CN101931392B - 无偏压驻极体三维多点之触控装置 - Google Patents

Abstract

一种无偏压驻极体三维多点之触控装置，包括一提供第一高偏压电荷之第一驻极体薄膜、第一电极、第二电极以及控制器。第一电极与第一驻极体薄膜接合，当第一驻极体薄膜因外力触压变形，使静电场产生变化时，输出第一讯号。第二电极于静电场产生变化时，输出第二讯号。第一电极、第二电极将第一、第二讯号传送至控制器。控制器即能侦测、辨析外力触压第一驻极体薄膜之位置以及于前述位置第一驻极体薄膜之法向量位移值。本发明可更设置第二驻极体薄膜，提供第二高偏压电荷。第一、第二高偏压电荷共同形成分布于其中之静电场。

Description

无偏压驻极体三维多点之触控装置

技术领域

本发明是关于一种驻极体触控装置，特别是有关一种无偏压驻极体三维多点触控装置，能判断第一、第二方向的座标以及第三方向的外力大小，且无需额外的偏压。

背景技术

随着科技进步，生活品质大幅提升，消费性电子产品不断地迅速更迭，符合人性习惯且结合显示器的输入介面-触控装置问世，进一步促使人机介面的互动朝精准、亲和的方向迈进。触控装置能以手指或触控笔等物体直接依照显示器上显示的功能指示点选输入，甚至能于显示器上直接书写、图绘，几乎无需再学习。并且，结合触控装置的输入介面较传统输入介面，即键盘及鼠标器等装置能减少占用空间，符合近年来电子产品短小、轻薄趋势，故触控装置逐渐取代其他输入介面。近来，PDA、PND、手机、迷你笔电、提款机等商品皆逐渐采用触控装置为主流。Apple于2007年春问世的iPhone采用多点触控的技术，更掀起一股产业界研发触控装置的巨大风潮，带动触控装置产业整体的大跃进。手机大厂Nokia虽然较晚进入触控领域，但其近来推出的数款手机亦均采用触控输入，触控装置俨然已成为未来Nokia手机之标准配备。

当今发展之触控装置技术主要包括光学式、超声波式、电磁式、电阻式及电容式等。其中又以电阻式及电容式为主流且为发展较成熟的产品，电阻式触控装置主要应用于低价产品，如消费性手机、PDA与PND等产品，而电容式触控装置则应用于较高价的产品，如提款机、工厂设备等。此外，如HP第二代TouchSmart PC、Apple iPhone及笔电之TouchPad也多采用电容式触控装置。惟，电阻式触控装置，表面易受刮损，且需较大之触压力量才能被侦测，灵敏性较差。而电容式触控装置虽然灵敏性高，但制程复杂许多，且无法使用非导体，例如：触控笔、指套等做为触控输入之物体为其主要的缺点。

于美国公告第6,819,316B2，7,030,860B1及7,154,481B2号专利中揭示一电容式之触控装置，藉由触压变形所产生的电容变化，以侦测触控座标。并且，所揭示电容式触控装置为软性可弯曲。于美国公告第7,260,999B2及7,511,702B2号专利中则揭示一电容式之触控装置，藉由触压变形所产生的电容变化，以侦测触控座标及力量大小。惟，其侦测力量大小及触控座标是由不同的感应导电线路侦测。再者，上述提及的任一触控装置均必须于触控装置之上下基板间，额外施加一偏压或电讯号方能进行触控。并且，均将增加电路及结构上的复杂度，而额外施加之偏压必然具备一定的电力消耗，导致现有的电子产品使用时间无法更进一步延长，就近年来电子产品短小、轻薄的发展趋势而言，使用时间无法延长以符合人性需求，是为无法更加普及化的主要因素之一。

发明内容

有鉴于前述习知技术之问题，本发明之主要目的在于提供一种无偏压驻极体三维多点之触控装置，包括一第一驻极体薄膜、一第一电极、一第二电极以及一控制器。第一驻极体薄膜提供第一高偏压电荷，用以形成静电场。第一电极与驻极体薄膜接合，当驻极体薄膜因若干个外力触压变形(即多点触压)，使静电场产生变化时，输出第一讯号。静电场产生变化时，第二电极输出第二讯号。控制器对第一电极所具有独立之第一电极图案及第二电极所具有独立之第二电极图案扫描接收第一讯号及第二讯号后，即能辨析外力触压驻极体薄膜之位置以及驻极体薄膜于位置之法向量位移值(于驻极体薄膜上之位置与法向量位移值即三维)。并且，驻极体薄膜于触压位置中心点之变形量最大，电场变化亦最大。而随着偏离中心点之距离增加，电场变化亦逐渐减小。本发明之控制器不仅藉此能单单辨析中心点之法向量位移值，更能辨析出外力触压中心点周围细微之变化。

