便携式电子设备的制造方法
专利名称:便携式电子设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开涉及便携式电子设备，具体地，提供了一种便携式电子设备，包括：外壳；与外壳相关联的触摸组件，能被便携式电子设备的用户接触；与触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与致动器板组件分离的致动器；与致动器板组件相关联的传感器，用以测量间隙；及由此，由致动器提供给致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。电磁致动器在计算设备中提供触觉反馈，包括在可移动致动器板和致动器之间的致动器间隙。间隙传感器测量在力板和致动器之间的致动间隙。致动间隙距离会由于各种环境或用户因素而改变。通过响应于测得的间隙距离的变化来调整由致动器施加在致动器板上的力，可以使提供给用户的触觉反馈的量一致。
【专利说明】
便携式电子设备
技术领域
[0001]本公开一般而言涉及用于在计算设备中提供触觉反馈的电磁致动器。更具体而言，本公开涉及对可移动触觉输出元件和致动器之间的间隙距离的变化进行补偿。
【背景技术】
[0002]“触觉(haptic)”是通过对人传送力、振动或其它运动刺激触摸的感觉的触感(tactile)反馈技术。可以使用通过各种形式的运动引起的刺激来提供响应于输入命令或系统状态的触感反馈。计算机或其它便携式电子设备可以结合触觉致动器，其响应于由用户对便携式电子设备采取的一些动作或给出的指示而产生这些力或运动来向该用户提供感官反馈或应答。例如，由用户产生的输入命令、设备操作状态、响应于设备上执行的软件等等都可以通过触觉输出进行应答。
[0003]触觉致动器的一个例子提供了响应于电刺激的机械运动。一些触觉反馈机制使用电气-机械技术，诸如振动马达，其中中心质块被移动以创建谐振频率的振动。其它触觉反馈机制使用附连到触摸板(touchpad)或触摸屏的力产生设备来产生可以被用户感知的移动。触觉反馈的质量会取决于触觉反馈机制和触摸屏之间的各种制造公差。
【发明内容】
[0004]根据一种实施例，提供了一种便携式电子设备，包括:外壳；与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触;与所述触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器；与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。
[0005]可以利用连接到便携式电子设备上的触摸板的致动器来提供触觉反馈。致动器可以通过致动器驱动信号来控制。当电子设备的用户与触摸板交互时，用户可以作出手势和执行其它触摸相关的任务。当用户想要选择屏幕上的对象或执行传统上与按钮或键盘致动事件相关联的类型的其它任务时，用户可以贴着触控板(trackpad)的表面向下按压。当检测到足够的力时，可以采取适当的行动并且可以向致动器施加驱动信号。其它实施例可以使用用户的手指或用户身体的其它部分沿触摸板的运动方向来产生给便携式电子设备的信号。
[0006]可以使用致动器(actuator)来产生触觉反馈，以确认用户的移动并且向用户信号通知他或她所期望的指令已被接收到。触觉技术可以应用到各种输入设备，以提高人机交互。例如，触控板或触摸显示器可以通过在预定位移内致动触摸表面来向用户提供诸如点击或振动的触感反馈。由致动器提供的触觉反馈的质量会由于各种环境因素或便携式电子设备的用户滥用受到有害的影响。例如，掉落便携式电子设备会影响某些预设的制造公差。
[0007]触觉反馈设备通常在可移动板和驱动器/壳体之间有机械间隙。这个间隙被精心设计，以提供到可移动板足够的行程距离，同时最小化对便携式电子设备装饰外观的负面影响。由于一些触觉致动器(例如，电阻致动器、静电致动器)的致动力是可移动部件和致动器之间的间隙的函数，因此致动力在制造期间针对给定致动间隙进行校准。但是，这种致动间隙在触觉输入设备的使用过程中会改变。例如，致动间隙可能由于掉落事件中的机械冲击或由于材料的松弛/变形被改变。间隙可能由于用户输入被改变。例如，在触控板中，在触控板上施加力的同时用户的拖动运动会在操作期间改变间隙。致动间隙的变化会导致对用户不一致的触感反馈。在最坏的场景中，致动力由于较小的间隙而增加太多，并且可移动的表面撞击致动器(或壳体)，这会导致对设备的损坏或产生不希望的噪声。
[0008]—些现有设备通过利用诸如加速计的传感器测量可移动板的运动来控制触觉系统。这种方法需要可移动板的致动，以获得用于下一次致动的反馈信息，并且如果间隙由于在用户手指移动过程中由用户施加到触控板上的压力被动态改变，则这种方法不起作用。
[0009]在一种实施例中，所公开的方法使用集成的传感器来测量致动器和致动板(或触控板的壳体)之间的间隙。间隙或间隙变化可以通过电容、电感、光学或热传感器来测量。触觉系统基于在制造期间在工厂校准的已知传递函数和测得的间隙尺寸控制致动力，以对用户提供一致性触感反馈。在另一种实施例中，公开了集成到触觉系统中的间隙传感器的机械设计。在还有的另一种实施例中，公开了用于制造包括间隙传感器的触觉系统的方法。
【附图说明】
[0010]图1是包括触控板的电子设备的透视图；
[0011]图2是图不计算机系统的框图；
[0012]图3是示出包括触敏表面和输入致动器的输入/输出设备的透视图；
[0013]图4是图3的输入/输出设备的底部平面图；
[0014]图5是在图3和4中图示的输入输出装置的侧视图；
[0015]图6示出了用于致动板和致动器的控制电路的示意图；
[0016]图7是用于测量输入和输出对间隙间隔进行控制的触觉效果的示例方法的流程图；
[0017]图8是具有附连到致动板的柔性电路的致动器和致动器板的顶视图；
[0018]图8A是穿过图8的线8A-8A的剖视图；
[0019]图8B是穿过图8的线8B-8B的剖视图；
[0020]图9是包括第二致动器和被定位成与第一致动器相邻的第二致动器板的力组件的仰视图；
[0021]图10是图9中所示的实施例的侧视图；
[0022]图11示出了用来在一种实施例中检测间隙距离的平行板自电容传感器；
[0023]图12示出了用来在一种可替代实施例中检测间隙距离的互电容梳指型传感器；
[0024]图13示出了用来在另一种实施例中检测间隙距离的涡流传感器；
[0025]图14示出了用来在另一种实施例中检测间隙距离的光学传感器;及
[0026]图15是图示用于制造触控板的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年3月8日提交的标题为“Gap Sensorfor Haptic Feedback Assembly”的美国临时申请N0.62/129,896的权益，其公开内容由此通过引用被完整地结合于此。
[0028]本公开可以通过参考以下详细描述、并结合如以上简要描述的附图来理解。应该注意，为了说明的清楚起见，附图中的某些元素可能没有按比例绘制。相同的标号贯穿各个图中的每个图表示相似的结构。
[0029]当用户与便携式电子设备交互时，可能会请求他或她向该便携式电子设备提供某些输入，以便设备确定用户的需要和/或意愿。为了向用户提供触感反馈来应答和确认用户输入，可以使用触觉。例如，用户可能希望触感确认来应答他或她指示触摸屏上的各种应用中用户希望访问哪个应用的指令。也可以提示用户来调整便携式电子设备的某些功能，诸如声音、图片质量等。这可以通过触摸在触摸屏上显示的指示器或利用触控板在屏幕上移动标记来完成。在便携式电子设备上的一些应用中，可以提示用户来选择触摸屏上的数字或字母，以向便携式电子设备提供特定的输入。例如，用户可以通过在某个位置输入标记来拼写单词或完成表格。在所有上述情况下，用户希望确保选择了表示他或她的真实意图的适当的指令。为了满足对确认的这种需要，用户可能期望这种触摸的物理应答。
[0030]物理确认可以通过便携式电子设备在显示器上以视觉应答做出，其可以确认用户指令已被接收到。但是，在一些实施例中，用户可能希望以触觉反馈的形式从便携式电子设备接收他或她的命令或输入已被接收到的物理应答。这种反馈可以通过向在输入操作期间可能与设备接触的用户的一个或多个手指施加力、振动或运动以触感反馈的形式做出。为了提供这种触觉反馈，一些便携式电子设备可以结合向与该设备相关联的触控板或触摸屏施加力或运动的致动器，其中运动作为设备的输出被用户感知。
