CN102576250B - 使用复合压电致动器的触觉反馈 - Google Patents

使用复合压电致动器的触觉反馈 Download PDF

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Abstract

本公开描述了人机界面设备。在数个实施例中的一个实施例中，人机界面包括配置成向用户视觉显示图像的显示设备和配置成感测用户接触的触敏设备。此外，人机界面还包括位于显示设备和触敏设备之间的复合压电层。复合压电层被配置成向用户提供触觉反馈。

Description

使用复合压电致动器的触觉反馈
技术领域
本公开的实施例一般涉及在人机界面中提供触觉反馈，并尤其涉及采用复合压电致动器的触觉反馈结构。
背景技术
电子设备制造商致力于为用户生产丰富的界面。传统的电子设备通常提供视觉和/或听觉反馈以向用户传达信息。在某些情况下，动觉反馈(如作用(active)力和阻力反馈)和/或触知反馈(如振动、质地和热)也可以提供给用户来提高用户体验。一般来说，动觉反馈和触知反馈统称为“触觉反馈”或“触觉效应”。触觉反馈对提供提示来提醒用户特定事件或提供真实的反馈感觉来创建更好的感官体验是有用的。触觉反馈可用于常用的电子设备，甚至可用于创建模拟或虚拟环境的设备。
为了产生触觉效应，可以利用某些类型的触觉致动器。已知的触觉致动器的例子包括电磁致动器，例如其中由电机带动的偏心质量的偏心转动惯量(“ERM”)，其中附加到弹簧上的质量被来回驱动的线性谐振致动器(“LRA”)，“智能材料”诸如压电材料、电活性聚合物或形状记忆合金等。许多这些交互的致动器和设备通常有内在或动态确定的共振频率。驱动信号可以被应用到致动器来有效地和高效地产生触觉效应。
发明内容
本公开描述了提供触觉反馈给用户的系统、电子设备和输入/输出设备的实施例。在一些实施例中，人机界面包括显示设备和触敏设备。显示设备被配置成视觉显示图像给用户，并且触敏设备被配置成感测用户的接触。此外，人机界面包含位于显示设备和触敏设备之间的复合压电层。复合压电层被配置成提供触觉反馈给用户。
本公开中描述的实施例可包括各种特征和优点，这里可能没必要明确公开，但是对本领域技术人员在查看接下来的详细描述和伴随的附图后是明显的。意图在于这些特征和优点包括在本公开中。
附图说明
接下来的附图的组件被例示以强调本公开的一般原理，但不一定按比例绘制。为了一致性和清晰性，必要时在所有附图中重复使用指示对应组件的附图标记。
图1是示出根据本发明的不同实施例的电子设备大体示意图的方块图。
图2A是根据本发明的不同实施例的例示人机界面分解视图的图。
图2B是根据本发明的不同实施例的例示图2A的人机界面的组装视图的图。
图3是根据本发明的不同实施例的例示触摸表面设备的实施例以及例示该触摸表面设备的层压结构的侧视图的图。
图4是根据不同发明实施例的例示复合压电结构的截面的透视图的图。
具体实施方式
本公开描述了通过用户设备的用户接口、人机界面或其它部分上强加触觉效应到用户的触觉反馈致动器的实施例，在用户设备上或内部放置该致动器。特别地，这里描述的触觉反馈致动器的实施例可被配置成应用触觉效应至用户设备的触敏表面。在一些实施例中，该触敏表面可以是包括视觉输出机构和触敏输入机构的显示设备的部分。因此，触觉反馈能够应用于诸如电子手持设备的用户设备中以便为用户提供丰富的感官体验。
过去各种触觉致动技术已被用于提供振动触知的触觉反馈给触敏设备，如触摸屏。已知的触觉反馈设备使用电动致动器，如线性谐振致动器(“LRA”)设备和偏心转动惯量(“ERM”)设备。然而，这些致动器一般是不可扩展的，并且在触觉应用方面总是表现不充分。这些设备往往是非常庞大，在满足一定的空间局限性会有困难。此外，这些类型的设备通常消耗大量的电能。
