專利名稱：觸敏設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括觸敏(touch sensitive)屏幕或面板的觸敏設(shè)備。
背景技術(shù)：
US 4，885，565、US 5，638，060、US 5，977，867、US2002/0075135 描述了當(dāng)被觸摸時(shí)具有對用戶的觸覺反饋的觸摸操作裝置。在US 4，885，565中，提供了一種致動(dòng)器，用以當(dāng)該致動(dòng)器被激勵(lì)來提供觸覺反饋時(shí)將動(dòng)作通知給CRT (陰極射線管)。在US 5，638，060 中，將電壓施加給壓電元件，該壓電元件形成一個(gè)開關(guān)以便振動(dòng)該元件，從而將反作用力施加到用戶的手指。在US5，977，867中，當(dāng)觸摸屏幕被手指或指針觸摸時(shí)，觸覺反饋單元產(chǎn)生用戶感測到的機(jī)械振動(dòng)?？刂茩C(jī)械振動(dòng)的幅度、振動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間，該持續(xù)時(shí)間長得足夠感覺得到但是短到足夠在下一次按鍵觸摸之前結(jié)束。US2002/0075135描述了使用輔助換能器以模擬按鈕點(diǎn)擊的瞬態(tài)的形式來提供振動(dòng)。在上述的每個(gè)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，響應(yīng)于用戶手指或指針的單獨(dú)觸摸來提供觸覺反饋。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種在耦合系統(tǒng)中生成期望觸感(haptic sensation)的方法，所述耦合系統(tǒng)包括觸摸表面和與該觸摸表面耦合的力激勵(lì)器或力致動(dòng)器，所述方法包括生成頻率在所述耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號；利用復(fù)雜調(diào)制來調(diào)制所述載波信號，其中調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生所述期望觸感的低頻信號的時(shí)間響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)；和利用調(diào)制后的載波信號驅(qū)動(dòng)所述激勵(lì)器或致動(dòng)器以激勵(lì)所述觸摸表面，從而所述期望觸覺以所述耦合系統(tǒng)的頻率帶寬以下的頻率被感覺，以便模擬用戶觸摸所述觸摸表本申請人已經(jīng)意識到，當(dāng)用戶觸摸由調(diào)制后的信號激勵(lì)的表面時(shí)，通過將調(diào)制后的載波信號的時(shí)間響應(yīng)與產(chǎn)生期望觸感的信號的時(shí)間響應(yīng)相匹配，用戶將高頻調(diào)制信號解調(diào)為將要生成的但是為普通低頻刺激的期望觸覺響應(yīng)。用戶具有兩種類別的傳感器。一種類別是緩慢地適應(yīng)并檢測恒定刺激法(例如，壓力和皮膚拉伸)。另一種類別是僅快速地適應(yīng)并檢測短脈沖(例如，初始接觸和振動(dòng))。本發(fā)明從已知的聽覺心理聲學(xué)行為(其中用戶會覺察到實(shí)際上由系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率以下的頻率)中進(jìn)行推斷，從而建議存在可比擬的觸摸響應(yīng)，其中用戶會感測到實(shí)際上由機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率以下的頻率的存在。因此，耦合機(jī)械系統(tǒng)可能能夠以例如在10到40赫茲的范圍內(nèi)的超低頻率模擬期望觸感。不可能直接生成這么低的頻率，因?yàn)樗鼈兠黠@低于耦合系統(tǒng)自身的頻率范圍。和所有感覺神經(jīng)通路一樣，關(guān)于觸摸的神經(jīng)細(xì)胞會產(chǎn)生以與刺激強(qiáng)度相關(guān)的速率發(fā)送到大腦的脈沖。神經(jīng)放電(nerve firing)的概率與接收到的脈沖的數(shù)量成比例。通過泄露積分器(leaky integrator)的等效物在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)對這些神經(jīng)放電進(jìn)行積分來產(chǎn)生與刺激的主觀強(qiáng)度成比例的覺察級別。 觸摸系統(tǒng)可被認(rèn)為是電氣系統(tǒng)的類似物，其中神經(jīng)放電會產(chǎn)生可能對應(yīng)于“軟整流器”模型的脈沖，
