CN107656656A - 声波式触控装置及其触控判断方法 - Google Patents

声波式触控装置及其触控判断方法 Download PDF

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Abstract

一种声波式触控装置，包括超声波接收单元、超声波发射单元以及控制器，所述超声波发射单元用于发射超声波，所述超声波接收单元用于接收反射的所述超声波，该超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该低频电信号导致超声波接收单元输出端输出的电信号发生变化，所述控制器通过该电信号的变化判断是否开启超声波接收单元。本发明还提供一种应用于该声波式触控装置的触控判断方法。

Description

声波式触控装置及其触控判断方法
技术领域
本发明涉及一种声波式触控装置及该声波式触控装置进行触控判断的方法。
背景技术
触摸是人类最重要的感知方式，是人与机器进行互动的最自然的方式。触控装置发展至今己广泛用于个人计算机、智能电话、公共信息、智能家电、工业控制等众多领域。在目前的触控领域，主要有电阻式触控装置、光电式触控装置、声波式触控装置、平面电容式触控装置、投射电容式触控装置。
声波式触控装置是一种新型的人机交互方式，目前的声波式触控技术中，声波发生器能发送一种高频声波并抵达盖板表面，当手指触及盖板时，触点上的部分声波即被阻止，部分声波反射，声波接收元件接收反射回来的声波并将其转换为电信号，控制器对该电信号进行分析，控制器将依据分析结果判定是否为有效触控，以实现用户与终端之间的交互。在交互过程中经常出现误触的情况，这对于用户的使用体验存在不好的影响。在日常使用中，存在各种各样的误触，例如水、油、杂讯、碰撞等，传统的声波式触控装置很难对上述杂讯与手指的触控做出区别，部分已知的可以对上述杂讯与手指的触控做出区分的声波式触控装置也因为其结构及工作原理上的缺陷，导致该声波式触控装置在非必要工作时间被频繁唤醒，导致耗电量增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种声波式触控装置，该声波式触控装置可以有效对误触因素(水、油、杂讯、碰撞等)及手指进行区分，而且通过工作方式的优化降低该声波式触控装置在非必要工作时间内被唤醒的频率，减少耗电。
另，还提供一种该声波式触控装置的触控判断方法。
一种声波式触控装置，包括超声波接收单元、超声波发射单元以及控制器，所述超声波发射单元用于发射超声波，所述超声波接收单元用于接收反射的所述超声波，该超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该低频电信号导致超声波接收单元输出端输出的电信号发生变化，所述控制器通过该电信号的变化判断是否开启超声波接收单元。
一种声波式触控装置判断触控的方法，该声波式触控装置包括超声波接收单元、超声波发射单元以及控制器，所述超声波发射单元用于发射超声波，所述超声波接收单元用于接收反射的所述超声波，该超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该超声波接收单元在接收反射的所述超声波时产生高频电信号，该方法包括如下步骤：
步骤S10：该超声波发射单元保持关闭，该控制器监控该超声波接收单元输出端的电信号；
步骤S20：判断超声波接收单元输出端的电信号是否低于阈值一，若低于阈值一则执行步骤S30，若不低于阈值一则重新执行步骤S10；
步骤S30：开启或保持开启该超声波发射单元，并同时执行步骤S41及步骤S42；
步骤S41：控制器监测超声波接收单元输出端的低频电信号，若超声波接收单元输出端电信号升高则执行步骤S43，若超声波接收单元输出端电信号未升高则返回步骤S30；
步骤S42：控制器对超声波接收单元接收的超声波信号所转换出的高频电信号进行分析，若判定该高频电信号降低至阈值二之下则执行步骤S44，若判定该高频电信号未降低至阈值二之下则返回步骤S30；
步骤S43：关闭超声波发射单元并回到步骤S10重新开始判断；
步骤S44：对高频电信号在阈值二之下的时间进行判定，若时间长度在阈值三之上则判断为有效触控发生，若时间长度在阈值三之下则回到步骤S30。
