具有波导反射器阵列的声触摸屏的制作方法

专利名称：具有波导反射器阵列的声触摸屏的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及声触摸屏，具体地说，涉及拥有窄反射阵列和增大的触摸感应区的声触摸屏。
2.相关技术描述一个声触摸屏拥有触摸感应区，在该触摸感应区上，通过对跨越其上的声波的传送的触摸效应，探测触摸的发生以及触摸的位置。一种普通类型的声触摸屏使用Rayleigh波(在此使用的一个术语，包括准Rayleigh波)。与Rayleigh波触摸屏相关的说明性的公开包括US4,642,423(1987)、US 4,645,870(1987)、US 4,700,176(1987)、US 4,746,914(1988)、US 4,791,416(1988)、Re 33,151(1990)、US 4,825,212(1989)、US 4,859,996(1989)、US 4,880,665(1989)、US 4,644,100(1987)、US 5,739,479(1988)、US 5,708,461(1988)、以及US 5,854,450(1988)。使用其它类型声波的声触摸屏，例如使用兰姆波或剪力波，或不同类型声波的组合(包括涉及Rayleigh渡的组合)的声触摸屏也是人们所熟悉的，说明性的公开包括US 5,591,945(1997)、US 5,854,450(1998)、US 5,072,427(1991)、US5,162,618(1992)、US 5,177,327(1993)、US 5243148(1993)、US5329070(1994)、US 5573077以及US 5,260,521(1993)。在该节中所引用的各个文件均结合此处，以作参考。


图1说明了一个常规的声触摸屏1，拥有一个有源的，或触摸感应区2。把一个第一传送传感器3a定位在触摸感应区2的外部，并声耦合于触摸屏1的表面。传感器3a以声波11a的形式发送一个声信号，声波11a平行地传播于触摸屏1的顶边缘，并通常在触摸屏1的平面中传播。与声波传送路径11a对齐的是部分声反射元件4的一个第一线性阵列13，其中的每一个部分地反射(大约为90％)并部分地传送声信号，从而创建多个纵向地(平行于Y轴)跨越触摸感应区2传播的声波(实例5a、5b以及5c)。(反射元件4的间隔是可变的，以补偿由于与第一发射机3a之间的距离不断增加所导致的声信号的衰减)。当到达触摸屏1的下边缘时，部分声反射元件4的一个第二线性阵列13再次把声波5a、5b以及5c朝第一接收传感器6a反射大约90％(箭头11b)，其中，对它们加以检测，并把它们转换成用于数据处理的电信号。沿触摸屏1的左和右边缘定位了一个类似的装置。一个第二传送传感器3b沿左边缘生成一个声波12a，以及部分声反射元件4的一个第三线性阵列13，从中创建多个跨越触摸感应区2水平地(平行于X轴)传播的声波(范例7a、7b以及7c)。多个部分声反射元件4的一个第四线性阵列13把声波7a、7b以及7c朝接收传感器6b重新加以引导(箭头12b)，其中也对它们加以检测，并把它们转换成电信号。
如果某一物体，例如一个手指或一个笔尖，在位置8触摸触摸感应区2，那么这些触摸物体吸收声波5b和7a的一些能量。接收传感器6a、6b把所产生的衰减检测为声信号中的一个扰动。在微处理器(未在图中加以显示)的帮助下，对数据的时间延迟分析，允许确定位置8的坐标。
本领域技术人员将会领悟到，使用两组传送/接收传感器制造一个触摸屏并不是必需的。图1中的设备，缺少一组传感器，仍将可作为一个触摸屏加以运作，从而可检测到一个触摸的发生，并提供了有限的位置信息(坐标之一)。或可以通过使用一种常见的传送/接收传感器方案，如在US 4,746,914的图8中所公开的，设计仅具有两个传感器触摸屏。
