用于薄用户界面的触觉反馈的制作方法
【专利摘要】公开了压电致动结构，并公开了采用压电致动结构的有触觉能力的设备。压电致动结构的一个实施例包括非行进可变形层、将该可变形层分区成一组基本上隔离的触觉区域的支持(backer)结构、一组能够检测与基本上隔离的触觉区域中的至少一个的用户交互的用户传感器。在另一个实施例中，该有触觉能力的设备包括触敏表面，其包括可变形层以及一组基本上隔离的触觉区域。所述有触觉能力的设备能够向用户正与其交互的隔离的触觉区域发送控制信号。该组基本上隔离的触觉区域可影响该设备用户的大量特殊触觉体验。这样的特殊触觉体验包括单手(左和/或右)触觉事件、单用户手指触觉事件。
【专利说明】用于薄用户界面的触觉反馈
[0001 ]
[0002]随着消费者设备变得越来越薄以满足工业设计及可用性目标，诸如可移动的键以及圆顶开关之类的传统机械用户输入设备正被超扁平设备取代。这样的超扁平设备可采用不同的技术，例如，诸如电容传感器以及诸如FSR(力敏电阻器)和压电性或压阻式力传感器之类的力敏技术。一个示例可包括超扁平触摸盖键盘。这些设备通常以提供很小的触觉反馈或不提供触觉反馈(无论是被动的(例如纹理或固定的起伏)还是主动的(响应于用户激活))的键和按钮为特征。其结果往往是妥协的用户体验:向用户提供很小的触觉反馈或不提供触觉反馈的键和按钮，由此降低了用户信心、效率、以及愉悦。
【发明内容】
[0003]以下提供了本创新的简单概述，以提供对本文本所述的某些方面的基本理解。该概述不是权利要求主题的广泛概览。既不是要指出所要求保护的主题的关键性元素，也不是要详细描述本发明的范围。唯一的目的是以简化形式呈现所要求保护的主题的某些概念，作为稍后呈现的比较详细的描述的前奏。
[0004]公开了压电致动结构，以及采用压电致动结构的有触觉能力的设备。压电致动结构的一个实施例包括非行进可变形层，将可变形层分区成一组基本上隔离的触觉区域的支持(backer)结构，一组能够检测出与基本上隔离的触觉区域中的至少一个的用户交互的用户传感器。在另一个实施例中，有触觉能力的设备包括触敏表面，其包括可变形层以及一组基本上隔离的触觉区域。有触觉能力的设备能够向用户正与其交互的隔离的触觉区域发送控制信号。该一组基本上隔离的触觉区域可影响该设备的用户的大量特殊触觉体验。这样的特殊触觉体验包括单手(左和/或右)触觉事件、单用户手指触觉事件。此外，触觉体验/事件/响应可包括振动触觉感觉以及音频感觉的组合。
[0005]在一个实施例中，公开了压电致动结构，所述结构包括:非行进的可变形层;压电层，所述压电层机械地匹配到所述可变形层;支持结构，所述支持结构机械地匹配到所述可变形层以及进一步其中所述一组用户传感器；以及进一步其中所述压电层能够响应于所述一组用户传感器感测到的用户交互而向所述可变形层传送触觉响应。
[0006]在另一实施例中，一种用于致动压电致动结构的方法，所述压电致动结构包括非行进的可变形层、匹配到所述可变形层并在所述可形变层上形成一组基本上隔离的触觉区域的支持结构、匹配到所述可形变层以及被置于所述基本上隔离的触觉区域组内的一组压电元件、一组用户传感器以及用于接收来自所述一组用户传感器的信号以及响应于所述信号向所述压电元件组发送控制信号的控制器，所述方法包括:响应于用户交互从所述一组用户传感器接收第一信号；确定所述用户正在与哪个隔离的触觉区域交互；以及向所述隔离的触觉区域内所述用户正在与其进行交互的至少一个压电元件发送致动信号。
[0007]在又一个实施例中，一种有触觉能力的设备包括:触敏表面，所述触敏表面进一步包括可变形层;支持结构，所述支持结构将所述可变形层分区成一组隔离的触觉区域;一组压电元件，所述压电元件组与所述可变形层机械通信并且被置于所述一组隔离的触觉区域内；一组用户传感器，所述一组用户传感器能够感测与所述触敏表面的用户交互;控制器，所述控制器能够接收来自所述一组用户传感器的信号并响应于从所述一组用户传感器接收信号而发送控制信号；以及压电致动电路，所述压电致动电路能够从所述控制器接收控制信号并且向所述压电元件组发送压电致动信号。
[0008]当与本申请中呈现的附图结合阅读时，在下面的详细描述中呈现了本系统的其它特征和方面。
[0009]附图简述
[0010]示例性实施例被例示在所参考的附图中。意图是本文所揭示的实施例和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
[0011]图1是根据本申请的原理作出的包括压电致动结构的示例性设备的一个实施例。
[0012]图2和3描绘了用于如图1中示出的设备的示例性键盘。
[0013]图4描绘了根据本申请的原理作出的有触觉能力的设备以及合适的压电结构的一个实施例的截面图。
[0014]图5A和5B分别示出了在静止和致动状态下，匹配到所述薄可变形表面的一个压电结构的截面图。
[0015]图6A、6B和6C分别描绘了匹配到PCB板下侧的一组压电盘，以及匹配这样的压电盘的一种可能方式的实施例。
[0016]图7描绘了根据本申请的原理作出的一个示例性有触觉能力的设备的各层的截面图。
[0017]图8是包括被固定在衬背结构上的一组压电盘的有触觉能力的设备的一个实施例。
