CN101681197A - 用于输入设备的力反馈 - Google Patents

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Abstract

一种用于为手指提供触觉反馈以确认输入设备的触摸表面的激活的输入系统、方法及输入设备，包括：至少三个形状记忆金属延长对象，每个对象被设置为可操作地与至少一个偏置装置合作，以及当向手指提供触觉反馈时，在相对于其他形状记忆金属延长对象的不同方向上收缩。

Description

用于输入设备的力反馈
技术领域
本发明总得来说涉及移动终端，更具体地，涉及当在这种终端中输入信息和/或指令时，为用户手指提供触觉反馈的输入系统、输入设备和方法。
现有技术
在例如蜂窝电话的便携式电子终端、便携式电脑以及例如MP3播放器的音乐播放器中使用设备，以在这些电子终端中输入数据和/或信息并且还用以操纵/控制这些终端。此外，输入设备还被用于在此类电子终端的显示器上将光标直线地或者交叉地移动到任何地方，例如，通过移动操纵杆或例如滑动垫按钮形式的导航垫。用于输入和/或控制便携式电子终端的最常用的设备是按键，也就是若干单个按键和/或操纵杆和/或按键或导航垫/板，和/或触摸传感器，和/或触敏显示器。这些输入设备形成了电子终端的所谓的人机接口。
今天许多输入设备提供某种感觉或知觉，也就是，当按下按键或导航垫和/或当移动滑动垫按钮和/或操纵杆时。在具有操纵杆的便携式电脑或蜂窝电话中，当使用操纵杆时，它可以给用户以缓慢/迟缓的感觉或反馈。
这些现有输入设备存在缺点，例如，在一些情况下它们不够持久和安静，它们需要太多空间，特别是考虑到装置高度，在一些情况下由于他们对于操控动作的响应太慢或太快而难以控制。这些缺点使得现有输入设备难于掌控、体积庞大、并且通常价格昂贵。
发明内容
在本发明中，通过为便携式电子终端提供输入设备解决了现有输入设备的缺点，该输入设备使用了由可以改变形状的金属(也就是记忆金属)构成的所谓的记忆金属线(muscle wires)以及偏置装置，以及用于将这些记忆金属线一起激活(activate)的装置，由此研制出更好的和/或更有成本效率的按键、键盘、操纵杆、滑动垫按钮和触摸传感器。
在本发明中，通过为输入设备提供至少三个所谓的记忆金属线(这些记忆金属线是一些拉长的记忆金属)和偏置装置以及在使用输入设备时用于激活记忆金属线的装置，从而产生触觉/力反馈，由此，解决了从触摸传感器处提供触觉反馈的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种输入设备，所述输入设备被提供以用于检测手指的触摸的装置和用于向手指提供触觉反馈以确定输入设备的触摸表面的激活的装置，其中用于提供触觉反馈的装置包括至少三个形状记忆金属延长对象，每个对象被设置为与至少一个偏置装置可操作的互相合作，并且当向手指提供触觉反馈时，在相对于其它形状记忆金属延长对象的不同方向上进行收缩。
根据另一方面，提供了一种输入设备，其中形状记忆金属的延长对象是记忆金属线，这些记忆金属线被设置为响应于手指触摸而被激发，从而这些金属线在不同方向上收缩，并且由于不同定向的收缩而导致的、机械能形式的触觉反馈被传递到被安排为与手指相接触的触摸表面。
根据另一方面，实现了一种输入设备，其中每个记忆金属线被设置为传递来自触摸表面的运动。
还是根据另一方面，提供了一种输入设备，其中每个偏置装置被设置为传递来自触摸表面的运动。
根据另一方面，提供了一种输入设备，其中每个记忆金属线和与其相关联的偏置装置被设置为彼此平行。
还是依照另一方面，输入设备包括四个独立可控、成对安排的记忆金属线，其中每对被设置为传递触摸表面在一个平面中的移动，这些平面彼此垂直。
依照另一方面，提供了一种输入设备，其中，每对中的记忆金属线被设置为相对于彼此传递触摸表面在相反方向中的运动。
根据另一方面，提供了一种输入设备，其中，通过将每个金属线的第一端附着于触摸表面上并将每个金属线的第二端附着于基准面(anvil)，以使得能够向触摸表面传递记忆金属线中增加的张力，来实现对运动的传递。
