CN1224870A - 触摸点位置参数信息检测传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明属传感技术领域,尤其是平面或空间内及投影显示屏幕、挂图上点的位置的传感技术,应用于计算机多媒体的触摸输入方面。本发明使用了多点主动定位技术,即被标的触摸点是主动的超声波发射器,再由多个位置已知的超声波接收器转换成为电信号,输出到后续处理系统,而得到标的点与每个接收器之间的距离,通过计算而得到该标的点的坐标。在这里,不同接收器输出电信号的时间差,就包含了触摸点的位置参数信息。

Description

触摸点位置参数信息检测传感装置

本发明是一种利用超声技术，使用多点检测主动式定位方法，来实现对指定区域内的某一标的点位置，进行检测并输出相关电信号的超声点源式触摸点位置参数信息检测传感装置。本发明属于传感技术领域，主要应用于计算机多媒体技术中信息“触摸”式输入方面，尤其是对于大屏幕、可变屏幕尺寸或需要空间定位的场合应用。

一台计算机通常为用户提供一个这样的显示屏幕，在该屏幕上显示用户可以作出各种选择的说明或图形、图像。在许多情况中，用户作出响应最快捷方便、直观的方式是用某种设备或部件所提供的方法，实际触及屏幕上显示所要求的选择区域，如使用触摸屏或鼠标。在另外的情况下，如对挂图、投影屏幕的解释，最快捷方便、直观的方式是使用一根类似于课堂上使用的教鞭，来直接指示所要求选择的区域。在特殊的情况下，例如对具有一定的空间结构的物体的各个部分的解释、说明，用一根教鞭来指示，同样是最佳的选择方案。这就需要这样一个系统，这个系统的软、硬件能够确认被“触摸”或“指示”的事件的位置。为了实现这一目的，这个系统中应该包含有一套能够传感被“触摸”或“指示”的事件的位置的数据、信息传感装置或部件。这套装置或部件应该具有费用低廉、可视性好、可靠性高的特点，并且具有一定的通用性。

现在通用的触摸输入技术，最常见的是触摸屏，包括大型的触摸板，是可以选择的部件之一。这类部件或装置使用的技术大致分为两类。一类使用电路的方法，其特点是触摸屏是电路的一部分。常用的是电阻式电位检测技术、电容式高频漏电流检测技术用的触摸屏技术。这类方案需要在屏幕前面放置一或两层透明的导电薄膜，当手指触压某点后，导致触摸点的电位值，或高频漏电流变化，被检测出用于确定该点的坐标。实例可以在申请号码为96220275的中国专利和美国专利US5283558中或其它有关的资料中得到。

另外一类使用在一定条件下可以转变成为电信号的连续介质，来实现触摸点的定位检测。常用的有光学技术、力平衡技术、声表面波技术，以及最新的体波技术。使用光学的方法，基本上都是使用光敏元件，根据被检测的手指或物体对特定的光线的阻挡情况，来检测出触摸点的位置参数，通常使用红外线或可见光来实施。95110541、95105303号中国专利申请和4,891,508、5,317,140号美国专利及其所涉及的先有技术中给出了实施方案。力平衡的方法是在一块用做触摸板的下面安装有数个力敏传感器，施加在触摸板上的力被分散到各个传感器上。因为作用力与反作用力及力矩是平衡的，所以根据各个力传感器的输出信号，就能够计算出施力点的坐标。93106780.4号中国专利申请和美国专利4,121,049、4,355,202和5,541,372号中的先有技术给出了实施例。

声表面波定位技术，是利用在弹性硬质表面传播的声波或超声波，来检测与触摸点位置有关的电信号，而实现触摸点定位。目前这种技术的应用非常广泛，RD382019、US4,644,100、US4,357,672、US4,144,519、US4,126,047、US4,870,623、US5,243,148、US5,334,805和US5,591,945等号码的外国专利及其涉及的相关技术，给出了多种用于屏幕表面触摸点定位、距离测量、作用力测量和信号处理的多种先有技术和实施方案。其中，US4,357,672号专利公布了通过在声表面波在从一个物体向参考点传播的时间内，对微处理器的指令周期进行计数的方案，来测量物体到参考点的距离：US4,870,623号专利公布了一个使用多个接收器，通过对声表面波接收器所接收到的幅度和相位进行处理，而确定一个知物体的位置、方向和形状的方案；US5,591,945号专利公布了利用两个位于被检测表面两端的反射器阵列，把声表面波从发射器分布到被检测表面，而后再把声表面波汇集到接收器的方案，通过比较收集到的脉冲序列有无被吸收或/和扰动来检测触摸点位置的方案。

