CN113227939A

CN113227939A - 使用致动器作为用于输入的传感器

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Publication number: CN113227939A
Application number: CN201980085433.2A
Authority: CN
Inventors: 建勋·王; 德巴尼亚·慕克吉
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-12-03
Also published as: EP3871070B1; CN113227939B; WO2020247015A1; EP3871070A1; US11118984B2; US20200386631A1

Abstract

一种包括致动器和电耦合到致动器的驱动电路的电子设备。驱动电路可以被配置为确定致动器的谐振频率，并且向致动器递交与谐振频率匹配的驱动频率以及驱动电压。电子设备还包括存储器和处理器。处理器可以基于致动器的谐振频率来确定存在施加到电子设备的力。基于确定力被施加到电子设备，处理器可以执行电子设备的预定功能。

Description

使用致动器作为用于输入的传感器

背景技术

电子设备可以配置为检测由用户施加到设备外壳的各种力，诸如，点击、触摸、滑动、挤压等，并且作为响应，触发各种特征。例如，检测力可以通过在电子设备外壳中包括可变形材料和检测沿可变形材料定位的一个或多个应变计的电阻来实现。

发明内容

根据所公开的主题的实施例，电子设备可以包括致动器。电子设备还可以包括电耦合到致动器的驱动电路。驱动电路可以配置为通过对致动器的反电动势进行采样来确定致动器的谐振频率，向致动器递交与谐振频率大体上匹配的驱动频率，并且向致动器递交第一驱动电压。电子设备还可以包括存储器和处理器。处理器可以配置为确定存在施加到电子设备的力，并且执行电子设备的预定功能。所施加的力的存在可以通过以采样频率对由驱动电路递交的驱动频率进行采样来确定。采样频率可以基于电子设备可用的功率来调整。

处理器可以进一步基于确定的谐振频率在预定频率范围内来确定电子设备正被用户保持或挤压。

驱动电路还可以向致动器递交第二驱动电压，以响应于处理器接收到用户输入来提供触觉反馈。第二驱动电压可以大于第一驱动电压。

处理器还可以确定谐振频率的变化，并且响应于谐振频率的变化超过存储在存储器中的预定阈值和/或在预定频率范围内，确定用户正在挤压电子设备。预定阈值可以是1Hz。谐振频率的变化可以是谐振频率的降低。

在示例性实施例中，致动器在电子设备中也可以用于通过产生振动来提供触觉反馈。例如，致动器可以由驱动电压信号电路系统在低电压下驱动，该低电压与电子设备的用户不可感知的低振动振幅对应，和/或致动器可以由只是用于触觉反馈的驱动电压的部分的驱动电压驱动。

在示例性实施例中，致动器可以在第一状态和第二状态下操作，其中，致动器在第一状态下是以较高的电压驱动的，使得较大振幅的振动产生并且被电子设备的用户可感知地感觉到，并且在第二状态下是以较低的电压驱动的，使得较低振幅的振动产生并且不可被电子设备的用户感知。

所公开的技术的附加特征、优点和实施例可以通过考虑以下详细描述、附图和权利要求书来说明或变得显而易见。此外，要理解，上述发明内容和以下详细描述是说明性的，并且旨在提供进一步的解释，而不限制权利要求的范围。

附图说明

被包括以提供对所公开的技术的进一步的理解的附图并入并且构成本说明书的一部分。图也图示了所公开的技术的实施方式以及用于解释所公开的技术的实施方式的原理的详细描述。并没有尝试比对所公开的技术和可以实践其的各种方式的基础理解所必需的更详细地示出结构细节。

图1是根据所公开的主题的电子设备的示例的框图。

图2是根据所公开的主题的电子设备的示例的力图。

图3是根据所公开的主题的方法的示例的流程图。

图4是适合于实施某些设备的计算设备的示例的框图。

具体实施方式

用于检测施加到诸如智能电话和平板计算机的电子设备的诸如触摸、点击、挤压的力的传统技术通常依赖于包括诸如耦合到应变计、传感器、电阻器、电容器、加速度计、陀螺仪和麦克风的可变形材料的组件。然而，这种组件在不会对设备的其他组件产生负面影响的情况下集成到设备中可能很复杂，并且可以增加设备的不必要的成本和制造复杂性。因此，如本文中所公开的，已经确定，触觉反馈组件可以用于检测这种力到设备的施加。

