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
技術領域：
本發(fā)明涉及力傳感器，尤其涉及可用來測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算機或其它數(shù)據處理裝置的簡單和直觀的接口。用戶并非使用鍵盤用于數(shù)據輸入，他們可使用觸摸屏，通過觸摸圖標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用實例中。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諸如蜂窩式便攜無線電話、個人數(shù)字助理(PDAs)和手持或膝上電腦這樣的應用實例來說尤其有用。
我們已經使用了不同的方法來測定觸摸位置，這包括電容性的、電阻性的(resistive)、聲音和紅外線技術。我們也可使用與觸摸表面結合的力傳感器，通過檢測觸摸屏上的觸摸力來測定觸摸位置。用檢測觸摸力來工作的觸摸屏有數(shù)個勝過其它上述技術的優(yōu)點。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雜觸摸表面覆蓋，以確保整個屏幕上良好的電屬性，而同時也保持整個屏幕上良好的光傳輸。另一方面，可用簡單的、單片材料來形成基于力的觸摸屏的覆蓋。進一步，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、手指甲或其它非導電觸摸器具來操作它。不同于聲表面波技術，力傳感器相對地不受觸摸屏上的污垢、灰塵或液體的積聚的影響。最終，力傳感器相對不太可能將無意間的接近觸摸(close encounter)檢測為實際的觸摸，而這可能是紅外線或電容性觸摸屏的一個問題。
由觸摸屏力傳感器檢測到的力反映了除觸摸力之外的多種靜態(tài)和動態(tài)因素?？梢哉J為這些因素為相對于觸摸信號的噪聲源。可能會通過觸摸屏電子線路(touch screen electronics)引入噪聲，或者其性質可能為機械的。例如，在傳感器、放大器、數(shù)據轉換或信號處理階段中可能會引入電噪聲。機械噪聲可能產生于諸如振動、撓曲、運動和與觸摸屏不垂直力的應用實例這樣的不同機械效果。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加載力重量的影響。
發(fā)明的主要內容通常而言，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。進一步，傳感器與活動力檢測元件區(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，具有機械完整性、準確度、靈敏度和高的信噪比的更好的組合。傳感器也可為旋轉柔軟的，這意味著它有效地阻止覆蓋或支持表面的扭轉運動影響所檢測的力。
在一個特定實施例中，本發(fā)明針對用于測定施加到觸摸屏上的力的位置的裝置。該裝置包括觸摸構件(touch member)、基座支持(base support)和在觸摸構件和基座支持之間起聯(lián)結作用的聯(lián)結單元。該聯(lián)結單元包括在外圍部分與各個梁構件支持相連的梁構件。梁構件的中心部分相對于外圍部分來說實質上沒有得到支持。力路徑(force path)在觸摸構件和基座支持之間傳遞力。力路徑在梁構件的中心部分和梁構件的外圍部分之間傳遞。至少有一個傳感器元件檢測可表示由觸摸力引起的梁構件位置處力的信號。
本發(fā)明的又一個實施例針對檢測具有觸摸構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質上沒有得到支持，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。檢測表示被傳遞到力傳播器的部分施加力的信號。
本發(fā)明的又一個實施例針對用于檢測被施加到觸摸構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件第二面上的施加力。該力傳播裝置的中心部分實質上沒有得到支持。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。還有一個裝置，用于測量表示被傳遞到力傳播裝置的部分施加力的信號。
本發(fā)明的又一個實施例針對用于檢測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)結單元與基座支持聯(lián)結的觸摸構件。聯(lián)結單元中的至少一個包括在外圍部分與各個梁構件支持聯(lián)結的梁構件。梁構件的中心部分相對于外圍部分而言實質上沒有得到支持。力路徑在觸摸構件和梁支持之間傳遞力。力路徑在梁構件的中心部分和梁構件的外圍部分之間傳遞。布置至少一個傳感器元件來測量表示通過由觸摸引起的梁構件位置傳遞的力的信號。觸摸面板控制器與來自許多力傳感器單元的接收檢測信號相連，以測定觸摸面板上的觸摸位置。
本發(fā)明的又一個實施例針對用于對觸摸屏上觸摸的位置進行定位的裝置。該裝置包括觸摸構件、接收結構和力傳播構件。力傳播構件具有聯(lián)結的集中力接收區(qū)域，以接收從觸摸構件傳遞到力傳播構件中的力。力傳播構件也具有力分布區(qū)域，以將力傳播構件之外的力傳遞到接收結構中。該分布區(qū)域具有比力接收區(qū)域更大的面積。布置接收結構和力傳播構件，以使由力的力保持加載(force maintain loading)引起的力傳播構件曲率的變化通過力傳播器傳送，而同時力保持在測量范圍內，以便將傳播構件中的力充分地傳送到所有分布區(qū)域中。我們布置檢測元件以檢測通過力傳播構件傳遞的力。
本發(fā)明的又一個實施例針對用于對觸摸屏上的觸摸進行定位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括觸摸構件、基座支持和聯(lián)結在觸摸構件和基座支持的聯(lián)結區(qū)域之間的聯(lián)結組合裝置。該聯(lián)結組合裝置相對于觸摸構件和基座支持中的一個而言是旋轉未受限制的(rotationally unconstrained)。聯(lián)機組合裝置包括具有主平面(predominant plane)的梁構件。該梁構件具有聯(lián)結來接收來自觸摸構件的力的第一區(qū)域。梁構件也包括至少一個第二區(qū)域。梁構件接收與主平面垂直的方向上的力，并將該力橫向(laterally)傳遞到至少一個第二區(qū)域中。該力通過至少一個第二區(qū)域在梁構件之外向聯(lián)結組合裝置的梁構件支持傳遞。傳感器元件對與主平面垂直的力作出響應。
