WO2022101248A1 - Aktoreinheit und verfahren zur erzeugung eines verstärkten haptischen signals - Google Patents

Aktoreinheit und verfahren zur erzeugung eines verstärkten haptischen signals Download PDF

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actuator
piezoelectric actuator
longitudinal direction
piezoelectric
actuator unit
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Johannes Burger
Wolfgang Wallnöfer
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Tdk Electronics Ag
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Definitions

  • the present invention relates to an actuator unit and a method for generating an amplified haptic signal.
  • piezoelectric actuators are used to generate the haptic signal.
  • DE 10 2017 208 238 A1 also discloses an operating element in which a piezoelectric actuator is installed.
  • the piezoelectric actuator comprises a carrier element on which piezoelectric elements are surface-mounted.
  • the piezoelectric actuator generates a haptic signal for a touchscreen of a display device.
  • a mechanical lever is provided to amplify the haptic signal, which converts the change in expansion of the piezoelectric element into a larger change in expansion of the actuator. The changes in expansion of the element and the actuator run in the same direction.
  • EP 3 214 526 A1 also discloses a display device with a touch screen, including haptic piezo sensors and actuators .
  • the power of the haptic signal from the piezo actuator can be amplified using a lever mechanism.
  • US 2016/0027263 A1 discloses another mechanism for amplifying a haptic signal for a touchscreen of a display device.
  • the signal of a piezoelectric actuator for example, is amplified by a lever mechanism by a factor of 2:1 to a maximum of 5:1.
  • US 2004/0119377 A1 discloses a piezoelectric actuator which consists, for example, of a large number of piezo disks stacked on top of one another.
  • the actuator can expand along a longitudinal direction by applying an electrical voltage.
  • the actuator acts with its end face on a transmission element. A short deflection of the actuator is converted to a desired longer deflection of an actuator by means of the transmission element.
  • US Pat. No. 7,225,790 B2 also discloses a piezoelectric actuator to be used as an actuator in a valve.
  • the valve lift is mechanically increased in relation to the deflection of the actuator via a lever mechanism.
  • US 2006/0033405 A1 relates to a device for transmitting a deflection of a piezoelectric actuator of an injection valve.
  • the device comprises a lever device, which has a first and a second transmission element, which transmit the deflection of the actuator to a valve actuator. Furthermore, spring elements for guiding and mounting the first transmission element are disclosed.
  • WO 2004/076848 A1 discloses another piezoelectric actuator, in particular for use as a An actuator in a valve where the valve lift is amplified by a mechanical lever mechanism.
  • DE 10 2018 120 760 A1 discloses a pen-shaped input and output device that has an actuator unit that includes a piezoelectric actuator.
  • the application also relates to a method for generating a haptic signal from the input and output device.
  • US 2016/0282970 A1 relates to a further haptic pen having an input pen tip in order to be in contact with a touch screen.
  • the pen further includes a first actuator configured to cause a stick-slip phenomenon between a pen cover and the user's fingers holding the pen cover.
  • a further object is to specify an advantageous method for generating a haptic signal with such an input and/or output device.
  • the object is achieved by the actuator unit according to claim 1 and by a pen-shaped input and/or output device and a method according to the further independent claims.
  • the pen-shaped input and/or output device is also referred to below as a pen or as a device.
  • an actuator unit which is designed to generate a haptic signal.
  • the actuator unit has a piezoelectric actuator which is designed to change its extension in a longitudinal direction as a function of an electrical voltage applied to it and thereby to generate the haptic signal.
  • the actuator unit has a mechanical amplifier which is designed to amplify the haptic signal by converting the change in expansion of the piezoelectric actuator into a movement of the actuator unit. This movement takes place in the longitudinal direction of the actuator unit.
  • the distance of movement of the actuator unit in the longitudinal direction is longer than the expansion change of the piezoelectric actuator.
  • the direction in which the actuator has the longest extent is referred to as the longitudinal direction.
  • the actuator has an approximately cuboid or prismatic geometry, which has comparatively long dimensions in the longitudinal direction and shorter dimensions in the directions perpendicular to the longitudinal direction.
  • the size of the piezoelectric actuator can be minimized by using the mechanical amplifier. Even a comparatively small change in expansion of a minimized piezoelectric actuator can be converted into a sufficiently large haptic signal via the mechanical amplifier.
  • the actuator unit also has a control unit that is designed to apply a voltage to the piezoelectric actuator.
  • the virtual surface profile can be stored in the control unit.
  • the control unit can control the actuator in such a way that a haptic signal is generated that matches the surface profile. If a feeler element connected to the actuator unit is moved, for example, over a point on a surface where the virtual surface profile provides an elevation, a corresponding haptic signal can be generated.
  • the probe element is, for example, a tip of a pen-shaped input and/or output device.
  • the piezoelectric actuator comprises a multilayer element which has piezoelectric ceramic layers or piezoelectric polymer layers.
  • the multilayer element comprises a plurality of ceramic layers or polymer layers and internal electrodes arranged between them.
  • the inner electrodes are electrically contacted, for example, by outer electrodes attached laterally to the multilayer element.
  • the layers are stacked in a stacking direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the multilayer element deforms more than, for example, a monolithic ceramic or polymer element. This facilitates the miniaturization of the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator is designed such that a voltage is applied to the actuator in a transverse direction perpendicular to the longitudinal direction, which voltage causes a change in expansion of the piezoelectric actuator in the longitudinal direction of the device according to the d31 effect. For example, the voltage is applied in the stacking direction.
  • the actuator unit In the transverse direction, the actuator unit has small dimensions compared to its length in the longitudinal direction.
  • the expansion of the piezoelectric actuator can thus be changed by means of a comparatively low voltage.
  • the outer electrodes for applying the voltage to the piezoelectric actuator are then in contact with the surfaces of the actuator that point in the transverse direction.
  • the mechanical amplifier includes a support element that fixes the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator is attached to the carrier element.
  • the carrier element is a strip made of metal, for example.
  • the piezoelectric actuator is fixed to the carrier element, for example in a form-fitting manner.
  • the actuator is attached to the carrier element, for example by gluing.
  • the support member has a front end pointing toward a surface to be scanned and an opposite rear end.
  • the actuator is fastened to the carrier element at its rear end.
  • the piezoelectric actuator is clamped between a rear end of the carrier element and the lever element at the front end of the carrier element.
  • the carrier element consists, for example, of a strip, a rear section and the lever element.
  • the rear section bears against the rear end of the piezoelectric actuator.
  • the lever element rests against the front end of the piezoelectric actuator and the bar connects the rear section to the lever element along one or more side surfaces of the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator is thus fixed in a form-fitting manner on the carrier element.
  • the piezoelectric actuator can be glued to the rear portion or ledge.
  • the piezoelectric actuator expands when an electrical voltage is applied, the rear end of the actuator is fixed so that the front end moves relative to the carrier element. The movement due to the change in expansion of the actuator in the longitudinal direction generates the desired haptic signal.
  • the mechanical amplifier comprises a lever element which is fixed at a first end to the carrier element.
  • the carrier element has, for example, projections at its front end, in which the lever element engages at its first end.
  • suitable locking lugs are provided for this purpose at the first end of the lever element.
  • the lever element is, for example, a metal sheet or a bar.
  • the lever element and the carrier element are formed from one part and are flexibly connected.
  • the material is thinned at the transition between the carrier element and the lever element, so that the lever element can be pivoted relative to the carrier element.
  • the piezoelectric actuator bears against the lever element, so that a change in expansion of the piezoelectric actuator leads to a movement of a second end of the lever element in the longitudinal direction, which is opposite the first end. This second end is also referred to below as the free end of the lever element.
  • the front end of the piezoelectric actuator is in contact with the lever element.
  • the piezoelectric actuator expands, its front end moves toward the lever member and pushes the free end of the lever member forward away from the actuator.
  • the actuator and lever element are connected via a flexible joint.
  • the first end of the lever element has an axis which is freely rotatably fastened in bearings provided for this purpose at the front end of the carrier element.
  • the piezoelectric actuator expands, the second end of the lever element then performs a pivoting movement or moves along a circular path. The movement in the longitudinal direction is superimposed on a movement in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the deflection caused by the movement of the lever element in the longitudinal direction is greater than the change in expansion of the piezoelectric actuator in the longitudinal direction.
  • a force transmission part is fixed on the surface of the piezoelectric actuator that faces the lever element, with the lever element only resting against the force transmission part.
  • the piezoelectric actuator is not in direct contact with the lever element. Rather, the power transmission part allows a targeted and adjustable transmission of a force from the actuator to the lever element.
  • the force transmission part has a bend formed in the direction of the lever element, with the lever element only resting against the bend.
  • the power transmission part is glued to the front of the actuator, for example.
  • the power transmission part is a metal sheet.
  • the bend is pronounced in the direction of the lever element. Only a contact surface at the front of the bend is in contact with the lever element.
  • a force transmission part is fixed on a surface of the lever element that faces the piezoelectric actuator, with the piezoelectric actuator resting only on the force transmission part.
  • the force transmission part then has the advantage that it mechanically strengthens the lever element.
  • the power transmission part preferably has a high level of rigidity, so that the rigidity of the lever element is also improved.
  • the lever element and the force transmission part preferably comprise different materials.
  • the power transmission part preferably comprises stainless steel.
  • a contact surface of the force transmission part that is in contact with the piezoelectric actuator is preferably processed in such a way that it is as wear-resistant as possible is .
  • the contact surface has a surface reinforced by a coating.
  • the contact surface is designed, for example, in such a way that the surface area of the contact surface to the piezoelectric actuator is maximized.
  • a contact edge of the force transmission part that faces the piezoelectric actuator and is in contact with the piezoelectric actuator is ground off in order to provide a contact surface with a larger surface area.
  • the force-transmitting part is glued flat on the surface of the lever element that faces the piezoelectric actuator.
  • the power transmission part preferably covers almost the entire surface. The dimensions of the lever element and the force transmission part are therefore preferably similar.
  • the power transmission part is designed, for example, as a flat plate which is glued onto the surface of the lever element.
  • the force transmission part has a bend formed in the direction of the piezoelectric actuator, with the piezoelectric actuator only bearing against the bend.
  • the bend additionally increases the rigidity of the force transmission part and thus of the lever element.
  • a surface of the lever element that faces the piezoelectric actuator has a bend formed in the direction of the piezoelectric actuator, with the piezoelectric actuator only bearing against the bend.
  • the bend is provided directly in the lever element.
  • the lever element is bulged out in such a way that a cavity is formed on the surface of the lever element that faces away from the piezoelectric factor. Such a bulge in the lever element creates a bend in the direction of the piezoelectric actuator, which also increases the stiffness of the lever element.
  • the lever member further includes one or more metal tabs bent out of the lever member and attached to the piezoelectric actuator on a surface other than the surface of the piezoelectric actuator opposite the lever member.
  • the metal tabs are glued to the piezoelectric actuator.
  • two metal tabs are provided on a first and on a second side of the lever element, which delimit the surface facing the piezoelectric actuator.
  • one or more areas are bent out of the lever element. These areas are fixed to the piezoelectric actuator.
  • the bent-out area is a tongue that is fixed on the surface of the piezoelectric actuator that faces the lever element.
  • the fixation also takes place on side surfaces, for example perpendicular to the side of the lever element facing the piezoelectric actuator.
  • the lever element is, for example, part of the carrier element or firmly connected to the carrier element.
  • the lever element comprises, for example, a metal sheet from which the tongue is cut.
  • the sheet metal is sufficiently flexible to allow the cut tongue to be bent out of the lever member.
  • the tab is glued to the front surface of the actuator.
  • the actuator is fixed at its rear end to the carrier element.
  • the front end of the actuator shifts in the direction of the lever element and thus moves the lever element forward.
  • the deflection of the lever element is greater than the change in expansion of the actuator.
  • the piezoelectric actuator is attached to the carrier element over a large area, so that a change in expansion of the piezoelectric actuator leads to a deformation of the carrier element.
  • a bending part which has a curved shape and which bends depending on the deformation of the support member in the longitudinal direction.
  • the bending part is preferably attached to the front end of the carrier element.
  • both the front and the rear end of the actuator are attached to the carrier element.
  • the actuator is glued to the carrier element, for example. A change in expansion of the actuator therefore leads to bending of the carrier element .
