用于聲學觸摸屏的光柵換能器的制作方法

專利名稱：用于聲學觸摸屏的光柵換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及聲學換能器領域，較具體地涉及用于聲學觸摸屏的光柵換能器。
背景技術：
觸摸屏是交互式計算機系統的輸入裝置。在商務上它們日益廣泛應用于例如信息查詢臺和餐館預訂系統等等。
電阻觸摸屏、電容觸摸屏、和聲學觸摸屏是占統治地位的觸摸屏技術。對于要求有非常耐用的觸摸敏感表面和最小程度地影響顯示圖像的光學質量的那些應用來說，聲學觸摸屏，也即超聲觸摸屏，尤其有優勢。
已經知道各種類型的超聲換能器。聲學觸摸屏中使用最普遍的類型是楔板換能器和壓電換能器元件與觸摸基底之間的直接耦合。換能器是一個或一組能把能量從一種形式轉換成另一種形式的物理元件。這包括各種聲波模式之間的轉換和電能與聲能之間的轉換。典型使用的壓電換能器由一個其表面帶有一些導體的矩形棱鏡狀壓電陶瓷所形成，通過把該陶瓷元件的一個平面表面或形成在該表面上的金屬電極安放得齊平于一個基底元件，例如楔板材料，的一個表面，它將與該表面發生聲耦合。
楔板換能器把表面波或平板波(plate wave)導入基底。楔板換能器利用當聲波傾斜入射到兩種不同媒質的界面時將發生折射的現象。典型的楔板換能器由一塊塑料楔形板構成，其一個側面上安裝了一個壓電元件，其斜面粘結在一塊例如為玻璃的基底上。壓電元件與楔板材料中的體波相耦合。該體波以臨界角，即“楔角”傳播，折射成玻璃中水平傳播的波，或者由玻璃中水平傳播的波折射而成。楔板材料的選擇使得其中體波的聲速低于接觸基底中希望模式的相速；楔角的余弦等于這兩個速度的比值。這樣的楔板換能器可以用來發送和接收瑞利(Rayleigh)波、勒夫(Love)波、和像蘭姆(Lamb)波這樣的平板波。
與之成對比，直接耦合成“端面”換能器提供有一個直接粘合在觸摸屏基底上的壓電元件，其粘合方式使得能直接產生一個在基底表面上具有明顯功率的聲波。這樣，其界面起著把壓電元件在機械上連接到基底上的作用，同時還起著能耦合于希望聲波模式的聲學功能。美國專利No.5,162,618的圖2B示出一個用來把蘭姆波發射到一個薄基底中去的端面換能器，該專利在此引用作為參考。又見Lardat的美國專利No.3,893,047。端面換能器用來耦合不帶有與基底厚度有關的節點的平板波是最自然的了。耦合瑞利波的端面換能器也已有一些開發工作。見Ushida的日本專利JP08-305481和JP08-305482，這兩個專利也在此引用作為參考。雖然這樣的端面換能器是緊湊的，但它沒有讓壓電換能器受到保護。
一種已知類型的聲學觸摸位置傳感器包含一個觸摸面板或平板，其上沿著一個基底的一個第一端面設置有一個發射器陣列，用來同時產生一些通過面板直接傳播到一個位于面對著第一陣列的基底第二端面上的相應的探測器陣列上的平行表面波或平板波。垂直于第一對換能器陣列設置了另一對換能器陣列。觸摸面板上的某一點將使通過該觸摸點的波發生衰減，從而使這兩組換能器陣列的輸出能夠指明觸摸點的坐標。這種類型的聲學觸摸位置傳感器示于美國專利No.3,673,327和Toda的WO 94/02911，它們也在此引用作為參考。由于聲波的發散，從一個發射換能器發出的波的一部分將入射到一組接收換能器上，使得觸摸位置的判別能夠比一對一的簡單發射/接收換能器關系的判別更細微。這類系統需要大量的換能器。
一種在商業上獲得成功的聲學觸摸系統稱做艾德勒(Adler)型聲學觸摸屏，如圖1所示，它通過使信號在空間上分散和以擾動的時間特性分析來指明位置而有效地利用了換能器。一個典型的這種矩形觸摸屏包含兩組換能器，它們分別沿著由基底所定義的物理笛卡兒坐標系的兩個軸排列。一個換能器產生一個或一列聲脈沖，它們例如作為窄瑞利波沿著一個與一個反射元件陣列相交的軸線傳播，每個反射元件都傾斜成45°并以聲脈沖聲波波長的整數倍為間隔排列。每個反射元件都使一部分波沿一個垂直于上述軸線的路徑反射，反射波在穿過基底上適用于觸摸傳感的一個寬廣區域后，射向對面的一個反射元件陣列和換能器上，其中，這個反射元件陣列和換能器是第一個反射元件陣列和換能器的鏡像，而且每個反射元件還允許一部分聲波透過，射到陣列中的下一個反射元件上。鏡像陣列的換能器接收由兩個陣列中的各反射元件所反射的聲波部分的疊加聲波，這些兩次反射的聲波部分的方向反平行于發射脈沖的方向，它們的強度是逐漸增大地改變的。由于傳感器有效區域中的各個波路徑有各自的特性時間延遲，所以可以通過確定組合的返回波形中的衰減時刻來判斷物體觸摸觸摸敏感區時所造成的一條或幾條波路徑的衰減。
垂直于第一組陣列/換能器設置了第二組陣列/換能器，并且這兩個組的工作情況相似。由于一個換能器的軸線對應于基底的一個物理坐標軸，所以返回波的衰減時刻表明了基底上一個位置的一個笛卡兒坐標值。相繼地確定兩個坐標值就確定了衰減物體的二維笛卡兒坐標位置。該系統的工作原理是，對表面的觸摸將衰減具有一定功率密度的表面波或平板波在表面處的強度。跨越基底傳播的波的衰減將造成入射到接收換能器的波以特性時間周期作相應的衰減。這樣，控制器只需探測衰減的時間特性就可以確定軸向坐標位置。為了確定一個笛卡兒坐標位置，需要相繼地沿兩個軸進行測量。見美國專利No.4,642,423；No.4,644,100；No.4,645,870；No.4,700,176；No.4,746,914；和No.4,791,416,Re33,151；它們均在此引用作為參考。艾德勒的美國專利No.4,642,423討論了由一個球面的一些小立體角部分所構成的矩形觸摸屏表面的偽平面化技術。
如圖1所示，系統中的聲波發射裝置11和12以脈沖串的形式發射短時間超聲波信號，并利用作為聲波分散器的反射元件13和14把發射的信號散布在整個坐標輸入范圍表面15上。系統利用接收裝置18和19接收通過作為聲波會聚器的反射元件16和17的信號，并分析接收信號隨時間的變化，以探測信號所表明的坐標位置。
觸摸屏系統中在面板表面上安有楔板型換能器的位置處不可避免地要高于面板表面。如圖2所示，當顯示器由典型陰極射線管這樣的彎曲面板構成時，可放置楔板型換能器23的空間位置通常位于彎曲面板21和掩蓋彎曲面板21的周邊的面框22之間。然而，如圖3所示，當顯示器由液晶顯示器或等離子體顯示器這樣的平面面板構成時，在被面框25遮蓋的面板表面24的周邊處就不存在兩者之間的間隙，從而沒有放置楔型換能器的空間。因此，對于采用楔板型換能器的情況，超聲型觸摸屏不適用于平面面板。這樣將大為限制適用的可用顯示器類型和封裝結構。
己知的反射陣列通常是這樣形成的，首先在由浮法處理的堿石灰玻璃板上用絲網印刷出玻璃材料，然后在爐子中固化成帶有凸起的人字型玻璃光凸。這些光凸典型地具有聲波波長的1％量級的高度或深度，因此只能部分地反射聲能。為了在接收換能器處給出均衡的聲功率，各反射元件之間的間隔可隨距發射換能器距離的增大而減小，或者可以改變各反射元件的聲透射率和反射率的比例，使得隨著距發射換能器距離的增大反射率也增大。因此觸摸傳感器通常設置在一個顯示裝置的前面，又因為反射陣列一般是光學可見的，所以反射陣列通常設置在有效傳感區的外部，即基底的周邊處，并被面框遮蓋和保護。
為了進一步減少換能器的數日，可以采用折迭式聲路。美國專利No.4,700,176的圖11的教導是使用單個換能器來發射聲波和接收探測聲波，并用單個反射陣列來分散和重新聚合聲波。因此這種系統采用了反射陣列對面的反射結構。這樣，聲波可以在基底的一個端面處或在一個平行于發射反射光柵的軸線的反射器陣列處按180°反射，并穿過基底反射回到反射陣列，再沿著原來的路徑返回換能器。在此情形中，換能器按適當的時間周期被時分復用成發射器和接收器。對于一個成90°的軸線，還設置了第二換能器、反射陣列、和反射端面，用來確定沿這個軸的觸摸坐標。一種“三次通過”系統提供了能產生用來探測兩個正交軸方向上的觸摸的探測波的單個換能器，它同時為兩個軸產生和接收聲波。見美國專利No.5,072,427；No.5,162,618；No.5,177,327，它們在此引用作為參考。目前商業產品中的大多數是基于瑞利波的。由于瑞利波是束縛在觸摸表面上的，所以它們在觸摸表面上保持了有用的功率密度。瑞利波是這樣一種波，它具有垂直波分量和橫向波分量，基底粒子沿著位于一個包含波傳播軸的垂直平面內的一個橢圓路徑運動，而波的能量隨進入基底深度的增大而減小。切應力和壓/張應力都與瑞利波有關。
從數學上說，瑞利波僅存在于半無限介質中。在可實現的有限厚度的基底中，更精確地說出現的是準瑞利波。這里，應該理解，瑞利波僅在理論上存在，因此所提到的“瑞利波”實際指的是準瑞利波。對于工程情況，為了支持瑞利波在觸摸屏設計所感興趣的距離范圍內傳播，基底的厚度只需有3或4個瑞利波波長就足夠了。
除了瑞利波之外，對于觸摸表面敏感的聲波，也即觸摸了表面后將導致聲能有可測出的衰減的聲波，還包括，但不局限于，蘭姆波、勒夫波、零級水平偏振剪切(ZOHPS)波、和高級次水平偏振剪切(HOHPS)波。見美國專利No.5,591,945；No.5,329,070；No.5,260,521；No.5,234,148；No.5,177,327；No.5,162,618和No.5,072,427，這里引用它們作為參考。
和瑞利波相似，勒夫波是“表面(束縛)波”，即當基底足夠厚時這種波受基底一個表面的束縛或導引，而不受基底其他表面的影響。與瑞利波不同，勒夫波的粒子運動是水平的，即平行于觸摸表面而垂直于傳播方向。與勒夫波相關的只有切應力。
另一類可能為聲學觸摸屏感興趣的聲波是平板波。這包括最低級次(ZOHPS)和較高級次(HOHPS)的水平偏振剪切平板波以及各種對稱性和級次的蘭姆波。
已經知道具有規則間隔或漸增間隔的反射元件陣列能使入射輻射，包括聲波，發生衍射或散射。上面討論的已知的艾德勒型觸摸屏設計利用反射陣列使聲波以一個預定角度相干地反射。這里引為參考的美國專利No.5,072,427和No.5,591,945中的觸摸屏設計推廣了這一原理，給出的反射陣列不僅使聲波在表面上以一個預定角度相干地反射，而且還轉變波的模式。所以已經知道，聲波與衍射光柵的互相作用能使波能量在各種波模式之間轉換。
聲波所探測到的觸摸可以包括手指或觸針對表面的直接觸壓或通過一層蓋片的間接觸壓。例如見這里引用為參考的美國專利No.5,451,723，其中利用了剪切波模式聲學傳感系統和端面換能器。由于蓋片與楔板換能器之間的機械干涉，使用通常用于瑞利波聲學觸摸屏的楔板換能器將使在前表面上安裝蓋片變得困難。對于LCD(液晶顯示器)的觸摸屏監視器設計，使用楔板換能器將使機械設計復雜化，還可能限制增添功能。
一種解決楔板換能器的機械干涉的方法在1996年3月4日遞交的美國專利申請流水號08/610,260中有所說明，該申請在此引用作為參考。如那里所公開的，楔板換能器可以被安裝在觸摸區鄰近的一個前表面面框上，后者使楔板換能器退縮在觸摸屏基底前表面的后面，但將導致聲能損失。與LCD觸摸監視器設計的要求不同，這種設計典型地將增大觸摸屏的邊緣寬度。
Masao Takeuchi與Hiroshi Shimizu的論文“Theoretical analysis ofgrating couplers for surface acoustic waves(表面聲波光柵耦合器的理論分析)”(日本聲學學會學報，36(11)543-557(6/24/1980))公開了一種光柵換能器及其工作的理論框架，該文在此引用作為參考。又見Tohoku(東北)大學Masao Takeuchi與Hiroshi Shimizu的已公開研究論文“Unidirectional excitation of plate waves in a penodicstructure(周期性結構中平板波的單方向激勵)”(日文，1991)。又見J.Melngailis與R.C.Williamson的論文“Interaction of Surface Wavesand Bulk Waves in GratingsPhase Shifts and Sharp Surface Wave/Reflected Bulk Wave Resonances(光柵中表面波與體波的相互作用相移和尖鏡表面波/反射體波共振)”(Proc.1978 IEEE超聲討論會，p.623)；以及Herman A.Haus.Annalisa Lattes與John Melngailis的論文“Grating Coupling between Surface Acoustic Waves and PlateModes(表面聲波與平板模式的光柵耦合)”(IEEE聲學與超聲分會期刊，p.258(1980.9月))。
在楔板換能器中，來自壓電換能器的沒有被耦合成例如瑞利波的體波將不會進入觸摸屏基底，并在楔板材料中消散。反之，在表面光柵布局中，來自壓電換能器的沒有被光柵轉換成例如瑞利波的體波將以寄生體波或平板波的形式在基底材料中傳播。
如Takeuchi等人(1980)己說清楚的，入射體波能量轉換成瑞利波能量的轉換效率的理論上限為81％，于是理論上至少有19％的體波能量將具有寄生波形式，而且這個理論效率在實際中是難以達到的；見Takeuchi等人(1980)中關于“F因子”的討論。于是很清楚，光柵換能器相對于楔板換能器來說有一個很大的缺點產生強的寄生波。對于像非損壞性測試這樣的超聲換能器典型應用來說，這一產生強寄生波的情況常常是不能接受的。即使在觸摸屏中，所產生的強寄生波在基底平面內沿著平行于希望波的方向傳播也被認為是一個麻煩。類似的考慮也適用于接收模式光柵換能器對寄生波的敏感程度。
至少對于聲學觸摸屏設計的一些例子來說，已知這些不希望的寄生波可能會是一個問題。例如見美國專利No.5,260,521中的圖13、14和17及其有關說明，該專利的全文在此引用作為參考。商業觸摸屏控制器中的觸摸識別算法要求希望信號不受寄生信號的干擾。
