用于检测和表征人机接口处的触摸输入的系统和方法技术方案

用于在计算设备处检测输入的系统的一个变型包括：衬底，该衬底包括顶层和底层；布置在底层上的电容传感器阵列；以及相邻于电容传感器的支撑位置阵列；触摸传感器表面，其布置在衬底的顶层之上；耦合到支撑位置的弹簧元件阵列，弹簧元件阵列被配置成将衬底耦合到底盘，并且配置成响应于施加到触摸传感器表面的力而受力使衬底向下朝向底盘位移；耦合板，其被配置成与弹簧元件相邻地耦合到底盘，并响应于衬底朝向耦合板的位移而产生电容传感器的电容值；以及控制器，控制器被配置为基于电容传感器的电容值来解译触摸传感器表面上的输入的力的量值。的力的量值。的力的量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于检测和表征人机接口处的触摸输入的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年3月3日提交的美国临时专利申请第62/984,448号、2020年6月17日提交的美国临时专利申请第63/040,433号和2020年8月7日提交的美国临时专利申请第63/063,168号的权益，其中每一个美国临时专利申请都通过引用以其整体并入到本文中。
[0003]本申请涉及于2014年9月26日提交的美国专利申请第14/499,001号，和于2019年3月8日提交的美国专利申请第16/297,426号，其中每一个美国专利申请通过引用以其整体并入到本文中。


[0004]本专利技术大体上涉及触摸传感器领域，更具体地说，涉及触摸传感器领域中一种新的、有用的人机接口系统。
[0005]附图简述
[0006]图1是系统的示意表示；
[0007]图2是方法的流程图表示；
[0008]图3是方法的一个变型的流程图表示；
[0009]图4是方法的一个变型的流程图表示；
[0010]图5是系统的一个变型的流程图表示；
[0011]图6是系统的一个变型的示意表示；
[0012]图7是系统的一个变型的示意表示；
[0013]图8A
‑
图8F是系统的变型的示意表示；
[0014]图9是系统的一个变型的流程图表示；
[0015]图10是系统的一个变型的流程图表示；
[0016]图11是系统的一个变型的示意表示；
[0017]图12是系统的一个变型的示意表示；
[0018]图13A和图13B是系统的变型的示意表示；和
[0019]图14是系统的一个变型的流程图表示。
[0020]实施例的描述
[0021]本专利技术的实施例的以下描述并非旨在将本专利技术限制于这些实施例，而是使本领域技术人员能够制造和使用本专利技术。本文描述的变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例是可选的，并且不排除它们描述的变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例。本文描述的本专利技术可以包括这些变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例的任何组合和所有组合。
[0022]1.方法
[0023]如图1和图2所示，用于表征计算设备的表面处的输入的方法S100包括：在块S110处检测布置在包括压力传感器元件阵列的压力传感器上方的触摸传感器表面116处的触摸输入；在块S120，从压力传感器元件阵列中的每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电
极对130读取一组电阻值；在块S130，将该一组电阻值转换为由触摸施加在触摸传感器表面116上的力的一组量值分量(magnitude component)；在块S140，基于该一组量值分量来计算力的量值；在块S150，基于该一组量值分量中的量值分量之间的差，导出触摸传感器表面116上的触摸输入的估计位置；在块S160，生成与触摸输入相关联的压力图像，该压力图像表示跨触摸传感器表面116的力分布和触摸输入的估计位置；并且，响应于超过阈值量值的力的量值，在块S170选择性地驱动振动器组中最接近触摸输入的估计位置的振动器以使触摸传感器表面116振荡。
[0024]1.1应用
[0025]通常，方法S100可由包括一组(较低分辨率)压力传感器元件、(较高分辨率)电容式触摸传感器170和控制器180的系统100执行：以基于由电容式触摸传感器170捕获的高分辨率数据来检测和区分输入在系统100的触摸传感器表面116(例如，触控板、键盘、触敏显示器)上的位置；基于由该组压力传感器元件捕获的并发(concurrent)低分辨率力数据和这些压力传感器元件的位置来解译跨触摸传感器表面116的力分布；基于这些输入的检测位置和力分布来解译施加到触摸传感器表面116的力；以及生成表示输入位置和这些输入的力的量值的扫描图像。更具体地说，系统100可以将由分布在触摸传感器表面116后面的不连续位置处的一组离散压力传感器元件输出的低分辨率压力数据与由跨越该触摸传感器表面116的电容式触摸传感器170输出的高分辨率输入位置数据融合，以产生触摸传感器表面116上的输入的高分辨率空间图像，该图像由高分辨率压力信息或力信息注释。
