TW201741832A - 觸控裝置 - Google Patents

Abstract

一種觸控裝置，包括一觸控顯示單元，其具有一觸控顯示面，該觸控裝置包括自觸控顯示單元背面由上至下設置的一信號發送層、一信號接收層、彈性體及金屬框架。信號發送層包括相互間隔設置的多個第一信號發送單元與多個第二信號發送單元，信號接收層包括多個第一信號接收單元與多個第二信號接收單元。一第一信號發送單元與一第一信號接收單元及一第二信號發送單元與一第二信號接收單元正對設置。金屬框架與信號接收層之間具有空氣間隙。每一該第一信號發送單元的面積小於正對的第一信號接收單元的面積；每一第二信號發送單元的面積大於正對的一第二信號接收單元的平面。還提供一種利用上述觸控裝置偵測觸摸按壓力的方法。

Description

觸控裝置

本發明涉及一種具觸控感測功能的觸控裝置。

習知的觸控顯示裝置中，為偵測觸控按壓力度的大小，以實現更多的觸控功能，通常在觸控顯示裝置中增設壓力感測器，其中，最常見的壓力感測器為電容式壓力感測器，其包括相對的上下電極，當發生壓力觸控時，上下電極間的間距發生變化，引起上下電極間的電容發生變化，根據電容的變化量換算出觸控壓力的大小。然，這類電容式壓力感測器容易受外界因素，例如機構變形、電極本身平整度等因素的影響而影響偵測結果。

鑑於以上內容，有必要提供一種觸摸壓力偵測結果較準確的觸控裝置及該觸控裝置的觸摸壓力的偵測方法。

一種觸控裝置，包括一觸控顯示單元，該觸控顯示單元具有用於實施觸控操作的觸控顯示面，該觸控裝置還包括：一信號發送層、一信號接收層、彈性體及金屬框架；該信號發送層設置於該觸控顯示單元背離該觸控顯示面的一側，該信號接收層與該信號發送層相對設置，且較該信號發送層更為遠離該觸控顯示單元；該彈性體位於該信號接收層與該信號發送層之間，該信號發送層包括多個間隔設置的第一信號發送單元與多個間隔設置的第二信號發送單元，該信號接收層包括多個間隔設置的第一信號接收單元與多個間隔設置的第二信號接收單元；該多個第一信號發送單元分別與該多個第一信號接收單元正對設置，該多個第二信號發送單元分別與該多個第二信號接收單元正對設置；該金屬框架位於該信號接收層遠離該彈性體的一側，且該金屬框架與該信號接收層之間具有空氣間隙；所述金屬框架、所述彈性體、正對設置的一所述第一信號發送單元與一所述第一信號接收單元及正對設置的一第二信號發送單元與一所述第二信號接收單元共同構成一壓力感測器；每一該第一信號發送單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積小於正對的所述第一信號接收單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積；每一該第二信號發送單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積大於正對的所述第二信號接收單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積。

一種利用上述觸控裝置偵測觸摸按壓力的方法，包括如下步驟：使所述多個第一信號發送單元分別向該多個第一信號接收單元發送信號，並偵測該多個第一信號發送單元與該多個第一信號接收單元之間的電容C1；使所述多個第二信號發送單元分別向該多個第二信號接收單元發送信號，並偵測該多個第二信號發送單元與該多個第二信號接收單元之間的電容C2，及偵測所述第二信號接收單元與所述金屬框架之間的電容C3，所述多個第一信號發送單元及所述多個第二信號發送單元交替發送電信號；計算該壓力感測器的總電容CT，根據該總電容CT換算對應該總電容的觸摸按壓力大小，其中CT=C1+C2+C3。

相較於習知技術，本發明的觸控裝置先確定壓力感測器的總電容與觸摸按壓力的大小的關係曲線，再根據該關係曲線，由任意時刻偵測到的所述總電容換算出該時刻的觸摸壓力的大小，所述壓力感測器對觸摸按壓力的偵測不易受外界因素（例如機構變形、電極本身平整度等）的影響而能夠得到較準確的偵測結果。

