CN102819357B

CN102819357B - 低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏

Info

Publication number: CN102819357B
Application number: CN201210285633.2A
Authority: CN
Inventors: 黄奎
Original assignee: Zhongke Rongtong Wulian Technology Wuxi Co Ltd
Current assignee: Jiangsu CAS Internet-Of-Thing Technology Venture Capital Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: CN102819357A

Abstract

本发明涉及一种低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，按照本发明提供的技术方案，所述低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，包括触摸屏屏体及位于所述触摸屏屏体上表面用于检测触控操作的主动探测电路，所述触摸屏屏体下方设有若干被动值守传感器，所述被动值守传感器与主动探测电路相连；当对触摸屏屏体的操作并触发被动值守传感器时，被动值守传感器向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体上的触控操作；触控操作结束后，主动探测电路恢复休眠状态。本发明结构紧凑，降低触摸屏屏体的厚度，实现低功耗、高精度的触摸检测。

Description

低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏

技术领域

本发明涉及一种触摸屏，尤其是一种低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，具体地说是一种基于触摸方式进行直接人机交互的技术，属于计算机科学的人机交互的技术领域。

背景技术

随着现代公共信息服务的迅速发展以及个人移动通信设备和综合信息终端的普及，触摸屏因具有易操作性、直观性和灵活性等优点已成为主要人机交互手段，其主要应用的领域包括：平板电脑和智能手机等新型个人综合信息终端；图书检索平台、旅游信息查询、游戏机控制平台等公共信息交互终端；电视电话会议控制系统、酒店管理查询系统和会议日程安排等商务管理方面；银行自动存取款机、股票信息查询平台等金融行业方面。

触摸屏根据不同的触控原理可分为电阻触摸屏、电容触摸屏、红外触摸屏和表面声波（SAW）触摸屏等四种主要类型。电阻触摸屏工作原理简单、成本低、功耗小、抗干扰能力强，但其缺点是反应时间较长、使用寿命较短、光透过率较低和抗刮伤能力差。电容触摸屏具有多点触控的功能，反应时间快、使用寿命长和光透过率较高，目前已成为中小尺寸信息终端触控交互的主要技术，但触摸精度和环境干扰消除依赖于复杂的处理算法。红外触摸屏工作信号稳定、光透过率高和抗电磁干扰能力好，缺点是抗红外环境光干扰能力差、精度较低，功耗较高，触控有效区域距离屏幕有一定的高度导致易发生误触控行为。

表面声波触摸屏光透过率优于电阻和电容触摸屏，屏幕色彩保真度高，抗刮伤性较好、使用寿命长、反应时间较短，具有探测触摸压力等级的能力，即除了对触摸点的平面坐标（X轴、Y轴）进行定位外，同时具有感知触摸点垂直于平面（Z轴）信息的能力，但缺点是防尘防污能力差、厚度一般达到3mm，功耗较高，控制器由于需要产生驱动声波换能器的电压导致体积较大、成本较高，因此难以集成到中小尺寸的便携式信息终端，多用于金融等可靠性和防爆性能要求高的行业。

近年来，随着苹果iPhone、iPad等移动通信设备和个人综合信息终端的市场快速扩展，触控技术的研发也取得了较大发展，出现了大量新型的触控技术，如Tyco公司与3M公司分别提出基于弯曲声波的触控技术、F-Origin公司的压力触控、NextWindow公司的光学触控技术，三星等公司推出的LCD内置触控感应装置等技术。但目前占市场主流的仍是电容触摸屏，由于受制于制造工艺等因素的影响，中等尺寸（10英寸及以上）良品率低、成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，其结构紧凑，降低触摸屏屏体的厚度，实现低功耗、高精度的触摸检测。

按照本发明提供的技术方案，所述低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，包括触摸屏屏体及位于所述触摸屏屏体上用于检测触控操作位置的主动探测电路；所述触摸屏屏体上设有若干被动值守传感器，所述被动值守传感器与主动探测电路相连；当对触摸屏屏体的操作并触发被动值守传感器时，被动值守传感器向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体上的触控操作；触控操作结束后，主动探测电路恢复休眠状态。

