TWI575428B - 觸控輔助結構及其應用裝置 - Google Patents

Description

觸控輔助結構及其應用裝置

本發明係與觸控領域有關，特別是關於一種可「主動性或被動性」碰觸任一「絕緣體或非絕緣體」之觸控源後，皆可產生觸控觸發效果之觸控輔助結構及其應用裝置，藉此提升觸控之便利性，甚可運用於機器人工藝實現具觸覺之電子皮膚。

傳統之觸控面板多運用於螢幕領域，使用上皆係「被動地」由外部接收觸控者透過手指或觸控筆輸入觸控指令而進行操作，例如常見之智能手機，平板電腦等皆為此適例。另外，觸控之基礎原理大致可分為電感式、電阻式、電容式及波動式，其中除波動式利用遮斷或影響聲波或紅外線移動路徑，進而判斷觸發與否之外，電感式只能使用特定訊號源，電容式觸控機制無法使用絕緣體為觸控源。儘管如此，由於波動式易受灰塵、油汙、液體等外在環境物質干擾，造成波動傳遞之誤動作；電感式無法對訊號源以外的物件反應，以及電阻式雖原理簡單，技術門檻較低，惟反應較不靈敏且壽命較短。故實務上，各領域之觸控設備仍多採用電容式觸控為其設置。

相較於電阻式觸控，電容式觸控具耐刮性、防汙性佳及反應速度快等優點。主要原理係以偵測觸控後電容值之變化，作為觸發與否之認定。進一步言，電容式觸控更可分為表面電容式與投射電容式。惟無論 何種觸控機制，對於觸控源而言，皆須為一非絕緣體接近接觸點始得以運作。例如使用乾燥的木棒，一般塑膠製品，或是較厚之手套，理論上皆無法有效觸發電容式觸控裝置作動。

另外，由於未來生活中，各類裝置將可能處於主動性移動之屬性，例如運用於可移動或具有機械手臂之機器人，當於該機器人機身裝設觸控裝置時，倘對應碰觸之對象為一絕緣體或非良導體，此時機械手臂或機器人將無法有效判斷做出正確之觸發動作。因此目前實務上對於機械手臂或機器人之感測，多透過近場感應或波動機制做為靠近或碰觸與否之判斷方式，例如掃地機器人即屬適例。

然而，由於前述之觸控屬性或機制仍無法有效達到擬人化表現，且本發明所強調者並非關於如何於碰觸前做安全性關斷設置。故本發明除強調透過絕緣體為觸發源亦可操作外，其另一運用重點應著墨於未來生活中機器人之擬人化特性，尤其供機器人外表披覆具觸覺功能之電子皮膚而為研究。

有鑑於此，本發明人感其目前習知技術未有相關研究或文獻說明，故竭其心智苦心研究並思考，憑其從事該項產業多年之經驗累積，終提出一種觸控輔助結構及其應用裝置，實現擬人化般之機器人工藝並大幅提升各類觸控裝置之使用便利性。

鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種經由「主動性或被動性」接觸於「絕緣體或非絕緣體」之觸控源後，皆可實現觸發效果之觸控輔助結構及其應用裝置。

為達上述目的，本發明係提出一種觸控輔助結構，係設置於一投射電容式觸控裝置表面，供以於主動或被動碰觸任一絕緣或非絕緣之一觸控源後，皆可觸發電訊作動。該觸控輔助結構，包含：一主體，係為可撓性並具有一固態外觀，於受力擠壓時該固態外觀產生形變，移除受力後即恢復至原來之該固態外觀；及一導電介質，係均勻地分布於該主體中，且該導電介質之導電率大於0.5S．m^-1。

在一較佳實施例中，該主體可設置為厚薄不均一之片狀體，以利於本發明之觸控輔助結構裝設於一裝置後，可滿足該裝置上不同區域之觸控目的與接觸性差異考量。

在另一較佳實施例中，該主體可為吸水性多孔材料；且為了避免因選擇使用液態之導電介質造成擠壓後散逸現象，該觸控輔助結構更包含一絕緣層，係完全覆設於該主體之外表面。

在又一較佳實施例中，有別於前述材料選擇，該主體可為具有聚異戊二烯成分之高分子聚合物。

進一步地，本發明基於前述之觸控輔助結構，更提出一種觸控感測裝置，包含：一投射電容式觸控裝置及一觸控輔助結構。其中該觸控輔助結構設置於一投射電容式觸控裝置表面，並包含：一主體及一導電介質。其中該主體係為可撓性並具有一固態外觀，於受力擠壓時該固態外觀產生形變，移除受力後即恢復至原來之該固態外觀。而該導電介質，係均勻地分布於該主體中，且該導電介質之導電率大於0.5S．m^-1。

