触摸感测器件、包括触摸感测器件的触摸屏装置、用于感测触摸感测器件上的触摸的移动设备和方法

技术领域

本发明涉及触摸感测器件、包括触摸感测器件的触摸屏装置、用于感测触摸感测 器件上的触摸的移动设备和方法。具体地，触摸感测器件可以用作用户接口来控制诸 如移动设备的不同设备中的各种功能。

背景技术

本领域已知在诸如移动设备的设备中用作用户接口的不同种类的传感器用于感 测用户的输入动作。在触摸传感器中，用手指或者触笔触摸传感器表面来进行输入。 因此，这些触摸传感器提供了用户接口或者人机接口来控制包括触摸传感器的装置的 各种功能。

已知的触摸传感器通过对由于用户的手指或者触笔的存在而影响的电容变化做 出反应来工作。例如，这些已知触摸传感器包括具有电容性部件的两个层，其中这些 部件在第一层中水平地彼此连接而在第二层中竖直连接以提供矩阵结构，使得能够感 测传感器被触摸的xy坐标的位置。在电容性触摸板中，一个层的电容性部件形成电 容器的一个电极而手指或者触笔形成另一个电极。

例如，Analog Devices，Norwood，Massachusetts，U.S.A.制造的所谓的用于单个电 极电容值传感器的盖触摸可编程控制器(CapTouch Programmable Controller for Single  Electrode Capacitance Sensors)AD714 7可以用于测量电容值(参见Analog Devices，Inc  公布的Data Sheet，CapTouch^TM Programmable Controller for Single Electrode  Capacitance Sensors，AD7147，Preliminary-Technical Data，06/07-Preliminary version E， 2007)。

近来的应用，如多触摸应用，要求触摸并且感测触摸传感器上超过一个位置，例 如，以确定显示器上的图像的待放大部分。随着应用变得更复杂，需要新的改进的用 户接口。

因此，期望提供一种允许额外并且更灵活的用户操作的新颖的触摸感测器件、触 摸屏装置、移动设备和方法。

发明内容

独立权利要求中提供并且限定了一种新颖的触摸感测器件、触摸屏装置、移动设 备和感测触摸的方法。从属权利要求中限定了有利的实施方式。

本发明的实施方式提供了一种触摸感测器件，所述触摸感测器件包括：覆盖层， 所述覆盖层限定了触摸区域；第一绕组，所述第一绕组布置在所述覆盖层的一侧并且 在所述触摸区域的至少一部分上延伸；以及第二绕组，所述第二绕组布置在所述第一 绕组的同一侧。第二绕组与所述第一绕组隔开。此外，所述第一绕组和所述第二绕组 和所述覆盖层被布置成，使得由提供到所述第一绕组的电流产生的磁场的耦合响应于 施加在触摸区域上的力而改变。

因此，不仅能够感测力是否被施加到触摸区域，而且还可以根据耦合的变化，即 第一绕组与第二绕组之间的间隔，来估计作用在触摸区域上的力。因此，耦合的变化 可以充当例如用户接口中的输入操作，以触发连接到触摸感测器件或者包括触摸感测 器件的装置的特定功能。

在一个实施方式中，提供了测量部，所述测量部用于测量所述第二绕组的由提供 到第一绕组的电流所感生的电压以及所述第一绕组与所述第二绕组之间的间隔由于 力而引起的变化。因此，可以提供简单的电压测量值以用于估计触摸区域上的力。

在一个实施方式中，提供了确定部，所述确定部根据所述间隔的变化程度来确定 基于感生电压的信号电平。因此，可以获得稳定的信号电平，例如在对取决于间隔的 改变程度的感生电压进行了低通滤波之后。因而，可以进行校准以指示或者至少估计 所施加的力的大小。例如，可以控制显示器上的滚动操作的速度从而通过增加触摸区 域上的力来增加滚动的速度。

在一个实施方式中，在所述覆盖层与所述第一绕组和第二绕组之间放置了触摸传 感器，以感测在所述触摸区域上触摸的位置。因此，除了大致垂直于触摸区域的z方 向上的输入操作以外，还可获得xy平面中的其它输入操作，如获得位置的x、y坐标。

