CN108628440A - 用于为触摸输入设备提供传感器和致动功能的系统 - Google Patents

用于为触摸输入设备提供传感器和致动功能的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于为触摸输入设备提供传感器和致动功能的系统。给出了包括触摸输入设备以及致动和感测系统的触摸输入系统。致动和感测系统具有与触摸输入设备的第一表面相邻的传递结构，传递结构具有第一部分和从第一部分的边缘延伸的梁。致动和感测系统还具有布置在梁上的换能器贴片。传递结构被配置为在触摸输入设备和换能器贴片之间传递力，使得由于外力造成的触摸输入设备的移动引起梁和换能器贴片的变形，并且使得由换能器贴片输出的致动引起触摸输入设备的移动。换能器贴片具有换能器材料层，其被配置为充当传感器，并且被配置为充当致动器。

Description

用于为触摸输入设备提供传感器和致动功能的系统
发明人：Vahid Khoshkava
Juan Manuel Cruz-Hernandez
Neil T.Olien
技术领域
本发明涉及一种为触摸输入设备提供传感器和致动功能的系统。
背景技术
电子设备制造商努力为用户提供丰富的界面。许多设备使用视觉和听觉提示向用户提供反馈。在一些界面设备中，还向用户提供动觉效果(诸如主动和阻力反馈)和/或触感效果(诸如振动、纹理和热)。动觉效果和触感效果可以更一般地称为“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈可以提供增强和简化用户界面的提示。例如，振动效果或振动触感触觉效果在向电子设备的用户提供提醒用户特定事件的提示，或提供在实际的、模拟的或虚拟的环境中创建更强烈的感官沉浸的逼真反馈时可能是有用的。这些效果可以在实际的、模拟的或虚拟的环境中具有在用户界面、游戏、汽车、消费电子和其它用户界面中的应用。
发明内容
以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中给出的任何表达或暗示的理论的束缚。
本文的实施例的一个方面涉及包括触摸输入设备以及致动和感测系统的触摸输入系统。触摸输入设备用于接收触摸输入。致动和感测系统具有与触摸输入设备的第一表面相邻布置的传递结构，该传递结构具有第一部分和从第一部分的边缘延伸的梁。致动和感测系统还具有布置在梁上的换能器贴片(patch)。传递结构被配置为在触摸输入设备和换能器贴片之间传递力，使得由于触摸输入施加的外力造成的触摸输入设备的移动引起梁和布置在梁上的换能器贴片的变形，并且使得由换能器贴片输出的致动引起触摸输入设备的移动。换能器贴片具有换能器材料层，其被配置为通过在换能器贴片和梁由于外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过在第二电信号被施加到换能器材料时输出致动梁的移动而充当致动器。
在实施例中，梁是被配置为梁弹簧的弹性梁，其中梁响应于由触摸输入施加的力的变形包括梁的弯曲，并且其中梁的弯曲导致换能器贴片的弯曲。
在实施例中，传递结构是传递层，其中当在触摸输入设备处未接收到触摸输入时，触摸输入设备和传递层都是平坦的并且彼此平行。
在实施例中，传递层布置在触摸输入设备的后表面处，其中后表面是与触摸输入设备的输入表面相对的表面。
在实施例中，传递层的第一部分是其中心部分，并且梁是从中心部分的第一边缘延伸的第一梁。在这个实施例中，传递层还包括从中心部分的相对的第二边缘延伸的第二梁。换能器贴片是第一换能器贴片，并且致动和感测系统具有布置在第二梁上的第二换能器贴片，第二换能器贴片也具有换能器材料层。在这个实施例中，由于外力造成的触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁中的至少一个的弯曲移动，这分别引起第一换能器贴片和第二换能器贴片中的至少一个的弯曲移动。
在实施例中，触摸输入系统还包括布置在触摸输入设备的后表面与第一梁和第二梁两者之间的间隔层。触摸输入系统还包括刚性安装支撑件，该刚性安装支撑件直接附连到中心部分以将该中心部分配置为传递层的相对于该刚性安装支撑件的基本固定部分，其中刚性安装支撑件被配置为将触摸输入系统安装到安装表面。
在实施例中，触摸输入设备是弯曲的，并且其中传递结构是第一传递结构，并且梁是在触摸输入设备的第一边缘处支撑触摸输入设备的第一梁。在这个实施例中，致动和感测系统还包括第二传递结构，第二传递结构具有在触摸输入设备的相对的第二边缘处支撑触摸输入设备的第二梁并且具有布置在第二梁上的第二换能器贴片，其中由于外力造成的触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁中的至少一个的弯曲。
在实施例中，触摸输入系统还包括刚性安装支撑件，其中第一传递结构从刚性安装支撑件延伸到触摸输入设备的第一边缘，并且第二传递结构从刚性安装支撑件延伸到触摸输入设备的第二边缘。在这个实施例中，第一传递结构的第一部分是连接到刚性安装支撑件的第一基座部分，并且第二传递结构具有连接到刚性安装支撑件的第二基座部分，第二梁从第二基座部分的边缘延伸。
在实施例中，第一传递结构的第一基座部分和第二传递结构的第二基座部分中的每一个与刚性安装支撑件形成斜角。
在实施例中，第一梁是在触摸输入设备的第一边缘处支撑触摸输入设备的第一传递结构的第一组梁中的一个，并且换能器贴片是布置在相应的第一组梁处的第一组换能器贴片中的一个。在这个实施例中，第二梁是在触摸输入设备的第二边缘处支撑触摸输入设备的第二传递结构的第二组梁中的一个，并且第二换能器贴片是布置在相应的第二组梁处的第二组换能器贴片中的一个。
在实施例中，触摸输入设备具有弯曲的显示层和弯曲的透明盖，其中透明盖的外表面是触摸输入设备的输入表面。
在实施例中，换能器材料包括布置在两个电极之间的粗纤维复合(MFC)材料，该MFC材料具有嵌入在聚合物基质中的多个压电陶瓷纤维，或者包括布置在两个电极之间的电活性聚合物(EAP)材料或弹性体材料。
在实施例中，触摸输入设备包括布置在触摸输入设备的输入表面处的内部电容传感器。
本文实施例的一个方面涉及一种触摸输入系统，其包括触摸输入设备以及致动和感测系统。触摸输入设备具有被配置为接收触摸输入的输入表面和作为与输入表面相对的表面的后表面。致动和感测系统具有布置在触摸输入设备的后表面上的传递层。传递层具有作为传递层的中心部分的第一部分，并具有第一梁和第二梁，其中第一梁从中心部分的第一边缘延伸，并且第二梁从中心部分的相对的第二边缘延伸。致动和感测系统还具有间隔层、第一换能器贴片和第二换能器贴片。间隔层布置在触摸输入设备的后表面与第一梁和第二梁中的每个梁之间。第一换能器贴片布置在第一梁上。第二换能器贴片布置在第二梁上。传递层被配置为在触摸输入设备与第一换能器贴片和第二换能器贴片两者之间传递力，使得由于外力造成的触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁的变形以及第一换能器贴片和第二换能器贴片的变形，并且使得由第一换能器贴片或第二换能器贴片输出的致动引起触摸输入设备的移动。第一换能器贴片和第二换能器贴片中的每个换能器贴片具有换能器材料层，其被配置为通过在相应的换能器贴片和相应的梁由于外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过在第二电信号被施加到换能器材料时输出致动相应的梁的移动而充当致动器。
在实施例中，触摸输入设备是刚性显示设备，并且其中当由于外力造成的显示设备的移动基本上垂直于其输入表面时。在这个实施例中，第一梁和第二梁中的每个梁的变形包括弯曲移动，该弯曲移动分别引起第一换能器贴片和第二换能器贴片的弯曲移动。
在实施例中，触摸输入系统还包括刚性安装支撑件，该刚性安装支撑件直接附连到中心部分以将中心部分配置为传递层的相对于该刚性安装支撑件的基本固定部分，并且其中触摸输入设备被悬置在传递层的第一梁和第二梁上。
