利用多个互不正交的波的声学条件传感器

摘要

一种接触传感器(3)包括具有表面的声波传输介质；多个声波路径形成系统，各生成一组通过传输介质的递增地变化的路径；以及用于接收表示波组的信号的接收机，各组的一部分通过在传输介质中沿不正交的轴传播而在时间上或物理地重叠。

说明书

本申请是申请日为1997年7月22日、申请号为97197290.7、发明 名称为“利用多个互不正交的波的声学条件传感器”的中国发明专利申 请的分案申请。

技术领域

本发明涉及声学接触位置传感器，而更具体地涉及在其中通过分析 多个接收信号来确定声扰动的坐标位置及可选择的吸收特征的这种传感 器。本发明允许感测系统利用在路径几何形状与/或诸如波模、频率、波 形、速度与/或波长等波特征类型方面不同的波。本系统有利地允许冗余 位置测定与/或差分波扰动感测。

技术领域

声学接触位置传感器是众所周知的。常用的系统包含两组换能器， 各组具有分别与基板所定义的物理笛卡尔坐标系的轴对准的不同的轴。 一个换能器生成声脉冲，作为Rayleigh波沿与反射元件阵列相交的轴传 播，各元件成45°角并相隔对应于声波脉冲的波长的整数倍。各反射元 件沿垂直于该轴的路径反射一部分波，穿过基板的有效区，到达作为第 一阵列与换能器的镜象的相对阵列与换能器。镜象阵列中的换能器接收 由两个阵列的反射元件反射的与发出的脉冲逆平行导向的波的重叠部分 构成的声波。传感器的有效区中的波径具有特征延时，并因而通过确定 复合回波波形中的衰减的定时便可识别被接触有效区的对象所衰减的一 条或多条波径。与第一组成直角设置第二组阵列与换能器并类似地工作。 由于换能器的轴对应于基板的物理坐标轴，回波中的衰减的定时指示基 板上的位置的笛卡尔坐标，并顺序地确定这些坐标来确定衰减对象的二 维笛卡尔坐标位置。

通常使用的这些系统的适用性受到下述主要限制的制约，首先，诸 如已知的Rayleigh波传感器上的水滴等局部化区域中的吸声掺杂物导致 在其中不能重构二维接触位置的大片阴影区。第二，这些传感器的配置 要求限制了它们对形状与尺寸的通用性。第三，当同时作用一个以上接 触时接触坐标的重构可导致二义性。最后，这种传感器提供从中区分有 效接触与伪接触，诸如手指与水滴，的有限的接触特征信息。本发明致 力于解决这些问题。

当前的商品触屏产品通常服务于在其中触屏作为旨在由一位用户在 一个时间上用作输入设备的应用。自动柜员机(ATM)银行业务应用便 是典型事例。虽然许多客户可顺序地使用基于触屏的自动柜员机，各用 户依次与该系统进行私人对话。反之，当前很少触屏产品可利用在其中 的触屏旨在时同被一位以上用户用作输入设备的应用。

a、平行换能器阵列

声学接触位置传感器已知为包含拥有沿基板的第一边定位的发射机 阵列的触摸面板或平板，这些发射机用于同时生成有方向性地传播通过 该面板到达位于第一阵列对面的基板的第二边上的对应检测器阵列的平 行表面声波。与第一组成直角的设置另一对换能器阵列。在一点上接触 面板导致通过触点的波的衰减，从而允许将来自两组换能器阵列的输出 解释为指示该接触的坐标。美国专利号3,673,727及W094/02911中示出 这一类型的声学接触位置传感器，通过引用将它们结合在此。通过利用 从发射换能器到对应的接收换能器的直通声径，便提供了大约等于基板 的高度或宽度的声径长度，如图1中所示。由于声波的发散，从一个发 射换能器发出的一部分波将入射在一组接收换能器上，如图2中所示。

b、反射阵列

为了减少声学触屏所需的换能器数目，Adler、Re.33,151与4,700,176 提供了用于沿增量变化的路径反射声波部分的反射阵列。因此，如果互 相相对地布置两个这种阵列，如图4中所示，单一的发射与接收换能器 将允许沿基板的一条轴以触敏区两倍高度加宽度或两倍宽度加高度的最 大声径长度接触感测。最大声径长度为声学接触传感器的有用量度，因 为诸如玻璃等大多数物质每单位长度具有以dB表示的相对稳定的声能 损耗；路径越长，衰减越大。在许多情况中，声音信号的这一衰减限制 了触屏的设计，因此通常希望在各触屏部件中具有高声学效率以便有设 计余地。从而例如可有选择地配置较大数目的换能器以允许采用较大的 基板，与之类似，对于有限尺寸的基板，可以叠合声径以减少所需的换 能器数目。

