TW201203009A - Haptic apparatus and techniques for quantifying capability thereof - Google Patents

Description

201203009 \、發明說明： 【相關申請案之交互參考】 本申請案依照USC第35條第119(e)項主張於2010 年2月16曰申請之美國臨時專利申請案第61/338,315 號的權益，其標題為 “ ARTIFICIAL MUSCLE ACTUATORS FOR HAPTIC DISPLAYS: SYSTEM DESIGN TO MATCH THE DYNAMICS AND TACTILE SENSITIVITY OF THE HUMAN FINGERPAD”，其全部 揭示内容併入本文作為參考資料。 【發明所屬之技術領域】 在一面向，本揭示内容大體有關於一種用於量化觸 感設備能力之觸感設備及技法。更特別的是，本揭示内 容係有關於一種用於測定觸感設備之效能的分段觸感 設備及電腦實施技法。 【先前技術】 基於介電彈性體的電流驅動聚合物人造肌肉 (Electroactive Polymer Artificial Muscles，EPAMtm)具有 製作易感應及緊湊型觸感顯示器所需的頻寬及能量密 度。可將基於介電彈性體的此類EPAMtm組態成供用於 行動手機的高傳真度(high-fidelity)薄觸感模組以提供 確認按鍵的簡短觸覺“點擊”，以及可增強遊戲及音樂 的穩態“低音’’效果。藉由建模實際系統於電腦使得能

S 201203009 由一組參數及初始條件預測系統的行為，可改善具有此 類能力的觸感模組設計。模型的輸出可通過轉移函數 (^transfer function)將振動轉換成被使用者經驗的觸感残 覺之強度估計值n m腦㈣無法充分預 組癌成订動手機用高傳真度薄觸感模組之實際 订為以提供確認按鍵的簡短觸覺“點擊”，以及掩你说 戲及音樂活動的穩態“低音，，效果。 曰电 【發明内容】 處理器、-記.含- 的-輸入/輸出介面1電腦提供一=里= 身訊 觸感系統之機械學，❹物以& ^用叫擬該 至該觸感系統之:輸糸統之效能’以及因應 用者感覺。該電腦實施方法:含亥:::统使 收-輸，:其二輸= 機械系二電用壓輪入命令，用該 移；用哕#4 ^移，用一強度知覺模組接收該位 的-绞二·：及η莫組將該位移映射至被-使用者經驗 ^該^及因應該輸人命令，產生被該使用者經驗 【實施方式】 201203009 本揭示内容提供基於介電彈性體之電流驅動聚合 物人造肌肉（EPAM)的各種面向，該電流驅動聚合物人 造肌肉具有製作易感應及緊湊型觸感顯示器所需的頻 寬及能量密度。 電流驅動聚合物(Electroactive Polymer，ΕΑΡ)裝置 的實施例及其應用描述於美國專利第7,394,282號；第 7,378,783 號；第 7,368,862 號；第 7,362,032 號；第 7,320,457 號；第 7,259,503 號；第 7,233,097 號；第 7,224，106 號；第 7,211，937 號；第 7，199,501 號；第 7，166,953 號；第 7,064,472 號；第 7,062,055 號；第 7,052,594 號；第 7,049,732 號；第 7,034,432 號；第 6,940,221 號；第 6,911，764 號；第 6,891，317 號；第 6,882,086 號；第 6,876，135 號；第 6,812,624 號；第 6,809,462 號；第 6,806,621 號；第 6,781，284 號；第 6,768,246 號；第 6,707,236 號；第 6,664,718 號；第 6,628,040 號；第 6,586,859 號；第 6,583,533 號；第 6,545,384 號；第 6,543，110 號；第 6,376,971 號；及第 6,343，129號；以及描述於美國公開專利申請案第 2009/0001855 號；第 2009/0154053 號；第 2008/0180875 號；第 2008/0157631 號；第 2008/0116764 號；第 2008/0022517 號；第 2007/0230222 號；第 2007/0200468 號；第 2007/0200467 號；第 2007/0200466 號；第 2007/0200457 號；第 2007/0200454 號；第 2007/0200453 號；第 2007/0170822 號；第 2006/0238079 號；第

S 201203009 2006/0208610 號，第 2006/0208609 號；及第 2005/0157893號，及申請於2009年1月22日的美國專 利申請案第12/358,142號；專利條約申請案第 PCT/US09/63307 號；以及世界專利第 w〇2〇〇9/〇677〇8 號，以上文獻的全部内容併入本文作為參考資料。 在一面向，本揭示内容提供高傳真度薄觸感模組供 用於行動手機。該等模組提供確認按鍵的簡短觸覺，，點 擊”，以及可增強遊戲及音樂的穩態，，低音，，效果。在另 一面向，本揭示内容提供電腦實施技法用以建模實際觸 感系統’使得能由一組參數及初始條件預測觸感系統的 行為。實際觸感系統的模型由致動器、手機及使用者組 成。實際系統的輸出通過轉移函數將振動轉換成被使用 者經驗之觸感感覺的強度估計值。指尖阻抗_按鈕壓迫 力（button press force)模型經校準成為手掌握著手機時 之阻抗的資料。導出及校準基於能量的致動器效能模 型，以及將致動器幾何微調成有良好觸感的效能。 在一面向，本揭示内容係針對組態可用於行動手機 的高效能觸感模組。已有人開發介電彈性體致動器的潛 能用於其他類型觸感顯示器，例如點字(Braille)，如Lee， S.、Jung, K.、Koo, J·、Lee，S.、Choi，Η.、Jeon，J.、Nam， J.及 Choi，H.等人在 SPIE 5385,368·379(2004)在“Braille Display Device Using Soft Actuator”記錄匯編中所描述 的’以及穿戴式顯示器，如Bolzmacher，C.、Biggs，J.、

Srinivasan，M.在 SHE 6168,27-38(2006)在 “Flexible 201203009

Dielectric Elastomer Actuators For Wearable Human-Machine Interfaces”記錄匯編中所描述的。介電 彈性體的頻寬及能量密度也使得它們在行動手機成為 吸引人的技術。 第1圖為觸感系統的剖視圖。此時用觸感模組100 來描述該觸感系統。該致動器使輸出板（output plate) 102(例如滑動面）與固定板(fixed plate) 104(例如固 定面）相對滑動。板102、104係以鋼製軸承隔開，以及 具有約束向所欲方向運動、限制行程、及耐摔試驗的特 徵。為了整合於行動手機，頂板(top plate)l02附著至慣 性質量或觸控螢幕及顯示器。在圖示於第1圖的具體實 施例中，觸感模組100的頂板102由安裝於觸控螢幕之 慣性質量或背面如箭頭106所示可雙向移動的滑動面 構成。在輸出板102與固定板104之間，觸感模組ι〇〇 包含附著至滑動面（例如頂板102)的至少一電極108、至 少一分隔器110、及至少一桿體112。框體及分隔器分 段114附著至固定面，例如底板104。觸感模組1〇〇的 代表為由Artificial Muscle公司（AMI)(在美國加州 Sunny vale)開發的觸感模組。 量化模組的觸感能力 仍參考第1圖’觸感模組100有許多設計變數(例 如厚度、足跡(footprint))被模組整合器的需要固定，而 其他的變數(例如介電層數、工作電壓）則受限於成本。 由於致動器幾何（剛性支撐結構之足跡相較於活性電介

