对电场进行选择性控制以传递非接触式触觉效果的制作方法

本专利文献涉及触觉效果，并且更具体地，涉及对电场进行选择性控制以传递非接触式触觉效果。

背景技术：

触觉效果用来增强个人与电子设备之间的交互。触觉效果使用户能够通过设备体验触摸感觉，所述触摸感觉通常是由设备中所嵌入的致动器生成的。最近的创新展示了通过在带电电极与人体的导电组织之间建立电容耦合、以及产生的组织刺激电场来传递非接触式触觉效果的能力。每个期望非接触式触觉效果的电极通常都需要控制信号和高压放大器。然而，高压(例如，100至2000伏特或更多)电子部件为触觉效果的广泛实施带来了昂贵、笨重且难以采购的困难。

技术实现要素：

本专利文献涉及对电场进行选择性控制以传递非接触式触觉效果。

一方面，一种触觉系统包括具有导电层和反应层的结构。所述导电层耦合至电源，并且所述反应层耦合至具有第一状态和第二状态的开关。所述电源使得所述导电层能够生成电荷。所述开关的所述第一状态操作所述反应层以阻止组织刺激电场的建立。所述开关的所述第二状态操作所述反应层以实现组织刺激电场的建立，从而产生非接触式触觉效果。

另一方面，一种触觉系统包括多个分层结构，其中，所述分层结构中的每一个包括绝缘层、导电层和反应层。所述导电层耦合至电源，并且所述反应层耦合至具有第一状态和第二状态的开关。所述电源使得所述导电层能够生成电荷。所述开关的所述第一状态操作所述反应层以阻止组织刺激电场的建立。所述开关的所述第二状态操作所述反应层以实现组织刺激电场的建立，从而产生非接触式触觉效果。所述分层结构中的每一个独立于其他分层结构被切换。

另一方面，一种用于禁用和使能触觉效果的传递的方法包括：(a)对导体进行充电；以及(b)在第一状态与第二状态之间切换反应层的操作。所述反应层的所述第一状态操作以阻止组织刺激电场的建立。所述反应层的所述第二状态操作以实现组织刺激电场的建立，从而产生非接触式触觉效果。

附图说明

图1是包括网格的触觉效应系统的示意图。

图2是沿着线2-2所取的图1的网格的截面示意图。

图3是被配置用于所述触觉效应系统中的控制器的示意图。

图4a是沿着线2-2所取的、具有被激活的可变形层的图1的网格的替代性实施例的截面示意图。

图4b是具有被去激活的可变形层的图4a的截面视图。

图5是沿着线2-2所取的图1的网格的替代性实施例的截面示意图。

图6是沿着线2-2所取的图1的网格的替代性实施例的截面示意图。

图7是沿着线2-2所取的图1的网格的替代性实施例的截面示意图。

具体实施方式

将参照附图详细地描述各实施例，其中，贯穿这若干视图，相同的参考号代表相同的零件和组件。对各个实施例的参考并不限制随附权利要求书的范围。另外，本说明书中所阐述的任何示例不旨在是限制性的并且仅阐述了所附权利要求书的许多可能实施例中的一些实施例。

在任何适当的时候，以单数形式使用的术语还将包括复数形式，并且反之亦然。在本文中，除非另外指明或者在对“一个或多个”的使用明显不适当的情况下，对“一个(a)”的使用意指“一个或多个”。使用“或(or)”意味着“和/或(and/or)”，除非另外陈述。“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(include)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(has)”、以及“具有(having)”的使用是可互换的并且并不旨在是限制性的。术语“比如(suchas)”同样不旨在是限制性的。例如，术语“包括(including)”应当指“包括但不限于”。

一般地说，本专利文献涉及对电场进行选择性控制以传递非接触式(touchless)触觉效果。非接触式触觉效果是由于导体与人或动物的组织之间建立的电场而传递的触觉效果，而不管所述人或动物的组织与包含所述导体的设备之间直接接触还是近接触，例如触觉效果是通过阻止而非所述设备传递的。

