用于测量力和位置的装置的制作方法

本实用新型涉及一种装置，用于测量力和位置，特别是用于测定施加在触敏显示器上的力以及用于测定所述显示器上被施加所述力的位置。

背景技术：

已知具有触敏显示器的配置，当使用者以预定的力按压显示器时，该配置会产生触觉反馈。为了测定是否有力施加在显示器上并且这个力有否超过预定阈值，就需要使用测力配置。

技术实现要素：

一种装置，具有：触敏显示器，用于显示内容以及检测触摸；印制电路板，与触敏显示器平行分开布置；至少一个测力及位置测量单元，与印制电路板连接并且用于测定施加在触敏显示器上的力；以及至少一个致动器，用于在借助至少一个测力及位置测量单元所测定的力超过预定阈值时产生触觉反馈。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种装置，具有：

触敏显示器(12)，用于显示内容以及检测触摸；

印制电路板(14)，与所述触敏显示器(12)平行分开布置；

至少一个测力及位置测量单元(20、30、40)，与所述印制电路板(14)连接并且用于测定施加在所述触敏显示器(12)上的力；以及

至少一个致动器(16)，用于在借助所述至少一个测力及位置测量单元(20、30、40)所测定的力超过预定阈值时产生触觉反馈。

可选地，所述至少一个测力及位置测量单元(20、30、40)具有至少一个应变片(24、34)。

可选地，所述至少一个测力及位置测量单元(20、30、40)中的每一者均具有弹片(22)，所述弹片的第一末端连接所述印制电路板(14)，所述弹片的第二末端在正常状态下与所述印制电路板(14)间隔开，其中所述应变片(24)中的至少一者与所述弹片(22)连接。

可选地，在所述至少一个弹片(22)中的每一者与所述触敏显示器(12)之间均设有致动器(16)，当在所述触敏显示器(12)上施加朝所述印制电路板(14)方向的力时，至少一个致动器(16)压抵所述至少一个弹片(22)中的一者，并且相应的所述弹片(22)的第二末端被所述致动器(16)压向所述印制电路板(14)。

可选地，所述至少一个应变片(24)中的每一者均用于检测所述应变片所在的弹片(22)的第二末端被压向所述印制电路板(14)时所述弹片(22)所发生的拉伸或压缩，其中所述弹片(22)的所述拉伸或压缩与施加在所述触敏显示器(12)上的所述力有关。

可选地，所述至少一个测力及位置测量单元(30)具有摆盘，所述摆盘包括一个环(32)和至少三个接片(361、362、363)，其中所述环(32)通过所述至少三个接片(361、362、363)与所述印制电路板(14)连接。

可选地，在所述至少三个接片(361、362、363)中的每一者上均设有至少一个应变片(34)。

可选地，所述装置具有壳体，

所述环(32)布置在所述壳体的后侧与所述印制电路板(14)之间，使得所述印制电路板(14)通过所述环(32)和所述至少三个接片(361、362、363)与所述壳体的所述后侧保持间隔开，并且

当有力施加在所述触敏显示器(12)上时，所述印制电路板(14)至少局部地朝所述壳体后侧方向运动，所述接片(361、362、363)根据所施加的所述力而发生相应的拉伸或压缩，所述装置用于根据借助所述至少三个应变片(34)而测定的所述接片(361、362、363)的所述拉伸或压缩来测定施加在所述触敏显示器(12)上的是怎样的力。