[0026]系统100可以包括低分辨率压力传感器阵列，其包括比相邻电容式触摸传感器170中的像素数量少多个数量级的压力传感器元件数量(例如，10个压力传感器元件相对于200万个电容式触摸传感器170像素)。因此，系统100可以：在相对短的时间尺度上和/或以有限的功率消耗扫描和解译压力传感器阵列中的压力传感器元件；同时通过电容式触摸传感器170在更长的时间尺度上和/或以更大的功耗捕获更高分辨率的输入位置数据。
[0027]在一个示例中，系统100包括离散(例如，不连续)压力传感器元件的阵列(在下文称为“压力传感器阵列”)，其机械地支撑和定位系统100的底盘(chassis)内的触摸传感器表面116(例如，外围触摸输入设备、智能手机显示器、集成到膝上型计算机中的触控板)。通常，每个压力传感器元件可以包括：驱动电极和感测电极对130；以及力敏材料，其响应于所施加的力而表现出局部体电阻的变化，并且从而产生该驱动电极和感测电极对130之间的电阻的变化。控制器180因此可以：在扫描循环(scan cycle)期间从每个压力传感器元件读取电阻值；基于触摸传感器表面116下方的这些压力传感器元件的已知位置，将这些电阻值转换为施加到触摸传感器表面116并传递到这些压力传感器元件中的力的量值；并且然后，在该扫描循环期间，诸如基于压力传感器元件的已知位置、触摸传感器表面116的已知动力学(dynamics)以及电容式触摸传感器170在该扫描循环期间检测到的力的位置，将这些力的量值转换成跨触摸传感器表面116的更高分辨率的力分布。因此，系统100可以利用由电容式触摸传感器170捕获的高分辨率输入位置数据来向上采样由离散压力传感器元件阵列捕获的较低分辨率力数据，并且然后相应地插值触摸传感器表面116上的离散输入的力的量值。
[0028]此外，由于系统100包括跨触摸传感器表面116的背侧分布的离散压力传感器元件，诸如不是沿着触摸传感器表面116的周边或拐角分布或不仅仅沿着触摸传感器表面116
的周边或拐角分布，所以这组离散压力传感器元件可以以更短的最大无支撑跨度机械地支撑触摸传感器表面116，从而减小触摸传感器表面116在施加的力下的偏转，减小(更灵敏的)电容式触摸传感器170上的应变，保持电容式触摸传感器170的输出的高精度和高一致性。
[0029]类似地，由于系统100包括被配置成跨触摸传感器表面116的背侧的阵列的离散压力传感器元件，所以系统100的架构可以按照不同尺寸的触摸传感器表面116缩放。例如，通过安装一定数量的离散压力传感器元件，系统100可以缩放到70mm
×
120mm(和更小)的触摸板和230mm
×
360mm(和更大)的膝上型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
●
衬底，所述衬底包括：
○
顶层；
○
底层；
○
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
○
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
●
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层之上；
●
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
●
耦合板，所述耦合板被配置成：
○
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；和
○
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
●
控制器，所述控制器被配置成：
○
从所述电容传感器阵列读取电容值；并且
○
基于从所述电容传感器阵列读取的电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的输入的力的量值。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述弹簧元件阵列和所述耦合板包括布置在所述衬底和所述底盘之间的一体化金属结构。3.根据权利要求2所述的系统：
●
其中所述一体化金属结构包括钢耦合板，所述钢耦合板限定：
○
标称平面；和
○
相邻于所述支撑位置阵列的电容耦合区域阵列；
●
其中，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件：
○
形成于所述一体化金属结构中；
○
从所述电容耦合区域阵列中的电容耦合区域延伸；
○
在所述衬底的所述底层上限定与所述支撑位置阵列中的支撑位置耦合的台；和
○
被配置成响应于不存在施加到所述触摸传感器表面的触摸输入而大致返回到所述标称平面；并且
●
