专利名称：多点触摸屏的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及触摸屏(touch pad)，并特别涉及一种多点触摸屏数据输入设备。
目前，触摸屏在多种应用和各种设备中被使用。它们也在计算机上被用来控制定点设备，以及视频游戏控制器和安全系统键盘，这仅是举几个例子。传统触摸屏通常仅能一次登记一个触摸，并且除非触摸在触摸屏的特定位置上，否则通常不能登记一个触摸。通常，与计算机设备一起使用的触摸屏将登记一个手指触摸屏幕的初始位置，随后手指的移动将与该初始位置点有关。而且，某些计算机触摸屏通常可以包含两个专门的区域，在所述区域施加的压力对应于点击一个左或右鼠标按钮。其它的计算机触摸屏感应在触摸屏的任意点上的手指单击或双击，正如相应于点击左或右鼠标按钮一样。因此，单点触摸屏主要用作一个计算机或这样一种设备的定点设备，这种设备例如键盘仅登记一个特定位置的触摸。
包括视频游戏系统、计算机、以及包含电子音乐的设备的新技术都要求多点触摸屏技术。多点触摸屏可以在单个触摸屏上同时检测多个触摸点。目前，多点触摸屏技术包括使用基于光纤的压力感应，压敏电阻(FSR)、压电传感器和电容接触传感器。上述技术允许触摸屏记录多个触摸。然而，特别是在压敏电阻(FSR)、压电传感器和电容接触传感器的情况下，除非触摸屏上的传感器被直接触摸，否则将检测不到触摸屏上的一个触摸。因此，如果传感器之间的间隙被触摸，那么将不能正确地检测或登记触摸。
另一个期望的多点触摸屏的特征是测量压力以及多点触摸的能力。FSR、压电传感器和电容接触传感器是能够响应于压力的其他类型的传感器。然而，它们在测量压力中遇到了上述的相同问题，也就是，如果不是被直接触摸，那么只有来自传感器的一点响应，错误响应或没有响应。
这样，上述触摸屏在用户寻求精确或准确控制各种类型的设备时受到使用的限制。因此，需要一种能确保同时发生的多点触摸可以被准确和精确感应并记录的多点触摸屏。另外一个期望就是多点触摸屏能准确和精确感应并记录触摸地方的压力。
发明简介本发明涉及一种多点触摸屏设备，该设备使用应变仪或相当的测量设备来测量位置或触摸压力，以确保触摸屏上的触摸准确和精确。使根据本发明的优选实施例的一种多点触摸屏设备能够感应同时发生的多个触摸，以及准确并精确地记录每个触摸所登记的压力。借助可以被编程到数字信号处理器(DSP)中的专门编写和设计的数学算法，将来自触摸屏的各种输出信号编辑和计算为一组与触摸点相关联的位置和压力。
根据本发明的优选实施例的一种触摸屏可以包括一个触摸表面。诸如应变仪的多种压力传感器排列在触摸表面下并与之耦接。当一个用户多点触摸表面时，压力传感器把压力读取信号发送给处理器，处理器使用这些读取信号来计算触摸的位置并且还优选地计算触摸压力。然后，处理器发送控制信号以控制设备的操作。
从结合附图的以下详细描述中本发明的其它目的和特征将变得更显而易见。然而应该理解，所述附图仅设计用于示例的目的，并不作为本发明的一种限制性定义。
附图简述在仅仅是示例性的一些视图中，相同参考数字表示相同的元件
图1是根据本发明一个优选实施例的多点触摸屏的透视顶视图；图2是图1中多点触摸屏的俯视图；图3是图2中多点触摸屏沿着线3-3的截面视图；和图4是根据本发明优选实施例的一种示意性的处理流程图。
优选实施例详述本发明提供了了一种具有触摸表面的多点触摸屏设备，所述触摸表面具有定义一个平面的顶部表面，所述触摸屏设备还具有一个基底，该基底也具有定义一个平面的表面。至少一个壁基本垂直于并远离基底边缘的平面延伸。基底和至少一个壁形成了触摸屏外壳。由一种软的，具有弹性的材料制成的支撑层优选布置在触摸表面的下面。支撑层的上面包括许多压力读取设备，例如应变仪，这种应变仪可以胶粘接合，或者优选以一种矩阵结构的形式耦接到支撑层的上表面。触摸层可以由一种薄的类似薄膜的材料形成并优选布置在应变仪矩阵的上面。触摸层优选胶粘接合或连接在应变仪矩阵的上面。因此应变仪矩阵可以布置在支撑层和触摸层之间。
