基于静电附着的触觉输出设备的制作方法

本发明针对的是基于静电附着的触觉输出设备以及包含基于静电附着的触觉输出设备的电子器件。

背景技术：

电子器件制造商力图制造丰富的用户界面。传统的器件使用视觉和听觉提示来为用户提供反馈。在某些界面装置中，动感反馈(如主动阻力反馈)和/或触觉反馈(如振动、纹理和热度)也可以提供给用户，更为普遍公知的是“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈能够提供提高并简化用户界面的提示。具体地，振动效果、或振动触觉效果可用于为用户提供关于电子器件的提示，以提醒用户特定事件，或者提供现实反馈，以在模拟或虚拟环境中创造更佳的浸入式感官。

为了产生振动效果，许多装置使用某些类型的致动器或触觉输出设备。已知用于该目的的触觉输出设备包括电磁致动器，例如偏心旋转质块(erm)，其中偏心质块由电机移动；线性谐振致动器(lra)，其中附着于弹簧的质块被来回驱动；或者“智能材料”，例如压电材料、电活化聚合物或形状记忆合金。触觉输出设备还广泛地包括非机械或非振动设备，例如使用静电摩擦(esf)、超声波表面摩擦(usf)的设备、或利用超声波触觉换能器引致声辐射压力的设备、或使用触觉基片或柔韧或可变形表面的设备、或例如使用空气喷射造成的一阵喷气而提供的喷射触觉输出，如此类推。

公开号us2014/0251701a1的美国专利申请论述了关于静电附着及其如何转换成如机器人(爬壁机器人)的应用。数个世纪以来，静电附着已经成为其中一种基本力，只是最近得到更多关注。

智能电子器件，例如智能手机变得越来越薄，而用于控制器件部件运动的典型的电磁基电机则相对庞大且聒噪。期望无需使用传统的电机和致动器，控制智能电子器件的移动主体之间的力。还期望为新一代薄和/或柔韧的智能电子器件提供触觉反馈。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供了触觉输出设备，包括基片、设置在基片上的电极阵列、以及设置在电极阵列上的介电材料层。介电材料层具有暴露外表面，包括微型样式纹理，该微型样式纹理设置为增加暴露外表面与接触该暴露外表面的接触表面之间的附着力。触觉输出设备包括控制器，设置为将电势传导到遍布电极阵列，以在暴露外表面与接触表面之间产生静电附着力，以此作为触觉效果。

在一实施例中，基片包括热塑性材料、热固性材料及弹性材料，该材料可包括由下列材料构成的组中选择的材料：聚甲基硅氧烷、聚偏二氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、以及聚丙烯。

在一实施例中，基片是柔韧性薄膜。

在一实施例中，介电材料层包括由下列材料构成的组中选择的材料：聚对二甲苯和二氧化硅。

根据本发明的一方面，提供了电子器件，包括传感器，设置为检测电子器件用户的动作；以及触觉输出设备，设置为响应由传感器检测到的用户动作生成触觉效果。触觉输出设备包括基片、设置在基片上的电极阵列、以及设置在电极阵列上的介电材料层，介电材料层具有暴露外表面，包括微型样式纹理，该微型样式纹理设置为增加暴露外表面与接触该暴露外表面的接触表面之间的附着力。电子器件包括控制器，设置为从该传感器接收输入信号，以根据输入信号确定由触觉输出设备产生的触觉效果，并将电势传导到遍布电极阵列，以在暴露外表面与接触表面之间产生静电附着力，以此作为触觉效果。

在一实施例中，传感器是近距离传感器或压力传感器。

在一实施例中，电子器件包括外壳，而触觉输出设备安装至该外壳。在一实施例中，触觉输出设备安装在外壳的外表面上。

在一实施例中，电子器件包括旋钮，设置为由电子器件用户来旋转，并且该旋钮包括接触表面。

在一实施例中，控制器进一步设置为接收关于电子器件已收到电邮或短信的指示，并根据该指示和输入信号确定触觉效果。

根据本发明的一方面，提供了利用触觉输出设备生成触觉效果的方法。该方法包括用控制器从传感器接收输入信号，该传感器设置为检测电子器件用户的动作；利用控制器根据该输入信号，确定将要由触觉输出设备生成的触觉效果；并且将电势传导到遍布触觉输出设备的电极阵列，以在触觉输出设备的暴露外表面与接触表面之间产生静电附着力，以此作为触觉效果。

