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Displays mit haptischer Rückmeldung

Piezo-Aktuator für Automotive-Displays über 1 kg

Große Touch-Displays erfordern aufgrund des Gewichts mehrere Aktuatoren, um haptisches Feedback zu integrieren.
Große Touch-Displays erfordern aufgrund des Gewichts mehrere Aktuatoren, um haptisches Feedback zu integrieren.
© Peshkova | Shutterstock.com

Einige Automobilhersteller nutzen Schwingspulen, um Fahrzeugdisplays mit haptischer Rückmeldung auszustatten. Displays > 1kg erfordern mehrere Schwingspulen – oder einen Piezo-Aktuator.

Auf der electronic displays Conference stellt TDK Electronics einen neuen Typ von Piezo-Aktuator vor, der auf kontrolliertes Bewegen von schweren Lasten ausgelegt ist. »Soweit wir wissen, nutzt Mercedes für sein 12,8-Zoll-OLED in der S-Klasse Schwingspulen, um haptisches Feedback zu erzeugen«, sagt Jockum Lönnberg von TDK Electronics. »Für das 56-Zoll-Display im EQS sind es angeblich 12 Schwingspulen«. Werden sie gegen Piezo-Aktuatoren getauscht, lässt sich die Anzahl reduzieren und ein besserer haptischer Eindruck erzeugen.

Relevante Anbieter

Ansprechverhalten im Vergleich

Verglichen mit den beiden gängigen Aktuator-Techniken ERM (Eccentric Rotating Mass) und LRA (Linear Resonant Actor) verhalten sich Piezo-Aktuatoren günstiger beim Anlaufen und Abklingen: Sie erreichen ihre volle Amplitude bereits nach einer halben Periode der anliegenden Wechselspannung und die Oszillation nach Ausschalten der Spannung klingt schneller ab als bei ERM und LRA. Eine gewisse Abklingzeit mit ein paar Schwingungszyklen ist auch bei Piezo-Aktuatoren vorhanden. Damit wird der haptische Eindruck im Finger des Nutzers negativ beeinträchtigt. Hersteller, die bereits Piezo-Technik für haptische Rückmeldung nutzen, umgehen diesen Nachteil, indem sie sich auf Leichtbau-Systeme beschränken. Wenn nur geringe Massen in Schwingung versetzt werden, klingt das gesamte System schneller ab als bei hohen Massen.

Piezo-Aktuator PowerHaptics
Piezo-Aktuator PowerHaptics: Ein mehrlagiges Piezoelement ist oben und unten von zwei weiteren Elementen umgeben, die zur Verstärkung der mechanischen Kraft dienen.
© TDK Electronics

Für die Leistungsbewertung von Haptik-Aktuatoren hat das Industriekonsortium »Haptics Industry Forum« Spezifikationen erstellt. Aktuatoren erster Klasse (A) erreichen nach maximal 2,25 Perioden ihre Amplitude und haben eine Abklingzeit von maximal 50 ms. Die bei TDK Electronics entwickelten Piezo-Aktuatoren »PowerHap« liegen mit 0,5 Perioden und 20 ms unterhalb dieser Grenzen. »Die Werte sind schon gut, aber sie könnten noch besser sein«, ordnet Lönnberg ein. Erhoben wurden sie für das Modell 0904 (60 V maximale Betriebsspannung, 3,3 G Maximalbeschleunigung und 15 Mikrometer Hub), das in einem Laptop-Stylus integriert wurde. Dort erzeugt es beim Schreiben auf einer Display-Oberfläche den haptischen Eindruck beim Anwender, als würde er auf Papier schreiben. Hier werden nur leichte Massen mit dem Aktuator bewegt. Das nächste Ziel von TDK Electronics ist der Automobilmarkt.

