模製/集成接觸開關/控制面板組件和用於製造該組件的方法
2023-05-28 19:53:21
專利名稱：模製/集成接觸開關/控制面板組件和用於製造該組件的方法
技術領域：
本發明涉及接觸開關。更特別地，本發明涉及使用模製技術如熱成形法、注入模製和類似方法將接觸開關集成到控制面板和其它基底內。
2.背景技術接觸開關具有許多優點，並且很長時間以來都被用來代替機械開關。典型地，公知的接觸開關包括接觸襯墊和相關的控制電路。典型地，這種接觸襯墊是由一個或多個電極，以及在某些情況下安裝在剛性或柔性載體上的其它電子元件組成的。相關的控制電路可以安裝在接近接觸襯墊或遠離接觸襯墊的載體上，或者安裝在其它的地方。典型地，接觸開關載體連接在另一個預先形成的板上，該預先形成的板具有一個或多個與接觸開關載體上的接觸襯墊相對應的接觸表面。這個板或接觸表面基底(本文中也稱為控制面板和/或控制面板基底)典型地是由玻璃或塑料製成的，並可以包括能提供人機控制或裝飾控制面板接口的結構和特徵。典型地，接觸開關載體利用機械裝置如雙頭螺栓和託架構件、咬接塑料組件、粘合劑或這些和其它機械連接構件和技術的組合而連接到接觸表面基底上。
典型地，使用者通過用附件或其它物體接觸或接近接觸表面基底上對應的接觸表面來觸發這種接觸開關，從而引起接觸開關的相關控制電路內的響應。可以通過各種因素來影響該響應，上述的各種因素如接觸襯墊和接觸表面之間的分離(間距)，以及尤其是包括有接觸開關載體和接觸表面基底的板的材料特性。可以在例如美國專利No.5,594,222、No.5,856,646、No.6,310,611和No.6,320,282B1中找到關於接觸開關的設計和操作過程的進一步詳細說明。
儘管前述傳統的裝配工藝通常是很有效的，但有時它們僅提供很少的接觸開關載體到接觸表面基底的最優集成，因此可能對接觸開關的操作產生不利的影響。例如，由於連接元件、接觸開關載體和/或接觸表面基底中的機械不規則性，雙頭螺栓和託架連接法有時在接觸襯墊和接觸表面基底上對應的接觸表面之間產生不一致的間隔。而且，雙頭螺栓和託架組件可能會裂開，特別是在振動或其它惡劣環境中。在接觸開關載體和接觸表面基底之間的粘合劑不均勻的情況下，簡單的粘合連接法可能在接觸開關和對應的接觸表面之間產生不一致的間隔。而且，粘合劑自身成分中存在的氣泡和其它的不一致性可以對接觸開關的性能產生不利的影響。
而且，前述的傳統技術限制了最後的接觸開關/接觸表面接口的設計。例如，典型的是，傳統技術中要連接接觸開關的預先形成的基底是扁平的，以便於製造和連接處理。利用了傳統連接技術的接觸開關到非扁平基底上的連接可以帶來與連接處理的複雜性和連接本身的可靠性有關的問題。
發明內容
本發明通過將接觸開關載體與其它基底集成來克服現有技術中的缺點，然後上述其它基底作為控制面板，該控制面板具有與位於下面的接觸開關相對應的接觸表面。例如，本發明利用模製處理如熱成形法或注射模製法和類似方法使接觸開關和它們的載體與接觸表面基底進行集成。機械錨定和粘合劑可以連同這種模製技術一起使用，以進一步確保單個的元件正確地嚙合到集成接觸開關/控制面板組件內。
根據本發明，集成接觸開關/控制面板組件可以包括凹陷和隆起，它們提供能觸知的反饋給使用者，還可以包括玻璃框和外殼，它們框住模製基底的使用者接口部分。而且，根據本發明的集成接觸開關/控制面板組件可以被包含作為更大和更複雜的組件中的部件。例如，本發明可以被用來將操作汽車電動窗的接觸開關集成到汽車門板或中央操縱臺內。本發明的集成接觸開關/控制面板組件可以簡化製造過程，減少製造成本，優化接觸開關性能，使接觸開關的設計更靈活，並從而增加接觸開關所適用的各種應用的數量和類型。
圖1A-1F示出了將接觸開關載體連接到接觸表面基底的粘合載體基底的實施例；圖2A-2B示出了將接觸開關載體連接到接觸表面基底的粘合載體基底的另一個實施例，其中構成粘合載體基底以與設置在接觸開關載體上的元件相符合；圖3A-3B示出了將接觸開關載體連接到接觸表面基底的圖2A-2B的粘合載體基底，構成該粘合載體基底以與設置在接觸開關載體上的元件相符合；圖4A-4D示出了通過將接觸開關載體結合到可以熱成形的接觸表面基底而形成的集成接觸開關組件；圖5A-5B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與設置在剛性接觸開關載體上的元件相符合；圖6A-6B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與剛性接觸開關載體相符合，並俘獲住該剛性接觸開關載體；圖7A-7B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與安裝在剛性接觸開關載體上的元件相符合，並且也與剛性載體相符合，並俘獲住該剛性載體；圖8A-8B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與接觸開關載體相符合，其中固定器將接觸開關載體固定到接觸表面基底；圖9A-9B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