專利名稱：超聲波觸摸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波觸摸系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一基體和在該基體一端表面上的超聲波換能系統(tǒng)，用來傳感手指或其它物體觸摸到基體該端表面，該超聲波換能系統(tǒng)含有其分別至少由一個叉指換能器構(gòu)成的超聲波輸入和輸出裝置。
傳統(tǒng)的觸摸面板分為兩種類型，電阻薄膜型和超聲波型。電阻薄膜型觸摸面板有一電導透明膜，當觸摸該透明膜時，其電阻大小變化。在低能耗下使用電阻薄膜型觸摸面板在響應(yīng)時間、靈敏度、壽命和其它方面存在著一些問題。超聲波型觸摸面板有一在聲音振動下的非壓電片，當觸摸該非壓電片時，振動減小。用于在非壓電片上產(chǎn)生聲振的傳統(tǒng)裝置包括通過帶有體波振動器的楔形換能器間接使非壓電片振動的裝置，通過壓電薄膜換能器直接使非壓電片振動的裝置以及其它裝置。楔形換能器由于楔角的制造精度難以保證等原因只在相對低的頻率下操作用于無損超聲鑒定和其它方面。在壓電薄膜換能器中，將由ZnO和其它物質(zhì)制成的壓電薄膜安置在帶有在其上產(chǎn)生聲振的叉指換能器的非壓電片上，由于該叉指換能器根據(jù)其結(jié)構(gòu)顯示不同的傳輸特性，壓電薄膜換能器作為高頻儀器使用。然而，壓電薄膜換能器其工作頻率限于UHF和VHF波段，并且在制造和大批量生產(chǎn)方面存在一些問題。因此，在具有限定工作頻率的傳統(tǒng)觸摸面板中，響應(yīng)時間、靈敏度、壽命、制造、批量生產(chǎn)和其它方面都存在一些問題。
本發(fā)明的一個目的就是提供一種能在基體上產(chǎn)生有高效聲振的觸摸系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能以高靈敏度和快的響應(yīng)時間傳感手指或其它物體觸摸該基體的觸摸系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在壽命、制造、批量生產(chǎn)和其它方面都優(yōu)良的觸摸系統(tǒng)。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種在低壓能耗狀態(tài)下工作的觸摸系統(tǒng)。
本發(fā)明再一個目的是提供一種小型、輕巧并且有簡單結(jié)構(gòu)的觸摸系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所提供的觸摸系統(tǒng)包含一個基體和至少一個在其一端表面Z1上的超聲波換能系統(tǒng)，該超聲波換能系統(tǒng)含有至少一個叉指型換能器P和至少一個與其對應(yīng)的叉指換能器Q。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個裝置用于將具有近似與叉指換能器P的叉指周期相應(yīng)頻率的電信號施加于叉指換能器P，然后在端表面Z1上產(chǎn)生其波長約等于該叉指周期的聲波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個裝置用于從叉指換能器Q發(fā)出一個其頻率近似與該端表面Z1上的聲波波長相應(yīng)的電信號，將叉指換能器P和Q安置成面對面以形成一對從而使叉指換能器P聲波的傳輸方向與叉指換能器Q的聲波接收方向相同。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個裝置用于通過在叉指型換能器Q中檢測到的電信號大小用手指或其它物體傳感對該端表面Z1上聲波傳播媒介的一部分的觸摸。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個由幾乎透明的壓電陶瓷制成的基體，其極化軸的方向與其厚度方向平行，將叉指換能器P和Q直接安裝在該端表面Z1上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)置有一個由非壓電體制成的基體，超聲波換能系統(tǒng)包含一個由壓電薄片TA及安裝在其上的叉指換能器P組成的輸入裝置A和一個由壓電薄片TB及安裝在其上的叉指換能器Q組成的輸出裝置B，壓電薄片TA和TB安裝在該端表面Z1上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個超聲波換能系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含N個叉指換能器Pi(i＝1，2...，N)，及N個叉指換能器組Qi(i＝1，2...，N)，該換能器組Qi至少由兩個叉指換能器Qi-1和Qi-2構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有一個連接點M1，叉指換能器Qi-1的每個輸出端在此相互連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有一個連接點M，叉指換能器Qi-2的每個輸出端在此相互連接，通過分別從連接點M1和M2發(fā)出的電信號的大小檢測手指或其它物體對該端表面Z1上聲波傳播介質(zhì)一部分的觸摸。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有N個轉(zhuǎn)換器Si(i＝1，2，...N)，其輸出端與叉指換能器Pi的每一輸入端相連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有一用于控制轉(zhuǎn)換器Si以固定的周期輪流開通和關(guān)閉的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有一連接點MS，轉(zhuǎn)換器Si的每個輸入端在此相互連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)有一個放大器，連接點M1通過該放大器與連接點MS相連接。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，設(shè)有包含N個相應(yīng)傳播路徑Di(i＝1，2，...，N)作為延遲元件的N個振蕩器Hi(i＝1，2...N)，該傳播路徑Di包含叉指換能器Pi和叉指換能器Qi-1間的基體，該振蕩器Hi的各自信號回路包含叉指換能器Pi、傳播路徑Di、叉指換能器Qi-1和該放大器。
從下面參照附圖的描述將闡明本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的截面視圖;
圖2示出了在壓電薄片2中每一階波型的聲波相速度與Kd值或d/λ值間的關(guān)系;
圖3示出了在壓電薄片2中每一階波型的聲波相速度與Kd值或d/λ值間的關(guān)系;
圖4示出了Kd值或d/λ值與機電耦合常數(shù)K2間的關(guān)系;
圖5示出了K2值與Kd值或d/λ值間的關(guān)系;
圖6示出了K2值與Kd值或d/λ值間的關(guān)系;
圖7示出了K2值與Kd值或d/λ值間的關(guān)系;
圖8示出了與第一階波型聲波中幾乎最大K2值相對應(yīng)，fd值為1.0MHz.mm的位移與深度間的關(guān)系;
圖9示出了與第二階波型聲波中幾乎最大K2值相對應(yīng)，fd值為2.0MHz.mm的位移與深度間的關(guān)系;
圖10示出了與第三階波型聲波中幾乎最大K2值相對應(yīng)、fd值為3.0MHz.mm的位移與深度間的關(guān)系;
圖11示出了在第0階波型聲波中fd值為0.7MHz.mm的位移與深度間的關(guān)系;
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖;
圖13示出了圖12中輸入裝置DT1的透視圖;
