本发明涉及用于控制多个电极的静电摩擦效应产生的方法和装置，及其在可穿戴设备、用户界面、游戏、汽车、虚拟现实或增强现实以及消费电子产品中的应用。
背景技术：
随着基于计算机的系统变得更普遍，人类与这些系统交互的界面的质量变得越来越重要。触觉反馈或者更普遍的触觉效应可以通过向用户提供提示、提供特定事件的警报或者提供真实的反馈来在虚拟环境中创造更大的感官沉浸，来提高界面的质量。
触觉效应的例子包括动觉触觉效应(例如主动和阻力反馈)、振动触觉效应和静电摩擦触觉效应。在静电摩擦触觉效应中，可以向电极提供电流。然后电极可以在用户的皮肤上施加吸力，用户可以将这种力感知为静电摩擦。
技术实现要素：
本文实施例的一个方面涉及配置为提供静电摩擦(esf)效应的接口设备。接口设备包括多个电极、信号生成电路、多个频率滤波器单元或延迟元件以及控制单元。多个电极布置在接口设备的表面处。信号生成电路配置为在信号生成电路的输出端生成第一驱动信号。多个频率滤波器单元或延迟元件电连接到信号生成电路和多个电极，使得多个电极中的每个电极电连接到各自频率滤波器单元或延迟元件的输出端。各自的频率滤波器单元或延迟元件的输入端电连接到信号生成电路的输出端。控制单元配置为使用多个频率滤波器单元或延迟元件：(i)来仅使多个电极中的一个或多个电极的子集利用第一驱动信号输出一个或多个各自的esf效应，或(ii)来使多个电极中的至少两个电极以各自不同的方式利用第一驱动信号输出各自的esf效应。
在实施例中，接口设备包括多个频率滤波器单元。多个频率滤波器单元中的每一个具有各自通过频带或各自的通过频带组，并且配置为屏蔽在各自通过频带或各自的通过频带组之外的第一驱动信号的任何频率分量。多个频率滤波器单元的各自通过频带或各自的通过频带组在频率上不重叠，或者在频率上仅部分重叠。
在实施例中，控制单元配置为使信号生成电路生成仅具有以下频率分量的第一驱动信号：(i)在第一电极的各自频率滤波器单元的各自通过频带或各自的通过频带组内，和(ii)在接口设备的多个电极的剩余部分的多个频率滤波器单元的其余部分的各自通过频带或各自的通过频带组之外，使得多个频率滤波器单元仅使多个电极中的第一电极利用第一驱动信号输出esf效应。
在实施例中，多个频率滤波器单元中的每一个仅具有单个通过频带，以及多个频率滤波器单元的各自通过频带在频率上不重叠，或者多个频率滤波器单元中的每一个具有各自的通过频带组，并且多个频率滤波器单元的各自通过频带组具有部分频率重叠。
在实施例中，多个频率滤波器单元包括第一频率滤波器单元，配置为将第一驱动信号传递到具有第一衰减水平的多个电极的第一电极，以及包括第二频率滤波器单元，配置为将第一驱动信号传递到与第一衰减水平不同的第二衰减水平的多个电极的第二电极。接口设备配置为使第一电极和第二电极分别以不同的强度等级利用第一驱动信号输出esf效应。
在实施例中，多个频率滤波器单元包括第一频率滤波器单元，配置为用第一相移将第一驱动信号传递到多个电极的第一电极，所述第一相移产生第一延迟期，以及包括第二频率滤波器单元，配置为用第二相移将第一驱动信号传递到多个电极的第二电极，所述第二相移产生与第一延迟期不同的第二延迟期，并且其中接口装置配置为使第一电极和第二电极分别在不同各自的时间利用第一驱动信号输出各自的esf效应。
在实施例中，控制单元配置为确定接口设备与确定的位置之间的空间关系，或者确定当前时间与确定的事件之间的时间关系，并且配置为选择一个或多个电极的子集来传达空间关系或时间关系。
在实施例中，接口设备包括多个频率滤波器单元。第一驱动信号是多个驱动信号中的一个，信号生成电路配置为在各自不同的时间段中或响应于不同的信号生成命令而生成。控制单元配置为使多个频率滤波器单元将多个驱动信号传递到多个电极中各自不同的电极。
在实施例中，多个电极排列成阵列。控制单元配置成使用多个频率滤波器单元来使得电极阵列利用各自的驱动信号顺序地输出各自的esf效应，以产生沿电极阵列的流动效果。
在实施例中，接口设备包括所述多个延迟元件，其中多个延迟元件配置为控制时机，通过控制时机，多个电极中的每个电极从各自的延迟元件的输入端到各自的延迟元件的输出端通过引入第一驱动信号的不同各自延迟期来输出esf效应。
在实施例中，多个电极排列成阵列，其中多个电极在相邻电极之间具有均匀间隔。
在实施例中，阵列是二维阵列。
在实施例中，接口设备是可穿戴设备。
在实施例中，信号生成电路包括放大电路，配置为将第一信号放大为第一驱动信号，其中放大电路为接口装置中用于将第一信号放大为第一驱动信号的唯一放大电路。
在实施例中，控制单元配置为从正在接收用户接触的多个电极中的一组电极中选择一个或多个电极的子集，使得接收用户接触的一些电极没有被选为利用第一驱动信号来生成各自的静态esf效应。
本文实施例的一个方面涉及配置为提供静电摩擦(esf)效应的接口设备。接口设备包括信号生成电路、多个延迟元件以及多个电极。信号生成电路配置为在信号生成电路的输出端生成第一驱动信号。多个延迟元件配置为从各自的延迟元件的输入端到各自的延迟元件的输出端引入第一驱动信号的各自延迟期。多个电极对应多个延迟元件，其中多个电极中的每一个连接到各自延迟元件的输出端，配置为利用第一驱动信号产生各自的esf效应。多个延迟元件和它们各自的电极形成多个各自的对，每个对分别包括各自的延迟元件和各自的电极。多对延迟元件和它们各自的电极串联电连接，使得串联中的第一对延迟元件的输入端连接到信号生成电路的输出端，并且串联的所有其他对的延迟元件的输入端电连接到串联中的前一对的电极。
