CN105183241A - 基于压力传感的触摸屏、显示装置及实现压力传感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压力传感的触摸屏和显示装置。触摸屏包括触控屏幕、设置在触控屏幕下方的红外光发射器、红外光接收器。触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一红外光发射器发射出的红外光经过触控屏幕反射后，由相应的红外光接收器接收，红外光发射器朝向触控屏幕发射的红外光与垂直于触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。本发明利用压力可引起触控屏幕弯曲变形，进而影响红外光的接收光亮总和这一原理，通过计算得到压力等级，再根据压力等级运行相应的应用程序或指令。

Description

基于压力传感的触摸屏、显示装置及实现压力传感的方法

技术领域

本发明涉及屏幕触控技术，具体是一种基于压力传感的触摸屏、显示装置及实现压力传感的方法。

背景技术

随着电子通信技术的飞速发展，智能手机、平板电脑等便携式电子产品已深入到人们日常生活的方方面面，成为工作、学习和生活中必不可少的产品。

过去，手机等便携式电子产品的人机交互方式通常采用按键触发方式，即人通过在电子产品上设置的按键对电子产品进行指令操作。但是随着触控技术的发展，触摸屏通过手指对屏幕的直接接触进行指令操作，以简单、方便、自然的人机交互方式，逐渐取代了按键触发方式，成为主流的人机交互方式。从工作原理上划分，现有的触摸屏主要有四种，它们分别为电阻式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外线式触摸屏以及表面声波式触摸屏，其中，目前电子产品中应用较多的为电阻式触摸屏和电容式触摸屏。

电阻式触摸屏利用压力感应进行控制，其包括薄膜和基板以及在二者接触面上的ITO导电层。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，经过一系列信号传送和运算处理，实现最终的点选动作。这种触摸屏的优势在于可以用任何物体实现触摸点选动作，并且由于是对外界完全隔离的工作环境，因此不怕灰尘、水汽和油污。但由于电阻式触摸屏是通过控制压力实现感应，因此如果屏幕设计成多点触控时，屏幕压力变得不平衡，导致多点触控时容易出现错误操作。此外，电阻式触控屏也较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。

电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，其为四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。当手指触摸电容屏时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。与电阻式触摸屏相比，电容式触摸屏只需要触摸，不需要压力即可产生信号。

然而，近年来随着谷歌眼镜、各品牌智能手环、苹果智能手表iwatch等产品的发布，智能穿戴设备已逐渐成为电子产品的新发展方向，这使得越来越多的厂商都投入到智能手表等智能穿戴设备的研发行列中，而新的设备的风靡也就意味着用户将期待更多新的功能应用被开发。以苹果公司的iwatch为例，在该款智能手表中，采用了3D的forcetouch(压力传感)技术，主要通过压力改变电容的变化来探测压力的变化，从而设计出一种新的人机交互界面。由于这种压力传感技术能够提供新的人机交互方式，因此实有必要对其进行研究和一定的改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压力传感的触摸屏、显示装置及触摸屏的使用方法，用于为电子产品的用户提供一种新的人机交互体验。

具体地，本发明包括四个方面。

【主题-触摸屏】第一个方面，本发明提供一种基于压力传感的触摸屏，所述触摸屏包括触控屏幕、设置在所述触控屏幕下方的一对或多对红外光发射器、红外光接收器，其中，所述触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一所述红外光发射器发射出的红外光经过所述触控屏幕反射后，由相应的所述红外光接收器接收，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于所述触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。

进一步地，任一所述红外光发射器与所述触控屏幕之间的距离为h，所述红外光发射器与所述红外光接收器之间的距离为d， $\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{d/2}{h}\right).$

可以理解的是，所述一对或多对红外光发射器、红外光接收器中的“一对”是指一个红外光发射器和一个红外光接收器相互对应组成一对。

【红外发射-接收器位置】进一步地，所述红外光发射器和所述红外光接收器分别设置在所述触控屏幕下方的两侧边缘处，二者位于同一水平面上且位置相对，所述红外光发射器为红外LED发射器。