本发明之无偏压驻极体三维多点之触控装置更包括保护膜、间隔层以及基板。保护膜设置于第一电极与第一驻极体薄膜接合之相对面，用以保护第一电极，避免外力触压所造成刮损并免于环境之破坏。间隔层用以隔开该第一驻极体薄膜与基板。基板则用以为触控装置之载体。其中基板为任何类型的显示器之表面。并且由于本发明之驻极体薄膜具有软性可弯曲结构之特性。因此，本发明对基板之形状并未有特别之限定，例如：可为平板或弧形皆可。

再者，本发明可更进一步包括第二驻极体薄膜，以间隔层隔开而设置于第一驻极体薄膜之相对面，提供一第二高偏压电荷，能与第一高偏压电荷共同形成静电场。第一高偏压电荷与第二高偏压电荷之电性相反，当触控装置受外力触压而变形时，第一驻极体膜与第二驻极体膜间之相对位置改变，同样地共同形成之静电场亦会随之改变，进而产生第一讯号及第二讯号。

依据本发明提供之无偏压驻极体三维多点之触控装置具有许多优点，例如：具备与电容式触控装置相同灵敏度高之触感，但不论使用导体，例如：手指、探针或非导电体，例如：触控笔、指套等均能为触压物体。并且相较于电容式或者电阻式触控装置，本发明之触控装置结构简单、成本低廉。再者，由于无需额外施给之偏压，能更进一步节省电力消耗，提高触控装置之续航力。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置的截面示意图。

图2是根据本发明第二实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置的截面示意图。

图3是根据本发明无偏压驻极体三维多点触控装置具有之第一电极、第二电极以及驻极体薄膜之一设置方式示意图。

图4(a)及图4(b)是触压本发明图3中之触控装置，其触压变形量、力道(脉冲讯号振幅)及位置之关系图。

图5是根据本发明第三实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置之平面图。

图6是同时长按图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块之测试波形图。

图7是前后分别短按图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块之测试波形图。

图8是以触压力道渐强之方式短按三次图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块之测试波形图。

图9(a)是显示习知技术需要供给偏压之触控装置的简单功能方块图。

图9(b)是显示本发明之触控装置的简单功能方块图。

具体实施方式

为让本发明之上述和其他目的、特徵、和优点能更明显易懂，配合所附图式，作详细说明如下，惟请注意本发明之目的并非以此为限：

请参阅图1根据本发明第一实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置的截面示意图。于本发明第一实施例中，无偏压驻极体三维多点触控装置100包括第一驻极体薄膜110、第二驻极体薄膜115、第一电极120、第二电极125、导电传输线130、基板135、保护膜140、封装材145、间隔层150以及控制器300。第一驻极体薄膜110设置于第一电极120之下侧，第一电极120之上侧设置有保护膜140。第二驻极体薄膜115是以间隔层150隔开而设置于第一驻极体薄膜110之相对面。

第一驻极体薄膜110提供第一高偏压电荷，第二驻极体薄膜115则提供第二高偏压电荷，第一高偏压电荷与第二高偏压电荷共同形成分布于第一驻极体薄膜110与第二驻极体薄膜115间之静电场。并且，第一高偏压电荷与第二高偏压电荷之电性相反，若第一高偏压电荷带正电荷，则第二高偏压电荷带负电荷。第一电极120与第一驻极体薄膜110接合，当第一驻极体薄膜110因使用者190施予外力触压而变形，使静电场产生变化时，第一电极120通过导电传输线130输出第一讯号至控制器300。同时，第二电极125因使用者190对第一驻极体薄膜110施予外力触压而使静电场产生变化时，输出第二讯号至控制器300。

第一电极120与第二电极125分别具有若干个独立的第一电极图案及第二电极图案(于后详述)。控制器300对前述独立的第一电极图案及第二电极图案扫描接收第一讯号及第二讯号后，用以辨析外力触压第一驻极体薄膜110之位置以及第一驻极体薄膜110于前述触压位置之法向量位移值(于后详述)。本发明之保护膜140是设置于第一电极120与第一驻极体薄膜110接合之相对面，亦即使用者190施予外力触压之表面，用以保护第一电极120，避免外力触压所造成刮损并免于环境之破坏。

