TWI470491B

TWI470491B - 觸覺回饋裝置

Info

Publication number: TWI470491B
Application number: TW101121907A
Authority: TW
Inventors: Chih Chia Chang; Chen Pang Kung; Wen Jen Chiang; sheng wei Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2015-01-21
Also published as: US20130334024A1; TW201401119A; CN103513815B; CN103513815A; US9123486B2

Description

觸覺回饋裝置

本揭露是有關於一種觸覺回饋裝置的結構，且特別是有關於一種應用於觸控面板的觸覺回饋裝置的結構。

在現今的電子技術中，透過觸控技術來提升電子裝置與使用者的互動狀況，已成為一種趨勢。在觸控面板的使用下，使用者可以在透過觸控面板來傳送電子裝置的控制命令，相較於傳統鍵盤，更可以簡單且直接的執行電子裝置的控制動作。然而，這種透過觸控螢幕的控制方式，缺少了真實的觸覺回饋的反應，其中，觸覺回饋在行為上的定義主要是手指接觸到螢幕時所產生的感知動作，而非只有視覺上的變化。

而在習知的技術領域中，被應用在觸控螢幕的觸覺回饋反應通常以震動刺激為主，這種震動刺激的觸覺回饋設計簡單、製作容易、並且技術純熟度高，缺點則是無法應用在軟性的電子裝置的觸控螢幕上。電場式觸覺回饋的方法可以改善以上缺點，藉由產生的電場刺激使用者手指，讓使用者手指觸碰到電場式觸覺回饋裝置時，可以產生觸覺回饋，提升觸控面板的應用價值。

本揭露提供多種觸覺回饋裝置，可安全的提供使用者產生觸覺回饋。

本揭露提出一種觸覺回饋裝置，包括至少一觸覺回饋單元。觸覺回饋單元則包括至少一圖案化回饋電極、介電層以及至少一參考電極。介電層覆蓋圖案化回饋電極，且介電層具有第一表面，在第一表面上具有至少一開口。參考電極則分別配置在開口，並裸露出至少一表面，其中，參考電極與圖案化回饋電極相互隔離，且參考電極對應第一表面彼此間未重疊或至少一部分未重疊。

本揭露另提出一種觸覺回饋裝置，觸覺回饋裝置包括至少一觸覺回饋單元。觸覺回饋單元則包括回饋電極層、介電層以及圖案化參考電極。介電層覆蓋回饋電極層，圖案化參考電極內嵌於介電層中並覆蓋介電層部分的上表面以裸露出圖案化參考電極。其中，回饋電極層接收回饋驅動信號，且圖案化參考電極接收參考信號。

基於上述，本揭露所提出的觸覺回饋裝置透過其觸覺回饋單元上的回饋電極、介電層以及參考電極來在使用者進行觸碰的媒介(例如手指)上產生電場，並藉以讓使用者產生觸覺回饋動作，以提升配置觸覺回饋裝置的觸控裝置的質感。

為讓本揭露之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下請參照圖1A，圖1A繪示本發明一實施例的觸覺回饋裝置100的結構剖面示意圖。觸覺回饋裝置100包括一個或多個的觸覺回饋單元110，且觸覺回饋單元110包括圖案化回饋電極111、介電層112以及參考電極113。其中，介電層112覆蓋住圖案化回饋電極111，並且，介電層112具有第一表面S1為使用者手指FING的接觸面，介電層112的第一表面上具有開口，而參考電極113則配置在開口中，且至少一表面裸露出第一表面S1。在本實施例中，參考電極113與圖案化回饋電極111間是被絕緣層例如是介電層112所阻隔而相互隔離的，且對應該第一表面S1彼此間未重疊或至少一部分未重疊，換言之，由第一表面S1看入時，參考電極113與圖案化回饋電極111彼此間是錯開未重疊，或者彼此間至少一部分未重疊。

