觸感式設備的製作方法

2023-04-24 16:49:26 2

專利名稱：觸感式設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有用戶/機器接口的特性的觸感式設備。更具體地但並非排他性，本發明涉及一種將振動聲學(Vibro-acoustic)設備與觸感式設備組合的裝置。
背景技術：
在國際申請W097/09842和以New Transducers Ltd.的名義的其他文件中描述了 彎曲波(bending wave)或分布式揚聲器(DML)。這樣的揚聲器可以被用在其中揚聲器元件 具有額外功能的應用中。例如，國際申請W097/09843、W097/09853和W001/31971描述了分 別在投影屏幕和鍵盤中使用這樣的面板作為內部上側表面板(ceiling tile)。此外，DML技術的應用已擴展到使用合併觸感能力的不透明和透明揚聲器面板 二者。例如，國際申請W000/54548描述了將具有彎曲波面板組件的揚聲器與下述合併的 電子裝置用戶可及面(user-accessible surface)；面板組件上的電聲學振動式激勵器 (其響應於施加於其的電信號而將彎曲波能量引入該面板組件中)；以及至少一個觸感區 域(其在所述用戶可及面上或與所述用戶可及面相關聯並且響應於用戶接觸)。國際申請 WOO1/48684描述了一種包括被安裝在顯示設備之前的透明觸感板的觸感式設備。國際申請W002/51201描述了包括下述的裝置彎曲波面板揚聲器(其具有彎曲波 面板和附接到彎曲波面板的電聲換能器，該彎曲波面板限定表面，該電聲換能器激勵面板 中的彎曲波以產生聲學輸出)；形成部分表面的輸入設備；以及用於提供到輸入設備的力 反饋(force feedback)的部件。國際申請W001/54450描述了一種用於產生激勵聲輻射器、例如產生聲學輸出的 面板的力量(force)的換能器。該換能器具有預計工作頻率範圍，且包括共振元件，其中所 述共振元件具有模式的分布並且是在所述工作頻率範圍內的模式。可以調整該換能器的參 數以改善共振元件的屬性。這樣的力換能器被已知為是分布式起動器或「DMA」。從US5，977，867和W02008/045694中可以了解到具有觸覺反饋的觸摸板。本發明的一個目的是提供一種改進的觸感式設備。

發明內容
根據一個方面，本發明是一種用戶/機器接口，包括面板，具有表面，該面板能夠 支持彎曲波；觸感式輸入設備，與所述表面相關聯；包含用於提供到所述輸入設備的力反 饋的力換能器的部件，所述力是到所述面板的脈衝的形式，所述脈衝是調製信號的形式，借 此，按鈕點擊觸感被提供到用戶的指尖，其中，所述調製信號具有150至750Hz的範圍內的 主載波頻率並且具有至少IOms的持續時間。優選地，所述載波頻率將接近400Hz。已經發現長於40ms的持續時間不能改進點 擊觸感。所述調製信號可以是幅度和/或頻率調製的。調製信號可以是阻尼正弦曲線的形 式。調製信號可以是下述形式(^act、地)二 aie卜a'cos -或
f t /Jro = Oie1-aiSin -^ + C
其中，α是包絡的衰減率，C是常數，β是控制頻率調製的速率的參數，且COc是時間t = O時的角頻率。載波的頻率調製可以具有定義調製深度和滿足時間的預定函數。調製信號基波 (即主分量)可以包括窄帶正弦波，從而其具有如上定義的窄頻率範圍和短脈衝持續時間。本發明的另一方面是一種包括如上定義的用戶/機器接口的裝置，其中面板是彎 曲波面板揚聲器的聲輻射器，並且其中換能器是產生聲學輸出和力反饋二者的寬帶設備。所述換能器可以包括分布式起動器(如W001/54450中所述)，並且所述分布式起 動器的第一模式可以被調諧到所述調製信號。所述調製信號可以被調諧到所述面板的整個主體模式。在面板較小的情況下，例 如為了在智慧型電話機或個人數字助理(PDA)中使用，其可以具有3 2的縱橫比。