Bildschirme Touchscreens mit taktiler Rückmeldung

Touchscreens haben eine wirklich intuitive Bedienung von Geräten erst möglich gemacht. Doch einer der wesentlichen Nachteile dieser Benutzerschnittstelle ist die meist noch fehlende taktile Rückmeldung, wie sie beispielsweise jede normale PC-Tastatur bietet. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, Touchscreens mit taktilem Feedback ausrüsten.

Touchscreens haben als Benutzerschnittstelle unbestreitbare Vorteile - vor allem in der Unterhaltungselektronik. Das verbesserte Design und die verbesserte mechanische Haltbarkeit, die Optimierung der nutzbaren Fläche und die Möglichkeit der Einrichtung eines reichen »Vokabulars« von Eingabegesten sind nur einige der Merkmale, an die wir sogleich denken. Der Verlust der haptischen oder taktilen Rückmeldung, die der Benutzer von herkömmlichen mechanischen Eingabemechanismen gewohnt ist, führt jedoch unter anderem zu höheren Fehlerquoten und folglich zu einer gewissen Frustration.

Dem lässt sich dadurch begegnen, dass man den Touchscreen zusätzlich mit einem taktilen Feedback ausstattet. Viele Hersteller haben das auch bereits getan. Handys, Kameras und Mediaplayer sind mit taktiler Rückmeldung ausgestattet, um das Benutzererlebnis zu verbessern. Solche Systeme wurden auch schon in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, in Spielautomaten, in der Medizintechnik sowie in Industrie-Equipment eingesetzt.

Andere Anwendungen taktiler Rückmeldungen finden sich bei Joysticks, Lenkrädern, Kontrollknöpfen von Berührungsflächen, berührungsempfindlichen Schaltern und Tastaturen. Neben der Verbesserung der Erfahrung der Touchscreen-Interaktion können taktile Elemente das Spielgefühl steigern und nachhaltiger machen; sie können reichhaltige nichtakustische Kommunikationshinweise geben und das Media-Erlebnis durch einen zusätzlichen virtuellen Subwoofer steigern. Die zufriedenstellendste Benutzerschnittstelle bietet eine multimodale Rückmeldung: akustisch, visuell und taktil.

In Situationen, in denen akustisches oder visuelles Feedback ungeeignet ist, beispielsweise in stark ablenkenden Umgebungen oder bei seh- oder hörbehinderten Personen, kann eine taktile Interaktion zum Hauptmodus werden. Über die Jahre haben sich mehrere Formen der taktilen Rückmeldung etabliert. Die verschiedenen technologischen Optionen können Entwickler verwirren, die eine solche Technik für ihr Produkt eindesignen wollen.

Letztlich bestimmen Einsatzgebiet und Formfaktoren weitgehend, welches System sich am besten eignet. In den folgenden Abschnitten sollen die verschiedenen Aktuationstechniken vorgestellt werden. Allerdings gibt es letztendlich keine Technik, die für jeden Einsatzzweck optimal wäre (Tabelle).

Die Wahl hängt vom verfügbaren Platz, der gewünschten Leistungsfähigkeit und Nutzung sowie von Kostenbeschränkungen für das Gerät ab. Jede Technik stellt einen Kompromiss dar, der von den Produktentwicklern zu bedenken ist:

  • Leichte Integration: Welche Größe und Form haben die Aktuatoren und Antriebskomponenten, und wie flexibel sind die Optionen ihrer physischen Integration im Gerät?
  • Steuerungsflexibilität: Wie einfach sind die Wellenformen des taktilen Antriebs zu erzeugen, und können die Wellenformen mit verschiedenen Methoden erzeugt werden, um eine ganze Bandbreite von Ergebnissen zu schaffen?
  • Kosten: Was sind die geplanten Entwicklungs- und Herstellungskosten des taktilen Systems?
  • Leistungsfähigkeit: Wie getreu kann das System komplexe taktile Effekte reproduzieren, und welche Bandbreite wahrnehmbarer Auflösung des taktilen »Vokabulars« lassen sich damit realisieren?
  • Stromverbrauch: Wie hoch ist der geplante Stromverbrauch des taktilen Systems bei Annahme einer äquivalenten taktilen Effektstärke?
  • Technische Reife: Wie markt-erprobt ist die Technik?