基板135是用以作为整个触控装置之载体。并且基板135可为任何类型显示器之表面，例如：CRT、LCD、LED、OLED或电浆显示器等之表面，本发明于此并未有特别之限定。并且，由于本发明之第一、第二驻极体薄膜110、115具有软性可弯曲结构的特性。因此，本发明之触控装置亦为软性可弯曲的结构。是以，对基板135之形状并未有特别之限定，例如：可为平板或弧形皆可，本发明无偏压驻极体三维多点之触控装置能设于任意形状之表面。

间隔层150是用以隔开第一驻极体薄膜110与第二驻极体薄膜115、第二电极125、基板135。第二驻极体薄膜115是与第二电极125接合。于此第一实施例中，间隔层150可具有若干个独立的间隔材155，利用封装材145进行封装，间隔材155则以平均配置之方式设置于第一驻极体薄膜110与第二驻极体薄膜115之间。

请参阅图2根据本发明第二实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置的截面示意图。于本发明第二实施例中，无偏压驻极体三维多点触控装置200同样地包括第一驻极体薄膜110、第一电极120、第二电极125、导电传输线130、基板135、保护膜140、封装材145、间隔层250。但与第一实施例不同的是间隔层250为一整片具有恢复弹性之间隔材。当使用者190释放对第一驻极体薄膜110所施予之外力触压后，间隔层250具备如同硅胶般恢复原状之特性。

值得一提的是，本发明第二实施例中，仅设置第一驻极体薄膜110，其所提供之第一高偏压电荷即能形成静电场。当仅设置第一驻极体薄膜110时，基板135藉由静电感应，即具有与第一驻极体薄膜110提供之第一高偏压电荷电性相反的第三高偏压电荷。第一高偏压电荷电性与第三高偏压电荷共同形成分布于其间之静电场。而于本发明前述第一实施例设置第二驻极体薄膜115，则能更进一步提高分布于其间之静电场对外力触压的敏感度，提高本发明无偏压驻极体三维多点之触控装置的精确性。并且于本发明前述第一实施例中亦能仅设置第一驻极体薄膜110即可。本发明之第二实施例亦能如第一实施例般设置第二驻极体薄膜115。

再者，对第一驻极体薄膜110或第二驻极体薄膜115之充电方式可为高电压电晕法或极化法。由于第一驻极体薄膜110或第二驻极体薄膜115上具有若干个奈微米孔洞，充电后即能长时间保有高偏压电荷。因此无需如习知的电容式触控装置施予额外偏压之必要。并且，若应用于显示器之触控，则前述第一驻极体薄膜110、第二驻极体薄膜115、第一电极120、第二电极125、基板135、保护膜140以及间隔层150之材料皆可选用透明材质。更进一步具体而言，基板135之材质可为不导电透明玻璃或塑料。间隔层150之材料可为透明橡胶、透明液态胶或透明塑料材。

第一驻极体薄膜110与第二驻极体薄膜115之材料可选自聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)及聚偏氟乙烯(PVDF)等氟系高分子聚合物、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、环烯共聚物(COC)及其复合物。第一电极120及第二电极125是以物理气相沉积法(例如：蒸镀法、溅镀法及离子披覆)或化学气相沉积法(例如：电浆技术法)制成导电层。第一电极120及第二电极125之材料则可选自氧化铟锡(Indium TinOxide，ITO)、氧化铟锌(Indium Zinc Oxide，IZO)、氧化锌锡(Zinc Tin Oxide，ZTO)、氧化锌铝(Aluminum Zinc Oxide，AZO)、氧化镓铝(Gallium ZincOxide，GZO)等之透明氧化导电物质(Transparent Conductive Oxide，TCO)，或是其他导电高分子材料、奈米碳管(Carbon Nano-Tube)等。

请参阅图3根据本发明无偏压驻极体三维多点之触控装置具有之第一电极120、第二电极125以及驻极体薄膜之一设置方式示意图。图3是从上方俯视本发明之触控装置。如图中所示第一电极120具有若干个第一电极图案305，于此实施例中第一电极图案305为长条状以水平方向相互平行排列。第二电极125具有若干个第二电极图案310，于此实施例中第二电极图案310为长条状以垂直方向相互平行排列。例如：第一驻极体薄膜则设置于第一电极图案305与第二电极图案310之间。第一电极图案305及第二电极图案310虽以相互垂直之长条状为例，惟本发明并未以此为限定，电极之图案可视触控需要而设计。并且第一电极图案305与第二电极图案310能以单层之结构或者多层之结构设置。

