CN100381989C - 位置检测设备及包括其的数据输入设备 - Google Patents

Abstract

一种位置检测设备(8)，包括：第一基板；施加到所述基板并沿着所述位置检测器的作用表面(12、34、36、152)延伸的第一欧姆电阻器(10、110、210)，其中第一欧姆电阻器(10、110、210)连接在位置检测设备(8)的第一端子(14)和第二端子(16)之间；多个电导体(22、122、122’、154)，其中所述电导体(22、122、122’、154)连接到第一欧姆电阻器(10、110、210)距其不同的地方处，而所述电导体(22、122、122’、154)从第一欧姆电阻器(10、110、210)延伸到在第一电导体(22、122、122’、154)之间交替的作用表面(12、34、36、152)内，其中导电元件的一个第一端连接到位置检测设备(8)的第三端子(26)。根据本发明，导电元件(22、122、122’、154)被配置为贯穿设备(8)的作用表面(12、34、36、152)的欧姆电阻器，并且所述导电元件(22、122、122’、154)的第二端连接到位置检测设备(8)的第四端子(30)。

Description

位置检测设备及包括其的数据输入设备

技术领域

本发明通常涉及一种用于检测力作用的且该力的强度是适当的位置的设备。

背景技术

基于片开关(sheet switch)来构造用于检测力作用的位置的设备是已知的。片开关包括两个支撑片(support sheet)，使用隔片(spacer)使它们保持一定距离。隔片包括至少一个凹槽(recess)，用于限定开关的作用区(activeregion)，在该作用区中两个支撑片彼此面对。在该作用区中，至少两个电极以这样的方式布置在支撑片上，即，当两个支撑片由于在开关上作用的力的影响而被压在一起时，在电极之间建立电接触。

依赖于应用，可以在电极之间放置一层半导体材料，使得开关呈现压敏特性，也就是说，其阻抗随着所施加的力而变化。这样的开关的电阻的可变本质(通常所说的力感应(force-sensing)电阻器)使得这些开关用作压力传感器。该层半导体材料可以包括其内部电阻随着该层的压缩或变形而变化的材料，或者其表面结构赋予该层特定的表面电阻的材料，其中当将该层施加到电极的传导表面时，作为由于局部压力的影响而使得与该传导表面的接触点的数量增多的结果，可以减少所述表面电阻。

使用这种片型压力传感器技术，已经提出了包括XYZ数字化书写板(tablet)的位置检测器(即，力的位置和强度检测器)。这些数字化图形输入板使用被配置为线性电位计的压力传感器，以便确定力的作用点。为此，每个压力传感器包括位于支撑上的线性电阻器，电压被施加在该电阻器的两端以便产生电位梯度(potential gradient)。横向延伸的导线以规则的间隔连接到所述线性电阻器。电位计的指针由梳形的导体构成，该导体的齿在导线之间延伸。通过在特定的点用导体的齿短路导线，该导体经受随着线性电阻器上的导线位置而线性变化的电压。因而，这种压力传感器使得可以沿着线性电阻器的方向确定力作用的位置。

通过以这样的方式叠加这些力传感器中的两个：它们各自的线性电阻器被定位而使得在它们之间产生例如90°的角，创建用于识别力作用在表面上的X-Y参考系中的位置的位置检测器。在这种键盘中，两个电位计的力传感器的每一个需要三个连接，即，到线性电阻器的两个端子中的每个的一个连接和对指针的一个连接。由此得出结论：这种键盘限于相对有限数量的对外部的连接，即6个连接。

现在，由于通过叠加两个单向的位置传感器来构造位置检测器，所以这6个端子位于两个不同的基板上。这一事实产生了问题，尤其是当将力检测器连接到例如印刷电路时。这是因为需要使用专门的连接器来保证位于两个基板上的端子的可靠连接。此外，生产这种传感器在组装期间需要严格的容限(tolerance)，以便两个层相对于彼此而被正确地放置。只有通过准确地放置，才能保证正确地放置端子，从而允许检测器的可靠连接。

