具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸覺顯示器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用同時(shí)感測和致動(dòng)產(chǎn)生多點(diǎn)觸覺的觸摸接口設(shè)備和方法。在一種配置中，連接到基板的前表面的一個(gè)或多個(gè)電極以圖案布置并連接到電子控制器，其中電子控制器被配置為通過向電極施加一個(gè)或多個(gè)電壓產(chǎn)生觸覺效果，并且通過向電極施加一個(gè)或多個(gè)電壓測量一個(gè)或多個(gè)觸摸點(diǎn)的位置。在另一種配置中，電子控制器被配置為通過向電極施加正電壓和/或負(fù)電壓產(chǎn)生觸覺效果，并且通過向電極施加正電壓和/或負(fù)電壓測量一個(gè)或多個(gè)觸摸點(diǎn)的位置。還公開了利用觸摸接口的基板上的單組電極同時(shí)在基板上產(chǎn)生觸覺效果和測量相對(duì)于基板的手指位置的方法。
【專利說明】
具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸覺顯示器
[0001] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2014年2月21日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列No. 61/942,983的權(quán) 益和優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過引用被結(jié)合于此。
[0003] 本發(fā)明的合同起源
[0004] 本發(fā)明是依據(jù)由美國國家科學(xué)基金會(huì)給予的在資助號(hào)為IIS-0964075和IIP-1330966下利用政府支持作出的。政府對(duì)本發(fā)明具有一定的權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明一般而言涉及用于表面觸覺設(shè)備(surface haptic device，SHD)的觸摸接 口，并且更具體而言涉及可以提供多點(diǎn)觸覺的具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸摸接口，它包括提 供由用戶的單獨(dú)手指經(jīng)歷的獨(dú)立觸覺效果。
【背景技術(shù)】
[0006] 觸摸接口可以在膝上型電腦、游戲設(shè)備、汽車儀表盤、信息亭、手術(shù)室、工廠、自動(dòng) 柜員機(jī)以及諸如相機(jī)和電話的便攜式設(shè)備的主機(jī)中找到。觸摸接口提供離散機(jī)械控制無法 提供的靈活交互可能性。但當(dāng)今的觸摸接□犧牲了人類體驗(yàn)的重要部分:觸覺。"觸覺"是指 與觸摸關(guān)聯(lián)的感知系統(tǒng)。觸覺給予我們觸摸類型、在黑暗中發(fā)現(xiàn)燈的開關(guān)、揮舞刀叉、享受 撫摸狗或握住我們配偶的手。觸覺不只是移動(dòng)一個(gè)人的手，而是關(guān)于感覺事物、識(shí)別物體 (甚至不用看它們），以及控制我們與世界交互的方式。
[0007] 振動(dòng)形式的觸覺是諸如尋呼機(jī)、手機(jī)和智能電話的電子產(chǎn)品的熟悉特征。雖然振 動(dòng)早已被用作無聲振鈴或告警，但它越來越多地被用來在使用觸摸表面(諸如觸摸屏)時(shí)向 人的手（尤其是指尖）提供觸覺反饋?，F(xiàn)有技術(shù)，諸如標(biāo)題為"Haptic Feedback for Touchpads and Other Touch Controls"的美國專利6,429,846，描述了用于基于振動(dòng)的觸 覺反饋的多種硬件和軟件解決方案。該技術(shù)比在尋呼機(jī)中傳統(tǒng)使用的技術(shù)明顯地更先進(jìn)。 使用壓電致動(dòng)器啟用高帶寬的振動(dòng)譜(vibration profile)控制增強(qiáng)了使用體驗(yàn)。然而，振 動(dòng)方法有一定的缺點(diǎn)。例如，整個(gè)設(shè)備振動(dòng)，使得任何效果都在握著該設(shè)備的手以及觸摸觸 摸表面或屏幕的指尖感覺到。此外，它不支持多點(diǎn)觸覺：因?yàn)檎麄€(gè)設(shè)備振動(dòng)，所以觸摸屏幕 的每個(gè)指尖經(jīng)歷相同的效果。
[0008] 最近，靜電致動(dòng)已經(jīng)作為生成局部化到指尖的振動(dòng)的手段而被探索?，F(xiàn)有技術(shù)，諸 如美國專利7,924，144，利用靜電力來造成指尖的振動(dòng)，這使得人能夠檢測觸摸表面上的各 種紋理。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它除了在皮膚表面上之外不生成機(jī)械振動(dòng)。雖然該技術(shù)還具有 通過簡單地使用屏幕的同一表面上的多個(gè)電極來支持多點(diǎn)觸覺的潛力，但實(shí)際上這是難以 做到的。一個(gè)原因是難以產(chǎn)生到不在透明屏幕的邊緣附近的電極的低電阻電連接。因此，在 多個(gè)電極中，那些不在邊緣附近的電極充電慢。另一個(gè)原因是觸覺必須與感測指尖位置的 一些手段共存。對(duì)于多觸摸感測的最常見技術(shù)是也使用靜電荷的"投射電容"感測。為了最 小化靜電觸覺和投射電容感測之間的相互作用，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)觸覺使用單個(gè)電極，尺寸為整 個(gè)觸摸屏。
[0009]多點(diǎn)觸覺
[0010] 由一些本發(fā)明人的共同未決專利申請(qǐng)（標(biāo)題為"Electrostatic Multi-touch Haptic Display"的美國專利申請(qǐng)序列No. 13/468,818)描述了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)靜電觸覺的多種方 式。該公開內(nèi)容的某些方面在本文中作為背景指出。例如，靜電觸覺的基礎(chǔ)是摩擦力的調(diào) 制，其是經(jīng)由電場直接影響手指與觸摸接口的觸摸表面之間的法向力的結(jié)果。電場在指尖 與觸摸表面之間的接觸點(diǎn)建立。這是通過在基板的觸摸表面附近放置一個(gè)或多個(gè)電極實(shí)現(xiàn) 的，利用介電層將那些電極與指尖絕緣。為了建立電場，電路必須通過指尖閉合。這樣做有 兩個(gè)主要途徑。
[0011] 在現(xiàn)有技術(shù)中，其他人已經(jīng)教導(dǎo)了圖la中所示的方法，該圖是來自美國專利7， 924,144的圖，其中手指-電介質(zhì)-電極系統(tǒng)的電容是通過在身體的某個(gè)其它部分的第二觸 點(diǎn)閉合的電路的一部分，該電路甚至可以利用人體的相對(duì)大的電容來完成。因此，圖la示出 了實(shí)現(xiàn)電容性電感測接口的裝置，其具有在兩個(gè)單獨(dú)的接觸位置之間閉合的電路，其中這 兩個(gè)位置都是指尖。
[0012] 本發(fā)明人設(shè)計(jì)出了在圖lb中所示的備選方法，該圖類似于標(biāo)題為"Touch Interface Device And Method For Applying Controllable Shear Forces To A Human Appendage"的美國專利申請(qǐng)序列No. 13/468，695，其中兩個(gè)單獨(dú)的電極E和E '（觸覺設(shè)備)被 絕緣層L覆蓋并且將在單個(gè)接觸或觸摸位置放在基板(未示出）的前表面或頂表面上。因此 該電路是通過指尖本身的單個(gè)觸摸閉合的，不涉及身體的其余部分。這具有不需要身體的 某個(gè)其它部分參與的好處，但它還有另一個(gè)好處，這將在本文討論。
[0013] 為了應(yīng)用雙電極技術(shù)，有必要在觸摸表面上創(chuàng)建合適的電極對(duì)陣列。如圖2中所 示，為諸如移動(dòng)設(shè)備2的裝置實(shí)現(xiàn)這種布置的一種方法將是用包括電極8和10的電極對(duì)6簡 單地平鋪頂表面或觸摸表面4。這種頂層電極的有點(diǎn)在于：電極8、10可以精確地放在表面4 上需要它們的地方以及所有電極可以潛在地由同一導(dǎo)電層構(gòu)圖。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，導(dǎo)線可 以由與電極相同的導(dǎo)電材料構(gòu)圖，或者可以由導(dǎo)電率更高的材料制成。
[0014] 但是，在針對(duì)將相應(yīng)的細(xì)導(dǎo)電跡線14、16連接到諸如不在邊緣附近的多個(gè)電極的 需要時(shí)，這種配置具有在一些現(xiàn)有技術(shù)中給出的缺點(diǎn)。具有足夠低電阻率的細(xì)導(dǎo)電跡線14、 16會(huì)是難以生產(chǎn)的，尤其是如果需要它們是透明的以滿足其它設(shè)計(jì)目標(biāo)的話。關(guān)于這種方 法的另一個(gè)潛在困難是電極計(jì)數(shù)會(huì)變得相當(dāng)大，尤其是當(dāng)觸摸表面變得更大時(shí)。如果X軸需 要N個(gè)電極并且y軸需要Μ個(gè)，則按照對(duì)的總電極計(jì)數(shù)，如圖2所示，將為2*M*N。但是，像這樣 利用電極對(duì)來平鋪表面的模式可以在某些情況下使用，諸如在具有較小屏幕尺寸的設(shè)備中 使用。
[0015] 為裝置的觸摸表面創(chuàng)建電極陣列的第二種方法在圖3a中示出并且被稱為"晶格"。 為了便于理解，圖3a中的示圖集中在電極陣列。雖然示出了菱形電極線的晶格網(wǎng)絡(luò)形式的 圖案，但可以不必使用這種電極圖案和形狀，而是重點(diǎn)在于用可以成對(duì)服務(wù)的N*M個(gè)電極覆 蓋表面(此處示為大致平面的）。在這個(gè)圖中，電極20沿第一軸(例如X軸)延伸或平行于第一 軸，并且電極22沿第二軸(例如y軸)延伸或平行于第二軸。給定的y軸電極22跨越給定的X軸 電極20的區(qū)域定義雙電極區(qū)域(如圖lb中所示的），其中靜電力可以施加到用戶的皮膚上， 例如施加到指尖。
[0016] 如圖3a中所示，任何電極20(x軸）和任何電極22(y軸)都可以構(gòu)成對(duì)。如果不同的 電壓被施加到例如電極20和22,則相應(yīng)線電極20、22的交點(diǎn)變成手指會(huì)經(jīng)歷增加的靜電力 的活動(dòng)區(qū)域或位置。在實(shí)踐中，可以使用AC電壓，并且當(dāng)施加的電壓彼此異相180度時(shí)產(chǎn)生 最大靜電力。
[0017] 靜電力的量值可以以各種方式進(jìn)行調(diào)制。作為幾個(gè)例子，一種方法是改變施加到 電極的電壓的量值。另一種方法是改變施加到電極的電壓波形的占空比。還有一種方法是 基于對(duì)電極20、22上的電荷的測量來控制所施加的電壓或電流。還有另一種方法是改變?cè)?兩個(gè)電極20、22上的電壓之間的相位關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)電極20、22上的電壓彼此完全異相時(shí)，靜 電力被最大化，并且當(dāng)兩個(gè)電極20、22上的電壓彼此同相時(shí)，靜電力被最小化，因?yàn)殡娐凡?再通過用戶手指(諸如在指尖）的觸摸、接觸或接合被局部閉合，而是必須通過用戶身體的 其它部分的電容來閉合。如果C f是從手指到電極的電容并且Cb是從身體的其余部分到設(shè)備 接地的電容，則衰減因子(當(dāng)觸摸同相電極時(shí)的力與當(dāng)觸摸異相電極時(shí)的力之比）為：
