CN102362242A - 具有触觉反馈的数据输入装置 - Google Patents

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Abstract

数据输入装置(30)，该数据输入装置(30)包括具有触摸感应机构(28)的触摸输入接口(14)；以及材料的多个区域(22、22a-22g、32)，所述材料被设置为根据施加的电压的施加改变其形状、大小或流变能力。该数据输入装置(30)被设置为在通过所述触摸感应机构(28)检测到用户在材料的最后区域(22d、22g、32)的触摸时，通过在这个区域施加电压来至少临时地激活被用户触摸的材料的最后区域(22d、22g、32)，以改变这个区域中材料的形状/大小/流变能力，并由此提供被所述用户触摸的最后区域(22d、22g、32)的触觉指示。

Description

具有触觉反馈的数据输入装置
技术领域
本发明涉及数据输入装置和包括数据装置的设备。
背景技术
很多便携式电脑或者电子设备(如笔记本电脑、移动电话、便携式多媒体播放器)包含触觉数据输入装置，该触觉数据输入装置包括触摸输入接口，如触摸板、轨迹球、调节手轮或者点拨轮，用于例如从菜单上滚动或者选取条目。用户通过触摸并移动触摸输入接口或者在触摸输入接口上触摸并且滑动手指或者触控笔来提供输入。
这种触觉数据输入装置的问题在于没有向用户提供关于触摸输入接口的移动、位置或者趋向的触觉反馈。因此，用户是“触摸盲”，因为他/她不能使用他/她的触觉感受他/她在电脑或者电子装置上的动作的效果，而必须依赖于来自电脑或电子装置的视觉或者听觉响应。比如，仅通过触摸触摸输入接口，即不看显示器或不听设备提供的音频反馈信号，用户不能感觉他/她之前通过触觉输入装置的触摸输入接口选择的音量级。
发明内容
本发明的目的是克服或者改善现有技术的至少一项缺点，或者提供有用的替代。本发明进一步的目的是提供一种向用户提供触觉反馈的改进的数据输入装置。
通过一种数据输入装置来达到这些发明目的中的至少一个，该数据输入装置包括：具有触摸感应机构的二维或者三维的触摸输入接口；以及材料的多个区域，即任何大小或者形状的区域或者体积，该材料被设置为通过电压的施加来改变其形状、大小或者流变能力。数据输入装置被设置为在通过触摸感应机构检测到用户在材料的最后区域的触摸时，通过在这个区域施加电压来至少临时地激活被用户触摸的材料的最后区域，以改变这个区域中材料的形状/大小/流变能力，并由此提供被用户触摸的最后区域的触觉指示。各区域可以包括电极或者被设置为使得电压能够施加到电极上，以改变这个区域中的至少部分材料的形状、大小和/或流变能力，单对电极例如可以被设置为激活材料的多个区域。触摸输入接口优选地是固定的，即相对于数据输入装置和/或包含数据输入装置的设备是不可移动和不可旋转的。
这种数据输入装置为用户提供了简单、直觉的触觉指示，该触觉指示指示了用户的手指/触针在触摸输入接口上的先前移动/位置。由于触摸输入接口被设置为不具有移动/旋转的机械部分，这消除了可以发生在包含有移动/旋转机械触觉指示器(如传统的机械滑块或者滚轮)的数据输入装置中的潜在故障。用户例如可以用指尖或者触控笔仅通过触觉上确定沿着触觉输入接口触觉指示已经被提供了到了什么程度，而无需察看显示器上的图形图标或者倾听声音反馈信号，就可以感知经由线性触摸输入接口选择的音量级(即音量是高还是低)。
表述“触摸输入接口”意在表示一种接口，用户经由该接口通过触摸和移动触摸输入接口或者通过在触摸输入接口上进行触摸并滑动手指、触控笔或者其他物体来提供输入，如命令和/或信息。“触摸输入接口”不打算包含这种接口，如按钮或者触摸屏区域，经由按钮或者触摸屏区域用户仅通过触摸或者按压所述接口来提供输入。触摸输入接口例如可以用来控制一个或者更多个装置的一个或者更多个功能，以在装置的一个应用中或者在不同应用之间进行导航或者滚动，或者控制装置的显示器上的鼠标并由此选择不同的功能、命令或者应用。
应当注意的是，“材料的多个区域”不是必须意味着材料的各区域都是分离的、和其他区域区分开的。根据本发明的数据输入装置也就是可以包括材料的单个区域/体积，通过在所述材料的区域/体积内设置电极来有效地将该区域/体积分为多个区域，以本地地激活材料的区域/体积的一个或者更多个部分。