请参阅图4(a)及图4(b)是触压本发明图3中之触控装置，其触压变形量、力道(脉冲讯号振幅)及位置之关系图。以前述第二电极图案310为并列之长条状作为本发明触控装置之实施例。如图4(a)中所示，当使用者触压本发明之触控装置时，触压中心点圆B1中心之触压变形量最大，随着偏离中心点之距离增加，如图中显示之圆B2、圆B3之触压变形量亦逐渐变小，代表触压力道变小。如图4(b)中所示，为图4(a)中所示横跨中心点之位置A-A′与触压力道(脉冲讯号振幅)之关系图，随着偏离中心点之距离增加，振幅亦逐渐变小。此外触压力道越大，脉冲讯号振幅亦随之变大。即如前所述，本发明之控制器对第一电极图案及第二电极图案扫描第一讯号及第二讯号，通过导电传输线接收第一讯号及第二讯号之脉冲讯号，即可辨析其触控位置以及触压力道之大小。本发明之控制器不仅藉此能单单辨析中心点之法向量位移值，更能辨析出外力触压中心点周围细微之变化。

请参阅图5根据本发明第三实施例之无偏压驻极体三维多点触控装置之平面图。于本发明第三实施例中，触控装置应用于例如：提款机等，触压位置之配置为特定之位置，如1～9数字键之输入。则如图中所示，与第一电极120接合之驻极体薄膜505仅需设置于数字键之位置即可。再分别由导电传输线130连接至控制器。于本发明第三实施例中，第一电极图案可为若干个独立不相连区块，第二电极图案亦为若干个独立不相连区块，第一电极图案与第二电极图案相互对应，设置于数字键之位置。

请参阅图6是同时长按图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块(独立电极图案)之测试波形图。若使用者同时对触控装置的两个位置施予外力触压，则控制器能接收到两个脉冲讯号，施予长按之外力触压即如图中显示，控制器所接收到的脉冲讯号为一具有峰值之脉冲讯号，其振幅会随着时间逐渐变小。此波形图显示本发明虽以两点触控进行测试，但本发明之触控装置能同时侦测出对触控装置多点之触压。并且每一点之触压变形量、力道亦能如图4(a)及图4(b)中所示，为控制器精确地辨析。

请参阅图7是前后分别短按图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块(独立电极图案)之测试波形图。若使用者前后分别短按触控装置的两个位置，即如图中显示，相对每个位置，控制器均接收到为具有两个峰值(一正一负，正代表驻极体薄膜被按下，具有法向量位移值，负代表驻极体薄膜恢复至原来位置)之脉冲讯号，由于外力触压为短按之方式，峰值之脉冲讯号时间较短。且可看出两个位置分别于前后(上图为前，下图为后)接收外力之触压。

请参阅图8是以触压力道渐强之方式短按三次图5之无偏压驻极体三维多点触控装置所具有之两独立电极区块(独立电极图案)之测试波形图。若使用者以触压力道渐强之方式短按三次触控装置的两个位置，即如图中显示，相对每个位置，控制器均接收到为具有三个峰值之脉冲讯号(三正三负，正代表驻极体薄膜被按下，具有法向量位移值，负代表驻极体薄膜恢复至原来位置)，由于外力触压为短按之方式，峰值之脉冲讯号时间较短。且可看出两个位置大致同时接收外力之触压。

请参阅图9(a)及图9(b)分别显示习知技术及本发明之简单功能方块图。图9(a)显示习知技术需要施加额外偏压之触控装置的显示习知技术。图9(b)则显示本发明无需施加额外偏压之触控装置及整个控制系统。本发明之无偏压驻极体三维多点触控装置100连接至控制器300。控制器300具有电荷放大器301、多路复用器302、A/D转换单元303以及微处理器304。电荷放大器301接受来自无偏压驻极体三维多点触控装置100之第一电极及第二电极，通过导电传输线所传送之第一讯号与第二讯号并予以放大。A/D转换单元303则将第一讯号与第二讯号转换成为数位信息。微处理器304则对前述数位信息进行运算，即能辨析外力触压第一驻极体薄膜之位置以及第一驻极体薄膜于前述位置之法向量位移值。

总言之，本发明提供之无偏压驻极体三维多点之触控装置能同时侦测、辨析多点触控之位置及外力触压使驻极体薄膜产生之法向量位移值。是以，本发明不仅能与电容式触控装置灵敏度相当之触感，无论使用导体，例如：手指、探针或非导电体，例如：触控笔、指套等皆均能作为本发明触压装置之触压物体。再者，相较于电容式、电阻式触控装置，本发明之触控装置结构更为简单、成本更低、可靠度更高。更重要的优点是，由于无需额外之偏压供给，是以能更进一步节省电力消耗，提高触控装置以及配置该触控装置之电子装置的使用续航力。

Claims (38)