[0019]通常，Cf顯著大于Cb(至少5倍），因此衰減因子相當(dāng)顯著:大于一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0020] 以晶格網(wǎng)絡(luò)或配置的形式的圖案也在一定程度上支持多點(diǎn)觸覺。這在圖3b中示 出，該圖示出了具有電極的晶格網(wǎng)絡(luò)的圖案，該圖案還包括沿第一軸(例如X軸)延伸或平行 于第一軸的電極24,以及沿第二軸(例如y軸)延伸或平行于第二軸的電極26,并且其中線電 極20和22之間的交點(diǎn)以及線電極24和26之間的交點(diǎn)各自被用來定義或控制作用在兩個(gè)相 應(yīng)手指上的靜電力，其中第一指尖F由第一橢圓表示并且第二指尖FF由第二橢圓表示。但 是，存在這種多點(diǎn)能力可能損壞(break down)的手指位置。例如，如果兩個(gè)指尖位于同一電 極上，則難以向兩個(gè)手指施加非常不同的力。其原因是，通過用戶身體的手指到手指阻抗相 對(duì)于電極到手指阻抗（1/(ω&))相當(dāng)小，其中ω是AC勵(lì)磁的頻率。因此，例如，在活動(dòng)的X軸 電極上的第二手指仍然受益于在第一指尖下的活動(dòng)的y軸電極。應(yīng)當(dāng)指出，在該例中，X和y 可以顛倒。為了確保在每個(gè)手指上的力獨(dú)立于在每個(gè)其他手指上的力，這些手指是不同電 路的部分是有必要的。如上所述，這可以由圖2中的布置來實(shí)現(xiàn)，但是有缺點(diǎn)。
[0021] 多觸摸感測
[0022] 大多數(shù)現(xiàn)代的多觸摸傳感器是"投射電容"（pCap)種類。這些傳感器一般位于平面 朝向中并且基于沿第一軸(例如y軸)延伸或平行于第一軸的一組發(fā)送(Tx)電極和沿第二軸 (例如X軸)延伸或平行于第二軸的一組接收(Rx)電極之間的互電容工作，并且因此被布置 成彼此正交。雖然在使用中存在許多不同的電極圖案，但對(duì)于pCap傳感器最常見的是在圖4 中所示的互鎖菱形圖案。Tx線和Rx線或者是在不同的層上，或者它們是在相同的層上，但是 在線否則會(huì)相交處形成橋，使得在Tx線和任何Rx線之間不發(fā)生接觸。
[0023]從每個(gè)Tx線到每個(gè)Rx線存在電容性耦合，并且如果手指放在兩個(gè)線電極的交點(diǎn)附 近，則這個(gè)互電容的量減小。實(shí)際上手指"偷走了"一些否則的話將已經(jīng)到達(dá)Rx線的電場線， 如在圖5a中所示由Zimmerman等人在1995年所指出的。這種"人分流"是用于pCap感測的標(biāo) 準(zhǔn)模式。通過測量每個(gè)Tx-Rx對(duì)的互電容(對(duì)此存在許多已知的技術(shù)），并且內(nèi)插結(jié)果，可以 定位相應(yīng)手指的質(zhì)心。
[0024]相同的電極圖案也可以被用來測量手指位置，使用自電容技術(shù)而不是互電容。在 這個(gè)方法下，垂直的線(Rx線和Tx線)被同等對(duì)待。每個(gè)電極(無論是在Rx線還是Tx線中）具 有到地的電容，并且當(dāng)手指被帶到附近時(shí)這個(gè)電容增加。這使得特別容易檢測到手指在沿 任意給定線的某個(gè)地點(diǎn)。通過查詢X軸Tx和y軸Rx電極線二者分別找到X和Υ坐標(biāo)。這種方法 的限制是它不是很好地支持多觸摸感測。必須考慮當(dāng)兩個(gè)手指放在觸摸表面上時(shí)會(huì)發(fā)生什 么。通常，兩個(gè)X軸Tx線電極和兩個(gè)y軸Rx線電極將作出響應(yīng)。但是那些線在四個(gè)點(diǎn)相交，例 如在(xl，yl)、（xl，y2)、（x2，yl)、（x2，y2)，而不是在兩個(gè)點(diǎn)相交。兩個(gè)位置是正確的并且另 外兩個(gè)位置是錯(cuò)誤識(shí)別或"重影"。對(duì)于這種系統(tǒng)，沒有區(qū)分(disambiguate)實(shí)際手指與重 影的簡單方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 所公開的主題的目的和優(yōu)點(diǎn)將在下述描述和附圖中闡述并且變的顯然，并且將由 要求保護(hù)的主題的實(shí)踐而被學(xué)習(xí)。本公開內(nèi)容一般而言提供具有用于觸摸接口的電子控制 器的系統(tǒng)和方法，其中觸摸接口提供促進(jìn)多點(diǎn)觸覺的同時(shí)感測和致動(dòng)。
[0026] 本公開內(nèi)容一般而言提供用于產(chǎn)生多點(diǎn)觸覺的新穎并且非顯而易見的系統(tǒng)和方 法，本發(fā)明人稱其為"同時(shí)感測和致動(dòng)"（simultaneous sensing and actuation，SSA)。在 一個(gè)例子中，本公開內(nèi)容使用兩層電極:用于觸覺的頂層(在絕緣基板或片材的觸摸表面附 近）（在本文中被稱為觸覺設(shè)備），和用于可靠感測的底部或背面層，這在本文是指底部、背 部或更深層（附連到絕緣基板或片材的底部或背面和/或位于觸摸接口設(shè)備中相對(duì)于頂層 的更深層）（在本文中被稱為感測設(shè)備）。但是，頂部電極也可以被用于感測，或者可選地更 深層的電極可以被用于感測。兩個(gè)電極組彼此具有基本相同的圖案。這些在本文中被稱為 "鏡像電極"。在進(jìn)一步的例子中，本公開內(nèi)容使用部署在觸摸基板的前表面上的單個(gè)電極 陣列，其既可以充當(dāng)表面觸覺設(shè)備又可以充當(dāng)感測設(shè)備。
[0027] 在第一方面，本公開內(nèi)容給出了具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸摸接口，包括：絕緣基 板;連接到基板的前表面并且以圖案布置的一個(gè)或多個(gè)電極;被配置為將每個(gè)電極連接到 一個(gè)或多個(gè)電壓電平的電子控制器;所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加一個(gè)或 多個(gè)電壓而產(chǎn)生觸覺效果；以及所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加一個(gè)或多個(gè) 電壓而測量一個(gè)或多個(gè)觸摸點(diǎn)的位置。
[0028] 在第二方面，本公開內(nèi)容給出了具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸摸接口，包括：絕緣基 板;連接到基板的前表面并且以圖案布置的一個(gè)或多個(gè)電極;被配置為將每個(gè)電極連接到 正電壓或負(fù)電壓的電子控制器;所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加正電壓和/ 或負(fù)電壓而產(chǎn)生觸覺效果；以及所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加正電壓和/ 或負(fù)電壓而測量一個(gè)或多個(gè)觸摸點(diǎn)的位置。
[0029]在第三方面，本公開內(nèi)容提出了使用觸摸接口的基板上的單組電極來同時(shí)在基板 上產(chǎn)生觸覺效果并測量相對(duì)于基板的手指位置的方法，其中觸覺效果是通過如下操作產(chǎn)生 的：選擇施加到基板的電極的第一子集、利用電壓源將電極的第一子集升高到正電壓或負(fù) 電壓、然后從電壓源斷開電極的第一子集、然后選擇電極的第二子集并且利用電壓源將電 極的第二子集升高到正電壓或負(fù)電壓，同時(shí)監(jiān)視將電極的第二子集升高到正電壓或負(fù)電壓 所需的電流或電荷。
[0030]可以認(rèn)識(shí)到的是，本文公開的觸摸接口在連接到基板的前表面的每個(gè)表面觸覺設(shè) 備和與其對(duì)齊并連接到基板的背面的每個(gè)相應(yīng)感測設(shè)備之間提供強(qiáng)電容性耦合。而且，這 種強(qiáng)電容性耦合使得能夠從感測設(shè)備檢測到與表面觸覺設(shè)備關(guān)聯(lián)的電容的變化（由于例如 由手指觸摸）。
[0031] 還可以認(rèn)識(shí)到的是，對(duì)于本文公開的觸摸接口，為觸覺效果提供靜電致動(dòng)的一個(gè) 或多個(gè)電極也可以提供對(duì)基板的前表面上的手指位置的基于電容的感測。
[0032] 應(yīng)當(dāng)理解的是，前面的一般性描述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的并且是僅僅為 了解釋的目的而提供的，而不是對(duì)要求保護(hù)的主題的限制。本公開內(nèi)容的進(jìn)一步的特征和 目的將從下面的詳細(xì)描述、連同下面的附圖以及從所附的權(quán)利要求而變得更完全地顯而易 見。
【附圖說明】
[0033] 在描述示例實(shí)施例時(shí)，參考附圖，其中相同的部分具有相同的附圖標(biāo)記，并且其 中：
[0034]圖la是來自實(shí)現(xiàn)電容性電感測接口的裝置的現(xiàn)有技術(shù)專利的圖，該裝置具有在由 兩個(gè)不同的手指接觸的兩個(gè)單獨(dú)接觸位置之間閉合的電路。
[0035] 圖lb是來自本發(fā)明人的共同未決申請(qǐng)的圖的一部分，它示出了電路由單個(gè)手指在 相同接觸位置的通過兩個(gè)不同電極的閉合。
[0036] 圖2是用于諸如移動(dòng)設(shè)備的裝置的電極布置的圖。
[0037] 圖3a是處于晶格網(wǎng)絡(luò)中的第一示例電極圖案的圖。
[0038] 圖3b是處于晶格網(wǎng)絡(luò)中并且示出多點(diǎn)觸覺的示例電極圖案的進(jìn)一步的圖。
[0039] 圖4是示出可以在pCap傳感器中使用的菱形電極圖案的圖。
[0040] 圖5a是表示作為pCap感測的標(biāo)準(zhǔn)模式的"人分流"的圖。
[0041]圖5b是表示作為pCap感測的輔助效果但是當(dāng)電極在基板的前表面上時(shí)可以是主 要效果的"人發(fā)送器"的圖。
[0042]圖6是表示使用"鏡像電極"的觸摸接口的簡化圖，其中以圖案布置前或頂(觸覺） 層電極并且以基本相似的圖案布置后或底(感測）層電極，并且為了便于觀看，層之間的垂 直分隔被大大地夸大了，僅示出了幾個(gè)線電極并且是以非常簡單的形式。
[0043] 圖7a是標(biāo)準(zhǔn)或典型的pCap電氣布置的圖，其中圓角矩形表示底表面(感測）電極。
[0044] 圖7b是鏡像電極電氣布置的圖，其中手指充當(dāng)發(fā)送器。
[0045]圖8a是具有三重對(duì)稱性的電極的圖。
[0046]圖8b是示出用于圖8a的具有三重對(duì)稱性的電極并且需要與用于互鎖菱形電極圖 案所需相同處理步驟的橋接技術(shù)的圖。
[0047] 圖9a是其中圓圈表示手指觸摸并且示出利用兩個(gè)手指和三重對(duì)稱性不會(huì)發(fā)生錯(cuò) 誤識(shí)別或"重影"的圖，因?yàn)檫@種重影將需要三個(gè)都必須在一個(gè)位置相交的"活"電極。
[0048] 圖9b是類似于圖9a的圖，但示出利用三個(gè)手指和三重對(duì)稱性僅在某些配置中出現(xiàn) 重影。
[0049]圖9c是類似于圖9b的圖，但示出如果三個(gè)手指中的一個(gè)只是少量移動(dòng)，則利用三 重對(duì)稱性重影消失。