发明内容

本发明的目的是提出一种没有该缺点的位置检测器。

根据本发明，该目的是通过如权利要求1所述的位置检测设备实现的。该位置检测设备包括：

第一基板；

施加到所述基板并沿着所述位置检测器的作用表面(active surface)延伸的第一欧姆电阻器，所述第一欧姆电阻器连接在所述位置检测设备的第一和第二端子之间；

多个电导体，所述电导体连接到第一欧姆电阻器上的离散的点处，而所述电导体从第一欧姆电阻器延伸到作用表面内；和

多个导电元件，所述导电元件布置在所述作用表面内，以便在所述第一电导体之间交替，所述导电元件的第一端连接到所述位置检测设备的第三端子。根据本发明，所述导电元件被配置为遍布设备的作用表面的欧姆电阻器，并且所述导电元件的第二端连接到所述位置检测设备的第四端子。

在根据本发明的位置检测设备中，沿着平面的两个方向检测位置所需的导体和电阻器被集成进单个基板中。面对导体和电阻器放置的第二基板必须只包括激活层(activation layer)，该激活层被设计来在力在位置检测器上作用的点处与电导体和导电元件局部接触。

当力作用在第二基板上的检测器的作用表面中时，激活层被局部按压向电导体/导电元件结构。因此，至少一个电导体通过激活层与相邻导电元件形成接触。

通过在第一和第二端子之间(即，第一欧姆电阻器的两端)施加电压，该导电元件经受一电压，该电压依赖于在欧姆电阻器两端产生的电位梯度，并因而依赖于力沿着由欧姆电阻器限定的方向作用的位置。然后可以在第三和第四端子测量该电压，在该操作方法中第三和第四端子最好连接在一起。

在第二步骤中，在第三和第四端子之间施加电压以便在以欧姆电阻器的形式配置的导电元件两端产生电位梯度。因而，在力作用的点处接触的电导体经受依赖于力沿着由导电元件限定的方向作用的位置的电压。进而可以在第一和第二端子上测量该电压。

通过在两个相反方向上交替测量，就可以容易地检测力在由欧姆电阻器的两个方向限定的平面中作用的位置，从而确定力的作用点的X-Y坐标。此后，因而可以使用位置检测器确定力的作用点的X和Y坐标，该位置检测器只要求4个端子以便将其连接到相关的测量电路。由此得出结论：大大简化了位置检测器的连接。

此外，连接检测器所需的所有电端子都位于单个基板上，这大大便利了检测器，尤其是对印刷电路的连接。这是因为可以使用标准的压接器(crimpingconnector)来保证位置检测器和相关的测量电路之间的可靠接触。

此外，所有端子布置在单个基板上的事实减少了位置检测器的生产成本。这是因为：由于第二基板现在只包含激活层，所以通过迭片结构(lamination)组装两个基板的容限远不如在常规位置检测器情况下的那样严格。因此，大大减少了不符合规范的产品的制造。对各个端子的位置的容限现在仅依赖于各个导体的应用方法。常常使用很好控制的丝网印刷(screen printing)方法实现该应用。印刷精度和与其相关的非常严格的容限甚至可以减少各个端子之间的距离，从而允许使用具有更精细间隔或间距的较小的连接器。

最后，所有接触点位于一个和相同平面内的事实简化了对所生产的检测器的测试。

在本发明的一个可能的实施例中，第一基板包括弹性支撑片。该实施例产生有弹性的位置检测器。在另一实施例中，第一基板包括印刷电路板。只有所有端子位于同一基板上时该后一实施例才成为可能。因而，用作例如可触摸数据输入设备的位置检测器的导体和电阻器可以直接印刷在测量电路或操作电路上。从而不再需要检测器和其相关的电路的随后的连接。

应当注意的是，除了可以使用宽范围的弹性或刚性基板之外，本位置检测器还可以以多种与检测器的特定用处匹配的形状来生产。因此，作用表面可以例如具有一般的圆形、矩形或其他形状。

在本发明的优选实施例中，所述导电元件由与所述电导体相同的材料制成。导电元件、电导体和欧姆电阻器被配置为例如碳膜电阻器。在这种情况下通过各个区域中的石墨印刷厚度适应各种元件的特定阻抗。因此，可以以相同的材料生产具有非常不同电特性的结构。该实施例的优点在于，限制了在生产位置检测器中使用的材料，从而最小化了所需的印刷步骤数。

