CN102667670A

CN102667670A - 生成可感知的触摸激励

Info

Publication number: CN102667670A
Application number: CN2010800450592A
Authority: CN
Inventors: Z·拉迪沃杰维克
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Technologies Oy
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-10-04
Also published as: RU2573232C2; TW201129917A; RU2012117960A; WO2011042854A1; EP2470977A1; CN102667670B; EP2470977A4; US20110079449A1; US8779307B2; TWI612441B

Abstract

一种装置，包括：主体部分，具有表面，所述表面包括第一表面电极和与第一表面电极隔开的第二表面电极；以及控制器，被配置成在第一表面电极和第二表面电极之间施加时变电位差，以及被配置成至少控制该电位差中的时间变化。

Description

生成可感知的触摸激励

技术领域

本发明的实施例涉及触觉学以及可感知的触摸激励的生成。

背景技术

诸如振动器之类的机电致动器当前用于创建触摸激励。然而，它们具有许多缺点。

发明内容

根据本发明的各个实施例，但是不必是所有实施例，提供了一种装置，包括：主体部分，具有表面，该表面包括第一表面电极和与第一表面电极隔开的第二表面电极；以及控制器，被配置成在第一表面电极和第二表面电极之间施加时变电位差，以及被配置成至少控制该电位差中的时间变化。

根据本发明的各个实施例，但是不必是所有实施例，提供了一种方法，包括：在装置的主体的第一表面电极和该装置的主体的第二表面电极之间施加时变电位差；以及至少控制在该电位差中的时间变化。

根据本发明的各个实施例，但是不必是所有实施例，提供了一种记录载体，其有形地体现了包括计算机程序指令的计算机程序，当这些指令被加载在处理器中时，允许处理器：允许在装置的主体的第一表面电极和该装置的主体的第二表面电极之间施加时变电位差；以及

根据本发明的各个实施例，但不必是所有实施例，提供了一种电调制的移动触摸激励装置，包括：主体部分，具有平滑表面，该平滑表面包括光学透明的表面电极；以及控制器，被配置成在表面电极处生成时变电场，从而使得在使用中流经表面电极的电流不超过100μA，以及被配置成至少控制在该电场中的时间变化。

附图说明

为了更好地理解本发明的实施例的各个示例，现在将仅通过示例对所附附图进行参照，在附图中：

图1A从顶侧视角示意性地图示了装置的示例；

图1B从底侧视角示意性地图示了该装置的该示例；

图2示意性地图示了穿过表面电极的示例的截面图；

图3A示意性地图示了第一施加的周期性电位差的示例；

图3B示意性地图示了第二施加的周期性电位差的示例；

图4示意性地图示了该装置的功能部件的示例；

图5示意性地图示了一个示例装置的使用；

图6示意性地图示了另一示例装置的使用；

图7示意性地图示了一种方法；以及

图8示意性地图示了该装置的控制器的一个实现方式的示例。

具体实施方式

附图图示了装置10的示例，装置10包括：主体部分11(例如，图1A、图1B、图5、图6)，其具有包括第一表面电极2和与第一表面电极2隔开的第二表面电极4的表面12；以及控制器30(例如，图4)，被配置成在第一表面电极2和第二表面电极4之间施加时变电位差24(例如，图3A、图3B)，以及被配置成至少控制在电位差24中的时间变化。

在使用中，用户40(例如，图5和图6)在一只手或者两只手中持握装置10，或者使用两个不同的身体部分以其他方式接触该装置。用户的身体的一个部分接触第一表面电极2，而用户的身体的另一个部分(通常为手指)接触第二表面电极4。两个接触点使通过用户的身体的电路闭合。第二表面电极4具有随着施加的时变电位差而变化的关联时变电场。该电场产生时变力，该时变力在手指静止时并不直接创建在用户的压覆和触摸手指处的触摸激励，但是当用户的手指与第二表面电极4接触的同时追溯在第二表面电极4之上的手指时，确实间接地提供触摸激励。确信的是，时变力调制施加给触摸手指的摩擦力，这在当追溯在第二表面电极4之上的手指时创建在手指表面处的调制剪切力。当追溯在第二表面电极4之上的手指时，由用户感知的时变触摸激励创建可以通过至少控制施加的电位差的时间变化来修改的感知的“纹理(texture)”。

