專利名稱：力傳感器和使用力傳感器的觸摸面板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力傳感器，尤其涉及可用來測(cè)定施加到觸敏顯示器(touchsensitive display)的觸摸屏上的力的力傳感器。
背景觸摸屏提供到計(jì)算機(jī)或其它數(shù)據(jù)處理裝置的簡(jiǎn)單和直觀的接口。用戶并非使用鍵盤用于數(shù)據(jù)輸入，他們可使用觸摸屏，通過觸摸圖標(biāo)或在屏幕上書寫或繪畫來傳遞信息。觸摸屏用于多種信息處理應(yīng)用實(shí)例中。在諸如液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)這樣的信息顯示器上使用的透明觸摸屏對(duì)諸如蜂窩式便攜無線電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDAs)和手持或膝上電腦這樣的應(yīng)用實(shí)例來說尤其有用。
我們已經(jīng)使用了不同的方法來測(cè)定觸摸位置，這包括電容性的、電阻性的(resistive)、聲音和紅外線技術(shù)。我們也可使用與觸摸表面結(jié)合的力傳感器，通過檢測(cè)觸摸屏上的觸摸力來測(cè)定觸摸位置。用檢測(cè)觸摸力來工作的觸摸屏有數(shù)個(gè)勝過其它上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。諸如電阻性和電容性方法這樣的基于電的方法需要使用專門材料和多層的復(fù)雜觸摸表面覆蓋，以確保整個(gè)屏幕上良好的電屬性，而同時(shí)也保持整個(gè)屏幕上良好的光傳輸。另一方面，可用簡(jiǎn)單的、單片材料來形成基于力的觸摸屏的覆蓋。進(jìn)一步，力傳感器不依靠如電容性觸摸屏所需要的有損耗的與地的電連接，并且我們可通過手指觸摸、戴手套的手、手指甲或其它非導(dǎo)電觸摸器具來操作它。不同于聲表面波技術(shù)，力傳感器相對(duì)地不受觸摸屏上的污垢、灰塵或液體的積聚的影響。最終，力傳感器相對(duì)不太可能將無意間的接近觸摸(close encounter)檢測(cè)為實(shí)際的觸摸，而這可能是紅外線或電容性觸摸屏的一個(gè)問題。
由觸摸屏力傳感器檢測(cè)到的力反映了除觸摸力之外的多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素?？梢哉J(rèn)為這些因素為相對(duì)于觸摸信號(hào)的噪聲源。可能會(huì)通過觸摸屏電子線路(touch screen electronics)引入噪聲，或者其性質(zhì)可能為機(jī)械的。例如，在傳感器、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或信號(hào)處理階段中可能會(huì)引入電噪聲。機(jī)械噪聲可能產(chǎn)生于諸如振動(dòng)、撓曲、運(yùn)動(dòng)和與觸摸屏不垂直力的應(yīng)用實(shí)例這樣的不同機(jī)械效果。另外，觸摸屏力傳感器可能受到觸摸表面的重量和在制造階段施加到力傳感器的預(yù)加載力重量的影響。
發(fā)明的主要內(nèi)容通常而言，本發(fā)明涉及一種類型的力傳感器，它具有更加精確測(cè)定的靈敏度方向，并且因此而減少了與觸摸屏不垂直的力的靈敏度。進(jìn)一步，傳感器與活動(dòng)力檢測(cè)元件區(qū)域相比是較薄的，這就允許小輪廓力觸摸屏與迄今為止獲取的相比，具有機(jī)械完整性、準(zhǔn)確度、靈敏度和高的信噪比的更好的組合。傳感器也可為旋轉(zhuǎn)柔軟的，這意味著它有效地阻止覆蓋或支持表面的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響所檢測(cè)的力。
在一個(gè)特定實(shí)施例中，本發(fā)明針對(duì)用于測(cè)定施加到觸摸屏上的力的位置的裝置。該裝置包括觸摸構(gòu)件(touch member)、基座支持(base support)和在觸摸構(gòu)件和基座支持之間起聯(lián)結(jié)作用的聯(lián)結(jié)單元。該聯(lián)結(jié)單元包括在外圍部分與各個(gè)梁構(gòu)件支持相連的梁構(gòu)件。梁構(gòu)件的中心部分相對(duì)于外圍部分來說實(shí)質(zhì)上沒有得到支持。力路徑(force path)在觸摸構(gòu)件和基座支持之間傳遞力。力路徑在梁構(gòu)件的中心部分和梁構(gòu)件的外圍部分之間傳遞。至少有一個(gè)傳感器元件檢測(cè)可表示由觸摸力引起的梁構(gòu)件位置處力的信號(hào)。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例針對(duì)檢測(cè)具有觸摸構(gòu)件的觸摸屏上的觸摸位置的方法。該方法包括將施加到觸摸構(gòu)件第一面(first side)上的至少一部分力傳遞到下列部件上中之一i)布置在觸摸構(gòu)件的第二面上的力傳播器(forcespreader)的中心部分，該力傳播器的中心部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持，以及ii)力傳播器的外圍部分。該方法也包括將部分施加力從i)力傳播器的中心部分和ii)力傳播器的外圍部分中的一個(gè)傳送到i)力傳播器的中心部分和ii)力傳播器的外圍部分中的另外一個(gè)。檢測(cè)表示被傳遞到力傳播器的部分施加力的信號(hào)。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于檢測(cè)被施加到觸摸構(gòu)件的第一面上的力位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括這樣的裝置，用于將至少一部分被施加到觸摸構(gòu)件第一面上的力傳遞到力傳播裝置的中心部分，用于傳播部分布置在觸摸構(gòu)件第二面上的施加力。該力傳播裝置的中心部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持。力傳播裝置在力傳播裝置的中心部分和外圍部分之間傳遞部分施加力。還有一個(gè)裝置，用于測(cè)量表示被傳遞到力傳播裝置的部分施加力的信號(hào)。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于檢測(cè)觸摸面板上觸摸位置的觸摸面板系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基座支持和通過聯(lián)結(jié)單元與基座支持聯(lián)結(jié)的觸摸構(gòu)件。聯(lián)結(jié)單元中的至少一個(gè)包括在外圍部分與各個(gè)梁構(gòu)件支持聯(lián)結(jié)的梁構(gòu)件。梁構(gòu)件的中心部分相對(duì)于外圍部分而言實(shí)質(zhì)上沒有得到支持。力路徑在觸摸構(gòu)件和梁支持之間傳遞力。力路徑在梁構(gòu)件的中心部分和梁構(gòu)件的外圍部分之間傳遞。布置至少一個(gè)傳感器元件來測(cè)量表示通過由觸摸引起的梁構(gòu)件位置傳遞的力的信號(hào)。觸摸面板控制器與來自許多力傳感器單元的接收檢測(cè)信號(hào)相連，以測(cè)定觸摸面板上的觸摸位置。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于對(duì)觸摸屏上觸摸的位置進(jìn)行定位的裝置。該裝置包括觸摸構(gòu)件、接收結(jié)構(gòu)和力傳播構(gòu)件。力傳播構(gòu)件具有聯(lián)結(jié)的集中力接收區(qū)域，以接收從觸摸構(gòu)件傳遞到力傳播構(gòu)件中的力。力傳播構(gòu)件也具有力分布區(qū)域，以將力傳播構(gòu)件之外的力傳遞到接收結(jié)構(gòu)中。該分布區(qū)域具有比力接收區(qū)域更大的面積。布置接收結(jié)構(gòu)和力傳播構(gòu)件，以使由力的力保持加載(force maintain loading)引起的力傳播構(gòu)件曲率的變化通過力傳播器傳送，而同時(shí)力保持在測(cè)量范圍內(nèi)，以便將傳播構(gòu)件中的力充分地傳送到所有分布區(qū)域中。我們布置檢測(cè)元件以檢測(cè)通過力傳播構(gòu)件傳遞的力。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例針對(duì)用于對(duì)觸摸屏上的觸摸進(jìn)行定位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括觸摸構(gòu)件、基座支持和聯(lián)結(jié)在觸摸構(gòu)件和基座支持的聯(lián)結(jié)區(qū)域之間的聯(lián)結(jié)組合裝置。該聯(lián)結(jié)組合裝置相對(duì)于觸摸構(gòu)件和基座支持中的一個(gè)而言是旋轉(zhuǎn)未受限制的(rotationally unconstrained)。聯(lián)機(jī)組合裝置包括具有主平面(predominant plane)的梁構(gòu)件。該梁構(gòu)件具有聯(lián)結(jié)來接收來自觸摸構(gòu)件的力的第一區(qū)域。梁構(gòu)件也包括至少一個(gè)第二區(qū)域。梁構(gòu)件接收與主平面垂直的方向上的力，并將該力橫向(laterally)傳遞到至少一個(gè)第二區(qū)域中。該力通過至少一個(gè)第二區(qū)域在梁構(gòu)件之外向聯(lián)結(jié)組合裝置的梁構(gòu)件支持傳遞。傳感器元件對(duì)與主平面垂直的力作出響應(yīng)。
