專利名稱：利用高次諧波壓電元件的聲學裝置的制作方法
技術領域：
本發明領域涉及聲觸摸傳感器技術，更準確地說，涉及利用壓電元件的高次頻率的聲觸摸傳感器。
背景技術：
觸摸傳感器是用于計算機和其它電子系統的透明或不透明的輸入裝置。正如名稱暗示的那樣，觸摸傳感器由或者來自用戶的手指或者來自筆尖或某種其他裝置的觸摸激活。觸摸屏幕(即，具有透明基片的觸摸傳感器)通常與顯示裝置(例如，陰極射線管(CRT)監視器和液晶顯示器)一起使用構成觸摸顯示系統。這些系統越來越多地用于商業應用(例如，飯店的定單輸入系統)、工業過程控制應用、交互式博物館展示系統、公眾信息臺、尋呼機、蜂窩電話、個人數字助理和視頻游戲中。
目前使用的主要觸摸技術有電阻式、電容式、紅外和聲觸摸技術。將這些技術組合的觸摸屏幕已推出了具有競爭價格的高標準性能。所有這些都是透明裝置，它們通過以下方法來響應觸摸將觸摸位置的坐標傳送給主機，主機隨后執行某種與具體位置的坐標相關聯的功能。自然，每一種都具有相對的優點和缺點。
聲觸摸屏幕(也稱作超聲觸摸屏幕)已經有效地與其它觸摸技術競爭。這在很大程度上是由于聲觸摸屏幕的功能能滿足高透明度和高分辨率觸摸性能的應用要求，并提供耐用的觸摸表面。
聲觸摸屏幕系統包括觸摸屏幕(即，具有透明基片的觸摸傳感器)、控制器以及連接觸摸屏幕和控制器的引線。一般地說，觸摸屏幕包括聲波在其中傳播的觸摸敏感基片。當觸摸基片表面時，所述觸摸導致吸收橫過基片傳播的聲波能量的至少一部分。電路系統用來確定所述吸收位置在XY坐標系統中的位置，所述XY坐標系統概念性地并且不可見地疊加在觸摸屏幕上。實質上，這是通過記錄聲波開始傳播的時間和出現觸摸引起聲波吸收的時間來實現。然后，可以利用這些時間差，與已知的聲波通過基片的傳播速度一起來確定精確的觸摸位置。
通常類型的聲觸摸屏幕使用Rayleigh型聲波，其中，所述術語用來包括準-Rayleigh波。有關Rayleigh波觸摸屏幕的說明性的公開包括美國專利No.4642423；4645870；4700176；4746914；4791416；Re 33151；4825212；4859996；4880665；4644100；5739479；5708461；5854450；5986224；6091406；6255985；6236691；和6441809。還有使用其它類型聲波，例如，Lamb和切變波或不同類型的聲波組合(包括含有Rayleigh波的組合)的聲觸摸屏幕。這些技術的說明性的公開包括美國專利No.5591945；5854450；5072427；5162618；5177327；5329070；5573077；6087599；5260521；和5856820。上面列舉的專利通過引用組合到本申請中。
借助于對Rayleigh波的吸收來檢測觸摸的聲觸摸屏幕已經證明在商業上是成功的。使用Rayleigh波的成功產品在很大程度上要歸功于Rayleigh波呈現的兩個特性。第一，與其它聲波相比較，Rayleigh波對觸摸更加敏感。第二，Rayleigh波是平面波，它可以在任何簡單均勻的玻璃基片的表面上傳播。但是，Rayleigh波觸摸屏幕具有增加的對液體雜質(例如油和水，它們吸收來自傳播的聲波的能量)的靈敏度。
雖然Rayleigh波最廣泛地應用于商業產品中，但是，使用水平極化切變波的觸摸屏幕在本領域中也是眾所周知的。水平極化切變波的使用，在出現水和其它液體雜質時，可以極大地增強聲觸摸屏幕的健壯性。這是由于與Rayleigh波不同，水平極化切變波沒有被雜質吸收的垂直運動分量。因此，波的吸收是通過粘滯阻尼而不是通過波的輻射出現的。由于手指比雜質(例如，水滴)更加粘滯，所以可以把觸摸屏幕配置成拒絕低粘滯性觸摸(因而拒絕雜質)，同時接受較高粘滯性的有效手指觸摸。因此，對于某些觸摸屏幕應用來說，抗雜質干擾性是水平極化切變波的重要優點。
無論使用哪一類聲波技術，聲波觸摸屏幕都包括作為將能量從一種形式轉換成另一種形式的元件的換能器。例如，發射換能器接收來自相關聯的電子電路的音頻脈沖群，然后橫過基片發射聲波分組。接收換能器接收來自基片的發射聲波分組，并且產生傳送給相關聯的電子電路供其處理的電信號。每一種類型的換能器包括用于轉換電信號和機械振動的壓電元件。商用壓電元件最通常是由鐵電壓電陶瓷(例如鋯鈦酸鉛(PZT)和改進的鈦酸鉛)制成的。而通常更貴的單晶壓電材料(例如，鈮酸鋰)也可以用于構造觸摸屏幕換能器的壓電元件。