如本文中所使用的，组件可以“配置为”执行操作这一声明可以被理解为指组件不需要结构改变，但仅仅需要被放置在操作状态下(例如，被提供电力、让底层操作系统运行等)，以执行操作。

电子设备可以配置为以触觉，即，触感，方式传递信息。触觉技术可以通过赋予电子设备的外壳振动或振动模式，响应于接收到输入而向用户提供反馈。各种触觉技术都可以用于产生这种振动。例如，这种触觉技术可以包括压电致动器、偏心旋转质量致动器和线性谐振致动器。

本主题公开了使用线性谐振致动器检测用户将力施加到电子设备的技术。例如，检测到的力可以包括用户挤压设备、点击或触摸屏幕或设备的另一个表面、按压在边缘、屏幕、表面或设备的其他组件上等等。如前面所讨论的，线性谐振致动器可以在电子设备内执行附加功能，诸如，通过产生振动来提供触觉反馈。通过利用线性谐振致动器充当本文中所公开的传感器，可以减少制造电子设备的成本和复杂性，因为可以消除对传统应变计和相关联的电路系统的需要。此外，本文中所公开的技术可以允许系统架构师在电子设备内实现附加的物理空间。例如，这种附加的空间可以用于增加电池或存储存储器的大小和容量。

例如，线性谐振致动器可以包括线圈、磁质量和弹簧。具有交流波形的驱动电压信号可以施加到线圈(例如，响应于接收到用户所引起的输入信号)。由驱动电压信号在线圈中产生的电流可以与磁质量所产生的磁场相互作用，以产生洛伦兹力。洛伦兹力可以赋予磁质量运动。因为驱动电压信号具有交流波形，所以磁质量的运动可以采取振荡(即，振动)的形式。磁质量可以附接到弹簧。通常，交流波形可以使振荡在弹簧的“谐振频率”下发生，这也可以被称为系统的“谐振频率”。用于构造系统组件的材料的摩擦和柔性可以抑制线性谐振致动器的运动。

图1是根据所公开的主题的电子设备100的示例的框图。例如，电子设备100可以包括处理器102、线性谐振致动器104、驱动电压信号电路系统106、存储器108和外壳110。电子设备100可以包括系统112以用于确定力被施加到外壳110，并且作为响应，触发功能。例如，系统112可以包括处理器102和存储器108。电子设备100可以是电话、智能电话、智能手表、其他可穿戴技术产品等。处理器102可以配置为读取和写入存储器108。处理器102可以另外配置为传递指令，以驱动电压信号电路系统106读取和改变其操作状况和操作模式，诸如，对其谐振频率输出进行采样和调整其输出驱动电压。

图2图示了力图200，示出了有效系统质量201与线性谐振致动器203的移动质量之间的关系。例如，有效系统质量可以包括以下项的总和：电子设备100的质量和刚性附接到电子设备100的任何其他事物的质量。弹簧202可以是线性谐振致动器203的组件并且由制造商所指定的弹簧常数定义。阻尼204表示在每个循环中由于例如摩擦和系统组件的材料柔性而发生的能量损失，这在任何物理系统中都是可以预期的。图2中所示的简单布置提供适合与本文中所公开的主题一起使用的触觉组件的概念模型，但是将理解，特定的触觉组件可能包括组件和设备的不同布置，该组件和该设备可能不包括图2中所示的概念组件。然而，这种触觉设备的组件通常仍然可以被建模为如所示的质量-弹簧系统，而不管设备中所包括的实际物理组件。

