CN110362238A - 主动式超声波输入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种主动式超声波输入装置，包含有一操作界面及一超声波操控笔，其中在该操作界面上包含有多个阵列排列的超声波换能器阵列，各超声波换能器阵列以不同振荡频率的超声波换能器构成，该超声波操控笔还包含有多个不同振荡频率的超声波换能器；当该超声波操控笔近接该操作界面时，该操作界面上的超声波换能器阵列可侦测从超声波操控笔输出的信号，从而辨识出超声波操控笔所指向的坐标，以执行对应的输入功能，达到悬浮远距触控的效果。

Description

主动式超声波输入装置
技术领域
本发明关于一种输入装置，尤其是指一种超声波换能器构成的输入装置。
背景技术
现有触控型电子产品已相当普及，包括智能型手机、平板电脑、智能型手表等，在该触控型电子产品上通常具有一触控界面，用户利用其手指实际接触该产品的触控界面操作，或使用触控笔点击该触控界面以达到书写输入的目的，然而，目前该触控界面要求必须与一导电性对象直接接触才能产生感应效果。
但针对某些特殊电子产品，例如小尺寸的腕型穿载式装置，其触控操作区域相对于手机或平板电脑较小，用户若要在该触控面板执行某特定按键等其他精细操控，以手指碰触将仍有一定的难度，可能发生误触该按键周围区域的问题。再者，若使用者是以手指直接接触触控界面，对于有卫生考虑或工业安全的应用场所恐仍不适合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主动式超声波输入装置，可达到非接触式的输入操作。
本发明的主动式超声波输入装置包含有：
一操作界面，包含有：
一透明基板；
多个超声波换能器阵列，设置在该透明基板上，其中，每个超声波换能器阵列包含有多个输入元件，该多个输入元件收发不同振荡频率的超声波信号；
一超声波操控笔，包含有：
一笔身，在该笔身的一端设有一信号收发端；
多个超声波换能器，设置在该信号收发端以收发与该输入元件的振荡频率一致的超声波信号，以供该操作界面的超声波换能器阵列侦测该超声波信号。
该操作界面可供结合于一电子产品的显示屏幕以作为一输入界面，当利用该超声波操控笔发出不同振荡频率的超声波信号且近接该操作界面时，该操作界面的超声波换能器阵列侦测从超声波操控笔输出的信号，从而识别出超声波操控笔所指向的坐标，该电子产品可根据该坐标位置执行相对应的输入功能，因此，本发明在超声波操控笔没有实际接触该操作界面的情形下，根据超声波信号的收发感测原理，能在该操作界面上进行非接触的悬浮输入作业。
附图说明
图1是本发明主动式超声波输入装置的示意图。
图2是本发明超声波换能器阵列的结构示意图。
图3是本发明超声波换能器的结构示意图。
图4是本发明中超声波操控笔其超声波换能器的分布示意图。
图5是本发明以超声波操控笔操控该操作界面的示意图。
图6是本发明以直径3.6mm圆形超声波源在超声波换能器阵列以偏离中心点距离r旋转移动进行侦测的位置示意图。
图7A～图7C：本发明以直径3.6mm的圆形超声波源在超声波换能器阵列以偏离中心点距离r为0.3mm、0.6mm、0.9mm的条件下进行实验后，该超声波源中心点的位置分布图。
具体实施方式
请参考图1所示，本发明主动式超声波输入装置包含有一操作界面10及一超声波操控笔20。
该输入界面10的具体结构及动作原理可参考发明公告第I616793号“透明超声波换能器输入装置”专利，在此仅简单介绍，该输入界面10是在一透明基板1上形成有多个超声波换能器阵列11，本实施例中，每个超声波换能器阵列11包含多个输入元件12a～12d，各输入元件12a～12d对应发射及接收一振荡频率f1～f4的超声波信号。在此以4个输入元件12a～12d为例说明，该4个输入元件12a～12d具有相异的振荡频率，依序为0.87MHz、1.09MHz、0.94MHz、1.30MHz。任何一个输入元件与其相邻的输入元件12a～12d的带宽彼此不相互重叠，以确保任何输入元件的超声波发射及接收彼此不相互干扰，减少操控误判的机会，并且4个输入元件12a～12d可同时发波或收波，增加扫描或读取速度。在图1中为了表示输入元件12a～12d的振荡频率，以标注在方块中的数字“1”～“4”分别表示4种振荡频率的输入元件12a～12d。