在一实施例中，该方法包括用控制器接收关于电子器件已收到电邮或短信的指示，并由控制器根据该指示和输入信号确定触觉效果。

参照构成本说明书一部分的所有下列附图，通过考虑下文说明书和所附权利要求，本发明的上述及其他方面、特征、特性、以及结构相关元件与部件组合的操作方法和功能、还有制造成本节约，将会显得更清晰。然而，需要特别理解的是，附图仅以举例说明和描述为目的，而不旨在定义为本发明的限制。如说明书和权利要求所用，“一(a)”、“一(an)”和“该”的单数形式包含复数参照对象，除非上下文另有明确规定。

附图说明

显示下列附图的部件是为了强调本文的一般原理，无需按比例绘制。为了一致性和明晰性，在整份说明书附图中，必要时会重复指定相应部件的附图标号。

图1示意性地显示了本发明实施例的电子器件；

图2示意性地显示了图1的电子器件的触觉输出设备的实施例；

图3示意性地显示了图2的触觉输出设备的一部分外部微型样式表面的详细视图；

图4示意性地显示了图1的电子器件的控制器的实施例；

图5是图1的电子器件实施例的示意性立体图；

图6是图1的电子器件实施例的示意性立体图；以及

图7示意性地显示了图1的电子器件向用户提供触觉效果的方法。

具体实施方式

图1显示了本发明实施例的电子器件100。电子器件100可包括台式电脑、膝上电脑、电子工作簿、手持电子设备(例如移动电话、智能手机、游戏设备、个人数码助理(pda)、便携电邮设备、便携互联网接入设备、计算器等)、自助服务机(例如自动柜员机、自动售票机等)、打印机、销售点设备、游戏控制器、可穿戴设备，或其他电子器件，例如作为交通工具一部分的电子器件，如触摸屏、触控板、或按钮面板，或成为其一部分。

如图所示，电子器件100包括输入/输出设备110、控制器120以及存储设备130。输入/输出设备110可通过总线140与控制器120和/或存储设备130相互连接，使得输入/输出设备110与控制器120互通信号。总线140包括有线通信链路、无线通信链路、和/或控制器120与输入/输出设备110之间的其他通信链路。信号可由输入/输出设备110输出至控制器120，也可由控制器120输出至输入/输出设备110。

输入/输出设备110可包括至少一个用户输入设备，设置为从电子器件100用户接收输入。在一实施例中，用户输入设备可包括传感器150，设置为检测来自用户的输入。传感器150可以是接触式传感器形式，并设置为探测来自用户的手势，例如轻敲、滑动、摩擦、或按压传感器150的表面。为此目的可使用若干种技术，例如电容或电阻感应、力敏电阻、或感光开关。在一实施例中，传感器150可以是触控板的一部分。在一实施例中，传感器150可以是触摸屏的一部分，其叠加到屏幕160上，设置为向用户输出并显示信息。在一实施例中，传感器150和显示器160可合并成触摸屏设备。在一实施例中，传感器150可以是近距离传感器或感测器的形式，设置为探测用户对电子器件100的动作。电子器件100可包括多个具有不同功能的传感器。

输入/输出设备110可包括音频输出设备(未示出)，例如扬声器，设置为向用户提供音频反馈。在一实施例中，输入/输出设备可包括其他类型的用户输入设备，例如按钮、旋钮或控制杆，这些用户输入设备可由用户操作，以便用户向电子器件100提供输入。例如，目前在各种游戏周边设备和交通工具上使用按钮、旋钮和控制杆作为用户输入设备，并且这种设备的实施是本领域普通技术人员已知的。

输入/输出设备110还包括触觉输出设备170，例如设置为向用户提供触觉效果或反馈，作为对于输入已被电子器件100所接收的确认。触觉输出设备170可包括一个或多个致动器、驱动电路、以及触觉引擎，该触觉引擎设置为为致动器产生驱动信号。

如图1所示，存储设备130还可通过总线140与控制器120及输入/输出设备110相互连接。存储设备130可包括内部固定存储器、移动存储器和/或远程访问存储器中的一个或多个。各种存储器可包括易失存储器和非易失存储器的任意组合。存储器可设置为存储信息、数据、指令、软件代码等的任意组合。尤其是，存储器可包括触觉效果配置文件、如何驱动触觉输出设备170的指令、或产生触觉效果的其他信息。

