專利名稱:可重新配置的觸覺傳感器輸入設(shè)備的制作方法
可重新配置的觸覺傳感器輸入設(shè)備
背景技術(shù):
0001本發(fā)明總體上涉及可重新配置輸入設(shè)備。特別是,本發(fā)明的輸
入設(shè)備利用了觸覺傳感器技術(shù),而同時(shí)允許設(shè)備根據(jù)其特定應(yīng)用的需要 改變其功能。 一個(gè)獨(dú)特有利的實(shí)施例,觸覺輸入設(shè)備能夠同時(shí)測量多位 置的接觸位置和壓力,同時(shí)能增加命令的無故障運(yùn)行。在另一個(gè)實(shí)施例 中,根據(jù)傳感器的壓縮向使用者提供觸覺反饋,確認(rèn)命令輸入的成功完
成。本發(fā)明設(shè)備的應(yīng)用范圍從適應(yīng)消費(fèi)者產(chǎn)品,如移動(dòng)電話、PDA、便 攜式音頻和視頻插^文器(如Apple電腦流行的iPod產(chǎn)品系列)和其他便 攜式電子設(shè)備,到工業(yè)和機(jī)器人的使用。
0002兩維(X,Y)可重新配置輸入設(shè)備測量顯示屏上觸點(diǎn)的已廣為人 知。他們由一個(gè)接觸矩陣組成,能探測矩陣的每個(gè)單元中的電子信號(hào)存 在或不存在。典型地,這些輸入設(shè)備制作清晰,以至于他們能覆蓋硬質(zhì) 輸出顯示屏。在大屏幕中使用這種配置是優(yōu)秀的,顯示屏能顯示大的按 鈕,不會(huì)被使用者的手與輸入設(shè)備相互作用而阻隔。
0003然而,對于小的、便攜式電子設(shè)備,例如移動(dòng)電話和PDA,人 的手指相對于小尺寸顯示屏來說太大。由于這個(gè)問題,許多設(shè)備提供了 觸控筆作用于觸摸屏,使用它將花去更多的時(shí)間,很難操作并且容易丟 失。
0004經(jīng)常用于輸入設(shè)備的另一類設(shè)備是接近傳感器。這些設(shè)備能感 應(yīng)到電導(dǎo)體特性的存在,例如發(fā)現(xiàn)人的指尖靠近輸入設(shè)備。然而,他們 容易受環(huán)境變化的影響,不能作用于非導(dǎo)電目標(biāo),例如戴著手套的人。 這類設(shè)備不能測量接觸壓力,因此不能一致表達(dá)用戶的意圖。從而用戶與這些設(shè)備的相互作用是有限的。
0005已知電容傳感器可作為輸入設(shè)備使用,例如在由Matzke申請的 美國專利號(hào)4,736, 191中進(jìn)行描述。此專利描述了一接觸墊作為圓形電 容接近傳感器,作為電腦的非重新配置輸入設(shè)備使用。
0006Boie申請的美國專利號(hào)5,463,388描述了鼠標(biāo)或鍵盤輸入工具, 其根據(jù)測量因傳導(dǎo)和潮濕目標(biāo)的臨近效應(yīng)引起電容變化,例如人手,作 為計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。
0007Seely的美國專利號(hào)6,188,391和Miller的美國專利號(hào)5,648,642 表明了兩層電容接觸墊制作為接近傳感器的另一實(shí)施例,它由絕緣材料 反面上的導(dǎo)電極組成。在相關(guān)的專利中,Miller的美國專利號(hào)5,841,078 討論了壓力傳感,但是顯示的方法是根據(jù)指尖接觸區(qū)域隨著壓力增加而 增加進(jìn)行壓力測定的間接方法。
0008Westerman的美國專利號(hào)6,888,536描述了使用 一接近傳感器陣 列同時(shí)跟蹤多個(gè)手指和手掌接觸點(diǎn)的傳感器。這種設(shè)備用于進(jìn)行多功能 處理,例如打字、指針移動(dòng)和姿勢辨認(rèn)。已披露的發(fā)明使用要求每個(gè)傳 感器元件有四個(gè)連接的接近傳感器,并將相應(yīng)的電路放置在像素水平
(pixel level)上。Westerman描述了測量壓力和接近效應(yīng)的能力,但是 不能描述兩種效應(yīng)怎樣分離。
0009基于可互換鍵盤和視頻顯示的可重新配置輸入設(shè)備在Kaplow的 美國專利號(hào)4,202,041中已知,例如,描述了根據(jù)語言和功能要求能動(dòng)態(tài) 改變按鈕外觀的輸入鍵盤。然而,使用傳統(tǒng)離散電子開關(guān)生產(chǎn)個(gè)別按鈕 費(fèi)用是昂貴的。Kubes的美國專利號(hào)6,035, 189和5,877695描述了裝入到 移動(dòng)電子設(shè)備中的電致發(fā)光(EL)驅(qū)動(dòng)器,能促使矩陣排列顯示不同的 警告、模式和圖像。這些專利提及到將觸摸輸入設(shè)備放置到EL顯示屏下, 但是沒有詳細(xì)說明觸摸傳感器的細(xì)節(jié)。
0010Benson的美國專利號(hào)6,888,537描述了輸入設(shè)備發(fā)輸出信號(hào), 將沿施加的力(Z)的接觸位置(X,Y)合并到一打印的表中,使得開關(guān)在不同的應(yīng)用中運(yùn)行。該發(fā)明的描述顯示了泡沫型可壓縮材料作為適應(yīng) 的絕緣體材料工作,但是實(shí)際上這種泡沫在小型、便攜式電子設(shè)備中作 為輸入設(shè)備使用不能變得足夠薄。
0011Ward的美國專利號(hào)6,824,321描述了一普通的X,Y接觸傳感器 與多層EL顯示屏結(jié)合,能使其在多模式中工作。EL顯示屏放置在觸摸 傳感器的后面,要求觸:^莫傳感器基本清晰。然而,觸摸傳感器受到多點(diǎn) 接觸的干擾,不能提供接觸力的信息。
0012最后,Speeter的美國專利號(hào)No 5,479,528描述了使用觸覺傳感 器和IC (集成電路)鑒別用戶的規(guī)模,重新定位一虛擬輸入設(shè)備,例如 鍵盤和鼠標(biāo),到最優(yōu)位置上。
0013對于可重新配置輸入設(shè)備來說存在這樣的需求,能同時(shí)提供傳 感器整個(gè)表面上的位置和壓力信息,以便在設(shè)計(jì)用戶控制界面(CUI)時(shí)能 提供更好的適應(yīng)性。對于輸入設(shè)備也存在需求,能探測多位置上接觸的 清晰位置和壓力,以改善用戶命令的無誤處理。