在正常的使用中，外壳9(在图1中，由虚线所表示的轮廓)，通常由模制的聚合物或金属板材制造，与一个触摸屏1相关联。外壳9包括一个覆盖触摸屏1的挡板10(也为图中用虚线表示的轮廓)，从而掩盖了传送和接收传感器、反射元件、以及其它部件，除了暴露触摸感应区2。该配置可以保护所掩盖的部件不受污染与/或受到损坏，提交了一个更具美感的、令人感到愉快的外观，并为用户限定了触摸感应区。
一个触摸屏可以包括一个覆盖在显示板(例如阴板极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子、电致发光、或其它类型的显示器)上的独立的面板(通常由玻璃制造，但也可以使用其它的硬基底)。另外，还建议通过把触摸屏部件直接耦合于CRT的玻璃表面上，以至于CRT表面为触摸敏感表面，把CRT转换成一个触摸屏。US 4,746,914公开了这样的一个构造。一个直接-触摸-CRT触摸屏结构是人们所希望的，因为它消除了观察者和CRT之间的一块玻璃或其它材料，从而提高了可感觉到的显示亮度。另外，还有经济方面的好处，因为省去了覆盖玻璃，并且不必修改CRT底盘，以为覆盖玻璃腾出空间。
返回到图1，可以看出，触摸感应区2由边界区域15(仅标出两个)所环绕，其中放置了反射元件4以及传送和接收传感器3a、3b、6a和6b。减小边界区域15的宽度，可增加设备的可以分配给触摸感应区2的前方面积的百分比。还能够较容易地把触摸屏与监视器集成和封闭在一起。另外，一个拥有较窄边界区域15的触摸屏给人以更轻巧、更雅致的设计的印象，从而使产品对客户更具吸引力。
另外，在把触摸屏直接构造在CRT的面板玻璃上的情况下，触摸屏制造商可能不拥有对边界区域15宽度的控制权。触摸屏制造商通常不制造CRT本身。相反，制造商仅使用由一个监视器制造商所提供的CRT(或者面对这样一种情况从计算机制造商那里得到一个与计算机CPU底盘集成在一起的监视器，例如，Apple公司的iMacTM计算机)，而且必须与所提供的边界区域相配。某些CRT所提供的边界区域可能是宽的，但另外一些CRT所提供的边界区域可能是窄的。
出于以上所述的原因，人们希望拥有制造与较窄边界区域15兼容的触摸屏的能力。减少它们的宽度的关键在于减少阵列13和传感器的宽度。然而，这些部件的宽度是不可随意减少的。阵列13的宽度与声波11a的束宽度密切相关，因为被偏转的声波5a、5b以及5c必须含足够的声能以实现触摸感应的目的。如果阵列13过窄，则仅可截取声波11a的一小部分，从而导致所偏转的信号被不希望地衰减。对于其它的反射器阵列，也给予了类似的考虑。对于传感器来说，一个窄的传送传感器是人们所希望的，因为由于衍射效应，窄的传送传感器会导致声波11a的扩散。这种波机械效应的物理现象相应于流经一个窄开口的波的物理现象。对这些波机械效应的数学分析与所观察到的完全一致，即阵列13的宽度也与触摸屏1的大小相关。为了实现触摸感应的目的，触摸屏越大、阵列13就必须越宽，以俘获足够的来自传感器下游的声信号，来反射跨越触摸感应区2的足够多的信号。常规的触摸屏已拥有以声信号的波长为单位的阵列宽度，在大于也以波长为单位的阵列长度的平方根的1/3的数量级上。
因此，人们希望通过能够使用一种较窄的反射阵列和/或较窄的传感器设计，提供一种能够容纳一个较窄边界区域的声触摸屏的新型设计。

发明内容
本发明通过使用一个波导把声波集中在一个边界区域中解决了以上所提到的问题。波导有效地把声能沿一个较窄的路径宽度加以集中，从而反过来允许使用较窄的反射阵列与/传感器。因此，我们的发明提供了这样的一种触摸屏，包括(a)一个能够传播声波的基底，该基底拥有(i)一个拥有一个周界的触摸感应区，以及(ii)一个围绕触摸感应区的边界区域；(b)一个部分声反射元件的阵列，拥有一个横向的尺寸，该阵列位于边界区域的一部分之中，并对其加以定位以把一个声信号接收到触摸感应区之中或传送到触摸感应区之外；(c)一个声波导，位于边界区域的一部分中，该声波导拥有一个小于阵列横向尺寸的横向尺寸。
本发明还提供了这样的一个触摸屏，包括(a)一个能够传播声波的基底，该基底拥有(i)一个拥有一个周界的触摸感应区，以及(ii)一个围绕触摸感应区的边界区域；(b)一个部分声反射元件的阵列，拥有一个以声信号波长为单位的横向尺寸，小于以声信号波长为单位的纵向尺寸的平方根的1/3。
