электронное устройство и схема для обеспечения тактильной обратной связи

Формула изобретения

1. Схема для управления пьезоэлектрическим приводом, содержащая: схему запуска пьезоэлектрического привода, действующую для генерации сигнала возбуждения однополярного напряжения, содержащую схему зарядки, функционально чувствительную к первому широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и импульсную схему разрядки стока тока, функционально чувствительную ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу и действующую для управляемого извлечения пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода.

2. Схема по п.1, содержащая:

пьезоэлектрический привод, функционально соединенный со схемой запуска пьезоэлектрического привода; и

схему генерации управляющих сигналов, действующую для формирования первого и второго широтно-импульсно модулированных управляющих сигналов, имеющих изменяющиеся рабочие циклы, для формирования сигнала возбуждения однополярного напряжения для приведения в действие пьезоэлектрического привода.

3. Схема по п.2, в которой импульсная схема разрядки стока тока функционально подключена для возврата энергии от пьезоэлектрического привода к узлу источника напряжения.

4. Схема по п.2, в которой сигналом возбуждения однополярного напряжения является поднятый косинусный сигнал.

5. Схема по п.1, в которой импульсная схема разрядки стока тока содержит схему разрядки стока постоянного тока.

6. Клавиатура, содержащая:

сенсорный экран, содержащий пьезоэлектрический привод, действующий для обеспечения тактильной обратной связи в ответ на контакт пользователя с сенсорным экраном; и

схему, действующую для управления пьезоэлектрическим приводом, содержащую:

схему запуска пьезоэлектрического привода, действующую для генерации сигнала возбуждения однополярного напряжения, содержащую схему зарядки, функционально чувствительную к первому широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и импульсную схему разрядки стока тока, функционально чувствительную ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу и действующую для управляемого извлечения пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода.

7. Клавиатура по п.6, в которой схема запуска пьезоэлектрического привода содержит схему генерации управляющих сигналов, действующую для формирования первого и второго широтно-импульсно модулированных управляющих сигналов, имеющих изменяющиеся рабочие циклы, для формирования сигнала возбуждения однополярного напряжения в разомкнутом контуре работы для приведения в действие пьезоэлектрического привода.

8. Клавиатура по п.6, в которой импульсная схема разрядки функционально подключена для повторной передачи энергии от пьезоэлектрического привода к узлу источника напряжения.

9. Клавиатура по п.6, в которой импульсная схема разрядки стока тока содержит:

переключающий транзистор разрядки, имеющий вход, функционально чувствительный ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и выход, соединенный с элементом сопротивления;

выходной транзистор, имеющий вход, функционально соединенный с выходом переключающего транзистора разрядки; и

индуктивный элемент, функционально соединенный с узлом источника напряжения и выходным транзистором.

10. Клавиатура по п.6, в которой схема зарядки включает в себя полевой транзистор, выполненный с возможностью иметь диод, и в которой импульсная схема разрядки стока тока содержит полевой транзистор, и в которой схема запуска пьезоэлектрического привода содержит индуктивный элемент, функционально соединенный как с этим полевым транзистором, так и с узлом источника напряжения.

11. Клавиатура по п.10, в которой узел источника напряжения соединен с напряжением источника электропитания, который питает эту схему.

12. Карманное электронное устройство, содержащее: беспроводные телефонные схемы; и

клавиатуру, функционально связанную с беспроводными телефонными схемами, содержащую:

сенсорный экран, содержащий пьезоэлектрический привод, действующий для обеспечения тактильной обратной связи в ответ на контакт пользователя с сенсорным экраном; и

схему, действующую для управления пьезоэлектрическим приводом, содержащую:

схему запуска пьезоэлектрического привода, действующую для генерации сигнала возбуждения однополярного напряжения, содержащую схему зарядки, функционально чувствительную к первому широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и импульсную схему разрядки стока тока, функционально чувствительную ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу и действующую для управляемого извлечения пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода.

13. Карманное электронное устройство по п.12, в котором схема запуска пьезоэлектрического привода содержит схему генерации управляющих сигналов, действующую для формирования первого и второго широтно-импульсно модулированных управляющих сигналов, имеющих изменяющиеся рабочие циклы, для формирования сигнала возбуждения однополярного напряжения в разомкнутом контуре работы для приведения в действие пьезоэлектрического привода.

14. Карманное электронное устройство по п.13, в котором импульсная схема разрядки стока тока функционально подключена для обратной подачи энергии от пьезоэлектрического привода к узлу источника напряжения.

15. Карманное электронное устройство по п.14, в котором импульсная схема разрядки стока тока содержит:

переключающий транзистор разрядки, имеющий вход, функционально чувствительный ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и выход, связанный с резистивным элементом;

выходной транзистор, имеющий вход, функционально связанный с выходом переключающего транзистора разрядки; и

индуктивный элемент, функционально связанный с узлом источника напряжения и выходным транзистором.

16. Карманное электронное устройство по п.14, в котором схема зарядки включает в себя полевой транзистор, выполненный с возможностью иметь диод, и в которой импульсная схема разрядки стока тока содержит полевой транзистор, и в которой схема запуска пьезоэлектрического привода содержит индуктивный элемент, функционально связанный как с этим полевым транзистором, так и с узлом источника напряжения.

17. Карманное электронное устройство по п.16, в котором узел источника напряжения связан с напряжением источника электропитания, который питает эту схему.

18. Способ, предусматривающий:

управление приведением в действие пьезоэлектрического привода сенсорного экрана посредством генерации первого широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала для управления схемой зарядки для формирования части сигнала возбуждения однополярного напряжения и генерации второго широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала для управления импульсной схемой разрядки стока тока для управляемого извлечения пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода для формирования другой части сигнала возбуждения однополярного напряжения.

19. Способ по п.18, предусматривающий обратную подачу энергии от заряженного пьезоэлектрического привода к узлу источника напряжения.

