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CN101512468A - 集成压力敏感透镜组件 - Google Patents

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CN101512468A
CN101512468A CNA2007800333703A CN200780033370A CN101512468A CN 101512468 A CN101512468 A CN 101512468A CN A2007800333703 A CNA2007800333703 A CN A2007800333703A CN 200780033370 A CN200780033370 A CN 200780033370A CN 101512468 A CN101512468 A CN 101512468A
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lens
panel unit
touch panel
pressure
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安德斯·莫尔内
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Original Assignee
ORIGIN Inc F
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Abstract

一种用于诸如蜂窝电话或PDA之类的电子设备的触摸屏组件。所述触摸屏组件通常包括浮置透镜，该浮置透镜悬挂在显示器以及可选地悬挂在键盘上方，以允许自由度。诸如柔性膜之类的下方薄连接层附着在所述浮置透镜之下，并且多个差别安装的压力传感器被安装在所述浮置透镜之下并且通过所述柔性膜电连接到所述电子设备。所述压力传感器沿x轴和y轴被差别定位，以用于登记来自在所述四个位置的每一个处对透镜的触摸的压力z，以提供四个数据集合。还预期了可选的触觉响应生成器和/或运动传感器。

Description

集成压力敏感透镜组件
技术领域
本发明涉及用于电子的输入设备，并且具体地涉及具有小的形状因数的触摸敏感输入面板或显示器，其特别适于在蜂窝电话和个人数字助理(PAD)、板式PC以及膝上电脑、PC、办公设备、医学设备或使用触摸敏感显示器或面板的任意其他设备中使用。
背景技术
近年来已经在许多产品当中使用了触摸屏。
存在实现触摸敏感屏幕的若干种技术，所述触摸敏感屏幕能够检测手指或其它被动物体的施加力。
例如，电阻板包括压合在一起的两个传导平板。电阻板的缺点在于，为了实现所述两个传导平板之间的触摸，要求手指施加固定量的压力。由于非用户优化的触摸屏灵敏度，这会导致用户疲劳。电阻膜也将磨损，最初会导致进一步降低的清晰度，随后就会出现死点(deadspot)。
电容触摸板通过测量被动物体的对地电容或者通过测量不同传感器之间的相互电容(transcapacitance)变化而进行操作。电容触摸板的示例在授予Miller的美国专利No.5,495,077中有所描述。电容板的制造相对昂贵，并且仅能够检测具有充足电容的物体。诸如常规触针或笔的末端之类的小型物体并不具有能够被电容触摸板检测到的足够对地电容或相互电容。
表面声波设备通过沿板的表面发出声音并测量被动物体与所述声音的交互来进行操作。这些设备工作正常，但是通常对于一般应用而言却过于昂贵。
最后，存在使用力传感器来测量被动物体在触摸板上施加的力的位置和大小的设备。力敏感触摸板将感应任意类型的被动对象所施加的力，而无论所述物体的导电性或成分如何。这样的设备最初在授予Peronneau等人的美国专利No.3,657,475和授予Roeber的美国专利No.4,121,049中有所描述。这些设备测量由触摸板向多个点处(例如该板的角)的固定架构所传送的力。Roeber公开了用于根据在所述多个点所测量的力得出被动物体所施加的力的位置和大小的数学公式。
例如，在1985年4月16日公开的Garwin等人的美国专利4,511,760给出了一种对应于压力释放的力感应数据输入设备。输入表面被提供以安装在力感应压电换能器上的透明面罩(faceplate)。优选地，提供四个压电换能器，其中在形成于架构中的矩形开口的每个角处提供一个压电换能器。为了确定输入表面上的施力点，首先对四个传感器的输出进行求和。为了构成有效的数据输入尝试，该和在用户推动输入表面时必须超出第一阈值。当用户放开其手指时，检测到所述和的峰值，其的极性与推动方向的和的极性相反。在出现所述和的峰值时的四个传感器的单独输出被用来计算施力点。
由Lu在2003年5月8日公布的美国专利申请20030085882给出了一种具有支撑层的触摸板设备，所述支撑层具有以矩阵配置的多个应变仪。在所述应变仪矩阵的顶部布置有触摸层，所述触摸层被结合到应变仪矩阵的顶部。传感器线路将应变仪连接到处理器，所述处理器利用算法被编程，用以测量同时的多个触摸的位置和压力。
