專利名稱：可重新配置的觸覺傳感器輸入設備的制作方法
可重新配置的觸覺傳感器輸入設備
背景技術：
0001本發明總體上涉及可重新配置輸入設備。特別是，本發明的輸
入設備利用了觸覺傳感器技術，而同時允許設備根據其特定應用的需要 改變其功能。 一個獨特有利的實施例，觸覺輸入設備能夠同時測量多位 置的接觸位置和壓力，同時能增加命令的無故障運行。在另一個實施例 中，根據傳感器的壓縮向使用者提供觸覺反饋，確認命令輸入的成功完
成。本發明設備的應用范圍從適應消費者產品，如移動電話、PDA、便 攜式音頻和視頻插^文器(如Apple電腦流行的iPod產品系列)和其他便 攜式電子設備，到工業和機器人的使用。
0002兩維(X,Y)可重新配置輸入設備測量顯示屏上觸點的已廣為人 知。他們由一個接觸矩陣組成，能探測矩陣的每個單元中的電子信號存 在或不存在。典型地，這些輸入設備制作清晰，以至于他們能覆蓋硬質 輸出顯示屏。在大屏幕中使用這種配置是優秀的，顯示屏能顯示大的按 鈕，不會被使用者的手與輸入設備相互作用而阻隔。
0003然而，對于小的、便攜式電子設備，例如移動電話和PDA,人 的手指相對于小尺寸顯示屏來說太大。由于這個問題，許多設備提供了 觸控筆作用于觸摸屏，使用它將花去更多的時間，很難操作并且容易丟 失。
0004經常用于輸入設備的另一類設備是接近傳感器。這些設備能感 應到電導體特性的存在，例如發現人的指尖靠近輸入設備。然而，他們 容易受環境變化的影響，不能作用于非導電目標，例如戴著手套的人。 這類設備不能測量接觸壓力，因此不能一致表達用戶的意圖。從而用戶與這些設備的相互作用是有限的。
0005已知電容傳感器可作為輸入設備使用，例如在由Matzke申請的 美國專利號4,736, 191中進行描述。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備使用。
0006Boie申請的美國專利號5,463,388描述了鼠標或鍵盤輸入工具， 其根據測量因傳導和潮濕目標的臨近效應引起電容變化，例如人手，作 為計算機的輸入設備。
0007Seely的美國專利號6,188,391和Miller的美國專利號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施例，它由絕緣材料 反面上的導電極組成。在相關的專利中，Miller的美國專利號5,841,078 討論了壓力傳感，但是顯示的方法是根據指尖接觸區域隨著壓力增加而 增加進行壓力測定的間接方法。
0008Westerman的美國專利號6,888,536描述了使用 一接近傳感器陣 列同時跟蹤多個手指和手掌接觸點的傳感器。這種設備用于進行多功能 處理，例如打字、指針移動和姿勢辨認。已披露的發明使用要求每個傳 感器元件有四個連接的接近傳感器，并將相應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的能力，但是 不能描述兩種效應怎樣分離。
0009基于可互換鍵盤和視頻顯示的可重新配置輸入設備在Kaplow的 美國專利號4,202,041中已知，例如，描述了根據語言和功能要求能動態 改變按鈕外觀的輸入鍵盤。然而，使用傳統離散電子開關生產個別按鈕 費用是昂貴的。Kubes的美國專利號6，035， 189和5,877695描述了裝入到 移動電子設備中的電致發光(EL)驅動器，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備放置到EL顯示屏下， 但是沒有詳細說明觸摸傳感器的細節。
0010Benson的美國專利號6,888,537描述了輸入設備發輸出信號， 將沿施加的力(Z)的接觸位置(X,Y)合并到一打印的表中，使得開關在不同的應用中運行。該發明的描述顯示了泡沫型可壓縮材料作為適應 的絕緣體材料工作，但是實際上這種泡沫在小型、便攜式電子設備中作 為輸入設備使用不能變得足夠薄。
0011Ward的美國專利號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 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)鑒別用戶的規模，重新定位一虛擬輸入設備，例如 鍵盤和鼠標，到最優位置上。