所述主动探测电路包括X轴SAW发射器、Y轴SAW发射器、X轴SAW接收器及Y轴SAW接收器；在触摸屏屏体的X轴方向上设有X轴反射条，X轴SAW发射器发射的X轴入射SAW波通过X轴反射条反射后通过X轴SAW接收器接收；在触摸屏屏体的Y轴方向上设有Y轴反射条，Y轴SAW发射器发射的Y轴入射SAW波通过Y轴反射条反射后通过Y轴SAW接收器接收。

所述被动值守传感器为压力传感器或弯曲声波传感器。

所述X轴SAW发射器、Y轴SAW发射器、X轴SAW接收器及Y轴SAW接收器均采用基于压电衬底的叉指换能器。

所述触摸屏屏体为表面声波触摸屏。

所述X轴反射条在触摸屏屏体上与X轴间的夹角呈45度，Y轴反射条在触摸屏屏体上与Y轴间的夹角呈45度。

所述被动值守传感器位于触摸屏屏体的下表面，主动探测电路位于触摸屏屏体的上表面。

所述触摸屏屏体的材料包括玻璃。

所述被动值守传感器为弯曲声波传感器，且通过主动探测电路探测长时间触摸状态操作时，主动探测电路识别到有效触控位置时，主动探测电路处于主动探测状态；当主动探测电路连续2次未探测到触控位置时，主动探测电路进入休眠状态。

所述被动值守传感器为压力传感器，且通过主动探测电路探测长时间触摸状态操作时，对触摸屏屏体的触控压力高于被动值守传感器的预设门限时，主动探测电路处于主动探测状态，以探测长时间触摸状态操作。

本发明的优点：在触摸屏屏体上同时设置被动值守传感器及主动探测电路，主动探测电路默认工作于休眠状态，以降低功耗，被动值守传感器一直处于工作状态，当对触摸屏屏体的触控操作触发被动值守传感器后，被动值守传感器向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体上的触控操作及其位置；触控操作结束后，主动探测电路恢复休眠状态；主动探测电路的状态转移由被动值守传感器触发，实现低功耗、高精度的触控要求。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2为本发明触摸屏的被动值守状态与主动探测状态间的状态转移图。

图3为本发明表面声波发射、接收器件与触摸屏屏体间一种通用耦合方式示意图。

图4为现有表面声波发射、接收器件与触摸屏屏体间的一种耦合实例剖面图

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

对于传统表面声波触摸屏，导致其功耗较高的主要因素在于表面声波触摸屏采用主动探测的方式，不论是否有用户触控行为，均需每隔一段时间（10ms-20ms，具体取值取决于屏响应速度要求）发送一个声波脉冲，该方式称之为主动探测，这种方式增加了系统总体功耗。为解决该问题，本发明包括触摸屏屏体102及位于所述触摸屏屏体102上用于检测触控操作的主动探测电路；所述触摸屏屏体102上设有若干被动值守传感器140，所述被动值守传感器140与主动探测电路相连；当对触摸屏屏体102的操作并触发被动值守传感器140时，被动值守传感器140向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体102上的触控操作；触控操作结束后，主动探测电路恢复休眠状态。本发明通过主动探测与被动值守的有机结合，极大降低了上网浏览等用户操作动作发生频次较低时的系统功耗。

本发明触摸屏屏体102与被动值守传感器140及主动探测电路配合形成触控系统，所述触控系统默认的工作状态为被动值守状态，即主动探测电路在默认状态下为休眠状态，被动值守传感器140工作于实时检测状态，当对触摸屏屏体102的触控触发被动值守传感器140时，被动值守传感器140输出的触控触发信号，能够使得主动探测电路进入主动探测状态，主动探测状态利用表面声波触摸屏常规的探测手段完成对触摸屏屏体102的触控操作位置的识别，具体识别过程此处不再详述。通过上述状态的设置及状态变化，能够降低系统功耗。

