TWI734954B - 壓敏電子配置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種電子裝置，包括操作元件(2)及用於產生觸覺信號的部件(1)，該部件(1)具有一個壓電致動器(11)，其中該部件(1)是裝在該操作元件(2)下方並且設計成用來在操作元件(2)上產生振動。
Description
本發明係關於一種具有操作元件及用於產生觸覺信號的部件之配置，以及一種具有多個用於產生觸覺信號的部件之配置。本發明還涉及到各種具有相同配置的醫療裝置、工業部件用機械、廚房裝置、電子汽化裝置、電子裝置和觸控筆。
為了便於使用，諸如行動電話、平板(Tablet)、筆記型電腦或輸入筆(所謂的觸控筆)之電子裝置的機械操作元件越來越多配備有壓敏、觸覺反饋(功能)。可以藉由移動或提升操作元件來產生觸覺反饋。這需要在幾微米的範圍內移動，且需要幾毫秒的觸發時間預先激發所謂的壓覺接受器(Pacini Korpuskel)及和使用者的其他壓力傳感器。
本發明解決了提供一種改進配置的問題，提供一種可以產生觸覺信號且空間需求小的部件。另一個目的是提供一種改良之具有多個用於產生觸覺信號的部件配置。
經由獨立請求項之所請標的來解決這些問題。
提出一種配置，其具有操作元件和用於產生觸覺信號的部件，其中該部件具有壓電致動器且安裝在操作元件下方並設計用來在操作元件上產生振動。
每個讓使用者經由該元件之配置或具有該配置之裝置就可以向該配置或裝置的其他零件發出控制指令的元件，在這裡都可以被稱為操作元件。操作元件可以是例如機械元件，例如按鈕。操作元件可以是藉由用戶的觸摸操作之設備的任何元件。它可以是例如電子設備表面的按鈕、旋鈕、控制器或壓敏區域。
主要的優點是使用壓電致動器來產生觸覺信號。壓電致動器的致動時間短且衰減時間也短。因此可以非常準確地確定產生觸覺信號的時點和週期。還可以經由改變施加到壓電致動器的頻率和電壓，來改變操作元件振動的幅度和頻率。因此可以在操作元件上產生不同的觸覺信號。
部件特別是可以直接裝在操作元件下方。在這種情況下，操作元件和部件彼此貼靠並接觸。尤其部件的機械加強元件是位於操作元件的下端。在這種情況下，背向使用者觸發控制操作元件時碰觸之操作元件側的那一側可被稱為下端。
與用於產生振動的其他部件(例如不對稱馬達或線性諧振器)相比，壓電致動器的體積較小。因此，透過在部件中使用壓電致動器，可以將部件設計成空間需求非常小。這樣該部件可以滿足小型化的高規格要求。
根據具體實施例，操作元件和用於產生觸覺信號的部件可以形成一個單元。在這種情況下，作為整體安裝在設備中的組合部件或模組可以被稱為「單元」。尤其在操作元件是殼體的區域之具體實施例中，操作元件和部件可以被設計成一個單元。在其他具體實施例中，操作元件和 部件也可以被設計為單元或模組。例如在觸控筆中使用該配置時，則操作元件和用於產生觸覺信號的部件可以形成一個單元。
壓電致動器可以被設計成因操作元件的操作致動而變形，及偵測操作元件的操作。因此，用於產生觸覺信號的部件也可以用來作為辨識操作元件致動操作的感測器。所以該部件可具有雙重功能。在電子裝置中可以不使用用於產生觸覺信號和用於辨識操作元件操作的單獨零組件。
操作元件可以是按鈕。例如，它可以是所謂的主頁按鈕(Home-Button)。操作元件也可以是裝在裝置的側殼體壁上的按鈕。
此外，操作元件也可以是殼體壁區域或是裝置中作為操作元件使用之另一個任意表面的一個區域。在殼體壁區域或另一個表面作為操作元件使用時，則殼體壁中不需要有開口，因此可以省去一般要密封住這些開口的密封件。傳統的操作元件，例如殼體壁中的按鈕，通常需要密封件來讓殼體防水、防塵或防污。因為不用進行密封，所以可以簡化電子裝置的製造並降低電子裝置的成本。
在殼體壁作為操作元件使用的區域中會比在其他區域中具有較大的機械變形性。這可確保振動仍是限制在用作操作元件殼體壁的區域。這是期望只有操作元件振動，而不是整個電子裝置，以帶給使用者愉快的使用體驗。
殼體壁在其作為操作元件使用的區域中可以比在另一區域中更薄。殼體壁作為操作元件的區域可以替代地或額外地藉由至少一個凹槽與殼體壁的其餘區域分開。凹槽和較薄的構造都可以讓振動局部地限制在其作為操作元件之殼體壁的區域。
在作為操作元件的殼體壁區域上，可以裝上一個指示操作功能的符號。可以經由在區域上按壓來觸發操作功能。例如，操作功能可以是增大或減小音量。
用於產生觸覺信號的部件可以夾裝在操作元件和底板之間。在這種情況下，操作元件尤其可以是殼體壁的區域。底板可以由殼體壁的內部區域形成。操作元件可以是一種無縫的操作介面。