0013對于可重新配置輸入設備來說存在這樣的需求，能同時提供傳 感器整個表面上的位置和壓力信息，以便在設計用戶控制界面(CUI)時能 提供更好的適應性。對于輸入設備也存在需求，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。
發明概要
0014在以下段落中，沒有特別說明，術語"傳感器，，和"傳感器陣 列"指單個傳感元件的陣列和一個或多個任意放置的傳感器元件的集 合。
0015本發明的一個目的在于克服現有技術的缺點，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備，能夠在多位置并同時測量 接觸的位置和壓力。
0016本發明的另一個目的在于提供一種獨立硬質或柔性觸覺傳感器， 集成一薄的、可壓縮絕緣體結構，用于分離電極層，其可作為可重新配 置輸入設備使用。
0017本發明的另一個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，集成到現有硬質或柔性電路板設計中。0018本發明的另一個目的在于提供一種被一柔性顯示裝置覆蓋的觸 覺傳感器，例如場致發光或有機LED燈。
0019本發明的另一個目的在于提供一種由混合信號IC控制的可重新 配置觸覺傳感器輸入設備，能作為主控制器或從屬的外圍設備運行。
0020本發明的另一個目的在于提供一種獨立觸覺傳感器陣列，具有 電容傳感器表面相似的硬度，傳感器安裝在硬質基板并被柔性顯示裝置 覆蓋，例如EL顯示屏。
0021本發明的另一個目的在于提供一種可重新配置觸覺傳感器輸入 設備，該設備由測量混合信號IC電容控制。
0022本發明的另一個目的在于提供一種適合于作為可重新配置輸入 設備使用的電容傳感器，傳感器集成一薄的絕緣層使得一個電極層和另 一個電極層分離。
0023本發明的另一個目的在于提供一種可重新配置輸入設備，具有 觸覺反饋特征，反々赍給用戶以確認輸入命令的完成。
0024本發明是基于電容傳感器的新穎設計。為對于消費者電子市場 具有實際價值，生產的輸入設備須是便宜的，并且尺寸為薄的，以便適 合于小型、便攜式電子設備，例如移動電話。為達到此目標，在第一和 第二電極層間使用新穎設計的絕緣分離層。這種分離層由用可壓縮聚合 體材料制作的網狀結構組成，在外形上它形成了相鄰的氣包，容許在使 用期間結構能壓縮。這種可壓縮絕緣結構(CDS)然后放置在電極層間。與 更多傳統泡沫層相反，在最薄的形態中它甚至仍然是相對厚的，這種新 穎的方法容許CDS的使用，從而整個傳感器，在制造后是相當薄的。在 一些實施例中，可壓縮絕緣結構在一定極限壓力下彎曲，以向用戶提供 觸覺反饋。
0025超出傳統觸覺傳感器的另一個延伸是在硬質基板上安裝傳感器。 雖然傳統觸覺傳感器是靈活的，并對兩邊的壓力是敏感的，但是此發明 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表面，將薄觸覺傳感器連接到硬質體上，或使用硬質基板構建一個電極層。這種 結構使該發明作為輸入設備更有效，同時調節性設計仍要求有柔性觸覺 傳感器。這種結構也容許更容易將觸覺傳感器集成到電路中，可以使用 標準印刷電路板以形成石更質基板和電極。
0026另 一個創新是采用混合信號(模擬的和數字的)IC作為控制器， 作為觸覺傳感器的輸入設備的可重新配置功能。使用混合信號IC能測量 薄的，廉價的觸覺傳感器的電容，使得本新穎經濟的可行的輸入設備創 造，具有廣泛新穎功能(包括但不限于，除了傳統的X,Y位置信息，壓 力測量作為第三變量)，這在多個產業上是十分有用的，包括消費電子產
口口 Q
0027以上筒要描述的傳感器可以作為具有單獨顯示屏的輸入設備， 這種傳感器與在傳感器上的廉價的、柔性顯示裝置的組合對于小尺寸消 費電子應用來說更為有用，例如移動電話和PDA。例如，安裝在所述傳 感器頂部的場致發光(EL)、 e-ink或有機LED顯示屏能顯示獨特的控制覆 蓋圖，能與傳感器的輸入模式組合匹配。
附圖的簡要描述
0028本發明的更全面的描述和其各種優點可通過以下詳細的描述獲 得，在這些描述中同時參考了附圖
圖l是本發明的觸覺傳感器的最基本設計的總體視圖，其使用觸控筆將 壓力應用在傳感器上。
