TW201535187A - 具有力偵測之電子裝置 - Google Patents

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TW201535187A
TW201535187A TW103140298A TW103140298A TW201535187A TW 201535187 A TW201535187 A TW 201535187A TW 103140298 A TW103140298 A TW 103140298A TW 103140298 A TW103140298 A TW 103140298A TW 201535187 A TW201535187 A TW 201535187A
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Abstract

本文揭示一種觸碰感測器。該觸碰感測器包括一共振電路，該共振電路具有經組態以回應施加於該觸碰感測器之力而改變之共振頻率。該觸碰感測器藉由偵測該共振頻率之變化偵測該施加力。

Description

具有力偵測之電子裝置
對於本揭露所屬技術領域而言，有偵測及測量使用者施加應力於電子裝置的需求。一般而言，施加至電子裝置的應力在該裝置之外表面一帶可有不同的分布。施加至電子裝置的應力(即，在該裝置表面一帶的各點上)係由法向壓分力、法向拉分力、及剪切分力(在一平面上的剪切，其本身具有與在給定點的表面相切之兩個方向的力)構成。該應力可包括施加於電子裝置的顯示器之一或多個大致上為局部力之大小(法向及剪切(shear))及位置(例如像是自一或多位使用者觸碰該顯示器表面，這樣一來在觸碰位置施加一些力度)。局部力係指施加於電子裝置外表面但不會分布到該裝置之整個表面(例如，當電子裝置遭受均衡的加壓)的力。可施加局部力的區域，近乎等同於人手指及電子裝置外表面之間的接觸區域，或者，例如觸控筆及電子裝置外表面之間的接觸區域。電子裝置外表面包括該裝置的可視之顯示表面(或換言之，顯示器)。如本文中所使用，施加於該電子裝置的顯示器之力可以包括施加覆蓋電子裝置內的顯示模組之分隔(如保護)層(如玻璃或塑膠)之力。偵測及測得之應力亦可由施加於非顯示器所在或可視之處的裝置部分之力所推得。對於具有單一顯示器的典型裝置(例如，平板、行動電話、智慧型話機、電子閱讀裝 置、數位媒體播放器)，非顯示器所在或可視之處的裝置部分的實例包括該裝置的背部及該裝置的周圍邊緣。在大部分的使用情境中，施加於電子裝置顯示器之力係至少部分由相反力或施加於該裝置表面上其他處(即非顯示器所在之處的裝置部分)之力來平衡。在某些使用情境中，可施加相反的(或平衡的)力於電子裝置，其中沒有力施加於該顯示器(例如，發生在對具有大致上平坦的形狀因數(form factor)及在主要表面具有一顯示器之一典型電子裝置緊壓其邊緣的時後)。在本文中所揭示之設計及方法係關於對前述的應力任一者或全部的偵測、定位、及測量。
本揭露係關於用於偵測、定位、及測量施加於電子裝置之一或多個應力(例如，局部應力，像是與一或多個人類或觸控筆觸碰顯示器有關之應力)的電子裝置設計及方法。該設計包括電耦合諧振構件或機電轉換器(transducer)。該方法包含用於偵測、定位、及測量一或多個施加於電子裝置之應力的途徑，其係藉由：i)對施加於該電子裝置之一或多個應力使用諧振構件的機械響應；或ii)偵測由施加於該電子裝置之一或多個應力所造成的電子裝置之中或之上的振動模式傳播之變化；或iii)以上兩者。在某些實施例中的方法包括將施加於一電子裝置之加速力與施加於該電子裝置之畸變力分離，其係藉由操作由一或多個加速計所產生之動作的測量，以及藉由一或多個在本文中所述之用於此等所施加之應力之偵測、定位、及測量的裝置(means)操作施加於該電子裝置之應力的測量。
F‧‧‧法向壓力/壓力/力
100‧‧‧電子裝置
