CN102750030A - 触摸屏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触摸屏装置，包括：显示器(03)；设置在显示器(03)上的触觉反馈致动器(20)，包括：第一基板(21)；面对第一基板(21)的第二基板(22)，第一基板(21)和第二基板(22)沿横向方向彼此平行并能够沿横向方向彼此相对运动；和第一基板(21)和第二基板(22)上的电极装置(24a，24b)，其中在电极装置(24a，24b)中的两个或更多个电极上施加的电势差在第一基板(21)和第二基板(22)之间产生沿横向方向的静电力；和控制器(66)，被配置为在所述两个或更多个电极上施加时变电势差，使得所产生的静电力沿横向方向变化并引起第一基板(21)相对于第二基板(22)的振荡式横向运动。

Description

触摸屏装置

技术领域

本发明涉及触摸屏装置，且更具体地，涉及包括可以响应于用户输入重现触感的触觉反馈致动器的触摸屏装置。本发明还涉及用于通过摆动运动产生触感的结构和控制装置。

背景技术

在触摸屏和触摸显示装置(在此共同称为“触摸屏装置”)快速地普及成长的情况下，数据输入的传统方法的一个明显缺点已经快速变得明显。由用户在按压触摸屏上的“虚”按钮时感知的触感-例如按钮边缘和按压按钮的感觉-的缺乏使得用户付出额外的专注，用户必须看着屏幕以帮助判断他们已经正确地输入数据。真实按钮和按键用帮助限制视感系统上的工作量的触摸感觉帮助区分多种感觉中的心理感觉。已经表明，与传统实体按钮相反，采用虚按钮的数据输入由于这种真实触感的缺乏而引起用户输入错误率的增加和用户满意度的降低。

公知的是，可以通过添加用于人工形成触感的装置，已知为触觉反馈的特征，增强触摸屏装置。例如，当用户在对应于虚按钮的位置的位置触摸触摸屏时，触觉反馈装置仿真用户的手指来人工重新形成触摸实体按钮的感觉。

在WO2008/037275(P.Laitinen；公开日2008年4月3日)中描述了形成触感的一种方法，其中由加压流体与可变形表面的组合形成致动器。然而，加压流体装置没有透明到够以用于添加至触摸屏显示器，并且可变形表面不耐磨损和撕裂。

用于重现触感的另一种公知方法是通过装置的与用户手指接触的表面上的振动或摆动运动刺激人们的触觉。所产生的振动可以沿垂直于所述表面的方向(在此为法向运动)或沿沿着触摸屏的平面的方向(横向运动)。由于皮肤对振动运动的方向基本上不敏感，因此任一种振动方向对重现触感都是有效的。

存在大量的方式产生每种类型的运动。例如，电活性材料(在施加电压时改变形状的材料)可以用作致动器以在触摸屏装置中产生运动。US2008116764(J.Heim；公开日2008年5月22日)描述了这种装置，其中横向运动通过电活性聚合物(EAP)致动器产生。在这种装置中，EAP粘附至触摸屏，并且高电压施加在EAP上，引起它收缩。EAP的收缩随后传递至触摸屏，引起装置表面移动。然而，由于EAP致动器是不透明的，因此它们必须粘附至触摸屏的背面且因此不希望地必须产生整个装置的运动。此外，电活性聚合物产生相对低的作用力并且要求复杂的预拉伸技术、顺从电极和高的驱动电压来产生运动。

如在US20080062145(E.Shahoian等；公开日2008年3月13日)中公开的那样，电活性材料可以由压电陶瓷装置代替形成。然而，这种装置具有的缺点是，它们易碎且制造昂贵。

如在US20090002328(C.Ullrich；公开日2009年1月1日)中描述的那样，微机电开关(MEMS)是产生摆动运动的另一种已知方法。然而，这种MEMS装置太易碎而不能位于触摸屏显示器的顶部，并且需要面对显示器的柔性顶表面，使得它易损坏而磨损和撕裂。

WO2010080917(C.Peterson等，公开日2010年7月15日)描述了通过静电致动产生摆动运动的装置。在这种装置中，图1中示出，静电力用来驱动相对极板相互排斥和吸引，引起垂直于装置表面的运动。静电致动器10中的平行板电极由气隙12隔开，高介电常数材料13首先用作绝缘，其次用来增加所产生的静电力。通过施加至电极11和14的电荷产生运动，相同电荷引起极板的排斥，相异电荷引起吸引。弹性间隔装置17用来使上电极11返回平衡位置。电荷由提供在通常为0-3000Hz的受限频率范围的驱动波形的高电压信号发生器(未示出)提供。

所产生的表面振动(由实箭头表示)垂直于触摸板02的平面并由用户01感知为触感。这种装置可以是透明的且放置在显示器03(如，液晶显示器(LCD)、电子纸、有机发光二极管(OLED)等)的顶部。这种方法(在此称为“静电学方法”)的主要优点在于其简单性：通过简单地改变电容器的极板之间的电势差产生摆动运动。然而，这种方法的主要缺点是所产生的触感需要大振幅的法向运动，并且这在设计触摸屏模块时必须被考虑，导致装置的厚度增加。此外，表面以这种方式的运动会产生音频噪声，这种音频噪声对用户来说是不希望的注意力分散源。