在一个实施方式中，提供控制器，以根据所述触摸传感器是否感测到触摸来控制 向所述第一绕组提供电流。控制器可以被设置为控制电流的提供(例如从电源)，从 而在触摸传感器感测到触摸的情况下提供电流。因此，可启用和停用z方向上的触摸 感测功能以减小功耗，因为如果触摸区域上不存在用于触摸的手指或者触笔则没有电 流流过第一绕组。

在一个实施方式中，要向第一绕组提供的电流是交流电流，而在另一个实施方式 中，电流是直流电流。因此，存在多种可能性来实现触摸感测器件。例如，当向第一 绕组提供交流电流时，在第二绕组中感生出交流电压，因而如果所述间隔变化就会产 生第二绕组侧上的电压变化。

在一个实施方式中，所述第一绕组与所述第二绕组之间的间隔是0.05mm到0.5 mm之间，优选地在0.1mm到0.2mm之间。因此，触摸感测器件可以做得很薄并且 对间隔的变化很灵敏。

在一个实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组中的至少一个在平面上展开 (expand)。因此，触摸感测器件可以做得非常薄。

在一个实施方式中，所述第一绕组和所述第二绕组中的至少一个被薄的箔屏蔽。 因此，绕组可以用薄的金属箔单独地屏蔽，该金属箔不会影响磁场。

在一个实施方式中，所述第二绕组布置在所述覆盖层与所述第一绕组之间。因此， 携带主电流的第一绕组与可能被磁场影响的触摸传感器或者包括电子部件的显示组 件进一步隔开。

在一个实施方式中，所述覆盖层至少部分地由透明材料制成，诸如玻璃或者某些 类型的塑料。因此，当使用透明即透光材料时，可在覆盖层与绕组之间布置显示器， 因此用户仍可从外部观察显示器。

根据另一个实施方式，提供了一种触摸屏装置，所述触摸屏装置包括：上述触摸 感测器件之一；和布置在所述覆盖层与第一绕组和第二绕组之间的显示组件。因此， 可以通过在显示组件上显示的消息或者其它消息来提醒用户触摸该触摸区域，即，施 加特定的力，从而使能z方向上的输入操作。

根据另一个实施方式，提供了一种移动设备，该移动设备包括上述触摸感测器件 或者触摸屏装置中的一个。因此，该移动设备可以提供新型的用户接口，其中输入操 作取决于施加到触摸区域上的力或者力的特定大小。

本发明的另一个实施方式提供了一种感测具有触摸区域和第一绕组和第二绕组 的触摸感测器件上的触摸的方法。该方法包括以下步骤：向所述第一绕组提供电流； 在所述触摸区域上施加力以改变电流所产生的磁场的耦合，从而在所述第二绕组中感 生出电压；以及基于感生电压来确定信号电平。因此，可以提供输入操作，该输入操 作取决于向触摸区域施加的力。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的实施方式。

图1A例示根据本发明实施方式的触摸感测器件及其元件。

图1B例示了根据本发明实施方式的被施加力时的触摸感测器件及其元件。

图2例示了根据本发明实施方式的感测触摸感测器件上的触摸的方法的流程图。

图3更详细地例示了根据本发明另一个实施方式的触摸感测器件。

图4例示了根据本发明另一个实施方式的包括触摸感测器件和显示组件的触摸 屏装置的元件。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的进一步实施方式。应注意以下描述仅仅包含示例，并 且不应理解为限制本发明。

在下文，类似或者相同的附图标记指示类似或者相同的元件。

图1A例示了根据本发明实施方式的触摸感测器件100的元件。图1B例示了被 施加力时的触摸感测器件100。具体地，触摸感测器件100包括覆盖层110、第一绕 组120和第二绕组130。

覆盖层110是限定了触摸区域的顶层，在触摸区域上可施加手指、手、触笔或者 其它对象作用的力。

第一绕组120，诸如线圈绕组，布置在覆盖层110的一侧，并且在触摸区域的至 少一部分上延伸。第二绕组130和第一绕组120布置在同一侧。优选地，第二绕组与 第一绕组120至少部分地交叠。具体地，绕组交叠得约大，以下描述的感生效应就越 强。

