CN114026531A - 具有平衡负载的双极投影触觉 - Google Patents

Abstract

一种间接触觉设备，包括具有顶表面和底表面的基板，以及布置在顶表面上的多个触觉电极和多个孤岛电极。该设备还包括布置在底表面上的多个发射电极和多个接收电极、位置传感器，以及摩擦调制器。该设备还包括控制设备，该控制设备被配置为向所述多个发射电极施加双极电信号以检测用户的肢体的触摸位置并调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦。所述多个触觉电极中的每个触觉电极基本上与所述多个发射电极中的对应两个发射电极对准并电容耦合。

Description

具有平衡负载的双极投影触觉

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月28日提交的美国临时专利申请序列No.62/853,419和2020年5月27日提交的美国非临时专利申请序列No.16/884,932的权益和优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及触觉设备，并且更具体地涉及通过调制设备的触摸表面的摩擦来向用户提供间接触觉反馈和纹理感觉的触觉设备。

背景技术

在本领域中已知用于调制人的指尖和触摸表面之间的摩擦以便产生在手指滑过表面时经历的间接触觉效果的电粘附技术。通过改变电粘附效果的强度而产生的摩擦的变化造成触感效果，这可以被经历为振动、纹理、边缘、表面波纹和诸如击球之类的事件。电粘附是一种用于递送丰富触觉感觉的有吸引力的技术，因为它不涉及机械运动(即，它是固态的)，它高效地使用功率，它具有高带宽，并且它可以定位在表面的不同区域上。常常期望在诸如触摸屏之类的透明触摸表面上采用电粘附。在这些应用中，还期望有一种手段来测量每个手指触摸表面的位置。换句话说，期望表面应当用作触摸屏、触控板或其它触摸输入设备，同时还向触摸表面的每个指尖提供触觉反馈。

电粘附取决于电场的形成，该电场作用于指尖与其触摸的表面之间存在的气隙。由于皮肤的粗糙度(也可能是表面的粗糙度)而存在气隙：真正的接触仅发生在少数点上，而在大部分明显接触区域上空气保留在两个表面之间。在实践中，也可以存在其它流体，诸如水或皮脂。其它流体的存在并不阻止电粘附的发生。因此，我们使用术语“气隙”，理解为其它流体可以部分地填充间隙。气隙中的电场在皮肤和表面中所含的束缚或极化电荷之间施加吸引力。这种吸引力的增加造成摩擦的增加，也称为摩擦调制。对于给定的系统配置，摩擦调制效果的强度主要取决于气隙中的电场强度。在实际设备中，期望使用尽可能低的电压来创建电场。

作为粗略的指导，经验表明手指和轻微纹理的表面(诸如防眩玻璃)之间的气隙平均大约为2微米。在这种尺寸的间隙中，可以持续而不会击穿的最大电场可以优选地是大约1e8V/m，但是该数字可以基于多种因素而变化，包括气隙的尺寸。在这个场强下，最大可用电压可以优选地是2e-6m x le8V/m＝200V，但是该数字也可以基于多种因素而变化，包括气隙的尺寸。在实践中，稍低的电压可以提供安全性和可靠性的余量。出于解释的目的，这里假设期望在气隙两端生成100V，但是可以使用更低或更高的电压。

100V是个方便的值，因为有许多硅工艺可以用于构建集成电路以用于切换不超过几百伏的电压。但是，还有其它因素使设计复杂化并且趋于要求更高的电压。

第一个复杂因素是期望顶部绝缘层，这常常是确保触摸屏寿命的要求。如果触摸表面是导电的，那么空气间隙将趋于因接触点而短路，尤其是在有水的情况下。此外，如果系统需要是透明的，那么难以在顶部表面上放置透明导体而不使其受到过度磨损。出于这些原因，电粘附系统通常用耐用的绝缘层涂覆导体。但是，这个层与气隙电串联。照此，所施加电压的某个部分可以在绝缘层两端下降，从而减少要施加到气隙的可用电压。

取决于频率以及材料特性、电场强度和厚度，绝缘层的电阻抗可以由复电抗、电阻或两者的组合支配。但是，这种复杂的阻抗行为可以用不太复杂的线性电容和电阻模型表示。出于解释的目的，绝缘层在本文仅被描述为串联线性电容，但本发明不限于这种情况。如果C_i是绝缘层的集总电容并且C_gap是气隙的集总电容，那么在气隙两端产生100V电压降可能必需施加的电压是：

V_applied＝[(C_i+C_gap)/C_i]*100伏

例如，如果C_i＝C_gap，那么V_applied将是200V。一般而言，越大的C_i值允许越低的操作电压。这与具有高介电常数的较薄绝缘体一致。例如，如果绝缘层是6微米厚并且介电常数是3，那么绝缘层将具有与2微米气隙相同的电容(假设气隙的介电常数是1)。

由上可知，绝缘层在实际设计中可以相当薄(但是，如果该层的电阻足够低或介电常数足够高，那么它可以更厚)。如果绝缘层薄，那么第二个实际问题是可能会出现划痕，诸如由于一粒沙子以可能危及下面电极的方式被拖过表面。对这个问题的部分解决方案是确保绝缘层具有极强的耐刮擦性；但是，可能无法单独依赖这种解决方案。在先前的发明(美国专利No.10,120,447以及美国专利申请No.15/178,283和No.15/606,440，它们都通过引用整体并入本文)中已经描述的另一种解决方案是经由电容耦合到位于更深、更受保护的层的另一个电极集合来激活导电层(其可以被构图成电极的集合)。在典型的实施例中，诸如美国专利No.10,210,447的图6中所示，电极的两个集合都在同一玻璃板上被构图：“触觉电极”位于触摸表面上并被上面提到的薄绝缘层覆盖；“发射电极”位于底部表面上并受到玻璃板全厚度的保护。以前，这种布置被描述为“镜像”电极，因为触觉电极和发射电极的形状可以大致相同，并且电极可以大致对准，从而最大化通过玻璃板的电容耦合。这种布置的优点在于，即使触觉电极因划痕而受损，它仍可以通过耦合到发射电极而被激活。