圖14示出了圖12所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在rf脈沖工作下的示意圖;
圖15示出了圖12所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在帶有延遲線振蕩器工作時的示意圖;
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖;
圖17示出了圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中輸入裝置DTX和輸出裝置DRX的平面布置圖;
圖18(a)示出了取代圖16所見叉指換能器的一個叉指換能器的平面布置圖;
圖18(b)示出了取代圖16所見叉指換能器的一個叉指換能器的平面布置圖;
圖19示出了圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在rf脈沖工作下的示意圖;
圖20示出了對應(yīng)圖19中①-⑨各自部分的波形;
圖21示出了圖16中超聲波觸摸系統(tǒng)在帶有延遲線振蕩器工作下的示意圖;
圖22示出了在未觸摸基體5的情況下，頻率對叉指換能器T1和R11之間插入損耗的關(guān)系曲線。
圖23示出了在觸摸基體5的情況下，頻率對叉指換能器T1和R11間的插入損耗的關(guān)系曲線;
圖24示出了在未觸摸基體5的情況下以3.96MHzrf脈沖工作時的叉指換能器T1和R11之間的響應(yīng)。
圖25示出了在觸摸基體5的情況下，以3.96MHzrf脈沖工作時的叉指換能器T1和R11之間的響應(yīng)。
圖26示出了在圖21所示的延遲線振蕩器中相對振幅與頻率之間的關(guān)系。
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖;
圖28示出了圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中的叉指換能器T1、T2、R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23和R24的平面布置圖;
圖29示出了在用圖27所示的延遲線振蕩器工作時的放大器A或B的電路圖;
圖30示出了頻率對在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中所用的延遲線振蕩器的插入損耗和相位的關(guān)系曲線;
圖31示出了在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中所用的延遲線振蕩器的相對振幅與頻率間的關(guān)系。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的截面視圖。該超聲波觸摸系統(tǒng)包含一個輸入裝置DT、一個輸出裝置DR和一個由硼硅玻璃制成的1.9mm厚的基體1。該輸入裝置DT有一其材料為TDK-91A(牌號名)、220μm厚的壓電薄片2以及由一鋁薄膜制成的叉指換能器T。輸出裝置DR有一壓電薄片2和一與叉指換能器T材料和大小相同的叉指換能器R。將標準型號的叉指換能器T和R安置在每一壓電薄片2上，而每一壓電薄片用厚度約為20μm的環(huán)氧樹脂粘接在基體1上。分別由10個指對構(gòu)成的兩個叉指換能器T和R其叉指周期為640μm，中心頻率為5.1MHz。如果一個其頻率約等于叉指換能器T的中心頻率的電信號通過叉指換能器T施加于輸入裝置DT，則該電信號被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú鬏斨粱w1上的壓電薄片2。這時，就可能在低壓低能耗下有效地在基體1上產(chǎn)生第一波型或更高階波型的聲波。并且，壓電薄片2中聲波的相速度近似等于在單層介質(zhì)態(tài)下存在的基體1上表面聲波的傳播速度。因此不僅能增大從輸入電信號到聲波的變換效率，并且能消除反射和由失配及其它在壓電薄片2和基體1間的邊界表面的聲阻抗等原因產(chǎn)生的其它問題。將其頻率約等于叉指換能器R的中心頻率的聲波轉(zhuǎn)換為電信號并由叉指換能器R檢測出。這樣，輸入裝置DT和輸出裝置DR構(gòu)成一結(jié)構(gòu)簡單的超聲波換能系統(tǒng)，這里將叉指換能器T和R彼此面對面地安置以形成一對從而使來自叉指換能器T的聲波傳送方向與其由叉指換能器R的接收方向相同。當圖1所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，在叉指換能器T和R間的基體1上產(chǎn)生的超聲波隨著用手指或其它物體觸摸叉指換能器T和R之間的基體而減弱。從而由叉指換能器R檢測到的電信號被減弱。因此，有可能以高靈敏度和快的響應(yīng)時間感測手指或其它物體對基體1的觸摸。
圖2示出了壓電薄膜2中每一種波型的聲波其相速度與Kd值或d/λ值間的關(guān)系，Kd值是壓電薄膜2中的聲波波數(shù)K與該壓電薄片2厚度d的乘積，d/λ值是厚度d與壓電薄片2中聲波波長λ的比值。
圖2中的數(shù)字對應(yīng)波型階數(shù)，符號0表示觀察到的值。有兩種類型的壓電薄片2。一種類型的壓電薄片2的一個表面與基體1接觸并處于電開路狀態(tài)，另一表面涂有金屬薄層，涂有金屬薄層造成電短路狀態(tài)。另一種類型的壓電薄片2兩表面都分別涂有金屬薄層，使兩表面都為電短路狀態(tài)。圖1所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中的壓電薄片2中的聲波有各種不同的波型。當Kd值為零時，壓電薄片2中第零階波型聲波的速度與作為單層介質(zhì)態(tài)存在情況下的基體1上聲波的速度一致。隨著Kd值變大，壓電薄片2中第零階波型聲波的速度接近在單層介質(zhì)態(tài)下存在的壓電薄片2中聲波的速度。在高于零階的波型中存在截止頻率。因此，當Kd值甚小時，壓電薄片2中高階波型聲波的速度接近在單層介質(zhì)態(tài)存在情況下的基體1上的側(cè)波(sidewave)的速度。
圖3示出了壓電薄片2中每一種波型的聲波的相速度與Kd值或d/λ值間的關(guān)系。圖3中的數(shù)字對應(yīng)波型的階數(shù)，符號0表示觀察到的值。有兩種類型的壓電薄片2。一種壓電薄片2每一表面都處在電開路狀態(tài)下。鼉一種壓電薄片2其一面與基體1相接觸并處在電短路狀態(tài)下，另一表面暴露在空氣中并在電開路狀態(tài)下。當Kd值為零時，壓電薄片2中第零階波型聲波的速度與在單層介質(zhì)態(tài)存在下的基體1上的聲波速度相一致。隨著Kd值變大，壓電薄片2中第零階聲波的速度接近壓電薄片2假如其在單層介質(zhì)態(tài)下存在時的聲波速度。在高于零階的波型中存在著截止頻率。因此，當Kd值甚小時壓電薄片2中的較高階波型的聲波速度接近于基體1上假如其在單層介質(zhì)態(tài)下存在時的剪切波的速度。
圖4示出了Kd值或d/λ值與機電耦合常數(shù)K2間的關(guān)系，該常數(shù)K2根據(jù)電開路和電短路狀態(tài)下各自相速度間的差異而算出。圖4中的數(shù)字對應(yīng)波型階數(shù)。壓電薄片2有一表面與基體1相接觸并有叉指換能器(IDT)T，另一表面為電短路狀態(tài)。較高階波型聲波的K2值大于零階聲波的K2值。特別是，當一階聲波的Kd值為1.8時，K2值為17.7%，出現(xiàn)最大值。
圖5示出K2值與Kd值或d/λ值間的關(guān)系。圖5中的數(shù)字對應(yīng)于波型的階數(shù)。壓電薄片2的一表面與基體1相接觸并有叉指換能器T，另一表面暴露在空氣中并處在電開路狀態(tài)。較高階聲波的K2值大于零階聲波的K2值。
圖6示出了K2值與Kd值或d/λ值之間的關(guān)系。圖6中的數(shù)字對應(yīng)于波型的階數(shù)。壓電薄片2其一個表面與基體1相接觸并處在電短路狀態(tài)，另一表面具有叉指換能器T。