發(fā)明概要
0014在以下段落中,沒有特別說明,術(shù)語"傳感器,,和"傳感器陣 列"指單個(gè)傳感元件的陣列和一個(gè)或多個(gè)任意放置的傳感器元件的集 合。
0015本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),提供一種基于觸 覺傳感器陣列的新穎的可重新配置輸入設(shè)備,能夠在多位置并同時(shí)測量 接觸的位置和壓力。
0016本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種獨(dú)立硬質(zhì)或柔性觸覺傳感器, 集成一薄的、可壓縮絕緣體結(jié)構(gòu),用于分離電極層,其可作為可重新配 置輸入設(shè)備使用。
0017本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種觸覺傳感器,通過將電極層 集成到電路布置中,集成到現(xiàn)有硬質(zhì)或柔性電路板設(shè)計(jì)中。0018本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種被一柔性顯示裝置覆蓋的觸 覺傳感器,例如場致發(fā)光或有機(jī)LED燈。
0019本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種由混合信號(hào)IC控制的可重新 配置觸覺傳感器輸入設(shè)備,能作為主控制器或從屬的外圍設(shè)備運(yùn)行。
0020本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種獨(dú)立觸覺傳感器陣列,具有 電容傳感器表面相似的硬度,傳感器安裝在硬質(zhì)基板并被柔性顯示裝置 覆蓋,例如EL顯示屏。
0021本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可重新配置觸覺傳感器輸入 設(shè)備,該設(shè)備由測量混合信號(hào)IC電容控制。
0022本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種適合于作為可重新配置輸入 設(shè)備使用的電容傳感器,傳感器集成一薄的絕緣層使得一個(gè)電極層和另 一個(gè)電極層分離。
0023本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可重新配置輸入設(shè)備,具有 觸覺反饋特征,反々赍給用戶以確認(rèn)輸入命令的完成。
0024本發(fā)明是基于電容傳感器的新穎設(shè)計(jì)。為對于消費(fèi)者電子市場 具有實(shí)際價(jià)值,生產(chǎn)的輸入設(shè)備須是便宜的,并且尺寸為薄的,以便適 合于小型、便攜式電子設(shè)備,例如移動(dòng)電話。為達(dá)到此目標(biāo),在第一和 第二電極層間使用新穎設(shè)計(jì)的絕緣分離層。這種分離層由用可壓縮聚合 體材料制作的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成,在外形上它形成了相鄰的氣包,容許在使 用期間結(jié)構(gòu)能壓縮。這種可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)(CDS)然后放置在電極層間。與 更多傳統(tǒng)泡沫層相反,在最薄的形態(tài)中它甚至仍然是相對厚的,這種新 穎的方法容許CDS的使用,從而整個(gè)傳感器,在制造后是相當(dāng)薄的。在 一些實(shí)施例中,可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)在一定極限壓力下彎曲,以向用戶提供 觸覺反饋。
0025超出傳統(tǒng)觸覺傳感器的另一個(gè)延伸是在硬質(zhì)基板上安裝傳感器。 雖然傳統(tǒng)觸覺傳感器是靈活的,并對兩邊的壓力是敏感的,但是此發(fā)明 的傳感器可以僅對來自于一邊敏感,另一邊安裝在基板的硬質(zhì)表面,將薄觸覺傳感器連接到硬質(zhì)體上,或使用硬質(zhì)基板構(gòu)建一個(gè)電極層。這種 結(jié)構(gòu)使該發(fā)明作為輸入設(shè)備更有效,同時(shí)調(diào)節(jié)性設(shè)計(jì)仍要求有柔性觸覺 傳感器。這種結(jié)構(gòu)也容許更容易將觸覺傳感器集成到電路中,可以使用 標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板以形成石更質(zhì)基板和電極。
0026另 一個(gè)創(chuàng)新是采用混合信號(hào)(模擬的和數(shù)字的)IC作為控制器, 作為觸覺傳感器的輸入設(shè)備的可重新配置功能。使用混合信號(hào)IC能測量 薄的,廉價(jià)的觸覺傳感器的電容,使得本新穎經(jīng)濟(jì)的可行的輸入設(shè)備創(chuàng) 造,具有廣泛新穎功能(包括但不限于,除了傳統(tǒng)的X,Y位置信息,壓 力測量作為第三變量),這在多個(gè)產(chǎn)業(yè)上是十分有用的,包括消費(fèi)電子產(chǎn)
口口 Q
0027以上筒要描述的傳感器可以作為具有單獨(dú)顯示屏的輸入設(shè)備, 這種傳感器與在傳感器上的廉價(jià)的、柔性顯示裝置的組合對于小尺寸消 費(fèi)電子應(yīng)用來說更為有用,例如移動(dòng)電話和PDA。例如,安裝在所述傳 感器頂部的場致發(fā)光(EL)、 e-ink或有機(jī)LED顯示屏能顯示獨(dú)特的控制覆 蓋圖,能與傳感器的輸入模式組合匹配。
附圖的簡要描述
0028本發(fā)明的更全面的描述和其各種優(yōu)點(diǎn)可通過以下詳細(xì)的描述獲 得,在這些描述中同時(shí)參考了附圖
