用戶接口系統的製作方法

2023-07-24 21:44:16

專利名稱：用戶接口系統的製作方法
用戶接口系統
相關申請的交叉引用
本申請要求於2010年8月20日提交的美國臨時申請第61/405，140號的權益，其通過引入被全部併入。
本申請與2008 年 I 月 4 日提交且題為 「System and Methodfor Raised TouchScreens」的美國申請第11/969,848號、2009年I月5日提交且題為「User InterfaceSystem」的美國申請第12/319，334號、以及2009年7月3日提交且題為「User InterfaceSystem」的美國申請第12/497，622號相關，其全體通過本引用被整體併入本文。技術領域
本發明大體上涉及用戶接口領域，且更具體地涉及在基於觸摸的接口領域中的新的和有用的用戶接口。
背景
觸敏顯示器(例如，觸控螢幕)允許用戶將命令和數據直接輸入到顯示器中，這在各種應用中可以是特別有用的。觸控螢幕的常見應用包括消費者產品，例如行動電話和用於工業過程控制的用戶接口。根據特定的應用，這些觸敏顯示器通常被用在裝置中，該裝置範圍從小型手持式PDA到中等大小的平板電腦到大型工業器具。對於用戶通常方便的是在同一顯示器上輸入和讀取數據。與專用的輸入裝置例如具有離散的意義明確的鍵的鍵盤不同，大多數觸敏顯示器通常是平坦的。因此，觸敏屏幕不提供用於一個或多個控制「按鈕」的顯著的觸覺引導。相反，觸敏顯示器依賴於視覺提示(例如，所顯示的圖像)來引導用戶輸入。
因此，觸敏顯示器的一個嚴重的缺點是當試圖準確地輸入數據時用戶面臨的固有困難，因為相鄰的按鈕是不能藉助感覺區分的。不正確的擊鍵是常見的，其通常迫使用戶既集中在鍵盤上(以正確地輸入下一次擊鍵)又集中在文字輸入行(以檢查錯誤)；一般，用戶被迫將他或她的眼睛關注於顯示器上。在Apple公司的iPhone和RM公司的BlackBerrySSoo之間的競爭中，觸覺引導的重要性是顯而易見的。觸敏顯示器和物理硬按鈕各自都有優點和缺點，而且數字裝置通常併入一個這樣的組件或其它。
因此，在基於觸摸的接口領域中需要為數字顯示器創建新的和有用的接口，其併入用於一個或多個控制按鈕的觸覺引導。
附圖簡述


圖1是具有鄰近儲器(proximal reservoir)的用戶接口系統的一種優選實施方式的示意性表示；
圖2是處於擴展狀態的用戶接口系統的一種實施方式的示意性表示；
圖3是具有限定具有鄰近於第二區域的凹形輪廓的支撐表面的可滲透層的用戶接口系統的一種實施方式的不意性表不;
圖4A和圖4B是具有多孔的可滲透層和分別具有和不具有儲器的用戶接口系統的一種實施方式的不意圖5是具有鄰近儲器和遠程儲器的用戶接口系統的一種實施方式的示意性表示；
圖6是具有鄰近儲器和移位裝置的用戶接口系統的一種實施方式的示意性表示，該移位裝置是電氣泵；
圖7包括用戶接口系統的優選實施方式的各種可操作狀態的示意圖8是被併入具有數字顯示器的電子裝置中的優選實施方式的透視圖，以及其中的優選實施方式的操作的流程圖；以及
圖9是優選實施方式的透視圖和其中的優選實施方式的操作的流程圖。
優選實施方式描述
本發明的優選實施方式的以下描述不旨在將本發明限制於這些優選實施方式，而是旨在使本領域中的任何技術人員都能夠製造和使用本發明。
如圖1所示，優選實施方式的用戶接口系統100包括:一定體積的流體110 ;觸覺層120 ;保持壁130 ;可滲透層140 ;移位裝置150 ;和觸摸傳感器160。觸覺層120限定可由用戶觸摸的外觸覺表面124和與所述觸覺表面124相對的後表面125 ;觸覺層120還包括第一區域121和第二區域122，其中，第二區域122在收縮狀態和擴展狀態之間是可操作的，第二區域122在收縮狀態中基本上與第一區域121是齊平的，第二區域122在擴展狀態中基本上高出第一區域121。保持壁130基本上是不可透過流體110的。可滲透層140，其被布置在觸覺層120和保持壁130之間，被接合到第一區域121的後表面125並限定第二區域122下面的支撐表面142 ;可滲透層140還包括多個流體埠(fluid port) 144,該多個流體埠通過可滲透層140將流體110的一部分傳遞到第二區域122的後表面125。移位裝置150與保持壁130協作以通過流體埠 144將流體110的一部分導引到後表面125，以將第二區域122從收縮狀態轉換到擴展狀態。觸摸傳感器160被耦合到保持壁130並檢測觸覺表面124上的用戶觸摸。用戶接口系統100還可以包括:儲器170，其容納所述一定體積的流體110的一部分；數字顯示器190，其將圖像傳輸給用戶；附著點180，其將觸覺層120接合到可滲透層140 ;和/或壓力傳感器，其檢測靠近用戶接口系統100的周圍空氣壓力。
用戶接口系統100運行以使觸覺層120的第二區域122變形，以當操作用戶接口被耦合到的裝置時向用戶提供觸覺引導。用戶接口系統100基本上類似於在題為「User Interface System」美國專利申請第12/319，334號中所描述的和/或在題為「UserInterface System」美國專利申請第12/497，622號中所描述的用戶接口系統，其通過本引用被全部併入。用戶接口系統100優選與視覺引導(例如，由數字顯示器190輸出的並通過觸覺表面124傳輸的圖像)協作，以向用戶提供消息、選擇或任何其它合適類型的通信，但可選地，可以獨立於視覺引導來操作。用戶接口系統100優選提供大體上適合於本裝置的使用的觸覺引導。用戶接口系統100可以使觸覺層120的另外的區域獨立地和/或與第二區域122同時地變形，以提供對本裝置的使用的進一步的適應性。