在触敏设备中另一种传统的触觉反馈技术是电活性聚合物(“EAP”)设备。然而，该技术的一个缺点是基于EAP的致动器通常需要几千伏特的电来提供适合触觉应用的效应。
触觉反馈结构的发展趋向于更小、更紧凑的设备。因此，在触敏设备中提供触觉反馈的另一条技术线是单片压电陶瓷。由这些陶瓷制成的致动器，称为单片压电致动器，由于它们的可扩展性和快速动态性而为触觉反馈提供了令人满意的解决方案。然而，安装这种致动器到消费者产品的机械集成和通常是麻烦的。而且，单片压电陶瓷也通常十分脆弱易碎并且如果结合陶瓷的电子设备跌落或者经历其它相似的力和应力会断裂。时常很难将单片压电陶瓷集成为商业化产品。
与单片压电致动器的使用相反，本公开描述了使用“复合压电致动器”来提供触觉反馈。复合压电材料可被用来获得触觉反馈设备的特殊特性。例如，机械强度、硬度、阻尼系数、韧性、弹性、位移长度比、电力消耗、作用力等可被优化来满足针对特定应用的特殊的机电目标。此外，由于复合压电材料的弹性特性，触觉反馈致动器可充当可放置在触觉反馈致动器上的触摸屏的粘弹性的悬浮物。通过调整粘弹性的特性，可调节触摸屏结构的共振频率。
在某些实施例中，复合压电致动器可形成作为“触觉带”，其可具有类似于常规带的形状因子。然而，和常规带相反，触觉带可以任何适当的方式刺激来提供触觉反馈给正在触摸带的用户。此外，当复合压电致动器被以触觉带的形式创建时，该带还可充当两种组件间的密封剂。例如，与触摸屏一起使用触觉带的情况下，触觉带充当在触摸表面层和在下面的显示设备，如液晶显示器(“LCD”)间的密封剂。
尽管这里描述的许多例子都和触摸屏设备有关，但是应该理解，本公开还容括其它类型的包含触敏结构的人机界面。另外，在阅读和理解本公开的大体原理后，其它的特征和优点对本领域普通技术人员将是明显的。这些其它的特征和优点也意图被包括在本公开中。
图1是根据一个实施例的电子设备10的方块图。更具体地，电子设备10包括处理设备12、存储设备14和输入/输出设备16，它们通过总线18互相连接。此外，输入/输出设备16包括触摸屏设备20或其它人机界面设备。
触摸屏设备20可被配置成任何合适的人机界面或触摸/接触表面组件。触摸屏设备20可以是任何触摸屏、触摸板、触敏结构、电脑显示器、笔记本电脑显示设备、工作薄显示设备、服务亭显示屏、便携式电子设备屏或其它合适的触敏设备。触摸屏设备20可配置为与诸如铁笔、手指等的用户控制的设备进行物理交互。在某些实施例中，触摸屏设备20可包括至少一个输出设备和至少一个输入设备。例如，触摸屏设备20可包括可视显示器和在其上叠加的接收来自用户手指的输入的触敏屏。
在不同的实施例中，触摸屏设备20提供触觉反馈给电子设备10的至少一部分，这能被传递给与电子设备10接触的用户。特别地，当用户与屏幕接触时，触摸屏设备20能提供触觉反馈给触摸屏自身来强加触觉效应。该触觉效应可用于提高用户体验，和特别能给用户提供确认用户已与屏幕进行了能被触摸屏设备20检测到的充分接触。
电子设备10可以是任何设备，例如桌上型电脑、笔记本电脑、电子工作薄、电子手持设备(例如移动电话、游戏设备、个人数字助理(“PDA”)、便携式电子邮件设备、便携式因特网接入设备、计算器等)、服务亭(例如自动取款机、购票机等)、打印机、销售点设备、游戏控制器或其它的电子设备。
处理设备12可以是用于管理或控制电子设备10的操作和功能的通用用途或特殊用途的处理器或微控制器。例如，处理设备12可以是专门设计作为专用集成电路(“ASIC”)来控制输出信号到输入/输出设备16的驱动器而提供触觉效应。处理器12可配置为基于预定义因子决定演示什么样的触觉效应，以何种顺序演示触觉效应，以及触觉效应的幅度、频率、持续时间和/或其它参数。处理设备12还可配置成用于为提供特殊触觉效应而驱动触觉致动器来提供流式电机命令。在某些实施例中，处理设备12实际上可包括多个处理器，每个处理器被配置成在电子设备10内执行一些功能。
