CN103885581A - 触觉反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触觉反馈装置，包括固定框和承载件；安装在固定框上的第一极元件；安装在承载件上的第二极元件；一个用户界面安装于或包括承载件并设置为接收脉冲；一个电磁线圈，设置在第一极元件和第二极元件其中之一上，电磁线圈根据接收脉冲而选择性地充电；和一个悬挂系统，将承载件连接在固定框上，使承载件和固定框在第一方向上可相对移动，其中，第一极元件和第二极元件分别对应安装在固定框和承载件上，以当电磁线圈不充电时，在第一方向上形成一个空气间隙。悬挂系统与第一极元件和第二极元件物理分离，并当电磁线圈充电时以将第二极元件向第一极元件驱动时，允许固定框和承载件之间在所述第一方向上相对运动。

Description

触觉反馈装置

技术领域

本发明涉及一种能够对用户操作或输入设备的运行提供一种触觉反馈的装置，特别是涉及一种提供压力反馈的装置。

背景技术

一些装置为用户或操作者提供触觉反馈，以使操作者确信自己试图进行的操作已经确认得到接收。例如，对于一些计算机输入设备而言，提供点击感知的鼠标或其它指针设备的情况即是如此。相对而言，一些例如触摸屏之类的设备无法提供点击或其它感知确认。基于这个原因，有待运用触觉技术来提供基于用户输入产生的触摸屏振动，以为用户提供反馈以确认触摸屏已接受输入。一般而言，“触觉技术”是指利用向用户通过施加力、振动或其它运动造成触觉感知的技术。

图13示出一种示范性触觉执行器，其中一个运动件（横向视图下为水平剖面线示出）通过两个弹簧件（水平方向上分离）和两个极支撑件辅件（竖直方向上分离）弹性安装在固定框（竖直剖面线示出）。图13A示出极支撑件辅件的一种状态，其中极元件上的线圈没有充电。图13B示出极支撑件辅件的另一种状态，其中极元件上的线圈被充电。每个极支撑件辅件的弹性边框设置对立边，一个边通过两个紧固件（圆圈示出）安装到固定框上，另一个边通过同样的两个紧固件安装到运动件上。每个辅件上的两个极元件通过连接臂连接于辅件框。当线圈没有被充电时，每个极支撑件辅件的外框如图13A所示为长方形。当线圈被充电后，极元件互相吸引，这样弹性框变形（如图13B箭头所示）为非矩形的平行四边形。

在组装每个极支撑件辅件时，两个极元件之间设置特定的间隙尺寸。但是，如果极支撑件辅件（相对固定框或运动件）在固定时位置不精确，极支撑件辅件的弹簧框会变形，从而对非充电状态下的初始间隙尺寸产生不利的影响。

因此，如图13所示的设备的两个极支撑件辅件在两个水平放置的弹簧件之外还有效地提供了悬挂措施。两个极支撑件辅件提供的悬挂系统可能导致干扰并增加性能的不可预测性（如上文所述的初始间隙尺寸）。元件数量越多，恶性干扰的潜在可能性就越大。例如位移和加速等级等测量属性会在不同的组装产品之间形成很大差别，从而降低质量和用户满意度。

图14示出了“A300”触觉执行器。A300触觉执行器使安装在固定框和运动件（例如其可以支撑一个用户输入设备）之间的连接设备。运动件和固定框并未在图中示出。A300触觉执行器包括一个执行器框架179或壳体，壳体环绕第一极元件180和第二极元件182，在A300执行器中第一极元件180（其上围绕电磁线圈184）固定设置在执行器壳体179上。执行器壳体179固定设置在固定框（图中未示出）上。加长的U形弹簧件180将第二极元件182连接到执行器壳体179。第二极元件182在弹簧件187的内腔内受到支撑。第一极元件180和第二极元件182之间形成间隙191。弹簧件187在与该间隙平行的方向上设置一内腔，该内腔包括一朝向第一极元件180和线圈184的腔口。第二极元件182安装在腔口内。弹簧件187相对于腔口的背面与组件185连接。组件185与运动件（图中未示出）连接。

如图13和图14所示现有技术中的触觉设备依赖于分离且不同的执行器单元。触觉设备带有两个设置于固定框和运动件之间的极元件来提供触觉效果。这些触觉单元被限制在约300微米的执行行程内，因此执行器单元对于静止间和运动件的组装必需精确。而且，由于缺乏效率，每个组件通常需要数个执行器元件。这些执行器元件通常包括一个用于驱动第二极元件的弹簧和一些用于固定两个极元件的壳体，这两个极元件在执行器单元内相对设置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中触觉执行器安装时容易造成变形，导致振动触觉欠缺或相互干涉的缺陷。

在本发明的一个原理下，触觉反馈装置包括固定框、承载件、用户界面、一套极元件和一个悬挂系统。固定框上面安装第一极元件。承载件相对于固定框至少在一个方向上运动。承载件上安装第二极元件。用户界面安装于或包括承载件并设置为接收脉冲信号（如用户信号）。一个电磁线圈设置在第一极元件和第二极元件其中之一上。电磁线圈接收用户脉冲从而选择性地充电。第一极元件和第二极元件各自对应固定框和承载件分开设置，以在电磁线圈未充电时在第一方向上形成空气间隙。第一方向相当于至少一个维度方向。悬挂系统将承载件连接在固定框上，并并当所述电磁线圈充电时以将第二极元件向第一极元件驱动时，允许所述固定框和承载件之间在所述第一方向上相对运动。

在一个示范性实施例中，悬挂系统与第一极元件和第二极元件物理分离。悬挂系统包括与固定框物理连接的第一极元件，通过所述悬挂系统与承载件连接的固定框，和与所述第二极元件物理连接的承载件。在一个实施例中，“物理连接”表示直接的物体接触。

