專利名稱：觸摸力作用點位置坐標檢測傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感技術領域，涉及一種對感應板表面的觸摸力的作用點，即壓力接觸點的位置坐標進行檢測的傳感裝置，主要應用于計算機多媒體技術中信息輸入方面。
對于以矢量力為傳感對象，通過對觸摸力(或稱為接觸壓力，在本發明中統稱為觸摸力)進行檢測傳感，而得到觸摸點的位置坐標的信息的裝置與方法，現有在顯示器表面確定觸摸力的技術方案，是在顯示器的前面安裝一塊透明的觸摸屏幕，并且在屏幕的周圍、屏幕與顯示器表面之間安裝3個以上的力學傳感器，再利用力學的平衡原理，根據傳感器輸出的電信號計算出觸摸點的位置，如在美國3,657,475號、4,121,049號、4,355,202號、4,558,757號專利中所公布的技術方案。由于這類方案需要在透明屏幕與顯示器表面之間安裝傳感器，所以導致屏幕與顯示器表面之間的距離過大，不可避免地產生視覺失真，使使用者有觸摸不上的感覺；并且由于觸摸屏幕需要通過剛性的框架等固定裝置才能夠安裝在顯示器上，這也就增加了整個裝置的重量和體積，否則難以保證可靠的固定，同時也導致整個裝置的制造和安裝費用高昂。
另一個改進的技術方案如US5,541,372號美國專利所公布，在觸摸屏幕與顯示器表面之間只安裝有支撐座，而力學傳感器則安裝在觸摸屏幕的表面上。該專利較好地克服了上述先有技術的缺點，并且較詳細地描述了一種把力學傳感器——應變片安裝在矩形觸摸屏幕四個角部的實施方案。但是這個實施方案仍有較多的缺點。首先，因為應變片安裝在觸摸屏幕的四個角部，同時支撐座也安裝在角部，所以使得應變片的幾何尺寸不能很大，否則應變片將會遮擋顯示屏幕的內容，并且根據力學理論可知，觸摸屏幕上靠近支撐座附近的應變最小，這將導致檢測靈敏度的降低。如果要提高靈敏度，就必須使用尺寸比顯示器更大的觸摸屏幕，而這又給觸摸屏幕在顯示器表面的安裝帶來了困難，尤其當應用在手提電話、掌上型電腦等體積小而顯示屏幕相對較大的產品上時更明顯；其次，顯示屏幕的對角線的長度是觸摸屏幕表面最大的尺寸，而應變片因屏幕尺寸、支撐座的限制又不能遠離顯示器顯示表面的角部安裝，所以根據力學原理可知，當觸摸力的作用點靠近角部時，通過該角的對角線上相對應的兩個應變片的應變值的大小將會相差懸殊，這將會使觸摸屏在邊緣部分的分辨率下降。再有，以這種方式安裝應變片，觸摸時切向力的作用可以和法相力的作用相比擬，尤其在移動接觸，如書寫輸入時，這將使檢測的隨機誤差增大。
該專利還提及了另外兩種應變片的安裝方式。其一，將支撐座安裝在矩形觸摸屏幕的四條邊緣上，應變片也敏感方向平行地安裝在四條邊緣。但是該專利沒有給出相應的力學模型。因為不同的力學模型有不同的計算方法，這些力學模型可能是多約束簡支梁元，或者邊界約束板梁，或者是平面板元等等，可能是靜定問題，更可能是超靜定問題。力學模型的不同將會使對檢測信號處理的難易程度、計算程序大相徑庭，而該專利卻沒有給出相應的說明；再有，如果在每條邊緣上安裝有多個支撐座，則一般情況下為了簡化計算以提高響應速度，需要安裝相近數量的應變片，這一方面增加了制造成本，另一方面連接應變片之間、應變片與信號處理部分之間的布線也是一個難題。其二，“…在觸摸屏幕的邊緣延伸出與該屏幕位于同一平面的突出物，應變片分布安裝在突出物上，每一個應變片的主尺寸與突出物相平行。”在這段描述中，依然沒有給出應變片的具體安裝方案，也沒有說明支撐座是安裝在角部還是安裝在邊緣，以及突出物的方向、形狀等技術內容；況且，如果應變片的安裝方向與屏幕的邊緣相垂直，則依然存在檢測靈敏度相對較低、布線散亂的問題。另外，上述的各種技術都需要一塊獨立的觸摸檢測板，而當使用液晶顯示器時，在某些情況下這塊觸摸板不是必需的。
