专利名称：触摸力作用点位置坐标检测传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，涉及一种对感应板表面的触摸力的作用点，即压力接触点的位置坐标进行检测的传感装置，主要应用于计算机多媒体技术中信息输入方面。
对于以矢量力为传感对象，通过对触摸力(或称为接触压力，在本发明中统称为触摸力)进行检测传感，而得到触摸点的位置坐标的信息的装置与方法，现有在显示器表面确定触摸力的技术方案，是在显示器的前面安装一块透明的触摸屏幕，并且在屏幕的周围、屏幕与显示器表面之间安装3个以上的力学传感器，再利用力学的平衡原理，根据传感器输出的电信号计算出触摸点的位置，如在美国3,657,475号、4,121,049号、4,355,202号、4,558,757号专利中所公布的技术方案。由于这类方案需要在透明屏幕与显示器表面之间安装传感器，所以导致屏幕与显示器表面之间的距离过大，不可避免地产生视觉失真，使使用者有触摸不上的感觉；并且由于触摸屏幕需要通过刚性的框架等固定装置才能够安装在显示器上，这也就增加了整个装置的重量和体积，否则难以保证可靠的固定，同时也导致整个装置的制造和安装费用高昂。
另一个改进的技术方案如US5,541,372号美国专利所公布，在触摸屏幕与显示器表面之间只安装有支撑座，而力学传感器则安装在触摸屏幕的表面上。该专利较好地克服了上述先有技术的缺点，并且较详细地描述了一种把力学传感器——应变片安装在矩形触摸屏幕四个角部的实施方案。但是这个实施方案仍有较多的缺点。首先，因为应变片安装在触摸屏幕的四个角部，同时支撑座也安装在角部，所以使得应变片的几何尺寸不能很大，否则应变片将会遮挡显示屏幕的内容，并且根据力学理论可知，触摸屏幕上靠近支撑座附近的应变最小，这将导致检测灵敏度的降低。如果要提高灵敏度，就必须使用尺寸比显示器更大的触摸屏幕，而这又给触摸屏幕在显示器表面的安装带来了困难，尤其当应用在手提电话、掌上型电脑等体积小而显示屏幕相对较大的产品上时更明显；其次，显示屏幕的对角线的长度是触摸屏幕表面最大的尺寸，而应变片因屏幕尺寸、支撑座的限制又不能远离显示器显示表面的角部安装，所以根据力学原理可知，当触摸力的作用点靠近角部时，通过该角的对角线上相对应的两个应变片的应变值的大小将会相差悬殊，这将会使触摸屏在边缘部分的分辨率下降。再有，以这种方式安装应变片，触摸时切向力的作用可以和法相力的作用相比拟，尤其在移动接触，如书写输入时，这将使检测的随机误差增大。
该专利还提及了另外两种应变片的安装方式。其一，将支撑座安装在矩形触摸屏幕的四条边缘上，应变片也敏感方向平行地安装在四条边缘。但是该专利没有给出相应的力学模型。因为不同的力学模型有不同的计算方法，这些力学模型可能是多约束简支梁元，或者边界约束板梁，或者是平面板元等等，可能是静定问题，更可能是超静定问题。力学模型的不同将会使对检测信号处理的难易程度、计算程序大相径庭，而该专利却没有给出相应的说明；再有，如果在每条边缘上安装有多个支撑座，则一般情况下为了简化计算以提高响应速度，需要安装相近数量的应变片，这一方面增加了制造成本，另一方面连接应变片之间、应变片与信号处理部分之间的布线也是一个难题。其二，“…在触摸屏幕的边缘延伸出与该屏幕位于同一平面的突出物，应变片分布安装在突出物上，每一个应变片的主尺寸与突出物相平行。”在这段描述中，依然没有给出应变片的具体安装方案，也没有说明支撑座是安装在角部还是安装在边缘，以及突出物的方向、形状等技术内容；况且，如果应变片的安装方向与屏幕的边缘相垂直，则依然存在检测灵敏度相对较低、布线散乱的问题。另外，上述的各种技术都需要一块独立的触摸检测板，而当使用液晶显示器时，在某些情况下这块触摸板不是必需的。