从发射电极到触觉电极的电容也与气隙电容电串联，从而造成附加的电压降。但是，在估计这个电压降之前，必须解决一个附加的问题：双极操作。

美国专利No.9,733,746描述了一种体系架构，其中触觉电极以一种图案布置，使得放置在触摸表面上的手指将覆盖多于一个的电极。如果这些电极被驱动到相对于身体的地的相反极性，那么气隙两端的电压降与身体耦合到地的强度相对无关。换句话说，接地良好的身体和接地不良的身体应当感受到相同强度的触觉。这是相对于要求身体良好接地以便递送全强度触觉的现有技术的重大进步。

以上给出的构思在现有技术中是可用的并且可以被用于创建实用的电粘附设备。但是，需要将其与多点触摸感测相结合的手段，这是测量和跟踪与触摸表面交互的多个指尖的位置的能力。实用的多点触摸传感器还应当能够识别不是指尖的东西(诸如水滴和手掌)。现有技术已经建议了各种方法，但没有一种方法已被证明像最先进的触摸传感器那样稳健，其中大多数都基于互电容测量。

本发明是一种集成系统，用于提供高度稳健的多点触摸感测，同时提供高度稳健的基于电粘附的触觉。与基于互电容的触摸传感器相似，本发明基于发射电极(Tx)的集合、接收电极(Rx)的集合以及与每个Tx-Rx交叉点对应的测量，从而产生可以从中提取触摸位置的二维图像。但是，由于需要将这个传感器系统与基于电粘附的触觉集成，因此细节大不相同。

发明内容

在本发明的说明性实施例中，提供了一种间接触觉设备，其包括具有包括顶表面和底表面的触摸表面的基板，以及布置在基板的顶表面上的第一电极集合和部署在基板的底表面上的第二电极集合。该设备还包括被配置为检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置的位置传感器，以及与基板相关联并被配置为调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦的摩擦调制器。此外，控制设备连接到位置传感器和摩擦调制器，并且控制设备被配置为向第二电极集合施加双极电信号以既检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置又调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦。

在本发明的说明性实施例中，提供了一种方法，包括提供具有包括顶表面和底表面的触摸表面的基板，其中第一电极集合布置在基板的顶表面上并且第二电极集合布置在基板的底表面上。该方法还包括经由向第二电极集合施加双极电信号来检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置，以及经由向第二电极集合施加双极电信号来调制用户的肢体在触摸表面上的摩擦。

本发明的以上特征和优点将从以下结合附图的详细描述中变得明显。

附图说明

图1A是具有触觉和感测电极的触摸面板的顶视图。

图1B是具有触觉和感测电极的触摸面板的底视图。

图1C是具有触觉和感测电极的触摸面板的侧视图。

图2是触摸面板电极的详细视图。

图3是靠近手指位置的区域中的电位和电容的部分图示。

图4是触摸面板的另一个示例性布置，其中Hx电极对彼此更深地内陷。

图5是Hx和Tx电极内陷的又一个示例性方法，其涉及更薄的电极。

图6是手指放置在触摸面板上电极上方和附近的各个点处的效果的图示。

图7是根据本公开的触控面板的另一个示例性布局。

图8是根据本公开的触摸面板的又一个示例性布局。

图9A是根据本公开的一个实施例的具有保护电极的触摸面板的图示。

图9B也是根据本公开的一个实施例的具有保护电极的触摸面板的图示。

图10是触摸面板层的示例性构造的图示。

图11是触摸面板的一个示例性构造的图示。

图12是触摸面板的另一个示例性构造的图示。

具体实施方式

图1A、1B和1C图示了第一实施例的构造。在这个实施例中，四种类型的电极被提供并部署在玻璃板10上。发射(Tx)电极12和接收(Rx)电极14位于玻璃10的底侧16上，远离触摸表面18。触觉(Hx)电极20和孤岛(Is)电极22位于玻璃10的顶侧(触摸侧)18上。注意的是，其它构造也是可能的。例如，可以将每种类型的电极放置在不同的层上，可以将层部署在不同的基板上，并且可以在进一步的处理步骤中组装(例如，层压)那些基板。基板不需要是玻璃，而是可以是其它绝缘或半导体材料(诸如塑料、陶瓷或天然材料)。这个文档中稍后将讨论替代构造。

在这个实施例中，Tx和Hx线12、14可以跨玻璃基板的一个维度横向延伸、对准并且具有基本上相似的形状。电极不需要跨基板横向延伸，而是可以采用不同的形式(诸如局部贴片或锯齿形)。在这个实施例中，Tx线12占据底侧16的大部分面积而Hx线14占据顶侧18的大部分面积，以便最大化它们的电容耦合。在优选实施例中，玻璃基板10可以具有不大于0.7mm的厚度，优选地0.4mm或更小，并且具有至少3但优选地更高的介电常数，诸如6或更大。

