專利名稱：顯示表面上觸摸點(diǎn)位置參數(shù)傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)中數(shù)據(jù)信息點(diǎn)的觸摸式輸入方面，尤其是在用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示屏幕上，實(shí)施對(duì)特定的顯示區(qū)域的數(shù)據(jù)的選擇輸入，是一種使用超聲波技術(shù)，對(duì)觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的傳感元件。
現(xiàn)有的在顯示屏幕上實(shí)現(xiàn)觸摸點(diǎn)位置坐標(biāo)檢測(cè)的技術(shù)，即觸摸屏技術(shù)，主要有電阻電位技術(shù)、電容漏電流技術(shù)、光學(xué)及紅外技術(shù)、聲表面波技術(shù)、矢量力技術(shù)。在申請(qǐng)?zhí)柎a為98101325.2的中國專利之中，本申請(qǐng)人提供了多篇介紹上述各種技術(shù)的專利文獻(xiàn)，對(duì)上述技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，同時(shí)公開了一種使用超聲波技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)平面或空間內(nèi)的“觸摸點(diǎn)”的位置坐標(biāo)信息進(jìn)行傳感檢測(cè)的技術(shù)方案。該專利的實(shí)施方案，是在某個(gè)指定的平面內(nèi)，分布設(shè)置最少三個(gè)超聲波接收器，接收由一個(gè)安裝在手持的觸摸柄的頂端的超聲波發(fā)射器所發(fā)射的超聲波，在接收到超聲波信號(hào)后，各個(gè)接收器分別輸出一個(gè)或一系列電信號(hào)到后面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于超聲波發(fā)射器與各個(gè)接收器的距離不同，并且聲速在指定的介質(zhì)中是已知恒定的，故各個(gè)接收器所輸出的電信號(hào)的時(shí)間也就不同，所以這一系列電信號(hào)被后面的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收后，就能夠計(jì)算出這些電信號(hào)之間的時(shí)間差，再利用解析幾何的方法，就能夠得到超聲波發(fā)射器，即手持觸摸柄的頂端所在的被觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)制造的費(fèi)用低，而且?guī)缀跖c被檢測(cè)、傳感定位區(qū)域的大小無關(guān)；能夠應(yīng)用在掛圖表面、墻面等其它場(chǎng)所；也能夠制成可以隨身攜帶的部件，以適用于不同地點(diǎn)的臨時(shí)使用。同時(shí)，在需要的時(shí)候，還能夠?qū)崿F(xiàn)在三維的立體空間內(nèi)的“觸摸點(diǎn)”的位置坐標(biāo)參數(shù)的檢測(cè)、傳感。但是，由于實(shí)施這個(gè)技術(shù)方案，必須使用一個(gè)幾乎獨(dú)立的、安裝有超聲波發(fā)射器的觸摸柄，使得使用方法較為復(fù)雜，也增加了管理維護(hù)的工作量，不適合應(yīng)用在難于管理的、以計(jì)算機(jī)顯示器為輸出部件時(shí)的公共場(chǎng)所的信息查詢。
