CN102214037A - 电子装置和操作检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子装置和操作检测方法。该电子装置包括：包括多个第一导电层的输入平面部件，当从用户接收到按压操作时，所述输入平面部件弹性变形；基板，所述基板包括在所述输入平面部件变形时与所述第一导电层接触的多个第二导电层；电容检测单元，所述电容检测单元检测所述多个第一导电层之间以及所述多个第二导电层之间的电容；电阻值检测单元，所述电阻值检测单元检测当所述第一导电层与所述第二导电层接触时所述第一导电层与所述第二导电层之间的电阻值；以及切换单元，所述切换单元控制所述第一导电层和所述第二导电层与所述电容检测单元和所述电阻值检测单元中的任一个之间的电连接。

Description

电子装置和操作检测方法
技术领域
本发明涉及电子装置和操作检测方法。
背景技术
近年来，已经公开了如下装置：在该装置中与诸如便携式电话的移动装置或笔记本型计算机等中的显示屏一体地设置触摸面板型传感器。例如，日本特开(JP-A)2005-18669号公报公开了一种在确保静电耦合型触摸面板的切换操作的稳定开/关操作的同时假定要进行虚拟按压判断的技术。
发明内容
作为用于检测用户的手指或用户操作的指示笔(stylus)等在输入平面上的二维位置的装置，已知电阻式触摸面板和电容式触摸面板。根据电阻式触摸面板，专门检测二维位置，而根据电容式触摸面板，通常仅检测二维位置。
然而，在静电耦合型触摸面板中，由于基于电容进行处理，因此，尤其难以精确地进行按压力的判断。同时，在电阻式触摸面板中，需要从用户提供预定值的按压力或更大的按压力，从而使得相互面对布置的导电层能够相互接触。在按压力不使得导电层相互接触的情况下，不会获得输出，并且难于以高的精确度从用户操作开始(开始接触)进行位置检测。
此外，为了检测用户或指示笔施加至输入平面的力(操作)，除了电阻式触摸面板或电容式触摸面板之外，需要单独安装用于检测操作力的操作力传感器。
然而，当单独安装操作力传感器时，存在如下问题。在电子装置的应用中，由于单独安装的操作力传感器被设置成插入在用于检测二维位置的触摸面板和电子装置的壳体之间，因而操作力传感器的性能受到例如电子装置壳体的平坦度的影响。因此，难以保证作为单个操作力传感器的性能。
此外，当如触摸面板那样将输入平面设置在诸如液晶显示器(LCD)的显示装置上时，为了不妨碍图像，将多个操作力传感器设置在外围部分附近。在此情况下，分配给每个传感器的力极大地依赖于传感器的安装精确度。同时，存在很多施加至每个传感器的操作力与输出信号之间的关系非线性的情况。因此，很难准确地检测施加至输入平面的力。此外，由于单独安装操作力传感器，因此，存在制造成本增加的问题。
此外，作为电容式触摸面板，JP-A 2005-18669公开了一种用于检测与该触摸面板接触的区域并判断虚拟方式的按压力的技术。然而，使用电容的区域检测极大地受到诸如用户手指的状态(例如，排汗)或湿度等环境因素影响，因而存在难以进行实际测量的问题。
鉴于上述问题，期望提供一种能够以高精确度对触摸传感器进行位置检测和按压力检测的新颖和改进的电子装置和操作检测方法。
根据本发明的一个实施例，提供一种电子装置，其包括：输入平面部件，所述输入平面部件包括形成为岛状的多个第一导电层，并且当从用户接收到按压操作时，所述输入平面部件弹性变形；基板，所述基板被布置为面对所述输入平面部件，并且包括在所述输入平面部件变形时与所述第一导电层接触的岛状的多个第二导电层；电容检测单元，所述电容检测单元检测所述多个第一导电层之间以及所述多个第二导电层之间的电容；电阻值检测单元，所述电阻值检测单元检测当由于所述输入平面部件的变形导致所述第一导电层与所述第二导电层接触时所述第一导电层与所述第二导电层之间的电阻值；以及切换单元，所述切换单元控制所述第一导电层和所述第二导电层与所述电容检测单元和所述电阻值检测单元中的任一个之间的电连接。
在该配置中，所述第一导电层和所述第二导电层均为条状并且在相互正交的方向上延伸。
在该配置中，所述电子装置包括用于显示信息的显示屏，所述输入平面部件和所述基板由透明材料构成并且安装在所述显示屏上。