圖1為本發明所提供的一實施方式的觸控裝置的剖面結構示意圖。

圖2為圖1中II部的一壓力感測器的結構放大圖。

圖3~圖5 為圖2所示的壓力感測器受觸摸按壓時的結構變化過程示意圖。

圖6為在某一空氣間隙下，各電容隨觸摸按壓力的變化曲線圖。

圖7為根據圖6得到的在不同空氣間隙下，所述壓力感測器的總電容隨觸摸按壓力的變化曲線圖。

下面結合附圖將對本發明實施方式作進一步的詳細說明。

請首先參照圖1，圖1為本發明所提供的一實施方式的觸控裝置10的剖面結構示意圖。本實施方式的觸控裝置10可以為智慧手機、平板電腦或遊戲機等具有觸控顯示功能的電子產品。該觸控裝置10包括觸控顯示單元100、信號發送層201、信號接收層202、彈性體203及金屬框架204。觸控顯示單元100具有用於顯示畫面及實施觸控操作的觸控顯示面101。該信號發送層201形成於觸控顯示單元100背離該觸控顯示面101的一側，該信號接收層202與該信號發送層201相對設置，且較該信號發送層201更為遠離該觸控顯示單元100。該彈性體203位於該信號發送層201與該信號接收層202之間。該金屬框架204位於該信號接收層202遠離該信號發送層201的一側，且該金屬框架204與該信號接收層202之間具有空氣間隙D，該空氣間隙D可為由於組裝公差而形成，也可為組裝預留。該金屬框架204用於承載該觸控裝置10的電路板及驅動晶片等元件，其為導電的金屬材質。此外，該觸控裝置10還包括一用於存儲資料資訊的資料存儲單元（圖未示）。

進一步地，本實施方式中，該觸控顯示單元100為外掛式觸控顯示面板，其包括依次層疊設置的蓋板110、觸控感應結構120、顯示面板130。該蓋板110蓋設於該觸控感應結構120上方，對整個觸控顯示單元100起保護作用，該蓋板110的遠離該觸控感應結構120的表面形成所述觸控顯示面101，該觸控顯示面101用於顯示畫面，同時還可作為觸控操作介面，使用者在該觸控顯示面101實施觸摸按壓操作從而實現該觸控裝置10的觸控功能。

該觸控感應結構120用於實現該觸控裝置10的觸控功能，例如感測觸摸位置資訊以輸出相應的觸控指令。其中，該觸控感應結構120可以為但不限於單片式（One Glass Solution, OGS）觸控面板、單薄膜式(Glass-Film)觸控面板或雙薄膜式(Glass-Film-Film，GFF)觸控面板。可以理解，該觸控顯示單元100也可以為內嵌式觸控顯示面板，此時，該觸控顯示單元100的觸控功能集成於顯示面板130內，從而無需額外設置該觸控感應結構120。

該顯示面板130設置於該觸控感應結構120的下方。本實施方式的顯示面板130為有機發光顯示面板130(Organic Light Emitting Display，OLED)。在一變更實施方式中，該顯示面板130也可以為液晶顯示面板（未圖示），其包括陣列基板、與陣列基板相對設置的對向基板、設置於陣列基板與對向基板之間的液晶層及用於提供所述顯示面板130顯示畫面所需的背光模組等與習知技術的液晶顯示面板類似的結構，此處不再贅述。

請進一步參照圖2，圖2為圖1中II部的一壓力感測器的結構放大圖。該信號發送層201包括多個陣列排布的信號發送組210，每一信號發送組210包括一第一信號發送單元211及一與該第一信號發送單元211間隔設置的第二信號發送單元212，每一該第一信號發送單元211在所述金屬框架204所在的平面的投影面積小於所述第二信號發送單元212在所述金屬框架204所在的平面的投影面積。所述信號接收層202包括陣列排布的多個信號接收組220，每一信號接收組220包括一第一信號接收單元221及一第二信號接收單元222，每一該第一信號接收單元221在所述金屬框架204所在的平面的投影面積大於所述第二信號接收單元222在所述金屬框架204所在的平面的投影面積。

