WO2025003400A1 - Haptikvorrichtung - Google Patents

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WO2025003400A1
WO2025003400A1 PCT/EP2024/068247 EP2024068247W WO2025003400A1 WO 2025003400 A1 WO2025003400 A1 WO 2025003400A1 EP 2024068247 W EP2024068247 W EP 2024068247W WO 2025003400 A1 WO2025003400 A1 WO 2025003400A1
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WO
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electrode
haptic device
main surface
region
piezoelectric actuator
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PCT/EP2024/068247
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English (en)
French (fr)
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Jockum LÖNNBERG
Johannes Burger
Andreas PENTSCHER-STANI
Robert WIMMER-TEUBENBACHER
Omid Sadeghian
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction

Definitions

  • a haptic device is specified.
  • Such a device has an actuator that generates and/or detects a movement of a movable element.
  • the movable element is designed, for example, as a touch-sensitive surface or tip of a pen-like device.
  • the actuator is, for example, a piezoelectric actuator, in particular a piezoceramic actuator.
  • the haptic device can be designed, for example, to generate haptic feedback, also referred to as haptic feedback, when touched.
  • the haptic device can be used, for example, in a touchscreen, trackpad, push button or stylus (pen-like device).
  • the haptic device can be used in the automotive sector.
  • a reinforcing element for stroke amplification is attached to a piezoelectric actuator.
  • the reinforcing element is designed, for example, in the form of a metal sheet.
  • such devices can also work as sensors, for example by using the inverse piezoelectric effect, in which mechanical energy is converted into electrical energy.
  • piezoelectric sensors are "dynamic" sensors, which means they can only measure mechanical changes, but not a static mechanical force .
  • piezoelectric sensor would output a very different electrical signal depending on whether the force of 3 N was reached in, for example, 10 ms or about 10 s . Due to this dynamic sensor characteristic, piezoelectric sensors can typically only be used in simple applications for non-critical functions, such as in doorbells, vending machines or consumer goods.
  • haptic feedback is particularly desired in the automotive sector, for example from a safety perspective, and in other demanding user interfaces, where tactile feedback is essential for an improved user experience. Haptic feedback is therefore particularly in demand where a reliable and precise force input sensor is also required, which is usually provided by a separate additional sensor. which results in increased space and cost requirements.
  • At least one task of certain embodiments is to provide a haptic device.
  • a haptic device is specified.
  • the haptic device can be designed to detect a haptic input.
  • the haptic device can also be designed to output haptic feedback.
  • the haptic device can, for example, be set up so that a haptic signal from a user can be received by the haptic device.
  • the haptic device can be set up so that a haptic signal can be output to a user.
  • the haptic device can thus be designed to generate haptic feedback.
  • the haptic device can therefore be set up to provide a user with tangible feedback for certain actions or inputs.
  • the piezoelectric actuator can have at least one or a plurality of internal electrodes.
  • the base body of the piezoelectric actuator can be constructed in a multilayer design with a plurality of piezoelectric layers arranged one on top of the other along a stacking direction and the internal electrodes.
  • the piezoelectric actuator can have a longitudinal direction which can be perpendicular to the stacking direction.
  • the longitudinal direction can correspond to a direction with the largest extension of the base body.
  • a piezoelectric actuator for detecting and/or generating a haptic signal offers significant advantages.
  • a piezoelectric actuator has a short response and decay time. Accordingly, the time and period in which the haptic signal is detected or generated can be determined very precisely.
  • the amplitude, frequency and duration with which the piezoelectric actuator vibrates can be determined by varying the control signal applied to the piezoelectric actuator, for example in relation to the frequency, the electrical voltage, the pulse sequence and the signal type. Different control signals can make it possible to generate different haptic signals.
  • the haptic device has at least one first mechanical reinforcement element, which is referred to below as the first reinforcement element.
  • the first reinforcement element is attached to the piezoelectric actuator.
  • the first reinforcement element can be attached to the piezoelectric actuator in such a way that the change in the expansion of the piezoelectric actuator in at least one direction deforms the first reinforcement element and thus at least areas of the first reinforcing element are moved.
  • the first reinforcing element can be attached to the piezoelectric actuator in such a way that a change in the length of the piezoelectric actuator and in particular of the base body at least along its longitudinal direction causes a region of the first reinforcing element to be moved in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • a direction is also possible which encloses an angle with the longitudinal direction which is greater than 0° and less than 90°. In other words, a region of the first reinforcing element can be moved in a direction oblique to the longitudinal direction.
  • the base body can have a first main surface and a second main surface opposite the first main surface.
  • the first main surface and the second main surface can lie opposite one another along the stacking direction and thus particularly preferably each have a main extension direction along the longitudinal direction described above.
  • the first reinforcing element is applied and fastened to the first main surface of the base body and thus to the first main surface of the piezoelectric actuator.
  • the haptic device has at least one second mechanical reinforcement element, which is referred to below as the second reinforcement element.
  • the second reinforcement element is attached to the piezoelectric actuator.
  • the second reinforcement element can be attached to the piezoelectric actuator in such a way that the second reinforcement element is changed by changing the extension of the piezoelectric actuator in at least one direction. Reinforcing element is deformed and thus at least regions of the second reinforcing element are moved.
  • the second reinforcing element can be fastened to the piezoelectric actuator in such a way that a change in the length of the piezoelectric actuator along its longitudinal direction moves a region of the second reinforcing element in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the second reinforcing element can be applied and fastened to the second main surface of the base body and thus to the second main surface of the piezoelectric actuator. Accordingly, the piezoelectric actuator can be arranged between the first reinforcing element and the second reinforcing element along a direction perpendicular to the main surfaces and thus along the stacking direction of the base body.
  • the haptic device has a first capacitive element.
  • the first capacitive element has in particular a first electrode and a second electrode and is designed as a capacitive sensor. This means that the first capacitive element is designed to have a variable capacitance depending on a distance between the first electrode and the second electrode.
  • the first reinforcement element forms the first electrode of the first capacitive element.
  • the second electrode of the first capacitive element is arranged on a main surface of the base body or within the base body. Particularly preferably, the second electrode of the first capacitive element is arranged on the first main surface of the base body or under the first main surface and thus within the base body. Furthermore, the second electrode of the first capacitive element can also be arranged on the second main surface of the base body.
  • the distance between the first electrode, i.e. the first reinforcement element, and the second electrode is particularly preferably dependent on a force acting on the first electrode, i.e. the first reinforcement element, so that by detecting the capacitance of the first capacitive element, a force acting on the first reinforcement element can be deduced.
  • the first capacitive element can thus be designed as a force sensor.
  • the haptic device has a second capacitive element.
  • the second capacitive element has in particular a first electrode and a second electrode and is designed as a capacitive sensor. This means that the second capacitive element is designed to have a variable capacitance depending on a distance between the first electrode and the second electrode.
  • the second reinforcement element forms the first electrode of the second capacitive element.
  • the second electrode of the second capacitive element is arranged on a main surface of the base body or within the base body. Particularly preferably, the second electrode of the second capacitive element is arranged on the second main surface of the base body or under the second main surface and thus within the base body. Furthermore, the second electrode of the second capacitive element can also be arranged on the first main surface of the base body.
  • the first capacitive element has a first electrical contact element with which the first electrode of the first capacitive element can be electrically contacted from the outside. Furthermore, the first capacitive element has a second electrical contact element with which the second electrode of the first capacitive element can be electrically contacted from the outside. If a second capacitive element is present, this accordingly has a first and second electrical contact element for electrically contacting the first and second electrode of the second capacitive element.
  • the following description is limited to the first capacitive element and the first reinforcement element, but applies accordingly to the second capacitive element and the second reinforcement element if present in the haptic device.
  • the features and properties described above and below for the first reinforcement element can therefore apply accordingly to the second reinforcement element if present in the haptic device.
  • the first reinforcement element and, if present, the second reinforcement element are particularly preferably designed in the same way and can therefore have the same features and properties.
  • the features and properties described above and below for the first capacitive element can therefore apply accordingly to the second capacitive element if present in the haptic device.
  • the features and properties described above and below for the first capacitive element can therefore also apply accordingly to the first and second electrodes of the first capacitive element.
  • Features and characteristics apply to the first and second electrodes of the second capacitive element. The same applies to all other components described in connection with the first capacitive element.
  • the first capacitive element and, if present, the second capacitive element are designed identically and can thus have the same features and properties, so that when a force is applied to the haptic device, at least essentially identical capacitive signals can be detected at the two capacitive elements.
  • This can, for example, achieve redundancy.
  • the first capacitive element and the second capacitive element can be designed differently and, for example, have different capacitances dependent on a distance between the respective first and second electrodes, so that when a force is applied to the haptic device, different capacitive signals can be detected at the two capacitive elements.
  • the haptic device described here goes beyond a purely haptic piezoelectric component in that at least the first capacitive element is integrated into the haptic device.
  • the integration of the first capacitive element takes place in particular in that the first reinforcement element has a dual function, namely a mechanical function in interaction with the piezoelectric actuator and an electrical function in connection with the first capacitive element.
  • the first reinforcing element may comprise or consist of metal, for example steel and/or titanium.
  • the first reinforcing element can be plate-shaped.
  • the first reinforcing element can be flat, i.e. as a flat plate, which is fastened to the piezoelectric actuator with at least one edge region or even over its entire surface.
  • the first reinforcing element can also be a metal bracket, which is fastened, for example, with at least one or preferably two edge regions to one or two end regions along the longitudinal direction of the piezoelectric actuator and has a central region adjacent to one edge region or between the two edge regions, which is spaced from the piezoelectric actuator and is referred to below as the touch region.
  • the first reinforcing element can be a circular, curved disk, for example based on the shape of a truncated cone or in the manner of a cymbal or a cymbal, which has an edge region which preferably runs around the touch region which is spaced from the piezoelectric actuator and which is fastened to the base body.
  • the first reinforcing element can be attached to the piezoelectric actuator, for example, by means of an adhesive bond. If the first reinforcing element is made of or with titanium, this can have the advantage that its thermal expansion coefficient is very similar to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator, so that there are only slight or no mechanical stresses when the temperature changes, so that the adhesive bond is not or only slightly mechanically stressed when the temperature changes.
  • a dielectric material can be arranged between the sensing region of the first reinforcing element and the first main surface.
  • the dielectric material by means of which, for example, an adjustment of the capacitance of the first capacitive element and/or electrical insulation between the first and second electrodes can be achieved, can for example comprise one or more materials selected from: air, plastic film, plastic foam.
  • the dielectric material can, for example, be used to attach the first reinforcing element to the first main surface.
  • the dielectric material can enable an adhesive connection and, for example, comprise an adhesive or be an adhesive that is arranged partially or over the entire surface between the first reinforcing element and the first main surface.
  • the first reinforcing element can convert a change in expansion and particularly preferably a change in length of the piezoelectric actuator into a change in expansion and/or a lifting movement that is perpendicular or oblique to the change in expansion and preferably the change in length.
  • a mechanically induced change in expansion and/or lifting movement for example by a user, can be converted into a change in expansion and particularly preferably a change in length of the piezoelectric actuator that is perpendicular or oblique to it, wherein the direction of the lifting movement in the case of a piezoelectric actuator with a multi-layer construction can preferably correspond to the stacking direction.
  • the lifting movement can have a significantly greater amplitude than the change in length.
  • the amplitude of the lifting movement can be 5 to 40 times the amplitude of the change in length.
  • the first reinforcing element can be free of notches and have a constant wall thickness. By omitting notches in the first reinforcing element, simple manufacture of the first reinforcing element can be enabled. Furthermore, the first reinforcing element can have at least one notch which reduces mechanical resistance to deformation of the first reinforcing element. In particular, in the case of a reinforcing element with a thickness at which deformation of the reinforcing element would require a lot of force, the use of notches in the reinforcing element can be useful, since the notches can facilitate the deformation of the reinforcing element.
  • the touch area of the first reinforcement element can have at least one raised area on a bottom side facing the first main surface, which extends towards the first main surface. This can reduce a distance between the first electrode of the first capacitive element, formed by the first reinforcement element, and the second electrode of the first capacitive element, whereby the capacitive signal of the first capacitive element can be improved.
  • the at least one raised area can be formed by an embossed structure introduced from a top side facing away from the first main surface.
  • the at least one raised area on the bottom side can correspond to a recessed area on the top side of the touch area, which is formed by a Embossing has been introduced from the top of the touch area.
  • the at least one raised area can be formed by a thickening of the touch area, in particular a thickening that extends to the first main surface.
  • the first electrical contact element of the first capacitive element has a first connection region which is electrically conductively connected to the first electrode of the first capacitive element, i.e. the first reinforcement element.
  • the first connection region can particularly preferably be arranged on the first main surface.
  • the first electrical contact element can be formed entirely or partially by an electrically conductive coating on the first main surface.
  • the first reinforcing element can be connected to the first connection region of the first electrical contact element, for example via a flexible electrically conductive connecting element, for example an electrically conductive adhesive tape.
  • the first electrical contact element can have a fastening region on the first main surface.
  • the fastening region is in particular provided and designed so that the first reinforcing element is at least partially arranged and mounted on the first fastening region.
  • an edge region of the first reinforcing element can be at least partially electrically conductively fastened to the fastening region of the first electrical contact element.
  • the entire edge region or only a part of the edge region of the first reinforcement element can be arranged and fastened on the fastening region of the first electrical contact element.
  • the fastening region and the first connection region can be directly adjacent to one another or merge into one another or are connected to one another by means of a conductor track on the main surface or via a conductor track integrated into the base body together with at least one electrical via.
  • an edge region or at least part of an edge region of the first reinforcing element can be glued to the fastening region by means of an adhesive which forms the adhesive connection described above.
  • the adhesive can be an electrically conductive adhesive, also referred to as a conductive adhesive, for example an adhesive material such as a curable polymer which is filled with electrically conductive particles.
  • the adhesive can be an electrically insulating adhesive which is formed in a layer which is sufficiently thin to nevertheless create an electrically conductive contact between the edge region and the fastening region. For this purpose, a thickness of less than or equal to 20 pm can be suitable for the adhesive layer.
  • an edge region of the first reinforcing element can be fastened exclusively to the fastening region.
  • the region of the first main surface covered by the edge region can be provided with the fastening region.
  • the edge region can be partially fastened to the fastening region and partially to the first main surface.
  • the fastening region is not provided in the entire region of the first main surface, but the adhesive is arranged not only between a part of the edge region and the fastening region, but also between another part of the edge region and a region of the first main surface not covered by the fastening region.
  • the fastening region can run in a serpentine or meandering manner on the first main surface, so that the edge region also covers regions that are free of the material of the fastening region.
  • the second electrode is formed by an electrode layer on the first main surface of the base body.
  • the electrode layer is arranged only below the touch area.
  • the second electrode can be applied directly to the first main surface and thus directly to the base body of the piezoelectric actuator.
  • the electrode layer forming the second electrode can also be applied on a step and thus on a raised area that is formed on the base body.
