CN1561500A - 与触摸区外围的串联电阻链中每个电极有多个并联连接的触摸屏 - Google Patents

Abstract

一种电阻性或电容性的位置触摸屏包括具有均匀电阻涂层的玻璃衬底和临近衬底外围边缘的重叠分立电极的串联电阻链。与每个链平行的另外的绝缘线性中断的间隙形成通过触摸区的电阻性电流通路。每个电极至少有两个间隙、使得多条电流通路连接到每个电极。每个间隙在电压场中产生局部波纹，波纹随离开间隙的距离而衰减。由于波纹衰减长度决定于电流通路之间的距离，所以靠近电极处的波纹幅度就以对应于每个电极的间隙数的系数呈指数减小。

Description

与触摸区外围的串联电阻链中每个电极 有多个并联连接的触摸屏

                    发明背景

发明领域

本发明涉及确定二维系统例如触摸敏感屏中位置坐标(即X和Y坐标)以便产生与该触摸位置有关的输出信号的装置。更具体地说，本发明提供了一种在触摸敏感区外围的具有改进的线性的5线(或9线)电阻性触摸传感器。

先有技术说明

触摸屏是能感知手指或其他电子无源输入笔触碰的二维位置的一种透明输入装置。触摸屏设置在诸如阴极射线管监控器或液晶显示器等显示装置上面，为饭店定餐输入系统、工业过程控制应用、交互式博物馆展览、公众信息亭、便携式电脑等提供输入。

目前，主导的触摸技术是4线电阻性的、5线电阻性的、电容性的、超声的、和红外线的。这些都是能以低廉的价格提供高标准性能的技术。触摸屏性能的一个重要方面是在触摸敏感区的所有位置上，真正的触摸位置和测量的触摸位置之间有严密的对应。

5线电阻性触摸屏，例如加洲Fremont的Elo TouchSystems公司的AccuTouch^TM生产线，已广为许多触摸屏的应用所接受。在这些触摸屏中，手指或输入笔的机械压力使塑料膜式的覆盖片挠曲并与下面的玻璃衬底有物理接触。玻璃衬底上覆有可以激励电压梯度的电阻性涂层。通过与敷料玻璃衬底四个角的电连接，有关联的电子线路在X和Y方向上依次激励梯度，如美国专利No.3,591,718所述。覆盖片的下面有一导电涂层，它提供触摸位置和电压读出电子线路之间的电连接。由于X和Y的电压梯度都是在衬底的电阻性涂层上产生的，所以覆盖片的涂层只需提供电连续性。有关5线电阻性触摸屏的详情，可参阅授予Gibson的美国专利No.4,220,815；授予Gibson等人的美国专利No.4,661,665和美国专利No.4,731,508；授予Talmadge等人的美国专利No4,822,957；授予Dunthorn的美国专利No.5,045,644；以及授予kent的美国专利No.5,220,136。

电子线路可以通过电流注入或上述的电压激励从5线电阻性触摸屏获得触摸信息。在电流注入读出的情况下，电流源透过覆盖片注入电流，在有触摸时测量到达四个角上每个连接点的电流。从这些角上电流的总和以及比率就可再造触摸位置。选择电流注入还是电压激励，这是电子学设计方面的选择，与触摸屏的设计基本无关。具有电压激励电子线路的触摸系统的外围电极图案设计同样适用于具有电流注入电子线路的触摸系统。

电容性触摸屏常需要外围电极图案，以完成如在5线电阻性触摸屏中同样的基本功能。MicroTouch Systems公司可提供电容性触摸屏(ClearTek^TM)和5线电阻性触摸屏(TouchTek^TM)，后者的外围电极图案类似于Pepper的US4371746的图1b。在电容性触摸屏中，覆盖片由一层薄的透明介质涂层取代，该涂层成为有ITO或ATO敷料衬底的外表面。振荡电压加到四个角的连接点。手指触摸提供了对地的AC分路，可用作触摸位置处的AC电流源(sink)。对该AC电流在四个角的连接点之间的分配进行测量，测量结果可用来确定触摸的坐标。使用的是电流注入电子线路的一种AC变型。

有时在电子线路和四个角的连接点的每一个之间既有驱动又有读出线连接会比较有利。如果在电子线路中有适当的反馈回路，则驱动和读出线的组合能使电子线路对加在角上连接点的激励电压有更好的控制。这产生在电子线路和触摸屏之间用9线连接的5线触摸屏的变型。而外围电极的图形设计基本上不受选择5线和9线连接方案的影响。

