TW201917545A - 聲波式觸控裝置及其觸控判斷方法 - Google Patents
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Abstract
一種聲波式觸控裝置，包括超聲波接收單元、超聲波發射單元以及控制器，所述超聲波發射單元用於發射超聲波，所述超聲波接收單元用於接收反射的所述超聲波，該超聲波接收單元在受到外界擾動時產生低頻電信號，該低頻電信號導致超聲波接收單元輸出端輸出的電信號發生變化，所述控制器藉由該電信號的變化判斷係否開啟超聲波接收單元。本發明還提供一種應用於該聲波式觸控裝置的觸控判斷方法。
Description
本發明涉及一種聲波式觸控裝置及該聲波式觸控裝置進行觸控判斷的方法。
觸摸係人類最重要的感知方式，係人與機器進行互動的最自然的方式。觸控裝置發展至今己廣泛用於個人電腦、智慧型電話、公共資訊、智慧家電、工業控制等眾多領域。在目前的觸控領域，主要有電阻式觸控裝置、光電式觸控裝置、聲波式觸控裝置、平面電容式觸控裝置、投射電容式觸控裝置。
聲波式觸控裝置為一種新型的人機對話模式，目前的聲波式觸控技術中，聲波發生器能發送一種高頻聲波並抵達蓋板表面，當手指觸及蓋板時，觸點上的部分聲波即被阻止，部分聲波反射，聲波接收元件接收反射回來的聲波並將其轉換為電信號，控制器對該電信號進行分析，控制器將依據分析結果判定是否為有效觸控，以實現使用者與終端之間的交互。在交互過程中經常出現誤觸的情況，這對於使用者的使用體驗存在不好的影響。在日常使用中，存在各種各樣的誤觸，例如水、油、雜訊、碰撞等，傳統的聲波式觸控裝置很難對上述雜訊與手指的觸控做出區別，部分已知的可以對上述雜訊與手指的觸控做出區分的聲波式觸控裝置亦因為其結構及工作原理上的缺陷，導致該聲波式觸控裝置在非必要工作時間被頻繁喚醒，導致耗電量增加。
有鑑於此，本發明提供一種聲波式觸控裝置，該聲波式觸控裝置可以有效對誤觸因素(水、油、雜訊、碰撞等)及手指進行區分，而且藉由工作方式的優化降低該聲波式觸控裝置在非必要工作時間內被喚醒的頻率，減少耗電。
另，還提供一種該聲波式觸控裝置的觸控判斷方法。
一種聲波式觸控裝置，包括超聲波接收單元、超聲波發射單元以及控制器，所述超聲波發射單元用於發射超聲波，所述超聲波接收單元用於接收反射的所述超聲波，該超聲波接收單元在受到外界擾動時產生低頻電信號，該低頻電信號導致超聲波接收單元輸出端輸出的電信號發生變化，所述控制器藉由該電信號的變化判斷是否開啟超聲波接收單元。
一種聲波式觸控裝置判斷觸控的方法，該聲波式觸控裝置包括超聲波接收單元、超聲波發射單元以及控制器，所述超聲波發射單元用於發射超聲波，所述超聲波接收單元用於接收反射的所述超聲波，該超聲波接收單元在受到外界擾動時產生低頻電信號，該超聲波接收單元在接收反射的所述超聲波時產生高頻電信號，該方法包括如下步驟：
步驟S10：該超聲波發射單元保持關閉，該控制器監控該超聲波接收單元輸出端的電信號；
步驟S20：判斷超聲波接收單元輸出端的電信號是否低於閾值一，若低於閾值一則執行步驟S30，若不低於閾值一則重新執行步驟S10；
步驟S30：開啟或保持開啟該超聲波發射單元，並同時執行步驟S41及步驟S42；
步驟S41：控制器監測超聲波接收單元輸出端的低頻電信號，若超聲波接收單元輸出端電信號升高則執行步驟S43，若超聲波接收單元輸出端電信號未升高則返回步驟S30；
步驟S42：控制器對超聲波接收單元接收的超聲波信號所轉換出的高頻電信號進行分析，若判定該高頻電信號降低至閾值二之下則執行步驟S44，若判定該高頻電信號未降低至閾值二之下則返回步驟S30；
步驟S43：關閉超聲波發射單元並回到步驟S10重新開始判斷；