在实施例中，触摸输入系统还包括控制单元，该控制单元与第一换能器贴片和第二换能器贴片进行信号通信，并且被配置为在第一时段期间从第一换能器贴片和第二换能器贴片中的一个或多个换能器贴片接收第一电信号。控制单元还被配置为基于接收到第一电信号来检测由于外力造成的触摸输入设备的移动。控制单元还被配置为基于检测到由于外力造成的触摸输入设备的移动来确定已经接收到触摸输入，并且响应于确定已经接收到触摸输入而确定要生成触觉效果。此外，控制单元被配置为在第二时段期间经由信号发生器向第一换能器贴片和第二换能器贴片中的一个或多个换能器贴片提供振荡驱动信号作为第二电信号以引起在触摸输入设备处生成触觉效果。
在实施例中，控制单元被配置为基于第一电信号来确定与触摸输入相关联的压力水平或与触摸输入相关联的手势。
在实施例中，当第一电信号包括一个或多个脉冲时，控制单元被配置为确定触摸输入是轻击输入。
在实施例中，传递层包括至少四个梁，其中包括第一梁和第二梁，并且其中该至少四个梁围绕传递层的中心部分对称地布置，并且其中该至少四个梁都是矩形形状，并且具有相同的长度、宽度和厚度，并且其中间隔层具有在50μm至200μm范围内的厚度。
本申请要求于2017年3月23日提交的美国临时申请62/475,826的优先权，其全部内容被整体结合于此。
附图说明
根据对如附图中图示的本发明实施例的以下描述，本发明的前述和其它特征和优点将变得显而易见。并入本文并构成说明书一部分的附图还用作解释本发明的原理并使得相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图没有按比例绘制。
图1A和图1B示出根据本发明实施例的触摸输入系统的透视图。
图1C示出根据本发明实施例的触摸输入系统的触摸输入设备的透视图。
图2A示出根据本发明实施例的具有触摸输入设备以及致动和感测系统的触摸输入系统的分解图。
图2B示出根据本发明实施例的具有触摸输入设备以及致动和感测系统的触摸输入系统的透视图。
图3-图5示出根据本发明实施例的由致动和感测系统支撑的触摸输入设备的截面图。
图6示出根据本发明实施例的触摸输入系统的各种部件的框图。
图7-图11示出根据本发明实施例的相应致动和感测系统的各种传递层的平面图。
图12-图15示出根据本发明实施例的触摸输入系统的视图。
图16-图18示出根据本发明实施例的触摸输入系统的视图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中给出的任何表达或暗示的理论的束缚。
本发明实施例涉及一种触摸输入系统，其包括用于向触摸输入设备(诸如具有用于接收触摸输入的输入表面的设备(例如，具有输入表面的液晶显示(LCD)设备))提供触觉致动功能和感测功能二者的致动和感测系统。在实施例中，触摸输入设备以及致动和感测系统可以是车载用户界面系统的一部分，诸如汽车或其它车辆的中心控制台系统或仪表板系统。在一些情况下，触摸输入设备可以包括例如被配置为确定触摸输入的位置、由触摸输入做出的手势或触摸输入的其它特征的电阻式、电容式或其它类型的触摸屏。在实施例中，致动和感测系统可以被配置为感测正被施加到触摸输入设备的点击或其它触摸输入，并且在触摸输入设备处生成振动触感效果或其它触觉效果。
在实施例中，致动和感测系统可以包括传递结构，该传递结构既将由触摸输入施加的外力从触摸输入设备传递到换能器，又将由换能器输出的致动传递到触摸输入设备。例如，传递结构可以具有可以被称为传递层或传递片的层的形式。当触摸输入设备接收到诸如来自用户的外力时，触摸输入设备可以进而在传递层的一部分上施加力，该传递层的一部分作为响应可以弯曲或以其它方式变形。在一些情况下，传递层的该部分可以形成能够经受弯曲或其它变形的梁。变形可以是弹性变形。上面提到的换能器可以具有换能器贴片的形式，并且还可以经由粘合剂或其它附连的方式附连(也被称为连接)到梁。当传递层的梁弯曲时，它可以迫使传感器贴片也弯曲，这可以拉伸换能器贴片，从而导致换能器贴片中的应变。因此，传递层可以将来自触摸输入设备的外力传递到换能器，并引起换能器中的应变或其它变形。应变可以引起换能器贴片生成电信号，该电信号可以是用于检测来自用户的外力的传感器信号。此外，驱动信号可以被施加到换能器贴片以引起换能器贴片变形、振动或以其它方式输出致动。当换能器输出诸如振动的致动时，传递层可以将来自致动的振动或其它移动传递到触摸输入设备。
在实施例中，传递结构可以支撑触摸输入设备的重量。例如，传递结构可以形成一个或多个梁，这一个或多个梁提供支撑触摸输入设备于其上的弹簧悬架。在这种情况下，传递结构可以被称为支撑结构，并且该一个或多个梁可以被称为一个或多个支撑梁。如果在这种情况下传递结构具有传递层的形式，那么传递层也可以被称为支撑层或支撑片。
在实施例中，触摸输入设备可以具有作为触摸输入设备的前表面的输入表面，其中前表面是面向用户的表面。用户可以通过经由手指或触控笔按压输入表面来施加触摸输入。来自触摸输入的外力可以在相对于输入表面的多个方向上。例如，它可以垂直于触摸输入设备的输入表面、平行于输入表面(例如，通过摩擦输入表面，使得外力沿着输入表面施加)、或者可以是其组合(例如，相对于输入表面倾斜)。
在实施例中，触摸输入设备可以具有平坦的输入表面。在实施例中，触摸输入设备可以具有弯曲的输入表面，或在宏观尺度上以其它方式的非平坦的输入表面。弯曲的输入表面可以具有例如符合车辆仪表板的曲度的曲度。当输入表面是弯曲的时，输入表面与外力之间的角度可以指在外力的方向和与其上施加外力处的位置处的输入表面相切的平面之间形成的角度。例如，该位置可以是在输入表面和触摸输入之间存在直接接触处的位置。
在实施例中，触摸输入设备和致动和感测系统的传递结构两者都可以是平坦的并且彼此平行。在实施例中，致动和感测系统可以包括布置在触摸输入设备的后表面上的传递结构，诸如传递层。当具有与触摸输入设备的前表面垂直(或者更一般地，基本上垂直)的分量的外力被施加到其上时(例如，在向下的方向上)，外力的这个分量可以从触摸输入设备传递到后表面上的致动和感测系统的传递结构，这可以便于外力的检测。在实施例中，传递结构可以形成支撑触摸输入设备的重量的悬架结构或其它支撑结构。支撑结构在一些情况下可以是能够在触摸输入设备上展现弹簧力的弹簧支撑结构或弹簧悬架结构。在这样的实施例中，致动和感测系统可以被称为支撑系统，或者更具体而言，被称为弹簧支撑系统。如上所述，支撑结构可以包括能够弹性变形的梁。梁可以充当形成弹簧悬架的梁弹簧。梁可以从例如支撑结构的中心部分延伸，其中该中心部分被配置为直接附连到刚性安装支撑件。中心部分可以比梁更刚性，并且因此充当支撑结构的、当外力施加到支撑结构时不变形的基本上刚硬部分，或者相对于刚性安装支撑件充当基本上固定的部分。
在实施例中，致动和感测系统可以包括在触摸输入设备的边缘处支撑触摸输入设备的传递结构。例如，传递结构可以是具有充当用于支撑触摸输入设备的支腿的支撑梁的支撑结构，其中触摸输入设备可以是平坦的触摸输入设备或者可以是弯曲的触摸输入设备。当触摸输入设备接收到外力时，外力可以被传递到梁，梁可以充当经受诸如弯曲的弹性变形的梁弹簧。如上所述，传递结构可以是支撑结构，其可以更具体地具有支撑层或支撑片的形式，其中支撑梁(也被称为传递梁)从支撑层的第一部分的边缘延伸。在实施例中，该第一部分可以是支撑层的中心部分。在实施例中，第一部分不是支撑层的中心部分。例如，第一部分可以例如充当直接附连到安装支撑件的基座部分，安装支撑件又可以直接附连到安装表面。基座部分可以是当外力传递到支撑层时不变形的基本上刚硬的部分。
在实施例中，致动和感测系统可以包括多个传递结构(也被称为支撑结构)。支撑结构中的每一个可以包括支撑触摸输入设备的重量的一个或多个梁。在一些情况下，该一个或多个梁可以布置在触摸输入设备的边缘处，其中边缘包括与触摸输入设备的侧表面(也被称为边表面)相邻的位置。例如，第一传递结构可以具有直接附连到触摸输入设备的第一侧表面的多个梁，并且第二传递结构可以具有直接附连到触摸输入设备的第二侧表面(例如，相对的侧表面)的多个梁。第一传递结构和第二传递结构可以在安装支撑件上或者直接在安装表面上(如果安装支撑件被省略的话)支撑触摸输入设备。