[0031]一般而言，本文描述的实施例可以采取用于向用户提供触觉输出的触觉组件的形式。触觉致动器可以响应于输入信号或输出信号或者作为输出信号的一部分提供触觉输出。致动器可以改变其输出，以便成形和控制触觉响应以及由此被用户感受的感觉。在一些实施例中，致动器可以被电磁地控制。本文所描述的实施例可以被结合到各种电子或电气设备中，诸如触控板、鼠标或其它输入(或输出)设备。触觉设备可以被结合到诸如膝上型计算机、智能电话、数字音乐播放器、平板计算设备、便携式计算设备、用于家电的反馈或输出的设备、汽车、触摸屏等的电子设备中。
[0032]便携式电子设备中的触觉反馈可以由致动器来提供，该致动器与通过间隙距离与致动器隔开的致动器板电磁地相互作用。维持这种间隙距离对于触觉输入设备的操作是重要的，因为触觉反馈的质量取决于其。在一些情况下，间隙距离的减小会导致致动器接触致动器板和/或接触便携式电子设备本身。该间隙可以在便携式电子设备的制造期间被设定为最佳距离，但是它在使用期间会由于各种因素而改变，诸如由于掉落对设备的机械冲击、环境因素、或设备的正常磨损和撕裂。因此，通过感测实际的间隙距离，便携式电子设备可以补偿任何改变的间隙距离，如本文将相对于各种实施例进行描述的。即使具有改变的间隙距离，便携式电子设备也将接受用户输入。但是，作为这些输入的结果而给出的触觉反馈会由于改变的间隙距离受到有害的影响。
[0033]参考图1，可以是膝上型计算机系统的便携式电子设备11通常包括安装在外壳13上的显示器12。显示器12可以为电子设备11提供图像或视频输出。显示器12可以是基本上任何尺寸并且可以被放置在电子设备11上的基本上任何地方。在一些实施例中，显示器12可以是液晶显示屏、等离子显示屏、发光二极管显示屏，等等。显示器12除了显示来自电子设备12的输出之外，也可以用作输入设备。例如，显示器12可以包括可捕获用户对显示器12的输入的电容式触摸传感器、红外触摸传感器等。在这些实施例中，用户可以在显示器12上按压，以便提供对电子设备11的输入。在可替代的实施例中，显示器12可以与电子设备11分离或以其它方式位于电子设备11的外部，但是其之间可以通信，以接受用户输入并且为电子设备11提供视觉输出。
[0034]再次参考图1，便携式电子设备11还可以包括诸如键盘14和触控板15的用户接口，以允许用户向计算机系统11提供输入。在其它实施例中，一种类型的输入可以是来自触摸板15上用户的手指16的输入力。用户可能期望从便携式电子设备接收反馈，以确认用户在触摸板上的选择。这种反馈可以采取触觉反馈的形式，其也可以与显示器12上的视觉反馈相结合。
[0035]图2是示出根据一种实施例的包括触觉设备的示例电子设备11的示意图。设备11包括处理单元17、控制器18和触控板15或其它输入机制。控制器18和/或处理器17可以执行指令并且执行与本文所述的便携式电子设备相关联的操作。虽然计算机系统包括处理器17和控制器18，但是在一些实施例中，控制器18的功能，如本文所描述的，可以由处理单元17来实现并且控制器18可以被省略。利用来自设备存储器的指令，控制器18可以调节电子设备11的组件之间的输入和输出数据的接收和操纵。控制器18可以被实现为一个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)等。控制器18与操作系统一起可以执行计算机代码并且操纵数据。操作系统可以是众所周知的系统，诸如1S、Windows、Unix或专用操作系统或其它系统。控制器18可以包括存储器或其它存储设备来存储操作系统和数据。控制器18也可以包括应用软件来实现与便携式电子设备11相关联的各种功能。
[0036]输入机制15可以包括触控板或其它输入设备，并且，在一些实施例中，可以包括至少一个位置传感器19和/或至少一个触摸传感器21和/或至少一个力传感器22，以及一个或多个致动器23和/或致动器板24。触摸传感器21在一些实施例中可以是触摸开关。触摸开关可以包括电容式、电阻式或光学传感器或任何其它合适的传感器。此外，如果触摸传感器是电容式的，则它可以包括自电容或互电容传感器。
[0037](一个或多个)触摸传感器21、(一个或多个)位置传感器19、(一个或多个)力传感器22和致动器23中的每一个被电和/或机械耦合到触控板15、控制器18和/或处理单元17。触摸传感器21可以确定由用户在触觉设备上的一个或多个触摸的位置。(一个或多个)触摸传感器21和(一个或多个)力传感器22分别检测触摸在触控板15上的位置和力并且将相应的信号发送到控制器18。致动器23可以与控制器18和/或输入传感器通信并且可以产生到固定到触控板15的致动器板24的电磁信号，其中触控板15可以响应于来自控制器18的信号提供对触控板15的全部表面或表面的一部分的移动。即，被传感器19、21和/或22中的一个感测到的输入信号被发送到控制器18，控制器18又指示致动器23，以产生电磁信号，取决于该信号，将导致致动器板24朝向或远离致动器23移动。当致动器板24被固定到触控板15时，致动器板24的移动将导致触控板15的移动。触觉输出然后基于来自传感器19和/或21和/或22的一个或多个输入信号被发送到控制器18。
[0038]本文所描述的一些实施例可以采用用于与诸如计算机系统11的相关联的电子设备一起使用的触觉设备的形式。触觉设备可以基于到触觉设备的多个不同的输入改变通过计算机11上的触摸板或其它设备提供给用户的输出。此外，触觉设备可以基于用户输入改变提供给计算机设备11的一个或多个输入。到计算机设备11的输入可以包括基于系统状态、应用活动、传感器数据等的处理器或设备命令。因此，触觉设备可以基于一个或多个特性、设置或在特定应用中的输入适应输出以及由触觉设备提供给计算机11的输入的类型。
[0039]作为另一个例子，触觉设备可以取决于在电子设备上运行的特定应用、力输入部件(例如，用于提供输入的用户的食指、拇指或手掌)、输入力的量、输入力的速度和/或加速度、输入力的时间长度、电子设备的位置、和/或可以提供给触觉设备、电子设备或两者组合的各种其它类型的数据输入提供不同的反馈。应当注意，改变触觉设备的输出的数据输入可以由用户、触觉设备和/或电子设备11来提供。
[0040]当利用触控板15提供对计算机系统11的输入时，用户可以在触控板15上将他或她的手指16移动到期望的位置。用户也可以在期望的位置处触摸触控板15来提供输入。(一个或多个)触摸传感器21和(一个或多个)力传感器22分别检测触控板15上的触摸的位置和力并且将相应的信号发送到控制器18。控制器18与计算机系统11内部的处理单元17通信并且处理单元17相对于某些操作一般地指示控制器18。例如，在一种实施例中，处理单元17和控制器18组合使用这些信号来确定触摸的位置是否与特定应用或用户界面(UI)元素相关。如果该位置是在用于特定应用或UI元素的范围之内，则处理单元17进一步确定该力信号是否高于阈值。如果是，则处理器17可以证实该力信号为对应用或UI元素的选择。如果该力信号不是假信号，则控制器18激活与致动器板24相结合的致动器23，以移动用户的手指16下方的触控板15的表面。用户可以感测到这一运动，从而经历响应于应用或UI元素选择的触觉反馈。
[0041]在另一种实施例中，触控板15可以检测用户输入，诸如用户的触摸或用户的力。在这种实施例中，可以使用基本上检测到的任何类型的用户输入来向用户提供反馈。基于用户输入，触控板15可以被处理器17激活来移动或振动，以便给用户提供触觉反馈。在一些情况下，用户输入可以被关联到特定的应用或UI元素，在这种情况下，可以分析用户输入的位置，以确定是否期望对用户的输出。在其它实施例中，仅仅检测用户输入可足以启动触觉反馈。应当注意，触觉反馈不仅可以响应于用户输入来提供(以上提供了其例子)，而且还可以响应于系统操作、软件状态、缺少用户输入、用户输入在(一个或多个)UI元素之上经过(例如，在窗口、图标等之上拖动光标)、和/或计算机系统11的任何其它操作状态来提供。
[0042]参考图3，示出了触控板15的透视图。如上所述，提供给用户的触觉反馈的质量会取决于将致动器板24耦合到诸如触控板15的用户感测表面的互连的质量。触控板15的移动通过致动器23发送电磁信号以移动连接到触控板15的为触控板15提供振动或其它运动的致动器板24来实现。触控板15可以通过致动器23和致动器板24组合的电磁和机械操作在箭头25的方向上移动。触控板15、致动器23和致动器板24的关联和互连将在以下相对于图4-15进行更详细的描述。
[0043]参考图4，在一种实施例中，示出了包括触控板15、致动器23和致动器板24的力组件的仰视图。当通过跨致动间隙27的电磁场26通电时，致动器23和致动器板24的相互作用向触控板15提供力。从致动器23发送到板24的电磁信号26将板24朝向致动器23移动或者使板24移动离开致动器23或者两者(振动)。这种移动可以作为触摸板15或其它设备上的触觉输出被用户感觉到。
