邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕的製作方法
2023-09-10 04:49:35 2
專利名稱：邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓電觸控螢幕技術領域，特別涉及到一種邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕。
背景技術：
觸控螢幕技術是繼鍵盤、滑鼠技術後，新發展出的一種人機互動式在線輸入技術，近幾年已廣泛地應用於日常生活中，比如手機、筆記本電腦、MP4及各類自動服務終端機。相對於傳統的輸入方式，觸控螢幕技術擁有設備更為輕便便攜、輸入方式更加人性化等諸多優點。 現在使用較為廣泛的觸控螢幕按工作原理主要可以分為四種電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式與電容式的觸控螢幕應用最為廣泛。電阻式觸控螢幕的工作原理為一種多層的複合薄膜，由一層玻璃作為基層，表面塗有一層ITO透明導電層，上面蓋有一層光滑防刮的塑料層，作為保護層，在保護層的內表面塗有一層導電層。在兩層導電層之間有許多細小的透明隔離點絕緣，並在兩層ITO工作面的邊線上各塗有一條銀膠，一端加電壓，另一端接地，從而在工作面的一個方向上形成均勻連續的平行電壓分布.當手指觸控螢幕幕時，壓力使兩層導電層在接觸點位置就有了一個接觸，控制器偵測到這個接通，立刻A/D轉換測量接觸點的模擬量電壓值，根據它和施加電壓的比例公式就能計算出觸摸點的X、Y軸的位置。電容式觸控螢幕由一個模擬感應器和一個雙向智能控制器組成。模擬感應器是一塊四層複合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各塗有一層ITO導電塗層，最外層是矽土玻璃，形成堅實耐用的保護層。夾層ITO塗層作為工作面，四個角上各引出一個電極，內層ITO作為屏蔽層用以保證良好的工作環境。觸控螢幕工作時，感應器邊緣的電極產生分布的電壓場，由於人體電場的存在，觸控螢幕幕時，手指和觸控螢幕的工作面之間就會形成一個耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，於是手指吸走一個很小的電流，分別從觸控螢幕四個角上的電極中流出。從理論上講，流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成比例，控制器通過對這四個電流比例的精密計算，從而可以得出觸摸點的位置。最後，控制器將數位化的觸摸位置數據傳送給主機，以實現人機互動。
發明內容
本發明提供了一種邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕，在保留傳統觸控螢幕的優點的同時，克服其一些缺點。本發明採用的技術方案為該觸控螢幕包括透明基板、壓電陶瓷片、電極及柔性粘結物質。基板同壓電陶瓷片之間通過柔性粘結物質粘合在一起，壓電陶瓷片位於透明基板的邊角或者的邊沿處，且對稱於透明基板的面內幾何中心，呈現規則排列，壓電陶瓷片所形成的位置傳感區與觸控螢幕的工作區分離、不重合，壓電陶瓷片的存在不影響觸控螢幕工作區的透光率；作用於基板上的力使壓電陶瓷片產生電壓，通過不同位置處壓電陶瓷片上所測電壓幅值或電荷量的比值，可以獲知觸點XY坐標位置和觸摸力度，通過對壓電陶瓷片上電壓波形上升沿和下降沿的測量獲知觸點力的變化速度或稱為力的加速度信息。所述柔性粘結物質為環氧膠、環氧樹脂膠、導電膠、應變膠、密封膠、光學膠、耐腐蝕膠、結構膠或者非結構膠。所述壓電陶瓷片為長條形、正方形、圓形、橢圓形或其他多邊形。所述壓電陶瓷片為單層、雙層或由多層陶瓷片複合而成。其中，壓電陶瓷片由多片陶瓷片複合而成時，各陶瓷片在結構上為串聯、在電路連接上為並聯。所述壓電式觸控螢幕的觸點坐標信息由壓電陶瓷片的輸入電壓的相互比例關係確定對於邊角多點分布的壓電式觸控螢幕，設觸點位置為坐標原點，根據力/力矩平衡，分別對觸控螢幕的長/寬方向列出力矩平衡方程，計算得出觸點位置與邊角分布的壓電陶瓷片所受壓力的比例關係；跟據壓電陶瓷片所受壓力同壓電電壓成正比，得出觸點位置與壓電電壓的比例關係，最終通過壓電電壓的比例關係反推出觸點坐標。所述壓電式觸控螢幕的觸摸力度和加速度信息由壓電陶瓷片的壓電電壓大小確定 對於邊角多點分布的壓電式觸控螢幕，壓電陶瓷片所受合力的大小即為觸摸力度的大小，而壓電電壓總和又與所受合力呈線性關係，得出觸摸力度同壓電電壓總和呈線性關係，即觸摸力度由多點分布的壓電陶瓷片產生的壓電電壓總和判定，而觸摸加速度由多點分布的壓電陶瓷片產生的壓電電壓總和的上升或下降沿的斜率判定。