Intelligente Mensch-Maschine-Schnittstelle

Kyocera Automotive nutzt Piezoaktoren für haptische Feedback-Displays

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Haptisches Feedback bei Displays ist der Einstieg in intelligente Mensch-Maschine-Schnittstellen, ist Manfred Sauer, Geschäftsführer und Präsident der Kyocera Automotive and Industrial Solutions, überzeugt. Der japanische Werkstoffspezialist erzeugt das Feedback mit Piezoaktoren, die vielfältige haptische Eindrücke auf der Displayoberfläche auslösen können.

Interview: Hartmut Hammer, freier Mitarbeiter der KEM Automobilkonstruktion, Leutenbach

KEM Konstruktion: Seit wann ist Kyocera am Thema Piezoaktoren für haptisches Feedback dran?

Manfred Sauer: Das Thema haben wir seit Aufkommen des haptischen Feedbacks weiterentwickelt. Mitte 2000 kamen etwa erste Smartphones mit Magnetspulentechnik auf den Markt. Inzwischen gibt es auch Systeme mit Unwuchtmotoren und elektrostatischer Anregung. Kyocera hat erstmals 2008 ein aktives haptisches Feedback für Touchpanels auf Basis der Piezotechnik konzipiert. Diese Technik, bei Kyocera „Haptivity“ genannt, bietet bezüglich Bauraumbedarf und haptischem Erlebnis unbestreitbare Vorteile.

KEM Konstruktion: Etwas präziser bitte…

Sauer: Die Magnetspulentechnik etwa ist bis heute relativ voluminös und somit nur bedingt für flache Touchpanels geeignet. Sie ermöglicht nur sinusförmige Erregungen, die nicht unbedingt für das gewünschte Klick-Gefühl analog einem mechanischen Schalter sorgen. Zudem haben die oben genannten Systeme hohe Latenzzeiten. Der Benutzer empfindet dieses deutlich zeitversetzte Rückmeldesignal nicht als natürliches haptisches Erlebnis.

KEM Konstruktion: Und der Piezoaktor ist bei diesen Faktoren besser?

Sauer: Absolut. Erstens ist er nur wenige Millimeter hoch und somit selbst für sehr flache Anwendungen prädestiniert. Hinzu kommt die lange Lebensdauer deutlich über der des Fahrzeugs. Außerdem weist der Piezoaktor Latenzzeiten von nur wenigen Millisekunden auf, insbesondere, wenn die Kommunikation mit der Headunit entsprechend optimiert wurde. Der Benutzer erlebt dadurch eine sofortige haptische Rückmeldung, ähnlich wie beim Betätigen eines mechanischen Schalters.

KEM Konstruktion: Wie sieht es mit der Qualität des haptischen Feedbacks aus?

Sauer: Piezoaktuatorik kann mehr als 40 verschiedene haptische Bediengefühle erzeugen, die von unseren extrem empfindlichen Fingerkuppen noch unterschieden werden: etwa harte und weiche Tasten, ein- oder zweistufige Auslösungen – alles darstellbar. Beim Überstreichen des Touchpanels können wir beispielsweise Hyperlinks herausheben, ja sogar die Braille-Schrift haptisch so ersetzen, dass ein Blinder mit unserer Piezotechnik quasi „lesen“ kann. Selbst die Struktur eines Pullovers lässt sich dank der Piezoaktoren inzwischen auf dem Display so erzeugen, als ob man mit den Fingern das Textil direkt befühlt. Hinzu kommt: Der Piezoaktor fungiert gleichzeitig als Sensor und setzt einen mechanischen Druck in ein elektronisches Signal um. Wir können aber auch kapazitive, induktive oder andere Techniken zur Initiierung auswählen. Das hängt immer von den Spezifikationen der Kunden ab.

KEM Konstruktion: Warum ist die Piezotechnik dann nicht schon längst im Markt?

Sauer: Wir waren 2008 mit unserem haptischen Feedback per Piezotechnik einfach der Zeit ein Stück voraus. Damals konnte man sich die ungeheuren Einsatzmöglichkeiten dieser Technik noch nicht so recht vorstellen. Einige Jahre später gelangte Kyocera aber zur Überzeugung, dass sich Anfang der 20er Jahre ein riesiger Markt für Touchpanels mit intelligentem Feedback auftun würde. Inzwischen haben wir sehr viele Anwendungsmöglichkeiten im Fokus, da Smartphones die Akzeptanz für intelligente Touchfunktionen rasant erhöhen. Bei diversen Benchmarks von Kunden kam immer die Rückmeldung, dass das piezogestützte Feedback die beste aktuell verfügbare Technik ist.

KEM Konstruktion: Welche Anwendungsfälle stehen denn im Fokus?

Sauer: Das reicht von klassischen Automotive-Anwendungen über die Steuerung von Maschinen bis hin zur Medizintechnik. Überall dort, wo eine eindeutige Bestätigung der Eingabe zwingend erforderlich ist. Eine sehr charmante Funktion ist der bis zu siebenfache Tiefenklick. Ähnlich wie bei einem Fotoapparat mit den zwei Stufen „Scharf stellen“ und „Auslösen“ sind bei unseren Piezoaktoren bis zu sieben Druckstufen möglich. Damit lässt es sich sehr einfach zwischen verschiedenen Menühierarchien wechseln. Bei herkömmlichen Touchpanels ist dieses Navigieren durch die Menüstrukturen deutlich aufwändiger.