在一个示范性实施例中，承载件和固定框通过悬挂系统彼此连接但不通过包括第一极元件和第二极元件中任何一个元件的组件连接。在一个示范性实施例中，第一极元件不通过将第二极元件连接到承载件的共用连接组件与所述固定框连接。在一个示范性实施例中，承载件和固定框仅通过悬挂系统彼此连接。在一个示范性实施例中，第一极元件与固定框固定连接，第二极元件与承载件固定连接。

在一个示范性实施例中，用户界面包括一或多个实体脉冲反应按键，例如按压按键。在另一个实施例中用户界面包括用以感应用户脉冲位置的透明的二维矩阵。透明的用户界面覆盖在液晶屏上。液晶屏根据多个二维矩阵的位置显示多个输入操作。

在一个示范性实施例中，显示屏安装在固定框内，从而不与承载件一起运动。在另一个示范性实施例中，显示屏安装在承载件内并与承载件共同运动。

在一个示范性实施例中，悬挂系统包括至少两个在第一方向上间隔设置的悬挂元件。其中至少两个悬挂元件包括在自然状态下在与第一方向垂直的平面上延伸。在另一个示范性实施例中，至少两个悬挂元件包括第一套悬挂元件和第二套悬挂元件，第一套悬挂元件在一第一平面内延伸并在该第一平面内彼此间隔，第一套悬挂元件在一第二平面内延伸并在该第二平面内彼此间隔，第一平面和第二平面彼此间隔并与第一方向垂直。在一个示范性实施例中，每个悬挂元件包括圆形横截面的弹性栓体，该弹性栓体配置为在多个方向上运动。

在一个示范性实施例中，每个极元件包括L形层叠结构，其中第一极元件和第二极元件的长边平行于第一方向。

在一个示范性实施例中，触觉反馈装置包括一个安装在固定框上的电路板，电路板包括基于接收脉冲产生线圈充电信号的处理器。

在一个示范性实施例中，触觉反馈装置还包括第二套极元件。第二套极元件包括安装在固定框上的第三极元件、安装在承载件上的第四极元件和一个第二电磁线圈。第二电磁线圈设置于第三极元件和第四极元件其中之一上，电磁线圈根据接收脉冲而选择性地充电。其中第三极元件和第四极元件彼此之间当所述第二电磁线圈不充电时，在与第一方向垂直的第二方向上形成一个空气间隙。

在本发明的另一个原理涉及一个组装触觉反馈装置的方法。制造方法包括（1）将一个用户界面安装到或组合到承载件上；（2）通过悬挂系统将承载件连接到固定框上，使得承载件相对固定件在至少一个方向上运动；（3）将第一极元件安装到固定框上，另外将第二极元件安装到承载件上，悬挂系统与第一极元件和第二极元件物理分离；（4）在第一极元件和第二极元件之间设定空气间隙尺寸。

在一个示范性实施例中，悬挂系统与第一极元件和第二极元件物理分离包括与固定框物理连接的第一极元件，通过所述悬挂系统与承载件连接的固定框，和与所述第二极元件物理连接的承载件。在一个实施例中，“物理连接”表示直接的物体接触。

在一个示范性实施例中，组装方法包括承载件和固定框通过悬挂系统彼此连接但不通过包括第一极元件和第二极元件中任何一个元件的组件连接。

在一个示范性实施例中，组装方法包括第一极元件与固定框固定连接，第二极元件与承载件固定连接。

在一个示范性实施例中，组装方法包括在用户界面上设置一或多个实体脉冲反应按键。

在一个示范性实施例中，组装方法包括在用户界面中设置用以感应用户脉冲位置的透明的二维矩阵，将透明的用户界面覆盖在液晶屏上，液晶屏根据多个二维矩阵的位置显示多个输入操作。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将显示屏安装在固定框上。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将显示屏安装在承载件上。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将悬挂系统设置为包括至少两个在第一方向上间隔设置的悬挂元件。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将其中至少两个悬挂元件设置为在自然状态下在与第一方向垂直的平面上延伸。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将至少两个悬挂元件设置为包括第一套悬挂元件和第二套悬挂元件，第一套悬挂元件在一第一平面内延伸并在该第一平面内彼此间隔，第一套悬挂元件在一第二平面内延伸并在该第二平面内彼此间隔，第一平面和第二平面彼此间隔并与第一方向垂直。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将每个悬挂元件设置为包括圆形横截面的弹性栓体，该弹性栓体配置为在多个方向上运动。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将每个极元件设置为包括L形层叠结构，其中第一极元件和第二极元件的长边平行于第一方向。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将电路板安装在固定框上，电路板包括基于接收脉冲产生线圈充电信号的处理器。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将第三极元件安装在固定框上的，将第四极元件安装在所述承载件上和将一个第二电磁线圈设置于第三极元件和第四极元件其中之一上，电磁线圈根据接收脉冲而选择性地充电。其中第三极元件和第四极元件彼此之间当所述第二电磁线圈不充电时，在与第一方向垂直的第二方向上形成一个空气间隙。第二方向对应于第二维度的运动，第二方向与第一方向垂直。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将固定框安装在汽车仪表板上。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将固定框安装在文件处理设备的控制面板中。

在一个示范性实施例中，组装方法包括将固定框安装在自动银行设备的控制面板中。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：该触觉反馈装置安装精确，极元件之间的间隙不会受到装配步骤程序的影响，结构简单。

