ДЕТАЛЬ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АКТИВНОЙ ТАКТИЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
PART FOR CREATING ACTIVE TACTILE FEEDBACK

Настоящее изобретение относится к детали для создания активной тактильной обратной связи. При этом речь идет о детали, которая предназначена для того, чтобы создавать ответный сигнал пользователю, когда он прилагает усилие к детали. Такая деталь может быть использована, например, в кнопке, например, в кнопке управления для прибора. Например, деталь может создавать активную тактильную обратную связь, чтобы сообщить пользователю, что произведенные им настройки успешно преобразованы деталью.
Элементы для создания активной тактильной обратной связи известны, например, как вибрационные сигналы в мобильных телефонах. Они имеют моторчики с дисбалансом. Однако они обусловливают неравномерную обратную связь и, кроме того, имеют сравнительно большую габаритную высоту.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в представлении усовершенствованной детали для создания активной тактильной обратной связи.
Эта задача решается посредством детали согласно пункту 1 прилагаемой формулы изобретения.
Предлагается деталь для создания активной тактильной обратной связи, которая имеет основной корпус с пакетированными друг над другом по направлению наслоения первыми и вторыми внутренними электродами, причем между внутренними электродами соответственно размещен пьезоэлектрический слой, причем деталь выполнена так, чтобы идентифицировать прилагаемое к детали усилие и создавать активную тактильную обратную связь, когда идентифицируется воздействующая на деталь сила, причем тактильная обратная связь создается таким образом, что между первыми и вторыми внутренними электродами прилагается электрическое напряжение, которое приводит к изменению длины основного корпуса.
Обратная связь называется активной обратной связью, поскольку она создается самой деталью. Обратная связь называется тактильной обратной связью, так как пользователь может воспринимать ее своим осязанием.
В отношении изменения длины основного корпуса речь может идти, в частности, об изменении длины по направлению перпендикулярно направлению наслоения. Такое изменение длины также называется поперечным сжатием. Изменение длины по направлению перпендикулярно направлению наслоения может происходить в результате пьезоэлектрического эффекта, который возникает в пьезоэлектрических слоях вследствие приложенного между первыми и вторыми внутренними электродами напряжения.
Кроме того, деталь может быть сформирована для того, чтобы преобразовывать изменение длины по направлению перпендикулярно направлению наслоения в изменение длины детали по направлению наслоения. В частности, изменение длины детали по направлению наслоения может восприниматься пользователем как активная тактильная обратная связь.
Вследствие того, что активная тактильная обратная связь создается посредством приложенного между первыми и вторыми внутренними электродами напряжения, деталь обеспечивает многие степени свободы в разработке активной тактильной обратной связи. Она может варьировать, для чего изменяется длительность приложения напряжения, или для чего изменяется величина приложенного напряжения, или для чего интервалы, в которых напряжение не прилагается, чередуются с интервалами, в которых напряжение прилагается. Этим путем могут быть определены различные типы обратной связи для различных событий.
Первые и вторые внутренние электроды могут различаться в том отношении, что они контактируют с различными внешними электродами детали, и что соответственно этому между ними может быть приложено напряжение.
x
1-x
3
1/3
2/3
3
В отношении пьезоэлектрического слоя речь может идти о керамическом материале на основе цирконата-титаната свинца (PZT-керамике). Пьезоэлектрические слои могут быть поляризованы так, что при приложении переменного напряжения между первыми и вторыми внутренними электродами и вследствие связанного с этим пьезоэлектрического эффекта вызывается изменение длины основного корпуса. Кроме того, PZT-керамика может дополнительно содержать Nd и Ni. Кроме того, в альтернативном варианте PZT-керамика может дополнительно иметь Nd, К и при необходимости Cu. В альтернативном варианте, пьезоэлектрические слои могут иметь состав, содержащий Pb(ZrTi)O+yPb(MnNb)O.
В отношении основного корпуса речь может идти о полученной спеканием детали, которая имеет внутренние электроды и пьезоэлектрические слои.
