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Displays: Haptisches Feedback mit piezo-basierten Aktuatoren

| Autor / Redakteur: Christoph Jehle * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein haptisches Feedback wird in Industrie und Autobau gefordert. Doch herkömmliche Systeme sind oft zu groß. Der Beitrag zeigt Piezo-basierte Aktuatoren, die nicht nur bei der Bauhöhe überzeugen.

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Haptisches Feedback: Mit piezo-basierten Aktuatoren lassen sich nicht nur Steuerungen für Industrieanlagen fertigen.
Haptisches Feedback: Mit piezo-basierten Aktuatoren lassen sich nicht nur Steuerungen für Industrieanlagen fertigen.
(Bild: (c) Evgeniy & Karina Gerasimovi - stock.adobe.com)

Egal ob in industriellen, medizinischen oder auch privaten Anwendungen: Komfort und Sicherheit führen dazu, dass multifunktionale Bedienoberflächen wie Touchscreens und andere berührungssensitive Oberflächen allgegenwärtig geworden sind. Bereits bestehende Anwendungen für haptisches Feedback wie ERM (Eccentric Rotary Mass) oder LRA (Linear Resonant Actuators) haben Nachteile wie große Baugrößen. Denn besonders die Bauhöhe ist für Display-Ansteuerungen relevant.

Zu berücksichtigen ist auch der hohe Leistungsbedarf bei batteriebetriebenen Geräten wie Smartphones und Tablets. Hinzu kommt, dass Frequenz wie auch Stärke des Feedbacks gar nicht oder nur in sehr engen Grenzen variabel sind und sie über keine sensorischen Fähigkeiten verfügen. Hier bietet der Hersteller TDK eine Alternative: die piezo-basierten Aktuatoren aus den Produktfamilien PowerHap und PiezoHapt. Sie kombinieren einen druckempfindlichen Sensor und Aktuator in einem Bauelement.

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Ein Blick auf die Details: Speziell für den Einsatz in Fahrzeug- und Smartphone-Displays hat der Hersteller TDK die Typen L8060 und L3015 entwickelt. Interessant für Entwickler dürfte ihre Bauhöhe sein von 0,35 mm sowie ihre Maße von 80 mm x 60 mm (L8060) oder 30 mm x 15 mm (L3015). Das unimorphe Design des PiezoHapt basiert auf einem flachen Vielschicht-Piezoelement, das auf einer Seite mit einer Vibrationsplatte verbunden ist und direkt unter Displays verbaut werden kann.

Die Aktuatoren 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 darstellen. Diese Ausführungen eignen sich besonders gut für OLED-Displays.

Aktoren überzeugen bei der Reaktionszeit

Die Aktuatoren der Familie PowerHap basieren auf mehrlagigen Vielschicht-Piezoscheiben mit Kupfer-Innenelektroden. Im Bild 2 ist der Aufbau dargestellt. 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 mithilfe 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.

Bild 3: Typische Beschleunigung g als Funktion der Spannung bei einer Beaufschlagung mit einer Masse von 100 Gramm. Das Spannungssignal ist dabei ein Halbwellen-Sinus mit einem Peak von 120 V und einer Pulslänge von 5 ms, entsprechend einer Frequenz von 200 Hz.
Bild 3: Typische Beschleunigung g als Funktion der Spannung bei einer Beaufschlagung mit einer Masse von 100 Gramm. Das Spannungssignal ist dabei ein Halbwellen-Sinus mit einem Peak von 120 V und einer Pulslänge von 5 ms, entsprechend einer Frequenz von 200 Hz.
(Bild: TDK)

Dank der Vielschicht-Piezotechnik bieten die Bauteile gute Werte bezüglich Reaktionszeit und Beschleunigung. So beträgt bei einer Anstiegszeit von 1 ms die Beschleunigung der Zimbel bereits 15,0 g und erreicht einen Maximalwert von 35 g bei einer Beaufschlagung mit einer Masse von 100 Gramm, wobei eine sehr große Kraft von 25 N erzeugt wird. Vergleichbare Werte sind mit konventionellen Lösungen nicht realisierbar. Das Bild 3 verdeutlicht Reaktionszeit und Beschleunigung beim Typ 2626H023V120.

Die PowerHap-Aktuatoren eignen sich für einen breiten Stimulationsbereich von 1 bis 500 Hz mit variablen Amplituden, Dauern und Signalformen wie Sinus, Dreieck oder Rechteck. Abhängig vom Typ liegen die Ansteuerspannung bei -20 bis 120 V oder -10 bis 60 V. Daher lässt sich mit diesen Aktuatoren an menschlichen Mechanorezeptoren ein kundenspezifisches haptisches Feedback erzeugen.

Haptische Feedback-Profile für Automobil und Industrie

Tabelle 1: Die derzeit verfügbaren quadratischen Typen der PowerHap Familie.
Tabelle 1: Die derzeit verfügbaren quadratischen Typen der PowerHap Familie.
(Bild: TDK)

Tabelle 2: Die Kenndaten der rechteckigen PowerHap-Typen.
Tabelle 2: Die Kenndaten der rechteckigen PowerHap-Typen.
(Bild: TDK)

Entsprechend können Entwickler spezifische, hochauflösende haptische Feedback-Profile erstellen, wie sie von Nutzern bei hochwertigen HMI-Anwendungen im Automotive- und Industrieumfeld erwartet werden. Die Kombination aus flachen Bauweisen mit Dicken von maximal 2,3 mm und starkem Feedback lassen sich die Bauteile nicht nur in Displays integrieren, sondern es ist auch möglich, 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 die Hygiene, wie in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik.