还是依照另一方面，提供了一种输入设备，其中，每个偏置装置的第一端被附着到触摸表面并且每个偏置装置的第二端被附着到到基准面，以使得该偏置装置能够和与其相关联的记忆金属线合作并至少部分地抵消其他记忆金属线的收缩。
还是根据另一方面，在便携式电子终端中提供的输入系统包括具有触摸表面的输入设备和用于检测手指触摸的装置，以及用于向手指提供触觉反馈以确认触摸表面的激活的装置，其中，用于提供触觉反馈的装置包括至少三个形状记忆金属延长对象，每一对象被设置为与至少一个偏置装置可操作地进行合作，并在相对于其它对象的不同方向上进行收缩；以及至少一个电源单元，配置为向至少一个记忆金属对象提供电力，其中，当向记忆金属对象提供电力时，该记忆金属对象配置为向触摸表面施加力以激活触摸表面的运动从而为手指提供触觉反馈。
还是根据另一方面，提供一种输入系统，其中每个偏置装置都是弹簧。
根据一个方面，提供了一种通过输入设备上的触摸表面向手指提供触觉反馈的方法，包括：检测手指的触摸，将手指的触摸转换成与之对应的信号；在接收到该信号之后，向与触摸表面连接的至少一个延长的记忆金属对象供电；以及，依靠所述至少一个记忆金属对象响应于对该记忆金属对象的供电而在触摸表面上施加力来移动触摸表面，从而，当触摸该表面时实现了对手指的触觉反馈。
还是根据另一方面，提供了一种通过输入设备上的触摸表面向手指提供触觉反馈的方法，包括：向在不同方向上的三个记忆金属对象供电(empower)，从而当触摸表面时实现手指的触觉反馈。
依照另一方面，提供了一种通过输入设备上的触摸表面向手指提供触觉反馈的方法，包括：向成对的四个记忆金属对象供电，使得每对记忆金属对象在与其他平面相垂直的一个平面中激活触摸表面的运动。
还是根据另一方面，提供了一种通过输入设备上的触摸表面向手指提供触觉反馈的方法，其中每对中的记忆金属对象传递触摸表面在彼此相反的方向中的运动。
记忆金属线更能承受机械冲击，并且当其被激活时提供更好更快更精确的输出响应，因此，给滑动垫按钮和/或操纵杆以更好的触觉反馈。此外，记忆金属线很安静，提供了较低的装置高度，它们反应很快，力和力的速度都可以用电控制。此外，报警震动也是可能实现的。此外，由于机械构件的数量不多，本发明也是可靠的并且节省成本。
要强调的是，说明书中使用的术语“包括”是用于说明存在所述的特征、整体、步骤或组件，但并不排除出现或添加一个或多个其他的特征、元件、整体、步骤、组件或其组合。
附图简要说明
下面将参考以下附图详细说明本发明：
图1表示根据本发明的一个实施例，耦合到记忆金属线和偏置装置的输入设备，
图2表示根据本发明的另一个实施例耦合到记忆金属线和偏置装置的输入设备，
图3表示根据本发明配备有输入设备的便携式电子终端，
图4表示根据本发明的输入设备中记忆金属线的一种驱动电路的电路图。
优选实施例的详细说明
典型的输入设备包括滑动垫、按键或键盘、操纵杆、触控区域(例如触控式显示器)和/或手指可滑动区域或可推的针，如便携式计算机中使用的那样，这些装置可操作地与控制单元或处理器相连，其响应于致动和/或触摸将这些转换为模拟或数字信号。这些是已知技术，不再进行详细解释。
此外，在说明书中，术语记忆金属线(muscle wire)用于代表形变记忆金属的延长对象，例如镍钛(Ni-Ti)合金，参见商标Nitinol和Flexinol。依照本发明的记忆金属线当然可以具有其他形状，例如带状或条状，这样当改变形状时金属线可以自己卷起或展开，杆状或棒状，或线/绳/电缆状，及不同的横截面，例如圆形的、三角形的、正方形的、星形的或其他任意适合的横截面。这些类型的记忆金属部件或金属线的功能和性能以后在本说明书中解释。
图1和图2表示使用输入设备10的输入系统，该设备通过输入元件20(例如按钮，键和/或操纵杆)，在便携式电子终端1中输入信息、指令和/或移动/操纵显示器上的光标。在整个说明书中，为简便起见，输入元件20可以被描述为按钮，并且该按钮20通过弹簧(未示出)连接到电子终端1，这样当没有被用户手指触摸和/或致动时，它总是会回到其中心位置。此外，按钮20也可以可操作地连接到电子终端1以便能够输入指令和/或数据，这是已知技术不再详细描述。