[0044]参考图5，示出了在图4中示出的实施例的侧视图。触控板15可以包括多个层，诸如:凝胶板层(或一种或多种凝胶结构)，其可以提供接地功能并且可以在产生触觉输出之后操作以恢复致动器板和/或使板接触某个位置;可以感测力和/或触摸的传感器板或结构；以及用于被用户接触的接触板。接触板可以由玻璃或任何其它合适的材料制成。用户的手指16在触控板15上的拖动和点击功能中在箭头28的方向上的移动会通过由于由用户手指16在触控板15上在方向28上施加的力而使得将致动板24(及连接的触控板15)朝向致动器23移动，来减少致动间隙27。在一种实施例中，在制造期间设置的致动间隙可以是大约300微米(3毫米)。致动间隙27的减少导致由致动器23施加在致动器板24上的致动力增加。相反，用户手指16在与箭头28相反方向上的移动会由于间隙27的延长导致由致动器23施加在板24上的致动力下降。这种致动力的变化会随着时间的推移对用户导致不一致的触感反馈，并且甚至会导致致动器板24与致动器23或设备11的其它部分接触，这会引起设备的损坏或产生不希望的噪声。
[0045]参考图6，在一种实施例中，致动间隙27可以利用间隙传感器29来测量，以测量致动器板24和致动器23之间的间隙距离27。在一种实施例中，传感器29可以是电容式传感器、电感式传感器、光学接近传感器和/或其它类型的传感器，如将在以下进行讨论的。致动间隙27的变化可以通过包括读出电路31、微控制器单元32和驱动电路33的控制电路来补偿。致动力通过基于感测到的致动间隙尺寸27改变到致动器23的输入电流的量来改变。间隙传感器实时监控间隙距离，并且因此可以允许设备通过改变输入电流补偿间隙距离的变化。致动器23和致动器板24之间施加的力与致动器间隙尺寸27的平方成反比变化。即，由致动器23施加的致动力的量可以基于致动器23的传递函数并结合由于由用户施加的力或其它条件一诸如会改变间隙距离27的掉落事件一导致的间隙27的变化来改变。
[0046]在一种实施例中，间隙27的测量可以被连续地测量，而在另一种实施例中，间隙27可以仅当用户与触控板15接触时测量。在其中间隙27被连续测量的实施例中，来自致动器装置的电磁干扰必须被补偿。在任一实施例中，由致动器板24上的致动器23施加的力的量可以实时地改变，以补偿间隙27的变化，使得即使用户施加在触控板15上的力的变化或致动间隙尺寸27由于各种环境、用户、或滥用(如掉落)情况导致的异常，触觉输出也可以被用户一致性地感知。
[0047]参考图7，公开了用于在致动板24上施加力的方法的一种实施例的流程图。在操作34中，触控板触摸传感器21感测触控板15上的用户触摸。在操作35中，由用户16施加的力的量可以通过力传感器22来测量。操作34和35两者都是可选的并且可以提供附加的输入，以改变触觉设备的输出。在操作36中，致动间隙传感器29测量致动间隙27。如果在操作37中在触摸板15上测得的力被确定为是用户输入，诸如“点击”，则以致动力形式的触觉反馈可以基于感测到的间隙27在操作38中被改变。如果在操作37中测得的力被确定为不是来自诸如点击或敲击的用户输入，则系统返回到操作34(或如果可选的操作34和35被省略，则返回到操作36)。基于来自操作38的受控的致动力，用户在操作39中通过致动板24和附连的触控板或其它表面的移动体验触觉反馈。因此，即使致动间隙27由于可改变致动间隙并因此增大或减小触觉反馈输出的各种环境、用户、或误用(例如，掉落)事件而变化，被用户所经历的触觉反馈也保持恒定。
[0048]电容式感测是基于(在一些实施例中)采用人体电容作为输入的电容耦合。存在两种类型的电容式感测系统:其中手指或其它输入机制改变电极之间的互耦合的互电容；以及其中手指或其它输入机制改变电极的对地电容的自电容，其中对象是诸如手指或触控笔。任一类型的电容式传感器系统都可以在各种实施例中使用。
[0049]参考图8，示出了利用互电容传感器的实施例。在图8中，致动器23和致动器板24的顶视图被示为具有通过压敏粘合剂或其它方式附连到致动板24的柔性电路41。在一种实施例中可以在制造期间被预设在0.3毫米(300微米)的致动间隙27将致动器23与致动板24分离。参考图8A，柔性电路41的顶视图被示为具有被接地屏蔽迹线44环绕的感测电极42和驱动电极43。参考图8B，沿着从图8的线8B-8B取剖视图。驱动电极43和感测电极42被示为具有在致动器23和电极42和43之间产生的电磁场46。如以上所讨论的，电极42/43和致动器23之间的电容取决于间隙27的尺寸变化。在一种实施例中，到致动器23的输入电流被改变，以补偿这种间隙尺寸的变化并且因此由通过致动器23产生的电磁场46诱导的致动板24的移动也变化，使得尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的移动，如被用户所感觉到的，仍然保持一 Sc ο
[0050]参考图9，示出了利用多个致动器和致动器板的可替代实施例。包括触控板15、致动器23和致动器板24的力组件的仰视图被示出具有第二致动器47和被定位成与致动器23相邻的第二致动器板48。在这个实施例中，致动器48和致动器板47已被添加到在图6中示出的实施例。当通过跨对应的致动间隙27和51的电磁场26和49被通电时，每个致动器23和48与其对应的致动器板24和47的相互作用向触控板15提供力。如同在图6中所示出的实施例，间隙传感器29用来测量间隙距离27和51并且电磁力26可以取决于间隙距离27和51的变化被改变。这个利用多个致动器和板的实施例允许装置区分用户的手指16在触控板15上在向上52或向下53的任一方向的移动。
[0051 ]再次参考图9，触控板15可移动地置于外壳54内，以允许用户16在外壳54的界限内移动触控板15。通常相同的下部装饰间隙55和上部装饰间隙56允许触控板15相对于外壳54的移动，同时防止会损坏组件并且可能在美学上不会令用户16满意的触控板15与外壳54的接触。通过实时测量致动器间隙并且补偿变化，由于触觉输出导致的触控板15在外壳54内的移动会更好地被控制，从而防止触控板15与外壳54接触。触控板15可以包括多个层，诸如:凝胶板层(或一种或多种凝胶结构)，其可以提供接地功能并且可以在产生触觉输出之后操作以恢复致动器板和/或使板接触某个位置;可以感测力和/或触摸的传感器板或结构；以及用于被用户接触的接触板。接触板可以由玻璃或任何其它合适的材料制成。
[0052]参考图10，图示了在图9中示出的实施例的侧视图。用户的手指16在触控板15上的拖动和点击功能中在箭头53的向下方向上的移动通过由于由用户手指16在触控板15上施加的力而使得将致动板24朝向致动器23移动，来减少致动间隙27。这种相同的移动和力增加了致动器48和驱动板47之间的致动间隙51。在一种实施例中，致动间隙27和51在制造期间被设置为大约300微米(3毫米)。致动间隙27的减少导致由致动器23和致动器板24施加的致动力的增加和由致动器48和致动板47施加的致动力的降低。类似地，这种移动导致装饰间隙56的增加和装饰间隙55的减少。用户手指16在相反方向52的移动会导致由致动器23和致动板24施加的致动力的降低和由致动器48和致动板47施加的致动力的增加以及结果导致的装饰间隙56的降低和装饰间隙55的增加。通过实时地测量间隙距离27和51并且改变致动力26/49来补偿间隙距离27/51的变化，这个实施例可以改变到致动器板的致动器信号，以便无论用户在触控板15上的哪个方向，52或53，移动他或她的手指16，都向用户提供一致的触觉反馈体验。
[0053]在图9和10中示出的实施例可以利用致动器23和致动器板24并且结合被定位成与致动器23相邻的附加致动器47和致动器板48来提供到触控板15的恢复力。在许多设备中，在触控板15和外壳54之间的凝胶层(未示出)通常用来提供这种恢复力。例如，在图10所示的实施例中，如果用户的手指16在向下的方向53移动触控板15，则除了通常由用来在便携式电子设备11上安装触控板15的凝胶层接口提供的恢复力之外，致动器23和致动器板24还可用来在方向52移动触控板15，以使间隙27和51以及装饰间隙55和56基本上相等。
[0054]传感器29，如上所述，可以是例如平行板自电容传感器。参考图11，示出了利用自电容传感器29的一种实施例。如以上所讨论的，这种自电容传感器可以利用粘合剂或其它方式附连到致动器板24。致动器板(定子)24和致动器(电枢)23之间的电压差57作为致动间隙27的变化的函数变化。即，电容的变化是电压的变化的函数，该电压的变化又是致动器23和致动器板24之间的间隙距离27的变化的函数。当用户的手指16在触控板15上移动时，间隙距离27被实时测量，间隙距离27的变化用来改变电压差57，以补偿触觉力的变化，其中触觉力否则将由于改变的间隙距离27而被触觉输出设备施加。通过改变作为变化的间隙距离27的函数的电压差，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感觉到的，仍然保持一致。
