用于声学触摸屏的简化机械设计

摘要

本发明涉及一种简化的触摸屏系统，其能够感测物体何时与触摸屏系统的透明基板保持直接或间接连续接触，以及确定物体相对于透明基板的位置（例如，X坐标、Y坐标）。触摸屏系统使用电容技术来感测物体是否与透明基板保持接触，并且使用声学传感技术来确定物体的与透明基板接触的位置。触摸屏系统需要少量的要沉积在透明基板上的屏蔽层和隔离层，部分原因是触摸屏系统利用与下方的显示器相联的边框来提供对显示器放射的电磁辐射的屏蔽。

说明书

背景技术

多种电子设备使用触摸屏或触摸板来检测通常由手指、手或其它物体在 电子设备的显示区内发生接触的存在和位置。该电子设备包括移动电话、网 络装置、便携式游戏机、便携式阅读器、音乐播放器、导航仪、家用电器、 自动化和电子控制设备、笔记本电脑、电视屏幕等等。触摸屏允许与显示信 息的屏幕上显示的内容直接交互，而不是通过鼠标或单独的触摸板间接交 互。触摸屏还允许在不要求诸如必须保持在使用者手中的手写笔的任何中间 装置的情况下实现该交互。

存在一些触摸屏技术，并且从这些不同的技术中，声学触摸屏技术已经 成为一种持久并精确的技术，即使当屏幕本身变脏或有划痕，该声学触摸屏 技术仍起作用。声学触摸屏技术涵盖：使用声换能器以便将物理接触触摸屏 基板所产生的机械能或声能转换成电信号。然后，操作性地连接到换能器的 硬件和软件分析电信号以确定接触位置。由于当手指或其它物体静止放置到 屏幕时不产生声能，声学传感技术不能检测手指在首次接触后何时保持在屏 幕上。

针对该问题提出的一个方案包括电容式传感机构，其使用导电配线沿着 触摸屏基板的一个或更多个边界串联连接多个电容器。电容器中的每一个包 括隔开一距离的两个电极。当使用者用诸如手指的物体触及屏幕基板的表面 时，电极朝着彼此移去，籍此减小电极之间的间隙并导致电容变化，电容变 化可转换成表示与接触触摸屏相关的“保持”或“释放”动作的二进制信号。 另外，为屏蔽来自环境和附带的显示器两者的电磁干扰，已知的触摸屏系统 使用沉积在屏幕基板上的多个导电层和绝缘层。

虽然现有的方案允许触摸屏系统感测到物体与屏幕连续接触的情形，其 仍具有许多缺陷。例如，使用焊接线将电容器以串联方式互连是耗时的手工 过程，其在系统中引入了偏差并降低了保持-释放感测的质量和可靠性。另 外，将许多导电层和绝缘层沉积在屏幕基板上以便充分屏蔽电磁辐射引起的 噪声消耗了大量的材料，其中许多材料在印刷处理中失去，使得制造过程过 于浪费且昂贵。另外，现有的声学和电容式触摸屏系统已经要求专用的连接 器，以便将屏幕基板上的声学传感部件和电容式传感部件两者与相关控制板 上的处理部件相联。该双连接器增大了触摸屏系统要求的空间，并且使得系 统对于许多紧凑型电子装置过于庞大。

本文中提出的教导用以克服该背景技术中的缺陷。

发明内容

本文公开了用于具有电源和触摸屏控制板的电子装置的触摸屏系统。所 述触摸屏系统包括：具有外表面和内表面的透明基板，所述透明基板用于接 收物体在所述外表面上的接触；布置在所述透明基板内表面的周界周围的沉 积层，所述沉积层由沉积在所述透明基板内表面上的导电层和沉积在所述导 电层上的隔离层组成，其中所述导电层形成导电迹线的图案；与所述透明基 板联接的一个或更多个声传感器，其中所述声传感器接收通过所述接触产生 的声波并且将所述声波转换成电信号，并且其中所述声传感器电连接至所述 导电迹线中的第一个；和与所述透明基板联接的多个电容传感器，所述电容 传感器中的每一个包括从第二电极间隔开一距离的第一电极，其中所述第一 电极中的每一个由所述导电迹线中的第二个形成同时电连接至所述导电迹 线中的第二个，并且所述第二电极中的每一个电连接至所述导电迹线中的第 三个，并且其中所述物体的接触引起所述电容传感器中的电容变化。