存储设备14可包括一个或多个内部固定的存储单元、移动存储单元，和/或可远程存取的存储单元。各种存储单元可包括任何易失性存储器和非易失性存储器的组合。存储单元可被配置成存储任何信息、数据、指令、软件代码等的组合。更具体地，该存储设备可包括触觉效应配置、输入/输出设备16的触觉致动器设备是如何被驱动的指令，或产生触觉效应的其它信息。
除了触摸屏设备20以外，输入输出设备16还可包括专门的输入机构和输出机构。例如，输入机构可包括如键盘、辅助键盘、游标控制设备(例如电脑鼠标)，或其它数据输入设备等的设备。输出机构可包括电脑显示器、虚拟现实显示设备、音频输出设备、打印机或其它外部设备。输入/输出设备16可包括被设计成不仅从用户接收输入而且给用户提供反馈的机构，例如触摸屏设备的许多例子。触摸屏设备20和其它输入/输出设备16可包括按钮、辅助键盘、游标控制设备、触摸屏组件、铁笔接收组件或其它数据输入组件的任意合适的组合和配置。触摸屏设备20还可包括用于向用户提供输出的电脑显示器、显示屏幕、触摸屏显示器、触觉或触知致动器、触觉效应设备，或其它通知设备的任意合适的组合和配置。
图2A是例示人机界面22的实施例的分解视图的图。图2B是例示图2A的人机界面22的实施例的组装视图的图。在这个实施例中人机界面22包括显示器24、复合压电组件26和触敏设备28。在某些实施例中，显示器24是液晶显示器。除了感测触摸的功能外，触敏设备28还可包括用于保护其它层免受环境影响的保护层。尽管人机界面22的组件被显示为平面的层，但应该注意，复合压电设备26和触敏设备28可被可配置为柔性层并且能符合显示器24的任何形状。
在一些实施例中，复合压电组件26可具有类似胶带的形状因子。复合压电组件26也可有应用于带的一侧或两侧的粘性材料，以允许复合压电组件26粘附到相邻物体的表面，例如本例子中的显示器24和触敏设备28。粘性材料可允许复合压电组件26粘结至另一物体表面而不需要螺钉或其它定位机构。更具体地，当被配置为粘性带时，复合压电组件26是能提供触觉反馈给用户的触觉带。因此，尽管复合压电组件26可以很薄，但是它仍然能够提供被用户感测到的触觉效应。
复合压电组件26可包括放置在复合压电层相反两面的至少两个电极层。例如由在佛罗里达州、萨拉索塔的智能材料公司制造和供应的复合压电层。当将电压施加到反面电极层以激励复合压电层时，复合压电层通过在垂直于层平面的方向上变形来响应。更具体地，复合压电层扩张和收缩，由此该层首选关于它的厚度改变，而它的长度和宽度保持基本相同。结果，当显示器24保持在基本固定位置上时，复合压电组件26可被刺激以在内外运动中移动触敏设备28。
此外，复合压电组件26可形成为如图2A所示，像围绕显示器24外侧的框架。特别地，复合压电组件26可由四个狭长的材料形成来创建矩形或可包括在中心中具有矩形切口的矩形平面部分。在这种配置中，复合压电组件26与触敏设备28形成密封来保护显示器24免受环境影响。复合压电组件26可形成完全围绕显示设备24的周边。然而，在其它实施例中，它可被配置成仅部分围绕周边。
在一些实施例中，复合压电组件26可被放在远离触敏设备28的显示器24的另一边来向整个显示设备提供触觉反馈。复合压电组件26在整个结构中可以是均匀的，在其中间没有切口。这种结构可有助于向显示器24的所有部分提供等同的触觉效应分布。此外，将复合压电组件26置于显示器24后面，复合压电组件不会阻挡显示器24的用户视图的任何部分。此外，由于触敏设备28能用来保护显示器24，所以复合压电组件26可以不需要充当如上所述的密封。因此，复合压电组件26能形成任何期望的形状因子而与提供密封性能的功能没有特定关系。