本發(fā)明的上述摘要并非要說明每個例證性的實施例或每個本發(fā)明的實現(xiàn)。后面的附圖和詳細說明更加具體的舉例說明了這些實施例。
附圖概述由于下面本發(fā)明不同實施例的詳細說明，并結合附圖，我們可以更完整地了解本發(fā)明，其中

圖1示出了根據本發(fā)明的實施例的顯示裝置的方框圖；圖2示意性地闡明了根據本發(fā)明的實施例通過基于力的觸摸傳感器的局部橫截面；圖3A示意性地闡明了當把傳感器剛性地連在覆蓋和框架(frame)上時施加到力傳感器的力；圖3B示意性地闡明了根據本發(fā)明的實施例當將力施加到柔軟的覆蓋上時旋轉軟化的效果；圖4A和4B示意性地闡明了當在與觸摸表面垂直的方向上施加力時由使用常規(guī)力傳播器而引起的力分布；圖5A和5B示意性地闡明了當在與觸摸表面不垂直的方向上施加力時由使用常規(guī)力傳播器而引起的力分布；圖6示意性地闡明了根據本發(fā)明的實施例的外圍加載力傳感器；圖7示意性地闡明了根據本發(fā)明的又一個實施例的梁加載力傳感器；圖8A和8B示意性地闡明了根據本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的實施例；圖9A和9B示意性地闡明了根據本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的又一個實施例；圖10示意性地闡明了根據本發(fā)明的電容類型的梁加載力傳感器的又一個雖然本發(fā)明應服從不同的更改和選擇形式，但是我們已經由附圖中的例子示出了其細節(jié)并且我們將會詳細說明該細節(jié)。然而，應當認識到我們的目的并不是限制本發(fā)明于所述特定的實施例中。相反，我們的意圖是在由所附的權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、等價物和可供選擇的事物(alternatives)。
詳細說明本發(fā)明可應用于觸摸敏感技術，并且我們相信其對產生對可能導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)明會產生與力檢測元件的活動區(qū)域相比為較薄的力傳感器，這有助于進行精確的、小輪廓觸摸敏感裝置的構造。
使用本發(fā)明力傳感器的觸摸屏可在桌面、手持或膝上計算機系統(tǒng)、銷售點終端、個人數(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。在測定觸摸屏上的觸摸位置中，由一個或多個位置最接近觸摸屏觸摸表面的力傳感器產生代表作用在觸摸屏上觸摸力的觸摸信號。在觸摸屏的形狀是矩形的時，通常把力傳感器布置在觸摸屏四個角中的每一個角上?？蓮膯蝹€傳感器，或者從兩個或更多的力傳感器中組合分觸摸信號(component touch signals)來得到觸摸信號。觸摸位置的測定需要分析由不同力傳感器產生的分力信號。
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，布置在觸摸構件104之下。顯示單元102與處理單元106聯(lián)結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測定觸摸構件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的分力有關的信號。然后，我們分析這些信號，以測定相對于不同力傳感器位置的觸摸位置。因此，處理單元106能夠測定相對于顯示在顯示單元102上圖像的觸摸構件104的觸摸位置，并確定用戶輸入的意義(meaning)。重要的是，需要測定觸摸構件104上的觸摸位置時幾乎沒有誤差，以確保處理單元106從用戶處接收所需要的信息。
力傳感器通常檢測響應于施加力而出現(xiàn)的某些運動。例如，應變儀元件在施加力的作用下伸展，而且當壓縮或伸展傳感器元件時，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，在施加力時一個電容器板(capacitor plate)相對于另一個電容器板而移動。因此，雖然可以把傳感器稱為位移傳感器，但是應當理解，即使位移本身的量是微乎其微的，位移的測量也可用來提供引起所測量的位移的施加力的估計。
在2001年4月13日提出的，標題為”Method and Apparatus forForce-based Touch Input，”的美國專利申請09/835,040中說明了適合使用在觸摸屏應用實例中的力傳感器的一個特定實施例，作為參考結合于此。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，并且我們在圖2中示意性地做了闡明。在這個特定實施例中，傳感器根據電容性元件電容的改變而測量施加力。
使觸摸面板210或覆蓋定位在框架或機架(housing)215中。這可能會提供有大的中心孔徑(未示出)，通過它我們可觀看到顯示器。進一步，覆蓋210可為透明的，以允許進行這樣的觀著。若需要，機架215的底面可在圍繞其活動區(qū)域的邊界上，被直接安裝到緊靠這樣的顯示器的表面。在另一個實施例中，如上所述，包括諸如LCD這樣顯示單元的結構可取代覆蓋。電容性傳感器220可定位在覆蓋210和機架215之間。
可通過焊接、粘結或其它已知方法使具有附加臺階(attachmentlands)233的互聯(lián)225與機架215聯(lián)結。傳導區(qū)域在互聯(lián)225上形成了第一傳導元件234。具有中心微坑的第二傳導元件235可通過例如焊接連接在互聯(lián)225的臺階233上。由第二傳導元件235的形狀或者通過將第二傳導元件235連接在互聯(lián)225上的過程，在第一傳導元件234和第二傳導元件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和第二傳導元件235之間。這會保護覆蓋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。