圖7示出了K2值與Kd值或d/λ值間的關(guān)系。圖7中的數(shù)字對應(yīng)于波型的階數(shù)。壓電薄片2的一表面與基體1相接觸并處在電開路狀態(tài)另一表面有叉指換能器T。
從圖2到圖7可清楚看到當壓電薄片2中一階或更高階聲波的相速度與假如其在單層介質(zhì)態(tài)下存在的基體1上的聲波速度相一致時，K2值為最大。
從圖4到圖7也清楚看到，當壓電薄片2的一個表面與基體1相接觸并有叉指換能器T，而另一表面處在電短路狀態(tài)下時，施加于叉指換能器T的電能轉(zhuǎn)換為聲波的轉(zhuǎn)換效率增大。
當在圖1所示的超聲波觸摸系統(tǒng)的基體1上產(chǎn)生聲波時，必須考慮反射和其它由失配及其它在壓電薄片2和基體1間的邊界表面的聲阻抗等原因而產(chǎn)生的其它問題。為使反射系數(shù)最小，必須這樣來設(shè)計超聲波觸摸系統(tǒng)，即使壓電薄片2中的聲波相速度與在單層介質(zhì)態(tài)下存在的基體1上表面聲波的速度相一致，或使d/λ值變小等等。如果d值為常數(shù)，與二階波型相比一階波型的聲波是適用的，與三階波型相比二階波型的聲波是適用的?？傊?，當d值小于叉指換能器的叉指周期并且該叉指周期約等于一階或更高階聲波波長時，不僅可能提高將施加于叉指換能器T的電能轉(zhuǎn)換為聲波的轉(zhuǎn)換效率，而且能消除反射和由失配及其它在壓電薄片2和基體1間的邊界表面的聲阻抗等原因而產(chǎn)生的其它問題。
當壓電薄片2含有壓電陶瓷，其極化軸的方向與厚度方向相互平行時，可在基體1上有效地產(chǎn)生一階波型或更高階波型的聲波。
當壓電薄片2含有由高聚合化合物諸如PVDF等制成的壓電薄膜時，在基體1上能有效地產(chǎn)生一階或更高階波型的聲波。
當基體1含有丙烯酸鹽片或其它透明高聚合化合物時，能在基體1上有效地產(chǎn)生聲波。當壓電薄片2含有單晶例如LiNbO3或LiTaO3時，能有效地在基體1上產(chǎn)生聲波。
圖8示出了fd值為在一階聲波中對應(yīng)幾乎最大K2值的1.0MHz.mm時的位移與深度間的關(guān)系。fd值為壓電薄片2中的聲波頻率與d值的乘積。壓電薄片2兩表面都處在電開路狀態(tài)下。圖8中U1和U3分別示出位移的平行分量和垂直分量。該位移由最大值規(guī)范化。零深度表示壓電薄膜2和基體1間的邊界面。位移U1和U3都由最大值(U21+U23)1/2規(guī)范化。基體1上一階聲波的位移分量的比率為58%。
圖9示出了fd值為在二階聲波中對應(yīng)幾乎最大K2值的2.0MHz.mm時的位移與深度間的關(guān)系。壓電薄片2兩表面都處在電開路狀態(tài)?；w1上的二階聲波的位移分量的比率為52%。
圖10示出了fd值為3.0MHz.mm時位移與深度間的關(guān)系，該fd值對應(yīng)三階聲波中幾乎最大的K2值。壓電薄片2兩表面都處在電開路狀態(tài)?；w1上三階聲波的位移分量的比率為47%。
圖11示出了在零階聲波中fd為0.7MHz.mm時的位移和深度間的關(guān)系。壓電薄片2的一表面與基體1相接觸并處在電開路狀態(tài)，另一表面有叉指換能器并處在電短路狀態(tài)。該零階聲波聚集在壓電薄片2表面附近，接近在單層介質(zhì)態(tài)下存在的壓電薄片2中的聲波。
從圖8到圖11清楚地看到，為在基體1上產(chǎn)生可用聲波適用一階或更高階聲波，因為該波型的聲波在基體1上聲波的位移分量的比率較大。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖。該超聲波觸摸系統(tǒng)含有七個輸入裝置DT1、DT2、DT3、DT4、DT5、DT6和DT7，七個輸出裝置DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6和DR7，以及由硼硅酸玻璃制成的長70mm，寬55mm和厚1.9mm的基體3。七個輸入裝置和七個輸出裝置都是用同樣的壓電材料制成，并具有同樣的功能和同樣的構(gòu)造。如果將電信號施加于每個輸入裝置，該電信號被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú鬏數(shù)交w3。基體3上的聲波再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由對?yīng)于每個輸入裝置的每個輸出裝置檢測出該電信號。例如，施加于輸入裝置DT1的電信號被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú⒃谳敵鲅b置DR1中作為電信號被檢測出。這樣這七個輸入裝置和七個輸出裝置構(gòu)成分為兩組的七個超聲波感測系統(tǒng)，一組包括輸入裝置DT1、DT2和DT3以及輸出裝置DR1、DR2和DR3，另一組包括輸入裝置DT4、DT5、DT6和DT7以及輸出裝置DR4、DR5、DR6和DR7。并且，基體3上一組中聲波的傳播方向與另一組中的垂直。
圖13示出了圖12中所見的輸入裝置DT1的透視圖。輸入裝置DT1有一片其材料為TDK-91A(牌號名)、長10mm、寬10mm、厚220μm的壓電薄片4，以及一個由鋁薄膜制成的叉指換能器T。該標準型的叉指換能器T安置在壓電薄片4上，而該壓電薄片4用20μm厚的環(huán)氧樹脂粘接在基體3上。叉指換能器T含有十指對，其叉指周期為640μm，重疊長度為5mm。其它輸入裝置及輸出裝置與輸入裝置DT1有同樣的結(jié)構(gòu)。
如果通過每個輸入叉指換能器將其頻率與圖12所示超聲波觸摸系統(tǒng)中每個輸入叉指換能器的中心頻率近似相等的電信號施加于每個輸入裝置，則該電信號被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ǎ鬏數(shù)交w3上的壓電薄片4。其頻率近似等于每個輸出叉指換能器的中心頻率的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒂奢敵霾嬷笓Q能器檢測出。當壓電薄片4的厚度小于每個叉指換能器的叉指周期，并且每個叉指換能器的叉指周期近似等于一階或高階聲波波長時，在基體3上產(chǎn)生一階或高階聲波。同時，如果壓電薄片4中聲波的相速度近似等于以單層介質(zhì)態(tài)下存在的基體3上表面聲波的傳播速度，則不僅能夠增大施加于輸入叉指換能器的電能到聲波的轉(zhuǎn)換效率，而且能消除反射和由失配及其它壓電薄片4和基體3間的邊界表面的聲阻抗等原因產(chǎn)生的其它問題。因此，在低壓低能耗下能有效地在基體3上產(chǎn)生聲波。
當壓電薄片4含有壓電陶瓷，其極化軸的方向與厚度方向相互平行時，能有效地在基體3上產(chǎn)生一階或高階聲波。
當壓電薄片4含有由如PVDF等高聚合化合物制成的壓電薄膜時，在基體3上能有效地產(chǎn)生一階或高階聲波。
當基體3含有丙烯酸鹽片或其它透明高聚合化合物時，在基體3上能有效地產(chǎn)生聲波。當壓電薄片4含有如LiNbO3或LiTaO3的單晶體時，在基體3上能有效地產(chǎn)生聲波。
當圖12所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，隨著用手指或其他物體觸摸基體3，在其上傳播的聲波被減弱。在兩個傳播方向交會處的聲波隨著用手指或其它物體觸摸其上而減弱，該兩個傳播方向例如一個是輸入裝置DT1和輸出裝置DR1之間的區(qū)域，另一個是輸入裝置DT4和輸出裝置DR4之間的區(qū)域。因此，由相應(yīng)的輸出叉指換能器檢測的電信號也隨之減弱。因此能以高靈敏度和快響應(yīng)時間去檢測手指或其它物體對基體3的觸摸。另外，從輸出叉指換能器能確定觸摸位置，那里電信號被減弱了。與此同時，如果有更多的叉指換能器系統(tǒng)，其每個系統(tǒng)含有一對輸入和輸出裝置，諸如輸入裝置DT1和輸出裝置DR1，則能更精確地確定觸摸位置。
