CN114072243B - 多功能触觉致动器 - Google Patents

Abstract

具有多种功能致动模式的多功能触觉致动器(1)包括致动装置(2)和至少一个可移动储能器(3)。致动装置(2)提供和/或促进储能器(3)沿着和/或围绕多个致动轴线的移动。储能器(3)用于提供电荷以驱动致动装置(2)，并且存储致动装置(2)产生的电荷。第一功能致动模式包括通过从储能器(3)向致动装置(2)提供电荷来产生机械振动，其中电荷产生储能器(3)的移动。第二功能致动模式包括通过储能器(3)的机械振动产生电荷，其中振动在致动装置(2)中产生电荷，并且电荷存储在储能器(3)中。该方案提供了一种致动器，其组件可以用于若干种不同的致动模式，例如提供触觉反馈和获取能量，从而减少每种模式对独立组件的需求。

Description

多功能触觉致动器

技术领域

本公开涉及一种具有多种功能致动模式的触觉致动器。

背景技术

随着计算机向着小型化发展，预计越来越多的特色将被纳入更小的封装中。如移动和可穿戴设备、智能服装及其配件等消费品通常可以包括振动器，用于产生触觉信息，例如常规的(警告)和条件式(方向性、数值的和节奏性的等)提示。例如，手机和手腕可穿戴设备(如智能手表和跟踪器)具有嵌入式振动器，用于在与用户接触时产生触觉反馈信号。

存在不同类型的振动产生致动器，例如具有偏心旋转质量(eccentric rotatingmass，ERM)的小型DC电机和具有测震或防震质量的音圈电机(voice-coil motor，VCM)，这些都是长期以来最流行、最稳健并且最有效的技术。

显然，为了高效起见，如ERM和VCM等致动器或触觉激励器应该能够产生施加到测震质量上的高加速度，其中所述测震质量通常在机械谐振频率下在单方向上具有有限位移。

ERM振动电机主要产生谐波振动，并且将力矢量分布在与电机轴轴线正交的平面的两个正交方向之间。这通常使其效率低于单向(线性和/或谐振)触觉致动器。

在VCM电机中，可移动体附着在振动基板上，并且利用各种物理力和现象或“智能材料”来回驱动。许多此类致动器及与其交互的设备都具有自身的谐振频率，因此，以最有效和最高效的方式优化VCM设备的致动，来最佳地和动态地确定和控制驱动信号以产生触觉效果是非常重要的。然而，这种类型的致动器通常功能有限，因为他们在较窄的频率带宽(仅在谐振频率+/–10Hz左右有效)下产生振动信号。此外，VCM不能在宽泛的振荡频率范围内产生高度不对称的振动信号。另外，一些致动器消耗大量功率，并且其应用由于其大小和质量而受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的触觉致动器。上述及其它目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。

根据第一方面，提供了一种具有多种功能致动模式的多功能触觉致动器。触觉致动器包括致动装置和至少一个可移动储能器，其中致动装置提供和/或促进储能器沿着和/或围绕多个致动轴线的移动；储能器用于提供电荷以驱动致动装置，并且存储致动装置产生的电荷；第一功能致动模式包括通过从储能器向致动装置提供电荷来产生机械振动，其中电荷产生储能器的移动；以及第二功能致动模式包括通过储能器的机械振动产生电荷，其中振动在致动装置中产生电荷，并且电荷存储在储能器中。

该方案提供了一种致动器，其组件可以用于若干种不同的致动模式，从而减少每种模式对独立组件的需求。致动器具有简单的配置和结构，能够以低成本生产，并且能够产生比线性谐振致动器和/或惯性质量偏心电机更大的可再充电能量和更大的力。此外，不再需要为致动器的测震质量分配额外的空间。此外，减轻了致动器和/或安装在其中的设备的重量。