在R.F.Humphryes與E.A.Ash的論文“Acoustic Bulk-surface-wavetransducer(聲學體波-表面波換能器)”(電子快報(第5卷第9期)，1969，5月1日)中討論了一種光柵換能器，它利用非對稱的光柵柵齒作為構筑單方向換能器的手段。該論文還考慮了用一對位于基底相對表面上的光柵作為把瑞利波在兩表面之間轉移的手段。
美國專利No.5,400,788中的圖12、13和14公開了一種換能器布局，其中用光柵把瑞利波耦合成體波，該專利的全部在此引用作為參考。壓電基底上的交叉指狀換能器產生瑞利波，然后它們被光柵轉換成壓力體波，然后再被耦合到一個聲波導(它或者也可以是一條光纖)中。交叉指狀電極和光柵形成了一些圓弧部分。
美國專利No.5,673,041“Reflective mode ultrasonic touch sensitiveswitch(反射式超聲觸摸敏感開關)”公開了一種超聲觸摸傳感器，它利用了觸摸面板基底的厚度模式共振，該專利的全部在此引用作為參考。一個例如用聚氟酸乙二烯(PVDF)做成的透明壓電元件陣列被粘結在基底(例如玻璃)的背面。用電子方法監視被耦合成基底厚度共振的壓電元件的阻抗特性。手指的觸摸將吸收聲能、衰減厚度共振、進而改變共振系統的Q(品質因子)值，從而改變耦合成厚度共振的壓電元件的阻抗特性。所以這一方案利用了己知的聲波被吸收物體衰減的現象，但沒有利用散射結構或光柵。
本發明公開的內容本發明提供一種用于聲學觸摸屏的換能器系統，其中有一個聲發射元件，例如一個壓電元件，在介質中產生一些體波，然后這些體波與一個光柵結構互相作用，產生有用的平板波或表面波，例如瑞利波、勒夫波、或HOHPS波。這樣，一個與一個壓電元件相耦合的體波將與光柵結構互相作用，被轉換成這樣一個波模式，它受到基底的一個表面或幾個表面的限制，并至少在一個表面上具有明顯的能量。利用這些一般原理，可能得到各種觸摸屏結構。典型地說，體波本身并不適用于觸摸屏，必須轉換成為更有用的波模式。
根據本發明，沿著相對于表面當地區域為非零度角傳播的體波與表面上的一個光柵互相作用。或者，光柵也可以在基底體積內具有明顯的成分，并以此成分添加于或替代了表面光柵結構。光柵自身至少包括一個能耦合各種聲波模式的散射中心；實際上，用一組周期性的擾動，例如一組直線形的、曲線形的、點狀的、或其他形狀的擾動，都可以實現有效的波模式轉換。直線光柵，例如其中的元素設置得伸展出了入射聲束的寬度，被認為是一個一維的散射元件，典型地它將產生沿一個軸線稍微發散的散射聲波。只與聲波的一一部分發生相互作用的元件，例如一些點散射中心或短長度元件，可以散射出許多不同的聲波，每個聲波都可能有不同的波模式或傳播軸線。彎曲的或沿彎曲軸排列的元件可以起到聲透鏡的作用，它們與直線光柵相比除了能使聲波會聚或發散之外有相似的特性。
本發明的發明人發現，當體波(它們可以是縱波-壓縮波和/或橫波-剪切波)通過基底向基底表面上的一個周期擾動結構傳播時，它們將被周期性擾動轉換成表面波或平板波。然后這些表面波或平板波被用來高精度地探測面板觸摸敏感區域中的觸摸位置(接觸位置或輸入位置)，其中的觸摸敏感區例如可以對應于面板的顯示區，這樣就免去了對楔型換能器的需求。在一個典型實施例中，波是由一個位在基底一個表面上的壓縮模式聲波換能器產生的，該換能器產生基底中的體波，該體波被導向一個光柵或一組散射元件。令人驚奇的是，雖然光柵換能器自身具有對基底中的寄生波的明顯耦合，但本發明人發現對于采用光柵換能器的完整觸摸屏來說，寄生信號效應在相當程度上是可控制的。
本發明的另一個方面提供了一種聲學換能器系統，其中包括適用于聚合物基底的瑞利波換能器。美國專利No.5,162,618的第5條(Co1.5)第42至44行提到了用于利用剪切平板波的觸摸屏的塑料基底，但沒有給出關于如何能在塑料基底中產生瑞利波的教導。相對于楔板換能器壓電元件的楔角由下述公式給出cos(θ)＝VP(楔板)/VR(基底)對于給定的材料，瑞利波的波速VR典型地約為壓力波波速VP的一半。為了能設計出一個楔板換能器，也即為了讓cos(θ)小于1，楔板材料中的壓力波波速必需約小于基底中壓力波波速的一半。當基底材料，例如玻璃，具有較快的聲速并且楔板材料，例如聚丙烯，具有較慢的聲速時，有可能做到這一點。但是，當基底是聚合物材料從而具有較慢的聲速時，要找到具有所需的低得多的聲速的可接受的楔板材料是困難的。因此，為了使在聚合物基底上產生和接收瑞利波的聚合物觸摸屏可以實現，需要更換楔板換能器。本發明通過代之以用衍射原理來轉換波模式，從而排除了對楔板材料折射特性的考慮。
根據本發明，光柵最好充分利用多散射中心的相干散射特性。這樣，一個光柵就可以是這樣一個陣列，它至少有一個明顯的對應于體波與希望波之間的希望布拉格衍射耦合的傅利葉成分。在此情形下，體波波矢的水平分量將耦合成平板波或表面波的波矢。可以把光柵做成為表面結構，同時體波以一個傾斜于基底表面的角度入射到光柵上。或者，光柵可以埋入到基底內，或者是非平面型的。光柵換能器工作的基本原理很大程度上是與光柵結構無關的，雖然光柵換能器工作的基本原理很大程度上是與光柵結構無關的，雖然光柵結構的不對稱性可以導致方向性。光柵可以由具有各種輪廓的各種形式的元素組成，這些形式有槽條、脊條、淀積材料、充填的槽條、和埋藏結構(聲反射元件在基底表面下面)等；這些輪廓有矩形、正弦形、鋸齒形和其他一些對稱或非對稱的形狀。事實上，對于聚合物基底的模壓光柵換能器，正弦光柵的平滑邊緣是有利的。應該指出，對于一定的光柵元素對稱性和間距，光柵元素的功能對于基頻來說是基本相同的，雖然對于諧頻成份來說光柵將會有不同的特性。
就當前的目的而言，光柵可以看成是傳感器子系統的一個區域，其中介質的聲學性質已被某種方式調制得產生了一個散射中心分布，并且該分布在二維波矢空間中的一個或幾個點上具有明顯的傅里葉變換振幅。一個具有多個接納角的光柵在二維波矢空間的兩個或更多個點上就有明顯的二維傅里葉變換振幅。該光柵可以是一個平面光柵或者是一個例如通過有選擇地淀積多層光柵材料所形成的體衍射結構。
在耦合到多個方向時，可能會丟失一些效率并且需要更小心地避免寄生信號，但是，在某些情況下，考慮到部件的減少，這對于設計的緊湊性和機械簡單性來說是有利的。例如，單個接收換能器就可以同時接收X和Y信號。
在某些情況下，先把反射陣列或光柵制作在條帶材料上然后再把條帶粘合到基底的其余部分上將可能方便于制造；見美國專利No.4,746,914第9條。這樣的粘結結構可用于制造的方便或封裝的構形。
作為聲學換能器構成部件的聲發射或聲探測結構典型地是壓電元件，但并不局限于壓電元件。換能器是一種把一種能量轉換成另一種能量的結構，這就轉換可以是雙向的。例如已有的換能器有電-聲、光-聲、磁-聲、聲-聲(各聲波模式之間的轉換)和熱一聲等換能器。
壓電元件的典型形式是一塊矩形薄片，其中在用作電極的兩個導電區域之間夾有壓電響應材料。當給電極加以一個振蕩電壓信號時，壓電材料中產生的電場將通過壓電效應使元件振動，振動情況取決于壓電材料的性質、電極的布局和機械限制或耦合。反之，如果壓電元件受到機械振動，則將在電極上出現振蕩電壓。
關于壓電元件的機械振蕩模式可以有幾種選擇。一個普通的選擇是關于元件薄尺寸方向的最低級次壓縮一伸展振蕩；這種元件耦合于體壓縮波或其他具有明顯縱向分量的聲學模式。另一種選擇是最低級次的剪切振蕩，其中一個帶電極的表面和其對面表面反平行地運動；這種元件耦合于體剪切波或其他具有明顯剪切分量的聲學模式。剪切運動的方向可以設計為電極平面內的任何方向。較復雜的選擇也是可能的。根據本發明的一個方面，通過有選擇地耦合于各個適當的模式敏感換能器，可以按照在基底中傳播的各組探測波的傳播模式把它們區分出來。
典型地，壓電元件的設計使它們的共振頻率處于希望振蕩模式的工作頻率。對于最低級次的壓縮振蕩，共振頻率等于體壓縮波波速(壓電材料中的)除以壓電元件厚度的兩倍，使得壓電換能器元件的厚度為半個波長。類似地，最低級次的剪切模式壓電元件的厚度為體剪切波波長的一半。用于觸摸屏時，由于耦合于基底中的聲波，壓電元件將是一個衰減機械振蕩器。
在本發明的一個實施例中，壓電元件含有一系列分別驅動的直線帶狀電極。當耦合于基底時，例如當耦合于一個玻璃板的端面時，可以通過沿著玻璃的厚度淀積一系列電極形成一個相位陣換能器。在一個最簡單的實施例中，各電極間的間隔等于希望體波波長的一半除以希望傳播角度的余弦，并使每隔一個電極是電平行的，從而形成一個模式選擇二電極換能器，可以在基底中產生對角向上和向下的聲波。更一般地說，相位陣的每個電極都可以獨立地激勵或分析，使得可以與具有大于電極間隔兩倍的波長的聲波相耦合，這有可能給出方向選擇性。
發射換能器由來自控制器的正弦波或偽正弦波單頻脈沖串激勵。這種脈沖串的功率譜典型地在名義工作頻率處有一個極大值。通常，傳感器被調諧得適用于一個特定頻率或一組頻率，因此該參數是預定的。具美國專利(NO.4,644,100,Re.33,151和NO.4,700,176,在此引用它們作為參考。
光柵換能器的基本概念如下。壓電元件被直接粘合在基底上并耦合于體中的體波。然后這些體波通過光柵被耦合成希望聲波模式，供觸摸屏工作。希望聲波模式可以是瑞利波。
與楔板換能器不同，光柵換能器不需要楔板，因此其機械輪廓較小。對于LCD觸摸監視器來說這一點特別重要。
由于光柵換能器排除了對基底表面上的楔板換能器子組件的精確角對準的必要性，所以它是特別有利的。在光柵換能器中，光柵的角對準有相似的容差要求。但利用標準的印刷加工很容易滿足這一容差。把壓電元件放置到基底表面上的容差要求要寬松得多。
圖4中的光柵5a’、5b’、8a’和8b’可以平行于也可以傾斜于y軸，可以是按曲線延伸的或尖角形的元件，它們按照由基底當地表面所定義的水平(x-y)平面中的二維布拉格散射條件耦合體波和表面或平板波。設κ代表表面波或平板波的波矢。該矢量位于圖4所定義的x-y平面內，其方向為聲波的傳播方向，其大小為2π/λ，其中λ是表面波或平板波的波長。設(κB)//代表體波波矢的水平投影，即體波波矢的x和y分量。設θB是κ與(κB)//之間的夾角，θBT是從體波轉換成表面波或平板板的角度，θBR是從表面波或平板波轉換成體波的角度，這里用不同的符合來表示耦合的體波模式可以不同，因此各個散射可以不同。設κB是光柵的一個明顯的二維傅里葉成分。如果滿足下式，則二維布拉格散條件將滿足±κB＝κ-(κB)//對于這個基本的二維布拉格散射條件存在著許多特殊情形。下面將給出一些例子。
對于κ與(κB)//相平行即θE＝0°，并且光柵是由垂直于κ且間隔為p的直線光柵元素構成的周期結構這一特殊情形，上述關系式將簡化為下述標量條件，其中n是一個整數。
2πn/p＝κ-κBSinθB此外，當希望表面波或平板波是波長為λR的瑞利波(并且體波波長為λB)時，該關系式進一步簡化為下述等式θB＝Arcsin(λB/λR+nλB/p)(n＝…，-3，-2，-1，0，1，2，3…) (1a)等式1a中的內部角θB一般可以在一π/2＜θB＜π/2的范圍(單位弧度)內選擇，較好地是在一3π/8≤θB≤3π/8范圍內選擇，最好從一π/4＜θB＜π/4范圍內選擇。
用來探測觸摸的波可以是任何在基底表面被觸摸時將受到可探測擾動的聲波。對表面波或平板波可以有許多種選擇。瑞利波具有極好的觸模靈敏度并且無論基底厚度有多大它總是局限在靠近觸摸表面的一個薄體積內。水平偏振剪切波的優點是它們對液體和膠質污染，例如水污染和硅橡膠密封劑污染有弱的耦合。非均勻基底除了還能支持其他類型波的傳播之外，特別適合于適合于支持具有非對稱表面功率密度的水平偏振剪切波的傳播，其中包括勒夫波，這種波是水平偏振剪切波，并與端利波相似，被束縛在觸模表面附近。位在足夠薄的基底中的蘭姆波是聲波模式的又一種選擇。對于一個給定的應用，選擇最佳的聲波模式涉及多種工程上的折衷考慮。
在本文中，勒夫波可被與具有較高相速的基底下部相鄰接的具有較低相速的基底上部支持。通常被分類為非對稱水平偏振剪切波的相似類型的波可以被具有更復雜性質的垂直相速梯度支持。一個聲吸收層上的快速層/慢速層多層結構可以支持勒夫波，同時濾去寄生平板波。所以，基底可以包含一些具有不同聲波傳播性質和/或聲學界面的層。
基底可以做成為矩形或非矩形，如六角形，的平面平板。或者，基底可以沿一條或兩條軸彎曲成柱面，球面或橢球面或它們的部分表面，或者可以是其它形狀。大立體角的球面和完整的柱面基底都是可能的。例如，多面體觸模傳感器可以在每個邊上設置反射陣列，而在每個項點處設置換能器。本發明不局限于柱準的矩形傳感器幾何結構。
需要指出，就本申請的目的來說，基底不一定要是單塊結構，而也可以是均勻或非均勻的有聲學耦合的元件組。從發射換能器到接收換能器的聲學路徑可以作為制造處理的一一部分任選地通過基底上一些結合在一起的區域。
需要指出，根據1996年8月12日遞交的待審美國專利申請流水號08/615,716中指出的概念，面板的低曲率不是必須的，事實上，本光柵換能器可以應用于大量不同的聲學觸模輸入傳感布局，其中包括較嚴重的非平面表面，該申請在此引用作為參考。美國專利申請流水號08/615,716也包括了對多個和/或冗余探測波的利用和分析。
大基底也可使用于例如大白板應用，其中的基底在一個大區域上都是觸模敏感的。艾德勒型的聲學傳感器也已被考慮應用于電子白板；見歐洲專利申請(E.P申請)94119257.7，Seiko Epson，中的圖10及有關說明在白板應用中，基底不需要是透明的，因此可以用鋁這樣的不透明材料做成。有利的是，鋁和某某其他金屬可以鍍上具有較低聲波相速的搪瓷，從而可支持在前表面上有高觸摸靈敏度(相對水平剪切平板波模式而言)的勒夫波。
適合于做基底的玻璃包括堿石灰、含硼玻璃(例如硅酸硼玻璃)、含欽、鍶或鋁玻璃、和冕牌玻璃。例如見Tsumura與Kent的美國專利申請流水號08/904,670。也可以使用具有可接受聲學損耗的其他材料，包括鋁和鋼，但不局限于它們。在某些條件下，也可以用聚合物，例如Styron(Dow Chemical公司生產的一種低聲學損耗聚合物)，來形成合適的基底。也可以用由一些具有非均勻聲學性質的基底，例如疊層基底，來形成合適的基底。疊層基底的優點是可次支持聲波能量集中在前表面上的勒夫波的傳播，例如硅酸硼玻璃或Schott(肖特)B270玻璃一堿石灰玻璃基底或鋁上鍍搪瓷的基底。