所述面 板可以具有封住其後部表面的淺腔。面板硬度和起動器的輸出阻抗被安排為向用戶的指尖傳遞多於30mN的力。優選 地，傳遞到指尖的力被安排在為30mN至500mN的範圍內。兩個或多個分布式起動器可以被附接到面板並被安排為增強觸摸位置處的面板 位移。可以使用數位訊號處理來對調製信號整形，以增強觸摸位置處的面板位移。因而，該裝置可以將揚聲器和力反饋功能(force feedback facility)組合到同 一表面。面板可以充當振鈴揚聲器、和/或用於移動或蜂窩電話機、尋呼機等的振動換能器 的功能。力反饋功能另外被知道為是觸感。該裝置可以包括與彎曲波面板相關聯的視覺顯示設備。所述視覺顯示設備可以 是諸如液晶顯示器(LCD)面板的傳統顯示表面的形式。面板的至少一部分可以是透明的， 並且視覺顯示設備可以安裝在面板透明部分的後面，因而面板可以擔當透明顯示窗口。可 替換地，例如通過應用包括發光聚合體或顏料的發光表面塗層，面板也可以充當顯示器。因 此，設備中的組件的數量可以被減少而不會損失多功能性或功能型。可以提供其他功能。面板可以充當麥克風的功能。可替換地，一個或多個麥克風 可以被附接到面板或設備的殼。下述項目中的任何一個可以被附接到面板或殼，即靜態或 視頻照相機、加熱和/或製冷元件以及各種其他傳感器(例如化學合成物、電傳感器、照度 計等)。面板中可以包括彩色特徵，諸如無源彩色塗層，例如反光或鏡像塗層。可替換地或 額外地，可以提供有源色彩，諸如光電色彩或熱電色彩。面板可以具有表面紋理和/或可變 表面褶皺(contour)。較廣範圍的聽覺和其他感官功能可以被同時集成到面板中。因而，因為面板是可 以提供增加數量的功能協同的單個組件組合，所以其可以被稱為超功能表面(HFS)。可以從上述功能中的任何一個中選擇面板提供的功能。例如，通過使用具有力反饋功能的透明觸 感面板，可以獲得能夠用來觀看信息、收聽聲音信號(消息、嘟嘟聲、卡塔聲等)以及通過人 的指尖感覺模擬按鈕點擊的裝置。
該裝置的一個優點是通過使用觸感面板可以消除對獨立鍵盤的需要。這在具有有 限的組件空間的小型電子物品(例如手持式設備)中特別有用。在一些應用中(例如，通 信和計算)，設備的尺寸或體積以及因此它們其中容納各個組件的內部容積正被減小並趨 向於零。因此，就它們每單位表面面積的功能性來說，這樣的設備的有用性是明確的。本發 明預計到了這種趨勢，並且向設計者提供了最大化用於任意給定表面的感官選項的範圍的 方式。根據本發明的裝置可以減少提供多個功能所需的表面面積。可以認為本發明涉及 振動聲學設備與其他感官特徵和功能的合併，其對製造和使用可以被稱為人機接口(HMI) 的這樣的裝置帶來顯著的益處。使用傳統的揚聲器，這樣的多種組合將是更加困難的。在傳統的揚聲器的錐面上 安裝鍵盤、顯示器等可能干擾錐面的功能。


現在將純粹以示例的方式，參照附圖來描述本發明的實施例。圖1示出根據本發明的個人數字助理(PDA)的全景視圖；圖2示出根據本發明的手持式多聲道播放機(player)的平面視圖；圖3是圖1的設備或圖2的設備的剖面側視圖；圖4是觸感器和觸覺反饋電路的框圖；圖5a示出幅度調製信號的相對於時間的幅度；圖5b示出關於圖5a的信號的相對能量譜；圖5c示出在距離面板上的點源0. Im和Im處的、關於圖5a的信號的脈衝形狀；圖5d示出相對於頻率(hz)的絕對閾值(mm)，以比較關於人類手指的相對敏感數 據與其估計傳遞函數；圖6a描繪關於頻率和幅度調製的正弦信號的分量的相對於時間的幅度；圖6b描繪圖6a的信號的頻譜和目標頻譜；圖7a描繪關於可替換的調製阻尼正弦信號的分量的相對於時間的幅度；以及圖7b描繪圖7a的信號的頻譜和目標頻譜。