S 201203009 質的配置）對於成本的影響不大，對本申請案而言，合 理的方式是調整觸感模組100的效能。 為了估計不同致動器幾何的優點，本揭示内容描述 3種模型.（1)手機/使用者系統的機械學；（2)致動器效 能，以及(3)使用者感覺。這3個組件一起提供一種電腦 實施方法用於估計候選設計的觸感能力以及使用估計 的觸感能力資料來選擇適合量產的觸感設計。該模型預 測具有以下兩種效應的能力：長期效應（遊戲及音樂）， 以及短期效應(按鍵點擊）。“能力，，在此係定義成模組在 使用時可產生的最大感覺。 第2A圖圖示用於量化觸感模組之效能的系統，其 係提供適當的能力給遊戲/音樂及點擊應用。如第2A圖 所示’因應進入模擬第1圖觸感模組1〇〇之致動器機械 系統模組206的穩態輸入202與暫態輸入204，系統2〇〇 的輸出為感覺⑸-頻率(〇曲線。功能上，致動器機械系 統模組206為施加輸入壓力至觸感模組1〇〇的指尖部份 208或擠壓觸感模組100的手掌部份210。以不同的頻 率施加最大電壓至致動器100在致動器機械系統模組 206中產生穩態振幅A(f)，這樣使用者會以感覺知 覺。強度知覺模組212將位移映射至感覺。取決於頻率 及振幅的感覺S(f)具有可用分貝表示的強度，以及描述 設計的遊戲能力。可用類似方式描述點擊能力。暫態響 應X⑴對滿電壓(full voltage)脈波的振幅係映射至咸覺 (單位：分貝）。該感覺為設計在單一循環可產生的最強 201203009 烈“點擊”。由於遊戲能力利用共振’因此可超過點擊 能力。 第2B圖為系統200的功能方塊圖214。產生感覺 S(t)以因應穩態輸入命令V(t)。致動器機械系統模組206 產生位移X⑴以因應輸入命令V⑴。強度知覺模組212 將位移輸入X⑴映射至感覺S(t)。 根據此一方法，構成用於量化觸感模組丨〇〇之能力 的模型。也描述致動器機械系統206的校準，包含指央 部份208及手掌部份210兩者的觸感模組1〇〇在其中起 作用。致動器效能的章節涵蓋通用模型，以及微調效能 以與致動器機械系統206匹配的致動器分段法。也提出 ，，模型對發布資料的校準。討論觸感模組⑽對致動 器幾何的能力。下文也討論真實模組與模型及其他技術 之測量相比的效能。 。此模型的有關應用之一是手持行較置，其係具有 ，動對行動裝置主體其餘部份呈橫向之觸控勞幕的觸 調查許多不同行動裝置的顯示器及觸控勞幕， 右ion I活動主體平均約有25公克而其他裝置主體約 ^ 克這些數值代表眾多的行動裝置，然而對於 ;輕=:肖費電子產品(亦即GPS系統、遊戲系統) 手機及使用者的機械學考量 組2〇Ϊ H圖為第2A圖至第犯圖之致動器機械系統模 、、娀系統模型300。擴充圖示於第2A圖至第 201203009 2B圖的致動器機械系統206。虛線方塊表示指尖302、 手单308及致動器310與資料擬合的參數。在使用時， 觸感模組100為包含指尖302、觸控螢幕304、手機蓋 306及手掌308的較大機械系統之一部份。機械系統模 型300顯示近似此系統以及具有致動器在其中的集中 元件。指尖302與手掌308視為簡單的(m，k，c)質量-彈簧阻尼器系統（mass-spring-damper system)。為了估 計該等參數’測量按鍵時在食指尖302處以及在握著手 機大小主體之手掌308處對於近端/遠端剪力振動的穩 態響應。該等測量值增加資料給成長中的觸感阻抗文 獻’特別是皮膚上有空間限制以致只能引用極少範例的 切向曳引力（tangential traction)。此類文獻的例子包括， 例如 Lundstrom, R.的 “ Local Vibrations-Mechanical Impedance of the Human Hand’s Glabrous Skin，，，生物機 械學期刊 17，137-144(1984);Hajian，A. Z.與 Howe,R. D. 的 “Identification of the mechanical impedance at the human finger tip”，生物機械工程的ASME期刊119(1)， 109-114 (1997);以及 Israr，A.、Choi, S.與 Tan, Η· Z.的 “Mechanical Impedance of the Hand Holding a Spherical

Tool at Threshold and Suprathreshold Stimulation Levels”，第二聯合歐洲觸感會議與虛擬環境及遙控機器 人系統之觸感介面座談會的記錄匯編，55-60(2007)。 第3B圖圖不致動益310的效能模型312。致動界 施力（F)與彈簧係數(spring rate)(k3)均取決於幾何（頭9 11 201203009 個參數）、剪力模數(G)、及電氣性質。例如幾何變數、 n(虛線圓圈），表示在模擬期間可改變的變數。致動器 310可視為與彈簧及阻尼器平行的力源。增加附加的阻 尼器，這是一個二次方程(F = -Cq3V2)，可改善測得效能 的校準。致動器310的幾何決定阻塞力（bl〇cked f〇rce) 與被動彈簧係數。新虎克模型(Ne〇_H〇〇kean m〇dd)描述 Ί支預拉伸(p)的電介質之機械學，預拉伸(p)具有一已 對拉伸應力/應變試驗做好校準的自由參數，剪力模數 ^)。能量模型產生以致動器位移及電壓為函數之力的 簡約公式。將致動器分成(n)個區段允許設計者在長自由 行程與高阻塞力之間取捨可用的機械功，以及調整整個 系統的共振頻率以與觸感模組的需要匹配。 手指模型 第4A圖圖示撓性平台系統4〇〇測量手指阻抗的一 面向。由於觸控螢幕互動常涉及食指，因此選擇它 用來校準。在爻s式者用食指402以3種不同的力（{〇 5， 1.0，2.0}牛頓）按壓表面406時，如箭頭4〇4所示:測 試方向為遠端/近端剪力。受試者全為成人，總共有5 個男人及一個女人。 在一面向，可將食指402視為單—共振質量/彈簧/ 阻尼器系統。試驗裝置包含撓性體上的平台408， 撓性體410係在垂直方向連接至靜力計⑼的化f〇rce gage)412(例如，Mecmesin，AFG 2.5N MK4)。具有位移 監測的動態力源414在水平方向耦合至平台4〇8(例如，