-, fj(i) = p0 +J- Mjf +1 、2 ν 4β或P(I)=A^Wi + !濾波器h(t)表示神經(jīng)元的頻率選擇性并且相對于感覺閾值而定標(biāo)(在相應(yīng)的心理聲學(xué)模型中，該定標(biāo)是閾值上的30dB(分貝)的信號給出1的幅度)。常數(shù)Ptl是激勵(lì)強(qiáng)度對脈沖重復(fù)率的定標(biāo)因子。用戶經(jīng)歷的感覺隨后關(guān)于該放電的低通濾波(或泄露積分) 的輸出。換句話說，用戶對感測到的信號解調(diào)以便提取信號中的設(shè)計(jì)的復(fù)雜調(diào)制信息，包括時(shí)間包絡(luò)(例如，對高頻載波信號的調(diào)制的持續(xù)時(shí)間)。用戶進(jìn)行的解調(diào)(即，從載波中的信息提取)可能包括以下步驟。首先，神經(jīng)末梢產(chǎn)生重復(fù)率為與所施加壓力(即振動(dòng)所產(chǎn)生的力(整流過程))相關(guān)的脈沖。然后，所述脈沖被“裝箱”，即在固定時(shí)間窗口上進(jìn)行計(jì)數(shù)(積分過程)。如果該計(jì)數(shù)超過給定閾值(選擇性的閾值)，則神經(jīng)細(xì)胞以由神經(jīng)放電的數(shù)量確定的感覺的強(qiáng)度放電。換句話說，在相似的電氣系統(tǒng)中，用戶有效地用作整流器，例如，全波整流器，用以將來自表面的接收到的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)定極性。然后，將整流后的信號傳送到低通濾波器，從而低頻信號通過但是具有比濾波器截止頻率高的頻率的信號被衰減。與使用簡單的類似色調(diào)(tone-like)的信號而得到的相比，載波的復(fù)雜調(diào)制允許用戶在低頻范圍中覺察到增加的觸感響應(yīng)，在高頻范圍中耦合系統(tǒng)更有效操作。它也允許耦合觸覺系統(tǒng)的可用帶寬的使用得到最大化。復(fù)雜調(diào)制包括以下方法，例如脈沖寬度或脈沖重復(fù)率調(diào)制、頻率調(diào)制、多頻調(diào)制和相位調(diào)制或者這些技術(shù)的組合，以便實(shí)現(xiàn)對用戶的目標(biāo)功能響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種觸摸設(shè)備，包括觸摸表面；與觸摸表面耦合的力激勵(lì)器，用于響應(yīng)發(fā)送到激勵(lì)器的信號而激勵(lì)表面上的振動(dòng)，該觸摸表面和激勵(lì)器一起形成耦合系統(tǒng)；和信號發(fā)生器，用于生成信號，該信號發(fā)生器生成頻率在耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號，并且利用復(fù)雜調(diào)制來調(diào)制載波信號，其中調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生期望觸感的低頻信號的時(shí)間響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)，從而響應(yīng)于調(diào)制后的載波信號觸摸由激勵(lì)器激勵(lì)的觸摸表面的用戶經(jīng)歷以耦合系統(tǒng)的頻率帶寬以下的頻率覺察的期望觸感。觸感可以向用戶提供按鈕點(diǎn)擊的感覺。可替換地，可以生成復(fù)雜觸覺信號(在產(chǎn)生的位移和/或加速度方面)來向用戶提供附加的信息。觸覺反饋信號可以與用戶動(dòng)作或姿勢等相關(guān)聯(lián)。可替換地，或者另外，觸覺信號可以在顯示動(dòng)作或反應(yīng)方面與表面的響應(yīng)相關(guān)聯(lián)。載波信號可以是單一頻率的閘化正弦波。可替換地，載波信號可以包括覆蓋一個(gè)頻率范圍的多個(gè)正弦波，可以是掃頻(FM調(diào)制)正弦波或者帶限噪聲信號?？梢允褂闷渌{(diào)制方法來生成需要的感測低頻觸覺刺激。
所生成的載波信號可以包含頻率與產(chǎn)生期望觸感的信號中的頻率調(diào)和地相關(guān)的信息，從而會提高觸感。這遵循稱作程度識別(pitch recognition)的眾所周知的心理聲學(xué)現(xiàn)象，其中來自調(diào)和級數(shù)的基礎(chǔ)的重構(gòu)允許實(shí)際上缺乏刺激的低頻的覺察。表面可以通過施加包括多個(gè)脈沖或脈沖流的信號來振動(dòng)。脈沖流自身可以利用更復(fù)雜的副脈沖鏈來編碼。調(diào)制可以包括不同的疊加脈沖鏈，其可以是不同的幅度。振動(dòng)可以包括任何類型的振動(dòng)，包括彎曲波振動(dòng)，其包括諧振彎曲波振動(dòng)。振動(dòng)激勵(lì)器可以包括用于將彎曲波振動(dòng)施加到屏幕表面的部件。