[0018]图9A、9B和9C描绘了根据本申请的原理作出的趋向于为设备的用户产生期望触觉体验的若干可能的波形的实施例。
[0019]图10是根据本申请的原理作出的有触觉能力的设备以及其电路的示意图。
[0020]图11是趋向于影响图9A、9B和9C中波形的电路的一个实施例。
[0021]图12是根据本申请的原理作出的用于合适压电结构的压电驱动电路的一个实施例。
[0022]图13是与压电驱动电路和压电元件通信的压电控制器的一个实施例。
[0023 ]图14A、14B和14C是可适合于本申请的系统和技术的替换压电结构。
[0024]图15A和15B是被分区成基本上彼此隔离的各触觉区域的有触觉能力的设备的两个示例性实施例。
[0025]详细描述
[0026]如此处所使用的，术语“组件”、“系统”、“界面”等旨在指计算机相关实体，或者是硬件、软件(例如在执行中的)，和/或是固件。例如，组件可以是在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、程序和/或计算机。作为说明，在服务器上运行的应用和该服务器两者都可以是组件。一个或多个组件可留驻在进程中，并且组件可位于一个计算机上和/或分布在两个或更多个计算机之间。
[0027]参照附图描述所要求保护的主题，其中相同的附图标记贯穿全文地用来指代相同的元素。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节以便提供对本创新的透彻理解。但是显而易见的是，没有这些具体细节也可实践所要求保护的主题。在其它实例中，以框图形式示出公知的结构和设备以便于描述本创新。
[0028]引言
[0029]一般而言，触觉反馈已被应用于多个不同的平台一一例如移动设备、智能电话等。例如偏心旋转块振动马达(ERMs)和线性谐振致动器振动马达(LRAs)之类的电磁马达/滚筒(rumbler)是公知的，其为某些设备(例如寻呼机和蜂窝电话振动器)提供整体的振动或者偶尔提供更局部化的振动(例如微软的Arc Touch Mouse、Explorer Touch Mouse、SculptTouch Mouse)。压电LRA也在本领域中公知，但这些设备只被用于提供整体的振动，尽管在感觉上比那些由电磁设备提供的振动更明显。
[0030]在本申请的许多实施例中，描述了几种形状因素的架构(例如超平坦)和/或这样的形状因素的架构的明显的类似按键的感觉。在许多其它实施例中，这些形状因素架构可应用于许多不同的使用领域一一例如在键盘中，或向按键或者向轨迹板中的压力感测虚拟按钮提供触觉反馈。这样的键盘和/或轨迹板可属于“非行进”的类型。在该上下文中，“非行进”意指触摸表面不明显移动来致动机械开关。
[0031]在许多实施例中，有公开的各种应用，诸如:平坦非行进键盘和非行进轨迹板和类似的用户界面中的击键触觉反馈(触觉)。许多这样的实施例包括一组可被直接安装于触摸传感器PCB的下侧或支持结构上以通过分别直接扭曲(warp)所述PCB或所述支持结构来实现振动的平坦压电盘。在其它实施例中，这些平坦压电盘可作为板或板的集合被定向为振动PCB。在其它实施例中，公开了要实现的影响期望触觉用户体验的一组压电结构驱动波形描述以及的示例电路拓扑。合适的压电材料可包括压电陶瓷材料、PZT、电活性聚合物以及机电聚合物等等。一个示例性环境
[0032]为了理解本申请的各种技术的适用性，现在注意力将被吸引到一个示例性环境，这些技术以及本文所描述的触觉实施例的使用可驻留在其中。图1是示例实现中的可用于采用本文描述的技术的环境100的图示。所示环境100包括经由可弯曲铰链106物理地且通信地耦合到输入设备104的计算设备102的示例。计算设备102可以按各种方式来配置。例如，计算设备102可被配置用于移动使用，诸如移动电话、如所示的平板计算机、等等，其配置用于由用户的一只或多只手持有。由此，计算设备102的范围可以从具有大量存储器和处理器资源的全资源设备到具有有限存储器和/或处理资源的低资源设备。计算设备102还可与致使计算设备102执行一个或多个操作的软件相关。
[0033]例如，计算设备102被示为包括输入/输出模块108。输入/输出模块108表示与处理计算设备102的输入以及呈现计算设备102的输出相关的功能。输入/输出模块108可处理各种不同的输入，诸如涉及与输入设备104的键相对应的功能的输入、涉及与显示设备110所显示的虚拟键盘的键相对应的、标识姿势并导致与通过输入设备104和/或显示设备110的触摸屏功能可识别的姿势相对应的操作被执行的功能的输入等等。由此，输入/输出模块108可通过识别并利用包括键压、姿势等在内的各种类型的输入之间的区分来支持各种不同的输入技术。
[0034]在所示的示例中，输入设备104被配置成具有输入部分，该输入部分包括具有QWERTY键排列的键盘和轨迹板，但也构想了其它键排列。此外，还构想了其它非常规配置，如游戏控制器、模仿乐器的配置等等。由此，输入设备104以及输入设备104所包含的键可采用各种不同的配置来支持各种不同的功能。