附图说明

图1A根据本发明一个示范性实施例示出了控制单元的主视图，其中控制单元包括一个采用触摸屏类型用户界面的触觉反馈设备。

图1B根据本发明一个示范性实施例示出了控制单元的主视图，其中控制单元包括一个采用机械按键类型用户界面的触觉反馈设备。

图2示出了一个示范性触觉反馈设备的展开示意图，其中包括第一类型悬挂系统。

图3是图2所示触觉反馈设备组装后的示意图。

图4根据一示范性实施例示出了触觉反馈设备所使用的一套极元件和线圈的立体示意图。

图5示出了一个示范性触觉反馈设备的展开示意图，其中包括第二类型悬挂系统。

图6是图5所示触觉反馈设备组装后的示意图。

图7示出了一个示范性触觉反馈设备的展开示意图，其中包括第三类型悬挂系统。

图8是图7所示触觉反馈设备组装后的示意图。

图9是根据一个示范性实施例中的一种电路板类型的示意图，该电路板可以运用于邻接各种提供同一等级运动反馈类型的触觉反馈设备。

图10是根据另一个示范性实施例中的一种电路板类型的示意图，该电路板可以运用于邻接各种提供运动反馈类型的触觉反馈设备，该触觉设备尤其可以提供多等级运动反馈。

图11根据一个示范例模式示出了一个运行触觉反馈设备的流程图。

图12根据本发明实施例阐述了一个制造触觉反馈设备的方法的流程图。

图13是第一种现有技术设备的剖视图。

图13A是图13所示极支撑件辅件的放大图，其中线圈未被充电。

图13B是图13所示极支撑件辅件的放大图，其中线圈被充电。

图14是第二种现有技术设备的立体图。

具体实施方式

在下述阐述中，具体细节如特定的工艺、界面、技术等为用于阐述的目的并不构成限制，以保证这里所揭示的技术方案能够被详细彻底的理解。然而，本领域的技术人员能够理解这里揭示的技术能够运用在这些具体细节以外的具体实施例中，这样本领域的一般技术人员能够将技术原则贯彻为各种实施方式，即使这些实施方式没有在此处进行详细的描述或显示，但这些实施方式仍然落在技术原则当中并且没有超出其精神和范围。在一些实施例中，一些熟知的设备、电路和方法并未进行细节描述，以免这里所揭示的技术描述受到不必要的细节冗余阐述。所有在这里进行的有关原则、视角和具体实施例的阐述包括了结构和功能的等同方式。另外，这些等同方式包括当前已知的等同物和进一步发展的等同物，例如所有进一步发展的能够实施同样功能的元件，即使结构可能有所不同。

例如，本领域的一般技术人员能够理解此处的框图能够代表将技术原则具体化了的示意性电路和其他功能单元的概念性原理。类似地，任何流程图、状态转换图、程序代码或其他类似物被具体阐述，这些类似物可被计算机可读媒介物具体描述，并被计算机或处理器执行，即使这些计算机或处理器在此处没有进行详细阐述。各种元件的功能包括功能性模块，包括但不限于这些被称之为“计算机”、“处理器”或“控制器”。这些功能性模块能够通过使用诸如电路硬件和/或能够执行以代码指令方式储存在计算机可读媒介中的软件的硬件。这样，这些功能和阐述的功能性模块能够通过硬件应用和/或软件应用，从而实现自动化应用。

就硬件应用而言，功能性模块可以包括数字信号处理器（DSP）硬件、精简指令集处理器、硬件（如数字或模拟）电路包括但不限于特定用途集成电路（ASIC）和/或可编程逻辑器件（FPGA）和能够执行这些功能的状态机器。

就计算机应用而言，计算机可以理解为包括一个或多个处理器或者一个或多个控制器，这些计算机处理器和控制器术语能够在此处进行可交换地使用。这些功能能够通过单个的计算机处理器或控制器实现，通过一共享的计算机处理器或控制器实现，或通过多个独立的计算机处理器或控制器实现，他们中的一部分可以被共享或分配。而且，“处理器”或“控制器”的技术术语的使用应当被解释为其他能够运行这样功能和/或执行软件的硬件，例如上述的示范性硬件。

“示范性实施例”的术语指的是明显的、不做限制的实施例，这些实施例并不需要在此处揭示的技术范围内对所有的实施例进行特征化描述。

图1A示出了作为触觉反馈装置20A运行的控制单元。图1A是从用户和操作者与触觉反馈装置20A交互的视角上进行描述。这样，图1A通过了一个非穷尽性的实施例描述，阐述了触觉反馈装置的用户界面如何在该用户界面透明地覆盖于或协同于图形显示下向用户操作者进行显示。特别地，图1A所示的用户界面是一个触摸屏，该触摸屏覆盖于汽车控制单元的图像描述（例如LCD、LED或其他显示类型）之上。举例而言，图1A的图像描述包括温度控制部分和音响控制部分。温度控制部分包括第一套三角形符号，当这些符号被用户操作者触摸时，风扇转速会被提高或降低。音响控制部分包括八边形的符号，当这些符号被用户操作者触摸时，选择AM或FM的无线电接收。音响控制部分进一步包括三角形符号，这些三角形符号被用户操作者触摸时增加或减少所选择的无线电接收频段的类型。音响控制部分进一步包括圆形符号，这些圆形符号被用户操作者触摸时，调整接收器至预先设定的频段。

图1A的图形显示中哪一个符号被用户操作者触摸（例如，哪一个符号接受了一个用户脉冲）可以被位置传感器所确定，该位置传感器属于一个X-Y矩阵形式的透明的压力传感薄膜，该X-Y矩阵包括用户界面并以其透明特质使得设置在其下方的图形表示显露出来。当然，图1A中的图形表示只是一个举例，其他简单或复杂的图形表示和适合其他设备和环境类型的图形形状同样可以适用。

图1A示范性地示出一个包括透明的二维矩阵的用户界面的实施例，该二维矩阵设置为感知接收脉冲位置（如用户或触觉脉冲）。透明的用户界面覆盖于一个显示屏或其他设置为用图形来阐述多个输入运行的物体，该输入运行与用户界面的二维矩阵的多个位置对应。

