TWI761680B - 觸覺回饋與感知裝置 - Google Patents

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Abstract

一種觸覺回饋與感知裝置，其包括：電路板；設置在所述電路板上的壓電陶瓷制動器，包括壓電陶瓷塊以及設置在壓電陶瓷塊上的陰極和陽極，陰極和陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使壓電陶瓷塊振動從而帶動電路板振動；以及設置在所述電路板上的應變感測器，用於偵測電路板的振動。本發明的觸覺回饋與感知裝置性能良好，感應精度高，且體積小巧。

Description

觸覺回饋與感知裝置
本發明涉及一種觸覺回饋與感知裝置。
觸覺回饋元件是現今流行的一種電子器件，其可應用於觸控板、平面鍵盤等各種電子裝置中。觸覺回饋元件的概念為模擬傳統機械式鍵盤與滑鼠，在進行觸摸操作的過程中對應產生回饋。目前主要的幾種觸覺回饋元件包括以下幾種：(1)制動器(Actuator)，如透過線圈馬達、壓電開關或MEMS微機電開關驅動而振動；(2)電場式的觸覺回饋，藉由手指感受到電場電荷的排斥力；(3)電容式的觸覺回饋，藉由強鐵電容薄膜充電的磁吸斥力；(4)超聲波的觸覺回饋，藉由壓電陶瓷施加電壓，產生振動和形變。
本發明提供一種觸覺回饋與感知裝置，其包括：電路板；設置在所述電路板上的壓電陶瓷制動器，包括壓電陶瓷塊以及設置在壓電陶瓷塊上的陰極和陽極，陰極和陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使壓電陶瓷塊振動從而帶動電路板振動；以及設置在所述電路板上的應變感測器，用於偵測電路板的振動。
本發明的觸覺回饋與感知裝置性能良好，感應精度高，且體積小巧。
100、200、300:觸覺回饋與感知裝置
10:電路板
30:壓電陶瓷制動器
50:應變感測器
31:壓電陶瓷塊
33:陰極
35:陽極
313:頂表面
311:底表面
315:側表面
11:陰極電極
13:陽極電極
19:連接端子
31b:外圈陶瓷
31a:內圈陶瓷
33a:第一陰極
35a:第一陽極
33b:第二陰極
35b:第二陽極
312:底面
314:頂面
316:側面
11a:第一陰極電極
13a:第一陽極電極
11b:第二陰極電極
13b:第二陽極電極
32:內圈壓電陶瓷
52:外圈壓電陶瓷
圖1為本發明第一實施例的觸覺回饋與感知裝置的俯視示意圖。
圖2為圖1中的觸覺回饋與感知裝置的剖面示意圖。
圖3為本發明第二實施例的觸覺回饋與感知裝置的俯視示意圖。
圖4為圖3中的觸覺回饋與感知裝置的剖面示意圖。
圖5為本發明內圈陶瓷的示意圖。
圖6為本發明一實施例的振動波形圖。
圖7為本發明第三實施例的觸覺回饋與感知裝置的俯視示意圖。
圖8為圖7中的觸覺回饋與感知裝置的剖面示意圖。
附圖中示出了本發明的實施例，本發明可以藉由多種不同形式實現，而並不應解釋為僅局限於這裡所闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本發明更為全面和完整的公開，並使本領域的技術人員更充分地瞭解本發明的範圍。為了清晰可見，在圖中，層和區域的尺寸被放大了。
除非另外定義，這裡所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所述領域的普通技術人員所通常理解的含義相同的含義。還應當理解，比如在通用的辭典中所定義的那些的術語，應解釋為具有與它們在相關領域的環境中的含義相一致的含義，而不應以過度理想化或過度正式的含義來解釋，除非在本文中明確地定義。
實施例一
請參閱圖1，本發明第一實施例的觸覺回饋與感知裝置100，其集成觸覺回饋與觸碰感知，其包括電路板10以及設置在電路板10上的壓電陶瓷制動器30和應變感測器50。