[0050]圖10a是其中圓圈表示手指觸摸并且線表示來自在感測手指位置中使用的自電容 的數(shù)據(jù)的圖。
[0051]圖10b是其中圖10a中的線交點(diǎn)已被計(jì)算并用點(diǎn)指示的圖。
[0052]圖10c是其中聚類分析與來自圖10b的計(jì)算出的交點(diǎn)一起使用的圖，以便丟棄不可 能的手指觸摸，并且其中重影仍然存在但是具有減小的量值。
[0053]圖11是其中圓圈表示位于同一電極上的兩個(gè)手指觸摸的圖（在本圖中，X軸公共電 極由虛線引用），其中手指觸摸能夠通過經(jīng)由到地的高阻抗連接保持那個(gè)電極電隔離來獨(dú) 立地解決，并且力可以利用在其下方通過的其它兩個(gè)電極而被施加到每個(gè)手指。
[0054]圖12是多少有些類似于圖11的圖，但是示出其中三交點(diǎn)不足以在三個(gè)手指觸摸上 分配所有力的手指觸摸布置。
[0055] 圖13a是示出在單個(gè)電極上的單個(gè)電壓脈沖的圖。
[0056] 圖13b是示出在第一電極上的單個(gè)電壓脈沖和在第二電極上的單個(gè)但反相的電壓 脈沖的圖。
[0057] 圖14是示出在觸覺輸出的典型片段期間施加到單個(gè)電極的電壓的圖。
[0058] 圖15是示出在非對(duì)稱三交點(diǎn)圖案中的電極的圖。
[0059]應(yīng)當(dāng)理解，附圖不是按比例的。雖然觸摸接口設(shè)備的一些機(jī)械細(xì)節(jié)(包括緊固裝置 和特定布置的其它俯視圖和剖視圖的細(xì)節(jié))沒有被包括在內(nèi)，但是鑒于本公開內(nèi)容，這種細(xì) 節(jié)也被認(rèn)為在本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍內(nèi)。還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所示出的示例實(shí) 施例并且例子是以簡化的形式示出的，以便集中在原理性的系統(tǒng)和方法并且避免包括對(duì)本 公開內(nèi)容不必要并且將使附圖過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 本公開內(nèi)容提供了與觸摸接口設(shè)備相關(guān)的若干例子，其意在通過在表面觸覺設(shè)備 (SHD)中使用同時(shí)感測和致動(dòng)（SSA)來提供多點(diǎn)觸覺，以及用于其的電子控制器。觸摸接口 設(shè)備包括電極連接到其的基板，以及用于生成觸覺效果并感測手指位置的、與電極可操作 地連接的控制器?？刂破骺梢岳帽疚墓_的任何方法并且被配置為與任何圖案的電極一 起操作。在一個(gè)例子中，具有同時(shí)感測和致動(dòng)的多點(diǎn)觸覺可以通過使用鏡像電極來促進(jìn)。但 是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本文所教導(dǎo)的SSA和重影區(qū)分方法受益于但不要求使用鏡像電極。事實(shí)上，可 以認(rèn)識(shí)到，用于提供本公開內(nèi)容的觸摸接口的系統(tǒng)和方法一般可以在多種配置中體現(xiàn)并與 各種設(shè)備一起使用。其另外一個(gè)例子包括使用部署在觸摸基板的前表面或頂表面上的單個(gè) 電極陣列，其既可以充當(dāng)表面觸覺設(shè)備又可以充當(dāng)感測設(shè)備。所公開的主題的目的和優(yōu)點(diǎn) 將在下面的描述和附圖中闡述并從其變得顯而易見，并且將通過實(shí)踐所要求保護(hù)的主題而 被學(xué)習(xí)。
[0061] 如前面所指出的，為了確保在每個(gè)手指上的力獨(dú)立于在每個(gè)其他手指上的力，手 指是不同電路的部分是必要的。本公開內(nèi)容教導(dǎo)了通過使用頂表面上的至少三交點(diǎn)電極來 保證至少兩個(gè)手指的獨(dú)立性的進(jìn)一步的有利方法。此外，本公開內(nèi)容教導(dǎo)了具有使用鏡像 電極的故障模式的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，如果觸覺設(shè)備被劃傷，則觸覺可能停止運(yùn)行，但電容 性感測繼續(xù)工作。
[0062] 關(guān)于使用互電容的系統(tǒng)，重要的是理解當(dāng)手指被帶到Tx-Rx線電極的交點(diǎn)附近時(shí) 手指實(shí)際產(chǎn)生兩個(gè)效果。這些在1995年Zimmerman等人的文章中說明，該效果是指圖5a中被 稱為"人分流"的效果，以及圖5b中被稱為"人發(fā)送器"的效果。第一個(gè)效果是正常的pCap模 型，因?yàn)楫?dāng)電極與指尖被多于大約0.1mm的玻璃分離時(shí)第二個(gè)效果相當(dāng)小。但是，靜電觸覺 將電極放在玻璃基板的前表面或頂(觸摸)表面上。在優(yōu)選實(shí)施例中，那些電極僅通過電介 質(zhì)的薄層與手指分開，該薄層通常是微米量級(jí)。這種薄保護(hù)層的使用允許以合理低的電壓 (例如，小于100伏）形成適當(dāng)大的電場強(qiáng)度。這種情況大大增加了發(fā)送相對(duì)于分流的重要 性，使得當(dāng)電極在玻璃基板的前表面上時(shí)發(fā)送變成主要效果。實(shí)際上指尖變成將Tx線電極 (幾乎)直接連接到Rx線電極的開關(guān)。
[0063] 當(dāng)絕緣體薄時(shí)效果量值的這種逆轉(zhuǎn)有幾個(gè)含義。一方面，發(fā)送器效果相當(dāng)大，這很 好地預(yù)示獲得高信噪比（SNR)，假定前表面或頂表面電極用于感測。另一方面，發(fā)送器效果 本身對(duì)多觸摸感測沒有幫助，因?yàn)橛捎谕ㄟ^身體的低手指-手指阻抗，發(fā)送不僅僅通過一個(gè) 指尖發(fā)生，而是還從一個(gè)指尖到下一個(gè)指尖發(fā)生。但是，更根本的問題是人們究竟是否選擇 使用前表面電極用于檢測。
[0064] 關(guān)于前表面或頂表面電極的潛在困難是它們不像背面或底表面或更深層電極那 樣好地受到保護(hù)。在典型的pCap傳感器中，電極(感測設(shè)備)放在諸如玻璃或透明塑料板的 基板的后面（即，它們是"背面"，或者在甚至更深的層上）。玻璃或塑料充當(dāng)所謂的"蓋板" (cover lens)并且是保持電極不受磨損或劃痕損壞的保護(hù)元件。但是，如上面所提到的，負(fù) 責(zé)觸覺的電極(觸覺設(shè)備）需要在前表面上，以便利用適度的電壓產(chǎn)生大的觸感效果。為了 保護(hù)這些電極，建議使用非常耐用的電介質(zhì)覆蓋物或電介質(zhì)層。
[0065] 本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有可能使用單層電極既作為觸覺設(shè)備又作為感測設(shè)備。因此， 電極圖案(諸如在圖2、3&、313、4和8 &至12中所示出的那些)可以被采用并且既用作觸覺設(shè)備 又用作感測設(shè)備。保護(hù)材料可以為許多觸摸接口提供足夠的保護(hù)，但是，它們不能絕對(duì)保證 沒有劃痕在電極的頂表面發(fā)生。一些常見的材料(諸如石英和硬化鋼)會(huì)硬到足以在與這種 保護(hù)材料接觸時(shí)引起劃痕。如果劃痕出現(xiàn)，可以證明是可以接受的一種故障模式是觸覺停 止運(yùn)轉(zhuǎn)，但電容性感測保持工作。但是，這種系統(tǒng)給出妥協(xié)，在本領(lǐng)域中留下對(duì)提供多點(diǎn)觸 覺的改進(jìn)方式的進(jìn)一步需求。
[0066] 對(duì)于感測設(shè)備的改進(jìn)保護(hù)，可能期望使用將傳感器電極放在蓋玻璃下方的pCap實(shí) 踐。但是，雖然有可能按照用于表面層上的觸覺的電極來進(jìn)行篩選，但這給出了在保護(hù)層上 實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量多觸摸感測的挑戰(zhàn)。這通過使用"鏡像電極"實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)背景下，術(shù)語"鏡像"不 是指反射表面光潔度。相反，鏡像電極是兩層電極的使用：用于觸覺的頂層(在絕緣基板或 片材的觸摸表面附近）（在本文中被稱為觸覺設(shè)備)和用于感測的底層(附連到絕緣基板或 片材的底表面）（在本文中被稱為感測設(shè)備）。兩組電極具有彼此基本相同的圖案，并且因此 在一般意義上可以被說成給出彼此的鏡像圖像。因此，使用鏡像電極的觸摸接口具有基本 相似圖案的頂部層電極和底部層電極兩者，其中圖案可以包括例如圖2、3 &、313、4和8&至12 中所示的那些。
[0067] 同時(shí)感測和致動(dòng)
[0068]因此，如圖6中所示，本公開內(nèi)容的一方面是使用鏡像電極，該鏡像電極包括與絕 緣基板38或片材的前表面或頂(觸摸)表面34上的電極30、32(觸覺設(shè)備）以及后表面或底表 面36上的電極30'、32'（感測設(shè)備)基本上完全相同、對(duì)準(zhǔn)的電極圖案。
[0069]鏡像的概念可以被擴(kuò)展到任何電極圖案，包括例如如前面所指出的圖2、3a、3b、4 和8a至12中的圖案。圖案還可以被應(yīng)用到表面的任何部分，從離散或分離的位置到整個(gè)表 面。例如，對(duì)于圖6中所示的圖案，鏡像布置在每個(gè)前表面或頂(觸摸)表面電極30、32和其鏡 像的或類似布置的后表面或底表面電極30'、32'之間提供強(qiáng)電容性耦合。一般而言，鏡像應(yīng) 當(dāng)在玻璃或其它基板厚度顯著小于典型電極寬度并且甚至基板不是平面的任何時(shí)候工作。 例如，當(dāng)使用1mm厚的玻璃基板時(shí)電極可以是5mm寬。
[0070] 作為鏡像的結(jié)果，發(fā)送到底部電極(感測設(shè)備）的信號(hào)將在其上方的頂表面電極 (觸覺設(shè)備)上感應(yīng)出信號(hào)，即使頂表面電極已被一個(gè)或多個(gè)劃痕橫斷。因此，這種方法不顯 著地依賴于頂表面(觸覺）電極的電阻，并且因此即使頂表面電極被劃痕損害，底表面(感 測）電極仍繼續(xù)工作。如果頂表面電極和底表面電極以一對(duì)一的關(guān)系彼此重疊(或者部分或 者完全地），則相鄰電極之間應(yīng)當(dāng)有信號(hào)的最小程度的混合。特別地，頂表面電極能夠用于 觸覺致動(dòng)，無需那些頂表面電極橫跨兩個(gè)或更多個(gè)下表面感測電極并因此混合或模糊下部 電極的期望感測性能。事實(shí)上，鏡像布置提供了若干有趣的可能性。
[0071] -種可能性是使用某些底部線電極32'作為(發(fā)送)Tx電極以及諸如電極30'的其 它電極作為(接收)Rx電極，就像通常在pCap感測中所做的那樣。放在Tx-Rx結(jié)的特定位置上 方的手指應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生大信號(hào)，而不管頂表面上劃痕的存在。這在圖7b中示出，其中手指充當(dāng)發(fā) 送器，這可以與圖7a中所示的典型或標(biāo)準(zhǔn)pCap配置進(jìn)行比較，在圖7a中手指充當(dāng)分流器。對(duì) 于寬范圍的參數(shù)值，這種布置產(chǎn)生具有比典型pCap更好信噪比（SNR)的強(qiáng)效果。這種改善的 SNR提供了若干潛在的好處，諸如更快的感測(對(duì)于觸覺尤其有用）、更高的分辨率或更低的 功耗。