本發(fā)明的上述摘要并非要說明每個(gè)例證性的實(shí)施例或每個(gè)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。后面的附圖和詳細(xì)說明更加具體的舉例說明了這些實(shí)施例。
附圖概述由于下面本發(fā)明不同實(shí)施例的詳細(xì)說明，并結(jié)合附圖，我們可以更完整地了解本發(fā)明，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的顯示裝置的方框圖；圖2示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通過基于力的觸摸傳感器的局部橫截面；圖3A示意性地闡明了當(dāng)把傳感器剛性地連在覆蓋和框架(frame)上時(shí)施加到力傳感器的力；圖3B示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例當(dāng)將力施加到柔軟的覆蓋上時(shí)旋轉(zhuǎn)軟化的效果；圖4A和4B示意性地闡明了當(dāng)在與觸摸表面垂直的方向上施加力時(shí)由使用常規(guī)力傳播器而引起的力分布；圖5A和5B示意性地闡明了當(dāng)在與觸摸表面不垂直的方向上施加力時(shí)由使用常規(guī)力傳播器而引起的力分布；圖6示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的外圍加載力傳感器；圖7示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的梁加載力傳感器；圖8A和8B示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的實(shí)施例；圖9A和9B示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的又一個(gè)實(shí)施例；圖10示意性地闡明了根據(jù)本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的又一個(gè)雖然本發(fā)明應(yīng)服從不同的更改和選擇形式，但是我們已經(jīng)由附圖中的例子示出了其細(xì)節(jié)并且我們將會(huì)詳細(xì)說明該細(xì)節(jié)。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到我們的目的并不是限制本發(fā)明于所述特定的實(shí)施例中。相反，我們的意圖是在由所附的權(quán)利要求書定義的本發(fā)明主旨和范圍之中，包括所有的更改、等價(jià)物和可供選擇的事物(alternatives)。
詳細(xì)說明本發(fā)明可應(yīng)用于觸摸敏感技術(shù)，并且我們相信其對(duì)產(chǎn)生對(duì)可能導(dǎo)致觸摸位置的誤讀取的正切力(tangential force)不太敏感的力傳感器尤其有用。此外，我們相信本發(fā)明會(huì)產(chǎn)生與力檢測(cè)元件的活動(dòng)區(qū)域相比為較薄的力傳感器，這有助于進(jìn)行精確的、小輪廓觸摸敏感裝置的構(gòu)造。
使用本發(fā)明力傳感器的觸摸屏可在桌面、手持或膝上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、銷售點(diǎn)終端、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或蜂窩式便攜無線電話中使用。盡管我們結(jié)合基于微處理器的系統(tǒng)做了說明，但是如果需要的話，本發(fā)明的觸摸屏裝置可以與任何基于邏輯的系統(tǒng)組合。在測(cè)定觸摸屏上的觸摸位置中，由一個(gè)或多個(gè)位置最接近觸摸屏觸摸表面的力傳感器產(chǎn)生代表作用在觸摸屏上觸摸力的觸摸信號(hào)。在觸摸屏的形狀是矩形的時(shí)，通常把力傳感器布置在觸摸屏四個(gè)角中的每一個(gè)角上?？蓮膯蝹€(gè)傳感器，或者從兩個(gè)或更多的力傳感器中組合分觸摸信號(hào)(component touch signals)來得到觸摸信號(hào)。觸摸位置的測(cè)定需要分析由不同力傳感器產(chǎn)生的分力信號(hào)。
圖1闡明了包括觸摸顯示器的某些基本組件的裝置100。把例如液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)等的顯示單元102，布置在觸摸構(gòu)件104之下。顯示單元102與處理單元106聯(lián)結(jié)并顯示通過顯示控制器108從處理單元106接收的信息。顯示控制器108可為部分處理單元106。由可為部分處理單元106觸摸屏控制器110測(cè)定觸摸構(gòu)件104上的觸摸位置。觸摸屏控制器110接收與由不同力傳感器檢測(cè)的分力有關(guān)的信號(hào)。然后，我們分析這些信號(hào)，以測(cè)定相對(duì)于不同力傳感器位置的觸摸位置。因此，處理單元106能夠測(cè)定相對(duì)于顯示在顯示單元102上圖像的觸摸構(gòu)件104的觸摸位置，并確定用戶輸入的意義(meaning)。重要的是，需要測(cè)定觸摸構(gòu)件104上的觸摸位置時(shí)幾乎沒有誤差，以確保處理單元106從用戶處接收所需要的信息。
力傳感器通常檢測(cè)響應(yīng)于施加力而出現(xiàn)的某些運(yùn)動(dòng)。例如，應(yīng)變儀元件在施加力的作用下伸展，而且當(dāng)壓縮或伸展傳感器元件時(shí)，壓電或壓阻傳感器的電特性改變了。此外，在電容性傳感器元件中，在施加力時(shí)一個(gè)電容器板(capacitor plate)相對(duì)于另一個(gè)電容器板而移動(dòng)。因此，雖然可以把傳感器稱為位移傳感器，但是應(yīng)當(dāng)理解，即使位移本身的量是微乎其微的，位移的測(cè)量也可用來提供引起所測(cè)量的位移的施加力的估計(jì)。
在2001年4月13日提出的，標(biāo)題為”Method and Apparatus forForce-based Touch Input，”的美國專利申請(qǐng)09/835,040中說明了適合使用在觸摸屏應(yīng)用實(shí)例中的力傳感器的一個(gè)特定實(shí)施例，作為參考結(jié)合于此。力傳感器適合用在液晶顯示器(LCD)、陰極射線管(CRT)或其它透明顯示器中，并且我們?cè)趫D2中示意性地做了闡明。在這個(gè)特定實(shí)施例中，傳感器根據(jù)電容性元件電容的改變而測(cè)量施加力。
使觸摸面板210或覆蓋定位在框架或機(jī)架(housing)215中。這可能會(huì)提供有大的中心孔徑(未示出)，通過它我們可觀看到顯示器。進(jìn)一步，覆蓋210可為透明的，以允許進(jìn)行這樣的觀著。若需要，機(jī)架215的底面可在圍繞其活動(dòng)區(qū)域的邊界上，被直接安裝到緊靠這樣的顯示器的表面。在另一個(gè)實(shí)施例中，如上所述，包括諸如LCD這樣顯示單元的結(jié)構(gòu)可取代覆蓋。電容性傳感器220可定位在覆蓋210和機(jī)架215之間。
可通過焊接、粘結(jié)或其它已知方法使具有附加臺(tái)階(attachmentlands)233的互聯(lián)225與機(jī)架215聯(lián)結(jié)。傳導(dǎo)區(qū)域在互聯(lián)225上形成了第一傳導(dǎo)元件234。具有中心微坑的第二傳導(dǎo)元件235可通過例如焊接連接在互聯(lián)225的臺(tái)階233上。由第二傳導(dǎo)元件235的形狀或者通過將第二傳導(dǎo)元件235連接在互聯(lián)225上的過程，在第一傳導(dǎo)元件234和第二傳導(dǎo)元件235之間形成了小間隙280。例如，間隙280的寬度近似為0.025mm。通過由間隙280分隔開的傳導(dǎo)元件234、235形成了電容器。
