Piezoelectric user interface

本発明は、ユーザーが装置のキーパッド上のキーを押下した際に、装置のユーザーに対して触覚的なフィードバックを生成するソリューション（解決策）に関するものである。 このような触覚的フィードバックは、接触によって知覚可能であり、これにより、ユーザーは、装置がキーストロークを記録するのに十分なだけ、キーが長く且つ強く押下されたことを知ることができる。

キーストロークを記録するのに十分なだけ、キーが長く且つ強く押下されたことを装置のユーザーに対して通知するソリューションとしては、従来、異なるいくつかのものが知られている。

従来から知られているソリューションの１つは、ユーザーがキーを押下した際に、ユーザーが感知及び／又は聴取可能な「クリック」を生成するメカニズムをそれぞれのキーに提供する方法である。 この種の従来技術による機械的ソリューションに伴う問題点は、メカニズムによって必要とされるスペースである。 実際に、「クリック」が生成される場所にキーが到達する前にキーが所定の距離を移動できるように、キーを設計する必要である。 この移動に必要とされるスペースと、メカニズム自体に必要とされるスペースは、キーバッド全体が比較的厚くなることを意味している。

以前から知られている別のソリューションは、キーストロークが記録されたるたびに音響信号を生成する手段を装置に提供する方法である。 この音響の生成に必要な手段は、装置内の別の場所に配置可能であり、このソリューションによれば、キーパッドの厚さが増大しないため、通常、この種のソリューションは、薄いメンブレイン（膜状の）キーパッドに使用されている。 但し、この従来技術によるソリューションに伴う問題点は、それぞれのキーストロークに関連して生成される「ビープ」が相当にうるさいものであり、このため、大部分のユーザーは、この「ビープ」をオフにしたくなるという点にある。 しかしながら、このソリューションでは、触覚的なフィードバックがユーザーに提供されず、オフにした場合、ユーザーは、キーストロークが記録されたことを知ることができないため、これは、実際には不可能である。 即ち、１回だけ押すつもりであったユーザーが、誤って同一のキーを何回も押すことになってしまうからである。

本発明の目的は、前述の問題点を解決し、キーストロークに関連してユーザーに対して触覚的なフィードバックを生成する改善された手段を有する装置を提供することである。

本発明の別の目的は、必要とするスペースが従来のソリューションよりも少ない触覚的なフィードバックを生成する手段を有する装置を提供することである。

本発明の前述及びその他の目的は、添付の独立請求項１において請求されている装置により、達成される。

本発明は、キーストロークと関連し、ユーザーに対して触覚的なフィードバックを提供するべく、装置内において圧電素子を利用するという考え方に基づいたものである。 この圧電素子は、例えば、装置のメンブレインキーパッド内に内蔵可能なほどに十分小さいものである。 圧電素子を制御し、ユーザーによって押下されたキーに伝搬する振動を生成することができる。 圧電素子によれば、押下されたキーがユーザーの指の方向に押し戻される振動を生成可能であるため、本発明により、従来技術によるソリューションにおいてメカニズムがそれぞれのキーストロークごとに適した「クリック」を生成するのに必要とするスペースを格段に極小化することができる。

本発明の最も重要な利点は、従来技術によるソリューションと比べ、必要とするスペースが少なく、且つ単純なソリューションを使用して触覚的なフィードバックを生成可能であり、この触覚的フィードバンクの生成に関連するエネルギー消費量が小さく、且つ触覚的フィードバックの生成に必要な手段の価格が比較的低いことである。

本発明の第１の好適な実施例において、この装置は、ユーザーによって押下されたキーパッド内のキーを識別し、その特定の時点において、その押下されたキーが選択肢として利用可能であったかどうかをチェックするべく構成されたコントローラを含んでいる。 キーが選択肢として利用可能であった場合には、圧電素子を制御して第１の種類の振動を生成する。 一方、キーが選択肢として利用可能でなかった場合には、圧電素子を制御し、第２の種類の振動を生成する。 この実施例は、ユーザーが「正しい」キーを押下したか、或いは「誤った」キーを押下したかをユーザーが即座に感知可能な触覚的フィードバックをユーザーに対して提供することができる。