圖l是本發(fā)明的觸覺傳感器的最基本設(shè)計(jì)的總體視圖,其使用觸控筆將 壓力應(yīng)用在傳感器上。
圖2A和2B是本發(fā)明的傳感器的第一個(gè)有用實(shí)施例的具有放大局部的俯
視和側(cè)視圖,其具有不連續(xù)的電極,能作為可重新配置鍵區(qū)。
圖3A和3B是本發(fā)明的傳感器的第二個(gè)有用實(shí)施例的具有放大局部的俯
視和側(cè)視圖,集成了相互連接的不連續(xù)的電極的矩陣。
圖4A和4B是本發(fā)明的傳感器的第三個(gè)有用實(shí)施例的具有放大局部的俯
視和側(cè)-現(xiàn)圖,其具有重疊的電極帶,形成電容觸覺傳感器陣列。圖5顯示了本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)例的側(cè)視圖,顯示了在傳感器上的柔性顯 示裝置和安裝在附件的IC。
圖6A至6D顯示了多節(jié)柔性顯示裝置的多種光圖像的正視圖,顯示了可 重新配置輸入設(shè)備的各種運(yùn)行模式。
圖7顯示了適合于更好的電子連接的重疊電極的各種設(shè)計(jì);最后
圖8A至C顯示了可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的若干可能設(shè)計(jì),在超過預(yù)定極限壓
力時(shí)彎曲,以向用戶提供觸覺反饋。
本發(fā)明首選實(shí)施例的詳細(xì)描述
0029本發(fā)明的詳細(xì)描述須遵循附圖上的參考內(nèi)容,相似的元件使用 相似的字母和標(biāo)號(hào)。
0030
圖1顯示了本發(fā)明的傳感器設(shè)備100的最基本構(gòu)造。所有的電 容傳感器具有被可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)分離的第一電極和第二電極層。在此情 形下,第一電極層101可以由分離的硬質(zhì)基板(未顯示)支撐或在第一 位置上被制成硬質(zhì)的。第二柔性電極組件103通過可壓縮電極結(jié)構(gòu)102
(兩個(gè)電極層的電連接裝置未顯示)懸掛在遠(yuǎn)離第一電極層101的位置 上。該層的設(shè)計(jì)的新穎之處在該層中它不是由固體材料制成的,例如在 普通已知觸覺傳感器中使用的傳統(tǒng)泡沫。當(dāng)泡沫集成到可壓縮空氣包, 非常薄的泡沫層能釋放其壓縮性。此外,生產(chǎn)薄泡沫層是非常困難的。 市場上可用的最薄泡沫材料厚度約為0.031英寸,對于此發(fā)明來說它太厚 了。
0031對于小尺寸消費(fèi)者電子設(shè)備,例如移動(dòng)電話,有從第二電極層 分離出第一電極層的裝置是非常重要的,其可進(jìn)行可靠的和簡單的生產(chǎn)。 根據(jù)本發(fā)明,具有幾何元件的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)以重復(fù)的方式通過一個(gè)電 極層的整個(gè)表面并在其中間留下空間,所述幾何元件例如帶子、柱、多 邊形、曲線、點(diǎn)等。圖1中以截面顯示的元件106由可壓縮絕緣材料支 撐的,例如硅樹脂、橡膠或熱塑性塑料人造橡膠等,用膠帶或薄層液體粘膠連接到101上。重要的是,在傳感器裝配后,分離結(jié)構(gòu)元件間的空 間105自然地充滿空氣。當(dāng)帶有觸控筆104或任何其他物體的第二電極 層103的頂面壓縮時(shí),通過變形柔性電極到空氣空間105和/或通過壓縮 分離結(jié)構(gòu)102的固體部分,形成表面103的下降。結(jié)構(gòu)元件106彼此靠 近布置,但是具有足夠的空間形成可壓縮空間105??臻g可向大氣中排氣 或密封,但是須相互連接。這種絕緣層的厚度可以常規(guī)制造地比泡沫層 厚度遠(yuǎn)小,能達(dá)到0.005英寸。在大多數(shù)首選配置中,厚度范圍從約 0.05mm到約0.5mm。
0032可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)是可向用戶展示觸覺反饋的 鬼力。結(jié)構(gòu)的元件能被制成壓曲或倒塌,以便給用戶在壓縮傳感器時(shí)有
"滴答"或"彈響"的感覺。該功能對于使得用戶具有作用按鈕完成的 觸覺確認(rèn)是有價(jià)值的。通過提供具有限支柱強(qiáng)度的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的幾 何元件或后面所述的內(nèi)置彎曲裝置可以實(shí)現(xiàn)。
0033請參考圖8A至8C,顯示了能提供觸覺反饋的可壓縮結(jié)構(gòu)的彎 曲設(shè)計(jì)的例子。圖8A顯示了結(jié)構(gòu)帶以一個(gè)角度布置,高度大于寬度。這 限制了柱強(qiáng)度,并^f吏得其在達(dá)到極限壓力時(shí)坍塌。當(dāng)用戶壓縮頂部表面 時(shí),在輕負(fù)荷條件下,帶初始?jí)嚎s而不會(huì)坍塌,但是在更高的負(fù)荷條件 下會(huì)坍塌,并且在超過預(yù)定的極端值后設(shè)備表面向一邊彎曲。通過改變 材料的特性和帶子的尺寸,該值很容易調(diào)節(jié)。在坍塌時(shí),結(jié)構(gòu)提供了一 表面立即運(yùn)動(dòng)到靠近其他表面,這也可用于為用戶提供按鈕完全壓縮并 且不需要進(jìn)一步壓縮的感覺
0034圖8B和8C中顯示了另一個(gè)選擇,帶具有一邊或兩邊凹槽,以 便能提供預(yù)定的坍塌點(diǎn)。在超過壓縮極限值時(shí),帶在該點(diǎn)上再次坍塌, 向用戶提供了即時(shí)的觸覺回饋,以顯示輸入設(shè)備的壓縮完成。