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述的缺點(diǎn)，提供了一種更適合于計(jì)算機(jī)顯示器以及小型的投影顯示器使用的檢測(cè)元件或裝置，在省去了手持的超聲波發(fā)射器的情況下，根據(jù)同樣的幾何學(xué)原理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏幕上的觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息的檢測(cè)。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案是這樣的將至少一個(gè)用于超聲波發(fā)射和至少三個(gè)用于超聲波接收的、適用于以空氣為傳播介質(zhì)的超聲波換能器，分布安裝在顯示表面的邊緣、其位置坐標(biāo)在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是已知或可知值的點(diǎn)上，使這些換能器的發(fā)射或接收面，即工作表面指向顯示表面的前方區(qū)域，并且與相應(yīng)的超聲波發(fā)射接收電路相連接；使用發(fā)射角足夠大的發(fā)射換能器，使該發(fā)射器從其安裝點(diǎn)所發(fā)射的超聲波，能夠在顯示表面前部、平行于顯示表面的平面，即工作面內(nèi)覆蓋整個(gè)顯示表面；同樣使用接收角足夠大的接收換能器，使該接收器能夠，接收從上述工作面內(nèi)的任意一點(diǎn)，指向該接收器安裝點(diǎn)的超聲波信號(hào)。當(dāng)手指或其等效替代物進(jìn)入工作面內(nèi)時(shí)，反射從發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波到上述的接收換能器。由于超聲波信號(hào)自被發(fā)射出到被接收到，需要一定的時(shí)間，所以本部件或元件中不同的接收器輸出的電信號(hào)時(shí)間，與其和反射物之間的距離相關(guān)，通過選擇不同的發(fā)射、接收方案，經(jīng)過發(fā)射接收電路的處理，或者可以得到不同的接收電信號(hào)與發(fā)射電信號(hào)之間的時(shí)間差，或與其距離差值相對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列信號(hào)。本裝置或部件輸出的信號(hào)被送到后續(xù)的數(shù)字處理系統(tǒng)，計(jì)算出所述的各個(gè)距離，就能夠得到觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。
因?yàn)槭〉袅耸殖值某暡òl(fā)射器，所以本發(fā)明與先有技術(shù)相比更具優(yōu)點(diǎn)。首先，這種技術(shù)方案適合于應(yīng)用在顯示器或顯示元件上，能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有的各種觸摸屏相同的功能，但卻只需要更低的生產(chǎn)、制造和維護(hù)費(fèi)用；其次，本技術(shù)方案同樣也能夠象申請(qǐng)?zhí)柎a為98101325的中國專利一樣，在增加一個(gè)類似于教鞭、不帶有超聲波換能器的手持觸摸柄，即手指的等效替代物的情況下，應(yīng)用于掛圖、墻面、較大的投影屏幕等其它平面情況下，同時(shí)，也能夠制成可以隨身攜帶的部件，以適用于不同地點(diǎn)的臨時(shí)使用。
下面根據(jù)附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的一些具體的實(shí)施方案。


圖1已知點(diǎn)在坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的一種設(shè)置方式圖2已知點(diǎn)在坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的另一種設(shè)置方式圖3超聲波傳感器在顯示器上的一種安裝形式圖4超聲波傳感器在顯示器上的另一種安裝形式及手指尺寸誤差分析圖5傳感裝置的一種結(jié)構(gòu)示意6圖5的A-A剖面7傳感裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意8圖7的A-A剖面9傳感裝置在顯示監(jiān)視器一個(gè)邊緣的安裝和操作示意10超聲波換能器的一種外形11超聲波換能器的另一種外形12發(fā)射的超聲波在屏幕法線方向的分布圖13衍射波干擾的形成示意14