利用高次谐波压电元件的声学装置的制作方法

专利名称：利用高次谐波压电元件的声学装置的制作方法
技术领域：
本发明领域涉及声触摸传感器技术，更准确地说，涉及利用压电元件的高次频率的声触摸传感器。
背景技术：
触摸传感器是用于计算机和其它电子系统的透明或不透明的输入装置。正如名称暗示的那样，触摸传感器由或者来自用户的手指或者来自笔尖或某种其他装置的触摸激活。触摸屏幕(即，具有透明基片的触摸传感器)通常与显示装置(例如，阴极射线管(CRT)监视器和液晶显示器)一起使用构成触摸显示系统。这些系统越来越多地用于商业应用(例如，饭店的定单输入系统)、工业过程控制应用、交互式博物馆展示系统、公众信息台、寻呼机、蜂窝电话、个人数字助理和视频游戏中。
目前使用的主要触摸技术有电阻式、电容式、红外和声触摸技术。将这些技术组合的触摸屏幕已推出了具有竞争价格的高标准性能。所有这些都是透明装置，它们通过以下方法来响应触摸将触摸位置的坐标传送给主机，主机随后执行某种与具体位置的坐标相关联的功能。自然，每一种都具有相对的优点和缺点。
声触摸屏幕(也称作超声触摸屏幕)已经有效地与其它触摸技术竞争。这在很大程度上是由于声触摸屏幕的功能能满足高透明度和高分辨率触摸性能的应用要求，并提供耐用的触摸表面。
声触摸屏幕系统包括触摸屏幕(即，具有透明基片的触摸传感器)、控制器以及连接触摸屏幕和控制器的引线。一般地说，触摸屏幕包括声波在其中传播的触摸敏感基片。当触摸基片表面时，所述触摸导致吸收横过基片传播的声波能量的至少一部分。电路系统用来确定所述吸收位置在XY坐标系统中的位置，所述XY坐标系统概念性地并且不可见地叠加在触摸屏幕上。实质上，这是通过记录声波开始传播的时间和出现触摸引起声波吸收的时间来实现。然后，可以利用这些时间差，与已知的声波通过基片的传播速度一起来确定精确的触摸位置。
通常类型的声触摸屏幕使用Rayleigh型声波，其中，所述术语用来包括准-Rayleigh波。有关Rayleigh波触摸屏幕的说明性的公开包括美国专利No.4642423；4645870；4700176；4746914；4791416；Re 33151；4825212；4859996；4880665；4644100；5739479；5708461；5854450；5986224；6091406；6255985；6236691；和6441809。还有使用其它类型声波，例如，Lamb和切变波或不同类型的声波组合(包括含有Rayleigh波的组合)的声触摸屏幕。这些技术的说明性的公开包括美国专利No.5591945；5854450；5072427；5162618；5177327；5329070；5573077；6087599；5260521；和5856820。上面列举的专利通过引用组合到本申请中。
借助于对Rayleigh波的吸收来检测触摸的声触摸屏幕已经证明在商业上是成功的。使用Rayleigh波的成功产品在很大程度上要归功于Rayleigh波呈现的两个特性。第一，与其它声波相比较，Rayleigh波对触摸更加敏感。第二，Rayleigh波是平面波，它可以在任何简单均匀的玻璃基片的表面上传播。但是，Rayleigh波触摸屏幕具有增加的对液体杂质(例如油和水，它们吸收来自传播的声波的能量)的灵敏度。
虽然Rayleigh波最广泛地应用于商业产品中，但是，使用水平极化切变波的触摸屏幕在本领域中也是众所周知的。水平极化切变波的使用，在出现水和其它液体杂质时，可以极大地增强声触摸屏幕的健壮性。这是由于与Rayleigh波不同，水平极化切变波没有被杂质吸收的垂直运动分量。因此，波的吸收是通过粘滞阻尼而不是通过波的辐射出现的。由于手指比杂质(例如，水滴)更加粘滞，所以可以把触摸屏幕配置成拒绝低粘滞性触摸(因而拒绝杂质)，同时接受较高粘滞性的有效手指触摸。因此，对于某些触摸屏幕应用来说，抗杂质干扰性是水平极化切变波的重要优点。
无论使用哪一类声波技术，声波触摸屏幕都包括作为将能量从一种形式转换成另一种形式的元件的换能器。例如，发射换能器接收来自相关联的电子电路的音频脉冲群，然后横过基片发射声波分组。接收换能器接收来自基片的发射声波分组，并且产生传送给相关联的电子电路供其处理的电信号。每一种类型的换能器包括用于转换电信号和机械振动的压电元件。商用压电元件最通常是由铁电压电陶瓷(例如锆钛酸铅(PZT)和改进的钛酸铅)制成的。而通常更贵的单晶压电材料(例如，铌酸锂)也可以用于构造触摸屏幕换能器的压电元件。
