CN108563359B - 相控阵触控模组及触控设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相控阵触控模组以及触控设备，所述相控阵触控模组能在操作面板表面上或者前方空间中合成扫描信号波面，所述扫描信号波面能够对所述操作面板表面上或者前方空间进行扫描，以感测到触摸物的三维空间位置信息，继而实现操作面板的触控功能，适用于曲面屏和平面屏等触控；进一步的，所述相控阵触控模组能感测到触摸物在操作面板前方空间中的立体空间姿势或者距离的变化，进而实现多功能触控(即立体触控)；此外，所述相控阵触控模组可以作为一种外置触控装置，与操作面板可拆卸式连接，从而赋予不具有触控功能的操作面板以触控功能。

Description

相控阵触控模组及触控设备

技术领域

本发明涉及触控技术领域，尤其涉及一种相控阵触控模组及触控设备。

背景技术

随着智能移动终端的发展，触控屏也逐渐盛行，利用触控屏，用户可方便的对屏幕上应用程序或菜单执行特定的功能，如打开应用程序、对屏幕进行截屏操作等。触控屏的出现，极大的提高了移动终端操作的便利性，也提高了移动终端使用的用户体验。但目前的触控屏上的触控技术仍然不能满足显示设备的发展要求，例如不能很好的应用于曲面屏幕等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相控阵触控模组及触控设备，能够实现曲面触控和立体触控。

为了实现上述目的，本发明提供一种相控阵触控模组，包括：

相控阵模块，包括外壳以及设置在所述外壳中的多个信号收发单元，所述多个信号收发单元阵列排布以构一相控阵，所述相控阵用于在一操作面板表面和/或所述操作面板表面的前方的空间中形成扫描信号波面，并通过所述扫描信号波面感测所述操作面板表面上或者所述操作面板表面的前方的空间中的触控操作；以及

支架，用于连接所述相控阵模块和所述操作面板，并固定和支撑所述相控阵模块，保证所述相控阵模块的扫描信号波面能够在所述操作面板表面上或者所述操作面板表面的前方的空间中扫过。

可选的，所述相控阵的形状取决于所述触控操作所在的空间区域。

可选的，当所述空间区域为长方体空间区域时，所述相控阵的形状为二维矩形阵。

可选的，所述二维矩形阵中每行和每列的信号收发单元的数量取决于所述操作面板的长度和宽度。

可选的，所述相控阵为二维矩形阵，每个所述信号收发单元包括一超声波发射器和一超声波接收器，所述超声波接收器和超声波发射器均指向所述操作面板表面或者所述操作面板表面的前方的空间，所述扫描信号波面为超声波面。

可选的，所述相控阵中，同一行和/或同一列上的超声发射器发射的超声波具有相同频率和相同相位。

可选的，所述相控阵中，同一行的超声波发射器发射的超声波的相位不同，且能够合成平行于所述操作面板表面的超声波面；同一列的超声波发射器发射的超声波的相位不同，且能够合成垂直于所述操作面板表面的超声波面。

可选的，所述相控阵中，每一列的超声波发射器都比前一列或后一列的超声波发射器发射的超声波提前相同的相位；或者，每一行的超声波发射器都比前一行或后一行的超声波发射器发射的超声波提前相同的相位。

可选的，所述支架将所述相控阵模块支撑在所述操作面板表面一侧的正上方或者正下方。

可选的，所述支架与所述相控阵模块固定连接或者转动连接。

可选的，所述支架与所述操作面板可拆卸式连接。

可选的，所述支架通过USB接口、音频接口或者充电接口中的至少一种与所述操作面板可拆卸式连接。

本发明还提供一种触控设备，包括操作面板、信号处理模块和上述之一的相控阵触控模组；所述相控阵触控模组通过其支架装配到所述操作面板上；所述信号处理模块集成在所述相控阵触控模组端或者集成在所述操作面板端，分别与所述相控阵触控模组的相控阵模块和所述操作面板通信连接，用于接收和处理所述相控阵模块感测到的信号，并根据所述处理的结果操作所述操作面板。

可选的，所述操作面板为显示屏或者按键面板。

可选的，所述相控阵模块还用于实时感测一触摸物在所述操作面板表面的前方空间中的立体空间姿势或者距离的变化情况并产生不同的电信号，所述信号处理模块还用于根据所述不同的电信号来对所述操作面板进行不同的控制，以实现立体触控。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、能够利用相控阵触控模组，实现根据触摸物体在屏幕上方一定距离范围的立体空间姿势或者距离变化来实现多功能触控(即立体触控)，也能够实现曲面触控；

