CN102591515A - 用于多模式触摸屏装置的力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多模式触摸屏装置的力的测量方法。依据本发明的方法使得可以测量施加至触摸屏的力。本发明的原理在于测量支撑触摸屏的传导行(3)和列(5)的两个板(2，4)的位移，该位移与施加的力成比例。通过分析通过用于移位板的激励器的存在所引入的电容阻抗(C_Z1，C_Z2)的变化而知道板的位移。

Description

用于多模式触摸屏装置的力的测量方法

技术领域

本发明的技术领域是触摸屏。这些屏幕是通过使用者的手指或手激励的敏感表面，并且通常通过图形界面来用于控制装置或系统。有大量的可能用途。特别是航空应用，其中飞行员因此可以控制和命令通过航空器指令面板显示的全部功能。

背景技术

理想的触摸系统，除了能够通过轻轻触摸来管理一个或多个光标的位移以及管理一个或多个键的敲击之外，必须能够使每一个敲击与沿着垂直于触摸屏的表面的轴的对应的力相关联。

存在各种“触摸屏技术”，主要的两种是电容触摸表面和电阻触摸表面。当使用者朝触摸表面移动他的手指时，通过电容变化的采集来操作投射的电容触摸屏表面。轻轻接触是充分的，允许一个或多个光标的位移，但是这些触摸表面不与手套或任何触针一起工作。此外，以敲击力为条件的确认是不可能的。作为例子，国际申请WO2004061808描述了这种类型的一种触摸传感器。

电阻触摸表面使得可以在一定程度上监控敲击力，以便与手套和任何触针一起工作。然而，却再也不可能通过简单的轻轻触摸实现光标的位移。

2009年11月17日，申请人申请了号码为0905510的法国专利申请。在该专利申请中公开的装置提供了一种克服上面提到缺陷的方式。实践中，它能够在手指接近屏幕时以电容模式工作，并且基于与某一力匹配的物理接触而以电阻模式工作。

然而，现有技术的该装置不可能给出与通过使用者施加给面板的力有关的可靠信息。现有技术中已知的当前装置利用对压力或位移敏感的元件，粗略地布置在触摸表面的拐角处，比如在国际申请WO2008065205A1中。这些装置仅给出施加力的结果，而没有敲击点的数量，也没有它们的位置和强度。

此外，它们需要额外的装置，传感器，机械元件和调节电子元件。

在专利申请US2009237374A1中描述了另一新颖的实施例装置，但是触摸表面不得不特别地在它的两个有源层之间添加压力敏感元件。

在国际申请WO2010027591A2中描述了在屏幕的外围处利用多个压力敏感元件的混合装置。然而，仍不可能不添加压力敏感元件来测量敲击的定位压力。

发明内容

本发明使得可以克服上面提到的缺陷，并且其目的是提出一种能够测量施加至触摸屏的力的触摸屏装置。

更具体地，本发明涉及一种用于测量通过激励器施加至触摸屏装置的力的方法，所述触摸屏装置包括具有多个传导行的刚性第一衬底和具有垂直于所述行的多个传导列的柔性第二衬底，有利地，该方法包括下面的步骤：

-第一步骤，测量存在于行和列之间节点处的阻抗，

-第二步骤，计算对应于行和列之间节点处的耦合电容的所述阻抗的电容分量，

-第三步骤，通过所述阻抗的电容分量值检测激励器和触摸屏的表面之间的接触，

-第四步骤：分析所述阻抗的电容分量变化，以便测量对应于激励器和触摸屏的表面之间的接触的瞬时之后施加至所述触摸屏装置的力，电容分量的变化与施加的力成比例。

有利地，在第四步骤中，当力被施加于触摸屏时，至少在位于对应于激励器和触摸屏表面之间接触的瞬时之后以及对应于第一和第二衬底之间接触的瞬时之前的时间间隔期间计算电容分量的变化。