在这个实施例中，Rx线14可以垂直于Tx线12延伸并且可以由基本上相同的导电层形成，该导电层可以是具有45欧姆每平方(ops)的电阻率的氧化铟锡(ITO)。可以使用其它导体和其它电阻率。在Tx和Rx线12、14交叉的地方，可以形成导电桥24以确保连通性。可以使用本领域中已知的技术形成桥24，诸如在连续的电极上放置聚合物的贴片，然后在聚合物上放置金属条，从而连接不连续的电极的两侧。在优选实施例中，Rx电极14是连续的，并且对于每个Tx-Rx交叉点26形成两个桥24(如图2中所示)。使用多于一个桥降低电阻并提高可靠性。此外，在每个Tx-Rx交叉点26处，Tx和Rx线12、14都应当具有足够的面积以与部署在玻璃10的另一侧上的孤岛(Is电极)22进行有意义的电容耦合，从而与交叉点26对准。在优选实施例中，Is电极22具有“星号”形状，其由从中心轮毂发出的八(8)个辐条组成，但是可以使用多种其它形状。下面的Rx电极14可以与其中四(4)个辐条对准，而下面的Tx电极12与剩余的四(4)个辐条重叠。这种布置确保从Tx和Rx线12、14到对应的Is电极22的电容耦合，其好处将在下文中讨论。

在优选实施例中，Is电极22各自部署在Hx电极20的范围内。在这个实施例中，在顶侧18上不需要桥，因为所有Hx和Is电极20、22由相同的导电片形成，其可以是具有150ops电阻率的ITO，但是也可以使用更低或更高的值。电极的构图可以通过本领域中已知的技术(诸如光刻、丝网印刷或激光烧蚀)来完成。

在优选实施例中，相邻Hx电极20之间的距离(在本领域中也称为删除线宽度)大于相邻Tx电极12之间的距离。例如，相邻Hx电极20之间的距离可以是200微米，而相邻Tx电极12之间的距离可以是60微米。也可以使用其它距离，包括相邻Hx电极20之间的距离小于或等于相邻Tx电极12之间的距离的实施例。而且，不是消除相邻电极之间的所有ITO，而是可以保留一定量的ITO，通常以小贴片的形式，以最小化删除线的可见性。

图3是优选实施例的靠近手指28位置的区域中的电位和电容的部分图示。主要的是要注意，图3仅用于解释，并且其比例并不准确，并且没有示出实际系统中起作用的所有电容耦合。这里使用图3来阐明本公开的关键概念，因为它们涉及触觉和感测。图3示出了两个Tx电极12(编号为n和n+1)，它们都延伸到纸的平面中。还示出了单个Rx电极14(编号m)，其跨纸从左向右延伸。在实践中，Tx和Rx电极12、14可以在同一平面上或在不同平面上(例如，Rx电极14在Tx电极12之下或之上的平面上)。还图示了两个Hx电极20(编号为n和n+1)，它们与Tx电极12对准并且形状基本上相同。但是，位于每个Hx电极20内的是多个孤岛(Is)电极22，示出了其中的两个(编号为n x m和n+1x m)。应当注意的是，Hx和Is电极20、22都与Tx和Rx电极12、14以及其它Hx和Is电极20、22、身体和电气子系统的其余部分电隔离或分离且导电隔离或分离。这意味着Hx和Is电极20、22不与其它导电元件进行欧姆连接或直接连接，而是代替地保持电浮动。因此，为了假设任何给定的电位，Hx和Is电极20、22只能经由本地电容耦合与附近的元件(Tx/Rx电极12、14、其它Hx/Is电极20、22、手指28等)交互。图3还示出了手指28在它与两个Hx电极20都交互的位置，但与一个Is电极22的交互比与另一个Is电极22的交互强得多。图3中还示出了将一个Tx电极12连接到正电压并将另一个Tx电极14连接到负电压的两个高电压轨和开关。示出了多个相关的电容，并将在触觉和感测的讨论中被引用。

注意的是，在这个图示的优选实施例中，身体电位和设备电位(包括各种Tx、Rx、Hx和Is电极的电位)都以相同的局部地球地为参考。但是，这种配置仅用于说明目的，并不是本发明的必要条件。在其它实施例中，例如通过使用诸如隔离变压器或局部电池电源之类的已知技术，设备可以与局部地球地流电隔离，因此所有设备电位都可以以身体的电位或某个其它点为参考。此外，身体电位可以或可以不经由附加的流电(直接)连接或强电容耦合连接保持在局部地电位。事实上，本文公开的感测和电粘附驱动技术的一个优点是它对身体和设备的各种接地条件都是稳健的。

为了实现强电粘附效果，Hx电极20电位与人体电位之间的差异优选地尽可能高，从而在气隙两端创建最大可能的电场。在这个说明性情况下，假设人体电位接近局部地球地，意味着C_body被放电，而每个Hx电极20尽可能接近其相关联的Tx电极12的电位。在所示配置中，Tx_n相对于局部地球地被设置为+Vo伏，而Tx_n+l被设置为-Vo伏。在没有手指28的情况下，可以示出触觉电极实现以下电位：

Hx_n＝[C_z/(C_z+2*C_HH)]*Vo

Hx n+l＝-Hx n

为了最大化触觉电极电位，可以期望最大化C_z，这是每个Hx电极20与其镜像Tx电极12之间的电容，并最小化C_HH，这是相邻Hx电极20之间的互电容。前者建议使用更宽更长的Hx(和Tx)电极，并使用具有更大介电常数的更薄玻璃基板。后者建议相邻Hx电极20之间更宽的删除线。此外，如果相邻Tx电极12之间的删除线宽更窄(即，Tx电极12比Hx电极20更宽)，那么Tx电极12将具有屏蔽效果，从而进一步降低C_HH。这是个简化的分析，并且还有其它因素会起作用。例如，可以将其它电压施加到其它Tx电极12，这可以进而影响Hx电极20的电压。

如果手指28位于两个Hx电极20上方，那么它可以充当附加的互电容(即，添加的C_HH)并且可以进一步降低Hx电压。如果手指的一半在Hx电极20的每个极性之上，那么可以示出触觉电极实现以下电位：