  • the raised area can be formed in the first main surface and thus be formed by a material of the base body.
  • the raised area can also have or consist of an intermediate layer, for example with or made of a plastic material. Due to the raised area, the second electrode can be arranged closer to the touch area of the first amplification element and thus closer to the first electrode, which can lead to an amplification of a capacitive signal of the first capacitive element.
  • a piezoelectric sensor alone cannot be used as a button that triggers at a precisely defined force, for example 3 N, which is a typical requirement for buttons in the automotive sector.
  • the haptic device described here with at least the first capacitive element has an integrated force sensor, which further uses at least the first reinforcement element with its mechanical functionality designed in relation to the piezoelectric actuator in addition to an electrical functionality.
  • the haptic device described here therefore has a simple and robust design compared to conventional user interfaces with combinations of piezoelectric actuators and separate force sensors, which allows can continue to save space and costs.
  • Haptic device according to further embodiments.
  • identical, similar or similarly acting elements can each be provided with the same reference symbols.
  • the elements shown and their relative sizes to one another are not to be regarded as being to scale; rather, individual elements, such as layers, components, structural elements and areas, can be shown exaggeratedly large for better representation and/or better understanding.
  • Figures 1A and 1B show an exemplary embodiment of a piezoelectric actuator 1 with reinforcing elements 13a, 13b in a perspective view and a sectional view, which can be used in a haptic device described below.
  • the piezoelectric actuator 1 shown in Figures 1A and 1B and the reinforcing elements 13a, 13b are to be understood purely as examples in order to explain the functional principle and interaction of the piezoelectric actuator 1 with the reinforcing elements 13a, 13b. Deviations from the exemplary embodiment shown, for example with regard to geometric configurations, are not excluded by the following description.
  • the piezoelectric actuator 1 has a base body 11.
  • the base body 11 has a stack of internal electrodes 21 and piezoelectric layers 22 stacked alternately one above the other in a stacking direction S. Even if a plurality of internal electrodes 21 is shown, the base body 11 can also have, for example, only one or two or a different number of internal electrodes 21. Furthermore, the base body 11 can also be free of internal electrodes, so that the base body 11 can be designed as a monolithic disk or plate that is free of internal electrodes. In this case, electrical contact is made exclusively via external electrodes.
  • the first reinforcing element 13a is arranged on a first main surface 11a of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1, which forms an upper side 25 of the base body 11, and the second reinforcing element 13b is arranged on a second main surface 11b of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1, which is opposite the first main surface 11a along the stacking direction S and forms an underside 26 of the base body 11.
  • the first reinforcing element 13a is arranged on a first main surface 11a of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1, which forms an upper side 25 of the base body 11
  • the second reinforcing element 13b is arranged on a second main surface 11b of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1, which is opposite the first main surface 11a along the stacking direction S and forms an underside 26 of the base body 11.
  • the piezoelectric layers 22 can be, for example, lead zirconate titanate ceramics (PZT- Ceramics).
  • the PZT ceramic may also contain Nd and Ni.
  • the PZT ceramic may further contain Nd, K and optionally Cu.
  • the piezoelectric layers 22 may comprise a
  • the internal electrodes 21 preferably comprise copper or particularly preferably consist of copper.
  • the base body 11 and thus the piezoelectric actuator 1 can preferably be cuboid-shaped, as shown.
  • the base area is a surface whose surface normal points in the stacking direction S.
  • the base area is, for example, rectangular.
  • the longer side of the base area defines the length L of the piezoelectric actuator 11 and the shorter side of the base area defines the width B of the piezoelectric actuator 11.
  • the base body 11 and thus the piezoelectric actuator 1 can, for example, have a length L of greater than or equal to 5 mm and less than or equal to 100 mm and a width B of greater than or equal to 2 mm and less than or equal to 8 mm.
  • the extent of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1 in the stacking direction S defines the height H.
  • the height H of the piezoelectric actuator 11 can, for example, be greater than or equal to 200 pm and less than or equal to 3 mm.
  • the base body 11 has two insulation regions 12. Each of the insulation regions 12 forms an end region of the base body 11 in the region of the end faces 24. In the insulation regions 12, only internal electrodes 21 of one polarity reach the respective end face 24 of the base body 11, so that the insulation regions are preferably used for contacting the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 is designed such that when an electrical voltage is applied to the outer electrodes 23 and thus to the inner electrodes 21, a deformation of the base body 11 takes place, in particular in the multilayer construction shown with inner electrodes a change in length in the longitudinal direction RI indicated in Figure 1B.
  • the piezoelectric layers 22 are thus polarized in such a way that the application of an electrical voltage between the inner electrodes 21 leads to a contraction of the base body 11, in which the length L of the base body 11 changes perpendicular to the stacking direction S. Consequently, an expansion of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1 takes place transversely to the polarization direction and to the electric field, which is also referred to as the d31 effect.
  • Other configurations with or without inner electrodes in the base body 11 can also achieve other expansion changes.
  • the following description refers, without being intended to be limiting, to the multi-layer design shown with the described change in length.
  • the two reinforcing elements 13a, 13b are present. If a voltage is applied to the piezoelectric actuator 1, the reinforcing elements 13a, 13b deform at least partially as a result of the change in the expansion of the base body 11.
  • the first and second reinforcing elements 13a, 13b are dimensioned and connected to the base body 11 of the piezoelectric actuator 1 connected in such a way that one touch area 17a, 17b of the
  • Reinforcing elements 13a, 13b as a result of a change in the length L of the base body 11, carry out a lifting movement in the lifting direction R2 indicated in Figure 1B, corresponding to the stacking direction S, wherein the amplitude of the lifting movement can preferably be greater than the amplitude of the change in the length L of the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 is preferably arranged between the reinforcing elements 13a, 13b.
  • Each of the reinforcing elements 13a, 13b is preferably one-piece and, in the embodiment shown, is strip-shaped with a rectangular basic shape. Furthermore, each of the reinforcing elements 13a, 13b is curved or bent and is bow-shaped. Alternatively, a flat design of the reinforcing elements 13a, 13b is also possible.
  • the reinforcing elements 13a, 13b each have a sheet metal strip or are made from it, in particular with or made of steel and/or titanium.
  • each reinforcing element 13a, 13b is divided into several regions or sections.
  • each reinforcing element 13a, 13b has a central region, which is the previously mentioned touch region 17a, 17b.
  • the touch regions 17a, 17b are connected to respective edge regions 18a, 18b via connecting regions 20a, 20b.
  • the two edge regions 18a, 18b of each of the reinforcing elements 13a, 13b lie on one of the main surfaces 11a, 11b of the base body 11.
  • the first and the second edge region 18a of the first reinforcing element 13a lie on a partial region of the first main surface 11a on the upper side 25 of the base body 11 and thus of the piezoelectric actuator 1.
  • the edge regions 18a, 18b are preferably permanently connected to the respective main surface 11a, 11b.
  • the edge regions 18a, 18b are connected to the respective main surface 11a, 11b by an adhesive connection 15.
  • the reinforcing elements 13a, 13b can be attached to the base body 11 over their entire surface here and in the embodiments described below, for example by means of an adhesive applied over the entire surface, which can simultaneously act as the dielectric described further below.
  • the touch areas 17a, 17b are spaced apart from the respective main surface 11a, 11b.
  • the free areas 16 have a height h which is, for example, greater than or equal to 0.1 mm and less than or equal to 5.0 mm when no voltage is applied to the piezoelectric actuator 1 and no external force acts on the reinforcing elements 13a, 13b.
  • the touch areas 17a, 17b are designed so that they run essentially parallel to the main surfaces 11a, 11b.
  • the connecting areas 20a, 20b run obliquely to the main surfaces 11a, 11b.
  • each of the connecting areas 20a, 20b forms an angle with the main surfaces 11a, 11b.
  • the Angle is preferably less than or equal to 45°.
  • the height h of the free area 16 thus decreases in the direction from the sensing area 17a, 17b towards the edge areas 18a, 18b of the respective reinforcing element 13a, 13b.
  • the touch areas 17a, 17b of the reinforcement elements 13a, 13b move, as described above, relative to the base body 11 in the stroke direction R2, which can be perceived as a haptic signal, for example by a user.
  • the reinforcement elements 13a, 13b bend preferably at transitions between the touch areas 17a, 17b and the connecting areas 20a, 20b and between the connecting areas 20a, 20b and the edge areas 18a, 18b.
  • the reinforcing elements 13a, 13b can have at least one thinning, preferably several thinnings, between the said areas, which enable better deformability of the reinforcing elements 13a, 13b and easier execution of the lifting movement.
  • a movement of the edge areas 18a, 18b in the lifting direction R2 is prevented by the adhesive connection 15 with the piezoelectric actuator 1. Instead, the edge areas 18a, 18b move with the base body 11 in the longitudinal direction RI. A relative movement therefore takes place between the edge areas 18a, 18b and the touch areas 17a, 17b.
  • the reinforcing elements 13a, 13b are deformed such that the Touch areas 17a, 17b are pressed closer to the respective main surface 11a, 11b and the edge areas 18a, 18b are pressed away from one another in the longitudinal direction RI.
  • the reinforcing elements 13a, 13b By attaching the reinforcing elements 13a, 13b to the base body 11 of the piezoelectric actuator 1, the latter is also deformed in the longitudinal direction RI. This generates an electrical voltage in the piezoelectric actuator 1. This voltage can be detected at the outer electrodes 23 and in this way a haptic input can be inferred.
  • the piezoelectric actuator 1 can thus be used as a sensor that can detect a force exerted by a user.
  • the piezoelectric actuator 1 can be connected at the outer electrodes 23 to a control device that evaluates the electrical voltages generated at the piezoelectric actuator 1.
  • Figures 2A and 2B show a three-dimensional representation and a two-dimensional sectional representation of a further exemplary embodiment of a piezoelectric actuator 1 for the haptic devices described below, which, in comparison to the previous exemplary embodiment, has a base body 11 with a square base area and thus with square main surfaces 11a, 11b.
  • the internal electrodes are not shown in the sectional representation in Figure 2B.
  • the reinforcing elements 13, 13b are each designed as a circular curved disk, for example based on the shape of a truncated cone or in the manner of a cymbal or a cymbal, which have an edge region 18a surrounding the touch region 17a spaced apart from the piezoelectric actuator 1, which edge region 18a is fixed to the base body 11 is attached.
  • these can each have an opening as indicated in Figures 2A and 2B.
  • the base body 11 and thus the piezoelectric actuator 1 can, for example, have a side length of greater than or equal to 5 mm and less than or equal to 100 mm.
  • the external electrodes 23 are applied to the first main surface 11a of the base body 11 and can extend to at least one end face for contacting the internal electrodes.
  • FIGS 2A and 2B may have features like the embodiment shown in Figures 1A and 1B.
  • haptic devices 100 which have a piezoelectric actuator 1, which can be designed according to the previous embodiments. Furthermore, the haptic devices 100 described below have, purely by way of example, a first reinforcing element 13a in the form of a curved circular disk on the first main surface 11a of the base body 11 of the piezoelectric actuator 1 and a second Reinforcing element 13b in the form of a curved circular disk on the second main surface 11b of the base body 11 of the piezoelectric actuator 1, as described in connection with Figures 2A and 2B.
  • the haptic devices 100 described below can, for example, also have only the first reinforcing element 13a and be free of a reinforcing element on the second main surface 11b and/or have other geometries, for example as described in connection with Figures 1A and 1B.
  • the following description mainly relates to the differences from the embodiments of the previous figures. Elements and components not described can therefore preferably be designed as explained in connection with Figures 1A to 2B.
  • FIG 3A an embodiment of the haptic device 100 is shown in a sectional view according to the representation in Figure 2B.
  • the haptic device is shown in a three-dimensional view without the first reinforcing element 13a in order to have a clear view of the top side 25 of the piezoelectric actuator 1.
  • the dielectric material 50 can be formed by an adhesive applied over the entire surface, by means of which the entire first reinforcing element 13a can be attached to the base body 11.
  • the adhesive can provide the distance to the first main surface and at the same time act as a dielectric.
  • Figure 5C shows a further exemplary embodiment of the haptic device 100 which, in comparison to the exemplary embodiments of Figures 3A to 5B, has a second capacitive element 30b.
  • the second capacitive element 30b also has a first electrode 31b and a second electrode 32b and is designed as a capacitive sensor.
  • the second reinforcing element 13b forms the first electrode 31b of the second capacitive element 30b.
  • the second electrode 32b of the second capacitive element 30b is arranged on the second main surface 11b of the base body 11.
  • Figure 5C also shows the conductor track 324b of the second electrical contact element of the second capacitive element 30b for contacting the second electrode 32b.
  • the first capacitive element 30a and the second capacitive element 30b are particularly preferably designed identically, so that the features and properties of the first capacitive element 30a described in connection with the previous embodiments can apply accordingly to the second capacitive element 30b, so that when a force is applied to the haptic device 100, at least substantially identical capacitive signals can be detected at the two capacitive elements 30a, 30b.
  • the first capacitive element 30a and the second capacitive element 30b can be designed differently, so that when a force is applied to the haptic device 100, different capacitive signals can be detected at the two capacitive elements 30a, 30b.
  • the haptic device 100 can also have a second capacitive element 30b, which can be designed the same as the first capacitive element 30a or differently.
  • the edge region of the first reinforcing element can be fastened exclusively to the fastening region.
  • the region of the first main surface 11a covered by the edge region of the first reinforcing element can be completely provided with the fastening region 313a of the first electrical contact element 311a.
  • This can accordingly be designed, for example, as a circumferential ring.
  • the first reinforcement element 13a which is contacted in Figures 9A to 11B purely by way of example as described in connection with Figure 4, can have at least one raised area 170a in the touch area 17a on an underside facing the first main surface 11a, i.e. an area extending towards the first main surface 11a, as a result of which the effective distance between the first electrode 31a and the second electrode 32a of the first capacitive element 30a can be influenced.
  • a distance between the first electrode 31a of the first capacitive element 30a, formed by the first reinforcement element 13a, and the second electrode 32a of the first capacitive element 30a can be reduced as described above in connection with Figure 5A, whereby a stronger capacitive field can be generated and thus the capacitive signal and in particular the signal-to-noise ratio of the first capacitive element 30a can be increased.
  • the at least one raised region 170a can be formed by an embossed structure introduced from an upper side of the first reinforcement element 13a facing away from the first main surface 11a.
  • the at least one raised region 170a on the underside can correspond to a recessed region on the upper side of the touch region 17a, which has been introduced by embossing from the upper side of the touch region 17a.
  • the second reinforcing element 13b can have a corresponding touch area 17b with at least one raised area 170b.
  • the raised region 170a on the underside of the first reinforcing element 13a can be ring-shaped, for example, and can have two raised rings, for example, which extend towards the first main surface 11a.
  • two ring-shaped depressions are correspondingly embossed, as can be seen in Figure 9A.
  • the raised region 170a on the underside can also be formed, for example, by just an annular region that corresponds to a corresponding annular embossed depression in the upper side.
