TW531714B - Acoustic touchscreen having waveguided reflector arrays - Google Patents

Description

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發明背景 1 ·發明領域 本發明有關一種聲音觸控螢幕，特別有關具有狹窄的反 射陣列以及增大的觸控敏感區域之聲音觸控勞幕。 2 ·相關技藝描述 一種聲音觸控螢幕具有一觸控敏感區域，在此觸控敏感 區域上可經由碰觸對於所傳送聲波的影響來感應是否發生 碰觸以及碰觸位置。一種常見類型的聲音觸控螢幕係採用 瑞里波（Rayleigh waves，本文中此名稱包含準瑞里波），有 關瑞里波觸控螢幕的示範性揭示包括：美國專利4,642,423 號（1987);美國專利 4,645,870 號（ 1987);美國專利 4,700，176 號（ 1987);美國專利 4,746,914 號（ 1988);美國專利 4,791，416 號（1988) ; Re 33，151號（1990);美國專利 4,825,212號（1989) ;美國專利 4,859,996 號（ 1989);美國專利 4,880,665 號（ 1989) ;美國專利 4,644，100 號（ 1987);美國專利 5,739,479 號（ 1998) ;美國專利 5,708,461 號（ 1998);美國專利 5,854,450 號（ 1998) 。亦已知採用譬如藍伯或剪波（Lamb or shear waves)等其他 型聲波之聲音觸控螢幕、或不同型聲波的組合（包括含有瑞 里波的組合），示範性揭示包括：美國專利5,591，945號 (1997);美國專利 5,854,450號（ 1998);美國專利 5,072,427號 (1991);美國專利 5，162,618 號（ 1 992);美國專利 5，177,327 號（ 1993);美國專利5,243，148號（ 1 993 );美國專利 5,329,070號（1994);美國專利5,573,077號；美國專利 5,260,521號（ 1993)。本段提及的文件係以引用方式併入本 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 531714 A7 —---—_________ B7五、發明説明（2 ) "~^ ~ 文中。 圖1顯示一種習知的聲音觸控螢幕的操作，其中具有一主 動或觸控敏感區域2。一第一發送換能器3&位於觸控敏感區 域2外且以聲音耦合至觸控螢幕}表面。換能器3 &可傳送一 種與觸控螢幕1頂邊緣呈平行行進且大致位於觸控螢幕1平 面中之一聲波11a形式的聲音訊號。部份聲音反射元件4之 第一線性陣列1 3係在聲波1 1 a的發送路徑中呈對準，各 個部份聲晋反射元件4可使聲波部份受到反射（約9 〇度）且部 伤傳輸通過，而產生垂直（與γ軸平行）移行過觸控敏感區域 2之钕數個聲波（譬如5 a、5 b、5 c )(反射元件4的間隔可改 變，以補償隨著與第一發送器3 a距離的增加所產生的聲波 衰減）。聲波5a、5b、5c抵達觸控螢幕}下邊緣時可由部份 聲音反射元件4的一第一線性陣列丨3再次反射約9 〇度（箭頭 1 lb)而朝向一第一接收換能器6a，在此處受到偵測並轉換 成可進行:貝訊處理之電性訊號。一種類似的配置係沿著觸 控螢幕1的左與右邊緣。一第二發送換能器3b沿著左邊緣產 生一聲波1 2 a，部份聲音反射元件4的一第三線性陣列丨3係 生成水平（與X軸平行）移行過觸控敏感區域2之複數個聲波（ -譬如7a、7b、7c)。聲波7a、7b、7c藉由部份聲音反射元 件4的一第四線性陣列1 3重新導往接收換能器6 b，在此處 亦受到偵測並轉換成電性訊號。 若在位置8由譬如手指或筆等一物體碰觸到觸控敏感區域 2 ’則碰觸物將吸收聲波5 b及7 a的部份能量。可由接收換 能器6 a及6 b偵測出在聲音訊號中呈現擾動之所產生的衰減