KEM Konstruktion: Wann wird Kyocera mit dem piezobasierten haptischen Feedback in Serie gehen?

Sauer: Erste Displays für Maschinensteuerungen und Factory Automation wird Kyocera im zweiten Quartal 2019 liefern. Im Automobil wird die Technik 2020 oder 2021 erstmalig bei europäischen OEMs in Serie gehen. Auch in der Medizintechnik stehen Serienanläufe an.

KEM Konstruktion: Displays im Automobil werden immer größer. Sind haptische Feedbacks auf solch großen Bildschirmen überhaupt noch darstellbar?

Sauer: Bildschirme mit 21 oder 26 Zoll Bildschirmdiagonale sind absehbar. Dort wären für ein haptisches Feedback etwa sechs Piezoaktoren erforderlich, je nach zu bewegender Masse. Ich denke, dass wir bis zu acht Piezoaktoren sauber ansteuern können. Die eigentliche Herausforderung bei dieser Technik ist eher die Konstruktion der Aktoren und ihr Einbau.

KEM Konstruktion: Worauf genau kommt es beim Einbau an?

Sauer: Etwa, wie die Hebelwirkung gestaltet ist und wo und wie die Aktoren im Gesamtsystem „Display“ integriert sind. Dieses Design- und Implementierungs-Know how ist unser Betriebsgeheimnis und wird von Kunde zu Kunde unterschiedlich angewandt. Basis ist ein System aus Feder, Piezoelement und mechanischer Anbindung. Dazu erhält unsere Kundschaft jeweils eine individuelle Applikationsempfehlung für die Integration im Produkt.

KEM Konstruktion: Bei der Kraftstoffeinspritzung sind Piezoinjektoren deutlich teurer als Magnetventile. Wie sieht das Kostenverhältnis beim haptischen Feedback aus?

Sauer: Erst mal hängen die Kosten von den konkreten Stückzahlen, Anwendungen und der patentrechtlichen Situation ab. Stand heute hält Kyocera 98 technologie-unabhängige Patente bezüglich Druckmessung und haptischer Rückmeldung. Deshalb könnte auch eine magnetgestützte oder elektrostatische aktive Haptik unter diesen Patentschutz fallen. In der Regel dürfte unsere piezogestützte Technik etwas mehr kosten als die anderen Lösungen. Dafür bietet sie aber die vorhin angesprochenen Bauraum- und funktionellen Vorteile. Bei sehr knappem Displaypackage kann die Piezoaktorik manchmal die einzige realisierbare Lösung sein.

KEM Konstruktion: Wie kam es zu der Lizenzvereinbarung mit Bosch?

Sauer: Es ist kein Geheimnis, dass die beiden Unternehmen weltweit intensive Geschäftsbeziehungen pflegen. In diesem Fall kam Bosch mit dem Wunsch auf uns zu, unsere Patente für die Entwicklung von Bosch Touchpanels mit intelligenter Rückmeldung nutzen zu dürfen. Im Idealfall integrieren sie auch unsere Produkte in ihren Displaysystemen. Sie dürfen aber auch andere Techniken nutzen, um eine aktive Haptik zu realisieren. Mit anderen Unternehmen sind wir ebenfalls in Gesprächen über Lizenzvergaben.

KEM Konstruktion: Wird Mitte bis Ende des nächsten Jahrzehnts jedes Fahrzeug über Displays mit haptischem Feedback verfügen?

Sauer: Grundsätzlich wird das intelligente Display die heute üblichen Touchpanels ersetzen. Ob dieser Prozess bis 2025 oder 2030 abgeschlossen sein wird, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen. Sobald Bildschirme von Consumergeräten (Smartphones, Lichtschalter, Geldautomaten, Ampelbetätigungen) über eine intelligente Rückmeldehaptik verfügen, wird es auch bei Fahrzeugdisplays sehr schnell gehen.

KEM Konstruktion: Wird der Piezoaktor zum Schlüssel für den Einstieg in intelligente Mensch-Maschine-Schnittstellen, oder stehen dafür auch andere Techniken bereit?

Sauer: Unsere Piezoaktorik ist sicher der Einstieg. Es gibt aber schon Techniken, bei denen ein haptisches Erlebnis auch ohne physische Berührung möglich ist. Mit diesen Augmented-Haptivity-Techniken kann dann den Handflächen suggeriert werden, dass man beispielsweise einen Tennisball in der Hand hält – völlig berührungslos. Natürlich steckt eine solche Technik noch in den Kinderschuhen, könnte aber die nächste Evolutionsstufe nach dem displaybasierten haptischen Feedback werden. Dann könnten Passagiere in autonomen Fahrzeugen völlig positionsflexibel Steuervorgänge einfach per Hologramm und Handbewegung vornehmen.

www.kyocera.de

Details zu den Automotive TFTs von Kyocera:

hier.pro/hfCXh


Manfred Sauer, Geschäftsführer und Präsident, Kyocera Automotive and Industrial Solutions
Bild: Kyocera

„Grundsätzlich wird das intelligente Display die heute üblichen Touchpanels ersetzen. Sobald Bildschirme von Consumergeräten über eine intelligente Rückmeldehaptik verfügen, wird es auch bei Fahrzeugdisplays sehr schnell gehen.

Das haptische Feedback direkt auf der Displayoberfläche ist ein Look&Feel-Merkmal, mit dem sich die Automarken vom Wettbewerb differenzieren können“

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