  • the support element is in this embodiment
  • the bent part is designed, for example, as part of the carrier element.
  • the bending part bends depending on the bending of the carrier element.
  • the deflection of the bending part in the longitudinal direction is greater than the change in expansion of the actuator.
  • the actuator unit is designed to be moved in the longitudinal direction over a distance that is at least twice as long as the change in expansion of the piezoelectric actuator.
  • the haptic signal can thus be clearly amplified.
  • the distance by which the actuator unit is moved is at least three times or at least four times as long as the change in expansion of the piezoelectric actuator.
  • the ratio of the aforesaid distance to the change in expansion can be adjusted via the position of the contact surface, for example, as described above.
  • the invention also relates to a pen-shaped input and/or output device which has a housing and an actuator unit arranged therein.
  • the actuator unit is designed, for example, as described above.
  • the mechanical amplifier is designed to convert the change in expansion of the piezoelectric actuator into a movement of the actuator unit relative to the housing, the movement taking place in a longitudinal direction of the pen-shaped device.
  • the actuator unit is arranged and fastened in the pen-shaped device in such a way that the longitudinal direction of the pen-shaped device corresponds to the longitudinal direction of the actuator unit.
  • the pen-shaped device has a tip with which a surface can be scanned. The side of the tip is defined as the front of the pen-shaped device. The opposite side is defined as the back side of the pen-shaped device. The direction pointing from the back to the tip is where the pen-shaped device has its longest dimension. This direction is the longitudinal direction of the pen-shaped device. In each direction perpendicular to the longitudinal direction, the pen-shaped device has significantly smaller dimensions than along the longitudinal direction.
  • the carrier element is fastened in the housing of the pen-shaped device.
  • the rear end of the carrier element points in the direction of the rear side of the pen-shaped device, and the front end points in the direction of the tip of the pen-shaped device, ie its front side.
  • the actuator moves relative to the carrier element, it also moves relative to the housing.
  • the movement due to the change in expansion of the actuator in the longitudinal direction of the pen-shaped device generates the desired haptic signal of the pen-shaped device.
  • the mechanically amplified movement of the actuator unit is transmitted, for example, by direct contact to the tip, which is arranged so that it can move relative to the housing.
  • the second end of the lever member is configured to transmit motion to the tip through direct contact.
  • the tip is configured as a monolithic component that is movable relative to the body of the pen. The distance by which the tip is moved corresponds to the distance by which the lever element is deflected in the longitudinal direction.
  • the outer electrodes for applying the voltage to the piezoelectric actuator are in contact with the surfaces of the actuator that point in the transverse direction. The space requirement in the housing along the longitudinal direction of the pin is thus reduced.
  • the pen-shaped input and/or output device also has a sensor in addition to the piezoelectric actuator.
  • the sensor is, for example, an inclination sensor and/or a distance sensor and/or a speed sensor and/or an acceleration sensor.
  • the sensors mentioned increase the resolution of a surface to be scanned and enable a more precise adaptation of the haptic signal to a virtual surface profile.
  • the pen-shaped input and/or output device is designed to generate a haptic signal that simulates a surface profile, with the values measured by the sensor being processed when the actuator is activated.
  • the sensor is, for example, one of the sensors mentioned above and serves the purpose mentioned above.
  • the piezoelectric actuator is designed to be used as a pressure sensor.
  • the tip When the tip is pressed against a surface, the tip, which is slidably attached to the pen housing, moves towards the piezoelectric actuator. Since the rear end of the actuator is fastened to the support element and/or is fastened to the housing of the pin at the rear end or abuts against it, the actuator is thereby compressed, which corresponds to a change in expansion. through the When the piezoelectric actuator expands, an electrical voltage is generated. The voltage is interpreted by an electrical evaluation unit, for example as a quantitative signal that reflects the amount of pressure acting on the tip.
  • the displacement of the tip is first transferred to the lever element, which is then pressed against the piezoelectric actuator. Due to the force acting on the actuator, a charge is generated due to the piezoelectric effect and an electrical signal is thus generated.
  • the invention also relates to a method for generating a haptic signal with a pen-shaped input and/or output device, which has an actuator unit with a piezoelectric actuator.
  • a voltage is applied to the piezoelectric actuator in a direction perpendicular to a longitudinal direction by a control unit, so that the piezoelectric actuator changes its expansion.
  • the change in expansion is converted by a mechanical amplifier into a movement of the actuator unit in the longitudinal direction.
  • the actuator unit is moved in the longitudinal direction over a distance that is longer than the expansion change of the piezoelectric actuator.
  • the longitudinal direction here is the direction in which both the piezoelectric actuator and the pin-shaped input and/or output device expand at their greatest.
  • the actuator unit and the pen-shaped input and/or output device are, for example, as above described actuator unit and / or the device described above in any form of execution.
  • FIG. 1 Perspective view of a first embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 2 Section of a perspective view of a first embodiment of the pen-shaped input and/or output device comprising the piezoelectric actuator with mechanical amplifier of the first embodiment.
  • Figure 3 Perspective view of a second
  • Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 4 Section of a perspective view of a second embodiment of the pen-shaped input and/or output device comprising the piezoelectric actuator with mechanical amplifier of the second embodiment.
  • Figure 5 Perspective view of a third
  • Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 6 Diagram 1: The force applied to the tip in the longitudinal direction at time t is shown.
  • FIG. 7 Diagram 2: The deflection of the lever element and the change in expansion of the actuator in the longitudinal direction at time t are shown.
  • Figure 8 Perspective view of a fourth
  • Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier Embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 9 Side view of the fourth embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 10 Perspective view of a fifth embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 11 Side view of the fifth embodiment of the piezoelectric actuator and the mechanical amplifier.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of the piezoelectric actuator 1 is shown in FIG.
  • the piezoelectric actuator 1 is attached to a metallic carrier element 2 .
  • the side of the actuator 1, the carrier element 2 and all other components installed in a pen-shaped input and/or output device, which in the installed state points in the direction of the tip of the pen-shaped input and/or output device, is shown below as front or referred to as the front.
  • the side that points away from the tip when installed is referred to as the rear or referred to as rear.
  • the front and the rear are perpendicular to a longitudinal direction L of the pen-shaped device.
  • the longitudinal direction L is the direction from the rear to the front, ie to the tip, of the pen-shaped device, in which the pen-shaped device has its greatest extent.
  • the actuator 1 has the shape of a cuboid.
  • the cuboid actuator 1 has a front side V and a rear side H according to the above definition.
  • the cuboid actuator 1 has a bottom U, a top 0 and two longitudinal sides, which connect the front and the rear of the cuboid along the longitudinal direction L.
  • the direction in which the underside U points is also referred to below as below
  • the direction in which the top side 0 points is also referred to below as above.
  • the bottom U, the top 0 and the two longitudinal sides of the actuator 1 have larger dimensions along the longitudinal direction L than in a direction perpendicular to the longitudinal direction L.
  • the dimensions along the longitudinal direction L are larger than the dimensions of the front or the rear V, H of the actuator 1 .
  • the piezoelectric actuator 1 is designed as a ceramic multilayer element.
  • the ceramic multilayer element comprises a multiplicity of ceramic layers and internal electrodes arranged in between, which are stacked in a stacking direction.
  • the stacking direction corresponds to a direction perpendicular to the longitudinal direction L.
  • the carrier element 2 is designed as a trough-shaped metal strip.
  • An open cuboid shape comprising at least one underside, two longitudinal sides and a rear side is referred to here as a trough shape.
  • the carrier element 2 does not have a rear side but is open to the rear.
  • the support element 2 has a cavity in which the actuator 1 is embedded.
  • the carrier element 2 does not have a closed upper side, but is open at the top .
  • the sides of the carrier element 2 are named here analogously to the actuator 1 .
  • the cavity in the carrier element 2 is dimensioned such that the piezoelectric actuator 1 can be embedded in it.
  • the dimensions of the cavity approximately correspond to the dimensions of the actuator 1 .
  • the trough-shaped carrier element 2 lies flat against the longitudinal sides, the underside U and, if the carrier element 2 is closed at the rear, also against the rear side H of the actuator 1 .
  • the actuator is at its rear or rear on its long sides z. B. attached by gluing to the support element 2 .
  • the rear side H of the actuator rests directly against a housing 11 of the pen-shaped device at the rear and can optionally also be glued to it.
  • the carrier element 2 thus restricts the freedom of movement of the actuator 1 in the event of a change in expansion of the actuator material.
  • the actuator 1 can only expand relative to the carrier element 2 in the direction of the front side V and the top side 0 .
  • a force transmission part 3 is attached to the front side V of the piezoelectric actuator 1 for force transmission.
  • the power transmission part 3 is on the front V of the actuator
  • the power transmission part 3 has a bend in the direction of the pin front side. At the bend, the force transmission part 3 arches forward from the surface of the actuator 1 . The front surface of the bend defines a contact area 4 .
  • a lever element 6 is also fixed in a freely pivotable manner at the front of the carrier element 2 via a flexible joint 5 .
  • the flexure is at a front edge of the underside of the support member
  • the lever element 6 consists in the present Example from a sheet of metal.
  • the lever element 6 can perform a pivoting movement about the flexible joint 5 and in doing so moves both forwards and backwards in the longitudinal direction L and downwards or upwards in a transverse direction perpendicular to the longitudinal direction L.
  • the lever element 6 rests on the one hand on the force transmission part 3 and on the other hand on a tip of the pin-shaped device.
  • the actuator 1 expands. Since the actuator 1 bears against the carrier element 2 at least on its rear side H, the actuator 1 expands in the direction of the front side V in particular.
  • the actuator 1 is attached at the rear end of its longitudinal sides and/or on its rear side H to the carrier element 2, for example by gluing.
  • the attached to the front power transmission part 3 or. the contact surface 4 formed thereon then presses against the lever element 6 and thus causes the lever element 6 to be deflected forwards in the longitudinal direction L .
  • the deflection of the lever element 6 is greater than the change in expansion of the piezoelectric actuator 1 in the longitudinal direction L .
  • the deflection in the longitudinal direction L is at least twice, preferably at least three times, the change in expansion of the actuator 1 .
  • the piezoelectric actuator 1 and the carrier element 2 are installed in a pen-shaped device 10 .
  • FIG. 2 shows the pen-shaped device 10 .
  • the device 10 includes the housing 11 .
  • a tip 12 is attached to one side of the housing 11 .
  • the tip 12 side is referred to as the front of the pen 10 .
  • the opposite side is called the back of the pen-shaped device 10 designated .
  • the tip 12 is designed, for example, as a monolithic component.
  • the direction pointing from the front to the rear of the device 10 is referred to as the longitudinal direction L.
  • the tip 12 is attached to the front of the housing 11 in such a way that it can be freely slid in the longitudinal direction L .
  • the actuator unit shown in FIG. 1 comprising the piezoelectric actuator 1 and the carrier element 2 is arranged in the longitudinal direction L of the pin 10 directly behind the tip 12 in the housing 11 .
  • the carrier element 2 which accommodates the actuator 1 , is fixed in the housing 11 for this purpose.
  • the carrier element 2 bears against a surface of the piezoelectric actuator 1 at least on the rear side H, but not on the front side V thereof.
  • the piezoelectric actuator 1 deforms, it can therefore expand forwards, but not backwards. Due to its change in expansion, the piezoelectric actuator 1 moves relative to the carrier element 2 . Since the carrier element 2 is fastened in the housing 11 , the actuator also moves relative to the housing 11 .
  • the free end of the lever element 6 then presses against the tip 12 that can be displaced in the longitudinal direction L.
  • the tip 12 is thus deflected by a distance that depends on the deflection of the lever element 6 .
  • a haptic signal that can be experienced by the user of the pen-shaped device 10 is thus generated.
  • the pen-shaped device 10 is used, for example, to make a virtual surface profile, which is displayed on the surface of a screen, haptically tangible. This is what the virtual surface profile is for stored, for example, in a control unit of the pen-shaped device 10 . If the pen-shaped device 10 is moved over the surface of the screen, the control unit can apply electrical voltages of different magnitudes to the piezoelectric actuator 1 . The actuator 1 then expands as described, so that a haptic signal is generated.