底板的剛性(steifigkeit)可以大於壓電致動器的剛性。因此，當壓電致動器振動時，底板不會振動，或只有稍微振動。壓電致動器的剛性可以替代地或額外地再大於操作元件的剛性。因此，壓電致動器的振動可以傳遞到操作元件。操作元件和底板的剛性主要是由當時的厚度決定。操作元件可以具有比底板更小的厚度。這樣會導致操作元件的剛性小於底板的剛性。操作元件的剛性可以是壓電致動器的剛性的1%至50%。
剛性在工程力學中意義重大。它是物體對於因應力或力矩彈性變形的阻抗能力。這裡提到的剛性尤指該元件的彎曲剛性。
由於操作元件具有比壓電致動器和底板更小的剛性，因此可以確保操作元件僅僅或至少只會在使壓電致動器振動時變形。因此，可以將觸覺信號的強度最大化。經由適當地選定操作元件的厚度以及操作元件和底板之間的連接，可將操作元件的彈性效果最佳化。
操作元件和底板可以彼此牢固地連接。例如，操作元件和底板可以彼此以螺栓緊固在一起。或者，操作元件和底板可以是單件式，且例如可以由單個殼體壁的不同區域形成。在這種情況下，操作元件可以由殼體壁往外的區域形成，而底板可以由殼體壁往殼體內部的區域形成。殼體壁可具有將形成操作元件的區域和形成底板的區域分開的空腔。在空腔中，可以安裝用於產生觸覺信號的部件。
用於產生觸覺信號的部件可被固定在操作元件及/或底板上。尤其該部件可以經由黏結固定在操作元件及/或底板上。經由將部件固定在至少一個操作元件上，並可以防止部件在操作時從操作元件或底板滑出。
該部件可以具有一種機械加強元件，該元件是藉由致動器長度往其縱向改變，讓機械加強元件區域往與縱向垂直方向移動之方式固定在壓電致動器上。致動器可以佈置成讓其縱向方向平行於殼體壁。縱向方向可以垂直於致動元件的致動方向。縱向可以垂直於堆疊方向。因此經由機械加強元件將壓電致動器d31效應引起的縱向變化轉換成與縱向變化成垂直的提升運動。提升運動的幅度可以比縱向變化大很多。例如，提升運動的幅度可為縱向變化幅度的5到40倍。特別地，提升運動的幅度可為縱向長變化幅度的10至20倍。結合致動器與加強元件，讓操作元件產生明顯更強的振動。
加強元件可以是金屬架(Metallbügel)。金屬可以是例如鈦。鈦的優點在於其熱膨脹係數與壓電致動器的熱膨脹係數非常相似，因此在溫度變化時不會產生機械應力。
機械加強元件可以不用開凹槽且具有恆定的壁厚度。因不用在加強元件中開凹槽，所以可簡化加強元件的製造。機械加強元件應該沒有凹槽，特別是在機械加強元件的厚度夠小時是不太會妨礙加強元件的變形。在另一具體實施例中，加強元件可以至少有一個凹槽，以降低機械性力學變形的機械阻力。尤其對於具有讓加強元件變形需要很大力量之厚度的加強元件來說，在加強元件中作出凹槽會是有用的，因為凹槽可以讓加強元件易於變形。
可以藉由黏結將機械加強元件固定在壓電致動器上。
電子裝置可以具有多個用於產生觸覺信號的部件，每個部件具有壓電致動器且並排佈置為陣列。該陣列可以由一列部件組成。或者，陣列可以由以m×n矩陣排列的部件組成，m列和n行，其中m和n可以是任何自然數。多個部件可以裝在操作元件下方，且特別地直接裝在操作元件上。
藉由結合多個用於產生觸覺信號的部件，可以實現各種不同的優點。因為振動可以為多個部件所用，故得以產生更強的觸覺信號。如果在部件額外地作為偵測操作元件致動操作之感測器之用時，除了操作元件已被啟動的事實之外，還可以藉由使用多個部件的陣列來確定是在操作元件的哪個位置進行致動操作。
每個壓電致動器可以與其他致動器分開被讀出及觸發控制。這讓每個致動器可以單獨作為感測器及產生觸覺反饋。
部件陣列可以被設計成用來辨識操作元件的手勢操控。電子裝置還可以具有一個判讀單元，該判讀單元被設計成用來讀取每個致動器上產生的電壓，從每個致動器上產生的電壓推斷出在施加在該致動器上的壓力分佈(Druckprofil)及將壓力分佈轉換成手勢操控的手勢。因此，可以使用用於產生觸覺信號的部件來辨識控制手勢。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有多個用於產生觸覺信號的部件的配置，每個部件具有壓電致動器，其中這些部件被並排佈置形成陣列。該配置還可以具有一個判讀單元，該判讀單元被設計成讀出每個壓電致動器上產生的電壓，及從致動器上產生的電壓推斷出施加在該致動器上的壓力分佈。多個部件可以是結合本發明的第一態樣所述的部件。特別地，該部件可具有第一態樣所述之機械加強元件。
每個壓電致動器可以與其他致動器分開而被讀出和控制。判讀單元可以被設計成用來將壓力分佈轉換為手勢操控的手勢。
