CN107665068A - 一种超声波触摸屏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波触摸屏系统，所述系统包括，基板，用于传播超声波；至少一个换能器，位于所述基板周边的上侧或下侧，同一所述换能器用于接收和发射所述超声波，其中，沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别和/或指纹识别，传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别；反射条纹，位于所述基板周边的上侧，用于改变所述超声波传播方向；控制器，与所述换能器电连接，用于驱动所述换能器振动以产生所述超声波，所述换能器将接收到的所述超声波转换为电信号，所述控制器用于处理所述电信号。

Description

一种超声波触摸屏系统
技术领域
本发明涉及超声波领域，尤指一种超声波触摸屏系统。
背景技术
超声波触摸技术是目前使用较为广泛的一种触摸技术。随着使用环境的变化，触摸系统从之前专业的应用领域，如工业控制、POS等行业，逐渐向普通应用转换，在这个过程中，触摸系统的安全性日益重要。
目前的超声波触摸屏系统通常结合指纹生物特征识别功能来实现较好的安全性，现有的超声波触摸屏通过使用压电陶瓷基片作为换能器来实现触摸识别功能。该触摸系统没有实现指纹生物特征识别功能，在需要实现指纹生物特征识别功能的应用中，通常必须采用集成指纹生物特征识别功能的其他设备来实现，一种方式是在上述超声波触摸系统的基板上挖通孔的方式以便安装指纹生物特征识别设备，这种方式增加了所述触摸系统设计的难度(由于超声波传播的路径限制，通孔的设计位置必须置于超声波传播路径以外，这样在空间上限制了指纹生物特征识别设备的大小和安装位置)，同时降低了基板的强度，且基于集成的美观度和通常应用的防尘防水设计，难度都极大提升；另一种方式是不破坏触摸系统基板强度的设计，在触摸系统以外的其他部位集成指纹生物特征识别设备，例如在系统的侧边，或者基板的外部，这种集成的方法同样存在集成的美观度低、集成成本高及集成难度大等问题。
发明内容
为解决目前超声波触摸屏系统中，触摸屏与指纹生物特征识别设备的集成美观度低、集成成本高及集成难度大等问题，本发明实施例提供一种超声波触摸屏系统，该系统包括，
基板，用于传播超声波；
至少一个换能器，位于所述基板周边的上侧或下侧，同一所述换能器用于接收和发射所述超声波，其中，沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别和/或指纹识别，传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别；
反射条纹，位于所述基板周边的上侧，用于改变所述超声波传播方向；
控制器，与所述换能器电连接，用于驱动所述换能器振动以产生所述超声波，所述换能器将接收到的所述超声波转换为电信号，所述控制器用于处理所述电信号。
本发明的超声波触摸屏系统实现触摸屏的基本触摸功能，同时增加了指纹生物特征识别功能。在超声波触摸屏系统的安全性得到保证的同时，提高系统集成度及集成美观度，降低集成成本及集成难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种超声波触摸屏系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一种超声波触摸屏系统的整体结构图；
图3A及图3B为本发明一具体实施例的触摸示意图；
图4为本发明另一具体实施例的触摸示意图；
图5为本发明实施例一种电信号电压与超声波传播时间关系的示意图；
图6为本发明实施例一种超声波触摸屏系统的超声波栅格示意图；
图7A及图7B为本发明一具体实施例的电信号电压与超声波传播时间关系的示意图；
图8A及图8B为本发明另一具体实施例的电信号电压与超声波传播时间关系的示意图；
图9为本发明一具体实施例的指纹图像。
具体实施方式
本发明实施例提供一种超声波触摸屏系统。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示本发明实施例一种超声波触摸屏系统的结构示意图，图中所示具体包括，基板1，用于传播超声波；
至少一个换能器2，位于所述基板周边的上侧或下侧，同一所述换能器用于接收和发射所述超声波，其中，沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别和/或指纹识别，传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别；