На верхней стороне и/или на нижней стороне детали может быть размещен лист в форме усеченного конуса. Лист может быть предназначен для того, чтобы преобразовывать изменение длины основного корпуса детали по направлению, перпендикулярному направлению наслоения, в изменение длины детали по направлению наслоения. Лист может служить для того, чтобы усиливать изменение длины основного корпуса по направлению наслоения, которое обусловливается поперечным сжатием основного корпуса. Для этой цели лист может быть сформован так, чтобы при сжатии или растяжении краевых участков листа это приводило к значительному поднятию или проседанию срединной области листа. Лист может содействовать тому, чтобы поперечное сжатие основного корпуса преобразовалось в значительное изменение длины по направлению наслоения детали.
Лист в форме усеченного конуса может иметь краевую область, которая закреплена на верхней стороне или, соответственно, нижней стороне детали. Например, краевая область может быть прикреплена к основному корпусу детали приклеиванием, пайкой или сваркой. Кроме того, лист может иметь срединную область, которая находится на расстоянии от верхней стороны или, соответственно, нижней стороны основного корпуса по направлению наслоения. Расстояние от срединной области листа до верхней стороны или, соответственно, нижней стороны может значительно изменяться, когда основной корпус испытывает поперечное сжатие вследствие приложенного между внутренними электродами напряжения.
Лист может содержать титан или состоять из титана. В частности, титан обеспечивает существенные преимущества в представленном здесь применении детали для создания активной тактильной обратной связи. Например, деталь может быть использована в качестве кнопки, причем должна создаваться активная тактильная обратная связь, когда пользователь нажимает на кнопку. Если такая кнопка приводится в действие человеком, то почти неизбежно на кнопке остается влага, например, в форме пота с пальца. Это может приводить к коррозии. Однако титан представляет собой особенно коррозионностойкий материал, так что он может хорошо защищать деталь от коррозионных повреждений в течение длительного времени.
Кроме того, титан имеет способность переносить высокую механическую нагрузку, так что может быть увеличен срок службы детали.
-1
Кроме того, титан имеет коэффициент теплового расширения, который является очень близким к коэффициенту теплового расширения основного корпуса. Благодаря этому места соединения листа с основным корпусом при изменении температуры не подвергаются существенной механической нагрузке. Например, как лист, так и основной корпус могут иметь коэффициент теплового расширения между 8 и 9 млн/К. Кроме того, деталь может иметь измерительный блок для измерения создаваемого между первыми и вторыми внутренними электродами напряжения, которое возникает вследствие прилагаемого к детали усилия, причем деталь выполнена так, чтобы на основе детектированного измерительным блоком значения идентифицировать приложенное к детали усилие. Соответственно этому, первые и вторые внутренние электроды могут исполнять двойственную функцию. С одной стороны, они могут служить для определения прилагаемого к детали усилия, так как в этом случае между ними создается напряжение, и, с другой стороны, возбуждать изменение длины детали, посредством которого создается активная тактильная обратная связь, когда между ними прилагается переменное напряжение.
Альтернативно или дополнительно, деталь может иметь третий внутренний электрод, который соединен с измерительным контактом. Третий внутренний электрод не имеет электрического контакта ни с первым внешним электродом, с которым соединены первые внутренние электроды, ни со вторым внешним электродом, с которым соединены вторые внутренние электроды.
Деталь может быть сформирована так, чтобы измерять напряжение, создаваемое между третьим электродом и одним из первых электродов, которое возникает вследствие прилагаемого к основному корпусу усилия, причем деталь выполнена так, чтобы на основе измеренного напряжения определять воздействующую на деталь силу. Один из первых внутренних электродов может непосредственно соседствовать с третьим внутренним электродом.
Применение отдельного третьего внутреннего электрода, который не используется для создания изменения длины основного корпуса, но служит только для идентификации воздействующего на деталь напряжения, может быть полезным, чтобы достигать более высокой чувствительности. Например, расстояние между третьим внутренним электродом и смежным с ним первым внутренним электродом может быть бóльшим, чем расстояния между соседствующими друг с другом первыми и вторыми внутренними электродами. Соответственно этому, между третьим электродом и соседним первым внутренним электродом при одинаковом механическом усилии возникает более высокое напряжение, так что снижается порог детектирования усилия.
