CN1271579C - 利用相对传导网格技术改进的触摸屏 - Google Patents

Abstract

通过使用相对传导线(线I-U)网格，一种新的触摸屏(图2)设计为非均匀校正提供了更精确的接触点(图3)的测量和多点同时接触的测量。

Description

利用相对传导网格技术改进的触摸屏

技术领域

自从二十世纪七十年代早期触摸屏出现以来，他们就成为了某些计算机应用键盘的很有吸引力的替代者。由于触摸屏给用户提供了一种访问计算机的更容易的手段，所以在许多情况下，都取消了键盘和鼠标。结果，触摸屏市场已经大幅度增长，而且可以预料还将会持续迅速增长。然而，目前的触摸屏制造起来非常困难，由此产生的价格障碍限制了这种增长进入一些新的领域，比如教育。

在本公开内容中，讨论了一个新的概念，它能够真正消除设计上的限制，为触摸屏构造提供更多的自由，并且给出了实例来说明这种在设计参数上的新的自由。这些设计概念为以更低的成本，同时不牺牲质量的前提下生产触摸屏提供了根据。此外，用这里描述的概念，可以对特定传感器的大小、形状、或者电气特性的新设计进行极大的简化，同时减少了研究和开发成本。

背景技术

以均匀导电的材料为基础的触摸屏已经使用了几十年了。早期有一种触摸屏是由两个导电薄片制成，这两个导电薄片的安装方式使得两个独立的电场在一种稳定状态下垂直相交(Hurst和Parks，美国专利No.3,662,105)。后来的改进包括采用高传导性的点的阵列作为矩形周长附近的电极以及一个互补二极管开关阵列，或者最好是一个电阻网络，这样就只需要一个导电薄片。然后在一种时序(Hurst，美国专利No.3,798,370)中测量电位从而获得X和Y坐标。这种进步，连同具有曲率半径识别能力的导电和透明的“覆盖层”(Hurst和Colwell，美国专利No.3,911,215)帮助为可以使用在计算机终端的透明触摸屏铺平了道路(Talmage et al，美国专利No.4,220,815)。

当二极管开关被使用连接到高传导性的点的模型的固定电阻分压器代替时，采样两个时序电场所要求的开关就被极大地简化。该概念演化为使用一个精心设计的烧结模型(frit pattern)使得即使在屏幕边缘，等电位也表示笛卡儿坐标(Talmage et al，美国专利No.4,797,514)。最近出现了一种边界电极设计(Turst et al.美国序列号09/262,909)从而极大的简化了触摸屏的生产。这种设计包括一个围绕工作区域的很窄的边界，由在高传导性电极和传感器涂层之间的中等传导系数的材料制成。

本说明书涉及到触摸屏，它的矩形区域用一个边界包围，这个矩形区域可以用特定宽度和导电系数的线分成若干个更小的矩形区域。使用这种技术，涂层的均匀性要求降低了。实际上，均匀要求没有运用在触摸屏的整个区域，而是运用在用传导线网格确定的更小区域。使用本发明，可以实现大触摸屏的构造，甚至如墙或者地板大小。这就使得很多新应用成为可能，如和图像投影设备的交互，向机器人输入信息，有关安全的位置敏感信息，或者虚拟设备的输入。

随着现代电子技术的发展，从具有不均匀区域的触摸屏对数据应用校正，以获得精确的笛卡儿坐标在经济上是可行的。例如，Hurst，etal.美国序列号09/262,909表示拓扑(映射)能被有利地用于更经济地生产均匀性要求不高的电阻式触摸屏，而性能不会降低。在这种拓扑方法中，甚至在单个等电位没有映射的情况下，等电位对也被映射为一对笛卡儿坐标，从而给出唯一的x和y坐标。然而，对一些电极几何形状(如在一个矩形的每一个角上的点电极)来说，在传感器的一些区域的等电位对测量不可能唯一映射到笛卡儿坐标。边界概念的使用在传感器的整个工组区上，甚至在一些非常接近边缘的地方，提供了唯一的对映射。

