CN111052048A - 用于触摸面板装置的触觉反馈 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种触摸面板装置(1)，包含：触摸输入表面(3)；至少一个传感器(7、11)，其用于监视被施加到触摸输入表面(3)的接触和/或负荷；触觉响应生成单元(9)，其被刚性地连接到触摸输入表面(3)；和控制单元(5)，其用于处理来自传感器(7、11)的信号并基于监视到的接触和/或负荷来控制触觉响应生成单元(9)，其中，触觉响应生成单元(9)包含壳体(91)，所述壳体包含导磁材料、被固定地布置在所述壳体(91)内的导电线圈(93)以及包含导磁材料的芯(95)，其中该芯(95)被布置在线圈(93)内，使得该芯(95)能够沿着线圈(93)的长轴(Z)移动。

Description

用于触摸面板装置的触觉反馈
技术领域
本发明涉及一种触摸面板装置，该触摸面板装置包含触摸输入表面、至少一个用于监视施加到触摸输入表面的接触和/或负荷的传感器，以及用于向触摸面板装置的用户提供触觉响应的触觉响应生成单元。
背景技术
触摸面板装置越来越普遍，例如以智能电话或家用设备或车辆的控制面板的形式。触摸屏通常与触觉响应系统一起使用。该技术的常见示例是在轻触触摸屏上的按钮时提供的振动反馈。触觉通过提供模拟的触觉反馈来改善用户对触摸屏的体验，并且可以被设计成即时反应，部分抵消屏幕上的响应延迟。
专利公开EP2461233B1和US9280205B2分别公开了用于向触摸面板装置的用户提供“点击”感的方法和装置。根据EP2461233B1，可以通过使触摸输入表面以某一频率振动来提供这种“点击”感。US9280205B2描述了用于使这种表面振动的装置。这里，音圈被附接到触摸输入表面并且通过提供可变电流来驱动音圈而使其移动。然而，所提供的解决方案在复杂性、坚固性(robustness)和成本方面均不尽人意。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种具有触觉响应生成单元的触摸面板装置，该触觉响应生成单元较不复杂、更坚固并且在生产和集成到该装置中时成本更低。
通过根据独立权利要求的主题的触摸面板装置来实现本发明的目的。从属权利要求和说明书进一步描述了触摸面板装置的有利实施例。
因此，该目的通过一种触摸面板装置来实现，该触摸面板装置包含：触摸输入表面；至少一个用于监视施加到该触摸输入表面的接触和/或负荷的传感器；刚性地连接到触摸输入表面的触觉响应生成单元；以及控制单元，该控制单元用于处理来自传感器的信号，并基于监视到的接触和/或负荷来控制触觉响应生成单元，其中，触觉响应生成单元包含壳体，所述壳体包含导磁材料、被固定地布置在壳体内的导电线圈以及包含导磁材料的芯，其中芯被布置在线圈内，使得该芯能够沿着线圈的长轴移动。壳体刚性地连接到触摸输入表面。由触觉响应生成单元施加的力将被直接传递到触摸输入表面，从这个意义上说，该连接是刚性的。线圈的长轴延伸穿过线圈的中心，使得线圈的环(loops)包围长轴，其中，长轴基本上垂直于由线圈的单个环限定的表面。从本发明的意义上说，导磁是相对磁导率大于40，优选大于400，非常优选大于4000的材料。壳体可以完全或部分地围绕线圈。可以设置引导元件以引导芯在线圈内的移动。控制单元例如可以是微控制器。
具有这种类型的触觉响应生成单元的装置非常坚固，因为唯一的移动部件是芯，该芯例如可以是圆柱体，尤其是铁制的。特别地，该芯相对于壳体并且相对于触摸输入表面移动。该移动产生了从壳体被传递到表面的脉冲，从而为用户提供了触觉的，即可触知的(tactile)反馈。
包含导磁材料的壳体展现出可忽略的感应性，因为它可以被实施为例如由铁制成的开路。这减少了该单元在装置内的电磁干扰影响，并且因此在将该单元集成在装置中时允许更大的灵活性。这可以降低生产成本。该单元的组件通常也比传统的触觉反馈单元的组件便宜。与传统的触觉反馈单元相比，该单元的降低的复杂性还允许将该单元简单地集成到装置中。
