CN104641326A - 提供触觉响应控制的弹性剪切材料 - Google Patents

Abstract

本发明设想了一种触觉响应元件。该触觉响应元件可生成作为输出的触感并与计算设备相关联。可通过移动触觉响应元件的一部分来产生触感。凝胶可起到使触觉响应元件的移动部件返回至起始点或零点的作用。移动部件的运动可在凝胶上施加剪切力，而不是压缩力。

Description

提供触觉响应控制的弹性剪切材料

相关申请的交叉引用

该专利合作条约专利申请要求于2012年7月26日提交的并且标题为“Elastomeric Shear Material Providing Haptic Response Control,”的美国临时专利申请61/675,993的优先权，其内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及控制触觉响应，并且更具体地涉及采用弹性材料来控制触觉响应。

背景技术

触觉响应元件在计算设备中正变得越来越常见。它们提供触觉反馈，从而响应于某些条件诸如用户输入、软件状态和/或操作、误差条件、确认等来实现广泛的输出。触觉响应可与输入设备结合或结合到输入设备中，使得输入设备不但可以接受用户输入而且还提供触觉反馈。触觉响应元件通常通过移动或者以另外方式致动该元件在起始位置和行进位置之间的被触摸部分来提供触觉反馈。在一些实施例中该运动可多次和/或以变化的频率重复，但是通常需要一些运动。

然而，迄今的触觉响应元件通常有些难以控制。许多触觉响应元件不产生清脆愉悦的触觉输出。相反，它们的输出可能类似于嗡嗡声或振动。不仅一些用户发现这种感觉不愉快，而且这些感觉需要一些时间来产生(和感测)并且需要一些时间来终止。例如，振动性运动可能需要积累到谐振频率以提供待由用户感测的足够大的力。

在许多情况下，可能难以充分抑制或以其他方式控制触觉响应元件以便提供实感输出。这种困难的一部分可能是由于不能快速使触觉响应元件的被触摸部分从其行进位置返回至其起始点所造成的。弹簧通常用于将被触摸位置偏置回到起始位置，但是弹簧通常缺少阻尼能力。

类似地，粘弹性聚合物可用于使触觉响应元件的被触摸部分从其行进位置返回至其起始位置。通常，当被触摸部分行进时，此类弹性体被置于受力或压缩状态，这使得弹性体以类似于弹簧的方式作出反应(例如，当使被触摸部分从行进位置返回至起始位置时施加非线性力)。

发明内容

本文所述的实施例可呈能够感测力并且响应于所感测的力而提供触觉输出的输入设备的形式。

本发明设想了一种触觉响应元件。该触觉响应元件可生成作为输出的触感并与计算设备相关联。可通过使触觉响应元件的一部分移位来产生触感。凝胶可起到使触觉响应元件的移动部件返回至起始点或零点的作用。对移动部件的移位可在凝胶上施加剪切力，而不是拉伸压缩力。

附加实施例和特征在下面的说明书中被部分地阐述，并且当检查本说明书或者可通过本发明的实践而获悉时，附加实施例和特征对于本领域技术人员来说部分变得显而易见。可参考形成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分来实现对本发明的特点和优势的进一步理解。

附图说明

图1A-1C示出了用于若干配置下的负载测量的标准弯梁应变传感器。

图1D示出了用于包括一个应变仪的标准弯梁应变传感器的电路图。

图1E示出了用于包括四个应变仪的标准弯梁应变传感器的电路图。

图2示出了用于标准弯梁应变传感器的电路图。

图3A示出了一个实施例中的包括用于负载测量的梁的一侧上的两个应变仪或两对应变仪的力矩补偿弯梁传感器。

图3B示出了一个实施例中的包括两个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。

图3C示出了一个实施例中的包括两对应变仪或四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。

图3D示出了一个实施例中的具有柔性支撑件的力矩补偿弯梁的侧视图。

图3E示出了另一个实施例中的具有柔性支撑件的力矩补偿弯梁的侧视图。

图4示出了一个实施例中的用于力矩补偿弯梁传感器的两个应变仪的电连接的图示。

图5示出了一个实施例中的用于力矩补偿弯梁传感器的两对应变仪的惠斯通电桥连接。

图6A是一个实施例中的包括公共载体上的与弯梁对准的两个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。

图6B是另一个实施例中的包括公共载体上的与弯梁对准的四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。

图7A是一个实施例中的用于利用四个弯梁进行支撑和利用四个力矩补偿弯梁传感器进行负载测量的触控板(TP)的系统图的顶视图。

图7B是穿过图7A的弯梁702A的剖面图。

图7C示出了一个实施例中的具有在各个力位置处受力的四个弯梁的平台的顶视图。

图8A是另一个实施例中的在拐角处具有四个弯梁的触控板的底部的透视图。

图8B是一个实施例中的图8A的拐角处的四个梁中的一个梁的放大视图。

图9是示出一个实施例中的用于制造耦接至触摸输入设备的力矩补偿弯梁传感器的步骤的流程图。

图10是具有包括与梁对准的四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的示例性应变分布。

图11是一个实施例中的示例性触控板。

图12A示出了来自用于0.8mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器和标准弯梁应变传感器或非力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径A的一个样本力输出。

图12B示出了来自用于0.8mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器和标准弯梁应变传感器或非力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径B的一个样本力输出。