圖14示出了圖12所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在rf脈沖工作下的示意圖。如果通過叉指換能器將rf脈沖①施加于輸入裝置，輸出叉指換能器檢測出電信號②，該電信號②通過放大器放大。放大器檢測出的電信號③通過倍壓整流器轉(zhuǎn)換成直流電壓④。與此同時，在觸摸基體3情況下的直流電壓④不同于未觸摸基體3情況下的直流電壓④。總之，有兩種直流電壓④。通過將閾值電壓設(shè)置在適當?shù)碾娖?，可分別將兩種直流電壓④設(shè)定在比較器中的兩個固定值⑤。因此，在觸摸基體3情況下的電壓⑤為0V，在未觸摸基體3情況下的電壓⑤為5V。
圖15示出了圖12所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在用延遲線振蕩器工作時的示意圖。如果通過叉指換能器將電信號施加于輸入裝置，輸出叉指換能器則檢測到一個電信號并通過放大器進行放大。通過倍壓整流器將放大器檢測出的電信號①轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷孩?。同時，該直流電壓②在觸摸基體3的情況下的值不同于未觸摸基體3情況下的值?？傊?，有兩種直流電壓②。通過將閾值電壓設(shè)置在適當?shù)碾娖?，可分別將這兩種直流電壓設(shè)定為固定值。用延遲線振蕩器工作不需要脈沖發(fā)生器。因此，能提供一種小型重量很輕，而結(jié)構(gòu)簡單的超聲波觸摸系統(tǒng)。
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明第三個實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖。該超聲波觸摸系統(tǒng)含有兩個輸入裝置DTX和DTY，兩個輸出裝置DRX和DRY，由硼酸硅玻璃制成的長70mm、寬55mm、厚1.9mm的基體5，以及包括在顯示裝置中的顯示屏6，顯示屏6在圖16中未示出。輸入裝置DTX有一片其材料為TDK-101A(牌號名)厚度為230μm的壓電薄片7，以及兩個分別由鋁薄膜制成的叉指換能器T1和T2。輸入裝置DTY有一片壓電薄片7及兩個分別由鋁薄膜制成的叉指換能器T3和T4。輸入裝置DRX有一壓電薄片7和八個分別由鋁薄膜制成的叉指換能器R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23和R24。輸出裝置DRY有一壓電薄片7和八個分別由鋁薄膜制成的叉指換能器R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43和R44。每個標準型叉指換能器被安置在每片壓電薄片7上，而該壓電薄片7用約20μm厚的環(huán)氧樹脂粘接在基體5的一個表面上。顯示屏6安置在基體5另一沒有輸入及輸出裝置的表面上。每個叉指換能器含7.5指對，其叉指周期為640μm。
圖17示出了圖16示出的超聲波觸摸系統(tǒng)中輸入裝置DTX和輸出裝置DRX的平面布置圖。輸入裝置DTX和輸出裝置DRX置于相對兩端。同樣，輸入裝置DTY和輸出裝置DRY置于相對兩端。叉指換能器T1、T2、T3和T4分別有18mm的重疊長度。叉指換能器R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43和R44分別有2.7mm的重疊長度。叉指換能器R11、R12、R13和R14對應(yīng)于叉指換能器T1。叉指換能器R21、R22、R23和R24對應(yīng)于叉指換能器T2。叉指換能器R31、R32、R33和R34對應(yīng)于叉指換能器T3。叉指換能器R41、R42、R43和R44對應(yīng)于叉指換能器T4。
如果將一電信號施加于圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)的輸入裝置DTX和DTY，則在基體5上產(chǎn)生聲波。該聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒂奢敵鲅b置DRX和DRY檢測。這樣，兩個輸入裝置和兩個輸出裝置構(gòu)成分為兩組的十六個超聲波檢測系統(tǒng)，一組包括輸入裝置DTX和輸出裝置DRX，另一組包括輸入裝置DTY和輸出裝置DRY。并且基體5上的聲波在第一組中的傳播方向與第二組中的傳播方向垂直。
當圖16中所示的壓電薄片7的厚度小于每個叉指換能器的叉指周期，并且每個叉指換能器的叉指周期近似等于一階或高階聲波的波長時，在基體5上產(chǎn)生一階或高階聲波。與此同時，如果壓電薄片7中聲波的相速度近似等于在單層介質(zhì)態(tài)下存在時基體5上表面聲波的傳播速度，則不僅能提高將施加于輸入叉指換能器的電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ǖ霓D(zhuǎn)換效率，而且能消除反射及由失配和由其它在壓電薄片7和基體5間的邊界表面的聲阻抗等原因產(chǎn)生的其它問題。這樣，能在低壓低能耗情況下在基體5上有效地產(chǎn)生聲波。
當壓電薄片7含有壓電陶瓷并且其極化軸的方向與其厚度方向相互平行時，便能在基體5上有效地產(chǎn)生一階或高階聲波波型。
當壓電薄片7含有由如PVDF等高聚合化合物制成的壓電薄膜時，在基體5上便能有效地產(chǎn)生一階或高階聲波波型。
當基體5含有丙烯酸鹽片或其它透明性高聚合化合物時，便能有效地在基體5上產(chǎn)生聲波。當壓電薄片7含有如LiNbO3或LiTaO3單晶體時，能在基體5上有效地產(chǎn)生聲波。
當將根據(jù)本發(fā)明的超聲波觸摸系統(tǒng)插入到計算機等內(nèi)的顯示器中時，如此固定超聲波觸摸系統(tǒng)的基體以使具有輸入和輸出裝置的表面朝外，并且只有該表面上被輸入和輸出裝置包圍的區(qū)域暴露在外面。
圖18(a)示出了替代圖16中所見的叉指換能器的叉指換能器的平面布置圖。圖18(a)示出兩個叉指周期，第一個的重疊長度不同于第二個的重疊長度。一個含有5指對其叉指周期為620μm，另一個含有5指對，其叉指周期為295μm。當使用這些叉指換能器時，將它們安置成使含有其叉指周期為295μm的5指對部分彼此相對朝內(nèi)，因為在叉指周期較小的情況下基體5上產(chǎn)生的較高頻率的聲波在基體5上大大減弱。這樣，將叉指換能器安置成使具有較小叉指周期的部分具有較短的聲波傳播距離。這種致使具有較小叉指周期的指對相互朝里的安置抑制了基體5上聲波的減弱。
圖18(b)示出了取代圖16所見叉指換能器的叉指換能器的平面圖。該叉指換能器的叉指周期沿著位于其中部的電極指方向呈雙曲線變化。該叉指換能器有26.5指對其叉指周期為260μm-390μm，重疊長度為23.4mm。當使用該叉指換能器時，它們對兩個叉指換能器間的中心線取相互對稱的位置。在上面裝置構(gòu)造中，工作頻率在從5.4MHz到8.2MHz的范圍中。
圖19示出了圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在rf脈沖工作狀態(tài)下的示意圖。圖20示出了對應(yīng)圖19所見的①-⑨各部分的波形。當圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，通過相應(yīng)的來自計算機的時鐘脈沖②-1和②-2在相應(yīng)的雙平衡混頻器(DBMs)1和2中將由一個函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的連續(xù)波①調(diào)制為rf脈沖③-1和③-2。DBM1和DBM2起切換作用將rf脈沖施加于叉指換能器T1和T3(IDTs的T1組)或叉指換能器T2和T4(IDTs的T2組)。如果將rf脈沖施加于IDTs的T1組中每一個換能器，則其頻率近似對應(yīng)于IDTs的T1組的叉指周期的rf脈沖被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú⒈粋鬟f到輸入裝置DTX和TDY中各自的壓電薄膜7，然后再傳遞至基體5。