CN100430874C - 输入输出设备以及使用输入输出设备的电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及输入设备，其包括：显示信息的图像显示单元(30)；触摸面板(15)，用户通过触摸所述触摸面板上的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作；设置在所述图像显示单元中的振动发生装置(71)，用于根据信息的类型，通过触摸面板向用户反馈各种触觉；以及振动控制电路，以使所述振动发生装置根据信息的类型产生各种形式的振动。所述振动发生装置是双压电晶片压电致动器。第一和第二致动器单元中的每一个都具有多层的压电元件。这样，能够提供一种输入输出设备，其能够在用户使用触觉对触摸面板进行信息输入操作时确保通过触觉对用户的根据信息类型执行的输入操作实现反馈。

Description

输入输出设备以及使用输入输出设备的电子设备
技术领域
本发明涉及能够在用户通过触摸该触摸面板进行信息的输入操作时通过触觉实现对用户的输入操作的反馈的输入设备以及使用输入设备的电子设备。
本申请基于2002年8月29日递交的日本专利申请No.2002-251781并要求其优先权，该申请全文在此引为参考。
背景技术
这里用ATM(自动柜员机)作为电子设备的一个例子。触摸面板被附加到ATM的显示面上。在使用ATM的操作中，用户通过触摸面板输入信息，通过添加到ATM外部的设备实现对用户的输入操作的反馈。所添加的设备通过改变ATM的显示窗口上的图像或者通过使用扬声器或者发声器改变声音来实现反馈。
在室外使用小型电子设备比如PDA(其应用了通过改变图像或者声音的方法实现的反馈系统)的情况下，由于环境噪声或者黑暗的原因，可能难以充分地传递反馈。另外，当用户使用手指在显示窗口上指点图标等时，图像可能被手指盖住，从而图像的改变而产生的反馈信息不能被传达给用户。
已经公开了以这样那样的方式对触摸面板给予触觉反馈的一些尝试。
在日本专利申请公开No.9-251347(1997年9月22日公开)所公开的坐标输入设备中，触摸面板和机械开关的组合导致“点按”的感觉。日本专利申请公开No.11-212725(1999年8月6日公开)所公开的信息显示设备和操作输入设备使用压电元件等来对触摸面板提供触觉反馈。在当前可用的设备中，除非使用层叠压电元件或者双压电元件，在实践中位移太小而不足以获得反馈。日本实用新型申请公开No.63-164127(1988年10月26日公开)描述了将压电材料用于触摸面板开关，以对触摸面板提供触觉反馈。但是，该申请限于光学触摸面板。日本专利申请公开No.11-85400(1999年5月30日公开)所公开的显示设备是图像显示器、输入设备和振动器的组合。但是，在该文献中没有例如有关致动器类型或者支承方法的具体描述。该文献主要描述了一种结构，其中在图像显示设备下方设置了输入检测传感器(不清楚类型)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新的输入设备和使用输入设备的电子设备，其能够解决上述传统技术的问题。
本发明的另一个目的是提供一种输入设备和使用输入设备的电子设备，其能够在用户使用触觉对触摸面板进行信息输入操作时确保通过触觉对用户的根据信息类型执行的输入操作实现反馈。
本发明包括：显示信息的图像显示单元；触摸面板，用户能够通过触摸该触摸面板上的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作；设置在所述图像显示单元中的振动发生装置，用于根据信息的类型，通过触摸面板向用户反馈各种触觉；以及振动控制电路，以使所述振动发生装置根据信息的类型产生各种形式的振动。所述振动发生装置是双压电晶片压电致动器，其包括第一致动器单元和叠在第一致动器单元上的第二致动器单元，其中，当第一和第二致动器单元中的一个膨胀时，另一个收缩。第一和第二致动器单元中的每一个都具有多层的压电元件层，所述双压电晶片压电致动器包括：设置在所述双压电晶片压电致动器的一个端部和图像显示单元之间的第一支承部分；设置在所述双压电晶片压电致动器的另一个端部和图像显示单元之间的第二支承部分；以及设置在所述双压电晶片压电致动器的中央部分和触摸面板之间的第三支承部分，所述第一支承部分、第二支承部分和第三支承部分每一个都具有突起和用于固定所述突起的粘合剂。
使用本发明的输入设备以及使用输入设备的电子设备，用户通过触摸该触摸面板执行信息的输入操作。振动发生装置通过触摸面板根据信息的类型向用户反馈各种触觉。振动控制电路允许振动发生装置根据信息的类型产生各种形式的振动。振动发生装置包括第一致动器单元和第二致动器单元。第一致动器单元和第二的每一个具有层叠结构。作为振动发生装置，使用双压电晶片压电致动器，其中，当第一和第二致动器单元中的一个膨胀时，另一个收缩。第一致动器单元和第二致动器单元中的每一个具有多层压电元件层。