[0055]参考图12，在另一种实施例中，使用传感器(其可以是互电容式梳指类型传感器)来感测间隙27。在这种实施例中，致动器23包括端部58。当致动器板24相对于致动器23移动时，结果产生的致动间隙距离27的变化导致在端部58和致动器板24之间测得的电容的变化。电容的变化是由于与板24相邻的端部58的表面面积59的变化。电容的变化然后是分别致动器23和致动器板24之间的距离27的变化的函数。距离27可以在用户的手指16在触控板15上移动时进行测量，并且距离27的变化用来修改由触觉反馈设备施加的触觉力输出。通过作为变化的间隙距离27的函数改变致动器23和致动器板24之间的电磁力26，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一致。
[0056]参考图13，在另一种实施例中，传感器29可以是涡流传感器。涡流是由于感应在导体内由导体中变化的磁场感应的电流。线圈61可以测量涡流流动的量。在线圈环路61中的电流的大小与致动器23和致动器板24之间感应的磁场26的强度成正比，其是间隙距离27的函数，并且因此在图13中所示的涡流传感器可以用来测量间隙距离27的变化。当用户的手指16在触控板15上移动时，距离27被测量，并且距离27的变化用来补偿由触觉反馈设备施加的触觉力的变化。由致动器23产生的电磁场26也作为变化的间隙距离27的函数改变，使得尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一 Sc ο
[0057]参考图14，可以是光电传感器62的光学传感器可以用作传感器29。在这个实施例中，光学传感器62测量致动器23和致动板24之间的间隙距离27。光束63从传感器62发射到致动器板24并且反射回到传感器62，以测量致动器板24和致动器23之间的距离27。当用户的手指16在触控板15上移动时，距离27被测量，并且距离27的变化被用来补偿由触觉反馈设备施加的触觉力的变化。通过作为变化的间隙距离27的函数改变致动器23和致动器板24之间的电磁力26，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一致。
[0058]参考图15，图示用于制造包括触觉反馈设备的触控板的操作的流程图被示出。在操作64，间隙传感器29被连接到致动器。在操作65，致动器板被连接到力组件。在致动器板与力组件之间的这种牢固的机械互连导致由致动器感应的、被高效地传递到致动器板并从而到力组件的上下振动、横向振动、或其它移动。在操作66，可以包括控制器的设备板被牢固地连接到致动器，以向致动器供应和控制电力。触摸板与力组件在操作67中相关联，其可以包括在力组件和触摸板组件之间放置柔性垫，柔性垫可以是泡沫或凝胶垫。触摸板组件可以包括凝胶板层(或一组凝胶结构)、传感器板或其它传感器装置、和用于被用户的人接触的接触板或其它结构。
[0059 ]根据一种实施例，提供了一种便携式电子设备，包括:外壳；与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触;与所述触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器；与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。
[0060]根据另一种实施例，所述传感器是电容式传感器。
[0061]根据另一种实施例，所述电容式传感器是平行板传感器。
[0062]根据另一种实施例，所述电容式传感器是梳指传感器。
[0063]根据另一种实施例，所述传感器是涡流传感器。
[0064]根据另一种实施例，所述传感器是光学传感器。
[0065]根据另一种实施例，用户接触给所述便携式电子设备提供输入。
[0066]根据另一种实施例，所述致动器板组件提供所述触摸组件的移动以应答所述输入。
[0067]根据另一种实施例，所述便携式电子设备还包括:与所述触摸组件相关联的第二致动器板组件;通过第二间隙与所述第二致动器板组件分离的第二致动器;及与所述第二致动器板组件相关联的第二传感器，用以测量所述第二间隙。
[0068]根据一种实施例，提供了一种用于在触控板上产生触觉反馈的方法，包括下列步骤:检测所述触控板上的用户触摸;确定由感测到的用户触摸在触控板上产生的力的量;测量致动器和与所述触摸板相关联的致动器板之间的致动间隙；及基于测量得的致动间隙改变由所述致动器施加给所述致动器板的电磁输入。
[0069]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括电容式地测量所述致动间隙。
[0070]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括光学地测量所述致动间隙。
[0071]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括测量所述致动器板中的涡流。
[0072]根据另一种实施例，所述方法还包括步骤:测量在第二致动器与和所述触控板相关联的第二致动器板之间的第二致动间隙。
[0073]根据另一种实施例，所述方法还包括:利用所述第二致动器和所述第二致动器板来防止所述触控板与便携式电子设备的外壳的接触。
[0074]根据一种实施例，提供了一种用于制造触控板的方法，包括步骤:将间隙传感器连接到致动器;将致动器板连接到力组件;将设备板连接到所述致动器;及将触摸板与所述力组件相关联。
[0075]根据另一种实施例，所述间隙传感器是电容式间隙传感器。
[0076]根据另一种实施例，所述间隙传感器是光学间隙传感器。
[0077]根据另一种实施例，所述间隙传感器是涡流传感器。
[0078]根据另一种实施例，所述方法还包括步骤:将第二间隙传感器连接到第二致动器；将第二致动器板连接到所述力组件;及将所述设备板连接到所述第二致动器。
[0079]前面的描述，出于解释的目的，使用了特定的术语来提供对所述实施例的透彻理解。但是，对本领域技术人员来说显而易见的是具体细节对于实践所述实施例不是必需的。因此，本文所描述的特定实施例的以上描述是为了说明和描述的目的给出。它们不是要穷举或限制实施例到所公开的精确形式。对本领域普通技术人员来说，将明显，许多修改和变化鉴于以上教导也是可能的。
【主权项】
1.一种便携式电子设备，其特征在于包括: 夕卜壳； 与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触； 与所述触摸组件相关联的致动器板组件； 通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器； 与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。2.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是电容式传感器。3.如权利要求2所述的便携式电子设备，其特征在于所述电容式传感器是平行板传感器。4.如权利要求2所述的便携式电子设备，其特征在于所述电容式传感器是梳指传感器。5.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是涡流传感器。6.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是光学传感器。7.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于用户接触给所述便携式电子设备提供输入。8.如权利要求7所述的便携式电子设备，其特征在于所述致动器板组件提供所述触摸组件的移动以应答所述输入。9.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于还包括: 与所述触摸组件相关联的第二致动器板组件； 通过第二间隙与所述第二致动器板组件分离的第二致动器;及 与所述第二致动器板组件相关联的第二传感器，用以测量所述第二间隙。
【文档编号】G06F3/01GK205692140SQ201620173188
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年3月8日 公开号201620173188.4, CN 201620173188, CN 205692140 U, CN 205692140U, CN-U-205692140, CN201620173188, CN201620173188.4, CN205692140 U, CN205692140U