105‧‧‧顯示器
110‧‧‧位置
200‧‧‧電子裝置
205‧‧‧顯示器覆蓋層
210‧‧‧位置/區域
215‧‧‧圖形邊界
220‧‧‧彈性材料
230‧‧‧支撐物
235‧‧‧壓電諧振器
300‧‧‧電子裝置
305‧‧‧顯示器
310‧‧‧位置
315‧‧‧振動信號產生轉換器
320‧‧‧振動感測元件
400‧‧‧步驟
405‧‧‧步驟
410‧‧‧步驟
415‧‧‧步驟
圖1繪示一電子裝置。
圖2A及圖2B繪示具有二個諧振壓電晶體之電子裝置，該諧振壓電晶體由設計成根據施加於該電子裝置顯示器覆蓋層之力而改變晶體上之接觸面及接觸力之彈性材料所支撐。
圖3繪示具有振動信號傳輸器及振動信號接收器之電子裝置，其中兩者均嵌於該電子裝置內。
圖4繪示電子裝置用於隔離畸變力與加速力之方法。
本揭露係關於用於偵測、定位、及測量施加於電子裝置之一或多個應力(例如局部應力，像是與一或多個人類或觸控筆觸碰顯示器有關之應力)的電子裝置設計及方法。圖1繪示具有顯示器105之電子裝置100以及施加於顯示器105位置110處之一法向壓力。應力通常以每單位面積之力的單位來表示，因此力及應力為直接相關。根據前述之力與應力間的定義關係，在不需劃定精確差異的情況下，用語「力(force)」及「應力(stress)」在本文中可交換使用。
藉由電耦合共振構件偵測施加應力的電子裝置
如本文中所使用，電耦合共振構件包括機械共振構件及共振電氣構件(其可具有或可不具有機電元件，例如，壓電元件(例如，壓電濾波器))。
機械諧振現象(在本文中為機械共振構件所產生的)發生在具有擾動力及回復力之組合的系統中。慣性因數及回復力因數組合以產生諧振自然頻率。此等機械諧振可以藉由本技術所屬領域中所熟知之各種手段的任一種來電性偵測。舉例而言，壓電材料取決於其形狀、密度、模數、及機械支撐，若該壓電材料適當地接上電極，可以振盪於一直接可電性偵測的固有頻率。此等現象構成錶中的石英晶體移動之基礎，還有石英晶體微量天平，其被用作為在真空薄膜沈積系統中之化學感測器或厚度監測器的基礎。壓電系統包括例如鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷、鎂鈮酸鉛(lead magnesium niobate)一鈦酸鉛晶體、石英晶體、氧化鋅、聚(偏二氟乙烯)。其他機電材料對於本文中所述之設計及方法(電伸縮、彎電)亦為可行。此揭露並非意欲受限於本文中所述之特定機械諧振偵測模式。其他本技術所屬領域中已知者對於本揭露亦為可行。
電諧振現象(在本文中為電共振構件所產生的)發生在具有電容或電感元件之電路(即諧振電路)，如在交流電路設計中為已知。電阻器(R)可與電容器(C)或電感器(L)(或兩者)組合以產生諧振RC、RL、或RLC電路。電容器可與電感器組合以產生諧振LC電路。如本技術所屬領域已知，此等諧振電路的諧振頻率取決於(如所屬領域所熟知)各個迴路元件之阻抗值(即電阻、電容、電感)及此等元件的配置方式。諧振頻率(resonance frequency)(在本文中亦指稱為共振頻率(resonant frequency))可藉由改變各個電路之任一阻抗值而偏移。在本文中所述之某些實施例中，施加於電子裝置之 應力導致一或多個共振電路內之一或多個電路元件的阻抗值的變化。可因使電阻器應變(straining)而造成電阻的變化(例如，藉由以電流流動方向拉伸電阻器來增加電阻)。可因使電容器應變而造成電容的變化(例如，藉由減少平行板電容器的平行板間距來增加電容)。此揭露並非意欲受限於在本文中所述之特定電路諧振偏移(即，由於所施加之應力)的模式。其他本技術所屬領域中已知者對於本揭露亦為可行。