本发明提供了一种网格排列，使得甚至在没有电子数据校正的情况下也可获得更多的触摸屏区域。然而，对于特大的屏幕，它可能是由大的单个的由网格确定制备而成的传感区域，可能期望粗略的非均匀性，而且必要的时候要运用电子映射。

发明内容

因此，本发明的目的是一种提供改进的触摸屏，它允许改进屏幕的输出且对单个和多个变量具有固有容错能力。本发明的另一目的是可以简化制造触摸屏生产的要求，包括较少要求导电涂层的应用，较少的电极，不需要分压电阻。本发明的另一目的是允许以一种低的附加成本生产，而不仅仅是由屏幕生产中的节约补偿。本发明的另一目的是允许更自由地设计触摸屏，很容易实现对其改变以提供新的更大屏幕结构。

附图说明

图1显示具有和边界框架相同的传导系数(每平方反电阻)的网格的等电位。

图2显示了具有的传导系数仅是边界框架1/50和其余表面区域2倍的网格的等电位。

图3a显示了当在具有相对均匀传导性的基片上电流注入的方法使用时，网格对减少均匀导电涂层要求所起的作用。

图3b显示了网格在电流注入触摸屏中的加入，该网格的传导系数是屏幕的指定矩形部分的传导系数的10倍。

图4a显示整个屏幕，除指定矩形的传导系数为0.1外，其余传导系数为1，且等电位在矩形周围被扭曲。

图4b显示了和图4a相同的屏幕，但加入了中间传导系数的网格，该网格将等电位恢复到接近于完全均匀的涂层能达到的那些值。和

图5说明电位分布，其中当网格表面和底部之间产生接触时被偏置的单个网格线中产生电流。

具体实施方式

用解决边界值问题的程序对本网格发明的突出特征进行了计算机仿真。其中用到解算与电流和电场之间的常见关系相关联的连续性方程的数学方法。这些方程用于解算任意的传导系数，并简化为均匀传导系数的拉普拉斯方程。这种通常的数学处理方式得出了在任何规定的边界条件下导电平面上的等电位的解。比如，它们可以提供几何形状的等电位解，其中，象在电阻触摸屏中一样，几何形状中带边界的框架保持在静止的电位上。又如，当电流注入到一个触摸点上时，该触摸点在由边界框架确定的矩形传感器中，可以找到四个角上的电极的电流解。这些所谓的电流注入方法已经在物理研究和触摸屏生产中使用一段时间了。最近由Babb和Wilson提出的专利申请(PCT，出版号97/34273)描述了这种方法，给一些早期的开发提供了参考。这些边界框架几何形状可以被修改以包括网格，从而显示本发明的优点。

图1显示了网格稳定状态等电位解，在此网格中，边界框架被简单的扩充到内部区域，从而产生16个离散的区域或者单元。在该几何形状中，框架和内部线具有相同宽度和导电系数，如果没有拓扑映射，该几何形状作为触摸屏是不成功的，因为等电位线有极大的扭曲。所有的框架材料和内部网格线具有是外层(认为是1)500倍的导电系数。

图2涉及到一种网格，其中内部线的传导系数是图1中的内部线的传导系数用系数50除之后减小了的值。所以涉及到传导系数三个值：用于框架的500，用于网格线的10，和用于外层的1。可以看出，当用于网格概念时，等电位通过这些传导系数的结合被极大地改善。

由于计算机仿真程序的一些限制，无法获得非常窄的线的精确解。因此，计算较宽网格线，然后换算到高传导系数的窄线结果比较方便。对这种换算有一个非常简单的规则。为了在网格线上保持相同的电阻，换算定律就是在转换过程中线的宽度和传导系数乘积应该保持常数。例如，通过使用指定的传导系数，可以发现好的等电位。为了便于生产，最好构成网格的所有线具有相同的传导系数。如果线有0.2英寸宽，对于由系数50减小到0.004英寸(4密耳)的线宽保持该等电位质量，其中，所有的线现在的传导系数都相等。非常幸运的是屏幕的可视化表面由于具有非常精密的线而得到改进。然而，有可能使传导外层对光透明，在这种情况下具有适当传导系数的线有一个宽度范围。

