TWI616793B - 透明超音波換能器輸入裝置 - Google Patents
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Abstract
一種透明超音波換能器輸入裝置,包含一透明基板與複數輸入元件,該透明基板具有一表面,該等輸入元件相鄰地設置於該透明基板的該表面,各該輸入元件包含陣列排列的複數超音波換能器,各該超音波換能器包含一透明可振盪膜,於該等輸入元件之兩相鄰輸入元件中,其中之一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率相異於另一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率。
Description
本創作是有關一種輸入裝置,特別是指透明超音波換能器輸入裝置。
消費性電子產品種類多元,其中觸控型電子產品已相當普及,可攜式電子產品(例如:智慧型手機、平板電腦)或穿戴式電子產品(例如:智慧型手錶)…等,都是常見的消費性電子產品。一般來說,觸控型電子產品包含一觸控面板作為一輸入裝置,使用者的手指需實際接觸該電子產品的表面,才能對電子產品進行觸控操作。
然而,對於較小尺寸的電子產品來說,例如智慧型手錶,其尺寸比一般智慧型手機或平板電腦更小,故智慧型手錶的觸控操作範圍受到限制。當智慧型手錶的觸控介面呈現數個輸入鍵時,例如該等輸入鍵分別作為數字輸入鍵,各輸入鍵所分配到的面積甚小,且相鄰輸入鍵的位置彼此靠近,如此一來,使用者不容易在智慧型手錶上觸碰想要的輸入鍵,容易發生誤觸,造成使用上的困擾。
有鑒於此,本創作的主要目的是提供一種透明超音波換能器輸入裝置,其可供結合在電子產品以作為非接觸式的輸入裝置,本創作輸入裝置的操作範圍不受限於電子產品的尺寸,對於使用者來說,使用的便利性可以提升。
本創作透明超音波換能器輸入裝置包含: 一透明基板,具有一表面; 複數輸入元件,相鄰地設置於該透明基板的該表面,各該輸入元件包含陣列排列的複數超音波換能器,各該超音波換能器包含一透明可振盪膜; 於該等輸入元件之兩相鄰輸入元件中,其中之一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率相異於另一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率。
根據本創作的結構,本創作可結合於電子產品,例如疊合於電子產品的顯示螢幕,因為本創作整體為透明,故不致影響電子產品的視覺觀感;再者,當外界物體(例如:使用者的手)置於任一輸入元件的外側但不接觸輸入元件或電子產品,該輸入元件可產生振盪頻率,其中,本創作之不同輸入元件在感應到外界物體時反映出的振盪頻率彼此不同。所以,本創作根據各輸入元件之振盪頻率的量測結果,可以判斷出是哪一個輸入元件被使用者所操作,達到非接觸式輸入的功效。
本創作可供使用者觀看電子產品的顯示螢幕時,同時進行非接觸操作,因為使用者不需實際接觸電子產品即可進行輸入的動作,本創作的操作範圍自然不受限於電子產品的尺寸,和先前技術相比,本創作可提供較廣的操作範圍,使用的便利性大幅提升。
本創作係透明超音波換能器輸入裝置,請參考圖1與圖2所示的實施例,本創作透明超音波換能器輸入裝置包含一透明基板10與複數輸入元件20。該透明基板10具有一表面,該透明基板10的該表面可為一平面或一曲面,該透明基板10可為具有厚度的平板而具有支撐性或可撓性,以供設置在一電子產品中。該等輸入元件20係相鄰地設置於該透明基板10的該表面,使該等輸入元件20可位於同一平面或同一曲面,且該等輸入元件20彼此分離設置,使相鄰的輸入元件20之間維持一間隔30而彼此錯開而不重疊,藉此避免相鄰的輸入元件20之信號彼此干擾。
各該輸入元件20包含陣列排列的複數超音波換能器21,各該超音波換能器21包含一透明可振盪膜210,於該等輸入元件20之任兩相鄰輸入元件20當中,其中之一輸入元件20之超音波換能器21的振盪頻率相異於另一輸入元件20之超音波換能器21的振盪頻率。請參考圖2,所述超音波換能器21的實施例包含一透明下電極層211、一透明邊牆212、一透明上電極層213與該透明可振盪膜210,該透明下電極層211設置於該透明基板10的表面,該透明邊牆212設置於該透明基板10上,如圖2所示,該透明邊牆212設置在該透明下電極層211的表面,該透明可振盪膜210設置於該透明邊牆212上,使該透明下電極層211、該透明邊牆212與該透明可振盪膜210之間形成一空間214,該空間214可供該透明可振盪膜210產生振盪,該透明上電極層213設置於該透明可振盪膜210之頂面(即:相對於該空間214的另一表面)。
