DE69729317T2

DE69729317T2 - Gitterwandler für akustischen berührungsbildschirm

Info

Publication number: DE69729317T2
Application number: DE69729317T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Kambara; Hiroshi Kaneda; Robert Adler; Joel Kent; W. Bruce MAXFIELD; Masao Takeuchi
Original assignee: Elo Touch Systems Inc
Current assignee: Elo Touch Solutions Inc
Priority date: 1996-12-25
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: BR9714435B1; EP0950234A4; BR9714435A; AU715056B2; TW490632B; EP0950234A1; US6091406A; CA2273956C; DE69729317D1; KR19980064569A; WO1998029853A1; CA2273956A1; CN1161726C; JPH10240443A; JP3800274B2; CN1242096A; HK1024772A1; KR100542801B1; IL130345A0; AU5903298A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet Ultraschall-Transducer [Ultraschallwandler] und insbesondere Gitter-Transducer für akustische Tastbildschirme.
STAND DER TECHNIK
Tastbildschirme sind Eingabegeräte für interaktive Computersysteme. Sie werden in zunehmendem Maße kommerziell für verschiedene Anwendungen eingesetzt, wie z. B Informationsstationen/-kioske, Bestelleingabesysteme für Restaurants, usw.
Die vorherrschenden Tastbildschirm-Technologien verwenden Widerstands-Tastbildschirme, kapazitive Tastbildschirme und akustische Tastbildschirme. Akustische Tastbildschirme, d. h. Ultraschall-Tastbildschirme sind besonders vorteilhaft, wenn die Einsatzart eine sehr haltbare berührungsempfindliche Oberfläche und minimale optische Beeinträchtigung des angezeigten Bildes verlangt.
Bekannt sind verschiedene Typen von Ultraschall-Transducern. Die gebräuchlichsten, in akustischen Tastbildschirmen eingesetzten Typen sind Keil-Transducer und direkte Kopplung zwischen einem piezoelektrischen Transducer-Element und dem Berührungssubstrat. Ein Transducer ist ein physisches Element bzw. ein Satz von Elementen, das/der Energie von einer Form in eine andere umwandelt. Dies umfasst die Umwandlung zwischen Modi (Typen)^[1] akustischer Wellen und die Umwandlung zwischen elektrischer und akustischer Energie. Üblicherweise eingesetzte piezoelektrische Transducer bestehen aus einem rechteckigen, prismatischen, piezoelektrischen Keramikmaterial mit auf der Oberfläche ausgebildeten Leitern, welche akustisch mit einer Oberfläche gekoppelt werden, indem man eine flache Oberfläche des Keramikelements bzw. der auf der Oberfläche ausgebildeten Metallelektrode bündig mit der Oberfläche eines Substratelements, beispielsweise des Keilmaterials, verbindet.
Ein Keil-Transducer induziert oberflächengebundene Wellen, oder auch Plattenwellen, in das Substrat. Der Keil-Transducer nutzt das Phänomen, dass akustische Wellen gebrochen werden, wenn sie schräg auf eine Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Medien einfallen. Ein typischer Keil-Transducer besteht üblicherweise aus einem Kunststoffkeil, bei dem auf einer Seite ein piezoelektrischen Element angebracht ist und die Hypotenuse mit dem Substrat verbunden ist, welches z. B. aus Glas besteht. Das piezoelektrische Element koppelt an eine Volumenwelle im Keilmaterial. Diese Volumenwelle pflanzt sich im Grenzwinkel fort, d. h. im "Keilwinkel", und wird von einer sich im Glas horizontal ausbreitenden Welle weg oder zu dieser hin gebrochen. Das Keilmaterial wird so gewählt, dass man eine akustische Volumenwellengeschwindigkeit erhält, welche geringer als die Phasengeschwindigkeit des angestrebten Modus im Berührungssubstrat ist; der Kosinus des Keilwinkels entspricht dem Verhältnis dieser beiden Geschwindigkeiten. Keil-Transducer können somit sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Rayleigh-Wellen, Love-Wellen und Plattenwellen wie etwa Lamb-Wellen verwendet werden.
Im Gegensatz dazu verfügen Transducer mit direkter Ankopplung bzw. "Kanten-Transducer" typischerweise über ein piezoelektrisches Element, welches unmittelbar mit dem Tastbildschirm-Substrat in solcher Weise verbunden ist, dass eine akustische Welle mit beträchtlicher Energie an einer Oberfläche des Substrats direkt erzeugt wird. Die Grenzfläche dient somit der mechanischen Funktion, das piezoelektrische Element mit dem Substrat zu verbinden, sowie der akustischen Funktion der Kopplung an den angestrebten akustischen Modus^[2]. 2B des US-Patents 5,162,618 veranschaulicht einen Kanten-Transducer, mit dem Lamb-Wellen in ein dünnes Substrat eingeleitet werden. Siehe ebenfalls US-Patent Nr. 3,893,047, Lardat. Kanten-Transducer werden in den üblichsten Fällen zur Ankopplung an Plattenwellen ohne Knoten als Funktion der Tiefe im Substrat eingesetzt. Einige Arbeit wurde geleistet, um an Rayleigh-Wellen koppelnde Kanten-Transducer zu entwickeln. Siehe Ushida, JP 08-305481, worauf der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, und JP 08-305482. Zwar ist ein solcher Kanten-Transducer kompakt, jedoch bleibt dadurch das piezoelektrische Element ungeschützt.
Ein Typ bekannter akustischer Berührungssensoren umfasst ein Tastfeld bzw. eine Berührungsplatte mit einer Gruppierung von entlang einer ersten Kante des Substrats positionierten Sendern zur simultanen Erzeugung von parallelen, oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen, die sich richtungsabhängig durch das Tastfeld zu einer entsprechenden Gruppierung von Detektoren fortpflanzen, welche der ersten Gruppierung gegenüber an einer zweiten Kante des Substrats positioniert sind. Ein weiteres Paar von Transducer-Gruppen ist senkrecht zum ersten Satz angeordnet. Eine Berührung der Platte an einem Punkt verursacht eine Dämpfung der durch den Berührungspunkt laufenden Wellen; dies ermöglicht die Interpretation einer Ausgabe des Paares von Transducer-Gruppen, um die Koordinaten der Berührung anzugeben. Dieser akustische Berührungssensor-Typ ist in US-Patent Nr. 3,673,327 und WO 94/02911, Toda, dargestellt. Weil die akustische Welle divergiert, trifft ein Teil einer von einem Sendetransducer abgestrahlten Welle bei einem Satz von Empfangstransducern ein, was eine noch feinere Auflösung der Berührungsposition ermöglicht, als eine einfache Eins-zu-Eins-Beziehung von sendenden und empfangenden Transducern gestatten würde. Diese Systeme erfordern eine große Anzahl von Transducern.
Ein kommerziell erfolgreiches akustisches Berührungssensor-System mit der Bezeichnung 'akustischer Adler-Tastbildschirm' gemäß Darstellung in 1 verwendet Transducer auf effiziente Weise, indem das Signal räumlich gestreut wird und zeitliche Aspekte der Störung als Indikatoren für die Position analysiert werden. Ein typischer rechteckiger Tastbildschirm umfasst somit zwei Transducersätze, wobei jeder Satz eine unterschiedliche Achse aufweist, die jeweils auf die Achsen eines von einem Substrat definierten kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet ist. Ein Transducer erzeugt einen akustischen Impuls bzw. eine Impulskette, die sich z. B. als schmale Rayleigh-Welle entlang einer Achse ausbreitet, die eine Gruppe von reflektierenden Elementen schneidet, wobei jedes Element in einem Winkel von 45° angeordnet und entsprechend eines ganzzahligen Vielfachen von Wellenlängen des akustischen Wellenimpulses beabstandet ist. Jedes reflektierende Element reflektiert einen Teil der Welle entlang eines zu der Achse senkrecht verlaufenden Weges, quer über einen breiten Bereich des für die Berührungsfühlung angepassten Substrats, zu einer gegenüberliegenden Gruppierung und einem Transducer, welche ein Spiegelbild der ersten Gruppierung und des ersten Transducers darstellen und gestattet gleichzeitig, dass ein Anteil [der Welle] zum nächsten reflektierenden Element der Gruppierung läuft. Der Transducer der Spiegelbild-Gruppierung empfängt eine akustische Welle, die aus überlagerten Anteilen der inkremental veränderlichen Wellenteile besteht, welche von den reflektierenden Elementen beider Gruppierungen reflektiert werden und antiparallel zum abgestrahlten Impuls gerichtet sind. Die akustischen Wellen werden somit gesammelt, während gleichzeitig die Information über die zeitliche Streuung erhalten bleibt, welche die axiale Position kennzeichnet, von welcher eine gedämpfte Welle ausgegangen ist. Wellenwege im aktiven Bereich des Sensors weisen charakteristische relative Laufzeitdifferenzen auf, und deswegen lässt sich ein Wellenweg bzw. lassen sich Wellenwege, der/die von einem Gegenstand gedämpft wird/werden, der den berührungssensitiven Bereich berührt, durch Ermittlung des Zeitpunkts einer Dämpfung in der zusammengesetzten, einlaufenden Wellenform identifizieren.
Ein zweiter Satz von Gruppierungen und Transducern wird im rechten Winkel zu dem ersten angeordnet und funktioniert ähnlich. Da die Achse eines Transducers einer physischen Koordinatenachse des Substrats entspricht, ist der Zeitpunkt einer Dämpfung der zurückkehrenden Welle ein Indikator für die kartesische Koordinate einer Position auf dem Substrat. Die Koordinaten werden sequentiell bestimmt, um die zweidimensionale kartesische Koordinatenposition des dämpfenden Objekts zu ermitteln. Das System arbeitet nach dem Prinzip, dass oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen, die eine Leistungsdichte an der Oberfläche aufweisen, durch eine Berührung auf der Oberfläche gedämpft werden. Die Dämpfung einer über das Substrat laufenden Welle bewirkt eine entsprechende Dämpfung von Wellen, die in einer charakteristischen Zeitspanne auf den Empfangstransducer auftreffen. Somit braucht der Controller (Steuereinheit) nur die zeitlichen Merkmale einer Dämpfung zu erfassen, um die axiale Koordinatenposition zu bestimmen. Entlang zwei Achsen werden sequentiell Messungen vorgenommen, um eine kartesische Koordinatenposition zu ermitteln. Siehe US-Patent Nr. 4,642,423, 4,644,100, 4,645,870, 4,700,176, 4,746,914 und 4,791,416, Re. 33,151. Das US-Patent Nr. 4,642,423 von Adler behandelt Pseudo-Planarisierungs-Verfahren für rechteckige Tastbildschirm-Oberflächen, die durch kleine Raumwinkelabschnitte einer Kugel gebildet werden.
Wie in 1 dargestellt, sendet das System ein kurzes Ultraschallwellensignal in Form eines von den Akustikwellen-Sendemitteln 11, 12 ausgestrahlten Impulspaketes und verteilt über reflektierende Bauteile 13 und 14, welche als Akustikwellenstreuer fungieren, das Sendesignal über die gesamte Fläche eines Koordinaten-Eingabebereichs 15. Das System empfängt das Signal durch Akustikwellen-Empfangsmittel 18 und 19 über reflektierende Bauteile 16 und 17, welche als Akustikwellenverdichter fungieren, und analysiert das Empfangssignal entlang der Zeitbasis, um indizierte Koordinaten zu erfassen.
Ein Teil des Tastbildschirmsystems, wo sich der keilförmige Transducer auf der Oberfläche des Tastfeldes befindet, ist zwangsläufig höher als die Oberfläche des Tastfeldes. Wenn, wie in 2 gezeigt, eine Anzeige aus einer gewölbten Platte wie z. B. einer typischen Elektronenstrahlröhre besteht, ergibt sich oftmals ein Zwischenraum, in dem sich ein keilförmiger Transducer 23 unterbringen lässt, zwischen einer gewölbten Platte 21 und einer Blende 22, welche den Rand der gewölbten Platte 21 abdeckt. Besteht die Anzeige hingegen aus einer flachen Platte, wie z. B. einer Flüssigkristallanzeige [LCD-Anzeige] oder Plasmaanzeige, wie in 3 gezeigt, gibt es keinen Zwischenraum zwischen einer Platte 24 und einer Blende 25 am Rand der Oberfläche der mit der Blende 25 abgedeckten Platte 24; dadurch gibt es keinen Platz zur Unterbringung des keilförmigen Transducers. Wenn ein keilförmiger Transducer verwendet wird, ist somit das Ultraschall-Tastfeld für den Einsatz mit einer flachen Platte nicht gut adaptiert. Deshalb ist der Typ geeigneter Anzeigen und Gehäusekonfigurationen, die sich anpassen lassen, in hohem Maße eingeschränkt.
Die bekannten Reflektorgruppen werden in der Regel aus einer Glasurmasse (Glasfritte) gebildet, die durch Siebdruck auf eine durch ein Float-Verfahren geformte Natronkalkglasscheibe aufgebracht und in einem Ofen gehärtet wird, wodurch ein Zickzackmuster erhabener Glasunterbrechungen entsteht. Diese Unterbrechungen haben typischerweise Höhen bzw. Tiefen in der Größenordnung von 1% der Akustikwellenlänge und reflektieren daher die akustische Energie nur teilweise. Um beim Empfangstransducer eine ausgeglichene Schall-Leistung zu erzielen, kann man die Beabstandung der reflektierenden Elemente mit wachsender Entfernung vom sendenden Transducer verringern oder die Balance zwischen Transmissionsgrad und Reflexionsvermögen der reflektierenden Elemente derart ändern, dass sich das Reflexionsvermögen mit wachsender Entfernung vom sendenden Transducer erhöht. Da der Berührungsfühler generell vor einem Anzeigegerät plaziert und die Reflektorgruppe generell optisch sichtbar ist, werden die Reflektorgruppen generell am Rande des Substrats außerhalb des aktiven Abfühlbereichs angebracht und unter einer Blende verborgen und geschützt.
Um die Zahl von Transducern weiter zu verringern, kann man zusammengelegte Schallwege verwenden. 11 des US-Patents 4,700,176 lehrt den Einsatz eines einzigen Transducers sowohl zum Aussenden der Welle als auch zum Empfang der Abfühlwelle mit einer einzigen Reflektorgruppe, die dazu dient, die Welle zu verteilen und wieder zu vereinigen. Derartige Systeme verwenden daher eine reflektierende Struktur gegenüber der Reflektorgruppe. Auf diese Weise kann die akustische Welle in einem Winkel von 180° von einer Kante des Substrats oder einer Gruppe von Reflektoren, die parallel zur Achse des durchlässigen Reflexionsgitters angeordnet sind, reflektiert und durch das Substrat hindurch zur Reflektorgruppe zurückgeworfen werden und ihren Weg zum Transducer zurücklaufen. Der Transducer ist in diesem Falle zeitmultiplexiert, um in geeigneten Zeitspannen als Sender bzw. Empfänger zu fungieren. Ein zweiter Transducer, eine zweite Reflektorgruppe sowie eine zweite reflektierende Kante sind für eine hierzu senkrechte Achse vorgesehen, um die Bestimmung einer Berührungskoordinate entlang zueinander senkrechter Achsen zu ermöglichen. Ein "Dreifachtransit-System" sieht einen einzelnen Transducer vor, welcher eine Abfühlwelle für die Detektierung einer Berührung auf zwei orthogonalen Achsen erzeugt und die Welle sowohl erzeugt als auch von beiden Achsen empfängt. Siehe US-Patente Nr. 5,072,427, 5,162,618 und 5,177,327. Die überwältigende Mehrheit gegenwärtiger kommerzieller Produkte basiert auf Rayleigh-Wellen. Rayleigh-Wellen gewährleisten eine nutzbare Leistungsdichte an der Berührungsoberfläche auf Grund der Tatsache, dass sie an die Berührungsfläche gebunden sind. Eine Rayleigh-Welle besteht aus einer Welle mit vertikalen und transversalen Wellenkomponenten, wobei sich Substratpartikel entlang einem elliptischen Weg in einer vertikalen Ebene bewegen, die die Achse der Wellenausbreitung einschließt, und die Wellenenergie mit zunehmender Tiefe im Substrat abnimmt. Mit Rayleigh-Wellen sind sowohl Scherspannungen als auch Druck-/Zugspannungen verbunden.
Mathematisch existieren Rayleigh-Wellen nur in halbunendlichen Medien. In realisierbaren Substraten endlicher Dicke kann die resultierende Welle präziser als Quasi-Rayleigh-Welle bezeichnet werden. Hier wird davon ausgegangen, dass Rayleigh-Wellen nur in der Theorie existieren, und deshalb ist mit einem Verweis darauf eine Quasi-Rayleigh-Welle gemeint. Zu technischen Zwecken reicht es aus, wenn das Substrat eine Dicke von 3 bis 4 Rayleigh-Wellenlängen aufweist, um die Ausbreitung von Rayleigh-Wellen über Entfernungen zu unterstützen, die für eine Tastbildschirm-Konstruktion interessant sind.
Neben Rayleigh-Wellen beinhalten akustische Wellen, die an der Oberfläche berührungsempfindlich sind, d. h., dass eine Berührung auf der Oberfläche zu einer messbaren Dämpfung akustischer Energie führt, ebenfalls, aber nicht ausschließlich, Lamb-Wellen, Love-Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen der Ordnung Null (ZOHPS-Wellen) und horizontal polarisierte Scherwellen höherer Ordnung (HOHPS-Wellen). Siehe WO 96/33479, US 5,591,945 , US 5,329,070 , US 5,260,521 , US 5,234,148 , US 5,177,327 , US 5,162,618 und US 5,072,427 .
Wie Rayleigh-Wellen sind Love-Wellen ebenfalls "oberflächengebundene" Wellen, d. h. Wellen, die an eine Oberfläche gebunden bzw. von ihr geleitet werden und von der anderen Oberfläche des Substrats nicht beeinflusst werden unter der Voraussetzung, dass das Substrat dick genug ist. Anders als bei Rayleigh-Wellen ist die Partikelbewegung bei Love-Wellen horizontal, d. h. parallel zur Berührungsfläche und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Mit einer Love-Welle ist nur Scherspannung verbunden.
Eine andere Klasse akustischer Wellen, die in Verbindung mit akustischen Tastbildschirmen vielleicht interessant ist, sind Plattenwellen. Dazu gehören die horizontal polarisierten Scher-Plattenwellen niedrigster Ordnung (ZOHPS-Wellen) und höherer Ordnung (HOHPS-Wellen) sowie Lamb-Wellen verschiedener Symmetrien und Ordnungen.
Es ist bekannt, dass Gruppierungen reflektierender Elemente mit gleichmäßiger Beabstandung bzw. gleichmäßigen Abstandsinkrementen einfallende Strahlung beugen oder streuen können, einschließlich akustischer Wellen. Die bekannte, oben erörterte Adler-Tastbildschirm-Konstruktion verwendet eine Reflektorgruppe, um eine akustische Welle in einem vorbestimmten Winkel kohärent zu reflektieren. Die Tastbildschirm-Konstruktionen gemäß den US-Patenten Nr. 5,072,427 und 5,591,945 erweitern dieses Prinzip, indem sie eine Reflektorgruppe vorsehen, welche eine akustische Welle in einem vorbestimmten Winkel an der Oberfläche kohärent reflektiert und gleichzeitig einen Wellenmodus der Welle umwandelt. Es ist somit bekannt, dass die Wechselwirkung zwischen einer akustischen Welle und einem Beugungsgitter Wellenenergie zwischen diversen Wellenmodi umwandeln kann.
Die von den akustischen Wellen abgefühlten Berührungen können unter anderem von einem Finger oder Taststift stammen, der direkt oder durch eine Abdeckfolie/-schicht hindurch indirekt auf die Oberfläche drückt. Siehe z. B. US-Patent 5,451,723, das ein akustisches Scherwellenmodus-Sensorsystem und Kanten-Transducer verwendet. Beim Einsatz von Keil-Transducern, die häufig in akustischen Berührungssensoren mit Rayleigh-Wellen-Betrieb verwendet werden, gestaltet sich die Montage einer Abdeckschicht auf der Stirnfläche schwierig, und zwar wegen mechanischer Beeinträchtigung zwischen der Abdeckschicht und den Keil-Transducern. Wie bei der Flüssigkristall-Tastbildschirm-Konstruktion kompliziert der Einsatz von Keil-Transducern die mechanische Konstruktion und schränkt unter Umständen Optionen ein.
Eine Vorgehensweise zur Behandlung dieser mechanischen Beeinträchtigungen durch Keil-Transducer wird in der am 4. März 1996 eingereichten US-Patenanmeldung Seriennummer 08/610,260 beschrieben. Wie hierin dargelegt, lässt sich ein Keil-Transducer auf einer Abschrägung der vorderen Oberfläche neben dem Berührungsbereich anbringen, wodurch der Keil-Transducer unter die Oberfläche des Tastbildschirm-Substrats versenkt wird, jedoch akustische Verluste entstehen. Im Gegensatz zu den Erfordernissen einer Flüssigkristall-Tastbildschirm-Konstruktion führen solche Konstruktionen im Allgemeinen zu breiteren Umrandungen des Tastbildschirms.
Die Abhandlung von Masao Takeuchi und Hiroshi Shimizu, "Theoretical analysis of grating couplers for surface acoustic waves" ["Theoretische Analyse von Gitterkopplern für akustische Oberflächenwellen"], Journal of the Acoustic Society of Japan, 36 (11): 543–557 (24.06.1980), offenbart (einen) Gitter-Transducer sowie die theoretischen Rahmenbedingungen ihres/seines Betriebs^[3]. Siehe auch die publizierte Forschungsarbeit von Masao Takeuchi und Hiroshi Shimizu von der Universität Tohuku über "Unidirectional excitation of plate waves in a periodic structure" ["Unidirektionale Plattenwellenanregung in einer periodischen Struktur"] (in japanischer Sprache) (1991). Siehe auch J. Melngailis und R. C. Williamson, "Interaction of Surface Waves and Bulk Waves in Gratings: Phase shifts and Sharp Surface Wave/Reflected Bulk Wave Resonanzes" ["Interaktion von Oberflächenwellen und Volumenwellen in Gittern: Phasenverschiebungen und scharfe Resonanzen von Oberflächenwellen/reflektierten Volumenwellen"], Proc. 1978 IEEE-Ultraschall-Symposion, S. 623, Herman A. Haus, Annalisa Lattes und John Melngailis, "Grating Coupling between Surface Acoustic Waves and Plate Modes" ["Gitterkopplung zwischen akustischen Oberflächenwellen und Plattenmodi"], IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics [IEEE-Tagungsberichte über Schall- und Ultraschalltechnik], S. 258 (September 1980).
Die unkonvertierte Volumenwelle vom piezoelektrischen Transducer, die nicht an z. B. Rayleigh-Wellen gekoppelt ist, dringt bei einem Keil-Transducer nicht in das Tastbildschirm-Substrat ein und wird im Keilmaterial in Wärme umgewandelt. Im Gegensatz dazu nimmt bei einer Oberflächen-Gitteranordnung die vom piezoelektrischen Transducer kommende Volumenwellenenergie, welche am Gitter nicht in beispielsweise Rayleigh-Wellen umgewandelt wird, die Form parasitärer Volumen- oder Plattenwellen an, die sich im Substratmaterial selbst fortpflanzen.
