专利名称：振动感测触摸输入装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及触摸输入装置，所述触摸输入装置利用触板中传播的振动来确定与该触摸输入有关的信息。
背景技术：
电子显示器已广泛用于生活中的各个方面。尽管过去电子显示器的使用主要局限于诸如台式计算机和笔记本电脑之类的计算应用，但是随着处理能力变得更加容易达到，这种能力已被结合到各种应用中。例如，现在普遍看到各种应用中的电子显示器，诸如出纳机、游戏机、自动导航系统、餐馆管理系统、零售店付款队列、气泵、信息亭、以及手持数据管理仪等。对于使用者与这些显示器和装置的交互来说，通常发现提供触敏输入装置是有用而便捷的。
发明内容
本发明提供一种用于检测振动感测触摸传感器上出现持续触摸的方法。该方法包括步骤使用由于触摸引起的在触板中传播的振动来确定触板触摸表面的触摸位置；检测指示所述触摸表面上触摸的持续接触的信号；并且将指示所述持续接触的信号中的足够变化与从所述触摸表面的触摸的移开相关联。在各种实施例中，指示该持续接触的信号可包括触板的位移、触板的弯曲、从触摸接触耦合到触板的低频振动等。
本发明还提供一种触摸输入装置，其能从响应于由于触板触摸表面上的触摸输入引起的触板中传播的振动而产生的信号中确定触摸输入信息，其中该输入装置包括一个或多个传感器，其耦接到所述触板，并且构造成当所述触摸输入保持在所述触摸表面上时产生信号；以及电子装置，其被构造成接收由所述一个或多个传感器所产生的信号用来确定所述触摸输入是否已经从所述触摸表面移开。在一些实施例中，用来检测持续触摸输入的传感器同样可用于检测用来确定触摸位置的振动。在其他实施例中，可使用不同传感器来检测用来确定触摸位置的持续触摸输入和振动。
结合附图考虑本发明各种实施例的以下详细描述可以更完整地理解本发明，其中图1示意性地示出了本发明使用的振动感测触摸输入装置；图2(a)、2(b)和2(c)示意性地示出了根据本发明的触摸传感器的一些实施例；图3示意性地示出了根据本发明的并入了位移传感器的触摸传感器；图4是示出可在本发明的方法中执行的步骤的流程图；以及图5示意性地示出了包括本发明的振动感测触摸输入装置的显示系统。
尽管本发明可以进行各种修改和替代形式，但是其具体内容以通过附图中的示例方式在本发明的说明书中示出并将加以详述。然而，应该理解，本发明并不限于所述的特别实施例。相反，本发明将覆盖落入本发明精神和范围内的所有修改、等同物和替代。
具体实施例方式
本发明涉及振动感测触摸传感器，其中从振动产生的信号中能确定触摸接触位置，该振动是由于手指、指示笔或其他触摸工具在触板的触摸表面上的冲击或摩擦移动而引起的。
除了检测向下触摸和跟踪触摸接触以外，还可用于确定接触的抬起，指示触摸已从表面移开。根据本发明，通过监测指示触摸表面上持续触摸接触的信号并且其后检测该信号的变化(诸如信号电平的下降)，可以实现抬起的检测，该信号可与持续触摸的移开相关联。例如，触摸接触保持时存在的触板上的触摸力能产生指示持续触摸的信号。可使用多种技术来测量触摸力，这些技术包括测量触摸力下的触板的位移的技术和测量触摸力下触板的弯曲或挠曲的技术。持续触摸同样能使得相对较低频的振动耦合到触板。振动传感器可用于监测这些低频振动或隆隆声、指示持续触摸的存在以及随后指示抬起事件的不存在。在一些实施例中，用于从触摸的触摸冲击或触摸的摩擦移动来检测振动的相同振动传感器同样可用于检测隆隆声，而在其他实施例中，一个或多个单独传感器可用于检测隆隆声。
在使用触摸输入的系统中，获知抬起何时出现是有用的。例如，当触摸工具正好位于图标上时，与某一功能相关的显示图标可与被加亮并且触摸一抬起就执行相关功能。在拖放操作中，理想的是只有当检测到抬起时才执行放下功能。在很多应用中，抬起可被看作是使用者有意的动作，功能的执行取决于该动作。
