CN101427468B - 可重新配置的触觉传感器输入设备 - Google Patents

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Abstract

可重新配置触觉输入设备，包括第一硬质电极层101，可压缩绝缘体结构102，和第二柔性电极层103，组合适当电极连接装置的触觉传感器到控制装置。控制装置可以包括安装在紧缩包装中的输入设备上的混合信号IC，并能够实时测量电容。绝缘体结构包括具有空间105的可压缩几何元件的矩阵，可选的向大气排出，使整个部件变薄并便于移动电话和其他小的、便携式电子设备的使用。一些具体实施例为用户提供了当压缩电极时的触觉反馈。可选择的柔性显示屏可安装在输入设备上，以显示使用者目前的配置。

Description

可重新配置的触觉传感器输入设备
发明背景
【0001】本发明总体上涉及可重新配置输入设备。特别是，本发明的输入设备利用了触觉传感器技术，而同时允许设备根据其特定应用的需要改变其功能。一个独特有利的实施例，触觉输入设备能够同时测量多位置的接触位置和压力，同时能增加命令的无故障运行。在另一个实施例中，根据传感器的压缩向使用者提供触觉反馈，确认命令输入的成功完成。本发明设备的应用范围从适应消费者产品，如移动电话、PDA、便携式音频和视频播放器(如Apple电脑流行的iPod产品系列)和其他便携式电子设备，到工业和机器人的使用。
【0002】两维(X，Y)可重新配置输入设备测量显示屏上触点的已广为人知。他们由一个接触矩阵组成，能探测矩阵的每个单元中的电子信号存在或不存在。典型地，这些输入设备制作清晰，以至于他们能覆盖硬质输出显示屏。在大屏幕中使用这种配置是优秀的，显示屏能显示大的按钮，不会被使用者的手与输入设备相互作用而阻隔。
【0003】然而，对于小的、便携式电子设备，例如移动电话和PDA，人的手指相对于小尺寸显示屏来说太大。由于这个问题，许多设备提供了触控笔作用于触摸屏，使用它将花去更多的时间，很难操作并且容易丢失。
【0004】经常用于输入设备的另一类设备是接近传感器。这些设备能感应到电导体特性的存在，例如发现人的指尖靠近输入设备。然而，他们容易受环境变化的影响，不能作用于非导电目标，例如戴着手套的人。这类设备不能测量接触压力，因此不能一致表达用户的意图。从而用户与这些设备的相互作用是有限的。
【0005】已知电容传感器可作为输入设备使用，例如在由Matzke申请的美国专利号4,736,191中进行描述。此专利描述了一接触垫作为圆形电容接近传感器，作为电脑的非重新配置输入设备使用。
【0006】Boie申请的美国专利号5,463,388描述了鼠标或键盘输入工具，其根据测量因传导和潮湿目标的临近效应引起电容变化，例如人手，作为计算机的输入设备。
【0007】Seely的美国专利号6,188,391和Miller的美国专利号5,648,642表明了两层电容接触垫制作为接近传感器的另一实施例，它由绝缘材料反面上的导电极组成。在相关的专利中，Miller的美国专利号5,841,078讨论了压力传感，但是显示的方法是根据指尖接触区域随着压力增加而增加进行压力测定的间接方法。
【0008】Westerman的美国专利号6,888,536描述了使用一接近传感器阵列同时跟踪多个手指和手掌接触点的传感器。这种设备用于进行多功能处理，例如打字、指针移动和姿势辨认。已披露的发明使用要求每个传感器元件有四个连接的接近传感器，并将相应的电路放置在像素水平(pixel level)上。Westerman描述了测量压力和接近效应的能力，但是不能描述两种效应怎样分离。
【0009】基于可互换键盘和视频显示的可重新配置输入设备在Kaplow的美国专利号4,202,041中已知，例如，描述了根据语言和功能要求能动态改变按钮外观的输入键盘。然而，使用传统离散电子开关生产个别按钮费用是昂贵的。Kubes的美国专利号6,035,189和5,877695描述了装入到移动电子设备中的电致发光(EL)驱动器，能促使矩阵排列显示不同的警告、模式和图像。这些专利提及到将触摸输入设备放置到EL显示屏下，但是没有详细说明触摸传感器的细节。