发明内容

公开了一种用于在触摸屏装置中产生触觉反馈的设备。如上所述，由于空间和噪声要求，横向运动或移动是用于在触摸反馈装置中产生摆动运动的优选方法。“静电学方法”由于其构造和操作简单而是优选的。

在此讨论的触摸屏装置结合触觉反馈致动器，该触觉反馈致动器，包括：第一基板，第一基板的顶表面由用户触摸，第一基板的底表面形成用于产生振荡式横向运动的第一结构；和能够相对于第一基板运动的第二基板，第二基板的顶表面形成与第一基板的底表面互补的第二结构。图案化电极形成在第一基板和第二基板二者上，并且电极的多组被电连接以形成电极组。电极组成对设置，该对中的一个电极组形成在第一基板上，另一个电极组形成在第二基板上。电信号以形成一对的电极组之间的电势差关于时间变化的方式施加至电极组。该电势差在第一基板和第二基板之间产生静电力，引起第一基板沿横向方向相对于第二基板运动。电势差的幅度可以被控制以改变所产生的静电力，电势差的符号可以被控制以确定横向运动的方向。横向运动帮助限制不想要的音频噪声，而静电学方法允许简单的致动。如将描述的那样，这种一维横向运动由新颖的电极结构产生。而且，通过电极结构和驱动方法的变化，使得能够产生用于重现更复杂的触觉的更复杂的运动。

根据本发明的一个方面，一种触摸屏装置，包括：显示器；设置在显示器上的触觉反馈致动器，包括：第一基板；面对第一基板的第二基板，第一基板和第二基板沿横向方向彼此平行并能够沿横向方向彼此相对运动；和第一基板和第二基板上的电极装置，其中在电极装置中的两个或更多个电极上施加的电势差在第一基板和第二基板之间产生沿横向方向的静电力；和控制器，被配置为在所述两个或更多个电极上施加时变电势差，使得所产生的静电力沿横向方向变化并引起第一基板相对于第二基板的振荡式横向运动。

根据另一个方面，振荡式横向运动在0至30kHz的频率范围内。

根据另一个方面，振荡式横向运动在200Hz至300Hz的频率范围内。

根据另一个方面，触摸屏装置包括一个或多个弹性间隔装置，所述一个或多个弹性间隔装置用于在由通过时变电势差形成的所述静电力引起的横向运动之后、使第一基板相对于第二基板返回平衡位置，从而产生振荡式横向运动。

根据又一个方面，触摸屏装置包括弹性密封件，所述弹性密封件用于在由通过时变电势差形成的所述静电力引起的横向运动之后、使第一基板相对于第二基板返回平衡位置，从而产生振荡式横向运动。

根据另一个方面，控制器采用为方波、脉冲、锯齿或正弦波形中的一种或多种的驱动电压施加时变电势差。

根据再一个方面，触觉反馈致动器定位在显示器的上方，并且第一基板和第二基板以及电极装置由透明材料构成。

根据另一个方面，触觉反馈致动器定位在显示器的下方，并且第一基板和第二基板至少部分地由非透明材料构成。

根据再一个方面，第一基板包括形成在第一基板的底部上的多个第一凸脊；第二基板包括形成在第二基板的顶部上的多个第二凸脊，第二凸脊与第一凸脊相互交叉；并且电极装置包括位于第一凸脊的各个侧壁上的一个或多个第一电极以及位于第二凸脊的各个侧壁上的一个或多个第二电极。

在再一个方面中，间隙设置在相邻的第一凸脊和第二凸脊之间，以允许第一基板和第二基板之间的振荡式横向运动达到能够通过触摸感受到的程度。

在又一个方面中，第一电极组合成多个第一电极组，第二电极组合成多个第二电极组，第一电极组和第二电极组设置成对，其中每一对包括所述多个第一电极组中的对应的一个和所述多个第二电极组中的一个，并且控制器被配置为通过将驱动电压提供至第一电极组和第二电极组中每一个而产生沿一个横向方向的运动。

在再一个方面中，控制器通过将驱动电压交替地提供至第一对以产生沿第一横向方向的运动和第二对以产生沿与第一横向方向相反的第二横向方向的运动而产生振荡式横向运动。

在又一个方面中，施加至一对中的第一电极组的驱动电压与施加至该对中的第二电极组的驱动电压的幅度相等但符号相反，以便在形成该对的第一电极组和第二电极组之间产生电势差，从而产生沿横向方向的运动。

根据另一个方面，控制器将一对中的一个电极组的电势维持在恒定值，并将电压脉冲施加至该对中的另一个电极组，以便在形成该对的电极组之间产生电势差，从而产生沿横向方向的运动。

