CN104718513A - 触摸界面设备和设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于许多应用的触摸界面设备以及也公开了以紧凑形式储存该设备的原理。该设备包括柔性触敏薄膜，该柔性触敏薄膜在储存时可包封在壳体中并且在使用时可完全或部分从壳体中移出。该薄膜可通过使用高长径比分子结构制造。分离的或组合的触摸驱动、感测和通信模块可附接到触敏薄膜以便将原始触摸信号传输到分离的或组合的触摸处理和通信模块，并且然后如进一步处理，传输到期望的CPU或计算机。壳体也可容纳用于显示信息的内部投影仪。此外，触觉反馈也可经由触敏薄膜产生。

Description

触摸界面设备和设计

发明领域

本发明涉及用户界面设备，更具体地涉及具有触敏薄膜的用户界面设备、以及此类界面设备的使用和设计。

发明背景

用于不同种类的电气用具的用户界面现在越来越常用基于代替常规机械按钮的触敏薄膜的不同类型的触摸感测设备制成。所熟知的示例包括移动电话、便携式计算机和类似设备中的不同种类的触摸板和触摸屏。除了可实现的高级的且甚至是奢华的用户体验之外，基于触敏薄膜的用户界面设备也为设计师不断试图寻找功能更通用、更小、更便宜、更轻以及视觉上更吸引人的设备提供较好的自由。

便携性和适应性是此类界面中的关键要素，并且工程师和设计师已在寻求经由例如触摸板、触摸屏、指示器“鼠标”和键盘实现便携性和适应性的装置。一般而言，刚性设备的便携性和适应性有限，并且在键盘的情况下，它们是不可更改的或它们可最小化的更改(例如，经由软件可以改变每个固定键的定义)。

在触摸感测设备中，通常使用包括经配置充当一个或多个感测电极的一个或多个导电层的触敏薄膜。这种薄膜的一般操作原理是：用户通过例如指尖或某个特定的指示设备的触摸是通过使用与触敏薄膜连接的某些测量电路检测的。实际的测量原理可以是例如电阻的、电感的或电容的，后者现今通常被认为是提供最苛求的应用中的最佳性能的最先进的替代方式。使用电磁辐射源和检测器的其他光学方法诸如受抑全内反射(FTIR)在本领域中也是已知的。

电容式触摸感测基于以下原理：从电的角度看，触敏薄膜装置上的触摸是指将外部电容耦合到与触敏薄膜连接的测量电路。在足够高的灵敏度的触敏薄膜的情况下，甚至无需触敏薄膜上的直接接触，而是仅通过将合适的对象放到触敏薄膜的附近就可实现电容耦合。在测量电路的信号变化中检测该电容耦合。在所谓的投射式电容方法中，测量电路包括分别用于提供信号和感测电容耦合的驱动电极和感测电极。该电路也被布置用于按顺序迅速地扫描感测电极，使得每个供应电极/测量电极之间的耦合被测量。

对于投射式电容方法中的已知触敏薄膜共同的是：适当确定触摸位置的需要使导电层中大量独立感测电极成为必需。换句话讲，导电层可被图案化成独立感测电极的网络。所期望的分辨率越准确，所需的感测电极越复杂。一个特别具有挑战性的问题是多个同时触摸的检测，其在另一方面往往是现有技术的触摸感测设备所最期望的属性之一。复杂的感测电极配置和大量的单个感测电极元件使触摸感测设备的制造工艺以及测量电子器件复杂化。

在触摸屏中，除了触摸感测能力之外，触敏薄膜必须是光学透明的，以允许在电子设备的显示器中或顶部使用薄膜，即，以允许通过触敏薄膜看见该设备的显示器。此外，从触敏薄膜可见性的角度看，透明性也是非常重要的。触敏薄膜对例如LCD(液晶显示器)、OLED(有机发光二极管)显示器或e纸(电子纸)显示器的用户的可见性严重影响用户体验。到目前为止，透明导电氧化物如ITO(铟锡氧化物)已形成触敏薄膜中的最常见的一组导电层材料。然而，从可见性、鲁棒性、柔韧性和成本的角度看，它们远非理想的解决方案。目前其他透明导电介质涌现出来，诸如碳纳米管(CNT)、金属或金属复合材料的纳米线、导电聚合物、石墨烯和碳纳米芽。

触敏薄膜中一个有希望的新方法存在于由网络化的纳米结构组成的或包括该网络化的纳米结构的层中。除了合适的导电性能之外，可使由例如具有共价键合到管状碳分子侧的富勒烯或富勒烯状分子的碳纳米管或碳纳米芽的网络组成的层不如透明导电氧化物(如ITO、ATO或FTO)对人眼的可见性。此外，众所周知的，基于纳米结构的层与例如透明导电氧化物相比可拥有优于其的柔韧性、机械强度和稳定性。

已经公开了基于替代原理的柔性键盘。在EP 0619894(“Kikinis”)中公开了用于计算机的柔性键盘。键盘材料连同键是柔性的。键盘可卷绕到用于储存的圆筒中并且可展开以供实际使用。存在两层，其中第一层包括键，并且第二层通过结构中的导电变化感测键的按压。这两层通过接合装置接合，从而允许这两层之间的相对运动。

在US 7,196,692(“Mochizuki等人”)中公开了可折叠键盘和柔性显示器。例如，如图5中可见，键盘可围绕链式连接旋转，并且键盘因此具有两个刚性区段。柔性显示器实施为在柔性塑料基膜上形成的彩色有机电致发光显示器薄板。柔性显示器可以卷绕状态封装。

迄今为止，还不存在能够具有全使用尺寸和足够小的储存尺寸以便可放在口袋的可用用户界面设备。

总之，这些解决方案中没有一个提供了可以以小尺寸储存和运输并且然后扩展成显著较大的尺寸以供使用的紧凑式用户界面设备。

发明目的

本发明的目的在于提供用于充当例如智能电话或平板计算机的用户界面的基于触摸技术的附件，其中该附件可储存在小壳体中并且易于以紧凑式储存的模式携带，同时在处于使用模式时提供尤其可在任何给定表面上使用的高效和柔性的输入工具。