在实施例中，由多个延迟元件引入的各自的延迟期是相同的。
在实施例中，由多个延迟元件引入的各自的延迟期是不同的。通过阅读以下参考附图的详细描述，本发明实施例的特征、目的和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
根据附图中所示的实施例的以下描述，本发明的前述和其它特征和优点将变得显而易见。并入本文并构成说明书的一部分的附图进一步用于解释本发明的原理，并使相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图没有按比例绘制。
图1a是本文实施例的具有设置在其外表面处的多个电极以产生静电摩擦效应的可穿戴设备的图示。
图1b是本文实施例的具有设置在其外表面处的多个电极以产生静电摩擦效应的可穿戴设备的图示。
图2是本文实施例的具有设置在其外表面处的多个电极以产生静电摩擦效应的移动设备的图示。
图3是本文实施例的具有设置在其外表面处的多个电极以产生静电摩擦效应的膝上型电脑的图示。
图4a和图4b是本文实施例的设置在驱动电路和各个电极之间的多个选通元件的示意图。
图5a和图5b是本文实施例的作为频率滤波器单元的多个选通元件的示意图。
图6a是本文实施例的以并联方式连接到信号生成电路的多个延迟元件的示意图。
图6b是本文实施例的以串联方式彼此连接的多个延迟元件的示意图。
图7是本文实施例的作为继电器开关的多个选通元件的示意图。
图8a和8b是本文实施例的具有连接在各个电极与地电位之间的多个选通元件的接口设备的示意图。
图9是本文实施例的屏蔽层的多个屏蔽元件的示意图，屏蔽层配置为将各自电极与接口设备的表面屏蔽。
图10是本文实施例的多个屏蔽元件的示意图，多个屏蔽元件配置为将各自电极与接口设备的表面屏蔽。
图11a和11b示出了本文实施例的用于传达空间或时间关系的多个电极。
图12示出了本文实施例的用于产生各自esf效应的多个电极的示例布局。
图13示出了本文实施例的用于产生各自esf效应的多个电极的示例布局。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和用途。此外，并不打算受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中呈现的任何表达或暗示的理论的束缚。
这里的实施例涉及实现启用触觉接口设备(例如手持式或其他可抓取的设备，诸如移动设备或游戏机控制器、可穿戴设备、膝上型电脑)，它包括用来产生(例如生成)静电摩擦(esf)效应的多个电极，配置为控制一个或多个电极的哪个子集将利用驱动信号产生一个或多个各自的esf效应，和/或配置为不同电极利用驱动信号如何产生各自的esf效应。例如，启用触觉接口设备可以包括配置为屏蔽驱动信号到达特定电极的频率滤波器单元或继电器开关，或包括配置为将这些电极与设备的表面电屏蔽的屏蔽元件，使得这些电极不会在表面处利用驱动信号产生任何esf效应。在其他实例中，启用触觉接口设备可以配置为将驱动信号传递到多个电极，但是可以针对不同的电极将驱动信号衰减或延迟不同的量/周期，使得不同的电极以不同的方式利用驱动信号产生各自的esf效应。频率滤波器单元、延迟元件和继电器开关可以是不同类型的选通元件。
在实施例中，启用触觉接口设备可以配置为控制哪些电极用驱动信号输出各自的esf效应和/或这些电极如何用驱动信号输出esf效应，以向用户传达空间关系、时间关系、时空关系(例如，空间关系和时间关系的结合)和/或其他信息。在实施例中，多个电极可以顺序地输出各自的esf效应，以产生沿电极的流动效果。例如，如果电极以一维阵列(例如，线)或二维阵列排列，则沿着阵列的各自esf效应的顺序输出可以产生沿阵列的流动效果。这种流动的效果可以用来为用户提供导航指令，指示操作的进展、时间的推移或用于任何其它目的。
在实施例中，多个电极可以用来产生(例如生成)静态esf效应。如下面更详细讨论的，动态esf效应可以需要用户将他或她的身体的一部分(例如，指尖)移动跨过电极，而静态esf效应允许用户的身体(例如，指尖)保持静止。在一些情况下，静态esf效应可以使用比动态esf效应(例如，10v)所使用的更高的电压(例如，1.5kv)。因此，在一些情况下，启用触觉设备的信号生成电路可以使用包括高电压电子设备的一个或多个放大电路来生成用于静态esf的高压驱动信号。例如，驱动信号可以是具有适于静态esf效应的幅度(例如，>1kv)的放大信号。在实施例中，启用触觉接口设备可以包括多个放大电路，其中一个放大电路分配给每个电极，使得esf效应的输出端可以在每个单独的电极处分开进行控制。在另一个实施例中，启用触觉接口设备可以仅包括一个用于生成任何驱动信号的放大电路。信号生成电路中可以包括唯一的放大电路。在该实施例中，放大电路输出可以在多个电极之间共享的驱动信号，这可以使用相同的驱动信号产生各自的esf效应。例如，可以在单个放大电路和各个电极之间放置多个单独可控的选通元件(例如，开关、频率滤波器单元或延迟元件)以控制这些电极处的esf效应，或者可以在各个电极和地电位之间放置多个屏蔽元件，以控制这些电极处的esf效应。选通元件或屏蔽元件可以例如仅使多个电极中的一个或多个电极的子集利用第一驱动信号输出各自的一个或多个esf效应，或者可以使多个电极中的至少两个电极利用第一驱动信号输出各自的esf效应，但是以不同的方式这样做。在另一个实例中，多个延迟元件可以以串联配置布置，以形成延迟元件链，每个延迟元件选通各自的电极。例如，该串联布置可以使得驱动信号顺序地传播通过延迟元件链和它们各自的电极，以产生流动效果。