根据另一个方面，控制器包括用于将驱动电压施加至第一电极组和第二电极组的电压源和多个开关。

根据另一个方面，触摸屏装置还包括位于相邻的相互交叉的第一凸脊和第二凸脊的侧壁上的电极之间的电介质间隔装置。

根据另一个方面，相邻的相互交叉的第一凸脊和第二凸脊的侧壁上的电极能够相互接触。

根据又一个方面，控制器监测提供至第一电极和第二电极的电流并基于该电流改变电势差。

根据又一个方面，第一凸脊在第一基板的底部的不同区域上面向不同的方向，并且第二凸脊相应地在第二基板的顶部的不同区域上面对不同的方向。

在又一个方面中，第一凸脊和第二凸脊被设置为允许沿正交横向方向的运动。

根据又一个方面，第一凸脊和第二凸脊被排列成圆形图案。

在又一个方面的情况下，第一凸脊和第二凸脊具有为矩形、三角形、半球形、半椭圆形和梯形中的至少一种的横截面。

在另一方面中，控制器被配置为检测通过用户的触摸施加至触觉反馈致动器的表面的作用力的法向分量。

根据又一个方面，控制器包括电容测量系统，该电容测量系统用于测量相邻的第一电极和第二电极之间的电容以检测所施加的作用力的法向分量。

根据另一个方面，第一凸脊和第二凸脊具有三角形横截面。

在再一个方面中，第一凸脊和/或第二凸脊中的至少一些包括位于它们的顶端上的与相对基板上的其它电极相对的电极，并且控制器包括用于测量所述顶端电极和所述相对的其它电极之间的电容的电路。

在又一个方面的情况下，流体填充间隙设置在相邻的第一凸脊和第二凸脊之间。

根据另一个方面，流体填充间隙中的流体为指数匹配流体(indexmatching fluid)。

在又一个方面中，第一基板被物理地分成多个小的部分，每个部分具有它自己的、独立编址的第一电极组。

附图说明

图1输出常规触摸屏装置，其中静电力用来垂直于装置表面“致动”该装置。

图2示出本发明的例如用在移动装置中的第一和基本实施例。

图3示出了本发明的根据图2的实施例的局部分解和透视图，突出显示了凸脊和电极以及第一基板和第二基板。

图4A和4B示出根据图2的实施例的从突出显示绝缘层和气隙的一侧呈现的本发明。图4A示出电极相对于第一基板和第二基板的定位和标记。图4B图示将与如何驱动本发明相关联的电极组和电极对的定义。

图5A和5B图示由于改变电极的电势引起的运动。图5A示出产生某个物理状态-“状态1”的一种电压状态。图5B示出产生不同的物理状态-“状态2”的另一种电压状态。

图6示出处于图5A和5B中示出的状态的电极组上的电压波形。

图7示出根据本发明的第二实施例的电极组上的电压波形。

图8A和8B示出根据本发明的第三实施例的电学示意图。图8A示出电学配置。图8B示出由电源提供的电压脉冲和两个开关的相位。

图9A和9B示出如在第四实施例中讨论的用于提供用于致动的返回作用力的弹性间隔装置的使用。在图9A中，示出了分立的间隔装置以及一个间隔装置被压缩以储存弹性使能的动作。在图9B中，示出了进行同样的任务但提供密封的弹性密封件。

图10示出了根据本发明的第六实施例使用的电压波形以及所得到的基板位置、电极对之间的电容和所得到的用来改变电压状态的电流。

图11A、11B和11C示出了如根据本发明的第八实施例讨论的可以用来在x方向和平面二者中产生运动的多种其它凸脊图案。

图12示出了本发明，如在第十实施例中描述的那样，其被修改以检测作用力。

图13示出了如根据本发明的第十至十二实施例使用的电极对(电容器)，其连接至用来测量第一基板上的作用力的电容测量电路。

图14示出了本发明，如在第十一实施例中描述的那样，其被修改以检测作用力。

图15示出了本发明，如在第十二实施例中描述的那样，其被修改以检测作用力。

图16示出了如根据第十四实施例讨论的放置在触摸屏显示器下面的触觉反馈致动器。

图17示出了本发明将如何用在典型的移动装置中的流程图。

图18示出了本发明的元件系统如何在典型的移动装置中相互作用的框图。

在附图中，相同的附图标记指示相同的部件或特征。

附图标记的说明

01用户

02触摸板

03显示器，如，LCD，电子纸等。

04移动装置

10静电致动器

11上电极

12气隙

13具有高介电强度和介电常数的波绝缘体

14下电极

17可弹性变形间隔装置

20触觉反馈致动器

21第一基板

22第二基板

23a第一基板的凸脊

23b第二基板的凸脊

24a第一电极(仅涂敷在第一基板的凸脊的侧壁上)

24b第二电极(仅涂敷在第二基板的凸脊的侧壁上)

25绝缘层(防止电极触摸)

26间距/气隙

35电极组对

35a第一对电极组

35b第二对电极组

41电极组(多个第二电极组的成员)

42电极组(多个第一电极组的成员)

43电极组(多个第二电极组的成员)

44电极组(多个第一电极组的成员)

45功率(电压)源

51开关1

52开关2

55弹性间隔装置

56框架

57弹性密封件

58电容-频率转换电路

59频率-数字转换电路

60力计算单元

61CPU

62显示器控制器

65触摸板控制器

66触觉反馈控制器

68存储器

具体实施方式

触觉反馈可以以多种方式，例如通过皮肤的物理运动或通过皮肤中的神经的电刺激。对于前者，在皮肤上施加的运动可以采取多种形式，包括皮肤的法向凹进或皮肤的横向和剪切运动。所感受到的感觉基本上与使用这些运动中的哪一种无关。为了重现真实的触感，运动通常为0和30kHz之间的频率处的摆动运动或振动形式。已知20Hz-1kHz的振动频率范围对重现真实的触感是最有效的，特别地，200Hz-300Hz近似对应于皮肤中的运动受体最敏感的频率。摆动运动可以以其振幅、相位、力、波形、循环周期和循环次数为特征，它们中的任一种都可以被控制以产生相当于所感知的触觉感受的触感。例如，诸如键边缘、按钮敲击、凸起和凹陷之类的触觉感受可以通过这些参数的控制由振动平面模拟。