第２の好適な実施例において、この装置は、通信接続を確立するための手段を有するメディア端末であり、本装置は、到来する呼出し（ｃａｌｌ）に応答し、少なくとも１つの圧電素子によって警報音響信号を生成するべく構成されている。 この実施例は、キーが押下された際に触覚的なフィードバックを生成するのに使用されるものと同一の圧電素子によってこの警報音響信号を生成可能であるため、メディア端末内のスペースを節約可能であり、有利である。 これは、聴取可能な振動を圧電素子によって生成させる信号を圧電素子に供給するべく、マルチメディア端末をプログラムすることによって実現可能である。

第３の好適な実施例において、この装置は、通信接続を確立するための手段を有するメディア端末であり、本装置は、到来する呼出しに応答し、少なくとも１つの圧電素子によって警報振動信号を生成するべく構成されている。 この実施例によれば、振動警報を得るために従来技術によるメディア端末において使用されている余分のコンポーネントを除去することにより、スペースを節約することができる。 代わりに、キーが押下された際に触覚的なフィードバックを生成するのに使用されるものと同一の圧電素子を使用し、この振動警報を生成可能である。 この実施例においては、メディア端末内に、いくつかの圧電素子を有することが有利であろう（これにより、非常に強力な振動を生成することができる）。 この結果、ユーザーは、このメディア端末がポケット内に存在する場合にも、振動を感知することができる。

尚、本発明による装置の好適な実施例については、添付の従属請求項２〜１０に開示されている。
以下、例として添付図面を参照し、本発明を詳細に説明する。

図１ａ〜図１ｃは、本発明の第１の好適な実施例を示している。 この図１ａ〜図１ｃの例における装置１は、通信接続を確立するための手段を有するメディア端末である。 これらの手段には、例えば、セルラーモバイル通信システムを介して通話を確立するための無線送信機及び無線受信機が含まれている。 このモバイル通信システムは、例えば、ＧＳＭ（Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）システム又は第３世代モバイル通信システムであってよい。

図１ａは、キーパッド２とディスプレイを有する装置を示している。 図１ｂは、図１ａの装置１のキーパッド２に関連する部分の分解図を示しており、図１ｃは、図１ｂの部分の断面図を示している。 キーパッド２は、１つのレイヤ（図１ｂ及び図１ｃに示されているもの）又はいくつかの協働するレイヤから構成可能な柔軟なメンブレインキーパッドである。 キーの場所は、キーパッド２の上部面上において可視状態になっている。 ユーザーがキーパッド２上のキーの中の１つを押下すると、その押下されたキーに対応するインパルスが生成され、コントローラ８に転送される（図１ｂには、このコントローラが概略的に示されている）。

この装置には、キーパッド２の下部面に接触するべく配置された圧電素子３も含まれている。 圧電素子３は、図１ｂの例においては、コントローラ８に接続されており、この結果、コントローラは、圧電素子の機能を制御することができる。 当然のことならが、キーパッドと圧電素子用に別個のコントローラを有することも可能である。

圧電素子３には、圧電トランスデューサ７が付着した金属プレート６が含まれている。 水晶、リチウム、ニオブ酸塩、及びチタン酸ジルコン酸鉛（ｌｅａｄ−Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ−ｌｅａｄ−ｔｉｔａｎｅ（ＰＴＺ））などの多くの材料が、なんらかの形態の圧電効果を示し、従って、圧電素子において使用可能である。

本発明による装置において使用可能な圧電素子としては、いくつかのものが市販されている。 １つの選択肢は、韓国ソウル特別市ヨンドンポ区ヨイド洞６１−３のライフオフィステル１３２６に所在するユニオンエンタープライズ社（Ｕｎｉｏｎ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｃｏ．，１３２６， Ｌｉｆｅ Ｏｆｆｉｃｅｔｅｌ， ６１−３ Ｙｏｉｄｏ−Ｄｏｎｇ， Ｙｅｏｕｎｇｐｏ−Ｋｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｋｏｒｅａ）から市販されている圧電素子ＧＰＢ−Ａ−２５ ０．９Ｅを使用する方法である。 この場合には、図１ｂ及び図１ｃの圧電素子３の厚さは、０．１５ｍｍであり、矩形プレート６の幅及び長さは、４０ｍｍｘ５０ｍｍであってよい。