在本文献中，术语“电调制的移动触摸激励(EMMTS)”将指示在用户的身体部分处的触摸激励，该触摸激励通过使用装置施加时变电位差来控制，并且当身体部分与装置之间存在接触的同时在该身体部分与装置之间存在相对运动时该触摸激励对用户来说可感知，而当身体部分与装置之间存在接触时的同时在身体部分与装置之间不存在相对运动时该触摸激励对用户来说不可感知。

因所施加的时变电位差而流动的电流典型地小于5μA，这小于直接激活神经或者肌肉所需的电流。

EMMTS因此可以被视为通过备选方法(例如，在表面之上拖动手指)创建的(使用时变电位差的)电调制神经激励。

图1A从顶侧视角示意性地图示了装置10的示例，而图1B从底侧视角示意性地图示了该装置的该示例。

装置10包括主体11。该主体11典型地为刚性的或者半刚性的，并且其为装置10提供形状。主体11具有限定主体11的外部表面区域的外部表面12。

在所示出的示例中，装置10并未被图示为例如通过具有移动部分而能够改变其形状。如果装置10确实具有这种移动部分，则表面12不必是在该装置的外部连续的表面，而是可以是通过移动该装置的一部分而在装置10的外部处露出的表面。

在所图示的示例中，但是不必在所有示例中，表面12提供正面13、背面14和侧面15。在该示例中的面限定可以容纳诸如控制器30之类的电子部件的内部空间。

在该示例中，正面13呈现：移动触摸电极4A，在该电极的EMMTS期间，用户的手指在该电极4A上移动；以及移动触摸电极4B，在该电极的EMMTS期间，用户的手指在该电极4B上移动。

移动触摸电极4A、4B在正面13处露出，以用于触摸接触。如以下更详细描述的那样，电极4A、4B可以包括由适当的介电层覆盖的导电层，该介电层可以是光学透明的或者不是光学透明的。因此，尽管电极在正面13处露出，但是导电层不必露出。

移动触摸电极4A、4B的每个与正面13的表面12的平滑部分对准。在该上下文中，平滑意味着表面12具有跨平滑部分的基本上均匀的摩擦系数。摩擦系数也可以较低。基本上均匀的摩擦系数确保施加给与表面12的平滑部分接触的移动的手指的摩擦力主要由于施加给移动触摸电极4A、4B的电调制导致。整个表面12可以是平滑的，而与移动触摸电极相关联的平滑部分不必与表面12的其他部分在物理上不同。

移动触摸电极4A、4B需要在至少一个方向上延伸足以允许追溯用户的手指在该方向上物理移动的距离。考虑到时变电位在时间中的变化的速率，移动触摸电极4A、4B在该方向上的延伸足以允许用户以合理速率追溯他们的在移动触摸电极之上的手指并且能够感受调制。如果使用周期性的调制，则对于较低的频率范围而言，可能必须具有更大的延伸。延伸的尺寸被确定成并且电位差的时间变化被控制成为用户的、在移动触摸电极上被追溯的手指提供时变触摸激励。

在所图示的示例中，移动触摸电极4A是“补片(patch)”，而移动触摸电极4B是伸长的轨。

补片移动触摸电极4A被设计成使得无论与补片移动触摸电极4A接触的手指在补片移动触摸电极4A的表面上被追溯的方向如何，均可以实现EMMTS。在该示例中，补片移动触摸电极4A及其关联的平滑表面部分在具有大于1mm的最小尺度并且大于1cm的最大尺度的二维区域之上延伸。注意到，电极可以具有诸如例如为20mm-30mm长的1mm宽条带的形状因子。