表面声波屏体厚度大、控制电路体积大、成本较高、装配复杂的主要原因在于选用超声换能器及其与屏体间的楔形耦合方式，通常为支持表面声波的传输，屏体的厚度为表面声波波长的4-5倍。对于目前成本较低、加工技术成熟的超声换能器，其工作频率多为4MHz左右，对应屏体上传播的表面声波波长为0.7-0.8mm，屏体厚度一般为3mm。此外，超声换能器需要控制电路提供较高驱动电压，控制电路工作电压到换能器驱动电压的变压器件通常体积大，转换效率低下，导致整个控制电路无法芯片化，使得控制电路成本高、体积大。同时，超声换能器与屏体采用楔形耦合方式，给表面声波触摸屏规模化生产过程中的加工、装配带来极大的不便。

针对上述问题，本发明提出采用传统表面声波器件替代表面声波触摸屏的发射与接收超声换能器，产生高频率（10MHz）的表面声波，降低屏体厚度至1-1.5mm。表面声波频率的提高一方面进一步提高了光透率，另一方面提高了触摸屏的定位精度。同时采用传统表面声波器件，有助于降低换能器驱动电压，便于控制电路的芯片化。下面结合图1、图2、图3和图4来具体说明本发明的工作原理。

如图1所示：为本发明主动探测电路与触摸屏屏体102配合的方式。所述主动探测电路包括X轴SAW发射器110、Y轴SAW发射器120、X轴SAW接收器112及Y轴SAW接收器122；在触摸屏屏体102的X轴方向上设有X轴反射条130，X轴SAW发射器110发射的X轴入射SAW波通过X轴反射条130反射后通过X轴SAW接收器112接收；在触摸屏屏体102的Y轴方向上设有Y轴反射条132，Y轴SAW发射器120发射的Y轴入射SAW波通过Y轴反射条132反射后通过Y轴SAW接收器122接收。本发明实施例中，X轴SAW发射器110与Y轴SAW发射器120分别位于触摸屏屏体102的两个对角上。

触摸屏屏体102采用传统表面声波触摸屏的屏体材料，如玻璃等，这类材料支持触控引起的弯曲声波传播，也可采用低传播损耗、高强度、高透光率的新型材料。X轴SAW发射器件110为传统的SAW器件，即基于压电衬底的叉指换能器（IDT），生成10MHz左右的高频表面声波，并将相同频率的表面声波耦合到触摸屏屏体102。蚀刻在触摸屏屏体102上表面的X轴上的X轴反射条130按一定间距规则与X轴入射SAW波150呈45度排列，将屏体上传输的SAW波通过2次反射，进入X轴SAW接收器112内，由X轴SAW接收器112进行SAW波的接收。X轴SAW接收器112也为基于压电衬底的IDT。Y轴SAW发射器120、Y轴SAW接收器122配合进行信号产生、屏体传播及接收过程与X轴一致。这个过程为主动探测过程。一般地，主动探测电路内的X轴SAW发射器110、X轴SAW接收器112、Y轴SAW发射器120及Y轴SAW接收器122位于触摸屏屏体102的上表面上，所述上表面为触摸屏屏体102朝向用户的表面。本发明实施例中，未示出主动探测器内的控制电路，所述控制电路可以采用现有表面声波触摸屏中使用的控制电路，控制电路与被动值守传感器140相连，通过与被动值守传感器140配合实现触摸屏的状态变换及触控操作的检测。

被动值守传感器140置于触摸屏屏体102的下表面，所述下表面为与上表面对应的触摸屏屏体102表面，被动值守传感器140用于感知用户触控屏体引起的弯曲振动声波或触控压力，并基于感知门限确定是否启动主动探测过程。弯曲声波主能量频谱的频率一般在声波范围内，可以使用基于压电效应的普通麦克风，也可以采用薄的压力传感器，即被动值守传感器140可以采用压力传感器或弯曲声波传感器。压电传感器的优势在于监测高速的屏体点击行为，压力传感器的优点在于能够感知轻微的屏幕触摸操作，用户体验较好，但缺点是压力传感器的频响较低，一般在10-20Hz，难以快速跟踪用户点击间隔小于100ms的操作。