根據另一個態樣，本發明係關於具有上述配置之一的醫療裝置。醫療裝置可以是超音波裝置。另外，醫療裝置可以是手術台。操作元件可以是裝在手術台上的元件，例如按鈕或手術台的壓敏區域。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有上述配置之一的工業用機械。例如，工業用機械可以是CNC銑床。觸覺信號產生部件可以使CNC銑床操作元件振動以產生觸覺信號。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有上述配置之一的廚房裝置。廚房裝置可以是例如爐子或攪拌器。操作元件可以是裝在爐床上的元件，例如按鈕或爐底板的壓敏區域。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有上述配置之一的電子汽化裝置。電子汽化裝置可以是例如電子煙。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有上述配置之一的電子裝置。電子裝置可以是例如行動電話、平板、筆記型電腦、智慧手錶或健身追蹤器、心率追蹤器、睡眠追蹤器或健康追蹤器。
根據另一個態樣，本發明係關於一種具有上述配置之一的觸控筆。觸控筆可以是電子裝置的觸控筆。觸控筆也稱為Touchpen(觸控筆)。觸控筆是一種可用於操作觸控式螢幕及平板的筆。
用於產生觸覺信號的部件可以讓觸控筆筆尖振動以產生觸覺信號。替代地或額外地，觸覺信號產生部件可以使觸控筆殼體的一部分振動以產生觸覺信號。觸控筆尖可以保持不動。
1‧‧‧部件
2‧‧‧操作元件
3‧‧‧殼體壁
4、5‧‧‧(殼體壁的)區域
11‧‧‧壓電致動器
12‧‧‧絕緣區域
13a、13b‧‧‧加強元件
15‧‧‧黏合連接
16‧‧‧自由區
17a、17b‧‧‧部分區域
18a、18b‧‧‧終端區
19a、19b‧‧‧部分區域的第一部分/中間區域
20a、20b‧‧‧部分區域的第二部分/連接區域
21‧‧‧內電極
22‧‧‧壓電層
23‧‧‧外電極
24‧‧‧端面
25‧‧‧上側
26‧‧‧下側
27‧‧‧觸控筆
28‧‧‧操作介面
29‧‧‧觸控筆尖
30‧‧‧基體
31‧‧‧單元
32‧‧‧底板
33‧‧‧空腔
34‧‧‧黏結層
B‧‧‧致動器寬度
h‧‧‧自由區高度
H‧‧‧致動器高度
L‧‧‧致動器長度
R1‧‧‧第一方向
R2‧‧‧第二方向
S‧‧‧堆疊方向
以下根據附圖進一步詳述本發明的較佳具體實施例。
第1圖為用於產生觸覺信號之部件的透視圖。
第2圖為部件的側視圖。
第3圖為部件頂面的俯視圖。
第4圖為電子裝置的部份示意圖。
第5圖為另一電子裝置的部份示意圖。
第6圖和第7圖各為根據進一步之具體實施例的電子裝置。
第8圖為觸控筆。
第9圖為根據另一具體實施例的觸控筆。
第10圖為另一具體實施例。
第1圖為用於產生觸覺信號之部件1的透視圖。第2圖為部件1的側視圖。第3圖為部件1頂面的俯視圖。
部件1具有一個壓電致動器11和兩個機械加強元件13a、13b。部件1特別是可以被裝在電子裝置中，用來偵測操作信號和產生觸覺信號。另外，部件還可以用於其他裝置中，例如用於醫療裝置、工業用機械、廚房裝置、電子汽化設備或觸控筆，用於偵測操作信號及產生觸覺信號。
壓電致動器11具有往堆疊方向S交替堆疊之內電極21和壓電層22的疊層。壓電致動器11具有裝在第一端面24上的第一外電極23及裝在第二端面上的第二外電極23。內電極21往堆疊方向S而與第一外電極23或第二外電極23交互電氣接觸。
壓電層22可以是鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷製成。此外PZT陶瓷還可以含有釹(Nd)和鎳(Ni)。PZT陶瓷還可以含Nd、鉀(K)和視需要的銅(Cu)。壓電層22還可以具有一種含Pb(ZrxTi1-x)O3+y Pb(Mn1/3Nb2/3)O3的化合物。
內電極21含銅或由銅製成。
壓電致動器11是方形的。因此平面法線指向堆疊方向S的平面被稱為基面。基面為矩形。基面較長側為壓電致動器11的長度L而基面的較短側為壓電致動器11的寬度B。
壓電致動器11的長度L在5mm和20mm之間，寬度B在2mm和8mm之間。根據第一具體實施例指出，壓電致動器11具有12mm的長度L和4mm的寬度B。在第二具體實施例中顯示，壓電致動器11具9mm的長度L和3.75mm的寬度B。
壓電致動器往堆疊方向S的延伸為壓電致動器11的高度H。壓電致動器11的高度H可以在200μm和1000μm之間。例如，在第一和第二具體實施例中，高度H各為500μm。