該多個信號發送組210及該多個信號接收組220的材料可以為，但不僅限於氧化銦錫（Indium Tin Oxide， ITO）、銦鋅氧化物(Indiumzincoxide，IZO)、銦錫氟氧化 物(Indium Tin Fluorine Oxide，ITFO)、鋁鋅氧化物(Aluminum Zinc Oxide， AZO)、氟鋅氧化物(Fluorine Zinc Oxide，FZO)、奈米碳管或透明導電高分子 (例如，聚乙烯二氧噻吩(poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT))中的任意一種。所述彈性體的材質可以為，但不僅限於泡棉、墊片、緩衝墊、膠帶、橡膠片中之一。可藉由調整該信號發送層201中的所述信號發送組210的個數及該信號接收層202中的所述信號接收組220的個數，來提高該觸控裝置10偵測觸摸按壓力的解析度，其中該信號發送組210及與該信號發送組210對應的所述信號接收組220的個數越多，越有利於提高該觸控裝置10偵測觸摸按壓力的解析度。

為描述方便，以下所稱面積均指在所述金屬框架204所在的平面的投影面積。

所述第一信號發送單元211與所述第一信號接收單元221一一正對設置，所述第二信號發送單元212與所述第二信號接收單元222一一正對設置。所述第一信號發送單元211的面積與所述第二信號接收單元222的面積大小相等，所述第二信號發送單元212的面積與所述第一信號接收單元221的面積相等。本實施方式中，所述第一信號接收單元221的面積為所述第一信號發送單元211的面積的兩倍，對應地，所述第二信號發送單元212的面積為所述第二信號接收單元222的面積的兩倍。在其他實施方式中，所述第一信號發送單元211的面積與所述第二信號接收單元222的面積大小也可以不相等，所述第一信號接收單元221的面積與所述第一信號發送單元211的面積大小的關係並不限定，只要滿足所述第一信號發送單元211的面積小於所述第一信號接收單元221的面積及所述第二信號發送單元212的面積大於所述第二信號接收單元222的面積，以使自所述第一信號發送單元211發出的電力線無法繞過所述第一信號接收單元221，及自所述第二信號發送單元212發出的電力線能夠部分繞過所述第二信號接收單元222不被第二信號接收單元222所阻擋而到達所述金屬框架204即可。

所述彈性體203、金屬框架204與於所述彈性體203相對兩側正對設置的一所述信號發送組210及一所述信號接收組220共同構成一壓力感測器200，從而形成多個壓力感測器200設置於該觸控顯示單元100下方，用於偵測作用於所述觸控顯示面101上的觸摸按壓力度的大小。圖2中僅示出了一個壓力感測器200。

其中，該壓力感測器200為電容式壓力感測器200。每一所述壓力感測器200中，所述第一信號發送單元211與所述第一信號接收單元221之間的電容為C1，所述第二信號發送單元212與所述第二信號接收單元222之間的電容為C2，所述第二信號接收單元222與所述金屬框架204之間的電容為C3，所述第二信號發送單元212與所述金屬框架204之間的總電容為C4，所述壓力感測器200的總電容為CT，其中，C4=C2+C3，CT=C1+C4=C1+C2+C3。

請一併參照圖3至圖5，圖3至圖5為圖2所示的壓力感測器200受觸摸按壓時的結構變化過程示意圖。該壓力感測器200在實際工作中，該第一信號發送單元211與該第二信號發送單元212交替發送信號，其中，該第一信號發送單元211向所述第一信號接收單元221發送信號，從而使電力線從所述第一信號發送單元211發出到達所述第一信號接收單元221；該第二信號發送單元212向所述第二信號接收單元222發送信號，使電力線從所述第二信號發送單元212發出到達所述第二信號接收單元222。

