用于声学触摸屏的光栅换能器的制作方法

专利名称：用于声学触摸屏的光栅换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及声学换能器领域，较具体地涉及用于声学触摸屏的光栅换能器。
背景技术：
触摸屏是交互式计算机系统的输入装置。在商务上它们日益广泛应用于例如信息查询台和餐馆预订系统等等。
电阻触摸屏、电容触摸屏、和声学触摸屏是占统治地位的触摸屏技术。对于要求有非常耐用的触摸敏感表面和最小程度地影响显示图像的光学质量的那些应用来说，声学触摸屏，也即超声触摸屏，尤其有优势。
已经知道各种类型的超声换能器。声学触摸屏中使用最普遍的类型是楔板换能器和压电换能器元件与触摸基底之间的直接耦合。换能器是一个或一组能把能量从一种形式转换成另一种形式的物理元件。这包括各种声波模式之间的转换和电能与声能之间的转换。典型使用的压电换能器由一个其表面带有一些导体的矩形棱镜状压电陶瓷所形成，通过把该陶瓷元件的一个平面表面或形成在该表面上的金属电极安放得齐平于一个基底元件，例如楔板材料，的一个表面，它将与该表面发生声耦合。
楔板换能器把表面波或平板波(plate wave)导入基底。楔板换能器利用当声波倾斜入射到两种不同媒质的界面时将发生折射的现象。典型的楔板换能器由一块塑料楔形板构成，其一个侧面上安装了一个压电元件，其斜面粘结在一块例如为玻璃的基底上。压电元件与楔板材料中的体波相耦合。该体波以临界角，即“楔角”传播，折射成玻璃中水平传播的波，或者由玻璃中水平传播的波折射而成。楔板材料的选择使得其中体波的声速低于接触基底中希望模式的相速；楔角的余弦等于这两个速度的比值。这样的楔板换能器可以用来发送和接收瑞利(Rayleigh)波、勒夫(Love)波、和像兰姆(Lamb)波这样的平板波。
与之成对比，直接耦合成“端面”换能器提供有一个直接粘合在触摸屏基底上的压电元件，其粘合方式使得能直接产生一个在基底表面上具有明显功率的声波。这样，其界面起着把压电元件在机械上连接到基底上的作用，同时还起着能耦合于希望声波模式的声学功能。美国专利No.5,162,618的图2B示出一个用来把兰姆波发射到一个薄基底中去的端面换能器，该专利在此引用作为参考。又见Lardat的美国专利No.3,893,047。端面换能器用来耦合不带有与基底厚度有关的节点的平板波是最自然的了。耦合瑞利波的端面换能器也已有一些开发工作。见Ushida的日本专利JP08-305481和JP08-305482，这两个专利也在此引用作为参考。虽然这样的端面换能器是紧凑的，但它没有让压电换能器受到保护。
一种已知类型的声学触摸位置传感器包含一个触摸面板或平板，其上沿着一个基底的一个第一端面设置有一个发射器阵列，用来同时产生一些通过面板直接传播到一个位于面对着第一阵列的基底第二端面上的相应的探测器阵列上的平行表面波或平板波。垂直于第一对换能器阵列设置了另一对换能器阵列。触摸面板上的某一点将使通过该触摸点的波发生衰减，从而使这两组换能器阵列的输出能够指明触摸点的坐标。这种类型的声学触摸位置传感器示于美国专利No.3,673,327和Toda的WO 94/02911，它们也在此引用作为参考。由于声波的发散，从一个发射换能器发出的波的一部分将入射到一组接收换能器上，使得触摸位置的判别能够比一对一的简单发射/接收换能器关系的判别更细微。这类系统需要大量的换能器。
一种在商业上获得成功的声学触摸系统称做艾德勒(Adler)型声学触摸屏，如图1所示，它通过使信号在空间上分散和以扰动的时间特性分析来指明位置而有效地利用了换能器。一个典型的这种矩形触摸屏包含两组换能器，它们分别沿着由基底所定义的物理笛卡儿坐标系的两个轴排列。一个换能器产生一个或一列声脉冲，它们例如作为窄瑞利波沿着一个与一个反射元件阵列相交的轴线传播，每个反射元件都倾斜成45°并以声脉冲声波波长的整数倍为间隔排列。每个反射元件都使一部分波沿一个垂直于上述轴线的路径反射，反射波在穿过基底上适用于触摸传感的一个宽广区域后，射向对面的一个反射元件阵列和换能器上，其中，这个反射元件阵列和换能器是第一个反射元件阵列和换能器的镜像，而且每个反射元件还允许一部分声波透过，射到阵列中的下一个反射元件上。镜像阵列的换能器接收由两个阵列中的各反射元件所反射的声波部分的叠加声波，这些两次反射的声波部分的方向反平行于发射脉冲的方向，它们的强度是逐渐增大地改变的。由于传感器有效区域中的各个波路径有各自的特性时间延迟，所以可以通过确定组合的返回波形中的衰减时刻来判断物体触摸触摸敏感区时所造成的一条或几条波路径的衰减。
垂直于第一组阵列/换能器设置了第二组阵列/换能器，并且这两个组的工作情况相似。由于一个换能器的轴线对应于基底的一个物理坐标轴，所以返回波的衰减时刻表明了基底上一个位置的一个笛卡儿坐标值。相继地确定两个坐标值就确定了衰减物体的二维笛卡儿坐标位置。该系统的工作原理是，对表面的触摸将衰减具有一定功率密度的表面波或平板波在表面处的强度。跨越基底传播的波的衰减将造成入射到接收换能器的波以特性时间周期作相应的衰减。这样，控制器只需探测衰减的时间特性就可以确定轴向坐标位置。为了确定一个笛卡儿坐标位置，需要相继地沿两个轴进行测量。见美国专利No.4,642,423；No.4,644,100；No.4,645,870；No.4,700,176；No.4,746,914；和No.4,791,416,Re33,151；它们均在此引用作为参考。艾德勒的美国专利No.4,642,423讨论了由一个球面的一些小立体角部分所构成的矩形触摸屏表面的伪平面化技术。
如图1所示，系统中的声波发射装置11和12以脉冲串的形式发射短时间超声波信号，并利用作为声波分散器的反射元件13和14把发射的信号散布在整个坐标输入范围表面15上。系统利用接收装置18和19接收通过作为声波会聚器的反射元件16和17的信号，并分析接收信号随时间的变化，以探测信号所表明的坐标位置。
触摸屏系统中在面板表面上安有楔板型换能器的位置处不可避免地要高于面板表面。如图2所示，当显示器由典型阴极射线管这样的弯曲面板构成时，可放置楔板型换能器23的空间位置通常位于弯曲面板21和掩盖弯曲面板21的周边的面框22之间。然而，如图3所示，当显示器由液晶显示器或等离子体显示器这样的平面面板构成时，在被面框25遮盖的面板表面24的周边处就不存在两者之间的间隙，从而没有放置楔型换能器的空间。因此，对于采用楔板型换能器的情况，超声型触摸屏不适用于平面面板。这样将大为限制适用的可用显示器类型和封装结构。
己知的反射阵列通常是这样形成的，首先在由浮法处理的碱石灰玻璃板上用丝网印刷出玻璃材料，然后在炉子中固化成带有凸起的人字型玻璃光凸。这些光凸典型地具有声波波长的1％量级的高度或深度，因此只能部分地反射声能。为了在接收换能器处给出均衡的声功率，各反射元件之间的间隔可随距发射换能器距离的增大而减小，或者可以改变各反射元件的声透射率和反射率的比例，使得随着距发射换能器距离的增大反射率也增大。因此触摸传感器通常设置在一个显示装置的前面，又因为反射阵列一般是光学可见的，所以反射阵列通常设置在有效传感区的外部，即基底的周边处，并被面框遮盖和保护。
为了进一步减少换能器的数日，可以采用折迭式声路。美国专利No.4,700,176的图11的教导是使用单个换能器来发射声波和接收探测声波，并用单个反射阵列来分散和重新聚合声波。因此这种系统采用了反射阵列对面的反射结构。这样，声波可以在基底的一个端面处或在一个平行于发射反射光栅的轴线的反射器阵列处按180°反射，并穿过基底反射回到反射阵列，再沿着原来的路径返回换能器。在此情形中，换能器按适当的时间周期被时分复用成发射器和接收器。对于一个成90°的轴线，还设置了第二换能器、反射阵列、和反射端面，用来确定沿这个轴的触摸坐标。一种“三次通过”系统提供了能产生用来探测两个正交轴方向上的触摸的探测波的单个换能器，它同时为两个轴产生和接收声波。见美国专利No.5,072,427；No.5,162,618；No.5,177,327，它们在此引用作为参考。目前商业产品中的大多数是基于瑞利波的。由于瑞利波是束缚在触摸表面上的，所以它们在触摸表面上保持了有用的功率密度。瑞利波是这样一种波，它具有垂直波分量和横向波分量，基底粒子沿着位于一个包含波传播轴的垂直平面内的一个椭圆路径运动，而波的能量随进入基底深度的增大而减小。切应力和压/张应力都与瑞利波有关。
从数学上说，瑞利波仅存在于半无限介质中。在可实现的有限厚度的基底中，更精确地说出现的是准瑞利波。这里，应该理解，瑞利波仅在理论上存在，因此所提到的“瑞利波”实际指的是准瑞利波。对于工程情况，为了支持瑞利波在触摸屏设计所感兴趣的距离范围内传播，基底的厚度只需有3或4个瑞利波波长就足够了。
除了瑞利波之外，对于触摸表面敏感的声波，也即触摸了表面后将导致声能有可测出的衰减的声波，还包括，但不局限于，兰姆波、勒夫波、零级水平偏振剪切(ZOHPS)波、和高级次水平偏振剪切(HOHPS)波。见美国专利No.5,591,945；No.5,329,070；No.5,260,521；No.5,234,148；No.5,177,327；No.5,162,618和No.5,072,427，这里引用它们作为参考。
和瑞利波相似，勒夫波是“表面(束缚)波”，即当基底足够厚时这种波受基底一个表面的束缚或导引，而不受基底其他表面的影响。与瑞利波不同，勒夫波的粒子运动是水平的，即平行于触摸表面而垂直于传播方向。与勒夫波相关的只有切应力。
另一类可能为声学触摸屏感兴趣的声波是平板波。这包括最低级次(ZOHPS)和较高级次(HOHPS)的水平偏振剪切平板波以及各种对称性和级次的兰姆波。
已经知道具有规则间隔或渐增间隔的反射元件阵列能使入射辐射，包括声波，发生衍射或散射。上面讨论的已知的艾德勒型触摸屏设计利用反射阵列使声波以一个预定角度相干地反射。这里引为参考的美国专利No.5,072,427和No.5,591,945中的触摸屏设计推广了这一原理，给出的反射阵列不仅使声波在表面上以一个预定角度相干地反射，而且还转变波的模式。所以已经知道，声波与衍射光栅的互相作用能使波能量在各种波模式之间转换。
声波所探测到的触摸可以包括手指或触针对表面的直接触压或通过一层盖片的间接触压。例如见这里引用为参考的美国专利No.5,451,723，其中利用了剪切波模式声学传感系统和端面换能器。由于盖片与楔板换能器之间的机械干涉，使用通常用于瑞利波声学触摸屏的楔板换能器将使在前表面上安装盖片变得困难。对于LCD(液晶显示器)的触摸屏监视器设计，使用楔板换能器将使机械设计复杂化，还可能限制增添功能。
一种解决楔板换能器的机械干涉的方法在1996年3月4日递交的美国专利申请流水号08/610,260中有所说明，该申请在此引用作为参考。如那里所公开的，楔板换能器可以被安装在触摸区邻近的一个前表面面框上，后者使楔板换能器退缩在触摸屏基底前表面的后面，但将导致声能损失。与LCD触摸监视器设计的要求不同，这种设计典型地将增大触摸屏的边缘宽度。
Masao Takeuchi与Hiroshi Shimizu的论文“Theoretical analysis ofgrating couplers for surface acoustic waves(表面声波光栅耦合器的理论分析)”(日本声学学会学报，36(11)543-557(6/24/1980))公开了一种光栅换能器及其工作的理论框架，该文在此引用作为参考。又见Tohoku(东北)大学Masao Takeuchi与Hiroshi Shimizu的已公开研究论文“Unidirectional excitation of plate waves in a penodicstructure(周期性结构中平板波的单方向激励)”(日文，1991)。又见J.Melngailis与R.C.Williamson的论文“Interaction of Surface Wavesand Bulk Waves in GratingsPhase Shifts and Sharp Surface Wave/Reflected Bulk Wave Resonances(光栅中表面波与体波的相互作用相移和尖镜表面波/反射体波共振)”(Proc.1978 IEEE超声讨论会，p.623)；以及Herman A.Haus.Annalisa Lattes与John Melngailis的论文“Grating Coupling between Surface Acoustic Waves and PlateModes(表面声波与平板模式的光栅耦合)”(IEEE声学与超声分会期刊，p.258(1980.9月))。
在楔板换能器中，来自压电换能器的没有被耦合成例如瑞利波的体波将不会进入触摸屏基底，并在楔板材料中消散。反之，在表面光栅布局中，来自压电换能器的没有被光栅转换成例如瑞利波的体波将以寄生体波或平板波的形式在基底材料中传播。
如Takeuchi等人(1980)己说清楚的，入射体波能量转换成瑞利波能量的转换效率的理论上限为81％，于是理论上至少有19％的体波能量将具有寄生波形式，而且这个理论效率在实际中是难以达到的；见Takeuchi等人(1980)中关于“F因子”的讨论。于是很清楚，光栅换能器相对于楔板换能器来说有一个很大的缺点产生强的寄生波。对于像非损坏性测试这样的超声换能器典型应用来说，这一产生强寄生波的情况常常是不能接受的。即使在触摸屏中，所产生的强寄生波在基底平面内沿着平行于希望波的方向传播也被认为是一个麻烦。类似的考虑也适用于接收模式光栅换能器对寄生波的敏感程度。
至少对于声学触摸屏设计的一些例子来说，已知这些不希望的寄生波可能会是一个问题。例如见美国专利No.5,260,521中的图13、14和17及其有关说明，该专利的全文在此引用作为参考。商业触摸屏控制器中的触摸识别算法要求希望信号不受寄生信号的干扰。