【0010】Benson的美国专利号6,888,537描述了输入设备发输出信号，将沿施加的力(Z)的接触位置(X，Y)合并到一打印的表中，使得开关在不同的应用中运行。该发明的描述显示了泡沫型可压缩材料作为适应的绝缘体材料工作，但是实际上这种泡沫在小型、便携式电子设备中作为输入设备使用不能变得足够薄。
【0011】Ward的美国专利号6,824,321描述了一普通的X，Y接触传感器与多层EL显示屏结合，能使其在多模式中工作。EL显示屏放置在触摸传感器的后面，要求触摸传感器基本清晰。然而，触摸传感器受到多点接触的干扰，不能提供接触力的信息。
【0012】最后，Speeter的美国专利号No5,479,528描述了使用触觉传感器和IC(集成电路)鉴别用户的规模，重新定位一虚拟输入设备，例如键盘和鼠标，到最优位置上。
【0013】对于可重新配置输入设备来说存在这样的需求，能同时提供传感器整个表面上的位置和压力信息，以便在设计用户控制界面(CUI)时能提供更好的适应性。对于输入设备也存在需求，能探测多位置上接触的清晰位置和压力，以改善用户命令的无误处理。
发明概要
【0014】在以下段落中，没有特别说明，术语“传感器”和“传感器阵列”指单个传感元件的阵列和一个或多个任意放置的传感器元件的集合。
【0015】本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于触觉传感器阵列的新颖的可重新配置输入设备，能够在多位置并同时测量接触的位置和压力。
【0016】本发明的另一个目的在于提供一种独立硬质或柔性触觉传感器，集成一薄的、可压缩绝缘体结构，用于分离电极层，其可作为可重新配置输入设备使用。
【0017】本发明的另一个目的在于提供一种触觉传感器，通过将电极层集成到电路布置中，集成到现有硬质或柔性电路板设计中。
【0018】本发明的另一个目的在于提供一种被一柔性显示装置覆盖的触觉传感器，例如场致发光或有机LED灯。
【0019】本发明的另一个目的在于提供一种由混合信号IC控制的可重新配置触觉传感器输入设备，能作为主控制器或从属的外围设备运行。
【0020】本发明的另一个目的在于提供一种独立触觉传感器阵列，具有电容传感器表面相似的硬度，传感器安装在硬质基板并被柔性显示装置覆盖，例如EL显示屏。
【0021】本发明的另一个目的在于提供一种可重新配置触觉传感器输入设备，该设备由测量混合信号IC电容控制。
【0022】本发明的另一个目的在于提供一种适合于作为可重新配置输入设备使用的电容传感器，传感器集成一薄的绝缘层使得一个电极层和另一个电极层分离。
【0023】本发明的另一个目的在于提供一种可重新配置输入设备，具有触觉反馈特征，反馈给用户以确认输入命令的完成。
【0024】本发明是基于电容传感器的新颖设计。为对于消费者电子市场具有实际价值，生产的输入设备须是便宜的，并且尺寸为薄的，以便适合于小型、便携式电子设备，例如移动电话。为达到此目标，在第一和第二电极层间使用新颖设计的绝缘分离层。这种分离层由用可压缩聚合体材料制作的网状结构组成，在外形上它形成了相邻的气包，容许在使用期间结构能压缩。这种可压缩绝缘结构(CDS)然后放置在电极层间。与更多传统泡沫层相反，在最薄的形态中它甚至仍然是相对厚的，这种新颖的方法容许CDS的使用，从而整个传感器，在制造后是相当薄的。在一些实施例中，可压缩绝缘结构在一定极限压力下弯曲，以向用户提供触觉反馈。
【0025】超出传统触觉传感器的另一个延伸是在硬质基板上安装传感器。虽然传统触觉传感器是灵活的，并对两边的压力是敏感的，但是此发明的传感器可以仅对来自于一边敏感，另一边安装在基板的硬质表面，将薄触觉传感器连接到硬质体上，或使用硬质基板构建一个电极层。这种结构使该发明作为输入设备更有效，同时调节性设计仍要求有柔性触觉传感器。这种结构也容许更容易将触觉传感器集成到电路中，可以使用标准印刷电路板以形成硬质基板和电极。