在第一方面的一种可能的实现方式中，振动在低于30Hz且优选低于20Hz的频率下产生。基于人类的敏感性，这有助于提高视动任务和跟踪中的振动频率。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，致动装置产生电磁力或压电力，其中在第一功能致动模式下，储能器向致动装置提供的电荷产生力，并且力产生储能器的移动；以及在第二功能致动模式下，储能器的机械振动产生力，并且力产生存储在储能器中的电荷。这有助于致动模式提供触觉反馈和/或产生可再充电能量。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，触觉致动器还包括第三功能致动模式，第三功能致动模式包括通过磁能发射器在致动装置中产生电荷，其中电荷存储在储能器中。这有助于致动模式能够无线获取电能。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，多个致动轴线包括至少一个线性轴线和/或至少一个旋转轴线。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，储能器沿着和/或围绕多个致动轴线同时移动，使得致动可以是多维的且优选为三维的。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，储能器沿着第一致动轴线、第二致动轴线和第三致动轴线同时或依次移动，其中第一致动轴线、第二致动轴线和第三致动轴线形成三维笛卡儿坐标系。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，致动装置包括音圈致动器，其中音圈致动器包括产生沿着第一致动轴线的移动的第一磁线圈装置，以及音圈致动器包括产生沿着第二致动轴线和第三致动轴线的移动的第二磁线圈装置，从而利用可用致动部件的可靠性和大小。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一磁线圈装置包括第一磁体和邻近第一磁体布置的第一线圈，以及第二磁线圈装置包括第二磁体和邻近第二磁体布置的第二线圈。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一线圈布置成使得其围绕第一磁体的外围延伸，以及第二磁线圈装置还包括：第三磁体和邻近第三磁体布置的第三线圈、第四磁体和邻近第四磁体布置的第四线圈，以及第五磁体和邻近第五磁体布置的第五线圈，其中第二磁线圈装置布置成使得其围绕第一磁线圈装置的外围延伸，从而提供均匀分布的力。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，旋转轴线与第一致动轴线相同，以及第一磁线圈装置产生围绕旋转轴线的旋转。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，致动装置包括多层压电致动器，或机电聚合物-金属复合材料或合金材料、磁阻材料、电活性材料、光活性材料、温度活性材料和磁活性材料中的任意一种，从而可以选择使用任何合适的致动器。

在第一方面的又一种可能的实现方式中，触觉致动器还包括至少一个弹性元件，其中所述弹性元件限制储能器沿着和/或围绕多个致动轴线的移动。弹性元件限制储能器的位移，但提供相对于线圈固定位置的最大磁通量变化，而不会将致动器的机械谐振限制为动态频率范围内的特定值。

根据第二方面，提供了一种用于电子设备的多功能触觉致动系统，包括上述触觉致动器、处理器、控制电路和从储能器向触觉致动器的外部延伸的柔性电池电缆。该方案提供了一种系统，其组件可以用于若干种不同的致动模式，例如提供触觉反馈和获取能量，从而减少每种模式对独立组件的需求。

在第二方面的一种可能的实现方式中，触觉致动系统还包括至少一个位置传感器，用于跟踪触觉致动器的位置。

根据下面描述的实施例，这一方面和其它方面将变得显而易见。

附图说明

在本公开的以下详述部分中，将参考附图中所示的示例性实施例来更详细地解释各个方面、实施例和实现方式，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的多功能触觉致动器的示意性俯视图；

图2示出了图1所示的多级致动系统的剖面图；

图3示出了根据本发明一个实施例的多功能触觉致动系统的示意图。

具体实施方式

图1和图2示出了具有多种功能致动模式的多功能触觉致动器1。

触觉致动器1包括致动装置2和至少一个可移动储能器3，优选地布置在壳体(未示出)内。致动装置2促进储能器3沿着和/或围绕多个致动轴线A1、A2、A3的移动，其中储能器3用作测震质量。多个致动轴线可以包括至少一个线性轴线和/或至少一个旋转轴线。旋转轴线可以与第一致动轴线A1相同。储能器3可以沿着和/或围绕多个致动轴线同时移动。

储能器3，例如电池，用于提供电荷以驱动致动装置2，并且存储致动装置2产生的电荷。

第一功能致动模式包括通过从储能器3向致动装置2提供电荷来产生机械振动，其中电荷产生储能器3的移动，也称为触觉反馈模式。

第二功能致动模式包括通过储能器3的机械振动产生电荷，其中振动在致动装置2中产生电荷，并且电荷存储在储能器3中，也称为能量获取模式。

振动可以在低于30Hz且优选低于20Hz的频率下产生。

在一个实施例中，致动装置2产生电磁力或压电力。在第一功能致动模式下，储能器3向致动装置2提供的电荷产生力，并且力产生储能器3的移动。在第二功能致动模式下，储能器3的机械振动产生力，并且力产生存储在储能器3中的电荷。

