Piezo als Sensor und Aktor Touch and feel

Ob Smartphone, Fahrzeugbedienung, Industriesteuerung, Haushaltsgerät oder Spielekonsole – piezobasierte Taster bieten dem Nutzer eine haptische Rückmeldung.

Die Forderung nach mehr Komfort und Sicherheit führt dazu, dass multifunktionale Bedienoberflächen wie Touchscreens und andere berührungssensitive Oberflächen nahezu allgegenwärtig geworden sind. Sie geben dem Nutzer allerdings keine haptische Rückmeldung, wenn er eine Schaltfläche betätigt. Dies ermöglichen Systeme wie etwa ERM (Eccentric Rotary Mass) oder LRA (Linear Resonant Actuators), sie haben jedoch etliche Nachteile. Dazu zählen relativ große Baugrößen, wobei besonders die Bauhöhe für Display-Ansteuerungen relevant ist, sowie ein hoher Leistungsbedarf bei batteriebetriebenen Geräten wie Smartphones und Tablets. Außerdem ist bei diesen Systemen die Frequenz wie auch die Stärke des Rückmeldesignals gar nicht oder nur in sehr engen Grenzen variabel und sie verfügen über keine sensorischen Fähigkeiten.

Eine Alternative sind beispielsweise die piezobasierten Aktoren der Produktfamilien PowerHap und PiezoHapt von TDK. Sie sind eine Kombination aus druckempfindlichen Sensor und Aktor in einem Bauelement.

PiezoHapt L – dünne Aktoren für haptische Rückmeldung

Speziell für den Einsatz in Fahrzeug- und Smartphone-Displays hat TDK die Typen L8060 und L3015 entwickelt. Sie bestechen durch ihre extrem geringen Bauhöhen von nur 0,35 mm beziehungsweise 0,3 mm bei Flächen von 80 × 60 mm2 (L8060) oder 30 × 15 mm2 (L3015). Der unimorphe Aufbau des PiezoHapt 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 Aktoren sind für Betriebsspannungen ≤24 V (L8060) oder ≤12 V (L3015) ausgelegt. Abhängig von Amplitude und Frequenz der angelegten Spannung lässt sich mit PiezoHapt ein breites Spektrum an Vibrationsmustern realisieren. Bei einer sinusförmigen Frequenz von 200 Hz werden dabei Auslenkungen von 40 µm bis 65 µm erzielt. Diese Ausführungen eignen sich besonders gut für OLED-Displays.

PowerHap – hohe Beschleunigung und Kraft, kurze Reaktionszeit

Die Aktoren der PowerHap-Familie basieren auf mehrlagigen Vielschicht-Piezoscheiben mit Kupfer-Innenelektroden (Bild 2).

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 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.

Dank der Vielschicht-Piezotechnik 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 Aktoren nicht realisierbar. Bild 3 verdeutlicht Reaktionszeit und Beschleunigung beim Typ 2626H023V120.

 

PowerHap-Aktoren (Tabelle 1) eignen sich für einen breiten Stimulationsbereich von 1 Hz bis 500 Hz mit unterschiedlichen 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 können Entwickler mit diesen Aktoren an menschlichen Mechanorezeptoren ein individuelles Signal für die haptische Rückmeldung erzeugen, passend zu ihrer Anwendung und zum Stil ihres Unternehmens. Sie können spezifische, hochauflösende haptische Profile für die Rückmeldung erstellen, wie sie von Nutzern bei hochwertigen HMI-Anwendungen im Automobil- und Industriebereich erwartet werden.

Die Kombination aus flachen Bauweisen von maximal 2,3 mm Dicke und starkem Signal ermöglicht nicht nur die Integration in Displays, sondern erlaubt es auch, diese Aktoren 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 die Hygiene, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik.

Sensorische Eigenschaften

Neben den aktorischen Fähigkeiten verfügen die PowerHap-Bauelemente dank der Piezo-Vielschichttechnik auch über sensorische Eigenschaften. Im Gegensatz zu konventionellen Schaltern oder Tastern, die bekanntlich nur die Schaltzustände „Ein“ und »Aus« kennen, liefert PowerHap eine Ausgangsspannung die proportional zum ausgeübten Druck ist (Bild 4).

Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Tastern ist es mit auf PowerHap basierenden Sensorflächen sogar möglich, in Abhängigkeit der ausgeübten Druckkraft, verschiedene Aktionen auszulösen, die mit einem entsprechend unterschiedlichen haptischen Rückmeldesignal quittiert werden.