因为接触的移开不能可靠地引起可检测到的振动，所以在触摸系统中抬起检测会很困难，抬起检测取决于由触摸冲击或摩擦移动所引起的振动信号。这些无源振动感测系统可与使用换能器来传播振动或超声波的有源振动感测系统形成对照，这些振动或超声波以能被检测到的方式与触摸工具进行交互。在这些系统中，只要触摸持续，就能立即测量，因此直接来检测抬起事件。
在国际公开WO 01/48684和WO 03/005292，欧洲专利EP 1240617B1，共同转让的美国专利申请USSN 10/729,540、USSN 10/750,290、USSN10/750,291和USSN10/750,502，美国专利申请US2003/0066692、US 2002/0135570和美国专利5,637,829中描述了示例性的无源振动感测触摸传感器的操作。简要地说，无源振动感测触摸输入装置能如下运作。诸如压电传感器之类的振动传感器以这样一种方式耦接到触板，该方式为传感器能在一频率范围内检测到触板中弯曲波振动，该频率范围至少包括可能由触板的触摸表面上的触摸输入的冲击所引起的振动频率。振动传感器拾取由向下触摸事件所产生的振动并且产生传送给控制器电子装置的信号。触板输入表面的触摸动作产生其带宽和幅度取决于接触材料(手指、指示笔、手套等)、触板材料(玻璃、丙烯酸等)以及接触强度的能量脉冲。接触点传递的能量向通常位于围绕触板周围的各点处(如矩形板的各个角)的振动传感器传播，该能量产生能被数字化的信号。控制器电子装置对数字化信号进行计算来确定触摸冲击的位置、或者与该触摸有关的其他信息(如触摸的强度、触摸工具的类型等)。
无源振动感测触摸输入装置同样能检测由触摸工具产生的、在触板输入表面上被跟踪到的振动。触摸工具和触板表面之间的摩擦接触能产生像噪声一样的信号，其带宽和幅度取决于触摸工具和触板的材料、触摸表面的粗糙度以及该粗糙度是周期的还是随机的、在其他物品中传播的速度和压力。接触点输入的能量传播到振动传感器，并且以与最初触摸冲击的非常相同的方式来计算其位置。
因为指示触摸输入的振动通常包括传播中易于分散的弯曲波振动，所以理想的是可能对输入位置或其他确定信息引起误差的分散效应进行校正。上述文献WO 01/48684公开了用于校正分散效应的示例性方法。
作为检测触摸冲击和摩擦触摸移动的基础的原理是，接触状态的变化引起能被触摸传感器感测到的振动。这具有相应的优点，即，与屏幕静态接触的其他物体对该性能具有最小影响。诸如手掌抑制和抗污染之类的特点利用了这一性能。例如，人们能把手靠在触摸传感器表面并用手指轻敲所述表面，即使存在手部接触也能确定手指敲击位置。
使用针对冲击或摩擦移动检测采用的相同技术，无源振动检测方法会很难检测触摸抬起事件。在许多场合下，触摸接触的移开并没有传递触摸工具的最初触摸冲击或摩擦移动引起的相同幅度的振动能量。同样地，抬起信号可能是不可检测到的，基于反向脉冲的抬起检测的方法可能不足以可靠地单独并入系统操作中。
一种能够用来检测抬起的方法是基于从与触摸表面相接触的触摸工具耦合到触板的低频信号。除了首次接触的能量输入以外，该方法取决于观察在使用者保持与触摸表面接触时通常存在的能被检测到的类似于低频噪声一样的输入。从持续触摸输入的噪声通常在0到200Hz的频率范围内，具有通常随着频率的增加而下降的信号电平。通过监测从持续触摸所产生的信号并检测这些信号的变化(如信号的下降或不存在)，抬起可以被登记。
在一些实施例中，能监测与由接触所输入的静力直接相关的0Hz信号。通常，用来检测由于触摸工具的触摸冲击或摩擦移动而引起的触板中的弯曲波振动的振动传感器更适于AC测量而非需要检测静力的DC测量。例如，适于振动感测的压电传感器是响应于压力而产生电荷的电容装置。随后可使用积分器装置来把该电荷转换成用于测量的电压，其不能为DC耦合并且不能保持足够稳定性。同样地，诸如电容式力传感器、应变仪、弯曲传感器和压电传感器之类的传感器可适合用来检测诸如板位移和/或板弯曲之类的0Hz持续触摸信号。
