CN1401157A - 符合于弧形表面的柔性触摸板传感器网格 - Google Patents

符合于弧形表面的柔性触摸板传感器网格 Download PDF

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Abstract

一个触摸板，由用作触摸敏感表面的柔性不导电材料和在其上安装触摸板电路的PC板(70)组合而成，其中通过产生由导电墨形成的导电迹线，把触摸板传感电极放置在触摸敏感表面(76)上，该触摸敏感表面(76)能符合各种弧形表面，并能通过保护壳传感，从而使触摸敏感表面(76)受到保护并且不与指示对象直接接触。

Description

符合于弧形表面的柔性触摸板 传感器网格
背景
1.技术领域
本发明一般涉及组合计算机输入装置，如键盘和触摸板(touchpad)。更具体地说，本发明涉及把键盘的现有部件与一集成结构的触摸板组合起来，用于一个改进的系统把带有触摸板电路的PC板与键盘部件耦合，本发明还涉及把触摸板的柔性传感器部分和该触摸板的刚性电路部件部分与其他部分组合起来。
2.背景技术
现有技术包括提供具有集成触摸板的计算机输入装置的系统。例如，现有技术包括信息室(Kiock)、计算机键盘以及利用触摸板作为输入接口的信息装置。可能最通用的装置是计算机键盘。在键盘和触摸板技术领域中公知的是它们能被包括在同一个键盘壳体或机架内。例如，图1显示现有技术的典型的QWERTY键盘10的顶视图，它已把10键数字键盘12移动到更靠近字母键，并把触摸板14放在了它的位置。
图2是由先驱技术构成的另一键盘18，它利用了一种人类工程学设计。键盘18有一个触摸板20放在键盘下方手腕放置的区域。这一安排使10键键盘22仍在键盘18中它的最熟悉的位置。
不幸的是，由于一些重要的理由，把触摸板放入键盘中并不总是一件简单的任务。例如，显然希望使键盘尽可能地便宜。触摸板也有部件成本，它们还有某些结构上的要求不同于键盘而且往往比键盘的成本更高。在解释了典型现有技术的键盘的内部结构之后将讨论这些方面。
图3说明制造键盘内部结构的一种方法。在该图中显示了键盘的内部布局，它是使用类似塑料的材料(如聚酯薄膜)做成的几层薄片(sheet)构成的。这些薄片在性质上一般是不导电的。第一薄片30有多个导电迹线32分布在上面，是用导电材料如碳墨或银墨画出的。这些导电迹线32横断的位置是当键盘的键被按下时在第一薄片30上与之接触的位置。还可使用简单的丝网印刷工艺在聚酯薄膜上分布墨迹线。
重要的是要理解这一墨迹应用工艺不是特别精确，所以通常用于容限(tolerance)高的过程，如在键盘的导电迹线上使用。第三聚酯薄片36也有导电迹线38，它们横切键盘键的每个位置，与第一薄片30的导电迹线32相同，但沿着不同的轴线。
第二或者说中间的聚酯薄片40用于在键未被按下时使第一薄片30与第三薄片36分开。在第二薄片40中做了许多孔42，它们也对应于键盘的键的位置。这样，当一个键被按下时，由于在中间薄片或者说第三薄片36中有相应的孔42，使在第一薄片30上的导电迹线32能被按下与第三薄片36上的导电迹线38接触。这一按使在一个唯一位置的一组导电迹线32、38压在一起，形成了一个电路径，它由键盘电路感知，从而确定哪个键被按下。键盘电路是至少一个集成电路，它位于与塑料薄片30、36、40分离的一块PC板上。