可选地，所述装置进一步用于根据施加在所述至少三个接片(361、362、363)中每一者上的力及其彼此之间的比例来测定所述触敏显示器(12)上被施加所述力的位置。

可选地，所述至少三个接片(361、362、363)均匀地布置在所述环(32)周边。

可选地，所述装置具有三个分别以120°的角度均匀布置在所述环(32)周边的接片(361、362、363)。

可选地，所述至少三个接片(361、362、363)不均匀地布置在所述环(32)周边。

可选地，所述至少一个测力及位置测量单元(20、30、40)中的每一者均具有：

两个在所述印制电路板(14)上彼此间隔开的导电区域(50)；

拱顶(52)，布置在所述两个导电区域(50)与所述触敏显示器(12)之间；以及

接触片(54)，与所述拱顶(52)连接并且布置在所述拱顶(52)与所述两个导电区域(50)之间，其中，

当有力施加在所述触敏显示器(12)上时，所述拱顶(52)连同固定在所述拱顶上的所述接触片(54)一起被压向所述两个导电区域(50)，并且

当施加在所述触敏显示器(12)上的所述力超过定义极限值时，所述拱顶(52)被压向所述两个导电区域(50)而使得所述接触片(54)在所述两个导电区域(50)之间形成电接触。

可选地，所述装置布置在车辆中。

可选地，所述至少一个致动器(16)是压电致动器。

下面将结合示例并参照附图对本实用新型进行详细阐述。其中，相同的元件用相同的附图标记标示。附图未按比例绘示。

附图说明

图1例示性地示出具有触敏显示器的装置的截面图；

图2a和图2b例示性地示出具有触敏显示器和测力及位置测量单元的装置在未受力状态和受力状态下的截面图；

图3a和图3b例示性地示出具有一个或数个测力及位置测量单元的印制电路板的俯视图；

图4示出根据另一示例的具有触敏显示器和测力及位置测量单元的装置的截面图；

图5示出根据另一示例的具有触敏显示器和测力及位置测量单元的装置的透视图；

图6例示性地示出图5中的装置的俯视图；

图7a和图7b示出根据另一示例的装置在未受力状态和受力状态下的截面图；以及

图8a和图8b示出图7a-7b中的测力及位置测量单元在未受力状态和受力状态下的截面图。

具体实施方式

在接下来的详细描述中将借助具体示例来说明本实用新型的实现方式。当然，其中所描述的各种示例的特征可以相互组合，除非另作说明。当某些元件被称为“第一元件”、“第二元件”等等时，“第一”、“第二”等仅用于区分不同的元件。这种表述不代表顺序或列举。举例来说也就是，在没有“第一元件”的情况下也可以存在“第二元件”。

图1示意性地示出具有触敏显示器12的装置的截面图。触敏显示器12是组合式输入输出设备，一方面用于以图形来呈现内容，另一方面用于检测使用者的触摸。根据显示器12上被检测到的触摸位置以及所做的动作(例如按压动作、滑动动作等等)，可以对与显示器12连接的技术设备(未图示)的程序运行进行控制。

显示器12工作所需要的电子组件布置在印制电路板14上(图1中未清楚示出电子组件)。印制电路板14与触敏显示器12分开布置。其中，印制电路板14通常基本平行于显示器12布置。所述装置还具有致动器16。致动器16用于在使用者触摸显示器时产生能够被使用者感受到的触觉反馈。为此，致动器16布置在印制电路板14与显示器之间。其中，致动器16特别是可以直接连接显示器12，使得致动器16所产生的运动(例如振动)能够直接传递到显示器12上，从而能够被使用者感受到。致动器16同样可以直接连接印制电路板14，但这不是绝对必要的。致动器16也可以与印制电路板14分开布置。致动器16可以是例如压电致动器。

通常在使用者施加到显示器12上的压力(力)超过预定阈值时才激活致动器16。这就有必要测定施加在显示器12上的力。为此，所述装置可具有测力及位置测量单元(图1中未清楚示出)。其中，测力及位置测量单元可以测定所施加的力的确切值。然而，测力及位置测量单元也可以不测定确切值，而是只能测定有否超过极限值。

根据第一示例的测力及位置测量单元20图示于图2a-2b中，其中图2a示出未受力状态下的配置，图2b示出受力状态下的配置。在图2a-2b所示的配置中，致动器16不直接接触印制电路板14。确切而言，致动器与印制电路板14间隔开。测力及位置测量单元20布置在致动器16与印制电路板14之间的区域中。在图2a-2b所示的示例中，测力及位置测量单元20具有弹片22。弹片22具有与印制电路板14连接的第一末端以及第二自由末端。其中，第二末端与印制电路板14间隔开，使得弹片22以一定的角度从印制电路板14延伸开去。其中，弹片22是可动的。也就是说，如果从上朝印制电路板14方向施加一个力到弹片22上，第二末端就会被压向印制电路板14。意即，第二末端与印制电路板14之间的距离变小。