由於每一壓力感測器200中，所述第一信號接收單元221的面積較所述第一信號發送單元211的面積大，自所述第一信號發送單元211發出的電力線無法繞過所述第一信號接收單元221到達所述金屬框架204；由於所述第二信號接收單元222的面積較所述第二信號發送單元212的面積小，自所述第二信號發送單元212發出的電力線不能全部被所述第二信號接收單元222阻擋，而是有部分電力線繞過所述第二信號接收單元222從第二信號接收單元222的側緣到達所述金屬框架204。

請進一步參照圖6及圖7，圖6為在某一空氣間隙D下，C1、C4及CT各電容隨觸摸按壓力的變化曲線圖，圖7為根據圖6得到的在不同空氣間隙D1、D2及D3下，所述壓力感測器200的總電容CT1、CT₂ 、CT₃ 隨觸摸按壓力的變化曲線圖。當所述觸控顯示面101上產生觸摸按壓動作時，所述壓力感測器200的總電容CT的變化分為兩個階段。

在第一階段，由於所述信號接收層202與所述金屬框架204的所述空氣間隙D的存在，該空氣間隙D將首先在所述觸摸按壓力的作用下變小，從而引起所述第二信號接收單元222與所述金屬框架204之間的電容C3發生變化。根據電容計算公式：C=Q/U，Q為電容極板的帶電量(單位/K)，U為電容兩端電壓(單位/V)。

如圖3所示，隨著所述空氣間隙D的減小，自所述第二信號發送單元212發出的電力線到達所述金屬框架204後，反射回所述第二信號接收單元222數量將逐漸變少，即Q變小，使得所述第二信號接收單元222與所述金屬框架204之間的電容C3值隨之變小。

如圖4所示，當所述空氣間隙D趨近於零時，自所述第二信號發送單元212發出的電力線到達所述金屬框架204後，反射回所述第二信號接收單元222數量也趨於零，因此，所述第二信號接收單元222與所述金屬框架204之間的電容C3值隨之趨於零，此時，C4=C2+C3≈C2。而在第一階段中，由於所述彈性體203幾乎沒有發生形變，所述信號發送層201與所述信號接收層202之間的距離沒有發生變化，所述第一信號發送單元211與所述第一信號接收單元221之間的電容C1，所述第二信號發送單元212與所述第二信號接收單元222之間的電容C2均沒有發生變化。

在第二階段，如圖5所示，由於此時所述空氣間隙D為零，當觸摸按壓繼續作用於所述觸控顯示面101時，可以是觸摸按壓力逐漸增大，也可以是在同樣大小的觸摸按壓力下施加觸摸按壓力的時間延伸，所述彈性體203將在觸摸按壓力的作用下發生變形，使所述信號發送層201與所述信號接收層202之間的距離變小。根據平行板電容器的電容計算公式：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個常數，S為電容極板的正對面積，d為電容極板間的距離，則是靜電力常量。在其它參數均不變的情況下，隨著所述信號發送層201與所述信號接收層202之間的距離變小，由於電容極板間的距離d與電容成反比關係，所述第一信號發送單元211與所述第一信號接收單元221之間的電容C1，所述第二信號發送單元212與所述第二信號接收單元222之間的電容C2均將增大，因此，所述壓力感測器200的總電容CT= C1+C2+C3≈C1+C2也逐漸增大。

經過實驗及理論計算，可得到在某一空氣間隙D下，所述壓力感測器200的總電容CT隨觸摸按壓力F變化的關係曲線（如圖6所示）並將其存儲於所述資料存儲單元中。其中，以電容值大小為Y軸，單位為EF，以觸摸按壓力F的大小為X軸，單位為N。從圖3中可以看出，在第一階段，所述壓力感測器200的總電容CT的大小隨著觸摸按壓力F的增大而線性減小，在第二階段，所述壓力感測器200的總電容CT的大小隨著觸摸按壓力F的增大而線性增大，該第一階段與該第二階段以該空氣間隙D為零時的座標值為臨界點M。且在第二階段，所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的關係曲線與Y軸的延長相交線剛好與在第一階段，所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的關係曲線關於過該臨界點M的水平線對稱。

