专利名称：移动物理对象和引起触觉的图像显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像显示器领域，并且涉及能够在显示器表面上移动 或控制物理对象并提供触觉和反馈的显示器。
背景技术：
有很多需要移动位于图像显示器表面上或附近的物理对象的情 形。典型地，这种移动需要在显示器的表面边界内。
此外，高精度移动力作为对于用户在触敏图像显示器中的反馈是 有用的，例如计算机游戏控制，并且可以是位置相关的。从而，用户 可以"感觉"到在图像显示器上显示的木板的木头中的颗粒。
已知有向用户提供触觉反馈的设备。例如，Franzen的美国专利 申请第2003/0179190号公开了 一种基于移动和下降的销而提供触觉 反馈的触敏显示器，该销被接触介质覆盖。然而，该引用的参考文献 不具有在沿着显示器表面的方向上移动物体的能力，并且不能给予触 摸它的手指移动和紋理的感觉。
发明内容
提供了一种实现或实施所提供图像显示系统的功能的方法、系 统、设备和装置。
根据本发明的一个实施例，提供了一种图像显示器，包括一组激 励器，每个激励器包括连接在一起的导电杆，从而使得当对该杆施加 电流时，该激励器的每个杆的尺寸可以增加或减小以使得该激励器根 据接收的移动信号而向特定的方向弯曲。此外，在该图像显示器表面
上的物体可以在该特定方向上被移动。
该杆可以由压电陶瓷或可导聚合物或这些或其他材料的组合制成。
该激励器可以被布置在该图像显示器的像素之间。这种图像显示 器可以提供对于在该图像显示器表面上的物体的运动的触感。
而且，该激励器可以由三个杆构成，其被布置成响应于对于该杆施加电流，该激励器向四个或更多可指定方向中的一个方向弯曲。
该图像显示器可以是触敏显示器。该激励器可以为图像显示器提 供触感。
而且，还描述了一种能够移动在图像显示器表面附近的物体的图 像显示器。该图像显示器包括滚珠轴承组件，该滚珠轴承组件包括滚 珠轴承，其被设置成使得可以由磁体控制该滚珠轴承的旋转方向，以 使得在该图像显示器表面上的物体根据该滚珠轴承沿着滚珠轴承旋转 方向的移动而在特定方向上移动。
该滚珠轴承可以被布置在图像显示器的像素之间。该图像显示器 可以是触敏图像显示器。该滚珠轴承可以为图像显示器提供触感。
此外，提供了一种图像显示器，其提供在所述图像显示器表面上 的物体的运动。其中有一个包括气孔的孔层。该气孔相对于该表面在 四个方向之一上以一定的斜角倾斜，从而使得通过该气孔进入的空气 在该表面上以该孔倾斜的方向上形成定向气压。该气孔可以根据接收 的移动信号而选择性打开和关闭，以便在该定向气压的方向上移动该 图像显示器表面上的物体。
而且，可以提供具有行电极和列电极的控制层，以及箔片被设置 成使得该箔片响应于通过一行电极的电流而关闭该孔。
可以有多个具有四个这种气孔的组，从而该组中的每个孔可以位 于类似矩形的假想图的角上，并且当从该表面上观察时没有干涉孔， 其中该组四个孔中的每个孔在该四个方向中的一个上倾斜。
此外，可以在孔之间形成进气口。该孔可以被布置在图像显示器 的像素之间。该图像显示器可以是触敏图像显示器。
还描述了一种图像显示器，配置成在该图像显示器的表面上引起 触觉。这种图像显示器包括像素-激励器矩阵，其包括杆和一组磁体， 该组磁体被设置成由所接收的第一移动信号激励而用于第一激励和由 所接收的第二移动信号激励而用于笫二激励。 一个杆可以设置成响应
于该笫一激励而移动到相对于该图像显示器表面的延伸位置上，和响 应于第二激励而移动到相对于该图像显示器表面的缩进位置上，从而
由该在延伸位置上的杆在该表面上引起触觉。它可以这样形成以便在 像素之间提供最多一个杆。该图像显示器可以是触敏图像显示器。该 杆可以为图像显示器提供触感。