第二傳導元件235將彈簧和電容器板的功能組合。當把垂直力施加到觸摸面板210的表面上時，第二傳導元件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。我們可測量這個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。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，壓電傳感器和應變儀傳感器。
基于力的觸摸屏的優(yōu)點中之一是安置在顯示單元和用戶之間的光學相異層(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，可選擇其具有最好的光學性質。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薄膜通常具有高的折射率，這就導至了在接口處增加了反射損耗。由于傳導層必須能夠進行體接觸，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尤其是個問題。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到施加的合成分力(resultingcomponent forces)，并求解來測定屏幕上觸摸的位置。
術語“旋轉軟化”使傳感器的不靈敏度(insensitivity)與覆蓋或支持的扭轉運動相關聯(lián)。當覆蓋和下面的支持中至少一個是易彎曲的時，旋轉軟化是力傳感器具有的尤其重要的特性。另一方面，當覆蓋和下面的支持都非常堅硬時，旋轉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生的，所以堅硬結構既大又重。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構的柔性帶來的影響。因此，包括旋轉軟化的力傳感器的使用允許觸摸顯示器更薄更輕。術語“旋轉未受限制的”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)內相對于彼此而旋轉。
參考圖3A和3B，我們進一步說明了顯示器的可撓性以及旋轉軟化以減少在觸摸位置測定中可能的負面效應的重要性，討論了把由扭轉運動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)在其并非完全堅硬，并且可響應于施加力，尤其是在離開支持點(point distance)處施加的力，而彎曲。傳感器組合裝置302和303是堅硬的例如，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，F(xiàn)total＝F1+f2。反作用力f1′(＝-F1)和F2′(＝-F2)產生了關于P點施加于力的力矩。由于傳感器的旋轉剛度，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，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點的距離，且距離x2是從第二傳感器303到P點的距離。
應當注意的是盡管其它的符號規(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?shù)牧γ舾杏|摸位置裝置沒有產生直接代表m1或m2的信號，但是這些力矩確實影響了由傳感器302和303產生的力信號?？梢詫嵤﹪L試估計或糾正這些力矩的間接方法。這樣的方法是復雜的，并且很難實現(xiàn)。然而，若不實施這樣的方法，則位置計算會產生嚴重的誤差。
圖3B中示意性地闡明了另一個包括旋轉軟化的測量觸摸位置的方法。在該方法中，易彎曲的覆蓋304被支持在兩個傳感器312和313之間。該傳感器可為任何類型的檢測施加力的傳感器，例如，壓電傳感器、電容性位移傳感器、壓阻傳感器、應變儀傳感器或類似的傳感器。在覆蓋和每個傳感器312和313之間有可自由旋轉的軸承(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動的材料形成，這樣，使正切力沒有通過傳感器312和313傳輸?shù)街С?10。美國專利申請第09/835,049號中對橫向軟化器做了進一步說明，作為參考合并于此。
由用戶在覆蓋304的P點處施加的力Ftotal導致力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產生關于P點的力矩。由于旋轉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′產生的關于P的力矩必須是關于P的總力矩(total moment)，在平衡時，其為零值。這樣，我們可寫出下面的等式F1x1＝F2x2(2)因此，通過計算測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構中的重要的柔性，該簡單關系的適用性依靠旋轉軟化的使用?？赏ㄟ^使用樞軸、旋轉軸承或類似的裝置來實施旋轉軟化，以允許傳感器的軸相對于覆蓋和支持中的至少一個而旋轉。在與本文同一天提出的，J.Roberts，的美國專利申請第TOUCH SCREEN WITHROTATIONALLY ISOLATED DISPLACEMENT SENSOR中對旋轉軟化進行了進一步的討論，作為參考合并于此。
旋轉軟化可引起通過諸如軸承點這樣的非常小的區(qū)域將力傳遞到力傳感器。這樣的力可能需要被再次傳播，以通過力敏感材料或結構的較大區(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。
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整個產品加上討厭的厚度。
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生過度的應力。例如，不同于厚度的較佳最小尺寸可為0.125”(3mm)的數(shù)量級(order)；以及c)我們可能期待力敏感組合裝置只對傳遞過來的垂直分力做出響應，以維持精確的觸摸位置。
