CN102388351A - 用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从诸如移动IT设备的触摸屏或键区的无键输入单元产生触觉反馈的设备，移动IT设备诸如移动电话、PAD、音乐或多媒体播放器、照相机、导航设备等。市场需要能产生用于触摸屏的触觉信号的设备，使显示器可至少在一方向大致垂直壳体表面作为整体移动。为此，本发明提供用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备，具有带弹性、大致板状的基底，基底至少包括用于将基底固定在输入设备的构件上的第一支撑位置及用于将基底固定在输入单元上的至少第二支撑位置，且基底构造为相对于输入设备的构件可移动地支撑输入单元，据此位于基底的第一和第二支撑位置间的压电元件设置为通过电驱动压电元件使支撑位置之一横向移动至板状基底的平面。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从诸如移动IT设备的触摸屏或者键区的无键输入单元产生触觉反馈的设备，该移动IT设备诸如移动电话、便携式数据助理(PDA)、音乐或多媒体播放器、照相机、导航设备等。
本发明特别考虑市场当前的需要，即IT设备需要无键输入单元的显示器(特别是触摸屏)可至少在一个方向上作为整体大致垂直于壳体表面移动。
背景技术
例如，在US 7,324,094B2中描述了一种压电弯曲元件的应用，该压电弯曲元件生成振动信号用于根据用户的操作步骤产生触觉反馈。在该连接中，来自压电弯曲元件的振动信号转移至覆盖于显示器上方并且突出于显示器的镜头。更具体地，振动元件设置在镜头的位于上述覆盖区域之外并且在镜头和显示器之间的位置处。
在WO 2008/125130A1中也描述了一种压电弯曲元件的应用，该压电弯曲元件既具有致动功能也具有传感功能。在该连接中，压电弯曲元件设置在具有多个展示功能的不同层或者叠层的键区或者触摸板中。压电弯曲元件代表这些层或者叠层之一，据此，该压电弯曲元件具有与其他层或者叠层大致相同的尺寸。当使用者记录操作步骤(例如按下按键)时，压电弯曲元件产生振动，该振动传递至压电弯曲元件的上方的层以及键区或者触摸板的表面，并且被使用者作为触觉反馈记录。
在前面提到的两个公开专利中均未提出解决上述问题的方案，即将显示器作为整体提升。在DE 11 2005 002 107T5中描述了一种触觉前面板，该触觉前面板通过具有垂直主方向的机械脉冲呈现出触觉反馈的特征。然而，此处脉冲由纯机械方式生成，即，由可弹性变形元件的突发变形(沉降)引起。特殊地，参照“压电探头”，但上述前面板不能通过压电探头移动。
从可获知的信息可知，上述定义的问题，即无键输入单元的显示器在至少一个方向上作为整体大致垂直于壳体表面移动，没有任何令人满意的解决方案，尤其是涉及简易组装以及适用于经济的大规模的生产。
发明内容
为了解决上述目的，本发明提供一种用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备，由此该设备具有弹性的、大致板状的基底，基底至少包括用于将基底固定在输入设备的构件上的第一支撑位置以及用于将基底固定在输入单元上的至少第二支撑位置，并且基底被形成为相对于输入设备的所述构件可移动地支撑输入单元，由此位于基底的第一支撑位置和第二支撑位置之间的压电元件设置为，通过电驱动压电元件使得支撑位置之一相对于板状基底的平面横向地，优选地大致垂直于板状基底的平面，移动脱离板状基底的平面。该移动可产生用于输入单元的触觉信号，以使得输入单元(例如触摸屏)至少在一个方向上作为整体大致垂直于输入设备的构件(例如壳体表面)移动。该设备形成压电致动器，该压电致动器优选地与显示器的四个角相连接。此特性的致动器具有坚固的结构并且能够经济地生产和组装该致动器。
如果压电元件嵌入基底中，可有助于微型化。这样，根据本发明的设备的安装高度可减小。
为了在两个方向上产生触觉信号，将压电元件固定在基底的上面和/或下面是有用的。
可行的是：多个第二支撑位置对称设置，优选为关于轴镜像设置，更优的关于两个轴镜像设置，特别是关于基底上的两个垂直的轴镜像设置。通过此方式，可在很大程度上阻止无键输入单元相对于输入单元的壳体表面的不必要的倾斜和倾斜移动。
有利地，第一和第二支撑位置位于基底的通过隆起相连接的第一和第二支撑部分上。优选地，基底的隆起实质上比基底的第一和第二支撑部分薄，如此第一和第二支撑部分可以彼此独立地产生较大变形，特别是在相对于板状基底的平面的横向方向上或者在垂直于板状基底的平面的方向上。