反射条纹3，位于所述基板周边的上侧，用于改变所述超声波传播方向；
控制器，与所述换能器电连接，用于驱动所述换能器振动以产生所述超声波，所述换能器将接收到的所述超声波转换为电信号，所述控制器用于处理所述电信号。
其中，系统工作时，控制器通过固定频率信号驱动换能器工作，产生超声波，所述固定频率信号为脉冲信号，频率可为5MHz，但不限于5MHz，即产生的超声波信号为持续脉冲信号。其中，传播方向垂直于基板的超声波，可以用于指纹识别，沿基板表面传播的超声波可以用于触摸识别，也可以用于指纹识别。
超声波经反射条纹后改变传播方向，由于反射条纹分布在所述基板周边，可使超声波在基板表面形成声波栅格，同一换能器或其他换能器接收该超声波并转换为电信号后传输给控制器。
在本实施例中，换能器产生超声波后，经反射条纹反射后沿基板表面传播，经反射后的超声波传播方向如图1中4所标识。
本发明的超声波触摸屏系统实现触摸屏的基本触摸功能，同时增加了指纹生物特征识别功能。在超声波触摸屏系统的安全性得到保证的同时，提高系统集成度及集成美观度，降低集成成本及集成难度。
如图2所示本发明实施例一种超声波触摸屏系统的整体结构图，图中所示具体包括，基板1，换能器2，控制器以及反射条纹3，图中基板表面的箭头方向为超声波在基板表面传播的方向。
其中，换能器数量可为1个或多个，如图2所示换能器为四个，分布于所述基板四角，图2为本发明的一个实施例，本发明系统也可以有其他结构，例如包括基板形状为圆形等等，并不限于图2所示结构。
作为本发明的一个实施例，当所述换能器位于所述基板下侧且其产生沿所述基板表面传播的超声波时，所述基板的边为圆弧状倒角。
其中，若换能器水平振动，则产生垂直方向的超声波；若换能器垂直振动，则产生水平方向的超声波。
在本实施例中，若换能器位于基板上侧，且换能器垂直振动，即可在基本上表面产生沿基板表面传播的超声波，经反射条纹后布满整个基板表面，形成超声波栅格，即超声波的传播无需经过基板的边；若换能器位于基板下侧，换能器水平振动，产生垂直方向的超声波可穿透基板，经反射条纹反射后沿基板表面传播，在基板表面形成超声波栅格，即超声波的传播也无需经过基板的边；若换能器位于基板下侧，换能器垂直振动，产生的水平方向的超声波需要经过基板的边向上传播至基板上表面，因此，在此情况下，基板的边需要为圆弧状倒角，可使超声波无阻挡的沿整块基板的上下表面传播，再经反射条纹后布满整个基板表面，形成超声波栅格。
作为本发明的一个实施例，所述反射条纹为等宽等距的反射条纹阵列，其中，所述反射条纹阵列的宽度为所述超声波波长大小，间距为所述超声波波长的整数倍。
在本实施例中，反射条纹可使大部分超声波能够沿基板表面传播，根据基板材料及工艺的不同，反射条纹可采用烧结或蚀刻固化到基板表面，或者采用粘贴的方式贴合在基板表面。其中，反射条纹对超声波的反射为部分反射，反射后依然有部分超声波沿原传播方向继续传播。
在本实施例中，所述反射条纹为等宽等距的反射条纹阵列，其中，所述反射条纹阵列的宽度及间距为微米级，即，反射条纹为微结构模式。
作为本发明的一个实施例，所述换能器为压电陶瓷阵列。其中，压电陶瓷阵列采用微结构模式。采用微结构模式的压电陶瓷阵列，具有更高的精度及灵敏度，由此可以保证系统同时实现触摸识别及指纹识别。
通过上述本发明实施例中的系统，可实现触摸屏的基本触摸功能，同时增加了指纹生物特征识别功能。在超声波触摸屏系统的安全性得到保证的同时，提高系统集成度及集成美观度，降低集成成本及集成难度。
如图3A及图3B所示为本发明一具体实施例的触摸示意图。其中，图3A及图3B所示为换能器两种工作形式，图3A所示为换能器水平振动，产生垂直方向的超声波；图3B所示为换能器垂直振动，产生水平方向的超声波。如图中所示的触摸位置，当手指触摸基板表面时，触摸位置处的超声波栅格能量被吸收，导致换能器接收到的超声波能量变化，进而导致换能器产生的电信号变化，控制器通过这一信号变化计算出触摸位置，从而实现触摸功能。
作为本发明的一个实施例，所述沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别包括，
所述超声波于触摸位置衰减，所述换能器接收该衰减的超声波后产生变化电信号；
所述控制器根据所述变化电信号判断所述衰减的超声波的传播时间，根据所述超声波沿所述基板传播时间与距离的对应关系，得到所述衰减的超声波的传播距离，确定所述触摸位置。