参照图1，展示了触觉效果系统10。触觉效果系统10包括分层结构，所述分层结构至少包括导体和反应层。在各示例实施例中，例如以三维阵列或二维网格(例如，网格20)提供多个所述分层结构。触觉效果系统10另外包括电耦合至网格20的开关电路30和控制器40。网格20包括多个单元25。单元25可以如所示的具有相等尺寸并且等距地间隔，或者可以具有不同尺寸并相隔不同距离。进一步，网格20的单元25可以线性地安排(如所示的)，或者采用任何其他期望的配置。单元配置的示例可以包括圆形、三角形、正方形、矩形和随机形状。

触觉效果系统10可以被结合到任何类型的设备中，从所述设备，可以在人或动物的组织(例如，手指、手、脚、腿、胸、背、头等的组织)与网格20之间通过直接接触或近接触建立电容耦合，从而使得个人可以感测或感知电容耦合，例如感测麻刺感、振动、纹理、运动、或其他类型的触觉效果。触觉效果系统10可以被结合到的设备的示例包括如台式计算机、膝上计算机、平板、智能电话、电子阅读器、键盘、轨迹板、医学设备、笔/触控笔、游戏系统、和家用电器等电子设备。触觉效果系统10可以被结合到的设备的附加示例包括比如衣服、帽子、夹克、手套、首饰、眼镜、耳机、耳塞、鞋子、头盔、和运动服等可穿戴设备。触觉效果系统10可以被结合到的设备的进一步示例包括比如移动设备、游戏系统控制器、方向盘、变速杆、和操纵杆等可抓住的设备。

参照图2，用沿着线2-2所取的图1的截面视图展示了网格20的示例实施例。网格20包括所述多个单元25，其中，每个单元25包括导体210、第一绝缘体212、屏蔽垫214形式的反应层、以及第二绝缘体216。导体210可以包括跨网格20的所有单元25延伸的连续导体，或者可以包括跨多个单元25或跨单个单元25延伸的多个导电部分，每个单元25具有其自己的导体200。导体210包括导电材料，例如铝、铜、锡、铁、金、银、等离子、导电聚合物、碳纳米管(cnt)或铟锡氧化物(ito)。

第一绝缘体212覆盖导体210并且如以上关于导体210所描述的那样采用连续或分开的配置被利用。第一绝缘体212可以包括合适类型的电介质，例如玻璃、烤瓷、塑料、聚合物、纤维玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。在其他实施例中，第一绝缘体可以包括薄膜绝缘体比如二氧化硅、氮化硅、聚对二甲苯或应用了薄膜技术的其他绝缘体。

单元25中的每一个由置于第一绝缘体212顶上的选择性可控的导电屏蔽垫214限定。屏蔽垫214可以以个人或网格/阵列配置呈现。然而，不管配置如何，屏蔽垫214中的每一个都设置有电引线218。引线218使每个屏蔽垫214能够单独地耦合至开关电路30(下面进一步描述)并最终耦合至控制器40。每个屏蔽垫214包括导电材料，所述导电材料控制是否在其位置产生触觉效果。在各示例实施例中，网格20中所使用的屏蔽垫214包括薄的导电材料，比如铝膜。在其他示例实施例中，屏蔽垫214包括密集的透明导电电极网格/阵列。在仍其他示例实施例中，屏蔽垫214由替代性导电材料制成，比如铜、锡、铁、金、银、等离子、导电聚合物、碳纳米管(cnt)、或铟锡氧化物(ito)。

在所述屏蔽垫214中的一个或多个的顶上设置第二绝缘体216。第二绝缘体216可以是覆盖所有或多个屏蔽垫214的共享绝缘体，或者可以包括被配置用于覆盖单个屏蔽垫214的绝缘体。第二绝缘体可以包括任何合适类型的电介质，例如玻璃、烤瓷、塑料、聚合物、纤维玻璃、氮气、六氟化硫或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。

