触觉反馈控制组件的制作方法

电子产品上用户操作的控件(control)有多种形式，例如按钮、开关、键(如键盘上的键)或触摸屏上突出显示的区域。这些控件用于向电子电路提供输入或与电子电路交互，通常作为开关来接通或断开电路或以其他方式影响这种电路。在本文中，术语“智能控件”被认为是指除了输入或切换功能之外还提供触觉效果的任何这种用户操作的控制组件。

消费电子设备采用不同的控件设计来给予用户它们已经成功地在按钮内部建立了电接触的反馈。在计算机键盘和智能电话控件的情况下，最流行的设计是“圆顶(dome)开关”和“板簧(leafspring)”。在操作期间精确的力分布(profile)本身可以在设计中进行调节，以满足目标用户的偏好，但是需要注意的是，不同用户的偏好可能会有很大差异。

有大量按钮设计和变体的选择，以满足用户的不同偏好。然而，给定的按钮设计只能提供单个响应。因此，这意味着给定的按钮选择将满足一定数量的用户，但是会令偏好不同体验的很大一部分客户不满意。

计算机键盘按钮通常只按下一次以选择特定的字符。然而，在智能电话按钮的情况下，按钮可以被快速按压或者被按住保持一段持续的时间以访问不同的功能。例如，在“电源”按钮的情况下，可以快速按压该按钮以使显示器断电，或者按住该按钮更长时间以使整个手机断电。由于智能电话按钮采用与计算机键盘按钮类似的衍生设计，尽管希望执行完全不同的操作，但是持续按压的触觉反馈与快速操作的触觉反馈是相同的。这是违反直觉的(counterintuitive)，并且因此容易引起用户的烦恼和误解。

许多智能电话正面上的常用机械按钮(例如圆顶开关和板簧开关)已经被电容式按钮代替。在该技术中，按钮不需要从设备突出，并且对建立电接触的力要求为零。这允许智能电话表壳(casework)的平滑机械设计，并防止用户如果在短时间内多次按压按钮的疲劳。然而，与机械设计不同，这些产品完全是机械被动的(passive)，并且因此本身不提供任何机械触觉反馈。

希望的是，解决上述问题，或者至少提供当前使用的设备的替代方案。

根据本发明，提供了一种控制组件，其包括：悬置在表壳中的按钮；以及致动器，该致动器被布置成通过相对于表壳移动按钮来传递触觉反馈。

因此，通过在控制组件中包括用于移动按钮的致动器来解决机械按钮和电容式按钮的当前限制，从而形成了“智能”控件。致动器对按钮的移动将触觉(haptic)(触感(tactile))反馈传递给用户，这是用户通过触摸感知的效果。这种触觉反馈可以例如，增强标准机械按钮的机械响应分布，或者向电容式按钮添加触觉效果。

随着电子设备小型化，这种致动器需要具有非常小的尺寸。例如，典型的智能电话按钮有空间封套，既在电话外部作为典型按钮，也在电话内部具有相关联的固定件、电子器件和连接，典型的封套尺寸约为15×4×1mm。此外，致动器需要能够传递快速移动。在2ms到10ms的时间内，移动要求预计通常在50um至300um之间。此外，致动器需要能够传递足够的力以便容易被用户感测。所需的力将取决于智能控件的尺寸和用例场景，但预计在200mn和几牛顿之间。虽然标准电磁致动器(em马达或vcm)可用且被用于许多应用中，包括在智能电话中的应用，但它们无法实现最小的尺寸或足够的力。

