CN1316741C - 模制/集成接触开关/控制面板组件和用于制造该组件的方法 - Google Patents

模制/集成接触开关/控制面板组件和用于制造该组件的方法 Download PDF

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Abstract

接触开关与可以热成形的、注射模制成的和其它的基底相集成，用以形成集成的接触开关/控制板组件。形成的组件可以包括隆起、凹陷、固定器、重叠、铆钉和玻璃框或其它外壳。它们可以具有扁平的和弯曲的表面的任意一种组合。进一步，这种组件可以被包含到其它组件如汽车的部件中。

Description

模制/集成接触开关/控制面板组件 和用于制造该组件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2001年11月20日申请的美国临时专利申请No.60/334,040，以及2001年12月18日申请的No.60/341,350、No.60/341,550和No.60/341,551的优先权。这些申请公开的全部内容作为参考包含在本文中。
发明背景
1.技术领域
本发明涉及接触开关。更特别地，本发明涉及使用模制技术如热成形法、注入模制和类似方法将接触开关集成到控制面板和其它基底内。
2.背景技术
接触开关具有许多优点，并且很长时间以来都被用来代替机械开关。典型地，公知的接触开关包括接触衬垫和相关的控制电路。典型地，这种接触衬垫是由一个或多个电极，以及在某些情况下安装在刚性或柔性载体上的其它电子元件组成的。相关的控制电路可以安装在接近接触衬垫或远离接触衬垫的载体上，或者安装在其它的地方。典型地，接触开关载体连接在另一个预先形成的板上，该预先形成的板具有一个或多个与接触开关载体上的接触衬垫相对应的接触表面。这个板或接触表面基底(本文中也称为控制面板和/或控制面板基底)典型地是由玻璃或塑料制成的，并可以包括能提供人机控制或装饰控制面板接口的结构和特征。典型地，接触开关载体利用机械装置如双头螺栓和托架构件、咬接塑料组件、粘合剂或这些和其它机械连接构件和技术的组合而连接到接触表面基底上。
典型地，使用者通过用附件或其它物体接触或接近接触表面基底上对应的接触表面来触发这种接触开关，从而引起接触开关的相关控制电路内的响应。可以通过各种因素来影响该响应，上述的各种因素如接触衬垫和接触表面之间的分离(间距)，以及尤其是包括有接触开关载体和接触表面基底的板的材料特性。可以在例如美国专利No.5,594,222、No.5,856,646、No.6,310,611和No.6,320,282B1中找到关于接触开关的设计和操作过程的进一步详细说明。
尽管前述传统的装配工艺通常是很有效的，但有时它们仅提供很少的接触开关载体到接触表面基底的最优集成，因此可能对接触开关的操作产生不利的影响。例如，由于连接元件、接触开关载体和/或接触表面基底中的机械不规则性，双头螺栓和托架连接法有时在接触衬垫和接触表面基底上对应的接触表面之间产生不一致的间隔。而且，双头螺栓和托架组件可能会裂开，特别是在振动或其它恶劣环境中。在接触开关载体和接触表面基底之间的粘合剂不均匀的情况下，简单的粘合连接法可能在接触开关和对应的接触表面之间产生不一致的间隔。而且，粘合剂自身成分中存在的气泡和其它的不一致性可以对接触开关的性能产生不利的影响。
而且，前述的传统技术限制了最后的接触开关/接触表面接口的设计。例如，典型的是，传统技术中要连接接触开关的预先形成的基底是扁平的，以便于制造和连接处理。利用了传统连接技术的接触开关到非扁平基底上的连接可以带来与连接处理的复杂性和连接本身的可靠性有关的问题。
发明内容
本发明通过将接触开关载体与其它基底集成来克服现有技术中的缺点，然后上述其它基底作为控制面板，该控制面板具有与位于下面的接触开关相对应的接触表面。例如，本发明利用模制处理如热成形法或注射模制法和类似方法使接触开关和它们的载体与接触表面基底进行集成。机械锚定和粘合剂可以连同这种模制技术一起使用，以进一步确保单个的元件正确地啮合到集成接触开关/控制面板组件内。
根据本发明，集成接触开关/控制面板组件可以包括凹陷和隆起，它们提供能触知的反馈给使用者，还可以包括玻璃框和外壳，它们框住模制基底的使用者接口部分。而且，根据本发明的集成接触开关/控制面板组件可以被包含作为更大和更复杂的组件中的部件。例如，本发明可以被用来将操作汽车电动窗的接触开关集成到汽车门板或中央操纵台内。本发明的集成接触开关/控制面板组件可以简化制造过程，减少制造成本，优化接触开关性能，使接触开关的设计更灵活，并从而增加接触开关所适用的各种应用的数量和类型。
附图说明
图1A-1F示出了将接触开关载体连接到接触表面基底的粘合载体基底的实施例；
图2A-2B示出了将接触开关载体连接到接触表面基底的粘合载体基底的另一个实施例，其中构成粘合载体基底以与设置在接触开关载体上的元件相符合；
图3A-3B示出了将接触开关载体连接到接触表面基底的图2A-2B的粘合载体基底，构成该粘合载体基底以与设置在接触开关载体上的元件相符合；
图4A-4D示出了通过将接触开关载体结合到可以热成形的接触表面基底而形成的集成接触开关组件；
图5A-5B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与设置在刚性接触开关载体上的元件相符合；
图6A-6B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与刚性接触开关载体相符合，并俘获住该刚性接触开关载体；