如以上所讨论的，致动和感测系统可以在一个单元中提供用于例如显示屏幕的触摸输入表面的组合的触觉致动器系统和传感器系统。更具体而言，致动和感测系统可以被安排为通过相同的部件或相同的一组部件而不是通过分离和独立的系统来提供传感器功能和触觉致动功能。传感器功能可以感测诸如从触摸输入施加到触摸表面(例如，触摸输入设备的前表面)的外力。触觉致动功能可以在触摸输入设备的触摸表面上输出例如振动触感触觉效果。
本文的实施例的致动和感测系统可以使用换能器，换能器可以包括也可以用作传感器的致动器。在实施例中，换能器可以包括例如具有压电陶瓷材料的压电致动器。压电陶瓷材料可以能够既将机械能转换成电能，又将电能转换成机械能。例如，致动器可以包括粗纤维复合(MFC)材料，其包括嵌入在粘合剂或其它聚合物基质中的多个压电陶瓷纤维。在实施例中，换能器可以附加地或可替代地包括另一种材料，诸如一层电活性聚合物(EAP)材料。
在实施例中，致动和感测系统可以利用包括一个或多个板簧(leaf spring)(也被称为一个或多个梁弹簧，或者更一般地在本公开中称为一个或多个梁)的机械构造。板簧可以形成支撑触摸输入设备的重量及其触摸输入表面(诸如显示屏幕的表面)的悬架，但是在实施例中，触摸输入设备的重量由另一个部件支撑，并且一个或多个板簧不必支撑触摸输入设备的重量。在实施例中，板簧可以与触摸输入设备平行。在实施例中，板簧可以与触摸输入设备形成斜角或直角。在一些情况下，板簧可以布置成与触摸输入设备的侧表面相邻。在实施例中，以上提到的换能器的MFC材料可以结合到一个或多个板簧以提供触觉反馈(也被称为触觉效果)，诸如在z方向上(例如，基本上垂直于机械地牢固的主体或安装支撑件的方向)或者在x方向或y方向上、或者在一些其它方向上的振动反馈。振动可以从传递结构的一个或多个板簧传递到触摸输入设备，以便在设备的触摸表面处输出振动触感触觉效果。如以上所提到的，换能器可以用于提供感测功能。例如，如果用户在触摸表面上施加外力或压力，那么该外力可以通过传递结构的一个或多个板簧传递到换能器的MFC材料。外力可以使MFC材料变形，从而在材料中产生应变。MFC材料可以将引起变形的机械能转换为电信号，该电信号可以作为传感器信号被进一步处理。在一个示例中，传感器信号可以是由MFC材料生成的第一电信号，而第二电信号可以施加到MFC材料以使其输出由一个或多个板簧传递到触摸表面以在那里输出触觉效果的振动或其它致动。因此，致动和感测系统能够提供触觉反馈和传感器功能二者。在实施例中，致动和感测系统的感测功能不仅可以能够检测触摸输入的存在，而且还可以能够检测触摸输入的特性，诸如来自触摸输入的力或压力的量、来自触摸输入的外力的方向、输入表面上触摸输入直接触摸的位置、或者一些其它特性。
在实施例中，以上讨论的致动和感测系统可以是触摸输入系统100的一部分，如图1A所示。在实施例中，触摸输入系统100可以是用于为各种功能(诸如查看和/或控制车辆状态、车内温度、导航、无线电、呼叫和文本或其它功能)提供用户交互的车载用户界面系统(诸如中心控制台系统和/或车辆仪表板系统)的一部分。在实施例中，如图1B所示，触摸输入系统100可以包括触摸输入设备111。在实施例中，触摸输入设备可以提供顺应的输入表面。在一些情况下，顺应的输入表面可以被弯曲以顺应仪表板的曲率。
如图1C所示，触摸输入设备111可以具有用于接收触摸输入的输入表面(例如，前表面111a)和作为输入表面的相对表面的后表面111b(与前表面111a相对的表面)。触摸输入设备111也可以具有侧表面(也被称为边表面)111c至111f，在实施例中，其可以是基本上垂直于前表面111a的表面。更一般而言，侧表面111c至111f可以是不是输入表面(例如，前表面111a)的表面并且不是作为输入表面的相对表面的表面(例如，不是后表面)。在实施例中，侧表面111c至111f可以形成触摸输入设备的前表面或后表面的各个边缘(例如，上边缘、下边缘、左边缘和右边缘)。前表面或后表面的这些边缘也可以被称为触摸输入设备的边缘。
如以上所讨论的，在本公开的一些实施例中，致动和感测系统110可以充当用于支撑触摸输入设备111的支撑系统。例如，如图1B所示，致动和感测系统110可以充当支持触摸输入设备111的重量的悬架系统。在实施例中，触摸输入设备111可以包括显示屏幕，其中屏幕的前表面111a是输入表面。显示屏幕可以具有将显示屏幕配置为触摸屏的内部触摸传感器(诸如布置在显示屏幕的前表面111a附近的电阻式或电容式触摸传感器)，或者可以不具有这些内部传感器。在实施例中，触摸输入设备111可以不具有显示屏幕或其它显示功能，并且可以用作触摸板。
在图1B所示的实施例中，触摸输入系统100可以包括将将触摸输入设备111以及致动和感测系统110附连到主体130(诸如车辆的仪表板或中心控制台的主体)的安装表面130a的安装支撑件120。例如，安装支撑件120可以是一端附连到致动和感测系统110并且另一端附连到安装表面130a的刚性块。在实施例中，安装支撑件120和主体130可以一起形成机械地牢固的背板。
如以上所讨论的，触摸输入设备111可以被配置为接收触摸输入，诸如输入表面(诸如触摸输入设备111的前表面111a)上的用户按压。按压可以是用于例如点击触摸输入设备111上显示的按钮的输入或者一些其它用户输入的一部分。当用户按压或以其它方式在触摸输入设备111的触摸表面上施加外力时，致动和感测系统110可以被配置为发生变形。更具体而言，致动和感测系统110可以具有被配置为发生变形的传递结构。传递结构可以将外力传递到换能器以引起换能器变形，其中该变形引起换能器生成电信号。该电信号可以被认为是可用于检测触摸输入的传感器信号。换能器还可以充当将电信号转换成致动的致动器。
在实施例中，当用户向触摸输入设备111施加外力时，致动和感测系统110可以变形用户可感知的量。在这种情景下，变形可以用于模拟例如由于点击输入而被按下的机械按钮。在这种情景下，外力可以在基本上垂直于前表面111a的方向上。例如，触摸输入设备111可以是刚性的，并且因此可能不能够自己完全再现按钮被按下的感觉。但是，致动和感测系统110可以能够经历用户可检测到的足够量的变形，并且因此可以能够辅助再现按钮被按下的感觉。因此，即使触摸输入设备111已经具有例如也可以检测触摸输入的内部电容式触摸传感器，致动和感测系统110也可以在接收到触摸输入期间对触摸输入设备111进行补充。
在实施例中，如以上所讨论的，致动和感测系统可以组合致动器功能和传感器功能。致动器功能可以使用例如压电陶瓷致动器，诸如粗纤维复合(MFC)致动器、电活性聚合物(EAP)致动器、任何其它可致动材料层、或其任何组合。与其它类型的致动器或可致动材料相比，MFC致动器可以提供具有增加的灵活性的优点。MFC致动器或EAP致动器还可以是能够为致动和感测系统110提供感测功能的换能器。
图2A和图2B示出包括传递结构113和多个换能器贴片114a至114d的致动和感测系统110。换能器贴片114a至114d每个可以具有换能器材料层，其被配置为通过在相应换能器贴片由于外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过输出致动传递结构113的移动而充当致动器。传递结构113可以被配置为将由触摸输入设备111接收到的外力传递到换能器贴片114a至114d中的至少一个，并且将由换能器贴片114a至114d中的任一个输出的致动传递到触摸输入设备。在实施例中，换能器贴片114a至114d中的每一个可以具有连接到该换能器贴片的相对侧的相应的一对电极。该对电极可以与换能器贴片在同一平面内。在图2A和图2B中，传递结构113具有层的形式，并且因此也可以被称为传递层113。传递层113可以形成充当梁弹簧的多个梁113a至113d。这些梁弹簧也可以被称为板簧。因此，在图2A和图2B中，梁弹簧113a至113d也可以被称为板簧113a至113d。换能器贴片114a至114d可以分别结合到、安装在或者以其它方式布置在板簧113a至113d上。如上所述，换能器贴片114a至114d可以用于输出生成触觉效果的致动。因此，在图2A至图2B中，换能器贴片114a至114d也可以被称为致动器贴片114a至114d。