大多數商用生產的壓電元件是壓力模式壓電元件。但是，如果換能器要發射或接收水平極化切變波，那么，就需要切變模式壓電元件。圖1(a)和(b)示出了壓電元件振動的時序示意圖圖1(a)示出了壓力模式壓電元件的時序，而圖1(b)示出了切變模式壓電元件的時序。在圖1(a)中，壓力模式壓電元件從靜止狀態10開始。然后，它接收電信號，所述電信號使其擴展到位置12。在壓電元件到達它完全擴展的位置12之后，它將朝著其靜止位置14收縮。它繼續收縮而超過其靜止位置14，一直到它到達它完全收縮的位置16。最后，在到達它完全收縮的位置16之后，它就返回它的靜止位置18，從而完成一個周期。由于壓電元件的這種振動的收縮/擴展移動，經由一系列振動周期產生聲波。在圖1(b)中，切變模式壓電元件從靜止狀態20開始。然后。它接收電信號，所述電信號使其切變到位置22。在壓電元件達到它完全切變的位置22之后，它將在相反方向上切變到它的靜止位置24。它繼續切變而超過其靜止位置24，一直到它到達完全切變的位置26。最后，在到達它完全切變的位置26之后，它返回靜止位置28，從而完成一個周期。由于壓電元件的這種振動的切變移動，經由一系列振動周期產生聲波。
實質上，聲觸摸屏幕簡單地說就是帶通濾波器系統。換句話說，如果多個不同頻率信號被輸入到觸摸屏幕，那么，觸摸屏幕只輸出這些信號中特定的一個。所述特定信號將具有特定的頻率，所述特定頻率被看作為觸摸屏幕的工作頻率。例如，如果把1和10MHz(1、2、3等)之間的一系列信號輸入到特定的觸摸屏幕，那么觸摸屏幕將只輸出其頻率為這些頻率之一(例如5MHz)的信號。所述頻率(工作頻率)由觸摸屏幕基片的材料(所述材料確定通過基片的信號速度)和觸摸屏幕的反射陣列的反射元件之間的間距(所述間距必須是信號波長的整倍數)確定。根據前面所述，觸摸屏幕的其它元件設計成在所述工作頻率下使用。按照慣例，相關聯的電子線路以所述工作頻率下的音頻脈沖群驅動觸摸屏幕，產生、傳播和接收所述工作頻率的聲波，并且相關聯的電子線路處理接收的所述工作頻率的電信號。
商用聲波觸摸屏幕系統通常設計成具有接近5MHz的工作頻率。隨著工作頻率的提高聲波的衰減率迅速上升。例如，雖然較高的工作頻率對于較小的觸摸屏幕(例如，PDA、移動電話等的觸摸屏幕)是有用的，但是10MHz的工作頻率將大大減小最大傳播距離，因而限制了許多商業應用的觸摸屏幕的尺寸。另一方面，使用很低的工作頻率會導致較大的聲波波長、較強的衍射效應和較差的聲波波束的方向性。這就是說，需要更寬的反射陣列的邊界。最終，使用較低工作頻率會降低觸摸位置的分辨率。因此，接近5MHz的工作頻率是商用標準。
通常，壓電元件設計成以觸摸屏幕系統的工作頻率諧振，以便保證可接受的效率水平。在傳統的聲觸摸屏幕的壓電元件中，壓電元件的基本或一次厚度模式諧振至少應近似地與觸摸屏幕系統的工作頻率匹配。所述條件等效于要求壓電元件厚度等于所述壓電材料中體波波長的二分之一。圖2中圖解說明這種關系，圖中示出在一次厚度諧振模式情況下壓電元件的厚度T。所述諧振條件根據公式T=λ2=V2f=Nf]]>確定壓電元件的厚度，其中T是壓電元件的厚度，λ為壓電材料中相關體波的波長，V為壓電材料中相關體波的聲音速度，而f為壓電元件的諧振頻率。為了方便起見，壓電元件的生產產家常常將相關壓電材料中聲音的半速度定義為頻率常數N。
設計成在觸摸屏幕基片中產生Rayleigh波的換能器通常需要壓力模式壓電元件。對于壓力模式壓電元件，所述相關體波是體壓力波。對于通常的PZT材料，壓力模式振動的頻率常數通常在N＝2000m*Hz附近。這樣，對于近似為5MHz的通常觸摸屏幕工作頻率，對于壓力模式壓電元件，這將導致大約T＝400μm的壓電元件厚度。雖然這種壓電陶瓷材料的薄片相當脆并很容易打碎，但是只要仔細地對待和處理它們，在常規的生產和觸摸屏幕組件的應用中不會有嚴重問題。
然而對于切變模式壓電元件，情況是完全不同的。設計成在觸摸屏幕基片中產生水平極化切變波的換能器通常需要切變模式壓電元件。對于切變模式壓電元件，相關的聲音速度為體切變波在壓電材料中的速度。由于切變波比壓力波的速度慢很多，切變模式振動的典型PZT的頻率常數處于N＝900m*Hz附近。這導致壓電元件的厚度為大約T＝180μm，小于對應的壓力模式壓電元件的厚度的一半。
這種陶瓷薄片的抗斷強度隨它的厚度的平方變化。因此，由于18024002≈0.20,]]>打碎180μm厚的切變模式壓電元件只要用打碎400μm厚的壓力模式的壓力元件所需的力的大約五分之一的力。因此，雖然5MHz壓力模式的PZT壓電元件對于通常的壓電元件的生產和換能器組件是足夠的，但是非常脆弱的5MHz切變模式的PZT壓電元件太易脆而不能用于這些目的。因此，雖然鈮酸鋰切變模式壓電元件比PZT元件更貴，但是，它們提供了比PZT元件更好的強度特性。