大多数商用生产的压电元件是压力模式压电元件。但是，如果换能器要发射或接收水平极化切变波，那么，就需要切变模式压电元件。图1(a)和(b)示出了压电元件振动的时序示意图图1(a)示出了压力模式压电元件的时序，而图1(b)示出了切变模式压电元件的时序。在图1(a)中，压力模式压电元件从静止状态10开始。然后，它接收电信号，所述电信号使其扩展到位置12。在压电元件到达它完全扩展的位置12之后，它将朝着其静止位置14收缩。它继续收缩而超过其静止位置14，一直到它到达它完全收缩的位置16。最后，在到达它完全收缩的位置16之后，它就返回它的静止位置18，从而完成一个周期。由于压电元件的这种振动的收缩/扩展移动，经由一系列振动周期产生声波。在图1(b)中，切变模式压电元件从静止状态20开始。然后。它接收电信号，所述电信号使其切变到位置22。在压电元件达到它完全切变的位置22之后，它将在相反方向上切变到它的静止位置24。它继续切变而超过其静止位置24，一直到它到达完全切变的位置26。最后，在到达它完全切变的位置26之后，它返回静止位置28，从而完成一个周期。由于压电元件的这种振动的切变移动，经由一系列振动周期产生声波。
实质上，声触摸屏幕简单地说就是带通滤波器系统。换句话说，如果多个不同频率信号被输入到触摸屏幕，那么，触摸屏幕只输出这些信号中特定的一个。所述特定信号将具有特定的频率，所述特定频率被看作为触摸屏幕的工作频率。例如，如果把1和10MHz(1、2、3等)之间的一系列信号输入到特定的触摸屏幕，那么触摸屏幕将只输出其频率为这些频率之一(例如5MHz)的信号。所述频率(工作频率)由触摸屏幕基片的材料(所述材料确定通过基片的信号速度)和触摸屏幕的反射阵列的反射元件之间的间距(所述间距必须是信号波长的整倍数)确定。根据前面所述，触摸屏幕的其它元件设计成在所述工作频率下使用。按照惯例，相关联的电子线路以所述工作频率下的音频脉冲群驱动触摸屏幕，产生、传播和接收所述工作频率的声波，并且相关联的电子线路处理接收的所述工作频率的电信号。
商用声波触摸屏幕系统通常设计成具有接近5MHz的工作频率。随着工作频率的提高声波的衰减率迅速上升。例如，虽然较高的工作频率对于较小的触摸屏幕(例如，PDA、移动电话等的触摸屏幕)是有用的，但是10MHz的工作频率将大大减小最大传播距离，因而限制了许多商业应用的触摸屏幕的尺寸。另一方面，使用很低的工作频率会导致较大的声波波长、较强的衍射效应和较差的声波波束的方向性。这就是说，需要更宽的反射阵列的边界。最终，使用较低工作频率会降低触摸位置的分辨率。因此，接近5MHz的工作频率是商用标准。
通常，压电元件设计成以触摸屏幕系统的工作频率谐振，以便保证可接受的效率水平。在传统的声触摸屏幕的压电元件中，压电元件的基本或一次厚度模式谐振至少应近似地与触摸屏幕系统的工作频率匹配。所述条件等效于要求压电元件厚度等于所述压电材料中体波波长的二分之一。图2中图解说明这种关系，图中示出在一次厚度谐振模式情况下压电元件的厚度T。所述谐振条件根据公式T=λ2=V2f=Nf]]>确定压电元件的厚度，其中T是压电元件的厚度，λ为压电材料中相关体波的波长，V为压电材料中相关体波的声音速度，而f为压电元件的谐振频率。为了方便起见，压电元件的生产产家常常将相关压电材料中声音的半速度定义为频率常数N。
设计成在触摸屏幕基片中产生Rayleigh波的换能器通常需要压力模式压电元件。对于压力模式压电元件，所述相关体波是体压力波。对于通常的PZT材料，压力模式振动的频率常数通常在N＝2000m*Hz附近。这样，对于近似为5MHz的通常触摸屏幕工作频率，对于压力模式压电元件，这将导致大约T＝400μm的压电元件厚度。虽然这种压电陶瓷材料的薄片相当脆并很容易打碎，但是只要仔细地对待和处理它们，在常规的生产和触摸屏幕组件的应用中不会有严重问题。
然而对于切变模式压电元件，情况是完全不同的。设计成在触摸屏幕基片中产生水平极化切变波的换能器通常需要切变模式压电元件。对于切变模式压电元件，相关的声音速度为体切变波在压电材料中的速度。由于切变波比压力波的速度慢很多，切变模式振动的典型PZT的频率常数处于N＝900m*Hz附近。这导致压电元件的厚度为大约T＝180μm，小于对应的压力模式压电元件的厚度的一半。
这种陶瓷薄片的抗断强度随它的厚度的平方变化。因此，由于18024002≈0.20,]]>打碎180μm厚的切变模式压电元件只要用打碎400μm厚的压力模式的压力元件所需的力的大约五分之一的力。因此，虽然5MHz压力模式的PZT压电元件对于通常的压电元件的生产和换能器组件是足够的，但是非常脆弱的5MHz切变模式的PZT压电元件太易脆而不能用于这些目的。因此，虽然铌酸锂切变模式压电元件比PZT元件更贵，但是，它们提供了比PZT元件更好的强度特性。