开关电路30从屏蔽垫214中的每一个电耦合至引线218。在控制器40的引导下操作的开关电路30被配置用于控制屏蔽垫214中的每一个是接地还是被留下相对于接地浮动。电路30内的实际开关可以由中继器、晶体管、或任何其他已知开关电连接的方式执行，用开关220表示。开关电路30可以在控制器40外围、或外部，或者可以是控制器40的内部部件。

参照图3，控制器40总体上包括总线302、处理器304、输入/输出(i/o)控制器306和存储器308。总线302将控制器40的各部件(包括i/o控制器306和存储器308)耦合至处理器304。总线302通常包括控制总线、地址总线、和数据总线。然而，总线302可以是适用于在控制器40中的部件之间传递数据的任何总线或总线的组合。

处理器304可以包括被配置用于处理信息的任何电路，并且可以包括任何合适的模拟电路或数字电路。处理器304还可以包括执行指令的可编程电路。可编程电路的示例包括微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)、可编程门诊量(pga)、现场可编程门阵列(fpga)、或适用于执行指令的任何其他处理器或硬件。在各实施例中，处理器可以包括单个单元、或两个或更多单元的组合，其中，所述单元在物理上位于单个控制器中或单独的设备中。

i/o控制器306包括监测控制器40和外围或外部设备的操作的电路，例如开关电路30，如果电路30在控制器40外部的话。i/o控制器306还管理控制器40与外围设备或外部设备340之间的数据流。外部设备340可以存留在触觉效果系统10可以被结合到的同一设备中，或者可以在esf被结合到的设备外部。i/o控制器可以与其接口连接的其他外围设备或外部设备340的示例包括传感器、外部存储设备、监视器、输入设备比如键盘、鼠标或按钮、外部计算设备、移动设备、和发射器/接收器。

存储器308可以包括易失性存储器，比如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪速存储器、磁性存储器、光学存储器或任何其他合适的存储器技术。存储器308还可以包括易失性存储器与非易失性存储器的组合。

存储器308被配置用于存储多个程序模块以供处理器304执行，包括事件检测模块312、效果判断模块314、和效果控制模块316。每个程序模块数据的集合、例程的集合、对象的集合、呼叫的集合以及执行一个或多个具体任务的其他指令的集合。虽然在此披露了某些程序模块，在各实施例中，针对每个模块所描述的各指令和任务可以由以下各项执行：单个程序模块、不同的模块组合、在此所披露的那些以外的模块、或由与控制器40通信的远程设备执行的模块。

事件检测模块312被编程用于对所接收的事件数据进行评估，从而判断所述事件数据是否与触觉效果相关联。事件数据可以包括由触觉效果系统10被结合到的设备中发生的事件所生成的数据；在此提供了此类设备的示例。替代性地，事件数据可以包括由与结合到触觉效果系统10的所述设备分开的设备或系统生成的数据。事件可以例如包括单独输入(例如，按钮按压、对操纵杆的操纵、与触敏表面的用户交互、使用户界面设备倾斜或定向)。在另一示例中，事件可以包括系统状态(例如，电池电量不足、低速存储器、来电呼叫)、数据发送、数据接收、或编程事件(例如，产生爆炸、枪击、碰撞、角色之间的交互、崎岖地势的游戏程序)。