參考電極113可透過導線來接收參考信號SREF，而圖案化回饋電極111則可以透過另外的導線來接收回饋驅動信號SFD。而當在使用者的手指FING對觸覺回饋裝置100進行觸碰動作時，參考電極113上的參考信號SREF所提供的電壓值在當使用者的手指FING觸碰到參考電極113時，會讓使用者的手指FING與觸覺回饋裝置100形成一共同參考電位。在本實施例中，參考信號SREF可以是0伏特的接地電壓。然而，依據不同使用者對於觸覺回饋感受性不同，參考信號SREF的電壓值是可以適應性的調整的。舉例來說，參考信號SREF的電壓值可以在+10伏特至-10伏特間。

在當使用者的手指FING觸碰到介電層112的第一表面S1時，提供至圖案化回饋電極111的回饋驅動信號SFD會透過介電層112所形成的電容效應，並在圖案化回饋電極111與使用者的手指FING間產生電場，並藉由這個電場，來讓使用者的手指FING產生觸覺回饋。

簡單來說，當圖案化回饋電極111所接收的回饋驅動信號SFD是正極性的電壓時，使用者的手指FING上會感應產生負極性的電壓，相對的，當圖案化回饋電極111所接收的回饋驅動信號SFD是負極性的電壓時，使用者的手指FING上會感應產生正極性的電壓。當然，回饋驅動信號SFD也可以非持續維持為正極性或負極性的直流電壓信號，也可以是交流信號。這個交流的回饋驅動信號SFD則可以是弦波信號、方波信號或是三角波信號等各種不同波形的交流信號。

由上述的說明可以得知，透過參考信號SREF來讓使用者的手指FING與觸覺回饋裝置100形成一共同參考電位，如接地電位，可以有效的提升手指FING與圖案化回饋電極111間所產生的電場強度，並進而提升使用者的手指FING所依據電場來產生觸覺回饋的感受。

在本實施例中，介電層112中所具有的開口是貫穿於介電層112相對的第一表面S1及第二表面S2間。並且，為求觸覺回饋裝置100的平坦化，圖案化回饋電極111的表面SF1與介電層112的第二表面S2切齊，且參考電極113裸露出的表面SR1則可以與第一表面S1切齊，或參考電極113裸露出的表面SR1也可以低於第一表面S1。

另外，關於圖案化回饋電極111以及參考電極113其表面SF1以及SR1上所呈現的形狀並非必要是方形，圖案化回饋電極111以及參考電極113其表面SF1以及SR1的形狀也可以是三角形、圓形或其他任意圖形。

為求使用者在進行觸碰時，不會因為過大的電場而導致有刺痛的感覺，本實施例中的參考信號SREF所提供的電流傳輸能力不大於5毫安培。

以下請參照圖1B，圖1B繪示本揭露實施例的觸覺回饋裝置100的另一實施方式的結構剖面示意圖。在本實施方式中，觸覺回饋裝置100包括一個或多個的觸覺回饋單元110，觸覺回饋單元110包括多個圖案化回饋電極1111~1114所構成的圖案化回饋電極群組。圖案化回饋電極1111~1114彼此間依順相鄰配置，且圖案化回饋電極1111及1113接收的電信號為回饋驅動信號SFD1，而圖案化回饋電極1112及1114接收的電信號為回饋驅動信號SFD2，其中，回饋驅動信號SFD1及SFD2的極性相反，或者，回饋驅動信號SFD1及SFD2的極性也可以是相同的。也就是說，彼此間相鄰配置的圖案化回饋電極所接收的電信號的極性可以是相反的，或也可以是相同的。

在圖1B的實施例中，觸覺回饋裝置100可更包括導電膠層117，其中，導電膠層117覆蓋在參考電極113的表面SR1上。換言之，原先裸露出第一表面S1的表面SR1被導電膠層117覆蓋，可保護裸露出的參考電極113，防止參考電極113的表面SR1因接觸手指或其它外物導致的氧化、腐蝕或磨損。