[0035]如先前所描述的，在该示例中，输入设备104通过使用可弯曲铰链106物理地且通信地耦合到计算设备102。可弯曲铰链106是可弯曲的，因为该铰链所支承的旋转移动是通过形成该铰链的材料的弯曲(例如，折弯)来实现的，这与如销所支持的机械旋转相对(虽然也构想了该实施例)。此外，该可弯曲旋转可被配置成支承一个或多个方向上的(例如，在该图中为垂直地)移动，而限制其它方向上的移动，诸如输入设备104相对于计算设备102的横向移动。这可用于支持输入设备104相对于计算设备102的一致对齐，诸如以将用于改变电源状态、应用状态等的传感器对齐。
[0036]可弯曲铰链106例如可使用一层或多层织物形成并包括被形成为可弯曲迹线的导体，以将输入设备104通信地耦合到计算设备102并反之亦然。该通信例如可用于将键压的结果传达至计算设备102、从计算设备接收功率、执行认证、向计算设备102提供补充功率等等。
[0037]图2描绘更详细地示出了可弯曲铰链106的图1的输入设备104的示例实现200。在该示例中，示出了配置成提供输入设备104与计算设备102之间的通信和物理连接的输入设备的连接部分202。所示出的连接部分202具有配置成被容纳在计算设备102的外壳中的通道中的高度和横截面，但这一安排也可反转而不背离其精神和范围。
[0038]连接部分202通过使用可弯曲铰链106可弯曲地连接到输入设备104的包括各个键的部分。因而，在连接部分202物理上连接到计算设备102时，连接部分202与可弯曲铰链106的组合支承输入设备104相对于计算设备102的移动，这类似于书脊。
[0039]通过这一旋转移动，可以支承输入设备104相对于计算设备102的各种不同定向。例如，旋转移动可由可弯曲铰链106支承，使得输入设备104可抵靠计算设备102的显示设备110放置并由此用作盖板。因而，输入设备104可用来保护计算设备102的显示设备110免于损伤。
[0040]连接部分202可以以多种方式被固定到计算设备，其一个示例被示为包括磁耦合设备204、206(例如，通量源头)，机械耦合凸起208、210，以及多个通信触点212。磁耦合设备204、206被配置成通过使用一个或多个磁体来磁耦合到计算设备102的互补磁耦合设备。以此方式，可通过使用磁吸引力将输入设备104物理地紧固到计算设备102。
[0041]连接部分202还包括形成输入设备104与计算设备102之间的机械物理连接的机械耦合凸起208、210。机械耦合凸起208、210被相关于图3更详细地示出，这将在下文讨论。
[0042]图3描绘了示出包括机械耦合凸起208、210和多个通信触点212的图2的连接部分202的透视图的示例实现300。如图所示，机械耦合凸起208、210被配置成延伸离开连接部分202的表面，在这种情况下，这是垂直的，但还构想了其它角度。
[0043]机械耦合凸起208、210被配置成容纳在计算设备102的通道内的互补腔内。在如此容纳时，在施加不与被限定为对应于凸起的高度和腔的深度的轴相对齐的力时，机械耦合凸起208、210促成设备之间的机械绑定。
[0044]连接部分202还被示为包括多个通信触点212。多个通信触点212被配置成接触计算设备102的相应通信触点以形成如所示的这些设备之间的通信耦合。连接部分202可以各种其它方式被配置，包括旋转铰链、机械固定装置等的使用。以下，描述了扩展坞装置的示例，并在对应的图中示出。
[0045]将理解，尽管图1至3表示针对这些触觉技术的一个可能的环境，这些技术在其它环境中找到应用并且本申请的范围不应当受限于此示例性环境。
[0046]应用压电盘的实施例
[0047]在本申请的许多实施例中，应用可振动触摸表面的一组压电盘(例如音频盘)。这样的振动可被用于创建响应于用户的交互的“点击”感觉。可用利用任何可用的手段和/或技术(例如电容感测，或通过压力感测)一个或若干个用户传感器来感测这样的用户的交互一一。在压力感测的情况下，触觉反馈可给出逼真的按钮感，因为它可经由压力与用户交互。
[0048]图4示出了示例性触敏表面印刷电路板(PCB)402的截面图400。在一个实施例中，PCB表面402可包括匹配(或以其它方式附连^IjPCB 402的向用户的手指408递送触觉和/或点击感觉的一组压电元件404。如本文将进一步描述的，该组压电元件404可以以任何可能的模式被置于表面402上。所述表面可任选地包括一组例如被置于压电元件404之间的支持结构406，以向用户提供一定程度的触觉感觉的隔离。如本文进一步描述的，这样的隔离可提供合乎需要的用户体验一一例如如果所述表面在功能上是一个键盘，并且用户期望感觉到基本上仿真于机械键盘的触觉反馈。
[0049]在另一个实施例中，印刷电路板部件(PCBA)可附加地包括触摸界面的一组感测元件一一例如电容感测(电容感测)电极或压力感测系统的PCB迹线。为了提供触觉反馈，压电盘可以以任何可能的方式(例如焊接或胶合等等)被固定到PCB的下侧。压电元件可包括诸如用于音频盘的压电盘。这样的压电盘可以没有典型音频压电构造的金属衬背。通过比较，独立的音频盘通常需要金属衬背来将压电中的横向形变转换为振动膜移动。然而，在本申请的许多实施例中，有可能使用PCB材料的横向刚性来提供实现这个转换所需的形变。
