专利名称：触敏设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括触敏(touch sensitive)屏幕或面板的触敏设备。
背景技术：
US 4，885，565、US 5，638，060、US 5，977，867、US2002/0075135 描述了当被触摸时具有对用户的触觉反馈的触摸操作装置。在US 4，885，565中，提供了一种致动器，用以当该致动器被激励来提供触觉反馈时将动作通知给CRT (阴极射线管)。在US 5，638，060 中，将电压施加给压电元件，该压电元件形成一个开关以便振动该元件，从而将反作用力施加到用户的手指。在US5，977，867中，当触摸屏幕被手指或指针触摸时，触觉反馈单元产生用户感测到的机械振动。控制机械振动的幅度、振动频率和持续时间，该持续时间长得足够感觉得到但是短到足够在下一次按键触摸之前结束。US2002/0075135描述了使用辅助换能器以模拟按钮点击的瞬态的形式来提供振动。在上述的每个现有技术文献中，响应于用户手指或指针的单独触摸来提供触觉反馈。
发明内容
根据本发明，提供了一种在耦合系统中生成期望触感(haptic sensation)的方法，所述耦合系统包括触摸表面和与该触摸表面耦合的力激励器或力致动器，所述方法包括生成频率在所述耦合系统的频率带宽内的载波信号；利用复杂调制来调制所述载波信号，其中调制后的载波信号具有可比拟产生所述期望触感的低频信号的时间响应的时间响应；和利用调制后的载波信号驱动所述激励器或致动器以激励所述触摸表面，从而所述期望触觉以所述耦合系统的频率带宽以下的频率被感觉，以便模拟用户触摸所述触摸表本申请人已经意识到，当用户触摸由调制后的信号激励的表面时，通过将调制后的载波信号的时间响应与产生期望触感的信号的时间响应相匹配，用户将高频调制信号解调为将要生成的但是为普通低频刺激的期望触觉响应。用户具有两种类别的传感器。一种类别是缓慢地适应并检测恒定刺激法(例如，压力和皮肤拉伸)。另一种类别是仅快速地适应并检测短脉冲(例如，初始接触和振动)。本发明从已知的听觉心理声学行为(其中用户会觉察到实际上由系统产生的频率以下的频率)中进行推断，从而建议存在可比拟的触摸响应，其中用户会感测到实际上由机械系统产生的频率以下的频率的存在。因此，耦合机械系统可能能够以例如在10到40赫兹的范围内的超低频率模拟期望触感。不可能直接生成这么低的频率，因为它们明显低于耦合系统自身的频率范围。和所有感觉神经通路一样，关于触摸的神经细胞会产生以与刺激强度相关的速率发送到大脑的脉冲。神经放电(nerve firing)的概率与接收到的脉冲的数量成比例。通过泄露积分器(leaky integrator)的等效物在神经系统内对这些神经放电进行积分来产生与刺激的主观强度成比例的觉察级别。 触摸系统可被认为是电气系统的类似物，其中神经放电会产生可能对应于“软整流器”模型的脉冲，
-, fj(i) = p0 +J- Mjf +1 、2 ν 4β或P(I)=A^Wi + !滤波器h(t)表示神经元的频率选择性并且相对于感觉阈值而定标(在相应的心理声学模型中，该定标是阈值上的30dB(分贝)的信号给出1的幅度)。常数Ptl是激励强度对脉冲重复率的定标因子。用户经历的感觉随后关于该放电的低通滤波(或泄露积分) 的输出。换句话说，用户对感测到的信号解调以便提取信号中的设计的复杂调制信息，包括时间包络(例如，对高频载波信号的调制的持续时间)。用户进行的解调(即，从载波中的信息提取)可能包括以下步骤。首先，神经末梢产生重复率为与所施加压力(即振动所产生的力(整流过程))相关的脉冲。然后，所述脉冲被“装箱”，即在固定时间窗口上进行计数(积分过程)。如果该计数超过给定阈值(选择性的阈值)，则神经细胞以由神经放电的数量确定的感觉的强度放电。