已经解释了现有技术的键盘的典型内部结构和操作，而添加触摸板使结构复杂了，因为触摸板通常要求一个刚性PC板(印刷电路板)作为其传感电路的一部分。例如，一个电容敏感触摸板通常要求一个PC板用作为一个表面，在其上放置传感电极。使用PC板的理由是这些电极的相对位置通常要求很准确，因为现有技术的触摸板传感电路没有大的制造误差容限。对制造不规则性的这一容限通常是触摸板电路本身的函数。触摸板电路固有地对电噪声、电极间距以及其他因素敏感，这些因素限制准确检测和确定触摸板表面上指示对象位置的能力。
例如，以很精确的图案或网格布置X和Y导电迹线。本发明人已知的所有触摸板电路的误差容限(动态范围)是这样的，即在没有精确的网格布置的情况下触摸板将不会起作用，而只有使用PC板才能一致性地实现这种精确的网格布置。换言之，现有技术的触摸板通常是如此敏感，以致于如果要把触摸板包括在一个键盘壳体内的话，就必须在键盘壳体内包括一个用于触摸板传感电极网格的PC板。
在检验包括触摸板的现有技术键盘的结构时发现，塑料薄片通常被移去或使其尺寸减至最小，以便为用于触摸板传感电极的PC板腾出空间。这是图1中所示带有触摸板的情况。在图2中，人类工程学键盘的较大尺寸允许在其中包括一个PC板而没有重大修改，但仍然要求为触摸板使用一个大的PC板。还必须穿过键盘壳体切开一个孔。从而使触摸板表面暴露于指示对象。
除了包括一个PC板用于触摸板传感电极网格外，还必须包括某种装置用于把塑料薄片30、36、40上的导电迹线32、38连接到控制电路。控制电路被装在键盘壳体内的那些PC板上。由于所用材料的性质，这一连接器要比较强固。
例如，在导电迹线中使用的墨能氧化。于是，使用的连接器，其施加较大的压力以迫使导电迹线压在PC板上的相应导电迹线，这一压力通常能克服氧化，但需要额外的硬件造成压力连接。
如果提供一种装置减小装在键盘壳体内的触摸板所需PC板数量，那将是比现有技术优越。改善PC板和键盘塑料薄片之间的连接界面将是另一优点。利用塑料薄片用于触摸板的触摸板传感器电极，从而降低键盘的成本和复杂性，将是另一优点。另一个优点是提供一种新的方式把触摸板传感器电极安装到键盘壳体，与键盘本身的塑料薄片的存在无关。最后，在柔性材料(如塑料或聚酯薄片)上提供触摸板传感器电极，从而使触摸板能符合于弯曲的表面，如键盘壳体的内部，这也是一个优点。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种柔性表面，在其上放置触摸板传感器电极，从而使触摸板的表面能沿弧形表面放置。
另一个目的是把触摸板和键盘集成到一个键盘壳体内，其中触摸板以键传感装置结构中使用的塑料薄片代替通常用于触摸板传感器电极的PC板材料。
另一个目的是改善PC板和用于触摸板传感器电极的塑料薄片之间的连接。
另一个目的是去掉压力连接器，以更可靠和成本较低的连接装置代替它。
另一个目的是通过使用用于键盘电路导电迹线的导电墨制造触摸板传感器电极来降低制造键盘的成本。
另一个目的是通过使用具有高度制造偏差容限的触摸板电路使得能够以比较不精确的丝网印刷工艺制造传感器电极。
另一个目的是把传感器电极放置在塑料薄片上，然后把塑料薄片直接固定在键盘盖的下侧，从而不需要在键盘盖中切孔以让用户接触触摸板。
在一个优选实施例中，本发明是一个触摸板，由用作触摸敏感表面的柔性不导电材料和在其上安装触摸板电路的PC板组合而成，其中通过产生由导电墨形成的导电迹线，把触摸板传感电极放置在触摸敏感表面上，该触摸敏感表面能符合各种弧形表面，并且能通过保护壳传感，从而使触摸敏感表面受到保护并且不与指示对象直接接触。
在本发明的第一方面中，触摸板放置在具有多层塑料薄片的键盘内，在这些薄片上放置用导电墨形成的导电迹线，其中触摸板传感器电极放在这些相同的塑料薄片上，但它们延伸到触摸板区域。