Hoshino等人的美国专利申请20040108995和20040021643给出了这样的显示器单元，其具有通过四个差别安装的传感器而安装在显示器上的触摸面板。所述压力传感器实时检测诸如手指之类的指示设备推动面板表面的力。根据与指示位置无关的以下等式得出诸如手指之类的指示设备按压面板表面的力P：P＝a+b+c+d-a0+b0+c0+d0，该等式检测光标的拖动。
Ma等人在2005年7月21日发布的美国专利申请20050156901给出了一种具有显示屏和其上面的触摸表面的触摸屏显示系统。成像系统确定接近所述触摸表面的物体在所述触摸表面上的角位置。
Rosenberg的美国专利申请20060119589给出了触摸板的触觉反馈特征和其它触摸控制，其中至少一个激励器耦合到触摸输入设备并输出力以对接触触摸表面的用户提供触觉感应。在触摸输入设备上输出的触觉感应可包括脉冲、振动和图像纹理(spatial texture)。权利要求需要安装在悬挂物上的触摸板，和激励器，该激励器被配置成向放大触觉反馈的相容(compliant)悬挂物输出触觉反馈。
Chang在2006年1月26日公开的美国专利申请20060016272给出了一种具有相对传感器元件的薄膜触摸板，所述传感器元件生成与所施加的压力和施加压力的位置处的表面区域成比例的电信号。作为这些传感器元件的重叠和补充定向的结果，第一和第二传感器元件生成不对称的信号对，所述信号对通过位置和大小唯一定义所施加的压力。
Chan等人在2005年4月12日发布的美国专利6,879,318给出了一种用于液晶显示面板LCD的触摸屏安装组件，包括：底部架构，背光面板位于所述架构中，并且其具有安装在其上的多个压力敏感换能器、液晶显示面板；以及顶部架构，用于在安装到所述底部架构时施加压力，以使得多个可压缩弹簧在由用户触摸或接触时使所述LCD面板向底部架构偏移。权利要求需要这样的底部和顶部架构，其具有安装于其中的位于弹簧上的背光面板以及叠置的LCD面板。
尽管存在以上内容，但是随诸如计算机之类的消费者设备所使用的商业可行的基于力的触摸传感器必须是廉价且精确的。这样的设备所要求的精度是能够感应从大约1克至300克或更多的压力范围上的手指和笔，其中在此范围上具有9位的位置精度。该精度水平需要能够利用14位的噪声基底(noise floor)测量达到约0.01-0.1mm(mils)的典型位移的传感器。当在更小的电子设备中使用时，所述传感器还必须纤小，通常小于约2mm，虽然对于一些产品其可以达到20mils的最大厚度，并且还应当能够是用于或多或少“卡入式(snap-in)”构造的模块组件。在今天的电子产业中，利用压力敏感触摸敏感显示器解决方案的电子设备制造商将寻求其完整解决方案的显示器补充物，其易于集成到整体产品设计中。尽管这里提到现有传感技术的可用性，但是现有技术已经无法提供具有足够精确度和形状因数的低成本传感器组件。
由此，提供一种克服现有技术的一些缺陷的力感应技术将是非常有利的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种适于诸如蜂窝电话和PDA之类的便携式电子设备的制造商的低成本压力敏感触摸敏感显示器解决方案。
另一目的是提供一种如上的压力敏感触摸敏感的显示器，对于制造商而言，其是易于集成到整体产品设计而不使电子设备的现有成本或形状因数混乱的即刻使用的解决方案。
在这里通过一种用于具有显示器和/或键盘的电子设备的触摸屏组件来实现这些和其它目的。所述触摸屏组件通常包括悬挂在所述显示器上方的浮置透镜，或者作为选择，为浮置显示模块，并且可选地，悬挂在所述键盘上，以允许自由度。下方的柔性薄膜附着在所述浮置透镜之下，并且多个(n＝1...m)差别安装的压力传感器安装在所述浮置透镜之下，并且通过所述柔性膜电连接到所述电子设备。所述压力传感器沿x轴和y轴被差别定位以用于从在每个位置对透镜的触摸登记压力z，以便提供相应的多个数据集合(x1-m，y1-m，z1-m)。控制软件接着从所述多个数据集合解释确切的触摸坐标，并依据所述触摸坐标生成控制信号。可选的触觉响应生成器可耦合到所述透镜以用于在相对于所述透镜的压力被登记时生成振动突发。此外，运动传感器可通过所述柔性膜被连接以便对位置、定向和移动进行响应。当在诸如蜂窝电话或PDA之类的小型电子设备中使用时，本发明的触摸屏传感器技术非常薄，通常增加0mm至3mm(mils)的最大厚度。对于诸如复印机之类的更大的设备而言，最大厚度可以为高达20mm，但是将通常小于10mm。此外，所述设备能够是用于或多或少“卡入式”构造的模块化组件。在以下的详细描述中对其它变化形式和优势进行描述。
附图说明
当与附图结合考虑时，通过以下对优选实施例及其特定修改形式的详细描述，本发明的其它目的、特征和优势将变得更为显而易见，其中：
图1是具有根据本发明一个实施例的触摸屏组件2的诸如PDA或蜂窝电话之类的电子设备1的高级表示。
图2是如图1所示的具有触摸屏组件2的设备1的侧面透视图。
图3是如图1-2中的用于触摸敏感显示器或触摸板实施方式的触摸屏组件2的截面图，图示出PSL3如何置于电子设备1的整体机械盖板(cover)20内的。
图4是单独的FSR传感器7的示意图。