電路板10為金屬基印刷電路板10(Metal Core PCB，MCPCB)，即是將印刷電路板附貼在熱傳導效果好的金屬層上，可改善電路板層面的散熱。本實施例中，電路板10包括不銹鋼層(圖未示)以及設置在不銹鋼層上的導熱聚合物層(圖未示)。
請一併參閱圖1和圖2，壓電陶瓷制動器30包括壓電陶瓷塊31以及設置在壓電陶瓷塊31上的陰極33和陽極35，其中陰極33和陽極35相互電性絕緣。本實施例中，壓電陶瓷塊31大致成矩形塊狀。如圖2所示，壓電陶瓷塊31包括靠近電路板10的底表面311、遠離電路板10並與底表面311相對的頂表面313、以及連接在底表面311和頂表面313之間的複數側表面315。陰極33局部覆蓋壓電陶瓷塊31的底表面311並彎折延伸至一個側表面315，並繼續彎折延伸局部覆蓋頂表面313。陽極35局部覆蓋壓電陶瓷塊31的頂表面313並彎折延伸至一個側表面315，並繼續彎折延伸局部覆蓋底表面311。陽極35覆蓋頂表面313的面積大於陰極33覆蓋頂表面313的面積；陰極33覆蓋底表面311的面積大於陽極35覆蓋底表面311的面積。陰極33和陽極35二者間隔設置使其二者相互電性絕緣。
應變感測器50為本領域習知的，其可包括使用惠斯通電橋原理的電阻進行感應的電路結構，其中圖1和圖2並未具體示出其電路結構。如圖1和圖2所示，應變感測器50的數量為兩個，分別設置在壓電陶瓷制動器30的相對兩側，且與壓電陶瓷制動器30間隔設置。在壓電陶瓷制動器30的相對兩側各設置一應變感測器50是為了能更有效的傳遞壓電效應產生的電信號。
所述底表面311上設置有陰極33的部分和陽極35的部分，以使陰極33和陽極35較好的實現與電路板10的電性連接。如圖1所示，電路板10上設置有陰極電極11和陽極電極13，其中陰極電極11與陰極33電性連接，陽極電極13與陽極35電性連接。
電路板10給予陰極電極11和陽極電極13不同的電壓，例如陰極電極11為方波信號，而陽極電極13為零電勢，進而使壓電陶瓷塊31上的陰極33和陽極35具有不同的電壓，壓電陶瓷塊31在電壓差的情況下振動，振動的波形與輸入的陰極電極11的電壓相同。壓電陶瓷塊31的振動帶動整個電路板10振動，而應變感測器50偵測並監控電路板10之振動(應變行為)，若有外力碰觸電路板10而改變電路板10的振動，則應變感測器50偵測到的波形與振幅會發生變化，應變感測器50回傳信號到觸控電路(圖未示)達到觸控反應，即可根據應變感測器50的信號變化達到觸控目的。
可以理解的，所述電路板10上還可設置各種連接端子19，以連接其他的電子元件(圖未示)，如電路、電源、放大器等。
本實施例的觸覺回饋與感知裝置100性能良好，感應精度高。
實施例二
請參閱圖3和圖4，本發明第二實施例的觸覺回饋與感知裝置200，其包括電路板10以及設置在電路板10上的壓電陶瓷制動器30和應變感測器50。
請一併參閱圖3和圖4，壓電陶瓷制動器30包括壓電陶瓷塊31，而壓電陶瓷塊31包括內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b，其中外圈陶瓷31b環繞內圈陶瓷31a且與內圈陶瓷31a間隔設置。壓電陶瓷制動器30還包括設置在內圈陶瓷31a上的第一陰極33a和第一陽極35a、以及設置在外圈陶瓷31b上的第 二陰極33b和第二陽極35b，其中第一陰極33a和第一陽極35a相互電性絕緣，第二陰極33b和第二陽極35b相互電性絕緣。
請一併參閱圖3和圖4，本實施例中，內圈陶瓷31a為矩形塊狀，其俯視圖為矩形，其包括靠近電路板10的底表面311、遠離電路板10並與底表面311相對的頂表面313、以及連接在底表面311和頂表面313之間的複數側表面315。第一陰極33a覆蓋內圈陶瓷31a的頂表面313並彎折延伸至一個側表面315，並繼續彎折延伸局部覆蓋底表面311。第一陽極35a局部覆蓋內圈陶瓷31a的底表面311。第一陰極33a覆蓋底表面311的面積小於第一陽極35a覆蓋底表面311的面積。第一陰極33a和第一陽極35a二者間隔設置使其二者相互電性絕緣。可以理解的，側表面315的數量依據內圈陶瓷31a的形狀而變化，例如內圈陶瓷31a為圓柱狀，則側表面315的數量為一個，且為曲面。
