一种电容式压电触摸虚拟按键及其设计方法

技术领域

本发明涉及虚拟按键技术领域，具体涉及一种电容式压电触摸虚拟按键及其设计方法。

背景技术

现有移动设备的触摸按键设计一直以来都是采用机械或塑胶按键，此类型的按键需要有物理的电接触才能实现按键功能，机械移动部件是该类型按键不可缺少的部分；由于需要物理接触和机械运动，因此该类型按键的可靠性差、事故率高。此外，也正是由于触摸按键的加入，使得移动设备在手指滑动触摸按键时会产生凹凸感，以此来确定触摸位置，这与现有保护壳的设计背道而驰。

近年来，随着智能设备的研究逐渐深入，触摸屏按键已经被广泛应用，该类型的按键将按键功能至于显示区域中的一部分，不需要机械运动部件来实现按键功能，极大的提高了按键的可靠性，最大程度地使用了手机的可用显示区域，使其不仅用于显示，而且用于按键和手写及其他笔画相关的识别。但是这种方法实现的手机按键成本高，功耗大，手机充电后可使用的时间短；而且在使用上并没有传统键盘那样直观和简单方便，并且当触摸屏受损时可能会导致按键功能失效；因此，很大一部分智能设备仍然采用传统的机械按键。

发明内容

针对上述的不足，本发明采用压电陶瓷片作为压电组件，通过压电陶瓷正、逆两种压电效应实现振动触觉定位按键位置和音量调节功能，简化了手机按键的设计，使裸露在外面的表面没有任何凸起与设计，避免了传统机械按键可靠性差的缺点，其成本低，功耗小，使用上直观方便、构造简便。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电容式压电触摸虚拟按键，包括介质层（1）上通过至少两个铆钉（3）设定虚拟按键触摸区域（2），虚拟按键触摸区域（2）中的介质层（1）上表面设置触摸电容电极（4），触摸电容电极（4）与控制电路输入端连接，触摸电容电极（4）上设置若干个压电驱动陶瓷片（5），压电驱动陶瓷片（5）与控制电路输出端连接，触摸电容电极（4）上设置若干个压电能量收集陶瓷片（6），压电能量收集陶瓷片（6）与控制电路的输入端连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述压电驱动陶瓷片（5）为逆压电效应，用户抵贴虚拟按键触摸区域（2），触摸电容电极（4）接收信号并传输到控制电路输入端，控制电路输出端传输信号至压电驱动陶瓷片（5），压电驱动陶瓷片（5）振动，使虚拟按键触摸区域（2）振动，用户抵贴部位产生触觉。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述虚拟按键触摸区域（2）至少设置两个压电驱动陶瓷片（5），虚拟按键触摸区域（2）两个压电驱动陶瓷片（5）形成同频和同形的共振模态，在空间和时间上相差π/2，使虚拟按键触摸区域（2）上形成行波，行波为弹性体运动波，当用户抵贴部位在虚拟按键触摸区域（2）移动，使行波运动方向一致或相反时用户感受不同。

本发明技术方案的进一步改进在于：用户在虚拟按键触摸区域（2）沿不同方向滑动时，会对行波产生不同的抑制效果，使虚拟按键触摸区域（2）的振动不同，压电能量收集陶瓷片（6）收集的信号不同，从而调节音量的大小。

5.一种电容式压电触摸虚拟按键设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据用户使用习惯在移动设备上选定虚拟按键触摸区域（2）位置、形状和尺寸；

2）选取介质层（1）作为虚拟按键触摸区域（2）的介质层，选取导电材料作为触摸电容电极（4），选取压电陶瓷材料作为压电驱动陶瓷片（5）和压电能量收集陶瓷片（6）；

3）将虚拟按键触摸区域（2）所对应的电容电极连接到虚拟按键触摸区域（2）控制电路的相应输入通道；

4）将虚拟按键触摸区域（2）形成振动触觉的压电驱动陶瓷片（6）连接到控制电路的相应输出通道；

5）将虚拟按键触摸区域（2）中的压电能量收集陶瓷片（6）连接到控制电路的相应输入通道。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2）中，所述介质层（1）采用有机玻璃介质层、亚克力介质层、金属介质层中的任一种。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2）中，导电材料ITO为触摸电容电极（4），压电陶瓷材料PZT-5压电陶瓷片作为压电驱动陶瓷片（5）和压电能量收集陶瓷片（6）。

与现有技术相比，本发明提供的一种电容式压电触摸虚拟按键及其设计方法有益效果如下：

1.本发明提供一种电容式压电触摸虚拟按键及其设计方法，电容式压电触摸虚拟按键主要有介质层、压电陶瓷片、触摸电容电极和控制电路组成，触摸电容电极可以用任意导电材料直接喷涂或印刷在介质上，或用印刷PCB板置于介质层下面，虚拟按键触摸区域的介质层下面粘贴压电陶瓷片，使其裸露在外表面没有任何凸起与设计，避免了传统机械按键可靠性差的缺点，又保留了其成本低，功耗小，使用上直观方便、构造简便的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供一种电容式压电触摸虚拟按键用于智能设备侧边框结构示意图；

