СИЛОВАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ВВОДА
FORCE FEEDBACK FOR INPUT DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к мобильным терминалам, а конкретнее к системе ввода, устройству ввода и способу для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу пользователя при вводе информации и/или команд в такие терминалы.
Уровень техники
В портативных электронных терминалах, таких как сотовые телефоны, ноутбуки и музыкальные проигрыватели, например проигрыватели MP3, используются устройства для ввода данных и/или информации в такие электронные терминалы, а также для управления/контроля этими терминалами. Кроме того, устройства ввода также используются для перемещения курсора, например линейно и/или поперек, в любом месте на дисплее таких электронных терминалов, например путем перемещения джойстика или навигационной панели, например в виде кнопки SlidePad. Самые распространенные устройства для ввода и/или управления портативными электронными терминалами являются клавиши, то есть одиночные клавиши, и/или джойстики, и/или клавишные, или навигационные панели/пульты, и/или датчики касания, и/или сенсорные дисплеи. Эти устройства ввода образуют так называемый интерфейс человек-машина электронного терминала.
Сегодня многие устройства ввода дают определенное ощущение или чувство, то есть когда нажимается клавиша или навигационная панель, и/или когда перемещается кнопка SlidePad и/или джойстик. В ноутбуке или сотовом телефоне с джойстиком джойстик может давать пользователю медленное/инертное ощущение или обратную связь при использовании.
Эти устройства ввода предшествующего уровня техники проявляют недостатки, например они в некоторых случаях недолговечны и недостаточно тихие, они требуют слишком много пространства, в особенности в связи с высотой компоновки, ими в некоторых случаях сложно управлять в том, что они могут быть очень медленными или слишком быстрыми в ответ на ручное приведение в действие. Эти недостатки делают устройства ввода предшествующего уровня техники сложными в управлении, громоздкими и часто дорогостоящими.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении недостатки устройств ввода предшествующего уровня техники решаются предоставлением портативного электронного терминала с устройством ввода, использующим так называемые мускульные провода, которые сделаны из меняющего форму металла, то есть металла с эффектом памяти, и средства смещения, и средства для приведения в действие этих мускульных проводов вместе, при помощи чего разрабатываются лучшие и/или более экономичные клавиши, клавиатуры, джойстики, кнопки SlidePad и тактильные датчики.
В настоящем изобретении проблема обеспечения тактильной обратной связи от датчика касания решается предоставлением устройства ввода по меньшей мере с тремя так называемыми мускульными проводами, которые являются удлиненными кусками металла с эффектом памяти, и средством смещения, и средством для приведения в действие мускульных проводов, когда используется устройство ввода, посредством этого создавая тактильную/силовую обратную связь.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предоставляется устройство ввода, которое снабжается средством для обнаружения касания пальца и средством для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу, чтобы подтвердить включение поверхности касания устройства ввода, и где средство для обеспечения тактильной обратной связи содержит по меньшей мере три удлиненных объекта из металла с памятью формы, причем каждый из объектов размещен так, чтобы функционально взаимодействовать по меньшей мере с одним средством смещения и сокращаться в ином направлении, чем остальные удлиненные объекты из металла с памятью формы, при обеспечении пальцу тактильной обратной связи.
В соответствии с другим аспектом предоставляется устройство ввода, в котором удлиненные объекты из металла с памятью формы являются мускульными проводами, размещенными так, чтобы быть под током в ответ на касание пальцем, так что провода сокращаются в разных направлениях, и тактильная обратная связь в виде механической энергии, получающейся от разнонаправленных сокращений, сообщается поверхности касания, размещенной с возможностью контактирования с пальцем.
В соответствии с другим аспектом получается устройство ввода, в котором каждый из мускульных проводов размещен так, чтобы передавать движение, направленное от поверхности касания.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется устройство ввода, в котором каждое из средств смещения размещено так, чтобы передавать движение, направленное от поверхности касания.
В соответствии с другим аспектом предоставляется устройство ввода, в котором каждый мускульный провод и связанное с ним средство смещения размещаются параллельно друг другу.
В соответствии с еще одним аспектом устройство ввода содержит четыре мускульных провода, управляемые независимо, размещенные в парах, при этом каждая пара размещена так, чтобы передавать движение поверхности касания в одной плоскости, каковые плоскости перпендикулярны друг другу.
В соответствии с другим аспектом предоставляется устройство ввода, в котором мускульные провода в каждой паре размещены так, чтобы передавать движение поверхности касания в противоположных друг другу направлениях.