【0026】另一个创新是采用混合信号(模拟的和数字的)IC作为控制器，作为触觉传感器的输入设备的可重新配置功能。使用混合信号IC能测量薄的，廉价的触觉传感器的电容，使得本新颖经济的可行的输入设备创造，具有广泛新颖功能(包括但不限于，除了传统的X，Y位置信息，压力测量作为第三变量)，这在多个产业上是十分有用的，包括消费电子产品。
【0027】以上简要描述的传感器可以作为具有单独显示屏的输入设备，这种传感器与在传感器上的廉价的、柔性显示装置的组合对于小尺寸消费电子应用来说更为有用，例如移动电话和PDA。例如，安装在所述传感器顶部的场致发光(EL)、e-ink或有机LED显示屏能显示独特的控制覆盖图，能与传感器的输入模式组合匹配。
附图的简要描述
【0028】本发明的更全面的描述和其各种优点可通过以下详细的描述获得，在这些描述中同时参考了附图：
图1是本发明的触觉传感器的最基本设计的总体视图，其使用触控笔将压力应用在传感器上。
图2A和2B是本发明的传感器的第一个有用实施例的具有放大局部的俯视和侧视图，其具有不连续的电极，能作为可重新配置键区。
图3A和3B是本发明的传感器的第二个有用实施例的具有放大局部的俯视和侧视图，集成了相互连接的不连续的电极的矩阵。
图4A和4B是本发明的传感器的第三个有用实施例的具有放大局部的俯视和侧视图，其具有重叠的电极带，形成电容触觉传感器阵列。
图5显示了本发明的第四个实例的侧视图，显示了在传感器上的柔性显示装置和安装在附件的IC。
图6A至6D显示了多节柔性显示装置的多种光图像的正视图，显示了可重新配置输入设备的各种运行模式。
图7显示了适合于更好的电子连接的重叠电极的各种设计；最后
图8A至C显示了可压缩绝缘结构的若干可能设计，在超过预定极限压力时弯曲，以向用户提供触觉反馈。
本发明首选实施例的详细描述
【0029】本发明的详细描述须遵循附图上的参考内容，相似的元件使用相似的字母和标号。
【0030】图1显示了本发明的传感器设备100的最基本构造。所有的电容传感器具有被可压缩绝缘结构分离的第一电极和第二电极层。在此情形下，第一电极层101可以由分离的硬质基板(未显示)支撑或在第一位置上被制成硬质的。第二柔性电极组件103通过可压缩电极结构102(两个电极层的电连接装置未显示)悬挂在远离第一电极层101的位置上。该层的设计的新颖之处在该层中它不是由固体材料制成的，例如在普通已知触觉传感器中使用的传统泡沫。当泡沫集成到可压缩空气包，非常薄的泡沫层能释放其压缩性。此外，生产薄泡沫层是非常困难的。市场上可用的最薄泡沫材料厚度约为0.031英寸，对于此发明来说它太厚了。
【0031】对于小尺寸消费者电子设备，例如移动电话，有从第二电极层分离出第一电极层的装置是非常重要的，其可进行可靠的和简单的生产。根据本发明，具有几何元件的可压缩绝缘结构以重复的方式通过一个电极层的整个表面并在其中间留下空间，所述几何元件例如带子、柱、多边形、曲线、点等。图1中以截面显示的元件106由可压缩绝缘材料支撑的，例如硅树脂、橡胶或热塑性塑料人造橡胶等，用胶带或薄层液体粘胶连接到101上。重要的是，在传感器装配后，分离结构元件间的空间105自然地充满空气。当带有触控笔104或任何其他物体的第二电极层103的顶面压缩时，通过变形柔性电极到空气空间105和/或通过压缩分离结构102的固体部分，形成表面103的下降。结构元件106彼此靠近布置，但是具有足够的空间形成可压缩空间105。空间可向大气中排气或密封，但是须相互连接。这种绝缘层的厚度可以常规制造地比泡沫层厚度远小，能达到0.005英寸。在大多数首选配置中，厚度范围从约0.05mm到约0.5mm。
【0032】可压缩绝缘结构设计的进一步改进是可向用户展示触觉反馈的能力。结构的元件能被制成压曲或倒塌，以便给用户在压缩传感器时有“滴答”或“弹响”的感觉。该功能对于使得用户具有作用按钮完成的触觉确认是有价值的。通过提供具有限支柱强度的可压缩绝缘结构的几何元件或后面所述的内置弯曲装置可以实现。
【0033】请参考图8A至8C，显示了能提供触觉反馈的可压缩结构的弯曲设计的例子。图8A显示了结构带以一个角度布置，高度大于宽度。这限制了柱强度，并使得其在达到极限压力时坍塌。当用户压缩顶部表面时，在轻负荷条件下，带初始压缩而不会坍塌，但是在更高的负荷条件下会坍塌，并且在超过预定的极端值后设备表面向一边弯曲。通过改变材料的特性和带子的尺寸，该值很容易调节。在坍塌时，结构提供了一表面立即运动到靠近其他表面，这也可用于为用户提供按钮完全压缩并且不需要进一步压缩的感觉