图5示出了作为力(g)的函数的传感器7的电阻(千欧)。
图6图示了可以如何将传感器7安装在主设备PCB板30上。
图7是随传统压阻-机械压力传感器170使用的机械组件的示例。
图8是图示所述组件操作的流程图。
图9是用于触摸敏感显示器或触摸板实施方式的压力敏感透镜组件2的截面图。
图10是在没有机械壳体20的情况下从上面看的图9的触摸组件2的顶部示图。
图11图示了添加了二维或三维运动传感器40的上述触摸组件2。
图12示出了又一个实施例，其中显示器51同样通过共享的柔性膜53被连接。
具体实施方式
本发明是用于诸如蜂窝电话、PDA、桌面电话、板式电脑(tablet)、复印机之类的电子设备或者使用包括LCD或有机发光二极管(OLED)显示屏的触摸敏感显示器或面板的任意其它设备的触摸敏感显示器。
总体而言，本发明包括多个(例如，四个)差别安装的压力传感器以检测施加到主触摸表面上的力。公开了两个基本的机械实施例。在一个实施例中，所述传感器安装在显示器模块自身的下方。以粘结的保护透镜来加强最为常规的显示屏(LCD或其它)。该透镜通常为0.70mm至1.2mm的加工玻璃，保护LCD免于破裂、划伤并且还提供防眩光的涂覆。现有的玻璃透镜作为主触摸表面，并且施加到主触摸表面的力通过显示模块被传送，并且由所述差别安装在显示模块下方的压力传感器来检测。
作为选择，如以下所解释的，可在显示模块上部使用独立的自由浮置透镜(独立悬挂在上方)。所述自由浮置透镜跨在所述显示模块上并且直接靠在所述差别安装的压力传感器上。
在所有实施例中，可在LCD模块下方安装可选的触觉反馈元件以用于提供触觉反馈。所有必要的电子部件都与透镜下的柔性薄膜(或者作为选择为线路、印刷电路板或其组合)相连接，并且诸如电阻器和放大器之类的所有外围部件可同样安装在该柔性膜上。该柔性膜被柔性膜连接器所终结，所述柔性膜连接器直接连接到电子设备的印刷电路板。该结构是模块化的并且能够容易地集成在现有的电子设备中。如果需要，柔性膜布线可以扩展到显示模块自身以使得整个组件能够通过一个柔性膜连接而被连接(以便对设备PCB、到屏幕的显示信号以及触摸/触觉反馈进行控制和供电)。
还提供有软件部件，所述软件包括驱动程序和用于解释力传感器数据的定位算法。虽然所述软件能够驻留在电子设备的主处理器中，但是其可选择性地驻留在安装到柔性膜而作为所述触摸敏感显示器组件一部分的小型控制器单元上。以下给出所述触摸敏感显示器组件及其变化形式的更为详细的分解。
图1是具有根据本发明一个实施例的触摸屏组件2的诸如PDA或蜂窝电话之类的电子设备1的高级表示形式，而图2是侧面透视图。本领域技术人员应当理解的是，触摸屏组件2可结合到蜂窝电话和个人数字助理(PDA)、板式PC以及膝上电脑、PC、办公设备、医学设备或使用触摸敏感显示器或面板的任意其它设备中。
触摸屏组件2采用了包括处于下方的LCD或OLED模块5之上(并优选地与其结合)的压力敏感透镜(PSL)3的触摸表面。所述PSL3覆盖LCD/OLED模块5并且可额外覆盖如图1所示的键盘4上的静态按键。如将要解释的，LCD/OLED模块5在其下方具有多个(例如，四个)差别安装的传感器7，所述传感器7全部连接到电子设备1的处理器。以这种方式，当用户触摸PSL 3时，触摸压力通过LCD/OLED模块5而被传送到传感器7中，在那里其被登记、处理，确切的“触摸坐标”被计算，并且所述触摸坐标被解释，并且适当的控制信号(多个)被生成。
值得注意的是，触摸敏感区域可以延伸而超出显示模块5的显示区域。例如，在图1的示例中，PSL 3还延伸到静态印刷键盘区域4上。无论用户是按压静态键盘区域4的按键还是按压LCD/OLED模块5的一部分，都会精确触发相同的行为。确切的“触摸坐标”被计算、该触摸坐标被解释，并且适当的控制信号(多个)被生成。例如，如果用户按压左箭头命令键，则生成相应的左箭头命令。如将要描述的，触摸屏组件2可以可选地配备有传感器7以及触觉响应生成器12，传感器7诸如为压电元件或磁感应线圈。在这种情况下，无论何时按压PSL 3，都会由触觉元件12生成短的振动突发并且用户能够感觉到就像“按键”被按下。
图3是用于如图1-2中的触摸敏感显示器或触摸板实施方式的触摸屏组件2的截面图，图示出PSL 3如何置于电子设备的整体机械盖板20内。在该实施例中，透镜3被形成为具有在设备的机械壳体20之下突出的舌榫凹槽边缘21。这防止了PSL透镜3脱出，但是允许其在被按压时自由向下移动。壳体20和透镜3之间的区域优选地保持有橡胶垫圈9以限制透镜3的移动、潮湿冲击和振动，并且密封所述设备使其不受污垢和灰尘的影响。PSL 3包括向下突出的侧凸缘，其相对于下面的主设备电路板30夹住传感器7。橡胶垫圈9所允许的从施加的0压力到施加的最大压力/最大允许移动通常处于0.01-0.1mm之间。
为了确保即使在设备被倒置保持时触摸屏组件2也具备完整功能，传感器7可以是预先加载的。这必须利用大于PSL 3的重量的等同力将传感器7与PSL 3预先接合以确保四个传感器7一直处于接合状态。这对于FSR传感器是特别重要的。通过在每个FSR传感器7上添加预先确定的预载力，它们将一直处于接合状态，并且即使最小的施加力也将导致受控且可重复的传感器输出，允许轻易确定触摸坐标。