在R.F.Humphryes与E.A.Ash的论文“Acoustic Bulk-surface-wavetransducer(声学体波-表面波换能器)”(电子快报(第5卷第9期)，1969，5月1日)中讨论了一种光栅换能器，它利用非对称的光栅栅齿作为构筑单方向换能器的手段。该论文还考虑了用一对位于基底相对表面上的光栅作为把瑞利波在两表面之间转移的手段。
美国专利No.5,400,788中的图12、13和14公开了一种换能器布局，其中用光栅把瑞利波耦合成体波，该专利的全部在此引用作为参考。压电基底上的交叉指状换能器产生瑞利波，然后它们被光栅转换成压力体波，然后再被耦合到一个声波导(它或者也可以是一条光纤)中。交叉指状电极和光栅形成了一些圆弧部分。
美国专利No.5,673,041“Reflective mode ultrasonic touch sensitiveswitch(反射式超声触摸敏感开关)”公开了一种超声触摸传感器，它利用了触摸面板基底的厚度模式共振，该专利的全部在此引用作为参考。一个例如用聚氟酸乙二烯(PVDF)做成的透明压电元件阵列被粘结在基底(例如玻璃)的背面。用电子方法监视被耦合成基底厚度共振的压电元件的阻抗特性。手指的触摸将吸收声能、衰减厚度共振、进而改变共振系统的Q(品质因子)值，从而改变耦合成厚度共振的压电元件的阻抗特性。所以这一方案利用了己知的声波被吸收物体衰减的现象，但没有利用散射结构或光栅。
本发明公开的内容本发明提供一种用于声学触摸屏的换能器系统，其中有一个声发射元件，例如一个压电元件，在介质中产生一些体波，然后这些体波与一个光栅结构互相作用，产生有用的平板波或表面波，例如瑞利波、勒夫波、或HOHPS波。这样，一个与一个压电元件相耦合的体波将与光栅结构互相作用，被转换成这样一个波模式，它受到基底的一个表面或几个表面的限制，并至少在一个表面上具有明显的能量。利用这些一般原理，可能得到各种触摸屏结构。典型地说，体波本身并不适用于触摸屏，必须转换成为更有用的波模式。
根据本发明，沿着相对于表面当地区域为非零度角传播的体波与表面上的一个光栅互相作用。或者，光栅也可以在基底体积内具有明显的成分，并以此成分添加于或替代了表面光栅结构。光栅自身至少包括一个能耦合各种声波模式的散射中心；实际上，用一组周期性的扰动，例如一组直线形的、曲线形的、点状的、或其他形状的扰动，都可以实现有效的波模式转换。直线光栅，例如其中的元素设置得伸展出了入射声束的宽度，被认为是一个一维的散射元件，典型地它将产生沿一个轴线稍微发散的散射声波。只与声波的一一部分发生相互作用的元件，例如一些点散射中心或短长度元件，可以散射出许多不同的声波，每个声波都可能有不同的波模式或传播轴线。弯曲的或沿弯曲轴排列的元件可以起到声透镜的作用，它们与直线光栅相比除了能使声波会聚或发散之外有相似的特性。
本发明的发明人发现，当体波(它们可以是纵波-压缩波和/或横波-剪切波)通过基底向基底表面上的一个周期扰动结构传播时，它们将被周期性扰动转换成表面波或平板波。然后这些表面波或平板波被用来高精度地探测面板触摸敏感区域中的触摸位置(接触位置或输入位置)，其中的触摸敏感区例如可以对应于面板的显示区，这样就免去了对楔型换能器的需求。在一个典型实施例中，波是由一个位在基底一个表面上的压缩模式声波换能器产生的，该换能器产生基底中的体波，该体波被导向一个光栅或一组散射元件。令人惊奇的是，虽然光栅换能器自身具有对基底中的寄生波的明显耦合，但本发明人发现对于采用光栅换能器的完整触摸屏来说，寄生信号效应在相当程度上是可控制的。
本发明的另一个方面提供了一种声学换能器系统，其中包括适用于聚合物基底的瑞利波换能器。美国专利No.5,162,618的第5条(Co1.5)第42至44行提到了用于利用剪切平板波的触摸屏的塑料基底，但没有给出关于如何能在塑料基底中产生瑞利波的教导。相对于楔板换能器压电元件的楔角由下述公式给出cos(θ)＝VP(楔板)/VR(基底)对于给定的材料，瑞利波的波速VR典型地约为压力波波速VP的一半。为了能设计出一个楔板换能器，也即为了让cos(θ)小于1，楔板材料中的压力波波速必需约小于基底中压力波波速的一半。当基底材料，例如玻璃，具有较快的声速并且楔板材料，例如聚丙烯，具有较慢的声速时，有可能做到这一点。但是，当基底是聚合物材料从而具有较慢的声速时，要找到具有所需的低得多的声速的可接受的楔板材料是困难的。因此，为了使在聚合物基底上产生和接收瑞利波的聚合物触摸屏可以实现，需要更换楔板换能器。本发明通过代之以用衍射原理来转换波模式，从而排除了对楔板材料折射特性的考虑。
根据本发明，光栅最好充分利用多散射中心的相干散射特性。这样，一个光栅就可以是这样一个阵列，它至少有一个明显的对应于体波与希望波之间的希望布拉格衍射耦合的傅利叶成分。在此情形下，体波波矢的水平分量将耦合成平板波或表面波的波矢。可以把光栅做成为表面结构，同时体波以一个倾斜于基底表面的角度入射到光栅上。或者，光栅可以埋入到基底内，或者是非平面型的。光栅换能器工作的基本原理很大程度上是与光栅结构无关的，虽然光栅换能器工作的基本原理很大程度上是与光栅结构无关的，虽然光栅结构的不对称性可以导致方向性。光栅可以由具有各种轮廓的各种形式的元素组成，这些形式有槽条、脊条、淀积材料、充填的槽条、和埋藏结构(声反射元件在基底表面下面)等；这些轮廓有矩形、正弦形、锯齿形和其他一些对称或非对称的形状。事实上，对于聚合物基底的模压光栅换能器，正弦光栅的平滑边缘是有利的。应该指出，对于一定的光栅元素对称性和间距，光栅元素的功能对于基频来说是基本相同的，虽然对于谐频成份来说光栅将会有不同的特性。
就当前的目的而言，光栅可以看成是传感器子系统的一个区域，其中介质的声学性质已被某种方式调制得产生了一个散射中心分布，并且该分布在二维波矢空间中的一个或几个点上具有明显的傅里叶变换振幅。一个具有多个接纳角的光栅在二维波矢空间的两个或更多个点上就有明显的二维傅里叶变换振幅。该光栅可以是一个平面光栅或者是一个例如通过有选择地淀积多层光栅材料所形成的体衍射结构。
在耦合到多个方向时，可能会丢失一些效率并且需要更小心地避免寄生信号，但是，在某些情况下，考虑到部件的减少，这对于设计的紧凑性和机械简单性来说是有利的。例如，单个接收换能器就可以同时接收X和Y信号。
在某些情况下，先把反射阵列或光栅制作在条带材料上然后再把条带粘合到基底的其余部分上将可能方便于制造；见美国专利No.4,746,914第9条。这样的粘结结构可用于制造的方便或封装的构形。
作为声学换能器构成部件的声发射或声探测结构典型地是压电元件，但并不局限于压电元件。换能器是一种把一种能量转换成另一种能量的结构，这就转换可以是双向的。例如已有的换能器有电-声、光-声、磁-声、声-声(各声波模式之间的转换)和热一声等换能器。
压电元件的典型形式是一块矩形薄片，其中在用作电极的两个导电区域之间夹有压电响应材料。当给电极加以一个振荡电压信号时，压电材料中产生的电场将通过压电效应使元件振动，振动情况取决于压电材料的性质、电极的布局和机械限制或耦合。反之，如果压电元件受到机械振动，则将在电极上出现振荡电压。
关于压电元件的机械振荡模式可以有几种选择。一个普通的选择是关于元件薄尺寸方向的最低级次压缩一伸展振荡；这种元件耦合于体压缩波或其他具有明显纵向分量的声学模式。另一种选择是最低级次的剪切振荡，其中一个带电极的表面和其对面表面反平行地运动；这种元件耦合于体剪切波或其他具有明显剪切分量的声学模式。剪切运动的方向可以设计为电极平面内的任何方向。较复杂的选择也是可能的。根据本发明的一个方面，通过有选择地耦合于各个适当的模式敏感换能器，可以按照在基底中传播的各组探测波的传播模式把它们区分出来。
典型地，压电元件的设计使它们的共振频率处于希望振荡模式的工作频率。对于最低级次的压缩振荡，共振频率等于体压缩波波速(压电材料中的)除以压电元件厚度的两倍，使得压电换能器元件的厚度为半个波长。类似地，最低级次的剪切模式压电元件的厚度为体剪切波波长的一半。用于触摸屏时，由于耦合于基底中的声波，压电元件将是一个衰减机械振荡器。
在本发明的一个实施例中，压电元件含有一系列分别驱动的直线带状电极。当耦合于基底时，例如当耦合于一个玻璃板的端面时，可以通过沿着玻璃的厚度淀积一系列电极形成一个相位阵换能器。在一个最简单的实施例中，各电极间的间隔等于希望体波波长的一半除以希望传播角度的余弦，并使每隔一个电极是电平行的，从而形成一个模式选择二电极换能器，可以在基底中产生对角向上和向下的声波。更一般地说，相位阵的每个电极都可以独立地激励或分析，使得可以与具有大于电极间隔两倍的波长的声波相耦合，这有可能给出方向选择性。
发射换能器由来自控制器的正弦波或伪正弦波单频脉冲串激励。这种脉冲串的功率谱典型地在名义工作频率处有一个极大值。通常，传感器被调谐得适用于一个特定频率或一组频率，因此该参数是预定的。具美国专利(NO.4,644,100,Re.33,151和NO.4,700,176,在此引用它们作为参考。
光栅换能器的基本概念如下。压电元件被直接粘合在基底上并耦合于体中的体波。然后这些体波通过光栅被耦合成希望声波模式，供触摸屏工作。希望声波模式可以是瑞利波。
与楔板换能器不同，光栅换能器不需要楔板，因此其机械轮廓较小。对于LCD触摸监视器来说这一点特别重要。
由于光栅换能器排除了对基底表面上的楔板换能器子组件的精确角对准的必要性，所以它是特别有利的。在光栅换能器中，光栅的角对准有相似的容差要求。但利用标准的印刷加工很容易满足这一容差。把压电元件放置到基底表面上的容差要求要宽松得多。
图4中的光栅5a’、5b’、8a’和8b’可以平行于也可以倾斜于y轴，可以是按曲线延伸的或尖角形的元件，它们按照由基底当地表面所定义的水平(x-y)平面中的二维布拉格散射条件耦合体波和表面或平板波。设κ代表表面波或平板波的波矢。该矢量位于图4所定义的x-y平面内，其方向为声波的传播方向，其大小为2π/λ，其中λ是表面波或平板波的波长。设(κB)//代表体波波矢的水平投影，即体波波矢的x和y分量。设θB是κ与(κB)//之间的夹角，θBT是从体波转换成表面波或平板板的角度，θBR是从表面波或平板波转换成体波的角度，这里用不同的符合来表示耦合的体波模式可以不同，因此各个散射可以不同。设κB是光栅的一个明显的二维傅里叶成分。如果满足下式，则二维布拉格散条件将满足±κB＝κ-(κB)//对于这个基本的二维布拉格散射条件存在着许多特殊情形。下面将给出一些例子。
对于κ与(κB)//相平行即θE＝0°，并且光栅是由垂直于κ且间隔为p的直线光栅元素构成的周期结构这一特殊情形，上述关系式将简化为下述标量条件，其中n是一个整数。
2πn/p＝κ-κBSinθB此外，当希望表面波或平板波是波长为λR的瑞利波(并且体波波长为λB)时，该关系式进一步简化为下述等式θB＝Arcsin(λB/λR+nλB/p)(n＝…，-3，-2，-1，0，1，2，3…) (1a)等式1a中的内部角θB一般可以在一π/2＜θB＜π/2的范围(单位弧度)内选择，较好地是在一3π/8≤θB≤3π/8范围内选择，最好从一π/4＜θB＜π/4范围内选择。
用来探测触摸的波可以是任何在基底表面被触摸时将受到可探测扰动的声波。对表面波或平板波可以有许多种选择。瑞利波具有极好的触模灵敏度并且无论基底厚度有多大它总是局限在靠近触摸表面的一个薄体积内。水平偏振剪切波的优点是它们对液体和胶质污染，例如水污染和硅橡胶密封剂污染有弱的耦合。非均匀基底除了还能支持其他类型波的传播之外，特别适合于适合于支持具有非对称表面功率密度的水平偏振剪切波的传播，其中包括勒夫波，这种波是水平偏振剪切波，并与端利波相似，被束缚在触模表面附近。位在足够薄的基底中的兰姆波是声波模式的又一种选择。对于一个给定的应用，选择最佳的声波模式涉及多种工程上的折衷考虑。
在本文中，勒夫波可被与具有较高相速的基底下部相邻接的具有较低相速的基底上部支持。通常被分类为非对称水平偏振剪切波的相似类型的波可以被具有更复杂性质的垂直相速梯度支持。一个声吸收层上的快速层/慢速层多层结构可以支持勒夫波，同时滤去寄生平板波。所以，基底可以包含一些具有不同声波传播性质和/或声学界面的层。
基底可以做成为矩形或非矩形，如六角形，的平面平板。或者，基底可以沿一条或两条轴弯曲成柱面，球面或椭球面或它们的部分表面，或者可以是其它形状。大立体角的球面和完整的柱面基底都是可能的。例如，多面体触模传感器可以在每个边上设置反射阵列，而在每个项点处设置换能器。本发明不局限于柱准的矩形传感器几何结构。
需要指出，就本申请的目的来说，基底不一定要是单块结构，而也可以是均匀或非均匀的有声学耦合的元件组。从发射换能器到接收换能器的声学路径可以作为制造处理的一一部分任选地通过基底上一些结合在一起的区域。
需要指出，根据1996年8月12日递交的待审美国专利申请流水号08/615,716中指出的概念，面板的低曲率不是必须的，事实上，本光栅换能器可以应用于大量不同的声学触模输入传感布局，其中包括较严重的非平面表面，该申请在此引用作为参考。美国专利申请流水号08/615,716也包括了对多个和/或冗余探测波的利用和分析。
大基底也可使用于例如大白板应用，其中的基底在一个大区域上都是触模敏感的。艾德勒型的声学传感器也已被考虑应用于电子白板；见欧洲专利申请(E.P申请)94119257.7，Seiko Epson，中的图10及有关说明在白板应用中，基底不需要是透明的，因此可以用铝这样的不透明材料做成。有利的是，铝和某某其他金属可以镀上具有较低声波相速的搪瓷，从而可支持在前表面上有高触摸灵敏度(相对水平剪切平板波模式而言)的勒夫波。
适合于做基底的玻璃包括碱石灰、含硼玻璃(例如硅酸硼玻璃)、含钦、锶或铝玻璃、和冕牌玻璃。例如见Tsumura与Kent的美国专利申请流水号08/904,670。也可以使用具有可接受声学损耗的其他材料，包括铝和钢，但不局限于它们。在某些条件下，也可以用聚合物，例如Styron(Dow Chemical公司生产的一种低声学损耗聚合物)，来形成合适的基底。也可以用由一些具有非均匀声学性质的基底，例如叠层基底，来形成合适的基底。叠层基底的优点是可次支持声波能量集中在前表面上的勒夫波的传播，例如硅酸硼玻璃或Schott(肖特)B270玻璃一碱石灰玻璃基底或铝上镀搪瓷的基底。
