CN101583922A - 具有触觉反馈的触摸传感器 - Google Patents

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CN101583922A CNA2007800499323A CN200780049932A CN101583922A CN 101583922 A CN101583922 A CN 101583922A CN A2007800499323 A CNA2007800499323 A CN A2007800499323A CN 200780049932 A CN200780049932 A CN 200780049932A CN 101583922 A CN101583922 A CN 101583922A
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Abstract

本发明涉及一种输入机件，其配备有用于检测指尖的触摸的装置，其中所述机件配备有用于向所述指尖提供触觉反馈以便确认对所述输入机件的激活的装置，并且所述用于提供触觉反馈的装置包括细长的形状记忆金属对象。

Description

具有触觉反馈的触摸传感器
技术领域
本发明涉及诸如按键、键盘以及触摸传感器之类的可手动操作的输入机件(organ)或操纵机件的领域。具体来说，本发明涉及配备有用于在被激活时提供触觉反馈的装置的这种机件。
背景技术
用于诸如移动电话等的电子设备的键盘有许多种类。键盘形成电子设备的所谓的人机界面的一部分。本发明的一个目的是开发出更好的并且/或者更为经济的按键、键盘以及触摸传感器。
当今的许多键盘都在按键被按压时给出特定的感受或感觉。对于按压动作的响应常常伴随有咔嗒声或其他声音以便确认所述按压。但是为用户提供反馈的新的不同方法可以令制造商在市场上占据优势。
发明内容
应当强调的是，在本说明书中所使用的“包括”一词是用来特别说明所述特征、整数、步骤或组件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其他特征、元件、整数、步骤、组件或其组合。
关于一个实施例所描述和/或说明的特征可以按照相同或类似的方式被使用在一个或多个其他实施例中，以及/或者与其他实施例的特征相组合或替代其他实施例的特征。
在本发明中，从触摸传感器提供反馈的问题是通过为触摸传感器的触摸表面提供到所谓的肌肉导线(muscle wire)的机械耦合以及用于在触摸传感器被触摸时激活肌肉导线从而产生触觉反馈的装置而解决的，其中肌肉导线是记忆金属。
根据本发明的一方面，提供一种输入机件，其具有用于检测指尖的触摸的装置，其中所述机件配备有用于向所述指尖提供触觉反馈以便确认对所述输入机件的激活的装置，并且其中所述用于提供触觉反馈的装置包括肌肉导线。
根据另一方面，提供一种输入机件，其中把肌肉导线设置成在所述机件由指尖触摸时被加电，从而使得所述导线收缩并且把从所述收缩得到的机械能传递(mediate)到被设置成与所述指尖接触的所述输入机件的触摸表面。在该输入机件内，肌肉导线被设置成传送导向指尖的运动。输入机件还可以包括可以独立控制的第一和第二肌肉导线，其中第一肌肉导线被设置成通过所述触摸表面把机械能作为运动传送到所述指尖，并且第二肌肉导线被设置成把所述触摸表面的运动传送离开所述指尖。运动的传送优选地是通过以下措施实现的：把第一导线设置在触摸表面下方并且与之平行以作为两个支撑件之间的紧绷弦，并且令按键茎部(key stem)近似地在其长度的中间处接触所述导线，从而像弓弦对箭那样把所述肌肉导线中的增大的张力传送到按键茎部，并且进一步传送到触摸表面。
根据另一方面，提供一种输入机件，其中触摸传感器被连接到触摸确定设备以用于确定输入机件何时被触摸，该触摸确定设备还连接到肌肉导线加热单元的输入端并且向其提供控制信号，该肌肉导线加热单元的输出端连接到肌肉导线以用于向所述肌肉导线提供适当的加热电流。
