CN104115102B - 一种用于向触摸屏提供触觉效果的具有集成压电材料的悬挂元件 - Google Patents

一种用于向触摸屏提供触觉效果的具有集成压电材料的悬挂元件 Download PDF

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Abstract

柔性悬挂元件被公开用于安装电子触摸屏或触摸表面。至少一个柔性悬挂元件将触摸屏和壳体部件耦接在一起，从而使得触摸屏部件相对于壳体部件是可移动的。压电材料片段被耦接至至少一个悬挂元件的相反表面，用于产生使触摸屏部件相对于壳体部件移动的力，并且由此为触摸屏部件的用户提供触觉效果。响应于由压电材料片段产生的力，至少一个悬挂元件被配置为容许触摸屏部件相对于壳体部件以第一方向移动，同时还被配置为限制触摸屏部件和壳体部件之间在至少第二方向上的移动。

Description

一种用于向触摸屏提供触觉效果的具有集成压电材料的悬挂 元件
技术领域
本发明大致涉及触摸屏和其他触摸表面，尤其涉及向用户提供触感反馈的触摸屏和触摸表面。
背景技术
新一代的消费设备越来越多地依赖于触摸屏输入，例如通过触摸屏上显示的虚拟按钮和滚动条来代替物理输入。用户几乎完全使用一个或多个手指通过触摸和/或以其它方式操作屏上的虚拟按钮、滚动条、滚轮等来使用这些设备。响应于这些操作，在屏幕上显示图形以提供可视化反馈。在更多当前的触摸屏设备中，还可提供力反馈或触感反馈(统称为触觉反馈)，当用户用手指触摸触摸屏上的虚拟控件时，也可将其提供给用户。这一般由一个与屏幕耦接的触觉致动器通过移动或者震动屏幕来实现。
为了容许触觉触摸屏响应触觉致动器而移动，并且由此将触觉效果与屏幕隔开，柔性地把触觉触摸屏悬挂(suspend)在其所在的电子装置内部。然而，重要的是，即使当触觉致动器被激活时屏必须能移动，但是当用户触摸时被悬挂的屏必须让用户感觉它好像是被刚性安装的。其他人曾提出过不使用悬挂装置来解决该问题，但如果不使用悬挂装置会限制系统的可以具有触觉效果的质量。
利用用于将触摸屏和触摸表面安装在壳体内的柔性垫圈柔性垫圈(compliantgrommet)的悬挂是已知的，如在Olien等在2011年3月16日提交的美国专利申请号13/049,265中所描述的，其整体通过参考而并入本文中。尤其，从Olien等的专利中复制的图1示出用于为在触摸屏102提供触觉反馈的电子触摸屏系统100的各种部件的分解视图，该系统在柔性悬挂系统中采用了多个垫圈悬挂元件104。除了触摸屏102之外，触摸屏系统100包括承载部件106、马达或触觉致动器108、防尘密封件110、LCD部件112、以及主壳体部件114。垫圈悬挂元件104被配置为容许触摸屏102优先以某一方向(例如x方向)移动，同时限制其他方向(例如y方向和z方向)移动。
触觉致动器108可以是多个已知致动器类型中的任意一种，包括而不限于压电致动器、音圈致动器、质量偏心致动器、电子芯式致动器、螺线管、移动磁铁致动器、或者期望的其它类型致动器。当机械压力被施加在其上时，压电致动器具有产生电荷的性质。压电致动器208被显示在图2中，其是可以从商业制造商获得的。如图2A的分解视图中最佳所示，压电致动器208包括平面的中间基板209以及两个压电材料片段207，其被粘合或以其他方式被联接至基板209的两侧。当机械压力被施加到压电材料片段207上时，压电致动器208产生电荷并弯曲(如图2B所示)。对基于输入电子信号的输出力的压电致动器的操作对于本领域技术人员是熟知的。为了将压电致动器208连接至触觉系统，包括基板209和片段207的整个致动器单元或者组件被夹紧固定在系统上。用于将致动器联接至系统的夹具(未显示)可以被设计为在系统部件中或与系统部件成为整体，或者可以是一个独立的夹具部件。
除了柔性垫圈部件，其他悬挂早已提出用于触摸屏应用，如Rosenberg等的美国专利申请公开号2008/0111788Al(其整体通过参考而并入本文中)和Olien等的美国专利申请公开号2010/0245254Al(其整体通过参考而并入本文中)中所描述的。从Rosenberg等的专利复制的图3示出一种触摸屏系统300，其具有一个或多个弹簧元件304，其被联接在触摸板或触摸屏302与主壳体部件314之间。弹簧元件304被显示为螺旋或线圈元件，但可能是柔性材料(例如橡胶、泡沫或者弯曲材料)。弹簧元件304将触摸屏302联接至系统300的刚性壳体314，并且容许触摸屏302沿z轴被移动。在图3的实施例中，一个或多个压电致动器308被联接至触摸屏302的外部，并且将小的脉冲、振动或纹理感触输出至触摸屏302上且如果用户正在接触触摸屏则向用户输出。
本领域中对用于触觉触摸屏的改善的和/或替换的柔性悬挂系统存在需求。
发明内容