请参考图2所示，为本发明超声波换能器阵列11的结构示意图，4个输入元件12a～12d彼此之间相距一间隔而未互相重叠，每个输入元件12a～12d由多个呈阵列排列的超声波换能器13a～13d构成，各输入元件12a～12d的尺寸为3mm×3mm。该4个输入元件12a～12d的超声波换能器13a～13d能对应产生上述4种不同振荡频率f1～f4。
如图3所示，各个超声波换能器13a～13d包含一透明下电极层130、一透明边墙131、一透明上电极层132与一透明可振荡膜133，该透明下电极层211设置于透明基板1的表面，该透明边墙131设置于该透明基板1上且设置在该透明下电极层130的表面周围，该透明可振荡膜133设置于该透明边墙131上，使该透明下电极层130、该透明边墙131与该透明可振荡膜133之间形成一空间134，该空间134可供该透明可振荡膜133产生振荡。该透明上电极层132设置于该透明可振荡膜133的顶面(即：相对于该空间134的另一表面)。
同一个输入元件12a～12d中所包含的多超声波换能器13a～13d具有相同尺寸透明可振荡膜133；但不同输入元件12a～12d的超声波换能器的13a～13d透明可振荡膜133的尺寸彼此不同，因此不同输入元件12a～12d的超声波换能器13a～13d的振荡频率彼此不同。本实施例是以4种不同直径103μm、106μm、124μm及137μm的透明可振荡膜133，分别产生前述4种不同的振荡频率1.31MHz、1.09MHz、0.94MHz及0.85MHz。
请同时参考图1及图4所示，本发明的超声波操控笔20具有一笔身21，该笔身21的前端作为一信号收发端22，在该信号收发端22上分散排列有多个不同振荡频率的超声波换能器23a～23d，其中，在较佳实施例中，该超声波换能器23a～23d在信号收发端22在一圆形区域散布排列，该圆形区域的外径R介于3.0mm～3.6mm之间；该些超声波换能器23a～23d的振荡频率对应该操作界面10上的超声波换能器13a～13d的振荡频率0.87MHz、1.09MHz、0.94MHz、1.30MHz。在此实施例中，不同频率的超声波换能器23a～23d以同心圆的方式呈环形排列，以达到轴对称且信号均匀分布的功效。
如图5所示，该超声波操控笔20上还设有一激光光源24，该激光光源24用以发出一激光束240，且该激光束的指向方向与该超声波换能器23a～23d的信号传输方向为同轴向。
在实际应用时，本发明的操作界面10可供结合在一电子产品的显示屏幕而作为一非接触的输入装置，例如根据超声波换能器阵列11作为输入按键、输入选单等，不同所在位置的超声波换能器阵列11即可代表不同功能的按键。用户可利用该超声波操控笔20靠近该操作界面10并发出超声波信号以实现输入动作，该激光光源24发出的激光束240提供辅助指示光点供用户清楚看到该超声波操控笔20所指向的位置，当操作界面10上的超声波换能器阵列11感应到该超声波操控笔20发出的超声波信号，连接该操作界面10的一超声波控制电路即可判断出在操作界面10上具有输入信号及该超声波操控笔20所指向的坐标，其中，该超声波控制电路可以是整合在该电子产品内的电路；有关超声波换能器的信号收发及感测原理为已知技术，故在此不再多加赘述。
请参考图6所示，本发明在一超声波换能器阵列11距离为10mm处设置一直径3.6mm的圆形超声波源30进行实验测试，以该超声波源30模拟为该该超声波操控笔20。该超声波换能器阵列11如图2所示，具有4个输入元件12a～12d以分别代表第一象限～第四象限，并以该超声波换能器阵列11的中心点为参考原点(0,0)。该超声波源30的中心点偏离该参考原点(0,0)，且与该参考原点(0,0)之间的直线距离长度为r，假设该超声波源30以逆时针方向旋转移动，每旋转移动15度即根据输入元件12a～12d的信号Q1～Q4计算一次该超声波源30中心点的位置，因此该超声波源30旋转移动一圈后可得到24个量测出来的该中心点的坐标。
