CN103119410A - 用于检测至少一根人的手指在表面上的存在的装置以及将所述装置用在机器、装置(尤其是便携式装置)或系统的用户界面中的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测至少一根人的手指在表面(10)上的存在的装置(1)，其包括：-至少一个具有压电特性的元件(22)，其位于可见的表面(10)的下方，所述元件(22)以下述方式被布置在所述装置(1)中：即使得当对所述表面(10)施加力(F)时，诸如当用手指按压所述表面(10)时，所述力(F)被转换为所述元件(22)的机械应力，所述元件(22)进而响应于所述机械应力而产生电压输出(V)；-用于在预先定义的时间段内测量所述电压输出(V)的部件(R2、R3、C3、IC1)；以及-用于确定所测得的电压输出(V)的稳定性程度的部件(IC1)，其被构造为指示：i)如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出高度稳定或至少足够稳定，则人的手指与所述表面(10)之间的物理接触不存在；以及ii)如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出不稳定，但包含人的手指特有的振动，则人的手指与所述表面(10)之间的物理接触存在。本申请还包括方法权利要求。
Description
技术领域
本发明在传感器技术的领域中进行，更具体地在触摸传感器的领域中进行。
背景技术
机器、装置(后者尤其还包括便携式装置)以及还有不同类型的系统可具有一个或多个用户界面，装置的操作者或用户可以触摸用户界面以便控制装置。最典型地，用户界面具有可以是平坦的或弯曲的表面。
检测人的手指对于用户界面的表面的触摸或存在是已知的。特别地，包括压电材料的触摸传感器在最近几年已得到普及。然而，它们不能准确地并且可靠地检测人的手指与触摸传感器之间的物理接触在给定时刻是否存在。
发明内容
因此，本发明的目的是改善用于检测至少一根人的手指在表面上的存在的装置的准确性和可靠性。
可通过使用根据独立权利要求1所述的装置以及根据独立权利要求13所述的方法来实现这个目的。
从属权利要求描述了所述装置和所述方法的有利的方面。
一种用于检测至少一根人的手指在表面上的存在的装置，其包括至少一个具有压电特性的元件。所述元件位于可见的表面的下方。此外，所述元件以下述方式被布置在所述装置中：即使得当对所述表面施加力时，诸如当用手指按压所述表面时，所述力被转换为所述元件的机械应力。所述元件响应于所述机械应力而产生电压输出。
所述装置还包括用于在预先定义的时间段内测量所述电压输出的部件，并且还包括用于确定所测得的电压输出的稳定性程度的部件，该部件被构造为指示：
i) 如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出高度稳定或至少足够稳定，则人的手指与所述表面之间的物理接触不存在；并且
ii) 如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出不稳定，但包含人的手指特有的振动，则人的手指与所述表面之间的物理接触存在。
用于确定所测得的电压输出的稳定性程度的部件最有利地适于i)在时间间隔内收集电压输出样本，ii) 计算对于所述电压输出样本的误差度量，以及iii) 将误差度量与预先定义的阈值进行比较。如果所述误差度量没有超过所述预先定义的阈值，则不存在物理接触。在任何其他情况下，存在物理接触。所述误差度量在简单的实现中可以是所述样本与所述样本的平均值的距离的平方和。
在将装置用在机器、装置(尤其是便携式装置)或系统的用户界面中的方法中，所述装置被用于指示人的手指与所述用户界面的表面之间的物理接触是否存在。
本发明的有益效果
通过根据本发明的装置，现在有可能可靠地检测至少一根人的手指是否确实触摸用户界面的表面，即在至少一根人的手指与所述表面之间是否存在物理接触。
根据本发明的方法可以改善所述方法被用在其中的机器、装置或系统的准确性或可靠性，由此可以降低错误地解释至少一根人的手指在所述表面上的存在的概率。
在所述装置中，如果具有压电特性的元件被布置在从所述表面下方附接于所述表面的上导电层与附接于基板的下导电层之间，所述上导电层被用于与所述元件的上电极的电接触并且所述下导电层被用于与所述元件的底部的电接触，则可以从所述元件的两侧实现电接触。考虑到要在所述表面中施加的力必须被转换为电压输出，因此这尤其重要。