此外，提供校准长度的柱台13，其从透镜3的下方向下延伸以作为停止栓(stop)来限制最大允许移动并防止传感器7的过度压缩。这些柱台13对于FSR传感器7是可选的，但是在使用传统的压阻传感器时是必需的。
所述传感器7可由经由连接器18所连接的柔性膜14被连接，所述连接器18直接与蜂窝电话或其它电子设备的主电路板紧密配合，并且如果需要，外围部件40能够安装在柔性膜14的顶部。四个差别安装的压力传感器7可以直接安装在设备的印刷电路板30上或直接安装在LCD/OLED模块5之下，都将在以下进行描述。本领域技术人员应当轻易理解，可以使用更为常规的线路、多个印刷电路板或其组合，来代替柔性膜14和连接器18。
优选地，每个压力传感器7包括力感应电阻器(FSR)，其通常是涂覆在传导金属部分或迹线(trace)上的聚合物。FSR传感器7使用电阻的电属性来测量施加到传感器7的力。给定多个(例如，四个)差别安装的传感器7，每个传感器将不同的力登记为沿透镜2的平面的二维(x，y)坐标的函数。通过计算角处的不同压力，能够计算出实际触摸的确切坐标。
图4是单独的FSR传感器7的示意图，其包括印刷在压力敏感的可变电阻材料76上的一对传导迹线72、74，其可以是已知的墨或聚合物。所述电阻材料76在两条迹线之间产生可变的电路径。在向该传感器7施加力时，材料76的电阻会降低。
图5示出了作为力(g)的函数的传感器7的电阻(千欧)。重要的是要注意到传感器操作的三个区域。首先是在10至100克的力的压力区域中的某处发生的突变。在此之上，力近似成比例直至饱和，在所述饱和点，额外的力不会使得电阻降低。使用集成FSR传感器的好处在于电压输出通常是压阻力传感器的电压输出的十倍。该较高电压输出消除了对附加模拟信号放大的需要，由此进一步减少了所需的板上空间以及部件成本。通过使用FSR传感器进一步简化了机械设计，原因在于这些传感器不需要过压保护，而典型的压阻传感器则需要。如以上所提到的，对每个传感器7施加受控的预载力，以确保即使在设备被倒置保持的情况下触摸屏组件2也具有完全的功能。如图5所示，最初施加的力可能不会导致任何电压输出或者非常不规律的输出。通过在每个传感器7上添加相当受控的预载力，FSR传感器7总是保持接合，且即使最小的施加力也会导致受控且可重复的传感器输出，这意味着能够确定触摸坐标。
再次参考图2的插图，传感器7可附着在LCD/OLED模块5的下方而不是设备的印刷电路板30上。这是通过在LCD/OLED模块5下方添加传导材料层82来实现的。如果需要，隔离物84和FSR电阻聚合物85接着被涂覆在传导材料82的顶部。为了性能提升，可以向传感器7添加一些类型的衬背材料，诸如PoronTM。传导迹线沿传导材料82延伸(run)，并且(用于四个传感器中的每一个的)每个一般FSR传感器设计连接到柔性膜6或者通过独立的柔性膜连接器连接到主设备电路板30。利用这种构造，LCD/OLED模块5接着能够被提供以预先集成为一个单元的所有四个FSR传感器7。
作为传感器7与LCD/OLED模块5的集成的替换方式，图6图示了可以如何将传感器7安装在主设备PCB板30上。这里，传导材料层82被粘结到下面的PCB 30或者直接蚀刻到PCB 30中。PCB 30被设计为具有双指状传导迹线(如图4中的72、74)。安装在该迹线区域顶部的是隔离物98(见插图)和压力敏感的电阻可变材料76，其又安装在LCD/OLED模块5的下侧上。此外，在该实施方式中，LCD/OLED模块5被配备以被称作“激励器”的略微突出的形成为圆柱体的管脚(foot)100(通常已知FSR传感器的表面可包裹于硅脂中，一旦轴向压缩，其促进FSR激励)。所述“激励器”使得FSR传感器材料能够被压缩更长距离，这确保了更好的解决方案和更高的传感器动态范围。柔性膜14延伸到柔性膜连接器18，所述柔性膜连接器18直接与蜂窝电话或其它电子设备的主电路板紧密配合，并且如果需要，外围部件40能够安装在柔性膜14的顶部。
注意，对于图2(插图)和6所示的集成方法而言，触摸屏组件2不对整体设备堆叠添加额外的高度。对于诸如移动电话之类的设备而言，其原因在于LCD/OLED模块5会被PSL透镜3所保护。根据所使用的材料，FSR7在LCD/OLED模块5和下面的PCB30之间添加的额外高度约为0.30至0.80mm。然而，在典型的移动电话设计中，空间95通常被设计为1.25mm高以确保可以在下面放置低剖面(low-profile)部件。因此，该组件所添加的高度为零。
作为FSR传感器7的替代方式，可以使用诸如压阻力传感器之类的传统压力传感器。这些通常包括机械部件和换能器。多个(例如，四个)可商业获取的微型力传感器为换能器7妥善提供服务。这些能够在7.0×5.2×2.9mm的陶瓷预装件中获取，所述陶瓷预装件能够检测低于1N的施加力。它们依赖于响应压力变化而弯曲的硅元件，通过内部桥接电路产生成比例的输出信号。