與接觸開關載體和安裝在其上的元件相符合，其中固定器將接觸開關載體固定到接觸表面基底；圖10A-10F示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與剛性接觸開關載體和設置在其上的元件相符合，其中多個元件中的某一些起到固定器的作用，將載體固定到基底；圖11A-11B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與剛性接觸開關載體相符合，並形成將載體固定到基底的鉚釘；圖12A-12B示出了具有可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底與剛性接觸開關載體和設置在其上的元件相符合，俘獲住載體，並形成將載體固定到基底的鉚釘；圖13示出了熱成形處理的某些方面；圖14A-14B示出了具有可以熱成形的基底的集成接觸開關組件，該基底與安裝在載體上的元件相符合，該載體包括裝飾基底；圖14C-14F示出了具有可以熱成形的基底的集成接觸開關組件，該基底與裝飾基底和安裝在其上的元件相符合；圖15A-15D示出了具有限定出接觸表面的表面凹陷和可以熱成形的接觸表面基底的集成接觸開關組件，該可以熱成形的接觸表面基底連接到可以熱成形的載體上；圖16A-16F示出了與圖15A-15D所示的相似但具有限定出接觸表面的隆起的集成接觸開關組件；圖17A-17C示出了與圖16A-16F所示的相似的集成接觸開關組件，其中可以熱成形的接觸表面基底與設置在接觸開關載體上的接觸開關元件相符合；圖18A-18D示出了與圖15A-15D所示的相似的集成接觸開關組件，其帶有作為接觸表面的裝飾的可以熱成形的基底，並進一步包括限定出接觸表面的升高區域；圖19-26示出了具有各種不同的結構但都是利用注射模製技術形成的集成接觸開關組件，該各種不同的結構說明了圖4A-18D所描述的本發明的原理；圖27-29示出了具有順從接觸表面基底的集成接觸開關組件，該順從接觸表面基底提供了與機械開關有關的觸覺反饋相似的觸覺反饋；圖30-31示出了應用圖12A-12B和17A-17B所描述的本發明原理的集成接觸開關組件；圖32-34示出了具有鉚釘的集成接觸開關組件，該鉚釘由順從基底形成並用各種不同的方式集成到接觸開關組件內；和圖35-41示出了具有玻璃框和框架的集成接觸開關組件。
具體實施例方式
儘管為了說明的目的，附圖中通常描述的是電容性和電場接觸開關，但本領域的技術人員可以看出本發明的原理適合於任意方式的接觸開關器件，包括，但並不限定為電容性接觸開關、紅外線接觸開關、電場接觸開關、聲接觸開關和電磁接觸開關。特殊的例子包括在美國專利No.5,594,222、No.5,856,646、No.6,310,611和No.6,320,282中所描述的接觸開關，上述每一個專利的發明人都是David W.Caldwell。因此上述美國專利公開的內容都作為參考包含在本文中。美國專利申請名稱為「Intelligent Shelving System」的No.10/271,933、名稱為「Touch Switch with Integrated ControlCircuit」的No.10/272,377、名稱為「Touch Sensor with IntegratedDecoration」的No.10/272,047和名稱為「Integrated Touch Sensorand Light Apparatus」的No.10/271,438中所公開的內容也都作為參考包含在本文中，上述申請都是在2002年10月15日申請的，發明人都是David W.Caldwell。
圖1A-1F描述了將接觸開關載體連接到接觸表面基底以形成接觸開關/控制面板組件的公知的方法。圖1A示出了圖1B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨的各層。該組件包括承載三個接觸開關40的接觸開關載體50，每個接觸開關40都包括電極60、集成控制電路62和電軌跡63；接觸表面基底51；和具有粘合層54和55以及覆蓋住粘合層55的襯板56的粘合載體基底52。其它的實施例可以包括比三個接觸開關更多或更少的接觸開關，或者可以包括具有不同結構的接觸開關。襯板56必須被去除以露出粘合層55，因此基底51可以連接到接觸開關載體50上，如圖1B所示。圖1C-1D示出了相似的連接技術，其中接觸開關被具體化為不具有集成控制電路的電容性接觸開關41。圖1C-1D以及1F中所示的接觸開關41包括內電極60和外電極61，並使它們適合於使用差動控制電路(未示出)。圖1E的接觸開關40包括單一的電極60、集成控制電路62和將二者連接起來的軌跡63。前述的接觸開關結構以及其它結構都可以用於本發明所有的實施例。在一些實施例中，優選的是使用單一的電極60，而在其它實施例中優選的是使用圖1F中的雙電極結構。其它的接觸開關結構也是可以的，其包括分別具有附加電極、各種不同形狀和尺寸的電極、和/或示出的或沒有示出的省略了或增加了集成控制電路的接觸開關。