如果所述上导电层是导电箔，则经由所述表面向所述元件施加的力的转换可尽可能少地被损害。
如果所述下导电层是铜层，则其不仅可以被用于向所述装置的其他电路提供电接触和容易连接性，而且还可以被用作机械支撑。所述铜层优选地具有镀金以改善耐蚀性并且因此改善电接触。
如果所述下导电层包含孔或凹进处，为所述元件的经受机械应力的部分提供足够的空间，而同时所述下导电层中的直接限制于所述孔或凹进处的边缘的区域被用作所述元件的边缘的支撑表面，则机械应力可以被用于在所述元件中产生塑性变形，而同时也提供所述元件能够弯曲的极限，保护其免受过载影响。
对于所述孔或凹进处而言特别有利的制造形式是在所述孔或凹进处是圆形的情况下，因为圆形的压电元件成本低、容易获得并且由于旋转定向无关紧要，因此在所述装置被装配时容易放置。
具有压电特性的所述元件最优选地是或包括陶瓷压电元件、晶体压电元件或展现压电特性的聚合物构造。
在本发明的优选实施例中，所述元件以下述方式被布置在所述装置中，即使得当在所述表面中施加力时，诸如当用手指按压所述表面时，所述力通过使所述元件弯曲而被转换为所述元件的机械应力。然后，通过适当地选择所述表面与所述元件之间的距离、它们尺寸以及用于所述表面的材料的质量，在获得适当的电压输出之前必须对所述表面施加多少力可以被选择。
更实际地，用于在预先定义的时间段内测量所述电压输出的部件和用于确定所测得的电压输出的稳定性程度的部件包括微控制器，其还包括用于将是模拟信号的电压输出转换为数字信号的模数转换器，所述数字信号进而使用所述微控制器中的软件算法来分析。以这种方式，所述装置可以被实现为自动装置。当前，这样的微控制器相对功能强大并且不需要过多的电力来操作，而因此是商业上吸引人的选择。
所述装置最优选的是传感器或传感器的一部分。
根据所述方法的有利方面，所述装置可以被用于实现
- 适于检测人的手指的存在的电容触摸传感器，
- 适于通过测量投射到所述用户界面的表面的力的变化来感测人的触摸的电感触摸传感器，或
- 对力的变化做出反应并且适于通过测量投射到所述用户界面的表面的力的变化来感测人的触摸的压电触摸传感器。
当所述方法被用于这些目的中的任何一个时，所列各种类型的传感器的固有问题中的一些可以被减轻。这样的问题包括诸如区分人的手指与传感器之间的物理接触在给定时刻是否存在的准确性或可靠性的操作特性。以这种方式，可以扩展用于不同目的的传感器的可用性。
所述方法的特别有利的方面在于，当使用所述方法时，所述装置被用于发信号通知人的手指与所述用户界面的相互作用的开始和结束，并且还优选地被用于测量与所述至少一根手指按压所述表面的力对应的插入力。这通过根据现有技术的触摸传感器仍是不可能的。另外，相同的装置也可以测量插入力。既测量插入力又发信号通知人的手指与用户界面的相互作用的开始和结束仍是不可能的。
附图说明
下面将通过附图所示的示例更详细地描述本发明，在附图中：
图1是所述装置的优选实施例的示例机械构造的侧视图，对应于投入生产的装置的横截面视图；
图2是示例系统的实际测量数据的曲线图；以及
图3是示例测量系统的电连接图。
具体实施方式
人的手指在抵靠表面按压时有轻微振动的趋势。通过感测这种振动，有可能确定是否存在物理接触。
通过测量人的手指向表面施加的振动，装置和方法可以被用于感测人的手指与表面之间的物理接触是否存在。
优选的机械构造利用压电元件来感测由振动引起的力，但本发明不限于测量所施加的力的任何特定方式。
在第一已知应用中，电容感测技术检测人的手指的存在，但不能检测手指是实际触摸表面还是接近表面。
在第二已知应用中，诸如压电元件或电感元件的非电容技术被用于通过测量投射到用户界面的表面的力的变化来感测人的触摸。这些技术中的许多只对力的变化做出反应而不能测量静力。因此，它们在检测与人的手指的相互作用的开始和结束方面具有有限的准确性和可靠性。
在第三已知应用中，用户界面向人的手指发送触觉反馈来向用户产生可感知的感觉。为了使大多数触觉反馈技术能够起作用，需要表面与人的手指之间的物理接触。因此，只有在手指的物理接触存在之后，触觉反馈系统才大大地得益于能够发送触觉反馈。
本发明的装置和方法不限于上述应用中的任何一种；然而，上述应用被用作可在其中利用本发明的装置和方法的具体示例。
装置1包括一个或多个压电元件22。压电元件22响应于向其施加的机械应力的变化而产生电压。当压电元件的机械应力被改变时，元件22的输出电压对应地发生改变。当压电元件的机械应力是静态的并且不发生改变时，该压电元件的输出电压是恒定的。