Wie von Takeuchi et al. (1980) demonstriert wurde, liegt eine theoretische Obergrenze des Konversionswirkungsgrades für einfallende Volumenwellenenergie in Rayleigh-Wellen-Energie bei 81%; dadurch bleibt ein theoretisches Minimum von 19% an Volumenwellenenergie in der Form parasitärer Wellen übrig. Selbst dieser Wirkungsgrad ist in der Praxis schwer zu erreichen; siehe Erörterung des "F"-Faktors bei Takeuchi et al. (1980). Es ist somit klar, dass ein Gitter-Transducer einen signifikanten Nachteil gegenüber Keil-Transducern aufweist: starke Erzeugung parasitärer Wellen. Für typische Anwendungsgebiete von Ultraschall-Transducern, wie etwa zerstörungsfreie Prüfung, ist eine derartig starke Erzeugung parasitärer Wellen häufig inakzeptabel. Selbst bei Tastbildschirmen würde es als problematisch angesehen werden, wenn man mit der Erzeugung signifikanter parasitärer Wellen rechnen müsste, die sich in der Ebene des Substrats parallel zur erwünschten Welle ausbreiten. Ähnliche Überlegungen gelten für die Empfindlichkeit von im Empfangsmodus arbeitenden Gitter-Transducern gegenüber parasitären Wellen.
Es ist bekannt, dass unerwünschte parasitäre Wellen ein Problem für zumindest einige Beispiele einer akustischen Tastbildschirm-Konstruktion darstellen können. Siehe z. B. die 13, 14 und 17 und den zugehörigen Text des US-Patents 5,260,521. Berührungserkennungsalgorithmen in kommerziellen Tastbildschirm-Controllern erfordern, dass das Nutzsignal frei von Interferenz durch parasitäre Störsignale ist.
Der Fachaufsatz von R. F. Humphryes und E. A. Ash, "Acoustic Bulk-surface-wave transducer" ["Akustischer Oberflächen-Volumenwellen-Wandler"], Electronics Letters (Band 5 Nr. 9), 1. Mai 1969, beinhaltet eine Abhandlung über einen Gitter-Transducer, der asymmetrische Gitterzacken als Mittel zum Bau eines unidirektionalen Transducers verwendet. Diese zitierte Arbeit zieht auch ein Paar von Gittern auf gegenüberliegenden Substratflächen als Mittel zur Übertragung von Rayleigh-Wellen von der einen auf die andere Oberfläche in Betracht.
US-Patent 5,400,788 offenbart in den 12, 13 und 14 eine Transducer-Anordnung, bei der Rayleigh-Wellen mittels Gittern mit Volumenwellen gekoppelt werden. Interdigital-Transducer auf einem piezoelektrischen Substrat erzeugen Rayleigh-Wellen, die anschließend über Gitter in Druck-Volumenwellen umgewandelt werden, die sodann in einen Akustikwellenleiter (der optional zugleich ein Lichtwellenleiter ist) eingekoppelt werden. Die Interdigital-Elektroden und die Gitter bilden Kreisbogenabschnitte.
US-Patent 5,673,041, "Reflective mode ultrasonic touch sensitive switch" ["Ultraschall-Berührungsschalter im reflektiven Modus"] offenbart einen Ultraschall-Berührungssensor, der einen Dickenresonanzmodus eines Tastfeldsubstrats ausnutzt. Eine Gruppierung transparenter piezoelektrischer Elemente, die beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) geformt sind, wird mit der Rückseite des Substrats (z. B. Glass) verbunden. Die Impedanzeigenschaften der piezoelektrischen Elemente, welche an den Dickenresonanzmodus des Substrats ankoppeln, werden durch Elektronik überwacht. Eine Berührung mit dem Finger absorbiert akustische Energie, dämpft die Dickenresonanz und ändert dadurch den Q-Faktor (Qualitätsfaktor) des resonanten Systems und somit die Impedanzeigenschaften der an die Dickenresonanz ankoppelnden piezoelektrischen Elemente. Dieses Schema verwendet somit die bekannte Dämpfung akustischer Wellen durch ein absorbierendes Objekt und benutzt weder Streustruktur noch Gitter.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Transducersystem für einen akustischen Tastbildschirm bereit, in dem ein akustisch emittierendes Element, zum Beispiel ein piezoelektrisches Element, in einem Medium Volumenwellen hervorruft, die dann mit einer Gitterstruktur zusammenwirken, so dass eine nutzbare Plattenwelle bzw. oberflächengebundene Welle, z. B. eine Rayleigh-Welle, Love-Welle oder HOHPS-Welle, erzeugt wird. Eine an ein piezoelektrisches Element gekoppelte Volumenwelle interagiert folglich mit der Gitterstruktur und wird in einen Wellenmodus (Wellentyp) umgewandelt, der durch eine oder mehrere Oberflächen des Substrats beschränkt ist und an mindestens einer Oberfläche über beträchtliche Energie verfügt. Unter Anwendung dieser allgemeinen Prinzipien ist eine Vielzahl von Tastbildschirm-Konfigurationen möglich. Normalerweise sind Volumenwellenmodi selbst ungeeignet zum Einsatz in Tastbildschirmen und müssen in brauchbarere Wellenmodi umgewandelt werden.
Gemäß der Erfindung interagiert die Volumenwelle mit einem Gitter an der Oberfläche, wobei sie sich in Bezug auf den lokalen Bereich der Oberfläche in einem von Null verschiedenen Winkel ausbreitet. Optional kann das Gitter zusätzlich zu oder anstatt einer Oberflächen-Gitterstruktur eine signifikante Komponente innerhalb der Substratmasse haben. Das Gitter selbst umfasst mindestens ein Streuzentrum, das an Akustikwellenmodi koppeln kann; praktisch erfolgt eine effiziente Wellenumwandlung mit einer Menge periodischer Störungen, die linear, gekrümmt, punktförmig sein oder andere Formen aufweisen können. Ein lineares Gitter, z. B. eines, in dem die Elemente über die Breite des Schallstrahls hinausgehend angeordnet sind, wird als eindimensionales Streuelement angesehen und erzeugt üblicherweise gestreute akustische Wellen, die entlang einer Achse leicht divergieren. Elemente, die mit einem Teil der akustischen Welle interagieren und die z. B. Punkt-Streuzentren oder kurze, längliche Elemente sind, können Streuung in mehrere verschiedene akustische Wellen hervorrufen, wobei jede potentiell einen unterschiedlichen Wellenmodus oder eine andere Ausbreitungsachse aufweist. Elemente, die gekrümmt oder entlang gekrümmter Linien ausgerichtet sind, können als akustische Linsen fungieren, welche im Vergleich zu einem linearen Gitter mit ansonsten ähnlichen Eigenschaften die akustische Welle konvergieren oder divergieren lassen.
Die Erfinder der Erfindung haben festgestellt, dass dann, wenn Volumenwellen, welche Longitudinalwellen (Druckwellen) und/oder Transversalwellen (Scherwellen) sein können, sich durch das Substrat in Richtung auf eine Struktur mit periodischer Störung auf einer Oberfläche des Substrats ausbreiten, die Volumenwellen mittels der periodischen Störung in oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen umgewandelt werden. Anschließend können die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen dazu benutzt werden, in einem für Berührung empfindlichen Bereich des Tastfeldes, der beispielsweise mit einem Anzeigebereich des Tastfeldes übereinstimmen kann, die Position einer Berührung (eine Kontaktposition bzw. Eingabeposition) mit hoher Präzision zu erfassen und somit den Bedarf für einen Keil-Transducer zu verringern. In einer typischen Ausführungsform werden die Wellen von einem akustischen Druckwellenmodus-Transducer auf einer Oberfläche des Substrats erzeugt, der im Substrat eine auf ein Gitter bzw. einen Satz von Streuelementen gerichtete Volumenwelle erzeugt. Obwohl Gitter-Transducer selbst eine signifikante Kopplung an parasitäre Wellen im Substrat aufweisen, haben die Erfinder überraschenderweise herausgefunden, dass bei einem kompletten Tastbildschirm mit integrierten Gitter-Transducern die Auswirkungen von Störsignalen ziemlich leicht zu handhaben sind.
Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein akustisches Transducersystem bereitgestellt, einschließlich Rayleigh-Wellen-Transducer, das sich für Polymer-Substrate eignet. In US-Patent 5,162,618, Spalte 5, Zeilen 42–44, wird auf ein Kunststoff-Substrat für einen Tastbildschirm verwiesen, der Scher-Plattenwellen verwendet; es wird nicht erläutert, wie Rayleigh-Wellen in einem Kunststoff-Substrat erzeugt werden könnten. Der Keilwinkel gegenüber dem piezoelektrischen Element eines Keil-Transducers wird mit folgender Formel angegeben: cos(θ) = VP(Keil)/VR(Substrat)
Für ein gegebenes Material beträgt die Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit V_R üblicherweise die Hälfte der Druckwellengeschwindigkeit V_P. Um einen Keil-Transducer konstruieren zu können, d. h., dass cos(θ) kleiner als eins sein soll, muss die Druckwellengeschwindigkeit im Keilmaterial geringer als etwa die halbe Druckwellengeschwindigkeit im Substrat sein. Dies lässt sich erreichen, wenn das Substratmaterial, z. B. Glas, eine relativ hohe Schallgeschwindigkeit aufweist und das Keilmaterial, z. B. Acryl, eine relativ niedrige Schallgeschwindigkeit aufweist. Wenn dagegen das Substrat aus Polymermaterial besteht und somit eine niedrige Schallgeschwindigkeit aufweist, ist es schwierig, ein akzeptables Keilmaterial mit der erforderlichen viel geringeren Schallgeschwindigkeit zu finden. Um Polymer-Tastbildschirme, bei denen Rayleigh-Wellen auf einem Polymer-Substrat erzeugt und empfangen werden, praktikabel zu gestalten, wird somit eine Alternative zum Keil-Transducer benötigt. Die vorliegende Erfindung eliminiert deswegen die Berücksichtigung der Brechungseigenschaften eines Keilmaterials und macht statt dessen von einem Beugungsprinzip zur Umwandlung von Wellenmodi Gebrauch.
Gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt das Gitter vorzugsweise die kohärente Streuung mehrerer Streuzentren. Somit kann ein Gitter aus einer Gruppierung mit mindestens einer signifikanten Fourier-Komponente bestehen, die der angestrebten Braggschen Beugungskopplung zwischen der Volumenwelle und der erwünschten Welle entspricht. Die horizontale Komponente des Wellenvektors der Volumenwelle koppelt in diesem Falle an den Wellenvektor einer Plattenwelle bzw. oberflächengebundenen Welle. Ein Gitter kann als Oberflächenstruktur gegeben sein, wobei die Volumenwelle in einem Winkel schräg zur Oberfläche des Substrats auf das Gitter einfällt. Alternativ kann man das Gitter in das Substrat einlassen oder nichtplanar gestalten. Die Grundprinzipien des Gitter-Transducer-Betriebs sind weitgehend unabhängig von den Details der Gitterstruktur, auch wenn Asymmetrie der Gitterstruktur zu Richtungsabhängigkeit führen kann. Die Gitter können aus Elementen geformt sein, die sich als Rillen, Grate, aufgebrachtes Material, aufgefüllte Rinnen, eingelassene Strukturen (akustisch reflektierende Elemente unter der Substratoberfläche) mit verschiedenen Profilen darbieten; diese können rechteckige, sinusförmige, sägezahnartige und sonstige symmetrische oder asymmetrische Formen umfassen. Faktisch sind für einen in Form hergestellten Gitter-Transducer für ein Polymer-Substrat die glatten Kanten eines sinusförmigen Gitters zu bevorzugen. Es wird festgestellt, dass wegen der Symmetrie und Beabstandung der Elemente die Wirkung der Gitterelemente für die Grundfrequenz im wesentlichen gleich ist, auch wenn das Gitter in Bezug auf Oberschwingungen (Harmonische) verschiedene Eigenschaften aufweisen wird.
Für die vorliegenden Zwecke kann ein Gitter als Bereich eines Sensor-Untersystems betrachtet werden, in dem die akustischen Eigenschaften des Mediums dergestalt moduliert wurden, dass eine Streuzentren-Verteilung hergestellt wird, welche für einen oder mehrere Punkte im zweidimensionalen Wellenvektorraum signifikante Fourier-Transformierten-Amplituden aufweist. Ein Gitter mit mehreren Einfangwinkeln besitzt für zwei oder mehrere Punkte im 2-D-Wellenvektorraum eine signifikante zweidimensionale Fourier-Transformierten-Amplitude. Das Gitter kann ein planares Gitter sein oder eine körperhafte beugende Struktur aufweisen, die z. B. aus selektiv aufgetragenen Gittermaterial-Schichten gebildet wird.
Durch Kopplung in mehreren Richtungen ergibt sich eine gewisse Verringerung des Wirkungsgrades, und zur Vermeidung parasitärer Störsignale ist eventuell mehr Sorgfalt vonnöten; andererseits können die geringere Komponentenzahl und die Kompaktheit und einfache mechanische Konstruktion unter bestimmten Umständen von Vorteil sein. Beispielsweise kann ein einzelner Empfangstransducer sowohl X- als auch Y-Signale empfangen.
In einigen Fällen kann es zu Fertigungszwecken praktisch sein, reflektierende Gruppierungen bzw. Gitter auf Materialstreifen anzufertigen, die dann mit dem übrigen Substrat verbunden werden; siehe US-Patent 4,746,914, Spalte 9. Demzufolge kann aus Gründen zweckmäßiger Fertigung oder der Verpackungsgestaltung eine Verbundstruktur eingesetzt werden.
Bei der akustisch emittierenden bzw. empfindlichen Struktur, die Bestandteil des akustischen Transducers ist, handelt es sich typischerweise um ein piezoelektrisches Element, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt. Ein Transducer ist eine Struktur, die Energie von einer Form in eine andere umwandelt, und kann bidirektional sein. Unter anderem sind z. B. elektroakustische Transducer, optoakustische Transducer, magnetoakustische Transducer, akusto-akustische Transducer (wandeln Energie von einem Akustikwellenmodus in einen anderen um) und thermoakustische Transducer erhältlich.
Ein piezoelektrisches Element hat normalerweise die Form eines dünnen, rechteckigen Plättchens mit leitenden Teilen, die als Elektroden dienen, und einem piezoelektrischen, ansprechenden Material dazwischen. Wenn an den Elektroden ein oszillierendes Spannungssignal angelegt wird, lässt das resultierende elektrische Feld im piezoelektrischen Material über den piezoelektrischen Effekt das Element vibrieren, je nach Beschaffenheit des piezoelektrischen Materials, Anordnung der Elektroden und den mechanischen Begrenzungen oder Kopplungen. Im umgekehrten Fall, wenn das Element mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird, tritt an den Elektroden eine oszillierende Spannung auf.
Für den Modus der mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Elements gibt es mehrere Optionen. Eine gängige Möglichkeit ist die Kompressions-/Dekompressions-Schwingung niedrigster Ordnung relativ zu der dünnen Dimension des Elements; ein derartiges Element koppelt an Körperdruckwellen oder andere Akustikwellenmodi mit einer signifikanten longitudinalen Komponente. Eine weitere Option ist eine Scherschwingung niedrigster Ordnung, bei der sich eine elektrodentragende Oberfläche antiparallel zur gegenüberliegenden Fläche bewegt; solch ein Element koppelt an Volumen-Scherwellen und andere Akustikwellenmodi mit Scherkomponenten. Die Richtung der Scherbewegung kann so ausgelegt werden, dass sie einer beliebigen Richtung innerhalb der Ebene der Elektroden entspricht. Komplexere Optionen sind ebenfalls möglich. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung lassen sich diverse Sätze von Abfühlwellen, die sich im Substrat ausbreiten, ihrem Ausbreitungsmodus entsprechend durch selektive Kopplung mit passenden modensensitiven Transducern unterscheiden.
Piezoelektrische Elemente sind üblicherweise so konstruiert, dass sie bei der Betriebsfrequenz für den Soll-Schwingungsmodus eine Resonanzfrequenz aufweisen. Für Druckschwingung niedrigster Ordnung ergibt sich die Resonanzfrequenz aus der Volumendruckwellen-Geschwindigkeit (im piezoelektrischen Material) geteilt durch die zweifache Dicke des piezoelektrischen Elements, so dass die Dicke des piezoelektrischen Transducerelements eine halbe Wellenlänge beträgt. In ähnlicher Weise beträgt die Dicke eines piezoelektrischen Elements, das mit Scherschwingung niedrigster Ordnung arbeitet, die Hälfte einer Volumen-Scherwellenlänge. Das piezoelektrische Element ist in der in einem Tastbildschirm verwendeten Form auf Grund der Kopplung an akustische Wellen im Substrat ein gedämpfter mechanischer Oszillator.
In einer Ausführungsform der Erfindung besitzt das piezoelektrische Element eine lineare Reihe von Bandelektroden, die individuell angesteuert werden. Wenn es mit dem Substrat gekoppelt wird, z. B. mit einer Kante einer Glasplatte, wobei die Elektrodenreihe entlang der Dicke des Glases angeordnet ist, wird ein Transducer mit phasengesteuerter Anordnung gebildet. In einer einfachsten Ausführungsform beträgt die Beabstandung der Elektroden die Hälfte der gewünschten Volumenwellenlänge geteilt durch den Kosinus eines gewünschten Ausbreitungswinkels; dies macht es möglich, dass alternierende Elektroden elektrisch parallel sind und somit einen modenselektiven Zweielektroden-Transducer bilden, der akustische Wellen unten im Substrat diagonal sowohl nach oben als auch nach unten erzeugt. Allgemeiner gesagt, kann jede Elektrode der phasengesteuerten Anordnung separat angeregt bzw. ausgewertet werden; dies erlaubt die Kopplung an akustische Wellen mit einer Wellenlänge, die größer als das Doppelte der Beabstandung zwischen den Elektroden ist, wodurch unter Umständen Richtungsselektivität möglich wird.
Der sendende Transducer wird mit einer Sinuswellen- oder Pseudosinuswellen-Tonimpulsfolge bei Sollfrequenz vom Controller (Steuereinheit) angeregt. Diese Impulsfolge hat üblicherweise ein Leistungsspektrum mit einem Maximum bei einer Nennbetriebsfrequenz. Normalerweise ist der Sensor für den Einsatz bei einer bestimmten Frequenz bzw. Frequenzgruppe optimiert, und deshalb ist dieser Parameter vorgegeben. Siehe US-Patente Nr. 4,644,100, Re. 33,151 und 4,700,176.
Das Grundkonzept eines Gitter-Transducers ist das folgende: Ein piezoelektrisches Element wird direkt mit dem Substrat verbunden und koppelt an Volumenwellen innerhalb des Substrats. Diese Volumenwellen koppeln dann mittels eines Gitters an den gewünschten Akustikwellenmodus für den Tastbildschirmbetrieb. Der gewünschte Akustikwellenmodus kann eine Rayleigh-Welle sein.
Gitter-Transducer benötigen im Gegensatz zu Keil-Transducern keinen Keil und haben deshalb ein kleineres mechanisches Profil. Das ist zumal für Flüssigkristall-Tastbildschirme (LCD-Tastbildschirme) von Bedeutung.
Der Gitter-Transducer ist besonders vorteilhaft, weil er die Notwendigkeit der präzisen Winkelausrichtung einer Keil-Transducer-Untergruppe auf der Oberfläche des Substrats eliminiert. Bei einem Gitter-Transducer erfordert die Winkelausrichtung des Gitters ähnliche Toleranzen. Diese Toleranzen lassen sich jedoch durch Standard-Druckverfahren leicht einhalten. Für die Platzierung des piezoelektrischen Elements auf der Substratoberfläche sind die Toleranzen viel großzügiger.
Die Gitter 5a', 5b', 8a' und 8b' in 4, die zur Y-Achse parallel oder schräg verlaufen oder gekrümmte längliche oder unterbrochene Elemente sein können, koppeln an Volumenwellen und die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen über die zweidimensionale Braggsche Streuungsbedingung^[4] in der horizontalen (x/y-)Ebene, die durch die lokale Oberfläche des Substrats definiert ist. Es sei κ der Wellenvektor der oberflächengebundenen Welle oder Plattenwelle. Dies ist ein Vektor in der x/y-Ebene, wie in 4 angegeben, dessen Richtung der Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle entspricht und dessen Betrag 2π/λ ist, wobei λ die Wellenlänge der oberflächengebundenen Welle oder Plattenwelle ist. Es stehe (κ_B)|| für die horizontale Projektion, d. h. die x- und y-Komponenten, des Wellenvektors der Volumenwelle. θ_B sei definiert als der Winkel zwischen κ und (κ_B)||, wobei θ_BT der Winkel für die Konversion von der Volumenwelle zur Oberflächen- oder Plattenwelle und θ_BR der Winkel für die Konversion von der Oberflächen- oder Plattenwelle zur Volumenwelle sei, unterschiedlich bezeichnet, um kenntlich zu machen, dass die gekoppelten Volumenwellenmodi differieren können und daher die jeweiligen Streuwinkel verschieden sein können. Es sei κ_B eine signifikante Fourier-Komponente des Gitters. Die zweidimensionale Braggsche Streuungsbedingung ist erfüllt, wenn folgende Gleichung erfüllt ist: ±κB = κ – (κB)||
Es gibt zahlreiche Sonderfälle für diese fundamentale zweidimensionale Braggsche Streuungsbedingung. Einige Beispiele sind unten angeführt.
In dem Sonderfall, dass κ und (κ_B)|| parallel sind, d. h., wenn θ_E = 0°, und das Gitter eine periodische Struktur linearer Gitterelemente ist, welche senkrecht zu κ mit der Beabstandung p verlaufen, dann reduziert sich die obige Relation auf folgende skalare Bedingung, wobei n eine ganze Zahl ist: 2πn/p = κ – κBsinθB
Wenn ausserdem die gewünschte oberflächengebundene Welle oder Plattenwelle eine Rayleigh-Welle mit der Wellenlänge λ_R ist (und die Volumenwellenlänge λ_B beträgt), reduziert sich diese Relation noch weiter auf folgende Gleichung: θB = arcsin(λB/λR + nλB/p) (n = ..., –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, ...) (1a)
Der interne Winkel θ_B in der Gleichung 1a kann generell aus dem Bereich (in Radianten) von –π/2 < θ_B < π/2, vorzugsweise –3π/8 < θ_B < 3π/8, noch besser –π/4 < θ_B < π/4 ausgewählt werden.
Die für die Berührungsfühlung verwendete Welle kann jede akustische Welle sein, die durch eine Berührung auf einer Oberfläche eines Substrats erkennbar gestört wird. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten zur Auswahl oberflächengebundener Wellenmodi bzw. Plattenmodi. Rayleigh-Wellen weisen eine ausgezeichnete Berührungsempfindlichkeit auf und sind inhärent beschränkt auf ein dünnes Volumen in der Nähe der Berührungsfläche, selbst bei einem Substrat von beliebig großer Dicke. Horizontal polarisierte Scherwellen besitzen den Vorteil, dass sie schwach mit flüssigen und gelförmigen Schmutzstoffen wie beispielsweise Wasser und Silikongummidichtungen koppeln. Ein inhomogenes Substrat lässt sich speziell anpassen, so dass es neben der Unterstützung der Ausbreitung anderer Wellentypen die Ausbreitung horizontal polarisierter Scherwellen mit asymmetrischer Oberflächen-Leistungsdichte zulässt, inklusive Love-Wellen, die horizontal polarisierte Scherwellen sind, welche wie Rayleigh-Wellen in der Nähe der Berührungsfläche gefangen sind. Lamb-Wellen in einem ausreichend dünnen Substrat bieten noch eine weitere Möglichkeit zur Auswahl als Akustikwellenmodus. Bei der Wahl des optimalen Akustikwellenmodus für einen gegebenen Einsatzzweck muss der Ingenieur zwischen verschiedenen technischen Zielen Kompromisse finden.