前述的電耦合共振構件之一或多者可以任何此方式(即，施加於該電子裝置之應力導致其諧振頻率偏移)整合於電子裝置內。如本技術所屬領域中已知，為了判定其諧振頻率之變化，電子電路(例如，振盪器電路、濾波器、比較器、放大器、及微處理器)可與構件組合。判定施加於電子裝置之表面的應力與多個應力，可根據藉由在頻率變化所進行之邏輯動作的諧振頻率之變化，以及參照經程控或機器而得之變化。一或多個(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10)構件的諧振頻率之變化因此與施加於該電子裝置表面之一或多個應力(法向及剪切)的存在、位置、及大小相關。
構件或多個構件可與該電子裝置的顯示器、顯示器覆蓋層、裝置外殼、裝置鈕、裝置次結構(例如，不在使用者可見範圍內之框架或支柱元件)之任何一或多者整合。該構件或該等構件可以與裝置揚聲器整合。該構件或該等構件可包含透明導電材料，例如，經圖案化之透明導電材料，像是顯微金屬網(metal mesh)(如美國專利第8,384,691及8,274,494號以及PCT專利申請公開第WO2012106417及WO2011156447號中所述者)。或者，該透明導電 材料可為透明導電氧化物，例如銦錫氧化物(ITO)。該透明導電材料可經圖案化為透明導電元件，例如電阻器或至少一部分之電容器。該構件或該等構件可有利地置於顯示器或顯示器覆蓋層的緣周。
在一例示性實施例中，透明導電元件係與顯示器覆蓋層整合，作為電阻元件(例如，電阻桿(resistive bar))。為了形成具有一起始諧振頻率的RC電路，該電阻元件與電路中的一單獨的電容器相連接。當一特定的力觸碰該顯示器之覆蓋層時，該覆蓋層會偏位，使電阻器因而應變且改變其電阻。電阻之變化將造成前述RC電路諧振頻率之變化。如上所述，諧振的變化可藉由額外電子電路(如本技術所屬領域中已知者)來判定，因而指示出施加於該顯示器之力的程度或大小。
在另一例示性實施例中，透明導電元件與顯示器覆蓋層整合，作為接附至電容測量電路之電容器極板。該電路依賴在共振電路中的該極板之固有電容(在本文中亦稱作為本身的對地電容)，或其可使用由該極板(在本文中亦稱作為第一極板)與諧振電路中另一電極(例如，與該顯示器整合之另一極板，像是液晶顯示模組)所形成之電容器的電容。當一特定的力觸碰該顯示器之覆蓋層時，該覆蓋層將相對於該第二電極或該第一極板環境中之其他元件偏位，藉此改變該第一電容器極板的位置。該第一極板的位置之變化將改變電容，因此造成前述諧振電路的諧振頻率之變化。如上所述，諧振的變化可藉由額外電路(如本技術所屬領域中已知者)來判定，因而指示出施加於該顯示器之力的程度或大小。
該構件或該等構件可藉由彈性材料(elastomeric)組件來支撐，該彈性材料組件設計成在施加應力於該電子裝置的時候，改變其接觸面或接觸力(或兩者)。圖2及2A繪示電子裝置200。圖2A為根據XX’截面所得的裝置橫截面。該電子裝置200包括顯示器覆蓋層205及施加在位置210的法向壓力F。該裝置200亦包括壓電諧振器235，其與彈性材料220及另外支撐物230(可視需求而為彈性物)接觸。該覆蓋層包括圖形邊界215以暗化諧振器235及其支撐物的影像。當力F施加於覆蓋層205時，彈性材料220抵壓諧振器235，改變諧振器之諧振頻率。該等諧振器連接(未示出)至設計成用以測量其自然頻率之變化的電路系統。自然頻率之變化與施加之力F的大小相關聯。區域210可充填空氣或可填以固體材料，例如光學澄清黏著劑。
該構件或該等構件可機械耦合至阻尼(damping)材料。
該構件或該等構件可整合於該裝置中不為顯示器區域的裝置之一部分之內或之上。該構件或該等構件可與該裝置之一部分耦合，該裝置為特意經設計以對施加於該顯示器之一或多個力偵測一平衡力，且由此偵測、定位、或測量(或此等之二或更多者)對該顯示器所生之觸碰(例如，藉由一或多位使用者之一或多隻手指或藉由觸控筆)。
較佳的是，該構件或該等構件經置放成使應力偵測、定位、以及測量的準確度及可靠度不會因蓋體(例如背部蓋體)加至該電子裝置而減損。
