CN107710129A - 传感器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器装置(10)被提供用于生成电信号。该装置包括导电材料或由导电材料构成，所述导电材料至少部分具有三维成型表面(16)。该表面被配置为响应于导电物体(例如，人的手指)在其上的移动而产生电信号的变化。一种使用传感器装置的方法包括将传感器装置连接到电信号输出装置，并且在三维成型表面上移动物体以产生电信号输出装置可检测的电信号的变化。提供了一种计算机程序，其被配置为当被执行时使计算设备执行该方法。提供了一种包括传感器装置和计算机程序的系统，该传感器装置可电连接到计算设备(24)。

Description

传感器装置和方法
技术领域
本发明涉及传感器装置及其使用和制造方法，并且具体地涉及一种三维触觉接口形式的传感器装置。
背景技术
触觉传感器提供了通过与传感器的物理交互获得信息的方式，并且通常用于诸如移动和计算设备、机器人和控制系统之类的应用中。这些传感器可以基于压阻、压电、电容和弹性电阻感测来操作。例如，在电容式触摸开关中，人们只需触摸传感器即可改变传感器内的电容并触发开关。现在可以使用各种压敏材料(包括量子隧穿复合材料)来用于压力开关和感测。这些被用于软机器人、重型机器和可穿戴设备。包括导电油墨在内的示例已经被开发出来，以将灵敏度集成到材料本身中并创建“软电子”。三维(虚拟现实)接口也是已知的。
已知提供用于将数据输入到处理器中的触觉接口，该接口具有三维形状的输入表面和嵌入其下的传感器阵列。向输入表面施加力将力传递给嵌入式传感器，从而产生信号至处理器。虽然所公开的传感器因此能够提供所施加的力的大小和位置的信息，但是所需的构造有些麻烦并且难以制造。此外，传感器或传感器阵列的设置限制了可用的感测区域。另外，通过插入的软弹性材料将施加在三维表面上的力转移到传感器可能导致不精确性和不一致性。
考虑到前述内容设计了本发明的各个方面和实施例。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了如权利要求1所限定的传感器装置。根据本发明的第二方面，提供了一种如权利要求17所限定的使用传感器装置的方法。根据本发明的第三方面，提供了一种如权利要求18所述的产生电信号的方法。根据本发明的另一方面，提供了一种如权利要求22所述的计算机程序。在这里和在说明书中的其它地方提及的“计算机程序”是指可操作以在计算机或其他处理设备(例如移动电话(包括iPhone)、平板电脑(包括iPad)等)上运行的程序。根据本发明的另一方面，提供了一种如权利要求24所述的系统。
根据一方面，提供了一种用于产生电信号的传感器装置，所述装置由导电材料构成，所述导电材料至少部分地具有三维成型表面，所述三维成型表面被配置为响应于物体在其上的移动而产生所述电信号的变化。在一个实施例中，除了三维成型表面之外，传感器装置还可以至少部分地具有三维形式。成型表面部分可以是传感器装置的与3D形式部分相分离的部分。成型表面可以被设置在3D形式部分上。在设置3D形式部分的情况下，这被配置为响应于力、压力或与其的接触而产生所述电信号的变化。
根据另一方面，提供了一种使用前述方面的传感器装置的方法，所述方法包括将所述传感器装置连接到电信号输出装置，并且使物体移动通过所述三维成型表面以产生电信号输出装置可检测的电信号的变化。在一个实施例中，在三维形式上施加压力或力可以产生电信号输出装置可检测的电信号的变化。
根据另一方面，提供一种产生电信号的方法，所述方法包括提供导电材料，并将材料配置成至少部分地具有三维成型表面，使得物体在其上的移动产生电信号的变化。在一个实施例中，该方法包括将材料配置成至少部分地具有三维形式，使得压力或与其的接触产生电信号的变化。
根据另一方面，提供了一种计算机程序，其被配置为当被执行时使得计算设备执行前述方面的方法。根据另一方面，提供了一种系统，包括上述方面中任一方面的传感器装置和上述方面的计算机程序，该计算机程序被配置为在计算设备上执行，传感器装置可电连接到计算设备。
在以上方面的实施例中，三维成型形式或表面可以被纹理化。三维成型形式或表面可以被纹理化而具有规则或不规则几何图案。几何图案可以通过横跨导电材料表面的凸起和/或凹陷的变化而形成。几何图案可以包括多个不连续部和/或起伏。几何图案可以包括图案中横跨表面的多个峰和谷。几何图案可以基本上是重复波形，诸如锯齿形、正弦波或方波。几何图案可以被配置为当在横跨图案的方向上受到力或压力或移动时提供电信号的变化。