這樣，根據本發明的一種觸模型坐標輸入裝置包括一個含有一個表面的傳播媒質，其上可傳播表面波或平板波；發射器件，用來使體波從傳播媒質的最低部分沿傾斜方向向傳播媒質表面傳播，并利用周期性擾動器件產生表面波或平板波；一個形成在傳播媒質表面上并可觸摸的顯示區域；反射器件，它們互相相對地設置在顯示區域周邊的兩個側邊部分上，用來使來自發射器件的表面波或平板波從一個側邊部分傳經整個顯示區域，并聚焦或會聚在另一個側邊部分中傳播的表面波或平板波；以及接收器件，用來利用周期性擾動器件把聚焦的表面波或平板波轉換成體波，并使體波以傾斜方向向傳播媒質的最低部分傳播，并接收傳播來的體波。
在根據本發明的一些實施例中，傳播媒質由一個平面面板或一個低曲率面板組成。此外，發射器件可以包括設置在傳播媒質的一個第一角部分的最低部分中的第一壓電器件，用來在響應于一個電信號時使體波以傾斜方向向傳播媒質的表面傳播；還包括第一光柵器件，用來把來自第一壓電器件的體波轉換成傳播媒質表面上的表面波；以及，接收器件可以包括第二光柵器件，用來把表面波轉換成傳播媒質表面上的體波并使體波以傾斜方向向傳播媒質的一個第二角部分的最低部分傳播，還包括第二壓電器件，用來接收第二角部分最低部分中得到的被第二光柵器件轉換成的體波，并產生一個電信號。
本發明的一個實施例提供了一種艾德勒型的觸模屏系統，它利用光柵換能器把壓電元件耦合到基底中的探測波上。這樣，該觸摸屏提供了一個坐標輸入裝置系統，它包括一個橫向對稱的顯示區域，在該區域上能夠傳播超聲表面波或平板波。在一種典型的4換能器系統中，分別為x軸和y軸設置了兩對換能器。對每個換能器，在面板的一個角部分處設置了一個傾斜表面，而在該傾斜表面上則放置了一個壓電換能器。壓電元件耦合出沿著相對于顯示區域周邊中的發射擾動傾斜的軸線傳播的體波，光柵結構即設置在發射擾動區域處。該光柵使體波與表面波或平板波相耦合，從而使體波換能器可以與表面波或平板波互相作用。這些表面波或平板波沿一個軸線傳播，在這個軸線上靠近面板周邊邊緣處設置了一個反射陣列(反射光柵)。反射陣列的每個元件都使表面波或平板波的一部分與一個穿越面板的探測波相耦合，并把其一部分傳送給一個相鄰的元件，從而把來自整個觸摸敏感區的分散探測波耦合成一個耦合到換能器上的窄聲波波束。這樣，每個換能器都能對稱地發射或接收聲波。兩對換能器放置成一個直角，以確定一個坐標系統。需要指出，光柵可以給出聚焦功能，以補償聲束的擴散。
聲波路徑也可以遇到發射和接收陣列的散射元素(scatteringoff)之間的邊界。反射邊界可以利用來自各散射中心的疊加的相干散射，如果是這樣，則反射邊界可以利用與聲波路徑后面部分的反射陣列相似的原理設計。不過應該指出，對于反射邊界使用具有散射更強烈的反射元件可能是有利的。根據本發明，應該理解這些反射邊界可能具有明顯的有用傅里葉分量，該分量對應于的波的反射，而不論該反射是否有同一平面內的模式改變，或者該反射也可以對應于例如從一個在表面平面內傳播的波到一個以傾斜于表面的角度傳播的體波這樣的波模式轉換。
在陣列設計中有時可能需要工程上的仔細考慮，以使最小程度地產生會造成信號缺陷的不希望寄生聲波路徑。當使用光柵換能器時，必須在三維空間中考慮寄生路徑。
本發明人發現，盡管產生了明顯的沿著壓電換能器軸線的寄生聲波，但仍可得到可工作的實施物。在一種艾德勒型觸摸屏中，聲波與聲反射陣列互相作用。該反射陣列起著同時對波長和傳播角度都是窄帶濾波器的作用。這樣，反射陣列具有高的方向靈敏度，這個方向靈敏度與換能器的方向靈敏度的結合起著限制系統接納角的作用。于是，對于有較低能量的寄生體波的系統，散射波能量不大會引起接收電子信號中的明顯干擾。假定不存在寄生波的直接路徑或著直接路徑位在有用時間窗口之外，并且可能位在時間窗口之內的反射路徑已被衰減，則不再必要為阻擋寄生波作出額外努力。對于干擾寄生波路徑確實成問題的情況，典型地可以通過稍為改動觸摸傳感器的幾何布局而排除這個問題。
對于寄生體波有大振幅的情況，衰減寄生波的設計考慮可能是重要的。當利用光柵來轉換波模式時，入射聲波能量最多只有81％能從體波耦合成某個特定的希望聲波模式。于是至少有19％的入射波能量被反射或散射成寄生波能量，這些寄生波常常平行于希望波傳播。因此，根據本發明，可以選擇使希望波的散射沿著一個不同于反射或散射寄生波的方向，并且/或者給系統設置一個或幾個機械濾波器，例如反射陣列或模式選擇濾波器，或者如時間選通系統等電子濾波器，來減小寄生波的干擾。另一種減小寄生波效應的特別有益的技術是采用剪切波模式壓電元件，它能產生一個與希望表面波或平板波有一個適當銳角夾角的剪切模式體波。這個實施例最少提供了兩個優點。首先，反射波能量反平行于希望波模式傳播，從而較容易用加在其表面路徑上的吸收材料來衰減。第二，這種剪切模式體波僅僅耦合成希望表面波或平板波，使Takeuchi等人(1980)所定義的“F因子”等于1，隱含著有效的波轉換。
典型地，觸摸屏與一個有許多功能的控制系統相聯系。首先，產生一個電子信號，激勵換能器產生一個聲波，接著該聲波將形成多組波。然后一個換能器接收這多組波，把它們轉換成一個電信號。在一個低級別的控制系統中，該電信號被接收，并以較高的數據率保留有意義的信息。在許多實施例中，沒有必要獲取含在接收信號內的相位信息。不過，在某些例子中，獲取相位信息可能是有益的。中等級別的控制系統經常與低級別控制在結構上相結合，它保待接收的數據和尋找識別和特性化干擾。例如，在一個實施例中，中等級別控制系統對信號濾波，執行基線校正，判斷信號與一個閾值的關系，并對信號作時間選通以排除代表具有過短或過長聲波延遲的寄生聲波路徑的信號。高級別控制系統分析信號擾動和輸出觸摸位置。因此，控制系統作為一個整體具有這樣一些功能激勵聲波；接收帶有作為擾動的觸摸信息的部分聲波；以及分析接收到的部分以提取觸摸特性，例如位置。
本發明的范疇包括其中有一個或幾個正信號型的傳感器子系統的實施例。這里“正信號”是指利用這樣的希望聲波路徑，其中一次觸摸將誘導為完成該聲波路徑所需的模式轉換，或者將產生相對于原始波的波相移。因此，信號擾動是在一個延遲的時刻產生一個信號振幅，在該時刻以前的信號振幅很小或等于零。見1996所8月12日提交的待審美國專利申請流水號08/615,716。
激勵功能可以是以一個預定的模式發射一系列脈沖或整形的脈沖，它們在名義工作頻率處具有明顯的功率譜密度。由于脈沖的有限持續時間，其帶寬是有限的。例如，Elo Touch Systems(公司名)制造了一種控制器，它能激勵音調為5.53MHz的脈沖串，持續時間在6至42個振蕩的范圍內，結果，例如與反射陣列的帶寬相比，由于有限的激勵時間而導致了寬頻帶激勵。這種電子脈沖系列典型地用來驅動發射壓電元件。當希望能夠對激勵脈沖串有高靈活性的控制時，可以采用一個直接數字合成器，例如模擬器件AD9850。
雖然根據本發明的系統是構筑成沒有明顯寄生信號干擾的，但有些結構可以允許有有限持續時間的寄生信號對希望信號的干擾。在這些情形中，提供一個或幾個具有不同寄生信號靈敏度的部分冗余的傳感器子系統可能是有益。這樣，當來自一個換能器子系統的信號或部分信號變得不能使用時，可以通過處理來自另一個換能器子系統的信號而確定觸摸位置。因此，根據本發明的該實施例，聲信號擾動可以由三個或更多個具有對寄生信號或可能的寄生信號的不同靈敏度的聲學換能器子系統探測。此外，當設有寄生信號干擾時，額外的信息可以用來提供進一步的信息和功能，包括抗陰影算法處理和多重觸摸探測。
因此，本發明的一個目的是提供一種聲學觸摸傳感裝置和方法，它利用一個具有一個表面的基底和一個用來在基底中產生體波的聲波換能器，該體波沿一條與表面相交的軸線傳過基底，其中體波的能量被轉換成在表面上具有明顯能量的轉變模式的波，該轉變模式的波沿著表面傳播。探測轉變模式的波的擾動。聲波模式耦合器例如是一個聲波衍射元件或一組元件。典型地，系統中將包含用來探測轉變波的能量擾動的器件。
本發明的另一個目的是提供一種聲學觸摸屏，它包括一個帶有一個表面的傳播媒質，用來使一個聲波沿該表面傳播；一個發射元件，用來在傳播媒質中產生體波；一個第一模式轉換器，用來把體波轉換成聲波；一個第二模式轉換器，用來接收來自第一模式轉換器的聲波并產生一個相應的體波；以及一個接收元件，用來接收來自第二模式轉換器的體波，其中至少一個模式轉換器包括一個至少含有一個波散射元件的散射元件組或一個衍射波模式耦合結構。
本發明的又一個目的是提供一個用于聲學傳感裝置的基底，它帶有一個中央區域和一對表面，該裝置包括一個聲學換能器，它與基底相耦合，用來在基底中產生體波，該體波的傳播軸線至少與一個表面相交；至少含有一個散射元件的散射元件組，它形成在一個表面的附近，能把體波的聲波能量轉換成在一個表面上有明顯能量的相干波；以及用來反射通過中央區域的轉換聲波的一部分能量的器件。來自反射器件的聲波在空間是分散的。
本發明的又一個目的是提供一種系統，其中聲波源包括用來使體波沿傾斜方向向基底表面傳播的器件。
本發明的又一個目的是提供一種系統，其中通過讓體波與基底上或基底內的至少一個散射中心相互作用而把體波耦合成另一種波模式。散射中心可以安排成一個給基底造成周期性擾動的組，或者安排成光柵結構。
根據本發明，可以從聲學觸模屏設計中排除楔板換能器，或者重新放置楔板換能器，使得有可能改善前表面的間隙和對環境的抵抗能力。排除了要求具有比基底低的聲波傳播速度的楔板，使得可以采用像塑料這樣的低聲速基底。
本發明的又一個目的是提供一種聲學觸模屏系統，它含有對準精度要求低并可能會降低制造成本的換能器。
本發明的又一個目的是提供這樣的換能器，它能產生會聚的聲波或提供其他聚焦或聲透鏡的功能。
這些目的和其他目的將變得明顯。為了充分理解本發明，現在需要參考下面對附圖所示的一些本發明優選實施例的詳細說明。
附圖的簡單說明本發明的優選實施例將借助


，在附圖中圖1是說明以往技術聲學觸摸屏裝置的示意性透視圖；圖2是說明一處彎曲面板與一個面框之間的關系的示意性橫截面圖；圖3是說明一個平面面板與一個面框之間的關系的示意性橫截面圖；圖4是用來解釋表面波或平板波與體波之間的轉換機制的示意圖；圖5和6分別是說明根據本發明的一種坐標輸入裝置的實施例的正面和側面示意性透視圖；圖7示出一年探測到的帶有觸摸誘導擾動的接收聲波波形；圖8示出一種根據本發明的直接路徑光柵換能器裝置，其中帶有后斜面安裝壓縮模式壓電換能器、鈍角入射角，在一個平面面板顯示器前方有一個面框和表面密封；圖9示出一種光柵換能器系統，其中體波的傳播軸在基底平面上的投影與轉換波的傳播軸線不同；圖10示出一種根據本發明的直接路徑光柵換能器裝置，其中帶有后安裝壓縮模式壓電換能器，具有壓電換能器與散射元件之間的基底中的厚度共振；
圖11示出壓電傳感器一基底系統的原理性等效電路；圖12示出根據本發明的一種反射路徑光柵換能器裝置，其中帶有前斜面安裝壓電換能器產生的剪切模式體波和鈍角入射角；圖13A示出根據本發明的一種勒夫波支持基底直接路徑光柵換能器裝置，其中帶有后斜面安裝剪切模式壓電換能器和鈍角入射角；圖13B示出根據本發明的一種勒夫波支持基底反射路徑光柵換能器裝置，其中帶有前斜面安裝剪切模式壓電換能器和鈍角入射角；圖14A示出根據本發明的一種光柵換能器觸摸屏系統，其中帶有發射會聚聲波的光柵；圖14B是說明彎曲光柵元件的模式轉換和聚焦效應的示意圖；圖15A示出根據本發明的一種直接路徑光柵換能器裝置，其中帶有后內部斜面安裝的壓電換能器和聚合物基底中的銳角入射角；圖15B示出根據本發明的一種光柵換能器裝置，其中帶有端面安裝剪切模式壓電換能器，后內部斜面上的反射路徑、和銳角入射角；圖16示出根據本發明的一種光柵換能器，其中帶有一個諧振安裝壓電換能器，具有能提供單一方向聲波發射的非對稱光柵結構；圖17示出根據本發明的一種光柵換能器，其中帶有一個諧振安裝壓電換能器，具有相對于光柵結構非對稱地放置的換能器，能提供有選擇的方向性的聲波發射；圖18A和18B示出根據本發明的兩個光柵換能器實施例，它們帶有諧振安裝壓電換能器，分別具有不對稱元件的光柵結構和偏置分層光柵結構，能提供有選擇的方向性的聲波發射；圖19A和19B示出根據本發明的一種光柵換能器，帶有分段反射陣列，每個反射陣列段都與一個光柵換能器結構相連系；圖20示出根據本發明的一種位在一個能支持勒夫波傳播的基底上的光柵換能器，其中轉換的勒夫波沿著垂直于體波傳播軸線的方向傳播；圖21示出根據本發明的一種光柵換能器，它不借助于反射陣列工作；圖22示出根據本發明的一種光柵換能器，其中光柵把兩種不同的波耦合到兩個壓電換能器上；圖23示出根據本發明的一種光柵換能器，其中含有一個復雜壓電換能器元件，用來控制與基底中的體波耦合；圖24A示出根據本發明的一種系統，它帶有一對光柵結構，以使聲能在基底的后表面與前表而之間轉移；圖24B示出一個采用圖23A所示系統的觸摸傳感系統如何具有簡化的前表面結構，而不使用壓電元件或楔板換能器；圖24C示出根據圖23B的觸摸傳感系統的后表面，其中在基底后表面上設置了聲學換能器、反射陣列和伸長的光柵結構；同時具有前表面觸摸敏感性；圖25示出根據本發明的一種光柵換能器，其中有兩個在基底平面內的明顯的接納角，從而耦合成兩個不同的轉換波；以及圖26A和26B示出根據本發明的一種系統，其中分別示出一個采用光柵換能器的半球形傳感系統的聲波路徑的邁卡特(Mercator)投影和平面圖。
本發明的實施模式現在將參考

本發明的一些優選實施例。各圖中相同的特征用相同的代號表示。眾知的聲學器件可逆原理意味著名義上的發射換能器和接收換能器都能實現發射、接收功能。因此，在下面所說明的實施例中，應該理解聲學換能器都可以發射和/或接收聲學信號。例1圖5是說明根據本發明的坐標輸入裝置的一個實施例的示意性透視圖。圖6是說明用光柵實現的擾動區域或衍射區域的示意性透視圖。
