CN1284070C - 用于生成反馈的装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于利用单个部件响应激励信号产生用户可检测的多功能反馈的方法、动态用户接口和电子装置。本发明中，一个或多个例如压电弯曲器的共振振动元件被连接到该装置的某一部件。常规电子装置包括用于产生触觉反馈信号、蜂鸣信号、共振告警信号或音频信号的不同部件。所有上述反馈信号可利用被连接到例如透镜或外壳的压电元件来生成。这意味着，与利用单独部件生成反馈信号的情形相比，大大降低了所需空间和功耗。

Description

用于生成反馈的装置

技术领域

本发明涉及电子装置。具体地说，本发明涉及用于生成用户可检测的多功能反馈的新颖的和改进的方法、动态用户接口及电子装置。

背景技术

在信息技术中，用户接口(UI)是被设计为人可与其进行交互的信息装置的任何装置，包括显示屏、键盘、鼠标、光笔、桌面外观、亮显字符、帮助消息和应用程序或网站如何请求交互及对其进行响应。在早期的计算机中，除了操作员控制台上的几个按钮外几乎不存在用户接口。用户接口主要是以穿孔卡输入和报告输出的形式。

个人数字助理(PDA)一般包括一与该装置的大小成比例的宽大的显示区。为提供尽可能大的显示区，多数PDA仅包括有几个机械的按钮。因此，该显示区也被用作输入装置。该显示区通常是触敏的，以便仅通过触摸显示器或使用专用工具，如专用笔，就可将信息传送给该装置。

美国专利5,241,308(Paragon Systems)描述了一种触敏面板，其用于生成任何多个不同信号中的选定的一些信号，这些信号的每个是通过触摸该面板上的不同位置而生成的。该装置还包括压力传感装置，其用于当该面板构件的所选位置被触摸时，感测由该面板构件施加到每个面板构件支撑体上的压力的大小。

触敏显示器有很多优于常规信息输入方法的优点。当只存在少数几个机械按钮时，显示器尺寸可以制成更大。尤其是，在合适位置上可基于程序来生成所有所需按钮。然而，当触敏显示器被用作主要信息输入装置时，会存在一些问题。当用户用他的/她的手指触摸显示器时，问题在于，该用户根本不需要接收任何关于他的/她的选择是否是可接受的或是否作出了选择的触觉反馈。传统键盘通常对按下按钮作出某种机械的响应。

主要问题在于，没有利用单个的集成部件为各种激励信号生成反馈的电子装置，使下列条件被满足的解决方案：

●成本效益高的解决方案，及

●最小功耗。

美国专利5,245,245(Motorola)描述了一种包括压电弯曲器(piezo-bender)的电子装置。优选地，该装置是寻呼机。当接收到信号时，被电连接到该压电弯曲器的电驱动电路以驱动信号驱动该压电弯曲器以在该压电弯曲器中产生振动，并由此提供振动告警。该装置还包括被滑动连接于该压电弯曲器的调谐装置，其用于通过改变可振动的该压电弯曲器的长度来机械地调谐该压电弯曲器振动的共振频率。必须注意，该压电弯曲器是被机械地调谐的，因此该调谐必须由能胜任的技术员来完成。由于机械调谐的特点，制造具有严格一致的(共振)特性的装置也是困难的。美国专利5,245,245中的解决方案也被限制于某一固定的共振频率。美国专利5,245,245示出了用于选择性的呼叫接收机的半高式(low-profile)且可靠的振动器。然而，该参考的公开没有给出用户动作和振动告警之间的任何连接。该解决方案不适用于利用单个集成部件为各种激励信号生成反馈。

参考的公开WO01/54109(Immersion)示出了一种用于触摸屏和其他触摸控制的触觉反馈的解决方案。在该公开中，用户使用触摸输入装置来输入控制指令。此外，至少一个启动器被连接到该触摸输入装置，并输出压力以对接触触摸表面的用户提供触觉感测。换言之，用户收到来自该输入装置本身的反馈。启动器位于触敏显示器的下方。问题是在该参考的公开中给出的解决方案不适用于利用单个的集成部件为各种激励信号生成反馈。

所述表述“触敏显示器”优选地指正被用于当前PDA中的那种显示器。然而这些显示器有缺点。受到外部撞击时，该显示器易损坏。该显示器也会对温度敏感，即带触敏显示器的装置的使用会被限制在某一温度范围。