圖2A示出了圖2B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨各層。圖2A-2B中，基底51利用粘合載體基底52結合到接觸開關載體50的元件承載側190上。這種設計減小了接觸表面基底51上的接觸表面90和電極60之間的分離。粘合載體基底52包括切除部分57，以用來清理集成控制電路元件62。
圖3A示出了圖3B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨各層。這些圖與圖2A和2B相似，只是圖3A和3B進一步說明了基底51中的切除部分58，該切除部分58用於補充清理集成控制電路元件62。圖2A-3B中，有利的是，保護電極60、軌跡63和集成控制電路62不受環境影響，但實際的努力是需要製做粘合載體組件(和圖3A-3B中的接觸表面基底51)，以清理集成控制電路62。
本發明的集成接觸開關/控制面板組件可以避免出現與公知的粘合連接技術有關的問題，並可以減少接觸開關製造過程中的複雜性。根據本發明，接觸開關載體與其它板和基底的集成也使得更靈活地形成控制面板接口，其提供了使用者的反饋。例如，本發明允許利用注射模製法、熱成形法或相似的技術將柔性或可成形的接觸開關載體與其它基底進行集成，上述這些技術將形成的接觸開關定形成人機控制的結構。根據本發明，集成接觸開關/控制面板組件可以顯示出接近接觸表面的質地、凹陷和隆起，該接觸表面能觸知地將在控制面板上的這些區域通知給使用者，該控制面板可以被接觸以產生所希望的響應。
集成接觸開關/控制面板組件可以具有不同於傳統的接觸開關和控制面板組件的優點。例如，本發明允許將接觸開關集成到通常由熱成形法或注射模製法形成的結構內，如汽車的儀錶板或內門板結構。此外，與本發明相適合的模製法、成形法和其它技術可以更有效地形成具有增強的機械集成性能的接觸開關/控制面板組件。例如，本發明可以應用可減少材料和加工工具需要量(通過減少所需的粘合劑)以及人工成本(超聲波焊接可以是自動化的)的超聲波焊接技術，並可以確保達到堅固的機械集成(通過利用這種技術以形成鉚釘或將接觸開關載體和接觸表面基底合併到一起)。
此外，由於通過形成控制面板基底使其達到所希望的薄的程度，可以減小(與現有技術相比)使用者的接觸與電極之間的間隔，所以根據本發明的集成到控制面板內的接觸開關可以是特別靈敏的，並可以產生特別高的信號電平；在現有技術中的接觸開關中，開關的靈敏度至少部分是由控制面板基底的厚度確定的。由於下面將描述本發明的各種實施例，本發明更多的優點對於接觸開關設計和應用領域的技術人員來說都將是很明顯的。
圖4A-18B示出了本發明的基本實施例，其都包含具有可以熱成形的基底的集成接觸開關，包括利用簡單的壓力成形法形成的那些。圖4A-18D的可以熱成形的基底可以由塑料或者任意的可以熱成形的介電材料組成。熱成形法可以包括在加熱條件或壓力條件或者兩者都具備的條件下的模製法。根據使用的具體的可以熱成形的介電基底，根據本發明可以使用任意的高或低溫，包括環境溫度，以及高或低壓的結合。
圖4A-5B中，粘合連接技術與本發明的熱成形技術結合使用。圖4A示出了圖4B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨各層。該組件包括三個設置在接觸開關載體50上的接觸開關40，每個都包括電極60、集成電路62和電軌跡63。接觸開關載體50可以是任意一種適合的傳統的基底，包括但並不限定於印刷電路板、塑料、玻璃或柔性或可以熱成形的材料。在這些圖中(以及在圖4C-12B中)示出的接觸開關載體50是由剛性材料組成的，但由特定應用所決定，作為替換也可以使用柔性載體基底。接觸開關載體50可以是不透明的、透明的或半透明的，並且如參考圖14A-14B所描述的可以包括裝飾層。
粘合層55設置在接觸開關載體50的側290上。粘合層55可以由任意一種適用於接觸開關載體和接觸表面基底的粘合劑組成，包括但並不限定於熱固性、熱塑性、環氧性、熱激活性或紫外線固化性粘合劑。由於熱量和壓力可以是熱成形處理過程中的固有要素，所以根據本發明，實際應用中需要加熱或壓力的粘合劑特別適用於製造熱成形接觸開關/控制面板組件。熱成形處理可以用來消除不相電容性，否則其可能會產生在(以及由於存在)粘合層55中。例如，熱成形處理的壓力成分可以消除氣泡和不均勻性，其有時會產生在現有技術中接觸開關的粘合層中，這樣就克服了如一開始所討論的簡單粘合連接處理中的缺點。
圖4C-4D與圖4A-4B相似，只是圖4A-4B說明了接觸開關40，其每個都具有單一的電極60和集成控制電路62，而圖4C-4D說明了電容性接觸開關41，其每個都具有兩個電極60和61，而沒有集成控制電路。儘管這裡沒有說明，但這些實施例，以及本發明的所有包含熱成形法的其它實施例都可以包括結構化(textured)的接口，其可以在熱成形處理過程中形成在熱成形組件的接觸側上，或更特別地，覆蓋住操作接觸表面90。結構化的接口可以提供能觸知的反饋給使用者，該使用者可以更容易地確定特定的接觸表面的位置。