在弹片22上布置有至少一个应变片24。当弹片22被压向印制电路板14时，弹片22会拉伸或压缩。布置在弹片22上的至少一个应变片24用于检测这一拉伸或压缩。朝印制电路板14方向施加到显示器12上的力越大，被应变片24检测到的拉伸/压缩也就越大。也就是说，根据检测到的拉伸/压缩可以直接推断出施加在显示器12上的力。

在图2a-2b中的示例中，应变片22布置在弹片22的顶面上。但这只是一个示例。作为替代方案，应变片24也可以例如布置在弹片22的底面上。

显示器12与印制电路板14之间的距离与弹片22的第二末端与印制电路板14之间的距离相比是大的。因此，为了使弹片22直接被显示器12本身压向印制电路板14而所需施加在显示器12上的力非常大。出于这个原因，致动器16布置在显示器12与弹片22之间。致动器16的底面与弹片22之间的距离远小于显示器12与弹片22之间的距离。因此，一旦有力施加在显示器12上，致动器16的底面就会快得多地触碰弹片22的第二自由末端。这就可以将弹片22保持得比较小。这能降低弹片22受损的风险并提高测量精度。

一旦施加在显示器12上的力变小，弹片22的第二末端与印制电路板14之间的距离就会再度变大，直至弹片22再度返回其初始位置。

其中，所述装置可具有一个或数个测力及位置测量单元20，其中的每一个测力及位置测量单元各自具有弹片22。在图3a所示的俯视图5中，所述装置例如具有单独一个测力及位置测量单元20，因而仅具有一个弹片22。图3a中的俯视图示出矩形的印制电路板14。单独一个弹片22布置在印制电路板14中心。通过这种方式可以很好地识别显示器12(图3a中未示出显示器)中心的触摸。然而，当有力施加在显示器12的边缘区域时，布置在弹片22上方的致动器16(图3a-3b中未清楚示出)也会一定程度地朝印制电路板14方向运动。触敏显示器12例如可以识别触摸发生在显示器12的哪个位置上。只要存在这个信息，测定力时就可以将其一并考虑进去。

但是，图3a所示的装置只是一个示例。图3b示出同样呈矩形的印制电路板14的示例，该印制电路板上布置有三个测力及位置测量单元20。其中，这些测力及位置测量单元20布置成三角形。借此可以检测在显示器12的不同部位处施加在显示器12上的力。其中，所述装置可具有一个以上的致动器16。举例而言，可以在每个弹片22与显示器12之间布置一个致动器16。但是，致动器16的数量也可以大于弹片22的数量。

但是，图3a-3b所示的装置仅是示例。所述装置原则上可具有任意数量n的测力及位置测量单元20，1≤n。印制电路板14可以呈矩形或其他任何一种合适的形状。以能够尽可能准确和可靠地测定施加在显示器12上的力为目标来选择至少一个测力及位置测量单元20在印制电路板14上的布置方式，例如布置成矩形、布置成三角形、交叉布置等等。

其中，每个弹片22均可以是借助合适的连接与印制电路板14连接的附加元件。举例而言，可以以合适的方式将弹片22焊接上去。弹片22可以例如是金属弹片22或者由与印制电路板14相同的材料构成。然而，将弹片22构建成附加元件是很不便的，且会大幅增加所述装置的成本。因此作为替代方案，至少一个弹片22可直接由印制电路板14自身的一个部分形成。举例而言，可以铣削出弹片22的一个部分，使得这个部分在某个部位处还与印制电路板14保持连接。而后可将这段印制电路板的自由端从印制电路板14向外弯折，使得这个末端从印制电路板14突出。这能降低弹片22的制造成本，进而降低整个装置的制造成本。然而，也可以通过其他任何一种合适的方式制造至少一个弹片22，并且必要时将其与印制电路板14连接起来。