虽然图2A和图2B中的传递层113示出四个板簧113a-113d，但是，取决于需要或期望多强的触觉效果，其它实施例可以具有更少的板簧(例如，两个板簧)或更多的板簧(例如，六个或更多的板簧)。在这个实施例中，由于触摸输入施加的外力造成的触摸输入设备的移动可以引起板簧113a-113d中的一个或多个的变形。板簧113a至113d中的每一个可以充当支撑触摸输入设备111的一部分重量并且当来自触摸输入的外力施加到触摸输入设备111时发生变形(例如，弯曲)的臂部分。在实施例中，传递层113可以形成为金属片，并且板簧113a至113d可以通过金属冲压工艺、通过任何其它加工技术(例如，车床加工、铣削、机械或激光切割)、通过任何其它技术或其任何组合来形成。在实施例中，传递层113可以包括玻璃片。在实施例中，板簧可以由一种材料(例如，塑料)制成，并且可以结合到更刚性的材料(例如，玻璃或金属)。在实施例中，板簧113a至113d全部是矩形梁，并且具有相同的长度、宽度和厚度。在另一个实施例中，梁113a至113d可以具有不同的相应形状和/或不同的尺寸。
在图2A和图2B中，传递层113可以包括板簧113a至113d从其延伸的第一部分113e。更具体而言，板簧113a至113d可以从第一部分113e的边缘延伸。第一部分113e可以是旨在(例如，经由安装支撑件120)附连到安装表面130a的传递层113的一部分。在实施例中，第一部分113e可以是传递层113的基本上非柔性或以其它方式刚硬的部分，其中第一部分113e在外力施加到传递层113时不变形。例如，板簧113a至113d可以具有允许它们由于对用户输入所期望的一定范围的力或压力而变形的尺寸(例如，长度和/或宽度)，但是传递层113的第一部分113e可以足够刚硬，使得所有或几乎所有的第一部分113e被认为针对这样范围的力或压力是机械地牢固的。换句话说，当来自触摸输入设备的外力施加到触摸输入设备时，板簧113a至113d可以变形，但是第一部分113e的大部分或全部(甚至其不直接在安装支撑件120上方的部分)可以被认为是未变形的。此外，一旦第一部分113e经由安装支撑件120附连到安装表面130a，第一部分113e就可以由于图1B的安装支撑件120而变得机械地牢固，并且然后可以被称为基本上固定的部分113e、静止部分113e或机械牢固部分113e。
在实施例中，传递层113的第一部分113e和板簧113a-113d可以由相同的材料制成并且在相同的步骤中形成(例如，经由金属冲压)，使得它们是相同材料的整体部分。在实施例中，第一部分113e和板簧113a至113d可以分开形成。例如，第一部分113e可以由第一材料(例如，由金属或玻璃)形成，并且板簧113a至113d可以由第二材料(例如，塑料或硅)形成，并且然后附连到第一部分113e。
在实施例中，板簧113a-113d中的每个板簧可以被认为是由弹性梁形成的单板簧(mono-leaf spring)，其也可以被称为梁弹簧。梁弹簧可以能够经历弹性变形，诸如弯曲。在实施例中，如以上所讨论的，板簧113a至113d可以从第一部分113e的(一个或多个)边缘延伸。如以上所讨论的，在一些情况下，板簧113a至113d可以被称为梁113a至113d。在实施例中，传递层113可以具有围绕传递层113的第一部分113e对称布置的偶数个梁(例如，4个、6个或8个)。在实施例中，梁113a至113d中的每一个可以具有矩形形状。
进一步关于致动和感测系统110的致动器功能，板簧113a至113d的设计中的一个因素可以包括设计刚硬度和/或谐振频率。例如，板簧113a至113d可以被设计成具有低刚硬度并且因此是柔软的。柔软的板簧可以使安装在板簧113a至113d上的触摸输入设备111(例如，LCD屏幕或OLED屏幕)在用户的触摸时感觉柔软。柔软的板簧113a至113d还可以具有低谐振频率(即，固有频率)。板簧113a至113d的期望刚硬度应该以满足触摸输入系统100的整体刚硬度并且提供合理的谐振频率范围的方式来选择。例如，板簧113a至113d的刚硬度可以以使得它们的固有频率处于100Hz至250Hz的范围内的方式设计。固有频率或谐振频率可以指板簧113a至113d在该频率处与平面外移动一起振动(例如，沿着图2A和2B中的z轴，或者以其它方式垂直于板簧的平面)的频率。
在实施例中，换能器贴片114a-114d中的每一个可以具有一层换能器材料，诸如压电材料或EAP材料，其被配置为通过在换能器路径变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过在第二电信号被施加到换能器材料时输出致动对应板簧113a-113d的移动而充当致动器。例如，换能器材料可以响应于被施加电能而扩充或收缩。特定换能器贴片的扩充或收缩可以在与换能器贴片的平面平行的方向上(例如，沿着其长度或宽度)，或者可以在与换能器贴片的平面垂直的方向上(例如，沿着其厚度)。例如，换能器贴片114a的换能器材料可以沿着其长度或宽度扩充或收缩。如果换能器贴片114a结合到板簧113a，那么换能器贴片114a的扩充或收缩可以迫使板簧113a弯曲并产生平面外移动(例如，平面外变形)。如果换能器贴片114a诸如由于振荡驱动信号(例如，100Hz信号)在扩充和收缩之间交替，那么换能器贴片的交替扩充和收缩可以引起板簧113a在一个方向上弯曲和在相对的方向上弯曲之间交替。所得到的板簧113a的移动可以产生传播到触摸输入设备111的前表面以在其上产生触觉效果的振动。振荡驱动信号可以同时施加到所有板簧113a-113d，或者仅施加到板簧113a-113d的子集。
在实施例中，感官功能也利用板簧113a至113d，其提供如下结构，即该结构允许来自机械输入的外力作为机械功在换能器贴片114a至114d上传递并且在换能器贴片114a至114d中产生变形。换能器贴片114a-114d可以将机械输入转换为以后用作传感器信息的电输出。在实施例中，控制单元(例如，信号处理和接口电路)可以处理电输出的传感器信息，以获得关于用户与LCD屏幕或其它触摸输入设备的交互的性质的更多信息。例如，信号处理和接口电路可以判断用户是否正在LCD屏幕上轻击、按压LCD屏幕、向LCD屏幕施加不同水平的压力、做出通过或穿过LCD屏幕的前表面的扫动手势、或其任何组合。虽然以上讨论涉及可以将机械输入转换为电输出以提供感测功能的换能器贴片，但是另一个实施例可以使用不具有这种感测功能的、并且仅响应于电或其它形式的能量输入而转换输出移动的致动器。
返回参考图2A和图2B，这些图更一般地示出与触摸输入设备111的表面(例如，触摸输入设备111的后表面111b)相邻布置的致动和感测系统110。在这个实施例中，触摸输入设备110安装在致动和感测系统110上，如图2A和图2B所示。在实施例中，传递层113和触摸输入设备111两者都是平坦的并且基本上彼此平行。更具体而言，当没有触摸输入或其它外力施加到触摸输入设备时，传递层113可以与触摸输入设备的后表面111b基本平行。
如以上所提到的，触摸输入设备111可以具有被配置为接收触摸输入的前表面111a以及后表面111b。前表面111a和后表面111b可以是相对的表面。前表面111a可以是触摸输入表面。如果触摸输入设备111是显示屏幕，那么前表面111a可以是图像通过其被显示的表面，或者更一般地可以是面向用户的表面。
在实施例中，致动和感测系统110包括间隔层112、传递层113和多个换能器贴片114a至114d。在图2A和图2B中，传递层113可以布置在触摸输入设备111的后表面111a上。如上所述，传递层113a-113d可以包括第一部分113e和从第一部分113e的边缘延伸的四个板簧113a-113d。在实施例中，第一板簧113a和第三板簧113b可以从第一部分113e的第一边缘(例如，左边缘)延伸，并且第二板簧113d和第四板簧113c可以从第一部分113e的相对的第二边缘(例如，右边缘)延伸。