1.一种无偏压驻极体三维多点之触控装置，其特征在于，该触控装置包括：

一第一驻极体薄膜，提供一第一高偏压电荷，用以形成一静电场；

一第一电极，具有若干个独立之第一电极图案，与该第一驻极体薄膜接合，当该第一驻极体薄膜因若干个外力触压变形，使该静电场产生变化时，输出第一讯号；

一第二电极，具有若干个独立之第二电极图案，该静电场产生变化时，输出第二讯号；以及

一控制器，接收这些第一电极图案和这些第二电极图案传来之所述第一讯号及所述第二讯号，用以辨析这些外力触压该第一驻极体薄膜之若干个位置以及该第一驻极体薄膜于所述位置之若干个法向量位移值。

2.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：这些外力触压之所述位置为平行于该第一驻极体薄膜之若干个第一方向座标及若干个第二方向座标。

3.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：所述位置之所述法向量位移值表示这些外力触压之大小。

4.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该触控装置能以非导电体触压该第一驻极体薄膜。

5.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该触控装置能以导电体触压该第一驻极体薄膜。

6.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于，该触控装置更包括一保护膜设置于该第一电极与该第一驻极体薄膜接合之相对面，用以保护该第一电极。

7.根据权利要求6所述的触控装置，其特征在于：该保护膜为透明材质。

8.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：所述第一电极图案是相互平行，所述第二电极图案是相互平行，所述第一电极图案与所述第二电极图案相互垂直。

9.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：所述第一电极图案为若干个独立不相连区块，所述第二电极图案为若干个独立不相连区块，所述第一电极图案与所述第二电极图案是相互对应。

10.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：所述第一电极图案与所述第二电极图案是以单层之结构设置。

11.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：所述第一电极图案与所述第二电极图案是以多层之结构设置。

12.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一驻极体薄膜之材料是选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物及聚偏氟乙烯这些氟系高分子聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、环烯共聚物及其复合物。

13.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一高偏压电荷之电性为正电或负电。

14.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一驻极体薄膜是由驻极体所组成，能于充电后长时间保有该第一高偏压电荷。

15.根据权利要求14所述的触控装置，其特征在于：对该第一驻极体薄膜之充电方式为高电压电晕法或极化法。

16.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于，该触控装置更包括一第二驻极体薄膜，提供一第二高偏压电荷，用以与该第一高偏压电荷共同形成该静电场。

17.根据权利要求16所述的触控装置，其特征在于：该第二驻极体薄膜为透明材质。

18.根据权利要求16所述的触控装置，其特征在于：该第二驻极体薄膜之材料是选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物及聚偏氟乙烯这些氟系高分子聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、环烯共聚物及其复合物。

19.根据权利要求16所述的触控装置，其特征在于：该第二高偏压电荷之电性为正电或负电。

20.根据权利要求16所述的触控装置，其特征在于：该第二驻极体薄膜是由驻极体所组成，能于充电后长时问保有该第二高偏压电荷。

21.根据权利要求20所述的触控装置，其特征在于：对该第二驻极体薄膜之充电方式为高电压电晕法或极化法。

22.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于，该触控装置更包括一基板，用以为该触控装置之载体。

23.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第二电极与该第一驻极体薄膜接合该第一电极之相对面接合。

24.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该第二电极是与该基板接合。

25.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于，该触控装置更包括一间隔层，用以隔开该第一驻极体薄膜与基板。

26.根据权利要求25所述的触控装置，其特征在于：该间隔层具有若干个独立设置之间隔材。

27.根据权利要求25所述的触控装置，其特征在于：该间隔层为一具有恢复弹性之间隔材。

28.根据权利要求25所述的触控装置，其特征在于：该间隔层之材料为透明橡胶、透明液态胶或透明塑料材。

29.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板为一显示器之表面。

30.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板之形状为平板。

31.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板之形状为弧形。

32.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板为透明材质。

33.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板之材质为不导电透明玻璃或塑料。

34.根据权利要求22所述的触控装置，其特征在于：该基板藉由静电感应，具有与该第一高偏压电荷电性相反之第三高偏压电荷。

35.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一电极及该第二电极是以物理气相沉积法或化学气相沉积法形成。

36.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一电极及该第二电极形成之材料是选自氧化铟锡、氧化铟锌、氧化锌锡、氧化锌铝、氧化镓铝这些透明氧化导电物质或是选自透明导电高分子材料、奈米碳管。

37.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该触控装置为软性可弯曲之结构。

38.根据权利要求1所述的触控装置，其特征在于：该第一驻极体薄膜、第一电极、第二电极为透明材质。

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