[0072] 遺憾的是，剛剛描述的強(qiáng)效果是由于發(fā)送現(xiàn)象，不是由于分流現(xiàn)象。因?yàn)榘l(fā)送還能 夠經(jīng)由從一個(gè)手指到另一個(gè)手指的信號(hào)發(fā)生，所以迄今為止的建模表明可能發(fā)生手指觸摸 的重影或錯(cuò)誤識(shí)別。假設(shè)兩個(gè)手指被放在表面上的（xl，yl)和U2，y2)。沿xl發(fā)送的信號(hào)將 在yl和y2都產(chǎn)生結(jié)果。因此，（xl，y2)表示重影手指位置。相應(yīng)地，進(jìn)一步的方法可被用來實(shí) 現(xiàn)無重影的高分辨率多觸摸觸覺。
[0073] 利用鏡像電極的多觸摸感測
[0074] 根據(jù)以上討論，鏡像的前或頂（觸覺）和后或底(感測）電極用來把底部激活圖案 "投射"到頂部。而且，從頂部電極到手指的強(qiáng)電容性耦合應(yīng)當(dāng)允許比常規(guī)pCap感測顯著地 更高的SNR。遺憾的是，手指觸摸的重影或錯(cuò)誤識(shí)別會(huì)因?yàn)樵鰪?qiáng)的"人發(fā)送器"效果(相對(duì)于 對(duì)背面電極占主導(dǎo)地位的"人分流"效果）與從手指到手指的顯著的信號(hào)傳導(dǎo)性結(jié)合而出 現(xiàn)。如果頂部電極被直接用于感測以及觸覺，則會(huì)發(fā)生同樣的困難。但是，本公開內(nèi)容對(duì)多 觸摸觸覺提供新開發(fā)的方法，克服了這一缺點(diǎn)。本文公開了四個(gè)這樣的方法，每個(gè)有各自的 強(qiáng)處。
[0075] 方法1:組織電阻率
[0076]由于從一個(gè)手指到下一個(gè)手指的電阻，重影或錯(cuò)誤識(shí)別實(shí)際上比真正手指的強(qiáng)度 要小。強(qiáng)度差的量值由從頂表面電極到指尖的電容(~InF)和從一個(gè)指尖到下一個(gè)指尖的 身體的內(nèi)部電阻(估計(jì)在100至1000歐姆)確定的RC時(shí)間常數(shù)所表征。這個(gè)時(shí)間常數(shù)比用于 查詢電極的時(shí)間常數(shù)更長，其中用于查詢電極的時(shí)間常數(shù)是由電極的電阻(假設(shè)氧化銦錫 (ΙΤ0)，大約1-10ΚΩ)和電極到地的電容(大約l〇〇pF)支配的。如果用于手指到手指傳輸?shù)?時(shí)間常數(shù)顯著長于用于查詢電極的時(shí)間常數(shù)，則有可能通過使用太快以至于無法通過手指 高效地發(fā)送的激勵(lì)信號(hào)來辨別各個(gè)手指觸摸。這樣做將有效地隔離一個(gè)手指與其它（一個(gè) 或多個(gè))手指。給定ITO電極的電阻，定時(shí)約束是有挑戰(zhàn)性的，但是如果ITO由具有更低電阻 的另一種材料替換，則該方法變得更有前途。若干此類材料(包括銀納米線和石墨烯)在本 領(lǐng)域中是公知的。另一種方法是使用更厚的ITO層，其具有更低的電阻率。有用地，用于手指 到手指傳輸?shù)臅r(shí)間常數(shù)實(shí)際上不必長于用于查詢電極的時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)充分地減弱重 影信號(hào)以將它們與實(shí)際手指觸摸信號(hào)辨別開就足夠了。
[0077] 方法2:互電容
[0078] 雖然，對(duì)于在手指正下方的電極，人發(fā)送器效果比人分流效果更強(qiáng)，但這對(duì)于其它 附近電極不一定為真。對(duì)于在手指附近但不在其正下方的其它頂表面電極對(duì)，互電容將減 小。因此，將存在接近實(shí)際手指觸摸而不是接近重影的減小的互電容圖案。候選手指觸摸能 夠因此利用自電容識(shí)別，并通過使用附近電極交點(diǎn)的互電容與重影區(qū)分。
[0079]方法3:計(jì)算
[0080]通過收集相互信號(hào)強(qiáng)度的整個(gè)矩陣，線性系統(tǒng)可以反轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生用于所有手指的 位置以及通過用戶的手和身體互連它們的交叉耦合效率的解決方案，以便匹配觀察到的強(qiáng) 度。這種整體的解決方案具有更優(yōu)異的抗干擾性并可擴(kuò)展到大量的手指。這種方法的另一 個(gè)好處是不僅手指位置而且還有它們的交叉耦合效率的確定。例如，同一只手的手指比屬 于相對(duì)的手的手指交叉耦合更強(qiáng)烈。能夠通過手辨別手指建議了吸引人的用戶接口可能 性。此外，并且也是有希望的新穎應(yīng)用，同時(shí)觸摸同一屏幕的第二用戶的手指可以通過它們 到第一用戶的手指的弱得多的交叉耦合來簡單地辨別。
[0081 ] 方法4:三交點(diǎn)
[0082]第三組鏡像電極，如圖8a和8b中所示，提供了區(qū)分的另一路線。該方法將觸摸屏的 手指觸摸與三個(gè)電極40、42、44而不是僅兩個(gè)電極相交或緊挨著彼此相對(duì)定位的位置關(guān)聯(lián)。 這將在本文中被稱為三交點(diǎn)并且它將包括用于相應(yīng)線電極的橋接，以避免電極本身的實(shí)際 相交。如將要解釋的，重影仍可能發(fā)生，但是當(dāng)手指實(shí)際移動(dòng)將不會(huì)存在。
[0083]當(dāng)引入第三組電極時(shí)，許多幾何形狀是可能的。圖8a示出了具有三重對(duì)稱性的優(yōu) 選實(shí)施例。另一種幾何形狀將是基于標(biāo)準(zhǔn)互鎖菱形（圖4)但是也具有對(duì)角線電極組的幾何 形狀。對(duì)于任何三電極幾何形狀，一個(gè)考慮是如何處理橋。圖8b示出不需要任何附加的處理 步驟而提供必要的橋是可能的。
[0084]三個(gè)軸的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步在圖9a至9c中示出。如果手指觸摸存在（由第一圓圈F表示）， 則全都在手指觸摸的位置交叉的三個(gè)電極40、42、44應(yīng)當(dāng)報(bào)告自電容的變化。如圖9a中所 示，如果兩個(gè)手指觸摸存在（由第一圓圈F和第二圓圈FF表示），則不可能有錯(cuò)誤識(shí)別或重 影。
[0085] 如圖9b中所示，如果三個(gè)手指觸摸存在（由第一圓圈F、第二圓圈FF和第三圓圈FFF 表示），則錯(cuò)誤識(shí)別或重影是可能的，如由虛線圓圈G表示的，但是僅針對(duì)某些手指觸摸配置 (圖9b)。但是，應(yīng)當(dāng)考慮到，當(dāng)觸摸觸摸接口的表面時(shí)，手指通常是跨表面運(yùn)動(dòng)或移動(dòng)。因 此，錯(cuò)誤識(shí)別或重影G往往會(huì)出現(xiàn)和消失，就像對(duì)于圖9c，其中一個(gè)手指(FFF)的少量運(yùn)動(dòng)導(dǎo) 致消失的重影。幸運(yùn)的是，利用本文中描述的至少兩種方法，用于識(shí)別和丟棄重影手指觸摸 的軟件解決方案應(yīng)當(dāng)能夠處理這種情況。
[0086] 第一種方法基于互電容。在第一種方法中，電極的一個(gè)軸（例如，在圖8a至8b以及 圖9a至9c中的x軸)將被視為發(fā)送Tx電極(觸覺設(shè)備）。沿每條Tx線的是由電極對(duì)的相交定義 的一連串"候選"位置，每個(gè)電極分別來自其它軸。（實(shí)際上一些電極在Τχ線的一側(cè)并且一些 在另一側(cè)，但這是我們?yōu)榱苏撌鰧⒑雎缘募?xì)節(jié)水平）。因此，給定Tx線電極，存在與每個(gè)位置 關(guān)聯(lián)的兩條Rx線。這些信號(hào)可被求和，以產(chǎn)生用于每個(gè)位置的信號(hào)強(qiáng)度，然后完全的圖可以 通過插值產(chǎn)生。手指觸摸的錯(cuò)誤識(shí)別或重影出于兩個(gè)原因?qū)⒕哂袦p小的量值:手指電阻和 不完美的對(duì)準(zhǔn)(大部分時(shí)間）。一個(gè)簡單的時(shí)間濾波器-合計(jì)幾個(gè)樣本的強(qiáng)度-將在手指跨接 口設(shè)備的表面移動(dòng)的任何時(shí)候進(jìn)一步減小重影的量值。
[0087] 第二種方法基于自電容。所有電極的自電容測量將指示它們當(dāng)中哪個(gè)報(bào)告了手指 觸摸（由第一圓圈F、第二圓圈FF、第三圓圈FFF和第四圓圈FFFF表示），產(chǎn)生類似于圖10a中 所示實(shí)線的數(shù)據(jù)。這些線將利用插值被找到，以確保對(duì)自電容測量的最大精度，并且區(qū)分與 不同手指關(guān)聯(lián)的線。隨后將計(jì)算這些線的交點(diǎn)位置，如圖l〇b中所示的圓點(diǎn)，并且聚類分析 (例如，經(jīng)由界定框)將被用來確定可能的手指觸摸，如圖l〇c中所示，其中重影依然存在但 是具有降低的量值。實(shí)際的手指觸摸將基于三交點(diǎn)聚類的緊密性與重影分離。就像在前面 的方法中，時(shí)間濾波將進(jìn)一步幫助識(shí)別并丟棄錯(cuò)誤識(shí)別或重影。
[0088] 在另一個(gè)實(shí)施例中，可以認(rèn)識(shí)到的是，三交點(diǎn)電極不需要是對(duì)稱的或有特殊的交 叉結(jié)構(gòu)，并且可以以類似于圖15中所示的圖案利用當(dāng)前過程來實(shí)現(xiàn)。例如，圖15示出三個(gè)線 電極50、52和54。電極50具有跨電極52的橋50a和跨電極54的橋50b，而電極54具有跨電極52 的橋54a。橋可以是另一種圖案，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)三交點(diǎn)。而且，雖然圖15示出了一個(gè)三交點(diǎn)， 但可以理解，所示出的圖案或替代的圖案，可以被復(fù)制以在表面上生成多個(gè)三交點(diǎn)。
[0089]還應(yīng)當(dāng)指出的是，三交點(diǎn)可以與任何其它三種方法組合，以進(jìn)一步改善區(qū)分。而 且，可以認(rèn)識(shí)到的是，使用附加的相交軸集合甚至可以進(jìn)一步擴(kuò)展到四交點(diǎn)、五交點(diǎn)，等等。
[0090] 利用鏡像電極的多點(diǎn)觸覺
[0091] 多點(diǎn)觸覺要求每個(gè)手指觸摸位置位于一對(duì)電極上方。而且，用于每個(gè)手指觸摸的 電極對(duì)應(yīng)當(dāng)與用于其它手指的電極對(duì)電隔離，以確保觸覺效果可以被單獨(dú)地指派。圖3b示 出了對(duì)于兩個(gè)手指的這個(gè)例子，但如所討論的，當(dāng)兩個(gè)手指在同一個(gè)活動(dòng)電極上時(shí)，電隔離 是不可能的。
[0092] 電極的三交點(diǎn)圖案(為了區(qū)分感測在以上使用的）也提供對(duì)觸覺這個(gè)困難的一種 解決方案。對(duì)于三交點(diǎn)，在每個(gè)手指觸摸之下存在三組電極，并且這三組中任意兩組可被選 擇作為用于產(chǎn)生靜電場的活動(dòng)電極對(duì)。如圖11中所示，手指觸摸（由第一圓圈F和第二圓圈 FF表示)保持可以被獨(dú)立地尋址，即使它們位于公共電極上方。在圖11中，公共電極由虛線 CE示出，并且關(guān)鍵是要確保公共電極不是被驅(qū)動(dòng)而是留在高阻抗，與源或地隔離。這仍然在 每個(gè)手指下留下兩個(gè)電極，并且這些可以被獨(dú)立地尋址。