图1B示出了作为触觉反馈装置20B运行的控制单元。图1B也是从用户和操作者的视角上进行描述。触觉反馈装置20B的用户界面包括多个能够被用户机械按压的按键或开关。当按键上的压力输入被感知时，例如电容等物理参量可以产生变化，从而向处理器发送信号。图1B所示的触觉反馈装置所运用的环境可以是银行业所使用的自动出纳机（ATM）。这样图1B就阐述了用户界面的另一实施例，该用户界面包括一或多个例如可按压按键的实体脉冲反应元件，图1A和图1B仅是用来阐述根据本发明所揭露技术中的触觉反馈装置的两个不同的用户界面，和两个不同的触觉反馈装置的使用环境。在本文中术语“触觉反馈装置”或“触觉反馈装置20”（或其它最初的的译文）一般用来表述此处所包含的任何合适的触觉体验，包括但不限于图1A中的触摸屏类型的触觉反馈装置20A和图1B中的触压按键类型的触觉反馈装置20B，也不受配置、安装或使用环境的限制。因此，如图2、图5和图7中的具体实施方式所示的不同具体示范性实施例，例如可以包括图1所示的触摸屏类型的用户界面，或图1B所示的按压按键类型的图形界面，或其他任何并非触觉反馈装置的关键运行结构的图形界面。

图2所示为触觉反馈装置20的展开结构示意图，触觉反馈装置20包括固定框40、相对于固定框可在至少一个方向上运动的承载件42、设置为接收用户输入的用户界面44、极元件的组合46以及悬挂系统48。其中，用户界面44安装在承载件42上或与承载件42形成一体。在一示范性实施例中，用户界面44可以独立制成并与承载件42连接或安装。在另一个实施例中，用户界面44可以包括或与承载件42一体成形。

每个固定框40、承载件42和用户界面44在一X-Y平面内大致为矩形，该X-Y平面与图1A和图1B中的平面大致平行。承载件42可以采用中空矩形运载框形状，该运载框包括两个长元件52X和两个短元件52Y，长元件52X沿X方向延伸，两长元件52X在Y方向上分离。短元件52Y沿Y方向延伸，两短元件52Y在X方向上分离。每个元件52X和52Y的内表面形成一承载肩54，其容纳并支撑用户界面44。一个大致为矩形的极安装座56设置在其中一个长元件52X的下方，即极安装座56沿承载件运载框的厚度方向延伸，所述极安装座56在X-Y平面内的投影边界未超出运载框在X-Y平面内的投影边界。

承载件42和固定框40可以使用任何合适的材料装配，比如塑料、铝或镁。

在图2所示的特定实施例中，用户界面44为透明的触摸屏形式，其包括与电子元件配合运行的X-Y矩阵检测器，以为触摸屏的X-Y矩阵中的具体位置提供指示，触摸屏可以接受用户输入，如用户手指的触摸或人工控制的接触。用户界面44的透明触摸屏可以包括矩阵薄膜，该矩阵薄膜包括带状电缆或其他连接到例如处理器58的电子元件的传输设备。处理器58和其他电子元件可以安装在电路板60上。在所述具体实施例中，电路板60（处理器58面朝下设置）受到固定框40的支撑。虽然用户界面44在图2中显示为一个元件，用户界面44实际上包括透明薄膜触摸屏和透明背板，如背板玻璃。用户界面44，包括其透明薄膜触摸屏和透明背板，装入承载件42的内侧使得用户界面44的边缘容纳于和/或被支撑在承载肩54上。用户界面44在承载肩54的位置可以通过粘结剂、环氧树脂或其他的紧固方式密封用户界面44与承载肩54之间的间隙。这样承载件42携带用户界面44可相对固定框40在数个方向上移动。

在图2所示的示范性实施例中，用户界面44覆盖在，或直接包括，显示屏64或其类似物上。显示屏64被配置为图形显示多个输入操作，其对应于用户界面二维矩阵的多个位置。显示屏64可以是一个适合在用户界面44上重叠显示位置的液晶显示屏或其他显示设备（如LED），用户界面44对应能够被操作者“按压”的“开关”或“按键”。该显示设备同时可以显示与每个按键或开关对应的说明性文字。显示屏64的操作电子元件设置在电路板60上，包括显示驱动，同时可以与处理器58连接以协调操作。显示屏64在X-Y平面上呈现矩形，其尺寸最好能够容纳于承载件42的矩形运载框内。在一个示范性实施例中，显示屏64安装在固定框40上，这样显示屏64也保持固定。在这个固定安装的实施例中，显示屏64可以安装在承载件42的矩形运载框（图中没有52）的内边缘内，但并不与元件52X、52Y接触，安装在承载件42内的显示屏64不防碍承载件42的运动。这样在显示屏64和用户界面44之间形成空气间隙，用户界面44重叠于显示屏64之上以使得用户界面可相对于显示屏64运行（例如振动）。在这个固定安装实施例中，承载肩54在进行触觉反馈时不发生运动，这样显示屏64上的图像不至于发生模糊。

在另一个示范性实施例中，显示屏64固定安装在承载件42（而不是固定框40）上，从而和承载件42一起运动。例如用户界面44和承载件42和极元件的组合46可以形成一个成套部件，从而提高制造效率并降低成本。在这个实施例中，显示屏64会在一个短时间内轻微的运动（例如振动），此时用户操作者无法看清显示屏64。

固定框40在X-Y平面内还有一个大致矩形的覆盖区。固定框40的上表面可以承载下方的电路板60，或直接包括电路板60。如上所述，在一个可替换的实施例中，固定框40的上表面可以安装显示屏64。固定框40的每个框角含有一个框架支脚66。排列于Y方向上的一对框架支脚66的远端通过在Y方向上延伸的支脚架68连接。固定框40的长边（例如在X方向上延伸的边）在边界上设置有一个凹口70，凹口70设置在X方向上的边缘中间位置。在组装触觉反馈装置20时凹口70用以容纳支撑于承载件42的极安装座56。固定框40的上表面的下方还包括两个支撑于其上的安装栓72。

固定框40包括安装于其上的第一极元件80。承载件42包括安装于其上的第二极元件82。电磁线圈84可以设置在任何一个极元件上，但在所述实施例中设置在第一极元件80上，如上所述第一极元件80安装在固定框40上。这样第一极元件80与设置在其上的电磁线圈84可以被视为“定子”。第二极元件82可以被视为“电枢”。在另一个示范性实施例中，电磁线圈84可以设置在第二极元件82上。