Третий внутренний электрод может быть размещен по направлению наслоения посередине в пакете первых и вторых внутренних электродов. Такая конструкция является симметричной. Благодаря этому третий внутренний электрод не создает нарушений в детали, и режим функционирования детали не ухудшается.
В альтернативном варианте, третий внутренний электрод может быть размещен в основном корпусе так, что все первые и вторые внутренние электроды располагаются по одну сторону относительно третьего внутреннего электрода. При такой конфигурации обеспечивается то, что третий внутренний электрод является смежным только с одним другим внутренним электродом. Соответственно этому, сокращается область детали, которая не может быть активно использована для создания поперечного сжатия.
Основной корпус может иметь отверстие, которое является протяженным по направлению наслоения от нижней стороны основного корпуса до верхней стороны основного корпуса, и вырезает срединную область основного корпуса. Тем самым может быть сокращена емкость между первыми и вторыми внутренними электродами так, что деталь может эксплуатироваться при меньшей мощности.
Основной корпус может иметь протяженную перпендикулярно направлению наслоения базовую поверхность, которая является круглой. По сравнению с квадратной базовой поверхностью, при этом, так сказать, были срезаны угловые участки. Это может также служить для снижения емкости основного корпуса. Если емкость основного корпуса снижается, то требуется меньшая мощность, чтобы приводить деталь в действие.
Основной корпус может иметь протяженную перпендикулярно направлению наслоения базовую поверхность, длины боковых сторон которой составляют между 10 и 30 мм, причем основной корпус может иметь высоту по направлению наслоения между 0,5 и 2,0 мм.
Внутренние электроды могут содержать медь или состоять из меди.
Согласно дополнительному аспекту, настоящее изобретение относится к устройству, которое имеет многочисленные наслоенные друг на друга детали, как описанные выше. При этом детали пакетированы друг поверх друга по направлению наслоения. При этом изменения длины деталей по направлению наслоения складываются друг с другом, так что в целом с помощью устройства может быть создана более сильная обратная связь, так как изменение длины устройства является во много раз бóльшим, чем изменение длины отдельной детали. При этом срединные области соответственно размещенных на верхней стороне и нижней стороне деталей листов прочно соединены между собой.
Далее настоящее изобретение описывается более подробно с помощью Фигур.
Фигура 1 показывает вид в разрезе детали для создания активной тактильной обратной связи согласно первому примеру исполнения,
Фигура 2 показывает перспективный вид детали,
Фигура 3 показывает вид в разрезе основного корпуса детали,
Фигура 4 показывает вид в разрезе основного корпуса детали согласно второму примеру исполнения,
Фигура 5 показывает вид в разрезе основного корпуса детали согласно третьему примеру исполнения,
Фигура 6 показывает пьезоэлектрический слой, на котором напечатан первый внутренний электрод,
Фигура 7 показывает пьезоэлектрический слой, на котором напечатан второй внутренний электрод,
Фигура 8 показывает пьезоэлектрический слой, на котором напечатан третий внутренний электрод,
Фигура 9 показывает основной корпус детали согласно четвертому примеру исполнения.
Фигура 1 показывает вид в разрезе детали 1 для создания активной тактильной обратной связи. Фигура 2 показывает перспективный вид детали 1 в альтернативном варианте исполнения.
Деталь 1 имеет основной корпус 2 с наслоенными друг над другом по направлению S наслоения первыми внутренними электродами 3 и вторыми внутренними электродами 4. Первые внутренние электроды 3 контактируют с первым внешним электродом 5. Вторые внутренние электроды 4 контактируют со вторым внешним электродом 6. Первый и второй внешние электроды 5, 6 соответственно размещены на боковой поверхности 7 основного корпуса 2, нормаль к поверхности которых пролегает перпендикулярно направлению S наслоения. Для показанной в Фигуре 1 детали 1 первый и второй внешние электроды 5, 6 размещаются на противолежащих боковых поверхностях 5. В случае показанной в Фигуре 2 детали 1 первый и второй внешние электроды 5, 6 размещены на одной и той же боковой поверхности 7.