在该配置中，所述电子装置包括电容计算单元，该电容计算单元基于所述电容的变化计算用户的按压操作在所述输入平面部件上的二维位置或者用户的操作接近所述输入平面部件的接近度。
在该配置中，所述电子装置包括电阻值计算单元，该电阻值计算单元基于所述电阻值至少计算施加到所述输入平面部件的按压力。
在该配置中，基于所述第一导电层与所述第二导电层通过用户的按压操作接触时接触点的数量计算施加到所述输入平面部件的按压力。
在该配置中，所述电阻值计算单元基于所述电阻值计算所述用户的按压操作在所述输入平面部件上的二维位置。
在该配置中，所述电子装置包括电阻值反算单元，该电阻值反算单元基于用户的操作在所述输入平面部件上的二维位置反算所述二维位置中所述第一导电层和所述第二导电层的理论电阻值。所述电阻值计算单元得到当通过用户的按压操作所述第一导电层与所述第二导电层接触时接触点的数量。所述电子装置包括校正单元，该校正单元比较所述理论电阻值和所检测到的电阻值并校正基于所述接触点数量得到的按压力。
根据本发明的另一个实施例，提供一种触摸传感器中的操作检测方法，该触摸传感器包括：输入平面部件，所述输入平面部件包括形成为岛状的多个第一导电层；以及基板，所述基板包括形成为岛状且与所述第一导电层正交的多个第二导电层。所述方法包括以下步骤：检测所述多个第一导电层之间以及所述多个第二导电层之间的电容；检测所述第一导电层与所述第二导电层由于通过用户的按压操作导致的所述输入平面部件的变形而接触时所述第一导电层与所述第二导电层之间的电阻值。
根据本发明，能够提供一种能够以高精确度对触摸传感器进行位置检测和按压力检测的电子装置和操作检测方法。
附图说明
图1是示出信息处理装置的外观的透视图。
图2是示出感测头单元的配置的示意图。
图3是根据本发明实施例的信息处理装置的功能框图。
图4是示意性示出当手指向下按压感测头单元的输入平面部件时电容检测单元和电阻值检测单元获得输出的状态的图。
图5A至图5D是示出根据本实施例的信息处理装置的操作的示意图。
图6是示出当手指接近输入平面部件时在导电层和手指之间产生电容器的情况的示意图。
图7是示出多个导电层208中的一个导电层Yc与多个导电层210中的一个导电层Xc在接触点Vc处接触的状态的示意图。
图8是示出存储在特性数据存储单元中的按压力f与接触电阻R之间的关系的特性图。
图9是示出利用基于接触电阻求出的按压力对基于接触点的数量求出的按压力插值的处理的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，利用相同的附图标记表示基本上具有相同功能和结构的结构元件，并且省略对这些结构元件的重复说明。
此外，将按照以下顺序进行描述：
1.信息处理装置的外观示例
2.感测头单元的配置
3.信息处理装置的功能块配置
4.根据本实施例的信息处理装置的操作
5.按压力的检测
1.信息处理装置的外观示例
首先，参考图1描述根据本发明实施例的信息处理装置的示意性配置。图1是示出信息处理装置100的外观的透视图。信息处理装置100是诸如个人数字助理(PDA)或智能手机等具有便携式电话功能的移动装置的装置。
如图1所示，信息处理装置100包括用于显示各种信息的显示单元102。在显示单元102的表面上，安装有感测头单元200。感测头单元200包括诸如触摸面板或触摸垫的传感器。当用户的手指或指示笔150等与显示单元102的表面接触时，感测头单元200检测该接触并且执行与用户的操作相对应的功能。与用户的操作相对应的功能包括各种功能，诸如应用程序的启动、画面的滚动以及画面的更新。
在本实施例中，当用户的手指或指示笔150接触诸如触摸面板或触摸垫的、接近平面形状的感测头单元200(输入装置)的表面时，感测头单元200不仅检测二维位置(平面上的位置)，而且还检测与该平面正交的方向上的位置。在本实施例中，检测手指或指示笔150处于感测头单元200上方的状态，并且还检测接触感测头单元200的表面之后的按压力。
2.感测头单元的配置