图3是例示触摸表面设备30实施例的图。在某些实施例中，触摸表面设备30的结构可包括与关地图2A和图2B所描述的人机界面22相似的组件和功能。如图3所示，触摸表面设备30包含以方块形式显示的致动器驱动电路32和从横截面侧视图中显示的层压结构34的实施例。本实施例中的层压结构34包括触敏层36、第一电极层38、复合压电层40、第二电极层42和显示器层44(例如液晶显示器层)。在某些实施例中，层38、40和42可制成复合压电组件，如图2所示的复合压电组件26。在某些实施例中，层压结构34可包括放置在触敏层36顶部的附加保护层来保护下面的层免受环境和用户触摸的影响。每层的厚度不一定按比例绘制，并且不一定代表该层相对于其它层的相对尺寸。还可使用其它层和/或其它层配置。
电极层38和42可被设计为与复合压电层40和/或触敏层36具有基本上相同的柔性以允许层状结构34完全地符合显示器层44的表面形状。电极层38和42可形成在复合压电层40相对的两侧上，并可被连接至由处理设备12(图1)或其它处理器控制的致动器驱动电路32。致动器驱动电路32被配置成刺激复合压电层40以使它扩张或收缩，由此产生能被用户感测到的触觉效应。电极层38和42是导电层以允许来自致动器驱动电路32的信号跨复合压电层40分布。在某些实施例中，电极层38和42跨复合压电层40均等地分布信号。而且，层状结构34可被设计成使得电机层38和42与沿宽度方向穿过复合压电层40的压电杆或压电结构电气通信。
图4是例示复合压电结构46实施例的截面的图。在本实施例中，复合压电结构46包括被嵌入聚合物矩阵50中的压电杆48阵列。使用这种布置，刺激压电杆48会导致杆纵向扩张或收缩。
通常，复合压电材料包含压电陶瓷纤维，例如以某种式样嵌入聚合物矩阵内的压电杆48。利用这种布置，可以为特定触觉效应获得期望的机械和电气特性。这种布置的一种实现是图4中显示的“1-3复合压电”布置的布置。具体地，压电纤维或杆是在三维的xyz聚合物矩阵内沿y轴一维布置的。通过每一个单独的组件通常不能获得的特性能够通过在不同连接式样的情况下的微观层面或宏观层面附连这些材料获得。
压电杆48和聚合物矩阵50的不同布置可以在用作触觉反馈致动器时提供优点。例如，某些布置可以是非常鲁棒的，并且可以在手持设备中受到各种力和应力，例如掉落到硬表面上的力时充分地操作。同时，某些布置允许结构是柔性的以允许该结构应用到实际任何形状的表面。某些布置可以是非常薄的，甚至于到类似于胶带的形状因子的厚度。因此，甚至可以非常小的尺寸操作。
在其中复合压电结构形成为触觉带的实施例中，它也可用作密封剂。触觉带还可以可缩放到任何期望的尺寸。同样，它可采用任何合适的粘合剂固定，这比诸如螺钉的其它固定组件简单。另外，当消耗少量电力时，复合压电结构46可高效地操作。
复合压电结构46可作为致动器集成到电子设备的诸如液晶显示器的显示器和电子设备的触敏层之间。当电压施加到其端子时，压电杆48沿着纵向轴方向变形，由此在垂直于平面或切线方向上移动触敏层。从而，杆48上下变形而导致整个聚合物矩阵50的振动。在垂直于复合压电结构46的表面的平面或切线方向上的各种触觉效应可通过以不同的输入电压配置刺激复合压电结构46这种方式来提供。在某些实施例中，复合压电结构46可被配置成使得杆48的变形方向是横向的，从而产生触摸表面的横向运动。
而且，以该结构充当具有期望的固有阻尼频率的悬浮机构的方式来调整聚合物矩阵50的粘弹特性。该粘弹特性还可用来隔离从该电子设备其们部分传递到触敏层的任何振动，导致良好可控的触觉效应。聚合物矩阵50可以被专门设计成提供某些强度特性、阻尼特性、悬浮特性、软度特性、振动特性或其它触觉相关的特性。
这里描述的实施例代表多个可能的实施方式和例子，并且意图并非一定要将本公开限制到任何特定的实施例。而是，本领域普通技术人员可以理解可对这些实施例进行各种修改。任何这种修改的意图在于包括在本公开的精神和范围内并且被下面的权利要求所保护。