Hx_n＝[C_z/(C_z+2*C_HH+0.5*C_HF)]*Vo

Hx n+l＝-Hx n

为了最大化触觉电极电位，可以期望最小化C_HF，这是Hx电极20的全集与手指之间的电容。但是，应当认识到的是，电粘附效果也取决于C_HF的量值。照此，对于给定的触摸面板设计，可以存在最优的C_HF值。可以通过改变覆盖Hx和Is电极的绝缘层的厚度、成分或粗糙度来调整C_HF。可替代地，它可以通过改变Hx和Is电极20、22本身来调整。例如，代替由连续的导体片形成这些电极，它们可以由导体的网格或由具有许多小孔的片形成。甚至可以根据Hx或Is电极上的位置来调整导体的面积密度，以便确保尽可能均匀的电场强度。作为又一个替代方案，Hx和Is电极20、22可以被分段，使得不同的部分实现不同的电位。例如，无论手指在触摸表面上的位置如何，这都可以有助于实现均匀的电粘附强度。

在优选实施例中，Hx(和Tx)电极的宽度是5mm并且沿着触摸表面的长度延伸，但是可以使用窄至0.1mm或宽至20mm的电极；Hx电极20之间的删除线宽度是200微米，但是可以使用窄至10微米或宽至1mm的宽度；并且Tx电极12之间的删除线宽度是60微米，但是可以使用窄至10微米或宽至1mm的宽度。玻璃厚度优选地是0.4mm，但是可以使用0.025mm至3mm的厚度；并且玻璃介电常数是6至7，但是可以使用3至80的介电常数。实际上，基板可以根本不是玻璃，而是可以是另一种介电材料(诸如塑料、蓝宝石或陶瓷)。

双极触觉和身体的电位

一般而言，身体的电位可以不在地球地，这意味着C_body未被放电。外部因素(诸如摩擦起电)可以影响身体的电位，但是为了简化的目的，这里忽略了这些因素。更重要的是Hx电极20本身可以影响身体相对于设备地的电位的事实。因为覆盖Hx电极20的绝缘体通常相当薄，所以触摸表面的手指(或其它身体部分)28可以与那些电极强耦合。如果手指28仅与单个Hx电极20强耦合，那么身体的电位将趋向于跟随Hx电极20的电位。在身体的电位弱耦合到地球地并因此弱耦合到设备地的情况下，这将导致身体与Hx电极20之间的小电位差，从而导致弱触觉效果。在设备线与地球地完全分离的情况下，这将不会在身体与Hx电极20之间留下电位差，从而导致实际上根本没有触觉效果。出于这些原因(以及涉及感测的其它原因)，Hx电极20优选地以这里描述的双极方式被操作。而且，Hx电极20可以被配置为使得手指28将总是触摸多于一个。有多种电极几何形状将实现这一目标。图1A示出了优选实施例，其中Hx电极20是条带，但足够薄以使得手指28将总是触摸多于一个。图4示出了另一个示例性布置，其中Hx电极20对彼此更深地内陷，甚至到更大程度，从而确保手指将覆盖每种极性的一个。所示的是三排深深内陷的双极电极。白色“加号”是孤岛电极22并且Hx(和Tx，未示出，但将是“镜像的”)电极20成对布置。在这个图像中，浅灰色电极(未示出)下方的Tx电极12以一种极性被激活，而深灰色电极(未示出)下方的Tx电极12以相反极性被激活。其它Hx电极20下方的Tx电极12保持在设备地电位。电极的内陷旨在确保放置在Hx对20上任何地方的手指28可能覆盖每种极性的大致相同面积，从而保持身体电位接近两种极性的平均值。这由图像中的圆圈30图示，其表示具有8mm直径的指尖接触(在这个实施例中Is电极22布置在5mm网格上)。如可以看出的，指尖28下方的每种极性的量(浅灰色和深灰色)大致相等，并且对于大多数手指位置来说这将是真实的。

图5示出了Hx和Tx电极20、12内陷的不同示例性方法，其涉及更薄的电极。在这个实施例中，Hx和Tx电极20、12在2.5mm节距上，正如孤岛电极22在图1和图4中所示的5mm节距上。虽然它要求两倍多的Tx线12，但是除了确保手指28与两种极性的大致相等部分接触之外，这种设计还有另一个优点。第二个优点是每个Rx(未示出，但在图中垂直延伸)电极14仅响应一种极性。因此，该方案不是导致差分信号(如下面所讨论的)，而是导致各自相对于地在单个方向上变化的信号。可替代地，两条相邻的Rx线14可以连接在一起并且可以应用本公开中讨论的平衡感测方法。

利用诸如这些的内陷几何形状(以及许多变化，现在对于本领域技术人员来说应当是显而易见的)和双极操作，身体电位被确保在两个Hx电极20的电位之间，靠近设备地。本质上，身体被两个相反极性的Hx电极20主动保持在虚拟设备地附近。这里使用的术语“虚拟地”并非表示身体用作低阻抗的汇或源，而是指它平均而言完全不受两个Hx电极20的影响。换句话说，将Hx电极20操作为双极对用于抵消或平衡它们相对于设备和设备地对身体电位的整体影响。