本實施例中的坐標輸入裝置包括一個傳播媒質1，它帶有一個可供觸摸的顯示區2，該顯示區沿著形成在其表面上的x軸和y軸方向是橫向對稱的，傳播媒質1還具有一個表面，表面波或平板波可在其上傳播。媒質1與一個發射換能器相耦合，以產生從媒質1最下方向其表面沿傾斜方向傳播的體波(可以是壓力模式或剪切模式)，并利用擾動產生x軸方向和y軸方向的表面波或平板波。x軸發射器件包括安裝在傾斜表面3a上的壓電換能器4a和形成在媒質1上的光柵5a，y軸發射器件包括形成在媒質1的傾斜面3b上的壓電換能器4b和光柵5b。在本實施例中，傳播媒質1由一個帶有傾斜端面的堿石灰玻璃所形成的各向同性平面面板組成。
上述發射器件3a、4a、5a和3b、4b、5b分別包括形成在傳播媒質1最下方中對應于x軸和y軸方向的發射擾動區的第一角部分鄰近的傾斜表面3a和3b；第一壓電器件的壓電換能器4a和4b，它們設置在傾斜表面上并用來在響應于一個電信號時發射沿傾斜方向向傳播媒質1表面上的發射擾動區傳播的體波；以及第一光柵5a和5b，用來把來自壓電換能器在傳播媒質中傳播的體波轉換成傳播媒質1表面上的發射擾動區中的表面波。此外，聲源區域中的傾斜表面3a和3b的兩個正投影平面在傳播媒質1表面上的顯示區域2的周邊內的擾動區中(一個z軸發射擾動區和一個Y軸發射擾動區)互相相交，并且光柵5a和5b分別放置在這兩個擾動區中。第一轉換器件5a和5b的光柵包括多個線性光柵(柵線或柵格)，它們幾乎互相平行地和周期性地沿著一個垂直于來自壓電換能器4a、4b的體波的傳播方向延伸，由此使體波和表面波可以相互轉換。
來自發射器件3a、4a、5a的x軸方向表面波或平板波和來自發射器件3b、4b、5b的x軸方向表面波或平面波被反射器件反射成沿y軸和x軸方向傳經整個顯示區域2，反射器件包括第一反射陣列6a、6b和第二反射陣列7a、7b，并且傳播的表面波或平板波被導向x軸和y軸方向或在x軸方向和y軸方向會聚，然后分別被接收器件8a、9a、10a和8b、9b、10b接收。
較具體地說，第一x軸反射陣列6a用來以周期性發射擾動區作為其原點把來自發射器件3a、4a、5a的表面波或平板波從x軸方向轉變成y軸方向，該陣列6a形成在顯示區域2周邊中的一個沿x軸方向延伸的側邊部分中；第二x軸反射陣列7a用來反射由第一x軸反射陣列6a反射到y軸方向的表面波或平板波，并把反射的表面波或平板波導向一個x軸方向接收擾動區，陣列7a形成在顯示區域2周邊中對著第一側邊部分的另一側邊部分。此外，第一y軸反射陣列6b用來以發射擾動區作為其原點把來自發射器件3b、4b、5b的表面波或平板波從y軸方向轉變成x軸方向，該陣列6b形成在顯示區域2周邊中的一個沿y軸方向延伸的側邊部分中；第二y軸反射陣列7b用來反射由第一y軸反射陣列6b反射到x軸方向的表面波或平板波，并把反射的表面波或平板波導向一個y軸方向接收擾動區，陣列7b形成在顯示區域2周邊中上述側邊部分對面的另一側邊部分中。每個反射陣列都能透射和反射一部分的表面波或平板波。反射陣列6a、6b、7a、7b使得有可能把來自x軸方向和y軸方向發射器件的表面波或平板波傳經整個顯示區域2并把在顯示區域2中傳播的表面波或平板波分別導向x軸和y軸接收擾動區。
接收器件8a、9a、10a和8b、9b、10b把已在顯示區域2中的傳播和會聚的表面波或平板波轉換成體波，并使體波以傾斜方向向傳播媒質1的最下方傳播，以接收經傳播的體波。具體地說，接收器件包括設置在鄰近于第二反射陣列7a和7b的接收擾動區中的第二轉換器件8a和8b的光柵，用來把表面波或平板波轉換成體波并使體波以傾斜方向向傳播媒質1的最下方傳播；形成在第二角部分的終端區域中的傾斜表面9a和9b，其中第二角部分對應于傳播媒質1最下部分中利用光柵8a和8b的折射投影區；以及，設置在傾斜表面上的第二壓電器件的壓電換能器10a和10b，用來接收被光柵8a和8b轉換得到的體波和產生電信號。第二轉換器件的光柵8a和8b以與第一轉換器件5a和5b相同的方式包括多個周期性放置的直線光柵，它們垂直于向壓電換能器10a和10b傳播的體波的傳播方向互相平行地延伸。
壓電換能器10a和10b所接收到的信號被饋送給探測器件(未示出)，以分析信號。在探測器件中，通過探測接收信號中由觸摸顯示區域2所引起的擾動成分和相應的時間延遲，探測出顯示區域2中的觸摸位置或觸摸區域。
由壓電換能器4a和4b產生的體波在傳播媒質1中直線傳播，并傾斜地入射到傳播媒質1與含有光柵5a和5b的發射擾動區的界面上，被轉換成表面波或平板波。在傳播媒質1中傳播的表面波或平板波在含有光柵8a和8b的接收擾動區處被衍射到一個傾斜的方向上，轉換成體波。
在這樣一個坐標輸入裝置中，當給壓電換能器4a和4b饋送電信號時，壓電換能器的振動將產生體波，并且該體波能被擾動區中的光柵5a和5b轉換成表面波或平板波，而且這些平面波或平板波能被第一反射器件反射到x軸和y軸方向以多條路徑在顯示區域2中穿過。因此，當顯示區域2被手指等物觸摸時，表面波或平板波將受到擾動，并且含有擾動成分的表面波或平板波將被第二反射器件導向或會聚到接收擾動區處。在接收擾動區中，表面波或平板波被光柵8a和8b轉換成體波，然后這些體波被壓電換能器10a和10b轉換成電信號。
由于用于擾動的光柵5a、5b、8a和8b是薄的，例如它們的高度遠小于聲波波長，所以傳播媒質的表面可以比楔板型換能器的機械輪廓平坦。因此，根據本發明的觸摸面板可以安裝在間隙較小的面框后面。
雖然傳播媒質的種類沒有受到特別限制，但可以采用其中能傳播表面波或平板波，尤其是超聲表面波或平板波的面板。面板的顯示區域包含一個可觸摸范圍(即坐標輸入范圍)，通常如上述實施例那樣形成為一個橫向對稱的形狀，特別是一個直線對稱的形狀(尤其是矩形)。構筑成一個面板的傳播媒質一般是透明的，以使液晶屏、真空熒光屏、或其他類似平面面板顯示器能被看到。一種優選的傳播媒質應是透明的和各向同性的。顯示區域的周邊，即例如面板等傳播媒質的外端，一般可以用一個面框遮蓋。
兩個傾斜表面可以分別形成在對應于傳播媒質最下部分中的聲源區和終端區的部分中，或者如圖5所示，也可以形成在例如作為面板的傳播媒質的側表面與底表面之間的拐角部分中。
發射或接收擾動區中的光柵擾動周期，即光柵間距或步長，可以根據傳播媒質中的體波波長和傳播媒質表面中的表面波波長在某一范圍內選取，該范圍例如為約0.01至10mm，較好地為約0.1至5mm，最好為約0.3至1mm。光柵的數目及其寬度沒有特別的限制，例如光柵數約為3至10，而光柵的寬度，即基底邊界區的尺寸，典型地約為0.01至10mm。
光柵的厚度(高度)可以在不大于5mm的范圍內選擇，例如約0.01至3mm，較好地為約0.1至3mm，最好為約0.1至1mm。光柵可以用網屏印刷或其他技術制作。光柵也可以用蝕刻、刻劃或磨削、或消蝕、或其他的材料移除方法制作。光柵也可以用模壓、熱壓印、或基底性質的后制造修改等方法制作。各光柵元素的高度和/或寬度可以以類似于反射陣列元件的方式改變，以平衡光柵各處的反射率和透射率。例如，高度受單調調制的光柵可用來提供相對于光柵的單一方向導向。
反射器件不一定要由反射陣列組成，而是也可以由一個或多個能透射部分表面波或平板波的反射元件組成。構成反射器件的反射陣列可以是一些反射陣列元件的集合(一組反射陣列)，這些元件可以形成為傳播媒質表面上的例如由玻璃、陶瓷或金屬材料做成的凸起物，和/或形成為傳播媒質表面上的凹槽。反射陣列的各元件一般互相平行，反射元件或每個反射陣列元件與x軸或y軸的夾角一般近似于45°，以使表面波或平板波沿x軸和y軸方向傳播。從美國專利No.5,591,945可知，反射陣列元件也可以其他角度傾斜，以便為觸摸屏產生不成直角的聲波路徑，或者實現入射波與反射波之間的模式轉換，例如從準瑞利波到高級次水平偏振剪切波(HOHPS)或勒夫波的轉換，該專利在此引用作為參考。
光柵元素可以用與反射陣列元件相同的方法形成，例如網屏印刷方法。這一共同性可以減小制造成本。
根據本發明的觸摸屏系統典型地利用一個電子控制系統(圖中未示出)，該系統產生探測聲波并確定能指明觸摸位置的擾動。電子控制系統又與一個計算機系統(圖中未示出)相連接，作為人機對話裝置，這計算機系統例如是一臺個人計算機、內設系統、盒式系統、或用戶終端。因此計算機系統可以是任何合適類型的系統，并且例如可以包括顯示器、聲音輸入和/或輸出器、鍵盤、電子相機、其他指點式輸入器等。計算機系統使用專門的軟件工作，但較典型地是使用標準的操作系統，例如微軟視窗(例如3.1，3.11，WFW，CE，NT，95，98等，或者遵從(一組、一子組或一超組)WindowsApplicantion Program Interface(視窗應用程序接口)或API的其他操作系統)；Macintosh(麥根托斯)操作系統；各種UNIX變體；等等。這樣，觸摸屏可以被用作圖形用戶界面系統的初級或次級指點式裝置(pointing devices)，以接收用戶輸入。觸摸屏控制器和計算機系統也可以集成在例如一個內設系統中。
根據本發明的觸摸型坐標輸入裝置不僅適用于具有彎曲表面的顯示器，例如陰極射線管，也適用于平面面板顯示器，例如液晶和等離子體顯示器。例2設計、裝配、和測試了采用光柵換能器的觸摸屏。生產了全功能的、具有產品質量信號的光柵換能器觸摸屏。
僅觀察到小相對振幅的寄生信號。這些寄生信號位在觸摸屏工作的希望信號的時間范圍之外。這些寄生信號不破壞觸摸屏系統的工作，并且可以通過在控制器電路中加上時間選通或者在觸摸屏上觸摸區域和反射陣列的外面加上聲衰減器而被進一步減小。雖然光柵換能器會產生明顯的寄生波，但對于采用光柵換能器的聲學觸摸屏功能來說，來自接收換能器的寄生信號不是一個問題。
玻璃基底的尺寸約為272.5mm×348.7mm×3mm。玻璃基底在其下部有一個45°的斜面，用于安裝關于θB＝45°的光柵換能器的壓電元件。也就是說，壓電元件的法線與垂直方向的夾角θB為45°。在玻璃上印刷了14mm寬的反射陣列。位在各陣列之內的矩形透明玻璃區域尺寸約為234.6mm×310.8mm。這給出了一個其對角線尺寸超過15英寸的有效觸摸區域。
利用上述玻璃粉末的多次印刷玻璃，在4個換能器位置上形成了4個各約40微米高的光柵。四周的壓電換能器元件4a、4b、10a、10b被粘結在斜表面3a、3b上。見圖5和6。通過焊接把電纜(圖5、6中未示出)分別連接到壓電換能器4a、4b、10a、10b的電極上。電纜通過一個連接器連接到一個控制器上。用作控制器的是一種市場上可購到的超聲型控制器(日本“TPS”公司(Touch Panel SystemsCo.，Ltd)所制造的1055E101型)。一臺帶有適當軟件的個人計算機連接在該控制器上。觀察到了合適的聲學觸摸屏性能。
作為比較，在光柵換能器5a、5b、8a、8b的前面暫時放置了楔板換能器。光柵換能器給出的觸摸屏信號(對于具有兩個換能器的信道)大約低10dB左右。雖然光柵換能器的設計和制作還沒有最優化，但它們已顯示出足以適應許多產品設計的效率。
此外，考察了信號波形。光柵換能器觸摸屏所得到的一個代表性信號如圖7所示。
標有A的小峰是實驗裝置的缺陷。脈沖串與接收電路的串擾造成在接收信號中出現衰減的脈沖信號。這提供了接收信號中的方便的t＝0標記。
標有B的信號是持續時間約為190微秒的希望的觸摸屏信號，它約開始于小峰A之后90微秒。當觸模屏被觸摸時，如觸摸屏工作所希望的，在信號B中出現了凹坑C。
在約80微秒處，即在希望信號開始之前約10微秒處，觀察到一個小寄生信號D。通過用兩個光柵換能器在玻璃基底端面附近對其上、下表面進行衰減，觀察到了這個寄生信號的消失。
在希望信號之后約20微秒處觀察到另一個小寄生信號E。這個寄生信號在楔板換能器觸摸屏中也是常常看到的。對于楔板和光柵換能器情況，這個寄生信號都可以通過在玻璃上表面適當位置處放置合適的聲波衰減器而排除掉(排除掉從玻璃端面反射的瑞利波)。例3圖8示出一個適用于聲學觸摸屏的光柵換能器，它使聲學觸摸屏能很好地適配于LCD觸摸監視器。在圖8中，一個帶有密封條24的面框26在環境與觸摸屏敏感工作區之間提供了屏障。基底20的前表面22與密封條24相接。設置密封條24的目的是使得有足夠的聲波能量讓觸摸屏工作，并保護光柵30、壓電換能器32和平面面板顯示器28不受污染。壓電元件32粘結在基底20的后斜面38上，并借助焊劑34與導線36相連接。斜面相對于光柵30以θB角傾斜，該光柵的設置沿著一條軸線，該軸線或者是壓電換能器32被激勵時所發射的體波的傳播軸線，或者是換能器對基底20中的體波有最大靈敏度的軸線。光柵30使一個沿著傾斜于它的軸線方向傳播的體波被耦合成在表面22上有明顯能量的表面波或平板波。
從LCD觸摸監視器設計的角度看，可以看到光柵換能器具有一些僅僅以觸摸屏設計角度看來并不明顯的優點。光柵的外形輪廓低，典型地，其高度遠小于任選的密封條，從而易于設置在面框下面。壓電元件，包括焊劑連接和相應的導線走線，可以設在因基底被做成斜面而去掉的材料的空間中。這樣，光柵換能器使得LCD觸摸監視器的機械設計可以有一個極好的解決方案。例4與例2類似，光柵換能器制作在3mm厚的堿石灰玻璃基底上。
如圖6所示，這些光柵換能器對應有一個相對于光柵元素傾斜(θB＝45°)的壓電元件。光柵的制作使用了與制作反射陣列相同的方法，即用網屏印刷技術和約400℃的爐子固化淀積玻璃粉末。高溫固化使玻璃粉末燒結并粘著在玻璃基底上。固化的玻璃粉末是一種密度為5.6g/cm3的剛性陶瓷材料。利用多次網屏印刷處理得到了高達40微米的光柵高度。
根據Masao Takeuchi與Hiroshi Shimizu的論文“Theoreticalanalysis of grating couplers for surface acoustic waves(表面聲波光柵耦合器的理論分析)”(日本聲學學會學報，36(11)543-557(1980年6月24日)中所給出的原理，光柵間隔設計為0.89mm。該計算假定了瑞利波波速為3103m/s，體壓力波波速為5940m/s，體波角度為45°，工作頻率為5.53MHz。
或者，合適的反射元件也可以用消蝕法，例如噴砂法制作。