图1a和1b描绘了配置成向用户提供静电摩擦(esf)效应的可穿戴接口设备(例如活动追踪器腕带或智能手表)。图1a描绘了可穿戴接口设备100，其具有带101，带101具有第一表面101a和第二相对表面101b。第一表面101a可以是例如当佩戴时可见和/或可触及的顶部外表面，并且第二表面101b可以是例如当佩戴时用于接触用户手腕的底部外表面。第二表面101b可以称为接触表面。在图1a中，带101的第二表面101b可以具有设置在表面101b处的多个电极103a-103h。在实施例中，第一表面101a可以具有安装在其上的显示设备(例如，触摸屏)和/或物理用户输入部件(例如，按钮)，或者可以替代地不具有这些设备(例如，作为更简单的活动追踪器)。在实施例中，可穿戴接口设备100可以包括另一个触觉设备。例如，可穿戴接口设备100可以包括嵌入在带101内的压电致动器，以产生针对整个带101的振动触觉效应，或设置在第一表面101a上的形状记忆合金层，以在第一表面101a处产生变形触觉效应。
用于产生esf效应的电极(可以称为esf电极)可以具有各种尺寸和形状，例如正方形、点和条。例如，图1b描绘了另一种可穿戴接口设备200，其具有在带201上的多个电极203a-203e，其尺寸和形状与图1中的电极103a-103h不同。更具体地，电极203a-203e可以各自具有长度基本上等于带201的长度的长条的形式。在一些情况下，与其他一些形状相比，成形为长条形的电极可能更有利，因为对于一些用户来说，当他们的皮肤没有完全覆盖电极时，esf效应可能更为优化。具有长条形状的电极可能不太可能被用户的皮肤完全覆盖。本文实施例中的电极也可以以各种方向排列。例如，电极103a-103h可以沿着带101的长度排列，而电极203a-203e可以从如图1b所示旋转90度，以沿着带201的宽度排列。在实施例中，这两个取向可以组合，其中一些电极沿着带的长度排列(图1b)，而一些电极沿着带的宽度排列。
如上所讨论，可以使用电极103a-103h或电极203a-203e来创造空间和/或时间反馈，诸如创造沿着电极的esf效应的流动效果，或者传达空间方向让用户跟随。参照图1a，沿着电极103a-103h的顺序esf效应或esf效应流可以用于在向右方向或向左方向上引导用户。参照图1b，沿着电极203a-203e的顺序esf效应或esf效应流可以用于在向前或向后的方向上引导用户。图1a中的电极布置可以与图1b中的电极布置结合，以允许启用触觉接口设备以向前、向后、向左或向右的方向引导用户。
在另一个示例中，电极103a-103h或电极203a-203e可以用于指示相应的启用触觉接口设备(以及佩戴该设备的用户)相对于标的位置的空间定向。例如，电极103d或103e可以指定为代表设备的当前位置的中心电极，而当带101被穿着时，可以确定电极103b落在中心电极的左侧，并且当带101被穿着时，可以确定电极103g落在中心电极的右侧。当期望的目的地或物体位于设备当前位置的左侧时，驱动信号可以引导至电极103b以输出esf效应。当期望的目的地或物体位于设备当前位置的右侧时，驱动信号可以引导至电极103g以输出esf效应。
在另一个示例中，电极103a-103h可以用于传达当前时间与感兴趣事件之间的时间关系。例如，电极103a-103h中的每一个可以对应于会议之前的不同的时间量(例如，15分钟、30分钟等)，并且在会议之前可以选择性地激活，以指示当前的持续时间。在又一示例中，电极103a-103h可以用于指示诸如数据传输操作之类的操作的进展。例如，电极103a-103h可以对应于不同的百分比(例如，0％、10％、20％等)，并且可以选择性地激活，以指示数据传输操作当前完成的百分比。
图2和3描绘了具有用于产生(例如，生成)esf效应的esf电极的其他接口设备的示例。图2示出了具有布置在其接触表面301(例如，后表面)处的多个电极303a-303g的移动接口设备300(例如，智能电话或平板电脑)的示例。设备300的接触表面可以是当设备300由该手握住时预期接收来自手的用户接触的表面。电极303a-303g的每一个可以形成为圆形(例如，点)，并且可以以二维阵列(例如，四行两列)排列。可以将电极放置在例如用户的手指在握持移动接口设备300时最有可能触摸的接触表面301上的位置处。图3描绘了在其接触表面(例如，掌托、触摸板409、手印扫描仪)上具有多个电极403a-403f的膝上型电脑400的示例。设备400的接触表面可以是预期在打字或设备400的其他使用期间接收用户接触的表面。电极403a-403f可以布置为第一一维阵列413和第二一维阵列423。第一一维阵列413位于触控板409的一侧，第二一维阵列423位于触控板409的相对侧。这些位置可对应于用户的手腕可能抵靠并接触膝上型电脑400的区域，从而允许在用户的手腕处产生esf效应。在实施例中，这里描述的esf电极可以设置在设备300、设备400或具有显示屏幕的任何其他设备的显示屏幕的表面处。在多个电极(例如，103a-103h)排列成阵列的实施例中，多个电极可以在相邻电极之间具有均匀的间隔。
