帶有制動的支持觸覺的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種帶有制動的支持觸覺的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有第一端子和第二端子的致動器。第二端子耦接到電壓源，并且第一開關(guān)耦接到第一端子和地。第二開關(guān)耦接到致動器。第二開關(guān)與致動器并聯(lián)。
【專利說明】帶有制動的支持觸覺的系統(tǒng)
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年11月I日提交的美國臨時專利申請N0.61/721，231的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用被包括在此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的一個實(shí)施例涉及致動器。更具體地說，本發(fā)明的一個實(shí)施例涉及用于致動器的驅(qū)動電路，其用于在支持觸覺的設(shè)備上產(chǎn)生振動。
【背景技術(shù)】
[0004]電子設(shè)備制造商努力為用戶生產(chǎn)豐富的接口。常規(guī)設(shè)備使用視覺和聽覺提示給用戶提供反饋。在一些接口設(shè)備中，動覺反饋(kinesthetic feedback)(比如主動阻力反饋)和/或觸摸反饋(比如振動、紋理和熱)也被提供給用戶，將它們更一般地共同稱為“觸覺反饋”或“觸覺效果”。觸覺反饋可以提供增強(qiáng)并簡化用戶接口的提示。具體地，振動效果，或者振動觸摸的觸覺效果，在為電子設(shè)備的用戶提供提示以提醒用戶特定事件，或提供現(xiàn)實(shí)反饋以在模擬或虛擬環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建更強(qiáng)的感官沉浸時可以是有用的。
[0005]觸覺反饋已經(jīng)極多地包括在便攜式電子設(shè)備中，比如蜂窩電話、智能電話、便攜式游戲設(shè)備和各種其它便攜式電子設(shè)備。例如，一些便攜式游戲應(yīng)用能夠以類似于被配置為提供觸覺反饋的大型游戲系統(tǒng)所使用的控制設(shè)備(例如操縱桿等)的方式支持振動。此外，比如智能電話的設(shè)備使用觸覺效果來使得觸摸屏上的“按鈕”在被用戶選擇時感覺像它們的機(jī)械副本。
[0006]為了產(chǎn)生振動效果，許多設(shè)備利用某些類型的致動器或觸覺輸出設(shè)備。用于此目的的已知的致動器包括比如偏心轉(zhuǎn)動塊(ERM)的電磁致動器，其中馬達(dá)移動偏心塊。典型地，ERM需要雙向信號(B卩，交替的正電壓和負(fù)電壓信號)以便產(chǎn)生制動效果，這提供了鮮明的動態(tài)信號。但是，大多數(shù)便攜式電子設(shè)備僅產(chǎn)生直流，因此需要特殊的驅(qū)動電路來產(chǎn)生該雙向信號。典型的電路包括H橋，H橋是包括四個晶體管/開關(guān)的電路。但是，對于便攜式設(shè)備來說，成本是重要的驅(qū)動因素，并且四個開關(guān)的成本相對于設(shè)備的總成本來說可能不相稱地聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]—個實(shí)施例是支持觸覺的系統(tǒng)，其包括具有第一端子和第二端子的致動器。第二端子耦接到電壓源，并且第一開關(guān)耦接到第一端子和地。第二開關(guān)耦接到該致動器。第二開關(guān)與致動器并聯(lián)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的支持觸覺的系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖1的致動器的ERM實(shí)施例的部分透視圖。[0010]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的與圖1的致動器結(jié)合的致動器驅(qū)動電路的電路圖。
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的當(dāng)提供具有制動的觸覺效果時該系統(tǒng)的功能的流圖。
[0012]圖5是示出觸覺效果的加速度相對于時間的兩個圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]一個實(shí)施例是跨致動器/馬達(dá)提供可編程的短路負(fù)載的驅(qū)動電路。當(dāng)該致動器自旋時該短路負(fù)載的激活通過在相對短的時間持續(xù)期之后停止該自旋來制動該致動器，而不需要施加相反極性電壓。
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的支持觸覺的系統(tǒng)10的框圖。系統(tǒng)10包括安裝在外殼15內(nèi)的觸敏表面11或其它類型的用戶接口，并且可以包括機(jī)械的鍵/按鈕13。系統(tǒng)10內(nèi)部是在系統(tǒng)10上產(chǎn)生振動的觸覺反饋系統(tǒng)。在一個實(shí)施例中，在觸摸表面11上產(chǎn)生振動。