在各个方面和实施例中，装置可以包括例如具有纹理化表面的平坦片材、块或其它平坦或3D形状的单一导电材料形成物。在实施例中，表面本身是大体平滑的(例如平坦或弯曲的)，其中具有纹理化、图案化、隆起等部分。可替代地，所述装置可以包括例如具有纹理化表面的平坦片材、块或其他平坦或3D形状的材料形成物(导电的或其它形式的)，并且将附加的导电涂敷/层应用到该纹理化表面。可替代地，所述装置可以包括例如具有导电的纹理化表面的平坦片材、块或其他平坦或规则的3D形状的导电的或其他形式的材料形成物，其中所述涂敷或层本身具有纹理和导电性。所有这些都落入这些方面的范围内并且构成具有如权利要求所述的三维成型表面的导电材料。
该装置由具有三维形式或三维成型表面的导电材料构成，基本上由具有三维形式或三维成型表面导电材料构成，或包括具有三维形式或三维成型表面的导电材料。如本文所使用的，“三维”可以指在平面或其他形式的表面和/或非平面表面或形状上提供的纹理或轮廓。在表面上移动物体(例如人的手指)，和/或施加压力或力或以其他方式与表面接触，将引起电信号的改变。
材料的电导率可以在整个材料上或贯穿材料变化或不一致。换句话说，整块材料的导电性可以被调节。例如，整个材料中导电方的分布可以变化，或者材料的不同部分可以具有不同的电导率。该装置可以部分包含非导电材料。例如，它可以具有可拉伸的纺织品罩，以获得不同的外观。可替代地，它可以具有由非导电塑料制成的内部结构。
这可以提供与材料的其余部分相比具有相对较高或较低的导电率、零或接近零的导电率的一个或多个区域。
这有利地实现了增强的信号检测和区分能力以及为了特定用途定制材料。具体而言，提供3D轮廓实现了调节信号以增强单一均匀表面上的感测功能，而不需要额外的传感器。它还为用户提供触觉和视觉指导。另外，它允许某些运动被施加到材料上，例如按压、扭转、挤压。
在一个实施例中，导电材料是柔韧的、可变形的和/或具有弹性的并且可以是柔性的。在一个实施例中，导电材料是软硅橡胶材料或橡胶基化合物材料。该材料可以包含导电材料，例如以嵌入颗粒或填料(诸如石墨)的形式。该材料可以具有一定范围的硬度特性(取决于硅酮基)、可控导电性(取决于石墨比率)。导电材料还可以包括例如在其侧面上的可拉伸织物层和/或导电涂料。导电材料还可以或替代地涂覆有非导电材料的薄层以提供期望的产品光洁度。在替代实施例中，导电材料是诸如导电金属(例如铝)的刚性导电材料。
在任何一种情况下，传感器材料都是触觉感知的并且对不同的相互作用敏感。该材料具有可以采取各种不同形式的触觉属性，以提供具有一定变化的外表面以提供触感。例如，一个或多个区域可以是光滑的，其他区域可以具有角度小平面或构造，例如可以提示人手的移动方向的小三角形平面。在表面上接触、按压或移动会导致可检测的电变化。这使得能够提供可操作用于在被人手触摸时感测连续电容变化的开关元件。触摸材料使其接地，导致电信号的变化，这可以被检测并测量。读数与接触面积成正比。
电信号可以随时间变化并且优选地是电压或电容，并且物体在装置上的移动和/或压力或与装置的接触引起电压或电容的变化。该信号可以是实时值，并且可以是跨越时间长度的一系列值。优选地，电信号在一段时间内被监测，并且被处理以解析设备上的触摸位置、物体在设备表面上的移动速度和/或物体在设备表面上的移动方向。
本发明的实施例提供单点和多点感测两者。本发明的实施例实现感测触摸位置、触摸压力、移动速度、移动方向和触摸位置或者与测量感测位置的接近度。可以通过调节导电材料(例如使用喷涂来调节表面和/或通过改变不同区域中材料的导电率，例如通过改变硅树脂中导电颗粒的量)，改善多点触摸相互作用。通过压入软材料可以实现多点触摸缩放功能。
三维成型表面可以被纹理化，例如具有几何图案。纹理或图案可以包括在导电材料的表面上的高度变化。几何图案可以包括起伏和/或相对升高和降低的表面的区域，例如横跨表面的多个峰和谷。变化或图案微观尺度可能是规则的或不规则的。连续的峰和谷之间的距离可以相等，可以逐渐增大或减小，或者不规则。该纹理或图案可以被配置为当在跨越图案的方向上受到力或压力或移动时提供电信号的不同变化。纹理或图案可以是重复的，可以类似于诸如锯齿波、正弦波或方波的波形。波形的重复性质可以包括小的变化，例如峰高、峰之间的距离等的变化，但具有整体重复性质。
纹理的尺度可以是微观的或非微观的，例如可以从大约0.05毫米到大约50毫米的量级，也可能大约为200毫米的量级。在一个实施例中，峰值距离大体为1mm-30mm，或大体为1mm-10mm，或者可以大体为5mm-10mm。