【0034】图8B和8C中显示了另一个选择，带具有一边或两边凹槽，以便能提供预定的坍塌点。在超过压缩极限值时，带在该点上再次坍塌，向用户提供了即时的触觉回馈，以显示输入设备的压缩完成。
【0035】可压缩绝缘结构的元件的其他可坍塌设计也是预期的并包括在本发明的范围内。其包括多种弯曲元件，例如柱、点、棱锥等，可集成到结构的基本元件中或能作为独立元件制造。
【0036】在使用这种弯曲结构的第一个线性阶段，随着顶部表面的压缩开始并逐渐增加，信号强度线性增加，因为可压缩结构是缩进的，电容测量值作为输入信号使用。在达到极端值时，第二非线性阶段起作用，绝缘结构坍塌，信号非线性分步式增加发生。本发明具有可坍塌的绝缘结构的触觉传感器的双阶段使用，是本输入设备的另一个重要新颖特征。
【0037】以上描述的绝缘结构对于本发明的所有实施例是适用的。
【0038】本发明的另一个特征是可选择使用底层(ground layer)(未示出)，该底层可集成到电极层的设计中。这种底层的目的是在触觉传感器的整个表面上提供一致的表面。
【0039】图2A和2B图解了本发明的输入设备200的一个商业上有用设计的第一实施例。它由硬质基板215组成，在其上面安装第一电极层201。电极层201可使用多种标准制造方法成型，包括PCB蚀刻、喷溅或真空金属沉积物或导电性油墨印刷(conductive ink printing)方法。在此情形下，第一电极层是感应层，具有经传感器隔开的离散“按钮”型电极240，并提供电子连接装置，包括在连接点241上的电极的单独电子连接(未显示)。
【0040】为改善用于滚动和其他相似功能的电子连接，电极间的可选混杂交叠按照图7中所示的例子完成。图7A显示了没有重叠的电极设计。图7B至7D显示了电极间相互混杂重叠的增长程度。
【0041】可压缩绝缘结构202以上述相同的方式布置在第一电极层上，并由固体压缩元件206组成，其中间具有空间205。确定了第二电极层的固体传导层220放置在分离结构层202上，保护性绝缘膜230覆盖了整个部件，将第二个导电层从环境中隔离。与第一电极层一样，第二层可通过蚀刻、沉积或印刷合适的导电和透明材料产生。可选择的是，电极层可用柔性导电材料制作，例如织进布中的细的、导电纤维，并切割形成预期的电极式样。压缩顶层230会造成第二电极层220的局部凹陷，会改变位于所述凹陷处下的相应“按钮电极”240的电容。
【0042】用于控制该装置的导电路径的总数等于第一层“按钮”电极的数目加上第二电极层的一个路径。
【0043】可重新配置键区、远程控制、MP3播放器控制等使用本实施例最有利，因为“按钮”电极能按照应用的转换被重新分配各种功能。
【0044】重要的是，传感器整个表面的可压缩性是均匀的，与现有技术被物理分割并因此被不均匀压缩的离散按钮相反。这对于小尺寸应用是重要的，在这些应用中使用者的手指不能总是完美地放置在按钮的中央。先前技术设备中，远离按钮中心的压缩会导致压缩扭曲并错误地解释使用者的意图，因为在传统的触点型按钮中，电极间的要求的触点是不充分的。本发明因而领先于现有技术，因为它能更精确地认识到使用者的意图，对于适当地起作用来说，不需要电极层间的绝对接触。
【0045】本发明超过现有技术的另一优点是，测量压力和触点位置的结合能更好的认识到用户的输入。如果使用者压缩按钮间的区域，更高压缩程度的区域会比较低压缩程度的临近按钮电极优先。在这种情形下，按在按钮大致区域并不精确地压在按钮的中央，对确认用户的意图来说是足够的。
【0046】使用触点位置的内插法能进一步发展这种优点。移动触控笔，例如两个离散按钮之上或之间，可各自被控制软件作为不同的命令而认识，例如滚动。这种附加的功能不能认识到传统的触点按钮电极，并容许在同一物理尺寸内具有新功能。在移动触点位置情形下使用了同一逻辑，例如使用触控笔而具有书写特征，因而认识到运动的方向能得到更高的精度。
