專利名稱：輸入設(shè)備以及使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠在用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板進(jìn)行信息的輸入操作時(shí)通過(guò)觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的輸入操作的反饋的輸入設(shè)備以及使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備。
本申請(qǐng)基于2002年8月29日遞交的日本專利申請(qǐng)No.2002-251781并要求其優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)全文在此引為參考。
背景技術(shù)：
這里用ATM(自動(dòng)柜員機(jī))作為電子設(shè)備的一個(gè)例子。觸摸面板被附加到ATM的顯示面上。在使用ATM的操作中，用戶通過(guò)觸摸面板輸入信息，通過(guò)添加到ATM外部的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的輸入操作的反饋。所添加的設(shè)備通過(guò)改變ATM的顯示窗口上的圖像或者通過(guò)使用揚(yáng)聲器或者發(fā)聲器改變聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋。
在室外使用小型電子設(shè)備比如PDA(其應(yīng)用了通過(guò)改變圖像或者聲音的方法實(shí)現(xiàn)的反饋系統(tǒng))的情況下，由于環(huán)境噪聲或者黑暗的原因，可能難以充分地傳遞反饋。另外，當(dāng)用戶使用手指在顯示窗口上指點(diǎn)圖標(biāo)等時(shí)，圖像可能被手指蓋住，從而圖像的改變而產(chǎn)生的反饋信息不能被傳達(dá)給用戶。
已經(jīng)公開(kāi)了以這樣那樣的方式對(duì)觸摸面板給予觸覺(jué)反饋的一些嘗試。
在日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.9-251347(1997年9月22日公開(kāi))所公開(kāi)的坐標(biāo)輸入設(shè)備中，觸摸面板和機(jī)械開(kāi)關(guān)的組合導(dǎo)致“點(diǎn)按”的感覺(jué)。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.11-212725(1999年8月6日公開(kāi))所公開(kāi)的信息顯示設(shè)備和操作輸入設(shè)備使用壓電元件等來(lái)對(duì)觸摸面板提供觸覺(jué)反饋。在當(dāng)前可用的設(shè)備中，儲(chǔ)備使用層疊壓電元件或者雙壓電元件，在實(shí)踐中位移太小而不足以獲得反饋。日本實(shí)用新型申請(qǐng)公開(kāi)No.63-164127(1988年10月26日公開(kāi))描述了將壓電材料用于觸摸面板開(kāi)關(guān)，以對(duì)觸摸面板提供觸覺(jué)反饋。但是，該申請(qǐng)限于光學(xué)觸摸面板。日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No.11-85400(1999年5月30日公開(kāi))所公開(kāi)的顯示設(shè)備是圖像顯示器、輸入設(shè)備和振動(dòng)器的組合。但是，在該文獻(xiàn)中沒(méi)有例如有關(guān)致動(dòng)器類型或者支承方法的具體描述。該文獻(xiàn)主要描述了一種結(jié)構(gòu)，其中在圖像顯示設(shè)備下方設(shè)置了輸入檢測(cè)傳感器(不清楚類型)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的輸入設(shè)備和使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備，其能夠解決上述傳統(tǒng)技術(shù)的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種輸入設(shè)備和使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備，其能夠在用戶使用觸覺(jué)對(duì)觸摸面板進(jìn)行信息輸入操作時(shí)確保通過(guò)觸覺(jué)對(duì)用戶的根據(jù)信息類型執(zhí)行的輸入操作實(shí)現(xiàn)反饋。
本發(fā)明包括觸摸面板，用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板執(zhí)行信息的輸入操作；振動(dòng)發(fā)生裝置，用于根據(jù)信息的類型，通過(guò)觸摸面板向用戶反饋各種觸覺(jué)；以及振動(dòng)控制電路，以使所述振動(dòng)發(fā)生裝置根據(jù)信息的類型產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。所述振動(dòng)發(fā)生裝置是雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，其包括第一致動(dòng)器單元和疊在第一致動(dòng)器單元上的第二致動(dòng)器單元，其中，當(dāng)?shù)谝缓偷诙聞?dòng)器單元中的一個(gè)膨脹時(shí)，另一個(gè)收縮。第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)都具有多層的壓電元件層。
使用本發(fā)明的輸入設(shè)備以及使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備，用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板執(zhí)行信息的輸入操作。振動(dòng)發(fā)生裝置通過(guò)觸摸面板根據(jù)信息的類型向用戶反饋各種觸覺(jué)。振動(dòng)控制電路允許振動(dòng)發(fā)生裝置根據(jù)信息的類型產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生裝置包括第一致動(dòng)器單元和第二致動(dòng)器單元。第一致動(dòng)器單元和第二的每一個(gè)具有層疊結(jié)構(gòu)。作為振動(dòng)發(fā)生裝置，使用雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，其中，當(dāng)?shù)谝缓偷诙聞?dòng)器單元中的一個(gè)膨脹時(shí)，另一個(gè)收縮。第一致動(dòng)器單元和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)具有多層壓電元件層。
使用上述配置，在振動(dòng)控制電路的控制下，根據(jù)信息的類型，振動(dòng)發(fā)生裝置產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。結(jié)果，當(dāng)用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板執(zhí)行輸入操作時(shí)，根據(jù)信息的類型產(chǎn)生的振動(dòng)可以通過(guò)觸覺(jué)被反饋給用戶。觸覺(jué)反饋類似于已被廣泛使用為對(duì)操作的反饋的“點(diǎn)按感覺(jué)”或者“敲鍵感覺(jué)”，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是有益的，因?yàn)槠浔扔脠D像或者聲音產(chǎn)生的反饋更為直覺(jué)(直觀)。另外，被包括在雙壓電晶片壓電致動(dòng)器中的第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)由多層壓電元件層構(gòu)成。這樣的層疊壓電致動(dòng)器與第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)由單個(gè)壓電元件層構(gòu)成的情況相比，能夠在振動(dòng)方向產(chǎn)生較大的撓曲(彎曲)位移。
