通過超聲波傳感器進行力檢測的制作方法
【專利說明】通過超聲波傳感器進行力檢測
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本專利合作條約專利申請要求于2012年5月9日提交的并且名稱為“Ultrasound-Based Force Sensing”的美國臨時申請61/676，293的優(yōu)先權(quán)，該專利申請的內(nèi)容全文以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
技術(shù)領域
[0003]本專利申請整體涉及使用超聲波進行力感測。
[0004]【背景技術(shù)】觸摸設備通常提供對用戶觸摸設備的位置的識別，包括移動、手勢和位置檢測的其他效果。對于第一實例，觸摸設備可向計算系統(tǒng)提供關(guān)于用戶與圖形用戶界面(GUI)進行交互的信息，諸如指向某元件、對那些元件進行重新取向或重新定位、編輯或打字，以及其他GUI特征。對于第二實例，觸摸設備可向計算系統(tǒng)提供適于用戶與應用程序進行交互的信息，諸如涉及動畫、照片、圖片、幻燈片演示、聲音、文本、其他視聽元素等的輸入或操控。
[0005]有時發(fā)生如下情況:當與GUI或與應用程序交接時，將有利的是，用戶能夠指示當操控、移動、指向、觸摸或以其他方式與觸摸設備進行交互時所施加的力的大小。例如，可能有利的是，用戶能夠以利用相對較輕觸摸的第一種方式或以利用相對較有力的或更急速的觸摸的第二種方式來操控屏幕元素或其他對象。在一種這樣的情況下，如果用戶能夠利用相對較輕的觸摸來移動屏幕元素或其他對象，則這可能是有利的，同時用戶可另選地利用相對較有力的或更急速的觸摸來調(diào)用或選擇同一屏幕元素或其他對象。
[0006]這些實例中的每個實例以及其他可能的考慮可能使得觸摸設備發(fā)生一個或多個困難，至少因為當接觸該觸摸設備可能使得GUI或應用程序不能提供可能有利的功能時沒有能力確定由用戶所施加的力的大小。當調(diào)用此類功能時，沒有能力提供那些功能可能會使觸摸設備受制于較少的能力，受制于觸摸設備的效果和價值的可能文檔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本專利申請?zhí)峁┝税娐泛驮O計的技術(shù)，該電路和設計能夠確定當接觸設備諸如觸摸設備時由用戶所施加的力的大小以及由用戶所施加的力的大小的變化，并能夠使用觸摸識別、GUI的觸摸元素和應用程序中的觸摸輸入或操控而被并入設備中。本專利申請還提供了包括應用那些技術(shù)的設備的技術(shù)，該技術(shù)可確定接觸設備諸如觸摸設備時由用戶所施加的力的大小以及由用戶所施加的力量的變化，以及作為其響應，提供觸摸設備用戶可用的附加功能。
[0008]在一個實施例中，技術(shù)可包括提供并入觸摸設備中的力敏傳感器。對于第一實例，力敏傳感器可包括超聲波設備，該超聲波設備可檢測用戶按壓、推動或以其他方式接觸觸摸設備有多用力的測量。對于第二實例，力敏傳感器可包括一個或多個力感測元件，該力感測元件中的每個力感測元件可檢測設備的表面上的特定位置處的所施加的力的測量。對于第三實例，力敏傳感器可包括一個或多個力感測元件，該力感測元件可共同檢測設備的表面上的涉及移動或指定區(qū)域的手勢中的所施加的力的測量。
