CN104272229A - 具有可变厚度基板的声学触摸设备 - Google Patents

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Abstract

具有可变厚度玻璃基板的声学触摸设备，该基板允许在前表面与后表面之间传递表面声波，因此使变换器能够被放置在与所期望的触摸输入面相对的基板表面。

Description

具有可变厚度基板的声学触摸设备
技术领域
本发明总体上涉及触摸传感器系统并且更具体地涉及表面声波(surface acoustic wave)(SAW)触摸屏。
背景技术
诸如触摸屏或触摸监控器的触摸传感器系统能够用作针对用于各种应用的交互式计算机系统的输入装置，例如，信息站(information kiosks)、订单录入系统、视频显示器等。这类系统可以集成至计算装置中，因此提供能够交互触摸的包括计算机的计算装置、电子书阅读器、移动通信装置和包括机器人的其他触摸敏感装置。
通常，触摸传感器系统能够经由表面的用户触摸确定在基板的表面上的位置。针对触控板或触摸敏感机器外壳的一些应用，基板可以由诸如金属的不透明材料制成。当触摸传感器是透明的触摸屏时，触摸基板通常由一些形式的玻璃制成，其置于计算机或计算装置显示器之上，类似液晶显示器(LCD)、等离子显示器等。触摸传感器系统可操作地连接到装置显示器，使得其能够确定在装置显示器上的位置，并且另外，确定在显示器上显示的用户界面的合适的控制动作。
可以使用不同技术实施触摸传感器系统。诸如使用表面声波的超声波触摸传感器的声学触摸传感器是当前主要的触摸传感器技术之一，并且现在存在许多类型的声学触摸传感器。图1a示出了“非阿德勒型(non-Adler-type)”声学触摸传感器1的基板2的前平面图。基板2的前表面4的周界区域3包围基板2的内部触摸区域5。诸如楔形变换器的多个变换器6a、6b、6c、6d在周界区域3中粘合至前表面4。触摸传感器1每坐标轴使用多个变换器，以空间地散布相应的传输的表面声波信号(例如，以实线箭头7a，7b示出)并且确定触摸区域5坐标。例如，对于X坐标轴，在相应的周界区域3上的X轴传输变换器6a生成表面声波脉冲，该表面声波脉冲沿着多个平行路径在穿过基板2(穿过触摸区域5)的Y方向上传播至被设置在用于处理接收的波的相对的周界区域3上的X轴接收变换器6b。在触摸区域5中触摸的X坐标通过与由该触摸所解释的表面声波相对应的哪个传输/接收变换器对确定。类似地，对于Y坐标轴，在相应的周界区域3上的Y轴传输变换器6c生成表面声波脉冲，该表面声波脉冲沿着多个平行路径在穿过基板2(穿过触摸区域5)的X方向上传播至被设置其中用于处理所接收的波的相对的周界区域3上的Y轴接收变换器6d。在触摸区域5中触摸的Y坐标与由该触摸所解释的表面声波相对应的哪个传输/接收变换器对确定。变换器布置提供了网格图形以允许确定在触摸区域5上的触摸的二维坐标。在一点上触摸该触摸区域5由表面声波穿过触摸的点而引起能量损失。这表现为表面声波的衰减。与每个接收变换器6b、6d相关联的检测电路检测表面声波信号的振幅，并且观察哪个发送/接收变换器对已经扰动或衰减信号，作为一种手段以确定在触摸区域5上的表面坐标。控制器(未示出)驱动变换器6的操作，并且将触摸坐标提供至操作系统和软件应用程序程序，以提供具有可操作地连接到变换器6的显示器的所需用户界面。应注意，触摸传感器1示出为平坦和矩形的，但是取决于应用可以呈现不同形状和构造。
“阿德勒型(Adler-type)”声学触摸传感器每坐标轴仅使用两个变换器以空间地散布传输的表面声波信号，并且通过分析来自触摸的波扰动的时间方面确来定触摸表面坐标。对于每个轴，在相应外围表面上的一个变换器生成表面声波脉冲，该表面声波脉冲穿过沿其设置第一反射光栅或阵列的垂直外围表面传播通过基板。第一反射阵列被适配为反射沿着多个平行于设置在相对的外围表面上的第二反射阵列的路径垂直穿过基板的部分表面声波。第二反射阵列适配为沿着外围表面将表面声波反射到在用于处理接收到波的相应的垂直外围表面上的第二变换器。与X轴相关联的反射阵列垂直于与Y轴相关联的反射阵列，从而提供网格图形以允许确定在基板上的触摸的二维坐标。在一点上触摸该基板表面由表面声波穿过触摸的点而引起能量损失。这表现为表面声波的衰减。与每个接收变换器相关联的检测电路检测在表面声波信号中作为扰动的衰减并且执行数据的时间延迟分析以确定在基板上的触摸的表面坐标。
过去，类似触摸屏和触摸板产品的利用声学触摸传感器的装置与保护框关联。声学触摸传感器可以具有布置在基板的前外围表面上并且沿着其的大量操作元件(或多个变换器、或变换器和反射阵列组合)。为了防止由于从环境或外部物体的曝光的损坏，用于这些传感器或用于集成传感器的装置的外壳可以包括隐藏并且保护这些外围操作元件的框，使得仅位于基板的前表面上的激活触摸区域可能被暴露用于触摸输入。
目前消除框的趋势有利于触摸区域的冲洗环境。这个市场趋势也影响如针对以20英寸和更大尺寸范围的零框SAW触摸屏的市场兴趣所展示的更大台式尺寸的触摸输入装置。进一步展望未来，如通过“无处不在的计算”的一些梦想家所设想的，类似玻璃台面的当前的被动目标成为触摸输入装置。此外，即使现在存在触摸技术和机器人之间交互的痕迹，并且也许未来的SAW触摸技术可以利用对它们的外部外壳中的触摸的感测找到赋予智能的使用。所有这些趋势和触摸技术到未来的可能延伸至促使SAW触摸传感器的变换器和阵列从基板的外部触摸感测表面移动到触摸基板的保护和隐藏的内部表面。
声学触摸传感器可以利用圆形基板边缘方法，以获得这类零框或无框设计。这类传感器通过使用位于后表面上的传输元件进行操作，其围绕相应的弯曲基板边缘传播表面声波，穿过前表面并且围绕相对的弯曲基板边缘以到达位于后表面上的接收元件。无框的声学触摸传感器可以将激活触摸区域扩大为基本上使基板的全部前表面，其针对从类似智能电话或平板电脑的小尺寸集成的装置到台式计算机和更大触摸应用的各种触摸输入应用是有利的。此外，对于触摸敏感的机器人外壳感兴趣的是对于基本上整体曝露表面的受保护的内部变换器和阵列脉冲敏感的组合。