S 12 201203009

Aurora Scientific，Modei 305B)。在一面向，只關心使 用手機時的正常差異以及無意控制食指4〇2尖端416的 傾斜角。在其他面向，可控制食指4〇2尖端416的傾斜 角。在試驗過程期間，受試者只需假裝他們按著觸控螢 幕。在一面向’在動態力源以大約3〇秒用〇丨牛頓振 幅正弦波由10 Hz掃到250 Hz切向驅動平台時，靜力 計412讀出418的虛擬回饋可用來使手指力保持在所欲 位準的10%内。可記錄每個試驗的動態資料。 可在有及無手指負載下驅動平台4〇8，藉此可使質 量、彈簧係數及阻尼與有負載及無負載的資料擬合。根 據此方法，在有負載狀態時估計的參數可扣掉平台4〇8 的吳里、彈普係數及阻尼，而只留下手指4〇2的貢獻。 第4B圖的資料圖420為用第4A圖撓性平台系統 (fleXure-stagesystem)在有及無i牛頓指力接觸（點）下擬 =二階模型（直線)得_資料。圖巾縱軸為振幅，單位 毫米（mm)，橫軸為頻率，單位赫茲(Hz)。 第5A圖的圖形表示5〇〇為6位受試者之指尖的最 適配彈簧參數。圖中_為有效㈣係數(ki)(單位牛頓 /米）、’棱軸為壓迫力’單位牛頓。帛5B圖的圖形表示 510為6位叉试者之指尖的最適配阻尼參數。圖中縱軸 為有效阻尼係數⑹’單位牛頓/(米/秒），橫軸為壓迫 力’單位牛頓。如帛5A圖至帛5B圖所示，平均值用 ，示加減-個標準差的直線括在—起。在資料收集後， 求解程式可絲估計這3_力及這6位受試者的各個 13 201203009 彈簧係數及阻尼。指尖的視質量（apparent mass)是在雜 訊内，以及太小而無法用上述方式估計。受試者之間的 差異明顯在彈簀係數及阻尼係數之間。平均而言，按壓 較重者’彈簧係數及阻尼也跟著增加。 表1提供平均指尖與壓迫力。表1所提供的數值為 平均值±—個標準差。 表1 ki Ci 0. 5牛頓 1. 〇牛頓 2. 0牛頓 847 ±378 1.72 ±0. 64 1035 ±510 2. 23 ±0. R8 1226 ±619 ------ 2. 76 ±0. 95 亍旱模型 第6 A圖的上視圖圖示用於測量手掌6 〇 4之阻抗的 ^驗佈置働。第6B圖用於手掌604的方法與用於相 尖的類似。在一面向，根據本試驗程序，受試者的手 6〇4握住1GG公克的行動|置纽(44 由於也只關心使用時的正常差異，在—面向，受;+者) =?準化。不過，在其他面向，可標準化蝴 螢幕上的鍵。可㈣早地H枝假裝要按觸指 動裝置602可如減行钱置6G2。抓住七 裝置602連接至動緣力所不或糊在手掌6 〇 4上。行喬 掃描。只估計受試；之及::前-樣施以頻， 尼，因為相較於手二：的彈簧係數及控 斜象’手旱的有效質量很小。為7 201203009 知'到觉試者内差異（within-subject variation)的感覺，受 試者可重新抓握行動裝置602做一或更多附加試驗。 第6B圖的圖形表示610為使用者手掌多次抓握時 的彈！係數與阻尼。特別是，圖形表示61 〇是使用者手 掌抓住100公克的行動手機與二階0DE參數。圖中縱 ^為有效阻尼(CO，單位牛頓/(米/秒），以及橫軸為有效 彈簧係數(kj，單位牛頓/米。平均值用顯示一個標準差 的桿體括在-起。手掌6G4的平均彈簧係數匕為削 土13"牛頓/米，以及平均阻尼係數4為19.0±6.4牛頓 /(米/秒）。 致動器設計約束 乂Γ 動器具有眾多的獨立 k數°不過，在外部要求影響料獨立變數 許多變數變確定而只留下少數幾個可調整 經濟性的設計。 遷立具有功旎及 電壓為電流轉聚合物致_ 流驅動聚合物致動器的實驗室二：束。電 歷，通常是2至5千伏特。手 大！的電 以及要求緊凑的電子產品。因此，2置具有空間限制 千伏特操作的材料及製程。已6 1已開發致能以1 設計。未來的材料可使工作電;:::容積要求的電路 ，設計是設定_伏特的最t ^特，然而此 任何致動H個設相 y 今檟。足跡與高度 15 201203009 會=動I置者都很珍責，而且最桃致動器容積很 主。不過’必須分配給定的容積，以及致動器設計者 的=任是在其巾最佳化。對於此-特定情況，設定36 ，米Χ76毫米的致動器足跡以及設定〇 5毫米的致動器 尚度。在此足跡内，可分配數個區域給剛性框體或工作 電介質。調整此分配可微調致動器效能，及如下所述用 來完成此事的方法。 分段方法 第7Α圖圖示分段致動器7〇〇組態成桿體陣列幾何 的一面向。在給定足跡内將致動器7〇〇分成(11)個區段， 提供一種用於設定系統之被動勁度(passive stiffness)及 阻塞力的方法。用定義外框704及在外框704内之一或 更多窗口 706的剛性材料固定預拉伸介電彈性體702。 在每個窗口 706裡面的是由相同剛性框體材料構成的 才干體708 ’以及在桿體708的一或兩側上有數個電極 710。施加跨越在桿體708 —側上之介電彈性體702的 電位差會在彈性體中產生靜電壓力以及此壓力施力於 桿體 708 上，例如 ’ Pelrine，R. E.、Kombluh，R. D.及 Joseph，J. P.描述於 Sensors and Actuators A 64，77_85 (1998)的 “Electrostriction Of Polymer Dielectrics With Compliant Electrodes As A Means Of Actuation”。桿體 708上的力與致動器700的有效橫截面成比例，因而線 性增加分段712的數目，每一分段712增加寬度(yi)。 被動彈簧係數與η2成比例，因為每個附加分段712使 201203009 致動益700裂置有效地變硬兩倍，第一是藉由在拉伸方 = (X,)縮短它，第二是藉由增加抵抗位移的寬度(yi)。彈 簧係數與阻塞力與介電層數(m)成線性比例。 ,第7B圖為第7A圖分段致動器7〇〇的側視圖，其 係圖不電氣配置階段關於致動器700之外框704及桿體 =8兀件的—面向。第7c圖的側視圖圖示外框7〇4與 月板714才干體708與輸出板71 ό的機械麵合。 ^此時請參考第7A圖至第7C圖，致動器700的分 &根據以下公式決定合成分段致動II 7GG在致動方向 718的有效靜止長度(~)，以及合成分段致動器700的有 效寬度(yi): xf= 1V + nb))

In 以及 < 在此：

Xf為在x方向的足跡； yf為在y方向的足跡； d為分隔器的寬度； e為邊緣的寬度； n為分段的數目； b為桿體的寬度； a為桿體後縮；以及 m為層數。 根據本揭示内容的模擬資料皆基於d=l.5毫米分隔 17 201203009 器，b=2毫米桿體，e=5毫米邊緣，乂产76毫米χ足跡， 以及yf=36毫米y_足跡。與電介質及幾何有關的其他數 值包含，例如剪力模數G、介電常數ε、未拉伸厚度z〇、 層數m、及桿體後縮a。 第7D圖至第7G圖圖示各自將足跡分成n=7、6、5、 4個分段的實施例’特別是第7D圖圖示具有七段足跡 的分段電極720 ’第7E圖圖示具有六段足跡的分段電 極730,第7F圖圖示具有五段足跡的分段電極74〇，第 7G圖圖示具有四段足跡的分段電極75〇。 致動器效能的應變能量模型 以下描述仍參考圖示分段致動器7〇〇設計之一面 向的第7A圖至第7C圖。對於可用新虎克超彈性模型 描述的不可壓縮介電材料，能量平衡法能對致動器效能 做出良好的預測。該介電材料給出等雙軸預拉伸 (equibiaxml pre-stretch)然後用外框7〇4結構機械約束 它。介電材料的性質與預拉伸及外框7〇4幾何一起決定 致動器700的效能。此時描述能量模型以考慮到材料與 幾何兩者的效應。 ~ 新虎克應變能1密度取決於剪力模數與介電彈性 體的3種主要拉伸： ^(F) = Y' (Λ)2 +(^2)2 +U3)2 -3 (2) 在此： G為剪力模數；以及 λι、λ2、及λ；}為介電彈性體的主要拉伸。 201203009 為了述特定的致動器，將能量密度（焦耳/立方米） 轉換成犯K焦耳）u能量密度乘以在致動器框體 7〇:。與輸出才，7〇8之間得到的材料容積給出儲存於致 動。σ 700之母半的彈性能量w。該能量取決於材料的 初始容積及拉伸： -(Λ) = [-〇·Λ^〇].|.[(Λ)2+(α2)2+(λ3)2_3] (3) 在此(xG.yG·^)為電介質的容積； G為剪力模數；以及 λ!、λ2、及λ3為電介質的3種主要拉伸。 i所使用的，與放縣度(ι/ι。)相比，術語拉伸 的一般意思、為細申長度。用相對致動器位移X與等雙軸 ，拉伸p重寫此公式給出取決於位移的致動ϋ能量。以 第7Α圖至第7C圖觸感模組的致動器7〇〇之幾何而古， 會由初始預拉伸長度Xi移動-段距離X，這產生：° ^(λ:)= i.A· Ip ρ ζο

G

(4) 在此： • Ρ為預拉伸係數。 仍參考第7Α圖至第7C圖，對於對稱致動器·， ,存於致動器之每一半的彈性能量為輪出桿體雇之 目對位移的函數以及可用公式(4)算出，以及例如可晝出 201203009 給定幾何及剪力模數的曲 側上的最錢量是在桿體 / 8A圖心。在一 現。它不為零’因為預拉伸二:::放_^^ 出致動器700之每—半施^里二對於位移X的微分來求 式蛉出· 母+施加於輸出桿體上的力。力由下 ^EUSTIC (X) A少，Ί p °j •G· P ·- ( \ l + -£ l xi) 1 x, V 、3 ^ 1 + X X, 'X： 保持不變。藉由計算存儲处旦' & 申’从及板向分量 (5) 第A圖至第8C圖為根據本揭示内容 、 =厂堅與對稱致動器之位移的圖形表示。第二 圖示由致動器一側上之電介質算出的應 …與對稱致動器之位移，在此縱軸為應變能量，單 位焦耳(J)，橫軸為位移，單位米㈨）。 第8B圖為圖示計算彈力麟稱致的之位移的圖 ，表示8H)’在此縱軸為力，單位牛頓(N)，橫軸為位移， 單位米（m)。母個致動器半部的力_位移曲線圖闡明此關 係。輸出桿體上的淨彈力為各在致動器輸出桿體之一側 上的兩力差(FELAST丨c . a _ felast丨c，b)。在對稱致動器的情 形下’此差力確實呈線性，也繪於圖中。 增加一對兼容電極(compliant electrodes)至在桿體 之一側或兩側上的電介質產生一電控致動器。施加跨越