本發(fā)明是輸入設(shè)備和使用輸入設(shè)備的電子設(shè)備，輸入設(shè)備還包括顯示信息的圖像顯示單元。用戶能夠通過(guò)觸摸該觸摸面板的對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元顯示信息的位置的一部分來(lái)執(zhí)行信息的輸入操作，所述振動(dòng)發(fā)生裝置被設(shè)置在圖像顯示單元中。在本發(fā)明中，圖像顯示單元顯示信息。用戶能夠通過(guò)觸摸該觸摸面板的對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元顯示信息的位置的一部分來(lái)執(zhí)行信息的輸入操作，所述振動(dòng)發(fā)生裝置被設(shè)置在圖像顯示單元中。在本發(fā)明中，圖像顯示單元顯示信息。振動(dòng)發(fā)生裝置通過(guò)觸摸面板根據(jù)信息的類型向用戶反饋各種觸覺(jué)。當(dāng)用戶通過(guò)觸摸面板選擇并觸摸圖像顯示單元上的各種信息項(xiàng)之一時(shí)，根據(jù)所選擇的信息而產(chǎn)生的振動(dòng)可以被反饋給用戶。結(jié)果，用戶能夠直觀地根據(jù)觸覺(jué)的類型知道圖像顯示單元上的信息類型。通過(guò)向觸摸面板添加使用觸覺(jué)(振動(dòng))的顯示功能，可以通過(guò)觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入操作的反饋。另外，通過(guò)將觸覺(jué)顯示功能與傳統(tǒng)的使用視頻、聲音等的顯示功能結(jié)合起來(lái)，可以顯示實(shí)現(xiàn)得更為豐富的信息。
從下面結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，可以更加清楚本發(fā)明的上述以及其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。


圖1的透視圖用于圖示設(shè)置有本發(fā)明的輸入輸出設(shè)備的電子設(shè)備；圖2的俯視圖用于圖示圖1所示的電子設(shè)備的觸摸面板、支承框以及雙壓電晶片壓電致動(dòng)器；圖3是圖1所示電子設(shè)備的分解透視圖；圖4是電子設(shè)備的沿著圖3中的IV-IV線的剖面圖；圖5A是圖4所示的壓電致動(dòng)器、振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)等的放大圖，圖5B的透視圖用于圖示突起和軟粘合劑之間的關(guān)系；圖6是雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的部分省略的透視圖；圖7的剖面圖用于圖示圖6所示的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的層疊結(jié)構(gòu)；圖8A圖示了單層雙壓電元件壓電致動(dòng)器，圖8B的側(cè)視圖用于圖示多層雙壓電元件壓電致動(dòng)器；圖9的視圖用于圖示在圖像顯示單元上顯示的作為例子的圖標(biāo)，以及對(duì)應(yīng)于所述圖標(biāo)的振動(dòng)控制波形模式的例子；圖10的方框電路圖用于圖示包括輸入輸出設(shè)備的控制模塊；圖11的剖面示了本發(fā)明的另一個(gè)例子；圖12的剖面示了本發(fā)明的另一個(gè)例子；圖13的剖面示了本發(fā)明的另一個(gè)例子；圖14的剖面示了本發(fā)明的另一個(gè)例子；圖15的電路框示了構(gòu)成本發(fā)明的輸入設(shè)備的控制模塊的另一個(gè)例子；圖16的視示了根據(jù)本發(fā)明的振動(dòng)指令方法的一個(gè)例子，用于按照雙壓電元件壓電致動(dòng)器中的規(guī)定振動(dòng)頻率有效地振動(dòng)觸摸面板。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。附帶說(shuō)明，由于下面所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的優(yōu)選的具體例子，添加了技術(shù)上優(yōu)選的各種限制。但是，只要下面的說(shuō)明沒(méi)有具體限制本發(fā)明的陳述，則本發(fā)明的范圍不限于這些實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置有輸入輸出設(shè)備的電子設(shè)備10是具有如圖1所示的配置的PDA(個(gè)人數(shù)字助理)。
在用作本發(fā)明的電子設(shè)備的PDA中，向觸摸面板添加了使用觸覺(jué)(振動(dòng))的觸覺(jué)反饋發(fā)生功能，使得能夠通過(guò)觸覺(jué)向用戶提供對(duì)所執(zhí)行的輸入操作的根據(jù)信息類型的反饋。觸覺(jué)反饋類似于已被廣泛使用為對(duì)操作的反饋的“點(diǎn)按感覺(jué)”或者“敲鍵感覺(jué)”，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是有益的，因?yàn)槠浔扔脠D像或者聲音產(chǎn)生的反饋更為直覺(jué)(直觀)。
另外，觸覺(jué)反饋發(fā)生功能不僅允許對(duì)輸入操作產(chǎn)生反饋，而且允許向用戶提供各種信息，比如傳統(tǒng)上使用的圖像或者聲音。
圖1所示的電子設(shè)備10主要包括主體13、觸摸面板15、多個(gè)雙壓電元件壓電致動(dòng)器20以及一個(gè)輸入輸出設(shè)備100。在圖1的電子設(shè)備中提供了四個(gè)雙壓電元件壓電致動(dòng)器。主體13具有一些按鍵16到19以及其它按鍵21、22和24，還有電源開(kāi)關(guān)23。例如，按鍵16用作轉(zhuǎn)換鍵，按鍵17用作確定鍵，按鍵18用作日語(yǔ)、英語(yǔ)切換鍵。主體13還具有其它所需要的鍵。
圖2圖示了圖1的觸摸面板15以及主體13的支承框25。在支承框25的四角，例如使用粘合劑固定了四個(gè)長(zhǎng)坂形的雙壓電元件壓電致動(dòng)器20。
圖3的分解透視示了觸摸面板15和主體13。
主體13設(shè)置有圖像顯示單元30以及圖像顯示單元30的支承框25。液晶顯示器可以用作圖像顯示單元30。除了液晶顯示器(LCD)之外，可以用有機(jī)EL(場(chǎng)致發(fā)光)、CRT(陰極射線管)等作為圖像顯示單元30。圖像顯示單元30能夠響應(yīng)例如圖1所示的按鍵24的操作顯示作為例子的所需圖標(biāo)31到34。支承架25例如由金屬制成，是具有四條邊的框體，所述四條邊對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元30的四條邊。兩個(gè)雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20按照預(yù)定的間隔與支承框25的每一個(gè)縱框部分25A和25B串聯(lián)地通過(guò)粘合被固定。所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20在X方向相互平行布置。X方向是垂直于Y方向的方向，Y方向是主體13的橫向。
主體13例如由塑料比如PC(聚碳酸酯)、ABS(丙烯睛-丁二烯-苯乙烯)或者PI(聚酰亞胺)制成，但是不限于這些材料。支承框25例如由鋁、鐵板或者不銹鋼板制成，但是也可以由金屬或者塑料制成。圖像顯示單元30是能夠進(jìn)行彩色顯示的液晶顯示器。