一種超聲波的發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)序和波形15另一種超聲波的發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)序和波形16與圖14相對(duì)應(yīng)的超聲波發(fā)射和接收電路的方塊17與圖15相對(duì)應(yīng)的超聲波發(fā)射和接收電路的方塊18超聲波發(fā)射與接收器在陰極射線管表面的安裝示意19本裝置或部件在其它顯示表面邊緣的一種安裝方案示意1、圖2表示出了本發(fā)明的幾何學(xué)原理。圖中P1、P2、P3表示超聲波換能器在某個(gè)參照坐標(biāo)系的安裝點(diǎn)，其坐標(biāo)值是已知的，或者可以使用某種方法通過事先測(cè)量而得到，標(biāo)注在括號(hào)內(nèi)；點(diǎn)P表示手指或其等效替代物所在的位置，D1、D2、D3表示點(diǎn)P到各個(gè)安裝點(diǎn)的距離。更一般的設(shè)置情況和各個(gè)距離值來計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)值的幾何學(xué)方法，可以參見前述中國專利的說明書。
圖3給出了本裝置的超聲波換能器在顯示器的殼體上的一種與圖1相對(duì)應(yīng)安裝方法。在一般情況下，超聲波發(fā)射器也同時(shí)是一個(gè)超聲波接收器(有時(shí)只是效率不同，或者接收換能器還帶有機(jī)械式的濾波器)，因此在圖3中顯示器的顯示302表面周圍的殼體301邊框的角上，安裝了303、304、305三個(gè)換能器，306是一個(gè)備用或作為校驗(yàn)用的換能器，可以不裝。這三個(gè)換能器在這里既是發(fā)射器，同時(shí)又是接收器，其功能的轉(zhuǎn)換是通過圖17的切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。圖中307、308、309依次表示的是換能器303、304、305所發(fā)射的超聲波(圖中的同心弧)，被手指310所反射的反射波及其方向。使用這種實(shí)施方案，由于各個(gè)發(fā)射器的發(fā)射時(shí)間不同，所以計(jì)算時(shí)間差較困難，但是測(cè)量每個(gè)換能器從發(fā)射出到接收到超聲波的時(shí)間差卻很容易，這個(gè)時(shí)間差乘以聲速，就是該接收器到手指觸摸點(diǎn)距離的二倍。
圖4是與圖2的已知點(diǎn)的設(shè)置方式相對(duì)應(yīng)的另一種超聲波換能器的安裝方案。圖4中邊框中間的換能器可以是兩個(gè)，即一個(gè)專用的發(fā)射換能器和一個(gè)專用的接收換能器，分別是圖5中的502和304，也可以是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的、發(fā)射接收通用的換能器304。401表示從發(fā)射器304或502中發(fā)射出的超聲波的各個(gè)方向中的一個(gè)方向，402表示可以達(dá)到接收器305的一簇反射波。因?yàn)槭种?10有一定的粗細(xì)，故在圖中用d來表示，當(dāng)需要精確定位時(shí)，在編制軟件計(jì)算時(shí)間或距離時(shí)，需要把這個(gè)直徑考慮進(jìn)去，以減小誤差。當(dāng)手指在顯示表面不同的位置時(shí)，直徑d對(duì)接收器303、305的影響是不同的，但在顯示表面上指定的區(qū)域內(nèi)，對(duì)指定的接收器的影響是可以通過計(jì)算得到，而對(duì)304的影響基本上相同，因此在計(jì)算出手指坐標(biāo)值所在的區(qū)域時(shí)，可以用在該區(qū)域內(nèi)已經(jīng)計(jì)算好的修正值來修正坐標(biāo)值，得到精確的坐標(biāo)值。在圖4的方案中，可以如上所述來設(shè)定發(fā)射、接收換能器，也可以另外設(shè)置，如將303、305設(shè)置成發(fā)射接收通用的換能器，而將304設(shè)置為專用的接收器；或者將上述三個(gè)換能器都設(shè)置成通用換能器。在這些設(shè)置情況下，通用換能器與發(fā)射、接收電路的連接方式，需要參考圖3中換能器的切換方法來進(jìn)行功能切換，同時(shí)在編制軟件時(shí)考慮到這種情況下，不同的接收器輸出電信號(hào)的時(shí)間與超聲波被發(fā)射的時(shí)間，以及不同的傳播路徑之間的關(guān)系。