有利地，致动器是形状记忆合金(sma)致动器，优选地是包括至少一根sma线的sma致动器。

现在将通过非限制性示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是按钮组件的横截面侧视图；

图2至图4是按钮组件中的sma致动器的可选布置的侧视图；

图5是按钮组件的修改的形式的剖视图；

图6和图7是按钮组件的修改的形式的侧视图；

图8是按钮组件的修改的形式的透视图；以及

图9至图12是按钮组件的修改的形式的侧视图。

作为控制组件示例的按钮组件1在图1中示出并布置如下。在本文中，对按钮组件1的不同的修改也被描述并且可以以任何组合的方式应用于按钮组件1。

按钮组件1包括悬置在诸如手机的电子设备的表壳3中的按钮2，按钮2包括接触表面4，接触表面4通过表壳3呈现给用户以由用户的手指在按压方向p进行按压。按钮组件1包括壳体5，壳体5通过固定件6或者可选地通过任何其它合适的装置来刚性地附接到表壳2。按钮2在壳体5中悬置在移动固定装置7上，移动固定装置7向后突出并支撑在壳体5上，因此用作悬置系统。移动固定装置7用作滑动轴承(尽管可以可选地使用其它轴承)，并且从而允许按钮2相对于表壳3横向移动，即在横向于按压方向p的横向方向l上。在该示例中，横向方向l垂直于按压方向p，即平行于接触表面4，但这不是必需的，并且通常横向方向l可以相对于该按压方向有角度地偏移。

尽管在该示例中，用作滑动轴承的移动固定装置7形成悬置，但更一般地，它可以由允许按钮2以期望的方式相对于表壳3移动的任何悬置系统来代替，例如至少一个滑动轴承(plainbearing)；至少一个滚珠轴承；或至少一个挠曲件(flexure)。

在按钮2下方，按钮组件1包括sma线8，sma线8形成sma致动器。使用直径小于100μm的sma线8可以获得良好的性能。sma线8通过在一端处(图1中的右手端)连接到移动固定装置7并且在另一端处(图1中的左手端)连接到在壳体5上形成的静止的固定装置9而被连接在按钮2和壳体5之间。因此，sma线8的收缩驱动按钮2相对于表壳3的相对移动。

弹簧12通过在一端处(图1中的右手端)连接到与sma线8被连接到的那个移动固定装置相对的移动固定装置7并且在另一端处(图1中的左手端)连接到壳体8而也被连接在按钮2和壳体5之间。弹簧12处于压缩状态，并且因此用作抵靠sma线8的弹性偏置元件，弹簧12使sma线8延伸并提供按钮2在与sma线8相反的方向上的移动。弹簧12可以由提供类似效果的任何其它弹性偏置元件代替，例如拉伸的弹簧、弹性构件或挠曲件。

按钮组件1包括电连接到sma线8的驱动器集成电路(ic)10。驱动器ic10向sma线8提供电信号，该电信号导致sma线8加热并收缩，从而导致按钮2在第一感觉上在横向方向l上移动(在图1中朝向左侧)。当加热后电信号的功率降低或终止时，sma线8冷却并被弹簧12拉伸，在相反的感觉上移动按钮2(在图1中向右)。通过这种方式，在驱动器ic9的控制下，sma线8横向地前后移动按钮2。

电信号被选择成使得按钮2的移动传递触觉反馈，该触觉反馈对于触摸按钮2的用户是可感知的。令人惊讶的是，按钮2的横向移动给用户带来触感，这可以被感知为抵抗按钮3的按压的阻力的改变，即使按钮的向下移动是极小的。

出于美观的原因，可能期望按钮2的接触表面4与表壳3齐平，或者从表壳突出。

由于按钮3需要横向移动，因此在按钮2和表壳3之间需要间隙。这很小并且被密封得相当好，但是能够被认为是难看的以及允许灰尘和/或水进入，因此是不希望的。作为可选特征，按钮组件1可以包括在按钮2和表壳3之间的密封膜15。密封膜15可以填充或覆盖在按钮2和表壳3之间的间隙。密封膜15可以由任何合适的柔性材料形成，例如诸如硅树脂的弹性体。密封膜15可以是迷宫(labyrinth)膜以提供完全密封，同时允许完全移动。理想的是，密封膜15向用户提供平滑的表面，同时允许用于触觉反馈的按钮2的横向移动。

例如如下，按钮2可以被设计以增强触觉反馈。

按钮2的尺寸和高度可以被选择以提供最佳触感效果。例如，按钮2可以突出表壳，例如多达1mm。

接触表面4可以具有各种形状。例如，接触表面4可以是圆形的，并且直径为7mm或更多，或者它可以是任何其他形状，例如椭圆形、方形、矩形或杆状的，但是希望在至少一个方向上延伸5mm或更多。