在一些示例实施例中，由一个或多个传感器(例如，(多个)外部设备340)检测事件的发生。传感器的示例包括：声学或声音传感器，比如麦克风；振动传感器；化学或粒子传感器，比如呼气测醉器、一氧化碳和二氧化碳传感器、以及盖革(geiger)计数器；电气或磁性传感器，比如电压检测器或霍尔效应传感器；流量传感器；导航传感器或仪器，比如gps接收器、高度计、陀螺仪、或加速度计；位置传感器、接近度传感器、以及运动相关传感器(比如压电材料、测距仪、里程计、速度计、震荡检测器)；成像或其他光学传感器，比如电荷耦合设备(ccd)、cmos传感器、红外线传感器、和光电探测器；压力传感器，比如气压计、压强计、和触觉传感器；力传感器，比如压电传感器和应变仪；温度和热传感器，比如温度计、热量计、热敏电阻器、热电偶、和高温计；接近度和存在传感器，比如运动检测器、三角测量传感器、雷达、光敏电池、声呐、和霍尔效应传感器；生物芯片；生物计量传感器，比如血压传感器、脉搏/ox传感器、血糖传感器、和心脏监护器。另外，可以用智能材料(比如压电聚合物)形成传感器，所述传感器在一些实施例充当传感器和致动器两者。

在事件检测模块312确定事件数据与触觉效果相关联时，效果确定模块314确定将哪种触觉效果传递经过触觉效果系统10的网格20。确定模块314可以用来确定触觉效果的示例技术包括被编程以决定选择触觉效应的规则。可以由确定模块314用来选择触觉效果的另一示例技术包括将触觉效果与事件数据相关的查找表或数据库

在效果确定模块314确定要传递哪种触觉效果时，效果控制模块316引导激活网格20的一个或多个单元25。激活单元25使能单元25与组织(比如动物或人体组织)的电容耦合能力。被选择性地单独地激活的那些单元25现在被使能传递期望的非接触式触觉效果。效果控制模块316可以另外地控制单元25的激活持续时间、单元25的激活顺序、以及单元25的激活类型(例如，脉冲或稳态)。

更确切地，在操作中，参照图2，控制器40指导将交流电施加至导体210从而在导体210上建立电荷。当个人的组织(例如图2中手指222中的组织)接近或接触第二绝缘体216时，在导体210与产生感觉的组织之间建立电容耦合和组织刺激电场，所述感觉可被所述个人检测为非接触式触觉效果。可以与每个单元25处的组织建立电容耦合，其中，开关电路30隔离了屏蔽垫214并使屏蔽垫214能够通过静电感应被充电。由于单元25中的每一个是可单独控制的，可以激活网格20中的单个单元25，或可以通过各种模式同时或在不同时间激活多个单元25，从而生成期望的非接触式触觉效果。

另外，可以通过利用开关电路30(在控制器40的指导下)将单元25的屏蔽垫214绑定接地来妨碍单元25的电容耦合能力及其相关联的电场。在这种配置中，电容耦合发生在导体210与屏蔽垫214之间，而不是导体210与动物或人体组织之间；单元25的电容耦合能力允许对非接触式触觉效果的传递和不传递进行控制。在各实施例中，网格20可以被配置成以各电压电平进行操作，取决于有待传递的效果的类型、用户离网格20的表面的距离以及网格/阵列中所使用的绝缘体，例如对动态效果使用低电压对静态效果使用高电压。例如，用来对导体充电或用于屏蔽垫的电压范围可以在70v至2kv范围内任何位置。进一步，取决于期望的效果类型，被传递至导体的电流的频率可以例如在1hz至500hz的范围内。

参照图4a和图4b，展示了网格20’的替代性实施例的截面视图。在本实施例中，网格20’包括所述多个单元25’，其中的每一个包括可变形层408形式的反应层、导体410和绝缘体412。图4a展示了具有被激活的可变形层408的网格20’，而图4b展示了具有被去激活的可变形层408的网格20’。