对于给定的频率，与对应的PZT压电元件相比，铌酸锂压电元件稍微厚些因而强度高一些。尽管如此，在5MHz下切变模式的铌酸锂压电元件仍然很脆。更重要的是，单晶铌酸锂是比铁电陶瓷材料(例如，PZT和钛酸铅)更贵的压电材料。此外，PZT具有比铌酸锂更强的压电耦合常数。因此，如果没有易脆的问题，在触摸屏幕应用中，PZT切变模式压电元件比铌酸锂压电元件有更高的效益。
由于带触摸屏幕的手持式计算机的新的应用开发，出现了带有更小尺寸、更高工作频率、因而更薄的压电元件的更小的声波触摸屏幕的市场机遇。即使对于压力模式PZT的压电元件，这也可能产生易脆问题。
声触摸传感器的应用并不需要限制于安装在显示器前面的透明触摸屏幕。可以考虑各种尺寸和形状的不透明传感器。例如，在机器人的应用中，可以通过在机器人的暴露表面铺贴(tile)触摸传感器来提供碰撞检测。薄的PZT压电元件的易脆性使得在为这样的声触摸传感器系统选择工作频率必须考虑一些不希望有的限制。
因此，特别需要改进声换能器(特别是切变模式的换能器)的设计，以便能够使它们较厚因而更耐用。
发明概述根据本发明的第一方面，提供一种具有工作频率的声触摸传感器。触摸传感器可以用于需要检测触摸的能力的技术中，包括(但不局限于)触摸屏幕、触摸盘和触摸敏感机器人技术。声传感器包括可以是或者透明的或者不透明的触摸敏感基片；以及可操作地结合到所述基片的至少一个压电元件(例如，楔形、边缘式或栅形换能器)。所述压电元件的特征在于近似等于声触摸传感器工作频率的高奇次谐振频率(例如，三次、五次、七次等)。虽然不必如此把本发明限于其最广泛的各个方面，但是，使用高奇次谐振频率允许增加压电元件的厚度，从而提高其耐用性。
压电元件可以包括将电能转换成声能(反之亦然)的任何材料。例如，压电元件可以包括陶瓷材料(例如，锆钛酸铅(PZT)或钛酸铅)。压电元件还可以包括单晶压电材料(例如，铌酸锂)。为了在触摸敏感基片中发射或接收水平极化声切变波(例如，乐甫波、零次水平极化切变(ZOHPS)波或高次水平极化切变(HOHPS)波)，压电元件可以作为切变模式压电元件工作，或者为了在触摸敏感基片中发射或接收具有纵向分量的波(例如，Rayleigh和Lamb波)，压电元件可以作为压力模式压电元件工作。但是，当使用切变模式的压电陶瓷材料时，由于设计成使基本谐振频率等于触摸传感器的工作频率时这类材料太薄以致于不能生产，所以，高次谐振频率的使用具有更明显的有益效果。
在一个最佳实施例中，有两种声换能器。所述压电元件之一为发射压电元件，另一种为接收压电元件，它也可操作地结合到触摸敏感基片并且同样呈现近似等于工作频率的高奇次谐振频率。在最佳实施例中，触摸传感器还包括用于沿着至少一组路径发射和接收声波的发射/接收组件。所述发射和接收组件中的压电元件(包括前面讨论过的压电元件)的特征在于近似等于声传感器的工作频率的高奇次谐振频率。
根据本发明的第二方面，提供一种检测具有工作频率的触摸传感器上的触摸的方法。所述方法包括提供触摸传感器，所述触摸传感器以基本谐振频率和基本上等于工作频率的高次谐振频率工作；产生具有基本谐振频率和高次谐振频率的声波；以及横过声基片发送声波。所述方法还包括接收来自基片的声波以及处理高次谐振频率的声波以便确定基片是否被触摸。声波可以是水平极化声切变波(例如，乐甫波、ZOHPS或HOHPS波)或者所述波可以是具有纵向分量的波(例如，Rayleigh或Lamb波)。
根据本发明的第三方面，提供一种具有工作频率的基于声学的系统。所述系统包括声基片和以可操作的方式结合到所述基片的压电元件，其中，所述压电元件具有近似等于所述工作频率的高奇次谐振频率。所述系统可以具有许多上述的关于触摸传感器的相同特征，除了不局限于触摸传感器技术之外，而宁可说可以应用于其它需要发射和接收沿表面传播的声波的技术。
根据本发明的第四方面，提供一种使用具有工作频率的声基片的方法。所述方法包括提供声基片；提供包括结合到基片的压电元件的换能器，所述换能器以基本谐振频率和基本上等于工作频率的高次谐振频率工作；产生具有基本谐振频率和高次谐振频率的声波；以及横过声基片发送声波。所述方法还包括接收来自基片的声波以及处理高次谐振频率的声波。所述方法除了不局限于触摸传感器技术外，可以具有许多上述的关于触摸传感器技术的相同特征。
附图的简要说明