图1b示出了具有弯曲的基板边缘的声学触摸传感器10的简化截面图。触摸传感器10包括基板11，该基板11具有前表面12、后表面15以及将前表面12的外围区域14与后表面15接合的连接端面20。连接端面20不必为如所示的弯曲，但是通常能够具有在前和后表面12、15之间支撑表面声波传递的任何形状。基板11通常由某些形式的玻璃制成，该基板11置于像液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子体显示器等的计算机显示器或计算装置显示器25上面。在有框的表面声波触摸传感器中，因为变换器和反射阵列处于基板11的前表面12上，所以前表面12的外围区域14通过由触摸传感器10的壳体提供的框或集成传感器10的装置覆盖。在图中所示的无框表面声波触摸传感器中，因为没有曝露的变换器和反射阵列，所以前表面12的外围区域14仅处于前表面12的外部/外围部分，并且没有框需要相关联的壳体。应注意，当为了保护阵列和变换器，或需要或不需要相应地安装覆盖基板外围的框时，术语“有框”和“无框”用于暗示触摸传感器。无框表面声波触摸传感器更详细地描述在题为“Bezel-less Acoustic Touch Apparatus”的共同拥有的U.S.专利申请2011/0234545中，通过引用将其结合于此。物体30在图1b中视为手指，但是认识到取决于触摸传感器10的应用，通过表面声波感测的触摸可以包括通过覆盖片或类似元件直接或间接地按压前表面12的触控笔。声学式变换器35和反射元件阵列40被设置在后表面15的外围区域14中的不透明颜料或墨水的边界层27上并且通过其进行隐藏。变换器35可操作地耦接至也可操作地耦接至显示器25的控制器或控制系统29(其在一些实施方式中可以是部分系统处理器)。控制器或控制系统29驱动变换器35的操作并且测量来自这类变换器的信号以确定触摸坐标，然后该触摸坐标被提供至操作系统和软件应用程序以将所需用户界面提供给显示器25。
然而，弯曲的基板边缘要求制造的具体精密度。如果边缘不以完美的半径加工成型，则寄生信号可以另外形成。这反过也使基板的制造比常规、直边缘基板的制造代价更高。同样，如图1b所示，在具有一些美学考虑的许多无框传感器中，为了通过典型透明的基板从视野中隐藏元件，基板后表面外围可以具有以印在“边界墨水”顶部的外围操作元件施加在其上的不透明的墨水或颜料。针对这些传感器，基板的弯曲边缘不允许边界墨水完全施加在后表面的末端，其然后不得不以某些其他方式制成不透明的。针对小尺寸的集成装置(即，移动或手持SAW产品)，基板将不具有其曝露的边缘并且相对将以装置的可保护覆盖直接典型地安装在外边缘。然而，如果传感器具有不弯曲的基板边缘，则这个安装将更容易并且可能更有效。在期望水密封、部件传感器的外部边缘相遇处，声学活性圆形外部边缘在其他SAW触摸传感器应用中也可能是有问题的，例如，由金属SAW触摸传感器平铺制成的触摸感测机器人外壳。
发明内容
本发明为了避免以上问题提供了一种声学触摸设备，包括具有前表面和后表面的基板，该基板在第一区域中被适配为沿着基板表面传播表面声波并且在第二区域中被适配为将传播表面声波通过基板从一个表面传递到另一个表面；位于后表面上的至少一个声波变换器，其被适配为传输表面声波；以及位于后表面上的至少一个声波变换器，其被适配为接收来自传输变换器的表面声波，所述基板在传输变换器和接收变换器之间具有设置在两个第二区域之间的至少一个第一区域。第一区域可以具有至少3.5瑞利波长的厚度，或可替换地，至少5.5瑞利波长的厚度。同样，第二区域可具有足够薄的厚度以将在第一表面上的表面声波转换为第二表面上的表面声波。在这类情况下，第二区域的尺寸可形成为抑制在第二表面上的表面声波转换回第一表面上的表面声波。同样，第二区域可以具有足够薄的厚度以在基板的前表面与后表面之间传递声学表面波能量。可替换地，在第一区域后表面的一部分可以小于3.5瑞利波长厚并且具有施加在其上足够的涂覆材料，以在那个部分内抑制在基板的前表面与后表面之间声学表面波能量的传递。
同样，第一区域和第二区域的尺寸可形成为使得通过传输变换器传输的表面声波通过基板从后表面行进至前表面；沿着前表面；并且通过基板从前表面至后表面以由接收变换器接收，所述前表面形成用于该设备的触摸感测区域。在这类情况下，第二区域的长度可以是近似为表面声波的拍频波长的一半，并且此外，第二区域的厚度可以是可调节的以将拍频波长和第二区域的长度调谐至所选择的相应的测量量。同样，第一区域的长度可以短于表面声波的拍频波长。
本发明还提供了声学触摸设备，包括具有前表面和后表面的基板，该基板在第一区域中被适配为沿着基板表面传播表面声波并且在第二区域中被适配为通过基板将传播表面声波从表面的一个传递到另一个表面；位于后表面上的至少一个声波变换器，其被适配为传输表面声波；位于后表面上的至少一个声波变换器，其被适配为接收表面声波；在后表面上的至少一个反射阵列，其被适配为将来自传输变换器的表面声波反射至接收变换器；以及位于后表面上的至少一个反射阵列，其被适配为接收并且反射被反射传输至接收变换器的表面声波，所述基板在传输变换器与接收变换器之间具有设置在两个第二区域之间的至少一个第一区域。第一区域可以具有至少3.5瑞利波长的厚度，或可替换地，至少5.5瑞利波长的厚度。同样，第二区域可以具有足够薄的厚度以将第一表面上的表面声波转换为在第二表面上的表面声波。在这类情况下，第二区域的尺寸可形成为抑制第二表面上的表面声波转换回第一表面上的表面声波。同样，第二区域可以具有足够薄的厚度以在基板的前表面与后表面之间传递声学表面波能量。可替换地，在第一区域后表面上的一部分可以小于3.5瑞利波长厚并且具有施加在其上足够的涂覆材料，该涂覆材料足以抑制在那个部分内的基板的前表面与后表面之间的声学表面波能量的传递。
