CN109313496B - 压电触摸装置 - Google Patents

Abstract

提供的是一种压电触摸装置。根据第一方面，压电触摸装置包括：导电支撑结构，包括由第一开口分隔开的作为桥部的不可分隔部分；压电元件，被构造成提供触摸感测和触感反馈；连接垫，被构造成形成用于压电元件的电性连接电路，其中，压电元件电性连接到连接垫，而且其中，桥部包括一个连接垫，且导电支撑结构包括另一连接垫；第二开口，处在另一连接垫旁边，允许压电元件边缘弯曲。因此，用于触摸感测和触感反馈的压电触摸装置可以借助改进的可制造性来制造。

Description

压电触摸装置

技术领域

本发明一般涉及电子设备的触摸用户界面，且更具体地涉及既具有感测也具有触觉反馈的压电触摸装置。

背景技术

压电元件可被用作触摸传感器，以及用于提供触觉反馈的致动器。最经济上可行的元件通常由单片压电材料(PZT)粘合到薄金属盘上组成。该元件在弯曲时有效地产生电荷，当元件被安装在触摸表面之下时，可用于触摸检测。相同的压电元件当被施加足够高的电压时，也可以产生弯曲动作，这可被用来向用户提供触感反馈。为了通过振动装置表面来提供足够强的触觉反馈，压电元件必须以能够实现最大的振动效率并提供与装置表面有效的机械接触以调节震动的方式安装。这意味着压电式元件不能被夹紧。

当使用最经济上可行的压电元件时，安装方法一直是一个挑战，因为这种元件需要可靠的双面的电和机械接触。已经有了几种像US2013086997、WO2015019329这样的解决方案，其用于可靠的触摸感测装配，并且也存在像US2015091414这样的涉及改善触觉反馈的解决方案。在US8742647的描述中，还提出了一种通过单侧接触设计来自动装配的解决方案。所有解决方案都基于在印刷电路板上的压电元件装配或在聚合物薄膜上的丝网印刷导体。然而，有些已提出的解决方案提供了可靠的接触，但是导致装置太硬或为了能使触觉反馈足够强而夹紧安装压电元件。有些已提出的解决方案提供了实现触感反馈的结构，但是元件的安装对于自动化制造来说太复杂。

并且还有一个挑战，那就是在压电元件处于其最高致动模式(在此模式下存在强加速度以及在非常短的时间内产生的力)时确保机械和电接触。

发明内容

提供本发明内容，为的是以简化的形式介绍将在以下具体说明中进一步描述的精选概念。本发明内容不旨在限定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

一目的是提供一种压电触摸装置。该目的通过独立权利要求的特征来达到。在从属权利要求、说明书和附图中提供了进一步的实施形式。

根据第一方面，压电触摸装置包括：导电支撑结构，包括由第一开口分隔开的作为桥部的不可分隔部分；压电元件，被构造成提供触摸感测和触感反馈；连接垫，被构造成形成用于压电元件的电性连接电路，其中，压电元件电性连接到连接垫，并且其中，桥部包括一个连接垫，而导电支撑结构包括另一连接垫；第二开口位于另一连接垫旁边，允许压电元件的边缘弯曲。用于触摸感测和触感反馈的压电触摸装置可借助改进的可制造性来制造。