圖5、圖6是圖4安裝方式的一種具體結(jié)構(gòu)的示意圖。在這種結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了一個(gè)專用發(fā)射發(fā)射換能器502和三個(gè)專用的接收換能器，分別安裝在電路板503的兩面，使得發(fā)射器的發(fā)射面601和接收器的接收面602互不阻擋，共同裝入外殼501之中。圖中發(fā)射器502安裝在外殼的后部，接收器安裝在外殼的開口附近，這種設(shè)計(jì)的一個(gè)目的是為了使所發(fā)射的的超聲波能夠更容易覆蓋整個(gè)顯示表面；另一個(gè)目的是使接收器在與顯示表面垂直的方向上有更廣闊的接收角，即圖12中的角β，以增加對(duì)手指以不同的姿態(tài)觸摸時(shí)的適應(yīng)能力。如果發(fā)射換能器在工作面內(nèi)的發(fā)射角足夠大，則它的安裝位置就會(huì)更自由些。外殼開口處向內(nèi)的小凸起的作用是限制圖12中角β在顯示表面前方的延伸，盡可能多地阻擋因?yàn)槌暡ㄑ苌涠蝗说氖植糠瓷渌a(chǎn)生的雜波干擾。殼體下部的夾角γ的作用是調(diào)節(jié)超聲波的發(fā)射方向，使其成為平行于顯示表面的一個(gè)“超聲波層”，并使其能夠沿著顯示表面的曲率有一定的衍射，見圖12中的1201。但是這時(shí)需要注意，不要使電路板503與外殼下部底板內(nèi)壁的寬度H小于發(fā)射面601的高度h，以免因狹縫效應(yīng)而導(dǎo)致所發(fā)射的超聲波在顯示表面的法線N的方向上過分衍射，即導(dǎo)致圖12中的發(fā)射角α過大，致使其能量密度降低導(dǎo)致反射信號(hào)太弱而無法接收。或者因人手其它部位的反射而使干擾增加。圖中的603是安裝在電路板上的其它電子元件，用于處理發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)。
圖7、8與圖5、6相類似，是圖4安裝方式的另一種具體結(jié)構(gòu)的示意圖。在這種結(jié)構(gòu)中，部分或全部使用了發(fā)射接收通用換能器，即304和502是同一元件，或者三個(gè)都是通用換能器，其余部分與圖5、圖6相同。在這種情況下，使用安裝在顯示表面邊緣中部的換能器304發(fā)射超聲波，三個(gè)一起接收，或者三個(gè)換能器按順序地發(fā)射、接收超聲波信號(hào)的方法較好，可以使超聲波在整個(gè)工作面內(nèi)的能量密度比較均衡。
圖3所示安裝方式的具體結(jié)構(gòu)，完全可以參照?qǐng)D5-圖8的結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)，具體來說就是把外殼501延伸到顯示表面的其它邊緣。這種安裝方式的缺點(diǎn)是尺寸較大、發(fā)射接收電路較復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是軟件簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)分時(shí)測(cè)距使各個(gè)換能器之間沒有影響，對(duì)于手指尺寸所產(chǎn)生的誤差，只需要在計(jì)算距離時(shí)加上手指的半徑即可消除。同理，在圖7、8所示的結(jié)構(gòu)中，如果使用三個(gè)通用換能器分時(shí)測(cè)距，同樣具有上述的優(yōu)點(diǎn)而外殼的尺寸實(shí)現(xiàn)最小化。