裝 訂

線 531714 A7 _— _ B7 五、發明説明（3 ) 。可利用微處理器（未圖示）作辅助之資料的時間延遲分析 來決定位置8的座標。 熟悉本技藝者瞭解：未必利用兩組發送/接收換能器來製 造一觸控螢幕。圖1的裝置中不具有一組換能器但仍可作為 觸控螢，而偵測出碰觸的發生並提供有限的位置資訊（一座 標）。或者，如美國專利4,746,914號的圖8所示，可利用一 種共同的發送/接收換能器方式，將一觸控螢幕設計為僅具 有兩個換能器。 正常使用時，一種通常由成型聚合物或金屬片製成的殼 體9 (以圖1虛線顯示輪廓）係與觸控螢幕1相聯結。殼體9包 含鋪覆在觸控螢幕1上方之一個邊槽1〇(亦以圖1虛線顯示輪 廓），而隱藏住發送及接收換能器、反射元件及其他組件， 但可露出觸控敏感區域2。此配置可保護所隱藏的組件不受 /亏染及/或損壞，且呈現更美觀的外表，並對於使用者界定 觸控敏感區域。 一觸控螢幕可包含鋪覆在一顯示板（譬如陰極射線管 (CRT)、液晶顯示器（LCD)、電漿、電致發光或其他型顯示 器）上之一分離的面板（通常為玻璃製，但亦可使用其他硬 性基材）。或者，已提議藉由將觸控螢幕組件直接耦合至 CRT的玻璃表面而將CRT轉換成觸控螢幕，使得crt表面成 為觸控敏感區域。美國專利4,746,914號揭露此種構造，一 種直接接通式CRT觸控螢幕構造因為在觀看者與crt之間不 用玻璃片或其他材料而成為理想的構造，故可增加所能看 見的顯示焭度。並且，在配送鋪覆玻璃方面以及不須修改 -6-

531714 A7 __ B7 五、發明説明（4 ) CRT底座以容納鋪覆玻璃方面具有經濟上的優點。 再參照圖1，圖中觸控敏感區域2係由邊界區15(僅標示兩 者）所圍繞，其中設有反射元件4及發送與接收換能器3 a、 3b、6a、6b。降低邊界區15的寬度將可增加此裝置可分配 予觸控敏感區域2之正面區域的百分比，亦可更容易將觸控 螢幕與監視器相整合及密封。並且，具有較窄邊界區15的 觸控螢幕將可賦予較不累贅的印象、較優雅的設計，使產 品更吸引消費者。 並且’當觸控螢幕直接形成於CRT的面板玻璃上時，觸控 螢幕製造嚴可能無法控制邊界區1 5的寬度。觸控螢幕製造 廠通常並不自己生產CRT，而是採用監視器製造廠所供應的 CRT(或對於與電腦CPU底座相整合的監視器，譬如蘋果電 月匈的iMacTM電腦，則由電腦製造嚴供應），且必須適合所提 供的任何邊界區，部份CRT中可能提供寬的邊界區，其他 CRT中則可能具有窄的邊界區。 基於上述理由，需要能夠製造與較窄邊界區15相容的觸 控螢幕，降低寬度的關鍵在於降低陣列丨3及換能器的寬度 ，但疋並無法隨心所欲地降低這些組件的寬度。陣列丨3的 寬度係與聲波11a的波束寬度呈緊密相關，其中所撓曲的聲 波5a、5b、5c必須對於觸控感應包含足夠的聲能。若陣列 1 3太窄，則僅攔截住一小部份聲波丨丨a，造成所撓曲訊號 太過微弱，對於其他反射陣列亦有類似考量。至於換能器 ，窄的發送換能器因為衍射效應使聲波i丨a擴散所以並不理 想。此種波機械效應的物理作用係與一種通過窄開口的波 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210X297公爱) A7

