CN104995587B - 一种压力检测结构及触控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压力检测结构及触控装置，所述压力检测结构包括基板和传感器，基板上设应变集中区及非应变集中区，所述传感器设于所述应变集中区附近或应变集中区范围内，所述应变集中区处的基板厚度薄于所述非应变集中区处的基板厚度，所述应变集中区对压力反应敏感、应变变形明显，以便于在基板表面施加压力下产生可检测的电信号。所述触控装置包括至少一个所述压力检测结构。所述压力检测结构的操作灵敏，成本易控制，适合无尘、安防等要求较高的环境，其应用领域广泛。
Description
技术领域
本发明属于触控技术领域，特别涉及一种压力检测结构及触控装置。
背景技术
随着近些年智能电子产品的发展，触摸屏和触摸按键被广泛的应用在各种电子产品以及其它相关产品上。其直观的人机交互界面、易操作性和易虚拟化定义的特点，使这些产品的操作更加人性化，功能更加多样化。触摸屏和触摸按键的应用越来越广泛，同时也要求其能够有更多功能和更高可靠性，以应用于更多场合。现有的触摸屏和触摸按键包括多种类型，如电容型、电阻型、红外线型和表面声波型等。这些触摸屏和触摸按键是通过检测手指触摸后的接触电阻、电容、阻挡的红外线或声波的变化来检测触摸的位置。在实际使用中，以上各类触摸结构均存在可靠性低，无法检测触摸压力的大小，输入方式较多局限，以及无法直接应用在金属等一些导体介质上等问题。
为了解决上述问题，现有技术中有一种压力感应式的触摸按键和触摸屏，其可靠性较高，能够应用于几乎任何可弹性上的介质上，输入方式也很灵活，还能够检测压力值，可用于更高要求的触控设备。但是，由于压力感应式的触摸屏或触摸按键是通过检测介质应变来得到相关位置坐标和压力值的，其介质的应变要达到应变感应器所能检测的最小范围，因此该应用又受到了介质材料强度和厚度的限制，若介质较厚、强度较大，就不易检测到较轻的触摸动作，这样也使得触摸操作不够流畅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力检测结构，旨在解决压力传感触摸屏或触摸按键对介质的强度和厚度的限制问题，突破其制造和应用的局限性。
本发明是这样实现的，一种压力检测结构，所述基板上设应变集中区及非应变集中区，所述应变集中区处的基板厚度薄于所述非应变集中区处的基板厚度，所述应变集中区包括至少一个由基板背面向内凹陷形成的凹槽和基板上与凹槽相对应的、应变集中的相对厚度较薄部分区域，所述应变集中区的若干个凹槽形成一组凹槽组，该凹槽组包括位于所述应变集中区中部的中心槽和位于应变集中区边缘处的边缘槽，所述中心槽与边缘槽相互贯通或无贯通，还包括设于所述基板背面且与基板相互贴合的介质层，所述传感器位于介质层与基板之间、介质层之间或介质层背对基板的一面，且位于基板背面的所述应变集中区附近和/或应变集中区范围内。
进一步的，所述基板一体成型，基板由塑胶、金属、木材或玻璃材质中任一种制成。
进一步的，所述基板由具有弹性形变材料或刚性材料制成。
进一步的，所述中心槽为十字形、X字形、米字形、圆形、环形或放射形，所述边缘槽为扇形、环形、圆形、椭圆形或多边形。
进一步的，所述凹槽组由多个凹槽组成，呈网格形或均布或非均布排列。
进一步的，所述应变集中区范围内或附近设有至少两个相互串联的一个传感器，并且至少有一个传感器设于应变集中区范围的中心位置处，位于所述中心位置处的传感器与其余传感器串联并且构成桥式电路。。
进一步的，所述应变集中区范围内设有一个传感器，该传感器位于应变集中区范围的中心处。
进一步的，所述传感器为可变电阻、电容、电感式应变传感器、应力传感器或聚合物应变传感器。
本发明的另一目的在于提供一种触控装置，包括触摸按键和/或触摸屏，所述触摸按键包括前所述的压力检测结构；和/或所述触摸屏包括至少一个如前所述的压力检测结构。
本发明实施例与现有技术相比，具有如下优点：