[0093] 雖然活動(dòng)電極可一次全部尋址，但最好是如下順序地尋址它們：電極c和d隔離而a 和b連接到相反極性的電壓源。電荷以由Cf和電極的電阻支配的時(shí)間常數(shù)在指尖觸摸下方 積聚。使用前面討論的值，這個(gè)時(shí)間常數(shù)可以是1至10微秒。在電荷在一個(gè)手指觸摸下面積 聚之后，能夠預(yù)期它們將在那里停留一段時(shí)間，通過皮膚的電阻緩慢地泄漏。各種實(shí)驗(yàn)估計(jì) 表明，泄漏時(shí)間常數(shù)大于100微秒，但確切的數(shù)字依賴于皮膚的狀況。因此，在電極a和b被充 電之后，它們可以被隔離同時(shí)c和d被充電。利用這種技術(shù)，應(yīng)當(dāng)有可能循環(huán)通過大約10個(gè)手 指觸摸位置，向每個(gè)位置施加電荷，而沒有過度泄漏。
[0094] 對(duì)于感測，存在其中觸覺效果的獨(dú)立控制可能不可行的配置。圖12示出了這種情 況。在這里，除了第一手指觸摸（由第一圓圈Π 表示），還有與手指觸摸Π 共享電極的兩個(gè)附 加手指觸摸（由第二圓圈f 2和第三圓圈f 3表示）。如果電極A與電極B配對(duì)，以便在手指觸摸 f 1上產(chǎn)生靜電力，則力也將被施加到手指觸摸f 3。如果電極A代之以與電極C配對(duì)，則力將被 施加到手指觸摸f2。雖然完全獨(dú)立的控制對(duì)于這種布置是不可能的，但三交點(diǎn)仍然提供一 些好處。例如，如果電極A和B被配對(duì)，則手指觸摸f2不受影響并且手指觸摸f3只經(jīng)歷由手指 觸摸Π 經(jīng)歷的力的一半，因?yàn)樵谄湎路街挥幸粋€(gè)而不是兩個(gè)活動(dòng)電極(應(yīng)當(dāng)指出其中手指 觸摸f 2和f 3經(jīng)歷比手指觸摸Π 小的力的情況的重點(diǎn)，因?yàn)檩^大的力相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭?指觸摸f2和f3各自可以由兩個(gè)獨(dú)立的電極進(jìn)行尋址）。
[0095] 對(duì)圖12中所示的情況的其它方法是:使用電極A和作為第二電極、平行于A的另一 個(gè)電極;或者，使用四交點(diǎn)或更多交點(diǎn)的幾何形狀。
[0096]此外，應(yīng)當(dāng)理解，通常僅在手指移動(dòng)時(shí)經(jīng)歷靜電觸覺效果，所以像圖12中的情況將 無法持久。最后，應(yīng)當(dāng)理解，依賴于激勵(lì)的類型，人們辨別一個(gè)手指上的觸覺感覺與另一個(gè) 手指上的觸覺感覺的能力是有限的。因此，不總是有必要實(shí)現(xiàn)完全的獨(dú)立控制。
[0097] 利用鏡像電極的同時(shí)感測和致動(dòng)
[0098] 在本文教導(dǎo)的方法中，前表面或頂表面電極(觸覺設(shè)備）既參與感測又參與致動(dòng) (觸覺）。當(dāng)然期望在施加觸覺效果的同時(shí)感測手指的位置。而且，期望觸覺不影響感測的質(zhì) 量。這兩個(gè)目標(biāo)都是通過適當(dāng)?shù)臅r(shí)間排序來實(shí)現(xiàn)的。
[0099] 當(dāng)觸覺不使用時(shí)，前表面或頂表面電極通常不被驅(qū)動(dòng)(換句話說，圖7b中所示的開 關(guān)是打開的）。當(dāng)是這種情況時(shí)，利用本領(lǐng)域中已知的多種技術(shù)中任意一種測量或者底表面 電極的自電容或者任何電極對(duì)的互電容是直接的。例如，自電容能夠利用張弛振蕩器技術(shù) 和測量振蕩器頻率來進(jìn)行測量，該頻率通常為1MHz的量級(jí)。
[0100] 如果產(chǎn)生觸覺效果變得必要，則圖7b中的開關(guān)將被閉合足夠長的時(shí)間，以充電手 指電容&。如前面所討論的，這將通常需要1至10ys。在這個(gè)間隔期間，在鏡像底表面的線電 極上的感測將被暫停，并且代替地，那些線將被接地。在這個(gè)間隔結(jié)束時(shí)，感測將開始。感測 可以持續(xù)至多另外90ys，同時(shí)仍保持10kHz的觸覺開關(guān)循環(huán)，這對(duì)于靜電是典型的。當(dāng)然，不 是所有電極都可以被并行地進(jìn)行查詢。代替地，感測將被復(fù)用?？梢栽诒３?00Hz的合理多 觸摸感測率的同時(shí)完成多達(dá)100個(gè)連續(xù)的感測查詢。
[0101] 作為替代，頂表面電極的充電可以通過將一定量的電荷或電流注入到它們之上來 完成，而不是通過間歇地將它們連接到如剛才前面所述的電壓源來完成。區(qū)別是阻抗之一； 替代方法維持頂表面電極的高阻抗?fàn)顟B(tài)（由于觸覺致動(dòng))在所有時(shí)間都為高，其結(jié)果是源自 下表面電極中的（用于感測的)信號(hào)仍然可以具有其效果，而不受致動(dòng)分散注意。
[0102] 從前面的描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，當(dāng)觸摸接口使用鏡像電極時(shí)，可以從本公開內(nèi)容 確定幾個(gè)附加方面。
[0103] 例如，在另一方面，觸摸接口還可以包括在連接到基板的前表面的每個(gè)相應(yīng)表面 觸覺設(shè)備和與其對(duì)準(zhǔn)并連接到基板的后表面的每個(gè)相應(yīng)感測設(shè)備之間的強(qiáng)電容性耦合。
[0104] 在另一方面，觸摸接口可以具有與一個(gè)或多個(gè)感測設(shè)備的圖案相同的一個(gè)或多個(gè) 表面觸覺設(shè)備的圖案。
[0105] 在另一方面，觸摸接口可以使用透明或者進(jìn)一步包括電極和保護(hù)層的表面觸覺設(shè) 備，其中保護(hù)層可以是透明的和/或可以由介電材料制成。
[0106] 在還有另一方面，觸摸接口可以使用平坦或彎曲的基板，并且基板可以是透明的， 諸如以玻璃或塑料的形式或者是玻璃或塑料板。
[0107] 在另一方面，觸摸接口可以具有提供摩擦變化和/或在一個(gè)以上觸摸位置可獨(dú)立 控制的觸覺效果的觸覺設(shè)備。
[0108] 在另一方面，觸摸接口可以包括在一個(gè)以上的觸摸位置提供位置測量的設(shè)備。
[0109] 在還有另一方面，觸摸接口可以包括被發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)表面觸覺設(shè)備中的至少 一個(gè)的電信號(hào)以產(chǎn)生觸覺效果，并且電信號(hào)可以被發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)感測設(shè)備中的至少一 個(gè)，以測量觸摸位置。
[0110] 在另一方面，觸摸接口可以包括當(dāng)一個(gè)或多個(gè)表面觸覺設(shè)備損壞時(shí)保持工作的感 測設(shè)備。 Com]在另一方面，觸摸接口可以包括以基本相似和對(duì)準(zhǔn)的圖案布置的一個(gè)或多個(gè)表面 觸覺設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)感測設(shè)備，其中每個(gè)圖案給出具有給出交點(diǎn)位置的兩行或更多行不 同電極的陣列。
[0112] 在還有另一方面，觸摸接口可以包括以基本相似和對(duì)準(zhǔn)的圖案布置的一個(gè)或多個(gè) 表面觸覺設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)感測設(shè)備，其中每個(gè)圖案給出具有給出三交點(diǎn)位置的三行不同 電極的陣列。在第一進(jìn)一步的相關(guān)方面中，當(dāng)觸摸接口與多手指感測一起使用時(shí)，三交點(diǎn)可 以提供觸摸位置相對(duì)于實(shí)際手指觸摸位置的重影圖像的區(qū)分。在第二進(jìn)一步的相關(guān)方面 中，當(dāng)觸摸接口與多用戶感測一起使用時(shí)，三交點(diǎn)可以提供第一個(gè)體的至少一個(gè)手指觸摸 位置相對(duì)于第二個(gè)體的至少一個(gè)手指觸摸位置的區(qū)分。
[0113] 利用僅一組電極的同時(shí)感測和致動(dòng)
[0114] 鏡像電極的技術(shù)是有利的，因?yàn)樗_保即使前表面電極被一個(gè)或多個(gè)劃痕損害， 也可以完成感測。如果劃痕不可能發(fā)生，則可能期望只使用一組電極-在觸摸表面上的電 極-來完成感測和致動(dòng)。利用這里教導(dǎo)的技術(shù)，仍然有可能這樣做。特別地，區(qū)分真正觸摸位 置與重影位置的問題仍然可以通過這里教導(dǎo)的方法來解決，并且同時(shí)感測和致動(dòng)仍然可以 通過觸覺和感測信號(hào)的合適定時(shí)來實(shí)現(xiàn)。
[0115] 從前面的描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，當(dāng)觸摸接口使用連接到基板的前表面上的、用作 一個(gè)或多個(gè)觸覺設(shè)備和感測設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)電極時(shí)，可以從本公開內(nèi)容確定幾個(gè)附加方 面。
[0116] 例如，在另一方面，觸摸接口可以包括前表面上提供靜電力的電極，并且進(jìn)一步， 靜電力可以具有可被調(diào)制的量值。
[0117] 在另一方面，觸摸接口可以包括連接到基板的前表面的、給出具有給出交點(diǎn)位置 的兩行或更多行不同電極的陣列的一個(gè)或多個(gè)電極，并且進(jìn)一步，陣列可以具有給出三交 點(diǎn)圖案的三行不同電極，這又可以給出觸摸位置，該觸摸位置與三交點(diǎn)圖案中三個(gè)不同電 極接合的手指關(guān)聯(lián)。
[0118] 在另一方面，觸摸接口可以包括連接到基板的前面的電極能夠提供多點(diǎn)觸覺。
[0119] 利用僅前表面電極的同時(shí)感測和致動(dòng)
[0120] 鏡像電極的技術(shù)是重要的，因?yàn)樗_保，即使前表面被一個(gè)或多個(gè)劃痕損害，也可 以完成感測。如果劃痕不可能發(fā)生或者是自愈的或容易修復(fù)的，則可能期望只使用一組電 極-在觸摸表面上的電極-來完成感測和致動(dòng)。利用本文教導(dǎo)的技術(shù)，仍然有可能這樣做。特 別地，區(qū)分真正觸摸位置與錯(cuò)誤識(shí)別或重影位置的問題仍然可以通過本文教導(dǎo)的方法來解 決，并且同時(shí)感測和致動(dòng)仍然可以通過觸覺和感測信號(hào)的合適定時(shí)來實(shí)現(xiàn)。前表面同時(shí)感 測和致動(dòng)的技術(shù)在本文進(jìn)一步描述。
[0121] 由前表面感測和同時(shí)致動(dòng)給出的挑戰(zhàn)
[0122] 前表面感測的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是只需要單個(gè)平面的電極，從而降低了制造成本。而且，如 已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過的，從前表面電極到手指比從后表面電極到手指存在強(qiáng)得多的電容性耦合。因 此，與常規(guī)的后表面方法相比當(dāng)用手指觸摸時(shí)，前表面電極提供非常大的自電容信號(hào)，并且 因此，提供非常高的信噪比（SNR)。這個(gè)信號(hào)可以由本領(lǐng)域已知的多種方法中任意一種來檢 測，諸如通過測量將電極升高到特定電壓所需的電流或電荷（電流的積分）。高SNR意味著可 靠的信號(hào)可以在單個(gè)測量或少數(shù)測量中獲得，而不是像對(duì)后表面感測的情況中常見的那樣 的大量測量一起平均。這樣做的一個(gè)結(jié)果是，測量觸摸接口或屏幕的基板的頂表面上的所 有電極所需的時(shí)間可以比對(duì)利用后表面感測的典型觸摸接口少得多（例如，在優(yōu)選的實(shí)施 例中，200mm乘以300mm的區(qū)域可以在大約1毫秒的時(shí)間內(nèi)被掃描）。快速感測在對(duì)觸摸輸入 響應(yīng)非常迅速的低等待時(shí)間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中是非常有用的。而且，低等待時(shí)間對(duì)于快速更新 顯示、更新音頻或更新觸覺輸出可以是非常有用的。