步驟S44：對高頻電信號在閾值二之下的時間進行判定，若時間長度在閾值三之上則判斷為有效觸控發生，若時間長度在閾值三之下則回到步驟S30。
藉由執行上述工作方式，可以有效區分誤觸因素(水、油、雜訊、碰撞等)及手指。同時使各元件只在確實需要時才開啟並工作，降低該觸控裝置在非必要工作時間內被喚醒的頻率，減少耗電。
為了使本申請所揭示的技術內容更加詳盡與完備，可以參照附圖以及本發明的下述各種具體實施例，附圖中相同的標記代表相同或者相似的組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所覆蓋的範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，並未依照其原尺寸進行繪製。
下面參照附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述。
第一實施例
如圖1所示，在本實施例提供一種聲波式觸控裝置100，包括超聲感測單元102、黏膠150、蓋板160、控制器120以及LED指示燈110。超聲感測單元102包括超聲波接收單元130與超聲波發射單元140。該超聲波接收單元130與超聲波發射單元140堆疊設置，並藉由黏膠150黏結在一起。超聲感測單元102藉由黏膠150與蓋板160結合。
超聲波接收單元130包括第一壓電片131、第一電極132和第二電極133。在本實施例中，第一壓電片131包括第一表面1311、第三表面1313，第一表面1311和第三表面1313相對設置。第一電極132完全覆蓋第一壓電片131的第一表面1311，第二電極133完全覆蓋第一壓電片131的該第三表面1313上。所述第一電極132和第二電極133分別藉由電連接線（圖未示）與供電電路（圖未示）構成通路。第一電極132和第二電極133工作時同時通電，在第一壓電片131兩端產生電勢差驅動第一壓電片131工作。當手指或外部物體衝擊作用於聲波式觸控裝置100的蓋板160時，第一壓電片131受力發生形變，由於壓電原理，第一壓電片131內部產生電荷聚集現象；聲波等雜訊引起第一壓電片131產生共振，亦可以使其內部產生電荷聚集現象。由上述因素引起的電荷聚集現象將在超聲波接收單元130輸出端產生電信號，本發明將這種電信號定義為超聲波接收單元130的低頻電信號，該低頻電信號將導致超聲波接收單元130輸出端輸出的電信號發生變化。控制器120對該電信號的變化進行判定後選擇性開啟超聲波發射單元140。而如果係油或者水碰觸該蓋板160時，由於力度不夠，不會引起第一壓電片131的形變，亦不會引起超聲波接收單元130輸出端輸出的電信號發生變化。
超聲波發射單元140包括第二壓電片141、第三電極142和第四電極143。在本實施例中，第二壓電片141包括第五表面1411、第七表面1413，第五表面1411和第七表面1413相對設置。第三電極142完全覆蓋第二壓電片141的第七表面1413上，第四電極143完全覆蓋第二壓電片141的第五表面1411。所述第三電極142和第四電極143分別藉由電連接線（圖未示）與供電電路構成通路。第三電極142和第四電極143工作時同時通電，在第二壓電片141兩端產生電勢差驅動第二壓電片141工作。第二壓電片141受驅動後發射超聲波，其發出的超聲波部分在蓋板160與空氣的交界面發生反射，反射回來的超聲波由超聲波接收單元130接收並將其轉換為電信號，本發明將這種電信號定義為超聲波接收單元130的高頻電信號，隨後經由電連接線將該高頻電信號傳導至控制器120並由控制器120進行資料處理。當有外界物體觸摸或覆蓋在蓋板160上時，將引起該高頻電信號的變化，控制器120對該高頻電信號的變化進行處理與判斷，判定為有效觸摸之後控制LED指示燈110開啟，回饋識別成功。