线性谐振致动器104可以在其特定的谐振频率下赋予最大力。通过在其谐振频率下驱动线性谐振致动器104，最大化能量效率。以甚至高于或低于谐振频率的每秒几次循环(Hz)驱动线性谐振致动器104可能开始导致所推动的(powered)洛伦兹力与弹簧力相反，从而无效地浪费能量。因为相关联的磁铁、弹簧和线圈通常可以在可接受规格的公差范围内制造，所以线性谐振致动器104的谐振频率从单元到单元可能略有不同。相似地，当线性谐振致动器104老化时，弹簧202可能会拉伸或压缩，这也可能改变谐振频率。因此，驱动电压信号电路系统106可以使用线性谐振致动器104所生成的反电动势来连续检测谐振频率。驱动电压信号电路系统106可以在持续基础上确定的谐振频率下驱动线性谐振致动器104。以这种方式，线性谐振致动器104可以在施加更大的洛伦兹力时更有效地使用功率，不管谐振频率是否因任何原因发生变化。

通常，对象的谐振频率与其刚度和其质量成比例(即，对象越硬，其谐振频率越高；对象的质量越大，其谐振频率越低)。例如，线性谐振致动器104的“自由边界”谐振频率可以由制造商指定，或可以在完全隔离或刚性粘附到例如诸如工厂地板的具有大质量的对象时通过实验确定。通常，自由边界谐振频率可以在50Hz到300Hz之间。在示例中，线性谐振致动器104的制造商指定的谐振频率可以是159Hz。可以确定，当用户保持电子设备100时，线性致动器104的谐振频率发生变化。例如，当在用户手中正常保持时，谐振频率可以变成在160.25-161.25Hz的范围内的值，优选地是160.75Hz。在该示例中，有效系统质量201可以近似等于电子设备100的质量。另外，可以确定，当用户将力施加到电子设备100时，线性谐振致动器104的谐振频率发生变化。例如，当被用户的手挤压或按压在硬表面上时，谐振频率可以降低到在158.75到159.75的范围内的值，优选地是159.25。在该示例中，有效系统质量201可以近似等于用户的手和/或手臂的重量。本文中所描述的特定频率和频率变化作为说明性示例被提供，但是适合与本文中所公开的主题一起使用的触觉反馈设备的实际谐振频率可以在其他范围内发生变化。通常，当没有力被施加时，由用户保持设备或将力施加到设备造成的谐振频率变化可以是设备的谐振频率的十分之几到百分之几。虽然前面的示例是在用户保持电子设备100和使用他或她的手施加力的场境下进行描述的，但是应了解，所公开的主题也可以适用于戴手套或使用诸如手写笔的另一对象施加力的用户，因为相关的传感器可能是完全基于力的，因此可能不需要直接皮肤接触、导电表面与设备接触等。

图3是确定用户何时将力施加到电子设备100的方法300的示例的流程图。在阶段S305之前，驱动电压信号电路系统106可以是不活动的，以节约电力和减少生热。当确定用户已经拾起电子设备100或例如以其他方式通过语音命令、触摸输入或手势确定用户可以开始与该电子设备交互时，阶段S305可以开始。在阶段S305中，处理器102可以指导驱动电压信号电路系统106在其谐振频率下驱动线性谐振致动器104。例如，因为实际的谐振频率最初可能不知道，处理器102可以通过指令或信号指导驱动电压信号电路系统106开始在默认谐振频率下驱动线性谐振致动器104，该默认谐振频率与制造商的规格或最后已知的值对应。如前面所讨论的，由于老化、温度以及容纳线性谐振致动器104的电子设备100的构造、材料和质量，致动器的谐振频率可能与制造商的规格不同。因此，制造商指定的谐振频率可以用作驱动线性谐振致动器104的起始点。在完成至少一个驱动循环之后，驱动电压信号电路系统106可以开始动态调整谐振频率，以匹配其基于反电动势的确定。驱动电压信号电路系统106可以在低电压下驱动线性谐振致动器104，该低电压与用户不可感知的低振动振幅对应。例如，线性谐振致动器104可以被0.2V或约5％的驱动电压驱动，该驱动电压通常可以用于触觉反馈。以这种方式，这种技术所消耗的功率可能相对较小。应当了解，在任何时候，不管线性谐振致动器104是在低振动振幅下还是在低驱动电压下操作，它都可以响应于用户输入提供触觉反馈。触觉反馈可以在更高的、可感知的振动振幅下被提供。例如，较高的振动振幅可以通过在诸如3.6V的较高的驱动电压下使用驱动电压信号电路系统106驱动线性谐振致动器104来实现。因此，使用线性致动器104确定用户何时将力施加到电子设备100，可能不会扰乱或干扰同时使用线性致动器104向用户提供触觉反馈。