通常，与非触觉触摸面板装置相比，当触摸面板装置与触觉的或可触知的反馈相结合时，将这种触觉响应生成单元集成在触摸面板装置中可以减少用户输入错误，提高输入速度并降低他们的认知负担。
在触摸面板装置的实施例中，控制单元被实施为在线圈中启动电流，使得当芯的导磁部相对于线圈非对称地定位时，该芯相对于线圈开始振荡移动。在本发明的意义上，非对称意味着该芯的导磁部的相对于长轴的中点不与线圈的相对于长轴的中点对齐。
取决于芯的质量、线圈的强度以及施加到线圈的电流的大小，芯的振荡可以在触摸输入表面上引起50Hz至300Hz的频率范围内的振荡。取决于触觉响应生成单元的壳体和触摸输入表面之间的连接部的刚性，即刚度，在该表面上的振动的振幅最大值将是0.1mm，并且通常在三个周期以后将衰减至该最大值的约5％。到触摸输入表面的第一振动峰的加速度可以是大约6G(重力加速度)。
利用这些特性，这种触觉响应生成单元可以通过刺激用户指尖上的Pacini受体来为用户模拟短按键。
在触摸面板装置的实施例中，芯包含以下材料，该材料的相对磁导率低于芯中包含的导磁材料的相对磁导率。从而可以增加芯的质量，在触觉响应生成单元的实施例中提供更大的灵活性。增加的质量可能导致增加的脉冲和增加的振动。有利地，具有成本效益的材料可以用于该目的。
在触摸面板装置的一个实施例中，提供了一种弹簧机构，所述弹簧机构被附接到壳体和/或线圈，并且用于向芯施加弹簧力，使得当施加到线圈的电流被设定成0时，该芯返回到初始位置。当该单元被集成到移动触摸面板装置中时，这可以是特别有利的，因为移动装置在任何给定时间可以相对于局部重力以任何方向定向。在机动车辆中的控制面板中，当没有电流施加到线圈时，芯的重量通常将足以使芯返回到初始位置。为了确保线圈返回到相同的初始位置，可以设置附接到壳体或线圈的端部止挡元件。芯的初始位置与该单元的组件的相应质量、导磁组件的磁导率、线圈强度和电流强度一起调节初始脉冲，该初始脉冲是当电流施加到线圈时由芯产生的。因此有利的是，当触觉响应生成单元不活动时，将线圈返回到初始位置，以在施加相同电流时实现相同的触觉反馈。
在触摸面板装置的实施例中，触觉响应生成单元被实施为防止芯与触摸输入表面形成直接接触。例如，壳体可包含用作芯的端部止挡的壁或钩。在一些传统的触觉反馈系统中，触觉反馈生成单元的移动部件与触摸输入表面形成直接接触。这样的系统未能为触摸面板装置的用户模拟短行程键。由于芯沿着长轴自由地移动，因此有利的是提供一种防止芯在触摸输入表面的方向上移动的元件，从而防止芯与该表面之间的接触。
在触摸面板装置的实施例中，触觉响应生成单元与触摸输入表面之间的刚性连接部被实施为将由触觉响应生成单元的振荡移动引起的机械振动传递到触摸输入表面。该连接例如可以包含触摸输入表面的一些部分，该一些部分在垂直于该表面的方向上朝向触觉响应生成单元(即反馈生成单元)延伸。触觉响应生成单元然后可以被固定到这些延伸部分。
在触摸面板装置的实施例中，触摸面板装置包含装置壳体，其中，触摸输入表面弹性地连接到装置壳体。触摸输入表面应以可移动地方式连接到装置的壳体，以使由触觉反馈装置引起的触摸输入表面的移动不被外部阻尼。
在触摸面板装置的实施例中，装置壳体和触摸输入表面之间的连接部包含阻尼元件。弹性连接可以包含例如被定位于触摸输入表面和装置壳体之间的阻尼垫。这些阻尼垫可以允许触摸输入表面相对于装置壳体移动，并且还可以用于在触觉反馈生成单元被激活时将适当的阻尼施加到触摸输入表面。
在触摸面板装置的实施例中，将用于监视施加到触摸输入表面的负荷的传感器布置在触摸输入表面与装置壳体的壁之间。
在触摸面板装置的实施例中，来自传感器的信号包含有关在触摸输入表面上接触位置的信息，并且其中，控制单元被实施为确定接触位置和触觉响应生成单元之间的间隔的大小和/或接触位置和将触觉响应生成单元连接到触摸输入表面的刚性连接部之间的间隔的大小，并且其中，控制装置基于所确定的间隔的大小来控制触觉响应生成单元。触觉响应生成单元产生振荡脉冲，该振荡脉冲通过刚性连接部被传递到触摸输入表面。因此，振动在触摸输入表面的与连接点相接的区域上最大。为了在触摸输入表面的表面上的每个位置处提供相同的振动触觉反馈，因此提供给该表面的脉冲应基于从该连接点到接触的距离而改变。因此，控制单元应被实施为计算从连接点到接触的距离的大小，并相应地控制施加到线圈的电流。