В соответствии с другим аспектом предоставляется устройство ввода, где передача движения достигается путем закрепления первого конца каждого провода на поверхности касания и закрепления второго конца каждого провода к упору для обеспечения передачи увеличенного натяжения в мускульном проводе к поверхности касания.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется устройство ввода, где первый конец каждого средства смещения закрепляется на поверхности касания, а второй конец каждого средства смещения закрепляется к упору для обеспечения взаимодействия средства смещения со связанным мускульным проводом и по меньшей мере частичного противодействия сокращению других мускульных проводов.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется система ввода в портативном электронном терминале, содержащая устройство ввода с поверхностью касания, и средство для обнаружения касания пальца, и средство для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу, чтобы подтвердить включение поверхности касания, и где средство для обеспечения тактильной обратной связи содержит по меньшей мере три удлиненных объекта из металла с памятью формы, причем каждый из объектов размещен так, чтобы функционально взаимодействовать по меньшей мере с одним средством смещения и сокращаться в ином направлении, чем остальные объекты; и по меньшей мере один блок источника питания, сконфигурированный для подачи питания по меньшей мере к одному объекту из металла с эффектом памяти, при этом когда питание подается к объекту из металла с эффектом памяти, объект из металла с эффектом памяти конфигурируется для воздействия силой на поверхность касания, чтобы запустить движение поверхности касания для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется система ввода, в которой каждое средство смещения является пружиной.
В соответствии с одним аспектом предоставляется способ для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу через поверхность касания на устройстве ввода, содержащий: обнаружение касания пальца, преобразование касания пальца в соответствующий этому сигнал; подачу питания по меньшей мере к одному удлиненному объекту из металла с эффектом памяти, подключенному к поверхности касания, при приеме сигнала; и перемещение поверхности касания посредством по меньшей мере одного объекта из металла с эффектом памяти, воздействующего силой на поверхность касания в ответ на питание, поданное на объект из металла с эффектом памяти, так что достигается тактильная обратная связь для пальца при прикосновении к поверхности.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется способ для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу через поверхность касания на устройстве ввода, содержащий: задействование трех объектов из металла с эффектом памяти в разных направлениях, так что тактильная обратная связь для пальца достигается при прикосновении к поверхности.
В соответствии с другим аспектом предоставляется способ для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу через поверхность касания на устройстве ввода, содержащий: задействование четырех объектов из металла с эффектом памяти в парах, так что каждая пара объектов из металла с эффектом памяти запускает движение поверхности касания в одной плоскости, перпендикулярной другой плоскости.
В соответствии с еще одним аспектом предоставляется способ для обеспечения тактильной обратной связи к пальцу через поверхность касания на устройстве ввода, в котором объекты из металла с эффектом памяти в каждой паре передают движение поверхности касания в противоположных друг другу направлениях.
Мускульный провод лучше выдерживает механический удар, а также обеспечивает лучшую, более быструю и более точную реакцию на выходе при активации, посредством этого наделяя кнопку SlidePad и/или джойстик лучшей тактильной обратной связью. Кроме того, мускульные провода являются тихими, обеспечивают низкую высоту компоновки, они быстрые, и сила и скорость силы может управляться электрически. Кроме того, также возможна предупредительная вибрация. Кроме того, изобретение также надежно и экономично, поскольку количество механических частей небольшое.
Следует подчеркнуть, что термин "содержит/содержащий" при использовании в этом описании изобретения используется, чтобы указывать наличие установленных признаков, целых частей, этапов или компонентов, однако не препятствует наличию или добавлению одного или нескольких других признаков, элементов, целых частей, этапов, компонентов или их групп.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет подробно описываться ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 показывает устройство ввода, соединенное с мускульными проводами и средством смещения, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения,
фиг.2 показывает устройство ввода, соединенное с мускульными проводами и средством смещения, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения,
фиг.3 показывает портативный электронный терминал, оборудованный устройством ввода в соответствии с изобретением,
фиг.4 показывает схему одного типа управляющей схемы для мускульной проводки в устройстве ввода в соответствии с изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Типичное устройство ввода состоит из SlidePad, клавиши или клавишной панели, джойстика, сенсорной области, например сенсорного дисплея, и/или области для удара пальцем, или нажимаемого значка, такого как используется в переносном компьютере, и это средство функционально подключено к блоку управления или процессору, которые в ответ на приведение в действие и/или прикосновения преобразуют их в аналоговые или цифровые сигналы. Это является известной технологией и не будет объясняться подробнее.