外圈陶瓷31b的俯視圖為矩形環狀，其包括靠近電路板10的底面312，遠離電路板10並與底面312相對的頂面314、以及連接在底面312和頂面314之間的複數側面316。可以理解的，側面316的數量依據外圈陶瓷31b的形狀而變化，例如外圈陶瓷31b為圓柱環狀，則側面316的數量為一個，且為曲面。第二陰極33b局部覆蓋外圈陶瓷31b的頂面314並彎折延伸至外圈陶瓷31b的一個側面316，並繼續彎折延伸局部覆蓋外圈陶瓷31b的底面312。第二陽極35b局部覆蓋外圈陶瓷31b的底面312並彎折延伸至外圈陶瓷31b的一個側面316，並繼續彎折延伸局部覆蓋外圈陶瓷31b的頂面314。如圖3所示，第二陰極33b覆蓋頂面314的面積大於第二陽極35b覆蓋頂面314的面積。
如圖4，電路板10上分別設置有第一陰極電極11a、第一陽極電極13a、第二陰極電極11b、和第二陽極電極13b，其中第一陰極電極11a與第一陰極33a電性連接，第一陽極電極13a與第一陽極35a電性連接，第二陰極 電極11b與第二陰極33b電性連接，第二陽極電極13b與第二陽極35b電性連接。電路板10給予第一陰極電極11a和第一陽極電極13a不同的電壓，進而使內圈陶瓷31a上的第一陰極33a和第一陽極35a具有不同的電壓，內圈陶瓷31a在電壓差的情況下振動。同時電路板10給予第二陰極電極11b和第二陽極電極13b不同的電壓，進而使外圈陶瓷31b上的第二陰極33b和第二陽極35b具有不同的電壓，外圈陶瓷31b在電壓差的情況下振動。內圈陶瓷31a藉由第一陰極電極11a和第一陽極電極13a輸入電壓信號，外圈陶瓷31b藉由第二陰極電極11b和第二陽極電極13b輸入電壓信號。
一實施例中，第一陰極電極11a和第一陽極電極13a接入的電壓信號不同於第二陰極電極11b和第二陽極電極13b接入的電壓信號，如此，內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b產生兩種不同波形的諧振，形成不同的觸覺回饋感受。
另一實施例中，第一陰極電極11a和第一陽極電極13a接入的電壓信號與第二陰極電極11b和第二陽極電極13b接入的電壓信號相同，即第一陰極電極11a和第二陰極電極11b的電壓信號相同，第一陽極電極13a和第二陽極電極13b的電壓信號相同。但是內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b選用不同的壓電陶瓷，由於內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b兩者本身壓電特性與面積的差異，內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b也會產生兩種不同波形的諧振，形成不同的觸覺回饋感受。例如，具體的：外圈陶瓷31b選用100-400微米厚度的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，而內圈陶瓷31a包括柱狀結構且相互間隔設置的複數壓電陶瓷單元310，如圖5所示，此時第一陰極33a覆蓋所有壓電陶瓷單元310遠離電路板10的頂表面313，第一陽極35a覆蓋所有壓電陶瓷單元310靠近電路板10的底表面311。
一實施例中，由內圈陶瓷31a貢獻高頻振動，外圈陶瓷31b貢獻低頻振動，由此可使觸覺上感受除了異物感，也可使指尖產生刺感。
請參閱圖6所示的振動波形圖，其中橫坐標代表相位，縱坐標代表振幅，(a)和(b)分別代表內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b的振動波形，(c)代表內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b的疊加的振動波形。
