專利名稱：摩擦力動態變化的阻力致動器的制作方法
技術領域：
本發明的一個實施例涉及觸覺反饋。更具體地，本發明的一個實施例涉及具有觸
覺反饋的旋鈕。
背景技術：
電子設備制造商力求生產豐富的用戶界面。常規設備使用視覺和音覺提示來向用 戶提供反饋。在一些界面設備中，動覺反饋(諸如主動和阻力反饋)和/或觸覺反饋(諸 如振動、紋理和熱度)也被提供給用戶，這些通常統稱為已知的"觸覺反饋"或"觸覺效果"。 觸覺反饋可以提供增強并且簡化用戶界面的提示。 觸覺反饋已在旋鈕或其它類型的電機械設備(諸如機械開關和編碼器)上實現以 形成靈活的用戶界面。大量可用的觸覺反饋(包括掣子、障礙和振動)給用戶提供了可用 性、設計和成本上的優點。 通常，觸覺反饋形成在具有馬達致動器系統或制動致動器系統的旋鈕上。馬達致 動器系統施加作用力來阻擋或增強用戶的運動。然而，由于馬達總是使系統能量增大，因此 它會變得不穩定。另外，馬達致動器系統需要相對大且貴的馬達來形成所需大小的扭矩。
相反地，制動致動器系統采用制動致動器，其通過摩擦消散能量和阻止用戶運動。 制動致動器系統通常比馬達致動器系統小和便宜，并且因為其將能量抽離系統，因此不會 變得不穩定。 具有制動致動器系統的已知旋鈕上的一個問題是必須在兩剛性金屬設備之間維 持磁氣隙。該磁氣隙通常必須保持在嚴格的公差內，由此使得設備的制造昂貴且困難。另 外，具有制動致動器的已知旋鈕通常只包括一級摩擦制動。然而，某些預期的觸覺反饋如果 包括多級摩擦力則更有效。基于上述內容，需要一種改進的摩擦制動致動器系統。
發明內容
—個實施例是用于在旋鈕上產生觸覺效果的系統。該系統包括電線圈和芯體。在 線圈上施加第一級電壓以實現具有第一摩擦系數的第一表面交界，并且通過改變電壓產生 第一觸覺效果。在線圈上施加第二級電壓以實現具有比第一摩擦系數大的第二摩擦系數的 第二表面交界，并且通過改變電壓產生第二觸覺效果。
圖1是根據一個實施例的旋鈕的透視圖；
圖2是根據一個實施例的旋鈕的透視剖切圖； 圖3是根據一個實施例的控制器在產生觸覺效果時的功能流程圖；
圖4是根據另一實施例的旋鈕的透視剖切圖；
圖5是根據又一實施例的旋鈕的透視剖切圖。
具體實施例方式
—個實施例是具有阻力致動器的旋鈕，所述阻力致動器通過改變表面交界具有摩 擦力的動態變化。 圖1是根據一個實施例的旋鈕10的透視圖。旋鈕10包括底部14、旋轉軸12和觸
覺控制器16。旋轉軸12可以接合到旋鈕或可由用戶轉動的其它設備。控制器16可以包括
處理器和儲存由處理器執行的指令的儲存器。控制器16產生在用戶轉動旋轉軸12時施加
的觸覺效果。控制器16可以設置在底部14外部(如圖1所示)或底部14內部。 圖2是根據一個實施例的旋鈕10的透視剖切圖。旋鈕10包括接合到旋轉圓盤26
或任何其它類型旋轉元件的軸12。在一個實施例中，旋轉圓盤26由鍍鎳鋼或任何可受到磁
力吸引的材料形成。當用戶轉動軸12時，旋轉圓盤26和軸12繞軸線A旋轉。 磁芯24和電磁線圈20包圍軸12。電磁線圈20連接到電源(未示出)，并且在通
電時使磁芯24以已知方式產生磁力。在一個實施例中，電磁線圈20由銅線圈形成，磁芯24
由銅筒管(copper bobbin)形成。然而，電磁線圈20和磁芯24也可以由實現在通電時形
成磁力的任何其它材料形成。 墊圈32或其它類型的隔離元件沿墊圈32的內周環在部分33處接合至旋轉圓盤 26。墊圈32的其余部分延伸跨過圍繞旋轉圓盤26底側形成的凹槽34。墊圈32具有柔性， 因此當其外周在凹槽34內前后彎曲時可借助懸臂效應起到彈簧的作用。在一個實施例中， 墊圈32由青銅形成，但是它也能由任何提供可接受水平的摩擦和柔軟度的材料形成。