1、在基板表面开设凹槽，使基板受压产生的应力集中在凹槽附近，便于凹槽正对区域的应变感应器或应力感应器检测到介质层的应变，由于应变主要发生在凹槽附近，因此应变大小仅与凹槽处的基板厚度有关，因此感应器检测的应变量不受基板整体厚度的影响，从而能够应用于各种厚度各种介质的触摸屏或触摸按键，可有效控制制造成本，消除了触摸屏或触摸按键的介质选择的局限，并且对于较厚介质制作的触摸屏或触摸按键，也不需施加较大压力，操作更加灵敏。
2、由于是压力检测结构，不受触摸方式的限制，例如可以是手指触摸、手写笔触摸、导体触摸或带着手套的手指触摸等等，也不会受到带电介质的干扰而影响精度。
3、基板只要具有弹性形变性能，不受材料限制，可以为金属、玻璃或塑胶材质等任意一种可弹性变形材料，或为弹性模量极高的刚性材料，选材灵活度高、应用范围广。
4、该触摸结构可以检测压力值，故除了应用在压力感应式触摸屏或触摸按键外，还可以通过校准，用于称重测力等相关产品，应用领域更广泛。
5、在基板背面开凹槽时，由于基板正面为完整的介面，没有开槽或缝隙，适合无尘、安防等要求较高的环境。
附图说明
图1是本发明实施例提供的压力检测结构的应用状态图；
图2是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(一)；
图3是图2所示压力检测结构的剖视图；
图4是图2所示压力检测结构中应变感应器的电路图；
图5是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(二)；
图6是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(三)；
图7是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(四)；
图8是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(五)；
图9是本发明实施例提供的压力检测结构的平面图(六)；
图10是图9所示压力检测结构的剖视图；
图11是本发明另一实施例提供的压力检测结构的剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
请参阅图1～3，本发明优选的实施例提供的压力检测结构包括相互贴合的具有对压力反应敏感、具有应变集中区的基板1和介质层2，基板1和介质层2之间的贴合可采用液体胶水、固体胶、胶膜、UV胶或注塑方式，还包括应变感应器4。所述基板1上设应变集中区11及应变集中区范围11之外的非应变集中区12，所述应变传感4设于所述应变集中区11附近或应变集中区范围内，所述应变集中区11处的基板厚度h1薄于所述非应变集中区12处的基板厚度h2，所述应变集中区11对压力反应敏感、应变变形明显、应力集中，能够将在该区域施加的相应压力或压强与非应变集中区12隔离起来，应变传感器4即可输出增大的电信号。所述基板1的一面(正面或背面)开设有至少一个凹槽，本实施例中基板1上开设有由若干个凹槽组成的凹槽组3，凹槽组3(或凹槽3)和基板1上相对应的对压力反应敏感、应力集中的厚度较薄部分区域形成所述应变集中区11，应变集中区11范围内所对应的基板1的正面为触摸操作界面，可作为用户操作的介面，在介质层2的一面(正面或背面)设有至少两个串联的应变感应器4，并且至少有一个应变感应器4设置于应变集中区11范围内，即本实施例中凹槽组3正对的区域范围内，优选位置为位于凹槽组3的中心处。在该触摸结构中，在基板1表面开设凹槽组3的目的在于改变基板1的应力分布，当用户触摸基板1时，会对基板1施加一定的压力，由于凹槽组3的存在，使基板1受压后产生的应力集中在凹槽组3附近，进而使介质层2与凹槽组3正对的区域较易发生形变，设置在该区域的应变感应器4可感应到该形变，进而产生与该形变量相关的感应信号，该感应信号是作为触摸位置和压力大小检测的依据。所述应变传感器4位于介质层2之间或介质层2背对基板1的一面均可，且位于基板1背面的所述应变集中区11附近或应变集中区11范围内。