每一個壓電陶瓷單元310的材質為複合材料，其具有具有高機電偶和係數，多用於醫療用超聲成像探頭。
本實施例的觸覺回饋與感知裝置200藉由內圈陶瓷31a和外圈陶瓷31b產生不同的振動，可形成與眾不同的觸感。
實施例三
請參閱圖7和圖8，本發明第三實施例的觸覺回饋與感知裝置300，其包括電路板10以及設置在電路板10上的壓電陶瓷制動器30和應變感測器50。
請一併參閱圖7和圖8，壓電陶瓷制動器30包括內圈壓電陶瓷32，應變感測器50包括外圈壓電陶瓷52，其中外圈壓電陶瓷52環繞內圈壓電陶瓷32且與內圈壓電陶瓷32間隔設置。壓電陶瓷制動器30還包括設置在內圈壓電陶瓷32上的第一陰極33a和第一陽極35a。應變感測器50還包括設置在外圈陶瓷31b上的第二陰極33b和第二陽極35b，其中第一陰極33a和第一陽極35a相互電性絕緣，第二陰極33b和第二陽極35b相互電性絕緣。內圈壓電陶瓷32振動帶動電路板10振動，外圈壓電陶瓷52利用正壓電特性偵測振動，在第二陰極33b和第二陽極35b輸出電壓值，當外力觸碰改變電路板10的波形和振幅，可根據外圈壓電陶瓷52上的第二陰極33b和第二陽極35b輸出的電壓變化，達到觸控反應。
本實施例中，內圈壓電陶瓷32為矩形塊狀，其俯視圖為矩形，如圖8所示，其包括靠近電路板10的底表面311、遠離電路板10並與底表面311相對的頂表面313、以及連接在底表面311和頂表面313之間的複數側表面315。第一陰極33a覆蓋內圈壓電陶瓷32的頂表面313並彎折延伸至一個側表面315，並繼續彎折延伸局部覆蓋底表面311。第一陽極35a局部覆蓋內圈壓電陶瓷32的底表面311。第一陰極33a覆蓋底表面311的面積小於第一陽極35a覆蓋底表面311的面積。第一陰極33a和第一陽極35a二者間隔設置使其二者相互電性絕緣。
本實施例中，外圈壓電陶瓷52的俯視圖為矩形環狀，如圖8所示，其包括靠近電路板10的底面312，遠離電路板10並與底面312相對的頂面314、以及連接在底面312和頂面314之間的複數側面316。第二陰極33b局部覆蓋外圈壓電陶瓷52的頂面314並彎折延伸至外圈陶瓷31b的一個側面316，並繼續彎折延伸局部覆蓋外圈壓電陶瓷52的底面312。第二陽極35b局部覆蓋外圈壓電陶瓷52的底面312並彎折延伸至外圈壓電陶瓷52的一個側面316，並繼續彎折延伸局部覆蓋外圈壓電陶瓷52的頂面314。如圖7所示，第二陰極33b覆蓋頂面314的面積大於第二陽極35b覆蓋頂面314的面積。
如圖8所示，電路板10上分別設置有第一陰極電極11a、第一陽極電極13a、第二陰極電極11b、和第二陽極電極13b，其中第一陰極電極11a與第一陰極33a電性連接，第一陽極電極13a與第一陽極35a電性連接，第二陰極電極11b與第二陰極33b電性連接，第二陽極電極13b與第二陽極35b電性連接。電路板10給予第一陰極電極11a和第一陽極電極13a不同的電壓，進而使內圈壓電陶瓷32上的第一陰極33a和第一陽極35a具有不同的電壓，內圈壓電陶瓷32在電壓差的情況下振動。內圈壓電陶瓷32藉由第一陰極電極11a和第一陽極電極13a輸入電壓信號從而振動，外圈壓電陶瓷52接收振 動信號從而在第二陰極33b和第二陽極35b形成感應電荷，並藉由第二陰極電極11b和第二陽極電極13b輸入出感應電壓信號。
本實施例的觸覺回饋與感知裝置300藉由內圈壓電陶瓷32產生振動，而外圈壓電陶瓷52接收振動信號，不需要額外設置其他類型的應變感測器，體積小巧。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，圖示中出現的上、下、左及右方向僅為了方便理解，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，所屬技術領域的普通人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