在某些實施例中，二或更多構件的諧振之變化係協作使用(例如，使用微處理器及經程控或機器得知之參數)以偵測、定位、或測量(或此等之二或更多者)施加至電子裝置之表面(例如，施加於電子裝置之顯示器)的應力(例如，局部應力)。
在某些實施例中，在電子裝置表面上(例如，在電子裝置顯示器表面上)一或多個之一觸碰位置或多個觸碰位置的判定，係使用一第一感測器或感測器元件(例如，電阻式或電容式(像是投射電容)觸碰感測器)來進行，且該一或多個觸碰之力之程度(level)(在本文中亦稱為大小(magnitude))的判定係使用如本文中所述之該一或多個共振構件來進行。針對一或多個觸碰，多重觸碰(例如，對顯示器)之力之程度的判定可包括判定各觸碰的觸碰力的各程度或所有觸碰之總力。
在某些實施例中，所包含的該共振構件係作為藉由與如本文中所述之共振頻率之變化無直接關係的方法來判定一觸碰位置或多個觸碰位置之感測器的一部分。舉例而言，在本文中所述之共振電路中的電阻或電容電路元件可作為藉由與前述電路諧振不必然相關之電容或電阻偵測方法來感測觸碰位置之兼用目的(例如，在如工作周期(duty cycle)所描述之一不同時間點)。舉例而言，在顯示器或顯示器覆蓋層(例如電阻器或電感器中的一個極板)之上或之內的透明導電元件，可在感測周期期間的一時間點(或一部份時間或極小部份時間)被包括於共振電路中，其間可測量該電路的諧振頻率並將其與施加於該顯示器之力或應力(例如一或多個對該顯示器的觸碰)的大小 關聯，且可在感測周期期間的另一時間點(或一部份時間或極小部份時間)被包括於互電容、固有電容、轉電容或電阻位置觸碰感測系統中。
透過振動傳播之變化來偵測施加應力的電子裝置
在某些實施例中，如上述之施加應力可藉由偵測在電子裝置內或沿電子裝置表面的振動傳播之變化(其如本文中所使用，包括站立振動或共振振動)來偵測、定位、或測量(或此等之二或更多者)。使用一或多個轉換器以啟動電子裝置之內或之上的一或多個振動信號。使用一或多個感測器以偵測該振動信號。從發端的轉換器到達該感測器的振動信號取決於該電子裝置之機械設計及材料，還有施加於該電子裝置之表面的任何應力。振動的產生及偵測為本技術所屬領域中熟知，例如可基於如壓電材料。振動信號的分析為本技術所屬領域中熟知，可包括振幅、相位、脈波期間、頻散、及頻譜組成之分析。振動信號分析可包括像是如本技術所屬領域中已知之傅利葉轉換及小波(wavelet)分析。此揭露並非意欲受限於本文中所述之特定振動信號分析(即，由於所施加之應力)模式。其他本技術所屬領域中已知者對於本揭露亦為可行。
振動信號產生轉換器或傳播振動的感測器可與電子裝置顯示器、顯示器覆蓋層、裝置外殼、裝置鈕、裝置次結構(例如，使用者無法看見的框架或支柱元件)之任何一或多者整合。構件或多個構件可與裝置揚聲器整合。該振動信號產生轉換器或該等傳播振動的 感測器可包含透明導電材料，例如經圖案化之透明導電材料，像是顯微金屬網(如美國專利第8,384,691及8,274,494號以及PCT專利申請公開第WO2012106417及WO2011156447號中所述者)。該構件或該等構件可有利地置於顯示器或顯示器覆蓋層的緣周。
該振動信號產生轉換器或該等傳播振動的感測器可藉由彈性材料組件來支撐，該彈性材料組件設計成在施加應力於該電子裝置的時候，改變其接觸面或接觸力(或兩者)。
該振動信號產生轉換器或該等傳播振動的感測器可機械耦合至阻尼材料。
該振動信號產生轉換器或該等傳播振動的感測器可於不為顯示區域的裝置之部分整合於該裝置之內或之上。該構件或該等構件可與該裝置之一部分耦合，該裝置為特意經設計以對施加於該顯示器之一或多個力偵測一平衡力，且由此偵測、定位、或測量(或此等之二或更多者)對該顯示器所生之觸碰(例如，藉由一或多位使用者之一或多隻手指或藉由觸控筆)。
