alternativ kann die Vorrichtung ein Verbindungselement aufweisen über das die Deckplatte mit einem Bildschirm, einem Bedienungsfeld oder einem Eingabeelement fest verbunden ist.
Die Vorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, das haptische Signal zu erzeugen, indem eine elektrische Spannung an das Haptik-Modul angelegt wird, wie eine Bewegung des ersten Teilbereichs auf den zweiten Teilbereich zu oder von dem zweiten Teilbereich weg bewirkt, sodass die Deckplatte und die Grundplatte aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden.
Die gefederte Aufhängung kann zumindest vier Federelemente aufweisen, die nah an den Ecken der Deckplatte und der Grundplatte angeordnet sind. Diese Anordnung kann eine Bewegung der Deckplatte in gewünschter Weise führen.
Im Folgenden werden bevorzugte Aspekte genannt. Zur einfacheren Referenzierung sind die Aspekte nummeriert:
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals, aufweisend
- ein Bauteil zur Erzeugung einer Vibration,
- eine Grundplatte und eine Deckplatte, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Deckplatte eine zur Grundplatte hinweisende Anschlagsfläche und eine von der Grundplatte wegweisende Oberseite aufweist, wobei das Bauteil zwischen der Grundplatte und der Deckplatte angeordnet ist, wobei ein erster Teilbereich des Bauteils an der Anschlagsfläche der Deckplatte anliegt und ein zweiter Teilbereich des Bauteils an der Grundplatte anliegt, und
- eine gefederte Verbindung, über die die Grundplatte und die Deckplatte mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die gefederte Verbindung derart ausgestaltet ist, dass die Anschlagsfläche auf die Grundplatte zu bewegt wird, wenn sich die Deckplatte in einer neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte auf einen beliebigen Punkt der Oberseite der Deckplatte ausgeübt wird. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei die gefederte Verbindung ein Gegenlager mit einem Anschlag aufweist, an dem die Deckplatte in der neutralen Position anliegt. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei die Grundplatte den Anschlag der gefederten Verbindung ausbildet. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei die Deckplatte einen Vorsprung aufweist, der parallel zu der Oberseite der Deckplatte ist, und wobei der Vorsprung in der neutralen Position an dem Anschlag anliegt. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die Grundplatte eine Führungsschiene aufweist, in die die Deckplatte eingreift und die dazu ausgestaltet ist, eine Bewegung der Deckplatte zu führen. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die gefederte Verbindung derart ausgestaltet ist, dass eine Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position in eine Richtung weg von der Grundplatte verhindert wird. Vorrichtung gemäß einem der Aspekte 1 bis 5, wobei die gefederte Verbindung derart ausgestaltet ist, dass eine Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position heraus in eine Richtung weg von der Grundplatte gegenüber einer Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position auf die Grundplatte zu erschwert ist. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die gefederte Verbindung zumindest ein erstes Federelement, das eine Federkraft auf die Deckplatte ausübt, die bei einer Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu und bei einer Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg zu überwinden ist, und zumindest ein zweites Federelement, das eine Federkraft auf die Deckplatte ausübt, die nur bei einer Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg zu überwinden ist, aufweist. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei eine Steifigkeit des zweiten Federelements höher ist als eine Steifigkeit des ersten Federelements. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die gefederte Verbindung gegenüber Bewegungen der Deckplatte von der Grundplatte weg eine höhere Steifigkeit aufweist als gegenüber Bewegungen der Deckplatte zu der Grundplatte hin. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die Vorrichtung ein einziges Bauteil zur Erzeugung einer Vibration aufweist und das Bauteil zur Erzeugung einer Vibration mittig zwischen der Grundplatte und der Deckplatte angeordnet ist. Vorrichtung einem der vorherigen Aspekte, wobei das Bauteil zur Erzeugung der Vibration einen piezoelektrischen Aktuator mit einer Oberseite und einer Unterseite, ein erstes mechanisches Verstärkungselement, das auf der Oberseite des piezoelektrischen Aktuators angeordnet ist und das den ersten Teilbereich aufweist, und ein zweites mechanisches Verstärkungselement, das auf der Unterseite des piezoelektrischen Aktuators angeordnet ist und das den zweiten Teilbereich aufweist, aufweist, wobei das erste mechanische Verstärkungselement und das zweite mechanische Verstärkungselement derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators in eine Richtung parallel zur Oberseite des piezoelektrischen Aktuators in eine Bewegung des ersten Teilbereichs senkrecht zur Oberseite des piezoelektrischen Aktuators und eine Bewegung des zweiten Teilbereichs in eine Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die sich der erste Teilbereich bewegt, umgewandelt wird. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei der piezoelektrische Aktuator eine piezoelektrische Keramik oder ein piezoelektrisches Polymer aufweist. Vorrichtung gemäß einem der Aspekte 12 oder 13, wobei das erste mechanische Verstärkungselement und das zweite mechanische Verstärkungselement kegelstumpfförmig sind. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die Vorrichtung eine Auswerteelektronik aufweist, die mit dem Bauteil verbunden ist, und wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, zu erkennen, wenn eine auf die Deckplatte ausgeübte Kraft eine vordefinierte Kraftschwelle überschreitet, indem eine an dem Bauteil erzeugte elektrische Spannung gemessen wird. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Aspekt, wobei die Deckplatte dazu ausgestaltet ist, eine Position einer Berührung der Deckplatte zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen, oder wobei die Deckplatte fest mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche verbunden ist, die dazu ausgestaltet ist, eine Position der Berührung der berührungsempfindlichen Oberfläche zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei eine Steifigkeit der gefederten Verbindung gegen eine Bewegung der Deckplatte auf die Grundplatte zu kleiner ist als eine Steifigkeit des Bauteils, und/oder wobei eine Steifigkeit der gefederten Verbindung gegen eine Bewegung der Deckplatte von der Grundplatte weg größer oder gleich der Steifigkeit des Bauteils ist. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die Deckplatte ein Bildschirm, ein Bedienungsfeld oder ein Eingabeelement ist, oder wobei die Vorrichtung ein Verbindungselement aufweist, über das die Deckplatte mit einem Bildschirm, einem Bedienungsfeld oder einem Eingabeelement fest verbunden ist. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das haptische Signal zu erzeugen, indem eine elektrische Spannung an das Bauteil angelegt wird, die eine Bewegung des ersten Teilbereichs auf den zweiten Teilbereich zu oder von dem zweiten Teilbereich weg bewirkt, so dass die Deckplatte und die Grundplatte aufeinander zu bewegt werden oder voneinander weg bewegt werden. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Aspekte, wobei die gefederte Verbindung zumindest vier Federelemente aufweist, die nahe an Ecken der Grundplatte und der Deckplatte angeordnet sind.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.
Figur 1 zeigt ein Haptik-Modul zur Erzeugung einer Vibration in perspektivischer Ansicht.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das Haptik-Modul.
Figuren 3 bis 6 zeigen eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Figuren 7 bis 8 zeigen eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt ein Haptik-Modul 100 zur Erzeugung einer Vibration in perspektivischer Ansicht.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das Haptik-Modul 100.
Das Haptik-Modul 100 weist einen piezoelektrischen Aktuator 1, ein erstes mechanisches Verstärkungselement 2 und ein zweites mechanisches Verstärkungselement 3 auf. Das Haptik- Modul 100 kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals und zur Detektion von Bediensignalen eingesetzt werden.
Der piezoelektrische Aktuator 1 weist einen Stapel aus in einer Stapelrichtung S abwechselnd übereinander gestapelten Innenelektroden 4 und piezoelektrischen Schichten 5 auf. Der piezoelektrische Aktuator 1 weist eine erste Außenelektrode 6 und eine zweite Außenelektrode 7 auf. Die Innenelektroden 4 sind in Stapelrichtung S abwechselnd mit der ersten Außenelektrode 6 oder mit der zweiten Außenelektrode 7 kontaktiert. Der piezoelektrische Aktuator 1 ist quaderförmig. Dabei gibt eine Höhe die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators 1 in Stapelrichtung S an. Die Höhe des piezoelektrischen Aktuators 1 ist kleiner als seine Breite und seine Länge. Die Breite und die Länge geben die Ausdehnung des Aktuators 1 in zur Stapelrichtung S senkrechten Richtungen an. Eine Oberseite 8 und eine Unterseite 9 des piezoelektrischen Aktuators 1 liegen sich in Stapelrichtung S gegenüber.
Die piezoelektrischen Schichten 5 können eine piezoelektrische Keramik, insbesondere eine Blei-Zirkonat- Titanat-Keramik (PZT-Keramik), aufweisen. Die PZT-Keramik kann zusätzlich Nd und Ni enthalten. Alternativ kann die PZT- Keramik zusätzlich Nd, K und gegebenenfalls Cu aufweisen. Alternativ können die piezoelektrischen Schichten 5 eine Pb (ZrxTii-x) O3 + y Pb (Mni/3Nb2/3)O3 enthaltenden Zusammensetzung aufweisen .