10:電路板
50:應變感測器
31:壓電陶瓷塊
33:陰極
35:陽極
313:頂表面
311:底表面
315:側表面
11:陰極電極
13:陽極電極
19:連接端子

Claims (7)

  1. 一種觸覺回饋與感知裝置，其包括：電路板；設置在所述電路板上的壓電陶瓷制動器，所述壓電陶瓷制動器包括壓電陶瓷塊以及設置在所述壓電陶瓷塊上的陰極和陽極，所述陰極和所述陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使壓電陶瓷塊振動從而帶動所述電路板振動；以及設置在所述電路板上的應變感測器，用於偵測電路板的振動；其改良在於：所述壓電陶瓷塊包括外圈陶瓷和內圈陶瓷，其中所述外圈陶瓷環繞所述內圈陶瓷且與所述內圈陶瓷間隔設置；壓電陶瓷制動器還包括設置在所述內圈陶瓷上的第一陰極和第一陽極、以及設置在所述外圈陶瓷上的第二陰極和第二陽極，所述第一陰極和所述第一陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使所述內圈陶瓷振動，所述第二陰極和所述第二陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使所述外圈陶瓷振動。
  2. 如請求項1所述的觸覺回饋與感知裝置，其中：所述內圈陶瓷包括靠近所述電路板的底表面、遠離所述電路板並與所述底表面相對的頂表面、以及連接在所述底表面和所述頂表面之間的至少一個側表面，所述第一陰極至少局部覆蓋所述內圈陶瓷的頂表面，所述第一陽極至少局部覆蓋所述內圈陶瓷的底表面。
  3. 如請求項1所述的觸覺回饋與感知裝置，其中：所述內圈陶瓷包括柱狀結構的複數壓電陶瓷單元。
  4. 如請求項1所述的觸覺回饋與感知裝置，其中：所述外圈陶瓷包括靠近所述電路板的底面，遠離所述電路板並與所述底面相對的頂面、以及連接在所述底面和所述頂面之間的至少一個側面，所述第二陰極局部覆蓋所述外圈陶瓷的頂面並彎折延伸至所述外圈陶瓷的一個側面，並繼續彎折延伸局部覆蓋所述外圈陶瓷的底面，所述第二陽極局部覆蓋所述外圈陶瓷的底面並彎折延伸至所述外圈陶瓷的一個側面，並繼續彎折延伸局部覆蓋所述外圈陶瓷的頂面。
  5. 一種觸覺回饋與感知裝置，其包括：電路板；設置在所述電路板上的壓電陶瓷制動器，所述壓電陶瓷制動器包括壓電陶瓷塊以及設置在所述壓電陶瓷塊上的陰極和陽極，所述陰極和所述陽極藉由所述電路板被施加不同的電壓以使所述壓電陶瓷塊振動從而帶動所述電路板振動；以及設置在所述電路板上的應變感測器，用於偵測電路板的振動；其改良在於：所述壓電陶瓷制動器包括內圈壓電陶瓷、設置在所述內圈壓電陶瓷上的第一陰極和第一陽極，所述應變感測器包括外圈壓電陶瓷、設置在所述外圈陶瓷上的第二陰極和第二陽極，其中所述外圈壓電陶瓷環繞所述內圈壓電陶瓷且與所述內圈壓電陶瓷間隔設置。
  6. 如請求項5所述的觸覺回饋與感知裝置，其中：所述內圈壓電陶瓷包括靠近所述電路板的底表面、遠離所述電路板並與所述底表面相對的頂表面、以及連接在所述底表面和所述頂表面之間的至少一個側表面；所述第一陰極覆蓋所述內圈壓電陶瓷的頂表面並彎折延伸至一個側表面，並繼續彎折延伸局部覆蓋所述頂表面；所述第一陽極局部覆蓋所述內圈壓電陶瓷的底表面。
  7. 如請求項5所述的觸覺回饋與感知裝置，其中：所述外圈壓電陶瓷包括靠近所述電路板的底面，遠離所述電路板並與所述底面相對的頂面、以及連接在所述底面和所述頂面之間的至少一個側面；所述第二陰極局部覆蓋所述外圈壓電陶瓷的頂面並彎折延伸至所述外圈陶瓷的一個側面，並繼續彎折延伸局部覆蓋所述外圈壓電陶瓷的底面；所述第二陽極局部覆蓋所述外圈壓電陶瓷的底面並彎折延伸至所述外圈壓電陶瓷的一個側面，並繼續彎折延伸局部覆蓋所述外圈壓電陶瓷的頂面。
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