本发明的实施例涉及一种制造触觉设备的方法，该触觉设备具有柔性悬挂系统。压电材料片段被联接至至少一个柔性悬挂元件的至少一个表面，并且至少一个悬挂元件被联接至触摸屏部件。至少一个悬挂元件还被联接至壳体部件。压电材料片段被配置为产生使触摸屏部件相对于壳体部件移动的力，并且由此为触摸屏部件的用户提供触觉效果。响应于由压电材料片段产生的力，至少一个悬挂元件被配置为容许触摸屏部件相对于壳体部件以至少第一方向移动。
在本发明的另一实施例中，制造具有柔性悬挂系统的触觉设备的方法包括将压电材料片段联接至触摸屏部件的至少一个表面，以及将触摸屏部件联接至壳体部件，从而使得触摸屏部件相对于壳体部件是可移动的。压电材料片段被配置为产生使触摸屏部件相对于壳体部件移动的力，并且由此为触摸屏部件的用户提供触觉效果。
本发明的实施例还涉及具有柔性悬挂系统的触觉设备，其包括壳体部件、触摸屏部件以及至少一个柔性悬挂元件，柔性悬挂元件将触摸屏和壳体部件联接在一起，从而使得触摸屏部件相对于壳体部件是可移动的。压电材料片段被联接至至少一个悬挂元件的至少一个表面，用于产生使触摸屏部件相对于壳体部件移动的力，并且由此为触摸屏部件的用户提供触觉效果，其中响应于由压电材料片段产生的力，至少一个悬挂元件被配置为容许触摸屏部件相对于壳体部件在至少第一方向上移动。
附图说明
本发明的前文所述的以及其它的特征和优势将通过下述对示出在附图中的实施例的描述而被表明。包含在本文中并形成说明书一部分的附图进一步起到解释本发明的原理并使得相关领域技术人员能够制造并使用本发明的作用。附图并不按比例绘制。
图1是示出用于提供触觉反馈的现有技术触摸屏系统的各种部件的分解立体图，其中垫圈被用于悬挂。
图2是市售的压电致动器的立体图。
图2A是图2的压电致动器的分解图。
图2B是产生电荷并响应于此弯曲之后的图2的压电致动器的立体图。
图3是用于提供触觉反馈的现有技术触摸屏系统的侧视图，其中弹簧被用于悬挂。
图4是示出用于提供触觉反馈的触摸屏系统的各种部件的分解立体图，根据本发明的一个实施例，其中多个弹簧悬挂元件具有被耦接至其上的压电材料集成片段，用于悬挂和致动。
图4A是为说明目的从触摸屏系统移除的图4的弹簧悬挂元件的立体图，其中弹簧悬挂元件容许在y轴方向上的移动。
图5是根据本发明的另一实施例的弹簧悬挂元件的立体图，其中弹簧悬挂元件容许在z轴方向上的移动。
图6A示出根据本发明的另一实施例的具有耦接至其上的压电材料片段的触摸屏的立体图。
图6B是产生电荷并响应于此弯曲之后的图6A的触摸屏的立体图。
图7是根据本发明的另一实施例的用于将触摸屏耦接至触觉系统的壳体的柔性悬挂元件的立体图。
图8是被耦接至触摸屏的图7中的悬挂元件的立体图。
图9是根据本发明的一个实施例的被连接至承载部件的多个弹簧悬挂元件的立体图，其中弹簧悬挂元件包括被连接至其上的压电材料片段，其相对于承载部件以一个角度被安装。
图10是根据本发明的另一实施例的图9中的多个弹簧悬挂元件的立体图，其与相对于承载部件以一个角度被安装的不同类型的致动器共同被采用。
图11是相对于承载部件以一个角度被安装的致动器，其中根据本发明的另一实施例使用另一悬挂系统。
具体实施方式
本发明的特定实施方式现在被参考附图而描述，其中相似附图标记指示相同或功能上相似的元件。下述的详细描述在性质上仅为示例性的，且并不意在限定本发明或本发明的应用和使用。尽管本文中实施例的描述是在用于电子触摸屏的悬挂系统的背景下，本发明也可以被用于其他被认为有用的应用中。进一步，无意受到存在于前述的技术领域、背景技术、发明内容或下述的详细描述中的任何明示的或暗示的原理的约束。
本发明的实施例涉及用于将触摸屏和触摸表面安装在壳体内的悬挂元件，其中压电材料被集成地耦接至悬挂元件，用于向触摸屏或表面提供触觉效果。悬挂系统将在以下触摸屏的背景下被描述，其中图形显示器被布置在触摸表面或触摸元件的后面。然而，应当理解为，本发明不限于用于这种触摸屏的悬挂，而同样适用于任何触觉激活的触摸表面或触摸元件。例如，悬挂系统可以被应用于悬挂计算机的触摸板，其中显示屏与触摸板不是共位的。其可以被应用于对具有至少一个触摸感应区域或者一系列触摸感应区域的触摸元件进行悬挂，可以由电容传感器、近场效应传感器、压电传感器或者其他传感器技术产生。图形元件可以是位于触摸元件后面或与触摸元件分离的的显示器，并且由主机更新，或者其可以仅仅是具有指示相关触摸元件的触摸感应区域的特征(例如，图形)的塑料表面。由此，术语触摸屏和触摸屏部件在以下具体的描述和权利要求中被使用时应当被解释为包含传统的触摸屏以及任何可以应用触觉效果的触摸表面或触摸元件及相关的图形元件。