所述触摸屏系统还可包括用于监控所述电信号和所述电容变化的处理 器。所述处理器可分析所述电信号以确定所述物体在所述透明基板上的位 置，并且监控所述电容变化以确定所述物体是否与所述透明基板保持连续接 触。所述系统还可包括一个柔性印刷电路（FPC）连接器，所述FPC连接器 将所述导电迹线中的每一个与触摸屏板电连接。而且，所述触摸屏系统还可 包括位于所述电容传感器的每一个的所述第一电极和所述第二电极之间的 可压缩垫圈。所述可压缩垫圈可由双面发泡胶带（foam tape）构成。

所述电容传感器中的一个可定位在沿着所述透明基板内表面每个边缘 的近似中点处。所述第二电极中的每一个可包括沉积在柔性印刷电路带的第 一侧上的第一导电区域。所述柔性印刷电路带可包括具有第二导电区域的第 二侧，并且可通过所述导电迹线中的第四个将所述第二导电区域接地使得所 述第二导电区域提供电磁辐射屏蔽。所述物体可以是手指，并且所述声波可 以是弯曲波。

所述触摸屏系统还可包括显示器，所述显示器具有主动显示区域和用以 框架固定所述主动显示区域的周界的导电边框。所述导电边框可屏蔽所述声 传感器、所述电容传感器和所述导电迹线免受所述显示器放射的电磁辐射的 影响。

还公开了分析物体在触摸屏系统上的接触的方法。所述方法包括：提供 具有外表面和内表面的透明基板；将除了屏蔽层的层沉积在所述透明基板的 内表面上，所述沉积包括沉积导电材料层以形成绕所述透明基板内表面周界 的导电迹线的环形图案，其中所述导电迹线形成多个第一电极，并且所述沉 积包括将绝缘材料层沉积在所述导电材料层上；将多个第二电极连接到所述 导电迹线，其中所述第二电极中的每一个从所述第一电极中的一个间隔开一 距离，使得所述第一电极中的和所述第二电极中的每一对形成电容传感器， 并且其中所述物体的接触引起所述电容传感器中的电容变化；以及将一个或 更多个声传感器连接到所述导电迹线，其中所述声传感器接收通过所述物体 接触产生的声波并且将所述声波转换成电信号。

所述方法还可包括：将处理器与所述导电迹线联接；并且在所述物体与 所述透明基板的外表面接触时，使用所述处理器以便监控所述电信号以确定 所述物体在所述透明基板上的位置并且监控所述电容变化以确定所述物体 是否与所述透明基板保持连续接触。

第二电极中的每一个可包括沉积在柔性印刷电路带第一侧上的第一导 电区域。所述柔性印刷电路带可包括具有第二导电区域的第二侧，并且所述 方法还可包括通过所述导电迹线将所述第二导电区域接地使得所述第二导 电区域提供电磁辐射屏蔽。

该方法还可包括：将显示器和导电边框与所述透明基板联接，其中所述 显示器具有主动显示区域，并且导电边框以框架固定所述主动显示区域的周 界使得所述边框与所述导电材料层对准；并且将所述导电边框接地使得所述 边框屏蔽所述声传感器、所述电容传感器和所述导电迹线免受从所述显示器 放射的电磁辐射的影响。所述接地可包括通过所述导电迹线将所述边框连接 到地面。该方法还可包括将所述导电迹线中的每一个通过FPC连接器连接到 触摸屏控制板。