2、相控阵触控模组可以作为一种外置触控装置，能够通过其支架可拆卸式连接到显示屏、按键面板等操作面板上，从而赋予不具有触控功能的操作面板以触控功能。

附图说明

图1是本发明具体实施例的相控阵触控模组与一操作面板装配到一起后的正视结构示意图；

图2是图1所示的结构对应的俯视图；

图3是图1所示的结构对应的侧视图；

图4是本发明具体实施例的相控阵触控模组中的相控阵模块的结构示意图；

图5是本发明具体实施例的相控阵模块中的一个超声波收发单元的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，目前的触控屏上的触控技术仍然不能满足显示设备的发展要求，发明人发现，目前的触控屏技术主要存在以下缺点：

1、现有的触控技术大多应用于平面屏幕，不能很好地应用于曲面屏幕，这是因为在屏幕生产工艺中，要实现曲面触控，需要改变现有的生产线，进而导致设计成本和生产成本都很大，实现起来比较困难；

2、现有的触控技术直接内嵌于屏幕内，而无法外置和转移，尤其是无法转移到不具有触控功能的屏幕上，即没有较好的技术来使得已经生产出来的不具有触控功能的显示屏具有触控功能；

3、现有的触控技术不具有能根据手指到屏幕的距离来定义不同的触控功能的立体触控能力，具体地，一般的触摸屏幕，如电容屏，电阻屏等，需要手指等物体直接接触屏幕以实现触控，红外触控装置也必须使得手指等触摸物体保持在距离屏幕很近的位置，因此无法通过从不同距离的位置来定义不同的触控功能并同时获得XY轴平面的触控坐标信息，即难以实现立体触控的效果。

基于此，本发明提供一种相控阵触控模组以及触控设备，能够利用相控阵触控模组，实现曲面触控，并可以实现根据触摸物体在屏幕上方一定距离范围的立体空间姿势或者距离变化来实现多功能触控(即立体触控)，并进一步地使相控阵触控模组作为一种外置触控装置，能够通过相控阵触控模组的支架可拆卸式连接到显示屏、按键面板等操作面板上，从而赋予不具有触控功能的操作面板以触控功能。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图1至5，本发明提供一种相控阵触控模组，包括相控阵模块和支架3。其中，支架3可以是“L”形、“Z”形、“T”形或者“工”形支架，用于连接所述相控阵模块和操作面板4，并固定和支撑所述相控阵模块，例如，支架3可以将所述相控阵模块支撑在一待添加触控功能的操作面板4的表面一侧的正上方或者正下方，且距离操作面板4的表面有一定的距离。所述支架3可以与所述相控阵模块固定连接或者转动连接。所述支架3与所述操作面板4可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接。当支架3与所述操作面板4可拆卸式连接时，可以使得相控阵触控模组作为一种可拆卸的外置装置，在操作面板4需要具有触控功能时，将相控阵模块与操作面板4装配在一起，进而使得操作面板4具有触控功能，由此可以扩展一些电子装置的功能以及提高用户体验，尤其适合一些已经生产出来的不具有触控功能的电子设备，通过本发明的相控阵触控模组可以赋予其触控功能。可选的，所述支架3通过USB接口、音频接口或者充电接口中的至少一种电接口与所述操作面板4可拆卸式连接，从而可以通过支架3直接从操作面板4上取电来使得所述相控阵模块上电工作。

所述相控阵模块包括外壳2以及设置在所述外壳2中的多个信号收发单元1。其中，所述外壳2与所述支架3连接。所述多个信号收发单元1在所述外壳2中按阵列排布，从而构成一相控阵，所述相控阵用于在一操作面板4表面和/或所述操作面板4表面的前方的空间中形成扫描信号波面，并通过所述扫描信号波面感测所述操作面板4表面上或者所述操作面板4表面的前方的空间中的触控操作。