在每一次量测该超声波源30的中心点坐标时，采用以下的计算方式：首先4个输入元件12a～12d所测得的信号强度分别表示为Q1～Q4，以下列公式可先分别计算出中心点的初步坐标(XQ,YQ)：
若在XY轴平面中旋转角度θ处的理想坐标为Xideal和Yideal，则可分别表示为：
Xideal＝r*cosθ
Yideal＝r*sinθ
考虑到可能产生量测误差，定义校正参数为k：
因此，经过上述校正参数k修正后的实际坐标(XD,YD)为：
XD＝kXQ
YD＝kYQ
其中，经实验后可得到如下表所示的较佳的校正参数k:
超声波源直径 3.0mm 3.3mm 3.6mm
校正参数k 1.229 1.341 1.454
请参考图7A所示，当该超声波源30的中心点偏离该参考原点(0,0)且直线距离长度为r＝0.3mm时，以每旋转移动15度即量测一次的方式，该超声波源30的中心点实际坐标(XD,YD)以三角形符号“▲”表示，可以看出根据输入元件12a～12d所计算出的超声波源30的实际坐标(XD,YD)相当吻合理想位置(即圆形轨迹所示)。图7B表示该超声波源30的中心点偏离该参考原点(0,0)且直线距离长度为r＝0.6mm时，该计算出的实际坐标(XD,YD)的分布；图7C表示该超声波源30的中心点偏离该参考原点(0,0)且直线距离长度为r＝0.9mm，该计算出的实际坐标(XD,YD)的分布。
综上所述，本发明利用该超声波操控笔输出超声波信号，或更进一步加入辅助指引的激光束，对该操作面界面进行非接触的悬浮操控输入，当该操作界面接收及处理超声波信号后，可执行对应的输入功能。因此，本发明可以广泛运用在非接触式操控屏幕、平板、曲面屏幕、广告面板、近接开关/操控、工业控制、教学、导览、公共信息展示、电玩娱乐等众多应用领域，取代现有触控屏幕，提供悬浮操控及非接触操控功能，特别适合卫生安全考虑的医院、展场等公共场合。

Claims (5)

1.一种主动式超声波输入装置，包含有：
一操作界面，包含有：
一透明基板；
多个超声波换能器阵列，设置在该透明基板上，其中，每个超声波换能器阵列包含有多个输入元件，该多个输入元件收发不同振荡频率的超声波信号，其中，各输入元件包含有阵列排列的多个超声波换能器，该多个超声波换能器排列成3mm×3mm的阵列；
一超声波操控笔，包含有：
一笔身，在该笔身的一端设有一信号收发端；
多个超声波换能器，设置在该信号收发端以收发与该输入元件的振荡频率一致的超声波信号，以供该操作界面的超声波换能器阵列侦测该超声波信号，其中该超声波操控笔的该多个超声波换能器在一圆形区域散布排列，该圆形区域的外径介于3.0mm至3.6mm。
2.根据权利要求1所述的主动式超声波输入装置，其中，位于该超声波操控笔的该多个超声波换能器，具有相同振荡频率的超声波换能器排列成一环形；且不同振荡频率的超声波换能器为呈同心圆排列。
3.根据权利要求2所述的主动式超声波输入装置，其中，该笔身包含有一激光光源以输出一激光束，该激光束的指向方向与该信号收发端上的超声波换能器产生的超声波信号其传输方向为同轴向。
4.根据权利要求3所述的主动式超声波输入装置，其中，各该超声波换能器阵列包含有4个输入元件以收发4种不同振荡频率的超声波信号；该超声波操控笔的多个超声波换能器对应产生该4种不同振荡频率的超声波信号。
5.根据权利要求4所述的主动式超声波输入装置，其中，各该超声波换能器阵列的4个该输入元件的振荡频率分别为1.31MHz、1.09MHz、0.94MHz及0.85MHz。
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