我們可將軸承面(bearing surface)270插入(interposed)到觸摸面板210和第二傳導(dǎo)元件235之間。這會(huì)保護(hù)覆蓋210，防止其被微坑240印壓或損傷，特別在由軟材料(softer material)制成覆蓋210的情況中。軸承面270也可通過彈性體或高柔韌性膠粘劑的薄層(未示出)安裝到覆蓋210上，因此這就提供了橫向軟化功能。在正常的操作中，覆蓋210或軸承面270與微坑240接觸所示出的這些元件是分隔開的，僅為了在附圖中清楚地說明。
第二傳導(dǎo)元件235將彈簧和電容器板的功能組合。當(dāng)把垂直力施加到觸摸面板210的表面上時(shí)，第二傳導(dǎo)元件235就彎曲了，這就減少了間隙280的寬度而增加了傳感器220的電容。我們可測(cè)量這個(gè)電容的改變并且該電容變化與施加到觸摸面板210上的力有關(guān)。盡管說明了使用電容性力傳感器的觸摸屏，能以類似方式使用其它類型的力傳感器，例如，壓電傳感器和應(yīng)變儀傳感器。
基于力的觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)中之一是安置在顯示單元和用戶之間的光學(xué)相異層(optically distinct layers)的數(shù)量很少。通常，安置在顯示單元上的覆蓋為單層玻璃或較硬的聚合物，例如聚碳酸酯或類似的物質(zhì)，可選擇其具有最好的光學(xué)性質(zhì)。這就與諸如電阻性或電容性觸摸屏這樣的其它類型的觸摸屏形成對(duì)比，那些觸摸屏通常需要在顯示單元上的幾層有潛在損耗的層(potentially lossy layers)。在電阻性或電容性觸摸屏中需要的電傳導(dǎo)薄膜通常具有高的折射率，這就導(dǎo)至了在接口處增加了反射損耗。由于傳導(dǎo)層必須能夠進(jìn)行體接觸，所以在有附加固體/空氣接口且抗反射涂敷可能不太有用的電阻性屏幕中這一點(diǎn)尤其是個(gè)問題。然而，力屏幕覆蓋僅有其上和下表面；我們可通過處理來減少反射損耗并降低眩光。例如，可使覆蓋配備有不光滑的表面來減少鏡面反射，或可配備有抗反射涂敷來減少反射損耗。
并不是覆蓋顯示器，覆蓋210本身可包括圖像產(chǎn)生屏幕，例如液晶顯示器。這樣的顯示器包含一起形成覆蓋210的許多層。在這樣的情況下，用戶觸壓在屏幕本身上，并且在不同力傳感器處檢測(cè)到施加的合成分力(resultingcomponent forces)，并求解來測(cè)定屏幕上觸摸的位置。
術(shù)語“旋轉(zhuǎn)軟化”使傳感器的不靈敏度(insensitivity)與覆蓋或支持的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)覆蓋和下面的支持中至少一個(gè)是易彎曲的時(shí)，旋轉(zhuǎn)軟化是力傳感器具有的尤其重要的特性。另一方面，當(dāng)覆蓋和下面的支持都非常堅(jiān)硬時(shí)，旋轉(zhuǎn)軟化就不那么重要了。然而，剛性是通過使用大量的材料而產(chǎn)生的，所以堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)既大又重。然而，我們更希望觸摸顯示器輕巧緊湊，所以重要的是能夠解決由增加觸摸屏結(jié)構(gòu)的柔性帶來的影響。因此，包括旋轉(zhuǎn)軟化的力傳感器的使用允許觸摸顯示器更薄更輕。術(shù)語“旋轉(zhuǎn)未受限制的”可用來指出基座支持和覆蓋能夠至少在角度的操作范圍(operational range of angles)內(nèi)相對(duì)于彼此而旋轉(zhuǎn)。
參考圖3A和3B，我們進(jìn)一步說明了顯示器的可撓性以及旋轉(zhuǎn)軟化以減少在觸摸位置測(cè)定中可能的負(fù)面效應(yīng)的重要性，討論了把由扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的力短施加到力傳感器。
在圖3A的示意性例證中，覆蓋304被支持在兩個(gè)傳感器組合裝置302和303之間。覆蓋304的柔韌性表現(xiàn)在其并非完全堅(jiān)硬，并且可響應(yīng)于施加力，尤其是在離開支持點(diǎn)(point distance)處施加的力，而彎曲。傳感器組合裝置302和303是堅(jiān)硬的例如，傳感器組合裝置例如可使用壓電元件來形成。傳感器組合裝置302和303將力和力矩均傳輸?shù)街С?10。操作員(operator)用力Ftotal壓在覆蓋304上。力F1通過第一傳感器組合裝置302傳遞到支持310，而力F2通過第二傳感器組合裝置303傳遞到支持310。在平衡時(shí)，F(xiàn)total＝F1+f2。反作用力f1′(＝-F1)和F2′(＝-F2)產(chǎn)生了關(guān)于P點(diǎn)施加于力的力矩。由于傳感器的旋轉(zhuǎn)剛度，力矩m1可通過第一傳感器302傳遞，且力矩m2可通過第二傳感器303傳遞。
在平衡時(shí)，力矩和力符合下面的條件F1x1-m1＝F2x2-m2(1)這里x1是從第一傳感器302到P點(diǎn)的距離，且距離x2是從第二傳感器303到P點(diǎn)的距離。
應(yīng)當(dāng)注意的是盡管其它的符號(hào)規(guī)約是可行的，但是在這里列出的等式中，變量是用它們的正量值來表示的。
盡管直截了當(dāng)?shù)牧γ舾杏|摸位置裝置沒有產(chǎn)生直接代表m1或m2的信號(hào)，但是這些力矩確實(shí)影響了由傳感器302和303產(chǎn)生的力信號(hào)?？梢詫?shí)施嘗試估計(jì)或糾正這些力矩的間接方法。這樣的方法是復(fù)雜的，并且很難實(shí)現(xiàn)。然而，若不實(shí)施這樣的方法，則位置計(jì)算會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。
圖3B中示意性地闡明了另一個(gè)包括旋轉(zhuǎn)軟化的測(cè)量觸摸位置的方法。在該方法中，易彎曲的覆蓋304被支持在兩個(gè)傳感器312和313之間。該傳感器可為任何類型的檢測(cè)施加力的傳感器，例如，壓電傳感器、電容性位移傳感器、壓阻傳感器、應(yīng)變儀傳感器或類似的傳感器。在覆蓋和每個(gè)傳感器312和313之間有可自由旋轉(zhuǎn)的軸承(bearing)。例如，在支持310和傳感器312和313之間還可以有橫向軟化器(lateral softener)316。橫向軟化器316可由允許易于橫向彈性運(yùn)動(dòng)的材料形成，這樣，使正切力沒有通過傳感器312和313傳輸?shù)街С?10。美國專利申請(qǐng)第09/835,049號(hào)中對(duì)橫向軟化器做了進(jìn)一步說明，作為參考合并于此。
由用戶在覆蓋304的P點(diǎn)處施加的力Ftotal導(dǎo)致力F1和F2分別通過傳感器312和313施加到支持310。反作用力F1′＝-F1和F2′＝-F2產(chǎn)生關(guān)于P點(diǎn)的力矩。由于旋轉(zhuǎn)軟化傳感器組合裝置312和313沒有直接傳遞力矩，所以由F1′和F2′產(chǎn)生的關(guān)于P的力矩必須是關(guān)于P的總力矩(total moment)，在平衡時(shí)，其為零值。這樣，我們可寫出下面的等式F1x1＝F2x2(2)因此，通過計(jì)算測(cè)量力組合的合適比率來發(fā)現(xiàn)觸摸的位置是可能的。然而，具有提供于覆蓋或其它所支持的顯示器或結(jié)構(gòu)中的重要的柔性，該簡(jiǎn)單關(guān)系的適用性依靠旋轉(zhuǎn)軟化的使用?？赏ㄟ^使用樞軸、旋轉(zhuǎn)軸承或類似的裝置來實(shí)施旋轉(zhuǎn)軟化，以允許傳感器的軸相對(duì)于覆蓋和支持中的至少一個(gè)而旋轉(zhuǎn)。在與本文同一天提出的，J.Roberts，的美國專利申請(qǐng)第TOUCH SCREEN WITHROTATIONALLY ISOLATED DISPLACEMENT SENSOR中對(duì)旋轉(zhuǎn)軟化進(jìn)行了進(jìn)一步的討論，作為參考合并于此。
旋轉(zhuǎn)軟化可引起通過諸如軸承點(diǎn)這樣的非常小的區(qū)域?qū)⒘鬟f到力傳感器。這樣的力可能需要被再次傳播，以通過力敏感材料或結(jié)構(gòu)的較大區(qū)域來傳遞。該需要可能很困難與力敏感組合裝置的其它期望屬性相協(xié)調(diào)。
a)我們可能期待力敏感組合裝置僅可能地薄。例如在小型手持裝置中，厚度超過20mil的力敏感組合裝置可對(duì)整個(gè)產(chǎn)品加上討厭的厚度。
b)我們可能期待力敏感組合裝置具有足夠的區(qū)域以便容易制造和操作，并用來傳遞工作力而不產(chǎn)生過度的應(yīng)力。例如，不同于厚度的較佳最小尺寸可為0.125”(3mm)的數(shù)量級(jí)(order)；以及c)我們可能期待力敏感組合裝置只對(duì)傳遞過來的垂直分力做出響應(yīng)，以維持精確的觸摸位置。