在图2A和图2B中，板簧113a-113d也可以被称为梁113a-113d。在实施例中，梁113a-113d中的每个梁可以是能够由于外力从第一位置(例如，原始位置)变形并且在外力去除之后自动返回到第一位置的弹性梁。例如，弹性梁可以是弹簧元件，或者更具体而言是梁弹簧。在实施例中，第一部分113e可以是传递层113的中心部分。在实施例中，传递层113可以具有少于四个的梁(例如，仅单个梁，或仅两个梁)或更多的梁(例如，六个梁)。在实施例中，传递层113可以相对于触摸输入设备的相邻表面(例如，后表面111b)居中。在另一个实施例中，传递层113可以相对于触摸输入设备的相邻表面(例如，111b)偏离中心。
图2A和图2B进一步绘出布置在触摸输入设备111的后表面111b和梁113a至113d(其可以充当板簧)中的每一个之间的间隔层112。在实施例中，间隔层112可以直接布置在触摸输入设备111的后表面111b和梁113a至113d中的每一个之间，并且不直接在后表面111b和传递层113的第一部分(例如，中心部分)113e之间，使得触摸输入设备111可以被按压到与传递层113的第一部分113e接触。在实施例中，间隔层112可以由塑料膜制成，诸如聚酰亚胺膜(例如，)。在实施例中，间隔层112可以形成为以例如环形结构配置的连续条带，如图2A和图2B所绘出的。在另一个实施例中，间隔层112可以包括例如将触摸输入设备111的后表面111b与相应的梁(例如，113a至113d)分离的分离和离散的间隔件。在实施例中，间隔层具有在50μm至200μm范围内的厚度。间隔层112可以是可压缩的或基本上不可压缩的。
此外，在图2A和图2B中，换能器贴片114a-114d包括布置在第一梁113a的后表面上的第一换能器贴片114a、布置在第二梁113d的后表面上的第二换能器贴片114d、布置在第三梁113b的后表面上的第三换能器贴片114b以及布置在第四梁113d的后表面上的第四换能器贴片114c。梁的后表面可以是背离触摸输入设备111的表面。换能器贴片114a至114d中的每一个可以具有换能器材料层，其被配置为通过在换能器贴片及其相应的梁由于外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且还被配置为通过在第二电信号被施加到换能器材料时输出致动相应梁的移动而充当致动器。在实施例中，换能器材料包括布置在两个电极之间的粗纤维复合(MFC)材料。MFC材料可以具有嵌入在聚合物基质中的多个压电陶瓷纤维。在实施例中，换能器材料包括电活性聚合物(EAP)或弹性体材料。
如图3和图4所示，由于外力造成的触摸输入设备111的移动可以引起梁113a至113d以及致动器贴片114a至114d的变形。图3和图4绘出如在图2A中的箭头A的方向上观察的触摸输入系统100的截面图。图3和图4示出由从传递层113的第一部分113e的相对边缘延伸的第一梁113a和第二梁113d(其中的每一个可以充当板簧)支撑的触摸输入设备111。在图3和图4中，第一部分113e可以安装在或以其它方式附连到安装支撑件120，安装支撑件120可以附连到主体130的安装表面130a。这些图还绘出布置在第一梁113a的后表面111b(或者更一般而言，背离触摸输入设备111的表面)上的第一致动器贴片114a，和布置在第二梁113d的后表面上的第二致动器贴片114d。
图3表示其中触摸输入设备111尚未被按压的情景，并且图4表示其中触摸输入设备111正被外力F按压的情况。在图4所示的实施例中，外力F在垂直于或以其它方式基本上垂直于触摸输入设备111的前表面111a的方向上按压触摸输入设备111。在其它实施例中，外力F可以在不同的方向上施加，诸如在与触摸输入设备111的前表面111a倾斜(或甚至平行)的方向上。
在实施例中，触摸输入设备111可以具有刚性外壳，诸如由金属和/或玻璃形成的外壳，使得外力F主要在与力F相同的方向上移动触摸输入设备111，而不是简单地使触摸输入设备111变形。如图3和图4所示，间隔层112可以使触摸输入设备111由传递层113的梁(例如，113a和113d)支撑，或者更一般地将力直接传递至梁。即，由于间隔层112在触摸输入设备111的后表面111b和传递层113的第一部分113e之间形成空间，因此第一部分113e通常不直接支撑触摸输入设备111的重量。相反，由于间隔层112接触梁(例如，113a和113d)，因此触摸输入设备的重量由梁113a-113d支撑。因此，图4中的外力F可以从触摸输入设备111(其可以具有刚性结构)传递到梁113a-113d。此外，在实施例中，安装支撑件120也是充当机械牢固件的刚性结构，从而基本上防止第一部分113e在力F的方向上移动。因此，梁(例如，113a和113d)经历相对于传递层113的第一部分113e的弯曲移动形式的变形。间隔件可以防止外力至少在初始时被传递到传递层的第一部分113e。因此，外力可以使梁113a-113d中的一个或多个相对于第一部分113e变形。
在实施例中，触摸输入设备111的移动量和梁(例如，111a)的弯曲量可以受到间隔层112的厚度的限制。间隔层112的厚度可以例如处于50μm至200μm的范围内。在实施例中，间隔层112的厚度可以基本上等于触摸输入设备111的后表面111b和传递层113的前表面(即，传递层113的面向触摸输入设备111的表面)之间的距离。在外力F已经将触摸输入设备111移动该距离之后，触摸输入设备可以接触通过刚性安装支撑件120机械地牢固的第一部分113e。第一部分113e和安装支撑件120可以因此阻止触摸输入设备111的进一步移动并且防止梁(例如，113a和113d)在外力F的方向上的进一步弯曲。
在实施例中，梁(例如，113a和113d)的变形引起布置在其上的换能器贴片也变形。例如，如果梁113a和113d被外力F弯曲，那么相应的换能器贴片114a和114d也可以被弯曲，如图4所绘出的。相应换能器贴片114a和114d可以各自由于变形而生成电信号。相应的一对电极可以布置在换能器贴片114a-114d中的每一个的相对侧(例如，左侧和右侧)上，以将电信号传导到控制单元。电信号可以被表示为例如两个电极之间的电压差。在实施例中，梁(及其相应的换能器贴片)可以变形相同的量。例如，当外力F施加在触摸输入设备的触摸表面(例如，前表面111a)的中心时，可能发生这种情况。这种力可以平均分布到例如图2A和图2B的四个梁113a至113d。在实施例中，梁(及其相应的换能器贴片)可以变形不同的量。例如，如果外力F没有精确地施加在触摸表面的中心处，而是施加到更接近触摸表面的特定表面或角落，那么可能发生这种情况。这种外力可以跨例如图2A和图2B的四个梁113a至113d不均匀地分布。在实施例中，控制单元可以基于相应梁中的变形量和基于确定外力F如何跨梁分布来确定触摸表面上(例如，从触摸输入)施加外力F的位置。通过确定施加外力F的位置，控制单元还可以能够跟踪触摸输入的移动，以例如检测触摸表面上的扫动手势或任何其它手势。
图5示出具有致动和感测系统110a的触摸输入系统的另一个实施例。类似于在图3和图4中，致动和感测系统110a包括第一梁113a、第二梁113b、间隔层112、第一换能器贴片114a和第二换能器贴片114b。致动和感测系统110a还包括第一压缩弹簧115a和第二压缩弹簧115b，第一压缩弹簧115a和第二压缩弹簧115b可以被设计成调谐整个致动和感测系统110a的谐振频率。第一压缩弹簧115a可以布置在触摸输入设备111的第一边缘(例如，左边缘)和安装表面130a之间。第二压缩弹簧115b可以布置在触摸输入设备的第二相对边缘(例如，右边缘)和安装表面130a之间。