致動器11具有兩個絕緣區域12。各該絕緣區域12位於致動器11的終端區域中。特別地，各該絕緣區域12主要位於致動器的端面24區域中。
在絕緣區域12中，僅極性的內電極21到達致動器11的端面24上。絕緣區域12可與致動器11電氣接觸。例如，各該絕緣區域12可以裝上用於電氣接觸的外電極23。
致動器11被設計成在施加電壓時，致動器11會發生變形(往第一方向R1延伸)。具體而言，壓電層22被極性化，內電極21之間 所施加的電壓導致致動器11橫向收縮，其中致動器11垂直於堆疊方向S的長度L改變。因此致動器的延伸是橫向於極化方向和電場(d31效應)。
為了進一步增強往堆疊方向S之縱向變化的效果，該裝置具有兩個加強元件13a、13b。當電壓施加到致動器11時，增強元件13a、13b至少部分地因致動器11延伸變化而變形，稍後詳述。兩個加強元件13a、13b確定尺寸及連接到致動器11，由於致動器的長度L的變化，每個加強元件13a、13b的部分區域17a、17b往堆疊方向S執行上升運動，此時上升運動的幅度大於致動器長度L變化的幅度。
致動器11是裝在加強元件13a、13b之間。加強元件13a、13b至少有部分位於致動器11的上側25和下側26上。
各加強元件13a、13b為一體成形者(einstückig ausgebildet)。各加強元件13a、13b為矩形。各加強元件13a、13b為條形的。各加強元件13a、13b為扭彎或彎曲。各加強元件13a、13b為弓形(bügelförmig)。例如，各加強元件具有金屬條。各加強元件含鈦或為鈦製。將金屬條彎曲，如下詳述。
各一體成形的增強元件13a、13b被細分為多個區域或部分。因此，各該加強元件13a、13b具有部分區域或第一區域17a、17b。部分區域17a、17b分別具有第一部分或中間區域19a、19b。
部份區域17a、17b各還具有兩個第二部分或連接區域20a、20b。各加強元件13a、13b的兩個連接區域20a、20b直接連接到各加強元件13a、13b的中心區域19a、19b。換句話說，各加強元件13a、13b的中心區域19a、19b在兩側是被兩個連接區域20a、20b圍住。
各加強元件13a、13b還具有兩個終端區域18a、18b。終端區域18a、18b直接連接到該加強元件13a、13b的連接區域20a、20b。換 句話說，連接區域20a、20b分別將終端區域18a、18b連接到加強元件13a、13b的中心區域19a、19b。
該加強元件的兩個終端區域18a、18b是直接位於致動器11的表面上。因此，第一加強元件13a的第一和第二終端區域18a位於致動器11的上側25的部分區域上。此外，第二加強元件13b的第一和第二終端區域18b則是位於致動器11的上側25或下側26的部分區域上。
終端區域18a、18b較佳是以不可拆卸的方式連接到致動器11的表面。具體而言，終端區域18a、18b經由黏合連接15被連接到致動器11的表面。
該部分區域17a、17b與致動器11的表面間隔開。尤其在該部分區域17a、17b與致動器11的下側26或上側25之間存在自由區16。自由區16有高度h。致動器11和部分17a、17b之間的自由高度h在0.2mm和2.0之間，在第一具體實施例中為0.75mm，在第二具體實施例中為0.4mm，其中自由高度h為在沒有電壓施加到致動器11且無外力作用在加強元件13a、13b上時，部分區域17a、17b和壓電致動器11之間的最大距離。
自由區16的高度h沿著各部分區域17a、17b變化。因此，各部分區域17a、17b的中心區域19a、19b被設計成使其延伸平行於致動器11的表面。因此，在中心區域19a、19b範圍內之自由區16的高度h是最大的。相反，各連接區域20a、20b延伸與致動器11的表面成傾斜。換句話說，各連接區域20a、20b與致動器11的上側25或下側26成一個角度。該角度較佳是小於或等於45°。因此，自由區16的高度h在從各加強元件13a、13b的中心區域19a、19b到終端區18a、18b的方向減小。因此，該加強元件13a、13b形狀是彎曲的。
在另一個於此未示出之具體實施例中，各加強元件13a、13b，在加強元件區域之間至少要有一處打薄，較佳是有多處打薄。
機械加強元件13a、13b可各為厚度在0.1mm和0.4mm之間的鈦板。例如，板材厚度可為0.2mm。這裡提到的區域板材厚度是用較小的力量即可引起板材執行提升運動所需的變形。所以可以放棄用打薄來增加板材的可變形性。因此，板材就不用打薄或開凹槽。