圖2A和2B是本發明的傳感器的第一個有用實施例的具有放大局部的俯
視和側視圖，其具有不連續的電極，能作為可重新配置鍵區。
圖3A和3B是本發明的傳感器的第二個有用實施例的具有放大局部的俯
視和側視圖，集成了相互連接的不連續的電極的矩陣。
圖4A和4B是本發明的傳感器的第三個有用實施例的具有放大局部的俯
視和側-現圖，其具有重疊的電極帶，形成電容觸覺傳感器陣列。圖5顯示了本發明的第四個實例的側視圖，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 重新配置輸入設備的各種運行模式。
圖7顯示了適合于更好的電子連接的重疊電極的各種設計；最后
圖8A至C顯示了可壓縮絕緣結構的若干可能設計，在超過預定極限壓
力時彎曲，以向用戶提供觸覺反饋。
本發明首選實施例的詳細描述
0029本發明的詳細描述須遵循附圖上的參考內容，相似的元件使用 相似的字母和標號。
0030
圖1顯示了本發明的傳感器設備100的最基本構造。所有的電 容傳感器具有被可壓縮絕緣結構分離的第一電極和第二電極層。在此情 形下，第一電極層101可以由分離的硬質基板(未顯示)支撐或在第一 位置上被制成硬質的。第二柔性電極組件103通過可壓縮電極結構102
(兩個電極層的電連接裝置未顯示)懸掛在遠離第一電極層101的位置 上。該層的設計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泡沫。當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，對于此發明來說它太厚 了。
0031對于小尺寸消費者電子設備，例如移動電話，有從第二電極層 分離出第一電極層的裝置是非常重要的，其可進行可靠的和簡單的生產。 根據本發明，具有幾何元件的可壓縮絕緣結構以重復的方式通過一個電 極層的整個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，分離結構元件間的空 間105自然地充滿空氣。當帶有觸控筆104或任何其他物體的第二電極 層103的頂面壓縮時，通過變形柔性電極到空氣空間105和/或通過壓縮 分離結構102的固體部分，形成表面103的下降。結構元件106彼此靠 近布置，但是具有足夠的空間形成可壓縮空間105。空間可向大氣中排氣 或密封，但是須相互連接。這種絕緣層的厚度可以常規制造地比泡沫層 厚度遠小，能達到0.005英寸。在大多數首選配置中，厚度范圍從約 0.05mm到約0.5mm。
0032可壓縮絕緣結構設計的進一步改進是可向用戶展示觸覺反饋的 鬼力。結構的元件能被制成壓曲或倒塌，以便給用戶在壓縮傳感器時有
"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 觸覺確認是有價值的。通過提供具有限支柱強度的可壓縮絕緣結構的幾 何元件或后面所述的內置彎曲裝置可以實現。
0033請參考圖8A至8C,顯示了能提供觸覺反饋的可壓縮結構的彎 曲設計的例子。圖8A顯示了結構帶以一個角度布置，高度大于寬度。這 限制了柱強度，并^f吏得其在達到極限壓力時坍塌。當用戶壓縮頂部表面 時，在輕負荷條件下，帶初始壓縮而不會坍塌，但是在更高的負荷條件 下會坍塌，并且在超過預定的極端值后設備表面向一邊彎曲。通過改變 材料的特性和帶子的尺寸，該值很容易調節。在坍塌時，結構提供了一 表面立即運動到靠近其他表面，這也可用于為用戶提供按鈕完全壓縮并 且不需要進一步壓縮的感覺
0034圖8B和8C中顯示了另一個選擇，帶具有一邊或兩邊凹槽，以 便能提供預定的坍塌點。在超過壓縮極限值時，帶在該點上再次坍塌， 向用戶提供了即時的觸覺回饋，以顯示輸入設備的壓縮完成。
0035可壓縮絕緣結構的元件的其他可坍塌設計也是預期的并包括在 本發明的范圍內。其包括多種彎曲元件，例如柱、點、棱錐等，可集成 到結構的基本元件中或能作為獨立元件制造。，0036在^f吏用這種彎曲結構的第一個線性階段，隨著頂部表面的壓縮 開始并逐漸增加，信號強度線性增加，因為可壓縮結構是縮進的，電容 測量值作為輸入信號使用。在達到極端值時，第二非線性階段起作用， 絕緣結構坍塌，信號非線性分步式增加發生。本發明具有可坍塌的絕緣 結構的觸覺傳感器的雙階段使用，是本輸入設備的另一個重要新穎特征。0037以上描述的絕緣結構對于本發明的所有實施例是適用的。0038本發明的另一個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計中。這種底層的目的是在觸覺傳感器的整 個表面上提供一致的表面。
