CN108206687A - 集成触觉反馈的触摸金属按钮 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成触觉反馈的触摸金属按钮，它包括：微控制器和稳压器；还包括电感数字转化器、触觉驱动器、压电式触觉驱动器、模拟开关以及集成温度传感器的湿度传感器；所述稳压器输入端连接USB接口，所述稳压器输出端连接所述微控制器和电感数字转换器；所述电感数字转换器连接所述微控制器；所述微控制器分别连接所述触觉驱动器、压电式触觉驱动器以及模拟开关；所述模拟开关与所述触觉驱动器连接；所述集成温度传感器的湿度传感器与所述微控制器连接。本发明通过高分辨率电感式金属触摸方案替换机械按键可定制触觉反馈和波形提供高品质用户体验，可编程的按钮灵敏度（从轻触到用力按压）。
Description
技术领域
本发明涉及触摸按键技术领域，具体涉及一种集成触觉反馈的触摸金属按钮。
背景技术
工业、汽车行业和消费品行业的许多终端设备系统和产品当前需要采用机械按钮能使用户输入。然而，机械按钮往往会增加系统成本，按压一定次数后会出现磨损，而且会提高系统抵御环境影响的密封实现方案的复杂程度。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种集成触觉反馈的触摸金属按钮。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种集成触觉反馈的触摸金属按钮，它包括：外壳以及设置在所述外壳内的微控制器和稳压器；顶部外壳内置四个按钮；还包括电感数字转化器、触觉驱动器、压电式触觉驱动器、模拟开关以及集成温度传感器的湿度传感器；所述稳压器输入端连接USB接口，所述稳压器输出端连接所述微控制器和电感数字转换器；所述电感数字转换器连接所述微控制器；所述微控制器分别连接所述触觉驱动器、压电式触觉驱动器以及模拟开关；所述模拟开关与所述触觉驱动器连接；所述集成温度传感器的湿度传感器与所述微控制器连接。
更进一步的技术方案是所述触觉驱动器是具有内置库和智能环路架构的ERM 和LRA 触觉驱动器。
更进一步的技术方案是所述压电式触觉驱动器是具有升压、数字前端和内部波形存储器的压电式触觉驱动器。
更进一步的技术方案是所述模拟开关是连接有ESD 保护系统的单刀双掷模拟开关。
更进一步的技术方案是所述USB接口内设置有EMI保护电路。
更进一步的技术方案是所述的电感数字转化器连接有传感器线圈。
更进一步的技术方案是所述传感器线圈包括两个圆形传感线圈，用于检测轴向移动按钮；所述传感器线圈还包括两个矩形传感线圈，用于检测横向移动按钮。
更进一步的技术方案是所述顶部外壳由单一单片金属构成。
更进一步的技术方案是所述外壳是铝质机械外壳。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过高分辨率电感式金属触摸方案替换机械按键可定制触觉反馈和波形提供高品质用户体验，可编程的按钮灵敏度（从轻触到用力按压），一块连续金属片经过密封和接地，可防止电磁干扰(EMI)、水、油、灰尘和其他污染物的影响。支持在佩戴手套的情况下、在水下（密封情况下）以及在严酷环境下操作，可用于压力和多步按钮按压序列。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统结构原理框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1所示，根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种集成触觉反馈的触摸金属按钮，集成触觉反馈的触摸金属按钮展现了能够替代机械按钮的触摸金属概念，以及可为用户提供真实反馈的集成触觉功能。该触摸金属按钮由铝质机械外壳组成，顶部外壳内置了四个按钮。该设计的独特之处在于，顶部外壳由单一单片金属构成，此设计是在此金属中实现的。这些按钮在金属表面仅为刻蚀的轮廓或者凸起的图案。利用顶部外壳下方电路板中的电感式金属形变检测技术，可测出金属铝极为细微的形变（微米量级），然后激活触觉反馈，为用户提供与机械按钮相似的触觉反馈。