图4示出了极元件组合46的具体结构。极元件组合46包括第一极元件80、第二极元件82和电磁线圈84。第一极元件80安装在固定框40上。就组合件而言，第一极元件80设置孔86，孔86以压入配合或以其他方式固定安装在固定框40下端的安装栓72上。第二极元件82类似地设置孔88，第二极元件通过紧固件89穿过孔88安装在承载件42的极安装座56上。

第一极元件80和第二极元件82大致显示为“L”形状，在一个非限定性实施例中，每一个第一极元件80和第二极元件82包括由若干导磁材料如软铁材料片或板层叠而成的结构。极元件的“L”形状中的长边在X方向上延伸，而短边在Y方向上延伸。电磁线圈84包括绝缘线轴90或其他类似物，涂敷绝缘层的导线或磁导线缠绕在线轴90上。线轴90内部中空，以使极元件80通过。可替换地，线轴90可以包括极元件，其上缠绕磁导线。

出于精简结构的目的，第一极元件80和第二极元件82较佳地但非必要地安装在由用户界面44、承载件42和显示屏64组成的组合结构的下方，以使得第一极元件80和第二极元件82处在组合结构的边界（俯视投影时）之内。出于上述或其它理由，及为了显示重叠的位置，在一些实施例中第一极元件80和第二极元件82使用虚线表述。

如图4所示，在电磁线圈84未充电时，第一极元件80和第二极元件82之间形成间隙91。在电磁线圈84未充电时，空气间隙91的尺寸由第一极元件80和第二极元件82的位置限定。尤其是形成两个间隙91。第一间隙形成于第一极元件80的长边和第二极元件82的短边之间，第二间隙形成于第二极元件82的长边和第一极元件80的短边之间。两个间隙91为相同尺寸，共同被称为“空气间隙”或“间隙”。第一极元件80和第二极元件82依次分别安装于固定框40和承载件42上。第一极元件80和第二极元件82的分别独立安装能够在电磁线圈84没有充电时使它们之间的空气间隙91在第一方向上精确限定。

这样，与图13和图14阐述的现有技术不同，第一极元件80和第二极元件82并非由独立的执行器单元支撑，这种方式提供一种“隐执行器”或“无执行器”的触觉设备。那些现有技术中的执行器单元包括所有的极元件并限定所有极元件的位置，使得在安装固定框和运动件之前就预限定了空气间隙。这样，执行器单元对于固定框和运动件而言作为中间元件进行连接。

本发明揭示的技术方案与现有技术在很多方面有所不同。例如，悬挂系统48与第一极元件80和第二极元件82物理分离。在一示范性实施例中，悬挂系统48与第一极元件80和第二极元件82均分离，此时第一极元件80与固定框40物理连接，随后固定框40通过悬挂系统48物理连接到承载件42上，承载件42随后物理连接到第二极元件82。在一个非限定性实施例中，物理连接是指物体直接接触。

与现有技术不同的另一个实施例中，第一极元件80并不通过常用的中间组件（这些中间组件同样将第二极元件82安装在承载件42上）安装在固定框40上。进一步地，在一个实施例中固定框40和承载件42通过悬挂系统48连接，而不是通过一个包括第一极元件80和第二极元件82的独立执行器元件连接（这种方式提前限定了第一极元件80和第二极元件82的空气间隙91）。在另一实施例中，承载件42和固定框40仅通过悬挂系统48连接。这些不同的实施例如文中阐述的那样使空气间隙91的精确设置变得容易。

而且，在一个实施例中第一极元件80安装在固定框40上，第二极元件82安装在承载件42上，使得间隙91的尺寸（电磁线圈未充电时）仅仅依赖于第一极元件80安装在固定框40上的位置和第二极元件82安装在承载件42上的位置。这样，间隙91的尺寸不会受到悬挂系统48的影响。

如一示范性实施例中所示，承载件42和固定框40仅通过悬挂系统48彼此连接。尤其是，在一个示范性实施例中，承载件42和固定框40仅通过悬挂系统48连接，而不通过第一极元件80和第二极元件82上的组件连接。就这一点而言，悬挂系统48不包括或承载任何第一极元件80或第二极元件82。

如本发明叙述，电磁线圈84在用户界面44收到用户输入后进行充电，导致第二极元件82被吸引到了第一极元件80上，从而减少了间隙91。第一极元件80和第二极元件82之间的充电吸引导致支撑第二极元件82的承载件42在X方向上朝着固定框40运动（其中固定框40支撑第一极元件80）。特别地，当电磁线圈84充电时，产生的磁力导致第二极元件82被吸到第一极元件80上，从而完成磁通路。随着承载件42在X方向上运动，承载件42上的用户界面44随之运动。

在一个示范性实施例中，电磁线圈84的充电导致第二极元件82吸引到第一极元件80上，致使间隙91闭合，从而导致第二极元件82与第一极元件80的撞击。第一极元件80和第二极元件82的撞击通过悬挂系统48传输到承载件42并引发承载件42和用户界面44的运动或振动。由于用户的手指仍然接触着用户界面44，这些运动或振动从而被用户的手指所感知。

在另一个示范性实施例中，磁性吸引和空气间隙的几何尺寸能够被设置为使得磁力推动电枢以减少空气间隙。但是弹簧的弹力和间隙使极元件之间不发生物理接触。随着线圈84能量的释放，电枢（例如第二极元件82）回归到它的自然位置。这样在这个可替换实施例中，空气间隙91在正常使用中永远不会闭合。该实施例的效果使得触觉运动不会使任何元件发生撞击，从而降低磨损和噪音，同时免去缓冲器组件。

承载件42被设置为相对于固定框40在至少一个方向上运动。在图2中的一个示范性实施例中，鉴于空气间隙91存在于X方向，第二极元件82朝向第一极元件80在X方向上吸引和运动，以在电磁线圈84充电时闭合或至少减少空气间隙91，承载件42的运动方向为沿着X轴方向。