这样，根据本发明的一种触模型坐标输入装置包括一个含有一个表面的传播媒质，其上可传播表面波或平板波；发射器件，用来使体波从传播媒质的最低部分沿倾斜方向向传播媒质表面传播，并利用周期性扰动器件产生表面波或平板波；一个形成在传播媒质表面上并可触摸的显示区域；反射器件，它们互相相对地设置在显示区域周边的两个侧边部分上，用来使来自发射器件的表面波或平板波从一个侧边部分传经整个显示区域，并聚焦或会聚在另一个侧边部分中传播的表面波或平板波；以及接收器件，用来利用周期性扰动器件把聚焦的表面波或平板波转换成体波，并使体波以倾斜方向向传播媒质的最低部分传播，并接收传播来的体波。
在根据本发明的一些实施例中，传播媒质由一个平面面板或一个低曲率面板组成。此外，发射器件可以包括设置在传播媒质的一个第一角部分的最低部分中的第一压电器件，用来在响应于一个电信号时使体波以倾斜方向向传播媒质的表面传播；还包括第一光栅器件，用来把来自第一压电器件的体波转换成传播媒质表面上的表面波；以及，接收器件可以包括第二光栅器件，用来把表面波转换成传播媒质表面上的体波并使体波以倾斜方向向传播媒质的一个第二角部分的最低部分传播，还包括第二压电器件，用来接收第二角部分最低部分中得到的被第二光栅器件转换成的体波，并产生一个电信号。
本发明的一个实施例提供了一种艾德勒型的触模屏系统，它利用光栅换能器把压电元件耦合到基底中的探测波上。这样，该触摸屏提供了一个坐标输入装置系统，它包括一个横向对称的显示区域，在该区域上能够传播超声表面波或平板波。在一种典型的4换能器系统中，分别为x轴和y轴设置了两对换能器。对每个换能器，在面板的一个角部分处设置了一个倾斜表面，而在该倾斜表面上则放置了一个压电换能器。压电元件耦合出沿着相对于显示区域周边中的发射扰动倾斜的轴线传播的体波，光栅结构即设置在发射扰动区域处。该光栅使体波与表面波或平板波相耦合，从而使体波换能器可以与表面波或平板波互相作用。这些表面波或平板波沿一个轴线传播，在这个轴线上靠近面板周边边缘处设置了一个反射阵列(反射光栅)。反射阵列的每个元件都使表面波或平板波的一部分与一个穿越面板的探测波相耦合，并把其一部分传送给一个相邻的元件，从而把来自整个触摸敏感区的分散探测波耦合成一个耦合到换能器上的窄声波波束。这样，每个换能器都能对称地发射或接收声波。两对换能器放置成一个直角，以确定一个坐标系统。需要指出，光栅可以给出聚焦功能，以补偿声束的扩散。
声波路径也可以遇到发射和接收阵列的散射元素(scatteringoff)之间的边界。反射边界可以利用来自各散射中心的叠加的相干散射，如果是这样，则反射边界可以利用与声波路径后面部分的反射阵列相似的原理设计。不过应该指出，对于反射边界使用具有散射更强烈的反射元件可能是有利的。根据本发明，应该理解这些反射边界可能具有明显的有用傅里叶分量，该分量对应于的波的反射，而不论该反射是否有同一平面内的模式改变，或者该反射也可以对应于例如从一个在表面平面内传播的波到一个以倾斜于表面的角度传播的体波这样的波模式转换。
在阵列设计中有时可能需要工程上的仔细考虑，以使最小程度地产生会造成信号缺陷的不希望寄生声波路径。当使用光栅换能器时，必须在三维空间中考虑寄生路径。
本发明人发现，尽管产生了明显的沿着压电换能器轴线的寄生声波，但仍可得到可工作的实施物。在一种艾德勒型触摸屏中，声波与声反射阵列互相作用。该反射阵列起着同时对波长和传播角度都是窄带滤波器的作用。这样，反射阵列具有高的方向灵敏度，这个方向灵敏度与换能器的方向灵敏度的结合起着限制系统接纳角的作用。于是，对于有较低能量的寄生体波的系统，散射波能量不大会引起接收电子信号中的明显干扰。假定不存在寄生波的直接路径或着直接路径位在有用时间窗口之外，并且可能位在时间窗口之内的反射路径已被衰减，则不再必要为阻挡寄生波作出额外努力。对于干扰寄生波路径确实成问题的情况，典型地可以通过稍为改动触摸传感器的几何布局而排除这个问题。
对于寄生体波有大振幅的情况，衰减寄生波的设计考虑可能是重要的。当利用光栅来转换波模式时，入射声波能量最多只有81％能从体波耦合成某个特定的希望声波模式。于是至少有19％的入射波能量被反射或散射成寄生波能量，这些寄生波常常平行于希望波传播。因此，根据本发明，可以选择使希望波的散射沿着一个不同于反射或散射寄生波的方向，并且/或者给系统设置一个或几个机械滤波器，例如反射阵列或模式选择滤波器，或者如时间选通系统等电子滤波器，来减小寄生波的干扰。另一种减小寄生波效应的特别有益的技术是采用剪切波模式压电元件，它能产生一个与希望表面波或平板波有一个适当锐角夹角的剪切模式体波。这个实施例最少提供了两个优点。首先，反射波能量反平行于希望波模式传播，从而较容易用加在其表面路径上的吸收材料来衰减。第二，这种剪切模式体波仅仅耦合成希望表面波或平板波，使Takeuchi等人(1980)所定义的“F因子”等于1，隐含着有效的波转换。
典型地，触摸屏与一个有许多功能的控制系统相联系。首先，产生一个电子信号，激励换能器产生一个声波，接着该声波将形成多组波。然后一个换能器接收这多组波，把它们转换成一个电信号。在一个低级别的控制系统中，该电信号被接收，并以较高的数据率保留有意义的信息。在许多实施例中，没有必要获取含在接收信号内的相位信息。不过，在某些例子中，获取相位信息可能是有益的。中等级别的控制系统经常与低级别控制在结构上相结合，它保待接收的数据和寻找识别和特性化干扰。例如，在一个实施例中，中等级别控制系统对信号滤波，执行基线校正，判断信号与一个阈值的关系，并对信号作时间选通以排除代表具有过短或过长声波延迟的寄生声波路径的信号。高级别控制系统分析信号扰动和输出触摸位置。因此，控制系统作为一个整体具有这样一些功能激励声波；接收带有作为扰动的触摸信息的部分声波；以及分析接收到的部分以提取触摸特性，例如位置。
本发明的范畴包括其中有一个或几个正信号型的传感器子系统的实施例。这里“正信号”是指利用这样的希望声波路径，其中一次触摸将诱导为完成该声波路径所需的模式转换，或者将产生相对于原始波的波相移。因此，信号扰动是在一个延迟的时刻产生一个信号振幅，在该时刻以前的信号振幅很小或等于零。见1996所8月12日提交的待审美国专利申请流水号08/615,716。
激励功能可以是以一个预定的模式发射一系列脉冲或整形的脉冲，它们在名义工作频率处具有明显的功率谱密度。由于脉冲的有限持续时间，其带宽是有限的。例如，Elo Touch Systems(公司名)制造了一种控制器，它能激励音调为5.53MHz的脉冲串，持续时间在6至42个振荡的范围内，结果，例如与反射阵列的带宽相比，由于有限的激励时间而导致了宽频带激励。这种电子脉冲系列典型地用来驱动发射压电元件。当希望能够对激励脉冲串有高灵活性的控制时，可以采用一个直接数字合成器，例如模拟器件AD9850。
虽然根据本发明的系统是构筑成没有明显寄生信号干扰的，但有些结构可以允许有有限持续时间的寄生信号对希望信号的干扰。在这些情形中，提供一个或几个具有不同寄生信号灵敏度的部分冗余的传感器子系统可能是有益。这样，当来自一个换能器子系统的信号或部分信号变得不能使用时，可以通过处理来自另一个换能器子系统的信号而确定触摸位置。因此，根据本发明的该实施例，声信号扰动可以由三个或更多个具有对寄生信号或可能的寄生信号的不同灵敏度的声学换能器子系统探测。此外，当设有寄生信号干扰时，额外的信息可以用来提供进一步的信息和功能，包括抗阴影算法处理和多重触摸探测。
因此，本发明的一个目的是提供一种声学触摸传感装置和方法，它利用一个具有一个表面的基底和一个用来在基底中产生体波的声波换能器，该体波沿一条与表面相交的轴线传过基底，其中体波的能量被转换成在表面上具有明显能量的转变模式的波，该转变模式的波沿着表面传播。探测转变模式的波的扰动。声波模式耦合器例如是一个声波衍射元件或一组元件。典型地，系统中将包含用来探测转变波的能量扰动的器件。
本发明的另一个目的是提供一种声学触摸屏，它包括一个带有一个表面的传播媒质，用来使一个声波沿该表面传播；一个发射元件，用来在传播媒质中产生体波；一个第一模式转换器，用来把体波转换成声波；一个第二模式转换器，用来接收来自第一模式转换器的声波并产生一个相应的体波；以及一个接收元件，用来接收来自第二模式转换器的体波，其中至少一个模式转换器包括一个至少含有一个波散射元件的散射元件组或一个衍射波模式耦合结构。
本发明的又一个目的是提供一个用于声学传感装置的基底，它带有一个中央区域和一对表面，该装置包括一个声学换能器，它与基底相耦合，用来在基底中产生体波，该体波的传播轴线至少与一个表面相交；至少含有一个散射元件的散射元件组，它形成在一个表面的附近，能把体波的声波能量转换成在一个表面上有明显能量的相干波；以及用来反射通过中央区域的转换声波的一部分能量的器件。来自反射器件的声波在空间是分散的。
本发明的又一个目的是提供一种系统，其中声波源包括用来使体波沿倾斜方向向基底表面传播的器件。
本发明的又一个目的是提供一种系统，其中通过让体波与基底上或基底内的至少一个散射中心相互作用而把体波耦合成另一种波模式。散射中心可以安排成一个给基底造成周期性扰动的组，或者安排成光栅结构。
根据本发明，可以从声学触模屏设计中排除楔板换能器，或者重新放置楔板换能器，使得有可能改善前表面的间隙和对环境的抵抗能力。排除了要求具有比基底低的声波传播速度的楔板，使得可以采用像塑料这样的低声速基底。
本发明的又一个目的是提供一种声学触模屏系统，它含有对准精度要求低并可能会降低制造成本的换能器。
本发明的又一个目的是提供这样的换能器，它能产生会聚的声波或提供其他聚焦或声透镜的功能。
这些目的和其他目的将变得明显。为了充分理解本发明，现在需要参考下面对附图所示的一些本发明优选实施例的详细说明。
附图的简单说明本发明的优选实施例将借助


，在附图中图1是说明以往技术声学触摸屏装置的示意性透视图；图2是说明一处弯曲面板与一个面框之间的关系的示意性横截面图；图3是说明一个平面面板与一个面框之间的关系的示意性横截面图；图4是用来解释表面波或平板波与体波之间的转换机制的示意图；图5和6分别是说明根据本发明的一种坐标输入装置的实施例的正面和侧面示意性透视图；图7示出一年探测到的带有触摸诱导扰动的接收声波波形；图8示出一种根据本发明的直接路径光栅换能器装置，其中带有后斜面安装压缩模式压电换能器、钝角入射角，在一个平面面板显示器前方有一个面框和表面密封；图9示出一种光栅换能器系统，其中体波的传播轴在基底平面上的投影与转换波的传播轴线不同；图10示出一种根据本发明的直接路径光栅换能器装置，其中带有后安装压缩模式压电换能器，具有压电换能器与散射元件之间的基底中的厚度共振；
图11示出压电传感器一基底系统的原理性等效电路；图12示出根据本发明的一种反射路径光栅换能器装置，其中带有前斜面安装压电换能器产生的剪切模式体波和钝角入射角；图13A示出根据本发明的一种勒夫波支持基底直接路径光栅换能器装置，其中带有后斜面安装剪切模式压电换能器和钝角入射角；图13B示出根据本发明的一种勒夫波支持基底反射路径光栅换能器装置，其中带有前斜面安装剪切模式压电换能器和钝角入射角；图14A示出根据本发明的一种光栅换能器触摸屏系统，其中带有发射会聚声波的光栅；图14B是说明弯曲光栅元件的模式转换和聚焦效应的示意图；图15A示出根据本发明的一种直接路径光栅换能器装置，其中带有后内部斜面安装的压电换能器和聚合物基底中的锐角入射角；图15B示出根据本发明的一种光栅换能器装置，其中带有端面安装剪切模式压电换能器，后内部斜面上的反射路径、和锐角入射角；图16示出根据本发明的一种光栅换能器，其中带有一个谐振安装压电换能器，具有能提供单一方向声波发射的非对称光栅结构；图17示出根据本发明的一种光栅换能器，其中带有一个谐振安装压电换能器，具有相对于光栅结构非对称地放置的换能器，能提供有选择的方向性的声波发射；图18A和18B示出根据本发明的两个光栅换能器实施例，它们带有谐振安装压电换能器，分别具有不对称元件的光栅结构和偏置分层光栅结构，能提供有选择的方向性的声波发射；图19A和19B示出根据本发明的一种光栅换能器，带有分段反射阵列，每个反射阵列段都与一个光栅换能器结构相连系；图20示出根据本发明的一种位在一个能支持勒夫波传播的基底上的光栅换能器，其中转换的勒夫波沿着垂直于体波传播轴线的方向传播；图21示出根据本发明的一种光栅换能器，它不借助于反射阵列工作；图22示出根据本发明的一种光栅换能器，其中光栅把两种不同的波耦合到两个压电换能器上；图23示出根据本发明的一种光栅换能器，其中含有一个复杂压电换能器元件，用来控制与基底中的体波耦合；图24A示出根据本发明的一种系统，它带有一对光栅结构，以使声能在基底的后表面与前表而之间转移；图24B示出一个采用图23A所示系统的触摸传感系统如何具有简化的前表面结构，而不使用压电元件或楔板换能器；图24C示出根据图23B的触摸传感系统的后表面，其中在基底后表面上设置了声学换能器、反射阵列和伸长的光栅结构；同时具有前表面触摸敏感性；图25示出根据本发明的一种光栅换能器，其中有两个在基底平面内的明显的接纳角，从而耦合成两个不同的转换波；以及图26A和26B示出根据本发明的一种系统，其中分别示出一个采用光栅换能器的半球形传感系统的声波路径的迈卡特(Mercator)投影和平面图。
本发明的实施模式现在将参考

本发明的一些优选实施例。各图中相同的特征用相同的代号表示。众知的声学器件可逆原理意味着名义上的发射换能器和接收换能器都能实现发射、接收功能。因此，在下面所说明的实施例中，应该理解声学换能器都可以发射和/或接收声学信号。例1图5是说明根据本发明的坐标输入装置的一个实施例的示意性透视图。图6是说明用光栅实现的扰动区域或衍射区域的示意性透视图。
