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Haptiksysteme für Touchscreens – Touch-Anwendungen im Fahrzeug ohne Blickkontakt bedienen

06.07.2022 Knowledge

Touchscreens haben im Auto schon viele Schalter und Drehregler ersetzt. Die schicke, cleane Oberfläche ist jedoch gleichzeitig das Problem: Die Bedienfelder lassen sich nicht ertasten; der Fahrer muss hinschauen, um zu prüfen, ob er die richtige Funktion erwischt hat. Das kann vor allem bei hohem Tempo und im dichten Stadtverkehr zur Gefahr werden. Haptiksysteme schaffen Abhilfe.

Ist ein Touchscreen mit einem aktiven haptischen Feedback ausgestattet, gibt er dem Bediener eine ähnliche Rückmeldung wie eine mechanische Taste. Für solche Haptiksysteme stehen drei Typen von Aktuatoren zur Auswahl: Piezoelemente, Unwuchtmotoren sowie lineare haptische Aktuatoren.

 

Lineare haptische Aktuatoren – genug Kraft auch für große Displays

Ein sehr starkes Feedback zeichnet die linearen haptischen Aktuatoren aus. Damit liefern sie auch bei großen Touchscreens oder Displays eine klar spürbare haptische Rückmeldung - vergleichbar mit einem Tastendruck. Das Feedback erfolgt schnell mit einer Ansteuerverzögerung von drei bis maximal fünf Millisekunden.

Die linearen haptischen Feedback-Aktuatoren arbeiten mit einer Betriebsspannung zwischen 9 und 16 V. Ihr einziger Nachteil ist ihre Bauhöhe von 16 mm.

Einen solchen Aktuator auf Basis einer Magnetspule bietet Vishay: Der IHPT-1411 kombiniert eine sehr kompakte Bauweise mit einer leistungsstarken Auslenkung von 6 g bei einer Masse von 0,5 kg und einer Ansteuerspannung von 12 V. Damit kann er z.B. einen Tastendruck auf einem Touchdisplay simulieren. Seine Standardanschlüsse sind in 100-prozentiges Lötzinn getaucht, auf Anfrage sind auch kundenspezifische Anschlüsse erhältlich. Seit kurzem ist der IHPT-1411 auch AEC-Q-qualifiziert verfügbar.          

Unwuchtmotoren – einfach anzusteuern

Unwuchtmotoren versetzen ein Gewicht in Bewegung und geben dadurch kein Klick-ähnliches Feedback wie die Aktuatoren, sondern ein Vibrieren. Allerdings lässt das relativ lange auf sich warten, ihre Ansteuerverzögerung beträgt zwischen 20 und 50 ms. Dadurch wirkt das Feedback etwas unnatürlich. Sie benötigen eine Ansteuerspannung von unter 12 V - die meisten Modelle kommen mit 3 V aus - und sind einfach anzusteuern. Unwuchtmotoren eignen sich jedoch nur für kleinere Displays. Denn beispielsweise bei einem Display in der Größe eines Tablets, das mit dem Fahrzeug verschraubt ist, müsste der Unwuchtmotor sehr groß ausfallen und würde zu träge reagieren.

Piezoelemente – flach und drucksensitiv

Mit 0,25 mm sind Piezoelemente extrem flach. Zudem sind sie drucksensitiv, das heißt ein stärkerer Druck auf die entsprechende Stelle des Displays erzeugt mehr Spannung als ein leichter Druck. Je nach Spannung variiert das Feedback des Piezoelements, zudem kann der Aktuator verschiedene Feedbacks mit unterschiedlicher Wellenform auslösen. Dadurch eröffnen sich weitere Bedienmöglichkeiten, zum Beispiel erhöht sich die Lautstärke der Audioanlage umso schneller,je stärker man drückt. Das Feedback fällt jedoch weniger stark aus als mit den anderen beiden Technologien.

Das Piezoelement kommt komplett ohne bewegliche Teile aus und ist dadurch sehr langlebig. Auf der Minusseite findet sich die hohe Ansteuerspannung von mindestens 24 V. 

Um einem kleinen Element, z.B. einer einzelnen Taste, ein haptisches Feedback zu geben, eignet sich das PiezoHaptTM-L (PHUA8060-35A-33-000) von TDK. Es nutzt ein mehrschichtiges Piezoelement, dadurch kommt es mit einem Minimum an Spannung von 24 V aus und kann eine größere Auslenkung erzielen als ein einschichtiges Element derselben Dicke.

Der PiezoHapt-Aktor hat eine unimorphe Struktur, das heißt er setzt sich aus einer aktiven und einer nicht-aktiven Schicht zusammen. Das aktive, piezoelektrische Element mit Elektroden auf beiden Seiten ist auf einer Seite auf eine nicht-aktive Metallplatte geklebt. Wird an die Elektrode Wechselspannung angelegt, dehnt sich das piezoelektrische Element abwechselnd aus und zieht sich zusammen. Die verklebte Metallplatte bewegt sich entsprechend (s. Bild 5). Durch die Wechselspannung wechseln sich Berg- und Talverwerfungen ab, es entsteht eine Schwingung. Durch die unimorphe Struktur geschieht dies sehr effizient.

Je nach Amplitude und Frequenz der angelegten Spannung erzeugt das PiezoHapt-L unterschiedliche Schwingungsmuster, die Reaktionszeit ist mit 4 ms sehr kurz. Die Vibrationsplatte, auf der sich das Piezoelement befindet, misst 80 mm x 60 mm, die Bauhöhe beträgt gerade einmal 0,35 mm.

Oberflächen mit „Gefühl“

Nicht nur Touchdisplays lassen sich mit einem haptischen Feedback ausstatten – sämtliche glatten Oberflächen können als berührungssensitive Variante die herkömmlichen Knöpfe und Schalter auf dem Armaturenbrett und in der Türverkleidung ersetzen. Hierfür ist der Aktuator IHPT-1411 von Vishay ebenfalls bestens geeignet. Damit heißt es dann in jedem Fall: Augen auf den Straßenverkehr!

 


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