本发明的各个方面和/或实施例有利地提供了可以用单一材料制成任何三维形式的传感器或触觉界面。在其最简单的形式中，可以提供单一的、可能均匀的材料以实现相对简单的功能。在一些实施例中，可以使用在一侧具有导电涂层的薄材料层，或者可以铸造导电模块并且在其上设置非导电填料。这些实施例仍然体现了具有本身就是传感器的材料体的想法。在所有方面和/或实施例中，不需要单独的感测组件(例如，下面的传感器阵列)。因此本发明的实施例便于以高保真度进行交互，而传感器装置本身制造简单并且便宜。传感器装置还提供增强的设计可能性和用户体验。本发明提供了一种模拟触摸压力、位置、移动速度、移动方向和触摸位置或与感测位置的接近度的感测介质，特别是电容性感测介质。
该材料可以连接到计算或处理设备。这旨在被广泛地解释，并且涵盖个人和移动计算设备以及包括诸如电视控制器、游戏机控制器、车载车辆控制系统等处理装置的其他智能设备。
计算或处理设备可以被配置为托管用于启用来自设备的输出信号的处理的指令。系统可以有输入/输出数据接口。该系统可以包括处理器、存储设备以及非瞬态机器可读存储介质。机器可读存储介质可以包括控制处理器如何接收输入数据并将输入数据(电信号)转换为例如在屏幕上、连接的打印设备上或经由音频输出的输出数据的指令。替代示例实施例中的机器可读存储介质是非瞬态计算机可读存储介质。
在一个实施例中，提供了一种在计算或处理设备上运行时使得计算机执行本文公开的任何方法的计算机程序。计算机程序可以是软件实现方式，并且该计算机程序在其上运行的计算机或设备可以被认为是任何适当的硬件，包括数字信号处理器、微控制器、以及在只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中的实现方式作为非限制性示例。软件实现方式可能是汇编程序。
计算机程序可以设置在计算机可读介质上，计算机可读介质可以是物理计算机可读介质，诸如盘或存储器设备，或者可以体现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是网络下载，包括互联网下载。在一些方面和/或实施例中，如果人将手指抵靠三维形成的材料移动，则电容信号图模拟触摸的压力，并且3D形式向人提供触觉反馈。可以对短时间段的初始信号序列进行采样来解析触摸位置，然后实时信号可以模拟压力感测。在其它方面和/或实施例中，当人将手指移动经过纹理化的三维表面时，电容信号图模拟或近似或可被解析为描述几何条件。几何图形可以在CAD软件中建模，然后放入参数程序(例如，grasshopper)来调整齿的角度、高度和密度。信号因此是可重复和可编程的，使得软件能够将所测量的信号与预先建模的信号波形进行比较，并且在存在匹配的情况下，向用户指示信息，例如在材料表面上的触摸的位置、在表面上的移动方向、人使用的压力或力量等。也可以使用其他算法来检测移动方向、触摸速度和位置。例如，可以通过计算信号变化峰值频率之间的距离来计算移动速度。移动方向可以通过比较峰值变化来检测，并且可以基于相对位移来检测位置。在这里，用户不必在单个纹理单元上完成滑动动作来进行交互。
计算机程序可以被配置为在执行时执行本文描述的方法或过程。
在本发明的单独方面和实施例的上下文中描述的特征可以一起使用和/或可互换。类似地，为了简洁起见而在单一实施例的上下文中描述特征的情况下，这些特征也可以单独提供或以任何合适的子组合的形式提供。结合设备描述的特征可以具有针对方法和计算机程序可定义的对应特征，并且具体设想这些实施例。
因此，本发明的各个方面和实施例描述了三维形式、物理交互和电输出之间的相互关系。本发明的各个方面和实施例整合由具有表面几何设计的导电材料形成的感测或开关元件，并且还可以包括信号处理算法。
本发明的实施例具有各种优点。由单一材料或界面材料本身制造传感器而不需要额外的传感器垫等的能力提供了更简单的组装过程，最小化材料使用并减少电子垃圾。制造过程因此成本效益更高。本发明的实施例实现了信号处理接口，而不需要复杂的传感器阵列和相关的校准程序。用户测试还揭示了以下概念：由于与已知设备相比传感器的增强的触感，设备具有将感觉与动作相关联的能力。
传统键盘或触摸感测跟踪垫通常由300多个部件制成，这可能需要来自多个供应商。由于所使用的部件数量大，组装传统的键盘或触摸感测跟踪垫是费力的。另外，从回收和降解的角度来看，这涉及到困难的材料分离和高成本的拆解和回收过程(涉及化学分离过程)。量子隧穿复合材料可能需要具有高得多的生产成本/零售价格的混合过程，并且只能作为单个压力感测开关元件来执行。由于分离量子粒子含量所需的信息，可持续性是具有挑战性的。另一方面，本发明的实施例仅仅需要具有相应较低的生成成本的单件式成型工艺。有利地，它们可以在一个均匀表面上执行更复杂的感测功能。设备被设计用于材料分离，并具有低成本的拆解过程。有利的是，本发明的实施例需要极低的劳动投入和简单的物理拆卸过程。
附图说明