相對應’這些波機械效應的數學分析與陣列丨3寬度亦與觸 控螢幕1尺寸相關之觀察現象相當一致，觸控螢幕愈大，則 陣列1 3必須愈寬以從換能器下游捕獲足夠聲音訊號而將足 夠的訊號反射過觸控敏感區域2進行觸控感應作用。習知的 觸控螢幕已經具有以聲波波長為單位的陣列寬度，其約為 亦以波長為單位之陣列長度的平方根的1/3以上。 因此需要對於聲晋觸控螢幕提供藉由採用較窄反射陣列 及/或較窄換能器之設計而能夠容納較窄邊界區之一種新設 計。 。 發明概論 本發明利用一波導將一聲波集中於一邊界區中來解決上 述問題，此波導可沿著一較窄的路徑寬度有效地集中聲能 ，故可使用較窄的反射陣列及/或換能器。因此，本發明提 供一種觸控螢幕，其包含： Ο)—基材，其能夠傳播聲波且具有： (0—觸控敏感區域，其具有一周邊，及 (1 i )沿著觸控敏感區域之一邊界區； (b) —陣列的部份聲音反射元件，其具有一橫向尺寸，此 俥列位於一部份的邊界區中且可對於觸控敏感區域發送或 接收一聲波； (c) 一聲音波導，.其位於此部份的邊界區中，此聲波波導 具有比陣列橫向尺寸更小之橫向尺寸。 本發明亦提供一種觸控螢幕，其包含： (a)—基材，其能夠傳播聲波且具有： * 8 - W1714 A7 ------B7 五、發明説明（6 ) --一 "' 一 (0一觸控敏感區域，其具有一周邊，及 (Π)沿著觸控敏感區域之一邊界區； (b) —陣列的部份聲音反射元件，其以聲音訊號波長為單 位的&向尺寸係小於以聲音訊號波長為單位之縱向尺寸平 方根的1 / 3。 圖式簡單說明 •圖1顯示一種習知的觸控螢幕； 圖2顯不根據本發明之一種波導-反射陣列組合； 圖3顯示根據本發明沿著一波導寬度的聲能之示意圖； 圖4顯示根據本發明之一種聲音觸控螢幕，其具有圖2所 示類型的一種波導-反射陣列組合； 圖5為本發明之一波導-反射陣列的另一項實施例的側視 圖， 圖6顯示圖5的實施例之平面圖； 圖7顯不本發明之一波導-反射陣列的另一項替代實施例 之側視圖； 圖8顯示圖7的實施例之平面圖； 圖9顯示本發明之一波導-反射陣列的另一項替代實施例 之側視圖； 圖1 0顯示本發明之一波導_反射陣列的另一項替代實施例 之平面圖； 圖11A、ι1Β、11C、11D、11E顯示本發明之一種波導 的各項實施例之剖視圖。 不同圖中重覆的編號代表相同或相等的元件。 -9 -

531714 A7 B7 五、發明説明（ 7 ) 元件符號說明 1 觸控銀幕 2 觸控敏感區域 3a 第一發送換能器 3b 第二發送換能器 4 部份聲音反射元件 5a, 5b, 5c 聲波 6a 第一接收換能器 6b 第二接收換能器 7a, 7b, 7c 聲波 8 位置 9 殼體 10 邊槽 11a, lib 聲波 12a, 12b 聲波 13 反射元件之線性陣列 14 反射元件 15 邊界區 '16 換能器 17 焦點 18 聲波波導 19 基材 22 聚焦的聲波束 23a, 23b 發送換能器 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 裝 訂

線 531714 五、發明説明（8 24 陣列 25 包覆物 26a, 26b 接收換能器 27 基材 28 楔形部 29 切口 50 波導 50a, 50b 元件 52 基材54之第一面 54 基材 56 反射陣列 58 基材54之第二面 60 波導 60a 部份 62 間隙 64 對角面 66 聲波 68a, 68b 反射之聲波 發明的詳細描述 堪使觸控螢幕運作所需要的 觸控螢幕尺寸以及相對應的相 幕愈大，只因為具有較大觸控 移行較大距離，所以需要更大 聲音訊號功率係部份取決於 對陣列長度及寬度。觸控螢 螢幕尺寸並且聲音訊號必須 的訊號功率。反射陣列的特 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) -11 - 531714 A7 B7 五、發明説明（9 ) 徵必須能夠在換能器下游之陣列的一端點處將一特定/最小 訊號量傳輸過觸控螢幕。