以上各种技术，虽然各有其优点，但也有其不足之处。如有的分辨率低、有的生产和安装费用昂贵，有的可靠性较低，有的对外界的光、电、灰尘、杂物的干扰敏感等。除了这些缺点之外，上面的这些触摸屏还有三个共同的缺点，即：1、不能实现立体空间内的定位；2、必须有一块固定的触摸板，或一个固定的框架，尺寸是生产时定死的，不能实现随意尺寸时的触摸定位；3、对于已有的普通计算机显示器，需专业人员才能安装，生产和安装的费用高昂；4、对于制造大屏幕，尤其是当长宽的尺寸达到以米为单位的触摸屏时，不仅工艺上更为困难，而且生产安装的费用更加昂贵。

对于触摸屏的大屏幕应用，还有一种遥控鼠标的实施方案，即通过一个遥控系统，来控制屏幕上鼠标指针的移动、选择。但是这种方案只能用在投影屏幕上，而不能用于其它场合，同样也不能实现三维空间定位。况且，在公共场所使用时，既不够直观，又比较麻烦。目前专利查新检索还没有发现与本发明类似的技术。

本发明就是为了克服上面所述的缺点，而设计的对于“触摸”输入点的位置进行检测，并输出相关信息的传感装置，其目的有五个：1、低成本、直观地实现对大显示屏幕或平面内的触摸点的位置信息的检测；2、空间情况下的触摸点定位；3、使“触摸屏”与显示屏，以及相关的板、框等脱离，成为便于携带和安装的部件，以适用于不同的屏幕或空间尺寸；4、以低的制造和安装费用，实现对于普通的阴极射线管或LCD显示器的表面的触摸位置的信息检测；5、实现对于简单的弹性硬质曲面表面的触摸位置信息检测。

为了叙述方便，在本发明文件中，仍然使用触摸一词，尽管操作方面已经有所区别，不是用手指进行触摸定位。

本发明的基本原理，是使用多点定位的方法，根据触摸点与某个参照坐标系内多个已知点之间的距离，通过计算来得到该点在该参照坐标系内的坐标。通过一般的数学分析可知，在一个二维平面内，如果能够得到某点与三个不在同一直线上的、位置已知的点的距离，则该点的坐标可以在整个平面内被唯一确定；如果能够得到某点与三个处在同一直线上的、位置已知的点的距离，则该点的坐标可以在以这条直线为分界线的某半个平面内被唯一确定(因为在另半个平面内还有一个对称点)。同理，在三维空间内，如果能够得到某点与四个不在同一平面内、位置已知的点的距离，则该点的坐标可以在整个空间内被唯一确定；如果能够得到某点与三个不在同一直线上的位置已知的点的离，则该点的坐标可以在以这三个点所在的平面为分界面的某半个空间内被唯一确定(在另外半个空间内也有一个对称点)。在这里，上面所指明的接收器的数量，是能够在上述每种情况下，相应地检测到完整的位置信息所需的最小值，在实际应用中完全可以更多些。本传感装置就是根据这个原理，通过测量被定位点与多个已知点之间的距离，来得到并输出与被定位点的位置相关的参数，提供给以本装置为一种输入设备的系统，进行处理、计算，最终得到被定位点在某个参照坐标系内的位置坐标。这里的二维平面可以是理论上的平面，也可以是小曲率的曲面，或可以展开为平面的圆锥、柱面；二维空间可以是立体的自然空间，又可以是球面等封闭的旋转体的表面。

在本发明中，使用超声波技术，来实现上述距离的测量。具体方法是这样的：根据需上述要检测的区域的种类，可检测区域内放置最少为上述数量、位置已知超声波接收器来接收特定的超声波；被传感、定位的触摸点是一个安装在手持触摸柄上的超声波发射器，即定位头，也可以称之为标的物。当发射器发射特定的(被调制编码或单纯的)超声波时，上述的各个接收器在接收到特定的超声波信号时，都分别输出一个电信号。所有这些超声波接收器所输出的电信号，就包含了该超声波发射器所在的位置的全部信息。这是因为超声波在某种介质中的传播速度即声速是已知的，所以通过测量这些电信号之间的时间差，经过数学计算，就可以得到该点与各个接收器之间的距离。这个距离在平面或空间内是两点之间的线段，在曲面上则是两点间的弧长。又因为所有的超声波接收器的位置在某个参照坐标系内的位置是已知的，而且实际的操作，肯定是在已知的被选定的有效区域内进行的，这样再通过系统的进一步的计算，就可以得到该点在该参照坐标系内的绝对坐标值，从而实现定位的功能。同时，接收器可以安装在固定或可以活动的支架上，以适应固定地点或临时安装使用。

