DE102016213652A1

DE102016213652A1 - Elektronische Vorrichtungen mit Scherkraftmessung

Info

Publication number: DE102016213652A1
Application number: DE102016213652.6A
Authority: DE
Inventors: Tyler S. Bushnell; William C. Lukens; Collin R. Petty
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2017-02-16
Also published as: AU2016204964B2; CN106445097B; CN205910637U; US20170045976A1; AU2016204964A1; CN106445097A

Abstract

Eine elektronische Vorrichtung kann mit einer Anzeige, einem Tastfeldelement oder einer anderen Struktur versehen sein, die sich seitlich in Bezug auf eine andere Vorrichtungsstruktur in Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft verschieben kann. Scherkraft kann durch die Finger eines Benutzers ausgeübt werden. Scherkraftsensoren können in einer elektronischen Vorrichtung bereitgestellt werden, um die Scherkraft, die ausgeübt wird, zu messen. Bei den Scherkraftsensoren kann es sich um kapazitive Sensoren handeln. Ein kapazitiver Scherkraftsensor kann kapazitive Elektroden aufweisen. In Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft können sich die kapazitiven Elektroden in Bezug aufeinander bewegen. Parallele planare Elektroden können sich in Bezug aufeinander verschieben, sodass sich der Grad an Überlappung und damit die Kapazität zwischen den Elektroden verändert, oder der Trennungsabstand zwischen parallelen planaren Elektroden kann sich erhöhen oder verringern, sodass messbare Kapazitätsveränderungen erzeugt werden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 14/822327, eingereicht am 10. August 2015, die hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Schrift aufgenommen wird.
Hintergrund
Dies betrifft im Allgemeinen elektronische Vorrichtungen und im Besonderen Sensoren in elektronischen Vorrichtungen.
Elektronische Vorrichtungen, wie z. B. Mobiltelefone, Computer und Armbanduhrvorrichtungen, schließen Eingabevorrichtungen ein, über welche ein Benutzer Eingaben zum Steuern des Vorrichtungsbetriebs vornehmen kann. Beispielsweise kann eine elektronische Vorrichtung Tasten umfassen, mit denen ein Benutzer Eingaben vornehmen kann. Berührungssensoren können in Anzeigen, Tastfeldern und anderen Teilen von Vorrichtungen eingebracht sein, um die Position und Bewegung von Fingern eines Benutzers zu verfolgen. Mithilfe von Berührungssensortechnik kann ein Benutzer mit Bildschirminhalten interagieren oder kann die Position eines Cursors steuern.
Einige Vorrichtungen enthalten Kraftsensoren. Beispielsweise kann eine Tastfeld- oder Armbanduhrvorrichtung Kraftsensoren umfassen, um es zu erfassen, wenn ein Benutzer nach unten auf das Tastfeld oder eine Anzeige in der Armbanduhr drückt. Krafteingaben dieser Art können in Verbindung mit Berührungssensoreingaben zum Steuern des Betriebs einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden.
Mit der Verwendung von Eingabevorrichtungen wie etwa Berührungs- und Kraftsensoren in elektronischen Vorrichtungen sind Schwierigkeiten verbunden. Berührungssensorgesten beinhalten die Bewegung von Fingern eines Benutzers über eine Vorrichtungsoberfläche. Diese Art von Anordnung kann in Szenarien ungünstig sein, in denen eine unzureichende Fläche für die Fingerbewegung vorhanden ist. Berührungssensoren, wie z. B. kapazitive Berührungssensoren, können für Störungen durch Feuchtigkeit anfällig sein, da Feuchtigkeit Veränderungen der Kapazität selbst in Abwesenheit eines Fingers eines Benutzers hervorrufen kann. Kraftsensortasten werden im Allgemeinen nur verwendet, um Informationen darüber zu erfassen, wie stark ein Benutzer nach innen drückt.
Es wäre daher wünschenswert, verbesserte Sensoren für elektronische Vorrichtungen bereitstellen zu können.
Kurzdarstellung
Eine elektronische Vorrichtung kann mit einer Anzeige, einem Tastfeldelement oder einer anderen Struktur versehen sein, die sich seitlich in Bezug auf eine andere Vorrichtungsstruktur in Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft verschieben lässt. Scherkraft kann durch die Finger eines Benutzers ausgeübt werden. Beispielsweise kann ein Benutzer Seitenkraft auf die Oberfläche einer Anzeige ausüben, während ein Spiel oder anderer Inhalt auf der Anzeige angezeigt wird. Scherkraftsensoren können in einer elektronischen Vorrichtung zum Messen der ausgeübten Scherkraft bereitgestellt werden.
Bei den Scherkraftsensoren kann es sich um kapazitive Sensoren handeln. Ein kapazitiver Scherkraftsensor kann kapazitive Elektroden aufweisen. In Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft können sich die kapazitiven Elektroden in Bezug aufeinander bewegen. Kapazitive Scherkraftsensoren können planare Elektroden aufweisen, die zueinander parallel sind. Die planaren Elektroden können an einem Elastomerträger angebracht sein, der sich bei ausgeübter Kraft verformt, und/oder können mit Strukturen wie etwa Anzeigen, Berührungssensoren, Gehäusestrukturen und anderen Vorrichtungsstrukturen gekoppelt sein, die sich in Bezug aufeinander bewegen.
Parallele planare Elektroden in einem Schersensor können sich in Bezug aufeinander verschieben, sodass sich der Überlappungsgrad und damit die Menge an Kapazität zwischen den Elektroden verändert. Bei einigen Anordnungen kann sich ein Trennungsabstand zwischen parallelen planaren Elektroden in Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft erhöhen oder verringern.
Scherkraftsensoren können in Vorrichtungen wie etwa Tastaturen, Joysticks, Zubehörsteuerungen und anderen Einrichtungen eingesetzt werden. Die Scherkraftsensoren können zum Messen von seitlichen Verschiebungen der Position von Vorrichtungskomponenten, auf die Außenflächen zylindrischer Vorrichtungen ausgeübten Torsionskräften und anderen ausgeübten Scherkräften verwendet werden.
Weitere Merkmale der Erfindung, ihr Wesen und verschiedene Vorteile werden anhand der beigefügten Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen besser ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung, die Sensoren gemäß einer Ausführungsform umfassen kann.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung, wie z. B. eines Laptop-Computers, die Sensoren gemäß einer Ausführungsform umfassen kann.
3 ist eine schematische Darstellung einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung, die Sensoren gemäß einer Ausführungsform umfassen kann.
4 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Scherkraftsensors in einer nicht abgelenkten Anordnung gemäß einer Ausführungsform.
5 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Scherkraftsensors in einer abgelenkten Anordnung gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine Querschnittsseitenansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit Kraftsensoren gemäß einer Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtungsoberfläche, die mögliche Positionen für Scherkraftsensoren gemäß einer Ausführungsform zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit durch einen Benutzer gesteuerten Scherkraftsensoren gemäß einer Ausführungsform.
9 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Scherkraftsensors mit einer Zusatzelektrode gemäß einer Ausführungsform.