接触表面4可以是纹理化的纹理，例如：粗糙表面；仿形(contoured)表面；在其范围内变化的纹理；表面上或表面边缘处的一个或更多个锐边；折叠(concertina)结构；横跨按钮的部分或全部的一个或更多个脊(ridge)。

作为替代，例如在下面按钮组件1的一些修改的形式中，单根sma线8可以由多根sma线8代替。在该情况下，多根sma线8可以被定向成使得一些sma线8被布置成在与其它sma线8基本不同的方向上拉动按钮2，即sma线8是相对的。在该布置中，通过加热不同的sma线8或sma线8的组合，按钮2可以在不同的方向上移动。在该情况下，可以不需要弹簧12，因为sma线8可以用于将按钮2移动到任何期望的位置。

优选地，在sma线8和驱动器ic10之间的电连接在按钮组件1的静止部分上，即在静止的固定装置9上。这意味着不需要移动电引线，从而简化了产品设计并优化了操作可靠性。这通过修改按钮组件1以通过跨越按钮2和表壳3之间的间隙并电串联连接的多个偶数段(length)的sma线的布置来代替单个sma线8而最容易实现。这种段的sma线可以是不同的sma线或相同sma线的不同部分。

图2至图4中示出了以这种方式修改按钮组件1的一些示例，其示出了连接在移动固定装置7和静止的固定装置9之间的sma线8的替换(为了清楚起见，省略了按钮组件1的其它部件)。

在图2的示例中，两根sma线8连接在移动固定装置7和静止的固定装置9之间，每根sma线提供一段sma线。在该情况下，两根sma线8在移动固定装置7处电连接在一起，使得这些段sma线电串联连接。

在图3的示例中，单根sma线在两端处都连接到静止的固定装置7，并且钩在移动固定装置7上的保持部件(feature)11上。因此，sma线在保持部件11的任一侧上的部分是被电串联连接的sma线的段。

可以有更多对sma线的段(例如总共四段sma线)串联或并联连接。在图4的示例中，四根sma线8连接在移动固定装置7和静止的固定装置9之间，但被串联电连接。

一根或多根sma线8的配置，包括它们的数量、长度和直径被选择为不仅提供期望的移动范围，而且使设备电阻与驱动器ic10的规格相匹配。例如，一根或多根sma线8的配置可以适于匹配驱动器ic10的功率输出。驱动器ic10通常包含控制芯片和馈入一根或多根sma线8中的功率级。控制芯片可以使用脉宽调制来控制馈入线中的功率。脉冲以方波的形式输出，并且通过功率级被放大以加热线。当sma线8的电阻随着其被加热而改变时，功率级被配置为在脉冲持续时间内保持恒定电压。sma线8的电阻随着其被加热而变化并且可以随着线变热而上升或下降，这取决于其电阻温度曲线的位置，因此，当sma线8被致动时，从功率级所需的功率会变化。

一根或多根sma线8的配置被选择为实现待被用户检测的触觉反馈所需的力，同时保持在从功率级可用的功率包络内。例如，较厚的sma线8比较薄的sma线8生成更大的力，但是较厚的sma线8具有较低的电阻并且可能需要被延长，例如通过使用机械并联和电气串联布置的两根sma线8。然而，较厚的sma线8具有较大的质量，并且因为有更多的线要被加热，所以响应时间将会增加。根据设计的要求，明智地选择sma线8的线长度、数量，无论它们是串联还是并联布置，都可以用于匹配驱动器ic10的功率包络。

例如，计算表明，直径为25μm的四根sma线8(其中有两对sma线8并联连接并且这些对被串联连接)提供了力、功率和操作窗口时间要求的适当平衡，并且传递了与典型驱动器ic10兼容的适当值的电阻。类似地，两根直径为35μm的串联连接的线提供了力、功率和操作窗口时间要求的适当平衡并传递了与典型驱动器ic10兼容的适当值的电阻。

按钮组件1还包括按钮2后面的电容式传感器20。电容式传感器20以常规方式感测对按钮2的按压。在该示例中，电容式传感器20被固定到壳体5，并且因此位于相对于表壳3静止的表面上。如上所讨论，这允许静止的电连接，其提供了与sma线8相同的好处。电容式传感器ic21连接到电容式传感器20，以检测电容式传感器20的电容，并由此得到指示对按钮2的按压的输出信号。