图4是示出电子触摸屏系统400的各种部件的分解视图，其具有承载部件406，承载部件406包括一个或多个悬挂元件404，并且图4A是为说明目的从电子触摸屏系统400被移除的承载部件406的立体图。在一个实施例中，例如，电子触摸屏系统400可以是具有7英寸触摸屏显示器的医疗设备。触摸屏系统400可以是多个设备中的任一种，例如计算机、移动电话、PDA、便携游戏设备、媒体播放器、打印机、公务电话等等。除了触摸屏部件402和承载部件406之外，触摸屏系统400包括防尘密封件410、LCD部件412以及主壳体部件414。软件被用于向触摸屏系统400的用户提供触觉反馈。在一个实施例中，触摸屏部件402能够基于正在运行的应用程序和/或操作系统显示图形环境，例如图形用户界面(GUI)。例如，图形环境可以包括背景、窗口、数据列表、光标、图标(例如按钮)、以及GUI环境中熟知的其它图形对象。用户通过触摸触摸屏部件402的各种区域与触摸屏系统400进行交互，以激活、移动、翻转、前进或以其他方式操作显示在屏幕上的虚拟图形对象，并且由此向设备提供输入。这样的触摸屏和GUI是众所周知的，例如在上文引用的Rosenberg等的美国专利申请公开号2008/0111788 Al中所述的。
承载部件406是平面或平坦的部件，其形成矩形边界或框架，尽管基于触摸屏部件402的系统可以是其他形状或配置。承载部件406可以由金属薄片形成，例如钢或铝或者塑料材料(例如，聚碳酸酯或PC-ABS)。至少一个柔性悬挂元件404从承载部件406延伸，用于将触摸屏部件402耦接至系统400的刚性壳体部件414。在图4A的实施例中，两个相同的悬挂元件404从承载部件406的相对端或边缘延伸，但本领域普通技术人员应当理解为，更多的悬挂元件可以被利用，或者只有一个悬挂元件可以被利用。悬挂元件404是弯曲的金属薄片或者弯曲的塑料弹簧，其包括两个端部部分424A和424B、两个柔性部分422A和422B以及中间或中部部分420。悬挂元件404是薄且平的金属片段，并且其端部部分424A和424B、柔性部分422A和422B以及中间部分420通过如下所述的相对于彼此弯曲或成形每一部分而被一体形成。悬挂元件404是相对便宜的，易于制造和组装，并且提供可靠的悬挂，其胜于其他悬挂方法(例如泡沫)中的压缩机制的效果。
悬挂元件404被耦接至承载部件406，从而使得悬挂元件404大致垂直于承载部件406延伸。本文中所使用的“大致垂直”包括悬挂元件所具有的一个或多个一体部分垂直于承载部件延伸，尽管悬挂元件的一个或多个其他一体部分不垂直于承载部件延伸。端部部分424A和424B从承载部件406的外部边缘或者周边垂直地延伸，但不被附着或者以其他方式耦接至承载部件406的外部边缘上。如本文中更具体的描述，端部部分424A和424B均包括开口或孔426，其尺寸被设计为接受用于将悬挂元件402耦接至壳体部件414上的紧固件(未显示)。中部部分420也垂直于承载部件406延伸，但与承载部件406的外部边缘或周边在-y方向上间隔。中部部分420通过连接器428被耦接至承载部件406。连接器428和悬挂元件404可以与承载部件406由单片金属一体形成，或者悬挂元件404和承载部件406可以是独立的部件，它们通过连接器428被连接。柔性部分422A和422B是悬挂元件404的弯曲或者有角度的部分，并且分别在中间部分420以及端部部分424A和424B之间延伸。
如本文中将更加具体的描述，在一个实施例中，压电材料片段407被耦接至中部部分420的相反侧或表面，用于为触摸屏部件402提供触觉效果或反馈。悬挂元件404由此实质上被用作压电或压电陶瓷材料片段407的基板，并且由此不再需要如针对图2所描述的中间基板。压电陶瓷材料可以被制作得非常薄且小，由此容许其在对于便携电子设备而言典型的紧凑壳体中使用。通过直接地将压电材料片段407附着至悬挂元件404，悬挂元件404提供双重功能：通过压电材料片段407向系统提供触觉效果和柔性地将触摸屏安装在壳体内。此外，通过集成悬挂元件404和压电材料，将压电致动器耦接至触摸屏系统通常所需要的固定件和/或夹具被省去，并且制造的复杂性和成本被降低。进一步，最终组件中所需的部件的尺寸和数量被减少。在本发明的另一实施例中(未显示)，压电材料片段407被耦接至中部部分420的仅仅一侧或表面，用于为触摸屏部件402提供触觉效果或反馈。进一步，不需要一个或多个压电材料片段被耦接至承载部件的全部悬挂元件。例如，图4A中两个悬挂元件中仅仅一个需要至少一个压电材料片段407，用于为触摸屏部件402提供触觉效果或反馈。
承载部件406以任何合适的方式附着至触摸屏部件402，并且由此由压电材料片段407产生的任何力被直接施加到触摸屏部件402。触摸屏系统400包括向压电材料片段407提供电子信号的控制硬件和软件，使得片段407引起期望的与用户的触摸协调的触摸屏部件402的运动。例如，可以提供信号，以引起与按下虚拟按钮或虚拟元件之间的碰撞相关联的摇动，或与跨越屏幕的虚拟元件的移动相关联的振动，或如上述通过参考而并入本文的授予Rosenberg等的美国专利申请公开号2008/0111788Al的更详细描述的其它类型的屏幕移动。这样的触觉反馈或效果(也被称为触感反馈、触摸反馈和振动触感反馈)容许触摸系统400的用户具有更多直观的、有吸引力的和自然的经验，并且由此通过触觉效果提供的触感反馈极大地增强了用户与触摸屏系统400之间的交互。