圖7B和7C描繪了被獨立地變形的第二區域122和第三區域123。用戶接口系統100優選被應用在靜態的圖像(例如，標籤)或動態的(例如，來自數字顯示器190)的圖像上；用戶接口優選大體上是透明的，以允許圖像通過用戶接口系統100傳輸。然而，用戶接口系統100的任何其它合適的光學特性可以是足夠的。如圖8所示，優選實施方式中的用戶接口系統100可被併入包括數字顯示器的電子裝置中，例如車輛控制臺、臺式計算機、可攜式計算機、平板計算機、電視、無線電裝置、臺式電話、行動電話、智慧型電話、PDA、個人導航裝置、個人媒體播放器、攝像機或手錶。優選實施方式中的用戶接口系統100還可被併入不具有數字顯示器的電子裝置中，例如，被併入到車輛的方向盤、遙控器或鍵盤上。然而，用戶接口系統100可被併入觸覺和/或視覺地與用戶接口的任何合適的裝置。
優選實施方式中的一定體積的流體110起作用以將流體壓力傳輸到第二區域122的後表面125，以激發第二區域122的變形。流體110優選還起作用以當用戶將力施加到變形的第二區域122時支撐變形的(即，擴展的)第二區域122。流體110優選實質上是不可壓縮的流體，例如油、水、酒精和/或液體石蠟，但可選地可以是可壓縮的流體，例如空氣。然而，流體110可以是任何其它合適類型的流體。流體110的一部分優選被包含在可滲透層140內，例如可滲透層140的流體埠 144內或由可滲透層140限定的腔體(例如，儲器)內。如圖1和圖5所示，用戶接口系統100還可包括近和/或遠的儲器，其分別存儲流體110的一部分。然而，流體可以以任何其它合適的布置被布置在用戶接口系統100內。在觸覺層120、可滲透層140、移位裝置150、觸摸傳感器160、儲器170和/或用戶接口系統100的任何其它單元與流體110接觸的情況下，流體110優選實質上在化學性質上是惰性的；具體地，流體110優選不腐蝕且不被與流體110接觸的用戶接口系統100中的任何部件腐蝕。在用戶接口系統100或用戶接口系統100被應用到的裝置的正常操作條件下，流體110的特性優選保持大體上不變。例如，如果用戶接口系統100被用在飛機上，則流體110的特性優選在海平面和更高的海拔之間保持大體上不變。然而，流體110可具有任何其它合適的化學特性。
如圖2和圖5所示，優選實施方式中的觸覺層120起作用以提供觸覺表面124，觸覺表面124是由用戶可觸摸的並以觸摸的方式與用戶接口。觸覺層120優選是連續的，使得當用戶使手指在觸覺表面124上劃刷時，在其中不會感覺出任何中斷或接縫。觸覺層120在收縮狀態中也優選是平面的(即平的)，但可選地可以形成非平面的(例如，彎曲的)表面。觸覺層120可以被布置在單個平面上，但可選地可以沿第一平面和第二平面被布置。例如，觸覺層120的一部分可被布置在裝置的第一表面上，且觸覺層120的第二部分可被布置在該裝置的第二表面上，第二表面與第一表面相鄰但不相接觸。
如圖9所示，觸覺層120還起作用以當流體被移位到第二區域122的後表面125 (例如，在第二區域122的後表面125的流體壓力增加到大於周圍空氣壓力)時，限定從收縮狀態向外變形為擴展狀態的第二區域122 ;第二區域122優選在擴展狀態中高出於第一區域121並從而由用戶觸覺地可區分於第一可變形區域121。觸覺層120還起作用以限定第一區域121，第一區域121不管第二區域122的狀態如何而保持大體上不變形。當流體110從第二區域122的後表面125被抽出(或流體壓力被釋放)時，第二區域122優選「鬆弛」或「不變形」回收縮狀態；在收縮狀態下，第二區域122優選在觸覺表面124處與第一區域121齊平。在凹進狀態下，觸覺層120還可以向內朝向由可滲透層140 (在圖3中所示出的)限定的凹形輪廓變形和/或符合由可滲透層140(在圖3中所示出的)限定的凹形輪廓；被抽離第二區域122的後表面125的流體優選將第二區域122拉入凹形輪廓。凹進狀態優選為用戶提供可區分於收縮狀態和擴展狀態的另外的觸覺反饋。第二區域122優選在擴展和收縮狀態之間是可操作的，但也可以僅僅在擴展和凹進狀態之間或在全部的擴展、收縮和凹進狀態之間是可操作的；然而，第二區域122可以是在任何其它狀態下可操作的。
觸覺層120優選是有彈性的，以允許第二區域122在各種狀態下的變形。在第一變體形式中，觸覺層120在特定的(例如，鄰近於第二區域122)區域中是相對更有彈性的並且在其它的(例如，鄰近於第一區域121)區域中是相對更低彈性的；因此，觸覺層120優選更能夠在相對更有彈性的區域變形。在第二變體形式中，觸覺層120大體上是均勻地有彈性的。在第三變體形式中，觸覺層120包括智能材料例如鎳鈦(通常被稱為「鎳鈦諾」)或者由其組成。觸覺層120也優選大體上是光學透明的，但可選地可以是半透明或不透明的。觸覺層120優選具有如下特性:高的光傳輸率；低霧度；寬的觀察角；最小的背面反射率(例如，在用戶接口系統100被應用於發射光的數字顯示器190的變體形式中)；耐劃傷性；耐化學性；耐腐蝕性；氣體和/或液體不透過性；和平滑度(即觸摸起來不發粘或粗糙)。此外或可選地，該表面可以包括提供這些所需特性中的任何特性的塗層。觸覺層120優選是由合適的彈性材料製成的，如聚合物和/或矽基彈性體。這樣的合適的材料包括:聚二甲基矽氧烷(PDMS) ;RTV矽橡膠(例如，RTV矽橡膠615);聚氨酯；熱固性塑料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA));和光固化性耐溶劑性彈性體(例如，全氟聚醚)。然而，觸覺層120可以由任何合適的材料製成。在一種變體形式中，觸覺層120是小於Imm厚的單一的均質的(例如，在整個層是相同材料的)層，且在優選變體形式中，觸覺層120的厚度在50um至200um之間。在另一形式中，觸覺層120可使用多個層和/或相同或不同的合適的材料和厚度的塗層構造。