有利地，该方法包括存储存在于行和列之间每一个节点上的阻抗的映射的第五步骤。

本发明也涉及一种触摸屏装置，该触摸屏装置包括具有多个传导行的刚性第一衬底和具有垂直于所述行的多个传导列的柔性第二衬底。有利地，该装置还包括采集电子元件和处理电子元件，采集电子元件能够测量存在于行和列之间的节点处的阻抗，并且处理电子元件能够计算所述阻抗的电容分量和根据与所述阻抗的电容分量变化有关的数据计算施加至所述触摸屏装置的力。

本发明涉及一种包括至少一个显示屏和依据本发明的一个触摸屏装置的显示装置。

该显示装置可以是用于被飞行员和副飞行员分开或同步使用的飞行器指令面板显示器。

附图说明

从阅读下面的作为非限制性的例子给出的说明书以及从附图中将更好地理解本发明，并且其他优点将变得明显，其中：

图1表示压力效应下触摸屏的变形；

图2表示依据本发明的触摸屏的一般原理；

图3表示依据本发明的触摸屏装置的电路图；

图4表示包括所述触摸屏装置的行和列的交叉的电路图；

图5，6，7，8和9表示在不同的情况中通过所述触摸屏的使用者的手指或手产生的所述交叉处阻抗的变化；

图10，11和12表示依据本发明的触摸屏装置的三种使用模式。

具体实施方式

图1表示力的电容检测原理。触摸表面由被空气空间分开的刚性板4和柔性板2构成，空气空间被隔离物1保持；这表示用于制造标准电阻触摸表面现有技术状态。在敲击时，必须施加力以使该组件变形，所述力将取决于板2的硬度，也取决于隔离物1的硬度。在传统的“触摸屏”中，仅检测两个板之间清楚的接触，低压阶段(depression phase)不可见。本发明的原理在于测量这两个板的位移L，该位移与施加的力成比例。有效地，如果我们考虑包括板2和刚性构件1的组件的硬度K，局部施加的力等于乘积K×L。

此外，多路复用的“触摸屏”利用传导行3和列5的网络。因此在敲击水平处存在至少一个交叉节点，并且该节点具有相应的耦合电容Cz。

如下表述节点处的这种电容：

Cz＝ε₀×ε_r×S/L

ε₀是空间的介电常数，ε_r是包含在两个板2和4之间环境的相对介电常数。S是节点的交叉处的截面积，L是两个板之间的距离。依据本发明的装置和方法使得除了通过使用者投射的电容和节点交叉处的电阻之外，还可以测量该电容Cz。需要指出，涉及的电介质传统上可以是空气，但它也可以是具有合适介电和粘性特性的液体。

在图1中表示柔性板2的第一位移，并且节点处得到的电容等于CZ₁。表示了柔性板2的第二位移，并且节点处得到的电容等于CZ₂。

图2表示依据本发明的触摸屏装置10的一般原理。该图包括屏幕的平面图，剖面图，并且在图2的右侧，两个示意图示出了根据用户是否朝屏幕10移动他的手11或通过施加压力接触屏幕而进行的装置的操作。如该图中所见的，该装置包括为多路复用触摸表面的触摸面板10，由面向柔性衬底14和刚性衬底15布置的行12和列13构成。这种装置自然以电阻模式工作。当使用者在柔性衬底14上按压时，局部力引起敲击的节点处至少一行和一列的接触，引起该行和该列的交叉的电阻R的变化，仅需测量该变化以便获得敲击位置(图2中的图底部右侧)。该类型的面板是传统的，并且通过英国公司“Danielson”特别制造。面板也能够以电容模式工作。实际上已知当使用者轻轻触摸键盘时，他的手会引起位于触摸面板的行和列的交叉处电容C_V的变化。为了提供该功能，发生器20经由注入(injection)电容对面板10提供正弦高频电压。在高频处，在行和列的交叉(图2中的图顶部右侧)处存在固有电容效应C_Z。如先前可见的，该值C_Z在敲击过程中变化，与施加的力成比例。