图13A示出了来自用于2.3mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径A的一个样本力输出。

图13B示出了来自用于2.3mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径B的一个样本力输出。

图14A示出了作为用于2.3mm厚的平台的负载的函数的力矩补偿弯梁传感器输出的样本线性度。

图14B示出了样本力矩补偿弯梁传感器与用于2.3mm厚的平台的线性度的偏差。

图15是示出了一个实施例中的用于利用力矩补偿弯梁传感器来确定触控板的力和力的位置的步骤的流程图。

图16是一个实施例中的触控板的简化系统图。

具体实施方式

通常，本文所述的实施例可呈用于确定负载或力的传感器或者与此类传感器一起操作的结构的形式。作为一个实例，触控板可与一个或多个力传感器相关联，如本文所述。当向触控板施加力时，一个或多个传感器可检测到应变。该应变可与在触控板上所施加的力相关联并且因此可确定所施加的力的量。另外，通过采用适当配置下的多个传感器，除了可确定力的大小之外，还可确定施加该力的位置。

可在触控板中采用凝胶或弹性材料。例如，凝胶可

可结合如以下简述的附图，参考以下详细描述来理解本公开。注意，为了例示清晰，附图中的某些元件可能未按比例绘制。

图1A-1C示出了位于梁上并用于负载测量的弯梁应变传感器；图1A-1C中的每个图示出了当负载位置沿着梁变化时的若干配置下的梁传感器和梁。例如，梁可用于支撑压敏触控板。

图1A示出了被置于梁106的梁基座102附近并且沿X轴水平定位的弯梁应变传感器102。对标准弯梁应变传感器102进行取向，使其沿X轴对应变作出响应。在实施例中，触控板平板108基本上平行于梁106并且传感器102与梁的轴对准。该轴在图中被标记为“X轴”。触控板108通过凝胶110被附接到弯梁106。

仍参考图1A，沿Z轴通过凝胶110的中心114C垂直施加负载。在此情况下，凝胶层110A具有均匀厚度，但是在另选的实施例中，凝胶可以是非均匀或者不同形状的。触控板108可为平台或平板。

如图1B中所示，当施加力时，凝胶朝着梁基座104被压缩。梁106弯曲，使得在比力位置114A更靠近梁基座104的力位置114B处通过凝胶110B施加该力。

现在参考图1C，凝胶在自由端或边缘112附近被压缩，使得在比力位置114A更靠近自由端112的力位置114C处通过凝胶110C施加该力。在应变传感器102处检测到的应变取决于所施加的力的大小以及该力沿梁的位置两者以及施加到梁的任何附加力矩。因为所施加的力F的位置会变化，如图1A-1C中所示，标准弯梁应变传感器102具有对负载或力的位置114的非均匀响应。在下文更具体地描述凝胶的进一步操作和功能。

图2示出了根据一个实施例的包括一个应变仪的标准弯梁应变传感器102的电路图。应变仪S1和一个恒定电阻器如下所示被连接；该配置通常被称为半桥。电阻器R₁被选择为几乎等于标准弯梁应变传感器102的电阻，使得输出电压V_out通常位于V₊和V_-两者的中间。当如图1B所示将力施加到梁时，梁弯曲并且在标准弯梁应变传感器102处产生应变，这继而改变标准弯梁应变传感器102的电阻并且因此改变输出电压V_out。

图1D示出了一个实施例中的包括一个应变仪的标准弯梁应变传感器102的电路图。应变仪S1和三个恒定电阻器R连接成完整的惠斯通电桥。当施加电压供给V_in时，产生输出电压V_out。当梁弯曲时，产生了改变标准弯梁应变传感器102的电阻并且改变输出电压V_out的应变。

图1E示出了另一个实施例中的包括四个应变仪的标准弯梁应变传感器的电路图。标准弯梁应变传感器可包括以完整的惠斯通电桥来电连接的四个应变仪S1A、S1B、S2A和S2B。应变仪如图1E中所示进行布置。应变传感器协同定位，使得S1A和S1B检测平行于x轴的应变而S2A和S2B检测由平行于x轴的应变所生成的泊松应变。另外，当施加电压供给V_in时，生成输出电压V_out。

图3A示出了一个实施例中的包括用于负载测量的梁的一侧上的至少两个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的侧视图。力矩补偿弯梁传感器使用该至少两个应变仪差分地减去任何所施加的力矩。图3B示出了一个实施例中的包括两个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。图3C示出了另一个实施例中的包括两对应变仪或四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。

如图3A-3C所示，第一应变仪302或一对应变仪302A-B被置于沿其被标记为X轴的轴向轴取向的梁基座304或梁306的根部处或附近，第二应变仪316或一对应变仪316A-B被置于也沿梁的轴取向的梁306的自由端312附近。对应变仪302和316或302A-B和316A-B进行取向，使得它们沿X轴对应变作出响应。第二应变仪或第二对应变仪可比梁306和平板308之间的支撑件或连接件310更靠近梁基座304或梁的根部。更具体地，第二应变仪316的中心可比梁306和平板308之间的支撑件或连接件310的中心更靠近梁的基座。注意，梁在其自由端312附近弯曲，使得自由端312在所施加的力F的作用下在梁基座304处与梁的端部成角度。

