WO2025003403A1 - Haptikbauteil mit piezoelektrischem aktuator und verstärkerelementen - Google Patents

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Robert WIMMER-TEUBENBACHER
Johannes Burger
Andreas PENTSCHER-STANI
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification

Definitions

  • the present invention relates to a haptic component for generating a haptic signal.
  • a haptic component for generating a haptic signal.
  • Such a device has an actuator that generates 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 component can be designed to generate haptic feedback when touched.
  • the haptic component can be used, for example, in a touchscreen, trackpad, push button or stylus (pen-like device).
  • the haptic component can be used in the automotive sector.
  • a reinforcing element for stroke amplification is attached to a piezoelectric actuator.
  • the reinforcing element is in the form of a metal sheet.
  • a mechanical stop is formed by deep drawing a central area of the reinforcing element or by attaching an additional element to an inner side of the reinforcing element.
  • a haptic component has a piezoelectric actuator and at least one reinforcing element with a lateral edge region, in which the reinforcing element is attached to the piezoelectric actuator, and with a central region that is movable perpendicular to a main surface of the actuator.
  • a stop structure is formed for stopping against the actuator.
  • the central region also has a non-stop structure that is not formed for stopping against the actuator.
  • the stop structure has at least two stop regions, between which a non-stop region of the non-stop structure is arranged. In particular, this arrangement of stop regions and non-stop region can be seen in a cross-section of the haptic component perpendicular to a main surface of the actuator.
  • Structuring a stop in this way can increase the stability of the reinforcing element, compared to a stop that is only designed in the form of a homogeneous circular surface, which may also have a hole inside for pressure equalization.
  • the stop structure can achieve a more uniform force effect on the actuator when the stop structure rests on the actuator, so that the force effect is not concentrated on a small area.
  • the reinforcing element By structuring the reinforcing element, the total area of the edge areas, i.e. those stop areas that border on non-stop areas, can be increased. This can prevent damage to the actuator and the reinforcing element even at higher forces.
  • the actuator can be arranged between the reinforcing element and a further reinforcing element.
  • the reinforcing elements can be designed in the same way, in particular they can have similar stop structures.
  • the actuator is designed, for example, as a piezoceramic actuator.
  • the stop structure can prevent the piezoceramic from breaking if excessive force is applied.
  • the actuator has a square basic shape.
  • the basic shape corresponds to a main surface of the actuator.
  • the actuator can also have an elongated rectangular basic shape, for example.
  • the reinforcing element has, for example, a circular basic shape. It is also possible for the reinforcing element to have a rectangular basic shape.
  • the reinforcing element can be made from a sheet metal.
  • the sheet metal has, for example, the shape of a basin or a truncated cone.
  • the stop structure can be formed integrally with the non-stop structure.
  • the Stop structure is an integral part of other areas of the reinforcing element, for example also the edge area.
  • the stop structure can be designed as a formed part of the sheet metal.
  • the stop structure is formed by deep drawing the sheet metal.
  • the non-stop structure is not deep drawn.
  • the stop structure may have several separate partial stops, wherein the partial stops are separated by the non-stop structure.
  • the stop structure has one or more circular rings or circular segments.
  • the non-stop structure can also have one or more circular rings or circular segments.
  • the stop structure has several concentrically arranged circular rings.
  • the circular rings can be arranged concentrically around a center point of the reinforcing element.
  • One or more non-stop areas can also be in the form of circular rings or in the form of webs between the circular segments.
  • the stop areas can also be in the form of webs.
  • the webs extend from a center point towards the edge area.
  • the circular rings or circular segments can be completely separate or connected by bridges.
  • the stop structure has several circle segments and the non-stop structure is designed in the form of webs between the circle segments or the non-stop structure has several circle segments and the stop structure is designed in the form of webs between the circular segments.
  • any geometry of the stop structures is also possible for the non-stop structures and vice versa.
  • the stop structure and/or the non-stop structure has the shape of a cross.
  • the stop structure can be arranged within a circular area so that an outer edge region of the stop structure runs in the form of a circular ring or interrupted circular ring.
  • Stop areas of the stop structure can alternate with non-stop areas, viewed from a center point of the reinforcing element in the direction of the edge area.
  • the stop structure and non-stop structure may be formed only in the central region of the reinforcing element.
  • the structure may be formed such that it does not extend into the edge region. It is also possible that the stop and non-stop structure is formed only in an inner region of the central region.
  • the structure extends only over a maximum of half the maximum extent of the central area.
  • the central area is circular and the stop area is arranged within a circle with half the radius.
  • stop areas and non-stop areas may alternate along a circular line around a centre point of the reinforcing element.
  • a method for producing a haptic component is specified. In particular, it can be the haptic component described above.
  • a sheet is provided for forming the reinforcing element. The sheet is plastically deformed and the stop structure is formed in the process.
  • the sheet metal is deformed by deep drawing.
  • the sheet metal is then attached to a piezoelectric actuator at its edge.
  • the present invention comprises several aspects , in particular devices and methods .
  • Figure 1A shows an embodiment of a haptic component in perspective view
  • Figure 1B shows the embodiment of Figure 1A in cross section
  • Figure 2A shows another embodiment of a haptic component in perspective view
  • Figure 2B shows the embodiment of Figure 2A in cross section
  • Figure 3 shows the embodiment of the haptic component of Figures 2A and 2B with electrical contact
  • Figure 4 shows a further embodiment of a reinforcing element of a haptic component in a perspective view.
  • Figures 1A and 1B show an embodiment of a haptic component 1 in a perspective view and in cross section.
  • the haptic component 1 can be used, for example, in an input and/or output device, for example in a touchpad or a control button.
  • the haptic component 1 has a piezoelectric actuator 2. This can be a piezoceramic element. In particular, it can be a ceramic multilayer component.