[0123] 此外，應(yīng)當(dāng)指出的是，通常期望測量手指的位置達(dá)到比觸摸接口的電極節(jié)距大得 多的分辨率。例如，觸摸接口設(shè)備的基板常?？梢岳妹坷迕變蓚€(gè)電極的節(jié)距來制造，從而 得到5毫米的固有分辨率。但是，可能期望以更精細(xì)的分辨率測量手指位置，諸如0.5毫米， 或甚至更小。這是通過測量與在手指附近的整個(gè)電極集合關(guān)聯(lián)的信號(hào)強(qiáng)度、然后組合這些 測量以得到高分辨率估計(jì)來完成的。一種典型的組合方案是計(jì)算那些測量的質(zhì)心。好的質(zhì) 心測量受益于高SNR。
[0124] 但是，前表面感測引入了必須要克服的某些新的挑戰(zhàn)。如已經(jīng)討論過的，一個(gè)挑戰(zhàn) 是在多觸摸情形下區(qū)分錯(cuò)誤識(shí)別或重影與實(shí)際的手指觸摸。第二個(gè)挑戰(zhàn)是確保感測掃描不 產(chǎn)生觸感或聽覺假象。第三個(gè)挑戰(zhàn)是確保有足夠的時(shí)間被分配給感測掃描和觸覺輸出的生 成。
[0125] 多觸摸感測
[0126] 上面討論的所有方法（組織電阻率、附近的互電容、非觸摸電極、計(jì)算，以及三交 點(diǎn)）仍然適用。在這里，我們教導(dǎo)利用前表面電極的大的手指到電極電容的附加技術(shù)。我們 尤其著重于在標(biāo)準(zhǔn)菱形電極陣列（例如，圖3b)中造成的區(qū)分兩個(gè)觸摸與兩個(gè)重影的問題。 如果這個(gè)問題得以解決，則容易擴(kuò)展到更大數(shù)量的觸摸。
[0127] 考慮圖3b中示出的情況，其中兩個(gè)X軸線電極和兩個(gè)y軸線電極經(jīng)由自電容測量報(bào) 告觸摸。第一個(gè)問題是是否實(shí)際上只存在兩個(gè)觸摸，或者是否有可能存在三個(gè)或四個(gè)，因?yàn)?存在四個(gè)可能的觸摸位置。由于前表面電極的大的自電容信號(hào)，有可能基于那些信號(hào)的量 值回答這個(gè)問題。如果多于一個(gè)手指在給定的電極觸摸觸摸接口的表面，則其自電容將增 加，并且這可以被檢測到。這個(gè)方法可以被用來測試重影的存在，但不能被用來區(qū)分任何重 影與實(shí)際的手指觸摸位置。
[0128] 區(qū)分測量依賴于存在分離兩個(gè)觸摸的雖然小但有限的通體(through-body)阻抗 的事實(shí)。設(shè)計(jì)出對(duì)這個(gè)阻抗敏感的測量策略。在一個(gè)實(shí)施例中，遵循以下過程：1)所參與的 兩個(gè)y軸線電極被設(shè)置成已知的電壓(+V。)并且然后浮動(dòng)（即，通過高阻抗開關(guān)與電壓源隔 離）；2)所參與的X軸線電極中的一個(gè)被設(shè)置成+V。，而另一個(gè)被設(shè)置成-V。；以及3)每個(gè)浮動(dòng) 的y軸線電極上的電荷被測量。具有較高電荷的y軸線電極與被設(shè)置成+V。的X軸線電極關(guān) 聯(lián)，而具有較低電荷的y軸線電極與被設(shè)置成-V。的X軸線電極關(guān)聯(lián)，從而區(qū)分實(shí)際手指觸摸 與錯(cuò)誤識(shí)別或重影。
[0129] 在優(yōu)選實(shí)施例中，區(qū)分依賴于分離觸摸的相同通體阻抗，但進(jìn)一步分解測量?；蛘?每個(gè)交點(diǎn)可以被測量，或者沿一行或列的至少兩個(gè)交點(diǎn)被測量并可被用來執(zhí)行區(qū)分。過程 如下：1)兩列電極中的第一列被設(shè)置成已知的電壓(+V。），然后浮動(dòng)（即，通過高阻抗開關(guān)與 電壓源隔離）；2)所參與的行電極中第一個(gè)被設(shè)置成已知的電壓-ν〇;3)列電極電荷現(xiàn)在被 測量;4)兩列電極中第二列被設(shè)置成已知的電壓(+V。），并且然后浮動(dòng)（即，通過高阻抗開關(guān) 與電壓源隔離）；5)所參與的行電極中的第一個(gè)被設(shè)置成已知的電壓-V。; 6)列電極電荷現(xiàn) 在被測量;7)對(duì)期望的第二行重復(fù)1-6(提供結(jié)果的完整確認(rèn)）；8)利用用普通自電容測量測 出的數(shù)據(jù)規(guī)格化用于比較的數(shù)據(jù)；以及9)比較兩列之間的電荷差，以確定哪個(gè)交叉具有手 指(具有較低電荷的手指）。
[0130] 這些方法由于有限通體阻抗而工作，該有限通體阻抗確保X軸線電極在手指觸摸 實(shí)際發(fā)生的y軸線電極上感應(yīng)出更大的電荷。
[0131] 接下來描述當(dāng)兩個(gè)手指與基板接觸時(shí)區(qū)分重影與真實(shí)手指觸摸的另一種途徑?；?想一下，用兩個(gè)手指觸摸表面，兩個(gè)X軸線電極的電容和兩個(gè)y軸線電極的電容增加，并且哪 個(gè)X軸線電極應(yīng)當(dāng)與每個(gè)y軸線電極配對(duì)并不明顯。但是，首先考慮兩個(gè)X軸線電極，手指在 更接近電極通過其連接到電路系統(tǒng)的邊緣的距離處觸摸一個(gè)X軸線電極，并且另一個(gè)手指 觸摸遠(yuǎn)離那個(gè)邊緣的另一個(gè)X軸線電極。這個(gè)距離差也以被觸摸的兩個(gè)y軸線電極之間的距 離示出。手指沿X軸線電極的不同距離的結(jié)果是從電路(經(jīng)由邊緣連接器)到其X軸線電極上 的更遠(yuǎn)菱形電極存在更多的串聯(lián)電阻。在菱形電極圖案（圖3)的情況下，附加的串聯(lián)電阻分 支(stem)主要形成菱形之間的高電阻"橋"。因此，當(dāng)電極被設(shè)置為充電時(shí)，RC充電電路被建 立，其中C主要反映手指觸摸電極，而R主要反映橋的數(shù)量。RC時(shí)間常數(shù)能夠被用來確定它沿 那個(gè)電極較遠(yuǎn)還是較近的顯見的手指，其是真實(shí)的手指觸摸。
[0132]在優(yōu)選實(shí)施例中，這種電極簡單地以不被帶至其滿充電狀態(tài)(全電壓）的方式被充 電。這種持續(xù)時(shí)間可能是1微秒。然后，在比如說5微秒的暫停后，施加另一充電間隔。在第二 間隔內(nèi)移動(dòng)的電流或電荷揭示第一短暫間隔不充分的程度。更多串聯(lián)電阻R反映離電子器 件和連接器更遠(yuǎn)的真實(shí)手指觸摸。
[0133] 不可檢測的感測
[0134] 期望的是手指位置傳感器能夠測量手指位置而不產(chǎn)生可檢測的假象，諸如可聽的 噪聲或觸感感覺。同時(shí)，為了最小化感測和致動(dòng)電子器件的復(fù)雜性，期望的是對(duì)感測使用與 對(duì)致動(dòng)相同的電壓電平。這建立了固有的沖突，因?yàn)橹聞?dòng)應(yīng)當(dāng)是可觸感檢測的而感測不應(yīng) 當(dāng)。
[0135] 對(duì)這個(gè)沖突的一種解決辦法是使致動(dòng)和感測都基于非常短暫的脈沖。在優(yōu)選實(shí)施 例中，用于給定電極(例如，圖3a中y軸線電極，從上到下延伸）的電壓脈沖將具有圖13a中所 示的形式，該圖示出了在單個(gè)電極上的單個(gè)電壓脈沖。在時(shí)間t = t之前，電極將是浮動(dòng)的。 在t = t，電壓將被設(shè)置為+V。。在優(yōu)選實(shí)施例中，ν〇 = 70伏，但是可以使用更低或更高的電 壓。在t= (tl+t2)/2,或者tl和t2之間的某個(gè)其它時(shí)間，電壓將被設(shè)置為-V。。并且在t = t2,電 壓將被允許再次浮動(dòng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，時(shí)間段(ts-ti)將是50微秒，但是可以使用更短或更 長的時(shí)段。關(guān)鍵點(diǎn)是，由于其短的持續(xù)時(shí)間，單個(gè)脈沖難以讓用戶檢測到。盡管如此，脈沖對(duì) 于感測是足夠的。感測是通過測量流到電極的電流或電荷的絕對(duì)值完成的（因?yàn)槊}沖既有 正又有負(fù)片段）。為了以每秒100次測量手指位置(比大多數(shù)商業(yè)觸摸屏更頻繁），有必要每 10毫秒（10000微秒)一次在給定的電極上重復(fù)這個(gè)脈沖。因此，在每個(gè)10000微秒時(shí)段中，脈 沖將僅活動(dòng)50微秒，或者時(shí)間的百分之二。這種非常小的占空比確保任何觸覺假象都非常 小。然而，人類對(duì)在100Hz至300Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)非常敏感。對(duì)于特定的系統(tǒng)，如果感測掃描 是用戶能夠檢測的，則解決方案是增加掃描速率至500Hz或更大。雖然占空比稍大，但是人 類不會(huì)容易地感覺到這種高頻率。另一種解決方案是簡單地使脈沖更短。
[0136] 除了使用簡短脈沖和低占空比，掃描的次序可以被調(diào)整，以改善感測的感覺。如果 短脈沖在空間上也是不同的，則手指不會(huì)受被順序脈動(dòng)的相鄰電極影響(手指可以累積地 感覺），而是脈沖變得進(jìn)一步分開，并且不那么可被檢測到。
[0137] 因?yàn)楹茱@然越短的測量脈沖導(dǎo)致越不顯眼的觸覺效果，并且正和負(fù)電壓脈沖都具 有相同的觸覺效果，所以減小脈沖的觸覺效果的另一種途徑是當(dāng)不期望觸覺效果時(shí)將電壓 驅(qū)動(dòng)至0V。正如我們前面所描述的，浮動(dòng)電極一段時(shí)間將最終導(dǎo)致返回到0V，但是通過主動(dòng) 將其驅(qū)動(dòng)到零，測量脈沖的影響可以被進(jìn)一步減小。驅(qū)動(dòng)至零的這種能力還開辟了對(duì)觸覺 脈沖的脈寬調(diào)制(PWM)控制的可能性。脈沖可以在長度和數(shù)量上被進(jìn)一步調(diào)制，以創(chuàng)建不同 級(jí)別的觸覺效果。
[0138] 為了生成強(qiáng)觸覺效果，一種方法是使用多個(gè)脈沖。例如，為了生成強(qiáng)100Hz效果，可 以重復(fù)100個(gè)50微秒脈沖(這將需要花費(fèi)5000微秒）隨后是5000微秒無脈沖的序列。這將被 認(rèn)為比100Hz感測掃描強(qiáng)100倍。但是，觸覺效果也可以以其它途徑加強(qiáng)。例如，再次參照?qǐng)D 3a，并且假設(shè)手指位于y軸線電極(從上到下）和X軸線電極(從左到右）的交點(diǎn)附近，相等且 相反的脈沖可被施加到y(tǒng)軸和X軸線電極，如我們?cè)谄渌胤接懻摰?。這允許電場線直接通 過手指或指尖的觸摸而不通過身體的任何其它部分閉合。然而，增加觸覺效果的強(qiáng)度的另 一種途徑是同時(shí)向完全或部分地在用戶的手指下面的多個(gè)電極施加電壓。例如，根據(jù)圖13b 中上部的示圖，電壓可被施加到圖3a中的y軸線電極以及其近鄰中的一個(gè)，而根據(jù)圖13b中 下部的示圖，電壓可被施加到X軸線電極以及其近鄰中的一個(gè)。因此，圖13b示出在第一y軸 線電極上的單個(gè)電壓脈沖（上圖）以及在第二X軸線電極上的單個(gè)但反轉(zhuǎn)的電壓脈沖（下 圖）。甚至更大數(shù)量的電極可以被吸納并用來進(jìn)一步增加觸覺效果的強(qiáng)度。