在第一步骤中，例如印刷了欧姆电阻器，电导体从欧姆电阻器和导电元件延伸。在该步骤期间，通过改变印刷的石墨层的厚度来适应各种元件的阻抗。接下来，在第二步骤中，在将导电元件连接到其端子的导体需要穿过电导体的点处印刷绝缘材料。最后，在第三印刷步骤中，印刷将各种元件连接到其各自端子的导体。例如，这些导体是印刷的银导体。因此，可以以只需要三个步骤的印刷过程制造第一基板所有的功能元件。

激活层可以包括单个导电层，其允许电导体和导电元件之间接触。在这种情况下，不能确定作用在位置检测器上的力的强度。为了允许检测力的作用点和强度这两者，第二基板最好包括施加在所述第二基板上的、由电阻材料或半导体材料构成的压敏层。所述第二基板，最好是弹性支撑片，以这样的方式置于第一基板之上，即，所述电阻材料或半导体材料层面对作用表面内的所述电导体和导电元件。在这种情况下，电导体和导电元件之间的阻抗依赖于激活层压到导体上的强度。通过测量该阻抗，从而可以确定施加的力的强度。

应当注意的是，本发明的位置检测器可以用于生产各种输入设备，例如键盘、触控板(touchpad)或操纵杆功能。在本发明的一个优选实施例中，位置检测器包括有弹性的压力分散层(pressure-distributing layer)，将所述压力分散层施加到所述第二基板。该有弹性的层(例如，橡胶层)可以在具有指尖般大小面积的表面上实现操纵杆功能。

应当注意的是，电阻层和导电层可以包括透明材料。同样，激活层也可以用透明材料制造。在这种情况下，本检测器非常适于触摸屏使用。

附图说明

通过下面参照附图以示例的方式对本发明优选实施例的详细描述，本发明的其他特征和特性将变得清楚。在附图中：

图1是位置检测器的第一基板上的导体的布置图；以及

图2是数据输入设备的第一基板上的导体的布置图，该数据输入设备包括触控板形式的位置检测器、两个配置为操纵杆的区域和键盘区域。

具体实施方式

图1示出位置检测器8的第一基板上的导体的布置图。沿着位置检测器的作用表面12延伸的线性欧姆电阻器10放置在基板上。在所示的实施例中，作用表面具有一般的正方形。然而，应当注意的是，也可以有其他形状，例如椭圆形、圆形、矩形等。

欧姆电阻器10通过导线18、20连接在所述位置检测设备第一端子14和第二端子16之间。

多个电导体22连接到第一欧姆电阻器10上的离散的点处，电导体22从第一欧姆电阻器朝着作用表面12的内部延伸。在所示的实施例中，导体22等距离分布，并且相互并行延伸。不用说，可以进行不同的导体布置。

多个配置为欧姆电阻器的导电元件24被布置在所述作用表面12内，以便在所述第一电导体22之间交替。导电元件24的第一端通过导线28连接到所述位置检测设备的第三端子26。所述导电元件24的第二端通过导线32连接到第四端子30。

在欧姆电阻器10的旁边，导线32必须与电导体22交叉。为了避免在这些点上产生假接触，最好在这些交叉点处的导体22上印刷绝缘材料的层。

应当注意的是，位置检测器的分辨能力(resolution)很大程度上依赖于电导体和相邻的导电元件之间的距离。通过改变导体和导电元件的数量，可以使检测器的分辨能力适应于其特定应用。

图2示出在组合的数据输入设备的第一基板上的导体的布置。该数据输入设备包括例如配置为如图1所示的触控板的位置检测器8、以操纵杆的形式配置的两个区域34和36和配置为键盘的相邻区域38。

操纵杆区域34、36每次包括根据本发明的位置检测器的实施例，具有：沿着(圆形的)作用表面延伸的欧姆电阻器110和110’；分别连接到欧姆电阻器110和110’上的离散的点处的多个电导体122和122’；和多个配置为欧姆电阻器的导电元件124、124’，其分别被布置为使得在所述电导体122、122’之间交替。应当注意的是，两个欧姆电阻器110和110’并联，并且这两个电阻器的并行布置与输入设备的端子14和16之间的欧姆电阻器10串联。此外，两组导电元件124和124’通过另外的电阻器150串联，并且该串行布置与设备的第三端子26和第四端子30之间的导电元件24并联。这样，可以组合触控板和操纵杆区域，而不增加设备的端子数量。

