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用于电子设备的输入传感器设备

申请号 CN201820279461.0 申请日 2018-02-28 公开(公告)号 CN208013910U 公开(公告)日 2018-10-26
申请人 苹果公司; 发明人 K·P·V·穆拉里; H·瓦苏德万; M·A·里尔; W·S·史密斯;
摘要 本实用新型涉及用于 电子 设备的输入 力 传感器 设备。所述输入力传感器设备包括:触摸表面;腔体,所述腔体邻近所述触摸表面,所述腔体具有腔体体积和腔体压力; 压力传感器 ,所述压力传感器与所述腔体耦接并且产生腔体压力测量值,所述腔体压力测量值与所述腔体体积相关联;以及处理器,所述处理器被配置为接收所述腔体压力测量值并且识别所述腔体压力的变化;其中:施加到所述触摸表面的用户输入力与所述腔体压力的变化相关联;并且所述处理器确定所述用户输入力。
权利要求

1.一种用于电子设备的输入传感器设备,其特征在于,所述输入力传感器设备包括:
触摸表面;
腔体,所述腔体邻近所述触摸表面,所述腔体具有腔体体积和腔体压力;
压力传感器,所述压力传感器与所述腔体耦接并且产生腔体压力测量值,所述腔体压力测量值与所述腔体体积相关联;以及
处理器,所述处理器被配置为接收所述腔体压力测量值并且识别所述腔体压力的变化;其中:
施加到所述触摸表面的用户输入力与所述腔体压力的变化相关联;并且所述处理器确定所述用户输入力。
2.根据权利要求1所述的输入力传感器设备,还包括耦接到所述腔体的通气孔。
3.根据权利要求1所述的输入力传感器设备,其中所述触摸表面为可移动触摸表面。
4.根据权利要求3所述的输入力传感器设备,还包括垫圈,其中所述触摸表面设置在所述垫圈上。
5.根据权利要求4所述的输入力传感器设备,还包括垫圈架,所述垫圈设置在所述垫圈架上。
6.根据权利要求4所述的输入力传感器设备,其中所述垫圈在所述触摸表面下方形成密封的周边。
7.根据权利要求4所述的输入力传感器设备,其中所述压力传感器耦接到所述垫圈。
8.根据权利要求1所述的输入力传感器设备,其中所述压力传感器被设置在所述腔体内或邻近于所述腔体。
9.根据权利要求1所述的输入力传感器设备,其中所述电子设备为移动设备。
10.根据权利要求1所述的输入力传感器设备,还包括:
通气孔,所述通气孔耦接到所述腔体;以及
垫圈,所述垫圈设置在所述触摸表面和垫圈架之间;其中:
所述触摸表面为被配置为借助用户输入力增大所述腔体压力的可移动触摸表面;并且所述压力传感器被定位成邻近于所述垫圈。
11.一种用于电子设备的输入力传感器设备,其特征在于,所述输入力传感器设备包括:
腔体,所述腔体形成在所述电子设备内,所述腔体限定腔体体积并且被配置为保持腔体压力;
可移动触摸表面,所述可移动触摸表面被定位成邻近于所述腔体并且被配置为在接收用户输入力时增大所述腔体压力;
压力传感器,所述压力传感器被配置为输出与所述腔体压力相关联的腔体压力测量值;以及
处理器,所述处理器被配置为接收所述腔体压力测量值和确定所述用户输入力。
12.根据权利要求11所述的输入力传感器设备,其中所述可移动触摸表面通过移位到所述腔体中减小所述腔体体积。
13.根据权利要求11所述的输入力传感器设备,其中所述压力传感器被配置为在接收到所述用户输入力之前输出至少第一压力测量值以及在接收到所述用户输入力之后或期间输出第二压力测量值。
14.根据权利要求11所述的输入力传感器设备,还包括被配置为使得所述腔体向大气压通气的通气孔。

说明书全文

用于电子设备的输入传感器设备

技术领域

[0001] 所述实施方案整体涉及电子设备。更具体地讲,本实用新型实施方案涉及在电子设备中的力和触摸感测系统。更具体地讲,本实用新型涉及基于压力的力和触摸感测以将输入提供至电子设备。

背景技术

[0002] 许多电子设备,诸如智能手表,智能电话,膝上型计算机,和平板计算设备包括感测由用户提供的力或触摸的性能。输入力,通常作为图形用户界面的一部分(GUI),可以启用各种功能,诸如针对用户输入的给定阈值平提供不同设备响应。也就是说,相对较轻的用户输入力可导致第一设备响应,而相对更强或更高量值输入力可导致第二设备响应。常规的力和触摸感测系统可能在准确度或分辨率的性能有限,并且可能需要要求显著功率的相对高的成本的部件。
[0003] 用于许多电子设备的基于电容的力感测系统说明了典型输入力感测系统加强的限制。一对带电荷的电容元件,诸如平板,由电介质分开并电连接以允许监控电容,随电容元件之间的分开距离变化的值。电容的变化借助施加的力校准以提供输入力感测。此类系统可能存在操作上的缺点,诸如在电容元件上保持恒定电荷的需要引起的较高的功率需求。然而,采用具有压力感测的微机电元件的系统可为输入力传感器提供具有改善的性能特性,诸如减小的功率需求,以及降低的复杂性和部件数目,从而提高可靠性和降低成本。实用新型内容
[0004] 在一个方面,公开了配置用于电子设备的输入力传感器设备,输入力传感器设备包括:触摸表面;邻近该触摸表面的腔体,该腔体具有腔体体积和腔体压力;与该腔体耦接并且产生腔体压力测量值的压力传感器,该腔体压力测量值与腔体体积相关联;以及被配置为接收腔体压力测量值并且识别腔体压力的变化的处理器;其中:施加到触摸表面的用户输入力与腔体压力的变化相关联;并且该处理器确定该用户输入力。