具体的，本实施例触摸金属按钮它包括：微控制器和稳压器；还包括电感数字转化器、触觉驱动器、压电式触觉驱动器、模拟开关以及集成温度传感器的湿度传感器；所述稳压器输入端连接USB接口，所述稳压器输出端连接所述微控制器和电感数字转换器；所述电感数字转换器连接所述微控制器；所述微控制器分别连接所述触觉驱动器、压电式触觉驱动器以及模拟开关；所述模拟开关与所述触觉驱动器连接；所述集成温度传感器的湿度传感器与所述微控制器连接。
具体的，本实施例中电感数字转换器(LDC) 可测量用作按钮的金属表面的形变，以此检测按钮是否被按下。要检测按钮是否被按下，子系统必须能够检测出金属表面上微米量级的极为细微的形变。此系统必须具备极低的噪声，才能测出按下按钮本身时所测得的变化。另外，系统必须能够区分相邻按钮的按下操作，以避免检测到错误的按钮按压操作。本实施例的机械设计可以确保按钮两两之间紧密相邻；因此，当按下一个按钮时，相邻的按钮并不会检测到按压操作，反之亦然。电感数字转换器在选型时的另一个考虑因素是，是否能够处理不同环境条件下的测量结果变化。本实施例中电感数字转换器实现了固件滤波，以减轻环境变化所带来的影响。此外，如果要求在环境变化时保持较高精度，设计中还可以包括湿度和温度传感器。
进一步的，本实施例中电感数字转换器上传感器线圈设计对于实现所需的触摸金属按钮检测性能来说至关重要。具体的，本实施例中“大”和“小”按钮均采用圆形传感线圈来检测轴向移动。“向上”和“向下”按钮采用矩形传感线圈，用于检测横向移动。传感线圈设计取决于感测距离、精度和目标尺寸等机械要求。因此，传感线圈设计取决于终端设备上传感线圈与金属片间距、按钮灵敏度和按钮尺寸等要求。
本实施例中所述触觉驱动器的选型取决于系统所需的触觉致动器，优选的，本实施例集成触觉反馈的触摸金属按钮采用了三种触觉致动器：LRA、ERM 和压电式致动器。
LRA 是一个谐振系统，当以谐振频率或接近谐振频率运行时会产生振动。LRA 往往是硬币形状，但也可采用其它外形。由于技术创新，LRA 致动器的尺寸得以进一步缩减，高度可不超过2.5mm，直径可不超过8mm。此微型化趋势使LRA 致动器成为可穿戴设备的最佳选择之一。因为此器件通常以谐振频率运行，功耗往往低于其它致动器。
ERM 是一种存在偏心质量的直流电机，通过旋转产生振动。当ERM 旋转时，偏心质量会产生向心力；这种向心力会使电机产生位移。人们将这种位移视为振动。ERM 由于旋转力而产生振动，所以会在两个轴（X、Y 或Z 轴）上存在加速度。这种加速度在某些应用中会在无意的轴形成损耗。因为该致动器是一种直流电机，所以与其它类型的致动器相比，需要更多电能来保持旋转。
压电材料是一种在施加电压后会发生形变（移动）的材料。压电触觉致动器能够精确驱动高清触觉，与ERM 和LRA 相比，启动时间更短、驱动电压带宽更宽、可闻噪声更低且振动更强。压电致动器有两种类型：单层压电致动器和多层压电致动器。由于压电致动器是容性负载，所以单层压电致动器在移动同样距离时需要更高的电压。多层压电致动器所需的电压较低，但需要较高的电流。向压电致动器施加电压时压电致动器会发生弯曲，如果施加脉宽调制(PWM) 或正弦波电压时，会在一个方向上产生振动。总的来说，压电致动器具备更大的加速度、更快的响应时间以及更低的功耗。
具体的，本实施例集成触觉反馈的触摸金属按钮的机械设计由铝质外壳、印刷电路板(PCB) 和橡胶垫圈所组成。铝质外壳的外形尺寸约为12.5 cm×5.5 cm×1.5 cm。铝质外壳由顶部和底部两部分组成。顶部包含四个按钮：铝质外壳上刻蚀出轮廓的大按钮；在顶部中央凸起“向上”、“向下”按钮；以及铝质外壳上呈小型凸起的“小”按钮。底部外壳仅是一块铝板，通过六枚穿过橡胶垫圈的机械螺钉与顶部固定。橡胶垫圈用于在外壳的顶部和底部之间实现机械隔离。底部外壳会安装在固定表面，比如桌面或墙壁。在触觉致动器工作时，橡胶垫圈有助于顶部外壳自由移动。当最终用户按下顶部外壳上的其中一个按钮时，顶部外壳的这种移动方式能够很好地将触摸能量传递到用户手指。