在一較佳實施例中，該觸控感測裝置，更包含：一靈敏度調整模組，係電訊連接該投射電容式觸控裝置，該靈敏度調整模組供以設定 一參考變異值，當接受一觸控訊號後，進一步以該該投射電容式觸控裝置之電容值變化相較於該參考變異值為基礎而作比較，進而定義各觸發作動為何。

在另一較佳實施例中，其中該投射電容式觸控裝置具有一位移偵測模組，當不間斷持續接收該觸控訊號時，該位移偵測模組供以偵測該投射電容式觸控裝置相對該觸控源之位移量。

在又一較佳實施例中，其中該投射電容式觸控裝置具有一壓力偵測模組，當接收該觸控訊號時，該壓力偵測模組供以偵測該觸控源相對該投射電容式觸控裝置間之碰觸壓力大小。

進一步地，本發明基於前述之觸控輔助結構及觸控感測裝置，更提出一種具觸感回饋之機器人，包含：一機器人本體及一如前述之觸控感測裝置。其中該機器人本體具有一電子皮膚層，且該觸控感測裝置係設置於該電子皮膚層，進而實現機器人擬人化之觸覺反應設置。

本發明所提出之一種觸控輔助結構及其應用裝置，透過該觸控輔助結構結合於投射電容式觸控裝置，可達到「主動性或被動性」碰觸任一「絕緣體或非絕緣體」後，產生觸控後之電訊觸發作動，據此可應用於任何固定或移動之物體上，除能大幅提升觸控之便利性外，對於機器人工藝中之擬人化趨勢，亦提供具有觸覺功能之電子皮膚設置。

1‧‧‧觸控感測裝置

10‧‧‧觸控輔助結構

100‧‧‧主體

102‧‧‧導電介質

104‧‧‧絕緣層

12‧‧‧投射電容式觸控裝置

121‧‧‧位移偵測模組

123‧‧‧壓力偵測模組

14‧‧‧靈敏度調整模組

2‧‧‧機器人

20‧‧‧機器人本體

201‧‧‧電子皮膚層

3‧‧‧觸控源

第1A圖，為本發明較佳實施例之結構暨作動示意圖(一)。

第1B圖，為本發明較佳實施例之結構暨作動示意圖(二)。

第1C圖，為本發明較佳實施例之結構暨作動示意圖(三)。

第2圖，為本發明觸控原理之較佳實施例示意圖。

第3A圖，為本發明觸控輔助結構變化態樣之結構示意圖(一)。

第3B圖，為本發明觸控輔助結構變化態樣之結構示意圖(二)。

第4圖，為本發明觸控輔助結構變化態樣之結構示意圖(三)。

第5A圖，為本發明觸控感測裝置之較佳實施例之方塊圖(一)。

第5B圖，為本發明觸控感測裝置之較佳實施例之方塊圖(二)。

第6圖，為本發明具觸感回饋之機器人較佳實施例示意圖。

為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第1A~1C圖及第2圖，其分別為係為本發明較佳實施例之結構暨作動示意圖(一)(二)(三)，及本發明觸控原理之較佳實施例示意圖。本發明係揭露一種觸控輔助結構10，包含有一主體100及一導電介質102，而該觸控輔助結構10之主要目的係供以設置於一投射電容式觸控裝置12表面，二者可結合形成一觸控感測裝置1。傳統之投射電容式觸控裝置12由於其作動原理之限制，導致一外在之觸控源3必須限定為非絕緣體始得以觸發作動。惟，附加本發明所揭示之觸控輔助結構10於投射電容式觸控裝置12一側後，任何一絕緣或非絕緣之觸控源3，例如塑膠體、樹枝或任何具有固態形體之對象，只要碰觸本發明所揭示之觸控感測裝置1之觸控輔助結構10即可觸發觸控動作，且無論主動式或被動式接觸皆不影響其判斷。如第1A及1B圖所示，其中該主體100係為具有可撓性特性之 材料，同時於未受力狀態下具有一固定之固態外觀。當主動或被動受一外部之該觸控源3碰觸後，該主體100將因受力擠壓而使該固態外觀產生形變，而一旦移除外力後，該主體100即立刻恢復至原來之該固態外觀。例如第1A圖，即為非受力狀態；第1B圖則為受力時擠壓變化狀態。