为了提供平行跨越基板的宽区传播的一组表面声波，沿其路径布置 了与束轴成45°角的元件组成的声音反射格栅，各元件在与传播轴成直 角上反射波部分。然后采集这些声波，同时保持表征衰减的波始发的轴 位置的时间扩散信息。从而通过诸如设置与第一格栅相对的。沿逆平行 路径将表面声波作为重叠波引导到另一换能器的另一反射格栅，记录波 模的到达时间与幅值，对应于接触的其衰减及对应于沿阵列的轴的位置 的特征时间，而确定有效区中的接触位置。在这一情况中，这一接触可 包含手指或笔尖直接地或通过覆盖片间接地按在表面上。见诸如美国专 利5,451,723。此外，虽然不设置直角坐标系，如果发射波扩散，可能消 除反射阵列之一，如图3中所示。在图3中所示的情况中，最大路径长 度近似等于高度加宽度。其中在每一轴上设置单一换能器来发出表面声 波的声学接触位置传感器也是已知的，如图5中所示。在这一情况中， 最大路径长度为高加宽之和的两倍。

已知的反射阵列通常由丝网印刷在浮法制成的碱石炭玻璃片上的玻 璃釉料构成，并在炉中弯曲成上升的玻璃隔断的人字形花纹。这些隔断 通常具有声波长的1％数量级的高度或深度，并因而只部分地反射声能。

从而，对具有表面能量的波，可将反射阵列构成在表面上，而当波 能出现在基板的两面上时，这些反射阵列可构成在基板的一面或两面上。 因为通常将接触传感器放置在显示设备的前方，并由于反射阵列通常是 光学可见的，通常将反射阵列放置在基板周边，有效感测区的外侧并在 档板的隐蔽与保护下。反射阵列的反射元件通常各反射表面声波能量的 1％数量级，耗散一小部分并使其余部分沿阵列的轴传递。因此，靠近发 射换能器的阵列元件遭受较大的入射声能并因而反射较大量的声能。为 了在接收换能器上提供相等的声能，可随着距离发射换能器的距离的增 加而减小反射元件的间隔，或者可以改变反射元件的声音反射率，使距 发射换能越远反射率越大。

Adler，US Re，33,151，涉及用于确定沿平面上的轴的接触位置的触敏 系统。将表面声波发生器耦合在片状基板上以生成波串，用波重导向格 栅的阵列将这些波串折射到该系统的有效区中。按照公开的实例，再一 次用格栅沿一根轴将穿越有效区的表面声波重新引导到接收换能器上。 通过分析在时域中接收的波形的选择性衰减来确定接触位置，各特征延 时对应于表面上的位置。将重新引导格栅定向成与传播轴成45。角，并 相隔表面声波波长的整数倍，减少元件以在有效区上生成大致上相等的 表面声波能量密度。格栅之间的间隔随沿传播轴距换能器的距离的增加 而减小，最小间隔为发射的波的至少一个波长。US5,329,070、 US5,260,521、US5,234,148、US5,177,327、US5,162,618及US5,072,427 提出了可用在Adler专利中所讨论的声学传感器系统中的表面声波的类 型的特例。

当设置独立的反射阵列将声波重新引导到接收换能器上时，也向它 们提供随距接收换能器的距离增加而增加的声音反射率。这是为了减少 随信号沿反射阵列的轴向接收换能器的传播时的信号损失。通常，将阵 列对设计成互成镜象。