本发明的第一和最基本的实施例在图2和图3中示出。根据本发明的触觉反馈致动器20包括：第一基板21，第一基板21的顶表面由用户01触摸，第一基板21的底表面形成用于产生振荡式横向运动的第一结构；和能够相对于第一基板运动的第二基板22，第二基板22的顶表面形成与第一基板21的底表面互补的第二结构。第一基板和第二基板中的每一个的基板材料可以由透明材料形成，如液晶显示器制造中常见的塑料或玻璃材料。本发明可以在移动装置04中获得应用，如但不限于，PDA、卫星导航、移动电话、上网本、图形输入板、电子阅读器等。可替换地，本发明同样可以在非移动装置中获得应用，如工作站显示器等。在任何这种装置中，触觉反馈致动器20可以定位在触摸板02层和显示器(如，LCD、电子纸、OLED等)03层的上方。

在图3和图4A示出根据第一实施例的触觉反馈致动器20的详细结构。多个第一凸脊23a形成在第一基板21的底部上，多个互补的第二凸脊23b形成在第二基板22的顶部上。如在“Plasma Deposition，Treatment，and Etching of Polymers”(ed.Riccardo d’Agostino)第五章中描述那样并且如液晶显示器制造技术中已知的那样，凸脊23a，23b例如可以通过等离子体刻蚀用作基板的有机聚合物、玻璃或其它透明材料的被恰当遮掩的片而形成。读者将意识到，存在可以形成凸脊的其它方法，例如，通过表面的简单铣削，或者通过化学刻蚀。可替换地，凸脊可以构建在平坦表面上。

触觉反馈致动器20包括形成在第一基板和第二基板上的电极装置。更特别地，第一凸脊23a的一个或两个侧壁被涂上导电材料并被图案化以形成多个第一电极24a。此外，第二凸脊23b的一个或两个侧壁被涂上导电材料并被图案化以形成多个第二电极24b。电极24a和24b可以由透明导体制成，如但不限于铟锡氧化物(ITO)。如本领域标准的那样，这些电极可以通过定向真空沉积、定向热蒸发沉积在凸脊的侧壁上。

图4A为示出隔开相邻的电极24a和24b的电绝缘层25的结构示意图。绝缘层25由具有高介电强度和高相对介电常数的透明材料制成；多种塑料和材料可以实现该任务。绝缘层25可以沉积(蒸发，旋涂/浸涂等)在第一基板21和/或第二基板22的凸脊表面上。例如，在图4A的实施例中，绝缘层25沉积第一基板21的凸脊表面上。然而，将会认识到，绝缘层25还可以或可替换地沉积第二基板22的凸脊表面上。根据绝缘层是如何沉积的，绝缘层25还可以覆盖凸脊的顶部。最后，存在允许第一基板21和第二基板22之间的横向运动到能够通过触摸察觉的程度所需要的额外“气隙”或可替换类型的间距26。例如，间距26可以为大约0.1毫米至1毫米。

如在此描述的那样，凸脊23a和23b的结构互补之处在于凸脊是相互交叉的。因此，相邻凸脊的侧壁上的电极将彼此横向地偏移。通过在一个或多个相邻凸脊对的相邻侧壁上形成的电极上施加电势差，即电压，能够沿横向方向在两个基板之间产生静电吸引力。类似地，通过在电极上施加时变电势差，静电力在两个基板之间产生，该静电力沿横向方向变化并引起第一基板相对于第二基板的振荡式横向运动，如下文详细描述的那样。

图4B为电学示意图，图示电极分成如现在描述的电极组和对的配置。第一电极24a彼此组合成一个或多个电极的组，以形成多个第一电极组，如，组42和44。第二电极24b也彼此组合成一个或多个电极的组，以形成多个第二电极组，如，组41和43。第一电极组和第二电极组中的每一个连接至对应的外部信号源45，外部信号源45可以用来将特有的驱动信号施加至每个组。多个电极组进一步配置成多对35a和35b，其中一对包括所述多个第一电极组(如，42和44)中的一个电极组和所述多个第二电极组(如，41和43)中的一个电极组。例如，第一对35a包括电极组41和42，第二对35b包括电极组43和44。当电压施加至电极组时，所述对之间的静电力将引起第一基板21和第二基板22之间的相对运动，如将简单描述的那样。

如图3和4A-4B所示，第一基板21和第二基板22设置成彼此相对，使得形成对的第一电极组和第二电极组物理上彼此相对地定位，沿横向方向(即，沿平行于第一基板21和第二基板22的方向)仅由介电层25和气隙26隔开。