觸覺層120優選相鄰於可滲透層140，且觸覺層120的第一區域121優選被選擇性地附著、粘附或以其它方式接合到可滲透層140，使得觸覺層120的第一區域121被保持對著可滲透層140。然而，觸覺層120可被接合到可滲透層140，而觸摸傳感器160的一部分(例如，電極)被置於可滲透層140和觸覺層120之間。觸摸傳感器160可被接合到觸覺層120，且因此與觸覺層120 —起變形，使得觸覺傳感器和觸覺表面124之間的距離大體上被保持。這在觸摸傳感器160即電容式觸摸傳感器160的變體形式中可以是特別重要的。
第一區域121優選限定與第二區域122的邊界。由於流體通過流體埠 144朝向觸覺層120移位，所以僅僅被導引朝向未粘附到可滲透層140的觸覺層120的一部分(即第二區域122)的流體離開可滲透層140並向外擴展觸覺層120的自由部分，以產生該表面的變形的區域；該變形的區域優選是第二區域122並優選形成按鈕。第一區域121 (其被接合到可滲透層140)優選限制流體110從與第一區域121相鄰的流體埠 144離開出；因此，第一區域121 (及接合到可滲透層140的其它區域)優選不被通過流體埠 144抽取的流體變形。因此，第二區域122的周界優選由附著到可滲透層140的觸覺層120的後表面125的一部分(例如，第一區域121)部分地限定。
觸覺層120的第一區域121優選通過附著點180 (或多個附著點)被對著可滲透層140保持；附著點180可以是一系列連續的點，例如線、曲線或區域，但可選地可以是一系列不連續的點。附著點180可以通過粘合劑粘合、化學製劑粘合、焊接、擴散結合或通過任何其它合適的附著材料和/或方法形成。附著點180可以包括布置在觸覺層120和可滲透層140之間的一定體積的粘合劑或其它材料；可選地，附著點180可以在觸覺層120的後表面125和可滲透層140之間實質上通過化學製劑粘合形成。形成附著點180的方法和/或材料優選產生具有光學特性的附著點，該光學特性大體上類似於觸覺層120和/或可滲透層140的光學特性。附著點180優選限定第一區域121和第二區域122之間的邊界，其中，第一區域121對著可滲透層140被保持，且第二區域122保持自由，以在第二區域122的後表面125處流體壓力變化的情況下變形。
優選實施方式中的可滲透層140起作用以限定支撐第二區域122的支撐表面142，並進一步限定通過可滲透層140將流體110的一部分傳遞到第二區域122的後表面125的多個流體埠 144。流體110的一部分被導引通過流體埠 144中的任何埠並朝向觸覺表面124，該流體110的一部分優選向外使第二區域122變形。
可滲透層140的流體埠 144優選例如通過保持壁130、觸覺層120和/或周壁實質上與周圍密封隔離；流體埠 144還優選實質上填充有流體110，其優選防止汙染和所述一定體積的流體110與另一流體的不希望的混合。在流體110是液體石蠟的例子中，流體埠 144實質上填充有石蠟，且可滲透層140實質上通過保持壁130和可滲透層140與周圍密封隔離，以便防止空氣進入流體埠 144 ;流體110的這樣的汙染可能引起液體石蠟內的氣泡，導致透明度下降和/或對通過用戶接口系統100的光透射(即圖像)的增加的阻塞。在包括將動態圖像輸出給用戶的數字顯示器190的變體形式中，這樣的透明度的下降和阻塞的增加對用戶接口系統100的操作可以是特別有害的。
可滲透層140可以是幾種變體形式中的一種。在第一變體形式中，如圖4所示，可滲透層140是由限定了一系列互連的腔體的實質上多孔的材料製成的，所述一系列互連的腔體形成流體埠 144 ;所述腔體優選含有所述一定體積的流體110的一部分並導引流體通過可滲透層140 ;可滲透層140因此可滲透流體110。在可滲透層140是多孔的這種變體形式中，被施加跨越可滲透層140的一部分的電場可以影響可滲透層140的孔隙率的變化；在這種變體形式中，可滲透層140因此可以在打開或關閉流體110朝向或來自第二區域122的流動中執行閥的功能。然而，可選地，加熱元件可以加熱可滲透層140的一部分，以影響在可滲透層140的所述部分的孔隙率和/或流體110的一部分的粘度上的變化。在包括至少部分地由可滲透層140限定的儲器170的變體形式中，如圖4B所示，對儲器170打開的腔體可在儲器170和觸覺層120之間傳遞流體110。這種變體形式中的可滲透層140可以是大體上海綿狀的。用戶接口系統100優選是大體上透明的，使得圖像可以通過用戶接口系統100傳輸；因此，這種變體形式中的可滲透層140優選是大體上透明的多孔材料，例如透明的矽土氣凝膠、透明的聚合物和/或透明的陶瓷。然而，該第一變體形式中的可滲透層140可以是任何其它合適類型的多孔材料。