更具体地，并且作为非限制性的例子，在图3中表示依据本发明的整个触摸屏装置。它包括：

-触摸面板10，由如先前所述的行和列构成；

-控制电子元件20；

-采集和处理电子元件30。

控制电子元件20包括：

-高频电压发生器21；

-第一多路复用器22，通过注入电容23寻址触摸面板10的多个传导行12，输入信号的电压表示为V_IN。多路复用器不是理想的，并且在涉及的频率处具有电容损耗24。

采集和处理电子元件30包括：

-第二多路复用器31，寻址具有电容损耗35的多个传导列；

-同步解调器32，在与高频电压发生器21相同的频率处工作，并传递多个输出电压V_OUT至每一列；

-模拟-数字转换器33，用于将模拟信号转换成数字信号；

-计算、存储和监控装置34，用于计算存在于每一输出电压和输入电压之间的阻抗Z，存储该阻抗Z，确定它的电阻和电容分量，从其中推断触摸面板上使用者的动作的类型(一个或多个敲击的位置，以及施加的力)。

通过充当具有高品质因数的带通滤波器的解调器32执行的同步解调使得可以滤波所谓的“EMI”电磁干扰，这避免了无源滤波的使用。此外，即使干扰位于靠近发生器21的频率的频率处，依靠滤波器的高选择性也可将其滤波，并因为干扰从不会与注入频率一致。此外，注入频率可以稍微变化和伪随机，从而再也不被干扰，包括通过相等和同相的频率的干扰。

图4表示针对给定的行和列交叉的装置的等效电路图。该行具有等效电阻R_L。发生器通过注入电容23供给该行。并联地，第一输入多路复用器具有电容24。该列具有等效电阻R_C。并联地，第二输出多路复用器具有电容35。在行和列的交叉处，使用者的手或手指将引起阻抗Z的变化，该阻抗Z具有电阻分量R_Z和电容分量C_Z。连接输入电压和输出电压的传统关系是V_OUT＝ZV_IN，以复数形式Z＝A+Bj。

然后通过同步解调器解调信号，以便从其中析取有效值 $V_{\mathrm{OUT}}={V_{\mathrm{IN}}}^{*}\×\sqrt{(A^2+B^2)}.$

依靠如先前所述的依据本发明的装置，可以实施依据包括实施下面步骤的本发明的力的测量方法：

-在第一步骤中，测量存在于行和列之间节点处的特性阻抗。测量依据例如通过激励器，手指或触针施加的力而改变的阻抗值。在该第一步骤中，采集装置也可以测量节点处的其他电特性，比如列上输出电压。

-在第二步骤中，至少计算所述阻抗的电容分量，该电容分量对应于行和列之间节点处的耦合电容。也可以计算节点处的其他电阻抗特性，比如电阻分量。

-在第三步骤中，通过所述阻抗的电容分量值检测激励器和触摸屏的表面之间的接触。该检测是可能的，因为节点处存在阻抗增加或节点处的列处存在输出电压的降低。

-在第四步骤中，分析所述阻抗的电容分量变化，以测量对应于激励器和触摸屏的表面之间的接触的瞬间之后施加至所述触摸屏装置的力，电容分量的变化与施加的力成比例。

电容分量的变化或者节点处的列处的输出电压的变化与柔性板2的位移相关联，并因此与力相关联。数据处理装置用于通过测量该电容分量或该输出电压来确定该力。

更具体地，图5，6，7，8和9表示在使用触摸表面时该有效值的变化。在这些图中，左侧示出使用者的手11相对于触摸表面10的位置，并且右侧示出表示依据通过使用者的手按压的行上的位置的相应输出信号V_OUT的变化曲线。这些曲线也示出了输入电压V_IN。

在图5中，使用者的手总是远离触摸面板。提供的行电容耦合至列，其与测量装置形成电容分配器桥，该测量装置具有相对于地的耦合电容。获得的信号在电源电压V_IN和地之间的中间电压处，电阻R_Z无穷大，并且电容C_Z在它的最小值处，对应于零敲击力。该信号在整个行上明显是恒定的。