  • the first reinforcing element 13a in the touch region 17a can also have, for example, a thickening, i.e. a region with a greater thickness that extends to the first main surface, to form the raised region 170a, as is indicated in Figure 10C.
  • the raised area is not limited to ring shapes. As indicated in Figures 11A and 11B, for example, a spoke-like structure can also be embossed, which in the embodiment shown results in corresponding four raised areas 170a on the underside of the touch area 17a of the first reinforcing element 13a.
  • a simple electrical contacting of the haptic device 100 is possible.
  • this can be done by a flexible printed circuit connector (FPC connector) 60, as shown in Figure 12.
  • FPC connector flexible printed circuit connector
  • the haptic device described here uses capacitive field sensing to integrate a static force sensor into a piezoelectric actuator in a cost-effective manner.
  • capacitive field sensing By integrating a static force sensor into the actuator component, the typical touch sensing requirements of, in particular, sophisticated, haptic user interfaces can be met.
  • the sensor function of the piezoelectric actuator itself can also be supported or improved by using the capacitive element, for example as a safety function, for example with regard to the signal-to-noise ratio, the response time and/or a force-time measurement with the field sensor, and vice versa.
  • the force measurement solution is realized by arranging two conductive surfaces in the form of the first and second electrodes of at least the first capacitive element so close to each other that a capacitive field can be generated.
  • the capacitance of the generated field changes when the distance between the two electrodes changes. So, for example, when a user presses a touch surface with a finger, which in turn presses on the haptic device, the two electrodes of at least the first capacitive element move closer to each other and the force with which the finger presses can be determined, regardless of the speed at which the touch force occurs.
  • a touch input can then be triggered, at exactly the right time, and if desired, the same haptic device can also generate haptic feedback to confirm that the input has been registered.
  • the haptic device enables reliable force sensing combined with haptic feedback in a single component, which can reduce costs and design complexity.
  • haptic feedback is often based on small mechanical movements in the range of greater than or equal to 10 and less than or equal to 300 pm. Consequently, high mechanical tolerances are required in system integration. If one had to use a separate force sensor and a separate haptic actuator, this would not only be complex in system integration, but also very demanding and expensive in terms of mechanics and assembly.
  • Another advantage of the haptic device described here is its multiple sensor functionality, which can be useful, for example, from a safety and energy saving perspective.
  • two input circuits may be required for safety-critical switches, such as the hazard warning switch that is present in every car.
  • the piezoelectric actuator By integrating two capacitive elements, i.e. the first and second capacitive elements, on either side of the piezoelectric actuator, these can be redundantly integrated into two similar circuits. In other applications, it may be sufficient to use the piezoelectric actuator as a piezoelectric sensor in one circuit and the first capacitive element as a capacitive field sensor in the other circuit.
  • piezoelectric sensors are passive sensors that generate a voltage when they are pressed. Therefore, it may be possible to use the piezoelectric actuator to "wake up" the capacitive element, and then still measure the change as well as longer-lasting pressure with the capacitive element to detect the force and duration of the pressure. Human movements are typically so slow that a reaction time of a few milliseconds may be fast enough to detect a capacitive change.

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Abstract

Es wird eine Haptikvorrichtung (100) zur Erfassung einer haptischen Eingabe angegeben, die einen piezoelektrischen Aktuator (1) aufweisend einen Grundkörper (11) mit einem piezoelektrischen Material, ein erstes Verstärkungselement (13a) auf einer ersten Hauptoberfläche (11a) des piezoelektrischen Aktuators (1) und ein erstes kapazitives Element (30a) aufweist, wobei das erste Verstärkungselement (13a) am piezoelektrischen Aktuator (1) befestigt ist und einen Tastbereich (17a) aufweist, der beabstandet über der ersten Hauptoberfläche (11a) angeordnet ist, wobei das erste Verstärkungselement (13a) eine erste Elektrode (31a) des ersten kapazitiven Elements (30a) bildet, wobei auf einer Hauptoberfläche (11a, 11b) oder innerhalb des Grundkörpers (11) eine zweite Elektrode (32a) des ersten kapazitiven Elements (30a) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Haptikvorrichtung
Es wird eine Haptikvorrichtung angegeben . Eine derartige Vorrichtung weist einen Aktuator auf , der eine Bewegung eines beweglichen Elements erzeugt und/oder detektiert . Das bewegliche Element ist beispielsweise als berührungsempfindliche Oberfläche oder Spitze einer sti ftartigen Vorrichtung ausgebildet . Der Aktuator ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktuator, insbesondere ein piezokeramischer Aktuator .
Die Haptikvorrichtung kann beispielsweise zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung, auch als haptisches Feedback bezeichnet , bei einer Berührung ausgebildet sein . Die Haptikvorrichtung kann beispielsweise in einem Touchscreen, Trackpad, Druckknopf oder Stylus ( sti ftartige Vorrichtung) eingesetzt sein . Insbesondere kann die Haptikvorrichtung im Automobilbereich verwendet werden .
Aus den Druckschri ften WO 2017 / 060 011 Al , WO 2018 / 046 201 Al und WO 2022 / 248 244 Al sind Vorrichtungen zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung bekannt , bei der an einem piezoelektrischen Aktuator ein Verstärkungselement zur Hubverstärkung befestigt ist . Das Verstärkungselement ist beispielsweise in Form eines Metallblechs ausgebildet .
Beispielsweise können solche Vorrichtungen auch als Sensoren arbeiten, etwa indem sie den inversen piezoelektrischen Ef fekt nutzen, bei dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird . Allerdings sind piezoelektrische Sensoren „dynamische" Sensoren, das heißt sie können nur mechanische Veränderungen messen, nicht aber eine statische mechanische Kraft . Somit ist es physikalisch unmöglich für solche bekannten Vorrichtungen, zum Beispiel einen menschlichen Finger zu detektieren, der über einen längeren Zeitraum kontinuierlich auf einen Schalter mit einer solchen Vorrichtung drückt . Aus demselben Grund ist es unmöglich, die bekannten Vorrichtungen für einen piezoelektrischen Sensor zu verwenden, der immer genau bei einer bestimmten Druckeinwirkung, beispielsweise 3 N, auslöst , was einer typischen Kraftauslöseranforderung für Schalter im Automobilbereich entspricht . Dies liegt daran, dass der piezoelektrische Sensor aufgrund seiner dynamischen Charakteristik ein sehr unterschiedliches elektrisches Signal ausgeben würde , j e nachdem ob die Kraft von 3 N in beispielsweise 10 ms oder etwa 10 s erreicht würde . Aufgrund dieser dynamischen Sensorcharakteristik können piezoelektrische Sensoren üblicherweise nur in einfachen Anwendungen für nicht-kritische Funktionen eingesetzt werden, etwa in Türklingeln, Verkaufsautomaten oder Verbrauchs ar tike In .
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Benutzerschnittstellen mit haptischer Rückmeldung gestiegen . Piezobasierte Komponenten sind hervorragende haptische Aktoren . Haptische Rückmeldungen sind j edoch besonders im Automobilsektor, beispielsweise unter Sicherheitsaspekten, und bei anderen anspruchsvollen Benutzeroberflächen, erwünscht , wo taktile Rückmeldungen für eine verbesserte Benutzererfahrung unerlässlich ist . Haptische Rückmeldungen sind also besonders dort gefragt , wo auch ein zuverlässiger und präziser Krafteintragssensor benötigt wird, der j edoch üblicherweise durch einen separaten zusätzlichen Sensor gebildet wird, was einen erhöhten Platz- und Kostenaufwand zur Folge hat .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , eine Haptikvorrichtung anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst . Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form wird eine Haptikvorrichtung angegeben . Beispielsweise kann die Haptikvorrichtung zur Erfassung einer haptischen Eingabe ausgebildet sein . Weiterhin kann die Haptikvorrichtung auch zur Ausgabe einer haptischen Rückmeldung ausgebildet sein . Mit anderen Worten kann die Haptikvorrichtung beispielsweise so eingerichtet sein, dass ein haptisches Signal von einem Benutzer durch die Haptikvorrichtung auf genommen werden kann . Weiterhin kann die Haptikvorrichtung so eingerichtet sein, dass ein haptisches Signal an einen Benutzer ausgegeben werden kann . Insbesondere kann die Haptikvorrichtung somit dazu ausgebildet sein, ein haptisches Feedback zu erzeugen . Die Haptikvorrichtung kann also dazu eingerichtet sein, eine für einen Benutzer fühlbare Rückmeldung bei bestimmten Aktionen oder Eingaben zu geben .
Die Haptikvorrichtung weist besonders bevorzugt einen piezoelektrischen Aktuator auf . Der piezoelektrische Aktuator kann zur Erfassung einer haptischen Eingabe und/oder zur Ausgabe einer haptischen Rückmeldung ausgebildet sein . Der piezoelektrische Aktuator kann auf einem piezoelektrischen Material , insbesondere einem piezoelektrischen Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Polymermaterial , basieren . Der piezoelektrische Aktuator kann einen Grundkörper mit dem piezoelektrischen Material aufweisen . Weiterhin können auf und/oder im Grundkörper eine oder mehrere Elektroden vorgesehen sein . Sind keine Elektroden im Grundkörper vorhanden, weist der Grundkörper also keine Innenelektroden auf , kann der piezoelektrische Aktuator als monolithischer Aktuator, beispielsweise als Scheibe oder Plättchen, ausgebildet sein . Beispielsweise kann der piezoelektrische Aktuator zumindest eine oder eine Mehrzahl von Innenelektroden aufweisen . In diesem Fall kann der Grundkörper des piezoelektrischen Aktuators in Vielschichtbauweise mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung aufeinander angeordneten piezoelektrischen Schichten und den Innenelektroden aufgebaut sein . Weiterhin kann der piezoelektrische Aktuator eine Längsrichtung aufweisen, die senkrecht zur Stapelrichtung sein kann . Beispielsweise kann die Längsrichtung einer Richtung mit der größten Ausdehnung des Grundkörpers entsprechen .
Durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Signals kann der piezoelektrische Aktuator eine Änderung einer Ausdehnung in zumindest einer Richtung voll ziehen, wobei diese Änderung Teil des haptischen Signals sein kann . Bei Anlegen einer Wechselspannung kann eine periodische Änderung und somit eine Vibration erzeugt werden . Insbesondere kann die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators zumindest durch den d31-Ef fekt hervorgerufen werden und zumindest einer Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators entlang der Längsrichtung entsprechen . Umgekehrt kann durch eine mechanische Einwirkung, bewirkt durch eine haptische Eingabe , eine Änderung einer Ausdehnung des Grundkörpers in zumindest einer Richtung bewirkt werden . Durch den inversen piezoelektrischen Ef fekt kann diese Ausdehnungsänderung im piezoelektrischen Material eine elektrische Spannung hervorrufen, die über die Innenelektroden detektiert werden kann .
Die Verwendung eines piezoelektrischen Aktuators zur Detektion und/oder zur Erzeugung eines haptischen Signals bietet wesentliche Vorteile . Ein piezoelektrischer Aktuator weist eine kurze Ansprech- und Abklingzeit auf . Dementsprechend können der Zeitpunkt und der Zeitraum, in dem das haptische Signal detektiert oder erzeugt wird, sehr genau bestimmt werden . Ferner kann bei einer Erzeugung eines haptischen Signals durch eine Variation des am piezoelektrischen Aktuator angelegten Ansteuersignals , beispielsweise in Bezug auf die Frequenz , die elektrische Spannung, die Puls folge und die Signalart , bestimmt werden, mit welcher Amplitude , welcher Frequenz und welcher Zeitdauer der piezoelektrische Aktuator vibriert . Durch unterschiedliche Ansteuersignale kann es ermöglicht werden, unterschiedliche haptische Signale zu erzeugen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die Haptikvorrichtung zumindest ein erstes mechanisches Verstärkungselement auf , das im Folgenden kurz als erstes Verstärkungselement bezeichnet wird . Das erste Verstärkungselement ist am piezoelektrischen Aktuator befestigt . Insbesondere kann das erste Verstärkungselement derart am piezoelektrischen Aktuator befestigt sein, dass durch die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in zumindest einer Richtung das erste Verstärkungselement verformt wird und damit zumindest Bereiche des ersten Verstärkungselements bewegt werden .
Besonders bevorzugt kann das erste Verstärkungselement derart am piezoelektrischen Aktuator befestigt sein, dass durch eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators und insbesondere des Grundkörpers zumindest entlang seiner Längsrichtung ein Bereich des ersten Verstärkungselements in eine zur Längsrichtung senkrechte Richtung bewegt wird . Weiterhin ist auch eine Richtung möglich, die mit der Längsrichtung einen Winkel einschließt , der größer als 0 ° ist und kleiner als 90 ° ist . Mit anderen Worten kann ein Bereich des ersten Verstärkungselements in einer zur Längsrichtung schräge Richtung bewegt werden .
Insbesondere kann der Grundkörper eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche aufweisen . Die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche können sich entlang der Stapelrichtung gegenüber liegen und damit besonders bevorzugt j eweils eine Haupterstreckungsrichtung entlang der oben beschriebenen Längsrichtung aufweisen . Das erste Verstärkungselement ist auf der ersten Hauptoberfläche des Grundkörpers und damit auf der ersten Hauptoberfläche des piezoelektrischen Aktuators aufgebracht und befestigt .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die Haptikvorrichtung zumindest ein zweites mechanisches Verstärkungselement auf , das im Folgenden kurz als zweites Verstärkungselement bezeichnet wird . Das zweite Verstärkungselement ist am piezoelektrischen Aktuator befestigt . Insbesondere kann das zweite Verstärkungselement derart am piezoelektrischen Aktuator befestigt sein, dass durch die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktuators in zumindest einer Richtung das zweite Verstärkungselement verformt wird und damit zumindest Bereiche des zweite Verstärkungselements bewegt werden . Besonders bevorzugt kann das zweite Verstärkungselement derart am piezoelektrischen Aktuator befestigt sein, dass durch eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators entlang seiner Längsrichtung ein Bereich des zweiten Verstärkungselements in eine zur Längsrichtung senkrechte Richtung bewegt wird . Das zweite Verstärkungselement kann auf der zweiten Hauptoberfläche des Grundkörpers und damit auf der zweiten Hauptoberfläche des piezoelektrischen Aktuators aufgebracht und befestigt sein . Entsprechend kann der piezoelektrische Aktuator entlang einer Richtung senkrecht zu den Hauptoberflächen und damit entlang der Stapelrichtung des Grundkörpers zwischen dem ersten Verstärkungselement und dem zweiten Verstärkungselement angeordnet sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die Haptikvorrichtung ein erstes kapazitives Element auf . Das erste kapazitive Element weist insbesondere eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf und ist als kapazitiver Sensor ausgebildet . Das bedeutet , dass das erste kapazitive Element dazu eingerichtet ist , eine veränderbare Kapazität abhängig von einem Abstand der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode auf zuweisen . Das erste Verstärkungselement bildet die erste Elektrode des ersten kapazitiven Elements . Weiterhin ist auf einer Hauptoberfläche des Grundkörpers oder innerhalb des Grundkörpers die zweite Elektrode des ersten kapazitiven Elements angeordnet . Besonders bevorzugt ist auf der ersten Hauptoberfläche des Grundkörpers oder unter der ersten Hauptoberfläche und damit innerhalb des Grundkörpers die zweite Elektrode des ersten kapazitiven Elements angeordnet . Weiterhin kann die zweite Elektrode des ersten kapazitiven Elements auch auf der zweiten Hauptoberfläche des Grundkörpers angeordnet sein .