使用上述配置，在振动控制电路的控制下，根据信息的类型，振动发生装置产生各种形式的振动。结果，当用户通过触摸该触摸面板执行输入操作时，根据信息的类型产生的振动可以通过触觉被反馈给用户。触觉反馈类似于已被广泛使用为对操作的反馈的“点按感觉”或者“敲键感觉”，对于用户来说是有益的，因为其比用图像或者声音产生的反馈更为直觉(直观)。另外，被包括在双压电晶片压电致动器中的第一和第二致动器单元中的每一个由多层压电元件层构成。这样的层叠压电致动器与第一和第二致动器单元中的每一个由单个压电元件层构成的情况相比，能够在振动方向产生较大的挠曲(弯曲)位移。
本发明是输入设备和使用输入设备的电子设备，输入设备还包括显示信息的图像显示单元。用户能够通过触摸该触摸面板的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作，所述振动发生装置被设置在图像显示单元中。在本发明中，图像显示单元显示信息。用户能够通过触摸该触摸面板的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作，所述振动发生装置被设置在图像显示单元中。在本发明中，图像显示单元显示信息。振动发生装置通过触摸面板根据信息的类型向用户反馈各种触觉。当用户通过触摸面板选择并触摸图像显示单元上的各种信息项之一时，根据所选择的信息而产生的振动可以被反馈给用户。结果，用户能够直观地根据触觉的类型知道图像显示单元上的信息类型。通过向触摸面板添加使用触觉(振动)的显示功能，可以通过触觉实现对输入操作的反馈。另外，通过将触觉显示功能与传统的使用视频、声音等的显示功能结合起来，可以显示实现得更为丰富的信息。
从下面结合附图进行的描述，可以更加清楚本发明的上述以及其它目的、优点和特征。
附图说明
图1的透视图用于图示设置有本发明的输入输出设备的电子设备；
图2的俯视图用于图示图1所示的电子设备的触摸面板、支承框以及双压电晶片压电致动器；
图3是图1所示电子设备的分解透视图；
图4是电子设备的沿着图3中的IV-IV线的剖面图；
图5A是图4所示的压电致动器、振动传递机构等的放大图，图5B的透视图用于图示突起和软粘合剂之间的关系；
图6是双压电晶片压电致动器的部分省略的透视图；
图7的剖面图用于图示图6所示的双压电晶片压电致动器的层叠结构；
图8A图示了单层双压电元件压电致动器，图8B的侧视图用于图示多层双压电元件压电致动器；
图9的视图用于图示在图像显示单元上显示的作为例子的图标，以及对应于所述图标的振动控制波形模式的例子；
图10的方框电路图用于图示包括输入输出设备的控制模块；
图11的剖面图图示了本发明的另一个例子；
图12的剖面图图示了本发明的另一个例子；
图13的剖面图图示了本发明的另一个例子；
图14的剖面图图示了本发明的另一个例子；
图15的电路框图图示了构成本发明的输入设备的控制模块的另一个例子；
图16的视图图示了根据本发明的振动指令方法的一个例子，用于按照双压电元件压电致动器中的规定振动频率有效地振动触摸面板。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的优选实施例。附带说明，由于下面所描述的实施例是本发明的优选的具体例子，添加了技术上优选的各种限制。但是，只要下面的说明没有具体限制本发明的陈述，则本发明的范围不限于这些实施例。
根据本发明的设置有输入输出设备的电子设备10是具有如图1所示的配置的PDA(个人数字助理)。
在用作本发明的电子设备的PDA中，向触摸面板添加了使用触觉(振动)的触觉反馈发生功能，使得能够通过触觉向用户提供对所执行的输入操作的根据信息类型的反馈。触觉反馈类似于已被广泛使用为对操作的反馈的“点按感觉”或者“敲键感觉”，对于用户来说是有益的，因为其比用图像或者声音产生的反馈更为直觉(直观)。
另外，触觉反馈发生功能不仅允许对输入操作产生反馈，而且允许向用户提供各种信息，比如传统上使用的图像或者声音。
图1所示的电子设备10主要包括主体13、触摸面板15、多个双压电元件压电致动器20以及一个输入输出设备100。在图1的电子设备中提供了四个双压电元件压电致动器。主体13具有一些按键16到19以及其它按键21、22和24，还有电源开关23。例如，按键16用作转换键，按键17用作确定键，按键18用作日语、英语切换键。主体13还具有其它所需要的键。
图2图示了图1的触摸面板15以及主体13的支承框25。在支承框25的四角，例如使用粘合剂固定了四个长坂形的双压电元件压电致动器20。
图3的分解透视图图示了触摸面板15和主体13。
主体13设置有图像显示单元30以及图像显示单元30的支承框25。液晶显示器可以用作图像显示单元30。除了液晶显示器(LCD)之外，可以用有机EL(场致发光)、CRT(阴极射线管)等作为图像显示单元30。图像显示单元30能够响应例如图1所示的按键24的操作显示作为例子的所需图标31到34。支承架25例如由金属制成，是具有四条边的框体，所述四条边对应于图像显示单元30的四条边。两个双压电晶片压电致动器20按照预定的间隔与支承框25的每一个纵框部分25A和25B串联地通过粘合被固定。所述双压电晶片压电致动器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方向是主体13的横向。