由于压力或振动引起的屏体信号频率较低，传播机制也与屏体上的SAW完全不同，X轴反射条130、Y轴反射条132不会对屏体信号的传播产生影响。同时X轴SAW接收器112与Y轴SAW接收器122在被动值守状态处于休眠状态，且工作频率远高于触摸导致的屏体信号频率，不会因接收处理这类信号引起误操作。

与弯曲声波识别定位系统不同，本发明的方案无需对弯曲声波进行复杂的时域、频域信号处理，仅根据弯曲声波或触摸屏体压力的幅值，基于判决门限进行是否存在触摸屏体的操作，算法简单，延时短。

被动值守传感器140一般布设在触摸屏屏体102的四角，布设数量可以为1~4个，布设数量的增加易于提高触摸屏屏体102触控操作检测的可靠性。当采用多个被动值守传感器140接收触控信号并全部超过被动值守传感器140的判决门限的可靠性检测方案时，假设屏触摸屏体102的长宽分别为L，W，则最大检测时延对应触控点发生在距离某一被动值守传感器140对角位置的情况，可表示为：

t_{1} = \frac{\sqrt{L^{2} + W^{2}}}{c_{b}}

式中的c_b为屏体弯曲波信号的传播速度，对于中小尺寸屏体，最大检测时延小于1ms。这个时延是较传统SAW触摸屏增加额外时延，不考虑处理时延的整体检测时延为：

t = t_{1} + t_{2} + t_{3} = \frac{\sqrt{L^{2} + W^{2}}}{c_{b}} + \frac{2 L + W}{c_{s}} + \frac{2 W + L}{c_{s}}

式中的c_s为屏体SAW信号的传播速度，t₂为SAW从X轴SAW发射器110到X轴接收器112的传播时延，t₃为SAW波从Y轴SAW发射器120到Y轴接收器122的传播时延。

图2给出了本发明声波触摸屏的状态转移图。本发明形成的触屏系统缺省工作在被动值守状态，该状态下，X轴SAW发射器110、X轴SAW接收器112，Y轴SAW发射器120、Y轴SAW接收器122及对应的控制电路处于休眠状态，仅被动值守传感器140处于工作状态。当被动值守传感器140感知的信号幅值低于判决门限的条件202成立时，被动值守传感器140不会输出触控触发信号，整个触屏系统仍处于被动值守状态，主动探测电路一直处于休眠状态。若被动值守传感器140感知的信号幅值高于其判决门限的条件220成立时，主动探测电路切换到主动探测状态，该状态下主动探测电路处于工作状态，低功耗的被动值守传感器140仍处于工作状态；通过主动探测电路实现对触摸屏屏体102的触控信号的检测与识别。

基于弯曲声波无法有效检测“一直触摸”（Hold on）操作，使用以下2种方式定义主动探测状态到被动值守状态的切换条件222以及仍处于主动探测状态的条件212：

（1）、若被动值守传感器140采用压力传感器，则条件212为压力值高于被动值守传感器140的预设判决门限，则条件222为压力值低于被动值守传感器140的预设判决门限。

（2）、若被动值守传感器140采用弯曲声波传感器，则条件212为主动探测电路识别到有效触控位置，则条件222为主动探测电路连续2次没有探测到触控信号。

当采用压力传感器作为被动值守传感器时，以上两种条件可以同时使用，即同时满足两种定义的条件时，执行对应的状态转移。上述“一直触摸”即为一种长时间对触摸屏屏体102进行触控的行为。

提高触摸屏SAW波的工作频率能够降低触摸屏屏体102的厚度，提高定位精度（精度与SAW波长呈反比）。传统的超声波换能器提高工作频率对设计和加工工艺要求较高，目前国内工作频率10MHz的超声换能器供应商少，且价格高。本发明采用基于压电衬底的IDT提供了新的选择。图3描述了基于压电材料的IDT如何将产生的SAW耦合到由非压电材料构成的屏体（如何将SAW从触摸屏屏体102耦合到SAW接收器与此基本一致）。