壓電元件是用本技術領域所熟知的Fuji Ceramics(公司名，富士陶瓷)生產的陶瓷壓電材料做成的，這種材料曾用于可從美國加州佛來盟市的Elo Touch Systems公司和日本東京的TPS公司購得的許多觸摸屏產品。該材料屬于與壓電陶瓷有關的PZT(鈦酸鋁鋯)族。壓電元件的名義基本共振頻率5.53MHz，當然頻率的設計只是一個選擇的問題。壓電元件的寬度為3mm。
壓電元件粘結在與基底水平表面成45°角的斜面上。在壓電元件的粘結在玻璃上的那個面上的導電電極一直延展到元件的周圍，從而兩個壓電電極都可以在同一外露表面上與導線焊接。
使用一個HP(惠普)8012B脈沖發生器產生重復周期為5毫秒的5微秒門脈沖。這個門脈沖用來觸發一個HP8111A函數發生器，接著后者產生5微秒寬的單音脈沖。HP8111A已被編程得能產生名義振幅為10V、頻率為5.53MHz的正弦波單音脈沖串。曾使用Yokogawa公司的DL 12000型4通道數字示波器的一個1MΩ輸入通道觀察了該單音脈沖串。這些單音脈沖串用來激勵被測試的光柵換能器。
在玻離基底上與光柵換能器相距25cm處放置了一個楔板換能器，并把后者連接到Yokogawa DL 12000型4通道數字示玻器的另一個1MΩ輸入通道上。在數字示波器上同時觀察給光柵換能器的發射脈沖串和楔板換能器的接收信號的時間和振幅。
在楔板換能器處觀察到了來自光柵換能器的信號，表明光柵換能器成功地發射了具有明顯表面能量的波。
當在光柵換能器與楔板換能器之間放上一個手指或其他瑞利波吸收物時，接收信號消失。這證明接收信號來源于光柵與楔板換能器之間的瑞利波傳播，由于具有明顯表面下功率的波模式應該有較小的衰減程度，所以在這種基底和這種發射頻率下，觀察到的合理的可能波模式只能是準瑞利波。此外，單音脈沖串與接收信號之間的時間延遲也正確地對應著已知的玻璃基底的瑞利波波速。例5例1、2、4采用了發射(或接收)角為0°的光柵換能器。也就是說，瑞利波的方向相同于體波傳播軸線在水平面上的投影。但光柵換能器并不局限于這樣的設計。光柵換能器的概念可以推廣到瑞利波傳播方向相對于體波方向的水平分量有一個非零發射角θE的情況。非零發射角具有以下兩個潛在優點。
非零發射角增加了機械設計的靈活性。見圖9，其中示出一對位于觸摸屏66的一個拐角58處的接收光柵換能器的平面圖。每個光柵換能器含有一個安裝在后斜面56上的壓電元件60a、60b，其一組光柵元素沿著一個壓電換能器一體波耦合軸52a、52b穿過基底66。光柵54a、54b相對于體波傳播軸52a、52b是傾斜的，使得體波被轉換成一種必然是沿著軸50a、50b傳播的單個表面波或平板波，其中軸50a、50b的方向與體波的傳播軸線不同，分別平行于基底66的邊緣64、62。
例如當在玻璃基底的所述拐角與觸摸監視器的另一個元件，例如支柱，之間發生機械干涉時，這樣的設計是有優點的。
非零發射角的第二個好處是，使希望的瑞利波的發射角與由壓電元件產生的寄生體波的典型為零度的發射角分開一個角度。同樣，如圖9所示，接收光柵換能器的敏感方向也將相對于進入的寄生體波的敏感方向分開一個角度。應該指出，與壓電換能器相耦合的體波相對于瑞利波可以有任何的夾角，例如90°，這為希望瑞利波和沿平行于體波傳播軸線的水平投影方向傳播的寄生波提供了明顯空間分離的可能性。
因此，構建了一個具有傾斜壓電元件(θB＝45°)和非零發射角(θE＝30°)光柵換能器的系統。其制作方法與圖4的零發射角實施例的制作方法相同。唯一的差別是，為了滿足使瑞利波波矢與壓力體波的水平成份相耦合的水平分量布拉格散射條件，光柵的間隔和取向有所改變。
這些30°發射角的光柵換能器用與圖4零發射角實施例相同的方法進行了測試。定量的時間延遲數據和對表面吸收物的敏感性確認已得到了瑞利波信號。這樣便清楚地證明了非零發射角光柵換能器的有效工作。
通過在一個以光柵換能器為圓心、半徑為250mm的圓弧上的不同位置處放置接收楔板換能器，測量了發射角名義值為30°的光柵換能器(θB＝45°)的角度方向性。下表示出聲波在一對換能器之間傳播時測得的信號相對振幅(相對于最大測量值)。

觀察到光柵換能器具有非零發射角的有方向性的發射光束。觀察到的峰值出現在31.5°的發射角處，接近于30°這一名義發射角設計值。于是可以看到，光柵換能器能夠支持非零發射角，從而為聲學觸摸屏的設計提供了一個重要的新可選參數。例6如圖10所示，水平安裝在壓電元件32這一特殊情形是一種選擇，即θB＝0選擇。注意，這種光柵換能器設計避免了必須在基底端面68處加工一個斜面。這一加工步驟的免除可以降低制造成本。如圖10所示，體波72在前表面22上接近光柵30處被部分地反射，產生瑞利波作為轉換波模式79。一部分波能量被轉換成水平行于表面22傳播的波。典型地，基底20的后表面42只有較少的聲能被耦合成接收波，從而對觸摸不敏感，使得可以在后表面上進行安裝。
設計、裝配和測試了帶有θB＝0°光柵換能器的觸摸屏。除了玻璃基底上沒有做斜面之外，所用的方法與例2中的相同。再次得到了有完善功能和具有產品質量信號的光柵換能器觸摸屏。同樣，產生的寄生波沒有妨礙光柵聲學觸摸屏的成功工作，并且觀察到的寄生波是很小的。
為了比較，在光柵換能器前面暫時放置了楔板換能器。對于這個θB＝0°的情況，光柵換能器和楔板換能器在實驗誤差范圍內給出了相同的觸摸屏信號振幅。雖然對于該θB＝0°的光柵換能器的設計和制作沒有最優化，但已清楚地證明了它具有商品意義的換能器效率。
需要指出，觀察到了比例2的θB＝45°光柵換能器大10dB左右(每個換能器大5dB)的信號。這一實驗結果提示了新的物理效應可能會導致θB＝0°光柵換能器設計的效率增強。例7在3mm厚的堿石灰玻璃基底上制作了類似于例6的θB＝0°光柵換能器。
除了如圖10所示那樣在基底上未做斜面和壓電元件安裝在基底下表面光柵的對面之外，制作技術和測試方法都與例4中的相同。觀察到了比例4θB＝45°光柵換能器高的效率。這確認了，例6觸摸屏信號振幅大于例2觸摸屏信號振幅確實起因于θB＝0°光柵換能器效率的提高。
在θB＝0°的情形中，一些在θB≠0°時不出現的新機制或物理效應開始起作用。垂直方向的體波可能受到基底上下表面的多次反射而仍具有恰當的方向和相位能耦合于壓電元件并通過光柵耦合成瑞利波。這多次反射給體波多于一次的機會能通過光柵耦合成希望的聲波模式，從而增加了光柵換能器效率。
考察θB＝0°情形的另一條途徑是考慮基底的厚度共振。光柵和壓電元件都耦合于基底的厚度振蕩。得到這個共振條件的一個較好的方法是把壓電元件設置在一個平行于光柵換能器表面的表面上。厚度振蕩的概念雖然與上面討論的多次反射模型概念是等價的，但它不是在時間域而是在頻率域中考慮這一效應。因此，有意義的是考慮當工作頻率匹配于基底的厚度共振時將會發生什么。
通過調諧基底厚度和/或工作頻率，可以增強厚度共振。這提供了增強換能器效率的又一個方法。垂直體波的厚度模式共振或多次反射可以用來增強例如垂直壓力波與瑞利波之間通過光柵的耦合。這反過來又減小了對應于最大換能器效率的最優光柵高度，從而簡化了制作過程。
厚度模式共振還提供了這樣的設計自由度，即通過調節粘結壓電元件的等效電路電阻來控制聲學觸摸屏的電子阻抗特性。圖11示出光柵換能器的等效電路。這種振蕩或多次反射改變了其上粘結了壓電元件的例如玻璃表面的或多次反變了其上粘結了壓電元件的例如玻璃表面的機械或聲學阻抗。當發生厚度共振時，玻璃的聲學阻抗將降低從而粘結在玻璃上的壓電元件的機械Q值將增大。其結果是，換能器的等效電路電阻(圖11電路圖中的“R”)將減小。
如果壓電元件被正確地調諧到工作頻率上，即如果1/{2π√(LCl)}等于工作頻率，則諧振的電感阻抗與電容阻抗將互相抵消，使等效電路變為電容C0與電阻R的簡單并聯。這時提供給壓電元件的功率的V2/R，其中V是所加驅動電壓的均方根值。
對于已知的商品觸摸屏控制器，其換能器激勵脈沖電路更接近于一個電壓源而不是電流源。如果發射的脈沖串振幅受到最大電壓安全標準(例如恩德萊特(Underwriter)實驗室的標準)的限制，則這一說法尤為正確。假定用一定的電壓來激勵信號，則較小的等效電路換能器電阻意味著提供給換能器較大的電功率。因此在某些控制器設計中，厚度共振可以明顯地提高可被轉換成聲波的電功率。例8在鋁基底上制作并成功地測試了光柵換能器。鋁可以用作不透明觸摸面板的基底。這表明光柵換能器的工作原理不局限于基底材料的特定選擇。
在鋁基底上用機械刻槽法制作了一個光柵。光柵的設計是，槽深51微米，槽寬254微米，相鄰槽中心距533微米。光柵有10條柵線。
與采用玻璃基底的例6相同，壓電元件水平地安裝，發射角為0°。在該情形中，鋁基底在光柵區域處的厚度被設計得對應于厚度共振。這一厚度為2.29mm。
用類似于例4所述的測試方法考察了該光柵換能器的工作。用峰峰振幅為14V的3至4微秒單音脈沖串作為激勵一個楔板換能器的發射脈沖。來自楔板換能器的瑞利波對準著光柵。在基底下表面上光柵始端的下方安裝了一個2mm寬的壓電元件。觀察到了峰峰振幅為1.4V的接收信號，這一振幅是勵激信號的-20dB。一對楔板換能器給出的信號振幅與該測量信號相似。
注意，用基底上的刻槽而不是淀積材料成功地制作出了光柵換能器。這進一步證明了光柵制作可以有各種方法。例9用三種不同的光柵材料，其中兩種不是玻璃，制作了原型的水平壓電元件(θB＝0°)和非零發射角(θE＝45°)光柵換能器。在三種情形中全都觀察到了瑞利波發射；這三種材料為固化的玻璃粉末(約10微米高)，LithoponeTM(商品商標)各加載環氧樹脂(約25微米高)，和鎢加載環氧樹脂(約25微米高)。這樣，環氧樹脂為無機充填劑混合物提供了一種聚合物基質。玻璃粉末和LithoponeTM加載環氧樹脂光柵的淀積質量基本相同，在實驗不確定度范圍內相應的接收信號也相同。鎢加載環氧樹脂光柵的淀積質量約為它們的兩、三倍，對應的接收信號振幅有增大。
聚合物光柵材料的使用提供了更大的設計和加工靈活性。例10在例2、4、5、6、7中，與壓電元件耦合的體波是壓力波。但例如圖5和6中所示的元件4a、4b、10a、10b也可以是剪切模式壓電元件。然而，如本實施例所證明的，體剪切波可以用更普通和更低成本的壓力模式壓電元件產生。
本實施例利用一個壓縮模式壓電元件32來實現，如圖12所示，該元件以不一般的方式安裝，使得體波78在到達光柵30之前被轉換成粒子在紙平面內運動的剪切波80。在圖12中，基底20是堿石灰玻璃，其中體壓力波波速為6000m/s，體剪切波波速為3433m/s。5.5MHz的壓縮模式壓電元件32相對于水平方向傾斜一個角度θp＝62.6°放置。發射的體壓力波78相對于垂直方向以角度θp向下方傳播。這將導致一個相對于垂直方向以角度θs＝30.5°向上傳播的反射剪切波80。θs的值由斯奈耳(Snell)定律決定sin(θs)/Vs＝sinθp)/Vp本例中θp值選擇為相當于光學布儒斯特(Brewster)角的聲學布儒斯特角。利用已知的聲學原理，例如見B.A.Auld(奧爾德)所著<Acoustic Fields and Waves in Solid(固體中的聲場和聲波)>第II卷第二版(Krieger Publishing Co.出版，弗洛利達州，Malabar市，1990，ISBN號089874783-x)中的公式9.45(Γ11＝…)，入射壓力波將被100％地反射成剪切波。這一模式轉換反射使得普通的壓力模式壓電元件能高效率地產生體剪切波。
甚至可以用壓力模式壓電元件32來產生射向光柵30的剪切波80這一能力，來提供一種改變或優化例如瑞利波發生的“F”因子(見Takeuchi等人1980年的文章)的有益選擇。
圖12所示的情況將對所示基底是一個安全玻璃多層結構的頂層20的情形提供特殊的優點，該多層結構的組成例如是在堿石灰玻璃層20與132之間夾有一個聚乙烯醇丁酯聚合物層130或其他的層。在此情形中，剪切波將在上玻璃層20的下表面42上反射，并且由于玻璃層20與聚乙烯醇丁酯130之間的大聲阻差別，大部分的波80仍被朝著光柵向上反射，并被轉換成例如瑞利波79。另一方面，寄生平板波模式將被聚合物層130快速衰減。安全玻璃多層結構頂層20上方的斜面74很容易被例如加工壓電元件的機器手觸及，而且還避免了在壓電元件32與從組成基底20的玻璃層溢出的多余聚合物130之間出現機械干涉。
對于這個θs＝30.5°的特定例子，剪切波功率中的sin2(θs)部分，即約26％，具有垂直方向剪切運動的形式；而其能量中的cos2(θs)部分，即約74％，則具有水平偏振剪切運動的形式。在后面的例子中將看到，大的水平剪切成份使得有可能實現這樣的實施例，其中從光柵發射的波是水平偏振剪切波，例如勒夫波或HOHPS波。例11可以設計所發射(或接收)的聲波模式不是瑞利波的光柵換能器。圖13A和13B考慮采用能激勵水平偏振剪切波即勒夫波94的水平剪切模式壓電元件32’的光柵換能器。
分層基底84，86例如是粘結在3mm堿石灰玻璃層上的0.5mm厚的慢體剪切波波速玻璃，例如一種含鋇玻璃Sochott(肖特)B270TM玻璃，這樣的基底84，86能傳播勒夫波94，它所提供的表面82上的水平剪切運動的功率密度要高于在一個1mm厚的玻璃基底中的最低級次水平偏振剪切(ZOHPS)波所能提供的功率密度。壓電元件32’的剪切運動、體剪切波92的剪切運動、柵線90的軸線、以及勒夫波94的剪切運動全都垂直于圖13A中的紙平面。
另一方面，圖13B采用于與圖12相似的幾何布局。不過在該情形中，來自水平剪切模式壓電元件32’的水平偏振體剪切波96在基底86的下表面上只發生反射而沒有模式轉換，因此入射角等于反射角。這種光柵換能器可以設計得有各種壓電元件取向和前面討論的發射角。然而，對于大的發射角，例如最壞情況下的90°，由于體波的水平剪切運動不再平行于發射波的水平運動，效率將有損失。
光柵的間隔和方向取決于發射勒夫波的波矢與體波波矢的水平分量之間的布拉格散射條件。例12如圖14A所示，通過給柵線5a’、5b’、8a’提供曲率可以構筑出聚焦光柵換能器。注意，這里不需要彎曲的壓電元件。在不增加壓電元件制作成本的情況下，該光柵傳感器提供了調節發射聲束聚焦特性的自由度。對于楔板換能器和端面換能器就沒有這一自由度。