[0139] 對(duì)不可檢測的感測的不同方法是對(duì)感測使用比對(duì)觸覺更低的電壓。例如，在優(yōu)選 實(shí)施例中，V〇 = 5V用于感測，而ν〇 = 7〇ν用于致動(dòng)。較低的電壓可與上面提到的技術(shù)組合，以 確保感測完全不可檢測。這種方法需要附加的電子器件，以便在兩個(gè)不同電壓之間切換。 [0140] 組合感測和致動(dòng)
[0141]如果僅一組傳感器電子器件服務(wù)于所有電極，則感測必需的電子元件的數(shù)量可以 顯著減少。采取這種方法的結(jié)果是感測和致動(dòng)必須仔細(xì)協(xié)調(diào)。為了說明協(xié)調(diào)挑戰(zhàn)，考慮如上 所述的致動(dòng)場景，其中觸覺輸出正由兩個(gè)X軸線電極和兩個(gè)y軸線電極生成。此外，考慮基于 測量和積分遞送到給定電極的電流的自電容感測的方法（即，測量將電極升高到電壓V。所 需的電荷;這個(gè)電荷量對(duì)手指的存在高度敏感）。因?yàn)檫@種場景中的致動(dòng)需要同時(shí)向四個(gè)電 極發(fā)送電流，并且感測要求積分發(fā)送到每個(gè)個(gè)體電極(而不只是參與致動(dòng)的那些電極)的電 流，所以難以同時(shí)執(zhí)行致動(dòng)和感測，尤其是如果只有一個(gè)電流傳感器服務(wù)于所有電極的話。 在這里，我們描述協(xié)調(diào)感測和致動(dòng)的幾種途徑。
[0142] 調(diào)度器
[0143] 大多數(shù)觸覺致動(dòng)信號(hào)不要求圖13a中所示種類的脈沖被不斷重復(fù)。例如，當(dāng)電壓在 觸覺輸出的典型片段期間施加到單個(gè)電極時(shí)，典型的致動(dòng)信號(hào)在圖14中示出。存在期間沒 有致動(dòng)脈沖被遞送的大量時(shí)段。因此，一種策略是在沒有致動(dòng)的這些時(shí)段期間遞送感測脈 沖。為了讓這個(gè)策略工作，必須有足夠多無致動(dòng)的時(shí)段。例如，如果觸摸接口或基板給出總 共50行電極(例如，25個(gè)X軸線電極和25個(gè)y軸線電極），并且需要50微秒來感測每一個(gè)線電 極，則將需要2.5毫秒來掃描整個(gè)基板。如果進(jìn)一步期望以100Hz更新感測數(shù)據(jù)，則感測掃描 必須每10毫秒重復(fù)一次。這意味著每10毫秒的間隔中高達(dá)7.5毫秒可用于致動(dòng)。因此，可以 產(chǎn)生具有小于75%占空比的任何致動(dòng)信號(hào)?？刂破鲗⑹紫雀鶕?jù)需要調(diào)度觸覺輸出以產(chǎn)生期 望的效果，然后在無致動(dòng)的任何時(shí)段期間調(diào)度感測脈沖。
[0144] 應(yīng)當(dāng)指出的是，在圖14中所示的實(shí)施例中，電極電壓可被設(shè)置為+V?；?V。，或可以 浮動(dòng)（由虛線指示）。因?yàn)槊}沖非常短，所以感知到的觸覺輸出與脈沖的密度相關(guān)。當(dāng)脈沖頻 繁(密集)時(shí)，感官強(qiáng)度增加。調(diào)度器可以在電極電壓浮動(dòng)的時(shí)段期間插入感測脈沖(在其它 電極或同一電極上）。
[0145] 而且，除了脈沖數(shù)量調(diào)制，通過添加將電極驅(qū)動(dòng)至0V的能力，也有可能執(zhí)行脈寬調(diào) 制(PWM)，其中每個(gè)脈沖存在但處于可變的長度，這可被用來改變觸覺效果。這導(dǎo)致好得多 的效果并提供更廣泛的可能效果。這在優(yōu)選實(shí)施例中用來改變觸覺效果的強(qiáng)度。
[0146] 差分測量
[0147] 測量與任何脈沖關(guān)聯(lián)的電流是有可能，不管那個(gè)脈沖是用于感測還是致動(dòng)。其結(jié) 果是，有可能通過在任何其它電極用于致動(dòng)的同時(shí)致動(dòng)那個(gè)電極并且測量累積的充電電流 來對(duì)每個(gè)電極進(jìn)行測量。然后，由于致動(dòng)電極造成的那部分測量可以從總數(shù)中減去，只留下 由于被感測電極造成的部分。
[0148] 在第一實(shí)施例中，致動(dòng)將總是涉及成對(duì)的脈沖（例如，任何脈沖序列的最小元素， 而不是在圖13a中所示的脈沖，這將是兩個(gè)這樣的脈沖的串聯(lián)）。應(yīng)當(dāng)注意，雖然這些脈沖通 常將會(huì)被施加到至少一個(gè)X軸線電極和一個(gè)y軸線電極，如已經(jīng)指出的，但是附加的X軸和y 軸線電極也可被致動(dòng)。在兩個(gè)脈沖中的第一個(gè)，將沒有附加的電極被致動(dòng)，而是將進(jìn)行"基 準(zhǔn)"電流測量。在第二個(gè)脈沖中，一個(gè)附加的電極將被致動(dòng)并且將再次測量電流。這兩個(gè)測 量之差將用作那個(gè)附加電極的感測信號(hào)。在對(duì)用于觸覺輸出的電極之一需要測量的情況 下，那個(gè)電極將不會(huì)在第二脈沖中被致動(dòng)。再次，該差值將用作感測信號(hào)。利用這種方法，假 設(shè)個(gè)體脈沖是50微秒長，包含50個(gè)線電極的觸摸接口可以在5毫秒內(nèi)被掃描，這對(duì)于200Hz 更新感測到的手指位置將是足夠的。
[0149] 但是，有可能達(dá)到甚至更高的掃描率。這可以通過組合上面給出的差分測量方法 與較短的感測脈沖來實(shí)現(xiàn)。雖然50微秒是用于觸覺致動(dòng)的合適的脈沖持續(xù)時(shí)間，但是感測 通?？梢愿斓赝瓿伞?duì)感測速度的物理限制是與充電每個(gè)線電極關(guān)聯(lián)的RC時(shí)間常數(shù)。這 個(gè)時(shí)間常數(shù)在手指存在的情況下通常在1至10微秒的范圍內(nèi)（在沒有手指存在的情況下甚 至更短）。因此，多個(gè)感測掃描可以在每個(gè)單獨(dú)的觸覺致動(dòng)脈沖期間完成。
[0150] 在我們稱之為"致動(dòng)-浮動(dòng)-感測"（AFS)的優(yōu)選實(shí)施例中，同時(shí)感測和致動(dòng)過程如 下：1)通過將參與的電極連接到+V。電壓源(那些電極開始充電)開始觸覺致動(dòng)脈沖(在t = 0 微秒標(biāo)注的時(shí)間）；2)在大約8微秒之后，電極將被完全充電并且流到它們的電流會(huì)相當(dāng)小， 在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，那些電極可以可選地從+V。電壓源斷開，并讓其電壓浮動(dòng)；3)在t = 8微秒，要 被感測的第一電極連接到+V。電壓源，附加電流將流動(dòng)以便將該電極充電，并且這個(gè)電流被 測量并被積分8微秒;4)在t= 16微秒，要被感測的第二電極連接到+V。電壓源，附加電流將 流動(dòng)，以便將該電極充電，并且這個(gè)電流被測量并積分8微秒;5)在t = 25微秒，充電的電極 從+V。電壓源斷開，并且參與觸覺致動(dòng)的那些電極連接到-V。電壓源，在大約8微秒之后，這些 電極將被完全充電，并且在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，那些電極可以可選地從-V。電壓源斷開，并讓其電 壓浮動(dòng);6)在t = 33微秒，要被感測的第一電極連接到-V。電壓源，附加電流將流動(dòng)，以便將 該電極充電，并且這個(gè)電流被測量并對(duì)8微秒進(jìn)行積分;7)在t = 41微秒，要被感測的第二電 極連接到-V。電壓源，附加電流將流動(dòng)，以便將該電極充電，并且這個(gè)電流被測量并積分8微 秒；以及8)在t = 50微秒，周期完成，并且另一個(gè)觸覺致動(dòng)周期開始。在下一個(gè)周期，第三和 第四電極被感測。
[0151] 這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例允許每個(gè)電極在正和負(fù)電壓都被感測，從而最小化由于電荷已經(jīng) 存在于人體造成的任何偏差的效果，并且它允許兩個(gè)電極在每個(gè)觸覺致動(dòng)周期期間被感 測。因此，包含50個(gè)電極的面板可在1.25毫秒內(nèi)或以800Hz被進(jìn)行掃描。如果前兩個(gè)電極僅 在致動(dòng)脈沖的+V。部分被測量，而第三和第四電極在致動(dòng)脈沖的-V。部分被測量，則這個(gè)速率 可被再次加倍。
[0152] 在被感測的電極之一也是參與觸覺致動(dòng)的電極之一的情況下，上述步驟被稍微修 改。在觸覺致動(dòng)電極達(dá)到+V。并且它們的電壓浮動(dòng)之后，要被感測的電極(在t = 8微秒或t = 16微秒)連接到-V。源并且電流被測量。一旦觸覺致動(dòng)電極已經(jīng)達(dá)到-V。，就采用類似的策略。 這將在整體觸覺輸出中產(chǎn)生很小的變化或不產(chǎn)生變化，因?yàn)橛脩舾杏X到的摩擦變化依賴于 電壓的平方;而且，感測到的和沒有感測到的脈沖之間的定時(shí)差太快，以至于不會(huì)被感知。
[0153] AFS也可以按任何次序和在另一實(shí)施例中執(zhí)行，感測在致動(dòng)之前首先被執(zhí)行，以提 供更好的測量并降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。但是，這通常意味著，由于其它限制，在一個(gè)半周期內(nèi) 的多個(gè)感測通程是不可能的。
[0154] 對(duì)AFS的進(jìn)一步改進(jìn)是能夠?qū)㈦姌O驅(qū)動(dòng)至0V。通過能夠驅(qū)動(dòng)至0V，具有P麗的AFS常 常變成致動(dòng)、零、感測(AZS)。由于測量不花費(fèi)來自周期的時(shí)間的事實(shí)，結(jié)合PWM與AFS/AZS導(dǎo) 致難以創(chuàng)建的一組PWM長度。在測量時(shí)間內(nèi)，可能無法切換任何輸出。有可能通過改變測量 相對(duì)于致動(dòng)何時(shí)發(fā)生的時(shí)間來產(chǎn)生完整的一組PWM長度。這涉及允許測量或者在致動(dòng)對(duì)長 PWM周期發(fā)生時(shí)發(fā)生，或者在致動(dòng)不在短PWM周期發(fā)生時(shí)發(fā)生。在優(yōu)選實(shí)施例中，除了當(dāng)完整 的100 % PWM脈沖發(fā)生時(shí)之外，測量在致動(dòng)不發(fā)生時(shí)發(fā)生。
[0155] 總之，結(jié)合AZS的PWM允許更好的觸覺效果并且因此實(shí)現(xiàn)依賴于這種權(quán)衡。執(zhí)行AZS 還意味著感測可以從0V參考來進(jìn)行，并且這對(duì)于從測量中減小觸覺影響也是有用的。
[0156] 如果0V輸出不可用，則有可能執(zhí)行"盡力而為"的嘗試來通過在主致動(dòng)脈沖或測量 脈沖完成并且電極浮動(dòng)之后在短時(shí)間段驅(qū)動(dòng)相反的電極將電極放電至0V。這允許PWM和不 可檢測的感測的許多好處，但不能從0V參考提供測量。它具有不需要電路中復(fù)雜實(shí)現(xiàn)來具 有到每個(gè)電極0V輸出的優(yōu)點(diǎn)。它還具有用于脈沖的定時(shí)和調(diào)度的控制復(fù)雜性的缺點(diǎn)。
[0157] 自適應(yīng)感測