在某些实施例中，支撑件或连接件310可为粘弹性聚合物诸如凝胶。术语“凝胶”可指连接梁和平板的任何适合可变形物质。在一些实施例中，粘合剂可用于替代凝胶或者除了凝胶之外还可使用粘合剂。在其他实施例中，可遗漏该凝胶。在另外的实施例中，机械紧固件可将梁和平板附连。

在图3A中，梁306被示出为被附接到刚性支撑件320。在另选的实施例中，刚性支撑件320可由柔性支撑件332替代，诸如图3D和3E中所示。梁可通过紧固件332被加紧至或焊接至柔性支撑件332。柔性支撑件332可基本上比梁306更坚硬。

在另一个实施例中，如图3D中所示，梁基座304附近的梁端部可通过对梁进行加厚来形成。例如，梁的厚度可显著地变化(1.5x到5x的厚度)以产生硬度变化。如图3E所示，朝端部方向，梁可不进行任何加厚处理。

在又一个实施例中，可改变梁宽度从而产生硬度变化。在再一实施例中，梁厚度变化、梁硬度变化、梁宽度变化的任何组合也可以产生比梁显著更硬的端部。在另一个实施例中，梁可具有被连接到柔性支撑件或刚性支撑件的两个端部。在又一个实施例中，梁的两个端部可具有梁厚度变化、梁硬度变化、梁宽度变化的组合，这可产生比梁明显更硬的两个端部。

梁可在两个应变仪302和316之间具有均匀厚度。作为另外一种选择，梁的厚度或宽度可在两个应变仪之间变化。从数学上讲，两个应变仪302和316之间的曲率在所施加的负载或力下具有零的二阶导数。一般来讲，在操作期间，在两个应变仪之间未施加外部负载或力。

在一个实施例中，两个应变仪302和316被电连接为惠斯通电桥中的一个臂(参见图4)。施加到弯梁的自由端的力将引起沿梁的长度变化的力矩。这将引起两个应变仪处的电阻的不同量值的变化并且使得半个惠斯通电桥的输出发生变化。该输出为来自两个应变仪302和316的差分输出。在另选的实施例中，应变仪可被连接到独立的半桥。可使用模拟或数字电路来去除来自这些独立电桥的信号。在一些情况下，可能有必要在去除之前对每个信号施加独立的缩放。

用于力矩补偿弯梁传感器的输出电压为来自两个应变仪302(S1)和316(S2)的输出的差分信号。在应变仪302处，

M₁＝F(L-x₁-a)                       等式(1)

ε₁＝M₁t/2EI                            等式(2)

dR₁＝RGε₁                             等式(3)

在应变仪316处，

M₂＝F(L-x₂-a)                       等式(4)

ε₂＝M₂t/2EI                            等式(5)

dR₂＝RGε₂                             等式(6)

其中M₁和M₂为力矩并且ε₁和ε₂为应变，E为杨式模量，I为梁的惯性矩，dR₁和dR₂为相应应变仪302和316的电阻变化，R为应变仪302和316中的每个应变仪的电阻，G为应变仪的量规因数、t为梁的厚度、w为梁的宽度以及L为梁的长度。a为力的位置，或负载距梁306的自由端312的距离。在一些实施例中，两个应变仪的电阻可能不相等。

注意，dR₁和dR₂均取决于梁长度L和力的位置a。然而，差分信号Δ独立于梁长度L和力的位置a。差分信号为dR₁与dR₂之间的差，其被表示如下：

Δ＝dR₁-dR₂＝RGtF(X₂-X₁)/2EI            等式(7)

在另选的实施例中，四个应变仪302A-B和316A-B被电连接为完整的惠斯通电桥。图5是根据另一实施例的包括四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的惠斯通电桥的电连接的电路图。输出电压V_out不取决于力的位置或梁的长度。惠斯通电桥为用于通过平衡电桥电路的两个腿来测量未知电阻的电路。一条腿包括未知部件，并且三条腿由具有已知电阻的电阻器形成。在该配置中，四个应变仪替换三个已知电阻器和一个未知电阻器。代替平衡该电阻以获取接近零的输出，利用应变仪302A(S1A)、302B(S1B)、316A(S2A)和316B(S2B)的阻抗来产生电压输出V_out。施加到梁306的自由端312的力矩引起每个应变仪的电阻变化。输出节点为在图6B和6C中也被示出为电触点512的512a、512b、512c和512d。

图6A是根据实施例的力矩补偿弯梁传感器设备的顶视图。传感器设备600包括弯梁306和在公共载体602A上并且与弯梁306对准的两个应变仪。梁传感器600A被置于梁上，使得应变仪S1位于电触点614附近(靠近梁基座304)并且使得应变仪S2靠近施加力的自由端312。可能有用的是将传感器600A的电触点614远离负载位置定位，以避免对触点的损害或者不必要沿梁的长度延伸电触点，但应当理解，另选的实施例可以不同方式对传感器进行取向。载体602A或传感器600A与梁的中心X轴对准。在该实施例中，Vexc+被连接到梁传感器302并且Vexc-被连接到梁传感器316。输出V_output连接在传感器302和316之间。