通过执行上述工作方式，可以有效区分误触因素(水、油、杂讯、碰撞等)及手指。同时使各元件只在确实需要时才开启并工作，降低该触控装置在非必要工作时间内被唤醒的频率，减少耗电。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的声波式触控装置的剖面结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的声波式触控装置的触控判断方法的流程示意图。
图3为本发明较佳实施例的声波式触控装置在其超声波发射单元不发射超声波且有手指接触时，其超声波接收单元输出的电信号变化示意图。
图4为本发明较佳实施例的声波式触控装置在其超声波发射单元发射超声波且有手指接触时，其超声波接收单元輸出的电信号的变化示意图。
主要元件符号说明
触控装置 100
超声感测单元 102
LED指示灯 110
控制器 120
粘胶 150
盖板 160
超声波接收单元 130
超声波发射单元 140
第一压电片 131
第一电极 132
第二电极 133
第一表面 1311
第三表面 1313
第二压电片 141
第三电极 142
第四电极 143
第五表面 1411
第七表面 1413
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可以参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或者相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所覆盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
第一实施例
如图1所示，在本实施例提供一种声波式触控装置100，包括超声感测单元102、粘胶150、盖板160、控制器120以及LED指示灯110。超声感测单元102包括超声波接收单元130与超声波发射单元140。该超声波接收单元130与超声波发射单元140堆叠设置，并通过粘胶150粘结在一起。超声感测单元102通过粘胶150与盖板160结合。
超声波接收单元130包括第一压电片131、第一电极132和第二电极133。在本实施例中，第一压电片131包括第一表面1311、第三表面1313，第一表面1311和第三表面1313相对设置。第一电极132完全覆盖第一压电片131的第一表面1311，第二电极133完全覆盖第一压电片131的该第三表面1313上。所述第一电极132和第二电极133分别通过电连接线(图未示)与供电电路(图未示)构成通路。第一电极132和第二电极133工作时同时通电，在第一压电片131两端产生电势差驱动第一压电片131工作。当手指或外部物体冲击作用于声波式触控装置100的盖板160时，第一压电片131受力发生形变，由于压电原理，第一压电片131内部产生电荷聚集现象；声波等杂讯引起第一压电片131产生共振，也可以使其内部产生电荷聚集现象。由上述因素引起的电荷聚集现象将在超声波接收单元130输出端产生电信号，本发明将这种电信号定义为超声波接收单元130的低频电信号，该低频电信号将导致超声波接收单元130输出端输出的电信号发生变化。控制器120对该电信号的变化进行判定后选择性开启超声波发射单元140。而如果是油或者水碰触该盖板160时，由于力度不够，不会引起第一压电片131的形变，也不会引起超声波接收单元130输出端输出的电信号发生变化。
超声波发射单元140包括第二压电片141、第三电极142和第四电极143。在本实施例中，第二压电片141包括第五表面1411、第七表面1413，第五表面1411和第七表面1413相对设置。第三电极142完全覆盖第二压电片141的第七表面1413上，第四电极143完全覆盖第二压电片141的第五表面1411。所述第三电极142和第四电极143分别通过电连接线(图未示)与供电电路构成通路。第三电极142和第四电极143工作时同时通电，在第二压电片141两端产生电势差驱动第二压电片141工作。第二压电片141受驱动后发射超声波，其发出的超声波部分在盖板160与空气的交界面发生反射，反射回来的超声波由超声波接收单元130接收并将其转换为电信号，本发明将这种电信号定义为超声波接收单元130的高频电信号，随后经由电连接线将该高频电信号传导至控制器120并由控制器120进行数据处理。当有外界物体触摸或覆盖在盖板160上时，将引起该高频电信号的变化，控制器120对该高频电信号的变化进行处理与判断，判定为有效触摸之后控制LED指示灯110开启，反馈识别成功。
