Haptische Feedback-Systeme für Displays Den Tastsinn wieder nutzen

Eingaben über Touch-Displays fordern mehr Aufmerksamkeit als das Drücken einer Taste. Trotzdem verdrängen sie zunehmend die mechanischen Schalter und Knöpfe an den Bedienterminals. Ein Ausweg ist die Integration von haptischem Feedback – technische Möglichkeiten dazu gibt es viele.

Ein haptisches Feedback wird durch Bewegung der berührten Oberfläche erzeugt. Idealerweise bewegt sich diese so, dass sie wie ein Schalter oder Taster empfunden wird. Hierzu gibt es heute zwei verschiedene Möglichkeiten: Entweder die Oberfläche bewegt sich mit einer vergleichbaren Auslenkung oder das Schalterempfinden wird durch einen Impuls im Mikrometerbereich durch Stimulierung der Fingernerven virtuell erzeugt, ein sogenanntes „tactile feedback“. Aufgrund der immer kleiner werdenden Bauräume wird letzteres Verfahren bevorzugt.

Die Qualität und damit die realitätsnahe Simulation eines Schalters hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab. Die Reaktionszeit der Aktuatoren beeinflusst ganz wesentlich die Stimulierung der Nerven in der Fingerkuppe. Schnelles Einschwingen kommt einem Klickschalter beispielsweise sehr nah. Ideal sind ca. 20 Millisekunden. Dabei sollte die Stärke der Vibration zur ausreichenden Stimulierung geeignet sein. Durch unterschiedliche Versuche hat sich gezeigt, dass die Amplitudenform und Frequenz eindeutig ausschlaggebend für das haptische Klickempfinden sind. Je weiter die Bandbreite ist, umso mehr lässt sich die Charakteristik durch Software beeinflussen. Ebenfalls relevant sind mechanische Einflüsse, wie die Einkopplung der Schwingung, die bewegte Masse und natürlich die Oberflächenbeschaffenheit. Dabei sollte jegliche Dämpfung vermieden werden, um den Impuls bestmöglich auf den Finger zu übertragen. Es gibt heute vier wesentliche Prinzipien, die technisch realisiert sind.

1. Magnetisch

Die ersten Ansätze wurden mit rotierenden Exzentergewichten (Eccentric Rotatin Mass, ERM) oder linearen Masse-Aktoren (Linear Resonant Actuator, LRA) ausgeführt. Siehe dazu auch Bild 1 und Bild 2. Hierbei wird ein Gewicht durch einen Motor oder eine Magnetspule in Bewegung versetzt. Aufgrund der Masseträgheit entsteht ein Impuls, der auf die Oberfläche übertragen wird. So entsteht eine Art haptische Reaktion, die jedoch meist nur als Vibration empfunden wird. In abgewandelter Form und auf kurze Impulse reduziert, kommt diese Methode heute z.B. in Smartphones zum Einsatz.

Der Vorteil dieses Prinzips ist die einfache sowie kostengünstige Umsetzbarkeit. Zudem reichen die vorhandenen Akkuspannungen zur Ansteuerung aus. Der Nachteil ist die Reaktionszeit von 50 bis 80 Millisekunden, die den Impuls etwas unnatürlich wirken lassen. Meist wird dabei auch das ganze Gerät bewegt, was bei einem Smartphone, das auf dem Tisch liegt, nur wenig Effekte hat. Für Joysticks und ähnliche Bedienelemente lässt sich jedoch ein gutes Feedback erzielen.

Natürlich kann eine Oberfläche auch direkt mit einer Magnetspule, einem Solenoid, in Bewegung versetzt werden, ähnlich einem LRA. In diesem Fall gelten für Bauraum und Spannungen dieselben Aspekte. Die so erzeugten Impulse sind deutlich ausgeprägt, fühlen sich aber nicht wie ein Schalter an.

2. Elektrostatisch

Ebenfalls schon länger bekannt und durch diverse Patente abgesichert ist das elektrostatische Prinzip. Dabei werden zwei leitende Platten durch entsprechende Polarisation gegenseitig angezogen oder abgestoßen (Bild 3). Durch entsprechend hohe Spannung kann auf diese Art ein kurzfristiger Impuls erzeugt werden, der dann auf der Oberfläche die Fingerkuppe stimuliert. Um mit dem elektrischen Feld genügend Kraft zu erzeugen, ist eine gewisse Fläche notwendig, im Idealfall die ganze Displayfläche. Zudem müssen beide Elektroden mechanisch auf Abstand gehalten werden.

Die Integration dieses Aktuators ist mit erheblichem Aufwand verbunden. Darüber hinaus wird noch ein weiteres elektrisches Feld mit hohen Spannungen und kurzen Impulsen in den Verbund aus Display und kapazitivem Touch eingebunden. Damit werden schon vorhandene EMV-Probleme nicht kleiner. Inzwischen gibt es jedoch industrietaugliche Ausführungen, bei denen diese Probleme gelöst wurden. Das Ergebnis nähert sich schon sehr an ein Klickgefühl an. Wie beim ERM/LRM brauchen auch diese Systeme eine gewisse Einschwingzeit.