电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在.pdf

一种提供电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在的装置。该装置包括两层。底层是形成沿着x和y轴的矩阵的一组通道。顶层包括小的透明的柱状物的矩阵。当用户界面显示图像时，比如按钮，被映射至屏幕上按钮的位置的相应的x和y坐标是膨胀的。体积上的改变迫使柱状物的子集在正交于屏幕的平面的方向上升高。当至少一个透明的柱状物升高时，当显示器幕的表面变得凸起以便随着手指在表面上移动而产生触摸的感觉时，屏幕上显示的虚拟按键的图像呈现物理存在。

1.  一种用于电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在的装置，包括：
在所述触摸屏的平面之上的第一层，所述第一层包括第一管状通道和第二管状通道的网格，所述第一管状通道基本上正交于所述第二管状通道；
在所述第一层之上的第二层，所述第二层包括实体柱，所述实体柱被定位在所述第一管状通道和所述第二管状通道的交汇处；
其中所述第一管状通道中的各管状通道和所述第二管状通道中的各管状通道能够在基本上正交于所述平面的方向上增加维度；并且
其中当所述第一管状通道中的至少一个子集和所述第二管状通道中的至少一个子集在基本上正交于所述平面的所述方向上增加所述维度时，所述实体柱的至少一个子集在基本上正交于所述平面的方向上凸起以便形成所述虚拟按键的所述物理存在。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中所述实体柱是矩形的柱状物。

3.  根据权利要求1所述的装置，其中所述实体柱是透明的。

4.  根据权利要求1所述的装置，其中通过将流体填入所述第一管状通道中的所述各管状通道和所述第二管状通道中的所述各管状通道来增加所述维度。

5.  根据权利要求4所述的装置，其中所述流体由阀门控制，所述阀门被连接至所述第一管状通道中的所述各管状通道和所述第二管状通道中的所述各管状通道，并且所述阀门由所述电子设备的软件控制。