作為觸摸面板15，其是透明膜，例如，可以使用薄的聚酯膜。觸摸面板15被蒸汽淀積有具有預(yù)定厚度的矩形透明導(dǎo)電層(ITO)。首先，準(zhǔn)備上述兩個(gè)聚酯膜。在一個(gè)聚酯膜上，在縱向上形成矩形的導(dǎo)電層。在另一個(gè)聚酯膜上，在橫向上形成矩形的導(dǎo)電層。上述兩個(gè)聚酯膜可以相互重疊，中間夾一個(gè)絕緣隔離層。絕緣隔離層的夾入防止了兩側(cè)的導(dǎo)電層相互接觸。當(dāng)用戶(操作者)按壓聚酯膜的表面時(shí)，電流流過(guò)一個(gè)聚酯膜上的導(dǎo)電層和另一個(gè)聚酯膜上的導(dǎo)電層，從而能夠從X軸和Y軸的交點(diǎn)檢測(cè)到按下了圖3所示的圖像顯示單元30上的什么位置。在上下兩層上由于交點(diǎn)之間的接觸而流動(dòng)的電流由一個(gè)電路加以處理。這例如允許CPU(中央處理器)檢測(cè)用戶按下了圖3的圖像顯示單元30上的哪些圖標(biāo)31到34。上述觸摸面板1 5的結(jié)構(gòu)不是限制性的，各種配置都可以應(yīng)用于觸摸面板15。觸摸面板15可以通過(guò)重疊一個(gè)透明玻璃板和一個(gè)透明膜來(lái)形成。在此例中，當(dāng)玻璃板的表面上的導(dǎo)電層和膜表面的導(dǎo)電層相互接觸時(shí)，就可以知道按下了圖像顯示單元30上的什么位置。
圖4是該電子設(shè)備的沿著圖3中的線IV-IV的剖面結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。圖5A圖示了圖4所示的電子設(shè)備的剖面結(jié)構(gòu)的部分放大圖。
在圖4和圖5A中，在觸摸面板15和支承框25之間設(shè)置上述四個(gè)雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20。設(shè)置觸摸面板支承部件35，以在觸摸面板15和支承框25之間提供間隔。觸摸面板支承部件35由不吸震的柔性材料支承，被定位于例如觸摸面板15的四角。上述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20被設(shè)置在觸摸面板15和支承框25之間的空間中。雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20和振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)構(gòu)成振動(dòng)發(fā)生裝置，其中，由于雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20的撓曲位移導(dǎo)致的振動(dòng)被傳遞到觸摸面板15一側(cè)。
在下面的說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20”被簡(jiǎn)化為“壓電致動(dòng)器20”。在壓電致動(dòng)器20的一個(gè)端部20A和支承框25之間設(shè)置一個(gè)第一支承部分41。類似地，在壓電致動(dòng)器20的另一個(gè)端部20B和支承框25之間設(shè)置一個(gè)第二支承部分42。在壓電致動(dòng)器20的中央和觸摸面板15的背面之間設(shè)置一個(gè)第三支承部分43。
圖5A和5B圖示了放大的第一支承部分41、第二支承部分42和第三支承部分43。如圖5A和圖4所示，用箭頭U表示壓電致動(dòng)器20的振動(dòng)位移。振動(dòng)位移U垂直于觸摸面板15和支承框25的方向，也就是對(duì)應(yīng)于Z方向。Z方向是垂直于圖3所示的X方向和Y方向的方向。
如圖4和5A所示，壓電致動(dòng)器20被第一到第三支承部分三點(diǎn)支承在觸摸面板15和支承框25之間的空間中。第一到第三支承部分41到43構(gòu)成上述振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)37，將壓電致動(dòng)器20產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到觸摸面板15一側(cè)。如圖5A所示，第一到第三支承部分41到43中的每一個(gè)由一個(gè)刀刃一樣的突起50和軟粘合劑51構(gòu)成。第一到第三支承部分41到43中的每一個(gè)使用所述刀刃狀突起50支承所述壓電致動(dòng)器20的平面，其支承方式不妨礙壓電致動(dòng)器20的撓曲變形(或者彎曲變形)。更具體地，第一支承部分41的突起50從支承框25一側(cè)支承壓電致動(dòng)器20，其支承方式允許壓電致動(dòng)器20在R方向樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。類似地，第二支承部分42的突起50從支承框25一側(cè)支承壓電致動(dòng)器20，其支承方式允許壓電致動(dòng)器20在R方向樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第三支承部分43的突起50從支承框25一側(cè)支承壓電致動(dòng)器20，其支承方式允許壓電致動(dòng)器20在R方向樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
在第一到第三支承部分41到43中，所述軟粘合劑51允許突起50粘到支承框25和觸摸面板15上以防止位移。作為軟粘合劑51的材料，可以使用能夠固定硬材料制成的突起，并能夠?qū)弘娭聞?dòng)器20的撓曲位移無(wú)減少地傳遞到觸摸面板15的材料。軟粘合劑的材料的例子包括苯乙烯合成橡膠(styrene elastomer)(KG-gelYMG-80 BK(Kitagawa Industries Co.，Ltd))。
圖5B圖示了突起50和軟粘合劑51。軟粘合劑51用虛線表示。
圖4和圖5所示的壓電致動(dòng)器20所導(dǎo)致的振動(dòng)位移U平行于Z方向。在第一到第三支承部分41到43中，所述壓電致動(dòng)器20通過(guò)所述刀刃狀突起50由粘合劑51固定。因此，在第一到第三支承部分41到43中，壓電致動(dòng)器20能夠在R方向自由地運(yùn)動(dòng)，而壓電致動(dòng)器20沿著振動(dòng)位移U在Z方向受到約束。
下面結(jié)合圖6和圖7描述壓電致動(dòng)器20的一個(gè)結(jié)構(gòu)示例。圖6是一個(gè)部分省略的視圖，用于圖示壓電致動(dòng)器20的結(jié)構(gòu)。該壓電致動(dòng)器20為所謂的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器。該雙壓電晶片壓電致動(dòng)器也被稱為雙壓電晶片壓電振動(dòng)器等。概略地說(shuō)，壓電致動(dòng)器20是通過(guò)層疊第一致動(dòng)器單元61和第二致動(dòng)器單元62構(gòu)成的。
第一和第二致動(dòng)器61和62具有基本上相同的結(jié)構(gòu)，各自具有多個(gè)壓電元件層63。壓電元件層63由三層構(gòu)成，包括一個(gè)壓電元件64和形成在該壓電元件64的兩側(cè)的電極層65。該壓電元件層63也被稱為主致動(dòng)器單元。第一和第二致動(dòng)器單元61和62中的每一個(gè)是通過(guò)層疊多個(gè)壓電元件層63構(gòu)成的。在圖6和圖7所示的例子中，第一和第二致動(dòng)器單元61和62中的每一個(gè)通過(guò)層疊9個(gè)壓電元件層63二構(gòu)成。壓電元件層63的壓電元件64例如由PZT(鋯鈦酸鉛)制成。所述電極層65例如由Ag-Pd制成。在第一和第二致動(dòng)器單元61和62之間設(shè)置一個(gè)中間電極層65A。
圖6和圖7所示的壓電致動(dòng)器20由18層壓電元件64以及形成在每一對(duì)壓電元件64之間以及壓電致動(dòng)器20的正面和背面的總共19個(gè)電極層65構(gòu)成。圖7所示的壓電元件64的厚度D1例如是28微米。電極層65的厚度D2例如是4微米。壓電致動(dòng)器20是通過(guò)層疊上述18個(gè)壓電元件層63而構(gòu)成的，這些壓電元件層電學(xué)上相互并聯(lián)。
如圖6所示，為壓電致動(dòng)器20設(shè)置層間連接部分66A和66B。壓電元件層63的壓電元件64被極化，使得當(dāng)對(duì)層間連接部分66A和66B施加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，第一致動(dòng)器單元61的9個(gè)壓電元件層63膨脹/收縮，第二致動(dòng)器單元62的9個(gè)壓電元件層63收縮/膨脹。從而，雙壓電元件壓電致動(dòng)器20撓曲和位移時(shí)與雙金屬片的原理相同。圖7所示的壓電致動(dòng)器20非常薄和緊湊，其總厚度例如為500微米。這樣的層疊壓電致動(dòng)器20與第一和第二致動(dòng)器單元61和62的每一個(gè)均由單個(gè)壓電元件層構(gòu)成的情況相比，能夠使用有限的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生更大的撓曲位移。當(dāng)?shù)谝恢聞?dòng)器單元61膨脹時(shí)，第二致動(dòng)器單元62收縮；相反，當(dāng)?shù)谝恢聞?dòng)器單元61收縮時(shí)，第二致動(dòng)器單元62膨脹。從而，壓電致動(dòng)器20沿著圖4所示的振動(dòng)位移U位移。上述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20也被稱為多層雙壓電元件壓電致動(dòng)器。