应当理解，根据本发明的数据输入装置不必被设置为激活材料的单个区域，而是可以被设置为激活材料的多个临近区域，易于实现用户触摸的材料的最后区域(一个或者更多个)的触觉指示。
根据本发明的实施方式，材料是电活性聚合物(EAP)(也被称为“电子肌肉”或者“人造肌肉”)，当对电活性聚合物施加电压时，电活性聚合物的大小/形状被可逆地改变。另选地，材料可以是智能流体，通过施加电场或者磁场可以改变智能流体的特性，该智能流体诸如为电流变流体，其粘性和体积可以响应于施加的电场可逆地改变。材料可另选地为压电材料，当对其施加电场(被称为逆压电效应)，它的尺寸会发生改变(可逆地)。数据输入装置包括多种不同材料，这些材料被设置为根据在它们的不同区域上对施加电压的施加来改变这些材料的形状、大小或者流变能力。
根据本发明的实施方式，数据输入装置被设置为在通过触摸感应机构检测到用户在材料的被用户触摸的所有区域中的触摸时，通过对用户触摸的区域施加电压来至少临时地激活材料的被用户触摸的所有区域，以改变这些区域的各区域中材料的大小/形状。因此用户将感觉到他/她好像正在移动他指尖/触控笔下面的虚拟机械滑块，由于相继被激活的区域会跟随他/她的指尖/触控笔的移动。
根据本发明的另一实施方式，数据输入装置被设置为：如果/当用户相继地触摸与被激活的材料区域邻近的材料区域，则诸如通过消除施加在被激活的材料区域上的电压而使得被激活的材料区域变得被去激活，使得该区域中的材料恢复其原始形状/大小或者恢复被去激活的形状/大小。
根据本发明的进一步的实施方式，数据输入装置被设置为对相继激活的区域施加相继增加/减小的电压。
根据本发明的实施方式，数据输入装置被设置为使得被用户触摸的最后区域还提供触觉反馈，如使得所述最后区域脉动、振动、加热、冷却或者移动。
根据本发明的另一实施方式，数据输入装置被设置为：当触摸输入接口/数据输入装置不工作时，即当输入接口/数据输入装置已经被关闭或者已经不使用预定时间时，去激活所有材料激活区域。通过这种方式，可以在输入接口/数据输入装置不工作时，节省电池和处理电源。根据本发明的进一步实施方式，数据输入装置包括存储单元，该存储单元被设置为存储与材料的被用户触摸的最后区域或者用户喜好有关的信息。数据输入装置被设置为当触摸输入接口/数据输入装置重新工作或应来自用户的请求时，使用存储单元中的信息来重新激活材料的被用户触摸的被去激活的最后区域。
根据本发明的另一实施方式，触摸输入接口为平面、为盘的形式或者构成三维形状的至少一部分，可操作为例如基于在触摸表面上用户接触的位置将数据输入到处理器中。
根据本发明的进一步的实施方式，材料的多个区域被设置为覆盖触摸输入接口的整个区域/体积，以致当用户在触摸输入接口上滑动指尖/触控笔时，能够提供更顺滑和更连贯的感觉。
本发明还涉及一种设备，该设备包括根据本发明任一实施方式的数据输入装置。该设备可以是便携式设备，如移动电话、媒体播放器、个人通信系统(PCS)终端、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、游戏控制台、综合控制台(mixing console)、掌上接收器、相机或者电视。
根据本发明的实施方式，该设备的触摸输入接口凹入该设备的表面，以在该设备掉落的情况下保护任何激活的区域免受损害，或者防止任何去激活的区域被偶然激活。
附图说明
以下将结合所附的示意图通过非限制性示例来进一步描述本发明，附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的装置；
图2和图3示出了根据本发明实施方式的数据输入装置的触摸输入接口的横截面；
图4示出了根据本发明实施方式的数据输入装置；
图5示出了根据本发明实施方式的触摸输入接口和常规的机械控制接口；
图6示出了根据本发明实施方式的触摸输入接口；
图7和图8示出了根据本发明实施方式的数据输入装置的触摸输入接口的横截面。
应当注意的是，以上附图不是按比例绘制的，为了清楚起见，某些特征的尺寸被放大。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施方式的设备10，即移动电话。设备10包括：显示器12，如阴极射线管、平板显示器、发光二极管(LED)显示器、电致发光显示器(ELD)、等离子体显示面板(PDP)或者液晶显示器(LCD)；以及触摸输入接口14，该触摸输入接口14被显示为例示的实施方式中的平坦的二维矩形区域。应当注意的是，触摸输入接口14可以构成装置的显示器12的至少一部分。