本发明的最佳实施例的设计和应用，在附图中，类似的元件用共同的标号表示。为了更好地理解本发明的优点和目的，将参考图解说明最佳实施例的附图。但是，附图只描述了本发明的一个实施例，因而不能将其作为对本发明范围的限制。将利用这种限制性条款，利用附加特征和细节，通过使用附图来描述和说明本发明，附图中图1(a)-(b)分别为先有技术的压力模式和切变模式压电元件的压电元件振动时序；图2是说明在最低次谐振上激励的说明性压电元件的速度与深度的关系的简图；图3是根据本发明一个实施例构造的声触摸屏幕系统；图4是用于图3的系统的触摸传感器的平面图；图5(a)-(c)说明三种类型的水平极化切变波，所述水平极化切变波可以通过触摸屏幕基片(诸如用于图4的触摸传感器的基片)传播；图6是用于图4的触摸传感器的基片的一个最佳实施例的侧视图7(a)-(c)示出了三种类型的换能器，这些换能器可以用于在图4的触摸传感器中使用的基片内发射和接收水平极化切变波；图8是安装在用于图4的触摸传感器的基片上的三次谐波换能器的一个最佳实施例的侧视图；图9(a)-(c)是说明用于图4的触摸传感器的换能器中的压电元件的声学性能；图10是用于测试图8的换能器特性的测试系统的侧视图；图11是将铌酸锂一次谐波压电元件的性能与图8的换能器的压电元件性能比较的表格；图12是图8的换能器的频率响应曲线，其中，具体地说，换能器的压电元件包括PZT材料；图13是图8的换能器的频率响应曲线，其中，具体地说，换能器的压电元件包括铌酸锂材料；以及图14是描述频率的图表，图12和13的各个换能器的奇次谐波被定位在所述图表中。
最佳实施例的详细说明参考图3和4，图中描述了根据本发明的最佳实施例构造的触摸屏幕系统100。触摸屏幕系统100通常包括触摸屏幕105(即，具有透明基片的触摸传感器)、控制器110和将控制器110连接到触摸屏幕105的引线111。触摸屏幕105和控制器110组合构成触摸屏幕系统，所述触摸屏幕系统与显示装置115一起使用。触摸屏幕系统100具有工作频率并配置成通过产生横过触摸屏幕105传送的声波信号来响应触摸屏幕上的触摸，在出现触摸时，所述声波信号中的一个或多个被调制。控制器110随后利用所述调制的信号识别触摸屏幕上出现触摸的位置。如果控制器110认为所述触摸有效，那么，它就将触摸的位置发送到主机(未示出)，然后主机执行相应的计算功能，在显示装置115上显示有关信息(例如，图形)。
显示装置115可以采取向观察者显示有关信息的任何显示装置形式。例如，在图解说明的实施例中，显示装置115采用阴极射线终端(CRT)，显示的信息可以是图形(例如，图标)或用户可以从中选择选项的菜单或目录。在图解说明的实施例中，触摸屏幕105以面板的形式安装在显示装置115上。或者，触摸屏幕105可以设置在显示装置115的原有面板上，或者触摸屏幕105可以例如以图形输入板的形式设置在远离显示装置115的位置上。
无论如何，可以响应操作员的命令，命令(order up)图形或其它信息显示在显示装置115上，所述操作员的命令可以采取触摸触摸屏幕105的特定区域的形式。在另一个实施例中，例如，当不需要显示图形或其它信息时，就不需要使用显示装置115。
无论是安装在CRT面板上还是安装在分离的面板上，触摸屏幕105都包括具有可以被用户触摸的表面130的基片125和设置在基片表面130上的发射/接收组件120。触摸表面130的动作导致一些声波能量被所述触摸吸收，从而产生对通过触摸区域传播的表面波的扰动。扰动可以表现为沿着一条或多条路径引导的波能量的中断或降低(即，波幅度的下降)，所述一条或多条路径形成重叠在基片表面130上的不可见的XY网格。对这种扰动的检测和分析用来识别触摸区域的X和Y坐标，随后所述X和Y坐标信息是控制器110输出的决定因素。
为此，控制器110按预定的顺序控制发射/接收组件120，使得当检测到触摸引起的对声波能量的扰动时，将所述扰动转换成电信号并将其反馈给控制器110，并由控制器110识别出用于引起所述扰动的触摸位置及触摸压力，并将其转换为包含表示触摸位置和触摸压力信息的控制信号。在实现其功能时，控制器包括执行时完成对相关信号进行控制和处理所需的步骤的软件。但是，应当指出，所述控制器不必占用计算机资源，而能够完全在硬件或固件中实现。
发射/接收组件120包括一对发射或输入换能器135(1)和135(2)、一对接收或输出换能器135(3)和135(4)以及4个反射阵列140(1)-(4)。发射换能器135(1)和135(2)及接收换能器135(3)和135(4)两者都是压电换能器，它们包括合适的材料，例如，锆钛酸铅陶瓷(也可以使用钛酸铅陶瓷)，安装在较低速度材料(例如聚丙烯)棱镜上，所述棱镜实现对基片表面130的有效的机电耦合。发射换能器135(1)和135(2)可以配置成发射以下任何一种波(1)水平极化切变波，包括ZOHPS波和HOHPS波及乐甫波；以及(2)具有纵向分量的声波，包括Rayleigh型波和Lamb波。接收换能器135(3)和135(4)可以配置成接收由发射换能器135(1)和135(2)发射的任何一种波。在图解说明的实施例中，换能器135是切变模式的换能器。但是，应当指出，换能器135可以是压力模式的换能器而没有偏离本发明原理。如图4所说明的，换能器135是特殊元件。但是，应当指出，有可能单一换能器既起发射换能器的作用又起接收换能器的作用。下面将详细说明换能器135的具体结构。