通過電勢力敏感區(qū)域傳遞的垂直力具有相關聯(lián)的應力圖案。在該圖案不必要高度統(tǒng)一時，可能需使它電勢力敏感區(qū)域中充分大的范圍內分布以避免損傷、過載或不適當?shù)撵`敏度。雖然對應力來說，最好用施加的垂直分力來進行線性定標，重要的是它具有一對一的關系并且是可重復的。這一點是可以達到的，即使在整個傳感器輸出中對敏感區(qū)域的不同部分進行不均勻的加權會有作用。然而，有必要使所檢測的應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。在這個例子中，旋轉軟化是由與覆蓋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。以垂直方向沿著動作414的線施加的力412在傳感器元件408中產生均勻的壓縮應力分布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。假設力傳播器406是對稱的，因此從樞軸402到傳感器元件408另一個邊緣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力敏感區(qū)域。在本例中，實質上是從邊緣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生對垂直施加力412的均勻力分布416，其中力傳播器406由與力檢測元件408相比，具有實質上更高模量的材料形成，并且若力檢測元件408與其寬度相比較厚。在實際中，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的另一個邊緣408b可使軸承面410頂離(lift off)。這可能導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的存在和所產生的變形的連續(xù)性(continuity of deformation)產生了力分布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。我們也可假設傳感器元件僅對垂直力做出響應，因此可以認為力分布沒有剪切分量。根據力分布526，拉力526b平衡了關于力分量526a的邊緣408a的力矩。因此，力分布526是非常不均勻的。
我們很難提供對在不可預測的正切力分量變化地產生這樣的極端分布情況下的凈力(net force)的精確響應。若要使用的傳感器具有實用程度的響應統(tǒng)一性和/或完整電連接實用的統(tǒng)一性，則需要減少變化水平以獲取給定的準確度水平?？蓽p少圖4和5的中傳感器的整個尺寸，以嘗試獲取足夠低的高度。然而，這可能不實用，這是由于結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(因此是電勢正切力靈敏度)未發(fā)生變化。
由于傳感器負載分布中的變化強烈地取決于角度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，薄的力傳播器必須根據力具有力矩而彎曲，但是下面的材料無處可去的事實阻止了這樣的撓曲。結果是使力分布集中了，并且沒有在傳感器元件的整個寬度上傳播。盡管在變化施加力的角度的情況下，這個分布與從前相比，就絕對程度而言移動得更少了，但是它仍相對它自身的寬度移動了許多。這樣，響應統(tǒng)一性的問題保留。
我們參考圖12A和12B會更好的理解這個問題。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的施加產生壓縮應力分布1216a。由于傳播器1206和元件1208的薄的外形，應力分布1216a集中于中心。結果，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1222的高度成比例的力矩，該力矩必須由垂直力的反向對(opposing pair)來平衡，所述垂直力趨向于在力分布到達的極限附近的橫向距離處產生。這樣，這些不均勻力與正切力的比值同樞軸點1222的高度與該橫向距離的比值(即，θ的正切)成比例。
在圖12B中確認了這里θ的高值表示具有變化分布的一個繼續(xù)的問題。施加有角度力(An applied angled force)1212b產生力分布1216b。盡管這僅在絕對范圍內適當?shù)刈兓桥c分布1216a揭示的點對點(point by point)相比較，已經確實出現(xiàn)了力的大的相對變化。
除了對正切力的連續(xù)高電勢靈敏度之外，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。
簡短地返回圖4B，力檢測元件408再次為低模量和低高寬比。但是對堆積在作為墊層(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元件之間好像在傳感器材料的不嚴格選擇(relaxed choice)上幾乎沒有帶來什么益處。然而，將檢測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內的中心凹陷(central depression)的空隙。該凹陷允許樞軸1322落在檢測元件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上的觸摸構件1304位置的較小溫度變化期間，允許保持對準。如在美國專利申請第09/835,049號中進一步說明層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移，這進一步減少了來自響應于正切觸摸力的傳感器的問題。
在力傳感器1300的另一個變型中，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和檢測元件1308中的任何孔。應當理解，θ的結果值，盡管不再是標稱的零值，但是仍舊很小。
在傳感器1300中，我們可看到對于所有元件1308的力的有效分布有賴于墊層1330的存在；這樣整個傳感器組合裝置仍舊相當厚。若把墊層做得太薄，或簡單布置，則力可能結束而集中到就在檢測元件1308中的孔周圍的不可接受的小區(qū)域中。然而，若該孔同時被做得盡可能的大，則可保持足夠的負載檢測區(qū)域。
