專利名稱：在接觸定位裝置中的切向力控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接觸傳感器，具體地說，涉及用來準確地定位包括切向分力在內(nèi)的接觸力的力傳感接觸定位裝置。
背景技術(shù)：
能夠傳感并測量和/或定位施加到表面上的力在許多場合都是有用的。結(jié)果，開發(fā)了各種使用力傳感器來測量施加到表面(在本文中稱為“接觸表面”)上的力(在本文中指“接觸力”)的各種性質(zhì)的系統(tǒng)。對接觸力作出響應(yīng)，力傳感器通常就產(chǎn)生信號。該信號可用來例如，確定接觸力在接觸表面上所施加的位置。已經(jīng)提出了許多實施該方法的具體方式，如在Peronneau等人的美國專利3,657,475中所述的。
當接觸表面是計算機顯示器的接觸表面或計算機顯示器前面的透明外罩的接觸表面時，這種接觸定位是有特別意義的。另外，由于移動式和手提式設(shè)備，如個人數(shù)字輔助裝置(PDAs)的快速增長，越來越需要輕巧便宜的接觸定位裝置。根據(jù)許多可能的技術(shù)，如剛才提到的力的原理，以及電容性、電阻性、聲音和紅外技術(shù)。可制造帶有接觸傳感器的接觸定位裝置?，F(xiàn)有技術(shù)接觸定位裝置以及一般的力類接觸定位的各種特征，已詳細地描述在題為“用于力類接觸輸入的方法及設(shè)備”(Method and Apparatus forForce-Based Touch Input)的共同擁有并同時提交的專利申請中。
常規(guī)接觸定位裝置的一個問題，是它一般會誤報不是直接施加在接觸表面上的接觸位置。換句話說，如果使用者用手指或觸筆以不是90°的角度向接觸表面施加力與接觸表面接觸時，接觸的位置一般會誤報。由該“成角度的接觸”施加的力包括兩個分力與接觸表面垂直的分力(“垂直分力”)以及與接觸表面平行的分力(“切向分力”)。接觸位置的誤報一般是由接觸定位裝置中的一個或多個力傳感器所感受的切向分力的效應(yīng)引起的。接觸力的切向分力在本文中還簡稱為“切向力”。
例如，切向力可通過支撐傳感器的連接件傳遞到傳感器中，即使該傳感器不是用來測定切向力的。為保持平衡，切向力會在接觸裝置中生成一定分布的力和力矩，并且這種分布的力和力矩的各個方面可以組合通過任何傳遞切向力本身的各部分的傳感器。如果力傳感器對這種組合敏感的話，就可能會產(chǎn)生接觸位置的偏差。
已經(jīng)提出了各種解決由切向力引起偏差的辦法。例如，在有些系統(tǒng)中將力傳感器置于接觸表面的稍微后面一點的地方，并且輕易地允許由切向力導(dǎo)致的最終偏差。另一種辦法是物理地將所有的相關(guān)的接觸傳感結(jié)構(gòu)(即力傳感器和力傳感器組合件)置于靠近接觸表面的地方，由此減小切向力的影響。
另一種辦法是在接觸平面中放置顯式樞軸用來支撐各個力傳感器，如DeCosta的題為“定位系統(tǒng)的安裝排列”(Mounting Arrangement for a Position LocatingSystem)的美國專利No.4,355,202中所公開的。而另一種辦法是測量接觸力的另一些自由度，從而可以修正接觸力的切向分力，如Roberts的題為“用于接觸-輸入式計算機以及使用顯示裝置外部的接觸力位置的相關(guān)顯示裝置的方法和設(shè)備”(Method of and Apparatus for Touch-Input Computer and Related Display EmployingTouch Force Location External to the Display)的美國專利No.5,376,948中所公開的。
所有這些現(xiàn)有技術(shù)的辦法都有缺陷。忽略切向偏差可能在精確的用途，例如手跡識別中是不能令人滿意的，即使朝后的傳感器位移不超過1mm外罩的厚度。由于裝置寬度及厚度的原因，將傳感器放置在接觸平面中來消除切向偏差也是不能令人滿意的。如DeCosta的專利中所述使力的傳遞在接觸平面中繞樞軸轉(zhuǎn)動，雖然限制了切向偏差，但是無法解決裝置寬度和厚度的問題。而如Roberts的專利中所述測量所有的自由度，雖然限制了切向偏差，但是需要在裝置中的某個部位具有額外的空間及額外的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
由此可見，現(xiàn)有技術(shù)尚未指出力傳感器該怎樣放在接觸平面后面，而不致產(chǎn)生過多的偏差、需要額外的空間以及導(dǎo)致額外的成本。因為成角度的接觸(即具有非零切向分力的接觸力)會在各種用途中頻繁地發(fā)生，所需的是在接觸表面上的接觸位置應(yīng)該能夠通過接觸定位裝置準確地報告，即使接觸是成一角度施加的。此外，所需的是這些成角度的接觸的準確定位，對于平坦的和不平坦的接觸表面能使用各種力傳感器來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
向接觸表面施加切向力在支撐連接體中會產(chǎn)生反作用力。這些反作用力不是簡單地與所施加的切向力的某個部分大小相等方向相反。而是，各個支撐連接體中的反作用力是一個完整的力分布，包括三個自由度的平動力和三個自由度的力矩。當組合作用在接觸表面結(jié)構(gòu)中時，這些分布的力大多相互抵消，只留下與所施加的力大小相等方向相反的反作用力。這樣，傳感連接體中切向力的反作用力本身具有傾斜于接觸平面的作用線，相應(yīng)的垂直分力在相應(yīng)的傳感器中產(chǎn)生不合需的輸出。
本發(fā)明的各個方面能提供用來減少對這種傳感連接體的反作用力的傳感器響應(yīng)的技術(shù)，包括用來減小總的傳感連接體反作用力、使其力轉(zhuǎn)而“側(cè)向”(edge-on)撞擊傳感器并使傳感器轉(zhuǎn)而“側(cè)向”抓住該力。
這樣，如果響應(yīng)于施加在接觸表面上的純切向力通過傳感器連接體的反作用力，或者數(shù)值很小，或者以與力敏感軸成直角地通過連接體，則相關(guān)的傳感器將沒有響應(yīng)。如果這種關(guān)系對所有的傳感器都保持，并且對所有施加在接觸表面上的切向力的位置和方向都保持，則接觸定位裝置將具有與其接觸表面重合的準確度平面，并且將不會產(chǎn)生由所施加的接觸力的切向分力導(dǎo)致的接觸定位誤差。本發(fā)明的各個方面能提供用來建立這種關(guān)系的技術(shù)。
例如，在本發(fā)明的第一個“分隔途徑”方面中，一些并聯(lián)連接體可以抑制接觸表面結(jié)構(gòu)在接觸平面的水平面上的橫向移動，并且由此減小對通過傳感連接體的切向力的反作用力。
在本發(fā)明的第二個“彈性修正”方面中，傳感器連接體可以裝有彈性裝置，調(diào)節(jié)該彈性裝置用來將連接體的反作用力轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诿舾休S的切向接觸力。在此類的大多數(shù)部件中，多個傳感連接體能各自提供單一的力信號。但是，在一個部件中，一組位移傳感器檢測剛性接觸表面結(jié)構(gòu)的部分的垂直移動，有效地產(chǎn)生單、多重輸出的傳感連接。
在本發(fā)明的第三個“成角度的傳感器”方面中，傳感連接體可裝有傳感裝置，調(diào)節(jié)該傳感裝置用來將連接體的敏感軸轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谇邢蛄Φ姆醋饔昧?。在本發(fā)明的該方面的各個實施方式中，多個傳感器連接體能各自提供單一的力信號。但是，至少在一個實施方式中，一組位移傳感器檢測剛性接觸表面結(jié)構(gòu)的部分的傾斜移動，有效地產(chǎn)生單、多重輸出的傳感連接。然后，各個傳感器垂直于由其切向力的反作用力產(chǎn)生的位移。
在本發(fā)明的分隔途徑方面中，一些并聯(lián)連接體提供第二組新的力途徑，而在本發(fā)明的第二及第三方面中，基本上所有的接觸力可通過傳感連接體。在本發(fā)明的彈性修正方面，以及在本發(fā)明的其它兩個方面的一些實施方式中，遠離接觸平面的彈性裝置可以控制準確度平面的位置。在本發(fā)明的成角度的傳感器方面中，傳感器的敏感軸一般將與接觸平面的法線成一傾斜的角度，而在本發(fā)明的前兩個方面中，傳感器的敏感軸可以與接觸平面的法線垂直。本發(fā)明的各個實施方式還可以在連接體中使用具有以與接觸平面的法線成一傾斜角度的主剛度軸的彈性元件或子組合件。
在本發(fā)明另一個方面中，可在一個或多個傳感器連接體中使用橫向軟化裝置，以減少未測定的分力的傳遞。這有助于本發(fā)明的其它方面的有效應(yīng)用，并且可以減少力傳感器受到不合需的應(yīng)力。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，旋轉(zhuǎn)軟化裝置可應(yīng)用在一個或多個傳感器連接體中，以減少未測定的分力矩的傳遞。這些未測定的分力矩會引起接觸位置偏差，因為它們會在相關(guān)的力矩方程中出現(xiàn)。當它們是由接觸表面結(jié)構(gòu)彎曲的鄰近接觸產(chǎn)生時，它們很可能在數(shù)值上相當大，并且在特征上又不可預(yù)知。旋轉(zhuǎn)軟化裝置，尤其是當置于接近相關(guān)的力傳感器時，也可減少傳感器受到不合需的應(yīng)力。
在本發(fā)明的分隔途徑方面中，一些并聯(lián)連接體可以構(gòu)成一個橫向加硬裝置，它將施加的接觸力沿兩組力途徑分隔，一組通過傳感連接體，另一組通過并聯(lián)連接體。并聯(lián)連接體能阻止接觸表面結(jié)構(gòu)在接觸平面的水平面上的橫向移動，并且由此將通過響應(yīng)接觸力的切向力的傳感連接體的力減至很小的數(shù)值。傳感器連接體可各有橫向加硬裝置，以增強這種效果。并聯(lián)連接體可制成垂直柔軟的，以從傳感連接體轉(zhuǎn)移最少量的垂直接觸力。并聯(lián)連接體可以在旋轉(zhuǎn)時足夠地柔軟，使得基本上所有對繞接觸平面中的軸旋轉(zhuǎn)的阻力是傳感器連接體垂直剛度的一種表示。由于當其它條件滿足時該最后的條件也容易滿足，所以可以不需要特別的其它措施。
用于本發(fā)明的各個實施方式中的橫向加硬裝置可具有一個作用平面(plane ofeffect)，該平面可與接觸裝置的接觸表面平行，并且該平面中切向力可由橫向加硬裝置接受，而不致由于沒有力矩平衡而產(chǎn)生接觸表面的旋轉(zhuǎn)。更準確地說，可以想像接觸表面結(jié)構(gòu)是制成完美剛性的，并且所有與之連接的連接體都被除去，但橫向加硬裝置的那些連接體除外。如果作用平面位于接觸表面上，就可以施加切向力，并且保持平衡而不產(chǎn)生接觸表面的旋轉(zhuǎn)。如果作用平面不再接觸表面上，可在通過接觸表面的剛性延伸件在作用平面中施加切向試驗力，并且將不會有接觸表面的旋轉(zhuǎn)。另一方面，為了保持平衡而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，接觸平面中的切向力需要與一個力矩結(jié)合，該力矩等于切向力乘以接觸平面到作用平面之間距離的乘積。這樣，作用平面可以取作是接觸力的切向分力的反作用力矩基本上為零的平面。
根據(jù)第一區(qū)別，本發(fā)明的分隔途徑方面的實施方式可以分為兩種類型·所述并聯(lián)連接體與傳感連接體相比具有很高的橫向剛度，后者基本上不受接觸力的切向分力的干擾，并且不會將反作用力和反作用力矩通過接觸表面結(jié)構(gòu)。在這種情況下，作用平面可以與準確度平面和接觸表面重合。
·傳感連接體可以通過切向力很小的反作用力。該反作用力通過橫向加硬裝置中的抵消性調(diào)節(jié)水平地形成。在這種情況下，作為這些調(diào)節(jié)的表示，橫向加硬裝置的作用平面可設(shè)置在接觸表面對于傳感器連接體的另一側(cè)。這樣，在接觸表面中，在橫向加硬裝置和傳感器連接體中產(chǎn)生的切向力的反作用力矩可以抵消。
根據(jù)第二區(qū)別，本發(fā)明的分隔途徑方面的實施方式還可分為兩種類型·橫向加硬裝置本身及其作用平面基本上位于接觸平面內(nèi)，并且其上方及下方的支撐結(jié)構(gòu)可視為剛性的。包括橫向加硬裝置的并聯(lián)連接體在橫向上比某個最小值要硬，在垂直方向上比某個最小值要軟，但是不需要另外遵循Hooke定律或者具有可預(yù)見的剛度。
·橫向加硬裝置可以包括位于接觸平面上方和/或下方的彈性裝置。這些彈性裝置的元件可以具有傾斜的主剛度軸。在使用傾斜剛度的某些情況下，作用平面可整個地在上方或下方除去，此彈性裝置和并聯(lián)連接體構(gòu)成橫向加硬裝置。
在本發(fā)明的彈性修正方面，只有接觸力可以通過特別適應(yīng)的傳感連接體。在第一個實施方式中，這種適應(yīng)包括將彈性修正裝置與力傳感器串聯(lián)。力傳感器可設(shè)置在準確度平面的下方，力從接觸表面結(jié)構(gòu)通過分布在至少遠離準確度平面的彈性修正裝置，然后通過相當剛性類型的力傳感器，進入支撐結(jié)構(gòu)?？梢砸暦奖阈枰淖儌鞲衅骱蛷椥圆考拇涡颉?br> 在第二個實施方式中，一組位移傳感器檢測一個剛性接觸表面結(jié)構(gòu)的部分的垂直移動，有效地產(chǎn)生單、多重輸出傳感連接。