In diesem Zusammenhang kann die Ausbreitung von Lamb-Wellen unterstützt werden durch ein oberes Substratteil mit einer geringeren Phasengeschwindigkeit, das mit einem unteren Substratteil mit höherer Phasengeschwindigkeit verbunden ist. Ähnliche Wellentypen, die allgemein als asymmetrische, horizontal polarisierte Scherwellen klassifiziert werden, können durch vertikale Phasengeschwindigkeitsgradienten von komplexerer Beschaffenheit in ihrer Ausbreitung unterstützt werden. Eine Mehrschicht-Struktur aus einer Schicht mit niedriger Geschwindigkeit auf einer Schicht mit hoher Geschwindigkeit auf einer akustisch absorbierenden Schicht kann die Ausbreitung von Love-Wellen unterstützen und gleichzeitig parasitäre Plattenwellen herausfiltern. Somit kann das Substrat Schichten mit unterschiedlichen Schallausbreitungseigenschaften und/oder akustischen Grenzschichten umfassen.
Das Substrat kann als flache Platte mit rechtwinkliger Form oder nicht-rechtwinkliger Form wie z. B. als sechseckige Platte gestaltet sein. Alternativ kann das Substrat entlang einer Achse oder beider Achsen als zylindrische, sphärische oder ellipsoide Fläche oder Abschnittsfläche gewölbt sein oder andere Konfigurationen aufweisen. Sphärische Substrate mit großem Raumwinkel und komplette zylindrische Substrate sind möglich. Zum Beispiel kann ein polygonaler Berührungssensor mit Reflektorgruppen auf jeder Seite und Transducern an jedem Eckpunkt bereitgestellt werden. Diese Erfindung ist nicht auf eine gängige rechteckige Sensorgeometrie beschränkt.
Es wird festgehalten, dass für die Zwecke dieser Anwendung das Substrat kein einzelnes monolithisches Gefüge sein muss, sondern statt dessen ein akustisch gekoppelter Satz von Elementen sein kann, welche homogen oder inhomogen sein können. Der akustische Weg vom sendenden Transducer zum empfangenden Transducer kann optional durch Bereiche des Substrats führen, die im Laufe des Fertigungsprozesses zusammengefügt wurden.
Anzumerken ist, dass gemäß den Konzepten, die in der ebenfalls schwebenden, am 12. August 1996 eingereichten US-Patentanmeldung Seriennr. 08/615,716 dargelegt sind, eine schwache Krümmung des Tastfeldes nicht erforderlich ist, und tatsächlich kann der vorliegende Gitter-Transducer in einer großen Zahl verschiedener Geometrien von akustischen Berührungseingabesensoren eingesetzt werden; dazu gehören auch stark unebene Oberflächen. Die US-Patentanmeldung Seriennr. 08/615,716 umfasst auch die Verwendung und Analyse multipler und/oder redundanter Abfühlwellen.
Ein großes Substrat kann auch in einer Anwendung mit z. B. einer großen Schreibtafel eingesetzt werden, bei der das Substrat über eine große Fläche berührungssensitiv ist. Akustische Sensoren vom Typ Adler wurden für den Einsatz in elektronischen Schreibtafeln in Betracht gezogen; siehe 10 und zugehörigen Text in der EP-Anmeldung 94119257.7 von Seiko Epson. Bei einer Schreibtafel-Anwendung braucht das Substrat nicht transparent zu sein und kann daher aus lichtundurchlässigem Material wie z. B. Aluminium geformt sein. Vorteilhafterweise können Aluminium und einige andere Metalle mit Email, das eine relativ geringe akustische Phasengeschwindigkeit aufweist, beschichtet werden, wodurch die Ausbreitung einer Love-Welle mit hoher Berührungsempfindlichkeit (im Vergleich zu horizontalen Scher-Plattenwellenmodi) auf der Stirnfläche unterstützt wird.
Zu den für das Formen des Substrats geeigneten Glasarten gehören Natronkalkglas, borhaltiges Glas wie z. B. Borsilikatglas, barium-, strontium- oder bleihaltiges Glas sowie Kronglas. Siehe zum Beispiel US-Patentanmeldung mit Seriennr. 081904,670 von Tsumura und Kent. Andere Materialien mit annehmbarer akustischer Dämpfung lassen sich ebenso verwenden; dazu gehören auch, aber nicht ausschließlich, Aluminium und Stahl. Unter bestimmten Bedingungen können geeignete Substrate auch aus einem Polymer geformt werden, z. B. aus Styron^®, einem Polymer mit geringer akustischer Dämpfung von Dow Chemical. Geeignete Substrate lassen sich ebenfalls aus Substraten mit inhomogenen akustischen Eigenschaften formen, z. B. aus einem Laminat. Das Laminat kann vorteilhafterweise die Ausbreitung von Love-Wellen mit auf der Stirnfläche konzentrierter Akustikwellenenergie unterstützen, z. B. ein Laminat aus Borsilikatglas oder Schott-B270-Glass und Natronkalkglas oder Email auf Aluminium.
Somit umfasst ein berührungsaktiviertes Koordinaten-Tasteingabegerät gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ausbreitungsmedium mit einer Oberfläche, auf welcher sich oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen ausbreiten können, ein Sendemittel, um Volumenwellen vom untersten Teil des Ausbreitungsmediums aus in einer schrägen Richtung zur Oberfläche des Ausbreitungsmediums hin abzustrahlen und mittels periodischer Störung oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen zu erzeugen, ein berührbarer Anzeigebereich, der auf der Oberfläche des Ausbreitungsmediums ausgebildet ist, ferner am Rande des Anzeigebereiches einander gegenüberliegende Reflexionsmittel in beiden Seitenteilen, um die vom Sendemittel kommenden oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen von einem der beiden Seitenteile über den gesamten Anzeigebereich zu verbreiten sowie die sich ausbreitenden oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen im anderen Seitenteil zu fokussieren bzw. umzuwandeln, sowie Empfangsmittel, um die fokussierten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen mittels periodischer Störung in Volumenwellen umzuwandeln, die Volumenwellen in schräger Richtung auf den untersten Teil des Ausbreitungsmediums hin abzustrahlen und die abgestrahlten Volumenwellen zu empfangen.
In einigen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Ausbreitungsmedium aus einer flachen Platte oder einer schwach gekrümmten Platte. Ferner kann das Sendemittel ein erstes piezoelektrisches Mittel, das im untersten Teil eines ersten Eckbereichs des Ausbreitungsmediums angeordnet ist und der Abstrahlung von Volumenwellen in schräger Richtung auf die Oberfläche des Ausbreitungsmediums hin als Reaktion auf ein elektrisches Signal dient, sowie eine erste Gittervorrichtung umfassen, welche die vom ersten piezoelektrischen Mittel ausgehenden Volumenwellen an der Oberfläche des Ausbreitungsmediums in Oberflächenwellen umwandelt, und das Empfangsmittel kann eine zweite Gittervorrichtung zur Umwandlung der Oberflächenwellen an der Oberfläche des Ausbreitungsmediums in Volumenwellen und zur Abstrahlung der Volumenwellen in schräger Richtung auf den untersten Teil eines zweiten Eckbereichs des Ausbreitungsmediums hin sowie ein zweites piezoelektrisches Mittel umfassen, um die nach der Umwandlung durch die zweite Gittervorrichtung gewonnenen Volumenwellen im untersten Teil des zweiten Eckbereichs zu empfangen und ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Eine Ausführungsform der Erfindung liefert ein Adler-Tastbildschirmsystem, das Gitter-Transducer verwendet, um die piezoelektrischen Elemente an die Abfühlwelle im Substrat zu koppeln. Der Tastbildschirm bietet somit eine Koordinaten-Eingabevorrichtung, die ein Tastfeld mit einem lateral symmetrischen Anzeigebereich umfasst, auf dem sich oberflächengebundene oder Plattenwellen mit Ultraschallfrequenz ausbreiten können. In einem typischen System mit vier Transducern ist jeweils ein Transducerpaar für die x-Achse bzw. die y-Achse vorgesehen. Für jeden Transducer ist in einem Eckbereich des Tastfeldes eine schräge Fläche mit einem auf dieser Fläche angeordneten piezoelektrischen Transducer vorgesehen. Das piezoelektrische Element koppelt mit Volumenwellen, die sich entlang einer in Bezug auf ein sendendes Störungsfeld am Rande des Anzeigebereiches schräg verlaufenden Achse ausbreiten, wobei an diesem Rand eine Gitterstruktur angeordnet ist. Das Gitter koppelt die Volumenwellen an oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen; dadurch kann ein Volumenwellen-Transducer mit den oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen interagieren. Diese oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen laufen entlang einer Achse, auf der in der Nähe einer Peripheriekante des Tastfeldes eine Reflektorgruppe (reflektierendes Gitter) angebracht ist. Die Elemente der Reflektorgruppe koppeln jeweils einen Teil der oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen an eine durch das Tastfeld laufende Abfühlwelle und übertragen einen Teil zu einem benachbarten Element; dadurch koppeln sie eine aus dem ganzen berührungssensitiven Bereich kommende verteilte Abfühlwelle an einen schmalen akustischen Strahl, der sich mit dem Transducer koppeln lässt. Auf diese Weise kann jeder Transducer symmetrisch eine akustische Welle sowohl aussenden als auch empfangen. Die zwei Paare sind in rechten Winkeln angeordnet, um ein Koordinatensystem zu definieren. Anzumerken ist, dass das Gitter eine Fokussierfunktion erfüllen kann, um die Streuung des Schallstrahls auszugleichen.
Der akustische Weg kann auch zwischen den Streuvorgängen an den Sende- und Empfangsgruppen auf eine reflektierende Grenze treffen. Die reflektierende Grenze kann kohärente Streuung an einer Überlagerung von Streuzentren ausnutzen und kann, wenn das der Fall ist, unter Anwendung ähnlicher Prinzipien wie bei Reflektorgruppen konzipiert werden, die Segmenten von Schallwegen folgen. Es ist jedoch zu beachten, dass es bei reflektierenden Grenzen vorteilhaft sein kann, reflektierende Elemente zu verwenden, die eine stärkere Streuung bewirken. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass diese reflektierenden Grenzen brauchbare signifikante Fourier-Komponenten aufweisen können, die der Reflexion einer Welle mit oder ohne Modusänderung in der gleichen Ebene, oder einer Wellentypumwandlung entsprechen könnte, etwa aus einer Welle, die sich in der Ebene der Oberfläche ausbreitet, in eine Volumenwelle, die in einem Winkel schräg zur Oberfläche gerichtet ist.
Bei der Konstruktion der Reflektorgruppen ist mitunter technische Sorgfalt geboten, um die Bildung unerwünschter parasitärer akustischer Wege, die zu Signal-Artefakten führen können, zu minimieren. Bei der Verwendung von Gitter-Transducern müssen diese parasitären Wege in drei Dimensionen berücksichtigt werden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass trotz der Erzeugung signifikanter parasitärer akustischer Wellen entlang der Achse des piezoelektrischen Transducers funktionstüchtige Ausführungsformen hergestellt werden können. Bei einem Adler-Tastbildschirm interagiert die akustische Welle mit akustischen Reflektorgruppen. Die Reflektorgruppen dienen als Schmalbandfilter sowohl für die Wellenlänge als auch den Ausbreitungswinkel. Somit hat eine Reflektorgruppe eine hohe Richtungsempfindlichkeit, die in Verbindung mit der Richtungsempfindlichkeit des Transducers dazu dient, die Winkelakzeptanz des Systems zu begrenzen. Daher verursacht Streuwellenenergie in Systemen, in denen Volumenwellen-Störeffekte relativ geringe Energie aufweisen, selten substantielle Störungen des elektronischen Empfangssignals. Unter der Annahme, dass direkte Wege für parasitäre Wellen nicht existieren oder außerhalb eines nutzbaren Zeitfensters liegen und reflektierte Wege, die innerhalb des Zeitfensters liegen würden, gedämpft werden, ist unverhältnismäßiger Aufwand zum Blockieren von Störeffekten nicht erforderlich. Wenn sich ein störender parasitärer Weg als problematisch erweist, kann normalerweise eine geringfügige Änderung der Berührungssensorgeometrie das Problem beseitigen.
Wenn Volumenwellen-Störeffekte mit hoher Amplitude vorhanden sind, kann bei der Konstruktion der Gesichtspunkt der Dämpfung von Störeffekten von Bedeutung sein. Wird zur Umwandlung von Wellenmodi ein Gitter verwendet, werden höchstens 81% der einfallenden Akustikwellenenergie aus der Volumenwelle an einen bestimmten gewünschten Akustikwellenmodus gekoppelt. Somit werden mindestens 19% der einfallenden Wellenenergie als parasitäre Wellenenergie reflektiert bzw. gestreut, die sich häufig parallel zur erwünschten Welle fortpflanzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die gewünschte Welle selektiv entlang einer anderen Achse als die reflektierten bzw. gestreuten parasitären Wellen gestreut werden, und/oder das System kann mit einem oder mehreren mechanischen Filtern ausgerüstet werden, wie z. B. mit den Reflektorgruppen oder modenselektiven Filtern, oder mit elektronischen Filtern, wie etwa Zeit-Gatterungssystemen (time gating systems), um die Störungen durch parasitäre Wellen zu verringern. Eine weitere, besonders vorteilhafte Methode zur Reduzierung der Auswirkungen parasitärer Wellen besteht in der Verwendung eines piezoelektrischen Elements mit Scherwellenmodus, welches eine Volumenwelle mit Scherschwingung in einem geeigneten spitzen Winkel zur gewünschten oberflächengebundenen Welle oder Plattenwelle erzeugt. Diese Ausführungsform bietet mindestens zwei Vorteile. Erstens breitet sich die Energie reflektierter Wellen antiparallel zum gewünschten Wellenmodus aus und wird somit durch absorbierendes Material, das an einer Oberfläche entlang seines Weges eingesetzt wird, leichter gedämpft. Zweitens wird eine derartige Volumenwelle mit Scherungsschwingung nur an die gewünschte oberflächengebundenen Welle oder Plattenwelle gekoppelt, wodurch der "F"-Faktor nach Takeuchi et al. (1980) gleich Eins wird, was eine effiziente Wellenumwandlung impliziert.
Der Tastbildschirm ist üblicherweise mit einem Steuersystem mit mehreren Funktionen verbunden. Zunächst wird ein elektronisches Signal erzeugt, das den Transducer dazu anregt, eine akustische Welle zu erzeugen, die danach einen Satz von Wellen bildet. Ein Transducer empfängt anschließend den Satz von Wellen und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird empfangen, wodurch signifikante Informationen mit einer relativ hohen Datenrate in einem Steuersystem geringer Komplexität gewonnen werden. Bei vielen Ausführungsformen ist es nicht erforderlich, in den Empfangssignalen enthaltene Phaseninformationen zu erfassen. In manchen Fällen kann dies jedoch von Vorteil sein. Ein Steuersystem mittlerer Komplexität, das strukturell oft mit dem Steuersystem geringer Komplexität kombiniert wird, verarbeitet die Empfangsdaten und versucht dabei Störungen zu identifizieren und zu charakterisieren. Das Steuersystem mittlerer Komplexität filtert beispielsweise in einer Ausführungsform das Signal, führt eine Grundlinienkorrektur durch, bestimmt das Verhältnis des Signals zu einem Schwellwert und gattert das Signal, um Signale zu eliminieren, welche parasitäre Schallwege mit zu kurzer oder zu langer akustischer Laufzeit darstellen. Ein Steuersystem hoher Komplexität analysiert die Signalstörungen und liefert eine Berührungsposition. Das Steuersystem als Ganzes hat daher die Funktionen, eine akustische Welle anzuregen, Teile der akustischen Welle, die Berührungsdaten als Störung mit sich führen, zu empfangen und die empfangenen Teile zu analysieren, um Kenndaten der Berührung, d. h. die Position, zu extrahieren.
Der Umfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet Ausführungsformen, bei denen ein oder mehrere Sensor-Untersysteme Positivsignal-Systeme sind. Der Begriff "Positivsignal" bezieht sich hier auf die Verwendung angestrebter Schallwege, für die eine Berührung eine Wellentypumwandlung induziert, die zum kompletten Durchlaufen des Schallweges erforderlich ist, oder eine Welle erzeugt, die gegenüber der Ursprungswelle phasenverschoben ist. Infolgedessen handelt es sich bei der Signalstörung um die Erzeugung einer Signalamplitude bei einer Verzögerungszeit, für die die vorherige Signalamplitude klein oder gleich Null war. Siehe die ebenfalls schwebende, am 12. August 1996 eingereichte US-Patentanmeldung Seriennr. 08/615,716.
Die Anregungsfunktion kann eine Serie von Impulsen sein, oder es werden profilierte Impulse in einem definierten Muster abgestrahlt, die bei einer Nenn-Betriebsfrequenz oder^[5] mehreren Frequenzen eine beträchtliche Leistungsspektrumsdichte aufweisen. Da dieser Impuls von begrenzter Dauer ist, hat er eine endliche Bandbreite. Elo Touchsystems stellt z. B. einen Controller her, der Tonimpulsfolgen von 5,53 MHz mit einer Impulsdauer im Bereich von 6 bis 42 Schwingungen anregen kann; dies resultiert aufgrund der endlichen Erregungsdauer gegenüber beispielsweise der Bandbreite der Reflektorgruppen in der Anregung eines breiten Frequenzbandes. Diese elektronische Impulsfolge treibt üblicherweise ein piezoelektrisches Sendeelement. Wenn hohe Flexibilität der Kontrolle über die Erregungsimpulsfolge angestrebt wird, kann ein direkter Digital-Synthesizer, wie etwa Analog Devices AD9850, eingesetzt werden.
Zwar wurden Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung ohne substantielle Interferenz durch parasitäre Störsignale gebaut, doch könnten einige Konfigurationen es zulassen, dass Störsignale von begrenzter Dauer das Nutzsignal beeinflussen. In diesen Fällen kann es vorteilhaft sein, ein oder mehrere partiell redundante Sensor-Subsysteme vorzusehen, die unterschiedliche Störsignalempfindlichkeit aufweisen. Auf diese Weise kann, wenn ein von einem Transducer-Subsystem stammendes Signal bzw. ein Teil davon unbrauchbar wird, ein Signal von einem anderen Transducer-Subsystem verarbeitet werden, um dennoch eine Bestimmung der Berührungsposition zu ermöglichen. Deswegen kann gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Schallsignalstörung durch drei oder mehrere akustische Transducer-Subsysteme mit unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber parasitären oder potentiell parasitären Signalen abgefühlt werden. Außerdem können dann, wenn parasitäre Signale keine Beeinträchtigung darstellen, anhand der Zusatzinformationen weitere Daten und Funktionalität zur Verfügung gestellt werden, inklusive Verarbeitung von Anti-Schatteneffekt-Algorithmen und der Erfassung mehrfacher Berührungen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine akustische Berührungsfühlervorrichtung und -methode bereitzustellen, die ein Substrat mit einer Oberfläche und einem Akustikwellen-Transducer zur Umwandlung einer Volumenwelle im Substrat verwendet, die sich durch das Substrat entlang einer die Oberfläche schneidenden Achse ausbreitet, wobei Energie der Volumenwelle an eine Welle gekoppelt wird, die einen umgewandelten Wellenmodus mit beträchtlicher Energie an der Oberfläche aufweist und sich entlang der Oberfläche ausbreitet. Eine Störung des umgewandelten Wellenmodus wird erfasst. Der Akustikwellen-Koppler besteht z. B. aus einem akustisch diffraktiven Element bzw. Satz von Elementen. Üblicherweise umfasst ein System Mittel zum Detektieren einer Störung der Energie der umgewandelten Welle.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines akustischen Tastbildschirms, der ein Ausbreitungsmediums mit einer Oberfläche zur Ausbreitung einer akustischen Welle entlang der Oberfläche umfasst, ferner ein Sendeelement zur Erzeugung einer Volumenwelle im Ausbreitungsmedium, einen ersten Wellentypumwandler zur Erzeugung der akustischen Welle aus der Volumenwelle, einen zweiten Wellentypumwandler zum Empfang der akustischen Welle vom ersten Wellentypumwandler und zur Erzeugung einer korrespondierenden Volumenwelle sowie ein Empfangselement zum Empfang der Volumenwelle vom zweiten Wellentypumwandler, wobei mindestens einer der Wellentypumwandler einen Satz von wenigstens einem Wellenstreuelement oder eine diffraktive Akustikwellentypen-Kopplungsstruktur umfasst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Substrat für eine akustische Abfühlvorrichtung mit einem Zentralbereich und einem Oberflächenpaar bereitzustellen, welche einen akustischen Transducer umfassen, der mit dem Substrat gekoppelt ist, und der darin eine Volumenwelle mit einer Ausbreitungsachse erzeugt, die mindestens eine der Oberflächen schneidet, ferner einen Satz von mindestens einem Streuelement, ausgebildet in unmittelbarer Nähe zu einer der Oberflächen und so gestaltet, dass es Akustikwellenenergie der Volumenwelle in eine kohärente Welle mit beträchtlicher Energie an einer der Oberflächen umwandelt, sowie Mittel zum Reflektieren von Teilen der umgewandelten Akustikwellenenergie durch den Zentralbereich hindurch. Die von den reflektierenden Mitteln kommende Akustikwelle wird räumlich gestreut.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, ein System zur Verfügung zu stellen, in dem die Akustikwellenquelle Mittel zur Aussendung von Volumenwellen in schräger Richtung auf die Substratoberfläche hin umfasst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems, in dem die Volumenwelle durch Interaktion mit mindestens einem Streuzentrum auf oder in dem Substrat an einen anderen Wellenmodus koppelt. Das Streuzentrum kann als Satz, der eine periodische Störung des Substrats liefert, oder als Gitterstruktur angeordnet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Keil-Transducer aus akustischen Tastbildschirmkonstruktionen eliminiert oder verlagert werden; dies bietet potentiell einen besseren Stirnflächenabstand und eine bessere Umweltbeständigkeit. Die Beseitigung der Anforderung eines Keils mit relativ kleiner Schallausbreitgeschwindigkeit im Vergleich zum Substrat ermöglicht die Verwendung von Substraten mit relativ geringer Schallausbreitgeschwindigkeit wie z. B. Kunststoffen.
Eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein akustisches Tastbildschirmsystem mit Transducern zur Verfügung zu stellen, die^[6] eine geringe Abgleichempfindlichkeit und potentiell reduzierte Fertigungskosten aufweisen.
Eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Bereitstellung von Transducern, welche konvergierende akustische Wellen erzeugen oder eine andere Fokussierung bzw. Funktionalität einer akustischen Linse bieten.