在本发明的第二方面中，一个新的连接器把塑料薄片的导电迹线与包括键盘或触摸板电路的至少一个PC板耦合，从而产生关于击键和触摸板控制的数据。
在本发明的第三方面中，使用内在地具有低制造容限的低成本工艺(如丝网印刷(silk screening))把触摸板传感电极置于塑料薄片上。
在本发明的第四方面中，把触摸板传感电极放置在塑料薄片上的制造容限可以较低，因为驱动触摸板传感电极的电路在其设计中具有显著较高的动态范围。
在本发明的第五方面中，触摸板传感电极放置在塑料薄片上，这些塑料薄片又直接放置在键盘壳体的弧形顶盖的下侧面上。
在本发明的第六方面中，触摸板电路和传感电极足够敏感，使得能够检测和跟踪直接在触摸板传感电极上方键盘壳体上的指示对象。
结合附图考虑下文中的详细描述，将使本领域技术人员明显看出本发明的这些和其他目的、特点和优点，以及本发明的其他方面。
附图说明
图1是其中包括触摸板的现有技术键盘的顶视图，该键盘代表了在触摸板表面方面的现有技术。
图2是其中包括触摸板的现有技术键盘的透视图，该键盘代表了具有来自Cirgue公司的集成触摸板表面的键盘的现有技术。
图3是三个塑料薄片的透视图，这些薄片用于构成现有技术键盘设计中使用的传感电极。
图4是根据本发明的优选实施例构成的键盘中使用的塑料薄片的透视图，该键盘在这些薄片上留有空间用于在其上放置触摸板的触摸传感电极。
图5A是现有技术的塑料薄片和PC板之间连接器的立面图，其中使用压力连接器保证它们之间的电连接。
图5B是图5A的截面图。
图6是带有焊珠的PC板的立面截面图，一个塑料薄片使用粘接材料连接到该PC板。
图7是图6的顶视图。
图8是说明如何能使用焊珠增大PC板和塑料薄片上触摸传感电极之间电连接的有效性的第一实施例。
图9是改进图8所示设计的一个优选实施例。
发明详述
现在参考附图，图中对本发明的各部件给予数字表示，并用这些附图讨论本发明，从而使本领域技术人员能制作和使用本发明。应该理解，下文的描述只是本发明原理的示例，不应看作是缩小了所附权利要求的范围。
本发明的这一优选实施例是一个触摸板，由用作触摸敏感表面的柔性非导电材料和在其上安装触摸板电路的PC板组合而成。使用不依赖于现有技术压力连接器的新的连接系统，使触摸敏感表面与装在PC板上的触摸板电路相连。
本发明的最有利方面之一是柔性触摸敏感表面。这一方面是有利的，因为该触摸敏感表面能符合于弧型表面。例如，一个人类工程学键盘往往有一个腕托。该腕托是在键下方的弯曲塑料表面。本发明能有利地放置在弯曲的腕托区下方而无需修改键盘壳体。这是因为本发明的触摸板也能通过非导电材料传感。这样，该触摸板在键盘壳体硬塑料之下得到保护并符合于壳体的弧形表面。
本发明的另一有利方面来自触摸传感电极在触摸敏感表面上的放置方式。具体地说，导电迹线是由导电墨形成的。这是在许多现有技术键盘设计中用于产生导电迹线的同样的导电墨。再有，尽管在塑料上用丝网印刷过程形成导电迹线会造成迹线间间距的变化，但这些是本发明的触摸板电路所容许的，因为其大的动态范围。
包括内置触摸板的键盘的另一实施例能共用建造键盘键传感网格所用的制造工艺。在本发明中，键盘内触摸板的确切位置并不特别有关系。重要的只是其上放置键盘键导电迹线的塑料薄片延着一个特定的方向延伸，从而使触摸板传感电极也能在其上放置。于是，触摸板能作为键盘所用塑料薄片的集成部件来制造。