现在将参考附图对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的传感器装置；
图2示出了根据本发明实施例的传感器装置的示例性表面几何形状；
图3示出了根据本发明另一实施例的传感器装置；
图4示出了根据本发明另一实施例的传感器装置；
图5至图6示出了根据本发明的另外的实施例的传感器装置；
图7是根据本发明实施例的传感器装置的剖视图或侧视图的示意图；
图8至9示出了根据本发明另一实施例的传感器装置；
图10示出了根据本发明实施例的整合了传感器装置的系统；
图11示意性地示出了根据本发明实施例的从传感器装置可获得的输出信号；
图12示出了根据本发明实施例的传感器装置以及电连接和示例性输出信号；
图13示出了根据本发明实施例的传感器装置的示例性表面几何形状以及相应的示例性输出信号的示意图；
图14示出了根据本发明实施例的传感器装置以及电连接和对应的示例性输出信号；
图15至19提供了使用本发明实施例的示例。
具体实施方式
图1示出了导电材料或至少部分导电材料10，其为大致平坦的片材12的形式，例如由含有碳填料和导电金属颗粒的硅橡胶形成。在一个实施例中，所述材料是以重量比5：1至1：5的比例与石墨混合的硅橡胶。可能的替代成分是橡胶和/或TPU(热塑性聚氨酯)或一种类型的TPE(热塑性弹性体)，其有利地是或可以是可回收的。在另一个实施例中，该材料可以是在一侧涂有导电材料(例如镍或石墨)的薄材料(例如塑料、硅树脂或织物)层。可替代地，可以使用诸如导电金属(例如铝)的硬质材料。
在任一种情况下，但对于“软”材料实施例更实际的是，材料的导电性可以在整个材料上变化。这可以通过改变材料内的导电成分的浓度来实现，以便提供不同导电率的区域。这也可以通过调节导电成分或分离导电区域来实现(例如，将导电材料应用于一片织物材料上的分离区域)。不同导电率的区域将产生不同的电信号。因此，即使材料10的两个区域以相同的方式成形，如果这些区域具有不同的电导率，那么在其表面上移动物体将产生不同的电信号，使得它们能够被区分开。这样，移动物体的位置就可以被程序检测到。
片材12的表面14成型有区域16，每个区域包括三维或非平面特征。每个区域16包括从平面14向外延伸的多个特征或峰18，从而在其间限定了一系列谷20。片材12的表面14因此被构造成具有相对于片材12的表面的三维几何纹理。三维图案的横截面通常具有锯齿形轮廓，如图2(a)所示。在替代实施例中，锯齿形轮廓的属性可以变化，例如“峭壁”是否是垂直的或者“斜坡”有多陡峭，或者轮廓是对称的还是不对称的。在替代实施例(未示出)中，锯齿可形成在表面14中而不是形成在表面14上，使得几何形状嵌入片材的表面内而不是突出在其上。图2(b)提供了一个示例。在另一实施例中，可能存在两者的组合，例如，峭壁增加到超过表面14的水平面的距离，并且斜坡延伸到表面14的水平面以下。如图2(c)至2(e)所例示的，可替换地或附加地使用诸如三角形、正方形和正弦波形式的替代配置。图2(f)示出了一个实例，其中峰18在表面14上的高度和/或间隔逐渐但均匀地增加。在图2(g)中，峰18在表面14上的高度和/或间隔逐渐但均匀地增加，然后降低。另外或可选地，可以使用不规则的波形，例如如图2(h)所示。可以使用替代的波形，例如图2(i)所示的波形。当然，这些和其他实施例可以以任何和所有组合的方式使用，图2(j)中示出了其示例。
在一些情况下，为了更好地促进更平滑的触摸运动，峰18和谷20或锯齿形轮廓被设计成连续的表面，从而形成鲨鱼腮状轮廓，图2(k)中以侧视图和透视图示出了其示例。
可替代地，为了具有不同的触觉表面光洁度，例如使用PVC、皮革或热塑性弹性体，可以在所述3D纹理轮廓的上面施加绝缘材料层，其具有相似的纹理轮廓。图2(l)示出了其中纹理峰18和谷20嵌入具有类似纹理轮廓21的绝缘材料下面的示例。图2(m)示出了其中纹理峰18和谷20嵌入具有三维成型表面21的两种绝缘材料之间的示例。在这些情况下，纹理表面/材料12是导电的。导电性可以通过导电喷漆或导电材料印刷来实现。绝缘层优选是不导电的。当然，这两种情况下的纹理特征峰18和谷20覆盖了从图2(a)到图(k)及其派生物中提及的所有示例。
在一些情况下，为了控制人手/手指移动轨迹，可以在所述3D纹理轮廓的上面施加绝缘材料层。图2(n)示出了其中纹理峰18和谷20嵌入具有平坦表面21的绝缘材料下面的示例。图2(o)示出了一个示例，其中纹理峰18和谷20嵌入具有三维成型表面21的绝缘材料的下方。图2(p)示出了在绝缘层21上实现纹理峰18和谷20的示例，其更好地控制手指(或其它导电物体')的移动轨迹。在这种情况下，导电层12可以是三维成型的或仅仅是平面表面。在这些情况下，绝缘层21优选是不导电的。当然，这三种情况下的纹理特征峰18和谷20覆盖了从图2(a)到图2(k)及其派生物中提及的所有示例。
