[发明专利]具有同时感测和致动的触觉显示屏

说明书

公开了具有用于利用同时感测和致动来产生多点触觉的系统和方法的触摸界面设备。在第一配置中，使用两层电极，包括在绝缘基板的触摸表面附近的用于触觉的顶层以及在绝缘基板的底表面处的用于感测的底层，其中，这两个电极组具有彼此基本上相同的图案。在第二配置中，在绝缘基板的触摸表面附近使用单个电极阵列，该单个电极阵列用作表面触觉设备和感测设备两者。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月17日提交的美国非临时专利申请序列号14/306,842的权益和优先权，该申请要求2013年6月24日提交的美国临时专利申请序列号61/838,566的权益，这些申请的公开内容特此通过整体引用而并入。

本发明的合同起源

本发明是在根据国家科学基金会授予的批准号IIS-0964075的政府支持的情况下进行的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明一般涉及用于表面触觉设备(SHD)的触摸界面(interface)，并且更特别地涉及具有可以提供多点触觉的同时感测和致动的触摸界面，该多点触觉包括提供由用户的单独的手指体验的独立触觉效果。

背景技术

触摸界面可以在膝上型计算机、游戏设备、汽车仪表盘、信息亭、操作室、工厂、自动柜员机以及诸如照相机和电话的便携式设备的主机中找到。触摸界面提供离散机械控制不提供的灵活的交互可能性。但是现有技术触摸界面牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸相关联的感知系统。触觉让我们触摸类型、在黑暗中找到灯开关、挥舞刀叉、享受爱抚狗或握住我们的配偶的手。触觉不仅仅是移动一个人的手，而是感觉事物、辨识对象(即使不看它们)、以及控制我们与世界交互的方式。

振动形式的触觉是诸如寻呼机、蜂窝电话和智能电话的电子产品的熟悉特征。尽管振动长期已被用作静音或警报，但是它越来越多地被用于当使用触摸表面(诸如触摸屏)时向人手(尤其是指尖)提供触感反馈。例如，Immersion Corporation提供了用于基于振动的触觉反馈的多个硬件和软件解决方案。他们的技术比在寻呼机中传统使用的技术先进得多得多。他们使用压电致动器来使得能够进行振动轮廓(profile)的高带宽控制。尽管如此，他们的方法也具有某些缺点。例如，整个设备振动，使得任何效果在握住设备的手中以及在触摸触摸表面或屏幕的指尖处被感觉到。此外，它不支持多点触觉：因为整个设备振动，所以触摸屏幕的每个指尖体验到相同的效果。

最近，静电致动已被作为产生局部化到指尖的振动的手段进行了探索。SensegLtd.使用静电力来创建指尖的振动，该振动使得一个人能够检测到触摸表面上的各种纹理(texture)。Senseg的技术具有以下优点：除了在皮肤的表面之外，它不产生机械振动。尽管他们的技术还具有简单地通过在屏幕的同一表面上使用多个电极来支持多点触觉的潜能，但是在实践中难以进行。一个原因是，难以进行与不在透明屏幕的边缘附近的电极的低电阻电连接。因此，在所述多个电极中，不在边缘附近的电极充电慢。另一个原因是，触觉必须与感测指尖位置的一些手段共存。用于多触摸感测的最常见的技术是“投射电容”感测，该“投射电容”感测也使用静电电荷。为了最小化静电触觉与投射电容感测之间的交互，Senseg解决方案使用单个电极用于触觉、整个触摸屏幕的尺寸。

多点触觉

本发明人的共同未决专利申请(标题为“Electrostatic Multi-touch HapticDisplay”的美国专利申请序列号13/468,818)描述了实现多点静电触觉的多个方式。该公开的某些方面在本文中被作为背景技术提到。例如，静电触觉的基础是经由电场的摩擦力的调制(modulation)。该电场在指尖与触摸表面之间的接触点处被建立。这通过将一个或多个电极(触觉设备)放置在基板的触摸表面上并且利用介电层使这些电极与指尖绝缘来实现。为了建立电场，电路必须通过指尖闭合(close)。存在进行这个的两个主要方式。