现在参考图4所示，为另一装置示例。该装置与图3a-3b中的装置基本相同。但是在致动器16的底面上设有压力元件28。压力元件28可以例如是推杆或是致动器16的底面上的隆起。压力元件28可呈倒圆形状。当向显示器12施加压力并且致动器16朝弹片22方向运动时，压力元件28的底面首先碰触弹片22。如此一来，力只是点式传递到弹片22上。但压力元件28只是可选的。

现在参考图5并借助另一示例对测力及位置测量单元30进行说明。图5在此示出所述装置的透视图。如前文结合图1所述，所述装置具有触敏显示器12和印制电路板14。在这个示例中，印制电路板14大致呈三角形。所述装置还具有布置在印制电路板14与显示器12之间的三个致动器16。在图5中的透视图中，布置在印制电路板14的角区中的致动器16基本上被印制电路板14遮住。测力及位置测量单元30具有摆盘，该摆盘包括一个环32和三个接片361、362、363。环32通过三个接片361、362、363与印制电路板14连接。印制电路板14例如可具有开口或空隙。摆盘可布置在这个空隙的区域中。

所述装置可布置在壳体中。但图5中未清楚示出壳体。接片361、362、363可以实质上布置在包含印制电路板14的平面中。环32可以至少部分地突出于印制电路板14所在的平面。环32特别是可以布置在印制电路板14与壳体后壁之间。环32特别是可以连接壳体后壁并且将印制电路板14保持在后壁上方。也就是说，印制电路板14与后壁隔开一定距离并且被测力及位置测量单元30保持住。三个接片361、362、363例如分别以120°的角度均匀布置在环32周边。如果所述装置具有三个以上的接片361、362、363，则可以在接片361、362、363之间设置不同角度，以确保其均匀分布在环32的周边。然而，也可以在不同接片361、362、363之间设置不同角度，这意味着，至少三个接片361、362、363可以不均匀地布置在环的周边。

当使用者在显示器12上施加力时，一个或数个致动器16被压向印制电路板16。其中，致动器16在力相应较大的情况下也可以撞击印制电路板14并且将印制电路板压向后壁(在图5中以箭头示意)。其中，接片361、362、363根据印制电路板14所做的倾斜运动而发生拉伸/压缩。如果在测力及位置测量单元30正上方将力居中施加到显示器12上，则所有接片361、362、363会相同程度地拉伸。如果在任何一个其他部位处将力施加到显示器12上，接片361、362、363就会不同程度地拉伸/压缩。也就是说，根据施加在至少三个接片361、362、363中每一者上的力及其彼此之间的比例，可以测定触敏显示器12上被施加力的位置。

其中，在每个接片361、362、363上均设有应变片34。这些应变片34中的每一者均用于检测相应接片361、362、363的拉伸/压缩。由于不同接片361、362、363的拉伸/压缩与厚度和施力位置相关，因此，这个装置不仅能够测定力，还能测定施力位置。

参考图6对此进行例示性说明。图6示出显示器12的俯视图。由于测力装置30和印制电路板14在这个视图中被显示器12遮住，因而以虚线图示测力装置30和印制电路板14。举例而言，如果在位置a处向显示器12施力，印制电路板14就会在这个区域中被压向壳体后壁，而印制电路板14在位置b和c处则是朝显示器12方向运动(远离后壁)。也就是说，安装在第一接片361上的应变片34检测到的例如是拉伸，而安装在第二和第三接片362、363上的应变片34检测到的则是较低程度的拉伸或者甚至是压缩。这就可以根据各应变片34所测定的拉伸/压缩推断出压力施加在位置a区域内。此外还能测定施加在位置a处的力有多大。