  • the actuator 2 has electrical contact areas 10 for electrical contacting. The contact areas 10 are connected, for example, to electrode layers of different polarity.
  • the polarity is indicated by a marking, for example the point shown here on one of the contact areas 10.
  • the actuator 2 has a square basic shape in the present case. However, other basic shapes, e.g. an elongated rectangular basic shape, are also conceivable.
  • the haptic component 1 has a reinforcing element 3.
  • the piezoelectric actuator 2 is arranged between the reinforcing element 3 and a further reinforcing element 4.
  • the reinforcing elements 3, 4 are each fastened to the actuator 2 in their lateral edge regions 5.
  • the reinforcing elements 3, 4 are glued there to the actuator 2.
  • the reinforcing element 3 can be connected to a touch surface for the input or output of haptic signals.
  • the further reinforcing element 4 can be arranged on an abutment.
  • the reinforcing element 3 has a basic shape in the form of a circular surface. However, other basic shapes, for example a square basic shape, are also possible.
  • the basic shape of the reinforcing element 3 can in particular correspond to the basic shape of the actuator 2.
  • the actuator 2 is designed to deform when an electrical voltage is applied, in particular in a plane of its main surface.
  • the reinforcing elements 3, 4 deform due to their attachment to the actuator 2 in such a way that a central region 6 is moved perpendicular to the surface of the actuator 2.
  • a vibration can be generated and thus a vibrotactile feedback can be generated.
  • the haptic component 1 can alternatively or additionally be designed so that the actuator 2 generates an electrical signal when a force is applied to the reinforcing elements 3, 4. A haptic feedback can then be generated again.
  • a compression force is applied from the outside to the central areas 6 the reinforcing elements 3, 4, an electrical signal is generated at the contact areas 10. In this way, a haptic influence from the outside can be detected and the haptic component 1 functions as a sensor.
  • the reinforcing elements 3, 4 are designed in the form of sheets, in particular metallic sheets.
  • the sheet material is titanium.
  • the sheets are shaped in such a way that the central region 6 is raised from the surface of the actuator 2 in the resting state.
  • the reinforcing elements 3, 4 have the geometry of a basin or a truncated cone.
  • a stop structure 7 is intended to limit excessive deformation of the reinforcing element 3, 4 and to distribute the mechanical load over a sufficiently large surface area of the actuator 2.
  • the stop structure 7 is described below with reference to the reinforcing element 3.
  • the further reinforcing element 4 can be designed accordingly.
  • the stop structure 7 is an integral part of the reinforcing element 3, in particular integrally formed with a non-stop structure 12 and the edge region 5. This enables a particularly simple manufacture of the stop structure 7.
  • the Stop structure 7 by a plastic deformation of the
  • Reinforcing element 3 is formed, such as deep drawing.
  • the stop structure 7 has a structure in order to distribute the forces more evenly on the actuator 2.
  • the stop structure 7 is not only designed in the form of a single circular depression, in which only a circular edge region is formed to an outer non-stop region 16. Rather, several non-stop regions 8a, 8b, 8c, 8d are formed between stop regions 7a, 7b, 7c, 7d.
  • edge regions 14a, 14b, 14c, 14d are located at different distances from a center point 9 of the reinforcing element.
  • the edge region 14a is part of the outer edge of the stop structure 7.
  • the outer edge is circular.
  • Non-stop areas 8b, 8c are formed directly adjacent to the hole 13.
  • the hole 13 is not a non-stop area because it does not have any material.
  • stop structure 7 In the stop structure 7 shown, several stop regions 7a, 7b, 7c, 7d alternate with non-stop regions 8a, 8b, 8c, 8d as seen from the center point 9 of the reinforcing element 3 in the direction of the edge region 5.
  • the stop areas 7a-7d form several separate partial stops 11a, 11b in the form of concentric circular rings.
  • the circular rings are separated from one another by a non-stop structure 12 having several concentric circular rings.
  • the stop structure 7 is rotationally symmetrical about an axis through the center 9 perpendicular to a main surface of the actuator 2.
  • such embodiments can be suitable for a force of greater than 300 N, for example of up to 400 N, without causing damage to the reinforcing elements 3, 4 or the actuator 2.
  • the maximum compression force, which is evenly distributed over the surface of the actuator, can be limited to 20 N, for example.
  • FIGS 2A and 2B show a further embodiment of a haptic component 1 in perspective view and in cross section.
  • the haptic component 1 shown here differs differs from the haptic component 1 of Figures 1A and 1B in the geometry of the stop structure 7 .
  • the stop structure 7 has several separate partial stops 11a, 11b, 11c, l ld in the form of a segment of a circle.
  • a non-stop structure 12 having several webs is formed between the partial stops l la- l ld.
  • the non-stop structure 12 is formed overall in the shape of a cross.
  • edge regions 14a, 14b from stop regions 7a, 7b to non-stop regions 8a, 8b, 16 are arranged at different distances from the center point 9.
  • the area of the edge regions 14a, 14b is larger than with a uniformly circular structure of a stop.
  • the force can also be distributed more evenly across the actuator 2 here.
  • stop areas 7a, 7b, 7c, 7d alternate with non-stop areas 8a, 8b, 8c, 8d along a circular line around the center point 9 of the reinforcement element 3.
  • the cross-shaped non-stop structure 12 shown here results in particularly good stability of the reinforcing element 3 and particularly good distribution of the force.
  • a force of 400 N does not cause any damage.
  • the stop structure 7 shown here is not rotationally symmetrical.
  • the stop structure 7 is axially symmetrical with respect to a plane perpendicular to a main surface of the actuator 2 .
  • the stop structure 7 has four partial stops l la- l ld in the form of a segment of a circle. It is also possible to provide more or fewer partial stops l la- l ld in the form of a segment of a circle, for example three or five partial stops.