本发明的优点在于：1、既可以实现平面定位，又可以实现空间定位；2、既可以做成一体的系统使用，又可以做为附加部件随时安装拆卸；3、做为附加部件使用时，整套装置的检测范围可大可小随意而定，4、生产成本低廉，生产工艺简单，尤其在大屏幕情况下更具优点；5、使用寿命长，可靠性高。

图1超声波接收器在参照坐标系内分布

图2接收器分别输出的电信号的时间序列图

图3本装置在固定表面上的应用

图4接收器位于同一条直线上的情况示意图

图5在安装支架的一条边上安装接收器的示意图

图6手持触摸柄结构示意图

图7接收器安装在硬质弹性屏幕两个边缘的示意图

图8接收器安装在硬质弹性屏幕一个边缘的示意图

图9适用于固定表面内使用的定位头结构示意图

图10接收器在圆柱面上的安装方式示意图

图11接收器在薄壳球面壳体的一种安装方案图

图12适用于硬质弹性表面的定位头的结构示意图

图13超声波接收器在三维参照坐标系内的分布

图14应用于空间定位情况下接收器的一种不共面安装方式示意图

图15应用于空间定位情况下接收器的一种共面安装方式示意图

图16发射器的一种剖面结构示意图

图17一种超声波脉冲产生和驱动电路原理图

图18脉冲产生和驱动电路的主要波形图

下面结合附图来详细地说明本发明的几类具体实施方案。因为超声波接收器用于平面或空间两类使用情况下，各有两种安装方式，即在平面内共线或不共线，在空间内共面或不共面，这里分别称上述情况为特殊或一般情况，所以首先应该明确两个概念，以备后面叙述方便。一个是“有效定位区域”，另一个是“可检测区域”。有效定位区域是指利用已知点的数据和通过检测、计算可以唯一确定其位置的点的集合，即上述的指定区域。在一般情况下，他是已知点所在的整个平面或空间；在特殊情况下，它是由已知点所在的直线或平面的指定一侧的平面或空间；可检测区域是指可以得到被定位点与已知点间距离参数的点的集合。从前面所说的可知，在一般情况下，这两个区域是重合的；在特殊情况下，有效定位区域是可检测区域的子集。

在这里，可检测区域或有效定位区域的大小，与接收器的安装位置、灵敏度、有效接收角和发射器的超声波发射的强度有关，其大小可以根据实际需要来确定；而接收器的数量，还可以比上述的最少值多，用来作为校核接收器以提高检测定位的精度，或作为备用接收器以提高系统的可靠性。

首先说明当可检测区是平面时，本发明所使用的定位方法的数学模型。如图1所示，超声波接收器位于平面内一个参照坐标系内，P₁、P₂、P₃表示最少所需的三个分布安装的接收器，P表示平面内的某一点，即图6中定位头3用于定位时的位置。在这里，参照坐标系的坐标轴分别是X、Y，设原点在P₃,D₁、D₂、D₃分别表示P点到上述三个安装点的距离。在这里，取声速为v。图2表示出了接收到特定的超声波信号后，由三个接收器分别输出的电信号的时间序列，分别为t₁、t₂、t₃，纵轴表示不同的超声波接收器，则可以得到下面的方程组：

     v(t₂-t₁)=D₂-D₁

     y(t₃-t₁)=D₃-D₁    求解这个方程组，即可得到D₁、D₂、D₃的值。    …(1)

     v(t₃-t₂)=D₃-D₂再解析几何的方法，就可以得到下面的方程组：

           (x-x₁)²+(y-y₁)²=D₁ ²

           (x-x₂)²+(y-y₂)²=D₂ ²         …………(2)这里，x₁、y₁和x₂、y₂分别是点P₁、P₂在参照坐标系内的坐标，因此可以得到点P的绝对坐标x、y的两组关于图1中虚线对称的值。再加上限制条件

   x²+y²=D₃ ²    就可以得到点P唯一的一组坐标值。

在这里，特定的超声波信号可以是单个的超声波脉冲，也可以是有一定时间间隔的脉冲串。时间序列信号还可以使用超声波信号结束时的时差t’₁、t’₂、t’₃，因为t’₁、t’₂、t’₃比t₁、t₂、t₃只有一个为脉冲的宽度Δt的时间延迟，可以在对接收器输出的信号经过滤波等的处理，被系统确认是特定的信号后得到，所以也能够增强系统的抗干扰能力。在图3中，t₁、t₂、t₃后面的波浪线表示接收到的超声波信号。