針對上述先有技術的缺點，本發明的一個目的在于在保留現有技術優點的情況下，提供一種力學模型清晰、結構和數學表達式簡單，具有均勻的分辨率和優良的抗切向力作用，同時具有更加廣泛的應用范圍的觸摸力作用點的檢測傳感裝置。本發明的另一個目的是在上述目的的基礎上，提供一種使用液晶顯示器的顯示屏作為觸摸檢測板的結構。本發明的第三個目的是在上述兩個目的的基礎上，給出具有更高檢測靈敏度的觸摸力檢測結構方案。本發明的第四個目的是提供一個包括應變片相關布線在內的集成化接觸力檢測傳感裝置。
為了實現上述目的，本發明提供了這樣的一種觸摸檢測結構在矩形觸摸板的四個角部、觸摸板與顯示器表面或機殼等其它結構件之間，安裝有四個支撐座，并使用應變片作為觸摸力的傳感器，應變片安裝在觸摸板四條邊緣的表面上，其敏感方向與邊緣相平行；在使用液晶顯示器時，還可以直接利用顯示板本身作為觸摸檢測板。為了提高檢測的靈敏度，在觸摸板的每條邊緣上都可以在觸摸板的一個或兩個表面上，安裝多個應變片；或者安裝一條或多條在敏感方向上具有較大尺寸的應變片。為了實現整個檢測傳感板的集成化，本發明還給出了兩種把應變片和相關的連接導線固化在觸摸傳感板上的結構一種是直接把應變片和連接布線直接集成固化在觸摸板的表面上，另一種結構是把應變片、連接導線先集成固化在一張柔性基片上，然后再把這張基片安裝或粘貼在觸摸板的表面上。
本發明的優點在于由于省去了觸摸屏幕與顯示器或機殼等其它結構件之間的安裝框架，所以重量輕、生產和安裝費用低廉，便于使用推廣，同時也提高了響應速度；又因為應變片直接安裝或粘貼在觸摸屏幕上，所以體積小、厚度薄，既便于運輸或攜帶；又因為觸摸板與顯示器表面之間的距離可以小到1mm之內，所以能夠又最大限度地減小了視覺誤差；最重要的一點，在于這種應變片的安裝結構，能夠最充分地利用顯示器邊緣非顯示區域的面積，使得應變片的安裝和大小，不再過分受顯示區域和支撐座的限制，因此既能夠得到較高的檢測靈敏度，又能夠使整個屏幕的分辨率更均勻；并具有更簡單的力學模型和數學表達式。通過對后面實施例的說明，可以更清晰地看到這個優點。本發明的另一個優點是通過集成化，提高了整個檢測傳感裝置的可靠性、一致性，容易實現生產制造工藝的標準化和自動化；同時因為應變片順著觸摸板的邊緣方向安裝不占用顯示面積，所以更適合面積較小的檢測傳感板的生產制造，容易將其應用范圍擴展到了小面積顯示表面的掌上型電腦、個人數字助理(PDA)、手提電話的觸摸或書寫輸入，或者觸摸鍵盤、書寫板等不需要顯示表面的應用方面。
以下結合附圖，來詳細說明本發明的具體結構。
圖1檢測傳感裝置的結構原理示意圖圖2力學模型分析圖圖3觸摸板一個邊的彎矩圖圖4一組應變片在觸摸板邊緣的一種安裝示意圖圖5狹長應變片在觸摸板邊緣的安裝示意圖圖6一種集成化的觸摸檢測傳感板的結構示意圖圖7一種使用柔性基片的集成化檢測傳感板的結構示意圖圖1給出了本發明的基本結構和基本原理。在圖1中，承受觸摸力的觸摸板101安裝在四個支撐座104、105、106、107之上，這四個支撐座根據實際要求來確定是安裝在顯示器的表面，還是機殼、底座或其它結構件上。在該板的邊緣安裝有四個或四組應變片108、109、110和111，這些應變片可以安裝在觸摸板101的正面102或背面103上，其敏感方向與板的邊緣相平行；使用者所能夠接觸到的表面，或者說承受觸摸力的表面是正面102。圖中的f1、f2、f3、f4分別表示四個支撐座的支反力，而F1、F2、F3、F4則表示在觸摸板邊緣處與觸摸力F等效的四個虛擬的作用分力。可以使用數學和材料力學的方法證明這種分解是正確的。圖2給出了這種結構的力學模型分析圖。