根据另一方面，提供一种输入机件，其中把具有机械能形式的触觉反馈作为从包括以下各项的触觉反馈模式组中选择的机械能传递到所述输入机件的触摸表面：一次短促抽动、两次或多次短促抽动、一个或不同频率的振动、具有不断增大和减小的幅度的振动、以及它们的组合。
根据另一方面，提供一种通过配备有触觉反馈的小键盘来控制的设备，其中通过按压小键盘而导致的不同事件给出不同的触觉反馈模式。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的机械地耦合到肌肉导线的按键；
图2示出了被设置成闭合开关的图1的按键；
图3示出了根据本发明的另一个实施例的机械地耦合到两条肌肉导线的按键；
图4示出了机械地耦合到两条肌肉导线的触摸传感器；
图5a示出了根据本发明的另一个实施例的触敏设备的横截面图；
图5b示出了从下方看去的图5a的触敏设备；
图6示出了具有肌肉导线激活的触觉反馈的小键盘的总体视图；
图7是用于具有触觉反馈的触摸传感器的驱动电路的总体图示；以及
图8是描述用于激活具有触觉反馈的触摸传感器的方法的流程图。
具体实施方式
定义
在本申请中，术语“肌肉导线”被用来指代细长的形状记忆金属对象，例如镍钛合金。商标是Nitinol或Flexinol。
图1示出了按键设备100，其具有按键101和肌肉导线125，所述按键101具有按键茎部105，所述按键茎部105具有从所述茎部伸出的插销，所述肌肉导线125被设置在两个附着点120、115之间，该附着点还充当用于所述肌肉导线125的馈电点“+”、“-”。肌肉导线被设置成在按键茎部105的插销110的下方延伸，从而当肌肉导线收缩时，作为电流将其加热的结果，插销110连同按键茎部105和按键101与它一起机械地向上受力，从而使得按照这种方式传送的机械能被感知为操作员的手指130的指尖135的触感的感觉。
图2示出了图1的按键设备，其中还示出了机械开关140，其被设置成当按压按键101时由按键茎部105接合。
图3示出了具有机械地耦合到两条肌肉导线325、327的按键301的按键设备。按键茎部配备有插销，所述插销近似地位于所述茎部的附着到所述按键上的按键端与所述按键茎部305的与对象“C”接触的远端之间的中间处，其中“C”是隔膜，其既充当电开关也充当向所述按键提供回弹和/或弹性功能的隔膜。
第一肌肉导线325被设置在提供于所述按键茎部305的每一侧上的第一附着点320与第二附着点315之间，从而使得所述第一肌肉导线325在附着到按键茎部305上的插销310下方从所述第一附着点320延伸，从而当所述肌肉导线被加电时，也就是说当使得电流从第一连接点A通过第一肌肉导线325流向第二连接点“-”时，第一肌肉导线收缩并且使得按键茎部向上受力。与此同时，由于水平插销310的移动，被设置成在该水平插销310上方从第三附着点322延伸到第二附着点315的第二导线机械地受力，从而采取更长的形状和长度。
图4示出了机械地耦合到两条肌肉导线的触摸传感器。触敏隔膜C配备有与所述触敏隔膜C的下面接触或者附着到其上的杆405，所述杆配备有插销或另一种适当的机件，其具有适于肌肉导线与之接触的接触表面。所述插销优选地是电隔离的。替换地，第一肌肉导线425和/或第二肌肉导线427配备有电隔离覆盖物。优选地，肌肉导线是非隔离的，以便于所述导线的冷却，并且所述插销是用不导电材料制造的，或者覆盖或涂覆有耐热的不导电材料(比如Teflon)。正如下面所解释的那样，第一和第二导线彼此不物理接触，但是它们优选地被设置在其间具有一定距离的不同平面内。
按照上面描述的相同方式，当触敏隔膜被触摸时，给第一肌肉导线加电。这是通过由所述触摸激活的加电机件(未在这里示出，但是在图6中示出)而实现的。
