使用倍力弹簧和智能合金线的触觉致动器

发明背景

现代计算设备可利用各种输入设备来允许用户向计算设备进行输入。一些输入设备通常在用户观看显示器或不观看输入设备时使用。例如，常规地在用户观看显示屏时使用触控板或其他触摸感测设备。电子设备或计算设备的其他部分也可在没有用户观看的情况下使用。例如，计算设备中的各种连接端口被传统地利用或连接而无需用户直接观看端口，例如当端口位于计算设备的侧方或后方时。触觉或触摸反馈设备可在与输入设备或电子设备的其他部分交互期间以及当用户不观看输入设备或电子设备的其他部分时向用户提供非可视通信。

传统的触觉反馈设备包括振荡马达和复位弹簧以移动触觉表面或设备的一部分。当现代电子设备变得越来越小时，此类系统需要大量空间。紧凑、高效的触觉反馈设备可允许在更多设备和更多便携式设备中提供触觉通信。

概述

在一些实现中，触觉反馈设备包括机械底部(mechanical ground)和触觉表面。多个连接点被连接到机械底部并且多个连接点被连接到触觉表面。弹簧线围绕连接到机械底部的多个连接点和连接到触觉表面的多个连接点延伸。电活性线(electroreactive wire)使连接到机械底部的多个连接点或连接到触觉表面的多个连接点收缩。

在一些实现中，电子设备包括壳体和触觉表面。第一通道被连接到该壳体，该第一通道具有在第一方向上可滑动地连接到该第一通道的第一多个连接点。第二通道被连接到该触觉表面，该第二通道具有连接到该触觉表面的第二多个连接点。弹簧线被连接到该第一多个连接点和该第二多个连接点，使得该弹簧线在第一方向上的收缩使该第一通道和第二通道在第二方向上位移。

在一些实现中，电子设备包括机械底部和触觉表面。第一通道被连接到该机械底部，该第一通道具有在第一方向上可滑动地连接到该第一通道的第一多个连接点。第二通道被连接到该触觉表面，该第二通道具有连接到该触觉表面的第二多个连接点。弹簧线被连接到该第一多个连接点和该第二多个连接点。电活性线被连接到该第一多个连接点或该第二多个连接点。电活性线具有第一状态和第二状态。电活性线可在第一状态和第二状态之间移动以相对于机械底部移动触觉表面。电输入源被配置成将电输入施加到该电活性线，以在不到25毫秒(ms)内将该电活性线从该第一状态移动到该第二状态。

提供本概述以便介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

本公开的各实现的附加特征和优点将在以下描述中叙述，并且其一部分根据本描述将是显而易见的，或者可通过对此类实现的实践来获知。此类实现的特征和优点可通过在所附权利要求书中特别指出的工具和组合来实现和获得。这些和其他特征将从以下描述和所附权利要求书中变得更完全的显见，或者可以通过如下文所阐述的此类实现的实践来习得。

附图简述

为了描述可以获得本公开的上文所列举的及其他特征的方式，将通过参考附图中所例示的其特定实现来呈现更具体的描述。为了更好地理解，贯穿各个附图，相同的元素已由相同的附图标记来指定。尽管一些附图可以是概念的示意性或夸大的表示，但至少一些附图可按比例绘制。可以理解附图描绘了一些示例实现，将通过使用附图以附加特征和细节来描述和解释这些实现，在附图中：

图1是具有输入设备的计算设备的透视图；

图2是图1的输入设备的细节俯视图；

图3-1是电活性线处于第一状态的触觉反馈设备的俯视图；

图3-2是电活性线向第二状态移动的图3-1的触觉反馈设备的俯视图；

图4是触觉输入设备的俯视剖视图；

图5是另一触觉输入设备的俯视剖视图；

图6是弹簧线的侧视图；

图7是另一弹簧线的侧视图；以及

图8是又一弹簧线的侧视图。

详细描述

本公开一般涉及用于向使用电子设备的用户提供触觉或触摸反馈的设备、系统和方法。更具体地，本公开涉及用于在诸如计算设备之类的电子设备的输入设备、连接端口、显示器、壳体或其他部分中提供触觉通信的紧凑机构。触觉通信包括以小的快速移动来移动输入设备的一部分或电子设备的其他部分。小的快速移动可向用户提供指示移动但感觉不到移动方向的触觉通信。因此，用户可以体验触觉通信而不会从该触觉通信中推断出任何无意的附加信息(例如，方向性或强度信息)。

