CN108958559A - 设置在三维物体上时使行和列节点对齐的电容式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造平面电容式触摸传感器的系统和方法，该平面电容式触摸传感器可以在三维物体上折叠，而不需要对功能进行实质性修改，其中电容测量节点的列和行遵循基本上线性的设计，并且其中用于检测和跟踪物体的算法与用于平面触摸传感器设计的算法基本相同。

Description

设置在三维物体上时使行和列节点对齐的电容式传感器

技术领域

本发明总体涉及触摸和接近传感器。更具体地，本发明涉及一种用于制造平面电容式传感器的系统和方法，当被设置在诸如半球形物体或球形物体的三维物体(three-dimensional object)上时，如果物体是平面的，则行和列将足够对齐以在不修改使用的算法的情况下能够实现对物体(object)的检测和跟踪。

背景技术

存在针对可以被用于本发明的触摸传感器的若干设计。检查触摸传感器的底层技术对更好地理解任何电容敏感的触控板可以如何利用本发明的优点是有用的。

公司的触控板是一种互电容感测装置并且示例如图1中的框图所示。在该触控板10中，使用具有X(12)和Y(14)电极的网格(grid)以及感测电极16来限定触控板的触敏区域18。通常，触摸板10是具有大约16×12电极的矩形网格，或者当有空间限制时，触摸板10是具有8×6电极的矩形网格。与这些X(12)和Y(14)(或行和列)电极交织的是单个感测电极16。所有位置测量都通过感测电极16来进行。

公司的触控板10测量感测线16上的电荷不平衡。当触控板10上没有指示物体(pointing object)或没有指示物体接近触控板10时，触控板电路20处于平衡状态，并且在感测线16上不存在电荷不平衡。当指示物体由于当物体接近或触摸触摸表面(触控板10的感测区域18)时的电容耦合而产生不平衡时，在电极12、14上发生电容变化。测量的是电容的变化，而不是电极12、14上的绝对电容值。触控板10通过测量必须注入到感测线16上的电荷量来确定电容的变化，以重新建立或恢复感测线上的电荷平衡。

以上系统被用于确定手指在如下触控板10上或接近触控板10的位置。该示例描述了行电极12，并且以相同的方式对列电极14重复。从行和列电极测量获得的值确定指示物体的质心在在触控板10上或接近触控板10的交点。

在第一步骤中，用来自P、N发生器22的第一信号驱动第一组行电极12，并且用来自P、N发生器的第二信号驱动不同但相邻的第二组行电极。触控板电路20使用指示哪个行电极最接近指示物体的互电容测量装置26从感测线16获得值。然而，在一些微控制器28的控制下的触控板电路20尚不能确定指示物体位于行电极的哪一侧，触控板电路20也不能确定指示物体距离电极有多远。因此，系统将待驱动的电极组12移位一个电极。

换言之，在组的一侧上的电极被添加，而在组的相对侧上的电极不再被驱动。然后新的组由P、N(正-负)发生器22驱动，并且进行对感测线16的第二次测量。

从这两个测量，可以确定指示物体位于行电极的哪一侧，以及距离多远。然后使用将测量的两个信号的大小进行比较的等式来执行指示物体位置确定。

公司触控板的灵敏度或分辨率远高于具有行电极和列电极为16×12的网格表现出的灵敏度或分辨率。分辨率通常在每英寸960计数或更大的数量级上。确切的分辨率由部件的灵敏度、相同行上的电极12和列上的电极14之间的间隔以及对本发明不重要的其它因素决定。使用P、N发生器24对Y或列电极14重复以上过程。

虽然上述的触摸传感器使用X电极12和Y电极14的网格以及单独的单个感测电极16，但是通过多路复用，感测电极还可以是X电极12或Y电极14。

难以创建容易地设置在诸如半球或球体的三维物体上的电容式传感器。一个原因可能在于，当被设置在三维形状上，难以找到可以以平面设计的方式、然后折叠来制造并且仍然用作触摸传感器的形状。

第二个原因可能在于，执行确定触摸传感器上是否存在物体的算法的软件通常是仅用于特定的触摸传感器的专用设计。

因此，相对于现有技术的优点在于，为电容式触摸传感器提供平面形状，还触摸传感器可以以平面设计的方式来制造并且使用用于检测和跟踪物体的软件，而不需要对现有的矩形触摸传感器设计的实质性修改。