20. Схема для управления пьезоэлектрическим приводом, содержащая: схему запуска пьезоэлектрического привода, действующую для генерации сигнала возбуждения однополярного напряжения, содержащую схему зарядки, функционально чувствительную к первому широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и схему разрядки коммутируемой индуктивности, функционально чувствительную ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу и действующую для управляемого извлечения пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода.

21. Схема по п.20, в которой схема разрядки коммутируемой индуктивности содержит:

управляющий транзистор разрядки, имеющий вход, функционально чувствительный ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и выход, связанный с выходным транзистором;

выходной транзистор, имеющий вход, функционально соединенный с выходом переключающего транзистора разрядки; и

индуктивный элемент, функционально подключенный к выходному транзистору и либо к шине источника напряжения для другой схемы, либо к заземлению.

22. Схема по п.21, в которой схема разрядки коммутируемой индуктивности включает в себя полевой МОП-транзистор с каналом р-типа, выполненный с возможностью иметь диод, подключенный как вольтодобавочный диод схемы зарядки, и в которой схема разрядки коммутируемой индуктивности содержит этот полевой МОП-транзистор с каналом р-типа с транзистором управления разрядкой стороны низкого напряжения, и в которой схема запуска пьезоэлектрического привода содержит индуктивный элемент, функционально подключенный как к этому полевому МОП-транзистору с каналом р-типа, так и к узлу источника напряжения схемы.

Описание изобретения к патенту

СВЯЗАННАЯ ЗАЯВКА, НАХОДЯЩАЯСЯ В ПРОЦЕССЕ ОДНОВРЕМЕННОГО РАССМОТРЕНИЯ

Данная заявка связана с находящейся в процессе одновременного рассмотрения заявкой, имеющей номер реестра поверенного CML03907CR, с регистрационным номером 11/590494, имеющей в качестве авторов изобретения Dai и др., с названием Electronic Device Providing Tactile Feedback , поданной 30 октября 2006 года, владельцем которой является данный правопреемник.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится, в общем, к электронным устройствам и более конкретно к портативному устройству связи, имеющему тактильную обратную связь.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Трансформирующиеся пользовательские интерфейсы будут важным аргументом проектирования для следующего поколения портативных электронных устройств. «Трансформирующийся пользовательский интерфейс» является интерфейсом, внешний вид которого изменяется с изменениями использования устройства (например, от телефона к фотоаппарату, от фотоаппарата к музыкальному проигрывателю, от музыкального проигрывателя к телефону и т.д.). Этот входной интерфейс является более простым и более понятным для использования, так как в любое данное время показаны только соответствующие контексту функции с неактивными и спрятанными элементами интерфейса, которые не связаны с текущим контекстом. Понятие трансформирующегося пользовательского интерфейса также предпочтительно включает в себя полное отсутствие обратной связи для пользователя, когда пользователь может контактировать с теми элементами пользовательского интерфейса, которые спрятаны и не активны в текущем контексте пользовательского интерфейса.

Традиционно, для обеспечения тактильной обратной связи, когда пользователи нажимают на некоторую клавишу, использовались механические куполообразные переключатели. Однако куполообразные переключатели не функционируют хорошо с трансформирующимися графическими пользовательскими интерфейсами; следовательно, тактильная чувствительность или активная обратная связь становится критическим активатором. Вращательные или линейные вибрационные двигатели могут обеспечить тактильную обратную связь типов с оптимизированными алгоритмами запуска, но их зуммероподобные колебательные профили очень отличаются от резкого механического щелчка куполообразного переключателя. С другой стороны, пьезоэлектрические приводы (исполнительные органы) могут сформировать гораздо более реалистичное ощущение щелчка, обеспечивая ощущение, что пользователь нажал реальную, физическую клавишу. Этот реалистичный щелчок может быть применен к индивидуальным поверхностям, создавая более «локальный» отклик (подобно куполообразному переключателю) в отличие от «глобального» отклика вибрационных двигателей, которые трясут все устройство.

Эта локализованная тактильная связь, которая может быть альтернативно названа «локализованной тактильной чувствительностью», посылает тактильную обратную связь к пользователю посредством перемещения части карманного устройства или частей его поверхностей. Локально приводимый в движение сенсорный экран и клавиши для перемещения являются двумя примерами локализованной тактильной чувствительности. В случае сотового телефона эта обратная связь может быть ограничена клавишей для перемещения, сенсорным экраном или кнопками на фиксирующих поверхностях телефона, например боковых поверхностях.

Один тип тактильной обратной связи описан в патенте США 6710518. Электромеханический преобразователь формирует импульс механической энергии, который распространяется через опорный выступ ко всему устройству. Этот механизм подходит для обеспечения «сигнала вызова», который колеблет все устройство, но не позволяет обеспечить выборочную обратную связь для индивидуальных местоположений ввода (клавиш, кнопок, стрелок и т.д.).

Публикации патентов США 2006/0050059 и 2006/0052143 представляют другой тип тактильной обратной связи. Один или несколько пьезоэлектрических приводов помещаются обычно в углах, под устройством ввода, которое необходимо привести в движение (например, клавиатурой или сенсорным дисплеем). Когда приложено некоторое напряжение, пьезоэлектрические приводы деформируются, либо толкая, либо вытягивая все устройство ввода в заданном направлении. В результате этого перемещения устройство дает тактильный отклик для руки или пальца пользователя, действующего в устройстве ввода. Наиболее широко используемыми для этой цели пьезоэлектрическими приводами являются либо униморфные, либо биморфные приводы (также называемые «сгибателями»). Униморфные приводы сделаны из единственного пьезоэлектрического керамического элемента, связанного с металлической прокладкой, тогда как биморфные приводы содержат металлическую прокладку, расположенную между двумя пьезоэлектрическими керамическими элементами. Сгибающее движение униморфного привода возникает под влиянием либо плоского сжатия, либо расширения пьезоэлектрического керамического элемента под приложенным электрическим полем против механического ограничения от металлической прокладки. В случае биморфного привода два пьезоэлектрических керамических элемента задействуются таким образом, что один сжимается, тогда как другой расширяется, оба в их соответствующих плоскостях, вызывая сгибающее движение. Типичным помещением сгибателей является закрепление края кругового сгибателя, или обоих краев полоскового сгибателя, на структуре основания. Центр кругового сгибателя, или середина полоскового сгибателя, который имеет максимальное смещение, обычно используется для управления механической нагрузкой, как иллюстрировано в обеих публикациях патентов США 2006/0050059 и 2006/0052143. Стоит отметить, что автономная пьезоэлектрическая керамика не может генерировать такие относительно высокие смещения; точнее, именно связанная структура пьезоэлектрического керамического элемента (элементов) и металлической прокладки делает такое высокое смещение возможным.