摩擦環18或其它類型的摩擦元件與磁芯24接合。摩擦環18在表面界面42處接 觸墊圈32("第一表面交界")，這樣借助于摩擦對軸12的旋轉提供制動效果。當給線圈20 施加第一級電壓時，由于旋轉圓盤26受磁芯24磁性吸引，因此與摩擦環18接觸的墊圈32 上的法向作用力增大。通過環18和墊圈32的接觸形成的摩擦量提供了較低的摩擦系數， 并且通過第一級電壓的施加來實現/控制。在一個實施例中，摩擦環18由熱塑性聚合物、 縮醛樹脂、或提供所需摩擦力和磨損特性的任何其它材料形成。 除了在摩擦環18和墊圈32的接觸區域上提供摩擦之外，非彎曲狀態下的墊圈32 還在旋轉圓盤26和磁芯24之間提供磁路氣隙40。 當給芯體20施加比第一級電壓大的第二級電壓時，磁芯24和旋轉圓盤26之間的 磁吸力進一步增大。這使得墊圈32彎入凹槽34，而這又最終導致間隙40閉合以及允許旋 轉圓盤26接觸磁芯24("第二表面交界")。在一個實施例中均為金屬表面的旋轉圓盤26 和磁芯24的交界處的摩擦系數遠大于摩擦環18和墊圈32的交界處的摩擦系數。
在操作中，觸覺效果可以利用第一級磨擦或第二級摩擦并且改變電壓以便摩擦量 能夠在各個水平程度內變化來產生。例如，可以通過摩擦環18和墊圈32的第一表面交界 來產生諸如制動的觸覺效果，同時維持間隙40。由于間隙40的存在，作用于磁芯24上的電 壓的大變化將導致扭矩發生小變化，這對于制動效果來說是理想的。可以通過在維持間隙 40的范圍內改變電壓來產生復雜的觸覺效果。 當作用于磁芯24的電壓值明顯增大時，間隙40閉合，旋轉圓盤26接觸磁芯24，這 樣產生明顯增大的第二級摩擦。這種較大的摩擦量可用于形成"硬"阻力觸覺效果，諸如障 礙效果。另外，該第二表面交界所具有的較高摩擦系數允許在低磁力下獲得高扭矩，這是有 利的。當電壓量降低或消除時，墊圈32的彈簧效應致使旋轉圓盤26和磁芯24分開以重新形成間隙40。另外，在第二表面交界被實現的期間內，也可以實現第一表面交界(即，旋轉 圓盤26和磁芯24接合，摩擦環18和墊圈32接合)。然而，第二表面交界在總體上確定了 摩擦量，因為它具有比第一表面交界高出很多的摩擦系數。 在一個實施例中，控制器16確定將表現出哪種觸覺效果，以及這些觸覺效果基于 高水平參數的表現順序。通常，定義特定觸覺效果的高水平參數包括振幅、頻率和持續時 間。特定觸覺效果可以包括由第一表面交界、第二表面交界或這兩種交界的任何組合所產 生的摩擦。圖3是根據一個實施例的控制器12在產生觸覺效果時的功能流程圖。圖3的 功能可由硬件或軟件、或者硬件或軟件的任何組合來實現。 在步驟102，確定產生觸覺效果所需要的摩擦程度。所需摩擦程度通常是由特定觸 覺效果決定的。例如，制動效果需要較低的摩擦程度，而障礙效果需要較高的摩擦程度。
如果需要較低的摩擦程度，則在步驟106，向線圈20施加一電壓量以實現第一表 面交界(即，墊圈34和摩擦環18)，同時維持間隙40。如果需要較高的摩擦程度，則在步驟 108上，向線圈20施加一電壓量以實現第二表面交界(即，旋轉圓盤26和磁芯24)，并且使 間隙40閉合。在第二表面交界被實現的同時，也能夠實現第一表面交界。
圖4是根據另一實施例的旋鈕50的透視剖切圖。在旋鈕50中，盤56不具有凹槽。 作為替代的，在摩擦環18接觸墊圈32形成第一表面交界的相對側上，彈簧52接合至摩擦 環18。在一個實施例中，彈簧52為青銅墊圈。彈簧52還接合至線圈20以形成懸臂彈簧效 果。當作用于線圈20的電壓超過足夠水平時，彈簧52朝向磁芯24的表面54彎曲，從而使 間隙40閉合。盤56和磁芯24的交界為第二表面交界。在其它方面，旋鈕50的操作方式 與旋鈕IO相似。 圖5是根據另一實施例的旋鈕70的透視剖切圖。在圖5的實施例中，摩擦元件76 通過懸臂構造的彈簧延伸件75接合至線圈74。當向線圈74施加第一級電壓時，摩擦元件 76接觸墊圈32，從而實現第一表面交界。當施加于線圈74的電壓超過足夠水平程度時，摩 擦元件76朝向磁芯24彎曲，從而使間隙40閉合。盤56和磁芯24的交界為第二表面交界。 在其它方面，旋鈕70的操作方式與旋鈕10相似。 如所公開的那樣，這些實施例通過使用產生兩種截然不同的摩擦系數的至少兩種 表面交界提供變化且更有效的觸覺效果。 在本文中具體說明和/或描述了幾個實施例。然而，將認識到本發明的改進和改 變被上述教導所覆蓋，并且落在所提交的權利要求的范圍內，同時不脫離本發明的精神和 預期范圍。 例如，雖然公開了旋鈕，但是本發明能夠被用在任何實現阻力觸覺效果的設備中， 例如包括操縱桿、旋轉滾輪或滑塊。