还公开了用于具有电源和触摸屏控制板的电子装置的触摸屏系统。所述 触摸屏系统包括：具有外表面和内表面的透明基板，所述透明基板用于接收 物体在所述外表面上的接触；绕所述透明基板内表面的周界布置的导电迹线 的图案，其中所述导电迹线直接沉积在所述透明基板的内表面上；与所述透 明基板联接的一个或更多个声传感器，其中所述声传感器接收通过所述接触 产生的声波并且将所述声波转换成电信号，并且其中所述声传感器电连接至 所述导电迹线中的第一个；以及与所述透明基板联接的多个电容传感器，所 述电容传感器中的每一个包括从第二电极间隔开一距离的第一电极，其中所 述第一电极中的每一个由所述导电迹线中的第二个形成同时电连接至所述 导电迹线中的第二个，并且所述第二电极中的每一个电连接至所述导电迹线 中的第三个，并且其中所述物体的接触引起所述电容传感器中的电容变化。

所述触摸屏系统还可包括沉积在所述导电迹线上的隔离层、具有主动显 示区域的显示器和框架固定所述主动显示区域周界的导电边框。导电边框可 大致与所述隔离层邻接，并且可连接到地面。

所述触摸屏系统还可包括一个FPC连接器，所述一个FPC连接器将所 述导电迹线中的每一个与所述触摸屏控制板电气互联。另外，所述触摸屏系 统可包括用于监控所述电信号和所述电容变化的处理器。所述处理器可分析 所述电信号以确定所述物体在所述透明基板上的位置，并且分析所述电容变 化以确定所述物体是否与所述透明基板保持连续接触。

附图说明

图1A示出了如经由柔性印刷电路连接器电气互连到触摸屏控制板的触 摸屏组件的一个实施方式的底部分解透视图。

图1B示出了列入图lA的触摸屏组件中的柔性印刷电路带的第一侧的透 视图。

图1C示出了列入图lA的触摸屏组件中的柔性印刷电路带的第二侧的透 视图。

图2示出了如沉积在列入图lA的触摸屏组件中的透明基板的内表面上 的若干导电迹线的顶视图。

图3示出了如设置在相关显示器和边框的一个实施方式上方的图lA的 触摸屏组件的顶部分解透视图。

图4示出了图lA的触摸屏控制板的功能图。

图5A示出了列入图lA的触摸屏组件中的透明基板的功能图。

图5B示出了与图5A中所示的透明基板上的示例性碰撞点相对应的若 干声学特征。

具体实施方式

虽然本发明的实施方式允许各种修改和替代形式，但其具体实施方式作 为示例已经在附图中示出并在本文中被详细描述。但是，应该明白，本说明 书并不是意图将本发明限制为所公开的具体形式，而是使本发明涵盖如权利 要求所限定的本发明实施方式的全部修改、等同和替代。

如上所述，声学触摸屏技术在检测物体接触到触摸屏基板的位置（下文 中称为“位置感测”）方面占优，但一般不能感测物体是否保持与基板连续 接触或者物体是否正保持为抵靠基板（下文中称为“保持-释放感测”）。为 修正该问题，已经将简化的电容式传感结构与声学传感技术结合，以便建立 在可根据简化的制造过程所制造的简洁的设计中实现了有效的保持-释放感 测和位置感测两者的触摸屏系统。

图lA示出了如与具有下文中详细描述的各种电子部件的触摸屏控制板 50电气互连的触摸屏组件10的一个实施方式的分解图。在本实施方式中， 触摸屏组件10包括透明基板12，透明基板12分别具有顶部边缘14、底部 边缘16、左边缘18和右边缘20。透明基板12还具有接收物体44（例如手 指、手写笔、笔、信用卡等）的接触的外表面22和设置成与相关电子装置 （未示出）内部邻近的内表面24，所述电子装置诸如例如是移动电话、便携 式显示器、电子书、笔记本电脑、电视、车载显示器等等。透明基板12可 以由包括例如玻璃或塑料的任何适当的透明材料构成。