在该设备的可能实施方式中，第二开口包括相对于压电元件的侧面开口。

在该设备的另一可能实施方式中，连接垫被构造成既是压电元件的机械支撑件也是用以电性连接到压电元件的电连接件。

在该设备的另一可能实施方式中，连接垫被构造成处在压电元件的同一侧；或者连接垫被构造成处在压电元件的不同侧。

在装置的另一可能实施方式中，还包含第三开口，第三开口被构造成处在压电元件的与第一开口相对的一侧。

在装置的另一种可能的实施方式中，压电元件和开口的尺寸被构造成使得压电元件能够局域化地弯曲。

在装置的另一可能实施方式中，第一开口的直径为5-30毫米。

在装置的另一可能实施方案中，压电元件被构造成相对于导电支撑结构的连接垫滑动。

在装置的另一种可能的实施方式中，压电元件被构造成在弯曲阶段没有压力施加在装置的表面上、或没有驱动信号到压电元件。

在装置的另一可能实施方式中，还包括背部支撑件，背部支撑件被构造成部分地形成第一开口或第三开口；或者，背部支撑件被构造成对压电元件提供支撑件。

在装置的另一可能实施方式中，支撑件被构造成弹性的。

在装置的另一可能实施方式中，压电元件通过由背部支撑件提供的压力电性连接到连接垫。

在装置的另一种可能的实施方式中，开口的设计被构造成实现音频输出；或者背部支撑件的材料和/或设计被构造成实现音频输出。

在装置的另一可能实施方案中，导电支撑结构包括导电箔、具有导电层的印刷电路板、或具有导电层的聚合物薄膜。

在装置的另一可能实施方式中，压电元件包括压电层和导电盘。

根据第二方面，提供了一种制造根据第一方面的压电触摸装置的方法。

在第二方面的可能实施方式中，表面安装技术、丝网印刷、UV固化或加热被用于制造压电触摸装置。

许多附带特征将会更容易地被认识到，这是因为通过结合附图来考虑以下具体说明，能够更好地理解它们。

附图说明

通过阅读以下具体实施方式并参考附图，本说明书会被更好地理解，其中：

图1示出了根据一实施例的装置表面下的压电触摸装置的横截面的示意图。

图2示出了根据图1的实施例的用于压电触摸装置的触感反馈的弯曲阶段的示意图。

图3示出了根据一实施例的压电触摸装置中的弹性压电元件支撑件的示意图。

图4示出了根据一实施例的压电触摸装置中的压电元件支撑件几何结构的构造的示意图。

图5示出了根据一实施例在压电触摸装置中的印刷电路板设计的示意图。

图6示出了根据一实施例的安装在压电触摸装置中的压电元件的示意图。

图7示出了根据一实施例在压电触摸装置中的压电元件的弹性支撑件的示意图。

图8示出了根据一实施例在印刷电路板中的开口和舌部的几何结构的示意图。

图9示出了根据一实施例在印刷电路板中的开口和具有孔的舌部的近视图的示意图。

图10示出了根据实施例的具有不同开口几何结构的背部支撑件的示意图。

在附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。根据一实施例，使用的参考数字列表如下所示：

1：装置表面；

2：粘合剂；

3：导电层；

31：开口；

4：舌部/桥部；

5：印刷电路板；

6：孔；

7：连接垫；

8：导电粘合剂；

9：压电层；

10：金属盘；

11：连接垫；

12：开口；

13：开口；

14：粘合剂；

15：背部支撑件；

20：压电元件；

21：粘合剂；

31：开口；

32：开口；

41：帆布；

42：开口；

43：导孔(via)；

44：导电层；

51：导电层；

52：导电层；

151：弹性支撑件；和

152：支撑垫。

具体实施方式

以下结合附图进行的描述旨在作为实施例的说明，而不是旨在表示可构建或利用实施例的唯一形式。然而，可以通过不同的实施例来实现相同或等同的功能和结构。

相应地，期望的是创造一压电触摸装置，其具有可靠的机械和电连接，其机械结构具有减小的阻尼和夹紧压电元件以提供对装置表面的有效致动和能量传递，以及设备具有简单的可实现自动化批量制造的装配。

一实施例涉及一用于触摸感测和触感反馈的压电触摸装置，其具有改进的可制造性。压电触摸装置可以能够用来提供可靠的触摸感测和足够强的触感反馈。压电触摸装置可以安装在装置表面下方。设备包括导电支撑件层，其包括作为桥部的不可分隔部分，其由第一开口分隔开。此外，压电元件被构造成在设备中提供触摸感测和触感反馈。连接垫被构造成形成用于压电元件的电性连接电路。压电元件电性连接到连接垫。桥部包括连接垫其中之一，并且导电支撑件层包括另一连接垫。在另一连接垫旁边的第二开口允许压电元件的边缘弯曲。第二开口可以是侧面的，相对于压电元件和/或压电元件的边缘。

尽管已经描述的实施例涉及一压电组件，但是应该理解，压电组件的数量可以改变，并且不限于此。类似地，已经描述的实施例基于粘合到薄金属盘上的单个圆形压电层，以形成盘形压电元件。应该理解，也可以使用其他种类的形状。所述范围或实施例不限于压电元件的形状和压电层的数量。

参考图1中示出的实施例，其为一压电触摸装置的横截面视图，压电触摸装置通过双面粘合剂2被附接在装置表面1下方。压电触摸装置包括印刷电路板5，印刷电路板的顶部具有导电层51，其具有作为舌部4的不可分隔的部分，舌部被开口31分隔并通过帆布41(图1中未示出；见图8和图9中示出的实施例)连接到印刷电路板5。舌部可以替代性地被称为桥部，并且尽管在实施例中被描述为舌部，但也可以应用桥部设计。导电层51附接电路板5的本体；导电层通常是FR4材料，且优选是柔性的而厚度为0.3mm-5mm。舌部4具有贯穿舌部4和下导电层7的一个或多个孔6。根据一实施例，在导电支撑结构中的压电中心区域中、例如在导电箔中没有孔。根据一实施例，可以使用一个大孔。该导电层7通过导电粘合剂8附接到压电元件20，压电元件20由粘合到金属盘10的压电陶瓷层9构成。金属盘通过背部支撑件15提供的压力而电性连接到连接垫7，背部支撑件15通过粘合剂14、经由印刷电路板的下导电层52而被附接到印刷电路板5。连接垫11和7在印刷电路板5的同一侧(底侧)、或如图2所示在印刷电路板5的不同侧，通过将连接垫6连接到舌部4的上导电层44的导孔43，而构成电性连接电路。