图2是示出感测头单元200的配置的示意图。感测头单元200包括安装在输入平面侧上的输入平面部件202和安装在面对输入平面部件202的位置处的基板204，其中，用户使用手指或指示笔150通过输入平面部件202进行输入。输入平面部件202和基板204都以平板形式安装。如图2的横截面视图所示，通过间隔物206将输入平面部件202与基板204之间的间隙保持在几微米(μm)至几十μm。输入平面部件202由厚度大约0.2mm的透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成。在输入平面部件202的面向基板204的一侧上，以均匀的厚度形成具有预定电阻值的条状导电层208，如透明电极(氧化铟锡膜(ITO膜))。在此，假定形成n条Y1至Yn作为导电层208。
基板204也由透明PET制成。在基板204的面对输入平面部件202的一侧上，以均匀厚度形成具有预定电阻值的条状导电层210，如ITO膜。输入平面部件202的条状导电层208与基板204的条状导电层210正交。这里，假定形成n条X1至Xn作为导电层210。导电层208和210中的每一个的端部通过导线电连接到稍后说明的控制单元300。
3.信息处理装置的功能块配置
图3是根据本实施例的信息处理装置100的功能块图。如图3所示，信息处理装置100包括感测头单元200、控制单元300和中央处理单元(CPU)400。
控制单元300控制要施加到感测头单元200的导电层208和210中的每一个的电压。控制单元300对由于用户手指或指示笔150的接近改变的信号、用户手指或指示笔150的二维位置或者用户手指或指示笔150的按压力进行处理，并且计算期望的数据并将计算出的数据发送到信息处理装置100的CPU 400。控制单元300被安装在感测头单元200与CPU 400之间。
控制单元300包括切换单元302、电容检测单元304、电容计算单元306、电阻值检测单元308、电阻值计算单元310、电阻值反算单元312、力数据比较校正单元314和特性数据存储单元316。
电容检测单元304检测感测头单元200的导电层208与导电层210之间的电容。电阻值检测单元308检测导电层208和210的端部之间的电阻值。电容计算单元306基于由电容检测单元304检测到的电容的变化计算手指或指示笔150接近输入平面部件202的状态。此外，电容计算单元306基于由电容检测单元304检测到的电容值计算手指或指示笔150在输入平面部件202上的二维位置。
电阻值计算单元310对于输入平面部件202与基板204由于手指或指示笔150的按压力而接触时导电层208和210相互接触的接触点的数量进行计数。此外，电阻值计算单元310基于输入平面部件202与基板204由于手指或指示笔150的按压力而接触时电阻值的变化计算按压力和这些接触点的二维位置。
特性数据存储单元316是存储导电层208和210的电阻率和尺寸信息的存储器。此外，当导电层208与导电层210相接触时，将表示按压力与接触电阻之间的关系的数据存储在特性数据存储单元316中。电阻值反算单元312基于存储在特性数据存储单元316中的特性数据和所获得的二维数据反算导电层208和210的端部之间的理论电阻值。力数据比较校正单元314将反算出的电阻值与实际检测到的电阻值相比较并对手指或指示笔150施加到输入平面部件202的按压力进行校正。
图4是示意性示出当通过手指(或指示笔150)向下按压感测头单元200的输入平面部件202时电容检测单元304和电阻值检测单元308获得输出的状态的图。如图4所示，即使按压力具有小的值，电容检测单元304也能检测到电容的变化。然而，由于在导电层208与导电层210接触之前未检测到电阻值的变化，因此在按压力达到预定值(大约20克力(gf))之前电阻值检测单元308不能进行检测。
在本实施例中，考虑图4所示的特性，基于电容计算单元306的计算结果计算感测头单元200中手指的位置和手指的接近状态，并基于电阻值计算单元310的计算结果计算手指施加的按压力。结果，当按压力非常小时或者甚至当手指靠近输入平面部件202而没有接触输入平面部件202时，可以基于电容以高精确度检测手指的位置。此外，通过基于电阻值计算单元310的计算结果计算按压力，可以基于导电层208和导电层210之间接触点的数量以及在导电层208与导电层210接触之后导电层208和导电层210之间的接触电阻以高精确度检测按压力。切换单元302周期性地切换感测头单元200的输出并将该输出发送到电容检测单元304和电阻值检测单元308。