图7A-7B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与安装在刚性接触开关载体上的元件相符合，并且也与刚性载体相符合，并俘获住该刚性载体；
图8A-8B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与接触开关载体相符合，其中固定器将接触开关载体固定到接触表面基底；
图9A-9B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与接触开关载体和安装在其上的元件相符合，其中固定器将接触开关载体固定到接触表面基底；
图10A-10F示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与刚性接触开关载体和设置在其上的元件相符合，其中多个元件中的某一些起到固定器的作用，将载体固定到基底；
图11A-11B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与刚性接触开关载体相符合，并形成将载体固定到基底的铆钉；
图12A-12B示出了具有可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底与刚性接触开关载体和设置在其上的元件相符合，俘获住载体，并形成将载体固定到基底的铆钉；
图13示出了热成形处理的某些方面；
图14A-14B示出了具有可以热成形的基底的集成接触开关组件，该基底与安装在载体上的元件相符合，该载体包括装饰基底；
图14C-14F示出了具有可以热成形的基底的集成接触开关组件，该基底与装饰基底和安装在其上的元件相符合；
图15A-15D示出了具有限定出接触表面的表面凹陷和可以热成形的接触表面基底的集成接触开关组件，该可以热成形的接触表面基底连接到可以热成形的载体上；
图16A-16F示出了与图15A-15D所示的相似但具有限定出接触表面的隆起的集成接触开关组件；
图17A-17C示出了与图16A-16F所示的相似的集成接触开关组件，其中可以热成形的接触表面基底与设置在接触开关载体上的接触开关元件相符合；
图18A-18D示出了与图15A-15D所示的相似的集成接触开关组件，其带有作为接触表面的装饰的可以热成形的基底，并进一步包括限定出接触表面的升高区域；
图19-26示出了具有各种不同的结构但都是利用注射模制技术形成的集成接触开关组件，该各种不同的结构说明了图4A-18D所描述的本发明的原理；
图27-29示出了具有顺从接触表面基底的集成接触开关组件，该顺从接触表面基底提供了与机械开关有关的触觉反馈相似的触觉反馈；
图30-31示出了应用图12A-12B和17A-17B所描述的本发明原理的集成接触开关组件；
图32-34示出了具有铆钉的集成接触开关组件，该铆钉由顺从基底形成并用各种不同的方式集成到接触开关组件内；和
图35-41示出了具有玻璃框和框架的集成接触开关组件。
具体实施方式
尽管为了说明的目的，附图中通常描述的是电容性和电场接触开关，但本领域的技术人员可以看出本发明的原理适合于任意方式的接触开关器件，包括，但并不限定为电容性接触开关、红外线接触开关、电场接触开关、声接触开关和电磁接触开关。特殊的例子包括在美国专利No.5,594,222、No.5,856,646、No.6,310,611和No.6,320,282中所描述的接触开关，上述每一个专利的发明人都是David W.Caldwell。因此上述美国专利公开的内容都作为参考包含在本文中。美国专利申请名称为“Intelligent Shelving System”的No.10/271,933、名称为“Touch Switch with Integrated ControlCircuit”的No.10/272,377、名称为“Touch Sensor with IntegratedDecoration”的No.10/272,047和名称为“Integrated Touch Sensorand Light Apparatus”的No.10/271,438 中所公开的内容也都作为参考包含在本文中，上述申请都是在2002年10月15日申请的，发明人都是David W.Caldwell。
图1A-1F描述了将接触开关载体连接到接触表面基底以形成接触开关/控制面板组件的公知的方法。图1A示出了图1B中所示的接触开关/控制面板组件的单独的各层。该组件包括承载三个接触开关40的接触开关载体50，每个接触开关40都包括电极60、集成控制电路62和电轨迹63；接触表面基底51；和具有粘合层54和55以及覆盖住粘合层55的衬板56的粘合载体基底52。其它的实施例可以包括比三个接触开关更多或更少的接触开关，或者可以包括具有不同结构的接触开关。衬板56必须被去除以露出粘合层55，因此基底51可以连接到接触开关载体50上，如图1B所示。图1C-1D示出了相似的连接技术，其中接触开关被具体化为不具有集成控制电路的电容性接触开关41。图1C-1D以及1F中所示的接触开关41包括内电极60和外电极61，并使它们适合于使用差动控制电路(未示出)。图1E的接触开关40包括单一的电极60、集成控制电路62和将二者连接起来的轨迹63。前述的接触开关结构以及其它结构都可以用于本发明所有的实施例。在一些实施例中，优选的是使用单一的电极60，而在其它实施例中优选的是使用图1F中的双电极结构。其它的接触开关结构也是可以的，其包括分别具有附加电极、各种不同形状和尺寸的电极、和/或示出的或没有示出的省略了或增加了集成控制电路的接触开关。
图2A示出了图2B中所示的接触开关/控制面板组件的单独各层。图2A-2B中，基底51利用粘合载体基底52结合到接触开关载体50的元件承载侧190上。这种设计减小了接触表面基底51上的接触表面90和电极60之间的分离。粘合载体基底52包括切除部分57，以用来清理集成控制电路元件62。