  • the further reinforcing element 4 can be oriented like the reinforcing element 3 or can be rotated relative to the reinforcing element 3 about an axis perpendicular to a main surface of the actuator 2.
  • the further reinforcing element 4 is rotated by 45°. This can further improve the stability of the reinforcing elements 3, 4 and the uniformity of the force application.
  • the stop structure 7 When structuring the stop structure 7, it is advantageous if a sufficient area is available on a side facing away from the actuator 2 for fastening to the rear of a touch surface, such as a control button or a touch pad.
  • the non-stop structure 12 between the partial stops l la- l ld also enables fastening or holding in the area of the center point 9 of the reinforcing element 3.
  • the non-stop structure 12 can be attached to a movable element of the contact surface by means of adhesive or an adhesive tape.
  • the annular non-stop structure 12 also forms a fastening or mounting option for system integration.
  • the stop structure 7 and the non-stop structure 12 are only formed in the central region 6.
  • the stop structure 7 and non-stop structure 12 are in particular only formed in an inner region of the central region 6.
  • the stop structure 7 and non-stop structure 12 lie within a circle with a radius that is less than or equal to half the radius of the central region 6.
  • Figure 3 shows the haptic component 1 from Figures 2A and 2B with an electrical contact 11.
  • the electrical contact 15 establishes an electrical contact with the contact areas 10.
  • the contact 15 is connected to the contact areas 10 by an electrically conductive adhesive.
  • Figure 4 shows a further embodiment of a reinforcing element 3, 4 of a haptic component 1 in a perspective view.
  • the haptic component 1 can be designed as in the further embodiments.
  • the reinforcing element 3 has an integral stop structure 7 which is formed in a circular ring shape.
  • the stop structure 7 surrounds a non-stop structure 12 which is also circular ring shaped.
  • the non-stop structure 12 surrounds a hole 13 in the reinforcing element 3.
  • the non-stop structure 12 can as in the other versions for attachment to a user interface.
  • the stop structure 7 has several edge areas 14a, 14b, so that the force on the actuator 2 can be distributed more evenly than would be possible with only one edge area.
  • the stop structure 7 is designed as an integral component of the reinforcing element 3.
  • the stop structure 7 is introduced by deforming the reinforcing element 3. It is also possible to form the stop structure 7 by attaching a separate element, for example a plastic film or a foam. For example, it can be a Kapton film.
  • the haptic component 1 may have a separate element in addition to an integrated stop structure 7 in order to further homogenize the force application.

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Abstract

Ein Haptikbauteil (1) weist einen piezoelektrischer Aktuator (2) und wenigstens ein Verstärkungselement (3, 4) mit einen lateralen Randbereich (5), in dem das Verstärkungselement (3, 4) am piezoelektrischen Aktuator (2) befestigt ist, und mit einem Zentralbereich (6), der senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators (2) beweglich ist, auf, wobei das Verstärkungselement (3, 4) im Zentralbereich (6) eine Anschlagsstruktur (7) zum Anschlag an den Aktuator (2) und wenigstens eine Nicht-Anschlagsstruktur (12) aufweist, die nicht zum Anschlag an den Aktuator (2) ausgebildet ist, wobei die Anschlagsstruktur (7) wenigstens zwei Anschlagsbereiche (7a, 7b, 7c, 7d) und die Nicht-Anschlagsstruktur (12) wenigstens einen Nicht-Anschlagsbereich (8a, 8b, 8c, 8d) aufweist, wobei der Nicht-Anschlagsbereich zwischen den zwei Anschlagsbereichen angeordnet ist.

Description

Beschreibung
HAPTIKBAUTEIL MIT PIEZOELEKTRISCHEM AKTUATOR UND VERSTÄRKERELEMENTEN
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Haptikbauteil zur Erzeugung eines haptischen Signals . Eine derartige Vorrichtung weist einen Aktuator auf , der eine Bewegung eines beweglichen Elements erzeugt . 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 .
Das Haptikbauteil kann zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks bei einer Berührung ausgebildet sein . Die Haptikbauteil kann beispielsweise in einem Touchscreen, Trackpad, Druckknopf oder Stylus ( sti ftartige Vorrichtung) eingesetzt sein . Insbesondere kann das Haptikbauteil im Automobilbereich verwendet werden .
Aus der WO 2017 / 060011 Al , der WO 2018 / 046201 Al und der WO 2022 /248244 Al sind Vorrichtungen zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung bekannt , bei der an einem piezoelektrischen Aktuator ein Verstärkungselement zur Hubverstärkung befestigt ist . Das Verstärkungselement ist j eweils in Form eines Metallblechs ausgebildet . Gemäß der WO 2022 /248244 Al wird eine übermäßige Verformung des Verstärkungselements bei zu großer Krafteinwirkung durch einen mechanischen Anschlag verhindert . Der mechanische Anschlag ist dabei durch Tief ziehen eines zentralen Bereichs des Verstärkungselements oder durch Befestigung eines zusätzlichen Elements an einer Innenseite des Verstärkungselements ausgebildet . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Haptikbauteil mit verbesserten Eigenschaften anzugeben .
Gemäß einem ersten Aspekt weist ein Haptikbauteil einen piezoelektrischer Aktuator und wenigstens ein Verstärkungselement mit einen lateralen Randbereich, in dem das Verstärkungselement am piezoelektrischen Aktuator befestigt ist , und mit einem Zentralbereich, der senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators beweglich ist , auf . Im Zentralbereich ist eine Anschlagsstruktur zum Anschlag an den Aktuator ausgebildet . Der Zentralbereich weist zudem eine Nicht-Anschlagsstruktur auf , die nicht zum Anschlag an den Aktuator ausgebildet ist . Die Anschlagsstruktur weist wenigstens zwei Anschlagsbereiche auf , zwischen denen ein Nicht-Anschlagsbereich der Nicht-Anschlagsstruktur angeordnet ist . Insbesondere ist diese Anordnung von Anschlagsbereichen und Nicht-Anschlagsbereich in einem Querschnitt des Haptikbauteils senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators zu sehen .