10 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Scherkraftsensors mit mehreren Zusatzelektroden gemäß einer Ausführungsform.
11 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Scherkraftsensors mit parallelen kapazitiven Elektroden mit variabler Überlappung und mit parallelen kapazitiven Elektroden mit variablem Trennungsabstand gemäß einer Ausführungsform.
12 ist eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden Kraftsensors, der eine Gehäuseelektrode zur Durchführung von Scherkraftmessungen gemäß einer Ausführungsform verwendet.
13 ist eine Querschnittsseitenansicht eines anderen veranschaulichenden Kraftsensors, der eine Gehäuseelektrode zur Durchführung von Scherkraftmessungen gemäß einer Ausführungsform verwendet.
14 ist eine Querschnittsseitenansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit auf einer Anzeige und einer inneren Tragstruktur angebrachten Scherkraftsensorelektroden gemäß einer Ausführungsform.
15 ist eine Querschnittsseitenansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit aus Strukturen wie Anzeige- und Berührungssensorstrukturen ausgebildeten Scherkraftsensorelektroden gemäß einer Ausführungsform.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Paares von Ohrhörern mit einer Steuerung der Art, die Kraftsensoren gemäß einer Ausführungsform umfassen kann.
17 ist eine Querschnittsseitenansicht der Steuerung aus 16 gemäß einer Ausführungsform.
18 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden Eingabevorrichtung mit einem Schaft, der Scherkraftsensoren gemäß einer Ausführungsform umfasst.
19 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden Tastatur, die Tasten mit Scherkraftsensoren gemäß einer Ausführungsform aufweist.
20 ist eine perspektivische Ansicht einer zylindrischen Struktur mit Scherkraftsensoren gemäß einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
Eine veranschaulichende elektronische Vorrichtung der Art, die mit Scherkraftmessfähigkeiten versehen werden kann, ist in 1 dargestellt. Bei der elektronischen Vorrichtung 10 kann es sich um eine Rechenvorrichtung, wie z. B. einen Laptop-Computer, einen Computerbildschirm, der einen eingebetteten Computer enthält, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon, eine Medienabspielvorrichtung oder eine andere handgehaltene oder tragbare elektronische Vorrichtung, eine kleinere Vorrichtung, wie z. B. eine Armbanduhrvorrichtung, eine Umhängevorrichtung, einen Kopfhörer oder eine Hörmuschelvorrichtung, eine Vorrichtung, die in Brillen oder einer anderen Ausrüstung, die am Kopf eines Benutzers getragen wird, eingebettet ist, oder eine andere am Körper tragbare oder Miniaturvorrichtung, einen Fernseher, eine Computeranzeige, die keinen eingebetteten Computer enthält, eine Spielevorrichtung, eine Navigationsvorrichtung, ein eingebettetes System, wie z. B. ein System, bei dem eine elektronische Ausrüstung mit einer Anzeige in einem Kiosksystem oder Fahrzeug angebracht ist, Ausrüstung, welche die Funktionalität zweier oder mehrerer dieser Vorrichtungen umsetzt, oder eine andere elektronische Ausrüstung handeln. In der veranschaulichenden Ausführung aus 1 ist die Vorrichtung 10 eine tragbare Vorrichtung, wie z. B. ein Mobiltelefon, eine Medienabspielvorrichtung, ein Tablet-Computer, eine Handgelenkvorrichtung oder eine andere tragbare Rechenvorrichtung. Andere Ausführungen können nach Wunsch für die Vorrichtung 10 verwendet werden. Das Beispiel aus 1 ist rein veranschaulichend.
In dem Beispiel aus 1 umfasst die Vorrichtung 10 eine Anzeige, wie z. B. die Anzeige 14, die in einem Gehäuse 12 angebracht ist. Das Gehäuse 12, das mitunter als Umhüllung oder Hülle bezeichnet werden kann, kann aus Kunststoff, Glas, Keramiken, Faserverbundstoffen, Metall (z. B. rostfreiem Stahl, Aluminium usw.), anderen geeigneten Materialien oder einer Kombination von beliebigen zwei oder mehr dieser Materialien hergestellt sein. Das Gehäuse 12 kann unter Verwendung einer einstückigen Anordnung hergestellt werden, in der das Gehäuse 12 ganz oder teilweise als Einzelstruktur gefertigt oder geformt ist, oder kann unter Verwendung mehrerer Strukturen (z. B. einer inneren Rahmenstruktur, einer oder mehrerer Strukturen, die äußere Gehäuseoberflächen bilden, usw.) hergestellt sein.
Bei der Anzeige 14 kann es sich um eine Berührungsbildschirmanzeige handeln, die eine Schicht leitender kapazitiver Berührungssensorelektroden oder anderer Berührungssensorkomponenten (z. B. resistiver Berührungssensorkomponenten, akustischer Berührungssensorkomponenten, kraftbasierter Berührungssensorkomponenten, lichtbasierter Berührungssensorkomponenten usw.) umfasst, oder kann es sich um eine Anzeige handeln, die nicht berührungsempfindlich ist. Kapazitive Berührungsbildschirmelektroden können aus einer Anordnung von Indiumzinnoxidfeldern oder anderen transparenten leitenden Strukturen gebildet sein. Ein Berührungssensor kann mithilfe von Elektroden oder anderen Strukturen auf einer Anzeigeschicht, die eine Pixelanordnung enthält, oder auf einer gesonderten Berührungsfeldschicht, die mit der Pixelanordnung verbunden ist (z. B. mittels Klebstoff), ausgebildet sein.
Die Anzeige 14 kann eine Anordnung von Pixeln, die aus Flüssigkristallanzeige(Liquid Crystal Display, LCD)-Komponenten gebildet ist, eine Anordnung elektrophoretischer Pixel, eine Anordnung von Plasmapixeln, eine Anordnung organischer Leuchtdiodenpixel oder anderer Leuchtdioden, eine Anordnung von Elektrobenetzungspixeln oder Pixeln auf der Grundlage anderer Anzeigetechniken umfassen.
Die Anzeige 14 kann mithilfe einer Anzeigeabdeckungsschicht, wie z. B. einer Schicht aus transparentem Glas oder durchsichtigem Kunststoff, geschützt werden. Öffnungen können in der Anzeigeabdeckungsschicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Öffnung in der Anzeigeabdeckungsschicht ausgebildet sein, um eine Taste, einen Lautsprecheranschluss oder eine andere Komponente aufzunehmen. Es können Öffnungen in dem Gehäuse 12 ausgebildet sein, um Kommunikationsanschlüsse (z. B. einen Audiobuchsenanschluss, einen digitalen Datenanschluss usw.) zu bilden, um Öffnungen für Tasten zu bilden usw.