针对上述先有技术的缺点，本发明的一个目的在于在保留现有技术优点的情况下，提供一种力学模型清晰、结构和数学表达式简单，具有均匀的分辨率和优良的抗切向力作用，同时具有更加广泛的应用范围的触摸力作用点的检测传感装置。本发明的另一个目的是在上述目的的基础上，提供一种使用液晶显示器的显示屏作为触摸检测板的结构。本发明的第三个目的是在上述两个目的的基础上，给出具有更高检测灵敏度的触摸力检测结构方案。本发明的第四个目的是提供一个包括应变片相关布线在内的集成化接触力检测传感装置。
为了实现上述目的，本发明提供了这样的一种触摸检测结构在矩形触摸板的四个角部、触摸板与显示器表面或机壳等其它结构件之间，安装有四个支撑座，并使用应变片作为触摸力的传感器，应变片安装在触摸板四条边缘的表面上，其敏感方向与边缘相平行；在使用液晶显示器时，还可以直接利用显示板本身作为触摸检测板。为了提高检测的灵敏度，在触摸板的每条边缘上都可以在触摸板的一个或两个表面上，安装多个应变片；或者安装一条或多条在敏感方向上具有较大尺寸的应变片。为了实现整个检测传感板的集成化，本发明还给出了两种把应变片和相关的连接导线固化在触摸传感板上的结构一种是直接把应变片和连接布线直接集成固化在触摸板的表面上，另一种结构是把应变片、连接导线先集成固化在一张柔性基片上，然后再把这张基片安装或粘贴在触摸板的表面上。
本发明的优点在于由于省去了触摸屏幕与显示器或机壳等其它结构件之间的安装框架，所以重量轻、生产和安装费用低廉，便于使用推广，同时也提高了响应速度；又因为应变片直接安装或粘贴在触摸屏幕上，所以体积小、厚度薄，既便于运输或携带；又因为触摸板与显示器表面之间的距离可以小到1mm之内，所以能够又最大限度地减小了视觉误差；最重要的一点，在于这种应变片的安装结构，能够最充分地利用显示器边缘非显示区域的面积，使得应变片的安装和大小，不再过分受显示区域和支撑座的限制，因此既能够得到较高的检测灵敏度，又能够使整个屏幕的分辨率更均匀；并具有更简单的力学模型和数学表达式。通过对后面实施例的说明，可以更清晰地看到这个优点。本发明的另一个优点是通过集成化，提高了整个检测传感装置的可靠性、一致性，容易实现生产制造工艺的标准化和自动化；同时因为应变片顺着触摸板的边缘方向安装不占用显示面积，所以更适合面积较小的检测传感板的生产制造，容易将其应用范围扩展到了小面积显示表面的掌上型电脑、个人数字助理(PDA)、手提电话的触摸或书写输入，或者触摸键盘、书写板等不需要显示表面的应用方面。
以下结合附图，来详细说明本发明的具体结构。
图1检测传感装置的结构原理示意图图2力学模型分析图图3触摸板一个边的弯矩图图4一组应变片在触摸板边缘的一种安装示意图图5狭长应变片在触摸板边缘的安装示意图图6一种集成化的触摸检测传感板的结构示意图图7一种使用柔性基片的集成化检测传感板的结构示意图图1给出了本发明的基本结构和基本原理。在图1中，承受触摸力的触摸板101安装在四个支撑座104、105、106、107之上，这四个支撑座根据实际要求来确定是安装在显示器的表面，还是机壳、底座或其它结构件上。在该板的边缘安装有四个或四组应变片108、109、110和111，这些应变片可以安装在触摸板101的正面102或背面103上，其敏感方向与板的边缘相平行；使用者所能够接触到的表面，或者说承受触摸力的表面是正面102。图中的f1、f2、f3、f4分别表示四个支撑座的支反力，而F1、F2、F3、F4则表示在触摸板边缘处与触摸力F等效的四个虚拟的作用分力。可以使用数学和材料力学的方法证明这种分解是正确的。图2给出了这种结构的力学模型分析图。