发明内容

在第一实施例中，本发明是用于以平面形式来制造并且然后可以在三维物体上折叠的电容式触摸传感器的系统和方法，其中触摸传感器不需要对功能进行实质性修改，其中电容测量节点的列和行遵循基本上线性的设计，并且其中用于检测和跟踪物体的算法与用于平面触摸传感器设计的算法基本相同。

考虑以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、优点及可选方面对于本领域技术人员将变得显而易见。

附图说明

图1是示出可以用在本发明中的触摸传感器的现有技术设计的框图。

图2A是本发明的第一实施例的两个视图的立体图。

图2B是本发明的第一实施例的两个视图的立体图，其中示出列和行。

图3是本发明的第一实施例的俯视图。

图4是示出尾部连接器的本发明的第一实施例的俯视图。

图5是本发明的第二实施例的立体图。

图6是本发明的第二实施例的俯视图。

图7是本发明的第三实施例的俯视图。

图8是本发明的第四实施例的俯视图。

图9是本发明的第五实施例的俯视图。

图10是示出本发明的第一实施例的步骤的流程图。

具体实施方式

将参考附图，其中将给出本发明的各种元件的附图标记并且其中将讨论本发明以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。应当理解的是，以下描述仅仅是本发明原理的示例，并且不应被视为缩小所附权利要求。

本发明的第一实施例是用于提供平面电容式触摸传感器的系统和方法，该平面电容式触摸传感器的系统和方法可以在三维物体上折叠以符合三维物体的形状。由于电容测量节点在列和行中可能不存在对齐，因此这种非平面触摸传感器设计通常需要一套独特的算法来检测和跟踪其上的物体。

然而，本发明的第一实施例是用于平面触摸传感器的设计，使得当平面触摸传感器被设置在三维形状上时，触摸传感器的列和行响应，就好像它们基本上是线性的。这种基本上的线性可以被定义为使得用于平面矩形触摸传感器的触摸传感器算法也可以在没有对触摸传感器的三维设计的实质性修改的情况下使用。

图2A是本发明的第一实施例的立体图。图2中示出相同触摸传感器的两个图像。第一图像是在平面衬底上制造的平面触摸传感器30。第二图像是在其被设置在三维半球形物体(未示出)上之后的平面触摸传感器，从而在其已经从平面衬底切割并被设置在三维物体上方之后形成成形的触摸传感器36。在该情况下，三维物体是半球形。

应当理解的是，当从平面衬底切割平面触摸传感器30时，沿着触摸传感器的轮廓进行切割。另外，用于本发明的所有实施例的衬底可以是柔性材料，诸如本领域技术人员已知的MYLAR^TM或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。重要的是，用于衬底的材料能够弯曲，使得它可以符合三维物体的曲率而在衬底材料中不留下间隙或产生折痕。

平面的触摸传感器30和成形的触摸传感器36可以包括中央脊32和多个触摸传感器分支34。平面触摸传感器30的一个特征在于，当在平面结构中示出时，看到触摸传感器分支34具有弯曲的形状。为了使成形的触摸传感器36在触摸传感器分支34之间具有适当的间隔，触摸传感器分支34的曲率是必需的。注意的是，触摸传感器分支34之间的间隔改变并且间隔越宽，触摸传感器分支离中央脊32越远。

然而，当平面触摸传感器30弯曲以符合三维物体的表面时，触摸传感器分支34之间的间隔改变。当围绕半球形物体的弯曲部分设置时，成形的触摸传感器36在触摸传感器分支34之间显示均匀的间隔。触摸传感器分支34的均匀间隔在如触摸传感器分支上的点示出的电容测量节点38之间提供均匀的间隔。

中央脊32可以包含主总线电连接分布，该主总线电连接分布导向各个触摸传感器分支34，其中电容测量节点以规则间隔定位。当平面触摸传感器30被形成为最终成形的触摸传感器36时，其可以符合该形状而没有重叠或折痕。

可以通过遵照以下方式来选择命名规则：可以将触摸传感器分支34的每个臂描述为触摸传感器30、36的电容测量节点38的行40。因此，不同的触摸传感器分支34因此形成触摸传感器30、36的电容测量节点38的列42。

提供图2B以说明触摸传感器分支34上的电容测量节点38的两列42，其中列通过电容测量节点绘出以说明它们的位置。第一实施例的一个方面在于行40之间的间隔保持不变，但是列42之间的间隔改变。列42在球体上像经线一样布置，其中经线的端部在端部附近更靠近，并且在线的中间相距最远。然而，不管在成形的触摸传感器36下方的半球形物体的曲率如何，列42总是线性的。

