專利名稱：用于多模式觸摸屏裝置的力的測量方法
技術領域：
本發明的技術領域是觸摸屏。這些屏幕是通過使用者的手指或手激勵的敏感表面，并且通常通過圖形界面來用于控制裝置或系統。有大量的可能用途。特別是航空應用， 其中飛行員因此可以控制和命令通過航空器指令面板顯示的全部功能。
背景技術：
理想的觸摸系統，除了能夠通過輕輕觸摸來管理一個或多個光標的位移以及管理一個或多個鍵的敲擊之外，必須能夠使每一個敲擊與沿著垂直于觸摸屏的表面的軸的對應的力相關聯。存在各種“觸摸屏技術”，主要的兩種是電容觸摸表面和電阻觸摸表面。當使用者朝觸摸表面移動他的手指時，通過電容變化的采集來操作投射的電容觸摸屏表面。輕輕接觸是充分的，允許一個或多個光標的位移，但是這些觸摸表面不與手套或任何觸針一起工作。此外，以敲擊力為條件的確認是不可能的。作為例子，國際申請W02004061808描述了這種類型的一種觸摸傳感器。電阻觸摸表面使得可以在一定程度上監控敲擊力，以便與手套和任何觸針一起工作。然而，卻再也不可能通過簡單的輕輕觸摸實現光標的位移。2009年11月17日，申請人申請了號碼為0905510的法國專利申請。在該專利申請中公開的裝置提供了一種克服上面提到缺陷的方式。實踐中，它能夠在手指接近屏幕時以電容模式工作，并且基于與某一力匹配的物理接觸而以電阻模式工作。然而，現有技術的該裝置不可能給出與通過使用者施加給面板的力有關的可靠信息。現有技術中已知的當前裝置利用對壓力或位移敏感的元件，粗略地布置在觸摸表面的拐角處，比如在國際申請W02008065205A1中。這些裝置僅給出施加力的結果，而沒有敲擊點的數量，也沒有它們的位置和強度。此外，它們需要額外的裝置，傳感器，機械元件和調節電子元件。在專利申請US2009237374A1中描述了另一新穎的實施例裝置，但是觸摸表面不得不特別地在它的兩個有源層之間添加壓力敏感元件。在國際申請W02010027591A2中描述了在屏幕的外圍處利用多個壓力敏感元件的混合裝置。然而，仍不可能不添加壓力敏感元件來測量敲擊的定位壓力。

發明內容
本發明使得可以克服上面提到的缺陷，并且其目的是提出一種能夠測量施加至觸摸屏的力的觸摸屏裝置。更具體地，本發明涉及一種用于測量通過激勵器施加至觸摸屏裝置的力的方法， 所述觸摸屏裝置包括具有多個傳導行的剛性第一襯底和具有垂直于所述行的多個傳導列的柔性第二襯底，有利地，該方法包括下面的步驟-第一步驟，測量存在于行和列之間節點處的阻抗，
-第二步驟，計算對應于行和列之間節點處的耦合電容的所述阻抗的電容分量，-第三步驟，通過所述阻抗的電容分量值檢測激勵器和觸摸屏的表面之間的接觸，-第四步驟分析所述阻抗的電容分量變化，以便測量對應于激勵器和觸摸屏的表面之間的接觸的瞬時之后施加至所述觸摸屏裝置的力，電容分量的變化與施加的力成比例。有利地，在第四步驟中，當力被施加于觸摸屏時，至少在位于對應于激勵器和觸摸屏表面之間接觸的瞬時之后以及對應于第一和第二襯底之間接觸的瞬時之前的時間間隔期間計算電容分量的變化。有利地，該方法包括存儲存在于行和列之間每一個節點上的阻抗的映射的第五步驟。本發明也涉及一種觸摸屏裝置，該觸摸屏裝置包括具有多個傳導行的剛性第一襯底和具有垂直于所述行的多個傳導列的柔性第二襯底。有利地，該裝置還包括采集電子元件和處理電子元件，采集電子元件能夠測量存在于行和列之間的節點處的阻抗，并且處理電子元件能夠計算所述阻抗的電容分量和根據與所述阻抗的電容分量變化有關的數據計算施加至所述觸摸屏裝置的力。本發明涉及一種包括至少一個顯示屏和依據本發明的一個觸摸屏裝置的顯示裝置。該顯示裝置可以是用于被飛行員和副飛行員分開或同步使用的飛行器指令面板顯示器。