Основной корпус 2 по направлению S наслоения имеет незначительную высоту. Кроме того, основной корпус 2 имеет базовую поверхность 8, нормаль к поверхности которой является параллельной направлению S наслоения. Протяженность базовой поверхности 8 является значительно большей, чем высота основного корпуса 2. Тем самым получается плоский и широкий основной корпус 2. Например, максимальная величина основного корпуса 2 по направлению перпендикулярно направлению S наслоения является по меньшей мере в десять раз большей, чем высота основного корпуса 2 по направлению S наслоения. Протяженность основного корпуса 2 по направлению перпендикулярно направлению S наслоения предпочтительно является по меньшей мере в двадцать раз большей, чем высота основного корпуса 2 по направлению S наслоения.
Кроме того, основной корпус 2 имеет пьезоэлектрические слои 9, которые состоят из пьезоэлектрического материала, например, из PZT-керамики. Пьезоэлектрические слои 9 размещены между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4. Пьезоэлектрические слои 9 поляризованы таким образом, что приложение электрического напряжения между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 приводит к поперечному сжатию основного корпуса 2, при котором длина основного корпуса 2 изменяется перпендикулярно направлению S наслоения.
Поперечное сжатие неизбежно приводит также к изменению длины основного корпуса 2 по направлению S наслоения. Это изменение длины по направлению S наслоения может восприниматься пользователем как активная тактильная обратная связь детали 1.
Чтобы еще больше усилить эффект изменения длины по направлению S наслоения, на верхней стороне 10 детали 1 размещается верхний лист 11 в форме усеченного конуса. Кроме того, на нижней стороне 12 детали 1 размещается нижний лист 13 в форме усеченного конуса. Верхняя сторона 10 и нижняя сторона 11 находятся напротив друг друга по направлению S наслоения. Нормали к поверхностям верхней стороны 10 и нижней стороны 11 параллельны направлению S наслоения.
Листы 11, 13 соответственно имеют краевую область 14, которая прочно соединена с основным корпусом 2. Кроме того, листы 11, 13 соответственно имеют срединную область 15. Срединная область 15 верхнего листа 11 находится на расстоянии от верхней стороны 10 основного корпуса 2, и соответственно этому не соприкасается с нею. Срединная область 15 нижнего листа 13 находится на расстоянии от нижней стороны 12 основного корпуса 2, и соответственно этому не соприкасается с нею. Расстояние между срединной областью 15 верхнего листа 11 и верхней стороной 10 составляет 0,5 мм в состоянии, в котором к детали 1 не прилагается никакое усилие, и никакое напряжение не подводится между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4. Расстояние от срединной области 15 нижнего листа 13 до нижней стороны 12 в этом состоянии также составляет 0,5 мм.
Срединная область 15 верхнего листа 11 соединена с краевой областью 14 верхнего листа 11 соединительной областью 16. Соединительная область 16 имеет две точки 17 перегиба, в которых верхний лист особенно сильно деформируется, когда краевая область 14 сдавливается или растягивается. Нижний лист 13 выполнен таким же образом.
Если теперь между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 прилагается напряжение, которое приводит к поперечному сжатию основного корпуса 2, то краевые области 14 листов 11, 13 соответственно радиально стягиваются, так как они прочно соединены с основным корпусом 2. Вследствие этого срединные области 15 имеющих форму усеченного конуса листов 11, 13 приподнимаются по направлению наслоения, причем листы 11, 13 выгибаются в особенности в обеих точках 17 перегиба. Срединная область 15 верхнего листа 11 при этом смещается по направлению наслоения в противоположную сторону относительно срединной области 15 нижнего листа 13. В результате этого усиливается изменение длины детали 1 по направлению S наслоения, так как срединные области 15 раздвигаются друг относительно друга.