對于結合水平取向壓電元件的光柵換能器，光柵5a、5b’、8a’的曲率半徑被設置得等于希望的焦距100、102、104。雖然焦距也可設置為等于或長于反射陣列的長度，但實際焦距最好約等于反射陣列6a、6b、7a長度的一半到四分之三。這些光柵元素也可以是拋物線形的或其他能把聲波能量導向某一希望路徑的希望形狀。典型地，光柵的希望焦距大于光柵大小，并且拋物形彎曲與圓形彎曲實際上是等價的。對于帶有傾斜壓電元件的光柵換能器，雖然有關的數字公式較為復雜，但同樣有一個自由度來調節焦距。布拉格散射條件仍然適用。希望的布拉格散射角變得是光柵換能器內部位置的函數。聚焦光柵換能器的柵線曲率可以借助圖14B和下述等式設計dy/dx＝tan(π/2-θg)κg2＝[κBsinθB]2+κR2-2κBsinθBκRcosθsin(θg-θ)＝[κBsinθBsinθ]/kg換能器聲束的輕度聚焦可以用來部分地補償衍射聲束擴散的信號損失。例如，聚焦光柵換能器的焦距可以設置為具有反射陣列長度或者其一半。如圖14A所示，其中沒有示出反射陣列，但卻可以包括美國專利NO.3,673,327的艾德勒型觸摸屏或約翰遜-弗來堡(Johnson-Frey berger)型觸摸屏，光柵可以具有這樣一個焦點，它最好位在基底長度的一半至四分之三處。例13
圖15A考慮這樣一種光柵換能器設計，其中F因子可以為1，從而進一步增強了換能器效率，見Takeuchi等人1980年的文章。當一個體剪切波入射到一個具有足夠負的滿足下式的θB的光柵上時，有可能實現F因子為1。
|Sin(θB)|＞Vs/Vp＝(0.5-δ)/(1-δ)1/2其中Vs是體剪切波波速，Vp是體壓力波波速，δ是泊松比(Poisson’s ratio)。當滿足這一條件并且光柵間隔被設計為能耦合體剪切波與瑞利波時，將沒有瑞利波通過布拉格散射耦合成體壓力波。對于泊松比δ＝0.355的鋁，上述條件的數值估算為θB＞28.3°。因此用一個按圖15A所示方向傾斜的，例如傾斜30°，安裝在基底表面上的水平剪切壓電元件可以構筑出F＝1的光柵換能器。
這樣，如圖15A所示，壓電換能器32被設置得能產生這樣一個體波108，其傳播軸在光柵30’平面內的投影與轉換波模式79的傳播軸相反。壓電元件32被遮蔽在一個內部斜面內，使焊點34、連接導線36和信號電纜受到保護。
在某些情況下，為了保護壓電元件、連接焊點和導線走線而把它們放置在圖15A所示基底的一個凹齒內可能是有利的。在某些情況下，即使例如因使用了較低成本的壓力模式壓電元件而出現F＜1時，仍同樣可以利用圖15A幾何結構的機械設計優點。
特別對于用模鑄技術形成的聚合物基底只要稍加一些制作成本，圖15A的基底幾何結構就可以給出F＝1和對壓電元件的機械保護。例如，對于styron666(商品型號，一種由Dow Chemical公司生產的聚苯乙烯)來說，泊松比δ＝0.35，而且當剪切模式壓電元件被負向傾斜30°(或較大)放置時能給出F＝1。
圖15A幾何結構的瑞利波或勒夫波光柵換能器的聚合物基底實現特別令人感興趣，這是因為如前所述楔板換能器很難或不可能設計成聚合物基底。注意，對于模鑄聚合物基底，光柵(和反射陣列)可以設計在模具上。在這種加工處理中，支持各種高度或深度的光柵是不困難的。
圖15B示出另一個實施例，其中利用了圖15A和圖12原理的結合。例如，對于聚苯乙烯基底20，壓電元件32可以相對于水平方向成60°角地設置。壓電元件32耦合出一個與垂直方向成60°角傳播的體壓力波116，該體波被導向光柵30’。在反射表面112處，該體壓力波發生反射并轉折90°，同時被模式轉換成一個θB＝-30°的體剪切波118。反射表面112與垂直方向之間的夾角為55.6°。根據例10中所引的B.A.Auld的教科書中給出的聲學原理可以導出，反射表面處的模式轉換效率為77％。
圖15B還示出，有可能把壓電換能器32安裝在一個楔形結構110上，該結構可以用膠粘或其他方法在界面120處粘結到基底20上。界面120不會嚴重衰減體波模式118。這樣，基底20不需要在兩個表面22、42上都有預先形成的表面結構。
在圖15B所示例子中，體波受到一個反射表面的反射和模式轉換。在光柵換能器設計中也可能包括兩次或多次的體波反射。這時可以給聲學觸摸屏的光柵換能器設計進一步增加自由度。
可以通過在光柵換能器結構附近放置吸收物來抑制寄生波效應。可以模鑄參考表面和/或施加聲阻抗匹配吸收物的能力，為對付寄生波提供了許多靈活性。例14對于θB≠0°，光柵換能器是單一方向的，也即它們主要向前方發射聲束而不發射后向聲束。
對于θB＝0°，對稱設計的光柵換能器是雙方向的，也即將對等地向前方和后方發射(或接收)。在某些情形中，當觸摸屏光柵換能器的設計要求是耦合兩個沿相反方向傳播的有用波模式時，雙方向可能是有益的。
有可能設計單方向的θB＝0°光柵換能器。方法之一是在光柵換能器背后設置一個聲反射器。例如，如圖16所示，可以在用于波模式轉換的光柵30背后放置一個半波長光柵((n+1/2)λ)122。在圖17所示的實施例中，反射器128僅僅只是一個波長間隔(nλ)的光柵在背后方向的延伸。波長間隔光柵128把背向傳播的聲波126耦合成一垂直向體波130，后者在基底下表面43上反射之后在光柵128的延伸部分處被耦合成希望的前向聲波124。前向波124和后向波126的疊加就是從該換能器系統發射的有效波79。
或者，對于瑞利波的產生和接收，可以如圖18A所示采用非對稱的光柵形狀132。關于這種光柵可以是單一方向的實驗證明己報導于Electronics Letter(電子快報)(第5卷第9期，1969.5.1)上的一篇文章，該文在此引用作為參考。從理論上說，垂直體波與非對稱光柵的相互作用可以導致粒子的橢圓形運動。假定沿相反方向運動的瑞利波對應著相反方向的橢圓形粒子運動，則受到橢圓激勵的光柵將優先與某一方向的瑞利波耦合。
Takeuchi教授與Yamanouchi教授的論文“Unidirectional excitationof plate waves in a periodic structure(周期結構中平板波的單方向激勵)”(1991年10月)證明了，相對于一個周期性散射中心陣列錯開(偏置)八分之一波長((n+1/8)λ)放置的一個周期性激勵中心陣列將導致聲波的單方向發射，該論文在此引用作為參考。類似的原理可以應用于根據本發明的觸摸屏光柵換能器。
像瑞利波或勒夫波這樣的表面導引波也在一定程度上滲入到基底內部；例如在表面下方半個波長深處仍存在明顯的能量密度。如圖18B所示，根據本發明的一個實施例，衍射聲波模式耦合器90’、90”的各元素也可以延伸到表面下方類似的深度處。圖中的壓電換能器32”是一個與基底下表面88’有聲學耦合的剪切模式壓電元件，由它產生的體波92’在基底20’中向其上表面82傳播，它在到達上表面附近的淺區84’之前先到達較深區86’。基底20’被形成為一個能支持勒夫波傳播的多層結構。為了得到一定的時間延遲和相應的相位偏移，衍射聲波模式耦合器90’、90”的元素可以互相錯開一個偏置91或者傾斜，以使得勒夫波在沿表面的希望傳播方向上得到相長干涉，從而具有比沿表面相反方向傳播的波94”大的能量。因此，這種類型的耦合器可以做成是部分地或完全地單方向的。在此情形中，基底例如可以是鍍有一個含有重金屬的濃搪瓷層的鋁。埋藏的衍射聲波模式耦合器90’可以用壓印法形成在鋁表面上，在鍍膜時其中充填以搪瓷84’，然后可以在完全固化之前在搪瓷84’中壓印出表面衍射聲波模式耦合器90”。相對偏置量91由一個未示出的機械夾具控制。例15采用光柵換能器的聲學傳感器并不局限于總共有4個換能器的布局。與采用楔板換能器的聲學觸摸屏相同，在根據本發明的一個觸摸傳感系統或基底上也可以設計有6個、8個、或更多個換能器。例如，在一個根據本發明的矩形觸摸屏實施例中，在每個角上都設置了兩個光柵換能器，得到4個傳感器信號供控制器電路處理以確定觸摸位置x右、x左、y上、和y下。這還可以進一步推廣播到例如用三對或更多對換能器測量x軸坐標。不過，特別令人感興趣的是那些在楔板換能器觸摸屏中找不到類似對應的光柵換能器聲學觸摸屏實施例。
注意到光柵換能器可以放置在基底表面上任何位置處而不論是否靠近自由端面，這與楔板換能器是相似的，但與端面換能器不同。不過，與粘結在基底表面上的楔板換能器不同的是，當光柵換能器放置在另一個傳感器子系統的有用聲學路徑中時，它不一定表現為完全的聲學不透明障礙物。光柵換能器允許各傳感器子系統互相重疊從而有更大的設計自由度。特別地，如圖19A和19B所示，光柵換能器能夠實現各傳感器子系統的無縫拼接。
圖19A示出一對發射(142)、接收(140)光柵換能器的柵線和一對相應的發射(146)、接收(144)反射陣列。這些柵線和反射陣列可以用許多方法形成，例如印刷、蝕刻、金屬基底壓印、或聚合物基底的模鑄成形。在一個優選實施例中，光柵140、142是單方向換能器的一部分，例如是用與基底材料相同的材料做成的楔形，按與圖15B所示類似的布局以θB＜0°放置在壓電元件與基底下表面之間。
圖19B示出柵線對150X、152X、150Y、152Y和反射陣列154X、156X、154Y、156Y的一種可能的拼接布局。實心圓代表類似于圖19A中的發射光柵150X、150Y換能器，粗箭頭代表發射反射陣列154X、154Y，細箭頭代表接收反射陣列156X、156Y，空心圓代表接收光柵換能器152X、152Y。或者，也可以發射和接收陣列互相重疊并與單個共用的發射1接收光柵換能器(圖中未示出)相關聯。如圖19B中的虛線箭頭所示，X發射陣列154X把聲波導向向下傳播。類似地，Y發射陣列154Y把聲波導向向右傳播。注意，表面上的每一個點都至少被一個X傳感器子系統和一個Y傳感器子系統探測。對于觸摸表面的大部分，實際上有X和Y的兩個測量。這樣的拼接能夠支持任意大小的觸摸表面。對于觸摸點160，y坐標值由波158Y探測，x坐標值由波158X和158X’探測。
在圖19B所示的實施例中，可能會希望使用耦合強度較小的光柵(和反射陣列)。雖然這將減小信號振幅從而減小每個傳播器子系統的最大尺寸，但有利的是也減小了來自其他重量傳感器子系統的成份的聲學信號影子。此外，讓希望的聲學路徑偏離正交的X和Y方向使得例如X反射陣列將對Y傳感器子系統產生較小的局部影子將可能會是有用的。在一個優選實施例中，用瑞利波來探測觸摸。例如，觸摸表面可能是一個機器人裝置的鋁外殼或鋼外殼，它不一定是平面的。這樣的觸摸敏感機器人表面可以用來例如避免碰撞損傷。或者，也可以給金屬觸摸表面加上一張塑料蓋片，其設計使得僅當有力通過蓋片壓在觸摸表面上時才實現緊貼的聲學接觸。
在另一個優選實施例中，用勒夫波探測觸摸。勒夫波基底可以用例如鍍以濃搪瓷的鋁做成。在此情況中，光柵換能器和反射陣列可以是鋁表面中的凹槽或蝕痕，或者是突入到搪資內的外加材料。例如對于以下情形該實施例是有意義的在大的白板應用中希望降低對液體污染，例如來自毛氈筆墨水的干溶劑的污染，的敏感性的情況。例16如例10中所討論的，可以用圖12壓力波模式壓電換能器與基底下表面反射的結合來耦合出體剪切波。本實施例表明，與體壓力波不同，這樣的體剪切波可以用來耦合出勒夫波。本實施例包含一個例如圖13B所示的勒夫波基底196。圖20示出一個接收器對，該圖說明這樣一個實施例，其中激勵出的勒夫波210、212在光柵平面中相對于體波214、216傳播軸線的發射角為90°，然后它們被基底下表面反射并被安裝在上斜面204、206上的壓電換能器198、200耦合成壓電模式體波。
對于90°的發射/接收角，光柵202、208不垂直于勒夫波的傳播軸210、212，而是要轉過一個滿足下式的角度θg。
tan(θg)/Vlove＝sin(θs)/Vs勒夫波的相速度Vlove可以由經驗確定，根據分層材料的已知性質計算，或者先按經驗改變θg角以找到最大效率角度，然后確定實際的勒夫波相速度。由于勒夫波與體剪切波的相速度相差不太大，并且角度都比較小，所以θg的最佳值不會與θs相差太遠。
需要指出，發射/接收角不一定要是90°。不過，在不是90°的情況下預計會有一些效率損失。體波剪切運動的水平分量不再平行于勒夫波的剪切運動。例如，當發射角為45°時，預計效率要損失一半。這種勒夫波光柵換能器的設計是簡單的而緊湊的。與簡單的傾斜壓電元件光柵換能器相比，這種設計不會增加制作步驟或另外的元件，并具有不需要更昂貴類型的壓電元件的特點。例17有許多種不需借助反射陣列工作的聲學觸摸屏系統設計。例如見Johnson與Freyberger的美國專利No.3,673,327(1972)和Kohji Toda的PCT申請WO94/02916(PCT/JP93/01028，1994)，這兩者的全部內容都在此引用作為參考。光柵換能器使這種聲學觸摸屏可以有新的變體。類似于WO94/02911中圖16和19的圖21代表一種根據本發明的設計，其中“T”是發射光柵換能器，“R”是接收光柵換能器。
根據本發明的一個優選實施例，圖21中的這些光柵換能器包含一個聚偏二氟乙烯(“PVDF”)薄片，其上形成有金屬化的圖案，確定了多個壓電元件。然后這個PVDF子組件被安裝在基底的一個斜面上，產生各個別向對應光柵元件傳播的體波。當采用PVDF時，有益的做法可能是使用一個屬于換能器的阻抗匹配電路，例如一個場效應晶體管(“FET”)，以便能用低阻抗的電纜束傳送具有較高阻抗的PVDF指狀交叉換能器的信號。
與根據以往技術的粘結在玻璃基底上表面的指狀交叉換能器相比較，根據本發明在上表面設置光柵而在下表面設置壓電元件聲學換能器(即光柵換能器)具有下述一些可能的優點(a)較簡單的壓電元件電極設計，例如不需要1/4電極線寬；(b)對于由單次光柵印刷形成的換能器可較簡單地實現角對準；以及(c)易受損的壓電元件和電連接被移至遠離用戶的基底表面上。