从参照图1A描述的实施方式可见，第一绕组和第二绕组130布置在覆盖层110 下方并且在平面内延伸以形成薄的平面形状线圈。如果假定绕组是大致圆形，则第一 绕组和/或第二绕组可以在大致平行于覆盖层110的平面内径向延伸。然而，绕组不 限于大致圆形，任意类型的导体环都可以用作被提供电流时产生磁场的绕组。

此外，从图1A可见，第一绕组120和第二绕组130彼此隔开以在轴向上形成第 一绕组与第二绕组之间的间隔。

具体地，第一绕组120和第二绕组130以及覆盖层110被布置为，使得由提供到 第一绕组120的电流所产生的磁场的耦合响应于施加在触摸区域上改变所述间隔的 力而改变。

在图1A中，覆盖层110、第一绕组120和第二绕组130被表示为大致彼此平行。 然而，为了响应于对作用在触摸区域上的改变了第一绕组与第二绕组之间的间隔的力 的响应而获得磁场的耦合变化，平行排布不是必须的并且可以使用多种方向，只要作 用在触摸区域上的力改变了两个绕组之间的间隔因而改变了绕组中的一个的磁场的 耦合即可。

此外，如果假定用于产生磁场的电流被提供到第一绕组120，则无论第一绕组是 放置在覆盖层110与第二绕组130之间还是覆盖层110与第二绕组130下方，均可实 现关于磁场的耦合的相同效果。

更详细地，当电流被提供到第一绕组并且力被施加到触摸区域上以改变第一绕组 120与第二绕组130之间的间隔时，在第二绕组130中感生出电压。如果使用交流电 流，则变压器原理总体上应用于图1A和图1B的触摸感测器件，因而根据以下算式 通过感生系数K获得感生电压：

$\left|V_{\sec }\right|:=\omega ·I_{\mathrm{prim}}·K·\sqrt{L1·L2}$

在此，耦合系数K针对的是由绕组之间的间隔决定的空心线圈变压器，V_sec是第 二绕组即变压器的次级绕组中的电压，ω是频率，I_prim是第一绕组即初级绕组中的电 流，L1和L2是第一绕组和第二绕组的电感。因此，施加到触摸感测器件上的力可以 改变间隔因而改变耦合系数K。

例如，第一绕组120中的电流所产生的的磁场的耦合构成了耦合系数，或者与耦 合系数或者感生电压成比例的任何其它参数。因此，通过测量第二绕组中感生的电压 来估计施加到覆盖层110上的力。

当使用交流电流时，由交流电流产生的磁场随时间变化，因而第二绕组经历的磁 通量随时间变化。因此，在第二绕组130中存在电感耦合，因而在第二绕组中感生出 电流进而感生出电压。当第一绕组与第二绕组之间的距离改变(例如由于力被施加到 覆盖层110的触摸区域上)时感生电压也改变，从而电压的变化可以用作力的估计。 通过校准，触摸感测器件可以因此提供用牛顿表示的力的值，或者力的值可以用基准 值相比较的百分比变化来表示。

与之相比，如果使用直流电流，则绕组之间的空间没有变化时感生电压为零，但 是一旦绕组之间的间隔改变，就可测量到感生电压，因为第二绕组经历的磁通发生了 改变。具体地，感生电压随着距离的改变而增大并且当绕组之间的相对运动停止时再 次减小到零。

图1B示意地示出了第一绕组120与第二绕组130之间的间隔，其中力施加在覆 盖层110的触摸区域的顶部，如箭头指示。

在图1B中，覆盖层由柔性的并且优选弹性的材料制成，在与力相互作用之后可 以恢复相同形状或者大致相同形状。在此，手指、手、触笔或者任何其它物体在覆盖 层110的触摸区域上作用的力会弯曲覆盖层以推动第二绕组130更接近第一绕组120。 为了实现这个效果，在覆盖层110与第二绕组130之间没有设置层(覆盖层110和第 二绕组130彼此相邻)或者设置了柔性层，并且第一绕组120与第二绕组130之间的 间隔由空气缝隙组成或者优选地用弹性隔离材料(未示出)填充，当被施加力时能够 改变厚度。