觸控螢幕的四角或者四邊放置的壓電陶瓷片，作為觸控螢幕的支撐點和傳感點。在外力觸及觸控螢幕時，在接觸點產生作用力，接觸點的位置不同，導致四個陶瓷片產生的電壓比例不同。陶瓷片表面電荷或電壓產生的原理是基於壓電陶瓷材料所具有的壓電效應決定的。測量四個陶瓷片產生的電壓，可以計算出接觸點的具體位置，同時可以得知該作用力的大小。通過陶瓷上所形成電壓波形的上升沿和下降沿的變化，可以獲得作用力變化的速度或者力的加速度。通過確定接觸點的位置及接觸強度，最終達到觸控的目的，而且這種新型觸控產生的效果不同於傳統的觸控，不僅能精確感知觸點位置，也可以感知力的大小和加速度，觸感維度增加。考察在觸摸時某一壓電陶瓷片的電壓曲線，可得到附圖1。可以看出，三次觸摸時施加的力大小不同，使得壓電電壓的增長速度不一。可以看出，觸摸1壓電電壓增長速度最緩，而觸摸3壓電電壓增長速度最快，由此可知觸摸1加速度最小，觸摸3加速度最大。在實際應用時，可通過實時數據的測量，計算出壓電電壓對於時間的導數，由此可以得到關於加速度的數據。相對於傳統結構的觸控螢幕，本發明的優勢在於1、不同於電阻式和電容式觸控螢幕，觸控螢幕結構上無需多層複合薄膜，無需ITO透明導電層作為工作層或者屏蔽層，觸控螢幕上不需要塗鍍阻性材料，因此可以保證觸控螢幕具有非常高的透光性。觸控螢幕只需要保留類似於矽土玻璃等保護層即可，結構相當簡單，製造成本較為低廉。2、傳統觸控螢幕的感應薄膜(或傳感薄膜)要與觸控螢幕的工作區重合，一方面會影響到觸控螢幕工作區的透光率，另一方面製造工藝和原材料成本高。而本發明所用多點壓電陶瓷作為傳感器放置於觸控螢幕的邊框位置，不影響觸控螢幕工作區的透光特性，理論上透光率 100%。
3、不同於目前大量使用的電容式觸控螢幕，電容式觸控螢幕的控制器主要通過對四個電流比例的精確計算，從而得出觸摸點的位置。本發明是通過觸控螢幕邊框上的3到4個壓電陶瓷片，在觸摸力作用下，陶瓷片上所形成的電壓幅值或者電荷量的比例來精確判斷平面上觸點具體坐標位置。4、傳統觸控螢幕是對電流的感知，壓電觸控螢幕是對電壓的感知。後者有控制器設計簡單、適合低耗操作等特點。5、同電容式觸控螢幕類似，在接觸觸控螢幕後產生測量電壓，不需一直保持電壓梯度， 因此整體耗電量較小。6、壓電觸控螢幕同傳感觸控螢幕技術最大的不同，除了保留精確位置判斷的功能之外，增加了對所施加觸摸力的大小感知能力和對力變化速度，即力加速度的感知能力，這對遊戲更高水平功能的開發大有益處。7、不怕刮擦，抗幹擾能力較強，支持任何材質的物體觸控。
圖1為本發明壓電式觸控螢幕壓電陶瓷片上電壓與時間的關係曲線；圖2(a)和圖2(b)分別為本發明所用壓電陶瓷片的俯視圖和側視圖；圖3為本發明實施例1的結構示意圖；圖4為本發明實施例2的結構示意圖。圖中標號1-透明基板；2-壓電陶瓷片；3-柔性粘結物質；4-電極。
具體實施例方式本發明提供了一種邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕，下面結合附圖和具體實施方式
對本專利做進一步的說明。壓電觸控螢幕是通過測量壓電陶瓷片在垂直於觸控螢幕方向的應變所產生電壓來計算觸摸點位置的。圖2(a)和圖2(b)分別壓電陶瓷片的俯視圖和側視圖；壓電陶瓷片的電極位於壓電陶瓷片的上下表面，極化方向垂直於壓電陶瓷片的上下表面，即陶瓷的極化方向沿著陶瓷的厚度方向。實施例1附圖3為本發明實施例1的結構示意圖。電極4分為正電極和負電極，分布於壓電陶瓷片2的上表面和下表面，壓電陶瓷片2粘貼於透明基板1上。通過引線將正電極和負電極引至外接電路。在透明基板的上表面四個邊角處分布有四個圓形壓電陶瓷片，對稱於透明基板的面內幾何中心。由理論推導可知，應該將壓電陶瓷片的上下表面積儘量做小， 以增大所受應力，同時應使壓電陶瓷片的介電常數儘可能大。對於這種結構的壓電式觸控螢幕，可以列出力學平衡方程(Fa+Fc) XX= (Fb+Fd) X (Lx-X)(Fc+Fd) XY= (Fa+Fb) X (Ly-Y)由此可以計算出觸摸位置X，Y與四個壓電陶瓷片受力的比例關係
其中』4、!^、&和^)分別是屏幕自左上角起順時針排列的4、8、(、0四角的壓電陶瓷片所受的支持力，Lx為觸控螢幕的長度，Ly為觸控螢幕的寬度。因為壓電陶瓷片電壓與應力成比例關係，可以推知
其中，UA、UB、UC和Ud分別是屏幕A、B、C、D四角的壓電陶瓷片所產生的壓電電壓。 實施例2