0039圖2A和2B圖解了本發明的輸入設備200的一個商業上有用設 計的第一實施例。它由硬質基板215組成，在其上面安裝第一電極層201。 電極層201可使用多種標準制造方法成型，包括PCB蝕刻、噴濺或真空 金屬沉積物或導電性油墨印刷(conductive ink printing)方法。在此情形 下，第一電極層是感應層，具有經傳感器隔開的離散"按鈕"型電極240， 并提供電子連接裝置，包括在連接點241上的電極的單獨電子連接(未 顯示)。
0040為改善用于滾動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計。 圖7B至7D顯示了電極間相互混雜重疊的增長程度。
0041可壓縮絕緣結構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 固體傳導層220放置在分離結構層202上，保護性絕緣膜230覆蓋了整 個部件，將第二個導電層從環境中隔離。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電和透明材料產生。可選擇的是，電極 層可用柔性導電材料制作，例如織進布中的細的、導電纖維，并切割形 成預期的電極式樣。壓縮頂層230會造成第二電極層220的局部凹陷， 會改變位于所述凹陷處下的相應"按鈕電極"240的電容。0042用于控制該裝置的導電路徑的總數等于第一層"按鈕"電極的 數目加上第二電極層的一個路徑。
0043可重新配置鍵區、遠程控制、MP3播放器控制等使用本實施例 最有利，因為"按鈕"電極能按照應用的轉換被重新分配各種功能。
0044重要的是，傳感器整個表面的可壓縮性是均勻的，與現有技術 被物理分割并因此被不均勻壓縮的離散按鈕相反。這對于小尺寸應用是 重要的，在這些應用中使用者的手指不能總是完美地放置在按鈕的中央。 先前技術設備中，遠離按鈕中心的壓縮會導致壓縮扭曲并錯誤地解釋使 用者的意圖，因為在傳統的觸點型按鈕中，電極間的要求的觸點是不充 分的。本發明因而領先于現有技術，因為它能更精確地認識到使用者的 意圖，對于適當地起作用來說，不需要電極層間的絕對接觸。
0045本發明超過現有技術的另一優點是，測量壓力和觸點位置的結 合能更好的認識到用戶的輸入。如果使用者壓縮按鈕間的區域，更高壓 縮程度的區域會比較低壓縮程度的臨近按鈕電極優先。在這種情形下， 按在按鈕大致區域并不精確地壓在按鈕的中央，對確認用戶的意圖來說 是足夠的。
0046使用觸點位置的內插法能進一步發展這種優點。移動觸控筆， 例如兩個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 識，例如滾動。這種附加的功能不能認識到傳統的觸點按鈕電極，并容 許在同一物理尺寸內具有新功能。在移動觸點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，因而認識到運動的方向能得到更 高的精度。
0047本發明的輸入設備的第二有用實施例在圖3A和3B中顯示。其 總體上與第一實施例相似，硬質基板315收納傳感電極的第一層301,通 過一個用幾何元件306制成的可壓縮絕緣結構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，而不是在先實施例中的所有感應電才及。
0048第二個驅動電極層320也包括各自的離散電極321 ， 一般排列在 第一電極層相應電極位置處的列上。第二層按鈕順著每個"列"有相互 連接的電子線路322。附加的絕緣膜層345覆蓋了整個組件，分離的底 層350放置在絕緣膜上，使得整個傳感器接于底層。第一傳感和第二驅 動電極層中的電極的"列"和"行"的排列，容許電子連接的總數目減 少。在圖3所示的例子中，第一電極層需要的連接數目是5，第二電極層 是3,因此需要僅8個電子連接以控制14—按鈕的輸入設備。雖然此實 施例中的按4丑是偽矩陣結構(pseudo matrix configuration),本發明容許將 他們布置為任意的結構。
