局部觸覺反饋的製作方法

2023-07-02 16:39:46

專利名稱：局部觸覺反饋的製作方法
技術領域：
本發明的一個實施方案涉及觸覺反饋。更具體地說，本發明的一 個實施方案涉及使觸覺反饋局限到特定的區域。
背景技術：
在許多應用中，人類通過界面與電子設備和機械設備交互連接， 且對更自然的、易於使用的和提供信息的界面的需求持續受到關注。 在汽車環境中，佔主導的界面仍是機械按鈕或撥號盤。此類界面受到 歡迎的一個原因是機動車駕駛員通常必須操縱按鈕或撥號盤，同時仍 要觀察道路。機械設備使駕駛員感觸到機械按鈕或撥號盤。
然而，使用機械按鈕和撥號盤存在諸多不足。第一，任何類型的 機械界面都會遭受磨損和退化。第二，機動車儀錶板上的按鈕和撥號
盤包括聚積汙垢的狹縫和縫隙，因此變得不好看和不衛生。最後，許 多機動車製造商都試圖生產具有非常領先且光滑的外觀的儀錶板，而 機械按鈕可能會降低這種外觀的美感。
已知結合觸摸板或觸控"按鈕"來利用力的反饋或觸覺型反饋(本 文中，統稱為"觸覺反饋")以便淘汰機械按鈕。然而，已知的觸覺反 饋設備往往不能將反饋(即，振動)隔離在特定"按鈕"的邊界內。在 許多環境中，這可能不是個大問題。然而，在機動車環境和使用者不 看被"按壓"的按鈕時的其他環境中，更重要的是將觸覺反饋只隔離在 目標區域內。
基於前述內容，需要一種系統和方法，其中將觸覺反饋施用於觸 控制項，使得反饋被隔離在目標區域。

發明內容
本發明的一個實施方案是產生觸覺反饋的表面。表面包括具有第 一剛度水平的第一區域和具有小於第一剛度水平的第二剛度水平的第 二區域。第二區域界定了變形區域，觸覺反饋通常被局限在此變形區 域內。


圖1是根據本發明一個實施方案的機動車儀錶板的前側的平面視圖。
圖2是根據本發明一個實施方案的表面的後側和致動器的剖面圖。
圖3是根據本發明一個實施方案的表面的後側的一部分的平面視圖。
圖4是根據本發明一個實施方案的表面的後側的一部分的平面視圖。
具體實施例方式
本發明的一個實施方案是具有剛度減小的區域和連接到該區域的 致動器的表面。致動器在此剛度減小的區域內產生隔離的觸覺反饋效 果。
圖1是根據本發明一個實施方案的機動車儀錶板10的前側的平面 視圖。儀錶板10由連續表面或板12形成。多個按鈕20形成在表面 12上。轉向輪14連接到儀錶板10。通常存在於儀錶板上的其他部件， 如計量器、刻度盤等並未顯示在圖1中。
在一個實施方案中，每一個按鈕20在儀錶板10的前側上都被表 示為按鈕地理位置的圖形符號或其他標識。另外，按鈕20的區域內的 表面12在前側上是連續的且平滑的，並且不包括可能不好看和保留汙 垢的狹縫或縫隙。
在一個實施方案中，表面12由層壓到金屬層的木質層形成。木質
6層在表面12的前側上。在其他實施方案中，表面12可以由其他材料 形成，諸如由玻璃、塑料、諸如碳纖維的複合材料以及石頭形成。在 一個實施方案中，在大體位於每一個按鈕20的位置後面的每一個區域 內，從表面12的後側除去金屬層和木質層的一部分以形成更薄的區 域，該更薄的區域的剛度水平低於表面12的沒有被改變或變薄的區 域。
一般而言，此處公開的"剛度"，即撓曲剛度或彎曲剛度，與材料 的被施加的法向力所產生的變形量有關。該變形量是截面積(厚度)、 施加力的位置以及所使用材料的材料特性的函數。當定義剛度時，通 常應用楊氏模數和力矩的概念，即變形-EI-彈力的撓曲模數(力x 長度2) x慣性力矩(長度4)。然而，通常使用"Timoshenko，，公式計算 EI，該公式假設截面積恆定，端部處為剛性支撐，以及材料同質。在 本發明的實施方案中，截面積的變化產生剛度，以便將力引導至諸如 設置了按鈕和致動器的位置。在一個實施方案中，在諸如層壓件或其 他形式的複合材料中使用超過一種的材料。例如，就層壓件而言，一 種或多種材料的截面積可以是變化的，或者具有不同模數的不同材料 可以用在可變形區域內，而可變形區域可以改變或可以不改變總的截 面積，並且這兩方面都有助於指定的剛度。在一個實施方案中，諸如 環或其他局部特徵的特徵可以有利於所選的剛度以響應使用者。這樣， 可以通過設計來改變有效的或所得到的剛度。因此，由施加在給定位 置處的力所得到的剛度值可以由經驗確定或通過有限元分析確定。所 公開的實施方案僅僅是改變剛度的一些方法，這並不意味著可利用的 方法是有限的或窮盡的。