圧電素子３は、ソフトフォームフレーム（ｓｏｆｔ ｆｏａｍ ｆｒａｍｅ）４によって支持されており、このソフトフォームフレームの背面は、ハードレイヤ５によって支持されている。 尚、このハードレイヤ５は、装置１の本体の一部であってもよい。

コントローラ８は、ユーザーがキーパッド２上のキーの中の１つを押下したことを検出すると、電気インパルスを圧電素子３に供給する。 そして、このインパルスにより、圧電素子３が振動する。 キーパッド２は、その下部面が圧電素子と直接接触状態にある柔軟なメンブレインキーパッドであるため、キーパッド２のユーザーは、この振動を自分の指で感知することができる。 このようにして、ユーザーは、装置がキーストロークを記録するのに十分なだけ、キーが強く且つ長く押下されたことをユーザーに対して通知する触覚的なフィードバックを受け取るのである。

好適な振動は、圧電素子に供給される信号の電圧が約１５０〜２００ＶＤＣであって、直径が２５ｍｍの圧電トランスデューサを使用した場合に、生成可能である。 この場合には、ユーザーが感知可能な振動を生成するべく、圧電素子の静電容量は約６０ｎＦであってよい。 尚、装置がメディア端末の場合には、通常、メディア端末内においてこの電圧を得ることはできない。 この必要とされる電圧を生成する１つの方法は、装置内に圧電トランスを含む方法である。

圧電効果には、直接効果と逆効果という２種類のものが存在する。 直接効果によれば、圧電素子上に力又は振動（応力）を加えることにより、電荷が生成される。 一方、逆圧電効果とは、素子と同一極性のフィールドを印加した場合に、寸法が増大し、反対極性のフィールドを印加すると、縮小することを意味するものである。

圧電トランス（これは、従来技術において周知である）では、この逆及び直接圧電効果の両方を使用している。 まず、正弦波電圧を「第１」圧電素子に供給し、逆効果を使用する。 即ち、この電圧により、第１圧電素子が振動する。 「第２」圧電素子は、第１素子に付着しており、この結果、第１圧電素子が生成するこの振動によって第２圧電素子上に応力が印加され、これにより、第２圧電素子の出力において出力電圧を得ることができる。 圧電素子の適切な寸法設定により、所望の出力電圧が得ることができる。 実際の実装例によれば、２０ｍｍｘ６ｍｍｘ１ｍｍの寸法を有する圧電トランスを使用し、入力電圧が３Ｖの場合に、１５０Ｖの出力電圧（実効１Ｗ）を得ることができる。 このような圧電トランスは、例えば、本発明の圧電素子に必要な電圧を得るべく、マルチメディア端末において使用可能である。

本発明の実施例においては、コントローラ８をプログラムし、状況に応じて、様々な種類の振動を生成することができる。 可能性の１つが、コントローラ８をプログラムし、それぞれのキーストロークごとに、押下されたキーがその特定の時点において選択肢として利用可能であったかどうかをチェックするものである。 キーが選択肢として利用可能であった場合には、コントローラは、圧電素子３を制御し、ユーザーに対して第１の種類の振動（即ち、触覚的な応答）を生成することができる。 一方、押下されたキーが選択肢として利用可能でなかった場合には、コントローラは、圧電素子３を制御して第２の種類の振動を生成することができる。 ユーザーは、自分の指で第２の種類の振動を検知することにより（或いは、自分の耳で第２の振動の音響を聴取することにより）、自分が誤ったキーを押下したことを知ることができる。 装置１が、通信接続に使用可能なマルチメディア端末である場合には、１つの圧電素子３（又は、マルチメディア端末に、いくつかの圧電素子が含まれている合には、複数の素子）を使用し、警報振動信号を生成可能である。 従って、格段に小さく且つ軽量の圧電素子により、既存の携帯電話において使用されている従来技術による素子を除去することができる。 この場合、コントローラ８は、１つ又は複数の圧電素子を制御し、マルチメディア端末をポケット内に保持しているユーザーが感知可能な周波数及び強度の振動を生成する。 又、圧電素子３を使用し、警報音響信号を生成することも可能である。 この結果、これを目的として付加されているブザーは、マルチメディア端末において不要となる。