[0009]在一個實施例中，技術(shù)可包括從設備內(nèi)的位置生成超聲波脈沖，從設備的表面和空氣或用戶的手指之間的界面反射超聲波脈沖，以及測量指示設備的表面處的所施加的力的大小的信號，并且可能測量所施加的力的特定位置?？蓪⒊暡}沖定向到設備的表面的一組力感測元件中的特定的一個力感測元件，其中每個力感測元件區(qū)分所施加的力的特定位置。根據(jù)施加于設備的表面上的所施加的力的大小，并且可能根據(jù)該所施加的力的位置，超聲波脈沖可能會從設備的表面以不同方式反射。這些要素具有如下效果:如果用戶向設備的表面處的特定位置施加力，則超聲波脈沖將響應于該所施加的力的大小以及可能響應于該所施加的力的位置而以不同方式反射。
[0010]在一個實施例中，技術(shù)可包括由壓電元件響應于生成超聲波脈沖的觸發(fā)信號來生成超聲波脈沖，該壓電元件諸如聚偏氟乙烯(PVDF)元件或具有壓電效應的另一種物質(zhì)?？身憫谟|發(fā)信號，在特定時間處生成具有特定持續(xù)時間或具有特定信號格式(諸如特定頻率、脈沖編碼或波形形狀)的特定超聲波脈沖，具有如下效果:可響應于該特定超聲波脈沖的反射形式來識別特定超聲波脈沖的反射。在有一組力感測元件的實施例中，可由特定標識符(諸如其時間、持續(xù)時間、頻率或信號格式)在其生成點和時間處區(qū)分每個特定超聲波脈沖，具有如下效果:可通過哪一個或多個力感測元件反射其自身特定的超聲波脈沖來區(qū)分所施加的力。例如，每個力感測元件可在超聲波脈沖的循環(huán)周期中具有為發(fā)射而分配的其自身的特定時隙，以及為接收而分配的其自身的特定時隙，具有如下效果:可區(qū)分來自不同力感測元件的反射。
[0011 ] 在一個實施例中，技術(shù)可包括諸如通過壓電元件測量從設備的表面和空氣或用戶的手指之間的界面反射的超聲波脈沖，該壓電元件諸如PVDF元件或具有壓電效應的另一種物質(zhì)，并響應于反射的超聲波脈沖生成測量信號。例如，適于將電子信號轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖的PVDF元件可用于接收該超聲波脈沖的反射，并將該反射轉(zhuǎn)換成指示設備表面處的所施加的力的大小的測量信號，并且響應于特定力感測元件的標識符，可能還響應于其位置。
[0012]在一個實施例中，超聲波脈沖從設備的表面和空氣或用戶的手指之間的界面的反射對所施加的力的大小或其代理作出響應，代理諸如是由可變形對象(諸如用戶的手指)掩蓋的區(qū)域的量或由已知對象(再次，諸如用戶的手指)使表面潤濕的量。例如，用戶的手指的所施加的力的壓力的大小或其他測量可能影響到超聲波脈沖被設備的表面和空氣之間的界面(當不存在用戶手指的接觸時)或設備的表面和用戶的手指之間的界面(當存在接觸時)反射的程度。這樣做具有如下效果:超聲波信號的幅度以及可能還有其他方面可用于確定所施加的力的大小。
[0013]在一個實施例中，可設置超聲波脈沖，使其圍繞或通過設備的其他元件諸如顯示元件或觸摸傳感器而傳播。盡管超聲波脈沖的一些部分可能會被設備內(nèi)的元件吸收或反射，但在一個實施例中，設置用于反射的超聲波脈沖的傳感器以忽略偽反射，并識別相對衰減的超聲波脈沖，具有如下效果:力傳感器能夠識別已經(jīng)從觸摸設備的表面反射的那些反射的超聲波脈沖。
[0014]在一個實施例中，力敏傳感器獨立于確定用戶接觸觸摸設備的一個或多個位置的第二模式而進行操作，該觸摸設備諸如電容觸摸傳感器或其他觸摸傳感器。例如，電容觸摸傳感器可確定用戶大致在什么位置接觸觸摸設備，而超聲波設備可檢測到用戶接觸觸摸設備有多用力。