【发明人】S·永内奥卡, C·C·拉姆, S·J·麦可优恩, P·K·奥根伯格斯
【申请人】苹果公司
【专利摘要】本实用新型公开涉及便携式电子设备，具体地，提供了一种便携式电子设备，包括：外壳；与外壳相关联的触摸组件，能被便携式电子设备的用户接触；与触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与致动器板组件分离的致动器；与致动器板组件相关联的传感器，用以测量间隙；及由此，由致动器提供给致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。电磁致动器在计算设备中提供触觉反馈，包括在可移动致动器板和致动器之间的致动器间隙。间隙传感器测量在力板和致动器之间的致动间隙。致动间隙距离会由于各种环境或用户因素而改变。通过响应于测得的间隙距离的变化来调整由致动器施加在致动器板上的力，可以使提供给用户的触觉反馈的量一致。
【专利说明】
便携式电子设备
技术领域
[0001]本公开一般而言涉及用于在计算设备中提供触觉反馈的电磁致动器。更具体而言，本公开涉及对可移动触觉输出元件和致动器之间的间隙距离的变化进行补偿。
【背景技术】
[0002]“触觉(haptic)”是通过对人传送力、振动或其它运动刺激触摸的感觉的触感(tactile)反馈技术。可以使用通过各种形式的运动引起的刺激来提供响应于输入命令或系统状态的触感反馈。计算机或其它便携式电子设备可以结合触觉致动器，其响应于由用户对便携式电子设备采取的一些动作或给出的指示而产生这些力或运动来向该用户提供感官反馈或应答。例如，由用户产生的输入命令、设备操作状态、响应于设备上执行的软件等等都可以通过触觉输出进行应答。
[0003]触觉致动器的一个例子提供了响应于电刺激的机械运动。一些触觉反馈机制使用电气-机械技术，诸如振动马达，其中中心质块被移动以创建谐振频率的振动。其它触觉反馈机制使用附连到触摸板(touchpad)或触摸屏的力产生设备来产生可以被用户感知的移动。触觉反馈的质量会取决于触觉反馈机制和触摸屏之间的各种制造公差。
【发明内容】
[0004]根据一种实施例，提供了一种便携式电子设备，包括:外壳；与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触;与所述触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器；与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。
[0005]可以利用连接到便携式电子设备上的触摸板的致动器来提供触觉反馈。致动器可以通过致动器驱动信号来控制。当电子设备的用户与触摸板交互时，用户可以作出手势和执行其它触摸相关的任务。当用户想要选择屏幕上的对象或执行传统上与按钮或键盘致动事件相关联的类型的其它任务时，用户可以贴着触控板(trackpad)的表面向下按压。当检测到足够的力时，可以采取适当的行动并且可以向致动器施加驱动信号。其它实施例可以使用用户的手指或用户身体的其它部分沿触摸板的运动方向来产生给便携式电子设备的信号。
[0006]可以使用致动器(actuator)来产生触觉反馈，以确认用户的移动并且向用户信号通知他或她所期望的指令已被接收到。触觉技术可以应用到各种输入设备，以提高人机交互。例如，触控板或触摸显示器可以通过在预定位移内致动触摸表面来向用户提供诸如点击或振动的触感反馈。由致动器提供的触觉反馈的质量会由于各种环境因素或便携式电子设备的用户滥用受到有害的影响。例如，掉落便携式电子设备会影响某些预设的制造公差。
[0007]触觉反馈设备通常在可移动板和驱动器/壳体之间有机械间隙。这个间隙被精心设计，以提供到可移动板足够的行程距离，同时最小化对便携式电子设备装饰外观的负面影响。由于一些触觉致动器(例如，电阻致动器、静电致动器)的致动力是可移动部件和致动器之间的间隙的函数，因此致动力在制造期间针对给定致动间隙进行校准。但是，这种致动间隙在触觉输入设备的使用过程中会改变。例如，致动间隙可能由于掉落事件中的机械冲击或由于材料的松弛/变形被改变。间隙可能由于用户输入被改变。例如，在触控板中，在触控板上施加力的同时用户的拖动运动会在操作期间改变间隙。致动间隙的变化会导致对用户不一致的触感反馈。在最坏的场景中，致动力由于较小的间隙而增加太多，并且可移动的表面撞击致动器(或壳体)，这会导致对设备的损坏或产生不希望的噪声。
[0008]—些现有设备通过利用诸如加速计的传感器测量可移动板的运动来控制触觉系统。这种方法需要可移动板的致动，以获得用于下一次致动的反馈信息，并且如果间隙由于在用户手指移动过程中由用户施加到触控板上的压力被动态改变，则这种方法不起作用。
[0009]在一种实施例中，所公开的方法使用集成的传感器来测量致动器和致动板(或触控板的壳体)之间的间隙。间隙或间隙变化可以通过电容、电感、光学或热传感器来测量。触觉系统基于在制造期间在工厂校准的已知传递函数和测得的间隙尺寸控制致动力，以对用户提供一致性触感反馈。在另一种实施例中，公开了集成到触觉系统中的间隙传感器的机械设计。在还有的另一种实施例中，公开了用于制造包括间隙传感器的触觉系统的方法。
【附图说明】
[0010]图1是包括触控板的电子设备的透视图；
[0011]图2是图不计算机系统的框图；
[0012]图3是示出包括触敏表面和输入致动器的输入/输出设备的透视图；
[0013]图4是图3的输入/输出设备的底部平面图；
[0014]图5是在图3和4中图示的输入输出装置的侧视图；
[0015]图6示出了用于致动板和致动器的控制电路的示意图；
[0016]图7是用于测量输入和输出对间隙间隔进行控制的触觉效果的示例方法的流程图；
[0017]图8是具有附连到致动板的柔性电路的致动器和致动器板的顶视图；
[0018]图8A是穿过图8的线8A-8A的剖视图；
[0019]图8B是穿过图8的线8B-8B的剖视图；
[0020]图9是包括第二致动器和被定位成与第一致动器相邻的第二致动器板的力组件的仰视图；
[0021]图10是图9中所示的实施例的侧视图；
[0022]图11示出了用来在一种实施例中检测间隙距离的平行板自电容传感器；
[0023]图12示出了用来在一种可替代实施例中检测间隙距离的互电容梳指型传感器；
[0024]图13示出了用来在另一种实施例中检测间隙距离的涡流传感器；
[0025]图14示出了用来在另一种实施例中检测间隙距离的光学传感器;及
[0026]图15是图示用于制造触控板的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年3月8日提交的标题为“Gap Sensorfor Haptic Feedback Assembly”的美国临时申请N0.62/129,896的权益，其公开内容由此通过引用被完整地结合于此。
[0028]本公开可以通过参考以下详细描述、并结合如以上简要描述的附图来理解。应该注意，为了说明的清楚起见，附图中的某些元素可能没有按比例绘制。相同的标号贯穿各个图中的每个图表示相似的结构。
[0029]当用户与便携式电子设备交互时，可能会请求他或她向该便携式电子设备提供某些输入，以便设备确定用户的需要和/或意愿。为了向用户提供触感反馈来应答和确认用户输入，可以使用触觉。例如，用户可能希望触感确认来应答他或她指示触摸屏上的各种应用中用户希望访问哪个应用的指令。也可以提示用户来调整便携式电子设备的某些功能，诸如声音、图片质量等。这可以通过触摸在触摸屏上显示的指示器或利用触控板在屏幕上移动标记来完成。在便携式电子设备上的一些应用中，可以提示用户来选择触摸屏上的数字或字母，以向便携式电子设备提供特定的输入。例如，用户可以通过在某个位置输入标记来拼写单词或完成表格。在所有上述情况下，用户希望确保选择了表示他或她的真实意图的适当的指令。为了满足对确认的这种需要，用户可能期望这种触摸的物理应答。
[0030]物理确认可以通过便携式电子设备在显示器上以视觉应答做出，其可以确认用户指令已被接收到。但是，在一些实施例中，用户可能希望以触觉反馈的形式从便携式电子设备接收他或她的命令或输入已被接收到的物理应答。这种反馈可以通过向在输入操作期间可能与设备接触的用户的一个或多个手指施加力、振动或运动以触感反馈的形式做出。为了提供这种触觉反馈，一些便携式电子设备可以结合向与该设备相关联的触控板或触摸屏施加力或运动的致动器，其中运动作为设备的输出被用户感知。