主体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(聚酰亚胺)制成，但是不限于这些材料。支承框25例如由铝、铁板或者不锈钢板制成，但是也可以由金属或者塑料制成。图像显示单元30是能够进行彩色显示的液晶显示器。
作为触摸面板15，其是透明膜，例如，可以使用薄的聚酯膜。触摸面板15被蒸汽淀积有具有预定厚度的矩形透明导电层(ITO)。首先，准备上述两个聚酯膜。在一个聚酯膜上，在纵向上形成矩形的导电层。在另一个聚酯膜上，在横向上形成矩形的导电层。上述两个聚酯膜可以相互重叠，中间夹一个绝缘隔离层。绝缘隔离层的夹入防止了两侧的导电层相互接触。当用户(操作者)按压聚酯膜的表面时，电流流过一个聚酯膜上的导电层和另一个聚酯膜上的导电层，从而能够从X轴和Y轴的交点检测到按下了图3所示的图像显示单元30上的什么位置。在上下两层上由于交点之间的接触而流动的电流由一个电路加以处理。这例如允许CPU(中央处理器)检测用户按下了图3的图像显示单元30上的哪些图标31到34。上述触摸面板15的结构不是限制性的，各种配置都可以应用于触摸面板15。触摸面板15可以通过重叠一个透明玻璃板和一个透明膜来形成。在此例中，当玻璃板的表面上的导电层和膜表面的导电层相互接触时，就可以知道按下了图像显示单元30上的什么位置。
图4是该电子设备的沿着图3中的线IV-IV的剖面结构的一个例子。图5A图示了图4所示的电子设备的剖面结构的部分放大图。
在图4和图5A中，在触摸面板15和支承框25之间设置上述四个双压电晶片压电致动器20。设置触摸面板支承部件35，以在触摸面板15和支承框25之间提供间隔。触摸面板支承部件35由不吸震的柔性材料支承，被定位于例如触摸面板15的四角。上述双压电晶片压电致动器20被设置在触摸面板15和支承框25之间的空间中。双压电晶片压电致动器20和振动传递机构构成振动发生装置，其中，由于双压电晶片压电致动器20的挠曲位移导致的振动被传递到触摸面板15一侧。
在下面的说明中，术语“双压电晶片压电致动器20”被简化为“压电致动器20”。在压电致动器20的一个端部20A和支承框25之间设置一个第一支承部分41。类似地，在压电致动器20的另一个端部20B和支承框25之间设置一个第二支承部分42。在压电致动器20的中央和触摸面板15的背面之间设置一个第三支承部分43。
图5A和5B图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。如图5A和图4所示，用箭头U表示压电致动器20的振动位移。振动位移U垂直于触摸面板15和支承框25的方向，也就是对应于Z方向。Z方向是垂直于图3所示的X方向和Y方向的方向。
如图4和5A所示，压电致动器20被第一到第三支承部分三点支承在触摸面板15和支承框25之间的空间中。第一到第三支承部分41到43构成上述振动传递机构37，将压电致动器20产生的振动传递到触摸面板15一侧。如图5A所示，第一到第三支承部分41到43中的每一个由一个刀刃一样的突起50和软粘合剂51构成。第一到第三支承部分41到43中的每一个使用所述刀刃状突起50支承所述压电致动器20的平面，其支承方式不妨碍压电致动器20的挠曲变形(或者弯曲变形)。更具体地，第一支承部分41的突起50从支承框25一侧支承压电致动器20，其支承方式允许压电致动器20在R方向枢转运动。类似地，第二支承部分42的突起50从支承框25一侧支承压电致动器20，其支承方式允许压电致动器20在R方向枢转运动。第三支承部分43的突起50从支承框25一侧支承压电致动器20，其支承方式允许压电致动器20在R方向枢转运动。
在第一到第三支承部分41到43中，所述软粘合剂51允许突起50粘到支承框25和触摸面板15上以防止位移。作为软粘合剂51的材料，可以使用能够固定硬材料制成的突起，并能够将压电致动器20的挠曲位移无减少地传递到触摸面板15的材料。软粘合剂的材料的例子包括苯乙烯合成橡胶(styrene elastomer)(KG-gel：YMG-80 BK(Kitagawa Industries Co.，Ltd))。
图5B图示了突起50和软粘合剂51。软粘合剂51用虚线表示。
图4和图5所示的压电致动器20所导致的振动位移U平行于Z方向。在第一到第三支承部分41到43中，所述压电致动器20通过所述刀刃状突起50由粘合剂51固定。因此，在第一到第三支承部分41到43中，压电致动器20能够在R方向自由地运动，而压电致动器20沿着振动位移U在Z方向受到约束。
下面结合图6和图7描述压电致动器20的一个结构示例。图6是一个部分省略的视图，用于图示压电致动器20的结构。该压电致动器20为所谓的双压电晶片压电致动器。该双压电晶片压电致动器也被称为双压电晶片压电振动器等。概略地说，压电致动器20是通过层叠第一致动器单元61和第二致动器单元62构成的。