[0005] 在一个方面,该输入力传感器设备还包括耦接到腔体的通气孔。在一个方面,该触摸表面为可移动触摸表面。在一个方面,输入力传感器设备还包括垫圈,其中该触摸表面设置在该垫圈上。在一个方面,输入力传感器设备还包括垫圈架,该垫圈设置在垫圈架上。在一个方面,垫圈在触摸表面下方形成密封的周长。在一个方面,压力传感器耦接到该垫圈。在一个方面,该压力传感器被定位在腔体内或邻近于该腔体。在一个方面,该电子设备为移动设备。在一个方面,该输入力传感器设备还包括:耦接到腔体的通气孔;以及设置在触摸表面和垫圈架之间的垫圈;其中:该触摸表面为被配置为借助用户输入力增大腔体压力的可移动触摸表面;以及该压力传感器被定位成邻近于垫圈。
[0006] 在另一个方面,公开了一种用于电子设备的输入力传感器设备,该输入力传感器设备包括:形成在该电子设备内的腔体,该腔体限定腔体体积并且被配置为维持腔体压力;可移动触摸表面,放置于邻近于该腔体并且被配置为在接收用户输入力时增大腔体压力;
压力传感器,被配置为输出与腔体压力相关联的腔体压力测量值;以及处理器,被配置为接收腔体压力测量值和确定用户输入力。
[0007] 在一个方面,可移动触摸表面通过移位到腔体中而减小腔体体积。在一个方面,压力传感器被配置为在接收用户输入力之前输出至少第一压力测量值以及在接收到用户输入力之后或期间输出第二压力测量值。在一个方面,输入力传感器设备还包括被配置为使得腔体向大气压通气的通气孔。
[0008] 在另一个方面,公开了一种用于确定施加到电子设备的触摸表面的用户输入力的量的方法,该方法包括:接收对触摸表面的用户输入力;测量形成在电子设备内的腔体中的腔体压力的变化,腔体压力的变化与腔体的腔体体积的变化相关联;以及计算施加到触摸表面的用户输入力的量,用户输入力的量与测量的腔体压力的变化相关联。
[0009] 在一个方面,该方法还包括在接收用户输入力的操作之前测量基线腔体压力的操作。在一个方面,该方法还包括使得腔体通气的操作。在一个方面,触摸表面借助用户输入力向腔体移位,以及腔体体积随向腔体进行触摸表面移位而减小。在一个方面,测量腔体压力的变化包括通过压力传感器测量腔体压力。在一个方面,测量腔体压力的变化通过设置在腔体中的压力传感器来执行。附图说明
[0010] 本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解,其中类似的附图标记表示类似的元件。附图的元件相对于彼此未必按比例绘制。如果可能的,使用相同的附图标记来指定附图共有的相同特征部。
[0011] 图1示出了具有包括覆盖玻璃、数字冠、访问按钮和表带的示例性特征部的电子设备的一个示例的前透视图;
[0012] 图2示出了根据各个实施方案的示例性输入力传感器设备;
[0013] 图3A是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备在未被按压状态下的一个实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0014] 图3B是沿图1中的线A-A截取的以及示出了图3A的输入力传感器设备在被按压状态下的实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0015] 图3C是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备在未被按压状态下的另一实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0016] 图3D是沿图1中的线A-A截取的以及示出了图3C的输入力传感器设备在被按压状态下的实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0017] 图4A是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备在未被按压状态下的另一实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0018] 图4B是沿图1中的线A-A截取的以及示出了图4A的输入力传感器设备在被按压状态下的实施方案的图1的电子设备的样本横截面图;
[0019] 图5A是图1的电子设备的图4B的样本横截面图的样本详细示图A-A 并且示出了腔体凝胶特征部的一个实施方案;
[0020] 图5B是图1的电子设备的图4B的样本横截面图的样本详细示图A-A 并且示出了腔体致动器特征部的一个实施方案;
[0021] 图5C是图1的电子设备的图4B的样本横截面图的样本详细示图A-A 并且示出了腔体囊特征部在未被按压状态下的一个实施方案;
[0022] 图5D是图1的电子设备的图4B的样本横截面图的样本详细示图A-A 并且示出了图5C的腔体囊特征部在被按压状态下的一个实施方案;
[0023] 图6A示出了图1的电子设备的正视图并且示出了类似于图4A-图4B 的以及包括多个压力传感器的输入力传感器设备的一个实施方案;以及
[0024] 图6B示出了图1的电子设备的正视图并且示出了类似于图4A-图4B 的以及包括组装成矩阵的多个压力传感器的输入力传感器设备的另一实施方案;
[0025] 附图中的交叉影线或阴影的用途被大致提供以阐明相邻元件之间的界限并且还有利于附图的易读性。因此,存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质、或属性的任何偏好或要求。
