CN101084538A - 设有多个按钮的基于游标器的指点设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有游标器(95)的指点设备(80,200),游标器被限制为在表面上的移动域中移动,并提供与传统鼠标类似的指向和点击功能。游标器(95)具有第一和第二构件(191,192),当没有力被施加在这些构件之间时第一和第二构件被弹性隔离器(71)间隔开。游标器(95)包括倾斜机构(84,192,284),以允许第一和第二构件(191,192)响应于被施加在其间的力而呈现相对于彼此倾斜的配置。位置检测器(59,393)确定游标器(95)在游标器移动域中的位置以及第一构件(191)相对于第二构件(192)的倾斜位置。所确定的倾斜位置被用来模拟通过改变倾斜位置来启动的两个或更多个开关。

Description

设有多个按钮的基于游标器的指点设备
技术领域
本发明涉及设有多个按钮的基于游标器的指点设备。
背景技术
现代计算机操作系统和图形程序需要指点设备来控制光标在计算机显示器上的位置。同样,诸如个人信息管理器和蜂窝式电话这样的手持设备也因包含这类指点设备而受益。对于台式个人计算机,最成功的指点设备是“鼠标”。鼠标是一种手持物,其在键盘附近的平面上移动以控制光标在计算机显示器上的移动。鼠标移动的方向和距离决定了光标在显示器上移动的方向和距离。传统的鼠标提供了用户可以以高精度移动的刚性物体。对于台式计算机,鼠标提供了指点问题的满意解决方案。在工作空间不够大以致所提供的路径无法使鼠标能够移动和允许屏幕上的期望光标移动时,用户简单地拾起鼠标然后使鼠标在工作空间中回到中心位置。
除了提供上述的指点功能以外,鼠标已经发展为包含附加的按钮和滚轮,其可以在无需用户放下鼠标并敲击键盘的情况下用来向计算机提供其他形式输入。例如,现今多数鼠标设计具有附加按钮,用于将一个或多个特定动作告知应用程序,这些特定动作例如显示菜单,用户可以从所述菜单选择其他功能。另外,许多设计中提供了滚轮。滚轮用来在屏幕上滚动文本或者用来控制特定应用中的其他多值功能。例如,可以通过旋转滚轮来增大或减小许多图形程序中的缩放级别。
虽然在台式计算机市场中鼠标已经提供了对指点设备问题的满意解决方案,但是对于便携式和手持式计算机还没有类似的成功设备。这些计算机所经常用于的环境在键盘附近缺乏足够大的平面来使鼠标可在其上移动。此外,需要携带单独的指点设备使得鼠标不太适于这些应用。因此,当这些计算机用于这类环境时需要某些其他形式的指点设备。
用于这些环境的指点设备必须解决快速和精确地移动光标的问题。此外,该设备必须以初学者无需大量指导就能够理解的直观方式操作。此外,该指点设备必须在有限的工作空间内操作并适合计算机手持设备的形状因素(form factor)。最后,低成本、低功率消耗和高可靠性这些通常约束也必须被满足。
当前,在膝上型计算机市场上有两种对指点设备问题的主要解决方案,Synaptics公司的电容式TouchPadTM和IBM公司的TrackPointTM。其他公司制造具有相似功能的多个版本的这类设备。这两种设备都远不能满足上面的要求。TrackPointTM是通常位于膝上型计算机的键盘中央的小按钮。可以以与“操纵杆”类似的方式通过用手指向按钮顶部施加侧向力来移动按钮。遗憾的是,按钮只能少量移动;因此,按钮的位移不能被直接映射为计算机显示器上光标位置的位移。相反,按钮的位移控制光标移动的方向和速度。用户使用这种速度控制来定位光标所能具有的精度远小于用传统鼠标达到的精度。该局限性在诸如计算机图形程序中的绘图这样需要微小、精确移动的任务中特别明显。此外,这种指点设备不提供按钮功能。
TouchPadTM是边长为50到100mm的空白矩形垫,通常位于多数膝上型计算机的键盘之下。该设备感测手指在矩形表面上相对于设备边缘的位置。该感测是通过对由用户手指在绝缘、低摩擦材料之下的一系列电极上引入的电容改变进行测量来完成的。