通過電勢(shì)力敏感區(qū)域傳遞的垂直力具有相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力圖案。在該圖案不必要高度統(tǒng)一時(shí)，可能需使它電勢(shì)力敏感區(qū)域中充分大的范圍內(nèi)分布以避免損傷、過載或不適當(dāng)?shù)撵`敏度。雖然對(duì)應(yīng)力來說，最好用施加的垂直分力來進(jìn)行線性定標(biāo)，重要的是它具有一對(duì)一的關(guān)系并且是可重復(fù)的。這一點(diǎn)是可以達(dá)到的，即使在整個(gè)傳感器輸出中對(duì)敏感區(qū)域的不同部分進(jìn)行不均勻的加權(quán)會(huì)有作用。然而，有必要使所檢測(cè)的應(yīng)力圖案不隨正切分力而變化。這種變化可能需要來確切地取消。自敏感區(qū)域不同部分的反效果(opposing effects)，與任何但是大多數(shù)的平均權(quán)重不兼容的一種要求。
圖4A中示意性地闡明了一種類型的傳感器組合裝置400。在這個(gè)例子中，旋轉(zhuǎn)軟化是由與覆蓋404接觸的樞軸402引起的。力傳播器406通過力傳感器元件408將力從覆蓋404傳導(dǎo)到支持表面410。例如，傳感器元件408可為壓電傳感器。以垂直方向沿著動(dòng)作414的線施加的力412在傳感器元件408中產(chǎn)生均勻的壓縮應(yīng)力分布416。從樞軸402到傳感器元件408邊緣408a的線與軸承面410形成角度θ。假設(shè)力傳播器406是對(duì)稱的，因此從樞軸402到傳感器元件408另一個(gè)邊緣408b的線也與軸承面410形成角度θ。更常見的是，可繪制出有效角θ，用來僅包圍大多數(shù)力通過它而傳遞的電勢(shì)力敏感區(qū)域。在本例中，實(shí)質(zhì)上是從邊緣408a或408b繪制的角度。
在圖4B中闡明的力傳感器組合裝置420的實(shí)施例中，力傳播器406與圖4A中的力傳播器相比，具有更薄的外形。該力傳播器仍舊可產(chǎn)生對(duì)垂直施加力412的均勻力分布416，其中力傳播器406由與力檢測(cè)元件408相比，具有實(shí)質(zhì)上更高模量的材料形成，并且若力檢測(cè)元件408與其寬度相比較厚。在實(shí)際中，力傳播器406或傳感器408都必須是厚的，并且若力分布416近似于均勻的，則角度θ就因此而相當(dāng)大了。由于這兩者一起變薄了，所以力變得越來越向中心集中了，并可能僅通過一小部分的傳感器區(qū)域來傳遞。
圖5A示意性地闡明了施加力512離開垂直方向約30°，并且動(dòng)作514的線通過力傳感器元件408的邊緣408a。在這樣的情況下，若傳感器元件408不附著在下面的軸承面410上，則傳感器元件408的另一個(gè)邊緣408b可使軸承面410頂離(lift off)。這可能導(dǎo)至力分布變成在位置408a位置處的沖量。
在把傳感器元件408固定在軸承面410的地方，如所述，力傳播器406的存在和所產(chǎn)生的變形的連續(xù)性(continuity of deformation)產(chǎn)生了力分布516。由于力并不是都與軸承面410垂直的，所以力分布516包括穩(wěn)定的橫向剪切分量。從圖5B中闡明的力分布526中省略了該剪切分量，否則就與圖5A示出的相同。我們也可假設(shè)傳感器元件僅對(duì)垂直力做出響應(yīng)，因此可以認(rèn)為力分布沒有剪切分量。根據(jù)力分布526，拉力526b平衡了關(guān)于力分量526a的邊緣408a的力矩。因此，力分布526是非常不均勻的。
我們很難提供對(duì)在不可預(yù)測(cè)的正切力分量變化地產(chǎn)生這樣的極端分布情況下的凈力(net force)的精確響應(yīng)。若要使用的傳感器具有實(shí)用程度的響應(yīng)統(tǒng)一性和/或完整電連接實(shí)用的統(tǒng)一性，則需要減少變化水平以獲取給定的準(zhǔn)確度水平?？蓽p少圖4和5的中傳感器的整個(gè)尺寸，以嘗試獲取足夠低的高度。然而，這可能不實(shí)用，這是由于結(jié)果可能太小而不能制造或合適安裝，以及太易碎而不能在操作條件下工作。這樣的總的減小還使θ(因此是電勢(shì)正切力靈敏度)未發(fā)生變化。
由于傳感器負(fù)載分布中的變化強(qiáng)烈地取決于角度θ，所以可使用其它方法來減少角度θ。
薄的力傳播器和薄的傳感器元件的使用不能提供好的解決方法。該方法的問題是薄的力傳播器不能將中心施加力在薄的敏感層上在橫向上傳送。為了做到這一點(diǎn)，薄的力傳播器必須根據(jù)力具有力矩而彎曲，但是下面的材料無處可去的事實(shí)阻止了這樣的撓曲。結(jié)果是使力分布集中了，并且沒有在傳感器元件的整個(gè)寬度上傳播。盡管在變化施加力的角度的情況下，這個(gè)分布與從前相比，就絕對(duì)程度而言移動(dòng)得更少了，但是它仍相對(duì)它自身的寬度移動(dòng)了許多。這樣，響應(yīng)統(tǒng)一性的問題保留。
我們參考圖12A和12B會(huì)更好的理解這個(gè)問題。在圖12A中，力傳感器1200具有力傳播器1206和傳感器元件1208。力1212a的施加產(chǎn)生壓縮應(yīng)力分布1216a。由于傳播器1206和元件1208的薄的外形，應(yīng)力分布1216a集中于中心。結(jié)果，有效角θ仍舊很大。
正切力在元件1208的中心之上施加與樞軸點(diǎn)1222的高度成比例的力矩，該力矩必須由垂直力的反向?qū)?opposing pair)來平衡，所述垂直力趨向于在力分布到達(dá)的極限附近的橫向距離處產(chǎn)生。這樣，這些不均勻力與正切力的比值同樞軸點(diǎn)1222的高度與該橫向距離的比值(即，θ的正切)成比例。
在圖12B中確認(rèn)了這里θ的高值表示具有變化分布的一個(gè)繼續(xù)的問題。施加有角度力(An applied angled force)1212b產(chǎn)生力分布1216b。盡管這僅在絕對(duì)范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)刈兓?，但是與分布1216a揭示的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(point by point)相比較，已經(jīng)確實(shí)出現(xiàn)了力的大的相對(duì)變化。
除了對(duì)正切力的連續(xù)高電勢(shì)靈敏度之外，我們也可看到集中分布1216a和1216b沒有有效地利用傳感器元件1208，并可能使其局部過載。
簡(jiǎn)短地返回圖4B，力檢測(cè)元件408再次為低模量和低高寬比。但是對(duì)堆積在作為墊層(cushion)的低模量材料的較厚塊上面或下面的薄的、高模量檢測(cè)元件而言，這在功能上是相等的。將墊層置于力傳播器和檢測(cè)元件之間好像在傳感器材料的不嚴(yán)格選擇(relaxed choice)上幾乎沒有帶來什么益處。然而，將檢測(cè)元件置于力傳播器和墊層之間可顯著地減少θ的有效值。
在圖13中，力敏感組合裝置1300的實(shí)施例包括墊層1330。施加觸摸力通過高柔韌性的、低模量層1332從觸摸構(gòu)件1304傳遞到樞軸元件1331中，例如，所述低模量層可包含壓敏丙烯酸粘膠劑。然后觸摸順次觸摸傳遞到傳播器1306、力檢測(cè)元件1308、低模量墊層1330和支持1310中。元件1308和墊層1330配備有孔或腔(cavity)1333，按需要提供傳播器1306內(nèi)的中心凹陷(central depression)的空隙。該凹陷允許樞軸1322落在檢測(cè)元件1308的中間平面(neutral plane)1334中，由此θ的期望值接近零。柔韌層1332使樞軸元件1331具有自中心功能(self centering function)，幫助組合裝置，并在影響支撐1310上的觸摸構(gòu)件1304位置的較小溫度變化期間，允許保持對(duì)準(zhǔn)。如在美國專利申請(qǐng)第09/835,049號(hào)中進(jìn)一步說明層1332也可提供橫向軟化功能。通過使絕大多數(shù)的正切力沿著其它路徑轉(zhuǎn)移，這進(jìn)一步減少了來自響應(yīng)于正切觸摸力的傳感器的問題。
在力傳感器1300的另一個(gè)變型中，可用類似傳播器1206的傳播器替換傳播器1306。然后，可省略全部樞軸元件1331、層1332、腔1333和檢測(cè)元件1308中的任何孔。應(yīng)當(dāng)理解，θ的結(jié)果值，盡管不再是標(biāo)稱的零值，但是仍舊很小。