圖22示出一種光柵換能器，它具有比較簡單的結構但仍能與兩種不同的波模式，例如勒夫波162和瑞利波164，相耦合。基底84、86支持勒夫波和瑞利波的傳播。例如，安裝在斜面178上的上壓電元件174可以是一個能通過θ1＝θB＝60°的壓力體波而與瑞利波164耦合的壓力模式壓電元件，安裝在斜面176上的下壓電元件172可以是一個能通過θ2＝θs＝24°的剪切體波而與體剪切波168耦合的水平偏振剪切模式壓電元件。光柵166的間隔可以用前述布拉格散射原理計算，使其二維傅里葉變換中有多個有用的峰值，從而既能讓瑞利波與θB＝60°的體壓力波耦合，又能讓勒夫波與θs＝24°的體剪切波耦合。體剪切波的傳播角θB可以根據勒夫波的相速度、光柵間隔和體剪切波速度計算。對于鋁(σ＝0.355)和勒夫波波速與瑞利波波速相近的情況，體剪切波的θB約為24°。這種傳感器可以根據勒夫波和瑞利波的吸收大小的比值，容易地區分例如是手指觸摸還是滴上了一個水滴。
在另一個實施例中(也由圖22代表)，設置了一個敏感于零級勒夫波和n＝1勒夫波的雙模式光柵換能器。在此情形中，壓電元件172和174都是水平偏振剪切模式壓電元件，并且基底84、86含有一個有較慢剪切速度的上層84，其厚度足以支持零級和一級勒夫波的傳播。一個觸摸將通過有選擇地吸收表面上的剪切能量而改變剪切模式能量的深度分布曲線，從而把一些入射能量，例如零級勒夫波162的能量，轉換成例如一級勒夫波164的能量。通過發射零級勒夫波162和接收n＝1勒夫波164或同時接收零級和一級的勒夫波162、164，就可得到有正觸摸信號響應的或者同時有正響應和衰減響應的傳感器系統。如果只希望有正觸摸信號，則光柵換能器可以設計為針對希望模式的單一壓電元件。
這樣，光柵換能器為聲學觸摸屏中的聲波模式選擇提供了更多的可能性。例18聲源不一定要是只帶有簡單上電極和下電極的簡單壓電元件。根據本例，考慮了更復雜的聲源。它們可以包括多個壓電元件和/或具有如圖23所示的復雜電極結構的壓電元件。
對于基底比較厚的情況，例如12mm厚的玻璃基底180，較有利的做法可以是把壓電元件188安裝在較靠近光柵182的垂直端面192上而不是安裝在離光柵182較遠的下表面194上。壓電元件188的這種較靠近的放置將有助于使其發射的體波184的衍射擴散最小化。在一個優選實施例中，壓電元件188具有一個浮空的底電極190和一組暴露在外的指狀交叉電極192、194。相鄰交叉指狀電極192、194的中心距s對應于基底中體波波長之半除以cos(θB)，其中θB是希望體波184相對于垂直方向的角度，也即S＝1/2λ(體)/cos(θB)。注意，在極化時全部指狀交叉電極192、194都保持在一個相同的電壓上，但工作時如圖所示它們被連接在交替的極性端。
與圖1中的設計相比，預期圖23的設計將有3dB的效率損失，這是因為向上傳播(184)和向下傳播(186)的兩個體波都將由壓電元件188產生。或者，如果使用足夠小的指狀交叉電極間距和能夠單獨控制傳向或來自每個電極的信號的相位的電路，使得相鄰電極不一定具有相反的相位，則可以消除向下傳播的體波186。例19如已往技術中已知的，可以用基底上的一對適當放置和構形的光柵把基底的第一表面上的波能量轉移給基底的第二表面。請參見Humphryes(亨夫雷)與Ash(艾什)(1969)的文章，該文的全部內容在此引用作為參考。因此這一結構可以看作是一個“通道(via)”。根據本發明，這一結構可以允許使用任何結構，包括楔板換能器和光柵換能器，來產生在基底的第一表面上具有表面能量的波，然后再把這個波高效率地轉移給基底的第二表面，從而把聲波發生結構移到了除了反射陣列或觸摸表面之外的另一個基底表面上。這種布局還可以讓聲波通過在通常情況下是不透明的或有干涉的結構。
圖24A、24B、24C示出一個實施例，其中利用這種聲學通道作為提供一個位在一個較大的不受干涉的基底的表面242上任意位置處的觸摸表面238的手段。基底246例如可以是一塊6mm厚的經過回火的堿石灰玻璃板，其大小足以用作一個臺面或一個柜臺面。設計工程師可以把觸摸敏感區238放置在基底未受干涉的上表面242中的任何地點。在上表面242上只出現4個伸長的光柵組240。在一個優選實施例中，這些光柵是一些已充填了透明環氧樹脂的凹槽，其充填方式使得不影響到基底表面242頂部的平坦性。尤其需要指出的是，在基底上表面上沒有反射陣列或換能器元件。
在觸摸靈敏區的下面，在基底的下表面244上用適當的粘合材料254把一個顯示裝置光學粘結在粘結區236中。顯示裝置(圖中未示出)例如可以是一個10.4英寸的液晶顯示器。或者，顯示裝置也可以含有一個光學粘結在基底上的后向投影屏。這樣，設計工程師就可以把觸摸/顯示界面放置在一個臺面的未受干涉的表面上，例如放在餐館柜臺面上供訂購食品，或者放在辦公室工作人員的桌面上作為國際互聯網/內部網的界面。
在基底246的下表面244上，按類似于例如圖1系統的布局設置了4個多元素光柵234和4個瑞利波楔板換能器230。注意，各對反射陣列232之間的通常聲波路徑被顯示裝置的吸收聲波的光學粘結254所阻擋。在反射陣列232與顯示裝置之間設置了光柵234。有許多方法可選用來制作光柵和反射陣列，其中包括印刷、刻劃、蝕刻和其他消蝕或添加方法。
上、下表面上的光柵對用作聲學通道以在這兩個表面面間轉移瑞利波248、252的能量。在一個優選實施例中，一個沿相對于垂直方向為θB＝-45°傳播的體剪切波250與光柵234、240相耦合，因此滿足對于堿石灰玻璃的F＝1條件。光柵間隔P可借助下式計算p＝(VR/f)/(1-sin(θB)+(VR/VB))例如，對于f＝5MHz的工作頻率、VR＝3.16mm/μs的瑞利波波速、VB＝3.43mm/μs的體(剪切)波波速和θB＝-45°，光柵間隔為p＝383μm。光柵結構例如可以是1cm寬，包含約25條柵線。
本實施例表明了光柵換能器形式的聲學通道的應用，更一般地，表明光柵換能器機制在一個不含直接粘結在基底上的壓電元件的實施例中的應用。例20根據本發明，光柵不一定必然是平面表面上的一組柵線，而可以有更先進的設計考慮。例如，可以讓單個換能器有多個軸向的敏感性。于是，有可能實現X/Y共用的接收光柵或發射光柵。
參見圖9，X/Y共用光柵換能器的一個實施例是用長度約為兩倍的單個壓電元件來取代壓電元件60a和60b。或者，兩組光柵54a和54b可以延長得形成帶有兩個二維傅利葉成分的重疊光柵結構。或者，這種由重疊柵線構成的光柵圖案也可以用其“負”圖案來替代，這里“負”圖案是指具有菱形單胞的反射點點陣。
圖25示出一種類似設計的光柵換能器，它帶有水平安裝的，即θR＝0°的壓電元件220。此情形中的光柵是方形或矩形的點陣222，各點間的中心距在X和Y方向都近似為例如一個瑞利波波長。位在該光柵222下面的壓電元件220將響應于來自X224和Y226這兩個陣列的信號。需要指出，由壓電元件222產生的信號可以含有多個頻率成分。沿任何軸線的元素間隔都將確定散射特性，所以該光柵可以在不同的軸線方向上選擇不同的頻率。于是在θB＝0°的情形中，一個矩形點陣可以允許某一第一頻率沿某一軸線傳播，而允許某第二頻率沿某第二軸線傳播。對于θB≠0°的情形，矩形點陣將由平行四邊形點陣替代。例21圖26A和26B給出一個非平面傳感器，例如半球面傳感器的例子，其中的觸摸表面對應于位在北緯23.5°的北回歸線以北的全部，而赤道與北歸回線之間的地帶可用于設置陣列和換能器。圖26A是一個Mercator(邁卡特)投影，其上有觸摸區、兩個發射光柵換能器、兩個發射反射陣列、兩個接收反射陣列、和兩個接收光柵換能器。這些器件構成兩個傳感器子系統，它們的平面投影圖示于圖26B。這兩個傳感器子系統(典型地通過延伸和重疊反射陣列而設計成稍有交疊)提供整個觸摸區上一個坐標軸的測量。
這種傳感器可以用作“超聲跟蹤球”，也即一種具有機械跟蹤球的外觀、感覺和功能但不含運動部件的輸入裝置。操作者用帶有X方向分量運動的手指觸摸觸摸區來“滾動”這個超聲跟蹤球。相應的控制器電路能夠處理該觸摸信息并以與標準機械跟蹤球相同的方式向主計算機發送數據。
在圖26A和26B所示的傳感器子系統上可以疊加上另外的傳感器子系統。利用總共8個光柵換能器和8個反射陣列，可以再生出觸摸區表面上的二維觸摸位置。利用總共12個光柵換能器和12個反射陣列，例如把圖26A中的各元件環繞通過北極264的Y軸旋轉+60°和-60°而進行元件復制，觸摸區將可被一組冗余的三坐標測量所完全覆蓋。這種冗余性增加了開發可處理多重觸摸信息的抗干擾算法的可選擇性。
光柵換能器的利用使壓電元件、電連接、甚或控制器電路本身都有可能設置在半球形基底殼體的內部。這樣，光柵換能器使超聲跟蹤球的機械結構可能有改善的魯棒性和緊湊性。
在一個實施例中，基底中一個直徑為15cm的3mm厚半球形鋼殼體構成。這樣的超聲跟蹤球具有很大的物理耐受性而始終保持著完善的功能。因此，提供了一種用于公眾問訊處的具有跟蹤球功能的輸入裝置。
在另一個實施例中，對基底的半球形作了更改，使得與人手的配合更符合人機工程關系。注意，對于機械跟蹤球來說無法作出這種更改。
在又一個實施例中，基底由一個直徑為5cm、3mm厚的聚苯乙烯半球外殼構成，這里的聚苯乙烯例如是Dow Chemical公司生產的Styron666。注意，在該實施例中，帶有反射陣列、光柵和用來安裝光柵換能器的壓電元件的斜面的基底全部可以包含在模具設計中。這將支持低成本的制造過程。該聚苯乙烯傳感器的工作頻率可選為2MHz，從體剪切波和壓力波的波速可以算出瑞利波波速為0.99mm/μs，從而瑞利波波長λR約為1/2mm。注意，讓瑞利波波長與工作頻率為5MHz左右時的玻璃內瑞利波波長基本相同。由于聲衰減隨頻率增大而很快地單調增大，所以這一較低的工作頻率保證了聲衰減小得足以支持5cm直徑傳感器上的15cm之內的最大路徑長度。從已發表的文獻看，Styron666比其他聚合物的一個優點是對體壓力波的小聲學衰減5MHz處為1.8dB/cm。請參見(http//www.ultrasonic.com/Tables/plastics.html)。折算到2MHz，相當于小于約0.72dB/cm，或相當于15cm的路徑長度衰減為10dB。美國專利No.5,648,643公開了在剪切模式聲學觸摸屏中使用聚苯乙烯。由于瑞利波是剪切和縱向聲能的混合，相信將觀察到類似大小的聲損失，所以已有的聲學觸摸屏控制器設計可適用于這種傳感器系統。
在圖26A和26B所示的R1/T1和R2/T2傳感器子系統中，發射陣列270位在一個與X軸相交并繞X軸相對于赤道面260旋轉了一個角度Θ的大圓上。該傾斜角Θ，例如為20°，小于北回歸線262的緯度23.5°。可以使用圖15所示的光柵換能器。或者可以使壓電元件266、268以長軸平行于垂直方向的方式安裝，并且光柵按發射角θE＝Θ設計；或者可以采用θE＝0°的設計但將包括壓電元件266、268在內的光柵換能器結構自身旋轉Θ角。一種選擇是F＝1設計，其中剪切模式壓電元件266、268以負傾斜角θB＝30°安裝在聚苯乙烯基底上。
反射陣列270、272的設計與所采用換能器的類型關系不大，不過為完整起見下面仍予以討論。
反射陣列270、272構成一些大圓的弧段。發射陣列270在半球表面上的軌跡為x(s)＝R·cos(πs/2)y(s)＝R·sin(Θ)·sin(πs/2)z(s)＝R·cos(Θ)·sin(πs/2)其中R為半球的半徑，例如2.5cm。x、y、z的方向定義如圖26B所示。類似地，接收陣列的軌跡為x(s)＝R·cos(πs/2)y(s)＝R·sin(Θ)·sin(兀s/2)z(s)＝-R·cos(Θ)·sin(πs/2)在這些公式中，s是路徑參數，在名義上它隨著對應于發射換能器266與接收換能器268之間的相應聲波路徑274的延遲時間單調地增大。在本例中，陣列從s的一個正的小值開始直到稍大于1結束，這樣將可在上述傳感器子系統對之間提供重疊。
現在考慮半球表面上按以下各式定義的(θ，φ)坐標系。
-π/2＜θ＜π/2，0＜φ＜πx(θ，φ)＝R·cos(θ)·coo(φ)y(θ，φ)＝R·cos(θ)·sin(φ)z(θ，φ)＝R·sin(θ)發射陣列軌跡用該坐標系表示時為θ(s)＝arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ(s)＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))接收陣列軌跡為θ(s)＝-arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ(s)＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))穿過觸摸區的聲路徑也是一個大圓的一段。對于路徑參數為S的連接發射陣列270和接收陣列272的大圓是相對于Z軸的經線的一段，即一個大圓的下述部分-arcsin(cons(Θ))·sin(πs/2))＜θ＜arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))雖然在某些實施例中也可以用勒夫波或其他聲學波模式，但在下面進一步詳細討論的設計中使用了瑞利波波速VR。延遲時間與路徑參數的函數關系如下。
T(s)＝(R·(πs/2))/VR+2R·arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))/VR+(R·(πs/2))/VR延遲時間也可以用一個切斷聲路的觸摸的-φ坐標值表示。
T(φ)＝(2R/VR)·arctan(tan(φ)/sin(Θ))+2R·arcsin(cos(Θ)·sin(arctan(tan(φ)/sin(Θ)))/VR用這一解析表達式可以計算出一個查找表。這個查找表可用作實時的微處理器代碼以把測得的信號擾動延遲時間轉換成觸摸坐標中。
反射器的間隔和角度可以用前面討論的原理計算。再次參看圖26B中的第一傳感器子系統。對于發射陣列，反射器間隔矢量S＝2πn(kt(s)-kp(s))/|kt(s)-kp(s)|2，其中的kt(s)和kp(s)可以根據下述等式按前面給出的已知陣列軌跡(θ(s)，φ(s))計算。kt(s)＝(2π/λR)·(-sin(πs/2)，sin(Θ)·cos(πs/2)，cos(Θ)·cos(πs/2))kp(s)＝(2π/λR)·(-cos(φ(s))-sin(θ(s))，-sin(θ(s))sin(θ(s))，cos(θ(s))這里λR代表瑞利波波長。S的大小給出各反射器之間沿垂直于各反射器的方向的中心距，S的方向垂直于反射器元件。