图1表示具有三个记忆金属延长对象30a、30b、30c的输入设备10的第一实施例，图2表示具有四个记忆金属延长对象30a、30b、30c、30d的输入设备10的第二实施例。输入设备10安装于便携式电子终端1的合适位置上以进行输入，例如在LCD显示器2之下和/或之上、和/或在小键盘旁边、或如图3所示的作为已知设备的小键盘3的一部分。
在图1的实施例中，输入设备10包括三个记忆金属零件30a、30b、30c(即记忆金属线)，它们连接到一个控制电源单元50，该单元被配置为响应于所检测到的对按钮20的触摸而控制并向金属线30提供电力，所述检测被转换为信号，这些信号被用于响应于所接收到的信号而向相关联的记忆金属线供电，电源单元50在图4中详细示出。此处，为每个记忆金属线30a、30b、30c、30d提供一个电源单元50。在其他实施例中，每个电源可以向不止一个金属线加电，每个电源的一对金属线，和/或各电源可以并行地耦合在按钮/操纵杆20的同一侧以节省空间。按钮可以在任意方向移动，但最好在x，y方向移动，在一些应用中，也可以在z方向移动。每个记忆金属线30可操作地连接到偏置装置40(在这个实施例中为弹簧)并设置为与这个弹簧并行，也可以可操作也将第一端连接到按钮20并将第二端连接到基准面，在这个实施例中，所述基准面为电子终端1的足够稳固的部分，以将记忆金属线中增加的张力传递给按钮20的触摸表面。弹簧40a、40b、40c用与记忆金属线同样的方式进行安装。
图1和图2中的记忆金属线30a、30b、30c、30d和与它们相关联的弹簧40a、40b、40c、40d在同一个平面定向，即，各个附图中的平面，其中，在图1中彼此之间是120°的角度，而在图2中是90°，如在360°的圆中所看到的。这个角度可以以不同方式选取，对称或不对称的模式或分布，也就是说，如果使用超过四个记忆金属线，例如五个记忆金属线那就是72°，如果使用六个记忆金属线那就是60°，或者，如果需要的话，作为使用六个记忆金属线的例子，右下象限中的记忆金属线(在图2中示意性的以两条虚线示出两个记忆金属线)以45°的角度来分布，对于左上象限同样如此，而形成右上和左下象限的记忆金属线则以他们之间90°的角度来分布。
当对每个金属线30供电时，该金属线配置为在按钮20上施加力以将其致动为对于用户的警报或震动(例如当处于游戏模式时)，或从按钮的触摸表面向手指提供触觉反馈。可以分开地和独立地、成对地、交替地、或者以任何适合的方式给这些金属线供电，例如通过使用脉宽调制(PWM)达到最佳转换效率，其中调制对应于所施加的力。收缩力则将与金属线中的平均电流成正比。对每个金属线30a、30b、30c、30d的加电是以如下方式完成的：通过加电来加热第一金属线使在一个方向上收缩，当对该金属线的供电中断时，该金属线冷却并对第二金属线供电使其加热并收缩，由此通过第一金属线的收缩的相反方向上拉伸来伸展第一金属线。对交替的金属线收缩的控制可以导致按钮20的交替运动，因此为手指提供了触觉反馈。然后，将按钮20的运动馈送，也就是借助于反馈环路51经由控制单元52耦合回到相关联的记忆金属线30a、30b、30c、30d，由此借助于这些金属线来对按钮的致动进行精确控制。电动执行来自按钮20的信号的反馈。这是通过使用可调节的/可变的电阻来完成的，所述电阻也就是可以针对按钮20的运动、电容性反馈/静电反馈或光学反馈进行调节的电阻，以控制/显示显示器2上的一个或多个光标的运动和位置。每次可以向多于一条的金属线供电，也就是说，两条(一对)或多条金属线可以并行加电，但是向金属线加电的首选方式是顺次加电。
图4表示电源单元50，在这个实施例中，它包括四个功率放大器50，也就是说，一个功率放大器50可操作地与四个记忆金属线30a、30b、30c、30d中的每一个相连。这四个功率放大器50分别加电，并由控制单元52控制，该控制单元具有可操作地耦合到每个功率放大器50来进行致动的数字/模拟(DA)或PWM端口，以及模拟/数字(AD)或输入/输出(I/O)端口，后者经由反馈线路51可操作地耦合到按钮20以便对按钮和金属线进行更好更精确地控制和供电。这是通过从按钮20经由反馈线路51耦合回X-和Y-信息来完成的，也就是说，按钮20在X和Y方向上的运动/位置(如图1-2，4所示)经由AD或I/O端口反馈回控制单元52，由此，控制单元52控制按钮20中的电阻(也就是，按钮/操纵杆中的力反馈)以及作为其响应而对金属线的供电。