有了上面的数学推导，就可以很容易得到可检测区是空间情况时的数学模型。图13表示出了本传感装置在空间应用时，三个或四个接收器位于一个三维参照坐标系时的情况。这里，P₄和D₄分别表示第四个接收器(设为坐标系的原点)及其与P点的距离；Z为第三个坐标轴；z、z₁、z₂、z₃、z₄分别是各点存Z轴上的坐标值。利用方程组(1)可以得到D₁、D₂、D₃的值。在参照方程组(2)，可列出下面的方程组

          (x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²=D₁ ²

          (x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²=D₂ ²    …………(3)

          (x-x₃)²+(y-y₃)²+(z-z₃)²=D₃ ²解方程组(3)可得两组解，关于由P₁、P₂、P₃所在的平面对称。如果没有接收器P₄，则应该根据实际划定的操作空间，来确定实际的被定位点的坐标；如果有P₄，则利用限制条件

      x²+y²+z²=D₄ ²    就可以得到点P唯一的一组坐标值。

上述的计算是数学问题，其详细过程在此不再说明。虽然上面的演绎是在直角坐标系内进行的，但是也完全可以在其它类型的坐标系内达到相同的目的。从上面的数学推导可以看到，最少需要几个接收器，或者接收器应该怎样分布安装，与上面所述点P有几组有实际意义的解有关。从下面的实施例中可以清楚地看到这一点。

下面来说明本发明在实际应用时的具体结构方案。

图6所示的手持触摸柄，是本发明中各种实施方案中都要使用的部分。该柄主要由顺序相连接的三部分构成，即：手柄1、连接杆2、定位头3。在这部分中，手柄和连接杆的构造，在不同的实施方案中的变化不大，只是外形、尺寸可以根据实际需要而改变，如手柄和连接杆一体化，或使用直连接杆、连接杆可以伸缩或折叠等，只有定位头的构造有所区别，在后面将逐一说明，但它的核心元件是一个超声波发射器。

本发明的一类实施方案，即在检测区域是二维平面时的应用。其中的一种是图3所表示的在固定表面上的应用。在这里超声波是依靠固定表面前部的空气来传导的。在图3中，13是一个固定表面，该固定表面可以是投影的屏幕、用做投影的部分墙壁，或作为被定位对象的挂图等的表面，即有效定位区域。由于超声波接收器安装在固定表面上，每个接收器接收面的几何中心与固定表面会肯定会有一段很小的基本相等的距离，这个距离应该等于图6所示定位头上超声波发射器到定位头的尖端、与固定表面的接触点的距离，所以这里的可检测区域，就是由该固定表面，和位于该表面与使用者之间、横切接收器接收面的、与固定表面平行的一簇平面及其附近所构成的。4是接收传感器安装支架，对于固定表面来讲是可以安装或拆卸的，安装在固定表面上或其边缘，以不影响固定表面的正常使用为原则(下面所有的实施方案中的接收器，均以此为原则来进行安装)，为了计算方便，在这里设定5、6、7三个接收器位于参照坐标系的原点和坐标轴上(以后均按此原则设置接收器)。8是一个备用的接收传感器，可以用于校验，不是必须的，故用虚线表示。这些接收器的接收面要指向定位头所在的有效定位区域，以保证能够正常接收。安装支架4事实上是一个上位概念的支架，既可以是为专门用途而制成固定的，又可以为应用于不同地点而设计成为可拆卸的；既可以是一个专用的安装支架、框架，又可以是其它物体的一部分，借助于螺钉、吸盘，以及插接的孔、卡、槽等来安装接收器；既可以是一个集中的部件，又可以由分布的多个部件构成；既可以大小、形状固定，又可以制造成可伸缩，或者可折叠的；其实施的基本原则是：在使用本传感装置的时候，能够稳妥地安装上述接收器。图中的实线是一个“L”形的支架，若加上虚线部分，就构成了一个框形支架4。

