Piezo-Haptic-Lösungen ermöglichen Touch-Anwendungen mit Feedback

Die Forderung nach mehr Komfort und Sicherheit führt dazu, dass multifunktionale Bedienoberflächen wie Touchscreens und andere berührungssensitive Oberflächen nahezu allgegenwärtig geworden sind. Bestehende Lösungen für haptisches Feedback wie etwa ERM (Eccentric Rotary Mass) oder LRA (Linear Resonant Actuators) haben 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 sind bei diesen Lösungen die Frequenz wie auch die Stärke des Feedbacks gar nicht oder nur in sehr engen Grenzen variabel und sie verfügen über keine sensorischen Fähigkeiten.

Eine Alternative sind piezobasierende Aktuatoren wie etwa die Produktfamilien Powerhap und Piezohapt. Sie sind eine Kombination aus druckempfindlichem Sensor und Aktuator in einem Bauelement. Mit diesen beiden Produktfamilien bietet TDK ein breites Portfolio an Aktuatoren für haptisches Feedback.

Speziell für den Einsatz in Fahrzeug- und Smartphone-Displays hat TDK die Typen L8060 und L3015 entwickelt. Sie haben eine Bauhöhe von nur 0,35 mm beziehungsweise 0,3 mm bei Flächen von 80 × 60 mm² (L8060) und 30 × 15 mm² (L3015). Das unimorphe Design des Piezohapt basiert auf einem flachen Vielschicht-Piezoelement, das auf einer Seite mit einer Vibrationsplatte verbunden ist und sich direkt unter Displays verbauen lässt.

Die Aktuatoren sind für Betriebsspannungen ≤ 24 V (L8060) beziehungsweise ≤ 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 etwa für OLED-Displays.

Powerhap bietet hohe Beschleunigung und Kraft bei geringer Reaktionszeit

Die Aktuatoren der Powerhap-Familie basieren auf mehrlagigen Vielschicht-Piezoscheiben mit Kupfer-Innenelektroden. Bild 2 zeigt den Aufbau.

Bild 1: Die TDK-Piezohapt-Typen sind mit Dicken von maximal 0,35 mm dünn und eignen sich für Smartphones, Tablets und Fahrzeug-Displays. TDK Electronics

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.

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

Bild 2: Aufbau von quadratischen Powerhap-Aktuatoren. Die Produktfamilie besteht aus vier Typen mit Kantenlängen zwischen 9,0 und 26,0 mm und Bauhöhen von 1,1 bis 2,3 mm. Dank der Vielschichttechnologie können Kräfte von über 25 N und Auslenkungen von 230 µm erzielt werden. TDK Electronics

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 liegt 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. Entsprechend können Entwickler hochauflösende haptische Feedback-Profile erstellen, wie sie etwa in HMI-Anwendungen im Automotive- und Industriebereich vorkommen. Die Kombination aus flachen Bauweisen von maximal 2,3 mm Dicke und starkem Feedback ermöglicht nicht nur die Integration in Displays, sondern erlaubt es auch, diese Aktuatoren direkt unter ebenen Oberflächen zu platzieren. Dies erzeugt ein hohes Maß an Dichtigkeit, was in rauen Industrieumgebungen genauso erforderlich ist wie auch bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Hygiene, etwa in der Lebensmittelindustrie oder Medizintechnik.

Neben der guten aktuatorischen Performance bestechen Powerhap-Bauelemente dank der Piezo-Vielschichttechnologie auch durch 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. Bild 4 verdeutlicht dieses Verhalten.

Bild 3: Typische Beschleunigung g als Funktion der Spannung bei einer Beaufschlagung mit einer Masse von 100 gr. 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. TDK Electronics

Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Tastern ist es mit auf Powerhap basierenden Lösungen möglich, in Abhängigkeit von der ausgeübten Druckkraft verschiedene Aktionen mit einem entsprechend unterschiedlichen Feedback auszulösen. Tabelle 1 zeigt die derzeit verfügbaren quadratischen Typen der Powerhap-Familie.

Kompaktes Design für laterales Feedback

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

Um erste Erfahrungen mit den Powerhap-Aktuatoren zu sammeln, sind zwei Evaluation-Kits erhältlich. Das Entwicklungsboard BOS1901Kit ist für die 60-V-Aktuatoren 0909H011V060, 0904H014V060 und 1204H018V060 ausgelegt, die im Kit enthalten sind. Das Board basiert auf der ASIC-Technologie von Boréas Technologies. Die Hauptmerkmale sind kleine Abmessungen, geringer Stromverbrauch und schnelle Antwortzeiten. Zudem bietet es umfangreiche Einstellmöglichkeiten bezüglich der Spannungsamplitude, Frequenz, Impulswiederholrate, Signalform und Sensorfunktionalität.

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

Das zweite Evaluation-Kit ist für die 60- und 120-V-Powerhap-Typen geeignet und in zwei Varianten verfügbar: zur Ansteuerung eines Aktuators oder zur Ansteuerung von fünf Aktuatoren. In diesen Kits sind Powerhap-Aktuatoren der Typen 0909H011V060, 1313H018V120 und 2626H023V120 enthalten.

Designunterstützung durch Kooperationen

Systeme mit haptischem Feedback sind relativ neue Technologien. Entsprechend existieren hier noch keine Standardlösungen, auf die sich zurückgreifen lässt. Um Kunden aus allen Branchen ein schnelles und kosteneffizientes Design-in von haptischen Lösungen zu ermöglichen, ist TDK mit drei auf dem Gebiet tätigen Unternehmen Kooperationen eingegangen.

Tabelle 1: Verfügbare quadratische Typen der Powerhap-Familie TDK Electronics

So bietet etwa Aito mit der Hard- und Software „Haptictouch Control Solution“ Lösungen, die Piezo-Aktuatoren in präzise Berührungssensoren mit haptischem Feedback verwandeln. Auf glatten Oberflächen lassen sich damit fühlbare Schalter oder Taster simulieren. 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. Aito ist spezialisiert auf Lösungen mit den kleinen Aktuatoren der Serie Piezohapt S.

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

Boréas Technologies hat auf Grundlage seiner patentierten Capdrive-Technologie das Treiber-IC BOS1901 entwickelt. Es ist besonders energieeffizient, bietet zudem Sensorfunktionen und eignet sich zur Ansteuerung von Powerhap-Aktuatoren mit einer Betriebsspannung von bis zu 60 V. In einem nächsten Schritt wird Boréas das erste Lowpower-Piezo-Treiber-IC für die größeren Powerhap-Modelle mit einer maximalen Treiberspannung von 120 V entwickeln.

Tabelle 2: Kenndaten der rechteckigen Powerhap-Typen TDK Electronics

Immersion ist Entwickler und Lizenzgeber bei Touch-Feedback-Technologien. Mit dem Unternehmen besteht eine Co-Marketing-Vereinbarung für die Powerhap- und Piezohapt-Aktuatoren. Immersion zertifiziert diese Aktuatoren für den Einsatz zusammen mit eigenen Softwareprodukten und nimmt die Aktuatoren auch in seine Referenzdesigns auf.

Künftig werden immer mehr Geräte und Systeme mit haptischem Feedback ausgerüstet sein, was den Komfort und die Bediensicherheit erhöht. Mit einer umfangreichen Produktpalette sowie in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern kann TDK für eine Vielzahl an haptischen Applikationen geeignete Lösungen bieten.

Bild 6: Mit den Evaluation-Kits können Entwickler erste Erfahrungen mit Aktuatoren für haptisches Feedback sammeln und Designmöglichkeiten evaluieren. TDK Electronics

(prm)