触摸屏部件402因压电材料片段407输出的力而产生移动。在这一实施例中，由压电材料片段407产生或输出的施加在触摸屏部件402上的力是线性的(或者大约线性的)并且沿y轴，大约平行于触摸屏部件402的表面。悬挂元件404的柔性部分422A和422B分别在端部部分424A和424B以及中部部分420之间延伸，并且被配置为将触摸屏部件402的移动限制在单一方向或轴上，这个方向由压电材料片段407输出的力确定。尤其，当被安装在触摸屏系统400内时，柔性部分422A和422B容许触摸屏部件402优先在某一方向上或沿某一平移轴(例如y方向或轴)移动，同时限制其在其他方向上或沿其他平移轴(例如z方向或轴以及x方向或轴)移动。当悬挂元件404被安装在触摸屏部件402和壳体部件414之间时，端部部分424A和424B被耦接至壳体部件414，并且中部部分420被耦接至触摸屏部件402。由于端部部分424A和424B被耦接至刚性壳体部件414，不允许触摸屏部件402在x方向上的横向(sideto side)移动。此外，悬挂元件404由足够坚硬的材料形成，其也不允许触摸屏部件402在z方向上的上下移动。然而，当压电材料片段407输出y方向上的力(即，平行于承载部件406和触摸屏部件402)时，悬挂元件404的柔性部分422A和422B容许触摸屏部件402在y方向上移动，以向用户提供触觉效果。当用户向触摸屏部件402施加x方向或者z方向上的力时，悬挂元件404不容许触摸屏部件402在这些方向上移动，并且因此用户感觉到好像触摸屏部件402被刚性地安装在壳体部件414内。
为了组装根据本文中所描述的任何实施例的触摸屏系统，压电材料片段被耦接至一个或多个悬挂元件的柔性部分的至少一个表面。压电材料片段可以通过粘合或者其他合适的机械方法被耦接至悬挂元件的柔性部分的相反表面，或者可以被耦接至悬挂元件的柔性部分的仅仅一个表面。悬挂元件可以与承载部件一体形成，或者可以是通过耦接件或连接器被连接至承载部件的独立部件。包括一体或连接的悬挂元件的承载部件之后被耦接至触摸屏。承载部件以任何合适的方式连接至触摸屏。被附着在一起的承载部件和触摸屏在本文中被称为触摸屏子组件。
触摸屏子组件之后通过多个耦接装置被附着至主壳体部件。在图4所示的实施例中，悬挂元件404包括用于接受紧固件(未显示)的四个孔426，紧固件被用于将触摸屏子组件固定到主壳体组件414上。紧固件可以是螺纹紧固件(例如，机械螺钉或者肩部螺栓)，其通过相应的垫圈和螺母被紧固，以由此将触摸屏子组件连接到主壳体部件上。在另一实施例中，垫圈和螺母可以由螺纹孔替换，螺纹孔的尺寸被设计为接受螺纹紧固件。在其他实施例中，紧固件可以是内部或外部的螺纹杆，其与悬挂元件一体制成，以延伸通过主壳体部件，用于可螺纹地与相应的螺钉或螺栓耦接，适当地，以将触摸屏子组件固定到主壳体部件上。在其他实施例中，其他合适的耦接装置包括但不限于可作为本领域显而易见的普通技术来使用的卡扣紧固件、压入配合紧固件和粘合剂。LCD部件还可以也以任何合适的方式被安装在主壳体部件上，防尘密封件被安装用于防止触摸屏和LCD部件之间的灰尘侵入。触摸屏系统被组装好时，悬挂元件容许触摸屏部件和壳体部件之间在第一方向上的移动并且限制触摸屏部件和壳体部件之间在至少第二方向上的移动。
尽管压电材料片段407被描述为输出y方向上的力，并且悬挂元件404被描述为限制触摸屏部件402到z方向和x方向的移动，悬挂元件可以被修改为容许由压电材料片段输出引起的在其他方向上的移动。例如，图5示出另一实施例，其中悬挂元件504容许在z方向上的移动，并且限制在x和y方向上的移动。与承载部件406类似，承载部件506是平面或平坦的部件，其形成矩形边界或框架。两个柔性悬挂元件504是弯曲的金属薄片或者弯曲的塑料弹簧，每一个均包括两个端部部分524A和524B、两个柔性部分522A和522B以及中部部分520，并且大致平行于承载部件506延伸，其用于将触摸屏(未显示)耦接至刚性壳体(未显示)。悬挂元件504是薄且平的金属片段，并且其端部部分524A和524B、柔性部分522A和522B以及中间部分520通过如下所述的相对于彼此弯曲或相对于彼此形成每一部分而一体形成。