本發(fā)明的彈性修正方面的實施方式可分為以下三種類型·彈性修正裝置可置于準確度平面的上方及下方，傳感器連接體中的力先通過一個彈性修正裝置，再通過另一個。所需的準確度平面上方及下方的偏移彎曲使得相關(guān)的傳感器連接體的彈性中心位于所需的準確度平面內(nèi)。
·彈性修正裝置可整個地置于準確度平面的下方(或上方)。具有傾斜的主剛度軸的彈性元件可用來將相關(guān)的傳感器連接體的彈性中心投影到所需的準確度平面中。
·彈性修正裝置可整個地置于準確度平面的下方(或上方)。具有傾斜的主剛度軸的彈性連接體可用來將整個接觸表面結(jié)構(gòu)的彈性中心投影到所需的準確度平面中。傳感器不與彈性裝置串聯(lián)連接，但是包括檢測接觸表面結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)之間移動的位移傳感器。
在本發(fā)明的成角度的傳感器的方面，只有接觸力可以通過特別適應(yīng)的傳感連接體。在第一種情況下，這種適應(yīng)包括各個傳感器的斜角調(diào)節(jié)，使得其敏感軸與由切向力的任一個分力導(dǎo)致的反作用力成直角?？商峁┻m度的橫向軟化，以防止橫向剛性傳感器的斜角調(diào)節(jié)阻礙敏感性所需的垂直移動。如果傳感器連接體在已知位置具有彈性中心，提供旋轉(zhuǎn)軟化器的情況可能是為此，一個簡單的規(guī)律可以描述適于使準確度平面與接觸表面重合的斜角調(diào)節(jié)。
在第二種情況下，一組位移傳感器測定一剛性接觸表面結(jié)構(gòu)的部分相對于支撐結(jié)構(gòu)的傾斜移動，有效地產(chǎn)生單、多重輸出傳感連接。具有垂直排列的主剛度軸的彈性連接體可具有位于準確度平面下方的彈性中心。如果這些彈性連接體在已知的位置具有彈性中心，提供旋轉(zhuǎn)軟化器的情況可能是為此，一個簡單的規(guī)律就可以描述使準確度平面與接觸表面重合的的位移傳感器角度。
本發(fā)明的各個實施方式的其它特征和優(yōu)點將通過以下的描述及權(quán)利要求書更明白地示出。


圖1A是本發(fā)明的第一個實施方式的觸摸屏組件分解示意圖，可用在緊靠著分開的LCD組件的表面上。
圖1B是圖1A中組件的局部截面圖，該截面通過一個傳感器的中心。
圖2是一個普通接觸定位系統(tǒng)的局部示意截面圖，說明通過本發(fā)明的一個實例減少切向力偏差。
圖3A-3C是局部截面圖，說明平的懸置薄膜或橫梁作為橫向加硬裝置的用途和限制。
圖4是具有延伸范圍的垂直移動，并且能方向選擇性橫向加硬的橫向加硬裝置的局部截面圖。
圖5A-5C是橫向加硬裝置又一些變體的局部截面圖。
圖6A是一個現(xiàn)有技術(shù)接觸定位裝置的截面示意圖。
圖6B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括成角度的傳感器組合件的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖6C-6D是根據(jù)本發(fā)明的實施方式包括能提供成角度的敏感軸的非成角度的傳感器組合件的接觸定位裝置的部分截面示意圖。
圖6E是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式向后安裝在接觸面板上的力傳感器的頂部透視圖。
圖7A-7B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括平衡的一些彈性裝置的接觸定位裝置的部分截面示意圖。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括成角度的彈性裝置的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖8B-8D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括非平面接觸表面的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括具有成角度的主剛度軸的傳感器組合件的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖10A是包括具有傾斜的最大主剛度軸的彈性連接體的成角度的剛度結(jié)構(gòu)的截面示意圖，說明了使用在本發(fā)明的若干實施方式中的類似的結(jié)構(gòu)。
圖10B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括成角度的彈性裝置的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括位移傳感器以及成角度的彈性裝置的接觸定位裝置的截面示意圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式包括成角度的位移傳感器以及非成角度的彈性裝置的接觸定位裝置的截面示意圖。
具體實施例方式
在描述本發(fā)明的各個方面以及實施方式之前，首先定義一些相關(guān)的術(shù)語。
平面的力類接觸定位可通過研究具有接觸表面的固體的剛體運動的三個自由度的圖示來進行，該物體在本文中稱為接觸表面結(jié)構(gòu)，或者簡稱為接觸面板。這些三個自由度中的兩個表示繞三維空間中的某些軸的扭矩或者力矩。為了得到最大的準確度，這些軸應(yīng)當交叉包含這些交叉軸的平面定義著接觸定位用的準確度平面。表示的第三個自由度是垂直施加在準確度平面上的力的大小。當施加接觸力時，被該垂直力除的第一力矩的大小取作從接觸點到第一根軸的距離。類似地，第二力矩與該力的比例取作從接觸點到第二根軸的距離。用該方式監(jiān)測用來定位接觸點的三個自由度可稱為相關(guān)自由度。
接觸可施加平行于準確度平面的切向力。如果這些切向力施加在準確度平面的上方或下方，它們將形成繞一根或兩根測量軸的力矩，導(dǎo)致接觸定位的偏差。這樣，為了得到最佳準確度，物理接觸表面應(yīng)當是平的且與準確度平面重合，雖然這不是本發(fā)明的要求。
施加的與第一力矩軸平行的切向力、施加的與第二力矩軸平行的切向力、以及繞垂直于準確度平面一個軸施加的力矩構(gòu)成剛體運動的三個自由度，這三個自由度在接觸計算中是不表示的。如果這些非相關(guān)自由度中任意一個被允許影響所監(jiān)測的幾何圖示關(guān)系，接觸定位裝置就容易出錯。
用至少6個力傳感器可以測量固體接觸表面的剛體運動的所有的六個自由度。由所有六個自由度的圖示，可以生成監(jiān)測與任何所需的準確度平面相關(guān)的那三個自由度所圖示的線性組合，不管傳感器相對于該平面的位置如何。例如，參見Roberts的題為“用于接觸-輸入式計算機以及使用顯示裝置外部的接觸力位置的相關(guān)的顯示裝置的方法和設(shè)備”的美國專利No.5,376,948中公開的內(nèi)容。
或者，可以使用3個或多個力傳感器，所有的傳感器在一起表示剛體運動的僅僅三個自由度。由于簡單的原因，這些系統(tǒng)優(yōu)于六個自由度的系統(tǒng)。傳感器可以少于六個，可以全部取同一方向，并且可以繞平的接觸表面的周邊設(shè)置，支撐該接觸表面?？梢栽俅紊梢O(jiān)測的三個自由度作為各個力傳感器輸出的三個不同的線性組合。這三個自由度至多可對應(yīng)于某個特定的準確度平面，該平面決定于傳感器的物理接觸結(jié)構(gòu)和位置。但是，必須要相當仔細，以確保選定該結(jié)構(gòu)和排列產(chǎn)生良好的準確度平面，并且與接觸表面充分地重合。
其中的原始傳感器輸出被用來集合對剛體運動的僅僅三個自由度進行編碼的力類接觸系統(tǒng)可稱為三度系統(tǒng)。
由此可見，三度系統(tǒng)的準確度平面是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。由于實際的系統(tǒng)具有某種程度的缺陷，準確度平面這個術(shù)語當應(yīng)用于實際裝置的行為時，可以被當作切向力產(chǎn)生的平均偏差最小的平面。
要注意的是，三度系統(tǒng)可裝有三個以上的力傳感器，并且最普遍的是裝有四個。由于一般地排列在矩形的四個角上，這些傳感器集合地表示第四個自由度，與接觸表面結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)之間的扭轉(zhuǎn)的或跨動(saddling)的扭曲差異相對應(yīng)。通常，三度系統(tǒng)中額外的傳感器并不會捕獲剛體運動的額外自由度，而是捕獲內(nèi)部結(jié)構(gòu)扭曲的自由度。
與六度系統(tǒng)不同，三度系統(tǒng)本身具有平坦的準確度平面。這樣，支撐非平坦接觸表面的三度系統(tǒng)容易產(chǎn)生某種程度的誤差。例如，如果接觸表面上處處都不偏離最佳的平面近似太多，這些系統(tǒng)仍舊是非常有用的。這個最佳平面近似無限延伸可稱為接觸平面。本文中對平坦的接觸表面的描述應(yīng)該理解為以這種方式擴展到非平坦的接觸表面。普通的非平坦表面可與球形、圓柱形、拋物線形、交叉的圓柱形等非常近似。
在考慮接觸定位裝置的部件相對于接觸表面的取向時，自然的參照物是局部接觸表面法線，它通過所述的部件，并且還以垂直的角度通過近似物理接觸表面的最自然的平滑表面的自然延伸區(qū)域。為了構(gòu)造上的方便，部件有時可沿局部接觸表面法線排列。但是，可以看到，在包括具有相對于接觸表面法線傾斜的性質(zhì)的部件或組合件的本發(fā)明的實施方式中，這些性質(zhì)還可以是相對于局部接觸表面法線的傾斜度。
使力從設(shè)備的一個部分通向另一個部分的固體物體構(gòu)成了連接體。通過該連接體的總力可用六個數(shù)字來表征。其中的三個表示平動力的三個垂直分力的大小。另外三個可以表示繞一組三根垂直參照軸的扭矩或力矩的三個分力的大小。這些參照軸必須位于空間中，并且可以這樣來取，使它們在一共同參照點交叉。所得的力矩的值取決于此參照點的位置。具體地說，有一條空間中許多可能的參照點的軌跡形成一條直線，沿其力矩向量的值是個共同最小值。該條軌跡在文中稱為經(jīng)過該連接體的總力的作用線。具體地說，在沿此作用線的點，其繞著垂直于作用線的軸的力矩的值為零。
如果固體物體的彎曲小到足以被忽略，對于一給定問題，它可以被認為是剛性的。如果它顯示顯著的彎曲，但是足夠近似地遵循Hooke定律，則可稱為彈性的。彈性連接體是一種從一端區(qū)域到另一總的區(qū)域顯示顯著彈性彎曲的物體，使得其對包含結(jié)構(gòu)的作用可用一端區(qū)域相對于另一端的六度平動和旋轉(zhuǎn)位移來描述。該彈性連接體可以有一個彈性中心，它近似于一個共同中心，各個末端響應(yīng)經(jīng)過連接體的各個純偶矩圍繞此共同中心產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。純平動位移趨于產(chǎn)生其作用線經(jīng)過該彈性中心的力。當用各種純平動位移試驗時，彈性連接體可以顯示一個最大剛度的方向；這種剛度是此連接體的最大主剛度。與最大剛度的方向成直角的有個最小主剛度的方向和數(shù)值，并且沿著與上述兩個方向成一直角的第三方向有個中等主剛度。三根主剛度軸是經(jīng)過彈性中心顯示主剛度方向的三條線。在主方向上的純平動位移產(chǎn)生其作用線與該位移平行的力；這個條件還可用來尋找主方向。在普通的簡并情況下，兩個主剛度或者一般更少見的是所有三個主剛度可具有相同的值。傾斜于一對非簡并主方向的純平動位移產(chǎn)生其作用線傾斜于位移的力；與此位移垂直的分力在文中稱為擠壓力(jam force)。
在力傳感接觸定位裝置的情況下，各種機械連接體可在接觸表面結(jié)構(gòu)與周圍的支撐結(jié)構(gòu)之間通過很大的力。這些連接體包括力傳感連接體、密封裝置、橫向加硬裝置、力預(yù)載裝置、以及其它裝置。特別令人感興趣的是那些可以通過由接觸操作施加的額外的力的任何可感受的部分的連接體。其中存在力傳感器以監(jiān)測傳遞的力的某個很大的分力的連接體在文中被稱為傳感連接體，而其中不存在這種傳感器的稱為并聯(lián)連接體。如果并聯(lián)連接體通過會影響接觸定位的力，它被稱為提供寄生力途徑。
力傳感連接體具有一個敏感方向，在該方向上施加一給定數(shù)值的平動力時產(chǎn)生最大輸出，而當施加在與該方向垂直的方向上時，沒有輸出。位移傳感器對于所施加的純平動位移具有類似的敏感方向。力傳感連接體在這里稱為具有通過彈性中心的在敏感方向上的敏感軸?？梢允沟梦灰苽鞲衅骶哂形挥诿舾蟹较蛏系拿舾休S，并且這樣的定位使得兩側(cè)圍繞該軸中的點的相對旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生零輸出。
