CN101535926A - 提供触觉反馈的电子设备 - Google Patents

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CN101535926A CNA2007800407232A CN200780040723A CN101535926A CN 101535926 A CN101535926 A CN 101535926A CN A2007800407232 A CNA2007800407232 A CN A2007800407232A CN 200780040723 A CN200780040723 A CN 200780040723A CN 101535926 A CN101535926 A CN 101535926A
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史蒂夫·X·戴
曼纽尔·奥利弗
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Abstract

一种电子设备(100)，提供触觉反馈，所述触觉反馈通过低成本薄压电致动器(142)提供，所述低成本薄压电致动器(142)通过模仿类点击馈给而给出触觉反馈。电子设备(100)包括底盘板(122)，底盘板(122)使外围固定到壳体(102，104)并且包括具有第一平面侧(123)以及与第一平面测(123)相对的第二平面侧(125)的柔性材料。输入设备(110)具有布置在邻近并且接触底盘(122)的第一平面侧(123)的平面侧(111)，并且通过壳体(102，104)中的开口(108)延伸。一个或多个压电致动器(142)固定到第二平面侧(125)并且在底盘板(122)的外围内。布置在壳体(102，104)内的电路(208)响应于致动输入设备(110)来驱动压电致动器(142)。通过电路(208)感知提供到输入设备(110)的输入。电路(208)提供电压波形以激活一个或多个压电致动器(142)，所述一个或多个压电致动器(142)挠曲底盘板(122)和输入设备(110)以模仿类点击馈给。第二示例性实施例将压电致动器(142)布置在底盘板(122)和输入设备(110)之间。

Description

提供触觉反馈的电子设备
技术领域
本发明一般地涉及电子设备，并且更具体地涉及一种具有触觉反馈的便携式通信设备。
背景技术
对于下一代便携式电子设备来说，预期可变形(morphable)用户界面是重要的设计考虑。可变形用户界面是一种随着例如电话、照相机、音乐播放器的设备的使用改变而改变其外观的用户界面。用户将发现输入界面的使用更容易且更直观。然而，当按下键时向手指提供触觉反馈的常规装置例如是机械薄膜开关。薄膜开关将无法与可变形图形用户界面一起良好地工作；因此，触觉反馈或激活(active)反馈变成关键的使能器(enabler)。虽然DC旋转或线性振动电机可以利用优化的驱动算法向手指输入提供触觉反馈，但是类蜂鸣(buzz-like)振动属性(profile)与在用户的手指处生成急剧的机械点击的薄膜开关非常不同。
局部化的触觉元件通过一部分手持设备的移动向用户发送触觉反馈。局部致动的触摸屏和导航键是局部化的触觉元件的两个示例。在蜂窝电话的情况下，可以将反馈限制于在电话的保持表面上的导航键、触摸屏或按钮，例如，侧带。蜂窝电话中有两种不同的触觉反馈。一种是振动触觉反馈，通过振动电机向用户的手或手指生成的振动模式。常规的振动呼叫提醒是很好的示例。另一种是用户在输入数字或字母时在键盘上通常感觉到的点击。所述点击通过致动放置在键盘下方的被动式金属薄膜开关中的一个来实现。
一种类型的触觉反馈可以在例如美国专利6,710,518中找到。机电换能器产生通过装配凸缘向整个设备传播的机械能的冲量(impulse)。该机制非常适合用于提供例如“呼叫提醒”，但是不允许到各个输入位置(键、按钮、箭头等)的选择性反馈。
另一种类型的触觉反馈在例如美国专利公开2006/0050059和2006/0052143中找到。通常在需要致动的输入设备下方的角落处放置一个或数个压电致动器。输入设备可以是键盘或具有触摸敏感表面的显示器。一旦施加了电压，压电致动器就变形，在给定方向上推动或拉动整个输入设备，并因此向操作输入设备的用户的手或手指提供触觉反馈。为此目的而最广泛使用的压电致动器通常是单压致动器或者双压致动器，单压致动器由结合到金属垫片的压电陶瓷元件制成，双压致动器由结合在两个压电陶瓷元件之间中的金属垫片制成。单压和/或双压致动器也都被称为弯曲器。在单压致动器中，弯曲运动来自压电陶瓷元件在所施加的电场的作用下抵抗来自金属垫片的机械约束的平面内收缩或扩展的趋势。在双压致动器的情况下，驱动两个压电陶瓷元件以便一个收缩而另一个扩展，从而导致弯曲运动。弯曲器的典型布置是将圆形弯曲器的边缘或条形弯曲器的两端锚定到基座机构上。圆形弯曲器的中心或具有最大位移的条型弯曲器的中部通常被用于驱动机械负载，如美国专利公开2006/0050059和2006/0052143中所说明的。值得注意的是，只有根据压电陶瓷元件和金属垫片的结合的结构，才可能由单压致动器或双压致动器的弯曲运动产生相对高的位移。单独的压电陶瓷元件无法产生这样的位移。