2 zeigt, wie die elektronische Vorrichtung 10 die Form eines Laptop-Computers mit einem oberen Gehäuse 12A und einem unteren Gehäuse 12B mit Komponenten wie etwa einer Tastatur 16 und einem Tastfeld 18 aufweisen kann. Das Tastfeld 18 kann einen zweidimensionalen kapazitiven Berührungssensor enthalten, der die Position und Bewegung von Fingern eines Benutzers misst. Die Vorrichtung 10 kann Gelenkstrukturen 20 aufweisen, die es dem oberen Gehäuse 12A ermöglichen, sich in Richtungen 22 um eine Drehachse 24 in Bezug auf das untere Gehäuse 12B zu drehen. Die Anzeige 14 kann im oberen Gehäuse 12A angebracht sein. Das obere Gehäuse 12A, das mitunter als Anzeigegehäuse oder Deckel bezeichnet werden kann, kann in eine geschlossene Stellung durch Drehen des oberen Gehäuses 12A zum unteren Gehäuse 12B um die Drehachse 24 gebracht werden.
3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung 10. Wie in 3 dargestellt, kann die elektronische Vorrichtung 10 eine Steuerschaltung 30 aufweisen. Die Steuerschaltung 30 kann eine Speicher- und Verarbeitungsschaltung zum Unterstützen des Betriebs der Vorrichtung 10 umfassen. Die Speicher- und Verarbeitungsschaltung kann Speicher beinhalten, wie z. B. Festplattenspeicher, nichtflüchtigen Speicher (z. B. Flash-Speicher oder anderen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher, der derart ausgestaltet ist, dass er ein Halbleiterlaufwerk bildet), flüchtigen Speicher (z. B. statischen oder dynamischen Direktzugriffsspeicher) usw. Die Verarbeitungsschaltung in der Steuerschaltung 30 kann verwendet werden, um den Betrieb der Vorrichtung 10 zu steuern. Die Verarbeitungsschaltung kann auf einem oder mehreren Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, digitalen Signalprozessoren, Basisbandprozessoren, Leistungsverwaltungseinheiten, Audiochips, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen usw. basieren.
Eine Eingabe/Ausgabe-Schaltung in der Vorrichtung 10, wie z. B. die Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen 32, kann dazu verwendet werden zu ermöglichen, dass Daten an die Vorrichtung 10 bereitgestellt werden, und zu ermöglichen, dass Daten von der Vorrichtung 10 an externe Vorrichtungen und Benutzer der Vorrichtung 10 bereitgestellt werden. Die Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen 32 können die Anzeige 14, Tasten, Joysticks, Scrollräder, Berührungsfelder, Tastenfelder, Tastaturen, Audiokomponenten, wie z. B. Mikrofone und Lautsprecher, Klangerzeuger, Vibrationsgeber, Kameras, Sensoren 34, Leuchtdioden und andere Statusanzeigen, Datenanschlüsse usw. einschließen. Eine drahtlose Schaltung in den Vorrichtungen 32 kann zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzfunksignalen verwendet werden. Die drahtlose Schaltung kann Antennen und Hochfrequenzsender und -empfänger umfassen, die in drahtlosen lokalen Netzwerkbändern, zellularen Telefonbändern und anderen drahtlosen Kommunikationsbändern arbeiten.
Die Sensoren 34 können Sensoren wie etwa Umgebungslichtsensoren, kapazitive Näherungssensoren, lichtbasierte Näherungssensoren, magnetische Sensoren, Beschleunigungsmesser, Kraftsensoren, Berührungssensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Kompasssensoren, Mikrofone, Bildsensoren und andere Sensoren einschließen. Kraftsensoren können zum Erfassen von Normalspannungen und Scherspannungen verwendet werden. Kraftmessanordnungen, die Scherspannungen in der Vorrichtung 10 erfassen, können mitunter als Scherkraftsensoren bezeichnet werden. Scherkraftsensoren können eine Scherbewegung zwischen Elektroden oder anderen Strukturen im Kraftsensor erfassen und/oder können Normalspannungen erfassen, die mit Scherspannungen an Vorrichtungsgehäusestrukturen, Abschnitten der Anzeige 14, Abschnitten des Tastfelds 18 (2) oder anderen Vorrichtungsstrukturen assoziiert sind. Beispielsweise kann ein Scherkraftsensor erkennen, wenn ein Benutzer eine planare Tastfeldoberfläche, eine planare Anzeigeoberfläche oder einen Bereich einer planaren Gehäusestruktur im Gehäuse 12 in einer Richtung seitlich verschiebt, die innerhalb der planaren Oberfläche liegt.
Scherkraftsensoren können auf piezoelektrischen Strukturen, die Ausgabesignale in Reaktion auf ausgeübte Kraft erzeugen, lichtbasierten Strukturen oder Strukturen, die ihren Widerstand je nach ausgeübter Kraft verändern oder die andere messbare Ergebnisse je nach ausgeübter Kraft erzeugen, beruhen. Bei einer geeigneten Anordnung können Kraftsensoren für die Vorrichtung 10, wie z. B. Scherkraftsensoren, mittels kapazitiver Sensorelektroden ausgebildet sein. Die Steuerschaltung 30 kann Kapazitätsveränderungen erfassen, die mit den Elektroden assoziiert sind, da Spannungen erzeugt werden, welche die Elektroden in Bezug aufeinander bewegen. Der Einsatz kapazitiver Kraftmesstechnik zum Messen von Scherkräften an der Vorrichtung 10 ist jedoch rein veranschaulichend. Im Allgemeinen können die Sensoren 34 Kraftsensoren einschließen, die auf einer beliebigen geeigneten Kraftmesstechnik basieren.
Die Steuerschaltung 30 kann verwendet werden, um Software auf der Vorrichtung 10 auszuführen, wie z. B. Betriebssystemcode und Anwendungen. Während des Betriebs der Vorrichtung 10 kann die Software, die auf der Steuerschaltung 30 ausgeführt wird, Scherkrafteingaben von einem Benutzer erfassen, kann Krafteingaben in einer Richtung erfassen, die senkrecht zur Oberfläche der Vorrichtung 10 ist, und kann andere Sensoreingaben erfassen. Die Steuerschaltung 30 kann diese Eingaben verarbeiten und kann geeignete Aktionen durchführen (z. B. durch Anpassen von Bildern auf der Anzeige 14, durch Anpassen von Audioausgaben oder anderen Ausgaben aus der Vorrichtung 10 usw.). Die Software der Vorrichtung 10 kann zum Steuern des drahtlosen Sendens und Empfangens von Kommunikationssignalen, von Erfassungs- und Verarbeitungsvorgängen von Sensordaten, des Betriebs von Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen und von anderen Vorrichtungsvorgängen verwendet werden.
Eine Querschnittsseitenansicht eines veranschaulichenden kapazitiven Kraftsensors der Art, die beim Erfassen von Scherkrafteingaben verwendet werden kann, ist in 4 dargestellt. Der Kraftsensor 40 aus 4 weist ein Paar kapazitiver Elektroden auf. Die obere Elektrode 42 ist von der unteren Elektrode 46 durch eine dielektrische Schicht 44 getrennt. Bei der dielektrischen Schicht 44 kann es sich um ein verformbares dielektrisches Material handeln, wie z. B. ein elastomeres Polymer (z. B. Silikon oder anderes Elastomer), Polymerschaum oder anderes Material, das sich in Reaktion auf ausgeübte Kraft verbiegen oder anderweitig verformen kann. Der Kraftsensor 40 kann zwischen Gehäusestrukturen oder anderen Strukturen in der Vorrichtung 10 gekoppelt sein, die sich in Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft bewegen.