图4是图3的特殊情况，即平面内的三个位置已知的接收器位于同一条直线上的情况，其原理和计算方法与图3相同；只是在工程应用时应该事先指定有效的定位区域，即一个有实际意义的P点的解的集合。这事实上也是非常客观的。比如应用在投影屏幕或挂图上，我们总不会把投影屏幕外部的黑暗区域，或者挂图外的其它什么地方作为目标区域吧？这样，就能够从上述的两组解之中选择出来一组有意义的解。作为在实际工程中的应用如图5所示，三个接收器安装在安装支架4的一条边上。若使用其它方式安装，同样安装于固定表面的一侧。

在这个实施方案中，因为超声波是靠空气来传导的，所以为防止在不需要定位的其它位置发射超声波，使接收器始终接收而不能给出时间差信号，或产生连续检测(视超声信号是否被编码或调制)等误检现象，如图9所示，需要在定位头的顶部安装有一个微动开关10，并使其触柄11突出于定位头之外、与固定表面相接触的位置，使得定位头在固定表面接触时开关动作，控制发射器9发射特定的超声波信号；或者在手柄上安装一个手动开关12，手动控制是否发射特定的超声波信号；也可以两者都安装而串、并连使用，或者分别控制电路的不同部分，以方便使用时的操作。

另一种实施方案，是把超声波接收器直接安装在有边界的硬质弹性表面上，这个表面18可以是玻璃投影屏幕或显示器、监视器的显示屏。在这种实施方案中，接收器5、6、7可以用粘接等方法，安装在表面上(这类屏幕的即使有曲率也很小，所以可以当作平面对待)的可检测区域内，使其发射面与硬质表面紧密连接。在这种情况下，接收器安装位置的形式与在固定表面时的情况相类似，即可以安装在同一条直线上，也可以不在同一条直线上，计算方法与图3、图4的相同，分别示意于图7、图8。在这里，除了当三个接收器安装在一条直线上这种情况下，该直线上三个接收器所在线段之外不能实现位置参数信息的检测传感之外，可检测区域与有效定位区域是重合的。在工程应用中确定有效定位区域的原则，也与前面所述的应用相同。但在这里，超声波的传导是在硬质表面内传导的，所以在安装接收器时，应当使其接收面与硬质表面相接触，以接收通过屏幕传导的超声波信号。图7、图8实际上给出了最佳的安装方式，即接收器安装在屏幕的边缘，一方面免得影响屏幕的显示内容；另一方面由于接收器之间的距离较远，能够提高定位精度。8仍是一个备用的接收传感器，用于备用或校验。

从实际应用的角度来看，在要求定位精度不是很高的情况下，所有小曲率的表面都可以当作平面来看待而使用。若再从广义方面来讲，所有非对称的简单曲面，如圆柱面、圆锥面都可以归类于这种应用情况，即使用最少三个接收器就可以实现指定区域内点的定位，这时只是需要把原来的直线距离换为相应的“弧”的长度。图10给出了一种接收器在圆柱面上的安装方式。在圆锥面上的安装方式也很简单，可以以圆锥面的底边和一条母线为参考坐标轴构建坐标系。

图11给出了在以薄壳球面壳体19为代表的、关于中心对称的硬质封闭曲面的表面上应用的情况下，接收器的一种安装方案。在这种情况下适用的曲面还有椭球面。由于这类曲面是一种三维的应用形式，如果需要实现整个表面的定位，接收器8是必须要安装的，与5、6、7共同位于一个三维的参照坐标系内；如果只需要完成半个球面上的位置数据的检测，则与前面所述的非封闭的旋转体的硬质曲面的应用相同，只需要安装5、6、7三个接收器。接收器的安装方式，同样要使其接收面与硬质表面相接触，以接收超声波信号。在这种情况下，如果还需要校验或备用功能，则可以同样再安装接收器8，或另外一个或数个接收器。这种实施方案可以应用于如地球仪等场合。这里点P的解的集合和到底至少需要几个接收器的确定，同样参照前述二维平面应用的两种情况下的原则，即以被定位点的坐标值具备实际意义且能被唯一确定为准。