每个应变仪传感器都具有一对传感器导线，用于测量来自应变仪传感器电阻的变化，该变化由在屏幕位置上的单个触摸和压力或者多个触摸和压力引起。来自应变仪矩阵的每个应变仪的一对传感器导线优选通过一单独的信号电缆连接到一个数字信号处理器(DSP)。所述DSP优选地被构造用于测量每个应变仪传感器上的电流(和/或电压)变化作为应变的一种测量，并基于包含在DSP中预编程的数学算法，使用与应变相关的该信息来计算触摸点的精确位置和相对的压力。来自DSP算法的计算结果被发送到应用程序平台，其中触摸点位置和/或传感压力由期望的应用程序来使用。
现在参照附图，详细论述本发明的各种实施例。首先参照附图1-3，参照数字10描绘并通常表示根据本发明一种实施例的多点触摸屏设备。多点触摸屏10优选地单一形成，并且包括一个基底20，该基底具有定义了一个平面的顶部表面38。壁14延伸通常垂直于并远离基底20边缘的顶部表面38的平面。与至少一个壁14结合的基底20用来形成一个触摸屏外壳12。
现在参照图3，同时继续参照图1和2，具有一个顶部表面32和一个底部表面28的支撑层26可以与触摸屏外壳12具有近似的大小和形状。支撑层26可以由一种具有震动吸收特性的软的类似泡沫的材料形成，并被布置在触摸屏外壳12中。在本发明的一种优选实施例中，支撑层底部表面28与顶部表面38邻近固定并且相互平行。许多传感器，优选为应变仪16，与支撑层顶部表面32邻近布置，优选地是以一种矩阵结构的形式。
本领域普通技术人员所公知的各种类型的传感器都可以用于本发明，例如压敏电阻(FSR)，压电传感器和电容接触传感器。然而，应变仪16可以提供更精确的响应特性，并且与本领域普通技术人员所公知的其它传感器相比，可以具有更高的成本效益。应变仪16是用于本发明的优选传感器。
继续参照图3，以及继续参照图1和2，触摸层24布置在应变仪16上，并且与应变仪16胶粘接合以形成矩阵结构以实现一种对于多点触摸屏10可接受的覆盖和响应程度。实际上，应变仪16将检测应变仪16和触摸层24组合的变形，这种变形将引起应变仪16的电阻成比例的变化。当一个电压被施加到应变仪16上时，变形及其因此引起的电阻变化将引起通过应变仪16的电流(或两端的电压)变化；而电流(或电压)的变化是可测量的。
如图1-3所示例，触摸层24具有一个触摸层顶部表面18和一个触摸层底部表面34，触摸层24有利地由弹性材料形成，例如弹性钢或青铜，并且触摸层24还具有使应变仪16隔离潮气和灰尘渗入的特性，同时触摸层对触摸也是灵敏和精确的。与应变仪16邻近布置的是支撑层26，当没有压力施加在应变仪16上时，支撑层使应变仪保持为平的，从而防止了从多点触摸屏10错误地读取。
现在参照图2，每个应变仪16都包含一对传感器导线36。传感器导线36还连接到数字信号处理器(DSP)50。传感器导线36封装在信号电缆22中，信号电缆22被连接到触摸屏外壳12和DSP 50。借助于包含在DSP 50中的一种算法(例如被软件编程)，DSP 50处理经传感器导线36从应变仪16接收的信号。
现在参照图4，并继续参照图2，构造DSP 50来执行图4中描绘的流程图所表示的算法。控制DSP 50算法的软件可以由不同的程序员以各种形式或编程语言来编程。但是，功能应当与用于多点触摸屏10的数学公式保持一致以根据其设计进行操作。
图4所示例的流程图描绘了多点触摸屏10的操作和性能，其中多点触摸屏具有其中包含有被软件编程算法的DSP 50。流程图112包括一个触摸模块100，该模块示例了用户以单个位置和压力同时以多个位置和压力触摸该触摸屏。参照传感模块102，用户的触摸引起了一个或多个应变仪16的电阻变化被登记在应变仪16上，然后这种变化通过传感器导线36发送到DSP 50。然后DSP 50对该信号抽样，如DSP抽样模块104所示例的。
DSP 50被利用一种软件算法编程，该算法包含多点触摸屏10上应变仪16的已知位置。这些位置利用以下公式来识别(a_i，b_i)，i＝1，2，...，N，其中N是应变仪16的数量，并且应变仪16的测量压力是p_i，i＝1，2，...，N。为了示例的目的，假定多点触摸屏10上的触摸点的位置是(x_j，y_j)，j＝1，2，...，M，其中M是触摸点的已知数量(小于N)，但是x_j和y_j是未知的并将通过公式计算确定。另外，假定触摸点的压力是z_j，j＝1，2，...，M，它也利用软件算法来计算。