图3a和图3b涉及电流注入方法，显示了网格对降低均匀传导外层要求所起的作用。这是通过在屏幕的指定矩形部分把传导系数置为0.1来实现的。在图3a中，等电位的解是相当不对称的，从所述等电位可以获得四个角电流并且经过处理该电流从而获得笛卡儿坐标。在图3b中相同区域周围提供十倍增长的传导系数的“4密耳”网格给出了更好性能的等电位，并且当处理后，还可给出非常接近真值的笛卡儿坐标。

使用网格的好处在于用这种方法非常容易阐述，其中，网格在传感器上的任何位置都保持稳定状态的电位，且只要通过测量屏幕某些地方的一对电位就可以找出坐标。利用和图3同样的结构，把结果显示在图4a和图4b中。这样，即使在指定区域内传导系数锐减到0.1，网格还可以很好地把等电位恢复到具有均匀外层时的理想的值。

虽然网格的原始概念是使得能够生产非常大的屏幕，但是将该概念扩充用于解决自触摸屏出现以来就很普遍的基本问题也很有用。这就是“多次触摸”问题。想象在机器人应用中使用触摸屏，其中可能需要给机器人提供一个平台上很多不同对象的位置的信息。或者想象另外一种应用，其中当单个个体在地板上走动时，可能需要知道它们的位置。在这两种应用的任一种中，技术问题是相同的，即，在触摸屏上有多触点，但通常的触摸屏被设计成一次只能接触一个点。

为了寻求这个问题的解决办法，想象触摸屏用上面所描述的网格线划分成单元。但是在继续讨论之前，想象一下网格的另外一种使用，这将作为多点接触问题的解决办法的基本要素。因此，需要先描述一种触摸屏，它可以被用来缩放成更小的区域，这样就能获得更大的分辨率和一个接触点的位置的精确测量。

这个想法通过使用网格实现，这种网格首先以一种标准的方式通过运用于四个角的电压来构造，然后按照一种定时序列被切换来建立坐标对(x，y)。当一个网格单元用这种方式定位后，角电压被作用于两行x和两行y从而将合适的单元从很大数量的单元矩阵中挑选出来。重复该标准测量顺序以获得点(x，y)的更精确的估计值。

在包括快速移动的多触点的大型应用中，顺序轮询在有些情况下可能太慢。因此开发允许并行轮询成组网格单元的算法会是有益的，这样在轮询完成之前，只需要8个或者16个以内的电流循环。

另一种解决单元间干扰问题的办法是划分传导外层薄膜，该传导外层薄膜通常用来把传感器表面连接到与网格单元匹配的段。这就要求使用外层薄膜上的绝缘条和从每一段到矩阵开关的连接线。以这种方式，所有单个触点的单元都可以被计数，每个单元里的位置可以被近似。上面所描述的缩放过程能应用在定时序列中以获得每一段的触摸点位置的改进的分辨率。换句话说，假如每个单元只有一个触摸点，就能获得多触摸点中的每个点的位置的良好分辨率。

分段的外层薄膜极大的简化了每个单元的轮询，但是好像需要一个行-列矩阵激活单个或者成组的单元。在生产中要实现这一点会有一些负担。不把外层屏幕分段也可能对屏幕进行成功的轮询或查询。这时生产中的负担转移到了计算中。