发明内容

本发明的第一方面集中于用户界面设备(2)，其包括：柔性的、可成形的和/或可弯曲的触敏薄膜(1)；触敏薄膜(1)可储存在其中的壳(3)，壳(3)具有必要的电子器件，包括用于感测触敏薄膜上的触摸的装置、电源、以及经由例如物理(欧姆)耦合、电容耦合、电感耦合或无线耦合将来自触摸界面设备的信息传输至CPU(中央处理单元)或计算机(12)(诸如大型机、台式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板、或智能电话)的装置，并且由此传输关于触摸的属性的信息(诸如位置、速度、方向、旋转、面积或压力)。

文献US2005146498公开了电子输入设备，其包括用于接收用户输入的柔性输入装置、限定用于容纳所述输入装置的空间的外壳。输入设备具有第一状态和第二状态，并且输入装置采用处于第一状态的紧凑的空间配置和处于第二状态的延伸的空间配置。

文献US2011227822公开了一种设备，该设备包括显示画面的柔性单元、用于感测所述柔性单元扭曲的感测装置和可操作单元。通过感测装置感测柔性单元的扭曲可校准输入，所述扭曲通过操作可操作单元引起。

文献US2011063195公开了由透明基板层、软电路层和显示器层组成的软显示面板，具有连接至软电路层的信号传输设备的控制器，或使软电路层产生对应人物或图画的信号的输入控制设备、以及具有连接至信号传输设备的计算机应用仲裁(intercede)的计算机设备。

文献US2002134828公开了适合将数据输入到电子处理装置的数据输入设备。数据输入设备经配置产生响应于机械作用的输出并且可配置成两种可操作配置，第一种是柔性配置，而第二种是刚性配置。

本发明的触敏薄膜(1)能够感测一个或多个触摸的位置、速度、方向、旋转、面积、压力等中的一个或多个或所述一个触摸或多个触摸的平均值或其他属性。例如，这包括诸如轻击、捏压或旋转的手势。

单词“触摸”及其衍生词用在本发明的上下文中，其在广义上不仅涵盖指尖、触笔或一些其他指示器或对象与触敏薄膜之间的直接机械接触或实际接触，还涵盖此类对象在触敏薄膜的附近使得该对象在触敏薄膜和周围环境之间或触敏薄膜的不同点之间产生足够的电容耦合、电感耦合或其他耦合的情况。在该意义上，本发明的触敏薄膜也可用作接近传感器或空间手势传感器。

关于“导电材料”在这里是指能够允许材料中的电荷流动的任何材料，而不管材料的导电机制或导电类型。因此，导电材料在这里也涵盖例如半导电材料或半导体材料。在触敏薄膜中可以存在一层或多层导电材料。

除了导电材料之外，触摸感测设备也包括实施整个工作触敏元件所需要的其他层的材料和结构。例如，可以存在用于薄膜的机械保护的一层或多层。此外，还可以存在用于折射率或颜色匹配的一层或多层，和/或例如用于防刮痕、装饰性、防水、自我清洁或其他目的的一层或多层。除了分层的元件，触敏薄膜也可包括三维组织结构，例如延伸穿过触敏薄膜或其一部分的接触结构。触敏薄膜可以是透明的、半透明的或不透明的。触敏薄膜可以是刚性的、半刚性的、柔性的、可成形的、可弯曲的或可折叠的。触敏薄膜可包括聚合物(例如，PET、PEN、PVC或丙烯酸)、玻璃、纸材、橡胶、织物或皮革。

关于“外部对象”是指任何电容器或电感器或电容性指示器或电感性指示器，例如人的手指或金属触笔、具有电容元件或用于电感耦合的金属线圈的指示器等。

根据该实施例的电路在一个或多个位置处电阻地、通过无线电波电感地或电容地耦合到触敏薄膜。电路可以包括不同类型的接触电极、布线和其他形式的导体、开关、以及将触敏薄膜及其一个或多个导电层连接至用户界面设备的其余部分所需要的其他元件。电阻连接意味着实际接触，而无线电波、电感或电容耦合涉及无线接触。电阻耦合的示例包括但不限于焊接、刷涂、夹紧或其他传统技术。

电路经配置将一个或多个激励信号提供给触敏薄膜并且接收来自触敏薄膜的一个或多个响应信号。电路连接至处理单元。在本发明的示例性实施例中，信号发送到触敏薄膜并且通过处理单元经由电路接收来自该触敏薄膜的信号。本领域的技术人员清楚的是，在实践中，电路连同处理单元可部分地或完全整合到单个芯片并且因此它们可不被严格地分开。

激励信号在此是指任何电信号，例如脉冲的、上升和下降时间限制的或振荡电压或电流，经由电路供应给触敏薄膜的信号滤波器，并且提供适合于监测触摸引起的滤波器属性的变化的条件。激励信号也可称为例如驱动信号或刺激信号。典型的示例是AC电流和/或电压。相应地，响应信号是通过使用电路装置从信号滤波器接收的任何测量的电信号，并且允许在触摸所引起的滤波器属性的变化的基础上的触摸检测，并且通过该信号是可检测的。响应信号也可称为例如感测信号。

在该实施例中，处理单元电阻地(欧姆地)、通过无线电波电感地或电容地耦合到电路。例如，处理单元经配置通过处理一个或多个响应信号检测经外部对象的触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、所述触摸的压力或面积、所述触摸的接近度、所述触摸的速率、所述触摸的方向、所述触摸的平均值、两个或多于两个所述触摸之间的相对距离、两个或多于两个所述触摸的相对旋转、所述触摸的持续时间或其组合。

处理单元可包括处理器、信号或脉冲发生器、信号比较单元、解释单元和其他硬件或电子器件以及处理响应信号所必需的软件工具。

在本发明的实施例中，触摸感测设备能够利用一个或多个触敏薄膜以单层或多层配置操作，每个薄膜具有一个或多个导电层。

根据本发明的实施例，用户界面设备包括触摸感测薄膜/触敏薄膜(1)、触摸感测电子器件、壳体(3)、电源、将信息传输到用户界面设备和/或从用户界面设备接收信息的装置、以及用于卷绕和/或展开触敏薄膜以便在该设备的储存状态和使用状态之间过渡的装置。一般而言，根据本发明的一个实施例，储存状态可通过替代装置创建或以诸如放置在壳体内的折叠的或折皱的薄膜的薄膜的替代外形格局(form factor)创建。