該等輸入元件20的超音波換能器21可採相同的微機電製程加工製作成型,其中,該透明基板10可為選自玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成的構件。該透明下電極層211可為選自透明導電氧化物薄膜、氧化銦錫薄膜、氧化鋅薄膜、奈米碳管、奈米銀、銀絲墨等所構成之群組中之一種材料所製成的構件。該透明可振盪膜210可為選自玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成的構件。該透明上電極層213可為選自透明導電氧化物薄膜、氧化銦錫薄膜、氧化鋅薄膜、奈米碳管、奈米銀、銀絲墨等所構成之群組中之一種材料所製成的構件。本創作實施例中,該透明基板20為PET(Polyethylene Terephthalate)板,該透明下電極層211為氧化銦錫薄膜,該透明邊牆212及該透明可振盪膜210皆為SU-8光阻劑製成的構件,該透明上電極層213為奈米銀薄膜。
該透明下電極層211與該透明上電極層213電連接一驅動裝置(圖中未示),由該驅動裝置對該透明下電極層211與該透明上電極層213施以交流驅動電壓時,可驅動該透明可振盪膜210進行高頻振盪,進而產生一超音波,請配合參考圖3,當該超音波被一外界物體40(例如使用者的手指)干擾而反射,導致該透明可振盪膜210變形而發生電容改變,藉由電容改變得到一反射訊號,利用該超音波的一發出時間與該反射訊號的一接收時間的時間差計算出各輸入元件20與外界物體40之距離。
以下說明該等輸入元件20的細部結構特徵,於同一個輸入元件20所包含之複數超音波換能器21的透明可振盪膜的尺寸彼此相同,而於任兩相鄰的輸入元件20中,其中之一輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜尺寸相異於另一輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜尺寸。進一步而言,不同輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜210尺寸皆彼此不同,導致不同輸入元件20之超音波換能器21的振盪頻率彼此不同。請參考圖1,於本創作實施例中,各超音波換能器21的俯視為圓形,故其透明可振盪膜210可為圓形薄膜,其具有一直徑,透明可振盪膜210的直徑與振盪頻率形成反比關係,所以,不同輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜210的直徑皆彼此不同,導致不同輸入元件20之超音波換能器21的振盪頻率彼此不同。
本創作實施例以十二個輸入元件20為例,對前述各輸入元件20的超音波換能器21施以100V直流準位的300V交流電的測試電壓,以供各輸入元件20的超音波換能器21振盪產生超音波,並在振盪狀態之各輸入元件20外側一公分處設置一外界物體,以量測各輸入元件20之超音波換能器21的振盪頻率。請配合參考下表、圖4A~圖4L所示的頻率響應圖以及圖5A~圖5L所示的時間響應圖,本創作實施例中,該十二個輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜210的直徑由小而大可分別為92、94、97、100、103、106、110、114、119、124、130與137微米(μm),根據量測結果,其振盪頻率分別為1.63、1.59、1.51、1.48、1.41、1.35、1.18、1.13、1.10、1.00、0.92與0.85MHz(分別取自圖4A~圖4L的峰值)。由此可見,不同輸入元件20之超音波換能器21的透明可振盪膜210的直徑皆彼此不同,其振盪頻率也彼此不同,直徑越大的超音波換能器21具有越低的振盪頻率。圖6顯示不同超音波換能器21在不同直徑下的頻寬分佈,且從圖5A~圖5L所示的時間響應圖來看,直徑越大的超音波換能器21具有越大的振盪幅度。所以,根據各輸入元件20之振盪頻率的量測結果,即可判斷出是哪一個輸入元件20被使用者所操作。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 超音波換能器的透明可振盪膜的直徑 (單位:μm) </td><td> 振盪頻率 (單位:MHz) </td><td> 頻率響應參考圖式 </td><td> 時間響應參考圖式 </td></tr><tr><td> 92 </td><td> 1.63 </td><td> 圖4A </td><td> 圖5A </td></tr><tr><td> 94 </td><td> 1.59 </td><td> 圖4B </td><td> 圖5B </td></tr><tr><td> 97 </td><td> 1.51 </td><td> 圖4C </td><td> 圖5C </td></tr><tr><td> 100 </td><td> 1.48 </td><td> 