Требуется оптимизировать схемы запуска (возбуждения) пьезоэлектрического привода для карманных устройств. Эта схема должна быть способна возбуждать значительные емкостные нагрузки (например, 100 нанофарад) до максимальных напряжений в 100 или более Вольт с управляемыми подъемами и спадами напряжения во время использования низких напряжений электропитания (например, 3-5 В).

Известные схемы для возбуждения пьезоэлектрического привода (например, одного или нескольких пьезоэлектрических элементов) могут использовать короткие управляющие импульсы низкого напряжения для управления и формирования возбуждающего сигнала пьезоэлектрического привода таким образом, что выход в привод аппроксимирует синусоиду напряжения. Однако такие решения в известном уровне техники обычно предназначены для возбуждения пьезоэлектрического элемента двунаправленно (т.е. от большого отрицательного до большого положительного напряжения). Как таковые, эти схемы являются неоптимальными для генерации формы волны положительного напряжения, требуемой для моделирования тактильного ощущения щелчка клавиши. Они не только являются слишком сложными и дорогостоящими для реализации, но при возбуждении при достаточно высоком напряжении они могут даже деполяризовать пьезоэлектрический элемент и, таким образом, сделать пьезоэлектрические униморфные приводы неэффективными. Кроме того, были предложены решения, в которых произвольно заданные формы волн, такие как пилообразная, синус, полусинус и импульс, использовались для создания специфических тактильных эффектов, основанных на вводе пользователя; однако такие решения не дают способа генерации таких сигналов и не дают подходящего способа генерации таких сигналов при достаточно высоких напряжениях для возбуждения пьезоэлектрического униморфного привода.

Соответственно, желательно обеспечить электронные устройства, имеющие тактильную обратную связь, подобную щелчку, обеспеченную посредством тонких пьезоэлектрических устройств низкой стоимости, возбуждаемых очень простой и недорогой, но все же очень гибкой схемой запуска. Другие желаемые особенности и характеристики данного изобретения явствуют из последующего подробного описания и прилагаемой формулы изобретения, взятых в сопряжении с сопутствующими чертежами и этим уровнем техники изобретения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электронное устройство обеспечивает тактильную обратную связь, обеспеченную тонким пьезоэлектрическим устройством низкой стоимости, дающим тактильную обратную связь, эмулирующую ощущение, подобное щелчку. Электронная схема, помещенная в корпус, возбуждает пьезоэлектрический привод (приводы) в ответ на активацию пользователем устройства ввода. После считывания ввода пользователя эта схема обеспечивает форму волны напряжения для активации одного или нескольких пьезоэлектрических приводов, которые сгибают каркасную пластину и устройство ввода для эмуляции ощущения, подобного щелчку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Данное изобретение будет далее описано в соответствии со следующими чертежами, в которых одни и те же позиции обозначают одни и те же элементы:

фиг.1 является покомпонентным изображением сотового телефона в соответствии с примерным вариантом осуществления;

фиг.2 является частичным поперечным сечением, взятым вдоль линии 2-2 фиг.1, без приложения силы к пьезоэлектрическим приводам, содержащимся внутри;

фиг.3 является частичным поперечным сечением, взятым вдоль линии 202 фиг.1 с силой, приложенной к пьезоэлектрическим приводам;

фиг.4 является частичным поперечным сечением второго примерного варианта осуществления без приложения силы к пьезоэлектрическим приводам, содержащимся внутри;

фиг.5 является частичным поперечным сечением второго примерного варианта осуществления с силой, приложенной к пьезоэлектрическим приводам;

фиг.6 является графиком, иллюстрирующим сравнение ускорения механического куполообразного переключателя с пьезоэлектрическим приводом примерного варианта осуществления;

фиг.7 является блок-схемой сотового телефона, показанного на фиг.1;

фиг.8 является схемой цепи, иллюстрирующей один пример цепи для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом согласно примерному варианту осуществления;

фиг.9 и 10 иллюстрируют временные диаграммы, соответствующие управляющим сигналам, и один пример сигнала возбуждения однополярного напряжения, который может быть обеспечен схемой, показанной на фиг.8;

фиг.11 является схемой цепи, иллюстрирующей другой примерный вариант осуществления цепи для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом; и

фиг.12 является другим примером варианта осуществления цепи для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом, являясь практической оптимизацией концепции, показанной на фиг.11.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее подробное описание изобретения является не больше, чем примером по сути и не предназначено ограничивать изобретение или применение и использования изобретения. Кроме того, нет намерения ограничиться какой-либо теорией, представленной в предыдущем уровне техники изобретения или следующем подробном описании изобретения.

Электронная схема для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом включает в себя схему запуска пьезоэлектрического привода, которая включает в себя импульсную, индуктивную схему подзарядки, функционально чувствительную к первому широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу, и импульсную схему разрядки стока постоянного тока, которая функционально чувствительна ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу. Эти широтно-импульсно модулированные, управляющие сигналы могут быть такими, что рабочий цикл остается постоянным, или рабочий цикл может изменяться как функция времени. Импульсная индуктивная схема подзарядки управляемым образом добавляет предварительно заданные «пакеты» заряда в пьезоэлектрический привод, а импульсная схема разрядки стока постоянного тока управляемым образом удаляет предварительно заданные пакеты заряда из заряженного пьезоэлектрического привода. Схема запуска пьезоэлектрического привода использует предварительно заданные формы волн однополярного напряжения (например, более высокого, чем напряжение электропитания постоянного тока схемы запуска) к пьезоэлектрическому приводу, который обеспечивает тактильную обратную связь для пользователя.