在傳感器1300中，我們可看到對(duì)于所有元件1308的力的有效分布有賴于墊層1330的存在；這樣整個(gè)傳感器組合裝置仍舊相當(dāng)厚。若把墊層做得太薄，或簡(jiǎn)單布置，則力可能結(jié)束而集中到就在檢測(cè)元件1308中的孔周圍的不可接受的小區(qū)域中。然而，若該孔同時(shí)被做得盡可能的大，則可保持足夠的負(fù)載檢測(cè)區(qū)域。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的方法通過在將力傳遞到任何下面的結(jié)構(gòu)之前在薄的梁構(gòu)件中橫向傳遞力而同時(shí)解決了厚度過厚的問題和缺乏響應(yīng)統(tǒng)一性的問題。在圖6中示意性地闡明了這樣的傳感器單元600的一個(gè)特定實(shí)施例。把該傳感器單元600布置在覆蓋604和軸承面610之間。沿著動(dòng)作614的線把力612施加到覆蓋604。
具有與覆蓋604接觸以提供橫向軟化的樞軸部分622的薄的力傳播構(gòu)件620將中心接收力傳遞到布置在力傳播構(gòu)件620的外圍區(qū)域中的力敏感材料624中。若力傳播構(gòu)件620的形式是梁，則可使力敏感材料定位于梁的末端。若力傳播構(gòu)件620的形式為薄盤，則力敏感材料的形式可為環(huán)繞該盤外圍或在該盤部分外圍處的環(huán)面。在下面可把力傳播構(gòu)件620指為梁，但應(yīng)當(dāng)理解的是力傳播構(gòu)件也可具有其它的平面幾何形狀，例如其可為盤狀，或可以形成如除去某些部分的盤的形狀，諸如十字或其它形狀。力敏感材料624可為壓電材料、壓阻材料或其它具有可測(cè)力響應(yīng)特性的材料或裝置。雖然如在傳感器橫截面中看到那樣，傳感器材料624的寬度并非非常大，但是材料624可在傳播構(gòu)件620的整個(gè)外圍周圍或大部分外圍的周圍延伸。這樣，力可全部分布在敏感材料的適當(dāng)?shù)膮^(qū)域上。
力敏感材料624可與其電連接集成在一起作為單個(gè)傳感器。例如，與圖4和5中闡明的設(shè)計(jì)相比較，我們獲得了對(duì)角度θ的非常小的有效值，這樣，傳感器負(fù)載幾乎完全依靠垂直力，而并非正切力。注意，依靠傳感器材料624的厚度和剛度以及它附加在上面和下面的模式，在傳感器材料624中的力分布可能是平均的，或可能是不平均的，因?yàn)榭赡苡衼碜猿蛄旱膴A住的支持的任何趨向的力矩。然而，不管力分布的實(shí)際形狀，力分布的形狀和位置實(shí)質(zhì)上是不變的，在所施加的垂直力的上下線性的定標(biāo)，并且艱于根據(jù)正地施加的力來改變形狀和位置。
通過使用作為部分力敏感機(jī)制的力傳播梁本身，可進(jìn)一步減小角度θ。圖7中示意性地闡明了使用作為部分敏感機(jī)制的力傳播梁720的力敏感單元700的實(shí)施例。由通常連接在軸承面710上的支持724支持在梁720的末端。用力712，F(xiàn)壓在覆蓋704上導(dǎo)至梁720的應(yīng)變、撓曲和/或偏轉(zhuǎn)，可以檢測(cè)其中的任何一個(gè)來提供一個(gè)信號(hào)，所述信號(hào)表示通過傳感器的垂直力分量。
應(yīng)該理解，梁720的應(yīng)變、撓曲和偏轉(zhuǎn)幾乎完全由施加力712，F(xiàn)的垂直分量支配，不考慮施加力712的角度。當(dāng)梁720時(shí)，可對(duì)梁720定義中間平面730。在支持724上面，在中間平面730中，線711從樞軸點(diǎn)722傳遞通過點(diǎn)720a。線711定義了小的角度θ，其類似于上面定義的θ值。在樞軸點(diǎn)722處的正切力產(chǎn)生關(guān)于中間平面730的微小力矩，它趨向于梁720的表面稍微傾斜而接近其中心。若檢測(cè)到梁的偏轉(zhuǎn)，例如，如上述關(guān)于圖2的電容性，若梁720和下面的電極之間的間隙不是被對(duì)稱地隔開的話，則會(huì)產(chǎn)生微小的誤差。然而，在給定力角度處維持給定準(zhǔn)確度所要求的相對(duì)統(tǒng)一性比其它方法所要求的要小得多。
現(xiàn)在參考圖8A、8B、9A、9B、10以及11A-11C說明提供優(yōu)點(diǎn)的電容性力傳感器的其它實(shí)施例，這些優(yōu)點(diǎn)包括降低對(duì)增加靈敏度的非垂直力的靈敏度和更高的信噪比以及旋轉(zhuǎn)軟化。
首先參考圖8A和8B，從充分平坦的支持構(gòu)件802形成。電極圖案成形于支持構(gòu)件802上，所述支持構(gòu)件802包括一個(gè)或多個(gè)與彈簧構(gòu)件806相連的第一電極804以及至少第二電極808。彈簧構(gòu)件806更好是有機(jī)械彈性并具有導(dǎo)電性。例如，可從金屬或從諸如塑料這樣的涂敷導(dǎo)電物的絕緣體來形成彈簧構(gòu)件?？墒褂萌魏芜m合的方法把支持構(gòu)件802安裝在下面的軸承面820上。例如，支持構(gòu)件802可使用丙烯酸帶(acrylic tape)822來安裝，以便提供橫向軟化和撓曲隔離(flexural isolation)。
電容性間隙810形成于彈簧構(gòu)件806和第二電極808之間。如所示，可通過用在彈簧構(gòu)件806的每個(gè)末端處的微小偏移來塑造彈簧構(gòu)件806的形狀而形成間隙808。在不同的方法中，可以形成沒有這樣的偏移的彈簧構(gòu)件，并且通過將彈簧構(gòu)件806與第二電極808用暫時(shí)薄墊片隔開而建立間隙，然后用焊料回流第一電極804和彈簧構(gòu)件806之間的連接。在另一種方法中，可使用包含特定大小微粒以隔開彈簧構(gòu)件806和第一電極804的焊料來形成間隙810。
當(dāng)壓力的作用下把彈簧構(gòu)件806壓到覆蓋812時(shí)，減小了間隙810的寬度，這樣就改變了在第一和第二電極804和808之間測(cè)量的電容。分立的布線(Discrete wiring)814提供觸摸控制器電路和電極804和808之間的電連接，以允許測(cè)量傳感器800電容。彈簧構(gòu)件配備有形式為凸紋的轉(zhuǎn)動(dòng)力軸承(pivoted force bearing)816。該結(jié)構(gòu)有利地提供了抵抗極端過載的優(yōu)良強(qiáng)度(strength)。
在一個(gè)特定的例子中，可用彈簧鋼形成彈簧構(gòu)件806，并可大約為250μm(10mil)厚，和約6mm(0.25”)寬。彈簧構(gòu)件可大約為17mm(0.75”)長(zhǎng)，并在模具上壓制成形。電容性間隙810可為約125μm(5mil)。支持構(gòu)件802可用諸如環(huán)氧玻璃PC板這樣的任何合適的材料成形。PC板802通常有足夠的剛度，以使諸如丙烯酸帶822這樣的橫向軟化器可放置在支持構(gòu)件802和表面820之間。這種結(jié)構(gòu)的未加載的電容大約為3pF，并且底部向外力(bottoming-out force)通常在約4和5磅之間。應(yīng)當(dāng)理解，所提供的尺寸和特定材料僅為了說明，無論如何不應(yīng)作為限制。應(yīng)該基于正構(gòu)造的特定觸摸裝置的特性而選擇傳感器組件的尺寸。
該結(jié)構(gòu)提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，如果表面820彎曲，則傳送到支持構(gòu)件802的作為結(jié)果的曲率較少，這樣就減少了外圍力(enclosure forces)加在測(cè)量力上的影響。
現(xiàn)在參考圖9A和9B，電容性傳感器的另一個(gè)實(shí)施例900包括用向外突出微坑916形成的彈簧構(gòu)件906。圖9A示意性地闡明了該情況下的傳感器900，而同時(shí)圖9B提供傳感器900的分解圖。
彈簧構(gòu)件906安裝在支持902上，所述支持902配備有包括一個(gè)或多個(gè)第一電極904和第二電極908的電極圖案。彈簧構(gòu)件906與第一電極904聯(lián)結(jié)，并與之隔開，例如，使用與上面相對(duì)于傳感器800描述的技術(shù)中的一種技術(shù)相同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在彈簧構(gòu)件906和第二電極908之間形成電容性間隙910。橫向軟化器920可置于微坑916和覆蓋922之間，以提供橫向軟化。支持構(gòu)件902安裝在表面924上。
在傳感器900的一個(gè)特定實(shí)施例中，用彈簧鋼形成150μm(6mil)厚和幾乎6mm(230mils)長(zhǎng)，大約3mm(120mil)寬的彈簧構(gòu)件906。彈簧構(gòu)件906也可由其它材料制成，且為不同厚度。例如，可用200μm(8mil)厚的磷青銅形成彈簧構(gòu)件906。電容性間隙910可為25μm(1mil)高。在抵住相當(dāng)可變形的背托(backing)(例如鋁)壓下彈簧構(gòu)件906，可使用彈簧負(fù)載中心沖床來形成軸承微坑916。彈簧構(gòu)件的自由可為約3.75mm(150mils)，其中心2.15mm(86mils)與第二電極908對(duì)立。傳感器900的跨度未加載電容大約是3pF，而且底部向外力在約3和4磅之間。