在这里传输和/或接收信息的装置是指例如实际的(例如，欧姆接触)或无线的(例如，经由电磁辐射诸如无线电波、微波、红外线辐射、可见光、紫外线辐射、X射线和伽马射线、电感耦合或电容耦合或声波)。传输和/或接收信息的可行性高的装置是通过使用标准的无线装置(诸如蓝牙或无线USB)。

在一个实施例中，触敏薄膜形成为柔性结构以便允许其弯曲。“柔性”结构在这里是指在至少一个方向上甚至允许重复弯曲的结构。此外，触敏薄膜可以同时在至少两个不同方向上是柔性的(例如，可拉伸的)。

代替柔韧性或除了柔韧性之外，触敏薄膜也可形成为可变形的结构以便允许其变形，例如，通过使用沿三维表面的热成形或在其上方的热成形(例如，可成形的)。

触敏薄膜的柔韧性和/或可变形性与本发明的独特测量特征结合开启了实施触摸感测设备的完全新颖的可能性。例如，充当移动设备的用户界面的触敏薄膜可经弯曲或成形以延伸到设备边缘，使得触敏薄膜甚至可覆盖该设备的整个表面。在覆盖三维设备的不同表面的触敏薄膜中，可存在用于不同目的的触摸感测薄膜。一个感测区域可以覆盖显示器区以形成触摸屏。例如，在该设备的侧面的其他感测区域可经配置充当代替常规机械按钮(例如电源按钮或音量或亮度滑块或拨号盘)的触敏元件。

如下面更加详细描述的，柔性的和/或可变形的触敏薄膜的明智选择是包括一个或多个HARMS(高长径比分子结构)网络的导电层。HARM结构及其网络本身是柔性的，从而使触敏薄膜能够被制成柔性的、可弯曲的和/或可变形的。

在一个有用的应用和实施例中，触敏薄膜制作成光学透明的。因此，这允许使用例如作为触摸屏的一部分或作为支撑表面上独特的用户界面的触敏薄膜，从而允许通过传感器看见支撑表面或允许通过薄膜看见特定图案，以在用户操作时指导他/她。触敏薄膜的光学透明性在这里是指来自基本上垂直于薄膜平面的方向的入射辐射的至少10％，优选至少50％，在讨论中的应用中相关的频率或波长范围处，是穿透薄膜的。在大多数触摸感测应用中，该频率或波长范围是可见光的频率或波长范围。

对于光学透明性，关键是触敏薄膜的导电材料。同时存在的导电率和光学透明性的要求限制了可能材料的数量。在该意义上，因为HARMS网络可提供优于例如透明导电氧化物的透明性，所以HARMS网络形成光学透明触敏薄膜的好的基础。

在一个实施例中，触敏薄膜包括HARMS网络、导电聚合物、石墨烯、陶瓷、金属格栅(诸如银或金或金属氧化物)。关于HARMS或HARM结构，其在这里是指具有纳米级的特性尺寸的导电结构，即小于或等于约100纳米的尺寸。这些结构的示例包括碳纳米管(CNT)、碳纳米芽(CNB)，金属纳米线和碳纳米带。在HARMS网络中，大量的这些种类的单个结构(例如CNT)是彼此互连的。换句话说，HARM结构在纳米级不形成真正的连续材料，诸如导电聚合物或透明导电氧化物等，而是电互连分子的网络。然而，如以宏观规模考虑，HARMS网络形成固体、单片材料。作为有用的特征，HARMS网络可以以薄层的形式产生。

使用敏感薄膜中的HARMS网络可实现的优点包括优良的机械耐用性和在需要光学透明触敏薄膜的应用中有用的高的光学透射率，也包括非常多样地可调节的电气属性。为了最大化这些优点，导电材料可基本上包括一个或多个HARMS网络。

HARMS网络的电阻率性能取决于层的密度(厚度)，以及在某种程度上也取决于HARMS结构的细节(诸如结构的长度、厚度或晶向、纳米结构束的直径等)。这些属性可通过适当选择HARMS制造工艺及其参数来操纵。例如，在WO 2005/085130 A2和WO 2007/101906 A1中描述了生产包括具有根据本发明的范围内的薄层电阻的碳纳米结构网络的导电层的合适工艺。

在根据本发明的触摸感测设备的一个实施例中，触摸感测设备也充当触觉界面薄膜。换句话说，该设备还包括用于优选地经由敏感薄膜产生响应于触摸的触觉反馈的装置。经由敏感薄膜装置提供触觉反馈是指代替基于附接到触敏薄膜的独立致动器用于产生触敏薄膜的振动的常规方法，触敏薄膜用作用于产生触觉反馈的装置的一部分。关于这一点有各种可能性。触觉效果可通过使用敏感薄膜产生合适的电磁场实现。触摸触敏薄膜的用户皮肤将这些区域感测为不同的感觉。这种方法可称为电容式触觉反馈系统。另一方面，敏感薄膜可替代地用作例如基于电活性聚合物(人造肌肉)的触觉界面的一部分，其中敏感薄膜形成一层界面。可替代地，触摸表面可以是有纹理的、带凹痕的、压印的或以其他方式进行修改的，以便具有经由触摸的感觉指导用户的触觉可识别表面特征。

执行两种功能(即触摸检测和触觉反馈)的一种可能性是：敏感薄膜可替代地耦合到触摸感测电路以及耦合到用于产生触觉反馈的信号的装置，使得一旦在第一时间段期间检测到触摸，然后就可在第一时间段之后的第二时间段提供触觉反馈。第一时间段和第二时间段可被调节为短得使用户体验设备连续操作。