進一步地，如圖7所示，由於在組裝過程中，不同的所述觸控裝置10的組裝公差不同，導致有不同大小的所述空氣間隙D1、D2、D2，所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的大小關係曲線的斜率並不受所述空氣間隙D的影響，即，該關係曲線的斜率不變，因此，只要確定所述觸控裝置10在不同的所述空氣間隙（組裝公差）D1、D2、D3下的所述臨界點M1、M2、M3的座標值及未進行觸摸按壓動作時的所述總電容CT1、CT2、CT3即可得到不同組裝公差下的所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的關係曲線。

因此，在偵測該觸控顯示面101受到的觸摸按壓力大小時，只需偵測各電容C1、C2及C3，以得到所述壓力感測器200的總電容CT，便可根據預先存儲於所述資料存儲單元中的所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的關係曲線，換算出對應的觸摸按壓力F的大小。其中，在所述壓力感測器200的總電容CT與觸摸按壓力F的關係曲線中，在所述臨界點M以前，即所述空氣間隙D趨向於零，所述彈性體203開始發變彈性變形以前，該總電容CT隨著所述觸摸按壓力F的增大而線性減小，在所述臨界點M以後，該總電容CT隨著所述觸摸按壓力F的增大而線性增大。在根據該總電容CT換算對應該總電容CT的觸摸按壓力大小前，根據不同時刻下偵測到的該多個第一信號發送單元211與該多個第一信號接收單元221之間的電容C1大小，判斷該觸摸按壓力F的大小是對應該所述臨界點M之前還是之後的該總電容CT，從而換算出該總電容CT的觸摸按壓力F大小。

可根據偵測到的觸摸按壓力F轉換為相應的電信號，以進一步控制所述觸控裝置10執行相應觸控指令，例如解鎖、選定應用程式等。其中，也可以設定在不同觸摸按壓力F大小區間時對應執行不同的觸控指令，例如設定在所述第一階段過程中的所述觸摸按壓力F大小區間，執行一種觸控指令，在所述第二階段過程中的所述觸摸按壓力F大小區間執行另一種觸控指令。

綜上所述，本創作符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本創作之較佳實施例，本創作之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟習本案技藝之人士爰依本創作之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧觸控裝置

101‧‧‧觸控顯示面

100‧‧‧觸控顯示單元

110‧‧‧蓋板

120‧‧‧觸控感應結構

130‧‧‧顯示面板

200‧‧‧壓力感測器

201‧‧‧信號發送層

210‧‧‧信號發送組

211‧‧‧第一信號發送單元

212‧‧‧第二信號發送單元

202‧‧‧信號接收層

220‧‧‧信號接收組

221‧‧‧第一信號接收單元

222‧‧‧第二信號接收單元

203‧‧‧彈性體

204‧‧‧金屬框架

C1、C2、C3、C4、CT‧‧‧電容

D‧‧‧空氣間隙

M‧‧‧臨界點

無

10‧‧‧觸控裝置

101‧‧‧觸控顯示面

100‧‧‧觸控顯示單元

110‧‧‧蓋板

120‧‧‧觸控感應結構

130‧‧‧顯示面板

200‧‧‧壓力感測器

201‧‧‧信號發送層

210‧‧‧信號發送組

211‧‧‧第一信號發送單元

212‧‧‧第二信號發送單元

202‧‧‧信號接收層

220‧‧‧信號接收組

221‧‧‧第一信號接收單元

222‧‧‧第二信號接收單元

203‧‧‧彈性體

204‧‧‧金屬框架

D‧‧‧空氣間隙

Claims (10)