第一和第二致动器61和62具有基本上相同的结构，各自具有多个压电元件层63。压电元件层63由三层构成，包括一个压电元件64和形成在该压电元件64的两侧的电极层65。该压电元件层63也被称为主致动器单元。第一和第二致动器单元61和62中的每一个是通过层叠多个压电元件层63构成的。在图6和图7所示的例子中，第一和第二致动器单元61和62中的每一个通过层叠9个压电元件层63二构成。压电元件层63的压电元件64例如由PZT(锆钛酸铅)制成。所述电极层65例如由Ag-Pd制成。在第一和第二致动器单元61和62之间设置一个中间电极层65A。
图6和图7所示的压电致动器20由18层压电元件64以及形成在每一对压电元件64之间以及压电致动器20的正面和背面的总共19个电极层65构成。图7所示的压电元件64的厚度D1例如是28微米。电极层65的厚度D2例如是4微米。压电致动器20是通过层叠上述18个压电元件层63而构成的，这些压电元件层电学上相互并联。
如图6所示，为压电致动器20设置层间连接部分66A和66B。压电元件层63的压电元件64被极化，使得当对层间连接部分66A和66B施加驱动电流时，第一致动器单元61的9个压电元件层63膨胀/收缩，第二致动器单元62的9个压电元件层63收缩/膨胀。从而，双压电元件压电致动器20挠曲和位移时与双金属片的原理相同。图7所示的压电致动器20非常薄和紧凑，其总厚度例如为500微米。这样的层叠压电致动器20与第一和第二致动器单元61和62的每一个均由单个压电元件层构成的情况相比，能够使用有限的驱动电压产生更大的挠曲位移。当第一致动器单元61膨胀时，第二致动器单元62收缩；相反，当第一致动器单元61收缩时，第二致动器单元62膨胀。从而，压电致动器20沿着图4所示的振动位移U位移。上述双压电晶片压电致动器20也被称为多层双压电元件压电致动器。
下面描述尤其适合于小尺寸的移动设备的双压电晶片压电致动器20的工作。
如图1所示的移动电子设备10一般使用锂离子或者镍氢电池作为主要的电源。即使将电池所产生的电压加到上述一般的双压电晶片压电致动器电池上，也不可能获得足够大的挠曲位移或者力来吸引用户的注意。在本实施例中，为了解决此问题，使用多层双压电晶片压电致动器20来降低产生等效的挠曲位移或者力所需的驱动电压，如下所述。
使双压电晶片压电致动器20变形(驱动双压电晶片压电致动器20)所需的压电元件的挠曲ΔL1可以表示为下式：
ΔL1＝d31×E×L
(d31：压电常数，E：所施加的电场强度，L：元件长度)
挠曲正比于电场强度。这样，即使降低所使用的电压，只要电场强度保持恒定，挠曲仍然不变。例如，分别向图8A和图8B的元件施加2V和1V的电压，图8B的元件厚度为图8A的元件厚度的1/2。因此，元件内的电势梯度，也就是电场强度在两个元件中是相同的，因此两个元件中的挠曲是相同的。
如上所述，在本发明中，元件在其厚度方向被分开，如图6和7所示，使得可以实现使用小电压驱动就允许用户感知触觉的双压电晶片压电致动器20。在此例中，假设用当致动器的两侧以例如20mm的跨距被支承时导致的中央位移来表示致动器的位移。在这种情况下，当施加的电压为10V时，中央位移约为25微米。如果使用例如锂离子电池，并将元件的厚度进一步划分，那么，为了获得与施加约3.3V的电压获得的上述25微米对应的位移，一个元件的厚度应当是图6的情况下的大约1/3，也就是约10微米。
图9所示的电子设备10的图像显示单元30显示例如四个图标31到34。上述触摸面板15被设置在图像显示单元30上。
图10图示了图9所示电子设备的控制模块的一个例子。电子设备10的控制模块包括一个振动发生装置70、振动控制电路73、触摸面板15以及图像显示单元30。CPU(中央处理器)74允许电子设备10用作移动信息终端，处理在图像显示单元30和触摸面板15中使用的信号。更具体地，CPU 74向图像显示单元30发送构成图标等的显示信号S5，并从触摸面板15接收坐标值S4。触摸面板15由用户的手指F或者触笔(笔)接触和按压。
振动发生电路73允许振动发生装置71产生取决于信息类型的振动模式。振动控制电路73和振动发生装置71在以前广泛使用的电子设备10中是没有的，是本发明的特征部分。振动控制电路73包括处理器80、存储器81、外部程序端口82、D/A转换器83以及电流放大器84。处理器80连接到CPU 74、存储器81、外部程序端口82以及D/A转换器83。
存储器81例如存储如图10所示的四种振动模式。这四种振动模式例如是振动控制波型模式P1到P4。可以从存储器81向处理器80提供振动控制波形模式P(模式P1到P4)。这些振动控制波形模式P1到P4分别对应于图9所示的图标31到34。这四个图标31到34是相互不同的信息的例子，可以随机显示在图像显示单元30上。
振动控制波形模式P是数字信号，被提供给处理器80。为了向存储器81提供振动控制波形模式P，可以使用这样一种方法：将外部程序编制者75比如外部PC产生的任意振动控制波形模式通过外部程序端口82载入处理器80，并在被添加了注册号和振动控制波形模式P的属性之后寄存到存储器81中。另一种将振动控制波形模式存储到存储器81中的方法是，根据通过触摸面板15输入的波形信息由处理器80生成振动控制波形模式，并在添加了注册号和属性后提供给存储器81。如上所述，外部程序端82通过处理器80向存储器81提供由外部PC或者其它外部装置生成的上述振动控制波形模式。