图3A示出了图3B中所示的接触开关/控制面板组件的单独各层。这些图与图2A和2B相似，只是图3A和3B进一步说明了基底51中的切除部分58，该切除部分58用于补充清理集成控制电路元件62。图2A-3B中，有利的是，保护电极60、轨迹63和集成控制电路62不受环境影响，但实际的努力是需要制做粘合载体组件(和图3A-3B中的接触表面基底51)，以清理集成控制电路62。
本发明的集成接触开关/控制面板组件可以避免出现与公知的粘合连接技术有关的问题，并可以减少接触开关制造过程中的复杂性。根据本发明，接触开关载体与其它板和基底的集成也使得更灵活地形成控制面板接口，其提供了使用者的反馈。例如，本发明允许利用注射模制法、热成形法或相似的技术将柔性或可成形的接触开关载体与其它基底进行集成，上述这些技术将形成的接触开关定形成人机控制的结构。根据本发明，集成接触开关/控制面板组件可以显示出接近接触表面的质地、凹陷和隆起，该接触表面能触知地将在控制面板上的这些区域通知给使用者，该控制面板可以被接触以产生所希望的响应。
集成接触开关/控制面板组件可以具有不同于传统的接触开关和控制面板组件的优点。例如，本发明允许将接触开关集成到通常由热成形法或注射模制法形成的结构内，如汽车的仪表板或内门板结构。此外，与本发明相适合的模制法、成形法和其它技术可以更有效地形成具有增强的机械集成性能的接触开关/控制面板组件。例如，本发明可以应用可减少材料和加工工具需要量(通过减少所需的粘合剂)以及人工成本(超声波焊接可以是自动化的)的超声波焊接技术，并可以确保达到坚固的机械集成(通过利用这种技术以形成铆钉或将接触开关载体和接触表面基底合并到一起)。
此外，由于通过形成控制面板基底使其达到所希望的薄的程度，可以减小(与现有技术相比)使用者的接触与电极之间的间隔，所以根据本发明的集成到控制面板内的接触开关可以是特别灵敏的，并可以产生特别高的信号电平；在现有技术中的接触开关中，开关的灵敏度至少部分是由控制面板基底的厚度确定的。由于下面将描述本发明的各种实施例，本发明更多的优点对于接触开关设计和应用领域的技术人员来说都将是很明显的。
图4A-18B示出了本发明的基本实施例，其都包含具有可以热成形的基底的集成接触开关，包括利用简单的压力成形法形成的那些。图4A-18D的可以热成形的基底可以由塑料或者任意的可以热成形的介电材料组成。热成形法可以包括在加热条件或压力条件或者两者都具备的条件下的模制法。根据使用的具体的可以热成形的介电基底，根据本发明可以使用任意的高或低温，包括环境温度，以及高或低压的结合。
图4A-5B中，粘合连接技术与本发明的热成形技术结合使用。图4A示出了图4B中所示的接触开关/控制面板组件的单独各层。该组件包括三个设置在接触开关载体50上的接触开关40，每个都包括电极60、集成电路62和电轨迹63。接触开关载体50可以是任意一种适合的传统的基底，包括但并不限定于印刷电路板、塑料、玻璃或柔性或可以热成形的材料。在这些图中(以及在图4C-12B中)示出的接触开关载体50是由刚性材料组成的，但由特定应用所决定，作为替换也可以使用柔性载体基底。接触开关载体50可以是不透明的、透明的或半透明的，并且如参考图14A-14B所描述的可以包括装饰层。
粘合层55设置在接触开关载体50的侧290上。粘合层55可以由任意一种适用于接触开关载体和接触表面基底的粘合剂组成，包括但并不限定于热固性、热塑性、环氧性、热激活性或紫外线固化性粘合剂。由于热量和压力可以是热成形处理过程中的固有要素，所以根据本发明，实际应用中需要加热或压力的粘合剂特别适用于制造热成形接触开关/控制面板组件。热成形处理可以用来消除不相电容性，否则其可能会产生在(以及由于存在)粘合层55中。例如，热成形处理的压力成分可以消除气泡和不均匀性，其有时会产生在现有技术中接触开关的粘合层中，这样就克服了如一开始所讨论的简单粘合连接处理中的缺点。
图4C-4D与图4A-4B相似，只是图4A-4B说明了接触开关40，其每个都具有单一的电极60和集成控制电路62，而图4C-4D说明了电容性接触开关41，其每个都具有两个电极60和61，而没有集成控制电路。尽管这里没有说明，但这些实施例，以及本发明的所有包含热成形法的其它实施例都可以包括结构化(textured)的接口，其可以在热成形处理过程中形成在热成形组件的接触侧上，或更特别地，覆盖住操作接触表面90。结构化的接口可以提供能触知的反馈给使用者，该使用者可以更容易地确定特定的接触表面的位置。
图4A-4D说明了粘合层55设置在接触开关载体50的非元件承载侧290上的实施例，该非元件支持侧290不承载任何接触开关元件。图5A-5B说明了粘合层55设置在接触开关载体50的元件承载侧190上的可替换的实施例。图5A示出了组合之前的图5B中所示的接触开关/控制面板组件的单独各层。当接触开关载体50和接触表面基底51被热成形在一起时，基底51适应电极60、集成控制电路62和轨迹63，使电极、集成控制电路和轨迹可以基本上封装在接触开关载体50和基底51之间，以有效地保护接触开关元件和电路不受湿气和其它环境条件的影响。如图5B所示，接触表面90可以设置在已完成的组件的任意一侧上。
图6A-7B说明了基底51热成形到接触开关载体50上的实施例。图6A和7A分别示出了组合之前的图6B和7B中所示的接触开关/控制面板组件的单独各层。图6A-6B中，所示的电极60和集成控制电路62在接触开关载体50的同一侧190上，而在图7A-7B中，所示的电极60和集成控制电路62在接触开关载体50的相对侧上。图7A-7B中，将集成控制电路62电连接到电极60的轨迹63延伸通过接触开关载体50。在这个实施例中，轨迹63可以是接触开关载体50的整体部分，或者可以是通过接触开关载体50的切除部分(未示出)插入的单独的元件。可以利用其它合适的技术来通过接触开关载体50将电极60与集成控制电路62相连接，而不会脱离本发明的精神。