对于每个压电元件20，可以在印刷电路板5上形成传感器和触感致动驱动电路的独立线路。关于将致动信号驱动到压电元件20的细节在别处描述，并且可以通过与专利申请WO2014128640相同或相似的方式实现。作为替代实施例，具有导电层51和52的印刷电路板5也可以被聚合物薄膜代替，聚合物薄膜在两侧具有类似于层51和52的丝网印刷导电层。印刷电路板或聚合物薄膜可以更一般地被称为导电支撑结构，例如导电箔。尽管实施例是根据印刷电路板5被示出的，但是根据一个实施例，可以使用导电箔而不是印刷电路板。导电粘合剂8也可以是液体胶，并且可替代地通过UV或热来固化。

在图2中示出根据一实施例处于弯曲阶段的压电触摸装置。在金属盘下面有开口12，这允许压电元件20朝向开口12弯曲。弯曲可以由用户向表面1施加压力、或是主动将电荷驱动到压电元件20引起。

在连接垫11旁边存在另一个开口13，这还允许金属盘10的边缘朝向装置表面弯曲。结果，压电元件20可以在没有显著机械阻尼或夹紧的情况下有效地致动。开口13还允许在压电元件10中，相对于开口12的直径，使用较大直径的盘10。盘9的直径越大，则压电元件20响应于驱动信号实现触感致动的幅度就越大。

由于金属盘10没有被牢固地附接，而是被轻轻地附接或压在连接垫7和背部支撑件15之间，所以这样的安装方式允许盘如图2中开口13中的箭头所指示的那样，在连接垫11和背部支撑件15之间横向滑动，并且通过连接垫7和背部支撑件15而围绕受压区域旋转，而既不会损失垫和金属盘之间的电接触，也不会损失盘10和背部支撑件15之间的机械接触。通过允许金属盘10滑动和旋转，与盘10和电垫11被牢固附接的构造相比，能够使压电元件20更大弯曲，并且提高触感强度。

进一步，图2示出舌部4如何运动离开装置表面1、且经由粘合剂层2向下拉动表面并因此有效地将压电元件20的运动传递到装置表面1的实施例。通过将主动和高度受控的驱动信号驱动到压电元件，可以提供不同的振动模式作为触感反馈。

作为另一个实施例，压电触摸装置可以按这样的方式构造：压电元件处于弯曲阶段，而没有任何额外的压力被施加到装置表面1或主动驱动信号到压电元件。尤其对于制造的构造为，连接垫7、11和导电层52具有相同的厚度，并且压电元件由于导电性粘合剂层8而具有预压力(pre-pressure)。

在图3中示出的实施例是，通过在压电元件20下方添加弹性支撑件151形成的压电触摸装置的另一实施例。在致动阶段，在压电元件20向下弯曲(像图2和图4中那样)的情况下，弹性支撑件151变形，从而进一步改善压电元件响应于电驱动信号的弯曲特性，并因此提高装置表面1中的触觉反馈的强度和质量。结果，装置表面1的振动幅度增加并且高频振动被阻尼，这使得触感反馈更加静音。在存在预压力的构造中，弹性支撑件151也可以部分地释放预压力。弹性材料151优选但不限于橡胶(rubber)或硅胶(silicone)。

图4示出的是压电触摸装置的另一实施例，其中背部支撑件15呈在窄支撑垫152上、金属盘10被压在支撑件152与位于金属盘10的相邻侧上的连接垫11之间的方式。这使得压电元件能够沿向下和向上这两个方向弯曲，而不会显著损失振动能量以进行阻尼或夹紧。压电元件20的双向致动可以显著地增加可感知的触感反馈强度。

在图5中示出了一个实施例，其中开口31延伸到导电层51，而开口延伸部分与开口12相比具有更大的直径。在该实施例中，舌部4与图1-图4中示出的实施例相比能够更自由地弯曲，并且因此提高了压电触摸装置相对于压电元件20的致动的振动效率。