在第二變體形式中，如圖3所示，可滲透層140限定了形成流體埠 144的一系列通道。該通道優選是大致上圓柱形的幾何形狀；具體地，流體埠 144優選由通道限定，所述通道是橫截面大體上是圓形的大體上平行的孔，其大體上垂直於支撐表面142地完全穿過可滲透層140。然而，所述通道(即流體埠 144)可以是任何其它幾何形狀或橫截面的。所述通道優選基本上是足夠小的，以對用戶是基本上在觸覺上難以察覺的。所述通道還可以是光學上對用戶不可見的，從而最小化通過可滲透層140透射的圖像的光學失真，雖然流體110可以具有實質上與可滲透層140的折射率類似的折射率以最小化這樣的光學失真。所述通道還可以如此小以是人眼不能探察的，即使是以與可滲透層140的光學特性不同的光學特性(例如，折射率)的流體(例如，氣體、空氣、液體)填充的時候。在包括大致上圓柱形的通道的變體形式中，每個通道如果優選具有小於500um的直徑，則通過每個通道，優選具有IOOum的或小於可區分於觸摸或由肉眼視線可區分的最大特徵尺寸的最大直徑。所述通道可例如通過雷射燒蝕、批量加工、常規鑽孔或蝕刻被加工到可滲透層140中。可選地，所述通道可以在可滲透層140的製造期間形成，例如通過使用結合了通道形成功能的模具來處理可滲透層140。可選地，可滲透層140可以包括捆綁在一起並通過固定材料例如粘合劑保持的一系列單獨的通道(例如，管)。然而，可以使用形成可滲透層140內的通道的任何其它合適的方法。由於用戶接口系統100優選能夠將圖像傳輸給用戶，所以第二變體形式中的可滲透層140優選包括大體上透明的材料，例如:玻璃；彈性體；矽基有機聚合物，例如聚-二甲基矽氧烷(PDMS)，或其它聚合物；熱固性塑料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);或光固化性、耐溶劑性的彈性體，例如，全氟聚醚。然而，可滲透層140可以是任何其它合適的材料的或幾何形狀的。
優選實施方式中的可滲透層140還起作用以限定與第二區域122相鄰的支撐表面142。支撐表面142優選是剛性的，從而提供「硬停止(hard stop) 」，其限制由於由用戶施加到觸覺表面124的力而引起的第二區域122向內的變形。因此，支撐表面142可以防止用戶「按太多」到觸覺表面124中。支撐表面142可以延伸超出第二區域122，以同樣支撐觸覺層120的任何其它區域或區。在可滲透層140保持以大致上平面的形式的第一區域121且支撐表面142 (在第二區域122下面)也是大致上平面的變體形式中，支撐表面142可以防止由於用戶施加到觸覺表面124的力而引起的第二區域122超出第一區域121的平面的向內變形。此外，可滲透層140優選與觸覺層120協作以實質上減小當特別是在收縮狀態下沿第二區域122使手指划過觸覺表面124時由用戶感覺到的「凹痕」或中斷的大小和/或數量。凹痕優選由流體埠 144限定，且觸覺層120優選具有遠大於流體埠 144的橫截面的厚度，使得觸覺層120不能明顯地變形到流體埠的開口中；流體埠 144因此可以是用戶察覺不到的。然而，可以使用可滲透層140和觸覺層120的任何其它合適的布置。
優選實施方式中的保持壁130起作用以支撐可滲透層140，並防止流體逸出與可滲透層140相對的用戶接口系統100。因此，優選實施方式中的保持壁130優選起作用來與移位裝置150協作，以通過流體埠 144將流體110的一部分導引至第二區域122的後表面125。具體地，保持壁130的布置防止被移位到可滲透層140中的流體110離開與觸覺層相對的可滲透層140，因此，保持壁130導引流體110靠近潛在的流體的離開點，並導引流體110朝向觸覺層。保持壁130基本上不可滲透流體110，使得流體110不可以通過保持壁130。在第一變體形式中，保持壁130被直接接合到與支撐表面142相對的可滲透層140。在這種變體形式中，保持壁130關閉與支撐表面142相對的流體埠 144，使得當移位裝置150增加可滲透層140內的流體壓力時流體無法滲出與支撐表面142相對的可滲透層140 ;通過關閉可滲透層140的這一側上的流體埠 144，可滲透層140內的流體壓力的增加導引流體110朝向支撐表面142並使第二區域122向外擴展。例如，在可滲透層140的第二變體形式中，由可滲透層140限定的流體埠 144不起作用，以大致上封閉流體110的一部分；因此，保持壁起作用以給由可滲透層140限定的流體埠 144中的每一個提供底壁，從而防止流體從與支撐表面相對的側不希望地流出可滲透層140。因此，保持壁130便於可滲透層140內的流體110的一部分的容納。在第二變體形式中，保持壁130被耦合到與支撐表面142相對的可滲透層140，但與之偏離，從而與可滲透區域協作以至少部分地限定可滲透層140和保持壁130之間的儲器170 ;儲器170還可由周壁部分地限定。在該第二變體形式中，保持壁130基本上抵抗由於儲器170內的流體壓力增加(由移位裝置150產生)引起的變形並防止流體滲出通過保持壁130，從而導引流體通過可滲透層140並朝向第二區域122的後表面125，以擴展第二區域122。然而，保持壁130可以是任何其它幾何形狀和/或布置的。
保持壁130可以是 被施加到與觸覺層120相對的可滲透層140的塗層，例如沉積於其上的大體上透明的密封層，但可選地可以是布置在數字顯示器上並粘附到可滲透層140的具有實質厚度的單獨的層，例如玻璃或聚碳酸酯基板。保持壁130還可以包括支架和/或支柱，其被接合到可滲透層140並使保持壁130保持大致上偏離可滲透層140。然而，保持壁130可以是任何其它幾何形狀的，並且可通過任何其它方法被耦合到可滲透層140。
移位裝置150優選起作用以移位流體埠 144內的流體並朝向第二區域122的後表面125，以在擴展狀態下使第二區域122向外變形。移位裝置150可以是幾種變體形式中的任一種，包括機械泵(例如，正排量、脈衝或者速度泵)、電動(例如，電滲)泵、夾具、活塞型移位裝置(示於圖9)或能夠使流體移位的任何其它合適的裝置。為了使第二區域122從收縮狀態轉變到擴展狀態，移位裝置150優選在實質上遠離支撐表面142的可滲透層140內產生相對高壓的區域；這優選誘導流體流向鄰近第二區域122的後表面125的相對低壓的區域(即，跨越壓力梯度)，從而擴展第二區域122。為了使第二區域122從擴展狀態轉變到回撤狀態(或從收縮狀態到凹進狀態)，移位裝置150優選在實質上遠離支撐表面142的可滲透層140內產生相對低壓的區域；這優選誘導流體流動遠離第二區域122的後表面125，從而收縮第二區域122。因此，移位裝置150通過流體埠 144將流體110的一部分導引至後表面125，以使第二區域122從收縮狀態轉變到擴展狀態，並且移位裝置150從流體埠 144導引流體110的一部分，以使第二區域122從擴展狀態轉變到收縮狀態和/或從收縮狀態轉變到凹進狀態。