從閱讀下面的作為非限制性的例子給出的說明書以及從附圖中將更好地理解本發明，并且其他優點將變得明顯，其中圖I表示壓力效應下觸摸屏的變形；圖2表示依據本發明的觸摸屏的一般原理；圖3表示依據本發明的觸摸屏裝置的電路圖；圖4表示包括所述觸摸屏裝置的行和列的交叉的電路圖；圖5，6，7，8和9表示在不同的情況中通過所述觸摸屏的使用者的手指或手產生的所述交叉處阻抗的變化；圖10，11和12表示依據本發明的觸摸屏裝置的三種使用模式。
具體實施例方式圖I表示力的電容檢測原理。觸摸表面由被空氣空間分開的剛性板4和柔性板2 構成，空氣空間被隔離物I保持；這表示用于制造標準電阻觸摸表面現有技術狀態。在敲擊時，必須施加力以使該組件變形，所述力將取決于板2的硬度，也取決于隔離物I的硬度。 在傳統的“觸摸屏”中，僅檢測兩個板之間清楚的接觸，低壓階段(depression phase)不可見。本發明的原理在于測量這兩個板的位移L，該位移與施加的力成比例。有效地，如果我們考慮包括板2和剛性構件I的組件的硬度K，局部施加的力等于乘積KXL。此外，多路復用的“觸摸屏”利用傳導行3和列5的網絡。因此在敲擊水平處存在至少一個交叉節點，并且該節點具有相應的耦合電容Cz。如下表述節點處的這種電容Cz = ε 0Χ ε rXS/LStl是空間的介電常數，ε ^是包含在兩個板2和4之間環境的相對介電常數。S 是節點的交叉處的截面積，L是兩個板之間的距離。依據本發明的裝置和方法使得除了通過使用者投射的電容和節點交叉處的電阻之外，還可以測量該電容Cz。需要指出，涉及的電介質傳統上可以是空氣，但它也可以是具有合適介電和粘性特性的液體。在圖I中表示柔性板2的第一位移，并且節點處得到的電容等于CZ115表示了柔性板2的第二位移，并且節點處得到的電容等于CZ2。圖2表示依據本發明的觸摸屏裝置10的一般原理。該圖包括屏幕的平面圖，剖面圖，并且在圖2的右側，兩個示意圖示出了根據用戶是否朝屏幕10移動他的手11或通過施加壓力接觸屏幕而進行的裝置的操作。如該圖中所見的，該裝置包括為多路復用觸摸表面的觸摸面板10，由面向柔性襯底14和剛性襯底15布置的行12和列13構成。這種裝置自然以電阻模式工作。當使用者在柔性襯底14上按壓時，局部力引起敲擊的節點處至少一行和一列的接觸，引起該行和該列的交叉的電阻R的變化，僅需測量該變化以便獲得敲擊位置(圖2中的圖底部右側)。該類型的面板是傳統的，并且通過英國公司“Danielson”特別制造。面板也能夠以電容模式工作。實際上已知當使用者輕輕觸摸鍵盤時，他的手會引起位于觸摸面板的行和列的交叉處電容Cv的變化。為了提供該功能，發生器20經由注入 (injection)電容對面板10提供正弦高頻電壓。在高頻處，在行和列的交叉(圖2中的圖頂部右側)處存在固有電容效應Cz。如先前可見的，該值Cz在敲擊過程中變化，與施加的力成比例。更具體地，并且作為非限制性的例子，在圖3中表示依據本發明的整個觸摸屏裝置。它包括-觸摸面板10，由如先前所述的行和列構成；-控制電子元件20;-采集和處理電子元件30。控制電子元件20包括-高頻電壓發生器21；-第一多路復用器22，通過注入電容23尋址觸摸面板10的多個傳導行12，輸入信號的電壓表示為VIN。多路復用器不是理想的，并且在涉及的頻率處具有電容損耗24。采集和處理電子元件30包括-第二多路復用器31，尋址具有電容損耗35的多個傳導列；-同步解調器32，在與高頻電壓發生器21相同的頻率處工作，并傳遞多個輸出電