下面描述尤其適合于小尺寸的移動(dòng)設(shè)備的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20的工作。
如圖1所示的移動(dòng)電子設(shè)備10一般使用鋰離子或者鎳氫電池作為主要的電源。即使將電池所產(chǎn)生的電壓加到上述一般的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器電池上，也不可能獲得足夠大的撓曲位移或者力來(lái)吸引用戶的注意。在本實(shí)施例中，為了解決此問(wèn)題，使用多層雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20來(lái)降低產(chǎn)生等效的撓曲位移或者力所需的驅(qū)動(dòng)電壓，如下所述。
使雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20變形(驅(qū)動(dòng)雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20)所需的壓電元件的撓曲ΔL1可以表示為下式ΔL1＝d31×E×L(d31壓電常數(shù)，E所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度，L元件長(zhǎng)度)撓曲正比于電場(chǎng)強(qiáng)度。這樣，即使降低所使用的電壓，只要電場(chǎng)強(qiáng)度保持恒定，撓曲仍然不變。例如，分別向圖8A和圖8B的元件施加2V和1V的電壓，圖8B的元件厚度為圖8A的元件厚度的1/2。因此，元件內(nèi)的電勢(shì)梯度，也就是電場(chǎng)強(qiáng)度在兩個(gè)元件中是相同的，因此兩個(gè)元件中的撓曲是相同的。
如上所述，在本發(fā)明中，元件在其厚度方向被分開(kāi)，如圖6和7所示，使得可以實(shí)現(xiàn)使用小電壓驅(qū)動(dòng)就允許用戶感知觸覺(jué)的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20。在此例中，假設(shè)用當(dāng)致動(dòng)器的兩側(cè)以例如20mm的跨距被支承時(shí)導(dǎo)致的中央位移來(lái)表示致動(dòng)器的位移。在這種情況下，當(dāng)施加的電壓為10V時(shí)，中央位移約為25微米。如果使用例如鋰離子電池，并將元件的厚度進(jìn)一步劃分，那么，為了獲得與施加約3.3V的電壓獲得的上述25微米對(duì)應(yīng)的位移，一個(gè)元件的厚度應(yīng)當(dāng)是圖6的情況下的大約1/3，也就是約10微米。
圖9所示的電子設(shè)備10的圖像顯示單元30顯示例如四個(gè)圖標(biāo)31到34。上述觸摸面板15被設(shè)置在圖像顯示單元30上。
圖10圖示了圖9所示電子設(shè)備的控制模塊的一個(gè)例子。電子設(shè)備10的控制模塊包括一個(gè)振動(dòng)發(fā)生裝置70、振動(dòng)控制電路73、觸摸面板15以及圖像顯示單元30。CPU(中央處理器)74允許電子設(shè)備10用作移動(dòng)信息終端，處理在圖像顯示單元30和觸摸面板15中使用的信號(hào)。更具體地，CPU 74向圖像顯示單元30發(fā)送構(gòu)成圖標(biāo)等的顯示信號(hào)S5，并從觸摸面板15接收坐標(biāo)值S4。觸摸面板15由用戶的手指F或者觸筆(筆)接觸和按壓。
振動(dòng)發(fā)生電路73允許振動(dòng)發(fā)生裝置71產(chǎn)生取決于信息類型的振動(dòng)模式。振動(dòng)控制電路73和振動(dòng)發(fā)生裝置71在以前廣泛使用的電子設(shè)備10中是沒(méi)有的，是本發(fā)明的特征部分。振動(dòng)控制電路73包括處理器80、存儲(chǔ)器81、外部程序端口82、D/A轉(zhuǎn)換器83以及電流放大器84。處理器80連接到CPU 74、存儲(chǔ)器81、外部程序端口82以及D/A轉(zhuǎn)換器83。
存儲(chǔ)器81例如存儲(chǔ)如圖10所示的四種振動(dòng)模式。這四種振動(dòng)模式例如是振動(dòng)控制波型模式P1到P4?？梢詮拇鎯?chǔ)器81向處理器80提供振動(dòng)控制波形模式P(模式P1到P4)。這些振動(dòng)控制波形模式P1到P4分別對(duì)應(yīng)于圖9所示的圖標(biāo)31到34。這四個(gè)圖標(biāo)31到34是相互不同的信息的例子，可以隨機(jī)顯示在圖像顯示單元30上。
振動(dòng)控制波形模式P是數(shù)字信號(hào)，被提供給處理器80。為了向存儲(chǔ)器81提供振動(dòng)控制波形模式P，可以使用這樣一種方法將外部程序編制者75比如外部PC產(chǎn)生的任意振動(dòng)控制波形模式通過(guò)外部程序端口82載入處理器80，并在被添加了注冊(cè)號(hào)和振動(dòng)控制波形模式P的屬性之后寄存到存儲(chǔ)器81中。另一種將振動(dòng)控制波形模式存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器81中的方法是，根據(jù)通過(guò)觸摸面板15輸入的波形信息由處理器80生成振動(dòng)控制波形模式，并在添加了注冊(cè)號(hào)和屬性后提供給存儲(chǔ)器81。如上所述，外部程序端口82通過(guò)處理器80向存儲(chǔ)器81提供由外部PC或者其它外部裝置生成的上述振動(dòng)控制波形模式。
處理器80使用從CPU 74發(fā)送的對(duì)應(yīng)于觸摸面板15上的坐標(biāo)值S4(坐標(biāo)信息)的請(qǐng)求信號(hào)坐標(biāo)值S來(lái)從存儲(chǔ)器81選擇對(duì)應(yīng)于所述請(qǐng)求信號(hào)坐標(biāo)值S的振動(dòng)控制波形模式P(模式P1到P4)，并將所選擇的振動(dòng)控制波形模式P作為數(shù)字波形S1輸出到D/A轉(zhuǎn)換器83。該坐標(biāo)值S4(坐標(biāo)信息)鏈接到作為圖9所示的圖像顯示單元30上的信息的圖標(biāo)31到34的坐標(biāo)。如上所述，處理器80在其信號(hào)處理中能夠根據(jù)通過(guò)輸入裝置比如觸摸面板15輸入的、存儲(chǔ)在用作移動(dòng)信息終端的電子設(shè)備中的信息產(chǎn)生激活振動(dòng)發(fā)生裝置71的壓電致動(dòng)器20的振動(dòng)控制波形模式P，而不使用外部編程者。對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)值S4的請(qǐng)求信號(hào)坐標(biāo)值S在處理器80和CPU 74之間的上述交換允許將觸摸面板15的坐標(biāo)值S4載入處理器80。
處理器80向D/A轉(zhuǎn)換器83發(fā)送數(shù)字波形S1。該D/A轉(zhuǎn)換器83然后將數(shù)字波形S1轉(zhuǎn)換為模擬電壓波形S2。電流放大器84根據(jù)該模擬電壓波形S2產(chǎn)生一個(gè)電壓指令值S3，該值具有足夠大的電流驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器20，電流放大器將產(chǎn)生的電壓指令指S3發(fā)送給振動(dòng)發(fā)生裝置71的壓電致動(dòng)器20。換句話說(shuō)，電流放大器84放大模擬電壓波形S2，以允許模擬電壓波形S2具有足夠的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器20，并將放大后的波形發(fā)送給壓電致動(dòng)器20。