伸长的移动触摸电极4B被设计成使得仅在与补片移动触摸电极4A接触的手指在补片移动触摸电极4B的表面上在伸长的方向上被追溯时，才可以实现EMMTS。在该示例中，伸长的移动触摸电极形成围绕正面13的框架。

背面14是装置10的呈现背表面电极2的面，该背表面电极2用于使通过移动触摸电极4的任何一个创建的电路闭合。如图4所示，背表面电极2可以是连接到装置的接地或者地线34的参考电极。

如图5中所示，接地表面电极2的尺寸可以被确定并且接地表面电极2被定位成当装置10被持握在用户的手中时由用户触摸。

图2示意性地图示了表面电极的示例的截面图。所图示的表面电极可以分别用作移动触摸电极4A、4B或者用作接地电极2。

在该示例中，表面电极包括覆盖在衬底21之上的导电层20和覆盖在导电层20之上的介电层22。介电层22将导电层20绝缘，从而创建“绝缘的”表面电极。因此，当用户触摸表面电极时，在导电层20和用户之间不存在电流性连接。

衬底21可以是将支撑导电层20的任意衬底。在某些实施例中，其可以是柔性的，而在其他实施例中，其可以是装置10的主体11。

导电层20可以由任何适当的导电材料形成。导电层20例如可以由诸如铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)之类的金属形成。其例如可以是铟锡氧化物(ITO)。在某些实施例中，导电层的材料和厚度可以被选择成使得其基本上是光学透明的，从而可以穿过其看到装置10的主体11(用作衬底21)。在其他一些实施例中，主体11可以是金属的，并且提供导电层20而没有衬底21。

介电层22可以是具有高的相对介电常数的介电层，诸如氧化铪(Hf₂O)、氧化铝(Al₂O₃)以及氧化钛(TiO₂)。介电层可以提供用于与用户的手指接触的硬的平滑表面。

在某些实施例中，介电层22可以是光学透明的。

第一导电层20、介电层22和衬底21(如果存在的话)的组合可以是柔性的。

尽管接地电极2可以被形成为如图2中所示的绝缘的表面电极，然而在其他一些实施例中，接地电极2可以被形成为电流性表面电极。电流性表面电极是具有露出的导电层(没有介电覆层)的表面电极，从而使得当用户触摸表面电极时，在导电层和用户之间存在电流性连接。

移动触摸电极4不应当形成到用户的电流性连接，这是由于其将显著减小移动触摸电极4与用户之间的、用于EMMTS的电位差。

在图2中图示的示例中，移动触摸电极4是绝缘的表面电极。该绝缘允许建立静电电位。

在其他一些实施例中，移动触摸电极可以具有露出的导电层(没有介电覆层)。在这些实施例中，触摸移动触摸电极的用户的手指具有附接的介电薄膜。介电薄膜例如可以由佩戴在手指上的、用于EMMTS目的或者某些其他目的的消费产品提供。消费产品例如可以层叠在分配器装置或者分配器装置的容器中。介电薄膜可以由诸如聚氯乙烯或者聚乙烯(例如，Clingfilm^TM)之类的聚合物形成或者由纤维素膜(例如，Cellophane^TM)形成。介电薄膜典型地具有小于10μm的厚度。介电薄膜典型地在手指的皮肤表面之上伸展，从而使得在皮肤和介电膜之间存在紧密附着。

图4示意性地图示了装置10的一些功能部件的示例。

装置10包括：一个或者多个移动触摸电极4A、4B、4C；控制器30；能量源32；以及连接到参考接地或者地线34的接地电极2。

控制器30被配置成在一个(或者每个)移动触摸电极4A、4B、4C与接地表面电极2之间施加时变电位差。控制器30还被配置成至少控制在电位差中的时间变化。系统在使用1μA-100μA的方式下操作。当控制器30施加时变电位差以实现EMMTS时，流经表面电极的电流可以被控制成使得其不超过100μA。

