边角多点分布的感知位置、力和加速度的压电式触摸屏

技术领域

本发明属于压电触摸屏技术领域，特别涉及到一种边角多点分布的感知 位置、力和加速度的压电式触摸屏。

背景技术

触摸屏技术是继键盘、鼠标技术后，新发展出的一种人机交互式在线输 入技术，近几年已广泛地应用于日常生活中，比如手机、笔记本电脑、MP4及 各类自动服务终端机。相对于传统的输入方式，触摸屏技术拥有设备更为轻 便便携、输入方式更加人性化等诸多优点。现在使用较为广泛的触摸屏按工 作原理主要可以分为四种：电阻式、电容式、红外线式和表面声波式，其中 电阻式与电容式的触摸屏应用最为广泛。

电阻式触摸屏的工作原理为：一种多层的复合薄膜，由一层玻璃作为基 层，表面涂有一层ITO透明导电层，上面盖有一层光滑防刮的塑料层，作为保 护层，在保护层的内表面涂有一层导电层。在两层导电层之间有许多细小的 透明隔离点绝缘，并在两层ITO工作面的边线上各涂有一条银胶，一端加电压， 另一端接地，从而在工作面的一个方向上形成均匀连续的平行电压分布.当 手指触摸屏幕时，压力使两层导电层在接触点位置就有了一个接触，控制器 侦测到这个接通，立刻A/D转换测量接触点的模拟量电压值，根据它和施加电 压的比例公式就能计算出触摸点的X、Y轴的位置。

电容式触摸屏由一个模拟感应器和一个双向智能控制器组成。模拟感应 器是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO导电涂层， 最外层是矽土玻璃，形成坚实耐用的保护层。夹层ITO涂层作为工作面，四个 角上各引出一个电极，内层ITO作为屏蔽层用以保证良好的工作环境。触摸屏 工作时，感应器边缘的电极产生分布的电压场，由于人体电场的存在，触摸 屏幕时，手指和触摸屏的工作面之间就会形成一个耦合电容，因为工作面上 接有高频信号，于是手指吸走一个很小的电流，分别从触摸屏四个角上的电 极中流出。从理论上讲，流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例， 控制器通过对这四个电流比例的精密计算，从而可以得出触摸点的位置。最 后，控制器将数字化的触摸位置数据传送给主机，以实现人机交互。

发明内容

本发明提供了一种边角多点分布的感知位置、力和加速度的压电式触摸 屏，在保留传统触摸屏的优点的同时，克服其一些缺点。

本发明采用的技术方案为：

该触摸屏包括透明基板、压电陶瓷片、电极及柔性粘结物质。基板同压 电陶瓷片之间通过柔性粘结物质粘合在一起，压电陶瓷片位于透明基板的边 角或者的边沿处，且对称于透明基板的面内几何中心，呈现规则排列，压电 陶瓷片所形成的位置传感区与触摸屏的工作区分离、不重合，压电陶瓷片的 存在不影响触摸屏工作区的透光率；作用于基板上的力使压电陶瓷片产生电 压，通过不同位置处压电陶瓷片上所测电压幅值或电荷量的比值，可以获知 触点XY坐标位置和触摸力度，通过对压电陶瓷片上电压波形上升沿和下降 沿的测量获知触点力的变化速度或称为力的加速度信息。

所述柔性粘结物质为环氧胶、环氧树脂胶、导电胶、应变胶、密封胶、 光学胶、耐腐蚀胶、结构胶或者非结构胶。

所述压电陶瓷片为长条形、正方形、圆形、椭圆形或其他多边形。

所述压电陶瓷片为单层、双层或由多层陶瓷片复合而成。其中，压电陶 瓷片由多片陶瓷片复合而成时，各陶瓷片在结构上为串联、在电路连接上为 并联。

所述压电式触摸屏的触点坐标信息由压电陶瓷片的输入电压的相互比例 关系确定：对于边角多点分布的压电式触摸屏，设触点位置为坐标原点，根 据力/力矩平衡，分别对触摸屏的长/宽方向列出力矩平衡方程，计算得出触点 位置与边角分布的压电陶瓷片所受压力的比例关系；跟据压电陶瓷片所受压 力同压电电压成正比，得出触点位置与压电电压的比例关系，最终通过压电 电压的比例关系反推出触点坐标。