Inertialtechnik
 

Die Inertialtechnik ist die am weitesten verbreitete und bewährte taktile Aktuationsmethode. Fast jedes Mobiltelefon greift beim Vibrationsalarm darauf zurück. Der Unterschied zwischen dem einfachen Vibrationsalarm und einer hochwertigen taktilen Rückmeldung ergibt sich daraus, wie die Aktuatoren betrieben werden.

In Mobiltelefonen kommt in der Regel eine von zwei Arten von Inertialaktuatoren zum Einsatz (Bild 1): ein Motor, der eine exzentrisch gelagerte Masse dreht (Exzentertechnik; Eccentric Rotating Mass Actuator; ERM) oder ein Feder-Masse-System, das linear schwingt (Linearresonanztechnik; Linear Resonant Actuator; LRA). Beide Aktuatortypen unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise. Während für die Exzentertechnik in der Regel ein Gleichstrommotor mit einfacher Ein/Aus-Schaltung zum Einsatz kommt, nutzt die Linearresonanztechnik ein sinusförmiges Eingangssignal für das Feder-Masse-System.

Bei der Inertialtechnik muss die Eingangswellenform moduliert werden, um die gewünschte mechanische Rückmeldung zu erzeugen. Die dynamische Reaktion der Exzentertechnik lässt sich durch den Einsatz komplexer Wellenformen erheblich verbessern. Dazu wird der Aktuator sehr kurzfristig übersteuert beziehungsweise aktiv unterbrochen, um die Einschwingzeit beziehungsweise die Ausschwingzeit zu verkürzen.

Durch den Einsatz der Modulation von Frequenz und Amplitude, der Veränderung der Wellenform sowie der Veränderung der Dauer lässt sich eine breite Palette von takti-len Effekten erzeugen. Um die -besten Ergebnisse zu erzielen, sind die Wellenformen jedoch auf die Reaktionscharakteristika des spezifischen Aktuators und des integrierten Systems abzustimmen. Das muss besonders genau erfolgen und ist entscheidend für die Nachbildung der haptischen Schärfe herkömmlicher mechanischer Schnappscheiben oder mechanischer Tippschalter, die sehr kurz und genau sein müssen.

Der gesamte Effekt dauert insgesamt gegebenenfalls nur 20 ms, und die Achse dreht sich dann vielleicht weniger als ein Mal. Mechanisch ist der Inertialantrieb meist direkt mit dem Gerätegehäuse verbunden, sodass die vom Aktuator erzeugten Inertialkräfte das gesamte Gerät vibrieren lassen. Diese Bauart eignet sich für kleine Handgeräte wie Mobiltelefone. Es ist jedoch auch möglich, die Inertialtechnik in fest installierten oder größeren Geräten einzusetzen, bei denen lediglich der Touchscreen eine taktile Rückmeldung liefern soll. Das erfordert einen Rahmen oder eine Halterung, die den Aktuator mit dem Bildschirm verbindet, sowie verschiedene andere Anpassungen des Systems.

Piezoelektrische Aktuation

Mithilfe der piezoelektrischen Aktuation lassen sich dünnere Aufbauten mit schnellerer Reaktionszeit und höherer Bandbreite realisieren als mit der Inertialtechnik. Dies erlaubt eine hochwertige taktile Bedienung mit umfangreicherem »Vokabular«. Dadurch können Anwender eine taktile Rückmeldung in anspruchsvolleren Baugrößen umsetzen, also in dünneren und größeren Bildschirmen. Allerdings ist die Technik auch mit Schwierigkeiten in punkto Design und Integration von Produkten mit piezoelektrischen Aktuatoren verbunden. Piezoelektrische Aktuatoren bestehen für gewöhnlich aus keramischen Materialien, die sich beim Anlegen von Spannung verformen.