[0158] 為了進(jìn)一步提高感測率，同時(shí)也降低功耗，可以使用自適應(yīng)感測方案。在自適應(yīng)感 測方案中，使用更少和更不頻繁的脈沖直到手指被定位。例如，只有每個(gè)第二X軸線電極和 每個(gè)第二y軸線電極可以被掃描，因?yàn)槭种笇⒚總€(gè)軸覆蓋多于一個(gè)電極。而且，這些測量可 以以降低的速率(諸如50Hz)進(jìn)行。但是，一旦手指被定位，在手指位置附近的所有電極就可 以以高速率進(jìn)行掃描。這將使能高速低延遲的手指位置的測量。在下面，我們更加詳細(xì)地描 述這個(gè)方法。
[0159] 有三種與帶致動(dòng)的感測相關(guān)的機(jī)制或方法，其中的兩種已經(jīng)在上面詳細(xì)處理過 了。第一種機(jī)制適用于正被觸摸但不參與觸覺致動(dòng)的電極。這種情況需要不可檢測的感測， 如已經(jīng)討論過的。第二種機(jī)制適用于正被觸摸并參與觸覺致動(dòng)的電極。這也已經(jīng)討論過了。 第三種機(jī)制適用于當(dāng)前沒有被觸摸的電極。如果手指確實(shí)開始觸摸這些電極中的一個(gè)，有 必要快速地找出。實(shí)際上，通過詢問未觸及的電極(測量其電容），我們甚至能夠在實(shí)際觸摸 發(fā)生之前確定手指向觸摸電極靠近。當(dāng)電極沒有被觸摸時(shí)，為了感測其電容而施加在電極 上的任何電壓可以對(duì)觸覺感知、對(duì)可聽噪聲的發(fā)射都沒有影響。因此，存在快速且功率有效 地測試所有未觸摸的電極的方式，以檢測觸摸的開始。周期性地，例如每10毫秒一次或每1 毫秒一次，被認(rèn)為未觸摸的所有電極可以被一起脈動(dòng)。未觸摸的電極具有非常低的電容，同 時(shí)，由于前表面測量的好處，增加觸摸哪怕一個(gè)電極的指尖的哪怕一部分，也將顯著改變整 組電極的電容。因此，在單次測量中，新手指到達(dá)任何先前未觸摸電極都能夠被檢測到。
[0160] 為了快速確定哪個(gè)電極或哪些電極已被新觸摸，可以執(zhí)行X軸線電極和然后y軸線 電極的二進(jìn)制搜索。例如，如果存在先前未觸摸的32個(gè)X軸線電極，則僅在5次測試中就可以 分離新觸摸的一個(gè)X軸線電極。在我們的優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)線電極(X軸或y軸)作為要被新 觸摸的候選而被獨(dú)立測試。由于詢問序列的簡潔，并且因?yàn)槭种冈谒鼊傋罱竭_(dá)與觸摸表 面接觸或甚至在這種接觸或觸摸建立之前就被檢測，因此在詢問期間發(fā)生的充電和放電將 對(duì)手指沒有可感知的觸覺效果。
[0161] 為了在不中斷對(duì)正被觸覺致動(dòng)的那些其它電極的觸覺致動(dòng)的規(guī)律性的情況下快 速進(jìn)行這種完全詢問，僅需要借用或利用在觸覺致動(dòng)電極的致動(dòng)循環(huán)期間的幾微秒。這可 以利用上述AFS方法完成。
[0162] 從上面的公開內(nèi)容，顯然的是根據(jù)本公開內(nèi)容構(gòu)建的觸摸接口設(shè)備可以提供多點(diǎn) 觸覺，同時(shí)包括優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。依賴于所選的具體設(shè)計(jì)和配置，設(shè)備可以表現(xiàn)出 上面提及的一個(gè)或多個(gè)潛在優(yōu)勢。
[0163] 應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，根據(jù)本公開內(nèi)容具有多點(diǎn)觸覺的表面觸覺設(shè)備的觸摸接口可以 以各種配置提供。任何種類合適材料的構(gòu)造、配置、部件的形狀和尺寸以及連接部件的方法 可被用來滿足最終用戶的特定需求和要求。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，在不背離 所要求保護(hù)的主題的范圍或精神的情況下，可以對(duì)這種設(shè)備的設(shè)計(jì)和構(gòu)造進(jìn)行各種修改， 并且權(quán)利要求書不限于本文所說明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0164] 應(yīng)當(dāng)理解，以上描述意在是說明性的，而不是限制性的。例如，上述例子或?qū)嵤├?(和/或其各方面)可以單獨(dú)或彼此組合使用。此外，在不背離其范圍的情況下，可以作出許 多修改以便使特定的情況或材料適應(yīng)發(fā)明性主題的教導(dǎo)。雖然本文所述的材料的維度和類 型意在定義發(fā)明性主題的參數(shù)，但它們絕非限制性的，并且意在作為例子。在閱讀上面的描 述之后，許多其它實(shí)施例將對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見。因此，本文所述主題的一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施例的范圍應(yīng)當(dāng)參照所附的權(quán)利要求，連同這些權(quán)利要求所賦予的等同物的完整范 圍來確定。在所附的權(quán)利要求中，諸如"包括"和"具有"的術(shù)語被用作相應(yīng)各術(shù)語"包括"和 "其中"的通俗英語等同物。而且，在下面的權(quán)利要求中，諸如"第一"、"第二"和"第三"等術(shù) 語的使用可以只用作標(biāo)記，而不意在對(duì)它們的對(duì)象強(qiáng)加數(shù)字需求。另外，下列權(quán)利要求的限 制沒有按裝置加功能的格式來撰寫并且不意在基于35U.S.C. 112第六段來解釋，除非這種 權(quán)利要求限制明確地使用短語"用于…的裝置"后面跟著對(duì)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)的功能空位(void) 的聲明。
[0165] 本書面描述使用例子來公開發(fā)明性主題的幾個(gè)實(shí)施例，并且還使得本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員能夠?qū)嵺`本文公開的實(shí)施例，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何被結(jié)合 的方法。主題的可專利范圍可以由權(quán)利要求書定義，并且可以包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可 以想到的其它例子。這些其它例子意在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，如果它們具有不與權(quán)利要求 書的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求書的字面語言無實(shí)質(zhì)區(qū)別的 等同結(jié)構(gòu)元件。
[0166] 如本文中所使用的，以單數(shù)敘述且冠以詞"一個(gè)"、"一"的元件或步驟應(yīng)當(dāng)被理解 為不排除所述元件或步驟的復(fù)數(shù)，除非這種排除被明確地陳述。此外，對(duì)目前描述的發(fā)明性 主題的實(shí)施例的一個(gè)例子的引用不意在被解釋為排除也結(jié)合所述特征的附加例子或?qū)嵤?例的存在。而且，除非明確地聲明為相反，否則權(quán)利要求"包括"、"包含"或"具有"具有特定 屬性的一個(gè)元件或多個(gè)元件可以包括不具有那個(gè)屬性的附加的此類元件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸摸接口，包括： 絕緣基板； 連接到基板的前表面并且以圖案布置的一個(gè)或多個(gè)電極； 被配置為將每個(gè)電極連接到一個(gè)或多個(gè)電壓電平的電子控制器； 所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加一個(gè)或多個(gè)電壓而產(chǎn)生觸覺效果；以及 所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加一個(gè)或多個(gè)電壓而測量一個(gè)或多個(gè)觸 摸點(diǎn)的位置。2. 如權(quán)利要求1所述的觸摸接口，其中，電子控制器被配置為向所述電極施加正電壓和 負(fù)電壓。3. 如權(quán)利要求2所述的觸摸接口，其中，電子控制器被配置為施加一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù) 電壓。4. 一種具有同時(shí)感測和致動(dòng)的觸摸接口，包括： 絕緣基板； 連接到基板的前表面并且以圖案布置的一個(gè)或多個(gè)電極； 被配置為將每個(gè)電極連接到正電壓或負(fù)電壓的電子控制器； 所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加正電壓和/或負(fù)電壓而產(chǎn)生觸覺效果； 以及 所述電子控制器被配置為通過向所述電極施加正電壓和/或負(fù)電壓而測量一個(gè)或多個(gè) 觸摸點(diǎn)的位置。5. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，電極是透明的。6. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，電極包括保護(hù)層。7. 如權(quán)利要求6所述的觸摸接口，其中，保護(hù)層是透明的。8. 如權(quán)利要求6所述的觸摸接口，其中，保護(hù)層由介電材料制成。9. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，基板是平面的。10. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，基板是透明的。11. 如權(quán)利要求10所述的觸摸接口，其中，基板還包括玻璃或塑料板。12. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，由電極提供的觸覺效果是摩擦增加。13. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，觸覺效果在多于一個(gè)觸摸位置是獨(dú)立可控制 的。14. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，設(shè)備提供多于一個(gè)觸摸位置的位置測量。15. 如權(quán)利要求4所述的觸摸接口，其中，所述一個(gè)或多個(gè)電極以對(duì)準(zhǔn)的圖案布置，從而 給出具有給出交點(diǎn)位置的兩行或更多行不同電極的陣列。16. -種利用觸摸接口的基板上的單組電極來同時(shí)在基板上產(chǎn)生觸覺效果并測量相對(duì) 于基板的手指位置的方法，其中觸覺效果是通過如下操作產(chǎn)生的：選擇施加到基板的電極 的第一子集、利用電壓源將電極的第一子集升高到正電壓或負(fù)電壓或零電壓、然后從電壓 源斷開電極的第一子集、然后選擇電極的第二子集并且利用電壓源將電極的第二子集升高 到正電壓或負(fù)電壓，同時(shí)監(jiān)視將電極的第二子集升高到正電壓或負(fù)電壓所需的電流或電 荷。
【文檔編號(hào)】G06F3/041GK106030478SQ201580009388
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年2月20日
【發(fā)明人】M·A·佩什金, J·E·科爾蓋特, M·F.D·奧利
【申請(qǐng)人】坦瓦斯股份有限公司, 西北大學(xué)