In dem Beispiel aus 4 ist der Sensor 40 zwischen der oberen Struktur 48 und der unteren Struktur 50 gekoppelt. Klebstoff oder andere Verbindungsmechanismen können verwendet werden, um die Elektrode 44 mit der Struktur 48 zu verbinden und um die Elektrode 46 mit der Struktur 50 zu verbinden, und/oder Elektroden, wie z. B. die Elektroden 42 und 46, können auf den Oberflächen der Schichten 48 bzw. 50 (als Beispiele) strukturiert sein. Strukturen, wie z. B. die Strukturen 48 und 50, können planare Strukturen sein, z. B. eine Anzeigeabdeckungsschicht oder ein anderer Abschnitt der Anzeige 14, ein planarer struktureller Abschnitt der Vorrichtung 10, z. B. ein Mittelplattenelement oder eine planare Gehäusewand, können planare Strukturen sein, z. B. ein planares Element, das die Oberfläche eines Tastfelds bildet (siehe z. B. Tastfeld 18 aus 2), oder können andere Strukturen in der Vorrichtung 10 sein.
Wenn ein Benutzer auf eine oder beide der Strukturen 48 und 50 mit den Fingern des Benutzers oder einem anderen externen Objekt drückt, können sich die relativen Positionen dieser Strukturen verändern. Wenn ein Benutzer z. B. eine Scherkraft auf die Struktur 48 in Bezug auf die Struktur 50 ausübt, kann sich Position der Elektroden 42 und 46 verschieben. Bei der Scherkraft handelt es sich um eine Seitenkraft, die dazu neigt, die Positionen der Strukturen 48 und 50 seitlich in einer Richtung zu verschieben, die in der X-Y-Ebene aus 4 liegt (z. B. innerhalb einer Ebene, die parallel zu den Ebenen der Strukturen 48 und 50 im Beispiel aus 4 liegt). Wie in 5 dargestellt, verschiebt sich z. B., wenn der Finger eines Benutzers (Finger 52) auf die Oberseite der Struktur 48 in der Richtung 54 drückt, die obere Elektrode 42 relativ nach rechts in Bezug auf die untere Elektrode 46 (die in diesem Beispiel auf der Struktur 50 stehen bleibt). Infolgedessen überlappt sich ein Abschnitt der Elektrode 42 (in Bereich D von 5) nicht mehr mit der Elektrode 46.
Während des Betriebs von Sensor 40 kann die Steuerschaltung 30 (3) Kapazitätsmessungen am Sensor 40 durchführen. In der Ausgangsanordnung von 4 decken sich die Elektroden 42 und 46, sodass die Fläche, über die sich die Elektroden 42 und 46 überlappen, maximiert ist. In der Anordnung von 5 hat sich die Überlappung aufgrund der seitlichen Bewegung der Struktur 48 und der Elektrode 42 in Bezug auf die Struktur 50 und die Elektrode 46 um den Bereich D verringert. Aufgrund der geringeren Überlappung zwischen den Elektroden 42 und 46 verringert sich die Kapazität, die von der Steuerschaltung 30 zwischen den Elektroden 42 und 46 gemessen wird, um einen entsprechenden Betrag. Durch Kapazitätsmessungen zwischen den Elektroden 42 und 46 kann die Höhe der Scherkraft, die auf die Struktur 48 in der Richtung 54 ausgeübt wird, bestimmt werden. Die Steuerschaltung 30 kann dann eine geeignete Aktion je nach der gemessenen Scherkraft vornehmen. Beispielsweise kann Scherkraft als Eingabe verwendet werden, welche den Betrieb der Vorrichtung 10 steuert (z. B. können Scherkrafteingaben zum Steuern eines Spiels verwendet werden, können zum Bewegen eines Cursors verwendet werden, können zum Navigieren zwischen verschiedenen Menüvorgängen auf dem Bildschirm verwendet werden oder können zum Steuern anderer Funktionen in der Vorrichtung 10 verwendet werden).
Falls gewünscht, können Scherkräfte in der Vorrichtung 10 unter Verwendung von Kraftsensoren gemessen werden, die für Kraft empfindlich sind, die senkrecht zu einer Kondensatorelektrodenebene ausgeübt wird. Wenn z. B. eine erste und zweite parallele Kondensatorelektrode durch ein komprimierbares Dielektrikum (z. B. Silikon) getrennt sind, führt senkrecht zur Ebene der ersten Kondensatorelektrode ausgeübte Kraft dazu, dass das Dielektrikum zusammengedrückt wird und die Trennung zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorelektrode abnimmt, wodurch ein messbarer Kapazitätsanstieg erzeugt wird. Für kapazitive Kraftsensoren wie diese kann mitunter gelten, dass sie kapazitive Normalkraftmesselemente enthalten.
Im Allgemeinen kann eine beliebige Art von Kraftsensoren, wie z. B. der veranschaulichende Kraftsensor 40 aus den 4 und 5, die eine Ausgabe aufgrund einer Verschiebungsbewegung zwischen Kondensatorelektroden und/oder kapazitiven Normalkraftsensoren erzeugen (oder andere Kraftsensoren, die Normal- und Scherspannungen erfassen), beim Messen ausgeübter Kräfte in der Vorrichtung 10 verwendet werden.
Beachte beispielsweise die Querschnittsseitenansicht der Vorrichtung 10, die in 6 dargestellt ist. In dem Beispiel aus 6 sind die Kraftsensoren 56, 58, 60 und 62 zwischen den Strukturen 48 und 50 angebracht. Die Strukturen 48 und 50 können planare Strukturen sein oder können andere geeignete Formen aufweisen. Bei der Struktur 50 kann es sich um einen Abschnitt des Gehäuses 12, eine innere Halterungsstruktur in der Vorrichtung 10 oder eine andere geeignete Struktur handeln. Bei der Struktur 48 kann es sich um ein planares Tastfeldelement (z. B. eine Platte aus Glas, Metall, Kunststoff und/oder anderen Materialien, auf der ein optionaler zweidimensionaler kapazitiver Berührungssensor ausgebildet wurde), eine Anzeigeabdeckungsschicht (z. B. eine Schicht aus Glas, Kunststoff oder eine andere Schicht in der Anzeige 14), eine Berührungssensorschicht, eine Gehäusestruktur (z. B. einen Abschnitt des Gehäuses 12) oder andere geeignete Strukturen in der Vorrichtung 10 handeln. In dem Beispiel aus 6 sind vier Kraftsensoren vorhanden, jedoch kann die Vorrichtung 10 im Allgemeinen eine jede geeignete Anzahl von Kraftsensoren aufweisen (z. B. einen oder mehr, zwei oder mehr, drei oder mehr, zwei bis zehn, mehr als zehn, weniger als zehn usw.).