为进一步降低环境变化对金属触摸测量的影响，本实施例在按钮的PCB上使用了HDC1000 器件。HDC1000 器件能以高达14 位的分辨率测量湿度和温度，而且功耗极低。HDC1000 器件的工作温度范围为–20°C 至85°C，可在–40°C 至125°C 温度范围内进行检测；然而由于系统内其它各种组件的温度范围较窄，所以规定整个系统的工作温度范围是–20°C 至70°C。本实施例按钮可以同时监控温度和湿度，所以既可在室内工作，也能在室外工作。
进一步的，为充分展示本实施例集成触觉反馈的触摸金属按钮的性能，本实施例中选用低压降(LDO)稳压器将输入电压稳定至3.3V。该设计的硬件由标准USB 端口供电，标称电压为5V。此外，如果终端设备上存在子系统，则这些子系统可通过合适的电源轨进行供电。电感数字转换器、湿度和温度传感器以及微控制器均需要通过3.3V 电压轨供电才能工作。然而，触觉驱动器和致动器均直接由VBUS 供电，即在系统输入端提供的5V 电压轨。若要将本设计所展示的技术集成到终端设备，需要采用其它电源管理配置。根据已有的输入电压轨，可以更改选择用于电源管理的器件。
进一步的，本实施例触觉反馈的触摸金属按钮经过专门设计，能够有效抵抗电磁干扰(EMI)，尤其是USB 电源线上的电磁干扰。由于不同的终端设备系统采用不同的电源架构（由此需要采取不同的防护措施来抵抗EMI）。主EMI 保护电路以及联合测试行动组(Joint Test Action Group, JTAG) 编程连接器均位于USB 接口内。主电源输入网上具备分立器件保护网络。该器件网络包括高压(2kV) 接地分流电容、瞬态电压抑制(TVS) 器件、共模扼流器、快速旁路电容，以及在正电压轨和返回电压轨上的铁氧体磁珠。该网络可保护系统免受主电源输入端的瞬态电压和瞬态电流的影响，另外还能降低差模和共模RF 瞬变。本实施例选用TPD1E10B06 单通道ESD 保护器件来保护JTAG 编程接口。选用TPD2E2U06 双通道高速ESD 保护器件来保护USB 总线的数据引脚。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (9)
1.一种集成触觉反馈的触摸金属按钮，它包括：外壳以及设置在所述外壳内的微控制器和稳压器；顶部外壳内置四个按钮；其特征在于：还包括电感数字转化器、触觉驱动器、压电式触觉驱动器、模拟开关以及集成温度传感器的湿度传感器；所述稳压器输入端连接USB接口，所述稳压器输出端连接所述微控制器和电感数字转换器；所述电感数字转换器连接所述微控制器；所述微控制器分别连接所述触觉驱动器、压电式触觉驱动器以及模拟开关；所述模拟开关与所述触觉驱动器连接；所述集成温度传感器的湿度传感器与所述微控制器连接。
2.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的触觉驱动器是具有内置库和智能环路架构的ERM 和LRA 触觉驱动器。
3.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的压电式触觉驱动器是具有升压、数字前端和内部波形存储器的压电式触觉驱动器。
4.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的模拟开关是连接有ESD 保护系统的单刀双掷模拟开关。
5.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的USB接口内设置有EMI保护电路。
6.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的电感数字转化器连接有传感器线圈。
7.根据权利要求6所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的传感器线圈包括两个圆形传感线圈，用于检测轴向移动按钮；所述传感器线圈还包括两个矩形传感线圈，用于检测横向移动按钮。
8.根据权利要求1所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的顶部外壳由单一单片金属构成。
9.根据权利要求1或8所述的集成触觉反馈的触摸金属按钮，其特征在于所述的外壳是铝质机械外壳。
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