0035可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的元件的其他可坍塌設(shè)計(jì)也是預(yù)期的并包括在 本發(fā)明的范圍內(nèi)。其包括多種彎曲元件,例如柱、點(diǎn)、棱錐等,可集成 到結(jié)構(gòu)的基本元件中或能作為獨(dú)立元件制造。,0036在^f吏用這種彎曲結(jié)構(gòu)的第一個(gè)線性階段,隨著頂部表面的壓縮 開始并逐漸增加,信號(hào)強(qiáng)度線性增加,因?yàn)榭蓧嚎s結(jié)構(gòu)是縮進(jìn)的,電容 測量值作為輸入信號(hào)使用。在達(dá)到極端值時(shí),第二非線性階段起作用, 絕緣結(jié)構(gòu)坍塌,信號(hào)非線性分步式增加發(fā)生。本發(fā)明具有可坍塌的絕緣 結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器的雙階段使用,是本輸入設(shè)備的另一個(gè)重要新穎特征。0037以上描述的絕緣結(jié)構(gòu)對于本發(fā)明的所有實(shí)施例是適用的。0038本發(fā)明的另一個(gè)特征是可選擇使用底層(groutKnayer)(未示出), 該底層可集成到電極層的設(shè)計(jì)中。這種底層的目的是在觸覺傳感器的整 個(gè)表面上提供一致的表面。
0039圖2A和2B圖解了本發(fā)明的輸入設(shè)備200的一個(gè)商業(yè)上有用設(shè) 計(jì)的第一實(shí)施例。它由硬質(zhì)基板215組成,在其上面安裝第一電極層201。 電極層201可使用多種標(biāo)準(zhǔn)制造方法成型,包括PCB蝕刻、噴濺或真空 金屬沉積物或?qū)щ娦杂湍∷?conductive ink printing)方法。在此情形 下,第一電極層是感應(yīng)層,具有經(jīng)傳感器隔開的離散"按鈕"型電極240, 并提供電子連接裝置,包括在連接點(diǎn)241上的電極的單獨(dú)電子連接(未 顯示)。
0040為改善用于滾動(dòng)和其他相似功能的電子連接,電極間的可選混 雜交疊^^妄照圖7中所示的例子完成。圖7A顯示了沒有重疊的電極設(shè)計(jì)。 圖7B至7D顯示了電極間相互混雜重疊的增長程度。
0041可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)202以上述相同的方式布置在第一電極層上, 并由固體壓縮元件206組成,其中間具有空間205。確定了第二電極層的 固體傳導(dǎo)層220放置在分離結(jié)構(gòu)層202上,保護(hù)性絕緣膜230覆蓋了整 個(gè)部件,將第二個(gè)導(dǎo)電層從環(huán)境中隔離。與第一電極層一樣,第二層可 通過蝕刻、沉積或印刷合適的導(dǎo)電和透明材料產(chǎn)生??蛇x擇的是,電極 層可用柔性導(dǎo)電材料制作,例如織進(jìn)布中的細(xì)的、導(dǎo)電纖維,并切割形 成預(yù)期的電極式樣。壓縮頂層230會(huì)造成第二電極層220的局部凹陷, 會(huì)改變位于所述凹陷處下的相應(yīng)"按鈕電極"240的電容。0042用于控制該裝置的導(dǎo)電路徑的總數(shù)等于第一層"按鈕"電極的 數(shù)目加上第二電極層的一個(gè)路徑。
0043可重新配置鍵區(qū)、遠(yuǎn)程控制、MP3播放器控制等使用本實(shí)施例 最有利,因?yàn)?按鈕"電極能按照應(yīng)用的轉(zhuǎn)換被重新分配各種功能。
0044重要的是,傳感器整個(gè)表面的可壓縮性是均勻的,與現(xiàn)有技術(shù) 被物理分割并因此被不均勻壓縮的離散按鈕相反。這對于小尺寸應(yīng)用是 重要的,在這些應(yīng)用中使用者的手指不能總是完美地放置在按鈕的中央。 先前技術(shù)設(shè)備中,遠(yuǎn)離按鈕中心的壓縮會(huì)導(dǎo)致壓縮扭曲并錯(cuò)誤地解釋使 用者的意圖,因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的觸點(diǎn)型按鈕中,電極間的要求的觸點(diǎn)是不充 分的。本發(fā)明因而領(lǐng)先于現(xiàn)有技術(shù),因?yàn)樗芨_地認(rèn)識(shí)到使用者的 意圖,對于適當(dāng)?shù)仄鹱饔脕碚f,不需要電極層間的絕對接觸。
0045本發(fā)明超過現(xiàn)有技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是,測量壓力和觸點(diǎn)位置的結(jié) 合能更好的認(rèn)識(shí)到用戶的輸入。如果使用者壓縮按鈕間的區(qū)域,更高壓 縮程度的區(qū)域會(huì)比較低壓縮程度的臨近按鈕電極優(yōu)先。在這種情形下, 按在按鈕大致區(qū)域并不精確地壓在按鈕的中央,對確認(rèn)用戶的意圖來說 是足夠的。
0046使用觸點(diǎn)位置的內(nèi)插法能進(jìn)一步發(fā)展這種優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)觸控筆, 例如兩個(gè)離散按鈕之上或之間,可各自被控制軟件作為不同的命令而認(rèn) 識(shí),例如滾動(dòng)。這種附加的功能不能認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的觸點(diǎn)按鈕電極,并容 許在同一物理尺寸內(nèi)具有新功能。在移動(dòng)觸點(diǎn)位置情形下使用了同一邏 輯,例如使用觸控筆而具有書寫特征,因而認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)的方向能得到更 高的精度。
0047本發(fā)明的輸入設(shè)備的第二有用實(shí)施例在圖3A和3B中顯示。其 總體上與第一實(shí)施例相似,硬質(zhì)基板315收納傳感電極的第一層301,通 過一個(gè)用幾何元件306制成的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)302和空間305與第二層 320分離。第一電極層的"按鈕"型電極340 —般在行341中相互連接。 僅僅每"行"的末端電極有專用的電子連接路徑341,而不是在先實(shí)施例中的所有感應(yīng)電才及。