Durch eine derartige Strukturierung eines Anschlags kann zum einen die Stabilität des Verstärkungselements erhöht werden, im Vergleich zu einem Anschlag, der lediglich in Form einer homogenen Kreis fläche ausgebildet ist , die gegebenenfalls noch ein Loch im Inneren zum Druckausgleich aufweist . Zudem kann durch die Anschlagsstruktur eine gleichmäßigere Krafteinwirkung auf den Aktuator beim Anliegen der Anschlagsstruktur am Aktuator erreicht werden, so dass sich die Krafteinwirkung nicht auf einen kleinen Bereich konzentriert .
Es hat sich herausgestellt , dass bei übermäßiger
Krafteinwirkung eine Verformung des Verstärkungselements derart auftreten kann, dass eine Kraft auf den Aktuator hauptsächlich an Kantenbereichen des Anschlags ausgeübt wird . Darüber hinaus kann eine übermäßige Verformung zu einer Beschädigung des Verstärkungselements führen . Durch die Strukturierung des Verstärkungselements kann erreicht werden, dass die Gesamtfläche der Kantenbereiche , also derj enigen Anschlagsbereiche , die an Nicht-Anschlagsbereiche angrenzen, erhöht wird . Somit kann eine Beschädigung des Aktuators und des Verstärkungselements auch bei höheren Kräften verhindert werden .
Der Aktuator kann zwischen dem Verstärkungselement und einem weiteren Verstärkungselement angeordnet sein . Die Verstärkungselemente können gleichartig ausgebildet sein, insbesondere gleichartige Anschlagsstrukturen aufweisen .
Der Aktuator ist beispielsweise als piezokeramischer Aktuator ausgebildet . Durch die Anschlagsstruktur kann ein Bruch der Piezokeramik bei übermäßiger Krafteinwirkung verhindert werden . Beispielsweise weist der Aktuator eine quadratische Grundform auf . Die Grundform entspricht dabei einer Hauptfläche des Aktuators . Der Aktuator kann beispielsweise auch eine länglich rechteckige Grundform aufweisen .
Das Verstärkungselement weist beispielsweise eine kreis förmige Grundform auf . Es ist auch möglich, dass das Verstärkungselement eine rechteckige Grundform aufweist . Das Verstärkungselement kann aus einem Blech gebildet sein . Das Blech weist beispielsweise die Form eines Beckens oder Kegelstumpfes auf .
Die Anschlagsstruktur kann integral mit der Nicht- Anschlagsstruktur ausgebildet sein . Insbesondere ist die Anschlagsstruktur ein integraler Bestandteil weiterer Bereiche des Verstärkungselements , beispielsweise auch des Randbereichs . Bei Ausbildung des Verstärkungselements als Blech kann die Anschlagsstruktur als umgeformter Teil des Blechs ausgebildet sein . Beispielsweise ist die Anschlagsstruktur durch Tief ziehen des Blechs ausgebildet . Die Nicht-Anschlagsstruktur ist dabei nicht tiefgezogen .
Die Anschlagsstruktur kann mehrere separate Teilanschläge aufweisen, wobei die Teilanschläge durch die Nicht- Anschlagsstruktur separiert sind .
Beispielsweise weist die Anschlagsstruktur ein oder mehrere Kreisringe oder Kreissegmente auf . Es kann auch die Nicht- Anschlagsstruktur ein oder mehrere Kreisringe oder Kreissegmente aufweisen . Beispielsweise weist die Anschlagsstruktur mehrere konzentrisch angeordnete Kreisringe auf . Die Kreisringe können konzentrisch um einen Mittelpunkt des Verstärkungselements angeordnet sein . Ein oder mehrere Nicht-Anschlagsbereiche können ebenfalls in Form von Kreisringen oder in Form von Stegen zwischen den Kreissegmenten ausgebildet . Es können auch die Anschlagsbereiche in Form von Stegen ausgebildet sein . Beispielsweise erstrecken sich die Stege von einem Mittelbunkt gesehen in Richtung des Randbereichs . Die Kreisringe oder Kreissegmente können dabei vollständig separiert oder durch Brücken verbunden sein .
Beispielsweise weist die Anschlagsstruktur mehrere Kreissegmente auf und die Nicht-Anschlagsstruktur ist in Form von Stegen zwischen den Kreissegmenten ausgebildet oder die Nicht-Anschlagsstruktur weist mehrere Kreissegmente auf und die Anschlagsstruktur ist in Form von Stegen zwischen den Kreissegmenten ausgebildet . Grundsätzlich ist j ede Geometrie der Anschlagsstrukturen auch für die Nicht- Anschlagsstrukturen möglich und umgekehrt .
Beispielsweise weist die Anschlagsstruktur und/oder die Nicht-Anschlagsstruktur die Form eines Kreuzes auf .
Die Anschlagsstruktur kann innerhalb einer Kreis fläche angeordnet sein, so dass ein äußerer Kantenbereich der Anschlagsstruktur in Form eines Kreisrings oder unterbrochenen Kreisrings verläuft .
Es können sich Anschlagsbereiche der Anschlagsstruktur mit Nicht-Anschlagsbereichen von einem Mittelpunkt des Verstärkungselements gesehen in Richtung des Randbereichs abwechseln .