触觉反馈设备包括以一系列成角度的分段布置的倍力线。倍力线可盘绕在每个分段之间并形成弹簧线。当在线的x方向上压缩时，成角度的分段的接合点在y方向上位移。弹簧线的分段可跨在两个组件之间，诸如触觉表面和壳体，以相对于壳体移动触觉表面。

倍力线可被原动力压缩。在一些实现中，原动力是电活性线。电活性线具有第一状态和第二状态。通过向电活性线施加电输入，电活性线可在第一状态和第二状态之间移动。例如，在向电活性线施加电流时，电活性线可从第一状态移动到第二状态，并且经由倍力弹簧线的收缩来使触觉表面移动。在一些实现中，电活性线可然后返回到第一状态并在电流被移除之际生成恢复力来使触觉表面移动回来。在其他实现中，弹簧线可向电活性线施加恢复力并使电活性线回到第一状态。因此，将电输入施加到电活性线上和从电活性线移除电输入允许进行小的快速触觉通信。

图1是计算设备100的实现的透视图。计算设备100可包括通过铰链106可移动地彼此连接的第一部分102和第二部分104。在一些实现中，计算设备100的第一部分102可包括向用户呈现视觉信息的显示器108，而计算设备100的第二部分104可包括一个或多个输入设备110(诸如触控板、键盘等)以允许用户与计算设备100进行交互。在计算设备是混合计算机的实现中，第一部分102可包括显示器108和至少一个处理器112。第一部分102可进一步包括附加的计算机组件，诸如存储设备、系统存储器、图形处理单元、图形存储器、一个或多个通信设备(诸如WIFI、蓝牙、近场通信)、外围连接点等。在一些实现中，第一部分102可以从铰链106和/或第二部分104移除。

输入设备110可包括触觉或其他触摸反馈。当用户注视显示器108时，在计算设备中使用的常规输入设备110被用户用于向计算设备100提供输入。显示器108可在用户使用输入设备110时向用户提供视觉反馈，但是用户在使用输入设备110期间没有注视入设备110。在一些实现中，输入设备110可提供触觉反馈以向用户传达关于用户与计算设备100的交互的信息。例如，当用户使用输入设备110将光标移动到显示器108上的可选择项上时，输入设备110可向用户提供触觉通信。在其他示例中，当计算设备100检测到错误或以其他方式向用户提供紧急信息时，输入设备110可向用户提供触觉通信以引起用户的注意。

尽管图1中解说的计算设备100的实现是混合膝上型计算机设备，但是应当理解，本公开涉及用于计算设备100或用户可手动地与之交互的电子设备的任何输入设备。示例输入设备110包括触控板、键盘、触摸屏、拇指杆、轨迹球、鼠标或其他人机接口设备。在其他示例中，包括本文所描述的一个或多个元件的触觉反馈设备可包括按钮、开关、掌垫、设备盖、设备壳体、外围连接端口和/或壳体，或可在交互之际向用户提供触觉通信的计算设备100或电子设备的任何其他部分。在至少一个示例中，触觉反馈设备可位于通用串行总线(USB)端口中以在USB设备与USB端口成功连接之际向用户提供触觉通信。在一些实现中，计算设备100可以是可穿戴设备，诸如手腕或头戴式计算设备。

图2是参考图1描述的计算设备100的输入设备110的俯视图。输入设备110包括触觉反馈设备，该触觉反馈设备被配置成相对于计算设备100的壳体(诸如计算设备100的第二部分104)移动输入设备110的一部分。在一些实现中，输入设备110的一部分(例如，输入设备110的表面)被配置成相对于壳体在x方向114上移动。在其他实现中，输入设备110的一部分被配置成相对于壳体在y方向116上移动。在其他实现中，输入设备110的一部分被配置成相对于壳体在x方向和y方向上移动。在进一步的实现中，输入设备110的一部分被配置成相对于壳体在z方向上移动。在另外的实现中，输入设备110的一部分被配置成相对于壳体在x方向、y方向和z方向中的至少两个方向上移动。在至少一个实现中，输入设备110的一部分被配置成相对于壳体在x方向、y方向和z方向上移动。