当使用驱动电压信号电路系统106驱动线性谐振致动器104时，驱动电压信号电路系统106可以检测线性谐振致动器104的谐振频率。驱动电压信号电路系统106可以通过在每个循环期间在其输出处对反电动势进行采样来实现这种检测。在S310中，处理器102可以通过在不同的采样频率下对驱动电压信号电路系统106进行周期性采样来监视谐振频率。例如，处理器102可以以50Hz至250Hz(每4毫秒到每20毫秒之间)的速率对谐振频率进行采样。采样频率可以取决于电子设备100的可用功率。例如，采样频率可以基于电子设备100的剩余电池寿命和/或外部电源是否已经连接到电子设备100来调整。

在S315中，处理器102可以检测到用户正在将力施加到电子设备100。这种检测可以通过各种方式实施。在第一示例中，处理器102可以在存储器108内存储一系列谐振频率值，所述一系列谐振频率值对应于在将力施加到电子设备100时可以预期的谐振频率。继续该示例，当处理器102确定驱动电压信号电路系统106按照其操作的采样谐振频率在存储范围内时，处理器102可以确定力正被施加到电子设备100。可替代地或另外，在第二示例中，处理器102可以在存储器108内存储一个或多个过去采样的谐振频率值，并且与当前采样的谐振频率值进行比较。在确定采样谐振频率已经减少了预定数量后，处理器102可以确定力正被施加到电子设备100。在实施例中，移动设备100可以是移动电话，并且谐振频率减少的预定数量可以是1Hz或更大，优选地是至少1.5Hz。在移动设备100具有较小的质量的情况下，诸如智能手表或其他可穿戴设备，谐振频率减少的预定数量可以大于1.5Hz。应当了解，前面描述的第一示例和第二示例可以单独使用，也可以组合使用。另外，应当了解，处理器102可以被编程以检测“做手势的”力，诸如，例如，短时间对比长时间的力、预定数目的施加力和/或上述项的任何组合。

此外，通过检测设备内一个或多个致动器的谐振频率的对应变化，可以检测多个力或力振幅的变化。例如，谐振频率在较长一段时间内从初始值逐渐变化到与典型“挤压”力的预期值不同的最终值，可能指示缓慢或长挤压。作为另一个示例，谐振频率在相似值之间的快速变化可能指示施加到设备的一系列挤压、按压或其他力。

在S320中，处理器102可以在电子设备100上执行与检测到的力对应的功能。例如，功能可以是在电子设备100上启动虚拟助理应用或其他预定应用、使电子设备100静音、锁定电子设备100等。不同的功能可以基于不同的检测到的力来执行。例如，前面所公开的“长挤压”可以用于执行与“短挤压”或其他力不同的功能。作为另一个示例，与单个点击、挤压、按压等相比，多个点击、挤压、按压等可以用于执行不同的功能。更一般地说，任何检测到的力或力的组合都可以用于触发功能的执行，该功能可以与基于不同的检测到的力或力的组合而执行的其他功能不同。