在其他实施例中，可使用耦接到触板的振动换能器来检测类似于低频(0Hz以上)噪声一样的信号。这些振动换能器可以是用于触摸定位的相同传感器，或者可以是用来监测持续触摸信号的一个或多个单独传感器。优选地，用来监测指示持续触摸的低频振动的传感器对至少在5到200Hz范围内的振动敏感。同样地，低频带宽的传感器和驱动电子装置应该足以感测至少在此区域内的信号。在运行中，由控制器所感测到的低频能量的电平的增加在一发生接触时就被登记，并且在触摸维持期间保持增加的电平。当抬起事件发生时，低频能量返回到较低电平。
低频信号可用作抬起的可靠测量，然而由于这些信号的带宽，导致响应速度比期望的要低。较慢的响应时间是由于不得不在感兴趣的低频处测量几个周期来检测变化而导致的，低频周期的波长可与触板的尺寸相类似。在此情况下，可以使用低频抬起测量更好地实现与包括反向脉冲的其他抬起检测技术相结合。反向脉冲是通过从触摸表面抬起触摸输入所引起的较小幅度扰动，这会引起给定情况下可以或不可以被检测到的较小幅度振动。在能可靠登记反向脉冲的情况下，如通常是自然手指移动的情况，随后能以较快响应时间报告抬起事件。在没有或者不能可靠登记反向脉冲的情况下，如可以是指示笔移动和一些轻柔的手指移动的情况，尽管可能是以减慢响应速度为代价，但是随后通过检测低频隆隆声的下降还可以可靠地报告抬起事件。因此，对于和最初触摸位置确定一样快的抬起响应不是太重要。通常，使用者期待刚好在触摸按下之后能在显示器中看到响应，如在约5到25微秒内。一旦使用者确认正确触摸位置，使用者就有可能针对由抬起触发的功能表现而容忍较长响应时间。实际上，使用者可能察觉用于检测抬起的较长响应时间是来开始所选功能的处理时间的一部分。
为了感测针对无源抬起的低频信号，优化低频范围内振动传感器的灵敏度是有益的。针对此情况的一个可能技术是利用沿垂直于触板的轴的压电传感器的灵敏度(z轴灵敏度)。在一实施例中，可设置压电传感器响应于弯曲波的传递来感测触板表面的面内应力。除了此方式以外，在z轴(垂直于触板表面)方向受到压缩时，传感器能产生电压。通过在触板外表面和支撑框之间放置泡沫塑料可以增强传感器的低频灵敏度。通常，传感器的输出电平随着置于触板下的泡沫塑料的硬度而增加。
一种替代方法是优化边沿悬置泡沫塑料来用作这些低频成分的枢轴，把低频振动从z轴力变成面内应力。可使用其正常模式的操作由压电传感器感测到面内应力。
增加系统对低频的灵敏度的一个潜在结果可以缩小动态范围。系统的动态范围是指通常由具有各种接触类型(指示笔、手指等)和触摸强度范围的自然使用所输入的信号的范围。最大信号来自于由指示笔或其他硬物在靠近传感器之一的位置处的有力触摸。最小信号通常来自于距离振动传感器之一较远处的较轻的手指触摸。使得低频灵敏度最大可以明显增加由传感器和控制器所登记的信号的电平，但是不改变针对触摸位置所使用的高频信号的幅度。因此，该系统在感测相同范围和触摸输入的种类时得益于较大动态范围。
一种对于减小的动态范围的可能方案是把高频和低频信号分开，并且用模数转换器(ADC)的不同通道来感测它们。可以把低频信号相加到一起并传递到一低速的ADC通道(因此成本低)。这些信号同样进行高通滤波后针对接触位置而被传递到四个分离的ADC通道。
以上说明针对的是出现接触时感测低频振动电平及其变化。除了感测低频振动的电平以外，还有益于测量每个传感器处的信号的相对相位。可通过分析频率响应，或者两选一地计算互相关或相关函数来实现这种测量。当存在大量低频噪声时，基于相对相位的方法可能是有益的。这里，接触的动作是由于背景振动而干扰了已存在于面板中的波，反过来将影响每个传感器处所拾取信号的相对幅度和相位。
类似方法是装备消除低频噪声的拾取信号的自适应滤波器。该方法既可以基于外部基准(诸如放置的加速度计或麦克风)来测量外部噪声或振动，也可以以成对方式来实现，其中一传感器信号被作为从另一传感器中消除信号的基准。当存在接触时，系统传递函数降低了消除滤波器的效果。随后消除信号可用作抬起的指示符。