[0050]图5A和5B分别描绘了PCB表面402以及压电元件/结构404，其中所述压电结构最初没有被致动，然后被致动了。在静止时(如图5A中)，该部件基本上是平坦的。然而，如图5B中，当压电元件被用施加的电压通电时，所述压电元件收缩，并且PCB的横向刚性使得所述部件像振动膜一样在中心处弯曲。PCB表面的这样的弯曲(或以其它方式扭曲、移位和/或变形)可足够使用户感觉到这样的运动一一正如触觉体验所希望的。
[0051 ]在不同的实施例中，改变PCB的厚度是可能的。对于特定实施例，较薄的板可弯曲更多，但可倾向于产生更多的局部振动。在其它实施例中，较厚的板可弯曲更少，但在较大面积上传播振动。在许多实施例中，0.2mm-l.0mm可足以作为有效的PCB厚度的典型范围。
[0052]如将在本文中进一步公开的，当特定波形施加于压电结构时，可使得触觉体验模拟机械“点击”感觉，如可通过物理键盘的键击的机械动作所产生的感觉。
[0053]图6A描绘出了包括被固定到PCBA的下侧的一对压电盘606的PCBA 602的一个实施例。PCBA 602可进一步包括电子电路604，可能够响应于感测到的条件向压电盘606提供通电信号(经由导电垫608)。图6B描绘出了将压电盘固定到PCBA的一种方式。如可见的，焊膏612可施加到PCBA的安装垫610。在图6C中，压电盘606可被置于安装垫610的顶部并且可施加期望的热量以促使焊膏流动并由此将压电盘匹配到PCBA。此后，可将传导条614固定到压电盘和导电板608，以便实现压电盘到电路604的电连接。
[0054]支持板实施例
[0055]作为将压电结构固定到PCBA上的替换实施例，有可能将这样的压电结构固定到各种组件(例如键盘等等)的衬背结构上。
[0056]图7描绘了显示图1的键盘104的横截面的示例实现700。外层702被配置来提供输入设备104的外表面，用户通过它可触摸并交互。外层702可以各种各样的方式，诸如从织物材料中，形成，例如，带有用于键形成的热浮雕的背光兼容聚亚安酯，使用激光来形成输入指不等。
[0057]在外层之下是平滑层704。平滑层704可被配置来支持各种不同功能。这可包括用作减少外层702的起皱的支撑，诸如通过形成为薄塑料片(例如，约0.125毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))，外层702通过使用粘合剂与其固定。平滑层704还可被配置来包括遮掩功能以减少甚至消除不想要的光传输，例如光通过平滑层704和通过织物外层702的“渗漏”。平滑层还在外层下面提供连续表面，使得其隐藏了内层之间的任何不连续性或过渡。
[0058]光导706也被不出，其可作为背光机制的一部分被包括以支持输入设备104的输入的指示(例如，图例)的背光照明。这可包括键盘的键、游戏控件、手势指示等的照明。光导706可以以各种方式，诸如从250微米厚的塑料片，例如带经蚀刻的纹理的透明聚碳酸酯材料，来被形成。可在结合图5的开始找到光导706的附加的讨论。
[0059]还描绘了传感器组件708。因此，如所示，光导706和平滑层704设置在外层702和传感器组件708之间。传感器组件708被配置来检测对象的邻近度以发起输入。所检测到的输入可接着(例如，通过连接部分202)被传送到计算设备102，以发起计算设备102的一个或多个操作。传感器组件708可以各种方式被配置，诸如电容传感器阵列、多个压力敏感传感器节点(例如，使用压力敏感墨水的薄膜开关)、机械开关，及其组合等，以检测输入的邻近度。
[0060]结构组件710也被示出。结构组件710可以各种方式被配置，诸如配置用于向输入设备104提供刚性(例如，对折弯和弯曲的抵抗力)的迹线板和支持物。还示出衬背层712以向输入设备104提供后表面。衬背层712，例如，可从类似于外层702的织物来形成(省略外层702的一个或多个子层)，例如聚亚安酯的湿和干层制成的0.38毫米厚的织物。尽管描述了各层的示例，已经很明显还构想了各种其它实现，包括一个或多个层的移除、其它层(例如，专用力集中器层、机械开关层)的附加，等等。因此，各层的示例的以下讨论不限于将那些层结合在这个示例实现700中，且反之亦然。
[0061]图8描绘了一个实施例，其中压电盘802(或其它压电结构和/或元件)可以被应用于衬背板804，而不是被固定到PCBA的下侧。出于本申请的目的，压电结构可以包括盘、条、带或任何其它所需的形状。衬背板804可进而被应用于PCBA的下侧在许多键盘实施例中，根据期望的触觉体验，压电盘直径可在15mm到30mm之间变化。此外，将理解，压电盘/结构在PCBA或支持板上的放置和布置可根据向组件的用户提供的期望触觉体验而变化。
[0062]特殊触觉体验实施例
[0063]如先前所述，非行进用户接口组件(例如键盘、轨迹板等等)向用户提供特殊触觉体验(如类似点击的触觉反馈，就像诸如机械键盘之类的机械组件上的机械致动器和/或开关可提供的触觉反馈)是合乎需要的。
[0064]为了实现压电致动器的明显的按键点击的感觉，从压电结构的高速偏转中创造这一感觉是可能的。用于创造该感觉的实施例可通过使用压电驱动信号的快速斜升来实现。