[0026] 此外,应当理解,各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中提供,以仅用于促进理解本文所述的各个实施方案,并因此可不必要地被呈现或示出以衡量并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求,以排除结合其所述的实施方案。

具体实施方式

[0027] 相关申请的交叉引用
[0028] 本专利申请为2017年3月31日提交的名称为“Pressure-Based Force and Touch Sensing”的美国临时专利申请62/480,105的非临时专利申请并且要求该临时专利申请的优先权,该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
[0029] 现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解,以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选具体实施。相反,所述实施方案旨在涵盖可被包括在本公开以及由所附权利要求限定的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。
[0030] 以下公开一般来说涉及电子设备中的力和触摸感测系统。输入力(例如通常通过用户手指的按压或触摸由用户提供的力),可用作对电子设备的输入。输入力可提供若干功能中的任一个。例如,输入力可提供简单的开/关输入,以实现按钮功能。在另一个示例中,输入力可提供可缩放输入以使得能够针对赋予力的给定阈值水平实现可变设备响应。也就是说,相对较轻的用户输入力可导致第一设备响应,而相对更强用户输入力可导致第二设备响应。
[0031] 更具体地讲,本公开涉及基于压力的力和触摸感测作为对电子设备的输入。基于压力的力和触摸感测提供输入力感测设备用于与电子设备一起使用。当将力施加于一定体积的可压缩流体时,流体内的内部压力增加。术语“流体”指的是在施加的剪切应力下流动或变形的任何物质,包括液体和气体。内部压力的变化可被校准为施加的外力,从而提供基于压力的力传感器。施加的外力的位置,例如用户输入力或用户输入触摸的位置,可借助来自基于多个压力的力传感器的输入来确定。
[0032] 当用于电子设备中的输入力感测时,压力感测提供性能和操作优势。例如,压力感测可允许改善的性能特性,诸如减小的功率需求,以及降低的复杂性和部件数目,从而提高可靠性并降低成本。而且,由于非常小的压力变化可利用低噪声压力传感器测量,所以基于压力的力感测允许检测非常小的力输入。实施方案公开了一种使用腔体体积的变化引起腔体压力的测量的变化的基于压力的力和触摸感测系统。在一个实施方案中,基于压力的力感测系统的一个或多个部件包括微型机电系统(MEMS)部件。
[0033] 作为一个示例,具有标称气压的腔体可临近或在触摸表面下方形成。更一般地讲,可采取随赋予触摸表面上的力允许体积变化的任何方式形成腔体。腔体压力可通过设置在腔体内或临近腔体的压力传感器监测到。在用户输入力时,可移动盖触摸表面可下降到腔体中,引起内部腔体压力增大。因为压力变化与腔体体积的变化成比例,继而与移动触摸表面需要的力的量成比例,所以可确定施加到表面上的力的量。该实施方案可包括允许限制空气出口的气压通气孔,并且因此可被称为“半密封系统。”通常,气压通气孔允许空气缓慢进入和/或离开腔体,使得腔体经历由于输入力造成的压力的初始变化。在一个实施方案中,触摸表面为覆盖玻璃。
[0034] 作为另一个示例,密封的空气腔体可形成为可移动覆盖件触摸表面下方的通道。一旦施加输入力,触摸表面可使得通道帽下降并按压到通道中,从而增大了通道内的内部气压。通道底部的压力传感器可登记绝对压力和压力变化的一个或两者。由减小的腔体空气的体积引起的压力变化,可与移动通道帽需要的力相关联并且因此可获得用户输入力的测量值。该实施方案为“密封系统”的一个示例,因为操作空气腔体与外部环境密封隔离。因此,在响应于输入力腔体体积变化时,由于空气被压缩,所以腔体内的气压发生变化。
[0035] 以下参考图1至图6来论述这些实施方案和其他实施方案。然而,本领域的技术人员将容易地理解,本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的,而不应被理解为是限制性的。
[0036] 图1示出了被配置为手表的电子设备100的一个示例的前透视图。电子设备100可包括特征部,诸如腕带102、冠部114、按钮116和覆盖玻璃 112,以及包括外壳109,外壳包括第一侧面104、第二侧面106、第三侧面 108、第四侧面110和厚度T1。这些特征部仅为示例性特征部并且一些或全部特征部可被省略和/或驻留在其他位置。其他特征部是可能的。电子设备100还可包括通常是计算或电子设备的一个或多个内部部件(未示出),诸如像一个或多个处理器、存储器部件、网络接口等。
[0037] 在例示的实施方案中,覆盖玻璃112设置在电子设备100的正表面上方。覆盖玻璃112可以是任何合适的材料制成,包括但不限于玻璃、塑料、丙烯酸、蓝宝石以及它们的各种组合等等。覆盖玻璃112的一个或多个部分可限定用于力和触摸感测系统的输入区域。更具体地讲,输入力传感器设备可被置于在覆盖玻璃112下方并被配置为经由覆盖玻璃112接收用户输入力。此类基于压力的感测系统特征部在下文参考图2-图5更详细地讨论。