如果支撑部分的至少之一(优选地第一和第二支撑部分)从基底分离，有助于实现根据本发明设备的经济的生产和组装。通过此方式，基底可由矩形或者方形板大致冲压而成，并且可减少单件的数量。
可以证明有利的是：支撑部分在所有情形下横向地，优选地垂直于隆起，优选地在隆起的两侧上延伸。通过此方式，尤其是由隆起连接起来的支撑部分的自由端，即使处于靠拢位置也能够形成为可相对于彼此方便地移动。
可以证明可行的是：第二支撑位置设置在第二支撑部分的自由端上。通过此方式，第二支撑部分的感应弯曲移动可通过第二支撑位置最佳地转移至输入单元，以生成触觉信号。
在输入单元的平稳支撑方面，有利的是，第一支撑部分设置在两个第二支撑部分之间和/或反之亦然。
为了平稳地支撑输入单元，无论如何也有利的是，至少一个第一支撑部分形成包围第二支撑部分的至少过半周长的框架，特别是包围超过其全部周长和/或反之亦然。此方案中基底也具有尤其坚固和不易扭转的结构。
有益地，压电元件设置在第二支撑部分内和/或上。设置在第二支撑部分内或者上的压电元件引起第二支撑部分的弯曲，该弯曲通过第二支撑位置被最佳地转移至与第二支撑部分相连接的输入单元。
有用地，基底成整块地形成。通过此方式，简化了根据本发明的设备的生产和组装。
有利地，基底由印刷电路板材料、金属、塑料、或陶瓷制成。此特性的材料呈现作为基底的优选属性，它们通常是经济的并且易于工作。
可以证明可行的是：基底由导电材料制成和/或涂覆有导电材料制成。通过此方案，压电元件能够简单并且可靠地接触。
本发明的另一优选方面涉及一种具有无键输入单元以及根据前述方案之一的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的移动输入设备，据此，基底的第一支撑位置之一固定在输入设备的构件上并且基底的第二支撑位置之一固定在输入单元上。
附图说明
以下结合附图详细描述本发明的优选实施例和应用。以下示出：
图1是具有无键输入单元的输入设备的立体图；
图2示意性地示出输入设备的剖视图，该输入设备具有无键输入单元以及根据本发明的从无键输入单元产生触觉反馈的设备；
图3是根据变型例1的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图；
图4是根据变型例2的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图；
图5是根据变型例3的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图；
图6是根据变型例4的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图；
图7是根据变型例5的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图；
图8是根据变型例6的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备的俯视图。
具体实施方式
图1示出具有无键输入单元2的输入设备的立体图。该输入设备被配备成移动输入设备(PDA)，该移动输入设备具有无键输入单元2和根据本发明的用于从无键输入单元2产生触觉反馈的设备。输入单元2包括通常所说的触摸屏。
图2示出了具有无键输入单元2的输入设备的示意性剖视图。图中示出：输入设备的前壳体3，无键输入单元2的显示器，根据本发明的用于从无键输入单元2产生触觉反馈的设备1，以及设置在根据本发明的设备1的下方的、并且支撑输入设备的电子功能单元的电路板或电路卡4，通过该电路板或电路卡实现对根据本发明的设备1(尤其是压电元件)的电驱动。为了本发明的目的，壳体形成输入设备的构件。但是，如果能够确保得到从无键输入单元2产生触觉反馈这一所需功能，可替换地也可以将设备1固定至输入设备的构件的其他部位，例如，固定至电路板或电路卡4。
图3示出了根据变型例1的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。根据变型例1，根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1包括带弹性、易弯曲、大致呈板状的基底10，基底10包括用于将基底10固定在输入设备的构件上的第一支撑位置11以及用于将基底10固定在输入单元上的总共四个第二支撑位置12，并且基底构造为相对于输入设备的构件可移动地支撑输入单元。基底10的在输入设备的装配过程中与输入设备的构件相连接的部分，被定义为第一支撑位置11。基底10的在输入设备的装配过程中与输入单元2相连接的部分，被定义为第二支撑位置12。基底10由电路板材料、金属、塑料、或者陶瓷制成整块。为了确保与压电元件的接触，基底10由导电材料制成和/或涂覆有导电材料。