【0047】本发明的输入设备的第二有用实施例在图3A和3B中显示。其总体上与第一实施例相似，硬质基板315收纳传感电极的第一层301，通过一个用几何元件306制成的可压缩绝缘结构302和空间305与第二层320分离。第一电极层的“按钮”型电极340一般在行341中相互连接。仅仅每“行”的末端电极有专用的电子连接路径341，而不是在先实施例中的所有感应电极。
【0048】第二个驱动电极层320也包括各自的离散电极321，一般排列在第一电极层相应电极位置处的列上。第二层按钮顺着每个“列”有相互连接的电子线路322。附加的绝缘膜层345覆盖了整个组件，分离的底层350放置在绝缘膜上，使得整个传感器接于底层。第一传感和第二驱动电极层中的电极的“列”和“行”的排列，容许电子连接的总数目减少。在图3所示的例子中，第一电极层需要的连接数目是5，第二电极层是3，因此需要仅8个电子连接以控制14—按钮的输入设备。虽然此实施例中的按钮是伪矩阵结构(pseudo matrix configuration)，本发明容许将他们布置为任意的结构。
【0049】完全电极矩阵作为第三实施例在图4中显示。使用先前实施例的同一原理制造，这种设计400用第一感应电极层上的电极带440取代离散按钮。这些带每个都配有电子连接点441。另一套电极带421以垂直于感应电极带的方向排列在第二电极层上。每个上部电极带也配有电子连接422。因此完整电极矩阵布置有控制矩阵所需要的水平和垂直带总和的电线数量。在图4中所示的设备实例中，控制线的总数是底层的10加上顶层的6，对于10×6传感器矩阵总数为16。此矩阵的高空间分辨率由421和440的交集形成，实质上能以通常TFT矩阵显示器能显示多数图像的相似方式提供无限数量的输入设备配置。“按钮”、“滑动调节器(sliders)”、和其他控制作为输入概念存在，而不是离散的、物理结构，并很容易经控制软件进行编程。
【0050】本发明的输入设备的第四实施例在图5中表示。与先前的版本比较它有两个更进一步的改进：IC570用于测量传感器压力值，并可选择靠近传感器同一基板515的地方安装，柔性显示装置560覆盖了基本传感器。
【0051】商业上可用的IC安装于传感器上容许本发明的输入设备以经济的价格大量生产。为使本发明更有用，IC应该是混合信号的，容许模拟和数字信号的输入和输出，并能测量电极整个范围的电容，他们是按钮、滑动调节器(sliders)、电极矩阵等。通过集成特征或标准数字界面，IC将容许传感器起到主处理器的外围设备作用。此界面能采用一些列标准数字序列协议，例如I2C、SPI、cambus、RS-232、USB，或经平行界面端口提供存储映像I/O。一个特定的、专用协议也能使用。IC设备也能按照足够快的节奏重复测量电容，以探测使用者的输入并实时响应。最佳的，所有本地模拟信号处理和基本控制也在IC的水平上进行，以便只有适合当前配置的使用者命令能作为输出信号发送出去。例如，除了提供每个元件上的行压力水平，IC也能在每个触点上指定精确的、内插X，Y位置和压力。可选择的是，更复杂的处理能够授予更合理的命令，例如“游戏控制器：开火”或“音频播放器：选择”。更进一步说，具有内置微控制器的混合信号IC容许有单一的芯片，以处理配置可重新配置触觉输入设备中的输入处理及不需要主机管理整个设备的功能性。定制的ASIC也能集成制作用于特定应用的传感器的一个或所有特征。
【0052】作为商业上使用部件的实例，Cypress半导体(San Jose，CA)生产了商业上可用的IC系列，能按照如上所述进行电容感应和数字界面连接。这种技术，在Cypress可编程片上系统(PSoC)系列内商品名为“CapSense”，对于触觉传感器来说是足够的，它具有相关的约25mm2或更大区域的传感原件。模拟设备(Norwood，MA)也能生产商业上可用的IC系列，能用较小传感器进行电容测量，但是他们仅作为从属的外围设备运行，并且不能同许多传感器一样读数。