当电磁线圈84充电以驱动第二极元件82朝向第一极元件80运动时，悬挂系统48将承载件42连接到固定框40，并允许承载件42在第一方向（例如X方向）上运动（例如振动）。一般来说，本发明阐述的悬挂系统48包括至少两个沿着第一方向（例如X方向）分离设置的悬挂元件。这些悬挂元件一般包括安装于承载件下端面的上端部和安装于支脚架68上端面的下端部。

当线圈84未充电时（例如在几秒钟内没有充电），包括悬挂系统48的弹簧促使第一、二极元件80、82恢复至其平衡位置（例如当线圈断电时弹簧没有其他载荷）。当线圈84充电时，第二极元件82吸引到第一极元件80上，以关闭或至少减少空气间隙91。当空气间隙91减少时，不仅承载件42发生运动，包括悬挂系统48在内的弹簧在X方向上也发生负载。

在图2和图3所示的进一步示范性实施例中，悬挂元件包括横向悬挂弹簧92。在正常状态下，横向悬挂弹簧92在与第一方向垂直的平面上延伸（例如弹簧92在Y-Z平面上延伸）。在图2和图3所示的实施例中，触觉反馈装置20的每个端部设置一个横向悬挂弹簧92。这些横向悬挂弹簧92大致呈直角Z形。横向悬挂弹簧92在一个横向端部的顶端设置连接垂体，在相反端部的底端设置另一个连接垂体。这些连接垂体用于分别连接（例如插入方式）承载件42和支脚架68。Z形横向悬挂弹簧92已被牢固定位以防止承载件42上下运动，向上或向下翘起，或左右旋转。横向悬挂弹簧92甚至可以只允许承载件42沿着X轴一个方向上运动（例如图中的左右方向）。

图5和图6阐述了触觉反馈装置20’的另一个示范性实施例，其中使用了不同配置的悬挂系统48’。图5和图6的悬挂装置48’包括第一对悬挂元件94A和第二对悬挂元件94B。第一对悬挂元件94A在第一个YZ平面内延伸，并在该第一个YZ平面内彼此间隔。第二对悬挂元件94B在第二个YZ平面内延伸，并在该第二个YZ平面内沿Y方向彼此间隔。该第一YZ平面和第二YZ平面沿着X方向彼此间隔，并与X轴向垂直。在图5和图6描述的的示范性实施例中，第一对悬挂元件94A和第二对悬挂元件94B各自包括矩形形状（该矩形包括在Z方向的长边和Y方向的短边），并在其顶部边缘和底部边缘的短边上设置连接垂体。所述连接垂体用以与承载件42的下端面和支脚架68的上端面的例如插入孔或凹口连接。

图7和图8阐述了触觉反馈装置20’’的另一个示范性实施例，其中使用了不同配置的悬挂系统48’’。图7和图8中的悬挂系统48’’包括第一对悬挂元件96A和第二对悬挂元件96B。第一对悬挂元件96A在第一个YZ平面方向上延伸，并在该第一个YZ平面上沿Y方向彼此间隔。第二对悬挂元件96B在第二个YZ平面方向上延伸，并在该第二个YZ平面上沿Y方向彼此间隔。该第一YZ平面和第二YZ平面沿着X方向彼此间隔，并与X轴向垂直。在图7和图8描述的的示范性实施例中，第一对悬挂元件96A和第二对悬挂元件96B大致为沿Z向延伸的细长线型弹性栓。弹性栓96A和96B可以包括圆形横截面。悬挂系统48’’的细长弹性栓96A和96B配置为使得当应用多方向触觉运动时，承载件42能够在多个方向上进行运动，其上承载的用户界面44从而随之运动。

悬挂系统48的各种具体实施方式中选择了几种悬挂元件以得到预定的感觉（如运动或振动感）。悬挂元件选用合适的材料从而具备合适的弹性常数，同时考虑到参数和整体装置的限制选择合适的尺寸和形状以得到所需的感觉。

图9示出了适用于承载件42运动的触觉反馈装置的示范性电路板60，其中用户界面44沿一个方向（如X方向）运动。电路板60包括处理器58.该处理器58连接于电磁线圈84以向电磁线圈84发送线圈驱动信号；连接于（显示驱动）电子元件以驱动显示屏64；连接于用户界面44以接收用户输入或脉冲的位置指示信号从而得到对应的指令或操作。这样，处理器58可以基于接收用户的输入或脉冲而产生线圈充电信号，从而线圈充电信号为线圈充电，从而将第二极元件82吸引到第一极元件80并发生撞击。

图9所示的示范性实施例使用了一套极元件（如第一极元件80和第二极元件82），并在一个方向上（如X方向）提供触觉运动或触觉反馈。在图10示出的另一个示范性实施例中，触觉反馈装置包括第一套极元件46X和第二套极元件46Y。图10中的第一套极元件46X类似图9中的那一套极元件46以提供运动，触觉反馈装置从而在第一方向（如X方向）上运动。图10中的第一套极元件46X的组件后缀数字带有“X”表示第一方向上的触觉运动。图10中的第二套极元件46Y与第一套极元件46X类似但在方向和位置上均有调整并可执行运动，触觉反馈从而在第二方向（如Y方向）上运动。图10中的第二套极元件46Y的组件后缀数字带有“Y”表示第二方向上的触觉运动。第二套极元件46Y中的第二极元件82Y安装在承载件42上，第二套极元件46Y中的第一极元件80Y安装在固定框40上。这样，出于修辞的考虑，第二套极元件46Y可视为包括安装在固定框40上第三极元件80Y、安装在承载件42上的第四极元件82Y和设置在第三和第四极元件其中之一上的第二电磁线圈44Y。在电磁线圈84没有充电时，第三极元件80Y和第四极元件82Y安装形成Y方向上的第二空气间隙91Y。第二方向（或Y方向）对应于第二维运动。该第二方向（Y方向）与第一方向（X方向）垂直。