Diese und weitere Aufgaben werden im Folgenden verdeutlicht. Um die vorliegende Erfindung umfassend zu verstehen, sollte man nun die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung heranziehen, die auch in den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand von Zeichnungen der folgenden Figuren dargestellt:
1 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine akustische Tastbildschirmvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;
2 ist eine schematische Querschnittansicht, die die Beziehung zwischen einem gekrümmten Tastfeld und einer Blende darstellt;
3 ist eine schematische Querschnittansicht, die die Beziehung zwischen einem flachen Tastfeld und einer Blende darstellt;
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Umwandlungsmechanismus zwischen oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen und Volumenwellen;
5 und 6 sind schematische, perspektivische Vorder- bzw. Seitenansichten, die jeweils eine Ausführungsform einer Koordinaten-Eingabevorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellen;
7 zeigt eine empfangene akustische Wellenform mit einer berührungsinduzierten Störung;
8 zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem an einer rückseitigen Abschrägung befestigten piezoelektrischen Direktweg-Druckwellen-Transducer und stumpfem Einfallswinkel, mit einer Frontblende und Oberflächendichtung vor einem Flachbildschirm;
9 zeigt ein Gitter-Transducer-System, bei dem die Projektion der Ausbreitungsachse der Volumenwelle in der Ebene des Substrats von der Ausbreitungsachse der umgewandelten Welle abweicht;
10 zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem rückseitig befestigten piezoelektrischen Direktweg-Druckwellen-Transducer, welche eine Dickenresonanz im Substrat zwischen dem piezoelektrischen Transducer und den Streuelementen aufweist;
11 zeigt eine schematische Ersatzschaltung des piezoelektrischen Transducer-Substrat-Systems;
12 zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem an einer vorderen Abschrägung befestigten piezoelektrischen Reflexionsweg-Druckwehlen-Transducer, welcher eine Volumenwelle mit Scherungsschwingung erzeugt, und stumpfem Einfallswinkel;
13A zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Substrat, das Love-Wellen unterstützt, mit einem an einer rückseitigen Abschrägung befestigten, für Scherwellenmodus montierten piezoelektrischen Direktweg-Druckwellen-Transducer und stumpfem Einfallswinkel;
13B zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Substrat, das Love-Wellen unterstützt, mit einem an einer vorderen Abschrägung befestigten, für Scherwellenmodus montierten piezoelektrischen Reflexionsweg-Druckwellen-Transducer und stumpfem Einfallswinkel;
14A zeigt ein Gitter-Transducer-Tastbildschirm-System gemäß der vorliegenden Erfindung mit Gittern, die eine konvergierende akustische Welle abstrahlen;
14B zeigt eine schematische Darstellung der Wellentypumwandlung und Fokussiereffekte eines gekrümmten Gitterelements;
15A zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem an einer rückseitigen, innen liegenden Abschrägung befestigten piezoelektrischen Direktweg-Transducer und spitzem Einfallswinkel in einem Polymer-Substrat;
15B zeigt eine Gitter-Transducer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem flankenmontierten piezoelektrischen Scherwellen-Transducer, einem von einer rückseitigen, innenliegenden Abschrägung abgehenden Reflexionsweg und spitzem Einfallswinkel;
16 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem resonant montierten piezoelektrischen Transducer und asymmetrischer Gitterstruktur, die eine unidirektionale Abstrahlung akustischer Wellen liefert;
17 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem resonant montierten piezoelektrischen Transducer, wobei der Transducer in Bezug auf die Gitterstruktur, die selektiv direktionale Abstrahlung akustischer Wellen liefert, asymmetrisch positioniert ist;
Die 18A und 18B zeigen zwei Ausführungsformen eines Gitter-Transducers gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem resonant montierten piezoelektrischen Transducer und einer Gitterstruktur mit asymmetrischen Elementen bzw. einer versetzten, geschichteten Gitterstruktur, welche selektiv direktionale Abstrahlung akustischer Wellen liefert;
Die 19A und 19B zeigen einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung mit segmentierten Reflektorgruppen, wobei jedes einzelne Reflektorgruppensegment mit einer Gitter-Transducer-Struktur zusammenhängt;
20 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem die Ausbreitung von Love-Wellen unterstützenden Substrat, in dem die umgewandelte Love-Welle im rechten Winkel zur Ausbreitungsachse der Volumenwelle läuft;
21 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung, der ohne Reflektorgruppen arbeitet;
22 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Gitter zwei verschiedene Wellen mit piezoelektrischen Transducern koppelt;
23 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung, der ein komplexes piezoelektrisches Transducer-Element aufweist, um die Kopplung mit einer Volumenwelle im Substrat zu lenken;
24A zeigt ein System gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Paar von Gitterstrukturen, welche akustische Energie zwischen Rückfläche und Stirnfläche des Substrats übertragen;
24B zeigt, wie ein Berührungsfühler-System, welches das in 23A dargestellte System verwendet, eine vereinfachte Stirnflächenarchitektur ohne piezoelektrische Elemente oder Keil-Transducer aufweist;
24C zeigt die Rückfläche des Berührungsfühler-Systems gemäß 23B, bei dem ein akustischer Transducer, eine Reflektorgruppe und eine längliche Gitterstruktur auf der Rückfläche des Substrats angebracht sind, während gleichzeitig Berührungsempfindlichkeit auf der Stirnfläche ermöglicht wird;
25 zeigt einen Gitter-Transducer gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei signifikanten Einfangwinkeln in der Ebene des Substrats und dadurch Kopplung an zwei verschiedene konvertierte Wellen; und
26A und 26B zeigen in Mercator-Projektion bzw. Draufsicht ein System gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Darstellung von Wellenwegen für ein hemisphärisches Sensorsystem, das Gitter-Transducer verwendet.
ARTEN DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Gleiche Merkmale in den Zeichnungen sind mit identischen Bezugsziffern gekennzeichnet. Das bekannte Prinzip der Umkehrbarkeit akustischer Vorrichtungen impliziert, dass nominale Sende- und Empfangstransducer beide Funktionen erfüllen können. Deswegen sollte in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen davon ausgegangen werden, dass die akustischen Transducer akustische Signale aussenden oder empfangen können oder beides.
BEISPIEL 1
5 ist eine schematische Perspektivansicht mit der Darstellung einer Ausführungsform einer Koordinaten-Eingabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine schematische Perspektivansicht zur Illustration eines Störungsfeldes bzw. Diffraktionsfeldes unter Verwendung eines Gitters.
Die Koordinaten-Eingabevorrichtung in dieser Ausführungsform umfasst ein für Berührung ausgelegtes Ausbreitungsmedium 1 mit einem Anzeigebereich 2, das in den Richtungen der auf seiner Oberfläche ausgebildeten X-Achse und Y-Achse lateral symmetrisch ist und eine Oberfläche aufweist, an der sich oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen ausbreiten können. Das Medium 1 ist mit einem Sendetransducer gekoppelt, um Volumenwellen (die Druckwellen oder Scherwellen sein können) in schräger Richtung auf die Oberfläche des Ausbreitungsmediums 1 hin vom untersten Teil des Ausbreitungsmediums 1 auszusenden und vermittels einer Störung oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen in den Richtungen der X-Achse und Y-Achse zu erzeugen. Das X-Achsen-Sendemittel beinhaltet den auf der schrägen Fläche 3a montierten piezoelektrischen Transducer 4a und das auf dem Medium 1 ausgebildete Gitter 5a, und das Y-Achsen-Sendemittel umfasst den auf der schrägen Fläche 3b des Mediums 1 gebildeten piezoelektrischen Transducer 4b und Gitter 5b. In dieser Ausführungsform besteht das Ausbreitungsmedium 1 aus einer isotropen flachen Platte mit abgeschrägten Flanken, welche aus Natronkalkglas geformt ist.
Die oben genannten Sendemittel 3a, 4a, 5a bzw. 3b, 4b, 5b umfassen schräge Flächen 3a und 3b, die in benachbarten ersten Eckbereichen geformt sind, welche Gegenstücke zu sendenden Störungsfeldern in den Richtungen der X-Achse und Y-Achse im untersten Teil des Ausbreitungsmediums 1 sind, ferner piezoelektrische Transducer der ersten piezoelektrischen Mittel 4a und 4b, die in den schrägen Flächen angeordnet sind und als Reaktion auf ein elektrisches Signal Volumenwellen in schräger Richtung auf die sendenden Störungsfelder auf der Oberfläche des Ausbreitungsmediums 1 hin aussenden sollen, sowie erste Gitter 5a und 5b, um die Volumenwellen, die sich von den piezoelektrischen Transducern im Ausbreitungsmedium fortpflanzen, in den sendenden Störungsfeldern an der Oberfläche des Ausbreitungsmediums 1 in Oberflächenwellen umzuwandeln. Ebenen rechtwinkliger Projektion von den schrägen Flächen 3a und 3b in den Ausgangsbereichen kreuzen sich außerdem in den Störungsfeldern am Rande des Anzeigebereiches 2 auf der Oberfläche des Ausbreitungsmediums 1 (ein sendendes Störungsfeld in der X-Achse und ein sendendes Störungsfeld in der Y-Achse), und die Gitter 5a und 5b sind jeweils in den Störungsfeldern angeordnet. Die Gitter der ersten Umwandlungsmittel 5a und 5b umfassen eine Vielzahl linearer Gitter (Netz oder Raster), die sich in senkrechter Richtung zur Laufrichtung der von den piezoelektrischen Transducern 4a, 4b abgestrahlten Volumenwellen fast parallel zueinander erstrecken und periodisch angeordnet sind, und dadurch lassen sich die Volumenwellen und Oberflächenwellen ineinander umwandeln.
Die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen von den Sendemitteln 3a, 4a, 5a in Richtung der X-Achse und von den Sendemitteln 3b, 4b, 5b in Richtung der Y-Achse werden durch Reflexionsmittel, die erste Reflektorgruppen 6a und 6b sowie zweite Reflektorgruppen 7a und 7b umfassen, in den Richtungen der X-Achse und Y-Achse über den gesamten Anzeigebereich 2 abgestrahlt, und die abgestrahlten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen werden in X-Achsen-Richtung und Y-Achsen-Richtung gelenkt bzw. zusammengeführt und von den Empfangsmitteln 8a, 9a, 10a bzw. 8b, 9b, 10b empfangen.
Genauer gesagt ist die erste X-Achsen-Reflektorgruppe 6a, die die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen von den Sendemitteln 3a, 4a, 5a in Richtung der Y-Achse aus Richtung der X-Achse mit dem periodischen, sendenden Störungsfeld als Ausgangspunkt abstrahlen soll, in einem Seitenteil ausgebildet, das sich am Rande des Anzeigebereiches 2 in Richtung der X-Achse erstreckt, und die zweite X-Achsen-Reflektorgruppe 7a, welche die von der ersten X-Achsen-Reflektorgruppe 6a in Richtung der Y-Achse reflektierten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen reflektieren soll und die reflektierten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen auf ein empfangendes Störungsfeld in Richtung der X-Achse lenken soll, ist im anderen Seitenteil gegenüber dem ersten Seitenteil am Rande des Anzeigebereiches 2 gebildet. Ferner wird eine erste Y-Achsen-Reflektorgruppe 6b, welche die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen von den Sendemitteln 3b, 4b, 5b in Richtung der X-Achse aus der Richtung der Y-Achse mit dem sendenden Störungsfeld als Ausgangspunkt abstrahlen soll, in einem Seitenteil ausgebildet, welches sich am Rande des Anzeigebereiches 2 in Richtung der Y-Achse erstreckt, und die zweite Y-Achsen-Reflektorgruppe 7b, welche die von der ersten Y-Achsen-Reflektorgruppe 6b in Richtung der X-Achse reflektierten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen reflektieren und die reflektierten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen auf ein empfangendes Störungsfeld in Richtung der Y-Achse lenken soll, ist im anderen Seitenteil gegenüber dem oben genannten Seitenteil am Rand des Anzeigebereiches 2 ausgebildet. Jede Reflektorgruppe kann einen Teil der oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen übertragen und denselben reflektieren. Die Reflektorgruppen 6a, 6b, 7a und 7b erlauben es den oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen, die von den Sendemitteln in Richtung der X-Achse und den Sendemitteln in Richtung der Y-Achse ausgehen, sich über den. gesamten Anzeigebereich 2 auszubreiten und die im Anzeigebereich 2 abgestrahlten oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen auf die jeweiligen empfangenden Störungsfelder der X- und Y-Achse zu richten.
Die Empfangsmittel 8a, 9a, 10a und 8b, 9b, 10b wandeln die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen, die sich im Anzeigebereich 2 ausgebreitet haben und konvergiert sind, in Volumenwellen um und strahlen die Volumenwellen in schräger Richtung auf den untersten Teil des Ausbreitungsmediums 1 hin ab, um die abgestrahlten Volumenwellen zu empfangen. Die Empfangsmittel umfassen speziell die Gitter der zweiten Umwandlungsmittel 8a und 8b, die in den empfangenden Störungsfeldern neben den zweiten Reflektorgruppen 7a und 7b angeordnet sind und die die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen in Volumenwellen umwandeln und die Volumenwellen in schräger Richtung auf den untersten Teil des Ausbreitungsmediums 1 hin abstrahlen sollen, ferner die schrägen Flächen 9a und 9b, die in Endzonen von zweiten Eckbereichen ausgebildet sind, welche Projektionsbereichen der Brechungen bzw. Refraktionen^[7] an den Gittern 8a und 8b im untersten Teil des Ausbreitungsmediums 1 entsprechen, sowie piezoelektrische Transducer der zweiten piezoelektrischen Mittel 10a und 10b, die auf den schrägen Flächen angebracht sind und die die nach Umwandlung durch die Gitter 8a und 8b gewonnenen Volumenwellen empfangen und ein elektrisches Signal erzeugen sollen. Die Gitter der zweiten Umwandlungsmittel 8a und 8b umfassen in gleicher Weise wie die Gitter der ersten Umwandlungsmittel 5a und 5b mehrere lineare Gitter, die sich senkrecht zur Laufrichtung der Volumenwellen zu den piezoelektrischen Transducern 10a und 10b hin erstrecken und parallel und periodisch angeordnet sind.
Das von den piezoelektrischen Transducern 10a und 10b empfangene Signal wird zur Analyse des Signals Detektionsmitteln (nicht abgebildet) zugeführt. In den Detektionsmitteln wird eine durch Berührung im Anzeigebereich 2 verursachte gestörte Komponente des empfangenen Signals zusammen mit einer entsprechenden Zeitverzögerung (Laufzeit) erfasst, wodurch eine Berührungsposition bzw. Berührungszone im Anzeigebereich 2 erkannt wird.
Die von den piezoelektrischen Transducern 4a und 4b erzeugten Volumenwellen breiten sich im Ausbreitungsmedium 1 geradlinig aus, fallen schräg auf die Grenzflächen des Ausbreitungsmediums 1 und der sendenden, die Gitter 5a und 5b enthaltenden Störungsfelder ein und werden in oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen umgewandelt. Die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen, die sich im Ausbreitungsmedium 1 fortpflanzen, werden an den empfangenden, die Gitter 8a und 8b enthaltenden Störungsfeldern in schräger Richtung gebrochen, um in Volumenwellen umgewandelt zu werden.
In einer solchen Koordinaten-Eingabevorrichtung werden, wenn ein elektrisches Signal in die piezoelektrischen Transducer 4a und 4b eingespeist wird, durch die Vibration der piezoelektrischen Transducer Volumenwellen erzeugt, und die Volumenwellen können von den Gittern 5a und 5b in den Störungsfeldern in oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen umgewandelt werden, so dass durch die ersten Reflexionsmittel die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen in die Richtungen der X-Achse und Y-Achse über eine Vielzahl von Wegen im Anzeigebereich 2 abgestrahlt werden können. Wird der Anzeigebereich 2 mit einem Finger oder dergleichen berührt, werden die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen dadurch gestört, und die gestörte Komponenten enthaltenden oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen werden von den zweiten Reflexionsmitteln auf die empfangenden Störungsfelder gelenkt bzw. zusammengeführt. In den empfangenden Feldern werden die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen durch die Gitter 8a und 8b in Volumenwellen umgewandelt, und die Volumenwellen werden vom piezoelektrischen Transducer 10a oder 10b in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Die Störungsgitter 5a, 5b, 8a und 8b sind dünn, z. B. ist ihre Höhe viel geringer als eine Wellenlänge, so dass die Oberfläche des Ausbreitungsmediums im Vergleich zum mechanischen Profil eines Keil-Transducers relativ glatt sein kann. Daher lässt sich ein Tastfeld entsprechend der vorliegenden Erfindung mit relativ kleinem Zwischenraum hinter einer Blende montieren.
Auch wenn die Art des Ausbreitungsmediums nicht speziell begrenzt ist, wird ein Tastfeld benutzt, in der sich oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen und insbesondere im Ultraschallbereich liegende oberflächengebundene Wellen oder Plattenwellen ausbreiten können. Ein Anzeigebereich des Tastfeldes beinhaltet einen berührbaren Bereich (d. h. Koordinaten-Eingabebereich) und wird im Allgemeinen in einer lateral symmetrischen Form wie in der vorgenannten Ausführungsform und insbesondere in einer linear symmetrischen Form (speziell in einer rechteckigen Form) gestaltet. Das als Tastfeld konstruierte Ausbreitungsmedium weist in der Regel Transparenz auf, um einen Flüssigkristallbildschirm (LCD-Bildschirm), eine Vakuumfluoreszenz-Anzeige, einen anderen Flachbildschirm oder dergleichen sichtbar zu machen. Ein bevorzugtes Ausbreitungsmedium ist transparent und isotrop. Der Rand des Anzeigebereiches, d. h., ein Ende des Ausbreitungsmediums wie etwa des Tastfeldes, kann im Allgemeinen mit einer Blende abgedeckt werden.
Die schräge Fläche kann jeweils in Abschnitten gestaltet werden, die einem Ausgangsbereich und einem Endbereich im untersten Teil des Ausbreitungsmediums entsprechen, oder kann in ganzen Eckbereichen zwischen Seitenflächen und der Grundfläche des Ausbreitungsmediums wie etwa bei dem in 5 gezeigten Tastfeld gebildet werden.
Der Gitter-Störzyklus, das heißt, das Intervall oder Teilungsmaß der Gitter in den sendenden bzw. empfangenden Störungsfeldern, kann im Bereich von z. B. ca. 0,01 bis 10 mm, vorzugsweise ca. 0,1 bis 5 mm und noch besser ca. 0,3 bis 1 mm ausgewählt werden, je nach der Wellenlänge der Volumenwellen im Ausbreitungsmedium und der Wellenlänge der Oberflächenwellen an der Oberfläche des Ausbreitungsmediums. Die Anzahl der Gitterlinien und deren Breite sind nicht besonders begrenzt, und die Zahl der Gitterlinien beträgt beispielsweise ca. 3 bis 10, und die Breite, d. h. die Abmessung des Substrat-Randbereichs, des Gitters beträgt gewöhnlich etwa 0,01 bis 10 mm.
Die Dicke (Höhe) des Gitters kann in einem Bereich von höchstens 5 mm, beispielsweise ca. 0,01 bis 3 mm, vorzugsweise ca. 0,1 bis 3 mm und noch besser ca. 0,1 bis 1 mm ausgewählt werden. Die Gitter können durch Siebdruck oder eine andere Technik gebildet werden. Die Gitter lassen sich ebenfalls durch Ätzen, Fräsen, Schleifen oder Abtragen oder sonstige Verfahren der Materialentfernung ausbilden/formen. Gitter können auch durch Formpressen, Warmprägen oder nach der Fertigung erfolgende Modifizierung der Eigenschaften des Substrats geformt werden. Die Gitterelemente können in der Höhe und/oder Breite variieren, ähnlich wie die Elemente einer Reflektorgruppe, um die Reflektivität und Transparenz über das Gitter auszugleichen. Beispielsweise kann ein in der Höhe monoton moduliertes Gitter eingesetzt werden, um dem Gitter eine unidirektionale Richtungsabhängigkeit zu verleihen.
Die Reflexionsmittel brauchen nicht aus einer Reflektorgruppe zu bestehen und können aus einem oder mehreren reflektierenden Elementen bestehen, die in der Lage sind, einen Teil der oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen zu übertragen. Die Reflektorgruppe, welche die Reflexionsmittel darstellt, kann ein Verbund von Reflektorgruppen-Elementen (ein System von Reflektorgruppen) sein, die als Vorsprünge, z. B. aus Glas, Keramik oder Metall, und/oder als Rillen auf der Oberfläche des Ausbreitungsmediums geformt sind. Die Reflektorgruppen-Elemente sind im Allgemeinen parallel zueinander angeordnet, und der Winkel der reflektierenden Elemente bzw. jedes Reflektorgruppen-Elements beträgt in der Regel etwa 45° zur X-Achse und Y-Achse, um die oberflächengebundenen Wellen oder Plattenwellen in Richtung der X-Achse und Y-Achse abzustrahlen. Wie aus dem US-Patent Nr. 5,591,945 bekannt ist, lassen sich die Reflektorgruppen-Elemente auch in anderen Winkeln schräg anordnen, um nichtrechtwinklige Wellenwege für den Tastbildschirm zu erzeugen oder eine Wellentypumwandlung zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten Welle zu bewirken, beispielsweise eine Umwandlung von Quasi-Rayleigh-Wellen in horizontal polarisierte Scherwellen höherer Ordnung (HOHPS-Wellen) oder Love-Wellen.
Die Gitterelemente können in einem gemeinsamen Verfahren mit den Reflektorgruppen-Elementen gebildet werden, z. B. durch Siebdruck. Diese Gemeinsamkeit kann eventuell die Fertigungskosten senken.
Das Tastbildschirmsystem entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet üblicherweise ein elektronisches Steuersystem (in den Zeichnungen nicht abgebildet), das die abfühlende akustische Welle erzeugt und Störungen ermittelt, die eine Berührungsposition anzeigen. Die elektronische Steuerung wiederum lässt sich an ein Computersystem (in den Zeichnungen nicht abgebildet) anschließen, z. B. an einen Personalcomputer, ein integriertes System, ein Kiosk- oder Benutzerterminal als Mensch-Maschine-Schnittstellengerät. Das Computersystem kann deshalb ein beliebiges geeignetes Modell sein und z. B, ein optisches Anzeigegerät, eine Audio-Eingabe- und/oder -Ausgabemöglichkeit, Tastatur, elektronische Kamera, sonstige Zeiger-Eingabevorrichtungen oder dergleichen umfassen.
Das Computersystem arbeitet mit spezieller Software, meist jedoch unter Einsatz eines Standard-Betriebssystems wie etwa Microsoft Windows (z. B. 3.1, 3.11, WFW, CE, NT, 95, 98, usw., oder ein anderes Betriebssystem, welches mit einer bestimmten Menge, Untermenge oder Obermenge von Windows-Anwenderprogramm-Schnittstellen (APIs) übereinstimmt), Macintosh-Betriebssystem, UNIX-Varianten oder dergleichen. Der Tastbildschirm lässt sich somit als primäres oder sekundäres Zeigegerät für ein grafisches Benutzeroberflächen-System zum Empfang von Benutzer-Eingaben einsetzen. Der Tastbildschirm-Controller und das Computersystem können auch integriert werden, z. B. bei einem Einbausystem.
Ein Koordinaten-Tasteingabegerät gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich somit nicht nur für den Einsatz bei einem Anzeigegerät mit gewölbter Oberfläche, z. B. einer Elektronenstrahlröhre, sondern auch bei einem Flachbildschirm, z. B. einer Flüssigkristallanzeige oder Plasmaanzeige.
BEISPIEL 2
Tastbildschirme mit integrierten Gitter-Transducern wurden entworfen, zusammengebaut und getestet. Es wurden Gitter-Transducer-Tastbildschirme produziert, die voll funktionsfähig waren und Signale mit Produktionsqualität aufwiesen.
Es wurden parasitäre Störsignale nur mit kleiner Relativamplitude festgestellt. Diese parasitären Störsignale lagen außerhalb des Zeitintervalls des Nutzsignals für Tastbildschirm-Betrieb. Diese parasitären Störsignale führten nicht zu einer Unterbrechung des Tastbildschirm-Systembetriebs und lassen sich entweder mit Zeit-Torsteuerung in der Controller-Elektronik oder durch zusätzliche akustische Dämpfer am Tastbildschirm außerhalb des Tastbereichs und der Reflektorgruppen weiter senken. Trotz der signifikanten Erzeugung parasitärer Wellen durch die Gitter-Transducer stellen von den Empfangstransducern kommende Störsignale kein Hindernis für das Funktionieren akustischer Tastbildschirme mit Gitter-Transducern dar.
Die Abmessungen des Glassubstrats betrugen ca. 272,5 mm × 348,7 mm × 3 mm. Zur Montage piezoelektrischer Elemente für Gitter-Transducer mit θ_B = 45° wurde das Glassubstrat auf der Unterseite mit einer Abschrägung von 45° versehen. Das ist der Normalwert für das piezoelektrische Element, das einen Winkel θ_B von 45° zur Vertikalrichtung bildet. Auf das Glas wurden 14 mm breite Reflektorgruppen aufgedruckt. Das rechteckige Feld aus Klarglas auf der Innenseite der Reflektorgruppen hat Abmessungen von ca. 234,6 × 310,8 mm. Dies ergibt ein aktives Tastfeld mit einem Diagonalmaß von über 15 Zoll [38,1 cm].