该声波式触控装置100还包括至少两个不同的信号抓取电路(图未示)，其中一个抓取电路抓取超声波接收单元130输出端输出的频率较高的信号(即所述高频电信号)，另一个抓取电路抓取超声波接收单元130输出端输出的频率较低的电信号(即所述低频电信号)。
在其他实施例中，超声感测单元102中上述压电片与上述各电极可以以任意可行的方案实现电连接。
超声波发射单元140的覆盖于第五表面1411的第四电极143通过粘胶150与超声波接收单元130的覆盖于第一表面1311的第一电极132粘结。
盖板160置于超声感测单元102靠近超声波发射单元140的一侧，并通过粘胶150与超声波发射单元140的第三电极142粘结。盖板160提供该声波式触控装置100的触摸操作界面。在其他实施例中，盖板160也可以粘结于超声波接收单元130一侧。
第一电极132、第二电极133、第三电极142与第四电极143为金属，可以为铜、银、金或者镁铝合金，第一压电片131和第二压电片141可以为锆钛酸铅压电陶瓷。
第二实施例
本实施例提供一种该声波式触控装置100的触控判断方法。该方法是基于以下发明人的实验发现以及原理产生：本发明的发明人发现，在超声波发射单元140不工作，即不发射超声波时，声波式触控装置100受外部扰动后，若扰动是由油、水等液体引起的，则超声波接收单元130的输出端电压不会下降；若扰动是由手指、震动杂讯(如外界噪音、震动等)带来的共振、物理碰撞等因素引起的，则超声波接收单元130的输出端电压下降。另一方面，在超声波发射单元140工作时，即发射超声波时，当有手指触摸声波式触控装置100时，由于手指表面存在沟壑，部分皮肤直接与该声波式触控装置100的接触面接触，部分皮肤未与接触面直接接触，这部分的空隙中存在着空气，当手指位于接触面时，部分超声波遇到空气将会反射回来，另一部分超声波则直接穿透皮肤，因此，当手指位于接触面时，超声波接收单元130接受的超声波振幅下降，对应的输出的电信号频率也将下降；若引起超声波发射单元140由震动杂讯带来的共振或者物理碰撞引起，则接触面不会有覆盖物，超声波遇到空气后发生反射，超声波接收单元130的超声波振幅不会下降或下降程度不明显，对应的输出的电信号频率不会下降或下降程度不明显。
如图2所示，本实施例提供该声波式触控装置100的触控判断方法，包括如下步骤。
步骤S10：超声波发射单元140保持关闭的状态下，持续监控超声波接收单元130输出端的低频电信号(本实施例中为电压值)。
超声波接收单元130与超声波发射单元140通过电连接线与所述供电电路及控制器120连接，该供电电路可为超声波接收单元130与超声波发射单元140提供必要的工作电压，控制器可读取超声波接收单元130输出端的低频电信号。
在超声波发射单元140处于关闭状态下，超声波接收单元130感受某些外部扰动时其输出端电压将会发生变化，外部扰动具体表现为由挤压、碰撞等直接物理接触引起的超声波接收单元中压电材料的形变，或者由声波杂讯等非直接物理接触引起的超声波接收单元中压电材料的共振，上述形变及共振引起的压电材料内部电荷分布及数量发生变化，进而在超声波接收单元130输出端产生所述低频电信号，该低频电信号将导致超声波接收单元130输出端的电信号发生变化。
步骤S20：判断超声波接收单元130输出端电信号是否低于阈值一，若低于阈值一则执行步骤S30，若不低于阈值一则重新执行步骤S10；
当手指或其他物体与声波式触控装置发生触碰、撞击、挤压等足以引起超声波接收单元130中的压电材料发生形变的物理接触时，或由声波杂讯等非直接物理接触引起的超声波接收单元130中压电材料的共振时，将会引起压电材料内部的电荷变化，进而使得超声波接收单元130输出端的低频电信号(本实施例中，选用电压来表征该低频电信号)下降，并低于阈值一(可根据装置具体参数相应调整阈值一的值)。而当水或油等液体掉落于触控装置上时，由于其力度不够，不会引起压电材料形变及内部的电荷变化，超声波接收单元130输出端的电压也不会下降。
即，当杂讯、手指或其他物体(油、水以外)作用于或接触该声波式触控装置100时，超声波接收单元130输出端电压下降，此时有必要对上述引起电压变化的相关因素进行甄别，反之则不必。因此，判定超声波接收单元130输出端电压值是否低于阈值一，若低于阈值一则执行步骤S30，若不低于阈值一则重新执行步骤S10。
通过步骤S20可以避免水、油引起的误触。