图7是随传统压力传感器170使用的机械组件的示例，其包括接合到保持在柱体173的套中的小型金属球171的机械换能器172。所述球171击打下面的表面，所述下面的表面可以是主PCB 30或设备的任意机械部分，并且当压力被施加到透镜组件2的顶部的PSL 3上时所述球171被按压到换能器172上。为了确保在显示器不被触摸时没有力被登记，尤其是如果使用压力敏感传感器时，可以利用集成在透镜组件2中，诸如在柱体173的套中，的规则螺旋型弹簧175对透镜组件2进行弹性加载，或者通过一些其它弹簧系统或诸如橡胶或泡沫之类的缓冲对其进行弹性加载。优选地，透镜组件2的行进由部件16限制在最低以防止可能的损坏。
图8是图示出所述组件的操作的流程图。用于该设备的外围电子部件可包括：连接到每个压力传感器7、170的例如模拟设备AD 623的放大器，以及连接到所述放大器的诸如模拟设备AD7888的A/D转换器。这些和所有外围电阻器、电源等可按照需要安装在主设备PCB 30或柔性PCB 6、14上。
如果电压输出为低，则每个压力传感器7、170的输出被放大，并且在步骤72被转换为数字(A/D转换)并且被传送到软件力传感器驱动器74，其可驻留在设备主处理器或专用微处理器上。所述软件力传感器驱动器74通过对力数据进行过滤以去除不相关输入而使其的精确度最大化。例如，如果用户携带设备行走，则摇晃可能使得透镜3触摸到传感器7。这种类型的抖动相对按键按压具有相当不同的“指纹”从而被过滤出去。来自所有差别安装的传感器7的数据被组合和调节以便进行校准调节(其由在启动时运行的独立用户校准应用预先记录)，并且x，y坐标被计算。为了更高的精确度，所述计算是基于时间的。由此，对每个按键按压捕获基于时间的数据点序列。低的力数值，也就是基于时间的序列开始的那些力数值和处于末尾的高的力数值可被过滤出去，并且剩余的数据点被用来计算平均值以用于最终的x和y坐标。作为替代，仅具有峰值力的数据样本能够被用于坐标计算，或者力的数量可被用来在平均值计算中对x和y值进行加权。如果需要，还可以记录实际或平均的力以便后续使用。
在传感器7如以上被预先加载的情况下，对预载力进行调节。例如，给定安装在PSL3之下并且沿x和y轴差别定位的多个n＝1...m压力传感器，并且假设利用预载力p1-m对每个压力传感器进行压缩，来自沿x和y轴的任意位置的PSL3的触摸的补偿压力Pc1-m将为Pc1-m＝z1-m-p1-m。这产生基于时间的数据集合序列(x1-m，y1-m，Pc1-m)。
来自软件力传感器驱动器74的输出为x，y坐标，其接着被输入到存在于主处理器上的鼠标事件队列80，并且可选地被发送到触觉软件驱动器82以及触觉设备12(图2)上以便在显示器被按压时生成触觉用户反馈。
图9是用于触摸敏感显示器或触摸板实施方式的压力敏感透镜组件2的截面图。PSL组件2包括覆盖于其上的透明透镜3，所述透明透镜3例如由.030的聚碳酸酯或热稳定聚合物所形成。透镜3承载其底侧外围周围的所有所需的电子和机械部件，所有都优选为安装在柔性薄膜PCB上的背面表面安装的电路部件，其中电子迹线经由柔性膜14连接到四个差别安装的压力传感器175。本领域技术人员应当轻易地理解，可以使用更为常规的线路、印刷电路板或其组合来代替柔性膜14和连接器。这里，柔性膜14延伸到柔性膜连接器18，所述柔性膜连接器18与蜂窝电话或其它电子设备的主电路板直接紧密配合。注意，压力传感器175是正交安装的独立操作(self-contained)设备并且从透明透镜3向后定向。每个压力传感器175包括如上的机械部件和换能器。再次，多个(例如，四个)可商业获取的微型力传感器为换能器妥善提供服务。压力传感器换能器接合到保持在柱体中的小型金属球。所述球击打下面的表面30，所述下面的表面30可以是主PCB或设备的任意机械部分，并且当压力被施加到PSL透镜3的顶部时所述下面的表面30被按压到换能器上。给定多个(例如，四个)差别安装的传感器175，每个传感器将不同的力登记为沿透镜3的平面的二维(x，y)坐标的函数。通过计算角处的不同压力，能够计算出实际触摸的确切坐标。为了确保显示器不被触摸时没有力被登记，尤其是如果使用压力敏感传感器时，可以如上所述将透镜组件2弹性加载。
在图10中，在没有机械壳体20的情况下从上方观看触摸组件2。能够通过组件的透镜3看到下面的显示器5。电连接器14形成在柔性膜透镜3上并且在通常由外部机构覆盖的区域中延伸(run)，这里为显示器5旁边。在该实施例中，多个压力传感器175通过柔性膜迹线连接器14并通过诸如放大器等的外围电子部件被连接，并且连接到其下方的主处理器PCB上。依据之前实施例的透镜3并不固定到机械壳体20的事实能够导致独立于机械壳体20的振动。这使得该构造尤其适于添加压电元件12来提供触觉反馈。压电元件12也通过柔性膜14被连接并且在此被包括在组件中。集成的压电元件12能够提供作为触觉和/或音频反馈的用户反馈。在用户触摸透镜并且控制器单元登记所述触摸时，坐标被发送以进行进一步处理。同时，命令所述压电元件12进行振动短的时间段，诸如5至50毫秒。由于透镜组件2仅松散连接到设备壳体20，所以能够使其进行更为轻易的振动并且用户将不是仅看到触摸命令的效应，但是实际会在按键被按下且按键按压被登记获得在手指上的振动形式的即刻反馈。本领域技术人员将会理解，可以使用其它部件类型(与压电不同)，诸如感应磁线圈，例如耦合的来自Darfon Electronics公司的SMD感应线圈，来对磁性元件进行振动。除了触觉元件之外，诸如数模转换器和放大器之类的其它电子部件也将安装在柔性膜14上。在线圈上使用压电元件的优点在于所述压电元件兼作触觉生成器和扬声器。触觉元件、线圈和压电这两种类型都可以替代用于对移动电话中的来电进行振动警报的独立振动器。