图6示出图2A和图2B中绘出的触摸输入系统的框图。该框图包括触摸输入设备111、换能器贴片114a至114d、控制单元140、信号发生器150和交换机160。控制单元140可以通过交换机160与换能器贴片114a-114d进行信号通信。更具体而言，它可以与和换能器贴片114a-114d接触的电极进行信号通信。在实施例中，交换机160可以被配置为在感测模式和致动模式之间切换触摸输入系统100。在感测模式中，交换机160可以被配置为将来自换能器贴片114a至114d中的一个或多个的电信号路由到控制单元140。在实施例中，交换机160可以将换能器贴片114a至114d与信号发生器150在感测模式期间电断开。虽然在图6中将信号发生器150绘出为与控制单元140分离，但是在一些实施例中信号发生器150可以是控制单元140的一部分。在致动模式中，交换机160可以将信号发生器150电连接到换能器贴片114a-114d中的一个或多个。在实施例中，控制单元140可以用微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、任何其它计算电路或其任何组合来实现。
在实施例中，在感测模式中的控制单元可以被配置为在第一时段期间从一个或多个换能器贴片接收第一电信号(例如，电压信号或电流信号)，并且基于接收到第一电信号来检测由于外力造成的触摸输入设备的移动。控制单元还可以被配置为基于检测到由于外力造成的显示设备的移动来确定已经接收到触摸输入。在实施例中，控制单元可以被配置为：如果控制单元从换能器贴片114a-114d中的一个或多个接收到具有等于或大于定义的阈值的振幅的电信号，那么它确定已经接收到触摸输入。在实施例中，第一时段可以是感测时段。感测时段可以包括例如其中控制单元已经确定输出触觉效果的(一个或多个)时段之外的所有时间段(即，在致动时段之外)。在实施例中，控制单元140可以被配置为基于第一电信号确定触摸输入的一个或多个特性。这一个或多个特性可以包括例如与触摸输入相关联的压力水平、触摸输入的位置、触摸输入是否是轻击输入、和/或与触摸输入相关联的手势(例如，扫动手势)。在实施例中，当第一电信号包括一个或多个脉冲时，控制单元可以被配置为确定触摸输入是轻击输入。在这个实施例中，每个脉冲可以与轻击输入中的不同轻击对应。
在实施例中，响应于确定要生成触觉效果，在致动模式中的控制单元140可以在第二时段(例如，致动时段)期间向一个或多个换能器贴片提供第二电信号。例如，第二电信号可以作为差分信号施加到与特定换能器贴片接触的电极对。在实施例中，控制单元140可以被配置为使信号发生器150输出振荡驱动信号(诸如在梁(例如，113a和/或113d)中的一个或多个的谐振频率处的正弦信号)作为第二电信号。在实施例中，每个梁具有处于100Hz至250Hz范围内的谐振频率。可以向所有的梁(例如，113a至113d)或仅向梁的子集(例如，仅向梁113a)提供相同的振荡驱动信号。
图7-图12示出形成致动和感测系统的一部分的传递层的各种结构或布局的顶视图。图7绘出图2A和图2B所示的传递层的顶视图。该图示出传递层113，其具有安装在或以其它方式附连到安装支撑件120上的第一部分113e，并具有从第一部分113e延伸的四个梁113a至113d。四个梁113a至113d可以围绕第一部分113e对称布置，使得其中两个梁从第一部分113e的第一边缘113f(例如，左边缘)延伸，并且另外两个梁从第一部分113e的相对的第二边缘113g(例如，右边缘)延伸。图7还示出布置在相应梁113a至113d上的四个换能器贴片114a至114d。
图8示出仅具有第一梁213a和第二梁213b的传递层213。两个梁213a、213b从传递层213的第一部分213c的相应相对边缘213f、213g延伸。第一部分213可以安装在或以其它方式附连到安装支撑件220。图8还绘出分别布置在第一梁213a和第二梁213b上的第一换能器贴片214和第二换能器贴片214b。图8中的传递层213可以布置成与触摸输入设备的表面(诸如侧表面或后表面)相邻。
图9示出具有从传递层313的第一部分313e延伸的四个梁313a至313d的传递层313。第一部分313e可以安装在安装支撑件320上。如图9所示，梁313a至313d中的每一个可以从第一部分313e在倾斜于第一部分313e的方向上延伸。当梁313a至313d中的一个例如在向下方向上被按压或者以侧向运动扫动时，梁313a至313d可以经受弯曲力和扭转力二者(即，弯曲分量和扭转分量二者)。在实施例中，梁313a至313d从第一部分313e倾斜延伸的角度可以被设计成相对于当外力被施加到梁313a至313d时梁313a至313d将如何变形来调整梁313a至313d的刚硬度。如在图9中进一步所示，多个换能器贴片314a至314d布置在梁313a至313d中的相应梁上。图9中的传递层313可以布置成与触摸输入设备的表面(诸如侧表面或后表面)相邻。
图10示出传递层413，其具有从传递层413的第一部分413g延伸的六个梁413a至413f。第一部分413g可以安装在安装支撑件420上。在图10中，四个换能器贴片414a至414d布置在六个梁413a至413f的仅子集中的相应梁上。换句话说，在图10的实施例中，没有换能器贴片布置在梁413b上，也没有换能器贴片布置在梁413e上。图10中的传递层413可以布置成与触摸输入设备的表面(诸如侧表面或后表面)相邻。
虽然上述实施例中的一些涉及具有从传递层的相对边缘延伸的至少两个梁的传递层，但是本公开的另一个实施例可以涉及仅具有一个梁513b的传递层513，如图11所示。更具体而言，图11中的传递层513可以具有本身附连到安装支撑件520的第一部分513a。传递层513还可以具有从基本固定部分513a的边缘延伸的单个梁513b。换能器贴片514a可以布置在梁513b上。图11中的传递层513可以布置成与触摸输入设备的表面(诸如侧表面或后表面)相邻。例如，诸如LCD屏幕的触摸输入设备可以安装在传递层513的梁513b上。在另一个示例中，触摸输入设备可以具有布置成与传递层513相邻的侧表面。在实施例中，间隔层可以布置在梁513b和触摸输入设备之间。在实施例中，间隔层不布置在第一部分513a和触摸输入设备之间，以便在其之间留下间隙或距离。当用户按压触摸输入设备时，触摸输入设备可以例如在向下方向或侧向方向上被按压。该移动可以导致触摸输入设备和第一部分513a之间的间隙或距离减小，并且还导致梁513b和换能器贴片514a弯曲。
图12-图15示出包括LCD设备1211以及致动和感测系统1210的触摸输入系统1200的视图。如图12-图14所绘出的，致动和感测系统1210包括间隔层1212、板簧层1213(其也可以被称为梁弹簧层1213，或更一般地称为传递层1213)以及六个板簧1213a至1213f。触摸输入系统1200还包括致动和感测系统1210附连到其的安装支撑结构1220/1230。安装支撑结构1220/1230可以提供机械地牢固结构。在实施例中，安装支撑结构1220/1230可以直接附连到安装表面，诸如车厢中用于安装触摸输入系统1200的表面。
图14提供了板簧层1213的第一表面12131的视图。该表面可以是面对LCD设备1211的表面，并且可以是与间隔层1212接触的表面。在图14中，板簧层1213包括从第一部分1213g的一个边缘延伸的六个梁1213a至1213f。第一部分1213g可以是例如板簧层1213的中心部分。第一部分1213g可以是板簧层1213的机械地牢固部分(也被称为基本固定部分)。如在该图中进一步绘出的，梁1213a至1213f中的每一个可以附连到形成围绕第一部分1213g的完整或部分周边的框架1213h。梁1213a-1213f可以通过间隙1401-1407分离。此外，间隙1411和另一个间隙1413可以将框架1213h与其中一些梁分离。
图15绘出作为与12131相对的表面的第二表面12132。如图所示，多个MFC致动器1214a至1214f可以布置在多个梁1213a至1213f的相应梁上。MFC致动器中的每一个可以是能够将机械能转换成电能(反之亦然)的换能器。
图16-图18示出触摸输入系统1600的实施例，触摸输入系统1600具有触摸输入设备1611和包括第一传递结构1613和第二传递结构1623的致动和感测系统1610。在实施例中，第一传递结构1613和第二传递结构1623中的每一个可以由例如金属片或其它材料形成，并且因此可以被称为传递片或传递层。传递结构1613、1623中的每一个还可以具有可以被称为支撑梁的梁，其充当用于支撑触摸输入设备1611的一部分重量的支腿。