图1是根据本发明笫一实施例的图像显示系统的滚珠轴承组件的 示意图。
图2是根据本发明第二实施例的图像显示系统的杆组件的示意图。
图3A是根据本发明第三实施例的图像显示系统的示意图。 图3B是来自根据本发明第三实施例的图像显示系统的气孔的气压 方向的示意图。
图3C是根据本发明第三实施例的图像显示系统的进气通道的示意图。
图3D是根据本发明第三实施例的图像显示系统的气压控制系统的 截面图。
图3E是根据本发明第三实施例的图像显示系统的顶层的截面图。 图4A是根据本发明第四实施例的图像显示器的透视图。 图4B和4C是根据本发明第四实施例的图像显示器的激励器的示 意图。
具体实施例方式
以下讨论和前述附图将申请人的发明的实施例描述为目前发明人 所认识的最佳实施例，然而，将会理解，对于本发明的各种修改是可 能的，并且本发明可以实现为其他形式和以其他方式实施而不脱离本 发明的精神。此外，所述实施例的特征可以被省略、选择地或者整体 与其他实施例组合，或者用于替代其他实施例的特征，因此，附图和 详细说明被看作是本发明的方面的示例性解释，但是不应被解释为限 制了本发明的精神。
根据本发明的设备可以包括被垂直或水平定向的基本平面的显示 器。该显示器具有用于对于放置在该显示器上的物体动态施加力或感 觉的附加的能力。这种力可以被用于移动物体或者形成能够被触摸该 显示器的手指感觉到的特定紋理。
例如， 一个桌子可以具有根据本发明的物理集成的图像显示器， 或者该图像显示器可以连接到该桌子或者驻留在该桌子上。该图像显示器还可以被设计成具有腿的水平屏幕，并且还可以类似于桌子或者 具有类似桌子的功能，例如当该图像显示器不活动或者位于该表面上 没有该图像显示器的部分时。该图像显示器可以具有触摸屏的功能， 能够显示游戏板例如棋盘，在其上可以放置真实的棋子。然后，该显 示器的触摸屏将能够感知到什么子在什么位置，例如，通过使得每个 子具有轻微不同的底面轮廓，从而使得印痕轻微不同。然后，用户可 以具有与计算机对手下棋的体验。为了保持该体验完整，显示器也能
够移动计算机对手的棋子，如下所述。将会理解，本发明还适用于许 多其他种类的游戏，包括需要棋子移动的游戏，例如在西洋跳棋、西
洋双陆棋、拼字游戏、游戏牌(game tile)、纸牌等等中使用的棋子。 第二个例子是当屏幕被触摸时显示器给予用户反馈的情况。例
如，当在屏幕上或者虚拟鍵盘上或者屏幕上显示的小键盘上按下显示 的"按钮"时。这种触觉反馈还可以是内容相关的。例如，当被触摸 时，所显示的湖会产生实际的波紋。这里，用户的手指将被"移动"， 当用户在显示器上按下一个或多个手指时，用户将会感觉到力或抬升 的表面。
将会理解，并非本发明的所有实施例都需要触摸屏。此外，该显 示器可以实现为任意类型的监视器、屏幕或显示器，包括例如CRT、 LCD、 LED、等离子体、背投或前投显示器、或者适于执行根据本发明 的一个或多个实施例的任何其他类型的平面或其他类型的监视器或显 示器。
实施例1
图1以截面图示出了本发明的笫一实施例。滚珠轴承组件l-l的 滚珠轴承1 - 10被磁供能以旋转，从而在二维方向1 - 30上移动位于 图像显示器表面1 - 50上或其附近的物体(图3E中显示为物体3 - 2 )。
驱动磁体l-21、 1-22的激励由控制信号控制。根据本发明的实 施例，可以设置一组驱动磁体l-21、 l-22等等。例如，图l示出了 一组三个驱动磁体，包括驱动磁体1-21、 1-22，然而，可以在滚珠 轴承1-10的"前方"或"后方"提供两个或更多额外的驱动磁体(未 显示)。在这种实施例中，两个或更多驱动磁体的激励将使得滚珠轴 承1-10沿着由二维方向1-30示出的轴或者沿在两个轴上都有分量 的向量旋转。这种滚珠轴承组件可以被制造得较小并且设置在该图像