在其他情况下，导电材料可以被调节以实现跨越整个表面的不同导电性。图2(q)示出了一个示例。
共同的特征是轮廓具有在表面14或材料12的范围内变化的高度。每个峰或脊等距或具有相等高度也不是必须的。本发明的实施例可以适应和利用变化。这样，图1和图2仅仅是示例，但是共同之处是在表面的多个区域上设置有表面高度或深度的变化。峰或谷之间的距离可以是规则的，可以相等或逐渐增加或减小，或者是不规则的。纹理峰距离的尺度可以从约0.05mm到约200mm并且可能下降到约50mm，但是可以下降到pm量级。纹理的深度(高度差)也可以变化，例如从大约0.1mm到几厘米，但也可以下降到大约0.1pm。
图1的示例示出了线性延伸的几何形状。图3示出了两个视角的替代实施例，其中几何图案本质上是放射状的。在替代实施例中，可以使用两者的组合。然而，类似于图1和图2的实施例，图案包括相对于表面14升高的表面的多个部分。如上所述，图案也可以或替代地置入在表面14内，使得图案包括相对于表面14的水平面升高(或下沉)的表面的多个部分。
图4示出另一替代实施例，其中几何纹理18、20设置在自身延伸出表面14的三维结构22上。可替代地，可以在片材12中或在由导电材料形成的更深的结构中提供更大的开口或裂缝。如前所述，在所有实施例中，整体结构提供相对于表面14和/或基础三维结构22的表面的结构高度的变化。图5示出了在导电材料12的平面片材上或内部实现的各种不同的实施例。
图6示出了替代实施例，其中一些实施例包括平面片材或衬底12，其中另一些具有弯曲的或其他三维衬底12’。在一些实施例中，整个结构12”是三维成型的。一些实施例可以包括如图1-5的实施例中的多个突起18和/或凹槽20。
在其它实施例中，表面14(或其一部分)的轮廓被设计成提供外表面14的高度(e)的不连续性或变化(参见例如图7(a))，或者表面14’(或其一部分)的轮廓被设计为提供外表面14’的梯度或轮廓的变化或改变(参见例如图7(b))。
在一个实施例中，还可以包括这两种类型中的每一种的结构。例如，图8示出了混合结构10，其具有外表面，该外表面包括被纹理化而具有多个凸起18的表面14的一部分以及本身是三维几何形状的表面14’的一部分。在部分14、14’之间的区域14”中，两个三维几何形状彼此变形或混合以提供平滑过渡。在图8中，通过与在表面上移动的导电物体相互作用，存在四个参数集(纹理18、20的集合)可以用于控制不同的参数。并且通过与在表面上移动的导电物体相互作用，存在五个参数集(表面14’的集合)可以用于控制不同的参数。这两种结构不一定是独立的，可以同时发挥作用，提供更多的互动。
在另一实施例中，为了包括这两种类型中的每一种的结构，几何形状可以完全分开。例如，图9示出了混合结构10，其具有外表面，该外表面包括以循环方式被纹理化而具有多个凸起18的表面14的一部分以及本身是三维几何形状的表面14’的一部分。在图9中，存在一个单独的参数集(纹理18、20的集合)和五个单独的参数集(表面14’的集合)。
现在参考图10(a)，示出了导电材料10(a)连接到其他电设备。尽管所示的材料10(a)是图1的平坦片材/纹理表面实施例，但是当然应该理解的是，可以使用上面讨论的或以其他方式落入本发明范围内的任何形式。
材料10(a)在感测位置点连接到计算或处理设备24。计算或处理设备24被配置为托管用于启用对来自设备10(a)的输出信号的处理的指令。系统24包括处理器、存储设备以及非瞬态机器可读存储介质。机器可读存储介质包括控制处理器如何接收输入数据并将输入数据(电信号)转换为例如在屏幕、连接的打印设备上或经由音频输出的输出数据的指令。
材料10(a)通过一个或多个导线或电子连接器26(例如导电印刷)连接到中间处理装置28，中间处理装置28包括被提供用于转换来自材料10(a)的输出的信号处理装置。然后，中间设备24通过适当的连接手段(例如，计算机的USB端口或无线技术)连接到计算或处理设备24。无线技术可以是蓝牙、WiFi、IR等——一个或多个导线26上携带的简单的电信号到可由计算机通过USB端口或无线技术读取的输入信号。输出信号最好是时变电信号，如电容或电压读数。如图10(a)所示，在第一或起始状态下，电容或电压读数将是恒定的。然而，当人例如用手指或合适的触针等接触材料10(a)时，表面14上的接触点或区域处的电容或电压发生变化，从而引起电信号输出的变化。计算机程序可以被配置为显示信号和/或表示该信号的信息和/或提供由信号引起的与软件应用的交互。