振動(dòng)激勵(lì)器可以是電機(jī)械的。激勵(lì)器可以提供區(qū)域?yàn)?00赫茲到400赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬的激勵(lì)。 致動(dòng)器可以具有高Bl或耦合系數(shù)(force factor)。Bl的值可以大于3或大于5。Bl在標(biāo)準(zhǔn)電磁激勵(lì)器中被定義為音圈間隙中的磁場強(qiáng)度與磁場中的電線長度的乘積，單位是特斯拉-米(T · m)。激勵(lì)器可以是電磁激勵(lì)器，并且可以具有150赫茲到300赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。這樣的激勵(lì)器在技術(shù)領(lǐng)域，例如從屬于本申請人并且并入于此作為參考的 W097/09859.W098/34320和W099/13684中都是公知的?？商鎿Q地，激勵(lì)器可以是壓電換能器、磁致伸縮激勵(lì)器或者彎曲器或扭轉(zhuǎn)換能器(例如，WO 00/13464中示教的類型)。壓電換能器可以具有下限區(qū)域?yàn)?00赫茲到350赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。該激勵(lì)器可以是分布模式致動(dòng)器，如作為引用并入于此的W001/54450中所述，并且可以具有150赫茲到350 赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬?？梢赃x擇多個(gè)激勵(lì)器(可能是不同類型)以協(xié)調(diào)方式工作。 每種激勵(lì)器可以是慣性的。觸摸表面可以是面板形式的組件，作為彎曲波設(shè)備，例如諧振彎曲波設(shè)備。觸摸屏幕也可以是揚(yáng)聲器，其中輔助振動(dòng)激勵(lì)器激勵(lì)產(chǎn)生聲學(xué)輸出的振動(dòng)。例如，觸摸屏幕可以是如作為參考并入的國際專利申請W097/09842中描述的諧振彎曲波模式揚(yáng)聲器。如在本申請人的國際專利申請WO 01/48684、WO 03/005292和/或W004/053781 中所描述的，可以檢測和/或跟蹤觸摸表面上的接觸。這些國際專利申請并入于此作為參考?？商鎿Q地，可以使用其它已知方法來接收和記錄或感測這樣的接觸。例如，可以使用諸如電容性接近傳感和光學(xué)傳感之類的間接傳感方法。從而，觸摸表面可以使用直接或間接傳感方法并且可以稱為觸敏表面。本發(fā)明進(jìn)一步提供了用于實(shí)現(xiàn)上述方法的具體為諸如盤、CD(致密盤)_或 DVD-ROM(數(shù)字多用途盤-只讀存儲器)的數(shù)據(jù)載體、諸如只讀存儲器(固件)的編程存儲器或者諸如光學(xué)或電信號載體的數(shù)據(jù)載體上的處理器控制代碼。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的代碼 (和/或數(shù)據(jù))可以包括諸如C之類的傳統(tǒng)編程語言(解釋或編譯的)中的信源、對象或可執(zhí)行代碼、或者匯編代碼、用于設(shè)置或控制ASIC (特定用途集成電路)或FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)的代碼、或者諸如Verilog(商標(biāo))或VHDL(極高速集成電路硬件描述語言)的硬件描述語言代碼。技術(shù)人員將會理解，這樣的代碼和/或數(shù)據(jù)可以彼此相互聯(lián)絡(luò)地在多個(gè)耦合組件之間分發(fā)。


在附圖中通過舉例概略地圖示了本發(fā)明，其中
圖Ia是觸摸屏幕的平面圖；圖Ib是供圖Ia的觸摸屏幕使用的系統(tǒng)的方框圖；圖加是示出產(chǎn)生期望感覺的信號的頻譜(隨頻率變化的幅度)與來自當(dāng)前信號的可用力的圖；圖2b是期望感覺的時(shí)域頻譜；圖2c是示出輸出變化(dB)相對于頻率的生成信號和當(dāng)前信號的力頻譜；圖2d是期望感覺與由圖2c的信號生成的力的時(shí)域頻譜；圖2e是期望信號與實(shí)際信號隨時(shí)間變化的檢測輸出；圖3是方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出了觸敏設(shè)備10，該觸敏設(shè)備10包括正被用戶的手指接觸的觸摸屏幕 12。使用一個(gè)或多個(gè)傳感器17來檢測屏幕上的觸摸或移動(dòng)，并且提供激勵(lì)器16來生成屏幕內(nèi)的信號。圖Ib示出了觸摸設(shè)備10如何被適配成使用觸覺方法和機(jī)械反饋技術(shù)來產(chǎn)生對用戶的觸摸相關(guān)反饋。響應(yīng)于用戶的觸摸通過激勵(lì)器機(jī)械地激勵(lì)屏幕表面。