圖4A-4D說明了粘合層55設置在接觸開關載體50的非元件承載側290上的實施例，該非元件支持側290不承載任何接觸開關元件。圖5A-5B說明了粘合層55設置在接觸開關載體50的元件承載側190上的可替換的實施例。圖5A示出了組合之前的圖5B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨各層。當接觸開關載體50和接觸表面基底51被熱成形在一起時，基底51適應電極60、集成控制電路62和軌跡63，使電極、集成控制電路和軌跡可以基本上封裝在接觸開關載體50和基底51之間，以有效地保護接觸開關元件和電路不受溼氣和其它環境條件的影響。如圖5B所示，接觸表面90可以設置在已完成的組件的任意一側上。
圖6A-7B說明了基底51熱成形到接觸開關載體50上的實施例。圖6A和7A分別示出了組合之前的圖6B和7B中所示的接觸開關/控制面板組件的單獨各層。圖6A-6B中，所示的電極60和集成控制電路62在接觸開關載體50的同一側190上，而在圖7A-7B中，所示的電極60和集成控制電路62在接觸開關載體50的相對側上。圖7A-7B中，將集成控制電路62電連接到電極60的軌跡63延伸通過接觸開關載體50。在這個實施例中，軌跡63可以是接觸開關載體50的整體部分，或者可以是通過接觸開關載體50的切除部分(未示出)插入的單獨的元件。可以利用其它合適的技術來通過接觸開關載體50將電極60與集成控制電路62相連接，而不會脫離本發明的精神。
電極60優選的位置根據實際應用來確定。如圖7A-7B所示的電極60位置的一個好處是，電極60完全與環境隔絕。與圖6A-6B所示的實施例相比，另一個好處是，電極60更接近接觸表面90，因此在對應的接觸表面90上會產生更強、更容易檢測到的信號。
在圖6B和7B中，所示的可以熱成形的基底51熱成形到並覆蓋住接觸開關載體50，已形成重疊(overlay)80，該重疊幫助將載體50固定到基底51上。在要形成到一起的載體和基底沒有利用熱成形技術很好地結合的情況下，或在它們彼此間沒有最佳地相兼容的情況下，可能在載體和基底之間存在不明顯的氣隙。
圖8A-9B示出了改善可以熱成形的接觸表面基底51和接觸開關載體50的連接的另一種方法，其中，支承在接觸開關載體50上的機械固定器70刺入可以熱成形的基底51。儘管該技術和圖6A-7B中的技術可以一起使用以進一步提高載體50與基底51的集成性能，但這種結構不需要圖6A-7B中的重疊81。更特別地是，圖8A和9A分別示出了組合之前的圖8B和9B中所示的接觸開關組件的各層。所示的固定器70是很窄的元件，其基本上垂直地插入到接觸開關載體50內。優選地，固定器70包括倒鉤71或其它的突出部件，如圖8A-9B所示，或者對於本領域的技術人員公知的其它結構，如帶角度的分支或圓形端頭(未示出)，它們可以幫助將固定器70固定到基底51上。固定器70也可以用許多其它的方式構成。
圖10A示出了組合之前的圖10B中所示的接觸開關組件的單獨各層。這個實施例示出了利用電極64作為固定器而連接到接觸開關載體50的可以熱成形的基底51。儘管示出的這個實施例也包括機械固定器70，但可以省略固定器70。此外，為了不需要單獨的機械固定器，與其它的實施例相比，如所示的作為固定器構成的電極可以使接觸傳感器電極更接近對應的接觸表面90，從而增強接觸表面處的信號的強度。圖10A-10B中，電極固定器64被裝上倒鉤，以在接觸開關載體50和可以熱成形的基底51之間提供了更可靠的連接。圖10C-10E描述了電容性接觸式傳感器的電極固定器64的另一種可能結構。圖10C示出了圖10D中的集成接觸開關組件的分開了的各層，其包括可以熱成形的基底51和具有電極固定器64的接觸開關載體50，該電極固定器64的形狀像圓形端頭，並且接觸開關載體50還具有支承在其上的電極160和161。可以提供介電層59以在熱成形處理過程中為電極160和161提供機械支撐。在熱成形處理過程中，可以熱成形的基底51繞電極固定器64流動並適應電極固定器64的形狀，冷卻後就形成緊密連接的一部分，這種緊密的連接可以保持並控制組件的尺寸穩定性。圖10E示出了支承在圖10C的接觸開關載體50上的前述元件的頂視圖。圖10A-10E的電極固定器64可以是任意一種非絕緣的材料，包括但並不限定為石墨、銅或導電塗層塑料。由於具有其它的機械固定器，所以電極固定器64可以減少或取消對於粘合劑的需要。圖10F是電極64分別與圖10D的被接觸表面90、圖10C-10E的集成接觸開關的電極160和電極161之間的電容C1、C2和C3的示意性表示法。
圖11A-13的橫截面圖說明了經過熱成形處理由可以熱成形的基底51形成鉚釘71的實施例，該鉚釘71通過切除部分157(在所示的實施例中穿透電極60的部分)穿透接觸開關載體50，並將接觸開關載體50和基底51固定在一起。切除部分157可以是任意一種形狀或尺寸，並且不必需要穿透電極60。重疊81進一步將接觸開關載體50和基底51固定在一起。