电容式传感器ic21连接到驱动器ic10。当检测到对按钮2的按压时，电容式传感器ic21与驱动器ic10通信。响应于此，驱动器ic10将电信号施加到sma线8以移动按钮8，从而将触觉效果传递给当时正在触摸按钮2的用户。

更一般地，电容式传感器20可以由感测对按钮2的按压的任何其它传感器代替。甚至更一般地，电容式传感器20可以由感测对按钮2的除了按压之外的某个其他操作(例如横向移动或力)的传感器代替。例如，电容式传感器20可以由机械按钮中通常使用的类型的开关代替或由力敏传感器(例如压电传感器、电阻应变式传感器或其他类型的传感器)代替。

然而，使用电容式传感器20的一个好处是，不需要按钮2向表壳3的方向行进很大的距离(例如0.5mm)来激活。这意味着按钮2不需要从表壳突出，并且允许按钮与主要产品表面齐平，以及从而产生吸引人的手机表壳设计。

使用电容式传感器20的另一个好处是它需要小力，或者不需要力。这确保了当操作按钮组件1时，表壳3不会变形或移位。这在诸如增强现实或虚拟现实眼镜和耳机之类的可穿戴设备的情况下尤其合适。

驱动器ic10可以得到随环境温度而变化的测量结果。例如，测量结果可以从诸如热敏电阻或热电偶的温度传感器得到。可选地，测量结果可以从提供给sma线8的电信号的电特性得到，例如，通过测量将sma线8的电阻改变一定量所需的功率或能量，或者电阻随着增加的线温度而开始减小所需的能量的功率。因此，关于在按钮组件2周围的环境的环境温度的信息可以被直接测量或从sma线8的行为进行推断。驱动器ic10可以根据测量结果来改变提供给sma线8的电信号。以该方式，电信号可以根据环境温度进行调整。

设计的目标是使用最小可能功率来加热sma线8，以达到从马氏体到奥氏体相改变的转变温度。达到转变温度所需的功率取决于sma线8的温度和转变温度之间的差。如果sma线8最近被致动，那么它可能处于比环境温度更高的温度，且因此使用模型，该模型基于环境温度以及最近致动中使用的功率和自该致动以来损失的功率之间的差来计算所需功率(以及因此驱动脉冲持续时间)。功率损失项将取决于sma线8的结构。当sma线8通过功率输入被加热时，该温度通过经过的空气的辐射传输而消散，但是也通过对附接到sma线8的机械部件(例如卷曲件(crimp))的加热而消散。sma线8的冷却速率和sma线8的温度因此取决于sma线8的配置和它被附接到的设备的设计。

按钮组件1的好处之一是可以通过选择电信号的适当形式来改变触觉效果。因此，触觉效果可以具有各种触觉波形。这允许按钮组件1被调节到用户的偏好和/或改变移动分布和幅度，其复制圆顶开关、板簧或常规机械设计不能传递的波形的各种设计。优选的触觉波形可以预先设计或者可以是可变的，在这种情况下，其是可以由用户选择或者调节的。例如，多个触觉波形可以被存储在按钮组件1中，在这种情况下，驱动器ic10可以被布置为提供电信号，该电信号根据可以由用户选择的所存储的触觉波形之一传递触觉反馈。以该方式，触觉效果可以由用户选择，例如在电子设备上，使得每个电子设备可以提供为用户的偏好定制的独特用户体验。

触觉波形的精确控制可以通过驱动器ic10使用电阻反馈控制提供电信号以控制传递的触觉波形来实现。在该情况下，驱动器ic10得到对sma线8的电阻的测量，并使用该测量作为反馈信号，以将电阻驱动到遵循期望触觉波形的目标值。在该情况下，电阻反馈控制可以进一步将sma材料保持在安全的机械和温度操作极限内。

可选地，触觉效果可以包括在按钮2的单次按压之后的重复的触觉波形。以该方式，对于单次按压可以有多个移动。这允许通过触觉效果向用户提供改进的反馈。例如，当按住音量按钮以增加或减小音量时，触觉效果可以是触感脉冲，以识别用户已经按压了按钮，并且然后当达到最大或最小音量时，是另一个可能不同的波形。当用户将电子设备保持在他们的耳朵上或在他们的口袋里并且不能看到用于该事件的其他反馈的屏幕时，这将是特别有用的。另外，当按下电源按钮时，可以生成单个触觉波形来识别用户已经按压了按钮，并且然后如果按钮被持续按压并且手机关机事件即将发生，则另一个可能不同的波形可以被生成。