S 20 201203009 該電介質的電位差在彈性體内產 力施力於在所欲輸出方向起作 靜電壓力。此靜電壓 移函數的該力頻產生足以桿體上。做為位 幾何，該平衡產生： 、電能變化的功。對於此 在此 FEL£c(V，^) = 0.5-V2 dC^ X,· \ 、P人〜+ X 在此： V為電壓； C為電容； ε〇為自由空間的電容率； ε為相對介電常數。微分此方程式得出相對瞬時力： ^ELEc^y9χ)^ y2 ·-¾ yj'p ' 2 Ο xi (6) (7) 8C圖為電壓與對稱致動器 ㈣’在此縱轴為電壓(V)’橫轴為位移X，2二表、示 電屋增加靜電力至使均衡移到新位置的平衡。電八=)。 加於輸出桿體的瞬時力僅由兩側的彈力W: (FELASTIC，a- FELASTIC b + FELEC)引起。對於沒有外來負言 的靜態情泥，均衡位置存在。㈣，此位移不存在做^ 電壓函數的封閉解(closed form solution)。封閉解不存^ 21 201203009 用來計算出做為位移之函數的必要電壓，而綠圖於第 8C圖。 以動態測量值校準致動器模型 上述方法為致動器勁度及力提供良好的基準線。不 過，它不提供良好的阻尼模型。為了正確地預測效能， 必須增加精確的阻尼模型。致動器阻尼項的範圍可從線 性速度相依損耗延伸到依賴於較高階速度項的非線性 黏性阻尼’如 Woodson，H. H.、Melcher，J. R.描述於 J〇hn

Wiley and Sons，New York，60-88 (1969)的

Electromechanical Dynamics”。對於此模型，只考慮 第一及第二階的速度阻尼項（第3圖，q，Cq3)。忽略庫 侖(coulomb)摩擦項’因為AMI模組使用球軸承，使得 相較於速度相依阻尼源可忽略磨擦。 試驗幾個類似致動器設計以及使資料適合致動器 模型。在有關頻率範圍内，相較於二次阻尼項，線性阻 尼項很小（小於10%)。二次阻尼項大略與分段數無關， 因為受驅動電介質的總數在不同的設計間大略不變。 感覺轉移函數 第9圖的圖形表示9〇〇圖示由位移及頻率預測的感 覺位準。縱軸為位移’單位分貝（零分貝等於1微米尖 峰），橫軸為頻率，單位赫茲。晝出4個感覺位準，0=20, _=30，赢=40，鲁=50} dB的轉移函數之輸出，加上由

Verrillo, R. T.、Fraioli，A· J.及 Smith, R. L.在 Perception & Psychophysics 6，366-372 (1969)的 “ Sensation

S 22 201203009

Magnitude Of Vibrotactile Stimuli”所提供的資料。由於 無法取得針對不同頻率及振幅之剪力振動的指尖及手 掌敏感度專題報告’因此依靠取自Verillo基於作用至 姆指底部肉質藝的正常振動之測量值。應瞭解，此法優 於完全忽略人類碰觸之強頻率相依性的方法。 五項公式的參數與這些資料擬合，產生轉移函數。 轉移函數的輸入為給定振幅及頻率的機械位移。輸出為 使用者感覺（S)強度的估計值。在觸感顯示器的相關區 域上’（20-55 dB，30-250 Hz)，擬合在5%内與感覺資 料匹配。公式的形式為： S = cQ^cx(20log10(A)) + cj + c3/2 + cAf (8} 在此相較於閥值(0.1微米在250 Hz)，S為使用者感 覺位準（單位：分貝），f為頻率單位赫茲，以及A為振 動的振幅，單位微米。參數有c〇=_18’ c] = 1.06, C2=0 34， 〇3=-8.16Ε·4 ’ C4=-2_34E-7 〇 實現模型 在試算表(例如’ Microsoft® Excel)中計算被動彈簧 係數（方程式5)與阻塞力（方程式7)。也在Excel中算出 手本及才曰尖測里值的袁小平方擬合(least Squares极)。利 用模Μ % i兄，用有限元素分析法(finite eiement anaiySis) 估計由在桿體末端間與框體邊緣間之電介質引起的附 加致動态；p力度，例如，COMSOL Multiphysics®的模擬 軟體環境可輔助建模過程的所有步驟：定義幾何、網格 化、指定物理學、求解、以及結果的視覺化。模擬環境 23 201203009 (例如’ SPICE或PSPICE)中使用機械組件的導納類比 (admittance analog)模擬致動器的動力學，在此SpICE 與PSPICE為類比及數位邏輯電路的模擬軟體。 穩態響應-遊戲能力 第10A圖至第10D圖為預測振幅及感覺對於頻率 的圖形表示。第10A圖為針對手掌與足跡分成(n)個區 域有關之預測穩態振幅的圖形表示l〇〇Q，在此 n=1...10’（圓圈）。第10B圖為針對指尖與足跡分成⑻ 個區域有關之預測穩態振幅的圖形表示1〇1〇，在此 n=l…10 ’（圓圈）。製造及試驗具有6個分段(粗痕跡）的 設計。第10C圖為手掌穩態感覺的圖形表示1〇2〇。第 10D圖為指尖穩態感覺的圖形表示1〇3〇。

此時凊參考第10A圖至第10D圖，模型預測將致 動益分成兩部份可最大化穩癌振幅（第1 〇A圖至第1 〇B 圖），但是它的幾何不能最大化感覺（第10c圖至第101) 圖）。 模型預測十段致動器設計在190 Hz產生最大感 覺’但是損失大量的低頻感覺。由於遊戲能力取決於在 50 Hz至1〇〇 Hz之間的較低頻率，選擇六段設計以取捨 (tradeoff)遊戲及音樂的峰值強度與重低音。 暫態響應-點擊能力 第11A圖為候遠模組在使用時提供給手掌及指災 的預測點擊振幅的圖形表示1100。縱軸為振幅，單位微 米’峰蜂值(PP) ’而橫軸為頻率’單位赫茲(Hz)。第

S 24 201203009 =候選模組在使用時提供給手掌及指尖的預測點擊 感兔的圖形表示1110。縱軸為感覺，單位dB，在此零 刀貝等於在25GHz的1微米，而橫軸為頻率，單位赫兹 (Hz)。為了評估候選設計所提供的點擊能力，用滿電壓 脈波模擬。脈波的持續時間為共振頻率的四分之一周 期’共振頻率係隨著設計而有所不同。冑尖峰位移轉換 成感覺位準的估計值。結果與穩態_似，更多分段會 減少振幅，但增加感覺。 θ 測得與模型的模組效能 第12圖為模組的穩態響應圖12〇〇，其中測試質量 是在工作平台（bench top)上測量，線為模型，點為測量。 選擇六段致動器設計用來生產，因為它在穩態遊戲能力 (第10圖）與點擊能力（第u圖）之間可提供合理的取 捨。六段致動器模組的穩態響應是用在平台上測量的測 試質量（第12圖，點），而且顯示與系統模型（第12圖， 線)有良好的一致性。平台上的振幅超過模擬振幅（第1〇 圖）’因為平台測試排除勁度、阻尼、及手掌及指尖的 相對運動。 第13圖1300圖示兩個使用者的觀測點擊資料 (點）’以及平均使用者的模型預測值(線）。縱轴為位移， 單位微米（μιη) ’橫軸為時間，單位秒(s)。為了評定模型 預測模組使用時點擊能力的本領，兩位使用者測試手機 原型。在校準時，每個使用者像往常一樣拿著‘‘手機，，(約 100公克測試質量）。裝上測試質量的是觸感模組，以及 25 201203009 裝上模、’且的疋與“榮幕’，近似的第二個約25公克質量。 使用者用♦曰尖觸摸“榮幕”以及大約牛頓的壓迫力按 鍵電壓脈波至模組持續0.004秒，（約為模型系統 的77之共振周期）。用雷射位移計（Keyence， LK:G152)追蹤“電話，，與“螢幕，，的位移（第i3圖，點）。如 ，不（第13圖’線）’模型給出這兩位使用者在用手掌支 撐電話殼時碰觸螢幕所經驗的點擊瞬態的合理估計 值。看來與熟諳此藝者所知賴型相比，這兩位的抓握 有較低的彈篑係數及較高的阻尼比。該模㈣基於平均 值’以及有實質不同的個別料係數與阻尼係數，即使 在同一個受試者的抓握之間（第ό圖）。 AMI模組效能與不同的競爭觸感技術 第14A圖為圖示不同競爭觸感技術的振幅_頻率圖 =〇0。縱軸為振幅，單位微米（μπι，pp)，橫軸為頻率， 單位赫邮ζ)。第14Β圖為圖示不同競爭戦技術的估 $感覺位準-頻率圖141〇。縱軸為估計感覺位準(dB，零 分貝為1微米，250Hz)，橫軸為頻率，單位赫茲(Hz)。 圖示在該等振幅及頻率的估計感覺。參考第14A圖至第 14B圖，平台測試驅動20公克測試質量的兩個AMI致 動器，以及兩個市售致動器振動手機螢幕(壓電），或機 设(LRA)。標準及白金AMI模組的效能邊際加影線。為 了使AMI觸感模組處於商業背景下，測量用其他技術 驅動的兩個架上手機，一個有壓電陶瓷彎曲元件，另一 個有線性共振致動器（LRA)的穩態響應。該等測量值為

