CN206574060U

CN206574060U - 具有力检测的电子设备

Info

Publication number: CN206574060U
Application number: CN201490001327.4U
Authority: CN
Inventors: 马修·H·弗雷
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: WO2015077291A1; US20160253020A1; TW201535187A

Abstract

本公开提供一种具有力检测的电子设备，用于检测、定位并测量施加至电子设备的一个或多个应力。所述电子设备包括一种触摸传感器。该触摸传感器包括谐振电路，该谐振电路具有被构造成响应于施加至触摸传感器的力而改变的谐振频率。触摸传感器通过检测谐振频率的变化来检测所施加的力。

Description

具有力检测的电子设备

技术领域

本公开涉及电子设备设计以及用于检测、定位并测量施加至电子设备的一个或多个应力的方法。

背景技术

本领域存在对检测并测量用户施加至电子设备的应力的需要。一般来讲，施加至电子设备的应力可沿着设备的外表面不同地分布。施加至电子设备的应力可在沿着设备的表面的每个点处包括垂直压缩分量、垂直张力分量以及剪切分量(剪切本身在给定点处与表面相切的平面中具有两个方向)。应力可包括施加至电子设备的显示器的一个或多个大体局部力的大小(垂直和剪切)和位置(例如，将源自一个或多个用户触摸显示表面以及在触摸时在触摸位置处施加一定大小的力)。局部力是指施加至电子设备的外表面的不跨设备的整个表面分布的力(例如，当电子设备将受到均衡压缩时，将是这种情况)。局部力可施加在一个区域上，该区域大约等于人类手指和电子设备的外表面之间的接触区域，或者另选地例如触笔和电子设备的外表面之间的接触区域。电子设备的外表面包括设备的可视显示表面(或者换句话说，显示器)。如本文所用，施加至电子设备的显示器的力可包括施加至覆盖电子设备内的显示模块的单独(例如，保护)层(例如，玻璃或塑料)的力。检测和测量的应力还可源自施加至设备中显示器并不位于或不可视的部分的力。对于具有单个显示器的典型设备(例如，平板计算机、蜂窝电话、智能手机、电子阅读器、数字媒体播放器)，设备中显示器并不位于或不可视的部分的示例包括设备的背侧以及设备的外围边缘。在多数使用场景中，施加至电子设备的显示器的力至少部分地由相反力或者施加在设备的表面上的其他地方(即，设备中显示器并不位于的一个或多个部分)的力平衡。在一些使用场景中，相反(或平衡)力可施加至电子设备，其中没有力施加至显示器(例如，在具有大体平坦的形状因数和位于一个主表面上的显示器的典型电子设备在其边缘处被挤压时将发生)。本文公开的设计和方法涉及对前述应力中的任一个和所有的检测、定位和测量。

发明内容

本公开涉及电子设备设计以及用于检测、定位并测量施加至电子设备的一个或多个应力(例如，局部应力，例如与一个或多个人或者到显示器的触笔触摸相关联的应力)的方法。该设计包括电耦合谐振构件或机电换能器。该方法包括用于通过以下方式检测、定位并测量施加至电子设备的一个或多个应力的途径：i)将谐振构件的机械响应用于施加至电子设备的一个或多个应力；或者ii)检测由施加至电子设备的一个或多个应力引起的振动模式在电子设备中或上的传播的变化；或者iii)两者。在一些实施方案中，方法包括：通过以下方式将施加至电子设备的加速力与施加至电子设备的畸变力分开：对由一个或多个加速度计进行的运动的测量进行操作，并且对施加至电子设备的应力的测量进行操作，测量由本文描述的用于检测、定位并测量此类施加的应力的装置中的一个或多个进行。

附图说明

图1示出了电子设备。

图2A和2B示出了具有由弹性体材料支撑的两个谐振压电晶体的电子设备，该弹性材料被设计成根据施加至电子设备显示器覆盖层的力来改变晶体上的接触区域和力。

图3示出了具有均嵌入电子设备内的振动信号发射器和振动信号接收器的电子设备。

图4示出了用于使电子设备的畸变力与加速力隔离的方法。

具体实施方式

本公开涉及电子设备设计以及用于检测、定位并测量施加至电子设备的一个或多个应力(例如，局部应力，例如与一个或多个人或者到显示器的触笔触摸相关联的应力)的方法。图1示出了具有显示器105的电子设备100以及在位置110处施加至显示器的垂直压缩力。一般来讲，应力以每单位面积的力的单位表示，因此力和应力直接相关。在不必要根据力和应力之间的上述定义关系进行精确区分的情况下，单词“力”和“应力”在本文中可互换使用。