输入设备110或其他触觉反馈设备的一部分可快速且以较小幅度移动以向用户提供触觉通信。当触觉通信的幅度相对较小时，用户可能无法感知移动的方向，从而在防止无意间向用户传递不期望的信息的方向指示的同时触摸性地提供对移动的感知。在一些实现中，触觉通信具有小于0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、0.05mm、0.025mm或其间的任何值的幅度。在一些示例中，振幅小于200微米可能至关重要。例如，在一些实现中，高于200微米的幅度可提供可能是不期望的方向指示。在一些示例中，振幅大于30微米可能至关重要。

在一些实现中，触觉通信具有从第一状态(静止状态)到第二状态(致动状态)并返回到第一状态的总历时，该总历时在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围内，该上限值或下限值包括25毫秒(ms)、30ms、35ms、40ms、45ms、50ms、60ms、70ms、80ms、90ms、100ms中的任一者或其间的任何值。例如，总历时可以大于25ms。在其他示例中，总历时可以小于100ms。在又一示例中，总历时可以在25ms和100ms之间。在进一步的示例中，总历时可以小于50ms。在又一示例中，总历时可以小于40ms。在至少一个示例中，至关重要的是总历时可以小于或等于约25ms。例如，在至少一个实现中，具有大于约25ms的总历时可能是不期望的，因为更长的总历时可能降低输入设备110的有效性。

在一些实现中，触觉通信具有从第一状态到第二状态的致动历时，该致动历时在具有上限值，下限值或上限值和下限值的范围内，该上限值或下限值包括10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、45ms、50ms中的任一者或其间的任何值。例如，致动历时可以大于10ms。在其他示例中，致动历时可以小于50ms。在又一示例中，致动历时可以在10ms和50ms之间。在进一步的示例中，致动历时可以小于40ms。在又一示例中，致动历时可以小于30ms。在至少一个示例中，致动历时可以是大约25ms。

在一些实现中，触觉通信具有从第二状态回到第一状态的恢复历时，该恢复历时在具有上限值，下限值或上限值和下限值的范围内，该上限值或下限值包括10ms、15ms、20ms、25ms、30ms、35ms、40ms、45ms、50ms中的任一者或其间的任何值。例如，恢复历时可以大于10ms。在其他示例中，恢复历时可以小于50ms。在又一示例中，恢复历时可以在10ms和50ms之间。在进一步的示例中，恢复历时可以小于40ms。在又一示例中，恢复历时可以小于30ms。在至少一个示例中，恢复历时可以是大约25ms。

触觉通信的峰值速度(即，触觉反馈设备和/或输入设备相对于壳体的移动速度)可在具有上限值、下限值、或上限和下限值的范围内，该上限值或下限值包括2微米(μm)每毫秒(ms)、4μm/ms、6μm/ms、8μm/ms、10μm/ms、12μm/ms中的任一者或其间的任何值。例如，峰值速度可以大于2μm/ms。在其他示例中，峰值速度可以小于12μm/ms。在又一示例中，峰值速度可以在2和12μm/ms之间。在进一步的示例中，峰值速度可以在4和10μm/ms之间。在至少一个示例中，至关重要的是峰值速度可以是大约8μm/ms。例如，在至少一个实现中，大约8μm/ms的峰值速度可以提供更好的触摸用户体验。在一些实现中，短历时和高峰值速度允许触觉通信仅提供对移动的感知而不提供可辨别的移动方向。

图3-1是示例触觉反馈设备218的详细视图。触觉反馈设备218包括电活性线219和与电活性线219进行通信的电输入源221。在一些实现中，电活性线219是形状记忆材料(SMM)，诸如形状记忆合金(SMA)或形状记忆聚合物(SMP)。例如，SMA包括镍钛合金。在至少一个示例中，电活性线219包括按重量计大约50％的镍和50％的钛。