此外，第一区域和第二区域的尺寸可形成为使得通过传输变换器传输和通过第一反射阵列反射的表面声波通过基板从后表面行进至前表面；沿着前表面；并且通过基板从前表面到后表面，以通过第二反射阵列反射到接收变换器，所述前表面形成用于该设备的触摸感测区域。在这类情况下，第二区域的长度可以是近似为表面声波的拍频波长的一半，并且此外，第二区域的厚度可以是可调节的以将拍频波长和第二区域的长度调谐至所选择的相应测量量。同样，第一区域的长度可以短于表面声波的拍频波长。
本发明还提供了一种具有可变厚度基板的声学触摸传感器，该基板被适配为形成用于从传输变换器至包括基板区域的接收变换器的表面声波的波路径，在激活触摸表面之前和之后，其中，表面声波通过基板从一个传播表面传递至另一个传播表面。
本发明还提供了一种声学触摸传感器，包括：基板，被适配为在基板的前表面与后表面之间传递表面声波能量；形成传感器的触摸区域的所述前表面和具有传感器的操作元件的所述后表面；以及其具有施加至后表面区域的粘合材料，其被适配为抑制沿着前表面的配对区域传递表面声波能量，其足以维持表面声波在配对区域上传播，从在后表面上的操作元件传输的所述表面声波通过基板传递到前表面；沿着前表面的配对区域行进；并且在此之后通过基板传递到后表面，以通过操作元件接收。
本发明还提供了一种设置声学触摸传感器的方法，包括：设置具有足够薄的厚度的基板以在基板的前表面与后表面之间传递表面声波，所述前表面形成传感器的触摸区域并且所述后表面具有传感器的操作元件；并且在后表面的区域上施加粘合材料，该粘合材料被适配为抑制沿着前表面的配对区域传递的表面声波能量，其足以维持表面声波在配对区域上传播。
附图说明
为了更好的理解本发明，参考其示例性实施方式的以下描述和附图，附图中：
图1a是声学触摸传感器基板的前平面图；
图1b是具有弯曲的基板边缘的声学触摸传感器的简化截面图；
图1c是在薄基板中顶部-底部振荡现象的示意图；
图2a是根据本发明构造的第一声学触摸传感器的简化截面图；
图2b是具有传播表面声波的图2a的第一声学触摸传感器的截面图；
图3是根据本发明构造的第二声学触摸传感器100的简化截面图；
图4a是具有涂覆材料的图2a的传感器的简化截面图；
图4b是图2a的传感器的变形的简化截面图；
图4c是图4b的传感器的变形的简化平面图；以及
图5是图2a的传感器的另一变形的简化截面图。
具体实施方式
在不使用弯曲的边缘的情况下，将传播表面声波从基板的前表面传递至基板的后表面的一个方法是将波传递通过基板。这能够利用针对声学触摸传感器生成的表面声波的唯一特性来完成。具体地，在基板的一个表面上传递的表面声波可以在某些情况下传递通过基板至另一个表面。通常，当基板的深度足够小时，能够发生这个传递。为了避免不期望的传递，先前已报告了为了生成传播表面声波，通常的基板(即，碱石灰玻璃)使用5.53MHZ的标准传输频率应至少为2mm厚，即至少3.5瑞利(Rayleigh)波长。在声学触摸传感器中使用的当前标准是近似3mm厚的基板。虽然在两种情况下波运动和功率穿透至玻璃或水的波介质某个深度，但是这些传播表面声波保持在传输变换器的基板表面上，诸如在海洋上的表面波被保持在海洋表面上。然而，以某个较小的厚度，表面声波能量变成传递(实际上为振荡)至基板的相对的表面。
更具体地，声学触摸传感器的传输变换器正常地生成通常被称为瑞利型波的表面声波。瑞利波具有竖直波成分和横向波成分，其具有在包括波传播的轴的竖直平面中沿着椭圆形路径移动的基板颗粒，并且波能量随着基板中的深度的增加而减少。在数学上，瑞利波仅存在于半无限介质(semi-infinite media)中。在诸如那些在声学触摸传感器中使用的有限厚度的板或基板中，该波更准确地被称为准瑞利波(quasi-Rayleigh waves)，其每一个包括最低阶对称和反对称拉姆波(Lamp wave)模式S0和A0相等部分的叠加。针对用于声学触摸传感器的感兴趣的厚度的基板，S0拉姆波模式本质上是在传输(或顶部)表面上的表面声波同时在非传输(或底部)表面上的同相表面声波，而A0拉姆波模式除了在底面上的表面声波与在上表面的表面声波不在一个相位之外与其是类似的。在上表面的准瑞利波消除在底面的表面声波的两个波模式的正叠加(即，S0+A0)，并且在底面的准瑞利波消除在上表面的表面声波的两个波模式的负叠加(即，S0-A0)。因为每一个都是振动的真模式，故传输的(或发起的)纯S0或A0波将分别永远保持S0或A0波。相对，忽略玻璃的衰减，作为不是振动的真模式发起的顶部准瑞利波最终将转换为底部准瑞利波，并且两个波将继续以拍频波形图(beat pattern)前后振荡。这是因为波模式S0和A0具有略微不同的相速度，使得A0相位相对于S0相位不断改变并且具有足够的距离S0+A0重复地变为S0-A0并且然后再次变回S0+A0。这是发生在多个上下文中的典型的耦合振荡器系统的实例。如上所示，结果是表面波能量在基板的上表面与底面之间前后传递。
图1c是示出了针对可以在声学触摸传感器中使用的薄基板45的顶部-底部振荡器。忽略衰减效果，如果“x”是远离持续激发的楔形变换器46以频率f传播的距离，则在上表面的波振幅T(x，t)(例如，竖直粒子位移)和在底面的波振幅B(x，t)将如下随着位置和时间改变，其中λ是频率为f时的瑞利波长，并且Λ是在表面之间表示瑞利波的振荡特征的拍频波长：
T(x，t)＝常量·cos(πx/Λ)·cos(2πx/λ-2πf·t)并且
B(x，t)＝常量·sin(πx/Λ)·sin(2πx/λ-2πf·t)。
重要的是注意，在一个表面上的瑞利波以一半的拍频波长(λ/2)完全传递到另一个表面。在两个表面上在瑞利波之间的平均时间的功率传递由实线箭头示意性地表示并且与sin(2πx/Λ)成比例，在此，正数符号表示从顶部至底部的功率传递并且负符号表示沿其他方向的功率传递。在此，顶部或底部振幅中的任意一个都很小，故功率传递也小(这在下文中相对于光学粘合更详细地论述)。
顶部-底部振荡现象通常被视为在声学触摸传感器设计中要避免的问题，以在相应的表面上维持传播表面声波。并且为了这个目的，触摸基板被设计成规则为至少3至4瑞利波长厚以抑制顶部-底部振荡。对于所有实际的工程目的，3.5瑞利波长的基板通常足以抑制顶部-底部振荡，并且5.5瑞利波长厚度的基板足以消除顶部-底部振荡。