电极103a-103h、203a-203e、303a-303h和403a-403f可以配置为产生esf效应，并且可以称为esf电极。在实施例中，每个电极可以是导电(例如，金属)垫。在实施例中，多个电极103a-103h、203a-203e、303a-303h和403a-403f可以是暴露电极和/或绝缘电极。一些启用触觉接口设备可以仅包括暴露esf电极，仅包括绝缘esf电极，或者包括暴露esf电极和绝缘esf电极的混合。暴露电极可以设置在接口设备的表面(例如，表面101b)的对应部分处，并且更具体地可以形成表面的相应部分。暴露电极可以例如配置成在用户与表面的对应部分处与暴露电极接触时(或者布置在暴露电极之上，其间仅有非常小的气隙)直接电耦合到用户。接触可以指与例如用户的皮肤接触。更一般地说，接触可以指其中驱动信号可以在用户身体上产生静电摩擦效应的接触。在一个示例中，暴露电极可以是粘附在接口设备的主体(例如，带101的主体的顶部)上的导电垫。在一个示例中，暴露电极可以是在接口设备的主体、外壳或其他结构元件中通过开口(例如，通过移动电话的外壳中的开口)暴露的导电垫。
在实施例中，绝缘电极可以设置在接口设备的外表面(例如表面101b)的对应部分处，并且更具体地可以设置在外表面的对应部分之后。绝缘电极可以通过例如薄绝缘层(例如电介质材料层)与表面分离。当用户与绝缘电极的表面的对应部分接触时，绝缘层可以配置为电容性地电耦合到用户。在一个实例中，绝缘电极可嵌入移动电话或游戏机控制器的塑料外壳内，或嵌入智能手表的带内，使得在电极与移动电话、游戏机控制器或智能手表的外表面之间存在电绝缘材料(例如，电介质材料)。在另一个示例中，绝缘电极可以是放置在智能手机、智能手表或游戏机控制器的主体上的导电材料，并且可以已经被绝缘材料覆盖(例如，
在实施例中，可以使用多个电极，例如以此产生静态esf效应或动态esf效应。当手指或用户身体的其他部位在接口设备的表面上移动时，动态esf效应可以涉及在手指或用户身体的其他部位上施加静电力。静电力可以通过将时变信号施加到电极来产生。静电力可以吸引手指，并且在手指移动期间可以感知为摩擦。当用户的手指或其他身体部位相对于接口设备的表面保持静止且接触时，可以产生静态esf效应。静态esf效应还可以涉及将时变信号施加到电极以产生静电力。在一些情况下，与动态esf相比，静态esf可以涉及更高的时变信号的电压电平。
在实施例中，手持式接口设备100包括作为信号电极或可切换为信号电极的电极，并且包括作为接地电极的电极或可切换为接地电极的电极。例如，图4a示出了一实施例，其中电极103a和103h都是接地电极，并且电极103b-103g是信号电极或可以通过选通元件105b-105g切换成信号电极。在实施例中，信号电极可以是接收来自信号生成电路的驱动信号的电极，并且可以配置为利用驱动信号产生esf效应。在实施例中，接地电极可以是电连接到接地电位的电极(例如，接地电位等于电池的负极端的电位或接口设备100的其他电源的电位)。因为电极103a和103h具有对地的永久电连接，所以它们在图4a中可以称为专用接地电极。因为电极103a和103h是专用接地电极，所以它们在图4a中没有对应的选通元件(即，没有选通元件105)。一般而言，用于电极的选通元件可以是控制信号是否可以到达电极的元件(例如，电路)，或者是信号到达电极的方式(例如，衰减或放大水平或者延迟期)。在其中产生静态esf效应的一些示例中，仅将绝缘电极用作信号电极，而可以将绝缘电极或暴露电极(如果有的话)用作接地电极。在一些情况下，绝缘电极可在信号电极和接地电极之间切换(例如，可互换地在一个时间点(第一种情况)用作信号电极，或在另一个时间点(第二种情况)可用作接地电极)。
回到图4a，图是可穿戴接口设备100的示意图，可穿戴接口设备100包括信号生成电路104，其包括信号处理器106和放大器108。信号处理器106可以配置为产生例如正弦或其他时变信号，以产生esf效应。由信号处理器106产生的信号可以是模拟或数字信号。在实施例中，接口设备100可以包括控制单元110(例如微处理器或fpga电路)，其配置为控制由信号处理器106生成的信号。放大器108可以配置为放大来自信号处理器106的信号，以在信号生成电路104的输出端生成驱动信号。例如，由信号处理器106产生的信号可以是幅度在5v至10v范围内的矩形脉冲，并且放大器108可以放大该信号以产生驱动信号，该驱动信号是具有大约1kv的幅度的矩形脉冲，用于产生静态esf效应。在实施例中，放大器108可以是接口设备100中的唯一放大器，用于放大来自信号处理器106的任何信号。
在实施例中，信号生成电路104可以输出与分离的时间段或者分离信号生成命令对应的第一驱动信号和第二驱动信号。例如，在第一时间段(例如，第一1秒窗口)中由信号生成电路104输出的电压波形可以认为是第一驱动信号，而在第二时间段(例如，随后的1秒窗口)中由信号生成电路104输出的电压波形可以认为是第二驱动信号。在另一个示例中，由信号生成电路104响应于来自软件应用程序(例如，设备驱动程序)或应用程序编程接口(api)控制控制单元110的第一信号生成命令而输出的电压波形可以认为是第一驱动信号，而由信号生成电路104响应于第二信号生成命令而输出的电压波形可以认为是第二驱动信号。在实施例中，接收驱动信号的第一电极可认为是产生第一esf效应，而接收相同驱动信号的第二电极可认为是产生第二esf效应。两个电极可以接收相同版本的驱动信号(例如，相同强度、相同相位和相同频率分量)或相同驱动信号的不同版本(例如不同强度、不同相位或不同频率分量)。