图2为图1中电容式压电触觉虚拟按键区域结构示意图；

图3为本发明提供一种电容式压电触摸虚拟按键中压电驱动陶瓷片和压电能量收集陶瓷片的接线示意图；

图4为压电振型叠加产生行波的示意图。

图中标号：1-介质层；2-虚拟按键区域；3-铆钉；4-触摸电容电极；5-压电驱动陶瓷片；6-压电能量收集陶瓷片。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，所述电容式压电触摸虚拟按键设有介质层1及手机框架、压电驱动陶瓷片5、压电能量收集陶瓷片6、触摸电容电极4和控制电路，所述触摸电容电极4设置在电容式压电触摸虚拟按键区域2，并由两个铆钉3将电容式压电触觉虚拟按键区域2固定，压电驱动陶瓷片5设置在触摸电容电极4上，压电能量收集陶瓷片6粘贴在触摸电容电极4上，触摸电容电极4与控制电路的输入端连接，压电驱动陶瓷片5和压电能量收集陶瓷片6与收集控制电路的输出端连接；优选的，介质层1采用有机玻璃介质层、亚克力介质层、金属介质层中的任一种；进一步的，所述导电材料ITO为触摸电容电极（4），压电陶瓷材料PZT-5压电陶瓷片作为压电驱动陶瓷片（5）和压电能量收集陶瓷片（6）。

本实施例中所设计的电容式压电触觉虚拟按键区域2是一个两端固定梁结构，由铆钉3将介质层1部分固定，当用户触摸电容式压电触觉虚拟按键区域2时，触摸电容电极4会对控制电路的输入通道产生信号，并从输出通道传出电信号，传递给压电驱动陶瓷片5，使压电驱动陶瓷片5产生振动，从而带动电容式压电触觉反馈虚拟按键区域2振动，由于触摸按键区域2产生振动，从而带动压电能量收集压电片6振动；进一步的，此设计结构是通过振动力学及弹性力学相关知识结合ANSYS等工程软件模拟计算分析得出，首先确定介质层1及手机边框材料，从何获得材料的弹性模量、密度、尺寸和压电常数等基本参数，然后计算两端固定梁的固有特性，结合工程软件的模拟分析结果确定压电驱动陶瓷片5的粘贴位置，最终使压电驱动陶瓷片5在激振时处于两端固定梁的固有振型的波峰波谷处；并在电容式压电触觉反馈虚拟按键区域2设置两个压电驱动陶瓷片5，结合波的叠加分析等知识，使电容式压电触觉反馈虚拟按键区域2上的两个压电驱动陶瓷片5所激励的同频、同形的共振模态（驻波）在空间和时间上相差π/2，空间上相差的π/2为两个压电驱动陶瓷片5在虚拟按键区域2上激励位置相差λ/4，λ为波长，而时间上相差π/2为在时间上相差1/4个周期，使电容式压电触觉反馈虚拟按键区域2上会产生行波；行波是一个在弹性体运动的波，当用户手指在电容式压电触觉反馈虚拟按键区域2接触时，会产生压电振动触感，当用户手指的触摸移动与所产生的行波运动方向一致时与相反时所产生的触摸感觉不同。其中，压电能量收集陶瓷片6运用正压电效应，当手指在虚拟按键区域2滑动时，由于人指顺着行波传递方向与逆着行波传递方向滑动将造成不同的振动抑制，以至于使得压电能量收集陶瓷片6收集的能量不同产生的电信号也不同，并将产生的能量传递给控制电路，从而进行音量调节。

本发明采用电容式压电触觉虚拟按键来取代机械按键，电容式压电触觉虚拟按键的原理是通过用户手指的触摸，使得相应的被触摸到的位置的对应电容值发生改变，在经过电容式压电触觉虚拟按键的控制电路来检测这一电容变化，并且由控制电路的输出电路给虚拟按键位置的压电驱动陶瓷片输入电信号，使虚拟按键位置有逆压电效应产生振动触觉。本发明采用两个压电驱动陶瓷片，在虚拟按键位置产生行波，使得用户在向上滑动触摸与向下滑动触摸时产生的振动触觉感知会不同；当用户手指顺着行波传递方向与逆着行波传递方向滑动将造成不同的振动抑制，又由正压电效应，压电能量收集压电片收集不同的振动信号，使得收集到的能量不同产生的输出电信号也不同，并将不同的电信号传输给控制电路，以此来进行调节手机音量的大小。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明装置权利要求书确定的保护范围内。