接著請參照圖2A、圖2B以及圖2C，圖2A、圖2B以及圖2C分別繪示本揭露另一實施例的觸覺回饋裝置200的不同實施方式的結構剖面示意圖。在圖2A中，觸覺回饋裝置200包括一個或多個的觸覺回饋單元210，觸覺回饋單元210包括多個圖案化回饋電極211及212、介電層218以及多個參考電極213及214。參考電極213及214分別配置在介電層218的多個開口中。且參考電極(以參考電極213為範例)所配置的開口，位於相鄰的圖案化回饋電極211及212間。

另外，觸覺回饋裝置200可更包括導電膠層2171以及2172，其中，導電膠層2171及2172分別覆蓋在參考電極213以及214上。

在圖2B的繪示中，觸覺回饋裝置200包括一個或多個的觸覺回饋單元210，觸覺回饋單元210則包括多個圖案化回饋電極群組216及217、介電層218以及多個參考電極213及214。其中，圖案化回饋電極群組216及217分別由圖案化回饋電極2161~2164以及圖案化回饋電極2171~2174所構成。參考電極213及214分別配置在介電層218的多個開口中。且參考電極(以參考電極213為範例)所配置的開口，位於相鄰的圖案化回饋電極群組216及217間。

在圖2C中，圖案化回饋電極211及212埋入在介電層218中，也就是說，圖案化回饋電極211及212的表面不被裸露。此外，參考電極213及214未填滿介電層218的開口，也就是說，參考電極213及214的表面低於介電層218的表面。

接著請參照圖3A以及圖3B，圖3A以及圖3B分別繪示本揭露再一實施例的觸覺回饋裝置300的結構剖面示意圖。在圖3A中，觸覺回饋裝置300包括一個或多個的觸覺回饋單元310，觸覺回饋單元310包括多個圖案化回饋電極311及312、介電層318以及多個參考電極313及314。參考電極313及314分別配置在介電層318的多個開口中。值得注意的是，本實施例中，介電層318的開口為配置在介電層318的第一表面S1上的盲孔。因此，參考電極313及314並未貫穿介電層318的第一表面S1及第二表面S2。

另外，在圖3B中，觸覺回饋裝置300包括一個或多個的觸覺回饋單元310，觸覺回饋單元310包括多個圖案化回饋電極群組316及317、介電層318以及多個參考電極313及314。參考電極313及314分別配置在介電層318的多個開口中。本實施例中，介電層318的開口為配置在介電層318的第一表面S1上的盲孔，而圖案化回饋電極群組316及317分別由圖案化回饋電極3161~3164及圖案化回饋電極3171~3174所構成。

另外，觸覺回饋裝置300可更包括導電膠層3191以及3192，其中，導電膠層3191及3192分別覆蓋在參考電極313以及314上。

請參照圖4A，圖4A繪示本揭露實施例的觸覺回饋裝置400的一實施方式的結構剖面示意圖。觸覺回饋裝置400包括一個或多個的觸覺回饋單元410，觸覺回饋單元410則包括回饋電極層411、介電層412以及圖案化參考電極413。其中，介電層412覆蓋回饋電極層411，圖案化參考電極層413內嵌於介電層412中並覆蓋介電層412部分的上表面，以裸露出該圖案化參考電極。其中，圖案化參考電極413可嵌入在介電層412中且其上表面不突出(可以是切齊)介電層412的上表面。如此一來，更可以增加觸覺回饋裝置400的平滑度。

圖案化參考電極413透過導線接收參考信號SREF，而回饋電極層411則透過導線接收回饋驅動信號SFD。在當使用者的手指碰觸到圖案化參考電極413時，圖案化參考電極413依據參考信號SREF所提供的電壓來讓使用者的手指與觸覺回饋裝置400形成一共同參考電位。而在當使用者的手指碰觸到介電層412未被圖案化參考電極413覆蓋的表面時，回饋電極層411則依據所接收的回饋驅動信號SFD在使用者的手指與回饋電極層411間產生電場，並透過這個電場來讓使用者的手指產生回饋觸覺。