在另一方面，第一绕组120可以布置在坚硬层150上从而当被施加力时第一绕组 的位置不移动，因而当向覆盖层110施加力时第一绕组120和第二绕组130之间的距 离可改变。限定了绕组之间距离的间隔可以在0.05mm到0.5mm之间，优选地在0.1 mm到0.2mm之间，以实现非常薄但是仍对施加的力灵敏的结构。

在图1B中，假定触摸感测器件100的侧壁160和170相对坚硬从而触摸感测器 件100的灵敏度可以根据在哪里施加了力(即在覆盖层的中部或者在左侧或者右侧) 而改变。然而，此差异是可预计的并且可以想到多种方式来补偿此灵敏度差异。

例如，当已知被施加力的触摸区域的x、y坐标时，例如通过使用图3说明的触 摸传感器，可以使用查找表，其中xy坐标用作输入参数。

此外，在很多应用中仅仅要求对力的相对测量，即用户可以用特定力按压以指示 单击以及加倍该力以指示双击，从而不必进行校准，并且可以成功应对灵敏度变化， 该灵敏度变化取决于被施加力的覆盖层110的不同硬度。

请注意覆盖层110由柔性和/或弹性材料制成不是必须的，也可以由坚硬和刚性 材料制成。在此情况下，触摸感测器件100的侧壁160和170可以由部分柔性或者弹 性材料制成，从而当施加力到覆盖层110的触摸区域时，侧壁160和170可以在z方 向上缩短以改变间隔。

如上所述，触摸感测器件100能够检测不同大小的力，该力可用作不同输入操作 的输入参数。因此，触摸感测器件100可以用作触摸板。例如，外置显示器可以连接 到用作触摸板的触摸感测器件，其中显示器示出滚动列表并且该列表向上或者向下滚 动的速度由施加到触摸感测器件100的力的大小来确定。

下文将参照图2来描述感测触摸感测器件(例如触摸感测器件100)上的触摸的 方法。

在第一步骤S210，向第一绕组120提供电流。如上所述，优选地使用交流电流 产生随时间变化的磁场从而第一绕组120的磁场产生与第二绕组130的电感耦合。

此外，在步骤S220，向覆盖层110的触摸表面施加力，如图1B所示，使得第一 绕组120与第二绕组130之间的间隔由于第二绕组130在朝向第一绕组110的方向上 的相对移动而改变。如上所述，耦合取决于两个绕组的排列(具体来讲，它们之间的 间隔)并且在间隔改变时改变，从而，如以上算式所示，由于耦合的变化在第二绕组 130中感生出电压。第一绕组120中的电流产生的磁场的耦合可以构成耦合系数，或 者与耦合系数或者感生电压成比例的任何其它参数。因此，通过测量第二绕组中感生 的电压可以估计施加到覆盖层110上的力。

在步骤S230，基于第二绕组130中的感生电压来确定信号电平。例如，信号电 平是在第二绕组处测量出的感生电压在放大和低通滤波之后的信号电平或者与之成 比例。具体地，当在第一绕组120中使用交流电流时，低通滤波将从感生AC电压得 到DC电压，从而在不施加力时获得稳定电压值，而被施加力时得到电压值的变化。

下文将参照图3来描述触摸感测器件的特定实施方式。在图3中，触摸感测器件 300包括覆盖层310、第一绕组320和第二绕组330。覆盖层310、第一绕组320和第 二绕组330可以分别类似于图1A和图1B描述的覆盖层110、第一绕组110和第二绕 组130或者甚至与它们相同，从而为了简化而省略其描述。除此之外，触摸感测器件 330还包括测量部340、确定部345、控制器380、电源385和触摸传感器390。

测量部340适于测量由提供给第一绕组120的电流所感生的第二绕组330的电压 以及第一绕组与第二绕组之间间隔的变化。具体地，如上所述，如果力施加到覆盖层 310，则第一绕组与第二绕组之间的间隔缩短，从而第一绕组与第二绕组的磁场的耦 合发生改变。例如，如果在第一绕组中使用交流电流，则当不被施加力时感生出电压， 而当被施加力时可检测到电压的变化。