图11图示了添加了二维或三维运动传感器40的上述PSL 2。运动传感器40同样通过透镜组件的柔性膜14被连接且连接到主机PCB 42上。运动传感器40优选地为可商业获取的MEMs运动传感器，诸如AnalogDeviceTM的三轴iMEMS(集成MEMS)运动信号处理传感器，其使得能够从单个低功率的芯片进行非常小的低功率三轴(x-y-z)感应。这允许移动设备对位置、定向和移动进行智能响应。更具体地，设备的用户移动能够被登记并且被用作控制设备的输入。例如，用户能够通过移动而不是按键按压在更大的虚拟显示区域上进行卷动或者进行放大或缩小。这种通过移动进行的用户界面控制的原理在PCT公开WO0127735中有所描述，其通过引用结合于此。
图12示出了又一个实施例，其中显示器51同样通过共享的柔性膜53被连接，显示器51和PSL2二者共同通过一个或多个柔性膜连接器52连接到PCB 50。由此，来自显示器51的柔性膜53与用于整个组件的柔性膜相连接。该实施例还包括用于显示器51的背光，并且专用电源54安装在柔性膜53上以便对显示器背光供电。所述背光可以是安装在显示器后面的独立部件，或者可以集成到显示器或PSL组件2中，在这种情况下，所述背光在透镜下进行滑动。
本领域技术人员将会理解，之前实施例中的集成压力敏感透镜组件能够在使其更便于集成的方面被进一步优化，并且由此减少实施成本和用于最终产品的时间，并且还缩短了使用所述组件的产品的市场化的时间。这可能通过将以上所描述的加载在主处理器上的软件实现到具有集成存储器(或独立的部件存储器)的独立处理器上，或者将其直接实现到透镜组件柔性膜14(参见图7)上来实现。在这种情况下，以上所描述的所有定位计算都由独立处理器而不是设备主处理器来执行。这里的优势在于，对于软件集成的需要大大降低，并且在子组件和设备其余部件之间能够通过在主处理器上运行的简单通信小应用程序来进行通信。要在这种情况下传送的内容包括“x”和“y”坐标、来自显示器的中断或“叫醒”呼叫以及作为力的大小的“z”值。
如图2中所看到的，所述透镜形成机械构建的基础，可以在其上添加柔性膜和部件。在机械限制不像蜂窝电话那么严格的实施方式中，例如对于膝上电脑或板式PC而言，所述组件完全被模块化以确保简单的设计和组装。
现在应当明显看出，以上描述的发明在其每个实施例中提供了低成本的压力敏感触摸敏感显示器的解决方案，其适于诸如蜂窝电话和PDA之类的便携式电子设备的制造商。所述设备是易于集成到整体产品设计中而不会对电子设备的现有成本或形状因数造成混乱的即刻使用的解决方案。
现在已经完全给出了优选实施例以及本发明基本概念的特定修改形式，一旦熟悉了所述基本概念，各种其它实施例以及对其所进行的特定变化和修改对于本领域技术人员就是显而易见的。因此，要理解的是，本发明可以以不同于这里所给出的特定形式来实践。
工业实用性
触摸屏被应用在使用若干种技术的越来越多的产品中。随着产品尺寸的不断减小，对于廉价、低剖面和精确的触摸屏的需求有所增加。实际上，当在更小的电子设备中使用时，传感器必须纤小，即最大厚度小于约20mils，并且还应当能够是用于或多或少“卡入式”构造的模块化组件。在今天的电子工业中，采用压力敏感触摸敏感显示器解决方案的电子设备制造商将寻求其完整解决方案的显示器补充物，其易于集成到整体产品设计中。尽管这里提到的现有感应技术的可用性，但是现有技术已经无法提供具有足够敏感度、表面健壮性、精确度和形状因数的低成本传感器组件。因此，本发明具有重要的工业实用性，其提供了克服现有技术的一些缺陷的力感应技术。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于具有LCD或OLED显示模块的电子设备的触摸屏组件，包括：
所述显示模块上方的透镜；
多个n＝1...m差别安装的压力传感器，安装在所述显示模块下方并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器电连接到所述电子设备，以用于登记来自在沿所述x和y轴的任意位置处对所述透镜的触摸的压力z并且用于提供模拟差别压力信号z；
电路，用于将所述模拟差别压力信号转换为数据集合(x1-m，y1-m，z1-m)的基于时间的序列；和
控制软件，用于对所述数据集合(x1-m，y1-m，z1-m)的基于时间的序列进行过滤，并且用于将每个数据集合解释为确切的触摸坐标x，y和由对沿所述x和y轴的所述透镜的触摸产生的压力z，并且用于依据所述过滤的和解释的触摸坐标生成控制信号。
2.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的压力传感器进一步包括FSR传感器。
3.如权利要求2所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的FSR传感器包括四个FSR传感器。