在用于硬质表面的这类实施方案中，超声波是利用硬质表面作为介质来传导的，因此需要保证超声波发射器所发射的信号能够传入表面，所以，定位头上的构造需要与之相适应，见图12。在这里，超声发射器9选用平板的压电换能器，它的一个发射面，被安装在与连接杆相连接的基座17上，另一个面装有一个用有一定硬度的材料制成的传导头20。该传导头最好如图所示做成锥形，一端安装固定在发射面上，另一端与硬质弹性曲面相接触，有一个能够产生一定能量聚集效应的尖端凸起，使超声波更容易传入介质之中。如果使用导体来制造，可以直接作为发射器的一个电极。

用于空间定位是本传感装置的另一类应用，可以应用于如特殊舞台效果、游戏、展品解说等场合。前面已经分析了实现全空间定位和半空间定位，即有效定位区域与可检测区域重合和不重合这两种情况，所以在此可以得到超声波接收器的两种安装方案。第一种方案是应用在全空间定位的情况下，如图14所示，至少安装有5、6、7、8四个接收器，其中的一个接收器，例如8与其它三个不在同一平面内，这时有效定位区域就是这四个接收器周围，超声波发射器发射的超声波所能够达到的空间；第二种方案是仅仅使用5、6、7三个接收器，见图15，这时的有效定位空间就是以这三个接收器所在的平面为分界面、超声波发射器发射的超声波所能够达到的半个空间。这第二种方案与在前面所述的平面情况下的应用相类似，有效定位区域应该根据实际的需要来设定，从而使选择的被定位点有实际意义。但是无论哪一种情况，接收器的接收面都要指向有效定位区域，以保证能够正常接收。在图3、5、7、8、14、15中，图示的坐标轴所构成的象限，基本表示出了与各图中接收器的安装相对应的有效定位区域。

在这类实施方案中，接收器依然使用支架来安装，并且安装支架4依然是一个概念上的支架，与在平面情况下的应用遵循同一原则来选择、制造或使用。如在图14中，安装支架4是一个“”框架，在图15中，支架4是一套用螺钉21固定在类似于墙壁的固定物上。从图中可以看到，这些支架能够很容易地实现从一个地点到另一个地点的拆卸、安装。需要着重说明的是，当类似于图14、15中所示的支架在安装使用时，各个接收器的坐标值，应该输入到使用本传感装置的后续系统之中，作为计算被定位点与各个接收器之间的距离和坐标值的基础，包括图3、5中的支架同样对待。

无论在固定表面，还是在立体空间方面的应用，都是利用空气来传导超声波。但是因为在本发明中，超声波在空气中是以纵波的方式传导，所以频率越高方向性越强，故而必须考虑超声波发射器和接收器的发射、接收角的问题，否则就可能出现接收死角的问题，即某些接收器因为角度太偏而接收不到超声波。要解决这个问题的，应该一方面使用接收角足够广阔的接收器；另一方面使超声波发射器9尽量模拟一个点声源发射器，至少应该在有效定位区域内、面向接收器的接收面的方向上，并且充分考虑了定位头使用时的移动范围的条件下，在指定的有效定位区域内的平面内或空间内的发射角要足够广大，呈现点源发射器的性质。为达到这个要求，可以有两个方案可供选择：一是使用具有柱面或球面形状发射、接收面的发射、接收器，分别使用平面情况和空间情况下；二是采用组合的方法，将多个普通的超声波发射、接收器组合使用，使它们的发射面或接收面近似排列成一个柱面或球面的一部分，来模拟一个广角的发射器或接收器。图16给出了一个发射角度达到180°的压电发射器的剖面构造示意图，这个发射角既可以理解为平面角，又可以理解为空间角，因此这个剖面可以理解为圆柱体的横切面，也可以理解为球体的横切面。在图16中，14是压电材料，15是内电极，16是外电极。接收器的构造也可以参照此图。另外，尽量分布地安装接收器，例如图3的安装方案，能够降低对接收器接收角的要求。

对于硬质表面情况下的应用，因为在传导头与该表面的接触点处，纵波被转化成为横波，沿着表面传播，故不存在上述问题。这时需要注意的只是传导头和接收器与硬质表面的接触要紧密；同时这个表面需要具有各向同性的声学特性。

在立体空间内或硬质弹性表面上实施本发明时，为了防止如在固定表面上应用时可能出现的误检现象，同样应该设置一个控制开关12。在这两种情况下，为使用更可靠方便，控制开关最好设置在手柄1上。对于在硬质弹性表面上的应用，控制开关12还可以安装设置在定位头上的发射器9和安装基座17之间，或者在安装基座与连接杆2之间，并辅以可以微动的如铰链、限位块等的连接加强机构，能够使微动开关在受到手柄和硬质表面的作用力时能够动作，同时防止开关受到过分的拉压。当然，在硬质弹性表面上应用实施，控制开关10或12同样可以如“固定表面”处所述同时使用。