Alternativ können die piezoelektrischen Schichten 5 ein piezoelektrisches Polymer aufweisen.
Die Innenelektroden 4 weisen Kupfer auf oder bestehen aus Kupfer.
Der piezoelektrische Aktuator 1 ist so ausgestaltet, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des piezoelektrischen Aktuators 1 stattfindet. Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 5 derart polarisiert, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Innenelektroden 4 zu einer Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators 1 senkrecht zur Stapelrichtung S führt.
Um den Effekt der Längenänderung weiter zu verstärken, weist die Vorrichtung die zwei Verstärkungselemente 2, 3 auf. Das erste Verstärkungselement 2 ist auf der Oberseite 8 des piezoelektrischen Aktuators 1 befestigt. Das zweite Verstärkungselement 3 ist auf der Unterseite 9 des piezoelektrischen Aktuators 1 befestigt. Die beiden Verstärkungselemente 2, 3 sind baugleich.
Das erste Verstärkungselement 2 und das zweite Verstärkungselement 3 sind kegelstumpfförmig. Das erste Verstärkungselement 2 und das zweite Verstärkungselement 3 weisen jeweils einen Randbereich 10 auf, der unmittelbar an dem piezoelektrischen Aktuator 1 anliegt. Das erste Verstärkungselement 2 und das zweite Verstärkungselement 3 weisen jeweils einen Teilbereich 11 auf, der von dem piezoelektrischen Aktuator 1 beabstandet ist. Die Teilbereiche 11 sind parallel zur Oberseite 8 bzw. zur Unterseite 9 des piezoelektrischen Aktuators 1.
Das erste Verstärkungselement 2 und das zweite Verstärkungselement 3 weisen jeweils einen Verbindungsbereich 12 auf, wobei der Teilbereich 11 über den Verbindungsbereich 12 mit dem Randbereich 10 verbunden ist. Der Randbereich 10 umschließt kreis- oder ellipsenförmig den Teilbereich 11. Der Verbindungsbereich 12 schließt zu der Oberseite 8 beziehungsweise Unterseite 9 des piezoelektrischen Aktuators 1 einen Winkel mit 0 < < 90° ein. Die Verstärkungselemente 2, 3 sind derart dimensioniert und mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 verbunden, dass der jeweilige Teilbereich 11 der Verstärkungselemente 2, 3 infolge einer Änderung der Ausdehnung des Aktuators 1 in eine Richtung senkrecht zur Stapelrichtung S eine Hubbewegung in die Stapelrichtung S ausführt, wobei die Amplitude der Hubbewegung größer ist als die Amplitude der Längenänderung des Aktuators 1.
Die Verstärkungselemente 2, 3 können Bleche sein. Die Verstärkungselemente 2, 3 können Titan aufweisen oder aus Titan bestehen. Die Randbereiche 10 der Verstärkungselemente 2, 3 sind unlösbar mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 verbunden. Beispielsweise können die Randbereiche 10 mit dem Aktuator 1 durch eine Klebeverbindung verbunden sein.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals, die das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Haptik-Modul 100 aufweist. Figur 3 zeigt die Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung. Figur 5 zeigt die Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht, wobei eine Deckplatte 13 der Vorrichtung transparent dargestellt ist. Figur 6 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung
Die Vorrichtung weist eine Grundplatte 14 und eine Deckplatte 13 auf. Die Grundplatte 14 und die Deckplatte 13 sind parallel zueinander angeordnet. Der piezoelektrische Aktuator
1 und die beiden Verstärkungselemente 2, 3 sind zwischen der Grundplatte 14 und der Deckplatte 13 angeordnet. Der Teilbereich 11 des ersten mechanischen Verstärkungselementes
2 liegt an einer Seite der Deckplatte 13 an, die zu dem piezoelektrischen Aktuator 1 hinweist. Der Teilbereich 11 des zweiten mechanischen Verstärkungselementes 3 liegt an einer Seite der Grundplatte 14 an, die zu dem piezoelektrischen Aktuator 1 hinweist.
Zwischen der Deckplatte 13 und der Grundplatte 14 ist ein Luftspalt 15 ausgebildet, der es ermöglicht, dass die Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zubewegt werden kann.