Claims (23)

1.一种输入/输出设备，包括：
触敏层，配置成感测物体是否触摸该触敏层并且感测该触敏层何处被接触；
第一电极层和第二电极层，该第一电极层和第二电极层中的一个的至少一部分连接到该触敏层的至少一部分；
复合压电层，连接在该第一电极层和第二电极层之间，该复合压电层具有其中布置有多个压电杆的聚合物矩阵，其中该压电杆横跨该复合压电层的宽度，从而每一个压电杆与该第一电极层和该第二电极层相接触；
显示器层，配置成在视觉上显示图像；
驱动电路，配置成向该第一电极层和第二电极层施加交流电压。
2.如权利要求1所述的输入/输出设备，其中当通过该交流电压刺激该压电杆时，该压电杆在纵向方向上扩张和收缩。
3.如权利要求2所述的输入/输出设备，其中该压电杆的扩张和收缩导致该触敏层在垂直于该显示器层的表面或切面的方向上移动。
4.如权利要求2所述的输入/输出设备，其中该压电杆的扩张和收缩导致在其中布置该压电杆的聚合物矩阵的振动。
5.如权利要求4所述的输入/输出设备，其中该聚合物矩阵包括从包括以下的组中选择的特定特性：强度特性、阻尼特性、悬浮特性或振动特性。
6.如权利要求1所述的输入/输出设备，其中该显示器层包括液晶显示器(LCD)。
7.一种人机界面设备，包括：
显示设备，配置成在视觉上显示图像给用户；
触敏设备，配置成感测与用户的接触；和
复合压电层，置于该显示设备和该触敏设备之间，该复合压电层具有其中布置有多个压电杆的聚合物矩阵并且被配置成提供触觉反馈给用户，其中，所述多个压电杆跨所述复合压电层的宽度。
8.如权利要求7所述的人机界面设备，其中该复合压电层基本上是平的并具有中间开口，并且其中该复合压电层进一步配置成将该触敏设备的外围部分附连到该显示设备的外围部分。
9.如权利要求7所述的人机界面设备，进一步包括保护层，该保护层配置成保护该显示设备、触敏设备和复合压电层。
10.如权利要求7所述的人机界面设备，其中该复合压电层具有类似于胶带的形状因子。
11.如权利要求10所述的人机界面设备，其中该复合压电层配置成密封该显示设备免于环境影响。
12.如权利要求7所述的人机界面设备，其中所述多个压电杆沿宽度方向穿过所述聚合物矩阵。
13.如权利要求12所述的人机界面设备，其中该复合压电层配置成以改变它的宽度，由此相对于该显示设备以上下运动移动该触敏设备的方式变形。
14.如权利要求7所述的人机界面设备，其中该复合压电层是柔性的并且符合该显示设备的形状。
15.如权利要求7所述的人机界面设备，其中该显示器是液晶显示器。
16.一种电子设备，包括：
处理设备，配置成控制该电子设备的操作；和
根据权利要求1-6中任一项所述的输入/输出设备，其中所述输入/输出设备被配置成产生触觉效应。
17.如权利要求16所述的电子设备，其中该电子设备是从包括以下的设备组中选择的手持设备：移动电话、游戏设备、个人数字助理、便携式因特网接入设备或计算器。
18.如权利要求16所述的电子设备，其中该电子设备是从包括以下的设备组中选择的设备：桌面电脑、笔记本电脑、电子工作薄设备、服务亭、打印机或销售点设备。
19.如权利要求16所述的电子设备，其中该输入/输出设备是从包括以下的设备组中选择的人机界面：触摸屏设备或触摸板设备。
20.如权利要求19所述的电子设备，其中该人机界面是从包括以下设备的设备组中选择的：触摸屏、触摸板、计算机监视器、笔记本显示设备或服务亭屏幕。
21.如权利要求16所述的电子设备，其中该输入/输出设备配置成当被物体触摸时产生触觉效应。
22.如权利要求21所述的电子设备，其中该物体是用户控制的物体。
23.如权利要求16所述的电子设备，其中该电子设备是便携式电子邮件设备。
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