這樣，根據本發(fā)明的方法通過在將力傳遞到任何下面的結構之前在薄的梁構件中橫向傳遞力而同時解決了厚度過厚的問題和缺乏響應統(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的一個特定實施例。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的薄的力傳播構件620將中心接收力傳遞到布置在力傳播構件620的外圍區(qū)域中的力敏感材料624中。若力傳播構件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件620指為梁，但應當理解的是力傳播構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力響應特性的材料或裝置。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可在傳播構件620的整個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?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傳感器。例如，與圖4和5中闡明的設計相比較，我們獲得了對角度θ的非常小的有效值，這樣，傳感器負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，因為可能有來自朝向梁的夾住的支持的任何趨向的力矩。然而，不管力分布的實際形狀，力分布的形狀和位置實質上是不變的，在所施加的垂直力的上下線性的定標，并且艱于根據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制的力傳播梁本身，可進一步減小角度θ。圖7中示意性地闡明了使用作為部分敏感機制的力傳播梁720的力敏感單元700的實施例。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上導至梁720的應變、撓曲和/或偏轉，可以檢測其中的任何一個來提供一個信號，所述信號表示通過傳感器的垂直力分量。
應該理解，梁720的應變、撓曲和偏轉幾乎完全由施加力712，F(xiàn)的垂直分量支配，不考慮施加力712的角度。當梁720時，可對梁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722傳遞通過點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722處的正切力產生關于中間平面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。若檢測到梁的偏轉，例如，如上述關于圖2的電容性，若梁720和下面的電極之間的間隙不是被對稱地隔開的話，則會產生微小的誤差。然而，在給定力角度處維持給定準確度所要求的相對統(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)點的電容性力傳感器的其它實施例，這些優(yōu)點包括降低對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軟化。
首先參考圖8A和8B，從充分平坦的支持構件802形成。電極圖案成形于支持構件802上，所述支持構件802包括一個或多個與彈簧構件806相連的第一電極804以及至少第二電極808。彈簧構件806更好是有機械彈性并具有導電性。例如，可從金屬或從諸如塑料這樣的涂敷導電物的絕緣體來形成彈簧構件。可使用任何適合的方法把支持構件802安裝在下面的軸承面820上。例如，支持構件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形成于彈簧構件806和第二電極808之間。如所示，可通過用在彈簧構件806的每個末端處的微小偏移來塑造彈簧構件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件，并且通過將彈簧構件806與第二電極808用暫時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件806和第一電極804的焊料來形成間隙810。
當壓力的作用下把彈簧構件806壓到覆蓋812時，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，以允許測量傳感器800電容。彈簧構件配備有形式為凸紋的轉動力軸承(pivoted force bearing)816。該結構有利地提供了抵抗極端過載的優(yōu)良強度(strength)。
在一個特定的例子中，可用彈簧鋼形成彈簧構件806，并可大約為250μm(10mil)厚，和約6mm(0.25”)寬。彈簧構件可大約為17mm(0.75”)長，并在模具上壓制成形。電容性間隙810可為約125μm(5mil)。支持構件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件802和表面820之間。這種結構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。應當理解，所提供的尺寸和特定材料僅為了說明，無論如何不應作為限制。應該基于正構造的特定觸摸裝置的特性而選擇傳感器組件的尺寸。
該結構提供了這樣的優(yōu)點，如果表面820彎曲，則傳送到支持構件802的作為結果的曲率較少，這樣就減少了外圍力(enclosure forces)加在測量力上的影響。
現(xiàn)在參考圖9A和9B，電容性傳感器的另一個實施例900包括用向外突出微坑916形成的彈簧構件906。圖9A示意性地闡明了該情況下的傳感器900，而同時圖9B提供傳感器900的分解圖。
彈簧構件906安裝在支持902上，所述支持902配備有包括一個或多個第一電極904和第二電極908的電極圖案。彈簧構件906與第一電極904聯(lián)結，并與之隔開，例如，使用與上面相對于傳感器800描述的技術中的一種技術相同的技術來實現(xiàn)。在彈簧構件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。支持構件902安裝在表面924上。