Die Deckplatte 13 und die Grundplatte 14 sind über eine gefederte Aufhängung 16 mechanisch miteinander verbunden.
In den Figuren ist die Vorrichtung in der neutralen Position dargestellt. In der neutralen Position wird keine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 1 angelegt und keine Kraft auf die Deckplatte 13 ausgeübt. Die neutrale Position ist somit eine Ruheposition der Vorrichtung. Die gefederte Aufhängung
16 zwischen der Grundplatte 14 und der Deckplatte 13 ist derart ausgestaltet, dass die Deckplatte 13 aus der neutralen Position heraus nicht von dem piezoelektrischen Aktuator 1 weg bewegt werden kann. Es ist lediglich möglich, die Deckplatte 13 auf den piezoelektrischen Aktuator 1 zu zubewegen .
In dem ersten Ausführungsbeispiel weist die gefederte Aufhängung 16 vier z-förmige erste Federelemente 17 auf.
Jedes der Federelemente 17 ist sowohl mit der Grundplatte 14 als auch mit der Deckplatte 13 verbunden. Die Federelemente
17 sind derart ausgelegt, dass sie eine Federkraft auf die Deckplatte 13 ausüben, die überwunden werden muss, um die Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zu zubewegen und um die Deckplatte 13 von der Grundplatte 14 weg zubewegen.
Die Federelemente 17 sind symmetrisch in der Vorrichtung angeordnet. Jedes Federelement 17 ist nahe einer Ecke der Grundplatte 14 und der Deckplatte 13 angeordnet. Jedes Federelement 17 ist an einem längsseitigen Rand der Grundplatte 14 und an einem längsseitigen Rand der Deckplatte 13 angeordnet.
Die Federelemente 17 sind derart angeordnet und eine Steifigkeit der Federelemente 17 ist derart ausgewählt, dass die Deckplatte 13 sich im Wesentlichen linear auf die Grundplatte 14 zubewegt, wenn eine Kraft auf eine beliebige Position auf der Deckplatte 13 von einem Nutzer ausgeübt wird. Die Federelemente 17 bewirken, dass eine auf die Deckplatte 13 ausgeübte Kraft nur in einem sehr geringen Ausmaß zu einem Kippen der Deckplatte 13 relativ zu der Grundplatte 14 führt.
Eine Steifigkeit der gefederten Aufhängung 16 gegen eine Bewegung der Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zu kann kleiner sein als die Steifigkeit des Haptik-Moduls 100. Die Steifigkeit der gefederten Aufhängung 16 gegen eine Bewegung der Deckplatte 13 von der Grundplatte 14 weg kann größer oder gleich der Steifigkeit des Haptik-Moduls 100 sein. Durch diese Wahl der Steifigkeiten kann eine Bewegung der Deckplatte 13 zu der Grundplatte 14 hin erleichtert werden.
Die gefederte Aufhängung 16 zwischen der Deckplatte 13 und der Grundplatte 14 weist ein Gegenlager 18 auf. Das Gegenlager 18 weist einen Anschlag 19 auf, an dem die Deckplatte 13 in der neutralen Position anliegt und der eine Bewegung der Deckplatte 13 von der Grundplatte 14 weg verhindert. Dementsprechend kann der Anschlag 19 in diesem Ausführungsbeispiel ein Führungselement ausbilden, das eine Bewegung der Deckplatte 13 aus der neutralen Position in eine Richtung weg von der Grundplatte 14 verhindert. Die Deckplatte 13 ist eine rechteckige Platte. Die Deckplatte weist eine Oberseite 13a auf, die von der Grundplatte weg weist. Die Oberseite 13a der Deckplatte 13 ist dazu ausgestaltet von einem Nutzer betätigt zu werden, beispielsweise indem der Nutzer mit einem Stift oder einem Finger auf die Oberseite 13a drückt. Ferner ist die Oberseite 13a dazu ausgestaltet, durch eine Vibration ein für den Nutzer haptisch wahrnehmbares Signal zu übertragen. Die Deckplatte 13 weist eine Unterseite 13b auf, die zu der Grundplatte 14 hinweist. An der Unterseite 13b der Deckplatte ist eine Anschlagsfläche 24 ausgebildet, die an dem Teilbereich 11 des ersten Verstärkungselements anliegt. Die Anschlagsfläche ist dazu ausgestaltet, eine Vibration des Haptik-Moduls auf die Deckplatte 13 zu übertragen und eine auf die Deckplatte 13 wirkende Kraft auf das Haptik-Modul zu übertragen .