對于給定的頻率，與對應的PZT壓電元件相比，鈮酸鋰壓電元件稍微厚些因而強度高一些。盡管如此，在5MHz下切變模式的鈮酸鋰壓電元件仍然很脆。更重要的是，單晶鈮酸鋰是比鐵電陶瓷材料(例如，PZT和鈦酸鉛)更貴的壓電材料。此外，PZT具有比鈮酸鋰更強的壓電耦合常數。因此，如果沒有易脆的問題，在觸摸屏幕應用中，PZT切變模式壓電元件比鈮酸鋰壓電元件有更高的效益。
由于帶觸摸屏幕的手持式計算機的新的應用開發，出現了帶有更小尺寸、更高工作頻率、因而更薄的壓電元件的更小的聲波觸摸屏幕的市場機遇。即使對于壓力模式PZT的壓電元件，這也可能產生易脆問題。
聲觸摸傳感器的應用并不需要限制于安裝在顯示器前面的透明觸摸屏幕。可以考慮各種尺寸和形狀的不透明傳感器。例如，在機器人的應用中，可以通過在機器人的暴露表面鋪貼(tile)觸摸傳感器來提供碰撞檢測。薄的PZT壓電元件的易脆性使得在為這樣的聲觸摸傳感器系統選擇工作頻率必須考慮一些不希望有的限制。
因此，特別需要改進聲換能器(特別是切變模式的換能器)的設計，以便能夠使它們較厚因而更耐用。
發明概述根據本發明的第一方面，提供一種具有工作頻率的聲觸摸傳感器。觸摸傳感器可以用于需要檢測觸摸的能力的技術中，包括(但不局限于)觸摸屏幕、觸摸盤和觸摸敏感機器人技術。聲傳感器包括可以是或者透明的或者不透明的觸摸敏感基片；以及可操作地結合到所述基片的至少一個壓電元件(例如，楔形、邊緣式或柵形換能器)。所述壓電元件的特征在于近似等于聲觸摸傳感器工作頻率的高奇次諧振頻率(例如，三次、五次、七次等)。雖然不必如此把本發明限于其最廣泛的各個方面，但是，使用高奇次諧振頻率允許增加壓電元件的厚度，從而提高其耐用性。
壓電元件可以包括將電能轉換成聲能(反之亦然)的任何材料。例如，壓電元件可以包括陶瓷材料(例如，鋯鈦酸鉛(PZT)或鈦酸鉛)。壓電元件還可以包括單晶壓電材料(例如，鈮酸鋰)。為了在觸摸敏感基片中發射或接收水平極化聲切變波(例如，樂甫波、零次水平極化切變(ZOHPS)波或高次水平極化切變(HOHPS)波)，壓電元件可以作為切變模式壓電元件工作，或者為了在觸摸敏感基片中發射或接收具有縱向分量的波(例如，Rayleigh和Lamb波)，壓電元件可以作為壓力模式壓電元件工作。但是，當使用切變模式的壓電陶瓷材料時，由于設計成使基本諧振頻率等于觸摸傳感器的工作頻率時這類材料太薄以致于不能生產，所以，高次諧振頻率的使用具有更明顯的有益效果。
在一個最佳實施例中，有兩種聲換能器。所述壓電元件之一為發射壓電元件，另一種為接收壓電元件，它也可操作地結合到觸摸敏感基片并且同樣呈現近似等于工作頻率的高奇次諧振頻率。在最佳實施例中，觸摸傳感器還包括用于沿著至少一組路徑發射和接收聲波的發射/接收組件。所述發射和接收組件中的壓電元件(包括前面討論過的壓電元件)的特征在于近似等于聲傳感器的工作頻率的高奇次諧振頻率。
根據本發明的第二方面，提供一種檢測具有工作頻率的觸摸傳感器上的觸摸的方法。所述方法包括提供觸摸傳感器，所述觸摸傳感器以基本諧振頻率和基本上等于工作頻率的高次諧振頻率工作；產生具有基本諧振頻率和高次諧振頻率的聲波；以及橫過聲基片發送聲波。所述方法還包括接收來自基片的聲波以及處理高次諧振頻率的聲波以便確定基片是否被觸摸。聲波可以是水平極化聲切變波(例如，樂甫波、ZOHPS或HOHPS波)或者所述波可以是具有縱向分量的波(例如，Rayleigh或Lamb波)。
根據本發明的第三方面，提供一種具有工作頻率的基于聲學的系統。所述系統包括聲基片和以可操作的方式結合到所述基片的壓電元件，其中，所述壓電元件具有近似等于所述工作頻率的高奇次諧振頻率。所述系統可以具有許多上述的關于觸摸傳感器的相同特征，除了不局限于觸摸傳感器技術之外，而寧可說可以應用于其它需要發射和接收沿表面傳播的聲波的技術。
根據本發明的第四方面，提供一種使用具有工作頻率的聲基片的方法。所述方法包括提供聲基片；提供包括結合到基片的壓電元件的換能器，所述換能器以基本諧振頻率和基本上等于工作頻率的高次諧振頻率工作；產生具有基本諧振頻率和高次諧振頻率的聲波；以及橫過聲基片發送聲波。所述方法還包括接收來自基片的聲波以及處理高次諧振頻率的聲波。所述方法除了不局限于觸摸傳感器技術外，可以具有許多上述的關于觸摸傳感器技術的相同特征。
附圖的簡要說明