Die Anschlagsstruktur und Nicht-Anschlagsstruktur kann nur im Zentralbereich des Verstärkungselements ausgebildet sein . Somit kann die Struktur derart ausgebildet sein, dass sie sich nicht in den Randbereich erstreckt . Es ist auch möglich, dass die Anschlags- und Nicht-Anschlagsstruktur nur in einem inneren Bereich des Zentralbereichs ausgebildet ist .
Beispielsweise erstreckt sich die Struktur nur maximal über die Häl fte der maximalen Ausdehnung des Zentralbereichs .
Beispielsweise ist der Zentralbereich kreis förmig ausgebildet und der Anschlagsbereich ist innerhalb eines Kreises mit dem halben Radius angeordnet .
Alternativ oder zusätzlich können sich entlang einer Kreislinie um einen Mittelpunkt des Verstärkungselements Anschlagsbereiche und Nicht-Anschlagsbereiche abwechseln . Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Haptikbauteils angegeben . Es kann sich insbesondere um das vorhergehend beschriebene Haptikbauteil handeln . Im Verfahren wird ein Blech zur Ausbildung des Verstärkungselements bereitgestellt . Das Blech wird plastisch verformt und dabei wird die Anschlagsstruktur ausgebildet .
Beispielsweise wird das Blech durch Tief ziehen verformt . Dann wird das Blech in seinem Randbereich an einem piezoelektrischen Aktuator befestigt .
Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere Aspekte , insbesondere Vorrichtungen und Verfahren . Die für einen der Aspekte beschriebenen Merkmale , Eigenschaften und
Aus führungs formen sollen entsprechend auch für den anderen Aspekt gelten .
Zudem ist die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände nicht auf die speziellen Aus führungs formen beschränkt . Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Aus führungs formen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden .
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand schematischer Aus führungsbeispiele näher erläutert .
Es zeigen :
Figur 1A eine Aus führungs form eines Haptikbauteils in perspektivischer Ansicht ,
Figur 1B die Aus führungs form aus Figur 1A im Querschnitt ,
Figur 2A eine weitere Aus führungs form eines Haptikbauteils in perspektivischer Ansicht , Figur 2B die Aus führungs form aus Figur 2A im Querschnitt ,
Figur 3 die Aus führungs form des Haptikbauteils der Figuren 2A und 2B mit elektrischer Kontaktierung,
Figur 4 eine weitere Aus führungs form eines Verstärkungselements eines Haptikbauteils in perspektivischer Ansicht .
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugs zeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Aus führungs formen .
Die Figuren 1A und 1B zeigen eine Aus führungs form einer Haptikbauteil 1 in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt . Die Haptikbauteil 1 kann beispielsweise in einem Eingabe- und/oder Ausgabegerät eingesetzt werden, beispielsweise in einem Touchpad oder einem Bedienknopf .
Die Haptikbauteil 1 weist einen piezoelektrischen Aktuator 2 auf . Es kann sich hierbei um ein piezokeramisches Element handeln . Insbesondere kann es sich um ein keramisches Vielschichtbauelement handeln . Der Aktuator 2 weist elektrische Kontaktbereiche 10 zur elektrischen Kontaktierung auf . Die Kontaktbereiche 10 sind beispielsweise mit Elektrodenschichten unterschiedlicher Polarität verbunden .
Die Polarität ist durch eine Markierung, beispielsweise den hier gezeigten Punkt an einem der Kontaktbereiche 10 , gekennzeichnet . Der Aktuator 2 weist vorliegend eine quadratische Grundform auf . Es sind j edoch auch andere Grundformen, z . B . eine länglich rechteckige Grundform denkbar . Das Haptikbauteil 1 weist ein Verstärkungselement 3 auf . Insbesondere ist der piezoelektrische Aktuator 2 zwischen dem Verstärkungselement 3 und einem weiteren Verstärkungselement 4 angeordnet . Die Verstärkungselemente 3 , 4 sind j eweils in ihren seitlichen Randbereichen 5 am Aktuator 2 befestigt . Beispielsweise sind die Verstärkungselemente 3 , 4 dort mit dem Aktuator 2 verklebt . Das Verstärkungselement 3 kann mit einer Berühroberfläche zur Ein- oder Ausgabe von haptischen Signalen verbunden sein . Das weitere Verstärkungselement 4 kann an einem Widerlager angeordnet sein .
Das Verstärkungselement 3 weist eine Grundform in Form einer Kreis fläche auf . Es sind j edoch auch andere Grundformen, beispielsweise eine quadratische Grundform möglich . Die Grundform des Verstärkungselements 3 kann insbesondere der Grundform des Aktuators 2 entsprechen .
Der Aktuator 2 ist dazu ausgebildet , sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu verformen, insbesondere in einer Ebene seiner Hauptoberfläche . Die Verstärkungselemente 3 , 4 verformen sich aufgrund ihrer Befestigung am Aktuator 2 derart , dass ein Zentralbereich 6 senkrecht zur Oberfläche des Aktuators 2 bewegt wird . Es kann insbesondere eine Vibration erzeugt werden und damit ein vibrotaktiles Feedback erzeugt werden .
Die Haptikbauteil 1 kann alternativ oder zusätzlich dazu ausgebildet sein, dass der Aktuator 2 bei Einwirkung einer Kraft auf die Verstärkungselemente 3 , 4 ein elektrisches Signal erzeugt . Daraufhin kann wieder eine haptische Rückmeldung erzeugt werden . Insbesondere wird bei Einwirkung einer Kompressionskraft von außen auf die Zentralbereiche 6 der Verstärkungselemente 3 , 4 wird ein elektrisches Signal an den Kontaktbereichen 10 erzeugt . Auf diese Weise kann eine haptische Einwirkung von außen erkannt werden und das Haptikbauteil 1 fungiert als Sensor .