0049完全電極矩陣作為第三實施例在圖4中顯示。使用先前實施例 的同 一原理制造，這種設計400用第一感應電極層上的電極帶440取代 離散按鈕。這些帶每個都配有電子連接點441。另一套電極帶421以垂直 于感應電極帶的方向棑列在第二電極層上。每個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 的電線數量。在圖4中所示的設備實例中，控制線的總數是底層的10加 上頂層的6，對于10x6傳感器矩陣總數為16。此矩陣的高空間分辨率 由421和440的交集形成，實質上能以通常TFT矩陣顯示器能顯示多數 圖像的相似方式提供無限數量的輸入設備配置。"按鈕"、"滑動調節器
(sUders)"、和其他控制作為輸入概念存在，而不是離散的、物理結構， 并很容易經控制軟件進行編程。
0050本發明的輸入設備的第四實施例在圖5中表示。與先前的版本 比較它有兩個更進一步的改進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商業上可用的IC安裝于傳感器上容許本發明的輸入設備以經濟 的價格大量生產。為使本發明更有用，IC應該是混合信號的，容許模擬和數字信號的輸入和輸出，并能測量電極整個范圍的電容，他們是按鈕、
滑動調節器(sliders )、電極矩陣等。通過集成特征或標準數字界面，IC 將容許傳感器起到主處理器的外圍設備作用。此界面能采用 一些列標準
數字序列協議，例如12。、 SPI、 cambus、 RS-232、 USB,或經平行界面 端口提供存儲映像1/0。 一個特定的、專用協議也能使用。IC設備也能按 照足夠快的節奏重復測量電容，以探測使用者的輸入并實時響應。最佳 的，所有本地模擬信號處理和基本控制也在TC的水平上進行，以便只有 適合當前配置的使用者命令能作為輸出信號發送出去。例如，除了提供 每個元件上的行壓力水平，IC也能在每個觸點上指定精確的、內插X, Y位置和壓力。可選擇的是，更復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"。更進一步說，具有內 置微控制器的混合信號IC容許有單一的芯片，以處理配置可重新配置觸 覺輸入設備中的輸入處理及不需要主機管理整個設備的功能性。定制的 ASIC也能集成制作用于特定應用的傳感器的一個或所有特征。
0052作為商業上使用部件的實例，Cypress半導體(SanJose， CA) 生產了商業上可用的IC系列，能按照如上所述進行電容感應和數字界面 連接。這種4支術，在Cypress可編程片上系統(PSoC)系列內商品名為 "CapSense",對于觸覺傳感器來說是足夠的，它具有相關的約25mrr^或 更大區域的傳感原件。模擬設備(Norwood ,MA)也能生產商業上可用的IC 系列，能用較小傳感器進行電容測量，但是他們僅作為從屬的外圍設備 運行，并且不能同許多傳感器一樣讀數。
0053圖5中，傳感器500包括在支撐電極的第一層501的硬質基板 515部件內，它能使用以上描述的任何種類進行制作。可壓縮絕緣結構 502支撐電極的第二層，也可使用以上所述的配置進行制作。在這種構造 中，雖然顯示了可壓縮絕緣結構，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方法，因為新穎性區別不僅在傳感器設計中，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;陂透明保護層565覆蓋。
0054柔性顯示裝置560設計顯示本發明的可重新配置觸覺輸入設備 的當前配置。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、十字線、箭頭或相似標記的，他們可能輪流顯 示用戶的當前功能。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。被此發明有利地使用作為柔性顯示裝置的一個有用技術是 場致發光(EL)顯示屏。EL顯示屏可根據運行模式改變配置，并為用戶提 供當前使用模式的向導。