4.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
5.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述透镜是所述显示模块上方的浮置透镜。
6.如权利要求5所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜在所述设备的键盘上延伸。
7.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与所述透镜正交安装的压阻力传感器。
8.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述控制软件对连续的数据集合进行过滤以去除不相关的输入。
9.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括通过所述连接层被连接的运动传感器，以用于对位置、定向和移动进行响应。
10.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述控制软件驻留在所述电子设备的主处理器中。
11.如权利要求5所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述电子设备包括具有孔口的壳体，并且所述浮置透镜包括舌榫和凹槽外围，以用于接合所述电子设备壳体且用于允许向下的自由度。
12.一种用于具有显示器的电子设备的触摸屏组件，包括：
浮置透镜，悬挂在所述显示器上方以允许自由度；
下方柔性膜连接层，附着在所述浮置透镜至少一部分之下；
四个差别安装的压力传感器，安装在所述浮置透镜之下并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器经由所述连接层电连接到所述电子设备，以用于登记来自在所述四个位置中的每一个处对所述透镜的触摸的压力z以提供四个数据集合(x1-4，y1-4，z1-4)；
控制软件，用于将所述四个数据集合(x1-4，y1-4，z1-4)解释为代表触摸坐标的单个数据集合(x，y，z)并且用于依据所述触摸坐标生成控制信号。
13.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
14.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜在所述显示器和键盘二者上延伸。
15.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括FSR传感器。
16.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与透明透镜正交安装的机械部件和换能器。
17.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜组件被弹性加载。
18.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述软件部件在每次按键按压期间记录多个数据点。
19.一种用于具有LCD或OLED显示模块的电子设备的触摸屏组件，包括：
所述显示模块上方的透镜；
多个n＝1...m压力传感器，安装在所述透镜下方并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器的每个以预载力p1-m被压缩并且电连接到所述电子设备，以用于登记来自在沿所述x和y轴的任意位置处对所述透镜的触摸的补偿压力Pc1-m＝z1-m-p1-m并且用于提供模拟差别压力信号；
电路，用于将所述模拟差别压力信号转换为数据集合(x1-m，y1-m，Pc1-m)的基于时间的序列；和
控制软件，用于对所述数据集合(xi-m，yi-m，Pci-m)的基于时间的序列进行解释和过滤以提供确切的触摸坐标并且用于依据所述触摸坐标生成控制信号。
20.如权利要求19所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的压力传感器进一步包括四个FSR传感器。
21.如权利要求19所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
22.如权利要求21所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与透镜正交安装的压阻力传感器。

Claims (22)

1.一种用于具有LCD或OLED显示模块的电子设备的触摸屏组件，包括：
所述显示模块上方的透镜；
多个n＝1...m差别安装的压力传感器，安装在所述显示模块下方并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器电连接到所述电子设备，以用于登记来自在沿所述x和y轴的任意位置处对所述透镜的触摸的压力z并且用于提供模拟差别压力信号；
电路，用于将所述模拟差别压力信号转换为数据集合(x1-m，y1-m，z1-m)的基于时间的序列；和