該聲波式觸控裝置100還包括至少兩個不同的信號抓取電路（圖未示），其中一個抓取電路抓取超聲波接收單元130輸出端輸出的頻率較高的信號（即所述高頻電信號），另一個抓取電路抓取超聲波接收單元130輸出端輸出的頻率較低的電信號（即所述低頻電信號）。
在其他實施例中，超聲感測單元102中上述壓電片與上述各電極可以以任意可行的方案實現電連接。
超聲波發射單元140的覆蓋於第五表面1411的第四電極143藉由黏膠150與超聲波接收單元130的覆蓋於第一表面1311的第一電極132黏結。
蓋板160置於超聲感測單元102靠近超聲波發射單元140的一側，並藉由黏膠150與超聲波發射單元140的第三電極142黏結。蓋板160提供該聲波式觸控裝置100的觸摸操作介面。在其他實施例中，蓋板160亦可以黏結於超聲波接收單元130一側。
第一電極132、第二電極133、第三電極142與第四電極143為金屬，可以為銅、銀、金或者鎂鋁合金，第一壓電片131和第二壓電片141可以為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
第二實施例
本實施例提供一種該聲波式觸控裝置100的觸控判斷方法。該方法係基於以下發明人的實驗發現以及原理產生：本發明的發明人發現，在超聲波發射單元140不工作，即不發射超聲波時，聲波式觸控裝置100受外部擾動後，若擾動係由油、水等液體引起的，則超聲波接收單元130的輸出端電壓不會下降；若擾動係由手指、震動雜訊（如外界噪音、震動等）帶來的共振、物理碰撞等因素引起的，則超聲波接收單元130的輸出端電壓下降。另一方面，在超聲波發射單元140工作時，即發射超聲波時，當有手指觸摸聲波式觸控裝置100時，由於手指表面存在溝壑，部分皮膚直接與該聲波式觸控裝置100的接觸面接觸，部分皮膚未與接觸面直接接觸，這部分的空隙中存在著空氣，當手指位於接觸面時，部分超聲波遇到空氣將會反射回來，另一部分超聲波則直接穿透皮膚，因此，當手指位於接觸面時，超聲波接收單元130接受的超聲波振幅下降，對應的輸出的電信號頻率亦將下降；若引起超聲波發射單元140由震動雜訊帶來的共振或者物理碰撞引起，則接觸面不會有覆蓋物，超聲波遇到空氣後發生反射，超聲波接收單元130的超聲波振幅不會下降或下降程度不明顯，對應的輸出的電信號頻率不會下降或下降程度不明顯。
如圖2所示，本實施例提供該聲波式觸控裝置100的觸控判斷方法，包括如下步驟。
步驟S10：超聲波發射單元140保持關閉的狀態下，持續監控超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號（本實施例中為電壓值）。
超聲波接收單元130與超聲波發射單元140藉由電連接線與所述供電電路及控制器120連接，該供電電路可為超聲波接收單元130與超聲波發射單元140提供必要的工作電壓，控制器可讀取超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號。
在超聲波發射單元140處於關閉狀態下，超聲波接收單元130感受某些外部擾動時其輸出端電壓將會發生變化，外部擾動具體表現為由擠壓、碰撞等直接物理接觸引起的超聲波接收單元中壓電材料的形變，或者由聲波雜訊等非直接物理接觸引起的超聲波接收單元中壓電材料的共振，上述形變及共振引起的壓電材料內部電荷分佈及數量發生變化，進而在超聲波接收單元130輸出端產生所述低頻電信號，該低頻電信號將導致超聲波接收單元130輸出端的電信號發生變化。
步驟S20：判斷超聲波接收單元130輸出端電信號是否低於閾值一，若低於閾值一則執行步驟S30，若不低於閾值一則重新執行步驟S10；