现在更详细地参照装置1的结构，图1示出了用于将压电元件22附接到表面10中使得当垂直力F被施加于表面10时，该力被用于通过使压电元件22弯曲而机械地加应力于其的示例机械构造。
基板20为在其上的层堆叠提供支撑。在示例构造中，基板20是用玻璃布增强环氧树脂层压板(也被称为FR4材料)制造的印刷电路板。附接在其上的，最优选地有90 μm的镀金铜层18，该铜层既提供与压电元件22的底部的电连接，也为压电元件22的向下弯曲提供足够的空间。对于铜层18，其他厚度也可以被使用，最有利地在20 μm到1 mm之间，但90 μm尤其适合于提供保护以避免过载，以及为弯曲提供足够的空间，并且有可能通过标准的印刷电路板工艺生产。镀金改善了电接触的可靠性，但这不是强制的。
特别地，当圆形压电元件22被使用时，在铜层18中蚀刻直径稍微更小的圆形孔27以从侧边支撑所述压电元件。结果，在基板20与铜层18的组合的顶部将存在凹进处。最优选地，在基板20中不形成孔或凹进处。
压电元件22包括压电材料的圆形层28，该圆形层烧结在金属基板25上，该金属基板最优选地包括或由黄铜或不锈钢构成并且具有比压电材料层28大的直径。
点状物26不直接是压电元件22的部分，因为它是被丝网印刷到导电箔14上的，用于感生预应力并且确保接触，由此改善了装置1的灵敏度。点状物26的目的也是为了确保压电元件22与导电箔12之间的电接触，这是因为：a) 厚度容差发生改变；以及b) 因为在粘合剂与压电元件之间热系数是不同的。装置1在没有点状物26的情况下也起作用，但是通过使用点状物26，就考虑到不同的容差而言，其可靠性能够大大改善。
备选地，点状物26可以位于导电箔14的另一侧，或者甚至位于不同的层中。如果点状物26如图1所示的那样定位，则优选地或者a) 其包括导电材料或由导电材料制成，或者b) 其覆盖有导电材料。对于优选实施例，我们选择用丝网印刷的银来覆盖点状物29以使其外表面导电。
压电材料层28可以是圆形的，但是它也可以具有任何其他形状。特别地，最近发现用于压电材料层28的最有利的形状是在其为三角形的情况下。我们也已经使用了椭圆形或接近椭圆的形状，由此我们有可能通过装置1来达到最真实的触觉用户体验。
压电元件22被包围在粘合层16内的孔31中。粘合层16的高度a与压电元件22的高度相同。基板25和压电材料层28的厚度比粘合层的高度a略低。为了得到预应力，基板25、压电材料层28以及点状物26(当其未被压缩时)的总厚度比粘合层16的厚度a略大。
导电箔14在压电元件22上，其提供与压电元件22的上电极的电接触。导电箔14通过粘合层12附接于表面10。表面10对于用户可见。
当力F被施加于图1中的机械构造时，压电元件22开始弯曲(图1示出了处于弯曲状态的压电元件22)。当力F被去除时，分层的构造返回其原始的未弯曲的状态(图1中的压电元件22将被显示为伸直)。弯曲是机械应力的一种形式，并且因此，压电元件22在铜层18与导电层14之间产生电压。铜层18和导电层14连接至诸如微控制器的用于测量电压的测量设备。
装置1并不限于所示出的构造，并且不限于使用独立的压电元件22。作为装置1的元件22，可以使用陶瓷压电元件、晶体压电元件或展现压电特性的聚合物构造。将所施加的机械力F转变为压电材料的机械应力的任何构造都是适合的。
当人的手指没有触摸图1中的表面10时，即所施加的力F为0时，该机械构造是稳定的，并且压电元件22的电压输出是稳定的。当表面10正被人的手指触摸时，在手指物理上抵靠表面10的时间期间，手指向表面10施加变化的力F。由于人的手指的特性，尽管被尽可能地保持稳定，手指也有轻微振动的趋势。这种变化的力F使得压电元件22的电压输出随时间变化。通过测量压电元件22在一定时间段内的电压输出的变化量，可以检测出人的手指是否正在触摸表面，即在人的手指与表面之间是否存在物理接触。
在图2中示出了实际测量数据的示例。曲线图的X轴表示时间，而Y轴表示所测得的电压。在点40之前，没有力F被施加于表面10，因此该机械构造和输出电压是稳定的。在点40处，人的手指被放置到表面10上，使得物理接触存在。由于人的手指的特性，手指振动并且引起随时间变化的力F，以及由此引起压电元件22随时间变化的弯曲。从图2中的曲线图中可以清楚地看到，信号在点40之后变得不稳定。
在点42处，手指被提起离开表面10。在点42处手指与表面10之间的物理接触一消失，所施加的力F就变为0，并且压电元件22的输出电压就变得恒定。