5线电阻性触摸屏通常包括一个1-3mm厚的玻璃衬底，上面涂敷一层透明的电阻性涂层。以在所述电阻性涂层上的印刷导电油墨的几何图案和在所述电阻性涂层上形成的绝缘区的形式，在衬底上形成外围电极图案。ITO(氧化铟锡)和ATO(氧化锑锡)是具有既导电又透明的重要特性的简并半导体的实例，而且可以用作所述电阻性涂层。导电电极之间的区域构成电阻器，由绝缘区域确定其间的导电通路。电极图案及其制造的详情可参阅系列号为08/989,928的美国专利申请(已得到准许)，其内容作为参考包括在本文中。该信息也可参阅已发表的PCT申请No.WO99/30272。

美国专利3591718(Asane & Baxter)，4198539(Pepper)以及4797514(Talmadge & Gibson)公开了包括角连接点之间的连续电阻性电极的外围电极图案。这种电极图案的性能对电极电阻率的稳定性和均一性十分敏感。连续电极在长度上电特性的不均一性会使传感器的线性失真。应用环境的湿度和温度变化对例如用印刷复合聚合物油墨制造的连续电阻性电极以及例如ITO触摸区的电阻性涂层等的电特性均有不同的影响。如果确有影响，触摸屏的线性就会受损。

这种敏感性与诸如Elo TouchSystem的AccuTouch^TM产品中所发现的和授予Dunthorn的美国专利No.5045644(其内容作为参考包括在本文中)所公开的利用分立重叠电阻器的外围电极图案相反。假设在电极和电阻性涂层之间有良好的电接触，分立重叠电阻器的电阻由电极之间的间隙中的电阻性涂层的电阻来决定。比较起来，用导电油墨印刷的电极的电阻很小，因而如果导电油墨的电特性发生变化，影响也很小。另外，由于间隙电阻是由与触摸区使用的同样的涂层形成的，所以它就可跟踪有源区的电阻率随温度和湿度的变化。这样，即使电阻性涂层的欧姆数/平方随环境条件而改变，触摸屏仍可有稳定的线性。

使用分立重叠电阻器导致外围电极图案和触摸敏感区之间有一组分立的并联会合点。这会在靠近外围电极图案的触摸区产生一种波纹非线性。在美国专利5045644的图4B可以看到波纹的实例。图中示出X和Y激励的等电位线。现考虑用于X坐标测量的这组等电位线。在左下角，向着触摸区中心，远离外围电极图案处，X等电位线是间距均匀的垂直线。但在图的右侧，X等电位线的失真就相当明显。在这一区域沿垂直直线(有恒定的真实X坐标)向下移动手指会感觉到X激励电压的变化，因此有测得的X坐标的变化(除非另作校正)。光标的移动也会受到垂直波纹失真的影响。因此有必要在保持用重叠电阻器的外围电极设计的有利因素的同时减少这种波纹。

再参考美国专利5045644的图4B的右侧，请注意，该波纹趋向于每个重叠电阻器电极重复一次的近似周期性。设S为串联电阻链上重叠电阻及其电极之间的代表性间距。作为垂直坐标Y的函数，X激励时波纹区中的电位随S的波长大致呈正弦变化，即，具有近似函数形式cos(2π*y/S)。在静电学中众所周知，在触摸区的电压激励模式隶属于拉普拉斯(Laplace)方程的数学。为满足拉普拉斯方程，在触摸区的右侧和左侧的波纹区内的X激励电位将大致具有以下形式

A*exp(±2π*x/S)*cos(2π*y/S)

如果X轴的方向远离引起波纹的外围电极边界，指数的加或减应是减。此处A为归一化常数。类似的表达式也适用于靠近触摸区顶部和底部的波纹的Y激励电位。

应当指出，在X方向，以上表达式呈指数式衰减，衰减长度为S/2π。在此，我们称波纹幅度以e(2.71828...)系数衰减的距离为“波纹衰减长度”。短的波纹衰减长度是理想的，可以使很少波纹或没有波纹的触摸区最大。这反之又提示可增加串联电阻链中重叠电阻器的数量来减小S。但如下述，重叠电阻器的数量不能任意增加。