8显示器的像素之间。根据本发明的一个方面，滚珠轴承组件将被包含 在每对相邻l象素之间。
根据本发明的一个实施例，滚珠轴承i-io具有被设置在其周边 附近的较小磁体i-ii以改进对于滚珠轴承1-10的控制。将会认识 到，滚珠轴承1 -10不必需是固体。此外，虽然描述了滚珠轴承1 -10，
但是本实施例还可以采用代替或者除了滚珠轴承之外的其他类型的基
本球形体。根据本实施例的一个方面，所使用的滚珠轴承1-10必须
相对较小以便能够提供实现本发明所必需的可操作性。
因此，例如，当例如棋子的物体需要移动时，控制信号激励驱动
磁体l-21、 1-22，将沿着该图像显示器的表面l-50在特定方向1 -30上旋转该滚珠轴承1 — 10，使得该物体在该特定方向上与滚珠轴 承1 - 10的旋转一起运动。
此外，将会认识到，可以通过顺次激励滚珠轴承来实现物体在该 表面上的更长运动。例如，延时激励在相似方向上旋转的相邻滚珠轴 承将使得该物体受到连续力，导致更长的移动。而且，还可以基于应 用的类型(例如被移动物体的类型例如在象棋中有更小和更大的棋 子)和预期的运动速度来控制磁化该驱动磁体1-21、 1-22所施加的 电量。从而，对于该滚珠轴承的激励序列的定时的精确控制可以实现 该表面附近的物体的加速、减速和速度控制。
在任何一个时刻都可以激励多于一个滚珠轴承1 一 11,并且可以使 用在该图像显示器任何一个区域中的多个滚珠轴承来移动物体。而 且，对于各个序列中的滚珠轴承的激励会使得物体在除了正东、正南、 正西或正北之外的方向上移动。类似地，可以通过精准序列的滚珠轴 承1 - 11激励来获得类似曲线或其他形状的物体轨迹。
实施例2
图2以截面图示出了本发明的第二实施例。杆2-10可以被制造 以根据一个或多个驱动线圏2-20等的激励变得有磁性而上下移动。 当驱动线圏2 - 20被磁化时，对杆2-10或者杆2-10的磁体2-11 (或一组磁体)起作用。可以理解，虽然描述的是驱动线圏，但是也 可以使用许多类型的磁性材料和形状。
当更高的驱动线圈被激励时，杆2-10相对于图像显示器的表面 向上移动到延伸位置。可以在杆2-10下方提供空间2-31以提供杆2一 10的缩回位置。
杆2-10可以被放置在图像显示器的像素(未显示)之间。根据 本实施例的一个方面，在该图像显示器的每个像素之间需要这种杆以 提供良好的触觉分辨率，然而这不是本发明的所有实施例都必需的。
实施例3
图3A-3E示出了本发明的笫三实施例。图3A示出了具有气孔的 图像显示器3-1的视图。该图像显示器中的小孔位于像素(未显示) 之间。该孔以轻微的角度或倾斜形成，以使得从一个或多个这种倾斜 气孔3-12、 3-13吹出的空气导致该表面上或附近的物体3-2被在 特定的移动方向3-32上吹动。在图3A中示出了该图像显示器，其中 从上面看，图像显示器3-l被设置为水平，从前面看，该图像显示器 被设置为垂直。
空气可以基于在活动状态吹出空气的气孔3-11的倾斜方向而在 四个方向上吹出。在任何一个时刻，都可以由运动信号控制而打开一 部分孔，以便控制一个或多个物体在图像显示器3-l表面上的运动。
该图像显示器的前面板3 - 71具有形成为一定角度(向北、向南、 向东、向西)的孔。例如，从包含该图的页面的视角看，图3D的孔3
- 11向西倾斜。图3B的西孔3 - 12也向西倾斜并且显示了通过这个孔 吹出的空气的方向，而东孔3-13向东倾斜并且显示了通过这个孔吹 出的空气的方向。
图3E的物体3-2的运动将由处于活动状态吹出空气的孔的倾斜 方向决定。可以在任一个时刻激活多于一个孔3-11，并且可以使用在 该图像显示器任何一个区域中的多个孔来移动物体3-2。而且，可以 通过激活在物体3 — 2的区域中的不同倾斜方向的孔来使得物体在不是 正东、正南、正西或正北的方向上移动。例如，可以通过激活在物体3