具有較低剛度水平的區域形成了可變形區域，該區域通常與按鈕 20的形狀和位置相一致。致動器連接到此可變形區域以產生基本上被 隔離併集中在可變形區域內的觸覺反饋。因此，可變形區域是通過與 致動器接觸來移動的近似區域。
圖2是根據本發明一個實施方案的表面12的後側和致動器50的 剖面圖。表面12包括可變形區域40，通過從表面12的後側除去材料就形成了該可變形區域40。在一個實施方案中，在還沒有除去材料的 區域內的表面12具有約4.5mm的厚度，而可變形區域40具有約 1.5mm的厚度。
致動器50連接到在可變形區域40之外的區域內的表面12的背 側。致動器50包括固定電/P茲體34、浮動電》茲體32和銅線圏36。軸 30連接到柱塞38，且被嵌在浮動電磁體32內。
在不通電的條件下，柱塞38抵靠著可變形區域40的背側(非可 見面)放置或固定。如果未將柱塞38緊固到表面，那麼低的彈簧力就 會使柱塞38抵靠著表面擠壓，以防止其在通常的環境條件的過程中， 例如在顛簸地駕駛汽車時，發出卡嗒卡嗒聲。當向銅線圏36供電時， 電磁體32和34相互吸引，從而產生相當大的力。此力抵抗回位彈簧 (未顯示)，並推動柱塞38 (如果未連接到表面)或拉動柱塞38 (如果 連接到表面)，以在可變形區域40處移動表面，由此使表面變形而產 生振動或觸覺效果。在一個實施方案中，表面本身可以作為回位彈簧。
雖然致動器50是電磁型致動器，但是可以使用能夠將觸覺效果或 力施用至可變形區域40處的表面12的任何類型的致動器。例如，致 動器50可以是諸如壓電聚合物、電活性聚合物或形狀記憶合金的"智 能材料"。雖然在圖2中，致動器50在區域40的內部和外部都連接到 表面12，但是在另一個實施方案中，致動器50可以只連接到區域40。 在此實施方案中，致動器50可以是偏心轉動塊("ERM，，)或線性諧 振致動器("LRA")，在偏心轉動塊中，偏心塊靠馬達移動，在線性 諧振致動器中，連接到彈簧的塊被往復地驅動。在另一個實施方案中， 致動器50可以連接到區域40內的表面12，並連接到單獨的接地元件， 如框架構件或結構構件。而且，將控制器和其他必要的部件連接到致 動器50,以便向致動器50產生信號和電而產生觸覺效果。
圖3是根據本發明一個實施方案的表面12的後側的一部分的平面 視圖。區域64是從表面12除去材料而形成了剛度減小的區域的區域。 圖3所示的表面12的其餘部分(區域62 )還沒有除去任何材料。在 圖3所示的實施方案中，區域64與表面12的可變形區域大體相一致，且由連接到區域64的致動器施用的觸覺效果將會基本上被隔離在區 域64內。
在另一個實施方案中，區域64具有逐漸變薄的表面厚度，從而形 成了剛度逐漸減小的區域，而不是恆定的表面厚度。通常以"V"的形 狀從區域64的中心比從邊緣除去更多的材料來變薄。這在區域64的 中心處產生了更強的觸覺效果，且會帶來將區域64的邊緣上的使用者 手指引導至區域64的中心的益處。因而，如機動車的駕駛員可以通過 觸覺反饋將他們的手指引導至按鈕，而不用必須看按鈕。