在美国专利No.5045644和系列号为08/989,928的美国专利申请所公开的外围电极图案中，人们试图增加重叠电阻器的数量来减少波纹，从而增加了触摸区并联连接的密度。但如果在串联电阻链中重叠电阻器的数量增加了一倍，可用来构成每个重叠电阻器的周长就大约只有原来的一半。对于既定的间隙距离，这就使每个重叠电阻器的电阻大约增加了一倍。加上重叠电阻器的总数加倍，该链的总串联电阻就增加了四倍。随着总电阻的增加，要使外围电极图案维持触摸区的线性等电位线很快就越来越困难。因此，即使在电阻链中的重叠电阻器数目已经最大之后，还是需要进一步减少波纹。

在历史上，大多数触摸应用涉及到用户激活软件编程的触摸按钮或触摸区域。在触摸区域周边适量的波纹非线性通常没有明显的影响。但目前触摸屏已用在各种利用图形用户界面(GUI)的应用中，这些界面上在靠近显示图象的周边有小按钮，滚动条，以及下拉菜单。如果沿一个窄的滚动条在垂直直线中拖动手指，很重要的是使再造的触摸坐标也跟随着一条直线移动。垂直波纹失真会对滚动条和下拉菜单的操作造成问题。而平行波纹失真在此就不太重要，因为它不会导致光标离开滚动条或下拉菜单。注意GUI界面常会在靠近触摸区周边处设置一个窄的滚动条。

美国专利4371746(Pepper)说明了在有分立重叠电阻器的外围电极图案中减少波纹非线性的另一途径。U.S.4,371,746的图1b示出具有粒度不断增加的连续四行电极的电极图案。越接近触摸区电极粒度越细。外周的粒状电极提供相邻角连接点之间理想的电阻值，而较细粒度的一系列内电极行可以持续直到在触摸区获得理想的波纹降低。但是，与在邻近角电极之间利用单个串联电阻链相比，这需要相对较宽的外围电极图案。由于在触摸屏设计中需要窄的边界，在邻近角电极间利用单个串联电阻链的设计中也需要降低波纹。

要得到线性触摸屏系统性能，触摸屏本身并不需要是线性的。非线性失真可以在电子线路中或通过主机中的软件来校正。例如，参阅美国专利5940065(Babb和Wilson)。在触摸屏中渐变的偏离线性比较容易校正，而快速变化的非线性，例如波纹，就麻烦得多。因此，即使在有非线性触摸屏的触摸系统中，也需要减少波纹，只留下更容易校正的非线性由下游信号处理。

发明概述

本发明的一个主要目的是减少具有四个角连接点的衬底的电阻性或电容性触摸屏的波纹非线性。另一相关的目的是在减少波纹非线性的同时维持相对较窄的边界电极图案以使触摸区最大化。

达到这些目的的方法是在每一对角之间设置重叠电阻器电极的单一串联电阻链，并设置对每个重叠电阻器电极的多个并联连接，作为减少波纹非线性的手段。在一个优选实施例中，利用电极和触摸区之间的删除线(即，电阻层已被去除掉的隔离线)中的间隙，来实现此目的。这种间隙在此称为删除间隙。这些间隙提供了触摸屏和电极间并联连接的电流通路。注意，此类间隙本来是从系列号为08/989928的美国专利申请得知的，但该申请只公开了每个重叠电阻器电极的一个删除间隙，导致产生如上所述的基于电极间距S的正弦波纹电位。

如果每个重叠电阻器电极有两个并联的删除间隙，则波纹随重叠电阻器电极间距一半的距离S’而重复。这样，波纹的指数衰减长度为S’/(2π)＝S/(4π)，这就大大减小了波纹区的面积。除了这个效果之外，数字模拟表明以表达式A’*exp(±2π*x/S’)*cos(2π*y/S’)代表的振幅A’也同样急剧减小。净效应就是大大减少了波纹失真。三个或更多的并联连接可进一步减少波纹失真。

本发明的范围不仅包括沿电极设置的删除线，还包括设置各重叠电阻器电极之间会合点上面的删除间隙。模拟表明这种设计对抑制垂直波纹失真也同样有效。但模拟表明有这种会合点删除间隙的设计在抑制平行波纹失真方面性能稍差。

在许多触摸屏应用中，可用于触摸区外触摸边界区域的空间非常有限。本发明用两种方法把该边界区域减到最小。

首先，只用单个串联电阻器链，电极区的宽度就可保持很小。例如，如WO99/30272的图8所示的利用“Z”形电极，可提供一个窄的串联电阻器链。利用细微的断裂的删除线的间隙提供的并联连接使外围电极图案的宽度很细小。第二，大大减低了不可接受的大波纹非线性对触摸区的渗透。净效应就是大大减少了边界宽度而不增加制造成本。