  • the tip 12 can only be moved forward with the help of the lever element 6 of the present exemplary embodiment. A rearward movement of the tip 12 and a resultant pivoting back of the lever element 6 occurs due to the pressure when the tip 12 is placed on the surface.
  • a spring element which is not shown here, is used to generate an additional restoring pressure.
  • the piezoelectric actuator 1 can also serve as a pressure sensor. If the tip 12 is placed on the surface with a defined pressure, the tip 12 moves backwards in the longitudinal direction L into the housing 11 . In doing so, the tip 12 presses against the lever element 6 , which thus pivots backwards and presses against the contact surface 4 . About the contact surface 4, the force on the bending element 3 or. transferred to the piezoelectric actuator 1, which is thus deformed.
  • the deformation Due to the piezoelectricity of the actuator 1, the deformation is converted into a voltage signal that can be detected by an evaluation unit.
  • the magnitude of the voltage signal is proportional to the pressure applied to tip 12 .
  • FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of the pen-shaped device 10 with a second embodiment of the mechanical amplifier. Similar or the same features as in the first exemplary embodiment are with provided the same reference characters and, in order to avoid repetition, not described again in detail.
  • the actuator 1 is embedded in a metal carrier element 2 .
  • the carrier element 2 rests on several surfaces of the actuator 1, in particular on the rear side H and the underside U, and thus restricts the freedom of movement of the actuator 1 in the event of its expansion.
  • a change in expansion of the actuator 1 thus causes, as in the first exemplary embodiment, a movement of the actuator 1 forwards and upwards.
  • the lever element 6 is attached directly to the front side V of the actuator 1 .
  • the lever element 6 is formed from the same component as the carrier element 2 .
  • the carrier element 2 has a section which bears against the front side V of the actuator 1 and is connected to the rest of the carrier element 2 only along a bending axis 7 .
  • the component is thinned at the bending axis 7 .
  • a tongue 8 is cut out of this section in the middle.
  • the tongue 8 is attached to the front side V of the actuator 1 by gluing.
  • the part of the front section of the carrier element 2 surrounding the cut-out tongue 8 forms the lever element 6 which is connected to the rest of the carrier element 2 only along the bending axis 7 .
  • the tongue 8 is also fixed on the longitudinal sides of the piezoelectric actuator 1 .
  • the piezoelectric actuator 1 expands forward and thus also presses the lever element 6 forward, which is connected directly to the actuator 1 via the tongue 8 .
  • the deflection of Lever element 6 in the longitudinal direction L corresponds in the example to at least three times the change in expansion of the piezoelectric actuator.
  • the actuator 1 and the carrier element 2 are installed in the pen-shaped device 10 analogously to the first exemplary embodiment, which can also be used by a user analogously to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the actuator 1 with a mechanical amplifier.
  • the carrier element 2 is not trough-shaped, but forms a housing element that is closed on all sides except for the front side and surrounds a cavity. In contrast to the previous exemplary embodiments, the upper side of the carrier element 2 is also closed.
  • a bending part 9 is attached, which has a curved shape and is fixed at two lateral ends to the longitudinal sides of the support element
  • the actuator 1 is again arranged in the cavity of the carrier element 2 and is attached to the carrier element 2 over its entire length.
  • the actuator 1 is flat on one of its longitudinal sides with the carrier element 2 glued .
  • the rear side H of the actuator is also glued to the rear side of the carrier element 2 .
  • the actuator 1 is dimensioned such that it extends from the front to the rear and from the bottom to the top of the support element 2 .
  • the actuator 1 is dimensioned so narrowly that a hollow space is left open in the carrier element 2 between the actuator and the longitudinal side to which the actuator 1 is not fastened.
  • a change in expansion of the actuator 1 causes a deformation of the carrier element 2 .
  • the carrier element 2 and the flexible part 9 are designed as flexible metal parts in the present example. If the carrier element 2 deforms, the bending part 9 bends forwards or backwards in the longitudinal direction L depending on the deformation of the carrier element 2 . The deflection of the bending part 9 as a result of bending is greater than the change in expansion of the piezoelectric actuator 1 in the longitudinal direction L . The bending part 9 corresponds in its function to the lever element 6 from the previous examples.
  • the carrier element 2 and the lever element 6 function in all of the exemplary embodiments as mechanical amplifiers, which convert a change in expansion of the actuator 1 into a greater deflection in the longitudinal direction L of the pen-shaped device 10 .
  • the function of the pen-shaped input and/or output device 10 is to be described below by way of example using the diagrams in FIGS. Diagram 1 in FIG. 6 shows a force applied to the tip of the first embodiment of the pen-shaped device in the longitudinal direction L at time t.
  • Diagram 2 in FIG. 7 shows the deflection of the lever element and the change in expansion of the actuator in the longitudinal direction L at time t for the first embodiment of the pen-shaped device.
  • the tip 12 Due to the applied force, the tip 12 is displaced in the direction of the lever element 6 and bends it in the direction of the piezoelectric actuator 1, as a result of which a prestressing force is applied to the actuator.
  • the change in expansion of the actuator 1 is transferred to a forward deflection of the lever element 6 in the longitudinal direction L according to the mechanism described above.
  • the deflection of the lever element 6 is greater than the change in expansion of the actuator 1 .
  • the free end of the lever element 6 is moved more than 13 pm forward in the longitudinal direction L.
  • the tip 12 is moved forward in the longitudinal direction L of the pen 10 by a corresponding amount.
  • the tip 12 is then pressed onto the surface with a greater force.
  • FIGS. 8, 9 and 10 Further modified exemplary embodiments are shown in FIGS. 8, 9 and 10.
  • the actuator 1 is embedded in a metal carrier element 2 .
  • the carrier element 2 bears against several surfaces of the actuator 1 and is glued to them, in particular on the underside U and a side surface S of the actuator 1 .
  • the actuator 1 is preferably glued in particular to a rear section of the underside U and the side surface S, which are remote from a front side V, which is opposite the lever element.
  • the lever element 6 is formed from the same component as the carrier element 2 .
  • the carrier element 2 has a section which bears against the front side V of the actuator 1 and is connected to the rest of the carrier element 2 only along a bending axis 7 .
  • the component is thinned at the bending axis 7 .
  • a bend 13 is formed centrally in the lever element 6 .
  • the bend 13 curves in the direction of the front side V of the piezoelectric actuator 1 and lies against it.
  • a contact surface between the piezoelectric actuator 1 and the lever element 6 is thus formed exclusively on the protruding surface of the bend 13 .
  • the bend in the lever element 6 further increases its stiffness and stability.
  • optional tabs 14 are also provided, which are cut out laterally from the lever element and are bent in the direction of the piezoelectric actuator and are glued there, for example, to its uppermost side surface 0 .
  • the actuator 1 and the carrier element 2 are installed in the pen-shaped device 10 analogously to the first exemplary embodiment, which can also be used by a user analogously to the first exemplary embodiment.
  • the function of the pen-shaped device is analogous to the first exemplary embodiment.
  • a force-transmitting part 15 is fixed on a surface of the lever element 6 that faces the piezoelectric actuator 1 , with the piezoelectric actuator 1 abutting only against the force-transmitting part 15 .
  • the force transmission part 15 then has the advantage that it mechanically reinforces the lever element 6 .
  • the power transmission part 15 has a high level of rigidity, so that the rigidity of the lever element is also improved.
  • the lever element 6 and the force transmission part 15 preferably comprise different materials.
  • the force transmission part 15 preferably comprises stainless steel.
  • a contact edge 15a of the force transmission part 15, which faces the piezoelectric actuator 1 and is in contact with the piezoelectric actuator 1, is ground off in such a way that a contact surface with the largest possible surface area is provided.
  • the force transmission part 15 is adhesively bonded flat on the surface of the lever element 6 which faces the piezoelectric actuator 1 .
  • the power transmission part 15 preferably covers almost the entire surface. The dimensions of the lever element 6 and the force transmission part 15 are therefore similar.
  • the force transmission part 15 is designed as a flat plate which is glued onto the surface of the lever element 6 .
  • the actuator 1 is embedded in a metal carrier element 2 .
  • the carrier element 2 rests on several surfaces of the actuator 1 , in particular a long section 21 of the carrier element 2 rests on the underside U and a rear section 22 of the carrier element 2 rests on a rear side H of the actuator 1 .
  • the carrier element 2 is designed as one component.
  • the lever element 6 is formed from the same component as the carrier element 2 .
  • the carrier element 2 has a section which bears against the front side V of the actuator 1 and is connected to the rest of the carrier element 2 only along a bending axis 7 .
  • the component is thinned at the bending axis 7 .
  • the actuator 1 is thus clamped between the rear section 22 , the opposite lever element 6 and the long section 21 .
  • the actuator 1 and the carrier element 2 are installed in the pen-shaped device 10 analogously to the previous exemplary embodiments, which can also be used by a user analogously to the first exemplary embodiment.
  • the function of the pen-shaped device is analogous to the previous exemplary embodiments.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktoreinheit, die dazu ausgestaltet ist ein haptisches Signal zu erzeugen, aufweisend: - einen piezoelektrischen Aktor (1), der dazu ausgestaltet ist, abhängig von einer elektrischen Spannung seine Ausdehnung in einer Längsrichtung (L) zu ändern, - einen mechanischen Verstärker (2, 6), der dazu ausgestaltet ist, das haptische Signal zu verstärken, indem er die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors in eine Bewegung der Aktoreinheit umwandelt, wobei die Bewegung in der Längsrichtung (L) erfolgt, wobei die Bewegung der Aktoreinheit über eine Strecke erfolgt, die länger ist als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors und wobei die Längsrichtung (L) die Richtung ist, in der eine Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors am größten ist.

Description

Beschreibung
AKTOREINHEIT UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES VERSTÄRKTEN HAPTISCHEN S IGNALS
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Aktoreinheit sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines verstärkten haptischen Signals .
In dem Bereich der Augmented Reality-Anwendungen kommen zunehmend Sti fte zum Einsatz , mit denen eine zuvor abgespeicherte Oberfläche abgetastet werden kann . Einem Nutzer soll dabei der Eindruck vermittelt werden, der Sti ft würde über ein Oberflächenprofil bewegt werden . Um das Profil realitätsnah wiederzugeben, ist ein Aktor mit einer schnellen Reaktions zeit , der eine ausreichend starke Bewegung auslöst , vorteilhaft .
Ähnliche Sti fte mit Aktoren werden beispielsweise in der WO 2020/ 011526 Al , der KR 10 2017 018 658 A und der US 2017 / 0364167 Al of fenbart . Hier werden piezoelektrische Aktoren zur Erzeugung des haptischen Signals genutzt .
Die DE 10 2017 208 238 Al of fenbart weiterhin ein Bedienelement , in welchem ein piezoelektrischer Aktor verbaut ist . Der piezoelektrische Aktor umfasst ein Trägerelement , auf dem piezoelektrische Elemente oberflächig befestigt sind . Der piezoelektrischen Aktor generiert ein haptisches Signal für einen Touchscreen eines Display-Device . Ein mechanischer Hebel ist zur Verstärkung des haptischen Signals vorgesehen, der die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Elements in eine größere Ausdehnungsänderung des Aktors umwandelt . Die Ausdehnungsänderungen des Elements und des Aktors verlaufen dabei in dieselbe Richtung .
Die EP 3 214 526 Al of fenbart ebenfalls ein Display-Device mit Touchscreen, umfassend haptische Piezo-Sensoren und - Aktoren . Die Kraft des haptischen Signals des Piezo-Aktors kann hierbei über einen Hebelmechanismus verstärkt werden .
Die US 2016/ 0027263 Al of fenbart einen weiteren Mechanismus zur Verstärkung eines haptischen Signals für einen Touchscreen eines Display-Devices . Das Signal eines beispielsweise piezo-elektrischen Aktors wird dabei durch einen Hebelmechanismus um einen Faktor 2 : 1 bis maximal 5 : 1 verstärkt .
Die US 2004 / 0119377 Al of fenbart einen piezoelektrischen Aktor, der beispielsweise aus einer Viel zahl von aufeinander gestapelten Piezoscheiben besteht . Der Aktor kann sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung entlang einer Längsrichtung ausdehnen . Der Aktor wirkt dabei mit seiner Stirnfläche auf ein Ubertragungselement ein . Mittels des Ubertragungselements wird eine kurze Auslenkung des Aktors auf eine gewünschte längere Auslenkungen eines Stellgliedes übersetzt .