环32例如可安装在球体上(未清楚示出)。为此，环32例如可具有相应的内周，该内周小于球体的圆周。这就可以将环32安装在球体上，但球体不会从环32中滑脱。

记载于图5和图6中的装置也可例如与记载于图2a至图4中的装置相结合。举例而言，可以在印制电路板14上的不同部位处设置弹片22。根据显示器12上被施加力的位置，相应的弹片22会或多或少地被压向印制电路板14。也就是说，根据数个分散布置在印制电路板14上的弹片22中哪几个弹片以多大的程度朝印制电路板14方向运动，可以比仅使用图5和图6中的装置精确得多地测定触摸位置。如前所述，弹片22仍然可布置在致动器16与印制电路板14之间。

现在参考图7a-7b所示，为根据另一示例的装置的示意图。其中，图7a示出未受力状态下的配置，图7b示出受力状态下的配置。图7a-7b所示的装置除触敏显示器12和印制电路板14外还具有两个布置在显示器12与印制电路板14之间的致动器16。如前所述，所述装置也可以仅具有一个致动器16或者具有两个以上的致动器16。

两个测力及位置测量单元40在显示器12与印制电路板14之间布置在致动器16旁边。本示例中的测力及位置测量单元40用于检测施加在显示器12上的力有否超过定义阈值。为此，测力及位置测量单元40形成为某种类型的开关。其中，当超过定义阈值时，形成电接触(开关闭合)。如果力小于阈值，则不形成电接触(开关闭合)。

这例示性地图示在图8a-8b中，其中图8a示出未受力状态下的测力及位置测量单元40，图8b示出受力状态下的测力及位置测量单元40。测力及位置测量单元40具有两个在印制电路板14上彼此分开布置的导电区域50。这些导电区域50相互间不存在直接的电连接。导电区域50例如可实现为印制电路板14上的金属印制导线。这样的印制导线例如可用铜或铝制成。在这些导电区域50上方设有越过两个导电区域50而延伸的拱顶52。拱顶52在两个点上与印制电路板14连接。两个导电区域50布置在拱顶52的这两个固定点之间。在拱顶52的底面上设有位于拱顶52与导电区域50之间的导电接触片54。其中，拱顶52的底面是面向导电区域50的那个面。现在如果从上方向拱顶52施力(在图8b中以箭头示意)，拱顶就会被压向导电区域50。如果这个力超过特定阈值，拱顶52就会被压向导电区域50而使得接触片54压抵导电区域50并且在导电区域50之间形成电接触。通过这种方式可以很方便地测定达到了阈值(触点闭合)还是没有(触点断开)。

可以通过各种不同的参数设置阈值。在两个导电区域50之间形成接触所需要的力例如与拱顶52所用的材料、拱顶52的几何形状和厚度以及接触片54与导电区域50之间的距离有关。然而，阈值也可以与许多其他因素有关。借助这种类型的测力及位置测量单元40无法精确测定施加在显示器12上的力。只不过这也不是在任何情况下都是必要的。举例而言，测定有否达到特定阈值，就足以激活显示器12了。所施加的力确切有多大，这在许多情况下是完全不重要的。

前文所述的装置例如可布置在车辆中。目前的许多车辆具有一个或数个显示器。其中，触敏显示器12的使用也越来越频繁。为了将使用者触摸显示器的情况相应反馈给使用者，也可以使用用于产生触觉反馈的装置。举例而言，可以通过产生振动来告诉使用者，显示器已被激活，或者使用者的输入已被接受。其中可以设想许多其他用途。在上文所述的不同示例中，对施加在显示器12上的力的测定不是电容式的，而是要么借助应变片24、34，要么借助合适的开关装置(口语中又称“响片”)而实现。电容式装置往往很复杂且实现成本较高。另外，电容式传感器的传感器特性曲线常常受环境条件影响而波动，因而在多变的环境条件下，测力结果可能会失真。而前文所述的装置比较简单且实现成本低。再者，前文所述的装置的空间需求比较低，测量不受环境条件影响或者只是最低程度地受环境条件影响。