为了将区域34和36配置为操纵杆，将有弹性的压力分散层(例如橡胶层)施加到第二基板(未示出)上。例如，这样的分散层使得可以改变，例如，简单地通过让手指触到相应区域而由手指施加的作用力的作用点。

键盘38包括多个离散的作用区152，它们被布置成由几行和几列构成的“矩阵”。键盘的激活键可以与这些作用区的每个相关联。

每个作用区152包括两个梳子形的电极结构154、156，它们被放置成使得梳子形结构之一的分支(finger)以一定距离与另一结构的分支交错。以这样的方式将可以是简单的导电层或者压敏层的激活层布置在第二基板(未示出)上：当力作用在作用区内的设备上时，作用区的这两个结构被激活层短路。

为了标识力作用的作用区，作用区通过第一排电阻器210与其电极结构154之一连接，并且通过第二排电阻器224与另一电极结构156连接，在所述第一排电阻器和第二排电阻器上的不同点处进行连接。通过在第一排电阻器210两端施加电位差，并且通过测量第二排电阻器224两端的电压，可以沿着第一排电阻器210的方向确定电极结构之间的接触点，从而确定激活的按键位置。在第二步骤中，在第二排电阻器224两端施加电位差，并且测量第一排电阻器210两端的电压，从而确定在另一方向上激活的按键位置。

应当注意的是，第一排电阻器210与欧姆电阻器10、以及数据输入设备的两个端子14和16之间的电阻器110和110’的并行布置串联。同样，第二排电阻器224与导电元件24、以及端子26和30之间的导电元件124和124’的串行布置并联。因此，可以进行包括触控板8、操纵杆区域34和36以及键盘38的组合，而不增加设备的端子数量。

本领域技术人员应当理解，可以以扩展的欧姆电阻器(例如，电阻器10)来代替离散的电阻器排210和224，而不改变设备的操作。

Claims (13)

1.一种位置检测设备，包括：

第一基板；

施加到所述基板并沿着所述位置检测设备的作用表面延伸的第一欧姆电阻器，所述第一欧姆电阻器连接在所述位置检测设备的第一和第二端子之间；

多个电导体，所述电导体连接到第一欧姆电阻器上的离散的点处，而所述电导体从第一欧姆电阻器延伸到作用表面内；和

多个导电元件，所述导电元件布置在所述作用表面内，以便在所述第一电导体之间交替，所述导电元件的第一端连接到所述位置检测设备的第三端子；

其特征在于，所述导电元件被配置为遍布设备的作用表面的第二欧姆电阻器，并且所述导电元件的第二端连接到所述位置检测设备的第四端子。

2.如权利要求1所述的设备，其中第一基板包括弹性支撑片。

3.如权利要求1所述的设备，其中第一基板包括印刷电路板。

4.如权利要求1到3之一所述的设备，其中，所述导电元件由与所述电导体相同的材料制成。

5.如权利要求1到3之一所述的设备，其包括第二基板和由施加到所述第二基板的电阻材料或半导体材料制成的层，所述第二基板以这种方式被布置在第一基板之上：所述电阻材料或半导体材料层面向作用表面内的所述电导体和导电元件。

6.如权利要求4所述的设备，其包括第二基板和由施加到所述第二基板的电阻材料或半导体材料制成的层，所述第二基板以这种方式被布置在第一基板之上：所述电阻材料或半导体材料层面向作用表面内的所述电导体和导电元件。

7.如权利要求5所述的设备，其中所述第二基板包括弹性支撑片。

8.如权利要求6所述的设备，其中所述第二基板包括弹性支撑片。

9.如权利要求5所述的设备，其包括压力分散层，所述压力分散层被施加到所述第二基板。

10.如权利要求6所述的设备，其包括压力分散层，所述压力分散层被施加到所述第二基板。

11.如权利要求7所述的设备，其包括压力分散层，所述压力分散层被施加到所述第二基板。

12.如权利要求8所述的设备，其包括压力分散层，所述压力分散层被施加到所述第二基板。

13.一种包括如前面权利要求1所述的位置检测设备的数据输入设备。

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