图6B是另一个实施例中的包括公共载体602B上的与弯梁306对准的四个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的顶视图。另外，传感器600B被置于梁306上，使得电触点512靠近梁基座304并且进一步远离梁的自由端312。电触点512包括来自惠斯通电桥的四个输出节点。电触点512还可包括用于温度补偿的引线键合焊盘。另外，具有应变仪S1A、S1B、S2A和S2B的载体与梁的中心X轴对准。

图6B还示出了一个实施例中的力矩补偿弯梁传感器中的被连接在惠斯通电桥中的四个应变仪的布线布局。在这种方案中，电触点焊盘604B被连接到如图5所示的节点512a-d。在该实施例中，正极输入电压Vexc+被连接到梁传感器S1A(302A)和S2B(316B)而负极输入电压Vexc-被连接到传感器S1B(302B)和S2B(316B)。差分输出的一侧，负极输出Vout-被连接在传感器S1A(302A)和S2A(316A)之间，而差分输出的第二侧，正极输出Vout+被连接在梁传感器S1B(302B)和S2B(316B)之间。

铝和钢是用于梁材料的常见选择。它们常常可用于许多有用的预成形的尺寸并且应变传感器可内置用于对热膨胀的补偿。其他材料是可能的，包括钛、塑料、黄铜等等。

另外，本公开提供一种用于实现平板安装方案的方法，其中该平板通过四个弯梁被支撑在其四个拐角上。平板以任何适合的方式诸如通过粘弹性聚合物被附接到梁。在另选的实施例中，平板可利用粘合剂通过焊接、机械固定装置等被附接到梁。

四个弯梁中的每个弯梁均具有包括应变仪的弯梁传感器。凝胶310可表现出粘弹性响应并且响应于具有时间常数的秒数的所施加的力而改变形状。随着凝胶改变形状，所施加的力的位置发生偏移。因为应变仪对于力矩不敏感，所以应变仪的输出不受聚合物的粘弹性响应的影响。

图7A是用于触控板700的系统图的顶视图。虚线指示在图7A的视图中通常不可见的元件，但是被示出以例示本发明的某些原理。触控板700包括平台或平板708，该平板可由四个弯梁702A-D支撑并且还包括四个力矩补偿弯梁传感器704A-D。触摸板平板708耦接至平板四个拐角附近的四个弯梁。通过将平板粘接到前述凝胶706A-D来实现耦接。凝胶可为任何形状，包括圆形和非圆形形状。例如，图6A示出了具有圆形横截面的凝胶而图7A示出了具有椭圆形横截面的凝胶。可在不同的实施例中使用其他形状(平面或三维)。尽管在图中示出了凝胶，但在一些实施例中可去除凝胶。位置传感器710可被置于沿平板708的表面进行耦接的凝胶/平板处或附近。位置传感器710位于触控板下方，如虚线所示。另外，位置传感器可包括栅格形式的与触控板的平台708一样大的位置感测层。

在一个实施例中，每个力矩补偿梁传感器包括连线在一起以产生差分信号的至少两个应变仪。在另选的实施例中，每个力矩补偿梁传感器包括可被连线为惠斯通电桥的四个应变仪。对于平板，负载信号可从弯梁传感器获取，以便确定施加在触控板上的力，并且负载位置信号可从位置传感器获取。

在特定实施例中，弯梁可为约10mm宽、10mm长和0.5mm厚，而触控板可为约105mm长和76mm宽，其中厚度从0.8mm到2.3mm。

本领域技术人员将理解，梁的尺寸可针对各种期望的负载和电气输出以及平台的尺寸和形状而变化。

在某些实施例中，位置感测层可位于平板下方。例如，位置感测层可为类似于许多触摸屏采用的电容式感测层。电容式感测层可包括被布置成行和列并且操作以感测触摸的特定位置的电极。在一些实施例中，位置感测层可以类似于并入到智能电话、平板计算设备、媒体播放器、计算显示器、触摸屏以及类似产品中的触摸屏的方式来感测多个同时触摸。由于触敏层的操作在本领域是已知的，所以在本文中将不再进一步讨论。

然而，应当理解，触控板的位置感测和力感测可结合一起。因此，本文有关力感测的各种讨论可应用于电容式感测层和/或电容式感测显示器以及可在上面触摸或按压的任何其他计算元件或外壳。因此，本文所描述的实施例可被配置为使得可感测施加到显示器或其他计算元件的力。例如，触控板平板可由移动设备等的覆盖玻璃或表面来替代，并且在此类所感测的表面上施加力。

在特定实施例中，梁具有均匀厚度以减小触控板的总体尺寸。对于某些应用，诸如在平板计算设备、媒体播放器、便携式计算机、智能电话等中，通过粘弹性聚合物诸如凝胶在平板和梁之间所形成的连接可以是薄型的。

图7B是穿过图7A的弯梁702A的剖面图。在该附图中，触控板平板708具有附接的位置传感器710。位置传感器710通过凝胶706A被附接到梁702A。注意，力矩补偿弯梁传感器704A、704B、704C和704D中的每个力矩补偿弯梁传感器都包括至少两个应变仪S1和S2或者两对应变仪，即四个应变仪。