1. 一種觸控裝置，包括一觸控顯示單元，該觸控顯示單元具有用於實施觸控操作的觸控顯示面，其中，該觸控裝置還包括：一信號發送層、一信號接收層、彈性體及金屬框架；該信號發送層設置於該觸控顯示單元背離該觸控顯示面的一側，該信號接收層與該信號發送層相對設置，且較該信號發送層更為遠離該觸控顯示單元；該彈性體位於該信號接收層與該信號發送層之間，該信號發送層包括多個間隔設置的第一信號發送單元與多個間隔設置的第二信號發送單元，該信號接收層包括多個間隔設置的第一信號接收單元與多個間隔設置的第二信號接收單元；該多個第一信號發送單元分別與該多個第一信號接收單元正對設置，該多個第二信號發送單元分別與該多個第二信號接收單元正對設置；該金屬框架位於該信號接收層遠離該彈性體的一側，且該金屬框架與該信號接收層之間具有空氣間隙；所述金屬框架、所述彈性體、正對設置的一所述第一信號發送單元與一所述第一信號接收單元及正對設置的一第二信號發送單元與一所述第二信號接收單元共同構成一壓力感測器；每一該第一信號發送單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積小於正對的所述第一信號接收單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積；每一該第二信號發送單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積大於正對的所述第二信號接收單元在所述金屬框架所在的平面的投影面積。
2. 如請求項1所述的觸控裝置，其中，所述第一信號發送單元與所述第二信號接收單元的面積大小相等，所述第二信號發送單元與所述第一信號接收單元的面積相等。
3. 如請求項2所述的觸控裝置，其中，所述第二信號發送單元的面積為所述第一信號發送單元面積的兩倍。
4. 如請求項1所述的觸控裝置，其中，該觸控顯示單元為外掛式觸控顯示面板，其包括依次層疊設置的蓋板、觸控感應結構及顯示面板。
5. 如請求項1所述的觸控裝置，其中，該觸控顯示單元為內嵌式觸控顯示面板，其包括層疊設置的蓋板及顯示面板，該顯示面板集成有觸控功能。
6. 如請求項1所述的觸控裝置，其中，所述空氣間隙較所述彈性體在相同壓力作用下隨著施壓時間變長而首先收縮。
7. 一種利用如請求項1至6任一項所述觸控裝置偵測觸摸按壓力的方法，其中，包括如下步驟：
   使所述多個第一信號發送單元分別向該多個第一信號接收單元發送信號，並偵測該多個第一信號發送單元與該多個第一信號接收單元之間的電容C1；
   使所述多個第二信號發送單元分別向該多個第二信號接收單元發送信號，並偵測該多個第二信號發送單元與該多個第二信號接收單元之間的電容C2，及偵測所述第二信號接收單元與所述金屬框架之間的電容C3，所述多個第一信號發送單元及所述多個第二信號發送單元交替發送電信號；
   計算該壓力感測器的總電容CT，根據該總電容CT換算對應該總電容的觸摸按壓力大小，其中CT=C1+C2+C3。
8. 如請求項7所述的偵測觸摸按壓力的方法，其中，該方法包括：在進行所述觸控裝置的觸摸按壓力的偵測之前，預先根據所述觸控裝置的所述空氣間隙推算出所該總電容與觸控按壓力的關係曲線，並存儲於的所述觸控裝置內的資料存儲單元中，以便利用該關係曲線根據偵測到的所述總電容換算出對應該總電容的觸摸按壓力大小。
9. 如請求項8所述的偵測觸摸按壓力的方法，其中，在所述壓力感測器的總電容與觸摸按壓力的關係曲線中，在所述彈性體開始發變彈性變形以前，該總電容隨著所述觸摸按壓力的增大而線性減小，所述彈性體開始發變彈性變形以前以後，該總電容隨著所述觸摸按壓力的增大而線性增大。
10. 如請求項9所述的偵測觸摸按壓力的方法，其中，在根據該總電容換算對應該總電容的觸摸按壓力大小前，根據不同時刻下偵測到的該多個第一信號發送單元與該多個第一信號接收單元之間的電容大小，判斷該觸摸按壓力的大小是對應所述彈性體開始發變彈性變形以前還是之後的該總電容，從而換算出對應該總電容的觸摸按壓力大小。