在实施例中，触摸输入设备1611是弯曲的弯曲显示设备，并且具有弯曲的显示层(例如，有机发光二极管、OLED或液晶显示器或LCD层)1611a和弯曲的覆盖层(例如，玻璃盖或塑料盖)1611b。在实施例中，触摸输入设备1611可以具有作为覆盖层1611b的顶表面的输入表面1601。顶表面可以更一般地是覆盖层1611b的前表面，其可以是面向用户的表面，和/或通过其显示图像的表面。在实施例中，触摸输入设备1611可以是作为车辆仪表板的一部分的顺应的显示设备。在实施例中，输入表面1601可以接收来自各种方向上的触摸输入的外力。方向可以相对于机械牢固层或基板1620/1630进行测量。在实施例中，机械牢固层或基板1620/1630可以是安装支撑结构。方向也可以相对于触摸输入设备1611进行测量。在这种情况下，可以以一定角度施加外力，其中输入表面1601和外力之间的角度可以指在外力的方向和与其上直接施加外力处的位置处的输入表面相切的平面之间形成的角度。该位置可以是在输入表面和触摸输入之间存在直接接触的位置。外力可以在与牢固层或基板1620/1630或与输入表面1601垂直、平行或倾斜的方向上施加。
如图16-图18所示，致动和感测系统1610包括从触摸输入设备1611的第一边缘延伸到机械牢固结构1620/1630的第一传递部件1613，并且包括从触摸输入设备1622的相对第二边缘延伸到机械牢固结构1630的第二传递部件1623。边缘可以指例如输入表面1601或触摸输入设备1611的后表面与触摸输入设备1611的侧表面相交的位置。在实施例中，侧表面可以是不是触摸输入设备的前表面或后表面的表面。在这样的实施例中，前表面可以是例如触摸输入设备的外表面，诸如(如果触摸输入设备是显示设备的话)通过其显示图像的外表面。在实施例中，侧表面可以垂直于(或者更一般地，基本上垂直于)触摸输入设备的前表面和/或后表面。虽然图16和图17绘出与触摸输入设备1611的相应侧表面1611b1、1611b2相邻布置的两个传递结构1613、1623，但是其它实施例可以具有更少或更多的传递结构。
在图16-图18中，第一传递结构1613包括第一部分1613d，该第一部分1613d在第一部分1613d的边缘固定(即，机械加固)到机械牢固结构1620/1630(例如，机械牢固基座)。图16-图18中的第一部分1613d可以被称为第一固定部分或第一传递结构1613的基座部分。第一传递结构1613还可以包括从第一固定部分1613d延伸并且与触摸输入设备的第一侧表面1611b1相邻布置的第一组三个梁1613a、1613b和1613c。在实施例中，三个梁1613a、1613b、1613c是在触摸输入设备1611的边缘(例如，左边缘)处支撑触摸输入设备1611的重量的支撑梁。在实施例中，三个梁1613a、1613b和1613c可以直接或间接地附连到第一侧表面1611b1。在实施例中，该附连是经由梁和侧表面之间的粘合剂(环氧树脂或双面胶带)或固定装置(例如，螺栓)。在实施例中，附连可以是直接的，使得触摸输入系统1600在梁和侧表面之间不具有间隔层。此外，第一组换能器贴片1614a、1614b和1614c(例如，MFC贴片)可以分别布置在第一组梁1613a、1613b和1613c上。
类似地，如图16-图18所示，第二传递结构1623包括固定(即，机械加固)到机械牢固结构1620/1630的第二固定部分1623d。第二传递层1623还可以包括从第二固定部分1623d的边缘延伸并与触摸输入设备的第二侧表面1611b2相邻布置的第二组三个梁1623a、1623b和1623c。第一侧表面1611b1和第二侧表面1611b2可以是触摸输入设备的相对侧表面，并且也可以是覆盖层1611的侧表面。三个梁1623a、1623b和1623c可以是在触摸输入设备1611的第二边缘(例如，右边缘)处支撑触摸输入设备1611的重量的支撑梁。三个梁1623a、1623b和1623c可以直接或间接地附连到第二侧表面1620b1。此外，第二组换能器贴片1624a、1624b和1624c(例如，MFC贴片)可以分别布置在第二组梁1623a、1623b和1623c上。在实施例中，第一组梁1613a、1613b、1613c和第二组梁1623a、1623b和1623c可以是梁弹簧或板簧。由于外力造成的触摸输入设备的移动可以引起梁1613a-1613c、1623a-1623c中的全部或其子集的弯曲。在实施例中，第一传递结构1613和第二传递结构1623两者都可以具有平坦的板簧结构的形式。在实施例中，第一传递结构1613和第二传递结构1623两者都可以与机械牢固结构1620/1630形成斜角(非零或垂直的角度)。
在实施例中，由第一传递结构1613和第二传递结构1623形成的板簧可以与触摸输入设备1611成倾斜角度安装，如图16-图18所绘出的那样，或者可以垂直于触摸输入设备1611。可以测量传递结构1613/1623和在触摸输入设备1611上接触传递结构1613/1623的位置处与触摸输入设备1611相切的平面之间的角度。
在实施例中，第一传递结构1613和第二传递结构1623可以能够输出沿着多于一个自由度的致动移动。例如，在图16-图18中，传递结构1613、1623可以能够在平面内方向(例如，左到右)或在平面外方向(例如，上和下)上致动触摸输入设备1611。平面内方向可以指平行于机械牢固结构1620/1630或安装表面的方向，而平面外方向可以指垂直于机械牢固结构1620/1630或安装表面的方向。为了在平面内方向上致动触摸输入设备1611，第一传递结构1613的梁可以通过其上的换能器贴片朝触摸输入设备1611在向内方向上(例如，向右)弯曲或以其它方式变形，而第二传递结构1623的梁可以通过其上的换能器贴片远离触摸输入设备1611在向外方向上(例如，也向右)弯曲或以其它方式变形。作为结果，触摸输入设备1611可以向右移动。如果传递结构1613、1623周期性地且同步地反转它们的变形方向，那么它们可以生成传递到触摸输入设备1611的平面内振动。该振动可以在将触摸输入设备1611向左移动和将触摸输入设备1611向右移动之间(例如，以100Hz的频率)周期性地交替。
在实施例中，为了在平面外方向上致动触摸输入设备1611，第一传递结构1613的梁可以通过其上的换能器贴片朝触摸输入设备1611在向内方向上(例如，向右)弯曲或以其它方式变形，而第二传递结构1623的梁也通过其上的换能器贴片也朝触摸输入设备1611在向内方向上(例如，向左)弯曲或以其它方式变形。作为结果，两个传递结构1613、1623可以在触摸输入设备1611上提供将触摸输入设备1611在向上方向上提升的挤压力。如果传递结构1613、1623在这种情景下周期性地且同步地反转它们的变形方向，那么它们可以生成平面外振动。在实施例中，平面外位移可以在微米的量级上。该位移可以取决于施加的力的量(例如，对于3N的力为0.3mm)。在实施例中，触摸输入设备1611可以足够柔性，使得由传递结构1613、1623输出的致动可以使触摸输入设备1611从其基线状态(其中没有施加外力的状态)弯曲或以其它方式变形。在实施例中，触摸输入设备1611可以比传递结构1613、1623的梁刚硬得多，使得大部分变形将发生在传递结构1613、1623的梁中，而不是发生在触摸输入设备1611中。在实施例中，如果触摸输入设备1611是易碎的，那么触摸输入系统1600的控制单元可以避免这种可能挤压或以其它方式在触摸输入设备1611上施加压力的平面外位移模式。
虽然以上已经描述了各种实施例，但是应该理解的是，它们仅作为本发明的说明和示例而不是作为限制而给出。对于相关领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的宽度和范围不应该被任何上述示例性实施例限制，而应该仅根据所附权利要求及其等同物来限定。还将理解的是，本文讨论的每个实施例的每个特征以及本文所引用的每个参考的每个特征可以与任何其它实施例的特征组合使用。