圖9表示出了圖5、6或圖7、8所示結(jié)構(gòu)的傳感裝置901在顯示器邊緣的一種安裝方式。圖中901安裝在顯示器的上部邊緣，這樣可以避免雜物落入本裝置的外殼501之中。當(dāng)然也可以安裝在其它邊緣上。圖9還表示出了本裝置的使用方式和手指與超聲波間的關(guān)系。圖中902是本裝置部件與后續(xù)處理系統(tǒng)之間的連接電纜。這里，顯示器外殼301內(nèi)的顯示元件可以是陰極射線管、LCD、等離子體等顯示元件之中的一種。顯示元件安裝在外殼301之中，所以顯示屏周圍的邊框可能會(huì)反射超聲波而形成干擾。為避免這種干擾的影響，最好在顯示屏周圍殼體的邊框內(nèi)側(cè)、所述換能器所發(fā)射的超聲波能夠直接達(dá)到的表面上，鋪設(shè)上如海綿、微孔橡膠等超聲波吸收材料，如圖4、12中的311；或者把該表面制成傾斜形狀，使其與顯示屏表面成鈍角，如圖12中的1302部分所示。
本裝置或部件還可以直接安裝在上述顯示元件上，如圖18所示，1801是上述換能器的全部或其中一個(gè)，通過減震安裝墊1802，同粘接等方法安裝在顯示元件1803的顯示表面的邊緣，1003是換能器的作用面，即發(fā)射面601或接收面602。1201即圖12中的超聲波層。減震安裝墊1802的作用，是防止所發(fā)射的超聲波通過顯示元件的表面?zhèn)鞑ザ鴮?duì)接收產(chǎn)生影響。本裝置的另一個(gè)應(yīng)用是將所有的換能器安裝在一個(gè)安裝支架1901上，再把安裝支架固定在投影屏幕、或用做投影屏幕的墻面、平板面，以及各種用途的掛圖的附近，如圖19所示。在這里，為方便起見，我們也統(tǒng)稱這些表面為顯示表面。這里的安裝支架可以制成類似于圖5中外殼501的長條形，又可以對(duì)應(yīng)于圖3制成框形；為了適用于不同地點(diǎn)的臨時(shí)使用，安裝支架還可以制成可隨身攜帶的、能夠隨時(shí)安裝拆卸的部件。在這種情況下，因?yàn)轱@示表面可能很大，而人手臂的長度則有限，所以操作起來很困難而且會(huì)遮擋顯示表面，為此最好再增加一個(gè)類似于教鞭的手持觸摸桿(未畫出)，來作為手指的等效替代物實(shí)現(xiàn)定位。該桿與手持部分相對(duì)的頭部，安裝有一個(gè)圓柱形、橢圓柱形或紡錘形的，能夠在整個(gè)工作面內(nèi)廣角反射超聲波的反射頭。因?yàn)樵诓僮鲿r(shí)，桿本身基本上與顯示表面是平行的，所以為了保證操作時(shí)反射頭的軸線與顯示表面相垂直而達(dá)到最好的反射效果，桿在這里，即靠近反射頭的地方應(yīng)該是彎曲的，與桿身大致成90°角。前述的中國專利對(duì)該支架和手持觸摸桿(柄)的結(jié)構(gòu)有很詳細(xì)的說明，可供參考使用。
圖10和圖11展現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)相近的超聲波發(fā)射或接收換能器，其主要區(qū)別是發(fā)射或接收角不同。圖10、圖11所示的換能器在工作面內(nèi)的發(fā)射或接收角分別為φ和θ，角φ接近或等于180°，角θ接近或等于90°。圖中1001、1101分別是換能器工作頭1002和1102的安裝基座；1003和1103是發(fā)射或接收面，即圖6中的601、602所示的工作表面。在本發(fā)明中，圖10所示的換能器一般安裝在顯示表面邊緣的中間部分，即圖5中的304或502，而圖11所示的換能器一般安裝在顯示表面邊緣的四個(gè)角上，即圖3中的換能器303、304、305、306，或圖4中的換能器303、305。發(fā)射面的高度h最好是超聲波波長的1.5倍以上，使所發(fā)射的超聲波的衍射盡可能地小些，能量更集中在工作面內(nèi)。