现在描述用于形成触感的这种结构的操作。图5A图示电极如何被编址以在各个基板之间产生横向静电力。如图所示，第一电极组42和第二电极组44为所述多个第一电极组中形成在第一基板21的凸脊壁上的成员。第三电极组41和第四电极组43为所述多个第二电极组中的形成在第二基板22的凸脊壁上的成员。第一电极组42和第三电极组41形成第一对35a。第二电极组44和第四电极组43形成第二对35b。形成从这些四个电极组到四个电源45的电连接。这些电源的电压如现在描述的那样变化。

在第一种操作状态中，在此为“状态1”，第一电极组42上的电压V₂被驱动至正电势，第三电极组41上的电压V₃被驱动至负电势。第二电极组44上的电压V₄和第四电极组43上的电压V₁被驱动至相等的电势，如系统地电势。静电吸引力现在由于电势差(V₂-V₃)而形成在形成第一对35a的电极组41，42之间，并且这引起第一基板21沿如由图5A中的箭头所指示的相对于x轴在负方向上相对于第二基板22移动。

在第二种操作状态中，在此为“状态2”，第二电极组44上的电压V₄被驱动至正电势，第三电极组43上的电压V₁被驱动至负电势。第一电极组42上的电压V₂和第三电极组41上的电压V₃被驱动至相等的电势，如系统地电势。静电吸引力现在由于电势差(V₄-V₁)而形成在形成第二对35b的电极组43，44之间，并且这引起第一基板21沿如由图5B中的箭头所指示的相对于x轴在正方向上相对于第二基板22移动。

通过交替地施加第一和第二状态的驱动波形，使第一基板21沿着x轴以横向运动相对于第二基板22前后振荡。而且，由于第二基板22通常被固定且相对于其中实施第二基板22的装置不能移动，因此使第一基板21相对于用户的手指移动，并且振动由用户01察觉为触感，如前所述。图6示出在该实施例中使用的用来在各个电极组上产生时变电势差的电压波形和所产生的第一基板21和第二基板22的运动的近似的曲线图。

读者将会意识到系统的对称性。在可替换配置中，如果需要，运动是横向地沿着y轴的，或者第二基板22可以相对于固定的第一基板21运动。电源的极性可以图示的极性相反。对用来形成所述运动的类型同样不存在限制。

在本发明的第二实施例中，正或负电势的脉冲施加至第一对35a的一个电极组(如，42)，以在对应的电极组上产生时变电势差，以及在形成该对的两个电极组之间形成静电吸引力。(换句话说，第一对35a中的一个电极组接收电压脉冲，而第一对35a中的另一个电极组保持在固定电势，如系统地。)返回运动通过在另一个电极对35b中的一个电极组(如，43)上重复这种操作而产生。(换句话说，第二对35b中的一个电极组接收电压脉冲，而第二对中的另一个电极组保持在固定电势，如系统地。)这在图7中示出。

在状态1中，V₃处于地电势，V₂具有施加至它的电压脉冲(V₁和V₄都处于地电势)。这在第一对35a的电极组41和42之间引起吸引和产生第一基板21相对于固定的第二基板22的运动。

在状态2中，V₂和V₃现在处于地电势且因此在第一对35a的电极组41和42之间不存在作用力。然而，V₄现在具有施加至它的电压脉冲，而V₁处于地电势，并且在第二对35b的电极组43和44之间存在吸引力。这产生第一基板21相对于固定的第二基板22沿与状态1中产生的运动相反的方向的运动。

继续重复这种操作引起第一基板21相对于第二基板22振动，提供可以由用户01察觉的触感。再一次，读者将意识到系统的对称性。请注意，在该实施例中仅需要两个电源-V₁和V₃可以永久地连接至地电势。

在本发明的第三实施例中，作为第二实施例的替换配置，仅需要一个电源；电极组41和44连接至地电势，而来自一个电源45的输出被选择性施加至电极组42和43。电源电势至电极组42和43的分配由一对开关控制，其中第一开关51由第一定时信号Φ1控制，第二开关52由第二定时信号Φ2控制。这种配置在图8A中示出。用来形成触感的电源电压和开关控制信号Φ1和Φ2的示例在图8B中示出。

在状态1(在图8B中表示)中，第一开关51连接至电源45，而第二开关52连接至地电势。这在第一对35a的电极组41和42引起吸引力和产生第一基板21相对于固定的第二基板22的运动。

在状态2中，第一开关51连接至地电势，第二开关52连接至电源45，使得电极组43达到电势V₁。这引起第二对35b的电极组43和44之间的吸引力和第一基板21相对于固定的第二基板22沿与状态1相反的方向的运动。继续重复这种操作引起第一基板21相对于第二基板22振动并提供可以由用户01察觉的触感。读者将会意识到，其它开关和电源也是可行的，例如，可以采用具有负电势的电源45。

图9A示出本发明的第四实施例，其中弹性间隔装置55用来使第一基板21相对于第二基板22返回平衡位置。由时变电势差形成的静电力仍然用来引起初始运动，但返回作用力由弹性间隔装置55提供以产生振荡式横向运动。弹性间隔装置55定位在移动的第一基板21和支撑框架56之间。读者将会意识到，这不是弹性间隔装置55可以被放置以引起返回作用力的唯一位置。例如，弹性间隔装置55可以定位在第一基板21和第二基板22之间。