[0038] 如图1所示,电子设备100实现为手表。然而,其他实施方案不限于这种类型的电子设备。其它类型的计算或电子设备可包括用于力感测设备的输入区域,其示例包括膝上型电脑、上网本、电话、平板计算设备、可穿戴计算或显示设备(诸如眼镜、首饰、衣服等)、数码相机打印机扫描仪、视频记录仪、复印机、触摸屏等。
[0039] 外壳109可形成用于电子设备100的内部部件的外表面或部分外表面和保护壳体,并可至少部分地围绕覆盖玻璃112。外壳109可由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成,诸如前件和后件。另选地,外壳109 可由可操作地连接到覆盖玻璃112的单个件形成。
[0040] 冠部114和/或按钮116通常充当电子设备100的输入/输出(I/O)设备,并且可借助任何类型的另选的输入或输出构件实现。仅以举例的方式,冠部114和/或按钮116可为开关、按钮、或其他输入机构。连同触摸屏,冠部114和/或按钮116允许用户与电子设备100进行交互。电子设备可包括一个或多个输入构件或输出构件,并且每个构件可具有单个I/O功能或多个I/O功能。在一个实施方案中,覆盖玻璃112接收外部输入(诸如用户触摸),继而提供输入至基于内部压力的感测系统201。此类实施方案在下文结合图2-图5进行更详细的讨论。
[0041] 图2示出了根据各个实施方案的示例性输入力传感器设备201。输入力传感器设备201包括触摸表面203,诸如覆盖玻璃、内含空气的体积 205、气压传感器207和处理器209。
用户向触摸表面203施加输入力。输入力使得触摸表面203移动和/或弯曲,导致内部空气体积205的减小。触摸表面203可直接连接或间接连接到空气体积205。例如,触摸表面203 可通过形成空气体积205的上表面直接连接到空气体积205。另选地,可将触摸表面203间接连接到空气体积205,诸如经由垫圈。
[0042] 空气体积205可以是未密封、半密封或完全密封。在未密封的实施方案中,通气孔被提供给空气体积。通气孔提供了压力平衡,并且可被配置为提供需要的速率的压力平衡。半密封的空气体积的实施方案被提供如图3A- 图3B,并且下文更详细地讨论。未密封的空气体积的实施方案被提供如图 3C-图3D,并且下文更详细地讨论。在半密封的实施方案中,一些受控的空气体积的通气会发生。半密封以及密封的空气体积的实施方案被提供如图 
4-图5,并且下文更详细地讨论。压力传感器207测量内部空气体积205中的压力。压力传感器207在没有输入力提供到触摸表面203以及空气体积 205处于第一或标称状态时提供或输出或传送至少第一气压测量值,以及在输入力施加到触摸表面203从而使得空气体积205减小时提供或输出或传送至少第二气压测量值。在一个实施方案中,压力传感器207在空气体积205 内提供连续的压力测量值。压力传感器207可提供绝对压力和Δ(或变化) 压力的一个或两者。处理器209接收由压力传感器207输出或传送的测量值。处理器209处理压力传感器207的一个或多个测量值以确定施加到触摸表面203的输入力值以及存在或不存在施加到触摸表面203的输入力中的一个或多个。在多个压力传感器的情况下,处理器209可确定施加到触摸表面 203的力的位置。
[0043] 图3A-图3B是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备201的一个实施方案的图1的电子设备100的样本横截面图。图3A描绘了第一状态中的电子设备100,其中没有输入力(例如,没有来自用户的输入力)赋予给电子设备100,而图3B描绘了第二状态中的电子设备 100,其中输入力被赋予电子设备100。如图3A所示,覆盖玻璃112形成电子设备100的外表面,并且被配置为接合用户输入,诸如用户触摸。例如,覆盖玻璃112可接收来自用户手指216的输入,该输入按压在覆盖玻璃112上以便将输入力赋予到覆盖玻璃112。通常,覆盖玻璃112在收到足够的用户输入力时出现移位,使得腔体206压力发生变化,如通过压力传感器214测量到。压力变化量与用户输入力的量成比例,从而提供力传感器。
[0044] 覆盖玻璃112被装配或被配置为接合电子设备100的周边。覆盖玻璃 112沿覆盖玻璃112的周边边缘接合电子设备100的四个侧面中的每一个侧面。也就是说,覆盖玻璃112的边缘接合设备第一侧面104、第二侧面 106、第三侧面108和第四侧面110中的每一个侧面。覆盖玻璃112可与电子设备形成防水密封。覆盖玻璃112可与电子设备100的边缘形成平坦表面。覆盖玻璃112的周边边缘可与电子设备100的内部周边边缘形成过盈配合。覆盖玻璃
112可由任何合适的材料诸如蓝宝石、玻璃、塑料以及各种材料的组合制成。
[0045] 覆盖玻璃112置于或设置在垫圈200上。垫圈200继而置于或设置在包括垫圈架表面202的垫圈架204上。垫圈架204和垫圈架表面202沿电子设备100的内侧面在电子设备100内形成内边缘。覆盖玻璃112被成形为或被配置为沿电子设备100的上侧面紧密地贴合或接合垫圈架204。垫圈架204被成形为或被配置为大致适形电子设备100的外部形状或几何形状。例如,垫圈200通常可成形为具有圆的矩形,反映图1的电子设备 100的形状。垫圈200可以被粘附,例如胶合到以覆盖玻璃112和垫圈架表面202中的一个或多个。