控制软件，用于对所述数据集合(x1-m，y1-m，z1-m)的基于时间的序列进行解释和过滤以提供确切的触摸坐标，并且用于依据所述触摸坐标生成控制信号。
2.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的压力传感器进一步包括FSR传感器。
3.如权利要求2所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的FSR传感器包括四个FSR传感器。
4.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
5.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述透镜是所述显示模块上方的浮置透镜。
6.如权利要求5所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜在所述设备的键盘上延伸。
7.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与所述透镜正交安装的压阻力传感器。
8.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述控制软件对连续的数据集合进行过滤以去除不相关的输入。
9.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括通过所述连接层被连接的运动传感器，以用于对位置、定向和移动进行响应。
10.如权利要求1所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述控制软件驻留在所述电子设备的主处理器中。
11.如权利要求5所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述电子设备包括具有孔口的壳体，并且所述浮置透镜包括舌榫和凹槽外围，以用于接合所述电子设备壳体以及用于允许向下的自由度。
12.一种用于具有显示器的电子设备的触摸屏组件，包括：
浮置透镜，悬挂在所述显示器上方以允许自由度；
下方柔性膜连接层，附着在所述浮置透镜至少一部分之下；
四个差别安装的压力传感器，安装在所述浮置透镜之下并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器经由所述连接层电连接到所述电子设备，以用于登记来自在所述四个位置中的每一个处对所述透镜的触摸的压力z以提供四个数据集合(x1-4，y1-4，z1-4)；
控制软件，用于从所述四个数据集合(x1-4，y1-4，z1-4)解释确切的触摸坐标并且用于依据所述触摸坐标生成控制信号。
13.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
14.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜在所述显示器和键盘二者上延伸。
15.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括FSR传感器。
16.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与透明透镜正交安装的压阻力传感器。
17.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述浮置透镜组件被弹性加载。
18.如权利要求12所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述软件部件在每次按键按压期间记录多个数据点。
19.一种用于具有LCD或OLED显示模块的电子设备的触摸屏组件，包括：
所述显示模块上方的透镜；
多个n＝1...m压力传感器，安装在所述透镜下方并且沿x和y轴被差别定位，所述压力传感器的每一个以预载力p1-m被压缩并且电连接到所述电子设备，以用于登记来自在沿所述x和y轴的任意位置处对所述透镜的触摸的补偿压力Pc1-m＝z1-m-p1-m并且用于提供模拟差别压力信号；
电路，用于将所述模拟差别压力信号转换为数据集合(x1-m，y1-m，Pc1-m)的基于时间的序列；和
控制软件，用于对所述数据集合(x1-m，y1-m，Pc1-m)的基于时间的序列进行解释和过滤以提供确切的触摸坐标并且用于依据所述触摸坐标生成控制信号。
20.如权利要求19所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述差别安装的压力传感器进一步包括四个FSR传感器。
21.如权利要求19所述的用于电子设备的触摸屏组件，进一步包括触觉响应生成器，该触觉响应生成器耦合到所述透镜以用于在相对所述透镜的压力被登记时生成振动突发。
22.如权利要求21所述的用于电子设备的触摸屏组件，其中所述压力传感器每一个均包括与所述透镜正交安装的压阻力传感器。
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