在根据本发明的触摸感测设备的一个实施例中，触摸感测设备也充当变形检测薄膜。这意味着该设备结合用于例如感测弯曲、扭曲和/或拉伸感测薄膜的装置。根据本发明，这可通过在触摸感测的同时测量节点之间的电阻变化或信号滤波器属性的变化来完成。因为该系统的信号滤波属性是薄膜的电阻率的函数，并且至少针对某些材料，包括但不限于HARMS和导电聚合物、并且特别是纳米管和纳米芽、以及更具体地是碳纳米管和碳纳米芽，例如，在薄膜拉伸、压缩或以其他方式变形时，信号滤波器属性可变化。通过解释电阻率或信号滤波器属性的这种变化，本发明可检测例如连接至感测薄膜的节点之间的伸长或压缩。因此，例如，薄膜的相对侧上的两组节点之间的伸长的感测指示传感器是处于储存状态(例如，卷绕的或折叠的)还是处于使用状态(例如，展开的或铺开的)。根据本发明，替代配置也是可能的。

对于某些可变形的外部对象，电容或电感随施加到触敏薄膜的力而变化，并且因此所确定的电容或电感可用作力的代理。该力是指例如在执行触摸时用户施加到薄膜的力。例如，人的手指在施加导致接近传感器薄膜的增加的面积时变形。这将使电容相应地变化。可替代地，如果使用电感外部对象，并且用户使例如外部对象的线圈变形或改变线圈到表面的距离(例如，经由弹簧)，则电感改变并且也可测量力。

本发明的用户界面设备可被实施为标准或定制的独立模块或被实施为整合为某个较大设备的一部分的非可分离单元，所述较大设备例如，移动电话、便携式或平板计算机、电子阅读器、电子导航仪、游戏机、冰箱、搅拌机、洗碗机、洗衣机、咖啡机、炉灶、烤箱或其他大型家用电器表面、汽车仪表盘或方向盘等。

设置可需要补充的电子器件，该电子器件处理数据的创建、发送和接收及AC电流，AC电流在位于主设备或触摸感测模块两者上的电极之间创建静电感应或电动感应。这两种设备可通过以下方法中的一个或多个方法无线地耦合在一起。

-电磁感应(电感耦合、电动感应)，其中来自相对线圈之间的磁场的电流引起数据和功率传输。

-磁共振，其是通过磁场的近场电磁感应耦合。

-无线电波(例如，RFID技术；射频识别)，其中从由天线接收的无线电波产生功率，并且数据传输实质上改变辐射场负荷。

-电容耦合(或静电感应)，其中从电极的相对平面传送能量和数据。

如今的触摸传感器或通过直接焊接的线材或经由连接器完全或部分整合到应用设备。这在传感器通常定位在不需要被打开的区域中的固定设施中是足够的。例如，在便携式设备中，它们通常存在于触摸显示器应用中，其中显示器实际上在触摸感测薄膜的下方并且屏幕本身永久地附接至该设备。如果触摸感测设备位于设备的可移除部分上，则该触摸感测设备将需要连接器，使得其一旦附接到设备就能通过该连接器连接到设备。虽然该方法是可用的，但是其在某些应用中可能是不合适的。此外，即使触摸部件旨在永久地附连到设备，也存在与经由焊料或连接器连接部件相关的制造成本和设计限制。

本发明解决了将二维和三维触摸传感器设备提供给应用的问题，所述应用的封装件必须被移除，例如以维持和改变内部的耐用部分、或其中该设备的独立部分(例如触敏薄膜、电源、感测和驱动电子器件、和/或CPU)，所述独立部分经由例如旋转连接(诸如旋转轴和轴承)分开。本发明也是将数据输入方法提供给设备的鲁棒方法，所述设备需要针对例如潮湿、爆炸性或其他危害性环境的未损坏的包装，或其中比如互连线材的直接连接不可能采取其他方式、昂贵或非常不方便。

附加的益处是：该方法不需要用于电力和数据传输的实际连接器，该实际连接器易受污垢、磨损和撕裂或破损的影响。在没有连接器的情况下，存在较少易受污染、化学或物理降解或机械损坏影响的零件，从而增加了该设备的可靠性。

本发明不需要直接的实际接触，如果没有牢固地固定，该直接的实际接触可具有意外断开，从而导致数据或电力丢失。其可用作固定设施的远程控制设备，该远程控制设备可从该设施获取电力并且作为自组触摸传感器或作为通用的数据输入和输出设备工作。

进一步的益处是：通过保持模块的某些功能性并且将其与其他功能分开，它们可成为可单独生产并且仅在最终组装时组合在一起的不同耐用零件。附加的成本益处是：电极仅仅是印刷电路板上的金属区或印刷线材。

根据本发明的一个实施例，触摸传感器模块和主设备可彼此实际地附接，但是电力或数据或这两者在触摸传感器模块和主设备之间无线地传输。在实践中，传感器、激励和感测电子器件连同数据处理单元经布置使得整个单元是独立的外设插入单元。

本发明的主要优点是：虽然一些已知键盘要求在全尺寸使用状态和紧凑式储存状态之间是可更改的，但是将足够小的储存状态(例如，处于卷绕、折皱或折叠形式)实现为基本上袖珍型的是不可能的。本发明介绍了真实移动和可放在口袋的基于触摸的附件。允许用户实际将软的或硬的、平坦的或弯曲的几乎任何表面变成用于计算机或移动设备(诸如平板计算机或尤其是智能电话)的全功能用户界面是基于柔性触摸传感器。这种操作还将智能电话变成便携式或可用的袖珍计算机。使用本发明和智能电话的情况下，任何表面都可有效地变成触摸表面，并且任何“哑”对象可变成“智能”对象。