切向力偏差與接觸定位裝置中的準確度平面的偏差允許區(qū)域相關(guān)。例如，參看圖6A，它以截面示意圖示出了一常規(guī)的接觸定位裝置900。系統(tǒng)900包括一塊具有平坦接觸表面904的接觸面板902。常規(guī)的接觸定位裝置，如裝置900會誤報并非純粹地沿法線910向接觸表面904施加的接觸位置(即，如果角度θ不等于零)。以下將詳細地描述這種偏差的一個方面。
力類接觸裝置，如裝置900，具有通常是平坦的準確度平面906。注意準確度平面906不需要對應(yīng)于任何物理表面，并且在切向力敏感的情況下，一般不對應(yīng)于任何物理表面。雖然為了達到簡化說明的目的，圖6A中未示出力傳感器，但是現(xiàn)有技術(shù)的接觸裝置900一般包括力傳感器，其準確度平面906往往要朝這些力傳感器的位置傾斜。
如圖6A所示，準確度平面906以偏差912偏離接觸表面904。為了舉例的目的，假定偏差912為0.25英寸。一個接觸力908施加在接觸表面904上。接觸力908以θ＝45°相對于接觸表面904的法線910傾斜。因此，由接觸力908定義的作用線924將在點914與準確度平面906相交，該點914與點918的偏差距離為916(在這種情況下是0.25英寸)，如果接觸力908垂直向里(即完全沿接觸表面904的法線910)，則在點918相交。如果此接觸裝置900是垂直接觸準確校準的話，該裝置報告成角度的接觸力908的位置時，其偏差等于偏差距離916(即0.25英寸)。
如圖6A中所示，接觸力908具有與接觸平面904垂直的分力922(“垂直分力”)和與接觸平面104平行的分力920(“切向分力”)。在許多應(yīng)用中，接觸力的切向分力一般約為接觸力的垂直分力數(shù)值的三分之一。如果，在該應(yīng)用中對計算的接觸定位誤差的允許的典型貢獻度(即最大可接受的偏差距離916)為d，則準確度平面906與接觸表面904的允許偏差912為正3d或3d。因此，各個應(yīng)用具有一個確定接觸平面的功能性厚度的“偏差允許區(qū)域”，在該區(qū)域內(nèi)可設(shè)置準確度平面906而不會導(dǎo)致在接觸定位計算中產(chǎn)生不可接受的偏差程度。
本發(fā)明的各個實施方式提供在選定的與接觸平面的最大偏差之內(nèi)設(shè)置準確度平面的方法。該最大偏差可根據(jù)所需的接觸定位準確度以任意方式選擇。
本發(fā)明的各個方面及實施方式描述時所用的模型設(shè)計為對切向力的一個垂直取向的、中心施加的分力不產(chǎn)生響應(yīng)。在大多數(shù)情況下，示出具有這種特征的模型相當于說明對于所施加的力的任何不相關(guān)的自由度不會有系統(tǒng)響應(yīng)。
首先考慮用來消除對中心施加的切向力的該分力的敏感性的方法，可應(yīng)用于其它垂直于它的切向分力。然后，通過重疊，系統(tǒng)將不會對在任何方向上中心施加的切向力有敏感性(即，將不產(chǎn)生輸出)。
其次，可以證明，三度系統(tǒng)將不會響應(yīng)垂直力矩，如果它擁有至少一個雙側(cè)對稱的平面，連同任意的旋轉(zhuǎn)對稱度的話。例如，傳感器的一般矩形排列對于兩個平面是功能性雙側(cè)對稱的，并且還顯示(必然地)二重旋轉(zhuǎn)對稱。實踐的結(jié)果是，可設(shè)想的大多數(shù)排列對完全垂直的力矩幾乎不顯示系統(tǒng)響應(yīng)。注意在某些情況下，可能會有傳感器的響應(yīng)，但是這在用于接觸定位計算中的線性組合中抵消了。
在接觸平面中任意位置的切向力可用中心施加的切向力和垂直力矩的組合來表示。因此，第二次應(yīng)用重疊，消除來自中心施加的切向力的垂直分力的偏差，就可以消除來自任何切向力的偏差。
在本發(fā)明的一個實施方式中，切向力對于用接觸定位裝置進行接觸定位的測量的影響可以按以下方式減輕。該接觸定位裝置包括一個可以是平坦的接觸表面。提供一個橫向加硬裝置，它在基本上平行于接觸表面的方向上是剛性的，而在垂直于接觸表面的方向上是柔順的。橫向加硬裝置設(shè)置在接觸表面的偏差允許區(qū)域內(nèi)，并且連接在接觸表面上，以接受來自接觸表面的切向力并將此切向力傳遞離開力傳感器。
雖然橫向加硬裝置可通過將其放置在接觸平面內(nèi)或相對于接觸平面對稱放置而獲得適宜的性能，但這不是僅有的方法。例如，適當?shù)貥?gòu)造的話，位于接觸平面外面的橫向加硬裝置依舊可以顯示在接觸平面內(nèi)的一個彈性中心，即它可以響應(yīng)施加在接觸平面內(nèi)的切向力而不旋轉(zhuǎn)。
橫向加硬裝置可能連同接觸定位裝置中的其它結(jié)構(gòu)，提供切向力可穿過的第一力途徑。該力途徑不包括力傳感器。垂直力穿過包括力傳感器的第二力途徑。由此，力的測量不受切向力的影響，因為這些力不是通過力傳感器傳遞的a參看圖1A-1B，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的一個包括橫向加硬裝置的接觸敏感透明覆蓋組件101。該組件101可用來感受通過例如手指、觸筆或其他物體所施加的接觸。如下面更詳細的描述，在本發(fā)明的各個實施方式中，組件101可用來感受施加到接觸表面上的接觸力的性質(zhì)，如接觸力在接觸表面上施加的位置和/或垂直于接觸表面的接觸力的分力的大小。覆蓋組件101的各個方面詳細地描述在題為“用于力類接觸輸入的方法及設(shè)備”的同時提交的申請中。
采用適當?shù)耐该鞲采w組件101，以適用在對角線為4英寸的LCD顯示器上，盡管對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，適用于其他尺寸顯示器比例和變體是顯而易見的。載有接觸表面103a的透明面板102放置在框子104a中。位于面板102和框子104a之間的是互連的彎曲印模105、力傳感器主元件106以及橫向軟化裝置107。預(yù)負載彈簧109用膠粘劑110固定到面板102的邊緣上。裝配好后，彈簧109的兩端嚙合在框子104a的孔112中，由此將約兩磅的總壓力施加到面板102和框子104a之間的結(jié)構(gòu)上。裝配好后，彈簧109的原來彎曲部分在面板102的短邊中排列成一直線。橫向加硬裝置107和液體/防塵密封108裝接在面板102以及框子104a的垂直凸緣的外表面上，由此將面板102牢固地設(shè)置在框子104a的中心。當這樣中心設(shè)置好后，在面板102和框子104a的長邊之間有一小空間，并且在彈簧109的非裝接部分周圍有一小空間。這樣，施加在接觸表面103a上的力可使面板102產(chǎn)生小的垂直移動，而繞其邊緣不會產(chǎn)生干擾或刮擦。
橫向加硬裝置108可以例如是個0.001-0.002英寸厚的聚酯或聚酰亞胺薄膜，在其需要裝接的兩個區(qū)域的下表面上有丙烯酸類膠粘劑。第一個這樣的膠粘劑區(qū)域118位于超出虛線的以外的部分，該部分將會在框子104a的垂直凸緣處彎折向下。第二膠粘劑區(qū)域119是圍繞此薄膜108內(nèi)邊的約1/16英寸寬的帶形區(qū)域。這個區(qū)域?qū)掣降矫姘?02的邊緣稍靠內(nèi)的接觸表面103a上。當沿著虛線彎曲時，橫向加硬裝置108中的應(yīng)力得以消除，由此，可通過簡單的熱成形操作使橫向加硬裝置108形成適當?shù)淖詈笮螤?。所述操作可在裝配之前或之后進行。在橫向加硬裝置108的外角處的過剩材料可沿著對角線折起來，并覆蓋緊靠框子104a的垂直凸緣的側(cè)面。橫向加硬裝置108的自由彎曲區(qū)域120的適宜寬度取決于其本身的剛度、面板102的剛度以及所需的準確度。例如，寬度可以在0.060-0.120英寸范圍內(nèi)。應(yīng)該可以理解，圖1A中所述的橫向加硬裝置108的具體實施方式
僅限于舉例的目的，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。橫向加硬裝置108可以是限制面板102因響應(yīng)接觸力而發(fā)生的橫向運動的任何結(jié)構(gòu)。
由于面板不是通過圖1A所述的實施方式中的力傳感器或預(yù)負載彈簧109來固定的，所以橫向加硬裝置108不僅用以保持基本的幾何形狀，而且也用來形成動態(tài)橫向剛度。但是，需要注意的是，即使面板102可能會產(chǎn)生相對于下面的傳感器的輕微滑動，橫向軟化裝置107還是可以使用。除了接觸力本身外，預(yù)負載力可產(chǎn)生足夠的摩擦以防止任何可能的切向力在正常的接觸時導(dǎo)致這種滑動。因此，對于不造成滑動的微小力，處于不同感受的橫向加硬裝置108的橫向剛度與傳感器組合件的橫向剛度之比決定著切向接觸力所取的路徑。
盡管圖1A-1B中描述的橫向加硬裝置108是單片材料，但這只是一個例子，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。例如，橫向加硬裝置108可由4塊帶狀片段組成，它們以各種方法對接或重疊在四個角上?；蛘撸瑱M向加硬裝置108可以是例如單片透明薄膜，用光學(xué)透明的膠粘劑將其粘到接觸表面103a的整個內(nèi)表面上。橫向軟化裝置107可以是一薄層堅韌而柔軟的彈性體材料，如天然橡膠。但是，簡單地選用柔軟的丙烯酸類膠粘劑片已經(jīng)證明是足夠堅韌且柔順的，盡管在片只有0.0015英寸厚時承載區(qū)域會有點烯化。面板102的邊緣上可以有一些細節(jié)部分，尤其是面板102由塑料制成的情況下。例如，在面板102的四個角附近平行于表面的小孔可以用來保持成角度的預(yù)負載彈簧的末端，有鉤子從框子104a向內(nèi)彎曲在中心夾住預(yù)負載彈簧。
以下將詳細地描述本發(fā)明的各個實施方式中使用的橫向加硬裝置(即橫向加硬裝置108)的特征。參照圖2，接觸表面103(例如，它可以是圖1A-1B中所示的接觸表面103a)位于懸置結(jié)構(gòu)401上，該懸置結(jié)構(gòu)例如可以是覆蓋物(如圖1A中所示的覆蓋面板102)或顯示單元(如LCD面板)。手指402施加包括切向分力403和垂直分力404的接觸力。結(jié)構(gòu)401由橫向加硬裝置405和經(jīng)過橫向軟化裝置406的力傳感器407來支撐。周圍結(jié)構(gòu)408承受所有的力。通過手指402施加的接觸力的切向分力403產(chǎn)生反作用力409，由手指402施加的接觸力的垂直分力404產(chǎn)生反作用力410a和410b。
由于橫向加硬裝置405的結(jié)構(gòu)和位置，分力403和反作用力409的組合并不產(chǎn)生凈力矩。在沒有這種額外力矩的情況下，按照本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的力和力矩方程式，根據(jù)垂直分力404的反作用力在410a和410b之間的分配可準確地定位接觸位置。
盡管橫向加硬裝置405、力傳感器407、橫向軟化裝置406和周圍結(jié)構(gòu)408以概括的形式在圖2中進行了描述，但是應(yīng)當理解，這些元件可如圖1A-1B所示實現(xiàn)的。例如，橫向加硬裝置405可以是橫向加硬裝置108，力傳感器407可以是圖1A-1B中所示的力傳感器，橫向軟化裝置406可以是橫向軟化裝置107，周圍結(jié)構(gòu)408可以是外殼202和/或框子104a。
這樣命名橫向加硬裝置405，其部分原因是它是置于在常規(guī)力類接觸裝置中原本存在空隙的位置，而這樣命名橫向軟化裝置406，其部分原因是它是插入在常規(guī)力類接觸裝置中通常存在的剛性連接處。但需要注意的是，在這兩種情況下，可能需要這樣一種連接，它相對于在一個方向上施加的力比在與其垂直的方向上施加的另一個力剛性更大。例如，具有較高長寬比的柱狀物、梁、板和膜就具有這個性質(zhì)，截留在兩個剛性平坦表面之間的彈性體材料的高長寬比的層也是這樣的。當然，傳統(tǒng)的支撐片也是這樣的，但是在這里更好也更簡單的是避免采用摩擦表面，以免在很小力時產(chǎn)生靜摩擦。
需要注意另一些方面，它們沒有直接在圖2中示出。橫向加硬裝置405也可沿著圖2的平面上方及下方的邊緣放置。在本發(fā)明的各個實施方式中，反作用力409主要是通過橫向加硬裝置405的這些其他部分中的剪切應(yīng)變形成的。
圖3A、3B和3C所示是橫向加硬裝置405的各種實施方式。概括性的懸置結(jié)構(gòu)401a接受來自穿過橫向軟化裝置501的概括性力傳感器407的垂直支撐力，在此實施方式中橫向軟化裝置顯示為一彈性片，所述懸置結(jié)構(gòu)401a可以是覆蓋物(如圖1A中所示的覆蓋面板102)或者顯示單元(如LCD面板)。橫向加硬裝置502是一片材料，其自由彎曲區(qū)域趨于盡可能靠近接觸平面放置。橫向加硬裝置502可圍繞401a的全部周邊，或者限制在某些區(qū)域，如傳感器裝配件附近的區(qū)域。有兩個獨立的切向力自由度一個沿著圖3A-3C的左/右軸取向，并且會使在這些區(qū)域可見的橫向加硬裝置502的部分處于拉伸或壓縮狀態(tài)；另一個垂直于圖3A-3C的平面，并且會使在這些區(qū)域可見的橫向加硬裝置502的部分處于剪切應(yīng)變狀態(tài)。如果橫向加硬裝置502基本上保持平面狀態(tài)，那么這兩個自由度將被橫向加硬裝置502的所有部分有效地抑制。對于大部分構(gòu)成橫向加硬裝置502的材料而言，楊式模量與剛性模量之比使得來自橫向加硬裝置502受拉伸或壓縮的部分的加硬作用是來自相等長度的剪切應(yīng)變狀態(tài)部分的約3-4倍。