可选地，当按钮组件被布置成作为拨动开关操作时，反馈可以用于通知用户控件的拨动状态。例如，短按压实现接通或关断，并且产生表示按钮点击的感觉的触感反馈。然而，在延长的按压时，按钮会锁定，给出设定的触觉反馈以指示锁定已经被实现。对按钮的进一步的短按压不会有效果，并且不会给出反馈；需要第二延长的按压来解锁按钮，其再次给出锁定或解锁波形以向用户指示按钮被解锁。

触觉效果还可以给出不同的或附加的波形来向用户通知手机或特定应用的状态。例如，可以向电源按钮施加不同的或多个脉冲，以通知用户设备功率低或有等待消息。另外，当按钮组件1用于控制相机时，则触觉效果可以生成波形来通知用户图像已经实现聚焦，这样用户可以集中精力到对象上而不是屏幕上的图标和通知。

预计其他用例可以被生成，其仅受应用的数量和类型的限制。

按钮组件1可以应用于任何类型的电子设备，例如具有按钮和控件的任何消费电子产品，特别是移动或手持设备(例如智能电话、平板电脑和可穿戴设备)。此外，按钮组件1可以被应用于遥控器、触笔、耳机和头戴式耳机(headphone)，尤其是在无线产品中。

按钮组件1也可以用于生产非常薄的计算机键盘，这将非常适合于超薄膝上型电脑和具有可拆卸键盘的平板电脑的组合设备。

现在将描述按钮组件1的各种修改的形式。图5至图12中示出了修改的形式，其中，为了清楚起见，仅示出了按钮组件1中的修改部件，其它部件如上所述。

按钮组件1可以包括两个(或更多个)按钮2，其都由相同致动器致动。在该情况下，两个按钮2可以由共同的构件形成。图5中示出了该类型的按钮组件1的修改的形式，其示出了由公共构件13形成的两个按钮2。结果，有两个接触表面4和两个电容式传感器30以检测其按压。sma线8连接到公共构件，并且因此响应于对任一按钮2的按压而传递触觉效果。因为在典型的使用场景中，一次只操作一个按钮2，所以用户不会注意到两个按钮2一起被致动。

在图5中示出的按钮组件的修改的形式中，弹簧12通过在一端处连接到与sma线8连接到的移动固定装置相同的移动固定装置7而连接在按钮2和壳体5之间，这允许弹簧12比在图1中更长。

在图1中示出的按钮组件1的示例中，按钮2在垂直于按压方向p的横向检测l上移动。这允许sma线在该横向方向上被定向，以允许按钮被设计成具有细长的形状因数(例如1mm)。应当理解，诸如这样的横向移动被用户感知为类似于或相同于更标准的垂直移动，并将传递合适的用户体验。然而，其它设计是可能的，其中sma线被定向以便在其它方向上提供移动，例如从垂直于按压方向p或在按压方向p本身(即垂直于接触表面4)偏离的横向方向。

在图6至图8中示出了按钮组件1的修改的形式，其提供在按压方向上的移动。

在图6中示出的按钮组件1的修改的形式中，sma线8被布置成v形，该sma线8被定向为提供按钮2在按压方向p上的移动。具体地，按钮2在其后侧上设置有突起31。sma线8在其两端处附接到表壳3(可选地经由附接到表壳3的部件)，并且以v形穿过突起31被拉伸地布置。因此，sma线8的v形位于垂直于按钮2的接触表面4的平面中。

致动时，sma线8加热并收缩，在按压方向p上向上提升按钮2。可以提供复位弹簧和悬置(未示出)。移动可以为按压按钮2的用户提供触觉效果。此外，该布置的sma线8可以用于检测用户的手指，因为用户施加的力将向下按压按钮并拉长线，导致sma线8的电阻改变，使得对电阻改变的检测可以用于检测用户的按钮按压。