[0065]图9A，9B和9C是这样的针对合适的压电结构的驱动信号的三个可能实施例。在图9A中，波形900a被描绘为包括用于充电/通电压电结构的两个斜坡(ramp)--第一个相对较慢(例如在5ms到1ms的范围内)速度充电斜坡902a(高达第一充电电平——例如基本上在200V的范围内)，随后为快速放电斜坡904a(例如在0.5ms到I.5ms的范围内)。在此实施例中，点击感觉往往最后在波形的高速部分904a期间出现。用户的手指往往在充电斜坡期间什么也感觉不到(或具有少得多的感觉)。如图9A所示，给出了示例性附图一一例如从OV到200V的1ms上升斜坡以及从200V到OV的Ims下降斜坡。将理解，这些附图是示例性的并且本申请的范围不应当被限于这些数字。
[0066]或者，在图9B中，有可能具有波形900b，该波形900b包括快速(例如在0.5ms到
1.5ms的范围内)充电/通电斜坡902b(高达第一充电电平——例如基本上在200V的范围内)，随后为较慢衰减斜坡904b。通过到压电结构的这种类型的驱动信号，点击感觉在波形的高速部分902b期间出现。在较慢衰减部分904b期间，手指可能往往什么也感觉不到或具有少得多的感觉。如以上图9A，还提供了非限制性的示例性附图。
[0067]在图9C中，第三波形900c包括第一快速(例如在0.5ms到1.5ms的范围内)斜坡902c，随后是稳定期903c，以及接着是第二快速(例如在0.5ms到1.5ms的范围内)下降斜坡904c。与图9A和9B相类似地，还提供了非限制性的示例性附图。
[0068]在图9B和9C的实施例中，以上波形900b或900c表示包括快速(例如0.5-1.5ms)正向跃迀的波形，导致触摸表面向用户的手指突然向上(UP)，而不是向下(DOWN)。已经观察至IJ，用UP波形赋予手指的感觉可往往是更加直接的、局部化的感觉一一而非由DOWN波形创建的更加动觉的(kinesthetic)在手中的感觉。然而，应该理解，在许多应用中DOWN触觉感觉可被认为足够了。
[0069]压电致动电路实施例
[0070]图10是可使用本申请的系统和技术的智能和/或移动设备架构1000的一个示例性实施例。如图所示，系统1000包括一组触摸和/或压力传感器1002。传感器1002馈源信号，其能够检测与系统1000的用户交互并且将它们输入到处理器和/或计算机1004。计算机1004可进一步包括计算机可读存储，其上可存储计算机可读指令，当该计算机可读指令被处理器读取时，可导致计算机和/或处理器向HV电路1006发送控制信号。HV电路1006可进而生成驱动触觉致动器1008(例如本文中描述的压电盘、结构和/或元件)的各种波形。
[0071]将理解，可以存在可利用本申请的系统和技术的其它架构，即本申请的范围并不限于该示例性架构。
[0072]然而可构建采用触觉致动器的系统(例如如图10或以其它方式)，但仍然需要具有附加电路在压电元件上实现适当的控制，并让它们以适当的方式响应于所讨论的各种波形进行反应。
[0073]仅仅作为一个示例，图11描绘了可实现对图9A、9B和9C的波形的适当的响应的电路1100的一个可能的实施例。
[0074]在图9B和9C的快速UP波形情况下，UP波形驱动电路可需要大的涌入电流，因而在电池操作的设备中或在具有限制性电流容量的连接器的设备中的实现可能是不切实际的。在图11的实施例中，电路1100可包括至少一个可被慢慢地充电并然后被快速地放电到压电中的电容器1106。响应于由HV电路1102接收的控制信号，可生成合适的波形并通过二极管1104传递给压电盘组，结构和/或元件(如在图11中描绘的1108a和1108b)。应当理解——虽然只有两个压电结构被图11示出一一更多的压电结构可被这个电路驱动，将有足够的数量的压电结构用于向该设备的用户提供合适的触觉体验。
[0075]还是如图11所示，开关A、B和C可以合适的序列被应用一一在HV斜坡上升的之后或是期间。如本文将讨论的，这些开关的应用(例如，通过由计算机或控制器(未示出)发送的控制信号)可影响所需的跨压电的波形。此外，应当注意，开关A和B也可用脉冲宽度调制(PffM)信号驱动，从而提供针对波形斜率的控制一一其可足够用于调节触觉感觉和声音。
[0076]仅仅作为一个示例，可在限流系统中通过保持所有开关打开并且首先对电容器充电，然后关闭A来实施压电A上的快速UP信号。然而，在特定的高度限制应用中，可能无法实现例如0.1uF或更多的适当电容的高电压电容器。
[0077]在这样的情况下，可能使用其它压电组中的一个作为电荷存储元件。例如，如果电路1100可关闭开关B，缓慢地充电压电B，然后关闭开关A，同时快速地放电B并充电A。开关C则可随后提供两个压电的快速放电。在缓慢充电压电B随后再快速放电电压B可导致针对用户的DOWN触觉体验的情况下，在不邻近于用户身体的压电组中选择一压电B是可能的(从而不会给用户引起疏忽的触觉体验)。此外，围绕压电B提供声音阻尼材料和/或装置，以防止(或成形)虚假的音频效果可能是可取的。
[0078]采用PMW方案的替换实施例
[0079]对于其它替换实施例，设计用以驱动充电循环的脉冲宽度调制(PWM)方案，以及用以驱动放电循环的单独PWM是可能的。改变高度、改变充电和放电时间以及改变驱动切换器的PffM的脉宽调度全都是用以实现不同感觉的可能变体。将理解，生成所期望的任何波形将是有可能的--例如，包括上述特征的任意组合。