该效应可用于定义用户的输入操作。例如，可以定义电压值的阈值，该阈值落在 不被施加力时的感生电压与被施加力时的感生电压之间。因此，当测量部340测量到 感生电压值大于阈值时，确定用户压下覆盖层进行输入操作。因此，测量部340进行 的电压测量可以确定手指、手或者触笔在触摸区域上的触摸或者不存在触摸。

如上所述，当使用交流电流时，第二绕组330中的感生电压将是AC电压。因此， 优选地对该电压放大和低通滤波以获得稳定的DC电压值。这可以在确定部345中进 行，其中根据间隔的变化程度来确定基于感生电压的信号电平。

例如，信号电平可以对应于稳定DC电压值从而信号电平代表间隔的变化程度， 该变化程度与力的大小成比例。为了测量感生电压的变化并且确定信号电平的变化， 假定交流电流保持恒定。

确定部345的输出接着被提供到控制器380以触发装置的功能，如上所述。例如， 当感测到触摸时控制器可以打开图4的显示组件。

如图3和图4的虚线指示，在另一个实施方式中，来自测量部的输出直接输入到 控制器380，控制器380接着进行与确定部345类似的功能。

图3所示的触摸感测器件300的触摸传感器390布置在覆盖层310与第一和第二 绕组320、330之间以感测所述触摸区域上的触摸位置，例如触摸区域上的x、y坐标。 触摸传感器390可以是本领域现有的触摸传感器，具有位于第一层和第二层中的电容 性部件，以提供矩阵结构，能够获得用户触摸触摸区域的位置的x、y坐标。由于多 个不同种类的现有触摸传感器是本领域技术人员已知的，所以将省略其详细描述。

因此，除了z方向上的一个或者更多个输入参数以外，还可以获得x、y位置上 的参数作为对触摸感测器件的输入参数。因此，触摸感测器件可以用作力敏触摸板或 者在另一个装置中根据触摸位置和触摸作用的力的大小来触发不同功能。

例如，如果触摸感测器件与显示器组合，则用户可以通过在触摸区域上按压特定 x、y坐标来选择与该坐标相对应处的对象，用力Fx来选择该对象以及通过用力F2 更强地按压可以剪切或者复制该对象。另外，用户可以用力F1按压另一个x、y坐标， 并且可以通过用力F2按压将该对象粘贴到此位置。通过使用xyz参数的简单配置可 以实现多个其它拖动和放弃或者复制和粘贴应用。因此，除了已知的触摸传感器的输 入操作，还添加了一个附加输入维度，可用于根据向触摸区域施加的多个不同的力而 触发多个不同功能。

返回图3，图3中的电源385连接到第一绕组320。在一个示例中，电源385向 第一绕组320提供交流电流，为此可以使用振荡器。

此外，触摸感测器件300包括连接到电源385的控制器380、触摸传感器390和 确定部345。

在一个实施方式中，控制器380控制向第一绕组320提供电流。具体地，控制器 可以根据触摸传感器390是否感测到触摸来提供电流。例如，如果触摸传感器390 感测到触摸，则向第一绕组320提供电流从而也可估计z方向上的触摸的力。换句话 说，只有触摸区域上存在手指、手、触笔或者其它物体时才激活包括两个绕组的力感 测系统。因此，可以节省电力，因为通过开/关电流仅仅当触摸区域被触摸时才对第 一绕组320供电。

如上所述，如果交流电流提供到第一绕组则在第二绕组中得到感生交流电压，并 且如果由于例如外力引起绕组之间的间隔发生变化则产生第二绕组侧的电压变化。类 似于触摸感测器件100，触摸感测器件300中第一绕组和第二绕组之间的间隔可以和 0.05mm一样小，优选地在0.1mm到0.2mm之间以允许薄的间隔和薄的触摸感测器 件。如果第一绕组和第二绕组也被卷绕以在大致平行于覆盖层310以及两个绕组320 和330的平面内展开，则厚度尤其减小。