在其他情况下，现在参考图10(b)，示出了导电材料10(b)通过直接物理接触连接到其他电设备，而没有任何导线连接或无线技术。计算或处理设备24包括感测介质，例如电容式触摸感测屏幕，以及从材料10(b)输出的信号处理算法。该实施例有利地避免了使用电池、电路和电子连接。尽管所示的材料10(b)是图1的轮廓表面实施例，但是当然应该理解的是，可以使用上面讨论的或以其他方式落入本发明范围内的任何形式。
图11(a)表示在图10(a)的起始状态下观察到的基准水平电容信号。图11(b)示出了在人接触或按压材料10(a)时的时间t1处，电容如何增加。如果人将手指移动经过材料10(a)的区域161的纹理，则软件将能够将观察到的时变信号与预先存储的配置文件进行匹配，以标识是区域161而不是区域162至169中的任何一个正在被激活。该软件可以被编程为在屏幕上提供可视指示以在屏幕上的虚拟位置处显示激活，该虚拟位置处的激活反映物理材料10(a)上的激活。图11(c)是可以通过在材料区域161至169中的一个材料区域上划动而观察到的信号变化类型的简单表示。材料10(a)是压敏的。对材料10施加较大的压力将导致电容信号的较大变化。该软件可以被配置为显示对应于较大输出的更大或更明显的虚拟指示。因此，材料10(a)可以用在系统中以提供触摸位置确定。
另外，如图11(c)所示，当用户的手指(或其他导电设备)穿过一个区域时，可以对峰值的数量进行计数。一个区域内的相对位置(也可以被解释为人的手指已经移动的距离)也可以基于该数量来计算。这种方法也可以用于图3。设N表示长度为L的图案/纹理区域内的峰值总数，n表示图形在该区域内经过并接触的峰值数量。如果图案是规则的，则相对位置可以通过下式计算：
相对位置＝n/N*L
图12示出了当人沿着所示的方向(从右到左，尽管移动可以沿任一方向)沿着材料10(a)的表面移动其手指时产生的另一示例性电容输出迹线。图13示出了各种表面结构几何形状的附加示例电容输出迹线。前两列示出了各种放射状几何图形，最右一列示出了线性图案。所示的信号是通过沿一个特定方向在相应纹理上的两到三次触摸产生的。如标记为“重复”的示例中所示，信号序列在一个纹理上是可重复的，并且通常在不同纹理中变化。如图所示，在信号从减少到增加的任何时候都对峰值时间值P1和P2进行采样。物理表面上的相应/重复输出信号特征(P1，P2)之间的距离可用于计算人手指在表面上的移动速度：
已经发现即使纹理图案16的几何形状的细微变化也会产生不同的信号。这使得能够区分两个相似但不相同的图案16。
当增加方向感测方面时发现感测能力提高，这需要差异化计算。这是当物体在纹理化表面上移动时由接触表面区域的变化引起的感测值的变化率，并且通过相对于它们之间的时间差采样两个接近的感测值a和b来计算。数据收集显示更尖锐的齿产生更高的电容差异值。纹理化表面的单个单元或峰可被设计为具有逐渐减小(或增加)的高度，或者纹理单元的一端比另一端更靠近感测点，这产生更大的感测读数。因此，比较峰值C(P2)和先前的峰值C(P11)可以推断触摸的方向：
如果C(P2)-C(P1)>0，那么这个方向给出正值(1)；如果C(P2)-C(P1)＜0，那么这个方向给出负值(-1)，即，移动方向与给出正值的方向相反。通过过滤掉低绝对差值可使噪声最小化。该算法的优点在于能够管理触摸方向的实时测定。
在材料上实现触摸位置检测有多种方式，例如通过记录和比较前三个电容差异峰值的差值。前三个值的趋势通常已经可以大体推断正在触摸哪个纹理单元16。另一种方法是对一个完整的信号序列进行傅里叶变换。(换句话说，将基于时间的电容图解构成构成该图的变化的频率)。该方法可能具有对每个纹理单元上的相对手指位置的较高的检测分辨率，但是它具有显着的时间滞后，因此仅可用于短纹理。机器学习也被考虑用于未来的场景。
以上仅作为示例给出，并且其他方式(当前已知或尚未开发)是可能的，包括机器学习和演化算法以及人工智能，并且这些也可以用于本发明的实施例中。
图14(a)至(c)示出了可以如何在本发明的实施例中采用不同的触摸机制。在图14(a)中，提供了材料10的一部分30，并且来自材料10、30相对两侧的两点压力引起输出信号40的变化。在所示的实施例中，存在两个输出线26，其允许实现两点压力感测。这里，一根导线将一个小的电压脉冲到感应点。另一根导线接收电压。这两者一起可以用作电容感测机制。在图14(b)中，附接到材料10的单个触点26的设置实现单点压力感测40。在图14(c)中，该布置实现了单点距离感测40。一般而言，触点越靠近感测点(即导线连接到表面的地方)，则值越大。