在实施例中，多个选通元件105b-105g可以设置在各个电极103b-103g与信号发生电路104的输出端之间，来控制电极103b-103g中的哪一个将是信号电极。选通元件的例子包括频率滤波器、延迟元件和开关(例如，高压继电器开关或高压晶体管)。多个选通元件105b-105g可以配置为控制电极103b-103g中的哪个或哪些电极将从信号发生电路104的输出端接收驱动信号，和/或控制驱动信号到达电极的方式，例如到达电极的驱动信号的衰减水平或延迟期(例如，由于相移)。在实施例中，继电器开关或高压晶体管可以形成高电压多路复用器，其将驱动信号电连接到电极103b-103g的恰好一个电极，其可以在软件控制下进行选择。
在图4a中，选通元件105b-105g的特性可以是固定的。例如，如果选通元件是频率滤波器，则每个频率滤波器可以具有固定的通过频带。如果选通元件是延迟元件，则每个延迟元件可以具有固定的时间延迟，通过该延迟，它延迟来自信号生成电路104的驱动信号。图4b描绘了可重新配置的选通元件。更具体地，图4b还描绘了具有设置在信号生成电路104的输出端和各自的电极103b-103g之间的多个选通元件105b'-105g'的接口设备100。在图4b中，选通元件105b'-105g'的属性可以由控制单元110通过各自的ctrl输入线重新配置。例如，如果在实施例中，选通元件是频率滤波器，则控制单元可以配置为将命令传达给至少一个频率滤波器的ctrl输入线，以重新配置频率滤波器的通过频带。如果在实施例中，选通元件是延迟元件，则控制单元110可以配置为将命令传达到至少一个延迟元件的ctrl输入线，以重新配置延迟元件将引入信号的延迟期。如果在实施例中，选通元件是多个开关(例如，继电器开关)，则控制单元110可以配置为经由各自的ctrl输入线来控制(例如断开或闭合)每个开关。
在实施例中，控制单元110配置为从电极组103a-103h中或者从可切换为信号电极的电极组103b-103g中选择一个或多个电极的子集，用于利用驱动信号输出esf效应。控制单元可以配置为从正在接收用户接触的一组电极(例如，103b、103c、103d)中选择一个或多个电极(例如，103b)的子集，使得接收用户接触的电极不被选择以利用驱动信号产生各自的静态esf效应。
图5a具有分别是多个频率滤波器单元(例如，模拟或数字频率滤波器单元)1105b、1105c、1105d的选通元件的实施例的示意图。在实施例中，频率滤波器单元1105b、1105c、1105d中的每一个可以配置为具有各自不同的通过频带。如图5a所示，频率滤波器单元1105b可以仅具有以50hz为中心的单个通过频带。频率滤波器单元1105c可以仅具有以100hz为中心的单个通过频带。频率滤波器单元1105d可以仅具有以200hz为中心的单个通过频带。频率滤波器单元1105b、1105c和1105d中的每一个可以配置为屏蔽在其各自的通过频带之外的驱动信号的任何频率分量。例如，因为频率滤波器单元1105d仅具有以200hz为中心的单个通过频带，所以作为50hz正弦信号和100hz正弦信号的加权和的驱动信号将被频率滤波器单元1105d屏蔽。
在实施例中，频率滤波器单元可以配置为衰减落入频率滤波器单元的通过频带内的信号的频率分量。对于50hz正弦信号和100hz正弦信号的加权和的驱动信号，例如，频率滤波器单元1105b可以将50hz正弦信号衰减50％(同时完全屏蔽驱动信号的100hz分量)，并且频率滤波器单元1105c可以将100hz正弦信号衰减25％(同时完全屏蔽驱动信号的50hz分量)。在实施例中，每个频率滤波器单元可以配置为将相移引入落入频率滤波器单元的通过频带内的信号的频率分量。相移可以引入延迟，通过该延迟，驱动信号到达连接到频率滤波器单元的对应电极。
在实施例中，启用触觉接口设备的频率滤波器单元可以具有相同带宽或各自不同带宽的通过频带。在实施例中，每个通过频带的带宽可以是非零(例如，20hz)。在实施例中，通过频带的带宽可以足够小，使得通过频带可被视为通过频率(例如，50hz、100hz或200hz的通过频率)。通过频率可以与执行数字信号处理(例如，傅里叶变换)以执行滤波的数字频率滤波器单元相关联。
在图5a的实施例中，频率滤波器单元1105b(以50hz为中心的一个频带)，1105c(以100hz为中心的一个频带)和1105d(以200hz为中心的一个频带)的各自通过频带不重叠。该实施例允许控制单元110创造仅到达一个esf电极的第一驱动信号。例如，控制单元可以使第一驱动信号具有仅50hz的频率分量，使得仅频率滤波器单元1105b将第一驱动信号传递给电极103b，并且仅电极103b将基于第一驱动信号产生或生成esf效应。然而，控制单元也可以通过在第二驱动信号中包括多个频率分量(例如，50hz和100hz)而使本实施例中的第二驱动信号到达多个电极。在另一个实施例中，多个频率滤波器单元的各自通过频带可以具有一些重叠。
图5b示出了一实施例，其中一些频率滤波器单元可以具有各自的通过频带组。更具体地，图5中的实施例包括频率滤波器单元2105b，其具有包括以50hz为中心的频带、以100hz为中心的频带和以200hz为中心的频带的相应的通过频带组。频率滤波器单元2105d具有各自的通过频带组，其包括也集中在100hz附近的频带和也集中在200hz附近的另一频带。频率滤波器单元2105c具有也集中在100hz附近的单个对应通过频带。在图5b示出的实施例中，(滤波器单元2105c的)各自的通过频带或(滤波器单元2105b和2105d的)各自的通过频带组在频率(例如，在100hz和200hz)处具有部分重叠。在另一个实施例中，多个频率滤波器单元可以具有在频率上不重叠的各自的通过频带或各自的通过频带组。