Durch eine Detektion der Kapazität des ersten kapazitiven Elements kann auf einen Abstand der ersten Elektrode , also des ersten Verstärkungselements , zur zweiten Elektrode zurückgeschlossen werden . Besonders bevorzugt ist der Abstand der ersten Elektrode , also des ersten Verstärkungselements , zur zweiten Elektrode abhängig von einer Kraft , die auf die erste Elektrode , also das erste Verstärkungselement , einwirkt , so dass durch eine Detektion der Kapazität des ersten kapazitiven Elements auf eine Kraft zurückgeschlossen werden kann, die auf das erste Verstärkungselement einwirkt . Somit kann das erste kapazitive Element als Kraftsensor ausgebildet sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist die Haptikvorrichtung ein zweites kapazitives Element auf . Das zweite kapazitive Element weist insbesondere eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf und ist als kapazitiver Sensor ausgebildet . Das bedeutet , dass das zweite kapazitive Element dazu eingerichtet ist , eine veränderbare Kapazität abhängig von einem Abstand der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode auf zuweisen . Das zweite Verstärkungselement bildet die erste Elektrode des zweiten kapazitiven Elements . Weiterhin ist auf einer Hauptoberfläche des Grundkörpers oder innerhalb des Grundkörpers die zweite Elektrode des zweiten kapazitiven Elements angeordnet . Besonders bevorzugt ist auf der zweiten Hauptoberfläche des Grundkörpers oder unter der zweiten Hauptoberfläche und damit innerhalb des Grundkörpers die zweite Elektrode des zweiten kapazitiven Elements angeordnet . Weiterhin kann die zweite Elektrode des zweiten kapazitiven Elements auch auf der ersten Hauptoberfläche des Grundkörpers angeordnet sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das erste kapazitive Element ein erstes elektrisches Kontaktelement auf , mit dem die erste Elektrode des ersten kapazitiven Elements elektrisch von außen kontaktiert werden kann . Weiterhin weist das erste kapazitive Element ein zweites elektrisches Kontaktelement auf , mit dem die zweite Elektrode des ersten kapazitiven Elements elektrisch von außen kontaktiert werden kann . I st ein zweites kapazitives Element vorhanden, weist dieses entsprechend ein erstes und zweites elektrisches Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten Elektrode des zweiten kapazitiven Elements auf .
Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf das erste kapazitive Element und das erste Verstärkungselement , gilt aber, sofern vorhanden in der Haptikvorrichtung, entsprechend auch für das zweite kapazitive Element und das zweite Verstärkungselement . Die vorab und im Folgenden für das erste Verstärkungselement beschriebenen Merkmale und Eigenschaften können somit entsprechend, sofern vorhanden in der Haptikvorrichtung, für das zweite Verstärkungselement gelten . Besonders bevorzugt sind das erste Verstärkungselement und, sofern vorhanden, das zweite Verstärkungselement gleich ausgebildet und können somit die gleichen Merkmale und Eigenschaften aufweisen . Weiterhin können somit die vorab und im Folgenden für das erste kapazitive Element beschriebenen Merkmale und Eigenschaften entsprechend, sofern vorhanden in der Haptikvorrichtung, für das zweite kapazitive Element gelten . Beispielsweise können somit auch für die erste und zweite Elektrode des ersten kapazitiven Elements beschriebene Merkmale und Eigenschaften für die erste und zweite Elektrode des zweiten kapazitiven Elements gelten . Dasselbe gilt auch für alle anderen Komponenten, die in Verbindung mit dem ersten kapazitiven Element beschrieben sind .
Beispielsweise sind das erste kapazitive Element und, sofern vorhanden, das zweite kapazitive Element gleich ausgebildet und können somit die gleichen Merkmale und Eigenschaften aufweisen, so dass bei einer Krafteinwirkung auf die Haptikvorrichtung zumindest im Wesentlichen gleiche kapazitive Signale an den beiden kapazitiven Elementen detektiert werden können . Damit kann beispielsweise eine Redundanz erreicht werden . Alternativ können das erste kapazitive Element und das zweite kapazitive Element unterschiedlich ausgebildet sein und beispielsweise unterschiedliche von einem Abstand der j eweiligen ersten und zweiten Elektrode abhängige Kapazitäten aufweisen, so dass bei einer Krafteinwirkung auf die Haptikvorrichtung unterschiedliche kapazitive Signale an den beiden kapazitiven Elementen detektiert werden können .
Die hier beschriebene Haptikvorrichtung geht über ein rein haptisches piezoelektrisches Bauelement hinaus , indem zumindest das erste kapazitive Element in die Haptikvorrichtung integriert ist . Die Integration des ersten kapazitiven Elements erfolgt insbesondere dadurch, dass das erste Verstärkungselement eine Doppel funktion aufweist , nämlich eine mechanische Funktion im Zusammenwirken mit dem piezoelektrischen Aktuator und eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem ersten kapazitiven Element .
Das erste Verstärkungselement kann Metall , beispielsweise Stahl und/oder Titan, aufweisen oder daraus sein . Beispielsweise kann das erste Verstärkungselement plattenförmig ausgebildet sein . Weiterhin kann das erste Verstärkungselement eben, also als ebene Platte , ausgebildet sein, die mit zumindest einem Randbereich oder auch voll flächig am piezoelektrischen Aktuator befestig ist . Beispielsweise kann das erste Verstärkungselement auch ein Metallbügel sein, der beispielsweise mit zumindest einem oder bevorzugt zwei Randbereichen an einem beziehungsweise zwei Endbereichen entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Aktuators befestigt ist und angrenzend an den einen Randbereich oder zwischen den zwei Randbereichen einen vom piezoelektrischen Aktuator beabstandeten Mittenbereich, der im Folgenden als Tastbereich bezeichnet wird, aufweist . Weiterhin kann das erste Verstärkungselement eine kreis förmige gewölbte Scheibe , beispielsweise angelehnt an die Form eines Kegelstumpfs oder in der Art eines Beckens beziehungsweise eines Zimbels , sein, die einen bevorzugt um den vom piezoelektrischen Aktuator beabstandeten Tastbereich umlaufenden Randbereich aufweist , der am Grundkörper befestigt ist .
Das erste Verstärkungselement kann am piezoelektrischen Aktuator beispielsweise durch eine Klebeverbindung befestigt sein . I st das erste Verstärkungselement mit oder aus Titan, kann dies den Vorteil aufweisen, dass sein thermischer Ausdehnungskoef fi zient sehr ähnlich zum thermischen Ausdehnungskoef fi zienten des piezoelektrischen Aktuators ist , so dass es bei Temperaturänderungen nur zu geringen oder keinen mechanischen Spannungen kommt , so dass die Klebeverbindung bei Temperaturänderungen nicht oder nur wenig mechanisch belastet wird . Zwischen dem Tastbereich des ersten Verstärkungselements und der ersten Hauptoberfläche kann ein dielektrisches Material angeordnet ist . Das dielektrische Material , durch das beispielsweise eine Anpassung der Kapazität des ersten kapazitiven Elements und/oder eine elektrische I solierung zwischen der ersten und zweiten Elektrode erreicht werden kann, kann beispielsweise eines oder mehrere Materialien aufweisen, die ausgewählt sind aus : Luft , Kunststof f folie , Kunststof f schäum . Weiterhin kann durch das dielektrische Material beispielsweise eine Befestigung des ersten Verstärkungselements auf der ersten Hauptoberfläche erreicht werden . In diesem Fall kann das dielektrische Material eine Klebeverbindung ermöglichen und beispielsweise einen Klebstof f aufweisen oder ein Klebstof f sein, der teilweise oder voll flächig zwischen dem ersten Verstärkungselement und der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist .
Durch das erste Verstärkungselement kann, wie schon oben beschrieben, eine Ausdehnungsänderung und besonders bevorzugt eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators in eine Ausdehnungsänderung und/oder zur Ausdehnungsänderung und bevorzugt Längenänderung senkrechte oder schräge Hubbewegung umgewandelt werden . Umgekehrt kann eine mechanisch bewirkte Ausdehnungsänderung und/oder Hubbewegung, beispielsweise durch einen Benutzer, in eine senkrecht oder schräg dazu gerichtete Ausdehnungsänderung und besonders bevorzugt Längenänderung des piezoelektrischen Aktuators umgewandelt werden, wobei die Richtung der Hubbewegung im Fall eines piezoelektrischen Aktuators in Vielschichtbauweise bevorzugt der Stapelrichtung entsprechen kann . Die Hubbewegung kann eine wesentlich größere Amplitude als die Längenänderung haben . Beispielsweise kann die Amplitude der Hubbewegung das 5- bis 40- fache der Amplitude der Längenänderung betragen . Durch die Kombination des piezoelektrischen Aktuators mit zumindest dem ersten Verstärkungselement kann somit eine Verstärkung erreicht werden .
Das erste Verstärkungselement kann frei von Einkerbungen sein und eine konstante Wandstärke aufweisen . Durch den Verzicht auf Einkerbungen im ersten Verstärkungselement kann eine einfache Herstellung des ersten Verstärkungselements ermöglicht werden . Weiterhin kann das erste Verstärkungselement zumindest eine Einkerbung aufweisen, die einen mechanischen Widerstand gegen eine Verformung des ersten Verstärkungselementes reduziert . Insbesondere bei einem Verstärkungselement mit einer Dicke , bei der Verformungen des Verstärkungselements viel Kraft erfordern würden, kann der Einsatz von Einkerbungen in dem Verstärkungselement sinnvoll sein, da die Einkerbungen die Verformung des Verstärkungselementes erleichtern können .
Darüber hinaus kann der Tastbereich des ersten Verstärkungselements auf einer der ersten Hauptoberfläche zugewandten Unterseite zumindest einen erhabenen Bereich aufweist , der sich der ersten Hauptoberfläche entgegenstreckt . Dadurch kann ein Abstand zwischen der ersten Elektrode des ersten kapazitiven Elements , gebildet durch das erste Verstärkungselement , und der zweiten Elektrode des ersten kapazitiven Elements verringert werden, wodurch das kapazitive Signal des ersten kapazitiven Elements verbessert werden kann . Beispielsweise kann der zumindest eine erhabene Bereich durch eine von einer der ersten Hauptoberfläche abgewandten Oberseite eingebrachten Prägestruktur gebildet ist . Mit anderen Worten kann der zumindest eine erhabene Bereich auf der Unterseite einem vertieften Bereich auf der Oberseite des Tastbereichs entsprechen, der durch eine Prägung von der Oberseite des Tastbereichs her eingebracht worden ist . Weiterhin kann der zumindest eine erhabene Bereich durch eine Verdickung des Tastbereichs , insbesondere eine Verdickung, die sich zur ersten Hauptoberfläche erstreckt , gebildet sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das erste elektrische Kontaktelement des ersten kapazitiven Elements einen ersten Anschlussbereich auf , der mit der ersten Elektrode des ersten kapazitiven Elements , also dem ersten Verstärkungselement , elektrisch leitend verbunden ist . Der erste Anschlussbereich kann besonders bevorzugt auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet sein . Beispielsweise kann das erste elektrische Kontaktelement ganz oder teilweise durch eine elektrisch leitende Beschichtung auf der ersten Hauptoberfläche ausgebildet sein .
Das erste Verstärkungselement kann beispielsweise über ein flexibles elektrisch leitendes Verbindungselement , beispielsweise ein elektrisch leitendes Klebeband, mit dem ersten Anschlussbereich des ersten elektrischen Kontaktelements verbunden sein .
Weiterhin kann das erste elektrische Kontaktelement auf der ersten Hauptoberfläche einen Befestigungsbereich aufweisen . Der Befestigungsbereich ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet , dass das erste Verstärkungselement zumindest zum Teil auf dem ersten Befestigungsbereich angeordnet und montiert ist . Insbesondere kann ein Randbereich des ersten Verstärkungselements zumindest teilweise auf dem Befestigungsbereich des ersten elektrischen Kontaktelements elektrisch leitend befestigt sein . Mit anderen Worten kann der gesamte Randbereich oder nur ein Teil des Randbereichs des ersten Verstärkungselements auf dem Befestigungsbereich des ersten elektrischen Kontaktelements angeordnet und befestigt sein . Der Befestigungsbereich und der erste Anschlussbereich können unmittelbar aneinander angrenzen oder ineinander übergehen oder sind mittels einer Leiterbahn auf der Hauptoberfläche oder über eine in den Grundkörper integrierte Leiterbahn zusammen mit zumindest einem elektrischen Via miteinander verbunden .
Beispielsweise kann ein Randbereich oder zumindest ein Teil eines Randbereichs des ersten Verstärkungselements auf dem Befestigungsbereich mittels eines Klebstof fs aufgeklebt sein, der die oben beschriebene Klebeverbindung bildet . Der Klebstof f kann ein elektrisch leitender Klebstof f , auch als Leitkleber bezeichnet , sein, also beispielsweise ein Klebstof fmaterial wie etwa ein aushärtbares Polymer, das mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllt ist . Weiterhin kann der Klebstof f ein elektrisch isolierender Klebstof f sein, der in einer Schicht ausgebildet ist , die ausreichend dünn ist , dass dennoch ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Randbereich und dem Befestigungsbereich entsteht . Hierfür kann für die Klebstof f schicht eine Dicke von kleiner oder gleich 20 pm geeignet sein .