6.  根据权利要求4所述的装置，其中所述流体是透明的。

7.  根据权利要求1所述的装置，其中通过使用热源加热在所述第一管状通道中的所述各管状通道中和在所述第二管状通道中的所述各管状通道中的流体来增加所述维度。

8.  根据权利要求7所述的装置，其中所述热源被定位在所述第一通道和所述第二通道的交汇处。

9.  根据权利要求7所述的装置，其中所述热源由所述电子设备的软件控制。

10.  根据权利要求7所述的装置，其中所述热源是发光二极管(LED)。

11.  根据权利要求7所述的装置，其中所述热源是通过弯曲具有压电属性的晶体产生的压电火花。

电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在
技术领域
本发明总体涉及电子设备的用户界面，并且更具体地涉及电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在。
背景技术
现代电子设备中触摸屏已经变得十分普遍。日益普及的一个原因是软件生成诸如按钮、菜单图标和滑块的虚拟控件的能力。硬件制造商可以在触摸屏上创建虚拟按键，而不是创建可能磨损的昂贵的物理按键。因此，电子设备的接口包括许多虚拟按键而不是物理按键。在像智能电话和汽车中的仪表板之类的多种电子设备上可以找到这些虚拟按键。用户在平面屏幕上与计算机生成的虚拟按键交互，在该平面屏幕上虚拟按键不具有第三维度中的实际存在。虚拟按键具有长度和宽度，但是没有实际的深度。
用户界面设计师通常运用着色来表示可点击的虚拟按键的阴影。用户学习与虚拟按键及面板交互。如果用户界面是内部一致的，虚拟按钮中的每一个虚拟按钮的位置是一致的并且用户可以点击这个位置而不必直接地寻找它的精确位置。此时，身体的本体感觉，诸如使用鼠标的手的位置或者点击智能电话上的按钮的手指的位置，被很好地学习使得用户避免看着目标或者有意识地定位光标。一旦这种情况发生，用户被称为产生了对于用户界面的感觉。
触摸屏具有一个优点，该优点是它们可以充当显示用户界面的显示器和允许用户界面被操纵的控件两者。在触摸屏之前，显示器是非交互式的监视器并且控件是诸如键盘之类的输入设备。触摸屏的缺点是它们的表面是完全平的因而它们不提供触觉反馈。传统的物理控件，诸如钢琴键盘或者汽车收音机的不同形状的物理旋钮，通过用户的触 摸提供三维表面的感觉。当用户的手指触摸三维的音量控制和调谐旋钮或者按下键盘上的按键时，用户的手指有感觉。例如，在没有传统的键盘的情况下，用户必须使用他们的眼睛——他们将不能运用他们在平面屏幕上触摸的感觉，并且作为结果，当他们使用他们的眼睛来扫描收音机或者键盘的表面时，他们必须将其注意力从道路或者从乐谱转移。触觉反馈的缺乏使得用户将更多时间花费在看控件上而不是集中于他们主要的任务，比如驾驶汽车或者阅读乐谱。
发明内容
本发明的实施例提供一种装置，该装置提供了电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在。该装置包括在触摸屏的平面之上的第一层。该第一层包括第一管状通道和第二管状通道的网格。第一管状通道基本上正交于第二管状通道。该装置进一步包括在第一层之上的第二层，并且第二层包括实体柱。实体柱被放置在第一管状通道和第二管状通道的交汇处。第一管状通道中的各管状通道和第二管状通道中的各管状通道能够在基本上正交于平面的方向上增加维度。当第一管状通道中的至少一个子集和第二管状通道中的至少一个子集在基本上正交于平面的方向上增加维度时，实体柱的至少一个子集在基本上正交于平面的方向上凸起以便形成虚拟按键的物理存在，从而形成显示器上的三维的触觉。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的图示装置的用于电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在的层的示图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的图示在电子设备的触摸屏之上的层中m×n个重叠通道的网格的示图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的图示如图2所示的凸起区域的横截面的示图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的图示用于在电子设备的传 统屏幕上提供三维的触觉的装置的层的示图。
具体实施方式
参考附图在以下实施例中详细地描述本发明。本发明的各种实施例的前述描述为了说明和描述的目的而提出。它既不意图为穷尽也不意图为限制本发明于所公开的确切形式。许多修改和变体是有可能的。如由附带的权利要求所定义的，对于本发明的领域中的技术人员可以是明显的这些修改和变体旨在被包括在本发明的范围内。
应当理解，所公开的实施例仅说明了可以被体现为各种形式的要求保护的结构和方法。此外，关于各种实施例的所给出的示例中的每一个示例意图在于说明性的，而非限制性的。此外，附图不一定按比例绘制，一些特征可以被夸张以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体的结构上和功能上的细节将不被理解为限制，而仅被理解为用于教导本领域的技术人员多样地应用本公开的方法和结构的典型基础。
本发明的实施例中公开的方法提供一种设备，该设备凭借显示器的表面变得凸起以便于随着手指在表面上移动而产生触摸的感觉。中心思想是由数以千计的起起落落以向用户界面对象提供物理维度的透明矩形组成的触摸屏面板。在矩形塑料矩阵下的物理层由软件控制。
以汽车中的控制台为例，触摸屏控制台可以展示不同的模式：收音机、GPS、恒温器等。当收音机模式被激活时，具有音量控制、收音机电台预设、搜索和扫描按键的触摸屏布局可以出现。这些按键将被升高以表示收音机模式期间所遇到的控件。当用户切换到GPS模式时，触摸屏将转变为用于导航所需要的三维的控件，包括在地图上放大和缩小、选择喜欢的位置等。构成表面的塑料矩阵将会升高，从而为放大和缩小控件给出深度。如果控制台切换到恒温器，那么表面将重置为一套新的虚拟按键，诸如风扇开关和恒温器旋钮。当电源被关闭时，触摸屏面板上的所有物理按键将消失并且控制台变为平坦的。可升高的透明的塑料矩形的矩阵迅速恢复以形成平坦的表面。
本发明提出一种方法来克服触摸屏的缺点并且该方法允许屏幕的表面动态地升高或降落。其中绘有调谐旋钮的屏幕的区域具有可以被用户的手指察觉的凸起的表面。例如，考虑汽车中8”×8”的触摸屏。在屏幕的左侧是由软件绘制的虚拟按键，并且该虚拟按键表示对于音乐的音量的控制。如果该音量按键是1”×1”的，那么触摸屏在显示的按键之下将具有1”×1”×1/4”的凸起表面。既然屏幕的一部分在屏幕的其余部分以上被升高了四分之一英寸，用户可以将他们的手指滑过触摸屏从而更容易地定位按键。