图6示出了通过使用者的手在面板上的轻轻触摸。轻轻触摸可被理解为意味着手指拂动或触摸触摸面板而不施加任何可测量压力的事实。手指然后投射(project)电容C_V，该电容C_V在节点处耦合行C_VL和列C_VC至地，引起信号的局部衰减，如在图6的曲线中可见的。手指充当局部“下拉”(pull-down)。

在如图7中表示的无压接触情况中，耦合电容增大至阈值，然后保持恒定。信号减小至最小。因此可以跟随手指的位移。

在如图8中表示的有压力但在两个板14和15之间没有接触的接触情况下，在敲击过程中，并且依据施加的力，由于两个板的接近，行和列之间的电容C_Z增大。耦合电容的该增大导致节点处阻抗Z的减小(Z成比例于1/C_Z而变化)。手指充当局部“上拉”(pull-up)。

在如图9中表示的有压力并在两个板14和15之间有接触的接触情况中，在敲击过程中，并且取决于施加的力，在接触点和地之间产生电容，或者在行和列之间产生接触电阻。在有压力的物理接触情况中，行/列电容耦合C_Z消失，电阻R_Z减小，这导致节点处阻抗Z的降低(信号增大)。手指充当局部“上拉”(pull-up)。

因此，行/列交叉处信号的简单分析非常简单地使得可以确定：

-没有手：信号恒定；

-轻轻接触：信号局部减小；

-接触：信号达到最小；

-有压力但在两个板之间没有接触的接触：信号增加；

-两个板之间有接触的接触：信号达到最大。

为了给出振幅数量级的概念，将被检测电容的变化是几十个皮法拉的数量级，并且将被检测电阻的变化是几十个欧姆的数量级。

明显地，可以产生在行/列交叉的全部矩阵上的信号的完全映射。然后可以定义三个检测模式，下面详细描述，并且在图10，11和12中进行表示：

图10：所谓的“投射电容”模式，用于检测手或手指的接近，以及它的接近方向。在图10中，用轻轻的阴影表示了其中信号代表该模式的面板10的交叉16；

图11：所谓的“离散电容”模式，用于检测一个或多个手指轻轻接触表面，这使得可以提供多光标管理。在图11中，以暗阴影表示其中信号代表该模式的面板10的交叉16；

图12：所谓的“电容-电阻”模式，在电阻接触之前，源于两个板的集中的电容12给出压力和位置信息。从对应于两个板的接触的某一压力，接触电阻的分析，以及敲击截面的可能的分析，使得可以给出位置和压力信息。在图12中，以黑色表示其中信号代表该模式的面板10的交叉16；信号的变化用于确定压力的强度。因此，图12中右侧上的手11比在该相同的图中左侧上示出的手11更强烈地按压于触摸面板10之上，引起更强和更延长的信号变化。

在没有手指接近时，装置的触摸监控器可以永久性地从面板获得信号的“图像”，并通过滑动平均从其中推断出空闲时的信号的“表格”，该表格被存储。从瞬时值的表格减去该图像，以便形成差分表格，从该表格可以分配每一个点或每一个交叉的状态。

这种装置因此是“多触摸”，可以用于通过以电容模式的轻轻触摸来管理一个或多个光标的位移，可以通过(passing over)按钮并且没有不想要的激励。简单的压力使得可以确认一个或多个目标，节点处耦合电容的分析使得可以测量压力，并且类似地，敲击表面使得可以测量手指的变形，并因此测量压力，其给出第三检测轴。因此可以具有手的位置上真实的三维信息。