如果控制器30被配置成施加时变电位差给多个移动触摸电极4A、4B、4C，则控制器30可以被配置成提供不同的时变电位差给多个移动触摸电极4的每个。控制器30也可以被配置成分别且独立地至少控制不同的电位差中的时间变化。

由于控制器30在实现EMMTS时因非常低的电流而功耗较低，因此可以总是实现EMMTS。控制器30然后被配置成当装置10开启或者在需要时甚至当设备关闭时在移动触摸电极4与接地表面电极2之间连续地施加时变电位差。

图3A和图3B示意性地图示了可以通过控制器30施加的时变电位差的示例。图3A示意性地图示了第一施加的周期性电位差24A的示例，而图3B示意性地图示了第二施加的周期性电位差24B的示例。

在该示例中，控制器30已经通过增加图3A和图3B之间的周期性电位差中的频率而控制了电位差中的时间变化。

在所图示的示例中，电位差24A是由规则的周期T(包括间隙26)隔开的规则的平顶脉冲串。每个脉冲可以由其高度H和其宽度W来表征。脉冲系列可以由{H，W，T}来表征。控制器30例如可以通过控制H、W、T中的一个或者多个来控制电位差中的时间变化。继而脉冲系列可以由{H(t)，W(t)，T(t)}来表征，其中H(t)指示脉冲高度的时间变化，W(t)指示脉冲宽度的时间变化，而T(t)指示脉冲周期的时间变化。

在其他一些实现方式中，电位差可以是正弦信号，该正弦信号继而可以由{H(t)，W(t)}来表征。

确信由电位差生成的电场/摩擦力的变化对用户的感知具有最大效果。因此，如图3A和图3B中所示的平顶脉冲是优选的，这是由于电位差的快速增加创建了使用EMMTS容易感知的脉冲调制。此外，脉冲之间的时间差创建依赖于周期T(t)和用户的手指的运动速度的周期性表面“纹理”。控制器30因此通过时间调制T(t)来使用EMMTS传达信息给用户。

图5示意性地图示了一个示例装置10的使用。在该示例中，装置10是手持便携式装置44。用户40使用手41持握装置10。当被持握时，用户的手41的大拇指42接触接地表面电极2，而用户的同一只手的手指43定位在移动触摸电极4之上。用户40能够当手指43与移动触摸电极4接触的同时追溯在移动触摸电极4之上的手指43的指尖。控制器30同时在移动触摸电极4与接地表面电极2之间施加时变电位差，而用户经由EMMTS将其感知为“纹理”。

控制器30通过控制电位差中的时间变化可以向用户传达信息。参考回到图3A和图3B，例如，脉冲25的周期的变化改变了使用EMMTS在用户的手指处感知的“纹理”的周期。

“纹理”可以由控制器30控制，以指示手持便携式电子装置44的状态。控制器30可以被编程，以在不同的环境中提供不同的“纹理”。

例如，控制器30可以提供有可变周期(频率)的周期性变化的电位差。频率例如可以在1Hz与100Hz之间变化，以对事件给出定性指示，诸如新消息到达(5Hz)、未接电话(20Hz)和接近提醒(100Hz)。

作为另一示例，控制器30可以提供具有可变的周期(频率)的周期性变化的电位差。频率例如可以在1Hz与100Hz之间变化，以给出定量指示。例如，一个事件可以以3Hz指示，一些事件(2个-4个)可以以20Hz指示，许多事件(5个-20个)可以以100Hz指示，而大量事件(＞100个)可以以500Hz指示。

在该实施例或者其他一些实施例中，手持便携式电子装置44可以具有小键盘，并且小键盘中的每个键具有单独的移动触摸电极4，这些电极可以由控制器30单独进行控制。每个键因此将具有不同的纹理，其可以用来指示其功能。不同纹理可以通过使用规则的周期性电位差来实现。