在实施例中，控制单元110可以配置为使用频率滤波器单元2105b、2105c和2105d利用第一驱动信号来仅使该组电极103b、103c和103d中的一个或多个电极的子集输出一个或多个各自的esf效应。例如，控制单元可以产生仅具有200hz的频率分量的第一驱动信号。在这种情况下，只有电极103b和103d将利用第一驱动信号输出各自的esf效应。在实施例中，控制单元可以配置为使电极103b、103c和103d中的至少两个电极利用第一驱动信号输出各自的esf效应，但是以不同的方式这样做。例如，具有200hz频率分量的第一驱动信号可以由频率滤波器单元2105b衰减70％，并且可以由频率滤波器单元2105d衰减50％。因此，两个对应电极103b和103d可以接收具有不同衰减水平的第一驱动信号，进而以不同的方式利用第一驱动信号输出各自的esf效应。在另一个示例中，第一驱动信号可以包括仅100hz和200hz的频率分量。如图5b所示，频率滤波器单元2105c将滤除第一驱动信号的200hz分量，而频率滤波器单元2105b和2105d则不会。因此，电极103b和103d由第一驱动信号的100hz和200hz频率分量驱动，而电极103c仅由第一驱动信号的100hz频率分量驱动。因此，三个电极103b、103c和103d可以以不同的方式利用第一驱动信号输出各自的esf效应，这是因为三个电极由频率分量的不同组合驱动，并提供不同的衰减水平。
图6a描绘了实施例，其中其选通元件分别是多个延迟元件3105b-3105d。延迟元件3105b-3105d的每个延迟元件可以配置为控制时机，通过该时机，电极103b-103d的各自电极将输出各自的esf效应。延迟元件可以通过将来自信号发生电路104的输出端的驱动信号的各自不同的延迟期引入到各自的电极来控制该时机。在实施例中，每个延迟元件可以是模拟延迟元件，诸如电感和/或电容滤波器(例如，lc滤波器)。在另一个实施例中，每个延迟元件可以是数字延迟元件，例如缓冲器。在图6a中，延迟元件3105b可以配置为引入延迟“d1”(例如500毫秒)，延迟元件3105c可以配置为引入延迟“d2”(例如700毫秒)，以及延迟元件3105d可以配置为将延迟“d3”(例如900毫秒)引入到驱动信号。在图6a的实施例中，从信号生成电路104传递到特定电极的物理距离的延迟可认为是可以忽略的。延迟元件3105b、3105c和3105d可以配置为使得电极103b、103c和103d分别在t0+d1，t0+d2和t0+d3处按顺序输出各自的esf效应。在实施例中，d1、d2和d3的值以线性方式增加。例如，d2＝2xd1，而d3＝3xd1。然后延迟元件3105b、3105c和3105d可以使得电极103b、103c和103d在t0+d1，t0+2d1和t0+3d1处按顺序输出各自的esf效应。电极103b、103c和103d上的esf效应的顺序输出可以提供上述流动的感觉。
当图6a示出了实施例，其中多个延迟元件3105b、3105c和3105d均可以以并联配置连接到信号生成电路104的输出端，图6b示出了实施例，其中多个延迟元件4105b、4105c和4105d以串联方式相互连接以形成延迟元件链，使得驱动信号在延迟元件链中传播。更具体地，图6b描绘了包括延迟元件4105b、4105c和4105d以及包括功能性对应于延迟元件的各自esf电极103b、103c和103d的接口设备。延迟元件4105b、4105c和4105d可以配置为分别从延迟元件的输入端到延迟元件的输出端引入延迟d1、d2和d3。延迟元件可以在空间上布置为线或其它延迟元件阵列，并且电极可以在空间上布置为线或其它电极阵列。电极103b、103c、103d中的每一个可以电连接到各自的延迟元件的输出端。图6b还包括配置为生成驱动信号的信号生成电路104。
如图6b所示，延迟元件4105b、4105c和4105d以及它们各自的电极103b、103c和103d可以形成或以其他方式分组为各自的对，每对包括各自的延迟元件和各自的电极。例如，延迟元件4105b和电极103b可以形成一对1，延迟元件4105c和电极103c可以形成一对2，延迟元件4105d和电极103d可以形成一对3。延迟元件和电极对(例如，对1、对2和对3)可以串联电连接。在实施例中，对1可以是该串联中的第一对，对2可以是该串联中的第二对，并且对3可以是该串联中的第三对。通过串联连接，串联中的第一对中的我延迟元件(即，延迟元件4105b的输入端)的输入端可以连接到信号发生电路104的输出端，而串联中的所有其他对的延迟元件的输入端电连接到串联中的前一对的电极。因此，串联中的第二对中的延迟元件的输入端(延迟元件4105c的输入端)可以连接到串联中的第一对的电极(电极103b)，而串联中的第三对中的延迟元件的输入端(延迟元件4105d的输入端)可以连接到串联中的第二对中的电极(电极103c)。利用这种布置，驱动信号可以通过延迟元件和电极的串联传播，以沿着电极顺序地输出esf效应。每个电极可能经历其延迟元件和该串联的前一对中的延迟元件的累积延迟。因此，电极103b可能经历d1的延迟，电极103c可能经历d2+d1的延迟，并且电极103d可能经历d3+d2+d1的延迟。在实施例中，d1＝d2＝d3。在实施例中，d1、d2和d3中的至少一些或全部具有不同的值。
在实施例中，图6a和图6b中的每个延迟元件配置为将从延迟元件的输入端到延迟元件的输出端的驱动信号引入各自的延迟期、时间延迟或延迟期。延迟元件可以配置为引入相同的延迟期，或者引入各自不同的延迟期。