依据本发明，当触摸屏与显示信息、和像通过微软公司销售的“Windows”软件那样的窗口或图标的图形屏幕耦合时，可被触摸屏访问的新的功能还包括：

-光标的分离和敲击的分离

-在传统的触摸表面上，光标不能与确认的目标的状态分离。利用手指在它上面通过引起它被激励。在依据本发明的装置中，如果信号处于“上拉”模式，则目标被确认。仅仅在“下拉”模式中管理光标。在信号丢失时光标消失。仅在“上拉”模式中，也就是说当使用者物理按压于屏幕上时，并且也可是在达到某一压力阈值的条件时，确认是有效的。

-保护或“监控”

-在传统的矩阵电阻“触摸屏”中，行或列的损耗是不可被检测的，因为“空闲”状态，也就是说当没有使用者的手存在时，处于高阻抗状态。交流电流使得可以受益于节点处的电容耦合。因此通过由电阻桥产生的中间电平表示该空闲状态。通过空闲信号的损耗，容易检测到切断。

-虚拟键盘或“触垫”的产生

-在图形屏幕上可以产生虚拟键盘。在该区域中仅使用“上拉”功能(利用敲击压力的电阻模式)，也可以生成“触垫”区域。在该情况中，利用通过轻轻接触的位移(利用轻轻接触的电容模式)，仅在“下拉”模式中管理。

-触摸屏的三维管理。

因为能够识别多个叠加的敲击平面，并且在电阻平面中能够测量力，因此可以使用垂直于触摸屏的平面的轴，并且使得可以管理或模拟例如控制元件的受控低压。

本发明应用于包括触摸屏的显示装置，并且更通用地应用于包括触摸屏的任何交互装置，其目的是测量施加至该触摸屏的力。

Claims (7)

1.一种用于测量通过激励器(11)施加至触摸屏装置(10)的力的方法，所述触摸屏装置(10)包括具有多个传导行(5)的刚性第一衬底(4)和具有垂直于所述行的多个传导列(3)的柔性第二衬底(2)，其特征在于该方法包括下面的步骤：

-第一步骤：测量存在于行(5)和列(3)之间节点处的阻抗(Z)，

-第二步骤：计算对应于该行(5)和该列(3)之间节点处的耦合电容的阻抗的电容分量(C_Z)，

-第三步骤：通过所述阻抗的电容分量的值检测所述激励器(11)和所述触摸屏表面之间接触，

-第四步骤：分析所述阻抗的电容分量(C_Z)的变化，以便测量对应于所述激励器(11)和所述触摸屏(10)的表面之间的接触的瞬时之后施加至所述触摸屏装置(10)的力，电容分量(C_Z)的变化与施加的力成比例。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在行(5)和列(3)之间节点处阻抗的增大或所述节点处的列处存在的输出电压的降低反映了所述第三步骤中执行的所述激励器和所述触摸屏(10)的表面之间的接触的检测。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第四步骤中，当力被施加于触摸屏(10)时，至少在对应于激励器(11)和触摸屏的表面之间的接触的瞬时之后以及对应于第一衬底(2)和第二衬底(4)之间的接触的瞬时之前的时间间隔期间计算所述电容分量(C_Z)的变化。

4.如权利要求1至3的任何一项所述的方法，特征在于该方法包括存储存在于所述行和所述列之间的每一个节点上的阻抗(Z)的映射的第五步骤。

5.一种触摸屏装置(10)，包括具有多个传导行(5)的刚性第一衬底(4)和具有垂直于所述行的多个传导列(3)的柔性第二衬底(2)，其特征在于该装置还包括采集电子元件和处理电子元件(30)，所述采集电子元件能够测量存在于行和列之间节点处的阻抗(Z)，并且处理电子元件能够计算所述阻抗的电容分量(C_Z)和计算施加的力和/或根据与所述阻抗的电容分量变化有关的数据定位所述触摸屏装置上的一个或多个敲击。

6.一种显示装置，包括至少一个显示屏和一个触摸屏装置，其特征在于所述触摸屏装置至少如权利要求5中所述。

7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于该装置是用来被飞行员和副飞行员分开或同步使用的飞行器指令面板显示器。

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