换句话说，在相似的电气系统中，用户有效地用作整流器，例如，全波整流器，用以将来自表面的接收到的振动信号转换为一个稳定极性。然后，将整流后的信号传送到低通滤波器，从而低频信号通过但是具有比滤波器截止频率高的频率的信号被衰减。与使用简单的类似色调(tone-like)的信号而得到的相比，载波的复杂调制允许用户在低频范围中觉察到增加的触感响应，在高频范围中耦合系统更有效操作。它也允许耦合触觉系统的可用带宽的使用得到最大化。复杂调制包括以下方法，例如脉冲宽度或脉冲重复率调制、频率调制、多频调制和相位调制或者这些技术的组合，以便实现对用户的目标功能响应。根据本发明的另一方面，提供了一种触摸设备，包括触摸表面；与触摸表面耦合的力激励器，用于响应发送到激励器的信号而激励表面上的振动，该触摸表面和激励器一起形成耦合系统；和信号发生器，用于生成信号，该信号发生器生成频率在耦合系统的频率带宽内的载波信号，并且利用复杂调制来调制载波信号，其中调制后的载波信号具有可比拟产生期望触感的低频信号的时间响应的时间响应，从而响应于调制后的载波信号触摸由激励器激励的触摸表面的用户经历以耦合系统的频率带宽以下的频率觉察的期望触感。触感可以向用户提供按钮点击的感觉。可替换地，可以生成复杂触觉信号(在产生的位移和/或加速度方面)来向用户提供附加的信息。触觉反馈信号可以与用户动作或姿势等相关联。可替换地，或者另外，触觉信号可以在显示动作或反应方面与表面的响应相关联。载波信号可以是单一频率的闸化正弦波。可替换地，载波信号可以包括覆盖一个频率范围的多个正弦波，可以是扫频(FM调制)正弦波或者带限噪声信号。可以使用其他调制方法来生成需要的感测低频触觉刺激。
所生成的载波信号可以包含频率与产生期望触感的信号中的频率调和地相关的信息，从而会提高触感。这遵循称作程度识别(pitch recognition)的众所周知的心理声学现象，其中来自调和级数的基础的重构允许实际上缺乏刺激的低频的觉察。表面可以通过施加包括多个脉冲或脉冲流的信号来振动。脉冲流自身可以利用更复杂的副脉冲链来编码。调制可以包括不同的叠加脉冲链，其可以是不同的幅度。振动可以包括任何类型的振动，包括弯曲波振动，其包括谐振弯曲波振动。振动激励器可以包括用于将弯曲波振动施加到屏幕表面的部件。振动激励器可以是电机械的。激励器可以提供区域为100赫兹到400赫兹的耦合系统的频率带宽的激励。 致动器可以具有高Bl或耦合系数(force factor)。Bl的值可以大于3或大于5。Bl在标准电磁激励器中被定义为音圈间隙中的磁场强度与磁场中的电线长度的乘积，单位是特斯拉-米(T · m)。激励器可以是电磁激励器，并且可以具有150赫兹到300赫兹的耦合系统的频率带宽。这样的激励器在技术领域，例如从属于本申请人并且并入于此作为参考的 W097/09859.W098/34320和W099/13684中都是公知的。可替换地，激励器可以是压电换能器、磁致伸缩激励器或者弯曲器或扭转换能器(例如，WO 00/13464中示教的类型)。压电换能器可以具有下限区域为100赫兹到350赫兹的耦合系统的频率带宽。该激励器可以是分布模式致动器，如作为引用并入于此的W001/54450中所述，并且可以具有150赫兹到350 赫兹的耦合系统的频率带宽。可以选择多个激励器(可能是不同类型)以协调方式工作。 每种激励器可以是惯性的。触摸表面可以是面板形式的组件，作为弯曲波设备，例如谐振弯曲波设备。触摸屏幕也可以是扬声器，其中辅助振动激励器激励产生声学输出的振动。例如，触摸屏幕可以是如作为参考并入的国际专利申请W097/09842中描述的谐振弯曲波模式扬声器。如在本申请人的国际专利申请WO 01/48684、WO 03/005292和/或W004/053781 中所描述的，可以检测和/或跟踪触摸表面上的接触。这些国际专利申请并入于此作为参考。可替换地，可以使用其它已知方法来接收和记录或感测这样的接触。