Mit dem oben beschriebenen Mehrfachdruck von Glasurmasse (Glasfritte) wurden an den vier Transducerpositionen vier jeweils 40 Mikron hohe Gitter angebracht. Auf den abgeschrägten Flächen 3a, 3b wurden umlaufend piezoelektrische Transducerelemente 4a, 4b, 10a und 10b befestigt. Siehe 5 und 6. An die Elektroden der piezoelektrischen Transducer 4a, 4b, 10a und 10b wurden jeweils Drahtkabel (in den 5 und 6 nicht abgebildet) angelötet. Die Drahtkabel wurden über Steckverbinder mit dem Controller verbunden. Als Controller wurde ein handelsüblicher Ultraschall-Controller (Modell 1055E101, hergestellt von der Firma Touch Panel Systems Co., Ltd., Japan ("TPS") eingesetzt. An den Controller wurde ein Personalcomputer mit entsprechender Software angeschlossen. Es wurde eine brauchbare Leistung des akustischen Tastbildschirms beobachtet.
Zur Anstellung von Vergleichen wurden vorübergehend Keil-Transducer unmittelbar vor den Gitter-Transducern 5a, 5b, 8a, 8b positioniert. Die Gitter-Transducer lieferten Signale (für Signalwege mit zwei Transducern), die etwa um 10 dB geringer lagen. Obgleich die Gitter-Transducer-Auslegung und -Fertigung noch nicht optimiert waren, zeigten die Gitter-Transducer Wirkungsgrade, die völlig ausreichen, um für viele Produktgestaltungen nutzbar zu sein.
Außerdem wurden die Signalformen beobachtet. In 7 ist eine Darstellung eines Signals von einem Gitter-Transducer-Tastbildschirm abgebildet.
Die mit A gekennzeichnete Spitze ist ein Artefakt der Versuchsanordnung. Übersprechen von Impulsfolge-(Burst-) und Empfangsschaltungen führt dazu, dass im Empfangssignal ein gedämpftes Burstsignal erscheint. Dies liefert eine praktische t = 0-Markierung im Empfangssignal.
Der Buchstabe B kennzeichnet das Nutzsignal des Tastbildschirms mit einer Dauer von ≈ 190 Mikrosekunden und beginnend etwa 90 Mikrosekunden nach Spitze A. Wenn der Tastbildschirm berührt wurde, erschien im Signal B der Einbruch C, wie es bei Tastbildschirmbetrieb erwünscht ist.
Bei ca. 80 Mikrosekunden, d. h., 10 Mikrosekunden vor Beginn des Nutzsignals, ist ein kleines parasitäres Störsignal D zu beobachten. Durch Dämpfung sowohl der oberen als auch der unteren Fläche an der nahegelegenen Kante des Glassubstrats mit den zwei Gitter-Transducern konnte eine Eliminierung dieses Signals festgestellt werden.
Ein weiteres kleines parasitäres Störsignal E ist ca. 20 Mikrosekunden nach dem Nutzsignal zu beobachten. Dieses parasitäre Störsignal wird bei Tastbildschirmen mit Keil-Transducern ebenfalls häufig beobachtet. Dieses Störsignal lässt sich bei Keil-Transducern wie auch bei Gitter-Transducern mit entsprechenden akustischen Dämpfern beseitigen, die an geeigneter Stelle auf der Oberseite des Glases platziert werden (um Reflexionen von Rayleigh-Wellen von den Glaskanten zu eliminieren).
BEISPIEL 3
8 zeigt einen auf einen akustischen Tastbildschirm abgestimmten und angewandten Gitter-Transducer, der eine gute Passform für einen akustischen Tastbildschirm in einem Flüssigkristall-Tastmonitor bietet. In 8 liefert eine Blende 26, die eine Dichtung 24 umfasst, eine Barriere zwischen der Umgebung und den empfindlichen Arbeitsvorgängen des Tastbildschirms. Die Stirnfläche 22 des Substrats 20 stößt an die Dichtung 24 an. Die Dichtung 24 ist dazu da, ausreichend Akustikwellenenergie für den Tastbildschirm-Betrieb zu ermöglichen und gleichzeitig das Gitter 30 und den piezoelektrischen Transducer 32 und den Flachbildschirm 28 vor Verschmutzung zu schützen. Das piezoelektrische Element 32 ist mit einer hinteren Abschrägung 38 des Substrats 20 verbunden und mittels Lötmaterial 34 und einem Draht 36 elektrisch angeschlossen. Die Abschrägung ist in einem Winkel θ_B zum Gitter 30 geneigt, das entlang einer Ausbreitungsachse der Volumenwelle, die vom piezoelektrischen Transducer 32 während der Anregung ausgesandt wird, bzw. der Achse der maximalen Empfindlichkeit des Transducers gegenüber akustischen Volumenwellen im Substrat 20 angeordnet ist. Das Gitter 30 koppelt eine Volumenwelle, die sich entlang einer Achse mit^[8] einem zum Gitter 30 schrägen Winkel ausbreitet, an eine oberflächengebundene Welle oder Plattenwelle, die an der Oberfläche 22 signifikante Energie aufweist.
Aus der Perspektive der LCD-Tastbildschirmkonstruktion bietet der Gitter-Transducer offenbar mehrere Vorzüge, die aus der Sicht der Tastbildschirmkonstruktion an sich nicht auf der Hand liegen. Das Gitter hat ein niedriges Profil, meist viel niedriger als eine optische Versiegelung, und passt leicht unter die Blende. Das piezoelektrische Element 32 kann einschließlich der Lötverbindungen und zugehörigen Kabelführung eventuell in dem Raum untergebracht werden, den das in Verbindung mit der abgeschrägten Substratfläche entfernte Substratmaterial hinterlassen hat. Gitter-Transducer ermöglichen somit elegante mechanische Konstruktionslösungen für LCD-Tastbildschirme.
BEISPIEL 4
Auf einem Substrat aus 3 mm dickem Natronkalkglas wurden Gitter-Transducer angefertigt, die den in Beispiel 2 beschriebenen ähnelten.
Diese Gitter-Transducer hatten ein piezoelektrisches Element in Schräglage (θ_B = 45°) mit Gitterelementen laut Abbildung in 6. Das Gitter wurde durch Aufbringen von Glasfrittentinte angefertigt, wobei das gleiche Siebdruckverfahren sowie Ofenhärtung über 400°C zur Herstellung von Reflektorgruppen verwendet wurde. Durch die Hochtemperaturhärtung wird die Glasurmasse zusammengebacken und mit dem Glassubstrat verbunden. Die gehärtete Glasfritte ist ein starres Keramikmaterial mit einer Dichte von ca. 5,6 Gramm je Kubikzentimeter. Mit mehreren Durchgängen des Siebdruckverfahrens wurden Gitter-Höhen bis zu 40 Mikron erreicht.
Eine Gitter-Beabstandung von 0,89 mm wurde konzipiert auf der Grundlage der Prinzipien, die in der Abhandlung von Masao Takeuchi und Hiroshi Shimizu, "Theoretical analysis of grating couplers for surface acoustic waves" ["Theoretische Analyse von Gitterkopplern für akustische Oberflächenwellen"], Journal of the Acoustic Society of Japan, 36 (11): 543–557 (24. Juni 1980) vorgetragen wurden. Bei dieser Berechnung wurde eine Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit von 3103 Metern/Sekunde, eine Volumen-Druckwellen-Geschwindigkeit von 5940 Metern/Sekunde, ein Volumenwellenwinkel von 45° und eine Betriebsfrequenz von 5,53 MHz angenommen.
Alternativ lassen sich geeignete reflektierende Elemente auch durch ein Abtragungsverfahren wie z. B. Sandstrahlen ausformen.
Das piezoelektrische Element wurde aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial der Firma Fuji Ceramics, wie es in der Fachwelt bekannt ist, gefertigt und bei einer Reihe von Tastbildschirm-Produkten, die bei Elo TouchSystems, Fremont, Kalifornien, und TPS, Tokio, Japan, bezogen werden können, in Keil-Transducern eingesetzt. Dieses Material gehört zur Familie der mit PZT verwandten Piezokeramiken. Die piezoelektrischen Elemente weisen eine Grundresonanz bei nominell 5,53 MHz auf, aber die Designfrequenz ist frei wählbar. Die piezοelektrischen Elemente sind 3 mm breit.
Das piezoelektrische Element wurde an einer abgeschrägten Fläche befestigt, die mit den horizontalen Substratflächen einen Winkel von 45° bildet. Die leitende Elektrode auf der Seite des mit dem Glas verbundenen piezoelektrischen Elements verlief um das piezoelektrische Element herum, so dass beide Piezoelektroden auf der gleichen freiliegenden Fläche mit Drähten verlötet werden konnten.
Ein Impulsgenerator HP 8012B wurde eingesetzt, um einen Torimpuls von 5 Mikrosekunden zu erzeugen, der alle 5 Millisekunden wiederholt wurde. Mit diesem Torimpuls wurde ein Signalformgenerator HP 8111A getriggert, der seinerseits 5 Mikrosekunden lange Tonimpulsfolgen generierte. Der HP 8111A wurde so programmiert, dass er Sinuswellen-Tonimpulsfolgen bei einer Frequenz von 5,53 MHz mit einer Nennamplitude von 10 Volt erzeugte. Diese Tonimpulsfolgen [Ton-Bursts] wurden auf einem 4-Kanal-Digital-Oszilloskop Yokogawa DL12000-4 unter Verwendung eines 1 MΩ-Eingangskanals wiedergegeben. Mittels dieser Tonimpulsfolgen wurden die zu testenden Gitter-Transducer angeregt.
Auf dem Glassubstrat wurde ein Keil-Transducer 25 cm vom Gitter-Transducer entfernt platziert und an einen zweiten 1 MΩ-Eingangskanal des 4-Kanal-Digitaloszilloskops Yokogawa DL12000-4 angeschlossen. Das Timing und die Amplituden des Sende-Bursts zum Gitter-Transducer und das Empfangssignal vom Keil-Transducer wurden simultan am Digitaloszilloskop betrachtet.
Am Keil-Transducer wurde ein Signal vom Gitter-Transducer beobachtet; damit war die erfolgreiche Abstrahlung einer Welle mit beträchtlicher Oberflächenenergie durch den Gitter-Transducer nachgewiesen.
Die Platzierung eines Fingers oder sonstigen Rayleigh-Wellen-Dämpfers zwischen den Gitter-Transducer und den Keil-Transducer eliminierte das Empfangssignal. Dies beweist, dass das Empfangssignal auf Rayleigh-Wellen-Ausbreitung zwischen dem Gitter-Transducer und dem Keil-Transducer zurückzuführen ist, da Wellenmodi mit erheblicher Energie unter der Oberfläche voraussichtlich einen geringeren Dämpfungsgrad gezeigt hätten, und in diesem Substrat und bei dieser Abstrahlfrequenz ist der einzige Wellenmodus, der mit hinreichender Wahrscheinlichkeit beobachtet werden kann, eine Quasi- Rayleigh-Welle. Darüber hinaus entspricht die Zeitverzögerung (Laufzeit) zwischen der Tonimpulsfolge und dem Empfangssignal exakt der bekannten Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit auf dem Glassubstrat.
BEISPIEL 5
Die Beispiele 1, 2 und 4 verwenden Gitter-Transducer mit einem Abstrahlwinkel (bzw. Empfangswinkel) von 0°. Das heißt, die Richtung der Rayleigh-Welle ist die gleiche wie die Projektion der Ausbreitungsachse der Volumenwelle auf der Horizontalebene. Die Konstruktion von Gitter-Transducern ist darauf nicht beschränkt. Das Gitter-Transducer-Konzept lässt sich auf den Fall verallgemeinern, bei dem die Ausbreitungsrichtung der Rayleigh-Welle einen Abstrahlwinkel θ_E ungleich Null zur horizontalen Komponente der Volumenwellenrichtung hat. Abstrahlwinkel ungleich Null besitzen die zwei nachfolgend beschriebenen potentiellen Vorteile.
Abstrahlwinkel ungleich Null führen zu größerer Flexibilität der mechanischen Konstruktion. Siehe dazu 9, in der ein Grundriss eines Paares empfangender Gitter-Transducer an einer Ecke 58 eines Tastbildschirms 66 abgebildet ist. Jeder Gitter-Transducer umfasst ein piezoelektrisches Element 60a, 60b, montiert auf einer hinteren schrägen Fläche 56 mit einem Satz von Gitter-Elementen, die durch das Substrat 66 jeweils entlang einer Kopplungsachse 52a, 52b der Volumenwellen von den piezoelektrischen Transducern ausgerichtet sind. Die Gitter 54a, 54b sind schräg zur Achse der Volumenwellenausbreitung 52a, 52b angeordnet, so dass die Volumenwelle in einen Wellenmodus umgewandelt wird, der an eine einzelne Oberflächen- oder Plattenwelle gebunden ist, die sich entlang einer Achse 50a, 50b ausbreitet, welche sich von der Achse der Volumenwellenausbreitung unterscheidet und parallel zu den Kanten 64 bzw. 62 des Substrats 66 verläuft.
Eine derartige Konstruktion ist vorteilhaft, wenn z. B. eine mechanische Beeinträchtigung zwischen der nominellen Ecke des Glassubstrats und einem anderen Bauteil eines Tastbildschirms wie etwa einer Einbausäule vorliegt.
Ein zweiter Vorteil eines Abstrahlwinkels ungleich Null ist eine winkelmäßige Trennung des Soll-Abstrahlwinkels der Rayleigh-Welle und des Null-Abstrahlwinkels, der für parasitäre Volumenwellen, die vom piezoelektrischen Element erzeugt werden, charakteristisch ist. Entsprechend besteht, wie in 9 angegeben, eine winkelmäßige Trennung zwischen der Richtung der Empfindlichkeit eines empfangenden Gitter-Transducers und dessen Richtung der Empfindlichkeit gegenüber ankommenden parasitären Volumenwellen. Es wird festgehalten, dass die mit dem piezoelektrischen Transducer koppelnde Volumenwelle relativ zur Rayleigh-Welle einen beliebigen Winkel haben kann, z. B. 90°; dies bietet Möglichkeiten für eine beträchtliche räumliche Trennung zwischen der gewünschten Rayleigh-Welle und parasitären Wellen, die sich parallel zur horizontalen Projektion der Ausbreitungsachse der Volumenwelle ausbreiten.
Deswegen wurde ein System konstruiert, das ein schräg angebrachtes piezoelektrisches Element (θ_B = 45°) und einen Gitter-Transducer mit einem Abstrahlwinkel ungleich Null (θ_E = 30°) aufwies. Die Fertigungsmethoden waren die gleichen wie bei der Ausführungsform des Beispiels 4 mit Null-Abstrahlwinkel. Der einzige Unterschied war, dass die Gitter-Beabstandung und -Orientierung modifiziert wurden, damit die Horizontalkomponenten die Braggsche Streuungsbedingung erfüllen, um den Rayleigh-Wellen-Wellenvektor an die Horizontalkomponente der Volumen-Druckwelle zu koppeln.
Diese Gitter-Transducer mit 30°-Abstrahlwinkel wurden anhand der gleichen Versuchsmethoden getestet, die in der Ausführungsform des Beispiels 4 mit Null-Abstrahlwinkel erörtert wurden. Quantitative Laufzeitdaten und die Empfindlichkeit gegenüber Oberflächendämpfern bestätigten, dass es sich um ein Rayleigh-Wellensignal handelte. Das Funktionieren eines Gitter-Transducer mit Abstrahlwinkel ungleich Null wurde somit eindeutig demonstriert.
Die Winkel-Richtwirkung des Gitter-Transducer mit einem Abstrahlwinkel von nominell 30° (θ_B = 45°) wurde gemessen, indem ein empfangender Keil-Transducer an verschiedenen Stellen auf einem Kreisbogen um den Gitter-Transducer mit einem Radius von 250 mm angebracht wurde. Die relative Messsignalamplitude (relativ zum Amplitudenmaximum), die durch das Transducerpaar als Funktion des Abstrahlwinkels übertragen wurde, ist in der folgenden Tabelle wiedergegeben.
Es wurde festgestellt, dass der Gitter-Transducer bei einem Abstrahlwinkel einen gerichteten Sendestrahl aufwies. Das beobachtete Maximum beim Abstrahlwinkel von 31,5° liegt nahe beim nominellen Designwinkel von 30°. Daraus ist zu ersehen, dass ein Gitter-Transducer Abstrahlwinkel ungleich Null unterstützen kann und somit für die Konstruktion akustischer Tastbildschirme wichtige neue Wahlmöglichkeiten bietet.
BEISPIEL 6
Wie in 10 dargestellt, ist der Spezialfall eines horizontal befestigten piezoelektrischen Elements 32 eine Wahlmöglichkeit, d. h., θ_B = 0. Es ist zu beachten, dass diese Gitter-Transducer-Konstruktion die Notwendigkeit einer gefrästen Schrägfläche an der Kante 68 des Substrats vermeidet. Dieser weggefallene Fertigungsprozess hat das Potential, die Fertigungskosten zu senken. Wie in 10 gezeigt, wird die Volumenwelle 72 an der Stirnfläche 22 in unmittelbarer Nähe des Gitters 30 partiell reflektiert und so ein umgewandelter Wellenmodus 79 erzeugt, bei dem es sich um eine Rayleigh-Welle handelt. Ein Teil der Wellenenergie wird in eine parallel zur Oberfläche 22 laufende Welle umgewandelt. Die rückseitige Fläche 42 des Substrats 20 weist normalerweise geringe, an eine Empfangswelle gekoppelte Energie auf und ist daher unempfindlich gegenüber Berührung, was die Montage auf der rückseitigen Fläche gestattet.
Es wurden Tastbildschirme konstruiert, montiert und getestet, welche Gitter-Transducer mit θ_B = 0° enthielten. Die verwendeten Methoden waren die gleichen wie in Beispiel 2, nur dass das Glassubstrat nicht mit einer Abschrägung versehen wurde. Wiederum konnten resultierende Gitter-Transducer-Tastbildschirme produziert werden, die voll funktionsfähig waren und Signale mit Produktionsqualität aufwiesen. Erneut verhinderte die Erzeugung parasitärer Wellen nicht den erfolgreichen Betrieb akustischer Gitter-Transducer-Tastbildschirme, und die beobachteten Störsignale waren minimal.
Zur Anstellung von Vergleichen wurden vorübergehend Keil-Transducer unmittelbar vor den Gitter-Transducern positioniert. Für diesen Fall θ_B = 0° lieferten die Gitter-Transducer und Keil-Transducer im Rahmen der Messfehlerbereiche dieselben Tastbildschirm-Signalamplituden. Obgleich Design und Fertigung des Gitter-Transducers nicht für die Gitter-Transducer mit θ_B = 0° optimiert war, wurden kommerziell interessante Transducer-Wirkungsgrade eindeutig nachgewiesen.
Anzumerken ist, dass relativ zum Gitter-Transducer mit θ_B = 45° des Beispiels 2 ein Signalanstieg von 10 dB (5 dB je Transducer) zu beobachten ist. Diese im Versuch gemachte Feststellung lässt darauf schließen, dass neue physikalische Effekte zu verbesserten Wirkungsgraden bei Gitter-Transducer-Konstruktionen mit θ_B = 0° führen können.
BEISPIEL 7
Αuf einem 3 mm dicken Substrat aus Natronkalkglas wurden Gitter-Transducer mit θ_B = 0° angefertigt, die den in Bespiel 6 beschriebenen ähnelten.
Es wurden Messungen vorgenommen, wobei die gleichen Fertigungstechniken und Versuchsmethoden wie in Beispiel 4 angewandt wurden, außer dass das Glas nicht abgeschrägt war und das piezoelektrische Element an der unteren Fläche des Glases gegenüber dem Gitter befestigt wurde, wie in 10 dargestellt. Im Vergleich zu den Gitter-Transducern mit θ_B = 45° des Beispiels 4 wurde ein erhöhter Wirkungsgrad festgestellt. Dies bestätigt, dass die gegenüber dem Tastbildschirm des Beispiels 2 erhöhte Signalamplitude des Tastbildschirms des Beispiels 6 tatsächlich auf eine Verbesserung des Gitter-Transducer-Wirkungsgrades bei (θ_B = 0° zurückzuführen ist.
In dem Fall θ_B = 0° kommen neue Mechanismen bzw. physikalische Effekte ins Spiel, welche in den Fällen mit θ_B ≠ 0° nicht gegeben sind. Die vertikale Volumenwelle kann an der oberen und unteren Substratfläche mehrfache Reflexionen erfahren und immer noch die korrekte Orientierung und Phase aufweisen, um über das Gitter an das piezoelektrische Element und an Rayleigh-Wellen zu koppeln. Diese Mehrfach-Reflexionen bieten ein Mittel zur Erhöhung des Gitter-Transducer-Wirkungsgrades, indem der Volumenwelle mehr als eine Gelegenheit gegeben wird, über die Gitter an den gewünschten Akustikwellenmodus zu koppeln.
Eine weitere Möglichkeit, den Fall θ_B = 0° zu betrachten, ist die Beachtung der Dickenresonanzen des Substrats. Sowohl das Gitter als auch das piezoelektrische Element koppeln an Dickenschwingungen des Substrats. Ein bevorzugtes Mittel zum Erreichen dieses Resonanzzustandes besteht darin, den piezoelektrischen Transducer auf einer Fläche zu platzieren, die parallel zur Gitter-Transducer-Fläche verläuft. Zwar entspricht dieses dem oben diskutierten konzeptionellen Modell der Mehrfach-Reflexion; wenn man an Dickenschwingungen denkt, betrachtet man diesen Effekt aber im Frequenzbereich statt im Zeitbereich. Daher ist es interessant zu prüfen, was geschieht, wenn die Betriebsfrequenz einer Dickenresonanz des Substrats entspricht.
Durch Abstimmung der Substratdicke und/oder der Betriebsfrequenz kann die Dickenresonanz verstärkt werden. Dies bietet ein weiteres Mittel zur Verbesserung des Transducer-Wirkungsgrades. Dickenresonanz oder Mehrfach-Reflexion von vertikalen Volumenwellen kann dazu verwendet werden, die Kopplung zwischen z. B. vertikalen Druckwellen und beispielsweise Rayleigh-Wellen über das Gitter zu erhöhen. Dies wiederum verringert die für maximalen Transducer-Wirkungsgrad optimale Gitterhöhe und vereinfacht dadurch den Fertigungsprozess.
Die Dickenresonanz liefert auch Gestaltungsfreiheit beim Abstimmen des Ersatzschaltungswiderstandes des befestigten piezoelektrischen Elements und somit der Steuerelektronik-Impedanzkennlinie des akustischen Tastbildschirms. 11 zeigt eine Ersatzschaltung für einen Gitter-Transducer. Derartige Schwingungen bzw. Mehrfach-Reflexionen verändern die mechanische bzw. akustische Impedanz beispielsweise der Glasfläche, auf der das piezoelektrische Element befestigt ist. Bei einer Dickenresonanz wird die akustische Impedanz des Glases reduziert und das mechanische Q des am Glas befestigten Piezoelements erhöht. Dies hat zur Folge, dass sich der Ersatzschaltungswiderstand ("R" im Schaltplan der 11) des Transducers verringert.
Wenn das Piezoelement korrekt auf die Betriebsfrequenz abgestimmt ist, d. h., 1/{2π√(LC₁)} der Betriebsfrequenz entspricht, dann heben sich die Impedanz von Resonanzinduktivität und Resonanzkapazität gegenseitig auf, und das Ersatzschaltbild ist einfach ein Kondensator C₀ parallel zum Widerstand R. Die an das Piezoelement abgegebene Leistung ist durch V²/R gegeben; hierbei ist V der Effektivwert (Wurzel des Zeitintegrals der Quadrate) der angelegten Steuerspannung.