另外請參照圖4B，圖4B繪示本揭露實施例的觸覺回饋裝置400的另一實施方式的結構剖面示意圖。觸覺回饋裝置400包括一個或多個的觸覺回饋單元410，與圖4A不相同的，圖4B的觸覺回饋單元410更包括導電膠層450。導電膠層450覆蓋在圖案化參考電極413上。如此一來，導電膠層450可以防止手指直接接觸到圖案化參考電極413。其中，導電膠層450可以是異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film,ACF)層。

特別一提的，上述的多個實施例及實施方式的觸覺回饋裝置，皆可與不同的觸控面板來配合應用。舉例來說，包括電阻式觸控面板、電容式觸控面板、超音波觸控面板、紅外線觸控面板、光學式觸控面板、電磁式觸控面板或是多點觸控面板，皆可與本揭露的實施例及實施方式的觸覺回饋裝置搭配使用。此外，上述的多個實施例及實施方式的觸覺回饋裝置可搭配使用在手機殼體、鍵盤殼體、螢幕殼體等任何可作觸覺回饋之處。

以下請參照圖4C~圖4H，圖4C~圖4H分別繪示本揭露觸覺回饋裝置400的多個不同的實施方式。其中，回饋電極層411可以被建構成多種不同的形狀。值得注意的是，圖案化參考電極413非完全與部分回饋電極層411重疊。

在圖4A~圖4H中，其中，回饋電極層411可被埋入在介電層412中，且回饋電極層411的埋入高度可不一致。

請參照圖5A及圖5B，圖5A及圖5B繪示本揭露一實施例的具觸覺回饋功能的觸控面板500的結構剖面示意圖。在圖5A中，觸控面板500包括一個或多個的觸覺偵測單元510。觸覺偵測單元510則包括圖案化回饋電極511、介電層512以及參考電極513。介電層512覆蓋圖案化回饋電極511，且介電層512具有一個或多個的開口，而參考電極513配置在開口中。各參考電極513與各圖案化回饋電極511相互隔離，且彼此間錯開未重疊。

圖案化回饋電極511可透過導線傳收信號TD1，而參考電極513則透過導線傳收信號TD2。其中，當信號TD1被選擇作為觸控偵測信號並傳送至圖案化回饋電極511時，信號TD2被選擇作為觸控偵測結果並由參考電極513傳出，相對的，當信號TD2被選擇作為觸控偵測信號並傳送至圖案化回饋電極513時，信號TD1被選擇作為觸控偵測結果並由參考電極511傳出。

在觸覺偵測單元510未被觸碰時，圖案化回饋電極511以及參考電極513間具有寄生電容CP。而在使用者的手指碰觸到觸覺偵測單元510時，則請參照圖5B。在圖5B中，使用者的手指FING與圖案化回饋電極511間會產生耦合電容CF1，而使用者的手指FING與參考電極513間則會產生耦合電容CF2。以信號TD1為觸控偵測信號，信號TD2為觸控偵測結果為範例，觸覺偵測單元510由於在被手指FING觸碰前後，其圖案化回饋電極511以及參考電極513間的電容值會發生改變，因此，透過發送固定格式的信號TD1(例如具有多個脈衝的週期性脈衝波)，則可以由信號TD2來獲知圖案化回饋電極511以及參考電極513間的電容值的變化狀態，以進而獲知觸覺偵測單元510的被觸碰狀態。

上述的觸控面板500是所謂的互容式的觸控偵測結構來進行觸控偵測動作。另外，本揭露中的圖1B~圖3B也可依上述實施方式來執行觸控偵測動作，實施細節則與圖5A及圖5B的實施方式相同，以下不多贅述。