Sie werden in verschiedenen Formen hergestellt, im Bereich der taktilen Rückmeldung werden jedoch am häufigsten Balken- und Scheibentypen verwendet. Bei der Balkenform bedeutet die Verformung eine Biegung, bei der Scheibenform führt sie zu einer Auf- oder Abwärtswölbung (Bild 2). Wenn das Element hinter oder direkt am Touchscreen oder LCD angeordnet wird, überträgt sich die Verformung lokal auf die Bildschirmoberfläche. Ob die Scheiben- oder die Balkenform eingesetzt wird, hängt weitgehend von der gesamten mechanischen Anordnung ab. Piezoelektrische Elemente haben in der Regel eine Dicke zwischen 0,5 mm und 3 mm.

Die Funktionsfläche variiert je nach Größe des Touchscreens und der gewünschten taktilen Leistungsfähigkeit. Als Scheibenform wird der Aktuator am besten hinter LCDs positioniert, da er sich wegen seiner Lichtundurchlässigkeit und seiner relativ großen Funktionsfläche nicht für einen Einbau direkt an der sichtbaren Berührungsfläche eignet. Balkenförmige Elemente lassen sich sowohl hinter der Bildschirmfläche als auch an sie angrenzend anordnen. Es kommt jedoch auf eine Minimierung der gefederten Masse an. Durch die Anordnung der piezoelektrischen Balken außerhalb der sichtbaren Fläche lässt sich das Display von der gefederten Masse entkoppeln, was die Leistungsfähigkeit erheblich steigert.

Im Gegensatz zur Inertialtechnik wird bei der piezoelektrischen Aktuation der Touchscreen entweder gebogen oder die Berührungsfläche gegen eine andere Fläche gedrückt, sodass eine Verschiebebewegung entsteht. Daher eignet sich diese besonders gut für Anwendungen, bei denen es nur um die Bewegung des Berührungsbildschirms geht und nicht um die Vibration des gesamten Gerätes. Sofern das Verhältnis von ungefederter zu gefederter Masse ausreichend groß ist (z.B. der feste Teil zum bewegten Teil des Gerätes), kann man eine angemessene mechanische Isolierung zwischen den beiden Komponenten erreichen und damit ein Benutzererlebnis der bloßen Touchscreen-Rückmeldung erzielen.

Durch die große Bandbreite der piezoelektrischen Aktuatoren lassen sich hochfrequente Schwingungen erzeugen, die für eine hochwertige taktile Rückmeldung entscheidend sind. Dies vereinfacht auch die Erzeugung taktiler Wellenformen, da es in geringerem Maße notwendig ist, die mechanischen Leistungsbeschränkungen von Inertial-aktuatoren durch geschickte Wellenformgestaltung auszugleichen. Tatsächlich ist die Output-Bandbreite piezoelektrischer Elemente bei Weitem größer als für taktile Eigenschaften nötig. Die schnelle Reaktionszeit piezoelektrischer Aktuatoren kann den Energieverbrauch senken.

Es gibt zwar eine Vielzahl von Faktoren für die Qualität der wahrgenommenen taktilen Effekte, aber der Beschleunigungsfaktor für die Berührungsoberfläche ist der wichtigste. Da ein piezoelektrisches System im Vergleich zu Inertialaktuatoren eine gegebene Beschleunigung schneller erreichen kann, lässt sich auch die Dauer des taktilen Ereignisses verkürzen, während gleichzeitig die wahrgenommene Qualität erhalten bleibt.

Das kann den Energieverbrauchszyklus verkleinern und damit die Batterielaufzeit verlängern. Eine der Herausforderungen bei der Gestaltung taktiler Rückmeldungen mit piezoelektrischen Elementen liegt darin, die erforderlichen Spannungen zu ihrer Auslösung bereitzustellen. Auch auf mechanischer Ebene kann der Einbau piezoelektrischer Aktuatoren vergleichsweise schwierig sein. Da sie aus keramischen Materialien bestehen und in der Balkenform sehr dünn sind, sind sie sowohl bei der Verarbeitung als auch bei der Gerätebenutzung bruchanfällig. Das Bruchrisiko lässt sich durch Laminieren des Balkens auf einen dünnen Messing- oder Stahlstreifen verringern.