多个导电迹线26_1-4能够以环形布置沉积在透明基板12的内表面24的周 界周围。导电迹线26_1-4可直接印刷或以另外的方式直接沉积在透明基板12 的内表面上，并且可以由诸如例如银的任意适当导电材料构成。图2示出了 导电迹线261-4中的每一个在透明基板12的内表面24上的布线的详细示意 图。迹线26_1-4经由单个连接器46电连接到触摸屏控制板50。连接器46可 以是任意适当的连接器，并且在一个实施方式中，连接器46是被构造成接 收来自导电迹线26_1-4中的每一个的输入的柔性印刷电路（FPC）连接器。

虽然下面将更为详细地说明迹线26_1-4中的每一个的功能性，但应注意到 导电迹线26_1-3中的每一个是一对导电迹线。也就是说，如图lA和图2所示， 来自导电迹线26_1-3中的每一对的一个或多个迹线沿着透明基板12内表面24 的顶部边缘14和左边缘18沉积，而来自导电迹线26_1-3中的每一对的另一个 或另外多个迹线沿着透明基板12内表面24的底部边缘16、左边缘18和/ 或右边缘20沉积。

绝缘层或隔离层38可沉积为直接设置在导电迹线26_1-4上的环状构造。 隔离层38可由任意适当的电绝缘材料构成，诸如例如聚氯乙烯或电绝缘胶 带。

为获得上述的精确位置感测，声传感器或声换能器42可沿着透明基板 12的一个或更多个边缘14、16、18和20定位，使得声换能器42与一对第 一导电迹线26₁电接触（如图2）。例如，在本实施方式中，声换能器42沿 着透明基板的顶部边缘14和左边缘18定位。当物体44接触透明基板12的 外表面22时，该碰撞产生声波或弯曲波（即机械波），该声波或弯曲波传播 通过透明基板12，以便在声换能器42处被接收。声换能器42可以是压电晶 体或任何适当尺寸、形状、类型和/或构造的任何其它声换能器。在本实施方 式中，在声换能器42与透明基板12的顶部边缘14和左边缘18对准的情况 下，声换能器42可以布置在相对于透明基板12的任何适当位置处。

一旦物体44接触到透明基板12的外表面22，产生的弯曲波传播通过基 板12并且在声换能器42处被接收。声换能器42将弯曲波转换为模拟电子 信号，模拟电子信号可从声换能器42沿着第一导电迹线26₁进行传输，并经 由连接器46传输到触摸屏控制板50用于处理以便确定物体44抵靠透明基 板12外表面22的接触位置（例如，X坐标、Y坐标）。下面将参考图4讨 论与位置感测处理相关的细节。

因为只有首次接触或随后的运动产生了传播通过透明基板12的声波或 弯曲波，声传感器42并不足以检测到当物体44保持与基板12连续接触时 所发生的“保持”。由此，触摸屏组件10的一个实施方式还包括四个简化的 电容传感器，该四个简化的电容传感器沿着透明基板12内表面24的顶部边 缘14、底部边缘16、左边缘18和右边缘20定位。每个电容传感器由从第 二电极34（如图1B）间隔开的第一电极28形成，第二电极34形成在FPC 材料的条或带30上，其中FPC材料诸如例如是聚酰亚胺基板或基部。

进一步详细地且如图1A所示，第一电极28中的每一个被整合在沉积在 透明基板12内表面24上的第二导电迹线262的图案内。如图1B所示，第 二电极34中的每一个形成在柔性印刷电路带30上。更具体地，柔性印刷电 路带30的第一侧36可涂覆有诸如铜的导电材料。柔性印刷电路带30中的 每一个可组装到触摸屏组件10中，使得第一侧36面向第一电极28，并且通 过隔离层38中的入口小孔48将第一侧36电连接到第三导电迹线26₃（如图 2）。结果，柔性印刷电路带30第一侧36上的导电材料形成第二电极34，并 且第一和第二电极28和34中的每一对结合以便形成电容传感器。