Если теперь меняется полярность приложенного между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 напряжения, тогда краевые области листов 11, 13 соответственно радиально раздвигаются друг от друга. В результате этого обе срединных области 15 листов 11, 13 смещаются навстречу друг другу.
Тем самым поперечное сжатие основного корпуса 2 может быть преобразовано в изменение длины основного корпуса 2 по направлению наслоения. Например, деталь 1 с высотой менее 2,5 мм тем самым может испытывать отклонение примерно на 100 мкм по направлению S наслоения. Было бы невозможно достигнуть такой величины изменения длины по направлению S наслоения при детали 1 с этой высотой только лишь в результате действующего непосредственно по направлению S наслоения пьезоэлектрического эффекта.
Фигура 3 показывает упрощенный вид в разрезе основного корпуса 2 детали 1 согласно первому примеру исполнения. В Фигуре 3 начерчены размещенные в основном корпусе 2 первые и вторые внутренние электроды 3, 4. Они попеременно наслоены друг на друга по направлению S наслоения.
Деталь 1 выполнена так, чтобы идентифицировать воздействующее на деталь 1 усилие. Например, деталь 1 может быть выполнена в виде кнопки, которая может быть нажата пользователем. При этом прилагаемое пользователем усилие действует на верхнюю сторону 10 детали 1. Тем самым деталь 1 деформируется. В частности, в результате этого деталь 1 сдавливается по направлению S наслоения. Вследствие этого в пьезоэлектрических слоях 9 возникает электрическое напряжение. Это электрическое напряжение теперь прилагается между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4.
Кроме того, деталь 1 подключена к измерительному блоку 18 и к блоку 19 управления. В Фигуре 3 они намечены схематически. Измерительный блок 18 измеряет приложенное между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 напряжение. Блок 19 управления предназначен для приложения переменного напряжения между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4.
Если на деталь 1 не воздействует никакая сила, то между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 напряжение не возникает. Однако если пользователь нажимает на деталь 1, то возникает электрическое напряжение, которое теперь приложено между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4. Напряжение между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 постоянно измеряется измерительным блоком 18. Если теперь измерительный блок 18 детектирует повышение напряжения, может быть сделан вывод о приведении кнопки в действие.
Если напряжение между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 превышает предварительно заданное пороговое значение, то блок 19 управления может инициировать создание активной тактильной обратной связи. Для этой цели блоком 19 управления прилагается переменное напряжение между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4. Переменное напряжение в результате пьезоэлектрического эффекта приводит к поперечному сжатию детали 1 и связанному с этим изменению длины по направлению S наслоения, которое воспринимается как отклик.
Кроме того, измерительный блок 18 может быть рассчитан на то, чтобы определять, насколько большой является воздействующая на деталь 1 сила. Для этого в измерительном блоке 18 могут быть предусмотрены многие пороговые значения для создаваемого между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 напряжения, и оно соответственно проверяет, какие из этих пороговых значений превышаются. Кроме того, блок 19 управления может быть рассчитан на то, чтобы инициировать создание обратной связи, точная степень которой зависит от величины воздействия. При этом величина и продолжительность прилагаемого переменного напряжения могут варьировать.
Фигура 4 показывает вид в разрезе основного корпуса 2 детали 1 согласно второму примеру исполнения. Деталь 1 имеет третий внутренний электрод 20. Третий внутренний электрод 20 не соединен ни с первым внешним электродом 5, ни со вторым внешним электродом 6. Вместо этого третий внутренний электрод 20 соединен с дополнительным измерительным контактом (не показан), который также размещен на боковой поверхности 7 основного корпуса 2. Третий внутренний электрод 20 служит для того, чтобы идентифицировать воздействующее на основной корпус 2 усилие. Для этой цели измерительным блоком 18 отслеживается возбуждаемое между третьим внутренним электродом 20 и обоими смежными с ним первыми внутренними электродами 3 напряжение. Если на основной корпус 2 воздействует сила, то между внутренними электродами 3, 20 возникает напряжение.