所述压电式触摸屏的触摸力度和加速度信息由压电陶瓷片的压电电压大 小确定：对于边角多点分布的压电式触摸屏，压电陶瓷片所受合力的大小即 为触摸力度的大小，而压电电压总和又与所受合力呈线性关系，得出触摸力 度同压电电压总和呈线性关系，即触摸力度由多点分布的压电陶瓷片产生的 压电电压总和判定，而触摸加速度由多点分布的压电陶瓷片产生的压电电压 总和的上升或下降沿的斜率判定。

触摸屏的四角或者四边放置的压电陶瓷片，作为触摸屏的支撑点和传感 点。在外力触及触摸屏时，在接触点产生作用力，接触点的位置不同，导致 四个陶瓷片产生的电压比例不同。陶瓷片表面电荷或电压产生的原理是基于 压电陶瓷材料所具有的压电效应决定的。测量四个陶瓷片产生的电压，可以 计算出接触点的具体位置，同时可以得知该作用力的大小。通过陶瓷上所形 成电压波形的上升沿和下降沿的变化，可以获得作用力变化的速度或者力的 加速度。通过确定接触点的位置及接触强度，最终达到触控的目的，而且这 种新型触控产生的效果不同于传统的触控，不仅能精确感知触点位置，也可 以感知力的大小和加速度，触感维度增加。

考察在触摸时某一压电陶瓷片的电压曲线，可得到附图1。可以看出，三 次触摸时施加的力大小不同，使得压电电压的增长速度不一。可以看出，触 摸1压电电压增长速度最缓，而触摸3压电电压增长速度最快，由此可知触 摸1加速度最小，触摸3加速度最大。在实际应用时，可通过实时数据的测 量，计算出压电电压对于时间的导数，由此可以得到关于加速度的数据。

相对于传统结构的触摸屏，本发明的优势在于：

1、不同于电阻式和电容式触摸屏，触摸屏结构上无需多层复合薄膜，无 需ITO透明导电层作为工作层或者屏蔽层，触摸屏上不需要涂镀阻性材料， 因此可以保证触摸屏具有非常高的透光性。触摸屏只需要保留类似于矽土玻 璃等保护层即可，结构相当简单，制造成本较为低廉。

2、传统触摸屏的感应薄膜(或传感薄膜)要与触摸屏的工作区重合，一 方面会影响到触摸屏工作区的透光率，另一方面制造工艺和原材料成本高。 而本发明所用多点压电陶瓷作为传感器放置于触摸屏的边框位置，不影响触 摸屏工作区的透光特性，理论上透光率100％。

3、不同于目前大量使用的电容式触摸屏，电容式触摸屏的控制器主要通 过对四个电流比例的精确计算，从而得出触摸点的位置。本发明是通过触摸 屏边框上的3到4个压电陶瓷片，在触摸力作用下，陶瓷片上所形成的电压 幅值或者电荷量的比例来精确判断平面上触点具体坐标位置。

4、传统触摸屏是对电流的感知，压电触摸屏是对电压的感知。后者有控 制器设计简单、适合低耗操作等特点。

5、同电容式触摸屏类似，在接触触摸屏后产生测量电压，不需一直保持 电压梯度，因此整体耗电量较小。

6、压电触摸屏同传感触摸屏技术最大的不同，除了保留精确位置判断的 功能之外，增加了对所施加触摸力的大小感知能力和对力变化速度，即力加 速度的感知能力，这对游戏更高水平功能的开发大有益处。

7、不怕刮擦，抗干扰能力较强，支持任何材质的物体触控。

附图说明

图1为本发明压电式触摸屏压电陶瓷片上电压与时间的关系曲线；

图2(a)和图2(b)分别为本发明所用压电陶瓷片的俯视图和侧视图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图。