附图简述图1描述了一个常规的触摸屏。
图2描述了根据本发明的一个波导反射阵列组合。
图3是根据本发明的沿波导宽度的声能的示意图。
图4描述了根据本发明的一个声触摸屏，该声触摸屏拥有图2中所示类型的一个波导反射阵列组合。
图5是本发明的一个波导反射阵列的一个可选实施方案的侧视图。
图6是图5的实施方案的一个平视图。
图7是本发明的一个波导反射阵列的另一个可选实施方案的侧视图。
图8是图7的实施方案的一个平面图。
图9是本发明的一个波导反射阵列的又一个可选实施方案的侧视图。
图10是本发明的一个波导反射阵列的再一个可选实施方案的侧视图。
图11a、11b、11c、11d、以及11e是本发明的一个波导的各实施方案的断面图。
此处，从一个图到另一个图所重复的参照数字表示相同或等价的单元。
发明详述提交一个满意的工作触摸屏所必须的声信号能量，部分地依赖于触摸屏的尺寸和相应反射阵列的长度和宽度。触摸屏越大，所需信号能量就越大，因为触摸屏的尺寸越大，声信号必须传播的距离就越大。反射阵列必须拥有这样的特性能够在阵列下游端使一个特定/最小量的信号从传感器跨越触摸屏传送。调整跨越触摸感应区传送的信号量的一种方法是增加反射阵列的宽度。通过增加反射阵列的宽度，获取更多的能量以进行跨越触摸屏的传送或接收。然而，这必然减小可用的触摸感应区和增加覆盖阵列所需的挡板宽度。这是两个人们非常不希望的特性。事实上，这与用户的需求直接冲突，对于一个给定的触摸屏尺寸和最小化了的挡板宽度中的可用的触摸感应区域来说，该冲突更为突出。
常规的阵列拥有0.210”(5.3mm)或9.3个波长(假设一个0.0226”的常规信号波长)的最小宽度和0.600”(15.2mm)或2 6.5个波长(也假设一个0.0226”的常规信号波长)的最大宽度。在较小的屏幕上，在10”或12”对角线的数量级上，使用最小的宽度，在较大的屏幕上，在20”和更大的数量级上，使用最大的宽度。这些参数还依赖于触摸屏基底的类型。
图2说明了可实现一个比常规触摸屏窄的边界区域的本发明的声触摸屏的一个传感器16和一个反射阵列13。在本发明中，声波11a的路径受到一个声波导18的限制。反射阵列13包括多个与波导18协同运作的部分声反射元件14。该实施方案按预先加以确定的间隔提供覆盖在波导18顶部的反射元件14。该装置有效地允许反射元件14跨越触摸感应区把来自流入声波11a的能量部分地反射为声波5a和5b。如图中所示，波导18拥有一个横向尺寸(宽度)y，反射阵列13拥有一个横向尺寸(宽度)w，其大于波导18的横向尺寸y。
如图3中所说明的，由于包括了为宽度y的波导18，声能的一个显著的部分受限于为宽度w的阵列14。因为可以通过波导18的宽度控制声束的宽度，所以可以相应地把反射器14制造得窄于常规的反射器，但仍能针对触摸感应目的跨越触摸感应区偏转足够量的声能。
再次参照图2，在一个优选实施方案中，但通常不必与Rayleigh波结合在一起使用。传送传感器16是一个聚焦传感器。在现有技术触摸屏中所使用的常规的传感器(例如图1中所说明的传感器)生成一个平行的声波束。聚焦传感器16生成一个聚焦的声波束22，该声波束聚焦在波导18的端点的焦点17上，在那里把它们加以聚集和传播。在常规的触摸屏中，没有波导，人们必须在阵列的端点把其与能量点直径相连接。因此，通常人们必须使相当大的传感器。在本发明中，加入波导，改变了人们对波导入口处点直径的关注。由于传感器和波导的入口之间的距离相当短，可以使用具有小于常规触摸屏中垂直于阵列轴尺寸的传感器。最好，可以使用一个聚焦传感器，这种聚焦传感器在波导的入口处拥有一个可更有效地把声能耦合进波导的焦点。接收传感器也可以是聚焦型的，具有类似的优点(应该加以注意的是，在普通的触摸屏中，正常的情况下，不能有利地使用一个聚焦传感器，由于没有波导，声波束将发散到焦点17之外)。
