CN101796471A - 摩擦力动态变化的阻力致动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在旋钮上产生触觉效果的系统包括电线圈和芯。在线圈上施加第一级电压以实现具有第一摩擦系数的第一表面交界，并且通过改变电压产生第一触觉效果。在线圈上施加第二级电压以实现具有比第一摩擦系数大的第二摩擦系数的第二表面交界，并且通过改变电压产生第二触觉效果。

Description

摩擦力动态变化的阻力致动器
技术领域
本发明的一个实施例涉及触觉反馈。更具体地，本发明的一个实施例涉及具有触觉反馈的旋钮。
背景技术
电子设备制造商力求生产丰富的用户界面。常规设备使用视觉和音觉提示来向用户提供反馈。在一些界面设备中，动觉反馈(诸如主动和阻力反馈)和/或触觉反馈(诸如振动、纹理和热度)也被提供给用户，这些通常统称为已知的“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈可以提供增强并且简化用户界面的提示。
触觉反馈已在旋钮或其它类型的电机械设备(诸如机械开关和编码器)上实现以形成灵活的用户界面。大量可用的触觉反馈(包括掣子、障碍和振动)给用户提供了可用性、设计和成本上的优点。
通常，触觉反馈形成在具有马达致动器系统或制动致动器系统的旋钮上。马达致动器系统施加作用力来阻挡或增强用户的运动。然而，由于马达总是使系统能量增大，因此它会变得不稳定。另外，马达致动器系统需要相对大且贵的马达来形成所需大小的扭矩。
相反地，制动致动器系统采用制动致动器，其通过摩擦消散能量和阻止用户运动。制动致动器系统通常比马达致动器系统小和便宜，并且因为其将能量抽离系统，因此不会变得不稳定。
具有制动致动器系统的已知旋钮上的一个问题是必须在两刚性金属设备之间维持磁气隙。该磁气隙通常必须保持在严格的公差内，由此使得设备的制造昂贵且困难。另外，具有制动致动器的已知旋钮通常只包括一级摩擦制动。然而，某些预期的触觉反馈如果包括多级摩擦力则更有效。基于上述内容，需要一种改进的摩擦制动致动器系统。
发明内容
一个实施例是用于在旋钮上产生触觉效果的系统。该系统包括电线圈和芯体。在线圈上施加第一级电压以实现具有第一摩擦系数的第一表面交界，并且通过改变电压产生第一触觉效果。在线圈上施加第二级电压以实现具有比第一摩擦系数大的第二摩擦系数的第二表面交界，并且通过改变电压产生第二触觉效果。
附图说明
图1是根据一个实施例的旋钮的透视图；
图2是根据一个实施例的旋钮的透视剖切图；
图3是根据一个实施例的控制器在产生触觉效果时的功能流程图；
图4是根据另一实施例的旋钮的透视剖切图；
图5是根据又一实施例的旋钮的透视剖切图。
具体实施方式
一个实施例是具有阻力致动器的旋钮，所述阻力致动器通过改变表面交界具有摩擦力的动态变化。
图1是根据一个实施例的旋钮10的透视图。旋钮10包括底部14、旋转轴12和触觉控制器16。旋转轴12可以接合到旋钮或可由用户转动的其它设备。控制器16可以包括处理器和储存由处理器执行的指令的储存器。控制器16产生在用户转动旋转轴12时施加的触觉效果。控制器16可以设置在底部14外部(如图1所示)或底部14内部。
图2是根据一个实施例的旋钮10的透视剖切图。旋钮10包括接合到旋转圆盘26或任何其它类型旋转元件的轴12。在一个实施例中，旋转圆盘26由镀镍钢或任何可受到磁力吸引的材料形成。当用户转动轴12时，旋转圆盘26和轴12绕轴线A旋转。
磁芯24和电磁线圈20包围轴12。电磁线圈20连接到电源(未示出)，并且在通电时使磁芯24以已知方式产生磁力。在一个实施例中，电磁线圈20由铜线圈形成，磁芯24由铜筒管(copper bobbin)形成。然而，电磁线圈20和磁芯24也可以由实现在通电时形成磁力的任何其它材料形成。
垫圈32或其它类型的隔离元件沿垫圈32的内周环在部分33处接合至旋转圆盘26。垫圈32的其余部分延伸跨过围绕旋转圆盘26底侧形成的凹槽34。垫圈32具有柔性，因此当其外周在凹槽34内前后弯曲时可借助悬臂效应起到弹簧的作用。在一个实施例中，垫圈32由青铜形成，但是它也能由任何提供可接受水平的摩擦和柔软度的材料形成。