在图9B中示出的该实施例的可替换配置中，弹性密封件57放置在第一基板21的边缘周围。弹性密封件57像弹性间隔装置55一样起作用，用来在由第一电极和第二电极上的时变电势差形成的静电力引起的横向运动之后使第一基板相对于第二基板返回平衡位置。弹性密封件57包括附加的优势在于，随后可以将系统密封在支撑框架56以防止灰尘和杂质进入单元。读者将会意识到，可替换地，可以在密封机构不负责用于触觉运动的返回作用力的情况下使用密封机构。

在本发明的第五实施例中，在电极之间不存在电介质间隔装置。当电极由于将它们驱动在一起的静电力而接触，电极上保持的电荷突然放电，引起电极之间的电流瞬时增加。电流的这种增加可以用作控制所连接的电源和改变电极组的电压的信号，如使静电力反向。然而，这种配置的明显的缺点在于，突然放电会由于电路和电极结构的不可逆的电击穿而损坏装置。

在第六实施例中，从电源引出的电流由于电极组的相对运动引起的变化用于控制施加至电极的波形。在图10中图示该实施例的操作原理。在第一操作状态中，即在状态1中，电压波形如所指示的那样施加至电极组，其中V₁、V₃和V₄处于地电势，V₂具有不同的(示出为正)电势。在电极组41和42之间形成电势差这些电压波形的施加在第一对35a的电极组41和42之间产生静电吸引力。

所产生的第一基板21相对于第二基板22的运动减小了电极组41和42之间的距离，并且由电极对35a形成的电容器C_P1的电容因此增加。假设电极组保持在恒定电压，则电极上保持的电荷增加并且必须从连接的电源45供给，也能产生流向电容器C_P1的电流I_P1。该电流可以被监测以控制装置的操作。例如，当由于电极达到固定最小距离间隔而导致超过某个阈值电流i_th1时，所施加的电压波形从状态1改变至状态2。

在该状态2中，V₁、V₂和V₃被驱动至地电势，电压脉冲(图示为正)施加至V₄。电极组43和44之间产生的电势差在第二对的电极组43和44之间产生静电吸引力。这导致电极组41和42之间的距离增加，电极组43和44之间的距离减小。由第二电极对35b形成的电容器C_P2的电容因此增加并产生从电源流向该电容器的电流I_P2。

与之前一样，该电流增加至阈值i_th2，电压波形在该阈值i_th2处返回它们的状态1条件。阈值电流i_th1和i_th2被设定为在低于可能出现击穿的点下出现。还可以存在介电层25以防止意外的电击穿。重复上述操作引起第一基板21相对于第二基板22振动，提供可以由用户01察觉的触感。

再一次，读者将会意识到系统的对称性。这种驱动方法可以应用于在第一至第六实施例中公开的任何配置，并且结合在在此描述的反馈致动器控制器的对应电路中。与之前的实施例相比，这具有的优点是，不存在由于电击穿而出现的对装置的不可逆的损坏的危险。

在本发明的第七实施例中，驱动电压不限于方波或脉冲，而是可以为任何合适的波形，例如，锯齿形或正弦形。这在产生更宽的触觉感受方面会是有好处的，即允许向用户重现更大范围的触觉。

凸脊为直的平行线的状态不是必须的，并且可以是限制性的，虽然可以在平行板设计内为横向运动提供最强的作用力。在本发明的实施例中，不同的凸脊/电极结构将允许沿多于一个方向的横向运动。图11A、图11B和图11C示出凸脊和因此电极结构图案的变化。图11A图示原始实施例。图11B示出其中凸脊23a，23b在对应基板的不同区域上面向不同的方向的实施例。

再一次，电极形成在各个凸脊壁上。虽然示出的该结构产生了仅为在原始配置中产生的作用力的一半的最大值，但它却允许沿正交横向方向(即，x方向和y方向)的运动。而且，在向电极组施加合适的电压波形的情况下，可以产生沿两个方向的同时运动，从而，例如，构建在横向平面中的圆形运动或对角运动。类似地，在图11C，圆形隔开的电极可以用来引起类似的效果。读者将会意识到，其它电极图案也是可行的，同时保留在本发明的范围内，即表面的相对横向运动。

在本发明的第九实施例中，凸脊23a，23b不具有矩形横截面而是可以为三角形、半球形、半椭圆形、梯形等。采用正在进行的实施例中公开的配置，具有能够产生法向(z轴)运动以及横向运动的结构，并且因此该结构可以用来形成需要装置表面的全三维运动的复杂触感。

在本发明的第十实施例中，由手指在所述表面上施加的作用力的法向分量可以通过由一对电极组形成的电容器的变化而被检测到。用户的手指将相对于第二基板移动第一基板，并且将改变其电容，如图12所示。在这里，示例性电容示出位于电极对35之间。在其静止状态，该对的电容C_P等于第一电容C₁。当用户施加作用力到该表面时，电容器的面积有效地增加，因此将该对的电容增加至第二电容C₂，其中C₂＞C₁。电容的增加可以与所施加的作用力相关联。添加弹性间隔装置55以提供抵抗由用户提供的作用力的恢复力。

图13示出用在第十实施例中的电容测量系统的示意图。电容测量系统可以结合在在此描述的触觉反馈致动器控制器中，并且可以包括：电容-频率转换电路58；频率-数字转换电路59和力计算单元60。电容-频率转换电路58可以为已知结构，例如，还包括运算放大器和四个电阻器R1、R2、R3和R4。