當手指或其他物體與聲波式觸控裝置發生觸碰、撞擊、擠壓等足以引起超聲波接收單元130中的壓電材料發生形變的物理接觸時，或由聲波雜訊等非直接物理接觸引起的超聲波接收單元130中壓電材料的共振時，將會引起壓電材料內部的電荷變化，進而使得超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號（本實施例中，選用電壓來表徵該低頻電信號）下降，並低於閾值一（可根據裝置具體參數相應調整閾值一的值）。而當水或油等液體掉落於觸控裝置上時，由於其力度不夠，不會引起壓電材料形變及內部的電荷變化，超聲波接收單元130輸出端的電壓亦不會下降。
即，當雜訊、手指或其他物體（油、水以外）作用於或接觸該聲波式觸控裝置100時，超聲波接收單元130輸出端電壓下降，此時有必要對上述引起電壓變化的相關因素進行甄別，反之則不必。因此，判定超聲波接收單元130輸出端電壓值是否低於閾值一，若低於閾值一則執行步驟S30，若不低於閾值一則重新執行步驟S10。
藉由步驟S20可以避免水、油引起的誤觸。
步驟S30：開啟（或保持開啟）超聲波發射單元140，並同時執行步驟S41及步驟S42；
超聲波發射單元140藉由電連接線與所述供電電路及控制器120連接，所述供電電路可為超聲波發射單元140提供必要的工作電壓。超聲波發射單元140持續發出超聲波，超聲波在固態物質與空氣的交界面發生反射，超聲波接收單元130接受反射回來的超聲波並將該超聲波信號轉換為所述高頻電信號，並將該高頻電信號傳至控制器120（本實施例中，選用電壓來表徵該高頻電信號）。需要說明的，在超聲波發射單元140開啟時，超聲波接收單元130同時接收反射回來的超聲波或感觸外部擾動並產生高頻和低頻電信號，超聲波接收單元130同時向控制器120傳輸高頻電信號和低頻電信號，由於引起兩種電信號的震動的頻率不同（超聲波的頻率一般為幾千至上萬赫茲，普通雜訊或觸碰引起的震動頻率幾乎不會達到這個水準），因此所產生的高頻電信號和低頻電信號的交流電信號頻率亦不一樣，這兩種電信號可藉由特定的信號抓取電路進行篩選；在超聲波接收單元130的輸出端存在至少兩個不同的信號抓取電路，其中一個抓取電路抓取超聲波接收單元130輸出端輸出的頻率較高的電信號，該電信號即為所述高頻電信號，另一個抓取電路抓取超聲波接收單元輸出端輸出的頻率較低的電信號，該信號即為所述低頻電信號。上述之“較高”與“較低”僅限於所述已定義的兩種電信號之間的比較。
在聲波式觸控裝置100對雜訊、手指或其他物體進行甄別時，一旦超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號回升至高於所述閾值一，則意味著上述影響因素對觸控裝置的影響已經結束（如圖3所示），例如，按壓在觸控裝置上的手指離開觸控裝置之後，超聲波接收單元130輸出端的電壓（低頻電信號）將回升，繼續對其進行甄別將毫無意義亦無法進行。在對影響因素進行甄別的同時需要判斷該影響因素對該聲波式觸控裝置100產生的影響是否還在持續，因此需同時進行步驟S41及步驟S42。
步驟S41：監測超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號，若超聲波接收單元130輸出端低頻電信號升高至高於所述閾值一則執行步驟S443，若超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號未升高則返回步驟S430；
若低頻電信號升高，則意味著外界影響因素對該聲波式觸控裝置100的影響已經結束，反之，則需保持開啟超聲波發射單元140，並持續監測超聲波接收單元130輸出端的低頻電信號。