以下請參照圖5C，圖5C繪示本揭露另一實施例的具觸覺回饋功能的觸控面板500的結構剖面示意圖。在圖5C中，觸控面板500是所謂的自容式的觸控偵測結構來進行觸控偵測動作。亦即單一電極就可以進行觸控偵測動作，其中，圖案化回饋電極511用以接收回饋驅動訊號時，另外其中之一參考電極513用以作為自容式觸控電極，或者參考電極513用以接收參考訊號時，另外其中之一圖案化回饋電極511用以作為自容式觸控電極。

以下請參照圖5D，圖5D繪示本揭露再一實施例的具觸覺回饋功能的觸控面板500的結構剖面示意圖。在圖5D中，觸控面板500包括圖案化回饋電極5111、5112、介電層512以及參考電極513。其中，在進行觸控偵測動作時，參考電極513接收用以提供觸覺回饋的參考信號，而圖案化回饋電極5111以及5112用以進行觸控偵測信號的發送以及觸控偵測結果的接收動作；或者，觸控面板500也可以提供參考電極513以及圖案化回饋電極5111來進行觸控偵測信號的發送以及觸控偵測結果的接收動作，並使圖案化回饋電極5112作為獨立的觸覺回饋元件(接收回饋驅動信號)；亦或是，觸控面板500也可以提供參考電極513以及圖案化回饋電極5112來進行觸控偵測信號的發送以及觸控偵測結果的接收動作，並使圖案化回饋電極5111作為獨立的觸覺回饋元件(接收回饋驅動信號)。

綜上所述，本揭露主要提出一種透過電場來產生觸覺回饋的觸覺回饋裝置的結構，利用電場對於使用者手指間造成的電容偶合效應，讓使用者手指感受到觸覺感應。其中，本揭露透過參考電極讓使用者手指與觸覺回饋裝置形成一共同參考電位，再透過使用者手指與圖案化回饋電極間所產生的電容效應來讓使用者產生觸覺回饋。並且，本揭露所提出的觸覺回饋裝置的結構可以同時應用作為觸控面板。也就是說，本揭露提出單一結構可進行觸控偵測並產生觸覺回饋，有效提升觸覺回饋的產生效能外，還可有效降低觸控面板的成本。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400‧‧‧觸覺回饋裝置

110、210、310、410‧‧‧觸覺回饋單元

111、1111~1114、211、212、2161~2164、2171~2174、311、312、3161~3164、3171~3174、511、5111、5112‧‧‧圖案化回饋電極