发明内容

本发明描述了一种用于利用单个部件响应激励信号生成用户可检测的多功能反馈的方法和电子装置。在优选实施例中，所述电子装置是手持装置，其至少包括外壳、位于所述外壳内的电子电路、显示器，所述外壳至少包括部分透明的透镜，所述透明透镜区至少覆盖了所述显示器。

本发明中的电子装置包括一个或多个连接到所述外壳或连接在所述电子电路上的压电弯曲器。所述单个部件由压电弯曲器和透镜构成。在优选实施例中，一个或多个压电弯曲器被连接到所述透镜未覆盖所述显示器的区。所述透镜没有必要象本发明背景技术部分中所述的那样是触敏显示器。而是，所述透镜可以更象是面板，在其中透镜本身不是触敏的。当所述压电弯曲器被连接到所述透镜时，反馈通过所述透镜被有效地发送给所述电子手持装置的用户。利用所述单个部件响应所述激励信号向用户产生反馈。

利用专用检测装置来获得触敏特征。在优选实施例中，所述检测装置是指一个或多个被连接到所述透镜的压力传感器。在一个实施例中，所述电子装置至少包括压力传感器，利用其可确定在显示器上触摸的位置。

在本发明中，电驱动电路被电连接到所述压电弯曲器，以用驱动信号电驱动所述压电弯曲器。所述驱动信号是基于所述激励信号构成的。优选地，所述激励信号是用户启动的信号、利用所述电子装置的无线接收机接收到的无线信号或电子装置感生的信号。也可能同时检测到一个或多个不同的激励信号。当驱动信号被提供给压电弯曲器时，优选地生成下列反馈信号的一个或多个：触觉反馈信号、振动告警信号、音频信号或蜂鸣信号。

与现有技术解决方案相比，本发明有几个优点。本发明中，压电弯曲器可被用于几个不同功能中。在现有技术解决方案中，在实现中，每个功能需要专用的部件。这是一明显的优点。

本发明示出了一种功耗低的解决方案。在电子手持装置中，这是非常重要的特征。在现有技术解决方案中，每个反馈信号(触觉反馈信号、共振告警信号、音频信号或蜂鸣信号)是用专用部件生成的。本发明中，所有上述反馈信号是用单个部件生成的，并且因此，仅存在一个功耗部件。这使得功耗最小化更加容易。

本发明还描述了一种解决方案，其中可不必使用常规触敏显示器。因为不必使用任何弹性膜或触敏显示器，所以电子手持装置可变得耐用得多。替代地，坚硬的透明透镜覆盖了实际的显示器装置。

本发明中示出的解决方案是简单的。而且，因为反馈可容易被调整，所以本发明并不易于带来制造差异。

本发明有更进一步的优点。因为本解决方案仅用单个部件生成反馈，这意味着在印刷电路板(PCB)中省出了大量的空间。PCB上所需的部件数量因此减少。因为部件的节省，本发明中示出的解决方案也是低成本的解决方案。

附图说明

被包括以提供本发明的进一步理解并构成本专利说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例，并与说明书一起有助于解释本发明的原理。这些附图中：

图1是根据本发明的电子手持装置的简化方框图；

图2是根据本发明的电子手持装置的俯视平面图；

图3是根据本发明显示共振频率的图；以及

图4是根据本发明的优选实施例的平行类型质量加载压电弯曲器的侧视图。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施例，其中的一些实例被显示在了附图中。

图1是电子手持装置，例如个人数字助理(PDA)或移动电话的电方框图。图1未包括该电子手持装置中所需的所有元件，而仅包括在本发明中所需的相关元件。该电子手持装置包括中央处理单元CPU，其用于控制该电子手持装置。存储器MEM与该CPU相关联以存储相关软件应用程序和其他相关信息。该电子手持装置至少包括部分透明的透镜TP，该透明透镜区至少覆盖了显示器。当提及透镜时，也可用术语“触摸面板”。实际显示器DSP位于透明透镜TP区的下方。