和TrackPointTM一样,TouchPadTM也有缺乏精确度的问题。本质上难于对由用户(其相对于电路处于未知电位)引入的电容改变进行测量。另外,用户手指的接触面积较大。因此,要提供对手指位置的精确测量,设备必须确定某些参数,例如手指与垫之间接触区域的中心。遗憾的是,接触区域的大小和形状随着用户所施加的压力而变化。因此,这种确定最多是有限精度的。实际上,用户不可能重复地执行精确移动。
还存在着由当用户用手指或手腕无意地接触垫时的假信号引起的困难。在一些设备中,传统鼠标的“点击”功能是通过在垫上轻敲来实现的。结果,键入期间的这种无意激活使光标在键入操作中间跳到新位置并且使得文本被插入新位置处。
在通过引用而包含于此的先前提交的美国专利申请10/723,957中,描述了一种满足这些要求的指点设备。该指点设备利用了游标器(puck),当用户经由其手指向游标器施加压力时,该游标器在规定的移动域中移动。当用户释放游标器时,一组弹簧使游标器回到其在移动域中的居中位置。游标器的位置和游标器上的压力是由设备中的电极确定的。位置信息被用来在显示屏上定位光标。相连设备上的软件把用户手指按在游标器上期间游标器的移动转化为设备显示器上适当的光标移动。当用户释放游标器时,游标器与光标位置之间的联系被软件中断,因此,在游标器正回到中心位置时,光标不倒退移动。
虽然与膝上型计算机市场上对指点设备问题的现有主要解决方案相比,上述专利申请中教导的设备具有显著优势,但是还存在许多可通过改进而受益的领域。特别地,该基于游标器的指点设备将因包含下述附加输入功能而受益,所述功能提供了传统鼠标上按钮的功能和感受。
发明内容
本发明包括具有游标器的指点设备,所述游标器被限制为在表面上的移动域中移动。可移动游标器具有第一构件和第二构件,当没有力被施加在第一和第二构件之间时,第一和第二构件被弹性隔离器间隔开。游标器包括倾斜机构,以允许第一和第二构件响应于被施加在二者之间的力而呈现相对于彼此倾斜的配置。所述倾斜配置反映了力的位置、方向和幅度。位置检测器确定游标器在游标器移动域中的位置以及第一构件相对于第二构件的倾斜位置。所确定的倾斜位置被用来模拟通过改变倾斜位置来启动的两个或更多个开关。在一个实施例中,所述第一构件包括第一电极,所述第二构件包括第二和第三电极。所述位置检测器包括对第一和第二电极与第二和第三电极之间的电容进行测量的电路。在一个实施例中,所述倾斜机构包括所述构件之一上的突起。在一个实施例中,游标器包括多个点击器。每个点击器包括一机械装置,该机械装置所具有的外形尺寸响应于被施加的力而改变。该外形尺寸的改变是被施加的力的非线性函数。当用户用其手指向第一构件施加力时该外形尺寸的改变可被用户检测到。在一个实施例中,位置检测器模拟第一和第二开关,当第一构件被以预定配置相对于第二构件倾斜时所述第一和第二开关被断开和闭合。
附图说明
图1是指点设备的俯视图。
图2是图1所示的指点设备通过线2-2的横截面图。
图3是图1所示的表面的一部分的俯视图,在本发明的一个实施例中游标器在其上面移动。
图4是图3所示的电极51-55的等效电路的示意图。
图5是利用穹形点击器的游标器的横截面图。
图6是指点设备80通过图7所示的线6-6的横截面图。
图7是根据本发明的指点设备的另一个实施例的俯视图。
图8是当通过施加力来压下板91的右半边时游标器95的横截面图。
图9是根据本发明的指点设备的另一个实施例的横截面图。
图10是图9所示的指点设备的俯视图。
图11是根据本发明的游标器的另一个实施例的俯视图。
图12是图11所示的游标器通过线12-12的横截面图。
图13是用于对与游标器按钮相关的各个电容进行测量的电路的示意图。
具体实施方式
参照图1和2可更容易地理解本发明是如何带来好处的,图1和图2图示了上述专利申请中教导的根据本发明的一个实施例的指点设备10。图1是指点设备10的俯视图,图2是指点设备10通过图1所示的线2-2的横截面图。指点设备10包括游标器11,该游标器11响应于施加到游标器11的侧向力而在基板15的表面12上的游标器移动域19中移动。该力通常通过用户的手指施加到游标器11。游标器11包括压力感测机构,其对施加于游标器11的垂直压力进行测量。当感测到的压力超过预定阈值时,光标跟踪功能被激活并且光标以由游标器的移动决定的方向和距离在屏幕上移动。另外,指点设备10包括用于确定游标器11在表面12上位置的感测机构。