例如，如果一个房间的地板上有边长约为1-2英尺的网格，那么通过顺序轮询和数据分析可能识别几个人的位置。相邻的网格单元对可以被偏置来接收来自行或者列中(或旁边的)的那些人的电流。当所有网格线的行和列的对被顺序偏置时，就可以分析数据集以解释站立(或行走)的人的数量和位置。图5说明电位分布，如果在网格外层和底部之间形成接触，那在偏置的单个网格线中就会产生电流。

总结

本发明使用于触摸屏应用的传感器的设计更自由。而且，这种多样性带来很大的简化而没有牺牲质量。

本发明依赖于一种事实，即触摸屏表面可以用指定宽度和导电系数的线划分成很多小区域。这些小区域从而把触摸屏划分成单元，这样，仅仅需要在特定单元内是均匀的。每个单元的传导边界会使单元内的一些非均匀部分标准化。而且，使用该新技术，可以完成大触摸屏的构造。没有大小的限制，触摸屏会有很多新的应用，这些新的应用在先前是不可能达到的，比如与图像投影设备的交互，用于安全的位置敏感信息，或者用于虚拟设备的输入。

除了越来越多的触摸屏技术的应用之外，本发明在某些情况下还可以真正降低生产成本。生产触摸屏的主要花费是制造均匀触摸屏所要求的精度，使得在均匀触摸屏中，电流可以沿着导电表面均匀分配以产生必要的等电位线。如果屏幕的任何一部分变得不均匀了，屏幕必须重新加工。网格降低了对触摸屏表面的均匀性要求，因而允许较不严格生产规范。通过降低质量控制过程中的时间和精度要求可以节省其它的成本。

这样，可以相信，大型触摸屏生产的总成本在不损失质量的前提下，可以降低很多。同时，新设计不用增加额外的工程量即可实现。设计的自由和生产成本的降低将对本行业产生积极的影响；特别是因为如教育、人事使用和家庭娱乐等将从大型触摸屏受益的市场。

本领域的技术人员将会了解在此描述的结构和方法的许多替换。应该理解，为了解释本发明本质而描述和说明的部分的细节说明和装置不作为本发明的限制。所有这样的没有脱离本发明精神的替换都应包括在附加权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种触摸屏位置传感器，包括：

触摸区域，具有通常相对低的传导系数；

在触摸区域上确定周边线的相对高的传导边界；

在触摸区域的高传导周边线内确定相对低的传导系数的单元的中间传导系数的网格；

一组连接到高传导系数的周边线和连接到电源的电极；

一种电路，当接近触摸区域上选定的点时，测量所述点处的电位；

一个控制器，依次将电功率从电源切换到第一组电极，从而建立接触区域上的第一个电位分布，然后切换到第二组电极，从而建立接触区域上的第二个电位分布；和

一个控制器，处理来自电路的所说第一个和第二个电位分布的电位测量值的集合，从而确定被选点的位置。

2.权利要求1所说的传感器，其中的单元和触摸区域的传导系数是不均匀的。

3.权利要求1所说的传感器，其中的触摸区域通常是矩形的，电极位于所说区域的每一个角的附近。

4.权利要求1所说的传感器，其中控制器可以选择第一组单元的子集来轮询单元的子集。

5.权利要求1所说的传感器，其中的单元子集的轮询允许确定与接触区域进行同时接触的多于一个的点。

6.权利要求1所说的传感器，其中的相对高的传导边界的线宽大于确定单元的中间传导系数的网格线的宽度。

7.权利要求1所说的传感器，其中形成所述网格的线对光是透明的。

8.权利要求1所说的传感器，其中相对高的传导边界具有至少10倍于相对低的传导接触区域的传导系数，中间传导材料的网格具有至少四倍于相对低的传导系数的接触区域的传导系数。

9.权利要求4所说的传感器，其中的控制器依次把电功率从电源切换到电极的第一子集，从而建立第一单元子集内分布的第一电位子集，作为触摸区，以及切换到所说电极的第二子集，从而建立触摸区域的第二单元子集；控制器用来处理所说的第一和第二子集电位分布的电位测量集合，以便在第一和第二单元子集的交叉的单元内更准确地确定所选点的位置。