由于开发中显著的成本节省，能够使用与现有技术基本上相同的检测和跟踪算法可能是重大的成就。换言之，如果不得不针对每个三维形状使用不同的触摸传感器检测和跟踪算法，则针对每个三维形状制作触摸传感器的成本将会过高。

因此，第一实施例的一个方面可以在于，成形的触摸传感器36的设计只有在它被设置到其被设计为适合的三维物体的表面上之后才可以在行40和列42中具有期望的线性。因此，可以在没有实质性修改的情况下使用用于平面触摸传感器的现有检测和跟踪触摸传感器算法。

在本文件中，用于检测和跟踪触摸传感器算法的短语“没有实质性修改”可以被定义为仅需要在检测和跟踪算法中提供偏移以补偿列42中的电容测量节点38之间的不均匀间隔，而不是为了列42和行基本上是线性的事实。

图3是成形的触摸传感器36的俯视图。该视图示出中央脊32，并且还更容易看出行40的均匀间隔和列42的弧形特性。

图4是第一实施例的平面触摸传感器30的俯视图。然而，尾部连接器46现在被示出为联接到平面触摸传感器30。尾部连接器是所有行电极和列电极与平面触摸传感器30的连接点。

图5是本发明的第二实施例的立体图。图5中示出相同触摸传感器的两个图像。第一图像是在平面衬底上制造的平面触摸传感器50。第二图像是在其已经从平面衬底切割并被设置在三维物体上方之后的成形的触摸传感器56。在该情况下，如图2A和2B所示，三维物体仍然是半球形。

应当理解的是，当从衬底切割平面触摸传感器50时，沿着触摸传感器的轮廓进行切割。切割必须符合触摸传感器分支54的轮廓，使得触摸传感器分支在被放置在三维物体上时可以被放在一起。

平面的触摸传感器50和成形的触摸传感器56可以包括中央脊52和多个触摸传感器分支54。平面触摸传感器50的一个特征在于，当在平面结构中示出时，看到触摸传感器分支54具有线性形状。然而，与其中触摸传感器分支34的宽度相同但均弯曲的不同的量的图2A和2B不同，图3的触摸传感器分支54在端部较窄且在中间最宽且形状均匀。为了使成形的触摸传感器56在触摸传感器分支之间具有适当的间隔，触摸传感器分支54的形状是必需的。注意的是，触摸传感器分支54之间的间隔改变并且间隔越宽，触摸传感器分支离中央脊52越远。

当平面触摸传感器50弯曲以符合三维半球形物体时，与第一实施例中一样，触摸传感器分支54之间的间隔再次改变。当围绕三维的半球形物体设置时，成形的触摸传感器56在触摸传感器分支54之间显示均匀的间隔。

可以通过遵照以下方式来选择命名规则：可以将触摸传感器分支54的每个臂描述为触摸传感器50、56的电容测量节点的行60。因此，不同的触摸传感器分支54因此形成触摸传感器50、56的电容测量节点的列62。

然而，注意的是，与在第一实施例中的所有的行40之间的间隔均匀并且列42之间的间距不均匀不同，在第二实施例中，行60具有不均匀的间隔，并且列62被均匀地间隔开。因此，第二实施例中的电容测量节点在行中不均匀地间隔开，并且在列中均匀地间隔开。

因此，第二实施例的一个方面可以在于，成形的触摸传感器56的设计只有在它被设置到其被设计为适合的三维半球形物体的表面上之后才可以在行60和列62中总是具有期望的线性。因此，可以在没有实质性修改的情况下使用用于平面触摸传感器的现有检测和跟踪触摸传感器算法。

在本文件中，用于第二实施例的短语“没有实质性修改”可以被定义为仅需要在检测和跟踪算法中提供偏移以补偿行60中的电容测量节点之间的不均匀间隔，而不是为了行和列62基本上是线性的事实。

图6是成形的触摸传感器56的俯视图。该视图示出中央脊52，并且还更容易看出列62的均匀间隔和行60的弧形特性。

图7是本发明的第三实施例的俯视图。在该第三实施例中，从俯视图示出平面触摸传感器70。第三实施例的平面触摸传感器70与第一实施例的平面触摸传感器30和第二实施例的平面触摸传感器50之间存在若干重要差异。

第一，列72和行74两者在平面结构和在平面触摸传感器70围绕三维物体设置时的成形的结构中被均匀地间隔开。第二，触摸传感器分支76之间的间隔比第一实施例或第二实施例宽得多。第三，列72和行74中的电容测量节点的数量不再是恒定的。