图7C示出了平台708上的三个力位置。力1比另外三个弯梁更靠近梁702B并且弯梁702B将比其他梁承受更多的力。为了准确确定力1的大小，各个力传感器704A、704B、704C和704D中每个力传感器所检测的力可被叠加。作为另外一种选择，位置传感器710的输出可与来自一个或多个力矩补偿弯梁传感器的输出一起使用以将触摸或其他输入的位置与负载大小相关联。无论负载被施加在力2的触控板的中心附近还是被施加在平台708的表面上的任何位置处诸如力1和力3所定位的位置，都可使用确定力大小的这些方法。

在一些情况下，期望在不使用位置传感器或位置感测层710的情况下近似确定力位置。对于每个力矩补偿梁传感器，由梁传感器所检测到的力与沿梁的中心轴的位置相乘，在该位置处力被施加到各个梁，从而形成力距离乘积。所有四个梁的力距离乘积被叠加并且除以总力。所得到的位置近似为力相对于触控板的中心的位置。从本质上说，尽管图7C中示出了四个弯梁，但是三个梁传感器的使用通过比较由每个梁传感器所感测的力的相对大小而允许力的位置的三角形划分。因此，梁传感器中的每个梁传感器可被连接到可使用梁传感器的输出对施加力的位置进行三角形划分的处理器或其他计算元件。该位置数据可与从位置传感器获取的负载数据进行比较或者相关联，使得特定力可与特定触摸输入相关联。

另外，就多触摸手势而言，多个力的位置和大小可从位置传感器和弯梁传感器的输出来确定，每个负载与触控板或其他输入机构上的不同触摸相关联。例如，当同时使用两个或更多手指触摸触控板时，需要确定多个力的位置和大小。

图8A是另一个实施例中的在拐角处具有四个弯梁的触控板的底部的透视图。注意，弯梁806A-D完全位于触控板平板810的器件封装内。与此相反，弯梁可延伸超过触控板平板的边缘，如图7A所示。

图8B是另一个实施例中的在拐角处的四个弯梁中的一个弯梁的放大视图。注意，凝胶804具有圆形横截面并且覆盖或者近似覆盖弯梁802的自由端806。梁的相对端被附接到基座808，诸如计算设备外壳的侧壁或从计算设备外壳延伸的支撑件或计算设备外壳的一部分。应当理解，包括凝胶、梁和基座的触控板的任何部分的尺寸、形状和配置在不同实施例中可变化。因此，图8A-8B中所示的配置示出两种具体实施，并且并非旨在进行限制。

图9是示出了一个实施例中的用于制造耦接至触摸输入设备的力矩补偿弯梁传感器的步骤的流程图。在操作902处，方法900开始于提供弯梁。在操作906处，方法900继续在靠近梁的第一端的梁的表面上放置第一应变仪和第二应变仪，从而使第一应变仪和第二应变仪沿着轴与梁对准。第一端被附接到基座。在操作910处，方法900还包括将第一应变仪和第二应变仪耦接至触摸输入设备的平板。在操作914处，方法900还包括使第一应变仪和第二应变仪电连接，使得当负载施加到触摸输入设备的平板上时，从第一应变仪和第二应变仪获取差分电压信号。

图10示出了具有包括与梁对准的两个应变仪的力矩补偿弯梁传感器的示例性应变分布。如图7所示，当由四个梁支撑触控板时，沿具有图3E中所示的设计的单个梁的中心轴测量应变分布。零点位置被设置在梁的位于柔性支撑件332上方的左手侧。应变量变曲线的峰值出现在支撑架的边缘处。凝胶从位置21mm定位到位置27mm。弯梁从柔性支撑件332延伸到凝胶的边缘并且长度为17mm。类似于图7C中的力2当负载施加在触控板的中心时，获取应变量变曲线1002。与此相反，类似于图7C中的力3，如果负载直接施加到凝胶上方，则出现应变量变曲线1004。中心负载在梁基座或梁的根部304附近多产生25％的应变。定位在根部附近的标准弯梁应变传感器将不会给出梁所承受的力的准确读数。本公开中所描述的差分传感器或力矩补偿传感器给出与力位置无关的读数。应变仪302提供与左手灰色带1008上方的平均应变成比例的信号。应变仪316提供与右手灰色带1010中的平均应变成比例的信号。因为包括两个应变仪302和316的弯梁传感器去除这两个信号，所以输出仅为两个曲线的斜率的函数。注意，凝胶1004上方的负载曲线具有与触控板1002中心上方的负载曲线相同的斜率，虽然向下偏移了一定量1006。因此，力矩补偿应变传感器提供与所施加的力的位置几乎无关的输出。不均匀度约为1-2％。

图11是根据样本实施例的示例性触控板。触控板1100包括四个拐角C1、C2、C3和C4。触控板1100具有中心1102、沿着X轴通过中心的路径A和沿Y轴距触控板的边缘一定距离处的路径B。触控板1100还具有带圆拐角的大致矩形形状。本领域技术人员将会理解，形状和尺寸可改变。

力矩补偿弯梁传感器可用于相对薄的平台和相对厚的平台两者，该相对薄的平台诸如厚度约0.8毫米至1.0毫米或更小的平台。这里使用的“相对厚”指的是平台具有约等于或大于2.3毫米的厚度。在下面示出了一些实例。