具體實施例方式圖1以智慧型電話機或個人數字助理(PDA) 1的形式示出根據本發明的裝置，該智能 電話機或個人數字助理(PDA)I具有殼3和觸感面板5形式的用戶/機器接口(輸入設備)。 為了若干振動聲學目的，該面板具有合適的厚度及適中的機械阻抗以進行彎曲波振動。面 板以允許觀看被安裝在面板後面的液晶顯示器(LCD)9的透明材料製成。面板充當揚聲器的聲輻射器，並能夠支持彎曲波。第一換能器(transducer) 15被 安裝在面板上，用於激勵面板中的彎曲波振動以產生聲學輸出。可以允許PDA調節聲學輸 出的音量，以便在會議模式中被用作外放(hands-free)揚聲器電話機，或者在電話模式中被拿到用戶的耳朵處。
第二激勵器13也被安裝在面板上，以當壓下鍵時向面板提供脈衝並因此提供觸 覺或觸感反饋。可以提供單個雙功能寬帶換能器(其提供揚聲器和反饋功能二者)。該雙 功能換能器、或者第一或第二換能器也可以在大約80Hz的人體察覺波段被激發，以提供呼 叫的靜音振鈴。於是，面板充當多模式揚聲器(例如，充當電話耳機、外放喇叭或振鈴器)。面板5也起到鍵區或鍵盤的作用。鍵區的各個鍵11可以出現在安裝在面板下面 的顯示器上，或可替換地，鍵可以被標記在其表面上。麥克風換能器7也可以被固定到面板 上，從而面板可以起到麥克風的作用。可替換地，一個或多個麥克風可以被附接到面板或殼 上，以允許當以會議或視頻模式時用於聲音再現的聲音捕獲和定位。移動通信天線17和相關的傳統行動電話電路(未示出)允許設備起到行動電話 機的作用，或允許設備發送和接收消息或視頻材料。可以使用嵌入式視頻照相機捕獲圖像。如上所述，面板提供若干功能，且可以被認為是超功能表面(hyper-functional surface,HFS)。該裝置具有簡單的結構，並且執行多個獨立設備的功能，所述多個獨立設備 中的每個使用面板(作為HFS)作為用戶的主要接口媒介。圖2以手持式多聲道播放機21的形式示出根據本發明的可替換裝置，該多聲道播 放機21具有殼23和面板25。面板25被劃分為若干區域，每個區域提供單獨的功能(例如 揚聲器、輸入和/或輸出功能)。面板具有分別提供左、右和中間聲道31、33、35的3個揚聲器區域。至少一個換能 器(未示出)被安裝到每個面板區域，用於激勵面板內的彎曲波振動以產生聲學輸出。當 如所指示的盤29被插入到播放機21中時，面板25可以再現存儲在盤內的多聲道信息。視頻顯示區37被安裝在面板25的透明區域的後面。顯示區37可以顯示來自盤 29的信息，或可替換地可以顯示由用戶在面板25的鍵盤區域27上輸入到設備中的信息。 形成用戶/機器接口的鍵盤區域27包括在面板25的表面上標記的若干鍵39。例如通過提 供如圖1所述的換能器，鍵39被配置為提供觸覺或觸感反饋。圖3是圖1的PDA或圖2的盤播放機的剖面側視圖。在圖3中可以看到，彎曲波 揚聲器5經由外圍適應裝備(peripheral compliant mounting) 6被安裝在設備1、21的殼 或外罩3內。換能器15被安裝在面板5的後面或內表面，並且具有慣性(inertial type)。 換能器被安排為向面板5施加彎曲波能量以產生聲學輸出。換能器可以是在W097/09842 中描述的類型或在W001/54450中描述的類型。換能器13是分布式起動器，且被安裝到設 備的殼或外罩3並通過耦接器8耦接到面板5，以向面板施加力反饋。當其表面10被用戶 的指尖觸摸時，換能器13如箭頭2所示向面板施加調製或瞬時峰值(spike)信號，並且如 箭頭4所示向指尖施加相反反饋力，以模擬按鈕或鍵點擊。圖4的框圖示出上述類型的力反饋或觸覺布置的電路系統48。彎曲波面板輻射器 5合併了輸出原始(raw)觸摸數據2的觸感表面10。一對力起動器13被耦接到面板5，以 向用戶傳遞觸覺反饋。原始觸摸數據由接口 47來處理，並以適當的形式被饋送給觸覺邏輯 控制單元46。這可以向中央處理器(未示出)發送信息，以提供關於觸摸數據及其完整性 的視覺和/或聲音信息。中央處理器也可以接收信息，例如修改對用戶的觸覺響應、提供進 一步的信息。