下面，参考附图在示例的基础上描述本发明。

附图说明

图1示出根据本发明的可用触敏薄膜的示例。

图2a、2b、2c、2d和2e以全用户模式或部分用户模式、储存/运输模式、针对计算机键盘应用、以及以分解图示出本发明的实施例的示例。

图3示出在不透明基板和透明基板上的具有印刷图案的触摸感测薄膜。

图4示出本发明的各种实施例的示意图。

图5示出根据本发明的各种印刷图案。

图6a和6b示出根据本发明的具有印刷图案和不具有印刷图案的触摸感测薄膜的细节。

图7示出本发明的各种实施例。

图8示出本发明的各种实施例。

图9示出根据图4a的示例的实现且具有添加的触摸表面的本发明的各种实施例。

图10示出在各种支撑表面上的本发明的使用。

图11示出触摸感测薄膜的电阻触摸实施例。

图12示出根据本发明的减少储存电阻触摸感测薄膜的装置。

具体实施方式

基于以下所述的示例，下面给出了本发明的主要原理的解释。

图1示出根据本发明的可使用的触摸感测薄膜的各种示例，该触摸感测薄膜包括柔性的、透明的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)基板，柔性碳纳米芽透明电极，连接到驱动和感测电路的银迹线，以及所需的硬的、抗反射涂层和其他涂层。根据本发明，其他基板、电极材料、电路和涂层是可能的。根据本发明，包括电容感测、电感感测、电阻感测、光学感测和声音感测的其他触摸感测技术是可能的。根据本发明，基板、电极和涂层可以是透明的、半透明或不透明的。本发明不限于包括触摸感测薄膜的材料。

触摸感测薄膜可以被涂覆或封装，以便抗污垢和防水，并且用肥皂、清洁剂和溶剂容易清洗。此外，由于可卷绕的电子器件的超薄、印刷和柔性性质，触摸感测薄膜可以制作得极其坚固以抵抗例如冲击和压缩。

用户界面设备包括至少一个触摸感测薄膜、感测至触摸感测薄膜的输入的装置、以及以减小的外形格局诸如卷绕或折叠状态储存触摸感测薄膜的装置。

图2a示出处于其全外形格局或全使用模式或状态中的本发明的实施例。在该实施例中，壳或壳体(3)通过帮助储存触摸感测薄膜(1)，并且使用具有分配通道(21)的壳体，既通过将触摸感测薄膜引导到壳体中又通过使用保持凸块(5)限制触摸感测薄膜(1)的卷绕来促进触摸感测薄膜(1)的卷绕，用于帮助减小触摸感测薄膜(1)的外形格局。一个或多个保持凸块(5)可附接至触摸感测薄膜(1)的边缘，以供用户抓取和展开触摸感测薄膜(1)以及在将该设备转换到运输和储存模式/状态时防止触摸感测薄膜(1)完全卷绕到壳体(3)中。根据本发明，卷绕或以其他方式减小触摸感测薄膜(1)的外形格局并因此卷绕或以其他方式减小用户输入设备(2)的外形格局、和/或引导触摸感测薄膜(1)、和/或限制储存的触摸感测薄膜(1)的运动、状态或外形格局的其他装置是可能的。壳体(3)可具有也可以是不可见的基于触摸传感器的区段(8)，以将该区段用作另外的触摸板和/或控制按钮或滑块，例如用于滚动外部设备的屏幕上的信息(稍后还参见该区段)。

图2b示出处于其储存、运输或保护模式或状态的本发明的实施例，其中触摸感测薄膜(1)处于其由保持凸块(5)限制的完全卷绕状态，并且该触摸感测薄膜(1)也准备好被展开以供使用。

壳体(3)可包封诸如电池或递送外部电力的装置(诸如电源线)(未示出)的电源、驱动和感测以及解释/处理信号以便检测触摸的电子器件、以及将来自用户界面设备(2)的信息传输到计算机/CPU的装置。需注意，在这里可互换使用的术语计算机和CPU是指将界面设备(2)的输出解释成根据例如计算机程序的命令和/或输出所需要的计算、图形和其他部件。CPU/计算机的示例是CPU电路，大型机，台式计算机，膝上型计算机，笔记本计算机，平板计算机，智能电话，智能手表或任何其他类似设备。

在触摸界面设备(2)的实施例中，驱动和感测触摸感测薄膜(1)和触摸表面(8)上的触摸的适当的电子器件、发送和接收信息(诸如触摸位置、力、面积、速度、方向、旋转等)的通信电子器件、电源和/电力来源并入壳体(3)中或并入其上。在该实施例中，全部或部分所述电子器件包封在电子盒(4)中。在该实施例中，壳体(3)在很大程度上是圆柱形以沿轴包封卷绕的触摸感测薄膜(1)并且该壳体(3)沿一侧具有基本上菱形(rhomboid)的包封件(4)，该包封件(4)用以保持所需的电子器件和通信部件，在卷绕和展开期间充当抓住该设备的柄部，以及充当稳定器以在使用期间防止用户输入设备旋转或在不使用期间防止界面设备(2)不受控制地卷绕。

在图2a-2e的本发明的实施例中，触摸感测薄膜附接到用于在轴(19)(图7所示)上卷绕薄膜的机构，该机构的示例为一对卷绕盘(7)，该对卷绕盘(7)附接到通过卷绕或滑动轴承(未示出)固定的卷绕轴(19)的末端。轴(19)可通过手或通过在表面上卷绕相对于壳(3)旋转，使得轴(19)使附接到轴(19)的触摸感测薄膜(1)旋转并缩回到由于被用户抓住而不旋转的壳(3)中。根据本发明，其他机构诸如在遮光窗帘中常见的弹簧可用于卷起触摸感测薄膜(1)。

触摸感测薄膜可铺开成各种状态，例如，在图2d的计算机键盘(14)的示例中，铺开成具有数字键和功能键的全键盘状态(C-C)，或铺开成各种较不完整的状态，例如(B-B)或(A-A)，使得只有基本键诸如字母键、空格键和命令键或完整输入的其他子集可被触及。在此类情况下，键盘的不可触及部分被卷绕到壳(3)中。

优选地，该设备经由标准协议诸如蓝牙或无线USB无线地连接至计算机，但是包括经由电缆的直接欧姆接触或通过无线电、声学、电磁(例如光学的)的其他装置、或通过任何其他装置是可能的。

在一个实施例中，用户输入设备的壳(3)的全部或部分也可结合可充当触摸板、滚动条或指示器的触摸表面(8)，从而允许易于信息搜索和/或图形编辑的用户功能诸如点、轻击和滚动。根据本发明，可在触摸感测薄膜中使用的触摸感测技术也可应用于触摸表面(8)。