請再次參閱第2圖，由於該投射電容式觸控裝置12外表面疊加該觸控輔助結構10後，因受該觸控源3觸控施力，導致該主體100產生形變，而該主體100中又均勻地分布有該導電介質102，且導電率應大於0.5S．m^-1，據此於相互感應之電容值變化較易判讀。因此，該主體100變形後將導致該導電介質102相對於該電容觸控裝置12之空間分布產生變化。此時即造成感測後電容值之變化，而透過該電容值之變化即可定義為觸控觸發動作。據此原理，縱使該觸控源3如第1B圖所示之戴極具厚度之手套的手指，甚或如第1C圖之樹枝，無論主動或被動碰觸皆可有效實現觸控後觸發動作。

請續以參照第3A、3B圖及第4圖，係分別為本發明觸控輔助結構變化態樣之結構示意圖(一)(二)(三)。由於本發明所揭示之該觸控感測裝置1於主動或被動，碰觸絕緣或非絕緣之該觸控源3後仍可觸發電訊作動，是以其應用上變顯得即為廣泛。例如將把發明之該觸控感測裝置1設置於機械手臂之手指與手掌位置時，因其接觸目的性分屬不同，故對於觸控後造成之作動靈敏度及反應，即可利用該主體100為不同厚度之設置，實現電子皮膚概念之佈設方式。因此透過第3A圖或3B圖所示該主體100變化，可適於因設置空間限制或作動靈敏度等不同需求而將該主體100設置為厚薄不均一之片狀體。理論上，雖將該主體100切割為較小體積單位 可較適於安裝設置。惟相對地若切割太小彼此間容易造成電磁性干擾而影響觸控動作之正確判斷。因此將該主體100為一體性結構實現不同厚薄之變化可減少誤動作之發生，且於製程上及後續設置與電信控制面皆可較為經濟與便利。

進一步地，前已述及本發明係運用如第2圖所示之操作原理而為作動。因此該觸控輔助結構10包含有該主體100，及導電率大於0.5S．m^-1之該導電介質102便有其必要。材料選擇上，該主體100可選擇為吸水性多孔材料，例如海綿材質即為適例。此時僅須提供例如電解液之液體吸附於該吸水性多孔材料中，即可作為該觸控輔助結構10。進一步地，為使該觸控輔助結構10較為穩定，係更可包覆一絕緣層104於前述之吸水性多孔材料外表面，而該絕緣層104可為一般塑膠膜材質即可適用。當然該主體100亦可選擇具有聚異戊二烯成分之高分子聚合物，由於該結構體較為穩定，當其中摻雜該導電介質102於該主體100中，縱使施力使該主體100變形，於移除外力後恢復原固態外觀亦不影響原該導電介質102之分布狀態。

請續以一併參照第5A及5B圖，係分別為本發明觸控感測裝置之較佳實施例之方塊圖(一)(二)。由於本發明之應用面極廣，因此衍生之觸控細部效果及調整可依此基礎予以變化。例如為了調整電容值感測之靈敏度或避免誤動作認定，該觸控感測裝置1更可包含一靈敏度調整模組14供以設定一參考變異值。該靈敏度調整模組14電訊連接該投射電容式觸控裝置12，當接受一觸控訊號後與該投射電容式觸控裝置12之電容值變化作比較，進一步再定義各觸發動作意義為何。例如以最基本之比對方式而 單純比較電容值變化是否大於該參考變異值，進而決定是否觸發作動。又因觸控後之動作多元性考量，本發明所揭示之該觸控感測裝置1亦可包含具有一位移偵測模組121，當不間斷持續接收該觸控訊號時，該位移偵測模組121可供以偵測該投射電容式觸控裝置12相對該觸控源3之位移量，紀錄並判斷觸控之軌跡、路徑甚或定義其動作判斷。進一步地，該投射電容式觸控裝置12亦可具有一壓力偵測模組123，當接收該觸控訊號時，該壓力偵測模組123供以偵測該觸控源3相對該投射電容式觸控裝12置間之碰觸壓力大小。例如實現於機器手臂時，可偵測該機械手臂相對碰觸於該觸控源3時之壓力大小，進而決定該機械手臂應施予之較佳力量值。據此可實現於例如精密物品透過機械手臂之搬移，或任何娛樂性、輔助性之機械手臂運用環境。