系统112可以使线性谐振致动器104在多个状态下操作，该状态包括上述“触觉状态”和“感测状态”。应当了解，触觉状态和感测状态中的每个状态都可以同等地单独操作，也可以组合在一起操作。例如，在系统112使线性谐振致动器104可感知地振动以提供触觉输出的情况下，系统112仍然可以监视驱动电压信号电路系统106的谐振频率并且检测是否已经施加了力，如前面关于图3的S310和S315描述的。而在触觉状态下，线性谐振致动器104可以在较高的电压下驱动，使得较大振幅的振动产生并且被用户可感知地感觉到。在感测状态下，线性谐振致动器104可以在较低的电压下驱动，使得较低振幅的振动产生并且不可被用户感知。通常，线性谐振致动器104的驱动频率可以是如驱动电压信号电路系统106所检测到的谐振频率，而不管系统112正在其中操作的状态。

图4是适合于实施某些设备的计算设备20的示例的框图。例如，计算设备20可以用于实施上述电子设备100。

计算设备20可以包括总线21，该总线21将计算设备20的主要组件互相连接。这种组件可以包括中央处理器24、存储器27(诸如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速RAM等)、传感器28(该传感器可以包括一个或多个传感器)、显示器22(诸如，显示屏)、输入接口26(该输入接口可以包括一个或多个输入设备，诸如，键盘、鼠标、小键盘、触摸板、转动轮等)、固定存储23(诸如，硬盘驱动器、闪速存储等)、可移除介质组件25(可操作以控制和接收固态存储器设备、光盘、闪速存储等)、网络接口29(可操作以通过合适的网络连接与一个或多个远程设备进行通信)和扬声器30(用于输出听得见的通信)。在一些实施例中，输入接口26和显示器22可以组合，诸如，以触摸屏的形式。

总线21可以允许中央处理器24和一个或多个存储器组件23、27之间的数据通信，该存储器组件可以包括RAM、ROM和其他存储器。驻留在计算设备20上的应用通常可以存储在计算机可读存储介质上，并且通过计算机可读存储介质访问。

固定存储23可以与计算设备20集成或可以与其他接口分开并且通过其他接口访问。网络接口29可以通过有线或无线连接提供与驻地管理系统和/或远程服务器的直接连接。网络接口29可以使用任何合适的技术和协议提供这种连接，包括数字蜂窝电话、WiFiTM、

近场通信(NFC)等。例如，网络接口29可以允许计算设备20通过一个或多个局域网络、广域网络或其他通信网络与驻地管理系统或其他计算机的其他组件进行通信。

为了便于解释，前面的描述已经参照特定配置进行了描述。然而，上述说明性讨论并不是详尽的或并不旨在将所公开的技术的配置限于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。配置是为了解释所公开的技术的原理以及其实际应用而被选择和描述的，从而使本领域的其他技术人员能够利用这些配置以及具有各种修改的各种配置，这些修改可能适合于预期的特定用途。

Claims

1.一种检测力施加到电子设备的方法，所述方法包括：

由处理器确定所述电子设备中的致动器的第一谐振频率；

由所述处理器基于所确定的谐振频率，确定存在施加到所述电子设备的力；

响应于确定存在施加到所述电子设备的力，执行所述电子设备的预定功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述谐振频率包括：对所述致动器的反电动势进行采样。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定存在施加到所述电子设备的力包括：对所述致动器的所述谐振频率进行周期性采样。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述致动器的所述谐振频率进行周期性采样包括：以不同的采样频率对驱动电压信号电路系统进行周期性采样。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

响应于所确定的谐振频率在预定频率范围内，由所述处理器确定所述用户正保持但没有挤压所述电子设备。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

由所述处理器递交指令，所述指令用于以所确定的谐振频率和以第一驱动电压来驱动所述致动器。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

响应于接收到用户输入，由所述处理器递交指令，所述指令用于以所确定的谐振频率和以第二驱动电压来驱动所述致动器，以提供触觉反馈，所述第二驱动电压大于所述第一驱动电压。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

由所述处理器确定所述谐振频率的变化；以及

响应于所述谐振频率的所述变化超过预定阈值，由所述处理器确定所述用户正在挤压所述电子设备。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述预定阈值是1Hz。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述谐振频率的所述变化是所述谐振频率的降低。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