然后在DSP 50中编程的软件算法把抽样数据从DSP抽样模块104传送到DSP计算模块106，在计算模块中软件算法使用以下数学公式计算触摸点的位置和压力p_i＝w(|(x_1，y_1)-(a_i，b_i)|)z_1+w(|(x_2，y_2)-(a_i，b_i)|)z_2+...+w(|(x_M，y_M)-(a_i，b_i)|)z_M，i＝1，...，N；其中w((x_i，y_j)-(a_i，b_i))是反映压力z_j对p_i影响的加权因子。DSP 50中软件算法还计算w((x_i，y_j)-(a_i，b_i))是触摸点(x_j，y_j)和传感器位置(a_i，b_i)之间的距离的函数。软件算法还计算|(x_j，y_j)-(a_i，b_i)|＝sqrt((x_j-a_i)*(x_j-a_i)-(y_j，b_i)*(y_j，b_i))作为触摸点j和传感器i之间的距离。符号“sqrt”表示平方根。
进一步参照图4和包含在DSP 50的软件算法中的方程，该方程计算在应变仪16上测量的压力，以及“i”是多个触摸点引起的压力分量的总和。每个压力分量为对应于触摸点的压力，以及在触摸点和传感器位置之间距离的函数。在触摸点和各个应变仪16之间的距离越远，触摸点对应变仪16的影响就越小。通过为未知值求解方程，将确定多个触摸点的位置和压力。然后把DSP计算模块106中执行的计算结果通过DSP输出模块108输出到一个应用程序，如在应用模块110中所示例的。
再参照图2，多点触摸屏10包括通过传感器导线36连接到DSP 50的应变仪16。DSP 50还连接到应用程序平台60，该应用程序平台利用来自DSP 50的输出信号控制应用程序。利用应用程序平台60控制的应用程序可以包括计算机设备、视频游戏控制器、音乐设备、可选择的键盘等等。
尽管本发明已经结合优选实施例进行了描述，但是，应该理解对本领域普通技术人员来说，在上述原理范围内的许多修改都将是显而易见的，因此本发明并不限定于这些优选实施例，而是意图包括这些修改。
权利要求
1.一种多点触摸屏，包括具有顶部表面(18)和底部表面(34)的触摸层(24)和耦接到触摸层(24)的底部表面的许多压力传感设备(16)，这样就使得施加到顶部表面的触摸压力将压力传给触摸压力位置附近的压力传感设备(16)；每个压力传感设备(16)都耦接到一个处理器(50)，该处理器被构造用于基于从压力传感器(16)读取的传感压力计算被触摸的顶部表面(18)上至少两点的位置。
2.根据权利要求1所述的触摸屏，其中，所述处理器(50)还被构造用于计算在每个触摸点上施加的压力。
3.根据权利要求1所述的触摸屏，其中，所述压力传感设备(16)包括从由压敏电阻、压电传感器和电容接触传感器构成的组中所选择的一个传感器。
4.根据权利要求1所述的触摸屏，其中，所述压力传感设备(16)包括应变仪。
5.根据权利要求1所述的触摸屏，其中，所述压力传感器(16)以矩阵形式排列。
6.根据权利要求1所述的触摸屏，其中，所述处理器(50)被构造用于执行以下算法a.对来自多个压力传感设备(16)的压力传感信号进行抽样；b.计算触摸屏(10)上的单个或多个触摸位置；c.计算施加在触摸屏(10)上的每个触摸的压力值；d.输出计算数据。
7.根据权利要求6所述的触摸屏，其中，所述处理器(50)被构造用于执行包含多点触摸屏上压力传感设备(16)的已知位置的算法；位置利用以下公式识别(a_i，b_i)，i＝1，2，...，N，其中N是压力传感设备(16)的数量，并且压力传感设备(16)的测量压力是p_i，i＝1，2，...，N；多点触摸屏(10)上触摸点的位置利用以下公式识别(x_j，y_j)，j＝1，2，...，M，其中M是触摸点的已知数量(小于N)，但是x_j和y_j是未知的并将通过所述公式计算确定；利用公式z_j，j＝1，2，...，M来识别触摸点的压力，它也使用所述算法来计算；所述算法把抽样数据从DSP抽样模块(104)传送到处理器计算模块(106)，所述算法在该处理器计算模块中利用以下数学公式计算触摸点的位置和压力p_i＝w(|(x_1，y_1)-(a_i，b_i)|)z_1+w(|(x_2，y_2)-(a_i，b_i)|)z_2+...+w(|(x_M，y_M)-(a_i，b_i)|)z_M，i＝1，...，N；其中w(|(x_i，y_j)-(a_i，b_i)|)是反映压力z_j对p_i的影响的加权因子；所述算法计算w(|(x_i，y_j)-(a_i，b_i)|)是触摸点(x_j，y_j)和传感器位置(a_i，b_i)之间距离的函数；所述算法计算|(x_j，y_j)-(a_i，b_i)|＝sqrt((x_j-a_i)*(x_j-a_i)-(y_j，b_i)*(y_j，b_i))作为触摸点j和传感器i之间的距离，使用符号“sqrt”来表示平方根。