于是，图4显示两个塑料薄片的透视图，这两个薄片以图3所示薄片同样的方式装配在一起，但在右边缘增加了一个较小空间用于触摸板传感电极。应该看出，当触摸板传感电极保留的空间能在任何任意选择的位置，只要在键盘盖放在塑料薄片上时这一位置能方便地用作为触摸敏感表面所用空间即可。这样，应该看出，可在任何方向制造触摸板传感电极所用塑料薄片的延伸部分。用于触摸板传感电极的塑料还能作为单独物件来制造，这也是本发明的一个方面。
使用便宜的丝网印刷工艺可认为是本发明的一个新的方面。这一工艺在布置触摸板传感电极方面与使用PC板相比有其固有的不精确性。
本发明的另一个新的方面是能够去掉塑料薄片的任何支持表面。这是通过把塑料薄片向上粘在键盘盖的底表面上实现的。这一设计有若干明显好处，首先是去掉了支持表面。另一个好处是如果在其中包括触摸板技术，则键盘制造商能选择突显在下面放置触摸板的区域，或者如果未包括触摸板则不突显该区域。对销售者而言好处是这两种情况能使用相同的键盘盖。
通常，在键盘壳体中使用触摸板必须在键盘顶盖中切孔，从而使用户能接触触摸板表面。然而，本发明能使用例如这样一种触摸板技术，这项技术被纳入到CIRQVE CORPORATION(TM)的电容敏感触摸板中，在使用有平均厚度的键盘顶盖的情况下该触摸板仍将操作。于是，键盘顶盖较容易制造，因为不必为了触摸板表面而切孔或者使用带孔的模具造孔。
本发明的另一个新的方面是能够去掉压力连接器，该连接器是用于向塑料薄片及在其上安装触摸板控制电路的PC板施加压力。图5A和5B中显示典型的压力连接器，其中杆50用螺钉固定在至少一个塑料薄片52和PC板54上，以使它们之间牢固的连接。以这种方式施加压力，从而使塑料薄片52和PC板54的表面56相遇之处有好的电接触。不利之处是需要螺钉58，以及固定这些螺钉的孔。
去掉压力连接器首先是由引进焊珠(solder bubble)实现的。最好是如图6中所示在PC板62上产生焊珠60。焊珠有利地产生一个区域，它使塑料薄片64弯曲，以在区域66中被固定到PC板62。通过在PC板上的区域66中施用粘合剂，或在塑料薄片64上与PC板62接触的部分，或者这二者上施用粘合剂，使塑料薄片64固定在PC板62上。如现在应该理解的那样，被提高的焊珠60使塑料薄片62在它与焊珠接触的地方施加更大的力，这只是因为塑料薄片被弯曲了。塑料薄片62的韧性足以能发生好的接触。
图7展示本发明的另一新特性，即焊珠的交错放置。在图6中区域66中的间距是可以看得见的，该间距为良好的连接产生所需要的张力，与此同时，交错放置的另一目的在于这样能使PC板上的那些连接更靠近到一起。图7显示多个焊珠以交错图案放置。
图8说明把塑料薄片上的触摸板传感电极连接到PC板上导电迹线的另一种方法。例如，假定一个PC板被用作触摸板传感电极能依托的表面。在一种情况中，触摸板传感电极放置在两个不同的塑料薄片上。在第二种情况中，一组触摸板传感电极在PC板上，而另一组在一个塑料薄片上。不论以哪种方式，都必须使触摸板传感电极与PC板上安装的控制电路接触。这如图8所示那样实现。PC板70被用作基片。焊料凸起(solder bump)72被置于PC板70上。第一塑料薄片74放在该PC板上，在薄片中切出几个孔以给出到达下方焊料凸起72的入口。上面带有触摸板传感电极的第二塑料薄片76被放在与PC板70的焊料凸起72接触的位置。第一塑料薄片74的一部分被提高，而第二塑料薄片76的一部分被放在其下面。然而，在第二塑料薄片76上的触摸板传感电极和焊料凸起72之间可能造成接触不充分。为保证有好的电接触，第一塑料薄片74中的孔不是做在焊料凸起72的上方，而是代之以做在它们的前方。以这种方式，第一塑料薄片74仍在焊料凸起72的上方，这样迫使第二塑料薄片76抵住焊料凸起72。