壓Vout至每一列；-模擬-數字轉換器33，用于將模擬信號轉換成數字信號；-計算、存儲和監控裝置34，用于計算存在于每一輸出電壓和輸入電壓之間的阻抗Z，存儲該阻抗Z，確定它的電阻和電容分量，從其中推斷觸摸面板上使用者的動作的類型(一個或多個敲擊的位置，以及施加的力)。通過充當具有高品質因數的帶通濾波器的解調器32執行的同步解調使得可以濾波所謂的“EMI”電磁干擾，這避免了無源濾波的使用。此外，即使干擾位于靠近發生器21的頻率的頻率處，依靠濾波器的高選擇性也可將其濾波，并因為干擾從不會與注入頻率一致。 此外，注入頻率可以稍微變化和偽隨機，從而再也不被干擾，包括通過相等和同相的頻率的干擾。圖4表示針對給定的行和列交叉的裝置的等效電路圖。該行具有等效電阻發生器通過注入電容23供給該行。并聯地，第一輸入多路復用器具有電容24。該列具有等效電阻％。并聯地，第二輸出多路復用器具有電容35。在行和列的交叉處，使用者的手或手指將引起阻抗Z的變化，該阻抗Z具有電阻分量Rz和電容分量Cz。連接輸入電壓和輸出電壓的傳統關系是Vqut = ZVin,以復數形式Z = A+Bj ο然后通過同步解調器解調信號，以便從其中析取有效值V0UT=VIN、^(A2+B2)。依靠如先前所述的依據本發明的裝置，可以實施依據包括實施下面步驟的本發明的力的測量方法-在第一步驟中，測量存在于行和列之間節點處的特性阻抗。測量依據例如通過激勵器，手指或觸針施加的力而改變的阻抗值。在該第一步驟中，采集裝置也可以測量節點處的其他電特性，比如列上輸出電壓。-在第二步驟中，至少計算所述阻抗的電容分量，該電容分量對應于行和列之間節點處的耦合電容。也可以計算節點處的其他電阻抗特性，比如電阻分量。-在第三步驟中，通過所述阻抗的電容分量值檢測激勵器和觸摸屏的表面之間的接觸。該檢測是可能的，因為節點處存在阻抗增加或節點處的列處存在輸出電壓的降低。-在第四步驟中，分析所述阻抗的電容分量變化，以測量對應于激勵器和觸摸屏的表面之間的接觸的瞬間之后施加至所述觸摸屏裝置的力，電容分量的變化與施加的力成比例。電容分量的變化或者節點處的列處的輸出電壓的變化與柔性板2的位移相關聯， 并因此與力相關聯。數據處理裝置用于通過測量該電容分量或該輸出電壓來確定該力。更具體地，圖5，6，7，8和9表示在使用觸摸表面時該有效值的變化。在這些圖中， 左側示出使用者的手11相對于觸摸表面10的位置，并且右側示出表示依據通過使用者的手按壓的行上的位置的相應輸出信號Vott的變化曲線。這些曲線也示出了輸入電壓VIN。在圖5中，使用者的手總是遠離觸摸面板。提供的行電容耦合至列，其與測量裝置形成電容分配器橋，該測量裝置具有相對于地的耦合電容。獲得的信號在電源電壓Vin和地之間的中間電壓處，電阻Rz無窮大，并且電容Cz在它的最小值處，對應于零敲擊力。該信號在整個行上明顯是恒定的。圖6示出了通過使用者的手在面板上的輕輕觸摸。輕輕觸摸可被理解為意味著手指拂動或觸摸觸摸面板而不施加任何可測量壓力的事實。手指然后投射(project)電容Cv， 該電容Cv在節點處耦合行Cu和列Cto至地，引起信號的局部衰減，如在圖6的曲線中可見的。手指充當局部“下拉”(pull-down)。在如圖7中表示的無壓接觸情況中，耦合電容增大至閾值，然后保持恒定。信號減小至最小。因此可以跟隨手指的位移。在如圖8中表示的有壓力但在兩個板14和15之間沒有接觸的接觸情況下，在敲擊過程中，并且依據施加的力，由于兩個板的接近，行和列之間的電容Cz增大。