第一套极元件46X和第二套极元件46Y表示为接收通过处理器58发出的线圈驱动信号（这些信号通过线圈连接器89应用到线圈上）。在一些具体实施例中，所应用的线圈驱动信号被处理器58同时发送到第一套极元件46X和第二套极元件46Y上，使得触觉反馈在X方向和Y方向上同时发生。在其它具体实施例中，驱动信号分别发送到第一套极元件46X和第二套极元件46Y上，使得不同的用户输入（对应于不同的操作或请求指令）产生不同的触觉反馈（例如，一种类型的脉冲或指令对应X方向上的触觉反馈，而另一种类型的脉冲或指令对应Y方向上的触觉反馈）。

图7和图8所示的悬挂系统48’’尤其适合与图10中的电路板配合使用以使承载件42在多个方向上运动或振动。细长弹性栓形状的悬挂元件96能够在YZ平面内（例如沿X方向）和XZ平面内（例如沿Y方向）做弹性运动。第二套极元件46Y设置为在Y方向上运动并使其适应悬挂元件的定位。例如，第二套极元件46Y可以沿着两个细长弹性栓组成的悬挂元件96连接组件边缘的Y方向定位。

本发明阐述的包括弹簧类元件的悬挂系统，可以作为承载件42外框的一个部分通过注塑一体成型，例如承载件外框的短边52Y。悬挂系统的弹簧元件形状，包括横截面和弹簧件的外形，可以是单轴或多轴（尤其是以塑料件一体成型时）。弹簧件可以使用任何材料或工艺制成：塑料、碳纤维、金属、复合材料、挤压件、注塑件、锻造件或冲压件。

图11是根据一示范性模式下触觉反馈装置的操作步骤流程图。当用户操作者触摸用户界面44，在步骤11-1中感知脉冲并将脉冲的X和Y坐标的位置信息传输到处理器58。在步骤11-2中，处理器58通过识别输入的指令类型或具体案件来处理被感知的脉冲。在步骤11-3中，处理器58执行指令，例如可以是开始执行通过触摸屏上的触摸位置触发的任何指令（如关闭风扇）。进一步地，处理器58同时产生一个线圈驱动信号并发送到线圈84上以为线圈充电。线圈84立即执行反馈从而尽可能快地传输到手指上。

这样，当用户界面的按压被感测，或电压产生变化，传输到处理器58的信号不仅引起位置区分，还引起对应输入位置的初始化运行。处理器58还向线圈84发送线圈驱动信号以为线圈充能，最终引起振动，从而提供触觉反馈。

线圈驱动信号可以是任何期望的格式或结构。例如，线圈驱动信号可以是指示开启线圈的单脉冲。这个信号可以是任何数量的类型，但此处仅是用来为线圈充电。可选地，线圈充能信号能够是所需程度的一系列脉冲。

图12根据本发明一特定实施例描述了触觉反馈装置的制造方法。在图12所示的示范性模式中，步骤12-1包括将一个用户界面安装到或组合到承载件42上。该用户界面如上所述是用来接收用户输入或脉冲。尽管图示此为第一个步骤，但步骤12-1还可以是组装顺序中的其它位置。步骤12-2包括通过悬挂系统48将承载件42连接到固定框40上。在图12所示的示范性模式中，步骤12-1的固定框40、承载件42和悬挂系统48的组装根据展开结构理解。例如，固定框40和承载件42仅通过悬挂系统48连接。步骤12-3包括将第一极元件80安装到固定框40上，将第二极元件82安装到承载件42上，从而组装一套极元件46。这样，根据图12所述方法，固定框40和承载件42通过悬挂系统48连接，而不是通过明显的包括第一极元件和第二极元件的执行器组件来连接。

第一极元件80和第二极元件82其中之一设置电磁线圈84。如前所述，第一极元件80较佳地直接固定安装在固定框40上，第二极元件82直接固定安装在承载件42上。步骤12-3（例如安装极元件）可能与步骤12-2同时进行（例如合并进入步骤12-2）或依次进行。作为步骤12-3的一部分，第一极元件80和第二极元件82其中之一（最好是做为“定子”的第一极元件）可以在安装时能够调整第一极元件和第二极元件之间的空气间隙91。例如，固定框40或第一极元件80可以设置槽类物体使得固定框40或第一极元件80之间在紧固之前相对滑动。这样，步骤12-3之后，在步骤12-4中空气间隙91的尺寸通过将可调极元件固定在承载其的部件上而得到精确而持久的设定，例如，第一极元件80牢固地安装在固定框40上使得第一极元件80和固定框40之间没有位移。这样，与图13和图14中的技术不同，在所有影响极元件的组件已经到位后，空气间隙91才被精确限定，这样间隙91不会受到任何后续组装步骤的影响。在步骤12-4中精确设定的空气间隙91补偿了所有公差并形成非常连续的系统空气间隙。例如，如果空气间隙设定为0.324，则系统空气间隙导致一个0.324的空气间隙。系统对系统的振动非常非常小，使得所有系统的效率非常高。这样，第一极元件80和第二极元件82分别安装到固定框40和承载件42上，其后两个元件之间形成间隙91。这就使系统变得更加精简，同时免去多余的组件。

本发明所揭示的触觉反馈装置技术致力于提供尽可能灵敏的触觉反馈（例如振动），使得操作者明白对于用户界面的触摸产生了作用。

触觉反馈，例如自然的振动，可能取决于多个因素。振动频率取决于不同因素的组合，包括尺寸、构成、悬挂系统中弹簧的紧固方式、线圈驱动信号的类型（无论正弦波、奇异方波或多重方波）和周期等。制造者选择使用何种类型的驱动信号取决于操作者需要使用何种类型的动作。例如，欲变化温度，可以使用不同的线圈驱动信号以获得反馈感觉，以与要求的其它类型操作区别开来。这样，线圈根据按压不同按键或不同位置被不同方式驱动。

触觉反馈装置可以应用于各种不同的环境和/或安装与各种不同的设备、汽车或仪器。例如，固定框可以安装在汽车仪表板上。例如，固定框不可移动地形成于汽车仪表板内部。再例如，固定框相对其所安装在的汽车是否移动并不重要。固定框可以安装在仪表板上，也可以是仪表板的一部分。