其中，电信号的电压与超声波传播时间的关系可参考图5，系统工作时，首先完成初始化，即在无触摸状态，控制器通过固定频率信号驱动换能器工作，产生沿基板表面传播或垂直于基板的超声波，所述固定频率信号为脉冲信号，频率可为5MHz，但不限于5MHz，即产生的超声波信号为持续脉冲信号，同一换能器或其他换能器接收该超声波并转换为电信号后传输给控制器，控制器处理该电信号后形成一副时间-电压的关系图，如图5所示，横坐标为超声波传播时间T，纵坐标为电信号的电压值V。
其中，为了在基板上确定一触摸点，根据基板表面的超声波栅格，可将基板视作如图6所示，通过确定触摸点的x，y坐标，则可以唯一确定触摸位置。由于超声波沿基板表面传播方向为x，y两个方向，因此，处理器形成的图5所示的时间-电压关系图为两个，分别为x轴方向的时间-电压关系图和y轴方向的时间电压关系图，两图皆为图5所示形式。
在本实施例中，当手指触摸基板(x1，y1)位置后，超声波于触摸位置能量被吸收，从而超声波衰减，换能器接收衰减后的超声波后生成变化电信号，再将该变化电信号传输给控制器处理，处理器根据电信号电压与超声波传播时间的关系，得到触摸后的时间-电压关系图，如图7A及7B所示，分别为x轴及y轴方向的时间-电压关系图，由此可得到超声波传播时间为Tx1及Ty1，根据超声波沿基板传播时间与距离的对应关系，即，传播距离等于超声波传播速度与传播时间的乘积，得到超声波于x轴方向及y轴方向的传播距离，由此确定触摸位置。
作为本发明的一个实施例，沿所述基板表面传播的所述超声波用于指纹识别包括，
所述超声波于指纹触摸位置被部分吸收，所述换能器接收该衰减的超声波后产生变化电信号；
根据指纹脊与指纹谷对所述超声波的吸收量大小不同，确定所述变化电信号与所述指纹脊与指纹谷的对应关系；
所述控制器根据所述变化电信号判断所述衰减的超声波的传播时间，根据所述超声波沿所述基板传播时间与距离的对应关系，得到所述衰减的超声波的传播距离，确定所述变化电信号对应的所述指纹脊与指纹谷的位置，得到指纹的二维图像。
其中，与触摸识别过程类似的，系统初始工作时需要初始化。触摸识别可视为单点触摸识别过程，与触摸识别过程相比，指纹识别过程可视为多点触摸识别过程，此外，在触摸识别过程中，电信号电压与超声波传播时间关系与触摸识别过程中的时间-电压关系相同，如图5所示。
如图8A及图8B所示，指纹识别为多点触摸识别，图中仅以两点举例，在实际识别过程中，触摸点不限于两个。
由于指纹脊比指纹谷对超声波的吸收能力更强，因此，接触指纹脊的超声波衰减更严重，由换能器转换后生成的电信号电压更低，如图8A及图8B所示，可以从图中看出，点(x1，y1)对应的电信号电压值，远低于点(x2，y2)对应的电信号电压值，由此可知，点(x1，y1)对应的触摸位置为指纹脊，点(x2，y2)对应的触摸位置为指纹谷，控制器依据大小不同的电信号电压值，判断出电信号与指纹脊、指纹谷的对应关系。
进一步的，如图8A及图8B所示，可以得到点(x1，y1)及点(x2，y2)对应的超声波传播时间(Tx1，Ty1)及(Tx2，Ty2)，根据超声波沿基板传播时间与距离的对应关系，即，传播距离等于超声波传播速度与传播时间的乘积，得到超声波于x轴方向及y轴方向的传播距离，即可以得到点(x1，y1)及点(x2，y2)在基板上的具体位置。根据上述过程可以得到指纹上的指纹脊及指纹谷的相对位置，由此生成指纹图像，可如图9所示。
如图4所示为本发明另一具体实施例的触摸示意图，如图中所示的触摸位置，当手指触摸基板1表面时，触摸位置处的超声波栅格能量被吸收，导致换能器接收到的超声波能量变化，进而导致换能器产生的电信号变化，控制器通过处理电信号得到指纹的二维图像，实现指纹识别。
作为本发明的一个实施例，所述传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别包括，
所述超声波于指纹触摸位置被部分吸收及反射，所述换能器接收该反射的超声波后产生变化电信号；
根据指纹脊与指纹谷对所述超声波的吸收量不同，确定所述变化电信号与所述指纹脊与指纹谷的对应关系，根据所述对应关系，得到所述指纹的二维图像。
其中，与触摸识别过程类似的，系统初始工作时需要初始化。触摸识别可视为单点触摸识别过程，与触摸识别过程相比，指纹识别过程可视为多点触摸识别过程。