Die Verstärkungselemente 3 , 4 sind in Form von Blechen, insbesondere metallischen Blechen, ausgebildet . Beispielsweise weist das Blech als Material Titan auf . Die Bleche sind derart geformt , dass sich der Zentralbereich 6 im Ruhezustand von der Oberfläche des Aktuators 2 abhebt . Insbesondere weisen die Verstärkungselemente 3 , 4 die Geometrie von Becken oder eines Kegelstumpfes auf .
Bei einer übermäßigen Krafteinwirkung von außen auf das oder die Verstärkungselemente 3 , 4 besteht die Gefahr einer Beschädigung der Verstärkungselemente 3 , 4 und/oder des piezoelektrischen Aktuators 2 und damit einem Aus fall des Haptikbauteils 1 .
Durch die Ausbildung einer Anschlagsstruktur 7 soll eine zu starke Verformung des Verstärkungselements 3 , 4 begrenzt und die mechanische Belastung auf einen ausreichend großen Flächenbereich des Aktuators 2 verteilt werden . Im Folgenden wird die Anschlagsstruktur 7 mit Bezug auf das Verstärkungselement 3 beschrieben . Das weitere Verstärkungselement 4 kann entsprechend ausgebildet sein .
In den gezeigten Aus führungsbeispielen ist die Anschlagsstruktur 7 ein integraler Bestandteil des Verstärkungselements 3 , insbesondere integral mit einer Nicht-Anschlagsstruktur 12 und dem Randbereich 5 ausgebildet . Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Anschlagsstruktur 7 . Beispielsweise wird die Anschlagsstruktur 7 durch eine plastische Verformung des
Verstärkungselements 3 geformt , wie beispielsweise Tief ziehen .
Die Anschlagsstruktur 7 weist eine Strukturierung auf , um die Kräfte gleichmäßiger auf den Aktuator 2 zu verteilen . Insbesondere ist die Anschlagsstruktur 7 nicht lediglich in Form einer einzigen kreis flächigen Vertiefung ausgebildet , bei dem lediglich ein kreis förmiger Kantenbereich zu einem äußeren Nicht-Anschlagsbereich 16 ausgebildet ist . Vielmehr sind zwischen Anschlagsbereichen 7a, 7b, 7c, 7d mehrere Nicht-Anschlagsbereiche 8a, 8b, 8c, 8d ausgebildet .
Somit befinden sich Kantenbereiche 14a, 14b, 14c, 14d in unterschiedlichen Abständen zu einem Mittelpunkt 9 des Verstärkungselements . Der Kantenbereich 14a ist dabei Teil der Außenkante der Anschlagsstruktur 7 . Die Außenkante ist kreis förmig ausgebildet .
Um den Mittelpunkt 9 herum befindet sich vorliegend ein Loch 13 , um einen Druckausgleich zu ermöglichen . Direkt angrenzend an das Loch 13 sind Nicht-Anschlagsbereiche 8b, 8c ausgebildet . Das Loch 13 ist kein Nicht-Anschlagsbereich, da es kein Material aufweist .
Es hat sich herausgestellt , dass durch einen einfachen, flächigen Anschlag, der integral mit dem Verstärkungsbereich ausgebildet ist , bei hoher Krafteinwirkung eine Verformung des Verstärkungselements 3 auftreten kann, die zu einer übermäßigen Krafteinwirkung an den Kantenbereichen des Anschlags führt . Somit konzentriert sich die Krafteinwirkung auf einen Kantenbereich des Anschlags und verteilt sich nicht gleichmäßig über den Aktuator 2 . Dies kann auch zu einer Beschädigung, insbesondere eines Bruchs , des Aktuators 2 und zu einer unerwünschten dauerhaften Verformung des Verstärkungselements 3 führen . Durch eine Ausbildung mehrere Kantenbereiche 14a, 14b, 14c, 14d in unterschiedlichen Abständen zu einem Mittelpunkt 9 wird die Anzahl der Kontaktstellen erhöht und somit die Kraft gleichmäßiger verteilt .
Bei der gezeigten Anschlagsstruktur 7 wechseln sich mehrere Anschlagsbereiche 7a, 7b, 7c, 7d mit Nicht-Anschlagsbereichen 8a, 8b, 8c, 8d vom Mittelpunkt 9 des Verstärkungselements 3 gesehen in Richtung des Randbereichs 5 ab .
In der hier gezeigten Aus führungs form formen die Anschlagsbereiche 7a-7d mehrere separate Teilanschläge 11a, 11b in Form konzentrischer Kreisringe . Die Kreisringe sind durch eine Nicht-Anschlagsstruktur 12 aufweisend mehrere konzentrische Kreisringe voneinander getrennt .
Die Anschlagsstruktur 7 ist rotationssymmetrisch um eine Achse durch den Mittelpunkt 9 senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators 2 ausgebildet .
Insbesondere können sich derartige Aus führungs formen für eine Krafteinwirkung von größer als 300 N eignen, beispielsweise von bis zu 400 N, ohne dass es zu einer Beschädigung der Verstärkungselemente 3 , 4 oder des Aktuators 2 kommt . Dabei kann die maximale Kompressionskraft , die gleichmäßig über die Oberfläche des Aktuators verteilt ist , beispielsweise auf 20 N begrenzt werden .
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine weitere Aus führungs form eines Haptikbauteils 1 in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt . Das hier gezeigte Haptikbauteil 1 unterscheidet sich vom Haptikbauteil 1 der Figuren 1A und 1B in der Geometrie der Anschlagsstruktur 7 .
Die Anschlagsstruktur 7 weist mehrere kreissegmentförmige , separate Teilanschläge 11a, 11b, 11c, l ld auf . Zwischen den Teilanschlägen l la- l ld ist eine Nicht-Anschlagsstruktur 12 aufweisend mehrere Stege ausgebildet . Die Nicht- Anschlagsstruktur 12 ist insgesamt in Form eines Kreuzes ausgebildet .