图12A示出了当在触控板上施加210克力时由来自用于0.8mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径A的各个传感器中的每个传感器所测量的力的总和所形成的力输出。如图所示，力矩补偿弯梁传感器表现出小于2％的非均匀度，如曲线1204所示。与此相反，标准弯梁应变传感器表现出曲线1202的力输出以及约13.5％的非均匀度，如曲线1202所示。应当理解，图12中示出的输出取决于各种因数，物理限制等，因此旨在是示例性的。另选的实施例可响应于不同的力而具有不同的力输出，并且因此所示的图示不应当理解为进行限制。

图12B示出了当在触控板上施加210克力时来自用于0.8mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径B的力输出。如图所示，力矩补偿弯梁传感器表现出小于2％的非均匀度，如曲线1208所示。与此相反，标准弯梁应变传感器表现出从约209克到约221克的负载变化，从而产生约13.5％的非均匀度，如曲线1206所示。应当理解，图12中示出的输出取决于各种因素，物理限制等，并且因此旨在是示例性的。另选的实施例可响应于不同的力而具有不同的力输出。

图13A示出了当在触控板上施加210克力时来自用于2.3mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径A的力输出。注意，传感器输出沿路径A从约209克变化到211.5克。负载变化沿路径A的约为2.5克，这暗示出沿路径A的约99％的负载的非均匀度。图13B示出了来自用于2.3mm厚的平台的力矩补偿弯梁传感器的沿图11的路径B的力输出。另外，在触控板上施加210克的负载。所测量的传感器负载沿路径B从210克变化到约213克，从而沿路径B产生约98.6％的负载非均匀度。

图14A示出了作为用于2.3mm厚的平台的负载的函数的力矩补偿弯梁传感器输出的线性度。注意，力矩补偿弯梁传感器在其负载响应中是非常线性的。负载的范围是从0克至700克。图14B示出了力矩补偿弯梁传感器与用于2.3mm厚的平台的线性度的偏差。该图示出了对于最多500克的负载，负载误差小于约0.3克。应当理解，图13A、14B和14中示出的输出取决于各种因素、物理限制等，并且因此旨在是示例性的。另选的实施例可响应于不同的力而具有不同的力输出，并且因此所示的图示不应当理解为进行限制。

图15是示出了一个实施例中的用于利用力矩补偿弯梁传感器来确定触控板的力和力的位置的步骤的流程图。在操作1502处，方法1500开始于在第一应变仪和第二应变仪处感测平板上的电压变化。第一应变仪和第二应变仪被定位在单个梁的耦接至平板的公共侧上。随后，操作1504之后的方法1500用于获取第一应变仪和第二应变仪之间的差分电压。继续操作1506的方法1500用于将差分电压传输给处理器以及操作1508用于将差分电压转换为平板上的力。

图16是一个实施例中的用于处理来自触控板的信号的简化系统图。系统1600包括触控板1612，该触控板包括由至少一个弯梁或多个弯梁支撑的平台。每个弯梁都包括一个力矩补偿弯梁传感器1602。力矩补偿弯梁传感器1602耦接至放大器1606，该放大器耦接至模数(A/D)转换器1608。每个弯梁还包括一个位置传感器1604。位置传感器1604耦接至放大器1616，该放大器耦接至模数(A/D)转换器1618。处理器1610耦接至A/D1608和1618以处理力信号和位置信号，从而确定一个力或多个力的大小和位置。

力矩补偿弯梁传感器可包括测量力的一个或多个应变仪。位置传感器1604可包括电容式测量电极。触控板为触摸输入设备，该触摸输入设备不同于可处于“接通”或“断开”状态的简单二进制机械开关。触摸输入设备可测量大于“高于阈值”或“低于阈值”的可变力或恒定力以及输出。平台可为光学透明的或不透明的。

应当理解，本实施例采用双弯梁应变仪，但是也可用于非标准梁上。即，梁本身不是双弯(或回折)梁。相比于双弯梁，梁306在其根部的角或者梁在自由端的角都不限于是固定的或者是平行的。代替像双弯梁那样弯成S形，当施加力时梁在很大程度上沿单曲线变形。另外，不同于许多回折梁，当前的梁可具有相对均匀的厚度。许多回折梁的横截面在沿其长度的一点处减薄以当梁被加载时引起S形弯曲。在另选的实施例中，梁的厚度可变化。例如，应变仪区域或有效区域中的梁厚度可从不具有应变仪的非有效区域变化。另外，本文讨论的一些实施例一般将所有应变仪被置于每个梁的单侧上，而不是将它们横跨相对侧进行分布，如可利用回折梁和单弯梁两者所实现的那样。在本发明中，应变传感器已被描述为电阻式计量表，其中电阻与梁应变成比例。本领域技术人员应当理解，也可以类似方式采用半导体应变仪、微型机械加工应变仪或光学应变仪来提供与负载位置无关的信号。

而且，来自差分应变仪302和316的信号可合并在惠斯通电桥中；然而，在一些情况下，理想的是将电信号从差分应变仪分别转换成数字形式。随后这些数字信号可被缩放和去除以提供力矩补偿信号。当梁的厚度在应变仪302和应变仪316的位置之间变化时，两个计量表信号的独立缩放可能尤其理想。