触觉致动器1还可以包括第三功能致动模式，第三功能致动模式包括通过磁能发射器在致动装置2中产生电荷，其中电荷存储在储能器3中，也称为无线充电模式。

在一个实施例中，储能器3沿着第一致动轴线A1、第二致动轴线A2和第三致动轴线A3同时或依次移动，其中第一致动轴线A1、第二致动轴线A2和第三致动轴线A3形成如图1和图2所示的三维笛卡儿坐标系。

致动装置2包括音圈致动器，其中所述音圈致动器包括产生沿着第一致动轴线A1的移动的第一磁线圈装置4以及产生沿着第二致动轴线A2和第三致动轴线A3的移动的第二磁线圈装置5。线圈可以嵌入到电池壳体或移动设备的盖板中。

第一磁线圈装置4可以包括第一磁体6a和邻近第一磁体6a布置的第一线圈6b。第一线圈6b可以布置成使得其围绕第一磁体6a的外围延伸。在一个实施例中，第一磁线圈装置4产生围绕旋转轴线的旋转。

第二磁线圈装置5可以包括第二磁体7a和邻近第二磁体7a布置的第二线圈7b。第二磁线圈装置5还可以包括第三磁体8a和邻近第三磁体8a布置的第三线圈8b、第四磁体9a和邻近第四磁体9a布置的第四线圈9b，以及第五磁体10a和邻近第五磁体10a布置的第五线圈10b。一对磁体和线圈优选地均匀分布在第一磁线圈装置4的周围，使得第二磁线圈装置5围绕第一磁线圈装置4的外围延伸，即第一线圈6b布置在第一磁体6a与第二磁线圈装置5之间。

致动装置2还可以包括多层压电致动器，或机电聚合物-金属复合材料或合金材料、磁阻材料、电活性材料、光活性材料、温度活性材料和磁活性材料(未示出)中的任意一种。

触觉致动器还可以包括如图2所示的至少一个弹性元件11，其中所述弹性元件11限制储能器3沿着和/或围绕多个致动轴线的移动。弹性元件11可以限制储能器3的位移，但提供相对于线圈固定位置的最大磁通量变化，而不会将致动器的机械谐振限制为动态频率范围内的特定值。

本发明还涉及一种用于电子设备的多功能触觉致动系统12，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑或如手表或手环等可穿戴设备。如图3所示，触觉致动系统12包括上述触觉致动器1、处理器13、控制电路14和从储能器3向触觉致动器1的外部延伸的柔性电池电缆15。柔性电池电缆15使得触觉致动器1的储能器3沿着预定方向向磁线圈装置4、5移动和从磁线圈装置4、5移动，和/或通过产生适当的扭矩矢量围绕旋转轴线转动。

处理器13控制线圈的功能致动模式和功能，所述线圈以不同的方式运行，以获取能量或激发储能器3振荡。当线圈能够通过磁铁的机械位移(振动)或无线充电电源发射器获取电磁能量时，可以激活控制电路14。相反，当移动设备的软件应用需要向用户下发触觉信息时，可以激活线圈驱动机构(未示出)。

触觉致动系统12还可以包括至少一个位置传感器16，用于跟踪触觉致动器1的位置。位置传感器16通过提高不同功能致动模式的效率来跟踪位置。

结合本文中的各种实施例描述了各种方面和实现方式。但本领域技术人员通过实践本主题，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可满足权利要求中描述的几项的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。计算机程序可存储或分发到合适的介质上，例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质，还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分发。

权利要求书中所用的参考标记不应解释为限制了范围。除非另有说明，附图意在与说明书一起阅读(例如，网状线、部件布置、比例、程度等)，并被视为本公开的整个书面描述的一部分。如描述中所使用的，由于特定的附图面向读者，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”及其形容词和状语派生词(如“水平”、“向右”、“向上”等)仅仅是指所示结构的朝向。类似地，视情况而定，术语“向内”和“向外”通常指表面相对于其延伸轴线或旋转轴线的方向。

Claims (15)