透镜TP也被用作主要的输入装置。利用用于检测激励信号的装置IM检测用户的动作。在一个实施例中，用于检测的装置IM优选地指被直接或间接连接到透镜TP的压力传感器PS。使用三个压力传感器，在透镜TP区上的任何位置(触摸)就可被识别并启动相关过程。用于检测激励信号的装置IM与透镜TP和显示器DSP一起称作常规的触敏显示器。一般地，用于检测激励信号的装置IM可指可检测激励信号的一些不同的物理或软件部件。

图1还包括驱动电路DC和振动元件VIB。驱动电路(DC)电连接到所述振动元件(VIB)并用驱动信号电驱动该振动元件(VIB)，该驱动信号基于激励信号构成。优选地，振动元件是被直接连接到透镜TP的压电元件。CPU控制本身向振动元件VIB提供驱动信号的驱动电路DC。压电元件例如通过粘接、焊接、螺接等方式被连接到透镜TP。

CPU包括用于确定激励信号源的装置DM、用于通过产生突发频率扫描来确定共振频率的装置TM、用于利用所述压力传感器PS检测振动水平的装置LM、和用于向振动元件VIB馈送所获得的频率的装置OM。优选地，以CPU和/或相关软件应用程序来实现上述装置。

在一个实施例中，驱动电路DC包括多个部件。其可包括例如模数转换器(A/D)、数字信号处理器、数模转换器(D/A)和放大器。当例如用无线接收机RF接收到无线信号时，该无线信号被输入至数字信号处理器。数字信号处理器处理该无线信号并将该信号输入到D/A转换器。然后，该模拟信号被以放大器放大且最终该放大信号被输入到压电弯曲器。因压电弯曲器被连接到透镜TP，所以整个系统像音频扬声器一样起作用并能够产生音频信号。

在图1的一个实施例中，例如压电弯曲器的振动元件被用作用于检测用户激励信号的装置IM。因此，检测用户激励信号和生成反馈信号均由一个集成部件产生。

在一个实施例中，压电弯曲器还被用于测量加速度。优选地，存在被连接到压电弯曲器的外部质量。当包括连接有质量的压电弯曲器的手持装置沿z轴移动时，z轴基本垂直于该手持装置的显示器的x/y平面，压电弯曲器测量由惯性产生的压力变化(加速度)。多个功能可被连结到该测量值。一个实例是手持装置的显示器上材料的放大倍数取决于测量到的加速度信息。专利申请WO0127735(Myorigo)中更详细地描述了放大实例。

如果电子手持装置是移动电话和/或收音机，则该装置还包括用于发送和接收射频信号的无线接收机RF部分。

图2是电子手持装置HD的俯视平面图。该装置优选地是个人数字助理(PDA)或移动电话。图2是电子手持装置的简化实例，因此该装置还可包括其他的特征或功能按钮。该电子手持HD装置包括外壳HS。该外壳HS至少包括覆盖了实际显示器DSP的部分透明的透镜TP。

在优选实施例中，透镜/触摸面板TP本身不是触敏的。压力传感器PS被直接或间接连接到透镜TP。图2有三个被连接到透镜TP的压力传感器PS。在优选实施例中，压力传感器PS以三角形式被连接到外壳HS上。压力传感器PS可以以任何其他合适的方式被连接。

利用三个或更多压力传感器PS，精确地计算并确定透镜TP被触摸的位置是可能的。利用上述安排，透镜TP本身不必具有任何触敏膜或任何其他触敏特性。而是，用压力传感器PS来检测触摸。压力传感器也可感测在透明透镜区外部的用户输入。因此，外壳HS上的某些区域或透镜TP的不透明区也可作为用户接口的一部分。

图2还包括振动元件VIB。该振动元件VIB被连接到透镜TP未覆盖显示器DSP的区域。透镜TP优选地在显示器DSP区的外部是不透水的。振动元件VIB优选地是压电元件并且是单压电晶片元件、双压电晶片元件或多层结构。因为要求的低输入电压，所以多层结构是优选解决方案。压电弯曲器优选由三部分形成：上部、下部和这些部分之间的金属元件。金属元件大大加固了整体结构。图1中的驱动电路DC将所需的驱动信号施加到振动元件VIB，由此引起振动元件VIB以某一频率振动/共振。

在图2的一个实施例中，振动元件被用于提供多个反馈信号。振动元件优选地是单压电晶片元件、双压电晶片元件或多层结构。激励信号可源于不同的源。激励信号可以是用户启动的信号，如在透镜上的触摸。它也可以是利用电子装置的无线接收机接收到的射频信号。这是当电子装置是例如移动电话的情形。或者，激励信号可以是电子装置感生的信号，如操作系统发起的信号。因此，每个激励信号可产生不同的反馈信号。