更具体地，参考图4，应变感应器4可以是一种可形变的电阻，与凹槽组3正对的区域的一个应变感应器4(第一应变感应器41)与另一应变感应器4(第二应变感应器42)串联并且构成桥式电路，即在第一应变感应器41和第二应变感应器42的两端接固定电压，在二者中间引出电压检测端43。其中，第二应变感应器42可以是设置在凹槽组3正对的区域，也可以设置在其他区域。可以将第二应变感应器42的一端接地(Vg)，将第一应变感应器41的一端接高电压(Vc)，中间输出检测电压(Vt)。当触摸基板1时，凹槽组3附近产生较大应力，第一应变感应器41对应的介质层2区域变形较大，第一应变感应器41被拉伸，阻值变大，第二应变感应器42被压缩，阻值变小，从而导致检测电压Vt变小。通过检测Vt的变化，并进行计算和校核便可获知用户触碰的位置和压力大小。本发明实施例中仅需保证其中一个应变感应器4在凹槽组3正下方，以感应触摸产生的形变，另一个应变感应器4可不布置在凹槽组3相关位置，只要凹槽组3正对的应变感应器4发生形变，就可以检测到检测电压Vt的变化。具体的，可以根据检测到相关位置的Vt变化量，计算出所触碰区域及触碰面积大小，实现触摸按键功能，进一步通过检测周围一系列相关Vt的变化量，利用插值计算出更精确的触碰位置及触碰面积大小，实现触摸屏功能。当然，该桥式电路检测方法是本发明的一种优选的实现方式，本发明还可以采用其他电路结构和分析算法获得触摸位置和压力大小。
1.增加说明应变感应器不一定是可变电阻，还可以是电容、电感等一切可随应变变化的应变感应器，以上说明只是便于理解实现方法。
2.增加说明检测电路不一定为以上所述由两个电路串联的单桥电路，单个应变感应器变化也可以实现(如检测该电路的电流的变化)，还有以及由多个单桥电路组成的多桥电路等任何能够检测应变感应器变化的电路。
3.重点说明我们的一些可能的基板结构，如下图的图2,图5，图6，图7，图8等。
本发明实施例与现有技术相比，具有如下优点：
1、在基板1表面开设凹槽组3，使基板1受压产生的应力集中在凹槽组3附近，便于凹槽组3正对区域的应变感应器4检测到介质层2的应变，由于应变主要发生在凹槽组3附近，因此应变大小仅与凹槽组3处的厚度有关，因此应变感应器4检测的应变量不受基板1厚度的影响，从而能够应用于各种厚度各种介质的触摸屏或触摸按键，可有效控制制造成本，消除了触摸屏或触摸按键的介质选择的局限，并且对于较厚介质制作的触摸屏或触摸按键，也不需施加较大压力，操作更加灵敏；
2、由于是压力检测结构，不受触摸方式的限制，例如可以是手指触摸、手写笔触摸、导体触摸或带着手套的手指触摸等等，也不会受到带电介质的干扰而影响精度；
3、基板1只要具有弹性形变性能，不受材料限制，可以为金属，玻璃或塑胶等材质中任意一种具有弹性变形的材料，或为弹性模量极高的刚性材料，选材灵活，并且应用范围广；
4、该触摸结构可以检测压力值，因此除应用在压力感应式触摸屏或触摸按键外，还可以通过校准，用于称重测力等相关产品，应用领域更广泛。
5、在基板1背面开凹槽时，基板正面为完整的介面，没有开槽或缝隙，适合无尘、安防等要求较高的环境。
在本发明实施例中，凹槽组3可以开设于基板1的背面，此时，基板1的正面为平整面，比较适合用于无尘、安防等要求较高的环境；当然，凹槽组3还可以开设于基板1的正面。
在本发明实施例中，凹槽组3的数量和形状不需严格限制，一般会分散开设，使之遍布于整个基板1表面区域，避免集中在某一小区域，形状也有多种可能，例如圆形、椭圆形、圆环形、十字形、放射形、方形、扇形或多边形等规则或其他不规则形状，多个凹槽组3可以采用相同形状，也可以是多种不同形状的组合，以下将给出几种具体的实现方式。
作为第一种实现方式，如图2、图3，凹槽组3包括位于基板1中心处的中心槽31和靠近基板1边缘的边缘槽32。中心槽31为十字形槽，边缘槽32为圆环形槽，十字形槽和环形槽贯通，中心槽31正对的区域设有一应变感应器4，边缘槽32正对的区域也设有另一应变感应器4，两个应变感应器4形成桥式电路。
作为第二种实现方式，如图5，中心槽31为十字形槽或X字形槽，边缘槽32为方形槽，十字形槽和方形槽相贯通，这种结构可以用于触摸按键比较密集的情况。作为另一种实现方式，边缘槽32还可以是多边形槽。
作为第三种实现方式，如图6，中心槽31为放射形槽或米字形槽，边缘槽32为圆环形槽，放射形槽和圆环形槽贯通。其中，放射形槽的射线数量可以为一条、两条或更多条。