附图说明
下一步将参考以下附图详细说明本发明的某些实施例。它们示出：
图1：根据本发明的实施例的处于未激活状态的输入面板装置的示意图；和
图2：根据本发明实施例的处于激活状态的输入面板装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的处于未激活状态的输入面板装置1的示意图。示出了输入面板装置1，该输入面板装置1具有输入触摸表面3、控制单元5、用于监视负荷的传感器7、用于监视接触的触摸基板11、触觉反馈生成单元9以及装置壳体13。触觉反馈生成单元9包含壳体9、线圈93、芯95和用于芯的端部止挡97。触摸面板装置被固定地定位在车辆的控制面板中。芯95处于初始位置P1，静止在支撑元件即端部止挡97上。在线圈93中没有电流流动。芯95能够相对于线圈93沿着线圈的长轴Z移动。
触觉响应生成单元9被刚性地附接到触摸输入表面3。连接21包含触摸输入表面3的朝向触觉响应生成单元9延伸的部分。该单元9被拧到或用螺栓连接到该表面3的延伸部分，从而将该单元9相对于该表面3固定在适当的位置。
用户M正在接触触摸输入表面3，该用户M正施加一定量的压力。压力传感器7正在监视施加到该表面的压力。控制单元5与压力传感器7一起被布置在印刷电路板PCB上，并且控制单元5经由通信路径连接至压力传感器7。当所施加的压力超过预定阈值时，控制单元5将在线圈93中启动电流。线圈93中的电流产生磁场。磁场由壳体91的导磁部引导。磁场的这种集中产生作用在芯95上的磁阻力，并使其首先在触摸输入表面3的方向上加速。当芯95的导磁部的中点经过线圈93的中点时，磁阻力在相反的方向上作用在芯95上，在面向远离触摸输入表面3的方向上加速。该系统类似于弹簧质量系统那样工作，并且芯95的移动可以表征为阻尼正弦波，其中芯95最后位于最终位置P2处。
由于由线圈93产生并由壳体91引导的磁场而引起的芯95和触觉响应生成单元9的壳体91之间的相互作用导致机械振动，该机械振动经由刚性连接部被传递到触摸输入表面3。触摸面板装置1的用户M将该振动体验为短按键，即用户体验到“点击”感。
图2示出了根据本发明的实施例的处于激活状态的输入面板装置1的示意图。电流正被施加到线圈93。线圈93产生磁场，该磁场流过触觉响应生成单元9的壳体91，并试图横跨芯95短路以完成磁路。包含有导磁部95a和非导磁部95b的芯95已经加速超过平衡点。芯的相对磁导率小于导磁部95a的部分95b向芯95增加质量，使得芯95的移动动量增加。这使得芯95比其它情况下更远地加速通过平衡点，并且使触摸输入表面3受到比其它情况下要受到的脉冲更大的脉冲。由芯95在线圈93内的移动引起的机械力沿着箭头17、19指示的路径被传递到触摸输入表面3。
来自磁场的磁阻力导致芯95沿着长轴Z振荡。触摸输入表面3振动，模拟小于1mm的短按键。
在图2中所示的实施例中，确定了将接触点与连接点(即，触觉反馈生成单元9的长轴与表面相交的位置处)分开的距离d。基于间隔d，确定了要施加到线圈93的电流的强度，从而使得无论在接触输入表面3上的何处，由用户体验到的振动都是相同的。
在触摸输入表面3与触摸面板装置1的壳体之间的连接部中设置有阻尼元件15。
附图标记
1 输入面板装置
3 触摸输入表面
5 控制单元
7 传感器
9 触觉响应生成单元
91 触觉响应生成单元的壳体
93 线圈
95 芯
95a、95b 芯的可导磁材料、芯的低磁导率材料
97 支撑元件/端部止挡
11 用于感应接触的触摸基板
13 触摸面板装置的壳体
15 阻尼材料
17 力路径箭头
19 力路径箭头
21 单元和触摸输入表面之间的连接部
23 表面和装置的壳体之间的连接部