可能包括存儲器的產生器45提供整形後的合成數據，以向將力饋送給換能器13的放大器44提供合適的振動輸入。可以提供到多個換能器13的多個放大器輸出，以定義 觸覺力的多個特定位置。放大器44也可以在中央處理器的控制下，例如提供漸次變化的觸 覺響應。應當明白，雖然未示出，但是圖4示出的系統將需要通常的電源。放大器被安排來向換能器13輸出瞬時峰值信號或脈衝。圖5a示出這樣的信號 其是阻尼正弦曲線形式的幅度調製信號，也就是幅度隨時間下降的電磁波。如所清楚地示 出的，信號的幅度在0. 01秒之後達到最大，並且在0. 04秒附近顯著降低，因此其可以被稱 為「鑼(bong)」。使用如下形式的包絡函數(或幅度調製函數)來創建信號。g(t) = atexp(l-at)其中，α是包絡的衰減率。該函數的值在時間0(零)時為0，並且在無窮大時趨近於0。其在t = l/a時具 有最大值1。因而，通過適當選擇a，可以確定任意脈衝寬度，其中，脈衝的持續時間與a 成反比例。該包絡函數可以用來提供作為正弦信號和該包絡函數的乘積的複合信號，給出f (t) = g(t)sin(coct) = a texp a t) sin (ω ct)其中，coc是時間t = 0時的角頻率。因而，該信號是調製正弦波，並且Sin(COct)可以被表示為sin(cj5 (t))。該函數 可以較簡單，例如《t+常數，或者可以更複雜，即包括頻率或相位調製。Φα)的通常形式 是θ(t)-wct/1+βt+C其中，C是常數，β是控制頻率調製的速率的參數，且ω c是時間t = O時的角頻率。各種自由變量、例如α、β和常數C是導致信號的頻譜與指尖的敏感度數據之間 的良好匹配的指派值。對於簡單的情況，可以解析地計算f(t)的頻譜，但是通常將需要數 值傅立葉變換。發現非常好的信號將幅度(或包絡)函數的峰值設置為與正弦曲線的峰值 相匹配。因此，對於簡單的表述Φ (t) = coct，a = 583的值是最優值且ω c為628 π。 對於於㈦=77^, α = 493的值是最優值，其中β = 99. 9，且toe為572 JI。包絡的長度應當大於10ms，但是長度增加到40ms之後並不能改進檢測能力。這 些持續時間對應於α在125至500的範圍內的值。信號是聽得見的，因此「好聽的」聲 音是更可取的。α的較小值導致類似相當純的音調的聲音，而較大的值導致類似滴答 (click-like)的聲音。在圖5a所示的信號中，中心頻率是375Hz且α = 125。在圖5b中 示出該信號的能量譜，其中看出，該信號的帶寬大約為一個半音(semitone)。將更可能的是 利用這些信號來播放曲調。頻散是一些材料的效應，其可以導致信號中的波的速度在信號的頻率範圍中改 變。如圖5c所示，因為信號並不是過於窄帶，所以頻散不是問題。利用圖5a的信號，在沿電 信所通常使用的塗層塑料面板行進Im後，包絡中不出現失真。對於更短的脈衝，可能看到一些失真，但是因為這基本大於除了等離子電視機外的任何事物，所以認為該效應不重要。 在400Hz處值得注意，面板中的波長大約為100mm，使得觸覺反饋的任何位置對於除了最大 的顯示器的其他所有來說都是不相關的。根據人類手指的位移敏感度來確定頻率。由Massachusetts Insititute ofTechnology 機 械工 禾呈系 的 Lynette Jones 的題為"Human Factors and HapticsInterfaces"的PDF文件示出了 「觸感調諧曲線」。這圖示了對位移敏感的頻率相 關閾值。在圖5d中將在該PDF文件中圖示的數據與由下述等式描述的全(最小相位)傳 遞函數進行比較。_)彳￡±^|丫￡±1^丫 ？「 丫』 qc = 2366，α = η07根據圖5d清楚的是，載波的頻率應當在比如250Hz和700Hz之間，其中接近於 400Hz的頻率特別有效。有趣的是，該函數H(S)使人聯想到更早使用的函數f(t)的拉普拉 斯變換F (s)，即