可使用图1示意性示出的振动感测触摸输入装置100来实现本发明。振动感测触摸输入装置100包括具有耦接到触板120的振动传感器130A-130D的触摸传感器110、和适用于通过信号线140A-140D从振动传感器接收信号的控制器电子装置150。振动传感器130A-130D适用于检测由于触板上触摸工具的接触或摩擦移动引起在触板中传播的振动。感测到的振动被转换成能被控制器使用来确定触摸输入位置的信号，例如WO 01/48684中所述。
为了说明的目的，尽管可使用并以不同排列放置少一些或多一些振动传感器，但是图1示出四个振动传感器，矩形触板的每个角各一个。当试图把触板覆盖到显示器上使用而使得显示器通过触板可见时，可以期望在视线范围外放置振动传感器，例如，触板的角或边沿附近。因为所检测到的振动通常包括大量振动(并不限于触板表面)，所以既可以把振动传感器装在触板的顶(触摸)面，又可以把振动传感器装在触板的背面。
振动传感器可以是能检测触板中传播的振动的任何传感器。压电材料可以提供示例性振动传感器。只要得到的机械连接使得在触板中传播的振动足以能被振动传感器检测到，振动传感器130A-130D就能以任何适当方法粘合到触板120，例如使用粘合剂、焊料或其他适合材料。在共同转让的美国专利USSN 10/440,650和USSN 10/739,471中公开了示例性性振动传感器和振动传感器排列。
触板120可以是能支撑要被感测的振动的任何材料。优选地，触板120是硬质板，并且可以是诸如玻璃、塑料(聚丙烯酸脂、聚碳酸脂等)、木材、纸板、金属等任意适合材料。触板可透过可见光，或者不由该申请而定。当意欲通过触摸传感器浏览显示图像时，理想的是至少透过某种程度的可见光。触板同样可以并入静态图形(永久的或可移除的，层叠的或者附带的，或者紧密靠近地保持，并且位于触板上面或者下面)，而不管触摸传感器是否用于通过触板与可浏览的显示器相关联。触板同样可以被构造成使得图像投射到其上。触板同样可以并入粗糙正面，当使用者在表面上托拽手指或其他触摸工具时，该粗糙正面能帮助产生可检测到的振动。
振动感测触摸输入装置同样可以包括振动阻尼材料(未在图1中指出)来帮助触板与其周围声学地隔离开。例如，理想的是把触板安装在使得触板与外部振动基本隔离开和/或使得触板中传播的振动在边沿处被吸收以减少反射的系统中。示例性声学隔离材料可以包括诸如丙烯酸泡沫带之类的各种泡沫带、诸如以商业名称3M4956和3M 5962由3M公司销售的双面粘性带、聚氨酯泡沫带、诸如以商业名称3M 4314由3M公司销售的单涂层带等。可以适用的其他材料包括各种聚氨酯橡胶和硅有机树脂，还包括用于振动阻尼应用的粘弹性材料。
除了感测由于触板上触摸工具接触和摩擦移动引起的振动以外，在本发明的一些实施例中可使用振动感测触摸输入装置100的一个或多个振动传感器130A-130D来检测指示持续触摸的信号。例如，在持续触摸期间，可使用一个或多个振动传感器130A-130D来监测耦合到触板的低频隆隆声。在此情况下，理想的是采用对小于大约200Hz的频率敏感的至少一个振动传感器。作为另一示例，可使用一个或多个振动传感器130A-130D来监测持续触摸影响下触板的弯曲。在此情况下，理想的是采用足够长并且位于使得位于对由静态板弯曲所引起的表面应力敏感的方向的至少一个振动传感器。
在一些实施例中，为了检测持续触摸，除了用于触摸位置检测的振动传感器以外，还可以使用一个或多个传感器。图2(a)-(c)示意性地示出了一些非限制性的示例。
在图2(a)中，振动感测触摸输入装置200A包括触板210A、位于触板的各角用于检测由于触摸接触和/或摩擦移动引起的振动的振动传感器220A和位于触板一侧的低频隆隆声检测器230A。隆隆声检测器230A可以是任意振敏装置，优选地，尤其对低频振动敏感。隆隆声检测器可位于触板上任意适合位置。同样可以使用附加隆隆声检测器。