圖10所示的振動(dòng)發(fā)生裝置71包括壓電致動(dòng)器20和振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)37。
如上所述，振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)37具有圖示于圖4的第一到第三支承部分41到43。壓電致動(dòng)器20將電流放大器84發(fā)來(lái)的指令指S3轉(zhuǎn)換為機(jī)械撓曲位移。振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)37將壓電致動(dòng)器20的撓曲位移傳遞到圖4所示的觸摸面板15。電子設(shè)備10，像圖1和圖3中所示的移動(dòng)信息終端，包括圖10的輸入/輸出裝置100。如圖10所示，輸入輸出設(shè)備100包括圖像顯示單元30、觸摸面板15、振動(dòng)發(fā)生裝置71以及振動(dòng)控制電路73。
下面描述包括上述輸入輸出設(shè)備100的電子設(shè)備10的操作。
用戶看到如圖9所示的作為例子的圖像顯示單元30上的圖標(biāo)31到34。這些圖標(biāo)31到34表示相互不同的信息。當(dāng)用戶用手指通過(guò)觸摸面板15觸摸圖標(biāo)31時(shí)，圖標(biāo)31在圖像顯示單元30的屏幕上的坐標(biāo)如圖10所示被從觸摸面板15發(fā)送給CPU 74，作為坐標(biāo)值S4。圖標(biāo)31和圖標(biāo)31的坐標(biāo)值S4在CPU 74中被預(yù)先相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。在表示已被用戶觸摸的圖標(biāo)31的信號(hào)(例如點(diǎn)擊圖標(biāo))從CPU 74被發(fā)送到處理器80作為請(qǐng)求信號(hào)坐標(biāo)值S之后，處理器80從存儲(chǔ)器81調(diào)用對(duì)應(yīng)于圖標(biāo)31的振動(dòng)控制波形模式P1，并將振動(dòng)控制波形模式P1輸出到D/A轉(zhuǎn)換器83，作為數(shù)字波形S1。
D/A轉(zhuǎn)換器83將處理器80發(fā)來(lái)的數(shù)字波形S1轉(zhuǎn)換為模擬電壓波形S2。電流放大器84將模擬電壓波形S2的電流值放大，向壓電致動(dòng)器20提供一個(gè)指令值S3。根據(jù)所提供的指令值S3(電壓值)，壓電致動(dòng)器20被機(jī)械撓曲和變形。對(duì)壓電致動(dòng)器20提供一定程度的柔性，使得第一到第三支承部分41到43不妨礙壓電致動(dòng)器20的撓曲變形(或者彎曲變形)，如圖4所示。也就是，如上所述，盡管第一到第三支承部分41到43能夠沿著圖5A所示的箭頭R在旋轉(zhuǎn)方向自由活動(dòng)，但是它們不能在箭頭U的方向活動(dòng)，該箭頭U的方向是壓電致動(dòng)器20的振動(dòng)位移的方向。這種結(jié)構(gòu)允許當(dāng)壓電致動(dòng)器20撓曲和變形時(shí)，觸摸面板15只在振動(dòng)位移U方向位移。在壓電致動(dòng)器20的中心相繼導(dǎo)致的這種振動(dòng)位移U作為振動(dòng)波形被傳遞給觸摸面板15，觸摸面板然后相繼位移，這樣所述振動(dòng)位移被傳遞給用戶的手指，作為觸覺(jué)反饋TB。
如上所述，在本發(fā)明中，通過(guò)向觸摸面板添加使用觸覺(jué)(振動(dòng))的觸覺(jué)反饋發(fā)生功能，可以通過(guò)觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入操作的反饋。觸覺(jué)反饋類似于已經(jīng)廣泛用作對(duì)操作的反饋的“點(diǎn)按感覺(jué)”或者“敲鍵感覺(jué)”，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是有好處的，因?yàn)樗葓D像或者聲音的反饋更為直觀。另外，不僅能夠顯示反饋信息，而且能夠顯示觸覺(jué)信息。
按照上述方式，當(dāng)選擇圖9所示的另一個(gè)圖標(biāo)32時(shí)，從存儲(chǔ)器81調(diào)用振動(dòng)控制波形模式P2，當(dāng)從電流放大器84接收到指令值S3時(shí)根據(jù)振動(dòng)控制波形模式P2使壓電致動(dòng)器20振動(dòng)。類似地，當(dāng)用戶用手指按下圖標(biāo)33時(shí)，壓電致動(dòng)器20根據(jù)振動(dòng)控制波形模式P3而振動(dòng)和位移。當(dāng)用戶用手指按下圖標(biāo)34時(shí)，壓電致動(dòng)器20根據(jù)振動(dòng)控制波形模式P4而振動(dòng)和位移。
如圖9所示，振動(dòng)控制波形模式P1是產(chǎn)生“點(diǎn)按感覺(jué)”也就是“剛性感覺(jué)”的矩形波模式。振動(dòng)控制波形模式P2是傳遞韻律感覺(jué)比如心跳的數(shù)字波形。波形模式P2的脈沖寬度是隨機(jī)確定的。振動(dòng)控制波形模式P3是產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)、傳遞運(yùn)動(dòng)感覺(jué)的波形，其具有臺(tái)階狀波形。振動(dòng)控制波形模式P4產(chǎn)生一般觸摸面板的反應(yīng)，也就是，采用基本上恒定的振動(dòng)位移。如上所述，圖標(biāo)31到34代表相互不同的信息。向圖標(biāo)31到34分配相互不同的上述振動(dòng)控制波形模式P1到P4。由于所分配的振動(dòng)模式P1到P4允許在壓電致動(dòng)器20中產(chǎn)生不同的振動(dòng)位移，用戶能夠通過(guò)手指直觀地和物理地區(qū)分圖標(biāo)31到34的類型。注意，圖標(biāo)31到34、圖標(biāo)的坐標(biāo)值以及振動(dòng)控制波形模式可以在圖10所示的處理器80中相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。在各種組合中，CPU 74和處理器80在信號(hào)處理中的角色共享是可以的，不需特別限制于圖10所示的例子。
圖11和圖12分別圖示了本發(fā)明另外的實(shí)施例。圖11和圖12的每一個(gè)例子的結(jié)構(gòu)是在圖4的例子上添加新的部件獲得的。在下面，與圖4的例子中的附圖標(biāo)記相同的附圖標(biāo)記表示與圖4的例子相同的部件。
圖11的例子與圖4的例子的不同之處在于在觸摸面板15和支承框25上提供了觸摸面板保持框110。該觸摸面板保持框110具有基本上為L(zhǎng)形的截面。通過(guò)該觸摸面板保持框110，觸摸面板15的端部被固定到支承框25上。觸摸面板保持框110是一個(gè)框體，其具有例如四個(gè)邊。在觸摸面板保持框110的上端部111和觸摸面板15的端部之間設(shè)置一個(gè)防塵密封113。該防塵密封113例如是具有方形截面、圓形截面或者橢圓截面的環(huán)形彈性件，例如由塑料或者橡膠制成。該防塵密封13防止灰塵或者外部顆粒進(jìn)入觸摸面板15和支承框25之間的空間中。該防塵密封113還用作觸摸面板支承件，從觸摸面板保持框110一側(cè)支持觸摸面板15。防塵密封113由非常柔性的材料或者具有一定程度的柔性的材料制成，其屬性不會(huì)使振動(dòng)衰減，并使在壓電致動(dòng)器20中產(chǎn)生的振動(dòng)位移的衰減最小化。