本实施例中的坐标输入装置包括一个传播媒质1，它带有一个可供触摸的显示区2，该显示区沿着形成在其表面上的x轴和y轴方向是横向对称的，传播媒质1还具有一个表面，表面波或平板波可在其上传播。媒质1与一个发射换能器相耦合，以产生从媒质1最下方向其表面沿倾斜方向传播的体波(可以是压力模式或剪切模式)，并利用扰动产生x轴方向和y轴方向的表面波或平板波。x轴发射器件包括安装在倾斜表面3a上的压电换能器4a和形成在媒质1上的光栅5a，y轴发射器件包括形成在媒质1的倾斜面3b上的压电换能器4b和光栅5b。在本实施例中，传播媒质1由一个带有倾斜端面的碱石灰玻璃所形成的各向同性平面面板组成。
上述发射器件3a、4a、5a和3b、4b、5b分别包括形成在传播媒质1最下方中对应于x轴和y轴方向的发射扰动区的第一角部分邻近的倾斜表面3a和3b；第一压电器件的压电换能器4a和4b，它们设置在倾斜表面上并用来在响应于一个电信号时发射沿倾斜方向向传播媒质1表面上的发射扰动区传播的体波；以及第一光栅5a和5b，用来把来自压电换能器在传播媒质中传播的体波转换成传播媒质1表面上的发射扰动区中的表面波。此外，声源区域中的倾斜表面3a和3b的两个正投影平面在传播媒质1表面上的显示区域2的周边内的扰动区中(一个z轴发射扰动区和一个Y轴发射扰动区)互相相交，并且光栅5a和5b分别放置在这两个扰动区中。第一转换器件5a和5b的光栅包括多个线性光栅(栅线或栅格)，它们几乎互相平行地和周期性地沿着一个垂直于来自压电换能器4a、4b的体波的传播方向延伸，由此使体波和表面波可以相互转换。
来自发射器件3a、4a、5a的x轴方向表面波或平板波和来自发射器件3b、4b、5b的x轴方向表面波或平面波被反射器件反射成沿y轴和x轴方向传经整个显示区域2，反射器件包括第一反射阵列6a、6b和第二反射阵列7a、7b，并且传播的表面波或平板波被导向x轴和y轴方向或在x轴方向和y轴方向会聚，然后分别被接收器件8a、9a、10a和8b、9b、10b接收。
较具体地说，第一x轴反射阵列6a用来以周期性发射扰动区作为其原点把来自发射器件3a、4a、5a的表面波或平板波从x轴方向转变成y轴方向，该阵列6a形成在显示区域2周边中的一个沿x轴方向延伸的侧边部分中；第二x轴反射阵列7a用来反射由第一x轴反射阵列6a反射到y轴方向的表面波或平板波，并把反射的表面波或平板波导向一个x轴方向接收扰动区，阵列7a形成在显示区域2周边中对着第一侧边部分的另一侧边部分。此外，第一y轴反射阵列6b用来以发射扰动区作为其原点把来自发射器件3b、4b、5b的表面波或平板波从y轴方向转变成x轴方向，该阵列6b形成在显示区域2周边中的一个沿y轴方向延伸的侧边部分中；第二y轴反射阵列7b用来反射由第一y轴反射阵列6b反射到x轴方向的表面波或平板波，并把反射的表面波或平板波导向一个y轴方向接收扰动区，阵列7b形成在显示区域2周边中上述侧边部分对面的另一侧边部分中。每个反射阵列都能透射和反射一部分的表面波或平板波。反射阵列6a、6b、7a、7b使得有可能把来自x轴方向和y轴方向发射器件的表面波或平板波传经整个显示区域2并把在显示区域2中传播的表面波或平板波分别导向x轴和y轴接收扰动区。
接收器件8a、9a、10a和8b、9b、10b把已在显示区域2中的传播和会聚的表面波或平板波转换成体波，并使体波以倾斜方向向传播媒质1的最下方传播，以接收经传播的体波。具体地说，接收器件包括设置在邻近于第二反射阵列7a和7b的接收扰动区中的第二转换器件8a和8b的光栅，用来把表面波或平板波转换成体波并使体波以倾斜方向向传播媒质1的最下方传播；形成在第二角部分的终端区域中的倾斜表面9a和9b，其中第二角部分对应于传播媒质1最下部分中利用光栅8a和8b的折射投影区；以及，设置在倾斜表面上的第二压电器件的压电换能器10a和10b，用来接收被光栅8a和8b转换得到的体波和产生电信号。第二转换器件的光栅8a和8b以与第一转换器件5a和5b相同的方式包括多个周期性放置的直线光栅，它们垂直于向压电换能器10a和10b传播的体波的传播方向互相平行地延伸。
压电换能器10a和10b所接收到的信号被馈送给探测器件(未示出)，以分析信号。在探测器件中，通过探测接收信号中由触摸显示区域2所引起的扰动成分和相应的时间延迟，探测出显示区域2中的触摸位置或触摸区域。
由压电换能器4a和4b产生的体波在传播媒质1中直线传播，并倾斜地入射到传播媒质1与含有光栅5a和5b的发射扰动区的界面上，被转换成表面波或平板波。在传播媒质1中传播的表面波或平板波在含有光栅8a和8b的接收扰动区处被衍射到一个倾斜的方向上，转换成体波。
在这样一个坐标输入装置中，当给压电换能器4a和4b馈送电信号时，压电换能器的振动将产生体波，并且该体波能被扰动区中的光栅5a和5b转换成表面波或平板波，而且这些平面波或平板波能被第一反射器件反射到x轴和y轴方向以多条路径在显示区域2中穿过。因此，当显示区域2被手指等物触摸时，表面波或平板波将受到扰动，并且含有扰动成分的表面波或平板波将被第二反射器件导向或会聚到接收扰动区处。在接收扰动区中，表面波或平板波被光栅8a和8b转换成体波，然后这些体波被压电换能器10a和10b转换成电信号。
由于用于扰动的光栅5a、5b、8a和8b是薄的，例如它们的高度远小于声波波长，所以传播媒质的表面可以比楔板型换能器的机械轮廓平坦。因此，根据本发明的触摸面板可以安装在间隙较小的面框后面。
虽然传播媒质的种类没有受到特别限制，但可以采用其中能传播表面波或平板波，尤其是超声表面波或平板波的面板。面板的显示区域包含一个可触摸范围(即坐标输入范围)，通常如上述实施例那样形成为一个横向对称的形状，特别是一个直线对称的形状(尤其是矩形)。构筑成一个面板的传播媒质一般是透明的，以使液晶屏、真空荧光屏、或其他类似平面面板显示器能被看到。一种优选的传播媒质应是透明的和各向同性的。显示区域的周边，即例如面板等传播媒质的外端，一般可以用一个面框遮盖。
两个倾斜表面可以分别形成在对应于传播媒质最下部分中的声源区和终端区的部分中，或者如图5所示，也可以形成在例如作为面板的传播媒质的侧表面与底表面之间的拐角部分中。
发射或接收扰动区中的光栅扰动周期，即光栅间距或步长，可以根据传播媒质中的体波波长和传播媒质表面中的表面波波长在某一范围内选取，该范围例如为约0.01至10mm，较好地为约0.1至5mm，最好为约0.3至1mm。光栅的数目及其宽度没有特别的限制，例如光栅数约为3至10，而光栅的宽度，即基底边界区的尺寸，典型地约为0.01至10mm。
光栅的厚度(高度)可以在不大于5mm的范围内选择，例如约0.01至3mm，较好地为约0.1至3mm，最好为约0.1至1mm。光栅可以用网屏印刷或其他技术制作。光栅也可以用蚀刻、刻划或磨削、或消蚀、或其他的材料移除方法制作。光栅也可以用模压、热压印、或基底性质的后制造修改等方法制作。各光栅元素的高度和/或宽度可以以类似于反射阵列元件的方式改变，以平衡光栅各处的反射率和透射率。例如，高度受单调调制的光栅可用来提供相对于光栅的单一方向导向。
反射器件不一定要由反射阵列组成，而是也可以由一个或多个能透射部分表面波或平板波的反射元件组成。构成反射器件的反射阵列可以是一些反射阵列元件的集合(一组反射阵列)，这些元件可以形成为传播媒质表面上的例如由玻璃、陶瓷或金属材料做成的凸起物，和/或形成为传播媒质表面上的凹槽。反射阵列的各元件一般互相平行，反射元件或每个反射阵列元件与x轴或y轴的夹角一般近似于45°，以使表面波或平板波沿x轴和y轴方向传播。从美国专利No.5,591,945可知，反射阵列元件也可以其他角度倾斜，以便为触摸屏产生不成直角的声波路径，或者实现入射波与反射波之间的模式转换，例如从准瑞利波到高级次水平偏振剪切波(HOHPS)或勒夫波的转换，该专利在此引用作为参考。
光栅元素可以用与反射阵列元件相同的方法形成，例如网屏印刷方法。这一共同性可以减小制造成本。
根据本发明的触摸屏系统典型地利用一个电子控制系统(图中未示出)，该系统产生探测声波并确定能指明触摸位置的扰动。电子控制系统又与一个计算机系统(图中未示出)相连接，作为人机对话装置，这计算机系统例如是一台个人计算机、内设系统、盒式系统、或用户终端。因此计算机系统可以是任何合适类型的系统，并且例如可以包括显示器、声音输入和/或输出器、键盘、电子相机、其他指点式输入器等。计算机系统使用专门的软件工作，但较典型地是使用标准的操作系统，例如微软视窗(例如3.1，3.11，WFW，CE，NT，95，98等，或者遵从(一组、一子组或一超组)WindowsApplicantion Program Interface(视窗应用程序接口)或API的其他操作系统)；Macintosh(麦根托斯)操作系统；各种UNIX变体；等等。这样，触摸屏可以被用作图形用户界面系统的初级或次级指点式装置(pointing devices)，以接收用户输入。触摸屏控制器和计算机系统也可以集成在例如一个内设系统中。
根据本发明的触摸型坐标输入装置不仅适用于具有弯曲表面的显示器，例如阴极射线管，也适用于平面面板显示器，例如液晶和等离子体显示器。例2设计、装配、和测试了采用光栅换能器的触摸屏。生产了全功能的、具有产品质量信号的光栅换能器触摸屏。
仅观察到小相对振幅的寄生信号。这些寄生信号位在触摸屏工作的希望信号的时间范围之外。这些寄生信号不破坏触摸屏系统的工作，并且可以通过在控制器电路中加上时间选通或者在触摸屏上触摸区域和反射阵列的外面加上声衰减器而被进一步减小。虽然光栅换能器会产生明显的寄生波，但对于采用光栅换能器的声学触摸屏功能来说，来自接收换能器的寄生信号不是一个问题。
玻璃基底的尺寸约为272.5mm×348.7mm×3mm。玻璃基底在其下部有一个45°的斜面，用于安装关于θB＝45°的光栅换能器的压电元件。也就是说，压电元件的法线与垂直方向的夹角θB为45°。在玻璃上印刷了14mm宽的反射阵列。位在各阵列之内的矩形透明玻璃区域尺寸约为234.6mm×310.8mm。这给出了一个其对角线尺寸超过15英寸的有效触摸区域。
利用上述玻璃粉末的多次印刷玻璃，在4个换能器位置上形成了4个各约40微米高的光栅。四周的压电换能器元件4a、4b、10a、10b被粘结在斜表面3a、3b上。见图5和6。通过焊接把电缆(图5、6中未示出)分别连接到压电换能器4a、4b、10a、10b的电极上。电缆通过一个连接器连接到一个控制器上。用作控制器的是一种市场上可购到的超声型控制器(日本“TPS”公司(Touch Panel SystemsCo.，Ltd)所制造的1055E101型)。一台带有适当软件的个人计算机连接在该控制器上。观察到了合适的声学触摸屏性能。
作为比较，在光栅换能器5a、5b、8a、8b的前面暂时放置了楔板换能器。光栅换能器给出的触摸屏信号(对于具有两个换能器的信道)大约低10dB左右。虽然光栅换能器的设计和制作还没有最优化，但它们已显示出足以适应许多产品设计的效率。
此外，考察了信号波形。光栅换能器触摸屏所得到的一个代表性信号如图7所示。
标有A的小峰是实验装置的缺陷。脉冲串与接收电路的串扰造成在接收信号中出现衰减的脉冲信号。这提供了接收信号中的方便的t＝0标记。
标有B的信号是持续时间约为190微秒的希望的触摸屏信号，它约开始于小峰A之后90微秒。当触模屏被触摸时，如触摸屏工作所希望的，在信号B中出现了凹坑C。
在约80微秒处，即在希望信号开始之前约10微秒处，观察到一个小寄生信号D。通过用两个光栅换能器在玻璃基底端面附近对其上、下表面进行衰减，观察到了这个寄生信号的消失。
在希望信号之后约20微秒处观察到另一个小寄生信号E。这个寄生信号在楔板换能器触摸屏中也是常常看到的。对于楔板和光栅换能器情况，这个寄生信号都可以通过在玻璃上表面适当位置处放置合适的声波衰减器而排除掉(排除掉从玻璃端面反射的瑞利波)。例3图8示出一个适用于声学触摸屏的光栅换能器，它使声学触摸屏能很好地适配于LCD触摸监视器。在图8中，一个带有密封条24的面框26在环境与触摸屏敏感工作区之间提供了屏障。基底20的前表面22与密封条24相接。设置密封条24的目的是使得有足够的声波能量让触摸屏工作，并保护光栅30、压电换能器32和平面面板显示器28不受污染。压电元件32粘结在基底20的后斜面38上，并借助焊剂34与导线36相连接。斜面相对于光栅30以θB角倾斜，该光栅的设置沿着一条轴线，该轴线或者是压电换能器32被激励时所发射的体波的传播轴线，或者是换能器对基底20中的体波有最大灵敏度的轴线。光栅30使一个沿着倾斜于它的轴线方向传播的体波被耦合成在表面22上有明显能量的表面波或平板波。
从LCD触摸监视器设计的角度看，可以看到光栅换能器具有一些仅仅以触摸屏设计角度看来并不明显的优点。光栅的外形轮廓低，典型地，其高度远小于任选的密封条，从而易于设置在面框下面。压电元件，包括焊剂连接和相应的导线走线，可以设在因基底被做成斜面而去掉的材料的空间中。这样，光栅换能器使得LCD触摸监视器的机械设计可以有一个极好的解决方案。例4与例2类似，光栅换能器制作在3mm厚的碱石灰玻璃基底上。
如图6所示，这些光栅换能器对应有一个相对于光栅元素倾斜(θB＝45°)的压电元件。光栅的制作使用了与制作反射阵列相同的方法，即用网屏印刷技术和约400℃的炉子固化淀积玻璃粉末。高温固化使玻璃粉末烧结并粘着在玻璃基底上。固化的玻璃粉末是一种密度为5.6g/cm3的刚性陶瓷材料。利用多次网屏印刷处理得到了高达40微米的光栅高度。
根据Masao Takeuchi与Hiroshi Shimizu的论文“Theoreticalanalysis of grating couplers for surface acoustic waves(表面声波光栅耦合器的理论分析)”(日本声学学会学报，36(11)543-557(1980年6月24日)中所给出的原理，光栅间隔设计为0.89mm。该计算假定了瑞利波波速为3103m/s，体压力波波速为5940m/s，体波角度为45°，工作频率为5.53MHz。
或者，合适的反射元件也可以用消蚀法，例如喷砂法制作。
压电元件是用本技术领域所熟知的Fuji Ceramics(公司名，富士陶瓷)生产的陶瓷压电材料做成的，这种材料曾用于可从美国加州佛来盟市的Elo Touch Systems公司和日本东京的TPS公司购得的许多触摸屏产品。该材料属于与压电陶瓷有关的PZT(钛酸铝锆)族。压电元件的名义基本共振频率5.53MHz，当然频率的设计只是一个选择的问题。压电元件的宽度为3mm。