[0080]在一个实施例中，在点击事件期间，压电首先可通过生成驱动单个FET/电感器/二极管升压电路的PWM来充电m “打开”时间可以匹配到分立组件的特性一例如它可以是在电感器中建立最大电流所需的时间。将FET保留导通任意更长往往可能由于比合时更长地将电流分流到GND而浪费功率。总充电时间可通过改变HVM时段来控制。可控制充电时间以限制从例如系统的电池中取得的最大电流尖峰。
[0081]在一个实施例中，充电循环可以开环运行一即，pmi可以运行固定数目的循环(可能启发式地确定或者通过实验确定)以将压电充电至所需电压。然而，最终压电电压与PWM循环数之间的关系可取决于系统中的许多变量，包括实际压电电容、驱动器源电压、FET、二极管和电感器特性等。
[0082]一旦压电已经被充电至60V，它就可以被快速放电回到驱动器空闲电压(例如，约5V)。该放电可通过生成驱动放电FET/电阻器的另一 PWM来执行。电阻器可提供对放电率的限制(例如，约600uS)—因此对于最大放电率，PWM可能非所需且可能仅仅敞开运行(100%占空比)。较慢的放电率然后可通过调整PWM占空比来实现。
[0083]如同充电，放电循环也可以开环运行，即使压电放电固定数目的循环是可能的。然而，可能需要具有合适数目的循环。否则，在压电上可能存在某一残留电压，这可构建过多重复的致动并且可干扰准确的压力感测。
[0084]在本文描述的许多实施例中，能够感测用户交互的性质以创建期望的触觉体验一一例如，用户触摸设备的哪里等等。在这样的情况下，可能采用压电结构作为传感器。可能需要具有可测量跨压电的电压的附加电路。在一个实施例中，可能需要闭合充电和/或放电循环上的环。由于用于驱动压电的高电压以及由压电在用作传感器时产生的低电压，可能期望在测量电路中具有多种增益模式。在增益模式之间切换可以是为了确保在诸如FET放大器和/或ADC输入等敏感组件上不超出电压限制。例如，在放电期间，可能需要将测量电路从低增益模式切换至高增益模式。然而，可能不需要太早地这样做一因为高电压可破坏测量电路中的组件。因此，可能需要首先在低增益模式中放电直到达到压电电压，当切换至高增益模式时，该压电电压仍旧可以在测量电路的操作范围内。然后继续在高增益模式中放电直到达到所需驱动器空闲电压是可能的。
[0085]取决于FET的特性，低增益模式中的最低可测量电压仍然可能高于高增益模式中的最高可测量电压。在这种情况下，可能需要在切换至高增益模式之前开环运行放电达若干附加PWM循环。
[0086]然而，闭合压电放电上的环的一个问题可能是相比于总压电放电时间，测量电路的时间常量可能并非是不显著的。因此，当系统感测到压电电压是如所需的时候，压电电压可能已经被放电超过该点。
[0087]由此，可能需要预期到该状况并且在所感测的电压稍微在所需目标以上时终止放电循环。例如，该电压偏移可被设计成使得可以在压电上留有稍许残余电压。这往往会通过在放电期间导通驱动器二极管来避免浪费功率。该偏移可以不在重复致动上累积，因为系统可以在每一致动后放电至基本上相同的电压。残余电压可以缓慢地放电至驱动器空闲电压(例如，经由测量电路和压电中的漏泄)在一个实施例中，压力感测算法可被设计成允许基线随着压电电压向下漂移而向下跟踪。
[0088]在另一实施例中，闭环放电可以在放电后在机械系统的长稳定时间(settlingtime)内起作用。由此，甚至在系统已经停止放电后，压电电压也可以在机械系统(压电、粘结、玻璃、手指等)稳定到其最终稳定状况时继续改变。在一个实施例中，与总放电时间(〈Ims)相比，该机械系统的时间常量(30-50ms)可能较长。通常，压电电压可以在停止放电后提升。如果系统在放电循环结束后立即尝试继续感测压电压力，则该系统可看到压电电压上升得足够快且足够远以指示压电上的增加的手指压力。
[0089]由此，可能需要在每一触觉事件(充电以及之后的放电)后，控制器可进入特殊触觉恢复模式。在该模式中，压力感测可被挂起并且压电电压约每1ms放电一次直到所指定的稳定时间(35ms)期满。在该稳定时间结束时，可以是机械系统足够稳定并且压力感测被恢复的情况。
[0090]压电驱动电路实施例
[0091]如本文所公开的，图12是用于合适压电结构的压电驱动电路的一个可能的实施例。如可以看到，Vl是电压源(例如，电池电压)<X4存储电荷，由此限制电流尖峰的大小。电感器L1/L2、二极管Dl和FET Ml形成切换组件。V2表示可能是在经过电平移位器以将电压骤升至所需电平(例如，5V)以便更难地导通FET之后来自压电控制器的用于充电循环的PffM输出。V3表示来自压电控制器的用于放电循环的PWM输出。FET M2执行放电。将理解，虽然图12包括在其中的若干个组件的示例性值，本申请的范围不应当受限于这些示例性值。其它的电路和值是可能的，并且本申请包含它们的范围。
[0092]图13是与压电驱动电路1302和压电元件1304通信的压电控制器1306的一个实施例(1300)。压电控制器1306可以向压电电路802提供驱动和/或控制信号(1308)(例如，压电充电PWM信号、压电放电PffM信号、用于电平移位器的启用线(如果需要))。可选地，压电驱动电路可以在需要时发回ADC信号的压电电压(未示出)。
[0093]替换开关实施例