本实施例中，所述相控阵模块中由多个信号收发单元1排列成的相控阵的形状取决于所述操作面板4表面上或者所述操作面板4表面的前方的空间中的触控操作所在的空间区域，例如当所述触控操作为手势动作时，相控阵的形状取决于所述手势动作的空间区域。通常情况下，操作面板4的形状会在一定程度上决定(或者说限定)其表面上或前方空间中的触控操作所在的空间区域，如图4所示，当所述操作面板4为矩形时，其表面上或前方空间中的触控操作所在的空间区域通常为长方体空间区域，此时相控阵的形状为二维矩阵，所述二维矩形阵的行方向至少平行于所述操作面板4的一条边(可以是长边，可以是宽边)，此时，所述二维矩形阵的每行和每列的信号收发单元1的数量取决于所述操作面板的长度和宽度，具体地，可以在二维矩形阵的列方向设置较少的信号收发单元1，在二维矩形阵的行方向设置较多的信号收发单元1，例如所述二维矩形阵每列上排列的信号收发单元1的数量在3到5个之间，所述二维矩形阵每行上排列的信号收发单元1在10个单元以上。在本发明的其他实施例中，当设计操作面板4表面上或者前方空间中的触控区域为一个截面类似于正六边形的空间区域时，相控阵的形状可以是与正六边形的，此时相控阵形成的超声波扫描的区域就是一个类似于正六边形的棱角不分明的空间区域，由此来实现操作面板4上的触控操作的探测。

此外，本实施例中，所述相控阵模块用于实现操作面板4上的触控操作的探测的媒介是超声波，此时，每个所述信号收发单元1内置有一超声波发射器5和一超声波接收器6，每个所述信号收发单元1在外壳2中的安装位置使得其内置的超声波接收器6和超声波发射器5均指向所述操作面板4表面或者所述操作面板4表面的前方的空间，所述扫描信号波面为超声波面。根据惠更斯原理，某一个频率的球形波面(超声波面)上的每一点都可以由一些频率相同的次级波面组合而成，因此，通过“控制”次级波面起振的相位来合成一个具有方向性的球面波(即扫描信号波面)，可以实现操作面板上的触控操作的感测。此时，所述相控阵模块中的所有超声波发射器5可以以相同的频率、相同的振幅、不同的相位发射超声波，二维矩形阵的不同行和列发出的不同相位的在操作面板4前方的一定范围内可以合成任意角度的超声波(即合成出任一角度的扫描信号波面或者超声波面)，进而基于所述超声波测距原理，可以利用合成的超声波来测出参与触控的手指等在操作面板4表面上或者前方空间中的触摸物和与相控阵模块之间的距离以及空间角度，根据所述距离以及空间角度可以获得操作面板4前方的触摸物所在的三维空间位置，而获取三维空间位置的过程就是触控功能得以实现的过程。

其中，当所述相控阵中同一行的信号收发单元1的超声波发射器5发射的超声波的相位不同时，可以合成一平行于操作面板4的超声波面(即扫描信号面)；当所述相控阵中同一列的信号收发单元1的超声波发射器5发射的超声波的相位不同时，可以合成一垂直于操作面板4的超声波面(即扫描信号面)；当所述相控阵中所有的超声发射器5发射的超声波具有相同频率、相同振幅、相同相位时，所有超声发射器5发射的超声波合成的超声波(或称超声波面)就会向操控面板4的正前方传播；当所述相控阵中，从左往右，相对靠右边的每一列超声发射器5都比前面一列(即位于每一列的左侧的一列)超声发射器5发射的超声波提前相同的相位时，所有超声发射器5发射的超声波合成的超声波面就会“看起来”向右前方传播(即合成的超声波面的左边的比右边的超前一点)，同时，从上往下，相对靠下边的每一行超声发射器5都比上边一行(即前一行)超声发射器5发射的超声波的提前相同的相位时，即所有超声发射器5发射的超声波合成的超声波面就会“看起来”向下前方传播(即合成的超声波面的下边的比上边的超前一点)，此时，所述相控阵的所有超声发射器5按列等相位差的发射超声波，且按行等相位差的发射超声波，由此，可以实现合成的超声波面在操作面板4的表面或者前方空间中从左往右、从上往下依次扫描，进而可以获得参与触摸的手指等触摸物所在位置与相控阵模块所在位置之间的角度信息，同时利用超声波本身具有的测距功能得到所述触摸物所在位置与相控阵模块所在位置之间的距离信息，进而可以利用所述角度信息和距离信息计算出所述触摸物的空间位置，进而实现对操作面板的触控。需要说明的是，所述相控阵中按列的相位差和按行的相位差可以相同，也可以不同，且无论是按列上的相位差还是按行上的相位差，均可以通过延时激励的方法实现。即相邻两列超声发射器发出的超声波的相位差