耦合電容的該增大導致節點處阻抗Z的減小(Z成比例于1/CZ而變化)。手指充當局部“上拉”(pull-up)。在如圖9中表示的有壓力并在兩個板14和15之間有接觸的接觸情況中，在敲擊過程中，并且取決于施加的力，在接觸點和地之間產生電容，或者在行和列之間產生接觸電阻。在有壓力的物理接觸情況中，行/列電容耦合Cz消失，電阻Rz減小，這導致節點處阻抗 Z的降低(信號增大)。手指充當局部“上拉”(pull-up)。因此，行/列交叉處信號的簡單分析非常簡單地使得可以確定-沒有手信號恒定；-輕輕接觸信號局部減小；-接觸信號達到最小；-有壓力但在兩個板之間沒有接觸的接觸信號增加；-兩個板之間有接觸的接觸信號達到最大。為了給出振幅數量級的概念，將被檢測電容的變化是幾十個皮法拉的數量級，并且將被檢測電阻的變化是幾十個歐姆的數量級。明顯地，可以產生在行/列交叉的全部矩陣上的信號的完全映射。然后可以定義三個檢測模式，下面詳細描述，并且在圖10，11和12中進行表示圖10 :所謂的“投射電容”模式，用于檢測手或手指的接近，以及它的接近方向。在圖10中，用輕輕的陰影表示了其中信號代表該模式的面板10的交叉16 ；圖11:所謂的“離散電容”模式，用于檢測一個或多個手指輕輕接觸表面，這使得可以提供多光標管理。在圖11中，以暗陰影表示其中信號代表該模式的面板10的交叉16 ；圖12 :所謂的“電容-電阻”模式，在電阻接觸之前，源于兩個板的集中的電容12 給出壓力和位置信息。從對應于兩個板的接觸的某一壓力，接觸電阻的分析，以及敲擊截面的可能的分析，使得可以給出位置和壓力信息。在圖12中，以黑色表示其中信號代表該模式的面板10的交叉16 ;信號的變化用于確定壓力的強度。因此，圖12中右側上的手11比在該相同的圖中左側上示出的手11更強烈地按壓于觸摸面板10之上，引起更強和更延長的信號變化。在沒有手指接近時，裝置的觸摸監控器可以永久性地從面板獲得信號的“圖像”， 并通過滑動平均從其中推斷出空閑時的信號的“表格”，該表格被存儲。從瞬時值的表格減去該圖像，以便形成差分表格，從該表格可以分配每一個點或每一個交叉的狀態。這種裝置因此是“多觸摸”，可以用于通過以電容模式的輕輕觸摸來管理一個或多個光標的位移，可以通過(passing over)按鈕并且沒有不想要的激勵。簡單的壓力使得可以確認一個或多個目標，節點處耦合電容的分析使得可以測量壓力，并且類似地，敲擊表面使得可以測量手指的變形，并因此測量壓力，其給出第三檢測軸。因此可以具有手的位置上真實的二維息。依據本發明，當觸摸屏與顯示信息、和像通過微軟公司銷售的“Windows”軟件那樣的窗口或圖標的圖形屏幕耦合時，可被觸摸屏訪問的新的功能還包括-光標的分離和敲擊的分離-在傳統的觸摸表面上，光標不能與確認的目標的狀態分離。利用手指在它上面通過引起它被激勵。在依據本發明的裝置中，如果信號處于“上拉”模式，則目標被確認。僅僅在“下拉”模式中管理光標。在信號丟失時光標消失。僅在“上拉”模式中，也就是說當使用者物理按壓于屏幕上時，并且也可是在達到某一壓力閾值的條件時，確認是有效的。-保護或“監控”-在傳統的矩陣電阻“觸摸屏”中，行或列的損耗是不可被檢測的，因為“空閑”狀態，也就是說當沒有使用者的手存在時，處于高阻抗狀態。交流電流使得可以受益于節點處的電容耦合。因此通過由電阻橋產生的中間電平表示該空閑狀態。通過空閑信號的損耗， 容易檢測到切斷。-虛擬鍵盤或“觸墊”的產生-在圖形屏幕上可以產生虛擬鍵盤。