作为第四种实现方式，如图7，中心槽31为圆形槽，边缘槽32为圆环形槽。
作为第五种实现方式，如图8，凹槽组3为阵列结构的网格形槽，应变感应器4分布于各个网格单元33附近区域(图中未示出)，通过桥式电路检测各个凹槽处的应变，计算出触碰位置和压力值，并能够实现多点触控。本结构较适用于较多触摸按键和较大尺寸的触摸屏产品。
作为第六种实现方式，如图9、10，凹槽组3包括向基板1边缘靠近的内环槽34和外环槽35，内环槽34正对的区域设有一应变感应器4，外环槽35正对的区域设有另一应变感应器4，当然未开槽的区域也可以设有应变感应器4，两个应变感应器4形成桥式电路。其中，内环槽34和外环槽35可以是圆形槽，也可以是方形槽等。本结构也较适用于较多触摸按键和较大尺寸的触摸屏产品，并能实现多点触控。
在本发明实施例中，所述基板1的材质选用塑胶、金属或玻璃等具有弹性形变的材料制成，或为弹性模量极高的刚性材料制成，利用弹性形变或其它对压力反应敏感、应力集中的方式实现压力感应的功能即可。本实施中，所述基板1一体成型，即应变集中区11和非应变集中区12一体化。基板1还可以选用透明的材料，使整个基板1透明，或者仅使未开槽部分透明，可以实现中间透光或显示LCD等，可用于要求透光和显示的触控产品，功能更加丰富。
作为另一实施方式，如图11所示另一实施例的压力检测结构，应变感应器4直接放置在应变集中区11内，不需要介质2也可以实现。
本发明实施例提供的压力检测结构主要用于触摸按键或触摸屏，上述几种具体的触摸结构是单个触摸按键的结构或触摸屏的单个触摸单元，本发明还提供一种包括有上述压力检测结构的触控装置，该装置包括触摸按键或者触摸屏，或同时包含触摸按键和触摸屏，其中，触摸按键可采用上述的压力检测结构，触摸屏则包括呈阵列分布的多个上述的压力检测结构，也可以是在同一个压力检测结构中布置几组应变感应器，通过插值计算实现触摸功能，该触控装置也在本发明的保护范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压力检测结构，包括基板和传感器，其特征在于：所述基板上设应变集中区及非应变集中区，所述应变集中区处的基板厚度薄于所述非应变集中区处的基板厚度，所述应变集中区包括至少一个由基板背面向内凹陷形成的凹槽和基板上与凹槽相对应的、应变集中的相对厚度较薄部分区域，所述应变集中区的若干个凹槽形成一组凹槽组，该凹槽组包括位于所述应变集中区中部的中心槽和位于应变集中区边缘处的边缘槽，所述中心槽与边缘槽相互贯通或无贯通，还包括设于所述基板背面且与基板相互贴合的介质层，所述传感器位于介质层与基板之间、介质层之间或介质层背对基板的一面，且位于基板背面的所述应变集中区附近和/或应变集中区范围内。
2.如权利要求1所述的压力检测结构，其特征在于：所述基板一体成型，基板由塑胶、金属、木材或玻璃材质中任一种制成。
3.如权利要求1或2中任一所述的压力检测结构，其特征在于：所述基板由具有弹性形变材料或刚性材料制成。
4.如权利要求3所述的压力检测结构，其特征在于：所述中心槽为十字形、X字形、米字形、圆形、环形或放射形，所述边缘槽为扇形、环形、圆形、椭圆形或多边形。
5.如权利要求4所述的压力检测结构，其特征在于：所述凹槽组由多个凹槽组成，呈网格形或均布或非均布排列。
6.如权利要求5所述的压力检测结构，其特征在于：所述应变集中区范围内或附近设有至少两个相互串联的一个传感器，并且至少有一个传感器设于应变集中区范围的中心位置处，位于所述中心位置处的传感器与其余传感器串联并且构成桥式电路。
7.如权利要求1所述的压力检测结构，其特征在于：所述应变集中区范围内设有一个传感器，该传感器位于应变集中区范围的中心处。
8.如权利要求1所述的压力检测结构，其特征在于：所述传感器为可变电阻、电容、电感式应变传感器、应力传感器或聚合物应变传感器。
9.一种触控装置，包括触摸按键和/或触摸屏，其特征在于，所述触摸按键包括如权利要求1至8中任一项所述的压力检测结构；和/或所述触摸屏包括至少一个如权利要求1至8中任一项所述的压力检测结构。
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