在另一实施例中，通过使用具有频率大于1kHz的电调制，可以生成除了EMMTS之外的音频输出。

图6示意性地图示了另一示例装置10的使用。在该示例中，装置10是卡式装置45。用户40在用户的手41的大拇指42和其同一只手的手指43之间持握卡式装置10。大拇指42或者手指43与接地电极2接触，而手指43或者大拇指42与移动触摸电极4接触。用户40通过移动他们的手指或者大拇指，能够在手指与触摸电极4接触的同时追溯在移动触摸电极4之上的手指的指尖。控制器30同时在移动触摸电极4与接地表面电极2之间施加时变电位差，而用户经由EMMTS将其感知为“纹理”。

控制器30通过控制电位差中的时间变化可以向用户传达信息。再次参考图3A和图3B，例如，脉冲25的周期的变化改变了使用EMMTS在用户的手指处感知的“纹理”。

“纹理”可以由控制器30控制以指示卡式装置45的状态。

作为一个示例，控制器30可以提供具有可变的周期(频率)的周期性变化的电势差。频率例如可以是指示项目的数目的数字指示符，或者是可以指示信用或者金钱的财务指示符。

在另一实施例中(未图示)，装置10可以是控制系统的用户输入。其例如可以是方向盘、变速杆、自行车把等，其使用EMMTS来经由触觉激励给用户传达信息。

图7示意性地图示了一种方法50。

在块52处，控制器30在装置10的主体11的移动触摸电极4与装置10的主体11的另一电极2之间施加时变电位差。

在块54处，控制器54至少改变电位差的时间变化，以向用户传达信息。该改变可以是施加在电极之间的周期性电位差的周期的变化。

控制器30可以使用指令来实现，这些指令例如通过在通用处理器或者专用处理器中使用可以存储在计算机可读存储介质(盘、存储器等)上的待由该处理器执行的可执行计算机程序指令来实现硬件功能性。

图8示意性地图示了该装置的控制器的一个实现方式的示例。控制器30包括处理器60和存储器62。其还包括由处理器60控制以跨一个或者多个移动触摸电极与参考电极地施加不同的时变电位差的信号发生器。

处理器60被配置成从存储器62读取和向存储器62写入。处理器60还可以包括：输出接口，经由该接口，数据和/或指令可以由处理器60输出；以及输入接口，经由该接口，数据和/或指令可以被输入到处理器60中。

存储器62存储计算机程序64，计算机程序64包括当被加载到处理器60中时控制控制器30的操作的计算机程序指令。计算机程序指令64提供允许装置执行在图7中图示的方法的逻辑和例程。处理器60通过读取存储器62能够加载和执行计算机程序64。

计算机程序可以经由任何适当的递送机制66到达控制器30。递送机制66例如可以是计算机可读存储介质、计算机程序产品、存储器设备、诸如有形地体现计算机程序64的制品之类的记录介质。递送机制可以是被配置成可靠地传递计算机程序64的信号。

尽管存储器62被图示为单个部件，但是其可以被实现为一个或者多个分离的部件，这些部件中的某些或者所有可以是集成的/可移除的和/或可以提供永久的/半永久的/动态/高速缓存的存储设备。

对“计算机可读存储介质”、“计算机程序产品”、“有形体现的计算机程序”等或者对“控制器”、“计算机”、“处理器”等的引用应当被理解成不仅涵盖具有不同架构(诸如单处理器架构/多处理器架构以及顺序(冯·诺依曼)架构/并行架构)计算机，还涵盖诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、信号处理设备和其他设备之类的专用电路。对计算机程序、指令、代码等的引用应当被理解为涵盖用于可编程处理器的软件，或者固件(诸如例如硬件设备的可编程内容，不论是处理器的指令还是固定功能设备、门阵列或者可编程逻辑设备等的配置设置)。