一般来讲，本文所公开的实施例所感测到的力可用于提供触觉反馈。触觉反馈可不仅随着所施加的力的量变化，而且随着所施加的力的速度、由位置传感器所感测到的唯一触摸的数量、在容纳本实施例的计算设备上操作的软件、计算设备和/或软件的状态等变化。广义上讲，触控板平板108可通过施加磁力横向移动。可通过电磁致动器施加磁力以针对某一特定时间和特定动能在一个或多个横向方向上推送触控板平板。通过改变对电磁致动器的输入波形可改变触控板平板108的时间和/或能量。为了便于此类运动，触控板平板可由金属或其他磁感材料形成。因此，一个或多个凝胶为一个或多个被动支撑结构而不是主动支撑结构。即，凝胶本身不充当对触觉响应元件诸如触控板平板的传递运动或移位。相反，触觉响应元件通过电磁致动器的动作进行移位。凝胶起到对触觉响应元件提供支撑并且使其返回至中间位置的作用。

应当理解，取决于平板的材料和致动器的极性，触控板平板108可通过电磁致动器的操作推进或拉动。一般来讲，触控板平板108通过致动器生成的磁场在一个方向上从起始(或中间)位置移动到最大行进位置。凝胶110可起到弹簧的作用以当磁场终止时使触控板平板返回至其起始位置。

凝胶110可以不仅起到弹簧的作用以将触控板平板108偏置回到其初始位置，而且还可起到减震器的作用。即，凝胶可起到在其从行进位置到其起始位置的返回过程中抑制触控板运动的作用。这样，当电磁致动器不活动时，触控板平板108不会超过起始位置并且不会振荡。因此，凝胶110基本上抑制触控板平板但是仍允许平板返回至中间位置。凝胶因此可被认为是允许返回至零点(例如，起始)位置的不收缩阻尼弹簧。另外，可根据需要选择凝胶的材料属性以提供特定阻尼水平。即，在一些实施例中，可选择凝胶材料以将运动抑制到较大或较小程度。

应当理解，触控板平板108的运动相对于凝胶110是剪切式的。在触控板平板的运动期间，凝胶110不进入压缩状态。因此，在触控板操作期间，凝胶不太可能断裂或失效。

如先前所提及的，在各种实施例中凝胶可具有任意数量的不同横截面。至少相对于图3B和7A示出并描述了圆形和椭圆形横截面。类似地，在不同实施例中可使用矩形和三角形横截面，如可以是半圈、半圆、圆弧段、菱形和任意其他期望横截面。通过改变凝胶110的几何形状，可以类似方式改变由触控板运动所提供的触觉响应。某些几何形状(包括横截面)可当向其施加相同磁力时允许平板的较大或较小运动。类似地，平板从行进位置返回至起始位置的速度可随着凝胶的几何形状而变化。另外，修改凝胶的几何形状可影响施加在触控板平板上的力的力矩和/或触控板的扭转刚度。作为实例，当与在平行于较长尺寸的方向上的剪切刚度比较时，具有矩形横截面的凝胶可在平行于矩形横截面的较短尺寸的方向上减小剪切刚度。应当理解，除了横截面之外，凝胶的厚度和其他尺寸包括在术语“几何形状”内，就像应用于凝胶110那样。

类似地，凝胶110距触控板平板108中心、平板拐角的距离和/或凝胶沿梁的位置(例如，凝胶的对准)都会影响平板的触觉响应，以及其力矩和/或刚度。例如通过控制凝胶的几何形状，凝胶可被形成以在一个方向上提供比在另一个方向上所提供的刚度更大的刚度。

凝胶的尺寸、硬度计量度和/或面积可进一步影响这些参数。作为另一实例，增大矩形凝胶的宽度、或圆形凝胶110的直径可增大力传感器读数相对于彼此的均匀度。在某些实施例中，凝胶厚度可为从0.1mm到1.0mm，尽管可使用更厚和更薄的凝胶。作为一个特定实例，凝胶110可由具有相对强的内在抑制特性的材料制成或构成以控制触觉输出的谐振响应。具有较高内在抑制特性的凝胶可提供对触觉响应元件的运动的更大抑制，这继而可为用户提供更可靠或准确的感觉。特定材料，诸如具有高材料功耗因子的氨基甲酸酯和热塑性塑料可适合于用作凝胶110。

在其他实施例中，可使用多个较小凝胶补丁来替代单个凝胶110。通过使用多个小块凝胶，当减小凝胶层的剪切刚度时可提供用于粘合触觉响应元件和/或支撑表面的足够面积。作为另一选项，凝胶110的一个或多个表面可被切片、刻划或剪切以减小剪切刚度。无论采用单个凝胶补丁或者是多个凝胶，都可作出凝胶表面的这种变化。通过切片、穿孔、刻划或剪切凝胶表面，可在保持接触表面尺寸的同时减小剪切刚度，从而允许在凝胶与相邻表面之间形成粘结。

在某些实施例中，凝胶110可提供其他功能。例如，凝胶可控制或影响触觉响应元件的声学响应。作为实例，凝胶110可有助于触觉响应元件与支撑结构之间以及实施例的其他部分的软耦接。这种软耦接可减小响应于输入到致动器的尖锐脉冲或使触觉响应元件移位的其他尖锐脉冲而生成的可听噪声。因此，凝胶可使得实施例的操作更安静。