4.根据本实施例的信息处理装置的操作
图5A至图5C是示出根据本实施例的信息处理装置100的操作的示意图。下面对如图5A至图5C所示的用户手指逐渐靠近输入平面部件202时的每个位置进行描述。此时，切换单元302依次切换电容检测单元304和电阻值检测单元308与感测头单元200的连接。
图5A示出手指靠近输入平面部件202的情况。此外，图6示出当手指已经靠近输入平面部件202时导电层208与手指之间产生电容器220的状态。如图6所示，在相邻的导电层208之间存在电容，并且产生电容器230。如果手指靠近输入平面部件202，则由于增加了导电层208与手指之间产生的电容器220，相邻导电层208之间的电容改变。在基板204的导电层210中，类似地在导电层210与手指之间产生电容器，因而相邻导电层210之间的电容改变。电容检测单元304检测导电层208和210中的每一个中的电容变化。电容计算单元306对电容的变化进行计算处理并计算手指的二维位置(X，Y)。具体地，计算相邻导电层208之间的电容，并且当电容的理论值在不存在手指时改变时，判断手指是否位于正发生变化的导电层208之间。在相邻的导电层210之间进行相同的计算，并最终计算二维位置。
此外，由于增加的电容器220的电容根据手指与输入平面部件202之间的距离改变，因此，在指定了手指(或指示笔150)的二维(X，Y)位置之后，电容计算单元306可以基于电容器220的电容的绝对值获得与手指靠近输入平面部件202的接近度有关的数据。此外，尽管检测相邻导电层208之间的电容，还可以基于相同的原理，在输入平面部件202与形成于基板204上且相互正交的导电层210之间检测手指的位置(X，Y)和与输入平面部件202的接近度。
图5B示出手指与输入平面部件202接触的情况。在此情况下，输入平面部件202的形状还没有发生改变，并且输入平面部件202与基板204之间由于间隔物206而存在间隔。由于手指与输入平面部件202接触，图5A所示的电容突然增加，但是可以基于相同的原理获得二维位置(X，Y)。
此外，由于在图5B所示的状态下在输入平面部件202与基板204之间存在气隙，因此电阻值检测单元308所检测到的电阻值变成无穷大(∞)。
图5C示出手指(或指示笔150)从图5B的状态进一步向下按压输入平面部件202的状态。在图5C所示的状态中，输入平面部件202因按压力而变形，输入平面部件202的一部分与基板204接触，并且形成于输入平面部件202上的导电层208与形成于基板204上的导电层210电连接。
5.按压力的检测
图7是示出如下状态的示意图：多个导电层208的一个导电层Yc在接触点CP处与多个导电层210的一个导电层Xc接触。在此情况下，如图7所示，首先向输入平面部件202的全部导电层208(Y1至Yn)的两个端部施加一定的电压，并且接触点CP处的电压为Vc。此外，从接触点CP到左端部的长度是XL，并且从接触点CP到右端部的长度是XR。流到左端部的电流是iL，并且流到右端部的电流是iR。在此，如果导电层210每单位长度的电阻值(电阻率)是r，则XL和XR中的电阻值分别是rXL和rXR，因而可以如下表示iL和iR：
iL＝Vc/rXL
iR＝Vc/rXR
因此，得到如下关系：
iL/iR＝XR/XL
即，如果得到了iL值与iR值的比率，则也得到了XR与XL的比率。XR+XL(＝导电层210的长度)存储在特性数据存储单元316中，因而可以计算接触点CP的X坐标。
电阻值检测单元308读取电流值iL和电流值iR，并且电阻值计算单元310使用上述关系计算接触点CP的X坐标。通过向基板204的导电层210(X1至Xn)施加一定的电压并读取经接触点CP流到输入平面部件202的电流来以相反的方式进行Y坐标的计算。