当用户通过移开其手指16释放游标器11时,游标器11通过标号13所示弹簧回到其居中位置,所述弹簧把游标器连接到游标器移动域的侧部14。因为用户的手指在游标器11返回期间未向其施加垂直力,所以不向主机设备报告与该返回移动相关联的位置改变。就是说,光标保持在其先前位置。这提供了方便的“归中(recentering)”能力,该能力在鼠标上通常通过抬起鼠标然后将其放回移动域的中央来实现。归中在移动域受限的膝上型计算机、手持设备和其他的小型应用中特别必要。
上述专利申请教导了用于测量用户对游标器施加的压力的许多机构,因此,将不在这里详细讨论这些机构。为了讨论,注意到可利用以下游标器就够了,该游标器具有可相对于底面垂直移动的顶面。顶面通过弹簧机构被保持在适当位置。当用户向顶面施加压力时,顶面向底面移动,移动量取决于所施加的压力。可以利用许多方法中的任一种来测量游标器的顶面与底面之间的距离。例如,游标器的顶面和底面可包括导电层以形成平行板电容器。该电容器的电容取决于板间距离,因此,对该电容的测量提供了对用户所施压力的测量。
在上面指出的专利申请中详细描述了在一个实施例中对游标器的位置进行感测的方式,因此将不在这里详细讨论。为了讨论,将认为电容感测方案可被用于确定游标器的位置。这样的方案图示于图3中,图3是图1所示的表面12的一部分的俯视图,在本发明的一个实施例中,游标器在该表面上移动。表面50包括标号51-54所示的四个电极,这四个电极具有连接到外部电路的端子。为了简化附图,这些端子已被省略。游标器具有包括电极55的底面,电极55在附图中以虚线示出。电极51-55彼此被电隔离。例如,电极55可被覆有介质层,该介质层提供所需绝缘同时还允许电极55在其他电极上滑动。这些电极事实上可以在基板的背部形成图案,基板表面由标号50表示。虽然这减少了这些电极与游标器电极之间的电容,但是对于几毫米或更小的基板厚度是实用的。电极55与每个电极51-54之间的重叠取决于游标器相对于电极51-54的位置。分别用A-D来表示电极55与电极51-54之间的重叠部分。
现在参照图4,图4是电极51-55的等效电路的示意图。电极55中与电极51重叠的那部分形成了平行板电容器,该平行板电容器所具有的电容与重叠部分A成比例。相似地,电极55中与电极52重叠的那部分形成了平行板电容器,该平行板电容器所具有的电容与重叠部分B成比例,等等。因为所有的电容器分摊了电极55的各个部分,所以等效电路由连接到公共电极的四个电容器组成。该电极是电极55。因此,通过对电极55与每个电极51-54之间的电容进行测量,可以确定电极55相对于电极51-54的位置。该确定可以通过控制器59做出,控制器59可以是指点设备的一部分或者是主机设备(指点设备形成其一部分)的一部分。
在上面讨论的实施例中,游标器底部上的电极是圆形的,以减少由电极形状引起的差错。复位弹簧允许游标器稍微旋转。如果用户的手指在游标器移动期间不放在游标器的中心上,则造成的扭矩可能引起游标器稍微旋转。如果游标器电极是圆形对称的,则这种旋转将不会改变位置测量。另一方面,如果游标器电极不是圆形对称的,则即使游标器的中心在所有情况下都位于相同位置,游标器与各个电极之间的重叠程度对于不同旋转也将会是不同的。
要实现“点击”,穹形点击器可被加入游标器。现在参照图5,其是利用这种点击器的游标器70的横截面图。游标器70具有底电极73,底电极73的电容被如上所述用来确定游标器在移动域中的位置。游标器70还包括顶电极74,当用户按该电极时该电极被压下。顶电极74用弹簧安装,以在用户不按该电极时使该电极靠在标号72所示的限位装置上。在图5所示的实施例中,由若干个弹簧71提供该功能。电极73和74之间的距离可通过测量这些电极之间的电容来确定。当用户轻按电极74时,该电极向下移动直到其到达点击器75的顶部为止。如果用户以大于由点击器75和弹簧71的物理属性确定的某阈值力的力来按电极74,则点击器75将迅速变成穹顶倒扣的结构。这将减少电极74所受的向上力,并且电极74将移至更接近电极75。该新位置可通过测量电极74和75之间的电容来感测。
