Piezo-Aktuatoren Intuitiver bedienen

Ob Smartphone, Kfz-Cockpit, Industrie-Steuerung oder Spielekonsole – piezobasierte Tastenlösungen mit haptischem Feedback sorgen hier für Nutzerfreundlichkeit und Sicherheit bei der Bedienung. Durch sein vielseitiges Aktuatoren-Portfolio kann TDK unterschiedliche haptische Applikationen abdecken.

Mehr Komfort und Sicherheit – diese beiden Eigenschaften von multifunktionalen Bedienoberflächen wie Touchscreens oder andere berührungssensitive Oberflächen haben dafür gesorgt, dass sie heutzutage allgegenwärtig sind. Bestehende Lösungen für haptisches Feedback, zum Beispiel ERM (Eccentric Rotary Mass) oder LRA (Linear Resonant Actuators), haben jedoch einige Nachteile. Dazu zählen große Baugrößen, wobei hier die Bauhöhe für Display-Ansteuerungen relevant ist, sowie ein hoher Leistungsbedarf bei batteriebetriebenen Geräten wie Smartphones und Tablets. Außerdem ist bei diesen Lösungen die Frequenz als auch die Stärke des Feedbacks gar nicht oder nur in sehr engen Grenzen variabel. Darüber hinaus verfügen sie über keine sensorischen Fähigkeiten. Die geeignetere Alternative sind piezobasierte Aktuatoren, zum Beispiel die der TDK-Produktfamilien PowerHap und PiezoHapt. Sie vereinen einen druckempfindlichen Sensor und Aktuator in einem Bauelement.

Dünne Aktuatoren für haptisches Feedback

Für den Einsatz in Fahrzeug- und Smartphone-Displays hat TDK die Typen L8060 und L3015 aus der PiezoHapt-Familie entwickelt. Sie weisen geringe Bauhöhen von 0,35 mm beziehungsweise 0,3 mm bei Flächen von 80 mm × 60 mm (L8060) oder 30 mm × 15 mm (L3015) auf. Das unimorphe Design basiert auf einem flachen Vielschicht-Piezoelement, das auf einer Seite mit einer Vibrationsplatte verbunden ist und direkt unter Displays verbaut werden kann (Bild 1).

Die Aktuatoren sind für Betriebsspannungen ≤24 V (L8060) oder ≤12 V (L3015) ausgelegt. Abhängig von Amplitude und Frequenz der angelegten Spannung lässt sich mit den Bauteilen ein breites Spektrum an Vibrationsmustern darstellen. Geeignet sind diese Ausführungen für Oled-Displays.

PowerHap-Aktuatoren basieren auf mehrlagigen Vielschicht-Piezoscheiben mit Kupferinnenelektroden. Bild 2 zeigt deren Aufbau. Wird an die Piezoscheibe eine Spannung angelegt, dehnt sie sich in z-Richtung nur minimal aus, kontrahiert aber aufgrund der Volumenerhaltung des Piezoeffekts gleichzeitig in x- und y-Richtung. Diese Kontraktion wird mit Hilfe von zwei Zimbeln aus Titan, die auf beiden Seiten der Scheibe befestigt sind, in z-Richtung um den Faktor 15 verstärkt, und es ergibt sich bei dem größten Typ 2626H023V120 eine große Auslenkung von 230 µm. Von Vorteil ist die hohe Linearität zwischen angelegter Spannung und Auslenkung. Sie beträgt bei diesem Typ 1,8 µm/V. Dadurch ist eine präzise und gleichzeitig variable Ansteuerung bezüglich der Amplitude und Signalform möglich.

Gute Werte bei Reaktionszeit und Beschleunigung

Durch die Vielschicht-Piezotechnologie werden bisher unerreichte Werte bezüglich Reaktionszeit und Beschleunigung erzielt. So beträgt bei einer Anstiegszeit von nur 1 ms die Beschleunigung der Zimbel bereits 15 g und erreicht einen Maximalwert von 35 g bei einer Beaufschlagung mit einer Masse von 100 g, wobei eine sehr große Kraft von 25 N erzeugt wird. Vergleichbare Werte sind mit konventionellen Lösungen nicht realisierbar. Bild 3 verdeutlicht Reaktionszeit und Beschleunigung beim Typ 2626H023V120.

Die Aktuatoren der PowerHap-Familie eignen sich für einen breiten Stimulationsbereich von 1 Hz bis 500 Hz mit variablen Amplituden, Dauern und Signalformen wie Sinus, Dreieck oder Rechteck. Abhängig vom Typ liegen die Ansteuerspannung bei -20 V bis 120 V oder -10 V bis 60 V. Daher lässt sich mit diesen Aktuatoren an menschlichen Mechanorezeptoren ein kundenspezifisches haptisches Feedback erzeugen. Entsprechend können Entwickler spezifische, hochauflösende haptische Feedback-Profile erstellen, wie sie Nutzer bei HMI-Anwendungen im Automotive- und Industriebereich erwarten. Die Kombination aus flacher Bauweise von 1,1 mm bis maximal 2,3 mm Dicke (Kantenlänge wischen 9 mm und 26 mm) und starkem Feedback ermöglicht nicht nur die Integration in Displays, sondern erlaubt es auch, diese Aktuatoren direkt unter planen Oberflächen zu platzieren. Dadurch wird ein hohes Maß an Dichtigkeit erzielt, was in rauen Industrieumgebungen genauso erforderlich ist wie auch bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an Hygiene, wie etwa in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik.

Neben der sehr guten aktuatorischen Leistung besitzen die PowerHap-Bauelemente aufgrund der Piezo-Vielschichttechnologie auch sehr gute sensorische Eigenschaften. Anders als konventionelle Schalter oder Taster, die nur die Schaltzustände Ein und Aus kennen, liefern die Bauteile eine Ausgangsspannung, die proportional zum ausgeübten Druck ist. Bild 4 veranschaulicht dieses Verhalten. Und im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Tastern ist es mit auf PowerHap basierenden Lösungen sogar möglich, in Abhängigkeit der ausgeübten Druckkraft, verschiedene Aktionen mit einem entsprechend unterschiedlichen Feedback auszulösen.