发射换能器135(1)和135(2)是在控制器110的控制下工作的，以便产生声信号并横过基片表面130发送所述声信号。这是通过引线141(1)和141(2)将输入点火电信号加到相应的发射机换能器135(1)和135(2)来实现的，发射机换能器135(1)和135(2)随后将所述信号转换为横过基片表面130的机械能(声波脉冲串)。所述声波沿轴线145(1)和145(2)、通过反射阵列140(1)和140(2)传播，在反射阵列140(1)和140(2)处声波被反射而横过基片表面130到达基片表面130的相反侧的反射阵列140(3)和140(4)。然后，所述波被反射阵列140(3)和140(4)反射而沿轴线145(3)和145(4)到达接收换能器135(3)和135(4)，在接收换能器135(3)和135(4)处所述波被反向转换成电能，作为包含触摸信息的输出信号通过引线141(3)和141(4)输出。利用声波在基片表面130中的已知速度和路径、波的开始时间以及所述波中的扰动到达接收机换能器(或者135(3)或者135(4))的时间来确定所述位置特性。
用刚刚说明的方法，并且如图4所示，面板130配备有不可见的、重叠的网格，所述网格包括许多被限定在预定路径的声表面波脉冲串的交叉路径。一个系列路径pj被设置成平行于显示表面130的垂直轴或短轴，以便提供触摸的Y坐标信息，而第二系列交叉路径pk被设置成平行于表面130的水平轴或主轴，以便提供触摸的X坐标信息。在美国专利No.4644100中说明了关于使用所述结构确定触摸屏幕上触摸的位置坐标的进一步的细节，所述专利通过引用结合到本说明书中。
如上所述并且如本领域中众所周知的，反射阵列140必须仔细设计，以便确定所需的工作频率。具体地说，反射阵列140的反射元件沿传播轴145的间隔必须是声波波长高精度的整数倍。根据对反射阵列140的检查和声波速度的测量结果很容易确定触摸屏幕的工作频率。
在描述了基片表面130上的部件以及它们如何工作以便确定触摸位置之后，所述讨论下面转向基片125本身的结构。基片125可以构造成支持各式各样的水平极化切变波中的一个或多个。例如，图5(a)-(c)说明了三种水平极化切变波分别是零次水平极化切变(ZOHPS)波、高次水平极化切变(HOHPS)波和乐甫波。在每一种情况下，粒子的运动都是在水平平面上。这些不同类型的切变波在它们的波幅深度分布方面都是不同的。
例如，图5(a)中说明的ZOHPS是最低次切变平面波，其幅度与深度无关。在美国专利No.5177327和5329070中描述和说明了使用ZOHPS波的触摸屏幕，这些专利通过引用结合到本说明书中。与使用Rayleigh波的声触摸屏幕不同，ZOHPS波的触摸屏幕能够合理地重构触摸位置，即使存在高水平的水杂质，包括完全浸没在水下的触摸表面。
图5(b)中说明的HOHPS波是n≥1的切变平面波模式，其中n是零幅度节点平面的数目。在图5(B)中，HOHPS展示了随深度正弦变化的波幅度，并且所述波幅度在顶面和底面之间具有两个零幅度的节点平面(即，n＝2)。对于接近5MHz的工作频率，模式分隔问题限制了ZOHPS在厚度不大于约1mm的玻璃基片上的应用。对于其它工作频率，最大的基片厚度与选取的工作频率成反比，即，对于10MHz的工作频率，基片的厚度不大于1/2mm。对于接近5MHz的工作频率，使用HOHPS模式(而不是ZOHPS模式)允许触摸屏幕的设计者将玻璃基片的厚度增加到至少2或3mm，并仍然可以避免模式混合问题。
图5(c)中说明的乐甫波是水平极化切变波，它在基片的一个表面上具有波能量，而在相反的表面上具有显著地较小的能量。象Rayleigh波一样，乐甫波被约束在触摸表面上并随深度以指数形式衰减。但是，与Rayleigh波不同，乐甫波不存在于均匀媒体中。数学上，支持乐甫波的最简单的基片是结合到呈现较快体切变波速度的半无限媒体的有限厚度的表面层。实际上，假设半无限媒体足够厚以致包括许多个波幅度指数衰减长度的话，半无限媒体就可以是有限厚的层。例如，图6所示的基片125包括(1)通常包括硬质和耐划痕的切变波支持材料的外部薄膜150；(2)包括合适的聚合物的中间聚合物层155；以及(3)包括低声波衰减的切变波支持材料的刚性层160。采用层压工艺将这三层结合在一起以便形成多层基片。
乐甫波基片最好设计成对于触膜屏幕的工作频率具有作为频率函数的乐甫波群速度的低频散。在美国专利No.5329070和5591954以及美国专利申请序列号No.09/972788中说明了关于乐甫波支持基片生产的更多细节，所述专利和专利申请通过引用结合到本说明书中。