Die US 7 225 790 B2 of fenbart ebenfalls einen piezoelektrischen Aktor, der als Stellglied in einem Ventil eingesetzt werden soll . Der Ventilhub wird gegenüber der Auslenkung des Aktors über einen Hebelmechanismus mechanisch vergrößert .
Die US 2006/ 0033405 Al betri f ft eine Vorrichtung zur Übertragung einer Auslenkung eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils . Die Vorrichtung umfasst eine Hebeleinrichtung, die ein erstes und ein zweites Ubertragungselement aufweist , die die Auslenkung des Aktors auf ein Ventilstellglied übertragen . Weiterhin sind Federelemente zur Führung und Lagerung des ersten Ubertragungselements of fenbart .
Die WO 2004 / 076848 Al of fenbart einen weiteren piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Verwendung als Stellglied in einem Ventil, wobei der Ventilhub durch einen mechanischen Hebelmechanismus verstärkt wird.
Die DE 10 2018 120 760 Al offenbart ein stif tförmiges Ein- und Ausgabegerät, das eine Aktoreinheit aufweist, die einen piezoelektrischen Aktor umfasst. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals des Ein- und Ausgabegeräts.
Die US 2016/0282970 Al betrifft einen weiteren haptischen Stift aufweisend eine Eingabestiftspitze, um mit einem Touchscreen in Kontakt zu stehen. Weiterhin weist der Stift einen ersten Aktor auf, der dazu konfiguriert ist, ein Stick- Slip-Phänomen zwischen einer Stiftabdeckung und den Fingern des Benutzers, die die Stiftabdeckung halten, zu bewirken.
Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung solcher haptischen Eingabegeräte und aufgrund des höheren Platzbedarfs von Energiespeichern, die eine längere Einsatzdauer des Stifts ermöglichen sollen, ist ein Aktor mit möglichst minimierten Maßen wünschenswert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine vorteilhafte Aktoreinheit bzw. ein vorteilhaftes stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals mit einem solchen Eingabe- und/oder Ausgabegerät anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch ein stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät und ein Verfahren gemäß den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Das stiftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät wird im Folgenden auch als Stift oder als Gerät bezeichnet.
Es wird eine Aktoreinheit vorgeschlagen, die dazu ausgestaltet ist, ein haptisches Signal zu erzeugen. Hierfür weist die Aktoreinheit einen piezoelektrischen Aktor auf , der dazu ausgestaltet ist , abhängig von einer an ihn angelegten elektrischen Spannung seine Ausdehnung in einer Längsrichtung zu ändern und dadurch das haptische Signal zu erzeugen .
Weiterhin weist die Aktoreinheit einen mechanischen Verstärker auf , der dazu ausgestaltet ist , das haptische Signal zu verstärken, indem er die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors in eine Bewegung der Aktoreinheit umwandelt . Diese Bewegung erfolgt in der Längsrichtung der Aktoreinheit .
Die Strecke der Bewegung der Aktoreinheit in der Längsrichtung ist länger als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors .
Als die Längsrichtung wird hier und im Folgenden die Richtung bezeichnet , in welcher der Aktor die längste Ausdehnung aufweist . In zumindest einer Aus führungs form weist der Aktor eine annähernd quader- oder prismenförmige Geometrie auf , die in der Längsrichtung eine vergleichsweise lange Abmessung und in den Richtungen senkrecht zur Längsrichtung kürzere Abmessungen aufweist .
Durch den Einsatz des mechanischen Verstärkers kann die Größe des piezoelektrischen Aktors minimiert werden . Bereits eine vergleichsweise geringe Ausdehnungsänderung eines minimierten piezoelektrischen Aktors kann über den mechanischen Verstärker in ein ausreichend großes haptisches Signal umgewandelt werden .
Um ein virtuelles Oberflächenprofil haptisch erfassbar zu machen, sind vor allem ausreichend starke Signale in der Längsrichtung der Aktoreinheit hil freich . Solche Signale werden durch die Verstärkung der Ausdehnungsänderung des Aktors in der Längsrichtung erzielt .
In einer Aus führungs form weist die Aktoreinheit weiterhin eine Ansteuereinheit auf , die dazu ausgestaltet ist , eine Spannung an den piezoelektrischen Aktor anzulegen .
In der Ansteuereinheit kann das virtuelle Oberflächenprofil abgespeichert sein . Die Ansteuereinheit kann den Aktor so steuern, dass ein haptisches Signal passend zum Oberflächenprofil erzeugt wird . Wird ein mit der Aktoreinheit verbundenes Tastelement beispielsweise über eine Stelle einer Oberfläche bewegt , an der das virtuelle Oberflächenprofil eine Erhebung vorsieht , kann ein entsprechendes haptisches Signal erzeugt werden . Bei dem Tastelement handelt es sich beispielsweise um eine Spitze eines sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts .
In einer Aus führungs form umfasst der piezoelektrische Aktor ein Vielschichtelement , welches piezoelektrische Keramikschichten oder piezoelektrische Polymerschichten aufweist .
Das Vielschichtelement umfasst mehrere Keramikschichten oder Polymerschichten und dazwischen angeordnete Innenelektroden . Die Innenelektroden werden beispielsweise von seitlich am Vielschichtelement angebrachten Außenelektroden elektrisch kontaktiert . Die Schichten sind in einer Stapelrichtung senkrecht zur Längsrichtung gestapelt .
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung in der Stapelrichtung verformt sich das Vielschichtelement stärker als beispielsweise ein monolithisches Keramik- oder Polymerelement . Dies erleichtert die Miniaturisierung des piezoelektrischen Aktors . In einer Aus führungs form ist der piezoelektrische Aktor dazu ausgestaltet , dass an den Aktor in einer Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung eine Spannung angelegt wird, die gemäß des d31-Ef fekts eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors in der Längsrichtung des Geräts bewirkt . Die Spannung wird beispielsweise in der Stapelrichtung angelegt .
In der Querrichtung weist die Aktoreinheit eine im Vergleich zu ihrer Länge in der Längsrichtung geringe Abmessung auf . Mittels einer vergleichsweise geringen Spannung kann so die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors verändert werden . Die Außenelektroden zum Anlegen der Spannung am piezoelektrischen Aktor liegen dann an den Oberflächen des Aktors an, die in die Querrichtung weisen .
Gemäß einer Aus führungs form umfasst der mechanische Verstärker ein Trägerelement , das den piezoelektrischen Aktor festlegt . In einer Aus führungs form ist der piezoelektrische Aktor am Trägerelement befestigt .
Bei dem Trägerelement handelt es sich um eine Leiste beispielsweise aus Metall . Der piezoelektrische Aktor ist an dem Trägerelement beispielsweise formschlüssig festgelegt .
Der Aktor ist am Trägerelement beispielsweise durch Verkleben befestigt .
Das Trägerelement weist ein vorderes Ende , das in Richtung einer abzutastenden Oberfläche weist und ein gegenüberliegendes hinteres Ende auf .
Der Aktor ist in einer Aus führungs form an seinem hinteren Ende am Trägerelement befestigt . In einer Aus führungs form ist der piezoelektrischen Aktor zwischen einem hinteren Ende des Trägerelements und dem Hebelelement am vorderen Ende des Trägerelements eingeklemmt . Insbesondere besteht das Trägerelement beispielsweise aus einer Leiste , einem hinteren Abschnitt und dem Hebelelement . Der hintere Abschnitt liegt in einer Aus führungs form am hinteren Ende des piezoelektrischen Aktors an . Das Hebelelement liegt am vorderen Ende des piezoelektrischen Aktors an und die Leiste verbindet den hinteren Abschnitt mit dem Hebelelement entlang einer oder mehrerer Seitenflächen des piezoelektrischen Aktors . Der piezoelektrische Aktor ist somit formschlüssig am Trägerelement festgelegt . Zusätzlich kann der piezoelektrischen Aktor am hinteren Abschnitt oder der Leiste festgeklebt sein .
Dehnt sich der piezoelektrische Aktor beim Anlegen einer elektrischen Spannung aus , ist das hintere Ende des Aktors festgelegt , sodass sich das vordere Ende relativ zum Trägerelement bewegt . Die Bewegung aufgrund der Ausdehnungsänderung des Aktors in der Längsrichtung generiert das gewünschte haptische Signal .
In einer Aus führungs form umfasst der mechanische Verstärker ein Hebelelement , welches an einem ersten Ende am Trägerelement fixiert ist . Hierzu weist das Trägerelement an seinem vorderen Ende beispielsweise Vorsprünge auf , in denen das Hebelelement an seinem ersten Ende einrastet .
Beispielsweise sind am ersten Ende des Hebelelements hierfür geeignete Rastnasen vorgesehen .
Das Hebelelement ist beispielsweise ein Blech oder eine Leiste aus Metall .
In einer weiteren Aus führungs form sind das Hebelelement und das Trägerelement aus einem Teil geformt und flexibel verbunden . Beispielsweise ist das Material am Übergang zwischen Trägerelement und Hebelelement verdünnt , sodass das Hebelelement gegenüber dem Trägerelement schwenkbar bewegt werden kann . Der piezoelektrische Aktor liegt in beiden zuvor beschriebenen Aus führungs formen an dem Hebelelement an, sodass eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors zu einer Bewegung eines zweiten Endes des Hebelelements in der Längsrichtung führt , das dem ersten Ende gegenüberliegt . Dieses zweite Ende wird im Folgenden auch als freies Ende des Hebelelements bezeichnet .
Insbesondere liegt das vordere Ende des piezoelektrischen Aktors am Hebelelement an . Dehnt sich der piezoelektrische Aktor aus , bewegt sich sein vorderes Ende in Richtung des Hebelelements und schiebt das freie Ende des Hebelelements nach vorne weg vom Aktor .
In einer Aus führungs form sind Aktor und Hebelelement über ein Biegegelenk verbunden . Das erste Ende des Hebelelements weist hierfür eine Achse auf , die in dafür vorgesehenen Lagern am vorderen Ende des Trägerelements frei drehbar befestigt ist . Beim Ausdehnen des piezoelektrischen Aktors , führt das zweite Ende des Hebelelements dann eine Schwenkbewegung aus bzw . bewegt sich entlang einer Kreisbahn . Die Bewegung in der Längsrichtung überlagert sich dabei mit einer Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung .
Die Auslenkung durch die Bewegung des Hebelelements in der Längsrichtung ist größer als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors in der Längsrichtung .
In einer Aus führungs form ist auf der Oberfläche des piezoelektrischen Aktors , die dem Hebelelement zugewandt ist , ein Kraftübertragungsteil fixiert , wobei das Hebelelement nur an dem Kraftübertragungsteil anliegt .
Der piezoelektrische Aktor steht in dieser Aus führungs form also nicht direkt mit dem Hebelelement in Kontakt . Das Kraftübertragungsteil erlaubt vielmehr eine gezielte und einstellbare Übertragung einer Kraft von dem Aktor auf das Hebelelement .
In einer Aus führungs form weist das Kraftübertragungsteil eine in Richtung des Hebelelements ausgebildete Biegung auf , wobei das Hebelelement nur an der Biegung anliegt .
Das Kraftübertragungsteil ist beispielsweise auf der Vorderseite des Aktors auf geklebt . Bei dem Kraftübertragungsteil handelt es sich in einer Aus führung um ein Metallblech .
Die Biegung ist in Richtung des Hebelelements ausgeprägt . Nur eine Kontakt fläche an der Vorderseite der Biegung steht mit dem Hebelelement in Kontakt . Durch geeignete Wahl der Position der Biegung kann die Auslenkung des Hebels und somit der Verstärkungs faktor des mechanischen Verstärkers eingestellt werden .
In einer Aus führungs form ist auf einer Oberfläche des Hebelelements , die dem piezoelektrischen Aktor zugewandt ist , ein Kraftübertragungsteil fixiert , wobei der piezoelektrische Aktor nur an dem Kraftübertragungsteil anliegt .
Das Kraftübertragungsteil hat dann den Vorteil , dass es das Hebelelement mechanisch verstärkt . Das Kraftübertragungsteil weist bevorzugt eine hohe Stei figkeit auf , sodass auch die Stei figkeit des Hebelelements verbessert wird .