电极60优选的位置根据实际应用来确定。如图7A-7B所示的电极60位置的一个好处是，电极60完全与环境隔绝。与图6A-6B所示的实施例相比，另一个好处是，电极60更接近接触表面90，因此在对应的接触表面90上会产生更强、更容易检测到的信号。
在图6B和7B中，所示的可以热成形的基底51热成形到并覆盖住接触开关载体50，已形成重叠(overlay)80，该重叠帮助将载体50固定到基底51上。在要形成到一起的载体和基底没有利用热成形技术很好地结合的情况下，或在它们彼此间没有最佳地相兼容的情况下，可能在载体和基底之间存在不明显的气隙。
图8A-9B示出了改善可以热成形的接触表面基底51和接触开关载体50的连接的另一种方法，其中，支承在接触开关载体50上的机械固定器70刺入可以热成形的基底51。尽管该技术和图6A-7B中的技术可以一起使用以进一步提高载体50与基底51的集成性能，但这种结构不需要图6A-7B中的重叠81。更特别地是，图8A和9A分别示出了组合之前的图8B和9B中所示的接触开关组件的各层。所示的固定器70是很窄的元件，其基本上垂直地插入到接触开关载体50内。优选地，固定器70包括倒钩71或其它的突出部件，如图8A-9B所示，或者对于本领域的技术人员公知的其它结构，如带角度的分支或圆形端头(未示出)，它们可以帮助将固定器70固定到基底51上。固定器70也可以用许午多其它的方式构成。
图10A示出了组合之前的图10B中所示的接触开关组件的单独各层。这个实施例示出了利用电极64作为固定器而连接到接触开关载体50的可以热成形的基底51。尽管示出的这个实施例也包括机械固定器70，但可以省略固定器70。此外，为了不需要单独的机械固定器，与其它的实施例相比，如所示的作为固定器构成的电极可以使接触传感器电极更接近对应的接触表面90，从而增强接触表面处的信号的强度。图10A-10B中，电极固定器64被装上倒钩，以在接触开关载体50和可以热成形的基底51之间提供了更可靠的连接。图10C-10E描述了电容性接触式传感器的电极固定器64的另一种可能结构。图10C示出了图10D中的集成接触开关组件的分开了的各层，其包括可以热成形的基底51和具有电极固定器64的接触开关载体50，该电极固定器64的形状像圆形端头，并且接触开关载体50还具有支承在其上的电极160和161。可以提供介电层59以在热成形处理过程中为电极160和161提供机械支撑。在热成形处理过程中，可以热成形的基底51绕电极固定器64流动并适应电极固定器64的形状，冷却后就形成紧密连接的一部分，这种紧密的连接可以保持并控制组件的尺寸稳定性。图10E示出了支承在图10C的接触开关载体50上的前述元件的顶视图。图10A-10E的电极固定器64可以是任意一种非绝缘的材料，包括但并不限定为石墨、铜或导电涂层塑料。由于具有其它的机械固定器，所以电极固定器64可以减少或取消对于粘合剂的需要。图10F是电极64分别与图10D的被接触表面90、图10C-10E的集成接触开关的电极160和电极161之间的电容C1、C2和C3的示意性表示法。
图11A-13的横截面图说明了经过热成形处理由可以热成形的基底51形成铆钉270的实施例，该铆钉270通过切除部分157(在所示的实施例中穿透电极60的部分)穿透接触开关载体50，并将接触开关载体50和基底51固定在一起。切除部分157可以是任意一种形状或尺寸，并且不必需要穿透电极60。重叠81进一步将接触开关载体50和基底51固定在一起。
图11A和12A分别示出了组合之前的图11B和12B中所示的接触开关/控制面板组件的分开了的各层。图11A-11B中，基底51被热成形到接触开关载体50的非元件承载侧290上。图12A-12B中，基底51热成形到接触开关载体50的元件承载侧190上。图11B和12B中，所示的每个铆钉270都穿透电极60。在其它的实施例中，根据特定应用的需要，铆钉270可以形成在沿接触开关载体50的任何位置上。但是，图11A-12B的结构有利的是，铆钉270帮助确保实现并保持接触表面90和电极60之间所需的分隔。当紧接着热成形处理解除铆钉270的冷却或压力后，机械结合就会将接触开关载体50固定到基底51上，而不需要单独的机械结合组件。图13示出了压制/模制装置，其包括滚筒200和模子202，它们可以用来制造图11A-12B中所示的组件。
上面详细描述的所有附图都示出了刚性接触开关载体。如上面说明的，对应于这些附图的本发明的实施例可以代替应用柔性或可以热成形的接触开关载体。使用柔性或可以热成形的接触开关载体具有特定的优点，将在下面参考图14A-18D描述这些优点。
图14A、14C和14E分别示出了组合之前的图14B、14D和14F中所示的接触开关组件的分开了的各层。图14A说明了根据名称为“TouchSensor with Integrated Decoration”，2002年10月15日申请的美国临时专利申请No.60/341,551和相关的美国专利申请No.10/272,047中所述的发明的柔性接触开关载体50，该柔性接触开关载体50具有设置在其上的装饰层102。图14B的集成接触开关/控制面板面板组件包括柔性尾端72，该柔性尾端72是柔性接触开关载体50的一部分，其没有直接固定到可以热成形的基底51上。柔性尾端72可以包括电路轨迹63，并可以证明在提供到信号或到电源或到地的连接方面是很有利的，或者可以将电路轨迹63引到控制电路上，该控制电路没有与特定接触开关的各种元件集成或接近该各种元件。柔性尾端72也可以用于从其模子上移走热成形的接触开关/控制面板组件。柔性尾端72特别有利的是，它可以围绕干扰和障碍物，并可以在基底51的下面被连接。