圖11A和12A分別示出了組合之前的圖11B和12B中所示的接觸開關/控制面板組件的分開了的各層。圖11A-11B中，基底51被熱成形到接觸開關載體50的非元件承載側290上。圖12A-12B中，基底51熱成形到接觸開關載體50的元件承載側190上。圖11B和12B中，所示的每個鉚釘71都穿透電極60。在其它的實施例中，根據特定應用的需要，鉚釘71可以形成在沿接觸開關載體50的任何位置上。但是，圖11A-12B的結構有利的是，鉚釘71幫助確保實現並保持接觸表面90和電極60之間所需的分隔。當緊接著熱成形處理解除鉚釘71的冷卻或壓力後，機械結合就會將接觸開關載體50固定到基底51上，而不需要單獨的機械結合組件。圖13示出了壓制/模製裝置，其包括滾筒200和模子202，它們可以用來製造圖11A-12B中所示的組件。
上面詳細描述的所有附圖都示出了剛性接觸開關載體。如上面說明的，對應於這些附圖的本發明的實施例可以代替應用柔性或可以熱成形的接觸開關載體。使用柔性或可以熱成形的接觸開關載體具有特定的優點，將在下面參考圖14A-18D描述這些優點。
圖14A、14C和14E分別示出了組合之前的圖14B、14D和14F中所示的接觸開關組件的分開了的各層。圖14A說明了根據名稱為「TouchSensor with Integrated Decoration」，2002年10月15日申請的美國臨時專利申請No.60/341,551和相關的美國專利申請No.10/272,047中所述的發明的柔性接觸開關載體50，該柔性接觸開關載體50具有設置在其上的裝飾層102。圖14B的集成接觸開關/控制面板組件包括柔性尾端72，該柔性尾端72是柔性接觸開關載體50的一部分，其沒有直接固定到可以熱成形的基底51上。柔性尾端72可以包括電路軌跡63，並可以證明在提供到信號或到電源或到地的連接方面是很有利的，或者可以將電路軌跡63引到控制電路上，該控制電路沒有與特定接觸開關的各種元件集成或接近該各種元件。柔性尾端72也可以用於從其模子上移走熱成形的接觸開關/控制面板組件。柔性尾端72特別有利的是，它可以圍繞幹擾和障礙物，並可以在基底51的下面被連接。
同樣地，在某些方面，圖14C-14D示出了帶有裝飾層102和連接器73的集成接觸開關/控制面板組件，其可以起到與如上所述的柔性尾端72相同或相似的電功能。連接器73被示出由可以熱成形的基底51的切除部分74容納。可替換的，連接器73可以連接到接觸開關載體50，並根據特定接觸開關和實際應用的設計而以任意一種結構定向。儘管彎曲末端(未示出)可以連接到剛性載體50，使得可以利用剛性載體和柔性尾端連接兩者的優勢，但連接器73在接觸開關載體基底50是剛性的情況下也是很有利的。圖14E-14F示出了與圖14C-14D中所示的相同的本發明的原理，但圖14E-14F帶有電容性接觸開關及它們的元件。柔性尾端72和連接器73都可以將電極60、61連接到例如一控制電路上，該控制電路不接近接觸開關。
如圖15A-18D所示，集成接觸開關/控制面板組件可以在熱成形處理過程中成形。這些圖示出了集成接觸開關/控制面板組件的有利構造，但根據具體應用的需要本發明的集成接觸開關/控制面板組件可以形成為其它的結構。有利的是，圖14A-18D的可以熱成形的基底51也可以是要被集成到單獨的裝置或組件如汽車中的結構部件，如門板，其通常包括熱成形的部件。然後對應的接觸開關將是最後形成的裝置或組件的集成零件。
本發明的任意一個實施例都可以用來將接觸開關組件集成到另一個組件的元件中。參考說明了利用熱成形技術製成的成形接觸開關/控制面板組件的圖15A-18D所描述的本發明的原理可以證明在將接觸開關組件集成到更複雜組件的元件中時是特別有用的。這是因為，被集成到包括如門板這種部件的控制面板中的接觸開關通常可能很難使使用者在不從另一個任務如駕駛中轉移注意力的情況下來定位。參考圖15A-18D所討論的本發明的原理可以通過提供能觸知的反饋給使用者而減輕這種困難，這樣，上述使用者可以通過元件自身的形狀而被提醒告知操作接觸表面的位置。
如上所述，將接觸開關集成到形成的元件中消除了對單獨的控制面板的需要，該單獨的控制面板需要被包含到產品中。這在大量的控制面板可能弄亂接口空間如汽車的儀錶板和/或操縱臺的情況下是特別有用的。對分開板的需要的消除也可以消除一定的設計局限性，解放最後的裝置或組件的設計者和製造者，以簡化接口空間的設計，減少幹擾，提供更容易的清潔，並減小組件處理的成本和複雜性。
圖15A和15C分別示出了組合之前的圖15B和15D中所示的接觸開關/控制面板組件的分開了的各層。圖15A示出了接觸表面基底51和具有兩個接觸開關的接觸開關載體50，每個接觸開關都包括內電極60、外電極61、集成控制電路62和連接這些元件的軌跡63。圖15C與其相似，只是圖15C示出了單個的電容性接觸開關，其不包括集成控制電路。根據本發明，接觸表面基底51和接觸開關載體50被集成到一起，並通過熱成形處理被模製，以形成圖15B和15D所示的接觸開關/控制面板組件。儘管實際應用本發明時可以不在組件上的所有接觸表面90上形成凹陷91，但如所描述的，這些組件在每個接觸表面90上都包括凹陷91。凹陷91可以用來提醒使用者存在有接觸表面90。這種設計允許通過設置凹陷91以使使用者能觸知地定位接觸表面而不會無意中觸發接觸開關。