响应于所确定的谐振频率在预定频率范围内，由所述处理器确定所述用户正在挤压所述电子设备。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述致动器在所述电子设备中也用于通过产生振动来提供触觉反馈。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述致动器由驱动电压信号电路系统以低电压来驱动，所述低电压与所述电子设备的用户不能够感知的低振动振幅对应。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述致动器由驱动电压驱动，所述驱动电压是用于触觉反馈的驱动电压的一部分。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述致动器能够在至少第一状态和第二状态中操作，其中，所述致动器在所述第一状态中是以较高的电压驱动的，使得较大振幅的振动产生并且被所述电子设备的用户能够感知地感觉到，并且在所述第二状态中是以较低的电压驱动的，使得较低振幅的振动产生并且不能够被所述电子设备的用户感知。

16.一种电子设备，包括：

致动器；

驱动电路，所述驱动电路电耦合到所述致动器并且被配置为：

确定谐振频率；

向所述致动器递交驱动频率，所述驱动频率与所述谐振频率大体上匹配；以及

向所述致动器递交第一驱动电压；

存储器；以及

处理器，所述处理器被配置为：

确定存在施加到所述电子设备的力；以及

响应于存在施加到所述电子设备的力，执行所述电子设备的预定功能。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中，所述谐振频率是通过对所述致动器的反电动势进行采样来确定的。

18.根据权利要求16或17所述的电子设备，其中，通过以采样频率对所述驱动电路递交的所述驱动频率进行采样来确定存在施加到所述电子设备的力。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中，对所述致动器的所述谐振频率进行周期性采样包括：以不同的采样频率对驱动电压信号电路系统进行周期性采样。

20.根据权利要求18或19所述的电子设备，其中，所述处理器进一步被配置为：基于所述电子设备可用的功率来调整所述采样频率。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的电子设备，其中，所述处理器进一步被配置为：基于所确定的谐振频率在预定频率范围内，确定所述电子设备正被所述用户保持但没有被所述用户挤压。

22.根据权利要求16至21中任一项所述的电子设备，其中，所述驱动电路进一步被配置为：响应于所述处理器接收到用户输入而向所述致动器递交第二驱动电压，以提供触觉反馈，所述第二驱动电压大于所述第一驱动电压。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的电子设备，其中，所述处理器进一步被配置为：确定所述谐振频率的变化，并且响应于所述谐振频率的所述变化超过存储在所述存储器中的预定阈值而确定所述用户正在挤压所述电子设备。

24.根据权利要求23所述的电子设备，其中，所述预定阈值是1Hz。

25.根据权利要求23或24所述的电子设备，其中，所述谐振频率的所述变化是所述谐振频率的降低。

26.根据权利要求16至24中任一项所述的电子设备，其中，所述处理器进一步被配置为：响应于所确定的谐振频率在存储在所述存储器中的预定频率范围内而确定所述用户正在挤压所述电子设备。

27.根据权利要求16至26中任一项所述的电子设备，其中，所述致动器被配置为：还通过产生振动来提供触觉反馈。

28.根据权利要求27所述的电子设备，其中，所述驱动电路被配置为：由驱动电压信号电路系统以低电压来驱动所述致动器，所述低电压与所述电子设备的用户不能够感知的低振动振幅对应。

29.根据权利要求12或13所述的电子设备，其中，所述驱动电路被配置为：通过驱动电压来驱动所述致动器，所述驱动电压是用于触觉反馈的驱动电压的一部分。

30.根据权利要求12至14中任一项所述的电子设备，其中，所述致动器被配置为在至少第一状态和第二状态中操作，其中，所述驱动电路被配置为：在所述第一状态中以较高的电压驱动所述致动器，使得较大振幅的振动产生并且被所述电子设备的用户能够感知地感觉到，并且在所述第二状态中以较低的电压驱动所述致动器，使得较低振幅的振动产生并且不能够被所述电子设备的用户感知。