在本实施方式中，第一电极28和第二电极34中的每一个可通过隔离层 38以及一个或更多个柔性垫圈40分开。柔性垫圈40可由具有任意适当尺寸、 形状、类型和/或构造的绝缘材料构成。在一个实施方式中，柔性垫圈40可 由具有近似0.6mm×0.6mm×0.15mm的长度、宽度和厚度尺寸的双面发泡 胶带构成。

如图3所示，触摸屏组件10可定位在显示器52上方。显示器52可以 是若干类型的显示器中的任意一种，包括：显示器、LCOS显示器、TFT 显示器、其它的LC显示器类型和/或品牌、OLED显示器或任何其它的适当 的显示器类型。显示器52可具有主动显示区域54，如上所述，使用者可使 用物体44与主动显示区域间接相互作用。由此，因为显示器52位于触摸屏 组件10下方，直接覆盖显示器52主动显示区域54的触摸屏组件10的任何 部分优选地是透明的，以便允许使用者透过组件10看到主动显示区域54。

显示器52可包括框架固定主动显示区域52的边框56。边框可由任意适 当的导电材料构成，诸如铝或另外的适当金属。为屏蔽触摸屏组件10的电 子部件（例如，导电迹线26_1-4、第一电极28和第二电极34、声换能器42） 免受显示器52放射的电磁辐射的影响，显示器52可连接到触摸屏控制板50 上的地线58（如图4）。例如，边框56可通过第四导电迹线26₄电连接到地 线58（如图2）。在这方面，边框56不需要在隔离层38和显示器52之间沉 积额外的屏蔽层以防止显示器引起的电磁干扰。结果，如图3所示，当显示 器52和边框56设置在触摸屏组件10下方时，边框56可大致与隔离层38 邻接。

另外，如图1C所示，上述的柔性印刷电路带30的第二侧37也可涂覆 导电材料（例如铜）并以任意适当的方式连接到地线58（如图4），藉此形 成接地板39，该接地板39提供了附加屏蔽来抵抗显示器52放射的电磁辐射， 以便实现在第一和第二电极28和34之间的更精确的保持-释放感测。在一 个执行过程中，接地板39中的每一个可通过第四导电迹线264连接到地线 58（如图4）。通孔35可以将接地板39从柔性印刷电路带30的第二侧37 导电至柔性印刷电路带30的第一侧36，其中它在穿过隔离层38中的小孔 49被接入时结合到第四导电迹线26₄。

在操作中，与触摸屏控制板50相关的电源60（如图4）可施加模拟电 压（其另外可称为刺激信号）以对电容传感器充电荷。当使用者用物体44 触及透明基板12的外表面22时，物体44的压力压缩柔性垫圈40，藉此减 小第一和第二电极28和34之间的距离。因为第一和第二电极28和34中每 一对的电容是第一和第二电极28和34之间的距离的函数，该压缩引起电容 传感器内的可测量的电容变化ΔC。可检测到该ΔC，并可将该ΔC转换成用 于触摸屏控制板50处的保持或释放动作的二进制信号，并且将在下文中讨 论该ΔC。

图4示出了触摸屏控制板50的一个实施方式的功能框图。在该实施方 式中，触摸屏控制板50包括电源60，其接收来自诸如例如电池的外部电源 （未示出）的电力。电源60可与触摸屏控制板50上的每个部件相联，以将 期望形式的电压提供到每个部件。另外，一个或多个部件可连接到地线58。 为方便图示，未示出这些内部连接。触摸屏控制板50还包括多个附加部件， 用于执行触摸屏组件10的控制和处理功能，并且应注意到，可构思这些各 个部件和/或部件构造的任意适当变化。

关于确定物体44与透明基板12接触的位置，在声换能器42处接收的 电信号可在声换能器22处放大或在触摸屏控制板50上的放大器62处放大。 放大信号传送到前端处理机64，前端处理机64可包括模数（A／D）转换器 66。A／D转换器66将放大信号数字化并将数字化数据传输到微控制器68， 微控制器68处理数字化数据以确定物体44相对于透明基板12的位置（即， X坐标、Y坐标）。