在图7中示出的按钮组件1的修改的形式中，有相对于按钮2的接触表面4倾斜的两根倾斜的sma线8。每根sma线8延伸跨越按钮2的宽度，连接在按钮2和表壳2之间。与图6相比，这允许sma线8更长，提供更大的敲击(stroke)。两根sma线8可以相反地操作，即一根sma线8被加热，而另一根sma线8冷却，使得每根sma线8用于延伸另一根sma线8。这也改善了频率响应。如上，也可以提供悬置系统。

在图8中示出的按钮组件1的修改的形式中，sma线8被布置成v形，sma线8位于相对于按钮2的接触表面4倾斜的平面中。具体地，按钮2在按钮2的外边缘处在背面设置有突起51。在该示例中，按钮2具有正方形形状，并且突起51在正方形形状的拐角52处。sma线8延伸跨越突起51并被固定到表壳3，这样使得包含sma线8的平面相对于接触表面4倾斜。

当被致动时，线8收缩并在具有竖直和水平方向分量的方向上移动按钮2。这可以向用户提供改进的触觉效果。另外，与上述按钮组件的其它形式相比，sma线8的长度更长，这可以给出更大的敲击。可以提供复位弹簧和悬置(未示出)。

在图9中示出的按钮组件1的修改的形式中，按钮组件1包括将按钮2的一侧连接到表壳3的铰链(hinge)61。在该示例中，铰链61是简单的枢轴(pivot)，但是通常铰链61可以是任何类型的。sma线8在一端处附接到表壳3，并且在另一端处附接到按钮2。sma线8的收缩导致按钮2围绕铰链61旋转并在方向r上移动。这可以给出改进的触觉效果。铰链61的杠杆效应放大了sma线8的收缩，给出了增加的敲击。可以提供复位弹簧和悬置(未示出)。

在图10中示出的按钮组件1的修改的形式中，按钮2在相对于接触表面4倾斜的横向方向上移动。按钮2的背表面71相对于按钮2的接触表面4倾斜。表壳3包括凹部72，凹部72具有类似于按钮2的背表面71被倾斜的支承表面73。作为按钮2的悬置系统，按钮组件1包括在按钮2的背表面71和支承表面72之间的两个滚珠轴承74。更一般地，滚珠轴承74可以由任何数量的任何类型的轴承代替，例如一个滑动轴承或滚珠轴承。sma线8在一端处附接到表壳3，并且在另一端处附接到按钮2。这允许当sma线8收缩时，按钮2在平行于按钮2的背表面71的倾斜方向上、在方向i上移动。

在图11和图12中示出的按钮组件1的修改的形式中，sma线8与弹簧121组合以提供修改的触觉反馈。在具有机械弹簧的已知按钮中，当用户按压按钮时，弹簧被压缩，并且然后在释放时弹回，给用户点击或撞击(bump)的感觉。在图11中示出的按钮组件1的修改的形式中，sma线8更改了这种按钮的力分布。然后，用户感觉到由sma线8生成的机械撞击和某种其他触感，这给出了较丰富的体验。

具体地，按钮2位于表壳3中的凹部82中。按钮2的背面有较小的凹部83，其用于定位弹簧121，弹簧121是盘簧，这样弹簧121从按钮2中的凹部83拉伸到表壳3中的凹部82的基部。按钮2由弹簧121以及另外可选的悬置系统(未示出)悬置，这样使得当用户按压按钮2时，按钮2向下行进到表壳3中的凹部82中并压缩弹簧121。当用户释放按钮2上的压力时，弹簧121返回展开，并在用户的手指上提供触觉效果。在这样的按钮组件1中，触觉效果通常可以通过使按钮2在机械部件(例如隆起(bump)或脊(未示出))上行进来被增强，以向用户提供点击感觉。

在图11中示出的按钮组件1的修改的形式中，sma线具有与图1中相同的配置。在图12中示出的按钮组件1的修改的形式中，有两根sma线8，其配置与图7中的相同。一根或多根sma线8既可以用作检测按钮2已经通过长度、张力或电阻的改变而被按压的检测器，也可以用作向用户提供触觉波形和修改的触感的致动器。一根或多根sma线8可以模仿机械撞击的感觉。