一種調整傳遞過觸控敏感區域之 訊號量方式係藉由增加反射陣列的寬度。可藉由增加反射 陣列的見度’對於觸控螢幕的傳輸或接收捕獲更多能量， /[一這必然會減小可用的觸控敏感區域並增大覆蓋住陣列所 需要的邊槽寬度，其具有兩種極不利的特徵，實際上將與 增大已知觸控螢幕尺寸下的可用觸控敏感區域、以及盡量 減小邊槽寬度等顧客需求產生直接的衝突。 習知的陣列具有〇·21〇吋（5.3公厘）或9·3波長的最小寬度（ 假設習知訊號波長為0.0226吋）、以及0.600吋（15.2公厘）或 26·5波長的最大寬度（亦假設習知訊號波長為〇〇226吋）。在 對角1 0或1 2吋左右的較小螢幕上採用最小寬度，並在2 〇吋 及以上左右的較大螢幕上採用最大寬度，這些參數亦取決 於觸控營幕基材的種類。 圖2顯示本發明之一聲晋觸控螢幕的一反射陣列1 3以及一 換能器16，其中可具有比習知觸控螢幕更窄的邊界區。本 發明中，聲波1 1 a的路徑係由一聲波波導丨8所限定。反射 陣列1 3包括與波導1 8相配合之複數個部份聲音反射元件1 4 •，此項實施例以預定間隔設有鋪覆在波導1 8頂上之反射元 件14，此配置可讓反射元件14有效地將來自進入聲波 的能量以聲波5 a及5 b方式部份地撓曲過觸控敏感區域。如 圖所示，波導18具有橫向尺寸（宽度）γ ,反射陣列13具有 比波導18的橫向尺寸Υ更大之橫向尺寸（寬度）W。 如圖3所示，藉由具有寬度γ的波導1 8將很大部份的聲能 -12- 本纸張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4規^1^297公釐） 531714 A7 _____________B7 五、發明説明（1Q ) ' 1一 限疋在寬度W的陣列1 4。因為可由波導工8寬度來控制聲音 波束的寬度，所以可相對應地使反射器14比習知反射器更 窄但仍此將足量的聲能撓曲過觸控敏感區域進行觸控感 應。 〜、 再度參照圖2，一項通常用於但不限於瑞里波之較佳實施 例中，發送換能器1 6為一種聚焦換能器。習知技藝觸控螢 幕（譬如圖1所π )中所用之一種習知的換能器將產生一平行 的聲波束。聚焦換能器1 6產生一經聚焦的聲波束2 2，此聲 波束係在波導1 8端點處的焦點丨7進行聚焦而聚集並傳播。 不具有波導的習知觸控螢幕中，必須考量陣列端點處之能 量點（energy spot)尺寸，因此，通常必須使用較大的換能器 本發明中，由於具有一波導而另需考慮波導入口處的點 尺寸。因為換能器與波導入口之間具有較短的距離，所以 可使用比習知觸控螢幕具有較小的與陣列軸線呈垂直的尺 寸之換能器。更佳可採用一種在波導入口處具有一焦點之 聚焦換能器，以將聲能更有效地輕合入波導中。接收換能 器亦可為聚焦型’而具有類似的優點（應注意：因為不具有 波導則聲波束將發散超過焦點1 7，所以聚焦換能器通常無 法有利地用於習知的觸控勞幕中）。 與瑞里波不同，譬如剪波（例如，ZOHPS與HOHPS)及藍 伯波等板波（plate wave)在所移行之基材頂與底表面上均具 有顯著的聲音功率密度。圖4、5、6顯示另一種較佳實施例 ’其中波導1 8係镇合至基材1 9的一第一表面，反射陣列則 輕合至基材1 9的一第二表面。另一項實施例中，將波導及 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂 531714 、 A7 B7 五、發明説明（11 ) ~ 反射陣列予以反轉，此外’可在任一或兩表面上具有多個 波導及/或陣列。 圖7及8顯示波導/反射陣列組合之另一項替代性實施例， 此實施例中，波導50包含一種導電材料（譬如為含有銀顆粒 的玻璃溶塊），這能夠讓波導作為與相聯結的換能器之電接 點。