图5a和5b示出了根据本发明的另一个实施例的触敏设备。在图中可以看到支撑结构545、550，其支撑具有按键茎部505和插销510的按键501。隔膜或弹簧“C”提供向上的力，从而使得按键不会在全部两条肌肉导线525、527都处于非激活状态(即未被加电)时采取未定义的位置。弹簧“C”被提供在按键501下方，其可以在按键501与支撑结构550、545的下水平部分551、546之间被按压。电开关(未示出)被设置成由按键501、按键茎部505或插销510接合。所述开关的一种优选设置是处于按键茎部的下方，正如图2中所示出的那样。
图5b示出了从下方看去的图5a的设备。所述按键为圆形，也就是说，支撑结构550、545实际上是相同的结构。它们在图5a中不相连，这是因为图5a示出了所述设备的横截面图。肌肉导线交叉但是彼此不接触，这是因为它们彼此侧向分离，正如图5b中所示出的那样。插销510穿过按键茎部510中的孔延伸，或者可以在按键茎部512的每一侧上设置插销，以便提供用于肌肉导线525、527接合的适当结构。
第一肌肉导线527被设置成从第一附着点A延伸出来，该导线经过插销510的上边界512并且与所述插销510的所述上边界512接触，并且该导线终止于第二附着点560，其中所述第一附着点A被设置在第一支撑结构(这里未示出)处并且处于第一水平面以下，所述第二附着点560被设置在相对的第二支撑结构(这里未示出)处，并且该第二附着点也被设置在与插销的上边界相切的第一水平面以下。按键茎部被设置在所述第一和第二支撑结构之间。
相应地，第二肌肉导线525被设置成从第三附着点B延伸出来，所述第三附着点B被设置成高于第二水平面或者位于其上方，该平面与插销510的下边界513相切。所述导线525还在插销下方延伸并且与所述下边界513接触，并且其还延伸到第四附着点561，所述第四附着点561也被设置成高于所述第二水平面但是与所述第三附着点B相对。
第一附着点可以等效于第一电极A，其能够为第一肌肉导线527提供第一电流，所述第一电流从第一电极A通过第一肌肉导线527流到容纳第二和第四附着点560、561的第二电极“-。第三附着点可以等效于第三电极B。
图6示意性地示出了提供肌肉导线单元602，以便为小键盘606配备根据图5的实施例的单一触觉反馈设备。可以通过单一肌肉导线设备来激活完整的连续小键盘。肌肉导线为与小键盘606接触的手指提供摁扣(snap)感受或弹拨(pluck)感受，并且由于用户仅仅按下单一按钮，因此他或她将把所述感受与该特定按钮相关联。肌肉导线优选地被设置成在其中心处接合小键盘，在该具体情况中是靠近按键“8”。在这里，小键盘606可以是具有对应于每一个按键的电开关的传统类型的小键盘，但是其也可以是具有触摸传感器的面板或者具有触摸传感器的显示器。
图7示意性地示出了在具有触觉反馈的触摸传感器中如何通过肌肉导线驱动电路来驱动肌肉导线720。触摸传感器701连接到具有微程序控制器705形式的触摸确定设备705，从而当触摸传感器701被触摸时，该微程序控制器705接收来自该触摸传感器的输入信号。微程序控制器705连接到显示器，以便基于输入信号来控制该显示器。微程序控制器还连接到具有放大器715形式的肌肉导线加热单元，以便提供用于控制对肌肉导线720的激活的适当电压。
如下所述，微程序控制器配备有用于控制到肌肉导线720的功率和电流的装置，从而产生独特的触觉反馈。
肌肉导线是由在被加热到超出特定温度时改变形状或尺寸的材料制成的。改变形状/尺寸所需要的特定温度取决于特定材料。在一种实现方式中，肌肉导线720可以由合金制成，该合金被设计成在导线720被加热到超出阈值温度时收缩(即固定长度变得更短)。此外，该合金可以被制造成具有较差的导电性(例如具有电阻特性)。这样，当向导线720施加功率时，所述导线被加热超出阈值温度，从而导致导线720收缩。在一种示例性实现方式中，导线720可以包括由镍和钛制成的被称作“肌肉导线”或“记忆合金”的合金。例如，导线720可以利用NITINOL、FLEXINOL或类似材料制成。