图12和图14具体示出了与材料10的不同运动和相互作用。一般而言，与材料10的纹理化/图案化部分的相互作用涉及穿过纹理/图案的移动(例如，如图12所示)，并且与材料的较大3D部分的相互作用涉及施加力或压力(例如，如图14a-c所示)。当然，材料的纹理化部分也可以对力或压力作出响应，和/或材料的较大的三维部分可以响应穿过其表面的移动。但是，主要机制是前者。
本发明的实施例具有各种实际应用。例如，本发明可以用于车辆中，例如提供对音响系统窗/门打开/关闭、温度和环境等的控制。图15(a)和(b)示出了如何将本发明用作CAD建模控制工具。根据本发明的实施例，这些图示出了集成两个纹理单元的右手“导航”元件10。材料10可配置有提供点选择控制功能的径向控制器32和/或提供垂直旋转控制功能的线性控制器34。装置/电池可以通过压力开关36来启动和/或停用。平移或水平旋转控制功能可以由控制器38、40提供。左手“形状”元件10包括呈现表盘42、第一拉动元件44和第二拉动元件46以及生成形状控制件48。
整合图16的元件的设备可以用于发声，其中在测试中，使用六个不同的模块来控制音高、音量、环绕声、低音、噪声和颗粒效应(分别如图16(a)-(f)所示)。将会理解，根据本发明的实施例，还可以提供其他音效和控制这些音效的方式。在测试中，每个模块都旨在促进特定的触觉交互，并为效果输出创建生动的视觉提示，例如显示在计算设备的屏幕上。这里，音高控制(图16(a))通过垂直取向的装置来实现，该装置通过向上移动时逐渐减小的接触产生信号。环绕声(图16(b))可以通过平移控制器来实现，该平移控制器具有提示扭转运动的不对称2轴螺旋桨形状。图16(c)示出了不对称的3轴螺旋桨形状的材料，可以用作颗粒效应控制器，同样提示扭转运动。在图16(d)中，噪声发生器装置被示出为垂直取向的，其上面具有质量块，可操作为在顶部翻转时产生噪声信号。主音轨音量控制如图16(e)所示，提供了软按钮形状，用于在按下时提供音量控制功能。在图16(f)中，示出了基部轨道控制器，其为在顶面上具有四条间隙线的椭圆形状，当间隙闭合时产生两个稳定信号状态。其他用途包括CAD、数字制作和游戏/界面产品。
图17给出了使用设置在一块织物上的材料10的另一示例，以演示该装置在可穿戴设备中的使用。
图18给出了材料10的另一示例，以演示该装置作为可穿戴控制器的使用。
图19给出了材料10的另一示例，以演示该装置作为嵌入了控制功能的一系列智能手写笔的使用。
例如在车辆中使用的本发明的实施例有利地避免了分散视觉标记的需要。相反，材料10的形式和结构本身是提示性的并且指示使用方法，避免了分散视觉标记等的需要。
通过阅读本公开内容，其他变化和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的变化和修改可以包括无线通信领域中已知的以及可以代替或者除了这里已经描述的特征之外被使用的等效特征和其他特征。
尽管所附权利要求针对特征的特定组合，但是应该理解的是，本发明的公开的范围还包括在此明确地或隐含地或其任何概括的方式公开的任何新颖特征或任何新颖特征的组合，不管它是否涉及与任何权利要求中目前要求保护的发明相同的发明，也不管它是否减轻了与本发明相同的任何或所有技术问题。
在单独实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式被提供。申请人在此通知可以在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查期间对这些特征和/或这些特征的组合制定新的权利要求。
为了完整性，还指出术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一个”或“一种”不排除复数，单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干手段的功能，并且权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (27)

1.一种用于产生电信号的传感器装置，所述装置包括导电材料或由导电材料构成，所述导电材料至少部分地具有三维成型表面，所述三维成型表面被配置为响应于导电物体在所述三维成型表面上的移动而产生所述电信号的变化。
2.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述三维成型表面是纹理化的。
3.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述三维成型表面具有规则或不规则几何图案的纹理。