处理器80使用从CPU 74发送的对应于触摸面板15上的坐标值S4(坐标信息)的请求信号坐标值S来从存储器81选择对应于所述请求信号坐标值S的振动控制波形模式P(模式P1到P4)，并将所选择的振动控制波形模式P作为数字波形S1输出到D/A转换器83。该坐标值S4(坐标信息)链接到作为图9所示的图像显示单元30上的信息的图标31到34的坐标。如上所述，处理器80在其信号处理中能够根据通过输入装置比如触摸面板15输入的、存储在用作移动信息终端的电子设备中的信息产生激活振动发生装置71的压电致动器20的振动控制波形模式P，而不使用外部编程者。对应于坐标值S4的请求信号坐标值S在处理器80和CPU 74之间的上述交换允许将触摸面板15的坐标值S4载入处理器80。
处理器80向D/A转换器83发送数字波形S1。该D/A转换器83然后将数字波形S1转换为模拟电压波形S2。电流放大器84根据该模拟电压波形S2产生一个电压指令值S3，该值具有足够大的电流驱动压电致动器20，电流放大器将产生的电压指令指S3发送给振动发生装置71的压电致动器20。换句话说，电流放大器84放大模拟电压波形S2，以允许模拟电压波形S2具有足够的电流来驱动压电致动器20，并将放大后的波形发送给压电致动器20。
图10所示的振动发生装置71包括压电致动器20和振动传递机构37。
如上所述，振动传递机构37具有图示于图4的第一到第三支承部分41到43。压电致动器20将电流放大器84发来的指令指S3转换为机械挠曲位移。振动传递机构37将压电致动器20的挠曲位移传递到图4所示的触摸面板15。电子设备10，像图1和图3中所示的移动信息终端，包括图10的输入/输出装置100。如图10所示，输入输出设备100包括图像显示单元30、触摸面板15、振动发生装置71以及振动控制电路73。
下面描述包括上述输入输出设备100的电子设备10的操作。
用户看到如图9所示的作为例子的图像显示单元30上的图标31到34。这些图标31到34表示相互不同的信息。当用户用手指通过触摸面板15触摸图标31时，图标31在图像显示单元30的屏幕上的坐标如图10所示被从触摸面板15发送给CPU 74，作为坐标值S4。图标31和图标31的坐标值S4在CPU 74中被预先相互关联起来。在表示已被用户触摸的图标31的信号(例如点击图标)从CPU 74被发送到处理器80作为请求信号坐标值S之后，处理器80从存储器81调用对应于图标31的振动控制波形模式P1，并将振动控制波形模式P1输出到D/A转换器83，作为数字波形S1。
D/A转换器83将处理器80发来的数字波形S1转换为模拟电压波形S2。电流放大器84将模拟电压波形S2的电流值放大，向压电致动器20提供一个指令值S3。根据所提供的指令值S3(电压值)，压电致动器20被机械挠曲和变形。对压电致动器20提供一定程度的柔性，使得第一到第三支承部分41到43不妨碍压电致动器20的挠曲变形(或者弯曲变形)，如图4所示。也就是，如上所述，尽管第一到第三支承部分41到43能够沿着图5A所示的箭头R在旋转方向自由活动，但是它们不能在箭头U的方向活动，该箭头U的方向是压电致动器20的振动位移的方向。这种结构允许当压电致动器20挠曲和变形时，触摸面板15只在振动位移U方向位移。在压电致动器20的中心相继导致的这种振动位移U作为振动波形被传递给触摸面板15，触摸面板然后相继位移，这样所述振动位移被传递给用户的手指，作为触觉反馈TB。
如上所述，在本发明中，通过向触摸面板添加使用触觉(振动)的触觉反馈发生功能，可以通过触觉实现对输入操作的反馈。触觉反馈类似于已经广泛用作对操作的反馈的“点按感觉”或者“敲键感觉”，对于用户来说是有好处的，因为它比图像或者声音的反馈更为直观。另外，不仅能够显示反馈信息，而且能够显示触觉信息。
按照上述方式，当选择图9所示的另一个图标32时，从存储器81调用振动控制波形模式P2，当从电流放大器84接收到指令值S3时根据振动控制波形模式P2使压电致动器20振动。类似地，当用户用手指按下图标33时，压电致动器20根据振动控制波形模式P3而振动和位移。当用户用手指按下图标34时，压电致动器20根据振动控制波形模式P4而振动和位移。
如图9所示，振动控制波形模式P1是产生“点按感觉”也就是“刚性感觉”的矩形波模式。振动控制波形模式P2是传递韵律感觉比如心跳的数字波形。波形模式P2的脉冲宽度是随机确定的。振动控制波形模式P3是产生连续运动、传递运动感觉的波形，其具有台阶状波形。振动控制波形模式P4产生一般触摸面板的反应，也就是，采用基本上恒定的振动位移。如上所述，图标31到34代表相互不同的信息。向图标31到34分配相互不同的上述振动控制波形模式P1到P4。由于所分配的振动模式P1到P4允许在压电致动器20中产生不同的振动位移，用户能够通过手指直观地和物理地区分图标31到34的类型。注意，图标31到34、图标的坐标值以及振动控制波形模式可以在图10所示的处理器80中相互关联起来。在各种组合中，CPU 74和处理器80在信号处理中的角色共享是可以的，不需特别限制于图10所示的例子。