考虑了声波基片125的各种可能结构之后，现在将讨论换能器135的结构。每一个换能器135都包括压电元件165并且可以以各种方式构成以便通过基片125传播乐甫波。例如，如图7(a)-(c)所说明的，换能器135可以构造成楔形、边缘式或栅形换能器。图7(a)示出楔形换能器135(a)，所谓楔形换能器是因为它包括其上安装有压电元件165的楔170，楔170又被安装在基片表面130上。当电信号被发送到压电元件165时，电信号被转换成声波，声波通过楔形基座170传播到基片125，然后，沿水平方向通过基片125传播，如图中箭头所示。图7(b)示出边缘换能器135(b)，所谓边缘换能器是因为压电元件165被安装在基片125的边缘175上。当电信号被发送到压电元件165时，电信号被转换成声波，声波沿水平方向通过基片125传播，如图中箭头所示。图7(c)示出栅形换能器135(c)，所谓栅形换能器是因为它包括安装在基片表面130上的栅网180。压电元件165被安装在基片125的与基片表面130相对的另一面。当电信号被发送到压电元件65时，电信号被转换成体声波，体声波通过基片125传送到栅网180并且随后沿水平方向通过基片125传播，如图中箭头所示。
参考图8，现在将进一步说明作为楔形换能器的换能器135。楔170最好包括塑料并且包括斜边185和面对的倾斜的楔角θ的边190。压电元件165安装在楔170的对边190上。换能器135以它的斜边185安装在基片表面130上，即，换能器135以可操作的方式结合到基片125上。压电元件165是切变波模式元件。在发射模式中，压电元件165将体切变波发射到楔170的材料中。楔角θ与楔170材料的体切变(即，换能器)波的速度VT和乐甫波的相速度Vp以标准方式cos(θ)=VTVp]]>相联系。作为说明这一关系的非限制性例子，考虑三层基片125的实施例，其中，薄片150为例如100微米厚的硼硅酸盐玻璃，聚合物薄膜155为32微米厚的聚苯乙烯薄膜，而平板160为3mm厚的碱石灰玻璃薄片。在基片125中，乐甫波在5.53MHz下的相速度近似为3.13mm/μsec。在楔170材料中体切变波的速度必须小于所述值。例如，由Dow Plastics生产的Styron666聚苯烯构造的楔170具有大约1.15mm/μsec的切变波速度。因此，对于所述基片125合适的楔170应该具有 楔斜角。
如前所述，传统的切变模式压电元件一般是用相当昂贵、但很坚固的铌酸锂制成。为了能够使用较便宜、但更易脆的陶瓷材料(例如，锆钛酸铅和钛酸铅)，这样设计压电元件165，使得由压电元件165产生声波的高次谐振频率中至少一个高次谐振频率(优选的是高奇次谐振频率，更优选的是三次谐振频率)基本上等于系统100的工作频率。当谐波次数为2n+1时，压电元件被称作为(2n+1)次谐波压电元件。因此，当谐波次数为三时，压电元件为三次谐波压电元件。基本的或最低的谐振也可以称作为一次谐波。它具有处在中间的一个节点平面，在该平面上没有运动。用于本发明实施例的谐振具有三个节点平面。节点平面的数目是谐振的谐波次数。
图9(a)和(b)说明传统的切变模式压电换能器和三次谐波压电换能器之间的差别。图9(a)示出基本的或最低的谐振频率压电元件(称为一次谐波压电元件)的速度相对于深度的分布图，而图9(b)示出三次谐波压电元件的所述分布图。从一次到三次谐波将压电厚度公式改变为T=3λ2=3V2f=3Nf.]]>所述附加的因子3意味着可以把压电换能器做得非常厚，使得它能够使用更便宜的锆钛酸铅和钛酸铅陶瓷。
从电子学上看，可以把(2n+1)次谐波压电元件看作与电气上串联的2n+1个一次谐波压电元件等价。换句话说，谐波的次数也是基本模式的压电元件的数目，所述各基本模式的压电元件在概念上一个堆叠在另一个之上从而形成高次谐波压电元件。例如，图9(c)以一连串三个一次谐波压电元件的形式示出三次谐波压电元件的情况。在三次谐波压电换能器的三等分的中部一等分中，来自音频脉冲群的外加电场相对于激励三次谐波谐振所需切变运动所必须的电场有180°相差，假设不是帮助而是有效抵消换能器剩余部分的切变模式激活的一半。但是，令人惊奇的是，正如下面将详细说明的，用PZT制作的这种换能器的实际性能明显比一次谐波铌酸锂压电换能器的性能好。
由于讨论集中在奇次谐波压电元件上，自然会问，当谐波次数为偶数时将会出现什么情况。在这种情况下，在以反向相位激励的材料之间将所述材料精确地50-50对开，因而在外加电信号和切变振动模式之间没有纯机电耦合。因此，最好使用奇次谐波而不使用偶数次谐波。