【0053】图5中，传感器500包括在支撑电极的第一层501的硬质基板515部件内，它能使用以上描述的任何种类进行制作。可压缩绝缘结构502支撑电极的第二层，也可使用以上所述的配置进行制作。在这种构造中，虽然显示了可压缩绝缘结构，但是电极间的绝缘层能使用泡沫材料制作或使用其他传统方法，因为新颖性区别不仅在传感器设计中，而且在传感器原件上的柔性显示装置560的使用上，包括可选的绝缘膜545和底层防护550。柔性显示装置560可配置显示图6所示的不同功能模式，并或许被透明保护层565覆盖。
【0054】柔性显示装置560设计显示本发明的可重新配置触觉输入设备的当前配置。在某些情形下，不需要完整的覆盖，显示屏可能仅覆盖传感器的一部分，显示点、十字线、箭头或相似标记的，他们可能轮流显示用户的当前功能。柔性显示装置也足够的软，以向传感器层传输用户的压缩压力。被此发明有利地使用作为柔性显示装置的一个有用技术是场致发光(EL)显示屏。EL显示屏可根据运行模式改变配置，并为用户提供当前使用模式的向导。
【0055】电致发光显示屏在电子上与电容相似，包括两个导电面，被绝缘层和选择性沉积发光荧光剂(selectively-deposited light-emittingphosphor)分离，当有电场时他们会发光。交流电压典型地使用，以在经过荧光剂和绝缘层的地方产生电场。每次循环期间，激发两倍的电子，荧光剂通过透明端电极发射光线。本发明中的EL显示屏的优势是其小的厚度和让其覆盖传感器而不会降低触觉传感功能的灵活性。显示屏也容易使用，不会明显地增加整个设备的成本。
【0056】用于本发明目的EL显示屏的一个特定例子，是英国剑桥PELIKON LIMITED制造的。也可使用其他柔性显示装置，例如有机LED显示屏，或如MA剑桥E-INK生产的“电子墨水”及加拿大弗里蒙特SipixImaging生产的“电子纸”。
【0057】图6显示了使用多段EL显示屏制作传感器配置的各种有用实例。图6A到6D图解了不同运行模式期间的显示屏发光外观：“自由表(freeform)”模式6A，在此模式中传感器作为触摸板或写字板使用；“电话”模式6B，在此模式中传感器作为标准键盘操作；图6C所示的“导航”模式，例如当滚动列表或运行音频播放器；“游戏”模式6D，在此模式中传感器能为大多数便携式游戏系统提供典型的控制。
【0058】在典型的布置中，EL显示屏的底部电极层将是底层，可选地与传感器的顶部底层连接。整个设备可选地被透明柔性覆盖层所覆盖，以保护配件免受磨损、潮气和其他不利的环境条件。
【0059】图7a-7d显示了各种电极配置，在这些配置中原件间的耦合预期在滑动控制器内。因电子和机械耦合效应，RTID提供离散电极间的耦合。对于要求进行质心探测的操作，小的倾斜电极也可使用，或者原件间的附加耦合也可通过传感器设计合并。例如，如果使用非常厚的坚硬材料，电极的响应将和操作者按下电极的中心一样。这种机械耦合方法有增加RTID厚度的不利之处。因此，对于起到滑动控制器或滑动轮作用的电极，电极设计将使手指互相缠绕。电子耦合的程度可根据传感器的尺寸和预期操作行为进行调整。
【0060】图8a-8c显示了各种绝缘支撑结构，能在重压下弯曲。图8a显示了一个首选的实施例，其中接触区域在负载下弯曲。对于滚动或导航模式，使用轻压弯曲不会产生，但是触觉传感器能测定到接触的位置和运动方向。当操作者达到预期区域，他或她能在显示选择的区域更用力的按压以指示选择。随着这种用力的按压，支撑结构会弯曲或坍塌。由于电极间隔更近，这会导致测量出较高的电容，由坍塌结构支撑的力会更低，使用者按压或选择的预期选择的触觉感应将向使用者提供。
【061】相比于现有的输入设备，本发明的可重新配置触觉输入设备有以下优点：
●它在整个传感器表面上同时提供了位置和压力信息，因此在用户界面设计中提供了更多的灵活性；
●与现有触摸传感器相比，压力信息能很容易地防止意外的控制调整，现有触摸传感器要求有附加的机械开关，接受和不接受控制输入(例如苹果计算机的iPod有这样的保持开关)；
●本发明的触觉输入设备，不需要分离开关，因为在同一区域能使用不同的压力水平，以显示不同的动作，例如滚动或选择预期目标；
●位置错误偏差最小化，因为不需要位置刻度，像触摸屏所需；