在創建了流體壓力梯度以激發流體110的移位裝置150的變體形式中，壓力梯度優選在第二區域122變形以吸收壓力變化時消失。一旦第二區域122是在所希望的狀態(例如，擴展、收縮或凹進狀態)下，則用戶接口系統100內的流體壓力優選達到一個穩定且恆定的狀態；移位裝置150優選維持系統內的這個流體壓力，以將第二區域122保持在所需狀態下。在包括儲器170的用戶接口系統100的變體形式中，移位裝置150可以創建跨越儲器170和流體埠 144的壓力梯度，以激發流體110從儲器170到流體埠 144，或反之亦然。
移位裝置150優選是正排量微泵，例如來自德國巴特爾斯的ThinXXsMicrotechnology AG 公司的泵 #MDP2205 或來自德國多特蒙德的 Bartels MikrotechnikGmbH公司的泵#!11 5。然而，移位裝置150可以是任何其它合適類型的。合適類型的正排量泵包括旋轉式、往復式、齒輪、螺旋、螺杆泵、羅茨式、蠕動、活塞、隔膜或繩泵。合適類型的衝擊式泵包括液壓柱塞泵，且合適類型的速度泵包括徑向和軸向流離心泵和噴射式泵。
可選地，在包括被置於可滲透層140和保持壁130之間的儲器170的用戶接口系統100的變體形式中，機械泵可以包括耦合到可滲透層140和支撐表面142的夾具，如圖1和圖4所示，其中，所述夾具修改保持壁130的一部分相對於可滲透層140的方向。這優選減小(或增加)了儲器170的容積，從而增加(或減小)儲器170內的流體壓力並激發朝向(或從)流體埠 144的流體以擴展(或收縮)第二區域122。
類似地，移位裝置150可以使可滲透層140變形，以移位流體110的一部分。例如，移位裝置150可以壓縮可滲透層140的一部分，從而減小可滲透層140的體積並激發流體通過流體埠 144以使第二區域122向外變形；移位裝置150因此可以將流體110 「擠壓」出可滲透層140並朝向觸覺層120。可滲透層140可被均勻地變形；例如，移位裝置150可以是大體上橫跨與支撐表面142相對的可滲透層140而布置的夾具，其中，所述夾具通過激發保持壁130朝向觸覺層120來壓縮可滲透層140。可選地，移位裝置150可以僅壓縮可滲透層140的一部分，例如實質上靠近第二區域122的可滲透層140的部分。在這種變體形式中，移位裝置150可以在實質上一個方向上壓縮可滲透層140，但可選地可以在多於一個的方向例如垂直和水平方向上壓縮可滲透層140，或者可以通過扭轉使可滲透層140變形。然而，從可滲透層140移位流體110的一部分以使第二區域122變形的可滲透層140的其它合適的變形也是可能的。
移位裝置150還可以是電動泵，其提供跨越可滲透層140的一部分的電壓梯度，以誘導電滲流體流過流體埠 144。由於粘性力基本上阻礙流體流過非常小的通道，所以電滲驅動的流體流動在用戶接口系統100中可以是有利的，在該用戶接口系統100中，流體埠 144的橫截面實質上很小。如圖2所示，移位裝置150可以通過在支撐表面142上的大致上透明的導電跡線152處產生第一電壓以及在可滲透層140的相對側上的透明的導電跡線上產生第二(不同的)電壓來產生跨越可滲透層140的電壓梯度；因此，隨後的電壓梯度激發流體通過流體埠 144。在用戶接口系統100的變體形式中，其中觸摸傳感器160是大體上被布置在可滲透層140和觸覺層120之間、可滲透層140內或在可滲透層140和保持壁130之間的電容式傳感器，觸摸傳感器160的電極也可以用作電移位裝置150的導電跡線152的一部分。然而，移位裝置150可以產生跨越用戶接口系統100的任何其它合適的部分或單元的電壓梯度，以誘導電滲流體流動。
此外，移位裝置150可以包括加熱流體110的一部分(例如，在可滲透層140內)的加熱元件，以擴展流體110的所述一部分並從而擴展第二區域122。在這個例子中，散熱器也可以被包含在用戶接口系統100中，其中散熱器將熱量從流體110的所述一部分抽出，以便冷卻所述流體並收縮第二區域122。
優選實施方式中的觸摸傳感器160起作用以產生輸出，該輸出指示靠近觸覺表面124的用戶動作。所述輸出優選是由處理器或裝置內的其它組件可讀取的，用戶接口系統100被布置在所述裝置上。觸摸傳感器160優選識別用戶動作，該用戶動作是觸覺表面124上的手指觸摸，但觸摸傳感器160可以識別任何其它物體(例如觸筆、用戶的手掌或用戶的多個手指)的觸摸。雖然觸摸傳感器160優選檢測在第二區域122處的靠近觸覺表面124的用戶動作(例如，其中用戶按壓擴展的第二區域122)，觸摸傳感器160還可以檢測靠近觸覺層120的任何其它區域的用戶動作。
觸摸傳感器160可以檢測當第二區域只在收縮狀態、只在擴展狀態、只在凹進狀態下時的用戶動作。然而，觸摸傳感器160優選檢測在第二區域122處的用戶觸摸，而不管第二區域122的狀態，儘管觸摸傳感器160也可以在收縮、擴展(和凹進)狀態的每一個中產生對於靠近第二區域122的用戶觸摸的唯一的輸出。如上面所解釋的，觸摸傳感器160的一部分的方向可被操控，以便貫穿第二區域122的各種狀態維持觸摸傳感器160的所述一部分和觸覺層120之間的距離；這優選通過將觸摸傳感器160的一部分接合到觸覺層120的後表面125來實現，如圖7所示:圖7A描繪了在收縮狀態下的第二區域122，其中觸摸傳感器160的所述部分與可滲透層140的支撐表面142相鄰；圖7B描繪了在擴展狀態下的第二區域122，其中觸摸傳感器160的所述部分被接合到第二區域122的後表面並隨第二區域122的後表面變形。