如圖Ib中所示， 觸摸屏幕12連接到檢測接觸本質(zhì)的傳感器17。該傳感器連接到處理器沈，該處理器沈處理來自指示調(diào)制發(fā)生器觀產(chǎn)生信號的傳感器的信號。信號被傳送到用戶18，并且用戶的神經(jīng)反應(yīng)有效地提供整流器四和濾波器30 (如下面更詳細(xì)所述)。濾波器30降低來自脈沖發(fā)生器的任何高頻突破(breakthrough)。圖加示出了沒有調(diào)制或?yàn)V波地由系統(tǒng)生成的信號的頻譜(幅度隨頻率的變化)。 由激勵(lì)器生成的信號具有峰值近似225赫茲的幅度，并且在從近似150赫茲到350赫茲的該最大值的80%處。相反，期望感覺具有近似25赫茲的峰值并且是在從近似15赫茲到35 赫茲的80%以上。兩個(gè)頻譜都具有相似的形狀并且相互成比例。然而，期望感覺具有相當(dāng)?shù)偷念l率、即超低頻，并且當(dāng)與由激勵(lì)器生成的信號相比時(shí)降低了一個(gè)級別的幅度。圖2b示出了圖加中所示的期望感覺的時(shí)域頻譜。該脈沖寬度小于200ms (毫秒)， 更具體地近似100ms。圖2c示出了由系統(tǒng)使用的示例信號的更多細(xì)節(jié)，即，在IOOms期間上頻率從350 赫茲下降到100赫茲的線性掃頻正弦波。如圖2c中所示，大多數(shù)電信號被再現(xiàn)為合力 (resulting force)0圖2d將圖2c的信號的時(shí)域頻譜與圖2b中所示的信號的時(shí)域頻譜相比較。在該時(shí)域中，調(diào)制發(fā)生器所產(chǎn)生的信號提供振動(dòng)力，但是在兩個(gè)信號的包絡(luò)之間存在良好匹配， 即，這兩個(gè)信號在大約350ms的相同時(shí)間段內(nèi)衰退到近似零。圖加圖示了來自脈沖發(fā)生器的信號的用戶解調(diào)結(jié)果。當(dāng)被用戶接收時(shí)在觸敏表面生成的信號有效地穿過全波整流器，因此整個(gè)輸入波形在它的輸出端被轉(zhuǎn)換為單個(gè) (正)極性。該整流后的信號隨后有效地穿過低通濾波器，因此低頻信號穿過，但是頻率比截止頻率更高的信號被衰減。每個(gè)頻率的實(shí)際衰減量隨用戶不同而改變。假定截止頻率為大約100赫茲。由調(diào)制后的信號產(chǎn)生的感覺對于產(chǎn)生期望感覺的基礎(chǔ)信號來說是有用的匹配。
如圖3所示，在步驟200，用戶觸摸設(shè)備的屏幕，并且在步驟202，安裝在屏幕上的傳感器檢測該觸摸。一旦檢測到觸摸，在步驟S204，傳感器發(fā)送信號到處理器。隨后處理器進(jìn)行步驟S206到S210，以便為安裝到屏幕的激勵(lì)器生成輸出信號。處理器生成在耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號，并且調(diào)制所生成的載波信號，從而調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生期望觸感的信號的時(shí)間響應(yīng)。調(diào)制后的信號被頻率調(diào)制并且可以利用進(jìn)一步的復(fù)雜調(diào)制來補(bǔ)充。調(diào)制后的信號的形式可以是減幅正弦波。調(diào)制后的信號的形式可以為h(t) = f(t)g(t)
權(quán)利要求
1.一種在耦合系統(tǒng)中生成期望觸感的方法，所述耦合系統(tǒng)包括觸摸表面和與該觸摸表面耦合的力激勵(lì)器或力致動(dòng)器，所述方法包括生成頻率在所述耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號；利用復(fù)雜調(diào)制來調(diào)制所述載波信號，其中調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生所述期望觸感的低頻信號的時(shí)間響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)；和利用調(diào)制后的載波信號驅(qū)動(dòng)所述激勵(lì)器或致動(dòng)器以激勵(lì)所述觸摸表面，從而所述期望觸覺以所述耦合系統(tǒng)的頻率帶寬以下的頻率被覺察，以便模擬用戶觸摸所述觸摸表面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述系統(tǒng)包括分布模式致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?150赫茲到350赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述系統(tǒng)包括壓電致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?00赫茲到300赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述系統(tǒng)包括電磁致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?50赫茲到300赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