Beispielsweise kann ein Randbereich des ersten Verstärkungselements ausschließlich auf dem Befestigungsbereich befestigt sein . In diesem Fall kann der vom Randbereich überdeckte Bereich der ersten Hauptoberfläche mit dem Befestigungsbereich versehen sein . Alternativ dazu kann der Randbereich teilweise auf dem Befestigungsbereich und teilweise auf der ersten Hauptoberfläche befestigt sein . Das kann insbesondere bedeuten, dass der Befestigungsbereich nicht im gesamten vom Randbereich überdeckten Bereich der ersten Hauptoberfläche vorgesehen ist , sondern der Klebstof f nicht nur zwischen einem Teil des Randbereichs und dem Befestigungsbereich, sondern auch zwischen einem anderen Teil des Randbereichs und einem vom Befestigungsbereich nicht bedeckten Bereich der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist . So kann der Befestigungsbereich beispielsweise schlangenlinienartig oder mäanderartig auf der ersten Hauptoberfläche verlaufen, so dass der Randbereich auch Bereiche überdeckt , die frei vom Material des Befestigungsbereichs sind .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das zweite elektrische Kontaktelement des ersten kapazitiven Elements einen zweiten Anschlussbereich auf , der mit der zweiten Elektrode des ersten kapazitiven Elements elektrisch leitend verbunden ist . Der zweite Anschlussbereich kann besonders bevorzugt auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet sein . Beispielsweise kann das zweite elektrische Kontaktelement ganz oder teilweise durch eine elektrisch leitende Beschichtung auf der ersten Hauptoberfläche ausgebildet sein . So kann beispielsweise das zweite Kontaktelement eine Leiterbahn auf der ersten Hauptoberfläche aufweisen, durch die die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlussbereich verbunden ist . Weiterhin kann auf der Leiterbahn eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht sein . Durch die elektrisch isolierende Schicht , beispielsweise eine Kunststof f folie oder eine Kunststof fbeschichtung, kann insbesondere die Leiterbahn des zweiten elektrischen Kontaktelements von der ersten Elektrode , also dem ersten Verstärkungselement , elektrisch isoliert sein . Alternativ kann es auch möglich sein, dass das zweite Kontaktelement zumindest ein elektrisches Via und eine innerhalb des Grundkörpers angeordnete Leiterbahn aufweist , durch die die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlussbereich verbunden ist .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die zweite Elektrode durch eine Elektrodenschicht auf der ersten Hauptoberfläche des Grundkörpers gebildet . Beispielsweise ist die Elektrodenschicht nur unterhalb des Tastbereichs angeordnet . Hierbei kann die zweite Elektrode unmittelbar auf der ersten Hauptoberfläche und damit unmittelbar auf dem Grundkörper des piezoelektrischen Aktuators aufgebracht sein . Weiterhin kann die die zweite Elektrode bildende Elektrodenschicht auch auf einer Stufe und damit auf einem erhöhten Bereich aufgebracht sein, der auf dem Grundkörper ausgebildet ist . Beispielsweise kann der erhöhte Bereich in der ersten Hauptoberfläche ausgebildet sein und somit durch ein Material des Grundkörpers gebildet sein . Weiterhin kann der erhöhte Bereich auch eine Zwischenschicht aufweisen oder daraus sein, beispielsweise mit oder aus einem Kunststof fmaterial . Durch den erhöhten Bereich kann die zweite Elektrode näher am Tastbereich des ersten Verstärkungselements und damit näher an der ersten Elektrode angeordnet sein, was zu einer Verstärkung eines kapazitiven Signals des ersten kapazitiven Elements führen kann .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die zweite Elektrode durch eine Elektrodenschicht innerhalb des Grundkörpers gebildet . Mit anderen Worten ist die zweite Elektrode innerhalb des Grundkörpers unterhalb der ersten Hauptoberfläche angeordnet . Besonders bevorzugt weist in diesem Fall das zweite Kontaktelement zumindest ein elektrisches Via auf , durch das die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschlussbereich verbunden ist . Beispielsweise kann die die zweite Elektrode bildende Elektrodenschicht von den Innenelektroden des piezoelektrischen Aktuators verschieden sein und von diesen, beispielsweise durch das piezoelektrische Material des Grundkörpers , elektrisch isoliert sein . Alternativ hierzu kann die zweite Elektrode durch zumindest eine Innenelektrode des piezoelektrischen Aktuators gebildet sein . In diesem Fall hat die besagte zumindest eine Innenelektrode eine Doppel funktion, nämlich eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem piezoelektrischen Aktuator und eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem ersten kapazitiven Element . In diesem Fall kann der zweite Anschlussbereich des ersten kapazitiven Elements gleichzeitig eine Außenelektrode für Innenelektroden des piezoelektrischen Aktuators sein .
Weist die Haptikvorrichtung ein erstes kapazitives Element und ein zweites kapazitives Element auf , können die beiden kapazitiven Elemente beispielsweise j edes eine eigene zweite Elektrode mit einem oder mehreren der vorab beschriebenen Merkmale aufweisen . Alternativ können das erste kapazitive Element und das zweite kapazitive Element eine gemeinsame zweite Elektrode aufweisen, beispielsweise zumindest eine Elektrodenschicht innerhalb des Grundkörpers wie beispielsweise zumindest eine Innenelektrode des piezoelektrischen Aktuators .
Piezoelektrische Aktuatoren wie der Aktuator der hier beschriebenen Haptikvorrichtung werden üblicherweise als Aktoren für haptisches Feedback in Benutzeroberflächen ( „user interface" , UI ) eingesetzt . In vielen Benutzeroberflächen ist es sinnvoll , die Kraft zu messen, die beispielsweise ein Finger oder ein Eingabegerät auf die Oberfläche ausübt , so dass man bei der Verwendung von Piezoelementen als piezoelektrische Sensoren den inversen piezoelektrischen Ef fekt nutzen könnte . Da piezoelektrische Sensoren j edoch die mechanische Energie , also die kinetische Energie , und nicht die statische Kraft messen, ist es technisch unmöglich, mit solchen die tatsächliche statische Kraft zu messen, die auf einen piezoelektrischen Sensor ausgeübt wird, und somit unmöglich, damit eine vollständig validierte „kraftbasierte" Taste herzustellen . Daher kann ein piezoelektrischer Sensor alleine nicht als Taster verwendet werden, der bei einer genau definierten Kraft , beispielsweise 3 N, auslöst , was eine typische Anforderung für Taster im Automotive-Bereich ist . Anstelle eines üblicherweise separat verwendeten Kraftsensors weist die hier beschriebene Haptikvorrichtung mit zumindest dem ersten kapazitiven Element einen integrierten Kraftsensor auf , der weiterhin zumindest das erste Verstärkungselement mit seiner in Bezug auf den piezoelektrischen Aktuator ausgebildeten mechanischen Funktionalität zusätzlich mit einer elektrischen Funktionalität nutzt . Die hier beschriebene Haptikvorrichtung weist daher im Vergleich zu üblichen Benutzerschnittstellen mit Kombinationen aus piezoelektrischen Aktuatoren und separaten Kraftsensoren ein einfaches und robustes Design auf , das es weiterhin ermöglichen kann, Platz und Kosten zu sparen .
Weitere Vorteile , vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Figuren 1A bis 2B zeigen schematische Darstellungen eines piezoelektrischen Aktuators mit Verstärkungselementen, Figuren 3A und 3B zeigen schematische Darstellungen einer Haptikvorrichtung gemäß einem Aus führungsbeispiel , Figuren 4 bis 12 zeigen schematische Darstellungen einer
Haptikvorrichtung gemäß weiteren Aus führungsbeispielen .
In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente j eweils mit denselben Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , wie zum Beispiel Schichten, Bauteile , Bauelemente und Bereiche , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
In den Figuren 1A und 1B ist ein Aus führungsbeispiel für einen piezoelektrischen Aktuator 1 mit Verstärkungselementen 13a, 13b in einer perspektivischen Ansicht und einer Schnittdarstellung gezeigt , die in einer weiter unten beschriebenen Haptikvorrichtung verwendet werden können . Der in den Figuren 1A und 1B gezeigte piezoelektrische Aktuator 1 sowie die Verstärkungselemente 13a, 13b sind rein beispielhaft zu verstehen, um das Funktionsprinzip und Zusammenspiel des piezoelektrischen Aktuators 1 mit den Verstärkungselementen 13a, 13b zu erläutern . Abweichungen vom gezeigten Aus führungsbeispiel , beispielsweise im Hinblick auf geometrische Ausgestaltungen, sind durch die nachfolgende Beschreibung nicht ausgeschlossen .
Der piezoelektrische Aktuator 1 weist einen Grundkörper 11 auf . Der Grundkörper 11 weist einen Stapel aus in einer Stapelrichtung S abwechselnd übereinandergestapelten Innenelektroden 21 und piezoelektrischen Schichten 22 auf . Auch wenn eine Mehrzahl von Innenelektroden 21 gezeigt ist , kann der Grundkörper 11 beispielsweise auch nur eine oder zwei oder eine andere Anzahl von Innenelektroden 21 aufweisen . Weiterhin kann der Grundkörper 11 auch frei von Innenelektroden sein, sodass der Grundkörper 11 als monolithische Scheibe oder Platte ausgebildet sein kann, die frei von Innenelektroden ist . Eine elektrische Kontaktierung erfolgt in diesem Fall ausschließlich über Außenelektroden .
Das erste Verstärkungselement 13a ist auf einer ersten Hauptoberfläche 11a des Grundkörpers 11 und damit des piezoelektrischen Aktuators 1 angeordnet , die eine Oberseite 25 des Grundkörpers 11 bildet , und das zweite Verstärkungselement 13b ist auf einer der ersten Hauptoberfläche 11a entlang der Stapelrichtung S gegenüber liegenden zweiten Hauptoberfläche 11b des Grundkörpers 11 und damit des piezoelektrischen Aktuators 1 angeordnet , die eine Unterseite 26 des Grundkörpers 11 bildet . Auch wenn hier und im Folgenden stets zwei Verstärkungselemente 13a, 13b gezeigt sind, kann es auch möglich sein, dass nur das erste Verstärkungselement 13a vorhanden ist .
Der piezoelektrische Aktuator 1 weist weiterhin eine erste Außenelektrode 23 , die beispielsweise auf einer ersten Stirnfläche 24 des Grundkörpers 11 angeordnet sein kann, und eine zweite Außenelektrode 23 , die beispielsweise auf einer zweiten Stirnfläche 24 des Grundkörpers 11 angeordnet sein kann, auf . Alternativ hierzu können die Außenelektroden 23 beispielsweise auch auf einer oder beiden Hauptoberflächen 11a, 11b, also auf der Oberseite 25 und/oder der Unterseite 26 , angeordnet sein . Die Innenelektroden 21 sind in Stapelrichtung S abwechselnd mit einer der Außenelektroden 23 kontaktiert .
Bei den piezoelektrischen Schichten 22 kann es sich beispielsweise um Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken ( PZT- Keramiken) handeln . Die PZT-Keramik kann ferner zusätzlich Nd und Ni enthalten . Alternativ kann die PZT-Keramik weiterhin zusätzlich Nd, K und gegebenenfalls Cu aufweisen . Alternativ können die piezoelektrischen Schichten 22 eine
Pb ( ZrxTii-x) O3 + y Pb (Mni/aNb2/3 ) O3 enthaltende Zusammensetzung aufweisen . Alternativ zu einem piezoelektrischen Keramikmaterial kann beispielsweise auch ein piezoelektrisches Polymer verwendet werden . Die Innenelektroden 21 weisen bevorzugt Kupfer auf oder bestehen besonders bevorzugt aus Kupfer .
Der Grundkörper 11 und damit der piezoelektrische Aktuator 1 kann wie gezeigt vorzugsweise quaderförmig sein . Als Grundfläche wird dabei eine Fläche bezeichnet , deren Flächennormale in die Stapelrichtung S weist . Die Grundfläche ist beispielsweise rechteckig . Die längere Seite der Grundfläche definiert die Länge L des piezoelektrischen Aktuators 11 und die kürzere Seite der Grundfläche definiert die Breite B des piezoelektrischen Aktuators 11 . Der Grundkörper 11 und damit der piezoelektrische Aktuator 1 kann beispielsweise eine Länge L von größer oder gleich 5 mm und kleiner oder gleich 100 mm sowie eine Breite B von größer oder gleich 2 mm und kleiner oder gleich 8 mm aufweisen . Die Ausdehnung des Grundkörpers 11 und damit des peilen Aktuators 1 in Stapelrichtung S definiert die Höhe H . Die Höhe H des piezoelektrischen Aktuators 11 kann beispielsweise größer oder gleich 200 pm und kleiner oder gleich 3 mm sein .
Der Grundkörper 11 weist zwei I solationsbereiche 12 auf . Jeder der I solationsbereiche 12 bildet einen Endbereich des Grundkörpers 11 im Bereich der Stirnflächen 24 . In den I solationsbereichen 12 reichen nur Innenelektroden 21 einer Polarität bis an die j eweilige Stirnfläche 24 des Grundkörpers 11 , so dass die I solationsbereiche vorzugsweise zur Kontaktierung des piezoelektrischen Aktuators 1 verwendet werden .
Der piezoelektrische Aktuator 1 ist so ausgestaltet , dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Außenelektroden 23 und damit an die Innenelektroden 21 eine Verformung des Grundkörpers 11 stattfindet , insbesondere bei der gezeigten Vielschichtbauweise mit Innenelektroden eine Längenänderung in die in Figur 1B angedeutete Längsrichtung RI . Insbesondere sind die piezoelektrischen Schichten 22 also derart polarisiert , dass das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Innenelektroden 21 zu einer Kontraktion des Grundkörpers 11 führt , bei der sich die Länge L des Grundkörpers 11 senkrecht zur Stapelrichtung S verändert . Folglich erfolgt eine Ausdehnung des Grundkörpers 11 und damit des piezoelektrischen Aktuators 1 quer zur Polarisationsrichtung und zum elektrischen Feld, was auch als d31-Ef fekt bezeichnet wird . Durch andere Konfigurationen mit oder ohne Innenelektroden im Grundkörper 11 können auch andere Ausdehnungsänderungen erreicht werden . Die folgende Beschreibung bezieht sich ohne beschränkend zu verstehen zu sein der Übersichtlichkeit halber auf die gezeigte Aus führung in Vielschichtbauweise mit der beschriebenen Längenänderung .
Um den Ef fekt der Längenänderung in die Stapelrichtung S umzuleiten, sind die zwei Verstärkungselemente 13a, 13b vorhanden . Wird an den piezoelektrischen Aktuator 1 eine Spannung angelegt , so verformen sich die Verstärkungselemente 13a, 13b zumindest teilweise in Folge der Änderung der Ausdehnung des Grundkörpers 11 . Insbesondere sind das erste und zweite Verstärkungselement 13a, 13b derart dimensioniert und mit dem Grundkörper 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 verbunden, dass j e ein Tastbereich 17a, 17b der
Verstärkungselemente 13a, 13b in Folge einer Änderung der Länge L des Grundkörpers 11 eine Hubbewegung in die der Stapelrichtung S entsprechende in Figur 1B angedeutete Hubrichtung R2 aus führt , wobei die Amplitude der Hubbewegung bevorzugt größer als die Amplitude der Änderung der Länge L des piezoelektrischen Aktuators 1 sein kann .
Der piezoelektrische Aktuator 1 ist wie gezeigt bevorzugt zwischen den Verstärkungselementen 13a, 13b angeordnet . Jedes der Verstärkungselemente 13a, 13b ist bevorzugt einstückig und im gezeigten Aus führungsbeispiel strei fenförmig mit einer rechteckigen Grundform ausgebildet . Weiterhin ist j edes der Verstärkungselemente 13a, 13b gekrümmt oder gebogen ausgebildet und ist bügel förmig . Alternativ hierzu kann auch eine ebene Ausbildung der Verstärkungselemente 13a, 13b möglich sein . Beispielsweise weisen die Verstärkungselemente 13a, 13b j eweils einen Blechstrei fen auf oder sind daraus , insbesondere mit oder aus Stahl und/oder Titan .