图2示意性地显示了本发明实施例的触觉输出设备170的横截面。触觉输出设备170的构造涉及电镀样式化和表面设计，下文将进一步描述。如图所示，触觉输出设备170包括基片210、设置在基片210上表面的多个电极220、222、224、设置在电极220、222、224上和电极内之间的介电材料层230、以及在介电材料230上与基片210相反的一侧的微型样式外表面240。电极220、222、224与电压源v单独通信，电压源v可由控制器120控制。图3显示了一部分微型样式外表面240的更详细视图。

基片210可以是硅树脂薄层，或薄和/或柔韧的聚合物薄膜，例如由有机绝缘体、无机绝缘体、聚二甲硅氧烷(pdms)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯(ps)、聚丙烯(pp)等制成。电极220、222、224可以是较大的圆形或矩形电极阵列的一部分，可以使用喷溅涂覆或蒸镀法在基片210上形成图案。不同的导电金属，例如au、al、cr、cu、ag、碳纳米管、石墨、半导体等，可用作电极220、222、224。介电材料230可以放置在电极220、222、224和基片210上。在一实施例中，介电材料230可封装电极220、222、224。介电材料层230可包括介电材料，例如聚对二甲苯、二氧化硅等。

为了增大介电材料层230的外表面240的有效表面积，外表面240可通过使用离子束熔融，软光刻技术，或微加工技术例如凹凸模技术、铸造技术，或表面刻蚀技术例如激光刻蚀等技术来微型样式化。这些技术可用于由塑料(导电的或不导电的)或金属来创造纳米级/微型样式表面。这些技术可直接应用于介电材料层230，或应用于随后结合或粘附至介电材料层230的单独基片。可用于构造触觉输出设备170实施例的构造技术示例在由d.ruffattoiii等人在journaloftheroyalsocietyinterface11:20131089(2014)中的“improvingcontrollableadhesiononbothroughandsmoothsurfaceswithahybridelectrostatic/gecko-likeadhesive”有所描述，本文通过引用将其全部内容并入。如图3所示，在外表面240创建的微结构可包括多个微楔形。在一实施例中，微结构可包括多个小纤维或其他元件，它们具有高表面积。在一实施例中，微结构可设置为壁虎足的微结构，并认为是像壁虎的微结构。

在微型样式表面240不是创建在介电材料层230的实施例中，可以在表面上设置非常薄的介电材料层作为绝缘体。通过微型(或纳米)样式化外表面240，无需向电极220、222、224施加电场，就可以增强外表面240与接触外表面240的其他表面250之间的相互作用。样式化可包括以下特征，例如多面体、微柱、球形点等。

在关于图2和3的另一实施例中，除了如本文所述的表面样式化以增加两个接触面积之间的接触面积，或者取代这种方式，人们可通过增大外加电压来获得相似或改进的效果，从而有效地增加两个接触面积之间的吸力。电压范围可在数百至数千伏特之间，这取决于介电材料的厚度和介电强度值。一般地，电压越高，力越大。

当由电压源v向电极220、222、224提供电势，可在触觉输出设备170的外表面240与接触外表面240的表面250之间产生静电附着力，使得电子器件100的用户可感觉到表面240、250之间附着力增加，作为触觉效果。

回到图1，控制器120可以是一般用途或特定用途的处理器或微控制器，用于管理或控制电子器件100的运行和功能。例如，控制器120可以特别设计为特定用途集成电路(asic)来控制供给显示器160的输出信号使其提供可视信息，并控制供给触觉输出设备170的输出信号使其提供触觉效果。在某些实施例中，控制器120可以是触觉输出设备170的部分。控制器120可设置为根据预定义因素，确定将要产生的触觉效果类型、产生的触觉效果的顺序、以及触觉效果的幅度、频率、持续时间和/或其他参数。控制器120还可设置为提供流式命令，能够用于驱动触觉输出设备170以提供特定的触觉效果。在某些实施例中，控制器120实际上可包括多个处理器，其各自设置为在电子器件100内执行特定功能。

图4显示了控制器120实施例的更详细视图。控制器120可设置为执行一个或多个计算机程序模块。一个或多个计算机程序模块可包括内容提供模块122、输入确定模块124、触觉效果确定模块126、触觉输出设备控制模块128和/或其他模块中的一个或多个。控制器120可设置为由软件，硬件，固件，软件、硬件和/或固件的某种组合，和/或配置控制器120的处理能力的其他机构来执行模块122、124、126和/或128。