通过电耦合谐振构件检测所施加的应力的电子设备

如本文所用，电耦合谐振构件包括机械谐振构件和谐振电构件(可具有或可不具有机电元件，例如压电元件(例如，压电滤波器))。

机械谐振现象(本文针对机械谐振构件而发生)出现在具有扰动力和恢复力的组合的系统中。惯性因数和恢复力因数组合来生成谐振的自然频率。此类机械谐振可由本领域已知的多种装置中的任一个进行电检测。例如，如果压电材料被适当电极化，那么取决于其形状、密度、模量以及机械支撑，该压电材料可使可直接电检测的自然频率振荡。此类现象形成表中的基础石英晶体移动，以及用作真空薄膜沉积系统中的化学传感器或厚度监控器的基础的石英晶体微量天平。压电系统包括例如锆钛酸铅(PZT)陶瓷、铌镁酸铅–钛酸铅晶体、石英晶体、氧化锌、聚(偏二氟乙烯)。其它机电材料也可用于本文描述的设计和方法(电致伸缩、挠曲电)。本公开并非旨在由本文描述的机械谐振检测的具体模式进行限制。其它在本领域中是已知的并且可用于本公开。

电谐振现象(如本文针对电谐振构件发生的)出现在具有电容元件或电感元件的电路(即，谐振电路)中，如交流电流电路设计中已知的。电阻器(R)可与电容器(C)或电感器(L)(或两者)组合来生成谐振RC、RL或RLC电路。电容器可与电感器组合来生成谐振LC电路。此类谐振电路的谐振频率取决于相应电路元件的阻抗值(即，电阻、电容、电感)及其布置，如本领域已知的。谐振频率(resonance frequency)(本文也称为谐振频率(resonantfrequency))可通过改变相应电路的阻抗值中的任一个来偏移。在本文描述的一些实施方案中，施加至电子设备的应力导致一个或多个谐振电路内的一个或多个电路元件的阻抗值的变化。电阻的变化可通过使电阻器应变造成(例如，通过在电流流动方向上使电阻器应变来增加电阻)。电容的变化可通过使电容器应变造成(例如，通过使平行极板电容器的平行极板朝向彼此压缩来增加电容)。本公开并非旨在由本文描述的机械电路谐振偏移(即，作为施加应力的结果)的具体模式进行限制。其它在本领域中是已知的并且可用于本公开。

前述电耦合谐振构件中的一个或多个可以任何此类方式集成在电子设备内，使得施加至电子设备的应力导致电子设备谐振频率的偏移。电子电路(例如，振荡器电路、滤波器、比较器、放大器以及微处理器)可与构件组合以便确定它们在谐振频率方面的变化，如本领域已知的。通过对频率变化执行的逻辑运算以及对编程或机器学习变化的参考可基于谐振频率的变化来确定施加至电子设备的表面的一个或多个应力。一个或多个(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10)构件的谐振频率的变化因此与施加至电子设备的表面的一个或多个应力(垂直的和剪切的)的存在、位置以及大小相关联。

一个或多个构件可与电子设备显示器、显示器覆盖层、设备外壳、设备按钮、设备子结构(例如，用户不可见的框架或支柱元件)中的任何一个或多个集成。一个或多个构件可与设备扬声器集成。一个或多个构件可包括透明导电材料，例如图案化的透明导电材料，例如如美国专利8,384,691和8,274,494以及PCT专利申请公布WO2012106417和WO2011156447)中描述的微小金属网。另选地，透明导电材料可以是诸如氧化铟锡(ITO)的透明导电氧化物。透明导电材料可以图案化成透明导电元件，例如电阻器、或电容器的至少一部分。一个或多个构件可有利地放置在显示器或显示器覆盖层的周边处。

在一个示例性实施方案中，透明导电元件与显示器覆盖层集成为电阻元件(例如，电阻棒)。电阻元件在电路中与单独电容器连接以便形成具有起始谐振频率的RC电路。当以给定力触摸显示器的覆盖层时，覆盖层将偏转，从而使电阻器应变并改变其电阻。电阻的变化将引起前述RC电路的谐振频率的变化。如上所述，谐振的变化可由另外电路(如本领域已知的)确定并因此指示施加至显示器的力的水平或大小。