当被加热到超出阈值温度时，根据本发明的导线720可以收缩大约3％到5％。在一种示例性实现方式中，阈值温度的范围可以是从大约88摄氏度到98摄氏度。根据本发明的导线720还可以在从大约62摄氏度到72摄氏度的温度范围内松弛(即返回到加热前的状态)。
下表示出了可以被用在根据本发明的实现方式中的导线720的示例性特性。
  导线直径(毫米)   0.05   0.125
  电阻(欧姆/米)   510   70
  典型功率(瓦特/米)   1.28   4.4
  典型功率下的收缩速度(秒)   1   1
  最大恢复力(克)   117   736
  变形力(克)   8   43
  热容量(焦耳/克)   0.32   0.32
在一种典型的应用中，被馈送到肌肉导线的电能是持续时间为70ms的幅度为5伏特的脉冲和300mA的电流。
在这种应用中，肌肉导线优选地被设置成实现适当的机械偏置张力，从而实现紧绷的导线。这样便于触觉反馈的快速反应时间。
此外还提供了一种用于提供触摸传感器的触觉反馈的方法，所述方法包括以下步骤：
-接收关于触摸传感器被触摸的指示。
-基于所述指示提供用于激活与触摸传感器机械连接的肌肉导线的信号，以便在所述触摸传感器上提供机械影响从而充当触觉反馈。
所述机械影响可以是短促的抽动，即30-140ms的短促机械脉冲，从而导致大约0.2-0.4mm的触摸传感器表面的整体或部分的运动。其他适当的触觉反馈模式可以包括两次或多次短促抽动、具有一个或不同频率的振动以及具有不断增大或减小的幅度的振动。
通过根据本发明的配备有触觉反馈的小键盘来控制的设备例如可以是移动站。通过按压小键盘而导致的不同事件可以很快给出不同的触觉反馈模式，从而向所讨论的设备的用户提示某一按键被按压的结果。通过以下措施来控制这些机械模式：为肌肉导线馈送适当地变化的电压，从而按照对应于流经所述导线的电流的加热效应的方式加热所述导线并且导致其收缩。被馈送到导线以便导致机械频率的电流可以是具有对应于所期望的频率的交替的接通及关断周期的电流。由单一脉冲生成单次抽动。

Claims (8)

1、一种输入机件，其配备有用于检测指尖的触摸的装置，其中所述机件配备有用于向所述指尖提供触觉反馈以便确认对所述输入机件的激活的装置，并且其中所述用于提供触觉反馈的装置包括细长的形状记忆金属对象。
2、根据权利要求1的输入机件，其中，细长的形状记忆金属对象是肌肉导线，所述肌肉导线被设置成在所述机件由指尖触摸时被加电，从而使得所述导线收缩并且把具有从所述收缩得到的机械能形式的触觉反馈传递到被设置成与所述指尖接触的所述输入机件的触摸表面。
3、根据权利要求2的输入机件，其中，所述肌肉导线被设置成传送导向指尖的运动。
4、根据权利要求2的输入机件，其包括可以独立控制的第一和第二肌肉导线，其中第一肌肉导线被设置成把所述触摸表面的运动传送到指尖，并且第二肌肉导线被设置成把所述触摸表面的运动传送离开所述指尖。
5、根据权利要求4的输入机件，其中，运动的所述传送是通过以下措施实现的：把第一导线设置在触摸表面下方并且与之平行并且作为两个支撑件之间的紧绷弦，并且令按键茎部近似地在其长度的中间处接触导线，从而把肌肉导线中的增大的张力传送到触摸表面。
6、根据权利要求2的输入机件，其中，触摸传感器连接到触摸确定设备以用于确定输入机件何时被触摸，触摸确定设备进一步连接到肌肉导线加热单元的输入端并且向其提供控制信号，该肌肉导线加热单元的输出端连接到肌肉导线以用于向肌肉导线提供适当的加热电流。
7、根据权利要求2的输入机件，其中，把具有机械能形式的触觉反馈作为从包括以下各项的触觉反馈模式组中选择的机械能传递到所述输入机件的触摸表面：一次短促抽动、两次或多次短促抽动、具有一个或不同频率的振动、具有不断增大和减小的幅度的振动、以及它们的组合。
8、一种通过根据权利要求1的配备有触觉反馈的小键盘来控制的设备，其中通过按压小键盘而导致的不同事件给出不同的触觉反馈模式。
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