同样地，在某些方面，图14C-14D示出了带有装饰层102和连接器73的集成接触开关/控制面板组件，其可以起到与如上所述的柔性尾端72相同或相似的电功能。连接器73被示出由可以热成形的基底51的切除部分74容纳。可替换的，连接器73可以连接到接触开关载体50，并根据特定接触开关和实际应用的设计而以任意一种结构定向。尽管弯曲末端(未示出)可以连接到刚性载体50，使得可以利用刚性载体和柔性尾端连接两者的优势，但连接器73在接触开关载体基底50是刚性的情况下也是很有利的。图14E-14F示出了与图14C-14D中所示的相同的本发明的原理，但图14E-14F带有电容性接触开关及它们的元件。柔性尾端72和连接器73都可以将电极60、61连接到例如一控制电路上，该控制电路不接近接触开关。
如图15A-18D所示，集成接触开关/控制面板组件可以在热成形处理过程中成形。这些图示出了集成接触开关/控制面板组件的有利构造，但根据具体应用的需要本发明的集成接触开关/控制面板组件可以形成为其它的结构。有利的是，图14A-18D的可以热成形的基底51也可以是要被集成到单独的装置或组件如汽车中的结构部件，如门板，其通常包括热成形的部件。然后对应的接触开关将是最后形成的装置或组件的集成零件。
本发明的任意一个实施例都可以用来将接触开关组件集成到另一个组件的元件中。参考说明了利用热成形技术制成的成形接触开关/控制面板组件的图15A-18D所描述的本发明的原理可以证明在将接触开关组件集成到更复杂组件的元件中时是特别有用的。这是因为，被集成到包括如门板这种部件的控制面板中的接触开关通常可能很难使使用者在不从另一个任务如驾驶中转移注意力的情况下来定位。参考图15A-18D所讨论的本发明的原理可以通过提供能触知的反馈给使用者而减轻这种困难，这样，上述使用者可以通过元件自身的形状而被提醒告知操作接触表面的位置。
如上所述，将接触开关集成到形成的元件中消除了对单独的控制面板的需要，该单独的控制面板需要被包含到产品中。这在大量的控制面板可能弄乱接口空间如汽车的仪表板和/或操纵台的情况下是特别有用的。对分开板的需要的消除也可以消除一定的设计局限性，解放最后的装置或组件的设计者和制造者，以简化接口空间的设计，减少干扰，提供更容易的清洁，并减小组件处理的成本和复杂性。
图15A和15C分别示出了组合之前的图15B和15D中所示的接触开关/控制面板组件的分开了的各层。图15A示出了接触表面基底51和具有两个接触开关的接触开关载体50，每个接触开关都包括内电极60、外电极61、集成控制电路62和连接这些元件的轨迹63。图15C与其相似，只是图15C示出了单个的电容性接触开关，其不包括集成控制电路。根据本发明，接触表面基底51和接触开关载体50被集成到一起，并通过热成形处理被模制，以形成图15B和15D所示的接触开关/控制面板组件。尽管实际应用本发明时可以不在组件上的所有接触表面90上形成凹陷91，但如所描述的，这些组件在每个接触表面90上都包括凹陷91。凹陷91可以用来提醒使用者存在有接触表面90。这种设计允许通过设置凹陷91以使使用者能触知地定位接触表面而不会无意中触发接触开关。
这些实施例非常适于用在差动传感技术中，该技术可以减小不希望的触发的发生。为此，内电极60和外电极61可以连接到差动控制电路上以中断差动控制电路的输入，该输入是由对两个电极周围的电场进行干扰产生的。可以这样构成该差动控制电路，使得仅在内电极60独自被接触激励时才触发接触开关，而在单独接触激励外电极61或基本上同时地接触激励内电极60和外电极61时不触发接触开关。这个实施例在例如汽车应用中可能具有特殊的价值，其中接触开关被集成到操纵台内，该操纵台还可能起到扶手的作用。如果一个胳膊一次覆盖住了整个接触开关，则因为会同时地激励内和外电极，所以接触开关不会被触发。可替换的，因为凹陷91的存在，在胳膊覆盖住整个接触开关的时候，接口的几何形状会使内电极60的位置比外电极61离胳膊更远，所以胳膊激励外电极61周围的电场的程度会比内电极60周围的电场的程度更强，这样就不会触发接触开关。因此，这种和相似的接触开关结构可以防止不希望的开关致动。通过使基底51在电极60上面的区域中比在电极61上面的区域中相对地厚，可以得到类似的好处。为了触发接触开关，这种结构(未示出)需要相对准确的定向或者清楚的预期的激励。
图16A-18D说明了在每个接触表面90周围进一步包括隆起92的实施例。隆起92提高了使用者触知或在视觉上定位操作接触表面90的能力，而不会无意中触发接触开关。这些附图还证明了内和外电极60和61可以采用应用或设计的指示所需要的任意形状。
图16A、16D、17A、18A和18C分别示出了组合之前的图16B、16E、17B、18B和18D中所示的接触开关/控制面板组件的分开了的各层。图16C示出了带有集成控制电路62的接触式传感器，该接触式传感器具有电路电极60和61，而图16F示出了具有矩形电极60和61的电容性接触式传感器。图17A-17C与图16A-16C的不同在于图17A-17C中的基底51适合于接触开关载体50的元件承载侧190上的元件。这种结构可以减小接触表面90，更特别是接触表面90的部分和内电极60之间的距离，并也可以将电极60和61、轨迹63以及集成控制电路62封装起来以与环境隔离。图18A-18D说明了接触开关载体50包括装饰层102的本发明的实施例，该装饰层102具有在其上做了标记的接触表面90，并因此，集成并成形的接触开关可以热成形到更厚的基底51上。图18A-18B说明了利用具有电极60、61和集成控制电路的接触开关的实施例，而图18C-18D说明了利用具有电极60、61，但不具有局部控制电路的电容性接触开关的实施例。尽管本发明在实际应用时可以不具有柔性尾端72，但图18C-18D进一步说明了柔性尾端72，其可以用来将电极连接到遥控的控制电路上。