圖12的例子與圖4的例子的不同之處在于振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)137的結(jié)構(gòu)，并且添加了圖11的防塵密封113和觸摸面板保持框110。在圖4中，壓電致動(dòng)器20由第一到第三支承部分41到43三點(diǎn)支承在觸摸面板15和支承框25之間的空間中。另一方面，在圖12的實(shí)施例中，振動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)137具有支承部分141和另一個(gè)支承部分142。支承部分141被設(shè)置在壓電致動(dòng)器20的一個(gè)端部20A和支承框25之間。所述另一個(gè)支承部分142被設(shè)置在壓電致動(dòng)器20的所述另一端部20B和觸摸面板15的內(nèi)側(cè)表面之間。支承部分142的結(jié)構(gòu)與圖5A和圖5B的具有突起50和軟粘合劑51的結(jié)構(gòu)相同。支承部分141使用硬粘合劑被剛性固定到圖像顯示單元的支承框25上。如上所述，壓電致動(dòng)器20被支承部分141和142兩點(diǎn)支承在觸摸面板15和支承框25之間的空間中。當(dāng)壓電致動(dòng)器20撓曲和位移時(shí)，觸摸面板15在振動(dòng)位移U方向位移。如上所述的壓電致動(dòng)器20以懸臂的方式被支承在觸摸面板15和支承框25之間的空間中。
圖13和圖14的每一個(gè)圖示了本發(fā)明的另外的實(shí)施例。
在圖13的例子中，壓電致動(dòng)器20僅從觸摸面板15一側(cè)被支承。壓電致動(dòng)器20的一個(gè)端部20A由一個(gè)支承部分241支承，其另一個(gè)端部20B由支承部分242支承。這種結(jié)構(gòu)也允許壓電致動(dòng)器20在旋轉(zhuǎn)方向R自由獲得，并允許在振動(dòng)位移U的方向在觸摸面板15中產(chǎn)生振動(dòng)。
圖14的例子具有向圖13的例子的結(jié)構(gòu)上添加心軸250而獲得的結(jié)構(gòu)。心軸250被固定到壓電致動(dòng)器20的中間部分上。當(dāng)在壓電致動(dòng)器20中產(chǎn)生撓曲位移U時(shí)，產(chǎn)生心軸250的慣性力。當(dāng)壓電致動(dòng)器20壓起觸摸面板15時(shí)產(chǎn)生的反作用力被心軸250的慣性力保持，從而壓電致動(dòng)器20的撓曲位移能夠有效地被傳遞到觸摸面板15。圖13和圖14所示的結(jié)構(gòu)中，壓電致動(dòng)器20僅從觸摸面板15一側(cè)獲得支承，這有如下好處。那就是，用戶施加給觸摸面板15的力被直接施加給壓電致動(dòng)器20。這又，即使用戶向觸摸面板15施加了過(guò)量的力，外部力負(fù)載也不施加到壓電致動(dòng)器20。
圖15圖示了圖10所示控制模塊70的另一個(gè)例子。圖15的控制模塊70與圖10所示的不同之處在于振動(dòng)控制電路73包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器89。為了測(cè)量壓電致動(dòng)器20的端子之間的電壓S6，A/D轉(zhuǎn)換器89輸入所述電壓S6，將該電壓S6 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓S10，將獲得的數(shù)字電壓S10發(fā)送給處理器80。在本發(fā)明中，壓電致動(dòng)器20和觸摸面板直接相連，例如如圖4所示，使得用戶施加給觸摸面板15的力被直接傳遞給壓電致動(dòng)器20。因此，壓電致動(dòng)器20和觸摸面板15之間的連接部分的位移取決于所施加的力。當(dāng)接收到位移時(shí)，壓電致動(dòng)器20產(chǎn)生與所接收到的位移成比例的電動(dòng)勢(shì)。因此，處理器80就能夠通過(guò)測(cè)量該電動(dòng)勢(shì)知道用戶手指F的操作力(按壓力)。如上所述，處理器80能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量壓電致動(dòng)器20的對(duì)應(yīng)于用戶用手指F按壓觸摸面板15時(shí)產(chǎn)生的按壓力W的電壓S6。這帶來(lái)了以下優(yōu)點(diǎn)。
那就是，當(dāng)用戶用手指F向觸摸面板15施加了過(guò)大的力時(shí)，處理器80指令CPU 74向圖像顯示單元30提供構(gòu)成圖標(biāo)的顯示信號(hào)S5，該圖標(biāo)表示檢測(cè)到了過(guò)大的力的操作。使用這種結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)顯示在圖像顯示單元30上的圖標(biāo)警告用戶施加了過(guò)大的力。另外，通過(guò)測(cè)量在使用輸入筆等進(jìn)行手寫輸入時(shí)的操作力(寫壓力)并將測(cè)量到的力與用戶對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)起來(lái)，可以標(biāo)識(shí)(驗(yàn)證)用戶。另外，通過(guò)將從觸摸面板15獲得的坐標(biāo)信息(二維坐標(biāo)信息)與有關(guān)用戶的操作力的信息組合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)三維輸入設(shè)備。
圖16圖示了按照規(guī)定的振動(dòng)頻率有效地使觸摸面板15振動(dòng)的振動(dòng)指令方法的一個(gè)例子。
假設(shè)觸摸面板15和第一到第三支承部分41到43構(gòu)成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的自然頻率f可以用下式表示f＝1/2π×(Kt/m-(Ct/2m))1/2其中m是觸摸面板15的質(zhì)量，Kt和Ct是鏈接到觸摸面板15的所有部件的彈性常數(shù)和粘性系數(shù)。
通過(guò)使圖10的振動(dòng)控制電路73輸出包括上述自然頻率作為指令值的振動(dòng)波形，觸摸面板15能夠有效地振動(dòng)。包括上述自然頻率的振動(dòng)波形不僅包括連續(xù)的振動(dòng)比如正弦波，而且包括通過(guò)組合各種頻率成份所獲得的振動(dòng)，比如脈沖振動(dòng)。為了將系統(tǒng)的自然頻率調(diào)節(jié)到50赫茲到300赫茲的范圍(在這個(gè)范圍人類容易接收到觸覺(jué))，在該變了鏈接到觸摸面板的支承部分等的材料或者形狀之后，上述彈性系數(shù)Kt和粘度系數(shù)Ct應(yīng)當(dāng)被設(shè)定到合適的值。
最好，所述多層雙壓電晶片壓電致動(dòng)器包括四個(gè)或者更多的壓電元件層。具體地，由于驅(qū)動(dòng)電壓的限制，移動(dòng)設(shè)備比如PDA不能使用傳統(tǒng)的壓電致動(dòng)器。為了對(duì)付這種情況，使用具有多層結(jié)構(gòu)的壓電層來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠使用較低電壓驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器，將所獲得的致動(dòng)器用于對(duì)觸摸面板的觸覺(jué)反饋。這樣，在移動(dòng)設(shè)備中也能實(shí)現(xiàn)具有觸覺(jué)反饋功能的觸摸面板。所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的兩個(gè)端部和中央的支承部分在旋轉(zhuǎn)方向具有撓性，但是約束觸覺(jué)傳遞的方向(致動(dòng)器中心的位移方向)。為了約束觸覺(jué)的傳遞方向，使用點(diǎn)狀或者線狀突起，以便不妨礙致動(dòng)器的變形。為了連接致動(dòng)器和支承部件，使用軟粘合劑。
為了不減損致動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)位移(速度)，將致動(dòng)器本身設(shè)計(jì)為用作觸摸面板的支承部件。支承觸摸面板的材料也用作防塵密封來(lái)防止灰塵等進(jìn)入觸摸面板和圖像顯示單元之間。通過(guò)將包括觸摸面板及其支承部件的振動(dòng)系統(tǒng)的自然頻率設(shè)置到人類容易感知觸覺(jué)的頻率區(qū)域，并通過(guò)使觸摸面板的振動(dòng)包括振動(dòng)系統(tǒng)的自然頻率本身或者振動(dòng)系統(tǒng)的頻率，可以有效地將觸覺(jué)反饋傳遞給用戶。