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器：
○
电容耦合到所述一体化金属结构的所述电容耦合区域阵列中的相邻电容耦合区域；和
○
响应于靠近所述电容传感器施加在所述触摸传感器表面上的力而向所述相邻电容耦合区域移动。4.根据权利要求3所述的系统：
●
其中，在第一时间，所述弹簧元件阵列中的第一弹簧元件受力于施加到所述触摸传感器表面的靠近所述第一弹簧元件的第一区域的触摸输入；
●
其中，所述电容传感器阵列中相邻于所述触摸传感器表面的所述第一区域的第一电容传感器朝着所述电容耦合区域阵列中的第一电容耦合区域前进与所述触摸输入的力的
量值成比例的距离；和
●
其中，所述控制器被配置成：
○
在所述第一时间检测所述第一电容传感器的电容值的第一变化；以及
○
基于电容值的所述第一变化来解译所述触摸输入的力的量值。5.根据权利要求1所述的系统：
●
其中所述耦合板：
○
插入所述弹簧元件阵列与所述衬底之间；
○
包括穿孔阵列，所述穿孔阵列与所述支撑位置阵列和所述弹簧元件阵列对准；并且
○
限定相邻于所述穿孔阵列的电容耦合区域阵列；
●
还包括一组间隔件，所述一组间隔件中的每个间隔件：
○
延伸穿过所述穿孔阵列中的穿孔；并且
○
将所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置耦合到所述弹簧元件阵列中的弹簧元件；并且
●
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器：
○
电容耦合到所述耦合板的所述电容耦合区域阵列中的相邻电容耦合区域；和
○
响应于靠近所述电容传感器施加在所述触摸传感器表面上的力而向所述相邻电容耦合区域移动。6.根据权利要求5所述的系统：
●
其中所述弹簧元件阵列包括限定标称平面的一体化结构；
●
其中所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件包括挠性件，所述挠性件：
○
在所述一体化结构中形成；
○
限定台；并且
○
被配置成响应于不存在施加到所述触摸传感器表面的触摸输入而大致返回到所述标称平面；并且
●
其中，所述一组间隔件中的每个间隔件耦合下面两者：
○
在所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置；
○
所述弹簧元件阵列中的弹簧元件的台。7.根据权利要求5所述的系统：
●
其中，在第一时间，在所述弹簧元件阵列中的第一弹簧元件受力于施加到所述触摸传感器表面的靠近所述第一弹簧元件的第一区域的触摸输入；
●
其中，在所述电容传感器阵列中与所述触摸传感器表面的所述第一区域相邻的第一电容传感器朝着所述电容耦合区域阵列中的第一电容耦合区域前进与所述触摸输入的力的量值成比例的距离；并且
●
其中，所述控制器被配置成：
○
在所述第一时间检测所述第一电容传感器的电容值的第一变化；和
○
基于电容值的所述第一变化来解译所述触摸输入的力的量值。8.根据权利要求1所述的系统：
●
其中所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件：
○
耦合到在所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置；
○
被配置成响应于靠近所述支撑位置施加在所述触摸传感器表面上的力而受力低于标称平面；以及
○
被配置成响应于远离所述支撑位置施加在所述触摸传感器表面上的力而受力高于所述标称平面；和
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
从电容传感器的第一子集读取第一组电容值，所述电容传感器的第一子集在所述电容传感器阵列中、靠近所述触摸传感器表面上的触摸输入；
○
响应于所述第一组电容值在第一方向上偏离所述电容传感器的第一子集的基线电容值，解译由弹簧元件的第一子集所承载的第一组压缩力，所述弹簧元件的第一子集在所述弹簧元件阵列中、靠近所述电容传感器的第一子集；
○
从电容传感器的第二子集读取第二组电容值，所述电容传感器的第二子集在所述电容传感器阵列中、远离所述触摸传感器表面上的所述触摸输入；
○
响应于所述第二组电容值在第二方向上偏离所述电容传感器的第二子集的基线电容值，解译由弹簧元件的第二子集承载的第二组拉力，所述弹簧元件的第二子集在所述弹簧元件阵列中、远离所述电容传感器的第二子集；以及
○
基于所述第一组压缩力和所述第二组拉力的组合来解译施加到所述触摸传感器表面的所述触摸输入的力的量值。9.根据权利要求1所述的系统：
●
还包括驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
●
其中，所述触摸传感器表面布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；并且
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