在傳感器900的一個特定實施例中，用彈簧鋼形成150μm(6mil)厚和幾乎6mm(230mils)長，大約3mm(120mil)寬的彈簧構件906。彈簧構件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件906。電容性間隙910可為25μm(1mil)高。在抵住相當可變形的背托(backing)(例如鋁)壓下彈簧構件906，可使用彈簧負載中心沖床來形成軸承微坑916。彈簧構件的自由可為約3.75mm(150mils)，其中心2.15mm(86mils)與第二電極908對立。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)。對傳感器800和900而言，這個改變對相對間隙變化是較小的較小力來說實質上是線性的。然而，使用較大的力，電容性區(qū)域的中心接近了，而同時保持邊緣隔開更寬；這就導至電抗的非線性下降變得比線性更快?？稍谔幚韨鞲衅餍盘枙r完成對這個非線性響應特性的補償。在另一種方法中，可提供電容性傳感器的不同實施例，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)明的另一個方面是，即使在一個或多個電容器板通過響應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單信號處理來測量改善的線性。
圖10中示意性地闡明了具有擴展線性響應范圍的電容性傳感器的一個特定實施例。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具有彈簧構件106，該彈簧構件1006具有輕微彎曲的控制形狀。當中心部分1006c提供相對于第二電極1008的最大電容性間隙1010時，該彎曲允許彈簧構件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上的力有一個等級，它正好足夠于首先使彈簧構件1006與第二電極1008接觸。還可以如此地使彈簧構件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的許多點處同時出現(xiàn)接觸。這就減少了傳感器響應的非線性性。在美國專利申請第09/835,040號中對這樣的傳感器做了更詳細的說明。
電容性力傳感器的彈簧構件不必為如圖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。在美國專利申請第09/835.040號中進一步討論了彈簧構件的另外的形狀和形式。
可使用由在特定的一個或多個區(qū)域中涂敷的絕緣材料制成的彈簧構件來形成電容性傳感器。這樣的傳感器的一個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的側面上，槽1124既增加PC基片中的撓曲又使該撓曲相對局部化。力通過槽1124末端的向外部和周圍傳遞，最終到達支持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的變化(force-induced changes)相關聯(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的對稱性的效果?？赡芤詫ΨQ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軟化。如這樣，襯墊1116可提供微坑914和橫向軟化器920的功能。可以使該1116用粘膠固定在電容器板1118的下面，但不是附加在上面。然后，可以對諸如覆蓋1126這樣的在傳感器1100之上的結構進行對準和加載。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準和組合裝置的可能性。
圖15C中示意性地闡明的另一個實施例1150示出了通過上部電容器板1118長度傳遞的變更的力路徑。這個上部板1118現(xiàn)在可對與電容性間隙相關聯(lián)的彈性能量存儲做出顯著的貢獻；在這個情況下，應當理解，將上部板1118視作附加的彈簧構件1106a，它與下部主元件1106或彈簧構件相呼應而工作。力從彈簧構件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，進入中心區(qū)域1122，并從此到支持1152。
應當理解本發(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第09/835,040號中做了進一步討論。這里討論的實施例的變型的一個例子是可把樞軸點連接在覆蓋的下邊，而不是連接在力傳感器的彈簧構件上。在另一個變型中，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面。
如上指出的，本發(fā)明適用于觸摸屏，并且我們相信其對減少基于力的觸摸傳感器的正切力靈敏度尤其有用。不應考慮本發(fā)明限制在上述特定范例中，應當認識到的是應覆蓋如附加權利要求書中清楚陳述的本發(fā)明的所有方面。在本發(fā)明所針對的本領域的熟練技術人員閱讀來說明書后會很容易地明白本發(fā)明可適用于不同的修改、同等過程以及許多結構。該權利要求書將包括這樣的修改和裝置。
權利要求
1.用于測定施加到觸摸屏上力的位置的裝置，包含觸摸構件；基座支持；聯(lián)結在所述觸摸構件和所述基座支持之間的聯(lián)結單元，所述聯(lián)結單元包括在外圍部分與各個梁構件支持相連的梁構件，相對于所述外圍部分實質上沒有得到支持的所述梁構件的中心部分，在所述觸摸構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件的中心部分和所述梁構件的外圍部分之間延伸；以及至少一個傳感器元件，把它布置成測量表示由施加到所述觸摸屏上的力在所述梁構件位置處產生的力的信號。
2.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于所述聯(lián)結單元包括所述至少一個傳感器元件。