S 26 201203009 作平台试驗而非手持’因為這是目前評估模組整合哭 的方式。對於壓電驅動手機，在機殼固定於平台的情形 下測量螢幕位移。L R A驅動的手機配有吾等遵循的測試 協定。按協定，在手機搁在海綿塊上時追蹤機殼位移。 已提出行動觸感裝置之一面向的完整系統模型。該 模型包含大體適用於觸感裝置以及與致動器技術無關 勺斗夕面向。s亥糸統模型使得設計出在使用時會傳輸想 要能力的模組成為有可能。點擊響應與低頻遊戲響應的 取拾方案變清楚。設計者可針對以下重點來設計：手機 在手中的效能，不僅是模組在平台上的效能。過去的挑 戰疋要讓“感覺不錯’’可量化。在此提出的分析為解決 此問題的起點。 、 可將EPAM致動益構造成具有允許設計者取捨阻 塞力及自由行程的各種不同幾何。在要求定義明確（例 如，閥或泵）的應用系統，設計者的選擇直截了當。不 過，在類似觸感的應用系統，不光阻塞力與自由行程很 重要。包含共振頻率、阻尼、及暫態響應的其他系統響 ，在最終結果（亦即使用者知覺）有相互影響，而且完整 系統模型對協助指導系統設計很重要。 在AMI模組的情形下，設計優化所產生的觸感系 統可複製清脆的按鍵、激烈的遊戲效果、及振動以表示 來電而無需LRAm_麟換成料感覺會顯著改 變設計圖，以及影響設計決策。 揭示模型的其他改善可適胁其他的操作模式，例 201203009 如姆指打字及多點觸控系統’以及所有此類改善都在本 揭示内容及隨附申請專利範圍的範疇内。此外，電容式 觸控螢幕與力感技術正在減少偵測碰觸的必要力量而 導致修改手指模型。 使用者感覺的額外改善也在本揭示内容及隨附申 請專利範圍的範疇内。儘管已予揭示的模型面向提供一 種將位移轉換成估計感覺的方法，切向與法向位移的相 對有效性也在本揭示内容及隨附申請專利範圍的範疇 内。例如，可擴大切向敏感度的初始測量值至更多的頻 率及振幅，如Israr，A.、Choi，S·及Tan, Η. Z.描述於第 二聯合歐洲觸感會議與虛擬環境及遙控機器人系統之 觸感介面座談會的記錄匯編，55-60(2007)的 ^Mechanical Impedance of the Hand Holding a Spherical Tool at Threshold and Suprathreshold Stimulation Levels” ； Ulrich，C.與 Cruz，M.在 Springer，Berlin & Heidelberg，331-336 (2008)描述於“Haptics: Perception， Devices and Scenarios，”；以及，Biggs, J.與 Srinivasan，Μ Α. 描述於 Proceedings 10th Symposium on Haptic

Interfaces for Virtual Environments and Teleoperator

Systems, 121-128 (2002)的 “Tangential Versus Normal Displacement Of Skin: Relative Effectiveness For Producing Tactile Sensation”。 極簡短點擊脈波的敏感度(例如，1至3個周期）也 被視為在本專利說明書及隨附申請專利範圍的範疇

S 28 201203009 内。手掌與指尖對感覺在手機的相對貢獻也被視為在本 專利說明書及隨附申請專利範圍的範疇内。測試對使用 者的特定觸感效果為進一步的步驟。設計能力可確保使 用者介面設計者具有靈活強大的工具以處理觸感效果 於其上。使用者測試有助於產生有用和愉快的效果，如

Koskinen, E.描述於 Helsinki University (2008)的 'Optimizing Tactile Feedback for Virtual Buttons in Mobile Devices，Masters Thesis” 0 標準AMI模組在遊戲能力上具有想要的優點 (5〇-100Hz範圍）’以及可傳輸音樂的重低音效果。由於 匕長:供比壓電或LRA還高的峰值感覺，因此也適用於 來電的無聲通知。該標準模組以適中的成本提供該等優 點°至於對極购感效果具有需要及預算的應用系統， AMI也使白金模組具有額外的介電層與額外的能力。 已概括榀述用於量化觸感設備之能力的電腦實施 =法&此時轉而描述可實現該方法的電腦環境之一非限 疋丨生貝=例。第15圖為用以實現量化觸感設備之能力 的電細貝施方法之各種面向的示範環境MW。電腦系 =1512包含處理器1514、系統記憶體1516、及系統匯 流排)518/系統匯流排1518使系統組件（包含但不受 ^於系統錢體15丨6)搞合至處理ϋ 1514。處理器1514 可為各種市售處理器中之任-。雙微處理器與其他多處 理器架構也可用作處理器1514。 系、’充匯舛排1518可為使用以下任何一種可用匯流 29 201203009 排架構的多種匯流排結構中之任一，包括記憶體匯流排 或記憶體控制器、周邊匯流排或外部匯流排、及/或區 域匯流排：包含但不受限於9位元匯流排、工業標準架 構(ISA)、微通道架構(MSA)、擴充ISA(EISA)、智慧型 電子驅動器（IDE)、VESA區域匯流排(VLB)、周邊組件 互連(PCI)、通用序列匯流排(USB)、先進圖形埠(AGP)、 個人電腦記憶卡國際協會匯流排(PCMCIA)、小型電腦 系統介面(SCSI)或其他專屬匯流排。 系統記憶體1516包含揮發性記憶體1520與非揮發 性記憶體1522。非揮發性記憶體1522存有基本輸入/ 輸出糸統(BIOS) ’其中具有基本常式，例如以在起動時 在電細糸統1512内的元件之間傳遞資訊。例如，非揮 發性記憶體1522可包含唯讀記憶體(R0M)、可編程 ROM(PROM)、電可編程R〇m(EPR〇M)、電可抹除 ROM(EEPROM)、或快閃記憶體。揮發性記憶體152〇 包s用作外部快取§己憶體的隨機存取記憶體(RAM)。此 外’ RAM有許多形式可用’例如同步RAM(SRAM)、 動態RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、雙倍資料 率 SDRAM(DDR SDRAM)、增強型 SDRAM(ESDRAM)、同步通訊鏈 DRAM(SLDRAM)、以 及直接總線式RAM(DRRAM)。 電腦系統1512也包含可移除/不可移除揮發性/非 揮發性電腦儲存媒體。第15圖舉例圖示磁碟儲存器 1524。磁碟儲存器1524包含但不受限於：磁碟驅動器、 201203009

、Jaz驅動器、zip驅動器、 、或§£«憶棒。此外，磁碟儲 子益1524可包含與其他儲存媒體分開或組合的儲存媒 體，包合但不受限於：光碟驅動器，例如唯讀光碟 (CD ROM)、可錄光碟(CD_RDdve)、可寫光碟(cd挪 Drive)或數位多功能光碟R〇M驅動器⑴。為 工輔助磁碟儲存裝置1524連接至系統匯流排 1518 ，通 丰使用可移除或不可移除介面1526。 ，瞭解’第15圖描述用作使用者與描述於適當操 4 %〇兄1510之基本電腦資源間之媒介物的軟體。此類 包3作業系統1528。可儲存於磁碟儲存器i524的 / 系統1528用來控制及分配電腦系統1512的資源。 用1530利用作業系統1528通過儲存於系統記憶 〜6或者磁碟儲存器1524的程式模、组1532與程式 來管理源。應瞭解，可用不_作業系統 或作業系統的組合實作描述於本文的各種組件。 使用者通過輸入裝置（或數個）1536輸入命令或資 訊至電腦系統1512内。輸入裝置1536包含但不受限 ,°亥等及其他輸入裝置係通過系統匯流排 ”面埠（或數個）1538連接至處理哭丨514。該