10.权利要求4所说的传感器，其中的同时接触的多个点的位置是通过轮询分离的单元子集来确定的，每个单元子集被选定只包含一个触摸点。

11.一种触摸屏位置传感器，包括：

具有通常相对低的传导系数的触摸区域；

在触摸区域上确定周边线的相对高传导边界；

在触摸区域的高传导边界内确定相对低传导系数的单元的中间传导系数网格；

一组连接到高传导系数的周边和连接到电源的电极；

一种电路，用于测量当选定的点被接触后，电极从传导区域的该点接收的电流；

处理来自电极的电流测量值的集合从而确定被选点位置的控制器。

12.权利要求11所说的传感器，其中导电区域的传导系数是不均匀的。

13.权利要求11所说的传感器，其中高传导性材料的线宽度和中间传导性材料的线宽是不等的。

14.权利要求11所说的传感器，其中相对高传导性边界所具有的传导系数比相对低传导接触区域的传导系数至少大10倍，中间传导性材料的网格具有的传导系数比相对低的传导系数的接触区域的传导系数至少大四倍。

15.权利要求14所说的传感器，其中电传导区域通常是矩形的。

16.一种方法，用来确定传感器装置上被选点的位置，此传感器装置具有：相对高传导系数的边界，此边界包围相对低传导系数的区域，构成一种网格的特征，该网格具有的传导系数在边界和低传导性区域的传导系数中间；确定在低传导系数的区域上的单元；以及一个相关的电极集合，通过该电极集合，可以应用电流在传导区域上建立电位分布；一个电路，当接近接触区域上的点时，测量其电位；以及一个控制器；包括如下步骤：

通过从所说的相关的电极集合选择的至少一个电极的第一组，为边界区域引入电流，从而在边界内建立第一电位分布；

在边界内被选点附近应用电路，以测量所说点的第一电位读数；

存储所说的第一电位读数；

通过从所说的相关的电极集合选择的至少一个电极的第二组，为边界区域引入电流，从而在边界内建立第二电位分布，其中所述第一和第二组电极不完全相同；

用电路测量被选点的第二电位读数；

处理所说第一和第二电位读数，从而确定被选点的位置。

17.权利要求16的方法，其中第一和第二电位分布是单调的。

18.权利要求16的方法，其中第一电位分布确定边界内的第一个电位线集合，第二电位分布确定边界内的第二个电位线集合，所说的第一个和第二个电位线集合基本相交。

19.权利要求16的方法，其中所说的第一读数和第二读数被唯一地映射到被选点的空间坐标。

20.权利要求16的方法，其中用控制器上运行的软件实现一个算法，对第一和第二读数进行插值。

21.一种触摸传感器，具有由相对高的传导系数的边界确定的通常较低的传导系数的触摸区域，其中所述触摸区域被中间传导系数的线划分成单元。

22.权利要求21的触摸传感器，其中中间传导系数的线的传导性至少比低传导触摸区域的多4倍。

23.权利要求21的触摸传感器，其中边界的传导性至少是低传导系数的触摸区域的10倍。

24.权利要求21的触摸传感器，其中的边界的传导系数大是低传导系数的触摸区域的500倍，大是中间传导系数的线的50倍。

25.权利要求21的触摸传感器，其中边界的传导系数至少是中间传导系数的线的5倍。

26.权利要求21的触摸传感器，其中所述线对光透明。

27.权利要求21的触摸传感器，其中所述线的宽度小于边界宽度。

28.权利要求21的触摸传感器，其中低传导系数的触摸区域的传导系数是不均匀的。

29.权利要求21的触摸传感器，其中一个单元内的低传导系数的触摸区域的传导系数是均匀的。

30.权利要求28的触摸传感器，其中中间传导系数的线足够紧密的聚集在一起，使得单个单元内的低传导系数的触摸区域是均匀的。

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