作为一个例子，第一金属线30a被供电，这样，当从其功率放大器50供应的电力对其加热时所述第一金属线在一个方向中收缩，并且与它相关联的弹簧40a在同一个方向拉伸，这样，当中断对第一金属线30a的电力供应时，金属线30a冷却而其他弹簧40b和40c和/或其他金属线30b和30c通过在不同方向(即不同于第一金属线的方向)拉伸而伸展第一金属线30a。此外，两条金属线，例如30a和30b可以首先收缩，而第三金属线30c可以在前面这些金属线之后收缩以对他们进行伸展。在第一实施例中，金属线30a、30b、30c收缩而弹簧40a、40b、40c沿着对应于它们的120°分布的方向拉伸，成对地同时进行或分别进行和/或以交替方式进行。在第二实施例中，金属线30a、30b、30c、30d可以以不同方式供电。一种方式是分别和/或交替为每条金属线供电，另一种方式是向一对金属线供电，例如金属线30a和30b，这样，它们在与其他对金属线30c和30d收缩时的收缩方向相垂直的一个方向上收缩。另一种方式是交替向第一对金属线30a和30c供电，这样它们在一个平面中在相反方向上但并不同时地收缩，而其他对金属线30b和30d也在彼此相反的方向上而在与第一对金属线30a和30c的运动平面相垂直的平面上收缩。这也意味着第一对金属线30a和30c的弹簧40a和40c与它们配对的(twin)金属线相合作，即，弹簧40a与金属线30a协作而它抵消与金属线30a相对的金属线30c。这同样适用于弹簧40b和40d以及另一对中的金属线30b和30d。此外，在其他实施例中，只有一条或多条弹簧40a、40b、40c可以被用于在一个方向上拉伸，而只有一条或多条金属线30a、30b、30c可以在另一个方向上拉伸，例如弹簧拉伸方向的反方向。
在图1和2的实施例中，通过以下步骤来执行用于致动按钮20和经由按钮的触摸表面为手指提供触觉反馈的方法：检测对按钮20的触摸或致动，将该检测转换为信号，经由反馈线路51发送该信号以及在A/D或I/O端口接收对应于触摸的该信号，以及在接收到该信号之后并且根据该信号借助于控制单元为相关的功率放大器50供电，而为一条或多条记忆金属金属线30a、30b、30c、30d提供电力，由此，响应于提供给金属线的电力来致动按钮。
图3是具有根据本发明的输入系统/设备10的示例性便携式电子设备或移动终端1的示意图。此处所使用的术语“便携式电子设备”或“移动终端”可以包括图3中的蜂窝无线电话，但也可以是例如组合了蜂窝无线电话与数据处理、传真及数据通信能力的个人通信系统(PCS)终端；也可以是包括无线电话、寻呼机、互联网/内部网接入、网页浏览器、管理器、日历和/或全球定位系统(GPS)接收机的个人数字助理(PDA)；也可以是包括无线电话收发器的传统膝上型电脑和/或掌上电脑接收器或其他设备。移动终端可以被称为“普适计算”设备，并且也可包括照相机。可以理解的是，本发明可以在包括输入系统或输入设备的其他设备或系统中实现，所述输入系统或者输入设备被远程连接到一个设备而在该设备到该输入系统之间没有物理连接，例如以无线方式。
记忆金属线30a、30b、30c、30d是由以下材料制造的：该材料在被加热超过特定温度时会改变形状或尺寸。改变形状/尺寸所需的特定温度取决于特定材料。在一个实施例中，记忆金属线可以用合金(alloy)做成，该合金被设计为当金属线30a、30b、30c、30d被加热超过阈值温度时就收缩(即固定长度变短)。此外，可以将该合金制造为具有不良导电性(例如，具有阻抗特性)。以这种方式，当对金属线加电时，金属线被加热超过阈值温度，由此导致金属线收缩。
与本发明一致，当加热超过阈值温度时，金属线30a、30b、30c、30d可以收缩3％到5％。在示例性实现中，阈值温度的范围大概可从88到98摄氏度。与本发明一致，金属线在大概62到72摄氏度的温度范围内也可以松弛下来(即，回到加热之前的状态)。
下表表示了可用于与本发明一致的实现方式中的金属线30a、30b、30c、30d的示例性特征。
  金属线直径(毫米)   0.05   0.125
  电阻(欧姆/米)   510   70
  典型功率(瓦特/米)   1.28   4.4
  典型功率处的收缩速度(秒)   1   1