該加強元件13a、13b平坦的中心區域19a、19b長度可介於1.5mm至5.0mm之間。在第一具體實施例中，中心區域19a、19b的長度為3.5mm。在第二具體實施例中，19a、19b中心區域為2.5mm長。終端區18a、18b的長度可以在1.0mm和0.5mm之間。在第一和第二具體實施例中，終端區18a、18b各為0.7mm長。不應選擇小於0.5mm的長度，因為終端區18a、18b與致動器11之間的黏合連接15有可能因此不夠堅固。
由致動器11和兩個加強元件13a、13b組成的部件之總高度可以在5.0mm和1.0mm之間。在第一具體實施例中，總高度為2.4mm。在第二具體實施例中，總高度為1.7mm。
對於在電子裝置和其他裝置中使用該部件，小型化是必須考慮到的觀點。藉由使用這裡所述之特定尺寸的部件，其可產生觸覺信號且佔用空間非常小。例如，具有上述尺寸的部件可裝在行動電話或手錶殼側壁上的按鈕下面。
在第一具體實施例中，施加60V的電壓時，產生自由偏移或升高25μm及3.5N的阻力(Blockierkraft)。剛性為0.14N/μm。在第二具體實施例中，施加60V的電壓時，產生自由偏移或升高15μm及2.5N的阻力。剛性為0.16N/μm。
若將電壓施加到致動器11，則各加強元件13a、13b的部分區域17a、17b相對於致動器11往第二方向R2移動。第二方向R2垂直於第一方向R1。第二方向R2是沿著堆疊方向S延伸。
尤其中心區域19a、19b是沿著第二方向R2移動。在這個情況下，各加強元件13a、13b在中心區域19a、19b和連接區域20a、20b之間，及在連接區域20a、20b和終端區18a、18b之間的過渡處彎曲。
另一方面，藉由與致動器11的黏合連接15防止終端區18a、18b往第二方向R2移動。而終端區18a、18b與致動器11一起往第一方向R1移動。因此，終端區18a、18b與部份區域17a、17b之間進行相對運動。
第4圖圖示一種配置，其中用於產生觸覺信號的部件1裝在操作元件2下方，該部件1具有壓電致動器11和加強元件13a、13b。
配置可以用在例如具有殼體壁3的電子裝置中。在殼體壁3中，裝有操作元件2。操作元件2為一個按鈕。操作元件2可以由電子裝置的使用者按壓操作。具有壓電致動器11和兩個加強元件13a、13b的部件1直接裝在操作元件2下方。在這種情況下，裝在壓電致動器11的上側25上的加強元件13a直接貼靠在操作元件2上。
當按壓操作元件2時，操作元件2會在加強元件13a上施力。藉由施加在加強元件13a上的力道讓其變形，終端區18a、18b就會往第一方向R1彼此分開移動。加強元件13a是固定在壓電致動器11上，藉由施加到加強元件13a的力量及與其相關的加強元件13a的變形讓壓電致動器11也往縱向變形。因此在壓電致動器11中產生電壓。可以偵測到該電壓並且以這種方式可以推斷是操作元件2的操作。為此壓電致動器11可 以連接一個微控制器，微控制器判讀壓電致動器11上產生的電壓。這樣壓電致動器11可以裝在電子裝置中作為識別操作元件2操作的感測器。
除此之外，壓電致動器11還可用於產生觸覺信號。在向致動器11施加電壓時，致動器11會往縱向變形，而加強元件13a則對應地執行提升運動。由於部件1是直接裝在操作元件2下方，當加強元件13a進行提升運動時，操作元件2也執行提升運動。這樣會產生操作元件2的振動，可以讓使用者察覺到操作元件2上的觸覺信號。例如，這種觸覺信號可以用來作為觸覺反饋，讓使用者確認操作元件2的致動操作。
第5圖為另一種裝置的一部分。在第5圖所示的具體實施例中，具有壓電致動器11和加強元件13a、13b的部件1裝在電子設備的操作元件2下方。操作元件2是殼體壁的區域4。
經由將壓電致動器裝在殼體壁下方讓殼體壁本身可以作為操作元件使用。在如第5圖所示用手指或筆按壓殼體壁時，殼體壁會變形。因此直接裝在殼體壁下方的致動器同樣也會變形，可以以和第4圖所述之具體實施例類似的方式辨識殼體壁的致動操作。
還可以用壓電致動器11將殼體壁3的區域4作為操作元件2使用，使其振動並以這種方式產生觸覺信號。
若殼體壁3本身就是作為操作元件2被使用的話，則優點在於可以省去通常需要的密封，其將操作元件2設計成裝在殼體壁3中，使殼體的內部防塵、防污及防水。
傳統的操作元件2，例如第4圖所示的按鈕，通常只有幾公克重。操作元件2和部件1裝在一起簡化成一個彈簧質量系統(Feder-Masse-System)。共振頻率f o (=彈簧質量系統在單次激發時的固有頻率/自 由振動)得出：
，其中D為剛性以及m為系統質量。