在圖3中，電子裝置300包含顯示器305。一壓力F施加於顯示器305的位置310。振動信號產生轉換器315(在本文中亦稱作為傳輸器)係位於裝置300的外殼內。振動感測元件(在本文中亦稱作為接收器或感測器)320係亦位於裝置300的外殼內。轉換器315係與驅動該轉換器產生振動信號之電子設備(未顯示於圖中)連接。感測器320係與解讀由感測器320所接收的振動信號之電子設備 (未顯示於圖中)連接。該接收之振動信號取決於該力F的程度或大小而改變，由此提供該力F的程度或大小的量測。
該電子裝置可包含一或多個機電傳輸器(即，操作於將輸入電信號轉換成輸出機械振動信號的模式之轉換器；例如，壓電或音圈致動器)及一或多個機電接收器或感測器(例如，壓電、線性可變差動變壓器)。該傳輸器經由或沿著該裝置表面傳送機械訊問信號。該一或多個接收器或感測器接收機械振動信號並將機械振動信號轉換成電信號，以此實現對該(接收的)機械振動信號的分析(例如，相位、振幅、脈寬、頻譜形狀)。到達該一或多個接收器或感測器之該接收的機械振動信號或該等信號係受施加於該電子裝置之應力之影響。
前述之振動感測器的一或多者可能以任何此方式(即，施加於該電子裝置之應力導致在振動產生轉換器產生之偵測的振動變化)整合於電子裝置內。如本技術所屬領域中已知，為了判定振動傳播之變化，電子電路(例如，振盪器電路、濾波器、比較器、放大器、及微處理器)可與振動信號產生轉換器或傳播振動之感測器組合。判定施加於電子裝置之表面的應力或多個應力，可根據藉由在振動變化所進行之邏輯動作的振動傳播之變化，以及參照經程控或機器而得之變化。一或多個(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10)感測器的振動傳播之變化因此與施加於該電子裝置表面之一或多個應力(法向及剪切)的存在、位置、及大小相關。
較佳的是，該振動信號產生轉換器或傳播振動之感測器經置放成使應力偵測、定位、以及測量的準確度及可靠度不會因蓋體(例如背部蓋體)加至該電子裝置而減損。
在某些實施例中，二或更多感測器的振動傳播之變化係協作使用(例如，使用微處理器及經程控或機器得知之參數)以偵測、定位、或測量(或此等之二或更多者)施加至電子裝置之表面(例如，施加於電子裝置之顯示器)的應力(例如，局部應力)。
一或多個機電傳輸器(即，操作於將輸入電信號轉換成輸出機械振動信號的模式之轉換器；例如，壓電或音圈致動器)及一或多個機電接收器(例如，壓電、線性可變差動變壓器)可用於本文中所揭示之電子裝置中。該傳輸器或該等傳輸器經由或沿著該裝置表面傳送機械訊問信號(振動信號)。該一或多個接收器(在本文中亦稱為感測器)將機械(即，振動)信號轉換成電信號，以此實現對該機械信號的分析(例如，相位、振幅、脈寬、頻譜形狀)。到達該一或多個接收器之該機械信號或該等信號係受施加於該電子裝置之應力之影響，因而得以判定一或多個施加應力的存在、定位、以及大小。
在某些實施例中，在電子裝置表面上(例如，在電子裝置顯示器上)一或多個之一觸碰位置或多個觸碰位置的判定，係使用一第一感測器或感測器元件(例如，電阻式或電容式(像是投射電容)觸碰感測器)來進行，且該一或多個觸碰之力之程度(在本文中亦稱為大小)的判定係使用如本文中所述之該一或多個振動信號產生轉換器及一或多個傳播振動信號的感測器來進行。針對一或多個觸 碰，多重觸碰(例如，對顯示器)之力之程度的判定可包括判定各觸碰的觸碰力的各程度或所有觸碰之總力。
在某些實施例中，單一轉換器可首先用以產生在裝置表面內或沿著裝置表面傳播之振動信號，並於該振動信號已在裝置表面內或沿裝置表面傳播後，接著再用於測量相同振動信號。振動信號之變化可與施加於電子裝置表面之應力相關聯。
在某些實施例中，為了調整振動信號的傳播，可將振動反射器整合在該電子裝置之表面之內或之上。
分離加速力與扭曲力