在图2(b)中，振动感测触摸输入装置200B包括触板210B、位于触板的各角用于检测由于触摸接触和/或摩擦移动引起的振动的振动传感器220B和位于触板每一边沿的板弯曲传感器230B。板弯曲传感器230B可适用于检测持续触摸影响下出现的静态板弯曲。板弯曲传感器230B可以是诸如对较长波长敏感的张力量规或拉长压电传感器之类的任意适合装置。尽管图2(b)示出了四个板弯曲传感器，但是应该理解，可以使用少几个或多几个传感器，并且可以以任意适合方式排列和定位。使用如图所示的多板弯曲传感器可以使得对板弯曲的敏感度增加，所述板弯曲是由于针对经过触板的多个触摸位置的持续触摸而引起的。优选地是，触板210B具有这样的厚度并且被安装使得典型持续触摸力产生足以由传感器230B检测到的板弯曲。
在图2(c)中，振动感测触摸输入装置200C包括触板210C、位于触板的各角用于检测由于触摸接触和/或摩擦移动引起的振动的振动传感器220C和位于触板每一边沿的板位移传感器230C。板位移传感器230C可适用于检测由持续触摸施加力下触板210C的位移。图3示出了适合的位移传感器的示例。尽管图2(c)示出了四个板位移传感器，但是应该理解，可以使用少几个或多几个位移传感器，并且可以以任意适合方式排列。使用如图所示的多板位移传感器可以使得对经过触板针对多个触摸位置的持续触摸力的敏感度增加。优选地是，安装触板210C使得典型持续触摸力产生能被检测到的板位移。
图3示出了包括触板310、振动传感器320A和320B、以及板位移传感器330的输入装置300的一部分的示意侧视图。位移传感器330包括安装在触板310底面、在触摸力作用下可移动的上传导板332和安装在支撑面340、其位置相对于触板固定的下传导板334。传导板332和334可以是可变电容板，其电容量能被监测到并且与触板的位移相关联。用于测量触摸力的示例性位移传感器包括诸如国际公开WO 02/084244和WO 02/084578公开的可变电容式力传感器，每个公开的全部并入本文。尽管这些力传感器可用来确定触摸位置，但是它们同样可用于本发明来确定持续触摸的存在和随后的不存在。
图4是说明根据本发明来在无源振动感测触摸输入装置中检测触摸的抬起可采取的步骤。通常，通过检测能被控制器使用来确定触摸位置的振动来首先检测触摸。一旦证实了触摸事件，则系统可以检测指示持续触摸的信号。在短时间触摸冲击而非持续触摸的情况下(例如，轻敲并抬起而未保持)，则持续触摸信号的不存在可用于准确解释没有保持持续触摸。一旦检测到指示持续触摸的信号，则系统可以有选择地监测不必是指示抬起的持续触摸信号中的变化，但是尽管如此还是可使用监测器，使得持续触摸信号可被连续地或周期地更新。以此方式，同样可以更新用于确定不存在持续触摸信号的阈值。例如，随着持续触摸信号被采样，每一新样本可与最后一个样本的幅度相比，并且当与最后信号相比较新信号下降到某一数量以下时(例如，先前检测到的信号的10％或更少)，信号的下降可以与抬起相关联。一旦确定信号变化与抬起事件相关联，则抬起可被登记。
图5示意性地示出了结合到包括传感器部分510、控制器电子装置520和显示器530的系统500中的振动感测输入装置。传感器部分510包括触板、振动传感器(未示出)和持续触摸传感器(未示出)。传感器部分的振动和持续触摸传感器与控制器电子装置520电通信，该控制器电子装置520使用这些信号来确定与诸如触摸位置、抬起事件的出现等触摸事件有关的信息。在系统500中，示出传感器部分510安置在显示部件530上面，例如，使得可通过传感器部分浏览显示器。显示部件530可以是诸如阴极射线管、液晶显示器、等离子体显示器、电致发光显示器等的可变显示器。显示部件530同样可包括单独或者与可变显示器结合的诸如图形之类的静态信息或图像。
本发明不应被认为限制于上述特定示例，而应理解为覆盖如所附权利要求清楚描述的本发明的各个方面。本发明可适用的各种修改、等效的处理以及许多结构对本领域技术人员来说是显而易见的，对本领域技术人员而言阅览本说明书时可直接得到本发明。
权利要求