双极感测

通过测量从Tx线传输到Rx线12、14的信号来执行感测。为了解释的目的，考虑其中电压被施加到单根Tx线12并且在单根Rx线14处进行测量的情况。在优选实施例中，用于触觉的相同电压轨也用于这个目的，但是也可以使用其它电压。测量部分地是由于Tx和Rx电极12、14之间的互电容C_TR，但在本发明中，C_TR不受手指存在的影响。照此，本发明不是基于众所周知的互电容技术。代替地，它可以如下工作：当电压被施加到Tx线12时，它使得镜像Hx线20的电位以已经讨论过的方式变化。由于它们与Hx电极20和下面的Tx电极12都耦合，位于那个Hx电极20内的Is电极22也将实现接近Hx电极20的电位的电位。由于电容耦合C_RI，每个Is电极22也将影响下面的Rx 14电极的电位。如果手指部分地或完全地放置在给定的Is电极22(例如，Is_nxm)之上，那么Is电极22的电位将受到影响，并且这将进而影响与Tx_n、Rx_m相关联的测量。换句话说，创建信号的是手指对Is电极22的影响。

在本发明中，可以通过以双极方式对Tx电极12施加脉冲来控制面板上的信令。这意味着在每次测量时，有一个或多个Tx电极12在正方向上脉动，并且相等数量的Tx电极12同时在负方向上脉动。在优选实施例中，正和负Tx电极12相邻(如果Tx_n是正向，那么Tx_n-1是负向)，并且感测脉冲依次循环通过Tx电极12，在Rx线14上对每个脉冲进行测量。

双极脉冲对测量的影响取决于触摸面板的布局。例如，考虑图1中所示的面板设计。由于信号的双极性质，Is_nxm和Is_n+1xm的影响将抵消或平衡。当没有指尖接触面板时，电容负载是平衡的，并且在任何Rx线14上几乎没有测量到信号。当指尖与面板接触时，指尖下方的Is电极22承受更重的负载，并且不平衡的负载导致被触摸的Is电极22下方的Rx线14上的信号。

考虑直接在孤岛电极22Is_nxm之上居中的指尖，以及由Tx_n12上的正脉冲和Tx_n-1 12上的负脉冲组成的感测信号。由于绝缘层非常薄，因此手指与Is_nxm电极22有强电容耦合并将对其电位产生实质性影响。如前面所讨论的，双极驱动将保持手指靠近设备地；因此，手指将趋于将Is电极22朝着虚拟设备地拉动。在这种情况下，由于Is_nxm直接位于正脉动的Tx_n电极12之上，因此负载将不平衡，有利于负向Tx_n-1 12脉冲，并且Rx_m电极14将接收负信号。在下一个顺序循环中，Tx_n 12是负脉动的电极，并且由于负载不平衡，Rx_m电极14将接收正信号。

如果我们现在考虑给两个相邻的Is电极22(Is_n-lxm和Is_nxm)等量加载的指尖，那么Rx_m 14上的预期输出信号是不同的。在这种情况下，当Tx_n-1和Tx_n对12被激活时，Rx_m电极14将接收零信号，而当Tx_n-2和Tx_n-1对12被激活时以及还有当Tx_n和Tx_n+1对12被激活时，它也会接收信号。

介于上面提到的两种情况之间的指尖将表现出这两种信号类型的组合，并且可以通过两种加载条件之间的插值来推断位置。

图6示出了当指尖28沿着Rx电极14的方向从一个Is电极22向另一个电极滑动时所得到的信号如何改变的示例。在图中，示出了四个电极的阵列，从Is_n-1xm到Is_n+2xm 22。在每对电极下方居中的是表示在Rx_m 14上测得的预期信号的箭头32，条件是其上方和左侧的Tx电极(未示出)被负脉动并且其上方和右侧的Tx电极(未示出)被正脉动。在图6中所示的第一示例中(由带圆圈的“A”表示)，指尖28(示为圆角矩形)在电极Is_nxm 22上方居中，该电极负载很重。当Is_n-1xm 22被负脉动并且Is_nxm 22被正脉动时，所得的Rx_m 14信号是强负的。当在下一步中Is_nxm 22被负脉动并且Is_n+1xm 22被正脉动时，所得的Rx_m 14信号是强正的。当在下一步中，Is_n+1xm 22被负脉动并且Is_n+2xm 22被正脉动时，所得的Rx_m 14信号保持为零。这些信号由图中向下(负)和向上(正)箭头图示。

图6中所示的第二至第四示例(由带圆圈的“A”、“B”和“C”引用)粗略地示出了在给定不同指尖位置的情况下信号将如何产生。从这个图示中可以清楚地看出，选择哪个电极被负驱动以及哪个电极被正驱动对信号有实质性影响。照此，有可能选择不同的双极布置以便获得更多关于指尖或其它身体部分(例如，手掌)接触面板的信息，而不偏离本发明的精神，本发明的精神是使用双极脉冲用于感测以及触觉。例如，在一些情形下可以期望将正向和负向电极隔开一个电极而不是彼此相邻。这可以在某些情况下加重信号。应当理解的是，信令序列的替代选择也是本发明的一部分。

替代面板布局

如前面所提到的，双极脉动的效果确实取决于面板的布局。可以使用图7中所示的替代布局来代替图1的布局。关键区别在于，在图1中，每个Tx 12都耦合到每个Rx 14，而在图7中，每个第二个Tx 12都耦合到每个第二个Rx 14。照此，当一对双极脉冲被递送到两根相邻的Tx线12(例如，底侧的两根阴影线)时，正向脉冲主要耦合到Rx线14的一半而负向脉冲主要耦合到Rx线14的另一半。应当注意的是，孤岛电极22现在是菱形而不是方形网格，但是也可以使用其它布置。为了在孤岛电极22之间维持相同或相似的中心到中心距离，如图1中所看到的，Tx和Rx电极12、14两者的节距都可以减小大约二的平方根的因子。照此，这个面板可以具有近似多41％的Tx、Rx和Hx电极12、14、20。但是，这只是布局的一个示例，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，在本发明的精神内，许多其它面板布局是可能的。作为另一个示例，有可能使用如图1B中所示的Tx电极12的布置，但是Rx电极14的数量是其两倍。每个Rx电极14可以被配置为耦合到每个第二个Tx电极12。以这种方式，每个Rx电极14将仅耦合到单一极性，而不耦合到两种极性。