- 2的南部区域中的具有向北倾斜方向的一个或多个孔，同时激活在物 体3-2的东部区域中的具有向西倾斜方向的一个或多个孔，从而使得 物体3-2在西北方向上运动。类似地，可以通过精准序列的孔3-11 激励来获得类似曲线或其他形状的物体3 - 2的轨迹。
根据本实施例的一个方面，孔可以被设置成四个一组，从而使得 该组四个孔中的每个孔位于假想矩形图的角上。因此，该组四个孔中 的每个孔可以以与该组其余孔不同的方向倾斜。此外，可以认识到，可以通过顺次激励孔来实现物体3-2的更长 运动。例如，延时激励相邻的相似倾斜的气孔会使得物体3-2受到来 自后方的连续气压，导致更长的移动。而且，还可以基于应用的类型 (例如被移动物体的类型例如在象棋中有更小和更大的棋子)和预 期的运动速度来控制通过气孔3-11所施加的气压量。从而，对于该 气孔的激励序列的定时的精确控制可以实现对于该物体的加速、减速 和速度控制。
根据本发明的一个方面，通过使用包括被设置在前面板3-71上 的行电极3 一 51和被设置在后面板3 — 72上的列电极3 一 52的控制层3 -59来实现对于通过气孔的气流的控制。将会认识到，可以颠倒这种 布置。箔片3-53被设置在前面板3-71和后面板3-52之间。虽然 描述的是箔片，但是可以理解，可以使用许多类型的导电介质来替代 箔片或者与箔片组合。箔片3-53可以是导电片，或者可以在整个箔 片上或中布置片电极。
当行电极3-51和箔片3-53之间的电压差足够高时，箔片将被 沿着行电极向着前面板拉出并从而关闭气孔3-11。当列电极3-52 和箔片3-53之间的电压差足够高时，箔片将被沿着列电极向着后面 板拉出并从而打开该孔。因而，可以利用无源矩阵寻址来选择性打开 或关闭该孔。
根据本实施例的一个方面，如图3C所示，可以在该气孔之间形成 进气通道3 - 5或者多个进气通道或孔，从而在该前面板和后面板之间 的空间3-60内形成高于该表面上或附近气压的气压。通过选择性打 开气孔可以使用该气流来移动物体3-2。可以理解，根据本实施例的 一个方面，对于物体3 - 2沿着该表面的运动的控制是与气垫船原理一 致的。
实施例4
图4A-4C示出了本发明的笫四实施例。在第四实施例中，像素激 励器矩阵4-19包括激励器4-10，其由一组杆(杆4-111和杆4-112 )或包含能够根据施加到其上的电压而增长或收缩的材料的管组 成。如图4B所示，左杆4 - 111和右杆4 - 112是连接在一起的两个杆， 从而使得右杆4 - 112由于设置在其上的小电流而略大。
根据本实施例的一个方面，可以使用介电薄膜来在左杆4 - 111和右杆4 - 112之间提供一定程度的电绝缘性，或者左杆4 - 111和右杆4 - 112可以由不同材料制成以获得不同的施加电流所导致的增长特 性。通过改变施加到左杆4 - 111和右杆4 - 112中每一个的电流，或 者通过对左杆4 - 111和右杆4 - 112使用不同材料，激励器4 - 11可 以在一维平面中的每个方向上伸缩。根据本实施例的一个方面，激励 器可以仅仅在一个方向上倾斜，在这种情况下，将以相邻方式布置一 组倾斜不同的激励器。
根据本实施例的一个方面，在激励器4-11中增加第三杆，从而 可以实现激励器4-11尖端的二维移动。这种附加杆还可以被增加以 实现在二维或者甚至在三维上对于激励器倾斜方向的更精确控制，因 为该激励器尖端弯曲的程度及其方向由施加到该杆上的电流控制。例 如，对于每个激励器4-10使用三个杆足以控制在至少四个方向上的 移动。在图4C的4-40示出了激励器4-11的截面图。