112、218、318、412、512‧‧‧介電層

113、213、214、313、314、413、513‧‧‧參考電極

216、217、316、317‧‧‧圖案化回饋電極群組

450、117、2171、2172、3191、3192‧‧‧導電膠層

500‧‧‧觸控面板

510‧‧‧觸覺偵測單元

SREF‧‧‧參考信號

SFD、SFD1、SFD2‧‧‧回饋驅動信號

FING‧‧‧手指

S1、S2、SF1、SR1‧‧‧表面

TD1、TD2‧‧‧信號

CP‧‧‧寄生電容

CF1、CF2‧‧‧耦合電容

圖1A繪示本揭露一實施例的觸覺回饋裝置100的結構剖面示意圖。

圖1B繪示本揭露實施例的觸覺回饋裝置100的另一實施方式的結構剖面示意圖。

圖2A~圖2C分別繪示本揭露另一實施例的觸覺回饋裝置200的不同實施方式的結構剖面示意圖。

圖3A以及圖3B分別繪示本揭露再一實施例的觸覺回饋裝置300的結構剖面示意圖。

圖4A~4H繪示本揭露更一實施例的觸覺回饋裝置400的結構剖面示意圖的不同的實施方式。

圖5A~圖5D繪示多個本揭露實施例的具觸覺回饋功能的觸控面板500的結構剖面示意圖。

100‧‧‧觸覺回饋裝置

110‧‧‧觸覺回饋單元

111‧‧‧圖案化回饋電極

112‧‧‧介電層

113‧‧‧參考電極

SREF‧‧‧參考信號

SFD‧‧‧回饋驅動信號

FING‧‧‧手指

S1、S2、SF1、SR1‧‧‧表面

Claims

一種觸覺回饋裝置，包括：至少一觸覺回饋單元，包括：至少一圖案化回饋電極；一絕緣層，覆蓋該圖案化回饋電極，該絕緣層具有一第一表面，在該第一表面上具有至少一開口；以及至少一參考電極，配置在該開口中，裸露出至少一表面，其中該參考電極與該圖案化回饋電極透過該絕緣層相互隔離，且對應該第一表面彼此間未重疊或至少一部分未重疊。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該圖案化回饋電極埋入在該絕緣層中。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該絕緣層更具有相對於該第一表面的一第二表面，該圖案化回饋電極的一表面與該第二表面切齊，且該參考電極裸露出的該表面不高於該第一表面。
如申請專利範圍第3項所述之觸覺回饋裝置，其中該開口貫穿於該絕緣層的該第一及該第二表面間。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該開口為盲孔。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該至少一圖案化回饋電極被區分為多數的圖案化回饋電極群組，各該圖案化回饋電極群組中的圖案化回饋電極彼此間相鄰配置，各該至少一參考電極配置在兩相鄰的圖案化回饋電極群組間。
如申請專利範圍第6項所述之觸覺回饋裝置，其中各該圖案化回饋電極群組中相鄰的圖案化回饋電極所接收的電信號的極性相同或相反。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該參考電極接收一參考信號，該圖案化回饋電極接收一回饋驅動信號，該參考信號使碰觸該觸覺回饋裝置的一手指與該觸覺回饋裝置產生一共同參考電位，該回饋驅動信號在該手指及該圖案化回饋電極間產生電場。
如申請專利範圍第8項所述之觸覺回饋裝置，其中該參考信號的電壓值在+10伏特~-10伏特間，且該參考信號的電流不大於5毫安培。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該參考電極更用以接收一觸控偵測信號，而該至少一圖案化回饋電極傳送一觸控偵測結果，或者，該至少一圖案化回饋電極更用以接收一觸控偵測信號，而該參考電極更傳送一觸控偵測結果。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該至少一圖案化回饋電極的其中之一接收一觸控偵測信號，而該至少一圖案化回饋電極的其中另一傳送一觸控偵測結果。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該至少一參考電極的其中之一接收一觸控偵測信號，而該至少一參考電極的其中另一傳送一觸控偵測結果。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中該圖案化回饋電極用以接收一回饋驅動訊號時，該參考電極用以作為自容式觸控電極，或者該參考電極用以接收一參考訊號時，該圖案化回饋電極用以作為自容式觸控電極。
如申請專利範圍第1項所述之觸覺回饋裝置，其中更包括：至少一導電膠層，覆蓋在該參考電極上。
一種觸覺回饋裝置，包括：至少一觸覺回饋單元，包括：一回饋電極層；一絕緣層，覆蓋該回饋電極層；以及一圖案化參考電極，內嵌於該絕緣層中並覆蓋該絕緣層部分的上表面，以裸露出該圖案化參考電極，其中，該回饋電極層接收一回饋驅動信號，且該圖案化參考電極層接收一參考信號。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中該參考信號使碰觸該觸覺回饋裝置的一手指與該觸覺回饋裝置產生一共同參考電位，該回饋驅動信號在該手指及各該圖案化回饋電極間產生電場。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中該參考信號的電壓值在+10伏特~-10伏特間，且該參考信號所提供的電流不大於5毫安培。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中更包括：一導電膠層，覆蓋在該圖案化參考電極上。
如申請專利範圍第18項所述之觸覺回饋裝置，其中該導電膠層為異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film,ACF)層。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中該圖案化參考電極層的上表面不突出於該絕緣層的上表面。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中該圖案化參考電極與部分的該回饋電極層重疊。
如申請專利範圍第15項所述之觸覺回饋裝置，其中該回饋電極層埋入在該絕緣層中。