弹簧线220可被布置成一系列下部线圈222-1、222-2和上部线圈223，该下部线圈222-1、222-2和上部线圈223由一系列成角度的分段224-1、224-2连接在一起。在其他示例中，弹簧线220可能缺少下部线圈、上部线圈或两者，并且成角度的分段224-1、224-2可由弹簧线220中的弯曲或拐角连接。

在一些实现中，下部线圈222-1、222-2分别具有下部中心点226-1、226-2，并且上部线圈223具有上部中心点228。可根据下部中心点226-1、226-2和上部中心点228的相对移动来描述响应于来自电输入源221的电输入的电活性线219的收缩和弹簧线220的合成移动。

图3-2例示了施加电输入时图3-1的触觉反馈设备218。电活性线219的材料(诸如SMM)可在施加电输入时从第一状态改变为第二状态。当电活性线219的微观结构改变时，宏观结构也可以改变。电活性线219的宏观移动在电活性线219的第一下部中心点226-1和第二下部中心点226-2的相对位置中产生移动，从而在x方向上压缩弹簧线220。第一下部中心点226-1和第二下部中心点226-2的x间距230减小，从而将第一下部中心点226-1和第二下部中心点226-2朝彼此拉近，而上部中心点228正交于x间距230的y间距232增大。

在移除电输入之际，弹簧线220可生成恢复力并将第一下部中心点226-1和第二下部中心点226-2推开，并且电活性线219可返回到第一状态。当上部中心点228朝着第一下部中心点226-1和第二下部中心点226-2向下移动时，x间距230的增加与y间距232的减少相关。通过顺序施加和移除电输入，电活性线219可在第一状态和第二状态之间循环，从而使触觉反馈设备218的x间距230和y间距232振荡。

图4是位于计算设备300中的触觉反馈设备318的示例实现。触觉反馈设备318被定位成使弹簧线320跨在触觉表面和机械底部之间。在所例示的实现中，触觉表面是输入设备310(即，触控板)，而机械底部是计算设备300的第二部分304的壳体。一系列的下部中心点326-1、326-2位于壳体中，而上部中心点328位于输入设备310中。例如，第一下部中心点326-1和第二下部中心点326-2位于壳体中，并且当电活性线319从第一状态改变为第二状态时，x间距330减小并且弹簧线320增加y间距332。由于下部中心点326-1、326-2位于壳体中，因此触觉表面在x方向上没有净移动，然而，上部中心点328位于输入设备310中，从而导致输入设备310相对于第二部分304的壳体在y方向316上的净移动。

为了允许y间距332改变，x间距330必须能够改变。因此，下部中心点326-1、326-2可能能够在x方向上移动，同时被限制为在x方向上移动。图5例示了触觉反馈设备418的实现，其中一系列下部线圈422-1、422-2、422-3和一系列上部线圈423-1、423-2中的每一者分别被连接到下部通道434和上部通道436。下部通道434和上部通道436可分别保有至少一个下部柱438-1、438-2、438-3和至少一个上部柱440-1、440-2。

例如，第一下部柱438-1可在下部通道434内在x方向上滑动。第一下部线圈422-1位于第一下部柱438-1周围以将第一下部线圈422-1连接到计算设备400的第二部分404的壳体的下部通道434。第一上部柱440-1可在上部通道436内在x方向上滑动。第一上部线圈423-1位于第一上部柱440-1周围以将第一上部线圈423-1连接到输入设备410的上部通道436。

在第一上部线圈423-1位于第一上部柱440-1周围并且第二上部线圈423-2位于第二上部柱440-2周围的情况下，上部线圈423-1、423-2被允许在相对于输入设备410的触觉表面在x方向上移动的同时相对于触觉表面在y方向上固定。第一下部线圈422-1位于第一下部柱438-1周围、第二下部线圈422-2位于第二下部柱438-2周围、第三下部线圈422-3位于第三下部柱438-3周围，下部线圈422-1、422-2、422-3被允许在相对于计算设备400的第二部分404的壳体在x方向上移动的同时相对于壳体在y方向上固定。如参考图3-2所描述的，当下部线圈422-1、422-2、422-3和/或上部线圈423-1、423-2在x方向上朝向彼此移动时，触觉反馈设备418在y方向上施加净力。下部柱438-1、438-2、438-3和上部柱440-1、440-2在y方向上移动，并促使连接到触觉表面的上部通道436在y方向上移动。