本发明的另一方面是，在这些不在PC板上放置触摸板传感电极的应用中，能使用比较便宜的PC板材料。PC板的质量能显著影响最终产品的成本。在这种情况中，不需要为PC板使用高质量的材料，因为当使用CIRQUE CRPORATION(TM)的触摸板控制电路时，触摸板传感电极不再需要这种高精度，从而使触摸板传感电极能被丝网印刷到塑料薄片上。
本发明的另一方面是能使塑料弯曲，从而使触摸敏感表面和有控制电路的PC板二者能装配到一个较小的空间。例如，考虑如图10A中所示触摸板。
图10A是塑料薄片80的透视图，在薄片上放置触摸板传感电极。触摸板传感电极放在弯向PC板82的弯曲塑料薄片84上，PC板82被对齐从而放在触摸敏感表面塑料薄片80的下方。塑料薄片80能固定在键盘壳体或单独的触摸板壳的下侧，而PC板则直接放在其下方。这一结构安排的优点之一在于容纳触摸板所需整个空间减小了，因为不是把PC板放在一侧，而是直接把它放在触摸板表面的下方。只必须使触摸敏感表面与触摸板电路有适当的绝缘，从而使它们能放得比较靠近。于是，当把PC板直接放在触摸敏感表面下方时单独的触摸板能更小。
图10B是图10A的立面截面图，它显示触摸敏感表面塑料薄片80、在下方的PC板82以及把触摸传感电极引到PC板的弯曲塑料薄片84。
图10C是图10A的顶视图，它显示触摸敏感表面塑料薄片80、弯曲塑料薄片84以及放在塑料薄片下方的PC板82的轮廓。
应该理解，上面描述的结构安排只是说明本发明原理的应用。本领域技术人员可以设计出多种修改和其他结构安排而不离开本发明的精神和范围。所附权利要求要涵盖这类修改和结构安排。

Claims (17)

1.一种向计算机系统提供数据输入的触摸板，它包括一个可与弧形表面相符合的柔性触摸敏感表面，所述触摸板包含：
至少两个柔性不导电薄片，在其上放置触摸板传感电极，其中至少两个柔性不导电薄片重叠，使得触摸板传感电极形成至少一个网格，该网格确定触摸板的触摸敏感区域，而且其中至少两个柔性不导电薄片能弯曲，从而符合于一弧形表面；
一个印刷电路板；以及
安装在该印刷电路板上的触摸板控制电路，其中触摸板控制电路与触摸板传感电极电耦合，从而从触摸板传感电极接收传感信息，而且其中触摸板控制电路产生多个与来自触摸板的数据输入相对应的信号。
2.如权利要求1所述的触摸板，其中这至少两个柔性不导电薄片是从一组柔性不导电薄片中选出的，其中包括塑料和聚酯薄膜。
3.如权利要求2所述的触摸板，其中触摸板传感电极是由导电的墨形成的。
4.如权利要求3所述的触摸板，其中该触摸板进一步包含一个在这至少两个柔性不导电薄片和印刷电路板上的触摸板电路之间的连接系统，所述连接系统包含：
至少两行焊料凸起放置在该印刷电路板上，其中这至少两行焊料凸起彼此分离以在它们之间形成一个间隙；以及
这至少两个柔性不导电薄片的一部分放置以覆盖这至少两行焊料凸起，其中这至少两个柔性不导电薄片的放在该间隙上的那部分被固定在该印刷电路板上从而填充该间隙，其中在这至少两行焊料凸起之间的间隙足以在固定于它上面的这至少两个柔性不导电薄片的那部分上产生张力。
5.如权利要求4所述的触摸板，其中该触摸板进一步包含粘合剂，该粘合剂用于把这至少两个柔性不导电薄片的那部分固定于该印刷电路板上。
6.如权利要求5所述的触摸板，其中该触摸板进一步包含提供这至少两个柔性不导电薄片，它们具有的韧性足以产生压力以保持这至少两个柔性不导电薄片上的触摸板传感电极和这至少两行焊料凸起之间的电接触。
7.如权利要求6所述的触摸板，其中该触摸板进一步包含在这至少两行焊料凸起之内的交错放置焊料凸起，使得第一行焊料凸起，相对于这至少两个柔性不导电薄片的那个部分，与第二行焊料凸起错位。