哭1514。該（等）介面 、遊戲埠、及通用序 =般=裝置(例如’滑鼠）、轨跡球、手寫筆、觸摸板、 鍵二、麥克風、搖桿、遊戲墊、衛星天線、掃描器、電 3拍卡、數位攝影機、數位視訊攝影機、網路攝影機 31 201203009 列匯流排(USB)。該（等)輸出裝置154〇使用同類璋中之 -些作為輸入裝置（或數個）1536。因此，例如職淳可 用來提供輸入至電腦系統1512以及輸出來自電腦系統 1512的資訊至輸出裝置154〇。在需要特殊配接器的盆 他輸出裝置154G中，提供輸出配接器1542以示有一 輸出裝置1540,例如監視器、势八及列表機。輸出配 接益1542包含、作為實例但不受限於、提供輸出裝置 1540與系統匯流排1518之連接構件的視訊及音效卡。 應注意，其他裝置及/或裝置的系統可提供輸入及輸出 能力’例如遠端電腦（或數個）1544。 利用至一或更多遠端電腦（例如，遠端電腦（或數 個）1544)的邏輯連接，電腦系、純1512可在網路化環境 中操作。該（等）遠端電腦1544可為個人電腦、伺服器、 路由器、網路PC、工作站、基於微處理器的家用電器、 對端裝置（peer device)或其他共用網路節點等等，以 及通常包含與上述電腦系統1512有關的許多或所有元 件。為求簡潔，只圖示記憶體儲存裝置1546與遠端電 腦1544。該（等）遠端電腦1544係通過網路介面'1548邏 輯連接至電腦系統1512然後經由通訊連接155〇實際連 接。網路；I面1548涵蓋通§孔網路，例如區域網路(lan) 與廣域網路(WAN)。LAN技術包含光纖分佈式資料界面 (FDDI)、銅分佈式資料界面（CDDI)、以太/ieee 802.3、 令牌環(Token Ring)/IEEE 802.5等等。WAN技術包含但 不受限於：點對點鏈路、電路交換網路（例如，整體服

S 32 201203009 務數位網路(ISDN)及錢體），封包交換祕 位用戶迴路(DSL)。 及數 該（等）通訊連接1550係指用來使網路介面15 接f匯流排1518的硬體/軟體。儘管為求簡潔而圖 訊連接U50於電腦系統1512内部，它也 ^ 體/軟體包含内部及外部技術’例如，數據機，這包八

普通電料級㈣機、賴數據機及DSL數據機、IS^ 配接器、及以太網卡。 N 如本文所使用的’術語“組件，，、“系統，，等等也指 與電腦有關的實體，硬體、硬體與軟體之組合、軟體 或執行中的軟體，除了機電裝置以外。例如，組件可為 但不受限於·在處理器運行的行程、處理器、物件、^ 執行檔、執行緒、程式、及/或電腦。作為實例，在電 腦上運行的應用系統與該電腦可為組件。一或更多組件 可駐留於行程及/或執行緒内，以及組件可局限於一電 腦及/或分布於兩個或更多電腦之間。在此用‘‘示範，，這詞 意指用作實施例、實例、或示例。以“示範，，描述於本文 的任何面向或設計不一定被視為優於或較有利於其他 面向或設計。 用經設計成可執行描述於本文之功能的通用處理 器，數位訊號處理器（DSP)，特殊功能積體電路(ASIC)， 現場可編程閘陣列(F P G A)或其他可編程邏輯裝置，離散 閘或電晶體邏輯’離散硬體組件，或彼等之任何組合可 33 201203009 實作或執行與說明本文所揭示之面向有關的各種圖示 功能元件、邏輯區塊、程式模組、及電路。通用處理器 可為微處理器，替換地，該處理器可為任何習知處理 器、控制器、微控制器、或狀態機。該處理器可為電腦 系統之一部份，該電腦系統也具有與使用者介面通訊及 接收使用者輸入命令的使用者介面埠，以及具有至少一 記憶體（例如，硬碟或或其他相容儲存器，及隨機存取 記憶體）用來儲存電子資訊，包含在處理器控制下操作 及經由使用者介面埠來通訊的程式，以及經由任何一種 視訊輸出格式來產生輸出的視訊輸出。 利用能夠執行與適當軟體連繫之軟體的專屬硬體 及硬體可執行與說明本文所揭示之面向有關的各種功 能元件、邏輯區塊、程式模組、及電路元件的功能。當 由處理器提供時，該等功能可由單一專屬處理器、單一 共享處理器、或多個個別處理器（其中有一些可共享）提 供。此外，術語“處理器”或“控制器”的明確用途不應被 解釋為只是指稱能夠執行軟體的硬體，而可暗指包含但 不受限於：DSP硬體，用於儲存軟體的唯讀記憶體 (ROM)，隨機存取記憶體(RAM)，以及非揮發性儲存 器。也可包含習知及/或客製的其他硬體。同樣，圖示 於附圖的任何開關只是概念性。通過程式邏輯的操作、 通過專屬邏輯、通過程式控制及專屬邏輯的互動，甚至 用手操作可執行該等功能，實施者在致具體地了解上下 文後可選擇特定的技術。

S 34 201203009 與說明本文所揭示之面向有關的各種功能元件、邏 輯區塊、程式模組、及電路元件的功能可包含用以執行 軟體程式指令的處理單元以提供計算及處理操作給電 腦及工業控制器。儘管該處理單元可包含單一處理器架 構，應瞭解根據上述面向，它可為任一合適處理器架構 及/或任何適當的一些處理器。在一面向，該處理單元 可用單一整合處理器實作。 在電腦可執行指令的一般背景下可實作與說明本 文所揭示之面向有關的各種功能元件、邏輯區塊、程式 模組、及電路元件的功能，例如由處理單元執行的軟 體、控制模組、邏輯及/或邏輯模組。一般而言，軟體、 控制模組、邏輯及/或邏輯模組包含經配置成可執行特 定操作的任何軟體元件。軟體、控制模組、邏輯及/或 邏輯模組可包含執行特定任務或實作特定抽象資料類 型的常式、程式、物件、組件、資料結構等等。某種形 式的電腦可讀取媒體可儲存及/或傳輸軟體、控制模 組、邏輯及/或邏輯模組的實作及技術。在這點上，電 腦可讀取媒體可為可用來儲存資訊及用計算裝置存取 的任何市售媒體。有些面向也可在分散計算環境中實 施，在此操作係由通過通訊網路相連結的一或更多遠端 處理裝置完成。在分散計算環境中，軟體、控制模組、 邏輯及/或邏輯模組可位於包含記憶體儲存裝置的本地 及遠端電腦儲存媒體中。 另外，應瞭解，描述於本文的面向係圖解說明示範 35 201203009 具體實作，以及可用與上述 作功能元件、邏輯區塊、 @各種其他方式實 給定的具财㈣時蝴分;轉。此外， 區塊、程式模組、及電路 卓功能凡件、邏輯 或更少個的組件奸錢1執行^如及由更多 閱讀本揭示内容後，描述執熟諳此藝者明白在 離散組件及特徵可輕易與其他數:文的：別面向各有 或組合而不脫離本揭示内容的::4= =序或邏輯上可能的任何其他順序進行= 值得注意的是，“-面向，，或“面向”的任何 指與說明該面肖㈣的狀魏、結構或祕係包含ς 至少一面向。本專利說明書出現片語‘‘在一面向，，或“在 一面向’’的地方不一定完全引用同一個面向。 除非另有說明，應瞭解諸如“處理，，、“計算，，、“運 算’’、‘‘測定”之類的術語係指以下各物的動作及/或處 理··電腦或計算系統，或類似電子計算裝置，例如，通 用處理器、DSP、ASICFPGA或其他可編程邏輯裝置、 離散閘或電晶體閘、離散硬體組件、或彼等之任何組 合’彼等係經設計成可執行本文所述功能以操縱及/或 將在暫存器及/或記憶體内表示物理量（例如，電子）的資 料轉換成同樣在記憶體、暫存器或其他此類資訊儲存 器、傳輸或顯示裝置内表示物理量的其他資料。 值得注意的是，有些面向可用措辭“耦合，，與“連接，，