步驟S42：控制器120對超聲波接收單元130接收的超聲波信號所轉換出的高頻電信號進行分析，若判定該高頻電信號降低至閾值二之下則執行步驟S44，若判定該高頻電信號未降低至閾值二之下則返回步驟S30；
由於手指表面存在溝壑，部分皮膚直接與接觸面接觸，部分皮膚未與接觸面直接接觸，這部分的空隙中存在著空氣，當手指位於接觸面時，部分超聲波遇到空氣將會反射回來，另一部分超聲波則直接穿透皮膚，因此，當手指位於接觸面時，超聲波接收單元130接收的超聲波振幅下降，對應的高頻電信號頻率亦將下降（如圖4所示），其他物理碰撞亦可能出現這種情況，然由手指引起的超聲波接收單元130的高頻電信號變化存在一特定值，可藉由該方式進行詳細區分；若由雜訊帶來的共振引起超聲波發射單元140發出超聲波信號，則接觸面不會有覆蓋物，超聲波遇到空氣後發生反射，超聲波接收單元130的超聲波振幅不會下降或下降程度較低。由此，定義當該高頻信號未降低至閾值二之下時非手指觸摸引起，而係聲波等雜訊引起的誤觸。
藉由該步驟可以避免聲波等雜訊引起的誤觸。還有一些特殊情況，例如該聲波式觸控裝置100表面存在覆蓋物且有聲波雜訊喚醒觸控裝置，這種情況下步驟S42無法有效進行區分，則需要進行步驟S44。
步驟S43：關閉超聲波發射單元140並回到步驟S10重新開始判斷；
影響因素對聲波式觸控裝置100的影響已經結束，聲波式觸控裝置100回到原始工作狀態。
步驟S44：對該高頻電信號在閾值二之下的時間進行判定，若時間長度在閾值三之上則執行步驟S50，若時間長度在閾值三之下則回到步驟S30；
若超聲波接收單元130的高頻電信號低於閾值二，則進一步判定該高頻電信號低於閾值二所持續的時間。一般情況下，若由使用者手指觸碰而引起高頻電信號的變化，則高頻電信號低於閾值二所持續的時間將不少於0.1秒，而由雜訊引起的高頻信號很難持續超過0.1秒。藉由對高頻電信號低於閾值二所持續時間的判定可以有效區分不同原因引起的高頻電信號，在本實施例中以0.1秒作為預先設置的閾值三，在其他實施例中，可根據產品實際應用場景對閾值三做出調整。若高頻電信號低於閾值二所持續的時間高於閾值三則執行步驟S50，若高頻電信號低於閾值二所持續的時間低於閾值三則重複步驟S30。
步驟S50：控制器120對高頻電信號進行校驗，判斷其是否為已錄入的指紋所對應的高頻電信號。若是則執行步驟S60，若不是則返回步驟S10。
使用習知超聲波指紋識別技術中對指紋比對和驗證的技術，控制器120對高頻電信號做出分析，判斷該高頻電信號是否為已錄入的指紋所對應的高頻電信號。
步驟S60：開啟LED指示燈。
LED指示燈亮起，表示上述辨別過程已經完成。
本實施例中的高頻電信號和低頻電信號均用電壓來表徵，在其它實施例中，亦可用電流來表徵。
上文中，參照附圖描述了本發明的具體實施方式。然，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，還可以對本發明的具體實施方式作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本發明請求項書所限定的範圍內。
100‧‧‧觸控裝置
102‧‧‧超聲感測單元
110‧‧‧LED指示燈
120‧‧‧控制器
150‧‧‧黏膠
160‧‧‧蓋板
130‧‧‧超聲波接收單元
140‧‧‧超聲波發射單元
131‧‧‧第一壓電片
132‧‧‧第一電極
133‧‧‧第二電極
1311‧‧‧第一表面
1313‧‧‧第三表面
141‧‧‧第二壓電片
142‧‧‧第三電極
143‧‧‧第四電極
1411‧‧‧第五表面
1413‧‧‧第七表面
圖1為本發明較佳實施例的聲波式觸控裝置的剖面結構示意圖。
圖2為本發明較佳實施例的聲波式觸控裝置的觸控判斷方法的流程示意圖。
圖3為本發明較佳實施例的聲波式觸控裝置在其超聲波發射單元不發射超聲波且有手指接觸時，其超聲波接收單元輸出的電信號變化示意圖。