Bild 4: Bei der Funktion als Sensor ist die Ausgangsspannung von PowerHap in weiten Bereichen proportional zur ausgeübten Kraft.
Bild 4: Bei der Funktion als Sensor ist die Ausgangsspannung von PowerHap in weiten Bereichen proportional zur ausgeübten Kraft.
(Bild: TDK)

Neben der aktuatorischen Performance die PowerHap-Bauelemente dank der Piezo-Vielschichttechnik überzeugen auch die sensorischen 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. Das wird im Bild 4 deutlich.

Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Tastern ist es mit auf PowerHap basierenden Lösungen möglich, in Abhängigkeit der ausgeübten Druckkraft, verschiedene Aktionen mit einem entsprechend unterschiedlichen Feedback auszulösen. In der Tabelle 1 sind die derzeit verfügbaren quadratischen Typen der PowerHap-Familie gelistet. Die Kenndaten der rechteckigen PowerHap-Typen sind in der Tabelle 2 aufgelistet.

Neben dem senkrechten auch ein laterales Feedback

Bild 5: Rechteckige PowerHap-Typen eignen sich für die laterale Ansteuerung von Displays. Typische Anwendungen sind Kfz-Displays.
Bild 5: Rechteckige PowerHap-Typen eignen sich für die laterale Ansteuerung von Displays. Typische Anwendungen sind Kfz-Displays.
(Bild: TDK)

Neben den quadratischen PowerHap, die sich besonders für den Einsatz in Flächen eignen, hat der Hersteller TDK auch vier rechteckige, schmale Varianten der PowerHap entwickelt, die neben dem senkrechten auch ein laterales Feedback erzeugen können. Dabei kommen die kleinsten Ausführungen auf Längen von 9 mm beziehungsweise 12 mm und sind deshalb für Smartphones und Tablets, Haushaltsgeräte, Spielekonsolen, VR/AR-Ausrüstung, Smartwatches, Digitizer oder medizinische Handgeräte geeignet.

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. So können sie beispielsweise seitlich an Displays verbaut werden, um ein horizontales haptisches Feedback zu erzielen. Im Bild 5 ist die laterale Ansteuerung von Displays mit einem rechteckingen PowerHap-Typen dargestellt.

Erfahrungen sammeln mit den Evaluations-Kits

Mit den Evaluation-Kits können Entwickler erste Erfahrungen mit Aktuatoren für haptisches Feedback sammeln und Design-Möglichkeiten evaluieren.
Mit den Evaluation-Kits können Entwickler erste Erfahrungen mit Aktuatoren für haptisches Feedback sammeln und Design-Möglichkeiten evaluieren.
(Bild: TDK)

Für erste Erfahrungen mit den PowerHap bietet TDK Entwicklern zwei Evaluation-Kits an. Das Entwicklungsboard BOS1901Kit, Bestellnummer Z63000Z2910Z 1Z44, ist für die 60 V-Aktuatoren 0909H011V060, 0904H014V060 und 1204H018V060 ausgelegt, die im Kit enthalten sind. Das Board basiert auf der Technik von Boréas Technologies. Die Hauptmerkmale sind: kleine Abmessungen, geringer Stromverbrauch und schnelle Antwortzeiten. Zudem bietet es verschiedene Einstellmöglichkeiten bezüglich der Spannungsamplitude, Frequenz, Impulswiederholrate, einstellbare Signalformen und Sensorfunktionalität.

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

Kooperationen helfen beim Design

Ein System mit haptischem Feedback sind relativ neu und es gibt auf dem Markt noch keine Standardlösungen. Für ein schnelles und ebenso kosteneffizientes Design-in bei Anwendungen mit haptischem Feedback ist TDK mit drei Unternehmen eine Kooperation eingegangen. Dazu gehören Aito: Das Unternehmen bietet mit seiner Hard- und Software HapticTouch Control Solutions, die Piezo-Aktuatoren in präzise Berührungssensoren mit haptischem Feedback verwandeln. Auf glatten Oberflächen werden damit fühlbare Schalter oder Taster simuliert.

Mit den kombinierten haptischen Technologien von TDK und Aito lassen sich fühlbare Eingabebestätigungen auf Smartphone-Touchscreens realisieren oder herkömmliche Schalter und Taster in Fahrzeugen ersetzen. Boréas Technologies hat auf Grundlage seiner patentierten CapDrive Technik den Treiber-IC BOS1901 entwickelt. Der effiziente Baustein bietet Sensorfunktionen und eignet sich zur Ansteuerung der PowerHap-Aktuatoren mit bis zu 60 V.

In einem nächsten Schritt wird Boréas den ersten Low-Power-Piezo-Treiber-IC für die größeren TDK PowerHap Modelle mit einer maximalen Treiberspannung von 120 V entwickeln. Immersion ist ein Entwickler und Lizenzgeber bei Touch-Feedback-Techniken. Mit dem Unternehmen besteht eine Co-Marketing-Vereinbarung für die PowerHap- und PiezoHapt-Aktuatoren. Immersion zertifiziert diese Aktuatoren für den Einsatz zusammen mit seinen Software-Produkten und nimmt die Aktuatoren auch in seine Referenzdesigns auf.

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PowerHap-Aktuatoren (EPCOS)

* Christoph Jehle ist Manager Technology & Product Communications bei TDK Electronics in München.

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