因此，期望提供一种具有由低成本薄压电设备提供的触觉反馈的电子设备，所述低成本薄压电设备提供模仿类点击馈给的触觉反馈。此外，结合附图以及本发明的此背景技术，根据本发明的随后的详细描述和所附权利要求，本发明的其他期望特征和特性将变得显而易见。
发明内容
一种电子设备提供了由低成本薄压电设备提供的触觉反馈，所述低成本薄压电设备提供模仿类点击感觉的触觉反馈。该设备包括使外围固定到壳体的底盘板，并且包括具有第一平面侧以及与所述第一平面侧相对的第二平面侧的柔性材料。输入设备具有布置在邻近并且接触所述底盘的第一平面侧的平面侧。一个或多个压电致动器被固定到第二平面侧并且在底盘板的外围内。布置在壳体内的电路响应于用户致动所述输入设备而驱动压电致动器。通过电路来感知提供到输入设备的输入。电路提供电压波形，以激活一个或多个压电致动器，所述一个或多个压电制动器挠曲底盘板和输入设备以模仿类点击馈给。第二示例性实施例将压电致动器布置在底盘板与输入设备之间。
附图说明
在下文中将结合以下的附图描述本发明，其中，相同的数字表示相同的元件，并且
图1是根据示例性实施例的蜂窝电话的分解图；
图2是在没有向包含其中的压电致动器加电的情况下沿图1的线2-2得到的局部横截面；
图3是在向压电致动器加电的情况下沿图1的线2-2得到的局部横截面；
图4是在没有向包含其中的压电致动器加电的情况下第二示例性实施例的局部横截面；
图5是在向压电致动器加电的情况下第二示例性实施例的局部横截面；
图6是图示示例性实施例的机械薄膜开关的加速度相对于压电致动器的加速度的比较的曲线图；以及
图7是图1所示的蜂窝电话的框图。
具体实施方式
本发明的以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不意在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，无意受到在先前的背景技术或以下的具体实施方式中提出的任何理论的限制。
一个压电陶瓷元件或多个压电陶瓷元件被直接结合到便携式设备的主干结构上，例如蜂窝电话的金属或塑料底盘。蜂窝电话的底盘向电话提供了结构刚度，并且用作用于附设大部分电话模块和组件的结构板。在一个示例性实施例中，将压电陶瓷元件和输入设备(例如可变形用户界面)结合到底盘的相对侧上。一旦施加了电场，压电元件的平面内收缩或扩展就导致底盘的局部化挠曲运动，并在输入设备的界面处提供触觉反馈。输入设备不像现有技术中描述的那样通过分离的压电弯曲器致动器来直接地推动或拉动，而是通过集成压电陶瓷元件变形(挠曲)的结构的一部分。输入设备的运动是挠曲，而非通过在多个点处致动多个压电致动器的上/下移动。该方法相比于现有技术的益处是，它无需致动元件与正被推动或拉动的结构的精确机械对准。
根据一个示例性实施例，至少一个压电致动器(例如，压电弯曲器)被直接结合到邻接触觉反馈所针对的输入设备的金属板。该直接放置提供了输入设备的弯曲伸张的弯曲运动，并且因此向用户提供了包括类真实键点击的触觉反馈的触觉反馈。输入设备的该位移较小，仅仅是1.0到30.0微米。该简单的机电结构成本低并且已经证明了可靠性。
压电致动器独特地能够快速(例如，1.0到10.0毫秒)、高加速度(例如，1-100g)地传递模拟键点击响应所需的响应。这类响应允许由用于超薄键盘(可变形用户界面)的压电致动器取代机械薄膜开关。与谐振电磁振动电机的固定频率响应相反，压电致动器还能够提供宽带移动(1-2000Hz)。
当经受电场时压电元件在横向上收缩或扩展，由于来自被结合到诸如电话底盘的硬表面的约束，导致在其中心被放大很多的垂直运动。通过宽范围的波形可以驱动压电元件以使机械输出适应用户。高转换速率阶跃函数可以提供最高的加速度以及类点击反馈。替代地，可以使用多个正弦波来生成可能表征为蜂鸣的反馈。也可以在宽频率范围中操作压电致动器，从而允许宽带触觉响应。压电致动器的功率消耗一般相当于或小于DC旋转电机的功率消耗。致动器的等待时间(提升到全速所需的时间)足够小，以允许用户在交互应用中具有近乎瞬时的响应。
图1是根据本发明第一实施例的蜂窝电话100的分解图，并且图2是沿图1的线2-2得到的局部横截面视图。蜂窝电话100仅是一个示例性实施例。应当理解，任何类型的便携式电子设备可以与这里描述的本发明配套使用。蜂窝电话100包括前壳体部102和后壳体部104。前壳体部102支持可选天线(未示出)，并且包括容纳可变形用户界面110的开口108。扬声器格栅(grill)112和麦克风格栅114也被设置在前壳体部102上。显示器开口116也被设置在容纳显示器118的前壳体部102中。电池盒盖120被设置用于覆盖后壳体104中的电池盒122。开口(未示出)被设置在电池底121中用于布线，以将布置在电池盒122中的电池(未示出)耦合到印刷电路板124的背面126上的电路(未示出)。透明盖119被设置在显示器118和输入设备110上方。