Die Kraftsensoren 56, 58, 60 und 62 können kapazitive Kraftmesselemente umfassen, die auf kapazitiven Elektroden beruhen. Diese Kraftsensoren können Kapazitätsmessungen durchführen, um die Höhe der Normalkraft und/oder Scherkraft zu bestimmen, die auf die Oberfläche der Vorrichtung 10 ausgeübt wird. Bei diesen Messungen können seitliche Verschiebungen zwischen kapazitiven Kraftmesselektroden gemessen werden (d. h. kapazitive Kraftmesselemente für die Kraftsensoren können kapazitive Scherkraftmesselemente sein, wie z. B. das Kraftmesselement des Sensors 40 aus den 4 und 5) oder können Veränderungen in der Trennung zwischen kapazitiven Kraftmesselektroden gemessen werden, die in einer zu den kapazitiven Elektroden senkrechten Richtung stattfinden (d. h. kapazitive Kraftmesselemente für die Kraftsensoren können kapazitive Normalkraftmesselemente sein, die aus einem Paar von parallelen planaren kapazitiven Elektroden gebildet sind, die durch eine komprimierbare dielektrische Schicht getrennt sind).
In der Vorrichtung 10 aus 6 können die Sensoren 56 und 58 z. B. auf kapazitiven Normalkraftmesselementen (oder anderen Normalkraftmesselementen) beruhen, die zusammengedrückt oder gestreckt werden, wenn die Struktur 48 ihre Position innerhalb der X-Y-Ebene verändert (d. h. wenn die Struktur 48 eine Scherbewegung in Bezug auf die Struktur 50 erführt). In dieser Anordnung können die Sensoren 56 und 58 zum Erfassen von Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 64 genutzt werden (z. B. kann Scherkraft auf die Struktur 48 in Druckkraft auf das Elastomermaterial des Messelements im Sensor 58 umgewandelt werden). Wenn die Sensoren 60 und 62 kapazitive Scherkraftmesselemente (oder andere Scherkraftmesselemente) umfassen, können diese Sensoren zum Messen von Scherkraft in der Richtung 64 dienen.
In veranschaulichenden Anordnungen, in denen die Sensoren 56 und 58 kapazitive Scherkraftmesselemente umfassen, können diese Elemente derart ausgestaltet sein, dass sie Kraft in der Richtung 66 messen (die senkrecht zur Struktur 48 verläuft, die jedoch Scherspannung in den Sensoren erzeugt). Ebenso können die Sensoren 60 und 62 kapazitive Normalkraftmesselemente enthalten, die Kraft in der Richtung 66 erfassen (d. h. Scherkraft auf die Struktur 48, welche die Normalkraftmesselemente der Sensoren 60 und 62 zusammendrückt). Kombinationen aus diesen Sensoren können verwendet werden, um sowohl Normalkräfte als auch Scherkräfte zu erfassen, falls gewünscht.
Wie diese Beispiele zeigen, können Scherkraftmesselemente zum Messen von Normalkräften oder Scherkräften je nach der Position und Orientierung verwendet werden, in denen die Scherkraftmesselemente in der Vorrichtung 10 eingebaut sind, und können Normalkraftmesselemente ebenso zum Messen von entweder Normalkräften oder Scherkräften je nachdem, wie sie eingebaut sind, verwendet werden. Im Allgemeinen können beliebige geeignete Kombinationen aus Normal- und Scherkraftmesselementen in der Vorrichtung 10 zum Messen von Normal- und/oder Scherkräften eingesetzt werden.
Bei einer geeigneten Anordnung können Normalkraftmessungen verwendet werden, um zu erfassen, wenn ein Benutzer auf ein Tastfeld, eine Anzeige oder eine andere Struktur, wie z. B. die planare Struktur 48 in der Vorrichtung 10, gedrückt hat, und können Scherkraftmessungen verwendet werden, um zu erfassen, wenn ein Benutzer die Struktur 48 in einer Richtung verschiebt, die innerhalb einer die Struktur 48 enthaltenden Ebene liegt. Nach Wunsch können andere Anordnungen für die Sensoren der Vorrichtung 10 genutzt werden.
7 ist eine Draufsicht einer veranschaulichenden planaren rechteckigen Struktur in der Vorrichtung 10 (Struktur 48), wie z. B. einer Tastfeldoberfläche, Gehäusewand, Anzeige oder anderen Struktur, die mit vier Kraftsensoren (Normal- und/oder Scherspannungsmesssensoren) an jeder von vier Ecken versehen ist. Falls gewünscht, können weniger Kraftsensoren (z. B. ein, zwei oder drei Sensoren) oder mehr als vier Sensoren mit dem Messen von auf die Struktur 48 ausgeübten Normal- und/oder Scherkräften assoziiert sein. Die Anordnung aus 7 ist veranschaulichend.
Ein veranschaulichendes Scherkrafteingabeszenario für die Vorrichtung 10 ist in 8 dargestellt. In dem Beispiel aus 8 nimmt ein Benutzer eine Eingabe auf der Oberfläche der Vorrichtung 10 durch Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 72 vom linken Finger 74 und in der Richtung 76 vom rechten Finger 78 vor. Bei diesem Szenario bewegen sich die Finger des Benutzers nicht wahrnehmbar über die Oberfläche der Struktur 48, sondern werden stattdessen aufgrund von Reibung in Position gehalten. In dem Beispiel aus 8 versucht der Benutzer, die Struktur 48 um ihre mittlere vertikale (Z-)Achse zu drehen, während die Struktur 48 in der X-Y-Ebene durch die Strukturen in Position gehalten wird, an denen sie in der Vorrichtung 10 angebracht ist (z. B. Struktur 50 usw.). Diese Art von Scherkrafteingabe kann verwendet werden, um ein Objekt in einem Spiel nach rechts zu lenken, kann verwendet werden, um ein Bild in Uhrzeigerrichtung in einer Bildbearbeitungsanwendung zu drehen, oder kann als Eingabe für andere Software verwendet werden, die auf der Vorrichtung 10 ausgeführt wird (z. B. Steuereingabe für die Steuerschaltung 30 aus 3). Die Richtung der vom Benutzer vorgenommenen Scherkrafteingabe kann variieren, während der Benutzer mit dem auf der Anzeige 14 angezeigten Inhalt interagiert (z. B. in einer Anordnung, in der die Struktur 48 Teil der Anzeige 14 ist).
Falls gewünscht, können die Elektroden für die Kraftsensoren in der Vorrichtung 10 in zwei oder mehr Teile aufgeteilt werden und/oder können leitende Gehäusestrukturen oder andere leitende Strukturen in der Vorrichtung als kapazitive Kraftsensorelektrodenstrukturen verwendet werden. Wie in der Querschnittsseitenansicht aus 9 dargestellt ist, kann z. B. die untere Elektrode 46 in mehrere Abschnitte, wie z. B. eine erste Elektrode 46-1 und eine zweite Elektrode 46-2, unterteilt sein. Wenn Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 80 ausgeübt wird, nimmt der Grad an Überlappung zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46-1 ab und erhöht sich der Grad an Überlappung zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46-2. Das mit der Erhöhung der Kapazität zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46-2 assoziierte Signal kann verwendet werden, um das mit der Abnahme der Kapazität zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46-1 assoziierte Signal zu ergänzen (oder kann von der Steuerschaltung 30 anstelle des abnehmenden Signals zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46-1 verarbeitet werden), um dazu beizutragen, die Genauigkeit der Scherkraftmessungen des Sensors 40 zu erhöhen.