0048第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極層320也包括各自的離散電極321 , 一般排列在 第一電極層相應(yīng)電極位置處的列上。第二層按鈕順著每個(gè)"列"有相互 連接的電子線路322。附加的絕緣膜層345覆蓋了整個(gè)組件,分離的底 層350放置在絕緣膜上,使得整個(gè)傳感器接于底層。第一傳感和第二驅(qū) 動(dòng)電極層中的電極的"列"和"行"的排列,容許電子連接的總數(shù)目減 少。在圖3所示的例子中,第一電極層需要的連接數(shù)目是5,第二電極層 是3,因此需要僅8個(gè)電子連接以控制14—按鈕的輸入設(shè)備。雖然此實(shí) 施例中的按4丑是偽矩陣結(jié)構(gòu)(pseudo matrix configuration),本發(fā)明容許將 他們布置為任意的結(jié)構(gòu)。
0049完全電極矩陣作為第三實(shí)施例在圖4中顯示。使用先前實(shí)施例 的同 一原理制造,這種設(shè)計(jì)400用第一感應(yīng)電極層上的電極帶440取代 離散按鈕。這些帶每個(gè)都配有電子連接點(diǎn)441。另一套電極帶421以垂直 于感應(yīng)電極帶的方向棑列在第二電極層上。每個(gè)上部電極帶也配有電子 連接422。因此完整電極矩陣布置有控制矩陣所需要的水平和垂直帶總和 的電線數(shù)量。在圖4中所示的設(shè)備實(shí)例中,控制線的總數(shù)是底層的10加 上頂層的6,對于10x6傳感器矩陣總數(shù)為16。此矩陣的高空間分辨率 由421和440的交集形成,實(shí)質(zhì)上能以通常TFT矩陣顯示器能顯示多數(shù) 圖像的相似方式提供無限數(shù)量的輸入設(shè)備配置。"按鈕"、"滑動(dòng)調(diào)節(jié)器
(sUders)"、和其他控制作為輸入概念存在,而不是離散的、物理結(jié)構(gòu), 并很容易經(jīng)控制軟件進(jìn)行編程。
0050本發(fā)明的輸入設(shè)備的第四實(shí)施例在圖5中表示。與先前的版本 比較它有兩個(gè)更進(jìn)一步的改進(jìn)IC570用于測量傳感器壓力值,并可選擇 靠近傳感器同一基板515的地方安裝,柔性顯示裝置560覆蓋了基本傳 感器。
0051商業(yè)上可用的IC安裝于傳感器上容許本發(fā)明的輸入設(shè)備以經(jīng)濟(jì) 的價(jià)格大量生產(chǎn)。為使本發(fā)明更有用,IC應(yīng)該是混合信號(hào)的,容許模擬和數(shù)字信號(hào)的輸入和輸出,并能測量電極整個(gè)范圍的電容,他們是按鈕、
滑動(dòng)調(diào)節(jié)器(sliders )、電極矩陣等。通過集成特征或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字界面,IC 將容許傳感器起到主處理器的外圍設(shè)備作用。此界面能采用 一些列標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)字序列協(xié)議,例如12。、 SPI、 cambus、 RS-232、 USB,或經(jīng)平行界面 端口提供存儲(chǔ)映像1/0。 一個(gè)特定的、專用協(xié)議也能使用。IC設(shè)備也能按 照足夠快的節(jié)奏重復(fù)測量電容,以探測使用者的輸入并實(shí)時(shí)響應(yīng)。最佳 的,所有本地模擬信號(hào)處理和基本控制也在TC的水平上進(jìn)行,以便只有 適合當(dāng)前配置的使用者命令能作為輸出信號(hào)發(fā)送出去。例如,除了提供 每個(gè)元件上的行壓力水平,IC也能在每個(gè)觸點(diǎn)上指定精確的、內(nèi)插X, Y位置和壓力??蛇x擇的是,更復(fù)雜的處理能夠授予更合理的命令,例 如"游戲控制器開火"或"音頻播放器選擇"。更進(jìn)一步說,具有內(nèi) 置微控制器的混合信號(hào)IC容許有單一的芯片,以處理配置可重新配置觸 覺輸入設(shè)備中的輸入處理及不需要主機(jī)管理整個(gè)設(shè)備的功能性。定制的 ASIC也能集成制作用于特定應(yīng)用的傳感器的一個(gè)或所有特征。
0052作為商業(yè)上使用部件的實(shí)例,Cypress半導(dǎo)體(SanJose, CA) 生產(chǎn)了商業(yè)上可用的IC系列,能按照如上所述進(jìn)行電容感應(yīng)和數(shù)字界面 連接。這種4支術(shù),在Cypress可編程片上系統(tǒng)(PSoC)系列內(nèi)商品名為 "CapSense",對于觸覺傳感器來說是足夠的,它具有相關(guān)的約25mrr^或 更大區(qū)域的傳感原件。模擬設(shè)備(Norwood ,MA)也能生產(chǎn)商業(yè)上可用的IC 系列,能用較小傳感器進(jìn)行電容測量,但是他們僅作為從屬的外圍設(shè)備 運(yùn)行,并且不能同許多傳感器一樣讀數(shù)。
0053圖5中,傳感器500包括在支撐電極的第一層501的硬質(zhì)基板 515部件內(nèi),它能使用以上描述的任何種類進(jìn)行制作??蓧嚎s絕緣結(jié)構(gòu) 502支撐電極的第二層,也可使用以上所述的配置進(jìn)行制作。在這種構(gòu)造 中,雖然顯示了可壓縮絕緣結(jié)構(gòu),但是電極間的絕緣層能使用泡沫材料 制作或使用其他傳統(tǒng)方法,因?yàn)樾路f性區(qū)別不僅在傳感器設(shè)計(jì)中,而且 在傳感器原件上的柔性顯示裝置560的使用上,包括可選的絕緣膜545和底層防護(hù)550。柔性顯示裝置560可配置顯示圖6所示的不同功能模式, 并或許;陂透明保護(hù)層565覆蓋。