因為一換能器需要至少兩個電接點，波導5 〇包括兩個 元件5 0 a、5 0 b。如圖7所示，波導5 0係韓合至基材5 4的一 第一面5 2，反射陣列5 6則耦合至基材5 4的一第二面5 8。或 者，如圖9所示，波導5 0及反射陣列5 6係編合至基材5 4的 同一面。此種構造中’波導50係施加至基材54而固化，隨 後將譬如可由U V固化的材料製成之反射阵列施加在波導的 頂上。 再度參照圖4，示範顯示根據本發明之一種聲音觸控螢幕 la。如同發送換能器23a及23b與接收換能器26a及26b的 情形一般，由於具有波導1 8，陣列2 4的反射元件1 4可能比 習知的陣列更窄，因此具有比習知觸控螢幕中更窄的邊界 區 1 5 a 〇 熟悉本技藝者瞭解：觸控螢幕未必在四側邊具有同樣寬 的邊界區，實際上為了強調這一點，在圖4中，觸控螢幕la 故意畫有比其他邊界區更寬的一個邊界區15a(底下的邊界 區），在使用於某些其他觸控螢幕製造廠所生產的CRT或液 晶顯示器（LCD)之觸控螢幕情形中尤其如此，這些CRT或 LCD製造廠可能因為與觸控螢幕無關的設計因素而製造出 具有不等寬邊界區之顯示器。因此，某些邊界區可能能夠 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 531714 A7 _________ B7 ----- 容納一習知的反射陣列，而其他邊界區則需要根據本發明 之一導波反射陣列。本發明不需使得一觸控螢幕中的4有 反射陣列均與一波導配合運作，亦不需使得波導長度與陣 列長度一樣長。當具有夠寬的一邊界區時，不需使用一導 波陣列（但亦不排除使用）。依據邊界區的寬度，一長方形 觸控螢幕可能具有一個、兩個、三個、或四個導波陣列。 圖10顯示本發明之另一種替代性實施例，此處，反射元 件的陣列係”内建，，在波導中。波導60分段成為複數個部份 6〇a，波導60沿著長度由各部份6〇a之間的一間隙62所分隔 。間隙62較佳為（n+1/2)又，其中n為任意整數且入為波長 ，各部份60a具有作為聲音反射元件用之至少一個對角面 64 ’以將能量從聲波6 6撓曲過觸控螢幕的表面。 聲音波導係與光學波導具有相似的概念：其藉由一核心 材料包圍一包覆材料所構成，其中受導波（不論為光波或聲 波）在核心區中係具有比包覆區更慢的傳播速度。圖丨丨A以 剖面顯示聲音波導1 8形成在觸控螢幕表面上的方式。一核 心24(譬如玻璃熔塊或含有銀顆粒的玻璃熔塊）係沉積在通 常為玻璃（譬如硼矽酸鹽或鈣鈉玻璃）製之觸控螢幕基材27 上。因為聲波在核心2 4中比在基材2 7中行進更慢，基材2 7 可有效作為一種包覆物。圖i i B以剖面顯示一反射元件i 4 形成於波導1 8頂上之方式。或者，波導及陣列可在相同製 造步驟中以相同材料構成。 圖11C顯示另一種波導構造，其中沉積材料為具有比基材 2 7更快傳播速度之一種包覆物2 5，在此情形則作為核心之 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董)

發明説明 用。因此圖1 1 C的構造係為圖1 1 A的相反情形。 圖1 1 A及1 1 C的波導係為鋪覆波導的範例，此名稱係因為 將一條材料放在另一材料之一基材的頂上。可採用其他型 波導’譬如拓樸性波導（t〇p0graphic waveguides) ’其中經由 基材表面的局部變形來構成波導，圖丨丨D顯示一種拓樸性 波導，其中楔形部2 8為變形部份，變形部份可具有其他形 狀（如長方形凸脊）。熟悉本技藝者瞭解：參照譬如歐林納 的π聲音表面波的波導··評論，，，IEEE會議記錄，V〇i.64, Νο·5, ρρ·615-625 (1976年五月）等刊物及本文所引用的文件 ’可能具有多種適合本發明的波導設計。波導及/或反射陣 列譬如可由玻璃熔塊所製成。