Кроме того, в этом описании термин "мускульный провод" используется для обозначения удлиненного объекта из металла с памятью изменения формы, например сплава никель-титана (Ni-Ti), см. например, товарные знаки Nitinol и Flexinol. Мускульный провод в соответствии с изобретением может, конечно, обладать другими формами, например формой полосы или ленты, чтобы провод мог сам скатываться (сворачиваться) или разворачиваться при изменении его формы, формой стержня или бруска, или формой струны/шнура/кабеля, и разными поперечными сечениями, например круглым, треугольным, квадратным, звездчатым или любым другим подходящим поперечным сечением. Функция и характеристика этих типов деталей или проводов из металла с эффектом памяти дополнительно объясняются позже в этом описании.
Фиг.1 и 2 показывают систему ввода, использующую устройство 10 ввода для ввода информации, команд в портативный электронный терминал 1 и/или перемещения/управления курсором на дисплее посредством органа 20 ввода, например кнопки, клавиши и/или джойстика. Орган 20 ввода будет описываться как кнопка для простоты по всему описанию, и кнопка 20 подключается к электронному терминалу 1 посредством пружины (не показана), так что она всегда будет возвращаться в свое центральное положение, когда она не нажата и/или приведена в действие пальцем пользователя. Кроме того, кнопка 20 также функционально подключена к электронному терминалу 1, чтобы иметь возможность вводить команды и/или данные, это является известной технологией и не будет подробно объясняться.
Фиг.1 показывает первый вариант осуществления устройства 10 ввода с тремя удлиненными объектами 30a, 30b, 30c из металла с эффектом памяти, а фиг.2 показывает второй вариант осуществления устройства 10 ввода с четырьмя удлиненными объектами 30a, 30b, 30c, 30d из металла с эффектом памяти. Устройство 10 ввода монтируется в портативном электронном терминале 1 в подходящих положениях для ввода, например ниже и/или выше LCD-дисплея 2 и/или рядом с клавишной панелью, или как часть клавишной панели 3, как в известных устройствах, например, как показано на фиг.3.
В варианте осуществления из фиг.1 устройство 10 ввода содержит три детали 30a, 30b, 30c из металла с эффектом памяти, то есть мускульные провода, подключенные к одному блоку 50 управления источником питания, сконфигурированному для управления и подачи питания на провода 30 в ответ на обнаруженное прикосновение к кнопке 20, каковое обнаружение преобразуется в сигналы, которые используются для задействования связанного мускульного провода в ответ на принятые сигналы, причем блок 50 источника питания более подробно показывается на фиг.4. Здесь предоставляется один блок 50 источника питания для каждого мускульного провода 30a, 30b, 30c, 30d. В других вариантах осуществления может быть более одного провода, который должен задействоваться каждым источником питания, при помощи чего пара проводов для каждого источника питания и/или источники питания также могли бы соединяться параллельно на той же стороне кнопки/джойстика 20, чтобы сэкономить пространство. Кнопка является перемещаемой в любом направлении, но предпочтительно в x- и y-направлении, и в некоторых применениях также перемещаема в z-направлении. Каждый мускульный провод 30 функционально подключается к средству 40 смещения, в этом варианте осуществления в виде пружины, и размещается параллельно этой пружине, а также функционально подключается на первом конце кнопки 20 и закрепляется на втором конце к упору в этом варианте осуществления к достаточно прочной части электронного терминала 1 для обеспечения передачи увеличенного натяжения в мускульном проводе к поверхности касания кнопки 20. Пружины 40a, 40b, 40c монтируются таким же образом, как и мускульные провода.
Мускульные провода 30a, 30b, 30c, 30d и связанные с ними пружины 40a, 40b, 40c, 40d на фиг.1 и 2 ориентированы в одной плоскости, то есть плоскости фигур, с углом около 120° в отношении друг к другу на фиг.1 и с углом 90° на фиг.2, как видно в окружности 360°. Этот угол может выбираться по-разному, либо как симметричный, либо несимметричный шаблон или распределение, то есть если должны использоваться более четырех мускульных проводов, например пять мускульных проводов, может использоваться угол 72°, или если используются шесть мускульных проводов, может использоваться угол 60°, или, при желании, в качестве примера при использовании шести мускульных проводов, мускульные провода в правом нижнем квадранте распределяются с углом в 45°, два мускульных провода показаны схематически как две пунктирные линии на фиг.2, то же самое выбирается для левого верхнего квадранта, тогда как мускульные провода, образующие правый верхний и левый нижний квадрант, распределяются с углом 90° между ними.