要考虑的关键的工程参数是传输频率、穿过需要顶部表面声波转换为底部表面声波(并且反之亦然)的基板的距离(即，顶部-底部振荡距离)、基板的厚度以及触摸传感器的声波路径长度。通常，基板越薄，用于顶部至底部能量传递的距离越短。如果然后顶部-底部振荡距离与声波路径长度相比是可比较的或短的，然后表面波能量将不会被维持在上表面。因此，在基板一个表面上发起的表面声波将出现在另一个表面上。有利的是在不使用弯曲的边缘的情况下，利用这个处理将传播表面声波从声学触摸传感器基板的前表面传递至后表面。这进一步描述在同时以名为Kyu-Tak Son和Joel Kent提交的题为“Acoustic Touch Apparatus With Multi-TouchCapability”的共同拥有的申请序列号13/416,940，通过引用将其结合于此。
应注意，可以存在类似使用基板涂覆的其他方式来抑制振荡，其在另一应用中是有用的。当遇到一对相同的振荡器或波弱耦合时，在顶部与底部基板表面之间的瑞利波功率的振荡仅是拍频现象的一个实例。对于拍频现象来说必要的是振荡器是相同的、至少为良好的工程近似性。应用于一个基板表面而不应用于另一个的涂覆导致瑞利波相速度和波长在未涂覆的表面上分别为VR和λR并且在涂覆的表面上分别为VR’和λR’。在这些数量方面的差异可以表示为ΔVR＝(VR-VR’)和ΔλR＝(λR-λR’)。为了支撑在表面之间的瑞利波功率的全部振荡，相位相干性与拍频波长Λ相比必须保持至少超过一距离。针对良好的工程近似性，这导致以下条件以获得“相同的”顶部和底部瑞利波并且维持拍频现象：ΔVR/VR＝ΔλR/λR<<λR/Λ。这对于其中掩饰原因所需要的不透明涂覆(例如，黑色)的透明的触摸屏应用来说是重要的，但是在施加涂覆的表面之间的波功率寻找传递。另一方面，如果在上表面与底面的瑞利波决大不相同，则将抑制拍频现象并且将在基板表面之间传递少量波功率。数量上表示如下：ΔVR/VR＝ΔλR/λR>>λR/Λ(抑制的拍频现象)。当在无需采取增加的基板厚度的情况下期望抑制在表面之间的波功率的传递，这对于应用来说是重要的。调查示出了即使是薄基板，涂覆会是足够的。
图2a示出了根据本发明构造的第一声学触摸传感器50的简化截面图。触摸传感器50包括基板51，该基板51具有前表面53、后表面55以及将前表面53的外围区域63与后表面55的外围区域65接合的连接端面57。后表面55被配置有在整个后表面55周围的邻接外围区域65形成的表面凹痕67。形成表面凹痕67，故如下所述在凹痕67上并且在外围区域63，65中的基板51的厚度(标记为t)与在非缩进、非外围区域的基板51中的厚度(标记为T)之间存在明显差异。
基板51可以由诸如玻璃(例如，碱石灰玻璃)的透明材料制成并且置于像液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子显示器等的计算机显示器或计算装置显示器70上(具有正常介入其间的空气间隙)。重要地，基板51可以是能够以足够低的声波衰减速度传播瑞利波的任何材料，该材料包括玻璃、金属以及聚合物。例如，触摸传感器50的一个实施方式可以是具有铝基板的不透明的触控板。如实线箭头所示的物体75表示触摸前表面53的物体，并且认识到取决于触摸传感器50的应用，通过表面声波感测的触摸可以包括通过覆盖片或类似元件直接或间接地按压前表面53的手指或触控笔。无论是透明或不透明的，触摸传感器50可以可操作地连接到计算装置显示器70。
在本发明该实施方式的架构中，触摸传感器50包括诸如楔形变换器的声波变换器80a、80b，其在外围区域65的外部粘合到后表面55。从平面图观察，声波变换器80a、80b用作与图1a的触摸传感器1的声波变换器6a、6b的类似功能。关于基板51是透明的应用，变换器80a、80b在后表面55的外围区域65中被设置在不透明的颜料或墨水的边界层(未示出)。这是参照图4a至图4c在下文更详细论述的涂覆。生成表面声波的传输变换器80a被放置在基板51的一侧上，并且接收相应生成的表面声波的相对应的接收变换器80b被放置于在相对侧上。传输和接收变换器80a、80b的另一个设置是以相同形式布置在基板51的其他两个相对侧(其在图中通常示出为矩形)上。这样，在基板51的前表面53的两个平面坐标轴(X和Y)中的每一个中相应地生成并且接收传播表面声波。变换器80a、80b可操作地耦接至在一些实施方式中可以作为系统处理器的一部分的控制器或控制系统(未示出)，变换器80a、80b还可操作地耦接至显示器70。控制器或控制系统驱动变换器80a、80b的操作并且测量来自这类变换器的信号以确定触摸坐标，然后该触摸坐标被提供至操作系统和软件应用程序程序以将所需的用户界面提供给显示器70。
在凹痕67处(并且在外围区域63、65中)基板51的厚度t如此这般以允许表面波能量在前与后表面53、55之间传递并且使在一个表面上传播的表面声波出现在另一个表面上。在非缩进、非外围区域中的基板51的厚度T如此这般以保持表面声波在相应的表面上传播。例如，针对以5.53MHz操作并且使用玻璃或铝基板材料的系统，非外围区域的厚度T可以是至少2mm并且更优选地3mm以抑制能量传递。更通常地陈述应用任何材料和任何操作频率，厚度T优选地为至少3.5瑞利波长并且更优选地是5.5瑞利波长。此外，凹痕和缩进外围区域63、65如此这般以在表面声波维持在相应表面(或通过接收变换器80b接收)之前调节顶部-底部(和底部-顶部)能量传递，并且在非缩进、非外围区域处基板51的长度L如此这般以保持表面声波在相应的表面上传播。更准确地，薄型化的周界区域63、65、67的长度近似为拍频波长的一半(标记为Λ/2)，使得当它们到达厚度为T的基板51的非缩进、非外围区域时，从变换器80a传输的瑞利波从后表面55传递到前表面53。如所期望的，能够调整薄型化的周界区域63、65、67的厚度t以调谐拍频波长，并且因此是薄型化的周界区域的长度。