必要な変更点は、コントローラをプログラムして様々な種類の波形を圧電素子３に供給することのみであるため、実際に、前述の様々なタスクに対して同一の圧電素子を容易に使用可能である。 図４ａ〜図４ｆには、圧電素子に供給可能な波形の例が示されている。

図２は、本発明による装置の第２の好適な実施例を示している。 尚、この図２には、キーパッドに関連する装置の部分のみが示されている。

この図２の実施例におけるキーパッドは、図１ａ〜図１ｃに示されているものに非常に類似している。 唯一の違いは、図２の実施例の場合には、装置に、４つの圧電素子３'が含まれており、これら４つの圧電素子３'を収容及び支持するべく、ソフトフォームフレーム４'とハードレイヤ５'の形状が多少異なっていることである。

コントローラ８'は、図１ａ〜図１ｃの実施例における対応するコントローラとわずかに異なる方式でプログラムされている。 この結果、このコントローラは、４つの異なる圧電素子３'を制御する能力を有している。

図２のキーパッド２上のキーは、例えば、４つのグループに分割されている。 コントローラ８'には、どのキーがどのグループに属しているのかに関する情報を保存するメモリが含まれている。 又、このメモリには、どの圧電素子がキーのそれぞれのグループの最も近くに位置しているのかに関する情報も含まれている。

ユーザーがキーパッド上のキーを押すと、コントローラ８'は、その押下されたキーを識別する。 そして、このキーの識別が完了すると、コントローラは、その押下されたキーがどのキーのグループに属しているかをチェックし、その後、コントローラは、どの圧電素子が、その識別されたキーのグループの最も近くに位置しているのかを更にチェックする。 次いで、コントローラは、この最も近くに位置する圧電素子を制御し、図１ａ〜図１ｃに関連して説明したように、ユーザーに対する触覚的なフィードバックを生成する。 尚、この実施例においては、装置のユーザーは、押下されたキーに近い領域のみを振動させる振動を感知することになる。

コントローラ８'のその他の機能は、図１ａ〜図１ｃの実施例に関連して説明したものと類似している。 いくつかの圧電素子を使用することによって実現される更なる利点は、１つの圧電素子のみを使用する場合に比べ、警報振動信号を格段に強力にすることができることである。 又、例えば、異なる圧電素子の振動を同期させることにより、振動警報を変化させることも可能である。

図３ａは、本発明の装置の第３の好適な実施例の断面図を示している。 図３ｂは、図３ａのいくつかの部分の側面図を示しており、図３ｃは、図３ｂの部分の平面図を示している。

尚、これら図３ａ〜図３ｃには、キーパッドに関連する装置の部分のみが示されている。 この図３ａ〜図３ｃの装置には、タッチスクリーンキーパッド（即ち、ディスプレイとキーパッドの組み合わせ）が提供されており、ユーザーは、画面上に表示されるキーを押下するようになっている。

タッチスクリーンキーパッドの上部表面は、接触感知型透明カバー２'によって形成されている。 この矩形のカバー２'のそれぞれの隅は、圧電素子３によって支持されている。 これらの圧電素子３は、図１ａ〜図１ｃに示されているものに類似しており、これらは、例えば、装置のプリント回路基板（ＰＣＢ）１０によって支持されている。 但し、ＰＣＢ１０と圧電素子３の金属プレート６間には、ソフトフォームフレームが配置されている。