如图5D所示，如果手指进一步向下按压输入平面部件202，则输入平面部件202极度变形，并且在输入平面部件202和导电层210之间形成多个接触点。由于接触点的数量随手指施加的按压力的增加而增加，因此检测接触点的数量，从而可以获得对应于接触点的数量(整数)的大致按压力。可以通过向每个导电层208单独施加电压并且单独检测每个导电层210的电势来检测接触点的数量。此外，如果按压力改变，则不仅接触点的数量改变，而且输入平面部件202的导电层208与基板204的导电层210之间的接触电阻也改变。因此，基于接触点的数量和导电层208与导电层210之间的接触电阻求出具体的按压力，并且可以补偿基于接触点的数量求出的大致按压力。
可以如下求出接触电阻值。基于存储在特性数据存储单元316中的导电层208和210的电阻率和形状数据以及如上所述计算出的二维位置(X，Y)，计算与导电层208和210之间没有接触电阻时每个二维位置中的位置相对应的理论电阻值。例如，在图7中，假定由于施加到导电层208的两个端部的电压E，导致电流从导电层208的下端部经接触点CP流向导电层210的左端部，如箭头I所示。对于导电层210和208的电阻值，基于存储在特性数据存储单元316中的每个导电层的电阻率和先前求出的每个路径的长度(接触点的X和Y坐标)，计算该电流路径上的理论电阻值R。
实际上，因为由接触点CP处按压力的大小产生接触电阻值Rc，所以如果考虑到这一点，总电阻值为(R+Rc)。
由电阻值检测单元308检测导电层210的左端部处的电流值iL，作为包括接触电阻值Rc的值。因此，得到如下等式：
iL＝E/(R+Rc)
在此，由于R、E和iL都是先前已知的值，因此可以计算接触电阻值Rc。
图8是示出存储在特性数据存储单元316中的按压力f与接触电阻Rc之间的关系的特性图。
当手指增加按压力并且建立图5C的状态时，形成于输入平面部件202上的导电层208与形成于基板204上的导电层210第一次接触。该状态是图8中的“连接起始点”，并且接触电阻的值为最大R0。随着按压力增加，接触电阻值Rc减小，但是该减小最终饱和。此时的电阻值是Rcs，并且实际值几乎为零。
通过在一个特定接触点处实际测量导电层208和导电层210获得在此示出的f-Rc特性图，但是如果相邻导电层具有相同材料和相同宽度值，则可以将相同的关系应用于所有接触点。当然，可以在所有接触点上实际测量该特性数据，并且可以将该特性数据存储在特性数据存储单元316中。
图9是示出用于利用基于接触电阻求出的按压力对基于接触点的数量求出的按压力插值的处理的示意图。如上所述，基于导电层208和导电层210之间接触点的数量，求出用户手指施加的大致按压力。图9中的实线所示的特征示出基于接触点的数量求出的按压力。当接触点的数量是一(1)时，按压力的值从F1到F2。类似地，当接触点的数量是二(2)时，按压力的值从F2到F3，并且当接触点的数量是三(3)时，按压力的值从F3到F4。如上所述，基于接触点的数量求出的按压力具有相对大致的值并具有阶梯状的跃迁。为了对基于接触点的数量求出的按压力进行插值，可以使用图8的特性。例如，当接触点的数量是一(1)时，即，当对应的接触点第一次开始连接时，按压力f(图8中的“连接起始点”处)是F1。然而，随着按压力增加，接触电阻值像图8的特性那样减小并且最终在接近零的点饱和。此时的按压力是图9所示的F1s。可以通过存储在特性数据存储单元中的图8的f-Rc特性和可以如上所述计算的接触电阻值Rc确定此时的按压力跃迁。当接触点的数量增加如2、3、4时，类似地，对基于接触点的数量检测到的阶梯状的按压力之间的部分插值，因此可以测量更准确的按压力。
如上所述，根据本实施例，当用户的手指接近输入平面部件202并且最终向下按压输入平面部件202时，可以基于电容的计算求出手指在输入平面部件202上的二维位置。此时，不但在手指接触输入平面部件202时，而且在手指处于输入平面部件202上方时，都可以基于电容检测接近程度。此外，可以基于导电层208和导电层210之间的接触状态求出手指向下按压输入平面部件时的按压力。因此，可以通过包括导电层208和210的单个系统检测手指的位置和按压力。