图11和图12分别图示了本发明另外的实施例。图11和图12的每一个例子的结构是在图4的例子上添加新的部件获得的。在下面，与图4的例子中的附图标记相同的附图标记表示与图4的例子相同的部件。
图11的例子与图4的例子的不同之处在于在触摸面板15和支承框25上提供了触摸面板保持框110。该触摸面板保持框110具有基本上为L形的截面。通过该触摸面板保持框110，触摸面板15的端部被固定到支承框25上。触摸面板保持框110是一个框体，其具有例如四个边。在触摸面板保持框110的上端部111和触摸面板15的端部之间设置一个防尘密封113。该防尘密封113例如是具有方形截面、圆形截面或者椭圆截面的环形弹性件，例如由塑料或者橡胶制成。该防尘密封13防止灰尘或者外部颗粒进入触摸面板15和支承框25之间的空间中。该防尘密封113还用作触摸面板支承件，从触摸面板保持框110一侧支持触摸面板15。防尘密封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，其属性不会使振动衰减，并使在压电致动器20中产生的振动位移的衰减最小化。
图12的例子与图4的例子的不同之处在于振动传递机构137的结构，并且添加了图11的防尘密封113和触摸面板保持框110。在图4中，压电致动器20由第一到第三支承部分41到43三点支承在触摸面板15和支承框25之间的空间中。另一方面，在图12的实施例中，振动传递机构137具有支承部分141和另一个支承部分142。支承部分141被设置在压电致动器20的一个端部20A和支承框25之间。所述另一个支承部分142被设置在压电致动器20的所述另一端部20B和触摸面板15的内侧表面之间。支承部分142的结构与图5A和图5B的具有突起50和软粘合剂51的结构相同。支承部分141使用硬粘合剂被刚性固定到图像显示单元的支承框25上。如上所述，压电致动器20被支承部分141和142两点支承在触摸面板15和支承框25之间的空间中。当压电致动器20挠曲和位移时，触摸面板15在振动位移U方向位移。如上所述的压电致动器20以悬臂的方式被支承在触摸面板15和支承框25之间的空间中。
图13和图14的每一个图示了本发明的另外的实施例。
在图13的例子中，压电致动器20仅从触摸面板15一侧被支承。压电致动器20的一个端部20A由一个支承部分241支承，其另一个端部20B由支承部分242支承。这种结构也允许压电致动器20在旋转方向R自由获得，并允许在振动位移U的方向在触摸面板15中产生振动。
图14的例子具有向图13的例子的结构上添加心轴250而获得的结构。心轴250被固定到压电致动器20的中间部分上。当在压电致动器20中产生挠曲位移U时，产生心轴250的惯性力。当压电致动器20压起触摸面板15时产生的反作用力被心轴250的惯性力保持，从而压电致动器20的挠曲位移能够有效地被传递到触摸面板15。图13和图14所示的结构中，压电致动器20仅从触摸面板15一侧获得支承，这有如下好处。那就是，用户施加给触摸面板15的力被直接施加给压电致动器20。这又，即使用户向触摸面板15施加了过量的力，外部力负载也不施加到压电致动器20。
图15图示了图10所示控制模块70的另一个例子。图15的控制模块70与图10所示的不同之处在于振动控制电路73包括一个A/D转换器89。为了测量压电致动器20的端子之间的电压S6，A/D转换器89输入所述电压S6，将该电压S6A/D转换为数字电压S10，将获得的数字电压S10发送给处理器80。在本发明中，压电致动器20和触摸面板直接相连，例如如图4所示，使得用户施加给触摸面板15的力被直接传递给压电致动器20。因此，压电致动器20和触摸面板15之间的连接部分的位移取决于所施加的力。当接收到位移时，压电致动器20产生与所接收到的位移成比例的电动势。因此，处理器80就能够通过测量该电动势知道用户手指F的操作力(按压力)。如上所述，处理器80能够实时测量压电致动器20的对应于用户用手指F按压触摸面板15时产生的按压力W的电压S6。这带来了以下优点。
那就是，当用户用手指F向触摸面板15施加了过大的力时，处理器80指令CPU 74向图像显示单元30提供构成图标的显示信号S5，该图标表示检测到了过大的力的操作。使用这种结构，可以通过显示在图像显示单元30上的图标警告用户施加了过大的力。另外，通过测量在使用输入笔等进行手写输入时的操作力(写压力)并将测量到的力与用户对应地存储起来，可以标识(验证)用户。另外，通过将从触摸面板15获得的坐标信息(二维坐标信息)与有关用户的操作力的信息组合起来，可以实现三维输入设备。
图16图示了按照规定的振动频率有效地使触摸面板15振动的振动指令方法的一个例子。
假设触摸面板15和第一到第三支承部分41到43构成一个振动系统，该系统的自然频率f可以用下式表示：
f＝1/2π×(Kt/m-(Ct/2m))1/2
其中m是触摸面板15的质量，Kt和Ct是链接到触摸面板15的所有部件的弹性常数和粘性系数。