ＰＣＢ１０は、ディスプレイ回路９をも支持している。 このディスプレイは、装置のユーザーに対する情報の表示と、「キー」の数字又は文字（図３ａ〜図３ｃの実施例においては、接触感知型カバー２'上の領域から構成されている）の表示のいずれにも使用可能である。 この図３ａ〜図３ｃの例においては、接触感知型カバーは、伸縮自在のストリップ１２を介して支持部２'を定位置に保持しつつその振動を許容するフレーム１１により、装置に装着されている。

キーストロークに関連してユーザーに提供される触覚的なフィードバックは、カバー２'全体を振動させる振動を生成する１つ又は複数の圧電素子３よって生成される。

図１ａ〜図１ｃに関連して説明したように、これらの圧電素子を制御し、押下したキーが選択肢として利用可能であったかどうかをユーザーが判定可能な触角的フィードバックを提供し、到来する呼出しに関連して振動警報を提供すると共に、到来する呼出しに関連して音響振動を提供することができる。

図４ａ〜図４ｆには、様々なタスクに関連して圧電素子に供給可能な波形の例が示されている。 図４ａは、通常のキークリックを示している。 図４ｂは、例えば、エラーを通知するのに使用可能な複数のクリックを示している。 これにより、特定のキー又は機能が有効になっていることを通知したり、確認としてｎ回クリックすることにより、キーアレイの中のｎ番目のキーが押下されたことを通知して視覚的な確認を不要にすることも可能である。 図４ｃに示されているのは、別の種類の通知である。 この場合には、キークリックの後に、音響１３を発生する素早い連続した複数のクリックが聞こえるようになっている。 この音響は、後述するように、複雑なパルスのグループから構成することができる。

図４ｄに示されている波形を使用し、通信端末において到来する呼出しを通知することができる。 この波形を周波数変調し１４、異なる警報トーンを生成することが可能であり、音楽さえも生成可能である。 いくつかの別個に制御された圧電素子を利用可能な場合には、この放射音響をマルチチャネルのステレオ音響にすることができる。

圧電素子を使用して振動警報を生成した場合、使用周波数が低くなり、可聴音響が抑制される。 更に静かなアラームを実現するには、波形の先頭エッジを多少傾斜させる。 図４ｅには、この先頭エッジの傾斜１５を有する代表的な単純な振動信号が示されている。 様々なキー押下エラー信号について説明したものと同様の方法により、必要に応じて、更に複雑な振動警報を生成可能である。 図４ｆには、別個の振動のグループから構成される複数の振動警報が示されている。 図示されてはいないが、静かな振動警報に加えて可聴警報が必要な場合には、傾斜していない先頭エッジ波形を使用することも可能である。

図５は、圧電素子を有する電気回路を示している。 この図５の回路は、例えば、図１ｂに示されているコントローラ８と関連して使用することができる。

図５においては、コントローラ８は、電源１６からの電流の流れを制御するスイッチ２１を使用して圧電素子３を制御している。 この電源は、低電圧源からミリアンペアレンジの電流容量を有する１５０〜２００ＶＤＣの電圧を生成する従来技術によって構築可能な好適な電源を表している。 尚、このような電源の出力電圧をコントローラによって調節可能にすることも比較的容易に実現可能である。

電源１６並びにコントローラ８は、好ましくは、いずれも同一の低電圧電源１７から電力を供給されており、これは、通常、携帯端末の電池である。

それぞれの圧電素子は、コントローラ８によって制御２２されている（或いは、コントローラ内に内蔵されている）少なくとも１つのスイッチ２１に接続されている。 尚、それぞれの圧電素子を複数のスイッチによって制御することも可能であり、コントローラにより、複数の圧電素子を独立的に制御することも可能である。

コントローラ８は、スイッチと協働して圧電素子の動作を制御する。 このスイッチ２１は、通常、高電圧トランジスタである。 コントローラは、このスイッチを作動させ、図４に示されているような波形を圧電素子３上に生成する。

波形の先頭エッジを変化させて傾斜を付与するべく、可変直列抵抗器１９を回路内に挿入することができる。 尚、例示用の回路をわかりやすいものにするべく、図５には、手動の調節のみが示されている。