In dem Beispiel aus 10 wurde die Zusatzelektrode 46-2 in die getrennten Zusatzelektroden 46-2A und 46-2B unterteilt, um Granularität für die Scherkraftkapazitätsmessungen des Sensors 40 bereitzustellen, wodurch sich die Sensorgenauigkeit verbessert. Das Beispiel aus 10 zeigt ferner, wie ein oder mehrere Abschnitte des Dielektrikums 44, wie z. B. der Abschnitt in der mittigen Öffnung 82, entfernt werden können, um die Elastizität des Dielektrikums 44 zu erhöhen (z. B. um die Fähigkeit des das Dielektrikum 44 bildenden Silikons oder anderen Materials, sich zu verformen und es der Elektrode 42 zu ermöglichen, ihre Position in der X-Y-Ebene zu verändern, wenn Scherkraft auf die Struktur 48 ausgeübt wird, zu verbessern).
11 zeigt, wie zumindest einige der Elektroden in einem kapazitiven Scherkraftmesselement für den Sensor 40 parallel zueinander in einer Anordnung angeordnet sein können, in welcher der Abstand, der die parallelen Elektroden trennt, in Abhängigkeit der ausgeübten Scherkraft variiert. Wie in 11 dargestellt, kann der Sensor 40 parallele Elektroden 42 und 46 aufweisen, die sich in Bezug aufeinander parallel zur X-Y-Ebene aus 11 verschieben, wenn Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 80 ausgeübt wird, wie in Verbindung mit Sensor 40 aus den 4 und 5 beschrieben. Der Sensor 40 kann ferner parallele Elektroden 42P und 46P aufweisen, die sich in einer Richtung bewegen, die zur Ebene der Elektroden 42P und 46P senkrecht ist (d. h. in einer Richtung entlang der X-Achse im Beispiel aus 11), wenn Scherkraft auf die Struktur 48 ausgeübt wird. Die Kapazitätsveränderung, die zwischen den Elektroden 42P und 46P in Reaktion auf die Ausübung von Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 80 und die sich ergebende Veränderung des Trennungsabstands zwischen den Elektroden 42P und 46P erzeugt wird, kann größer als die Kapazitätsveränderung sein, die zwischen den Elektroden 42 und 46 erzeugt wird. Durch das Vorhandensein von Elektroden wie etwa den Elektroden 42P und 46P kann sich daher die Genauigkeit des Sensors 40 beim Messen von Scherkräften verbessern.
In dem veranschaulichenden Beispiel aus 12 umfasst der Scherkraftsensor 40 die Elektroden 42, 46 und 84. Die Kapazität zwischen den Elektroden 42 und 46 kann überwacht werden, um die seitliche Positionsverschiebung zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 46 in der Richtung 80 zu messen, während Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 80 ausgeübt wird (oder kann zum Messen der Normalkraft verwendet werden). Die Elektrode 84 kann an einer Struktur angebracht sein, die an die Elektrode 42 angrenzt. Wenn Kraft in der Richtung 80 ausgeübt wird, verschiebt sich die Position der Elektrode 42 seitlich in der X-Y-Ebene hin zur Elektrode 84, sodass die Kapazität zwischen der Elektrode 42 und der Elektrode 84 ansteigt. Die Steuerschaltung 30 kann die Kapazität zwischen den Elektroden 42 und 80 überwachen, um die Messung von Scherkräften, die auf die Struktur 48 in der Richtung 80 ausgeübt werden, zu unterstützen. Die Struktur 48 kann Teil eines Tastfelds, einer Anzeigeabdeckungsschicht oder einer anderen Anzeigeschicht oder Teil einer Gehäusestruktur oder anderen Struktur in der Vorrichtung 10 sein. Die Struktur 50 kann Teil eines Vorrichtungsgehäuses (z. B. des Gehäuses 12 aus den 1 und 2 usw.), einer mit dem Vorrichtungsgehäuse 12 gekoppelten Struktur oder einer anderen Struktur in der Vorrichtung 10 sein.
13 ist eine Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts der Vorrichtung 10 in einer veranschaulichenden Anordnung, in der eine leitende Struktur in der Vorrichtung 10, wie z. B. die Struktur 50 (z. B. Metall im Gehäuse 12 oder ein mit dem Gehäuse 12 gekoppeltes Metallelement), als Kondensatorelektrode dient. Der Sensor 40 kann die Elektroden 42 und 46 umfassen (z. B. zum Messen von Kraft senkrecht zu den Elektroden 42 und 46 in der Z-Dimension aus 13). Der Sensor 40 kann ferner eine Elektrode, die aus dem Metallabschnitt 86 der Struktur 50 gebildet ist, und die Elektrode 88 umfassen. Die Kapazität zwischen der Elektrode 88 und der aus dem Abschnitt 86 gebildeten Elektrode kann sich verändern, wenn sich die Position der Struktur 48 innerhalb der X-Y-Ebene verschiebt. Beispielsweise kann diese Kapazität abnehmen, wenn die Struktur 48 durch Ausübung von Scherkraft auf die Struktur 48 in der Richtung 80 verschoben wird.
In der veranschaulichenden Anordnung aus 14 umfasst die Vorrichtung 10 eine Anzeige 14. Die Anzeige 14 kann eine planare Struktur, wie z. B. die Struktur 48, die aus der Anzeigeabdeckungsschicht 90 ausgebildet ist (z. B. eine transparente Schicht aus Glas, Kunststoff, Saphir oder anderem kristallinem Material usw.), und andere Anzeigeschichten 92 umfassen. Die Anzeigeschichten 92 können aus einer organischen Leuchtdiodenanzeige, einer Flüssigkristallanzeige oder anderen Anzeigemodulstrukturen hergestellt sein. Es kann eine Anordnung aus kapazitiven Berührungssensorelektroden in den Anzeigeschichten 92 enthalten sein. Der Träger 50 kann aus einem Abschnitt des Gehäuses 12 oder anderen Strukturen in der Vorrichtung 10 ausgebildet sein. Ein Luftspalt, wie z. B. der Spalt 140, kann zwischen einer oder mehreren Elektroden 42 auf der Innenseite der Struktur 48 und einer oder mehreren gegenüberliegenden Elektroden 46 auf der äußersten Fläche des Trägers 50 angeordnet sein. Die Steuerschaltung 30 kann die Kapazitäten zwischen den Elektroden 42 und den Elektroden 46 messen (z. B. nacheinander), um den Grad an Überlappung zwischen den Elektroden 42 und den Elektroden 46 zu bestimmen. Wenn Scherkraft auf die Struktur 48 (z. B. auf die Anzeige 14) in der Richtung 80 ausgeübt wird, nimmt die Überlappung zwischen jeder der Elektroden 42 und ihrer entsprechenden Elektrode 46 proportional zur Menge an ausgeübter Scherkraft zu. Falls gewünscht, können zusätzliche Elektroden, wie z. B. die Elektroden 46', in Positionen angebracht sein, die seitlich an die Elektroden 42 und/oder 46 angrenzen, um zusätzliche Kapazitätsmessungen in Reaktion auf ausgeübte Scherkraft bereitzustellen. Die Elektroden 42 und 46 können, falls gewünscht, derart angeordnet sein, dass die Überlappung mit den Strukturen aus Pixeln 142 in der Anzeige 14 (d. h. in der Struktur 48) oder Pixelstrukturen, Berührungssensorstrukturen oder anderen Strukturen, die mit einem Berührungssensor in der Struktur 48 assoziiert sind, minimiert wird, und/oder Anzeigestrukturen in der Schicht 92 können beim Ausbilden der Elektroden 42 (oder 46) verwendet werden.