通过使图10的振动控制电路73输出包括上述自然频率作为指令值的振动波形，触摸面板15能够有效地振动。包括上述自然频率的振动波形不仅包括连续的振动比如正弦波，而且包括通过组合各种频率成份所获得的振动，比如脉冲振动。为了将系统的自然频率调节到50赫兹到300赫兹的范围(在这个范围人类容易接收到触觉)，在该变了链接到触摸面板的支承部分等的材料或者形状之后，上述弹性系数Kt和粘度系数Ct应当被设定到合适的值。
最好，所述多层双压电晶片压电致动器包括四个或者更多的压电元件层。具体地，由于驱动电压的限制，移动设备比如PDA不能使用传统的压电致动器。为了对付这种情况，使用具有多层结构的压电层来实现能够使用较低电压驱动的致动器，将所获得的致动器用于对触摸面板的触觉反馈。这样，在移动设备中也能实现具有触觉反馈功能的触摸面板。所述双压电晶片压电致动器的两个端部和中央的支承部分在旋转方向具有挠性，但是约束触觉传递的方向(致动器中心的位移方向)。为了约束触觉的传递方向，使用点状或者线状突起，以便不妨碍致动器的变形。为了连接致动器和支承部件，使用软粘合剂。
为了不减损致动器产生的振动位移(速度)，将致动器本身设计为用作触摸面板的支承部件。支承触摸面板的材料也用作防尘密封来防止灰尘等进入触摸面板和图像显示单元之间。通过将包括触摸面板及其支承部件的振动系统的自然频率设置到人类容易感知触觉的频率区域，并通过使触摸面板的振动包括振动系统的自然频率本身或者振动系统的频率，可以有效地将触觉反馈传递给用户。
所述振动控制电路存储一个或者多个控制模式(振动波形)。根据用户在触摸面板上选择的坐标(一般与某个图标等相联系)来由设备选择合适的控制模式，来控制致动器。存储在振动控制电路中的控制模式由软件定义，能够由制造商或者用户任意重写。所述振动控制电路包括用于检测向致动器施加外力时产生的电动势的装置，从而测量用户的输入操作的按压力。
可以采用这样的结构：双压电晶片压电致动器的一个端部被固定到一个基座或者类似结构上，其另一个端部被连接到所述触摸面板。
为了不减损致动器产生的振动位移(速度)，通过具有低减震效果的柔性材料来支承触摸面板(所述材料例如是Kitagawa IndustriesCo.，Ltd制造的KG-gel)。为了不妨碍压电致动器的弯曲变形，在触摸面板的下表面之下支承压电致动器，从而，当压电致动器位移时产生的振动被传递给触摸面板。在这种情况下，可以向压电致动器的中央添加一个心轴。
通过使用双压电晶片压电致动器，可以设计适合移动设备的触觉反馈系统，其具有尺寸小(形状薄)和低功耗的特点。尤其是，通过使用多层双压电晶片压电致动器，能够设计出低电压驱动型的触觉反馈系统，其使用一般能在移动设备中使用的锂离子或者镍氢电池工作。另外，可以用简单的低成本结构实现对双压电晶片压电致动器的支承。致动器本身用作致动器的支承部件，不仅防止由于支承部件导致振动的损失，而且使得结构简单，从而能够提供低价格的系统。触摸面板的支承部件用作防尘密封，这减少了部件数量，并且容易设计出低价格的系统。即使致动器的输出较小，也能够产生用户能够触觉感知的振动，这样就能够提供小尺寸、低价格的系统。
所述输入设备能够进行任意波形的振动(触觉)反馈，因此能够向用户提供用以确认输入操作的操作感觉以及各种触觉信息(感觉)。通过使用触觉信息作为除了视觉和听觉信息之外的第三信息表达渠道，可以向用户提供在现实性方面更为丰富的各种信息。另外，利用触觉相对于视觉和听觉对于人类来说更为基本这一点，就有可能表达人类的感情。另外，可以想到能够独立使用触觉反馈。在这种情况下，对于盲人、驾驶者或者在视觉信息和听觉信息不起作用的嘈杂等环境下，就能够进行所谓的盲操作来用于信息呈现。所述振动波形能够容易地被重写，能够容易地添加新的振动波形，这样就能够对设备所使用的每一个国家设定振动波形，或者取决于个人的口味来设定振动模式。另外，可以通过网络将一个用户建立的振动模式提供给另一个用户。
阅读了上面的说明后，可以知道用户如何使用设备，并防止设备被破坏。提供触觉所需的部件和检测操作力所需的部件差不多是共同的，因此可以提供低价格的三维输入设备。由于支承触摸面板的材料具有挠性，压电致动器所产生的位移不受到机械抑制。另外，材料具有低吸震属性(例如橡胶材料)，因此压电致动器所产生的能力能够有效地被传递给触摸面板。用户施加给触摸面板的力不直接作用于压电致动器，因此即使用户向触摸面板错误地施加了过大的力，外力负载也不会作用于压电致动器。当压电致动器向上压触摸面板时产生的反作用力被心轴的惯性力所保持，因此压电致动器的挠曲位移能够有效地被传递给触摸面板。
本发明不限于上述例子。例如，对于双压电晶片压电致动器20的层叠结构，第一和第二致动器单元分别具有9个压电元件层63。但是，压电元件层63的层数不限于9。只需要每一个单元具有多层压电元件层63即可。每一个单元最好具有四个或者多个压电元件层63。这样，可以用低驱动电压获得较大的挠曲位移。在图中所示的例子中，第一和第二支承部分被设置在图像显示单元一侧，第三支承部分被设置在触摸面板一侧。但是，在另外的实施例中，可以采用这样的结构：第一和第二支承部分被设置在触摸面板一侧，第三支承部分被设置在图像显示单元一侧。