另外，凝胶110可适应触觉响应元件与支撑结构之间的热失配。凝胶110可用作两者之间的绝缘屏蔽物，从而响应于热失配而防止或减小响应元件或支撑结构的褶皱、翘曲、偏移、弯曲、断裂等。实质上，凝胶110可防止由于热失配在任一元件中生成的应力。

一些实施例可采用铰接或枢转凝胶。相对于梁(和触控板平板)枢转的凝胶可消除由于向平板施加力造成的任何力矩。

样本凝胶110可由低硬度计量度硅橡胶或其他有机硅基材料制成。在另选的实施例中，可使用泡沫。在其他实施例中，某些橡胶或其他聚合物可适于用作凝胶。

凝胶110通常将触控板平板连接到梁。凝胶可以化学方式键合到平板和梁中的一者或两者，从而减小或消除对独立粘合剂的需要。在一个实施例中，可利用底漆对钢件(平板和梁中任一者或两者)涂底漆。凝胶可被注塑到涂有底漆的表面上，从而以化学方式键合到该表面上。基于有机硅基粘合剂可被置于凝胶的另外表面上并且附接到触控板层叠结构的其他元件或另外部分。

应当理解，本文所述的凝胶可用于本文所述的实施例中的任一实施例中或者可与本文所述的实施例中是任一实施例一起使用。因此，尽管已使用附图标号110来描述特定凝胶，但是凝胶310,702,706等还旨在由前文描述涵盖。

另外，应当理解，任何触觉响应元件可采用本文所述的凝胶，以便控制其触觉响应。通过将凝胶置于相对于触觉响应元件的移动部分的剪切下，可如本文所述获取某些优点和有益效果。

描述完若干实施例，本领域技术人员将会理解，可在不脱离本发明的实质的情况下使用各种修改形式、另选构造和等同形式。另外，未描述许多熟知的过程和元件，以便避免不必要模糊本发明。因此，以上描述不应视为限制本发明的范围。

本领域技术人员将会理解，目前公开的实施例以举例的方式而非限制的方式提出。因此，包含在以上描述中或者在附图中示出的题材应当被解释为示例性的而并非限制性的。所附权利要求旨在覆盖本文所述的所有一般和特定特征以及对本方法和系统的范围的所有论述，该本文所述的所有一般和特定特征以及对本方法和系统的范围的所有论述作为语言的题材可被认为落在所附权利要求之间。

Claims (20)

1.一种触觉响应装置，包括：

移动部件；

稳定部件；

连接所述移动部件和所述稳定部件的凝胶，所述凝胶被配置为当所述移动部件移动时经受剪切力。

2.根据权利要求1所述的触觉响应装置，其中所述凝胶使所述移动部件与所述稳定部件热绝缘。

3.根据权利要求1所述的触觉响应装置，其中所述凝胶被配置为提供沿第一方向的第一剪切刚度和沿第二方向的第二剪切刚度，所述第一剪切刚度和所述第二剪切刚度彼此不同。

4.根据权利要求1所述的触觉响应装置，还包括耦接至所述稳定部件的致动器，所述致动器被配置为响应于致动信号而使所述移动部件移位。

5.根据权利要求4所述的触觉响应装置，其中当所述致动信号停止时，所述凝胶使所述移动部件返回至中间位置。

6.根据权利要求5所述的触觉响应装置，其中所述凝胶起到抑制所述移动部件的返回运动的作用。

7.根据权利要求6所述的触觉响应装置，其中所述凝胶是不紧缩的。

8.根据权利要求4所述的触觉响应装置，其中所述致动器为电磁致动器。

9.根据权利要求1所述的触觉响应装置，其中所述凝胶包括：

第一表面；以及

与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面为至少部分地不连续的，从而减小所述凝胶沿某个方向的剪切刚度。

10.根据权利要求7所述的触觉响应装置，其中所述至少部分地不连续的表面包括切片、划痕或穿孔中的一者。

11.根据权利要求1所述的触觉响应装置，呈触控板的形式。

12.根据权利要求1所述的触觉响应装置，呈输入设备的按钮的形式。

13.一种输出设备，包括：

平板；

附连到所述平板的至少一个凝胶；

附连到所述至少一个凝胶的至少一个支撑件；

附连到所述至少一个支撑件的至少一个传感器；其中

所述至少一个传感器被配置为从所述平板接收输入，所述输入通过所述凝胶被传输。

14.根据权利要求13所述的输出设备，其中所述凝胶减小所述平板和所述至少一个支撑件之间的热失配。

15.根据权利要求13所述的输出设备，其中所述凝胶被配置为响应于施加在所述平板上的力而弹性变形，并且被进一步配置为在施加在所述平板上的力不存在的情况下返回至默认配置。

16.根据权利要求13所述的输出设备，其中所述平板被配置为响应于所述力而移动。

17.根据权利要求16所述的输出设备，其中在所述平板的所述运动之后，所述凝胶使所述平板返回至初始位置。

18.根据权利要求16所述的输出设备，其中所述凝胶被动地支撑所述平板。

19.根据权利要求13所述的输出设备，其中所述凝胶响应于施加在所述平板上的力相对于所述支撑件而枢转。

20.根据权利要求13所述的输出设备，其中：

所述平板被配置为响应于所述输入而传输触觉输出；以及

所述凝胶至少部分地成形所述触觉输出。