与Rayleigh波不同，板波，例如切变波(例如ZOHPS和HOHPS)以及兰姆波，在它们所传播的基底的顶和底表面有大的声能密度。图4、5以及6说明了一个可选的优选实施方案，其中，把波导18耦合于基底19的一个第一表面，把反射阵列耦合于基底19的一个第二表面。在一个可选的实施方案中，波导的反射阵列是相反的。另外，还可以在表面之一或在两个表面上配置多个波导和/或阵列。
图7和8说明了波导/反射阵列组合的另一个可选的实施方案。在该实施方案中，波导50由一种导电的材料组成，例如由掺杂有银颗粒的玻璃粉组成。这使波导能够作为一种电气连接一个与之关联的传感器。因为一个传感器至少要求两个电气连接，所以波导50包括两个元件50a、50b。如图7中所示，把波导50耦合于基底54的第一侧52，把反射阵列56耦合于基底54的第二侧58。另外，如图9中所示，也可把波导50和反射阵列56耦合于基底54的同一侧。在该配置中，把波导50置于基底54，并固化，此后，例如把由UV可固化的材料制造的反射阵列置于波导的顶部。
再次参照图4，图4示意性地描述了一个根据本发明的声触摸屏1a。具有波导18，阵列24的反射元件14可以窄于常规阵列中的反射元件，它们可以是传送传感器23a和23b、接收传感器26a和26b。因此，边界区域15a窄于常规的触摸屏中的边界区域。
本领域技术人员将会领悟到一个触摸屏将不必在其所有4个边上拥有相等宽度的边界区域。实际上，为了强调该点，在图4中，触摸屏1a特意被画成一个边界区域15a(底下的一个)宽于其它各边界区域。在使用由除触摸屏制造商之外的某些其他制造商制造的CRT或液晶显示器(LCD)情况下，情况更是如此。出于对触摸屏无关的考虑，CRT或LCD制造商可能会制造一个拥有不相等宽度的边界区域的显示器。因此，某些边界区域可能能够容纳一个常规的反射阵列，而其它边界区域将要求一个根据本发明的波导反射器阵列。本发明不要求触摸屏中的所有反射阵列与一个波导一起运作，或波导的长度与阵列的长度相同。在边界区域足够宽的情况下，不需要使用一个波导的阵列(尽管不排除对它的使用)。根据边界区域的宽度，一个矩形的触摸屏可以拥有1、2、3或4个波导的阵列。
图10说明了本发明的另一个可选的实施方案。其中，把反射元件阵列“建造”到波导中。把波导60分段成多个部分60a。较佳的做法是，把波导60沿其长度在每一部分60a之间分隔一个间隙62。较佳的做法是令间隙62为(n+1/2)λ，其中n为任意整数，λ为波长。每一部分60a至少拥有一个对角面64，对角面64起声反射元件的作用，以跨越触摸屏表面偏转来自声波66的能量。
概念上讲，声波导类似于光波导它由一个为一种覆层材料所环绕的核心材料组成，使用在核心区域中具有比覆层区域中较慢传播速度的导波(无论是光的还是声的导波)。图11a描述的是如何能够把声波导18构造于触摸屏的表面上的一个截面图。把一个核心24(例如，掺入银的玻璃粉)沉积在触摸屏基底27上，触摸屏基底27通常由玻璃(例如，硼硅酸盐或苏打石灰)制造。因为一个声波在核心24中比在基底27中传播得慢，所以基底27可有效地用作一个覆层。图11b描述的是如何能够在波导18的顶部实现一个反射元件14的断面图。另外，波导和阵列也可在同样的制造阶段采用相同的材料制成。
图11c描述了一个可选的波导结构，其中所沉积的材料是一个覆层25，拥有一个比基底27高的传播速度，然后，在该实例中，用作核心。因此，图11c的结构是图11a的结构的一个相反的结构。
图11a和11c的波导是覆盖波导的一些实例，之所以如此命名，是因为把某种材料的一条材料放置在了另一种材料的基底的顶部。也可以使用其它类型的波导，例如形貌波导(topographic waveguide)，其中通过基底表面中的一个局部缺陷形成波导。图11d描述了一个形貌波导，其中楔28为缺陷。缺陷可以拥有其它的形状，例如，一个矩形脊。本领域技术人员将会领悟到适合于在本发明中使用的波导的许多设计都是可行的。参照所发表的文章，例如Oliner所撰写的“Waveguides for Acoustic Surface WavesA Review”，IEEE会议论文集，64卷，第5号，第615～625页(1976年5月)，以及其中所引用的参照材料。例如，波导和/或反射器阵列可以由玻璃粉制造。另外，波导还可以是基底中的一个图案或凹部。波导也可以为一系列图案或凹部，其中图案出现在为宽度y的一个条中。