如上所述，若直接在殼體壁3上進行操作，則必須考慮部件1和殼體組成的整個系統。在這種情況下，說明更為複雜，因為高質量的共振頻率是取決於將部件1整合裝入殼體中。此時必須要確定並非整個殼體振盪，而是儘量只讓殼體壁的區域3置於部件1的上方。
第6圖為一種根據另一個具體實施例的裝置。與第5圖中所示的具體實施例相比，區域4中作為操作元件2使用的殼體壁3的壁厚度係小於區域5中不作操作元件2使用的壁厚度。由於區域4中作為操作元件2使用的殼體壁3的壁厚度較小，因此可以更容易從殼體壁3將壓力傳送到致動器11上。除此之外，由於其厚度減小，殼體壁3的區域4具有比第5圖所示之裝置更大的機械可變形性。因此，可以藉由致動器11使區域4進入更強的振動，從而產生更強的觸覺信號。除此之外，經由殼體壁3的區域4、5的不同厚度可以確保不作為操作元件之殼體壁3的區域5不會振動，而將振動限制在局部。因此，區域4的較薄構造在振動方面可以將區域4與殼體壁的其餘區域5隔開。
替代地或額外地，可以藉由一個或多個凹槽將作為操作元件2使用的殼體壁3之區域4和殼體壁3的其餘區域5隔開。因此也能將振動限制在局部。
第7圖為一種根據另一具體實施例的配置。在這個具體實施例中，殼體壁3的區域4也作為操作元件2使用。在殼體壁的區域下方，裝有多個用於產生觸覺信號的部件1，將部件1作陣列佈置。
裝在各致動器11上側25上的機械加強元件13a貼靠在殼體壁3的內側。陣列中的每個壓電致動器11可以被分開驅動及分開讀取。不僅可以辨識操作元件2的致動操作，還可以辨識操作元件2是在哪個位 置被致動操作。因此可以辨識手勢操控。例如，可以在用手指或觸控筆在操作元件2上滑動時進行識別。尤其可以辨識操作的方向和操作的速度。
若使用者是藉由手勢操控來操作設備，例如使用者在致動器11上方作為操作元件2使用之殼體壁3的區域4上移動手指或觸控筆時，則在每個致動器11上會有不同的壓力分佈並視當時的壓力及移動速度產生不同的電壓。與致動器11連接的微控制器可以將這些信號轉換成對應的手勢(Gesten)。
例如，致動器11可以安裝在電子裝置的側面殼體壁3下方並取代音量增大/減小鍵。往一個方向滑動可等同於“增大”的功能，及往相反方向滑動則可等同於“減小”的功能。
除此之外，使用壓電致動器11的陣列可以局部地在操作元件2上於不同位置產生觸覺信號。藉由多個壓電致動器11，可以產生具有不同強度的觸覺信號，這取決於用於產生觸覺信號之致動器11的數量。因此，可以例如調整觸覺信號的強度以向使用者提供關於音量的訊息，例如，觸覺信號的強度可以與音量成比例。
第8圖為一種具有上述配置的觸控筆27。觸控筆27是一種筆形的輸入及/或輸出裝置。觸控筆27尤其可以用來作為操作介面28的筆形輸入及/或輸出裝置。操作介面28可以是，例如行動電話或平板的螢幕。操作介面28還可以是廚房裝置的壓敏表面(例如爐子)或醫療裝置(例如手術台)。操作表面28也可以是廚房流理台面板，例如桌面或玻璃板。該板材可在擴增實境應用(Augmented Reality Anwendung)的範圍內使用這種板材。操作介面28也可以是一種虛擬表面。
觸控筆27具有上述的配置，可以向使用者發送觸覺信號。為了產生觸覺信號，觸控筆觸控筆尖29或觸控筆27的基體30的區域設 為振動。這樣使用者可以產生觸覺印象。例如，可以給使用者留下觸控筆27已經在表面上移動的印象。為此，觸控筆27具有上述的配置，其具有至少一個用於產生觸覺信號的部件1，該部件1被設計成產生振動，該振動將觸控筆27在表面上的運動的觸覺印象傳達給使用者。
可以以兩種不同的操作模式使用觸控筆27。第一種操作模式也稱為「重放模式(Wiedergabemodus)」。在這種情況下，壓電致動器11用於產生振動，該振動給使用者帶來觸覺印象。第二種操作模式也稱為「讀入模式(Einlesemodus)」。觸控筆27沿著表面被引導。觸控筆針27，特別由壓電致動器11或與之相的電子裝置辨識由表面施加在觸控筆27上的力道，並儲存由其計算出來的表面輪廓。在「重放模式」中，可以產生觸覺信號，重放例如在「讀入模式」儲存的表面輪廓。
第8圖中所示的觸控筆27具有單元31，單元31包含一個用於產生觸覺信號的部件1，其具有壓電致動器11和操作元件2。為了說明得更清楚，第8圖中未標示部件1。操作元件2是觸控筆27殼體壁3的區域4。若要產生觸覺信號的話，壓電致動器11可以為此目的讓振動殼體壁3的區域4產生振動。
此外，觸控筆27具有觸控筆尖29。觸控筆尖29是裝在觸控筆27的寫入端，當使用觸控筆27時，該寫入端指向操作介面28。觸控筆尖29可以形成掃描單元。在觸控筆尖29中，可以裝上接近感測器及/或其他電子組件。