或者，波導可為基材中的一 切口或凹谷，波導亦可為在一具有寬度γ的條帶中所產生之 複數個切口或凹谷。 參照圖4及/或1 〇，波導可使得反射陣列相對於陣列長度 之寬度比起習知陣列更窄，此陣列可具有比起以波長為單 位之陣列縱向尺寸平方根的約1 / 3更小之以波長為單位之平 均寬度或橫向尺寸，平均寬度預定可在陣列長度上界定陣 列的平均寬度。 本發明的上述詳細描述係包括主要有關或僅有關本發明 特定部份之段落，已知為了清楚及方便起見，一種特殊特 徵可能比所揭露的段落中更為明顯，並且本文的揭示係包 括不同段落的資訊之所有適當組合。同樣地，雖然本文的 各個圖式及描述係有關本發明的特定實施例，可瞭解當在 特足圖式或貫施例中揭露一種特定特徵時，此特徵亦可適 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 531714 A7 B7 五、發明説明（14 ) 當地使用於其他圖式或實施例中、與其他特徵組合使用、 或概括使用於本發明之中。 並且，雖然已就特定較佳實施例描述本發明，本發明不 限於此等較佳實施例，而是由申請專利範圍來界定本發明 的範圍。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. C8 D8 六、申請專利範圍 1 * 一種觸控螢幕，其包含： (a) —基材，其能夠傳播聲波且具有： (i) 一觸控敏感區域，及 (i i)沿著該觸控敏感區域之一邊界區； (b) —陣列的部份聲音反射元件，其具有一橫向尺寸， 邊陣列位於薇邊界區的一部份中且可對於該觸控敏感區 域發送或接收一聲波； (c) 一聲音波導，其位於該邊界區的該部份中，該聲波 波導具有比該陣列橫向尺寸更小之橫向尺寸。 2 .如申請專利範圍第1項之觸控螢幕，其進一步包含： 一第二陣列之部份聲音反射元件，其位於該邊界區的 一第二部中且可在該聲音訊號已經移行過該觸控敏感區 域之後接收一聲音訊號；及 ； 其中該第一陣列的位置可將該聲音訊號發送入該觸控 敏感區域中，且該波導係位於該邊界區之第一部或第二 部中。 3 ·如申請專利範圍第2項之觸控螢幕，其進一步包含：一 第一換能器’其以聲音方式耦合至該基材的表面且其位 置可沿著該邊界區的第一部發送一聲音訊號；以及一第 二換能器’其以聲音方式耦合至該基材的表面且其位置 可接收沿著該邊界區的第二部行進之一聲音訊號。 4 ·如申請專利範圍第3項之觸控螢幕，其中該等第一及第 二換能器中的至少一者為一種聚焦換能器。 5·如申请專利範圍第1項之觸控螢幕，其中該波導為一種 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董) 531714 A8 B8 C8 D8

   申請專利範圍 鋪覆波導。 6. 8. 利範圍第1項之觸控螢幕，其中該波導為-種 奴狀波導。 t申請專利範則1項之觸控螢幕，其中該波導為-種 拓樸性波導。 一種觸控螢幕，其包含： 一基材’其能夠傳播聲波，且具有—觸控敏感區域以 及沿著該觸控敏感區域之一邊界區； 一-陣列之部份聲音反射元件’其附接至該基材的一第 =表面，且位於該邊界區的一部份中，且其位置可對於 該觸控敏感區域發送或接收一聲音訊號；及 -聲音波導’其附接至該基材的—第二表面且位於該 邊界區的該部份中，以沿著該線性陣列引導一聲音訊號 9· 一種觸控螢幕，其包含： 基材，其旎夠傳播聲波，且具有一觸控敏感區域以 及沿著該觸控敏感區域之一邊界區； 一陣列之部份聲音反射元件，其具有比起以波長為單 '位之該陣列縱向尺寸平方根的約1 / 3更小之以波長為單 位之平均橫向尺寸。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）