Das Hebelelement und das Kraftübertragungsteil umfassen bevorzugt verschiedene Materialien . Bevorzugt umfasst das Kraftübertragungsteil Edelstahl .
Bevorzugt wird eine Kontakt fläche des Kraf tübertragungsteils , das in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor steht , so bearbeitet , dass diese möglichst resistent gegen Abnutzung ist . Beispielsweise weist die Kontakt fläche eine durch Beschichtung verstärkte Oberfläche auf .
Die Kontakt fläche ist beispielsweise so ausgestaltet , dass der Flächeninhalt der Kontakt fläche zum piezoelektrischen Aktor maximiert ist . Beispielsweise wird eine Kontaktkante des Kraf tübertragungsteils , die zum piezoelektrischen Aktor weist und in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor steht , abgeschli f fen, um eine Kontakt fläche mit größerem Flächeninhalt bereitzustellen .
Das Kraftübertragungsteil ist in einer Aus führungs form auf der Oberfläche des Hebelelements , die dem piezoelektrischen Aktor zugewandt ist , flächig aufgeklebt . Bevorzugt bedeckt das Kraftübertragungsteil nahezu die gesamte Oberfläche . Die Abmessungen des Hebelelements und des Kraf tübertragungsteils sind also bevorzugt ähnlich . Das Kraftübertragungsteil ist beispielsweise als flacher Platte , die auf der Oberfläche des Hebelelements aufgeklebt ist , ausgeführt .
In einer Aus führungs form weist das Kraftübertragungsteil eine in Richtung des piezoelektrischen Aktors ausgebildete Biegung auf , wobei der piezoelektrische Aktor nur an der Biegung anliegt . Die Biegung erhöht die Stei figkeit des Kraf tübertragungsteils und damit das Hebelelements zusätzlich .
In einer Aus führungs form weist eine Oberfläche des Hebelelements , die dem piezoelektrischen Aktor zugewandt ist , eine in Richtung des piezoelektrischen Aktors ausgebildete Biegung auf , wobei der piezoelektrische Aktor nur an der Biegung anliegt . Die Biegung ist direkt im Hebelelement vorgesehen . In einer Aus führungs form wird das Hebelelement dazu so ausgebeult , dass an der Oberfläche des Hebelelements , die vom piezoelektrischen Faktor abgewandt ist , ein Hohlraum ausgebildet wird . Durch eine solche Ausbeulung im Hebelelement wird eine Biegung in Richtung des piezoelektrischen Aktors ausgebildet , die auch die Stei figkeit des Hebelelements erhöht .
Nur eine Kontakt fläche an der Vorderseite der Biegung des Hebelelements steht mit dem piezoelektrischen Aktor in Kontakt . Durch geeignete Wahl der Position der Biegung kann die Auslenkung des Hebels und somit der Verstärkungs faktor des mechanischen Verstärkers eingestellt werden .
In einer Aus führungs form weist das Hebelelement weiterhin eine oder mehrere Metalllaschen auf , die aus dem Hebelelement herausgebogen sind und an einer anderen Fläche als der Oberfläche des piezoelektrischen Aktors , die dem Hebelelement gegenüberliegt , am piezoelektrischen Aktor festgelegt sind . Beispielsweise sind die Metalllaschen am piezoelektrischen Aktor festgeklebt .
Beispielsweise sind zwei Metalllaschen an einer ersten und an einer zweiten Seite des Hebelelements , die die dem piezoelektrischen Aktor zugewandte Oberfläche begrenzen, vorgesehen .
Bei einer Kontraktion des piezoelektrischen Aktors wird somit das Hebelelement , das über die Metalllaschen am piezoelektrischen Aktor festgelegt ist , in Richtung des piezoelektrischen Aktors bewegt .
In einer Aus führungs form sind aus dem Hebelelement ein oder mehrere Bereiche herausgebogen . Diese Bereiche sind am piezoelektrischen Aktor fixiert .
In einer Aus führungs form ist der herausgebogene Bereich eine Zunge , die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Aktors , die dem Hebelelement zugewandt ist , fixiert ist . Alternativ erfolgt die Fixierung auch an Seitenflächen beispielsweise senkrecht zu der dem piezoelektrischen Aktor zugewandten Seite des Hebelelements .
Das Hebelelement ist in diesen Aus führungs formen beispielsweise ein Teil des Trägerelements bzw . fest mit dem Trägerelement verbunden .
Das Hebelelement umfasst beispielsweise ein Metallblech, aus dem die Zunge herausgeschnitten ist . Das Metallblech ist ausreichend biegsam, sodass die herausgeschnittene Zunge aus dem Hebelelement heraus gebogen werden kann .
In einer Aus führungs form ist die Zunge auf der vorderen Oberfläche des Aktors auf geklebt .
Der Aktor ist in einer Aus führungs form an seinem hinteren Ende am Trägerelement fixiert . Dehnt sich der Aktor aus , verschiebt sich das vordere Ende des Aktors in Richtung des Hebelelements und bewegt somit das Hebelelement nach vorne . Die Auslenkung des Hebelelements ist größer als die Ausdehnungsänderung des Aktors .
In einer Aus führungs form ist der piezoelektrische Aktor flächig am Trägerelement befestigt , sodass eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors zu einer Verformung des Trägerelements führt .
An einem Ende des Trägerelements ist weiterhin ein Biegeteil angebracht , welches eine gebogene Form aufweist und dass sich in Abhängigkeit der Verformung des Trägerelements in der Längsrichtung verbiegt . Bevorzugt ist das Biegeteil am vorderen Ende des Trägerelements angebracht .
In dieser Aus führungs form sind sowohl das vordere wie auch das hintere Ende des Aktors am Trägerelement befestigt . Der Aktor ist beispielsweise mit dem Trägerelement verklebt . Eine Ausdehnungsänderung des Aktors führt daher zum Verbiegen des Trägerelements . Das Trägerelement ist in dieser
Aus führungs form so ausgeführt , dass es einfach verbiegbar ist .
Das Biegeteil ist beispielsweise als Teil des Trägerelements ausgeführt . Das Biegeteil verbiegt sich in Abhängigkeit der Verbiegung des Trägerelements . Die Auslenkung des Biegeteils in der Längsrichtung ist größer als die Ausdehnungsänderung des Aktors .
In zumindest einer Aus führungs form ist die Aktoreinheit dazu ausgestaltet , in der Längsrichtung über eine Strecke bewegt zu werden, die mindestens doppelt so lang ist wie die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors . Somit kann das haptische Signal deutlich verstärkt werden . In weiteren Aus führungs formen ist die Strecke , um die die Aktoreinheit bewegt wird, mindestens dreimal oder mindestens viermal so lang wie die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors . Das Verhältnis der besagten Strecke zu Ausdehnungsänderung ist beispielsweise wie oben beschrieben über die Position der Kontakt fläche einstellbar .
Die Erfindung betri f ft weiterhin ein sti f tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät , das ein Gehäuse und eine darin angeordnete Aktoreinheit aufweist . Die Aktoreinheit ist beispielsweise wie zuvor beschrieben ausgestaltet .
Der mechanische Verstärker ist dazu ausgestaltet , die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors in eine Bewegung der Aktoreinheit relativ zum Gehäuse umzuwandeln, wobei die Bewegung in einer Längsrichtung des sti f tförmigen Geräts erfolgt . Die Aktoreinheit ist so im sti f tförmigen Gerät angeordnet und befestigt , dass die Längsrichtung des sti f tförmigen Geräts mit der Längsrichtung der Aktoreinheit übereinstimmt . Das sti ftförmige Gerät weist eine Spitze auf , mit der eine Oberfläche abgetastet werden kann . Die Seite der Spitze wird als Vorderseite des sti f tförmigen Geräts definiert . Die gegenüberliegende Seite wird als Hinterseite des sti f tförmigen Geräts definiert . In der Richtung, die von der Hinterseite zur Spitze zeigt , weist das sti ftförmige Gerät seine längste Abmessung auf . Diese Richtung ist die Längsrichtung des sti f tförmigen Geräts . In j eder Richtung senkrecht zur Längsrichtung weist das sti ftförmige Gerät deutlich geringere Abmessungen als entlang der Längsrichtung auf .
Das Trägerelement ist im Gehäuse des sti f tförmigen Geräts befestigt . Das hintere Ende des Trägerelements weist in Richtung der Hinterseite des sti f tförmigen Geräts , das vordere Ende in Richtung der Spitze des sti f tförmigen Geräts , also dessen Vorderseite .
Bewegt sich der Aktor relativ zum Trägerelement , bewegt er sich auch relativ zum Gehäuse . Die Bewegung aufgrund der Ausdehnungsänderung des Aktors in der Längsrichtung des sti f tförmigen Geräts generiert das gewünschte haptische Signal des sti f tförmigen Geräts .
Die mechanisch verstärkte Bewegung der Aktoreinheit wird beispielsweise durch direkten Kontakt auf die Spitze übertragen, die beweglich zum Gehäuse angeordnet ist .
In einer Aus führungs form ist das zweite Ende des Hebelelements dazu ausgestaltet , die Bewegung durch direkten Kontakt auf die Spitze zu übertragen . Die Spitze ist beispielsweise als monolithisches Bauteil ausgestaltet , die gegenüber dem Gehäuse des Sti fts beweglich ist . Die Strecke , um welche die Spitze bewegt wird, entspricht der Strecke , um die das Hebelelement in der Längsrichtung ausgelenkt wird . In einer Aus führungs form liegen die Außenelektroden zum Anlegen der Spannung am piezoelektrischen Aktor an den Oberflächen des Aktors an, die in die Querrichtung weisen . Der Platzbedarf im Gehäuse entlang der Längsrichtung des Sti fts wird so verringert .
In einer Aus führungs form weist das sti ftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät neben dem piezoelektrischen Aktor weiterhin einen Sensor auf . Bei dem Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Neigungssensor und/oder einen Abstandssensor und/oder einen Geschwindigkeitssensor und/oder einen Beschleunigungssensor .
Die genannten Sensoren erhöhen die Auflösung einer abzutastenden Oberfläche und ermöglichen eine genauere Anpassung des haptischen Signals an ein virtuelles Oberflächenprofil .
In einer Aus führungs form ist das sti ftförmige Eingabe- und/oder Ausgabegerät dazu ausgestaltet , ein haptisches Signal zu erzeugen, das ein Oberflächenprofil nachbildet , wobei bei der Ansteuerung des Aktors die von dem Sensor gemessenen Werte verarbeitet werden .
Der Sensor ist beispielsweise einer der oben genannten Sensoren und dient dem oben genannten Zweck .
In einer Aus führungs form ist der piezoelektrische Aktor dazu ausgestaltet , als Drucksensor verwendet zu werden .
Wird die Spitze gegen eine Oberfläche gedrückt , bewegt sich die Spitze , die verschiebbar zum Sti ftgehäuse angebracht ist , in Richtung des piezoelektrischen Aktors . Da das hintere Ende des Aktors am Trägerelement befestigt ist und/oder an hinteren Ende stirnseitig am Gehäuse des Sti ftes befestigt ist oder anstößt , wird der Aktor hierdurch zusammengedrückt , was einer Ausdehnungsänderung entspricht . Durch die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors wird eine elektrische Spannung erzeugt . Die Spannung wird von einer elektrischen Auswerteeinheit beispielsweise als quantitatives Signal , das den Betrag eines auf die Spitze wirkenden Drucks wiedergibt , interpretiert .
In einer Aus führungs form wird die Verschiebung der Spitze zuerst auf das Hebelelement übertragen, welches dann gegen den piezoelektrischen Aktor gedrückt wird . Durch die wirkende Kraft auf den Aktor wird aufgrund des piezoelektrischen Ef fekts eine Ladung erzeugt und somit ein elektrisches Signal generiert .
Die Erfindung betri f ft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals mit einem sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät , das eine Aktoreinheit mit einem piezoelektrischen Aktor aufweist .
Durch eine Ansteuereinheit wird eine Spannung in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung an den piezoelektrischen Aktor angelegt , sodass der piezoelektrische Aktor seine Ausdehnung ändert .
Die Ausdehnungsänderung wird von einem mechanischen Verstärker in eine Bewegung der Aktoreinheit in der Längsrichtung umgewandelt .