本發明的最佳實施例的設計和應用，在附圖中，類似的元件用共同的標號表示。為了更好地理解本發明的優點和目的，將參考圖解說明最佳實施例的附圖。但是，附圖只描述了本發明的一個實施例，因而不能將其作為對本發明范圍的限制。將利用這種限制性條款，利用附加特征和細節，通過使用附圖來描述和說明本發明，附圖中圖1(a)-(b)分別為先有技術的壓力模式和切變模式壓電元件的壓電元件振動時序；圖2是說明在最低次諧振上激勵的說明性壓電元件的速度與深度的關系的簡圖；圖3是根據本發明一個實施例構造的聲觸摸屏幕系統；圖4是用于圖3的系統的觸摸傳感器的平面圖；圖5(a)-(c)說明三種類型的水平極化切變波，所述水平極化切變波可以通過觸摸屏幕基片(諸如用于圖4的觸摸傳感器的基片)傳播；圖6是用于圖4的觸摸傳感器的基片的一個最佳實施例的側視圖7(a)-(c)示出了三種類型的換能器，這些換能器可以用于在圖4的觸摸傳感器中使用的基片內發射和接收水平極化切變波；圖8是安裝在用于圖4的觸摸傳感器的基片上的三次諧波換能器的一個最佳實施例的側視圖；圖9(a)-(c)是說明用于圖4的觸摸傳感器的換能器中的壓電元件的聲學性能；圖10是用于測試圖8的換能器特性的測試系統的側視圖；圖11是將鈮酸鋰一次諧波壓電元件的性能與圖8的換能器的壓電元件性能比較的表格；圖12是圖8的換能器的頻率響應曲線，其中，具體地說，換能器的壓電元件包括PZT材料；圖13是圖8的換能器的頻率響應曲線，其中，具體地說，換能器的壓電元件包括鈮酸鋰材料；以及圖14是描述頻率的圖表，圖12和13的各個換能器的奇次諧波被定位在所述圖表中。
最佳實施例的詳細說明參考圖3和4，圖中描述了根據本發明的最佳實施例構造的觸摸屏幕系統100。觸摸屏幕系統100通常包括觸摸屏幕105(即，具有透明基片的觸摸傳感器)、控制器110和將控制器110連接到觸摸屏幕105的引線111。觸摸屏幕105和控制器110組合構成觸摸屏幕系統，所述觸摸屏幕系統與顯示裝置115一起使用。觸摸屏幕系統100具有工作頻率并配置成通過產生橫過觸摸屏幕105傳送的聲波信號來響應觸摸屏幕上的觸摸，在出現觸摸時，所述聲波信號中的一個或多個被調制。控制器110隨后利用所述調制的信號識別觸摸屏幕上出現觸摸的位置。如果控制器110認為所述觸摸有效，那么，它就將觸摸的位置發送到主機(未示出)，然后主機執行相應的計算功能，在顯示裝置115上顯示有關信息(例如，圖形)。
顯示裝置115可以采取向觀察者顯示有關信息的任何顯示裝置形式。例如，在圖解說明的實施例中，顯示裝置115采用陰極射線終端(CRT)，顯示的信息可以是圖形(例如，圖標)或用戶可以從中選擇選項的菜單或目錄。在圖解說明的實施例中，觸摸屏幕105以面板的形式安裝在顯示裝置115上。或者，觸摸屏幕105可以設置在顯示裝置115的原有面板上，或者觸摸屏幕105可以例如以圖形輸入板的形式設置在遠離顯示裝置115的位置上。
無論如何，可以響應操作員的命令，命令(order up)圖形或其它信息顯示在顯示裝置115上，所述操作員的命令可以采取觸摸觸摸屏幕105的特定區域的形式。在另一個實施例中，例如，當不需要顯示圖形或其它信息時，就不需要使用顯示裝置115。
無論是安裝在CRT面板上還是安裝在分離的面板上，觸摸屏幕105都包括具有可以被用戶觸摸的表面130的基片125和設置在基片表面130上的發射/接收組件120。觸摸表面130的動作導致一些聲波能量被所述觸摸吸收，從而產生對通過觸摸區域傳播的表面波的擾動。擾動可以表現為沿著一條或多條路徑引導的波能量的中斷或降低(即，波幅度的下降)，所述一條或多條路徑形成重疊在基片表面130上的不可見的XY網格。對這種擾動的檢測和分析用來識別觸摸區域的X和Y坐標，隨后所述X和Y坐標信息是控制器110輸出的決定因素。
為此，控制器110按預定的順序控制發射/接收組件120，使得當檢測到觸摸引起的對聲波能量的擾動時，將所述擾動轉換成電信號并將其反饋給控制器110，并由控制器110識別出用于引起所述擾動的觸摸位置及觸摸壓力，并將其轉換為包含表示觸摸位置和觸摸壓力信息的控制信號。在實現其功能時，控制器包括執行時完成對相關信號進行控制和處理所需的步驟的軟件。但是，應當指出，所述控制器不必占用計算機資源，而能夠完全在硬件或固件中實現。
發射/接收組件120包括一對發射或輸入換能器135(1)和135(2)、一對接收或輸出換能器135(3)和135(4)以及4個反射陣列140(1)-(4)。發射換能器135(1)和135(2)及接收換能器135(3)和135(4)兩者都是壓電換能器，它們包括合適的材料，例如，鋯鈦酸鉛陶瓷(也可以使用鈦酸鉛陶瓷)，安裝在較低速度材料(例如聚丙烯)棱鏡上，所述棱鏡實現對基片表面130的有效的機電耦合。發射換能器135(1)和135(2)可以配置成發射以下任何一種波(1)水平極化切變波，包括ZOHPS波和HOHPS波及樂甫波；以及(2)具有縱向分量的聲波，包括Rayleigh型波和Lamb波。接收換能器135(3)和135(4)可以配置成接收由發射換能器135(1)和135(2)發射的任何一種波。在圖解說明的實施例中，換能器135是切變模式的換能器。但是，應當指出，換能器135可以是壓力模式的換能器而沒有偏離本發明原理。如圖4所說明的，換能器135是特殊元件。但是，應當指出，有可能單一換能器既起發射換能器的作用又起接收換能器的作用。下面將詳細說明換能器135的具體結構。