首先通过蚀刻或粘合将IDT的第一叉指电极310、第二叉指电极312置于触摸屏屏体102上表面，其后将压电衬底320置于第一叉指电极310、第二叉指电极312之上，压电衬底320通常采用高压电效应的LiNbO₃材料制作。也可以将制作好的基于压电衬底的IDT的电极面朝向屏体，以通过粘合方式置于屏体上表面。最后在压电衬底320之上，放置预压机件330。预压机件施加一定的压力（几个牛顿），在压电衬底320和第一叉指电极310、第二叉指电极312之上提高了IDT与触摸屏屏体102的SAW耦合性能。

上述过程属于IDT与非压电屏体材料耦合通用过程，为了提高SAW耦合效率，通常要求压电衬底320的长度为压电衬底传播的SAW半个波长的整数倍，以使IDT表面的SAW形成驻波，非压电屏体在接收到驻波时，将产生更大幅度的振动。

当SAW在压电衬底320和非压电屏体中的传播速度相同时，通过同相驻波的叠加，能够进一步提高SAW在压电材料和非压电材料间的耦合系数。但大多数情况下，SAW在压电材料和非压电材料中的传播速度不同，为解决此问题，可以采用图4所示的美国专利US4330728发明的耦合方式。

如图4所示：传统SAW器件由耦合压电衬底410、叉指电极412构成，并通过机械接触构件420将SAW耦合到屏体402。机械构件420由沿SAW传播方向顺序排列的等间距方形块组成，通过设置方形块的间距，可以实现SAW在具有不同传播速度的压电材料和非压电材料间的高性能耦合。从图3和图4说明，SAW器件可以将SAW耦合到非压电材料上，本发明实施例对SAW波的耦合具有可操作性。

本发明在触摸屏屏体102上同时设置被动值守传感器140及主动探测电路，主动探测电路默认工作于休眠状态，以降低功耗，被动值守传感器140一直处于工作状态，当对触摸屏屏体102的触控操作触发被动值守传感器140后，被动值守传感器140向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体102上的触控操作；触控动作结束后，主动探测电路恢复休眠状态；主动探测电路的状态转移由被动值守传感器140触发，，满足超极本、平板电脑等中小尺寸（14英寸以下）即将出现的三维显示触控技术的要求，实现低功耗、高精度的触控要求。

Claims

1. 一种低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，包括触摸屏屏体（102）及位于所述触摸屏屏体（102）上用于检测触控操作位置的主动探测电路；其特征是：所述触摸屏屏体（102）上设有若干被动值守传感器（140），所述被动值守传感器（140）与主动探测电路相连；当对触摸屏屏体（102）的操作并触发被动值守传感器（140）时，被动值守传感器（140）向主动探测电路输出触控触发信号，以使得主动探测电路从休眠状态进入主动探测状态，并通过主动探测电路检测触摸屏屏体（102）上的触控操作；触控操作结束后，主动探测电路恢复休眠状态；

所述主动探测电路包括X轴SAW发射器（110）、Y轴SAW发射器（120）、X轴SAW接收器（112）及Y轴SAW接收器（122）；在触摸屏屏体（102）的X轴方向上设有X轴反射条（130），X轴SAW发射器（110）发射的X轴入射SAW波通过X轴反射条（130）反射后通过X轴SAW接收器（112）接收；在触摸屏屏体（102）的Y轴方向上设有Y轴反射条（132），Y轴SAW发射器（120）发射的Y轴入射SAW波通过Y轴反射条（132）反射后通过Y轴SAW接收器（122）接收；

所述X轴SAW发射器（110）、Y轴SAW发射器（120）、X轴SAW接收器（112）及Y轴SAW接收器（122）均采用基于压电衬底的叉指换能器；

所述被动值守传感器（140）位于触摸屏屏体（102）的下表面，主动探测电路位于触摸屏屏体（102）的上表面；

所述被动值守传感器（140）为压力传感器或弯曲声波传感器。

2.根据权利要求1所述的低功耗轻薄型中小尺寸声波触摸屏，其特征是：所述触摸屏屏体（102）的材料为玻璃。