В другом примере энергия от заряженного пьезоэлектрического привода (или элемента) повторно используется для зарядки, например, источника напряжения, такого как заряжаемый элемент батареи (например, конденсатор или другой подходящий элемент зарядки) или может служить в качестве источника напряжения для другой схемы, если необходимо. В одном примере множественные индукторы используются в схеме коммутатора повышения напряжения и коммутатора понижения напряжения. В другом варианте осуществления общий единственный индуктор и другие конфигурации используются для уменьшения подсчета частей, стоимости и размера схемы.

В одном примере единственный управляющий сигнал либо от основного микропроцессора, процессора клавиатуры, либо от другого соответствующего контроллера используется для обеспечения входного управляющего сигнала для пьезоэлектрической схемы запуска. Этот входной управляющий сигнал может быть преобразован в множественные управляющие сигналы, где каждый из множественных управляющих сигналов является широтно-импульсно модулированным управляющим сигналом для управления зарядкой и разрядкой энергии в один или несколько пьезоэлектрических приводов. Среди других преимуществ эта схема для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом может обеспечить малый подсчет компонентов, высокую эффективность и реализацию низкой стоимости, подлежащую использованию в карманных и портативных устройствах. Эта схема для управления пьезоэлектрическими приводами позволяет осуществить тактильную клавиатуру без необходимости в клавиатуре из механических куполообразных переключателей или других конфигураций, если необходимо. Пользователи могут почувствовать выгоду трансформирующихся клавиатур, которые изменяются в зависимости от текущего режима устройства, не отказываясь от привычного ожидаемого тактильного ощущения кнопки. Другие преимущества будут распознаны специалистами обычной квалификации в данной области техники.

В одном примере пьезоэлектрический керамический элемент или множественные пьезоэлектрические керамические элементы непосредственно связаны с опорной структурой портативных устройств, например, металлическим или пластиковым каркасом сотового телефона. Каркас сотового телефона обеспечивает структурную жесткость этому телефону и служит в качестве структурной пластины для присоединения большинства модулей и компонентов телефона. Пьезоэлектрические керамические элементы и устройство ввода, например трансформирующийся пользовательский интерфейс, связаны с противоположными сторонами этого каркаса в одном примерном варианте осуществления. После приложения электрического поля плоское сжатие или расширение пьезоэлектрических элементов вызывает локализованный изгиб каркаса и, таким образом, обеспечивает тактильную обратную связь в интерфейсе устройства ввода. Устройство ввода не толкается или вытягивается непосредственно посредством разделенных пьезоэлектрических приводов сгибателей, как описано в известном уровне техники, но является частью структуры, деформируемой (сгибаемой) интегрированными пьезоэлектрическими керамическими элементами. Движение устройства ввода скорее является изгибом, чем перемещением вверх/вниз посредством приведения в движение множественных пьезоэлектрических приводов в множественных точках. Выгода такого подхода по сравнению с известным уровнем техники состоит в том, что он не требует точного механического выравнивания приводящего в движение элемента со структурой, которая толкается или вытягивается.

В соответствии с одним примерным вариантом осуществления по меньшей мере один пьезоэлектрический привод, например пьезоэлектрический сгибатель, связан непосредственно с металлической пластиной, примыкающей к устройству ввода, для которого предназначена тактильная обратная связь. Это непосредственное размещение обеспечивает изогнутое сгибающее перемещение устройства ввода и, таким образом, обеспечивает тактильную обратную связь, включающую в себя истинную подобную щелчку клавиши тактильную обратную связь для пользователя. Это смещение устройства ввода является малым, только 1,0-30,0 микрометров. Эта простая электромеханическая структура имеет низкую стоимость и доказала свою надежность.

Пьезоэлектрические приводы одинаково способны доставлять быстрый, например 1,0-10,0 миллисекунд, отклик с высоким ускорением, например 1-100g, необходимый для моделирования откликов щелчков клавиш. Этот класс отклика позволяет осуществить выгодную замену механических куполообразных переключателей пьезоэлектрическими приводами как для сверхтонких клавиатур с уменьшенной толщиной, так и для трансформирующихся пользовательских интерфейсов. Пьезоэлектрические приводы также способны обеспечить перемещение широкой полосы частот (1-2000 Гц) в противоположность отклику фиксированной частоты резонансных электромагнитных вибрационных двигателей.

Пьезоэлектрические элементы сжимаются или расширяются в боковом направлении, а именно в их соответствующих X-Y плоскостях, когда они подвергаются воздействию электрического поля, перпендикулярного к их плоскостям, что вызывает гораздо более усиленное перпендикулярное перемещение с необходимым ограничением привязки к твердой поверхности, такой как каркас телефона. Пьезоэлектрические элементы могут возбуждаться посредством широкого диапазона форм волн для адаптации механического выхода для пользователя. Функция с высокой скоростью нарастания выходного напряжения может обеспечить наиболее высокое ускорение и подобную щелчку обратную связь. Альтернативно, множественные синусоиды могут использоваться для генерации обратной связи, которая могла бы быть охарактеризована как жужжание. Пьезоэлектрические приводы могут также работать в широком диапазоне частот, позволяя осуществить тактильные отклики широкой полосы частот. Потребление мощности пьезоэлектрических приводов обычно сравнимо или меньше потребления мощности вращательных двигателей постоянного тока. Задержка приводов (время, необходимое для линейного нарастания до полной скорости) является достаточно малым для того, чтобы позволить пользователям иметь почти мгновенный отклик в интерактивных приложениях.