在图2e中示出该设备的不同部分的分解图。触摸感测薄膜(1)可从壳体(3)展开并且附接到壳体(3)，存在电子盒(4)。在触摸感测薄膜(1)的末端存在至少一个保持凸块(5)。此外，触摸感测薄膜可包括印刷图案(6)，例如描绘字母按钮的图案。此外，在该设备的轴(19)的末端存在卷绕盘(7)。如前面所公开的，壳体的外表面可包括一个或多个基于触摸感测技术的区段(8)，其可充当例如用户的指示器和/或滚动工具。供薄膜进入和离开壳体的分配通道示为(21)。此外，在轴(19)的末端中的卷绕盘可设置有电源和/或数据插头(32)，用于将电源供应提供给用户输入设备以及提供来自用户输入设备的输入数据传送或将输出数据传送提供给用户输入设备。另外，可移除电池(33)可插入轴(19)结构内侧，以便将电力提供给用户输入设备并且同时使该设备保持无线。

图3是在不透明或半透明基板上(图3a)和在半透明或透明基板上(图3b)的具有印刷图案(6)的触摸感测薄膜(1)。在不透明或半透明基板的情况下，背景颜色可以是基板颜色或另一种印刷颜色(如图9d、9e和9f中)，并且印刷图案(6)可以是与背景颜色相比具有可见的足够对比度的颜色。在半透明或透明基板的情况下(图3b和图9b和9c)，背景颜色变为近似支撑表面(22)的颜色。为了确保印刷图案在任意基板上是可见的，局部背景或轮廓图案(6b)可以印刷在主印刷图案(6a)下面或围绕其印刷，使得确保任何支撑表面(22)上的或甚至在没有支撑表面情况下的可见性的足够对比度。例如，主印刷图案(6a)可以印刷成黑色，而局部背景或轮廓图案(6b)可以印刷成白色。

图4a示出作为示意图的本发明的实施例。附接到在该例中具有用于计算机键盘(14)和触摸板应用(15)(或简短地说触摸板应用)的印刷图案(6)的触摸感测薄膜(1)的是触摸驱动、感测、处理和通信模块(28)，该触摸驱动、感测、处理和通信模块(28)确定触摸属性并且在常驻程序操作期间将信息发送到待使用的CPU/计算机(12)。例如，欧姆地或无线地将信息传递(13)到CPU/计算机(12)或可能地传递(13)来自CPU/计算机(12)的信息，其中该信息或其结果可显示在显示器(11)上。例如，该结果可以是在按下功能键后出现的执行命令或弹出窗口的结果。

图4b、4c和4d以示意性形式示出本发明的其他实施例。附接到在该例中具有用于计算机键盘(14)和触摸板应用(15)的印刷图案(6)的触摸感测薄膜(1)的是触摸驱动、感测和通信模块(9)，该触摸驱动、感测和通信模块(9)产生原始触摸信号，该原始触摸信号然后发送到触摸处理和通信模板(10)，以被解释为具有某些属性的触摸，并且然后其被发送到CPU/计算机(12)，以在常驻程序操作期间使用。例如，在触摸驱动、感测和通信模块(9)、触摸处理和通信模块(10)与CPU/计算机(12)之间欧姆地或无线地传递信息(13)，其中该信息或其结果可显示在集成显示器(11)(图4b)上、远程显示器(11)(图4c)上、或者经由投影仪(23)的显示器(11)(图4d)显示。

图4e示意性示出本发明的另一个实施例。附接到在该例中具有用于计算机键盘(14)和触摸板应用(15)的印刷图案(6)的触摸感测薄膜(1)的是触摸驱动、感测和通信模块(9)，该触摸驱动、感测和通信模块(9)产生原始触摸信号，该原始触摸信号然后被发送到CPU与触摸处理和通信模板(25)，以被解释为触摸或在常驻程序操作期间使用。例如，在触摸驱动、感测和通信模块(9)、CPU和触摸处理和通信模块(10)、以及显示器(11)之间欧姆地或无线地传递信息(13)。

根据本发明，上述硬件、软件、功能、通信和处理的其他组合和分布是可能的。

其他应用，例如，图5a、5b、5c和5d中所示的具有触摸板和滑块(15)的计算机键盘(14)、全绘图区/触摸屏/触摸表面(20)、具有拨号盘和滑块的钢琴键盘(19)、以及鼓板(34)可根据本发明实施。为避免疑义，本发明不限于上述应用。

在一个实施例中，具有给定应用所需要或所期望的适当的硬涂层、防指纹涂层和印刷图案的触摸感测薄膜是柔性和透明的。根据本发明，感测薄膜也可以是半透明或不透明的。例如，如根据本发明图2a、2d、3a、3b、4、5和9所示，指示待传输到计算机的功能和信息的图案可以印刷在传感器基板(17)上方、中间或下方和/或印刷在触摸感测薄膜(1)叠层内。待被印刷的功能和信息的示例包括但不限于计算机键盘，例如图2d、图3、图4、图5a、图6和图9所示的所谓的QWERTY键盘(14)，图5c和图9所示的钢琴键盘(19)，图5d所示的鼓(34)和/或图3a、4和5b所示的指示器或绘图区(20)。根据本发明，其他图案、功能和信息类型也是可能的。例如，如图2b、4和5a所示，触摸感测薄膜既可充当计算机键盘又可充当触摸板。此外，根据本发明，触摸感测薄膜可不具有直接印刷在触摸感测薄膜上方、中间或内部的图案。相反，印刷图案(6)可以在独立基板上，该基板可例如放置在触摸感测薄膜(未示出)上方或下方，或为了最佳对准可放置在其一侧或两侧上具有触摸感测薄膜(1)(图6b)的触摸感测袋状物中，或以本领域中已知的保持或对准方法放置。在图案在触摸感测薄膜(1)的下方的情况下，触摸感测薄膜(1)应该是透明或半透明的。