另外需要注意的是超声波的反射问题。超声波可能会被平面、空间周围的物体，或硬质表面的边缘反射，造成重复接收问题。这个问题解决起来比较容易。在固定表面或空间应用的情况下，因为超声波在空气中的衰减比较厉害，所以只要控制发射器的发射功率，以及接收器的灵敏度就能够解决。在硬质表面应用的情况下，一方面要控制发射功率和接收灵敏度；另一方而在表面的边缘加上吸收阻尼材料，就能够很好地解决这个问题。在球面等连续表面应用时，绕射可能是主要的问题，这时除了控制反射功率和灵敏度之外，还可以仔细选择接收器的安装位置，既可以使这种影响最小，又可以便于在适当的地方加上阻尼吸收材料。

超声波的产生一般可使用超声波发生电路，驱动压电换能器来发射超声波。被发射的超声波调制形式多种多样，从其波形上来看，可以是单脉冲或等幅波，也可以是稳定短间隔的脉冲，或者是被编码的比特流，以增强传感系统的抗干扰性。具体的选择应该根据的实际需要来确定其其波形是否被调制。在一般情况下，为了实现鼠标的拖动的功能，应该使本传感装置在需要的时候，能够实现连续指示其定位头自身位置的功能。在这种情况下使用单脉冲或等幅波就不容易满足要求。

图17给出了一个非常简单的超声波脉冲产生和驱动电路，能够驱动压电换能器发射稳定的短间隔超声脉冲，其相关点A、B的时间t——振幅A(V)波形如图18所示。该电路以双时基集成电路556为核心构成。在图17中，以IC_1a为核心构成了一个间隔脉冲发生电路，其输出的脉冲控制着以IC_1b为核心构成的超声波发生电路的工作，使IC_1b产生稳定时间间隔的超声波驱动信号，驱动压电换能器YD发射超声波。R₁、R₂和C₁决定了脉冲发生电路的工作频率，当电源电压V_CC=10V时

             F≈1.125/[(R₁+R₂)×C₁]

其占空比    δ≈R₁/(R₁+R₂)IC_1b与C₃、R₄构成了占空比为50％的超声波振荡器，直接驱动YD工作。这个振荡器的工作频率由R₄和C₃决定，为

             f≈1.67R₄C₃在这个电路中，F可以取几十——几百赫兹，f可取几十——几百千赫兹。电路中其它元件的作用介绍如下：D₁、D₂分别是C₁的充、放电通道二极管，C₂、C₄是防干扰电容，C₅是电源滤波、退藕电容；R₃是控制端的下拉电阻。

在这个电路中，着重要说明的是图中的控制开关Ks、K_C、K_O。这三个开关符号仅仅表示三种接法，是10或12的三种不同的安装方式，而不是三个开关。图中电路连线上的“×”号表示在开关接入是应该断开的电路连接点。这三个开关，Ks表示控制开关在电源电路的接法；K_C表示控制开关在工作允许控制电路的接法；K_O表示控制开关在输出驱动电路的接法。在应用这个电路时，可选择一个位置接入。在一般情况下，控制开关的最佳接法，是接入整个电路中的工作允许控制电路，这是因为：1、在大部分的电路设计中，工作允许控制端的电流都很小，有利于延长开关的使用寿命：2、工作允许控制端在是根据具体电路设计的，所以已考虑到了输出信号的有效性和可靠性。

对于超声波信号发生和输出驱动电路，可以根据实际需要来选择，如利用通信技术中为了增强抗干扰性、保密性而使用的编码及调制技术，来增加系统的抗干扰性能，这时在接收器的输出端也要使用相应的解调解码技术及电路，以得到止确的时间信号，甚至还可能利用超声波来传递其它控制信息。如果希望再利用超声波信号传递多种控制信息，除了在手柄中安装相应的电路之外，可能还要增加相应的功能键。在本发明中，这部分电路最好是装置在手持触摸柄的手柄内，这样可以使整个传感装置更紧凑，通用性更强。这部分内容属于电路设计范畴，在此不再加以说明。

这个超声波发生和驱动电路的供电可以有两种选择：一种是直接在手柄中装入电池，其优点是能够使手柄完全独立；另一种方式是使用一条电缆与后面的信号处理部分和计算机相连接，其优点在于能够加设其它的信号线，很容易地使超声波的发射和接收部分工作得更协调，有利于进一步提高整个系统的性能。