0054柔性顯示裝置560設(shè)計(jì)顯示本發(fā)明的可重新配置觸覺輸入設(shè)備 的當(dāng)前配置。在某些情形下,不需要完整的覆蓋,顯示屏可能僅覆蓋傳 感器的一部分,顯示點(diǎn)、十字線、箭頭或相似標(biāo)記的,他們可能輪流顯 示用戶的當(dāng)前功能。柔性顯示裝置也足夠的軟,以向傳感器層傳輸用戶 的壓縮壓力。被此發(fā)明有利地使用作為柔性顯示裝置的一個(gè)有用技術(shù)是 場致發(fā)光(EL)顯示屏。EL顯示屏可根據(jù)運(yùn)行模式改變配置,并為用戶提 供當(dāng)前使用模式的向?qū)А?br>
0055電致發(fā)光顯示屏在電子上與電容相似,包括兩個(gè)導(dǎo)電面,被絕 纟彖層和選擇性沉積發(fā)光焚光劑(selectively-deposited light-emitting phosphor)分離,當(dāng)有電場時(shí)他們會(huì)發(fā)光。交流電壓典型地使用,以在經(jīng) 過熒光劑和絕緣層的地方產(chǎn)生電場。每次循環(huán)期間,激發(fā)兩倍的電子, 熒光劑通過透明端電極發(fā)射光線。本發(fā)明中的EL顯示屏的優(yōu)勢是其小的 厚度和讓其覆蓋傳感器而不會(huì)降低觸覺傳感功能的靈活性。顯示屏也容 易使用,不會(huì)明顯地增加整個(gè)設(shè)備的成本。
0056用于本發(fā)明目的EL顯示屏的一個(gè)特定例子,是英國劍橋 PELIKON LIMITED制造的。也可使用其他柔性顯示裝置,例如有機(jī)LED 顯示屏,或如MA劍橋E-INK生產(chǎn)的"電子墨水"及加拿大弗里蒙特Sipix Imaging生產(chǎn)的"電子紙"。
0057圖6顯示了使用多段EL顯示屏制作傳感器配置的各種有用實(shí)例。 圖6A到6D圖解了不同運(yùn)行模式期間的顯示屏發(fā)光外觀"自由表
(freeform )"模式6A,在此模式中傳感器作為觸摸板或?qū)懽职迨褂茫?電 話"模式6B,在此模式中傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤操作;圖6C所示的"導(dǎo) 航"模式,例如當(dāng)滾動(dòng)列表或運(yùn)行音頻播放器;"游戲"模式6D,在此 模式中傳感器能為大多數(shù)便攜式游戲系統(tǒng)提供典型的控制。
0058在典型的布置中,EL顯示屏的底部電極層將是底層,可選地與傳感器的頂部底層連接。整個(gè)設(shè)備可選地被透明柔性覆蓋層所覆蓋,以 保護(hù)配件免受磨損、潮氣和其他不利的環(huán)境條件。
0059圖7a-7d顯示了各種電極配置,在這些配置中原件間的耦合預(yù)期 在滑動(dòng)控制器內(nèi)。因電子和機(jī)械耦合效應(yīng),RTID提供離散電極間的耦合。 對于要求進(jìn)行質(zhì)心探測的操作,小的傾斜電極也可使用,或者原件間的 附加耦合也可通過傳感器設(shè)計(jì)合并。例如,如果使用非常厚的堅(jiān)硬材料, 電極的響應(yīng)將和操作者按下電極的中心一樣。這種機(jī)械耦合方法有增加 RTID厚度的不利之處。因此,對于起到滑動(dòng)控制器或滑動(dòng)輪作用的電極, 電極設(shè)計(jì)將使手指互相纏繞。電子耦合的程度可根據(jù)傳感器的尺寸和預(yù) 期操作行為進(jìn)行調(diào)整。
0060圖8a-8c顯示了各種絕緣支撐結(jié)構(gòu),能在重壓下彎曲。圖8a顯 示了一個(gè)首選的實(shí)施例,其中接觸區(qū)域在負(fù)載下彎曲。對于滾動(dòng)或?qū)Ш?模式,使用輕壓彎曲不會(huì)產(chǎn)生,但是觸覺傳感器能測定到接觸的位置和 運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)操作者達(dá)到預(yù)期區(qū)域,他或她能在顯示選擇的區(qū)域更用力 的按壓以指示選擇。隨著這種用力的按壓,支撐結(jié)構(gòu)會(huì)彎曲或坍塌。由 于電極間隔更近,這會(huì)導(dǎo)致測量出較高的電容,由坍塌結(jié)構(gòu)支撐的力會(huì) 更低,使用者按壓或選擇的預(yù)期選擇的觸覺感應(yīng)將向使用者提供。
061相比于現(xiàn)有的輸入設(shè)備,本發(fā)明的可重新配置觸覺輸入設(shè)備有以 下優(yōu)點(diǎn)
它在整個(gè)傳感器表面上同時(shí)提供了位置和壓力信息,因此在用戶界面 設(shè)計(jì)中提供了更多的靈活性;
與現(xiàn)有觸摸傳感器相比,壓力信息能很容易地防止意外的控制調(diào)整, 現(xiàn)有觸摸傳感器要求有附加的機(jī)械開關(guān),接受和不接受控制輸入(例如 蘋果計(jì)算機(jī)的iPod有這樣的保持開關(guān));
本發(fā)明的觸覺輸入設(shè)備,不需要分離開關(guān),因?yàn)樵谕粎^(qū)域能使用不 同的壓力水平,以顯示不同的動(dòng)作,例如滾動(dòng)或選擇預(yù)期目標(biāo); 位置錯(cuò)誤偏差最小化,因?yàn)椴恍枰恢每潭龋裼|摸屏所需; 本發(fā)明具有解決多于一個(gè)接觸位置的固有能力,與單接觸輸出設(shè)備相
比,它更充分理解用戶的意 它使用手指及許多導(dǎo)電和非導(dǎo)電物體工作。