如圖所示，應變片安裝在觸摸板邊緣的中部，以支撐座104、105、107為軸建立坐標系XOY平面直角坐標系，并設在應變片所在的位置的彎矩分別為M1、M2、M3、M4，且觸摸板的材質、厚度是均勻的，其長度為a，寬度為b，觸摸力作用點的坐標為P(x，y)，再結合圖3所示的具有代表性的彎矩圖，通過在圖中對A、B、C、D四個區域進行力學分析，可以得到觸摸力作用點的坐標值x、y與彎矩M1、M2、M3、M4之間的一般關系式如下x=M2M2+M4----y=M3M1+M3]]>這樣，利用應變片測量得到M1、M2、M3、M4之后，就能夠很簡單地通過計算而得到觸摸力作用點的坐標值x、y。事實上，只要觸摸板相對的兩個邊緣所安裝或粘貼的應變片關于觸摸板的中心軸相對稱，就能夠得到上述結果。即使應變片不是對稱安裝，也同樣可以利用材料力學的方法得到類似的關系式。圖2的示意是一種典型結構，具有安裝和計算最簡單的優點。
圖4所示的是一種每邊使用一組應變片的實施方案，這里在觸摸板的每個邊緣粘貼了4個應變片401、402、403和404，應變片的敏感方向與前述的相同，可以安裝在觸摸板的一個表面上(圖中未畫出)，也如圖所示安裝在兩個表面上；既可以集中安裝，又可以分布安裝；但最好是如上所述的對稱形式安裝，以得到上面的最簡關系式。這種實施方案的優點是能夠很大程度地提高檢測靈敏度，并且容易實現對溫度的補償。但是這種方案也有缺點，就是需要引出的線較多，使用標準的電橋檢測電路時，每個邊緣需要引出兩條信號線，會給布線帶來一定的難度。比較折中的方法是每邊安裝兩片應變片，安裝在觸摸板的同一面或兩面均可，這樣每邊只需要引出一條信號線，而又能夠提高一倍的檢測靈敏度，并且容易實現溫度補償。另外一種提高檢測靈敏度的方法，是使用一個或一組數個狹長的應變片501代替普通尺寸的應變片，安裝或粘貼在觸摸板邊緣的一個或兩個表面上。圖5給出了一個應變片的安裝情況。在本發明中，由于觸摸板的每個邊緣可以使用一個至多個應變片，所以檢測電路有許多種不同連接方法，具體電路的連接方法可以參考有關力學測量的書籍所提供的電路來實施。這些書籍、資料中還有本發明所涉及到的力學問題相關理論和方法。
圖6給出了另一種實施方案，即在觸摸板的表面，利用真空鍍膜、離子濺射、化學沉積或腐蝕等方法，類似于厚膜電路、薄膜電阻或印刷電路板的制造工藝，直接在觸摸板上固化上述檢測用的應變片和其連接布線的實施方案的示意圖。這種方案的最大優點是能夠把所有的電源線和信號線都固化在觸摸板的表面上，免除了飛線所帶來的各種缺點，甚至可以把部分信號處理電路集成在一起，免除了信號線過長而可能引入對微弱的檢測信號的干擾。在圖6中，四個或四組應變片601、602、603、604之間通過固化導線簇605來實現連接，所有的輸入輸出端都被集中到端口606(可以包含部分電路)上而后統一與信號處理系統相連接。集成固化的其它優點還在于既容易實現生產工藝的標準化和自動化，又容易保證產品的可靠性和一致性。
另外一種集成結構，如圖7所示，是使用造印刷電路板方法，把應變片702和連接布線703直接固化在一片薄的柔性基片701上，再通過接口704與信號處理系統相連接。這里的基片可以是一個整體框形，也可以為了節省材料而由幾張狹長的基片拼接而成框形，然后再將基片與觸摸板101粘接在一起。這種集成結構適合于各種材料和形式的觸摸板，尤其適合于觸摸板的面積較大，或者其材質不能承受高溫，或其表面不容易形成可精細加工的導電層的情況。
在一般情況下，為了保證一定的電阻值，應變片內的導體常常需要使用與其連接布線用不同的材料，所以對于這兩種結構，也可以使用成品應變片，將其粘接在已經布線的觸摸板或柔性基片上，形成固化的集成結構。
在本發明中，應用在顯示表面的觸摸板101可以使用玻璃、有機玻璃、透明樹脂等透明材料制造，對材料的基本要求是重量輕、強度高、防刮性、透光性好。在這種情況下，圖1之中的四個支撐座就應該安裝在觸摸板與顯示器表面之間。在上述材料中，尤其以制造鏡片用的透明樹脂最為適合，具有最小的比重，良好的強度、抗刮性能和高的透光性，并且能夠一次成形，有著良好的加工性能。