进行指纹识别时，手指按压换能器正上方，换能器产生的超声波垂直接触手指表面，进而被部分吸收及部分反射，发射的超声波垂直穿透基板，被换能器接收，生成变化电信号，即多个电压不同的电信号，并将电信号传输给控制器，控制器依据大小不同的电信号电压值，判断出电信号与指纹脊、指纹谷的对应关系。由于指纹脊比指纹谷对超声波的吸收能力更强，因此，接触指纹脊的超声波衰减更严重，由换能器转换后生成的电信号电压更低，即，电压值低的电信号对应为指纹脊，电压值高的电信号对应为指纹谷，根据该对应关系，生成灰度图，即指纹图像，可如图9所示。
在本实施例中，由于指纹识别过程是通过垂直于基板传播的超声波实现的，超声波信号与同一发送及接收换能器的相对位置并不变，即，可在换能器的同一点发送且接收同一超声波信号，根据换能器接收衰减后的超声波信号产生的电信号，可直接生成相应的指纹图像。
此外，如图4中所示换能器产生垂直于基板传播的超声波，若换能器产生水平方向的超声波，由于部分超声波也可垂直于基板传播，因此也可以实现上述实施例中的指纹识别过程。
类似的，若换能器产生垂直于基板传播的超声波，有部分超声波会沿水平方向传播，沿基板的边向上传播形成干扰信号，为避免此类干扰，基板的边可以不采用圆弧状倒角或采用软件的方式滤波。
在实际应用过程中，系统通过形成新的二维指纹图形，识别用户指纹信息。系统根据用户需求，可以保存该二维图形信息，以便后续进行指纹对比或识别工作。
通过上述本发明实施例中的系统，可实现触摸屏的基本触摸功能，同时增加了指纹生物特征识别功能。在超声波触摸屏系统的安全性得到保证的同时，提高系统集成度及集成美观度，降低集成成本及集成难度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声波触摸屏系统，其特征在于，所述系统包括，
基板，用于传播超声波；
至少一个换能器，位于所述基板周边的上侧或下侧，同一所述换能器用于接收和发射所述超声波，其中，沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别和/或指纹识别，传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别；
反射条纹，位于所述基板周边的上侧，用于改变所述超声波传播方向；
控制器，与所述换能器电连接，用于驱动所述换能器振动以产生所述超声波，所述换能器将接收到的所述超声波转换为电信号，所述控制器用于处理所述电信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述换能器位于所述基板下侧且其产生沿所述基板表面传播的超声波时，所述基板的边为圆弧状倒角。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射条纹为等宽等距的反射条纹阵列，其中，所述反射条纹阵列的宽度为所述超声波波长大小，间距为所述超声波波长的整数倍。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器为压电陶瓷阵列。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沿所述基板表面传播的所述超声波用于触摸识别包括，
所述超声波于触摸位置衰减，所述换能器接收该衰减的超声波后产生变化电信号；
所述控制器根据所述变化电信号判断所述衰减的超声波的传播时间，根据所述超声波沿所述基板传播时间与距离的对应关系，得到所述衰减的超声波的传播距离，确定所述触摸位置。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沿所述基板表面传播的所述超声波用于指纹识别包括，
所述超声波于指纹触摸位置被部分吸收，所述换能器接收衰减的超声波后产生变化电信号；
根据指纹脊与指纹谷对所述超声波的吸收量大小不同，确定所述变化电信号与所述指纹脊与指纹谷的对应关系；
所述控制器根据所述变化电信号判断所述衰减的超声波的传播时间，根据所述超声波沿所述基板传播时间与距离的对应关系，得到所述衰减的超声波的传播距离，确定所述变化电信号对应的所述指纹脊与指纹谷的位置，得到指纹的二维图像。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传播方向垂直于所述基板的所述超声波用于指纹识别包括，
所述超声波于指纹触摸位置被部分吸收及反射，所述换能器接收该反射的超声波后产生变化电信号；
根据指纹脊与指纹谷对所述超声波的吸收量不同，确定所述变化电信号与所述指纹脊与指纹谷的对应关系，根据所述对应关系，得到所述指纹的二维图像。
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