作为本发明的电子设备，上面以个人数字助理(PDA)作为例子。具有输入输出设备100的本发明的电子设备10不限于个人数字助理，而是包括所有有触摸面板作为输入装置的电子设备，比如移动电话、遥控器、DSC(数字照相机)、DVC(数字摄像机)、PC(个人电脑)。
另外，在本发明的电子设备中，触摸面板和显示功能是集成起来的。但是，在另外的实施例中，显示功能可以与触摸面板分开，例如膝上电脑的触控板，可以单独地提供显示单元。同样，在这种情况下，触觉通过触摸面板被传递给用户。
工业实用性
如上所述，根据本发明，当用户对使用触觉的触摸面板进行输入信息的操作时，通过触觉，能够实现对用户根据信息的类型执行的输入操作的反馈。

Claims (12)

1.一种输入输出设备，包括：
显示信息的图像显示单元；
触摸面板，用户能够通过触摸该触摸面板上的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作；
振动发生装置，所述振动发生装置被设置在所述图像显示单元中，用于根据信息的类型，通过所述触摸面板向用户反馈各种触觉；以及
振动控制电路，使所述振动发生装置根据信息的类型产生各种形式的振动，
所述振动发生装置是双压电晶片压电致动器，其包括第一致动器单元和叠在第一致动器单元上的第二致动器单元，其中，当第一和第二致动器单元中的一个膨胀时，其中的另一个收缩，
所述第一和第二致动器单元中的每一个具有多层压电元件层，
所述双压电晶片压电致动器包括：设置在所述双压电晶片压电致动器的一个端部和所述图像显示单元之间的第一支承部分；设置在所述双压电晶片压电致动器的另一个端部和所述图像显示单元之间的第二支承部分；以及设置在所述双压电晶片压电致动器的中央部分和所述触摸面板之间的第三支承部分，
所述第一支承部分、第二支承部分和第三支承部分每一个都具有突起和用于固定所述突起的粘合剂。
2.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，在第一和第二致动器单元所包括的每一个压电元件的两侧设置电极。
3.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，用于固定所述第一和第二支承部分的突起的粘合剂设置在所述双压电晶片压电致动器和所述图像显示单元之间，用于固定所述第三支承部分的突起的粘合剂设置在所述双压电晶片压电致动器和所述触摸面板之间。
4.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，第一、第二和第三支承部分在不同于用户触摸所述触摸面板的方向的旋转方向具有挠性。
5.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，一个心轴被固定到所述双压电晶片压电致动器的中间部分上。
6.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，所述图像显示单元由液晶显示单元构成，具有防止灰尘进入触摸面板和液晶显示单元之间的防尘密封。
7.如权利要求1所述的输入输出设备，其中，所述振动控制电路存储多个用于所述双压电晶片压电致动器的振动控制波形模式，所述振动控制波形模式对应于显示在所述图像显示单元上的信息项目。
8.如权利要求7所述的输入输出设备，其中，存储在所述振动控制电路中的振动控制波形模式能够被重写。
9.如权利要求7所述的输入输出设备，其中，所述振动发生装置包括电动势检测装置，用于检测取决于用户的施加到双压电晶片压电致动器上的按压力而产生的电动势。
10.一种电子设备，其包括用于输入输出信息的输入输出设备，该输入输出设备包括：
显示信息的图像显示单元；
触摸面板，用户能够通过触摸该触摸面板上的对应于图像显示单元显示信息的位置的一部分来执行信息的输入操作；
振动发生装置，所述振动发生装置被设置在所述图像显示单元中，用于根据信息的类型，通过所述触摸面板向用户反馈各种触觉；以及
振动控制电路，使所述振动发生装置根据信息的类型产生各种形式的振动，
所述振动发生装置是双压电晶片压电致动器，其包括第一致动器单元和叠在第一致动器单元上的第二致动器单元，其中，当第一和第二致动器单元中的一个膨胀时，其中的另一个收缩，
所述第一和第二致动器单元中的每一个具有多层压电元件层，
所述双压电晶片压电致动器包括：设置在所述双压电晶片压电致动器的一个端部和所述图像显示单元之间的第一支承部分；设置在所述双压电晶片压电致动器的另一个端部和所述图像显示单元之间的第二支承部分；以及设置在所述双压电晶片压电致动器的中央部分和所述触摸面板之间的第三支承部分，
所述第一支承部分、第二支承部分和第三支承部分每一个都具有突起和用于固定所述突起的粘合剂。
11.如权利要求10所述的电子设备，其中，在第一和第二致动器单元所包括的每一个压电元件的两侧设置电极。
12.如权利要求10所述的电子设备，其中，用于固定所述第一和第二支承部分的突起的粘合剂设置在所述双压电晶片压电致动器和所述图像显示单元之间，用于固定所述第三支承部分的突起的粘合剂设置在所述双压电晶片压电致动器和所述触摸面板之间。
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