[0046] 垫圈200由具有弹性的材料形成,包括具有硬度Kg的垫圈。当电子设备100处于第一或标称状态时,其中没有用户输入力施加到覆盖玻璃 112上,例如,如图3A中描绘的电子设备100的配置,垫圈200标称高度为D1。当用户输入力赋予电子设备100时,垫圈200高度减小。例如,如图所示3B,在用户输入力赋予覆盖玻璃112时,覆盖玻璃112向下或朝向腔体206移位,其中垫圈200的高度弹性地减小到D2的高度。需注意,在去除图3B中所示的用户输入力时,垫圈200从D2的减小高度返回到 D1的标称高度,并且覆盖玻璃112从腔体206上升返回到如图3A所示的标称位置。
[0047] 电子设备100的腔体206形成在电子设备100内并且限定一定体积。腔体206名义上填充有大气压下的空气并且包含至少一个压力传感器214。包含在腔体206内的空气的体积随覆盖玻璃112的移动而变化。即,包含在腔体206内的空气的体积随覆盖玻璃112的向下移动而减小。例如,当覆盖玻璃112处于标称状态,诸如图3A中所描绘,其中没有用户输入力施加到覆盖玻璃112,腔体206体积将定义第一值V1,并且当覆盖玻璃112向下移动或下降到电子设备100(并且继而,进入腔体206)时定义第二较小值 V2。
[0048] 可通过联立求解控制腔体压力、施加的用户输入力和垫圈刚度之间的关系的两个方程,确定赋予覆盖玻璃112的用户输入力的量。
[0049] 理想气体定律允许给定施加用户输入力之前和之后腔体几何形状和腔体压力的测量值的知识求解覆盖玻璃的竖直移位。假定施加第一用户输入力的腔体空气的第一状态,得到第一压力(P1)和第一体积(V1)的腔体状态,以及以相关联的第二压力(P2)和第二体积(V2)施加用户输入力的第二状态。理想气体定律:PV=nRT,其中P为压力,V为体积,n为物质(此处为空气)的摩尔量,R为常数,以及T为腔体温度。这里,假设气体的恒定温度和摩尔数量(例如空气或任何可压缩流体),P1 x V1=P2 x V2。腔体体积V1是已知的,如电子设备100的标称状态中的腔体尺寸限定的。P1和P2中的每一个是已知的,如由压力传感器214测量的。V2的三个尺寸中的两个已知(即,腔体206的平均横截面积。)覆盖玻璃112 的竖直移位未知。也就是说,参考图3A-图3B,如D1-D2所示的覆盖玻璃 112的竖直移位。因此,可求解P1 x V1=P2 x V2以确定移位ΔD。需注意,以上计算,诸如针对P1 x V1=P2 x V2平衡方程的理想气体定律的应用,可加以调整以考虑更高阶效应或与假定条件的偏差。例如,如果覆盖玻璃的结构弯曲随用户输入力而出现,则第二体积(V2)将小于覆盖玻璃外壳假定的假定刚性。查找表或其他校准可用于捕获此类结构弯曲的影响。
[0050] 力平衡方程将施加的用户输入力Fa关联到覆盖玻璃112竖直移位ΔD (如上所确定),腔体压力P2-P1(如由压力传感器214测量的)的变化以及垫圈200硬度Kg。也就是说,(P2-P1)~Fa–Kg(ΔD)。因此,Fa可与已知值的(P2-P1)、Kg和ΔD相关联。需注意,因为以上力平衡方程描述了比例关系,所以(P2-P1)和Fa-Kg(ΔD)需要校准来确定Fa的数字值。
[0051] 腔体206经由装配到由腔体放气孔208形成的端口210的控制220 端接到大气。控制阀220允许腔体206内包含的空气作为端口空气出口 212流出腔体206,并且还实现腔体206内的气压平衡。也就是说,腔体 206内的空气,当设备处于稳定状态时,将返回到环境或大气气压。然而,在电子设备的瞬态时段期间,例如在从没有覆盖玻璃112的用户输入力到覆盖玻璃112上非零用户输入力的过渡期间,腔体206气压将不在环境气压下。此类瞬时时段例如允许压力传感器214测量腔体206内由腔体体积206的减小造成的升高或增大的压力,如上所述。压力平衡可通过以下公式来表征: 其中x为竖直
移位。由于腔体206 向大气通气,所以相对于对连续或稳定力输入的测量,图3A-图3B的基于压力的感测系统的实施方案可能对于测量对覆盖玻璃112的瞬时或离散力输入更有用。
控制阀220可被配置为引起可选均衡速率。
[0052] 输入力传感器设备201还可包括外部压力传感器215。外部压力传感器215可设置在设备100的外部,诸如在第四侧面110上并且邻近腔体放气孔208。对于外部压力传感器的其它位置是可能的,包括设备100的任何外表面。外部压力传感器215还可设置在设备100内,诸如在腔体206 内,如果与外部气压连通的话。例如,外部压力传感器215可与端口210 接合以接收对外部气压的测量。设置在设备100内的外部压力传感器215 可在极小或不存在均衡时间情况下测量大气压。在一个实施方案中,外部压力传感器215设置在或邻近设备100的主逻辑板。
[0053] 如由外部压力传感器215提供的外部气压的测量,实现若干附加功能中的任一个,包括给定外部气压的变化校准力和触摸感测算法。例如,输入力传感器设备201可校准用于在海平面处的操作并且假定海平面大气压为101kPa。然而,由天气变化或高度变化引起的大气压的变化,将影响力响应曲线。例如,针对大气压的给定变化,输入力传感器设备201可能或多或少对用户输入灵敏,可能会过早达到饱和点,其中力或触摸可能不可测量。借助外部压力传感器215对外部压力的测量,使得能调节或重新校准力和触摸感测算法以考虑到大气压变化。针对大气压变化调节力和触摸感测算法的能力因此可能扩大设备100的环境操作范围。在一个实施方案中,输入力传感器设备201借助外部压力传感器215,可运行在范围在 70kPa和110kPa之间的大气压下,包括端值在内。