压电元件粘结在与基底水平表面成45°角的斜面上。在压电元件的粘结在玻璃上的那个面上的导电电极一直延展到元件的周围，从而两个压电电极都可以在同一外露表面上与导线焊接。
使用一个HP(惠普)8012B脉冲发生器产生重复周期为5毫秒的5微秒门脉冲。这个门脉冲用来触发一个HP8111A函数发生器，接着后者产生5微秒宽的单音脉冲。HP8111A已被编程得能产生名义振幅为10V、频率为5.53MHz的正弦波单音脉冲串。曾使用Yokogawa公司的DL 12000型4通道数字示波器的一个1MΩ输入通道观察了该单音脉冲串。这些单音脉冲串用来激励被测试的光栅换能器。
在玻离基底上与光栅换能器相距25cm处放置了一个楔板换能器，并把后者连接到Yokogawa DL 12000型4通道数字示玻器的另一个1MΩ输入通道上。在数字示波器上同时观察给光栅换能器的发射脉冲串和楔板换能器的接收信号的时间和振幅。
在楔板换能器处观察到了来自光栅换能器的信号，表明光栅换能器成功地发射了具有明显表面能量的波。
当在光栅换能器与楔板换能器之间放上一个手指或其他瑞利波吸收物时，接收信号消失。这证明接收信号来源于光栅与楔板换能器之间的瑞利波传播，由于具有明显表面下功率的波模式应该有较小的衰减程度，所以在这种基底和这种发射频率下，观察到的合理的可能波模式只能是准瑞利波。此外，单音脉冲串与接收信号之间的时间延迟也正确地对应着已知的玻璃基底的瑞利波波速。例5例1、2、4采用了发射(或接收)角为0°的光栅换能器。也就是说，瑞利波的方向相同于体波传播轴线在水平面上的投影。但光栅换能器并不局限于这样的设计。光栅换能器的概念可以推广到瑞利波传播方向相对于体波方向的水平分量有一个非零发射角θE的情况。非零发射角具有以下两个潜在优点。
非零发射角增加了机械设计的灵活性。见图9，其中示出一对位于触摸屏66的一个拐角58处的接收光栅换能器的平面图。每个光栅换能器含有一个安装在后斜面56上的压电元件60a、60b，其一组光栅元素沿着一个压电换能器一体波耦合轴52a、52b穿过基底66。光栅54a、54b相对于体波传播轴52a、52b是倾斜的，使得体波被转换成一种必然是沿着轴50a、50b传播的单个表面波或平板波，其中轴50a、50b的方向与体波的传播轴线不同，分别平行于基底66的边缘64、62。
例如当在玻璃基底的所述拐角与触摸监视器的另一个元件，例如支柱，之间发生机械干涉时，这样的设计是有优点的。
非零发射角的第二个好处是，使希望的瑞利波的发射角与由压电元件产生的寄生体波的典型为零度的发射角分开一个角度。同样，如图9所示，接收光栅换能器的敏感方向也将相对于进入的寄生体波的敏感方向分开一个角度。应该指出，与压电换能器相耦合的体波相对于瑞利波可以有任何的夹角，例如90°，这为希望瑞利波和沿平行于体波传播轴线的水平投影方向传播的寄生波提供了明显空间分离的可能性。
因此，构建了一个具有倾斜压电元件(θB＝45°)和非零发射角(θE＝30°)光栅换能器的系统。其制作方法与图4的零发射角实施例的制作方法相同。唯一的差别是，为了满足使瑞利波波矢与压力体波的水平成份相耦合的水平分量布拉格散射条件，光栅的间隔和取向有所改变。
这些30°发射角的光栅换能器用与图4零发射角实施例相同的方法进行了测试。定量的时间延迟数据和对表面吸收物的敏感性确认已得到了瑞利波信号。这样便清楚地证明了非零发射角光栅换能器的有效工作。
通过在一个以光栅换能器为圆心、半径为250mm的圆弧上的不同位置处放置接收楔板换能器，测量了发射角名义值为30°的光栅换能器(θB＝45°)的角度方向性。下表示出声波在一对换能器之间传播时测得的信号相对振幅(相对于最大测量值)。

观察到光栅换能器具有非零发射角的有方向性的发射光束。观察到的峰值出现在31.5°的发射角处，接近于30°这一名义发射角设计值。于是可以看到，光栅换能器能够支持非零发射角，从而为声学触摸屏的设计提供了一个重要的新可选参数。例6如图10所示，水平安装在压电元件32这一特殊情形是一种选择，即θB＝0选择。注意，这种光栅换能器设计避免了必须在基底端面68处加工一个斜面。这一加工步骤的免除可以降低制造成本。如图10所示，体波72在前表面22上接近光栅30处被部分地反射，产生瑞利波作为转换波模式79。一部分波能量被转换成水平行于表面22传播的波。典型地，基底20的后表面42只有较少的声能被耦合成接收波，从而对触摸不敏感，使得可以在后表面上进行安装。
设计、装配和测试了带有θB＝0°光栅换能器的触摸屏。除了玻璃基底上没有做斜面之外，所用的方法与例2中的相同。再次得到了有完善功能和具有产品质量信号的光栅换能器触摸屏。同样，产生的寄生波没有妨碍光栅声学触摸屏的成功工作，并且观察到的寄生波是很小的。
为了比较，在光栅换能器前面暂时放置了楔板换能器。对于这个θB＝0°的情况，光栅换能器和楔板换能器在实验误差范围内给出了相同的触摸屏信号振幅。虽然对于该θB＝0°的光栅换能器的设计和制作没有最优化，但已清楚地证明了它具有商品意义的换能器效率。
需要指出，观察到了比例2的θB＝45°光栅换能器大10dB左右(每个换能器大5dB)的信号。这一实验结果提示了新的物理效应可能会导致θB＝0°光栅换能器设计的效率增强。例7在3mm厚的碱石灰玻璃基底上制作了类似于例6的θB＝0°光栅换能器。
除了如图10所示那样在基底上未做斜面和压电元件安装在基底下表面光栅的对面之外，制作技术和测试方法都与例4中的相同。观察到了比例4θB＝45°光栅换能器高的效率。这确认了，例6触摸屏信号振幅大于例2触摸屏信号振幅确实起因于θB＝0°光栅换能器效率的提高。
在θB＝0°的情形中，一些在θB≠0°时不出现的新机制或物理效应开始起作用。垂直方向的体波可能受到基底上下表面的多次反射而仍具有恰当的方向和相位能耦合于压电元件并通过光栅耦合成瑞利波。这多次反射给体波多于一次的机会能通过光栅耦合成希望的声波模式，从而增加了光栅换能器效率。
考察θB＝0°情形的另一条途径是考虑基底的厚度共振。光栅和压电元件都耦合于基底的厚度振荡。得到这个共振条件的一个较好的方法是把压电元件设置在一个平行于光栅换能器表面的表面上。厚度振荡的概念虽然与上面讨论的多次反射模型概念是等价的，但它不是在时间域而是在频率域中考虑这一效应。因此，有意义的是考虑当工作频率匹配于基底的厚度共振时将会发生什么。
通过调谐基底厚度和/或工作频率，可以增强厚度共振。这提供了增强换能器效率的又一个方法。垂直体波的厚度模式共振或多次反射可以用来增强例如垂直压力波与瑞利波之间通过光栅的耦合。这反过来又减小了对应于最大换能器效率的最优光栅高度，从而简化了制作过程。
厚度模式共振还提供了这样的设计自由度，即通过调节粘结压电元件的等效电路电阻来控制声学触摸屏的电子阻抗特性。图11示出光栅换能器的等效电路。这种振荡或多次反射改变了其上粘结了压电元件的例如玻璃表面的或多次反变了其上粘结了压电元件的例如玻璃表面的机械或声学阻抗。当发生厚度共振时，玻璃的声学阻抗将降低从而粘结在玻璃上的压电元件的机械Q值将增大。其结果是，换能器的等效电路电阻(图11电路图中的“R”)将减小。
如果压电元件被正确地调谐到工作频率上，即如果1/{2π√(LCl)}等于工作频率，则谐振的电感阻抗与电容阻抗将互相抵消，使等效电路变为电容C0与电阻R的简单并联。这时提供给压电元件的功率的V2/R，其中V是所加驱动电压的均方根值。
对于已知的商品触摸屏控制器，其换能器激励脉冲电路更接近于一个电压源而不是电流源。如果发射的脉冲串振幅受到最大电压安全标准(例如恩德莱特(Underwriter)实验室的标准)的限制，则这一说法尤为正确。假定用一定的电压来激励信号，则较小的等效电路换能器电阻意味着提供给换能器较大的电功率。因此在某些控制器设计中，厚度共振可以明显地提高可被转换成声波的电功率。例8在铝基底上制作并成功地测试了光栅换能器。铝可以用作不透明触摸面板的基底。这表明光栅换能器的工作原理不局限于基底材料的特定选择。
在铝基底上用机械刻槽法制作了一个光栅。光栅的设计是，槽深51微米，槽宽254微米，相邻槽中心距533微米。光栅有10条栅线。
与采用玻璃基底的例6相同，压电元件水平地安装，发射角为0°。在该情形中，铝基底在光栅区域处的厚度被设计得对应于厚度共振。这一厚度为2.29mm。
用类似于例4所述的测试方法考察了该光栅换能器的工作。用峰峰振幅为14V的3至4微秒单音脉冲串作为激励一个楔板换能器的发射脉冲。来自楔板换能器的瑞利波对准着光栅。在基底下表面上光栅始端的下方安装了一个2mm宽的压电元件。观察到了峰峰振幅为1.4V的接收信号，这一振幅是励激信号的-20dB。一对楔板换能器给出的信号振幅与该测量信号相似。
注意，用基底上的刻槽而不是淀积材料成功地制作出了光栅换能器。这进一步证明了光栅制作可以有各种方法。例9用三种不同的光栅材料，其中两种不是玻璃，制作了原型的水平压电元件(θB＝0°)和非零发射角(θE＝45°)光栅换能器。在三种情形中全都观察到了瑞利波发射；这三种材料为固化的玻璃粉末(约10微米高)，LithoponeTM(商品商标)各加载环氧树脂(约25微米高)，和钨加载环氧树脂(约25微米高)。这样，环氧树脂为无机充填剂混合物提供了一种聚合物基质。玻璃粉末和LithoponeTM加载环氧树脂光栅的淀积质量基本相同，在实验不确定度范围内相应的接收信号也相同。钨加载环氧树脂光栅的淀积质量约为它们的两、三倍，对应的接收信号振幅有增大。
聚合物光栅材料的使用提供了更大的设计和加工灵活性。例10在例2、4、5、6、7中，与压电元件耦合的体波是压力波。但例如图5和6中所示的元件4a、4b、10a、10b也可以是剪切模式压电元件。然而，如本实施例所证明的，体剪切波可以用更普通和更低成本的压力模式压电元件产生。
本实施例利用一个压缩模式压电元件32来实现，如图12所示，该元件以不一般的方式安装，使得体波78在到达光栅30之前被转换成粒子在纸平面内运动的剪切波80。在图12中，基底20是碱石灰玻璃，其中体压力波波速为6000m/s，体剪切波波速为3433m/s。5.5MHz的压缩模式压电元件32相对于水平方向倾斜一个角度θp＝62.6°放置。发射的体压力波78相对于垂直方向以角度θp向下方传播。这将导致一个相对于垂直方向以角度θs＝30.5°向上传播的反射剪切波80。θs的值由斯奈耳(Snell)定律决定sin(θs)/Vs＝sinθp)/Vp本例中θp值选择为相当于光学布儒斯特(Brewster)角的声学布儒斯特角。利用已知的声学原理，例如见B.A.Auld(奥尔德)所著<Acoustic Fields and Waves in Solid(固体中的声场和声波)>第II卷第二版(Krieger Publishing Co.出版，弗洛利达州，Malabar市，1990，ISBN号089874783-x)中的公式9.45(Γ11＝…)，入射压力波将被100％地反射成剪切波。这一模式转换反射使得普通的压力模式压电元件能高效率地产生体剪切波。
甚至可以用压力模式压电元件32来产生射向光栅30的剪切波80这一能力，来提供一种改变或优化例如瑞利波发生的“F”因子(见Takeuchi等人1980年的文章)的有益选择。
图12所示的情况将对所示基底是一个安全玻璃多层结构的顶层20的情形提供特殊的优点，该多层结构的组成例如是在碱石灰玻璃层20与132之间夹有一个聚乙烯醇丁酯聚合物层130或其他的层。在此情形中，剪切波将在上玻璃层20的下表面42上反射，并且由于玻璃层20与聚乙烯醇丁酯130之间的大声阻差别，大部分的波80仍被朝着光栅向上反射，并被转换成例如瑞利波79。另一方面，寄生平板波模式将被聚合物层130快速衰减。安全玻璃多层结构顶层20上方的斜面74很容易被例如加工压电元件的机器手触及，而且还避免了在压电元件32与从组成基底20的玻璃层溢出的多余聚合物130之间出现机械干涉。
对于这个θs＝30.5°的特定例子，剪切波功率中的sin2(θs)部分，即约26％，具有垂直方向剪切运动的形式；而其能量中的cos2(θs)部分，即约74％，则具有水平偏振剪切运动的形式。在后面的例子中将看到，大的水平剪切成份使得有可能实现这样的实施例，其中从光栅发射的波是水平偏振剪切波，例如勒夫波或HOHPS波。例11可以设计所发射(或接收)的声波模式不是瑞利波的光栅换能器。图13A和13B考虑采用能激励水平偏振剪切波即勒夫波94的水平剪切模式压电元件32’的光栅换能器。
分层基底84，86例如是粘结在3mm碱石灰玻璃层上的0.5mm厚的慢体剪切波波速玻璃，例如一种含钡玻璃Sochott(肖特)B270TM玻璃，这样的基底84，86能传播勒夫波94，它所提供的表面82上的水平剪切运动的功率密度要高于在一个1mm厚的玻璃基底中的最低级次水平偏振剪切(ZOHPS)波所能提供的功率密度。压电元件32’的剪切运动、体剪切波92的剪切运动、栅线90的轴线、以及勒夫波94的剪切运动全都垂直于图13A中的纸平面。
另一方面，图13B采用于与图12相似的几何布局。不过在该情形中，来自水平剪切模式压电元件32’的水平偏振体剪切波96在基底86的下表面上只发生反射而没有模式转换，因此入射角等于反射角。这种光栅换能器可以设计得有各种压电元件取向和前面讨论的发射角。然而，对于大的发射角，例如最坏情况下的90°，由于体波的水平剪切运动不再平行于发射波的水平运动，效率将有损失。
光栅的间隔和方向取决于发射勒夫波的波矢与体波波矢的水平分量之间的布拉格散射条件。例12如图14A所示，通过给栅线5a’、5b’、8a’提供曲率可以构筑出聚焦光栅换能器。注意，这里不需要弯曲的压电元件。在不增加压电元件制作成本的情况下，该光栅传感器提供了调节发射声束聚焦特性的自由度。对于楔板换能器和端面换能器就没有这一自由度。