Claims (20)

1.一种触摸输入系统，包括：
触摸输入设备，用于接收触摸输入；以及
致动和感测系统，具有：
与所述触摸输入设备的第一表面相邻布置的传递结构，所述传递结构具有第一部分和从所述第一部分的边缘延伸的梁，
布置在所述梁上的换能器贴片，
其中所述传递结构被配置为在所述触摸输入设备和所述换能器贴片之间传递力，使得由于所述触摸输入施加的外力造成的所述触摸输入设备的移动引起所述梁和布置在所述梁上的所述换能器贴片的变形，并且使得由所述换能器贴片输出的致动引起所述触摸输入设备的移动，并且
其中所述换能器贴片具有换能器材料层，所述换能器材料层被配置为通过在所述换能器贴片和所述梁由于所述外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过在第二电信号被施加到换能器材料时输出致动所述梁的移动而充当致动器。
2.如权利要求1所述的触摸输入系统，其中所述梁是被配置为梁弹簧的弹性梁，其中所述梁响应于由所述触摸输入施加的力的变形包括所述梁的弯曲，并且其中所述梁的弯曲导致所述换能器贴片的弯曲。
3.如权利要求2所述的触摸输入系统，其中所述传递结构是传递层，其中当在所述触摸输入设备处未接收到触摸输入时，所述触摸输入设备和所述传递层二者都是平坦的并且彼此平行。
4.如权利要求3所述的触摸输入系统，其中所述传递层布置在所述触摸输入设备的后表面处，其中所述后表面是所述触摸输入设备的输入表面的相对表面。
5.如权利要求4所述的触摸输入系统，其中：
所述传递层的所述第一部分是所述传递层的中心部分，
所述梁是从所述中心部分的第一边缘延伸的第一梁，
所述传递层还包括从所述中心部分的相对的第二边缘延伸的第二梁，
所述换能器贴片是第一换能器贴片，所述致动和感测系统具有布置在第二梁上的第二换能器贴片，第二换能器贴片也具有换能器材料层，以及
由于外力造成的所述触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁中的至少一个的弯曲移动，这分别引起第一换能器贴片和第二换能器贴片中的至少一个的弯曲移动。
6.如权利要求5所述的触摸输入系统，还包括：
布置在所述触摸输入设备的后表面与第一梁和第二梁两者之间的间隔层；以及
刚性安装支撑件，所述刚性安装支撑件直接附连到所述中心部分以将所述中心部分配置为所述传递层的相对于所述刚性安装支撑件的基本固定部分，其中所述刚性安装支撑件被配置为将所述触摸输入系统安装到安装表面。
7.如权利要求2所述的触摸输入系统，其中所述触摸输入设备是弯曲的，并且其中所述传递结构是第一传递结构，并且所述梁是在所述触摸输入设备的第一边缘处支撑所述触摸输入设备的第一梁，所述致动和感测系统还包括第二传递结构，第二传递结构具有在所述触摸输入设备的相对的第二边缘处支撑所述触摸输入设备的第二梁并且具有布置在第二梁上的第二换能器贴片，其中由于外力造成的所述触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁中的至少一个的弯曲。
8.如权利要求7所述的触摸输入系统，还包括刚性安装支撑件，其中第一传递结构从所述刚性安装支撑件延伸到所述触摸输入设备的第一边缘，并且第二传递结构从所述刚性安装支撑件延伸到所述触摸输入设备的第二边缘，并且其中第一传递结构的第一部分是连接到所述刚性安装支撑件的第一基座部分，并且第二传递结构具有连接到所述刚性安装支撑件的第二基座部分，第二梁从第二基座部分的边缘延伸。
9.如权利要求8所述的触摸输入系统，其中第一传递结构的第一基座部分和第二传递结构的第二基座部分中的每一个与所述刚性安装支撑件形成斜角。
10.如权利要求9所述的触摸输入系统，其中第一梁是在所述触摸输入设备的第一边缘处支撑所述触摸输入设备的第一传递结构的第一组梁中的一个，并且所述换能器贴片是布置在相应的第一组梁处的第一组换能器贴片中的一个，并且其中第二梁是在所述触摸输入设备的第二边缘处支撑所述触摸输入设备的第二传递结构的第二组梁中的一个，并且第二换能器贴片是布置在相应的第二组梁处的第二组换能器贴片中的一个。
11.如权利要求10所述的触摸输入系统，其中所述触摸输入设备具有弯曲的显示层和弯曲的透明盖，其中所述透明盖的外表面是所述触摸输入设备的输入表面。
12.如权利要求1所述的触摸输入系统，其中所述换能器材料包括布置在两个电极之间的粗纤维复合MFC材料，或者包括布置在两个电极之间的电活性聚合物EAP材料或弹性体材料，所述MFC材料具有嵌入在聚合物基质中的多个压电陶瓷纤维。
13.如权利要求1所述的触摸输入系统，其中所述触摸输入设备包括布置在所述触摸输入设备的输入表面处的内部电容传感器。
14.一种触摸输入系统，包括：
触摸输入设备，具有被配置为接收触摸输入的输入表面以及作为所述输入表面的相对表面的后表面；以及
致动和感测系统，具有：
布置在所述触摸输入设备的后表面上的传递层，所述传递层具有作为所述传递层的中心部分的第一部分，并且具有第一梁和第二梁，其中第一梁从所述中心部分的第一边缘延伸，并且第二梁从所述中心部分的相对的第二边缘延伸，
布置在所述触摸输入设备的后表面与第一梁和第二梁中的每个梁之间的间隔层，
布置在第一梁上的第一换能器贴片，以及
布置在第二梁上的第二换能器贴片，
其中所述传递层被配置为在所述触摸输入设备与第一换能器贴片和第二换能器贴片两者之间传递力，使得由于外力造成的所述触摸输入设备的移动引起第一梁和第二梁以及第一换能器贴片和第二换能器贴片的变形，并且使得由第一换能器贴片或第二换能器贴片输出的致动引起所述触摸输入设备的移动，
其中第一换能器贴片和第二换能器贴片中的每个换能器贴片具有换能器材料层，所述换能器材料层被配置为通过在相应的换能器贴片和相应的梁由于所述外力而变形时输出第一电信号而充当传感器，并且被配置为通过在第二电信号被施加到相应的换能器贴片的换能器材料时输出致动相应的梁的移动而充当致动器。
15.如权利要求14所述的触摸输入系统，其中所述触摸输入设备是刚性显示设备，并且其中当由于外力造成的所述显示设备的移动基本上垂直于所述显示设备的输入表面时，第一梁和第二梁中的每个梁的变形包括弯曲移动，所述弯曲移动分别引起第一换能器贴片和第二换能器贴片的弯曲移动。
16.如权利要求15所述的触摸输入系统，还包括：
刚性安装支撑件，所述刚性安装支撑件直接附连到所述中心部分以将所述中心部分配置为所述传递层的相对于所述刚性安装支撑件的基本固定部分，并且其中所述触摸输入设备被悬置在所述传递层的第一梁和第二梁上。
17.如权利要求14所述的触摸输入系统，还包括：
控制单元，其与第一换能器贴片和第二换能器贴片进行信号通信，并且被配置为：
在第一时段期间从第一换能器贴片和第二换能器贴片中的一个或多个换能器贴片接收第一电信号，
基于接收到第一电信号来检测由于所述外力造成的所述触摸输入设备的移动，
基于检测到由于所述外力造成的所述触摸输入设备的移动来确定已经接收到触摸输入，以及
响应于确定已经接收到触摸输入而确定要生成触觉效果，以及
在第二时段期间经由信号发生器向第一换能器贴片和第二换能器贴片中的一个或多个换能器贴片提供振荡驱动信号作为第二电信号，以使得在所述触摸输入设备处生成触觉效果。
18.如权利要求17所述的触摸输入系统，其中所述控制单元被配置为基于第一电信号来确定与所述触摸输入相关联的压力水平或与所述触摸输入相关联的手势。
19.如权利要求17所述的触摸输入系统，其中，当第一电信号包括一个或多个脉冲时，所述控制单元被配置为确定所述触摸输入是轻击输入。
20.如权利要求14所述的触摸输入系统，其中所述传递层包括至少四个梁，所述至少四个梁包括第一梁和第二梁，并且其中所述至少四个梁围绕所述传递层的所述中心部分对称地布置，并且其中所述至少四个梁都是矩形形状，并且具有相同的长度、宽度和厚度，并且其中所述间隔层具有在50μm至200μm范围内的厚度。
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