在前述的任意一个实施例中，可以热成形的基底51可以根据设计或实际应用的需要而采用各种结构。例如，可以热成形的基底51可以是平表面和弯曲表面的任意一种组合。
图19-26中，本发明的原理应用到了利用注射模制技术形成的集成接触开关/控制面板组件中。根据模制材料的特性以及设计和实际应用的需要，该注射模制法可以在各种温度和压力条件下执行。模制材料可以是任意一种适合的材料，包括塑料，并且集成接触开关组件的最后形状是由要注射入材料的一个模子或多个模子的结构确定的。
图19-26的集成接触开关组件包括与接触开关载体50集成到一起的模制接触表面基底151。每个载体50都包括两个接触开关，每个接触开关都包括电极60、61、集成控制电路62和轨迹63。图19-22说明了包括柔性接触开关载体50和柔性尾端72的实施例，而图23-26说明了包括刚性接触开关载体50和连接器73的实施例。
图19-25的实施例进一步包括粘合层55，其帮助将接触开关载体50与模制基底151进行集成。在这些结构中，粘合层55可以是任选的，主要根据接触开关载体50和模制基底151的特性来确定。可替换的，可以使用其它的或另外的辅助连接方法，包括铆钉或固定器。
图19-20的实施例包括装饰层102，其限定出了设置在接触开关载体50上的接触表面90，并带有提供支撑的模制基底151。可替换的，可以直接装饰接触开关载体50，这样可消除对单独的装饰层的需要。图20的集成接触开关与图19所示的结构相似，只是根据本发明的原理，其包括环绕接触表面90的凹陷91和隆起92。
图21示出了带有模制基底151的集成并成形的接触开关组件。图22示出了图21的集成并成形的接触开关组件，其中模制基底151基本上环绕接触开关载体50，从而保护接触式传感器元件不受不利的外部环境条件的影响，如湿气、化学制品和类似物的影响。在这些实施例中，模制形成基底151以形成环绕接触表面90的凹陷91和隆起92，它们与位于下面的接触开关相对应。在可替换的实施例中，可以省略凹陷91和/或隆起92。
图23-26示出了本发明的各种实施例，其中是利用注射模制技术制造的集成接触开关/控制面板组件。图23中，接触开关载体50是包括固定器70的印刷电路板，图23示出了在某些方面受热成形处理作用影响的结构。模制基底151通过粘合层55、固定器70和重叠81固定到接触开关载体50上，同时接触表面90用凹陷91来指示。图24中，所示的具有模制基底151的接触开关载体50模制到接触开关载体50的非元件承载侧290上。图25中，将图23和24的各个方面组合起来，使得所示的接触开关包括凹陷91和模制到接触开关载体50的非元件承载侧290上的模制基底151。图26中，所示的模制基底151基本上环绕着接触开关载体50，这样潜在地消除了对于固定器70的需要。
图30-31示出了穿透接触开关载体50的铆钉270，其包括电极60，以将柔性接触开关载体50固定到模制基底151上，其限定了接触表面90。在其它的实施例中，铆钉270不需要穿透电极60。图31中，所示的图30的集成接触开关/控制面板组件通过粘合层55粘贴到附加基底152上，该附加基底152可以根据本发明或其它情况的方式来提供，并且其可以提供刚性给图30的集成接触开关/控制面板组件。图30和31的集成接触开关组件示出了其使用的固定器70，以及在这种情况下外观类似的圆形端头。图30-31中所示的实施例可以利用注射模制法或热成形技术形成，但注射模制技术可以证明是更有利的是，它们可以完全密封住接触式传感器的元件，并使它们与环境条件相隔离。
图27-29和32-34示出了本发明的另一个实施例，该实施例包括使用顺从接触表面基底，以提供能触知的和其它类型的反馈给使用者。顺从接触表面基底可以符合使用者的接触，告知使用者操作接触表面已经定位好。带有顺从接触表面基底的接触开关也可以构成为要求在触发接触开关之前顺从接触表面基底的很少量的凹陷。用这种方式构成的接触开关/控制面板组件如所希望的一样提供了与机械开关的操作有关的能触知的反馈。
图27中，所示的顺从(compliant)基底53一般覆盖住了包括接触开关40的接触开关载体，因此也限定出了接触表面90。顺从基底53可以是可热成形的、注射模制成的、或连接到任意一种接触开关组件上形成的，该任意一种接触开关组件包括根据本发明的集成接触开关组件。当通过热成形法或注射模制法形成顺从基底53，顺从基底53可以是任意一种适合的材料，包括塑料。当不是通过热成形法或注射模制技术形成顺从基底53，顺从基底53可以是由皮革、乙烯树脂、橡胶、泡沫塑料、塑料或其它任意一种顺从材料组成的，并且可以利用公知的技术，包括粘合技术，连接到本文中所述的任意一个实施例的集成接触开关/控制面板组件中。顺从材料也可以是覆盖板(overlay)，如用在传统的采用预成型拱顶的膜片开关、拱顶开关和其它类似结构中使用的那些覆盖板。接触表面90可以用在成形处理过程或其它过程中形成的纹理、在成形处理过程或其它过程中形成的凹陷或隆起、或者装饰层来指示，或者根据特定应用的需要用其它任意的方式来指示，其中上述装饰层本身可以包括带有纹理的区域。