悬挂元件504被耦接至承载部件506，从而使得悬挂元件504大致平行于承载部件506延伸。本文中所使用的“大致平行”包括悬挂元件所具有的一个或多个一体部分平行于承载部件延伸，尽管悬挂元件的一个或多个其他一体部分不平行于承载部件延伸。中部部分520平行于承载部件506延伸，并且通过连接器528被耦接至承载部件506的外边缘或周边。端部部分524A和524B也大致平行于承载部件506延伸，但与承载部件506在z方向上间隔，并且不被耦接至承载部件506的外边缘或周边。柔性部分522A和522B是悬挂元件504的弯曲或者有角度的部分，并且分别在中间部分520以及端部部分524A和524B之间延伸。
压电材料片段507被连接至中部部分520的相反侧或表面，用于向触摸屏部件402提供触觉效果或反馈。在这一实施例中，由压电材料片段507输出的施加在触摸屏部件402上的力是线性的(或者大约线性的)并且沿z轴，大约垂直或法向于触摸屏的表面。悬挂元件504的柔性部分522A和522B分别在端部部分524A和524B以及中部部分520之间延伸，并且被配置为容许在z方向上的移动并限制在x方向和y方向上的移动。当被安装在触摸屏系统内时，端部部分524A和524B被耦接至刚性壳体，并且不允许触摸屏在x方向上的横向移动。此外，悬挂元件504由足够坚硬的材料形成，从而使得触摸屏在y方向上的移动也是不允许的。然而，当压电材料片段507输出z方向上的力(即，垂直或法向于承载部件506和触摸屏)时，悬挂元件504的柔性部分522A和522B容许触摸屏在z方向上的上下移动，以向用户提供触觉效果。当用户向触摸屏部件施加x方向和/或y方向上的力时，悬挂元件504不容许触摸屏在这些方向上的移动，并且同样地，用户感觉到好像触摸屏被刚性地安装在壳体内。
在本发明的另一实施例中，压电材料片段可以被耦接至承载部件或触摸屏的任何区域，并且替换类型的悬挂装置(例如垫圈、螺旋弹簧或者泡沫)可以被用于柔性地将触摸屏耦接至壳体。例如，参考图6A和图6B，触摸屏部件602包括垂片630，其大致从触摸屏的外边缘或周边垂直延伸。压电材料片段607被耦接至垂片630的相反侧或表面，用于向触摸屏部件602提供触觉效果或反馈。图6B示出片段产生电荷和弯曲之后的压电材料片段607，由此移动触摸屏部件602。垂片630由此被用作压电材料片段607的基板，并且由此不再需要针对图2所描述的中间基板。通过将压电材料片段607直接连接至触摸屏本身，不再需要将压电致动器耦接至触摸屏系统通常所需要的固定件和/或夹具，由此减小复杂性、部件数量以及制造成本。在本发明的另一实施例中(未显示)，压电材料片段607被耦接至垂片630的仅仅一侧或表面，用于向触摸屏部件602提供触觉效果或反馈。进一步，不需要一个或多个压电材料片段耦接至所有垂片630。例如，四个垂片630中的仅仅一个需要至少一个压电材料片段607，用于向触摸屏部件602提供触觉效果或反馈。
图7和图8示出用于将触摸屏耦接至触觉系统的壳体的柔性悬挂元件704的一个替换实施例。图7示出悬挂元件704的立体图，而图8示出被耦接至触摸屏部件802的多个悬挂元件704。在图8的实施例中，四个相同的悬挂元件704被耦接至触摸屏部件802，但本领域普通技术人员应当理解为，更多的悬挂元件可以被利用，或者仅仅一个悬挂元件可以被利用。悬挂元件704是弯曲的金属片或弯曲的塑料弹簧，其包括第一L形托架724、第二端垂片720以及在其之间延伸的中间柔性部分722。柔性部分722是悬挂元件702的弯曲或有角度的部分。当多个悬挂元件704被安装在触摸屏系统中时，每个L形托架724耦接至如图8所示的触摸屏部件802，并且每个第二端部分720耦接至刚性壳体(未显示)。悬挂元件704的柔性部分722不被耦接至触摸屏部件802或壳体，并且被配置为限制触摸屏部件802向致动器输出的力确定的单个方向或轴移动。如本文中所述，致动器可以是压电材料片段(未显示)，其被耦接至如本文中所述的悬挂元件704的柔性部分722的相反侧或表面，或者可以替换地是很多已知的致动器类型中的任一种，其包括但不限于压电致动器、音圈致动器、质量偏心致动器、电子芯式致动器、螺线管、移动磁铁致动器、或者期望的其它类型致动器。
尤其，当被安装在触摸屏系统内时，柔性部分722容许触摸屏部件802优先以某一方向或沿某一平移轴(例如y方向或轴)移动，同时限制其以其他方向或沿其他平移轴(例如z方向或轴以及x方向或轴)移动。触摸屏部件802在x方向上的横向移动不被允许，因为悬挂元件704由足够坚硬或刚性的材料形成，其在-x方向上具有高弹簧常量，并且柔性部分722相对于触摸屏部件802的相邻边缘形成很小的锐角(即，小于45度)。此外，第二段部分720被耦接至刚性壳体(未显示)，并且如果力直接在-x方向上被施加，悬挂元件704将抵抗在-x方向上的移动，并且力将被传送进入壳体。进一步，触摸屏部件802在z方向上的上下移动也是不允许的，因为悬挂元件704由足够坚硬或刚性的材料形成，其在-z方向上具有高弹簧常量。然而，悬挂元件704在-y方向上具有低弹簧常量，并且当致动器输出y方向上的力(即，平行于触摸屏部件802)时，每一悬挂元件704的柔性部分722容许触摸屏部件802在y方向上的移动，以向用户提供触觉效果。当用户向触摸屏部件802施加x和/或z方向上的力时，每一悬挂元件704的柔性部分722不容许触摸屏部件802在这些方向上的移动，并且同样地，用户感觉到好像触摸屏部件802被刚性地安装在壳体内。