例如，可以使用诸如电容性接近传感和光学传感之类的间接传感方法。从而，触摸表面可以使用直接或间接传感方法并且可以称为触敏表面。本发明进一步提供了用于实现上述方法的具体为诸如盘、CD(致密盘)_或 DVD-ROM(数字多用途盘-只读存储器)的数据载体、诸如只读存储器(固件)的编程存储器或者诸如光学或电信号载体的数据载体上的处理器控制代码。实现本发明实施例的代码 (和/或数据)可以包括诸如C之类的传统编程语言(解释或编译的)中的信源、对象或可执行代码、或者汇编代码、用于设置或控制ASIC (特定用途集成电路)或FPGA (现场可编程门阵列)的代码、或者诸如Verilog(商标)或VHDL(极高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言代码。技术人员将会理解，这样的代码和/或数据可以彼此相互联络地在多个耦合组件之间分发。
在附图中通过举例概略地图示了本发明，其中
图Ia是触摸屏幕的平面图；图Ib是供图Ia的触摸屏幕使用的系统的方框图；图加是示出产生期望感觉的信号的频谱(随频率变化的幅度)与来自当前信号的可用力的图；图2b是期望感觉的时域频谱；图2c是示出输出变化(dB)相对于频率的生成信号和当前信号的力频谱；图2d是期望感觉与由图2c的信号生成的力的时域频谱；图2e是期望信号与实际信号随时间变化的检测输出；图3是方法的流程图。
具体实施例方式图Ia示出了触敏设备10，该触敏设备10包括正被用户的手指接触的触摸屏幕 12。使用一个或多个传感器17来检测屏幕上的触摸或移动，并且提供激励器16来生成屏幕内的信号。图Ib示出了触摸设备10如何被适配成使用触觉方法和机械反馈技术来产生对用户的触摸相关反馈。响应于用户的触摸通过激励器机械地激励屏幕表面。如图Ib中所示， 触摸屏幕12连接到检测接触本质的传感器17。该传感器连接到处理器沈，该处理器沈处理来自指示调制发生器观产生信号的传感器的信号。信号被传送到用户18，并且用户的神经反应有效地提供整流器四和滤波器30 (如下面更详细所述)。滤波器30降低来自脉冲发生器的任何高频突破(breakthrough)。图加示出了没有调制或滤波地由系统生成的信号的频谱(幅度随频率的变化)。 由激励器生成的信号具有峰值近似225赫兹的幅度，并且在从近似150赫兹到350赫兹的该最大值的80%处。相反，期望感觉具有近似25赫兹的峰值并且是在从近似15赫兹到35 赫兹的80%以上。两个频谱都具有相似的形状并且相互成比例。然而，期望感觉具有相当低的频率、即超低频，并且当与由激励器生成的信号相比时降低了一个级别的幅度。图2b示出了图加中所示的期望感觉的时域频谱。该脉冲宽度小于200ms (毫秒)， 更具体地近似100ms。图2c示出了由系统使用的示例信号的更多细节，即，在IOOms期间上频率从350 赫兹下降到100赫兹的线性扫频正弦波。如图2c中所示，大多数电信号被再现为合力 (resulting force)0图2d将图2c的信号的时域频谱与图2b中所示的信号的时域频谱相比较。在该时域中，调制发生器所产生的信号提供振动力，但是在两个信号的包络之间存在良好匹配， 即，这两个信号在大约350ms的相同时间段内衰退到近似零。图加图示了来自脉冲发生器的信号的用户解调结果。当被用户接收时在触敏表面生成的信号有效地穿过全波整流器，因此整个输入波形在它的输出端被转换为单个 (正)极性。该整流后的信号随后有效地穿过低通滤波器，因此低频信号穿过，但是频率比截止频率更高的信号被衰减。每个频率的实际衰减量随用户不同而改变。假定截止频率为大约100赫兹。由调制后的信号产生的感觉对于产生期望感觉的基础信号来说是有用的匹配。