利用Elo的AccuTouch^TM产品，可以改变并联连接的电阻来提供线性触摸屏。缩小删除间隙增加电阻，而增加删除间隙尺寸则减小并联连接的电阻。通过构建并测试各种设计方案或基于元件电极的模拟来开发有效电极电阻的公式，就可重复地获得线性传感器的设计。

本发明提供了外围电极图案的导电区、电阻区和绝缘区的改进的几何结构。这种改进的几何结构不限于某一具体的材料选择或电子线路读出方法。

附图简要说明

图1A是根据先有技术，每个重叠电阻器电极有单一删除间隙的串联电阻链示意图；

图1B是根据先有技术，每个重叠电阻器电极有单一删除间隙的另一串联电阻链的示意图；

图1C是图1A和图1B方案的等效电路图；

图2A是根据本发明，每个重叠电阻器电极有两个删除间隙的串联电阻链的示意图；

图2B是图2A方案的等效电路图；

图3A是根据本发明，每个重叠电阻器电极上面有一个删除间隙以及电极间每个会合点有一个删除间隙的串联电阻链示意图；

图3B是图3A方案的等效电路图；

图4示出根据先有技术的右上四分之一屏幕，带有用于读出Y坐标的模拟等电位线；

图5示出根据本发明的右上四分之一屏幕，既具有非会合点删除间隙又具有会合点删除间隙，带有用于读出Y坐标的模拟等电位线；

图6示出另一根据先有技术的右上四分之一屏幕，带有用于读出Y坐标的模拟等电位线；

图7示出另一根据本发明的右上四分之一屏，每个电极有三个非会合点删除间隙，带有用于读出Y坐标的模拟等电位线。

优选实施例的详细说明

图1A示出覆盖片10的右上部分，由具有外围边缘13的玻璃衬底12，角14和中心触摸区15构成。衬底上覆有一层电阻率基本均匀的透明电阻层16。沿每条边缘13是由一系列重叠的导电条20构成的电阻链18。所述重叠部分之间的电阻层16提供电阻，以使串联链18在角接片24上加电压时沿其长度有递增的阶跃电压。每个导电条20连接到T形电极22。电极22之间是已去除电阻层的绝缘区26。这样就在触摸区15的相对两侧的电极之间提供了并联电阻性电流通路。该先有技术结构的细节在系列号为08/989928的美国专利申请中作了讨论。

图1B示出另一先有技术梯度片的右上部分，在系列号为08/989928的美国专利申请中结合图8作了讨论。此图中，电阻链具有Z-形电极30，每个电极有外部分31和内部分32。邻近电极的内外部分相互重叠，以使其间的电阻层形成电阻性连接。具有间隙35的线性中断34与内部分32平行，提供跨触摸区的并联电流通路。所述线性中断用激光烧融电阻涂层很容易形成，且包括在电极之间延伸的绝缘分段。对这些分段的激光调节可有效地微调电极之间的电阻。

图1C是图1A或图1B方案的示意电路图，示出触摸区和串联电阻链中mode之间的并联连接。这些连接以下称为T型连接(用作触摸区连接)。根据先有技术，每个电极只有一个T型连接。

图2A示出根据本发明的电阻链38，有Z形电极40，后者有重叠的外部分41和内部分42，相邻电极的内部分42在会合点44彼此最接近。具有间隙46的线性中断45与内部分42平行，但一个共用重叠电阻电极40有两个间隙46。如图2B的等效电路图所示，这就造成每个电极有两个并联连接。同理，如果在邻近内部分42的中断线中有三个间隙，就会有三个并联的T型连接从每个电极延伸到触摸区中。

正如在概述中所讨论的，使用两个间隙可按系数2减小波纹的指数衰减长度。同理，使用三个间隙可按系数3减小波纹的指数衰减长度。

图3A示出根据本发明的电阻链48，有如图2A布局的Z形电极50。但此时中断线55不仅有集中在电极的内部分52上的间隙56，而且有集中在会合点54上的间隙。如图3C所示，这就造成交替的T型连接在两个邻近的电极间分开，结果有效电压就是邻近电极50的电压之间的中间值。