3.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于沿著第一方向拉長所述梁構件，并且所述被拉長的梁構件具有在其外圍部分處的相應第一和第二末端。
4.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構件實質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.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于進一步包含布置在所述梁構件的第一表面上的旋轉軟化器。
6.如權利要求5中所述的裝置，其特征在于所述旋轉軟化器包括所述梁構件的第一表面的突出部分。
7.如權利要求5中所述的裝置，其特征在于所述旋轉軟化器包括在所述梁構件的第一表面上的一部分彈性體材料。
8.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于把所述梁構件布置在所述觸摸構件和所述梁構件支持之間。
9.如權利要求8中所述的裝置，其特征在于所述梁構件支持是與所述基座支持一起完整地形成的。
10.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于把所述梁構件支持布置在所述觸摸構件和所述梁構件之間。
11.如權利要求10中所述的裝置，其特征在于所述梁構件支持是與所述觸摸構件一起完整地形成的。
12.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于所述至少一個傳感器元件包含用力敏感材料形成的梁構件支持中的至少一個。
13.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于至少一個傳感器元件包括在所述梁構件和所述基座支持上的電極之間形成的電容器。
14.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構件至少包括金屬表面，以形成可相對于所述基座支持上電極移動的電容器的第一板。
15.如權利要求14中所述的裝置，其特征在于用金屬形成所述梁構件。
16.如權利要求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材料形成所述梁構件。
17.如權利要求1中所述的裝置，進一步包含布置在所述觸摸構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于所述至少一個傳感器元件的橫向運動。
18.如權利要求1中所述的裝置，其特征在于所述梁構件將接收自所述觸摸構件的力傳遞到所述外圍部分，其距離大于所述梁構件的厚度。
19.檢測具有觸摸構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質上沒有得到支持，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；以及測量表示傳遞到所述力傳播器的部分施加力的信號。
20.如權利要求19中所述的方法，進一步包含從在所述測量步驟中測量的信號來測定所述觸摸構件上的觸摸的位置。
21.如權利要求19中所述的方法，其特征在于測量表示所述部分施加力的信號包括檢測由所述施加力產生的位移。
22.如權利要求19中所述的方法，進一步包含根據在所述測量步驟中測量的信號，測定施加到所述觸摸構件的觸摸的位置。
23.如權利要求19中所述的方法，進一步包含將所述觸摸構件和下面軸承面中的一個的扭矩與所述觸摸構件和下面軸承面的另一個的扭矩隔離開來。
24.如權利要求23中所述的方法，其特征在于隔離所述扭矩包括旋轉布置在所述觸摸構件和所述下面軸承面之間的旋轉軸承。
25.如權利要求23中所述的方法，其特征在于隔離所述扭矩包括旋轉布置在所述觸摸構件和所述下面軸承面之間的彈性體軸承。
26.如權利要求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的距離。
27.如權利要求19中所述的方法，其特征在于測量表示部分所述施加力的信號包括壓縮力敏感材料并檢測所述力敏感材料特性中所產生的變化。
28.如權利要求19中所述的方法，其特征在于測量表示部分所述施加力的信號包括改變電容器的電容量并測量電容量的變化。
29.如權利要求28中所述的方法，其特征在于所述力傳播器形成一個所述電容器的傳導表面，并且改變所述電容器的電容量包括相對于所述電容器的第二傳導表面移動所述力傳播器。
30.如權利要求19中所述的方法，進一步包含將所述力傳播器與施加到所述觸摸構件上的正切力隔離。
31.如權利要求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件和下面軸承面之間布置橫向軟化器。
32.如權利要求19中所述的方法，其特征在于進一步包含通過所述觸摸構件向用戶顯示圖像。
33.如權利要求32中所述的方法，其特征在于進一步包含測定所述觸摸屏上的觸摸的位置并根據所確定的觸摸的位置測定而改變所述圖像。
34.如權利要求32中所述的方法，其特征在于進一步包含通過所述觸摸屏顯示所述圖像。
35.如權利要求32中所述的方法，其特征在于進一步包含在所述觸摸屏上顯示來自圖像顯示器的圖像。
36.用于檢測施加到觸摸構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質上沒有得到支持，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，用于測量表示被傳遞到所述力傳播裝置的部分施加力的信號。
37.用于測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)結單元與所述基座支持相連的觸摸構件，至少其中一個所述聯(lián)結單元聯(lián)結在所述觸摸構件和所述基座支持之間，所述聯(lián)結單元包括在外圍部分與各個梁構件支持相連的梁構件，相對于所述外圍部分實質上沒有得到支持的所述梁構件的中心部分，在所述觸摸構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件的中心部分與所述梁構件的外圍部分之間傳遞；以及至少一個傳感器元件布置成測量表示在所述梁構件位置處的力的信號；以及聯(lián)結的觸摸面板控制器，以接收來自所述至少一個傳感器元件的信號，并測定所述觸摸面板上的觸摸位置。
