Wenn das Display einen Tastenhub simuliert

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Das Druckempfinden der menschlichen Hand

Auf der Gegenseite eines Human Machine Interfaces befindet sich der Mensch. Die menschliche Fingerkuppe enthält diverse Nervensysteme für unterschiedliche Funktionen. Unter anderem gibt es Nerven für die Druckempfindung, die sogenannten Ruffini-Nerven, die konstanten Druck über die Verformung vom weichen Streicheln bis zur Schmerzgrenze erfassen.

Dazu gibt es weitere, die Druckveränderungen und Vibrationen kurzfristig wahrnehmen können. Das sind die Pacini-Nerven. Verschiedene Versuche haben gezeigt, dass speziell diese beiden Nervensysteme für das haptische Empfinden eines Tasters oder Schalters ausschlaggebend sind. Bei geeigneter Stimulation kann durch sie ein virtuelles Tastenempfinden erzeugt werden. Basierend auf dieser Erkenntnis hat Kyocera verschiedene Versuche durchgeführt, um diese Stimulation auf einer Displayoberfläche so realitätsnah wie möglich zu gestalten. Hierzu wurde mit den heute verfügbaren technischen Mitteln ein geeigneter Versuchsaufbau erstellt.

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Auf den Finger wirken Druck und Vibration ein

Sensor und Aktuator wurden unter eine transparente Frontplatte geklebt, um hierüber die Bewegungen aufzunehmen und wieder abzugeben. Diese Einheit ist elastisch vor dem Display angebracht worden. Der kapazitive Touch-Sensor wurde dabei so justiert, dass er Berührungen auf der Frontpatte lokalisieren kann. Dessen Daten sowie die Daten vom Drucksensor, werden anschließend in der Steuereinheit ausgewertet und gemäß den Vorgaben in Kommandos für die Aktuatoren umgesetzt.

In Kommunikation mit dem Display Controller werden die Displayinhalte entsprechend umgeschaltet. Damit ist auch die optische Rückmeldung gegeben. Als Grundlage für den Versuch sind zunächst Kraft und Weg einer mechanischen Taste analysiert worden. Aus dieser Analyse ergibt sich die Schlussfolgerung, dass auf den Finger Druck und Vibration (hier nur eine Periode) einwirken.

Eine Versuchsreihe sollte klären, welche der Parameter Kraft, Hub, Impulsform, Impulslänge und Impulsfrequenz überhaupt und in welcher Form zu einem virtuellen Klick beitragen. Da virtuelle Empfindungen nur im Gehirn erzeugt werden können, konnte die Auswertung nur empirisch mit mehreren Versuchspersonen ermittelt werden. Die Probanden wurden so ausgesucht, dass sie tägliche Erfahrung mit diversen Tastaturen aufweisen konnten. Bewertet wurden die Versuche mit einer Rating Skala von 1 (kein Effekt) bis 7 (intensiv). Durch das rasche Ansprechen der Piezo-Aktuatoren konnten die Parameter sehr exakt ermittelt und optimiert werden.

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