在一些实现中，热沉可被定位成毗邻电活性线419以对该电活性线419进行冷却。在电流被施加时电活性线419所生成的力、位移、速度或其组合可能会随着电活性线419升温而减小。用热沉冷却电活性线419提高了点火速率(致动频率)并在重复致动期间提高了电活性线419的性能。例如，一个或多个柱可以是热沉，其吸收来自电活性线419的热量。在其他示例中，热沉可被配置成吸收来自下部柱438-1、438-2、438-3的热量并对438-1、438-2、438-3进行冷却和/或吸收来自上部柱440-1、440-2的热量并对上部柱440-1、440-2进行冷却，以间接地冷却电活性线419。在至少一个示例中，热沉可包括铜。在至少另一示例中，热沉可包括硅树脂。

应当理解，虽然图4和图5所例示的实现具有三个下部线圈和两个上部线圈，但是触觉反馈设备可沿下部通道(或其他下部连接点行)和沿上部通道(或其他上部连接点行)具有任意数量或布置的连接点。例如，触觉反馈设备的弹簧线可包括奇数个上部线圈或偶数个上部线圈。弹簧线可包括奇数个下部线圈或偶数个下部线圈。如本文所描述的，弹簧线可以具有屈曲或弯曲而非线圈。例如，弹簧线可以具有奇数个上部弯曲或偶数个上部弯曲。弹簧线可包括奇数个下部弯曲或偶数个下部弯曲。

再次参考图5，触觉反馈设备418可允许弹簧线420在x方向上自由地移动。在一些实现中，沿着弹簧线420的至少一个点可在x方向上固定，使得弹簧线420相对于该点在x方向上扩张和/或收缩。例如，第一下部柱438-1可相对于下部通道434固定。当电活性线419从第一状态移动到第二状态并且从第二状态移动到第一状态时，第二下部柱438-2和第三下部柱438-3可随后在下部通道434内滑动。在此类示例中，由于每个下部柱之间的位移变化大约相同的量，所以第三下部柱438-3比第二下部柱438-2移动得更多。在其他实现中，在下部通道434的近似中心处的下部柱被固定到下部通道434，诸如将第二下部柱438-2固定到下部通道434。在此类示例中，经固定的下部柱(即，第二下部柱438-2)任一侧的下部柱(即，第一下部柱438-1和第三下部柱438-3)向该经固定的下部柱移动，从而在弹簧线420的移动期间减小任何一个下部柱(和/或上部柱)的最大位移。

图6至图8例示了处于不同布置中的弹簧线的实现。在一些实现中，弹簧线520可被配置成最小化触觉反馈设备518在z方向(图6所呈现的侧视图中的垂直方向)上的大小。例如，弹簧线520可具有在缠绕方向上交替的一系列下部线圈522-1、522-2和上部线圈523-1、523-2。通过在缠绕方向上交替，下部线圈522-1、522-2与上部线圈523-1、523-2之间的分段524与x方向对准。

分段524也可在线圈之间的各z位置之间交替。例如，第一下部线圈522-1和第一上部线圈523-1之间的分段平行于x方向且处于与第一上部线圈523-1和第二下部线圈522-2之间的分段524相比更高的z位置处，该分段524也平行于x方向但处于较低的z位置。此偏移可限制和/或防止在电活性线从第一状态移动到第二状态并回复期间弹簧线的束缚。这还可限制弹簧线520的z方向尺寸以帮助将触觉反馈设备518封装在小空间中。