图6所示为压电触摸装置的另一个实施例。在该实施例中，压电传感器元件20位于装置表面1和印刷电路板5之间。在这种构造中，粘合剂2中存在开口42，其允许金属盘按照与前面所描述的类似的方式弯曲。开口42也可以延伸到导电层51(图6中未示出)，以提高压电元件20朝向装置表面1的弯曲特性，并且因此提高压电传感器元件20响应用于触感反馈的电驱动信号，按照与图4所描述的类似的方式，进行两向弯曲的特性。在装置表面1和金属盘10之间有一个单独的粘合剂层21，用以将装置表面1与压电元件20的金属盘10附接。它确保装置表面1和压电触摸装置之间的机械接触。粘合剂层21的表面面积可以根据装置表面1的弯曲性能和压电触摸装置的弯曲性能而改变。更具体地，粘合剂层21的表面面积应该大至足以当压电元件20按照压电元件20产生离开装置表面1的最高拉力的方式，被电信号致动时，确保机械接触。另一方面粘合剂层21的表面面积应尽可能小，以便能够响应压电元件20的致动，而在装置表面1中实现适当地局域化的(localized)致动区域。并且第三，为实现从装置表面1向下的致动运动充分，开口42应使粘合剂2和粘合剂21之间的距离尽可能大，以使得针对装置表面1向下弯曲的抵抗支撑力最小化。

图7所示为压电触摸装置的另一个实施例的图示，其与图6示出的实施例相比，在压电触摸装置的装置表面1和金属盘10之间增加了弹性支撑件151。利用这些弹性支撑件151，可以达到与图3中用于提高装置表面1的触感致动相似的效果。

在顶部粘合剂2处还可以存在开口，例如像图7示出的那样。

图8所示为一个实施例的图示，其示出了用以实现被安装在其上的压电元件20的有效局域化弯曲的印刷电路板5的较近的顶视图。图8示出了桥部。取决于装置表面上的触摸区域的尺寸和多个触摸区域之间的间距，印刷电路板5的厚度可以在0.2mm至5mm之间变化，且开口直径可介于5-30mm之间。依据构造，连接垫7的直径应至少为1mm但小于20mm。帆布41的尺寸和数量可以根据压电触摸装置、压电元件20和装置表面1的机械性能变化。

除了图1的示出了中心粘附的实施例之外，压电元件也可以在承载板边缘中的一点处被胶合到导电支撑结构。此外，处在导电支撑结构的顶侧的导电层51可以不需要。

图9所示为舌部/桥部4的甚至更近的顶视图的图示。现在贯穿印刷电路板5中的舌部4的孔6的直径和数量可被选择，以通过导电粘合剂8实现最大化粘合。孔6也可以是在导电层7与导电层44之间穿过印刷电路板5以同时提供电连接并改善粘附性的导孔43。

更具体地，导电粘合剂8可以由银胶组成，其可以在加热步骤(该步骤为通过表面安装技术制造的一部分)中被固化。在固化之前，银胶是液体形式并且它沉积在舌部上的导电部分(例如铜或镀金铜)的区域上，但也部分地沉积在孔6内。在施胶后到加热步骤的固化之后，孔内的胶会显著增大导电粘合剂8和舌部4的总接触面积，因此实现强粘合。换言之，借助这些孔，可以使用较小的舌部表面积，其产生装置表面1的更局域化的致动。胶也可以不通过加热步骤和以不同方法来固化，而产生与上述相同的益处。

孔6并非必需是舌部4的通孔，而是这些孔也可以是舌部4的导电区域7中的空腔，其不延伸贯穿舌部4。或者可替代地，在导电垫7上既没有孔也没有空腔。

图10示出的是一实施例，背部支撑件15具有开口12的不同几何结构，用以支撑压电元件20。开口的径向直径应略小于压电元件20的金属盘10的直径以提供支撑(当圆盘直径为20mm时通常为16mm-19mm)。在一般情况下，盘的直径可以在5mm-30mm之间变化。为了提高压电元件20的响应电驱动信号的弯曲性能，如图所示，径向地增加舌部与主开口12的间距是有利的，其延伸为径向距离超过压电元件20的盘10的直径。背部支撑件15可以由像塑料这样的刚性材料组成并且具有1mm-20mm的总厚度，或者可替代地，背部支撑件15可以由弹性材料制成，弹性材料例如为天然或硅树脂或塑料弹性体。