第一和第二支撑位置11、12位于第一和第二支撑部分11、14上，第一和第二支撑部分11、14从基底10分离并且通过隆起15相连接。呈矩形及条形的支撑部分11、14，分别垂直于隆起15并向隆起15的两侧彼此平行地延伸，据此，第一支撑部分11设置在两个第二支撑部分14之间。在此情形下，全部的第一支撑部分11被连接至输入设备的构件3并且因此形成第一支撑位置11。不过，只能将第一支撑部分11的一部分连接至输入设备的构件3。将总共四个第二支撑位置12设置为关于轴x，y(轴x，y相交于基底10的中心点或原点U)镜像对称，这四个第二支撑位置12被设在基底10上并且位于第二支撑部分14的自由端处。在基底10的角部示出有圆形开口，该圆形开口设置在支撑位置12的中心，并且可以使将基底10与输入单元连接的连接工具穿过。第一和第二支撑部分11、14平行于x轴延伸，并且位于第一支撑部分11和第二支撑部分14之间的隆起15在y轴上延伸或平行于y轴延伸。
压电元件13设置在基底10的第一支撑位置11和第二支撑位置12之间并位于第二支撑部分14上，从而通过电驱动压电元件13，使得与第一支撑位置11相对的四个第二支撑位置12移动，特别是脱离板状基底10的平面垂直于板状基底10的平面移动。压电元件13可固定在基底10的上面和/或下面，或者嵌在基底10中。
优选地，基底10和整个设备1形成为关于轴x，y成镜像对称，以确保连接的输入单元能够相对于输入设备的连接的构件而平稳升降。
图4示出了根据变型例2的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。与变型例1不同，设置在第一支撑部分11两侧的第二支撑部分14由隆起14’连接在一起，并且形成完全包围第一支撑部分11的封闭框。第一支撑部分11和第二支撑部分14在中心部位通过隆起15相连接。除此之外，设备1可以具有与结合变型例1所描述特征相同的特征。同时，变型例2与变型例1中相同的附图标记表示相同的含义。
图5示出了根据变型例3的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。与变型例1不同，不仅在第二支撑部分14之间设置第一支撑部分11，而是在第二支撑部分14的外侧设置两个另外的第一支撑部分11。第一支撑部分11通过隆起11’连接起来，以形成完全包围每一个第二支撑部分14的封闭框。第一支撑部分11和第二支撑部分14在中心部位通过隆起15相连接。除此之外，设备1可以具有与结合变型例1所描述特征相同的特征。同时，变型例3与变型例1中相同的附图标记表示相同的含义。
图6示出了根据变型例4的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。与变型例1不同，第二支撑部分12设置在两个第一支撑部分11之间，据此，第二支撑部分14的端部形成大致的T字形以形成敞开的大致H形的框架，该框架将大致呈矩形的第一支撑部分11容纳在H形轮廓的凹槽中并且在每种情形下都包围四条边中的三条边。第二支撑位置12位于T形件的自由端。第一支撑部分11和第二支撑部分14在中心部位通过隆起15相连接。除此之外，设备1可以具有与结合变型例1所描述特征相同的特征。同时，变型例4与变型例1中相同的附图标记表示相同的含义。
图7示出了根据变型例5的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。与变型例1不同，总共三个平行的、呈矩形以及条形的第一支撑部分11，设置在总共两个平行的、呈矩形以及条形的第二支撑部分12之间以及外侧。第二支撑位置12位于第二支撑部分14的自由端。第一支撑部分11和第二支撑部分14在中心部位通过隆起15相连接。除此之外，设备1可以具有与结合变型例1描述的特征相同的特征。同时，变型例5与变型例1中相同的附图标记表示相同的含义。
图8示出了根据变型例6的根据本发明的用于从无键输入单元产生触觉反馈的设备1的俯视图。与变型例1不同，平行的、呈条形以及矩形的第二支撑部分12的外侧设置有脊形肩16。除此之外，设备1可以具有与结合变型例1描述的特征相同的特征。同时，变型例6与变型例1中相同的附图标记表示相同的含义。