通过使用合适的电路来测量压电元件22的输出电压的稳定性，可以确定人的手指与表面10是否有物理接触。使用图3所示的电路来记录图2中的示例。
图3所示的电路是测量系统的示例实施例，但本发明并不限于测量传感器元件的这种特定方式。微控制器IC1包含用于测量压电元件PZ1的输出信号的软件算法，该软件算法使用微控制器IC1的模数转换器。压电元件PZ1的输出信号在最简单的实现中是由压电材料层28引起的、通过导电层14和18向微控制器IC1引导的电压V。
该算法分析所测得的信号并且确定它的稳定性程度。如果该信号高度稳定或至少足够稳定，则人的手指与表面10之间的物理接触不存在。如果该信号不稳定，但包含人的手指特有的振动，则人的手指与表面10之间的物理接触存在。
经由如图3所示的、微处理器IC1的带有电阻器R2和R3以及电容器C3的输入端P1.0测量压电元件PZ1的输出信号。补偿电压在微处理器IC1内部产生，并且从管脚UREF/P0.0输出。补偿电压是模数转换器能测量的最大电压的一半。这个补偿电压经由电阻器R3和R2被导入输入端P1.0。当力F为0时，输入端P1.0处的电压与补偿电压相同。当力F发生改变时，压电元件PZ1在电阻器R3上产生变化的电压并且使输入端P1.0处的电压改变相同的量。这种构造允许单极的模数转换器测量由压电元件PZ1产生的双极(正和负)电压水平。
经由电阻器R1从+3,3V电源驱动有源低复位输入端NRST。这使得微处理器IC1脱离复位并且一旦在上电期间操作电平上升至适当的电平就开始运行。微处理器IC1的操作电力从在经由电容器C1和C2接地并且保持稳定的连接上的电源获得，并且该电源被馈送到操作电力输入端VDD。
用于确定来自压电元件22的输出信号是否高度稳定或至少足够稳定的软件算法的简单但有效的示例实现工作如下：
通过模数转换器以采样频率R对压电元件22电压进行采样，例如R = 250 Hz。最后T秒、例如T = 0.1s内的样本值被存储在存储器中。因此，存储器中最近的样本的数量N为N = TR，其在这个示例中为25。
在由模数转换器进行的每次采样之后，下面的计算被执行：
存储器中最近的样本Xn的总和S按下式计算：
S = x1 + x2 + x3 + …+ x25 (1)
存储器中的样本的算术平均M按下式计算：
M = S / N (2)
对于存储器中的每个样本Xn，误差En按下式计算：
En = (Xn - M)2 (3)
按公式(3)计算得到的误差En是每个样本与算术平均的差并且通过平方(即2次幂)提高所述差，这使得更大的差以指数形式具有更大影响，并且还忽略了所述差的符号。
总误差E被计算为所有样本误差的总和：
E = E1 + E2 + E3 + …+ E25 (4)
在每次模数采样之后，总误差E指示信号的稳定性。当表面没有正被人的手指接触时，在包括测量噪声的情况下，总误差E较低，例如E = 25。
当与表面10有物理接触时，人的手指特性地引起带有明显尖峰的高度不稳定的信号。不存在单个参数来描述该信号，但是所述尖峰的频率粗略地为20 Hz。当在人的手指与表面之间存在轻微接触时，即力F存在并且按压表面10时，示例实施例中的误差E例如可以是E = 600。
机械构造、电实现以及测量噪声决定预先定义的阈值H，其可以被用于确定与人的手指的物理接触是否存在。如果物理接触存在，则
E >= H (5)
如果物理接触不存在，则
E < H (6)
对于该示例构造，我们使用H = 150。
由于压电传感器的高灵敏度，该示例实施例能够以粗略地为1-10 mN的分辨率来检测力，这足以检测与人的手指的甚至非常轻微的接触以及手指的振动。
换句话说，信号能够被认为是“高度稳定”或“足够稳定”时的界限可根据实际实现来限定。在该示例构造中，当总误差E < 150时，该信号被认为高度稳定。对于E < 150，该信号的幅度变化必须小于总测量范围的0.5%。
更健壮的商业实现当然可将更高的采样频率和低通滤波器用于所测得的样本，并且通过中值滤波来提高信噪比。
所述装置和方法尤其可被用在以下应用中：
- 电梯呼叫开关、电梯门控制(打开/关闭)、电梯楼层选择器；
- 建筑物中的照明开关和电流开关；
- 报警装置的用户界面，尤其是火警或防盗报警器；
- 家用电器的电源开关和用户界面，尤其是在洗碗机、洗衣机、炉灶、烤箱、炉灶烤箱组合、微波炉以及浴室家具中。
Claims (15)
1. 一种用于检测至少一根人的手指在表面(10)上的存在的装置(1)，其包括：