Фиг.1 является покомпонентным изображением сотового телефона 100 согласно первому варианту осуществления изобретения, а фиг.2 является изображением частичного поперечного сечения, взятого вдоль линии 2-2 фиг.1. Сотовый телефон 100 является лишь одним примерным вариантом осуществления. Следует понимать, что с изобретением, описанным здесь, может использоваться любой тип портативного электронного устройства. Сотовый телефон 100 содержит переднюю часть 102 корпуса и заднюю часть 104 корпуса. Передняя часть 102 корпуса поддерживает возможную антенну (не показана) и включает в себя отверстие 108, которое вмещает трансформирующийся пользовательский интерфейс 110. Решетка 112 громкоговорителя и решетка 114 микрофона также предусмотрены на передней части 102 корпуса. В передней части 102 корпуса также обеспечено отверстие 116 дисплея, которое вмещает дисплей 118. Крышка 120 батарейного отсека предусмотрена для закрывания батарейного отсека в задней части 104 корпуса. В основном 121 батареи обеспечено отверстие (не показано) для электропроводки для соединения батареи (не показана), помещенной в батарейном отсеке 117, со схемами (не показаны) на обратной стороне 126 печатной платы 124. Прозрачная крышка 119 помещена над дисплеем 118 и устройством 110 ввода.

Передняя 102 и задняя 104 части корпуса закрывают, среди других элементов, подлежащих обсуждению, каркас 122, прикрепленный к передней части 102 корпуса. Каркас 122 содержит первую плоскую сторону 123, которая надежно размещает трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 в пределах отверстия 108 и дисплей 118 в пределах отверстия 116. Первая плоская сторона 123 каркаса 122 примыкает и находится в контакте с плоской стороной 111 устройства 110 ввода. Также в пределах передней 102 и задней 104 частей корпуса заключена печатная плата 124. Множество компонентов электрической цепи (не показаны), которые составляют одну или несколько электрических схем сотового телефона 100, смонтированы на обратной стороне 126 печатной платы 124. Схемы сотового телефона 100 более полно описываются ниже со ссылкой на функциональную блок-схему, показанную на фиг.6.

Каждое контактное устройство 132 включает в себя основание 134, прикрепленное к печатной плате 124 посредством припоя (solder float), и ручки 136, которые пропускаются через отверстия 138 в печатной плате 124 для создания электрического контакта с каждым из пьезоприводов 142. Контактные устройства дополнительно соединены со схемами (не показаны) на печатной плате 124. Контактные устройства 132 содержат проводящий материал, такой как металл, и в примерном варианте осуществления содержат металл, имеющий силу упругости, или крутящий момент для приложения силы на пьезоприводы 142.

Слой 144 майлара (фиг.2) может быть присоединен при помощи адгезива между основанием 121 батареи задней части 104 корпуса и контактными устройствами 132. Между печатной платой 124 и слоем 144 существует воздушный зазор 152. Контактное устройство 132 осуществляет контакт с пьезоэлектрическими приводами 142, возможно через металлический контакт 146, который предпочтительно является золотым. Контактное устройство 132 может прикладывать силу упругости (как показано) к металлическому контакту 146 для улучшенной проводимости. В соответствии с примерным вариантом осуществления пьезоэлектрические приводы 142 размещены непосредственно на второй плоской стороне 125 каркаса 122, который осуществляет контакт с трансформирующимся пользовательским интерфейсом 110. Каркас 122 и трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 размещены смежно таким образом, что изгиб каркаса 122 изгибает трансформирующийся пользовательский интерфейс 110.

Фиг.2 показывает один примерный вариант осуществления того, как трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 прикреплен посредством соединения с передней частью 102 корпуса, и прозрачная крышка 119 соединена в пределах углубления на передней части 102 над трансформирующимся пользовательским интерфейсом 110 и дисплеем 118. Этот пример является лишь одним способом, которым трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 может быть прикреплен в пределах передней части 102 корпуса. Другие примеры могут включать в себя, например, механические соединения. Когда в трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 осуществлен ввод, например, нажатием на показанную пиктограмму, генерируется сигнал, например, от датчика (не показан), который распознает движение, или от схем, которые распознают электронный сигнал, генерируемый этим вводом. Этот сигнал посылается к контактным устройствам 132, которые активируют пьезоэлектрические устройства 142. Движение сгибания пьезоэлектрических устройств 142 передается через каркас 122 к трансформирующемуся пользовательскому интерфейсу 110 (фиг.3). Поскольку трансформирующийся пользовательский интерфейс 110 закреплен на своей периферии, а не в центре, это приводит к движению сгибания трансформирующегося пользовательского интерфейса 110.

Второй примерный вариант осуществления, показанный на фиг.4, включает в себя пьезоэлектрические приводы 142, размещенные в пределах выемок каркаса 122 и непосредственно напротив устройства 110 ввода. Проводящий связывающий материал (не показан) размещен между устройством ввода и пьезоэлектрическими приводами 142 для соединения их вместе и передачи энергии пьезоэлектрическим приводом 142. Фиг.5 иллюстрирует второй примерный вариант осуществления с энергией, приложенной к пьезоэлектрическим приводам 142, и результирующим изгибом каркаса 122, устройства 110 ввода и прозрачной крышки 119.

Фиг.6 иллюстрирует сравнение кривой ускорения в зависимости от времени механического куполообразного переключателя 502 с пьезоэлектрическим приводом 504, описанным здесь. Эти кривые являются очень схожими. Основной характеристикой профиля ускорения является высокое максимальное ускорение, 1-100 g, в относительно короткий период времени (<10 мс). Высокочастотный компонент в кривой ускорения связан со звуком, сопутствующим тактильному ощущению щелчка.

Фиг.7 является блок-схемой сотового телефона 100, показанного на фиг.1-3, согласно первому варианту осуществления изобретения. Сотовый телефон 100 содержит трансивер 602, процессор 604, аналого-цифровой преобразователь (A/D) 606, декодер 608 ввода, память 612, драйвер 614 дисплея, цифроаналоговый преобразователь (D/A) 618 и пьезоэлектрические приводы 142, все соединены вместе через шину 620 цифрового сигнала. Модуль 602 трансивера соединен с антенной 106. Несущие сигналы, которые модулируются данными, например, цифровым образом кодированные сигналы для приведения в действие цифровым образом кодированного речевого аудио, проходят между антенной 642 и трансивером 602.