非缩进、非外围区域的厚度T被选择为足够大，使得相比于通过较厚的中心区域的声波路径长度L，在这个较厚的中心区域的拍频波长较长。这抑制了振荡现象和在保持在前表面53上的较厚的中心区域前表面53上传播的瑞利波，直至其达到位于其中该瑞利波传递到后表面55并且通过变换器80b接收的基板51的另一侧上的薄型化的周界区域63、65、67。这在图2b中示出。在操作中，传输变换器80a生成表面声波，该表面声波沿着传输变换器80a置于其上的后表面55的外围区域65的表面行进。这被示出为表示波传播路径的实的正弦线。如通过倾斜的实线箭头所示，用在区域65中的基板51的厚度(或薄度)t和该区域的长度Λ/2允许表面声波经由通过拉姆波模式S0和A0的动作引起的能量而传递“行进”至前表面53。然后，用于非缩进、非外围区域的基板51的厚度T和这个较厚区域的长度L在前表面53上维持波传播路径。如下一个倾斜的实线箭头所示，在前表面53的外围区域63的基板51的厚度t和该区域的长度Λ/2允许表面声波通过由拉姆波模式S0和A0的动作引起的能量传递“行进”至后表面55。表面声波在外围区域65中将在后表面55上的传播维持足够长以行进至接收变换器80b。
类似其他声学触摸传感器，前表面53的触摸通过诸如手指或触控笔的物体75吸收穿过前表面53传播的表面声波的一部分能量并且引起经过触摸点的波的衰减。导致的衰减通过接收变换器80b检测为在声信号方面的扰动。控制系统处理并且分析通过接收变换器80b变换的电信号，该电信号包括那些涉及波形扰动，以检测触摸坐标和位置信息。此外，控制系统将触摸坐标和位置信息映射到在显示器70中示出的用户界面的合适控制动作。因此，声学触摸传感器50提供XY坐标输入设备系统。应注意，触摸传感器50示出为平坦和矩形的，但是取决于应用可以呈现不同形状和构造。
图3示出了根据本发明构造的第二声学触摸传感器100的简化的截面图。触摸传感器100包括基板101，该基板101具有前表面103、后表面105、以及将前表面103的外围区域113与后表面105的外围区域115接合的连接端面107。后表面105配置有围绕整个后表面105相邻外围区域115形成的表面凹槽117。
形成表面凹槽117，故在凹槽117处的基板101的厚度如此这般以允许表面波能量在前和后表面103、105之间传递并且使在一个表面上传播的表面声波出现在另一个表面上。在非凹槽区域处的基板101的厚度如此这般以维持表面声波在相应的表面(例如，对于玻璃或铝基板以5.53MHz至少为2mm)上传播。此外，表面凹槽117的长度如此这般以在表面声波维持在相应表面之前调节顶部-底部(和底部-顶部)能量传递，并且在非凹槽区域处的基板101的长度如此这般以维持表面声波传播在相应的表面。
基板101可以由诸如玻璃(例如，碱石灰玻璃)的透明材料制成并且具有后表面105，该基板101置于像液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子体显示器等的计算机显示器或计算装置显示器(未示出)上面(具有正常介入其间的空气间隙)。类似于以上图，在图3中可看出物体128为手指，但是认识到取决于触摸传感器100的应用，通过表面声波感测的前表面103的触摸可以包括通过覆盖片或类似元件直接或间接地按压前表面103的触控笔。
在本发明的这个实施方式中，触摸传感器100呈现如上所述的“阿德勒型”声学触摸传感器，该“阿德勒型”声学触摸传感器每坐标轴仅使用两个变换器以在空间和时间上散布传输的表面声波信号。对于每个轴，在相应的外围表面上的一个变换器生成表面声波脉冲，该表面声波脉冲穿过沿其设置第一反射光栅或阵列的垂直外围表面传播通过基板。第一反射阵列被适配为反射沿着平行于设置在相对外围表面上的第二反射阵列的多个路径垂直穿过基板的表面声波的一部分。第二反射阵列被适配为沿着外围表面将表面声波反射到其中用于处理接收到波的相应的垂直外围表面上的第二变换器。与X轴相关联的反射阵列垂直于与Y轴相关联的反射阵列，以提供网格图形从而允许确定在基板上的触摸的二维坐标。
图3示出了用于针对轴中的一个的“阿德勒型”架构的操作元件。具体地，触摸传感器100包括声波变换器180a、180b，其在后表面105的外围区域115中被设置在颜料或墨水的可选边界层184。如果基板101是透明的，则颜料或墨水的可选边界层184可因掩饰原因而被期望隐藏变换器180a、180b和阵列190a、190b。在下文参照图4a至图4c更详细论述这个涂覆。如果基板101是不透明的，则可不需要可选边界层184。生成表面声波的传输变换器180a被置于基板101的一侧上，并且接收相应生成的表面声波的对应的接收变换器180b被置于相对侧。传输变换器180a生成表面声波脉冲，该表面声波脉冲穿过沿其设置第一反射光栅或阵列的外围区域115传播通过基板101。第一反射阵列190a被适配为将垂直穿过后表面105的表面声波的一部分沿着多个平行路径反射到设置在相对的外围区域115表面上的第二反射阵列190b(如下面更详细地描述)。第二反射阵列190b被适配为沿着外围区域115表面将表面声波反射到用于处理接收到的波的接收变换器180b。传输和接收变换器180a、180b、以及第一反射阵列190a和第二反射阵列190b的另一个设置是以相同形式布置在基板101的其他两个相对侧上。这样，在基板101的前表面103的两个平面坐标轴(X和Y)的每个中相应地生成并且接收传播表面声波。变换器180a、180b可操作地耦接至在一些实施方式中可以作为部分系统处理器的控制器或控制系统(未示出)，变换器180a、180b也可操作地耦合至显示器。控制器或控制系统驱动变换器180a、180b的操作并且测量来自这类变换器的信号以确定触摸坐标，该触摸坐标然后被提供至操作系统和软件应用程序以将所需用户界面提供给显示器。