此外，在本实施例中，通过包括感测头单元200、控制单元300和CPU 400的配置，可以像现有的触摸面板那样检测二维XY位置，并且可以检测用户和指示笔150与输入平面部件202的接近度以及按压力并将其发送到CPU 400。因此，与通过组合单独进行位置检测和压力检测的独立装置实施同样功能的情况相比，设计感测头单元200的机制是容易的，并且信息处理装置100的壳体不需要高精确度。因此，这适于批量生产，并且可以降低壳体的成本。此外，由于使用的装置数量减少了，因此可以降低装置自身的总成本或维修成本。
此外，由于感测头单元200具有电容性触摸面板和电阻性触摸面板二者的特征，因此可以进行对应于手指(非专用的)和指示笔二者的检测。此外，由于它是电容式的，因此在读取二维位置的情况下，实际以0gf完成按压力，并且不仅可以检测一个手指或指示笔，而且可以同时检测多个手指或指示笔。
上面参考附图详细描述了本发明的示范性实施例。本发明不局限于上述实施例。本领域的技术人员应该理解，在权利要求书陈述的技术精神的范围内可以进行各种修改和变化并且这些修改和变化在本发明的技术范围内。
本申请包含与2010年4月7日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-088283中公开的主题有关的主题，该申请的全部内容通过引用包含于此。

Claims (9)

1.一种电子装置，包括：
输入平面部件，所述输入平面部件包括形成为岛状的多个第一导电层，并且当从用户接收到按压操作时，所述输入平面部件弹性变形；
基板，所述基板被布置为面对所述输入平面部件，并且包括在所述输入平面部件变形时与所述第一导电层接触的岛状的多个第二导电层；
电容检测单元，所述电容检测单元检测所述多个第一导电层之间以及所述多个第二导电层之间的电容；
电阻值检测单元，所述电阻值检测单元检测当所述第一导电层与所述第二导电层因所述输入平面部件的变形而接触时所述第一导电层与所述第二导电层之间的电阻值；以及
切换单元，所述切换单元控制所述第一导电层和所述第二导电层与所述电容检测单元和所述电阻值检测单元中任一个之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中，所述第一导电层和所述第二导电层均为条状并且在相互正交的方向上延伸。
3.根据权利要求1所述的电子装置，包括用于显示信息的显示屏，其中，所述输入平面部件和所述基板由透明材料制成并且被安装在所述显示屏上。
4.根据权利要求1所述的电子装置，包括电容计算单元，所述电容计算单元基于电容的变化计算用户按压操作在所述输入平面部件上的二维位置或用户操作接近所述输入平面部件的接近度。
5.根据权利要求4所述的电子装置，包括电阻值计算单元，所述电阻值计算单元基于所述电阻值至少计算施加至所述输入平面部件的按压力。
6.根据权利要求1所述的电子装置，其中，基于所述第一导电层与所述第二导电层通过用户的按压操作接触时接触点的数量，计算施加至所述输入平面部件的按压力。
7.根据权利要求5所述的电子装置，其中，所述电阻值计算单元基于所述电阻值计算所述用户按压操作在所述输入平面部件上的二维位置。
8.根据权利要求5所述的电子装置，包括：
电阻值反算单元，所述电阻值反算单元基于用户操作在所述输入平面部件上的二维位置，反算在所述二维位置中所述第一导电层和所述第二导电层的理论电阻值，
其中，所述电阻值计算单元求出所述第一导电层与所述第二导电层通过用户的按压操作接触时接触点的数量，以及
所述电子装置包括校正单元，所述校正单元将所述理论电阻值与所检测的电阻值相比较并且校正基于接触点的数量求出的按压力。
9.一种触摸传感器中的操作检测方法，所述触摸传感器包括：输入平面部件，所述输入平面部件包括形成为岛状的多个第一导电层；以及基板，所述基板包括形成为岛状且与所述第一导电层正交的多个第二导电层，所述方法包括以下步骤：
检测所述多个第一导电层之间以及所述多个第二导电层之间的电容；
检测所述第一导电层与所述第二导电层由于通过用户的按压操作导致的所述输入平面部件的变形而接触时所述第一导电层与所述第二导电层之间的电阻值。
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