根据本实施例的一个方面，激励器4-10的杆由聚合物形成。图 像显示器可以是聚合物LED显示器。此外，对于激励器4-10可以使 用压电陶乾。压电陶瓷用于STM(扫描隧道显微镜)设备中进行纳米精 度的移动。可以理解，对于激励器4-10的杆可以使用各种材料的组 合，并且对于图像显示器4-l的不同激励器4-10可以使用不同的材料。
激励器4-10的激励可以以与参照第三实施例所述的无源矩阵寻 址类似的方式来控制。可以配置列电极和行电极来控制单个激励器4 —11。
根据本实施例的一个方面，激励器4-10可以被放置在图像显示 器4-l的像素之间。而且，如图4A所示，激励器4-ll可以被设置 在每个像素4-50之间。通过激励器4-10的移动，可以在激励器4 -10的倾斜方向上实现物体的运动。
此外，可以理解，可以通过连续激励激励器4 - 10来实现物体沿 着图像显示器4 — 1表面的更长运动。在任何一个时刻都可以激励多于 一个激励器4 一 11，并且可以使用在该图像显示器任何一个区域中的多 个激励器4-10来移动物体。例如，延时激励朝向相似倾斜的相邻激 励器会使得物体受到来自后方的连续推动，导致更长的移动。而且， 可以基于应用的类型(例如被移动物体的类型例如在象棋中有更小和更大的棋子)和预期的运动速度来控制施加到激励器4 — 10电流量。 从而，对于激励器4-10的激励序列的定时的精确控制可以实现对于 该物体的加速、减速和速度控制。类似地，可以通过精准序列的激励 器4 - 10激励来实现类似曲线或其他形状的物体轨迹。
而且，可以在图像显示器4-1的被选择部分为用户手指提供触觉 或触觉反馈。根据本发明的一个方面，使用对于根据本发明的图像显 示器的良好移动控制，用户在触摸时可以感觉到所显示图像的小跳 跃。这还可以用于盲文输出。在这种实施例中，盲人可以使用该图像 显示器进行阅读。
根据本发明的一个方面，激励器4 - 10还可以为图像显示器4 一 1 提供触感。例如，触摸图像显示器4-l的表面的用户手指将引起激励 器4-10的移动，从而通过例如引起电流流动而影响电流流量。这种 压电陶瓷材料的布置对于本领域技术人员来说是公知的。因此，该激 励器可以为图像显示器4-10提供触觉和触摸感测。与本发明的其他 实施例类似地，可以提供触感。例如，可以感应到由用户手指(拇指、 手等)在该表面上引起的杆2 - 10的移动或者滚珠轴承1 - 10的移动。
可以认识到，根据本发明的图像显示器可以使用这里所述的实施 例1 - 4的组合来制造。
在前面所述说明中提供的本发明的实施例仅仅是用于示例性的例 子。然而可以理解，本发明的范围是在权利要求中给出的。
权利要求
1. 一种图像显示器，该图像显示器包括包括一组激励器(4-10)的像素-激励器矩阵(4-19)；和该组激励器中的一个激励器(4-11)，包括多个连接在一起的导电杆(4-111，4-112)，该激励器的每个杆被设置成当该杆被施加电流时尺寸增加或减少，以使得该激励器根据接收的移动信号而向特定的方向弯曲。
2. 如权利要求1所述的图像显示器，其中该像素-激励器矩阵的 至少一部分被配置成在特定方向上移动其表面上的物体(3-2)。
3. 如权利要求1所述的图像显示器，其中该多个杆中的每个杆包 括压电陶资。
4. 如权利要求16所述的图像显示器，其中该多个杆中的每个杆 包括导电聚合物。
5. 如权利要求1所述的图像显示器，其中该激励器被设置在该像 素-激励器矩阵的像素(4-50)之间。
6. 如权利要求l所述的图像显示器，其中根据该移动信号，提供 一个移动至少用于提供触觉和提供在所述图像显示器表面上的物体的 运动之一。
7. 如权利要求1所述的图像显示器，其中该激励器包括三个杆， 其被布置成使得响应于施加到该三个杆中一个或多个杆上的电流，激 励器向至少四个特定方向中的一个弯曲。
8. 如权利要求1所述的图像显示器，其中该激励器为该图像显示 器提供触感。