图3还示出了触摸传感器100的操作，并且更具体地由实线箭头和虚线箭头表示的波路径。在操作中，传输变换器180a生成表面声波，该表面声波沿着在第一反射阵列190a位于其上的后表面105的外围区域115的上表面传播。来自传输变换器180a的表示波传播路径的被显示为实线箭头。第一反射阵列190a的元件分别将部分表面声波传输至阵列190a的相邻元件。第一反射阵列190a的元件分别耦合或反射部分表面声波，以从第一反射阵列190a行进至在后表面105上的凹槽117和相对的第二反射阵列190b。来自传输变换器190a的表示波传播路径的被显示为实线箭头。
如表面声波行进穿过凹槽117的表面(如实线弯曲箭头所示)，在凹槽117处基板101的厚度(或薄度)允许表面声波通过由拉姆波模式S0和A0的动作引起的能量传递“行进”至前表面103(如虚线箭头所示)。然后，在凹槽117以下的前表面103的区域处基板101的厚度维持在前表面103上的波传播路径P(如实线弯曲箭头所示)。如下一个虚线箭头和下一个实线弯曲箭头所示，在与凹槽117一致的前表面103的区域处基板101的厚度允许表面声波通过由拉姆波模式S0和A0的动作引起的能量传递“行进”至后表面105。表面声波在外围区域115中的后表面105上维持足够长以行进至第二反射阵列190b(如实线弯曲箭头所示)。第二反射阵列190b的元件分别将接收的表面声波传输至阵列190b的相邻元件，以便波沿着第二反射阵列190b继续传输至接收变换器180b(如实线弯曲箭头所示)。传输和接收变换器180a、180b、以及第一反射阵列190a和第二反射阵列190b的另一个设置以相同形式在基板101的其他两个相对侧上进行操作。
前表面103的触摸通过诸如手指或触控笔的物体128吸收穿过前表面103传播的表面声波的一部分能量并且引起经过触摸点的波的衰减。导致的衰减通过接收变换器180b检测为在声信号方面的扰动。控制系统处理并且分析通过接收变换器180b变换的电信号，该电信号包括涉及波形扰动的电信号，以检测触摸坐标和位置信息。此外，控制系统将触摸坐标和位置信息映射到示出在显示器中的用户界面的合适控制动作，该显示器通常放置在后表面105之后。因此，声学触摸传感器100提供XY坐标输入设备系统。
除了具有允许传播表面声波从上表面传递至底面的深度或厚度的中空表面区域67、117之外，以上描述的每个实施方式利用具有通常适配为传播表面声波的深度或厚度的针对声学触摸传感器典型基板51、101。作为可替换的，任意一个基板51、101可以被完全配置有允许传播表面声波从上表面传递至底面的深度或厚度(并且反之亦然)。此外，某些表面区域(例如，后表面55、105区域)可以具有施加至其的光学粘合材料，其起作用抑制表面声波穿过具有施加足够材料的区域传输，以维持表面声波传播在这些区域。因此，粘合材料针对基板提供与额外厚度抑制振荡的类似益处。这类相对配置或可替换构造的声学触摸传感器将以与先前描述的实施方式50、100相同的方式操作。同时，基板51、101可以被构造为在其针对声学触摸传感器50、100在某些应用中可以是有益的“薄基板”。
图4a至图4c更详细地示出了使用装饰性的不透明涂覆以隐藏变换器和阵列以及本发明的这些可替换实施方式。图4a示出了以与图2a的声学触摸传感器50类似的方式配置(并且可操作的)的声学触摸传感器200。该图示出了基板251、前表面253、后表面255以及安装在基板251的薄型化外围区域的变换器280a、280b。传感器200具有不透明涂覆285的额外元件(以双实线示出)，其可以是针对期望产品外观的着色的黑色或任何其他颜色，在变换器粘合之前设置在薄型化的外围区域的后表面255上。如以上所述，如果基板251是透明的，则为了遮住变换器280a、280b可以使用涂覆285。为了避免中断在表面253、255(在薄型化外围区域由倾斜的实线箭头所示)之间的瑞利波的有效传递，需要恰当地选择涂覆材料和涂覆厚度的选择。具体地，期望的是，在底面瑞利波速度的改变ΔVR优选地为足够小以满足条件ΔVR/VR<<λR/Λ。即，相比于瑞利波长与期望的拍频波长的比例，在瑞利波速度方面的少量改变较小。如先前所述，针对类似目的的类似不透明的涂覆也可以加入在图3中示出的传感器100。然而，在一些情况下，可以有利地使用涂覆285中断在表面之间瑞利波的传递的能力。
例如，图4b和图4c分别示出了从后表面255触摸传感器200变形的简化截面图和平面视图。具体地，该图示出了其中基板251是透明的传感器200，使用在薄型化外围区域后表面上的不透明的涂覆285(如在图4a)，传递中断涂覆层287设置在不透明涂覆285的顶部(在图4b中以虚线示出)，并且阿德勒型反射阵列290a、290b(在图4c中看出)施加在传递中断涂覆层287的顶部(或在该层中可以形成为切口)。优选地选择传递中断层287的材料和厚度，以便ΔVR/VR>>λR/Λ，在此，ΔVR是在未涂覆的基板251和以传递中断层287涂覆的基板251(和不透明层285)之间的瑞利波速度方面的差异。反射阵列290本身可以打扰瑞利波速度并且因此部分地提供或贡献ΔVR的期望值。如果传递中断层287降低瑞利波速度(而不是增加它)，则另一传递中断益处通过由在拍频波长Λ方面的增加提供对瑞利波速度VR的强依赖。
简要地，在操作中，传输变换器280a生成表面声波，该表面声波沿着在其上放置传输反射阵列290a的后表面255在薄型化外围区域行进。传递中断层287沿着阵列290a维持表面声波的传播并且维持为他们开始穿过后表面255反射。这被示出为波传播路径A的实线箭头部分。超过传递中断层287的薄型化外围区域的厚度(或薄度)和长度允许表面声波通过在表面之间瑞利波的能量传递“行进”到前表面253。这由波传播路径A的虚线部分和在图4b中的向上倾斜的实线箭头示出。较厚中心区域的厚度和长度在前表面53上维持波传播路径A。然后，在传递中断层287在基板251的相对侧之前，薄型化外围区域的厚度(或薄度)和长度允许表面声波通过在表面之间瑞利波的能量传递“行进”到后表面255。这由在图4b中的一个向下倾斜的实线箭头示出。传递中断层287将表面声波的传播维持为他们通过接收反射阵列290b接收并且为他们反射至接收变换器280b。这示出为波传播路径A的实线箭头部分。