請續以一併參照第6圖，係為本發明具觸感回饋之機器人較佳實施例示意圖，其中該具觸感回饋之機器人2包含一機器人本體20及如前所述之該觸控感測裝置1。該機器人本體20具有一電子皮膚層201，使該機器人2具有類人類之皮膚外觀，而該觸控感測裝置1係設置於該電子皮膚層201內，第6圖放大所示係以割開皮膚方式呈現彼此設置關係。當該機器人1主動性接觸任何一該觸控源3後，即可透過本發明之觸控感測裝置1偵測碰觸狀況，使該機器人2實現擬人般反應。因此在未來，無論是該機器人2之手指、手掌、身體、足部、頭部等任何部位，皆可透過附加本發明之感測裝置，實現主動及被動碰觸任何物體後，回饋一碰觸資訊供該機器人2判讀，而使各該機器人2於生活中各領域，皆可朝向更進一步擬人般之便利性運用。

本發明所提出之觸控輔助結構及其應用，改善了過去觸控領域之傳統思維，除了使觸控源不再加以受限外，更重要的是改變過去觸控裝置被動性操控思維，可兼以主動性碰觸任何物體甚或人類而仍得以判斷觸控後之擬人般反應，例如碰觸位置、軌跡、位移、或力量大小皆可予以偵測，且針對不同碰觸位置亦可給予不同之運算後反應，進一步應用實現於機器人工藝，大幅改善未來生活之便利性與可能性。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明申請專利範圍之權利主張，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出之等效或輕易變化，在不脫離本發明範圍下所作之均等置換與修飾，仍皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1‧‧‧觸控感測裝置

10‧‧‧觸控輔助結構

100‧‧‧主體

102‧‧‧導電介質

12‧‧‧投射電容式觸控裝置

3‧‧‧觸控源

Claims (9)

1. 一種觸控輔助結構，設置於一投射電容式觸控裝置表面，供以於主動或被動碰觸任一絕緣或非絕緣之一觸控源後，皆可觸發電訊作動，該觸控輔助結構，包含：一主體，係為可撓性並具有一固態外觀，於受力擠壓時該固態外觀產生形變，移除受力後即恢復至原來之該固態外觀；及一導電介質，係均勻地分布於該主體中，且該導電介質之導電率大於0.5S．m^-1。
2. 如申請專利範圍第1項所述之觸控輔助結構，其中該主體係為厚薄不均一之片狀體。
3. 如申請專利範圍第1或2項其中任一項所述之觸控輔助結構，其中該主體為吸水性多孔材料。
4. 如申請專利範圍第3項其中任一項所述之觸控輔助結構，更包含：一絕緣層，係完全覆設於該主體之外表面。
5. 如申請專利範圍第1或2項其中任一項所述之觸控輔助結構，其中該主體為具有聚異戊二烯成分之高分子聚合物。
6. 一種觸控感測裝置，包含：一投射電容式觸控裝置；及一觸控輔助結構，設置於一投射電容式觸控裝置表面，包含：一主體，係為可撓性並具有一固態外觀，於受力擠壓時該固態外觀產生形變，移除受力後即恢復至原來之該固態外觀；及一導電介質，係均勻地分布於該主體中，且該導電介質之導電率 大於0.5S．m^-1。
7. 如申請專利範圍第6項所述之觸控感測裝置，更包含：一靈敏度調整模組，電訊連接該投射電容式觸控裝置，該靈敏度調整模組供以設定一參考變異值，當接受一觸控訊號後比對該投射電容式觸控裝置之電容值變化是否大於該參考變異值，進而決定是否觸發作動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之觸控感測裝置，其中該投射電容式觸控裝置具有一位移偵測模組，當不間斷持續接收該觸控訊號時，該位移偵測模組供以偵測該投射電容式觸控裝置相對該觸控源之位移量。
9. 如申請專利範圍第8項所述之觸控感測裝置，其中該投射電容式觸控裝置具有一壓力偵測模組，當接收該觸控訊號時，該壓力偵測模組供以偵測該觸控源相對該投射電容式觸控裝置間之碰觸壓力大小。