Когда на каждый провод 30 подается питание, провод конфигурируется для воздействия силой на кнопку 20, чтобы привести ее в действие в виде предупреждения или вибрации для пользователя, например при нахождении в игровом режиме, или чтобы обеспечить тактильную обратную связь к пальцу от поверхности касания кнопки. Провода могут задействоваться отдельно и независимо, парами, поочередно или любым подходящим образом, например с использованием широтно-импульсной модуляции (PWM) для наилучшей эффективности переключения, где модуляция соответствует силе. Сокращающая сила будет тогда пропорциональна среднему току в проводе. Задействование каждого провода 30a, 30b, 30c, 30d выполняется путем нагревания первого провода так, чтобы он сокращался в одном направлении, путем подачи питания, и когда подача питания к проводу прерывается, провод остывает, и второй провод снабжается питанием так, чтобы он нагревался и сокращался, посредством этого удлиняя первый провод путем растяжения в противоположном направлении сокращению для этого первого провода. Это управление чередующимися сокращениями провода может добиваться чередующегося движения для кнопки 20, посредством этого обеспечивая пальцу тактильную обратную связь. Перемещение кнопки 20 подводится, то есть сообщается по обратной связи посредством цепи 51 обратной связи к связанным мускульным проводам 30a, 30b, 30c, 30d через блок 52 управления, так что приведение в действие кнопки посредством проводов управляется точно. Обратная связь сигналов от кнопки 20 выполняется электрически. Это выполняется с использованием регулируемого/переменного сопротивления, то есть сопротивления, которое регулируется в ответ на перемещение кнопки 20, емкостной/электростатической обратной связи или оптической обратной связи для управления/отображения перемещения и положения одного или нескольких курсоров на дисплее 2. Может задействоваться более одного провода за раз, то есть два (пара) или более проводов могут задействоваться параллельно, но предпочтительным способом задействования проводов является последовательный.
Фиг.4 показывает блок 50 источника питания, содержащий в этом варианте осуществления четыре усилителя 50 мощности, то есть один усилитель 50 мощности функционально подключен к каждому из четырех мускульных проводов 30a, 30b, 30c, 30d. Эти четыре усилителя 50 мощности задействуются отдельно и управляются блоком 52 управления, имеющим цифроаналоговые (DA) или PWM-порты, функционально соединенные с каждым усилителем 50 мощности для приведения в действие, и аналого-цифровые (AD) или порты ввода/вывода (I/O), которые функционально соединены с кнопкой 20 посредством линии 51 обратной связи для лучшего и более точного управления и задействования кнопки и проводов. Это выполняется путем сообщения по обратной связи X- и Y-информации от кнопки 20 посредством линии 51 обратной связи, то есть перемещение/положения для кнопки 20 в X- и Y-направлении (как видно на фиг.1-2 и 4) возвращаются блоку 52 управления через порты AD или I/O, при помощи чего блок 52 управления управляет сопротивлением в кнопке 20, то есть силовой обратной связью в кнопке/джойстике, и задействованием проводов в ответ на это.
В качестве примера первый провод 30a может задействоваться так, чтобы он сокращался в одном направлении при нагревании поданным питанием от его усилителя 50 мощности, и связанная с ним пружина 40a растягивается в том же направлении, так что когда прерывается подача питания к первому проводу 30a, провод 30a остывает, и другие пружины 40b и 40c и/или другие провода 30b и 30c удлиняют первый провод 30a путем растяжения в разных, то есть других направлениях, чем первый провод. Кроме того, два из проводов, например 30a и 30b, могут сокращаться первыми, а третий провод 30c может сокращаться после первых проводов для их удлинения. В первом варианте осуществления сокращаются провода 30a, 30b, 30c, и пружины 40a, 40b, 40c растягиваются по направлениям, соответствующим их 120°-ому распределению, либо одновременно парами, либо отдельно и/или чередующимся способом. Во втором варианте осуществления провода 30a, 30b, 30c, 30d могут задействоваться разными способами. Один способ - задействовать каждый провод в отдельности и/или поочередно, другой способ - задействовать пару проводов, например провода 30a и 30b, так, чтобы они сокращались в одном направлении, являющимся перпендикулярным направлению сокращения другой пары 30c и 30d, когда они сокращаются. Другой способ - задействовать первую пару проводов 30a и 30c поочередно, чтобы они сокращались в противоположных направлениях, но не одновременно в одной плоскости, тогда как другая пара проводов 30b и 30d также сокращается в противоположных друг другу направлениях, но в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения для первой пары проводов 30a и 30c. Это также означает, что пружины 40a и 40c из первой пары проводов 30a и 30c взаимодействуют с их родственным проводом, то есть пружина 40a взаимодействует с проводом 30a, в то время как она противодействует проводу 30c напротив провода 30a. То же самое происходит для пружин 40b и 40d и проводов 30b и 30d из другой пары. Кроме того, в других вариантах осуществления только одна или несколько пружин 40a, 40b, 40c могли бы использоваться для растяжения в одном направлении, тогда как только один или несколько проводов 30a, 30b, 30c могли бы растягиваться в другом направлении, например противоположном направлению растяжения для пружин.