Die Aktoreinheit wird in der Längsrichtung über eine Strecke bewegt , die länger ist als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors .
Die Längsrichtung ist hier die Richtung, in der sowohl eine Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors als auch des sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts am größten ist .
Bei der Aktoreinheit und dem sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät handelt es sich beispielsweise um die oben beschriebene Aktoreinheit und/oder das oben beschriebene Gerät in einer beliebigen Aus führungs form .
Im Folgenden sollen konkrete Aus führungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren beschrieben werden . Die Erfindung ist hierbei nicht auf die gezeigten Aus führungsbeispiele beschränkt .
Die Figuren zeigen :
Figur 1 : Perspektivische Ansicht einer ersten Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 2 : Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht einer ersten Aus führungs form des sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts umfassend den piezoelektrischen Aktor mit mechanischen Verstärker der ersten Aus führungs form .
Figur 3 : Perspektivische Ansicht einer zweiten
Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 4 : Ausschnitt einer perspektivischen Ansicht einer zweiten Aus führungs form des sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts umfassend den piezoelektrischen Aktor mit mechanischen Verstärker der zweiten Aus führungs form .
Figur 5 : Perspektivische Ansicht einer dritten
Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 6 : Diagramm 1 : Dargestellt ist die auf die Spitze beaufschlagte Kraft in der Längsrichtung zum Zeitpunkt t . Figur 7 : Diagramm 2 : Dargestellt sind die Auslenkung des Hebelelements und die Ausdehnungsänderung des Aktors in der Längsrichtung zum Zeitpunkt t .
Figur 8 : Perspektivische Ansicht einer vierten
Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 9 : Seitenansicht der vierten Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 10 : Perspektivische Ansicht einer fünften Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
Figur 11 : Seitenansicht der fünften Aus führungs form des piezoelektrischen Aktors und des mechanischen Verstärkers .
In Figur 1 wird ein erstes Aus führungsbeispiel des piezoelektrischen Aktors 1 dargestellt . Der piezoelektrischen Aktor 1 ist auf einem metallischen Trägerelement 2 befestigt .
Die Seite des Aktors 1 , des Trägerelements 2 und aller weiteren in einem sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät verbauten Komponenten, die im verbauten Zustand in die Richtung der Spitze des sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts zeigt , wird im Folgenden als vorne bzw . als Vorderseite bezeichnet . Die Seite die im eingebauten Zustand von der Spitze wegzeigt wird als hinten bzw . als Hinterseite bezeichnet . Die Vorderseite und die Hinterseite stehen senkrecht zu einer Längsrichtung L des sti f tförmigen Geräts .
Als die Längsrichtung L wird hier und im Folgenden die Richtung von der Hinterseite zur Vorderseite , also zur Spitze , des sti f tförmigen Geräts bezeichnet , in welche das sti ftförmige Gerät seine größte Ausdehnung aufweist . Der Aktor 1 weist im vorliegenden Beispiel eine Quaderform auf . Der quaderförmige Aktor 1 hat eine Vorderseite V und eine Hinterseite H gemäß der obigen Definition . Weiterhin weist der quaderförmige Aktor 1 eine Unterseite U, eine Oberseite 0 und zwei Längsseiten auf , welche die Vorderseite und die Hinterseite des Quaders entlang der Längsrichtung L verbinden . Die Richtung, in welche die Unterseite U zeigt , wird im Folgenden auch als unten, die Richtung, in welche die Oberseite 0 zeigt , wird im Folgenden auch als oben bezeichnet .
Die Unterseite U, die Oberseite 0 und die zwei Längsseiten des Aktors 1 weisen entlang der Längsrichtung L größere Abmessungen als in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung L auf . Insbesondere sind die Abmessungen entlang der Längsrichtung L größer als die Abmessungen der Vorder- bzw . der Hinterseite V, H des Aktors 1 .
Der piezoelektrische Aktor 1 ist im aktuellen Beispiel als keramisches Vielschichtelement ausgeführt . Das keramische Vielschichtelement umfasst eine Viel zahl von Keramikschichten und dazwischen angeordneten Innenelektroden, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind . Die Stapelrichtung entspricht einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung L .
Das Trägerelement 2 ist im vorliegenden Beispiel als trogförmige metallische Leiste ausgebildet . Als Trogform wird hier eine of fene Quaderform umfassend mindestens eine Unterseite , zwei Längsseiten und eine Hinterseite bezeichnet . Alternativ weist das Trägerelement 2 keine Hinterseite auf , sondern nach hinten geöf fnet sein .
Das Trägerelement 2 weist zwischen den beschriebenen Seiten einen Hohlraum auf , in dem der Aktor 1 eingebettet wird . Das Trägerelement 2 weist keine geschlossene Oberseite auf , sondern ist nach oben geöf fnet . Die Seiten des Trägerelements 2 werden hierbei analog zum Aktor 1 benannt .
Der Hohlraum im Trägerelement 2 ist so bemessen, dass der piezoelektrische Aktor 1 darin eingebettet werden kann . Die Abmessungen des Hohlraums entsprechen dazu näherungsweise den Abmessungen des Aktors 1 . Das trogförmige Trägerelement 2 liegt flächig an den Längsseiten, der Unterseite U und, falls das Trägerelement 2 hinten geschlossen ist , auch an der Hinterseite H des Aktors 1 an . Der Aktor ist an seiner Hinterseite oder hinten an seinen Längsseiten z . B . durch Verkleben am Trägerelement 2 befestigt .
Im verbauten Zustand und falls das Trägerelement 2 hinten nicht geschlossen ist , liegt die Hinterseite H des Aktors alternativ hinten direkt an einem Gehäuse 11 des sti f tförmigen Gerätes an und ist optional zusätzlich mit diesem verklebt sein .
Somit schränkt das Trägerelement 2 die Bewegungs freiheit des Aktors 1 im Falle einer Ausdehnungsänderung des Aktor- Materials ein . Nur in Richtung der Vorderseite V und der Oberseite 0 kann sich der Aktor 1 relativ zum Trägerelement 2 ausdehnen .
An der Vorderseite V des piezoelektrischen Aktors 1 ist zur Kraftübertragung ein Kraftübertragungsteil 3 angebracht . Das Kraftübertragungsteil 3 ist auf der Vorderseite V des Aktors
1 auf geklebt . Das Kraftübertragungsteil 3 weist eine Biegung in Richtung der Sti ftvorderseite auf . An der Biegung wölbt sich das Kraftübertragungsteil 3 von der Oberfläche des Aktors 1 aus nach vorne . Die vordere Oberfläche der Biegung definiert eine Kontakt fläche 4 .
Vorne am Trägerelement 2 ist weiterhin über ein Biegegelenk 5 ein Hebelelement 6 frei schwenkbar fixiert . Das Biegegelenk ist an einer vorderen Kante der Unterseite des Trägerelements
2 angeordnet . Das Hebelelement 6 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Metallblech . Das Hebelelement 6 kann eine Schwenkbewegung um das Biegegelenk 5 durchführen und bewegt sich dabei sowohl in die Längsrichtung L nach vorne oder hinten wie auch in einer Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung L nach unten oder oben . Das Hebelelement 6 liegt im verbauten Zustand einerseits am Kraftübertragungsteil 3 und andererseits an einer Spitze des sti f tförmigen Geräts an .
Wird eine elektrische Spannung an den piezoelektrischen Aktor 1 angelegt , dehnt sich der Aktor 1 aus . Da der Aktor 1 am Trägerelement 2 zumindest an seiner Hinterseite H anliegt , dehnt sich der Aktor 1 insbesondere in Richtung der Vorderseite V aus . In einem Aus führungsbeispiel ist der Aktor 1 am hinteren Ende seiner Längsseiten und/oder an seiner Hinterseite H am Trägerelement 2 beispielsweise durch Verkleben befestigt .
Das an der Vorderseite angebrachte Kraftübertragungsteil 3 bzw . die darauf ausgeprägte Kontakt fläche 4 drückt dann gegen das Hebelelement 6 und verursacht somit eine Auslenkung des Hebelelements 6 nach vorne in der Längsrichtung L .
Die Auslenkung des Hebelelements 6 ist größer als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors 1 in der Längsrichtung L . Im vorliegenden Aus führungsbeispiel beträgt die Auslenkung in der Längsrichtung L mindestens das Zwei fache , vorzugsweise mindestens das Drei fache der Ausdehnungsänderung des Aktors 1 .
Der piezoelektrischen Aktor 1 und das Trägerelement 2 sind in einem sti f tförmigen Gerät 10 verbaut . Figur 2 zeigt das sti ftförmige Gerät 10 . Das Gerät 10 umfasst das Gehäuse 11 . An einer Seite des Gehäuses 11 ist eine Spitze 12 angebracht . Die Seite der Spitze 12 wird als die Vorderseite des sti f tförmigen Geräts 10 bezeichnet . Die gegenüberliegende Seite wird als die Hinterseite des sti f tförmigen Geräts 10 bezeichnet . Die Spitze 12 ist beispielsweise als ein monolithisches Bauteil ausgebildet . Die Richtung, die von der Vorderseite zur Hinterseite des Geräts 10 zeigt , wird als die Längsrichtung L bezeichnet . Die Spitze 12 ist so an der Vorderseite des Gehäuses 11 angebracht , dass sie in der Längsrichtung L frei verschiebbar ist .
Die in Figur 1 gezeigte Aktoreinheit umfassend den piezoelektrischen Aktor 1 und das Trägerelement 2 ist in der Längsrichtung L des Sti fts 10 unmittelbar hinter der Spitze 12 im Gehäuse 11 angeordnet .
Das Trägerelement 2 , welches den Aktor 1 aufnimmt , ist hierfür im Gehäuse 11 fixiert .
Das Trägerelement 2 liegt zumindest an der Hinterseite H auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Aktors 1 an, j edoch nicht an dessen Vorderseite V . Bei einer Verformung des piezoelektrischen Aktors 1 kann sich dieser somit nach vorne , nicht j edoch nach hinten ausdehnen . Durch seine Ausdehnungsänderung bewegt sich der piezoelektrischen Aktor 1 relativ zum Trägerelement 2 . Da das Trägerelement 2 im Gehäuse 11 befestigt ist , bewegt sich der Aktor auch relativ zum Gehäuse 11 .
Das freie Ende des Hebelelements 6 drückt dann gegen die in Längsrichtung L verschiebbare Spitze 12 . Die Spitze 12 wird somit um eine Strecke ausgelenkt , die von der Auslenkung des Hebelelements 6 abhängt .
Somit wird ein für den Nutzer des sti f tförmigen Geräts 10 erfahrbares haptisches Signal erzeugt .
Das sti ftförmige Gerät 10 wird beispielsweise genutzt , um ein virtuelles Oberflächenprofil , welches auf der Oberfläche eines Bildschirms dargestellt wird, haptisch erfahrbar zu machen . Hierfür ist das virtuelle Oberflächenprofil beispielsweise in einer Ansteuereinheit des sti f tförmigen Geräts 10 hinterlegt . Wird das sti ftförmige Gerät 10 über die Oberfläche des Bildschirms bewegt , kann die Ansteuereinheit verschieden hohe elektrische Spannungen am piezoelektrischen Aktor 1 anlegen . Der Aktor 1 dehnt sich daraufhin wie beschrieben aus , so dass ein haptisches Signal generiert wird .
Die Spitze 12 kann mithil fe des Hebelelements 6 des vorliegenden Aus führungsbeispiels nur nach vorne bewegt werden . Eine Bewegung der Spitze 12 nach hinten und ein daraus resultierendes Zurückschwenken des Hebelelements 6 erfolgt aufgrund des Druckes , wenn die Spitze 12 auf der Oberfläche aufgesetzt wird . Alternativ oder zusätzlich wird zur Erzeugung eines zusätzlichen Rückstelldrucks ein Federelement verwendet , welches hier nicht dargestellt ist .
Der piezoelektrische Aktor 1 kann ebenso als Drucksensor dienen . Wird die Spitze 12 mit einem definierten Druck auf der Oberfläche aufgesetzt , verschiebt sich die Spitze 12 in der Längsrichtung L nach hinten in das Gehäuse 11 . Dabei drückt die Spitze 12 gegen das Hebelelement 6 , was somit nach hinten schwenkt und gegen die Kontakt fläche 4 drückt . Über die Kontakt fläche 4 wird die Kraft auf das Biegeelement 3 bzw . den piezoelektrischen Aktor 1 übertragen, der sich somit verformt .