图5所示的点击器是由穹形板材构成的,该穹形板材所具有的高度在穹顶被压至低于预定高度时突然改变。随着这种状态改变,对电极74施加的向上力也改变。这向用户提供了一种类似于开关闭合时所得感觉的感觉。本申请中所用的术语“点击器”被定义为包括任何下述机械装置,所述机械装置响应于对其施加的力而改变其外形尺寸之一,其中所述外形尺寸改变是所施加力的非线性函数。优选类型的点击器具有双稳性的外形尺寸,该尺寸在施加于点击器的力大于第一阈值力时在各种状态之间突然切换,并且在所施加力降到第二阈值之下时回复其初始状态。
图5中所示的游标器提供了单按钮功能;然而,其不适于提供与传统指点设备相关的多按钮功能。现在参照图示了根据本发明的一个实施例的两按钮指点设备的图6和图7。图6是指点设备80通过图7所示的线6-6的横截面图,图7是指点设备80的俯视图。指点设备80包括在表面94上的移动域中移动的游标器95。游标器95在移动域中的位置是借助于移动域中的多个电极和位于游标器中的两个电极来测量的。标号88和89示出了示例性移动域电极。标号93、86和87示出了游标器电极。为了避免上面讨论过的旋转问题,电极86和87可以是半圆形的并且在测量游标器位置期间可以被电连接。为了简化附图,游标器95的外壳和在没有压力被施加到板91时为板91和92提供分离力的弹簧已被省略。
指点装置80提供两按钮功能,该功能是通过向板91的两半中的一个或另一个施加净力(net force)来启动的。用户可以在按板91时通过倾斜其一个或多个手指来施加所需的力,以向板91中与用户希望启动的按钮相对应的那一半提供更多的力。或者,用户可以放置其手指来向板91的仅一半施加力。板91包括起支点作用的脊部84,板91可以绕该支点轴转。现在参照图8,图8是在通过如标号97所示施加力来压下板91的右半边时游标器95的横截面图。该力使板91朝点击器83倾斜并且向该点击器施加压力,从而使点击器变形并使点击器呈现其压下高度。板91中可以包括诸如突起81和85这样的突起,以分别帮助点击器82和83的启动。较之电极86与板91之间的距离,电极87与板91之间的平均距离较小。该差异是通过对电极86和87各自与板91之间的电容分别进行测量而感测到的。
图6-8中示出的实施例使用支点来提供用于改变电极86和87与板91之间的距离的轴点(pivot point)。然而也可以利用其他的绕轴旋转机构(pivoting mechanism)。现在参照图示了根据本发明的指点设备的另一个实施例的图9和图10。图9是指点设备100通过图10所示的线9-9的横截面图。图10是指点设备100的俯视图。为了简化下列讨论,指点设备100中提供与参照指点设备80描述的功能类似的功能的那些元件已经被给予相同的标号并且这里将不详细讨论。为了进一步简化附图,游标器195的外壳和在没有压力被施加到板191时为板191和192提供分离力的弹簧已被省略。
指点设备100中的游标器195具有顶板191,该顶板可以通过绕突起194轴转来相对于底板192移动。板191的移动具有两个自由度。第一自由度允许板191绕通过图10所示的线171的轴来回摆动。该运动向用户提供了用来压下点击器82和83所模拟的“按钮”中的一个或另一个的手段。例如,用户可以以与上面参照指点设备80所述的方式类似的方式,通过按板191中在点击器83之上的区域来点击与点击器82相关的按钮。
第二自由度允许用户通过在线9-9附近的区域中沿着轴171的位置处按压板191来同时压下全部两个“按钮”。因此,指点设备100事实上提供了三种可能的信号。第三信号的特征在于电极86和87两者与板191上的电极之间的电容的增加。
在上述的实施例中,游标器的底板上的电极被分成两个电极,这两个电极可以分别连接到测量电路。该布置允许控制器对游标器的顶板191上的电极与每个电极之间的电容进行判定,从而感测顶板相对于底板的位置。如上面所提到,该布置允许产生多达三种有区别的“点击”信号。如果游标器上的底电极被分成更多的电极,则可以以与上述方式类似的方式实现更多的按钮。