参照图4和/或10，加入波导使反射阵列能够拥有一个相对于阵列长度的窄于常规阵列的宽度。以波长为单位，该阵列可拥有一个小于也是以波长为单位的阵列长度尺寸的平方根的大约1/3的平均的宽度或横向尺寸。平均的宽度旨在限定取代阵列长度的阵列平均宽度。
本发明的先前的详细描述包括那些主要和专门涉及本发明的具体部分或方面的章节。应该认识到这仅仅是为了清楚和方便起见，与前面的对某一特性加以公开的那一章节相比，实际上可以更多地涉及该特性，此处所公开的内容包括不同章节中可以发现的所有信息的所有适当的组合。相类似，尽管此处各个附图和描述涉及本发明的具体实施方案，但应该认识到就某一具体的图或实施方案公开某一具体特性的描述，在一定程度上，也可以在就另一张图或实施方案、就另一特性的组合、或就本发明的总体描述中使用。
另外，尽管已就某些优选实施方案，对本发明专门地进行了描述，但本发明不局限于这些优选实施方案，相反，本发明的范围由所附权利要求加以限定。
权利要求
1.一种触摸屏，包括(a)能够传播声波的基底，它拥有(i)触摸感应区，以及(ii)沿触摸感应区的边界区域；(b)部分声反射元件的阵列，拥有一个横向尺寸，该阵列位于边界区域的一部分之中，并被定位成把一个声信号接收到触摸感应区之中或传送到触摸感应区之外；(c)一个声波导，位于边界区域的一部分中，该声波导拥有一个小于阵列横向尺寸的横向尺寸。
2.如权利要求1中所述的一种触摸屏，还包括位于边界区域第二部分中的部分声反射元件的第二阵列，并且被定位成在声信号跨越触摸感应区传播之后接收声信号；以及其中，对第一阵列加以定位，以把声信号传送到触摸感应区中，并把波导定位在边界区域的第一部分或第二部分。
3.根据权利要求2的一种触摸屏，还包括声耦合于基底表面的第一传感器，并且被定位成沿边界区域的第一部分传送声信号；声耦合于基底表面的第二传感器，并且被定位成接收沿边界区域的第二部分传播的声信号。
4.根据权利要求3的一种触摸屏，其中，第一和第二传感器中的至少一个为聚焦传感器。
5.根据权利要求1的一种触摸屏，其中，所述波导为覆盖波导。
6.根据权利要求1的一种触摸屏，其中，所述波导为分段的波导。
7.根据权利要求1的一种触摸屏，其中，所述波导为形貌波导。
8.一种触摸屏，包括能够沿触摸感应区传播声波的基底，它拥有触摸感应区和边界区域；部分声反射元件的阵列，附接在基底的第一表面上，位于边界区域的一部分中，并且被定位成把声信号接收到触摸感应区之中或传送到触摸感应区之外；以及声波导，附接在基底的第二表面上，并位于边界区域的一部分中，以把声信号沿线性阵列引导。
9.一种触摸屏，包括能够沿触摸感应区传播声波的基底，它拥有触摸感应区和边界区域；部分声反射元件的阵列，拥有一个以波长为单位的平均横向尺寸，该平均横向尺寸小于以波长为单位的阵列纵向尺寸的平方根的大约1/3。
全文摘要
一种声触摸屏(1a)拥有传送传感器(23a、23b)，用于生成声信号，部分声反射元件(14)的阵列(13)跨越一个触摸感应区(2)偏转这些信号。触摸感应区上的触摸导致声信号中的一个扰动。在穿过触摸感应区后，部分声反射元件(14)的另一个阵列(13)把声信号朝接收传感器(26a和26b)重新加以引导，在那里感应这些信号(以及任何扰动)。为了容纳具有窄边界区域(15a)的触摸屏，使用波导(18)跨越边界区域传播声信号。波导限定声信号沿一个窄路径宽度传播，但仍允许跨越触摸感应区对它们加以偏转。在该方式中，传感器和反射元件可以依次为较窄的结构，并能够适应窄边界区域。
文档编号G06F3/043GK1527988SQ01813416
公开日2004年9月8日 申请日期2001年4月4日 优先权日2000年5月26日
发明者P·I·戈梅斯, J·肯特, J·L·阿罗延, S·卡姆巴拉, P I 戈梅斯, 钒屠, 阿罗延 申请人:伊罗接触系统公司