Ein Aktuator bewegt 1,2 kg für haptisches Feedback in Automotive-Displays

Für haptisches Feedback in Automotive-Displays müssen größere Massen von über 1 kg bewegt werden. TDK Electronics hat dafür einen neuen Typ von lateralem Piezo-Aktuator entwickelt: Das Display wird dabei nicht senkrecht zur Oberfläche nach oben und unten bewegt, sondern vibriert seitwärts. Die Anordnung bietet Vorteile beim Erzielen von realistischer Haptik und erzeugt weniger Geräusche. Der »PowerHap 6005H090V120« wird für die Serienfreigabe nach AEC-Q-200 qualifiziert und basiert auf einem rechteckigen Piezoelement (60 mm x 5 mm). Mit Spannungen von -20 V bis + 120 V erzeugt der Piezo-Aktuator bis zu 36 G Beschleunigung (bei 100 g Last), einen Hub von 150 Mikrometer und eine maximale Kraft von 50 N. »Die Werte liegen deutlich oberhalb dessen, was für haptisches Feedback in Automotive-Displays gefordert wird«.

Beschleunigungsverhalten des Piezo-Aktuators 6005H090V120 bei 200 Hz Wechselspannung und 100 g Masse.
Beschleunigungsverhalten des Piezo-Aktuators 6005H090V120 bei 200 Hz Wechselspannung und 100 g Masse.
© TDK Electronics

Relevant für die Funktion des Systemaufbaus ist außerdem eine hohe Steifigkeit des Aktuators. Beim TDK-Modell beträgt sie 500 N/mm – ein Faktor 2 größer als bei allen Vorgängermodellen der PowerHap-Serie. Zusammen mit den Entwicklungspartnern Boreas und Immersion hat TDK Electronic ein System aus Ansteuerung, Sensorik zur Messung der aktuell anliegenden Beschleunigungskräfte und aktiver Schwingungsdämpfung entwickelt. So wurde das Problem der nachschwingenden Masse gelöst. Das System wurde in einen Demonstrator integriert, der hochaufgelöste Haptik-Eindrücke (HD-Haptics) erzeugt, bei der sich die relevanten Parameter für den Haptik-Eindruck mit hoher Genauigkeit kontrollieren lassen. Bewegt wird dazu eine Masse von 1,2 kg in einem 15-Zoll-Display mit nur einem einzigen Piezo-Aktuator, der mit 70 % Auslastung betrieben wird.

Simuliert werden die haptischen Eindrücke:

  • Knopfdruck mit starker Vibration beim Drücken und Loslassen,
  • Schieberegler (Slider) mit sehr leichter Vibration beim Schieben,
  • Klickrad mit leichten und scharfen »Klicks« und
  • eine Such-Haptik zum leichteren Finden von Knöpfen. Hier nimmt die gefühlte Vibration innerhalb einer definierten Zone zu, je näher der Finger ans Zentrum rückt, wo sich der gesuchte Knopf befindet.

Für sehr feine und scharf abgegrenzte »Klicks« mit schweren Massen ist die aktive Dämpfung das Schlüsselelement. Bewegt wird das gesamte Display und nicht allein das Deckglas. Dafür wird zwar ein stärkerer Piezo-Aktuator benötigt, aber die Deckgläser können weiterhin mit den Standard-Prozessen (Optical Bonding) mit dem Display verklebt werden.

10,1-Zoll-Display ab Sommer 2021

Eine neue Entwicklungsplattform für Automotive-Displays wird ab Sommer 2021 zur Verfügung stehen. Das haptische Feedback in einem 10,1-Zoll-Display wird von einem einzelnen Piezo-Aktuator erzeugt. Entwicklungspartner sind Data Modul, Immersion und Boreas. Die HD-Haptik wird darin noch ausgereifter sein und es ist eine Schnittstelle zur Entwicklung von kundenspezifischen GUIs integriert. Produziert wird in Kleinserie.

 

Aktualisierungs-Vermerk 8.3.2021:

Im Gespräch mit TDK und dem Referenten wurde dieser Beitrag ergänzt und korrigiert. U.a. wurde die maximale Kraft des Piezo-Aktuators 6005H090V120 ursprünglich mit 500 N angegeben und auf 50 N korrigiert.


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