[0015]觸覺反饋系統(tǒng)包括處理器或控制器12。耦接到處理器12的是存儲器20和致動器驅(qū)動電路16，致動器驅(qū)動電路16耦接到致動器18。致動器18可以是任何類型的直流(“DC”)馬達(dá)，并且在一個實(shí)施例中是偏心轉(zhuǎn)動塊(“ERM”)致動器。處理器12可以是任何類型的通用處理器，或可以是專門設(shè)計(jì)用于提供觸覺效果的處理器，比如專用集成電路(“ASIC”)。處理器12可以是操作整個系統(tǒng)10的同一個處理器，或者可以是單獨(dú)的處理器。處理器12可以基于高層級的參數(shù)決定要播放什么觸覺效果以及播放這些效果的順序。一般地，限定特定觸覺效果的高層級的參數(shù)包括幅度、頻率和持續(xù)時間。比如流馬達(dá)命令的低層級參數(shù)也可以用于確定特定的觸覺效果。如果一個觸覺效果在生成時包括這些參數(shù)的某些變化或者基于用戶交互而包括這些參數(shù)的變化，則可以認(rèn)為該觸覺效果是“動態(tài)的”。
[0016]處理器12輸出控制信號到致動器驅(qū)動電路16，其包括用于為致動器18提供所要求的電流和電壓(即，“馬達(dá)信號”)以進(jìn)行所需的觸覺效果的電子元件和電路。系統(tǒng)10可以包括多于一個的致動器18，并且每個致動器可以包括單獨(dú)的驅(qū)動電路16，所有驅(qū)動電路16都耦接到公共處理器12。存儲器設(shè)備20可以是任何類型的存儲設(shè)備或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，比如隨機(jī)存取存儲器(“RAM”)或只讀存儲器(“ROM”)。存儲器20存儲由處理器12執(zhí)行的指令。在這些指令中，存儲器20包括觸覺效果模塊22，這是當(dāng)被處理器12執(zhí)行時為致動器18生成提供具有制動的觸覺效果的驅(qū)動信號的指令，如下面更詳細(xì)地公開的。存儲器20可以位于處理器12內(nèi)部，或者可以是內(nèi)部和外部存儲器的任何組合。
[0017]觸摸表面11識別觸摸，并且還可以識別觸摸在該表面上的位置和幅度。對應(yīng)于觸摸的數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器12，或者系統(tǒng)10內(nèi)的另一處理器，并且處理器12解釋這些觸摸并且作為響應(yīng)生成觸覺效果信號。觸摸表面11可以使用任何感測技術(shù)感測觸摸，包括電容性感測、電阻性感測、表面聲波感測、壓力感測、光學(xué)感測等。觸摸表面11可以感測多觸摸接觸并且可以支持區(qū)分在同一時間發(fā)生的多個觸摸。觸摸表面11可以是為用戶生成并顯示圖像以與比如鍵、撥號盤等交互的觸摸屏，或者可以是具有最小圖像或沒有圖像的觸摸板。
[0018]系統(tǒng)10可以是手持設(shè)備，比如蜂窩電話、個人數(shù)字助理(“PDA”)、智能電話、計(jì)算機(jī)平板、游戲控制臺等，或者可以是包括含有一個或多個致動器的觸覺效果系統(tǒng)的任何其它類型的設(shè)備。用戶接口可以是觸敏表面，或者可以是任何其它類型的用戶接口，比如鼠標(biāo)、觸摸板、迷你操縱桿、滾輪、跟蹤球、游戲板或游戲控制器等。在具有多于一個致動器的實(shí)施例中，每個致動器可以具有不同的旋轉(zhuǎn)功能，以便在設(shè)備上產(chǎn)生寬范圍的觸覺效果。
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的圖1的致動器18的ERM實(shí)施例的部分透視圖。ERM200包括具有繞旋轉(zhuǎn)軸205旋轉(zhuǎn)的偏心重量203。在操作中，任何類型的馬達(dá)可以耦接到ERM200以響應(yīng)于跨馬達(dá)的兩個引線(圖2中未示出)施加到馬達(dá)的電壓的量和極性而引起繞旋轉(zhuǎn)軸205在一個或兩個方向上的旋轉(zhuǎn)。施加一個極性的電壓將具有加速效果并且導(dǎo)致ERM200在一個方向上增加其旋轉(zhuǎn)速度，并且施加相反極性的電壓將具有制動效果并且導(dǎo)致ERM200降低其旋轉(zhuǎn)速度甚至在相反方向上反轉(zhuǎn)其旋轉(zhuǎn)速度。但是，如所討論的，需要施加雙向信號/電壓以獲得觸覺效果制動的驅(qū)動電路典型地包括相對昂貴的H橋。