当然，屏幕升得越高，对于用户越容易通过他们的手指感受差别。凸起区域的形状越像控件(例如，用于触摸屏上的圆形控件的圆的凸起的表面)，用户可以越容易识别控件的类型。最终，触摸屏的凸起表面将模仿原始的物理对象——具有代表按键的凸起表面的由塑料制成的实际的键盘。在触摸屏上，英语QWERTY键盘将具有26个凸起表面以代表字母表的26个字母。回车按键将是两倍长，从而向用户提供更大的表面区域来触摸。触摸屏的表面现在已从完全光滑和平坦的表面转换为具有完全比得上原始键盘的凸起表面的触摸屏的表面。
现在将参考附图详细地描述本发明的实施例。在所有附图中，使用笛卡尔坐标系来表示三维的方向(X方向、Y方向和Z方向)。
图1示出了根据本发明的一个实施例的图示装置100的用于电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在的层的示图。装置100包括作为电子设备的层101、作为电子设备的触摸屏的层102、以及在触摸屏之上的层103。在X-Y平面，层103包括m×n的矩阵或者通道的网格，该网格使用流体填充并且由软件控制在层101中。当矩阵或者通道的一个或者多个所选择的子集沿着+Z方向被迫升高时，一个或者多个区域在+Z方向上被升高。图1示出了凸起区域104。层101，或者电子设备，是智能电话、收音机装置、GPS装置、恒温器或者具有触摸屏显示器的任何电子设备。
图2示出了根据本发明的一个实施例的图示在电子设备100的触 摸屏(层102)之上的层103中m×n个重叠通道的网格的示图。在层103的示例中，m个通道202和n个通道201在基板200之上(X-Y平面)形成m×n的网格。通道202和通道201形成具有m×n的分辨率的网格。例如，网格可以是具有800×600的分辨率的重叠的通道202和201。透明的流体，诸如水、空气和油，可以被推动流过通道202和201。当透明的流体被推动流过通道202和201时，所选择的柱状物的子集(在通道202和201之上)被迫升高，产生凸起的物理按钮。作为示例，图2示出了凸起区域204。当透明的流体被推动流进通道202和201中的一些通道时区域204被升高。在本示例中，通道202的通道A、B、C(分别由标记202-1、202-2和202-3表示)被升高；通道201的通道1、2、3(分别由标记201-1、201-2和201-3表示)被升高。
图3示出了根据本发明的一个实施例的图示如图2所示的凸起区域204的横截面的示图。图3(A)示出了在通道202-1、202-2、202-3、201-1、201-2和201-3没有充入流体的情况下凸起区域204的横截面。在图3所呈现的剖面图中，示出了通道202-1、202-2和202-3的横向上的横截面，以及通道201-1的轴向上的横截面。图3展示了图1所示的层103的示例。
参考图3，柱状物301在通道202(例如，图3所示的202-1、202-2和202-3)和通道201(例如，图3所示的201-1)之间的交汇处。柱状物301可以是矩形的、圆柱形的、或者已知的用于制造柱状物的其他形状。柱状物301是塑料柱或者玻璃柱，或者任何其他的透明材料。通道202(例如，图3所示的202-1、202-2和202-3)和通道201(例如，图3所示的201-1)是当透明流体被泵入通道时膨胀并且当将用于通道的泵关闭时收缩的挠性管件。随着通道膨胀，它们在Z方向上向上推动柱状物301。充满透明流体的挠性通道由升高柱状物301的围绕基板200的泵来控制。存在使用加热流体抬高柱状物301的许多其他的方法，诸如使用温度计、具有螺线管的电子器件和磁铁等。如图3(A)所示，当通道202-1、202-2、202-3、201-1、201-2和201-3 中没有填充诸如水、空气和油之类的透明流体时，通道是收缩的；因此，柱状物301没有在Z方向上被抬高。如图3(B)所示，当通道202-1、202-2、202-3、201-1、201-2和201-3中填充了诸如水、空气和油之类的透明流体时，通道是膨胀的；作为通道膨胀的结果，柱状物301在Z方向上被抬高。柱状物301的升高形成图2所示的凸起区域204。
矩阵或者通道中透明流体的选择由很多因素驱使，诸如活化的性质、经济因素和生态因素。例如，为了使透明流体在体积上增加，泵比单一热源更昂贵。如果透明流体是水或者油，那么推送流体的机制可以由如图所示在X-Y平面的m和n(例如，800和600)个开关来控制。如果层103的分辨率是800×600，那么需要1400个开关；这种数量的开关是非常节省的。与电子阀和晶体管相比，物理阀很容易失效但它们更便宜。在使用蜡(如现代温度计中所用的)的示例中，当加热时材料膨胀。如果对于温度的联合膨胀可以被调整得足够好以迫使柱状物升高，可以将热源定位在网格上的每一个点(例如，240000)或者沿着X和Y轴(例如，1400)。热源可以是如现代LED(发光二极管)这样便宜的东西或者通过弯曲已知具有压电属性的晶体(诸如石英晶体)产生的压电火花。
图4示出了根据本发明的一个实施例的图示用于在电子设备的传统屏幕上提供三维触觉的装置400的层的示图。装置400包括作为电子设备的层401、作为电子设备的传统屏幕的层402、和在传统屏幕之上的层403。层403包括图2所示的m×n个重叠通道的网格；在X-Y平面，m×n个通道的网格使用流体填充并且由软件控制在层401中。当一个或者多个所选择的通道沿着Z方向被迫升高时，一个或者多个区域在Z方向上被升高。图4示出了凸起区域404。层401，或者电子设备，是智能电话、收音机装置、GPS装置、恒温器或者具有传统显示器(而不是图1所示的触摸显示器)的任何电子设备。在图4中，作为示例显示了传统的计算机监视器。为了通过使用触觉来增强视觉以允许用户更好地感受传统显示器所显示的对象的目的，装置 的应用可以用于提供三维表面的感觉。
层402(或者传统显示器)可以是如在传统显示器中更普遍的以垂直面为方向的(如图4所示)，或者可以以水平面为方向的。在层402(或者传统显示器)以垂直面为方向的情况下，在参考图3的之前段落中所描述的收缩由于重力效应可能是无效的；因此，需要额外的部件，诸如使柱状物(如图3所示)回到未膨胀的位置的传统的弹簧或者传统的磁力法。
已经描述了可调半导体设备的优选的实施例(其意图在于说明性的而非限制性的)，应当注意，本领域的技术人员根据上述教导可以做出修改和变体。因此应当理解，可以在所公开的特定实施例中做出改变，这些改变属于由所附的权利要求书概述的本发明的范围内。