对于结合水平取向压电元件的光栅换能器，光栅5a、5b’、8a’的曲率半径被设置得等于希望的焦距100、102、104。虽然焦距也可设置为等于或长于反射阵列的长度，但实际焦距最好约等于反射阵列6a、6b、7a长度的一半到四分之三。这些光栅元素也可以是抛物线形的或其他能把声波能量导向某一希望路径的希望形状。典型地，光栅的希望焦距大于光栅大小，并且抛物形弯曲与圆形弯曲实际上是等价的。对于带有倾斜压电元件的光栅换能器，虽然有关的数字公式较为复杂，但同样有一个自由度来调节焦距。布拉格散射条件仍然适用。希望的布拉格散射角变得是光栅换能器内部位置的函数。聚焦光栅换能器的栅线曲率可以借助图14B和下述等式设计dy/dx＝tan(π/2-θg)κg2＝[κBsinθB]2+κR2-2κBsinθBκRcosθsin(θg-θ)＝[κBsinθBsinθ]/kg换能器声束的轻度聚焦可以用来部分地补偿衍射声束扩散的信号损失。例如，聚焦光栅换能器的焦距可以设置为具有反射阵列长度或者其一半。如图14A所示，其中没有示出反射阵列，但却可以包括美国专利NO.3,673,327的艾德勒型触摸屏或约翰逊-弗来堡(Johnson-Frey berger)型触摸屏，光栅可以具有这样一个焦点，它最好位在基底长度的一半至四分之三处。例13
图15A考虑这样一种光栅换能器设计，其中F因子可以为1，从而进一步增强了换能器效率，见Takeuchi等人1980年的文章。当一个体剪切波入射到一个具有足够负的满足下式的θB的光栅上时，有可能实现F因子为1。
|Sin(θB)|＞Vs/Vp＝(0.5-δ)/(1-δ)1/2其中Vs是体剪切波波速，Vp是体压力波波速，δ是泊松比(Poisson’s ratio)。当满足这一条件并且光栅间隔被设计为能耦合体剪切波与瑞利波时，将没有瑞利波通过布拉格散射耦合成体压力波。对于泊松比δ＝0.355的铝，上述条件的数值估算为θB＞28.3°。因此用一个按图15A所示方向倾斜的，例如倾斜30°，安装在基底表面上的水平剪切压电元件可以构筑出F＝1的光栅换能器。
这样，如图15A所示，压电换能器32被设置得能产生这样一个体波108，其传播轴在光栅30’平面内的投影与转换波模式79的传播轴相反。压电元件32被遮蔽在一个内部斜面内，使焊点34、连接导线36和信号电缆受到保护。
在某些情况下，为了保护压电元件、连接焊点和导线走线而把它们放置在图15A所示基底的一个凹齿内可能是有利的。在某些情况下，即使例如因使用了较低成本的压力模式压电元件而出现F＜1时，仍同样可以利用图15A几何结构的机械设计优点。
特别对于用模铸技术形成的聚合物基底只要稍加一些制作成本，图15A的基底几何结构就可以给出F＝1和对压电元件的机械保护。例如，对于styron666(商品型号，一种由Dow Chemical公司生产的聚苯乙烯)来说，泊松比δ＝0.35，而且当剪切模式压电元件被负向倾斜30°(或较大)放置时能给出F＝1。
图15A几何结构的瑞利波或勒夫波光栅换能器的聚合物基底实现特别令人感兴趣，这是因为如前所述楔板换能器很难或不可能设计成聚合物基底。注意，对于模铸聚合物基底，光栅(和反射阵列)可以设计在模具上。在这种加工处理中，支持各种高度或深度的光栅是不困难的。
图15B示出另一个实施例，其中利用了图15A和图12原理的结合。例如，对于聚苯乙烯基底20，压电元件32可以相对于水平方向成60°角地设置。压电元件32耦合出一个与垂直方向成60°角传播的体压力波116，该体波被导向光栅30’。在反射表面112处，该体压力波发生反射并转折90°，同时被模式转换成一个θB＝-30°的体剪切波118。反射表面112与垂直方向之间的夹角为55.6°。根据例10中所引的B.A.Auld的教科书中给出的声学原理可以导出，反射表面处的模式转换效率为77％。
图15B还示出，有可能把压电换能器32安装在一个楔形结构110上，该结构可以用胶粘或其他方法在界面120处粘结到基底20上。界面120不会严重衰减体波模式118。这样，基底20不需要在两个表面22、42上都有预先形成的表面结构。
在图15B所示例子中，体波受到一个反射表面的反射和模式转换。在光栅换能器设计中也可能包括两次或多次的体波反射。这时可以给声学触摸屏的光栅换能器设计进一步增加自由度。
可以通过在光栅换能器结构附近放置吸收物来抑制寄生波效应。可以模铸参考表面和/或施加声阻抗匹配吸收物的能力，为对付寄生波提供了许多灵活性。例14对于θB≠0°，光栅换能器是单一方向的，也即它们主要向前方发射声束而不发射后向声束。
对于θB＝0°，对称设计的光栅换能器是双方向的，也即将对等地向前方和后方发射(或接收)。在某些情形中，当触摸屏光栅换能器的设计要求是耦合两个沿相反方向传播的有用波模式时，双方向可能是有益的。
有可能设计单方向的θB＝0°光栅换能器。方法之一是在光栅换能器背后设置一个声反射器。例如，如图16所示，可以在用于波模式转换的光栅30背后放置一个半波长光栅((n+1/2)λ)122。在图17所示的实施例中，反射器128仅仅只是一个波长间隔(nλ)的光栅在背后方向的延伸。波长间隔光栅128把背向传播的声波126耦合成一垂直向体波130，后者在基底下表面43上反射之后在光栅128的延伸部分处被耦合成希望的前向声波124。前向波124和后向波126的叠加就是从该换能器系统发射的有效波79。
或者，对于瑞利波的产生和接收，可以如图18A所示采用非对称的光栅形状132。关于这种光栅可以是单一方向的实验证明己报导于Electronics Letter(电子快报)(第5卷第9期，1969.5.1)上的一篇文章，该文在此引用作为参考。从理论上说，垂直体波与非对称光栅的相互作用可以导致粒子的椭圆形运动。假定沿相反方向运动的瑞利波对应着相反方向的椭圆形粒子运动，则受到椭圆激励的光栅将优先与某一方向的瑞利波耦合。
Takeuchi教授与Yamanouchi教授的论文“Unidirectional excitationof plate waves in a periodic structure(周期结构中平板波的单方向激励)”(1991年10月)证明了，相对于一个周期性散射中心阵列错开(偏置)八分之一波长((n+1/8)λ)放置的一个周期性激励中心阵列将导致声波的单方向发射，该论文在此引用作为参考。类似的原理可以应用于根据本发明的触摸屏光栅换能器。
像瑞利波或勒夫波这样的表面导引波也在一定程度上渗入到基底内部；例如在表面下方半个波长深处仍存在明显的能量密度。如图18B所示，根据本发明的一个实施例，衍射声波模式耦合器90’、90”的各元素也可以延伸到表面下方类似的深度处。图中的压电换能器32”是一个与基底下表面88’有声学耦合的剪切模式压电元件，由它产生的体波92’在基底20’中向其上表面82传播，它在到达上表面附近的浅区84’之前先到达较深区86’。基底20’被形成为一个能支持勒夫波传播的多层结构。为了得到一定的时间延迟和相应的相位偏移，衍射声波模式耦合器90’、90”的元素可以互相错开一个偏置91或者倾斜，以使得勒夫波在沿表面的希望传播方向上得到相长干涉，从而具有比沿表面相反方向传播的波94”大的能量。因此，这种类型的耦合器可以做成是部分地或完全地单方向的。在此情形中，基底例如可以是镀有一个含有重金属的浓搪瓷层的铝。埋藏的衍射声波模式耦合器90’可以用压印法形成在铝表面上，在镀膜时其中充填以搪瓷84’，然后可以在完全固化之前在搪瓷84’中压印出表面衍射声波模式耦合器90”。相对偏置量91由一个未示出的机械夹具控制。例15采用光栅换能器的声学传感器并不局限于总共有4个换能器的布局。与采用楔板换能器的声学触摸屏相同，在根据本发明的一个触摸传感系统或基底上也可以设计有6个、8个、或更多个换能器。例如，在一个根据本发明的矩形触摸屏实施例中，在每个角上都设置了两个光栅换能器，得到4个传感器信号供控制器电路处理以确定触摸位置x右、x左、y上、和y下。这还可以进一步推广播到例如用三对或更多对换能器测量x轴坐标。不过，特别令人感兴趣的是那些在楔板换能器触摸屏中找不到类似对应的光栅换能器声学触摸屏实施例。
注意到光栅换能器可以放置在基底表面上任何位置处而不论是否靠近自由端面，这与楔板换能器是相似的，但与端面换能器不同。不过，与粘结在基底表面上的楔板换能器不同的是，当光栅换能器放置在另一个传感器子系统的有用声学路径中时，它不一定表现为完全的声学不透明障碍物。光栅换能器允许各传感器子系统互相重叠从而有更大的设计自由度。特别地，如图19A和19B所示，光栅换能器能够实现各传感器子系统的无缝拼接。
图19A示出一对发射(142)、接收(140)光栅换能器的栅线和一对相应的发射(146)、接收(144)反射阵列。这些栅线和反射阵列可以用许多方法形成，例如印刷、蚀刻、金属基底压印、或聚合物基底的模铸成形。在一个优选实施例中，光栅140、142是单方向换能器的一部分，例如是用与基底材料相同的材料做成的楔形，按与图15B所示类似的布局以θB＜0°放置在压电元件与基底下表面之间。
图19B示出栅线对150X、152X、150Y、152Y和反射阵列154X、156X、154Y、156Y的一种可能的拼接布局。实心圆代表类似于图19A中的发射光栅150X、150Y换能器，粗箭头代表发射反射阵列154X、154Y，细箭头代表接收反射阵列156X、156Y，空心圆代表接收光栅换能器152X、152Y。或者，也可以发射和接收阵列互相重叠并与单个共用的发射1接收光栅换能器(图中未示出)相关联。如图19B中的虚线箭头所示，X发射阵列154X把声波导向向下传播。类似地，Y发射阵列154Y把声波导向向右传播。注意，表面上的每一个点都至少被一个X传感器子系统和一个Y传感器子系统探测。对于触摸表面的大部分，实际上有X和Y的两个测量。这样的拼接能够支持任意大小的触摸表面。对于触摸点160，y坐标值由波158Y探测，x坐标值由波158X和158X’探测。
在图19B所示的实施例中，可能会希望使用耦合强度较小的光栅(和反射阵列)。虽然这将减小信号振幅从而减小每个传播器子系统的最大尺寸，但有利的是也减小了来自其他重量传感器子系统的成份的声学信号影子。此外，让希望的声学路径偏离正交的X和Y方向使得例如X反射阵列将对Y传感器子系统产生较小的局部影子将可能会是有用的。在一个优选实施例中，用瑞利波来探测触摸。例如，触摸表面可能是一个机器人装置的铝外壳或钢外壳，它不一定是平面的。这样的触摸敏感机器人表面可以用来例如避免碰撞损伤。或者，也可以给金属触摸表面加上一张塑料盖片，其设计使得仅当有力通过盖片压在触摸表面上时才实现紧贴的声学接触。
在另一个优选实施例中，用勒夫波探测触摸。勒夫波基底可以用例如镀以浓搪瓷的铝做成。在此情况中，光栅换能器和反射阵列可以是铝表面中的凹槽或蚀痕，或者是突入到搪资内的外加材料。例如对于以下情形该实施例是有意义的在大的白板应用中希望降低对液体污染，例如来自毛毡笔墨水的干溶剂的污染，的敏感性的情况。例16如例10中所讨论的，可以用图12压力波模式压电换能器与基底下表面反射的结合来耦合出体剪切波。本实施例表明，与体压力波不同，这样的体剪切波可以用来耦合出勒夫波。本实施例包含一个例如图13B所示的勒夫波基底196。图20示出一个接收器对，该图说明这样一个实施例，其中激励出的勒夫波210、212在光栅平面中相对于体波214、216传播轴线的发射角为90°，然后它们被基底下表面反射并被安装在上斜面204、206上的压电换能器198、200耦合成压电模式体波。
对于90°的发射/接收角，光栅202、208不垂直于勒夫波的传播轴210、212，而是要转过一个满足下式的角度θg。
tan(θg)/Vlove＝sin(θs)/Vs勒夫波的相速度Vlove可以由经验确定，根据分层材料的已知性质计算，或者先按经验改变θg角以找到最大效率角度，然后确定实际的勒夫波相速度。由于勒夫波与体剪切波的相速度相差不太大，并且角度都比较小，所以θg的最佳值不会与θs相差太远。
需要指出，发射/接收角不一定要是90°。不过，在不是90°的情况下预计会有一些效率损失。体波剪切运动的水平分量不再平行于勒夫波的剪切运动。例如，当发射角为45°时，预计效率要损失一半。这种勒夫波光栅换能器的设计是简单的而紧凑的。与简单的倾斜压电元件光栅换能器相比，这种设计不会增加制作步骤或另外的元件，并具有不需要更昂贵类型的压电元件的特点。例17有许多种不需借助反射阵列工作的声学触摸屏系统设计。例如见Johnson与Freyberger的美国专利No.3,673,327(1972)和Kohji Toda的PCT申请WO94/02916(PCT/JP93/01028，1994)，这两者的全部内容都在此引用作为参考。光栅换能器使这种声学触摸屏可以有新的变体。类似于WO94/02911中图16和19的图21代表一种根据本发明的设计，其中“T”是发射光栅换能器，“R”是接收光栅换能器。
根据本发明的一个优选实施例，图21中的这些光栅换能器包含一个聚偏二氟乙烯(“PVDF”)薄片，其上形成有金属化的图案，确定了多个压电元件。然后这个PVDF子组件被安装在基底的一个斜面上，产生各个别向对应光栅元件传播的体波。当采用PVDF时，有益的做法可能是使用一个属于换能器的阻抗匹配电路，例如一个场效应晶体管(“FET”)，以便能用低阻抗的电缆束传送具有较高阻抗的PVDF指状交叉换能器的信号。
与根据以往技术的粘结在玻璃基底上表面的指状交叉换能器相比较，根据本发明在上表面设置光栅而在下表面设置压电元件声学换能器(即光栅换能器)具有下述一些可能的优点(a)较简单的压电元件电极设计，例如不需要1/4电极线宽；(b)对于由单次光栅印刷形成的换能器可较简单地实现角对准；以及(c)易受损的压电元件和电连接被移至远离用户的基底表面上。