在一些应用中，出于成本和可制造性的原因，期望的是使用均匀厚度的基板，具体地“薄基板”。类似如以上所述的基板涂覆的使用，这需要使用器件而不是基板厚度变形，以根据需要中断或增强在表面之间的瑞利波传递。图5是其中基板351的中心区域351a具有与周界区域351b相同厚度的触摸传感器200另一变形的简化截面图。这个基板厚度被设计成支撑在周界区域351b(由实线箭头示出)的瑞利波传递。声波变换器380a、380b被置于周界区域351b的远边缘。在中心区域351b中，后表面355以强声波吸收器360覆盖。在透明基板351的情况下(如所示)，声波吸收器360可以是光学粘合的粘合剂，该光学粘合的粘合剂也可用作改善通过基板351看出的显示器370图像的质量。在任何情况下，由于迅速的衰减而在后表面355的中心区域351a上的任何瑞利波运动具有非常小的振幅。参考图1c，这对应于在表面之间的瑞利功率传递是小的条件。这个的更好直观的理解可以通过考虑基本物理公式P＝F·v而提供，或功率等于力乘以速度，在此，在后表面355上激发瑞利波的力F与在前表面353上的瑞利波振幅成比例，因为它被高度抑制，所以在后表面355上瑞利波的粒子运动的速度v是非常小的，并且因为v是非常小的，因此在表面353、355之间的能量传递的功率P或速度是非常小的。然而，声学触摸传感器300以与图2a的声学触摸传感器50类似的方式配置(并且可操作)。
涂覆还可以用于增强基板表面之间瑞利波的传递。如果选择涂覆的材料以促进瑞利波速度，则对称地施加至基板相对表面这两者的涂覆将缩短拍频波长Λ。通过这个方法，例如，均匀厚度的基板可以具有选择的厚度T以在未涂覆区域抑制在表面之间的SAW能量传递，并且在施加对称瑞利波加速涂覆的期望区域仍旧提供在表面之间的能量传递。因此，例如，参考图3的传感器100，基板101可以具有选择的均匀厚度，并且作为表面凹槽117，在平面图相同区域中的表面103、105两者上表面凹槽117可以由对称的加速涂覆替换。
本发明提供了便于触摸传感器平铺的另外的益处，该触摸传感器可以提供无限长度的未打断的触摸敏感表面。所以，再次参考图3作为实例的传感器，与所示出的接收变换器180b和接收阵列190b相同的额外的接收变换器和接收阵列可以立即放置到紧邻传输变换器180a和传输阵列190a的表面凹槽117的右侧或内部，并且仍旧不干涉从变换器180a、180b和阵列190a、190b获得的信号。同样地，与传输变换器180a和传输阵列190a相同的额外的传输变换器和传输阵列可以立即放置到紧邻接收变换器180b和接收阵列190b.的表面凹槽117的左侧或内部，此外，针对这个构造，基板101可以沿左和右方向无限延伸，表面凹槽117可以均匀空间重复，并且每个表面凹槽117可以具有如所述的相关联相邻的传输变换器-阵列组合和接收变换器-阵列组合。这个构造生成触摸传感器的互锁平铺，该触摸传感器提供无限长度的没有打断触摸敏感表面103。这个平铺应用能够概括为包括相互垂直的表面凹槽和阵列以提供触摸传感器的二维平铺。此外，基板101和前(外部)表面103不必是平坦的，但也可以是弯曲的并且设置有包括类似于NASA空间梭的平铺的几何形状的各种几何形状触摸传感器的平铺。这类触摸传感器平铺的一种应用可以用于形成非平坦几何形状的触摸敏感机器人外壳。表面声波触摸传感器的平铺描述在通过引用结合的题为“Grating Transducer for Acoustic Touchscreens”的共同拥有的美国专利6,091,406。更具体地，描述了SAW触摸传感器的改善的平铺，其中外部触摸表面完全摆脱任何阵列、光栅或需要触摸感测操作的其他结构。
有利地是，如所有所描述的实施方式所述，本发明提供了可以配置有不透明的边界层墨水或颜料的声学触摸传感器，该边界层墨水或颜料能够被应用以置于外围操作元件(例如，变换器和反射阵列)之上，并且进一步延伸到基板51、101的边缘。相比于具有弯曲基板边缘的声学触摸传感器，这允许基板更容易并且更有效的安装到小尺寸的集成SAW装置(即，移动或手持SAW产品)。这也满足针对某些无框声学触摸传感器要求更高的美学考虑。
在本发明的范围内可以进行其他变形。例如，在取决于工程或应用考虑的所述的每个实施方式中，中空表面区域67、117可以呈现出各种尺寸和形状，诸如具有分级尺寸或从用于改善可制造性的薄和厚的基板部分圆滑或平滑的转换，并且用于避免集中于角落的应力。此外，中空表面区域67、117的放置和形式可以适配为优化能量传递、在相应表面上中的一个或两个上的传播的维持。同样，声学触摸传感器50、100可以具有使用其他器件的“薄”基板区域而不是中空表面区域。同样，如上所述，取决于各种因素，基板15、101可以利用不同厚度以维持传播在相应表面上的表面声波并且也利用不同厚度以将上表面声波转换为底面声波(并且反之亦然)。

Claims (25)

1.一种声学触摸设备，包括：具有前表面和后表面的基板，所述基板在第一区域中被适配为沿着基板表面传播表面声波并且在第二区域中被适配为将传播的表面声波通过所述基板从一个表面传递至另一个表面；位于所述后表面上的至少一个声波变换器，被适配为传输表面声波；以及位于所述后表面上的至少一个声波变换器，被适配为接收来自传输变换器的表面声波，所述基板在所述传输变换器与接收变换器之间具有设置在两个第二区域之间的至少一个第一区域。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一区域具有至少3.5瑞利波长的厚度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一区域具有至少5.5瑞利波长的厚度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二区域具有足够薄的厚度以将第一表面上的表面声波转换为第二表面上的表面声波。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二区域的尺寸形成为抑制所述第二表面上的表面声波转换回所述第一表面上的表面声波。