在实施例中，图6a和图6b中的每个延迟元件可以具有固定的延迟，或者具有重新配置的延迟。例如，每个延迟元件可以是具有固定电容或可重新配置的电容的电容器。
图7描绘了实施例，其中多个选通元件是继电器开关5105b-5105d。继电器开关可以由例如图4a中的控制单元110所控制。在实施例中，控制单元110可以配置为仅闭合被用作选通元件的所有继电器开关中的一个继电器开关，并且使所有其他继电器开关断开。在实施例中，控制单元110可以配置为同时闭合多个继电器开关，并且将其他继电器开关断开用作选通元件。在实施例中，继电器开关5105b-5105c中的每一个可以是配置为耐受用于产生静态esf效应的电压(例如，1kv)的高压继电器开关。当特定的开关处于如图7所示的打开状态时，连接到开关的电极可以处于电浮动状态。
如上所谈论的，产生esf效应可以涉及信号电极和接地电极。通过电连接到信号生成电路的输出端，绝缘电极可以在一个时间点用作信号电极，并且在另一个时间点通过电连接到接地电位作为接地电极。图8a示意性地表示实施例，其中电极103a-103g的每个电极可以是在信号电极和接地电极之间可切换的绝缘电极。更具体地，图8a示出类似于图4a的信号生成电路104、控制单元110、多个电极103a-103g(例如绝缘电极)和选通元件105a-105h。然而，图8a进一步示出了多个分别电连接到接地电位的选通元件115a-115h。在一个示例中，当选通元件105a-105h可以控制哪个电极子集将接收来自信号生成电路104的驱动信号时，选通元件115a-115h可以配置为将没有接收到驱动信号或者不打算接收驱动信号的那些电极接地。
在图8b描绘的实施例中，当其各自的选通元件处于打开状态时，电极可以接地而不是处于电浮动状态。在图8b的实施例中，选通元件5115a-5115h是继电器开关，更具体地，包括第一多个继电器开关5105b、5105c、5105d以及第二多个继电器开关5115b、5115c、5115d。选通元件可以形成诸如第一对开关5105b、5115b，第二对开关5105c、5115c和第三对开关5105d、5115d的对。在实施例中，每个继电器开关可以由控制单元110控制。继电器开关5105b、5105c和5105d中的每一个可以功能性控制，以选择性地将对应的电极连接到信号发生电路104的输出端，而继电器开关5115b、5115c和5115d中的每一个可以功能性控制，以选择性地将对应的电极接地。可以配置或控制成对的继电器开关，使得在触觉接口设备的运作期间每对中的恰好一个继电器开关将闭合。这样，如果电极没有电连接到信号发生电路的输出端，则电极接地而不是处于电浮动状态。
图9提供了实施例，其中多个屏蔽元件113a-113h可以控制电极103a-103h中的哪一个利用第一驱动信号输出esf效应。屏蔽元件113a-113h可以与图4a中的选通元件105a-105h结合，也可以省略这样的选通元件，使得电极103a-103h中的每一个从信号生成电路104接收驱动信号。在实施例中，电极103a-103h中的每一个可以是设置在启用触觉接口设备的外表面后面的绝缘电极。多个屏蔽元件113a-113h可以设置在对应的电极103a-103h之前(在其顶部或之上)，使得屏蔽元件113a-113h位于电极103a-103h和接口设备的外表面之间。例如，屏蔽元件113a-113h可以是比接口设备的外表面略微后面(下面)埋入的导电垫(例如，金属垫)，但是与电极103a-103h相比在更浅的深度处。在实施例中，屏蔽元件113a-113h的每个屏蔽元件可以具有与电极103a-103h的对应电极相同的尺寸，并且可以直接设置在对应电极的前方(例如，正上方)。
在实施例中，屏蔽元件113a-113h的每个屏蔽元件经由可以由控制单元110控制的选通元件115a-115h的各自选通元件(例如，开关)可切换地接地。在这个实施例中，电极103a-103h中的每一个可以电连接到信号生成电路104的输出端。电极103a-103h中的每一个可以基于驱动信号产生电场。屏蔽元件113a-113h的屏蔽元件(例如113b)可以通过例如经由选通元件115a-115h的对应选通元件(例如115b)可切换地接地，而抑制从各自电极(例如103b)发出的电场。当屏蔽元件与地面电连接时，它可屏蔽各个电极的电场以免到达接口设备的外表面。因此，该屏蔽元件可以防止相应的电极(例如103b)利用驱动信号产生esf效应。通过使其各自的屏蔽元件(例如113c)与地电断开，可以允许另一个电极(例如103c)利用驱动信号产生esf效应。屏蔽元件的更多细节在美国专利申请号15/239,464(attydkt.no.imm627)中加以讨论，其于2016年8月17日申请，其内容通过引用整体并入本文。
图10描绘了实施例，其中可切换地将屏蔽元件接地的选通元件分别是继电器开关5115b-5115d。任何继电器开关可以闭合，以将各自的屏蔽元件电接地，或者可以打开，以将各自的屏蔽元件与地电断开。