●本发明具有解决多于一个接触位置的固有能力，与单接触输出设备相比，它更充分理解用户的意图；
●它使用手指及许多导电和非导电物体工作。
【0062】虽然已经用特定的实施例描述了本发明，但是可以理解的是，这些实施例仅说明了本发明的原理和应用。可以理解的是，进行许多修改以说明实例，并且其他布置可能被设计而没有偏离由附加权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (41)

1.可重新配置的触觉输入设备，包括：
具有第一电子连接装置的第一电极层，
具有第二电子连接装置的柔性第二电极层，
第一或第二电极层中的至少一个包括超过一个电极，
将上述第一电极层从上述第二电极层分离的可压缩绝缘结构，
连接到上述第一和上述第二电子连接装置的控制装置，适于实时测量上述第一和上述第二电极层间的电容，
当至少一个上述电极的电容变化被探测到时，其被测量，并被上述控制装置转换为上述输入设备上的接触位置和压缩力，然后根据当前输入设备的配置，将它转换成认可的用户输入命令信号；上述配置通过所述的控制装置可重新配置。
2.如权利要求1所述的输入设备，其中所述的第一电极层是硬质的。
3.如权利要求2所述的输入设备，其中所述的第一电极层安装在硬质基板上。
4.如权利要求1所述的输入设备，其中所述的第一或第二电极层由多个离散“按钮”型电极组成，每个所述的电极提供各自的电子连接点。
5.如权利要求4所述的输入设备，其中邻近的所述“按钮”型电极间具有混杂重叠。
6.如权利要求1所述的输入设备，其中所述的第一电极层包括第一多个“按钮”型电极，所述的第二电极层包括第二多个“按钮”型电极。
7.如权利要求6所述的输入设备，其中所述的第一多个“按钮”型电极总体上经第一相互连接的电子路径成行排列，所述的第二多个“按钮”型电极总体上经第二相互连接的电子路径成列排列，所述的行与位于所述可压缩绝缘结构上方的所述列重叠。
8.如权利要求1所述的输入设备，其中所述第一电极层包括制作为平行带的第一单独电极，所述第二电极层包括制作为平行带的第二单独电极，第二单独电极的平行带在导向上总体上垂直于第一电极层的平行带，且第一电极层的平行带与位于所述可压缩绝缘结构上方的第二电极层的平行带重叠，因此形成了由电极组成的电容测量矩阵。
9.如权利要求1所述的输入设备，其中所述电极由金属或导电有机材料制作，并具有一个电极图形，使用选择自以下一组方法中的一种方法制造，所述一组方法由蚀刻、喷镀、蒸镀、油墨悬液产品、铟锡氧化物、或提供由导电纤维制作的织物，并切成预期的形状组成。
10.如权利要求1所述的输入设备，还包括位于所述电极间的底层，其中所述输入设备的表面的压缩性是均匀的。
11.可重新配置的触觉输入设备，包括：
具有第一电子连接装置的第一电极层，
具有第二电子连接装置的柔性第二电极层，第一或第二电极层中的至少一个包括超过一个电极；
将上述第一电极层从上述第二电极层分离的可压缩绝缘结构，所述结构包括多个的几何元件，由可压缩的绝缘材料制成，并在其中形成空间，
连接到上述第一和第二电子连接装置的控制装置，适于实时测量上述第一和上述第二电极层间的电容，
当至少一个上述电极的电容变化被探测到时，其被测量，并被上述控制装置转换为上述输入设备上的接触位置和压缩力，然后根据当前输入设备的配置，将它转换成认可的用户输入命令信号；上述配置通过所述的控制装置可重新配置。
12.如权利要求11所述的输入设备，其中所述的可压缩绝缘结构，至少在所述输入设备的一部分上具有均匀的厚度。
13.如权利要求12所述的输入设备，其中所述的厚度从0.05mm到0.5mm。
14.如权利要求11所述的输入设备，其中所述的元件以重复的式样排列，所述的输入设备至少在所述输入设备的一部分上具有均匀的压缩性。
15.如权利要求11所述的输入设备，其中所述的空间排放到大气。
16.如权利要求11所述的输入设备，其中所述的空间密封并相互连接。
17.如权利要求11所述的输入设备，其中所述的可压缩绝缘结构的几何元件从由带、柱、曲线、多角形或点组成的组中选择。
18.如权利要求11所述的输入设备，其中所述可压缩绝缘结构是用弹性材料制成的。