当压电弯曲器被用来响应例如在透镜上的触摸时，脉冲的或连续的触觉反馈信号就会出现。触觉反馈信号一般是短信号，如200-300Hz频率及例如5-100ms的持续时间，或连续信号。这一信号一般是压电弯曲器的单纯的或已调制的共振频率。然而，反馈信号不必仅限于触觉反馈。利用压电弯曲器，实际上可生成任何所需的频率带宽。此外，反馈信号可以是蜂鸣信号、振动告警信号或音频信号。这意味着，连接到电子手持装置的透镜上的压电弯曲器可用作扬声器。音频信号的产生可能需要数字信号处理将音频带宽展平，以减少悬臂共振频率的影响。当生成音频信号时必须满足某种标准。尤其是在蜂鸣特征中，声压水平(以帕斯卡表示)必须是足够的。频带必须足够宽。当生成反馈信号时，可利用共振频率中的谐波多次频率。

常规的电子装置包括用于生成触觉反馈信号、蜂鸣信号、振动告警信号或音频信号的不同部件。蜂鸣信号以蜂鸣器生成，音频信号如以扬声器生成，振动告警信号如以电磁电动机生成及触觉反馈信号如以DC电动机、螺线管、动磁式启动器等生成。所有上述的反馈信号均可以本发明的压电元件生成。这意味着功耗相对于反馈信号以单独部件生成的情形大大减少。

图1和2仅表示了本发明中描述的动态用户接口的一个实施例。动态用户接口不限于任何专用装置。动态用户接口能利用单个部件响应激励信号生成用户可检测的多功能反馈。激励信号可以是用户启动的信号、利用无线接收机接收到的无线信号或装置感生的信号。用户接口至少包括外壳和位于外壳中的电子电路。外壳的形状不受限制。利用用于检测激励信号的装置可限定激励信号源。一个或多个振动元件被连接到外壳或连接在电子电路上，例如位于外壳内的PCB板上。被电连接到振动元件的电驱动电路利用驱动信号电驱动该振动元件，该驱动信号是基于激励信号构成的。

优选地，振动元件是单压电晶片元件、双压电晶片元件或多层结构的压电弯曲器。因为由压电弯曲器生成的反馈信号仅取决于激励信号，所以限定激励信号的类型是至关重要的。反馈信号是触觉反馈信号、振动告警信号、音频信号或蜂鸣信号。仔细限定压电弯曲器到外壳或到电子电路的连接点是非常重要的。压电弯曲器部件本身不生成所有所需的反馈信号，但被连接到外壳或被连接到电子电路它能产生多功能的反馈。

存在有许多在其中可使用所描述的动态用户接口的装置。这些装置包括，例如操纵杆、键盘、电子图书或几乎任何在其中可使用多功能反馈的装置。

图3示出了示例性电子手持装置的加速度和电流-频率响应。上部的图表示作为频率的函数的透镜的加速因子。加速度值越大，对用户的反馈就越强。下部的图表示作为频率函数的电流。在图3的优选实施例中，一外部质量被加到振动元件。外部质量的使用增加了在压电弯曲器箝位点得到的力，还提高了低频音频的带宽。触觉反馈的频率区域相当低，例如200-300Hz的原因是，通常人，例如用手，对更高的频率是不那么敏感的。共振中的峰电流值略高于就在共振频率的周围的峰电流值。图3中的加速度和电流值不必是实际值而仅是示例性值。

可以以另一种方式利用共振频率。在制造阶段，透镜或整个外壳可以以这样一种方式来制造，即透镜或外壳的共振频率之一在与振动元件的共振频率相同的频率范围内。因此，触觉反馈的总体效果更有效。

可能会出现共振频率必须被单个寻找的情况。电子手持装置包括可确定最佳频率的特征。这通过借助于产生突发频率扫描确定共振频率来完成。压力传感器可被用于另一种情形。振动元件的响应(触觉反馈)可利用压力传感器检测到。利用压力传感器确定各个共振频率是可能的。当测量完成时，驱动电路被设置以将所获得的频率馈送给振动元件。