结果是，如果平面触摸传感器70被设置在三维半球形物体上，则列72和行74可以保持均匀地间隔开，并且行74之间的间隔可以保持恒定。因此，对于本发明的第三实施例不需要使用偏移，并且检测和跟踪算法完全未修改。

新的实施例可以不限于单轴曲面应用。单个传感器元件也可以连接到公共控制电路或电缆总线连接并被分配到公共控制电路。

本发明的所有实施例可以包括平面触摸传感器和成形的触摸传感器中的可以弯曲、折叠和移动的释放孔、切口、翼式(tabbed)传感器元件或狭槽的组合，使得当平面触摸传感器被应用于三维表面时，物体检测和跟踪仍可实现。独立的物理区域可以通过导线、线缆或柔性电路元件连接。独立的物理区域也可以彼此相邻，并使连续的柔性传感器弯曲并从一个表面连接到另一个表面。

图8是本发明的第四实施例。该第四实施例可以使用相反的方法来代替中央脊。图8是设置在三维物体上的成形的触摸传感器80的俯视图。成形的触摸传感器80可以包括多个互锁指部82，其可以在不接触的情况下到达彼此。该第四实施例可以被构造为类似于图7中的平面触摸传感器70，或者类似于平面触摸传感器30、50，其中脊部84在彼此的相对侧上。

图9是本发明的第五实施例。该第五实施例可以仅在触摸传感器的一侧上具有脊部来代替中央脊。图9是设置在三维物体上的成形的触摸传感器90的俯视图。成形的触摸传感器90可以包括多个指部92，其可以朝向三维物体的远侧并且从单个脊部94延伸。该第五实施例可以被构造为类似于图7中的平面触摸传感器70，或者类似于平面触摸传感器30、50，其中脊部94仅在一侧上。

作为对本发明的第一实施例的总结，可以在图10中将本发明描述为示出用于操作三维触摸传感器的方法的流程图。方法包括以下步骤：提供平面衬底材料；在平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中第一部分可以由中央线性脊部组成，其中多个触摸传感器分支可以在相反方向上远离中央线性脊部延伸，其中多个触摸传感器分支是曲线的，并且其中多个电极可以形成触摸传感器。

下一步骤可以是去除不包含任何第一部分的平面衬底材料的第二部分。然后，平面衬底材料的第一部分被设置在三维物体上，使得第一部分符合三维物体的表面，使得通过第一部分不存在间隙，并且第一部分形成具有多个行和列的触摸传感器。

最后，由于实施例被设计为仅需要一些偏移电压以与如在平面触摸传感器上使用的检测和跟踪算法基本相同，因此算法可以能够检测和/或跟踪平面衬底材料的第一部分上的一个或多个物体。

方法还可以包括在平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中电容感测节点可以形成在多个电极彼此交叉的任何地方以形成列和行。

电容感测节点可以在每个行上等距地间隔开，但是不同行可以在每行上的电容感测节点之间具有不同间隔。

方法还可以包括在检测和跟踪算法中提供偏移以补偿电容感测节点之间的不同间隔。

注意的是，虽然实施例可以使用与平面触摸传感器所使用的检测和跟踪算法基本不变的检测和跟踪算法，但是其也可以被修改以实现一定水平的性能。

虽然以上仅详细描述了一些示例性实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本发明的情况下，在示例性实施例中可以进行许多变型。因此，所有这样的变型旨在被包括在如所附权利要求中所限定的本公开的范围内。本申请人的明确意图是不对本文中任何权利要求的任何限制，除了其中权利要求将词语“用于...的装置”与相关功能明确地一起使用的那些以外。

Claims (19)

1.一种用于操作三维触摸传感器的方法，所述方法包括：

提供平面衬底材料；

在所述平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中所述第一部分由中央线性脊部组成，其中多个触摸传感器分支在相反方向上远离所述中央线性脊部延伸，其中所述多个触摸传感器分支是曲线的，并且其中所述多个电极形成触摸传感器；

去除不包含任何所述第一部分的所述平面衬底材料的第二部分；

将所述平面衬底材料的第一部分设置在三维物体上，使得所述第一部分符合所述三维物体的表面，使得通过所述第一部分不存在间隙，并且所述第一部分形成具有多个行和列的所述触摸传感器；以及

使用与用于平面触摸传感器的基本相同的检测和跟踪算法对所述平面衬底材料的所述第一部分上的一个或多个物体执行检测和跟踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中所述电容感测节点形成在所述多个电极彼此交叉的任何地方以形成所述列和所述行。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述电容感测节点，使得它们在所述行的每一行上等距地间隔开，但是其中不同行在每行上的所述电容感测节点之间具有不同间隔。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述检测和跟踪算法中提供偏移以补偿所述电容感测节点之间的不同间隔。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述方法进一步包括改变所述检测和跟踪算法，使得其与用于所述平面触摸传感器的算法显著不同。