電容性力傳感器示出了容抗中的變化作為施加力變化的函數(shù)。對(duì)傳感器800和900而言，這個(gè)改變對(duì)相對(duì)間隙變化是較小的較小力來說實(shí)質(zhì)上是線性的。然而，使用較大的力，電容性區(qū)域的中心接近了，而同時(shí)保持邊緣隔開更寬；這就導(dǎo)至電抗的非線性下降變得比線性更快?？稍谔幚韨鞲衅餍盘?hào)時(shí)完成對(duì)這個(gè)非線性響應(yīng)特性的補(bǔ)償。在另一種方法中，可提供電容性傳感器的不同實(shí)施例，它們所具有的固有范圍比線性電抗的改變更大。這樣，本發(fā)明的另一個(gè)方面是，即使在一個(gè)或多個(gè)電容器板通過響應(yīng)施加力而彎曲的情況下，非統(tǒng)一間隙的電容性力傳感器也可提供用簡(jiǎn)單信號(hào)處理來測(cè)量改善的線性。
圖10中示意性地闡明了具有擴(kuò)展線性響應(yīng)范圍的電容性傳感器的一個(gè)特定實(shí)施例。在附圖中放大了垂直方向的尺寸，以便更清晰地闡明傳感器1000。傳感器1000具有彈簧構(gòu)件106，該彈簧構(gòu)件1006具有輕微彎曲的控制形狀。當(dāng)中心部分1006c提供相對(duì)于第二電極1008的最大電容性間隙1010時(shí)，該彎曲允許彈簧構(gòu)件1006的末端1006a和1006b用最少的焊料薄膜與第一電極1004相連。第一和第二電極1004和1008形成在支持1002上?？墒┘拥铰?lián)軸器(coupling)1014上的力有一個(gè)等級(jí)，它正好足夠于首先使彈簧構(gòu)件1006與第二電極1008接觸。還可以如此地使彈簧構(gòu)件1006和第二電極1008之間的電容性間隙1010的錐體(tapering)成形，使之趨向于在沿著第二電極1008的許多點(diǎn)處同時(shí)出現(xiàn)接觸。這就減少了傳感器響應(yīng)的非線性性。在美國專利申請(qǐng)第09/835,040號(hào)中對(duì)這樣的傳感器做了更詳細(xì)的說明。
電容性力傳感器的彈簧構(gòu)件不必為如圖8B和9B中闡明的矩形，而且不必形成為統(tǒng)一厚度。例如，可使彈簧構(gòu)件成形，以致使撓曲集中在不作為電容器板的特定地要求的區(qū)域中。這減少了電容性區(qū)域中的撓曲，這樣就增加了電抗變化的線性度。在美國專利申請(qǐng)第09/835.040號(hào)中進(jìn)一步討論了彈簧構(gòu)件的另外的形狀和形式。
可使用由在特定的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中涂敷的絕緣材料制成的彈簧構(gòu)件來形成電容性傳感器。這樣的傳感器的一個(gè)特定例子如參考附圖11A-11C所描述。材料1102的區(qū)域，例如，環(huán)氧玻璃PC板，形成主元件(principleelement)1106。主元件1106包括臺(tái)階1107和1108，環(huán)氧玻璃基片的這樣的部分用來保存與電容性間隙中變化相關(guān)聯(lián)的重要彈性能量。
如從在圖1B中提供的示意性橫截面視圖中清楚看到，預(yù)定路徑使施加力從覆蓋1114，通過力耦合彈性體襯墊(force-coupling elastomeric pad)1116、上部電容器板1118以及隔開/連接焊料薄膜1120，而傳遞到主元件1106的中心區(qū)域1122。槽1124位于中心區(qū)域1122的側(cè)面上，槽1124既增加PC基片中的撓曲又使該撓曲相對(duì)局部化。力通過槽1124末端的向外部和周圍傳遞，最終到達(dá)支持1126。由于力可從緊接電容性區(qū)域和槽1124處傳遞出去，所以任何附加的撓曲不再與電容性間隙中的力誘導(dǎo)的變化(force-induced changes)相關(guān)聯(lián)，并且因此其不再通過力傳感器。支持1126安裝在表面1128上。
若存在的話，則布置在靠近傳感器的支持1126可具有某些靈敏度和響應(yīng)的對(duì)稱性的效果?？赡芤詫?duì)稱布置來給出這樣的靠近支持，諸如所示，不過度地靠近中心區(qū)域1122?？砂迅h(yuǎn)的支持布置在任何期待的圖案中。
彈性體襯墊1116既提供橫向軟化也提供旋轉(zhuǎn)軟化。如這樣，襯墊1116可提供微坑914和橫向軟化器920的功能?？梢允乖?116用粘膠固定在電容器板1118的下面，但不是附加在上面。然后，可以對(duì)諸如覆蓋1126這樣的在傳感器1100之上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)和加載。在另一種方法中，襯墊1116提供通過上面和下面的膠粘附件來保持對(duì)準(zhǔn)和組合裝置的可能性。
圖15C中示意性地闡明的另一個(gè)實(shí)施例1150示出了通過上部電容器板1118長(zhǎng)度傳遞的變更的力路徑。這個(gè)上部板1118現(xiàn)在可對(duì)與電容性間隙相關(guān)聯(lián)的彈性能量存儲(chǔ)做出顯著的貢獻(xiàn)；在這個(gè)情況下，應(yīng)當(dāng)理解，將上部板1118視作附加的彈簧構(gòu)件1106a，它與下部主元件1106或彈簧構(gòu)件相呼應(yīng)而工作。力從彈簧構(gòu)件1106a通過焊料1130傳遞到下部彈簧元件1106，繼續(xù)在槽1124的周圍，進(jìn)入中心區(qū)域1122，并從此到支持1152。
應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的電容性力傳感器可能有許多變型。這些在美國專利申請(qǐng)第09/835,040號(hào)中做了進(jìn)一步討論。這里討論的實(shí)施例的變型的一個(gè)例子是可把樞軸點(diǎn)連接在覆蓋的下邊，而不是連接在力傳感器的彈簧構(gòu)件上。在另一個(gè)變型中，可把傳感器同與軸承面接觸的樞軸一起安裝在覆蓋的下側(cè)面。
如上指出的，本發(fā)明適用于觸摸屏，并且我們相信其對(duì)減少基于力的觸摸傳感器的正切力靈敏度尤其有用。不應(yīng)考慮本發(fā)明限制在上述特定范例中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是應(yīng)覆蓋如附加權(quán)利要求書中清楚陳述的本發(fā)明的所有方面。在本發(fā)明所針對(duì)的本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員閱讀來說明書后會(huì)很容易地明白本發(fā)明可適用于不同的修改、同等過程以及許多結(jié)構(gòu)。該權(quán)利要求書將包括這樣的修改和裝置。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)定施加到觸摸屏上力的位置的裝置，包含觸摸構(gòu)件；基座支持；聯(lián)結(jié)在所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持之間的聯(lián)結(jié)單元，所述聯(lián)結(jié)單元包括在外圍部分與各個(gè)梁構(gòu)件支持相連的梁構(gòu)件，相對(duì)于所述外圍部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持的所述梁構(gòu)件的中心部分，在所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持之間傳遞力的力路徑，所述力路徑在所述梁構(gòu)件的中心部分和所述梁構(gòu)件的外圍部分之間延伸；以及至少一個(gè)傳感器元件，把它布置成測(cè)量表示由施加到所述觸摸屏上的力在所述梁構(gòu)件位置處產(chǎn)生的力的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述聯(lián)結(jié)單元包括所述至少一個(gè)傳感器元件。
3.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于沿著第一方向拉長(zhǎng)所述梁構(gòu)件，并且所述被拉長(zhǎng)的梁構(gòu)件具有在其外圍部分處的相應(yīng)第一和第二末端。
4.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構(gòu)件實(shí)質(zhì)上是具有盤外圍的盤形的，并且所述外圍部分包括所述盤外圍的部分。
5.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包含布置在所述梁構(gòu)件的第一表面上的旋轉(zhuǎn)軟化器。