5.如權(quán)利要求1或4所述的方法，其中所述系統(tǒng)包括提供區(qū)域?yàn)?00赫茲到400赫茲的具有高Bl或者耦合系數(shù)的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬的致動(dòng)器。
6.如任一在前權(quán)利要求所述的方法，其中所述復(fù)雜調(diào)制包括頻率調(diào)制。
7.如任一在前權(quán)利要求所述的方法，其中所述復(fù)雜調(diào)制包括相位調(diào)制。
8.如任一在前權(quán)利要求所述的方法，其中所述復(fù)雜調(diào)制包括脈寬調(diào)制。
9.如任一在前權(quán)利要求所述的方法，其中所述復(fù)雜調(diào)制包括脈沖重復(fù)率調(diào)制。
10.一種觸敏設(shè)備，包括觸摸表面，與觸摸表面耦合的力激勵(lì)器，用于響應(yīng)發(fā)送到激勵(lì)器的信號而激勵(lì)表面上的振動(dòng)，該觸摸表面和激勵(lì)器一起形成耦合系統(tǒng)，和信號發(fā)生器，用于生成信號，該信號發(fā)生器生成頻率在耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號，并且利用復(fù)雜調(diào)制來調(diào)制所述載波信號，其中調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生期望觸感的低頻信號的時(shí)間響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)，從而響應(yīng)于調(diào)制后的載波信號觸摸由激勵(lì)器激勵(lì)的觸摸表面的用戶經(jīng)歷以耦合系統(tǒng)的頻率帶寬以下的頻率覺察的期望觸感。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，包括分布模式致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?50赫茲到 350赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，包括壓電致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?00赫茲到300赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
13.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，包括電磁致動(dòng)器，其具有下限區(qū)域?yàn)?50赫茲到300赫茲的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
14.如權(quán)利要求10或13所述的設(shè)備，包括提供區(qū)域?yàn)?00赫茲到400赫茲的具有高 Bl或耦合系數(shù)的耦合系統(tǒng)的頻率帶寬。
全文摘要
一種觸敏設(shè)備，包括觸摸表面；與觸摸表面耦合的力激勵(lì)器，用于響應(yīng)發(fā)送到激勵(lì)器的信號而激勵(lì)該表面上的振動(dòng)，該觸摸表面和激勵(lì)器一起形成耦合系統(tǒng)；和信號發(fā)生器，用于生成信號，該信號發(fā)生器生成頻率在耦合系統(tǒng)的頻率帶寬內(nèi)的載波信號，并且利用復(fù)雜調(diào)制來調(diào)制載波信號，其中調(diào)制后的載波信號具有可比擬產(chǎn)生期望觸感的低頻信號的時(shí)間響應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)，從而響應(yīng)于調(diào)制后的載波信號觸摸由激勵(lì)器激勵(lì)的觸摸表面的用戶經(jīng)歷以耦合系統(tǒng)的頻率帶寬以下的頻率覺察的期望觸感。
文檔編號G06F3/041GK102365609SQ201080014707
公開日2012年2月29日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者M.科洛姆斯, N.J.哈里斯 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司