觸摸傳感器160優選是電容式觸摸傳感器160，如圖8和9所示，其中，觸摸傳感器160可以是第一導電跡線152A (即，驅動線)和第二導電跡線152B (即，感應線)；因此，在觸覺表面124上的用戶觸摸優選由觸摸傳感器160通過跡線152AU52B捕捉。然而，觸摸傳感器160可以通過任何其它合適的技術,例如光學、電阻式、表面聲波、紅外、色散信號或聲音脈衝識別傳感器技術，來感應用戶觸摸。
觸摸傳感器160優選被接合到與可滲透層140相對的保持壁130，其中，觸摸傳感器160通過保持壁130、可滲透層140和觸覺層120檢測用戶動作。然而，觸摸傳感器160的任何部分可被置於用戶接口系統100的任何其它組件之間、接合到用戶接口系統100的任何其它組件和/或物理上與用戶接口系統100的任何其它組件共同延伸；觸摸傳感器160因此可被直接或間接地耦合到保持壁130。在觸摸傳感器160的變體形式中，該觸摸傳感器160是包括至少一個電極層的電容式觸摸傳感器160(例如，自電容觸摸傳感器160)，觸摸傳感器160的一部分可以被布置在可滲透層140內。在第一個例子中，可滲透層140在觸摸傳感器160的電極層周圍被注射成型；在第二個例子中，可滲透層140包括粘附到觸摸傳感器160的電極層的兩個(每側上一個)可滲透片材，從而形成物理上共同延伸的可滲透層140和觸摸傳感器160部分。觸摸傳感器160還可包括在一側上粘合到保持壁130的層和在相對側上的可滲透層140，或者觸摸傳感器160可以是耦合到保持壁130的觸敏顯示器(即，觸摸傳感器160和顯示器190是物理上共同延伸的)。在上述例子中，電極層優選是可滲透流體的，例如併入通孔、通穴或通槽。然而，觸摸傳感器160可以是任何其它類型、幾何形狀或布置的，例如在如於2009年I月5日提交的並且題為「User Interface System」的美國申請號12/319，334和於2009年7月3日提交的並且題為「User Interface Systemand Method」的美國申請號12/497，622所述的感應系統中，其通過本引用被全部併入。
用戶接口系統100還可以包括耦合到保持壁130的顯示器190，其在視覺上為用戶輸出圖像。為了向用戶提供視覺引導，該圖像優選是大致對準第二區域122的輸入鍵。顯示器190優選是數字顯示器，例如IXD、LED、ELP或通常布置在車輛控制臺、臺式計算機、可攜式計算機、平板計算機、電視、無線電裝置、桌上電話、行動電話、智慧型電話、PDA、個人導航裝置、個人媒體播放器、攝像機或手錶中的任何中的其它類型的數字顯示器。數字顯示器190優選被接合到與可滲透層140的相對的保持壁130，但可選地可以在物理上與保持壁130、觸摸傳感器160和/或可滲透層140共同延伸。顯示器190優選生成圖像，且可滲透層140和觸覺層120協作地將來自顯示器190的圖像傳遞給用戶；保持壁130和/或觸摸傳感器160也可以協作以將圖像傳遞給用戶。因此，可滲透層140和觸覺層120 (及保持壁130和/或觸摸傳感器160)大體上是透明的，對光基本上是非阻礙的，並且具有基本上最小的內部反射率。
用戶接口系統100還可以包括周壁，其大體上包圍可滲透層140的周界，與保持壁130和觸覺層120協作以保持大致在可滲透層140內的流體110。觸覺層120和保持壁130優選大體上包圍可滲透層140的相對的寬的表面之間的流體110，且周壁優選環繞可滲透層140，以防止流體從可滲透層140的周界側漏出。這在可滲透層140的第一變體形式(其包括具有相連的腔體的大致上海綿狀的材料，如圖4所示)中可以是特別重要的:被導引朝向觸覺層120的不可變形(第一)區域的流體可以被重新導引大致上從側面通過相連的腔體；雖然因此流體110被有利地激發朝向觸覺層120的可變形(第二)區域，但是流體110還可以被導引出可滲透層140的周界側，從而釋放可滲透層140內的流體壓力，並限制觸覺層120的可變形區域的向外變形。(然而，有利地，在這種變體形式和流體埠 144在大致垂直於支撐表面142的方向上傳遞流體110的一部分的任何其它變體形式中，移位裝置150可以增加靠近第一區域121和第二區域122 二者的可滲透層140內的流體壓力，但僅朝向第二區域122抽出流體110並因此僅使第二區域122變形)。因此，周壁防止這樣的流體壓力的釋放，並優選併入可滲透層140的這種變體形式(和潛在的其它變體形式)中。在另一變體形式中，周壁與保持壁130、可滲透層140和電子裝置中的任何進行協作以限定儲器170。周壁可以大致上獨立於可滲透層140，但也可以是與可滲透層140集成的、或是與保持壁130在物理上共同延伸的。然而，周壁還可以是在物理上與觸覺層120、保持壁130或用戶接口系統100的任何其它單元共同延伸的。在移位裝置修改保持壁130的一部分的方向的變體形式中，周壁優選在必要的地方變形以適應方向上的變化。