S 36 201203009 及其衍生詞描述。不希望這些術語彼此為同義字。例 如，有些面向可用術語“連接，，及/或“耦合，，描述以表示兩 個或更多70件彼此直接物理或電氣接觸。不過，術語‘‘耦 合”也可意指兩個或更多元件彼此不直接接觸，而是彼 此仍有合作或互動。關於軟體元件，例如，術語“耦合” 可思扣介面、信息介面、應用程式介面（Αρι)、交換信 息等等。 應瞭解，熟諳此藝者將能夠設計實現本揭示内容之 原理且包含於其範如料同配置，儘管未明確描述或 此外’本文提及的所有實施例及條件語言 者了解描述於本揭示内容的原理及對 及的實施例及條件沒有限定性。此外，希 及原理、㈣及其蚊實關 價物。另外，希望此類等價物包含目 未來會開發的等價物，亦即，經開 Ά貝物與 的任何元件_結構無關。因此了相同功能 嘴不受限於文中所示範、圖示及描述的t:示内容的範 揭範:;用隨附的申請專利㈣ 在本揭不内容的背景下（特 =化 圍的背景下）用到的術語“—，，及“ ^μ請專利範 釋成可涵蓋單數及魏 、μ涉應被解 :然】:矛盾。文一二上下文顯 洛在該_内之每個獨立值的速記法。除非作個別針， |文另有5兒 37 201203009 明，曰每個個難被納人本專觀明#就像它在本文個別 破提到。可用任何適當順序執行文巾所述的所有方法， 除非本文另有說明或上下文賴自相矛盾。本文所提供 的任何及所有實施例’或示範語言（例如，“例如，，、“就… 而《 、舉例說明”)的用法僅打算更好地闡明本發明並 無意限定本發明的範疇，除非另行請求。本專利說明書 中’又有術S吾應被解釋成是指示任何未經請求之元件對 於實施本發明是必要的。也應注意，可將申請專利範圍 擬定成可排除任何視需要的元件，因此，此段論述係希 望做為此等排他性用語如“僅只（solely) ” 、“僅有 (only)和類似用語在申請專利範圍之敘述内之使用或 是當作一“負面意義(negative)”限制使用的前期基礎。 本文所揭示之替代性要素或面向之分組不應被理 解為有限制性。各組成員可個別地或以與該組之其他成 員或本文可見之其他成員的任何組合形式提及與主 張。預期出於便利性及/或專利性(patentability)之原因， 在組之中一或多個成員可包括於組之中或自組之中刪 除。 如上述，儘管已圖解說明該等面向的一些特徵，然 而熟諳此藝者仍可想出許多修改、取代、改變及等價 物。因此，應瞭解，隨附申請專利範圍旨在涵蓋落在揭 示面向及隨附申請專利範圍之範疇内的所有此類修改 及改變。

S 38 201203009 【圖式簡單說明】 此時結合以下附圖描述本發明是為了圖解且不具限— 性。 〆、义疋 第1圖為觸感系統的剖視圖； 第2A圖圖示用於量化觸感模組之效能的系統，該觸咸 模組提供適當的能力給遊戲/音樂及點擊應用； 第2B圖為第2A圖之系統的功能方塊圖； ^第3A圖為第2A圖至第2B圖之致動器機械系統的機 系統模型； ^ 第3Β圖圖示致動器的效能模型； 第4Α圖圖示撓性平台系統測量手指阻抗的一面向； 第4Β圖的資料圖為用第4Α圖撓性平台系統在有^及無丄 牛頓指力接觸（點）下擬合二階模型（線條）得到的資料；' 第5A圖圖示6位受試者之指尖的最適配彈簧參數. 第5B圖圖示6位受試者之指尖的最適配阻尼參數| 第6A圖的上視圖圖示用於測量手掌之阻抗的試驗 第6BBm示使用者手掌多次抓握_簧係數與阻尼；’ 第7A圖圖示組態成桿體陣列幾何的分段致動器之一面 向； 第7B圖為第7A圖分段致動器的側視圖，其係圖示電氣 配置階段關於致動器之框體及桿體元件的一面向； 第7C圖的側視圖圖示框體與背板及#體與輸出板的機 械柄合； 第7D圖圖示有七段足跡的分段電極； 39 201203009 第7E圖圖不有六段足跡的分段電極， 第7F圖圖示有五段足跡的分段電極； 第7 G圖圖不有四段足跡的分段電極， 第8A圖為針對在該致動器之一側上之電介質繪出對稱 致動器的應變能量-位移圖，在此縱軸為應變能量，單位焦 耳（J)，橫軸為位移，單位米（m); 第8B圖繪出對稱致動器的彈力-位移圖，在此縱軸為 力，單位牛頓（N)，橫軸為位移，單位米（m); 第8C圖繪出對稱致動器的電壓-位移圖，在此縱軸為電 壓（V)，橫軸為位移，X，單位米（m); 第9圖圖示由位移及頻率預測的感覺位準； 第10A圖針對手掌圖示與足跡分成（η)個區域有關的預 測穩態振幅，在此η=1... 10，（圓圈）； 第10Β圖針對指尖圖示與足跡分成（η)個區域有關的預 測穩態振幅，在此η= 1... 10，（圓圈）； 第10C圖圖示手掌的穩態感覺； 第10D圖圖示指尖的穩態感覺； 第11Α圖繪出候選模組在使用時提供給手掌及指尖的預 測點擊振幅； 第11Β圖繪出候選模組在使用時提供給手掌及指尖的預 測點擊感覺； 第12圖為模組的穩態響應圖，其中測試質量是在工作 平台上測量，線為模型，點為測量； 第13圖繪出兩位使用者的觀測點擊資料（點），以及平 201203009 均使用者的模型預測值（線條）； 第14A圖為圖示不同競爭觸感技術的振幅-頻率圖； 第14B圖為圖示不同競爭觸感技術的估計感覺位準-頻 率圖；以及 第15圖圖示一種示範環境用以實現量化觸感設備之能 力的電腦貫施方法之各種面向。 【主要元件符號說明】 100...觸感模組 214…功能方塊圖 102..板 300...機械系統模型 104…板 302...指尖 106...箭頭 304...觸控螢幕 10 8…電極 306...手機蓋 110...分隔器 308...手掌 112...桿體 310...致動器 114...分段 312…效能模型 200...系統 400...撓性平台系統 202...穩態輸入 402…食指/手指 204...暫態輸入 404…箭頭 206...致動器機械系統（模406...表面 組） 408...平台 208...指尖部份 410...撓性體 210...手掌部份 412...靜力計 212...強度知覺模組 414…動態力源 41 201203009 416.. .尖端 418.. .讀出 420.. .圖形表示 500.. .圖形表示 510.. .圖形表示 600.. .試驗佈置 602.. .行動裝置 604.. .手掌 606.. .動態力源 610.. .圖形表示 700.. .致動器 702.. .介電彈性體 704.. .外框 706…窗口 708.. .桿體 710.. .電極 712.. .分段 714.. .背板 716.. .輸出板 718.. .致動方向 720.. .分段電極 730.. .分段電極 740.. .分段電極 750.. .分段電極 800.. .圖形表示 810.. .圖形表示 820.. .圖形表示 900.. .圖形表示 1000.. .圖形表示 1010.. .圖形表示 1020.. .圖形表示 1030.. .圖形表示 1100.. .圖形表示 1110.. .圖形表示 1200.. .穩態響應圖 1300.. .圖形表示 1400.. .振幅-頻率圖 1410.. .估計感覺位準-頻率 圖 1510.. .環境 1512.. .電腦系統 1514.. .處理器 1516.. .系統記憶體 1518.. .(系統）匯流排 1520.. .揮發性記憶體 1522…非揮發性記憶體 1524.. .磁碟儲存器/磁碟儲 存裝置 1526.. .介面 1528.. .作業系統

S 42 201203009 1530.. .系統應用 1532.. .程式模組 1534.. .程式資料 1536.. .輸入裝置 1538.. .介面埠 1540.. .輸出裝置 1542…輸出配接器 1544.. .遠端電腦 1546.. .記憶體儲存裝置 1548.. .網路介面 1550.. .通訊連接

Claims (1)