0055電致發光顯示屏在電子上與電容相似，包括兩個導電面，被絕 纟彖層和選擇性沉積發光焚光劑(selectively-deposited light-emitting phosphor)分離，當有電場時他們會發光。交流電壓典型地使用，以在經 過熒光劑和絕緣層的地方產生電場。每次循環期間，激發兩倍的電子， 熒光劑通過透明端電極發射光線。本發明中的EL顯示屏的優勢是其小的 厚度和讓其覆蓋傳感器而不會降低觸覺傳感功能的靈活性。顯示屏也容 易使用，不會明顯地增加整個設備的成本。
0056用于本發明目的EL顯示屏的一個特定例子，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LED 顯示屏，或如MA劍橋E-INK生產的"電子墨水"及加拿大弗里蒙特Sipix Imaging生產的"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例。 圖6A到6D圖解了不同運行模式期間的顯示屏發光外觀"自由表
(freeform )"模式6A,在此模式中傳感器作為觸摸板或寫字板使用；"電 話"模式6B，在此模式中傳感器作為標準鍵盤操作；圖6C所示的"導 航"模式，例如當滾動列表或運行音頻播放器；"游戲"模式6D,在此 模式中傳感器能為大多數便攜式游戲系統提供典型的控制。
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。整個設備可選地被透明柔性覆蓋層所覆蓋，以 保護配件免受磨損、潮氣和其他不利的環境條件。
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期 在滑動控制器內。因電子和機械耦合效應，RTID提供離散電極間的耦合。 對于要求進行質心探測的操作，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計合并。例如，如果使用非常厚的堅硬材料， 電極的響應將和操作者按下電極的中心一樣。這種機械耦合方法有增加 RTID厚度的不利之處。因此，對于起到滑動控制器或滑動輪作用的電極， 電極設計將使手指互相纏繞。電子耦合的程度可根據傳感器的尺寸和預 期操作行為進行調整。
0060圖8a-8c顯示了各種絕緣支撐結構，能在重壓下彎曲。圖8a顯 示了一個首選的實施例，其中接觸區域在負載下彎曲。對于滾動或導航 模式，使用輕壓彎曲不會產生，但是觸覺傳感器能測定到接觸的位置和 運動方向。當操作者達到預期區域，他或她能在顯示選擇的區域更用力 的按壓以指示選擇。隨著這種用力的按壓，支撐結構會彎曲或坍塌。由 于電極間隔更近，這會導致測量出較高的電容，由坍塌結構支撐的力會 更低，使用者按壓或選擇的預期選擇的觸覺感應將向使用者提供。
061相比于現有的輸入設備，本發明的可重新配置觸覺輸入設備有以 下優點
它在整個傳感器表面上同時提供了位置和壓力信息，因此在用戶界面 設計中提供了更多的靈活性；
與現有觸摸傳感器相比，壓力信息能很容易地防止意外的控制調整， 現有觸摸傳感器要求有附加的機械開關，接受和不接受控制輸入(例如 蘋果計算機的iPod有這樣的保持開關)；
本發明的觸覺輸入設備，不需要分離開關，因為在同一區域能使用不 同的壓力水平，以顯示不同的動作，例如滾動或選擇預期目標； 位置錯誤偏差最小化，因為不需要位置刻度，像觸摸屏所需； 本發明具有解決多于一個接觸位置的固有能力，與單接觸輸出設備相
比，它更充分理解用戶的意 它使用手指及許多導電和非導電物體工作。
0062雖然已經用特定的實施例描述了本發明，但是可以理解的是， 這些實施例僅說明了本發明的原理和應用。可以理解的是，進行許多修 改以說明實例，并且其他布置可能被設計而沒有偏離由附加權利要求所 定義的本發明的精神和范圍。
權利要求
1、可重新配置的觸覺輸入設備，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包括超過一個電極，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構，連接到上述第一和上述第二電子連接裝置的控制裝置，適于實時測量上述第一和上述第二電極層間的電容，當至少一個上述電極的電容變化被探測到時，其被測量，并被上述控制裝置轉換為上述輸入設備上的接觸位置和壓縮力，然后根據當前輸入設備的配置，將它轉換成認可的用戶輸入命令信號；上述配置通過所述的控制裝置可重新配置。