Ausführung für laterale Rückmeldung

Neben den quadratischen PowerHap-Typen, die sich besonders für den Einsatz in Flächen eignen, hat TDK auch vier rechteckige, schmale PowerHap-Varianten entwickelt (Tabelle 2), die neben dem senkrechten auch ein laterales Signal erzeugen können. Die beiden kleinsten Ausführungen mit Längen von nur 9 mm beziehungsweise 12 mm eignen sich besonders für Smartphones und Tablets, Haushaltsgeräte, Spielekonsolen, VR/AR-Ausrüstung, Smartwatches, Grafiktabletts oder medizinische Handgeräte. Die beiden größeren Varianten mit Kantenlängen von 60 mm sind die derzeit leistungsstärksten PowerHap-Typen, da hier Kräfte von bis 50 N erzeugt werden können und sich Massen von bis zu 1 kg bewegen lassen. Sie können zum Beispiel seitlich an Displays verbaut werden, um ein horizontales haptisches Rückmeldesignal zu erzeugen, wie in Bild 5 dargestellt.

Entwicklungsmodule für den schnellen Start

Um erste Erfahrungen mit den PowerHap-Aktoren zu sammeln, bietet TDK zwei Evaluation-Kits an (Bild 6). Das Entwicklungsmodul BOS1901Kit (Bestellnummer: Z63000Z2910Z 1Z44), ist für die 60-V-Aktuatoren 0909H011V060, 0904H014V060 und 1204H018V060 ausgelegt, die im Kit enthalten sind. Das Modul basiert auf einem ASIC von Boréas Technologies. Die Hauptmerkmale sind kleine Abmessungen, geringe Stromaufnahme und kurze Antwortzeiten. Zudem bietet es umfangreiche Einstellmöglichkeiten: Spannungsamplitude, Frequenz, Impulswiederholrate, einstellbare Signalformen und Sensorfunktion.

Das zweite Evaluation-Kit ist für die 60-V- und 120-V-PowerHap-Typen geeignet und in zwei Varianten verfügbar: Zur Ansteuerung eines Aktors (Bestellnummer: Z63000Z2910Z 1Z 1) oder zur Ansteuerung von fünf Aktoren (Bestellnummer: Z63000Z2910Z 1Z 7). Diese Kits enthalten PowerHap-Aktoren der Typen 0909H011V060, 1313H018V120 und 2626H023V120.

Unterstützung für Entwickler durch Kooperationen

Touch-Systeme mit haptischer Rückmeldung sind relativ neu. Dementsprechend existieren hier noch keine Standardsysteme, auf die zurückgegriffen werden kann. Um Entwicklern aus allen Branchen eine schnelle und kosteneffiziente Integration von Aktoren für eine haptische Rückmeldung zu ermöglichen, kooperiert TDK mit drei auf diesem Gebiet führenden Unternehmen:

Aito BV aus den Niederlanden ermöglicht es mit seiner Hard- und Software HapticTouch Control Solution Piezoaktoren für präzise Berührungssensoren mit haptischer Rückmeldung einzusetzen. Auf glatten Oberflächen werden damit fühlbare Schalter oder Taster simuliert. Mit den kombinierten haptischen Techniken von TDK und Aito lassen sich fühlbare Eingabebestätigungen auf Smartphone-Touchscreens realisieren oder herkömmliche Schalter und Taster in Fahrzeugen ersetzen. Aito ist spezialisiert auf Anwendungen mit den kleinen TDK-Aktoren der Serie PiezoHapt S.

Boréas Technologies Inc. aus Kanada hat auf Grundlage seiner patentierten CapDrive-Technik den Treiber-IC BOS1901 entwickelt. Er ist besonders energiesparend, bietet zudem Sensorfunktionen und eignet sich zur Ansteuerung der PowerHap-Aktoren von TDK mit einer Betriebsspannung von bis zu 60 V. In einem nächsten Schritt wird Boréas den ersten Low-Power Piezo-Treiber-IC für die größeren PowerHap-Modelle mit einer maximalen Treiberspannung von 120 V entwickeln.

Immersion Corp. aus Kalifornien, USA, ist ein führender Entwickler und Lizenzgeber von Touch-Rückmelde-Techniken. Mit dem Unternehmen hat TDK auch eine Co-Marketing-Vereinbarung für die PowerHap- und PiezoHapt-Aktoren geschlossen. Immersion zertifiziert diese Aktoren für den Einsatz zusammen mit seinen Software-Produkten und nimmt die Aktoren auch in seine Referenzdesigns auf. hs

Literatur

[1] PowerHap Aktuatoren (EPCOS), TDK Electronics AG, www.tdk-electronics.tdk.com/de/powerhap.

[2] Ceramic Switching / Heating, Piezo Components, Buzzers and Microphones, TDK, https://product.tdk.com/info/en/products/sw_piezo/catalog.html.