參照圖3B，垂直力503可造成接觸表面103垂直偏移一段距離506，使得橫向加硬裝置502的彎曲部分變成傾斜而伸展。該距離506可在傳感器提供的兩個支撐物之間的中點位置特別大，如在該截面圖中所示。橫向加硬裝置502中的張力隨距離506的平方而增大。由于橫向加硬裝置502的傾斜，該張力具有垂直分力504，該分力成為所施加力503的平衡反作用力的一部分。這就減小了經(jīng)過傳感器外面部分的反作用分力505，降低到預(yù)期值以下，引起一些偏差。
圖3C所示的狀況，是橫向加硬裝置502的彎曲部分在沒有垂直負載力的情況下是傾斜的。例如，距離510可表示為框子104的一個有意抬起的邊緣，或者是部件和組合件容許量的效應(yīng)。切向力507導(dǎo)致橫向加硬裝置502中的壓縮。因為該壓縮是傾斜的，所以除了對切向力507平衡的切向分力之外，它還包含一個對反作用力509平衡的垂直分力。在拉伸中的類似情況發(fā)生在沿相反的邊緣位置。偏差力509以及沿著其相對的邊緣作用于傳感器的大小相等、方向相反的作用力一起表示產(chǎn)生在對切向力507的反作用力中的顯著力矩。這種“擠壓”效應(yīng)表示圖3A-3C中所示的另一種結(jié)構(gòu)特征。
圖4示出了另一種橫向加硬裝置601，其各處都具有合適的形狀。因為該橫向加硬裝置601在垂直方向上(即在基本上垂直于接觸表面103的方向上)是柔順的，所以這種形狀能讓接觸表面103充分地偏移，而不使橫向加硬裝置601處于拉伸狀態(tài)。這就提高了可準確定位的接觸力的范圍，尤其是對于傳感器之間邊緣附近的接觸。橫向加硬裝置601的該種形狀也大大地減小了處于拉伸和壓縮狀況下的橫向加硬作用。但是，由于由剪切應(yīng)變狀態(tài)下的橫向加硬裝置601的各個邊提供的橫向剛度仍舊可以是充分的，這樣在大幅度減少缺陷偏差方面具有優(yōu)勢，所述缺陷具有選擇性地通過橫向加硬裝置的拉伸和/或壓縮所產(chǎn)生的作用(本文中稱為“擠壓效應(yīng)”)。
所示的懸置結(jié)構(gòu)401b具有傾斜的邊緣602。這就使力傳感器和橫向加硬裝置601共用同一較窄的邊界寬度，同時保持后者的彎曲部分的間隙。所示前蓋203具有附加的特征604，該特征用以確保前蓋203與橫向加硬裝置601和表面103之間的間隙。前蓋203所示為完全位于邊界結(jié)構(gòu)上面，為的是隱藏邊界結(jié)構(gòu)(改善外觀)，并且保護橫向加硬裝置601不受損傷。
關(guān)于橫向加硬裝置601的形狀還有一點要指出。在剪切應(yīng)變狀態(tài)下的橫向加硬裝置601的旋轉(zhuǎn)彈性軸位于虛線603的水平面上。對于基本為圓的形狀，虛線603從接觸平面的偏移大約兩倍于橫向加硬裝置601本身的最大偏移。如果橫向加硬裝置601的形狀是淺“V”形的話，那么虛線603位于該點的水平面上。由于準確度平面位于虛線603的水平面上，所以切向力抑制不是最完美的；但還是足夠大的。
圖5A-5C示出了橫向加硬裝置108的其他變體108a-c，可以應(yīng)用于圖1A-1B所示的實施方式中。在這些變體中，所示的框子104有一個有意的抬高部分，它可比接觸表面103高0.020英寸。橫向加硬裝置108a也可起密封作用，并且具有非常陡峭的“雙向折彎”形狀701a。橫向加硬裝置108a的大部分彎曲區(qū)域由外罩的接觸表面102支撐。這個部分具有非常耐損壞的優(yōu)點，并且不必用設(shè)備前蓋203覆蓋。應(yīng)該明白在其他實施方式中，橫向加硬裝置108a可以不在框子104a與接觸表面103之間提供密封。
在圖5A中，形狀701a靠近點702放置，而橫向加硬裝置108a在該點上連接到表面103上。前蓋203具有很小的寬度。橫向加硬裝置108a可以是不透明的，并且具有適用于邊界的可視細節(jié)的顏色。需要注意的是，在前蓋203a下方幾乎沒有讓污物聚集的露出空隙，所以這種裝置尤其適合不潔的環(huán)境中使用。在圖5B中，外形701b接近框子104的凸緣放置。示出前蓋203b隱藏著邊界結(jié)構(gòu)。分別示于圖5A和5B中的橫向加硬裝置108a和108b可以是，例如以四個分開的帶子形式或者以單個沖切片形式施加上去的。
對于圖5A-5B的雙向折彎的橫向加硬裝置108a-b而言，對剪切應(yīng)變的反作用力的旋轉(zhuǎn)彈性軸603近似地位于接觸表面103上方的橫向加硬裝置的彎曲部分的平均高度位置。為了達到多重目的，所得的準確度平面可充分地接近接觸平面。但是，應(yīng)當注意的是，任何殘余的擠壓效應(yīng)會將準確度平面置于接觸表面103以下，而軸603位于其上方。這樣，通過調(diào)節(jié)外形701的位置和/或凸緣的高度，兩個相反的作用可通過調(diào)節(jié)而相互抵消。這就構(gòu)成了橫向加硬裝置的一個例子，所述橫向加硬裝置產(chǎn)生了與橫向加硬裝置本身相比，更緊密限制在接觸平面的切向反作用力。
在圖5C中，橫向加硬裝置108c包括一透明薄膜，它覆蓋整個接觸表面103。橫向加硬裝置108c在連接點702以內(nèi)的區(qū)域用光學(xué)膠粘劑固定。如果所示前蓋203很小，并且如果懸置結(jié)構(gòu)401也是透明的，那么用不透明材料沿著邊緣涂覆懸置結(jié)構(gòu)401的上表面或下表面(以隱蔽傳感器和其他邊緣結(jié)構(gòu)，不讓使用者看到)在美觀方面是有利的。如果懸置結(jié)構(gòu)401是玻璃覆蓋的或易碎的顯示器，橫向加硬裝置108c提供了在碎裂情況下具有安全效果的優(yōu)點。由于接觸表面103在連接點702的右面部分具有均勻的光學(xué)性質(zhì)，就可將該點設(shè)置在向內(nèi)更深的位置，而不用增加邊界的寬度。由于現(xiàn)在整個邊界的寬度可被108c的彎曲部分利用，所以可以獲得橫向加硬裝置108c現(xiàn)在可以做的更厚，從而更硬，而不致有過大垂直剛度的優(yōu)點。
在本發(fā)明的一個方面，第一和第二彈性裝置分別位于接觸定位裝置的接觸表面的上方和下方。使所述第一和第二彈性裝置平衡，以在接觸平面或者至少在接觸平面的偏差允許區(qū)域生成一個彈性中心。彈性裝置位于接觸定位裝置的傳感連接體中，以產(chǎn)生位于接觸平面的偏差允許區(qū)域內(nèi)的準確度表面，由此減小或消除切向力對接觸定位裝置中的力傳感器的影響。
例如，參看圖7A，一個力傳感器組合件的例子，包括彈性裝置1010，它用來生成位于接觸平面的偏差允許區(qū)域內(nèi)的準確度表面。力傳感器1002安裝在剛性支撐表面1004上。為了易于說明，力傳感器1002(以及在本文中別處顯示和描述的其它力傳感器)以概括的形式示出，它例如可以是壓電的、電阻的、電容的或者提供足夠剛度的任何結(jié)構(gòu)。雖然本文中的例子假定所有相關(guān)的彎曲都將發(fā)生在所提及的彈性裝置中，但這不是對本發(fā)明的限制。而且，應(yīng)該明白，在“剛性”結(jié)構(gòu)中的適度彈性彎曲可以通過調(diào)節(jié)準確度平面上方及下方的彈性裝置1010的相對剛度來調(diào)整。當在“剛性”結(jié)構(gòu)中的這種彎曲太大不足以調(diào)節(jié)時(即，需要負剛度值)，可以一同降低準確度平面上方及下方的彈性裝置1010的剛度，從而允許它們進行相對調(diào)整以得到所需的效果。力傳感器1002感受施加在接觸面板1008的接觸表面1006上的接觸力。剛性支撐元件1014包括(1)從接觸表面1006的邊緣向上延伸的垂直部分1014a，(2)從接觸面板1008的邊緣延伸出去的水平部分1014b，以提供彈性裝置1010用的間隙。
彈性裝置1010的一端連接在剛性支撐元件1014的水平部分1014b的下面，而彈性裝置1010的另一端連接在力傳感器1002的上表面。彈性裝置1010包括位于拐點1012上方的上部1010a以及位于拐點1012下面的下部1010b。
在第一個實施方式中，彈性裝置1010是一個具有均勻模量和慣性矩的柱體，具有長度相等的部分1010a和1010b。對稱地，可以看出在該實施方式中彈性裝置1010具有一個拐點1012，相對于此拐點不會生成響應(yīng)施加在接觸表面1006上的切向力的力矩。
在第二個實施方式中，參看圖7B，彈性元件1014的兩個部分1020a和1020b分別為具有均勻模量和慣性矩的柱體，但是具有不同的有恒定比例的慣性矩，與確定的橫軸無關(guān)。如果兩部分1020a-b的長度之比設(shè)定為它們的慣性矩之比的平方根，則在1012上還將具有一個拐點。例如，彈性元件1014可以有一個圓形截面。它可以直徑D延伸到接觸平面1006以下200密耳，以直徑D/2延伸到接觸平面上方50密耳。適當?shù)剡x擇材料和直徑D，彈性元件1014可以具有令人滿意的強度，并且仍是柔韌的足以控制拐點1012的位置。但是，為了達到在周圍結(jié)構(gòu)中的彎曲效果，需要對部分1020a的長度進行經(jīng)驗調(diào)節(jié)。
這種使傳感器后置的方法比DeCosta的美國專利4,355,202提供的方法有優(yōu)點，因為在1012的附近對力傳遞的材料的量會更大，能提供更大的強度，并使得元件1010充分地相互連接、保持住并將接觸面板1008裝在支撐表面1004上。
再參看圖7B，同樣假定水平力F施加在接觸表面1006上。令z表示離開接觸表面1006的距離，它也就是矩臂的長度，據(jù)此切向力在1020中引起力矩。令M是在α點響應(yīng)力F所產(chǎn)生的力矩，支撐元件1020是在α點連接在接觸表面1006上。在α點和裝置另一側(cè)的對稱點(未示出)的M的理想值為零。如果能夠達到這一點，則接觸表面1006不需要在力傳感器1002或其對稱的傳感器上有虛擬的垂直感受力以保持平衡。由于接觸表面1006基本上保持水平，在1020長度上的積分翻轉(zhuǎn)必然保持為零。如果z＝0時力矩為零(即M＝0)，則∫abzEIds=0]]>方程式1式中E是楊式模量，I是截面的慣性矩。
如果方程式1滿足，則在接觸表面1006上方及下方，支撐元件1020的彎曲效果將彼此抵消。只有純偶矩和純剪切力會被位于接觸點b的力傳感器1002感受到，并且傳感器1002不對純偶矩或純剪切力產(chǎn)生反作用力。應(yīng)用方程式1可以形成用于彈性裝置1020的適宜的模型。經(jīng)驗方法或本領(lǐng)域熟知的分析手段也可以用來進行對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯而易見的改變。例如，在圖7B的實施方式的一個變體中，元件1014可以是彈性裝置1020的一個彈性伸長體，而不是另一個剛性元件。對這種變體對切向力F的響應(yīng)的分析基本上可以根據(jù)方程式1進行。但是，對通過圖面的剪切力(未示出)而言，必須考慮附加的扭轉(zhuǎn)彎曲。但是，由于在與接觸平面平行的x和y方向上的彈性裝置的不同部分的相對厚度可以獨立地改變，對剪切力的兩個分力在α點的反作用力矩可使其達到零。同時，還要看到，如果在一個接觸定位裝置中使用不同類型設(shè)計或不同安裝取向的傳感連接體，在α點的一些非零力矩可設(shè)計成集合地抵消，使得不需要有虛擬的垂直力通過傳感器以保持力矩平衡。
以下考慮與本文中所述本發(fā)明的其它方面相關(guān)的兩個方面，在某種程度上是得益于稍微不同的分析。在這兩個方面，一個剛性接觸表面結(jié)構(gòu)由位于接觸平面下方的彈性連接體支撐。傳感由位移傳感器進行，它可以是對接觸表面結(jié)構(gòu)相對于支撐結(jié)構(gòu)不同的區(qū)域的運動直接或間接地產(chǎn)生響應(yīng)。
這兩個方面提供位于接觸平面下方的彈性支撐體，同時保持準確度表面位于接觸平面中。第一種變體是用成角度的剛度軸實現(xiàn)這一點，而第二種變體是用成角度的敏感軸實現(xiàn)這一點，這也是新的。
結(jié)合彈性連接體來看力傳感器，這些方面的位移傳感器各自集合地依賴所有的彈性連接體。這樣，整個多傳感器接觸定位裝置可以視作一單個多途徑力傳感連接體。在本發(fā)明的這些方面的各個實施方式中，如果在接觸面板和支架中由接觸力導(dǎo)致的彎曲與彈性連接體上的位移相比較小，則可以達到較高的準確度，因為位移傳感器能“見到”兩者的效果。在傳感器和彈性連接體能密切配對的程度上，可緩解對錯誤的敏感性和相應(yīng)的剛度要求。在對位移傳感器的敏感軸各自通過相關(guān)的彈性連接體的彈性中心的限制內(nèi)，這樣的配對能產(chǎn)生更多的信息，用來作為聯(lián)合的一套各單通道力傳感器來分析情報。但是，由于位移的觀點更為普遍，所以它用來分析這些實施方式。
參看圖11，顯示了使用彈性校正的本發(fā)明的一個實施方式。剛性接觸表面結(jié)構(gòu)1401用彈性連接體1403a-b支撐在剛性支架1402上。接觸表面結(jié)構(gòu)1401的局部垂直運動由具有垂直敏感軸1412a-b的位移傳感器1404a-b檢測。位移傳感器1404a-b可以是電容式的，如本文中發(fā)明概述部分所建議的，或者是光學(xué)式的、電感式的等，或者是通過微小力的任何類型。