在某些實施例中，扭曲(distortion)力與加速(acceleration)(平移相對於旋轉)力藉由下列方式分開測量：利用加速計資訊以回推算出加速力；測量施加於該電子裝置的總應力分布；將該總應力分布減去該加速力，以得到本文所述之包含扭曲力的不同應力。扭曲力包括施加至該電子顯示器裝置的觸碰力(當以一相反力來平衡時，因此限制該裝置的整體運動)，還有擠壓力。術語「加速力」意指對電子裝置提供平移或旋轉速率變化的力(或由力組合所推得的淨力)。
圖4為顯示用於改善測量施加於電子裝置表面之力的準確度之操作順序的流程圖，使得產生平移或旋轉加速度之施加力與使該裝置扭曲之施加力分離。術語「使該裝置扭曲之施加力」意指非加速度力，而這些力不需致使該裝置之任何特定扭曲的程度。首先，在 步驟400中，(使用本技術所屬領域中已知者，例如，加速度計)判定該裝置之加速度。該加速度可為平移或旋轉(或兩者)。接著，在步驟405中，進行產生該測得之平移或旋轉(或兩者)加速度所需的該(等)力的計算。接著，在步驟410中，進行施加於該電子裝置外部之應力的測量。最後，在步驟415中，將施加於該電子裝置的外表面之應力減去該(等)加速力，進而判定扭曲力。
在如圖4中所述方法的替代方法中，可對該等步驟的順序做調整。特定言之，在步驟415前，步驟400、405、及410可以任何順序進行。
下列為本揭露之項目：
項目1為一種觸碰感測器，其包含一共振電路，該共振電路具有經組態以回應施加於該觸碰感測器之一力而改變之一共振頻率，該觸碰感測器藉由偵測該共振頻率之一變化偵測該施加力。
項目2為項目1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有一電容之一電容器，該電容回應施加於該觸碰感測器之一力而改變，該電容之該變化改變該共振頻率。
項目3為項目2之觸碰感測器，其中該電容器包含構成該電容器之平行的第一及第二導電電極，該第一導電電極實質上為透明。
項目4為項目3之觸碰感測器，其具有一觸敏區，該第一導電電極延伸橫越且覆蓋該觸敏區。
項目5為項目2之觸碰感測器，其進一步包含一電阻器及一電感器。
項目6為項目1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有一電阻之一電阻器，該電阻回應施加於該觸碰感測器之一力而改變，該電阻之該變化改變該共振頻率。
項目7為項目6之觸碰感測器，其進一步包含一電容器及一電感器。
項目8為項目1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有該共振頻率之一壓電材料。
F‧‧‧法向壓力/壓力/力
100‧‧‧電子裝置
105‧‧‧顯示器
110‧‧‧位置

Claims (8)

  1. 一種觸碰感測器，其包含一共振電路，該共振電路具有經組態以回應施加於該觸碰感測器之一力而改變之一共振頻率，該觸碰感測器藉由偵測該共振頻率之一變化偵測該施加力。
  2. 如請求項1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有一電容之一電容器，該電容回應施加於該觸碰感測器之一力而改變，該電容之該變化改變該共振頻率。
  3. 如請求項2之觸碰感測器，其中該電容器包含構成該電容器之平行的第一及第二導電電極，該第一導電電極實質上為透明。
  4. 如請求項3之觸碰感測器，其具有一觸敏區，該第一導電電極延伸橫越且覆蓋該觸敏區。
  5. 如請求項2之觸碰感測器，其進一步包含一電阻器及一電感器。
  6. 如請求項1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有一電阻之一電阻器，該電阻回應施加於該觸碰感測器之一力而改變，該電阻之該變化改變該共振頻率。
  7. 如請求項6之觸碰感測器，其進一步包含一電容器及一電感器。
  8. 如請求項1之觸碰感測器，其中該共振電路包含具有該共振頻率之一壓電材料。
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