如图10中说明的，已经利用测试系统100实验验证了这种现象的实际性能。测试系统100包括支持乐甫波的三层基片205，三层基片为200μm的玻璃薄片210、薄片210结合在其上的32μm的聚苯乙烯薄膜层215以及聚苯乙烯薄膜层215结合在其上的3mm厚的玻璃板220。测试系统还包括发射-接收楔形换能器对225，所述换能器对具有由2mm×14mm矩形锆钛酸铅(PZT)片形成的压电元件230以及压电元件230安装于其上的楔235。楔235可以包括聚丙烯并且具有设计成支持体切变波在所述聚丙烯中的固有折射的楔角，并且在基片205中在水平方向上传播乐甫波。发射和接收压电元件230具有大约200mm的间距。
使用系统200进行了以下实验。具有50Ω输出阻抗的函数发生器产生频率为5.53MHz而幅度为标称10V的5个射频(RF)周期的长音频脉冲群。所述信号激活发射换能器225(1)。接收换能器225(2)连接到设置作为50Ω负载阻抗的示波器输入端。借助于乐甫波的吸收特性(不受水的影响、对指头触摸敏感、对与叠层基片的背面接触的任何材料不敏感以及具有与现有的乐甫波群速度一致的延迟时间)来识别由乐甫波脉冲产生的信号。测量乐甫波信号的最大峰-峰电压。在下面说明的测量结果中，观察到的最大幅度信号确实是所需的乐甫波脉冲。测量是在压电元件230的三次谐波谐振频率下进行的。
为了比较，还利用传统设计的铌酸锂压电元件在其基本谐振频率下进行实验。在图11的表格中给出了实验结果。如从表中可以看到的，不仅仅观察了来自利用三次谐波PZT压电元件构造的换能器的信号，而且所述信号(69mV)大于传统的一次谐波铌酸锂压电元件的信号(47mV)。这样，即使从电子学上看，三次谐波PZT压电元件也可以是铌酸锂压电元件的替代产品。因此，其三次谐波频率等于系统100的工作频率的PZT和钛酸铅陶瓷压电换能器两者都是便宜的并且比切变模式一次谐波铌酸锂压电换能器更有效。而且，由于可以使三次谐波陶瓷压电元件比一次谐波陶瓷压电元件更厚，因此，对于所述三次谐波陶瓷压电元件来说，不存在易脆问题，所述易脆问题过去曾经导致选择优于陶瓷元件的铌酸锂元件。
图12和13以从0MHz至20MHz获取的阻抗和相位曲线的形式示出PZT和铌酸锂三次谐波压电元件的各自的频率响应。所述曲线示出了各个压电元件的前5个奇次谐波(即，一次、三次、五次、七次和第九)。由于前面的讨论中没有讨论偶次谐波的纯机电耦合，所以曲线中看不到偶次谐波。正如从曲线中可以看到的，由于随着次数2n+1增加，分数 (有效地耦合到外加振荡电压的压电元件材料的一小部分)减小，所以高奇次谐波逐步变弱。当三次谐波在工作频率下提供足够的机械强度时，它就是最佳谐波。如果需要更高的机械强度，更高的奇次谐波就是有用的。例如，可以使用五次和七次奇次谐振频率，使得有可能制造更厚的压电换能器。
图13描述了观察PZT和铌酸锂压电元件的奇次谐波的频率。如从该图可以看到的，两种类型的元件呈现相同性能，即，对于两种类型的元件来说，奇次谐波出现在基本上相同的频率上。图12和13的曲线说明两种类型的元件之间的重要差别。在4.61MHz下，铌酸锂压电元件呈现与所需切变方向垂直的切变运动，这种运动以垂直峰值的形式呈现在图13的铌酸锂阻抗曲线上。稍微低一点的频率是由具有错误极化的切变波的较慢切变速度引起的。为一次谐波设计的铌酸锂压电元件也具有这种比一次主谐波谐振稍微低一点的寄生错误极化模式。这种错误方向切变谐振没有出现在图12的PZT阻抗曲线中，因而表明与铌酸锂压电元件不同，PZT压电元件不会产生Rayleigh型寄生模式。因此，实验观察揭示了三次谐波PZT切变模式压电元件由于传统的铌酸锂压电元件的另一个优点甚至当在两种类型元件的情况下使用三次谐波时，PZT压电元件也消除了换能器到具有纵向分量的声波的耦合的麻烦问题。
对于目前声触摸屏幕产品的典型的接近5MHz的工作频率，三次谐波压电元件的使用解决了与切变模式压电元件相关联的易脆的问题。手持式计算机应用中的较小触摸屏幕的市场的出现可以大大促进使用更高的工作频率，因此甚至对于压力模式的PZT压电元件也产生了易脆的问题。为此，对于触摸屏幕技术，使用三次谐波压力模式压电元件也是适当的。
虽然上面的讨论说明了声触摸屏幕系统100，但是它可以应用到基于声学的系统的更一般的环境中。这包括其它类型的触摸传感器(例如，不透明触摸盘或触摸敏感机器人外壳)或需要发射和接收沿表面传播的声波的任何超声波装置。可以设想各种具有敏感表面的传感器，以及非破坏性的测试应用。确实，声触摸屏幕系统100确实是基于声学的系统的特殊情况，其中，声基片125特殊地设计成工作在触摸屏幕105中。因此，应当把当前的讨论的最广泛的各个方面看作为适用于更一般的环境。