如图所示，应变片安装在触摸板边缘的中部，以支撑座104、105、107为轴建立坐标系XOY平面直角坐标系，并设在应变片所在的位置的弯矩分别为M1、M2、M3、M4，且触摸板的材质、厚度是均匀的，其长度为a，宽度为b，触摸力作用点的坐标为P(x，y)，再结合图3所示的具有代表性的弯矩图，通过在图中对A、B、C、D四个区域进行力学分析，可以得到触摸力作用点的坐标值x、y与弯矩M1、M2、M3、M4之间的一般关系式如下x=M2M2+M4----y=M3M1+M3]]>这样，利用应变片测量得到M1、M2、M3、M4之后，就能够很简单地通过计算而得到触摸力作用点的坐标值x、y。事实上，只要触摸板相对的两个边缘所安装或粘贴的应变片关于触摸板的中心轴相对称，就能够得到上述结果。即使应变片不是对称安装，也同样可以利用材料力学的方法得到类似的关系式。图2的示意是一种典型结构，具有安装和计算最简单的优点。
图4所示的是一种每边使用一组应变片的实施方案，这里在触摸板的每个边缘粘贴了4个应变片401、402、403和404，应变片的敏感方向与前述的相同，可以安装在触摸板的一个表面上(图中未画出)，也如图所示安装在两个表面上；既可以集中安装，又可以分布安装；但最好是如上所述的对称形式安装，以得到上面的最简关系式。这种实施方案的优点是能够很大程度地提高检测灵敏度，并且容易实现对温度的补偿。但是这种方案也有缺点，就是需要引出的线较多，使用标准的电桥检测电路时，每个边缘需要引出两条信号线，会给布线带来一定的难度。比较折中的方法是每边安装两片应变片，安装在触摸板的同一面或两面均可，这样每边只需要引出一条信号线，而又能够提高一倍的检测灵敏度，并且容易实现温度补偿。另外一种提高检测灵敏度的方法，是使用一个或一组数个狭长的应变片501代替普通尺寸的应变片，安装或粘贴在触摸板边缘的一个或两个表面上。图5给出了一个应变片的安装情况。在本发明中，由于触摸板的每个边缘可以使用一个至多个应变片，所以检测电路有许多种不同连接方法，具体电路的连接方法可以参考有关力学测量的书籍所提供的电路来实施。这些书籍、资料中还有本发明所涉及到的力学问题相关理论和方法。
图6给出了另一种实施方案，即在触摸板的表面，利用真空镀膜、离子溅射、化学沉积或腐蚀等方法，类似于厚膜电路、薄膜电阻或印刷电路板的制造工艺，直接在触摸板上固化上述检测用的应变片和其连接布线的实施方案的示意图。这种方案的最大优点是能够把所有的电源线和信号线都固化在触摸板的表面上，免除了飞线所带来的各种缺点，甚至可以把部分信号处理电路集成在一起，免除了信号线过长而可能引入对微弱的检测信号的干扰。在图6中，四个或四组应变片601、602、603、604之间通过固化导线簇605来实现连接，所有的输入输出端都被集中到端口606(可以包含部分电路)上而后统一与信号处理系统相连接。集成固化的其它优点还在于既容易实现生产工艺的标准化和自动化，又容易保证产品的可靠性和一致性。
另外一种集成结构，如图7所示，是使用造印刷电路板方法，把应变片702和连接布线703直接固化在一片薄的柔性基片701上，再通过接口704与信号处理系统相连接。这里的基片可以是一个整体框形，也可以为了节省材料而由几张狭长的基片拼接而成框形，然后再将基片与触摸板101粘接在一起。这种集成结构适合于各种材料和形式的触摸板，尤其适合于触摸板的面积较大，或者其材质不能承受高温，或其表面不容易形成可精细加工的导电层的情况。
在一般情况下，为了保证一定的电阻值，应变片内的导体常常需要使用与其连接布线用不同的材料，所以对于这两种结构，也可以使用成品应变片，将其粘接在已经布线的触摸板或柔性基片上，形成固化的集成结构。
在本发明中，应用在显示表面的触摸板101可以使用玻璃、有机玻璃、透明树脂等透明材料制造，对材料的基本要求是重量轻、强度高、防刮性、透光性好。在这种情况下，图1之中的四个支撑座就应该安装在触摸板与显示器表面之间。在上述材料中，尤其以制造镜片用的透明树脂最为适合，具有最小的比重，良好的强度、抗刮性能和高的透光性，并且能够一次成形，有着良好的加工性能。