Der Schaltungsaufbau für die Transducer-Erreger-Bursts bekannter kommerzieller Tastbildschirm-Controller kommt einer Spannungsquelle häufig näher als einer Stromquelle. Dies trifft besonders zu, wenn die Sende-Burst-Amplitude aufgrund von Sicherheitskriterien für Spitzenspannungen begrenzt ist (z. B. bei Underwriter Laboratories) begrenzt ist. Unter der Annahme einer Festspannung für ein Anregungssignal bedeutet ein kleinerer Ersatzschaltungs-Transducerwiderstand erhöhte elektrische Leistung, die an den Transducer abgegeben wird. Deswegen kann bei manchen Controller-Konstruktionen die Dickenresonanz die zur Umwandlung in akustische Wellen verfügbare elektrische Leistung erheblich erhöhen.
BEISPIEL 8
Es wurden Gitter-Transducer gefertigt und auf Aluminium-Substraten mit Erfolg erprobt. Aluminium kann als Substrat für lichtundurchlässige Tastfelder eingesetzt werden. Dies verdeutlicht, dass die Prinzipien des Gitter-Transducer-Betriebs nicht auf eine bestimmte Substratmaterialauswahl begrenzt sind.
Durch maschinelle Aushebung von Rillen in der Oberfläche des Aluminiumsubstrats wurde ein Gitter geformt. Die Gitterelemente waren als 51 Mikron tiefe und 254 Mikron breite Rillen mit einem Mittenabstand von 533 Mikron ausgelegt. Das Gitter hatte 10 Gitterelemente.
Wie in Beispiel 6, bei dem ein Glassubstrat verwendet wurde, ist das piezoelektrische Element horizontal montiert, und der Abstrahlwinkel ist Null. In diesem Fall wurde die Dicke des Aluminiumsubstrats im Bereich des Gitters so ausgelegt, dass sie einer Dickenresonanz entsprach. Die Dicke des Substrats betrug im Bereich des Gitters 2,29 mm.
Anhand von Tests, die den in Beispiel 4 beschriebenen glichen, wurde der Gitter-Transducer-Betrieb beobachtet. Als Sendeimpuls zur Anregung eines Keil-Transducers wurde eine Tonimpulsfolge [Ton-Burst] von 3 bis 4 Mikrosekunden mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von 14 Volt benutzt. Die Rayleigh-Welle vom Keil-Transducer wurde auf das Gitter gerichtet. An der Unterseite des Substrats wurde ein 2 mm breites Piezoelement unter dem Beginn des Gitters angebracht. Es wurde ein Empfangssignal mit einer Spitzenamplitude von 1,4 Volt von Spitze zu Spitze festgestellt, das heißt, –20 dB im Hinblick auf das Erregungssignal. Die Signalamplitude für ein Paar von Keil-Transducern erbrachte ein ähnliches Messsignal.
Zu beachten ist die erfolgreiche Herstellung eines Gitter-Transducers mit Rillen an Stelle von auf das Substrat aufgebrachtem Material zur Gitter-Fertigung. Dies zeigt einmal mehr die Vielfalt der Herstellungsprozesse für Gitter.
BEISPIEL 9
Ein horizontaler Piezoelement-Prototyp (θ_B = 0°) sowie Gitter-Transducer mit einem Abstrahlwinkel ungleich Null (θ_E = 45°) wurden mit drei verschiedenen Materialien gefertigt, einschließlich zweier Materialien, die nicht als Glas charakterisiert sind. Rayleigh-Wellen-Abstrahlung wurde in allen drei Fällen beobachtet: gehärtete Glasfritte (Höhe ca. 10 μ), Epoxyd mit Lithopone^TM-Zusatz (Höhe ca. 25 μ) und Epoxyd mit Wolfram-Zusatz. (Höhe ca. 25 μ). Das Epoxyd liefert somit eine Polymer-Matrix für eine anorganische Füllstoff-Zusammensetzung. Die Masse, die für die Gitter aus Glasurmasse und Epoxyd mit Lithopone^TM-Zusatz aufgebracht wurde, war annähernd gleich, und die entsprechenden Empfangssignale waren gleich innerhalb experimenteller Unsicherheiten. Die Gitter aus Epoxyd mit Wolfram-Zusatz wiesen zwei- bis dreifache Masse und eine entsprechende Erhöhung der Empfangssignalamplitude auf.
Der Einsatz von Polymer-Gittermaterialien bietet größere Entwurfs- und Prozessflexibilität.
BEISPIEL 10
In den Beispielen 2, 4, 5, 6 und 7 ist die an das piezoelektrische Element koppelnde Volumenwelle eine Druckwelle. Die in 5 und 6 abgebildeten Elementen 4a, 4b, 10a und 10b sind wahlweise piezoelektrische Scherwellen-Elemente. Wie in der vorliegenden Ausführungsform demonstriert wird, kann eine Volumen-Scherwelle mit dem eher konventionellen und billigeren piezoelektrischen Druckwellen-Element erzeugt werden.
Diese Ausführungsform wird unter Verwendung eines piezoelektrischen Druckwellen-Elements 32 realisiert, das laut Abbildung in 12 unkonventionell montiert ist, so dass die Volumenwelle 78 in eine Scherwelle 80 mit Partikelbewegung in der Ebene des Papiers umgewandelt wird, bevor sie das Gitter 30 erreicht. In 12 handelt es sich beim Substrat 20 um Natronkalkglas mit einer Volumen-Druckwellengeschwindigkeit von 6000 Metern pro Sekunde und einer Volumen-Scherwellengeschwindigkeit von 3433 Metern pro Sekunde. Das piezoelektrische 5,5-MHz-Druckwellen-Element 32 ist um einen Winkel θ_p = 62,6° zur Horizontalen geneigt. Die abgestrahlte Volumen-Druckwelle 78 breitet sich in Abwärtsrichtung in einem Winkel θ_p zur Vertikalrichtung aus. Dies führt zu einer aufwärts reflektierten Scherwelle 80, die sich in einem Winkel θ_s = 30,5° zur Vertikalrichtung fortpflanzt. Der Wert von θ_s wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz bestimmt: sein(θs)/Vs = sein(θp)/Vp.
Der Wert von θ_p in diesem Beispiel wird zur Erfüllung eines akustischen Αnalogons des Brewster-Winkels gewählt. Wie sich anhand bekannter akustischer Grundsätze berechnen lässt, siehe z. B. Gleichung 9.45 (Γ_|| = ...), B. A. Auld, Acoustic Fields and Waves in Solids (2^nd ed.), Vol. II, Krieger Publishing Co., Malabar, Florida, 1990, ISBN 089874783-X, wird die einfallende Druckwelle zu 100% als Scherwelle reflektiert. Eine derartige Wellentyp-Umwandlungsreflexion ermöglicht eine effiziente Erzeugung von Volumen-Scherwellen mit einem gewöhnlichen piezoelektrischen Druckwellen-Element.
Die Fähigkeit zur Illumination des Gitters 30 mit einer Scherwelle 80 selbst mit einem piezoelektrischen Druckwellen-Element 32 bietet eine interessante Wahlmöglichkeit, um den "F"-Faktor für z. B. Rayleigh-Wellen-Erzeugung zu ändern bzw. zu optimieren (siehe Takeuchi et al. 1980).
Dieser in 12 dargestellte Fall bietet einen besonderen Vorteil, wenn das abgebildete Substrat aus einem oberen Laminat 20 einer Sicherheitsglas-Schichtung 20, 130, 132, d. h., Natronkalkglas 20, 132 über und unter einem Polyvinylbutyrat-Polymer 130, oder aus einem anderen Laminat besteht. In diesem Fall wird die Scherwelle weiterhin von der Rückfläche 42 der oberen Glasschicht 20 zurückgestrahlt, und auf Grund der großen Differenz der akustischen Impedanz zwischen Glas 20 und Polyvinylbutyrat 130 wird der Großteil der Welle 80 aufwärts zum Gitter 30 hin reflektiert und z. B. in eine Rayleigh-Welle 79 umgewandelt. Andererseits werden parasitäre Plattenwellenmodi durch die Polymerschicht 130 schnell gedämpft. Die Abschrägung 74 an der Oberseite des oberen Laminats 20 der Sicherheitsglas-Schichtung ist z. B. für einen Roboterprozess für das piezoelektrische Element gut zugänglich und eliminiert auch eine mechanische Beeinträchtigung zwischen dem piezoelektrischen Element 32 und überschüssigem Polymer 130, das eventuell über die das Substrat 20 bildende Glasschicht hinausragt.
Für dieses spezifische Beispiel mit θ_s = 30,5° hat die Scherwelle einen Bruchteil sin²(θ_s) bzw. ca. 26% ihrer Energie in Form von Scherbewegung in Vertikalrichtung und einen Bruchteil cos²(θ_s) bzw. ca. 74% ihrer Energie in Form von horizontal polarisierter Scherbewegung. Wie in einem späteren Beispiel veranschaulicht wird, ermöglicht diese große horizontale Scherkomponente Ausführungsformen, bei denen die vom dritter abgestrahlte Welle eine horizontal polarisierte Scherwelle wie etwa eine Love-Welle oder eine HOHPS-Welle ist.
BEISPIEL 11
Es lassen sich Gitter-Transducer konstruieren, bei denen der ausgesandte (bzw. empfangene) Akustikwellentyp keine Rayleigh-Welle ist. Die 13A und 13B ziehen Gitter- Transducer in Betracht, die ein piezoelektrisches Horizontalscherwellen-Element 32' verwenden, das eine horizontal polarisierte Scherwelle, nämlich eine Love-Welle 94 anregt.
Das Mehrschicht-Substrat 84, 86 ist z. B. eine 0,5 mm dicke Glasschicht mit geringer Volumen-Scherwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit, wie z. B das bariumhaltige Glas Schott B270^TM, die mit einer 3 mm dicken Schicht Natronkalkglas verbunden ist. Ein solches Substrat 84, 86 kann die Ausbreitung einer Love-Welle 94 unterstützen, die eine höhere Leistungsdichte horizontaler Scherbewegung an der Oberfläche 82 aufweist als jene, die von einer horizontal polarisierten Scherwelle niedrigster Ordnung (ZOHPS-Welle) in einem 1 mm dicken Glassubstrat geliefert wird. Die Scherbewegung des piezoelektrischen Elements 32', die Scherbewegung der Volumen-Scherwelle 92, die Achsen der Gitter 90 und die Scherbewegung der Love-Welle 94 sind alle senkrecht zur Zeichenebene in 13A.
13B verwendet dagegen eine ähnliche Geometrie wie die in 12 abgebildete. In diesem Falle wird jedoch die horizontal polarisierte Volumen-Scherwelle 96 vom piezoelektrischen Horizontalscherwellen-Element 32' von der rückseitigen Fläche 88 des Substrats 86 schlicht ohne Wellentypumwandlung zurückgeworfen, und daher entspricht der Einfallswinkel dem Reflexionswinkel. Gitter-Transducer wie diese lassen sich mit den weiter oben erörterten Abwandlungen der Orientierung und des Abstrahlwinkels des Piezoelements konstruieren. Bei großen Abstrahlwinkeln, wie z. B. 90° als Beispiel für den ungünstigsten Fall, geht allerdings Wirkungsgrad verloren, da die horizontale Scherbewegung der Volumenwelle nicht mehr parallel zur Horizontalbewegung der abgestrahlten Welle verläuft.
Die Beabstandung und Orientierung des Gitters werden durch die Braggsche Streuungsbedingung zwischen dem Wellenvektor der abgestrahlten Love-Welle und der horizontalen Komponente des Wellenvektors der Volumenwelle bestimmt.
BEISPIEL 12
Fokussierende Gitter-Transducer können konstruiert werden, indem man die Gitter 5a', 5b', 8a' laut Abbildung in 14A mit einer Krümmung versieht. Zu beachten ist, dass für ein gekrümmtes piezoelektrisches Element keine Notwendigkeit besteht. Ohne dass für das piezoelektrische Element zusätzliche Kosten anfallen, ermöglichen Gitter-Transducer die Freiheit zur Anpassung der Fokussiereigenschaften abgestrahlter akustischer Strahlen. Dies ist bei Keil-Transducern und Kanten-Transducern nicht der Fall.
Für einen Gitter-Transducer mit einem horizontal orientierten piezoelektrischen Element wird der Krümmungsradius der Gitter 5a', 5b', 8a' mit der Soll-Brennweite 100, 102, 104 gleichgesetzt. Die wirksame Brennweite beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte bis drei Viertel der Länge der Reflektorgruppe 6a, 6b, 7a, sie kann aber auch der Länge der Reflektorgruppen entsprechen oder länger sein. Diese Gitterelemente können auch parabolisch sein oder eine andere gewünschte Konfiguration aufweisen, um die Akustikwellenenergie einen gewünschten Weg entlang zu lenken. Normalerweise ist die Soll-Brennweite im Vergleich zu den Abmessungen des Gitters groß, und parabolische Krümmung und kreisförmige Krümmung sind praktisch äquivalent. Bei einem Gitter-Transducer mit einem geneigten piezoelektrischen Element besteht gleiche freie Justierung der Brennweite, auch wenn die maßgebenden mathematischen Gleichungen komplexer sind. Die Grundsätze der Braggschen Streuung gelten weiterhin. Der erwünschte Braggsche Streuwinkel wird zu einer Funktion der Position innerhalb des Gitter-Transducers. Die Krümmung der Gitterlinien der fokussierenden Gitter-Transducer lässt sich mit Hilfe von 14B und den folgenden Gleichungen festlegen: dy/dx = tan(π/2 – θg) κg 2 = [κBsinθB]2 + κR 2 – 2·κBsinθBκRcosθ sin(θg – θ) = [κBsinθBsinθ]/κg
Eine leichte Fokussierung der Transducerstrahlen kann dazu dienen, Signalverlust aus diffraktiver Strahlausbreitung teilweise zu kompensieren. So lässt sich etwa die Brennweite des fokussierenden Gitter-Transducers so einstellen, dass sie der Länge bzw. halben Länge der Reflektorgruppe entspricht. Laut Abbildung in 14A, die keine Reflektorgruppen darstellt, jedoch sowohl den Adler-Tastbildschirm als auch den Johnson-Freyberger-Tastbildschirm des US-Patents 3,673,327 umfassen kann, können die Gitter Brennpunkte aufweisen, die am besten etwa der Hälfte bis drei Viertel der Entfernung zur anderen Seite des Substrates entsprechen.
BEISPIEL 13
15A behandelt die Konstruktion eines Gitter-Transducers, bei dem der F-Faktor Eins betragen kann und bei dem somit der Transducer-Wirkungsgrad weiter verbessert ist siehe Takeuchi et al. (1980). Dies ist möglich mit einer Volumen-Scherwelle, die mit einem ausreichend negativen Wert für θ_B auf das Gitter einfällt, der folgende Gleichung erfüllt: |sin(θB)| > Vs/Vp = (0,5 – σ]/(1 – σ)½ wobei V_s die Volumen-Scherwellengeschwindigkeit, V_p die Volumen-Druckwellengeschwindigkeit und σ die Poissonsche Konstante ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist und der Gitterabstand auf die Kopplung von Volumen-Scherwellen und Rayleigh-Wellen ausgelegt ist, so gibt es keine Kopplung von Rayleigh-Wellen an Volumen-Druckwellen via Braggscher Streuung. Für Aluminium mit einer Poissonschen Konstante σ = 4,355 wird die obige Bedingung numerisch zu θ_B > 28,3° bestimmt. Somit lässt sich ein Gitter-Transducer mit F = 1 mit einem piezoelektrischen Scherwellen-Element konstruieren, das auf einer Substratfläche befestigt wird, die in der durch 15A angegebenen Richtung um z. B. 30° geneigt ist.
Es wird also, wie in 15A gezeigt, der piezoelektrische Transducer 32 Fig. so eingerichtet, dass er eine Volumenwelle 108 mit einer Ausbreitungsachsenprojektion in der Ebene des Gitters 30' auf der Gegenseite der Ausbreitungsachse des umgeformten Wellenmodus 79 erzeugt. Das piezoelektrische Element 32 wird in einer inneren Abschrägung abgeschirmt, wodurch die Lötperle 34, der Anschlussdraht 36 und das Signalkabel 106 geschützt werden können.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn das piezoelektrische Element, die Lötverbindungen und die Kabelführung durch Unterbringung in einer konkaven Einbuchtung laut Abbildung in 15A geschützt werden. Manchmal rechtfertigen diese Vorteile der mechanischen Auslegung die Geometrie der 15A, selbst wenn F < 1 ist, weil z. B. ein billigeres piezoelektrisches Druckwellen-Element verwendet wird.
Insbesondere bei Polymer-Substraten, die durch einen Pressvorgang geformt wurden, kann die Substratgeometrie laut 15A mit geringen zusätzlichen Fertigungskosten die Vorteile durch F = 1 und mechanischen Schutz des piezoelektrischen Element bieten. Zum Beispiel führen bei Styron^® 666 (Polystyren von Dow Chemical) die Poissonsche Konstante σ = 0,35 und wiederum ein um ca. 30° oder mehr negativ geneigter piezoelektrisches Scherwellen-Transducer zu F = 1.
Die Ausführungsform des Polymer-Substrats mit Rayleigh- oder Love-Wellen-Gittertransducern der Geometrie laut 15A ist von besonderem Interesse, da sich Keil- Transducer für Polymer-Substrate, wie oben bemerkt, nur schwer oder gar nicht konstruieren lassen. Anzumerken ist, dass bei formgepressten Polymer-Substraten das Gitter (und die Reflektorgruppen) in die Pressform integriert werden können. Bei einem solchen Prozess ist es nicht schwierig, Gitter mit variabler Höhe oder Tiefe auszustatten.
Eine alternative Ausführungsform laut Darstellung in 15B kombiniert die Prinzipien der 15A und 12. Beispielsweise kann bei einem Polystyren-Substrat 20 das piezoelektrische Element 32 in einem 60°-Winkel zur Horizontalen angebracht werden. Das piezoelektrische Element 32 koppelt mit einer Volumen-Druckwelle 116, die sich in einem Winkel von 60° zur Vertikalen ausbreitet und auf das Gitter 30' gerichtet ist. Diese Volumen-Druckwelle wird an der reflektierenden Fläche 112 um 90° reflektiert und modusmäßig in eine Volumen-Scherwelle 118 mit θ_B = –30° umgewandelt. Die reflektierende Fläche 112 bildet zur Vertikalen einen Winkel von 55,6°. Die im in Beispiel 10 genannten Lehrbuch von B. A. Auld aufgeführten akustischen Prinzipien führen an der reflektierenden Fläche zu einem Wirkungsgrad der Wellentypumwandlung in Höhe von 77%.
15B zeigt auch die Möglichkeit der Befestigung des piezoelektrischen Transducers 32 an einer Keilstruktur 110, die mit Kleber oder einem sonstigen Mittel an einer Grenzfläche 120 mit dem Substrat 20 verbunden werden kann. Die Grenzfläche 120 dämpft den Volumenwellenmodus 118 nicht in hohem Maße. Somit muss das Substrat 20 keine vorgeformten Oberflächenstrukturen auf beiden Seiten 22, 42 aufweisen.
15B veranschaulicht ein Beispiel, in dem die Volumenwelle reflektiert und möglicherweise durch eine einzige reflektierenden Fläche modusmäßig umgewandelt wird. Man kann auch zwei oder mehr Volumenwellen-Reflexionen in Gitter-Transducer-Konstruktionen einbeziehen. Dies ergänzt Gitter-Transducer-Konstruktionen für akustische Tastbildschirme um weitere Wahlmöglichkeiten.
Mit Hilfe von Absorbern (Dämpfern), die in der Nähe der Gitter-Transducer-Struktur angebracht werden, kann man die Effekte parasitärer Wellen unterdrücken. Die Möglichkeit, Referenzflächen zu formen und/oder der akustischen Impedanz entsprechende Absorber anzuwenden, bietet ein hohes Maß an Flexibilität bei der Behandlung parasitärer Wellen.
BEISPIEL 14
Für θ_B ≠ 0° sind Gitter-Transducer unidirektional, das heißt, sie senden einen Strahl vorzugsweise in Vorwärtsrichtung und nicht in Rückwärtsrichtung aus.
Für θ_B = 0° sind symmetrisch ausgelegte Gitter-Transducer bidirektional, das heißt, dass sie gleichermaßen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung aussenden (oder empfangen). Mitunter kann es vorteilhaft sein, wenn der Gitter-Transducer des Tastbildschirms so ausgelegt ist, dass er zwei nutzbare Wellenmodi koppelt, die antiparallel zueinander verlaufen.
Es ist möglich, einen unidirektionalen Gitter-Transducer mit θ_B = 0° zu konstruieren. Ein Ansatz besteht darin, hinter dem Gitter-Transducer einen akustischen Reflektor zu platzieren. Beispielsweise kann ein mit der halben Wellenlänge beabstandetes Gitter (n + 1/2)λ 122 hinter dem Gitter 30 angebracht werden, das zur Umwandlung von Wellenmodi gedacht ist, wie es in 16 dargestellt ist. In der in 17 abgebildeten Ausführungsform ist der Reflektor 128 nur eine Verlängerung des mit einer ganzen Wellenlänge beabstandeten (nλ) Gitterwerks nach hinten. Ein mit einer Wellenlänge beabstandetes Gitter 128 koppelt die rückwärtsgerichtete akustische Welle 126 an vertikale Volumenwellen 130, die an der Rückfläche 43 des Substrats reflektiert werden und dann an der Verlängerung des Gitters 128 an die gewünschten vorwärtsgerichteten akustischen Wellen 124 koppeln. Die nach vorne gerichtete Welle 124 und nach hinten gerichtete Welle 126 addieren sich zur effektiven Welle 79, die vom Transducersystem abgestrahlt wird.
Alternativ kann zur Erzeugung und zum Empfang von Rayleigh-Wellen eine asymmetrische Gitterform 132 verwendet werden, wie in 18A gezeigt. Der experimentelle Nachweis, dass ein solches Gitter unidirektional sein kann, wird in einem Artikel vom 1. Mai 1969 in Electronics Letter (Band 5, Nummer 9) erbracht, welcher durch Bezugnahme Bestandteil dieser Patentschrift wird^[9]. Theoretisch kann die Interaktion der vertikalen Volumenwelle mit dem asymmetrischen Gitter zu elliptischer Partikelbewegung führen. Angesichts der Tatsache, dass Rayleigh-Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen, mit elliptischer Partikelbewegung in entgegengesetzten Richtungen korrespondieren, erwartet man, dass das angeregte Gitter vorzugsweise mit Rayleigh-Wellen einer Richtung koppelt.
Die Abhandlung von Prof. Takeuchi und Prof. Yamanouchi^[10], "Unidirectional excitation of plate waves in a periodic structure" ["Unidirektionale Plattenwellenanregung in einer periodischen Struktur"], Oktober 1991, belegt, dass eine periodische Gruppierung von Anregungszentren, die um eine achtel Wellenlänge (n + 1/8)λ von einer periodischen Gruppierung von Streuzentren versetzt sind, zu unidirektionaler Aussendung akustischer Wellen führen können. Entsprechend der vorliegenden Erfindung lassen sich ähnliche Prinzipien auf einen Gitter-Transducer eines Tastbildschirms anwenden.