[0054] 在一个实施方案中,覆盖玻璃112不会,或仅仅最低限度地,刚性地在竖直方向移动,如图3A-图3B中所示,而相反主要向内挠曲或弯曲(朝向腔体206。)此类弯曲造成腔体206的体积减小,从而能够实现对由腔体体积的减小而造成的用户输入力的相同确定。在一个实施方案中,覆盖玻璃112在竖直方向上移位和挠曲或弯曲两者。
[0055] 在另一个实施方案中,外壳109的一部分可变形以导致内部腔体206 中的压力变化,从而提供触摸输入。例如,在外壳109的第二侧106上的区域可由弹性材料形成,其压下进入内部腔体206,继而导致压力变化以及允许感测(侧面)触摸输入。此外,如果触摸输入致动距离被监测或限制到固定距离(从而控制和限定得到的压力变化),则侧面触摸输入能与施加到覆盖玻璃112的输入力区分开。以这种方式,可提供组合的触摸和力传感器。
[0056] 图3A-图3B的基于压力的感测系统的实施方案的性能特性可能随若干部件中任一个的设计进行调节。例如,具有较小刚度或较小硬度的垫圈 200,即更符合要求,将会提供压力响应的增大,即提供ΔP的增大。而且,相对减小体积的腔体206将导致增加的Δ压力测量的灵敏度。
[0057] 图3C-图3D是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备201的另一个实施方案的图1的电子设备100的样本横截面图。图3C描绘了第一状态中的电子设备100,其中没有输入力(例如,没有来自用户的输入力)赋予给电子设备100,并且图3D描绘了第二状态中的电子设备 100,其中输入力被赋予电子设备100。
[0058] 图3C-图3D的实施方案类似于图3A-图3B的实施方案,不同之处在于架子218和腔体排气口208装配在设备100内。相对于图3A-图3B的实施方案的体积,架子218减小了腔体206内包含的空气的体积。腔体排气孔208 将腔体206中包含的空气流体连接到端口210,从而允许腔体206的气压均衡。架子218被定位成邻近垫圈架204。一个或多个压力传感器214被设置在架子上218。如同图3A-图3B的实施方案,相同的数学结构应用于图3C- 图3D的实施方案。图3C-图3D实施方案提供了比图3A-图3B相对更灵敏的输入力传感器设备201,因为在上部腔体中包含减小的空气的体积。
[0059] 图4A-图4B是沿图1中的线A-A截取的以及示出了输入力传感器设备 201的另一个实施方案的图1的电子设备100的样本横截面图。图4A描绘了第一状态中的电子设备100,其中没有用户输入力赋予电子设备100,而图4B描绘了第二状态中的电子设备100,其中用户输入力被赋予电子设备 100。图5A-图5D为图4B的输入力传感器设备201的实施方案的一部分的详细示图。通常,类似于图3A-图3B的实施方案,覆盖玻璃112在接收到足够的用户输入力时发生移位,致使测得的压力发生变化,如由压力传感器214感测到。压力变化与用户输入力成正比,从而提供力传感器。
[0060] 相比图3A-图B的测量腔体206内的压力变化的实施方案,图4-图5 的实施方案测量密封通道302的压力变化。密封通道302被设置在垫圈 200下方,垫圈200将由于对覆盖玻璃112的用户输入力引起的内部压力的变化赋予包含在通道302中的空气。
[0061] 如图4A所示,覆盖玻璃112形成电子设备100的外表面,并被配置为接合用户输入力。例如,覆盖玻璃112可从用户手指216接收输入,该手指按压在覆盖玻璃112上以将力赋予覆盖玻璃112。覆盖玻璃112被装配或被配置为接合电子设备100的周边,类似于图3A-图3B的实施方案。覆盖玻璃112沿覆盖玻璃112的周边边缘接合电子设备100的四个侧面中的每一个侧面。也就是说,覆盖玻璃112的边缘接合设备第一侧面104、第二侧面106、第三侧面
108和第四侧面110中的每一个侧面。覆盖玻璃 112可与电子设备形成防水密封。覆盖玻璃
112可与电子设备100的边缘形成平坦表面。覆盖玻璃112的周边边缘可与电子设备100的内部周边边缘形成过盈配合。覆盖玻璃112可由任何合适材料制成,诸如蓝宝石、玻璃、塑料和材料的各种组合。
[0062] 覆盖玻璃112置于或设置在垫圈200上或者与垫圈互连,类似于图 3A-图3B的布置。垫圈200继而置于或设置在垫圈架204上或与垫圈架 204互连,垫圈架包括垫圈架表面202。垫圈架204和垫圈架表面202沿电子设备100的内侧面在电子设备100内形成内边缘。覆盖玻璃112被成形为或被配置为沿电子设备100的上侧面紧密地贴合或接合垫圈架204。垫圈架204被成形为或被配置为大致适形电子设备100的外部形状或几何形状。例如,垫圈架
204通常可成形为具有圆角的矩形,反映图1的电子设备100的形状。垫圈200可以被粘附,例如胶合到以覆盖玻璃112和垫圈架表面202中的一个或多个。
[0063] 相比图3A-图3B的实施方案,垫圈架204包含被配置为容纳气体诸如空气的通道302。通道302在从上方观看(例如,参见图6A)时形成环形形状。通道302形成在垫圈架204内,并装配有通道帽300。通道帽300被设置在通道302的上部或第一端部,并且接合垫圈
200。当垫圈200被压缩时,诸如由对覆盖玻璃112的用户输入力引起,垫圈将力赋予通道帽
300,致使通道帽300朝通道302向内施压,从而增大通道302内包含的空气的流体压力。至少一个压力传感器214被装配在通道302的一部分的下方,以便测量或感测通道302内的压力。