但是如果应用在笔记本计算机上，由于笔记本计算机基本上都使用平板的液晶显示器作为显示元件，所以完全可以把液晶板本身用作触摸检测板101而进一步简化结构。这种应用的条件是液晶板不能与驱动它的电路板或者机壳、框架等其它结构件之间，有大面积紧固连接，例如成排的焊接管脚、大面积的粘接，或者限制其微小变形的框架等结构，电路的连接应该使用柔性导线。简而言之，要求满足图1所示的力学模型和支撑条件。在这种情况下，可以使用图7所示的膜片形式安装应变片和连接导线。
本发明还可以应用在其它方面，如不需要显示的书写板检测输入、触摸键盘等方面。在这种应用情况下，触摸板101可以使用金属、陶瓷、塑料等不透明材料，直接通过支撑座104、105、106和107安装在机壳、底座上，或者其它安装在机壳、底座上的如框架、电路板等结构件上。当使用电子陶瓷材料作为检测板时，可以得到最简的结构，因为这种材料能够使用厚膜电路的制造方法实现前述的集成化，具备成熟的生产工艺。
权利要求1.一种用于对触摸力进行检测传感的触摸力作用点位置坐标检测传感装置，该装置包含有一块用于使用者实施触摸操作的矩形弹性触摸板；在该触摸板的四个角部安装有四个支撑座，并且在触摸板上安装有至少四个应变片，其特征在于所述的四个应变片分布安装在触摸板支撑座之间的四条边缘的表面上，并且应变片的敏感方向与触摸板的边缘相平行。
2.根据权力要求1所述的检测传感装置，其特征在于触摸板的四个角部的支撑座安装在显示器表面与触摸板之间；触摸板由透明材料制造而成。
3.根据权力要求1所述的检测传感装置，其特征在于触摸板的四个角部的支撑座安装在机壳、底座或其它结构件上；触摸板是液晶显示板、金属板或陶瓷、有机材料板之中的一种。
4.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于在触摸板的四个边缘各安装有一个应变片。
5.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于在触摸板每条边缘的表面上，都安装有一组应变片；每组应变片中至少包含两个应变片。
6.根据权力要求5所述的检测传感装置，其特征在于所述的一组应变片是四个应变片。
7.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于在触摸板相对的两个边缘，所安装的应变片关于触摸板的中轴线相对称。
8.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于在触摸板的四个边缘各安装的应变片是狭长的应变片。
9.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于安装在触摸板边缘的应变片及其连接线，是由附着在触摸板表面的导电膜层构成的。
10.根据权力要求1、2或3所述的检测传感装置，其特征在于安装在触摸板边缘的应变片及其连接线，是由附着在柔性基片表面的导电膜层构成的；该柔性基片粘接在触摸板的表面。
专利摘要一种检测触摸力作用点的传感装置,主要用于显示器显示表面的触摸式数据输入和触摸键盘、书写板输入时,对压力接触点位置坐标的检测传感。该装置包含有一块触摸板,触摸板依靠四个安装在角部的支撑座实现力学支撑,在触摸板边缘、各支撑座之间的表面上,沿其边缘方向安装有应变片,用以检测由触摸力在触摸板边缘产生的弯矩引起该处的应变。弹性板四条边缘的应变值就包含了触摸力作用点的位置坐标信息。
文档编号G06K11/00GK2363316SQ9825004
公开日2000年2月9日 申请日期1998年12月15日 优先权日1998年12月15日
发明者刘中华 申请人:刘中华