6.如權(quán)利要求5中所述的裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)軟化器包括所述梁構(gòu)件的第一表面的突出部分。
7.如權(quán)利要求5中所述的裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)軟化器包括在所述梁構(gòu)件的第一表面上的一部分彈性體材料。
8.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于把所述梁構(gòu)件布置在所述觸摸構(gòu)件和所述梁構(gòu)件支持之間。
9.如權(quán)利要求8中所述的裝置，其特征在于所述梁構(gòu)件支持是與所述基座支持一起完整地形成的。
10.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于把所述梁構(gòu)件支持布置在所述觸摸構(gòu)件和所述梁構(gòu)件之間。
11.如權(quán)利要求10中所述的裝置，其特征在于所述梁構(gòu)件支持是與所述觸摸構(gòu)件一起完整地形成的。
12.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述至少一個(gè)傳感器元件包含用力敏感材料形成的梁構(gòu)件支持中的至少一個(gè)。
13.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)傳感器元件包括在所述梁構(gòu)件和所述基座支持上的電極之間形成的電容器。
14.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構(gòu)件至少包括金屬表面，以形成可相對(duì)于所述基座支持上電極移動(dòng)的電容器的第一板。
15.如權(quán)利要求14中所述的裝置，其特征在于用金屬形成所述梁構(gòu)件。
16.如權(quán)利要求14中所述的裝置，其特征在于用其上布置所述金屬表面的非傳導(dǎo)材料形成所述梁構(gòu)件。
17.如權(quán)利要求1中所述的裝置，進(jìn)一步包含布置在所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持之間的橫向軟化器，以允許所述觸摸面板相對(duì)于所述至少一個(gè)傳感器元件的橫向運(yùn)動(dòng)。
18.如權(quán)利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構(gòu)件將接收自所述觸摸構(gòu)件的力傳遞到所述外圍部分，其距離大于所述梁構(gòu)件的厚度。
19.檢測(cè)具有觸摸構(gòu)件的觸摸屏上的觸摸位置的方法，包含將施加到所述觸摸構(gòu)件第一面上的至少一部分力傳遞到下列之一i)布置在所述觸摸構(gòu)件第二面上的力傳播器的中心部分，所述力傳播器的中心部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持，和ii)所述力傳播器的外圍部分；將所述部分施加力從i)所述力傳播器的中心部分和ii)所述力傳播器的外圍部分中的一個(gè)傳遞到i)所述力傳播器的中心部分和ii)所述力傳播器的外圍部分；以及測(cè)量表示傳遞到所述力傳播器的部分施加力的信號(hào)。
20.如權(quán)利要求19中所述的方法，進(jìn)一步包含從在所述測(cè)量步驟中測(cè)量的信號(hào)來測(cè)定所述觸摸構(gòu)件上的觸摸的位置。
21.如權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于測(cè)量表示所述部分施加力的信號(hào)包括檢測(cè)由所述施加力產(chǎn)生的位移。
22.如權(quán)利要求19中所述的方法，進(jìn)一步包含根據(jù)在所述測(cè)量步驟中測(cè)量的信號(hào)，測(cè)定施加到所述觸摸構(gòu)件的觸摸的位置。
23.如權(quán)利要求19中所述的方法，進(jìn)一步包含將所述觸摸構(gòu)件和下面軸承面中的一個(gè)的扭矩與所述觸摸構(gòu)件和下面軸承面的另一個(gè)的扭矩隔離開來。
24.如權(quán)利要求23中所述的方法，其特征在于隔離所述扭矩包括旋轉(zhuǎn)布置在所述觸摸構(gòu)件和所述下面軸承面之間的旋轉(zhuǎn)軸承。
25.如權(quán)利要求23中所述的方法，其特征在于隔離所述扭矩包括旋轉(zhuǎn)布置在所述觸摸構(gòu)件和所述下面軸承面之間的彈性體軸承。
26.如權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于傳遞部分所述施加力包括將部分所述施加力傳遞比所述力傳播器的厚度更長(zhǎng)的距離。
27.如權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于測(cè)量表示部分所述施加力的信號(hào)包括壓縮力敏感材料并檢測(cè)所述力敏感材料特性中所產(chǎn)生的變化。
28.如權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于測(cè)量表示部分所述施加力的信號(hào)包括改變電容器的電容量并測(cè)量電容量的變化。
29.如權(quán)利要求28中所述的方法，其特征在于所述力傳播器形成一個(gè)所述電容器的傳導(dǎo)表面，并且改變所述電容器的電容量包括相對(duì)于所述電容器的第二傳導(dǎo)表面移動(dòng)所述力傳播器。
30.如權(quán)利要求19中所述的方法，進(jìn)一步包含將所述力傳播器與施加到所述觸摸構(gòu)件上的正切力隔離。
31.如權(quán)利要求30中所述的方法，其特征在于將所述力傳播器與正切力隔離包括在所述觸摸構(gòu)件和下面軸承面之間布置橫向軟化器。
32.如權(quán)利要求19中所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含通過所述觸摸構(gòu)件向用戶顯示圖像。
33.如權(quán)利要求32中所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含測(cè)定所述觸摸屏上的觸摸的位置并根據(jù)所確定的觸摸的位置測(cè)定而改變所述圖像。
34.如權(quán)利要求32中所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含通過所述觸摸屏顯示所述圖像。
35.如權(quán)利要求32中所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含在所述觸摸屏上顯示來自圖像顯示器的圖像。
36.用于檢測(cè)施加到觸摸構(gòu)件第一面上的力位置的系統(tǒng)，包含裝置，用于將施加到所述觸摸構(gòu)件第一面上的至少一部分力傳遞到力傳播裝置的中心部分，用于傳遞布置在所述觸摸構(gòu)件第二面上的部分所述施加力，所述力傳播裝置的中心部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持，所述力傳播裝置在所述力傳播裝置的中心部分和外圍部分之間傳遞部分所述施加力；以及裝置，用于測(cè)量表示被傳遞到所述力傳播裝置的部分施加力的信號(hào)。
37.用于測(cè)定所述觸摸面板上的觸摸位置的觸摸面板系統(tǒng)，包含基座支持；通過聯(lián)結(jié)單元與所述基座支持相連的觸摸構(gòu)件，至少其中一個(gè)所述聯(lián)結(jié)單元聯(lián)結(jié)在所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持之間，所述聯(lián)結(jié)單元包括在外圍部分與各個(gè)梁構(gòu)件支持相連的梁構(gòu)件，相對(duì)于所述外圍部分實(shí)質(zhì)上沒有得到支持的所述梁構(gòu)件的中心部分，在所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持之間傳遞力的力路徑，所述力路徑在所述梁構(gòu)件的中心部分與所述梁構(gòu)件的外圍部分之間傳遞；以及至少一個(gè)傳感器元件布置成測(cè)量表示在所述梁構(gòu)件位置處的力的信號(hào)；以及聯(lián)結(jié)的觸摸面板控制器，以接收來自所述至少一個(gè)傳感器元件的信號(hào)，并測(cè)定所述觸摸面板上的觸摸位置。
38.如權(quán)利要求37中所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包含布置成將圖像顯示給用戶的顯示單元，以及與所述顯示單元連接以控制所述圖像的顯示控制器。