【触控屏幕-具体结构】进一步地，所述触控屏幕包括玻璃盖板、设置在玻璃盖板下方的触控电极材料以及设置在所述触控电极材料下方的红外截止滤光膜，其中，所述红外截止滤光膜用于使所述红外光发生全反射、可见光发生全透射。

【玻璃盖板-反光率】进一步地，所述玻璃盖板与所述触控电极材料接触的侧面涂有反光涂料。可以理解的是，通过所述玻璃盖板上涂覆反光涂料，使得玻璃盖板具有一定的反射率，可以抵挡一部分外界光源的干扰。【玻璃盖板-强度】进一步地，所述玻璃盖板的强度为用7牛顿的力下压时弯曲形变的程度不超过0.1mm。可以理解的是，在本发明中玻璃盖板能够产生一定形变弯曲，其形变弯曲量需控制在一定范围内。若玻璃盖板的强度太低，则玻璃盖板较软，按压时易弯曲过度；若玻璃盖板的强度太高，则玻璃盖板较硬，用力按压也难以产生一定形变弯曲，导致压力检测超出可检测的范围。

【边缘油墨】进一步地，所述触控屏幕还包括边缘油墨，所述边缘油墨设置在所述触控电极材料和所述红外截止滤光膜之间，且沿所述触控屏幕的边缘设置。

进一步地，所述触控电极材料为ITO电极材料。

【压力传感实现方法】第二个方面，本发明提供一种利用上述触摸屏实现压力传感的方法，包括以下步骤：

利用红外光发射器朝向触控屏幕发射红外光，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ；

利用所述触控屏幕对红外光进行全反射；

利用与所述红外光发射器相对应的红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为m；

以压力F按压触控屏幕的一个坐标点，使按压的所述坐标点处的夹角θ发生变化；

通过触控屏幕得到坐标x，y，总像素点a，b；

利用所述红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为n；

利用压力修正公式计算出压力结果；

根据计算得到的所述压力结果运行指令。

进一步地，所述压力修正公式为：

$F\∝\frac{n}{m}*|\frac{a+b}{2}-(\frac{x}{a}+\frac{y}{b})*\mathrm{\δ}|+\mathrm{\Δ};$

其中，δ为位置补偿量，Δ为F的修正常量。

进一步地，利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为数值，根据所述数值划分压力等级，然后再根据所述压力等级运行指令。

进一步地，利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为8位的二进制数值，根据二进制数值划分将所述压力等级划分为0～255级，然后再根据所述压力等级运行指令。

第三个方面，本发明提供一种基于压力传感的显示装置，所述显示装置包括触控屏幕和设置在所述触控屏幕下方的LCD，在所述LCD的下方设有一对或多对红外光发射器、红外光接收器以及一组或多组反光片，其中，所述触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一所述红外光发射器发射出的红外光依次经过所述反光片、所述触控屏幕的反射后，由相应的所述红外光接收器接收，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于所述触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。

其中，LCD也称液晶显示器。

【发射-接收器-具体位置】进一步地，所述红外光发射器和所述红外光接收器分别设置在所述触控屏幕下方的两侧边缘处，且二者位置相对应设置。

【触控屏幕-具体结构】进一步地，所述触控屏幕包括玻璃盖板、设置在玻璃盖板下方的触控电极材料以及设置在所述触控电极材料下方的红外截止滤光膜，其中，所述红外截止滤光膜用于使红外光发生全反射、可见光发生全透射。

【触控屏幕-边缘油墨】进一步地，所述触控屏幕还包括边缘油墨，所述边缘油墨设置在所述触控电极材料和所述红外截止滤光膜之间，且沿所述触控屏幕的边缘设置。

进一步地，所述触控电极材料为ITO电极材料。

【红外光反射线路-具体】进一步地，所述反光片分为第一组反光片和第二组反光片，任一所述红外光发射器发射出的红外光首先经过所述第一组反光片照射至所述触控屏幕上，所述触控屏幕的红外截止滤光膜将所述红外光全部反射，经反射后的所述红外光经过所述第二组反光片反射后，射入到对应的所述红外光接收器中。