Oberflächengeführte Wellen wie z. B. Rayleigh- oder Love-Wellen dringen bis zu einem gewissen Grade in das Substrat ein; es besteht z. B. immer noch eine beträchtliche Energiedichte eine halbe Wellenlänge unter der Oberfläche. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, abgebildet in 18B, können sich Elemente des diffraktiven Akustikwellen-Kopplers 90', 90'' auch bis in eine ähnliche Tiefe unter oberen Oberfläche erstrecken. Die Volumenwelle 92' vom piezoelektrischen Transducer 32'', der in diesem Fall ein mit der Unterseite des Substrats 88' akustisch gekoppeltes piezoelektrisches Scherwellen-Element ist, die sich der Stirnfläche 82 vom Substrat 20' her nähert, erreicht die tiefer liegende Zone 86', bevor sie in der flachen Zone 84' ankommt. Das Substrat 20' ist als Laminat geformt, das geeignet ist, die Ausbreitung von Love-Wellen zu unterstützen. Um dieser Zeitverzögerung und der entsprechenden Phasenverschiebung Rechnung zu tragen, können die Elemente des diffraktiven Akustikwellen-Kopplers 90', 90'' einen relativen Versatz 91 aufweisen oder geneigt sein, um konstruktive Interferenz für die gewünschte Ausbreitungsrichtung der Love-Welle 94' entlang der Oberfläche mit verhältnismäßig größerer Energie als der einer sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Welle 94'' zu erreichen. Diese Art Koppler kann daher teilweise oder vollständig unidirektional ausgelegt werden. In diesem Falle kann das Substrat z. B. aluminiumbeschichtet sein, mit einer dichten Schicht aus schwermetallhaltigem Email. Die versenkten Elemente 90' des diffraktiven Akustikwellen-Kopplers können als gestanzte Einprägung in der Oberfläche des Aluminiums geformt werden, die während der Beschichtung mit Email 84' gefüllt wird, und die Oberflächenelemente 90'' des diffraktiven Akustikwellen-Kopplers können in das Email 84' eingeprägt werden, bevor dieses vollkommen gehärtet wird. Der relative Versatz 91 wird durch eine nicht abgebildete mechanische Vorrichtung hergestellt.
BEISPIEL 15
Akustische Sensoren, die Gitter-Transducer verwenden, müssen nicht auf Anordnungen begrenzt sein, die auf vier Transducer insgesamt limitiert sind. Ebenso wie es bei akustischen Tastbildschirmen mit Keil-Transducern möglich ist, können gemäß der vorliegenden Erfindung Konstruktionen mit sechs, acht oder mehr Transducern an einem einzigen Berührungsfühlersystem bzw. Substrat angebracht werden. Beispielsweise werden in einer Ausführungsform eines rechteckigen Tastbildschirms gemäß der vorliegenden Erfindung an jeder Ecke zwei Gitter-Transducer angebracht, wobei zwecks Verarbeitung durch die Controller-Elektronik vier Signale erfasst werden, um die Berührungsposition zu bestimmen: X rechts, X links, Y oben und Y unten. Dies lässt sich weiter verallgemeinern durch z. B. Messung der X-Koordinate durch drei oder mehr Array-Paare. Besonders interessant sind jedoch Ausführungsformen mit akustischen Gitter-Transducer-Tastbildschirmen, für die es keine Entsprechungen mit Keil-Transducer-Tastbildschirmen gibt.
Anzumerken ist, dass Gitter-Transducer, genau wie Keil-Transducer und anders als Kanten-Transducer, irgendwo auf der Substratoberfläche platziert werden können, unabhängig von der Nähe zu einer freien Kante. Im Gegensatz zu mit der Substratoberfläche verbundenen Keil-Transducern müssen Gitter-Transducer jedoch kein akustisch vollkommen undurchlässiges Hindernis darstellen, wenn sie auf einem nutzbaren Schallweg eines anderen Sensor-Subsystems platziert werden. Gitter-Transducer ermöglichen größere Konstruktionsfreiheit, um Sensor-Subsysteme überlappen zu lassen. Insbesondere ermöglichen Gitter-Transducer eine nahtlose kachelartige Abdeckung von Sensor-Subsystemen, wie sie in 19A und 19B dargestellt ist.
19A zeigt ein Paar von Gittern eines sendenden 142 und empfangenden 140 Gitter-Transducers sowie sendende 146 und empfangende 144 Reflektorgruppen. Diese Gitter und Reflektorgruppen können auf vielerlei Weise gebildet werden, z. B. durch Bedrucken, Ätzen, Prägen eines Metallsubstrats oder durch Modellieren der Pressform für ein Polymer-Substrat. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gitter 140, 142 Teile von unidirektionalen Transducern, z. B. wird ein aus z. B. demselben Material wie das Substratmaterial bestehender Keil zwischen dem piezoelektrischen Element und der Rückseite des Substrats angebracht, in einer Anordnung ähnlich der in 15B dargestellten, so dass θ_B < 0°.
19B zeigt eine mögliche kachelartige Anordnung von Paaren von Gittern 150X, 152X, 150Y, 152Y und Reflektorgruppen 154X, 156X, 154Y, 156Y. Die gefüllten Kreise verkörpern sendende Gitter-Transducer 150X, 150Y wie in 19A, die fettgedruckten Pfeile verkörpern sendende Reflektorgruppen 154X, 154Y, die dünnen Pfeile verkörpern empfangende Reflektorgruppen 156X, 156Y, und die offenen Kreise verkörpern empfangende Gitter-Transducer 152X, 152Y. Alternativ sind die Sende- und Empfangsgruppen überlagert angeordnet und mit einem einzelnen gemeinsamen Sende-/Empfangs-Gitter-Transducer (in den Zeichnungen nicht abgebildet) assoziiert. Wie durch den gestrichelten Pfeil in 19B angedeutet, lenken die X-sendenden Reflektorgruppen 154X akustische Wellen nach unten. In ähnlicher Weise lenken Y-sendende Reflektorgruppen 154Y akustische Wellen nach rechts. Zu beachten ist, dass jeder Punkt auf der Oberfläche von mindestens einem X-Sensor-Subsystem und mindestens einem Y-Sensor-Subsystem abgefühlt wird. Für den Großteil der Berührungsfläche gibt es tatsächlich zwei Messungen von X und Y. Eine derartige kachelartige Abdeckung kann eine Berührungsfläche von beliebiger Größe unterstützen. Bei einer Berührung 160 wird die Y-Koordinate von einer Welle 158Y abgefühlt. Die X-Koordinate wird von den Wellen 158X und 158X' abgefühlt.
In der Ausführungsform laut 19B kann es erwünscht sein, Gitter (und Reflektorgruppen) mit reduzierter Kopplungsstärke zu verwenden. Dies reduziert zwar Signalamplituden und verringert somit die Maximalgröße individueller Sensor-Subsysteme, aber es vermindert in positiver Weise Schatteneffekte bei akustischen Signalen durch Komponenten anderer überlagerter Sensor-Subsysteme. Auch kann es sinnvoll sein, erwünschte Schallwege von orthogonalen X- und Y-Richtungen abweichen zu lassen, so dass z. B. die X-Reflektorgruppen geringeren örtlichen Schatten für die Y-Sensor-Subsysteme erzeugen^[11]. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Berührungen mittels Rayleigh-Wellen abgefühlt. Beispielsweise kann die Berührungsfläche die Aluminium- oder Stahlhülle eines Robotergeräts sein, die nicht eben zu sein braucht. Eine solche berührungsempfindliche Roboteroberfläche kann z. B. der Vermeidung von Zusammenstößen dienen. Optional kann die metallene Berührungsfläche mit einer Kunststoff-Verkleidung versehen sein, die dazu bestimmt ist, sehr guten akustischen Kontakt nur dann herzustellen, wenn der Kunststoff mit Kraft gegen die Berührungsfläche gedrückt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Berührungen anhand von Love-Wellen abgefühlt. Zum Beispiel kann mit dichtem Email überzogenes Aluminium ein Love-Wellen-Substrat liefern. In diesem Falle sind die Gitter-Transducer und Reflektorgruppen als Rillen oder Ätzungen in der Aluminium-Oberfläche oder als aufgebrachtes, in das Email hineinragendes Material ausgeführt. Eine derartige Ausführungsform ist z. B. für große Schreibtafel-Anwendungen interessant, bei denen eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber flüssigen Schmutzstoffen wie z. B. trocknenden Lösemittel aus Filzstifttinte erwünscht ist.
BEISPIEL 16
Wie in Beispiel 10 erörtert, kann das piezoelektrische Druckwellenmodus-Element der 12 in Verbindung mit einer Reflexion an der Rückfläche des Substrats zur Kopplung einer Volumen-Scherwelle benutzt werden. Die vorliegende Ausführungsform zeigt, dass im Gegensatz zu einer Volumen-Druckwelle eine solche Volumen-Scherwelle verwendet werden kann, um an eine Love-Welle zu koppeln. Diese Ausführungsform umfasst ein Love-Wellen-Substrat 196, wie es z. B. in 13 dargestellt ist. 20 mit der Abbildung eines Empfängerpaars illustriert eine bevorzugte Ausführungsform, in der Love-Wellen 210, 212 in der Ebene der Gitter mit Abstrahlwinkeln von 90° zur Ausbreitungsachse der Volumenwellen 214, 216 angeregt werden, die ihrerseits an der rückwärtigen Substratfläche reflektiert werden und als Volumen-Druckwellen mit den piezoelektrischen Transducern 198, 200 koppeln, die auf den vorderen Abschrägungen 204, 206 befestigt sind.
Bei einem Abstrahl-/Empfangswinkel von 90° sind die Gitter 202, 208 nicht rechtwinklig zur Love-Wellen-Ausbreitungsachse 210, 212 ^[12] angeordnet, sondern statt dessen um einen Winkel θ_g gedreht, der folgende Gleichung erfüllt: tan(θg)/Vlove = sin(θs)/Vs
Die Love-Wellen-Phasengeschwindigkeit kann empirisch ermittelt werden, durch Berechnung auf der Basis der bekannten Eigenschaften der laminierten Materialien, oder der Winkel θ_g kann experimentell variiert werden, um den Winkel des maximalen Wirkungsgrades herauszufinden, was wiederum die Bestimmung der effektiven Love-Wellen-Phasengeschwindigkeit ermöglicht. Da die Love-Wellen- und Volumen-Scherwellen-Phasengeschwindigkeiten sich gar nicht so sehr unterscheiden und die Winkel relativ klein sind, wird der optimale Wert von θ_g nicht allzu sehr von θ_s verschieden sein.
Anzumerken ist, dass der Abstrahl-/Empfangswinkel nicht unbedingt 90° sein muss. Bei Winkeln ungleich 90° ist jedoch ein gewisser Wirkungsgradverlust zu erwarten. Die horizontale Komponente der Scherbewegung der Volumenwelle ist dann nicht mehr parallel zur Scherbewegung der Love- Welle. Bei einem Abstrahlwinkel von 45° ist beispielsweise ein Wirkungsgradverlust mit Faktor 2 zu erwarten. Die Konstruktion dieses Love-Wellen-Gitter-Transducers ist einfach und kompakt. Sie benötigt keine zusätzlichen Fertigungsschritte oder Teile im Vergleich zu einem einfachen geneigten piezoelektrischen Gitter-Transducer und besitzt den Vorzug, dass sie die Notwendigkeit eines teureren piezoelektrischen Elements vermeidet.
BEISPIEL 17
Es gibt eine Reihe von Konstruktionen akustischer Tastbildschirm-Systeme, die ohne eine Reflektorgruppe funktionieren. Siehe z. B. US-Patent 3,673,327, Johnson und Freyberger (1972), und PCT-Anmeldung WO 94/02911 (PCT/JP93/01028, 1994) von Kohji Toda. Gitter-Transducer ermöglichen neuartige Variationen derartiger akustischer Tastbildschirme. 21, welche analog zu den 16 und 19 von WO 94/02911 ist, repräsentiert eine Konstruktion entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der die mit "T" markierten Teile sendende Gitter-Transducer und die mit "R" markierten Teile empfangende Gitter-Transducer sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen diese Gitter-Transducer der 21 eine Platte aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), auf der ein Metallisierungsmuster ausgebildet ist, das eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente definiert. Diese PVDF-Unterbaugruppe wird anschließend auf einer abgeschrägten Fläche des Substrats befestigt, um Volumenwellen zu erzeugen, die sich in Richtung der jeweiligen Gitterelemente ausbreiten. Beim Einsatz von PVDF kann es vorteilhaft sein, eine Impedanzanpassungsschaltung in der Nähe^[13] des Transducers zu benutzen, z. B. einen Feldeffekttransistor ("FET"), um den Einsatz von Niedrigimpedanz-Verkabelung bei interdigitalen PVDF-Transducern mit relativ höherer Impedanz zu ermöglichen.
Im Vergleich zu interdigitalen piezoelektrischen Elementen, die dem Stand der Technik entsprechend mit der oberen Fläche eines Glassubstrats verbunden sind, bieten Gitter auf der oberen Fläche und akustische Piezoelement-Transducer auf der Unterseite (d. h. Gitter-Transducer) entsprechend der vorliegenden Erfindung die folgenden potentiellen Vorzüge: (a) einfachere Piezoelektroden-Konstruktionen, z. B. keine Notwendigkeit für 1/4-Wellenlängen-Strukturbreiten der Elektroden^[14], (b) relative Winkelausrichtung von Transducern lässt sich leichter durch Aufdrucken von Gittern in einem Durchgang erreichen, und (c) empfindliche piezoelektrische Elemente und elektrische Verbindungen werden zu einer vom Benutzer entfernten Substratfläche verschoben.
22 zeigt einen Gitter-Transducer, der eine relativ einfache Struktur aufweist und doch mit zwei verschiedenen Wellenmodi gekoppelt ist, z. B. eine Love-Welle 162 und eine Rayleigh-Welle 164. Das Substrat 84, 86 unterstützt die Ausbreitung sowohl von Love- als auch von Rayleigh-Wellen. Das obere piezoelektrische Element 174 kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element für Druckwellen sein, das via Volumen-Druckwelle mit θ₁ = θ_B = 60° mit Rayleigh-Wellen 164 koppelt und auf der Abschrägungsfläche 178 befestigt ist, und das untere piezoelektrische Element 172 kann z. B. ein piezoelektrisches Element für horizontal polarisierte Scherwellen sein, das via Scher-Volumenwelle mit θ₂ = θ_S = 24° mit Volumen-Scherwellen 168 gekoppelt und auf der Abschrägungsfläche 176 befestigt ist. Die Beabstandung des Gitters 166 kann anhand der Prinzipien der weiter oben behandelten Braggschen Streuung kalkuliert werden, um sowohl die Rayleigh-Welle mit einer Volumen-Druckwelle bei θ_B = 60° als auch die Love-Welle mit einer Volumen-Scherwelle bei θ_S = 24° in einer Weise zu verkoppeln, die mehrere nutzbare Spitzen in der zweidimensionalen Fourier-Transformierten liefert. Der Ausbreitungswinkel θ_B der Volumen-Scherwelle lässt sich aus der Love-Wellen-Phasengeschwindigkeit, der Gitterbeabstandung und der Volumen-Scherwellen-Geschwindigkeit berechnen. Für Aluminium (σ = 0,355) und insoweit, als die Love-Wellen-Geschwindigkeit der Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit ähnelt, beträgt θ_B für die Volumen-Scherwelle annähernd 24°. Ein solcher Sensor kann z. B. aus dem Verhältnis der Love-Wellen-Absorption zur Rayleigh-Wellen-Absorption leicht eine Fingerberührung von einem Wassertropfen unterscheiden.
In einer weiteren Ausführungsform, ebenfalls durch 22 veranschaulicht, ist ein Doppelmodus-Gitter-Transducer vorgesehen, der empfindlich auf die Love-Welle der Ordnung Null und die Love-Welle der Ordnung n = 1 reagiert. In diesem Falle handelt es sich bei beiden piezoelektrischen Elementen 172, 174 um piezoelektrische Elemente für horizontal polarisierte Scherwellen, und das Substrat 84, 86 hat eine obere Schicht 84 mit geringerer Scherwellengeschwindigkeit, die dick genug ist, um die Ausbreitung von Love-Wellen der Ordnungen Null und Eins zu unterstützen. Dadurch, dass sie vorzugsweise Schwerwellenenergie an der Oberfläche absorbiert, kann eine Berührung das Tiefenprofil von Scherwellenenergie verändern, und sie wandelt somit einen gewissen Teil der Energie z. B. der Ordnung Null einer einfallenden Love-Welle 162 in Energie z. B. der Ordnung Eins einer Love-Welle 164 um. Durch Übertragung einer n = 0-Love-Welle 162 und Empfang einer n = 1-Love-Welle 164 oder sowohl einer n = 0-Love-Welle 162 als auch einer n = 1-Love-Welle 164 erhält man ein Sensorsystem mit positivem Berührungssignal bzw. ein Sensorsystem mit sowohl positiver als auch dämpfender Reaktion. Ist nur das positive Berührungssignal erwünscht, können die Gitter-Transducer für die gewünschten Modi mit einzelnen piezoelektrischen Elementen konstruiert werden.
Gitter-Transducer bieten somit erweiterte Möglichkeiten zur Auswahl akustischer Modi in akustischen Tastbildschirmen.
BEISPIEL 18
Die akustische Quelle muss kein einfaches piezoelektrisches Element mit einfachen oberen und unteren Elektroden sein. Dem vorliegenden Beispiel entsprechend werden komplexere Schallquellen in Betracht gezogen. Diese können mehrere piezoelektrische Elemente und/oder piezoelektrische Elemente mit komplexen Elektroden-Anordnungen umfassen, wie in 23 dargestellt.
Bei relativ dicken Substraten, z. B. einem 12 mm dicken Glassubstrat 180, kann es vorteilhaft sein, das piezoelektrische Element 188 an einer vertikalen Kante 192 dicht beim Gitter 182 anstatt an der relativ weit vom Gitter 182 entfernten Unterseite 194 zu montieren. Eine solche nähere Position des piezoelektrischen Elements 188 trägt dazu bei, diffraktive Ausbreitung der vom piezoelektrischen Element 188 abgestrahlten Volumenwelle zu minimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das piezoelektrische Element 188 eine erdfreie Bodenelektrode 190 und einen freiliegenden Satz von Elektroden 192, 194, dessen Geometrie interdigital ist. Der Mittenabstand s der benachbarten interdigitalen Elektroden 192, 194 entspricht der halben Volumenwellen-Wellenlänge im Substrat geteilt durch den Kosinus des Winkels θ_B der gewünschten Volumenwelle 184 zur Vertikalrichtung, d. h., s = ½*λ(Volumenwelle)/cos(θ_B). Zu beachten ist, dass alle Interdigitalelektroden 192, 194 während des Polens auf einer gemeinsamen Spannung gehalten werden, aber während des Betriebs wie angegeben mit abwechselnden Polaritäten verbunden werden.
Gegenüber der in 1 abgebildeten Konstruktion ist bei der in 23 dargestellten Konstruktion ein Wirkungsgradverlust von 3 dB zu erwarten, weil vom piezoelektrischen Element 188 sowohl sich aufwärts 184 als auch sich abwärts 186 ausbreitende Volumenwellen erzeugt werden. Alternativ kann man die sich abwärts ausbreitende Volumenwelle 186 eliminieren, und zwar mit ausreichend kleiner Beabstandung der Interdigitalelektroden und einer Elektronik, die die individuelle Phaseneinstellung von Signalen zu bzw. von jeder Elektrode steuern kann, so dass benachbarte Elektroden keine alternierenden Phasen aufweisen müssen.
BEISPIEL 19
Wie nach dem Stand der Technik bekannt, kann man anhand eines Paares passend angeordneter und konstruierter Gitter auf einem Substrat Wellenenergie von einer ersten Oberfläche eines Substrats auf eine zweite Oberfläche eines Substrats übertragen. Siehe Humphryes und Ash (1969). Somit kann diese Struktur als ein "Übergang" angesehen werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine derartige Struktur die Verwendung einer beliebigen Struktur, einschließlich eines Keil-Transducers oder Gitter-Transducers, um eine Welle zu erzeugen, die an einer ersten Oberfläche des Substrats Oberflächenenergie aufweist, welche dann mit hohem Wirkungsgrad zu einer zweiten Oberfläche des Substrats übertragen werden kann; dadurch werden die Strukturen, welche die akustische Welle erzeugen, auf eine Substratfläche verlagert, die von den Reflektorgruppen bzw. der Berührungsfläche getrennt ist. Eine solche Anordnung macht es auch möglich, dass eine akustische Welle eine normalerweise behindernde oder störende Struktur passieren kann.
Die 24A, 24B und 24C veranschaulichen eine Ausführungsform, die solche akustische Übergänge als Mittel benutzt, um eine Berührungsfläche 238 zur Verfügung zu stellen, die beliebig auf der Oberfläche 242 eines größeren ununterbrochenen Substrats gelegen ist. Das Substrat 246 kann z. B. eine Lage aus 6 mm dickem, gehärtetem Natronkalkglas sein, die groß genug ist, um als Tischplatte oder Thekenplatte zu dienen. Der Konstrukteur kann die berührungssensitive Zone 238 beliebig innerhalb der ununterbrochenen Oberseite 242 des Substrats positionieren. Auf der Stirnfläche 242 sind nur vier längliche Gitter 240 zu sehen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Gitter aus Rillen, die mit einem transparenten Epoxyd in der Weise hinterfüllt sind, dass keine Unterbrechung der flachen Substratoberseite 242 besteht. Insbesondere ist zu beachten, dass sich auf der Substratoberseite keine Reflektorgruppen oder Transducerkomponenten befinden.
Hinter der berührungssensitiven Zone ist ein Anzeigegerät in einer Verbindungszone 234 mit einem geeigneten Verbindungsmittel 254 optisch mit der Rückseite 244 des Substrats verbunden. Das Anzeigegerät (in den Zeichnungen nicht abgebildet) kann z. B. eine 10,4-Zoll-LCD-Anzeige sein. Alternativ kann es sich bei dem Anzeigegerät um einen Rückprojektionsbildschirm handeln, der optisch mit dem Substrat verbunden ist. Somit kann ein Konstrukteur eine Tast-Anzeige-Schnittstelle auf einer ununterbrochenen Oberfläche positionieren, z. B. auf einer Restauranttheke zur Essensbestellung oder auf der Schreibtischplatte einer Bürokraft als Internet-Intranet-Schnittstelle.
Auf der Unterseite 244 des Substrats 246 sind vier Mehrelement-Gitter 234 sowie vier Rayleigh-Wellen-Keil-Transducer 230 in einer Anordnung ähnlich z. B. dem in 1 abgebildeten System vorgesehen. Zu beachten ist, dass die üblichen akustischen Wege zwischen den Paaren von Reflektorgruppen 232 durch die akustisch absorbierende optische Verbindung 254 des Anzeigegeräts blockiert sind. Zwischen den Reflektorgruppen 232 und dem Anzeigegerät sind Gitter 234 platziert. Zur Fertigung der Gitter und Reflektorgruppen stehen viele Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung; dazu gehören auch Drucken, Ritzen, Ätzen und sonstige Abtragungs- oder Additivverfahren.
Die Paare von Gittern auf der Ober- und Unterseite dienen als akustische Übergänge zur Übertragung der Energie von Rayleigh-Wellen 248, 252 zwischen den beiden Flächen. In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt eine sich im Winkel θ_B = –45° zur Vertikalachse ausbreitende Volumen-Scherwelle 250 mit den Gittern 234, 240 und erfüllt somit die Bedingung für F = 1 für Natronkalkglas. Die Gitterbeabstandung p kann mit Hilfe folgender Gleichung berechnet werden: p = (VR/f)/(1 – sin(θB) + (VR/VB))
Für z. B. eine Betriebsfrequenz f = 5 MHz, eine Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit V_R = 3,16 mm/μsec und eine Volumen-Scherwellen-Geschwindigkeit V_B = 3,43 mm/μsec und θ_B = –45° beträgt die Gitterbeabstandung p = 383 μm. Die Gitterstruktur kann z. B. 1 cm breit sein und ca. 25 Gitterlinien enthalten.