圖4是根據本發明一個實施方案的表面12的後側的一部分的平面 視圖。區域74是從表面12除去材料而形成了剛度減小的區域的區域。 圖4所示的表面12的其餘部分(區域72和76 )還沒有除去任何材料。 在圖4所示的實施方案中，表面12的可變形區域被厚度減小的區域 74和區域76—起大體圍繞。因而，表面12的一部分，區域76是可 變形區域的一部分，即使該區域76還沒有被除去材料來形成剛度減小 的區域。在圖4的實施方案中，由連接到區域76的致動器施加的觸覺 效果將會基本上被隔離在區域74和76內。
在一個實施方案中，通過在按鈕20的位置處添加電致發光層並將 發光二極體("LED")施加在表面12的後側上來增強圖1中的每一個 按鈕20在表面12的前側上的外觀和狀態。發光層產生了光亮，因而 允許按鈕的符號在夜晚是可見的，從而賦予了背光外觀。當按壓按鈕 20以向使用者提供進一步的反饋時，可以打開或關閉LED以指示受 按鈕控制的設備的狀態，如被加熱座位的熱水平。
雖然以上公開的實施方案是機動車的儀錶板，但是本發明可以實 施在期望隔離的觸覺效果的其他任何類型的設備的表面上。其他實施 方案可以包括航空器按鈕、諸如冰箱的電器上的按鈕，以及在醫療器 械上的具有清潔度關注規定的平滑按鈕表面的按鈕。在另一個實施方 案中，按鈕是未標記的，而不是在按鈕上有符號或其他指示。此實施 方案用於形成隱藏的壁開關，在此壁開關中，除非當按壓按鈕且產生 隔離的觸覺效果時，否則不會檢測到此按鈕。此外，可以將除按鈕外
9的特徵設計成具有這些局部化的觸覺效果。這種其他特徵可以是，如 以線性滑塊、彎曲滑塊或圓形滑塊表示的能產生觸覺的表面
(haptically enabled surface).滑塊將允許使用者沿著能產生觸覺的表 面移動手指，如從表中選擇或設定音量。
如上所迷，本發明的各實施方案產生隔離的觸覺效果，該效果會 帶來諸多優勢。因為觸覺效果是被隔離的，所以效果變強了，且因而 可以更容易通過如駕駛手套感觸到。而且，可以同時按壓圖l的多個 按鈕20,而不會使一個按鈕產生的觸覺效果乾擾其他按鈕的，且使用 者可以分別辨別每一個按鈕。本發明的各實施方案允許更自由地設計 開關位置和提高的美感以及所需的使用者觸覺反饋。而且，本發明的 各實施方案允許在按壓按鈕時包括有背景(context),這是因為可得 到的觸覺效果不同而導致按鈕並不總是感受相同的觸覺效果。例如， 如果在試圖按壓時，按鈕功能不允許，那麼就會發出錯誤的嗡嗡聲效 果，而不是標準的觸覺效果。而且，通過使作用局限於小的區域來隔 離觸覺效果減少了電需求，以及降低了可能產生的聲音噪音。
雖然在上面公開的各實施方案中，通過從表面的後側除去材料來 形成厚度減小的區域，但是其他方法也可以用於形成厚度減小的區域。 例如，與除去材料相反，可以在除厚度減小的區域之外的區域內向表 面增加材料。在另一個實施方案中，表面12可以由非一致的材料形成。 例如，較軟的塑性區域可以被模製入較硬的塑性底座中。
本文具體闡釋和/或描述了本發明的若千實施方案。然而，將會理 解，對本發明的修改和變化由上述教導內容所覆蓋且在所附權利要求 的範圍內，而並不偏離本發明的主旨和期望的範圍。
10
權利要求
1.一種產生觸覺反饋的表面，所述表面包括第一區域，其具有第一剛度水平；以及第二區域，其具有第二剛度水平；其中所述第二區域界定了變形區域，並且觸覺反饋通常被局限在所述變形區域內。
2. 如權利要求l所述的表面，其特徵在於，所述第二剛度水平小 於所述第一剛度水平。
3. 如權利要求2所述的表面，其特徵在於，所述變形區域是與所 述第二區域大體相同的區域。
4. 如權利要求2所述的表面，其特徵在於，所述變形區域通常被 所述第二區域圍繞。
5. 如權利要求2所述的表面，其特徵在於，所述第一區域具有第 一厚度，所述第二區域具有第二厚度，所述第二厚度比所述第一厚度 薄。
6. 如權利要求l所述的表面，其特徵在於，在所述觸覺反饋的過 程中，所述變形區域接觸致動器。
7. 如權利要求l所述的表面，其特徵在於，所述觸覺反饋包括所 述變形區域的振動。