圖16是一種超聲波發(fā)射接收電路的方塊原理圖。圖中，超聲波發(fā)射器1601對(duì)應(yīng)于圖5-8之中的304或502，以及圖14中的P2，連接在驅(qū)動(dòng)電路1602的輸出端，對(duì)從超聲波發(fā)生器1603送來的超聲波信號(hào)進(jìn)行功率放大。多個(gè)(圖中畫出三路)超聲波接收器1608、1609和1610的輸出端分別連接在包含有三路相同的濾波、放大電路的前處理電路1611的三個(gè)輸入端。前處理電路1611的輸出端分別與一個(gè)多路控制開關(guān)1612相連接，當(dāng)超聲波發(fā)生器輸出超聲波信號(hào)時(shí)，該信號(hào)也同時(shí)輸入到延時(shí)控制電路1604中，而后輸出一個(gè)控制脈沖到控制開關(guān)的控制端，使其關(guān)斷一段短的時(shí)間，以免發(fā)射器發(fā)射的超聲波對(duì)接收器產(chǎn)生干擾。這個(gè)控制脈沖的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)超聲波脈沖離開發(fā)射器，到達(dá)顯示表面的邊緣的時(shí)間來設(shè)定，以其不影響接收器接收最近距離的反射波為原則。該控制開關(guān)也可以省去不用，而由后續(xù)系統(tǒng)的軟、硬件來實(shí)現(xiàn)這種控制功能。由控制開關(guān)1612輸出的接收信號(hào)在被送到限幅、整形電路1613中處理后，就可以通過輸出接口1618，傳輸給后續(xù)的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理、計(jì)算。由整形電路輸出的信號(hào)還可以直接送到一個(gè)多路的R-S閥鎖電路1614的復(fù)位端，使該已經(jīng)被由超聲波發(fā)生器的輸出信號(hào)置位的閥鎖復(fù)位，分別輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間等于發(fā)射與接收信號(hào)之間的時(shí)間差的高電平，分別控制多個(gè)與門1615、1616、1617開啟，使標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)發(fā)生器1607所輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)能夠通過這些與門，通過輸出端口1619傳輸?shù)胶罄m(xù)系統(tǒng)直接計(jì)數(shù)、處理計(jì)算。圖中的1605是由后續(xù)系統(tǒng)送來的控制信號(hào)的連接線，其中的虛線表示不是必須的連接線；1606是本電路與后續(xù)系統(tǒng)的控制接口；有關(guān)的波形標(biāo)注在相應(yīng)的連接線旁邊。這個(gè)實(shí)施電路可以應(yīng)用在圖4的安裝形式下，所發(fā)射和接收的超聲波的時(shí)序圖，基本上與圖14相對(duì)應(yīng)。在圖14中，P2表示發(fā)射接收通用換能器及其安裝點(diǎn)，P1、P3表示超聲接收器及其安裝點(diǎn)；所發(fā)射的超聲波脈沖的寬度為ΔT；ΔV表示圖16中濾波放大電路1611的有效輸入閥值電壓，所在的時(shí)間t2就是接收到超聲波信號(hào)1402的時(shí)間；其后的不規(guī)則波形表示圖13中衍射雜波，及其被手部其它部位所反射的雜波1301所形成的干擾電壓。一般情況下，脈沖寬度為ΔT可以取幾至二十幾微秒，在定位精度要求較高的情況下，在軟件中應(yīng)該考慮這個(gè)發(fā)射信號(hào)的峰值時(shí)的時(shí)間t0與ΔT時(shí)間的差別。t1、t3與t2的意義相同，分別表示另外兩個(gè)接收器接收到超聲波1404、1405的時(shí)間。
圖17是另一種超聲波發(fā)射接收電路的方塊原理圖，該電路構(gòu)成與圖16大致相同。在圖17中，圖16中的控制開關(guān)1612被圖17中的切換開關(guān)1704所代替，延時(shí)控制電路1604被發(fā)射分配控制電路1702所代替，該電路同時(shí)也具備延時(shí)控制電路的功能，同時(shí)還控制多路切換開關(guān)和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)1703，同步地把由超聲波發(fā)生器1603所輸出的超聲波電信號(hào)，在多路驅(qū)動(dòng)電路1701中分配，和每個(gè)超聲波換能器的發(fā)射與接收功能的切換。