在本发明的另一实施例中(未显示)，悬挂元件704可以与触摸屏系统中使用的承载部件耦接或者与其一体形成，或者可以与壳体耦接或者与其一体形成。根据本发明的实施例，悬挂元件可以被形成为在不同的方向上具有不同的性质。通过改变几何结构、材料和安装条件，弹簧悬挂元件的性能能够被设计为匹配系统，其被安装在该系统中。例如，刚度可以在不同的方向上变化(即在一个方向上更高并且在另一方向上更低)，以容许触摸屏在所期望的触觉效果的方向上移动，但在其他方向上是非常坚硬的。弹簧悬挂元件的几何结构的改变可以通过在合适的方向上添加加强肋或弯曲而改变在特定轴上的刚度。通过柔性(即，橡胶或泡沫)固定件改变弹簧悬挂元件的安装条件也提供多变的刚度。
图9示出用于将触摸屏耦接至触觉系统的壳体的柔性悬挂元件904的一个替换实施例。图9示出被耦接至承载部件906的多个悬挂元件904。在本发明的另一实施例中(未显示)，悬挂元件904可以与触摸屏系统中使用的触摸屏部件耦接或者与其一体形成，或者可以与壳体耦接或者与其一体形成。在图9的实施例中，四个相同的悬挂元件904被耦接至承载部件906，但本领域普通技术人员应当理解为，更多的悬挂元件可以被利用，或者仅仅一个悬挂件可以被利用。悬挂元件904是弯曲的金属片或弯曲的塑料弹簧，其包括第一端垂片924以及有角度的或弯曲的柔性部分922。当多个悬挂元件904被安装在触摸屏系统中时，每一第一端垂片924被配置为耦接至刚性壳体(未显示)，并且柔性部分922的第一端920被耦接至承载部件906且以相对于承载部件906以大约45度角延伸(如图9所示)。悬挂元件904被耦接至承载部件906，从而使得每一第一端垂片924大致垂直于承载部件906延伸。每一第一端垂片906从承载部件906的外边缘或周边垂直延伸，但通过柔性部分922与承载部件906间隔。
当被安装在触摸屏系统内时，柔性部分922容许承载部件906优先在y方向或轴以及x方向或轴上移动，同时限制在z方向或轴上移动。悬挂元件904由足够坚硬的材料形成，使得承载部件906在z方向上的上下移动是不允许的。为了形成致动器，压电材料片段907被耦接至悬挂元件904的有角度的或弯曲的柔性部分922的相反侧或表面。由于悬挂元件904的柔性部分922，并且由此压电材料片段907以相对于触摸屏系统的承载部件906和壳体914(图9中虚线所示)大约45度角被安装，如方向箭头AF所指向的，由致动器(即，压电材料片段907)输出的力相对于触摸屏系统偏移或者成角度。本文中所使用的“大约”45度角包括在40和50度范围之间的角度。将致动器相对于承载部件906和壳体914以45度角安装平衡地抵消了x和y方向之间的力向量，从而使得当致动器输出箭头AF方向上的力时，由致动器907输出的力的x和y分量是大约相等的。每一悬挂元件904的柔性部分922容许承载部件906在y方向和x方向上的移动，以向用户提供触觉效果。压电材料片段907相对于触摸屏系统的偏移或成角度的安装产生更一致的触觉用户体验，因为用户在这些方向上操作触摸屏系统的GUI时(通常发生在用户在触摸板GUI上上下和/或左右滚动时)，由致动器输出的力在x方向和y方向上大约是相等的。然而，当用户在z方向上向承载部件906施加力时，每一悬挂元件904的柔性部分922不容许承载部件906在这些方向上的移动，并且同样地，用户感觉到好像承载部件906被刚性地安装在壳体内。
在本发明的另一实施例中，致动器(即，被耦接至悬挂元件904的柔性部分922的压电材料片段907)相对于承载部件906和壳体914的安装角度可以被改变或修改，以基于角度选择控制指向相对于其他的一个轴的力的水平。尤其，如果用户期望体验在-x或-y方向中的一个上的更多移动或行程，致动器可以相对于承载部件和壳体以不同于大约45度的角度被安装，以使得由致动输出的力的x和y分量不平衡或不相等。