虽然已表示和说明了本发明的具体实施例，但是，应该理解，以上讨论没有想要将本发明限制在这些实施例中。本专业的普通技术人员将明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。因此，本发明将要覆盖处于由权利要求书确定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等价物。
权利要求
1.一种具有工作频率的触摸传感器，它包括触摸敏感基片；以及可操作地结合到所述基片的声换能器，其中，所述声换能器包括近似等于所述工作频率的高奇次谐振频率。
2.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述高奇次谐振频率是从由三次、五次和七次谐振频率组成的频率中选择的。
3.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述声换能器包括压电元件。
4.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述声换能器是切变模式声换能器。
5.如权利要求4所述的触摸传感器，其中，所述声换能器配置成发射或接收所述基片中的水平极化声切变波。
6.如权利要求5所述的触摸传感器，其中，所述切变波是乐甫波、零次水平极化切变(ZOHPS)波、或高次水平极化切变(HOHPS)波、或它们的任何组合。
7.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述声换能器为压力模式换能器。
8.如权利要求7所述的触摸传感器，其中，所述声换能器配置成发射或接收所述基片中具有纵向分量的声波。
9.如权利要求8所述的触摸传感器，其中，所述声波是Rayleigh波或Lamb波、或它们的组合。
10.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述触摸传感器还包括可操作地结合到所述基片的声发射/接收组件，所述声发射/接收组件用于发射和接收沿至少一组平行路径传播的声波。
11.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述基片是不透明的。
12.如权利要求1所述的触摸传感器，其中，所述基片是透明的。
13.一种检测在触摸传感器上的触摸的方法，所述方法包括横过具有声换能器的声基片发送声波，所述声波包括近似等于所述声换能器的高奇次谐振频率的频率；接收来自所述基片的声波；以及处理具有所述高奇次谐振频率的所述声波，以便确定所述基片是否被触摸。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述声换能器包括压电元件。
15.如权利要求13的方法，其中还包括处理具有所述高奇次谐振频率的所述声波，以便确定所述基片上被触摸的位置。
16.一种具有工作频率的基于声学的系统，所述系统包括声基片，它具有表面并且配置成与所述基片表面平行地传播声波；以及可操作地结合到所述基片的压电元件，其中，所述压电元件的特点在于近似等于所述工作频率的高奇次谐振频率。
17.如权利要求16所述的基于声学的系统，其中，所述高次谐振频率是从由三次、五次和七次谐振频率组成的频率中选择的。
18.如权利要求16所述的基于声学的系统，其中，所述压电元件是切变模式换能器。
19.如权利要求16所述的基于声学的系统，其中，所述压电元件配置成发射或接收所述基片中水平极化的声切变波。
20.如权利要求16所述的基于声学的系统，其中，所述压电元件是压力模式换能器。
21.如权利要求20所述的基于声学的系统，其中，所述压电元件配置成发射或接收所述基片中具有纵向分量的波。
22.一种使用声基片的方法，所述方法包括与具有压电元件的所述声基片的表面平行地发射声波，所述声波的频率近似地等于所述压电元件的高奇次谐振频率；接收来自所述基片的所述声波；以及处理具有所述高奇次谐振频率的所述声波。
23.如权利要求22所述的方法，其中，处理所述声波以便确定所述基片是否被触摸。
全文摘要
提供一种基于声学的系统，例如触摸屏幕系统。所述系统包括声基片以及连接到基片的声换能器。换能器呈现等于系统工作频率的高奇次谐振频率。由于使用了基本上等于工作频率的高次谐振频率，所以可以增加换能器的厚度，从而使换能器更加耐用。
文档编号B06B1/06GK1754142SQ200480005440
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月25日 优先权日2003年2月28日
发明者J·肯特 申请人:伊罗接触系统公司