另外，圖17中的R-S閥鎖有三個(gè)置位端和三個(gè)復(fù)位端，分別被三路超聲波發(fā)射信號(hào)和經(jīng)過處理的接收信號(hào)所控制，輸出的高電平控制三個(gè)與門的開啟與關(guān)閉。其余部分的名稱和功能與圖16中相同標(biāo)號(hào)部分相同。與這個(gè)實(shí)施電路相對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖是圖15，其中的t01、t02、t03分別表示三個(gè)反射換能器所反射的超聲波信號(hào)1401、1501、1503峰值時(shí)的時(shí)間，t1、t2、t3也與圖14中的含義相同，是接收到的超聲波信號(hào)1402、1502、1504的時(shí)間。
圖16、圖17中多路控制或切換開關(guān)1612、1704應(yīng)該使用半導(dǎo)體開關(guān)以保證開關(guān)速度；其包含的路數(shù)與換能器的數(shù)量相同，每路的開關(guān)數(shù)量與換能器需要切換或控制的端口的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的，如每個(gè)換能器有兩個(gè)輸入輸出端口需控制或切換，則每路就有兩個(gè)開關(guān)；如果換能器有公共端，如共地端，則每路只需要一個(gè)開關(guān)。該開關(guān)，每一個(gè)都有一個(gè)公共端和兩個(gè)切換選擇端，公共端與超聲波換能器相連接，兩個(gè)選擇端分別與超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電路的輸出端(如果是專用接收換能器，則空置)、超聲波接收處理電路的輸入端相連接。
圖17所示的電路既可以應(yīng)用于圖3、圖4所示的安裝方式，又可以應(yīng)用于圖3中部分換能器是通用換能器的情況下，所以是更一般的電路模式。但在這時(shí)，專用的接收換能器的切換開關(guān)的控制端應(yīng)該與某個(gè)通用換能器的切換開關(guān)的控制端并聯(lián)，以接收該換能器發(fā)射的超聲波的反射波；事實(shí)上該路開關(guān)的作用相當(dāng)于圖16中的控制開關(guān)1612，或者說控制開關(guān)是切換開關(guān)的一種特例，切換開關(guān)完全可以替代控制開關(guān)。
本發(fā)明裝置或部件所使用的超聲波的頻率越高，所需的發(fā)射換能器的尺寸就越??；或者說在發(fā)射換能器的尺寸一定的情況下，頻率越高超聲波的衍射就越小，干擾就越小；同時(shí)顯示表面越平坦，所需要的延顯示表面的衍射就越小，就越可以選用較高頻率的超聲波；而在這種情況下，接收換能器在顯示表面的法線方向上的接收角β越大，對(duì)手指或其等效替代物在觸摸時(shí)的姿勢(shì)的要求就寬松，但也容易引入干擾。因此，需要綜合考慮上面的各種因素來進(jìn)行實(shí)施。但總的來說，顯示表面的曲率越小，本裝置或部件的設(shè)計(jì)制造就越容易，這也正符合以顯示器技術(shù)為代表的顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種用于計(jì)算機(jī)多媒體數(shù)據(jù)輸入的顯示表面上觸摸點(diǎn)位置參數(shù)傳感裝置，包含有超聲波發(fā)射接收電路，和分布安裝在顯示表面邊緣的超聲波換能器，其特征在于A.所述的超聲波換能器有至少一個(gè)用于超聲波發(fā)射和至少三個(gè)用于超聲波接收；這些換能器的工作表面指向顯示表面的前方區(qū)域，并且至少三個(gè)接收換能器的位置坐標(biāo)值在某個(gè)參照坐標(biāo)系內(nèi)是可知或已知的；B.所述超聲波換能器，是適用于以空氣為超聲波傳播介質(zhì)的超聲波換能器件；C.用于超聲波發(fā)射的換能器在平行于顯示表面的平面內(nèi)發(fā)射角要足夠大，以致于該發(fā)射器從其安裝點(diǎn)所發(fā)射的超聲波能夠覆蓋整個(gè)顯示表面；用于超聲波接收的換能器的接收角也要足夠大，以致于能夠接收從上述平面內(nèi)、顯示表面所在區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)，指向該接收器安裝點(diǎn)的超聲波信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的傳感裝置，其特征在于超聲波換能器安裝在顯示表面的一個(gè)邊緣上；在這些換能器之中，至少有一只用于超聲波的發(fā)射。