В вариантах осуществления из фиг.1 и 2 выполняется способ для приведения в действие кнопки 20 и обеспечения тактильной обратной связи к пальцу через поверхность касания кнопки путем обнаружения касания или приведения в действие кнопки 20, преобразования этого обнаружения в сигнал, отправки сигнала через линию 51 обратной связи и приема сигнала, соответствующего касанию, на портах A/D или I/O, и подачи питания на один или несколько проводов 30a, 30b, 30c, 30d из металла с эффектом памяти при приеме сигнала и в соответствии с ним посредством блока 52 управления, задействующего связанные усилители 50 мощности и посредством этого приводящего в действие кнопку в ответ на поданное на провода питание.
Фиг.3 - схематичный вид типового портативного электронного устройства или мобильного терминала 1 с системой/устройством 10 ввода в соответствии с изобретением. При использовании в данном документе термин "портативное электронное устройство" или "мобильный терминал" может включать в себя сотовый радиотелефон 1, как на фиг.3, но также может быть, например, терминалом Персональной системы связи (PCS), который может объединять сотовый радиотелефон с возможностями обработки данных, факсимильной связи и передачи данных; персональным цифровым помощником (PDA), который может включать в себя радиотелефон, пейджер, доступ в Интернет/интранет, Веб-обозреватель, записную книжку, календарь и/или приемник Глобальной системы позиционирования (GPS); и традиционный переносной и/или карманный приемник или другой прибор, который включает в себя радиотелефонный приемопередатчик. Мобильные терминалы также могут называться устройствами "широкомасштабных вычислений" и также могут включать в себя камеры. Также нужно понимать, что изобретение также может быть реализовано в других устройствах или системах, которые включают в себя системы ввода или устройства ввода, которые подключаются к устройству удаленно от него, без физического соединения с системой ввода, например по беспроводной связи.
Мускульный провод 30a, 30b, 30c, 30d производится из материала, который изменяет форму или размер, когда материал нагревается выше конкретной температуры. Конкретная температура, необходимая для изменения формы/размера, зависит от конкретного материала. В одной реализации каждый мускульный провод может быть сделан из сплава, который спроектирован для сокращения (то есть фиксированная длина становится короче), когда провод 30a, 30b, 30c, 30d нагревается выше пороговой температуры. К тому же сплав может быть произведен с плохой проводимостью (например, обладает резистивными характеристиками). Таким образом, когда к проводу подается питание, провод оказывается нагретым выше пороговой температуры, посредством этого вызывая сокращение провода.
Провод 30a, 30b, 30c, 30d в соответствии с изобретением может сокращаться примерно на 3%-5% при нагревании выше пороговой температуры. В типовой реализации пороговая температура может колебаться от примерно 88 до 98 градусов Цельсия. Провод в соответствии с изобретением также может ослабляться (то есть возвращаться к состоянию до нагрева) при температуре, колеблющейся от примерно 62 градусов до 72 градусов Цельсия.
Таблица ниже иллюстрирует типовые характеристики провода 30a, 30b, 30c, 30d, который может использоваться в реализациях в соответствии с изобретением.
Диаметр провода (миллиметры)
0,05
0,125
Сопротивление (Ом/метр)
510
70
Типовая мощность (Вт/метр)
1,28
4,4
Скорость сокращения при типовой мощности (секунд)
1
1
Максимальная сила восстановления (грамм)
117
736
Деформирующая сила (грамм)
8
43
Теплоемкость (Дж/г)
0,32
0,32
В типичном применении электрическая энергия, подаваемая на мускульный провод 30a, 30b, 30c, 30d, является импульсом с амплитудой 5 вольт, током 300 мА в течение 70 мс.