  最大恢复力(克)   117   736
  变形力(克)   8   43
  热容(焦耳/克)   0.32   0.32
在典型应用中，反馈给记忆金属线30a、30b、30c、30d的电能是70微秒内幅度为5伏特的脉冲，300毫安的电流。

Claims (17)

1、一种输入设备，装备有用于检测手指触摸的装置和用于为手指提供触觉反馈以确认该输入设备的触摸表面的激活的装置，其中，用于提供触觉反馈的装置包括至少三个形状记忆金属延长对象，这些对象中的每一个被设置为可操作地与至少一个偏置装置合作，并且当为手指提供触觉反馈时，在相对于其他形状记忆金属延长对象的不同方向上收缩。
2、根据权利要求1的输入设备，其中，这些形状记忆金属延长对象是记忆金属线，所述记忆金属线被设置为相应于手指的触摸而被供电，从而，金属线在不同方向收缩，并且，由于不同定向的收缩而导致的、机械能形式的触觉反馈被传递给被设置为与手指相接触的触摸表面。
3、根据权利要求2的输入设备，其中每条记忆金属线被设置为传送从触摸表面导出的运动。
4、根据权利要求2的输入设备，其中每个偏置装置被设置为传递从触摸表面导出的运动。
5、根据以上任一权利要求的输入设备，其中每条记忆金属线和与其相关联的偏置装置设置为彼此平行。
6、根据权利要求2的输入设备，包括四条独立可控并且成对设置的记忆金属线，其中每一对被设置为传送触摸表面在一个平面中的运动，这些平面彼此垂直。
7、根据权利要求1或6的输入设备，其中每对中的记忆金属线被设置为相对于彼此传送触摸表面在相反方向上的运动。
8、根据权利要求2的输入设备，其中通过将每条金属线的第一端附着到触摸表面并且将每条金属线的第二端附着到基准面以允许将记忆金属线中增加的张力传送到触摸表面，来实现运动的传送。
9、根据权利要求8的输入设备，其中每个偏置装置的第一端被附着到触摸表面并且每个偏置装置的第二端被附着到基准面以使得偏置装置与相关联的记忆金属线协作并至少部分地抵消其他记忆金属线的收缩。
10、根据权利要求2的输入设备，其中触摸传感器被连接到触摸测定设备以确定触摸表面何时被触摸，所述触摸测定设备进一步连接到记忆金属线加热单元的输入端，并向记忆金属线加热单元提供控制信号，该记忆金属线加热单元具有与每个记忆金属线连接的输出端，用于向记忆金属线提供适合的加热电流。
11、根据权利要求2的输入设备，其中机械能形式的触觉反馈作为选自一个触觉反馈模式组的机械能而被传递给触摸表面，该触摸反馈模式组由以下各项组成：一个短的抽动、两个或更多个短的抽动、一个或不同频率的震动以及上升和下降幅度的震动，以及他们的组合。
12、一种被提供于便携式电子终端中的输入系统，包括具有触摸表面的输入设备和用于检测手指触摸的装置，以及用于为手指提供触觉反馈以确认触摸表面的激活的装置，其中所述用于提供触觉反馈的装置包括至少三个形状记忆金属延长对象，这些对象中的每一个被设置为可操作地与至少一个偏置装置合作并且在相对于其他对象的不同方向上收缩；以及至少一个电源单元，配置为为至少一个记忆金属对象提供电力，其中，当为记忆金属对象提供电力时，该记忆金属对象被配置为在触摸表面施加压力以致动该触摸表面的运动，从而向手指提供触觉反馈。
13、如权利要求12的输入系统，其中每个偏置装置是弹簧。
14、一种通过输入设备上的触摸表面向手指提供触觉反馈的方法，包括：检测手指的触摸，将手指的触摸转换为与之对应的信号；在接收到该信号之后，为连接到触摸表面的至少一个延长的记忆金属对象提供电力；以及响应于电力被提供给该记忆金属对象，而借助于所述至少一个记忆金属对象在触摸表面上施力来移动触摸表面，从而，当触摸所述表面时就实现了对手指的触觉反馈。
15、如权利要求14的方法，包括：向不同方向的三个记忆金属对象供电，从而，当触摸所述表面时就实现了对手指的触觉反馈。
16、如权利要求14的方法，包括：向成对的四个记忆金属对象供电，从而，每对记忆金属对象致动所述触摸表面在与其他平面相垂直的一个平面中的运动。
17、根据权利要求16的方法，其中每对中的记忆金属对象相对于彼此传送触摸表面在相反方向中的运动。
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