TW201941033A - 主動式超音波輸入裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種主動式超音波輸入裝置，包含有一操作介面及一超音波操控筆，其中在該操作介面上包含有複數個陣列排列的超音波換能器陣列，各超音波換能器陣列以不同振盪頻率之超音波換能器構成，該超音波操控筆亦包含有複數個不同振盪頻率之超音波換能器；當該超音波操控筆近接該操作介面時，該操作介面上之超音波換能器陣列可偵測從超音波操控筆輸出之信號，從而辨識出超音波操控筆所指向之座標，以執行對應的輸入功能，達到懸浮遠距觸控之效果。

Description

主動式超音波輸入裝置
本發明關於一種輸入裝置，尤其是指一種超音波換能器構成之輸入裝置。
現有觸控型電子產品已相當普及，包括智慧型手機、平板電腦、智慧型手錶等，在該觸控型電子產品上通常具有一觸控介面，使用者利用其手指實際接觸該產品的觸控介面操作，或使用觸控筆點擊該觸控介面以達到書寫輸入的目的，然而，目前該觸控介面係要求必須與一導電性物件直接接觸才能產生感應效果。
但針對某些特殊電子產品，例如小尺寸的腕型穿載式裝置，其觸控操作區域相對於手機或平板電腦較小，使用者若要在該觸控面板執行某特定按鍵等其它精細操控，以手指碰觸將仍有一定的難度，可能發生誤觸該按鍵周圍區域的問題。再者，若使用者是以手指直接接觸觸控介面，對於有衛生考量或工業安全的應用場所恐仍不適合。
本發明之目的在於提供一種主動式超音波輸入裝置，可達到非接觸式之輸入操作。
本發明之主動式超音波輸入裝置包含有：
一操作介面，包含有： 一透明基板； 複數個超音波換能器陣列，係設置在該透明基板上，其中，每個超音波換能器陣列包含有複數個輸入元件，該複數個輸入元件係收發不同振盪頻率之超音波信號；
一超音波操控筆，包含有： 一筆身，在該筆身的一端設有一信號收發端； 複數個超音波換能器，係設置在該信號收發端以收發與該輸入元件之振盪頻率一致的超音波信號，以供該操作介面之超音波換能器陣列偵測該超音波信號。
該操作介面係可供結合於一電子產品之顯示螢幕以作為一輸入介面，當利用該超音波操控筆發出不同振盪頻率之超音波信號且近接該操作介面時，該操作介面之超音波換能器陣列係偵測從超音波操控筆輸出之信號，從而識別出超音波操控筆所指向之座標，該電子產品係可根據該座標位置執行相對應之輸入功能，因此，本創作在超音波操控筆沒有實際接觸該操作介面的情形下，根據超音波信號的收發感測原理，能在該操作介面上進行非接觸的懸浮輸入作業。
請參考圖1所示，本發明主動式超音波輸入裝置包含有一操作介面10及一超音波操控筆20。
該輸入介面10的具體結構及動作原理可參考發明公告第I616793號｢透明超音波換能器輸入裝置｣專利，在此僅簡單介紹，該輸入介面10是在一透明基板1上形成有多數個超音波換能器陣列11，本實施例中，每個超音波換能器陣列11包含複數個輸入元件12a~12d，各輸入元件12a~12d對應發射及接收一振盪頻率f1~f4的超音波信號。在此以4個輸入元件12a~12d為例說明，該四個輸入元件12a~12d具有相異的振盪頻率，依序為0.87MHz、1.09MHz、0.94MHz、1.30MHz。任何一個輸入元件與其相鄰之輸入元件12a~12d的頻寬彼此不相互重疊，以確保任何輸入元件的超音波發射及接收彼此不相互干擾，減少操控誤判的機會，並且四個輸入元件12a~12d可同時發波或收波，增加掃描或讀取速度。在圖1中為了表示輸入元件12a~12d的振盪頻率，以標註在方塊中的數字"1"~"4"分別表示四種振盪頻率的輸入元件12a~12d。
請參考圖2所示，為本發明超音波換能器陣列11的結構示意圖，四個輸入元件12a~12d彼此之間相距一間隔而未互相重疊，每個輸入元件12a~12d由多個呈陣列排列的超音波換能器13a~13d構成，各輸入元件12a~12d的尺寸為3mm×3mm。該四個輸入元件12a~12d的超音波換能器13a~13d能對應產生上述4種不同振盪頻率f1~f4。