附圖4為本發明實施例2的結構示意圖。電極4分為正電極和負電極，分布於壓電陶瓷片2的上表面和下表面，壓電陶瓷片2粘貼於透明基板1上。通過引線將正電極和負電極引至外接電路。在透明基板的上表面2個邊角處和對面的邊框處分布有三個圓形壓電陶瓷片，對稱於透明基板的面內幾何中心。由理論推導可知，應該將壓電陶瓷片的上下表面積儘量做小，以增大所受應力，同時應使壓電陶瓷片的介電常數儘可能大。對於這種結構的壓電式觸控螢幕，可以列出力學平衡方程
由此可以計算出觸摸位置X，Y與三個壓電陶瓷片受力的比例關係
其中，Fa、Fb和Fc分別是屏幕自上部中間位置起順時針排列的A、B、C三點的壓電陶瓷片所受的支持力，Lx為觸控螢幕的長度，Ly為觸控螢幕的寬度。
因為壓電陶瓷片電壓與應力成比例關係，可以推知
其中，UA、Ub和Uc分別是屏幕A、B、C三點的壓電陶瓷片所產生的壓電電壓。
權利要求
1.邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕，包括透明基板(1)、壓電陶瓷片O)、電極⑷及柔性粘結物質(3)，其特徵在於，基板⑴同壓電陶瓷片(2)之間通過柔性粘結物質C3)粘合在一起，壓電陶瓷片( 位於透明基板(1)的邊角或者的邊沿處，且對稱於透明基板(1)的面內幾何中心，呈現規則排列，壓電陶瓷片( 所形成的位置傳感區與觸控螢幕的工作區分離、不重合，壓電陶瓷片(2)的存在不影響觸控螢幕工作區的透光率；作用於基板上的力使壓電陶瓷片( 產生電壓，通過不同位置處壓電陶瓷片( 上所測電壓幅值或電荷量的比值，獲知觸點XY坐標位置和觸摸力度，通過對壓電陶瓷片(2)上電壓波形上升沿和下降沿的測量獲知觸點力的變化速度或稱為力的加速度信息。
2.根據權利要求1中所述的邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕， 其特徵在於，所述柔性粘結物質C3)為環氧膠、環氧樹脂膠、導電膠、應變膠、密封膠、光學膠、耐腐蝕膠、結構膠或者非結構膠。
3.根據權利要求1中所述的邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕， 其特徵在於，所述壓電陶瓷片( 為矩形、圓形、橢圓形或其他多邊形。
4.根據權利要求1中所述的邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕， 其特徵在於，所述壓電陶瓷片( 為單層、雙層或由多層陶瓷片複合而成。
5.根據權利要求1中所述的邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕， 其特徵在於，所述壓電式觸控螢幕的觸點坐標信息由壓電陶瓷片的輸入電壓的相互比例關係確定對於邊角多點分布的壓電式觸控螢幕，設觸點位置為坐標原點，根據力/力矩平衡，分別對觸控螢幕的長/寬方向列出力矩平衡方程，計算得出觸點位置與邊角分布的壓電陶瓷片所受壓力的比例關係；跟據壓電陶瓷片所受壓力同壓電電壓成正比，得出觸點位置與壓電電壓的比例關係，最終通過壓電電壓的比例關係反推出觸點坐標。
6.根據權利要求1中所述的邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕， 其特徵在於，所述壓電式觸控螢幕的觸摸力度和加速度信息由壓電陶瓷片的壓電電壓大小確定對於邊角多點分布的壓電式觸控螢幕，壓電陶瓷片所受合力的大小即為觸摸力度的大小， 而壓電電壓總和又與所受合力呈線性關係，得出觸摸力度同壓電電壓總和呈線性關係，即觸摸力度由多點分布的壓電陶瓷片產生的壓電電壓總和判定，而觸摸加速度由多點分布的壓電陶瓷片產生的壓電電壓總和的上升或下降沿的斜率判定。
全文摘要
一種邊角多點分布的感知位置、力和加速度的壓電式觸控螢幕屬於壓電觸控螢幕技術領域。基板同壓電陶瓷片之間通過柔性粘結物質粘合在一起，壓電陶瓷片位於透明基板的邊角或者的邊沿處，且對稱於透明基板的面內幾何中心，呈現規則排列；作用於基板上的力使壓電陶瓷片產生電壓，通過不同位置處壓電陶瓷片上所測電壓幅值或電荷量的比值，獲知觸點XY坐標位置和觸摸力度，通過對壓電陶瓷片上電壓波形上升沿和下降沿的測量獲知觸點力的變化速度或稱為力的加速度信息。多點壓電陶瓷作為傳感器放置於觸控螢幕的邊框位置，不影響觸控螢幕工作區的透光特性，理論上透光率100％；結構及其製備工藝簡單，耗電低，不怕刮擦，抗幹擾能力較強，支持任何材質的物體觸控。
文檔編號G06F3/041GK102339164SQ20111027407
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者劉佳燚, 褚祥誠 申請人:清華大學