但是如果應用在筆記本計算機上，由于筆記本計算機基本上都使用平板的液晶顯示器作為顯示元件，所以完全可以把液晶板本身用作觸摸檢測板101而進一步簡化結構。這種應用的條件是液晶板不能與驅動它的電路板或者機殼、框架等其它結構件之間，有大面積緊固連接，例如成排的焊接管腳、大面積的粘接，或者限制其微小變形的框架等結構，電路的連接應該使用柔性導線。簡而言之，要求滿足圖1所示的力學模型和支撐條件。在這種情況下，可以使用圖7所示的膜片形式安裝應變片和連接導線。
本發明還可以應用在其它方面，如不需要顯示的書寫板檢測輸入、觸摸鍵盤等方面。在這種應用情況下，觸摸板101可以使用金屬、陶瓷、塑料等不透明材料，直接通過支撐座104、105、106和107安裝在機殼、底座上，或者其它安裝在機殼、底座上的如框架、電路板等結構件上。當使用電子陶瓷材料作為檢測板時，可以得到最簡的結構，因為這種材料能夠使用厚膜電路的制造方法實現前述的集成化，具備成熟的生產工藝。
權利要求1.一種用于對觸摸力進行檢測傳感的觸摸力作用點位置坐標檢測傳感裝置，該裝置包含有一塊用于使用者實施觸摸操作的矩形彈性觸摸板；在該觸摸板的四個角部安裝有四個支撐座，并且在觸摸板上安裝有至少四個應變片，其特征在于所述的四個應變片分布安裝在觸摸板支撐座之間的四條邊緣的表面上，并且應變片的敏感方向與觸摸板的邊緣相平行。
2.根據權力要求1所述的檢測傳感裝置，其特征在于觸摸板的四個角部的支撐座安裝在顯示器表面與觸摸板之間；觸摸板由透明材料制造而成。
3.根據權力要求1所述的檢測傳感裝置，其特征在于觸摸板的四個角部的支撐座安裝在機殼、底座或其它結構件上；觸摸板是液晶顯示板、金屬板或陶瓷、有機材料板之中的一種。
4.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于在觸摸板的四個邊緣各安裝有一個應變片。
5.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于在觸摸板每條邊緣的表面上，都安裝有一組應變片；每組應變片中至少包含兩個應變片。
6.根據權力要求5所述的檢測傳感裝置，其特征在于所述的一組應變片是四個應變片。
7.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于在觸摸板相對的兩個邊緣，所安裝的應變片關于觸摸板的中軸線相對稱。
8.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于在觸摸板的四個邊緣各安裝的應變片是狹長的應變片。
9.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于安裝在觸摸板邊緣的應變片及其連接線，是由附著在觸摸板表面的導電膜層構成的。
10.根據權力要求1、2或3所述的檢測傳感裝置，其特征在于安裝在觸摸板邊緣的應變片及其連接線，是由附著在柔性基片表面的導電膜層構成的；該柔性基片粘接在觸摸板的表面。
專利摘要一種檢測觸摸力作用點的傳感裝置,主要用于顯示器顯示表面的觸摸式數據輸入和觸摸鍵盤、書寫板輸入時,對壓力接觸點位置坐標的檢測傳感。該裝置包含有一塊觸摸板,觸摸板依靠四個安裝在角部的支撐座實現力學支撐,在觸摸板邊緣、各支撐座之間的表面上,沿其邊緣方向安裝有應變片,用以檢測由觸摸力在觸摸板邊緣產生的彎矩引起該處的應變。彈性板四條邊緣的應變值就包含了觸摸力作用點的位置坐標信息。
文檔編號G06K11/00GK2363316SQ9825004
公開日2000年2月9日 申請日期1998年12月15日 優先權日1998年12月15日
發明者劉中華 申請人:劉中華