在一个实施例中，固定框可以设置安装在文件处理设备的控制面板中，例如复印机。在另一个实施例中，固定框可以设置安装在自动银行设备的控制面板中。

触觉反馈设备并不必然合并装入另一母设备，但是可以与应用其的设备共存。

此处阐述的触觉反馈装置不需要完整或明显的执行器，而现有技术中的执行器的定子和线圈受到如固定板等同一组件支撑。本发明的触觉反馈装置分别在固定框上安装一个第一极元件（和电磁线圈），在支撑着输入界面的可动承载件上安装一个第二极元件。“分别”安装重要之处在于第一极元件没有借助任何将第二极元件安装到承载件上的共同组件（如执行器）安装到固定框上。承载件仅在线圈充电时通过磁力相对固定框（座）运动。此处阐述的技术还包括一个简洁的悬挂系统以安装触觉设备和组装方法。

触觉面板（如用户界面44）整体随着磁力运动，因此在制造环境下更能控制位置和加速的精确度。为数不多的组件配置较简单，还向触觉执行器提供系统负荷。在一些实施例中，触觉运动固有地控制在单轴方向，同时在其它方向上产生极小的运动。一些实施例相对其它触觉技术而言实现了降低成本、提高性能、制造质量和低产品性能波动。

如前所述可以理解，在一个实施例中，一个电枢层叠结构安装到承载件上；一个线圈/定子安装在基板上。在未充电配置下的位置，连同悬挂系统得到精确定位，使得当线圈充电时，电枢（即承载件）在可控的方向上以预定的方式运动。当不通电时，承载件在耗费能量后恢复到自然位置。在一些具体实施例中，当充电和放电状态反复出现时，结果就产生触觉运动。固定板贴住运动着的作为触觉面板的承载件。固定板和承载件使用至少一个或多个连接件连接，这些连接件借助其方向和连接方式将固定板和承载件保持在相对位置上。在一个实施例中，连接件是一个扁平片状物，包括弹簧类材料。扁平片状物的优点是将位置保持在一个轴向内同时允许在第三轴向运动。当扁平片状物与固定板连接好时，单轴向的触觉运动随之完成。

在保持固定板和可动承载件之间的悬挂间隔时，各种悬挂配置的实施例中提供了平级的弹簧等级。这样的悬挂系统包括垂直于触觉屏平面的栓体，而通过磁元件得到侧向触觉。在另一个实施例中，悬挂系统包括一或多个扁平片状物。这些扁平片状物形成固定板和承载件之间的悬挂间隙。这种系统能够得到更多的触觉轴向运动以满足体验要求。

虽然以上描述了许多本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，并不构成本技术方案的限制。本发明的保护范围是由所附权利要求书及其等同物所限定。因此，本技术揭示的范围包括那些本领域的技术人员在显而易见的范围内做出的变化。除非确实这样说明，所提及的“单个”并不是指“一个且仅有一个”，而是指“一或多个”。上述结构、组分和功能性等同物对于本领域的一般技术人员而言特别地通过引用包含在内并通过权利要求予以包含。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种触觉反馈装置，包括固定框和承载件，其特征在于，触觉反馈装置还包括：

安装在所述固定框上的第一极元件；

安装在所述承载件上的第二极元件；

一用户界面安装于或包括所述承载件并设置为接收脉冲；

一电磁线圈，设置在所述第一极元件和第二极元件其中之一上，所述电磁线圈根据接收脉冲而选择性地充电；和

一悬挂系统，将所述承载件连接在固定框上，使承载件和固定框在第一方向上可相对移动，

其中，当所述电磁线圈不充电时，第一极元件和第二极元件在第一方向上形成一个空气间隙；

其中，所述悬挂系统与第一极元件和第二极元件物理分离，并当所述电磁线圈充电时以将第二极元件向第一极元件驱动时，允许所述固定框和承载件之间在所述第一方向上相对运动。

2.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述第一极元件与所述固定框物理连接；所述固定框通过所述悬挂系统与所述承载件连接；所述承载件与所述第二极元件物理连接。

3.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述承载件和固定框通过所述悬挂系统彼此连接但不通过包括第一极元件和第二极元件中任何一个元件的组件连接。

4.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述第一极元件不通过将第二极元件连接到承载件的共用连接组件与所述固定框连接。

5.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述第一极元件与所述固定框直接固定连接，所述第二极元件与所述承载件直接固定连接。

6.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述悬挂系统包括至少两个在第一方向上间隔设置的悬挂元件。

7.如权利要求6所述的触觉反馈装置，其中所述至少两个悬挂元件包括在自然状态下在与所述第一方向垂直的平面上延伸的部分。

8.如权利要求6所述的触觉反馈装置，其中所述至少两个悬挂元件包括第一悬挂元件组和第二悬挂元件组，所述第一悬挂元件组在一个第一平面内延伸并在该第一平面内彼此间隔，所述第二套悬挂元件在一个第二平面内延伸并在该第二平面内彼此间隔，所述第一平面和第二平面彼此间隔并与第一方向垂直。

9.如权利要求8所述的触觉反馈装置，其中每个悬挂元件包括用于多方向上运动的圆形横截面的弹性栓体。

10.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中所述悬挂系统配置为使得触觉运动在多个方向上运动。

11.如权利要求10所述的触觉反馈装置，其中所述触觉反馈装置进一步包括：

安装在所述固定框上的第三极元件；

安装在所述承载件上的第四极元件；和

一个第二电磁线圈，设置于所述第三极元件和第四极元件其中之一上，所述电磁线圈根据接收脉冲而选择性地充电，

其中所述第三极元件和第四极元件彼此之间当所述第二电磁线圈不充电时，在与第一方向垂直的第二方向上形成一个空气间隙。

12.如权利要求1所述的触觉反馈装置，其中，所述承载件包括一承载框及从所述承载框沿承载框厚度方向延伸的安装座，第一极元件固定安装至所述安装座。

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