圖4D </td><td> 圖5D </td></tr><tr><td> 103 </td><td> 1.41 </td><td> 圖4E </td><td> 圖5E </td></tr><tr><td> 106 </td><td> 1.35 </td><td> 圖4F </td><td> 圖5F </td></tr><tr><td> 110 </td><td> 1.18 </td><td> 圖4G </td><td> 圖5G </td></tr><tr><td> 114 </td><td> 1.13 </td><td> 圖4H </td><td> 圖5H </td></tr><tr><td> 119 </td><td> 1.10 </td><td> 圖4I </td><td> 圖5I </td></tr><tr><td> 124 </td><td> 1.00 </td><td> 圖4J </td><td> 圖5J </td></tr><tr><td> 130 </td><td> 0.92 </td><td> 圖4K </td><td> 圖5K </td></tr><tr><td> 137 </td><td> 0.85 </td><td> 圖4L </td><td> 圖5L </td></tr></TBODY></TABLE>
需說明的是,不同輸入元件20之超音波換能器21除了其透明可振盪膜210、透明下電極層211與透明上電極層213的尺寸不同外,其餘結構可為相同,請配合參考圖2,透明上電極層213的直徑b與透明可振盪膜210的直徑a呈正比,舉例來說,當該透明可振盪膜210的直徑a可為92微米,則該透明上電極層213的直徑b可為61微米,在所有的輸入元件20中,透明邊牆212的寬度c可為10微米,透明上電極層213的厚度e可為5微米,透明邊牆212的厚度f可為2微米,透明上電極層213的厚度d與透明下電極層211的厚度g可為0.2微米;前述尺寸僅供參考。
請參考圖1所示的實施例,前述十二個輸入元件20可排列成4x3的矩陣結構,本創作所結合的電子產品可為可攜式電子產品或穿戴式電子產品,例如圖7是以智慧型手錶50為例,但不以此為限。為方便說明,本創作以矩陣元素(matrix element)的列值與行值表示各輸入元件20的所在位置(row, column),下表列出各輸入元件20所包含之超音波換能器21的透明可振盪膜210的直徑大小與振盪頻率。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 超音波換能器的透明可振盪膜的直徑 (單位:μm) </td><td> 振盪頻率 (單位:MHz) </td><td> 輸入元件的位置 (row, column) </td><td> 數量 (單位:個) </td></tr><tr><td> 92 </td><td> 1.63 </td><td> (1,1) </td><td> 900 </td></tr><tr><td> 94 </td><td> 1.59 </td><td> (1,3) </td><td> 841 </td></tr><tr><td> 97 </td><td> 1.51 </td><td> (2,2) </td><td> 841 </td></tr><tr><td> 100 </td><td> 1.48 </td><td> (3,1) </td><td> 784 </td></tr><tr><td> 103 </td><td> 1.41 </td><td> (3,3) </td><td> 729 </td></tr><tr><td> 106 </td><td> 1.35 </td><td> (4,2) </td><td> 676 </td></tr><tr><td> 110 </td><td> 1.18 </td><td> (1,2) </td><td> 650 </td></tr><tr><td> 114 </td><td> 1.13 </td><td> (2,1) </td><td> 600 </td></tr><tr><td> 119 </td><td> 1.10 </td><td> (2,3) </td><td> 576 </td></tr><tr><td> 124 </td><td> 1.00 </td><td> (3,2) </td><td> 529 </td></tr><tr><td> 130 </td><td> 0.92 </td><td> (4.1) </td><td> 484 </td></tr><tr><td> 137 </td><td> 0.85 </td><td> (4,3) </td><td> 441 </td></tr></TBODY></TABLE>