第四个方面，本发明提供一种利用上述显示装置实现压力传感的方法，包括以下步骤：

利用红外光发射器朝向触控屏幕发射红外光，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ；

利用所述触控屏幕对红外光进行全反射；

利用与所述红外光发射器相对应的红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为m；

以压力F按压触控屏幕的一个坐标点，使按压的所述坐标点处的夹角θ发生变化；

通过触控屏幕得到坐标x，y，总像素点a，b；

利用所述红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为n；

利用压力修正公式计算出压力结果；

根据计算得到的所述压力结果运行指令。

进一步地，所述压力修正公式为：

$F\∝\frac{n}{m}*|\frac{a+b}{2}-(\frac{x}{a}+\frac{y}{b})*\mathrm{\δ}|+\mathrm{\Δ};$

其中，δ为位置补偿量，Δ为F的修正常量。

进一步地，利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为数值，根据所述数值划分压力等级，然后再根据所述压力等级运行指令。

进一步地，利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为8位的二进制数值，根据二进制数值划分将所述压力等级划分为0～255级，然后再根据所述压力等级运行指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、在本发明中，压力作用能够使触控屏幕发生微量的弯曲形变，从而使红外光接收器接收到的红外光总和发生变化，即通过检测红外光接收量的变化，能够确定用户触摸触控屏幕时的压力大小，再结合手指触摸触控屏幕时能够确定其坐标位置，从而令用户对屏幕施加不同压力时，可实现不同的指令或调用不同的应用程序，即可以使用户界面和人机交互形式实现全新的体验。

2、现有技术中的红外截止滤光膜通常设置在摄像头中，用于过滤红外光对摄像的干扰，以防止出现红眼等现象。然而在本发明中，将红外截止滤光膜设置在触控屏幕的最下方，可以实现对红外光的全反射、对可见光的全透射，从而避免LCD光感的减弱，此外由于红外光全反射，因而能减少光能的损失。

附图说明

图1是实施例二基于压力传感的触摸屏的俯视图。

图2是图1的左视图。

图3是实施例二中触控屏幕的结构示意图。

图4是实施例二中按压触摸屏时触摸屏弯曲形变及红外光光路变化的示意图。

图5是实施例二中按压触摸屏时坐标及像素表示的示意图。

图6是实施例三基于压力传感的显示装置的结构示意图。

图7是实施例三基于压力传感的显示装置的俯视图。

图8是实施例三中触控屏幕的结构示意图。

图9是实施例三中按压触摸屏时触摸屏弯曲形变及红外光光路变化的示意图。

图10是实施例三中按压触摸屏时坐标及像素表示的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，应当理解的是，这些具体实施方式仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。

实施例一

本实施例提供一种基于压力传感的触摸屏，所述触摸屏包括触控屏幕、设置在所述触控屏幕下方的一对或多对红外光发射器、红外光接收器，其中，所述触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一所述红外光发射器发射出的红外光经过所述触控屏幕全反射后，由相应的所述红外光接收器接收，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于所述触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。

实施例二

本实施例提供一种基于压力传感的触摸屏，结合图1和图2所示，该触摸屏包括通过按压可产生形变弯曲的触控屏幕10、设置在所述触控屏幕10下方的六对红外光发射器20、红外光接收器30。

如图3所示，触控屏幕10包括玻璃盖板11、设置在玻璃盖板11下方的ITO电极材料12(该ITO电极材料为触控电极材料)以及设置在ITO电极材料12下方的红外截止滤光膜13，在ITO电极材料12和红外截止滤光膜13之间设有边缘油墨14，且边缘油墨14沿触控屏幕10的边缘设置。其中，红外截止滤光膜的作用是使红外光发生全反射、可见光发生全透射。在玻璃盖板11与ITO电极材料12接触的侧面则涂有反光涂料，使玻璃盖板具有一定反射率，可抵挡部分外界光源的干扰。

结合图1至图3所示，红外光发射器20均设置在触控屏幕10下方的下侧边缘处(即图1中的南侧)，红外光接收器30均设置在触控屏幕10的上侧边缘处(即图1中的北侧)，每一对红外光发射器和红外光接收器均位于同一水平面上且位置相互对应设置。任一对中的红外光发射器20朝向触控屏幕10发射红外光，经过触控屏幕10的红外截止滤光膜13的全反射后，由与其对应的红外光接收器30接收，该红外光发射器20朝向触控屏幕10发射的红外光与垂直于该触控屏幕10的垂直线之间形成夹角为θ。任一对中的红外光发射器20与触控屏幕10之间的距离为h，任一对的红外光发射器20与红外光接收器30之间的距离为d，