如图3所示，在步骤200，用户触摸设备的屏幕，并且在步骤202，安装在屏幕上的传感器检测该触摸。一旦检测到触摸，在步骤S204，传感器发送信号到处理器。随后处理器进行步骤S206到S210，以便为安装到屏幕的激励器生成输出信号。处理器生成在耦合系统的频率带宽内的载波信号，并且调制所生成的载波信号，从而调制后的载波信号具有可比拟产生期望触感的信号的时间响应。调制后的信号被频率调制并且可以利用进一步的复杂调制来补充。调制后的信号的形式可以是减幅正弦波。调制后的信号的形式可以为h(t) = f(t)g(t)
权利要求
1.一种在耦合系统中生成期望触感的方法，所述耦合系统包括触摸表面和与该触摸表面耦合的力激励器或力致动器，所述方法包括生成频率在所述耦合系统的频率带宽内的载波信号；利用复杂调制来调制所述载波信号，其中调制后的载波信号具有可比拟产生所述期望触感的低频信号的时间响应的时间响应；和利用调制后的载波信号驱动所述激励器或致动器以激励所述触摸表面，从而所述期望触觉以所述耦合系统的频率带宽以下的频率被觉察，以便模拟用户触摸所述触摸表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述系统包括分布模式致动器，其具有下限区域为 150赫兹到350赫兹的耦合系统的频率带宽。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述系统包括压电致动器，其具有下限区域为100赫兹到300赫兹的耦合系统的频率带宽。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述系统包括电磁致动器，其具有下限区域为150赫兹到300赫兹的耦合系统的频率带宽。
5.如权利要求1或4所述的方法，其中所述系统包括提供区域为100赫兹到400赫兹的具有高Bl或者耦合系数的耦合系统的频率带宽的致动器。
6.如任一在前权利要求所述的方法，其中所述复杂调制包括频率调制。
7.如任一在前权利要求所述的方法，其中所述复杂调制包括相位调制。
8.如任一在前权利要求所述的方法，其中所述复杂调制包括脉宽调制。
9.如任一在前权利要求所述的方法，其中所述复杂调制包括脉冲重复率调制。
10.一种触敏设备，包括触摸表面，与触摸表面耦合的力激励器，用于响应发送到激励器的信号而激励表面上的振动，该触摸表面和激励器一起形成耦合系统，和信号发生器，用于生成信号，该信号发生器生成频率在耦合系统的频率带宽内的载波信号，并且利用复杂调制来调制所述载波信号，其中调制后的载波信号具有可比拟产生期望触感的低频信号的时间响应的时间响应，从而响应于调制后的载波信号触摸由激励器激励的触摸表面的用户经历以耦合系统的频率带宽以下的频率觉察的期望触感。
11.如权利要求10所述的设备，包括分布模式致动器，其具有下限区域为150赫兹到 350赫兹的耦合系统的频率带宽。
12.如权利要求10所述的设备，包括压电致动器，其具有下限区域为100赫兹到300赫兹的耦合系统的频率带宽。
13.如权利要求10所述的设备，包括电磁致动器，其具有下限区域为150赫兹到300赫兹的耦合系统的频率带宽。
14.如权利要求10或13所述的设备，包括提供区域为100赫兹到400赫兹的具有高 Bl或耦合系数的耦合系统的频率带宽。
全文摘要
一种触敏设备，包括触摸表面；与触摸表面耦合的力激励器，用于响应发送到激励器的信号而激励该表面上的振动，该触摸表面和激励器一起形成耦合系统；和信号发生器，用于生成信号，该信号发生器生成频率在耦合系统的频率带宽内的载波信号，并且利用复杂调制来调制载波信号，其中调制后的载波信号具有可比拟产生期望触感的低频信号的时间响应的时间响应，从而响应于调制后的载波信号触摸由激励器激励的触摸表面的用户经历以耦合系统的频率带宽以下的频率觉察的期望触感。
文档编号G06F3/041GK102365609SQ201080014707
公开日2012年2月29日 申请日期2010年4月1日 优先权日2009年4月2日
发明者M.科洛姆斯, N.J.哈里斯 申请人:新型转换器有限公司