發射換能器135(1)和135(2)是在控制器110的控制下工作的，以便產生聲信號并橫過基片表面130發送所述聲信號。這是通過引線141(1)和141(2)將輸入點火電信號加到相應的發射機換能器135(1)和135(2)來實現的，發射機換能器135(1)和135(2)隨后將所述信號轉換為橫過基片表面130的機械能(聲波脈沖串)。所述聲波沿軸線145(1)和145(2)、通過反射陣列140(1)和140(2)傳播，在反射陣列140(1)和140(2)處聲波被反射而橫過基片表面130到達基片表面130的相反側的反射陣列140(3)和140(4)。然后，所述波被反射陣列140(3)和140(4)反射而沿軸線145(3)和145(4)到達接收換能器135(3)和135(4)，在接收換能器135(3)和135(4)處所述波被反向轉換成電能，作為包含觸摸信息的輸出信號通過引線141(3)和141(4)輸出。利用聲波在基片表面130中的已知速度和路徑、波的開始時間以及所述波中的擾動到達接收機換能器(或者135(3)或者135(4))的時間來確定所述位置特性。
用剛剛說明的方法，并且如圖4所示，面板130配備有不可見的、重疊的網格，所述網格包括許多被限定在預定路徑的聲表面波脈沖串的交叉路徑。一個系列路徑pj被設置成平行于顯示表面130的垂直軸或短軸，以便提供觸摸的Y坐標信息，而第二系列交叉路徑pk被設置成平行于表面130的水平軸或主軸，以便提供觸摸的X坐標信息。在美國專利No.4644100中說明了關于使用所述結構確定觸摸屏幕上觸摸的位置坐標的進一步的細節，所述專利通過引用結合到本說明書中。
如上所述并且如本領域中眾所周知的，反射陣列140必須仔細設計，以便確定所需的工作頻率。具體地說，反射陣列140的反射元件沿傳播軸145的間隔必須是聲波波長高精度的整數倍。根據對反射陣列140的檢查和聲波速度的測量結果很容易確定觸摸屏幕的工作頻率。
在描述了基片表面130上的部件以及它們如何工作以便確定觸摸位置之后，所述討論下面轉向基片125本身的結構。基片125可以構造成支持各式各樣的水平極化切變波中的一個或多個。例如，圖5(a)-(c)說明了三種水平極化切變波分別是零次水平極化切變(ZOHPS)波、高次水平極化切變(HOHPS)波和樂甫波。在每一種情況下，粒子的運動都是在水平平面上。這些不同類型的切變波在它們的波幅深度分布方面都是不同的。
例如，圖5(a)中說明的ZOHPS是最低次切變平面波，其幅度與深度無關。在美國專利No.5177327和5329070中描述和說明了使用ZOHPS波的觸摸屏幕，這些專利通過引用結合到本說明書中。與使用Rayleigh波的聲觸摸屏幕不同，ZOHPS波的觸摸屏幕能夠合理地重構觸摸位置，即使存在高水平的水雜質，包括完全浸沒在水下的觸摸表面。
圖5(b)中說明的HOHPS波是n≥1的切變平面波模式，其中n是零幅度節點平面的數目。在圖5(B)中，HOHPS展示了隨深度正弦變化的波幅度，并且所述波幅度在頂面和底面之間具有兩個零幅度的節點平面(即，n＝2)。對于接近5MHz的工作頻率，模式分隔問題限制了ZOHPS在厚度不大于約1mm的玻璃基片上的應用。對于其它工作頻率，最大的基片厚度與選取的工作頻率成反比，即，對于10MHz的工作頻率，基片的厚度不大于1/2mm。對于接近5MHz的工作頻率，使用HOHPS模式(而不是ZOHPS模式)允許觸摸屏幕的設計者將玻璃基片的厚度增加到至少2或3mm，并仍然可以避免模式混合問題。
圖5(c)中說明的樂甫波是水平極化切變波，它在基片的一個表面上具有波能量，而在相反的表面上具有顯著地較小的能量。象Rayleigh波一樣，樂甫波被約束在觸摸表面上并隨深度以指數形式衰減。但是，與Rayleigh波不同，樂甫波不存在于均勻媒體中。數學上，支持樂甫波的最簡單的基片是結合到呈現較快體切變波速度的半無限媒體的有限厚度的表面層。實際上，假設半無限媒體足夠厚以致包括許多個波幅度指數衰減長度的話，半無限媒體就可以是有限厚的層。例如，圖6所示的基片125包括(1)通常包括硬質和耐劃痕的切變波支持材料的外部薄膜150；(2)包括合適的聚合物的中間聚合物層155；以及(3)包括低聲波衰減的切變波支持材料的剛性層160。采用層壓工藝將這三層結合在一起以便形成多層基片。