需要注意的是，尽管图4所示的模块122、124、126和128是共同位于单个处理单元内，在控制器120包括多个处理单元的实施例中，模块122、124、126和/或128中的一个或多个可位于远离其他模块处。下文所述的由不同模块122、124、126和/或128提供的功能性描述是为了举例说明，而不是旨在作为限制，任一模块122、124、126和/或128可提供多于或少于所述部分的功能。例如，可排除模块122、124、126和/或128中的一个或多个，并且其部分或全部功能由其他模块122、124、126和/或128来提供。作为另一示例，控制器120可设置为执行一个或多个附加模块，附加模块执行归结于其中一个模块122、124、126和/或128之下的部分或全部功能。

内容提供模块122设置为控制通过显示器160向电子器件100用户提供的内容。如果内容包括计算机生成图像，内容提供模块122设置为通过显示器160生成向用户展示的图像和/或视图。内容，或者该内容来源的信息，可通过内容提供模块122从电子存储器129获取，如图4所示，电子存储器129可以是控制器120的一部分，或者可以与控制器120分开，例如如图1所示的作为存储设备130的一部分。

输入确定模块124设置为从传感器150接收输入信号。当传感器150探测到电子器件100用户的动作时产生输入信号，该动作可以是用户的接触输入或用户接近电子器件，即传感器150检测到用户在传感器150附近。输入确定模块124可设置为通过将输入信号强度与对应刻意动作的预设阈值强度进行比较，确定检测到的动作是刻意动作还是仅仅是无意动作，例如无意中接触到传感器150或用户不经意地经过传感器150。输入确定模块124还设置为当用户向传感器150提供输入或对电子器件100采取动作时，确定用户的意图。例如，用户可接触传感器150的特定位置或向传感器150提供特定手势，表示将要由电子器件100执行特定的功能。输入确定模块124可编程有预设手势和传感器150触摸位置的库，使得当用户触摸传感器150上的特定位置或向传感器150提供手势时，输入确定模块124可确定相应的输出。

例如，在电子器件100为智能手机的实施例中，用户可用他/她的手指在传感器150上画出符号，输入确定模块124可确定所画符号对应特定的命令，例如解锁智能手机，使得用户可与智能手机自由互动。在传感器150是近距离传感器或感测器的实施例中，确定模块124可编程为根据传感器150检测到用户在传感器150附近的持续时间，确定相应的输出。

在一实施例中，除了从传感器150接收信号，或取代这种方式，输入确定模块124可设置为从如计时器的远程设备接收信号，远程设备提供输入以指示将要产生的触觉效果。此外，输入确定模块124还可向触觉效果确定模块126和/或触觉输出设备控制模块128输出信号，使得验证该输入已被探测和/或接受的触觉效果可以提供给用户。

触觉效果确定模块126设置为确定由触觉输出设备170产生的触觉效果或感觉，并输出给电子器件100的用户。确定触觉效果可包括确定触觉效果的类型和触觉效果的一个或多个参数，例如幅度、频率、持续时间等。

触觉输出设备控制模块128设置为控制触觉输出设备170产生由触觉效果确定模块126确定的触觉效果。其包括将由控制器120产生的触觉输出信号通过总线140传递到触觉输出设备170。在一实施例中，归结于触觉输出设备控制模块128的至少一部分功能可设置在触觉输出设备170所搭载的控制器或处理器中。

本发明实施例的触觉输出设备170可以各种实施方式用于电子器件100中。在一实施例中，传感器150可用于探测用户对包括有触觉输出设备170的电子器件100的动作，使得电附着力可由触觉输出设备170来启动，以产生触觉效果。例如，当电子器件100为智能手机，而智能手机用户拖动或拿起智能手机并且感觉到智能手机与其下方的接触表面之间摩擦/附着力变大时，触觉效果可向用户指示有未读邮件或信息或未接电话。

在图5所示的电子器件500实施例中，触觉输出设备170可应用于电子器件500的外壳510或箱，电子器件500可以是智能手机。例如，上述的触觉输出设备170可作为贴片530应用在电子器件500外壳510的背面520上。在一实施例中，当用户抓取电子器件500时，电子器件500用户可感觉到电子器件500与下方的接触表面之间的附着力增大，这例如意味着用户收到新邮件或信息。在一实施例中，当用户抓取电子器件时，电子器件500用户可直接触摸贴片并感觉到电子器件500与用户皮肤之间的附着力增大，这例如意味着用户收到新邮件或信息。