图11a和11b描绘了实施例，其中使用上面示出的多个电极(例如，电极103a-103h或203a-203e)来提供具有esf效应的空间反馈和/或时间反馈(其通常可以称为时空反馈)。在实施例中，空间反馈可以指示触觉接口设备相对于感兴趣的位置的空间定向。感兴趣的位置可以是特定的最终目的地(例如朋友的房子)或中间目的地(例如高速公路入口匝道)，事件的位置(例如音乐会)或任何其它感兴趣的位置，例如物体(例如汽车)的位置。空间反馈可以例如指示感兴趣的位置相对于启用触觉接口设备(或者相对于佩戴该设备的用户)的方向。例如，图11a示出了启用触觉接口设备100’，其可以包括至少根据图1a中电极103b和103g和根据图1b中的电极203a。如果感兴趣的位置在设备100'的左侧(或者例如西侧)，则电极103b可以利用驱动信号输出esf效应。如果感兴趣的位置在设备100'的前方(或者例如北侧)，则电极203a可以利用驱动信号输出esf效应。如果感兴趣的位置在设备100'的右侧(或者例如东侧)，则电极103g可以利用驱动信号输出esf效应。在实施例中，构成前方(或左方或右方)的方向可以基于用户面对的方向。用户面对的方向可以在装置100’被佩戴或保持时确定。该确定可以使用例如任何集成的运动传感器(例如，加速度计或陀螺仪)、任何集成的指南针或任何集成的全球定位系统(gps)。在实施例中，选择哪个或哪些电极将表征特定的方向或取向可以是预定的和固定的。在实施例中，这种选择可以是可重新配置的，并且可以基于设备(例如100')如何被佩戴或保持。
图11b描绘了产生可被感测为流动的空间反馈的实施例。更具体地，图11b描绘了图1a的可穿戴接口设备100，其至少包括空间排列成线或其他阵列的电极103b、103c、103d和103e。电极103b、103c、103d和103e可以围绕用户的手腕按顺时针顺序或者围绕用户的手腕按逆时针顺序地输出各自的esf效应，以沿相应的顺时针或逆时针方向给用户提供流动的感觉。顺时针方向可以指示例如向右方向(例如，用户需要向右移动)，而逆时针方向可以指示例如向左方向(例如，用户需要向左移动)。
在实施例中，可以用一个驱动信号或多个驱动信号来创造流动感。例如，可以用一个驱动信号和图6a或6b中所示的多个延迟元件来创造流动感。延迟元件可以允许驱动信号在第一时间(例如，t0+d)传播到电极103b，以产生第一esf效应，允许驱动信号在第二时间(例如，t0+2d)传播到电极103c，以产生第二esf效应，允许驱动信号在第三时间(例如，t0+3d)传播到电极103d，以产生第三esf效应，以及在第四时间(例如，t0+4d)传播到电极103e，以产生第四esf效应。
在另一个实例中，可以用多个驱动信号、图5a、5b和图7中所示的频率滤波器单元或继电器开关来创造流动感。例如，可以在第一时间(例如，t0+d)产生第一驱动信号，并且通过使用频率滤波器单元或继电器开关来阻断第一驱动信号与所有其他电极，而仅将第一驱动信号施加到电极103b。然后，可以在第二时间(例如，t0+2d)产生第二驱动信号，并且通过阻挡第二驱动信号与所有其他电极，而仅将其施加到电极103c。对于至少第三驱动信号(仅施加到电极103d)和第四驱动信号(仅施加到电极103e)，可以重复该过程。
在实施例中，如上所述，可以使用创造或产生流动感来传达当前时间与感兴趣事件(例如，当前时间与会议之间的时间关系)之间的时间关系。在实施例中，创造或产生流动感可以用来传达信息，如操作的状态。
在实施例中，上面讨论的选通元件可以用于通过实现至少第一电极、第二电极和第三电极的顺序来产生特定的esf效应，其中第二电极是中间电极，并且第一和第三电极紧挨着中间电极并且在中间电极的相对侧上。例如，为了产生特定的esf效应，选通元件可以允许驱动信号到达第一电极和第二电极，而不是第三电极。
图12和13示出了用于为触觉接口设备生成esf效应的电极(例如，静态esf电极)的形状和布置的其他实施例。图12示出了启用触觉接口设备500是臂环。设备500可以包括设置在设备500的表面处的形状为椭圆形的电极503a以及设置在设备500的表面处的形状为线或条的电极503b。如图12所示，电极503a可以包围电极503b。图13示出了触觉接口设备600，其具有布置成同心圆形并设置在启用触觉接口装置600的表面处的多个电极603a、603b、603c和603d。电极的布置可以允许它们顺序地产生各自的esf效应，从而创造向内或向外流动的效果。
如上所讨论，静态esf电极阵列可以具有多种形状和布置，例如长条(例如，布置在手镯的长度上)、小点(例如，整个手机表面上)或者二维阵列大方块(例如，在平板电脑的背面)。在实施例中，长条和较大的垫可以提供比较小的电极更好的静态esf效应，因为它们不太可能被用户的皮肤完全覆盖。
本文中的实施例可以用于移动电话、游戏、汽车、增强现实(ar)、虚拟现实(vr)或可穿戴应用。例如，手持接口设备可以是用于vr或ar应用的控制器。在实施例中，电极可以用于通过产生各种空间和/或时间效应来扩展静态esf反馈的表现性。
这里的实施例可以用于动态esf效应或静态esf效应。对于静态esf效应，施加到多个电极的选定子集的驱动信号可以具有至少1kv的幅度。
尽管以上已经描述了各种实施例，但是应当理解的是，它们仅作为本发明的说明和示例而呈现，而不是作为限制。在不背离本发明精神和保护范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变对于相关领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明的宽度和保护范围不应该被任何上述示例性实施例所限制，而是应该仅根据所附权利要求及其等价物来限定。还将理解的是，本文讨论的每个实施例的每个特征以及本文引用的每个参考可以与任何其他实施例的特征组合使用。本文讨论的所有专利和出版物都通过引用整体并入本文。