彈性連接體1403a-b、接觸表面結(jié)構(gòu)1401、以及支架1402構(gòu)成直接相當于成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300的系統(tǒng)。這樣就可以看出彈性連接體1403a-b是如何設(shè)置使得在接觸表面1411上的剪切力在接觸表面結(jié)構(gòu)1401中形成純橫向位移的，從而不會從傳感器1404a-b中產(chǎn)生輸出。這樣，圖11的系統(tǒng)不會具有因?qū)佑|力的切向分力的響應(yīng)產(chǎn)生的錯誤。
參看圖12，顯示了使用成角度的敏感軸的本發(fā)明的一個實施方式。剛性接觸表面結(jié)構(gòu)1501由彈性連接體1503a-b支撐在剛性支架1502上。接觸表面結(jié)構(gòu)1501的局部運動利用沿敏感軸1512a-b的位移傳感器1504a-b檢測，這兩個敏感軸1512a-b相對于接觸平面和所需的準確度平面1511傾斜。位移傳感器1504a-b也可以是實際上任何類型的，其選擇根據(jù)具體的用途中按尺寸、準確度、成本等哪一種類型最適合來確定。
當切向力1513施加在接觸表面1511上時，接觸表面結(jié)構(gòu)1501繞圖12下方的一個點稍稍旋轉(zhuǎn)。這種運動局部地沿著位移傳感器1504a的線1509。還有另一條與線1509類似的位移線(未示出)，可以想像該位移線響應(yīng)通過接觸表面中心1514朝上的切向力(未示出)由圖穿出。敏感軸1512a可清晰地設(shè)置成與這條線并且同時與線1509垂直。類似的討論適用于傳感器1504b和所有其它的位移傳感器，即使這些傳感器不規(guī)則地放置。這樣，就有了能一般地避免由于接觸的切向分力導(dǎo)致的接觸定位錯誤的傳感器取向。
可以是用實驗方法清楚地找到這種取向。但是，可以通過進一步的分析獲得對此深入的了解。
再參看圖12，切向力1513在連接體1503a中產(chǎn)生一個大小為F的力，這個力具有大小為F1的垂直分力，和大小為F2的切向分力，如力1505所示。力F具有作用線1510，這條線通過接觸表面中心1514，并且非?？拷B接體1503a的彈性中心通過(這種排列在理論上不是最完美的，因為連接體1503a對接觸表面結(jié)構(gòu)1501的輕度旋轉(zhuǎn)具有小的反作用力矩)。連接體1503a的彈性中心位于接觸平面下方，距離H2；傳感器1504a的中心位于接觸平面下方，距離H1。連接體1503a的彈性中心還位于中點1514的左邊，距離L2，而傳感器1504a中心的相應(yīng)距離為L1。由此可見，F(xiàn)1/F2非常近似于H2/L2。
彈性連接體1503a的主剛度軸示于1506。接觸表面結(jié)構(gòu)1501的位移，如圖所示，通過在連接體1503的彈性中心的剛性伸長，示于1507。如圖所示，垂直主剛度S1可超過切向主剛度S2(S1/S2＞1)，并由用來表示彈性連接體1503a-b的符號來表示。在實踐中，可以有一個非常大的剛度比例范圍，并且許多連接體的選擇提供小于1的S1/S2。由于所述的分力F1和F2已經(jīng)與連接體1503a的主軸排成一行，位移D與接觸平面的角度φ的正切為D1/D2＝(F1/F2)*(S2/S1)＝(H2/L2)*S2/S1。
位移線1509與接觸平面形成的角也是傳感器1504a的最優(yōu)傾斜角θ。這些角與φ緊密相關(guān)，當1503a的彈性中心和1504a的傳感器中心重疊，或者位于沿發(fā)自中心(圍繞該中心接觸表面結(jié)構(gòu)1501響應(yīng)于切向力1513發(fā)生旋轉(zhuǎn))的公共半徑時，條件θ＝φ成立。這個旋轉(zhuǎn)中心位于敏感軸1512a-b的交點。它還位于沿通過連接體1503a-b的彈性中心的一些半徑上，這些半徑與接觸表面的法線傾斜，傾斜角為φ。分析這種幾何關(guān)系得到方程式2所示的關(guān)系θ=tan-1(L1L22·S1H2·S2+H2-H1)]]>方程式2在建立三維模型的過程中，角θ被視為由所述傳感器的敏感軸在含有x或y軸的垂直平面上的投影與接觸平面法線形成的角，可以就各個傳感器對各個軸決定之。
關(guān)于剛度S2，其值較大，則θ較大且橫向移動較小，在生產(chǎn)中保持θ的值的精確度要求較小。
關(guān)于圖11或圖12中的實施方式，位移傳感器的位置選擇可以有較大的自由度，只要它們不全在接近于一條直線上的位置。具體地說，傳感器可以在一個個隔開的彈性連接體附近成對排列，以降低對剛度的要求；或者可以在內(nèi)部、外部、交替排列，或者在數(shù)目上與彈性連接體不同?？梢允箯椥赃B接體的垂直剛度較小，從而要求較小的傳感器靈敏度和較小的結(jié)構(gòu)剛度，也可以較大從而減小對振動的敏感性。
成角度的一些位移傳感器和成角度的一些剛度彈性連接體的組合也明顯可用，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的各種實施方式使用成角度的剛度結(jié)構(gòu)；即，是一個或多個具有相對于接觸平面的法線傾斜的主剛度軸的彈性體。
參看圖10A，成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300包括由剛性支架1303通過彈性連接體1301a-b支撐的剛性體1302，具有相應(yīng)的最大主剛度軸1312a-b。彈性連接體1301b構(gòu)造并應(yīng)用作為連接體1301a相對于圖10A的中心平面的鏡像。一般地，彈性連接體1301a-b可以認為是牢固地附著在它們的末端，因此能在某種程度上能抵抗任意方向上的力。對彈性連接體1301a而言，這種抵抗可以在一特定方向上具有最大值，由最大主剛度1310的長度和方向表示。彈性連接體1301a的較小主剛度1311必須與最大主剛度1310成直角。為了說明起見，可將這兩個方向表示在圖10A的平面中。在三維中，還有第三主剛度在與圖10A的平面上呈直角延伸。為了具體起見，該第三主剛度可取為具有與剛度1311相等的值，使得兩個較小主剛度是簡并的。
向剛性體1302沿其表面水平面1305施加切向力。作為響應(yīng)，剛性體1302將向左移動，點1306可能向上、向左移動，也可能向下移動，或者保持在水平。但是，由對稱性可見，在表面1305中心的點1308必定開始純粹地水平動動。
連接體1301a-b的最大主剛度的方向與表面1305的法線傾斜成θ角。如果這兩個剛度以θ＝0排列，則結(jié)構(gòu)1300的彈性中心位于點1307，處在連接體1301a-b隔開的兩個彈性中心的中點位置。在這種情況下，點1306將由于力1304的作用向下，并向左移。但是，θ大于0時，系統(tǒng)的彈性中心將在點1307的上方。為了明白這點，想像較小主剛度1311減小為0?？赏ㄟ^使用彈性連接體1301a-b的適宜的結(jié)構(gòu)來達到這一點，但是可以通過畫出在它們各自的末端安裝了樞軸來充分地想像，這兩個樞軸沿著最大主剛度軸1312a-b。現(xiàn)在很微小的力1304將會使剛性體1302位移，使之以這兩個軸相交的點1309為中心旋轉(zhuǎn)。這樣，點1306就在向到左移動的同時上升。
雖然在純偶矩施加于系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的彈性中心可以是旋轉(zhuǎn)中心，但是在涉及平動的力時，一般不是旋轉(zhuǎn)中心。但是，在這種特殊的情況下，隨著系統(tǒng)由于偶矩的作用繞點1309清晰地旋轉(zhuǎn)，可以看到這兩個中心重合。
隨著彈性連接體1301a-b的較小主剛度的增大，系統(tǒng)彈性中心必定沿對稱面平滑地從點1309向點1307下移，直到“較小”和“最大的”主剛度具有相等的值時達到點1307。
這樣，對于導(dǎo)致最大主剛度1312a-b通過中心表面點1308上方所選擇的任何角度θ而言，會有一個使系統(tǒng)彈性中心定位于點1308的較小主剛度1311的值。在該種選擇下，點1306在力1304的作用下開始純粹地水平動動。由于力1304遇到阻力，最終的結(jié)果可能是剛性體1302作較小的水平位移，伴隨著輕微的旋轉(zhuǎn)或垂直位移。
這樣，在本發(fā)明的一個方面，可使用一種成角度的剛度結(jié)構(gòu)以對稱地控制彈性中心的位置，將其置于不使用成角度的剛度就難以達到的位置。具體地說，本發(fā)明指出了，成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300怎樣將彈性中心投影成位于一個平面，如平面1313(該平面使其與相關(guān)的彈性能量儲存裝置隔開)之外的一個點，如點1308。
作為橫向加硬裝置來說明，可以看到，成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300具有一個位于該成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300的彈性中心附近的有效平面。
上面是將彈性連接體1301a-b表示為物理結(jié)構(gòu)和與最大主剛度軸連成一線的末端連接件。這僅僅是為了清楚說明的目的。雖然選用來表示連接體1301a-b的半示意性符號表明能實際上使用盤簧，但是連接體1301a-b可以使用其它結(jié)構(gòu)，如彈性墊塊或模制品，或者由較大的彈簧金屬沖壓品彎成拱形的薄翼片來實現(xiàn)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不難設(shè)想許多其它的材料、形狀和結(jié)構(gòu)。成角度的剛度結(jié)構(gòu)可以是個較大物體，也可以是一些較小的物體的結(jié)合體。對成角度的剛度結(jié)構(gòu)的連接部位也無需與其主剛度軸相關(guān)。
例如，在圖10B中，示出的彈性連接體1320在剛性體1321和剛性支架1322之間可以移動，提供傾斜的最大主剛度軸1323。具有彈性中心1327和1328的彈性體1324和1325與剛性連桿1329a-c依序地連接。由于連桿1329a和1329c是剛性的，牢固地固定在下面及上面的物體上，為了方便起見，可以選擇對總的彈性行為或軸1323沒有影響的連接途徑和連接點。注意彈性體1324和1325可以各自具有不傾斜的主剛度軸。但是，在依序連接后，連桿1329b可以旋轉(zhuǎn)，作為對在垂直于彈性中心1327和1328之間連線的方向上總位移的響應(yīng)。這樣可以大大地減小該方向上位移的阻力，留下最大主剛度軸1323接近中心1327和1328通過。因此軸1323的傾斜是由依序連接的彈性中心1327和1328的傾斜定位形成的。這樣還可以看到，即使沒有單個的子元件是傾斜的，彈性中心也可以利用由于結(jié)構(gòu)的傾斜形成的成角度的剛度進行控制和投影。
回到圖10A，我們可以考慮三維的成角度的剛度結(jié)構(gòu)1300?？赡芩璧氖墙Y(jié)構(gòu)1300的總彈性中心保持在為使力進出圖10A的平面與使力指向左邊或右邊的相同高度。要實現(xiàn)這一點，可將與彈性連接體1301a-b類似的一個個彈性連接體間隔地放置在剛性體1302下某個閉合曲線的周邊上，各自向內(nèi)向一共同的中心軸。這些彈性連接體還可以向該軸的一側(cè)傾斜，只要凈傾斜是向內(nèi)的，并且這些連接體的組合能共同恢復(fù)充分的平衡。也可以是，具有一個傾斜軸的一個連續(xù)彈性部件可以卷繞該曲線，則彈性連接體1301a-b表示靠近圖10A的平面的部分的效果。在上述兩種情況下，在圖面上方或下方、并接近相對于左-右軸的中心的彈性連接體會減小彈性連接體1301a-b的一些投影效果。在選擇適宜的角度θ以及剛度1310與1311的適當比例時可以將此考慮進去。
對于總彈性中心的一個給定高度，有一個足以達到這種高度的該比例的最小值以及其所對應(yīng)的單個θ值。但是，對于更大的比例，提供所需的總彈性中心的高度有兩個不同的θ值。具有較小傾斜角θ的方案與具有相對較大的垂直剛度和較小的切向剛度的結(jié)構(gòu)1300對應(yīng)，而具有較大傾斜角θ的方案提供了較小的垂直剛度和較大的切向剛度。本文中描述的不同的應(yīng)用可以用其中一種方案或另一方案較好地進行操作。對合適的方案的計算可提供本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的機械原理。
在本發(fā)明的一個方面，隔開的力途徑提供在使用與接觸平面遠離的橫向加硬裝置的接觸定位裝置中。例如，參看圖8A，力傳感接觸定位裝置1100包括一個具有接觸表面1107的接觸面板1101。面板1101通過傳感連接體1103a-b和傾斜的剛度彈性連接體1104a-b支撐在支架表面1102上。。傳感連接體1103a-b包括具有力傳感器1105a-b和橫向軟化裝置1106a-b的傳感組合件。面板1101、支架1102和彈性連接體1104a-b的組合構(gòu)成類似于成角度的剛性結(jié)構(gòu)1300(圖10A)的結(jié)構(gòu)。