觸控筆27還具有基體30。將配置裝入基體30中。還可以在基體30中安裝觸發電子裝置，電源和各種感測器。感測器可包括例如加速感測器及/或位移感測器及/或接近感測器。觸發電子裝置可以設計用來 觸發壓電致動器11。在這種情況下，在考量由感測器測到的測量數據之下，可以調節由觸發電子裝置施加到壓電致動器11的信號。
第9圖為根據第二具體實施例的觸控筆27。在第二具體實施例中，觸控筆27具有多個用於產生觸覺信號的部件1。部件1分別裝在觸控筆27的基體30中。部件1裝在觸控筆27的殼體壁3附近。根據第二具體實施例的觸控筆27其他的特徵與第8圖中所示的觸控筆27一致。
第10圖為另一個具體實施例。
用於產生觸覺信號的部件1被夾裝在操作元件2和底板32之間。操作元件2是由殼體壁3的區域4形成。底板32由殼體壁3的另一區域形成。也可以經由彼此螺栓連接或以其他方式固定連接之殼體部件形成底板32和操作元件2。
在操作元件2和底板32之間設有空腔33。在空腔33中，裝有用於產生觸覺信號的部件1。部件1具有壓電致動器11和兩個加強元件13a、13b。其中一個增強元件13b藉由黏結層34與底板32黏結。
操作元件2是一種無縫的操作介面。操作介面對於使用者是可視且可操作。在操作介面上，可以設置表示特定操作功能的符號，例如增大或減小音量。
通常底板32的剛性要遠大於壓電致動器11的剛性。致動器11的剛性又大於操作元件2的剛性，操作元件2在此是由殼體的打薄處所形成，其也可以稱為薄膜。一般薄膜剛性數值是在致動器11的剛性的1%-50%的範圍內。
上述結構確定僅在打薄處變形並將使用者的觸覺反饋強度最大化。此外，還可以藉由改變打薄處和底板32之間的厚度或連接處將打薄處的彈性效果最佳化。
1:部件
2:操作元件
11:壓電致動器
13a、13b:加強元件
Claims (26)
- 一種壓敏電子配置，包括操作元件(2)及用於產生觸覺信號的部件(1)，該部件(1)具有壓電致動器(11)，其中，該部件(1)是裝在該操作元件(2)下方及設計成用來在該操作元件(2)上產生振動，該操作元件(2)是殼體壁的區域(4)，作為該操作元件(2)的該區域(4)中之殼體壁比在其它區域(5)中的殼體壁具有較大的機械變形性，其中，該部件(1)包含固定在該壓電致動器(11)上的機械加強元件(13a、13b)，使經由該壓電致動器(11)在往其縱向的長度改變而讓該機械加強元件(13a、13b)的區域(19a、19b)往垂直於該縱向的方向移動，其中，該機械加強元件(13a、13b)是金屬架，其中，該金屬架包括兩個終端區域(18a、18b)和位於該兩個終端區域(18a、18b)之間的部分區域(17a、17b)，其中，該等終端區域(18a、18b)直接連接到該壓電致動器(11)的表面，其中，該部分區域(17a、17b)與該壓電致動器(11)的該表面被自由區(16)間隔開。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，該操作元件(2)和用於產生觸覺信號的該部件(1)形成一個單元。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之壓敏電子配置， 其中，該壓電致動器(11)係用於在該操作元件(2)操作後變形，及因而偵測到該操作元件(2)的操作。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之壓敏電子配置，其中，該操作元件(2)是按鈕。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，在作為該操作元件(2)之該區域(4)中的殼體壁要比在另一個區域中的殼體壁更薄，及/或其中，作為該操作元件(2)的殼體壁之該區域(4)是藉由至少一個凹槽與殼體壁的其餘區域(5)分開。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，在形成操作元件(2)之殼體壁(3)的該區域(4)上裝有指示操作功能的符號。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，用於產生觸覺信號的該部件(1)是被夾設在該操作元件(2)和底板(32)之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之壓敏電子配置，其中，該底板(32)的剛性係大於該壓電致動器(11)的剛性，及/或其中，該壓電致動器(11)的剛性係大於該操作元件(2)的剛性。