图2示出了根据本发明实施方式的数据输入装置的触摸输入接口14的横截面。在例示的实施方式中，触摸输入接口14包括透明或者不透明的弹性遮挡层16，如柔性硅树脂层，该弹性遮挡层16具有构成设备10的外表面的上表面。遮挡层16下面设置有固体基板18。固体基板18包括多个腔体20，在例示的实施方式中，该多个腔体20通过固体基板18完全扩展，虽然这对本案来说不是必须的。
各腔体20包含材料的区域22a、22b、22c、22d和22e，该材料被布置为根据对施加的电压的应用而改变形状、大小或流体能力。材料可以是电活性聚合物(EAP)，如离子电活性聚合物或者离子性聚合物-金属复合材料，或碳纳米管。各腔体20可以完全地填充有EAP或者部分地填充有EAP，其中，在部分地填充有EAP的情况下，EAP例如可以由凝胶形式的电解质24包围，以保护EAP。
各腔体20设置具有两个电极26，当在电极26之间施加电压时，EAP 22a、22b、22c、22d、22e发生反应并且改变其大小。由于遮挡层16比腔体20的底部和侧壁更加柔韧，因此EAP将膨胀或者收缩，由此使活性的EAP区域中的柔性遮挡层16升高或者降低。
在例示的实施方式中，设备10包括位于固体基板18下方的触摸感应机构28，该触摸感应机构28可以包括电阻性、电容性或者压电性触摸面板。显示器12可以设置在触摸感应机构28下面。根据本发明的另选的实施方式，触摸感应机构28可以包括压电材料，该压电材料被设置为产生可以用于在用户触摸该触摸输入接口14时改变EAP 22a、22b、22c、22d、22e的大小/形状/流变能力的施加电压。
如果用户沿着遮挡层16从区域22a滑动他/她的手指到区域22d，以增加设备10正在播放的音乐的音量，施加到触摸输入接口14上的压力将会驱使EAP区域22a-22d和环绕的电解质向下压迫到下面的触摸感应机构28上。用户作出的数据输入/选择将会传送到设备10适当的部分，如传送到设备10的控制单元，正在播放的音乐的音量将会改变到用户所选择的水平。通过向区域22d的电极施加电压，设备10将至少临时激活EAP的由用户触摸的最后区域22d，以改变该区域22d的材料的大小，并由此提供由用户触摸的最后区域22d的触觉指示。
图3示出了用户触摸的EAP的最后区域(区域22d)被激活时图2中所示出的触摸输入接口14。应当注意的是，激活区域22d可另选地相对于周围区域22a、22b、22c和22e降低，以变提供用户所触摸的最后区域22d的触摸指示。还应当注意的是，遮挡层16可以包括开口，以在EAP被激活/去激活(如图3所示)时容许EAP的区域22d膨胀/收缩，而不是能够膨胀或收缩的弹性层。
根据本发明的实施方式，设备10被设置为，通过在由触摸感应机构28感测到这些区域22a-22d中的用户的触摸时在所有这些区域22a-22d的电极26上顺序地施加电压，来至少临时地激活用户所触摸的材料的所有区域22a-22d。材料的激活区域22a-22c接着可以通过消除施加在这些区域22a-22c内的电极26上的电压而变变得去激活，使得如果/当用户随后触摸与激活的材料区域邻近的材料区域，在这些区域22a-22c中的材料返回到其原始形状/大小或者去激活的形状/大小。例如，用户从区域22a滑动手指到区域22b，区域22b被激活时区域22a将变得去激活，以给用户他/她正在移动传统的机械滑块的感觉，所述滑块由随后激活的材料区域构成。
图4示出了根据本发明实施方式的数据输入装置30，其包括凹入装置30的表面中的平面触摸输入接口14。这种数据输入装置可以构成设备10的组成部分，该设备10比如为移动电话、媒体播放器，个人通信系统(PCS)终端、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、游戏控制台、混音控制台、掌上型接收器、相机或者电视，或者该数据输入装置可以位于远离设备10的位置，并与设备10进行无线通信。
如用户看到的一样，触摸输入接口14示出了材料激活区域32。应当注意的是，即使激活区域32对用户是可见的(并且例如可以通过照亮它而使它变得更加醒目)，但本发明的目的是提供触觉上可感测的区域32，该区域32可以由用户的触觉单独地感测。应当注意的是，由用户触摸的材料的最后区域通过至少使围绕最后区域的区域降低而被激活，而不是或者连同以下的情况：通过升高最后区域激活被用户触摸的材料的最后区域。