[0020]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的結(jié)合致動器18的致動器驅(qū)動電路16的電路圖。在電路16中，DC馬達(dá)303在一個端子上通過第一開關(guān)304耦接到地，并且在另一個端子上耦接到電路的電壓(即“V。?！?。馬達(dá)303可以是致動器18，并且在一個實(shí)施例中是ERM致動器。并聯(lián)到馬達(dá)303的是第二開關(guān)301和電阻302。電阻302是可選的并且如果開關(guān)301、304同時接通則提供保護(hù)開關(guān)301、304的安全功能，開關(guān)301、304同時接通可能導(dǎo)致從Vcc穿過開關(guān)301、304到地的直接短路電流路徑。電阻302的功能也可以包括在開關(guān)301中并因此不是單獨(dú)的元件。在一個實(shí)施例中，開關(guān)301和304是雙極型或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(“M0SFET”)晶體管。
[0021]電路16還包括與馬達(dá)303并聯(lián)的二極管305和電容306。二極管305和電容306抑制馬達(dá)303上的尖峰并且也是可選元件。
[0022]電阻302的值是馬達(dá)制動電流和開關(guān)安全預(yù)警之間的折衷。在一個實(shí)施例中，二極管305的反向電壓和電容306的額定電壓大于馬達(dá)303的操作電壓加上任何所產(chǎn)生的后向電動勢(“EMF”)尖峰的幅度。二極管305的正向電壓可以在一個寬范圍內(nèi)(例如0.2V或
0.7V)，并且電容306在一個實(shí)施例中是無極性的。
[0023]在操作中，第一開關(guān)304和第二開關(guān)301通常是打開的，并且在此條件下馬達(dá)303不自旋。當(dāng)開關(guān)304閉合時馬達(dá)303接通并且開始自旋。通過保持開關(guān)304持續(xù)閉合，馬達(dá)303將最終達(dá)到鋒值速度以產(chǎn)生一種類型的觸覺效果。開關(guān)304可以打開和閉合并且重復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)303的占空比以產(chǎn)生其它類型的觸覺效果。
[0024]當(dāng)要制動馬達(dá)303時，打開第一開關(guān)304，并且在為了防止兩個開關(guān)同時閉合的短暫停頓(例如，I或2微秒)之后，閉合第二開關(guān)301。這使得馬達(dá)303制動，并且當(dāng)馬達(dá)303停止運(yùn)動時，打開開關(guān)304，并且然后開關(guān)304和301可以保持打開。
[0025]在另一個實(shí)施例中，取代如圖3中所示的耦接到電壓源的第一馬達(dá)端子和通過開關(guān)耦接到地的第二馬達(dá)端子，可以實(shí)現(xiàn)相反的配置。具體地，在此實(shí)施例中，第一馬達(dá)端子耦接到地，并且第二馬達(dá)端子通過開關(guān)耦接到電壓源。
[0026]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的當(dāng)提供具有制動的觸覺效果時系統(tǒng)10的功能的流圖。在一個實(shí)施例中，圖4的流圖的功能由保存在存儲器或其它計(jì)算機(jī)可讀或有形介質(zhì)中并且由處理器執(zhí)行的軟件(例如觸覺效果模塊22)實(shí)現(xiàn)。在其它實(shí)施例中，該功能可以由硬件(例如，通過使用專用集成電路(“ASIC”)、可編程門陣列(“PGA”)、現(xiàn)場可編程門陣列(“FPGA”)等)或硬件和軟件的任何組合執(zhí)行。[0027]在402，包括制動的觸覺效果參數(shù)從存儲器或其它源生成或取出。這些參數(shù)可以包括限定特定觸覺效果的高層級的參數(shù)，比如幅度、頻率和持續(xù)時間，或者可以由比如馬達(dá)電壓的低層級的參數(shù)形成。制動典型地提供鮮明感受并且可以用于例如當(dāng)用戶觸摸觸摸屏實(shí)現(xiàn)的鍵時模擬機(jī)械鍵。
[0028]在404，通過在固定位置或以任何需要的模式閉合第一開關(guān)304以導(dǎo)致馬達(dá)303自旋，而生成觸覺效果的至少一部分。
[0029]在406，基于觸覺參數(shù)確定制動應(yīng)該施加給馬達(dá)303。
[0030]在408，為了生成制動，打開第一開關(guān)304，并且在一個小的時間持續(xù)期之后閉合開關(guān)301，直到馬達(dá)303的自旋被停止。開關(guān)301的閉合增加了馬達(dá)303兩端的“短路負(fù)載”。
[0031]如所討論的，實(shí)施例提供了致動器上的制動而無需雙向信號或H橋電路。圖5示出了觸覺效果的加速度相對于時間的兩幅圖502和504。圖502是支持觸覺的系統(tǒng)的不帶圖3的電路16的現(xiàn)有技術(shù)圖。圖504是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的帶電路16(S卩“制動電路”)的支持觸覺的系統(tǒng)的圖。如圖502中加速度曲線503所示，沒有制動電路，在300ms的自旋之后，馬達(dá)需要300ms來停下。作為對比，如圖504中加速度曲線505所示，使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制動電路(即，電路16)，在300ms的自旋之后，馬達(dá)僅需要IOOms來停下。