Die Deckplatte 13 weist an jedem ihrer Ränder einen zurückversetzen Bereich 20 auf, in den eine Erhöhung 21 der Grundplatte eingreift.
Die Deckplatte 13 weist Vorsprünge 22 auf. Die Vorsprünge 22 ragen nach innen. Die Vorsprünge 22 sind in einer in der Grundplatte 14 ausgebildeten Führungsschiene 23 angeordnet.
In der neutralen Position liegen die Vorsprünge 22 an dem in der Grundplatte 14 ausgebildeten Anschlag 19 an und verhindern eine Bewegung der Deckplatte 13 von der Grundplatte 14 weg. Der Anschlag 19 bildet in eine zur Deckplatte hinweisenden Richtung einen Abschluss der Führungsschiene 23. Die Grundplatte 14 ist eine rechteckige Platte. Die Grundplatte 14 weist die gleiche Breite und die gleiche Länge wie die Deckplatte 13 auf. Die Grundplatte 14 ist parallel zur Deckplatte 13 angeordnet.
An den Rändern der Grundplatte 14 sind die Erhöhungen 21 ausgebildet, die zur Deckplatte 13 hin vorstehen. Die Erhöhungen 21 sind zwischen den Federelementen 17 der gefederten Aufhängung 16 angeordnet. Die Erhöhungen 21 bilden an ihren Innenseiten jeweils eine Führungsschiene 23 aus, in der die Vorsprünge 22 der Deckplatte 13 angeordnet sind. Entlang der Führungsschiene 23 werden die Vorsprünge 22 der Deckplatte 13 geführt, wenn die Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zubewegt wird.
Die Grundplatte 14 weist eine Fläche auf, die den Anschlag 19 der gefederten Aufhängung 16 bildet. Die Vorsprünge 22 der Deckplatte 13 liegen dem Anschlag 19 der Grundplatte 14 in der neutralen Position an.
Wird nun von einem Nutzer eine Kraft auf die Deckplatte 13 ausgeübt, beispielsweise indem der Nutzer an einer beliebigen Position der Deckplatte 13 mit seinem Finger oder einem Stift auf die Deckplatte 13 drückt, wird die Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zubewegt. Insbesondere wird die Anschlagsfläche 24 der Deckplatte 13 auf die Grundplatte 13 und den piezoelektrischen Aktuator 1 zubewegt. Die gefederte Aufhängung 16 sorgt dabei in Aufhängung mit dem Gegenlager dafür, dass ein Verkippen der Deckplatte 13 relativ zu der Grundplatte 14 auf ein Minimum beschränkt wird und sich die Deckplatte 13 im Wesentlichen linear bewegt. Durch die Bewegung der Deckplatte 14 auf die Grundplatte 13 zu werden das erste mechanische Verstärkungselement 2 und das zweite mechanische Verstärkungselement 3 verformt, insbesondere werden die Teilbereiche 11 aufeinander zubewegt. Dadurch üben die mechanischen Verstärkungselemente 2, 3 eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator 1 aus, durch die der piezoelektrische Aktuator 1 in die Länge und in die Breite gezogen wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes entsteht nun in dem piezoelektrischen Aktuator 1 ein Spannungssignal, das von einer Auswerteelektronik ausgelesen werden kann, die mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 verbunden ist.
Übersteigt das Spannungssignal eine vordefinierte Kraftschwelle, wird dieses als Betätigung der Deckplatte 13 interpretiert. In diesem Fall kann an den piezoelektrischen Aktuator 1 eine elektrische Spannung angelegt werden, die eine Vibration des Aktuators 1 bewirkt. Dadurch werden die Teilbereiche 11 der Verstärkungselemente 2, 3 in Stapelrichtung S relativ zueinander bewegt und die Deckplatte 13 wird relativ zu der Grundplatte 14 bewegt. Die Bewegung der Deckplatte 13 ist als haptisches Signal für einen Nutzer der Vorrichtung wahrnehmbar.