图28-29中，所示的顺从基底53夹在接触开关载体50和由任意适合的材料组成的第三基底150中间。图28中，例如，基底51可以是可热成形的，或是注射模制形成的，并且也可以是通过固定器70穿透形成的，该固定器70连接到接触开关载体50或顺从基底53上。各种结构和装配工艺都可以用于本实施例。例如，参考图29，接触开关载体50可以是印刷电路板，并可以包括机械连接装置，该机械连接装置热成形到作为子配件的基底52上，该基底52要在两步共注入处理过程中模制到顺从基底53和基底150上。图29中，基底52密封住接触开关组件的各个元件，并被支承在接触开关载体50上的固定器70穿透。因此，图29的基底150可以利用粘合层55或通过热成形法或模制技术或者通过这两种方法的组合连接到顺从材料53上。优选地，基底150包括与操作接触表面90正对的孔，以允许使用者接触顺从基底53。
图32中，顺从基底53形成到模制成的基底151的区域中，以形成铆钉270，铆钉270可以提供机械开关所具有的能触知的优点。顺从基底53可以通过共注入技术、通过选择性分配、或通过超声波焊接来提供，并可以使用粘合剂将顺从基底53结合到基底151上。尽管所示的基底151是通过注射模制法形成的，但基底151也可以用热成形法形成，或预先成形以容纳本发明具有各种结构的实施例，包括铆钉270。
图33-34中，顺从材料53形成穿透基底51和接触开关载体50以及接触开关电极元件60的铆钉270。从而可以减少或完全取消对粘合剂的需要。尽管热成形法和模制技术都可以用来形成图32-34中所示的本发明的实施例，但优选的是模制技术。顺从材料53的其它各种结构都适合于本发明，并且可以根据特定接触开关的需要或使用接触开关的实际应用的需要而进行改变。
图35-41示出了用于形成玻璃框和外壳的本发明的原理，该玻璃框和外壳用于普通的接触开关和集成接触开关/控制面板组件，以及用于根据本发明的创造性的接触开关或集成的接触开关。所示的玻璃框和外壳可以提供用于接触开关使用者的人机控制面板，可以提供用于接触开关载体基底的强度和支撑，并可以方便接触开关控制面板与更大组件的其它元件的集成，该更大的组件包括例如本领域的技术人员可以理解的汽车的内部。图35-41示出了形成玻璃框和外壳的各种方法，以确保接触开关载体50牢固地连接到基底151上。
图35中所示的实施例示出了限定接触表面90的玻璃层94。图35中，基底151进行热成形处理或模制处理以在接触开关载体50和玻璃层94的周边附近形成玻璃框84。任意一种粘合剂55都可以帮助将包括玻璃层94和接触开关载体50的接触开关组件固定到基底151上。图36中，基底151进行热成形处理或模制处理，以利用机械连接装置170形成玻璃框84，该机械连接装置可以是固定器、划出标记(scoremark)或其它纹理或者其它任意一种适合的机械连接结构。图36中所示的实施例包括具有接触表面90的适应层53。
图37中，基底151被模制以形成外壳83上，该外壳83适应接触开关载体50和其承载的元件，并且外壳83在其一侧上环绕载体50，并构筑在载体周边的附近。利用粘合剂55可以进一步确保连接。图38-41中，优选地，接触开关载体50是刚性的，并限定出接触表面90。图38中，绕接触开关载体50的边缘模制形成基底151。在接触开关载体50的一端上，固定器70帮助将两个基底固定到一起。固定器70也可以提供在其它的位置上。图39中，与任意一种粘合层55相组合，基底151热成形或模制到载体50上。尽管基底151不妨碍接触开关载体50的接触表面90或承载接触表面90的一侧，但也可以提供搁板181以提供牢固的连接。图40中，通过形成到框架82中的模制基底151密封住包括有电极60、轨迹63和集成控制电路62的接触开关元件，上述框架82具有部分地包围住所示的载体50横截面的周边的玻璃框84。图41示出了图40的集成接触开关的顶视图，其中包括操作接触表面90、框架82和框架82的玻璃框部分84。
上述本发明的各个方面都可以根据要使用接触开关的实际应用的需要而以任意的方式进行组合。例如，接触开关组件可以是注射模制法形成的，或是热成形法形成的，或者为了满足实际应用的需要而根据所需在制造过程中的各个步骤中两种方法都采用。而且，集成接触开关/控制面板组件可以采用任意一种形状，包括弯曲的和扁平的，并可以适应实际应用的任意一种几何要求。任意一个实施例的基底都可以承载其它的元件，如光源，根据实际应用的需要包括LED、OLED、LEP和光导管，并且其也是根据2002年10月15日申请的，名称为“Integrated Touch Sensor and Light Apparatus”的美国临时专利申请No.60/341,350和其相关的美国专利申请No.10/271,438所描述的发明，其发明人是David W.Caldwell，或者基底可以是刚性的、柔性的或可以热成形的、装饰了的、透明的或别的方式。此外，在上面参考美国专利所描述的接触式传感器和/或有关的控制电路都可以适用于上面所述的本发明的实施例。尽管已经在上面详细地描述了热成形法和注射模制技术，但从公开的内容和下面的权利要求中可以理解的是，其它的技术也可以用来形成本文中描述并要求保护的新的接触式传感器。具体的例子包括超声波成形技术、环氧树脂的使用等等，其中上述环氧树脂在装配过程中是可以模制的，但其后它就会凝固。本发明在不脱离发明的精神或实质特征的情况下也可以包含在本文中没有明确示出或描述的其它特定形式中。所述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而不是限制性的。并非由前述描述而是由所附的权利要求说明本发明的范围。因此，所有落在与权利要求相同的含义和范围内的改变都将包含在该范围内。

Claims (52)

1、一种集成的接触开关和接触表面基底组件，包括：
至少一个接触开关，配置在一载体上，所述接触开关包括至少一第一电极；及
一接触表面基底，该基底限定有与所述至少一个接触开关相对应的至少一个操作性接触表面，所述基底包括可模制材料；
其中所述载体与所述接触表面基底相集成。