在另一个示例性实施方案中，透明导电元件与显示器覆盖层集成为附接到电容测量电路的电容器极板。电路依赖于谐振电路中的极板的自电容(本文也指极板的对地电容)，或者该电路可使用由谐振电路中的极板(本文也指第一极板)与另一电极(例如，与例如液晶显示模块的显示器集成的另一极板)形成的电容器的电容。当以给定力触摸显示器的覆盖层时，覆盖层将偏转，从而改变第一电容器极板相对于第二电极或第一极板环境的其它元件的位置。第一极板的位置的变化将改变电容，因此引起前述谐振电路的谐振频率的变化。如上所述，谐振的变化可由另外电路(如本领域已知的)确定并因此指示施加至显示器的力的水平或大小。

一个或多个构件可由弹性体材料部件支撑，该弹性体材料部件被设计成根据施加至电子设备的应力来改变它们的接触区域或接触力(或两者)。图2A和2B示出了电子设备200。图2B是设备的根据截面XX’的横截面透视图。电子设备200包括显示器覆盖层205和在位置210处施加的垂直压缩力F。设备200还包括与弹性体材料220接触的压电谐振器235以及另外的载体230(任选地弹性体)。覆盖层包括图形边界215来模糊谐振器235及其载体的视图。当力F施加至覆盖层205时，弹性体材料220压贴谐振器235，从而改变其谐振频率。谐振器连接(未示出)到被设计成测量其自然频率的变化的电路。自然频率的变化与施加的力F的大小关联。区域210可填充有空气或者可填充有固体材料，例如光学清晰的粘合剂。

一个或多个构件可机械联接到阻尼材料。

一个或多个构件可在设备的不是显示区域的部分中集成在设备内或设备上。一个或多个构件可与设备的一部分联接，该部分被有意地设计成检测施加至显示器的一个或多个力的平衡力，并因此检测、定位或测量(或者这些中的两个或更多个)对显示器进行的触摸(例如，由一个或多个用户的一根或多根手指或者由触笔进行)。

优选地，一个或多个构件以这种方式放置，使得应力检测、定位和测量的准确度和可靠性不会受到覆盖物(例如，背侧覆盖物)到电子设备的添加的破坏。

在一些实施方案中，两个或更多个构件的谐振的变化协调地使用(例如，使用微处理器和编程或机器学习参数)来检测、定位或测量(或者这些中的两个或更多个)施加至电子设备的表面(例如，施加至电子设备的显示器)的应力(例如，局部应力)。

在一些实施方案中，一个或多个触摸在电子设备的表面，例如在电子设备的显示器上的一个或多个位置的确定使用第一传感器或传感器元件(例如，电阻或电容(例如投射式电容)触摸传感器)来进行，并且一个或多个触摸的力的水平(本文还描述为大小)的确定使用如本文描述的一个或多个谐振构件进行。对于多于一个触摸，多个触摸(例如，到显示器)的力的水平的确定可包括确定每个触摸的触摸力或者所有触摸的总力的每个水平。

在一些实施方案中，谐振构件可被包括作为传感器的一部分，该传感器通过不直接与如本文所述的谐振频率的变化相关的装置来确定一个或多个位置。例如，本文所述的谐振电路中的电阻或电容电路元件可服务感测电容或电阻检测装置的触摸位置的双重目的(例如，在不同时间点，如通过工作周期描述的)，该检测装置不必要与前述电阻谐振相关。例如，显示器或显示器覆盖层上或中的透明导电元件(例如，作为电阻器或作为电容器中的一个极板)可在感测周期期间的一个时间点(或者部分或小部分时间)处被包括在谐振电路中，并且电路的谐振频率可被测量并且与施加至显示器(例如，通过到显示器的一个或多个触摸)的力或应力的大小关联，并且在感测周期期间的另一时间点(或者部分或小部分时间)处可被包括在互电容、自电容、反式电容或者电阻位置触摸感测系统中。

通过振动的传播的变化检测所施加的应力的电子设备

在一些实施方案中，可通过检测电子设备的表面内或者沿着该表面的振动(如本文使用的包括站立或谐振振动)的传播的变化来检测、定位或测量(或者这些中的两个或更多个)如上文所述的所施加的应力。一个或多个换能器用于在电子设备内或电子设备上引发一个或多个振动信号。一个或多个传感器用于检测振动信号。从初始换能器到达传感器的振动信号取决于电子设备的机械设计和材料，以及施加至电子设备的表面的任何应力。振动的生成和检测在本领域中是已知的，并且可基于例如压电材料。对振动信号的分析在本领域中是已知的，并且可包括对振幅、相位、脉冲持续时间、色散以及光谱组成的分析。例如，如本领域中所公知的，振动信号分析可包括傅里叶变换和小波分析。本公开并非旨在由本文描述的振动信号分析(即，作为施加应力的结果)的具体模式进行限制。其它在本领域中是已知的并且可用于本公开。