根据一个实施例，压电触摸装置可以被构造成作为相同装置的触摸检测的响应，不仅产生触感反馈，还产生声音反馈。这主要是通过位于压电元件20的金属盘10和背部支撑件15之间的开口12来实现的。当其响应电驱动信号而被致动时，压电元件20可以在从50Hz到几千赫兹范围的频率内产生振动。与常规的蜂鸣器腔设计相似，开口12的尺寸(直径和深度)可以依据压电元件20的振动特性来选择，以在选定频率范围(最优选地但不限于在200Hz-1kHz的范围)内提供增强的音频输出。另外，背部支撑件15可以具有孔，以使压电触摸装置响应压电元件20的主动驱动信号产生较好的声音输出。

作为另一个实施例，压电触摸装置可以被构造成用以将因压电元件20的致动而产生的音频输出最小化。在这种情况下，开口12的设计和用于背部支撑件15的材料的选择是以音频被阻尼的方式产生的。尤其是避免500Hz以上的频率是有益的。

本文给出的装置的任何范围或数值可以被扩展或改变而不会丧失所寻求的效果。除非明确禁止，否则任一实施例也可以与另一实施例组合。

尽管用具体的结构特征和/或动作语言描述了本主题，但应理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上面描述的具体特征或动作。相反，上面描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的例子而公开的，并且其他等同特征和动作旨在落入权利要求的范围内。

应当理解，上面描述的益处和优点可以涉及一个实施例，或者可以涉及多个实施例。实施例不限于解决任一个或所有的所述问题，或实施例具有任一个或所有的所述益处和优点。应当进一步理解，对“一个”项目的引用可以涉及一个或多个这类项目。

本文描述的方法的各步骤可以按照任何合适的顺序进行，或者在适当的情况下同时进行。另外，在不脱离本文描述的主题的构思和范围的情况下，可以从任一方法中删除单独的块。上述的任一实施例的各方面可以与任一其他所述实施例的各方面组合，以形成进一步的实施例而不会丧失所寻求的效果。

本文中所用的术语“包括”表示包含所确定的方法、块或元素(元件，element)，但是这样的块或元素不包括排他性的列表，并且一方法或装置可以包含额外的块或元素。

应当理解，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以做出各种修改。以上说明书、示例和数据提供了示例性的实施例的结构和功用的完整描述。尽管以上描述的各种实施例具有一定程度的特殊性，或者参考了一个或多个单独的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本说明书的构思或范围的情况下对所公开的实施例进行多种变动。

Claims (14)

1.一种压电触摸装置，包括：

导电支撑结构(5、51、52)，包括由第一开口(31)分隔开的作为桥部(4)的不可分隔部分；

压电元件(9、20)，被构造成提供触摸感测和触感反馈，其中所述压电元件包括压电层(9)和导电盘(10)；

多个连接垫(7、11)，被构造成形成用于所述压电元件的电性连接电路，其中，所述压电元件电性连接到所述连接垫，而且其中，所述桥部包括所述多个连接垫中的一个连接垫，且所述导电支撑结构包括所述多个连接垫中的另一个连接垫，并且其中所述连接垫被构造成既为所述压电元件的机械支撑件，也为用以电性连接到所述压电元件的电连接件；

第二开口(13、42)，位于所述另一个连接垫旁边，允许所述压电元件的边缘弯曲，所述压电元件的导电盘被构造成相对于所述导电支撑结构的所述连接垫滑动。

2.根据权利要求1所述的压电触摸装置，其中，所述第二开口包括相对于所述压电元件的侧面开口。

3.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述连接垫被构造成处在所述压电元件的同一侧。

4.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述连接垫被构造成处在所述压电元件的不同侧。

5.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，还包括：第三开口(12)，被构造成处在所述压电元件的与所述第一开口相对的一侧。

6.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述压电元件和所述开口的尺寸被构造成使得压电元件能够局域化地弯曲。

7.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述第一开口的直径为5-30毫米。

8.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述压电元件被构造成在弯曲状态没有压力施加在所述装置的表面上、或没有驱动信号到所述压电元件。

9.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，还包括：背部支撑件(15)，被构造成部分地形成所述第一开口或第三开口；或

其中，背部支撑件被构造成对所述压电元件提供支撑。

10.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述支撑件被构造成弹性的。

11.根据权利要求9所述的压电触摸装置，其中，所述压电元件通过所述背部支撑件提供的压力电性连接到所述连接垫。

12.根据权利要求1或2所述的压电触摸装置，其中，所述导电支撑结构包括导电箔、具有导电层(51、52)的印刷电路板(5)、或者具有导电层的聚合物薄膜。

13.根据任一前述权利要求所述的压电触摸装置的制造方法。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其中，表面安装技术、丝网印刷、UV固化或加热被用来制造压电触摸装置。

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