图7例示了弹簧线620的另一实现，该弹簧线620在z方向上具有更大的尺寸以增加分段624之间的偏移。在一些实现中，下部线圈622和/或上部线圈623中的至少一者包括多个包裹物(wrap)642。例如并且与图6相反，下部线圈622包括附加的中间包裹物642，并且上部线圈623包括附加的包裹物642。因此，下部线圈622和上部线圈623之间的分段624保持平行但是以更大的量偏移。在电活性线从第一状态到第二状态的移动期间，附加的包裹物可增加弹簧线620的力和/或位移。

图8例示了弹簧线720的另一实现，该弹簧线720包括具有相同缠绕方向的下部线圈722和上部线圈723。因此，下部线圈722和上部线圈723之间的分段724被取向成与x方向成一定角度，以保持整个弹簧线720平坦。对所有线圈使用相同的缠绕方向可简化制造并降低成本。

尽管图6至图8解说了弹簧线的不同实现，但是应当理解，不同的线布置可彼此组合地使用以改变触觉反馈设备的行为。例如，至线圈的包裹物的数量可跨弹簧线的长度变化以跨触觉表面宽度改变触觉通信幅度和/或速度。在其他示例中，分段的长度和/或角度可跨弹簧线的长度变化以跨触觉表面宽度改变触觉通信幅度和/或速度。在至少一个实现中，包括如本文所描述的弹簧线的触觉反馈设备可允许具有较小形状因子和更紧密的组件封装的电子或计算设备中的触觉反馈。

本公开的一个或多个具体实现将在本文中被描述。这些所描述的实现是本公开技术的示例。附加地，为了提供这些实现的简明描述，并未在说明书中描述实际实现的所有特征。将理解，在任何此类实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，将做出许多因实现而异的决策以实现开发者的特定目标，诸如符合可能因实现而异的与系统相关的和与业务相关的约束。此外，将理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但对那些受益于本公开的普通技术人员而言却将是设计、制造和加工的例行工作。

冠词“一”、“一个”和“该”旨在表示在前面的描述中存在各元素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”、以及“具有”旨在是包含性的，并表示除所列出的元素以外可以有附加的元素。附加地，将理解，对本公开的“一种实施方式”或“一实施方式”的引用不旨在被解释为排除也纳入所述特征的附加实施方式的存在。例如，关于本文的实施方式描述的任何元素可与本文描述的任何其他实施方式的任何元素相组合。本文中所阐述的数字、百分比、比率或其他值旨在包括该值，以及还有“约”或“近似”所阐述的值的其他值，如由本公开的实施方式所涵盖的将由本领域普通技术人员所领会的那样。因此，所阐述的值应当被足够宽泛地解释以涵盖至少足够接近用来执行期望的功能或实现期望的结果的所阐述的值的值。所阐述的值至少包括将在合适的加工或生产过程中预期到的变化，并且可包括在所阐述的值的5％内、1％内、0.1％内或0.01％内的值。

鉴于本公开，本领域普通技术人员将认识到，等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可对本文公开的各实现进行各种改变、替换和变更。包括功能“装置加功能”款项的等效构造旨在覆盖本文描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等同物以及提供相同功能的等效结构两者。申请人的明确意图是，除非在“用于...装置”一词与相关联的功能一起出现的情况下，否则不对任何权利要求援引装置加功能或其他功能声明。对权利要求的含义和范围内的各实施方式的每个添加、删除和修改都将被权利要求所接受。

如本文中所使用的术语“大约”、“约”和“基本上”表示接近仍执行期望的功能或实现期望的结果的所阐述的量的量。例如，术语“大约”、“约”和“基本上”可以指在小于所阐述的量的5％内、小于所阐述的量的1％内、小于所阐述的量的0.1％内、和小于所阐述的量的0.01％内的量。此外，将理解，前面描述中的任何方向或参考系仅仅是相对的方向或移动。例如，对“向上”和“向下”或者“之上”或“之下”的任何引用仅仅描述了相关元素的相对位置或移动。

本公开可以以其他具体形式来体现，而不背离其精神或特性。所描述的实施方式被认为是说明性的而非限制性的。从而，本发明的范围由所附权利要求书而非前述描述指示。落入权利要求书的等效方案的含义和范围内的改变应被权利要求书的范围所涵盖。