Falls gewünscht, kann der Sensor 40 aus 14 ferner zum Erfassen von Normalkraftdaten verwendet werden. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 30 verwendet werden, um Kapazitätsveränderungen zwischen jedem Paar von Elektroden 42 und 46 zu messen, wenn ein Benutzer Kraft auf die Schicht 90 in senkrechter Richtung 14 (d. h. in einer Richtung parallel zur Achse Z, die zur X-Y-Ebene, in der die Anzeige 14 und die anderen Schichten der Vorrichtung 10 enthalten sind, senkrecht ist) ausübt. Kapazitätsveränderungen in den Paaren aus den Elektroden des Sensors 40 können gleichzeitig gemessen werden oder jedes Paar von Kondensatorelektroden kann nacheinander gemessen werden (als Beispiele). Wie in 15 dargestellt, können die Elektroden 42 in der Schicht 92 eingebettet sein (z. B. um getrennte eingebettete Elektroden zu bilden oder um Elektroden zu bilden, die mit Anzeigestrukturen, wie z. B. Anzeigepixelstrukturen, und/oder Berührungssensorstrukturen geteilt werden).
In dem Beispiel aus 16 ist die Vorrichtung 10 ein Kopfhörer und weist ein Paar von Ohrhörern 100 auf, die mit einer Audiobuchse 106 über ein Kabel 104 verbunden sind. Die Vorrichtung 10 aus 16 weist eine Benutzereingabekomponente, wie z. B. eine Steuerung 102, auf. Wie in 17 dargestellt, kann die Steuerung 102 ein verformbares Gehäuse (Struktur 48) aufweisen. Scherkraftsensoren 40 oder andere Kraftsensoren und, falls gewünscht, optionale Komponenten, wie z. B. die Domschalter 110, können unter der Struktur 48 angebracht sein. Diese Anordnung kann es einem Benutzer ermöglichen, einen oder mehrere Domschalter 110 innerhalb der Steuerung 102 durch Drücken in die Richtungen 112 zu aktivieren. Die Scherkraftsensoren 40 können zwischen den Strukturen 48 und 50 gekoppelt sein. Die Scherkraftsensoren 40 können verwendet werden, um Scherkraft zu erfassen, die auf die Struktur 48 in der X-Y-Ebene ausgeübt wird, wie z. B. in der Richtung 80 ausgeübte Kraft, welche die Struktur 48 in Bezug auf die Struktur 50 verschieben kann. Kapazitive Normalkraftmesselemente können ferner in der Steuerung 102 eingesetzt werden.
Falls gewünscht, kann Drehbewegung mittels Schersensoren erfasst werden. Beachte z. B. die Joystickvorrichtung 10 aus 18. Der Schaft 122 der Vorrichtung 10 kann auf einem Sockel 150 angebracht sein und kann sich entlang einer Längsachse 120 erstrecken. Die innere Schaftstruktur 50 kann mit dem Sockel 150 verbunden sein. Ein Benutzer kann die Außenseite des Schafts 122 greifen und kann die äußere Struktur 48 des Schafts 122 um die Achse 120 in Bezug auf die innere Struktur 50 verdrehen. Der Scherkraftsensor 40 ist zwischen der Struktur 48 und der Struktur 50 angebracht, sodass eine Bewegung der Struktur 48 in der Richtung 80-1 oder der Richtung 80-2, wenn der Benutzer den Schaft 122 um die Achse 120 verdreht, Kapazitätsveränderungen am Ausgang des Sensors 40 zur Folge hat.
Scherkraftsensoren können ferner in einer Tastatur oder anderen tastenbasierten Schnittstelle eingesetzt werden (z. B. um einen Eingabemechanismus zum Erfassen von Cursorpositionierungseingaben oder anderen Benutzereingaben bereitzustellen). In dem Beispiel aus 19 enthält eine Tastatur 16 eine Anordnung aus Tasten 128. Eine oder mehrere der Tasten 128 können jeweils mit einem oder mehreren Schersensoren versehen sein, wie durch die Sensoren 40 aus 19 dargestellt. Wenn ein Benutzer Scherkraft auf die Oberseiten der Tasten 128 ausübt, können sich die Tasten seitlich innerhalb der X-Y-Ebene in Richtungen wie etwa die Richtungen 124 und/oder 126 verschieben. Die Steuerschaltung 30 kann die Sensoren 40 verwenden, um diese Scherbewegung zu erfassen, und kann in Reaktion darauf eine entsprechende Aktion durchführen.
20 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung 10, die eine zylindrische Form aufweist. Die zylindrische Form der Vorrichtung 10 kann gerade oder gekrümmt sein (z. B. kann die Vorrichtung 10 aus 20 beim Ausbilden einer zylindrischen Ringstruktur, wie z. B. als Teil eines Rollstuhlrads, eines Fahrzeuglenkrads, eines Joysticks mit einer gebogenen zylindrischen Form oder einer anderen ringförmigen oder länglichen Struktur, verwendet werden). Ein Benutzer kann die äußere Struktur 48 in Bezug auf die innere Struktur 50 um die Achse 120 in Richtungen wie etwa die Richtungen 80-1 und 80-2 verdrehen. Der Schersensor 40 kann zwischen den Strukturen 48 und 50 gekoppelt sein, um diese Verdrehbewegung (Scherbewegung) zu messen und damit eine geeignete Ausgabe an die Steuerschaltung 30 bereitzustellen. Falls gewünscht, können die Schersensoren 40 dazu ausgestaltet sein, Scherbewegungen entlang der Richtungen 160 (z. B. parallel zur Linie 120, die durch den Kern der Struktur 50 im Beispiel aus 20 verläuft) zu messen. Kraftsensoren können ferner verwendet werden, um ein nach innen gerichtetes Zusammendrücken der Struktur 130 in der Richtung 162 zu erfassen (z. B. wenn ein Benutzer die Struktur 130 zusammenpresst).