更确切地，可变形层408被配置有局部地改变其形状或位置的能力，并通过每处变形位置定义单元25’。在各示例实施例中，可变形层408可以包括智能材料，其中，每个单元25’内的智能材料是由控制器40通过开关电路30可选择性地控制的。例如，见图4a，控制器40可以选择性地控制每个单元25’内的智能材料是否将变形，从而在智能材料的上表面创造浅凹409。在各示例实施例中，每个单元25’的可变形层408设置有使得每个单元25’的可变形层408能够沟壑至开关电路30的引线418、替代性电耦合机制(例如，电极)、或其他非电耦合机制(例如，致动器)。开关电路30使能向可变形层408提供外部刺激，从而引起变形。可以通过开关电路30选择性地提供以引起变形层408的变形的外部刺激的示例包括电流、应力、温度、水分、ph、电场和磁场。

可变形智能材料的示例可以包括智能胶体、压电材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物、磁致伸缩材料、磁性形状记忆合金、ph敏感性聚合物、温度响应性聚合物、铁磁流体、照相制版材料、介电弹性体、磁致热材料、和热电材料。还可以使用其他类型的智能材料。

参照图4a和图4b，导体410可以包括跨网格420的所有单元25’延伸的连续导体，或者可以包括跨多个单元25’或跨单个单元25’延伸的多个导电部分，每个单元25’具有其自己的导体410。导体410可以包括粘附至可变形层408的柔性导电材料，从而使得导体410遵循可变形材料408的选择性变形，例如见图4a。可以制造导体410的导电材料的示例包括铜、锡、铁、金、银、等离子、导电聚合物、碳纳米管(cnt)、或铟锡氧化物(ito)。

绝缘体412覆盖导体410并且如以上关于导体410所描述的那样采用连续或分开的配置(例如，多个单元25’或单个单元25’)被利用。绝缘体412可以包括空气或其他何类型的电介质，例如玻璃、烤瓷、塑料、聚合物、纤维玻璃、氮气、六氟化硫或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。

开关电路30从每个单元25'的可变形层408电耦合至引线418。在本实施例中，在控制器40的指导下操作的开关电路30被配置用于控制单元25’内的可变形层408是变形(见图4a)还是维持其非变形状态(见图4b)。像之前那样，电路30内的实际开关可以由中继器、晶体管、或任何其他已知开关电连接的方式执行。开关电路30可以在控制器40外围、或外部，或者可以是控制器40的内部部件。上文参照图3描述了控制器40。

在操作中，参照图4b，可变形层408的任何变形被去激活，并且交流电被施加至导体410从而在导体410上建立电荷。当个人的组织(例如手指222中的组织)接近或接触绝缘体412时，在导体410与组织之间建立电容耦合，引起提供感觉的组织刺激电场，所述感觉可被所述个人检测为非接触式触觉效果。可以在每个单元25’与个人的组织建立电容耦合，其中，开关电路30已经使能可变形层408(与粘合至可变形层的导体410一起，从而维持其非变形状态)。

在操作中，关于图4a，开关电路30激活可变形层408变形(例如，在被导体410紧跟着的可变形层408表面呈现浅凹)，从而使得在导体410与绝缘体412之间创造间隙411。间隙411作用以减小导体410与个人的电容耦合能力，以及相应地，导体410与个人的组织之间的电容耦合被中断。当每个单元25’的可变形层408单独地绑定至开关电路30时，每个单元25’传递非接触式触觉效果的能力是由开关电路30可选择性地控制的，从而在控制器40的控制下操作。

在网格20的另一示例实施例中，见图5，可变形层408可以包括一层微型致动器420(例如，微型dc电机)，所述微型致动器各自包含导体410。在本实施例中，微型致动器420限定每个单元25。通过朝向或背离绝缘体412变形(例如，移动微型致动器420和相应导体410的位置)，来自每个单元25的触觉效果是由开关电路30可选择地控制的，从而在控制器40的指导下操作。在向(多个)导体410供应交流电的情况下，当微型致动器420被开关电路30使能将导体410放置接近绝缘体412时，可以在个人的组织(例如，手指222内的组织)与导体410之间建立电容耦合和组织刺激电场。在个人与导体之间建立了电容耦合的情况下，非接触式触觉效果则是个人可检测的。移动微型致动器420、和相应的导体410远离绝缘体412从而留下间隙411导致了导体410的电容耦合能力的中断以及个人检测非接触式触觉效果的中断。在各示例实施例中，导体410与绝缘体412之间约1mm的间隙411可以足以消除非接触式触觉效果。