相邻两行超声发射器发出的超声波的相位差

Δt1是相邻两列超声发射器开始发射超声波的时间差，Δt2是相邻两行超声发射器开始发射超声波的时间差，ω＝2πf，f为频率，

且

可以等于

也可以不等于

在本发明的其他实施例中，所述相控阵的超声波发射器5合成的超声波面在操作面板4的表面或者前方空间中也可以是从右往左、从下往上依次扫描，来获得参数触摸的手指等触摸物所在位置与相控阵模块所在位置之间的角度信息和距离信息，进而实现对操作面板的触控。具体地，所述相控阵中，从左往右，相对靠左边的每一列超声发射器5都比后面一列(即位于每一列右侧的一列)超声发射器5发射的超声波提前相同的相位时，所有超声发射器5发射的超声波合成的超声波面就会“看起来”向左前方传播(即合成的超声波面的右边的比左边的超前一点)，同时，从上往下，相对靠上边的每一行超声发射器5都比下边一行(即后一行)超声发射器5发射的超声波提前相同的相位时，所有超声发射器5发射的超声波合成的超声波面就会“看起来”向上前方传播(即合成的超声波面的上边的比下边的超前一点)，由此，可以实现合成的超声波面在操作面板4的表面或者前方空间中从右往左、从下往上依次扫描。

请继续参考图1至图5，本发明实施例还提供一种触控设备，包括操作面板4和上述的相控阵触控模组。即，所述相控阵触控模组包括相控阵模块和支架3，所述相控阵模块包括外壳2和设置在所述外壳2中的多个信号收发单元1。其中，所述多个信号收发单元1在所述外壳2中按阵列排布成一相控阵，所述外壳2与所述支架3连接，所述支架3将相控阵模块装配到所述操作面板4一侧的正上方或正下方。所述操作面板4可以为曲面屏幕(即曲面显示屏)，也可以是普通的平面屏幕(即平面显示屏)，还可以是机械式的按键面板。其中，当支架3与操作面板4的连接方式为不可拆卸式连接时，可以是固定角度的连接方式，也可以是转动连接，由此可以给用户提供操作面板上的机械式操作和触控操作两种体验，或者能够使得曲面屏也具有精准的触控操作功能；当支架3与操作面板4的连接方式为可拆卸式连接时，可以将不具有触控功能的操作面板转换为具有触控功能的操作面板，例如普通显示屏转换为触摸屏，普通机械按键转换为触摸按键，有利于用户操作，同时可以减少设备更新换代二带来的成本和资源浪费。

本发明的触控设备是一种实现操控面板前方的空间位置信息(包括距离和角度)获取功能的装置，而其操作面板上完整的触控功能的实现当然离不开相应的信号处理模块，因此本发明的触控设备还包括信号处理模块，所述信号处理模块，与所述相控阵触控模组中相控阵模块和所述操作面板分别通信连接，用于接收和处理所述相控阵模块感测到的信号，并根据所述处理的结果操作所述操作面板。所述信号处理模块可以集成到相控阵触控模组中，也可以集成在所述操作面板中，所述信号处理模块包括模拟转换电路和数字处理电路等等，所述模拟转换电路用于获取和放大所述相控阵模块的感测信号(即电信号)，所述数字处理电路用于处理和分析所述模拟转换电路放大后的电信号，以获取触摸物的角度和位置信息，进而产生相应的触控指令，实现“控制”操作面板等输入功能。当触摸物体在操作面板表面的前方空间(即距离操作面板表面一定距离范围内)进行立体空间姿势或者距离的变化时，所述相控阵模块可以实时感测到所述触摸物的立体空间姿势或者距离的变化并产生不同的电信号，所述信号处理模块可以根据所述不同的电信号来对操作面板进行不同的控制，进而实现多功能触控(即立体触控)。此外，所述信号处理模块中具体的电路设计等不是本发明的内容，在此不再详述。

需要说明的是，本发明的触控设备中，“触”是一个相对虚拟的概念，即在实现触控功能时，触摸物可以与操作面板4的表面相接触，也可以是接近操作面板4的表面(即位于操作面板4前方空间中而不接触操作面板4就实现触控功能)；“控”是指根据相控阵触控模组就可以获得对应于所述触摸物触摸或接近操作面板4特定位置的电信号，经过所述信号处理模块中的模拟转换电路处理实现所述电信号的获取与放大，通过所述信号处理模块中的数字处理电路对所述电信号的处理和分析，就可获取触摸物的角度和位置信息，最后利用获取到的位置和角度信息来实现“控制”操作面板等输入功能。