2、 如權利要求1所述的輸入設備，其中所述的第一電極層是硬質的。
3、 如權利要求2所述的輸入設備，其中所述的第一電極層安裝在硬 質基板上。
4、 如權利要求1所述的輸入設備，其中所述的第一或第二電極層由 多個離散"按鈕"型電極組成，每個所述的電極提供各自的電子連接點。
5、 如權利要求4所述的輸入設備，其中所述的鄰近"按鈕，，型電極 間具有混雜重疊。
6、 如權利要求1所述的輸入設備，其中所述的第一電極層包括第一 多個"按鈕"型電極，所述的第二電極層包括第二多個"按鈕"型電極。
7、 如權利要求6所述的輸入設備，其中所述的第一多個"按鈕"型 電極總體上經第一相互連接的電子路徑成行排列，所述的第二多個"按 鈕"型電極總體上經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構上。
8、 如權利要求1所述的輸入設備，其中所述第一電極層包括制作為 平行帶的第一單獨電極，所述第二電極層包括制作為平行帶的第二單獨 電極，導向總體上垂直于且重疊在第一電極層，在所述壓縮絕緣結構上， 因此形成了電極的電容測量矩陣。
9、 如權利要求1所述的輸入設備，其中所述電極由金屬或導電有機 材料制作，并具有一個電極圖形，選擇使用從由蝕刻、噴鍍、蒸鍍、油 墨懸液產品、銦錫氧化物組成的一組方法中的一種方法制造，或提供由 導電纖維制作的織物，并切成預期的形狀。
10、 如權利要求1所述的輸入設備，還包括位于所述電極間的底層， 其中所述輸入設備的表面的壓縮性是均勻的。
11、 可重新配置的觸覺輸入設備，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 一個包括超過一個電極；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構，所述 結構包括多個的幾何元件，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，適于實時測量上 述第一和上述第二電極層間的電容。
12、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述的可壓縮絕緣結構， 至少在設備的一部分上具有均勻的厚度。
13、 如權利要求12所述的輸入設備，其中所述的厚度從約0.05mm 到約0.5mm。
14、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述的元件以重復的式樣 排列，所述的輸入設備至少在設備的一部分上具有均勻的壓縮性。
15、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述的空間排放到大氣。
16、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述的空間密封并相互連接。
17、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述的可壓縮絕緣結構的 幾何元件可vMv由帶、柱、曲線、多角形或點組成的組中選擇。
18、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述可壓縮絕緣結構是用 彈性材料制成的。
19、 如權利要求18所述的輸入設備，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、 如權利要求11所述的輸入設備，其中所述可壓縮絕緣結構的幾 何元件具有預定的柱強度，在所述設備上應用超過預定極限值的力時會 坍塌，以向用戶提供觸覺回饋。
21、 如權利要求11所述的輸入設備，其中一旦壓縮超過預定極限值， 所述可壓縮絕緣結構的幾何元件呈現壓縮的第一線性階段，而后是壓縮 的第二非線性階段。
22、 如權利要求11所述的輸入設備，其中一旦對所述設備施加的壓 縮超過預定極限值，所述可壓縮絕緣結構的幾何元件包括凹槽，以確定 坍塌點。