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R11、R12、R13、R14、R31、R32、R33和R34(IDTs的R1組)的每個叉指周期的聲波轉(zhuǎn)變?yōu)檠舆t電信號并由IDTs的R1組檢測出。如果將rf脈沖施加于IDTs的T2組中每個換能器，其頻率近似對應(yīng)于IDTs的T2組的叉指周期的rf脈沖被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú鬟f到輸入裝置DTX和DTY中各自壓電薄片7，然后再傳遞至基體5。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R21、R22、R23、R24、R41、R42、R43和R44(IDTs的R2組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒊DTs的R2組檢測的延遲電信號。如果輪流將rf脈沖施加于IDTs的T1和T2組，則延遲電信號輪流在IDTs的R1和R2組檢測出。叉指換能器R11和R21，R12和R22，R13和R23，R14和R24，R31和R41，R32和R42，R33和R43，以及R34和R44間的結(jié)點構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)的初基(simple)。另外，由每對叉指換能器例如叉指換能器對R11和R21檢測出的延遲電信號④被接收以致于它們相互重疊。因此，當用比基體5軟且易吸收聲波的物質(zhì)觸摸基體5上該聲波的由IDTs的T1和R1組構(gòu)成的傳播路徑時，只在將電信號施加于IDTs的T1組中每個換能器情況下觸摸位置上的聲波被減弱⑤。以同樣方式，用該物質(zhì)觸摸基體5上聲波的由IDTs的T2和R2組構(gòu)成的傳播路徑時則只在將電信號施加于IDTs的T2組中每個換能器情況下，觸摸位置上的聲波被減弱⑥。這樣的延遲電信號④、⑤和⑥通過放大器放大并通過倍壓整流器整流，然后分別變?yōu)橹绷麟娏餍盘枹摺ⅱ嗪廷?。通過在直流信號⑦和⑧或⑦和⑨間將閾值電壓設(shè)置在適當?shù)闹?，則在比較器中分別獲得對應(yīng)于該直流信號⑦、⑧和⑨的數(shù)字信號。該數(shù)字信號由計算機作為具有特定計時的并行信號而予以接納。這樣。圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)具有短的響應(yīng)時間、因而有高靈敏度。因此，能清楚而快速地指定基體5上的觸摸位置。如果有更多的分別由輸入叉指換能器和輸出叉指換能器構(gòu)成的超聲波換能系統(tǒng)，則基體5上被觸摸的位置可以更精確地加以指定。
圖21示出了圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)在用延遲線振蕩器工作時的示意圖。對應(yīng)于圖21中所見的①-⑨各自部分的波形是與圖20相同的。該延遲線振蕩器有一8字形信號環(huán)，使基體5上叉指換能器T1和R11、或T2和R21間的區(qū)域為第一延遲單元，而基體5上叉指換能器T3和R31、或T4和R41間的區(qū)域為第二延遲單元。當圖21所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，開關(guān)S1、S2、S3和S4根據(jù)計算機的指令斷開和閉合。當開關(guān)S1和S3(開關(guān)的S1組)閉合時，開關(guān)S2和S4(開關(guān)的S2組)斷開。這樣，通過輪流斷開和閉合開關(guān)的S1和S2組，將電信號輪流加到IDTs的T1和T2組。施加于IDTs的T1或T2組的電信號①分別被來自計算機的相應(yīng)時鐘脈沖②-1或②-2調(diào)制成rf脈沖③-1或③-2。如果將rf脈沖③-1施加于IDT的T1組，則當開關(guān)的S1組閉合時，其頻率近似對應(yīng)于IDT的T1組的叉指周期的rf脈沖③-1便轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú鬟f到輸入裝置DTX和DTY內(nèi)各自壓電薄片7，再傳遞到基體5。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R11、R12、R13、R14、R31、R32、R33和R34(IDT的R1組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)換為延遲電信號并由IDT的R1組檢測。如果將rf脈沖③-2施加于IDT的T2組，則當開關(guān)的S2組閉合時，其頻率近似對應(yīng)于IDT的T2組的叉指周期的rf脈沖③-2被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡?，并傳遞到輸入裝置DTX和DTY中各自的壓電薄片7，然后傳遞到基體5。其波長近似對應(yīng)叉指換能器R21、R22、R23、R24、R41、R42、R43和R44(IDT的R2組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)換為延遲電信號，并由IDT的R2組檢測。這樣，如果輪流將電信號施加于IDT的T1和T2組，則由IDT的R1和R2組輪流檢測延遲電信號。叉指換能器R11和R21、R12和R22、R13和R23、R14和R24、R31和R41、R32和R42、R33和R43，以及R34和R44之間的結(jié)點構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)的初基。另外，由每一對叉指換能器例如叉指換能器對R11和R12檢測出的延遲電信號④被接收以致于相互重疊。由叉指換能器對R11和R21檢測的延遲電信號④的一部分以及由叉指換能器對R31和R41檢測出的延遲電信號④的一部分分別經(jīng)放大器A和B放大，并將其相位通過各自移相器移到固定值，再經(jīng)開關(guān)S1和S2組將相移后的兩個電信號施加于IDT的T1和T2組?？傊?，將經(jīng)開關(guān)S1和S2施加于叉指換能器T1和T2的電信號經(jīng)開關(guān)S3和S4施加于叉指換能器T3和T4，將經(jīng)開關(guān)S3和S4施加于叉指換能器T3和T4的電信號經(jīng)開關(guān)S1和S2施加于叉指換能器T1和T2。這樣，構(gòu)成具有8字形信號環(huán)的延遲線振蕩器。由每一叉指換能器對檢測出的延遲電信號④隨著觸摸基體5而減弱(⑤或⑥)。當用比基體5軟且易吸收聲波的物質(zhì)觸摸基體5上聲波的由IDT的T1和R1組構(gòu)成的傳播路徑時，則只在將電信號施加于IDT的T1組中每一換能器的情況下，被觸摸位置上的聲波減弱。同樣，用該物質(zhì)觸摸基體5上聲波的由IDT的T2和R2組構(gòu)成的傳播路徑時，僅僅在將電信號施加于IDT的T2組中每一換能器的情況下被觸摸位置上的聲波減弱。將這樣的延遲電信號④、⑤和⑥通過放大器放大并經(jīng)倍壓整流器整流，然后分別變?yōu)橹绷餍盘枹?、⑧和⑨。通過在直流信號⑦和⑧或⑦和⑨之間將閾值電壓設(shè)置在適當?shù)闹担瑒t經(jīng)比較器獲得分別與直流信號⑦、⑧和⑨對應(yīng)的數(shù)字信號。由計算機將該數(shù)字信號以具有特定計時的并行信號形式接納于其中。用延遲線振蕩器進行工作無需函數(shù)發(fā)生器。因此，與圖19所示的rf脈沖工作情況相比，能提供更小型、重量極輕、結(jié)構(gòu)簡單能在低壓低能耗下工作的超聲波觸摸系統(tǒng)。
當圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，根據(jù)計算機指令響應(yīng)觸摸位置而在顯示屏6上出現(xiàn)給定色彩的信息。與此同時，施加于IDT和T1或T2組的電信號的頻率對應(yīng)于該色彩。通過基體5能在顯示屏6上看到該信息。當觸摸基體5上聲波的傳播介質(zhì)時，聲波減弱，其顏色對應(yīng)于觸摸位置的信息出現(xiàn)在顯示屏6上。通過改變輸入電信號的頻率能指示顯示屏6的相同位置上其顏色對應(yīng)于輸入電信號頻率給定的每一信息。因此，當使用兩種輸入電信號頻率時，在顯示屏6的相同位置上獲得給定每一色彩的兩種信息。此外，該信息能持續(xù)顯示一段固定周期。這樣，當用比基體5軟且易吸收聲波的材料在基體5上寫(例如)字符時，該字符出現(xiàn)在顯示屏6上。如果圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)有如圖18(a)的示的叉指換能器，則可將兩種有各自對應(yīng)各自叉指周期且互不相同的頻率的輸入電信號施加于該叉指換能器。并且，可大大增加輸入電信號的數(shù)量，因為有許多種頻率近似對應(yīng)于每個叉指周期。結(jié)果，通過改變輸入電信號的頻率，在顯示屏6上可出現(xiàn)多種給定每一顏色的信息。
圖22示出了在未觸摸基體5的情況下，頻率對叉指換能器T1和R11間插入損耗的關(guān)系曲線。圖23示出了在觸摸基體5的情況下，頻率對叉指換能器T1和R11間插入損耗的關(guān)系曲線。3.96MHz周圍的峰值對應(yīng)于一階聲波。對于一階聲波，在未觸摸基體5情況下的插入損耗與觸摸基體5情況下的插入損耗間的差異約為10dB。這個插入損耗的差異足以在圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中處理該電信號。
圖24示出了在未觸摸基體5的情況下以3.96MHzrf脈沖工作的叉指換能器T1和R11間的響應(yīng)。圖25示出了在觸摸基體5的情況下以3.96MHzrf脈沖工作時的叉指換能器T1和R11之間的響應(yīng)。既然在叉指換能器T1和R11間有基體5，可以觀察到對觸摸基體5有好的響應(yīng)而無寄生信號的波形。因此，在圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中易于處理該電信號。
圖26示出了圖21所示的延遲線振蕩器中相對振幅與頻率間的關(guān)系。圖26中的f0對應(yīng)其頻率為3.951MHz的基模波。由于圖16所示的超聲波觸摸系統(tǒng)是用一階波型設(shè)計的，從而獲得無其它波型干擾的穩(wěn)定振蕩。另外，聲波在基體5上幾乎無延伸地傳遞，易于導致無其它波型干擾的振蕩。
圖27示出了根據(jù)本發(fā)明第四個實施例的超聲波觸摸系統(tǒng)的平面布置圖。該超聲波觸摸系統(tǒng)含有14個其重疊長度為5mm的叉指換能器，56個由鋁薄膜制成其重疊長度為0.8mm的叉指換能器，一個由Y與X相交128°增殖的(propagation)LiNbO制成的壓電基體8，其長為50mm、寬40mm、厚0.5mm，和一個未在圖27中示出的顯示屏9。在圖27中只示出了其重疊長度為5mm的叉指換能器T1、T2、T3和T4，以及其重疊長度為0.8mm的叉指換能器R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43和R44。包括在顯示裝置內(nèi)的顯示屏9安置在壓電基體8另一沒有輸入和輸出裝置的表面上。每一標準型的叉指換能器含有7.5指對，其叉指周期為640μm。
圖28示出圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中叉指換能器T1、T2、R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23和R24的平面布置圖。叉指換能器T1和T2與叉指換能器R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23和R24相對放置。同樣，叉指換能器T3和T4與叉指換能器R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43和R44相對放置。叉指換能器T1、T2、T3和T4用作輸入。叉指換能器R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43、和R44用作輸出。叉指換能器R11、R12、R13和R14對應(yīng)于叉指換能器T1。叉指換能器R21、R22、R23、R24對應(yīng)于叉指換能器T2。叉指換能器R31、R32、R33和R34對應(yīng)于叉指換能器T3。叉指換能器R41、R42、R43和R44對應(yīng)于叉指換能器T4。
如果分別將電信號施加于圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中輸入叉指換能器，則在壓電基體8上產(chǎn)生聲波。該聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€電信號并由輸出叉指換能器檢測。這樣，14個輸入叉指換能器和56個輸出叉指換能器構(gòu)成56個分為兩組的超聲波換能系統(tǒng)，壓電基體8上聲波在一組中的傳播方向與在另一組中的垂直。因此，圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)具有小型、輕巧、簡單的結(jié)構(gòu)，并在低電壓低能耗下工作。
在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中可以使用如圖18所示的具有至少兩種叉指周期的叉指換能器。例如，使用分別由兩部分構(gòu)成的叉指換能器，一部分含有5指對其叉指周期為178μm，另一部分含有5指對其叉指周期為160μm。當使用該叉指換能器時，將含有5指對其叉指周期為160μm的每部分相互內(nèi)側(cè)面相對安置，因為在叉指周期較小的情況下壓電基體8上產(chǎn)生具有較高頻率的聲頻，且在壓電基體8上較易被減弱。這樣，如此放置叉指換能器致使具有較小叉指周期的部分其聲波傳播距離較短。使具有較小叉指周期的指對彼此內(nèi)側(cè)面相對放置的安排抑制了壓電基體8上聲波的減弱。
在圖27所示的超聲觸摸系統(tǒng)中可以使用圖19中所示的rf脈沖操作。在這種情況下，各個部分①-⑨對應(yīng)于圖20中所示波形。當圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的連續(xù)波①被來自計算機的相應(yīng)的時鐘脈沖②-1和②-2在對應(yīng)的雙平衡混頻器(DBM)1和2中調(diào)制成rf脈沖③-1和③-2。DBM1和DBM2起切換作用將rf脈沖施加于叉指換能器T1和T3(IDT的T1組)或叉指換能器T2和T4(IDT的T2組)。如果將rf脈沖施加于IDT的T1組中每個換能器，則其頻率近似對應(yīng)IDT的T1組的叉指周期的rf脈沖被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú鬟f到壓電基體8。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R11、R12、R13、R14、R31、R32、R33和R34(IDT的R1組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)檠舆t電信號并由IDT的R1組檢測。如果將rf脈沖施加于IDT的T2組中每個換能器，則其頻率近似對應(yīng)于IDT中T2組的叉指周期的rf脈沖被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ú⒈粋鬟f到壓電基體8。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R21、R22、R23、R24、R41、R42、R43和R44(IDT的R2組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)檠舆t電信號并由IDT的R2組檢測。如果輪流將rf脈沖施加于IDT的T1和T2組，則延遲電信號輪流由IDT的R1和R2組檢測。