- 至少一个具有压电特性的元件(22)，其位于可见的表面(10)的下方，所述元件(22)以下述方式被布置在所述装置(1)中：即使得当对所述表面(10)施加力(F)时，诸如当用手指按压所述表面(10)时，所述力(F)被转换为所述元件(22)的机械应力，所述元件(22)进而响应于所述机械应力而产生电压输出(V)；
- 用于在预先定义的时间段内测量所述电压输出(V)的部件(R2、R3、C3、IC1)；以及
- 用于确定所测得的电压输出(V)的稳定性程度的部件(IC1)，其被构造为指示：
i) 如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出高度稳定或至少足够稳定，则人的手指与所述表面(10)之间的物理接触不存在；并且
ii) 如果所述稳定性程度显示所测得的电压输出不稳定，但包含人的手指特有的振动，则人的手指与所述表面(10)之间的物理接触存在。
2. 根据权利要求1所述的装置(1)，其中：具有压电特性的所述元件(22)被布置在从所述表面(10)下方附接于所述表面的上导电层(14)与附接于基板(20)的下导电层(18)之间，所述上导电层(14)被用于与所述元件(22)的上电极的电接触并且所述下导电层(18)被用于与所述元件(22)的底部的电接触。
3. 根据权利要求2所述的装置(1)，其中：所述上导电层(14)是导电箔。
4. 根据权利要求2或3所述的装置(1)，其中：所述下导电层(18)是铜层。
5. 根据权利要求4所述的装置(1)，其中：所述铜层具有镀金。
6. 根据权利要求2至5中任一项所述的装置(1)，其中：所述下导电层(18)包含孔(27)或凹进处，为所述元件(22)的部分提供足够的空间以在经受机械应力时退避，同时所述下导电层(18)中的直接限制于所述孔(27)或凹进处的边缘的区域(30)被用作所述元件(22)的端部(29)的支撑表面。
7. 根据权利要求6所述的装置(1)，其中：所述孔(27)或凹进处是圆形的。
8. 根据权利要求6或7所述的装置(1)，其中：所述孔(27)或凹进处被制造到所述下导电层(18)中，特别是通过钻孔或蚀刻来制造。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中：具有压电特性的所述元件(22)是或包括陶瓷压电元件、晶体压电元件或展现压电特性的聚合物构造。
10. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中：所述元件(22)以下述方式被布置在所述装置(1)中：即使得当在所述表面(10)中施加力(F)时，诸如当用手指按压所述表面(10)时，所述力(F)通过使所述元件(22)弯曲而被转换为所述元件(22)的机械应力。
11. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中：用于在预先定义的时间段内测量所述电压输出(V)的部件(R2、R3、C3、IC1)和用于确定所测得的电压输出(V)的稳定性程度的部件(IC1)包括微控制器(IC1)，所述微控制器(IC1)还包括用于将是模拟信号的电压输出(V)转换为数字信号的模数转换器，所述数字信号进而使用所述微控制器(IC1)中的软件算法来分析。
12. 根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1)，其中：所述装置(1)是传感器或传感器的一部分。
13. 一种将根据前述权利要求中的任一项所述的装置(1)用在机器或装置、尤其是便携式装置的用户界面中的方法，其中：所述装置(1)被用于指示人的手指与所述用户界面的表面(10)之间的物理接触是否存在，并且还优选地被用于测量与所述至少一根手指按压所述表面(10)的力(F)对应的插入力。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中：所述装置(1)被用于实现适于检测人的手指的存在的电容触摸传感器、适于通过测量投射到所述用户界面的表面的力的变化来感测人的触摸的电感触摸传感器或对力的变化做出反应并且适于通过测量投射到所述用户界面的表面的力的变化来感测人的触摸的压电触摸传感器。
15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中：所述装置(1)被用于发信号通知人的手指与所述用户界面的相互作用的开始和结束。
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