如上所述，用戶接口系統100可以包括儲器170，其容納流體110的一部分。儲器170優選是大致上與可滲透層140相鄰的鄰近儲器，如圖1和圖5所示，但也可以是遠程儲器，如圖5所示。當流體110被朝向觸覺層120移位時，額外的流體優選由儲器170提供給可滲透層140 ;當流體110被移位而遠離觸覺層120時，流體110優選由儲器170重新收集。儲器170也可以將流體補充到可滲透層140，例如在流體110的洩漏或其它損失之後，儘管儲器170可以提供額外的流體用於任何其它合適的功能。儲器170優選通過移位裝置150被耦合到可滲透層140 (即移位裝置150被布置在儲器170和可滲透層140之間)，使得移位裝置150將流體從儲器170中抽出並朝向可滲透層140，且反之亦然。此外，儲器170可以是實質上剛性的，使得當流體110被從其抽出時，儲器170基本上不變形，但可選地，儲器170可以是實質上可變形的，例如在儲器170是當流體被抽離或抽入儲器170時變形的柔韌的(例如，塑料、矽樹脂或橡膠)囊的變體形式中。然而，儲器170可以用任何其它合適的方式來布置並採取任何其它形式。
儲器170是鄰近儲器170的變體形式優選與可滲透層140直接流體接觸，如在圖1和圖5所示。鄰近儲器170可被耦合到(或部分被限定)與支撐表面142相對的可滲透層140，但可選地，其可以是可滲透層140內的實質上大的腔體並含有可由任意數量的流體埠 144達到的流體。鄰近儲器170還可以包括支持鄰近儲器170並實質上維持儲器170的形狀的支柱139，如在圖5中所示的支柱139。在可滲透層140是多孔的變體形式中，可滲透層140可以從任何側接收流體；因此，鄰近儲器170可被布置在任何合適的方向上以將流體110傳遞到可滲透層140的任何側。儲器170是遠程儲器的變體形式優選通過通道耦合到可滲透層140(或額外的鄰近儲器)，但可以使用任何其它合適的單元或方法被耦合。
儲器170還可以包括對用戶接口系統100內的流體110進行移位的第二移位裝置150。這優選降低了移位裝置150上的負荷，並且在包括遠程儲器的變體形式中可以是特別有用的，其中，流體110必須在相當大的距離的範圍內被移位。例如，遠程儲器可被耦合到第二移位裝置150，其是一種夾具，其中，所述夾具可手動操作已將流體移位朝向可滲透層140。在這個例子中，夾具可以是行動電話或任何其它合適的裝置上的鉸鏈和/或滑塊，使得當被致動時，流體從遠程儲器中被抽出並被激發朝向可滲透層140(或反之亦然)。但是，任何其它合適類型的第二移位裝置150可被使用並可以或可以不與移位裝置150實質上類似。第二移位裝置150還可被用來取代移位裝置150。
用戶接口系統100還可以包括壓力傳感器，其檢測靠近用戶接口系統100的周圍空氣壓力(或氣壓或大氣壓)。壓力傳感器可以是任何類型的壓力傳感器，例如壓阻、電容、電磁、壓電、光學的或電位壓力傳感器。在收縮狀態下，移位裝置150優選調整第二區域122的後表面125處的流體壓力，以大體上匹配周圍空氣壓力，使得第二區域122不會不希望地產生變形(即偏離與第一區域121齊平)。例如，在收縮狀態下，當用戶接口系統100從大致是海平面被轉移到明顯高的海拔時，移位裝置150優選降低第二區域122的後表面125處的流體壓力，使得第二區122在面對更高海拔處的減小的周圍空氣壓力時不向外變形。壓力傳感器也可以作為移位裝置150的參考，其中，在擴展(或凹進)狀態下，移位裝置150通過高於(或低於)周圍空氣壓力的預先指定的壓力來增大(或減小)第二區域122的後表面125處的壓力，使得第二區域122在各種周圍空氣壓力下大致相同地變形。然而，壓力傳感器可以以任何其它方式起作用和/或與移位裝置150協作。
正如從之前的詳細描述和從附圖以及權利要求書中本領域技術人員將認識到的，可以對本發明的優選實施方式做出修改和改變，而不脫離如在下面的權利要求中所限定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種用戶接口系統，包括: 一定體積的流體； 觸覺層，其限定由用戶可觸摸的外部觸覺表面和與所述觸覺表面相對的後表面，所述觸覺層包括第一區域和第二區域，其中，所述第二區域在如下狀態之間是可操作的: 〇收縮狀態，其中，所述第二區域大致與所述第一區域齊平；以及 〇擴展狀態，其中，所述第二區域大致高出所述第一區域； 保持壁，其大致上不滲透所述流體； 可滲透層，其被置於所述觸覺層和所述保持壁之間，所述可滲透層被接合到所述第一區域的所述後表面並限定在所述第二區域下方的支撐表面，其中所述可滲透層包括多個流體埠，所述多個流體埠通過所述可滲透層的一部分將所述流體的一部分傳遞到所述第二區域的所述後表面； 移位裝置，其與所述保持壁協作以通過所述流體埠將所述流體的一部分導引至所述觸覺層的所述後表面，以將所述第二區域從所述收縮狀態轉變到所述擴展狀態；以及 觸摸傳感器，其耦合到所述可滲透層並檢測所述觸覺層的所述觸覺表面上的用戶觸摸。
2.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述支撐表面是大致上剛性的並提供硬停止，所述硬停止限制由於用戶施加到所述觸覺表面的力而引起的所述觸覺層的向內變形。
3.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述移位裝置從所述流體埠中抽出所述流體的一部分，以將所述第二 區域從所述擴展狀態轉變到所述收縮狀態。
4.如權利要求3所述的用戶接口系統，其中，所述支撐表面限定在所述第二區域下面的凹形輪廓，其中，所述第二區域在凹進狀態下還是可操作的，且其中所述移位裝置從所述流體埠中抽出所述流體的一部分，以在所述凹進狀態下將所述第二區域拉入所述凹形輪廓。
5.如權利要求1所述的用戶接口系統，還包括容納所述體積的流體的一部分的儲器，其中所述移位裝置將流體從所述儲器移位到所述可滲透層的所述流體埠。
6.如權利要求5所述的用戶接口系統，其中，所述儲器由一側上的所述保持壁以及由相對側上的所述可滲透層至少部分地限定。