8.一种利用触摸屏控制一种应用的方法，包括以下步骤提供一个触摸屏(10)，该触摸屏具有包括顶部和底部的触摸表面(24)，和许多排列在触摸表面(24)下面并耦接到触摸表面底部的压力传感器(16)；在至少两点触摸触摸表面的顶部；将对应于每个传感器(16)上压力的信号发送给处理器(50)；基于对每个传感器(16)上压力的比较来执行一种算法以便确定所述至少两个触摸点的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤计算在每个被触摸的点上施加的压力。
10.根据权利要求8所述的方法，其中压力传感设备(16)是从由压敏电阻、压电传感器和电容接触传感器构成的组中选择出来的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中压力传感设备(16)包括应变仪。
12.根据权利要求8所述的方法，其中压力传感器(16)以矩阵结构排列。
13.根据权利要求8所述的方法，其中处理器(50)执行一种包括以下步骤的算法a.对来自多个应变仪(16)的信号进行抽样；b.计算触摸屏(10)上的单个或多个触摸的位置；c.计算施加在触摸屏(10)上每个触摸的压力值；d.从所述算法输出计算数据以便控制所述应用。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤利用公式识别压力传感设备的位置(a_i，b_i)，i＝1，2，...，N，其中N是压力传感设备(16)的数量，并且压力传感设备(16)的测量压力是p_i，i＝1，2，...，N；把多点触摸屏(10)上触摸点的位置编程为(x_j，y_j)，j＝1，2，...，M，其中M是触摸点的已知数量(小于N)，但是x_j和y_j是未知的并将通过所述算法的计算来确定；使用所述算法，利用公式z_j，j＝1，2，...，M来量化所述触摸点的压力；将抽样数据从抽样模块(104)传送到计算模块(106)；使用所述算法用以下数学公式计算触摸点的位置和压力p_i＝w(|(x_1，y_1)-(a_i，b_i)|)z_1+w(|(x_2，y_2)-(a_i，b_i)|)z_2+...+w(|(x_M，y_M)-(a_i，b_i)|)z_M，i＝1，...，N；其中w(|(x_i，y_j)-(a_i，b_i)|)是反映压力z_j对p_i的影响的加权因子；使用所述算法计算w(|(x_i，y_j)-(a_i，b_i)|)是触摸点(x_j，y_j)和传感器位置(a_i，b_i)之间距离的函数；所用所述算法计算|(x_j，y_j)-(a_i，b_i)|＝sqrt((x_j-a_i)*(x_j-a_i)-(y_j，b_i)*(y_j，b_i))作为触摸点j和传感器i之间的距离，使用符号“sqrt”来表示平方根。
全文摘要
一种包括基底的多点触摸屏设备(10)，该基底具有定义一个平面的顶部表面。支撑层具有一个顶部表面和一个底部表面。所述支撑层的顶部表面包括多个应变仪(16)，这种应变仪以一种矩阵结构布置在支撑层的顶部表面上。触摸层(24)布置在应变仪矩阵的上面；触摸层与应变仪矩阵的顶部连接在一起。传感器导线(36)把应变仪(16)连接到处理器(50)，该处理器被以某种算法编程来测量同时发生的多个触摸的位置和压力。
文档编号G06F3/041GK1582453SQ02822048
公开日2005年2月16日 申请日期2002年11月5日 优先权日2001年11月8日
发明者J·卢 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司