现在参照图11和图12,图11和图12图示了能够模拟4个独立按钮的游标器,这些按钮可以独立地按动或以两按钮为一组地按动。图11是游标器200的俯视图,图12是游标器200通过线12-12的横截面图。游标器200包括顶板291,该顶板可以相对于底板292移动。为了简化附图,游标器200的外壳和在没有压力被施加到板291时为板291和292提供分离力的弹簧已被省略。附接到板291的中央区域的柱284设定了板291和292二者中央区域之间的最小距离,但是允许板291相对于板292倾斜以改变各个电极与板291之间的距离。如上所述,各个点击器上设有小突起。标号281和285示出了示例性突起。
在操作中,用户向板291施加压力,板291朝板292移动直到柱284接触板292的表面为止。控制器使用该距离改变来以与上面所讨论的方式类似的方式确定用户的手指是否存在。在进行该确定期间,电极286-287连接在一起以形成单个电极,该单个电极接着形成了一电容器的底板,该电容器具有电极295作为其顶板。距离改变是通过观测该电容器的电容来确定的。
为了启动这些按钮之一,用户向板291的顶表面施加差压。例如,为了启动对应于点击器283的按钮,向板291施加压力使得板291与292之间在电极287附近的平均距离减少。暂且假定该力被置于突起285的中心。板291与292之间在电极288附近的平均距离将同时增加。最后,板291与292之间的平均距离基本上不因该操作而改变。因此,通过测量电极286-289中的每一个与电极295之间的电容,可以确定板291的倾向。
考虑在点击器位置中的两个之间(例如位置275)施加压力的情况。在这种情况下,点击器276和283都将被压下。电极295与电极287之间和电极295与电极289之间的电容将会是可能的最高值,同时电极295与电极286和288之间的电容分别会是最低值。因此,图11和图12所示的布置也可以模拟对两个邻近按钮的同时按动,从而进一步增加了游标器所能生成的区别信号的数目。
上述的实施例假定了指点设备包括用于对游标器的底板上的每个电极与游标器的顶电极之间的电容进行测量的电路。现在参照图13,其是用于对与游标器按钮相关的各个电容进行测量的电路的示意图。该电路一次测量一组电极之间的电容。这些电极中被运算放大器测量的具体电极是由控制器393通过向所涉及的电极施加脉冲来确定的。为了简化附图,从控制器到电极的具体连接已被省略。当复位开关395被首先闭合时,电极295和输出电压VOUT被强制设为电位VREF。在复位开关被再次断开时,驱动电压V1被控制器393施加到电极286-289之一。考虑对电极286进行测量。根据Q1=C1·(V1-VREF),电荷将在相关电容器两端形成,其中C1是由电极295和电极286形成的电容器的电容。因为没有电荷可以进入或离开传感电极295,所以运算放大器将在反馈电容器394两端施加电压来把电极295保持在电位VREF。因此VOUT-VREF=C1/CREF·(VREF-V1),其中CREF是电容器391的电容。通过对驱动电极中的每一个顺序地进行这种测量,可以确定与按钮之一相对应的各个电极与游标器顶板之间的距离。该电路对该应用是有利的,因为其允许使用单个运算放大器和简单数字驱动信号来进行许多电容测量。
应当注意到类似的电路可以用来对移动域中的各个位置感测电极与游标器底部的各个电极之间的电容进行测量。控制器393可以使用该信息把数据输入到具有显示器308的数据处理设备397,以控制光标302在屏幕300上的位置。在游标器上实现的按钮可被用来告知与游标器的位置有关的动作或者用来控制屏幕上的其他功能,例如滚动条301。
上述实施例利用了游标器的顶板上的单个电极和底板上的两个或多个电极。然而,也可以构造这样一种实施例,其中顶板具有多个电极并且底板具有单个电极。这种实施例需要通往移动板的更多电连接并且因而更加复杂,但是它们使得底板上的单个传感电极能够测量X-Y位置以及按钮状态。
图11和图12中的电极的电配置还可以被颠倒,使得顶板上有单个驱动电极295并且多个运算放大器连接到电极286、287、288和289。来自这些运算放大器的测量结果然后可被用来结合基板电极得到游标器X-Y位置。
本发明的上述实施例利用了具有第一和第二板的游标器,所述第一和第二板可以彼此相对倾斜。然而,本发明的实施例可以利用可以彼此相对倾斜的任意两个构件来构造,使得倾斜的配置可以被控制器检测到。