所述振動(dòng)控制電路存儲(chǔ)一個(gè)或者多個(gè)控制模式(振動(dòng)波形)。根據(jù)用戶在觸摸面板上選擇的坐標(biāo)(一般與某個(gè)圖標(biāo)等相聯(lián)系)來(lái)由設(shè)備選擇合適的控制模式，來(lái)控制致動(dòng)器。存儲(chǔ)在振動(dòng)控制電路中的控制模式由軟件定義，能夠由制造商或者用戶任意重寫。所述振動(dòng)控制電路包括用于檢測(cè)向致動(dòng)器施加外力時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的裝置，從而測(cè)量用戶的輸入操作的按壓力。
可以采用這樣的結(jié)構(gòu)雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的一個(gè)端部被固定到一個(gè)基座或者類似結(jié)構(gòu)上，其另一個(gè)端部被連接到所述觸摸面板。
為了不減損致動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)位移(速度)，通過(guò)具有低減震效果的柔性材料來(lái)支承觸摸面板(所述材料例如是Kitagawa IndustriesCo.，Ltd制造的KG-gel)。為了不妨礙壓電致動(dòng)器的彎曲變形，在觸摸面板的下表面之下支承壓電致動(dòng)器，從而，當(dāng)壓電致動(dòng)器位移時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)被傳遞給觸摸面板。在這種情況下，可以向壓電致動(dòng)器的中央添加一個(gè)心軸。
通過(guò)使用雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，可以設(shè)計(jì)適合移動(dòng)設(shè)備的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，其具有尺寸小(形狀薄)和低功耗的特點(diǎn)。尤其是，通過(guò)使用多層雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，能夠設(shè)計(jì)出低電壓驅(qū)動(dòng)型的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，其使用一般能在移動(dòng)設(shè)備中使用的鋰離子或者鎳氫電池工作。另外，可以用簡(jiǎn)單的低成本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的支承。致動(dòng)器本身用作致動(dòng)器的支承部件，不僅防止由于支承部件導(dǎo)致振動(dòng)的損失，而且使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而能夠提供低價(jià)格的系統(tǒng)。觸摸面板的支承部件用作防塵密封，這減少了部件數(shù)量，并且容易設(shè)計(jì)出低價(jià)格的系統(tǒng)。即使致動(dòng)器的輸出較小，也能夠產(chǎn)生用戶能夠觸覺(jué)感知的振動(dòng)，這樣就能夠提供小尺寸、低價(jià)格的系統(tǒng)。
所述輸入設(shè)備能夠進(jìn)行任意波形的振動(dòng)(觸覺(jué))反饋，因此能夠向用戶提供用以確認(rèn)輸入操作的操作感覺(jué)以及各種觸覺(jué)信息(感覺(jué))。通過(guò)使用觸覺(jué)信息作為除了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信息之外的第三信息表達(dá)渠道，可以向用戶提供在現(xiàn)實(shí)性方面更為豐富的各種信息。另外，利用觸覺(jué)相對(duì)于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)對(duì)于人類來(lái)說(shuō)更為基本這一點(diǎn)，就有可能表達(dá)人類的感情。另外，可以想到能夠獨(dú)立使用觸覺(jué)反饋。在這種情況下，對(duì)于盲人、駕駛者或者在視覺(jué)信息和聽(tīng)覺(jué)信息不起作用的嘈雜等環(huán)境下，就能夠進(jìn)行所謂的盲操作來(lái)用于信息呈現(xiàn)。所述振動(dòng)波形能夠容易地被重寫，能夠容易地添加新的振動(dòng)波形，這樣就能夠?qū)υO(shè)備所使用的每一個(gè)國(guó)家設(shè)定振動(dòng)波形，或者取決于個(gè)人的口味來(lái)設(shè)定振動(dòng)模式。另外，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將一個(gè)用戶建立的振動(dòng)模式提供給另一個(gè)用戶。
閱讀了上面的說(shuō)明后，可以知道用戶如何使用設(shè)備，并防止設(shè)備被破壞。提供觸覺(jué)所需的部件和檢測(cè)操作力所需的部件差不多是共同的，因此可以提供低價(jià)格的三維輸入設(shè)備。由于支承觸摸面板的材料具有撓性，壓電致動(dòng)器所產(chǎn)生的位移不受到機(jī)械抑制。另外，材料具有低吸震屬性(例如橡膠材料)，因此壓電致動(dòng)器所產(chǎn)生的能力能夠有效地被傳遞給觸摸面板。用戶施加給觸摸面板的力不直接作用于壓電致動(dòng)器，因此即使用戶向觸摸面板錯(cuò)誤地施加了過(guò)大的力，外力負(fù)載也不會(huì)作用于壓電致動(dòng)器。當(dāng)壓電致動(dòng)器向上壓觸摸面板時(shí)產(chǎn)生的反作用力被心軸的慣性力所保持，因此壓電致動(dòng)器的撓曲位移能夠有效地被傳遞給觸摸面板。
本發(fā)明不限于上述例子。例如，對(duì)于雙壓電晶片壓電致動(dòng)器20的層疊結(jié)構(gòu)，第一和第二致動(dòng)器單元分別具有9個(gè)壓電元件層63。但是，壓電元件層63的層數(shù)不限于9。只需要每一個(gè)單元具有多層壓電元件層63即可。每一個(gè)單元最好具有四個(gè)或者多個(gè)壓電元件層63。這樣，可以用低驅(qū)動(dòng)電壓獲得較大的撓曲位移。在圖中所示的例子中，第一和第二支承部分被設(shè)置在圖像顯示單元一側(cè)，第三支承部分被設(shè)置在觸摸面板一側(cè)。但是，在另外的實(shí)施例中，可以采用這樣的結(jié)構(gòu)第一和第二支承部分被設(shè)置在觸摸面板一側(cè)，第三支承部分被設(shè)置在圖像顯示單元一側(cè)。
作為本發(fā)明的電子設(shè)備，上面以個(gè)人數(shù)字助理(PDA)作為例子。具有輸入輸出設(shè)備100的本發(fā)明的電子設(shè)備10不限于個(gè)人數(shù)字助理，而是包括所有有觸摸面板作為輸入裝置的電子設(shè)備，比如移動(dòng)電話、遙控器、DSC(數(shù)字照相機(jī))、DVC(數(shù)字?jǐn)z像機(jī))、PC(個(gè)人電腦)。
另外，在本發(fā)明的電子設(shè)備中，觸摸面板和顯示功能是集成起來(lái)的。但是，在另外的實(shí)施例中，顯示功能可以與觸摸面板分開(kāi)，例如膝上電腦的觸控板，可以單獨(dú)地提供顯示單元。同樣，在這種情況下，觸覺(jué)通過(guò)觸摸面板被傳遞給用戶。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)用戶對(duì)使用觸覺(jué)的觸摸面板進(jìn)行輸入信息的操作時(shí)，通過(guò)觸覺(jué)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶根據(jù)信息的類型執(zhí)行的輸入操作的反饋。
權(quán)利要求
1.一種輸入設(shè)備，包括觸摸面板，用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板執(zhí)行信息的輸入操作；振動(dòng)發(fā)生裝置，用于根據(jù)信息的類型，通過(guò)觸摸面板向用戶反饋各種觸覺(jué)；以及振動(dòng)控制電路，使所述振動(dòng)發(fā)生裝置根據(jù)信息的類型產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)，所述振動(dòng)發(fā)生裝置是雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，其包括第一致動(dòng)器單元和疊在第一致動(dòng)器單元上的第二致動(dòng)器單元，其中，當(dāng)?shù)谝缓偷诙聞?dòng)器單元中的一個(gè)膨脹時(shí)，其中的另一個(gè)收縮，所述第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)具有多層壓電元件層。