39.如權(quán)利要求38中所述的系統(tǒng)，其特征在于把所述顯示單元布置在所述觸摸面板之下，并將所述圖像通過所述觸摸構(gòu)件顯示給所述用戶。
40.如權(quán)利要求38中所述的系統(tǒng)，其特征在于所述觸摸面板包含所述顯示單元。
41.如權(quán)利要求38中所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含與所述觸摸面板控制器和所述顯示控制器連接的處理器單元，以處理顯示在所述顯示單元上的信息和接收來自所述觸摸面板控制器的信息。
42.用于對(duì)觸摸屏上的觸摸位置進(jìn)行定位的裝置，包含觸摸構(gòu)件；接收結(jié)構(gòu)；力傳播構(gòu)件，具有聯(lián)結(jié)的集中力接收區(qū)域，以接收從所述觸摸構(gòu)件傳遞到所述力傳播構(gòu)件中的力，并且其具有力分布區(qū)域，以將所述力傳播構(gòu)件之外的力傳遞到所述接收結(jié)構(gòu)，所述力分布區(qū)域具有比所述力接收區(qū)域更大的面積，如此布置所述接收結(jié)構(gòu)和力傳播構(gòu)件，以使在所述力保持在測(cè)量范圍中時(shí)，通過所述力傳播器所產(chǎn)生的從所述力產(chǎn)生的所述力傳播構(gòu)件的曲率變化保持所述力傳播的負(fù)載，以便把在所述傳播構(gòu)件中的所述力傳遞到實(shí)質(zhì)上所有的所述分布區(qū)域中；以及檢測(cè)元件，布置成用來檢測(cè)表示通過所述力傳播構(gòu)件的力的信號(hào)。
43.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于所述力接收區(qū)域是在所述力傳播構(gòu)件的第一面上，并且所述力分布區(qū)域是在與所述第一面相對(duì)立的所述力傳播構(gòu)件的第二面上。
44.如權(quán)利要求43中所述的裝置，其特征在于通過所述力傳播構(gòu)件的至少一部分力沿著與所述第一和第二表面垂直的方向傳遞。
45.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于當(dāng)所述力在所述力測(cè)量范圍中時(shí)，把接收結(jié)構(gòu)布置成阻止與最接近所述力接收區(qū)域的力傳播構(gòu)件接觸。
46.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于所述檢測(cè)元件檢測(cè)由所述力產(chǎn)生的位移。
47.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于所述檢測(cè)元件對(duì)所述力傳播元件的撓曲做出響應(yīng)。
48.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于所述接收結(jié)構(gòu)包括低模量材料的墊層，它與所述力接收區(qū)域最近的力傳播構(gòu)件接觸。
49.如權(quán)利要求48中所述的裝置，其特征在于所述接收結(jié)構(gòu)包括所述力檢測(cè)元件，并且所述力檢測(cè)元件將力從所述力傳播構(gòu)件的分布區(qū)域傳遞到低模量材料的墊層。
50.如權(quán)利要求42中所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包含聯(lián)結(jié)的觸摸控制器，以接收來自所述檢測(cè)元件的信號(hào)并以測(cè)定所述觸摸面板上的觸摸位置。
51.如權(quán)利要求50中所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包含相連的處理器，以接收來自所述觸摸控制器的位置信息，以及包含相連的顯示器，以接收來自所述處理器的顯示信息。
52.如權(quán)利要求51中所述的裝置，其特征在于把所述顯示器布置在所述觸摸面板以下，以通過所述觸摸面板將所述信息顯示給觀察者。
53.如權(quán)利要求51中所述的裝置，其特征在于所述觸摸面板包含所述顯示器。
54.用于對(duì)觸摸屏上的觸摸進(jìn)行定位的系統(tǒng)，包含觸摸構(gòu)件；基座支持；聯(lián)結(jié)在所述觸摸構(gòu)件的聯(lián)結(jié)區(qū)域和所述基座支持之間的聯(lián)結(jié)組合裝置，所述聯(lián)結(jié)組合裝置相對(duì)于所述觸摸構(gòu)件和所述基座支持中之一不受限制地旋轉(zhuǎn)，所述聯(lián)結(jié)組合裝置包括具有主平面的梁構(gòu)件，所述梁構(gòu)件包括聯(lián)結(jié)的第一區(qū)域，以接收來自所述觸摸構(gòu)件的力，所述梁構(gòu)件進(jìn)一步包括至少一個(gè)第二區(qū)域，所述梁構(gòu)件沿著與所述主平面垂直的方向接收所述力并將所述力橫向傳遞到所述至少一個(gè)第二區(qū)域中，所述力在所述梁構(gòu)件之外通過所述至少一個(gè)第二區(qū)域向所述聯(lián)結(jié)組合裝置的梁構(gòu)件支持傳遞，以及對(duì)與所述主平面垂直的力做出響應(yīng)的傳感器元件。
55.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于所述傳感器元件形成部分所述梁構(gòu)件支持，并且把所述傳感器元件布置在所述梁構(gòu)件和所述基座支持之間，以接收來自所述至少一個(gè)第二區(qū)域的力。
56.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于所述傳感器元件形成部分所述梁構(gòu)件支持，并且把所述傳感器元件布置在所述觸摸構(gòu)件和所述梁構(gòu)件之間，以接收來自所述觸摸構(gòu)件的力。
57.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于所述傳感器元件根據(jù)所述梁構(gòu)件的撓曲產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。
58.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進(jìn)一步包含布置在所述觸摸構(gòu)件和所述梁構(gòu)件第一區(qū)域之間的樞軸。
59.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進(jìn)一步包含布置在所述觸摸構(gòu)件和所述梁構(gòu)件的第一區(qū)域之間的、由較低楊氏模量材料制成的聯(lián)結(jié)塊。
60.如權(quán)利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進(jìn)一步包含聯(lián)結(jié)的觸摸控制器，以接收來自所述力檢測(cè)元件的信號(hào)并以測(cè)定所述觸摸面板上觸摸的位置。
61.如權(quán)利要求60中所述的組合裝置，其特征在于進(jìn)一步包含相連的處理器，以接收來自所述觸摸控制器的位置信息，并包含相連的顯示器，以接收來自所述處理器的顯示信息。
62.如權(quán)利要求61中所述的組合裝置，其特征在于把所述顯示器布置在所述觸摸構(gòu)件之下，以通過所述觸摸構(gòu)件向觀察者顯示所述信息。
63.如權(quán)利要求61中所述的組合裝置，其特征在于所述觸摸構(gòu)件包含所述顯示器。
全文摘要
觸摸屏使用一個(gè)或多個(gè)力傳感器(220)來測(cè)定屏幕上觸摸的位置。力傳感器(220)具有精確測(cè)定的靈敏度方向，并且因此就降低了與屏幕不垂直力的靈敏度。傳感器(220)與活動(dòng)力檢測(cè)元件(active force－sensing element)區(qū)域相比是較薄的，這就允許低輪廓力觸摸屏(low profile force touch screens)與迄今為止獲取的相比而言，具有更好的機(jī)械完整性(mechanical integrity)、準(zhǔn)確度、靈敏度和高的信噪比組合。傳感器(220)也可為旋轉(zhuǎn)柔軟的(rotationally soft)，這樣以使有效的阻止覆蓋(overlay)(210)或支持表面(support surface)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響敏感力。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1502090SQ02808121
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者J·B·羅伯茨, J B 羅伯茨 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司