叉指換能器R11和R12、R12和R22、R13和R23、R14和R24、R31和R41、R32和R42、R33和R43，以及R34和R44間的結(jié)點構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)的初基。另外，由每對叉指換能器例如叉指換能器對R11和R21檢測出的延遲電信號④被接收以致于它們相互重疊。因此，當用比壓電基體8軟且易吸收聲波的材料觸摸壓電基體8上聲波的由IDT的T1和R1組構(gòu)成的傳播路徑時，僅僅在將電信號施加于IDT的T1組中每個換能器的情況下，觸摸位置上的聲波減弱為⑤。同樣，用該材料觸摸壓電基體8上聲波的由IDT的T2和R2構(gòu)成的傳播路徑時，則只在將電信號施加于IDT的T2組中每個換能器的情況下，觸摸位置上的聲波減弱為⑥。這樣的延遲電信號④、⑤和⑥由放大器放大并經(jīng)倍壓整流器整流，然后分別變?yōu)橹绷餍盘枹?、⑧和⑨。通過在直流信號⑦和⑧、或⑦和⑨間將閾值電壓設(shè)置在適當?shù)闹?，則通過比較器獲得對應(yīng)于直流信號⑦、⑧和⑨的數(shù)字信號。該數(shù)字信號由計算機以具有特定計時的并行形式接納入計算機。這樣，圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)具有短的響應(yīng)時間，從而有高的靈敏度。因此，可清楚和快速地指定壓電基體8上被觸摸的位置。如果有更多的分別由一個輸入叉指換能器和一個輸出叉指換能器構(gòu)成的超聲波換能系統(tǒng)，則可更加精確地指定壓電基體8上被觸摸的位置。
在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中可使用如圖21中所見的延遲線振蕩器。在這種情況下，各部分①-⑨對應(yīng)于圖20中所示的波形。圖29示出了在圖27中以延遲線振蕩器工作下的放大器A或B的電路圖。當圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，開關(guān)S1、S2、S3和S4根據(jù)計算機指令斷開和閉合。當開關(guān)S1和S3(開關(guān)S1組)閉合時，開關(guān)S2和S4(開關(guān)S2組)斷開。這樣，通過輪流斷開和閉合開關(guān)S1和S2組，將電信號輪流施加于IDT的T1和T2組。施加于IDT的T1或T2組的電信號①分別被來自計算機的相應(yīng)時鐘脈沖②-1或②-2調(diào)制成rf脈沖③-1或③-2。如果將rf脈沖③-1施加于IDT的T1組，則當開關(guān)S1組閉合時，其頻率近似對應(yīng)于IDT的T1組的叉指周期的rf脈沖③-1被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ǘ鴤鬟f到壓電基體8。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R11、R12、R13、R14、R31、R32、R33和R34(IDT的R1組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)檠舆t電信號而由IDT的R1組檢測。如果將rf脈沖③-2施加于IDT的T2組，則當開關(guān)S2組閉合時，其頻率近似對應(yīng)于IDT的T2組的叉指周期的rf脈沖③-2被轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ǘ鴤鬟f到壓電基體8。其波長近似對應(yīng)于叉指換能器R21、R22、R23、R24、R41、R42、R43和R44(IDT的R2組)的每個叉指周期的聲波被轉(zhuǎn)變?yōu)檠舆t電信號，而由IDT的R2組檢測。這樣，如果輪流將電信號施加于IDT的T1和T2組，則由IDT的R1和R2組輪流檢測出延遲電信號。叉指換能器R11和R21、R12和R22、R13和R23、R14和R24，R31和R41、R32和R42、R33和R43，以及R34和R44之間的結(jié)點構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)的初基(simple)。另外，由每對叉指換能器例如叉指換能器對R11和R21檢測的延遲電信號4被接收以使它們相互重疊。由叉指換能器對R11和R21檢測出的延遲電信號④的一部分以及由叉指換能器對R31和R41檢測出的延遲電信號④的一部分分別經(jīng)放大器A和B放大，并將其各自相位通過其各自的移相器移到固定值，再經(jīng)開關(guān)S1和S2組分別將兩個經(jīng)相移的電信號施加于IDT的T1和T2組。總之，將經(jīng)開關(guān)S1和S2施加于叉指換能器T1和T2的電信號經(jīng)開關(guān)S3和S4施加于叉指換能器T3和T4，將經(jīng)開關(guān)S3和S4施加于叉指換能器T3和T4的電信號經(jīng)開關(guān)S1和S2施加于叉指換能器T1和T2。這樣，構(gòu)成具有8字形信號環(huán)的延遲線振蕩器。附著觸摸壓電基體8，由每一對叉指換能器檢測出的延遲電信號④則減弱(⑤或⑥)。當用比壓電基體8軟且易吸收聲波的材料觸摸壓電基體8上聲波的由IDT的T1和R1組構(gòu)成的傳播路徑時，僅在將電信號施加于IDT的T1組中每個換能器的情況下，被觸摸位置上的聲波減弱為⑤。同樣，用該材料觸摸壓電基體8上聲波的由IDT的T2和R2組構(gòu)成的傳播路徑，僅在將電信號施加于IDT的T2組中每個換能器的情況下，被觸摸位置上的聲波減弱為⑥。將這樣的延遲電信號④、⑤和⑥通過放大器放大并經(jīng)倍壓整流器整流，然后分別變?yōu)橹绷餍盘枹?、⑧和⑨。通過在直流信號⑦和⑧、或⑦和⑨之間設(shè)置適當值的閾值電壓，可經(jīng)比較器獲得分別與直流信號⑦、⑧和⑨對應(yīng)的數(shù)字信號。由計算機將該數(shù)字信號以具有特定計時的并行信號的形式接納入其中。用延遲線振蕩器工作無需函數(shù)發(fā)生器。因此，與用rf脈沖工作情況相比，能提供更小型、輕巧、結(jié)構(gòu)簡單能在低壓低能耗下工作的超聲波觸摸系統(tǒng)。
當圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)工作時，響應(yīng)被觸摸的位置在顯示屏9上出現(xiàn)給定色彩的信息。同時，施加于IDT的T1和T2組的電信號的頻率對應(yīng)于該色彩。通過壓電基體8能在顯示屏9上看到該信息。當觸摸壓電基體8上聲波的傳播介質(zhì)時，聲波減弱，而且對應(yīng)于被觸摸位置給定其色彩的信息出現(xiàn)在顯示屏9上。通過改變輸入電信號的頻率能指示顯示屏9的相同位置上對應(yīng)于輸入電信號頻率而給定色彩的每一信息。因此，當使用兩種輸入電信號頻率時，在顯示屏9的同一位置上的給定每一色彩的兩種信息是重疊的。另外，該信息能持續(xù)指示一段固定周期。這樣，當用比壓電基體8軟且易吸收聲波的材料在壓電基體8上寫(例如)字符時，該字符便出現(xiàn)在顯示屏9上。如果圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)有如圖18(a)所示的叉指換能器，則可將兩種具有對應(yīng)各自叉指周期的不同頻率的電信號施加于該叉指換能器，并且，有可能大大增加輸入電信號的數(shù)目，因為有許多種頻率近似對應(yīng)于每個叉指周期。結(jié)果，通過改變輸入電信號的頻率，在顯示屏9上可出現(xiàn)多種給定每一色彩的信息。
圖30示出了頻率對在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中使用的延遲線振蕩器的插入損耗和相位的關(guān)系曲線。
圖31示出了在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中使用的延遲線振蕩器的相對振幅與頻率之間的關(guān)系，這里f0對應(yīng)于頻率為24.3MHz的基模波獲得穩(wěn)定振蕩。