図６ａ及び図６ｂには、一例として、圧電素子３に印加される電圧が示されている。 圧電素子３を放電させるべく、ブリーダ抵抗器２０が素子と並列に接続されている。 この抵抗器は、主に素子上の波形の末尾エッジ３２に対して影響を与えるものであり、可聴警報又は知覚される振動の振幅に対するこの影響は、直列抵抗器１８ほどには大きくないため、好都合なことに、固定抵抗器にすることができる。

直列抵抗器１９は、図６ａに示されているように、先端エッジの傾斜３１を変化させることにより、可聴振動のレベルを調節するためのものである。 これを使用し、低速の振動警報を聴取不能にすることができる。

図６ｂには、振動警報の可聴性を低下させるべく、抵抗器１９の抵抗を増加させて先端エッジ３１の傾斜を増大させた場合に、３３によって示されるレベルに端子電圧が低下する様子が例示されている。 圧電素子の静電容量が直列抵抗器と共にＲＣ回路を形成している。 このＲＣ回路の端子電圧は、直列抵抗器１９とブリーダ抵抗器２０によって形成された電圧分割器に依存しているため、低下する。 知覚される振動警報の振幅は、この端子電圧３０に依存しているため、直列抵抗が増加すると振動の強度は低下するが、これは、電源電圧１８のレベルを上げて素子に対して素早く端子電圧を供給し、これにより、同一の知覚振動強度をユーザーに提供することにより、補償可能である。

図７は、圧電素子を有する別の電気回路を示している。 この図７の回路は、例えば、図１ｂに示されているコントローラ８と関連して使用可能である。

図７には、コントローラ８による電圧制御２８を内蔵する回路が示されている。 コントローラは、様々な組み合わせのスイッチ２１、２３を作動させて２２、２４様々な値の直列抵抗を選択した際に、圧電素子に印加される端子電圧を一定に維持するべく、同時に、電源１６を制御して２８出力電圧１８を変化させることにより、補償する。 この結果、ユーザーが音響を伴う（或いは、伴わない）振動を所望しているどうかに関係なく、振動の振幅が一定に維持される。

図７は、コントローラが複数のスイッチ２１、２３と協働して単一の圧電素子３を制御する２２、２４方法を示している。 この図７の複数の抵抗器２６、２７は、図５の直列抵抗器１９を置き換えたものである。 この並列抵抗器をスイッチングする組み合わせは、２つの抵抗器から構成される一連の直列抵抗値を形成可能であり、或いは、アプリケーションに好適な値から構成可能である。

図示されてはいないが、コントローラ８は、更なる圧電素子を独立的に制御することができる。 この場合には、独立したそれぞれの素子は、図７に示されている制御ライン２２、２４の組に類似の更なる制御ラインを通じてコントローラによって制御される独自の１つ又は複数のスイッチを有することになる。 複数の素子を順番に別個に制御するこの方式を使用すれば、ユーザーが経験する振動による触覚的な感覚を向上させることができる。

以上の説明及び添付の図面は、本発明を例示することを意図するものに過ぎないことを理解されたい。 即ち、メディア端末と関連した例によって本発明について説明しているが、本発明は、メディア端末との関連においてのみ使用されるものに限定されないことを理解されたい。 当業者には、添付の請求項において開示されている本発明の範囲と精神を逸脱することなく、その他の方法によって、本発明に変形や変更を加えることが可能であることは明らかであろう。

本発明による装置の第１の好適な実施例を示す図である。

図１ａの装置のキーパッドに関連する部分の拡大図である。

図１ｂの部分の断面図である。

本発明による装置の第２の好適な実施例を示す図である。

本発明による装置の第３の好適な実施例の断面図である。

図３ａの部分のいくつかの側面図である。

図３ｂの部分の平面図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子に供給される様々な電気波形を示す図である。

圧電素子を有する電気回路図である。

波形を変化させる方法を示す図である。

波形を変化させる方法を示す図である。

圧電素子を有する別の電気回路図である。