Устройство 110 ввода связано с декодером 608 ввода. Декодер 608 ввода служит для идентификации нажатых клавиш, например, и передачи информации, идентифицирующей каждую нажатую клавишу, процессору 604. Драйвер 614 дисплея соединен с дисплеем 626.

D/A 618 соединен через аудиоусилитель 632 с громкоговорителем 634 и вибрационным двигателем 635. D/A 618 преобразует декодированное цифровое аудио в аналоговые сигналы и приводит в действие громкоговоритель 634 и вибрационный двигатель 635. Аудиоусилитель 632 может содержать множество усилителей, каждый из которых возбуждает отдельную комбинацию громкоговоритель/вибрационный двигатель.

Память 612 также используется для хранения программ, которые управляют вариантами работы сотового телефона 100. Память 612 является разновидностью считываемого компьютером носителя.

Трансивер 602, процессор 604, A/D 606, декодер 608 ввода, память 612, драйвер 614 дисплея, D/A 618, аудиоусилитель 632 и шина 620 цифровых сигналов воплощены в компонентах 124 электрической схемы и в межсоединениях печатной платы, показанной на фиг.1.

Фиг.8 иллюстрирует схему 800 для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом 142, и в этом примере показано, что она включает в себя пьезоэлектрический привод 142, содержащий множество пьезоэлектрических приводов или элементов. Схема 800 для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим приводом включает в себя пьезоэлектрическую схему 802 запуска, которая генерирует по меньшей мере один сигнал возбуждения однополярного напряжения, также называемый V _out, в узле 804. На практике множественные сигналы возбуждения однополярного напряжения могут быть использованы последовательно для обеспечения тактильной обратной связи. В одном предпочтительном варианте осуществления этот сигнал возбуждения напряжения может быть поднятой на один цикл косинусной волной. Однако также могут использоваться другие подходящие формы волн, если необходимо. Уровнем напряжения может быть любой подходящий уровень, как в одном примере это может быть 100-120 В. Однако он может быть ниже или выше в зависимости от применения. Схема 802 запуска пьезоэлектрического привода, которая генерирует сигнал возбуждения напряжения (пример, показанный на фиг.9), включает в себя схему коммутатора повышения напряжения или схему 806 зарядки, схему коммутатора понижения напряжения или импульсную схему 808 разрядки стока тока и схему 810 генерации управляющего сигнала, которая принимает входной управляющий сигнал 812, например, от процессора клавиатуры или другого подходящего процессора 604, указывающий, что устройство запросило генерацию тактильной обратной связи с использованием пьезоэлектрического привода 142. Как отмечалось выше, это может быть сделано, например, в ответ на детектирование пальца пользователя сенсорным экраном или другим активируемым прикосновением элементом, известным в данной области техники. В этом примере схемой 810 генерации управляющего сигнала является тактовый генератор, как, например, микроконтроллер PIC10F202, но не ограниченный этим, или любая другая подходящая схема генерации управляющего сигнала, которая принимает управляющий сигнал 812 и генерирует множество широтно-импульсно модулированных управляющих сигналов 816 и 818. Схема 806 зарядки функционально связана с напряжением электропитания (например, 5 Вольт или любым другим подходящим напряжением), и схема 810 генерации управляющего сигнала может снабжаться тем же самым или другим напряжением электропитания. В этом примере используется другое напряжение питания, которое равно 2,8 В. Один или несколько конденсаторов 820 фильтра могут быть соответствующим образом связаны с напряжениями питания, как это желательно.

Схема 802 запуска пьезоэлектрического привода генерирует сигнал V_out возбуждения напряжения в узле 804. Индуктивная схема 806 подзарядки является чувствительной к первому изменяющемуся широтно-импульсно модулированному сигналу 816 и управляемым образом добавляет предварительно заданные пакеты заряда в пьезоэлектрический привод 142, и импульсная схема 808 разрядки стока постоянного тока является чувствительной ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу 818 и управляемым образом извлекает предварительно заданные пакеты заряда из заряженного пьезоэлектрического привода 142 после того, как он был заряжен индуктивной схемой 806 подзарядки. В этом примере схема 810 генерации управляющих сигналов формирует первый и второй широтно-импульсно модулированные управляющие сигналы 816 и 818, которые формируют сигнал возбуждения напряжения для приведения в действие пьезоэлектрического привода 142. Этот способ работы является разомкнутым и формирует желаемую форму волны возбуждения напряжения для приведения в действие пьезоэлектрических элементов с использованием минимального числа компонентов, облегченного посредством того факта, что выходная форма волны и управляющие сигналы для ее формирования являются предварительно заданными. Специалистам в данной области техники будет также ясно, что схема 810 тактовой генерации может быть замкнута от узла 804 Vout, если также не от индуктивного узла подзарядки питания, подключенного к индуктору 826, для динамической регулировки рабочих циклов управляющих сигналов 816 и 818 в формировании желаемой формы волны в Vout 804, таким образом, осуществляется работа в замкнутом цикле.

Со ссылкой обратно на фиг.8, в этом примере, схема 806 зарядки включает в себя полевой МОП-транзистор 822 с каналом n-типа, имеющий резистор 824, функционально соединенный через затвор и сток, и индуктор (такой как индуктор 826 в 100 микрогенри), соединенный между напряжением питания и стоком транзистора 822. Резистор 824 является до некоторой степени необязательным и используется для гарантии того, что полевой МОП-транзистор 822 с каналом n-типа остается неактивным, когда иным образом активно не возбуждается тактовым генератором 810, чтобы ненужный ток не извлекался из источника питания к индуктору, когда схема предполагается быть неактивной. Схема 806 зарядки также включает в себя диод 828, функционально подключенный между стоком или выходом транзистора 822 и выходным узлом 804 Vout, который также связан с импульсной схемой 808 разрядки стока тока. В этом примере схемой разрядки стока тока является схема разрядки стока постоянного тока. Также специалистам в данной области техники будет понятно, что полевой МОП-транзистор 822 с каналом n-типа мог бы быть любым другим электрически управляемым переключающим устройством, таким как NPN биполярный плоскостной транзистор. Однако полевой МОП-транзистор с каналом n-типа обычно будет предпочтительным; так как такие устройства обычно требуют меньше усилия возбуждения от тактового генератора 810, таким образом, их легче возбудить и они являются более эффективными по мощности в целом.

