Display-Technik Ein empfindsames Touch-Display, das berührt

Autor / Redakteur: Karl-Heinz Lambertz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Das taktile Multi-Touch-Display von NLT Technologies nutzt eine elektrostatische Kraft mit einer Frequenz von 240 Hz. Dank des Beat-Effekts entsteht ein Tastimpuls und macht die Eingabe erfühlbar.

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Mit Gefühl: Beim neuen taktilen Display können mehrere Benutzer individuell die Textur des berührten Bildes fühlen.
Mit Gefühl: Beim neuen taktilen Display können mehrere Benutzer individuell die Textur des berührten Bildes fühlen.
( NLT)

Das taktile Multi-Touch-Display von NLT Technologies nutzt eine elektrostatische Kraft mit einer Frequenz von 240 Hz. Diese Kraft wird durch den Beat-Effekt an einer Stelle erzeugt, an der sich angeregte X-Elektroden mit angeregten Y-Elektroden überkreuzen. Dabei entsteht ein Tastimpuls.

Die Einführung von berührungsempfindlichen Multi-Touch-Displays ermöglicht eine intuitive Interaktion zwischen Benutzer und Display über eine berührungsaktive Oberfläche. Menschen interagieren mit Displays nicht nur über ihre Augen, sondern auch über ihren Tastsinn. Solche Displays geben dem Anwender taktiles Feedback.

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Es gibt drei Arten von taktilen Displays mit visuellen Informationen: erstens eine berührungsaktive Oberfläche vibriert mit Hilfe von Aktoren wie etwa piezoelektrischen Bauteilen [1], zweitens ein elektrostatisches taktiles Display, bei dem die Elektrode unter einer Isolatorschicht liegt [2] und drittens ein elektro-taktiles Display, das die Sinnesnerven direkt über einen elektrischen Stromreiz aktiviert [3]. Forscher von NLT Technologies (NLT) haben einen LCD-Prototypen mit taktiler Touch-Technologie entwickelt. Damit wird dem Anwender eine neue Dimension eröffnet, was die taktile Darstellung von Oberflächenstrukturen betrifft: Das Display bildet über elektrische Vibrationen die Tastempfindungen nach, die der Anwender vom Berühren realer Objekte kennt.

Taktiles Display mit positionsabhängiger Stimulation

Das elektrostatische taktile Display arbeitet mit positionsabhängiger Stimulation (Bild 1). Das Display-Panel besteht aus einem Glas-Substrat, mehreren X- und Y-Elektroden aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) in einer Matrix-Anordnung auf dem Substrat sowie einer Acryl-Isolatorschicht zur Abdeckung der Elektroden. Das Display-Panel erzeugt einen lokalisierten Tastreiz an der Stelle, an der sich angeregte X-Elektroden mit angeregten Y-Elektroden überkreuzen, sobald ein Finger über die Stelle streicht.

Der Benutzer nimmt den gefühlten Impuls der Oberflächenstruktur als feine Rauheit an dieser Stelle wahr. Durch selektive Auswahl der angesteuerten Elektroden erzeugt das Display-Panel den Tastreiz an beliebigen Positionen, an denen sich die X-Elektrode mit der Y-Elektrode überkreuzt. Zur Darstellung des Tastreizes nutzt das NLT-Display den Beat-Effekt von Spannungs-Wellenformen zwischen den Elektroden.

Das Bild 2 zeigt, wie das Display den Impuls an den Finger übermittelt. Zu sehen ist ein Querschnitt des Displays an der Stelle, an der sich angeregte X-Elektroden mit angeregten Y-Elektroden überkreuzen. Die Y-Elektroden werden durch Anlegen einer Wechselspannung V1 mit einer Frequenz von f1 (beispielsweise 1000 Hz) angeregt. Die X-Elektroden werden mit einer Wechselspannung V2 und einer Frequenz von f2 (beispielsweise 1240 Hz) angesteuert. Kommt ein Finger (dargestellt als Elektrode P) in Kontakt mit der Oberfläche, dann stehen mehrere X- und Y-Elektroden der Elektrode P gegenüber. Diese Elektroden bilden jeweils parallel geschaltete Plattenkondensatoren mit einer Kapazität C. Bei großem Widerstand R lässt sich die Spannung der Elektrode P (Vp) angenähert als Vp (V1 + V2)/2 beschreiben.

In diesem Fall wird die elektrostatische Kraft Fe1 zwischen den Elektroden P und Xa nach der folgenden Formel ermittelt. Diese beschreibt die elektrostatische Kraft eines Kondensators aus parallelen Platten.

NLT Technologies
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In dieser Formel entspricht ε der Dielektrizitätskonstante des Isolators und S der Elektrodenfläche des Parallelplatten-Kondensators. Genauso lässt sich die zwischen den Elektroden P und Yb induzierte elektrostatische Kraft Fe2 berechnen:

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Die gesamte elektrostatische Kraft der Elektrode P beträgt Ftotal = 2(Fe1 +Fe2) für den abgebildeten Fall. Ersetzt man V1 durch acos2πf1t und V2 durch acos2πf2t, so ergibt sich die Formel für Ftotal.

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In dieser Formel entspricht A der Spannungs-Amplitude, und f1 und f2 sind die Frequenzen von V1 bzw. V2. Zum besseren Verständnis von Formel (3) zeigt das Bild 3 die Wellenformen für V1, V2, Vp und Ftotal.

Die Hüllkurve von Ftotal hat eine Frequenz von 240 Hz, was der Differenz aus den Beat-Frequenzen f1 und f2 entspricht. Sobald ein Finger über die Oberfläche an dieser Stelle streicht, wird der Tastreiz erzeugt, indem sich die Form der Haut horizontal verändert. Dies entsteht durch die dynamische Änderung der Reibung, die durch eine Variation der elektrostatischen Kraft der Beat-Frequenz bedingt wird. Der menschliche Tastsinn reagiert besonders empfindlich im Bereich der Beat-Frequenz von ca. 240 Hz, insbesondere die Vater-Pacini-Körperchen in der Unterhaut, während sie nicht auf die ca. 1000 Hz reagieren, die an die X- und Y-Elektroden angelegt sind.

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