Die Ausgestaltung und Anordnung der gefederten Aufhängung 16 ermöglicht es, dass die Vorrichtung nur einen einzigen piezoelektrischen Aktuator 1 aufweist, der mittig zwischen der Grundplatte 14 und der Deckplatte 13 angeordnet ist. Unabhängig davon, an welcher Position der Deckplatte 13 eine Kraft auf die Deckplatte 13 ausgeübt wird, bewirkt die Kraft stets eine Bewegung der Anschlagsfläche 24 der Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zu und übt dabei eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator 1 aus. Der piezoelektrische Aktuator 1 kann erkennen, dass eine Kraft auf die Deckplatte 13 ausgeübt wird, unabhängig davon an welcher Position der Deckplatte 13 die Kraft ausgeübt wird. Die gefederte Aufhängung 16 ist so ausgestaltet, dass eine Vibration des Haptik-Moduls 100, die Deckplatte 13 bewegt und so an jeder Position der Deckplatte 13 ein haptisch wahrnehmbares Signal erzeugt .
Der piezoelektrische Aktuator 1 kann mit der Auswerteelektronik verbunden sein. Die Auswerteelektronik misst die in dem Aktuator 1 erzeugte elektrische Spannung und erkennt eine Betätigung der Deckplatte 13, wenn die Spannung eine vordefinierte Kraftschwelle überschreitet (Force Sensing) .
Die Deckplatte 13 kann dazu ausgestaltet sein, zu erkennen, an welcher Position der Deckplatte 13 diese berührt wird. Diese Information kann an die Auswerteelektronik weitergegeben werden, wobei die Auswerteelektronik einen positionsabhängigen Korrekturfaktor mitberücksichtigt, um zu bestimmen, ob der vorbestimmte Schwellenwert überschritten wird. Dementsprechend kann der Schwellwert positionsabhängig für verschiedene Bereiche der Deckplatte 13 unterschiedlich definiert sein.
Die Deckplatte 13 kann alternativ mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche verbunden sein, die von einem Nutzer berührt wird. Dabei kann eine Information der Position, an der die berührungsempfindliche Oberfläche berührt wird, an die Auswerteelektronik weitergegeben werden, sodass diese wiederum den positionsabhängigen Korrekturfaktor berücksichtigen kann.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. In Figur 7 ist die Vorrichtung in perspektivischer Ansicht gezeigt, wobei die Deckplatte 13 transparent dargestellt ist. Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist im Gegensatz zu der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kein Gegenlager auf. Stattdessen weist die Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel erste Federelemente 17 und zweite Federelemente 25 auf. Die ersten Federelemente 17 und die zweiten Federelemente 25 sind jeweils sowohl mit der Deckplatte 13 als auch mit der Grundplatte 14 verbunden. Die ersten Federelemente 17 und die zweiten Federelemente 25 sind z-förmig.
Die zweiten Federelemente 25 übernehmen die Funktion des Gegenlagers. Die zweiten Federelemente 25 bilden in diesem Ausführungsbeispiel ein Führungselement, das eine Bewegung der Deckplatte 13 aus der neutralen Position heraus in eine Richtung weg von der Grundplatte 14 gegenüber einer Bewegung der Deckplatte 13 aus der neutralen Position auf die Grundplatte 14 zu erschwert.
Die zweiten Federelemente 25 üben eine Federkraft auf die Deckplatte 13 aus, die nur bei Bewegungen der Deckplatte 13 von der Grundplatte 14 weg überwunden werden muss. Die zweiten Federelemente 25 hindern eine Bewegung der Deckplatte 13 auf die Grundplatte 14 zu nicht. Die ersten Federelemente sind baugleich zu den Federelementen des ersten Ausführungsbeispiels. Die ersten Federelemente üben sowohl gegen Bewegungen der Deckplatte zu der Grundplatte hin als auch gegen Bewegungen der Deckplatte von der Grundplatte weg eine Federkraft aus. Die gefederte Aufhängung mit den ersten und den zweiten Federelementen sorgt dafür, dass die Deckplatte im Wesentlichen linear auf die Grundplatte zubewegt wird, unabhängig davon, an welcher Position eine Kraft auf die Deckplatte einwirkt. Ferner sind die zweiten Federelemente derart ausgelegt, dass eine Bewegung der Deckplatte aus der neutralen Position heraus von der Grundplatte weg beschränkt wird. Die zweiten Federelemente weisen eine höhere Steifigkeit auf als die ersten Federelemente. Die gefederte Aufhängung weist somit eine richtungsabhängige Systemsteifigkeit auf.