Jedes der Verstärkungselemente 13a, 13b ist in mehrere Bereiche oder Abschnitte untergliedert . So weist j edes Verstärkungselement 13a, 13b einen Mittenbereich auf , der der vorab erwähnte Tastbereich 17a, 17b ist . Die Tastbereiche 17a, 17b sind mit j eweiligen Randbereichen 18a, 18b über Verbindungsbereiche 20a, 20b verbunden . Die beiden Randbereiche 18a, 18b j edes der Verstärkungselemente 13a, 13b liegen auf einer der Hauptoberflächen 11a, 11b des Grundkörpers 11 auf . Mit anderen Worten liegen der erste und der zweite Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a auf einem Teilbereich der ersten Hauptoberfläche 11a an der Oberseite 25 des Grundkörpers 11 und damit des piezoelektrischen Aktuators 1 auf . Weiterhin liegen der erste und der zweite Randbereich 18b des zweiten Verstärkungselements 13b auf einem Teilbereich der zweiten Hauptoberfläche 11b an der Unterseite 26 des Grundkörpers 11 und damit des piezoelektrischen Aktuators 1 auf . Die Randbereiche 18a, 18b sind vorzugsweise unlösbar mit der j eweiligen Hauptoberfläche 11a, 11b verbunden . Insbesondere sind die Randbereiche 18a, 18b mit der j eweiligen Hauptoberfläche 11a, 11b durch eine Klebeverbindung 15 verbunden . Alternativ zu nachfolgenden Beschreibung können die Verstärkungselemente 13a, 13b hier und in den nachfolgend beschriebenen Aus führungen voll flächig am Grundkörper 11 , beispielsweise durch einen voll flächig aufgebrachten Klebstof f , befestigt sein, der gleichzeitig als weiter unten beschriebenes Dielektrikum wirken kann .
Die Tastbereiche 17a, 17b sind von der j eweiligen Hauptoberfläche 11a, 11b beabstandet . Insbesondere befindet sich zwischen dem Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselement 13a und der ersten Hauptoberfläche 11a sowie zwischen dem Tastbereich 17b des zweiten Verstärkungselement 13b und der zweiten Hauptoberfläche 11b j eweils ein Freibereich 16 . Die Freibereiche 16 weisen eine Höhe h auf , die beispielsweise größer oder gleich 0 , 1 mm und kleiner oder gleich 5 , 0 mm ist , wenn keine Spannung am piezoelektrischen Aktuator 1 anliegt und keine äußere Kraft auf die Verstärkungselemente 13a, 13b wirkt .
Bevorzugt ist sind die Tastbereiche 17a, 17b so ausgebildet , dass sie im Wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen 11a, 11b verlaufen . Die Verbindungsbereiche 20a, 20b verlaufen schräg zu den Hauptoberflächen 11a, 11b . Mit anderen Worten schließt j eder der Verbindungsbereiche 20a, 20b einen Winkel mit den Hauptoberflächen 11a, 11b ein . Der Winkel ist vorzugsweise kleiner oder gleich 45 ° . Damit verkleinert sich die Höhe h des Freibereichs 16 in Richtung vom Tastbereich 17a, 17b hin zu den Randbereichen 18a, 18b des j eweiligen Verstärkungselements 13a, 13b .
Wird nun an den piezoelektrischen Aktuator 1 eine elektrische Spannung angelegt , beispielsweise durch ein an den Außenelektroden 23 des piezoelektrischen Aktuators 1 angeschlossenes Ansteuergerät , so bewegen sich, wie oben beschrieben, die Tastbereiche 17a, 17b der Verstärkungselemente 13a, 13b relativ zum Grundkörper 11 in die Hubrichtung R2 , was als haptisches Signal beispielsweise von einem Benutzer wahrgenommen werden kann . Dabei biegen sich die Verstärkungselemente 13a, 13b bevorzugt an Übergängen zwischen den Tastbereichen 17a, 17b und den Verbindungsbereichen 20a, 20b sowie zwischen den Verbindungsbereichen 20a, 20b und den Randbereichen 18a, 18b . Die Verstärkungselemente 13a, 13b können wenigstes eine Ausdünnung, vorzugsweise mehrere Ausdünnungen, zwischen den besagte Bereichen aufweisen, die eine bessere Verformbarkeit der Verstärkungselemente 13a, 13b und eine erleichterte Aus führung der Hubbewegung ermöglichen . Eine Bewegung der Randbereiche 18a, 18b in die Hubrichtung R2 wird durch die Klebeverbindung 15 mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 verhindert . Vielmehr bewegen sich die Randbereiche 18a, 18b mit dem Grundkörper 11 in die Längsrichtung RI . Es findet damit eine Relativbewegung zwischen den Randbereichen 18a, 18b und den Tastbereichen 17a, 17b statt .
Wird eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktuator 1 entlang der Hubbewegung R2 ausgeübt , was beispielsweise durch eine haptische Eingabe eines Benutzers erfolgen kann, werden die Verstärkungselemente 13a, 13b derart verformt , dass die Tastbereiche 17a, 17b näher an die j eweilige Hauptoberfläche 11a, 11b gedrückt werden und die Randbereiche 18a, 18b in der Längsrichtung RI voneinander weggedrückt werden . Durch die Befestigung der Verstärkungselemente 13a, 13b am Grundkörper 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 wird auch dieser in Längsrichtung RI verformt . Dadurch wird im piezoelektrischen Aktuator 1 eine elektrische Spannung erzeugt . Diese Spannung kann an den Außenelektroden 23 detektiert werden und auf diese Weise kann auf eine haptische Eingabe rückgeschlossen werden . Der piezoelektrische Aktuator 1 kann somit als Sensor eingesetzt werden, der eine durch einen Benutzer ausgeübte Krafteinwirkung erkennen kann . Dazu kann der piezoelektrische Aktuator 1 an den Außenelektroden 23 mit einem Ansteuergerät verbunden sein, das die am piezoelektrischen Aktuator 1 erzeugten elektrischen Spannungen auswertet .
In den Figuren 2A und 2B ist in einer dreidimensionalen Darstellung und einer zweidimensionalen Schnittdarstellung ein weiteres Aus führungsbeispiel für einen piezoelektrischen Aktuator 1 für die im Folgenden beschriebenen Haptikvorrichtungen gezeigt , der im Vergleich zum vorherigen Aus führungsbeispiel einen Grundkörper 11 mit einer quadratischen Grundfläche und damit mit quadratischen Hauptoberflächen 11a, 11b aufweist . Die Innenelektroden sind der Übersichtlichkeit halber in der Schnittdarstellung in Figur 2B nicht gezeigt .
Die Verstärkungselemente 13 , 13b sind j eweils als eine kreis förmige gewölbte Scheibe , beispielsweise angelehnt an die Form eines Kegelstumpfs oder in der Art eines Beckens beziehungsweise eines Zimbels , ausgebildet , die einen um den vom piezoelektrischen Aktuator 1 beabstandeten Tastbereich 17a umlaufenden Randbereich 18a aufweisen, der am Grundkörper 11 befestigt ist . Zum Luftaustausch bei einer Bewegung der Tastbereiche 17a, 17b können diese wie in den Figuren 2A und 2B angedeutet j eweils eine Öf fnung aufweisen . Der Grundkörper 11 und damit der piezoelektrische Aktuator 1 kann beispielsweise eine Seitenlange von größer oder gleich 5 mm und kleiner oder gleich 100 mm aufweisen .
Die Außenelektroden 23 sind im gezeigten Aus führungsbeispiel auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Grundkörpers 11 aufgebracht und können sich auf zumindest eine Stirnfläche zur Kontaktierung der Innenelektroden erstrecken .
Im Übrigen kann das in den Figuren 2A und 2B gezeigte Aus führungsbeispiel Merkmale wie das in den Figuren 1A und 1B gezeigte Aus führungsbeispiel aufweisen .
Alternativ zu den gezeigten Geometrien sind auch andere Geometrien für den piezoelektrischen Aktuator 1 und die Verstärkungselemente 13a, 13b möglich, wie beispielsweise in den Druckschri ften WO 2017 / 060 011 Al , WO 2018 / 046 201 Al und WO 2022 / 248 244 Al beschrieben sind, deren j eweiliger Of fenbarungsgehalt diesbezüglich durch Rückbezug aufgenommen wird .
In Verbindung mit den nachfolgend beschriebenen Figuren werden Haptikvorrichtungen 100 erläutert , die einen piezoelektrischen Aktuator 1 aufweisen, der gemäß den vorherigen Aus führungsbeispielen ausgebildet sein kann . Weiterhin weisen die nachfolgend beschriebenen Haptikvorrichtungen 100 rein beispielhaft ein erstes Verstärkungselement 13a in Form einer gewölbten Kreisscheibe auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 und ein zweites Verstärkungselement 13b in Form einer gewölbten Kreisscheibe auf der zweiten Hauptoberfläche 11b des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 auf , wie sie in Verbindung mit den Figuren 2A und 2B beschrieben sind . Alternativ hierzu können die nachfolgend beschriebenen Haptikvorrichtungen 100 beispielsweise auch nur das erste Verstärkungselement 13a aufweisen und auf der zweiten Hauptoberfläche 11b frei von einem Verstärkungselement sein und/oder andere Geometrien, beispielsweise wie in Verbindung mit den Figuren 1A und 1B beschrieben, aufweisen . Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Unterschiede zu den Aus führungsbeispielen der vorherigen Figuren . Nicht beschriebene Elemente und Komponenten können daher bevorzugt wie in Verbindung mit den Figuren 1A bis 2B erläutert ausgebildet sein .
In Figur 3A ist ein Aus führungsbeispiel für die Haptikvorrichtung 100 in einer Schnittdarstellung gemäß der Darstellung in Figur 2B gezeigt . In Figur 3B ist die Haptikvorrichtung in einer dreidimensionalen Ansicht ohne das erste Verstärkungselement 13a gezeigt , um eine freie Sicht auf die Oberseite 25 des piezoelektrischen Aktuators 1 zu haben .
Die Haptikvorrichtung 100 weist ein erstes kapazitives Element 30a auf . Das erste kapazitive Element 30a weist insbesondere eine erste Elektrode 31a und eine zweite Elektrode 32a auf und ist als kapazitiver Sensor ausgebildet . Das erste Verstärkungselement 13a bildet die erste Elektrode 31a des ersten kapazitiven Elements 30a . Weiterhin ist auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 die zweite Elektrode 32a des ersten kapazitiven Elements 30a angeordnet . Alternativ dazu kann die zweite Elektrode 32a auch auf der zweiten Hauptoberfläche 11b angeordnet sein, wobei die nachfolgende Beschreibung gleichermaßen gilt .
Die zweite Elektrode 32a ist bevorzugt durch eine Beschichtung in Form einer einschichtigen oder mehrschichten Elektrodenschicht auf der ersten Hauptoberfläche 11a gebildet . Beispielsweise kann die zweite Elektrode 32a eine erste Schicht mit oder aus Kupfer und eine zweite Schicht mit oder aus Silber aufweisen . Alternativ dazu kann die zweite Elektrode 32a beispielsweise nur durch eine Kupferschicht oder nur durch eine Silberschicht oder durch eine oder mehrere Schichten mit oder aus anderen Metallen gebildet sein . Besonders bevorzugt sind alle auf der ersten Hauptoberfläche 11a aufgebrachten elektrisch leitenden Strukturen gleich oder ähnlich ausgebildet , so dass diese bevorzugt in gemeinsamen Arbeitsschritten hergestellt werden können, beispielsweise mittels Siebdruck . Dies kann insbesondere für die weiter unten beschriebenen elektrischen Kontaktelemente 311a, 321a gelten .
Wie in Figur 3A angedeutet ist , ist die zweite Elektrode 32a zumindest unterhalb des Tastbereichs 17a angeordnet . Dies kann bedeuten, dass die zweite Elektrode 32a nur unterhalb des Tastbereichs 17a angedeutet ist . Alternativ hierzu kann die zweite Elektrode 32a entlang der Haupterstreckungsrichtung der ersten Hauptoberfläche 11a auch eine größere Ausdehnung als der Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a aufweisen . Wie in Verbindung mit den vorherigen Figuren beschrieben ist , kann eine Krafteinwirkung, beispielsweise durch einen Benutzer, auf den Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a dazu führen, dass der Tastbereich 17a in Richtung der ersten Hauptoberfläche 11a gedrückt wird, wodurch dann eine Längenänderung des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 bewirkt wird . Insbesondere wird bei der Haptikvorrichtung 100 aber auch der Abstand der ersten Elektrode 31a des ersten kapazitiven Elements 30a, also insbesondere der Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a, zur zweiten Elektrode 32a verringert , wodurch sich die elektrische Kapazität des ersten kapazitiven Elements 30a ändert . Durch eine Detektion der Kapazität des ersten kapazitiven Elements 30a kann somit auf einen Abstand der ersten Elektrode 31a, also des ersten Verstärkungselements 13a, zur zweiten Elektrode 32a zurückgeschlossen werden . Da der Abstand der ersten Elektrode 31a, also des ersten Verstärkungselements 13a, zur zweiten Elektrode 32a abhängig ist von der Kraft , die auf die erste Elektrode 31a, also den Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a, einwirkt , kann durch eine Detektion der Kapazität des ersten kapazitiven Elements 30a auf diese Kraft zurückgeschlossen werden . Somit kann das erste kapazitive Element 30a als Kraftsensor ausgebildet sein .
Die Haptikvorrichtung 100 weist somit ein integriertes erstes kapazitives Element 30a auf , wobei das erste Verstärkungselement 13a eine Doppel funktion aufweist , nämlich eine mechanische Funktion im Zusammenwirken mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 und eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem ersten kapazitiven Element 30a . Zur elektrischen Kontaktierung des ersten kapazitiven Elements 30a weist dieses ein erstes elektrisches Kontaktelement 311a, mit dem die erste Elektrode 31a des ersten kapazitiven Elements 30a elektrisch von außen kontaktiert werden kann, und ein zweites elektrisches Kontaktelement 321a auf , mit dem die zweite Elektrode 32a des ersten kapazitiven Elements 30a elektrisch von außen kontaktiert werden kann . Wie weiter oben beschrieben können das erste elektrische Kontaktelement 311a und/oder das zweite elektrische Kontaktelement 321a beispielsweise eine erste Schicht mit oder aus Kupfer und eine zweite Schicht mit oder aus Silber aufweisen . Alternativ dazu können das erste elektrische Kontaktelement 311a und/oder das zweite elektrische Kontaktelement 321a beispielsweise nur durch eine Kupferschicht oder nur durch eine Silberschicht oder durch eine oder mehrere Schichten mit oder aus anderen Metallen gebildet sein . Insbesondere können das erste elektrische Kontaktelement 311a und/oder das zweite elektrische Kontaktelement 321a in Bezug auf Material und Schichtaufbau gleich wie die zweite Elektrode 32a sein .