图7a示出本发明的模块化的实施例，其中为了示出卷绕轴(19)，例示了没有电子盒(4)、卷绕盘(7)和轴承的实现。在该实施例中，分配通道(21)完全延伸到壳体(3)的一端以允许壳体(3)被移除(图7b)。此外，轴(19)可进一步分离成如图7c所示的多个部分。参考图7d，对准凸块(30)附接到触摸感测薄膜(1)并且其可用于将触摸感测薄膜(1)固定到轴以及在移除或重新插入可移除的轴模块(31)时用于引导该可移除的轴模块(31)。在该实施例中(图7d)，触摸处理和通信模块(10)可从保持附接到触摸感测薄膜(1)的触摸驱动、感测和通信模块(9)分开。触摸处理和通信模块(10)然后可经由例如USB插头直接附接到计算机/CPU，该USB插头也可提供直接的电力或给触摸处理和通信模块(10)中的电池充电，并且在储存或运输时，该USB插头可用于给触摸驱动、感测和通信模块(9)中的电池充电。壳体(3)也可容纳例如投影仪(23)，以经由触摸处理和通信模块(10)显示由CPU处理的信息。触摸表面(8)也可被包括在壳体(3)上。

图7e示出对图7d的实施例的修改，其中可拆卸的轴模块(31)也包括CPU/计算机，因此成为CPU与触摸处理和通信模块(25)。该模块然后可经由电源/充电连接器(24)提供电力或充电。

图7f示出对图7d和图7e的实施例的进一步修改，其中可拆卸的轴模块(31)和壳体(3)组合为也可包括例如使用投影仪(23)的显示器的CPU与触摸处理和通信模块(25)。该模块(25)然后可经由电源/充电连接器(24)提供电力或充电。

换句话说，在图7a中，该设备处于其储存/运输模式，其中触摸感测薄膜(1)缩回或卷绕到壳体(3)中。在该实施例中，外部壳体(3)可被移除(图7b和7c)。在覆盖件被移除之前或之后可展开或延伸薄膜，然而，优选的是在触摸感测薄膜展开之后移除覆盖件(图7b)。根据该实施例，外部壳体可包含例如将图像投影在期望表面上的投影仪(23)，且/或其可包含与触摸感测电子器件通信的计算机(CPU)。下面结合图8a-8g描述每个实施例的细节。

图8a示出本发明的一个实施例，其中用户界面设备用作附加触摸表面以将膝上型计算机或笔记本计算机显示器(11)转换成触摸屏。在该特定的实施例中，触摸处理和通信模块(10)经由USB连接直接连接至CPU(12)。

图8b示出类似的实施例，其中触摸处理已移动到膝上型计算机，因此使其成为CPU和触摸处理模块(26)，并且然后只有通信模块(27)经由USB连接连接至CPU(12)。

图8c示出本发明的一个实施例，其中可拆卸的轴模块(31)可进一步分成CPU与触摸处理和通信模块(25)以及使用投影仪(23)的显示器模块(11)。该模块也可与壳(3)组合。

图8d示出对图8b和8c的实施例的修改，其中平板计算机或智能电话用作CPU和触摸处理模块(26)。

图8e示出对图8d的实施例的修改，其中显示器(11)诸如投影仪(23)不是初始用户界面设备(2)的一部分但是其是标准的现成设备诸如桌面视频投影仪或电视显示器。

图8f示出独立系统，其中信息可从触摸驱动、感测和通信模块(29)无线传递(13)，在其之后信息或该信息的结果可经由投影仪(23)显示器(11)显示。

图8g示出对图8d的设备的修改，其中CPU移动到可以是壳体(3)的一部分或作为可拆卸的轴模块(31)的一部分的投影仪(23)模块。

如在示例中所举例说明的该设备的关键特征是：因为触摸感测薄膜是超薄和柔性的，所以用户输入设备在使用时是全尺寸的，但在该设备处于储存或运输模式时其仅占据其使用尺寸的一小部分。

触摸感测薄膜也可以是有纹理的、压印的、带凹痕的、成形的、或以其他方式改变的，使得某些部分是平滑的、粗糙的、凸起的或凹陷的等，以用于提供触觉反馈和容易的触摸打字的属性(未示出)。此类物理形态在专利申请US 61/541,414(“触敏薄膜”)中已经被公开。该薄膜也可结合诸如专利申请PCT/FI2011/050197中的电子触觉反馈。

在一个实施例中，触摸传感器的柔性性质允许用户输入设备静置并且在包括如图9和图10所示的硬的或软的、平坦的或弯曲的、移动的或静止的范围广泛的支撑表面(22)上可用。支撑表面的示例包括皮肤(图10)、枕头(图10)和家具(未示出)、显示器(图10)和桌面(图9)。触摸感测薄膜(1)和壳(3)及其相关联的电子器件和机构可相对于彼此在任何方向上定向，如图10所示。

在本发明的一个实施例中，触摸感测薄膜小于10毫米厚。在另一个实施例中，触摸感测薄膜的厚度小于5毫米。在另一个实施例中，触摸感测薄膜的厚度小于2毫米。在另一个实施例中，触摸感测薄膜的厚度小于1毫米。在另一个实施例中，触摸感测薄膜的厚度小于0.5毫米。最后一个实施例允许触摸感测薄膜在不同应用中的最佳属性和可变性。

在本发明的一个实施例中，完全延伸的设备的投影面积与完全卷绕或储存的设备的投影面积的比大于2比1。在本发明的另一个实施例，对应比大于4比1。在本发明的另一个实施例，对应比大于6比1。在本发明的另一个实施例，对应比大于8比1。在本发明的另一个实施例，对应比大于10比1。

在一个实施例中，完全延伸的设备的最大尺寸与完全卷绕或储存的设备的最大尺寸的比大于2比1。在另一个实施例中，对应比大于4比1。在另一个实施例中，对应比大于6比1。在另一个实施例中，对应比大于8比1。在另一个实施例中，对应比大于10比1。

在一个实施例中，完全卷绕的触摸感测薄膜的半径小于5cm。在另一个实施例中，对应半径小于2cm。在另一个实施例中，对应半径小于1cm。

在一个实施例中，完全折叠的触摸感测薄膜的折叠半径小于5cm。在另一个实施例中，折叠半径小于2cm。在另一个实施例中，折叠半径小于1cm。在另一个实施例中，折叠半径小于0.5cm。在另一个实施例中，折叠半径小于0.2cm。