在第一個實施方式中，橫向軟化裝置1106a-b提供了橫向剛度，它與由彈性連接體1104a-b提供的橫向剛度相比微不足道?？蛇M一步選擇連接體1104a-b的傾斜度和剛度比，以在沒有傳感連接體1103a-b的情況下提供接觸平面1107的彈性中心1108。然后，在接觸平面1107上施加切向力產(chǎn)生純橫向移動，在任何一個傳感器連接體區(qū)域不產(chǎn)生垂直偏移。這樣就可以看到，在重新安裝了傳感連接器1103a-b后，同樣的切向力繼續(xù)產(chǎn)生純橫向移動，帶動傳感器1105a-b一起移動，但是沒有多大的力通過傳感器。這樣就可以制得具有基本上與其接觸平面重合的準確度平面的接觸定位裝置1100。
在第二個實施方式中，橫向軟化裝置1106a-b可以多少提供移一定的橫向剛度。但是，可以選擇連接體1104a-b的傾斜度和剛度比，以在沒有傳感連接體1103a-b的情況下提供位置稍高于點1108的彈性中心。由此可見，如果傳感器組合件的橫向剛度不過大，將可以對能抵消這種剛度效應(yīng)的連接體1104a-b進行選擇，從而再次在接觸平面的允許偏差區(qū)域中放置準確度平面。在另一種情況下，可以看到，如果傳感連接體1103a-b不僅提供一定的橫向剛度，還提供稍微傾斜的剛度，對彈性連接體1104a-b進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)仍然可以使準確度平面與接觸平面重合。
力傳感器1105a-b可以是任意結(jié)構(gòu)的，并且可以是垂直剛度的。橫向軟化器1106a-b可以在傳感器的上方或下方，如果傳感器具有足夠的橫向柔順性，它也可以不用。傳感器1105a-b或者橫向軟化器1106a-b還可以包括一個旋轉(zhuǎn)軟化器，以減小面板1101或支架1102中的彎曲產(chǎn)生的不利影響。彈性連接體1104a-b的最大實際傾斜度的選擇可用來提供大多數(shù)橫向加硬和最小垂直剛度。在彈性連接體1104a-b中的低垂直剛度允許最大的垂直接觸力通過傳感器1105a-b，并且還可以減少由于面板1101或支架1102中的彎曲產(chǎn)生的接觸定位誤差。這樣，彈性連接體1104a-b就是一個橫向加硬裝置，在接觸平面的后面。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，圖8B描述了一個具有圓頂形觸鏡1150的可接觸使用的蜂窩電話的應(yīng)用。采用圓頂形鏡1150的形狀可能是例如為了美觀，或者由于強度或剛度的需要。由于觸鏡1150的接觸表面1152不是一個平面，三度的力傳感時，不可能完全排除切向力的影響。但是，如圖所示，一個良好的折衷的準確度平面1154還是可能的，它明顯地位于橫向加硬器實際應(yīng)用的任何區(qū)域的上方。
殼體1160牢固地擱在線路板1166上，線路板與其下面的其它結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成有效的剛性支架。線路板1166擱在殼體1160的支架1168和/或肋1169上。在接觸表面1152下面操作懸掛部件1180可以得到所需的準確度平面1154。該部件1180還起密封的作用，并使用下面的彈性修正裝置起橫向加硬裝置的作用。
使懸掛部件1180成一角度以產(chǎn)生“擠壓”效應(yīng)。在本發(fā)明的一個實施方式中，懸掛部件1180置于垂直力傳遞元件1158與殼體1160之間，與所需的準確度平面1154成一角度，從而使得準確度平面1154在所需的高度。元件1158是垂直剛性的，但是由于其長度的關(guān)系，在與縮頸部件1170一起可在橫向上非常柔軟。
更具體地說，在本發(fā)明的一個實施方式中，懸掛部件1180設(shè)置角度的選擇如下。參看圖8C，它示出了裝有圖8B中的懸掛部件1180的蜂窩電話裝置的部分截面。觸鏡1150可具有基本上正方形的平面。部件1180可具有由圖面垂直分割的段1180a-b，以及在圖面上方及下方在長度方向上延伸的段1180c-d?？稍诮佑|表面1152上施加一個切向試驗位移1182。然后選擇懸掛部件1180的結(jié)構(gòu)，使得部件1180對試驗位移1182的反作用力不產(chǎn)生相對于所需準確度平面1154中的中心點1184的力矩。如果沒有這種反作用力矩，則當平面1154中的切向試驗力產(chǎn)生試驗位移時，力傳感器1162(圖8B)不會經(jīng)受用以平衡這種力矩的垂直力。這樣，傳感器1162將不會對施加在準確度平面1154上的力的任何切向分力作出響應(yīng)，也不會對施加在接觸表面1152上的切向分力有過度的響應(yīng)。
較佳的是根據(jù)經(jīng)驗，同時使用各種計算方法，包括但不限于全部有限元分析，設(shè)計出能將切向力偏差減至最小的部件1180的結(jié)構(gòu)。但是，圖8A-8D的實施方式可以就元件形狀的單純壓縮、切變以及梁的彎曲進行分析。這種分析可以增進對本發(fā)明方法的理解，因此其它可能的更準確的方法將在下文中作進一步的解釋。
試驗位移1182可由分力1182a和1182b的總和來表示。懸掛部件的段1180a通過分力1182a沿其寬度壓縮，并由分力1182b的作用橫向移動。段1180a中這些分力的反作用力可由垂直力的分力1186a和1186b的總和來表示。分力1186a平行于彈性修正裝置和密封部件的段1180a的寬度平行，而分力1186b垂直于段1180a的寬度。
與圖面上方及下方的試驗位移1182平行的段1180c-d也產(chǎn)生剪切反作用力1186c-d。這些反作用力平行于試驗位移1182，因為段1180c-d在該方向上沒有傾斜的剛度。
參看圖8D，在觸鏡1150的左半邊周圍的部件1180中的所有反作用力的效應(yīng)可以用具有作用線1188a的單個力1186f來概括。具有作用線1188b的類似的力1186g概括了來自位于觸鏡1150右半邊的部件1180的所有反作用力的效應(yīng)。力1186f可得自所示的力組成圖。由于負載的對稱性，在1186a和1186b的力可視為在部件的段1180a的質(zhì)心1189附近產(chǎn)生的力。類似地，剪切力1186c-d在圖面的上方及下方的部件的段1180c-d的質(zhì)心附近對稱地生成。但是，考慮到純試驗位移1182進行時不應(yīng)有旋轉(zhuǎn)，在1186c-d的力各自可視為大小和方向相同的兩股力的總和，一股力在段的左半邊生成，另一股力在段的右半邊生成。合在一起的力1186c-d的兩個“左半邊”構(gòu)成施加在觸鏡1150左半邊的所有力的凈力，示為力1186e。力1186e與力1186c-d的大小和方向相同。它的作用線靠近段1180a的質(zhì)心1189通過，所以可以被視為在那里傳遞不改變效果。
位移1182a和1182b的大小等于與試驗位移1182的大小分別和角度θ的正弦和余弦的乘積。主反作用力1186a可通過位移1182a對懸掛部件的段1180a的直接壓迫作用計算得出。次要的反作用力1186b可將其視為末端控制的寬梁，由部件的段1180a的橫向偏差1182b計算得出。由于這個梁可以相當“粗短”，反作用力1186b可通過直接剪切的作用而一定程度地減小，但是受到部件1180的梁的剛度支配。因此，反作用力1186b的相對重要性由部件1180的厚度與部件1180所橋接的間隙的長度之比決定。
力1186e可由部件的類似的段1186c-d中的任意一個對于試驗位移1182的直接橫向剪切應(yīng)變的響應(yīng)計算得出。注意，如果部件1180是彈性體材料的，并且角度θ不是太大，力1186b的大小接近于力1186e的四倍。這反映了一個事實，即彈性體的橫向變形系數(shù)非常接近1/2，并且作為一根梁的段1180a相對于其“長度”相對“寬”。
力1186f和1186g合計為對于彈性并聯(lián)連接體中產(chǎn)生的試驗位移1182的全部反作用力。根據(jù)對稱性可以看到，這些反作用分力的作用線1188a和1188b在點1184相交，它們的力，即彈性并聯(lián)總反作用力的作用線然后通過此點。同樣地，根據(jù)對稱性可以看到，該并聯(lián)總反作用力的作用線是水平的，落在平面1154和圖面上。考慮試驗位移1182可由與并聯(lián)連接體中的反作用力大小相等、方向相反的，施加在點1184的水平面和平面1154上的純切向試驗力產(chǎn)生。在這種情況下，并且只有施加在這個水平面上才保持力的平衡而不需要在傳感連接體中有附加的反作用力。這樣，施加在平面1154上的居中的切向力產(chǎn)生了純切向位移，而不會有力通過橫向的柔軟傳感連接體。但是，通過本文別處的描述，可以明白以任意方向施加在平面1154中任何位置上的切向力不會對傳感器上留下明顯的效應(yīng)。這樣，事實上，所需的準確度平面1154可以認為真實上是準確度平面，并且通過部件1180提供的并聯(lián)的彈性連接體可以認為是一種有效的橫向加硬裝置。
可以用許多方法來控制準確度平面1154的高度。例如，部件1180可提供為具有相對于其截面的凸起或形狀。這樣就能通過減小力1186a的大小來控制凈反作用力角度φ(試驗位移1182與作用線1188a-b之間的夾角)，而力1186b和1186c沒有大的變化。
或者，所需的準確度平面1154還可以通過改變部件1180的寬度(最大主剛度的方向)與安裝平面(該平面與所需的準確度平面1154平行)的法線之間的安裝角度θ得到。這樣就通過改變反作用力1186a的角度，以及反作用力1186b的角度和大小來控制凈反作用力角度φ。隨著角θ開始從平的安裝面減小，由于反作用力1186a轉(zhuǎn)向垂直，角φ先增加。隨著部件1180繼續(xù)向上斜，反作用力1186b的數(shù)值開始增加，逐步抵消角φ的增加。隨著角θ的進一步減小，反作用力1186a的減小以及反作用力1186b的增大顛倒了角φ的變化趨勢，使其減小。這樣就使反作用力1186e保持不變。
另一種得到所需的準確度平面1154的方法是改變部件1180的相對厚度。這樣就通過改變反作用力1186b的相對值來控制凈反作用力角度φ。
在需要保持垂直剛度最小的情況下，應(yīng)該使部件1180的安裝角度θ最大，以使反作用力1186b減至最小。這通常是取了這兩種可能的方案的“優(yōu)點”，是由角φ隨著角θ的變化先增加、后減小提示出來的。由等高部件1182得到的控制所產(chǎn)生的垂直-水平剛度比，比由非等高部件產(chǎn)生的垂直-水平剛度比更大，并且難以在生產(chǎn)中保持充分的再現(xiàn)性。部件1180的厚度越大，就會產(chǎn)生更大的垂直-水平剛度比。
應(yīng)該明白的是，上述用來得到所需的準確度平面1154的方法單純是為了舉例說明的目的，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。其它用來生成所需的準確度平面1154的方法也落入本申請的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的一個方面，彈性裝置設(shè)置在包括許多力傳感器的接觸定位裝置的接觸表面的下面。傳感連接體包括這些與許多力傳感器串聯(lián)的彈性裝置。這些彈性裝置含有與所需的準確度平面成角度的部件，從而能隔開地在所需的準確度平面中形成各個傳感連接體的彈性中心。這樣，各個傳感連接體中的切向接觸力的反作用力本身成為純切向力。提供傳感連接體，其敏感方向垂直于所需的準確度平面，這樣，通過這些傳感連接體傳送的純切向反作用力就不會產(chǎn)生輸出。
例如，參看圖9A，示出了一個實施方式，它包括一個具有接觸表面1204的接觸面板1202，該接觸表面是所需的準確度平面。剛性力傳感器1206與彈性裝置1208a和1208b串聯(lián)連接，彈性裝置1208a和1208b連接在傳感器1206與接觸面板1202之間。力傳感器1206安裝在剛性支撐表面1212上。與設(shè)置在其上方及下方的剛性連接件一起，力傳感器1206和彈性裝置1208a-b共同構(gòu)成傳感連接體1216。
彈性裝置1208a-b與在其上方及下方的剛性結(jié)構(gòu)一起，提供一個成角度的剛性結(jié)構(gòu)1300的實施方式。彈性裝置1208a-b傾斜安裝，其剛度比使得傳感連接體1216的彈性中心位于接觸表面1204的允許偏差區(qū)域內(nèi)的點1214。結(jié)果，傳感器1206對施加在接觸表面1204上的切向力反應(yīng)就不敏感。
圖9B示出了圖9A所示裝置的一種變體，其中彈性柱1228a-b裝在剛性托架1221和1223的成角度的表面之間。這表示了圖9A中半示意所示的彈性裝置1208a-b有一個很寬范圍的各種實施方式，這對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。