步骤S30：开启(或保持开启)超声波发射单元140，并同时执行步骤S41及步骤S42；
超声波发射单元140通过电连接线与所述供电电路及控制器120连接，所述供电电路可为超声波发射单元140提供必要的工作电压。超声波发射单元140持续发出超声波，超声波在固态物质与空气的交界面发生反射，超声波接收单元130接受反射回来的超声波并将该超声波信号转换为所述高频电信号，并将该高频电信号传至控制器120(本实施例中，选用电压来表征该高频电信号)。需要说明的是，在超声波发射单元140开启时，超声波接收单元130同时接收反射回来的超声波或感触外部扰动并产生高频和低频电信号，超声波接收单元130同时向控制器120传输高频电信号和低频电信号，由于引起两种电信号的震动的频率不同(超声波的频率一般为几千至上万赫兹，普通杂讯或触碰引起的震动频率几乎不会达到这个水平)，因此所产生的高频电信号和低频电信号的交流电信号频率也不一样，这两种电信号可通过特定的信号抓取电路进行筛选；在超声波接收单元130的输出端存在至少两个不同的信号抓取电路，其中一个抓取电路抓取超声波接收单元130输出端输出的频率较高的电信号，该电信号即为所述高频电信号，另一个抓取电路抓取超声波接收单元输出端输出的频率较低的电信号，该信号即为所述低频电信号。上述之“较高”与“较低”仅限于所述已定义的两种电信号之间的比较。
在声波式触控装置100对杂讯、手指或其他物体进行甄别时，一旦超声波接收单元130输出端的低频电信号回升至高于所述阈值一，则意味着上述影响因素对触控装置的影响已经结束(如图3所示)，例如，按压在触控装置上的手指离开触控装置之后，超声波接收单元130输出端的电压(低频电信号)将回升，继续对其进行甄别将毫无意义也无法进行。在对影响因素进行甄别的同时需要判断该影响因素对该声波式触控装置100产生的影响是否还在持续，因此需同时进行步骤S41及步骤S42。
步骤S41：监测超声波接收单元130输出端的低频电信号，若超声波接收单元130输出端低频电信号升高至高于所述阈值一则执行步骤S443，若超声波接收单元130输出端的低频电信号未升高则返回步骤S430；
若低频电信号升高，则意味着外界影响因素对该声波式触控装置100的影响已经结束，反之，则需保持开启超声波发射单元140，并持续监测超声波接收单元130输出端的低频电信号。
步骤S42：控制器120对超声波接收单元130接收的超声波信号所转换出的高频电信号进行分析，若判定该高频电信号降低至阈值二之下则执行步骤S44，若判定该高频电信号未降低至阈值二之下则返回步骤S30；
由于手指表面存在沟壑，部分皮肤直接与接触面接触，部分皮肤未与接触面直接接触，这部分的空隙中存在着空气，当手指位于接触面时，部分超声波遇到空气将会反射回来，另一部分超声波则直接穿透皮肤，因此，当手指位于接触面时，超声波接收单元130接收的超声波振幅下降，对应的高频电信号频率也将下降(如图4所示)，其他物理碰撞也可能出现这种情况，但是由手指引起的超声波接收单元130的高频电信号变化存在一特定值，可通过该方式进行详细区分；若由杂讯带来的共振引起超声波发射单元140发出超声波信号，则接触面不会有覆盖物，超声波遇到空气后发生反射，超声波接收单元130的超声波振幅不会下降或下降程度较低。由此，定义当该高频信号未降低至阈值二之下时非手指触摸引起，而是声波等杂讯引起的误触。
通过该步骤可以避免声波等杂讯引起的误触。还有一些特殊情况，例如该声波式触控装置100表面存在覆盖物且有声波杂讯唤醒触控装置，这种情况下步骤S42无法有效进行区分，则需要进行步骤S44。
步骤S43：关闭超声波发射单元140并回到步骤S10重新开始判断；
影响因素对声波式触控装置100的影响已经结束，声波式触控装置100回到原始工作状态。
步骤S44：对该高频电信号在阈值二之下的时间进行判定，若时间长度在阈值三之上则执行步骤S50，若时间长度在阈值三之下则回到步骤S30；
若超声波接收单元130的高频电信号低于阈值二，则进一步判定该高频电信号低于阈值二所持续的时间。一般情况下，若由使用者手指触碰而引起高频电信号的变化，则高频电信号低于阈值二所持续的时间将不少于0.1秒，而由杂讯引起的高频信号很难持续超过0.1秒。通过对高频电信号低于阈值二所持续时间的判定可以有效区分不同原因引起的高频电信号，在本实施例中以0.1秒作为预先设置的阈值三，在其他实施例中，可根据产品实际应用场景对阈值三做出调整。若高频电信号低于阈值二所持续的时间高于阈值三则执行步骤S50，若高频电信号低于阈值二所持续的时间低于阈值三则重复步骤S30。