[0094]对于第一替换实施例，有可能使用如图14A、14B和14C所描绘的压电结构。压电结构1400可包括例如为模拟物理开关的结构提供基本刚性结构的壳体1402通过壳体1402，如在图14A中静止的浮动层1404可能通过推条1406静止于压电层1408之上而浮动于层1408之上。浮动条1404可以是许多可能的结构一一例如，二维板，其向触摸该板的用户的(多个)手指提供耦合触觉位移的触摸表面。在其它实施例中，浮动条1404可以是条或盘结构，或其它所需要的结构。在一个实施例中，推条1406可以是可将压电结构1408的偏转传送给1404的(圆柱形或其它合适的形状的)活塞。
[0095]在图14B中，一个力(例如，通过用户的手指、指示笔或其它I/O设备按压所提供的)可促使浮动条1404使压电结构1408变形;并从而发送合适的信号作为响应。在一个实施例中，腔可位于压电结构1408下方，其可允许结构1408的中心例如垂直地和自由地偏转——同时结构1408可被其轮廓边缘支承。在一个实施例中，保护性阻断1410可以是环结构——或在其它实施例中是某个其它合适的结构。阻断1410可被放置用于防止特定的位移。如果强推可能不破坏压电，例如，如果最大偏转受限于所设计的活塞和压电结构的尺寸，则这些阻断可以是可选的。
[0096]在图14C中，可以看到，偏心的轻触摸(如1430描述的)可导致浮动条1404万向至壳体的一侧以及浮动条1432的一部分(1432)与壳体顶部接触——例如形成悬臂。这可往往使得被压电盘创建的偏转的有效耦合被耦合至触摸手指(1430)。在一些情况下，触摸点越远离中心，手指可往往接收越多的垂直运动，高达中心处的位移的2倍。然而，垂直位移可以是数十微米级别，典型的用户可能不会注意到差异。
[0097]对于这和其它开关的实施例，压电结构可通过以下任何一个匹配于可变形层:粘结、推压件结构、支承结构和安装结构。
[0098]包含隔离的触觉区域的替换实施例
[0099]现在，将描述具有触觉反馈的各种实施例设备，其可包含区域、分区和/或基本上隔离的触觉用户体验区。在许多这些实施例中，可能存在通过压电盘的适当放置形成的区域，这些区域即为意在向设备的用户提供期望的触觉体验的结构和/或元件。这些区域可一一例如，通过可阻挡触觉感觉从一区域到另一区域的支持结构(和/或其它振动阻尼材料)的适当放置来隔离。
[0100]图15A仅仅是键盘1500的一个示例性实施例，该键盘1500可构造有两个基本上隔离的触觉区域一一即键盘的左手区域1502以及右手区域1504。在该实施例中，右手和左手的触觉体验往往基本上彼此隔离——因此，给予用户更好的触觉体验。
[0101]图15B是键盘1500的另一示例性实施例，键盘1500例如针对右手被划分或以其它方式分区成基本上隔离的触觉区域1502、1504、1506、1508和1510。这种分区可以是有用的，以便趋向于隔离用户的右手手指的触觉体验。类似分区对用户的左手手指可以是可能的。
[0102]将理解，存在合适和/或需要在启用触摸/触觉设备的表面上实现的各种各样的分区。它可足以用于本申请的目的，即该设备的基本上隔离的区域向用户提供改进的触觉体验。在分开的区域中激发触觉往往加强局部致动感知。
[0103]在操作中，对于像轨迹板、键盘和屏幕的多区域用户界面，触觉可跨整个表面被激发(例如使用单个或多个致动器)。或者，可使用单个或成组的致动器在区域内激发触觉。应当注意，触觉可仍旧需要同时激发多个区域，例如，以产生音频效果或一些其它有意义的全局触觉效果。
[0104]在许多这些实施例中，由于电负载可减小，可影响在不同区域中的激发的设备可帮助减少电子器件的成本以及功率要求。例如，对于电路(如图13所示)，可能有驱动控制器1306所控制的各个区域的多个HV电路(例如1302)。
[0105]在键盘的一个示例性实施例中，可能希望构造按键组触觉反馈，使得存在单一触觉事件和/或对键击下行运动的响应(*点击*)，并可能没有释放的触觉响应。针对轨迹板按钮反馈，可能需要应用触觉事件/对下行运动的响应(*点击*)，并随着用户的手指开始释放应用另一上行运动触觉事件/响应。以这种方式，该设备可模拟圆顶开关感觉。
[0106]在这些各种实施例中，用于产生这些波形的电路可被本领域已知的各种各样的技术创建。可需要避免高频振铃，因为这样的振铃可创建不希望的听觉效果。
[0107]在一些实施例中，可需要在激发触觉时暂时拖延电容感测和/或压力感测系统，以避免噪声耦合。
[0108]音频触觉实施例
[0109]在许多常规有触觉能力的设备中，在本质上触觉一般可听一一以及可以被配置作为，例如，扬声器。在许多本文公开的实施例中，可需要在一些交互中将触觉配置作触觉反馈，并在其它交互中将其配置为音频反馈。仅仅作为一个例子，有可能构造一个键盘(例如104)一一使得在轨迹板中有针对按钮点击的触觉反馈，但当用户在敲击按键组中的键时，其可被重新配置用于产生音频反馈。在这样的实施例中，有可能会发出不同的波形一一例如，一个被定制用于声音，而另一个用于感觉。
[0110]显示器中的触觉的实施例
[0111]在许多实施例中，有可能构造具有足够强度的压电以用于弯曲(warp)玻璃并产生触觉效果。然而，压电往往是不透明的。因此，在一个实施例中，压电体可被放置于显示器的发射和反射元件的后面。