振动信号生成换能器或者传播振动的传感器可与电子设备显示器、显示器覆盖层、设备外壳、设备按钮、设备子结构(例如，用户不可见的框架或支柱元件)中的任何一个或多个集成。一个或多个构件可与设备扬声器集成。振动信号生成换能器或者传播振动的传感器可包括透明导电材料，例如图案化透明导电材料，例如如美国专利8,384,691和8,274,494以及PCT专利申请公布WO2012106417和WO2011156447)中描述的微小金属网。一个或多个构件可有利地放置在显示器或显示器覆盖层的周边处。

振动信号生成换能器或者传播振动的传感器可由弹性体材料部件支撑，该弹性体材料部件被设计成根据施加至电子设备的应力来改变其接触区域或接触力(或两者)。

振动信号生成换能器或者传播振动的传感器可机械联接到阻尼材料。

振动信号生成换能器或者传播振动的传感器可在设备的不是显示区域的部分中集成在设备内或设备上。一个或多个构件可与设备的一部分联接，该部分有意地被设计成检测施加至显示器的一个或多个力的平衡力，并因此检测、定位或测量(或者这些中的两个或更多个)对显示器进行的触摸(例如，由一个或多个用户的一根或多根手指或者由触笔进行)。

在图3中，电子设备300包括显示器305。压缩力F在位置310处施加至显示器305。振动信号生成换能器315(本文还称为发射器)位于设备300的外壳内。振动感测元件(本文还称为接收器或感测器)320也位于设备300的外壳内。换能器315连接到电子器件(未示出)，该电子器件驱动换能器生成振动信号。传感器320连接到解译由传感器320接收的振动信号的电子器件(未示出)。取决于力F的水平或大小，接收的振动信号被改变，因此提供对力F的大小水平的测量。

电子设备可包括一个或多个机电发射器(即，以将输入电信号转换成输出机械振动信号的模式操作的换能器；例如，压电或音圈致动器)以及一个或多个机电接收器或传感器(例如，压电线性可变差动变压器)。发射器通过设备或者沿着设备表面发送机械询问信号。一个或多个接收器或传感器接收机械振动信号并且将机械振动信号转换成电信号，因此使能够分析(所接收的)机械振动信号(例如，相位、振幅、脉冲宽度、光谱形状)。到达一个或多个接收器或传感器的所接收的一个或多个机械振动信号受到施加至电子设备的应力的影响。

前述振动传感器中的一个或多个可以任何这种方式集成在电子设备内，使得施加至电子设备的应力导致起源于振动生成换能器处的检测到的振动中的变化。电子电路(例如，振荡器电路、滤波器、比较器、放大器以及微处理器)可与振动信号生成换能器或者传播振动的传感器组合以便确定振动传播中的变化，如本领域已知的。通过对振动变化执行的逻辑运算以及对编程或机器学习变化的参考可基于振动传播的变化来确定施加至电子设备的表面的一个或多个应力。一个或多个(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10)传感器的振动传播的变化因此与施加至电子设备的表面的一个或多个应力(垂直的和剪切的)的存在、位置以及大小相关联。

优选地，振动信号生成换能器和传播振动的传感器以这种方式放置，使得应力检测、定位和测量的准确度和可靠性不会受到覆盖物(例如，背侧覆盖物)到电子设备的添加的破坏。

在一些实施方案中，两个或更多个传感器的振动传播的变化协调地使用(例如，使用微处理器和编程或机器学习参数)来检测、定位或测量(或者这些中的两个或更多个)施加至电子设备的表面(例如，施加至电子设备的显示器)的应力(例如，局部应力)。

一个或多个机电发射器(即，以将输入电信号转换成输出机械振动的模式操作的换能器；例如，压电或音圈致动器)以及一个或多个机电接收器(例如，压电线性可变差动变压器)可用在本文公开的电子设备中。一个或多个发射器通过或沿着设备的表面发送机械询问信号(振动信号)。一个或多个接收器(或者本文描述为传感器)将机械(即，振动)信号转换成电信号，因此使能够分析机械信号(例如，相位、振幅、脉冲宽度、光谱形状)。到达一个或多个接收器的一个或多个机械信号受到施加至电子设备的应力的影响，因此允许确定一个或多个施加应力的存在、位置以及大小。