[0031]一般而言，本文描述的实施例可以采取用于向用户提供触觉输出的触觉组件的形式。触觉致动器可以响应于输入信号或输出信号或者作为输出信号的一部分提供触觉输出。致动器可以改变其输出，以便成形和控制触觉响应以及由此被用户感受的感觉。在一些实施例中，致动器可以被电磁地控制。本文所描述的实施例可以被结合到各种电子或电气设备中，诸如触控板、鼠标或其它输入(或输出)设备。触觉设备可以被结合到诸如膝上型计算机、智能电话、数字音乐播放器、平板计算设备、便携式计算设备、用于家电的反馈或输出的设备、汽车、触摸屏等的电子设备中。
[0032]便携式电子设备中的触觉反馈可以由致动器来提供，该致动器与通过间隙距离与致动器隔开的致动器板电磁地相互作用。维持这种间隙距离对于触觉输入设备的操作是重要的，因为触觉反馈的质量取决于其。在一些情况下，间隙距离的减小会导致致动器接触致动器板和/或接触便携式电子设备本身。该间隙可以在便携式电子设备的制造期间被设定为最佳距离，但是它在使用期间会由于各种因素而改变，诸如由于掉落对设备的机械冲击、环境因素、或设备的正常磨损和撕裂。因此，通过感测实际的间隙距离，便携式电子设备可以补偿任何改变的间隙距离，如本文将相对于各种实施例进行描述的。即使具有改变的间隙距离，便携式电子设备也将接受用户输入。但是，作为这些输入的结果而给出的触觉反馈会由于改变的间隙距离受到有害的影响。
[0033]参考图1，可以是膝上型计算机系统的便携式电子设备11通常包括安装在外壳13上的显示器12。显示器12可以为电子设备11提供图像或视频输出。显示器12可以是基本上任何尺寸并且可以被放置在电子设备11上的基本上任何地方。在一些实施例中，显示器12可以是液晶显示屏、等离子显示屏、发光二极管显示屏，等等。显示器12除了显示来自电子设备12的输出之外，也可以用作输入设备。例如，显示器12可以包括可捕获用户对显示器12的输入的电容式触摸传感器、红外触摸传感器等。在这些实施例中，用户可以在显示器12上按压，以便提供对电子设备11的输入。在可替代的实施例中，显示器12可以与电子设备11分离或以其它方式位于电子设备11的外部，但是其之间可以通信，以接受用户输入并且为电子设备11提供视觉输出。
[0034]再次参考图1，便携式电子设备11还可以包括诸如键盘14和触控板15的用户接口，以允许用户向计算机系统11提供输入。在其它实施例中，一种类型的输入可以是来自触摸板15上用户的手指16的输入力。用户可能期望从便携式电子设备接收反馈，以确认用户在触摸板上的选择。这种反馈可以采取触觉反馈的形式，其也可以与显示器12上的视觉反馈相结合。
[0035]图2是示出根据一种实施例的包括触觉设备的示例电子设备11的示意图。设备11包括处理单元17、控制器18和触控板15或其它输入机制。控制器18和/或处理器17可以执行指令并且执行与本文所述的便携式电子设备相关联的操作。虽然计算机系统包括处理器17和控制器18，但是在一些实施例中，控制器18的功能，如本文所描述的，可以由处理单元17来实现并且控制器18可以被省略。利用来自设备存储器的指令，控制器18可以调节电子设备11的组件之间的输入和输出数据的接收和操纵。控制器18可以被实现为一个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)等。控制器18与操作系统一起可以执行计算机代码并且操纵数据。操作系统可以是众所周知的系统，诸如1S、Windows、Unix或专用操作系统或其它系统。控制器18可以包括存储器或其它存储设备来存储操作系统和数据。控制器18也可以包括应用软件来实现与便携式电子设备11相关联的各种功能。
[0036]输入机制15可以包括触控板或其它输入设备，并且，在一些实施例中，可以包括至少一个位置传感器19和/或至少一个触摸传感器21和/或至少一个力传感器22，以及一个或多个致动器23和/或致动器板24。触摸传感器21在一些实施例中可以是触摸开关。触摸开关可以包括电容式、电阻式或光学传感器或任何其它合适的传感器。此外，如果触摸传感器是电容式的，则它可以包括自电容或互电容传感器。
[0037](一个或多个)触摸传感器21、(一个或多个)位置传感器19、(一个或多个)力传感器22和致动器23中的每一个被电和/或机械耦合到触控板15、控制器18和/或处理单元17。触摸传感器21可以确定由用户在触觉设备上的一个或多个触摸的位置。(一个或多个)触摸传感器21和(一个或多个)力传感器22分别检测触摸在触控板15上的位置和力并且将相应的信号发送到控制器18。致动器23可以与控制器18和/或输入传感器通信并且可以产生到固定到触控板15的致动器板24的电磁信号，其中触控板15可以响应于来自控制器18的信号提供对触控板15的全部表面或表面的一部分的移动。即，被传感器19、21和/或22中的一个感测到的输入信号被发送到控制器18，控制器18又指示致动器23，以产生电磁信号，取决于该信号，将导致致动器板24朝向或远离致动器23移动。当致动器板24被固定到触控板15时，致动器板24的移动将导致触控板15的移动。触觉输出然后基于来自传感器19和/或21和/或22的一个或多个输入信号被发送到控制器18。
[0038]本文所描述的一些实施例可以采用用于与诸如计算机系统11的相关联的电子设备一起使用的触觉设备的形式。触觉设备可以基于到触觉设备的多个不同的输入改变通过计算机11上的触摸板或其它设备提供给用户的输出。此外，触觉设备可以基于用户输入改变提供给计算机设备11的一个或多个输入。到计算机设备11的输入可以包括基于系统状态、应用活动、传感器数据等的处理器或设备命令。因此，触觉设备可以基于一个或多个特性、设置或在特定应用中的输入适应输出以及由触觉设备提供给计算机11的输入的类型。
[0039]作为另一个例子，触觉设备可以取决于在电子设备上运行的特定应用、力输入部件(例如，用于提供输入的用户的食指、拇指或手掌)、输入力的量、输入力的速度和/或加速度、输入力的时间长度、电子设备的位置、和/或可以提供给触觉设备、电子设备或两者组合的各种其它类型的数据输入提供不同的反馈。应当注意，改变触觉设备的输出的数据输入可以由用户、触觉设备和/或电子设备11来提供。
[0040]当利用触控板15提供对计算机系统11的输入时，用户可以在触控板15上将他或她的手指16移动到期望的位置。用户也可以在期望的位置处触摸触控板15来提供输入。(一个或多个)触摸传感器21和(一个或多个)力传感器22分别检测触控板15上的触摸的位置和力并且将相应的信号发送到控制器18。控制器18与计算机系统11内部的处理单元17通信并且处理单元17相对于某些操作一般地指示控制器18。例如，在一种实施例中，处理单元17和控制器18组合使用这些信号来确定触摸的位置是否与特定应用或用户界面(UI)元素相关。如果该位置是在用于特定应用或UI元素的范围之内，则处理单元17进一步确定该力信号是否高于阈值。如果是，则处理器17可以证实该力信号为对应用或UI元素的选择。如果该力信号不是假信号，则控制器18激活与致动器板24相结合的致动器23，以移动用户的手指16下方的触控板15的表面。用户可以感测到这一运动，从而经历响应于应用或UI元素选择的触觉反馈。
[0041]在另一种实施例中，触控板15可以检测用户输入，诸如用户的触摸或用户的力。在这种实施例中，可以使用基本上检测到的任何类型的用户输入来向用户提供反馈。基于用户输入，触控板15可以被处理器17激活来移动或振动，以便给用户提供触觉反馈。在一些情况下，用户输入可以被关联到特定的应用或UI元素，在这种情况下，可以分析用户输入的位置，以确定是否期望对用户的输出。在其它实施例中，仅仅检测用户输入可足以启动触觉反馈。应当注意，触觉反馈不仅可以响应于用户输入来提供(以上提供了其例子)，而且还可以响应于系统操作、软件状态、缺少用户输入、用户输入在(一个或多个)UI元素之上经过(例如，在窗口、图标等之上拖动光标)、和/或计算机系统11的任何其它操作状态来提供。
[0042]参考图3，示出了触控板15的透视图。如上所述，提供给用户的触觉反馈的质量会取决于将致动器板24耦合到诸如触控板15的用户感测表面的互连的质量。触控板15的移动通过致动器23发送电磁信号以移动连接到触控板15的为触控板15提供振动或其它运动的致动器板24来实现。触控板15可以通过致动器23和致动器板24组合的电磁和机械操作在箭头25的方向上移动。触控板15、致动器23和致动器板24的关联和互连将在以下相对于图4-15进行更详细的描述。
[0043]参考图4，在一种实施例中，示出了包括触控板15、致动器23和致动器板24的力组件的仰视图。当通过跨致动间隙27的电磁场26通电时，致动器23和致动器板24的相互作用向触控板15提供力。从致动器23发送到板24的电磁信号26将板24朝向致动器23移动或者使板24移动离开致动器23或者两者(振动)。这种移动可以作为触摸板15或其它设备上的触觉输出被用户感觉到。