1. 201203009 七、申請專利範圍： 1. 「種用於量化觸感系統之能力的電腦實施方 法三該觸感系統包含一致動器，該電腦包含一處 理-it體、及用於收發進出該處理器之資 訊的一輸入/輸出介面，該電腦提供一種環境用 以模擬該觸感系統之機械學，測定該觸感系統之 效能，以及因應至該觸❹統之—輸人，測定由 该觸感系統產生之一使用者感覺，該電腦實施方 法包含： 用模擬一觸感系統的一機械系統模組接收 一輪入命令，其中該輸入命令為施加至該觸感系 統的一輸入電壓； 因應該輸入命令，用該機械系統模組產生一 位移； 用一強度知覺模組接收該位移； 用§玄強度知覺模組將該位移映射至被一使 用者經驗的一感覺；以及 因應該輸入命令，產生被該使用者經驗的該 感覺。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電腦實施方法，其 中接收一輸入命令包含接收由一振幅及一頻率 定義的一穩態輸入電壓。 3·如申請專利範圍第2項所述之電腦實施方法，其 S 44 2〇!2〇3〇〇9 中產生該感覺包含產生取決於該穩態輸入電麗 之該頻率及該振幅的一感覺，其中該感覺具有以 分貝表示的一強度以及描述一觸感系統設計的 一遊戲/音樂能力。 4. 如申請專利範圍第1項所述之電腦實施方法，其 中接收一輸入命令包含接收由一振幅及一脈波 寬度定義的一暫態輸入電壓。 5. 如申請專利範圍第4項所述之電腦實施方法，其 中產生該感覺包含產生取決於該輸入暫態輸入 電壓之5亥振幅及持續時間的該感覺，其中該感覺 具有以分貝表示的一強度以及描述一觸感系統 設計的一點擊能力。 6.如申請專利範圍第i項所述之電腦實施方法，包 含用該機械系統模組模擬施加一輸入壓力至該 觸感系統的一指尖。 7·如中請專·圍第6項所述之電腦實施方法，其 :模擬施加一輸入壓力至該觸感系統的一指尖 包含： 以及 第力=-於穩:ΪΓ鍵時產生之近端/遠端 藉由應用該測得穩態響應資料至該指尖的 45 201203009 一質量-彈簀-阻尼器系統近似 (mass-spring-damper system approximation)來估 計一指尖模型的參數。 8. 如申請專利範圍第1項所述之電腦實施方法，包 含用該機械系統模組模擬擠壓該觸感系統的一 手掌。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電腦實施方法，其 中模擬施加一擠壓壓力至該觸感系統的該手掌 包含： 測量對於一手掌擠壓該觸感系統時產生之 近端/遠端剪力振動的一穩態響應；以及 藉由應用該測得穩態響應資料至該手掌的 一質量-彈簧-阻尼器系統近似來估計一手掌模型 的參數。 10. 如申請專利範圍第1項所述之電腦實施方法，包 含用該機械系統模組模擬該觸感系統作為與一 彈簣及阻尼器平行之一力源的一致動器。 11. 如申請專利範圍第10項所述之電腦實施方法， 其中模擬該觸感系統的該致動器包含將在一預 定足跡(footprint)内的該致動器分成多個區段。 S 46 201203009 12. —種用於一觸感系統的分段致動器，該分段致動 器包含： 耦合至一剛性框體的一預拉伸介電彈性體； 在該剛性框體内的至少一窗口； 形成於該至少一窗口内的至少一桿體；以及 配置於該至少一桿體之至少一側上的至少 一電極； 其中在該至少一桿體之該至少一側上施加 橫越該電介質的一電位差，在該介電彈性體中產 生靜電壓力以施加一力於該至少一桿體上。 13. 如申請專利範圍第12項所述之分段致動器，其 中該桿體係由相同的剛性框體材料形成。 14. 如申請專利範圍第12項所述之分段致動器，包 含配置於一預定足跡内的多個分段，其中（xf)為 在X方向的該足跡’以及(yf)為在y方向的該足 跡。 15. 如申請專利範圍第14項所述之分段致動器，其 中在該至少一桿體上的力與該分段致動器的有 效橫截面成比例，其中該力係與分段數成線性增 加，其每一者皆增加y方向的寬度(yi)。 16. 如申請專利範圍第14項所述之分段致動器，其 47 201203009 中該致動器的被動彈簧係數(spring rate)與分段 數的平方成比例，其中首先藉由在拉伸方向（Xi) 縮短該致動器，然後增加抵抗位移的寬度(yi)， 每個附加分段可有效加勁該致動器。 17. 如申請專利範圍第14項所述之分段致動器，其 中該預拉伸介電彈性體包含多層（m)，其中該分 段致動器的彈簣係數及阻塞力（blocked force)與 介電層數(m)成線性比例。 18. —種模擬用於一觸感系統之分段致動器的電腦 實施方法，該分段致動器定義多個分段(η);耦合 至一剛性框體的一預拉伸介電彈性體，該預拉伸 介電彈性體包含多層（m);在該剛性框體内的至 少兩個窗口以及位於該至少兩個窗口之間的一 分隔器；形成於每個窗口内的至少一桿體；配置 於該至少一桿體之至少一側上的至少一電極；一 框體邊緣；以及一足跡，在此xf為在X方向的該 足跡，以及yf為在y方向的該足跡， 該電腦包含一處理器、一記憶體、以及用於 收發進出該處理器之資訊的一輸入/輸出介面， 該電腦提供一種環境用以模擬用於一觸感系統 之該分段致動器； 該電腦實施方法包含： 用該處理器測定該分段致動器在一致動方 S 48 201203009 向的有效靜止長度(X i)與該合成致動器的有效寬 度(y〇 ; 用該處理器測定該分段致動器的應變能量 密度； 用該處理器測定該分段電極之存儲彈性能 量，做為該輸出桿體應變能量密度之相對位移的 一函數； 用該處理器測定該分段致動器之半部施加 於該輸出桿體上的力；以及 用該處理器測定做為位移之函數的一力以 產生功，在橫越該介電彈性體施加一電位差以產 生一靜電壓力於該彈性體内時，該功足以平衡電 能變化，其中該靜電壓力施加該力於在一所欲輸 出方向起作用的該桿體上。 19.如申請專利範圍第18項所述之電腦實施方法， 包含： 根據以下公式，測定該分段致動器在一致動 方向的有效靜止長度(Xi)以及該合成致動器的有 效寬度(y〇 : (x^r - (2e + (n- l)d + nb)) X；— 2n 以及 γί = nm{yf -2(e + a)) 在此： 49 201203009 Xf為在X方向的該足跡， y f為在y方向的該足跡； d為該分隔器的寬度； e為該框體邊緣的寬度； η為分段數； b為該桿體的寬度； a為該桿體後縮（setback);以及 m為層數。 20. 如申請專利範圍第18項所述之電腦實施方法， 包含： 根據以下公式，測定該分段致動器的應變能 量密度： w)=f.[⑷ 2+ω2+ω2-3 在此： G為該剪力模數；以及 λ!、λ2及λ3為該介電彈性體的主要拉伸。 21. 如申請專利範圍第18項所述之電腦實施方法， 包含： 根據以下公式，測定該分段電極之存儲彈性 能量，做為該桿體應變能量密度之相對位移的函 數： S 50 、2201203009 w(x)= X： Lpf G ~2 p- (p)2 1 + x 3 在此： P為該預拉伸係數(coefficient)。 22.如申請專利範圍第18項所述之電腦實施方法， 包含： 根據以下公式，測定該分段致動器之半部扩 加於該桿體上的力： 也 Rustic (x) xj ytl77'· .G ·

   \ 23.如申請專利範圍第18項所述之電腦實施方法， 其係包含下列步驟： 測定做為位移之函數的一力以產生功，在橫 越5亥介電彈性體施加一電位差以產生一靜電壓 力於該彈性體内時，該功足以平衡電能變化，其 中δ亥靜電壓力施加該力於在一所欲輸出方向起 作用的該桿體上，其中係根據以下公式來測定該 力： 51 201203009 dC(x) dx F賦(V,x) = 0.5.V2 yi(xi + x) 以及

   人A + x C(x) = 在此： v為電壓； c為電容； εΓ為相對介電常數；以及 ε〇為自由空間的電容率。 24.如申請專利範圍第23項所述之電腦實施方法， 包含： 根據以下公式，測定做為位移之函數的瞬時 力（instantaneous force): ELEC (V,x) = V: Z〇 · X,. s 52