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Demonstrating the application of dielectric polymer actuators for tactile feedback in a mobile consumer device

Mößinger, Holger (2010):
Demonstrating the application of dielectric polymer actuators for tactile feedback in a mobile consumer device.
Institut EMK / FG M+EMS, [Master Thesis]

Abstract

Nutzerinterschnittstellen heutiger Mobilgeräte werden immer komplexer. Um dieser Komplexität zu begegnen werden Touchscreens als Eingabegerät benutzt. Diese erlauben ein flexibles Anpassen der Nutzerschnittstelle, begrenzen jedoch die Benutzbarkeit aufgrund der fehlenden tactilen Rückmeldung mechanischer Tasten. Dielektrische Elastomer Aktoren (DEA) versprechen die Flexibilität eines Touchscreens mit der intuitiven Benutzbarkeit klassischer Tasten zu kombinieren. Zum Ansteuern von DEA sind jedoch hohe Spannungen nötig. Das Erzeugen dieser Spannungen in einem Mobilgerät, in dem Bauraum und zur Verfügung stehende Energie begrenzt sind, ist eine Herausforderung. In dieser Arbeit wird ein funktionsfähiges Mobilgerät aufgebaut, welches die Funktion taktiler Rückmeldung unter Zuhilfenahme eines DEA demonstriert. Abbildung A zeigt die Struktur des Systems. Basierend auf dem von Haus [D1723] beschriebenen Prinzip einer Ansteuerelektronik für DEA wird eine verbesserte Elektronik entwickelt. Die wichtigsten Optimierungspunkte sind die Baugröße und die Energieeffizienz der Schaltung. Das vollständige System kommt mit 0.52 W Leistung und einem Bauraum von 110 mm x 45 mm x 20 mm aus. Zum Betreiben der DEA erzeugt die Ansteuerelektronik acht Hochspannungssignale mit einer Amplitude von bis zu 1100 V aus einer, von einem Lithium Ionen Akku bereitgestellten Eingangsspannung von 3,7 V. Die Kontrollelektronik bestimmt Frequenz und Tastverhältnis des Reckecksignals zum Erzeugen der taktilen Rückmeldung. Die Frequenz des Signals kann in einem Bereich von DC bis 300 Hz variiert werden. Tastverhältnisse von maximal 10:1 sind möglich. Eine Messelektronik erlaubt es die Aktoren als mit dem Finger zu betätigende Taster zu verwenden. Dazu wird die den DEA inne wohnende Sensorfunktion benutzt. Die Messung basiert auf der Änderung der Aktorkapazität und der Einfluss des vom Finger ausgeübten Drucks, durch Integration über den Ladestrom des Aktors. Der Ladestrom wird entweder durch das generierte Feedbacksignal hervorgerufen, oder durch zusätzliche Schaltpulse erzeugt. Ein in der Kontrollelektronik integrierter TI MSP430 Mikrocontroller bestimmt das Zusammenspiel von gedrückten Tasten und taktiler Rückmeldung. Er erlaubt die Änderung der taktilen Rückmeldung als Reaktion auf von Benutzer gedrückte Tasten. Zusätzlich zur vom Mobilgerät selbst zur Verfügung gestellten Demonstrationsfunktion wird eine Funkverbindung zu einem PC bereitgestellt. Diese erlaubt die Anzeige gedrückter Tasten und weiterer Informationen, sowie die manuelle Einstellung der Parameter des Mobilgerätes mittels eines “Virtuellen Instruments” in LabView.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2010
Creators: Mößinger, Holger
Title: Demonstrating the application of dielectric polymer actuators for tactile feedback in a mobile consumer device
Language: English
Abstract:

Nutzerinterschnittstellen heutiger Mobilgeräte werden immer komplexer. Um dieser Komplexität zu begegnen werden Touchscreens als Eingabegerät benutzt. Diese erlauben ein flexibles Anpassen der Nutzerschnittstelle, begrenzen jedoch die Benutzbarkeit aufgrund der fehlenden tactilen Rückmeldung mechanischer Tasten. Dielektrische Elastomer Aktoren (DEA) versprechen die Flexibilität eines Touchscreens mit der intuitiven Benutzbarkeit klassischer Tasten zu kombinieren. Zum Ansteuern von DEA sind jedoch hohe Spannungen nötig. Das Erzeugen dieser Spannungen in einem Mobilgerät, in dem Bauraum und zur Verfügung stehende Energie begrenzt sind, ist eine Herausforderung. In dieser Arbeit wird ein funktionsfähiges Mobilgerät aufgebaut, welches die Funktion taktiler Rückmeldung unter Zuhilfenahme eines DEA demonstriert. Abbildung A zeigt die Struktur des Systems. Basierend auf dem von Haus [D1723] beschriebenen Prinzip einer Ansteuerelektronik für DEA wird eine verbesserte Elektronik entwickelt. Die wichtigsten Optimierungspunkte sind die Baugröße und die Energieeffizienz der Schaltung. Das vollständige System kommt mit 0.52 W Leistung und einem Bauraum von 110 mm x 45 mm x 20 mm aus. Zum Betreiben der DEA erzeugt die Ansteuerelektronik acht Hochspannungssignale mit einer Amplitude von bis zu 1100 V aus einer, von einem Lithium Ionen Akku bereitgestellten Eingangsspannung von 3,7 V. Die Kontrollelektronik bestimmt Frequenz und Tastverhältnis des Reckecksignals zum Erzeugen der taktilen Rückmeldung. Die Frequenz des Signals kann in einem Bereich von DC bis 300 Hz variiert werden. Tastverhältnisse von maximal 10:1 sind möglich. Eine Messelektronik erlaubt es die Aktoren als mit dem Finger zu betätigende Taster zu verwenden. Dazu wird die den DEA inne wohnende Sensorfunktion benutzt. Die Messung basiert auf der Änderung der Aktorkapazität und der Einfluss des vom Finger ausgeübten Drucks, durch Integration über den Ladestrom des Aktors. Der Ladestrom wird entweder durch das generierte Feedbacksignal hervorgerufen, oder durch zusätzliche Schaltpulse erzeugt. Ein in der Kontrollelektronik integrierter TI MSP430 Mikrocontroller bestimmt das Zusammenspiel von gedrückten Tasten und taktiler Rückmeldung. Er erlaubt die Änderung der taktilen Rückmeldung als Reaktion auf von Benutzer gedrückte Tasten. Zusätzlich zur vom Mobilgerät selbst zur Verfügung gestellten Demonstrationsfunktion wird eine Funkverbindung zu einem PC bereitgestellt. Diese erlaubt die Anzeige gedrückter Tasten und weiterer Informationen, sowie die manuelle Einstellung der Parameter des Mobilgerätes mittels eines “Virtuellen Instruments” in LabView.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 11 Jan 2012 16:54
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM 1745

Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 01-03-2010

Ende Datum: 07-09-2010

Querverweis: 17/24 EMKD 1723

Identification Number: 17/24 EMK M1745
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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