摩擦环18或其它类型的摩擦元件与磁芯24接合。摩擦环18在表面界面42处接触垫圈32(“第一表面交界”)，这样借助于摩擦对轴12的旋转提供制动效果。当给线圈20施加第一级电压时，由于旋转圆盘26受磁芯24磁性吸引，因此与摩擦环18接触的垫圈32上的法向作用力增大。通过环18和垫圈32的接触形成的摩擦量提供了较低的摩擦系数，并且通过第一级电压的施加来实现/控制。在一个实施例中，摩擦环18由热塑性聚合物、缩醛树脂、或提供所需摩擦力和磨损特性的任何其它材料形成。
除了在摩擦环18和垫圈32的接触区域上提供摩擦之外，非弯曲状态下的垫圈32还在旋转圆盘26和磁芯24之间提供磁路气隙40。
当给芯体20施加比第一级电压大的第二级电压时，磁芯24和旋转圆盘26之间的磁吸力进一步增大。这使得垫圈32弯入凹槽34，而这又最终导致间隙40闭合以及允许旋转圆盘26接触磁芯24(“第二表面交界”)。在一个实施例中均为金属表面的旋转圆盘26和磁芯24的交界处的摩擦系数远大于摩擦环18和垫圈32的交界处的摩擦系数。
在操作中，触觉效果可以利用第一级磨擦或第二级摩擦并且改变电压以便摩擦量能够在各个水平程度内变化来产生。例如，可以通过摩擦环18和垫圈32的第一表面交界来产生诸如制动的触觉效果，同时维持间隙40。由于间隙40的存在，作用于磁芯24上的电压的大变化将导致扭矩发生小变化，这对于制动效果来说是理想的。可以通过在维持间隙40的范围内改变电压来产生复杂的触觉效果。
当作用于磁芯24的电压值明显增大时，间隙40闭合，旋转圆盘26接触磁芯24，这样产生明显增大的第二级摩擦。这种较大的摩擦量可用于形成“硬”阻力触觉效果，诸如障碍效果。另外，该第二表面交界所具有的较高摩擦系数允许在低磁力下获得高扭矩，这是有利的。当电压量降低或消除时，垫圈32的弹簧效应致使旋转圆盘26和磁芯24分开以重新形成间隙40。另外，在第二表面交界被实现的期间内，也可以实现第一表面交界(即，旋转圆盘26和磁芯24接合，摩擦环18和垫圈32接合)。然而，第二表面交界在总体上确定了摩擦量，因为它具有比第一表面交界高出很多的摩擦系数。
在一个实施例中，控制器16确定将表现出哪种触觉效果，以及这些触觉效果基于高水平参数的表现顺序。通常，定义特定触觉效果的高水平参数包括振幅、频率和持续时间。特定触觉效果可以包括由第一表面交界、第二表面交界或这两种交界的任何组合所产生的摩擦。图3是根据一个实施例的控制器12在产生触觉效果时的功能流程图。图3的功能可由硬件或软件、或者硬件或软件的任何组合来实现。
在步骤102，确定产生触觉效果所需要的摩擦程度。所需摩擦程度通常是由特定触觉效果决定的。例如，制动效果需要较低的摩擦程度，而障碍效果需要较高的摩擦程度。
如果需要较低的摩擦程度，则在步骤106，向线圈20施加一电压量以实现第一表面交界(即，垫圈34和摩擦环18)，同时维持间隙40。如果需要较高的摩擦程度，则在步骤108上，向线圈20施加一电压量以实现第二表面交界(即，旋转圆盘26和磁芯24)，并且使间隙40闭合。在第二表面交界被实现的同时，也能够实现第一表面交界。
图4是根据另一实施例的旋钮50的透视剖切图。在旋钮50中，盘56不具有凹槽。作为替代的，在摩擦环18接触垫圈32形成第一表面交界的相对侧上，弹簧52接合至摩擦环18。在一个实施例中，弹簧52为青铜垫圈。弹簧52还接合至线圈20以形成悬臂弹簧效果。当作用于线圈20的电压超过足够水平时，弹簧52朝向磁芯24的表面54弯曲，从而使间隙40闭合。盘56和磁芯24的交界为第二表面交界。在其它方面，旋钮50的操作方式与旋钮10相似。
图5是根据另一实施例的旋钮70的透视剖切图。在图5的实施例中，摩擦元件76通过悬臂构造的弹簧延伸件75接合至线圈74。当向线圈74施加第一级电压时，摩擦元件76接触垫圈32，从而实现第一表面交界。当施加于线圈74的电压超过足够水平程度时，摩擦元件76朝向磁芯24弯曲，从而使间隙40闭合。盘56和磁芯24的交界为第二表面交界。在其它方面，旋钮70的操作方式与旋钮10相似。
如所公开的那样，这些实施例通过使用产生两种截然不同的摩擦系数的至少两种表面交界提供变化且更有效的触觉效果。