图中标号：

1-透明基板；2-压电陶瓷片；3-柔性粘结物质；4-电极。

具体实施方式

本发明提供了一种边角多点分布的感知位置、力和加速度的压电式触摸 屏，下面结合附图和具体实施方式对本专利做进一步的说明。

压电触摸屏是通过测量压电陶瓷片在垂直于触摸屏方向的应变所产生电 压来计算触摸点位置的。图2(a)和图2(b)分别压电陶瓷片的俯视图和侧 视图；压电陶瓷片的电极位于压电陶瓷片的上下表面，极化方向垂直于压电 陶瓷片的上下表面，即陶瓷的极化方向沿着陶瓷的厚度方向。

实施例1

附图3为本发明实施例1的结构示意图。电极4分为正电极和负电极， 分布于压电陶瓷片2的上表面和下表面，压电陶瓷片2粘贴于透明基板1上。 通过引线将正电极和负电极引至外接电路。在透明基板的上表面四个边角处 分布有四个圆形压电陶瓷片，对称于透明基板的面内几何中心。由理论推导 可知，应该将压电陶瓷片的上下表面积尽量做小，以增大所受应力，同时应 使压电陶瓷片的介电常数尽可能大。对于这种结构的压电式触摸屏，可以列 出力学平衡方程：

(F_A+F_C)×X＝(F_B+F_D)×(L_X-X)

(F_C+F_D)×Y＝(F_A+F_B)×(L_Y-Y)

由此可以计算出触摸位置X，Y与四个压电陶瓷片受力的比例关系：

$X=\frac{F_B+F_D}{F_A+F_B+F_C+F_D}·L_X,$$Y=\frac{F_A+F_B}{F_A+F_B+F_C+F_D}·L_Y.$

其中，F_A、F_B、F_C和F_D分别是屏幕自左上角起顺时针排列的A、B、C、 D四角的压电陶瓷片所受的支持力，L_X为触摸屏的长度，L_Y为触摸屏的宽度。

因为压电陶瓷片电压与应力成比例关系，可以推知：

$X=\frac{U_B+U_D}{U_A+U_B+U_C+U_D}·L_X,$$Y=\frac{U_A+U_B}{U_A+U_B+U_C+U_D}·L_Y.$

其中，U_A、U_B、U_C和U_D分别是屏幕A、B、C、D四角的压电陶瓷片所 产生的压电电压。

实施例2

附图4为本发明实施例2的结构示意图。电极4分为正电极和负电极， 分布于压电陶瓷片2的上表面和下表面，压电陶瓷片2粘贴于透明基板1上。 通过引线将正电极和负电极引至外接电路。在透明基板的上表面2个边角处 和对面的边框处分布有三个圆形压电陶瓷片，对称于透明基板的面内几何中 心。由理论推导可知，应该将压电陶瓷片的上下表面积尽量做小，以增大所 受应力，同时应使压电陶瓷片的介电常数尽可能大。对于这种结构的压电式 触摸屏，可以列出力学平衡方程：

(F_A+F_C)×X＝F_B×(L_X-X)

$F_C\times Y=F_A\times (L_Y-Y)+F_B\times (\frac{1}{2}{L}_Y-Y)$

由此可以计算出触摸位置X，Y与三个压电陶瓷片受力的比例关系：

$X=\frac{F_B}{F_A+F_B+F_C}·L_X,$$Y=\frac{F_A+\frac{1}{2}F}{F_A+F_B+F_C}·L_Y.$

其中，F_A、F_B和F_C分别是屏幕自上部中间位置起顺时针排列的A、B、C 三点的压电陶瓷片所受的支持力，L_X为触摸屏的长度，L_Y为触摸屏的宽度。

因为压电陶瓷片电压与应力成比例关系，可以推知：

$X=\frac{U_B}{U_A+U_B+U_C}·L_X,$$Y=\frac{U_A+\frac{1}{2}{U}_B}{U_A+U_B+U_C}·L_Y.$

其中，U_A、U_B和U_C分别是屏幕A、B、C三点的压电陶瓷片所产生的压 电电压。