Третий внутренний электрод 20 размещен посередине в пакете первых и вторых внутренних электродов 3, 4. Деталь 1 имеет симметричную конфигурацию. Расстояние между третьим внутренним электродом 20 и смежными с ним первыми внутренними электродами 3 является бóльшим, чем расстояния между соседними между собой первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4. Вследствие большего расстояния между третьим внутренним электродом 20 и смежными с ним первыми внутренними электродами 3 возникает более высокое напряжение, чем между первым и соседним с ним вторым внутренним электродом 3, 4, когда на деталь 1 воздействует сила. В результате этого может быть повышена чувствительность измерения, поскольку могут быть достаточными уже небольшие силы, чтобы создавать напряжения, которые могут быть детектированы измерительным блоком 18.
Фигура 5 показывает вид в разрезе основного корпуса 2 детали 1 согласно третьему примеру исполнения. Третий пример исполнения отличается от второго примера исполнения размещением третьего внутреннего электрода 20. Здесь третий внутренний электрод 20 представляет собой внутренний электрод, который размещается наиболее близко к нижней стороне 12 основного корпуса 2. Пакет имеет только один пьезоэлектрический слой 9 с увеличенной толщиной, так что в целом высота пакета может быть уменьшена, или, соответственно, что при равной высоте пакета в детали 1 может быть размещено большее число внутренних электродов.
Правда, теперь деталь 1 сформирована несимметрично. Если электрическое напряжение прилагается между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4, это вследствие пьезоэлектрического эффекта может приводить к изгибанию детали 1.
Фигуры 6-8 показывают соответственно картину напечатания пьезоэлектрического слоя 9. Фигура 6 показывает пьезоэлектрический слой 9, на котором напечатан первый внутренний электрод 3. Фигура 7 показывает пьезоэлектрический слой 9, на котором напечатан второй внутренний электрод 4. Фигура 8 показывает пьезоэлектрический слой 9, на котором размещен третий внутренний электрод 20.
Каждый внутренний электрод имеет контактную перемычку 21, через которую внутренний электрод создает электрический контакт с внешним электродом 5, 6 или с измерительным контактом. Первый внутренний электрод 3, второй внутренний электрод 4 и третий внутренний электрод 20 различаются местоположением данной контактной перемычки 21.
Помимо данной контактной перемычки 21, внутренние электроды 3, 4, 20 отдалены от боковых поверхностей основного корпуса 2. Соответственно этому, здесь размещены изоляционные зоны 22. Изоляционные зоны 22 при приложении переменного напряжения между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4 не испытывают поперечного сжатия. Тем самым это может приводить к механическим напряжениям в детали 1, которые также называются эффектом зажима. Вследствие этих механических напряжений может уменьшаться изменение длины детали 1 по направлению S наслоения, и это может приводить к повреждению детали 1. Поэтому изоляционные зоны 22 имеют незначительную ширину, чтобы свести этот эффект к минимуму.
Фигура 9 показывает перспективный вид основного корпуса 2 детали 1 согласно четвертому примеру исполнения. Основной корпус 2 имеет отверстие 23, которое является протяженным по направлению наслоения от нижней стороны 12 основного корпуса 2 до верхней стороны 10 основного корпуса. Отверстие 23 тем самым вырезает срединную область основного корпуса 2. Этим путем сокращаются площади и тем самым емкость между первыми и вторыми внутренними электродами 3, 4.
Кроме того, основной корпус 2 имеет размещенную перпендикулярно направлению S наслоения круглую базовую поверхность 8.
Список условных обозначений
1 деталь
2 основной корпус
3 первый внутренний электрод
4 второй внутренний электрод
5 первый внешний электрод
6 второй внешний электрод
7 боковая поверхность
8 базовая поверхность
9 пьезоэлектрический слой
10 верхняя сторона
11 верхний лист в форме усеченного конуса
12 нижняя сторона
13 нижний лист в форме усеченного конуса
14 краевая область
15 срединная область
16 соединительная область
17 точка перегиба
18 измерительный блок
19 блок управления
20 третий внутренний электрод
21 контактная перемычка
22 изоляционная зона
23 отверстие
S направление наслоения