适合本发明的某些触摸技术包括电阻、表面电容、投射电容和CanaTouch技术(专利申请号：PCT/FI2010/050684、PCT/FI2011/050197和US 61/541,414)，其可允许待由适当电子器件感测和解释的例如单个或多个位置、相对位置、旋转、速度、方向、持续时间、面积和/或压力。

本发明的替代实施例使用如图6b所示的袋状物形式的触摸感测薄膜。在该实施例中，触摸感测薄膜不需要进行图案化。相反，有图案的插入物诸如印刷的纸板、塑料或其他适当的材料用于限定待被感测并且被传输到计算机的信息。以这种方式，针对不同的应用，可使用相同的触摸感测薄膜，并且只有应用软件和/或有图案的插入物需要针对新的功能或应用改变。此类图案可由用户根据需要印刷。

本发明的替代实施例使用与柔性或可卷绕的显示器技术例如OLED、透射反射式、电润湿或E墨水(电泳墨水)类型的显示器(未示出)结合的触摸感测薄膜。在该实施例中，触摸感测薄膜不需要进行图案化。相反，显示器用于限定待被感测并且被传输到计算机的信息。以这种方式，针对不同的应用，可使用相同的触摸感测薄膜，并且只有应用软件和/或显示的图案需要针对新的功能或应用改变。

根据本发明，触摸传感器的替代形式是可能的，例如，已发现，柔韧性和高透明性触摸感测对如示出未分段的两层电阻式触摸传感器的图11a所述的两层电阻式触摸传感器(35a、35b)是可能的。这里，电介质隔离流体(40)，或是加压或未加压的液体或是加压的气体(诸如空气)用于将电阻式触摸屏(35a、35b)的两个导电层(38a和38b)分离，以便在没有触摸存在的情况下使它们保持分离。经由围绕流体体积(37)的密封件或垫圈(36)维持压力。即，分离流体(40)代替在传统的电阻式触摸技术中使用的所谓的隔离点。经触摸对象(39)的触摸关闭电路，并且适当的软件和硬件检测如传统电阻触摸中的存在或位置。作为液体的隔离流体(40)是特别有利的，因为流体基本上不压缩、压力低，或者甚至是大气压力或环境压力也可用于填充流体体积(37)。此外，液体可被选择为具有相同折射率的透明导体、基板或触摸感测薄膜中其他适当的材料，以便最小化反射损失以及最大化通过触摸感测薄膜的电磁辐射(例如，可见光)传输。

图11b示出替代实施例，其中触摸感测薄膜被构造成区段(诸如直的或弯曲的条状物或岛状物)，使得单独按钮(例如，开/关、滑块、拨号盘、开关等)或成群的按钮被构造，其中每个此类按钮或成群的按钮与其他按钮或成群的按钮隔离并且具有其自己的一组连接器迹线(15)。一组连接器导致“顶部”触摸感测薄膜(38a)，并且另一组连接器导致“底部”触摸感测薄膜(38b)。经触摸对象(39)的触摸关闭电路，并且适当的硬件和软件检测如传统电阻触摸中的存在或位置。在该实施例中，经由围绕总流体体积(即，单独体积(37)的总和)的密封件或垫圈(36)维持总压力，并且每个体积经由小通道互连或每个体积(37)的压力经由围绕每个独立流体体积(即，单独体积(37)的总和)的密封件或垫圈(36)维持。

如图12所示，根据本发明的实施例，当触摸感测薄膜(1)例如折叠、折皱或卷绕以用于围绕轴(19)储存时，连接至触摸感测薄膜(1)内的一些或全部隔离体积的囊状物或袋状物(42)可用于保持过量的隔离流体(40)。单独触摸体积(37)可经由通道(43)连接至公共囊状物(42)，由一对辊(41)组成的辊隙可用于帮助将来自隔离体积(37)的流体(40)驱动至囊状物(42)中。代替保持凸块(5)或除了保持凸块(5)之外(参见图2、5和7-9中的保持凸块)，可使用囊状物。

最后，要注意的是，根据本发明的导电薄膜不必是可被称为薄膜的薄的结构。在本发明的实施例中，可用作触摸感测中的活性表面的任何事物可被实施为触摸感测薄膜(1)。这些结构可以是例如印刷的金属栅格或蚀刻的金属图案。

本领域的技术人员清楚的是，虽然本发明不限于上述的示例，但是这些实施例可在权利要求的范围内自由变化。

Claims (9)

1.一种用户界面设备，包括：

触敏薄膜，所述触敏薄膜是柔性的、可成形的和/或可弯曲的；

壳，所述触敏薄膜可储存到所述壳中，

所述用户界面设备包括必要的电子器件、用于感测所述触敏薄膜上的触摸的装置、电源、以及用于输出来自所述用户界面设备的信息并且由此输出关于触摸的属性的信息的装置。

2.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，所述触敏薄膜能够被卷绕到所述壳中。

3.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，所述触敏薄膜包括高长径比分子结构网络、导电聚合物、石墨烯、陶瓷、金属栅格或金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的用户界面设备，还包括用于响应于所述触摸经由所述触敏薄膜产生触觉反馈的装置。

5.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，通过在触摸感测的同时测量节点之间的电阻变化或信号滤波器属性的变化，所述触敏薄膜也充当变形检测薄膜。

6.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，还包括所述触敏薄膜的边缘上的至少一个保持凸块，所述至少一个保持凸块被配置为既通过将所述触敏薄膜引导至所述壳中又通过限制所述触敏薄膜的卷绕来促进所述触敏薄膜的卷绕。

7.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，所述壳的外表面的至少一部分结合允许输入用户功能的触摸表面。

8.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，所述触敏薄膜还包括基板上的至少一个印刷图案。

9.根据权利要求1所述的用户界面设备，其中，当附接到所述触敏薄膜时，触摸驱动、感测、处理和通信模块配置成确定触摸属性并且将所述触摸属性的信息发送到处理单元。