[0044]参考图5，示出了在图4中示出的实施例的侧视图。触控板15可以包括多个层，诸如:凝胶板层(或一种或多种凝胶结构)，其可以提供接地功能并且可以在产生触觉输出之后操作以恢复致动器板和/或使板接触某个位置;可以感测力和/或触摸的传感器板或结构；以及用于被用户接触的接触板。接触板可以由玻璃或任何其它合适的材料制成。用户的手指16在触控板15上的拖动和点击功能中在箭头28的方向上的移动会通过由于由用户手指16在触控板15上在方向28上施加的力而使得将致动板24(及连接的触控板15)朝向致动器23移动，来减少致动间隙27。在一种实施例中，在制造期间设置的致动间隙可以是大约300微米(3毫米)。致动间隙27的减少导致由致动器23施加在致动器板24上的致动力增加。相反，用户手指16在与箭头28相反方向上的移动会由于间隙27的延长导致由致动器23施加在板24上的致动力下降。这种致动力的变化会随着时间的推移对用户导致不一致的触感反馈，并且甚至会导致致动器板24与致动器23或设备11的其它部分接触，这会引起设备的损坏或产生不希望的噪声。
[0045]参考图6，在一种实施例中，致动间隙27可以利用间隙传感器29来测量，以测量致动器板24和致动器23之间的间隙距离27。在一种实施例中，传感器29可以是电容式传感器、电感式传感器、光学接近传感器和/或其它类型的传感器，如将在以下进行讨论的。致动间隙27的变化可以通过包括读出电路31、微控制器单元32和驱动电路33的控制电路来补偿。致动力通过基于感测到的致动间隙尺寸27改变到致动器23的输入电流的量来改变。间隙传感器实时监控间隙距离，并且因此可以允许设备通过改变输入电流补偿间隙距离的变化。致动器23和致动器板24之间施加的力与致动器间隙尺寸27的平方成反比变化。即，由致动器23施加的致动力的量可以基于致动器23的传递函数并结合由于由用户施加的力或其它条件一诸如会改变间隙距离27的掉落事件一导致的间隙27的变化来改变。
[0046]在一种实施例中，间隙27的测量可以被连续地测量，而在另一种实施例中，间隙27可以仅当用户与触控板15接触时测量。在其中间隙27被连续测量的实施例中，来自致动器装置的电磁干扰必须被补偿。在任一实施例中，由致动器板24上的致动器23施加的力的量可以实时地改变，以补偿间隙27的变化，使得即使用户施加在触控板15上的力的变化或致动间隙尺寸27由于各种环境、用户、或滥用(如掉落)情况导致的异常，触觉输出也可以被用户一致性地感知。
[0047]参考图7，公开了用于在致动板24上施加力的方法的一种实施例的流程图。在操作34中，触控板触摸传感器21感测触控板15上的用户触摸。在操作35中，由用户16施加的力的量可以通过力传感器22来测量。操作34和35两者都是可选的并且可以提供附加的输入，以改变触觉设备的输出。在操作36中，致动间隙传感器29测量致动间隙27。如果在操作37中在触摸板15上测得的力被确定为是用户输入，诸如“点击”，则以致动力形式的触觉反馈可以基于感测到的间隙27在操作38中被改变。如果在操作37中测得的力被确定为不是来自诸如点击或敲击的用户输入，则系统返回到操作34(或如果可选的操作34和35被省略，则返回到操作36)。基于来自操作38的受控的致动力，用户在操作39中通过致动板24和附连的触控板或其它表面的移动体验触觉反馈。因此，即使致动间隙27由于可改变致动间隙并因此增大或减小触觉反馈输出的各种环境、用户、或误用(例如，掉落)事件而变化，被用户所经历的触觉反馈也保持恒定。
[0048]电容式感测是基于(在一些实施例中)采用人体电容作为输入的电容耦合。存在两种类型的电容式感测系统:其中手指或其它输入机制改变电极之间的互耦合的互电容；以及其中手指或其它输入机制改变电极的对地电容的自电容，其中对象是诸如手指或触控笔。任一类型的电容式传感器系统都可以在各种实施例中使用。
[0049]参考图8，示出了利用互电容传感器的实施例。在图8中，致动器23和致动器板24的顶视图被示为具有通过压敏粘合剂或其它方式附连到致动板24的柔性电路41。在一种实施例中可以在制造期间被预设在0.3毫米(300微米)的致动间隙27将致动器23与致动板24分离。参考图8A，柔性电路41的顶视图被示为具有被接地屏蔽迹线44环绕的感测电极42和驱动电极43。参考图8B，沿着从图8的线8B-8B取剖视图。驱动电极43和感测电极42被示为具有在致动器23和电极42和43之间产生的电磁场46。如以上所讨论的，电极42/43和致动器23之间的电容取决于间隙27的尺寸变化。在一种实施例中，到致动器23的输入电流被改变，以补偿这种间隙尺寸的变化并且因此由通过致动器23产生的电磁场46诱导的致动板24的移动也变化，使得尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的移动，如被用户所感觉到的，仍然保持一 Sc ο
[0050]参考图9，示出了利用多个致动器和致动器板的可替代实施例。包括触控板15、致动器23和致动器板24的力组件的仰视图被示出具有第二致动器47和被定位成与致动器23相邻的第二致动器板48。在这个实施例中，致动器48和致动器板47已被添加到在图6中示出的实施例。当通过跨对应的致动间隙27和51的电磁场26和49被通电时，每个致动器23和48与其对应的致动器板24和47的相互作用向触控板15提供力。如同在图6中所示出的实施例，间隙传感器29用来测量间隙距离27和51并且电磁力26可以取决于间隙距离27和51的变化被改变。这个利用多个致动器和板的实施例允许装置区分用户的手指16在触控板15上在向上52或向下53的任一方向的移动。
[0051 ]再次参考图9，触控板15可移动地置于外壳54内，以允许用户16在外壳54的界限内移动触控板15。通常相同的下部装饰间隙55和上部装饰间隙56允许触控板15相对于外壳54的移动，同时防止会损坏组件并且可能在美学上不会令用户16满意的触控板15与外壳54的接触。通过实时测量致动器间隙并且补偿变化，由于触觉输出导致的触控板15在外壳54内的移动会更好地被控制，从而防止触控板15与外壳54接触。触控板15可以包括多个层，诸如:凝胶板层(或一种或多种凝胶结构)，其可以提供接地功能并且可以在产生触觉输出之后操作以恢复致动器板和/或使板接触某个位置;可以感测力和/或触摸的传感器板或结构；以及用于被用户接触的接触板。接触板可以由玻璃或任何其它合适的材料制成。
[0052]参考图10，图示了在图9中示出的实施例的侧视图。用户的手指16在触控板15上的拖动和点击功能中在箭头53的向下方向上的移动通过由于由用户手指16在触控板15上施加的力而使得将致动板24朝向致动器23移动，来减少致动间隙27。这种相同的移动和力增加了致动器48和驱动板47之间的致动间隙51。在一种实施例中，致动间隙27和51在制造期间被设置为大约300微米(3毫米)。致动间隙27的减少导致由致动器23和致动器板24施加的致动力的增加和由致动器48和致动板47施加的致动力的降低。类似地，这种移动导致装饰间隙56的增加和装饰间隙55的减少。用户手指16在相反方向52的移动会导致由致动器23和致动板24施加的致动力的降低和由致动器48和致动板47施加的致动力的增加以及结果导致的装饰间隙56的降低和装饰间隙55的增加。通过实时地测量间隙距离27和51并且改变致动力26/49来补偿间隙距离27/51的变化，这个实施例可以改变到致动器板的致动器信号，以便无论用户在触控板15上的哪个方向，52或53，移动他或她的手指16，都向用户提供一致的触觉反馈体验。
[0053]在图9和10中示出的实施例可以利用致动器23和致动器板24并且结合被定位成与致动器23相邻的附加致动器47和致动器板48来提供到触控板15的恢复力。在许多设备中，在触控板15和外壳54之间的凝胶层(未示出)通常用来提供这种恢复力。例如，在图10所示的实施例中，如果用户的手指16在向下的方向53移动触控板15，则除了通常由用来在便携式电子设备11上安装触控板15的凝胶层接口提供的恢复力之外，致动器23和致动器板24还可用来在方向52移动触控板15，以使间隙27和51以及装饰间隙55和56基本上相等。
[0054]传感器29，如上所述，可以是例如平行板自电容传感器。参考图11，示出了利用自电容传感器29的一种实施例。如以上所讨论的，这种自电容传感器可以利用粘合剂或其它方式附连到致动器板24。致动器板(定子)24和致动器(电枢)23之间的电压差57作为致动间隙27的变化的函数变化。即，电容的变化是电压的变化的函数，该电压的变化又是致动器23和致动器板24之间的间隙距离27的变化的函数。当用户的手指16在触控板15上移动时，间隙距离27被实时测量，间隙距离27的变化用来改变电压差57，以补偿触觉力的变化，其中触觉力否则将由于改变的间隙距离27而被触觉输出设备施加。通过改变作为变化的间隙距离27的函数的电压差，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感觉到的，仍然保持一致。