В этом примере импульсная схема 808 разрядки стока постоянного тока включает в себя биполярный транзистор 830, имеющий вход, который включается вторым широтно-импульсно модулированным управляющим сигналом 818, и включает в себя резистор 832 эмиттера, подключенный, как показано. Выход транзистора 830 соединен с пьезоэлектрическим приводом 142 и диодом 828 и формирует спадающую часть сигнала возбуждения напряжения для включения пьезоэлектрического привода 142, для управляемого удаления предварительно заданных пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода. Выход транзистора 822 и схема 806 зарядки используются для зарядки пьезоэлектрического привода 142 для формирования поднимающейся части сигнала возбуждения напряжения. Будет ясно, что описанными транзисторами могут быть любые подходящие транзисторы, зависящие от применения, включающие в себя полевые или биполярные транзисторы, например. Действительно, транзистор 830 мог бы быть вместо этого полевым МОП-транзистором с каналом n-типа, но напряжение эффективной активации NPN биполярного транзистора меньше, чем напряжение эффективной активации полевого МОП-транзистора с каналом n-типа, ~0,7 В, а не 1,2 В, и проявляет значительно меньшую вариацию от части к части и меньшую вариацию в зависимости от температуры и нагрузки, так что NPN биполярный плоскостной транзистор является предпочтительным для наиболее согласованной работы стока постоянного тока.

В качестве вариации примерной реализации, показанной на фиг.8, резистор 832, который устанавливает ток импульсного стока постоянного тока, подключен к регулируемой шине источника низкого напряжения для другой схемы, а не просто подключен к заземлению, при условии, что второй управляющий сигнал 818 достигает верхнего напряжения, которое является по меньшей мере суммой более низкого напряжения шины источника и падений напряжения через транзистор 830 стока и резистор 832 установки тока. Таким образом, заряд, удаленный из пьезоэлектрического привода через импульсный сток 808 постоянного тока, повторно используется для подачи энергии в другую часть устройства, что улучшает эффективность полной энергии устройства. В качестве примера изменение значения резистора 832 установки тока от 330 Ом до 150 Ом и подключение его к шине источника низкого напряжения, а не к заземлению позволяет разрядить заряд, удаленный из пьезоэлектрического привода 142, в регулируемое электропитание ядра 1.15 В ЦП, а не просто разрядить этот заряд в заземление, даже без необходимости повторного масштабирования последовательности рабочих циклов, представленных схемой тактового генератора.

В одном предпочтительном варианте осуществления, как показано на фиг.9, V_out, сигнал возбуждения однополярного напряжения является поднятым косинусным сигналом 904 возбуждения, который приводит в действие пьезоэлектрический привод 142. При работе схема фиг.8 использует единственный входной управляющий сигнал 812 для формирования двух широтно-импульсно модулированных выходов, а именно управляющих сигналов 816 и 818, как показано на фиг.10. Однако может использоваться любое подходящее число управляющих сигналов. В этом примере схема 810 генерации управляющих сигналов формирует первый широтно-импульсно модулированный управляющий сигнал и второй широтно-импульсно модулированный управляющий сигнал 816 и 818 как управляющие сигналы изменяющегося рабочего цикла для обеспечения относительно короткого периода времени начального подъема, показанного областью 900, и относительно короткого периода времени 902 падения как части единственного завершенного поднятого косинусного сигнала возбуждения. Например, приблизительно 170 импульсов при 100 килогерцах и изменяющиеся рабочие циклы могут потребоваться, чтобы спровоцировать увеличение генерируемого поднятого косинусного сигнала возбуждения от 5 вольт до 100 вольт приблизительно за 1,7 миллисекунд. Генерация поднимающейся и спадающей частей сигнала 904 возбуждения выполняется с использованием последовательности рабочих циклов посредством зарядки схемы 806 зарядки с использованием широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала 816 в такой последовательности, как последовательность рабочих циклов 10%, 30%, 60%, 80, 80%, 80%, 80%, 80%. Разрядка пьезоэлектрического привода может быть осуществлена с использованием широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала 818 в такой последовательности, как последовательность рабочих циклов 0%, 20%, 40%, 70%, 70%, 40%, 20% и 20% для формирования спадающей части или части разрядки сигнала возбуждения. Цикл разрядки извлекает пакеты заряда из заряженного пьезоэлектрического привода 142 посредством переключения стока 808 постоянного тока в эту схему через второй широтно-импульсно модулированный управляющий сигнал 818, как только максимальное напряжение достигнуто, и пульсирование возбуждения остановлено. Использование схемы разрядки, показанной, например, на фиг.10, дает точный контроль над мгновенной скоростью разрядки, подлежащей достижению в приближенном сигнале возбуждения. Предпочтительно сток 808 постоянного тока не должен быть активным в этой схеме во время пульсирующей фазы подзарядки, так как это может препятствовать, частично или полностью, иным образом достижимого времени подъема.

Фиг.11 иллюстрирует другой пример схемы для управления пьезоэлектрическим приводом 142, которая использует индуктивную коммутируемую схему 1112 разрядки для обеспечения эффективного возврата энергии из пьезоэлектрических приводов 142 обратно, например, в шину источника энергии, через обратный путь 1102. В этом примере схема 1104 зарядки или коммутатор повышения напряжения включает в себя индуктор 1106 и полевой МОП-транзистор 1108 с каналом n-типа, как показано. Диод 1110 служит для регулировки направления заряда в пьезоэлектрический привод 142. Коммутатор понижения напряжения или схема 1112 разрядки включает в себя полевой МОП-транзистор 1114 с каналом n-типа, нагрузочный резистор 1116, полевой МОП-транзистор 1118 с каналом p-типа, диод 1119 и другой индуктор 1120, подключенный, как показано. Конденсатор 1130 зарядки может быть заряжен посредством обратной связи энергии, разряжаемой из пьезоэлектрического привода 142. Так же, как показано, заряжаемая батарея 1132 или другая схема может быть подключена для получения энергии, обеспеченной посредством схемы 1112 разрядки через обратный путь 1102. Эта коммутируемая индуктивная схема разрядки, также обычно известная как «коммутатор понижения напряжения», делает полную схему более эффективной посредством возврата значительной части энергии, приложенной к пьезоэлектрическому приводу 142, либо назад к батарее источника питания или к шине электропитания, либо альтернативно, к другой шине электропитания для использования другой частью электронного устройства.