- 如申請專利範圍第7或8項所述之壓敏電子配置，其中，該操作元件(1)和該底板(32)係彼此緊固連接。
- 如申請專利範圍第7或8項所述之壓敏電子配置， 其中，用於產生觸覺信號的該部件(1)是固定在該操作元件(2)上及/或在該底板(32)上。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，該機械加強元件(13a、13b)沒有凹槽並具有恆定的壁厚度，或其中，該機械加強元件(13a、13b)具有至少一個凹槽，該凹槽降低該機械加強元件的機械變形的阻力。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓敏電子配置，其中，該壓敏電子配置具有多個用於產生觸覺信號的該部件(1)，該部件(1)各具有壓電致動器(11)及並排佈置為陣列。
- 如申請專利範圍第12項所述之壓敏電子配置，其中，每個該壓電致動器(11)係可與其他壓電致動器(11)分開被讀取和觸發控制。
- 如申請專利範圍第12或13項所述之壓敏電子配置，其中，該部件(1)的陣列是用來辨識該操作元件(2)的手勢操控。
- 如申請專利範圍第14項所述之壓敏電子配置，其中，電子裝置還具有判讀單元，該判讀單元係用於在每個該壓電致動器(11)上，讀取該壓電致動器(11)上產生的電壓，並從該壓電致動器(11)上產生的電壓推斷出施加到該壓電致動器(11)上的壓力分佈，及將該壓力分佈轉換成手勢操控的手勢。
- 一種壓敏電子配置，包括操作元件(2)；多個部件(1)，用於產生觸覺信號，各該部件(1)具有壓電致動器(11)和機械加強元件(13a、13b)，該等部件(1)被並排佈置成陣列且 設計成用來在該操作元件(2)上產生振動，其中，該操作元件(2)是殼體壁的區域(4)，作為該操作元件(2)的該區域(4)中之殼體壁比在其它區域(5)中的殼體壁具有較大的機械變形性；及判讀單元，被設計成用來讀取每個該壓電致動器(11)上產生的電壓及從該壓電致動器(11)上產生的電壓推斷出施加到該壓電致動器(11)上的壓力分佈，其中，在各該部件(1)中，該機械加強元件(13a、13b)固定在該壓電致動器(11)上，使經由該壓電致動器(11)在往其縱向的長度改變而讓該機械加強元件(13a、13b)的區域(19a、19b)往垂直於該縱向的方向移動，該機械加強元件(13a、13b)是金屬架，該金屬架包括兩個終端區域(18a、18b)和位於該兩個終端區域(18a、18b)之間的部分區域(17a、17b)，該等終端區域(18a、18b)直接連接到該壓電致動器(11)的表面，該部分區域(17a、17b)與該壓電致動器(11)的該表面被自由區(16)間隔開。
- 如申請專利範圍第16項所述之壓敏電子配置，其中，每個該壓電致動器(11)可以與其他的壓電致動器(11)分開被讀取和觸發控制。
- 如申請專利範圍第16或17項所述之壓敏電子配置，其中，該判讀單元是用來將該壓力分佈轉換成手勢操控的手勢。
- 一種醫療裝置，具有如申請專利範圍第1至18項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 一種工業用機械，具有如申請專利範圍第1至16項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 一種廚房裝置，具有如申請專利範圍第1至16項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 一種電子汽化裝置，具有如申請專利範圍第1至16項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 一種電子裝置，具有如申請專利範圍第1至16項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 如申請專利範圍第23項所述之電子裝置，其中，該電子裝置是行動電話、平板、筆記型電腦、智慧手錶或健身追蹤器、心率追蹤器、睡眠追蹤器或健康追蹤器。
- 一種觸控筆，具有如申請專利範圍第1至24項中任一項所述之壓敏電子配置。
- 如申請專利範圍第25項所述之觸控筆，其中，用於產生觸覺信號的該部件(1)使該觸控筆的觸控筆尖產生振動，或其中，用於產生觸覺信號的該部件(1)使該觸控筆殼體的區域產生振動。
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