權利要求
一種用戶/機器接口，包括面板，具有表面，該面板能夠支持彎曲波；觸感式輸入設備，與所述表面相關聯；包含用於提供到所述輸入設備的力反饋的力換能器的部件，所述力為到所述面板的脈衝的形式，所述脈衝為調製信號的形式，藉此調製信號，按鈕點擊觸感被提供給用戶的指尖，其中，所述調製信號具有150至750Hz範圍內的主載波頻率並且具有至少10ms的持續時間。
2.根據權利要求1所述的用戶/機器接口，其中，所述載波頻率為或接近400Hz。
3.根據權利要求1或2所述的用戶/機器接口，其中，所述脈衝持續時間不大於40ms。
4.根據權利要求1至3中的任何一個所述的用戶/機器接口，其中，所述調製信號是幅 度調製的。
5.根據權利要求4所述的用戶/機器接口，其中，所述幅度調製信號為阻尼正弦曲線的 形式。
6.根據先前權利要求中的任何一個所述的用戶/機器接口，其中，所述調製信號是頻 率調製的。
7.根據權利要求6所述的用戶/機器接口，其中，所述載波的頻率調製具有定義調製深 度和滿足時間的預定函數。
8.根據先前權利要求中的任何一個所述的用戶/機器接口，其中，所述調製信號基波 包括窄帶正弦波。
9.一種包括如權利要求1-8中的任何一個所述的用戶/機器接口的裝置，其中面板 是彎曲波面板揚聲器的聲輻射器，並且其中換能器是產生聲學輸出和力反饋二者的寬帶設 備。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中，所述換能器包括分布式起動器，並且其中所述 分布式起動器的第一模式被調諧到所述調製信號。
11.根據權利要求9或10所述的裝置，其中，所述調製信號被調諧到所述面板的整個主 體模式。
12.根據權利要求9至11中的任何一個所述的裝置，其中，所述面板小且具有相當於 3 2的縱橫比。
13.根據權利要求9至12中的任何一個所述的裝置，其中，面板硬度和所述起動器的輸 出阻抗被安排為向用戶的指尖傳遞大於30mN的力。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中，傳遞到指尖的所述力被安排在為30mN至 500mN的範圍內。
15.根據權利要求9至14中的任何一個所述的裝置，包括至少兩個分布式起動器，被附 接到所述面板並被安排為增強觸摸位置處的面板位移。
16.根據權利要求15所述的裝置，包括數位訊號處理，用於增強所述觸摸位置處的面 板位移。
17.根據權利要求9至16中的任何一個所述的裝置，包括與彎曲波面板相關聯的視覺 顯不設備。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中，面板的至少一部分是透明的，並且所述視覺顯 示設備被安裝在所述面板的透明部分的後面。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中，所述面板包括整體的視覺顯示設備。
20.根據先前任何一個權利要求所述的裝置，其中，所述面板充當麥克風。
全文摘要
一種用戶/機器接口，包括面板，具有表面，該面板能夠支持彎曲波；觸感式輸入設備，與所述表面相關聯；以及包含用於提供到所述輸入設備的力反饋的力換能器的部件。所述力為到所述面板的脈衝的形式，所述脈衝是被整形為阻尼正弦曲線的調製信號的形式，藉此調製信號，按鈕點擊觸感被提供給用戶的指尖。可以由具有150至750Hz範圍內的載波頻率並且具有至少10ms的持續時間的窄帶正弦波來產生所述調製信號。
文檔編號G06F3/01GK101946226SQ200880126606
公開日2011年1月12日 申請日期2008年12月9日 優先權日2007年12月11日
發明者克裡斯·考德裡, 尼爾·哈裡斯, 戈夫裡·A·博伊德, 蒂莫西·C·J·惠特韋爾, 詹姆斯·伊斯特, 馬丁·科洛姆斯 申請人:新型轉換器有限公司