Коммутируемая индуктивная схема 1112 разрядки подключена для обратной подачи энергии от пьезоэлектрического привода 142 к узлу источника напряжения, такого как батарея, конденсатор или другая схема. Коммутируемая индуктивная схема 1112 разрядки включает в себя транзистор 1114 переключения разрядки, который является чувствительным ко второму широтно-импульсно модулированному управляющему сигналу 818 и имеет выход, соединенный с элементом 1116 сопротивления. Индуктивный элемент 1120 соединен с узлом источника напряжения и выходным транзистором 1118. Диод 1119 соединен с выходным транзистором 1118 и индуктивным элементом 1120. Будет ясно, что последовательность рабочих циклов второго управляющего сигнала 818 отличается в ее точном составе от той последовательности, которая использовалась для управления импульсной схемой 808 стока постоянного тока.

В то время как схема, показанная на фиг.11, используется в основном для описания этой концепции более понятно, фиг.12 иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления схемы для управления пьезоэлектрическим приводом 1200, которая, опять же, повторно использует энергию от заряженного пьезоэлектрического привода 142 обратно к шине напряжения питания или перезаряжаемой батарее, которая используется для подачи энергии в эту схему. Одним преимуществом схемы, показанной на фиг.11, является то, что повторно используемая энергия может быть передана для использования другой схемой через другую маршрутизацию пути 1102.

Как показано на фиг.12, единственный индуктор 1202 может быть использован вместо двух индукторов 1106 и 1120, и единственный полевой МОП-транзистор 1204 с каналом p-типа используется для замены вольтодобавочного диода 1110 и переключателя 1118 полевого МОП-транзистора с каналом p-типа. Диод транзистора 1204, таким образом, используется как вольтодобавочный диод 1110 схемы усиления. Будет ясно, что схемы, описанные здесь, могут быть реализованы в интегральной схеме, множественных интегральных схемах или любым подходящим образом. Эта схема также включает в себя управляющий транзистор 1206 зарядки, а также управляющий транзистор 1208 разрядки со сдвигом уровня, соединенный с полевым МОП-транзистором 1204 с каналом p-типа стороны высокого напряжения, как показано. Нагрузочный резистор 1214 функционально соединен с транзистором 1208 и переключающим транизистором 1204 стороны высокого напряжения. Если желательно, также может использоваться другой возможный элемент 1218 сопротивления; опять же, для препятствования непреднамеренной работе вольтодобавочного полевого МОП-транзистора 1206 с каналом n-типа. В фазе разрядки схемы он работает в качестве «коммутатора понижения направления», чтобы энергия от пьезоэлектрического привода 142 могла быть затем возвращена к ее источнику 1230 через тот же самый индуктор 1202, через который эта энергия от этого источника сначала поступила. Опять же, как отмечалось, диод основной части полевого МОП-транзистора с каналом p-типа используется в качестве вольтодобавочного диода для зарядки пьезоэлектрического привода 142 под управлением широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала 816 и транзистора 1206. Схема запуска включает в себя индуктивный элемент 1202, который соединен как с переключающим полевым транзистором 1204 стороны высокого напряжения, так и с узлом источника напряжения, показанным как 1230.

Среди других преимуществ схема, показанная на фиг.12, может использовать меньшее число компонентов по сравнению с числом компонентов фиг.11. Кроме того, схемы фиг.11 и 12 могут эффективно улучшить общую эффективность посредством возможности повторной передачи пьезоэлектрической энергии обратно к шине батареи или любому другому подходящему узлу источника напряжения, если это желательно.

Вышеприведенные схемы могут использоваться, например, как часть клавиатуры, которая включает в себя сенсорный экран, который включает в себя пьезоэлектрический привод, который соответствующим образом соединен с другими механическими механизмами, как описано, например, выше, которые действуют для обеспечения тактильной обратной связи в ответ на контакт пользователя с сенсорным экраном. Карманное электронное устройство, как, например, сотовый телефон или другое электронное устройство, как отмечено выше, может включать в себя беспроводные телефонные схемы, известные в данной области техники, и клавиатуру, соединенную с этими беспроводными телефонными схемами, как известно в данной области техники, и может включать в себя любую из этих схем (или любую подходящую их комбинацию), описанных выше, для формирования уникального устройства относительно низкой стоимости и высокой надежности. Другие преимущества будут распознаны специалистами обычной квалификации в данной области техники.

Кроме того, некоторый способ включает в себя управление приведением в действие пьезоэлектрического привода сенсорного экрана посредством генерации первого широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала 816 для управления схемой 806 зарядки для формирования части (повышения) сигнала 904 возбуждения напряжения и генерации другого широтно-импульсно модулированного управляющего сигнала 818 для управления импульсной схемой 804 разрядки стока тока для управляемого извлечения предварительно заданных пакетов заряда из заряженного пьезоэлектрического привода для формирования другой части сигнала возбуждения напряжения (например, спадающей части).

Хотя по меньшей мере один примерный вариант осуществления был представлен в предыдущем подробном описании изобретения, следует понимать, что существует огромное число вариаций. Следует также понимать, что примерный вариант осуществления или примерные варианты осуществления являются только примерами и не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации изобретения каким-либо образом. Скорее, предыдущее подробное описание снабдит специалистов в данной области техники подходящей последовательностью действий для реализации примерного варианта осуществления, причем ясно, что различные изменения могут быть сделаны в функции и компоновке элементов, описанных в примерном варианте осуществления, не выходя за рамки объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.