Das erste elektrische Kontaktelement 311a zum elektrischen Anschluss der ersten Elektrode 31a, also des ersten Verstärkungselements 13a, weist einen ersten Anschlussbereich 312a und auf der ersten Hauptoberfläche 11a einen Befestigungsbereich 313a auf . Das zweite elektrische Kontaktelement 321a zum elektrischen Anschluss der zweiten Elektrode 32a weist einen zweiten Anschlussbereich 322a und eine Leiterbahn 324a auf , vermittels derer der zweite Anschlussbereich 322a mit der zweite Elektrode 32a elektrisch leitend verbunden ist . Der erste Anschlussbereich 312a und der zweite Anschlussbereich 322a können besonders bevorzugt wie auch die Außenelektroden 23 auf der ersten Hauptoberfläche 11a angeordnet sein . Wie oben für die zweite Elektrode 32a beschrieben können das erste elektrische Kontaktelement 311a und das zweite elektrische Kontaktelement 321a ganz oder teilweise durch eine elektrisch leitende Beschichtung auf der ersten Hauptoberfläche 11a ausgebildet sein . Der Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a ist dazu vorgesehen und eingerichtet , dass das erste Verstärkungselement 13a zumindest zum Teil auf dem ersten Befestigungsbereich 313a angeordnet und montiert ist . Mittels des Befestigungsbereichs 313a wird somit die durch das erste Verstärkungselement 13a gebildete erste Elektrode 31a elektrisch leitend mit dem ersten Anschlussbereich 312a verbunden . Insbesondere wird der Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a zumindest teilweise auf dem Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a elektrisch leitend befestigt . Mit anderen Worten kann der gesamte Randbereich 18a oder nur ein Teil des Randbereichs 18a des ersten Verstärkungselements 13a auf dem Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a angeordnet und befestigt sein . Der Befestigungsbereich 313a und der erste Anschlussbereich 312a können unmittelbar aneinander angrenzen oder ineinander übergehen oder sind wie gezeigt mittels einer Leiterbahn 314a auf der Hauptoberfläche 11a miteinander verbunden .
Wie oben in Verbindung mit den Figuren 1A bis 2B beschrieben ist der Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a durch eine Klebeverbindung 15 , also mittels eines Klebstof fs , auf dem piezoelektrischen Aktuator 1 auf geklebt . In Figur 3B ist die Klebeverbindung 15 , also der Bereich, in dem der Klebstof f angeordnet ist , durch den gestrichelt umgrenzten ringförmigen Bereich angedeutet . Der Klebstof f kann ein elektrisch leitender Klebstof f , also ein Leitkleber, sein, der ein Klebstof fpolymer aufweist , das mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllt ist . Weiterhin kann der Klebstof f ein elektrisch isolierender Klebstof f sein, der in einer Schicht ausgebildet ist , die ausreichend dünn ist und beispielsweise eine Dicke von kleiner oder gleich 20 pm aufweist , so dass dennoch ein elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a und dem Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a entsteht .
Im gezeigten Aus führungsbeispiel ist der Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a teilweise auf dem Befestigungsbereich 313a und teilweise auf der ersten Hauptoberfläche 11a befestigt . Das kann insbesondere bedeuten, dass der Befestigungsbereich 313a nicht im gesamten vom Randbereich 18a überdeckten Bereich der ersten Hauptoberfläche 11a vorgesehen ist , sondern der Klebstof f nicht nur zwischen einem Teil des Randbereichs 18a und dem Befestigungsbereich 313a, sondern auch zwischen einem anderen Teil des Randbereichs 18a und einem vom Befestigungsbereich 313a nicht bedeckten Bereich der ersten Hauptoberfläche 11a angeordnet ist . Dazu ist der Befestigungsbereich 313a beispielsweise wie in Figur 3B gezeigt schlangenlinienartig oder auch mäanderartig auf der ersten Hauptoberfläche 11a ausgebildet , so dass der Randbereich 18a des ersten Verstärkungselements 13a und die Klebeverbindung 15 auch Bereiche überdecken, die frei vom Material des Befestigungsbereichs 313a sind . Eine solche Aus führung kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Klebeverbindung 15 eine bessere Haftung zum Material des Grundkörpers 11 als zum Material des Befestigungsbereichs 313a aufweist .
Auf der Leiterbahn 324a des zweiten elektrischen Kontaktelements 321a ist im gezeigten Aus führungsbeispiel eine elektrisch isolierende Schicht 325a aufgebracht . Durch die elektrisch isolierende Schicht 325a, beispielsweise eine Kunststof f folie oder eine Kunststof fbeschichtung, kann die Leiterbahn 324a des zweiten elektrischen Kontaktelements 321a von der ersten Elektrode 31a, also dem ersten Verstärkungselement 13a, elektrisch isoliert sein .
In Verbindung mit den weiteren Figuren werden Modi fikationen der Haptikvorrichtung 100 erläutert . Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf Unterschiede zu vorherigen Aus führungsbeispielen .
Wie in Figur 4 in einem weiteren Aus führungsbeispiel der Haptikvorrichtung 100 gezeigt ist , kann das erste elektrische Kontaktelement 311a auch durch den ersten Anschlussbereich 312a auf der ersten Hauptoberfläche 11a und ein flexibles elektrisch leitendes Verbindungselement 316a wie beispielsweise ein elektrisch leitendes Klebeband gebildet sein . Der erste Anschlussbereich 312a kann wie gezeigt mit der der ersten Hauptoberfläche 11a abgewandten Oberseite des ersten Verstärkungselements 13a oder alternativ auch mit der der ersten Hauptoberfläche 11a zugewandten Unterseite des ersten Verstärkungselements 13a verbunden sein .
Wie vorab in den Figuren 3A und 3B angedeutet ist , kann die zweite Elektrode 32a durch eine Elektrodenschicht unmittelbar auf der ersten Hauptoberfläche 11a des Grundkörpers 11 ausgebildet sein . Alternativ hierzu kann, wie in einem weiteren Aus führungsbeispiel der Haptikvorrichtung 100 in Figur 5A angedeutet ist , die die zweite Elektrode bildende Elektrodenschicht auch auf einer Stufe und damit auf einem erhöhten Bereich aufgebracht sein, der auf dem Grundkörper ausgebildet ist . Beispielsweise kann der erhöhte Bereich eine Zwischenschicht 40 aufweisen oder daraus sein, beispielsweise mit oder aus einem Kunststof fmaterial . Alternativ hierzu kann der erhöhte Bereich auch in der ersten Hauptoberfläche 11a ausgebildet sein und somit beispielsweise durch eine
Strukturierung des Materials des Grundkörpers 11 gebildet sein . Durch den erhöhten Bereich kann die zweite Elektrode 32a näher am Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a und damit näher an der ersten Elektrode 31a angeordnet sein, was zu einer Verstärkung eines kapazitiven Signals des ersten kapazitiven Element 30a führen kann . Insbesondere kann ein Abstand zwischen der ersten Elektrode 31a und der zweiten Elektrode 32a von größer oder gleich 50 pm und kleiner oder gleich 200 pm, beispielsweise etwa 150 pm, vorteilhaft im Hinblick auf ein gutes Signal des ersten kapazitiven Elements 30a sein .
Im Freibereich 16 zwischen dem ersten Verstärkungselement 13a, also insbesondere zwischen dem Tastbereich 17a des ersten Verstärkungselements 13a, und der ersten Hauptoberfläche 11a und somit besonders bevorzugt zwischen der ersten Elektrode 31a und der zweiten Elektrode 32a des ersten kapazitiven Elements 30a ist ein dielektrisches Material vorhanden, das beispielsweise Luft ist . Alternativ hierzu kann beispielsweise der Freibereich 16 zumindest teilweise mit einem Kunststof fmaterial als dielektrischem Material 50 gefüllt sein, das beispielsweise ein Kunststof f schäum sein kann . Weiterhin kann, wie in Figur 5B in einem weiteren Aus führungsbeispiel der Haptikvorrichtung 100 angedeutet ist , beispielsweise eine Kunststof f folie als dielektrisches Material 50 vorhanden sein, die beispielsweise zumindest auf der zweiten Elektrode 32a angeordnet ist . Durch ein geeignet gewähltes dielektrisches Material 50 kann beispielsweise eine Anpassung der Kapazität des ersten kapazitiven Elements 30a und/oder eine elektrische I solierung zwischen der ersten Elektrode 31a und zweiten Elektrode 32a erreicht werden . Weiterhin kann, wie weiter oben beschrieben ist , das dielektrische Material 50 durch einen voll flächig aufgebrachten Klebstof f gebildet sein, durch den das gesamte erste Verstärkungselement 13a auf dem Grundkörper 11 befestigt sein kann . Der Klebstof f kann in diesem Fall den Abstand zur ersten Hauptoberfläche vermitteln und gleichzeitig als Dielektrikum wirken .
In Figur 5C ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Haptikvorrichtung 100 gezeigt , die im Vergleich zu den Aus führungsbeispielen der Figuren 3A bis 5B ein zweites kapazitives Element 30b aufweist . Das zweite kapazitive Element 30b weist ebenfalls eine erste Elektrode 31b und eine zweite Elektrode 32b auf und ist als kapazitiver Sensor ausgebildet . Das zweite Verstärkungselement 13b bildet die erste Elektrode 31b des zweiten kapazitiven Elements 30b . Weiterhin ist auf der zweiten Hauptoberfläche 11b des Grundkörpers 11 die zweite Elektrode 32b des zweiten kapazitiven Elements 30b angeordnet . Zu erkennen ist in Figur 5C auch noch die Leiterbahn 324b des zweiten elektrischen Kontaktelements des zweiten kapazitiven Elements 30b zur Kontaktierung der zweiten Elektrode 32b .
Das erste kapazitive Element 30a und das zweite kapazitive Element 30b sind besonders bevorzugt gleich ausgebildet , so dass die in Verbindung mit den vorherigen Aus führungsbeispielen beschriebenen Merkmale und Eigenschaften des ersten kapazitiven Elements 30a entsprechend für das zweite kapazitive Element 30b gelten können, so dass bei einer Krafteinwirkung auf die Haptikvorrichtung 100 zumindest im Wesentlichen gleiche kapazitive Signale an den beiden kapazitiven Elementen 30a, 30b detektiert werden können . Alternativ können das erste kapazitive Element 30a und das zweite kapazitive Element 30b unterschiedlich ausgebildet sein, so dass bei einer Krafteinwirkung auf die Haptikvorrichtung 100 unterschiedliche kapazitive Signale an den beiden kapazitiven Elementen 30a, 30b detektiert werden können . In den vorab und nachfolgend beschriebenen Aus führungsbeispielen kann die Haptikvorrichtung 100 ebenfalls auch ein zweites kapazitives Element 30b aufweisen, das gleich wie das erste kapazitive Element 30a oder verschieden dazu ausgebildet sein kann .
Beispielsweise kann der Randbereich des ersten Verstärkungselements ausschließlich auf dem Befestigungsbereich befestigt sein . In diesem Fall kann, wie in Figur 6A in einer Darstellung der Haptikvorrichtung 100 ohne das erste Verstärkungselement 13a angedeutet ist , der vom Randbereich des ersten Verstärkungselements überdeckte Bereich der ersten Hauptoberfläche 11a vollständig mit dem Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a versehen sein . Dieser kann entsprechend beispielsweise als umlaufender Ring ausgebildet sein .
Weiterhin kann, wie in Figur 6A und in einem Ausschnitt einer Schnittdarstellung in Figur 6B angedeutet ist , das zweite elektrische Kontaktelement 321a zumindest ein elektrisches Via 327a beziehungsweise wie gezeigt zwei elektrische Vias 327a und eine innerhalb des Grundkörpers 11 angeordnete Leiterbahn 324a aufweisen, durch die die zweite Elektrode 32a mit dem zweiten Anschlussbereich 322a des zweiten elektrischen Kontaktelements 321a verbunden ist . Dadurch kann die Leiterbahn 324a des zweiten elektrischen Kontaktelements 321a vom Befestigungsbereich 313a des ersten elektrischen Kontaktelements 311a sowie vom ersten Verstärkungselement durch das Material des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 elektrisch isoliert werden .
Wie in den Figuren 7A und 7B in den Figuren 6A und 6B entsprechenden Ansichten gezeigt ist , kann die zweite Elektrode 32a durch eine Elektrodenschicht innerhalb des Grundkörpers 11 des piezoelektrischen Aktuators 1 gebildet sein . In diesem Fall ist die zweite Elektrode 32a innerhalb des Grundkörpers 11 unterhalb der ersten Hauptoberfläche angeordnet . Besonders bevorzugt weist das zweite elektrische Kontaktelement 321a hierbei zumindest ein elektrisches Via 327a auf , durch das die zweite Elektrode 32a mit dem zweiten Anschlussbereich 322a verbunden ist . Im gezeigten Aus führungsbeispiel ist die die zweite Elektrode 32a bildende Elektrodenschicht von den Innenelektroden des piezoelektrischen Aktors 1 verschieden und damit von diesen durch das piezoelektrische Material des Grundkörpers 11 elektrisch isoliert .
Weiterhin kann, wie in den Figuren 8A und 8B in ebenfalls den Figuren 6A und 6B entsprechenden Ansichten angedeutet ist , die zweite Elektrode 32 durch zumindest eine Innenelektrode 21 des piezoelektrischen Aktuators 1 gebildet sein . In diesem Fall hat die besagte zumindest eine Innenelektrode 21 eine Doppel funktion, nämlich eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem piezoelektrischen Aktuator 1 und eine elektrische Funktion im Zusammenhang mit dem ersten kapazitiven Element 30a . Weiterhin kann der zweite Anschlussbereich 322a oder sogar das zweite elektrische Kontaktelement 321a des ersten kapazitiven Elements 30a gleichzeitig eine Außenelektrode 23 für Innenelektroden 21 des piezoelektrischen Aktuators 1 sein . In den vorab beschriebenen Aus führungsbeispielen weist das erste Verstärkungselement 13a insbesondere einen Tastbereich 17a auf , der eine konstante Wandstärke und eine ebene Aus formung aufweist . Wie in den Figuren 9A bis 11B angedeutet ist , kann das erste Verstärkungselement 13a, das in den Figuren 9A bis 11B rein beispielhaft wie in Verbindung mit der Figur 4 beschrieben kontaktiert ist , im Tastbereich 17a auf einer der ersten Hauptoberfläche 11a zugewandten Unterseite zumindest einen erhabenen Bereich 170a, also einen sich der ersten Hauptoberfläche 11a entgegenstreckenden Bereich, aufweisen, wodurch der ef fektive Abstand zwischen der ersten Elektrode 31a und der zweiten Elektrode 32a des ersten kapazitiven Elements 30a beeinflusst werden kann . Insbesondere kann ein Abstand zwischen der ersten Elektrode 31a des ersten kapazitiven Elements 30a, gebildet durch das erste Verstärkungselement 13a, und der zweiten Elektrode 32a des ersten kapazitiven Elements 30a wie oben in Verbindung mit der Figur 5A beschrieben verringert werden, wodurch ein stärkeres kapazitives Feld erzeugt werden kann und damit das kapazitive Signal und insbesondere das Signal-Rausch- Verhältnis des ersten kapazitiven Elements 30a vergrößert werden kann . Beispielsweise kann der zumindest eine erhabene Bereich 170a durch eine von einer der ersten Hauptoberfläche 11a abgewandten Oberseite des ersten Verstärkungselements 13a eingebrachten Prägestruktur gebildet sein . Mit anderen Worten kann der zumindest eine erhabene Bereich 170a auf der Unterseite einem vertieften Bereich auf der Oberseite des Tastbereichs 17a entsprechen, der durch eine Prägung von der Oberseite des Tastbereichs 17a her eingebracht worden ist . Das zweite Verstärkungselement 13b kann einen entsprechenden Tastbereich 17b mit zumindest einem erhabenen Bereich 170b aufweisen . Wie in den Figuren 9A und 9B angedeutet ist , kann der erhabene Bereich 170a auf der Unterseite des ersten Verstärkungselements 13a beispielsweise ringförmig sein und beispielsweise zwei erhabene Ringe aufweisen, die sich der ersten Hauptoberfläche 11a entgegenstrecken . Auf der der ersten Hauptoberfläche 11a abgewandten Oberseite des ersten Verstärkungselements 13a sind entsprechend zwei ringförmige Vertiefungen eingeprägt , wie in Figur 9A zu erkennen ist .