[0032]如所公開的，實(shí)施例通過采用馬達(dá)兩端的短路負(fù)載來使得DC馬達(dá)制動，該短路負(fù)載在相對短的時間持續(xù)期之后停止馬達(dá)的自旋。因此，可以有效地生成具有制動的觸覺效果而無需雙向電壓。
[0033]在此具體示出和/或描述了若干實(shí)施例。但是，將意識到，所公開的實(shí)施例的修改和變更在不脫離本發(fā)明的精神和意圖范圍的情況下被以上教導(dǎo)所覆蓋并且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種支持觸覺的系統(tǒng)，包括: 致動器，包括第一端子和第二端子，其中第二端子耦接到電壓源； 第一開關(guān)，耦接到第一端子并且耦接到地；和 第二開關(guān)，耦接到所述致動器，其中第二開關(guān)與所述致動器并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦接到所述致動器的電容和二極管，其中所述電容并聯(lián)于所述二極管和致動器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦接到第二開關(guān)并且與第二開關(guān)串聯(lián)的電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括處理器，其耦接到所述致動器并且適于生成具有制動的觸覺效果，所述生成包括: 在打開第二開關(guān)時閉合第一開關(guān)，以使得所述致動器旋轉(zhuǎn)以生成觸覺效果的第一部分；以及 打開第一開關(guān)并且閉合第二開關(guān)，以使得所述致動器停止旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器包括耦接到馬達(dá)的偏心轉(zhuǎn)動塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述觸覺效果是從由所述處理器接收或生成的觸覺效果參數(shù)生成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述觸覺效果參數(shù)包括幅度、頻率、持續(xù)期中的至少一項(xiàng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:耦接到所述處理器的具有按鍵的觸摸屏，其中，當(dāng)物體接觸一個或多個觸摸屏按鍵時，所生成的觸覺效果模擬機(jī)械按鍵。
9.一種驅(qū)動電路，用于具有第一端子和第二端子的偏心轉(zhuǎn)動塊致動器，所述驅(qū)動電路包括: 電壓節(jié)點(diǎn)，將第二端子耦接到電壓源； 第一開關(guān)，耦接到第一端子并且耦接到地；和 第二開關(guān)，耦接到所述電壓節(jié)點(diǎn)并且耦接到第一端子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的驅(qū)動電路，進(jìn)一步包括:耦接到地和第一端子的電容和二極管，其中所述電容并聯(lián)于所述二極管和致動器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的驅(qū)動電路，進(jìn)一步包括:耦接在第二開關(guān)和第一端子之間并且與第二開關(guān)串聯(lián)的電阻。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的驅(qū)動電路，進(jìn)一步包括: 控制器，耦接到第一開關(guān)和第二開關(guān)并且適于生成具有制動的觸覺效果，所述生成包括: 在打開第二開關(guān)時閉合第一開關(guān)，以使得所述致動器旋轉(zhuǎn)以生成所述觸覺效果的第一部分；以及 打開第一開關(guān)并且閉合第二開關(guān)，以使得所述致動器停止旋轉(zhuǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的驅(qū)動電路，進(jìn)一步包括權(quán)利要求6-8中的任何一項(xiàng)。
14.一種生成具有制動的觸覺效果的方法，所述方法包括使用如權(quán)利要求9-13中的任何一項(xiàng)所述的驅(qū)動電路。
15.一種支持觸覺的系統(tǒng)，包括:致動器，包括第一端子和第二端子，其中第二端子耦接到地；第一開關(guān)，耦接到第一端子并且耦接到電壓源；和第二開關(guān)，耦接到所述致動器，其中第二開關(guān)與所述致動器并聯(lián)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的，系統(tǒng)，進(jìn)一步包括權(quán)利要求2-8中的任何一項(xiàng)。
【文檔編號】G06F3/01GK103809745SQ201310534636
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月1日
【發(fā)明者】D·G·比林頓, K·謝, V·H·特蘭 申請人:英默森公司