Diese Ausführungsform veranschaulicht den Nutzen eines akustischen Überganges, der eine Art Gitter-Transducer ist, und allgemeiner die Verwendung eines Gitter-Transducer-Mechanismus in einer Ausführungsform ohne ein direkt mit dem Substrat verbundenes piezoelektrisches Element.
BEISPIEL 20
Entsprechend der vorliegenden Erfindung muss das Gitter keine Reihe von Linien auf einem planaren Substrat sein, sondern kann fortschrittlichere Konstruktionsansätze umfassen. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz eines einzigen Transducers für Mehrachsen-Sensitivität. Somit ist ein gemeinsamer sendender oder empfangender X/Y-Gitter-Transducer möglich.
Bezugnehmend auf 9, ist eine Ausführungsform eines gemeinsamen X/Y-Gitter-Transducers eine Konstruktion, bei der piezoelektrische Elemente 60a und 60b durch ein einziges piezoelektrisches Element von etwa doppelter Länge ersetzt werden. Optional können die zwei Sätze von Gittern 54a und 54b so verlängert werden, dass sie sich überlappen und damit eine überlagerte Gitterstruktur mit zwei nutzbaren zweidimensionalen Fourier-Komponenten bilden. Alternativ kann ein derartiges Gittermuster aus sich überlappenden Linien durch das Negativ des Gittermusters ersetzt werden, d. h., ein Raster von Reflektorpunkten mit einer rautenförmigen Einheitszelle.
25 zeigt einen Gitter-Transducer ähnlicher Konstruktion mit einem horizontal befestigten piezoelektrischen Element 220, d. h., θ_B = 0°. Das Gitter besteht in diesem Fall aus einem Quadrat bzw. Rechteckfeld von Punkten 222, deren Mittenabstand in X- und Y-Richtung etwa eine Wellenlänge von z. B. Rayleigh-Wellen beträgt. Das piezoelektrische Element 220 unter diesem Gitter 222 reagiert sowohl auf Signale, die von der X-Gruppierung 224 als auch auf Signale, die von der Y-Gruppierung 226 herkommen. Anzumerken ist, dass das von dem piezoelektrischen Element 220 ^[15] generierte Signal eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten enthalten kann. Die Beabstandung der Elemente entlang jeder Achse bestimmt die Streuungseigenschaften, so dass das Gitter selektiv für Frequenzen entlang differierender Achsen sein kann. Somit würde im Falle von θ_B = 0° ein Rechteckgitter es gestatten, dass eine erste Frequenz sich entlang einer Achse ausbreitet und eine zweite Frequenz sich entlang einer zweiten Achse ausbreitet. Für den Fall θ_B ≠ 0° wird das Rechteckgitter durch ein Parallelogramm-Gitter ersetzt.
BEISPIEL 21
Die 26A und 26B liefern ein Beispiel für einen nicht planaren, z. B. halbkugelförmigen Sensor, bei dem die Berührungsfläche allen Punkten nördlich des "Wendekreises des Krebses" bei 23,5° nördlicher Breite entspricht, und der Bereich zwischen dem Äquator und dem Wendekreis des Krebses für Arrays und Transducer zur Verfügung steht. 26A liefert eine Mercator-Projektion, in der die Berührungszone, zwei sendende Gitter-Transducer, zwei sendende Reflektorgruppen, zwei empfangende Reflektorgruppen und zwei empfangende Gitter-Transducer dargestellt sind. Diese Elemente bilden zwei Sensor-Subsysteme, die auch in der Draufsicht-Projektion der 26B abgebildet sind. Diese zwei Sensor-Subsysteme (meist so ausgelegt, dass sie sich leicht überlappen, indem man die Reflektorgruppen verlängert und sich überlagern lässt) liefern zusammen die Messung für eine Koordinate über die gesamte Berührungszone hinweg.
Ein derartiger Sensor kann als "Ultraschall-Rollkugel" dienen, d. h., als Eingabevorrichtung ohne bewegliche Teile mit dem Aussehen, dem Gefühl und der Funktion einer mechanischen Rollkugel. Man "rollt" diese Ultraschall-Rollkugel, indem man seinen Finger auf der Berührungszone mit einer Bewegungskomponente in X-Richtung bewegt. Eine zugehörige Controller-Elektronik kann die Berührungsdaten verarbeiten und Daten im gleichen Format wie eine normale mechanische Rollkugel zum angeschlossenen Rechner senden.
Die in den 26A und 26B abgebildeten Sensor-Subsysteme können durch weitere überlagernde Sensor-Subsysteme ergänzt werden. Mit einer Gesamtmenge von acht Gitter-Transducern und acht Reflektorgruppen lassen sich zweidimensionale Berührungspositionen vollständig rekonstruieren. Mit einer Gesamtmenge von zwölf Gitter-Transducern und zwölf Reflektorgruppen kann die Berührungszone vollständig mit einem redundanten Satz von drei Koordinatenmessungen abgedeckt werden, indem man z. B Kopien von in 26A abgebildeten Komponenten hinzufügt, die um +°60 und –60° zur Y-Achse (durch den Nordpol 264) gedreht sind. Eine derartige Redundanz erweitert die Wahlmöglichkeiten bei der Entwicklung stabiler Algorithmen, welche mannigfaltige Berührungsinformationen verarbeiten können.
Der Einsatz von Gitter-Transducern gestattet es, die piezoelektrischen Elemente, elektrischen Verbindungen und möglicherweise sogar die Controller-Elektronik im Innern der halbkugelförmigen Substrathülle zu platzieren. Somit ermöglichen Gitter-Transducer Ultraschall-Rollkugeln mit mechanischen Konstruktionen, die verbesserte Robustheit und Kompaktheit aufweisen.
In einer Ausführungsform ist das Substrat eine 3 mm starke Halbkugelschale aus Stahl mit einem Durchmesser von 15 cm. Solch eine Ultraschall-Rollkugel kann eine beträchtliche physische Misshandlung aushalten und dennoch voll funktionsfähig bleiben. Somit wird eine Eingabevorrichtung mit Rollkugel-Funktionalität für öffentlich zugängliche Kioske bereitgestellt.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Halbkugel des Substrats verformt, um eine bessere ergonomische Passform für die Hand des Benutzers zu liefern. Es ist zu beachten, dass dies keine Option für eine mechanische Rollkugel ist.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Substrat aus einer 3 mm starken halbkugelförmigen Schale aus Polystyren, z. B. Styron^® 666 von Dow Chemical, mit einem Durchmesser von 5 cm. Zu beachten ist, dass bei dieser Ausführungsform das Substrat sowie alle Reflektorgruppen, Gitter und abgewinkelten Flächen für die Montage der piezoelektrischen Elemente der Gitter-Transducer in eine Pressformkonstruktion einbezogen werden können. Dies ist hilfreich für kostengünstige Fertigungsprozesse. Optional beträgt die Betriebsfrequenz für einen solchen Polystyren-Sensor 2 MHz. Unter der Voraussetzung einer Rayleigh- Wellen-Geschwindigkeit von 0,99 mm/μsec, wie sie sich aus Volumen-Scherwellen- und Druckwellen-Geschwindigkeiten berechnen lässt, beträgt die Wellenlänge λ_R ca. 0,5 mm. Anzumerken ist, dass dies im Wesentlichen das gleiche ist wie die Rayleigh-Wellenlänge in Glas bei einer Betriebsfrequenz von ca. 5 MHz. Da Schalldämpfung eine monoton stark zunehmende Funktion der Frequenz ist, gewährleistet eine solche verringerte Betriebsfrequenz, dass die Schalldämpfung niedrig genug ist, um eine maximale Weglänge von weniger als 15 cm für einen Sensor mit 5 cm Durchmesser zu unterstützen. In der veröffentlichten Literatur ragt unter Polymeren Styron^® 666 heraus als das Material mit geringer Schalldämpfung für Volumen-Druckwellen: 1,8 dB/cm bei 5 MHz (siehe dazu http://www.ultrasonic.com/Tables/plastics.html^[16]). Auf den Maßstab 2 MHz übertragen ist dies weniger als ca. 0,72 dB/cm oder ca. 10 dB für eine Weglänge von 15 cm. US-Patent Nr. 5,648,643 offenbart den Einsatz von Polystyren in akustischen Scherwellen-Tastbildschirmen. Da Rayleigh-Wellen eine Mischung aus Scherenergie und longitudinaler Schallenergie sind, wird angenommen, dass akustische Dämpfungen ähnlicher Größenordnung zu beobachten sein werden und vorhandene Konstruktionen von akustischen Tastbildschirm-Controllern in solch einem Sensorsystem eingesetzt werden können.
In den Sensor-Subsystemen R1/T1 und R2/T2, die in den 26A und 26A abgebildet sind, folgt die Sendegruppe 270 einem Abschnitt eines Großkreises, der die X-Achse schneidet und um einen Winkel Θ um die X-Achse in Bezug auf die äquatoriale Ebene 260 gedreht ist. Der Neigungswinkel, angenommen mit Θ = 20°, ist kleiner als der 23,5°-Breitengrad des Wendekreises des Krebses 262. Es kann der in 15 abgebildete Gitter-Transducer verwendet werden. Entweder sind die piezoelektrischen Elemente 266, 268 mit ihrer Längsachse in Vertikalrichtung befestigt, und das Gitter ist für einen Abstrahlwinkel von θ_E = Θ ausgelegt, oder es kann eine Konstruktion mit θ_E = 0° eingerichtet werden, bei der die ganze Gitter-Transducer-Struktur selbst, einschließlich der piezoelektrischen Elemente 266, 268, um den Winkel Θ gedreht ist. Eine Wahlmöglichkeit ist eine Konstruktion mit F = 1, bei der die piezoelektrischen Scherwellen-Elemente 266, 268 mit einem negativen Neigungswinkel von θ_B = 30° am Polystyren-Substrat befestigt sind.
Die Auslegung der Reflektorgruppen 270, 272 hängt weitgehend vom Typ der verwendeten Transducer ab, wird aber zwecks Vollständigkeit im Folgenden erörtert.
Die Reflektorgruppen 270, 272 bilden Segmente von Großkreisen. Die Sendegruppe 270 folgt der folgenden Trajektorie auf der Oberfläche der Halbkugel: x(s) = R·cos(πs/2) y(s) = R·sin(Θ)·sin(πs/2) z(s) = R·cos(Θ)·sin(πs/2)
Hierbei ist R der Radius der Halbkugel, z. B. 2,5 cm. Die hier für die Richtungen x, y und z benutzten Definitionen sind in 26B dargestellt. Entsprechend lautet die Trajektorie für die Empfangsgruppe folgendermaßen: x(s) = R·cos(πs/2) y(s) = R·sin(Θ)·sin(πs/2) z(s) = –R·cos(Θ)·sin(πs/2)
In diesen Formeln ist s der Wegparameter, der mit der Laufzeit, die den entsprechenden Schallwegen 274 zwischen den sendenden 266 und empfangenden 268 Transducern entspricht, nominell monoton zunimmt. In diesem Beispiel beginnt die Gruppe bei einem kleinen positiven Wert s und endet bei einem Wert s, der leicht größer als Eins ist, um die oben besprochene Überlappung zwischen den Sensor-Subsystemen zu erreichen. In Betracht zu ziehen ist nun das (θ, ϕ)-Koordinatensystem für die Oberfläche der Halbkugel, das durch folgende Beziehungen definiert ist: –π/2 < θ < π/2 0 < ϕ < π x(θ, ϕ) = R·cos(θ)·cos(ϕ) y(θ, ϕ) = R·cos(θ)·sin(ϕ) z(θ, ϕ) = R·sin(θ)
Im Hinblick auf dieses Koordinatensystem folgt die Sendegruppe folgender Trajektorie: θ(s) = arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2)) ϕ(s) = arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))und die Sendegruppe folgt folgender Trajektorie: θ(s) = –arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2)) ϕ(s) = arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))
Der akustische Weg durch die Berührungszone ist ebenfalls ein Segment eines Großkreises. Der Großkreis, der die Sendegruppen 270 und Empfangsgruppen 272 für den Wegparameter s verbindet, ist ein Segment eines Längenkreises in Bezug auf die Z-Achse, nämlich der folgende Abschnitt eines Großkreises: –arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2)) < θ < arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2)) ϕ = arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))
Auch wenn Love-Wellen und andere Akustikwellenmodi für einige Ausführungsformen sinnvoll sein können, wird im Folgenden eine Konstruktion, bei der Rayleigh-Wellen mit einer Geschwindigkeit V_R eingesetzt werden, ausführlich erörtert. Die Zeitverzögerung (Laufzeit) als Funktion des Wegparameters ist folgendermaßen gegeben: T(s) = (R·(πs/2))/VR + 2R·arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2)) + (R·(πs/2))/VR
Die Laufzeit kann auch im Hinblick auf die Koordinate ϕ einer den Schallweg unterbrechenden Berührung ausgedrückt werden: T(ϕ) = (2R/VR)·arctan(tan(ϕ)/sin(Θ)) + 2R·arcsin(cos(Θ)·sin(arctan(tan(ϕ)/sin(Θ)))/VR
Mit diesem analytischen Ausdruck lässt sich eine Nachschlagtabelle berechnen. Anhand einer solchen Nachschlagtabelle im Echtzeit-Mikroprozessorcode kann man gemessene Laufzeiten von Signalstörungen in die Berührungskoordinate ϕ umrechnen.
Reflektorbeabstandung und Winkel lassen sich anhand zuvor erörterter Prinzipien berechnen. Kommen wir wieder auf dieses erste Sensor-Subsystem in 26B zurück. Für die Sendegruppe beträgt der Reflektor-Abstandsvektor S = 2πn(k₁(s) – k_p(s))/|(k₁(s) – k_p(s)|², wobei (k₁(s) und k_p(s) sich aus der bekannten, oben angegebenen Gruppen-Trajektorie (θ(s), ϕ(s)) durch die folgenden Ausdrücke berechnen lassen: k1(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(ϕ(s))sin(θ(s)), cos(θ(s))
Hierbei repräsentiert λ_R die Rayleigh-Wellenlänge. Der Betrag von S liefert den Mittenabstand zwischen den Reflektoren in der zu den Reflektoren senkrechten Richtung, und die Richtung von S ist senkrecht zu den Reflektorelementen.
Es wurden somit neuartige Aufnahmevorrichtungen und neuartige Aspekte von Tastbildschirm-Transducer-Systemen dargestellt und beschrieben, die alle dafür angestrebten Aufgaben und Vorteile erfüllen. Den Fachleuten werden jedoch zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Variationen, Kombinationen und Unterkombinationen sowie weitere Einsatzarten und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung klar werden, nachdem sie diese Beschreibung und die Begleitzeichnungen, welche deren bevorzugte Ausführungsformen offenbaren, geprüft haben. Die Erfindung soll nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Akustische Berührungsfühlervorrichtung, umfassend – ein Substrat (1), in dem sich Wellen verschiedener Modi ausbreiten können, – eine Oberfläche (22) auf einer Seite des Substrats, – einen Transducer (4a, 4b) (deutsch: Messgrößenumformer) für akustische Wellen, welcher mit dem Substrat gekoppelt ist, um Wellen hervorzurufen, – ein Mittel zur Erkennung von Wellen und ihren Schwingungsstörungen, dadurch gekennzeichnet, dass – der Transducer (4a, 4b) für akustische Wellen eine Volumen-Welle („bulk wave""; 72, 78, 92, 96, 108, 116, 168, 170, 184, 250) als eine erste Welle an das Substrat koppelt, welche sich durch das Substrat entlang einer Geraden fortpflanzt, welche die Oberfläche in einem Winkel (θ_B) schneidet, – ein brechender (diffraktiver) akustischer Koppler für Wellenmodi (5a, 5b, 8a, 8b) vorhanden ist, mit dem eine zweite welle mit einem anderen Wellenmodus aus der ersten konvertiert wird, welche sich an einer Geraden parallel zu der Oberfläche (22) fortpflanzt, auf der diese sensibel auf Störungen reagiert, welche mit den Mitteln zur Erkennung von Wellen und ihren Schwingungsstörungen feststellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (4a, 4b) für akustische Wellen Mittel zur Fortpflanzung von Volumen-Wellen in einer Richtung (θ_B) schräg zur genannten Oberfläche (22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (4a, 4b) für akustische Wellen Mittel zur Fortpflanzung von Volumen-Wellen entlang einer Geraden umfasst, die senkrecht (θ_Β = 90°) zu der genannten Oberfläche (22) steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer (4a, 4b) für akustische Wellen die genannte erste Welle direkt mit dem brechenden akustischen Koppler (90', 90'') für Wellenmodi koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Transducer (122) für akustische Wellen die genannte erste Welle direkt mit dem brechenden akustischen Koppler (90', 90'') für Wellenmodi durch mindestens eine akustische Reflektion im Ausbreitungsweg der ersten Welle koppelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zweiten akustischen Transducer (128) für akustische Wellen, der eine Volumen-Welle als dritte Welle mit dem Substrat koppelt, wobei sich diese von der ersten Welle unterscheidet, und dadurch gekennzeichnet, dass der brechende akustische Koppler für Wellenmodi eine vierte Welle aus der dritten Welle mit einem Wellenmodus, der sich von dem der zweiten Welle unterscheidet, konvertiert, die einen konvertierten Wellenmodus mit beträchtlicher Energie an der genannten Oberfläche besitzt und die sich entlang einer Geraden ausbreitet, die parallel zu der genannten Oberfläche verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende akustische Koppler (128) für Wellenmodi einen Satz Streuzentren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz Streuzentren auf der genannten Oberfläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende akustische Koppler (90', 90'') für Wellenmodi einen Satz beabstandeter Elemente umfasst, die eine akustische Kennlinie haben, die sich von der der umgebenden Bereiche des genannten Substrats unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Elemente entsprechend einer Regel beabstandete längliche Gitter umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende akustische Koppler (5a, 5b, 8a, 8b) für Wellenmodi einen Satz an Elementen umfasst, die auf der genannten Oberfläche aus einer Zusammensetzung gebildet sind, die eine Polymer-Matrix umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der brechende akustische Koppler (5a', 5b') für Wellenmodi als akustische Linse dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Satz an Elementen, die entlang wenigstens eines Bereiches eines Weges der genannten zweiten Welle angeordnet sind, um einen Anteil der Energie der genannten zweiten Welle als einen Satz fünfter Wellen zu reflektieren, deren jede sich parallel zu der Oberfläche entlang einer Geraden ausbreitet, die sich von der Ausbreitungsgeraden der zweiten Welle unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Satz von fünften Wellen unterschiedliche charakteristische Zeit-Verzögerungen besitzt, die inkremental (schrittweise) und monoton variieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 15, gekennzeichnet durch einen Satz an Elementen, der entlang eines Weges angeordnet ist, der die genannten Geraden des genannten Satzes von fünften Wellen schneidet, und dabei wenigstens einen Teil der Energie des genannten Satzes von fünften Wellen in Richtung eines gemeinsamen Empfängers reflektiert, der ein Signal produziert, das in Relation zu einer Energie des genannten reflektierten Anteils des genannten Satzes von fünften Wellen steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen Anteile der genannten zweiten Welle reflektierbar sind als ein inkremental variierender Wellensatz, der eine Anordnung von Elementen umfasst, die während einer Operation ge bildet werden, die gleichzeitig mit einer Operation geschieht, die den genannten diffraktiven akustischen Koppler (90', 90'') für Wellenmodi erstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Akustikwellen-Transducern, von denen jeder an eine unterschiedliche Volumen-Wellen-Komponente koppelt, die sich durch das genannte Substrat entlang einer Geraden fortpflanzt, die die genannte Oberfläche schneidet, wobei die Energie der genannten unterschiedlichen Volumen-Wellen-Komponenten jeweils mit einer Welle gekoppelt sind, die einen konvertierten Wellenmodus mit beträchtlicher Energie an der genannten Oberfläche hat und sich entlang einer Geraden zu dem diffraktiven Akustikwellen-Koppler fortpflanzt, die parallel zu der genannten Oberfläche liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen Wellen-Streuer (13, 14) und einen Wellen-Verdichter (16, 17), die in Serie an einem unterschiedlichen Wegabschnitt der akustischen Energie der genannten Welle mit beträchtlicher Energie an der genannten Oberfläche angeordnet sind, wobei der Wellen-Streuer und der genannte Wellen-Verdichter durch einen Abschnitt der genannten Oberfläche getrennt sind, der für Berührungsfühlung eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer für akustische Wellen eine flache akustische Kopplungsoberfläche umfasst, die in Bezug auf einen Abschnitt der Oberflä che schräg gestellt ist, der von der ersten Welle geschnitten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle sich entlang einer Geraden ausbreitet, die eine Schrägstellung von wenigstens etwa einer Bogenlänge von |π/8| (Betrag von ein Achtel π) in Bezug auf eine Ebene, die tangential zu der genannten Oberfläche am genannten Schnittpunkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Transducer für akustische Wellen einen diffraktiven Akustik-Akustik-Wellen-Koppler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle eine Ausbreitungsgerade besitzt, deren Projektion auf die genannte Oberfläche sich von einer Ausbreitungsgeraden der zweiten Welle unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle eine oder mehrere Oszillationskomponenten besitzt, ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem Druckmodus, einem vertikalen Schermodus und einem horizontalen Schermodus besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle eine oder mehrere Oszillationskomponenten besitzt, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Longitudinalmodus, horizontal polarisiertem Schermodus und vertikal polarisiertem Schermodus besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle eine Rayleigh-Welle umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle eine Love-Welle umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Substrat ein Material ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kalknatronglas, Borsilikatglas, Kronglas, bariumhaltiges Glas, strontiumhaltiges Glas und borhaltiges Glas, ein Glas-Laminat, das Love-Wellen-Ausbreitung unterstützt; ein keramisches Material; Aluminium, ein beschichtetes Aluminiumsubstrat, das Love-Wellen-Ausbreitung unterstützt, und ein Polymer mit geringer akustischer Dämpfung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Transducer für akustische Wellen auf dem genannten Substrat in einem Bereich befestigt ist, der auf wenigstens zwei Seiten durch das Substrat mechanisch geschützt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 28 zum Abfühlen einer Berührung auf der Oberfläche des Substrats, umfassend folgende Schritte: – Wandeln einer Volumen-Welle in dem Substrat, die sich durch das Substrat entlang einer Geraden ausbreitet, die die Oberfläche schneidet, mit dem Transducer; – brechendes Koppeln von Energie der Volumen-Welle mit einem diffraktiven akustischen Koppler für Wellenmodi in eine Welle, die einen geänderten Wellenmodus mit beträchtlicher Energie an der Oberfläche hat und sich entlang einer Geraden parallel zur Oberfläche ausbreitet und – Abtasten einer Störung der Welle, die einen geänderten Wellenmodus hat.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Reflektierens eines Anteils der Energie der Welle, die einen geänderten Wellenmodus hat, einen Satz von zeitlich veränderlichen gestreuten Wellen, von denen jede sich parallel zu der genannten Oberfläche entlang einer zurücklaufenden Geraden ausbreitet, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 und 30, gekennzeichnet durch Streuen der Welle mit einem geänderten Wellenmodus über einen Bereich, der gleich dem ist, der für das Fühlen der Berührung eingerichtet ist, und Verdichtung der gestreuten Welle nach Durchquerung des Bereiches, der für das Fühlen einer Berührung eingerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle in dem genannten Substrat Resonanz zeigt.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer für akustische Wellen mit einem Signal gekoppelt ist und dass das genannte Substrat eine akustische Resonanz bei einer [bestimmten] Frequenz zeigt, wobei der Transducer für akustische Wellen mit dem Signal bei genannter Frequenz gekoppelt ist und wobei im Wesentlichen ein relatives Maximum an akustischer Leistungskopplungseffizienz zwischen der genannten ersten Welle und dem Signal für eine gegebene Signal-Amplitude erreicht wird.