综上所述，本发明提供的相控阵触控模组以及触控设备中，所述相控阵触控模组能在操作面板表面上或者前方空间中合成扫描信号波面，所述扫描信号波面能够对所述操作面板表面上或者前方空间进行扫描，以感测到触摸物的三维空间位置信息，继而实现操作面板的触控功能，适用于曲面屏和平面屏等触控；进一步的，所述相控阵触控模组能感测到触摸物在操作面板前方空间中的立体空间姿势或者距离的变化，进而实现多功能触控(即立体触控)；此外，所述相控阵触控模组可以作为一种外置触控装置，与操作面板可拆卸式连接，从而赋予不具有触控功能的操作面板以触控功能。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种相控阵触控模组，其特征在于，包括：

相控阵模块，包括外壳以及设置在所述外壳中的多个信号收发单元，所述多个信号收发单元阵列排布以构成一相控阵，所述相控阵用于在一操作面板表面和/或所述操作面板表面的前方的空间中形成扫描信号波面，并通过所述扫描信号波面感测所述操作面板表面上或者所述操作面板表面的前方的空间中的触控操作，以使得相控阵模块能实时感测一触摸物在所述操作面板表面的前方空间中与所述相控阵模块之间的距离的变化情况并产生不同的电信号，所述不同的电信号用以对所述操作面板进行不同的触控功能的控制，以实现立体触控；以及

支架，用于连接所述相控阵模块和所述操作面板，并固定和支撑所述相控阵模块，保证所述相控阵模块的扫描信号波面能够在所述操作面板表面上或者所述操作面板表面的前方的空间中扫过。

2.如权利要求1所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述相控阵的形状取决于所述触控操作所在的空间区域。

3.如权利要求2所述的相控阵触控模组，其特征在于，当所述空间区域为长方体空间区域时，所述相控阵的形状为二维矩形阵。

4.如权利要求3所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述二维矩形阵中每行和每列的信号收发单元的数量取决于所述操作面板的长度和宽度。

5.如权利要求1至4中任一项所述的相控阵触控模组，其特征在于，每个所述信号收发单元包括一超声波发射器和一超声波接收器，所述超声波接收器和超声波发射器均指向所述操作面板表面或者所述操作面板表面的前方的空间，所述扫描信号波面为超声波面。

6.如权利要求5所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述相控阵中，同一行和/或同一列上的超声发射器发射的超声波具有相同频率和相同相位。

7.如权利要求5所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述相控阵中，同一行的超声波发射器发射的超声波的相位不同，且能够合成平行于所述操作面板表面的超声波面；同一列的超声波发射器发射的超声波的相位不同，且能够合成垂直于所述操作面板表面的超声波面。

8.如权利要求5所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述相控阵中，每一列的超声波发射器都比前一列或后一列的超声波发射器发射的超声波提前相同的相位；或者，每一行的超声波发射器都比前一行或后一行的超声波发射器发射的超声波提前相同的相位。

9.如权利要求1所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述支架将所述相控阵模块支撑在所述操作面板表面一侧的正上方或者正下方。

10.如权利要求1或9所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述支架与所述相控阵模块固定连接或者转动连接。

11.如权利要求1或9所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述支架与所述操作面板可拆卸式连接。

12.如权利要求11所述的相控阵触控模组，其特征在于，所述支架通过USB接口、音频接口或者充电接口中的至少一种与所述操作面板可拆卸式连接。

13.一种触控设备，其特征在于，包括操作面板、信号处理模块和权利要求1至12中任一项所述的相控阵触控模组；所述相控阵触控模组通过其支架装配到所述操作面板上，用于实时感测一触摸物在所述操作面板表面的前方空间中与所述相控阵模块之间的距离的变化情况并产生不同的电信号；所述信号处理模块集成在所述相控阵触控模组端或者集成在所述操作面板端，分别与所述相控阵触控模组的相控阵模块和所述操作面板通信连接，用于接收和处理所述相控阵模块感测到的信号，并根据所述处理的结果操作所述操作面板，且根据所述不同的电信号来对所述操作面板进行不同的触控功能的控制，以实现立体触控。

14.如权利要求13所述的触控设备，其特征在于，所述操作面板为显示屏或者按键面板。

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