在操作中，电容测量电路58产生输出信号，其为与将被测量的电容-在该情况中为该对的电容C_P-成比例的频率的方波。频率-数字转换电路59产生数字输出信号，其为该频率侧测量值，因此为电容C_P的测量值。力计算单元60用来将数字频率信号转换成对应于由用户01施加至装置的表面的作用力的力的绝对值。

作用力信息随后可以简单地显示返回给用户，或者可以用作用于触摸屏装置的附加输入参数。在实施例中，作用力信息可以与常规触摸板一起使用或代替触摸板，以确定用户的触摸在触摸屏装置上的位置。上述电容测量系统的意图是仅作为示例；存在可以代替它的多种公知电容测量电路。

图14示出本发明的第十一实施例，其中具有三角形横截面-如之前在第九实施例中描述的那样-的凸脊用来检测作用力。这种配置的优点在于，能够同时形成横向和法向(z轴)运动以及检测横向和法向施加的作用力。

在第十二实施例中，凸脊23a和23b中的一些具有涂敷在它们的顶端上的电极。如在第十二和第三实施例中所描述的那样，这些独立于致动电极的电极测量作为作用力的函数的电容。这种配置关于一个凸脊23a在图15中示出。这种配置的优点在于，能够同时形成横向和法向(z轴)运动。

在本发明的第十三实施例中，气隙26(图4A)由低粘度指数匹配流体填充。该流体被选择为具有与凸脊23a，23b相同的折射率，并且因此减小由在具有不同折射率的表面的界面处出现的折射引起的光学散射。

在图16中示出的本发明的第十四实施例中，触觉反馈致动器20定位在显示器03的下方。该装置的操作与上述实施例中描述的一样，但现在包括横向运动的显示器03本身。该实施例的优点的在于电极，指数匹配流体、凸脊和支撑材料可以完全或至少部分地由非透明材料构造而成。

在本发明的第十五实施例中，第一基板21被物理地分成多个小部分，每个部分具有它自己的独立编址的电极组。照这样，第一基板的表面的单独的区域可以独立于其它区域振动。以这种方式，可以实现多触摸触觉反馈装置。

图17示出具有如在本发明的上述实施例中的任一个公开的触觉反馈装置的触摸屏装置的系统框图。该系统包括：用于在显示器03上产生输出图像的显示器控制器62；用于处理由触摸板02检测的输入信号以检测用户的触摸位置的触摸板控制器65；触觉控制器单元66，其被采用常规技术编程以激活触觉反馈致动器20，从而通过向根据在此描述的任何实施例的触觉反馈致动器电极提供不同的驱动电压而产生反馈触感；处理单元(如，CPU)61，其被采用常规编程技术编程以协调显示器03、触摸板02和触觉反馈致动器20的操作；以及用于存储用于显示的图像和用于产生触感的波形图案的存储器单元68。

图18示出图示本发明的操作的流程图。在步骤100中，触摸屏装置在显示器03上显示虚按钮等。当用户01在步骤102中触摸触摸屏装置时，触摸板02和触摸板控制器65采用常规技术确定所述触摸在触摸屏装置上的位置，如在步骤104所示。在步骤106中，处理单元61确定用户01是否已经触摸虚按钮或与触感相关联的其它目标。当用户01在显示器03的未由与触感相关联的目标(例如虚按钮或滚动条)突出的区域中按压触摸屏装置时，触觉反馈致动器20不活动，并且没有触感产生，除非用户改变触摸位置(步骤108和110)。

然而，当用户01触摸包括与触感相关联的目标的区域时，如步骤112中所示，处理单元61向触觉控制器66发信号以激活触觉反馈致动器20，从而如在此描述的那样提供该装置的表面的横向运动(步骤114)。这些运动随后由用户感知。取决于所述目标，例如按钮、滚动条、键等，可以基于提供至触觉反馈致动器20的波形图案产生不同的触感。

通过恰当地控制施加至触觉致动器的波形，可以重新形成接近实体目标的虚的触觉。例如，当用户按压触摸屏上的虚按钮时，可以重新形成触摸实体键盘的感觉。结果，用于满意度增加，并且数据输入误差率降低。

虽然已经参照某个或某些实施例示出和描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人员可以有等同的改变和修改。特别地，关于由上述元件(部件、组件、装置、成分等)进行的多种功能，除非另外指明，用来描述这种元件的术语(包括对″装置″的提及)意图是对应于进行上述元件的指定功能的任何元件(即，其为功能等同)，即使结构上不等同于所公开的在本发明的本文中的示例性实施例中执行所述功能的结构。此外，虽然上文已经仅关于数个实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但当可能希望时和对任何给定或特定应用有好处时，这种特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合。

工业应用性

本发明理想地适合其中需要单触摸触觉感受的产生，如移动电话、PDA、电子阅读器、导航装置等、这种装置允许所述表面以使用户在没有直接视觉观察的情况下意识到已经进行一动作的方式振动。以这种方式，车辆导航装置的安全问题减少，并且可以制造能够盲人使用的触摸屏。

Claims (29)