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二区域具有足够薄的厚度以在所述基板的所述前表面与所述后表面之间传递声学表面波能量。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一区域和所述第二区域的尺寸形成为使得通过所述传输变换器传输的所述表面声波通过所述基板从所述后表面行进至所述前表面；沿着所述前表面行进；以及通过所述基板从所述前表面行进至所述后表面以由所述接收变换器接收，所述前表面形成用于所述设备的触摸感测区域。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第二区域的长度近似为所述表面声波的拍频波长的一半。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第二区域的厚度是能够调节的，以将所述拍频波长和所述第二区域的长度调谐至选择的相应测量量。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一区域的长度短于所述表面声波的拍频波长。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二区域中的所述后表面的一部分具有施加在其上的涂覆材料，所述涂覆材料足以抑制在该部分内所述基板的所述前表面与所述后表面之间的声学表面波能量的传递。
12.一种声学触摸设备，包括：
具有前表面和后表面的基板，所述基板在第一区域中被适配为沿着基板表面传播表面声波并且在第二区域中被适配为将传播的表面声波通过所述基板从一个表面传递至另一个表面；
位于所述后表面上的至少一个声波变换器，被适配为传输表面声波；
位于所述后表面上的至少一个声波变换器，被适配为接收表面声波；
位于所述后表面上的至少一个反射阵列，被适配为向接收变换器反射来自传输变换器的表面声波；以及
位于所述后表面上的至少一个反射阵列，被适配为接收并且反射被反射传输至所述接收变换器的表面声波，所述基板在所述传输变换器与所述接收变换器之间具有设置在两个第二区域之间的至少一个第一区域。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一区域具有至少3.5瑞利波长的厚度。
14.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一区域具有至少5.5瑞利波长的厚度。
15.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第二区域具有足够薄的厚度以将第一表面上的表面声波转换为第二表面上的表面声波。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述第二区域的尺寸形成为抑制所述第二表面上的表面声波转换回所述第一表面上的表面声波。
17.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第二区域具有足够薄的厚度以在所述基板的所述前表面与所述后表面之间传递声学表面波能量。
18.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一区域和所述第二区域的尺寸形成为使得通过所述传输变换器传输并且通过第一反射阵列反射的表面声波通过所述基板从所述后表面行进至所述前表面；沿着所述前表面行进；以及通过所述基板从所述前表面行进至所述后表面以由第二反射阵列反射至所述接收变换器，所述前表面形成用于所述设备的触摸感测区域。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第二区域的长度近似为所述表面声波的拍频波长的一半。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第二区域的厚度是能够调节的，以将所述拍频波长和所述第二区域的长度调谐至选择的相应测量量。
21.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第一区域的长度短于所述表面声波的拍频波长。
22.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第二区域中的所述后表面的一部分具有施加在其上的涂覆材料，所述涂覆材料足以抑制在该部分内所述基板的所述前表面与所述后表面之间的声学表面波能量的传递。
23.一种具有能变厚度基板的声学触摸传感器，所述基板被适配为形成用于从传输变换器至接收变换器的表面声波的波路径，所述波路径包括所述基板的区域，在激活触摸表面之前和之后，其中，所述表面声波通过所述基板从一个传播表面传递至另一个传播表面。
24.一种声学触摸传感器，包括：基板，所述基板被适配为在所述基板的前表面与后表面之间传递表面声波能量，所述前表面形成所述传感器的触摸区域并且所述后表面具有所述传感器的操作元件，以及所述基板具有施加至所述后表面的区域的粘合材料，所述粘合材料被适配为抑制沿着所述前表面的配对区域传递的表面声波能量，所述表面声波能量足以维持在所述配对区域上的表面声波的传播，从位于所述后表面上的操作元件传输的所述表面声波通过所述基板传递到所述前表面；沿着所述前表面的所述配对区域行进；并且在此之后通过所述基板传递到所述后表面以由所述操作元件接收。
25.一种设置声学触摸传感器的方法，包括：
设置具有足够薄的厚度的基板以在所述基板的前表面与后表面之间传递表面声波，所述前表面形成所述传感器的触摸区域并且所述后表面具有所述传感器的操作元件；以及
在所述后表面的区域上施加粘合材料，所述粘合材料被适配为抑制沿着所述前表面的配对区域传递的表面声波能量，所述表面声波能量足以维持在所述配对区域上的表面声波的传播。
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