Somit sind auch hier, wie im Schnittbild in Figur 2B gut zu sehen ist , Kantenbereiche 14a, 14b von Anschlagsbereichen 7a, 7b zu Nicht-Anschlagsbereichen 8a, 8b, 16 in unterschiedlichen Abständen zum Mittelpunkt 9 angeordnet . Insgesamt ist die Fläche der Kantenbereiche 14a, 14b größer als bei einer einheitlich kreis förmigen Struktur eines Anschlags . Somit kann die Kraft auch hier gleichmäßiger auf den Aktuator 2 verteilt werden .
Bei der hier gezeigten Verstärkungsstruktur wechseln sich entlang einer Kreislinie um des Mittelpunkt 9 des Verstärkungselements 3 gesehen Anschlagsbereiche 7a, 7b, 7c, 7d mit Nicht-Anschlagsbereiche 8a, 8b, 8c, 8d ab .
Bei der hier gezeigten kreuz förmigen Nicht-Anschlagsstruktur 12 ergibt sich eine besonders gute Stabilität des Verstärkungselements 3 und eine besonders gute Verteilung der Krafteinwirkung . Auch hier hat sich gezeigt , dass bei einer Einwirkung einer Kraft von 400 N noch zu keiner Beschädigung führt .
Die hier gezeigte Anschlagsstruktur 7 ist nichtrotationssymmetrisch ausgebildet . Die Anschlagsstruktur 7 ist achsensymmetrisch bezüglich einer Ebene senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators 2 ausgebildet .
Vorliegend weist die Anschlagsstruktur 7 vier kreissegment förmige Teilanschläge l la- l ld auf . Es ist auch möglich, mehr oder weniger kreissegment förmige Teilanschläge l la- l ld vorzusehen, beispielsweise drei oder fünf Teilanschläge .
Das weitere Verstärkungselement 4 kann wie das Verstärkungselement 3 orientiert sein oder relativ zum Verstärkungselement 3 um eine Achse senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators 2 gedreht sein . Beispielsweise ist das weitere Verstärkungselement 4 um 45 ° gedreht . Dies kann die Stabilität der Verstärkungselemente 3 , 4 und die Gleichmäßigkeit der Krafteinwirkung weiter verbessern .
Bei der Strukturierung der Anschlagsstruktur 7 ist es vorteilhaft , wenn eine ausreichende Fläche an einer dem Aktuator 2 abgewandten Seite zur Befestigung an der Rückseite einer Berührungsoberfläche , wie beispielsweise eines Bedienknopfes oder eines Touchpads zur Verfügung steht . Die Nicht-Anschlagsstruktur 12 zwischen den Teilanschlägen l la- l ld ermöglicht eine Befestigung oder Halterung auch im Bereich des Mittelpunkts 9 des Verstärkungselements 3 .
Beispielsweise kann die Nicht-Anschlagsstruktur 12 durch Klebstof f oder ein Klebeband an einem beweglichen Element der Berührungsoberfläche befestigt sein . Bei der Aus führungs form der Figuren 1A, 1B bildet die kreisringförmige Nicht- Anschlagsstruktur 12 ebenso eine Befestigung- oder Halterungsmöglichkeit zur Systemintegration . Die Anschlagsstruktur 7 und die Nicht-Anschlagsstruktur 12 sind nur im Zentralbereich 6 ausgebildet . Die Anschlagsstruktur 7 und Nicht-Anschlagsstruktur 12 ist insbesondere nur in einem inneren Bereich des Zentralbereichs 6 ausgebildet . Beispielsweise liegt die Anschlagsstruktur 7 und Nicht-Anschlagsstruktur 12 innerhalb eines Kreises mit einem Radius , der kleiner gleich der Häl fte des Radius des Zentralbereichs 6 ist .
In Figur 3 ist das Haptikbauteil 1 aus den Figuren 2A und 2B mit einer elektrischen Kontaktierung 11 zu sehen . Die elektrische Kontaktierung 15 stellt einen elektrischen Kontakt zu den Kontaktbereichen 10 her . Beispielsweise ist die Kontaktierung 15 mit den Kontaktbereichen 10 durch einen elektrisch leitfähigen Klebstof f verbunden .
Durch die Anordnung von Kontaktbereichen 10 unterschiedlicher Polarität nur an einer Seite des Aktuators 2 ist eine einfache elektrische Kontaktierung durch verschiedene Methoden, beispielsweise flexible Kontaktierungen und Kabel möglich .
Figur 4 zeigt eine weitere Aus führungs form eines Verstärkungselements 3 , 4 eines Haptikbauteils 1 in perspektivischer Ansicht . Das Haptikbauteil 1 kann wie in den weiteren Aus führungs formen ausgebildet sein .
Das Verstärkungselement 3 weist eine integrale Anschlagsstruktur 7 auf , die kreisringförmig ausgebildet ist . Die Anschlagsstruktur 7 umgibt eine ebenfalls kreisringförmige Nicht-Anschlagsstruktur 12 . Die Nicht- Anschlagsstruktur 12 umgibt ein Loch 13 im Verstärkungselement 3 . Die Nicht-Anschlagsstruktur 12 kann wie in den anderen Aus führungs formen zur Befestigung an einer Bedienoberfläche genutzt werden .
Auch hier weist die Anschlagsstruktur 7 mehrere Kantenbereiche 14a, 14b auf , so dass die Kraft auf den Aktuator 2 gleichmäßiger verteilt werden kann als es bei nur einem Kantenbereich möglich wäre .