如果用户将他/她的手指或者拇指放到触摸输入接口14上来感受激活区域，数据输入装置可以被设置为在用户已经触摸到激活区域32前不激活材料的任何区域，即，用户通过首先触摸激活区域32(如同激活区域32是传统机械滑块的情况)并随后滑动他/她的手指或者拇指以使得手指或者拇指触摸与激活区域32邻近的材料的区域，来开始数据输入以及由此的对材料的其他区域的激活。然而，触摸输入装置30可另选地或者附加地被设置为在不必首先触摸激活区域的情况下允许用户开始数据输入以及由此地对其他区域的激活。
根据本发明的数据输入装置可以被设置为具有“开始摩擦”，表示当在Z方向(即垂直于激活/去激活区域的平面的方向，在这个方向上，该区域被按压以激活/去激活该区域)施加轻微的力/压力，用户可以在激活/去激活区域移动他的手指，仅用于感测该区域的位置。接着用户可以更用力地按压激活/去激活区域，以激活/去激活该区域。感应器(如电阻式触摸阵列)例如可以用于感测用户按压激活/去激活区域的力度，由此，如果用户在Z方向上以超过预定阈值的力按压区域时，可以克服开始的摩擦。这更接近于模拟推动传统机械滑块的感觉。
数据输入装置30可以被设置为，如果/当被操作的触摸输入接口14和/或数据输入装置30和/或设备10在一段预定时间内不工作或不被使用，则自动去激活材料的激活区域32，以节省处理和电池电量。数据输入装置30可以包括存储单元34，该存储单元34被设置为存储与用户触摸的材料的最后区域(即激活区域32)相关的信息。数据输入装置30由此可以被设置为当触摸输入接口14和/或数据输入装置30重新工作或者接收到来自用户的请求时，使用存储在存储单元34内的信息重新激活用户触摸的材料的被去激活的最后区域。存储单元34还可以用来存储用户的喜好。
图5示出了根据本发明实施方式的固定的圆柱形式的触摸输入接口14，该圆柱表面包括材料的多条带22，如具有数微米或更小直径的带，该材料被设置为根据施加到上面的电压的应用改变其形状、大小或者流变能力。材料的多条带22可以间隔开，如图5所示，或者可以被设置为覆盖触摸输入接口14的整个区域/体积，比如通过沿着触摸输入接口14的整个长度和/或宽度交叠或者交错材料的带22。材料的一个带32被示出为激活状态。
虽然根据本发明的数据输入装置的触摸输入接口14可以被设置为不具有机械地移动的部分，但对于用户的感受，这种触摸输入接口14可以和传统的机械控制滑块36相比拟。
根据本发明的设备10当然可以包括多个触摸输入接口14，由此用户单独使用他/她的触觉就可以确定多个触摸输入接口14的移动/位置/趋向。
图6示出了根据本发明实施方式的盘的形式的触摸输入接口14。该触摸输入接口14设置有材料22的多个区域，该材料22被设置为通过施加到上面的电压的应用来改变其形状、大小和/或流变能力。材料22的区域可以是足够大的、以由用户在触觉上可探测得到的材料22的点。触摸输入接口14还可以包括用户用于输入数据的按钮/区域/体积40。按钮/区域/体积40例如可以使得用户能够通过预定次数地轻拍/按压按钮/区域/体积40来去激活材料22的区域。
图7示出了根据本发明实施方式的设备10的触摸输入接口14，其中，设备10被设置为对顺序被激活的区域内的电极施加顺序增加的电压。图7示出了触摸输入接口14的横截面，该触摸输入接口14示出了半球状的激活区域22a-22g，由此可以看出用户从区域22a移动他/她的手指到区域22g。因此单独利用他/她的触觉，用户就能够确定区域22g是被激活的最后区域。
图8示出了根据本发明实施方式的设备10的触摸输入接口14，其中，设备10被设置为使得由用户触摸的最后区域22g提供进一步的触觉反馈，如使得最后区域脉动、振动、加热、冷却或者移动。然而，被用户激活的材料的所有区域22a-22g可以被设置为提供进一步的触觉反馈。设备10例如从被用户触摸的第一区域22a到被用户触摸的最后区域22g，顺序地增加材料的区域22a-22g的振动量。
在权利要求书的范围内对本发明的进一步的修改对本领域技术人员来说是明显的。例如，即使权利要求针对的是具有材料的多个区域的数据输入装置，所述材料被设置为根据所施加的电压的应用改变其形状、大小或者流变能力，根据本发明的数据输入装置也可另选地包括材料的多个区域，所述材料被设置为根据磁场的应用改变其形状、大小或者流变能力，在这种情况下，各区域不必包含电极。