本实施例还提供一种利用上述触摸屏实现压力传感的方法，包括以下步骤：

如图2所示，利用红外光发射器20朝向触控屏幕10发射红外光，红外光发射器20朝向触控屏幕10发射的红外光与垂直于触控屏幕10的垂直线之间形成夹角为θ；

利用触控屏幕10对红外光进行全反射；

利用与红外光发射器20相对应的红外光接收器30接收从触控屏幕10反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为m；

如图4所示，用手指以压力F按压触控屏幕10的一个坐标点，使按压的坐标点处的夹角θ发生变化；

如图5所示，通过触控屏幕10得到坐标x，y，总像素点a，b；

利用红外光接收器30接收从触控屏幕10反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为n；

利用压力修正公式计算出压力结果；

其中，压力修正公式为：

$F\∝\frac{n}{m}*|\frac{a+b}{2}-(\frac{x}{a}+\frac{y}{b})*\mathrm{\δ}|+\mathrm{\Δ}$

其中，δ为位置补偿量，Δ为F的修正常量，利用该公式可以得到压力结果，再利用模数转换将该压力结果转化为8位的二进制数值，根据二进制数值划分将所述压力等级划分为0～255级；

最后，根据压力等级运行指令。

可以理解的是，在本实施例中，压力等级的划分与模数计算的位数有关，具体可根据实际的用户界面需实现的功能或需运行的指令划分即可。

实施例三

本实施例提供一种基于压力传感的显示装置，如图6、图7所示，该显示装置包括触控屏幕10和设置在触控屏幕10下方的LCD40，在LCD下方设有六对红外光发射器20、红外光接收器30以及两组反光片，这两组反光片分别为设置在红外光发射器20附近的第一组反光片51和设置在红外光接收器30附近的第二组反光片52。

如图8所示，触控屏幕10包括玻璃盖板11、设置在玻璃盖板11下方的ITO电极材料12(该ITO电极材料为触控电极材料)以及设置在ITO电极材料12下方的红外截止滤光膜13，在ITO电极材料12和红外截止滤光膜13之间设有边缘油墨14，且边缘油墨14沿触控屏幕10的边缘设置。其中，红外截止滤光膜的作用是使红外光发生全反射、可见光发生全透射。在玻璃盖板11与ITO电极材料12接触的侧面则涂有反光涂料，使玻璃盖板具有一定反射率，可抵挡部分外界光源的干扰。结合图6、图7所示，红外光发射器20均设置在LCD下方的下侧边缘处(即图7中的南侧、图6中的右侧)，红外光接收器30均设置在触控屏幕10的上侧边缘处(即图7中的北侧、图6中的左侧)，每一对红外光发射器和红外光接收器均位于同一水平面且位置相互对应设置。具体地，结合图6和图8所示，任一对中的红外光发射器20发射出的红外光首先经过第一组反光片51照射至触控屏幕10上，触控屏幕10的红外截止滤光膜13将红外光全部反射，经反射后的红外光经过第二组反光片52反射后，射入到对应的红外光接收器30中。这一过程中，红外光并未照射或者反射到LCD上，从而避免红外光对于LCD的影响。此外，该红外光发射器20朝向触控屏幕10发射的红外光经第一组反光片51反射后的光路与垂直于该触控屏幕10的垂直线之间形成夹角为θ。

本实施例还提供一种利用上述显示装置实现压力传感的方法，包括以下步骤：

如图6所示，利用红外光发射器20朝向触控屏幕10发射红外光，红外光发射器20朝向触控屏幕10发射的红外光与垂直于触控屏幕10的垂直线之间形成夹角为θ；

利用触控屏幕10对红外光进行全反射；

利用与红外光发射器20相对应的红外光接收器30接收从触控屏幕10反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为m；