圖4為本發明較佳實施例的聲波式觸控裝置在其超聲波發射單元發射超聲波且有手指接觸時，其超聲波接收單元輸出的電信號的變化示意圖。
Claims (8)
- 一種聲波式觸控裝置，包括超聲波接收單元、超聲波發射單元以及控制器，所述超聲波發射單元用於發射超聲波，所述超聲波接收單元用於接收反射的所述超聲波，其改良在於：該超聲波接收單元在受到外界擾動時產生低頻電信號，該低頻電信號導致超聲波接收單元輸出端輸出的電信號發生變化，所述控制器藉由該電信號的變化判斷是否開啟超聲波發射單元。
- 如請求項1所述的聲波式觸控裝置，其中：該超聲波接收單元在接收反射的所述超聲波時產出高頻電信號，所述控制器監測所述超聲波接收單元輸出端輸出的電信號的變化和所述高頻電信號的變化，並藉由所述變化判斷觸控。
- 如請求項1所述的聲波式觸控裝置，其中：該聲波式觸控裝置還包括LED指示燈，當該控制器判斷有觸摸發生時控制該LED指示燈開啟，回饋識別成功。
- 如請求項1所述的聲波式觸控裝置，其中：在超聲波發射單元開啟時，超聲波接收單元同時向控制器傳輸高頻電信號和低頻電信號；該聲波式觸控裝置還包括至少兩個不同的信號抓取電路，其中一個抓取電路抓取超聲波接收單元輸出端輸出的所述高頻電信號，另一個抓取電路抓取超聲波接收單元輸出端輸出的所述低頻電信號。
- 一種聲波式觸控裝置判斷觸控的方法，該聲波式觸控裝置包括超聲波接收單元、超聲波發射單元以及控制器，所述超聲波發射單元用於發射超聲波，所述超聲波接收單元用於接收反射的所述超聲波，該超聲波接收單元在受到外界擾動時產生低頻電信號，該超聲波接收單元在接收反射的所述超聲波時產生高頻電信號，該方法包括如下步驟： 步驟S10：該超聲波發射單元保持關閉，該控制器監控該超聲波接收單元輸出端的電信號； 步驟S20：判斷超聲波接收單元輸出端的電信號是否低於閾值一，若低於閾值一則執行步驟S30，若不低於閾值一則重新執行步驟S10； 步驟S30：開啟或保持開啟該超聲波發射單元，並同時執行步驟S41及步驟S42； 步驟S41：控制器監測超聲波接收單元輸出端的低頻電信號，若超聲波接收單元輸出端電信號升高則執行步驟S43，若超聲波接收單元輸出端電信號未升高則返回步驟S30； 步驟S42：控制器對超聲波接收單元接收的超聲波信號所轉換出的高頻電信號進行分析，若判定該高頻電信號降低至閾值二之下則執行步驟S44，若判定該高頻電信號未降低至閾值二之下則返回步驟S30； 步驟S43：關閉超聲波發射單元並回到步驟S10重新開始判斷； 步驟S44：對高頻電信號在閾值二之下的時間進行判定，若時間長度在閾值三之上則判斷為有效觸控發生，若時間長度在閾值三之下則回到步驟S30。
- 如請求項5所述的聲波式觸控裝置判斷觸控的方法，其中：該聲波式觸控裝置判斷觸控的方法進一步包括在步驟S44判定高頻電信號在閾值二之下的時間長度在閾值三之上時執行步驟S50：控制器對高頻電信號進行校驗，判斷其是否為已錄入的指紋所對應的電信號。
- 如請求項6所述的聲波式觸控裝置判斷觸控的方法，其中：該聲波式觸控裝置還包括LED指示燈，該聲波式觸控裝置判斷觸控的方法進一步包括在步驟S50判定該指紋為已錄入的指紋時執行步驟S60：開啟LED指示。
- 如請求項5所述的聲波式觸控裝置判斷觸控的方法，其中：在超聲波發射單元開啟時，超聲波接收單元同時向控制器傳輸高頻電信號和低頻電信號；該聲波式觸控裝置還包括至少兩個不同的信號抓取電路，其中一個抓取電路抓取超聲波接收單元輸出端輸出的所述高頻電信號，另一個抓取電路抓取超聲波接收單元輸出端輸出的所述低頻電信號。
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