进一步地，根据本发明的数据输入装置还可以用于向其用户输出力，同时/取代用于输入数据。

Claims (14)

1.一种数据输入装置(30)，该数据输入装置(30)包括：具有触摸感应机构(28)的触摸输入接口(14)；以及材料的多个区域(22、22a-22g、32)，所述材料被设置为根据电压的施加改变其形状、大小或流变能力，其中，所述数据输入装置(30)被设置为在通过所述触摸感应机构(28)检测到用户在材料的最后区域(22d、22g、32)中的触摸时，通过在这个区域施加电压来至少临时地激活被用户触摸的材料的最后区域(22d、22g、32)，以改变这个区域中材料的形状/大小/流变能力，并由此提供被所述用户触摸的最后区域(22d、22g、32)的触觉指示。
2.根据权利要求1所述的数据输入装置(30)，其中，所述材料是电活性聚合物(EAP)、诸如电流变流体的智能流体、或者压电材料。
3.根据权利要求1或2所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为在通过所述触摸感应机构(28)检测到用户在材料的被用户触摸的所有区域(22，22a-22g，32)中的触摸时，通过对用户触摸的区域施加电压来至少临时地激活材料的被用户触摸的所有区域(22，22a-22g，32)，以改变这些区域的各区域中材料的大小/形状。
4.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为：如果/当用户相继地触摸与被激活的材料区域邻近的材料区域，则诸如通过消除施加在被激活的材料区域上的电压而使得被激活的材料区域变得被去激活，使得该区域中的材料恢复其原始形状/大小或者恢复被去激活的形状/大小。
5.根据权利要求3或4所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为对相继激活的区域施加相继增加/减小的电压。
6.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为使得被用户触摸的最后区域(22d，22g，32)还提供触觉反馈，如使得所述最后区域脉动、振动、加热、冷却或者移动。
7.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为：当所述触摸输入接口(14)/所述数据输入装置(30)不工作时，去激活所有被激活的材料区域。
8.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)包括存储单元(34)，所述存储单元(34)被设置为存储与被用户触摸的材料的最后区域(22d，22g，32)相关的信息。
9.当权利要求8引用权利要求7时，根据权利要求8所述的数据输入装置(30)，其中，所述数据输入装置(30)被设置为当所述触摸输入接口(14)/所述数据输入装置(30)重新工作或应来自用户的请求时，使用所述存储单元(34)中的信息来重新激活材料的被用户触摸的被去激活的最后区域(22d，22g，32)。
10.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，所述触摸输入接口(14)为平面、为盘的形式或者构成三维形状的至少一部分。
11.根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)，其中，材料的所述多个区域(22，22a-22g，32)被设置为覆盖所述触摸输入接口(14)的整个区域/体积。
12.设备(10)，其中，该设备包括根据在前任一项权利要求所述的数据输入装置(30)。
13.根据权利要求12所述的设备(10)，其中，所述设备(10)为便携式设备，该便携式设备例如为移动电话、媒体播放器、个人通信系统(PCS)终端、个人数字助理(PDA)，笔记本电脑、游戏控制台、混合控制台、掌上接收器、相机或者电视。
14.根据权利要求12或13所述的设备(10)，其中，所述触摸输入接口(14)凹入所述设备(10)的表面。
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