在另一实施例中，悬挂元件904可以与不同于压电材料片段的另一类型的致动器共同应用于触摸屏系统中。尤其，图10示出承载部件1006，其具有被耦接在其上的悬挂元件1004，用于将承载部件耦接至刚性壳体1014。除了没有被连接在其上的压电材料片段，悬挂元件1004与针对悬挂元件904所描述的结构相同。致动器1008被显示为被耦接至承载部件1006的下侧表面，并且用来输出小脉冲、振动或纹理感触至触摸屏部件(未显示)上，并且如果用户正在接触触摸屏则向用户输出。致动器1008可以是多个已知致动器类型中的任意一种，包括而不限于压电致动器、螺线管、音圈致动器、质量偏心致动器、电子芯式致动器、移动磁铁致动器、或者期望的其它类型致动器。致动器1008以相对于承载部件1006和壳体1014大约45度角被安装，如方向箭头AF所指向的，由致动器1008输出的力相对于触摸屏系统偏移或成角度。当致动器输出箭头AF方向上的力时，由致动器1008输出的力的x和y分量是大约相等的。每一悬挂元件1004的柔性部分1022容许承载部件1006在y方向和x方向上的移动，以向用户提供触觉效果。致动器1008相对于触摸屏系统偏移或成角度的安装产生更一致的触觉用户体验，因为用户在这些方向上操作触摸屏系统的GUI时(通常发生在用户在触摸板GUI上上下和/或左右滚动时)，由致动器输出的力在x方向和y方向上大约是相等的。然而，当用户在z方向上向承载部件1006施加力时，每一悬挂元件1004的柔性部分1022不容许承载部件1006在这些方向上的移动，并且同样地，用户感觉到好像承载部件1006被刚性地安装在壳体内。
尽管与悬挂元件1004一起被示出，相对于触摸屏系统偏移或成角度安装的致动器可以与其他类型的悬挂元件一起利用。例如，如图11所示，触摸屏系统包括刚性壳体1114，其具有垫圈悬挂元件1104，用于将触摸屏(未显示)和/或承载部件(未显示)耦接至其上。垫圈悬挂元件1104被配置为容许触摸屏102优先以某一个或多个方向(例如x和y方向)移动。垫圈悬挂元件1104被配置为容许在方向箭头AF方向上(即，紧贴垫圈悬挂元件1104的纹理内表面或侧面)移动。垫圈悬挂元件1104被配置为限制在另一方向(例如z方向)和垂直于方向箭头AF的方向上(例如，紧贴悬挂元件1104的平滑或固体的内表面或侧面)移动。如本文中所述，利用用于将触摸屏和触摸表面安装在壳体内的柔性垫圈的悬挂是已知的，如在Olien等在2011年3月16日提交的美国专利申请号13/049,265中所描述的，其整体通过参考而并入本文中。其他垫圈悬挂配置可以与此一起被利用。致动器1108被显示为相对于壳体1114成角度或偏移，并且用来将小的脉冲、振动或纹理感触输出至触摸屏(未显示)上，并且如果用户正在接触触摸屏则向用户输出。致动器1108可以是多个已知致动器类型中的任意一种，包括而不限于压电致动器、螺线管、音圈致动器、质量偏心致动器、电子芯式致动器、移动磁铁致动器、或者期望的其它类型致动器。与图10的实施例类似，致动器1108以相对于触摸屏系统大约45度角被安装，如方向箭头AF所指向的，由致动器1108输出的力相对于触摸屏系统偏或成角度。当致动器输出箭头AF方向上的力时，由致动器1108输出的力的x和y分量是大约相等的。尽管显示为与垫圈悬挂元件一起被利用，相对于触摸屏系统偏移或成角度安装的致动器可以与其他悬挂系统(包括但不限于螺旋或线圈元件、橡胶、泡沫或者弯曲材料)一起被利用。
根据本发明的多种实施方式被上文所描述，应当理解的是，这些实施方式仅通过示意性和示例性的方式被显示，且并不限定。进行在形式上和细节上的多种改变而不偏离本发明的精神和范围，对相关领域技术人员是显而易见的。因此，本发明的广度和范围不应当被任何前文所述的示例性实施方式所限制，而是仅根据所附的权利要求及其等同而限定。还应当理解的是，本文讨论的每个实施方式的每个特征，以及援引的每个文献，能够被与任意其它实施方式的特征相结合。本文所讨论的所有专利和公开均通过援引而全文并入本申请中。

Claims (17)

1.一种制造具有柔性悬挂系统的触觉设备的方法，所述方法包括以下步骤：
将压电材料片段耦接至至少一个柔性悬挂元件的至少一个表面；
将所述至少一个柔性悬挂元件耦接至触摸屏部件；以及
将所述至少一个柔性悬挂元件耦接至壳体部件，其中所述至少一个柔性悬挂元件的所述至少一个表面相对于所述触摸屏部件和所述壳体部件以在40度和50度之间的角度延伸，并且其中所述压电材料片段被配置为产生使所述触摸屏部件相对于所述壳体部件移动的力，并且其中由所述压电材料片段产生的力在x方向和y方向上相等且其中由所述压电材料片段产生的在所述x方向和所述y方向上的力由此为所述触摸屏部件的用户提供触觉效果，并且其中响应于由所述压电材料片段产生的力，所述至少一个柔性悬挂元件被配置为容许所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上的移动，同时还被配置为限制所述触摸屏部件和所述壳体部件之间至少在z方向上的移动。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述压电材料片段通过粘合剂被耦接至所述至少一个柔性悬挂元件的至少一个表面。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个柔性悬挂元件与承载部件耦接或一体形成，并且将所述至少一个柔性悬挂元件耦接至所述触摸屏部件的步骤包括将所述承载部件耦接至所述触摸屏部件。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个柔性悬挂元件包括至少一个孔，所述孔的尺寸被设计以接受紧固件，并且将所述至少一个柔性悬挂元件耦接至所述壳体部件的所述步骤包括将所述紧固件穿过所述至少一个孔，以将所述至少一个柔性悬挂元件固定到所述壳体部件上。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