○
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
○
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的触摸输入的横向位置和纵向位置；
○
基于所述第二组电容值来解译所述触摸输入的力的量值；以及
○
输出所述横向位置、所述纵向位置和所述力的量值。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器被配置成在所述扫描循环期间：
●
访问力模型，所述力模型基于所述弹簧元件阵列中的弹簧元件的弹簧常数表示相对基线电容值的偏差与弹簧元件承载的力之间的关系；以及
●
基于所述第二组电容值和所述力模型来解译所述触摸输入的所述力的量值。11.根据权利要求9所述的系统：
●
其中所述电容传感器阵列包括第一数量的电容传感器；并且
●
其中所述驱动电极和感测电极阵列限定第二数量的驱动电极和感测电极对，所述第二数量比所述第一数量大至少两个数量级。12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器被配置为：
●
在所述扫描循环的第一段内从所述驱动电极和感测电极阵列中串行读取所述第一组电容值；
●
在所述扫描循环的第二段内从所述电容传感器阵列中串行读取所述第二组电容值，所述扫描循环的第二段在所述扫描循环的第一段之后；以及
●
在所述扫描循环的第二段期间将所述耦合板驱动到参考电位。13.根据权利要求9所述的系统：
●
其中所述衬底限定第一区域和第二区域；
●
其中电极对的组包括：
○
电容传感器的第一子集，所述电容传感器的第一子集在所述衬底的所述第一区域内相邻于所述支撑位置阵列中支撑位置的第一子集；和
○
电容传感器的第二子集，所述电容传感器的第二子集在所述衬底的所述第二区域内相邻于所述支撑位置阵列中支撑位置的第二子集；
●
其中所述衬底限定：
○
第一区域，所述第一区域包括在所述电容传感器阵列中的电容传感器的第一子集和在所述支撑位置阵列中的支撑位置的第一子集；和
○
第二区域，所述第二区域包括在所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二子集和在所述支撑位置阵列中的支撑位置的第二子集；
●
其中所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述第一区域之上；
●
其中所述弹簧元件阵列包括：
○
弹簧元件的第一子集，所述弹簧元件的第一子集耦合到所述支撑位置的第一子集；和
○
弹簧元件的第二子集，所述弹簧元件的第二子集耦合到所述支撑位置的第二子集；并且
●
其中，所述控制器被配置成在所述扫描循环期间：
○
从所述电容传感器的第二子集读取电容值的子集；以及
○
基于所述电容值的子集检测在所述衬底的所述第二区域上方与所述触摸传感器表面接触的手掌。14.根据权利要求1所述的系统：
●
还包括驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
●
其中，所述触摸传感器表面布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；并且
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
○
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
○
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置；
○
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置；
○
基于所述第二组电容值来解译由所述弹簧元件阵列承载的一组力的量值；
○
基于以下项来估计所述第一触摸输入的第一力的量值：
■
所述第一触摸输入的所述第一横向位置和所述第一纵向位置；
■
所述弹簧元件阵列所承载的所述一组力的量值；和
■
在所述弹簧元件阵列中耦合到所述衬底的弹簧元件的位置；
○
基于以下项来估计所述第二触摸输入的第二力的量值：
■
所述第二触摸输入的所述第二横向位置和所述第二纵向位置；
■
所述弹簧元件阵列所承载的所述一组力的量值；和
■
在所述弹簧元件阵列中耦合到所述衬底的弹簧元件的位置；以及
○
将所述第一横向位置、所述第一纵向位置、所述第一力的量值、所述第二横向位置、所述第二纵向位置和所述第二力的量值编译成用于所述扫描循环的力图像。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器被配置成通过以下动作来解译所述一组力的量值、估计所述第一触摸输入的所述第一力的量值、以及估计所述第二触摸输入的所述第二力的量值：
●
对于每个电容传感器：
○