在不与周围其它设备正常的工作产生互相影响，或者对使用者不会产生不良影响的情况下，本发明可以使用可闻声工作，其原理和实施方法同前所述。

Claims (16)

1．一种用于平面区域内某点的位置检测的触摸点位置参数信息检测传感装置，该装置包含有超声波发射器和安装在可检测区域内的超声波接收器，其特征在于：在平面的可检测区域内，至少分布安装有三个位置已知的超声波接收传感器；被传感的触摸点就是超声波发射器所在的位置，该发射器被安装在一个由手柄、定位头和连接在它们之间的连接杆所构成的手持触摸柄的定位头上。

2．根据权力要求1所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：可检测区域是一个由该固定表面和位于该表面与使用者之间、横切接收器接收面的、与固定表面平行的一簇平面及其附近所构成；该固定表面是墙面、各种投影屏幕表面或挂图表面之中的一种；超声波接收器通过安装支架，安装在固定表面上。

3．根据权力要求2所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：超声波接收器通过安装支架，安装在包含固定表面的可检测区域内、由固定表面构成的有效定位区域边缘的一条直线上。

4．根据权力要求2或3所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：在定位头的顶端，还安装有一个压力微动开关，该开关连接在超声波发射器发生和驱动电路的某个控制电路内；这个控制电路可以是超声波发射器电源电路，也可以是驱动信号输出电路，或者电路的工作允许控制电路。

5．根据权力要求1所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：可检测区域是一个弹性硬质表面；该表面可以是计算机显示器、视频监视器的显示屏或投影屏幕；接收器的接收面与该表面紧密连接。

6．根据权力要求5所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：至少有三个超声波接收器，安装在硬质弹性表面的边缘上。

7．一种用于立体空间区域内某点的位置位置检测的触摸点位置参数信息检测传感装置，包含有超声波发射器，和安装在可检测区域内的超声波接收器，其特征在于：在立体空间的可检测区域内，至少分布安装有三个位置已知的、安装在接收器安装支架上的超声波接收器；被传感的触摸点就是超声波发射器所在的位置，超声波发射器安装在一个由手柄、定位头和连接在它们之间的连接杆所构成的手持触摸柄的定位头上。

8．根据权力要求7所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：在立体空间的可检测区域内，至少有四个分布安装在安装支架上的、不在同一平面内的超声波接收传感器。

9．根据权力要求1、2、3或7、8所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：超声波发射器至少在有效定位区域内、面对着接收器的接收面的方向上，是一个点源发射器。

10．根据权力要求2、3、7或8所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：安装支架安装在固定物上，与固定物之间是活动连接；这个固定物可以是固定表面本身，也可以可检测区域之内或周围的其它物体。

11．一种用于关于中心对称的硬质曲面的表面区域内某点的位置检测传感的触摸点位置参数信息检测传感装置，该装置包含有超声波发射器，和安装在可检测区域内的超声波接收器，其特征在于：可检测区域包含在球面或椭球面之中的一种曲面内；在该曲面的某一表面上，至少分布安装有三个超声波接收器，这些接收器与该表面紧密连接；被传感的触摸点就是超声波发射器所在的位置，超声波发射器安装在一个由手柄、定位头和连接在它们之间的连接杆所构成的手持触摸柄的定位头上。

12．根据权力要求11所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：可检测区域是球面或椭球面之中的一种：在该曲面的某一表面上，至少分布安装有四个不在同一平面内的超声波接收器。

13．根据权力要求5、6、11或12所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：在手持触摸柄的定位头顶端的超声波发射器上，还安装有一个超声波传导头；该传导头的一端安装在超声波发射器的一个发射面上，另一端有一个凸起的尖端。

14．根据权力要求1、2、3、5、6、7、8、11或12所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：手持触摸柄的手柄上，还安装有一个手动开关，该开关的连接方式与权力要求4所述的压力微动开关的连接方式相同。

15．根据权力要求1、2、3、5、6、7、8、11或12所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：手持触摸柄的手柄内部，还安装有一套超声波震荡发生和超声波发射器的驱动电路。

16．根据权力要求15所述的触摸点位置参数信息检测传感装置，其特征在于：手持触摸柄的手柄上，还有一条与本传感装置后面的处理部分和计算机相连接的电缆。

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