這樣，這里示出并說明了觸摸屏換能器系統的新品種和新面貌，這些系統能滿足所尋找的全部目的和優點。不過，當熟悉本技術領域的人們在考慮了公開本發明實施例的本說明書及其附圖之后，許多改變、修改、變化、組合、部分組合、以及本發明的其他利用和應用將變得明顯。應該認為，所有不偏離本發明精神和范疇的這種改變、修改、變化和其他利用和應用都己被本發明所涵括，本發明僅受后附權利要求書的限制。
權利要求
1.一種聲學觸摸傳感裝置，它包括(a)一個帶有一個表面的基底；(b)一個耦合于一個第一波的聲波換能器，該第一波是一個體波，沿著一條與上述表面相交的軸線通過上述基底傳播；(c)一個衍射聲波模式耦合器，它能把上述第一波的能量轉換成一個具有轉換波模式的第二波，該轉換波模式在上述表面上具有明顯的能量并沿著一條平行于上述表面的軸線傳播；以及(d)用來探測上述第二波的能量的擾動的器件。
2.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括用來使體波沿一個相對于上述表面傾斜的方向傳播的器件。
3.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器直接把上述第一波耦合給上述衍射聲波模式耦合器。
4.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器至少通過上述第一波路徑中的一次聲學反射把上述第一波耦合給上述衍射聲波模式耦合器。
5.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器耦合于一個第三波，該第三波包含上述第一波的能量，具有與上述第一波不同的波模式。
6.根據權利要求1的裝置，它還包括一個耦合于一個第八波的第二聲波換能器，該第八波是一個體波，沿一條與上述表面相交的軸線通過上述基底傳播，上述衍射聲波模式耦合器把上述第八波的能量耦合成一個第九波，該第九波與上術第二波不同，具有一個轉換波模式，該模式在上述表面上具有明顯能量并沿一個平行于上述表面的軸線傳播。
7.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組散射中心。
8.根據權利要求7的裝置，其中上述這組散射中心設置在上述表面上。
9.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組空間分開的元件，這些元件的聲學特性與上述基底周圍區域的特性不同。
10.根據權利要求9的裝置，其中上述元件包括規則間隔的伸長直線柵線。
11.根據權利要求9的裝置，其中上述元件包括規則間隔的伸長曲線柵線。
12.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括上述基底的周期性聲學擾動。
13.根據權利要求1的裝置，它還包括一組沿著上述第二波路徑的至少一部分設置的元件，用來把上述第二波的一部分能量反射成一組第四波，每個第四波沿著一個不同于上述第二波的傳播軸的軸線平行于上述表面傳播。
14.根據權利要求13的裝置，其中上述這組第四波具有單調增大改變的獨特的特征時間延遲。
15.根據權利要求14的裝置，它還包括一組沿著一個與上述這組第四波的上述軸線相交的路徑設置的元件，用來把上述這組第四波的至少一部分能量反射向一個共同的接收器，上述共同接收器產生一個與上述這組第四波的上述反射部分的能量相關連的信號。
16.根據權利要求15的裝置，其中上述用來探測上述第二波的能量擾動的器件包括用來分析來自上述共同接收器的信號以探測所接收到的能量擾動的器件。
17.根據權利要求1的裝置，它還包括多個上述聲波換能器，每個換能器與一個不同的沿一個與上述表面相交的軸線通過上述基底傳播的體波相耦合，上述每個不同體波的能量被一個衍射聲波模式耦合器耦合成一個轉換波模式，該波模式在上述表面上具有明顯的能量并沿一個平行于上述表面的軸線傳播。
18.根據權利要求17的裝置，其中至少兩個上述耦合于上述不同體波的轉換波模式沿著平行的路徑傳播。
19.根據權利要求1的裝置，它還包括一個波分散器和一個波會聚器，它們相繼地設置在上述在上述表面上具有明顯能量的波的聲能路徑的不同部分上，上述波分散器和上述波會聚器被上述表面的適用于觸摸傳感的一個部分分開。
20.根據權利要求19的裝置，它還包括一個耦合于一個第五波的第二聲波換能器，該第五波是一個體波，沿一個與上述表面相交的軸線通過上述基底傳播，上述第五波被耦合成一個具有一個轉換波模式的第六波，該波模式在上述表面上具有明顯的能量并沿一個平行于上述表面的軸線傳播；上述第二波具有一個至少包含上述波發散器的一部分的路徑，上述第六波具有一個至少包含上述波會聚器的一部分的路徑。
21.根據權利要求1的裝置，其中上述探測器件探測上述擾動的地點。
22.根據權利要求1的裝置，其中上述表面是平面的。
23.根據權利要求1的裝置，其中上述表面是光滑的和非平面的，上述第二波的上述傳播軸線隨地改變以適配上述表面。
24.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括一個平面聲學耦合表面，上述平面聲學耦合表面相對于上述表面上與上述第一波相交的那部分是傾斜的。
25.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括一個壓電元件。
26.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括一個使一個第七聲波與上述第一波相耦合的衍射聲波耦合器。
27.根據權利要求1的裝置，其中上述第一波的傳播軸線在上述表面上的投影與上述第二波的傳播軸線不同。
28.根據權利要求1的裝置，其中上述第一波含有從壓力模式、垂直剪切模式和水平剪切模式這組模式中選出的一個或多個振蕩成份。
29.根據權利要求1的裝置，其中上述第二波含有從縱向模式、水平偏振剪切模式和垂直偏振剪切模式這組模式中選出的一個或多個振蕩成份。
30.根據權利要求1的裝置，其中上述第二波包括瑞利型波。
31.根據權利要求1的裝置，其中上述第二波包括勒夫型波。
32.根據權利要求1的裝置，其中上述基底具有不均勻的聲學性質。
33.根據權利要求1的裝置，其中上述基底包括一些具有不同聲學性質的平行于上述表面的層。
34.根據權利要求1的裝置，其中上述第一波沿這樣一個軸線傳播，該軸線相對于上述表面在上述相交處的切平面傾斜至少約|π/8|弧度。
35.根據權利要求1的裝置，其中上述第一波包括剪切模式成份并且其傳播軸線的投影相對于上述第二波的傳播軸線有一個其大小至少約45°的夾角。
36.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器耦合于一個壓力模式體波并且上述第二波包括水平偏振剪切波。
37.根據權利要求1的裝置，其中基本上只有平行于上述與上述表面相交的軸線傳播的上述第一波才滿足特定聲頻下的上述衍射聲波模式耦合器的布拉格散射條件的水平分量。
38.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組用含有玻璃粉末的混合物做成的形成在上述表面上的元件。
39.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組用含有聚合物基質的混合物做成的形成在上述表面上的元件。
40根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組用濃無機混合物充填的聚合物做成的形成在上述表面上的元件。
41.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器包括一組形成在上述表面中的凹槽。
42.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器起著一個聲透鏡的作用。
43.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器在把至少兩個體波耦合成至少兩個具有轉換波模式的有用波時滿足布拉格散射條件，這至少兩個有用波都在上述表面上具有明顯的能量并沿著平行于上述表面的軸線傳播。
44.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器耦合于上述基底中的具有基本上垂直于上述表面的傳播軸線的上述第一波。
45.根據權利要求1的裝置，其中上述第一波在上述基底中發生共振。
46.根據權利要求1的裝置，其中一個聲波路徑的一部分包含總共具有約2π弧度的整數倍的反射角的部分聲反射。
47.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器耦合于一個信號并且上述基底在某一頻率下呈現聲學共振，上述聲波換能器耦合于上述頻率下的上述聲學共振，由此基本上達到上述第一波與上述信號之間在一個給定的信號振幅下有相對最大的聲功率耦合效率。
48.根據權利要求1的裝置，其中上述基底的材料是從下述這組材料中選出的堿石灰玻璃，硼酸硅玻璃，冕牌玻璃，含鋇玻璃，含鍶玻璃，含硼玻璃，能支持勒夫波傳播的多層玻璃，能支持勒夫波傳播的陶瓷、鋁和鍍鋁基底，以及低聲損耗聚合物。
49.根據權利要求1的裝置，它還包括這樣的器件，該器件能把上述第二波的一些部分反射成一組強度依次增大的波，該器件包括一個元件陣列，該陣列在與形成上述衍射聲波模式耦合器的處理相結合的處理過程中形成。
50.根據權利要求1的裝置，它還包括這樣的器件，該器件能有選擇地把上述第二波的一些部分反射成一組通過上述基底傳播的分散波，上述選擇性反射器件具有一組與上述第一體波的未被轉換部分有弱耦合的傅里葉成份。
51.根據權利要求1的裝置，其中上述衍射聲波模式耦合器至少包括一個沿著上述第二波的傳播軸線有非對稱輪廓的元件。
52.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括一個陶瓷壓電元件。
53.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器包括一個聚合物壓電元件。
54.根據權利要求1的裝置，其中上述聲波換能器被安裝在上述基底上被上述基底機械保護了至少兩個側邊的區域處。
55.一種用于聲學傳感裝置的帶有一個區域和一個表面的基底，它包括(a)一個聲學換能器，它耦合于上述基底中具有一個與上述表面相交的傳播軸線的體波；(b)一個衍射聲波模式耦合結構，它形成在上述表面附近，能把體波的聲波能量轉換成沿一個平行于上述表面的軸線傳播的波；以及(c)用來以能夠確定對經聲學轉換的聲波的擾動位置的方式探測經聲學轉換的聲波的能量的器件。
56.根據權利要求55的基底，其中上述探測器件包括用來使經轉換的聲波能量耦合成一組逐漸增加改變的通過上述區域傳播的分散波的器件。
57.根據權利要求55的基底，它還包括多個分別耦合于上述基底中的各個體波的聲學換能器，其中各個體波以逐漸增加的偏置量沿相交于上述表面的傳播軸線傳播。
58.一種探測在一個帶有一個表面的基底上的觸摸的方法，它包括以下步驟通過換能產生一個通過上述基底沿一個與表面相交的軸線傳的基底中的體波；把體波的能量衍射耦合成一個具有轉換波模式的在基底表面上有明顯能量并沿一個平行于表面的軸線傳播的波；以及探測該具有轉換波模式的波的擾動。
59.根據權利要求58的方法，其中體波的模式在上述換能與上述衍射耦合之間被轉換。
60.根據權利要求58的方法，它還包括使體波被在上述換能與上述衍射耦合之間被反射的步驟。
61.根據權利要求58的方法，它還包括對具有轉換波模式的波聚焦的步驟。
62.根據權利要求58的方法，它還包括把具有轉換波模式的波的一部分能量反射成一組有時間改變的分散波的步驟，其中每個分散波沿一個被重新導引的軸線平行于上述表面傳播。
63.根據權利要求62的方法，它還包括把有時間改變的分散布的至少一部分能量反射向一個共同接收器的步驟。
64.根據權利要求63的方法，它還包括分析被共同接收器接收到的能量的擾動的步驟。
65.根據權利要求58的方法，它還包括使體波在基體中發生共振的步驟。
66.根據權利要求58的方法，它還包括以下兩個步驟使具有轉換波模式的波分散在一個適合于傳感觸摸的區域上，以及在各分散波渡越了適合于傳感觸摸的區域之后會聚這些分散波。
67.根據權利要求66的方法，它還包括把至少一部分的會聚分散波衍射耦合成體波并對經耦合后的會聚分散波進行換能的步驟。
68.根據權利要求58的方法，它還包括分析探測到的擾動的位置的步驟。
69.根據權利要求58的方法，其中上述體波的能量被至少一個散射中心散射成多個波模式，包括一個具有轉換波模式的波，該方法還包括有選擇地區分出具有轉換波模式的波的步驟。
70.根據權利要求69的方法，其中具有轉換波模式的波是通過體波的聲能與至少一個散射中心以及另一個具有可選擇地產生聲波干涉的相對于該散射中心的方位的另一個散射中心之間的相互作用而被有選擇地區分的。
全文摘要
一種聲學觸摸探測裝置,它包括一個帶有一個表面的基底和一個聲波換能器(11,12),后者通過換能在基底中產生一個通過基底沿一個與表面相交的軸線傳播的體波,其中體波的能量被一些光柵換能器(5a、5b、8a、8b)耦合成一個具有轉換的波模式的,在表面上具有能量并沿表面傳播的波。
文檔編號G06F3/03GK1242096SQ97181045
公開日2000年1月19日 申請日期1997年12月24日 優先權日1996年12月25日
發明者蒲原茂樹, 金田宏, 羅伯特阿德勒, 喬爾肯特, 布魯斯·W·馬克斯菲爾德, 竹內正男 申請人:埃羅接觸系統公司