圖9C示出了圖9A所示裝置的又一種變體，其中位移傳感器1246(例如電容性的)與彈性裝置1248a-b(如彈簧)并聯(lián)。彈性裝置1248a-b和位移傳感器1246都連接在接觸面板1242的底面1250和剛性支撐表面1252之間。位移傳感器1246和彈性裝置1248a-b與上方和下方的剛性連接件一起，共同構(gòu)成傳感連接體1256。參看成角度的剛性結(jié)構(gòu)1300，我們再次看到，彈性裝置1242a-b是怎樣設(shè)計，從而在位于接觸面板1242的接觸表面1244的允許的偏差區(qū)域內(nèi)的點1254形成傳感連接體1256的彈性中心的。結(jié)果，傳感器1246就對施加在接觸表面1244上的切向力不敏感。
雖然圖9A-9C的每一張中僅示出了一個傳感器組合件，但是應(yīng)該明白，使用上述就圖9A-9C所述的方法可以將若干個傳感器組合件連接到一個觸摸面板上，由此將各個傳感連接體的彈性中心設(shè)置在所需的準確度表面的允許的偏差區(qū)域內(nèi)。
以上是就某些元件是理想剛性的情況下進行討論的。應(yīng)該明白，這些元件可以在一個實際的裝置中出現(xiàn)較小的，但不是微不足道的彎曲。具體地說，彎曲產(chǎn)生的附加的偶矩在通過傳感連接體時可能會影響連接體的彈性中心的位置，通常會降低這些裝置中彈性中心的位置。但是，只要這種彎曲在允許的限度之內(nèi)，就可以通過進一步適當?shù)卣{(diào)節(jié)構(gòu)成彈性裝置的元件的位置、傾斜度、以及剛度比來得到所需的彈性中心。這些調(diào)節(jié)可以根據(jù)經(jīng)驗來完成。
為適應(yīng)接觸表面結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、力傳感器或其它元件的較差剛度而進行的調(diào)節(jié)，可以在本文中所述的本發(fā)明的這些或其它方面都加以應(yīng)用，并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在本發(fā)明的另一個方面，在接觸定位裝置中的力傳感器或力傳感器組合件都具有敏感軸，這些敏感軸與所需的準確度平面和接觸表面上有關(guān)局部位置的法線(有時是不一樣的)成一傾斜角度。這些敏感軸所成的傾斜角度，可使得響應(yīng)施加在接觸表面上的切向力產(chǎn)生的反作用力通過傳感連接體的作用線與敏感軸垂直相交。結(jié)果，力傳感器就對在所需的準確度平面中切向力不產(chǎn)生響應(yīng)。
例如，參看圖6B，示出了一個實施方式，其中，成角度的傳感器組合件956a-b用來達到對切向力的不敏感。接觸面板950包括一個在其上可以施加接觸力的接觸表面952。因此，可通過調(diào)節(jié)傳感器組合件956a-b得到的所需的準確度平面與接觸表面952重合。向接觸表面952的中心954施加切向力938產(chǎn)生了一些力，它們通過傳感器組合件956a-b。如圖所示，在傳感器組合件956a-b具有比安裝了面板950的整個系統(tǒng)低很多的旋轉(zhuǎn)剛度的情況下，這些力的作用線940a-b沿傳感器組合件的彈性中心937a-b通過，或在彈性中心937a-b附近通過。但是，由于傳感器組合件956a-b具有與接觸表面954成角度的敏感軸958a-b，作用線940a-b分別與敏感軸958a-b垂直。因此，如上所述，傳感器組合件956a-b對切向力938或者切向力與施加在接觸表面952上的垂直力矩的任意組合不產(chǎn)生響應(yīng)。
通常，所需的是使傳感連接體與接觸表面950相比能柔軟地旋轉(zhuǎn)，使得響應(yīng)于垂直接觸力產(chǎn)生的接觸表面扭曲的不需要的力矩不通過傳感器。這種旋轉(zhuǎn)柔軟度可以是選定的裝置所固有的，而不需要另外特別的措施；也可以添加一種特定的旋轉(zhuǎn)柔軟器，比如彈性襯墊或墊塊；樞軸、絞連桿或球窩接頭；或者彈簧或其它彈性物體。這些結(jié)構(gòu)可以具有一個連接體的作用線經(jīng)過的清楚的彈性中心。題為“用于力類接觸輸入的方法及設(shè)備”(Method and Apparatus for Force-Based Touch Input)的同時提交的申請中記載了這樣的旋轉(zhuǎn)軟化器的例子。
雖然整個傳感器組合件956a-b連同其所有的部件對于圖6B中所需的準確度平面是傾斜的，但是應(yīng)該明白，這僅僅是為了舉例的目的而示出，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。而且，傳感器組合件956a-b的敏感軸958a-b可由于它們的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而呈傾斜狀，而不是這些部件作為傳感器本身必須要傾斜。例如，參看圖6C-6D，即使傳感器964a-b具有垂直的敏感軸，傳感器組合件965a-b也具有與線963a-b平行的傾斜軸。參看圖6C，傳感器組合件965a的細長的連接部件961能在其腿部橫向彎曲，但是沿著其長度方向不會明顯壓縮。這樣，與線961平行的力不會在力傳感器964a中產(chǎn)生反作用力，迫使傳感器組合件965a的總敏感軸平行于線963a排列。參看圖6D，更加抽象的傳感器組合件965b顯示可以形成傾斜的敏感軸，而不存在傾斜的部件。剛性連接裝置966的兩個可轉(zhuǎn)動端使得力僅僅沿傳感器組合件965b的總敏感軸963b傳遞通過力傳感器964b。彈性墊塊967中的微小彎曲產(chǎn)生了對所有垂直于軸963b的力的分力的平衡反作用力。
圖6B中考慮的系統(tǒng)可以如圖6E所示呈三維圖形，其中描述了力傳感接觸定位系統(tǒng)的接觸表面930。示意圖中描述的傳感連接體970a-b設(shè)置于面板930的下方，定位在接觸平面934中的矩形972的四個角下面。點973a-d位于接觸平面934中，在矩形972各邊的中點位置。
以下解釋圖6B，并將其應(yīng)用于圖6E中的四個傳感連接體970a-d，作為在其各邊上的各個相鄰對。例如，傳感器組合件956a和956b可分別位于傳感連接體970a和970d的位置，使得彈性中心937a-b落在相應(yīng)的矩形972的角落下面。切向力938可與中心施加的、y方向的切向力976a對應(yīng)，然后隔開的力的作用線形成在傳感連接體970a和970d中，接著互相相交并在點973a與接觸表面相交，與圖6B中的點954對應(yīng)。要明白的是，在所有4個傳感連接體970a-d中響應(yīng)于力976a形成的一些力與y-z平面平行(即，沒有x分力)，它們的區(qū)別僅在于與接觸平面的傾斜度不同。通過連接體970a和970d的力的作用線投影到接觸平面上沿矩形972的左邊，并有個合力，其作用線沿著矩形972的左邊。通過連接體970b和970c的相應(yīng)的力同樣地具有其作用線沿矩形972的右邊的合力。這兩個成對的合力然后成為一個總的平衡合力976a(或者其相反的力，如果喜歡按反作用力想像的話)，其作用線集中在y軸上。
現(xiàn)在可以看到，通過與各個傳感連接體內(nèi)的傳感器組合件向外與x和y方向成角度，圖6B中描述的情況對這兩根軸和所有4個傳感連接體可同時滿足。更具體地說，各個傳感連接體的零敏感平面(在各種情況下該平面與連接體的敏感軸垂直并含有彈性中心)可以轉(zhuǎn)向與位于所需的準確度平面中的矩形972鄰近的成對的中點973a-d相交。
注意，在示出的矩形972也不是個正方形的具體情況中，傳感連接體970a和970b的敏感軸(為了便于說明而沒有示出)實際上是離點974a而傾斜，不是離中心975而傾斜。這樣的話，同樣地，傳感連接體970d和970c的敏感軸位于包含點974b的垂直平面中。還可以有益地注意到，在不是正方形的情況下，圖6E的裝置垂直于施加的力矩，因而對不通過點975的切向力(不是中心施加的力)能產(chǎn)生非零的傳感器輸出。但是，由對稱性可以證明，這些輸出在形成用來計算接觸定位的x軸力矩、y軸力矩和z軸力矩的示意圖的線性組合中必然會抵消。這樣，本發(fā)明的這些實施方式對一般的切向力偏差是可以避免的。
還可以證明，對于具有三個傳感器的系統(tǒng)(其中定位矩形972的類似物是等邊三角形)來說，通過傳感連接體的零敏感平面的該三角形的各邊的中點的類似的相交，也能避免對切向偏差。
更一般地說，對于任意排列式樣和數(shù)目的傳感器而言，y軸任一側(cè)的傳感器可以或多或少地在x方向上向外傾斜，根據(jù)經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)傾斜的程度能避免x方向切向力引起的定位誤差。然后，可以將同樣的這些傳感器在x軸的上方及下方重新組合，并給以傾斜度，這時從y軸向外傾斜，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)有一組角度能使接觸傳感定位裝置避免y方向切向力產(chǎn)生的定位誤差。雖然各個傳感器在某種程度上會分別地響應(yīng)切向力，但是這些響應(yīng)在計算時一般會抵消，最終的系統(tǒng)可以在接觸定位上做到基本上沒有切向力偏差。
這里使用的傳感器組合件可以是任意所需的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)以概括的形式說明了。具有易于識別的、較旋轉(zhuǎn)柔軟的彈性中心或樞軸的傳感器組合件可以具有已知的彈性中心的位置，所以容易根據(jù)上述非經(jīng)驗性的規(guī)律來裝配，但是經(jīng)驗的方法可以應(yīng)用于其它裝置。如果使用的傳感器的在其敏感軸的橫向上比縱向上剛性大得多，并且基本上是傾斜的，可以提供適當?shù)臋M向軟化，使得對垂直接觸力的敏感性不喪失。
如果需要預(yù)載裝置或橫向抑制裝置，這些傳感器可以制成橫向柔軟的，使得接觸力的傳遞途徑不隔開，并且基本上通過傳感連接體。如果并聯(lián)的途徑具有中等的橫向剛度，可以使用包含某種程度的傳感傾斜度和某種程度的橫向加硬的混合式結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該明白，本文中圖示并描述的本發(fā)明的實施方式的各個方面的特征可以各種方式組合。這些組合包括，但是不限于，結(jié)合使用上述圖8A-8B中的彈性裝置以及具有上述圖6B中的成角度的敏感軸的傳感器組合件。
要明白的是，雖然本發(fā)明已用一些具體的實施方式進行了描述，但是前述這些實施方式僅僅是用來說明的，并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制。其它的實施方式也落在由權(quán)利要求書的范圍限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種力傳感接觸定位裝置，它用于傳感施加在接觸表面上的接觸力，所述接觸力包括垂直于接觸裝置的準確度表面的垂直分力和與所述準確度表面相切的切向分力，所述力傳感接觸定位裝置包括許多力傳感器，所述力傳感器產(chǎn)生對施加在接觸表面上的接觸力的響應(yīng)信號；第一機械途徑，所述第一機械途徑傳遞接觸力的切向分力的大部分，該第一機械途徑不包括所述許多力傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，它還包括第二機械途徑，所述第二機械途徑傳遞接觸力的垂直分力的大部分通過所述許多力傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述第一機械途徑包含許多連接在接觸表面上的并聯(lián)連接體。
4.如權(quán)利要求3所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多并聯(lián)連接體包含橫向加硬裝置，該橫向加硬裝置阻礙接觸表面的橫向運動。
5.如權(quán)利要求4所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向加硬裝置具有一平面，該平面上對接觸力的切向分力的反應(yīng)力距基本為零，所述具有基本為零的反應(yīng)力距的平面基本上與接觸表面重合。
6.如權(quán)利要求2所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個力傳感器包括一個基本上剛性的垂直力途徑，所述橫向加硬裝置包括一個基本上柔性的垂直力途徑。
7.如權(quán)利要求4所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向加硬裝置包括一個連接接觸表面和邊框的薄的元件。
8.如權(quán)利要求7所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件是一條帶子。
9.如權(quán)利要求7所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件橋連位于接觸表面和框的邊緣之間的小狹縫。
10.如權(quán)利要求7所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件的一個自由彎曲區(qū)域延伸越過所述接觸表面的一個邊緣一段距離。