38.如權利要求37中所述的系統(tǒng)，其特征在于進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件顯示給所述用戶。
40.如權利要求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.如權利要求38中所述的系統(tǒng)，進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.用于對觸摸屏上的觸摸位置進行定位的裝置，包含觸摸構件；接收結構；力傳播構件，具有聯(lián)結的集中力接收區(qū)域，以接收從所述觸摸構件傳遞到所述力傳播構件中的力，并且其具有力分布區(qū)域，以將所述力傳播構件之外的力傳遞到所述接收結構，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構和力傳播構件，以使在所述力保持在測量范圍中時，通過所述力傳播器所產生的從所述力產生的所述力傳播構件的曲率變化保持所述力傳播的負載，以便把在所述傳播構件中的所述力傳遞到實質上所有的所述分布區(qū)域中；以及檢測元件，布置成用來檢測表示通過所述力傳播構件的力的信號。
43.如權利要求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立的所述力傳播構件的第二面上。
44.如權利要求43中所述的裝置，其特征在于通過所述力傳播構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.如權利要求42中所述的裝置，其特征在于當所述力在所述力測量范圍中時，把接收結構布置成阻止與最接近所述力接收區(qū)域的力傳播構件接觸。
46.如權利要求42中所述的裝置，其特征在于所述檢測元件檢測由所述力產生的位移。
47.如權利要求42中所述的裝置，其特征在于所述檢測元件對所述力傳播元件的撓曲做出響應。
48.如權利要求42中所述的裝置，其特征在于所述接收結構包括低模量材料的墊層，它與所述力接收區(qū)域最近的力傳播構件接觸。
49.如權利要求48中所述的裝置，其特征在于所述接收結構包括所述力檢測元件，并且所述力檢測元件將力從所述力傳播構件的分布區(qū)域傳遞到低模量材料的墊層。
50.如權利要求42中所述的裝置，其特征在于進一步包含聯(lián)結的觸摸控制器，以接收來自所述檢測元件的信號并以測定所述觸摸面板上的觸摸位置。
51.如權利要求50中所述的裝置，其特征在于進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.用于對觸摸屏上的觸摸進行定位的系統(tǒng)，包含觸摸構件；基座支持；聯(lián)結在所述觸摸構件的聯(lián)結區(qū)域和所述基座支持之間的聯(lián)結組合裝置，所述聯(lián)結組合裝置相對于所述觸摸構件和所述基座支持中之一不受限制地旋轉，所述聯(lián)結組合裝置包括具有主平面的梁構件，所述梁構件包括聯(lián)結的第一區(qū)域，以接收來自所述觸摸構件的力，所述梁構件進一步包括至少一個第二區(qū)域，所述梁構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第二區(qū)域中，所述力在所述梁構件之外通過所述至少一個第二區(qū)域向所述聯(lián)結組合裝置的梁構件支持傳遞，以及對與所述主平面垂直的力做出響應的傳感器元件。
55.如權利要求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件支持，并且把所述傳感器元件布置在所述梁構件和所述基座支持之間，以接收來自所述至少一個第二區(qū)域的力。
56.如權利要求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件支持，并且把所述傳感器元件布置在所述觸摸構件和所述梁構件之間，以接收來自所述觸摸構件的力。
57.如權利要求54中所述的組合裝置，其特征在于所述傳感器元件根據所述梁構件的撓曲產生檢測信號。
58.如權利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進一步包含布置在所述觸摸構件和所述梁構件第一區(qū)域之間的樞軸。
59.如權利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進一步包含布置在所述觸摸構件和所述梁構件的第一區(qū)域之間的、由較低楊氏模量材料制成的聯(lián)結塊。
60.如權利要求54中所述的組合裝置，其特征在于進一步包含聯(lián)結的觸摸控制器，以接收來自所述力檢測元件的信號并以測定所述觸摸面板上觸摸的位置。
61.如權利要求60中所述的組合裝置，其特征在于進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件之下，以通過所述觸摸構件向觀察者顯示所述信息。
63.如權利要求61中所述的組合裝置，其特征在于所述觸摸構件包含所述顯示器。
全文摘要
觸摸屏使用一個或多個力傳感器(220)來測定屏幕上觸摸的位置。力傳感器(220)具有精確測定的靈敏度方向，并且因此就降低了與屏幕不垂直力的靈敏度。傳感器(220)與活動力檢測元件(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，具有更好的機械完整性(mechanical integrity)、準確度、靈敏度和高的信噪比組合。傳感器(220)也可為旋轉柔軟的(rotationally soft)，這樣以使有效的阻止覆蓋(overlay)(210)或支持表面(support surface)的扭轉運動影響敏感力。
文檔編號G06F3/033GK1502090SQ02808121
公開日2004年6月2日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權日2001年4月13日
發(fā)明者J·B·羅伯茨, J B 羅伯茨 申請人:3M創(chuàng)新有限公司