樂甫波基片最好設計成對于觸膜屏幕的工作頻率具有作為頻率函數的樂甫波群速度的低頻散。在美國專利No.5329070和5591954以及美國專利申請序列號No.09/972788中說明了關于樂甫波支持基片生產的更多細節，所述專利和專利申請通過引用結合到本說明書中。
考慮了聲波基片125的各種可能結構之后，現在將討論換能器135的結構。每一個換能器135都包括壓電元件165并且可以以各種方式構成以便通過基片125傳播樂甫波。例如，如圖7(a)-(c)所說明的，換能器135可以構造成楔形、邊緣式或柵形換能器。圖7(a)示出楔形換能器135(a)，所謂楔形換能器是因為它包括其上安裝有壓電元件165的楔170，楔170又被安裝在基片表面130上。當電信號被發送到壓電元件165時，電信號被轉換成聲波，聲波通過楔形基座170傳播到基片125，然后，沿水平方向通過基片125傳播，如圖中箭頭所示。圖7(b)示出邊緣換能器135(b)，所謂邊緣換能器是因為壓電元件165被安裝在基片125的邊緣175上。當電信號被發送到壓電元件165時，電信號被轉換成聲波，聲波沿水平方向通過基片125傳播，如圖中箭頭所示。圖7(c)示出柵形換能器135(c)，所謂柵形換能器是因為它包括安裝在基片表面130上的柵網180。壓電元件165被安裝在基片125的與基片表面130相對的另一面。當電信號被發送到壓電元件65時，電信號被轉換成體聲波，體聲波通過基片125傳送到柵網180并且隨后沿水平方向通過基片125傳播，如圖中箭頭所示。
參考圖8，現在將進一步說明作為楔形換能器的換能器135。楔170最好包括塑料并且包括斜邊185和面對的傾斜的楔角θ的邊190。壓電元件165安裝在楔170的對邊190上。換能器135以它的斜邊185安裝在基片表面130上，即，換能器135以可操作的方式結合到基片125上。壓電元件165是切變波模式元件。在發射模式中，壓電元件165將體切變波發射到楔170的材料中。楔角θ與楔170材料的體切變(即，換能器)波的速度VT和樂甫波的相速度Vp以標準方式cos(θ)=VTVp]]>相聯系。作為說明這一關系的非限制性例子，考慮三層基片125的實施例，其中，薄片150為例如100微米厚的硼硅酸鹽玻璃，聚合物薄膜155為32微米厚的聚苯乙烯薄膜，而平板160為3mm厚的堿石灰玻璃薄片。在基片125中，樂甫波在5.53MHz下的相速度近似為3.13mm/μsec。在楔170材料中體切變波的速度必須小于所述值。例如，由Dow Plastics生產的Styron666聚苯烯構造的楔170具有大約1.15mm/μsec的切變波速度。因此，對于所述基片125合適的楔170應該具有 楔斜角。
如前所述，傳統的切變模式壓電元件一般是用相當昂貴、但很堅固的鈮酸鋰制成。為了能夠使用較便宜、但更易脆的陶瓷材料(例如，鋯鈦酸鉛和鈦酸鉛)，這樣設計壓電元件165，使得由壓電元件165產生聲波的高次諧振頻率中至少一個高次諧振頻率(優選的是高奇次諧振頻率，更優選的是三次諧振頻率)基本上等于系統100的工作頻率。當諧波次數為2n+1時，壓電元件被稱作為(2n+1)次諧波壓電元件。因此，當諧波次數為三時，壓電元件為三次諧波壓電元件。基本的或最低的諧振也可以稱作為一次諧波。它具有處在中間的一個節點平面，在該平面上沒有運動。用于本發明實施例的諧振具有三個節點平面。節點平面的數目是諧振的諧波次數。
圖9(a)和(b)說明傳統的切變模式壓電換能器和三次諧波壓電換能器之間的差別。圖9(a)示出基本的或最低的諧振頻率壓電元件(稱為一次諧波壓電元件)的速度相對于深度的分布圖，而圖9(b)示出三次諧波壓電元件的所述分布圖。從一次到三次諧波將壓電厚度公式改變為T=3λ2=3V2f=3Nf.]]>所述附加的因子3意味著可以把壓電換能器做得非常厚，使得它能夠使用更便宜的鋯鈦酸鉛和鈦酸鉛陶瓷。
從電子學上看，可以把(2n+1)次諧波壓電元件看作與電氣上串聯的2n+1個一次諧波壓電元件等價。換句話說，諧波的次數也是基本模式的壓電元件的數目，所述各基本模式的壓電元件在概念上一個堆疊在另一個之上從而形成高次諧波壓電元件。例如，圖9(c)以一連串三個一次諧波壓電元件的形式示出三次諧波壓電元件的情況。在三次諧波壓電換能器的三等分的中部一等分中，來自音頻脈沖群的外加電場相對于激勵三次諧波諧振所需切變運動所必須的電場有180°相差，假設不是幫助而是有效抵消換能器剩余部分的切變模式激活的一半。但是，令人驚奇的是，正如下面將詳細說明的，用PZT制作的這種換能器的實際性能明顯比一次諧波鈮酸鋰壓電換能器的性能好。
由于討論集中在奇次諧波壓電元件上，自然會問，當諧波次數為偶數時將會出現什么情況。在這種情況下，在以反向相位激勵的材料之間將所述材料精確地50-50對開，因而在外加電信號和切變振動模式之間沒有純機電耦合。因此，最好使用奇次諧波而不使用偶數次諧波。