11.如權(quán)利要求4所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件由高模量的材料構(gòu)成，所述材料基本上難以順應(yīng)于接觸表面的切向移動，但是基本上順應(yīng)于接觸表面的垂直運動。
12.如權(quán)利要求7所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件包括一個位于接觸表面和邊框之間的柔順形狀。
13.如權(quán)利要求12所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述柔順形狀在接觸表面垂直的方向上柔順，在與接觸表面平行的方向上僵直。
14.如權(quán)利要求7所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向加硬裝置阻礙了外來物質(zhì)通過接觸表面與邊框之間。
15.如權(quán)利要求14所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述薄的元件將接觸表面的整個周邊連接到邊框上。
16.如權(quán)利要求4所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個顯示表面。
17.如權(quán)利要求16所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個LCD。
18.如權(quán)利要求4所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個覆蓋著顯示表面的接觸覆層。
19.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述通過力傳感器的力途徑還通過橫向軟化裝置，該橫向軟化裝置減小了傳遞通過力傳感器的切向施加的接觸力的比例。
20.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述第二途徑包括橫向軟化裝置，該軟化裝置引導(dǎo)接觸力的切向分力大部分通過第一途徑。
21.如權(quán)利要求20所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述軟化裝置置于接觸表面和至少一個力傳感器之間。
22.如權(quán)利要求20所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向軟化裝置是個柱狀結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求22所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述柱狀結(jié)構(gòu)是一個分散體的一部分，該分散體包括接觸至少一個力傳感器的凸起部分。
24.如權(quán)利要求21所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向軟化裝置包含一彈性體。
25.如權(quán)利要求24所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向軟化裝置包含一盤背向涂有柔性膠粘劑的帶子。
26.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述力傳感接觸定位裝置是個手握裝置。
27.如權(quán)利要求1所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述準確度平面的彈性中心與接觸表面有一預(yù)定距離。
28.一種力傳感接觸定位裝置，它用于傳感施加在接觸表面上的接觸力，所述力傳感接觸定位裝置包括許多力傳感器，所述力傳感器產(chǎn)生對施加在接觸表面上的接觸力的響應(yīng)信號；第一機械途徑，所述第一機械途徑傳遞接觸力的大部分，該第一機械途徑不包括所述許多力傳感器。
29.如權(quán)利要求28所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述第一機械途徑包含許多連接在接觸表面上的并聯(lián)連接體。
30.如權(quán)利要求29所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多并聯(lián)連接體包含橫向加硬裝置，該橫向加硬裝置阻礙接觸表面的橫向運動。
31.如權(quán)利要求30所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述橫向加硬裝置具有一平面，該平面上對接觸力的切向分力的反應(yīng)力距基本為零，所述具有基本為零的反應(yīng)力距的平面基本上與接觸表面重合。
32.如權(quán)利要求30所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個顯示屏。
33.如權(quán)利要求32所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個LCD。
34.如權(quán)利要求30所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述接觸表面是個覆蓋顯示表面的接觸覆層。
35.一種力傳感接觸定位裝置，它用于傳感施加在接觸表面的接觸力，所述接觸力包括垂直于接觸裝置的準確度表面的垂直分力和與所述準確度表面相切的切向分力，所述力傳感接觸定位裝置包括許多力傳感器，所述力傳感器產(chǎn)生對施加在接觸表面上的接觸力的響應(yīng)信號；第一力途徑，所述第一力途徑通過至少一個力傳感器，通過第一力途徑傳遞的垂直分力的分數(shù)明顯大于通過第一力途徑傳遞的切向分力的分數(shù)。
36.如權(quán)利要求35所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述通過第一力途徑傳遞的垂直分力的分數(shù)與通過第一力途徑傳遞的切向分力的分數(shù)之比為3∶2。
37.一種力傳感接觸定位裝置，它用于傳感施加在接觸表面的接觸力，所述接觸力包括垂直于接觸裝置的準確度表面的垂直分力和與所述準確度表面相切的切向分力，所述力傳感接觸定位裝置包括許多力傳感器，所述力傳感器產(chǎn)生對施加在接觸表面上的接觸力的響應(yīng)信號至少一個連接在許多傳感器和接觸表面之間的傳感連接體，它生成與接觸表面的切向分力相應(yīng)的反作用力，具有基本上垂直于相應(yīng)的反作用力的敏感軸，并且傾斜于接觸表面的法向。
38.如權(quán)利要求37所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多傳感器是許多力傳感器。
39.如權(quán)利要求37所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多傳感器是許多位移傳感器。
40.如權(quán)利要求37所述的力傳感接觸定位裝置，它還包括連接在接觸表面和至少一個連接表面之間的許多彈性裝置，為基本上在準確度表面內(nèi)的至少一個傳感連接體的彈性中心定位。
41.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于各個彈性裝置連接在接觸表面和許多傳感器中一個傳感器的表面之間。
42.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述力傳感接觸定位裝置還包括一個與許多傳感器接觸的剛性支撐表面，至少一個傳感連接體是許多傳感連接裝置，所述連接表面包含所述剛性支撐表面，并且各個傳感連接體的彈性中心基本上位于準確度表面之中。
43.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述力傳感接觸定位裝置還包括一個與許多傳感器接觸的剛性支撐表面，所述連接表面包含剛性支撐表面，并且許多傳感連接體的一個總彈性中心基本上位于準確度平面之中。
44.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述彈性裝置包括在基本上位于準確度表面中的一個拐點處匯合的第一彈性部分和第二彈性部分，至少一個傳感連接體的彈性中心基本上位于準確度表面之中。
45.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個傳感連接體是許多傳感連接裝置，所述許多彈性裝置包含具有相對于準確度表面傾斜的主剛度軸的元件，由此將各個傳感連接體的彈性中心基本上置于準確度表面之中。
46.如權(quán)利要求40所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個傳感連接體是一個傳感連接裝置，并且所述許多彈性裝置具有相對于準確度表面傾斜的主剛度軸，由此將該傳感連接體的彈性中心基本上置于準確度表面之中。
47.一種力傳感接觸定位裝置，它用于傳感施加在接觸表面上的接觸力，所述接觸力包括垂直于接觸裝置的準確度表面的垂直分力和與所述準確度表面相切的切向分力，所述力傳感接觸定位裝置包括許多力傳感器，所述力傳感器產(chǎn)生對施加在接觸表面上的接觸力的響應(yīng)信號；至少一個連接在許多傳感器和接觸表面之間的傳感連接體，它生成與接觸力的切向分力對應(yīng)的反作用力，具有基本上垂直于相應(yīng)反作用力的敏感軸；連接在接觸表面和至少一個連接表面之間的許多彈性裝置，所述彈性裝置包括相對于準確度表面傾斜的部件，由此將該至少一個傳感連接體的彈性中心基本上置于準確度表面之中。
48.如權(quán)利要求47所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多傳感器包含許多力傳感器。
49.如權(quán)利要求47所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述許多傳感器包含許多位移傳感器。
50.如權(quán)利要求47所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個傳感連接體的敏感軸相對于接觸表面的法線是傾斜的。
51.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述各個彈性裝置連接在接觸表面和所述許多傳感器中的一個傳感器的表面之間。
52.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述力傳感接觸定位裝置還包括一個與許多傳感器接觸的剛性支撐表面，其至少一個傳感連接體是許多傳感連接裝置，其連接表面包含所述剛性支撐表面，并且各個傳感連接體的彈性中心基本上位于準確度表面之中。
53.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述力傳感接觸定位裝置還包括一個與許多傳感器接觸的剛性支撐表面，其連接表面包含所述剛性支撐表面，并且許多傳感連接體的一個總的彈性中心基本上位于準確度平面之中。
54.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述彈性裝置包括在基本上位于準確度表面中的拐點處匯合的第一彈性部分和第二彈性部分，至少一個傳感連接體的彈性中心基本上位于準確度表面之中。
55.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個傳感連接體是許多傳感連接裝置，所述許多彈性裝置包含具有相對于準確度表面傾斜的主剛度軸的元件，由此將各個傳感連接體的彈性中心基本上置于準確度表面之中。
56.如權(quán)利要求50所述的力傳感接觸定位裝置，其特征在于所述至少一個傳感連接體是一個傳感連接裝置，并且所述許多彈性裝置具有相對于準確度表面傾斜的主剛度軸，由此將該傳感連接體的彈性中心基本上置于準確度表面之中。
全文摘要
提供了多種用來減小切向力對接觸定位裝置中的接觸定位產(chǎn)生影響的方法。例如，一方面，提供了會阻礙位于接觸表面水平面的接觸面結(jié)構(gòu)橫向移動的并聯(lián)連接體，由此將對通過傳感連接體的切向力的反作用力減小到很小的數(shù)值。另一方面，傳感連接體裝有彈性裝置，調(diào)節(jié)該彈性裝置使得傳感器的反作用力轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇谄涿舾休S的切向接觸力。再一方面，傳感連接體裝有傳感裝置，調(diào)節(jié)該傳感裝置使得垂直于其反作用力的敏感軸轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢蛄Α?br> 文檔編號G06F3/033GK1582452SQ02810306
公開日2005年2月16日 申請日期2002年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者J·B·羅伯茨 申請人:3M創(chuàng)新有限公司