代替在每根Rx线14上进行独立测量，还有可能进行差分测量。例如，代替对Rx_i和Rx_i+2的单独测量，有可能测量Rx_i+2-Rx_i。这有两个优点：它减少了需要被读取的通道的数量，并消除了共模噪声。

虽然图7的布局在Tx和Hx电极12、20之间维持“镜像”关系，但这不是必需的。例如，如图8中所示，每个Hx电极20实际上可以跨越两个Tx电极12。通过这种面板设计，感测可以与图6中大致相同地工作：双极脉冲被施加到共享公共Hx电极20的两个相邻Tx电极12。在Hx电极20保持近似地电位时，由于电容耦合C_TI，孤岛电极22仍然在下面的Tx电极12的方向上浮动。放置在孤岛22之上的手指28将那个孤岛22朝着地拉回，尤其是因为手指28与地面Hx电极20强烈耦合。作为替代，Is电极22可以被完全消除并且由Hx电极20中的开口(例如，圆孔、星号形状或甚至狭缝)(未示出)代替。在这种设计中，一些始于Tx电极12的场线会在耦合回Rx电极14之前突出到触摸表面上方。放置在开口上方的手指会分散那些场线，从而在Rx电极14处接收到的信号中产生可测量的改变。为了创建触觉，使用四个Tx电极12，但也可以使用其它数量的Tx电极12。给定Hx 20下的两个Tx电极12以相同极性延伸，而相邻Hx14下的两个Tx电极12以相反极性延伸。

虽然优选实施例涉及形状像从触摸面板10的一侧延伸到另一侧的长条状的Tx和Hx电极12、14，但情况不必如此。本发明能够适应多种电极形状，只要它们可以以双极方式操作即可。例如，可以期望使用形状为蛇形并且占据面板的密集区域而不是从一侧延伸到另一侧的电极。例如，这对于定位触觉区域将是有用的。

双极感测和致动的附加好处

双极感测和触觉信令的使用也对设备向外界的辐射发射具有显著影响。在这种辐射发射可能影响附近电路或无线电接收器的保真度或可靠性的情况下，这是非常期望的。给定电导体的电磁发射能力由导体的长度和几何形状以及当前施加到那个导体的电流或电压的量支配。在本发明和优选实施例的情况下，相邻线共享几乎完全相同的几何形状和电瞬态响应。这就是面板上的双极信令减少辐射发射的原因。这是因为Tx和Hx线对12、14以相反的极性和相似的强度被驱动，这意味着它们的发射基本上彼此抵消了。这在远电场中尤其如此，但在面板和电极本身附近效果仍然明显且具有影响力。为了实现这种平衡，尽可能多地平衡正和负信号的各个方面是有帮助的。例如，可以匹配正和负电源轨，并且可以匹配用于打开和关闭信号的转换率。此外，每根Tx线12的总电阻和电容可以与每根其它Tx线12的总电阻和电容相匹配，类似地，每根Rx线14的总电阻和电容可以与每根其它Rx线14的总电阻和电容相匹配。

双极信令的另一个优点是在关于无意触摸电流(有时称为设备漏电流)方面双极信令赋予用户附加的安全性。这个电流被定义为在与设备进行正常触感接触的情况下在设备和用户之间流回地球地的无意电流。国际安全标准规定了各种类型产品(诸如医疗设备、消费设备等)中这种触摸电流的波形限制(振幅和频率两者)，并且通过遵守这些标准，市场上的大多数产品才被认为对于使用是安全的。双极感测和触觉信令将无意的电粘附触摸电流降至非常低的水平。这再次归因于信号的平衡性质，以及设备趋于将身体电位留在虚拟设备地附近的事实。这意味着触摸电流没有电流路径通过身体返回局部地球地。从本质上讲，这意味着由设备施加到身体的任何正电流同时被对应的负电流抵消，该负电流也由设备在该接触点处施加。这限制了在体内流动的电流的整体量值，以及它可能采用的电流路径。

双极致动的另一个优点是可以布置高电压双极致动信号，使得它们可能与双极感测信号完全抵消。正如双极致动信号可以在几何上被配置为抵消它们对身体的影响，从而将身体保持在虚拟地，它们也可以在几何上被配置为抵消它们对本发明的感测电路内的Tx和Rx电极12、14的影响。以这种方式，较高电压的触觉致动电路将不与较低电压的感测电路交互。致动电路将使感测电路不受影响。这可能允许使用较少数量的高电压电路被用于致动，而较大数量的低电压电路可以用于感测。这可以导致降低的成本、复杂性和功耗等优点。在这个实施例中，Rx电极14可以与图1B中类似地配置，而背面Hx电极20可能代替Tx电极12。这些背面Hx 20可以以与原始Tx电极12相同的方式与图1A中的顶面Hx电极20交互。附加的低电压Tx电极12然后可能直接放置在背面Hx电极20之间，并且感测节点和Is电极可以重新定位到Tx和Rx 12、14的新交叉点26，其在Hx电极20之间。

自电容感测

上述用于控制电粘附触觉和感测离散Tx-Rx交叉点26的状态的技术可以与自电容感测相结合。一般而言，与电极交叉点26相对，自电容用作测量各个电极(例如，Tx电极12)的状态的装置。在典型的实施方式中，电压被放置在电极上，而电流被测量并积分以估计相关联的电荷。电容被估计为电荷与所施加电压的比率，并且将取决于附近导电物体(诸如人的手指)的存在。已知自电容对于多点触摸感测存在问题，但它是搜集关于触摸状态的信息的快速且高效的方式。它在消除大且与地球地耦合良好的物体(如人体)与小且耦合不良的物体(如水滴)的歧义方面也非常有用。自电容常常与互电容测量结合使用。