Die Verformung wird aufgrund der Piezoelektri zität des Aktors 1 in ein Spannungssignal umgewandelt , das von einer Auswerteeinheit erfasst werden kann . Der Betrag des Spannungssignals ist proportional zum auf die Spitze 12 ausgeübten Druck .
In den Figuren 3 und 4 ist ein zweites Aus führungsbeispiel des sti f tförmigen Geräts 10 mit einer zweiten Aus führungs form des mechanischen Verstärkers dargestellt . Ähnliche oder gleiche Merkmale wie im ersten Aus führungsbeispiel werden mit denselben Bezugs zeichen versehen und, um Wiederholungen zu vermeiden, nicht nochmals im Detail beschrieben .
Analog zum ersten Aus führungsbeispiel ist der Aktor 1 in einem Trägerelement 2 aus Metall eingebettet . Das Trägerelement 2 liegt an mehreren Oberflächen des Aktors 1 an, insbesondere an der Hinterseite H und der Unterseite U, und schränkt somit die Bewegungs freiheit des Aktors 1 im Falle dessen Ausdehnung ein . Eine Ausdehnungsänderung des Aktors 1 bewirkt somit wie schon im ersten Aus führungsbeispiel eine Bewegung des Aktors 1 nach vorne und oben .
An der Vorderseite V des Aktors 1 ist im zweiten Aus führungsbeispiel unmittelbar das Hebelelement 6 befestigt .
Das Hebelelement 6 ist im vorliegenden Beispiel aus demselben Bauteil wie das Trägerelement 2 ausgebildet . Das Trägerelement 2 weist hierfür einen Abschnitt auf , der an der Vorderseite V des Aktors 1 anliegt und nur entlang einer Biegeachse 7 mit dem restlichen Trägerelement 2 verbunden ist . Das Bauteil ist an der Biegeachse 7 verdünnt .
Aus diesem Abschnitt ist mittig eine Zunge 8 ausgeschnitten . Die Zunge 8 wird durch Kleben auf der Vorderseite V des Aktors 1 befestigt . Der die ausgeschnittene Zunge 8 umgebende Teil des vorderen Abschnitts des Trägerelements 2 bildet das Hebelelement 6 , das nur entlang der Biegeachse 7 mit dem restlichen Trägerelement 2 verbunden ist .
Alternativ erfolgt die Fixierung der Zunge 8 auch an den Längsseiten des piezoelektrischen Aktors 1 .
Wird nun eine elektrische Spannung am Aktor 1 angelegt , dehnt sich der piezoelektrischen Aktor 1 nach vorne aus und drückt somit auch das Hebelelement 6 nach vorne , das über die Zunge 8 direkt mit dem Aktor 1 verbunden ist . Die Auslenkung des Hebelelements 6 in der Längsrichtung L entspricht im Beispiel mindestens der drei fachen Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors .
Die vorliegende Aus führungs form hat gegenüber der ersten Aus führungs formen den Vorteil , dass ein Schrumpfen des Aktors
1 auch zu einem Zurückschwenken des Hebelelements 6 führt .
Zieht sich der piezoelektrische Aktor 1 zusammen, wird die Zunge 8 und somit das Hebelelement 6 in der Längsrichtung L nach hinten bewegt . Anders als im ersten Aus führungsbeispiel ist hierfür keine Einwirkung von außen nötig .
Der Aktor 1 und das Trägerelement 2 sind analog zum ersten Aus führungsbeispiel im sti f tförmigen Gerät 10 verbaut , welches ebenso analog zum ersten Aus führungsbeispiel von einem Benutzer verwendet werden kann .
In Figur 5 ist eine dritte Aus führungs form des Aktors 1 mit mechanischem Verstärker dargestellt .
In dieser Aus führungs form weist das Trägerelement 2 keine Trogform auf , sondern bildet ein an allen Seiten bis auf die Vorderseite geschlossenes Gehäuseelement , welches einen Hohlraum umgibt . Im Unterschied zu den vorherigen Aus führungsbeispielen ist also auch die Oberseite des Trägerelements 2 abgeschlossen .
An der Vorderseite des Trägerelements 2 ist ein Biegeteil 9 angebracht , welches eine gebogene Form aufweist und an zwei seitlichen Enden fest mit den Längsseiten des Trägerelements
2 verbunden ist .
Der Aktor 1 ist im vorliegenden Beispiel wiederum im Hohlraum des Trägerelements 2 angeordnet und über seine gesamte Länge flächig am Trägerelement 2 befestigt . Hierzu ist der Aktor 1 flächig an einer seiner Längsseiten mit dem Trägerelement 2 verklebt . Zusätzlich ist beispielsweise auch die Hinterseite H des Aktors mit der Hinterseite des Trägerelements 2 verklebt . Der Aktor 1 ist so bemessen, dass er von der Vorder- bis zur Hinterseite und von der Unter- bis zur Oberseite des Trägerelements 2 reicht . In einer Querrichtung senkrecht zur Längsrichtung L ist der Aktor 1 hingegen so schmal dimensioniert , dass zwischen dem Aktor und der Längsseite , an welcher der Aktor 1 nicht befestigt ist , ein Hohlraum im Trägerelement 2 ausgespart bleibt .
Eine Ausdehnungsänderung des Aktors 1 bewirkt in diesem Beispiel eine Verformung des Trägerelements 2 .
Daher sind das Trägerelement 2 und das Biegeteil 9 im vorliegenden Beispiel als biegsame Metallteile ausgeführt . Verformt sich das Trägerelement 2 , verbiegt sich das Biegeteil 9 j e nach Verformung des Trägerelements 2 nach vorne oder hinten in der Längsrichtung L . Die Auslenkung des Biegeteils 9 durch Verbiegen ist größer als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors 1 in der Längsrichtung L . Das Biegeteil 9 entspricht in seiner Funktion dem Hebelelement 6 aus den vorherigen Beispielen .
Auch in diesem Beispiel ist keine Einwirkung von außen notwendig, um das Hebelelement 6 aus einer in Längsrichtung L nach vorne ausgelenkten Position zurückzubewegen .
Das Trägerelement 2 und das Hebelelement 6 fungieren in allen Aus führungsbeispielen als mechanische Verstärker, die eine Ausdehnungsänderung des Aktors 1 in eine größere Auslenkung in der Längsrichtung L des sti f tförmigen Geräts 10 umwandeln .
Im Folgenden soll beispielhaft anhand der Diagramme in den Figuren 6 und 7 die Funktion des sti f tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts 10 beschrieben werden . In Diagramm 1 in Figur 6 ist eine auf die Spitze der ersten Aus führungs form des sti f tförmigen Geräts beaufschlagte Kraft in der Längsrichtung L zum Zeitpunkt t dargestellt .
In Diagramm 2 in Figur 7 sind die Auslenkung des Hebelelements und die Ausdehnungsänderung des Aktors in der Längsrichtung L zum Zeitpunkt t für die erste Aus führungs form des sti f tförmigen Geräts dargestellt .
Ein Sti ft 10 gemäß des ersten Aus führungsbeispiels wird in einem ersten Schritt mit seiner Spitze 12 zum Zeitpunkt t = Os ( Sekunde ) auf eine Oberfläche aufgesetzt und leicht gegen diese Oberfläche gedrückt . Eine Andrückkraft wir bis zum Zeitpunkt t = 1 s kontinuierlich erhöht . Auf die Spitze wirkt dann eine konstante Kraft von 0 , 2N in der Längsrichtung L .
Durch die beaufschlagte Kraft verschiebt sich die Spitze 12 in Richtung des Hebelelements 6 und biegt dieses in Richtung des piezoelektrischen Aktors 1 , wodurch eine Vorspannkraft auf den Aktor beaufschlagt wird .
Die beschriebenen Schritte sind analog mit dem zweiten und dritten Aus führungsbeispiel durchführbar .
Im Zeitintervall zwischen t = 1 s und t = 2 s wird nun in einem zweiten Schritt eine elektrische Spannung an den piezoelektrischen Aktor 1 angelegt . Hierdurch dehnt sich der Aktor 1 aus . Die maximale Ausdehnungsänderung des Aktors 1 beträgt zum Zeitpunkt t = 2 s ca . 5pm in der Längsrichtung L (Vergleiche das Diagramm in Figur 7 ) .
Die Ausdehnungsänderung des Aktors 1 wird nach dem oben beschriebenen Mechanismus in eine Auslenkung des Hebelelements 6 nach vorne in der Längsrichtung L übertragen . Die Auslenkung des Hebelelements 6 ist größer als die Ausdehnungsänderung des Aktors 1 . Im vorliegenden Beispiel wird das freie Ende des Hebelelements 6 mehr als 13pm in der Längsrichtung L nach vorne bewegt . Somit wird die Spitze 12 um eine entsprechenden Betrag nach vorne in der Längsrichtung L des Sti fts 10 bewegt .
In einem dritten Schritt wird die Spitze 12 anschließend mit einer höheren Kraft an die Oberfläche gedrückt . Bis zum Zeitpunkt t = 3s wird die Andrückkraft auf 2N in der Längsrichtung L erhöht . Die Andrückkraft wird anschließend bis zum Zeitpunkt t = 4 s konstant bei 2N gehalten (Vergleiche das Diagramm in Figur 6 ) .
Aufgrund der höheren Andrückkraft wird die Spitze 12 und damit das Hebelelement 6 entlang der Längsrichtung L nach hinten verschoben . Zum Zeitpunkt t = 3s liegt das Hebelelement 6 wieder an der Kontakt fläche 4 an .
Wird das Hebelelement 6 daraufhin, wie im Diagramm in Figur 7 gezeigt , ab dem Zeitpunkt t = 3s weiter mit konstanter Kraft gegen den Aktor 1 gedrückt und die elektrische Spannung wieder auf 0 abgesenkt (vierter Schritt ) , zieht sich das piezoelektrische Material des Aktors 1 zusammen . Zum Zeitpunkt t = 4 s ist wieder dieselbe Ausdehnung des Aktors 1 wie zum Start Zeitpunkt t = OS erreicht .
In den Figuren 8 , 9 und 10 sind weitere modi fi zierte Aus führungsbeispiele dargestellt .
Ähnliche oder gleiche Merkmale wie in den vorherigen Aus führungsbeispielen werden mit denselben Bezugs zeichen versehen und, um Wiederholungen zu vermeiden, nicht nochmals im Detail beschrieben .
Im vierten Aus führungsbeispiel , dargestellt in Figur 8 und
Figur 9 , weist die Oberfläche des Hebelelements 6 , die dem piezoelektrischen Aktor 1 zugewandt ist , eine in Richtung des piezoelektrischen Aktors 1 ausgebildete Biegung 13 auf , wobei der piezoelektrische Aktor 1 nur an der Biegung 13 anliegt . Ein separates Kraftübertragungsteil ist bei dieser Modi fikation nicht vorgesehen .
Analog zum ersten Aus führungsbeispiel ist der Aktor 1 in einem Trägerelement 2 aus Metall eingebettet . Das Trägerelement 2 liegt an mehreren Oberflächen des Aktors 1 an und ist mit diesen verklebt , insbesondere an der Unterseite U und einer Seitenfläche S des Aktors 1 . Bevorzugt ist der Aktor 1 insbesondere an einem hinteren Abschnitt der Unterseite U und der Seitenfläche S , die von einer Vorderseite V, die dem Hebelelement gegenüber liegt , entfernt liegen, verklebt .
Wird eine elektrische Spannung an den Aktor 1 angelegt , bewirkt diese eine Ausdehnungsänderung des Aktors 1 und somit auch eine Bewegung des Aktors 1 in der Längsrichtung L nach vorne .
Das Hebelelement 6 ist im vorliegenden Beispiel aus demselben Bauteil wie das Trägerelement 2 ausgebildet . Das Trägerelement 2 weist hierfür einen Abschnitt auf , der an der Vorderseite V des Aktors 1 anliegt und nur entlang einer Biegeachse 7 mit dem restlichen Trägerelement 2 verbunden ist . Das Bauteil ist an der Biegeachse 7 verdünnt .
