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Application Note Piezo Haptic Devices for a Real Sense of Touch

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Piezo Haptic Devices for a Real Sense of Touch
Haptische Bauelemente werden zunehmend für Anwendungen wie Industrie- oder Automobilmonitore, Displays auf weißer Ware wie Waschmaschinen usw. verwendet. Solche Bauelemente eignen sich aber auch für Smartphones, Notebook-Computer und andere ICT-Produkte.
TDK bietet eine Palette von haptischen Bauelementen, welche den piezoelektrischen Effekt ausnutzen.

Der menschliche Tastsinn

Figure 1

Die menschlichen fünf Sinne (Sehen, Hören, Fühlen, Schmecken, Riechen) werden von 'Sensoren' unterstützt, die auf verschiedene Weise arbeiten. Der Tastsinn insbesondere verwendet die Haut, welche den ganzen Körper bedeckt, zur Gewinnung von sensorischen Informationen, was diese zum größten Sinnesorgan unter den fünf Sinnen macht.
Sogenannte Pacini-Körperchen, die sich unter der Haut befinden, gehören zu den Sensortypen, welche für den eigentlichen Tastsinn verantwortlich sind. Die Abbildung links illustriert die Funktion dieser Pacini-Körperchen. (Je kleiner die Sinusschwelle, desto höher die Empfindlichkeit.)
Wie die Grafik zeigt, können Menschen Schwingungen im Frequenzbereich von etwa 50 bis 500 Hz durch den Tastsinn wahrnehmen, wobei die Empfindlichkeit im Bereich von 200 Hz besonders hoch ist.

Warum eignen sich Produkte, welche auf dem piezoelektrischen Effekt beruhen (Piezoelemente), besonders gut als haptische Bauelemente?

Zwei gegenwärtig häufig verwendete Arbeitsprinzipien für haptische Lösungen sind ERM (Eccentric Rotary Mass) und LRA (Linear Resonant Actuator).
ERM-Produkte können nur Sinusschwingungen mit einer spezifischen Frequenz erzeugen. Bei LRA-Produkten können Frequenz und Amplitude bis zu einem gewissen Grad variiert werden, aber da die Eigenresonanz des Produkts im Bereich von 150 bis 300 Hz liegt, ist detaillierte Kontrolle schwierig zu realisieren.
Im Gegensatz dazu liegt die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Elements im zweistelligen kHz-Bereich, was den Tastsinn nicht berührt. Es ist daher möglich, die Schwingungsfrequenz im wichtigen Bereich zwischen 50 und 500 Hz frei zu bestimmen, um taktile Empfindungen hervorzurufen, die dem tatsächlichen Tastsinn sehr ähnlich sind. (Die untenstehende Grafik zeigt als Beispiel die Eingangs- / Ausgangs-Kennlinie eines TDK-Produkts.)

Figure 2

Da es nicht möglich ist, Unterschiede in der Berührungsempfindung bildlich darzustellen, wird bei der folgenden Erklärung stattdessen eine visuelle Repräsentation verwendet.

Figure 3

Die von einem ERM-Element erzeugte Vibration zeigt lediglich an, dass "etwas da ist", liefert aber keine weiteren Informationen, was durch das verschwommene Bild links dargestellt wird.
Mit einem LRA-Element können Formen bis zu einem gewissen Grad erkannt werden, aber es fehlen Details, so dass das Bild immer noch etwas verschwommen ist.
Ein piezoelektrisches Bauelement liefert detaillierte Informationen und ermöglicht somit die Identifizierung von Details.
Darüber hinaus kann das piezoelektrische Element kleiner und dünner als ERM- oder LRA-Bauteile gemacht werden, was besonders im ICT-Sektor wünschenswert ist, wo die Miniaturisierung eine wichtige Rolle spielt.

Eine weitere Applikation von piezoelektrischen Elementen
Die Erklärung konzentrierte sich bisher auf den Tastsinn (taktile Empfindung), aber wie oben erwähnt haben Piezoelemente eine sehr hohe Resonanzfrequenz (mehrere zehn kHz). Dies bedeutet, dass ein breiter Bereich von Schwingungsfrequenzen erzeugt werden kann, einschließlich im Bereich des menschlichen Hörvermögens (allgemein als 20 Hz bis 20 kHz definiert). Folglich können solche Elemente auch als Lautsprecher verwendet werden. Piezoelemente Elemente können nicht nur für den Tastsinn, sondern auch für den Gehörsinn eingesetzt werden.

Applikationsbeispiele im ICT-Sektor

Dieser Abschnitt stellt einige Möglichkeiten vor, wie sich Piezoelemente im ICT-Sektor als nützlich erweisen können.

Figure 4　Smartphones

Ohrhörer / Lautsprecher
Durch Verkleben des TDK-Produkts PiezoListen™ Piezo-Lautsprecher an das Gehäuse oder das Display wird kein Sound-Slot mehr benötigt, wie er bei konventioneller Technologie verwendet wird.

Seitentaste
Das Piezoelement funktioniert nicht nur als Aktuator, sondern kann auch als Sensor dienen, der Druck in ein elektrisches Signal umwandelt. Durch Positionieren eines PowerHap™ Aktuatoren im Gehäuse wird ein Schalterausschnitt unnötig. Zusammen mit einem geeigneten Treiber-IC kann das PowerHap™ Aktuatoren sowohl als Drucksensor-Taste als auch als Aktuator fungieren. Durch Kontrolle des dem Aktuator zugeführten elektrischen Signals ist es auch möglich, verschiedene taktile Empfindungen zu erzeugen.

Haptic Engine
Durch geeignete Platzierung von PiezoHapt™ Aktuatoren und PowerHap™ Aktuatoren kann ein haptischer Motor für die Erzeugung einer Vielzahl von Tastgefühlen geschaffen werden. Je nach dem Anwendungszweck kann auch der PiezoListen™ Piezo-Lautsprecher verwendet werden.

Figure 5　Notebook-Computer

Netz- / Lautstärkeschalter
Ähnlich wie bei der Verwendung als Seitentaste des Smartphones kann der PowerHap™ Aktuatoren den Schalterausschnitt überflüssig machen, was was die Designflexibilität verbessert und auch zur Wasserabdichtung beitragen kann.

Lautsprecher
Ähnlich wie bei der Smartphone-Applikation wird keine Lautsprecheröffnung benötigt, sodass eine Anordnung des PiezoListen™ Piezo-Lautsprecher hinter dem Display möglich ist. Da Ton und Bild vom selben Ort kommen, wird der Genuss von Videoinformationen erhöht.

Tastatur, Trackpad
Unter Ausnutzung der Eigenschaften des piezoelektrischen Elements können eine niedrigere und leistungsfähigere Tastatur und Trackpad realisiert werden.

Figure 6　Stylus

Integration von PowerHap™ Aktuatoren in einem Stylus (Touchscreen-Stift) macht es möglich, das Gefühl von verschiedenen Schreibsituationen zu simulieren.
(Zum Beispiel Schreiben mit einem Bleistift, Kugelschreiber oder Füllfederhalter, oder das Schreiben auf Papier, Stein oder Holz)

Erzeugung von haptischem Feedback für Wearables usw.

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