當壓電基體8含有透明的壓電陶瓷，諸如被稱作為PLZT的(Pb.La)(Zr.Ti)O3，其極化軸方向與透明壓電陶瓷的厚度方向相互平行時，能在壓電基體8上有效地產(chǎn)生聲波。并且，用透明壓電陶瓷作為壓電基體8通過該基體能在顯示屏9上看到多種信息。為將聲波傳遞到壓電基體8，該壓電基體8的厚度需為輸入叉指換能器的叉指周期的3倍以上。在壓電基體8的厚度小于叉指周期的情況下，蘭姆波將傳遞到壓電基體8。然而，如果在圖27所示的超聲波觸摸系統(tǒng)中其有能滿足換能功能的波型，則可以使用蘭姆波型。具有透明性和壓電性的單晶例如LiNbO3、LiTaO3等也能代替透明壓電陶瓷用作壓電基體8。當用單晶作為壓電基體8時，設(shè)計該超聲波觸摸系統(tǒng)由于單晶的各向異性必須考慮機電耦合常數(shù)K2。并且，可能需要一個附加的復(fù)雜電路。然而，單晶有希望作為壓電基體。除了其他東西以外PLZT也有希望作為壓電陶瓷基體的，因為其透明性。制造工藝和壽命都是極好的。通過利用由PLZT制成的壓電基體8的橫向均質(zhì)性，兩組輸出叉指換能器的電信號電平變成相等，兩組輸出叉指換能器中壓電基體8上聲波的傳播方向是相互垂直的。因此，電路結(jié)構(gòu)變得如此簡單以致于可能提供不僅小型、輕巧、而且結(jié)構(gòu)簡單的超聲波觸摸系統(tǒng)。另外，由于輸出信號總是被歸一化，使信號處理變得精確，而且靈敏度高。并且，由于提高了電信號的分辨率，信息量也能增多。
權(quán)利要求
1.一種超聲波觸摸系統(tǒng)，包括一個基體和至少一個在所述基體的一端表面Z1上的超聲波換能系統(tǒng)，所述超聲波換能系統(tǒng)包含至少一個叉指換能器P和至少一個與所述叉指換能器P對應(yīng)的叉指換能器Q，所述超聲波觸摸系統(tǒng)還包含用于將其頻率近似對應(yīng)于所述叉指換能器P的叉指周期的電信號施加于所述叉指換能器P，在所述端表面Z1上產(chǎn)生其波長近似等于所述叉指周期的聲波的裝置。用于從所述叉指換能器a發(fā)出其頻率近似與在所述端表面Z1上產(chǎn)生的所述聲波的波長對應(yīng)的電信號的裝置，所述叉指換能器P和Q相互面對面地安置以形成一對，使所述叉指換能器P的所述聲波的傳遞方向與所述叉指換能器Q的所述聲波的接收方向相同；以及用于通過由所述叉指換能器Q檢測所述電信號的大小來檢測用手指或其它物體觸摸所述端表面Z1上所述聲波的傳播路徑的一部分的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于所述叉指換能器P和Q沿著所述叉指換能器P或Q的電極指方向，或者垂直于所述電極指的方向分別有至少兩個叉指周期L1和L2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于一個包括在顯示裝置中并指示至少兩種色彩的顯示屏安置在所述基體的另一端表面Z2上。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述色彩對應(yīng)于加到所述叉指換能器P的所述電信號的所述頻率。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基體包含一個幾乎透明的壓電陶瓷，其極化軸的方向與其厚度方向平行，所述叉指換能器P和Q直接安置在所述端表面Z1上。
6.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述基體含有一個非壓電體，所述超聲波換能系統(tǒng)包含一個輸入裝置A，該裝置包括一片壓電薄片TA且所述叉指換能器P安置在其上，一個包括一片壓電薄片TB的輸出裝置B，所述叉指換能器Q安置在其上，所述壓電薄片TA和TB安置在所述端表面Z1上。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4或6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓電薄片TA的厚度小于所述叉指換能器P的叉指周期，所述壓電薄片TB的厚度小于所述叉指換能器Q的叉指周期，所述叉指換能器P和Q的所述叉指周期近似等于一階或高階聲波的波長，所述一階或高階波型的所述聲波的相速度近似等于在作為單層介質(zhì)的所述基體上產(chǎn)生的聲波的傳播速度。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4、6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓電薄片TA和TB通過在所述壓電薄片TA中的有所述叉指換能器P的端表面和在所述壓電薄片TB中有叉指換能器Q的端表面粘接在所述端表面Z1上。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、6、7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于分別在所述壓電薄片TA中沒有所述叉指換能器P的另一端表面和在所述壓電薄片TB中沒有叉指換能器Q的另一端表面涂敷有金屬薄層。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓電薄片TA或TB包含壓電陶瓷，其極化軸方向與其厚度方向平行。
11.如權(quán)利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述壓電薄片TA或TB包含由諸如PVDF等高聚合化合物制成的壓電薄膜。
12.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波換能系統(tǒng)包含有N個叉指換能器Pi(i＝1，2...，N)和N個至少由兩個叉指換能器Qi-1和Qi-2構(gòu)成的叉指換能器組Qi(i＝1，2...，N)所述超聲波觸摸系統(tǒng)還包含結(jié)點M1，所述叉指換能器Qi-1的每個輸出端在此相互連接，結(jié)點M2，所述叉指換能器Qi-2的每個輸出端在此相互連接，通過分別在所述結(jié)點M1和M2所檢測電信號的大小檢測出手指或其它物體對所述端表面Z1上聲波的傳播介質(zhì)的一部分的觸摸，N個開關(guān)Si(i＝1，2...，N，)其輸出端與所述叉指換能器Pi的每個輸入端相連，以及用于以一固定周期輪流控制所述開關(guān)Si的開和關(guān)的裝置。
13.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12所述的系統(tǒng)，還包含連結(jié)點MS，所述開關(guān)Si的每一輸入端相互連接于此，一個放大器，所述連接點M1通過所述放大器與所述連結(jié)點MS相連，以及包括N個相應(yīng)傳播路徑Di(i＝1，2...，N)作為延遲元件的N個振蕩器Hi(i＝1，2，...，N)，所述傳播路徑Di包含所述叉指換能器Pi與所述叉指換能器Qi-1間的所述基體，所述振蕩器Hi的各個信號環(huán)包含所述叉指換能器Pi，所述傳播路徑Di，所述叉指換能器Qi-1和所述放大器。
全文摘要
超聲波觸摸系統(tǒng)，包括基體及其一端表面Z1上的超聲波換能裝置。該裝置包含叉指換能器P及其對應(yīng)的叉指換能器Q。頻率約與換能器P的叉指周期對應(yīng)的電信號加到換能器P，使表面Z1上高效地產(chǎn)生聲波，該聲波的波長約等于換能器P的叉指周期。同時，頻率約對應(yīng)表面Z1上產(chǎn)生的聲波波長的電信號由換能器Q檢測。當手指等觸摸表面Z1上聲波的傳播路徑時，由換能器Q檢測出的電信號減弱。因此在低壓低能耗下可高靈敏和快速地測出手指等對基體的觸摸。
文檔編號H03H9/25GK1092918SQ9410032
公開日1994年9月28日 申請日期1994年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月2日
發(fā)明者戶田耕司 申請人:戶田耕司