2.如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備，還包括顯示信息的圖像顯示單元，其中，用戶能夠通過(guò)觸摸所述觸摸面板上的對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元顯示信息的位置的一部分來(lái)執(zhí)行信息的輸入操作，并且所述振動(dòng)發(fā)生裝置被設(shè)置在所述圖像顯示單元中。
3.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，在第一和第二致動(dòng)器單元所包括的每一個(gè)壓電元件的兩側(cè)設(shè)置電極。
4.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器包括設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的一個(gè)端部和圖像顯示單元之間的第一支承部分；設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的另一個(gè)端部和圖像顯示單元之間的第二支承部分；以及設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的中央和觸摸面板之間的第三支承部分。
5.如權(quán)利要求4所述的輸入設(shè)備，其中，第一、第二和第三支承部分在不同于用戶觸摸所述觸摸面板的方向的旋轉(zhuǎn)方向具有撓性。
6.如權(quán)利要求5所述的輸入設(shè)備，其中，第一和第二支承部分中的每一個(gè)具有一個(gè)突起和用于將該突起固定到所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器和圖像顯示單元上的軟粘合劑，所述第三支承部分具有一個(gè)突起和用于將該突起固定到所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器和觸摸面板上的軟粘合劑。
7.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器包括一個(gè)設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的一個(gè)端部和圖像顯示單元之間的支承部分，以及另一個(gè)設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的另一個(gè)端部和觸摸面板之間的支承部分。
8.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器包括分別設(shè)置在所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的一個(gè)端部和觸摸面板之間，以及所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的另一個(gè)端部和觸摸面板之間的支承部分。
9.如權(quán)利要求8所述的輸入設(shè)備，其中，一個(gè)心軸被固定到所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的中間部分上。
10.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，所述圖像顯示單元由液晶顯示單元構(gòu)成，具有防止灰塵進(jìn)入觸摸面板和液晶顯示單元之間的防塵密封。
11.如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備，其中，所述振動(dòng)控制電路存儲(chǔ)多個(gè)用于所述雙壓電晶片壓電致動(dòng)器的振動(dòng)控制波形模式，所述振動(dòng)控制波形模式對(duì)應(yīng)于顯示在所述圖像顯示單元上的信息項(xiàng)目。
12.如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備，其中，存儲(chǔ)在所述振動(dòng)控制電路中的振動(dòng)控制波形模式能夠被重寫。
13.如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備，其中，所述振動(dòng)發(fā)生裝置包括電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)取決于用戶的施加到雙壓電晶片壓電致動(dòng)器上的按壓力而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。
14.一種電子設(shè)備，其包括用于輸入信息的輸入設(shè)備，該輸入設(shè)備包括觸摸面板，用戶通過(guò)觸摸該觸摸面板執(zhí)行信息的輸入操作；振動(dòng)發(fā)生裝置，用于根據(jù)信息的類型，通過(guò)觸摸面板向用戶反饋各種觸覺(jué)；以及振動(dòng)控制電路，使所述振動(dòng)發(fā)生裝置根據(jù)信息的類型產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)，所述振動(dòng)發(fā)生裝置是雙壓電晶片壓電致動(dòng)器，其包括第一致動(dòng)器單元和疊在第一致動(dòng)器單元上的第二致動(dòng)器單元，其中，當(dāng)?shù)谝缓偷诙聞?dòng)器單元中的一個(gè)膨脹時(shí)，其中的另一個(gè)收縮，所述第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)具有多層壓電元件層。
15.如權(quán)利要求14所述的電子設(shè)備，其中，所述輸入設(shè)備還包括顯示信息的圖像顯示單元，用戶能夠通過(guò)觸摸所述觸摸面板上的對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元顯示信息的位置的一部分來(lái)執(zhí)行信息的輸入操作，并且所述振動(dòng)發(fā)生裝置被設(shè)置在所述圖像顯示單元中。
16.如權(quán)利要求15所述的電子設(shè)備，其中，在第一和第二致動(dòng)器單元所包括的每一個(gè)壓電元件的兩側(cè)設(shè)置電極。
17.如權(quán)利要求14所述的電子設(shè)備，其中，所述電子設(shè)備是便攜式電子設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及輸入設(shè)備，其包括顯示信息的圖像顯示單元(30)；觸摸面板(15)，用戶通過(guò)觸摸所述觸摸面板上的對(duì)應(yīng)于圖像顯示單元顯示信息的位置的一部分來(lái)執(zhí)行信息的輸入操作；設(shè)置在所述圖像顯示單元中的振動(dòng)發(fā)生裝置(71)，用于根據(jù)信息的類型，通過(guò)觸摸面板向用戶反饋各種觸覺(jué)；以及振動(dòng)控制電路，以使所述振動(dòng)發(fā)生裝置根據(jù)信息的類型產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)。所述振動(dòng)發(fā)生裝置是雙壓電晶片壓電致動(dòng)器。第一和第二致動(dòng)器單元中的每一個(gè)都具有多層的壓電元件。這樣，能夠提供一種輸入輸出設(shè)備，其能夠在用戶使用觸覺(jué)對(duì)觸摸面板進(jìn)行信息輸入操作時(shí)確保通過(guò)觸覺(jué)對(duì)用戶的根據(jù)信息類型執(zhí)行的輸入操作實(shí)現(xiàn)反饋。
文檔編號(hào)H01H13/712GK1678978SQ0382068
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者丸山重明, 本山茂樹(shù), 伊萬(wàn)·普皮列夫, 木村景一 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社