這些實施例非常適於用在差動傳感技術中，該技術可以減小不希望的觸發的發生。為此，內電極60和外電極61可以連接到差動控制電路上以中斷差動控制電路的輸入，該輸入是由對兩個電極周圍的電場進行幹擾產生的。可以這樣構成該差動控制電路，使得僅在內電極60獨自被接觸激勵時才觸發接觸開關，而在單獨接觸激勵外電極61或基本上同時地接觸激勵內電極60和外電極61時不觸發接觸開關。這個實施例在例如汽車應用中可能具有特殊的價值，其中接觸開關被集成到操縱臺內，該操縱臺還可能起到扶手的作用。如果一個胳膊一次覆蓋住了整個接觸開關，則因為會同時地激勵內和外電極，所以接觸開關不會被觸發。可替換的，因為凹陷91的存在，在胳膊覆蓋住整個接觸開關的時候，接口的幾何形狀會使內電極60的位置比外電極61離胳膊更遠，所以胳膊激勵外電極61周圍的電場的程度會比內電極60周圍的電場的程度更強，這樣就不會觸發接觸開關。因此，這種和相似的接觸開關結構可以防止不希望的開關致動。通過使基底51在電極60上面的區域中比在電極61上面的區域中相對地厚，可以得到類似的好處。為了觸發接觸開關，這種結構(未示出)需要相對準確的定向或者清楚的預期的激勵。
圖16A-18D說明了在每個接觸表面90周圍進一步包括隆起92的實施例。隆起92提高了使用者觸知或在視覺上定位操作接觸表面90的能力，而不會無意中觸發接觸開關。這些附圖還證明了內和外電極60和61可以採用應用或設計的指示所需要的任意形狀。
圖16A、16D、17A、18A和18C分別示出了組合之前的圖16B、16E、17B、18B和18D中所示的接觸開關/控制面板組件的分開了的各層。圖16C示出了帶有集成控制電路62的接觸式傳感器，該接觸式傳感器具有電路電極60和61，而圖16F示出了具有矩形電極60和61的電容性接觸式傳感器。圖17A-17C與圖16A-16C的不同在於圖17A-17C中的基底51適合於接觸開關載體50的元件承載側190上的元件。這種結構可以減小接觸表面90，更特別是接觸表面90的部分和內電極60之間的距離，並也可以將電極60和61、軌跡63以及集成控制電路62封裝起來以與環境隔離。圖18A-18D說明了接觸開關載體50包括裝飾層102的本發明的實施例，該裝飾層102具有在其上做了標記的接觸表面90，並因此，集成並成形的接觸開關可以熱成形到更厚的基底51上。圖18A-18B說明了利用具有電極60、61和集成控制電路的接觸開關的實施例，而圖18C-18D說明了利用具有電極60、61，但不具有局部控制電路的電容性接觸開關的實施例。儘管本發明在實際應用時可以不具有柔性尾端72，但圖18C-18D進一步說明了柔性尾端72，其可以用來將電極連接到遙控的控制電路上。
在前述的任意一個實施例中，可以熱成形的基底51可以根據設計或實際應用的需要而採用各種結構。例如，可以熱成形的基底51可以是平表面和彎曲表面的任意一種組合。
圖19-26中，本發明的原理應用到了利用注射模製技術形成的集成接觸開關/控制面板組件中。根據模製材料的特性以及設計和實際應用的需要，該注射模製法可以在各種溫度和壓力條件下執行。模製材料可以是任意一種適合的材料，包括塑料，並且集成接觸開關組件的最後形狀是由要注射入材料的一個模子或多個模子的結構確定的。
圖19-26的集成接觸開關組件包括與接觸開關載體50集成到一起的模製接觸表面基底151。每個載體50都包括兩個接觸開關，每個接觸開關都包括電極60、61、集成控制電路62和軌跡63。圖19-22說明了包括柔性接觸開關載體50和柔性尾端72的實施例，而圖23-26說明了包括剛性接觸開關載體50和連接器73的實施例。
圖19-25的實施例進一步包括粘合層55，其幫助將接觸開關載體50與模製基底151進行集成。在這些結構中，粘合層55可以是任選的，主要根據接觸開關載體50和模製基底151的特性來確定。可替換的，可以使用其它的或另外的輔助連接方法，包括鉚釘或固定器。
圖19-20的實施例包括裝飾層102，其限定出了設置在接觸開關載體50上的接觸表面90，並帶有提供支撐的模製基底151。可替換的，可以直接裝飾接觸開關載體50，這樣可消除對單獨的裝飾層的需要。圖20的集成接觸開關與圖19所示的結構相似，只是根據本發明的原理，其包括環繞接觸表面90的凹陷91和隆起92。
圖21示出了帶有模製基底151的集成並成形的接觸開關組件。圖22示出了圖21的集成並成形的接觸開關組件，其中模製基底151基本上環繞接觸開關載體50，從而保護接觸式傳感器元件不受不利的外部環境條件的影響，如溼氣、化學製品和類似物的影響。在這些實施例中，模製形成基底151以形成環繞接觸表面90的凹陷91和隆起92，它們與位於下面的接觸開關相對應。在可替換的實施例中，可以省略凹陷91和/或隆起92。