如图9所示，用手指以压力F按压触控屏幕10的一个坐标点，使按压的坐标点处的夹角θ发生变化；

如图10所示，通过触控屏幕10得到坐标x，y，总像素点a，b；

利用红外光接收器30接收从触控屏幕10反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为n；

利用压力修正公式计算出压力结果；

其中，压力修正公式为：

$F\∝\frac{n}{m}*|\frac{a+b}{2}-(\frac{x}{a}+\frac{y}{b})*\mathrm{\δ}|+\mathrm{\Δ}$

其中，δ为位置补偿量，Δ为F的修正常量，利用该公式可以得到压力结果，再利用模数转换将该压力结果转化为8位的二进制数值，根据二进制数值划分将所述压力等级划分为0～255级；

最后，根据压力等级运行指令。

可以理解的是，在本实施例中，压力等级的划分与模数计算的位数有关，具体可根据实际的用户界面需实现的功能或需运行的指令划分即可。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压力传感的触摸屏，其特征在于：所述触摸屏包括触控屏幕、设置在所述触控屏幕下方的一对或多对红外光发射器、红外光接收器，其中，所述触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一所述红外光发射器发射出的红外光经过所述触控屏幕反射后，由相应的所述红外光接收器接收，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于所述触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。

2.根据权利要求1所述的触摸屏，其特征在于：所述红外光发射器和所述红外光接收器分别设置在所述触控屏幕下方的两侧边缘处，二者位于同一水平面上且位置相对。

3.根据权利要求1或2所述的触摸屏，其特征在于：所述触控屏幕包括玻璃盖板、设置在玻璃盖板下方的触控电极材料以及设置在所述触控电极材料下方的红外截止滤光膜，其中，所述红外截止滤光膜用于使所述红外光发生全反射、可见光发生全透射。

4.根据权利要求3所述的触摸屏，其特征在于：所述触控屏幕还包括边缘油墨，所述边缘油墨设置在所述触控电极材料和所述红外截止滤光膜之间，且沿所述触控屏幕的边缘设置。

5.一种根据权利要求1至4任一项所述的触摸屏的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用红外光发射器朝向触控屏幕发射红外光，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ；

利用所述触控屏幕对红外光进行全反射；

利用与所述红外光发射器相对应的红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为m；

以压力F按压触控屏幕的一个坐标点，使按压的所述坐标点处的夹角θ发生变化；

通过触控屏幕得到坐标x，y，总像素点a，b；

利用所述红外光接收器接收从所述触控屏幕反射得到的红外光，所接收到的红外光的光亮总和为n；

利用压力修正公式计算出压力结果；

根据计算得到的所述压力结果运行指令。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：所述压力修正公式为：

$F\∝\frac{n}{m}*|\frac{a+b}{2}-(\frac{x}{a}+\frac{y}{b})*\mathrm{\δ}|+\mathrm{\Δ};$

其中，δ为位置补偿量，Δ为F的修正常量。

7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于：利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为数值，根据所述数值划分压力等级，然后再根据所述压力等级运行指令。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：利用所述压力修正公式计算出所述压力结果后，首先利用模数转换将所述压力结果转化为8位的二进制数值，根据二进制数值划分将所述压力等级划分为0～255级，然后再根据所述压力等级运行指令。

9.一种基于压力传感的显示装置，所述显示装置包括触控屏幕和设置在所述触控屏幕下方的LCD，其特征在于：在所述LCD的下方设有一对或多对红外光发射器、红外光接收器以及一组或多组反光片，其中，所述触控屏幕通过按压产生形变弯曲，任一所述红外光发射器发射出的红外光依次经过所述反光片、所述触控屏幕的反射后，由相应的所述红外光接收器接收，所述红外光发射器朝向所述触控屏幕发射的红外光与垂直于所述触控屏幕的垂直线之间形成夹角为θ。

10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于：所述反光片分为第一组反光片和第二组反光片，任一所述红外光发射器发射出的红外光首先经过所述第一组反光片照射至所述触控屏幕上，所述触控屏幕的红外截止滤光膜将所述红外光全部反射，经反射后的所述红外光经过所述第二组反光片反射后，射入到对应的所述红外光接收器中。