9. 一种图像显示器，配置成移动在该图像显示器表面附近的物 体，所述图像显示器包括包括滚珠轴承(1-10)的滚珠轴承组件(1 - 1);和 所述滚珠轴承(1-10)被布置成，通过磁体(1-21， 1-22)控 制所述滚珠轴承的旋转方向，以便通过该滚珠轴承沿着滚珠轴承的旋 转方向的移动而使得该图像显示器表面上的物体(3-2)在特定方向 上移动。
10. 如权利要求9所述的图像显示器，其中该滚珠轴承为该图像 显示器提供触感。
11. 如权利要求9所述的图像显示器，其中该图像显示器是触敏 显示器。
12. —种图像显示器，配置成提供在所述图像显示器表面上的物 体的运动，包括包括多个气孔的孔层(3-19);和该多个气孔中的一个气孔(3 - 11 )相对于该表面以一定的斜角在 四个方向中的一个上倾斜，从而使得通过所述孔吹出的空气在该表面 上朝向该孔倾斜的方向上形成定向气压；其中所述气孔被配置成根据接收到的移动信号而选择性打开和关 闭，以在该定向气压的方向上移动所述图像显示器表面上的物体。
13. 如权利要求12所述的图像显示器，还包括控制层(3-59)， 其包括多个行电极和多个列电极，以及箔片，其被设置成使得该箔片 响应于通过一行电极的电流而关闭该孔。
14. 如权利要求12所述的图像显示器，其中该多个气孔包括多个 组，每组四个孔，从而使得一组四个孔中的每个孔位于基本类似于矩 形的假想图的角上，从表面上观察没有干涉孔，其中该组四个孔中的 每个孔在该四个方向中的一个上倾斜。
15. 如权利要求12所述的图像显示器，还包括位于该多个孔的孔 之间的进气通道(3-5)。
16. 如权利要求12所述的图像显示器，其中该多个孔中的孔被布 置在图像显示器的像素之间。
17. 如权利要求12所述的图像显示器，其中该孔为图像显示器提 供触感。
18. —种图像显示器，配置成在该图像显示器的表面上引起触觉， 所述图像显示器包括包括杆的杆组件(2 - 1 );一组驱动磁体(2-20)，被布置成由所接收的第一移动信号激励 而用于笫一激励，以及由所接收的笫二移动信号激励而用于第二激 励5和所述杆组件的杆(2 - 10 )被布置成响应于第一激励而相对于该图 像显示器的表面(2-50)移动到延伸位置，以及响应于第二激励而相 对于该图像显示器的表面移动到缩回位置；其中由处于延伸位置的杆在该表面上引起触觉。
19. 如权利要求18所述的图像显示器，其中在像素之间至多提供 一个杆。
20. 如权利要求18所述的图像显示器，其中该杆为该图像显示器 提供触感。
全文摘要
提供了一种包括触敏显示器的图像显示器，其形成了触觉以及物体(3-2)沿其表面的移动。可以使用包括连接在一起的导电杆(4-111，4-112)的激励器，从而该激励器(4-11)中的每个杆可以在该杆被施加电流时增加或减少尺寸以使得该激励器朝向特定方向弯曲。而且，提供了一种包括滚珠轴承(1-10)的图像显示器，该滚珠轴承(1-10)的旋转由驱动磁体(1-21，1-22)控制以使得物体移动。此外，可以提供在各种方向上倾斜以通过气压来控制物体移动的气孔(3-11)。而且，当被驱动磁体(2-20)激励时，杆(3-10)可以被上下移动。该激励器、杆、滚珠轴承组件或孔可以为该图像显示器提供触感。
文档编号G06F3/01GK101438221SQ200580041359
公开日2009年5月20日 申请日期2005年11月30日 优先权日2004年12月1日
发明者E·M·A·迪德里克斯, J·H·M·科尔斯特, J·J·L·霍彭布鲁维尔斯, M·F·吉利斯, N·德永, R·温特斯, T·C·卡拉恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司