[0015]在一個實施例中，力敏傳感器包括一個或多個行和一個或多個列，行和列被設置為在一組單獨的力感測元件中交叉。例如，單獨的力感測元件可定位于基本的直線陣列中，其中行被設置為限定該直線陣列的各個行，列被設置為限定該直線陣列的各個列，并且行和列的交點被設置為限定該直線陣列的各個元素。
[0016]在一個實施例中，可設置行和列使得每行受驅(qū)動信號的控制，每列受到感測電路的感測，并且每行和每列之間的交點被設置為生成并接收超聲波信號。例如，超聲波信號可包括指向用戶可能向觸摸屏施加力的可能位置處的第一超聲波，以及從用戶實際向觸摸屏施加力的該位置反射的第二超聲波。在一個實施例中，技術(shù)可包括除力敏傳感器之外提供觸敏傳感器，該觸敏傳感器可確定用戶實際觸摸觸摸屏的位置。例如，觸敏傳感器可包括電容傳感器，其可確定用戶的觸摸(諸如，通過用戶的手指，用戶身體的另一部分或觸筆或其他對象)的位置。
[0017]在另選的實施例中，力敏傳感器可包括一組單獨的力感測元件，該一組單獨的力感測元件被設置為除被設置為在一組單獨的力感測元件中相交的一組行和列之外的布置。對于第一實例，力敏傳感器可包括一組單獨的傳感器元件，其操作未必歸因于行和列的交點。對于第二實例，力敏傳感器可包括設置于陣列或其他圖案中的一組單獨的傳感器元件，該其他圖案可能包括直線性圖案或另一種圖案。
[0018]在另選的實施例中，力敏傳感器可包括設置于圖案中的一組單獨的傳感器元件，就位置和量兩者而言，該圖案允許通過多個單獨的傳感器元件一并操作而檢測觸摸力?？蓪⒁唤M單獨的傳感器元件各自設置為確定在相對距離處的觸摸力，并協(xié)同操作以便確定該觸摸力的位置和量。
[0019]在各種實施例中，力敏傳感器可包括一組單獨的力感測元件，每個力感測元件將基于超聲波的信號耦合到顯示器的表面，諸如覆蓋玻璃的表面，該表面可由用戶利用不同程度的所施加的力來進行觸摸。
[0020]在一個實施例中，觸敏傳感器和力敏傳感器可包括獨立的電路、部件、元件、模塊或其他對象，它們可組合或結(jié)合操作，以獨立地確定觸摸位置和觸摸力。例如包括觸摸面板、操作系統(tǒng)程序、應用程序、用戶界面或其他部件的系統(tǒng)可對觸摸位置、觸摸力、兩者的組合或結(jié)合或其他因素作出響應。
[0021]對于其他實例而言，除力敏傳感器之外，如上所述的系統(tǒng)可包括觸敏傳感器以及其他傳感器，諸如鼠標、觸控板、指紋傳感器、計量生物學傳感器、語音激活或語音識別傳感器、面部識別傳感器或其他。
[0022]雖然公開了包括其變型的多個實施例，但根據(jù)示出和描述本公開的例示性實施例的以下詳細描述，本公開的其他實施例對于本領域的技術(shù)人員將變得顯而易見。如應當認識到的，本公開能夠在各個明顯的方面作出修改，所有修改都不脫離本公開的實質(zhì)和范圍。因此，附圖和詳細描述將被視為在實質(zhì)上是例示性的而不是限制性的。
【附圖說明】
[0023]圖1A是結(jié)合力感測設備的計算設備的第一實例的前透視圖。
[0024]圖1B是結(jié)合力感測設備的計算設備的第二實例的前透視圖。
[0025]圖1C是結(jié)合力感測設備的計算設備的第三實例的前正視圖。
[0026]圖2是沿圖1A中的線2-2截取的計算設備的簡化橫截面圖。
[0027]圖3示出了觸摸I/O設備和計算系統(tǒng)之間的通信的概念圖。
[0028]圖4示出了包括觸摸感測和力感測I/O設備的系統(tǒng)的概念圖。
[0029]圖5A示出了包括基于超聲波的感測的系統(tǒng)的概念圖。
[0030]圖5B示出了包括基于超聲波的感測的系統(tǒng)的概念圖。