23、 可重新配置的觸覺輸入設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包括超過一個電極， 可壓縮絕緣結構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、 如權利要求23所述的輸入設備，其中所述的IC是模擬和數字 類型的混合信號，并在所述第一和第二電極層的電極間實時測量電容。
25、 如權利要求24所述的輸入設備，其中采用所述的IC作為具有 數字界面的隨動外圍設備。
26、 如權利要求24所述的輸入設備，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備的主控制器或具有數字界面的隨動外 圍設備。
27、 如權利要求26所述的輸入設備，其中所述的IC是混合信號型ASIC，并在所述第一和第二電極層的電極間實時測量電容。
28、 如權利要求27所述的輸入設備，其中所述的IC進一步適合于 完成信號處理功能。
29、 如權利要求28所述的輸入設備，其中所述的信號處理功能包括 計算接觸質心位置、力量和軌道，所述的功能進一步包括減弱噪音的數 字過濾和錯誤的觸點辨識。
30、 可重新配置的觸覺輸入設備包括 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包括超過一個電極， 可壓縮絕緣結構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，以對應所述輸入設備操作模式配置的變化。
31、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏的配置 對應所述的第一和所述的第二電極層的電極配置。
32、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏對應操 作模式，但是不對應電極的物理布置。
33、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏是電致發光顯示屏。
34、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述柔性顯示屏是有機 LED顯示屏。
35、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏是"電 子墨水"顯示屏。
36、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏是多段 顯示屏。
37、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述的柔性顯示屏是有源 矩陣顯示屏。
38、 如權利要求37所述的輸入設備，其中所述有源矩陣顯示屏是薄 膜晶體管TFT矩陣顯示屏。
39、 如權利要求30所述的輸入設備，其中所述顯示屏適合于提供至 少兩個不同的操作模式。
40、 如權利要求39所述的輸入設備，其中所述的操作模式可從由"自 由表"模式、"電話"模式、"導航，，模式和"游戲，，模式組成的組中選 擇。
41、 如權利要求30所述的輸入設備，還包括安裝在所述柔性顯示屏 上的可壓縮透明保護層。
42、 如權利要求30所述的輸入設備，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備，包括第一硬質電極層101，可壓縮絕緣體結構102，和第二柔性電極層103，組合適當電極連接裝置的觸覺傳感器到控制裝置。控制裝置可以包括安裝在緊縮包裝中的輸入設備上的混合信號IC，并能夠實時測量電容。絕緣體結構包括具有空間105的可壓縮幾何元件的矩陣，可選的向大氣排出，使整個部件變薄并便于移動電話和其他小的、便攜式電子設備的使用。一些具體實施例為用戶提供了當壓縮電極時的觸覺反饋。可選擇的柔性顯示屏可安裝在輸入設備上，以顯示使用者目前的配置。
文檔編號H03K17/975GK101427468SQ200780013995
公開日2009年5月6日 申請日期2007年4月19日 優先權日2006年4月20日
發明者哲·S·桑, 大衛·愛布爾斯, 戈登·多比 申請人:壓力分布系統公司