[0064] 通道帽300可形成圆形的横截面,如图4A中所示。在其他实施方案中,通道帽300可被配置为具有其他横截面形状,诸如椭圆形或矩形,或起到从垫圈200接收力并将该力平移或中转从而引起通道302内包含的空气的压力变化作用的任何形状。通道帽300可为刚性材料,在从垫圈200接收力时发生最小或不发生变形。通道帽300可为弹性材料,当施加例如来自垫圈 200的力时发生变形。例如,在接收图4B中的加载时,图4A-图4B所示的通道帽300从图4A中的标称圆形横截面变形为椭圆形。在一个实施方案中,垫圈200在垫圈200的底表面上形成通道帽300特征部并且不提供单独的通道帽300。垫圈200由具有包括垫圈硬度Kg的弹性的材料形成。
[0065] 在用户输入力施加到覆盖玻璃112时,通道帽300下降或降低到通道302中,从而增大密封通道302内包含的空气的压力。当电子设备100处于第一或标称状态时,其中没有用户输入力施加到覆盖玻璃112上,例如,如图4A中描绘的电子设备100的配置,密封通道302内包含的空气为第一或标称高度H1。在用户输入力施加到覆盖玻璃112时,覆盖玻璃 112向下或朝向通道302移位,其中通道帽向下移位并且密封通道302内包含的空气减小到第二高度H2(参见图4B)。需注意,在去除图4B中所示的用户输入力时,垫圈200从减小高度返回到标称高度,并且通道帽 300从下降位置移动到标称位置,而覆盖玻璃112从腔体206上升返回到如图4A所示的标称位置。
[0066] 至少一个压力传感器214设置为低于密封通道302,并且与密封通道 302中包含的空气连通,以便感测或测量空气通道的压力。压力传感器214 可被设置在压力传感器架308上。压力传感器214可与密封通道302中包含的空气直接流体连通,或可与通道盖304接合(如图4A-图4B所示)。通道盖304可包括延伸到通道302中的通道盖延伸部306。通道盖304可为有利的,例如,在基于压力的感测系统201的组装中用于将压力传感器 214装配到通道302下方。通道盖304可减少通道外部的热负载以及通道中的空气之间的热连通。另外的压力传感器214可被装配以感测通道302 内的压力,如图6A-图6B中所示。
[0067] 相同数学结构应用于图4-图5的实施方案,如同图3A-图3B的实施方案一样。即,可通过联立求解控制通道压力、施加的用户输入力和垫圈刚度之间的关系的两个方程,确定赋予覆盖玻璃112的用户输入力的量。简单地讲,第一状态(其中没有输入力被施加到覆盖玻璃112)下的通道302的理论体积为V1以及压力为P1。通道302内包含的空气的体积随覆盖玻璃112 的移动而变化。即,包含在通道302内的空气的体积随覆盖玻璃112的向下运动而减小。例如,当覆盖玻璃112处于标称状态,诸如图4A中所描绘,其中没有用户输入力施加到覆盖玻璃112,通道302体积将定义第一值V1,并且当覆盖玻璃112向下移动或下降到电子设备100(并且继而,通道帽 300下降到通道302中)时定义第二较小值V2。理想气体方程和力平衡方程,如上文相对于图3A-图3B所述,随后被用于确定施加的输入力。
[0068] 图4A-图4B的实施方案可包括气压通气孔310和通气孔密封件312,能够实现空气在腔体206中的受控通气。需注意,图4A-图4B的输入力传感器设备201保持密封或防水系统(例如通道302和包含的空气被密封。)
[0069] 输入力传感器设备201还可包括外部压力传感器315。外部压力传感器315可设置在设备100的外部,诸如在第二侧面106上并且邻近气压通气孔310。对于外部压力传感器的其它位置是可能的,包括设备100的任何外表面。外部压力传感器315还可设置在设备100内,诸如在腔体206 内,如果与外部气压连通的话。例如,外部压力传感器315可与气压通气孔310接合以接收对外部气压的测量。借助外部压力传感器315对外部压力的测量,使得能调节或重新校准输入力传感器设备201以考虑到大气压变化,类似于有关图3A-图3B的实施方案所述。
[0070] 因为通道是密封的,图4A-图4B的实施方案测量连续(模拟)和离散力输入两者,并且不限制对图3A-图3B的实施方案的连续力测量值的测量。
[0071] 图5A-图5D呈现了图4A-图4B的实施方案的输入力传感器设备201 的一部分的另选实施方案的详细示图。具体地讲,图5A描绘图4A-图4B 的密封通道输入力传感器设备201的实施方案,其中通道302至少部分地填充有通道凝胶316。通道凝胶316起到减小通道302中包含的空气的可操作体积的作用,其对于给定施加的输入力增加(通过压力传感器214) 测量的压力变化的灵敏度。将通道凝胶316应用到通道302来减少可操作空气体积可优于以类似地减小尺寸的通道,因为较大通道可能更容易地制造。除了凝胶材料之外,可使用其它“填充”材料,包括浆料或硬化材料。
[0072] 图5B描绘图4A-图4B的密封通道输入力传感器设备201的实施方案,其中通道帽300替换为通道致动器318。通道致动器318可延伸到通道中以便减小通道302中可操作空气体积,从而提供如以上参考图5A的通道凝胶316描述的类似的益处。图5B的通道致动器318装配有适形于通道盖延伸件306的远端端部。
[0073] 图5C-图5D示出包括腔体囊320的图4A-图4B的密封通道输入力传感器设备201的实施方案。图5C描绘了第一状态中的电子设备100,其中没有用户输入力赋予给电子设备100,并且图5D描绘了第二状态中的电子设备100,其中非零输入力被赋予电子设备100。压力传感器214设置在架子308上,压力传感器214装配在通道302下方。通道302上方为设置在垫圈200下方的腔体囊320。垫圈200向腔体囊赋予力,继而减小了通道 302中包含的空气,从而导致如通过压力传感器214感测到的压力升高。需注意,在收到垫圈200赋予压力时,囊