图22示出一种光栅换能器，它具有比较简单的结构但仍能与两种不同的波模式，例如勒夫波162和瑞利波164，相耦合。基底84、86支持勒夫波和瑞利波的传播。例如，安装在斜面178上的上压电元件174可以是一个能通过θ1＝θB＝60°的压力体波而与瑞利波164耦合的压力模式压电元件，安装在斜面176上的下压电元件172可以是一个能通过θ2＝θs＝24°的剪切体波而与体剪切波168耦合的水平偏振剪切模式压电元件。光栅166的间隔可以用前述布拉格散射原理计算，使其二维傅里叶变换中有多个有用的峰值，从而既能让瑞利波与θB＝60°的体压力波耦合，又能让勒夫波与θs＝24°的体剪切波耦合。体剪切波的传播角θB可以根据勒夫波的相速度、光栅间隔和体剪切波速度计算。对于铝(σ＝0.355)和勒夫波波速与瑞利波波速相近的情况，体剪切波的θB约为24°。这种传感器可以根据勒夫波和瑞利波的吸收大小的比值，容易地区分例如是手指触摸还是滴上了一个水滴。
在另一个实施例中(也由图22代表)，设置了一个敏感于零级勒夫波和n＝1勒夫波的双模式光栅换能器。在此情形中，压电元件172和174都是水平偏振剪切模式压电元件，并且基底84、86含有一个有较慢剪切速度的上层84，其厚度足以支持零级和一级勒夫波的传播。一个触摸将通过有选择地吸收表面上的剪切能量而改变剪切模式能量的深度分布曲线，从而把一些入射能量，例如零级勒夫波162的能量，转换成例如一级勒夫波164的能量。通过发射零级勒夫波162和接收n＝1勒夫波164或同时接收零级和一级的勒夫波162、164，就可得到有正触摸信号响应的或者同时有正响应和衰减响应的传感器系统。如果只希望有正触摸信号，则光栅换能器可以设计为针对希望模式的单一压电元件。
这样，光栅换能器为声学触摸屏中的声波模式选择提供了更多的可能性。例18声源不一定要是只带有简单上电极和下电极的简单压电元件。根据本例，考虑了更复杂的声源。它们可以包括多个压电元件和/或具有如图23所示的复杂电极结构的压电元件。
对于基底比较厚的情况，例如12mm厚的玻璃基底180，较有利的做法可以是把压电元件188安装在较靠近光栅182的垂直端面192上而不是安装在离光栅182较远的下表面194上。压电元件188的这种较靠近的放置将有助于使其发射的体波184的衍射扩散最小化。在一个优选实施例中，压电元件188具有一个浮空的底电极190和一组暴露在外的指状交叉电极192、194。相邻交叉指状电极192、194的中心距s对应于基底中体波波长之半除以cos(θB)，其中θB是希望体波184相对于垂直方向的角度，也即S＝1/2λ(体)/cos(θB)。注意，在极化时全部指状交叉电极192、194都保持在一个相同的电压上，但工作时如图所示它们被连接在交替的极性端。
与图1中的设计相比，预期图23的设计将有3dB的效率损失，这是因为向上传播(184)和向下传播(186)的两个体波都将由压电元件188产生。或者，如果使用足够小的指状交叉电极间距和能够单独控制传向或来自每个电极的信号的相位的电路，使得相邻电极不一定具有相反的相位，则可以消除向下传播的体波186。例19如已往技术中已知的，可以用基底上的一对适当放置和构形的光栅把基底的第一表面上的波能量转移给基底的第二表面。请参见Humphryes(亨夫雷)与Ash(艾什)(1969)的文章，该文的全部内容在此引用作为参考。因此这一结构可以看作是一个“通道(via)”。根据本发明，这一结构可以允许使用任何结构，包括楔板换能器和光栅换能器，来产生在基底的第一表面上具有表面能量的波，然后再把这个波高效率地转移给基底的第二表面，从而把声波发生结构移到了除了反射阵列或触摸表面之外的另一个基底表面上。这种布局还可以让声波通过在通常情况下是不透明的或有干涉的结构。
图24A、24B、24C示出一个实施例，其中利用这种声学通道作为提供一个位在一个较大的不受干涉的基底的表面242上任意位置处的触摸表面238的手段。基底246例如可以是一块6mm厚的经过回火的碱石灰玻璃板，其大小足以用作一个台面或一个柜台面。设计工程师可以把触摸敏感区238放置在基底未受干涉的上表面242中的任何地点。在上表面242上只出现4个伸长的光栅组240。在一个优选实施例中，这些光栅是一些已充填了透明环氧树脂的凹槽，其充填方式使得不影响到基底表面242顶部的平坦性。尤其需要指出的是，在基底上表面上没有反射阵列或换能器元件。
在触摸灵敏区的下面，在基底的下表面244上用适当的粘合材料254把一个显示装置光学粘结在粘结区236中。显示装置(图中未示出)例如可以是一个10.4英寸的液晶显示器。或者，显示装置也可以含有一个光学粘结在基底上的后向投影屏。这样，设计工程师就可以把触摸/显示界面放置在一个台面的未受干涉的表面上，例如放在餐馆柜台面上供订购食品，或者放在办公室工作人员的桌面上作为国际互联网/内部网的界面。
在基底246的下表面244上，按类似于例如图1系统的布局设置了4个多元素光栅234和4个瑞利波楔板换能器230。注意，各对反射阵列232之间的通常声波路径被显示装置的吸收声波的光学粘结254所阻挡。在反射阵列232与显示装置之间设置了光栅234。有许多方法可选用来制作光栅和反射阵列，其中包括印刷、刻划、蚀刻和其他消蚀或添加方法。
上、下表面上的光栅对用作声学通道以在这两个表面面间转移瑞利波248、252的能量。在一个优选实施例中，一个沿相对于垂直方向为θB＝-45°传播的体剪切波250与光栅234、240相耦合，因此满足对于碱石灰玻璃的F＝1条件。光栅间隔P可借助下式计算p＝(VR/f)/(1-sin(θB)+(VR/VB))例如，对于f＝5MHz的工作频率、VR＝3.16mm/μs的瑞利波波速、VB＝3.43mm/μs的体(剪切)波波速和θB＝-45°，光栅间隔为p＝383μm。光栅结构例如可以是1cm宽，包含约25条栅线。
本实施例表明了光栅换能器形式的声学通道的应用，更一般地，表明光栅换能器机制在一个不含直接粘结在基底上的压电元件的实施例中的应用。例20根据本发明，光栅不一定必然是平面表面上的一组栅线，而可以有更先进的设计考虑。例如，可以让单个换能器有多个轴向的敏感性。于是，有可能实现X/Y共用的接收光栅或发射光栅。
参见图9，X/Y共用光栅换能器的一个实施例是用长度约为两倍的单个压电元件来取代压电元件60a和60b。或者，两组光栅54a和54b可以延长得形成带有两个二维傅利叶成分的重叠光栅结构。或者，这种由重叠栅线构成的光栅图案也可以用其“负”图案来替代，这里“负”图案是指具有菱形单胞的反射点点阵。
图25示出一种类似设计的光栅换能器，它带有水平安装的，即θR＝0°的压电元件220。此情形中的光栅是方形或矩形的点阵222，各点间的中心距在X和Y方向都近似为例如一个瑞利波波长。位在该光栅222下面的压电元件220将响应于来自X224和Y226这两个阵列的信号。需要指出，由压电元件222产生的信号可以含有多个频率成分。沿任何轴线的元素间隔都将确定散射特性，所以该光栅可以在不同的轴线方向上选择不同的频率。于是在θB＝0°的情形中，一个矩形点阵可以允许某一第一频率沿某一轴线传播，而允许某第二频率沿某第二轴线传播。对于θB≠0°的情形，矩形点阵将由平行四边形点阵替代。例21图26A和26B给出一个非平面传感器，例如半球面传感器的例子，其中的触摸表面对应于位在北纬23.5°的北回归线以北的全部，而赤道与北归回线之间的地带可用于设置阵列和换能器。图26A是一个Mercator(迈卡特)投影，其上有触摸区、两个发射光栅换能器、两个发射反射阵列、两个接收反射阵列、和两个接收光栅换能器。这些器件构成两个传感器子系统，它们的平面投影图示于图26B。这两个传感器子系统(典型地通过延伸和重叠反射阵列而设计成稍有交叠)提供整个触摸区上一个坐标轴的测量。
这种传感器可以用作“超声跟踪球”，也即一种具有机械跟踪球的外观、感觉和功能但不含运动部件的输入装置。操作者用带有X方向分量运动的手指触摸触摸区来“滚动”这个超声跟踪球。相应的控制器电路能够处理该触摸信息并以与标准机械跟踪球相同的方式向主计算机发送数据。
在图26A和26B所示的传感器子系统上可以叠加上另外的传感器子系统。利用总共8个光栅换能器和8个反射阵列，可以再生出触摸区表面上的二维触摸位置。利用总共12个光栅换能器和12个反射阵列，例如把图26A中的各元件环绕通过北极264的Y轴旋转+60°和-60°而进行元件复制，触摸区将可被一组冗余的三坐标测量所完全覆盖。这种冗余性增加了开发可处理多重触摸信息的抗干扰算法的可选择性。
光栅换能器的利用使压电元件、电连接、甚或控制器电路本身都有可能设置在半球形基底壳体的内部。这样，光栅换能器使超声跟踪球的机械结构可能有改善的鲁棒性和紧凑性。
在一个实施例中，基底中一个直径为15cm的3mm厚半球形钢壳体构成。这样的超声跟踪球具有很大的物理耐受性而始终保持着完善的功能。因此，提供了一种用于公众问讯处的具有跟踪球功能的输入装置。
在另一个实施例中，对基底的半球形作了更改，使得与人手的配合更符合人机工程关系。注意，对于机械跟踪球来说无法作出这种更改。
在又一个实施例中，基底由一个直径为5cm、3mm厚的聚苯乙烯半球外壳构成，这里的聚苯乙烯例如是Dow Chemical公司生产的Styron666。注意，在该实施例中，带有反射阵列、光栅和用来安装光栅换能器的压电元件的斜面的基底全部可以包含在模具设计中。这将支持低成本的制造过程。该聚苯乙烯传感器的工作频率可选为2MHz，从体剪切波和压力波的波速可以算出瑞利波波速为0.99mm/μs，从而瑞利波波长λR约为1/2mm。注意，让瑞利波波长与工作频率为5MHz左右时的玻璃内瑞利波波长基本相同。由于声衰减随频率增大而很快地单调增大，所以这一较低的工作频率保证了声衰减小得足以支持5cm直径传感器上的15cm之内的最大路径长度。从已发表的文献看，Styron666比其他聚合物的一个优点是对体压力波的小声学衰减5MHz处为1.8dB/cm。请参见(http//www.ultrasonic.com/Tables/plastics.html)。折算到2MHz，相当于小于约0.72dB/cm，或相当于15cm的路径长度衰减为10dB。美国专利No.5,648,643公开了在剪切模式声学触摸屏中使用聚苯乙烯。由于瑞利波是剪切和纵向声能的混合，相信将观察到类似大小的声损失，所以已有的声学触摸屏控制器设计可适用于这种传感器系统。
在图26A和26B所示的R1/T1和R2/T2传感器子系统中，发射阵列270位在一个与X轴相交并绕X轴相对于赤道面260旋转了一个角度Θ的大圆上。该倾斜角Θ，例如为20°，小于北回归线262的纬度23.5°。可以使用图15所示的光栅换能器。或者可以使压电元件266、268以长轴平行于垂直方向的方式安装，并且光栅按发射角θE＝Θ设计；或者可以采用θE＝0°的设计但将包括压电元件266、268在内的光栅换能器结构自身旋转Θ角。一种选择是F＝1设计，其中剪切模式压电元件266、268以负倾斜角θB＝30°安装在聚苯乙烯基底上。
反射阵列270、272的设计与所采用换能器的类型关系不大，不过为完整起见下面仍予以讨论。
反射阵列270、272构成一些大圆的弧段。发射阵列270在半球表面上的轨迹为x(s)＝R·cos(πs/2)y(s)＝R·sin(Θ)·sin(πs/2)z(s)＝R·cos(Θ)·sin(πs/2)其中R为半球的半径，例如2.5cm。x、y、z的方向定义如图26B所示。类似地，接收阵列的轨迹为x(s)＝R·cos(πs/2)y(s)＝R·sin(Θ)·sin(兀s/2)z(s)＝-R·cos(Θ)·sin(πs/2)在这些公式中，s是路径参数，在名义上它随着对应于发射换能器266与接收换能器268之间的相应声波路径274的延迟时间单调地增大。在本例中，阵列从s的一个正的小值开始直到稍大于1结束，这样将可在上述传感器子系统对之间提供重叠。
现在考虑半球表面上按以下各式定义的(θ，φ)坐标系。
-π/2＜θ＜π/2，0＜φ＜πx(θ，φ)＝R·cos(θ)·coo(φ)y(θ，φ)＝R·cos(θ)·sin(φ)z(θ，φ)＝R·sin(θ)发射阵列轨迹用该坐标系表示时为θ(s)＝arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ(s)＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))接收阵列轨迹为θ(s)＝-arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ(s)＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))穿过触摸区的声路径也是一个大圆的一段。对于路径参数为S的连接发射阵列270和接收阵列272的大圆是相对于Z轴的经线的一段，即一个大圆的下述部分-arcsin(cons(Θ))·sin(πs/2))＜θ＜arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))φ＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))虽然在某些实施例中也可以用勒夫波或其他声学波模式，但在下面进一步详细讨论的设计中使用了瑞利波波速VR。延迟时间与路径参数的函数关系如下。
T(s)＝(R·(πs/2))/VR+2R·arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))/VR+(R·(πs/2))/VR延迟时间也可以用一个切断声路的触摸的-φ坐标值表示。
T(φ)＝(2R/VR)·arctan(tan(φ)/sin(Θ))+2R·arcsin(cos(Θ)·sin(arctan(tan(φ)/sin(Θ)))/VR用这一解析表达式可以计算出一个查找表。这个查找表可用作实时的微处理器代码以把测得的信号扰动延迟时间转换成触摸坐标中。
反射器的间隔和角度可以用前面讨论的原理计算。再次参看图26B中的第一传感器子系统。对于发射阵列，反射器间隔矢量S＝2πn(kt(s)-kp(s))/|kt(s)-kp(s)|2，其中的kt(s)和kp(s)可以根据下述等式按前面给出的已知阵列轨迹(θ(s)，φ(s))计算。kt(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(θ(s))sin(θ(s))，cos(θ(s))这里λR代表瑞利波波长。S的大小给出各反射器之间沿垂直于各反射器的方向的中心距，S的方向垂直于反射器元件。