[0112]在许多实施例中，有可能用可与这样的部件兼容的各种平板技术来构造显示器:例如OLED或其它厚膜LED显示器，其中发射元件被铺设、丝网印刷、模式化、或以其它方式被形成在玻璃。在许多实施例中，压电组件可被安装于这些发射元件之后。
[0113]上文所描述的包括本创新的示例。当然，不可能出于描述所要求保护的主题的目的而描述组件或方法的每个可能的组合，但是，本领域技术人员可以认识到，本创新的许多进一步的组合和置换都是可能的。因此，所要求保护的主题旨在包含落在所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的更改、修改和变化。
[0114]具体来说且对于由上述组件、设备、电路、系统等等执行的各种功能，除非另外指明，否则用于描述这些组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的执行此处在所要求保护的主题的所例示的示例性方面中的功能的组件的指定功能(例如，功能上等效)的任何组件，即使这些组件在结构上不等效于所公开的结构。关于这一点，还应认识至IJ，本创新包括具有用于执行所要求保护的主题的各种方法的动作和/或事件的计算机可执行指令的系统以及计算机可读介质。
[0115]另外，尽管可能已经相对于若干实现中的仅一个实现公开了本创新的一个特定特征，但是这一特征可以如可对任何给定或特定应用所希望且有利的那样与其它实现的一个或多个其它特征相组合。此外，就在说明书或权利要求书中使用术语“包括”和“含有”及其变体而言，这些术语旨在以与术语“包含”相似的方式为包含性的。
【主权项】
1.一种压电致动结构，所述结构包括: 非行进可变形层； 压电层，所述压电层机械地匹配到所述可变形层； 支持结构，所述支持结构机械的匹配到所述可变形层，其中所述支持结构形成所述一组基本上隔离的触觉区域，以及进一步其中所述 一组用户传感器；以及 进一步其中所述压电层能够响应于所述一组用户传感器感测到用户交互而向所述可变形层传送触觉响应。2.如权利要求1所述的压电致动结构，其特征在于，所述结构进一步包括: 推压件结构，所述推压件结构机械地匹配到所述可变形层，并且所述推压件结构还能够机械地提供所述可变形层与所述压电层之间的通信；以及 支承结构，所述支承结构机械地匹配到所述压电结构并且还能够支承所述压电层。3.如权利要求1所述的压电致动结构，其特征在于，所述一组基本上隔离的触觉区域在所述压电层被致动时包括一组期望触觉用户体验。4.如权利要求3所述的压电致动结构，其特征在于，所述期望触觉用户体验组包括一群组，所述群组包括:单手触觉体验、右手触觉体验、左手触觉体验、用户手指触觉体验以及与音频响应结合的触觉响应。5.如权利要求4所述的压电致动结构，其特征在于，所述触觉响应包括一群组中的一个响应，所述群组包括:点击响应、圆顶开关响应、下行运动触觉响应、以及音频响应和上行运动触觉响应。6.如权利要求5所述的压电致动结构，其特征在于，所述压电层能够通过第一电波形来激活;并且 其中所述第一电波形包括一群组中的一个，所述群组包括:第一快速充电部分和第二缓慢放电部分，第一缓慢充电部分和第二快速放电部分，第一快速充电部分和稳定期和第二快速放电部分。7.—种用于致动压电致动结构的方法，所述压电致动结构包括非行进可变形层、匹配到所述可变形层并在所述可形变层上形成一组基本上隔离的触觉区域的支持结构、匹配到所述可形变层并被置于所述一组基本上隔离的触觉区域内的一组压电元件、一组用户传感器以及用于接收来自所述一组用户传感器的信号以及响应于所述信号向所述一组压电元件发送控制信号的控制器，所述方法包括: 响应于用户交互从所述一组用户传感器接收第一信号； 确定所述用户正与哪个隔离的触觉区域交互；以及 向所述隔离的触摸区域内所述用户正与其进行交互的至少一个压电元件发送致动信号。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，发送致动波形进一步包括群组中的一个，所述群组包括:第一快速充电部分和第二缓慢放电部分、第一缓慢充电部分和第二快速放电部分、第一1决速充电部分和稳定期和第二快速放电部分。9.一种有触觉能力的设备，包括: 触敏表面，所述触敏表面进一步包括可变形层； 支持结构，所述支持结构将所述可变形层分区成一组隔离的触觉区域。 一组压电元件，所述压电元件组与所述可变形层进行机械通信并且被置于所述一组隔离的触觉区域内； 一组用户传感器，所述一组用户传感器能够感测与所述触敏表面的用户交互； 控制器，所述控制器能够接收来自所述一组用户传感器的信号并响应于从所述一组用户传感器接收信号而发送控制信号；以及 压电致动电路，所述压电致动电路能够从所述控制器接收控制信号并向所述一组压电元件发送压电致动信号。10.如权利要求9所述的有触觉能力的设备，其特征在于，所述一组压电元件能够响应于用户在所述隔离的触觉区域之一与所述设备交互而向用户提供一组隔离的触觉事件。
【文档编号】G06F3/041GK105874407SQ201480071909
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年12月5日
【发明人】C·E·皮乔托, G·G·金, L·K·E·吉恩, R·J·牛顿
【申请人】微软技术许可有限责任公司