为达成该位置确定，微控制器68访问存储器70，并将从声换能器42 接收的数字化数据与存储器70中存储的数据比较。存储的数据表示制造过 程期间在已知位置处相对于透明基板12的碰撞所产生的多个独特的波或特 征。例如，图5A示出了多个相对于透明基板12的已知的碰撞点72_1-7。在 碰撞点72_1-7中的每一个处触及基板12产生了多个在图5B中示出的相应的 波特征74_1-7。特征74_1-7和它们相应的X、Y坐标72_1-7被存储在存储器70中， 在使用触摸屏组件10时由微控制器68用于确定物体44接触透明基板12外 表面22的位置。虽然图5B示出了与仅七个碰撞点72_1-7一一对应的特征， 但任意适当数量的特征可存储在存储器70中（例如，1000个点、4000个点 等等）。另外，如果与碰撞点相关的特征没有包括在存储的数据中，则微控 制器68可基于包括在存储的数据中的最接近的碰撞点执行算法来推断出位 置。基于该比较和/或计算，微控制器68输出碰撞点的X、Y坐标，用于如 使用者期望地与显示器52相互作用并控制电子装置（未示出）。

触摸屏控制板50还包括处理电容变化ΔC的部件，该电容变化在物体 44接触透明基板12的外表面22时产生。具体地，做出了关于物体44是否 在初次接触之后保持与透明基板12连续接触的判定。在一个实施方式中， ΔC可寄存在触摸屏控制板50上的电容-数字转换器（CDC）76上，其中Δ C可转换为离散电压水平。CDC 76可以是任意适当的CDC，并且一个适当 的示例包括Analog Devices公司的AD 7150电容转换器。从CDC 76输出的 离散电压水平可与物体44是否与透明基板12接触相关联。

另外，在离散电压水平被发送到微控制器68之前，其可传递通过前端 处理器64的A／D转换器66用于进一步处理，微控制器68又可基于离散电 压水平执行逻辑，即判定物体44是否与透明基板12接触。例如，微处理器 68可程序化，以便在离散电压水平处于预定电压V_touch（例如，3.3V）或低 于该预定电压时判定物体44接触基板12，并在所述离散电压水平高于预定 电压V_touch时判定物体44已经从基板12移走。

在一替代实施方式中，ΔC可寄存在触摸屏控制板50上的电阻器-电容 器电路（RC电路）（未示出）上，藉此改变RC电路的充电／放电时间或振荡 频率。从RC电路输出的电压可传送到A／D转换器66，A／D转换器66监控 输出电压随时间的变化，以跟踪RC电路的振荡频率。然后，微控制器68 可使用A／D转换器66的输出来识别保持和释放动作，或识别物体44是否与 透明基板12的外表面22相接触。

使用与上述声学传感技术相结合的该电容传感技术，允许触摸屏组件10 不仅确定与透明基板12接触的物体的位置，而且判定物体是否在一时间段 内保持为抵靠基板12。这是在未使用焊接导线连接电容传感器以及不需要在 透明基板12上的被印刷或被沉积的屏蔽层的情况下完成的，藉此降低了与 制造触摸屏组件10相关的时间、复杂性以及花费并且提高了系统的保持-释 放传感机构的精度和可靠性。此外，触摸屏组件10的声学传感和保持-释放 传感部件经由单个连接器46传输到触摸屏控制板50，藉此减小了与机械设 计相关的占用区域并且使得触摸屏组件10可用于越来越小的电子设备。

虽然已经在附图和前述说明中详细图示并描述了本发明的实施方式，但 该图示和描述被认为是示例，且在特征方面是非限制性的。例如，上文中描 述的某些实施方式可与其它所描述的实施方式组合和/或以其它方式布置（例 如，可采用其它的顺序执行处理元件）。因此，应理解，仅仅示出和描述了 本发明的示例性实施方式和变型例。