1.一种具有多种功能致动模式的多功能触觉致动器(1)，其特征在于，

所述触觉致动器(1)包括：

致动装置(2)和至少一个可移动储能器(3)，其中

所述致动装置(2)提供和/或促进所述储能器(3)沿着和/或围绕多个致动轴线的移动；

所述储能器(3)用于提供电荷以驱动所述致动装置(2)，并且存储所述致动装置(2)产生的电荷；

第一功能致动模式包括通过从所述储能器(3)向所述致动装置(2)提供电荷来产生机械振动，其中所述电荷产生所述储能器(3)的移动；以及

第二功能致动模式包括通过所述储能器(3)的机械振动产生电荷，其中所述振动在所述致动装置(2)中产生电荷，并且所述电荷存储在所述储能器(3)中。

2.根据权利要求1所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述振动在低于30Hz且优选低于20Hz的频率下产生。

3.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述致动装置(2)产生电磁力或压电力，其中

在所述第一功能致动模式中，所述储能器(3)向所述致动装置(2)提供的所述电荷产生所述力，并且所述力产生所述储能器(3)的移动；以及

在所述第二功能致动模式中，所述储能器(3)的机械振动产生所述力，并且所述力产生存储在所述储能器(3)中的电荷。

4.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，还包括第三功能致动模式，

所述第三功能致动模式包括通过磁能发射器在所述致动装置(2)中产生电荷，其中所述电荷存储在所述储能器(3)中。

5.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述多个致动轴线包括至少一个线性轴线和/或至少一个旋转轴线。

6.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述储能器(3)沿着和/或围绕所述多个致动轴线同时移动。

7.根据权利要求1所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述储能器(3)沿着第一致动轴线(A1)、第二致动轴线(A2)和第三致动轴线(A3)同时或依次移动，其中

所述第一致动轴线(A1)、所述第二致动轴线(A2)和所述第三致动轴线(A3)形成三维笛卡儿坐标系。

8.根据权利要求7所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述致动装置(2)包括音圈致动器，其中

所述音圈致动器包括产生沿着所述第一致动轴线(A1)的移动的第一磁线圈装置(4)，以及

所述音圈致动器包括产生沿着所述第二致动轴线(A2)和所述第三致动轴线(A3)的移动的第二磁线圈装置(5)。

9.根据权利要求8所述的触觉致动器(1)，其特征在于，

所述第一磁线圈装置(4)包括第一磁体(6a)和邻近所述第一磁体(6a)布置的第一线圈(6b)，以及

所述第二磁线圈装置(5)包括第二磁体(7a)和邻近所述第二磁体(7a)布置的第二线圈(7b)。

10.根据权利要求9所述的触觉致动器(1)，其特征在于，

所述第一线圈(6b)布置成使得其围绕所述第一磁体(6a)的外围延伸，以及

所述第二磁线圈装置(5)还包括：第三磁体(8a)和邻近所述第三磁体(8a)布置的第三线圈(8b)、第四磁体(9a)和邻近所述第四磁体(9a)布置的第四线圈(9b)，以及第五磁体(10a)和邻近所述第五磁体(10a)布置的第五线圈(10b)，其中

所述第二磁线圈装置(5)布置成使得其围绕所述第一磁线圈装置(4)的外围延伸。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述多个致动轴线包括至少一个线性轴线和/或至少一个旋转轴线；

所述旋转轴线与所述第一致动轴线(A1)相同，以及

所述第一磁线圈装置(4)产生围绕所述旋转轴线的旋转。

12.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，所述致动装置(2)包括多层压电致动器，或机电聚合物-金属复合材料或合金材料、磁阻材料、电活性材料、光活性材料、温度活性材料和磁活性材料中的任意一种。

13.根据权利要求1或2所述的触觉致动器(1)，其特征在于，还包括至少一个弹性元件(11)，其中所述弹性元件(11)限制所述储能器(3)沿着和/或围绕所述多个致动轴线的移动。

14.一种用于电子设备的多功能触觉致动系统(12)，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的触觉致动器(1)、处理器(13)、控制电路(14)和从所述储能器(3)向所述触觉致动器(1)的外部延伸的柔性电池电缆(15)。

15.根据权利要求14所述的多功能触觉致动系统(12)，其特征在于，所述触觉致动系统还包括至少一个位置传感器(16)，用于跟踪所述触觉致动器(1)的位置。

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