在該區域中僅使用“上拉”功能(利用敲擊壓力的電阻模式)，也可以生成“觸墊”區域。在該情況中，利用通過輕輕接觸的位移(利用輕輕接觸的電容模式)，僅在“下拉”模式中管理。-觸摸屏的三維管理。因為能夠識別多個疊加的敲擊平面，并且在電阻平面中能夠測量力，因此可以使用垂直于觸摸屏的平面的軸，并且使得可以管理或模擬例如控制元件的受控低壓。本發明應用于包括觸摸屏的顯示裝置，并且更通用地應用于包括觸摸屏的任何交互裝置，其目的是測量施加至該觸摸屏的力。
權利要求
1.一種用于測量通過激勵器(11)施加至觸摸屏裝置(10)的力的方法，所述觸摸屏裝置(10)包括具有多個傳導行(5)的剛性第一襯底(4)和具有垂直于所述行的多個傳導列(3)的柔性第二襯底(2)，其特征在于該方法包括下面的步驟-第一步驟測量存在于行(5)和列(3)之間節點處的阻抗(Z)，-第二步驟計算對應于該行(5)和該列(3)之間節點處的耦合電容的阻抗的電容分量(Cz)，-第三步驟通過所述阻抗的電容分量的值檢測所述激勵器(11)和所述觸摸屏表面之間接觸，-第四步驟分析所述阻抗的電容分量(Cz)的變化，以便測量對應于所述激勵器(11) 和所述觸摸屏(10)的表面之間的接觸的瞬時之后施加至所述觸摸屏裝置(10)的力，電容分量(Cz)的變化與施加的力成比例。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于在行(5)和列(3)之間節點處阻抗的增大或所述節點處的列處存在的輸出電壓的降低反映了所述第三步驟中執行的所述激勵器和所述觸摸屏(10)的表面之間的接觸的檢測。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于在所述第四步驟中，當力被施加于觸摸屏(10)時，至少在對應于激勵器(11)和觸摸屏的表面之間的接觸的瞬時之后以及對應于第一襯底(2)和第二襯底(4)之間的接觸的瞬時之前的時間間隔期間計算所述電容分量(Cz) 的變化。
4.如權利要求I至3的任何一項所述的方法，特征在于該方法包括存儲存在于所述行和所述列之間的每一個節點上的阻抗(Z)的映射的第五步驟。
5.一種觸摸屏裝置(10)，包括具有多個傳導行(5)的剛性第一襯底(4)和具有垂直于所述行的多個傳導列(3)的柔性第二襯底(2)，其特征在于該裝置還包括采集電子元件和處理電子元件(30)，所述采集電子元件能夠測量存在于行和列之間節點處的阻抗(Z)，并且處理電子元件能夠計算所述阻抗的電容分量(Cz)和計算施加的力和/或根據與所述阻抗的電容分量變化有關的數據定位所述觸摸屏裝置上的一個或多個敲擊。
6.一種顯示裝置，包括至少一個顯示屏和一個觸摸屏裝置，其特征在于所述觸摸屏裝置至少如權利要求5中所述。
7.如權利要求6所述的顯示裝置，其特征在于該裝置是用來被飛行員和副飛行員分開或同步使用的飛行器指令面板顯示器。
全文摘要
本發明涉及一種用于多模式觸摸屏裝置的力的測量方法。依據本發明的方法使得可以測量施加至觸摸屏的力。本發明的原理在于測量支撐觸摸屏的傳導行(3)和列(5)的兩個板(2，4)的位移，該位移與施加的力成比例。通過分析通過用于移位板的激勵器的存在所引入的電容阻抗(CZ1，CZ2)的變化而知道板的位移。
文檔編號G06F3/041GK102591515SQ20111036198
公開日2012年7月18日 申請日期2011年10月8日 優先權日2010年10月6日
發明者J·多米尼奇, P·科尼 申請人:泰勒斯公司