權利要求
一種阻力觸覺致動器，其包括電線圈；與所述電線圈接合的芯體；具有第一摩擦系數的第一表面交界，其通過給所述電線圈施加第一級電壓實現；以及具有第二摩擦系數的第二表面交界，其通過給所述電線圈施加第二級電壓實現。
2. 如權利要求l所述的阻力觸覺致動器，其還包括 摩擦元件；以及 與所述摩擦元件接合的彈簧。
3. 如權利要求2所述的阻力觸覺致動器，其中，所述第一表面交界包括所述摩擦元件和一表面。
4. 如權利要求3所述的阻力觸覺致動器，其還包括 軸；以及與所述軸接合的旋轉元件；其中所述第二表面交界包括接觸所述芯體的所述旋轉元件。
5. 如權利要求4所述的阻力觸覺致動器，其還包括接合于所述旋轉元件和所述芯體之間的隔離元件，其在所述電線圈未被施加電壓時在 所述旋轉元件和所述芯體之間形成間隙。
6. 如權利要求5所述的阻力觸覺致動器，其中，所述隔離元件是所述表面。
7. 如權利要求5所述的阻力觸覺致動器，其中，所述隔離元件是所述彈簧。
8. 如權利要求1所述的阻力觸覺致動器，其還包括觸覺控制器，其控制所述第一和第 二級電壓以實現觸覺效果。
9. 如權利要求2所述的阻力觸覺致動器，其中，所述摩擦元件與所述電線圈接合。
10. —種產生觸覺效果的方法，其包括施加第一級電壓以實現第一表面交界以及產生第一觸覺效果；以及 施加第二級電壓以實現第二表面交界以及產生第二觸覺效果。
11. 如權利要求10所述的方法，其中，所述第一表面交界產生第一摩擦系數，所述第二 表面交界產生第二摩擦系數。
12. 如權利要求11所述的方法，其中，所述第一表面交界包括抵靠一表面的摩擦元件。
13. 如權利要求11所述的方法，其中，所述第二表面交界包括抵靠與所述軸接合的旋 轉元件的芯體。
14. 如權利要求12所述的方法，其中，所述摩擦元件與一彈簧接合。
15. 如權利要求11所述的方法，其中，在一旋轉軸上產生所述第一和第二觸覺效果。
16. 如權利要求15所述的方法，其中，所述軸與一旋轉元件接合，并且被磁性線圈和芯 體包圍。
17. 如權利要求16所述的方法，其還包括當施加所述第一級電壓時在所述旋轉元件和 所述芯體之間維持一氣隙。
18. 如權利要求17所述的方法，其還包括當施加所述第二級電壓時消除所述氣隙。
19. 一種用于產生觸覺效果的系統，其包括用于施加第一級電壓以實現第一表面交界并且產生第一觸覺效果的裝置；以及用于施加第二級電壓以實現第二表面交界并且產生第二觸覺效果的裝置。
20. —種在其上存儲有指令的計算機可讀介質，其在由處理器運行時使處理器通過以 下方式產生觸覺效果施加第一級電壓以實現第一表面交界以及產生第一觸覺效果；以及 施加第二級電壓以實現第二表面交界以及產生第二觸覺效果。
21. 如權利要求1所述的致動器，其中，所述第二摩擦系數大于所述第一摩擦系數。
22. 如權利要求11所述的方法，其中，所述第二摩擦系數大于所述第一摩擦系數。
23. —種產生觸覺效果的方法，其包括 施加第一電壓量以實現第一表面交界并且維持氣隙；以及 施加第二電壓量以實現第二表面交界并且使所述氣隙閉合。
24. 如權利要求23所述的方法，其中，所述第一電壓量小于所述第二電壓量。
全文摘要
一種用于在旋鈕上產生觸覺效果的系統包括電線圈和芯。在線圈上施加第一級電壓以實現具有第一摩擦系數的第一表面交界，并且通過改變電壓產生第一觸覺效果。在線圈上施加第二級電壓以實現具有比第一摩擦系數大的第二摩擦系數的第二表面交界，并且通過改變電壓產生第二觸覺效果。
文檔編號G06F3/01GK101796471SQ200880102968
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月15日 優先權日2007年8月16日
發明者N·T·奧林 申請人:英默森公司