在本发明中，双极自电容测量可以补充或甚至替代迄今为止已经描述的双极测量。信令将类似于已经描述的，但测量将是Tx电极12上的积分电流而不是Rx电极14上接收的信号。同一电极集合可以被用于自电容和互电容测量两者，或者可替代地，不同的电极可以被用于每个功能。例如，自电容电极和互电容电极可以交替。代替测量Tx电极12上的积分电流，当信号被发送到特定的Tx电极12时，可以通过将所有Rx电极14两端的信号相加来估计自电容。

保护电极

在优选实施例中，电信号被引入到基板10的底侧16上，而顶侧上的电极(Hx 20，Is22)电容耦合。通常，电信号是经由柔性电缆引入的，但是也可以使用其它类型的连接器。为了从柔性电缆附接到Tx和Rx电极12、14的点分发底侧信号，可以使用导电迹线。这些迹线本身就是辐射发射的源。为了限制发射，可以将保护电极38(在图9A和9B中示出)放置在顶侧的周边周围并且这个保护电极38可以电容耦合到底侧16上的地电极。地电极38可以大，占据除被导电迹线占据的区域之外底侧16周边的大部分。

顶侧保护电极38的附加优点是它维持与面板上其它地方发现的相同的整体光学叠层。换句话说，除了定义Hx和Is电极20、22的删除线之外，顶侧导电层18是均匀的。

面板构造

有许多可能的方式来制造具有本发明中预期的电极布置和绝缘层的触觉触摸面板。本发明依赖于四个主要组件：用于Rx电极14的构图的导电层1、用于Tx电极12的构图的导电层2、用于Hx和Is 20、22电极的构图的导电层3以及Hx和Is电极20、22之上的保护性电介质。这些层与其它层(诸如折射率匹配层、缓冲层、抗反射层、疏油层等)可以位于一个或多个基板上，具体取决于应用和客户的需求，如图10中所示，该图不包括所有可能的构造。例如，一种可能的构造涉及亲油而不是疏油的顶层。虽然疏油涂层可以限制身体油脂向触摸表面的转移，但是亲油涂层可以促进这些油脂的转移，但也会促进油脂在整个表面的均匀分布。

在优选实施例中，基板10是玻璃并且在顶部(触摸)表面上被蚀刻。使用蚀刻的或有纹理的基板可以导致增加的触觉强度，同时保持施加的电压、接触面积和介电层厚度相同。作为使用有纹理的基板的替代方案，可以在基板的顶部施加纹理。例如，纳米颗粒可以添加到Hx和Is电极20、22上方的绝缘层，或者绝缘层本身可以使用例如等离子体蚀刻来精确地纹理化。有纹理的触摸表面的附加好处是它可以确保所有环境条件下的触觉均匀性，包括高温和低温以及高湿度和低湿度。

如前面所提到的，图10并未覆盖构建设备的所有可能的构造和方式。例如，刚性或柔性塑料或任何其它类型的基板(无论是透明的、半透明的还是不透明的)都可以代替玻璃或者薄膜基板使用或与其结合使用。对于汽车应用的情况下的头部撞击或其它市场中的安全问题重要的防剥落可以通过将设备的基板或设备本身光学结合到显示器或将其结合到安装表面来实现。在顶部(触摸表面)是薄膜(柔性)或者刚性塑料基板的情况下，容易实现汽车头部撞击规范。

这里描述的优选实施例被称为OGS+(单玻璃溶液+)构造并且在图11中示出。但是，基板10不必是玻璃-它也可以是任何绝缘或半导体材料，诸如塑料、皮革、木材、布料等，其中触觉电极20在触摸表面上并且Rx和Tx电极12、14在相对的表面上。图11仅示出了玻璃基板上一个可能的OGS+叠层(即，层的集合)。介电硬涂层40是顶层，并且其后是包括Hx和Is电极20、22的构图的ITO层42。下一层是玻璃层44然后是黑色边框46。接下来是包括Tx和Rx电极12、14的第二构图的ITO层48。在那个层之后是聚合物绝缘层50、跳线和金属迹线52，然后是钝化层54。

对于柔性设备、3D或2.5D形状、或需要防剥落的应用，顶侧可以由膜制成。该膜可以是PET、PEN、PC、COC、COP、PMMA等，并且将具有导电层42和介电硬涂层40(图12)。同样可以添加其它涂层，诸如抗指纹和AR层。底侧电极可以放置在玻璃上或者也可以放置在膜56上，从而形成膜-膜构造。

可以理解，上述构造也可以应用于其它材料，诸如布、皮革、薄玻璃(＝<0.2mm厚)等。而且，触觉膜/Tanvas传感器可以被用于插入模具制造或其它类似工艺以生产具有复杂三维形状的设备。

虽然上文描述了本发明的某些说明性实施例，但本领域技术人员将认识到的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行改变和修改。

Claims (19)

1.一种间接触觉设备，包括：

基板，具有包括顶表面和底表面的触摸表面；

多个触觉电极和多个孤岛电极，布置在基板的顶表面上；

多个发射电极和多个接收电极，布置在基板的底表面上；

位置传感器，被配置为检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置；

摩擦调制器，与基板相关联并被配置为调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦；以及

控制设备，连接到位置传感器和摩擦调制器，其中控制设备被配置为将双极电信号施加到所述多个发射电极以既检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置又调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦；