1.一种用于检测振动感测触摸传感器上出现持续触摸的方法，包括步骤使用由于该触摸引起的在触板中传播的振动来确定触板触摸表面的触摸位置；检测指示所述触摸表面上触摸的持续接触的信号；并且将在指示所述持续接触的信号中的足够变化与从所述触摸表面的移开触摸相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括至少从当首次检测到触摸时直到确定所述触摸移开来一直监测指示所述持续接触的信号的变化。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在检测到变化时，更新针对指示所述持续接触的信号的基线信号电平。
4.根据权利要求1所述的方法，其中指示所述持续接触的信号中的足够变化包括信号电平中阈值下降百分比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中检测指示所述触摸的持续接触的信号的步骤包括检测所述触板的位移。
6.根据权利要求1所述的方法，其中检测指示所述触摸的持续接触的信号的步骤包括检测所述触板的弯曲。
7.根据权利要求1所述的方法，其中检测指示所述触摸的持续接触的信号的步骤包括检测由于所述持续接触引起的耦合到所述触板的低频隆隆声。
8.根据权利要求1所述的方法，其中把所述触摸的移开登记为触发在系统中的功能执行的抬起，该系统把振动感测触摸传感器作为输入装置来使用。
9.一种触摸输入装置，其能从响应于由于触板触摸表面上的触摸输入引起的触板中传播的振动而产生的信号中确定触摸输入信息，该触摸输入装置包括一个或多个传感器，其耦接到所述触板，并且构造成当所述触摸输入保持在所述触摸表面时产生信号；以及电子装置，其构造成接收由所述一个或多个传感器所产生的信号用来确定所述触摸输入是否已经从所述触摸表面移开。
10.根据权利要求9所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器被构造成响应于所述触板的位移而产生信号。
11.根据权利要求10所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器包括可变电容式力传感器。
12.根据权利要求9所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器被构造成响应于所述触板的弯曲而产生信号。
13.根据权利要求12所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器包括压电传感器。
14.根据权利要求9所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器被构造成响应于从所述触摸输入耦合到所述触板的低频隆隆声而产生信号。
15.根据权利要求9所述的触摸输入装置，其中所述一个或多个传感器被构造成检测由于所述触摸输入引起的所述触板中传播的振动，并且产生能用来确定触摸位置的信号。
16.根据权利要求9所述的触摸输入装置，还包括与所述一个或多个传感器分离的一个或多个振动感测装置，所述一个或多个振动感测装置被耦接到所述触板，并且被构造来检测由于所述触摸输入引起所述触板中传播的振动并产生能用来确定触摸位置的信号。
全文摘要
本发明提供了一种触敏输入装置，其使用在表面上由于触摸工具的触摸冲击和/或摩擦移动所导致的振动来确定与该触摸有关的信息，如触摸位置。本发明还被提供用来检测这种振动感测输入装置中的抬起(lift－off)事件。通过监测指示触板上持续触摸的信号并且将这种信号的变化与抬起事件相关联，可以实现抬起的检测。指示持续触摸的信号可包括经由触摸工具耦合到触板的低频隆隆声、持续触摸受力下的触板弯曲以及持续触摸受力下的触板位移。
文档编号G06F3/041GK101036105SQ200580033488
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月29日 优先权日2004年10月1日
发明者尼古拉斯·P·R·希尔, 达利斯·M·沙利文 申请人:3M创新有限公司