圖23-26示出了本發明的各種實施例，其中是利用注射模製技術製造的集成接觸開關/控制面板組件。圖23中，接觸開關載體50是包括固定器70的印刷電路板，圖23示出了在某些方面受熱成形處理作用影響的結構。模製基底151通過粘合層55、固定器70和重疊81固定到接觸開關載體50上，同時接觸表面90用凹陷91來指示。圖24中，所示的具有模製基底151的接觸開關載體50模製到接觸開關載體50的非元件承載側290上。圖25中，將圖23和24的各個方面組合起來，使得所示的接觸開關包括凹陷91和模製到接觸開關載體50的非元件承載側290上的模製基底151。圖26中，所示的模製基底151基本上環繞著接觸開關載體50，這樣潛在地消除了對於固定器70的需要。
圖30-31示出了穿透接觸開關載體50的鉚釘71，其包括電極60，以將柔性接觸開關載體50固定到模製基底151上，其限定了接觸表面90。在其它的實施例中，鉚釘71不需要穿透電極60。圖31中，所示的圖30的集成接觸開關/控制面板組件通過粘合層55粘貼到附加基底152上，該附加基底152可以根據本發明或其它情況的方式來提供，並且其可以提供剛性給圖30的集成接觸開關/控制面板組件。圖30和31的集成接觸開關組件示出了其使用的固定器70，以及在這種情況下外觀類似的圓形端頭。圖30-31中所示的實施例可以利用注射模製法或熱成形技術形成，但注射模製技術可以證明是更有利的是，它們可以完全密封住接觸式傳感器的元件，並使它們與環境條件相隔離。
圖27-29和32-34示出了本發明的另一個實施例，該實施例包括使用順從接觸表面基底，以提供能觸知的和其它類型的反饋給使用者。順從接觸表面基底可以符合使用者的接觸，告知使用者操作接觸表面已經定位好。帶有順從接觸表面基底的接觸開關也可以構成為要求在觸發接觸開關之前順從接觸表面基底的很少量的凹陷。用這種方式構成的接觸開關/控制面板組件如所希望的一樣提供了與機械開關的操作有關的能觸知的反饋。
圖27中，所示的順從(compliant)基底53一般覆蓋住了包括接觸開關40的接觸開關載體，因此也限定出了接觸表面90。順從基底53可以是可熱成形的、注射模製成的、或連接到任意一種接觸開關組件上形成的，該任意一種接觸開關組件包括根據本發明的集成接觸開關組件。當通過熱成形法或注射模製法形成順從基底53，順從基底53可以是任意一種適合的材料，包括塑料。當不是通過熱成形法或注射模製技術形成順從基底53，順從基底53可以是由皮革、乙烯樹脂、橡膠、泡沫塑料、塑料或其它任意一種順從材料組成的，並且可以利用公知的技術，包括粘合技術，連接到本文中所述的任意一個實施例的集成接觸開關/控制面板組件中。順從材料也可以是覆蓋板(overlay)，如用在傳統的採用預成型拱頂的膜片開關、拱頂開關和其它類似結構中使用的那些覆蓋板。接觸表面90可以用在成形處理過程或其它過程中形成的紋理、在成形處理過程或其它過程中形成的凹陷或隆起、或者裝飾層來指示，或者根據特定應用的需要用其它任意的方式來指示，其中上述裝飾層本身可以包括帶有紋理的區域。
圖28-29中，所示的順從基底53夾在接觸開關載體50和由任意適合的材料組成的第三基底150中間。圖28中，例如，基底51可以是可熱成形的，或是注射模製形成的，並且也可以是通過固定器70穿透形成的，該固定器70連接到接觸開關載體50或順從基底53上。各種結構和裝配工藝都可以用於本實施例。例如，參考圖29，接觸開關載體50可以是印刷電路板，並可以包括機械連接裝置，該機械連接裝置熱成形到作為子配件的基底52上，該基底52要在兩步共注入處理過程中模製到順從基底53和基底150上。圖29中，基底52密封住接觸開關組件的各個元件，並被支承在接觸開關載體50上的固定器70穿透。因此，圖29的基底150可以利用粘合層55或通過熱成形法或模製技術或者通過這兩種方法的組合連接到順從材料53上。優選地，基底150包括與操作接觸表面90正對的孔，以允許使用者接觸順從基底53。
圖32中，順從基底53形成到模製成的基底151的區域中，以形成鉚釘71，鉚釘71可以提供機械開關所具有的能觸知的優點。順從基底53可以通過共注入技術、通過選擇性分配、或通過超聲波焊接來提供，並可以使用粘合劑將順從基底53結合到基底151上。儘管所示的基底151是通過注射模製法形成的，但基底151也可以用熱成形法形成，或預先成形以容納本發明具有各種結構的實施例，包括鉚釘71。
圖33-34中，順從材料53形成穿透基底51和接觸開關載體50以及接觸開關電極元件60的鉚釘71。從而可以減少或完全取消對粘合劑的需要。儘管熱成形法和模製技術都可以用來形成圖32-34中所示的本發明的實施例，但優選的是模製技術。順從材料53的其它各種結構都適合於本發明，並且可以根據特定接觸開關的需要或使用接觸開關的實際應用的需要而進行改變。
圖35-41示出了用於形成玻璃框和外殼的本發明的原理，該玻璃框和外殼用於普通的接觸開關和集成接觸開關/控制面板組件，以及用於根據本發明的創造性的接觸開關或集成的接觸開關。所示的玻璃框和外殼可以提供用於接觸開關使用者的人機控制面板，可以提供用於接觸開關載體基底的強度和支撐，並可以方便接觸開關控制面板與更大組件的其它元件的集成，該更大的組件包括例如本領域的技術人員可以理解的汽車的內部。圖35-41示出了形成玻璃框和外殼的各種方法，以確保接觸開關載體50牢固地連接到基底151上。