在本发明的第二实施例中，本发明所述的设备形成为根据压电片换能器的构思的单一弯曲致动器，由此压电元件被嵌入基底中并且使用易弯曲的防振动的引线实现电接触。基底优选为按照第一实施例中的设计。可替换地，本发明所述的设备的结构也可以被设置成使得市售的压电片换能器，例如“DuraAct”，嵌入无源基底(例如金属板)中。这种性质的压电片换能器具有如下的主要应用领域：降低噪音，控制振动，轮廓变形和稳定，发电(能量采集)，高度动态和精确地致动元件，以及对损坏的监测(健康监测)。作为压电元件，片换能器(也称为片致动器)将电压转换为机械能并且反之亦然。片换能器可以用作弯曲致动器、精密致动器、高动态传感器，或是用作发电机。基础层为薄的压电陶瓷薄膜，其覆盖有用于电接触的导电材料，然后将其嵌入韧性聚合物复合材料(ductile polymercomposite material)。这样，本质脆性的压电陶瓷材料被机械地预拉伸和电绝缘，并且如此坚固(rugged)以致于可以应用至弯曲半径达到20mm的弯曲面。
根据本发明的设备1以如下方式实现：
根据本发明的第一实施例的设备示出于图3至图8中，并且包括变型例1至变型例6。基本思路是将该设备1形成为可以被简单组装的致动单元，该致动单元基于压电弯曲致动器的原理，便于轻易的保持(固定端)并且具有至少两个(尽管最好为四个)局部弯曲元件的自由移动端，这些自由移动端在其几何实施例中可以与显示器的四个角部相连接。基本原理以变型例1示出于图3中。将尺寸大致与显示器的尺寸相对应的无源基底10设计成，使得该无源基底包括两个保持在中部的条形的第二支撑部分14。这些第二支撑部分14上在所有情形下连接有压电板13，以产生两个在中心位置被支撑的单形态弯曲元件。当电驱动压电致动器13时，条形的第二支撑部分14的自由端(该自由端上设有第二支撑位置)，能够相对地移动脱离未变形基底10的平面，特别是垂直于未变形的基底10的平面移动。
有利地，将基底10的至少一面金属化，由此，压电陶瓷换能器13的电接触在粘接工艺中已经实现。通过基底金属化的结构实施例，压电陶瓷换能器13的第二电极可通过短的电连接连接至基底10的金属化。不过，为了提高设备1的坚固性，压电换能器13的整个第二电极区可与易弯的和抗应变的接触相结合，该易弯的和抗应变的接触转而连接至基底10的金属化。
印刷电路板材料，例如FR-4基底，可用作基底材料。不过，也可以使用其他的主要材料，例如金属、塑料、纤维增强塑料、或陶瓷基底。
压电元件13优选为压电陶瓷板或者单晶材料板。此外，压电元件可具有多层结构，该多层结构具有设置在压电材料层之间的内电极(内电极)和与内电极接触的外电极(外电极)，从而内电极设置为平行并垂直于外电极以适当地使用压电效应(d31或者d33)。当然，压电元件13也可以是压电片换能器。
由于基底10的几何尺寸(特别是基底10的厚度)，条形的第一和第二支撑部分11、14以及压电换能器13的宽度，也由于基底10的杨氏模量，因此支撑部分11和14的自由端的偏转和阻挡力可限定在较宽的范围内。通过实验性的测试装置表明有可能能够获得与偏转和阻挡力相关的所需参数。而更重要的是能够产生触觉信号。
根据本发明的设备1提供大量的信号可能性。陡峭的开关边缘(steepswitching edge)或者短脉冲产生通常所谓的“卡嗒(click)”信号，脉冲驱动(burst drive)产生振动信号，通过最优的尺寸设计，该脉冲驱动也能够取代用于产生振动告警的附加设备。上述变型例只作为示例，可想到更多的可适合于各自的应用的实施例。基底10上的结构化的印制导线可配备更多的接触元件，便于与设备中的其他电子单元简单地电连接。
然而，还可以想到的是其他电子单元直接安装在基底10上。为了将根据本发明的设备1一方面与输入单元(显示器)2机械连接以及另一方面与输入设备的构件(壳体)机械连接，可将简单的可安装的连接元件固定至基底10的合适的支撑位置11、12。
根据本发明的第二实施例的设备旨在通过或者借助于结构化的压电片换能器而实现所需的功能。大抵上，压电片换能器可构造为包括集成弯曲功能。为了做到这一点，需要将压电陶瓷板嵌入片换能器，以使得压电陶瓷板的中心面不与片换能器的中心面重合。所有的机械连接和电连接元件可集成在片换能器中。这种特性的结构化的片换能器提供比本发明第一实施例更坚固的片换能器。
本发明具有以下优点：