P1 初始位置
P2 当装置被通电时的最终/平衡位置
Z 长轴
d 从接触点到反馈生成单元的距离
M 用户

Claims (10)

1.一种触摸面板装置(1)，包含：
触摸输入表面(3)；
至少一个传感器(7、11)，所述传感器(7、11)用于监视被施加到所述触摸输入表面(3)的接触和/或负荷；
触觉响应生成单元(9)，所述触觉响应生成单元刚性地连接到所述触摸输入表面(3)；和
控制单元(5)，所述控制单元用于处理来自所述传感器(7、11)的信号，并基于监视到的接触和/或负荷来控制所述触觉响应生成单元(9)，
其中，所述触觉响应生成单元(9)包含壳体(91)，所述壳体包含导磁材料、被固定地布置在所述壳体(91)内的导电线圈(93)以及包含导磁材料的芯(95)，
其中，所述芯(95)被布置在所述线圈(93)内，使得所述芯(95)能够沿着所述线圈(93)的长轴(Z)移动。
2.根据权利要求1所述的触摸面板装置(1)，其中，所述控制单元被实施为在所述线圈(93)中启动电流，使得当所述芯(95)的导磁部分(95a)相对于所述线圈(93)被非对称地定位时，所述芯(95)相对于所述线圈(93)开始振荡移动。
3.根据权利要求1或2所述的触摸面板装置(1)，其中，所述芯(95)包含材料(95b)，所述材料(95b)与所述芯(95)中包含的导磁材料(95a)相比具有低的相对磁导率。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，提供了弹簧机构，所述弹簧机构被附接到所述壳体(91)和/或线圈(93)并且用于向所述芯(95)施加弹簧力，使得当被施加到所述线圈(93)的所述电流被设定成0时，所述芯(95)返回到初始位置(P1)。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，所述触觉响应生成单元(9)被实施为防止所述芯(95)与所述触摸输入表面(3)形成直接接触。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，所述触觉响应生成单元(9)和所述触摸输入表面(3)之间的刚性连接部(21)被实施为将由所述触觉响应生成单元(9)的振荡移动所引起的机械振动传递到所述触摸输入表面(3)。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，所述触摸面板装置(1)包含装置壳体(13)，并且其中，所述触摸输入表面(3)被弹性地连接到所述装置壳体(13)。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，所述装置壳体(13)和所述触摸输入表面(3)之间的连接部(23)包含阻尼元件(15)。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，用于监视被施加到所述触摸输入表面(3)的负荷的所述传感器(7)被布置在触摸输入表面(3)与所述装置壳体(13)的壁之间。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的触摸面板装置(1)，其中，来自所述传感器(11)的信号包含关于所述触摸输入表面(3)上的接触位置的信息，并且
其中，所述控制单元(5)被实施为确定所述接触位置和所述触觉响应生成单元(9)之间和/或所述接触位置和将所述触觉响应生成单元(9)连接到所述触摸输入表面(3)的刚性连接部(21)之间的间隔(d)的大小，并且
其中，所述控制单元(5)基于所确定的间隔(d)的大小来控制所述触觉响应产生单元(9)。
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Application publication date: 20200421

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