需說明的是,因為該等個輸入元件20的外觀呈矩形且面積彼此相同,且每一個輸入元件20所包含的複數超音波換能器21為陣列排列的構造,所以當一個輸入元件20之複數透明可振盪膜210的直徑越大,其超音波換能器21的數量自然越少。
綜上所述,本創作可結合於電子產品,例如疊合於電子產品的顯示螢幕上,因為本創作整體為透明而不會遮蔽顯示螢幕,使用者仍可清楚觀看電子產品的顯示螢幕;本創作係根據各輸入元件20之振盪頻率的量測結果判斷出是哪一個輸入元件20被使用者所操作,故可供使用者觀看顯示螢幕時,同時進行非接觸操作,舉例來說,圖7所示的該等輸入元件20可分別為數字鍵或符號鍵,使用者不需實際接觸該智慧型手錶50,而只要將手指放在各輸入元件20的上方,就可進行非接觸撥號或輸入文字。另一方面,本創作也可達成多點非接觸輸入,舉例來說,請配合參考上表,若有兩個外界物體同時位在(4,1)與(4,3)之輸入元件20的上方,請配合參考圖8與圖9,可量測出振盪頻率分別在0.85MHz與0.92MHz,故可據此判斷出位在(4,1)與(4,3)之輸入元件20同時受到使用者的操作,進而達到多點非接觸輸入的功效。
10‧‧‧透明基板
20‧‧‧輸入元件
21‧‧‧超音波換能器
210‧‧‧透明可振盪膜
211‧‧‧透明下電極層
212‧‧‧透明邊牆
213‧‧‧透明上電極層
214‧‧‧空間
30‧‧‧間隔
40‧‧‧外界物體
50‧‧‧智慧型手錶
圖1:本創作透明超音波換能器輸入裝置之實施例的平面示意圖。 圖2:本創作輸入裝置中各超音波換能器的平面示意圖。 圖3:本創作輸入裝置中各輸入元件的使用狀態示意圖。 圖4A~圖4L:本創作實施例中各輸入元件的頻率響應圖。 圖5A~圖5L:本創作實施例中各輸入元件的時間響應圖。 圖6:本創作實施例中超音波換能器的直徑與振盪頻率的對照圖。 圖7:本創作輸入裝置結合於電子產品的示意圖。 圖8:本創作實施例執行多點輸入的頻率響應圖。 圖9:本創作實施例執行多點輸入的時間響應圖。
10‧‧‧透明基板
20‧‧‧輸入元件
21‧‧‧超音波換能器
30‧‧‧間隔
Claims (9)
- 一種透明超音波換能器輸入裝置,包含:一透明基板,具有一表面;複數輸入元件,相鄰地設置於該透明基板的該表面,各該輸入元件包含陣列排列的複數超音波換能器,各該超音波換能器包含一透明可振盪膜;於該等輸入元件之兩相鄰輸入元件中,其中之一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率相異於另一輸入元件之超音波換能器的振盪頻率;其中,同一個所述輸入元件所包含之超音波換能器的透明可振盪膜的尺寸彼此相同;各該輸入元件的超音波換能器的透明可振盪膜為圓形薄膜而具有一直徑,該等輸入元件之超音波換能器的透明可振盪膜的直徑彼此不同。
- 如請求項1所述之透明超音波換能器輸入裝置,該等輸入元件排列成矩陣結構。
- 如請求項2所述之透明超音波換能器輸入裝置,各該超音波換能器包含:一透明下電極層,設置於該透明基板的表面;一透明邊牆,設置於該透明基板上,該透明可振盪膜設置於該透明邊牆,使該透明下電極層、該透明邊牆與該透明可振盪膜之間形成一空間;以及一透明上電極層,設置於該透明可振盪膜之頂面。
- 如請求項1至3中任一項所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明基板的該表面為一平面,使設置於該透明基板的該等輸入元件位於同一平面。
- 如請求項1至3中任一項所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明基板的該表面為一曲面,使設置於該透明基板的該等輸入元件位於同一曲面。
- 如請求項1至3中任一項所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明基板為選自玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成的構件。
- 如請求項3所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明下電極層為選自透明導電氧化物薄膜、氧化銦錫薄膜、氧化鋅薄膜、奈米碳管、奈米銀、銀絲墨等所構成之群組中之一種材料所製成的構件。
- 如請求項1至3中任一項所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明可振盪膜為選自玻璃、矽膠、樹脂、塑膠、聚酯類、聚醯亞氨、光阻劑、高分子材料所構成之群組中至少一種材料所製成的構件。
- 如請求項3所述之透明超音波換能器輸入裝置,該透明上電極層為選自透明導電氧化物薄膜、氧化銦錫薄膜、氧化鋅薄膜、奈米碳管、奈米銀、銀絲墨等所構成之群組中之一種材料所製成的構件。
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