基于从所述电容传感器读取的所述第二组电容值中的电容值，估计由所述弹簧元件阵列中相邻于所述电容传感器的弹簧元件承载的力的量值；
○
基于所述第一触摸输入的所述第一横向位置和所述第一纵向位置，计算从所述第一触摸输入到所述弹簧元件的第一距离；
○
基于所述第二触摸输入的所述第二横向位置和所述第二纵向位置，计算从所述第二触摸输入到所述弹簧元件的第二距离；
○
基于所述第一距离与所述第一距离和所述第二距离的组合的第一比率，估计由所述第一触摸输入施加的在第一组力的量值比例中力的量值的第一比例；以及
○
基于所述第二距离与所述第一距离和所述第二距离的组合的第二比率，估计由所述第二触摸输入施加的在第二组力的量值比例中力的量值的第二比例；
●
基于所述第一组力的量值比例的第一组合来估计所述第一触摸输入的第一力的量值；和
●
基于所述第二组力的量值比例的第二组合来估计所述第二触摸输入的第二力的量值。16.根据权利要求1所述的系统：
●
其中，在所述电容传感器阵列中的每个电容传感器包括电极，所述电极在所述衬底的所述底层上环绕所述支撑位置阵列中的支撑位置；并且
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
从所述电容传感器阵列读取一组电容值，所述一组电容值表示所述电容传感器阵列与所述耦合板之间的自电容的测量值；和
○
基于所述一组电容值和所述弹簧元件阵列的弹簧常数来解译施加到所述触摸传感器表面的力的分布。17.根据权利要求1所述的系统：
●
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器包括：
○
驱动电极，所述驱动电极布置在所述衬底的所述底层上、相邻于所述支撑位置阵列中的支撑位置的第一侧；和
○
感测电极，所述感测电极布置在所述衬底的所述底层上、相邻于与所述驱动电极相
对的支撑位置的第二侧；以及
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
从所述电容传感器阵列读取一组电容值，所述一组电容值表示所述电容传感器阵列中的驱动电极和感测电极之间的互电容的测量值；和
○
基于所述一组电容值和所述弹簧元件阵列的弹簧常数来解译施加到所述触摸传感器表面的力的分布。18.根据权利要求1所述的系统：
●
其中所述衬底限定矩形几何形状；以及
●
其中所述弹簧元件阵列包括：
○
弹簧元件的第一子集，所述弹簧元件的第一子集耦合到在所述支撑位置阵列中靠近所述衬底的拐角的支撑位置的第一子集，所述弹簧元件的第一子集的特征在于第一弹簧常数；和
○
弹簧元件的第二子集，所述弹簧元件的第二子集耦合到在所述支撑位置阵列中靠近所述衬底的边缘的支撑位置的第二子集，所述弹簧元件的第一子集的特征在于第二弹簧常数，所述第二弹簧常数小于所述第一弹簧常数。19.根据权利要求1所述的系统：
●
其中所述衬底限定矩形几何形状；
●
其中所述支撑位置阵列布置在所述底层上靠近所述衬底的周边；以及
●
其中所述弹簧元件阵列被配置为支撑所述衬底的周边并将所述衬底定位在所述计算设备的所述底盘内。20.根据权利要求1所述的系统：
●
其中所述耦合板还包括从所述弹簧元件阵列中嵌入的磁性元件插座；
●
还包括布置在所述磁性元件插座中的磁性元件；
●
其中所述衬底还包括导电线圈，所述导电线圈布置在所述磁性元件之上并被配置成磁耦合到所述磁性元件；
●
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
○
从所述电容传感器阵列读取第一组电容值；
○
基于所述第一组电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的第一输入的第一力的量值；和
○
响应于所述第一力的量值超过阈值力的量值，驱动交流电流通过所述导电线圈以将所述导电线圈磁耦合到所述磁性元件；和
●
其中，所述弹簧元件阵列被配置成受力于所述导电线圈与所述磁性元件的磁耦合，以使所述衬底和所述触摸传感器表面相对于所述底盘振荡。21.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
●
衬底，所述衬底包括：
○
顶层；
○
底层；
○
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
○
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
●
驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
●
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；
●
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊利亚，
申请(专利权)人：森赛尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：