320发生翘曲。囊可充满凝胶材料,流体诸如空气,或它们的组合。
[0074] 在一个实施方案中,通道302内包含的流体是空气以外的流体,诸如惰性气体。这种另选的气体可提供基于压力的感测系统201的改进性能。例如,特定气体可以更好地维持垫圈200和/或通道帽300的弹性。
[0075] 在一个实施方案中,通道302和/或腔体206装配有温度传感器,以实现对施加的用户输入力的计算的调整(由于理想气体定律取决于温度,例如,对施加的用户输入力的确定与温度相关。)温度传感器可被配置为输入力传感器设备201的部件的整体部分,诸如压力传感器214。在一个实施方案中,通道302和/或腔体206被装配有加热和/或冷却设备,以便分别调节通道302和/或腔体206内的温度。
[0076] 图6A-图6B示出了在类似于图3A-图3B的实施方案的输入力传感器设备201的实施方案中具有多个压力传感器214的电子设备100。在图6A 中,一组八个压力传感器214被示出为设置在通道302下方。在图6B中,压力传感器214的矩阵被描述为大体跨过设备100的覆盖玻璃112的所有。其他构型也是可能的,诸如数量更多的压力传感器和用于压力传感器的另选位置。
[0077] 使用多于一个压力传感器可提供若干有益益处和/或功能中的任何一个。例如,压力传感器的增加提供了在发生压力传感器故障的事件的冗余。另外,附加压力传感器使得能够获得大量压力测量值,从而允许传感器测量值的混合(例如,传感器测量值平均化),其通常增大测量稳健性。
[0078] 一组分布式多个压力传感器也可实现基于来自不同压力传感器的不同压力读数确定位置数据。一般而言,输入力将不会跨整个触摸表面生成均匀输入力。相反,输入力在输入力的附近将稍微更大,从而导致相应增大的压力传感器读数。例如,参照图6A,覆盖玻璃112的上部中间处的力输入在覆盖玻璃112的上边缘部分处由两个相邻压力传感器214感测的力值比位于覆盖玻璃112的下边缘部分处的两个压力传感器214的力值更大。输入力的差距可能由若干因素中的任一个引起,包括触摸表面的局部弯曲 (例如,围绕输入力的局部区域中的覆盖玻璃表面的弯曲)和触摸表面的平面朝向输入力位置的旋转。
[0079] 基于对于给定输入力由分布式压力传感器感测到的压力值的差值,可确定输入力的位置。例如,注意图6A,如果输入力精确地施加于覆盖玻璃 112的中部,则八个压力传感器214中的每一个压力传感器将在理论上提供相同的压力测量值。也就是说,如果覆盖玻璃112为完全刚性面板和均匀地下降到设备的压力腔体中,则每个(理想的)压力传感器将记录共同的压力读数。然而,由于上述的不均匀性,所以一组压力传感器将无法提供相同的压力读数。关注于覆盖玻璃偏转引起的不均匀性,图6A的覆盖玻璃112的矩形形状将导致来自压力传感器214的一组不同压力读数。因为覆盖玻璃 112为矩形形状,所以上面和下面一组传感器距输入力的距离比位于覆盖玻璃112的每一侧边上的一组传感器稍远一些。因此,精确地位于覆盖玻璃 112的中部的力输入在上面和下面一组压力传感器中产生的压力读数比位于覆盖玻璃的右侧边和左侧边上的压力传感器略小,因为覆盖玻璃在覆盖玻璃的上面部分和下面部分比左侧边和右侧边弯曲(向上)略多,并且因此略微较少地下降到腔体中并产生较少的压力读数。通过随输入力位置校准一组压力传感器,输入力位置可根据一组压力传感器的变化读数来确定。需注意,将需要至少三个压力传感器以唯一地确定覆盖玻璃的力输入位置;基于三个或更多个位置处的相对力输入的此类位置三角测量是本领域熟知的。
[0080] 除此上述校准方案之外或另选地,可应用力平衡方程来确定随输入力位置的覆盖玻璃(以及相应地定位的压力传感器)上的相对负载。此类计算将需要覆盖玻璃的结构特征的知识,例如应力-应变关系。这种力平衡方程和相关的计算是本领域熟知的。
[0081] 在图6B的实施方案中,类似的校准或力平衡方案可用于基于三个或更多个压力传感器读数确定输入力位置。然而,覆盖整个覆盖玻璃平面的压力传感器矩阵提供另一种方式确定在图6A的实施方案中不可用的力位置。也就是说,取决于理想的力位置的准确度,其中通过压力传感器阵列中的给定压力传感器214感测到的最高压力的简单方案可确定力位置输入。
[0082] 另外,图6A-图6B的实施方案可使得能够确定输入力的移动。例如,如果首先触发右上的压力传感器,随后左下压力传感器,则可以确定用户正从右上向左下轻扫覆盖玻璃。需注意,在图6A-图6B的实施方案中,每个压力传感器214可借助单独的通信信道连接到处理器。
[0083] 在上述描述中,为了解释的目的,所使用的特定命名提供对所述实施方案的彻底理解。然而,对于本领域的技术人员而言将显而易见的是,实践所述实施方案不需要这些具体细节。因此,出于举例说明和描述的目的,呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制为所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是,根据上述教导内容,许多修改和变型是可能的。
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