0062雖然已經(jīng)用特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明,但是可以理解的是, 這些實(shí)施例僅說明了本發(fā)明的原理和應(yīng)用。可以理解的是,進(jìn)行許多修 改以說明實(shí)例,并且其他布置可能被設(shè)計(jì)而沒有偏離由附加權(quán)利要求所 定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、可重新配置的觸覺輸入設(shè)備,包括具有第一電子連接裝置的第一電極層,具有第二電子連接裝置的柔性第二電極層,第一或第二電極層中的至少一個(gè)包括超過一個(gè)電極,將上述第一電極層從上述第二電極層分離的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu),連接到上述第一和上述第二電子連接裝置的控制裝置,適于實(shí)時(shí)測量上述第一和上述第二電極層間的電容,當(dāng)至少一個(gè)上述電極的電容變化被探測到時(shí),其被測量,并被上述控制裝置轉(zhuǎn)換為上述輸入設(shè)備上的接觸位置和壓縮力,然后根據(jù)當(dāng)前輸入設(shè)備的配置,將它轉(zhuǎn)換成認(rèn)可的用戶輸入命令信號(hào);上述配置通過所述的控制裝置可重新配置。
2、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,其中所述的第一電極層是硬質(zhì)的。
3、 如權(quán)利要求2所述的輸入設(shè)備,其中所述的第一電極層安裝在硬 質(zhì)基板上。
4、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,其中所述的第一或第二電極層由 多個(gè)離散"按鈕"型電極組成,每個(gè)所述的電極提供各自的電子連接點(diǎn)。
5、 如權(quán)利要求4所述的輸入設(shè)備,其中所述的鄰近"按鈕,,型電極 間具有混雜重疊。
6、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,其中所述的第一電極層包括第一 多個(gè)"按鈕"型電極,所述的第二電極層包括第二多個(gè)"按鈕"型電極。
7、 如權(quán)利要求6所述的輸入設(shè)備,其中所述的第一多個(gè)"按鈕"型 電極總體上經(jīng)第一相互連接的電子路徑成行排列,所述的第二多個(gè)"按 鈕"型電極總體上經(jīng)第二相互連接的電子路徑成列排列,所述的行重疊 所述列,在所述可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)上。
8、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,其中所述第一電極層包括制作為 平行帶的第一單獨(dú)電極,所述第二電極層包括制作為平行帶的第二單獨(dú) 電極,導(dǎo)向總體上垂直于且重疊在第一電極層,在所述壓縮絕緣結(jié)構(gòu)上, 因此形成了電極的電容測量矩陣。
9、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,其中所述電極由金屬或?qū)щ娪袡C(jī) 材料制作,并具有一個(gè)電極圖形,選擇使用從由蝕刻、噴鍍、蒸鍍、油 墨懸液產(chǎn)品、銦錫氧化物組成的一組方法中的一種方法制造,或提供由 導(dǎo)電纖維制作的織物,并切成預(yù)期的形狀。
10、 如權(quán)利要求1所述的輸入設(shè)備,還包括位于所述電極間的底層, 其中所述輸入設(shè)備的表面的壓縮性是均勻的。
11、 可重新配置的觸覺輸入設(shè)備,包括具有第一電子連接裝置的第一電極層, 具有第二電子連接裝置的柔性第二電極層,第一或第二電極層中的至少 一個(gè)包括超過一個(gè)電極;將上述第一電極層從上述第二電極層分離的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu),所述 結(jié)構(gòu)包括多個(gè)的幾何元件,由可壓縮的絕緣材料制成,并在其中形成空 間,連"t妄到上述第一和第二電子連接裝置的控制裝置,適于實(shí)時(shí)測量上 述第一和上述第二電極層間的電容。
12、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu), 至少在設(shè)備的一部分上具有均勻的厚度。
13、 如權(quán)利要求12所述的輸入設(shè)備,其中所述的厚度從約0.05mm 到約0.5mm。
14、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述的元件以重復(fù)的式樣 排列,所述的輸入設(shè)備至少在設(shè)備的一部分上具有均勻的壓縮性。
15、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述的空間排放到大氣。
16、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述的空間密封并相互連接。
17、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述的可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的 幾何元件可vMv由帶、柱、曲線、多角形或點(diǎn)組成的組中選擇。
18、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)是用 彈性材料制成的。
19、 如權(quán)利要求18所述的輸入設(shè)備,其中所述可壓縮絕緣材料從包 含硅樹脂、橡膠和熱塑性塑料的組中選擇。
20、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中所述可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的幾 何元件具有預(yù)定的柱強(qiáng)度,在所述設(shè)備上應(yīng)用超過預(yù)定極限值的力時(shí)會(huì) 坍塌,以向用戶提供觸覺回饋。