这样，这里示出并说明了触摸屏换能器系统的新品种和新面貌，这些系统能满足所寻找的全部目的和优点。不过，当熟悉本技术领域的人们在考虑了公开本发明实施例的本说明书及其附图之后，许多改变、修改、变化、组合、部分组合、以及本发明的其他利用和应用将变得明显。应该认为，所有不偏离本发明精神和范畴的这种改变、修改、变化和其他利用和应用都己被本发明所涵括，本发明仅受后附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种声学触摸传感装置，它包括(a)一个带有一个表面的基底；(b)一个耦合于一个第一波的声波换能器，该第一波是一个体波，沿着一条与上述表面相交的轴线通过上述基底传播；(c)一个衍射声波模式耦合器，它能把上述第一波的能量转换成一个具有转换波模式的第二波，该转换波模式在上述表面上具有明显的能量并沿着一条平行于上述表面的轴线传播；以及(d)用来探测上述第二波的能量的扰动的器件。
2.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括用来使体波沿一个相对于上述表面倾斜的方向传播的器件。
3.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器直接把上述第一波耦合给上述衍射声波模式耦合器。
4.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器至少通过上述第一波路径中的一次声学反射把上述第一波耦合给上述衍射声波模式耦合器。
5.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器耦合于一个第三波，该第三波包含上述第一波的能量，具有与上述第一波不同的波模式。
6.根据权利要求1的装置，它还包括一个耦合于一个第八波的第二声波换能器，该第八波是一个体波，沿一条与上述表面相交的轴线通过上述基底传播，上述衍射声波模式耦合器把上述第八波的能量耦合成一个第九波，该第九波与上术第二波不同，具有一个转换波模式，该模式在上述表面上具有明显能量并沿一个平行于上述表面的轴线传播。
7.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组散射中心。
8.根据权利要求7的装置，其中上述这组散射中心设置在上述表面上。
9.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组空间分开的元件，这些元件的声学特性与上述基底周围区域的特性不同。
10.根据权利要求9的装置，其中上述元件包括规则间隔的伸长直线栅线。
11.根据权利要求9的装置，其中上述元件包括规则间隔的伸长曲线栅线。
12.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括上述基底的周期性声学扰动。
13.根据权利要求1的装置，它还包括一组沿着上述第二波路径的至少一部分设置的元件，用来把上述第二波的一部分能量反射成一组第四波，每个第四波沿着一个不同于上述第二波的传播轴的轴线平行于上述表面传播。
14.根据权利要求13的装置，其中上述这组第四波具有单调增大改变的独特的特征时间延迟。
15.根据权利要求14的装置，它还包括一组沿着一个与上述这组第四波的上述轴线相交的路径设置的元件，用来把上述这组第四波的至少一部分能量反射向一个共同的接收器，上述共同接收器产生一个与上述这组第四波的上述反射部分的能量相关连的信号。
16.根据权利要求15的装置，其中上述用来探测上述第二波的能量扰动的器件包括用来分析来自上述共同接收器的信号以探测所接收到的能量扰动的器件。
17.根据权利要求1的装置，它还包括多个上述声波换能器，每个换能器与一个不同的沿一个与上述表面相交的轴线通过上述基底传播的体波相耦合，上述每个不同体波的能量被一个衍射声波模式耦合器耦合成一个转换波模式，该波模式在上述表面上具有明显的能量并沿一个平行于上述表面的轴线传播。
18.根据权利要求17的装置，其中至少两个上述耦合于上述不同体波的转换波模式沿着平行的路径传播。
19.根据权利要求1的装置，它还包括一个波分散器和一个波会聚器，它们相继地设置在上述在上述表面上具有明显能量的波的声能路径的不同部分上，上述波分散器和上述波会聚器被上述表面的适用于触摸传感的一个部分分开。
20.根据权利要求19的装置，它还包括一个耦合于一个第五波的第二声波换能器，该第五波是一个体波，沿一个与上述表面相交的轴线通过上述基底传播，上述第五波被耦合成一个具有一个转换波模式的第六波，该波模式在上述表面上具有明显的能量并沿一个平行于上述表面的轴线传播；上述第二波具有一个至少包含上述波发散器的一部分的路径，上述第六波具有一个至少包含上述波会聚器的一部分的路径。
21.根据权利要求1的装置，其中上述探测器件探测上述扰动的地点。
22.根据权利要求1的装置，其中上述表面是平面的。
23.根据权利要求1的装置，其中上述表面是光滑的和非平面的，上述第二波的上述传播轴线随地改变以适配上述表面。
24.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括一个平面声学耦合表面，上述平面声学耦合表面相对于上述表面上与上述第一波相交的那部分是倾斜的。
25.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括一个压电元件。
26.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括一个使一个第七声波与上述第一波相耦合的衍射声波耦合器。
27.根据权利要求1的装置，其中上述第一波的传播轴线在上述表面上的投影与上述第二波的传播轴线不同。
28.根据权利要求1的装置，其中上述第一波含有从压力模式、垂直剪切模式和水平剪切模式这组模式中选出的一个或多个振荡成份。
29.根据权利要求1的装置，其中上述第二波含有从纵向模式、水平偏振剪切模式和垂直偏振剪切模式这组模式中选出的一个或多个振荡成份。
30.根据权利要求1的装置，其中上述第二波包括瑞利型波。
31.根据权利要求1的装置，其中上述第二波包括勒夫型波。
32.根据权利要求1的装置，其中上述基底具有不均匀的声学性质。
33.根据权利要求1的装置，其中上述基底包括一些具有不同声学性质的平行于上述表面的层。
34.根据权利要求1的装置，其中上述第一波沿这样一个轴线传播，该轴线相对于上述表面在上述相交处的切平面倾斜至少约|π/8|弧度。
35.根据权利要求1的装置，其中上述第一波包括剪切模式成份并且其传播轴线的投影相对于上述第二波的传播轴线有一个其大小至少约45°的夹角。
36.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器耦合于一个压力模式体波并且上述第二波包括水平偏振剪切波。
37.根据权利要求1的装置，其中基本上只有平行于上述与上述表面相交的轴线传播的上述第一波才满足特定声频下的上述衍射声波模式耦合器的布拉格散射条件的水平分量。
38.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组用含有玻璃粉末的混合物做成的形成在上述表面上的元件。
39.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组用含有聚合物基质的混合物做成的形成在上述表面上的元件。
40根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组用浓无机混合物充填的聚合物做成的形成在上述表面上的元件。
41.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器包括一组形成在上述表面中的凹槽。
42.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器起着一个声透镜的作用。
43.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器在把至少两个体波耦合成至少两个具有转换波模式的有用波时满足布拉格散射条件，这至少两个有用波都在上述表面上具有明显的能量并沿着平行于上述表面的轴线传播。
44.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器耦合于上述基底中的具有基本上垂直于上述表面的传播轴线的上述第一波。
45.根据权利要求1的装置，其中上述第一波在上述基底中发生共振。
46.根据权利要求1的装置，其中一个声波路径的一部分包含总共具有约2π弧度的整数倍的反射角的部分声反射。
47.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器耦合于一个信号并且上述基底在某一频率下呈现声学共振，上述声波换能器耦合于上述频率下的上述声学共振，由此基本上达到上述第一波与上述信号之间在一个给定的信号振幅下有相对最大的声功率耦合效率。
48.根据权利要求1的装置，其中上述基底的材料是从下述这组材料中选出的碱石灰玻璃，硼酸硅玻璃，冕牌玻璃，含钡玻璃，含锶玻璃，含硼玻璃，能支持勒夫波传播的多层玻璃，能支持勒夫波传播的陶瓷、铝和镀铝基底，以及低声损耗聚合物。
49.根据权利要求1的装置，它还包括这样的器件，该器件能把上述第二波的一些部分反射成一组强度依次增大的波，该器件包括一个元件阵列，该阵列在与形成上述衍射声波模式耦合器的处理相结合的处理过程中形成。
50.根据权利要求1的装置，它还包括这样的器件，该器件能有选择地把上述第二波的一些部分反射成一组通过上述基底传播的分散波，上述选择性反射器件具有一组与上述第一体波的未被转换部分有弱耦合的傅里叶成份。
51.根据权利要求1的装置，其中上述衍射声波模式耦合器至少包括一个沿着上述第二波的传播轴线有非对称轮廓的元件。
52.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括一个陶瓷压电元件。
53.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器包括一个聚合物压电元件。
54.根据权利要求1的装置，其中上述声波换能器被安装在上述基底上被上述基底机械保护了至少两个侧边的区域处。
55.一种用于声学传感装置的带有一个区域和一个表面的基底，它包括(a)一个声学换能器，它耦合于上述基底中具有一个与上述表面相交的传播轴线的体波；(b)一个衍射声波模式耦合结构，它形成在上述表面附近，能把体波的声波能量转换成沿一个平行于上述表面的轴线传播的波；以及(c)用来以能够确定对经声学转换的声波的扰动位置的方式探测经声学转换的声波的能量的器件。
56.根据权利要求55的基底，其中上述探测器件包括用来使经转换的声波能量耦合成一组逐渐增加改变的通过上述区域传播的分散波的器件。
57.根据权利要求55的基底，它还包括多个分别耦合于上述基底中的各个体波的声学换能器，其中各个体波以逐渐增加的偏置量沿相交于上述表面的传播轴线传播。
58.一种探测在一个带有一个表面的基底上的触摸的方法，它包括以下步骤通过换能产生一个通过上述基底沿一个与表面相交的轴线传的基底中的体波；把体波的能量衍射耦合成一个具有转换波模式的在基底表面上有明显能量并沿一个平行于表面的轴线传播的波；以及探测该具有转换波模式的波的扰动。
59.根据权利要求58的方法，其中体波的模式在上述换能与上述衍射耦合之间被转换。
60.根据权利要求58的方法，它还包括使体波被在上述换能与上述衍射耦合之间被反射的步骤。
61.根据权利要求58的方法，它还包括对具有转换波模式的波聚焦的步骤。
62.根据权利要求58的方法，它还包括把具有转换波模式的波的一部分能量反射成一组有时间改变的分散波的步骤，其中每个分散波沿一个被重新导引的轴线平行于上述表面传播。
63.根据权利要求62的方法，它还包括把有时间改变的分散布的至少一部分能量反射向一个共同接收器的步骤。
64.根据权利要求63的方法，它还包括分析被共同接收器接收到的能量的扰动的步骤。
65.根据权利要求58的方法，它还包括使体波在基体中发生共振的步骤。
66.根据权利要求58的方法，它还包括以下两个步骤使具有转换波模式的波分散在一个适合于传感触摸的区域上，以及在各分散波渡越了适合于传感触摸的区域之后会聚这些分散波。
67.根据权利要求66的方法，它还包括把至少一部分的会聚分散波衍射耦合成体波并对经耦合后的会聚分散波进行换能的步骤。
68.根据权利要求58的方法，它还包括分析探测到的扰动的位置的步骤。
69.根据权利要求58的方法，其中上述体波的能量被至少一个散射中心散射成多个波模式，包括一个具有转换波模式的波，该方法还包括有选择地区分出具有转换波模式的波的步骤。
70.根据权利要求69的方法，其中具有转换波模式的波是通过体波的声能与至少一个散射中心以及另一个具有可选择地产生声波干涉的相对于该散射中心的方位的另一个散射中心之间的相互作用而被有选择地区分的。
全文摘要
一种声学触摸探测装置,它包括一个带有一个表面的基底和一个声波换能器(11,12),后者通过换能在基底中产生一个通过基底沿一个与表面相交的轴线传播的体波,其中体波的能量被一些光栅换能器(5a、5b、8a、8b)耦合成一个具有转换的波模式的,在表面上具有能量并沿表面传播的波。
文档编号G06F3/03GK1242096SQ97181045
公开日2000年1月19日 申请日期1997年12月24日 优先权日1996年12月25日
发明者蒲原茂树, 金田宏, 罗伯特阿德勒, 乔尔肯特, 布鲁斯·W·马克斯菲尔德, 竹内正男 申请人:埃罗接触系统公司