1.一种触摸屏装置，包括：

显示器；

设置在显示器上的触觉反馈致动器，包括：

第一基板；

面对第一基板的第二基板，第一基板和第二基板沿横向方向彼此平行并能够沿横向方向彼此相对运动；和

第一基板和第二基板上的电极装置，由此在电极装置中的两个或更多个电极上施加的电势差在第一基板和第二基板之间产生沿横向方向的静电力；和

控制器，被配置为在所述两个或更多个电极上施加时变电势差，使得所产生的静电力沿横向方向变化并引起第一基板相对于第二基板的振荡式横向运动。

2.根据权利要求1所述的触摸屏装置，其中振荡式横向运动在0至30kHz的频率范围内。

3.根据权利要求2所述的触摸屏装置，其中振荡式横向运动在200Hz至300Hz的频率范围内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，还包括一个或多个弹性间隔装置，所述一个或多个弹性间隔装置用于在由通过时变电势差产生的所述静电力引起的横向运动之后、使第一基板相对于第二基板返回到平衡位置，从而产生振荡式横向运动。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，还包括弹性密封件，所述弹性密封件用于在由通过时变电势差产生的所述静电力引起的横向运动之后、使第一基板相对于第二基板返回到平衡位置，从而产生振荡式横向运动。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，其中控制器采用作为方波、脉冲、锯齿或正弦波形中的一种或多种的驱动电压施加时变电势差。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，其中触觉反馈致动器定位在显示器的上方，并且第一基板和第二基板以及电极装置由透明材料构成。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，其中触觉反馈致动器定位在显示器的下方，并且第一基板和第二基板至少部分地由非透明材料构成。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸屏装置，其中：

第一基板包括形成在第一基板的底部上的多个第一凸脊；

第二基板包括形成在第二基板的顶部上的多个第二凸脊，第二凸脊与第一凸脊相互交叉；并且

电极装置包括位于第一凸脊的各个侧壁上的一个或多个第一电极以及位于第二凸脊的各个侧壁上的一个或多个第二电极。

10.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中在相邻的第一凸脊和第二凸脊之间设置间隙，以允许第一基板和第二基板之间的振荡式横向运动达到能够通过触摸感受到的程度。

11.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一电极组合成多个第一电极组，第二电极组合成多个第二电极组，第一电极组和第二电极组设置成对，其中每一对包括所述多个第一电极组中的对应的一个和所述多个第二电极组中的一个，并且控制器被配置为通过将驱动电压提供至第一电极组和第二电极组中的每一个而产生沿一个横向方向的运动。

12.根据权利要求11所述的触摸屏装置，其中控制器通过将驱动电压交替地提供至第一对以产生沿第一横向方向的运动和第二对以产生沿与第一横向方向相反的第二横向方向的运动而产生振荡式横向运动。

13.根据权利要求11所述的触摸屏装置，其中施加至一对中的第一电极组的驱动电压与施加至该对中的第二电极组的驱动电压的幅度相等但符号相反，以便在形成该对的第一电极组和第二电极组之间产生电势差，从而产生沿横向方向的运动。

14.根据权利要求11所述的触摸屏装置，其中控制器将一对中的一个电极组的电势维持在恒定值，并将电压脉冲施加至该对中的另一个电极组，以便在形成该对的电极组之间产生电势差，从而产生沿横向方向的运动。

15.根据权利要求11所述的触摸屏装置，其中控制器包括用于将驱动电压施加至第一电极组和第二电极组的电压源和多个开关。

16.根据权利要求9所述的触摸屏装置，还包括位于相邻的相互交叉的第一凸脊和第二凸脊的侧壁上的电极之间的电介质间隔装置。

17.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中相邻的相互交叉的第一凸脊和第二凸脊的侧壁上的电极能够相互接触。

18.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中控制器监测提供至第一电极和第二电极的电流并基于该电流改变电势差。

19.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一凸脊在第一基板的底部的不同区域上面向不同的方向，并且第二凸脊在第二基板的顶部的不同区域上相应地面对不同的方向。

20.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一凸脊和第二凸脊被设置为允许沿正交的横向方向的运动。

21.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一凸脊和第二凸脊被排列成圆形图案。

22.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一凸脊和第二凸脊的横截面为矩形、三角形、半球形、半椭圆形或梯形中的至少一种。

23.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中控制器被配置为检测通过用户的触摸施加至触觉反馈致动器的表面的作用力的法向分量。

24.根据权利要求23所述的触摸屏装置，其中控制器包括电容测量系统，该电容测量系统用于测量相邻的第一电极和第二电极之间的电容以检测所施加的作用力的法向分量。

25.根据权利要求24所述的触摸屏装置，其中第一凸脊和第二凸脊具有三角形横截面。

26.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一凸脊和/或第二凸脊中的至少一些包括位于它们的顶端上的与相对基板上的其它电极相对的电极，并且控制器包括用于测量所述顶端电极和所述相对的其它电极之间的电容的电路。

27.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中在相邻的第一凸脊和第二凸脊之间设置流体填充间隙。

28.根据权利要求27所述的触摸屏装置，其中流体填充间隙中的流体为指数匹配流体。

29.根据权利要求9所述的触摸屏装置，其中第一基板被物理地分成多个小的部分，每个部分具有它自己的、独立编址的第一电极组。

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