圖35中所示的實施例示出了限定接觸表面90的玻璃層94。圖35中，基底151進行熱成形處理或模製處理以在接觸開關載體50和玻璃層94的周邊附近形成玻璃框84。任意一種粘合劑55都可以幫助將包括玻璃層94和接觸開關載體50的接觸開關組件固定到基底151上。圖36中，基底151進行熱成形處理或模製處理，以利用機械連接裝置170形成玻璃框84，該機械連接裝置可以是固定器、劃出標記(scoremark)或其它紋理或者其它任意一種適合的機械連接結構。圖36中所示的實施例包括具有接觸表面90的適應層53。
圖37中，基底151被模製以形成外殼83上，該外殼83適應接觸開關載體50和其承載的元件，並且外殼83在其一側上環繞載體50，並構築在載體周邊的附近。利用粘合劑55可以進一步確保連接。圖38-41中，優選地，接觸開關載體50是剛性的，並限定出接觸表面90。圖38中，繞接觸開關載體50的邊緣模製形成基底151。在接觸開關載體50的一端上，固定器70幫助將兩個基底固定到一起。固定器70也可以提供在其它的位置上。圖39中，與任意一種粘合層55相組合，基底151熱成形或模製到載體50上。儘管基底151不妨礙接觸開關載體50的接觸表面90或承載接觸表面90的一側，但也可以提供擱板181以提供牢固的連接。圖40中，通過形成到框架82中的模製基底151密封住包括有電極60、軌跡63和集成控制電路62的接觸開關元件，上述框架82具有部分地包圍住所示的載體50橫截面的周邊的玻璃框84。圖41示出了圖40的集成接觸開關的頂視圖，其中包括操作接觸表面90、框架82和框架82的玻璃框部分84。
上述本發明的各個方面都可以根據要使用接觸開關的實際應用的需要而以任意的方式進行組合。例如，接觸開關組件可以是注射模製法形成的，或是熱成形法形成的，或者為了滿足實際應用的需要而根據所需在製造過程中的各個步驟中兩種方法都採用。而且，集成接觸開關/控制面板組件可以採用任意一種形狀，包括彎曲的和扁平的，並可以適應實際應用的任意一種幾何要求。任意一個實施例的基底都可以承載其它的元件，如光源，根據實際應用的需要包括LED、OLED、LEP和光導管，並且其也是根據2002年10月15日申請的，名稱為「Integrated Touch Sensor and Light Apparatus」的美國臨時專利申請No.60/341,350和其相關的美國專利申請No.10/271,438所描述的發明，其發明人是David W.Caldwell，或者基底可以是剛性的、柔性的或可以熱成形的、裝飾了的、透明的或別的方式。此外，在上面參考美國專利所描述的接觸式傳感器和/或有關的控制電路都可以適用於上面所述的本發明的實施例。儘管已經在上面詳細地描述了熱成形法和注射模製技術，但從公開的內容和下面的權利要求中可以理解的是，其它的技術也可以用來形成本文中描述並要求保護的新的接觸式傳感器。具體的例子包括超聲波成形技術、環氧樹脂的使用等等，其中上述環氧樹脂在裝配過程中是可以模製的，但其後它就會凝固。本發明在不脫離發明的精神或實質特徵的情況下也可以包含在本文中沒有明確示出或描述的其它特定形式中。所述的實施例在所有方面都被認為僅是說明性的而不是限制性的。並非由前述描述而是由所附的權利要求說明本發明的範圍。因此，所有落在與權利要求相同的含義和範圍內的改變都將包含在該範圍內。
權利要求
1.一種控制面板，包括至少一個接觸響應開關裝置；基底，該基底限定與所述至少一個接觸響應開關裝置相對應的至少一個接觸表面；其中所述接觸響應開關裝置與所述基底相集成。
2.一種控制面板，包括設置在一載體上的至少一個接觸響應開關裝置；基底，該基底限定與所述至少一個接觸響應開關裝置相對應的至少一個接觸表面；其中所述載體與所述基底相集成。
3.權利要求2的控制面板，其中，所述載體和所述基底中的至少一個包括可以熱成形的材料。
4.權利要求3的控制面板，其中，所述載體或所述基底中的至少一個進一步包括至少一個固定器。
5.權利要求2的控制面板，其中，所述載體和所述基底中的至少一個包括可注射模製的材料。
6.權利要求5的控制面板，其中，所述載體或所述基底中的至少一個進一步包括至少一個固定器。
7.一種集成接觸開關和控制面板的方法，包括以下步驟將至少一個電極設置到載體上；鄰接一可以熱成形的基底放置所述載體；將所述基底熱成形到所述載體上。
8.一種集成接觸開關和控制面板的方法，包括以下步驟將至少一個電極設置到一載體上；鄰接適合於注射模製元件的模子放置所述載體；將可以注射模製的材料注入到所述模子內，以密封住所述載體的至少一部分。
全文摘要
本發明涉及接觸開關與集成的可以熱成形的、注射模製成的和其它的基底的集成，用以形成集成的接觸開關/控制面板組件。形成的組件可以包括隆起、凹陷、固定器、重疊、鉚釘和玻璃框或其它外殼。它們可以具有扁平的和彎曲的表面的任意一種組合。進一步，這種組件可以被包含到其它組件如汽車的部件中。
文檔編號G09F9/30GK1615583SQ02827257
公開日2005年5月11日 申請日期2002年11月19日 優先權日2001年11月20日
發明者戴維·W·考德威爾, 凱文·C·伯德, 威廉·D·謝弗 申請人:觸摸傳感器技術有限責任公司