图4-7为电脑产生的模拟，表示根据本发明增加T型连接的数量而不增加阶梯电极的数量、如何减小波纹而使触摸区延伸到中断线。

图4表示根据先有技术沿每个外围边缘有一串联电阻链的触摸屏右上四分之一的等电位线。每个链有7个由绝缘区分割开的T形电极，如图1A所示。在沿左，右外围边缘的串联电阻链上加线性电压梯度，而顶部和底部的电阻链由其左侧和右侧终端的共用电压激励。故等电位线为平行走向，而测量触摸的Y坐标的电流通路或T接头为垂直走向。邻近顶部和底部电阻链的相当可观的波纹限制了这个区域的测量精度，因此减小了有效触摸区的面积。在下一个测量间期，梯度的走向跨顶部和底部的电阻链，等电位线为垂直走向，而测量触摸的X坐标的电流通路为平行走向。但是，类似的波纹也会出现在左侧和右侧的电阻链附近。

图5表示根据本发明，沿每个外围边缘有带10个T形电极的串联电阻链的右上四分之一触摸屏的等电位线。每个链被在每个内电极部分和每个会合点上都有间断或间隙的中断线从侧面包围，如图3A所示。在此测量间期，测量Y坐标的等电位线为平行走向，但邻近顶部和底部电阻链的波纹已显著减小，增加了可以使用的触摸区的面积。

图6表示根据先有技术，沿每个外围边缘有6.2″对角线和5个T形电极的触摸屏的右上四分之一。假定以5伏作角激励，等电位线以大约0.05伏的的间距分离开。可以看到类似于图4的大致呈周期性的波纹，周期等于T形电极的间距。

图7表示根据本发明，沿每个外围边缘有6.2″对角线和4个Z形电极以及一个中心条形电极的右上四分之一触摸屏。Z形电极成对布局，与中心条形电极对称并重叠。中断线在每个内电极部分和中心条形电极上有三个间隙，但在会合点处没有间隙。尽管电极数量有限，且其间距也大，波纹却显著减小，因为衰减长度以至波纹幅度是由电流通路或间隙之间的距离决定的。这样，可以使用的触摸区的面积达到最大，而不增加电极数量，否则增加电极数量会造成电阻链具有不可接受的大电阻。

以上说明是示范性的，而不是为了限制以下权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种位置触摸屏，它包括：

具有电阻性表面的衬底，该电阻性表面周围有终止于四个角的四个外围边缘，所述边缘之内为触摸区；

靠近每个所述外围边缘的串联电阻链，用以建立所述触摸区的电场，每个电阻链包括多个与所述表面的电阻区域串联的导电电极，每个电极的内部分朝向所述触摸区，相邻电极的内部分由会合点隔开；以及

在所述电阻表面上，邻近所述电阻链和所述触摸区之间的每个电阻链的中断，所述中断起到电绝缘子的作用，所述中断由间隙隔开，其中所述电阻表面完整无损，从而通过所述间隙形成通过所述触摸区的并联导电通路；

其中大多数所述内部分通过多个间隙连接到所述触摸区，从而在所述多个内部分的每一内部分和靠近相对的外围边缘的各电极的内部分之间形成多条所述导电通路。

2.如权利要求1所述的位置触摸屏，其特征在于：在会合点上没有所述间隙，故每个所述导电通路只连接到串联电阻链中的一个所述电极上。

3.如权利要求1所述的位置触摸屏，其特征在于：一些所述间隙位于会合点上，故一些所述导电通路连接到串联电阻链中的两个电极上。

4.如权利要求1所述的位置触摸屏，其特征在于：每个所述中断与所述邻近电阻链平行。

5.如权利要求1所述的位置触摸屏，其特征在于：所述衬底是玻璃衬底，以及所述电阻表面包括所述玻璃上的一层透明导电材料。

6.如权利要求5所述的位置触摸屏，其特征在于：所述电阻层至少包括氧化锡，ITO和ATO中的至少一种材料。

7.如权利要求5所述的位置触摸屏，其特征在于：所述中断是去除掉所述电阻层的一条线，所述线与所述串联电阻链平行。

8.如权利要求1所述的位置触摸屏，其特征在于：至少一些所述电极是Z形电极，每个Z形电极具有连接到所述内部分的外部分，至少一些所述内部分与相邻电极的相应的所述外部分平行。

9.如权利要求8所述的位置传感器，其特征在于：所述电极还包括每个串联链的中心条形电极，每个所述条形电极与邻近Z形电极的外部分重叠。

10.如权利要求9所述的位置传感器，其特征在于：所述电极还包括在每个角的直角电极，每个所述直角连接器与两个串联链中每一个链的一个所述Z形电极的内部分重叠，所述直角电极对每个串联链提供电压输入。

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