在一些实施方案中，一个或多个触摸在电子设备的表面，例如在电子设备的显示器上的一个或多个位置的确定使用第一传感器或传感器元件(例如，电阻或电容(例如投射式电容)触摸传感器)来进行，并且一个或多个触摸的力的水平(本文还描述为大小)的确定使用如本文描述的一个或多个振动信号生成换能器以及一个或多个传播振动信号的传感器进行。对于多于一个触摸，多个触摸(例如，到显示器)的力的水平的确定可包括确定每个触摸的触摸力或者所有触摸的总力的每个水平。

在一些实施方案中，单个换能器可首先用于生成在设备的表面内或者沿着该表面传播的振动信号，并随后第二用于在同一振动信号已在设备的表面内或者沿着该表面传播之后测量该振动信号。可用施加至电子设备的表面的应力校准振动信号中的变化。

在一些实施方案中，振动反射器可集成在电子设备的表面内或表面上以便修整振动信号的传播。

将加速力与畸变力分开

在一些实施方案中，通过以下方式独立于畸变力测量加速(平移对旋转)力：使用加速度计信息来反演计算加速力；测量施加至电子设备的总应力分布；将加速力从总应力分布减去以便得到本文描述为包括畸变力的差值应力。畸变力包括施加至电子显示设备的触摸力(在由相反力平衡时，因此限制设备的整体运动)，以及挤压力。术语加速力是指将平移或旋转速度的变化传递到电子设备的力(或者来源于力的组合的净力)。

图4是示出用于提高测量施加至电子设备的表面的力的操作序列的流程图，其中结果是施加用于生成平移或旋转加速度的力与施加用于使设备畸变的力分开。术语施加用于使设备畸变的力是指非加速力，并且不需要导致设备的任何程度的畸变。首先，在步骤400中，例如使用如本领域中已知的加速度计来确定设备的加速度。加速度可以是平移的或旋转的(或两者)。接着，在步骤405中，计算产生测量的平移的或旋转的(或两者)加速度所必需的力。接着，在步骤410中，测量施加至电子设备的外侧的应力。最后，在步骤415中，将加速力从施加至电子设备的外表面的应力减去，从而导致确定畸变力。

在图4中捕获的方法的替代方案中，可调整步骤的次序。具体地，在步骤415之前，可进行步骤400、405和410的任何顺序。

以下为本公开的项目：

项目1是一种触摸传感器，包括谐振电路，所述谐振电路具有被构造成响应于施加至所述触摸传感器的力而改变的谐振频率，所述触摸传感器通过检测所述谐振频率的变化来检测所施加的力。

项目2是根据项目1所述的触摸传感器，其中所述谐振电路包括具有电容的电容器，所述电容响应于施加至所述触摸传感器的力而改变，所述电容的变化改变所述谐振频率。

项目3是根据项目2所述的触摸传感器，其中所述电容器包括形成所述电容器的平行的第一导电电极和第二导电电极，所述第一导电电极为基本上透明的。

项目4是根据项目3所述的触摸传感器，具有触敏区域，所述第一导电电极延伸穿过所述触敏区域并且覆盖所述触敏区域。

项目5是根据项目2所述的触摸传感器，还包括电阻器和电感器。

项目6是根据项目1所述的触摸传感器，其中所述谐振电路包括具有电阻的电阻器，所述电阻响应于施加至所述触摸传感器的力而改变，所述电阻的变化改变所述谐振频率。

项目7是根据项目6所述的触摸传感器，还包括电容器和电感器。

项目8是根据项目1所述的触摸传感器，其中所述谐振电路包括具有所述谐振频率的压电材料。

Claims

1.一种具有力检测的电子设备，包括谐振电路，所述谐振电路具有被构造成响应于施加至触摸传感器的力而改变的谐振频率，所述触摸传感器通过检测所述谐振频率的变化来检测所施加的力，其中所述谐振电路包括具有电容的电容器，所述电容响应于施加至所述触摸传感器的力而改变，所述电容的变化改变所述谐振频率，并且其中所述电容器包括形成所述电容器的平行的第一导电电极和第二导电电极，所述第一导电电极为基本上透明的。

2.根据权利要求1所述的电子设备，具有触敏区域，所述第一导电电极延伸穿过所述触敏区域并且覆盖所述触敏区域。

3.根据权利要求1所述的电子设备，还包括电阻器和电感器。

4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述谐振电路还包括具有电阻的电阻器，所述电阻响应于施加至所述触摸传感器的力而改变，所述电阻的变化改变所述谐振频率。

5.根据权利要求4所述的电子设备，还包括电感器。

6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述谐振电路包括具有所述谐振频率的压电材料。