19.如权利要求18所述的输入设备，其中所述可压缩绝缘材料从包含硅树脂、橡胶和热塑性塑料的组中选择。
20.如权利要求11所述的输入设备，其中所述可压缩绝缘结构的几何元件具有预定的柱强度，在所述设备上应用超过预定极限值的力时会坍塌，以向用户提供触觉回馈。
21.如权利要求11所述的输入设备，其中所述可压缩绝缘结构的所述几何元件呈现压缩的第一线性阶段，一旦压缩超过预定极限值，呈现压缩的第二非线性阶段。
22.如权利要求11所述的输入设备，其中所述可压缩绝缘结构的所述几何元件包括凹槽，以在对所述设备施加的压缩超过预定极限值时确定坍塌点。
23.可重新配置的触觉输入设备包括：
具有第一电子连接装置的第一电极层，
具有第二电子连接装置的柔性第二电极层，
第一或第二电极层中的至少一个包括超过一个电极，
可压缩绝缘结构将所述的第一电极层从所述的第二电极层分离，
连接到所述第一和所述第二电子连接装置的控制装置，所述控制装置包括安装在所述第一电极层附近的IC，
当至少一个上述电极的电容变化被探测到时，其被测量，并被上述控制装置转换为上述输入设备上的接触位置和压缩力，然后根据当前输入设备的配置，将它转换成认可的用户输入命令信号；上述配置通过所述的控制装置可重新配置。
24.如权利要求23所述的输入设备，其中所述的IC是模拟和数字类型的混合信号，并在所述第一和第二电极层的电极间实时测量电容。
25.如权利要求24所述的输入设备，其中采用所述的IC作为具有数字界面的随动外围设备。
26.如权利要求24所述的输入设备，其中所述的IC还包括可编程微控制器，适于作为所述输入设备的主控制器或具有数字界面的随动外围设备。
27.如权利要求26所述的输入设备，其中所述的IC是混合信号型ASIC，并在所述第一和第二电极层的电极间实时测量电容。
28.如权利要求27所述的输入设备，其中所述的IC进一步适合于完成信号处理功能。
29.如权利要求28所述的输入设备，其中所述的信号处理功能包括计算接触质心位置、力量和轨道，所述的功能进一步包括减弱噪音的数字过滤和错误的触点辨识。
30.可重新配置的触觉输入设备包括：
第一电极层，
柔性第二电极层，
第一或第二电极层中的至少一个包括超过一个电极，
可压缩绝缘结构将所述的第一电极层从所述第二电极层中分离，
安装在所述第二电极层至少一部分上的柔性显示屏，
连接到所述第一电极层、所述的第二电极层和所述的柔性显示屏上的控制装置，所述的控制装置适于改变所述柔性显示屏的配置，以对应所述输入设备操作模式配置的变化。
31.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏的配置对应所述的第一和所述的第二电极层的电极配置。
32.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏对应操作模式，但是不对应电极的物理布置。
33.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏是电致发光显示屏。
34.如权利要求30所述的输入设备，其中所述柔性显示屏是有机LED显示屏。
35.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏是“电子墨水”显示屏。
36.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏是多段显示屏。
37.如权利要求30所述的输入设备，其中所述的柔性显示屏是有源矩阵显示屏。
38.如权利要求37所述的输入设备，其中所述有源矩阵显示屏是薄膜晶体管TFT矩阵显示屏。
39.如权利要求30所述的输入设备，其中所述显示屏适合于提供至少两个不同的操作模式。
40.如权利要求39所述的输入设备，其中所述的操作模式可从由“自由表”模式、“电话”模式、“导航”模式和“游戏”模式组成的组中选择。
41.如权利要求30所述的输入设备，还包括安装在所述柔性显示屏上的可压缩透明保护层。
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