21、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中一旦壓縮超過預(yù)定極限值, 所述可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的幾何元件呈現(xiàn)壓縮的第一線性階段,而后是壓縮 的第二非線性階段。
22、 如權(quán)利要求11所述的輸入設(shè)備,其中一旦對所述設(shè)備施加的壓 縮超過預(yù)定極限值,所述可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)的幾何元件包括凹槽,以確定 坍塌點(diǎn)。
23、 可重新配置的觸覺輸入設(shè)備包括具有第一電子連接裝置的第一電極層, 具有第二電子連接裝置的柔性第二電極層, 第一或第二電極層中的至少一個(gè)包括超過一個(gè)電極, 可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)將所述的第一電極層從所述的第二電極層分離, 連接到所述第一和所述第二電子連接裝置的控制裝置,所述控制裝 置包括安裝在所述第一電極層附近的IC 。
24、 如權(quán)利要求23所述的輸入設(shè)備,其中所述的IC是模擬和數(shù)字 類型的混合信號(hào),并在所述第一和第二電極層的電極間實(shí)時(shí)測量電容。
25、 如權(quán)利要求24所述的輸入設(shè)備,其中采用所述的IC作為具有 數(shù)字界面的隨動(dòng)外圍設(shè)備。
26、 如權(quán)利要求24所述的輸入設(shè)備,其中所述的IC還包括可編程 微控制器,適于作為所述輸入設(shè)備的主控制器或具有數(shù)字界面的隨動(dòng)外 圍設(shè)備。
27、 如權(quán)利要求26所述的輸入設(shè)備,其中所述的IC是混合信號(hào)型ASIC,并在所述第一和第二電極層的電極間實(shí)時(shí)測量電容。
28、 如權(quán)利要求27所述的輸入設(shè)備,其中所述的IC進(jìn)一步適合于 完成信號(hào)處理功能。
29、 如權(quán)利要求28所述的輸入設(shè)備,其中所述的信號(hào)處理功能包括 計(jì)算接觸質(zhì)心位置、力量和軌道,所述的功能進(jìn)一步包括減弱噪音的數(shù) 字過濾和錯(cuò)誤的觸點(diǎn)辨識(shí)。
30、 可重新配置的觸覺輸入設(shè)備包括 第一電極層,柔性第二電極層,第一或第二電極層中的至少一個(gè)包括超過一個(gè)電極, 可壓縮絕緣結(jié)構(gòu)將所述的第一電極層從所述第二電極層中分離, 安裝在所述第二電極層至少一部分上的柔性顯示屏, 連接到所述第一電極層、所述的第二電極層和所述的柔性顯示屏上的控制裝置,所述的控制裝置適于改變所述柔性顯示屏的配置,以對應(yīng)所述輸入設(shè)備操作模式配置的變化。
31、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏的配置 對應(yīng)所述的第一和所述的第二電極層的電極配置。
32、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏對應(yīng)操 作模式,但是不對應(yīng)電極的物理布置。
33、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏是電致發(fā)光顯示屏。
34、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述柔性顯示屏是有機(jī) LED顯示屏。
35、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏是"電 子墨水"顯示屏。
36、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏是多段 顯示屏。
37、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述的柔性顯示屏是有源 矩陣顯示屏。
38、 如權(quán)利要求37所述的輸入設(shè)備,其中所述有源矩陣顯示屏是薄 膜晶體管TFT矩陣顯示屏。
39、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,其中所述顯示屏適合于提供至 少兩個(gè)不同的操作模式。
40、 如權(quán)利要求39所述的輸入設(shè)備,其中所述的操作模式可從由"自 由表"模式、"電話"模式、"導(dǎo)航,,模式和"游戲,,模式組成的組中選 擇。
41、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,還包括安裝在所述柔性顯示屏 上的可壓縮透明保護(hù)層。
42、 如權(quán)利要求30所述的輸入設(shè)備,包括分離的控制裝置用于改變 柔性顯示屏配置和讀取傳感器輸入。
全文摘要
可重新配置觸覺輸入設(shè)備,包括第一硬質(zhì)電極層101,可壓縮絕緣體結(jié)構(gòu)102,和第二柔性電極層103,組合適當(dāng)電極連接裝置的觸覺傳感器到控制裝置??刂蒲b置可以包括安裝在緊縮包裝中的輸入設(shè)備上的混合信號(hào)IC,并能夠?qū)崟r(shí)測量電容。絕緣體結(jié)構(gòu)包括具有空間105的可壓縮幾何元件的矩陣,可選的向大氣排出,使整個(gè)部件變薄并便于移動(dòng)電話和其他小的、便攜式電子設(shè)備的使用。一些具體實(shí)施例為用戶提供了當(dāng)壓縮電極時(shí)的觸覺反饋??蛇x擇的柔性顯示屏可安裝在輸入設(shè)備上,以顯示使用者目前的配置。
文檔編號(hào)H03K17/975GK101427468SQ200780013995
公開日2009年5月6日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者哲·S·桑, 大衛(wèi)·愛布爾斯, 戈登·多比 申請人:壓力分布系統(tǒng)公司