8. 如權利要求5所述的表面，其特徵在於，所述第二厚度是逐漸 變薄的。
9. 一種用於將反饋提供給用戶輸入端的系統，所述系統包括 表面，其包括具有第一剛度水平的第一區域；具有第二剛度水平的第二區域；以及致動器，其連接到所述表面； 其中所述第二區域界定了變形區域。
10. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述致動器適於產 生通常被局限在所述變形區域內的觸覺效果。
11. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述致動器包括連 接到電磁體的柱塞。
12. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述柱塞連接到所 述變形區域。
13. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述致動器包括智 能材料。
14. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述第二剛度水平 低於所述第一剛度水平。
15. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述變形區域是與 所述第二區域基本上相同的區域。
16. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述變形區域通常 被所述第二區域圍繞。
17. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述第一區域具有 第一厚度，所述第二區域具有第二厚度，所述第二厚度比所述第一厚 度薄。
18. 如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述觸覺效果包括 所述變形區域的振動。
19. 如權利要求17所述的系統，其特徵在於，所述第二厚度是逐 漸變薄的。
20. —種在具有前側和後側的連續表面上向能產生觸覺的位置提 供反饋的方法，其包括通過使具有第一剛度水平的第一區域與具有第二剛度水平的第二 區域相交來在表面上界定變形區域；接收所述能產生觸覺的位置被按壓的指示；以及 當按壓所述能產生觸覺的位置時，在所述變形區域上產生觸覺效果。
21. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，在所述變形區域上 產生觸覺效果的步驟包括使所述變形區域與所述後側上的致動器接 觸。
22. 如權利要求20所述的方法，其還包括當按壓所述能產生觸 覺的位置時，在所述能產生觸覺的位置處產生照明。
23. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述觸覺效果表明 已經識別出能產生觸覺的位置的按壓事件。
24. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述觸覺效果表明 所述能產生觸覺的位置被錯誤地按壓。
25. 如權利要求20所述的方法，其還包括提供所述能產生觸覺 的位置的指示器，該指示器在所述前側上可看見，其中所述變形區域 鄰近所述指示器。
全文摘要
一種產生觸覺反饋的表面包括具有第一剛度水平的第一區域和具有小於第一剛度水平的第二剛度水平的第二區域。第二區域界定了變形區域，觸覺反饋通常被局限在此變形區域內。
文檔編號G06F3/01GK101517513SQ200780034005
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月6日 優先權日2006年9月14日
發明者D·A·格蘭特, D·H·戈麥斯, N·T·奧利恩 申請人:英默森公司