In dieser Aus führungs form ist mittig im Hebelelement 6 eine Biegung 13 ausgebildet . Die Biegung 13 wölbt sich in Richtung der Vorderseite V des piezoelektrischen Aktors 1 und liegt an diesem an . Eine Kontakt fläche zwischen piezoelektrischen Aktor 1 und dem Hebelelement 6 wird somit ausschließlich auf der hervorstehenden Oberfläche der Biegung 13 ausgebildet . Somit wird die Kraft vom Aktor 1 auf das Hebelelement 6 an einer definierten Stelle übertragen, sodass ein definierter Faktor der Hebelwirkung einstellbar ist . Die Biegung im Hebelelement 6 erhöht weiterhin dessen Stei figkeit und Stabilität .
Seitlich am Hebelelement sind in der beschriebenen
Aus führungs form weiterhin optionale Laschen 14 vorgesehen, die seitlich aus dem Hebelelement herausgeschnitten sind und in Richtung des piezoelektrischen Aktors gebogen sind und dort beispielsweise auf dessen oberstes Seitenfläche 0 festgeklebt sind .
Bei Kontraktion des Aktors 1 , bewirken diese Laschen 14 eine Bewegung des Hebelelements 6 zurück in Richtung des piezoelektrischen Aktors 1 . Anders als im ersten Aus führungsbeispiel ist hierfür keine Einwirkung von außen nötig .
Der Aktor 1 und das Trägerelement 2 sind analog zum ersten Aus führungsbeispiel im sti f tförmigen Gerät 10 verbaut , welches ebenso analog zum ersten Aus führungsbeispiel von einem Benutzer verwendet werden kann . Die Funktion des sti f tförmigen Geräts ist analog zum ersten Aus führungsbeispiel .
Im fünften Aus führungsbeispiel , dargestellt in Figur 10 und Figur 11 , ist auf einer Oberfläche des Hebelelements 6 , die dem piezoelektrischen Aktor 1 zugewandt ist , ein Kraftübertragungsteil 15 fixiert , wobei der piezoelektrische Aktor 1 nur an dem Kraftübertragungsteil 15 anliegt .
Das Kraftübertragungsteil 15 hat dann den Vorteil , dass es das Hebelelement 6 mechanisch verstärkt . Das Kraftübertragungsteil 15 weist eine hohe Stei figkeit auf , sodass auch die Stei figkeit des Hebelelements verbessert wird . Das Hebelelement 6 und das Kraftübertragungsteil 15 umfassen bevorzugt verschiedene Materialien . Bevorzugt umfasst das Kraftübertragungsteil 15 Edelstahl .
Eine Kontaktkante 15a des Kraf tübertragungsteils 15 , die zum piezoelektrischen Aktor 1 weist und in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor 1 steht , ist so abgeschli f fen, dass eine Kontakt fläche mit möglichst großem Flächeninhalt bereitgestellt wird .
Das Kraftübertragungsteil 15 ist auf der Oberfläche des Hebelelements 6 , das dem piezoelektrischen Aktor 1 zugewandt ist , flächig aufgeklebt . Bevorzugt bedeckt das Kraftübertragungsteil 15 nahezu die gesamte Oberfläche . Die Abmessungen des Hebelelements 6 und des Kraf tübertragungsteils 15 sind also ähnlich . Das Kraftübertragungsteil 15 ist im Beispiel als flache Platte , die auf der Oberfläche des Hebelelements 6 aufgeklebt ist , ausgeführt .
Analog zum ersten Aus führungsbeispiel ist der Aktor 1 in einem Trägerelement 2 aus Metall eingebettet . Das Trägerelement 2 liegt an mehreren Oberflächen des Aktors 1 an, insbesondere liegt ein langer Abschnitt 21 des Trägerelements 2 an der Unterseite U und ein hinterer Abschnitt 22 des Trägerelements 2 an einer Hinterseite H des Aktors 1 an . Das Trägerelement 2 ist als ein Bauteil ausgeführt . Das Hebelelement 6 ist im vorliegenden Beispiel aus demselben Bauteil wie das Trägerelement 2 ausgebildet .
Das Trägerelement 2 weist hierfür einen Abschnitt auf , der an der Vorderseite V des Aktors 1 anliegt und nur entlang einer Biegeachse 7 mit dem restlichen Trägerelement 2 verbunden ist . Das Bauteil ist an der Biegeachse 7 verdünnt .
Der Aktor 1 ist somit zwischen dem hinteren Abschnitt 22 , dem gegenüberliegenden Hebelelement 6 und dem langen Abschnitt 21 eingeklemmt . Der Aktor 1 und das Trägerelement 2 sind analog zu den vorherigen Ausführungsbeispielen im stif tförmigen Gerät 10 verbaut, welches ebenso analog zum ersten Ausführungsbeispiel von einem Benutzer verwendet werden kann. Die Funktion des stif tförmigen Geräts ist analog zu den vorherigen Ausführungsbeispielen .
Bezugs zeichenliste
1 piezoelektrischer Aktor
2 Trägerelement
21 lange Leiste des Trägerelements
22 hinterer Abschnitt des Trägerelements
3 Kraftübertragungsteil
4 Kontakt fläche
5 Biegegelenk
6 Hebelelement
7 Biegeachse
8 Zunge
9 Biegeteil
10 Sti f tförmiges Gerät/Sti ft
11 Gehäuse
12 Spitze
13 Biegung des Hebelelements
14 Lasche des Hebelelements
15 Kraftübertragungsteil des Hebelelements
15a Kante des Kraf tübertragungsteils
H Hinterseite des Aktors
L Längsrichtung
0 Oberseite des Aktors
S Seitenfläche des Aktors
U Unterseite des Aktors
V Vorderseite des Aktors

Claims

34 Patentansprüche
1. Aktoreinheit, die dazu ausgestaltet ist ein haptisches Signal zu erzeugen, aufweisend:
- einen piezoelektrischen Aktor (1) , der dazu ausgestaltet ist, abhängig von einer elektrischen Spannung seine Ausdehnung in einer Längsrichtung (L) zu ändern und dadurch das haptische Signal zu erzeugen,
- einen mechanischen Verstärker (2, 6) , der dazu ausgestaltet ist, das haptische Signal zu verstärken, indem er die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) in eine Bewegung der Aktoreinheit umwandelt, wobei die Bewegung in der Längsrichtung (L) erfolgt, wobei die Bewegung der Aktoreinheit über eine Strecke erfolgt, die länger ist als die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) und wobei die Längsrichtung (L) die Richtung ist, in der eine Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors (1) am größten ist.
2. Aktoreinheit gemäß dem vorherigen Anspruch aufweisend eine Ansteuereinheit, die dazu ausgestaltet ist, eine Spannung an den piezoelektrischen Aktor (1) anzulegen.
3. Aktoreinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der piezoelektrische Aktor (1) ein Vielschichtelement umfasst, welches piezoelektrische Keramikschichten oder piezoelektrische Polymerschichten aufweist, wobei die Schichten in einer Stapelrichtung senkrecht zur Längsrichtung (L) gestapelt sind.
4. Aktoreinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der piezoelektrische Aktor (1) dazu ausgestaltet ist, dass in einer Querrichtung senkrecht zu der Längsrichtung (L) eine Spannung an den Aktor (1) angelegt wird, die gemäß des d31- Effekts eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) in der Längsrichtung (L) bewirkt. 35
5. Aktoreinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mechanische Verstärker (2, 6) ein Trägerelement (2) umfasst, das den piezoelektrischen Aktor (1) festlegt.
6. Aktoreinheit gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei der mechanische Verstärker (2, 6) ein Hebelelement (6) umfasst, welches an einem ersten Ende am Trägerelement (2) fixiert ist, wobei der piezoelektrische Aktor (1) an dem Hebelelement (6) anliegt, sodass eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) zu einer Bewegung eines zweiten Endes des Hebelelements (6) in der Längsrichtung (L) führt, das dem ersten Ende gegenüberliegt.
7. Aktoreinheit gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Trägerelement (2) und das Hebelelement (6) über ein Biegegelenk (5) verbunden sind.
8. Aktoreinheit gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei auf einer Oberfläche (V) des piezoelektrischen Aktors (1) , die dem Hebelelement (6) zugewandt ist, ein Kraftübertragungsteil (3) fixiert ist, wobei das Hebelelement (6) nur an dem Kraftübertragungsteil (3) anliegt.
9. Aktoreinheit gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Kraftübertragungsteil (3) eine in Richtung des Hebelelements (6) ausgebildete Biegung (4) aufweist, wobei das Hebelelement (6) nur an der Biegung (4) anliegt.
10. Aktoreinheit gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei auf einer Oberfläche des Hebelelements (6) , die dem piezoelektrischen Aktor (1) zugewandt ist, ein Kraftübertragungsteil (15) fixiert ist, wobei der piezoelektrische Aktor (1) nur an dem Kraftübertragungsteil (15) anliegt.
11. Aktoreinheit gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das Kraftübertragungsteil (15) eine in Richtung des piezoelektrischen Aktors (1) ausgebildete Biegung aufweist, wobei der piezoelektrische Aktor (1) nur an der Biegung anliegt .
12. Aktoreinheit gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei eine Oberfläche des Hebelelements (6) , die dem piezoelektrischen Aktor (1) zugewandt ist, eine in Richtung des piezoelektrischen Aktors (1) ausgebildete Biegung (13) aufweist, wobei der piezoelektrische Aktor (1) nur an der Biegung (13) anliegt.
13. Aktoreinheit gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei aus dem Hebelelement (6) ein oder mehrere Bereiche (8) herausgebogen sind, die am piezoelektrischen Aktor (1) fixiert sind.
14. Aktoreinheit gemäß Anspruch 5, wobei der piezoelektrischen Aktor (1) flächig am Trägerelement (2) befestigt ist, sodass eine Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) zu einer Verformung des Trägerelement (2) führt und wobei an einem Ende des Trägerelements (2) weiterhin ein gebogenes Blech angebracht ist, dass sich in Abhängigkeit der Verformung des Trägerelements (2) in der Längsrichtung (L) verbiegt .
15. Aktoreinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Aktoreinheit dazu ausgestaltet ist, in der Längsrichtung (L) über eine Strecke bewegt zu werden, die mindestens doppelt so lang ist wie die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) .
16. Stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (10) , aufweisend ein Gehäuse (11) und eine darin angeordnete Aktoreinheit gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mechanische Verstärker (2, 6) dazu ausgestaltet ist, die Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) in eine Bewegung der Aktoreinheit relativ zum Gehäuse (11) umzuwandeln, wobei die Bewegung in einer Längsrichtung (L) des stif tförmigen Geräts (10) erfolgt, die mit der Längsrichtung (L) der Aktoreinheit übereinstimmt.
17. Stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (10) gemäß dem vorherigen Anspruch ferner aufweisend einen Sensor, bei denen es sich um einen Neigungssensor, einen Abstandssensor, einen Geschwindigkeitssensor oder einen Beschleunigungssensor handelt .
18. Stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (10) gemäß dem vorherigen Anspruch, das dazu ausgestaltet ist, ein haptisches Signal zu erzeugen, das ein Oberflächenprofil nachbildet, wobei bei der Ansteuerung des Aktors (1) die von dem Sensor gemessenen Werte verarbeitet werden.
19. Stif tförmiges Eingabe- und/oder Ausgabegerät (10) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der piezoelektrische Aktor (1) dazu ausgestaltet ist, als Drucksensor verwendet zu werden.
20. Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals mit einem stif tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegerät (10) , das eine Aktoreinheit mit einem piezoelektrischen Aktor (1) aufweist, wobei von einer Ansteuereinheit eine Spannung an den piezoelektrischen Aktor (1) in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung (L) angelegt wird und der piezoelektrische Aktor (1) dadurch seine Ausdehnung in der Längsrichtung (L) ändert und 38 wobei die Ausdehnungsänderung von einem mechanischen Verstärker (2, 6) in eine Bewegung der Aktoreinheit in der Längsrichtung (L) umgewandelt wird, wobei die Aktoreinheit in der Längsrichtung (L) über eine Strecke bewegt wird, die länger ist als die
Ausdehnungsänderung des piezoelektrischen Aktors (1) und wobei die Längsrichtung (L) die Richtung ist, in der sowohl eine Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors (1) als auch des stif tförmigen Eingabe- und/oder Ausgabegeräts (10) am größten ist.
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