如圖3所示，各個超音波換能器13a~13d包含一透明下電極層130、一透明邊牆131、一透明上電極層132與一透明可振盪膜133，該透明下電極層211設置於透明基板1的表面，該透明邊牆131設置於該透明基板1上且設置在該透明下電極層130的表面周圍，該透明可振盪膜133設置於該透明邊牆131上，使該透明下電極層130、該透明邊牆131與該透明可振盪膜133之間形成一空間134，該空間134可供該透明可振盪膜133產生振盪。該透明上電極層132設置於該透明可振盪膜133之頂面(即：相對於該空間214的另一表面)。
同一個輸入元件12a~12d中所包含的複數超音波換能器13a~13d具有相同尺寸透明可振盪膜133；但不同輸入元件12a~12d之超音波換能器的13a~13d透明可振盪膜133之尺寸彼此不同，因此不同輸入元件12a~12d之超音波換能器13a~13d的振盪頻率彼此不同。本實施例是以4種不同直徑103μm、106μm、124μm及137μm的透明可振盪膜133，分別產生前述4種不同的振盪頻率1.31MHz、1.09MHz、0.94MHz及0.85MHz。
請同時參考圖1及圖4所示，本發明的超音波操控筆20具有一筆身21，該筆身21的前端作為一信號收發端22，在該信號收發端22上分散排列有多個不同振盪頻率的超音波換能器23a~23d，其中，在較佳實施例中，該超音波換能器23a~23d在信號收發端22在一圓形區域散佈排列，該圓形區域的外徑R介於3.0mm~3.6mm之間；該些超音波換能器23a~23d的振盪頻率對應該操作介面10上之超音波換能器13a~13d的振盪頻率0.87MHz、1.09MHz、0.94MHz、1.30MHz。在此實施例中，不同頻率的超音波換能器23a~23d以同心圓的方式呈環形排列，以達到軸對稱且訊號均勻分布的功效。
如圖5所示，該超音波操控筆20上還設有一雷射光源24，該雷射光源24用以發出一雷射光束240，且該雷射光束的指向方向與該超音波換能器23a~23d之訊號傳輸方向為同軸向。
在實際應用時，本發明的操作介面10可供結合在一電子產品的顯示螢幕而作為一非接觸的輸入裝置，例如根據超音波換能器陣列11作為輸入按鍵、輸入選單等，不同所在位置的超音波換能器陣列11即可代表不同功能的按鍵。使用者可利用該超音波操控筆20靠近該操作介面10並發出超音波信號以實現輸入動作，該雷射光源24發出的雷射光束240提供輔助指示光點供使用者清楚看到該超音波操控筆20所指向之位置，當操作介面10上的超音波換能器陣列11感應到該超音波操控筆20發出之超音波信號，連接該操作介面10的一超音波控制電路即可判斷出在操作介面10上具有輸入訊號及該超音波操控筆20所指向的座標，其中，該超音波控制電路可以是整合在該電子產品內的電路；有關超音波換能器之信號收發及感測原理為已知技術，故在此不再多加贅述。
請參考圖6所示，本發明在一超音波換能器陣列11距離為10mm處設置一直徑3.6mm之圓形超音波源30進行實驗測試，以該超音波源30模擬為該該超音波操控筆20。該超音波換能器陣列11如圖2所示，具有四個輸入元件12a~12d以分別代表第一象限~第四象限，並以該超音波換能器陣列11之中心點為參考原點(0,0)。該超音波源30的中心點係偏離該參考原點(0,0)，且與該參考原點(0,0)之間的直線距離長度為r，假設該超音波源30以逆時針方向旋轉移動，每旋轉移動15度即根據輸入元件12a~12d的訊號Q1~Q4計算一次該超音波源30中心點的位置，因此該超音波源30旋轉移動一圈後可得到24個量測出來的該中心點的座標。
在每一次量測該超音波源30的中心點座標時，採用以下的計算 方式：首先四個輸入元件12a~12d所測得的訊號強度分別表示為Q1~Q4，以下列公式可先分別計算出中心點的初步座標(XQ , YQ )： 若在XY軸平面中旋轉角度θ處的理想座標為Xideal 和Yideal ，則可分別表示為： 　　Xideal = r*cosθ 　　Yideal = r*sinθ 　　考慮到可能產生量測誤差，定義校正參數為k：因此，經過上述校正參數k修正後的實際座標(XD ,YD )為： 　　XD =kXQ YD =kYQ 其中，經實驗後可得到如下表所示的較佳的校正參數k:
請參考圖7A所示，當該超音波源30的中心點係偏離該參考原點(0,0)且直線距離長度為r＝0.3mm時，以每旋轉移動15度即量測一次的方式，該超音波源30的中心點實際座標(XD ,YD )以三角形符號"▲"表示，可以看出根據輸入元件12a~12d所計算出之超音波源30的實際座標(XD ,YD )相當吻合理想位置(即圓形軌跡所示)。圖7B表示該超音波源30的中心點係偏離該參考原點(0,0)且直線距離長度為r＝0.6mm時，該計算出之實際座標(XD ,YD )的分佈；圖7C表示該超音波源30的中心點係偏離該參考原點(0,0)且直線距離長度為r＝0.9mm，該計算出之實際座標(XD ,YD )的分佈。
綜上所述，本發明利用該超音波操控筆輸出超音波信號，或更進一步加入輔助指引的雷射光束，對該操作面介面進行非接觸的懸浮操控輸入，當該操作介面接收及處理超音波訊號後，可執行對應的輸入功能。因此，本發明可以廣泛運用在非接觸式操控螢幕、平板、曲面螢幕、廣告面板、近接開關／操控、工業控制、教學、導覽、公共資訊展示、電玩娛樂等眾多應用領域，取代現有觸控螢幕，提供懸浮操控及非接觸操控功能，特別適合衛生安全考慮之醫院、展場等公共場合。
10‧‧‧操作介面
1‧‧‧透明基板
11‧‧‧超音波換能器陣列
12a~12d‧‧‧輸入元件
13a~13d‧‧‧超音波換能器
130‧‧‧透明下電極層
131‧‧‧透明邊牆
132‧‧‧透明上電極層
133‧‧‧透明可振盪膜
134‧‧‧空間
20‧‧‧超音波操控筆
21‧‧‧筆身
22‧‧‧信號收發端
23a~23d‧‧‧超音波換能器
24‧‧‧雷射光源
240‧‧‧雷射光束
30‧‧‧超音波源
圖1：本發明主動式超音波輸入裝置之示意圖。 圖2：本發明超音波換能器陣列的結構示意圖。 圖3：本發明超音波換能器的結構示意圖。 圖4：本發明中超音波操控筆其超音波換能器的分佈示意圖。 圖5：本發明以超音波操控筆操控該操作介面之示意圖。 圖6：本發明以直徑3.6mm圓形超音波源在超音波換能器陣列以偏離中心點距離r旋轉移動進行偵測之位置示意圖。 圖7A~圖7C：本發明以直徑3.6mm之圓形超音波源在超音波換能器陣列以偏離中心點距離r為0.3、0.6、0.9mm之條件下進行實驗後，該超音波源中心點之位置分佈圖。

Claims (7)

  1. 一種主動式超音波輸入裝置，包含有： 一操作介面，包含有： 一透明基板； 複數個超音波換能器陣列，係設置在該透明基板上，其中，每個超音波換能器陣列包含有複數個輸入元件，該複數個輸入元件係收發不同振盪頻率之超音波信號； 一超音波操控筆，包含有： 一筆身，在該筆身的一端設有一信號收發端； 複數個超音波換能器，係設置在該信號收發端以收發與該輸入元件之振盪頻率一致的超音波信號，以供該操作介面之超音波換能器陣列偵測該超音波信號。
  2. 如請求項1所述之主動式超音波輸入裝置，其中，該位於該超音波操控筆的複數個超音波換能器，具有相同振盪頻率之超音波換能器排列成一環形；且不同振盪頻率之超音波換能器為呈同心圓排列。
  3. 如請求項2所述之主動式超音波輸入裝置，其中，該筆身包含有一雷射光源以輸出一雷射光束，該雷射光束之指向方向與該信號收發端上的超音波換能器產生之超音波信號其傳輸方向為同軸向。
  4. 如請求項3所述之主動式超音波輸入裝置，其中，各該超音波換能器陣列包含有4個輸入元件以收發4種不同振盪頻率之超音波信號；該超音波操控筆之複數個超音波換能器係對應產生該4種不同振盪頻率之超音波信號。
  5. 如請求項4所述之主動式超音波輸入裝置，其中，該操作介面的各輸入元件包含有陣列排列的複數個超音波換能器。
  6. 如請求項5所述之主動式超音波輸入裝置，各輸入元件的該複數個超音波換能器排列成3mm × 3mm的陣列；該超音波操控筆之複數個超音波換能在一圓形區域散佈排列，該圓形區域的外徑介於3.0mm至3.6mm。
  7. 如請求項5所述之主動式超音波輸入裝置，各該超音波換能器陣列的4個該輸入元件之振盪頻率分別為1.31MHz、1.09MHz、0.94MHz及0.85MHz。
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