控制器30可以被提供为模块。移动触摸电极也可以被提供为模块。参考电极也可以被提供为模块。如在此所使用的那样，“模块”指代排除了可以通过终端制造商或者用户添加的某些部分/部件的单元或者装置。

在图7中图示的块可以表示方法中的步骤和/或计算机程序64中的代码段。对块的特定顺序的图示并不必然暗示对块存在要求的或者优选的顺序，而是块的布置可以改变。此外，也可以省略某些步骤。

尽管在先前段落中已经参照各个示例描述了本发明的各个实施例，但是应当理解，可以在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下对给出的各个示例做出修改。

在先前说明书中描述的特征可以在除了明确地描述的组合的组合中使用。

尽管已经参照某些特征描述了各个功能，但是这些功能可以由描述或者未描述的其他特征执行。

尽管已经参照某些实施例描述了各个特征，但是这些特征也可以在描述或者未描述的其他实施例中存在。

尽管在前述说明书中致力于强调对被认为特别重要的本发明的这些特征，但是应当理解，申请人要求保护此前参考的和/或在附图中示出的任何可专利的特征或者特征的组合，而无论是否强调了这些特征或者特征的组合。

Claims

1.一种装置，包括：

主体部分，具有表面，所述表面包括第一表面电极和与所述第一表面电极隔开的第二表面电极；以及

控制器，被配置成在所述第一表面电极和所述第二表面电极之间施加时变电位差，以及被配置成至少控制所述电位差中的时间变化。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二表面电极被配置成在所述表面的平滑部分之上提供随着所述时变电位差而变化的共同静电电位。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述平滑部分的尺寸被确定并且所述电位差的时间变化被控制，从而为在所述平滑部分之上追溯的用户的手指提供时变触摸激励。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述时变触摸激励通过由所述时变的共同静电电位调制的摩擦剪切力提供。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的装置，其中所述平滑部分在具有大于1mm的最小尺度且大于1cm的最大尺度的二维区域之上延伸。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述第一电极的尺寸被确定成并且所述第一电极被定位成当所述装置被正常持握时由用户自动触摸。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述第一电极被定位在所述装置的背侧上。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置成在所述第一表面电极和所述第二表面电极之间施加周期性电位差。

9.根据权利要求中8所述的装置，其中所述控制器被配置成改变所述周期性电位差的周期。

10.根据权利要求中8或者9所述的装置，其中所述电位差的周期由以所施加的电位差的幅度的振荡提供。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述第二表面电极包括导电层和外部介电层。

12.根据权利要求中11所述的装置，其中所述外部介电层是透明的。

13.根据权利要求中12所述的装置，其中所述外部介电层小于10μm厚。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置成当所述装置是激活的时，在所述第一表面电极和所述第二表面电极之间连续施加时变电位差。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，所述主体被配置成容纳电子部件，或者所述主体被配置成具有卡的尺度，或者所述主体被配置为控制系统的用户输入。

16.一种方法，包括：

在装置的主体的第一表面电极和所述装置的所述主体的第二表面电极之间施加时变电位差；以及

至少控制在所述电位差中的时间变化。

17.根据权利要求16所述的方法，包括：

在所述第一表面电极和所述第二表面电极之间施加周期性电位差，以及改变所述周期性电位差的周期。

18.根据权利要求16或者17所述的方法，还包括：

在所述主体的所述第二表面电极和接触所述第二表面的用户的皮肤之间创建相对移动。

19.一种记录载体，其有形地体现了包括计算机程序指令的计算机程序，当这些指令被加载在处理器中时，允许处理器执行：

允许在装置的主体的第一表面电极和所述装置的所述主体的第二表面电极之间施加时变电位差。

20.一种电调制的移动触摸激励装置，包括：

主体部分，具有平滑表面，所述平滑表面包括光学透明的表面电极；以及

控制器，被配置成在所述表面电极处生成时变电场，从而使得在使用中流经所述表面电极的电流不超过100μA，以及被配置成至少控制在所述电场中的时间变化。