在本文中具体说明和/或描述了几个实施例。然而，将认识到：本发明的改进和改变被上述教导所覆盖，并且落在所提交的权利要求的范围内，同时不脱离本发明的精神和预期范围。
例如，虽然公开了旋钮，但是本发明能够被用在任何实现阻力触觉效果的设备中，例如包括操纵杆、旋转滚轮或滑块。

Claims (24)

1.一种阻力触觉致动器，其包括：
电线圈；
与所述电线圈接合的芯体；
具有第一摩擦系数的第一表面交界，其通过给所述电线圈施加第一级电压实现；以及
具有第二摩擦系数的第二表面交界，其通过给所述电线圈施加第二级电压实现。
2.如权利要求1所述的阻力触觉致动器，其还包括：
摩擦元件；以及
与所述摩擦元件接合的弹簧。
3.如权利要求2所述的阻力触觉致动器，其中，所述第一表面交界包括所述摩擦元件和一表面。
4.如权利要求3所述的阻力触觉致动器，其还包括：
轴；以及
与所述轴接合的旋转元件；
其中所述第二表面交界包括接触所述芯体的所述旋转元件。
5.如权利要求4所述的阻力触觉致动器，其还包括：
接合于所述旋转元件和所述芯体之间的隔离元件，其在所述电线圈未被施加电压时在所述旋转元件和所述芯体之间形成间隙。
6.如权利要求5所述的阻力触觉致动器，其中，所述隔离元件是所述表面。
7.如权利要求5所述的阻力触觉致动器，其中，所述隔离元件是所述弹簧。
8.如权利要求1所述的阻力触觉致动器，其还包括触觉控制器，其控制所述第一和第二级电压以实现触觉效果。
9.如权利要求2所述的阻力触觉致动器，其中，所述摩擦元件与所述电线圈接合。
10.一种产生触觉效果的方法，其包括：
施加第一级电压以实现第一表面交界以及产生第一触觉效果；以及
施加第二级电压以实现第二表面交界以及产生第二触觉效果。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一表面交界产生第一摩擦系数，所述第二表面交界产生第二摩擦系数。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一表面交界包括抵靠一表面的摩擦元件。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二表面交界包括抵靠与所述轴接合的旋转元件的芯体。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述摩擦元件与一弹簧接合。
15.如权利要求11所述的方法，其中，在一旋转轴上产生所述第一和第二触觉效果。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述轴与一旋转元件接合，并且被磁性线圈和芯体包围。
17.如权利要求16所述的方法，其还包括当施加所述第一级电压时在所述旋转元件和所述芯体之间维持一气隙。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括当施加所述第二级电压时消除所述气隙。
19.一种用于产生触觉效果的系统，其包括：
用于施加第一级电压以实现第一表面交界并且产生第一触觉效果的装置；以及
用于施加第二级电压以实现第二表面交界并且产生第二触觉效果的装置。
20.一种在其上存储有指令的计算机可读介质，其在由处理器运行时使处理器通过以下方式产生触觉效果：
施加第一级电压以实现第一表面交界以及产生第一触觉效果；以及
施加第二级电压以实现第二表面交界以及产生第二触觉效果。
21.如权利要求1所述的致动器，其中，所述第二摩擦系数大于所述第一摩擦系数。
22.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二摩擦系数大于所述第一摩擦系数。
23.一种产生触觉效果的方法，其包括：
施加第一电压量以实现第一表面交界并且维持气隙；以及
施加第二电压量以实现第二表面交界并且使所述气隙闭合。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述第一电压量小于所述第二电压量。
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