Die Strukturen 48 und 50 in der Vorrichtung 10 können aus weichen Materialien, wie z. B. Stoff, aus transparenten Materialien, wie z. B. Glass, Kunststoff oder Saphir, aus Materialien wie etwa Metall, Keramik, Kohlenstofffasermaterialien oder anderen Faserverbundstoffen, Holz oder anderem natürlichem Material und/oder anderen Materialien hergestellt sein. Falls gewünscht, können die kapazitiven Elektroden in den Kraftsensoren 40 ganz oder teilweise aus Metallbahnen auf diesen Substraten, gestanzter Metallfolie, bearbeiteten Metallelementen, Drähten oder anderen leitenden Strukturen bestehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitstellt, die eine erste Struktur, eine zweite Struktur, einen zwischen der ersten und zweiten Struktur gekoppelten Scherkraftsensor und eine Steuerschaltung umfasst, welche den Scherkraftsensor zum Messen von Scherkraft verwendet, die auf die erste Struktur in Bezug auf die zweite Struktur ausgeübt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Anzeige, wobei die erste Struktur einen Teil der Anzeige bildet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Scherkraftsensor wenigstens eine kapazitive Elektrode, die mit der ersten Struktur gekoppelt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die zweite Struktur einen leitenden Abschnitt auf und misst die Steuerschaltung Kapazität zwischen der kapazitiven Elektrode und dem leitenden Abschnitt der zweiten Struktur.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Scherkraftsensor eine erste und eine zweite planare Elektrode, die parallel zueinander sind, und misst die Steuerschaltung eine Kapazität zwischen der ersten und der zweiten planaren Elektrode.
Gemäß einer anderen Ausführungsform verschiebt sich die Position der ersten planaren Elektrode in Bezug auf die zweite planare Elektrode innerhalb einer Ebene, welche die erste planare Elektrode enthält, in Reaktion auf die Scherkraft.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Elastomerstruktur zwischen der ersten und der zweiten planaren Elektrode, die sich in Reaktion auf die Ausübung der Scherkraft verformt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Anzeige, wobei die erste Struktur einen Teil der Anzeige bildet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste planare Elektrode und die zweite planare Elektrode um einen Abstand in einer Richtung versetzt, die senkrecht zu einer Ebene ist, welche die erste planare Elektrode enthält, und bewegt sich die erste planare Elektrode in Bezug auf die zweite planare Elektrode, sodass sich der Abstand in Reaktion auf die Ausübung der Scherkraft verändert.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die erste Struktur eine Tastaturtaste.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Steuerung, Ohrhörer und ein Kabel, das zwischen der Steuerung und den Ohrhörern gekoppelt ist, wobei die Steuerung die erste Struktur umfasst.
Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die erste Struktur eine zylindrische Oberfläche auf und wird die Scherkraft erzeugt, wenn ein Benutzer die zylindrische Oberfläche verdreht.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein Gehäuse, eine im Gehäuse angebrachte Anzeige, eine Steuerschaltung und einen Scherkraftsensor umfasst, mit dem die Steuerschaltung Scherkraft misst, die auf die Anzeige in Bezug auf das Gehäuse ausgeübt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform liegt die Anzeige in einer Ebene, wird die Scherkraft in einer Richtung ausgeübt, die in der Ebene liegt, umfasst der Scherkraftsensor einen kapazitiven Sensor mit wenigstens einer ersten und einer zweiten kapazitiven Elektrode und misst die Steuerschaltung die Scherkraft durch Messen der Kapazität zwischen der ersten und der zweiten kapazitiven Elektrode.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die erste kapazitive Elektrode mit der Anzeige gekoppelt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Scherkraftsensor eine dielektrische Struktur, die zwischen der ersten und der zweiten kapazitiven Elektrode angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die dielektrische Struktur ein elastomeres Material, das sich verformt, wenn sich die Position der ersten Elektrode in Bezug auf die zweite Elektrode verschiebt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite kapazitive Elektrode planar.
Gemäß einer anderen Ausführungsform liegen die erste und die zweite kapazitive Elektrode in Ebenen, die zu der Ebene parallel sind, in der die Anzeige liegt.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Scherkraftsensor, der eine seitliche Bewegung innerhalb einer Ebene einer ersten Struktur in Bezug auf eine zweite Struktur als Scherkraft erfasst, auf die erste Struktur angewandt, wird der Scherkraftsensor bereitgestellt, der eine erste planare kapazitive Elektrode, eine zweite planare kapazitive Elektrode und eine Elastomerstruktur, die mit der ersten planaren kapazitiven Elektrode gekoppelt ist und mit der zweiten planaren kapazitiven Elektrode gekoppelt ist, umfasst, wobei sich die Elastomerstruktur in Reaktion auf die seitliche Bewegung der ersten Struktur innerhalb der Ebene verformt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite planare kapazitive Elektrode parallel zueinander.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite planare kapazitive Elektrode durch einen Grad an Überlappung zwischen der ersten und der zweiten planaren kapazitiven Elektrode gekennzeichnet und verändert sich der Grad an Überlappung in Reaktion auf die seitliche Bewegung der ersten Struktur innerhalb der Ebene.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite planare kapazitive Elektrode durch einen Trennungsabstand entlang einer Richtung gekennzeichnet, die senkrecht zur ersten und zweiten planaren kapazitiven Elektrode ist, und verändert sich der Trennungsabstand in Reaktion auf die seitliche Bewegung der ersten Struktur innerhalb der Ebene.
Das Vorangehende ist rein veranschaulichend und verschiedene Modifikationen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die vorangehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination umgesetzt werden.

Claims

Elektronische Vorrichtung, umfassend: eine erste Struktur; eine zweite Struktur einen Scherkraftsensor, der zwischen der ersten und der zweiten Struktur gekoppelt ist; und eine Steuerschaltung, welche den Scherkraftsensor zum Messen von Scherkraft verwendet, die auf die erste Struktur in Bezug auf die zweite Struktur ausgeübt wird.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Anzeige, wobei die erste Struktur einen Teil der Anzeige bildet.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Scherkraftsensor zumindest eine kapazitive Elektrode umfasst, die mit der ersten Struktur gekoppelt ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Struktur einen leitenden Abschnitt aufweist und wobei die Steuerschaltung Kapazität zwischen der kapazitiven Elektrode und dem leitenden Abschnitt der zweiten Struktur misst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Scherkraftsensor eine erste und eine zweite planare Elektrode umfasst, die parallel zueinander sind, und wobei die Steuerschaltung eine Kapazität zwischen der ersten und der zweiten planaren Elektrode misst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei sich die Position der ersten planaren Elektrode in Bezug auf die zweite planare Elektrode innerhalb einer Ebene, welche die erste planare Elektrode enthält, in Reaktion auf die Scherkraft verschiebt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Elastomerstruktur zwischen der ersten und der zweiten planaren Elektrode, die sich in Reaktion auf die Ausübung der Scherkraft verformt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Anzeige, wobei die erste Struktur einen Teil der Anzeige bildet.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die erste planare Elektrode und die zweite planare Elektrode um einen Abstand in einer Richtung versetzt sind, die senkrecht zu einer Ebene ist, welche die erste planare Elektrode enthält, und wobei sich die erste planare Elektrode in Bezug auf die zweite planare Elektrode bewegt, sodass sich der Abstand in Reaktion auf die Ausübung der Scherkraft verändert.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Struktur eine Tastaturtaste umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Steuerung; Ohrhörer; und ein Kabel, das zwischen der Steuerung und den Ohrhörern gekoppelt ist, wobei die Steuerung die erste Struktur umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Struktur eine zylindrische Oberfläche aufweist und wobei die Scherkraft erzeugt wird, wenn ein Benutzer die zylindrische Oberfläche verdreht.