4.根据权利要求3所述的传感器装置，其中，所述几何图案由所述导电材料的表面上的高度和/或凹陷的变化形成。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述几何图案包括多个不连续部和/或起伏。
6.根据权利要求5所述的传感器装置，其中，所述几何图案包括图案中横跨所述表面的多个峰和谷。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的传感器装置，其中，所述几何图案基本上是重复波形，例如锯齿、正弦波或方波。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的传感器装置，其中，所述几何图案被配置成当沿横跨所述图案的方向发生所述物体的移动时提供电信号的变化。
9.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中所述电信号是电压或电容，并且物体在所述装置上的移动导致所述电压或电容的改变。
10.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述导电材料除了所述三维成型表面之外还至少部分地具有三维形式。
11.根据权利要求10所述的传感器装置，其中，所述装置被配置成还响应于其上的压力或力而产生所述电信号。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其中，所述电信号是电压或电容，并且在所述三维形式上的压力或与所述三维形式的接触引起所述电压或电容的变化。
13.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述导电材料是或包括诸如软硅橡胶材料的柔韧材料和诸如石墨的导电材料。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的传感器装置，其中，所述导电材料是或者包括诸如导电金属的刚性导电材料。
15.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述装置包括导电层和/或导电涂层。
16.根据任一前述权利要求所述的传感器装置，其中，所述装置包括具有例如镍涂层的导电涂层的柔性和/或织物层。
17.一种使用根据任一前述权利要求所述的传感器装置的方法，包括将所述传感器装置连接到电信号输出装置，并且在所述三维成型表面上移动物体以产生所述电信号输出装置可检测的电信号的变化。
18.一种感测电信号的方法，所述方法包括提供导电材料，并将所述材料配置成至少部分地具有三维成型表面，使得物体在所述三维成型表面上的移动产生所述电信号的变化。
19.根据权利要求17或18所述的方法，还包括将所述材料至少部分地配置成具有三维形式，使得压力或与其接触产生电信号输出装置可检测的电信号的变化。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中，所述电信号是电压或电容，并且在所述装置上移动所述物体和/或施加压力或与所述装置接触引起所述电压或电容的变化。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，所述三维成型表面被纹理化而具有几何图案，所述几何图案被配置成使得物体在跨越所述图案的方向上的移动引起所述电信号的变化。
22.一种计算机程序，所述计算机程序被配置为当被执行时使计算设备执行根据权利要求17至21中任一项所述的方法。
23.根据权利要求22所述的计算机程序，还被配置为当被执行时使得计算设备通过处理所述电信号来检测触摸位置、触摸压力、移动速度、移动方向以及与测量感测位置的接近度。
24.一种系统，所述系统包括根据权利要求1至16中任一项所述的传感器装置以及被配置为在计算设备上执行的权利要求22或23所述的计算机程序，所述传感器装置可电连接至所述计算设备。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述计算机程序包含用于在一段时间内处理信号并根据信号的变化或特性来计算在所述装置上的触摸位置、所述物体在所述表面上的移动速度和/或所述物体的移动方向。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述计算机程序包含用于根据表示所述成型表面的特性的信号的变化或序列特性进行所述计算的指令。
27.一种基本如上文参照图1-10和12-19中的任何一个或多个所描述的传感器装置或电接口。
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