上述实施例利用了被附接到游标器中的底板的点击器。然而,也可以构造这样的实施例,其中点击器被附接到顶板并且用于启动点击器的突起被附接到底板。
本发明的上述实施例利用弹簧来设置没有力被施加到顶板时游标器的顶板与底板之间的距离。然而,可以利用其他形式的回弹隔离器。例如,可以用可压缩的橡胶隔离器来代替弹簧。
根据上述说明书和附图,本发明的各种修改对本领域技术人员将变得明显。因此,本发明将仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (11)

1.一种指点设备(80,200),包括:
第一表面(94),其具有定义在其上的游标器移动域;
可移动游标器(95),其被限制为在所述第一表面上移动,所述可移动游标器(95)包括第一构件(191)和第二构件(192),其中当没有力被施加在所述第一和第二构件之间时所述第一和第二构件被弹性隔离器(71)彼此间隔开,并且其中所述游标器(95)包括倾斜机构(84,192,284),所述倾斜机构用于允许所述第一和第二构件响应于被施加在所述第一和第二构件之间的力而呈现相对于彼此的倾斜配置,所述倾斜配置反映了所述力的位置、方向和幅度;以及
倾斜位置传感器(393),其对所述第一构件(191)相对于所述第二构件的倾斜位置进行检测。
2.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),包括游标器位置检测器(59,393),所述游标器位置检测器确定所述游标器(95)在所述游标器移动域中的位置。
3.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),其中,所述第一构件(191)包括第一电极(93)并且所述第二构件(192)包括第二电极(86)和第三电极(87),并且其中所述位置检测器(59,393)包括用于对所述第一电极(93)和所述第二电极(86)与所述第二电极(86)和所述第三电极(87)之间的电容进行测量的电路。
4.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),其中,所述第一和第二构件(191,192)包括板。
5.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),其中,所述倾斜机构(84,192,284)包括所述构件之一上的突起。
6.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),还包括多个点击器(82,83),每个点击器包括机械装置,该机械装置所具有的外形尺寸响应于被施加的力而改变,其中外形尺寸的改变是被施加的力的非线性函数,当用户向所述第一构件(191)施加力时所述外形尺寸的改变能被所述用户检测到。
7.根据权利要求1所述的指点设备(80,200),其中,所述位置检测器(59,393)模拟第一和第二开关,当所述第一构件(191)被以预定配置相对于所述第二构件(192)倾斜时所述第一和第二开关被断开和闭合。
8.一种对具有多个按钮的指点设备(80,200)进行模拟的方法,所述方法包括:
提供在移动域中移动的可移动游标器(95),所述游标器(95)包括可以相对于彼此而移动的第一构件和第二构件(192)
当用户在所述第一和第二构件(191,192)之间施加力时,检测所述第一和第二构件(191,192)之间的相对倾斜;以及
当检测到的倾斜具有第一值时模拟第一按钮被启动。
9.根据权利要求8所述的方法,包括当检测到的倾斜具有第二值时模拟第二按钮被启动。
10.根据权利要求8所述的方法,还包括当所述用户施加使所述倾斜具有所述第一值的力时给所述用户提供触感。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,通过测量所述第一和第二电极(93,86)与所述第二和第三电极(86,87)之间的电容来检测所述相对倾斜,所述第一电极(93)包括所述第一构件(191)的一部分并且所述第二和第三电极(86,87)包括所述第二构件(192)的一部分。
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