反馈参数还可为使用其的每个人单独调整。用户可控制的主要参数是，例如：

●振幅

●振动周期

●振动频率

图4是根据本发明的优选实施例的平行类型加载质量的压电弯曲器的侧视图。这里，金属梁42被置于压电陶瓷层41和43之间。金属梁42延伸出压电陶瓷层41和43，并具有一被机械连接到金属梁42的另一端的质量44。质量44可被点焊到金属梁42上，并在悬臂结构的一端提供振动体。压电弯曲器的另一端被夹紧到透镜或外壳45。当电驱动信号被施加时，例如，跨压电层的相对表面施加时，压电弯曲器的末端开始偏斜。因为超过压电陶瓷层41和43的金属梁42的伸出和在梁42末端的质量44，压电弯曲器的共振的偏斜量远大于没有质量的情况。振动质量44’和振动弯曲器倾向于通过每个振动周期，传递给透镜或外壳45以更大的冲量。本发明中，振动元件被用于多个不同的功能。在现有技术解决方案中，在实现中每个功能需要专用的部件。因此，电子手持装置中的宝贵空间节省得以实现，最重要的是，功耗被最小化。这是电子手持装置中非常重要的特征。

本发明还描述了一种仅利用单个部件生成反馈的解决方案。这意味着在印刷电路板(PCB)中的大量空间节省。PCB上所需的部件数量被减少。因为部件的节省，本发明中所述的解决方案也是低成本的解决方案。

本发明描述了一种在其中反馈可被电调整的解决方案。调整驱动信号，可获得所需的反馈。可由用户人工或由装置本身自动来设置调整。本发明还描述了动态用户接口和用于生成多功能反馈的集成的低成本及低功率解决方案。

必须注意，压电弯曲器部件本身不必能够生成本发明中所述的所有的反馈信号(触觉反馈信号、蜂鸣信号、振动告警信号或音频信号)。然而，当压电弯曲器被连接到，例如透镜、外壳的某部分或PCB板时，情况就不同了。与压电弯曲器所连接到的部件一起，生成如本发明所述的多功能反馈是可能的。

对具有先进技术的本领域技术人员来讲显而易见，本发明的基本思想可以多种方式来实现。因此，本发明和其实施例不限于上述的实例，相反，它们可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (7)

1、一种用于利用单个部件响应激励信号生成用户可检测的多功能反馈的手持电子装置，所述手持电子装置至少包括外壳、显示器和位于所述外壳中的电子电路，其特征在于，所述手持电子装置进一步包括：

覆盖所述显示器的透镜，所述透镜具有被置于所述显示器上的透明区，

被连接到所述透镜的压力传感器，用于检测所述透镜上的触摸，所述压力传感器响应所述触摸生成激励信号，

至少一个被连接到所述透镜延伸出所述显示器外部的区的压电弯曲器，所述单个部件由所述压电弯曲器和所述透镜构成，并且所述压电弯曲器具有生成选自触觉反馈信号、振动告警信号、音频信号和蜂鸣信号的至少两种反馈信号的能力；及

电连接于所述压电弯曲器的电驱动电路，用于利用驱动信号电驱动所述压电弯曲器，所述驱动信号基于所述激励信号构成。

2、如权利要求1所述的手持电子装置，其特征在于，所述反馈包括下列信号中的一个或多个：

触觉反馈信号；

振动告警信号；

音频信号；及

蜂鸣信号。

3、如权利要求1所述的手持电子装置，其特征在于，该手持电子装置包括：

用于通过产生突发频率扫描来确定所述外壳或所述透镜的共振频率的装置；

用于利用所述传感器检测振动水平的装置；及

用于向所述压电弯曲器馈送所获得的频率的装置。

4、如权利要求1所述的手持电子装置，其特征在于，所述压电弯曲器用作加速度传感器。

5、如权利要求1所述的手持电子装置，其特征在于，所述压电弯曲器是单压电晶片元件、双压电晶片元件或多层结构的压电弯曲器。

6、如权利要求5所述的手持电子装置，其特征在于，该手持电子装置包括被连接到所述压电弯曲器的外部质量。

7、如权利要求1或3所述的手持电子装置，其特征在于，所述外壳和/或所述透镜的共振频率中的至少一个在与所述压电弯曲器的频率范围相同的频率范围内。

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