所提出的解决问题的方法可满足触觉(触觉)反馈的需求，使得无键输入单元的显示器可沿着至少一个方向大致垂直于壳体表面作为整体移动。可使用经济的电工材料。基底10可利用印刷电路板技术中的标准方法生产。印刷电路板技术中的标准解决方案既可应用于电接触，也可应用于机械连接。
Claims (15)
1.一种用于从输入设备的无键输入单元(2)产生触觉反馈的设备(1)，其中，所述设备(1)具有弹性的、大致呈板状的基底(10)，所述基底(10)至少包括用于将所述基底(10)固定在所述输入设备的构件(3)上的第一支撑位置(11)以及用于将所述基底(10)固定在所述输入单元(2)上的至少第二支撑位置(12)，并且所述基底(10)形成为相对于所述输入设备的所述构件(3)可移动地支撑所述输入单元(2)，其中，位于所述基底(10)的第一支撑位置(11)和第二支撑位置(12)之间的压电元件(13)与所述基底(10)相连接以产生单形态弯曲元件，并且通过电驱动所述压电元件(13)所述支撑位置(11，12)之一横向移动至所述板状基底(10)的平面。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述压电元件(13)嵌入所述基底(10)中。
3.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，压电元件(13)固定在所述基底(10)的上面和/或下面。
4.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，多个第二支撑位置(12)对称地，优选镜像地，优选双镜像地设置在所述基底(10)上。
5.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述第一和第二支撑位置(11、12)位于通过隆起(15)相连接的第一和第二支撑部分(11、14)上。
6.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述支撑部分(11、14)至少其中之一，优选地所述第一和第二支撑部分(11、14)从所述基底(10)分离。
7.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述支撑部分(11、14)在所有情形下横向地延伸，优选地垂直于所述隆起(15)延伸，优选地在所述隆起(15)的两侧延伸。
8.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，第二支撑位置(12)设置在所述第二支撑部分(14)的一个自由端上。
9.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，第一支撑部分(11)设置在两个第二支撑部分(14)之间和/或反之亦然。
10.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，至少一个第一支撑部分(11)形成包围第二支撑部分(14)的至少过半周长的框架，优选地包围超过其全部周长和/或反之亦然。
11.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述压电元件(13)设置在第二支撑部分(14)内和/或上。
12.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述基底(10)成整块地形成。
13.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述基底(10)由印刷电路板材料、金属、塑料、或陶瓷制成。
14.根据前述任一项权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述基底(10)由导电材料制成和/或涂覆有导电材料。
15.一种移动输入设备，具有无键输入单元(2)以及根据前述任一项权利要求所述的用于从所述无键输入单元(2)产生触觉反馈的设备(1)，其中，所述基底(1)的所述第一支撑位置(11)之一固定在所述输入设备的构件(3)上，并且所述基底(10)的所述第二支撑位置(12)之一固定在所述输入单元(2)上。
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Granted publication date: 20150701 Termination date: 20210330 |