Bezugszeichenliste
1 piezoelektrischer Aktuator
2 erstes mechanisches Verstärkungselement
3 zweites mechanisches Verstärkungselement
4 Innenelektrode
5 piezoelektrische Schicht
6 Außenelektrode
7 Außenelektrode
8 Oberseite des piezoelektrischen Aktuators
9 Unterseite des piezoelektrischen Aktuators
10 Randbereich
11 Teilbereich
12 Verbindungsbereich
13 Deckplatte
13a Oberseite der Deckplatte 13b Unterseite der Deckplatte
14 Grundplatte
15 Luftspalt
16 gefederte Verbindung
17 (erstes) Federelement
18 Gegenlager
19 Anschlag
20 zurückversetzer Bereich der Deckplatte
21 Erhöhung der Grundplatte
22 Vorsprung
23 Führungsschiene
24 Anschlagsfläche
25 (zweites) Federelement
100 Haptik-Modul
S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines haptischen Signals, aufweisend
- ein einziges Haptik-Modul (100) aufweisend einen einzigen Aktuator (1),
- eine Grundplatte (14) und eine Deckplatte (13), die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Deckplatte (13) eine zur Grundplatte (14) hinweisende Anschlagsfläche (24) und eine von der Grundplatte (14) wegweisende Oberseite (13a) aufweist, wobei das Haptik-Modul (100) zwischen der Grundplatte (14) und der Deckplatte (13) angeordnet ist, wobei ein erster Teilbereich (11) des Haptik-Moduls (100) an der Anschlagsfläche (24) der Deckplatte (13) anliegt und ein zweiter Teilbereich (11) des Haptik-Moduls (100) an der Grundplatte (14) anliegt, und
- eine gefederte Aufhängung (16), über die die Grundplatte (14) und die Deckplatte (13) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei die gefederte Aufhängung (16) derart ausgestaltet ist, dass die Anschlagsfläche (24) auf die Grundplatte (14) zu bewegt wird, wenn sich die Deckplatte (13) in einer neutralen Position befindet und eine Kraft in Richtung der Grundplatte (14) auf einen beliebigen Punkt der Oberseite (13a) der Deckplatte (13) ausgeübt wird, so dass stets eine Druckkraft auf das Haptik-Modul übertragen wird, wenn eine Kraft in Richtung der Grundplatte (14) auf einen beliebigen Punkt der Oberseite (13a) der Deckplatte (13) ausgeübt wird, wobei die gefederte Aufhängung (16) ein erstes Federelement (17) aufweist, das eine Bewegung der Deckplatte relativ zu der Grundplatte ermöglicht, und wobei die gefederte Aufhängung (16) ein Führungselement (19, 25) aufweist, das eine Bewegung der Deckplatte (13) aus der neutralen Position in eine Richtung weg von der Grundplatte (14) verhindert oder das eine Bewegung der Deckplatte (13) aus der neutralen Position heraus in eine Richtung weg von der Grundplatte (14) gegenüber einer Bewegung der Deckplatte (13) aus der neutralen Position auf die Grundplatte (14) zu erschwert.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das erstes Federelement (17) und das Führungselement (19, 25) baulich getrennte Elemente sind.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Haptik-Modul (100) eine Länge aufweist, die weniger als ein Zehntel einer Länge der Deckplatte (13) beträgt, und das Haptik-Modul eine Breite aufweist, die weniger als ein Zehntel der Breite der Deckplatte beträgt.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Grundplatte (14) eine Führungsschiene (23) aufweist, in die die Deckplatte (13) eingreift und die dazu ausgestaltet ist, eine Bewegung der Deckplatte (13) zu führen.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gefederte Aufhängung (16) ein Gegenlager (18) mit einem Anschlag (19) aufweist, an dem die Deckplatte (13) in der neutralen Position anliegt, wobei der Anschlag (19) das Führungselement bildet.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 und Anspruch 5, wobei der Anschlag (19) in eine zur Deckplatte hinweisende Richtung einen Abschluss der Führungsschiene (23) bildet.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Grundplatte (14) den Anschlag (19) der gefederten Aufhängung (16) ausbildet.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Deckplatte (13) einen Vorsprung (22) aufweist, der parallel zu der Oberseite (13a) der Deckplatte (13) ist, und wobei der Vorsprung in der neutralen Position an dem Anschlag (19) anliegt.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste Federelement (17) eine Federkraft auf die Deckplatte (13) ausübt, die bei einer Bewegung der Deckplatte (13) auf die Grundplatte (14) zu und bei einer Bewegung der Deckplatte (13) von der Grundplatte (14) weg zu überwinden ist.
