Haptische Rückkopplung im HMI

Antwort vom Display

12. Dezember 2016, 15:24 Uhr | Von Eberhard Schill

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Zauberwort lautet: Piezo-Element

Letztlich bietet es sich an, einen Piezo-Aktuator zu verwenden. Im Vergleich mit elektromagnetischen oder elektrostatischen Aktuatoren wird damit am wirkungsvollsten die »Kraft pro Aktuatorfläche« generiert, und dies ist deshalb bedeutend, weil Bauraum heute mit das kostbarste Gut in jedem HMI ist.

Piezo-Aktuatoren sind Bauelemente aus Keramik, die ähnlich wie Flüssigkristalle ihre mechanische Struktur beim Anlegen einer elektrischen Spannung verändern und nach Abschalten der Spannung wieder in den Ursprungszustand zurückkehren. Dies funktioniert auch umgekehrt: Wird ein Piezo-Aktuator mechanisch gedrückt, erzeugt er eine elektrische Spannung. Dieser Effekt ist zum Beispiel von Feuerzeugen her bekannt, wo durch den piezoelektrisch erzeugten Funken das Gas entzündet wird.
Da die mit dem Anlegen einer Spannung am Piezo-Aktuator verbundene Verformung sehr gering ist, wurden diverse Konzepte zu deren Verstärkung entwickelt. So gibt es beispielsweise Bauformen, bei denen mehrere Piezoelemente sozusagen in Reihe geschaltet sind, sogenannte Stacks, bei denen sich die Ausdehnung mechanisch addiert. Eine andere Variante sind Biege-Aktuatoren, die ähnlich einem Bimetallstreifen aus einem Piezo-Element und einem Metallträger zusammengesetzt sind und die Bewegung durch Verbiegung vergrößern. Eine besonders effektive Form ist ein Crossbow-Aktuator. Hier werden beide der eben genannten Prinzipien kombiniert: Er steht unter leichter Vorspannung und kann sich nur in einer Richtung verformen. Zu beachten ist hier allerdings, dass keine Wechselspannung angelegt werden darf, weil dieser Aktuator dadurch zerstört würde.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Der Crossbow-Aktuator im Touch-Sensor

Ein solcher Crossbow-Aktuator wird beispielsweise von Kyocera hergestellt; er ist als schmaler Streifen ausgeführt – ca. 40 mm lang, 3 mm breit und sehr dünn. Dieser Aktuator ist sehr gut geeignet für Haptivity-Anwendungen, denn er benötigt nur einen geringen Bauraum und kann auch zwischen einem Display und einem Frontglas platziert werden (Bild 2). Mechanisch richtig abgestützt, entwickelt er genügend Kraft und Hub, um beim Anwender ein spürbares haptisches Feedback (Haptivity-Effekt) zu erzeugen. Für ein 7-Zoll-Display werden zum Beispiel zwei dieser Aktuatoren benötigt. Ihre elektrische Charakteristik ist mit der von Kondensatoren zu vergleichen: Bei hoher angelegter Spannung fließt kurzzeitig ein entsprechend hoher Strom. Die aufzuwändende elektrische Energie ist – integriert über die Zeit – insgesamt sehr gering, da sie nur für Mikrosekunden gebraucht wird. Eine solche Haptivity-Ansteuerung ist also auch für batteriebetriebene Geräte durchaus machbar.

Die Crossbow-Aktuatoren werden mit dem Frontglas oder Touch-Sensor verbunden und stützen sich auf dem Display-Modul als Gegenlager ab. Genau wie bei einem guten Lautsprecher gilt auch hier: Die Schwingung soll bestmöglich auf die Oberfläche übertragen werden. Entsprecheng massiv muss also das Gegenlager sein, damit keine unnötige mechanische Dämpfung erfolgt. Der theoretische Idealfall wäre eine massive Granitplatte. Weiterhin muss das Glas noch in irgendeiner Form gehalten werden. Je nach Einsatzzweck kann das mit flexiblen Kunststoffelementen oder Federn erfolgen. Auch hier ist wieder die Dämpfung das entscheidende Auswahlkriterium.

Da die Aktuatoren nur punktuell wirken, der Effekt aber gleichmäßig über die ganze Oberfläche wirken soll, muss die Möglichkeit geschaffen werden, per Software für die gewünschte Homogenität sorgen zu können. Generell ist ein guter Effekt nur über ein ausgezeichnetes Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Software zu erzielen.