3.根據(jù)權(quán)力要求2所述的傳感裝置，其特征在于所述的超聲波換能器之中，只有一只用于超聲波發(fā)射；該換能器安裝在顯示表面邊緣的中部。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的傳感裝置，其特征在于至少有三只用于超聲波發(fā)射的換能器和三只用于超聲波接收的換能器，安裝在顯示表面邊緣的三個(gè)角上。
5.根據(jù)權(quán)力要求1或2、3、4所述的傳感裝置，其特征在于；用于超聲波發(fā)射的換能器同時(shí)也是超聲波接收器；并且在超聲波發(fā)射和接收電路中，包含有一個(gè)由半導(dǎo)體元件所構(gòu)成的多路切換開關(guān)，該開關(guān)的路數(shù)至少與所述換能器的數(shù)量相同，每路包含的開關(guān)數(shù)量與換能器需要切換的端口的數(shù)量相對(duì)應(yīng)；每一個(gè)切換開關(guān)都有一個(gè)公共端和兩個(gè)切換選擇端，公共端與超聲波換能器相連接，兩個(gè)選擇端分別與超聲波發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電路的輸出端、超聲波接收處理電路的輸入端相連接。
6.根據(jù)權(quán)力要求1或2、3、4所述的傳感裝置，其特征在于顯示表面是一個(gè)陰極射線管、LCD或等離子體等顯示元件的顯示屏、投影屏幕、作為投影屏幕墻面以及各種掛圖表面之中的一種；上述邊緣就是顯示表面的邊緣。
7.根據(jù)權(quán)力要求6所述的傳感裝置，其特征在于整個(gè)裝置還包含一個(gè)手持觸摸桿，和安裝在該桿上的廣角反射頭；顯示表面是投影屏幕、作為投影屏幕墻面以及各種掛圖表面之中的一種；超聲波換能器安裝在顯示表面旁邊的安裝支架上。
8.根據(jù)權(quán)力要求1或2、3、4所述的傳感裝置，其特征在于顯示表面是一個(gè)帶有外殼的顯示器的顯示屏；上述的邊緣就是顯示屏周圍外殼所構(gòu)成的邊框。
9.根據(jù)權(quán)力要求8所述的傳感裝置，其特征在于在顯示屏周圍殼體的邊框內(nèi)側(cè)、所述換能器所發(fā)射的超聲波能夠直接達(dá)到的表面上，鋪設(shè)有吸音材料。
10.根據(jù)權(quán)力要求8所述的傳感裝置，其特征在于顯示屏周圍殼體的邊框內(nèi)側(cè)、所述換能器所發(fā)射的超聲波能夠直接達(dá)到的表面，與顯示屏之間的夾角是鈍角。
全文摘要
本發(fā)明屬傳感技術(shù)領(lǐng)域,應(yīng)用于多媒體計(jì)算機(jī)的觸摸輸入方面,尤其是在顯示元件表面上觸模位置的傳感技術(shù)。本發(fā)明使用了多點(diǎn)定位技術(shù),即顯示表面的手指或其等效物,反射由超聲波換能器所發(fā)射的超聲波,到多個(gè)位置已知超聲波接收器,轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出到后續(xù)處理系統(tǒng),而得到觸摸點(diǎn)與每個(gè)接收器之間的距離,進(jìn)而得到該標(biāo)的點(diǎn)的坐標(biāo)。本裝置或部件輸出的信息,是不同的換能器所發(fā)射、接收的電信號(hào)的時(shí)間值或時(shí)間差。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1199889SQ9810166
公開日1998年11月25日 申請(qǐng)日期1998年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月28日
發(fā)明者劉中華 申請(qǐng)人:劉中華