如圖10中說明的，已經利用測試系統100實驗驗證了這種現象的實際性能。測試系統100包括支持樂甫波的三層基片205，三層基片為200μm的玻璃薄片210、薄片210結合在其上的32μm的聚苯乙烯薄膜層215以及聚苯乙烯薄膜層215結合在其上的3mm厚的玻璃板220。測試系統還包括發射-接收楔形換能器對225，所述換能器對具有由2mm×14mm矩形鋯鈦酸鉛(PZT)片形成的壓電元件230以及壓電元件230安裝于其上的楔235。楔235可以包括聚丙烯并且具有設計成支持體切變波在所述聚丙烯中的固有折射的楔角，并且在基片205中在水平方向上傳播樂甫波。發射和接收壓電元件230具有大約200mm的間距。
使用系統200進行了以下實驗。具有50Ω輸出阻抗的函數發生器產生頻率為5.53MHz而幅度為標稱10V的5個射頻(RF)周期的長音頻脈沖群。所述信號激活發射換能器225(1)。接收換能器225(2)連接到設置作為50Ω負載阻抗的示波器輸入端。借助于樂甫波的吸收特性(不受水的影響、對指頭觸摸敏感、對與疊層基片的背面接觸的任何材料不敏感以及具有與現有的樂甫波群速度一致的延遲時間)來識別由樂甫波脈沖產生的信號。測量樂甫波信號的最大峰-峰電壓。在下面說明的測量結果中，觀察到的最大幅度信號確實是所需的樂甫波脈沖。測量是在壓電元件230的三次諧波諧振頻率下進行的。
為了比較，還利用傳統設計的鈮酸鋰壓電元件在其基本諧振頻率下進行實驗。在圖11的表格中給出了實驗結果。如從表中可以看到的，不僅僅觀察了來自利用三次諧波PZT壓電元件構造的換能器的信號，而且所述信號(69mV)大于傳統的一次諧波鈮酸鋰壓電元件的信號(47mV)。這樣，即使從電子學上看，三次諧波PZT壓電元件也可以是鈮酸鋰壓電元件的替代產品。因此，其三次諧波頻率等于系統100的工作頻率的PZT和鈦酸鉛陶瓷壓電換能器兩者都是便宜的并且比切變模式一次諧波鈮酸鋰壓電換能器更有效。而且，由于可以使三次諧波陶瓷壓電元件比一次諧波陶瓷壓電元件更厚，因此，對于所述三次諧波陶瓷壓電元件來說，不存在易脆問題，所述易脆問題過去曾經導致選擇優于陶瓷元件的鈮酸鋰元件。
圖12和13以從0MHz至20MHz獲取的阻抗和相位曲線的形式示出PZT和鈮酸鋰三次諧波壓電元件的各自的頻率響應。所述曲線示出了各個壓電元件的前5個奇次諧波(即，一次、三次、五次、七次和第九)。由于前面的討論中沒有討論偶次諧波的純機電耦合，所以曲線中看不到偶次諧波。正如從曲線中可以看到的，由于隨著次數2n+1增加，分數 (有效地耦合到外加振蕩電壓的壓電元件材料的一小部分)減小，所以高奇次諧波逐步變弱。當三次諧波在工作頻率下提供足夠的機械強度時，它就是最佳諧波。如果需要更高的機械強度，更高的奇次諧波就是有用的。例如，可以使用五次和七次奇次諧振頻率，使得有可能制造更厚的壓電換能器。
圖13描述了觀察PZT和鈮酸鋰壓電元件的奇次諧波的頻率。如從該圖可以看到的，兩種類型的元件呈現相同性能，即，對于兩種類型的元件來說，奇次諧波出現在基本上相同的頻率上。圖12和13的曲線說明兩種類型的元件之間的重要差別。在4.61MHz下，鈮酸鋰壓電元件呈現與所需切變方向垂直的切變運動，這種運動以垂直峰值的形式呈現在圖13的鈮酸鋰阻抗曲線上。稍微低一點的頻率是由具有錯誤極化的切變波的較慢切變速度引起的。為一次諧波設計的鈮酸鋰壓電元件也具有這種比一次主諧波諧振稍微低一點的寄生錯誤極化模式。這種錯誤方向切變諧振沒有出現在圖12的PZT阻抗曲線中，因而表明與鈮酸鋰壓電元件不同，PZT壓電元件不會產生Rayleigh型寄生模式。因此，實驗觀察揭示了三次諧波PZT切變模式壓電元件由于傳統的鈮酸鋰壓電元件的另一個優點甚至當在兩種類型元件的情況下使用三次諧波時，PZT壓電元件也消除了換能器到具有縱向分量的聲波的耦合的麻煩問題。
對于目前聲觸摸屏幕產品的典型的接近5MHz的工作頻率，三次諧波壓電元件的使用解決了與切變模式壓電元件相關聯的易脆的問題。手持式計算機應用中的較小觸摸屏幕的市場的出現可以大大促進使用更高的工作頻率，因此甚至對于壓力模式的PZT壓電元件也產生了易脆的問題。為此，對于觸摸屏幕技術，使用三次諧波壓力模式壓電元件也是適當的。
雖然上面的討論說明了聲觸摸屏幕系統100，但是它可以應用到基于聲學的系統的更一般的環境中。這包括其它類型的觸摸傳感器(例如，不透明觸摸盤或觸摸敏感機器人外殼)或需要發射和接收沿表面傳播的聲波的任何超聲波裝置。可以設想各種具有敏感表面的傳感器，以及非破壞性的測試應用。確實，聲觸摸屏幕系統100確實是基于聲學的系統的特殊情況，其中，聲基片125特殊地設計成工作在觸摸屏幕105中。因此，應當把當前的討論的最廣泛的各個方面看作為適用于更一般的環境。