根据触摸感测器件的诸如控制器和绕组的电子部件的位置，可用薄金属箔屏蔽第 一绕组和第二绕组，其不影响第一绕组和第二绕组的磁场但是可以根据其位置减小系 统中的电子噪声。

很清楚的是，触摸感测器件100或者300不限于仅仅两个绕组，如果期望可以使 用超过两个绕组。例如，可以使用三个绕组，其中中间绕组可被提供电流并且在上、 下绕组中感生出电压以实现更强的电感效应。

在一个实施方式中，可以在触摸感测器件的4个角上例如在覆盖层的4个角的下 方布置4对绕组，即，4个第一绕组和4个第二绕组。该排列允许除了z方向测量之 外还估计被施加力的位置。例如，如果在一个角测量到比其它三个角更大的偏折，则 表示施加力的位置接近于这个角。因此，使用适当算法，通过绕组和电感测量而不使 用本领域已知的电容器型或者电阻型触摸传感器，可以推导出x、y坐标下的位置。

在下文，在图4中，触摸感测器件300与显示组件组合以构成触摸屏装置400。 显示组件420可以包括任意种类的显示器，如LCD(液晶显示器)或者OLED(有 机发光二极管)显示器。

在图4的实施方式中，覆盖层410至少部分地由透明材料即透光材料制成，允许 看或者读下方的显示组件的显示器。类似于关于图1B的讨论，覆盖层410可由柔性 和优选地弹性材料制成但是不限于此，可以包括位于显示组件的显示器前方的玻璃或 者塑料窗口。在柔性覆盖层410的情况下，显示器件也是柔性的以改变绕组之间的间 隔，如关于图1B描述的。

然而，如果覆盖层和显示组件是坚硬和刚性的，则这些元件中至少一个可以连接 到图4所示的弹性侧壁，该弹性侧壁适于根据施加到覆盖层的力而改变高度。

应注意的是，触摸传感器390自身可以形成覆盖层310或者410。例如，覆盖层 中可以包括诸如ITO(氧化铟锡)的导电材料图案的层，如常规上用于触摸传感器的 那样。

在另一个实施方式中，触摸感测器件100或者300或者触摸屏装置400并入诸如 蜂窝电话或者其它类型的移动电话或者便携式计算机的移动设备中。触摸感测器件或 者触摸屏装置的应用是清楚的但是不限于移动设备，但是与移动设备组合具有特别的 优点，因为这些设备通常小并且需要智能的用户接口或者人机接口来触发特定功能。 因此，将通常可以制造为0.5mm小的触摸感测器件或者触摸屏装置并入移动设备具 有很多优点。

以上描述提到了多个元件，如控制器380、确定部345、测量部340等，应理解 本发明不限于这些元件作为结构元件，但是这些元件应理解为包括不同功能的元件。 换句话说，本领域技术人员应理解的是上述实施方式不理解为限制于单独的实体部件 而理解为一类功能实体，从而一个实体部件还可以提供多个功能。例如确定部345 的功能还可以与控制器380组合。

另外，根据本发明和/或其实施方式的物理实体可以包括或者存储包括指令的计 算机程序，从而当在物理实体上执行该计算机程序时，根据本发明的实施方式进行这 些元件的步骤、过程和功能。本发明还涉及用于进行这些元件的功能的计算机程序， 以及涉及存储用于进行根据本发明的方法的计算机程序的计算机可读介质。

以上描述的触摸感测器件100和300以及触摸屏装置400的元件可以用硬件、软 件、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、固件等实现。

应理解的是在不背离本发明的实质和范围的前提下可对所描述的元件、触摸感测 器件、触摸屏装置、移动设备和方法以及本发明的构成进行各种修改和变化。以上关 于具体实施方式描述的本发明旨在全部方面例示而非限制本领域技术人员将理解的 是硬件、软件和固件的多个不同组合对于实施本发明是适当的。

例如，将此处公开的发明的说明书和实施考虑在内，本发明的其它实现将对于本 领域技术人员是明显的。说明书和示例旨在被认为仅仅是示例性的。为此，应理解本 发明方面可以小于单个上述实现方式或者配置的全部特征。因而，本发明的实际范围 和实质由所附的权利要求表明。