10. Vorrichtung gemäß dem einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung als Führungselement zumindest ein zweites Federelement (25) aufweist, das eine Federkraft auf die Deckplatte (13) ausübt, die nur bei einer Bewegung der Deckplatte (13) von der Grundplatte (14) weg zu überwinden ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei eine Steifigkeit des zweiten Federelements (25) höher ist als eine Steifigkeit des ersten Federelements (17).
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die gefederte Aufhängung (16) gegenüber Bewegungen der Deckplatte (13) von der Grundplatte (14) weg eine höhere Steifigkeit aufweist als gegenüber Bewegungen der Deckplatte (13) zu der Grundplatte (14) hin.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das einzige Haptik-Modul (100) mittig zwischen der Grundplatte und der Deckplatte (13) angeordnet ist.
14. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Haptik-Modul (100) als Aktuator einen piezoelektrischen Aktuator (1) mit einer Oberseite (8) und einer Unterseite (9) aufweist, und wobei das Haptik-Modul ferner ein erstes mechanisches Verstärkungselement (2), das auf der Oberseite (8) des piezoelektrischen Aktuators (1) angeordnet ist und das den ersten Teilbereich (11) aufweist, und ein zweites mechanisches Verstärkungselement (3), das auf der Unterseite (9) des piezoelektrischen Aktuators (1) angeordnet ist und das den zweiten Teilbereich (11) aufweist, aufweist, wobei das erste mechanische Verstärkungselement (2) und das zweite mechanische Verstärkungselement (3) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators (1) in eine Richtung parallel zur Oberseite (8) des piezoelektrischen Aktuators (1) in eine Bewegung des ersten Teilbereichs (11) senkrecht zur Oberseite (8) des piezoelektrischen Aktuators (1) und eine Bewegung des zweiten Teilbereichs (11) in eine Richtung, die entgegengesetzt zu der Richtung ist, in die sich der erste Teilbereich (11) bewegt, umgewandelt wird.
15. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 14, wobei der piezoelektrische Aktuator (1) eine piezoelektrische Keramik oder ein piezoelektrisches Polymer aufweist.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei das erste mechanische Verstärkungselement (2) und das zweite mechanische Verstärkungselement (3) kegelstumpfförmig sind.
17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Vorrichtung eine Auswerteelektronik aufweist, die mit dem Haptik-Modul (100) verbunden ist, und wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, zu erkennen, wenn eine auf die Deckplatte (13) ausgeübte Kraft eine vordefinierte Kraftschwelle überschreitet, indem eine an dem Haptik-Modul (100) erzeugte elektrische Spannung gemessen wird.
18. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 17, wobei die Deckplatte (13) dazu ausgestaltet ist, eine Position einer Berührung der Deckplatte (13) zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen, oder wobei die Deckplatte (13) fest mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche verbunden ist, die dazu ausgestaltet ist, eine Position der Berührung der berührungsempfindlichen Oberfläche zu erkennen, wobei die Auswerteelektronik dazu ausgestaltet ist, einen positionsabhängigen Korrekturfaktor bei der Erkennung der ausgeübten Kraft zu berücksichtigen.
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei eine Steifigkeit der gefederten Aufhängung (16) gegen eine Bewegung der Deckplatte (13) auf die Grundplatte (14) zu kleiner ist als eine Steifigkeit des Haptik-Moduls (100), und/oder wobei eine Steifigkeit der gefederten Aufhängung (16) gegen eine Bewegung der Deckplatte (13) von der Grundplatte (14) weg größer oder gleich der Steifigkeit des Haptik-Moduls (100) ist.
20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Deckplatte (13) ein Bildschirm, ein Bedienungsfeld oder ein Eingabeelement ist, oder wobei die Vorrichtung ein Verbindungselement aufweist, über das die Deckplatte (13) mit einem Bildschirm, einem Bedienungsfeld oder einem Eingabeelement fest verbunden ist.
21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das haptische Signal zu erzeugen, indem eine elektrische Spannung an das Haptik-Modul (100) angelegt wird, die eine Bewegung des ersten Teilbereichs (11) auf den zweiten Teilbereich (11) zu oder von dem zweiten Teilbereich (11) weg bewirkt, so dass die Deckplatte (13) und die Grundplatte (14) aufeinander zu bewegt werden oder voneinander weg bewegt werden.
22. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die gefederte Aufhängung (16) zumindest vier Federelemente aufweist, die nahe an Ecken der Grundplatte (14) und der Deckplatte (13) angeordnet sind.
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