前壳体部102和后壳体部104装入要讨论的其他项中的底盘122，所述底盘122固定到前壳体部102。底盘122包括第一平面侧123，所述第一平面侧123将可变形用户界面110牢固地布置在开口108中，并将显示器118牢固地布置在开口116中。底盘122的第一平面侧123邻近并且接触输入设备110的平面侧111。在前壳体部102和后壳体部104中还装入了印刷电路板124。构成蜂窝电话100的一个或多个电路的多个电路组件(未示出)被安装在电路板124的背面126上。下面将参考图6所示的功能框图更充分地描述蜂窝电话100的电路。
接触器件132各自包括基坐134以及臂136，所述基坐134通过浮焊(未示出)固定到电路板124，所述臂136通过电路板124中的开口138延伸以与每个压电致动器142进行电接触。接触器件进一步耦合到电路板124上的电路(未示出)。接触器件132包括诸如金属的导电材料，并且在示例性实施例中包括具有固有的弹性动作或扭矩的金属，以对压电致动器142施加力。
聚脂薄膜层144(图2)可以黏附地附设在后壳体部104的电池底121和接触器件134之间。在印刷电路板124和层144之间存在气隙152。接触器件132可以可选地通过金属接触器146与压电致动器142进行接触，所述金属接触器146优选是金的。接触器件146可以针对金属接触器146施加弹力(如图所示)用于改善导电性。根据示例性实施例，压电致动器142直接布置在底盘122的第二平面侧125上，所述底盘122与可变形用户界面110进行接触。底盘122和可变形用户界面110以相邻方式布置，以便底盘122的挠曲挠曲可变形用户界面110。
图2示出了如何将可变形用户界面110通过结合固定到前壳体部102以及如何将透明盖119结合在可变形用户界面110和显示器118上方的前壳体部102上的凹部内的一个示例性实施例。该示例仅是可以将可变形用户界面110固定在前壳体部102中的一种方式。其他示例可以包括例如机械耦合。当例如推动显示图标向可变形用户界面110进行输入时，从例如检测移动的传感器(未示出)或检测通过输入生成的电信号的电路来生成信号。该信号被发送到接触器件132，所述接触器件132激活压电器件142。压电器件142的挠曲移动通过底盘122被传递到可变形用户界面110(图3)。由于可变形用户界面110在其外围302处而不在中心处被固定，所以产生可变形用户界面110的挠曲运动。
图4所示的第二示例性实施例包括压电致动器142，所述压电致动器142布置在底盘122的凹部中并且直接抵靠输入设备110。导电结合材料(未示出)布置在输入设备和压电致动器142之间，用于将输入设备和压电致动器142固定到一起并向压电致动器142供电。图5图示了第二示例性实施例，其中，向压电致动器142供电，并且产生了底盘122、输入设备110和透明盖119的挠曲。
图6图示了如这里所描述的机械薄膜开关502相对于压电致动器504随着时间的加速度曲线的比较。曲线非常类似。加速度轮廓的主要特性是在相对短时间段(<10ms)中的高峰值加速度1-100g。在加速度曲线中的高频分量与伴随触觉点击感觉的声音相关联。
图7是根据本发明第一实施例的图1-3所示的蜂窝电话100的框图。蜂窝电话100包括收发器602、处理器604、模数转换器(A/D)606、输入解码器608、存储器612、显示器驱动器614、数模转换器(D/A)618以及压电致动器142，所有这些元件都通过数字信号总线620耦合在一起。
收发器模块602被耦合到天线106。通过数据调制的载波信号(例如，用于驱动MFT的数字编码信号或数字编码语音音频)在天线642和收发器602之间穿过。
输入设备110被耦合到输入解码器608。输入解码器608用于识别例如被压下的键，并且将识别每个被按下键的信息提供到处理器604。显示器驱动器614被耦合到显示器626。
D/A 618通过音频放大器632被耦合到扬声器634和振动电机635。D/A 618将解码的数字音频转换为模拟信号，并且驱动扬声器634和振动电机635。音频放大器632可以包括多个放大器，每个所述放大器驱动分离的扬声器/振动电机组合。
存储器612也被用于存储控制蜂窝电话100的操作方面的程序。存储器612是计算机可读介质的形式。
收发器602、处理器604、A/D 606、输入解码器608、存储器612、显示器驱动器614、D/A 618、音频放大器632以及数字信号总线620体现在电路组件124中并且与图1所示的电路板122相互连接。