8.如权利要求3所述的触摸板，其中该触摸板进一步包含一个在这至少两个柔性不导电薄片和印刷电路板上的触摸板电路之间的连接系统，所述连接系统包含：
固定于印刷电路板上的第一不导电薄片；
部分地固定于印刷电路板上、与第一不导电薄片平行并与其分开以在二者之间形成一个间隙的第二不导电薄片，其中第二不导电薄片沿该间隙未被固定；以及
一行焊料凸起放在第二不导电薄片下方没有被固定印刷电路板上的那个地方，平行于并靠近该间隙的边缘，其中这至少两个柔性不导电薄片的那个部分被放在这第二不导电薄片和这行焊料凸起之间，而且其中触摸板传感电极与这行焊料凸起接触。
9.一种提供触摸板的方法，该触摸板有一柔性触摸敏感表面可与弧形表面相符合，所述方法包含如下步骤：
(1)提供一个与弧形表面符合的柔性不导电表面(它是由至少两个柔性不导电薄片耦合在一起形成的，在其上放有触摸板传感电极)，一个印刷电路板以及装在该印刷电路板上的触摸板控制电路，其中触摸板控制电路与触摸板传感电极电耦合，从而从触摸板传感电极接收传感信息，而且其中触摸板控制电路产生多个与来自触摸板的数据输入相对应的信号；
(2)把柔性触摸敏感表面抵住安装表面地放置，其中安装表面足够薄，从而使柔性触摸敏感表面能检测该安装表面另一侧上的指示对象；以及
(3)检测和跟踪接触并沿该安装表面的另一侧运动的指示对象。
10.如权利要求9所述的方法，其中该方法进一步包含使用不导电粘合剂把该柔性接触敏感表面固定在安装表面上的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中该方法进一步包含从一组柔性不导电薄片中选出这至少两个柔性不导电薄片的步骤，该组包括塑料和聚酯薄膜。
12.如权利要求11所述的方法，其中该方法进一步包含由导电的墨形成触摸板传感电极的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中该方法进一步包含一个步骤，即在这至少两个柔性不导电薄片和该印刷电路板上的触摸板电路之间提供一个不依赖于压力连接器的连接系统。
14.如权利要求13所述的方法，其中该方法进一步包含如下步骤：
(1)在该印刷电路板上提供至少两行焊料凸起，其中这至少两行焊料凸起彼此分离以在它们之间形成一个间隙；以及
(2)固定这至少两个柔性不导电薄片的一部分，使其覆盖这至少两行焊料凸起，其中这至少两个柔性不导电薄片的放在该间隙上的那部分被固定在该印刷电路板上从而填充该间隙。
15.如权利要求13所述的方法，其中该方法进一步包含一个步骤利用不导电粘合剂把这至少两个柔性不导电薄片的那个部分固定在该印刷电路板上。
16.如权利要求15所述的方法，其中该方法进一步包含一个步骤在这至少两行焊料凸起之内交错放置焊料凸起，使得第一行焊料凸起，相对于这至少两个柔性不导电薄片的那个部分，与第二行焊料凸起错位。
17.如权利要求12所述的方法，其中该方法进一步包含如下步骤：
(1)把第一不导电薄片固定于印刷电路板；
(2)把第二不导电薄片部分地固定于印刷电路板，使其平行于第一不导电薄片并与其分开以在二者之间形成一个间隙，其中第二不导电薄片沿该间隔来被固定；以及
(3)提供一行焊料凸起放在第二不导电薄片下方没有固定在印刷电路板上的那个地方，平行于并靠近该间隙的边缘，其中这至少两个柔性不导电薄片的那个部分被放在这第二不导电薄片和这行焊料凸起之间，而且其中触摸板传感电极与这行焊料凸起接触。
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