将LCD部件耦接至所述壳体部件。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤：
将防尘密封件安装在所述触摸屏部件和所述LCD部件之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中将压电材料片段耦接至至少一个柔性悬挂元件的至少一个表面的所述步骤包括将压电材料片段耦接至至少一个柔性悬挂元件的相对表面。
8.一种具有柔性悬挂系统的触觉设备，其包括：
壳体部件；
触摸屏部件；
至少一个柔性悬挂元件，其将所述触摸屏和壳体部件耦接在一起，从而使得所述触摸屏部件相对于所述壳体部件是可移动的，其中所述至少一个柔性悬挂元件的所述至少一个表面相对于所述触摸屏部件和所述壳体部件以在40度和50度之间的角度延伸；以及
压电材料片段，其被耦接至所述至少一个柔性悬挂元件的所述至少一个表面，用于产生在x方向和y方向上相等的力，所述力使所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上移动，并且由此为所述触摸屏部件的用户提供触觉效果，其中响应于由所述压电材料片段产生的力，所述至少一个柔性悬挂元件被配置为容许所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上的移动，同时还被配置为限制所述触摸屏部件和所述壳体部件之间在z方向上的移动。
9.如权利要求8所述的触觉设备，其中所述至少一个柔性悬挂元件与承载部件耦接或一体形成。
10.如权利要求9所述的触觉设备，其中所述至少一个柔性悬挂元件包括至少一个孔，所述孔的尺寸被设计为接受紧固件，所述紧固件用于将所述悬挂元件耦接至所述壳体部件。
11.如权利要求8所述的触觉设备，其中所述至少一个柔性悬挂元件是弯曲的金属片弹簧。
12.如权利要求8所述的触觉设备，其中压电材料片段被耦接至所述至少一个柔性悬挂元件的相对表面。
13.一种制造具有柔性悬挂系统的触觉设备的方法，所述方法包括以下步骤：
将压电材料片段耦接至触摸屏部件或者耦接至所述触摸屏部件的承载部件的至少一个表面；
将所述触摸屏部件耦接至壳体部件，从而使得所述触摸屏部件相对于所述壳体部件是可移动的，其中所述压电材料片段被配置为产生在x方向和y方向上相等的力，所述力使所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在所述x方向和所述y方向中的至少一个方向上移动，并且由此为所述触摸屏部件的用户提供触觉效果；以及
将至少一个柔性悬挂元件耦接至壳体部件并且耦接到所述触摸屏部件，所述至少一个柔性悬挂元件被配置为容许所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在x方向和y方向中的至少一个方向上的移动同时限制所述触摸屏部件相对于所述壳体部件在z方向上的移动，其中所述至少一个柔性悬挂元件的所述至少一个表面相对于所述触摸屏部件和所述壳体部件以在40度和50度之间的角度延伸。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述压电材料片段通过粘合剂被耦接至所述至少一个表面。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述至少一个悬挂元件还被配置为限制所述触摸屏部件和所述壳体部件之间在至少第二方向上的移动。
16.如权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
将LCD部件耦接至所述壳体部件；以及
将防尘密封件安装在所述触摸屏部件和所述LCD部件之间。
17.如权利要求13所述的方法，其中将压电材料片段耦接至触摸屏部件或者耦接至所述触摸屏部件的承载部件的至少一个表面的步骤包括将压电材料片段耦接至所述触摸屏部件或者被耦接至所述触摸屏部件的所述承载部件的相反表面。
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