In allen gezeigten Aus führungs formen ist die Anschlagsstruktur 7 als integraler Bestandteil des Verstärkungselements 3 ausgebildet . Insbesondere ist die Anschlagsstruktur 7 durch eine Verformung des Verstärkungselements 3 eingebracht . Es ist auch möglich, die Anschlagsstruktur 7 durch Anbringung eines separaten Elementes , beispielsweise einer Plastikfolie oder eines Schaumes aus zubilden . Beispielsweise kann es sich um eine Kaptonfolie handeln .
Weiterhin ist es auch möglich, dass das Haptikbauteil 1 ein separates Element zusätzlich zu einer integrierten Anschlagsstruktur 7 aufweist , um die Krafteinwirkung weiter zu homogenisieren .
Be zugs Zeichen
1 Haptikbauteil
2 Aktuator 3 Verstärkungselement
4 weiteres Verstärkungselement
5 Randbereich
6 Zentralbereich
7 Anschlagsstruktur 7a-7d Anschlagsbereiche
8a- 8d Nicht-Anschlagsbereiche
9 Mittelpunkt
10 elektrischer Kontaktbereich
11a, 11b, 11c, l ld Teilanschläge 12 Nicht-Anschlagsstruktur
13 Loch
14a, 14b, 14c, 14d Kantenbereich
15 elektrische Kontaktierung
16 äußerer Nicht-Anschlagsbereich

Claims

Patentansprüche
1. Haptikbauteil (1) aufweisend einen piezoelektrischer Aktuator (2) , wenigstens ein Verstärkungselement (3, 4) mit einen lateralen Randbereich (5) , in dem das Verstärkungselement (3, 4) am piezoelektrischen Aktuator (2) befestigt ist, und mit einem Zentralbereich (6) , der senkrecht zu einer Hauptfläche des Aktuators (2) beweglich ist, wobei das Verstärkungselement (3, 4) im Zentralbereich (6) eine Anschlagsstruktur (7) zum Anschlag an den Aktuator (2) und wenigstens eine Nicht-Anschlagsstruktur (12) aufweist, die nicht zum Anschlag an den Aktuator (2) ausgebildet ist, wobei die Anschlagsstruktur (7) wenigstens zwei Anschlagsbereiche (7a, 7b, 7c, 7d) und die Nicht- Anschlagsstruktur (12) wenigstens einen Nicht- Anschlagsbereich (8a, 8b, 8c, 8d) aufweist, wobei der Nicht- Anschlagsbereich zwischen den zwei Anschlagsbereichen angeordnet ist.
2. Haptikbauteil nach Anspruch 1, wobei die Anschlagsstruktur (7) integral mit der Nicht- Anschlagsstruktur (12) ausgebildet ist.
3. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) mehrere separate Teilanschläge (11a, 11b, 11c, lld) aufweist, die durch die Nicht-Anschlagsstruktur (12) separiert sind.
4. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) mehrere Teilanschläge (11a, 11b, 11c, lld) in Form von Kreisringen oder Kreissegmenten aufweist .
5. Haptikbauteil nach Anspruch 4, bei dem die Teilanschläge (11a, 11b, 11c, lld) in Form von konzentrischen Kreisringen ausgebildet sind.
6. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) innerhalb einer Kreisfläche angeordnet ist, so dass ein Kantenbereich (14a, 14b) der Anschlagsstruktur (7) in Form eines Kreisrings oder unterbrochenen Kreisrings verläuft.
7. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) mehrere Anschlagsbereiche (7a, 7b, 7c, 7d) aufweist, die sich mit Nicht-
Anschlagsbereichen (8a, 8b, 8c, 8d) von eine Mittelpunkt (9) des Verstärkungselements (3) gesehen in Richtung des Randbereichs (5) abwechseln.
8. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang einer Kreislinie um einen Mittelpunkt (9) des Verstärkungselements (3, 4) abwechselnd Anschlagsbereiche
(7a, 7b, 7c, 7d) und Nicht-Anschlagsbereiche (8a, 8b, 8c, 8d) angeordnet sind.
9. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsbereiche (7a, 7b, 7c, 7d) und/oder die Nicht-Anschlagsbereiche (8a, 8b, 8c, 8d) in Form von mehreren Stegen ausgebildet sind.
10. Haptikbauteil nach Anspruch 9, bei dem sich die Stege von einem Mittelpunkt (13) des Verstärkungselements (3, 4) gesehen in Richtung des Randbereichs (5) erstrecken.
11. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) mehrere Kreissegmente aufweist und die Nicht-Anschlagsstruktur (12) in Form von Stegen zwischen den Kreissegmenten ausgebildet ist oder bei dem die Nicht-Anschlagsstruktur (12) mehrere Kreissegmente aufweist und die Anschlagsstruktur (7) in Form von Stegen zwischen den Kreissegmenten ausgebildet ist.
12. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) und/oder die Nicht- Anschlagsstruktur (12) die Form eines Kreuzes aufweist.
13. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Aktuator (2) eine quadratische Grundform aufweist und das Verstärkungselement (3, 4) eine kreisförmige Grundform aufweist.
14. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verstärkungselement (3, 4) ein Loch (13) aufweist, wobei die Nicht-Anschlagsstruktur (12) direkt and das Loch (13) angrenzt.
15. Haptikbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anschlagsstruktur (7) nur im Zentralbereich des Verstärkungselements (3, 4) ausgebildet ist.
16. Verfahren zur Herstellung des Haptikbauteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
A) Bereitstellen eines Blechs zur Ausbildung des Verstärkungselements (3, 4) ,
B) Plastisches Verformen des Blechs zur Ausbildung der Anschlagsstruktur (7) , C) Befestigung des Blechs im seinem Randbereich (5) an einem piezoelektrischen Aktuator (2) .
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das plastische Verformen ein Tiefziehen des Blechs aufweist .
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