步骤S50：控制器120对高频电信号进行校验，判断其是否为已录入的指纹所对应的高频电信号。若是则执行步骤S60，若不是则返回步骤S10。
使用现有超声波指纹识别技术中对指纹比对和验证的技术，控制器120对高频电信号做出分析，判断该高频电信号是否为已录入的指纹所对应的高频电信号。
步骤S60：开启LED指示灯。
LED指示灯亮起，表示上述辨别过程已经完成。
本实施例中的高频电信号和低频电信号均用电压来表征，在其它实施例中，也可用电流来表征。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种声波式触控装置，包括超声波接收单元、超声波发射单元以及控制器，所述超声波发射单元用于发射超声波，所述超声波接收单元用于接收反射的所述超声波，其特征在于：该超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该低频电信号导致超声波接收单元输出端输出的电信号发生变化，所述控制器通过该电信号的变化判断是否开启超声波接收单元。
2.如权利要求1所述的声波式触控装置，其特征在于：该超声波接收单元在接收反射的所述超声波时产出高频电信号，所述控制器监测所述超声波接收单元输出端输出的电信号的变化和所述高频电信号的变化，并通过所述变化判断触控。
3.如权利要求1所述的声波式触控装置，其特征在于：该声波式触控装置还包括LED指示灯，当该控制器判断有触摸发生时该控制LED指示灯开启，反馈识别成功。
4.如权利要求1所述的声波式触控装置，其特征在于：在超声波发射单元开启时，超声波接收单元同时向控制器传输高频电信号和低频电信号；该声波式触控装置还包括至少两个不同的信号抓取电路，其中一个抓取电路抓取超声波接收单元输出端输出的所述高频电信号，另一个抓取电路抓取超声波接收单元输出端输出的所述低频电信号。
5.一种声波式触控装置判断触控的方法，该声波式触控装置包括超声波接收单元、超声波发射单元以及控制器，所述超声波发射单元用于发射超声波，所述超声波接收单元用于接收反射的所述超声波，该超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该超声波接收单元在接收反射的所述超声波时产生高频电信号，该方法包括如下步骤：
步骤S10：该超声波发射单元保持关闭，该控制器监控该超声波接收单元输出端的电信号；
步骤S20：判断超声波接收单元输出端的电信号是否低于阈值一，若低于阈值一则执行步骤S30，若不低于阈值一则重新执行步骤S10；
步骤S30：开启或保持开启该超声波发射单元，并同时执行步骤S41及步骤S42；
步骤S41：控制器监测超声波接收单元输出端的低频电信号，若超声波接收单元输出端电信号升高则执行步骤S43，若超声波接收单元输出端电信号未升高则返回步骤S30；
步骤S42：控制器对超声波接收单元接收的超声波信号所转换出的高频电信号进行分析，若判定该高频电信号降低至阈值二之下则执行步骤S44，若判定该高频电信号未降低至阈值二之下则返回步骤S30；
步骤S43：关闭超声波发射单元并回到步骤S10重新开始判断；
步骤S44：对高频电信号在阈值二之下的时间进行判定，若时间长度在阈值三之上则判断为有效触控发生，若时间长度在阈值三之下则回到步骤S30。
6.如权利要求5所述的声波式触控装置判断触控的方法，其特征在于：该声波式触控装置判断触控的方法进一步包括在步骤S44判定高频电信号在阈值二之下的时间长度在阈值三之上时执行步骤S50：控制器对高频电信号进行校验，判断其是否为已录入的指纹所对应的电信号。
7.如权利要求6所述的声波式触控装置判断触控的方法，其特征在于：该声波式触控装置还包括LED指示灯，该声波式触控装置判断触控的方法进一步包括在步骤S50判定该指纹为已录入的指纹时执行步骤S60：开启LED指示。
8.如权利要求5所述的声波式触控装置判断触控的方法，其特征在于：在超声波发射单元开启时，超声波接收单元同时向控制器传输高频电信号和低频电信号；该声波式触控装置还包括至少两个不同的信号抓取电路，其中一个抓取电路抓取超声波接收单元输出端输出的所述高频电信号，另一个抓取电路抓取超声波接收单元输出端输出的所述低频电信号。
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