其中所述多个触觉电极中的每个触觉电极与所述多个发射电极中的对应两个发射电极基本上对准并电容耦合。

2.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个发射电极包括与所述多个触觉电极中的第一个触觉电极对应并且基本上对准的第一对发射电极以及与所述多个触觉电极中的第二个触觉电极对应并且基本上对准的第二对发射电极，其中控制设备被配置为向第一对发射电极施加正电压信号并且向第二对发射电极施加负电压信号以产生触觉响应。

3.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

控制设备被配置为向所述多个发射电极中的第一个发射电极施加正电压信号并且向所述多个发射电极中的第二个发射电极施加负电压信号，其中第一发射电极和第二发射电极与第一触觉电极基本上对准，其中由正电压信号和负电压信号施加到第一触觉电极的组合信号基本上接近地电位电压以启用感测。

4.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个孤岛电极与间接触觉设备的其它导电元件没有任何欧姆连接或直接连接。

5.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个触觉电极在第一方向上跨基板的顶表面横向延伸并且所述多个发射电极在第一方向上跨基板的底表面横向延伸，其中所述多个接收电极在与第一方向基本上垂直的第二方向上跨基板的顶表面横向延伸，使得所述多个发射电极和所述多个接收电极形成多个交叉点；以及

所述多个孤岛电极中的每个孤岛电极在顶表面上与所述多个交叉点中的一个交叉点对准，以在所述多个交叉点中的所述一个交叉点与顶表面上的对应孤岛电极之间形成电容耦合。

6.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个触觉电极包括具有正极性的第一组和具有负极性的第二组，其中当用户的肢体接触触摸表面时用户的电位电压受到第一组触觉电极中的至少一个触觉电极的正极性和第二组触觉电极中的至少一个触觉电极的负极性的影响。

7.如权利要求6所述的间接触觉设备，其中：

当用户的肢体接触触摸表面时，用户的电位电压影响所述多个孤岛电极中的至少一个孤岛电极的电位电压。

8.如权利要求6所述的间接触觉设备，其中：

当用户的肢体接触触摸表面时，触觉电极的电位电压影响用户的电位电压，其中用户的电位电压影响用户的肢体所接触的所述多个孤岛电极中的每个孤岛电极的电位电压。

9.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个触觉电极和所述多个孤岛电极与间接触觉设备的其它导电元件没有任何欧姆连接或直接连接。

10.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

所述多个触觉电极被布置为使得所述多个触觉电极中的每个触觉电极至少部分地内陷到所述多个触觉电极中的另一个触觉电极中。

11.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

控制设备被配置为向第一组发射电极施加正脉冲并且向第二组发射电极施加负脉冲，其中第一组与第二组中电极的数量相同。

12.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

基板的顶表面和底表面之一或两者被蚀刻。

13.如权利要求1所述的间接触觉设备，其中：

双极电信号包括至少一个正信号和至少一个负信号，其中控制设备还被配置为平衡所述至少一个负信号的量值和所述至少一个正信号的量值的施加，使得由控制设备施加的信号的绝对量值基本上接近地电压。

14.一种方法，该方法包括：

提供具有触摸表面的基板，该触摸表面包括顶表面和底表面，其中多个触觉电极和多个孤岛电极布置在基板的顶表面上并且多个发射电极和多个接收电极布置在基板的底表面上；

向所述多个发射电极施加双极电信号；

经由双极电信号检测用户的肢体的一个或多个触摸位置；以及

经由向所述多个发射电极施加双极电信号来调制用户的肢体在触摸表面之间的摩擦，

其中所述多个触觉电极中的每个触觉电极与所述多个发射电极中的对应两个发射电极基本上对准并电容耦合。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

所述多个触觉电极在第一方向上跨基板的顶表面横向延伸并且所述多个发射电极在第一方向上跨基板的底表面横向延伸；以及

所述多个接收电极在与第一方向基本上垂直的第二方向上跨基板的顶表面横向延伸，使得所述多个发射电极和所述多个接收电极形成多个交叉点；以及

所述多个孤岛电极中的每个孤岛电极在顶表面上与所述多个交叉点中的一个交叉点对准，以在所述多个交叉点中的所述一个交叉点与顶表面上的对应孤岛电极之间形成电容耦合。

16.如权利要求15所述的方法，其中：

施加双极电信号的步骤还包括向所述多个发射电极的第一组施加正脉冲并向所述多个发射电极的第二组施加负脉冲，其中第一组与第二组中电极的数量相同。

17.一种间接触觉设备，包括：

基板，具有包括顶表面和底表面的触摸表面；

多个触觉电极和多个孤岛电极，布置在基板的顶表面上，其中所述多个触觉电极在第一方向上跨基板的顶表面横向延伸；

多个发射电极和多个接收电极，布置在基板的底表面上，其中所述多个发射电极在第一方向上跨基板的底表面横向延伸；

位置传感器，被配置为检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置；

摩擦调制器，与基板相关联并被配置为调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦；以及

控制设备，连接到位置传感器和摩擦调制器，其中控制设备被配置为将双极电信号施加到所述多个发射电极以既检测用户的肢体在触摸表面上的一个或多个触摸位置又调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦。

18.如权利要求17所述的间接触觉设备，其中：

所述多个触觉电极在第一方向上跨基板的顶表面横向延伸并且所述多个发射电极在第一方向上跨基板的底表面横向延伸；以及

所述多个触觉电极中的每个触觉电极基本上与所述多个发射电极中的对应一个发射电极对准。

19.如权利要求17所述的间接触觉设备，其中：

其中所述多个发射电极在第一方向上跨基板的底表面横向延伸并且所述多个接收电极在与第一方向基本上垂直的第二方向上跨基板的顶表面横向延伸，使得所述多个发射电极和所述多个接收电极形成多个交叉点；以及

基板的顶表面包括与所述多个交叉点中的每个交叉点对应的多个开口。

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