[0055]参考图12，在另一种实施例中，使用传感器(其可以是互电容式梳指类型传感器)来感测间隙27。在这种实施例中，致动器23包括端部58。当致动器板24相对于致动器23移动时，结果产生的致动间隙距离27的变化导致在端部58和致动器板24之间测得的电容的变化。电容的变化是由于与板24相邻的端部58的表面面积59的变化。电容的变化然后是分别致动器23和致动器板24之间的距离27的变化的函数。距离27可以在用户的手指16在触控板15上移动时进行测量，并且距离27的变化用来修改由触觉反馈设备施加的触觉力输出。通过作为变化的间隙距离27的函数改变致动器23和致动器板24之间的电磁力26，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一致。
[0056]参考图13，在另一种实施例中，传感器29可以是涡流传感器。涡流是由于感应在导体内由导体中变化的磁场感应的电流。线圈61可以测量涡流流动的量。在线圈环路61中的电流的大小与致动器23和致动器板24之间感应的磁场26的强度成正比，其是间隙距离27的函数，并且因此在图13中所示的涡流传感器可以用来测量间隙距离27的变化。当用户的手指16在触控板15上移动时，距离27被测量，并且距离27的变化用来补偿由触觉反馈设备施加的触觉力的变化。由致动器23产生的电磁场26也作为变化的间隙距离27的函数改变，使得尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一 Sc ο
[0057]参考图14，可以是光电传感器62的光学传感器可以用作传感器29。在这个实施例中，光学传感器62测量致动器23和致动板24之间的间隙距离27。光束63从传感器62发射到致动器板24并且反射回到传感器62，以测量致动器板24和致动器23之间的距离27。当用户的手指16在触控板15上移动时，距离27被测量，并且距离27的变化被用来补偿由触觉反馈设备施加的触觉力的变化。通过作为变化的间隙距离27的函数改变致动器23和致动器板24之间的电磁力26，尽管间隙27的尺寸变化，但是所产生的致动板24的移动，如被用户所感受到的，仍然保持一致。
[0058]参考图15，图示用于制造包括触觉反馈设备的触控板的操作的流程图被示出。在操作64，间隙传感器29被连接到致动器。在操作65，致动器板被连接到力组件。在致动器板与力组件之间的这种牢固的机械互连导致由致动器感应的、被高效地传递到致动器板并从而到力组件的上下振动、横向振动、或其它移动。在操作66，可以包括控制器的设备板被牢固地连接到致动器，以向致动器供应和控制电力。触摸板与力组件在操作67中相关联，其可以包括在力组件和触摸板组件之间放置柔性垫，柔性垫可以是泡沫或凝胶垫。触摸板组件可以包括凝胶板层(或一组凝胶结构)、传感器板或其它传感器装置、和用于被用户的人接触的接触板或其它结构。
[0059 ]根据一种实施例，提供了一种便携式电子设备，包括:外壳；与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触;与所述触摸组件相关联的致动器板组件；通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器；与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。
[0060]根据另一种实施例，所述传感器是电容式传感器。
[0061]根据另一种实施例，所述电容式传感器是平行板传感器。
[0062]根据另一种实施例，所述电容式传感器是梳指传感器。
[0063]根据另一种实施例，所述传感器是涡流传感器。
[0064]根据另一种实施例，所述传感器是光学传感器。
[0065]根据另一种实施例，用户接触给所述便携式电子设备提供输入。
[0066]根据另一种实施例，所述致动器板组件提供所述触摸组件的移动以应答所述输入。
[0067]根据另一种实施例，所述便携式电子设备还包括:与所述触摸组件相关联的第二致动器板组件;通过第二间隙与所述第二致动器板组件分离的第二致动器;及与所述第二致动器板组件相关联的第二传感器，用以测量所述第二间隙。
[0068]根据一种实施例，提供了一种用于在触控板上产生触觉反馈的方法，包括下列步骤:检测所述触控板上的用户触摸;确定由感测到的用户触摸在触控板上产生的力的量;测量致动器和与所述触摸板相关联的致动器板之间的致动间隙；及基于测量得的致动间隙改变由所述致动器施加给所述致动器板的电磁输入。
[0069]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括电容式地测量所述致动间隙。
[0070]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括光学地测量所述致动间隙。
[0071]根据另一种实施例，所述测量的步骤包括测量所述致动器板中的涡流。
[0072]根据另一种实施例，所述方法还包括步骤:测量在第二致动器与和所述触控板相关联的第二致动器板之间的第二致动间隙。
[0073]根据另一种实施例，所述方法还包括:利用所述第二致动器和所述第二致动器板来防止所述触控板与便携式电子设备的外壳的接触。
[0074]根据一种实施例，提供了一种用于制造触控板的方法，包括步骤:将间隙传感器连接到致动器;将致动器板连接到力组件;将设备板连接到所述致动器;及将触摸板与所述力组件相关联。
[0075]根据另一种实施例，所述间隙传感器是电容式间隙传感器。
[0076]根据另一种实施例，所述间隙传感器是光学间隙传感器。
[0077]根据另一种实施例，所述间隙传感器是涡流传感器。
[0078]根据另一种实施例，所述方法还包括步骤:将第二间隙传感器连接到第二致动器；将第二致动器板连接到所述力组件;及将所述设备板连接到所述第二致动器。
[0079]前面的描述，出于解释的目的，使用了特定的术语来提供对所述实施例的透彻理解。但是，对本领域技术人员来说显而易见的是具体细节对于实践所述实施例不是必需的。因此，本文所描述的特定实施例的以上描述是为了说明和描述的目的给出。它们不是要穷举或限制实施例到所公开的精确形式。对本领域普通技术人员来说，将明显，许多修改和变化鉴于以上教导也是可能的。
【主权项】
1.一种便携式电子设备，其特征在于包括: 夕卜壳； 与所述外壳相关联的触摸组件，能被所述便携式电子设备的用户接触； 与所述触摸组件相关联的致动器板组件； 通过间隙与所述致动器板组件分离的致动器； 与所述致动器板组件相关联的传感器，用以测量所述间隙；及由此，由所述致动器提供给所述致动器板组件的电磁输入能作为间隙测量值的函数而改变。2.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是电容式传感器。3.如权利要求2所述的便携式电子设备，其特征在于所述电容式传感器是平行板传感器。4.如权利要求2所述的便携式电子设备，其特征在于所述电容式传感器是梳指传感器。5.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是涡流传感器。6.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于所述传感器是光学传感器。7.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于用户接触给所述便携式电子设备提供输入。8.如权利要求7所述的便携式电子设备，其特征在于所述致动器板组件提供所述触摸组件的移动以应答所述输入。9.如权利要求1所述的便携式电子设备，其特征在于还包括: 与所述触摸组件相关联的第二致动器板组件； 通过第二间隙与所述第二致动器板组件分离的第二致动器;及 与所述第二致动器板组件相关联的第二传感器，用以测量所述第二间隙。
【文档编号】G06F3/01GK205692140SQ201620173188
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年3月8日 公开号201620173188.4, CN 201620173188, CN 205692140 U, CN 205692140U, CN-U-205692140, CN201620173188, CN201620173188.4, CN205692140 U, CN205692140U
【发明人】S·永内奥卡, C·C·拉姆, S·J·麦可优恩, P·K·奥根伯格斯
【申请人】苹果公司
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