在一实施例中，触觉输出设备170可设置到外壳盖子的内表面，并且当用户试图打开盖子并感觉到盖子与外壳或智能手机之间的附着力增大时，用户可被告知他/她有新邮件或信息或未接电话。

在图6所示的实施例中，触觉输出设备170可与旋钮600一起实施，以控制旋钮600对下表面的摩擦/附着力。在所示实施例中，触觉输出设备170设置在外壳620的顶面610上，位于旋钮600下方。在一实施例中，触觉输出设备170可设置到旋钮600的外表面。当用户旋转旋钮600方向错误时，为旋转旋钮600的用户所提供的触觉效果可以是增大附着/摩擦力的形式。其他触觉效果包括止动、阻碍和碰撞。

在一实施例中，触觉输出设备170可应用在膝上电脑屏幕的角落上，当用户打开膝上电脑时，触觉输出设备170控制屏幕与膝上电脑基部的附着力。当用户感觉到触觉输出设备170提供的阻力时，用户可知悉到他/她未完成邮件草稿或忘记点击发送按钮来发送邮件。在一实施例中，触觉输出设备可实施在电脑鼠标下方，使得鼠标对鼠标垫或支撑表面的附着力可受控，以此向用户生成触觉效果。本发明实施例可实施在必须在电子器件中相对彼此移动一个或两个部件的应用中，使得控制电子器件与接触触觉输出设备170的表面之间的附着/摩擦力可以用于向用户提供通知。

除了上述的触觉输出设备170，电子器件100可包括多个触觉输出设备作为输入/输出设备110的一部分，而附加触觉反馈可以用任一生成触觉效果的方法来产生，触觉效果例如是振动、变形、动感反馈、静电或超声波摩擦等。在一实施例中，附加触觉输出设备可包括致动器，例如是电磁致动器，如偏心旋转质块(erm)，其中偏心质块由电机移动，线性谐振致动器(lra)，其中附着于弹簧的质块被来回驱动，或者“智能材料”，例如压电材料，电活化聚合物，如离子或电子基电活化聚合物，形状记忆材料，智能水凝胶，大复合体纤维致动器，静电致动器，电触觉致动器，纳米复合致动器，气动基致动器和/或其他类型的致动器，它们提供如触觉振动反馈的物理反馈。附加触觉输出设备还广泛地包括非机械或非振动设备，例如使用静电摩擦(esf)、超声波表面摩擦(usf)的设备、或利用超声波触觉换能器引致声辐射压力的设备、或使用触觉基片或柔韧或可变形表面的设备、或提供热效应的设备、或例如使用空气喷射造成的一阵喷气而提供的喷射触觉输出，如此类推。

图7显示了利用触觉输出设备产生触觉效果的方法700，触觉输出设备例如是上述的本发明实施例的触觉输出设备170。如图所示，在710开始该方法。在720，该方法包括利用控制器从传感器接收输入信号，传感器设置为检测电子器件用户的动作。传感器可以是上述的传感器150，而控制器可以是上述的控制器120。在730，该方法包括利用控制器根据输入信号确定由触觉输出设备产生的触觉效果。在740，该方法包括将电势传导到遍布触觉输出设备的电极阵列，以在触觉输出设备的暴露外表面与接触表面之间产生静电附着力，以此作为触觉效果。在750，该方法结束。在一实施例中，该方法还包括用控制器接收关于电子器件已收到电邮或短信的指示，并由控制器根据该指示和输入信号确定触觉效果。

基于静电附着力的触觉输出设备以及包含该基于静电附着力的触觉输出设备的电子器件的其他实施例可以是接触表面，作为确认效果。在一示例中，当用户触摸触敏表面时，为了确认用户动作将会激活该效果，用户将会感觉到表面粘滞，或者如果该互动尚未记录，用户将会无任何感觉。

本文所述实施例表示若干可行的实施方式和示例，不是旨在必须将本公开文本限制为特定实施例。本领域普通技术人员可以理解到，能够对这些实施例进行各种修改。任一上述修改确定为囊括在本公开文本的精神和范围内，并受到下列权利要求的保护。

本申请提及的所有美国专利和美国专利申请公布，其全部内容并入至本文。