2、权利要求1的组件，其中所述接触开关是一电容性接触开关。
3、权利要求1的组件，其中所述接触开关包括一有源元件。
4、权利要求1的组件，其中所述接触开关包括一集成电路。
5、权利要求1的组件，其中所述载体基本上是一刚性基底。
6、权利要求1的组件，其中所述载体是一柔性基底。
7、权利要求1的组件，其中所述载体是一印刷电路板。
8、权利要求1的组件，其中所述载体还包括一显示器。
9、权利要求1的组件，其中所述可模制材料包括注射可模制材料。
10、权利要求1的组件，其中所述可模制材料包括可热成形材料。
11、权利要求1的组件，其中所述可模制材料包括环氧树脂。
12、权利要求1的组件，还包括配置在所述载体的至少一部分和所述接触表面基底的至少一部分之间的粘合剂。
13、权利要求1的组件，其中所述接触表面基底围绕所述载体的至少一部分被模制。
14、权利要求13的组件，其中所述接触表面基底密封住所述载体。
15、权利要求1的组件，其中所述接触开关的至少一部分包括一机械锚，其中所述机械锚被与所述接触表面基底啮合。
16、权利要求15的组件，其中所述机械锚包括一铆钉。
17、权利要求1的组件，其中所述载体和所述接触表面基底中的至少一个包括一机械锚，其中所述机械锚被与所述载体和所述接触表面基底中的另一个啮合。
18、权利要求17的组件，其中所述机械锚包括一铆钉。
19、权利要求18的组件，其中所述铆钉还啮合所述第一电极。
20、权利要求17的组件，其中所述机械锚包括一倒钩。
21、权利要求1的组件，其中所述接触表面基底包括触觉定位装置，用于实现所述至少一操作性接触表面的触觉识别。
22、权利要求21的组件，其中所述触觉定位装置包括一相邻所述操作性接触表面的凸出的隆起。
23、权利要求22的组件，其中所述凸出的隆起围绕所述操作性接触表面的至少一部分。
24、权利要求21的组件，其中所述触觉定位装置包括一最接近所述操作性接触表面的圆顶形结构。
25、权利要求24的组件，其中所述圆顶形结构是柔性的。
26、权利要求24的组件，其中所述圆顶形结构是可压缩性的。
27、权利要求21的组件，其中所述触觉定位装置包括最接近所述操作性接触表面的所述接触表面基底中的凹陷。
28、权利要求21的组件，其中所述触觉定位装置包括与最接近所述操作性接触表面的所述接触表面基底集成的表面纹理。
29、权利要求1的组件，其中所述接触表面基底包括视觉定位装置，用于实现所述至少一操作性接触表面的视觉识别。
30、权利要求29的组件，其中所述视觉定位装置包括最接近所述至少一操作性接触表面的装饰。
31、权利要求1的组件，其中所述接触表面基底包括顺从材料。
32、权利要求31的组件，还包括覆盖所述接触表面基底的框架基底，所述框架基底限定有对应于所述操作性接触表面的至少一孔。
33、权利要求1的组件，其中所述接触表面基底包括最接近所述操作性接触表面的一孔，所述组件还包括配置在所述孔内的顺从材料。
34、权利要求33的组件，其中各所述载体和所述第一电极包括对应于所述接触表面基底中的所述孔的一孔，其中所述顺从材料透入所述载体和所述第一电极，并啮合所述载体和所述第一电极中的至少一个。
35、权利要求1的组件，其中所述组件是三维的。
36、权利要求1的组件，其中所述组件是非平面的。
37、权利要求1的组件，其中所述接触开关是一电场传感接触开关。
38、权利要求1的组件，其中所述接触开关是一红外接触开关。
39、权利要求1的组件，其中所述接触开关是一声接触开关。
40、权利要求1的组件，其中所述接触开关是一电磁接触开关。
41、一种集成的接触开关和接触表面基底组件，包括：
配置在一载体上的至少一接触开关，所述接触开关包括至少一第一电极；及
一接触表面基底，限定有对应于所述至少一接触开关的至少一操作性接触表面，所述基底包括有顺从材料；
其中所述载体被与所述接触表面基底相集成。
42、权利要求41的组件，还包括覆盖所述接触表面基底的一框架基底，所述框架基底限定有对应于所述操作性接触表面的至少一孔。
43、权利要求42的组件，其中所述接触表面基底和所述框架基底中的至少一个还包括至少一机械锚，所述机械锚与所述接触表面基底和所述框架基底中的另一个啮合。
44、权利要求41的组件，还包括一密封基底，所述密封基底与所述载体集成在一起，且所述密封基底基本上封装所述接触开关。
45、权利要求44的组件，其中所述载体还包括至少一机械锚，所述机械锚与所述密封基底啮合。
46、一种集成的接触开关和接触表面基底组件，包括：
配置在一载体上的至少一接触开关，所述接触开关包括至少一第一电极；
一接触表面基底，限定有对应于所述至少一接触开关的至少一操作性接触表面；及
一框架基底，所述框架基底包括可模制材料；
其中所述载体与所述接触表面基底集成在一起，及
其中所述载体和所述接触表面基底被与所述框架基底集成在一起。
47、权利要求46的组件，其中所述接触表面基底包括可压缩材料。
48、权利要求46的组件，其中所述接触表面基底包括触觉定位装置，用于实现所述至少一操作性接触表面的触觉识别。
49、权利要求46的组件，其中所述框架基底围绕所述载体和所述接触表面基底的至少一部分被进行模制。
50、权利要求46的组件，还包括机械连接装置，用于实现所述载体和所述接触表面基底与所述框架基底的集成。
51、一种集成的接触开关和框架基底组件，包括：
配置在一载体上的至少一接触开关，所述载体的一部分限定有对应于所述至少一接触开关的一可操作的接触表面；
一框架基底，包括可模制材料，所述框架基底与所述载体集成在一起。
52、权利要求51的组件，其中所述框架基底围绕所述载体的至少一部分被进行模制。
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