雖然已表示和說明了本發明的具體實施例，但是，應該理解，以上討論沒有想要將本發明限制在這些實施例中。本專業的普通技術人員將明白，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以進行各種變化和修改。因此，本發明將要覆蓋處于由權利要求書確定的本發明的精神和范圍內的替換、修改和等價物。
權利要求
1.一種具有工作頻率的觸摸傳感器，它包括觸摸敏感基片；以及可操作地結合到所述基片的聲換能器，其中，所述聲換能器包括近似等于所述工作頻率的高奇次諧振頻率。
2.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述高奇次諧振頻率是從由三次、五次和七次諧振頻率組成的頻率中選擇的。
3.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述聲換能器包括壓電元件。
4.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述聲換能器是切變模式聲換能器。
5.如權利要求4所述的觸摸傳感器，其中，所述聲換能器配置成發射或接收所述基片中的水平極化聲切變波。
6.如權利要求5所述的觸摸傳感器，其中，所述切變波是樂甫波、零次水平極化切變(ZOHPS)波、或高次水平極化切變(HOHPS)波、或它們的任何組合。
7.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述聲換能器為壓力模式換能器。
8.如權利要求7所述的觸摸傳感器，其中，所述聲換能器配置成發射或接收所述基片中具有縱向分量的聲波。
9.如權利要求8所述的觸摸傳感器，其中，所述聲波是Rayleigh波或Lamb波、或它們的組合。
10.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述觸摸傳感器還包括可操作地結合到所述基片的聲發射/接收組件，所述聲發射/接收組件用于發射和接收沿至少一組平行路徑傳播的聲波。
11.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述基片是不透明的。
12.如權利要求1所述的觸摸傳感器，其中，所述基片是透明的。
13.一種檢測在觸摸傳感器上的觸摸的方法，所述方法包括橫過具有聲換能器的聲基片發送聲波，所述聲波包括近似等于所述聲換能器的高奇次諧振頻率的頻率；接收來自所述基片的聲波；以及處理具有所述高奇次諧振頻率的所述聲波，以便確定所述基片是否被觸摸。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述聲換能器包括壓電元件。
15.如權利要求13的方法，其中還包括處理具有所述高奇次諧振頻率的所述聲波，以便確定所述基片上被觸摸的位置。
16.一種具有工作頻率的基于聲學的系統，所述系統包括聲基片，它具有表面并且配置成與所述基片表面平行地傳播聲波；以及可操作地結合到所述基片的壓電元件，其中，所述壓電元件的特點在于近似等于所述工作頻率的高奇次諧振頻率。
17.如權利要求16所述的基于聲學的系統，其中，所述高次諧振頻率是從由三次、五次和七次諧振頻率組成的頻率中選擇的。
18.如權利要求16所述的基于聲學的系統，其中，所述壓電元件是切變模式換能器。
19.如權利要求16所述的基于聲學的系統，其中，所述壓電元件配置成發射或接收所述基片中水平極化的聲切變波。
20.如權利要求16所述的基于聲學的系統，其中，所述壓電元件是壓力模式換能器。
21.如權利要求20所述的基于聲學的系統，其中，所述壓電元件配置成發射或接收所述基片中具有縱向分量的波。
22.一種使用聲基片的方法，所述方法包括與具有壓電元件的所述聲基片的表面平行地發射聲波，所述聲波的頻率近似地等于所述壓電元件的高奇次諧振頻率；接收來自所述基片的所述聲波；以及處理具有所述高奇次諧振頻率的所述聲波。
23.如權利要求22所述的方法，其中，處理所述聲波以便確定所述基片是否被觸摸。
全文摘要
提供一種基于聲學的系統，例如觸摸屏幕系統。所述系統包括聲基片以及連接到基片的聲換能器。換能器呈現等于系統工作頻率的高奇次諧振頻率。由于使用了基本上等于工作頻率的高次諧振頻率，所以可以增加換能器的厚度，從而使換能器更加耐用。
文檔編號B06B1/06GK1754142SQ200480005440
公開日2006年3月29日 申請日期2004年2月25日 優先權日2003年2月28日
發明者J·肯特 申請人:伊羅接觸系統公司