6.一种用于操作三维触摸传感器的方法，所述方法包括：

提供平面衬底材料；

在所述平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中所述第一部分由中央线性脊部组成，其中多个触摸传感器分支在相反方向上远离所述中央线性脊部延伸，其中所述多个触摸传感器分支是线性的，并且其中所述多个电极形成触摸传感器；

去除不包含任何所述第一部分的所述平面衬底材料的第二部分；

将所述平面衬底材料的第一部分设置在三维物体上，使得所述第一部分符合所述三维物体的表面，使得通过所述第一部分不存在间隙，并且所述第一部分形成具有多个行和列的所述触摸传感器；以及

使用与用于平面触摸传感器的基本相同的检测和跟踪算法对所述平面衬底材料的所述第一部分上的一个或多个物体执行检测和跟踪。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中所述电容感测节点形成在所述多个电极彼此交叉的任何地方以形成所述列和所述行。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述电容感测节点，使得它们在所述行的每一行上等距地间隔开，但是其中不同行在所述电容感测节点之间具有不同间隔。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述检测和跟踪算法中提供偏移以补偿所述电容感测节点之间的不同间隔。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括改变所述检测和跟踪算法，使得其与用于所述平面触摸传感器的算法显著不同。

11.一种用于操作三维触摸传感器的方法，所述方法包括：

提供平面衬底材料；

在所述平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中所述第一部分由中央线性脊部组成，其中多个触摸传感器分支在相反方向上远离所述中央线性脊部延伸，其中所述多个触摸传感器分支是线性的，其中所述多个电极形成具有彼此垂直的多个行和列的触摸传感器；

去除不包含任何所述第一部分的所述平面衬底材料的第二部分；

将所述平面衬底材料的第一部分设置在三维物体上，使得所述第一部分符合所述三维物体的表面，同时通过所述第一部分提供大量的间隙并且所述第一部分形成所述触摸传感器；以及

使用与用于平面触摸传感器相同的检测和跟踪算法对所述平面衬底材料的第一部分上的一个或多个物体执行检测和跟踪。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中所述电容感测节点形成在所述多个电极彼此交叉的任何地方以形成所述列和所述行。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述电容感测节点，使得它们在所述行和所述列中的每一个上等距地分隔。

14.一种用于操作三维触摸传感器的方法，所述方法包括：

提供平面衬底材料；

在所述平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中所述第一部分由从两个脊部朝向彼此延伸的两组交叉指部组成，其中所述两组交叉指部是线性的，其中所述多个电极形成具有彼此垂直的多个行和列的触摸传感器；

去除不包含任何所述第一部分的所述平面衬底材料的第二部分；

将所述平面衬底材料的第一部分设置在三维物体上，使得所述第一部分符合所述三维物体的表面，同时通过所述第一部分提供大量的间隙并且所述第一部分形成所述触摸传感器；以及

使用与用于平面触摸传感器相同的检测和跟踪算法对所述平面衬底材料的第一部分上的一个或多个物体执行检测和跟踪。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中所述电容感测节点形成在所述多个电极彼此交叉的任何地方以形成所述列和所述行。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述电容感测节点，使得它们在所述行和所述列中的每一个上等距地分隔。

17.一种用于操作三维触摸传感器的方法，所述方法包括：

提供平面衬底材料；

在所述平面衬底材料的第一部分上设置多个电极，其中所述第一部分由至少部分围绕圆形外边缘延伸的脊部组成，其中多个指部平行并从所述脊部向外延伸，其中所述多个指部是线性的，其中所述多个电极形成具有彼此垂直的多个行和列的触摸传感器；

去除不包含任何所述第一部分的所述平面衬底材料的第二部分；

将所述平面衬底材料的所述第一部分设置在三维物体上，使得所述第一部分符合所述三维物体的表面，同时通过所述第一部分提供大量的间隙并且所述第一部分形成所述触摸传感器；以及

使用与用于平面触摸传感器相同的检测和跟踪算法对所述平面衬底材料的第一部分上的一个或多个物体执行检测和跟踪。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述平面衬底材料的第一部分上形成多个电容感测节点，其中所述电容感测节点形成在所述多个电极彼此交叉的任何地方以形成所述列和所述行。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述电容感测节点，使得它们在所述行和所述列中的每一个上等距地分隔。