在网格20的仍另一示例实施例中，见图6，可变形层408最初存在于具有足够厚度t的层中，从而使得个人与导体410之间的电容耦合能力、和产生的触觉效果被中断。为了使能导体410与个人的电容耦合能力，可变形层408承受来自下面的力(在本示例中是压缩的形式)，留下可变形层408的(接近导体410)顶表面409处于非变形状态。箭头413所表示的压缩可以通过可变形层408的特性发生，例如可变形层408包括在施加外部刺激时执行其自身的压缩的智能材料。在控制器40的指导下，使用开关电路30选择性地向网格中的单元25施加外部刺激。替代性地，可变形层408可以被微型致动器或被位于可变形层408下方的附加层压缩。在仍另一实施例中，所述附加层位于导体410与可变形层408之间，其中，所述附加层被配置成使顶表面409承受箭头413所指示的压缩相反方向的力。

在网格20的仍另一示例实施例中，见图7，网格20的每个单元25包括导体410和作为反应层的绝缘体412。在本实施例中，绝缘体412的介电特性是(在控制器40的指导下)受开关电路30选择性地控制的每个单元25的元素。更确切地，每个单元25的绝缘体412被选择性地控制以维持其当前温度或改变其温度，例如提高或降低温度，从而导致单元25内的绝缘体412的介电特性或介电常数改变。介电特性的改变可以作用以使能或禁用单元25与个人的组织的电容耦合能力并相应地使能或禁用非接触式触觉效果。

上文所述的触觉效果系统10、网格20和单元25的各实施例使能单独控制每个单元25与动物或人体组织的电容耦合能力。在一种示例性使用中，电子多触摸垫配备有触觉效果系统10并且能够在一个指垫处(而不是另一个)提供非接触式触觉效果。在另一示例性使用中，配备有触觉效果系统10的腕带可以通过顺序地激活网格20内的若干单元25来产生定向流动的感觉。在仍另一示例性使用中，个人使用智能手表来导航至新客户的办公室。当个人需要右转时，一系列非接触式触觉效果沿着个人的腕带顺时针流动；腕带包含具有单元25的网格20，所述单元中的每一个可以单独地打开或关闭。在仍另一示例性使用中，个人正使用配备有网格20的平板。个人正用其右手食指在平板上画画并用其左手食指擦所述画。个人用每根手指体会到的感觉非常不同并且反映了每根手指正控制的工具类型。不同的感觉是可能的，因为每根手指接近网格20中不同的单元25并且这些单元25中的每一个被控制以提供不同的非接触式触觉效果。许多其他的使用对于触觉效果系统10、网格20和单元25也是可能的。

进一步，触觉效果系统10、网格20和单元25被配置成使能每个单元25与动物的或人的组织的电容耦合能力，而不需要控制信号或者不需要用于单元25中的每一个的高压放大器，从而保持系统10、网格20和单元25的成本和复杂度减小。而且，通过与每个单元25的单独连接提供对每个单元25的选择性激活的能力而非使用需要复用器/开关的单个信号来确定哪个(哪些)单元接收所述信号基本上消除了使用昂贵、笨重且难以采购的高压电子部件(例如，能够处于100至2000v)的需要。

上文所述的各实施例仅通过展示的方式提供并且不应该被理解为限制所附权利要求书。本领域技术人员将轻易地理解在不遵守在此所展示和描述的示例实施例和应用的情况下、并且在不背离所附权利要求书的真实精神和范围的情况下可以做出的各种更改和改变。