Wie in den Figuren 10A und 10B in Darstellungen des ersten Verstärkungselements 13a angedeutet ist , kann der erhabene Bereich 170a auf der Unterseite beispielsweise auch nur durch einen ringförmigen Bereich gebildet sein, der einer entsprechenden ringförmigen eingeprägten Vertiefung in der Oberseite entspricht . Anstelle einer Einprägung kann das erste Verstärkungselement 13a im Tastbereich 17a zur Ausbildung des erhabenen Bereichs 170a beispielsweise auch eine Verdickung, also einen Bereich mit größerer Dicke , der sich zur ersten Hauptoberfläche erstreckt , aufweisen, wie in Figur I OC angedeutet ist .
Der erhabene Bereich ist nicht auf Ringformen beschränkt . Wie in den Figuren 11A und 11B angedeutet ist , kann beispielsweise auch eine speichenartige Struktur eingeprägt sein, die im gezeigten Aus führungsbeispiel in entsprechende vier erhabene Bereiche 170a auf der Unterseite des Tastbereichs 17a des ersten Verstärkungselements 13a resultieren .
Durch die Anordnung der Außenelektroden und der Anschlussbereiche der elektrischen Kontaktelemente auf derselben Seite der Haptikvorrichtung 100 , also beispielsweise auf der ersten Hauptoberfläche des piezoelektrischen Aktuators , ist eine einfache elektrische Kontaktierung der Haptikvorrichtung 100 möglich . Beispielsweise kann diese durch einen flexiblen Leiterplatten-Verbinder ( „flexible printed circuit connector" , „FPC connector" ) 60 erfolgen, wie in Figur 12 gezeigt ist .
Die hier beschriebene Haptikvorrichtung nutzt eine kapazitive Feldabtastung, um auf kostengünstige Weise einen statischen Kraftsensor in einen piezoelektrischen Aktuator zu integrieren . Durch die Integration eines statischen Kraftsensors in die Aktuator-Komponente können die typischen Anforderungen an die Berührungssensorik von, insbesondere auch anspruchsvollen, haptischen Benutzerschnittstellen erfüllt werden . Durch die Verwendung eines einzigen Bauteils als Sensor und Aktuator können neue Systeme geschaf fen werden, die Kosten, Gewicht und Designkomplexität reduzieren können . Auch die Sensorfunktion des piezoelektrischen Aktuators selbst kann durch die Verwendung des kapazitiven Elements beispielsweise als Sicherheits funktion unterstützt oder verbessert werden, etwa im Hinblick auf das Signal- Rausch-Verhältnis , die Ansprechzeit und/oder eine Kraft-Zeit- Messung) mit dem Feldsensor unterstützt oder verbessert werden, und umgekehrt .
Wie oben beschrieben wird die Kraftmessungslösung dadurch realisiert , dass zwei leitende Oberflächen in Form der ersten und zweiten Elektrode zumindest des ersten kapazitiven Elements so nahe beieinander angeordnet werden, dass ein kapazitives Feld erzeugt werden kann . Die Kapazität des erzeugten Feldes ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden ändert . Wenn also beispielsweise ein Benutzer mit einem Finger auf eine Berührungs fläche drückt , die wiederum auf die Haptikvorrichtung drückt , bewegen sich die beiden Elektroden zumindest des ersten kapazitiven Elements näher zueinander, und die Kraft , mit der der Finger drückt , kann bestimmt werden, unabhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit die Berührungskraft auf tritt . Anschließend kann eine Berührungseingabe ausgelöst werden, und zwar genau zum richtigen Zeitpunkt , und auf Wunsch kann dieselbe Haptikvorrichtung auch eine haptische Rückmeldung erzeugen, um zu bestätigen, dass die Eingabe registriert wurde .
Die Haptikvorrichtung ermöglicht eine zuverlässige Kraf tsensorik in Kombination mit haptischem Feedback in einer einzigen Komponente , was Kosten und Designkomplexität reduzieren kann . Beispielsweise basiert haptisches Feedback oft auf kleinen mechanischen Bewegungen im Bereich von größer oder gleich 10 und kleiner oder gleich 300 pm . Folglich sind bei der Systemintegration hohe mechanische Toleranzen erforderlich . Müsste man einen separaten Kraftsensor und einen separaten haptischen Aktuator verwenden, ist dies nicht nur komplex in der Systemintegration, sondern auch im Hinblick auf die Mechanik und Montage sehr anspruchsvoll und teuer .
Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Haptikvorrichtung liegt in seiner mehrfachen Sensorfunktionalität , die beispielsweise unter Sicherheits- und Energiesparaspekten nützlich sein kann . Beispielsweise können für sicherheitskritische Schalter zwei Eingangsschaltungen erforderlich sein, etwa für den Warnblinkschalter, der in j edem Auto vorhanden ist . Durch die Integration von zwei kapazitiven Elementen, also des ersten und zweiten kapazitiven Elements , auf den beiden Seiten des piezoelektrischen Aktuators , können diese redundant in zwei ähnliche Schaltkreise integriert werden . In anderen Anwendungen kann es ausreichend sein, wenn der piezoelektrische Aktuator als ein piezoelektrischer Sensor in einem Schaltkreis und das erste kapazitive Element als kapazitiver Feldsensor im anderen Schaltkreis verwendet werden . Weiterhin kann in Bezug auf Energieeinsparungen bemerkt werden, dass die Erzeugung eines kapazitiven Felds prinzipiell immer Energie verbraucht , insbesondere wenn man ein Feld erzeugen und die Änderung messen will . Es kann zwar eine niedrigere Sensorf requenz verwendet werden, aber, bei gleichzeitiger Einführung von Verzögerungen in das System, verbraucht dies immer noch Energie . Piezoelektrische Sensoren sind passive Sensoren, die eine Spannung erzeugen, wenn sie gedrückt werden . Daher kann es möglich sein, den piezoelektrischen Aktuator verwenden, um das kapazitive Element „auf zuwecken" , und dann immer noch die Veränderung sowie länger anhaltenden Druck mit dem kapazitiven Element zu messen, um die Kraft und die Dauer des Drucks zu detektieren . Menschliche Bewegungen sind üblicherweise so langsam, dass eine Reaktions zeit von wenigen Millisekunden schnell genug sein kann, um eine kapazitive Änderung zu erkennen .
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Aus führungsbeispiele können gemäß weiteren Aus führungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen expli zit beschrieben sind . Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste piezoelektrischer Aktuator
11 Grundkörper
11a, 11b Hauptoberfläche
12 I solationsbereich
13a, 13b Verstärkungselement
15 Klebeverbindung
16 Freibereich
17a, 17b Tastbereich
18a, 18b Randbereich
20a, 20b Verbindungsbereich
21 Innenelektrode
22 piezoelektrische Schicht
23 Außenelektrode
24 Stirnfläche
25 Oberseite
26 Unterseite
30a, 30b kapazitives Element
31a, 31b erste Elektrode
32a, 32b zweite Elektrode
40 Zwischenschicht
50 dielektrisches Material
60 Verbinder
100 Haptikvorrichtung
170a, 170b erhabener Bereich
311a, 321a elektrisches Kontaktelement
312a, 322a Anschlussbereich
313a Befestigungsbereich
314a Leiterbahn
316a elektrisch leitendes Verbindungselement
324a, 324b Leiterbahn
325a elektrisch isolierende Schicht
327a elektrisches Via
B Breite
H Höhe L Länge
RI Längsrichtung
R2 Hubrichtung
S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Haptikvorrichtung (100) , aufweisend
- einen piezoelektrischen Aktuator (1) aufweisend einen
Grundkörper (11) und
- ein erstes Verstärkungselement (13a) auf einer ersten
Hauptoberfläche (11a) des piezoelektrischen Aktuators (1) ,
- ein erstes kapazitives Element (30a) , wobei das erste Verstärkungselement (13a) am piezoelektrischen Aktuator (1) befestigt ist und einen
Tastbereich (17a) aufweist, der beabstandet über der ersten Hauptoberfläche (11a) angeordnet ist, wobei das erste Verstärkungselement (13a) eine erste
Elektrode (31a) des ersten kapazitiven Elements (30a) bildet, wobei auf einer Hauptoberfläche (11a, 11b) oder innerhalb des Grundkörpers (11) eine zweite Elektrode (32a) des ersten kapazitiven Elements (30a) angeordnet ist.
2. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Verstärkungselement (13a) zumindest mit einem Randbereich (18a) am piezoelektrischen Aktuator (1) befestigt ist.
3. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Verstärkungselement (13a) vollflächig am piezoelektrischen Aktuator (1) befestigt ist.
4. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 2, weiterhin aufweisend ein erstes elektrisches Kontaktelement (311a) zur elektrischen Kontaktierung der ersten Elektrode (31a) .
5. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei das erste elektrische Kontaktelement (311a) einen ersten Anschlussbereich (312a) und auf der ersten Hauptoberfläche (11a) einen Befestigungsbereich (313a) aufweist .
6. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Randbereich (18a) des ersten Verstärkungselements (13a) zumindest teilweise auf dem Befestigungsbereich (313a) des ersten elektrischen Kontaktelements (311a) elektrisch leitend befestigt ist.
7. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Randbereich (18a) auf dem Befestigungsbereich (313a) mittels einer Klebeverbindung (15) aufgeklebt ist, die durch einen elektrisch leitenden Klebstoff gebildet wird .
8. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Randbereich (18a) auf dem Befestigungsbereich (313a) mittels einer Klebeverbindung (15) aufgeklebt ist, die durch einen elektrisch isolierenden Klebstoff gebildet wird .
7. Haptikvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Randbereich (18a) teilweise auf dem Befestigungsbereich (313a) und teilweise direkt auf der ersten Hauptoberfläche (11a) befestigt ist.
8. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei der Befestigungsbereich (313a) schlangenlinienartig oder mäanderartig auf der ersten Hauptoberfläche (11a) verläuft .
9. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Tastbereich (17a) auf einer der ersten Hauptoberfläche (11a) zugewandten Unterseite zumindest einen erhabenen Bereich (170a) aufweist, der sich der ersten Hauptoberfläche (11a) entgegenstreckt.
10. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine erhabene Bereich (170a) durch eine von einer der ersten Hauptoberfläche (11a) abgewandten Oberseite des ersten Verstärkungselementes (13a) eingebrachten Prägestruktur gebildet ist.
11. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der zumindest eine erhabene Bereich (170a) durch eine Verdickung des Tastbereichs (17a) gebildet ist.
12. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (32a) auf der ersten Hauptoberfläche (11a) oder unter der ersten Hauptoberfläche (11a) innerhalb des Grundkörpers (11) des ersten kapazitiven Elements (30a) angeordnet ist.
13. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (32a) nur unterhalb des Tastbereichs (17a) angeordnet ist.
14. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend ein zweites elektrisches Kontaktelement (321a) mit einem zweiten Anschlussbereich (322a) zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Elektrode (32a) .
15. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (32a) durch eine Elektrodenschicht auf einer Hauptoberfläche (11a, 11b) gebildet ist.
16. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 14 und 15, wobei das zweite elektrische Kontaktelement (321a) eine Leiterbahn (324a) auf einer Hauptoberfläche (11a) aufweist, durch die die zweite Elektrode (32a) mit dem zweiten Anschlussbereich (322a) verbunden ist.
17. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 16, wobei auf der Leiterbahn (324a) eine elektrisch isolierende Schicht (325a) aufgebracht ist.
18. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 14 und 15, wobei das zweite elektrische Kontaktelement (321a) zumindest ein elektrisches Via (327a) und eine innerhalb des Grundkörpers (11) angeordnete Leiterbahn (324a) aufweist, durch die die zweite Elektrode (32a) mit dem zweiten Anschlussbereich (322a) verbunden ist.
19. Haptikvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die zweite Elektrode (32a) durch eine Elektrodenschicht innerhalb des Grundkörpers (11) gebildet ist.
20. Haptikvorrichtung (100) nach Anspruch 14 und 19, wobei das zweite elektrische Kontaktelement (321a) zumindest ein elektrisches Via (327a) aufweist, durch das die zweite Elektrode (32a) mit dem zweiten Anschlussbereich (322a) verbunden ist.
21. Haptikvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die zweite Elektrode (32a) durch zumindest eine Innenelektrode (21) des piezoelektrischen Aktuators (1) gebildet ist.
22. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Tastbereich (17a) des ersten Verstärkungselements (13a) und der ersten Hauptoberfläche (11) ein dielektrisches Material (50) angeordnet ist, das eines oder mehrere aufweist aus: Luft, Kunststofffolie, Kunststoff schäum, Klebstoff.
23. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend:
- ein zweites Verstärkungselement (13b) auf einer zweiten
Hauptoberfläche (11b) des piezoelektrischen Aktuators (1) ,
- ein zweites kapazitives Element (30b) , wobei das zweite Verstärkungselement (13b) am piezoelektrischen Aktuator (1) befestigt ist und einen Tastbereich (17b) aufweist, der beabstandet über der zweiten Hauptoberfläche (11b) angeordnet ist, wobei das zweite Verstärkungselement (13b) eine erste Elektrode (31b) des zweiten kapazitiven Elements (30b) bildet, wobei auf einer Hauptoberfläche (11b) oder innerhalb des Grundkörpers (11) eine zweite Elektrode (32b) des zweiten kapazitiven Elements (30b) angeordnet ist.
24. Haptikvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Haptikvorrichtung (100) dazu ausgebildet ist, ein haptisches Feedback zu erzeugen.
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