虽然在本发明的前面详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在各种各样的变化。还应当理解，一个示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，而不意在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或配置。相反，前面的详细描述将向本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施例的便利的详细方案，应当理解，在不背离所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
壳体，所述壳体限定开口；
底盘板，所述底盘板使其外围的至少一部分固定到所述壳体，并且包括具有第一侧和第二侧的柔性材料；
至少一个压电致动器，所述至少一个压电致动器固定到所述第一和所述第二侧中的一个并且在所述底盘板的所述外围内；
输入设备，所述输入设备通过所述开口延伸，并且包括柔性材料，所述柔性材料布置在邻近并且接触所述底盘的所述第一侧和至少一个压电致动器中的至少一个；以及
电路，所述电路布置在所述壳体内，用于驱动所述压电致动器。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述至少一个压电致动器中的每一个包括压电陶瓷元件。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述至少一个压电致动器包括一个或多个压电弯曲器。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述至少一个压电致动器被结合到所述底盘中的预形成的凹部。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述输入设备包括可变形用户界面。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述至少一个压电陶瓷元件能够在1.0到10.0毫秒之间的时段内挠曲所述输入设备和所述底盘板。
7.根据权利要求2所述的电子设备，其中，所述陶瓷元件以在1到100g之间的加速度水平挠曲所述输入设备和所述底盘板。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述电路以1-2000Hz驱动所述至少一个压电致动器。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述电路利用波驱动所述至少一个压电致动器，以提供类键点击触觉反馈。
10.一种蜂窝电话，包括：
壳体，所述壳体限定开口；
柔性底盘板，所述柔性底盘板布置在所述壳体内并且具有第一和第二侧；
至少一个压电陶瓷元件，所述至少一个压电陶瓷元件结合到所述底盘板的第一侧；
柔性输入设备，所述柔性输入设备结合到所述底盘的第二侧并通过所述开口延伸；
感知单元，所述感知单元耦合到所述输入设备；以及
电路，所述电路响应于所述感知单元向所述至少一个压电陶瓷元件提供波形。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其中，所述输入设备包括可变形用户界面。
12.根据权利要求10所述的电子设备，其中，所述输入设备和所述底盘的柔性材料都被挠曲1.0到30.0微米之间。
13.根据权利要求10所述的电子设备，其中，所述电路以1-2000Hz驱动所述至少一个压电致动器。
14.根据权利要求10所述的电子设备，其中，所述电路利用波来驱动所述至少一个压电致动器，以提供类键点击触觉反馈。
15.一种在电子设备中提供触觉反馈的方法，所述电子设备具有：底盘板，所述底盘板包括具有第一侧和第二侧的柔性材料；至少一个压电致动器，所述至少一个压电致动器固定到所述第一和第二侧中的一个；可变形输入设备，所述可变形输入设备包括柔性材料并且使一侧布置在邻近并且接触底盘的第一平面侧和至少一个压电致动器中的至少一个；以及电路，所述电路用于驱动所述至少一个压电致动器，所述方法包括：
向所述可变形输入设备提供输入；
通过所述电路感知所述输入；
从所述电路提供电压波形，以激活所述至少一个压电致动器；以及
响应于激活所述至少一个压电致动器，挠曲所述底盘板和所述可变形输入设备。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中，所述挠曲步骤包括在1.0到30.0微米之间挠曲所述可变形输入设备和所述底盘。
17.根据权利要求15所述的电子设备，其中，所述挠曲步骤包括在1.0和10.0毫秒之间的时段内挠曲所述可变形输入设备和所述底盘。
18.根据权利要求15所述的电子设备，其中，所述挠曲步骤包括所述至少一个压电陶瓷元件以在1到100g之间的力挠曲所述输入设备和所述底盘板。
19.根据权利要求15所述的电子设备，其中，提供电压波形包括提供具有在1-2000Hz的范围中的频率的波形。
20.根据权利要求15所述的电子设备，其中，提供电压波形利用波来驱动所述压电致动器，以提供类键点击触觉反馈。
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