7.如權利要求6所述的用戶接口系統，其中所述移位裝置修改所述保持壁的一部分相對於所述可滲透層的定向，以將流體從所述儲器導弓I到所述流體埠。
8.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述移位裝置是電動泵，所述電動泵在所述可滲透層內產生電壓差以通過所述流體埠誘導電滲流體流動，以向外擴展所述第二區域。
9.如權利要求8所述的用戶接口系統，其中所述移位裝置在布置在所述支撐表面上的第一導電跡線和與所述支撐表面相對地布置在所述可滲透層上的第二導電跡線的兩端之間產生電壓差。
10.如權利要求9所述的用戶接口系統，其中所述觸摸傳感器是結合有所述移位裝置的導電跡線的一部分的電容式傳感器。
11.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述移位裝置是機械泵，所述機械泵增大所述可滲透層中鄰近所述保持壁的流體壓力，並且其中所述保持壁抵抗由於流體壓力的增大引起的變形並導引流體通過所述流體埠的一部分以擴展所述第二區域。
12.如權利要求1所述的用戶接口系統，還包括將所述觸覺層的所述後表面的一部分接合到所述可滲透層的附著點。
13.如權利要求12所述的用戶接口系統，其中所述可滲透層限定與所述第一區域和所述第二區域相鄰的流體埠的大致上均勻的密度，且其中所述附著點阻擋流體流過與所述第一區域相鄰的至少一個流體埠。
14.如權利要求12所述的用戶接口系統，其中，所述觸覺層的所述第一區域和所述第二區域相鄰並形成大致上連續的觸覺表面，且其中所述附著點限定所述第一區域和所述第二區域之間的邊界。
15.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述可滲透層限定直徑實質上很小的所述流體埠，使得所述流體埠對觸摸所述觸覺表面的用戶是觸覺上不易察覺的。
16.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述觸覺層的所述第二區域的向外變形形成按鈕，且其中所述觸摸傳感器檢測實質上靠近所述按鈕的用戶觸摸。
17.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述觸摸傳感器是電容式觸摸傳感器。
18.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述保持壁與所述觸摸傳感器物理上共同延伸。
19.如權利要求1所述的用戶接口系統，還包括耦合到所述保持壁的數字顯示器，所述數字顯示器在視覺上將圖像輸出給用戶，其中所述圖像是大致與所述第二區域對準的輸入鍵。
20.如權利要求19所述的用戶接口系統，其中所述數字顯示器在物理上與所述保持壁共同延伸。
21.如權利要求20所述的用戶接口系統，其中，所述觸摸傳感器的一部分實質上被布置在所述可滲透層 內。
22.如權利要求19所述的用戶接口系統，其中所述流體、所述可滲透層和所述觸覺層協作地將來自所述顯示器的圖像傳遞給用戶。
23.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中，所述觸覺層還限定在收縮狀態和擴展狀態下可操作的第三區域，其中，所述移位裝置與所述保持壁協作以通過所述流體埠將所述流體的一部分導引至所述後表面，以獨立於所述第二區域而將所述第三區域從所述收縮狀態轉變到所述擴展狀態。
24.如權利要求1所述的用戶接口系統，還包括檢測靠近所述用戶接口系統的周圍空氣壓力的壓力傳感器，其中，在所述收縮狀態下，所述移位裝置導引所述流體的一部分以使所述第二區域的所述後表面處的流體壓力大致上匹配周圍空氣壓力。
25.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述可滲透層是由包括形成所述流體埠的一系列互連腔體的實質上多孔的材料製成的。
26.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述可滲透層限定多個流體埠，所述多個流體埠是大致上平行的孔、橫截面大致上為圓形、並大致上垂直於所述支撐表面地完全穿過所述可滲透層。
27.如權利要求1所述的用戶接口系統，還包括周壁，所述周壁大致上包圍所述可滲透層的周界並與所述保持壁和所述觸覺層協作以將所述流體大致上保持在所述可滲透層內。
28.如權利要求27所述的用戶接口系統，其中所述周壁和所述可滲透層還部分地限定容納所述流體的一部分的儲器。
29.如權利要求1所述的用戶接口系統，其中所述流體埠不包含除所述體積的流體以外的流體，且其中所述流體埠`實質上填充有所述流體。
全文摘要
用戶接口系統的一種實施方式包括一定體積的流體；觸覺層；保持壁，其基本上不滲透所述流體；可滲透層；移位裝置；以及觸摸傳感器。具有後表面的觸覺層限定了在如下狀態之間可操作的第二區域收縮狀態，其中第二區域大致與第一區域齊平；以及擴展狀態，其中第二區域大致高出第一區域。接合到第一區域的後表面的可滲透層包括多個流體埠，所述多個流體埠通過可滲透層將流體的一部分傳遞到第二區域的後表面。移位裝置通過流體埠將流體導引至後表面，以將第二區域從收縮狀態轉變到擴展狀態。觸摸傳感器檢測觸覺層上的用戶觸摸。
文檔編號G06F3/045GK103109255SQ201180044998
公開日2013年5月15日 申請日期2011年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者克雷格·麥可·切希拉, 邁卡·B·亞裡, 納撒尼爾·馬克·薩爾 申請人:泰克圖斯科技公司