通过引用，将颁给Adler的美国专利号4,642,423结合在此，该专利 致力于用球的小立体角部分构成的矩形触屏表面的伪平面化技术。按照 Adler，将反射元件弯曲成角度沿外椎到公共交点的球面的大圆部分激发 波。这一专利致力于配合CRT荧光屏的曲率的触屏的需要，对于这种荧 光屏其曲率半径与荧光屏的对角线尺寸相比总是大的。这一专利讨论了 减小球的一小部分的球面几何形状与笛卡尔平面之间的内在差别的方 法，允许结合为平面传感器几何形状设计的控制器使用。Adler的系统所 生成的声波基本上是正交的。Adler技术的已知实施例包括带有32英寸 曲率半径的19英寸对角线CRT及带有22.6英寸曲率半径的13或14英 寸对角线CRT。

c、二维位置感测

为了接收确定接触的坐标的信息，提供了两种各沿垂直轴跨越基板 的有效区传播的声波。因此，通常结合使用这两个轴来识别有效的接触， 但也可以分开与非交互式分析以顺序地确定沿这两个正交坐标轴的各个 的位置。在这些已知的系统中，对应用有关的坐标轴是用传感器的物理 配置定义的。从而，传感器设计受应用的坐标系的要求的制约。

在已知系统中，系统在表面上的接触衰减在该表面上具有能量密度 的表面声波的原理上操作。跨过基板行进的波的衰减导致在特征时段上 冲击在接收换能器上的波的对应衰减。从而，控制器只须检测衰减的时 间特征来确定轴向坐标位置。为了确定笛卡尔坐标位置，顺序地沿两个 轴取测定值。

下面更详细地描述的其它已知系统采用单个反射阵列通过提供平行 于该反射阵列分隔开的声音反射边、导致扩散的波两次穿过有效区，而 将沿多条路径通过有效区的来自换能器又返回到换能器的信号分成多条 波径并叠加成复合波形，如图5中所示。见美国专利号5,177,327，通过 引用将其结合在些，见图10及其附加文字说明。

US4,700,176的图11讨论了利用单个换能器用于发射波及接收感测 波，采用单个反射阵列来扩散与重组该波。因此这种系统采用与反射阵 列相反的反射结构。结果，声波通过有效区两次，结果增加了接触的波 吸收，但由于反射及额外的通过基板的有效区而也增加了整体信号衰减。 从而，声波可从基板的边或平行于传输反射格栅的轴的180°反射器的 阵列反射出来，并通过基板反射回到反射阵列及折返其路径回到换能器。 在这一情况中，换能器是在适当的时段上时分多路复用分别作为发射机 与接收机工作的。在成直角的轴上设置第二换能器、反射阵列与反射以 便能确定沿垂直轴的接触坐标。

Elecfro-Plasma(Milbury Ohio)的已知系统采用二等分的反射阵列， 以便减小声音波径，如图6A中所示。因此，声波从换能器沿复合反射 阵列的最大路径长度大约为总宽度的一半，换能器各自向二等分点发送 声波。从而，路径的正交组将较长，最大总路径长度为高度的两倍加宽 度。在这一系统中，单个地激发发射换能器及生成相同类型的波，它们 的部分沿平行路径行进，触屏上有小的声波覆盖重叠，以便防止接触区 中的死区。声波跟随对应于平行于笛卡尔坐标轴的轴的传统路径。类似 类型的系统二等分两组反射阵列，如图6B中所示。

图8中所示的“三转移”系统设置产生用于在两个正交轴上检测接 触的感测波的单个换能器，它既产生又接收来自两个轴上的波。在这一 情况中，要感测接触的区域通常是扁长的，从而沿一条路径的最长特征 延时短于沿第二路径的最短特征延时，借此便能根据接收时间区分两个 轴。见美国专利号5,072,427、5,162,618及5,177,327，通过引用将它们 结合在此。三转移设计的最大路径长度为四倍宽度加两倍高度。由于路 径长度中的明显差别，X与Y信号不会重叠，如图9C中所示。

d、控制器算法

一种已知类型的声学接触传感器的波图式是沿发射反射阵列的轴发 散的，穿过基板并被诸如另一反射格栅重新组合成轴向传播的波，按照 跨越基板所取的路径在时间上分散并在与发射的波逆平行的方向上被引 导到接收换能器，后者接收该波并将其转换成电信号拱根据作为时间的 函数接收的信号幅值进行处理。从而，按照本系统，每一轴上只需两个 换能器。由于逆平行的路径，电信号的扰动的时延对应于波行进的距离， 后者又与该波在进入基板的有效区之前行进的从换能器沿反射阵列的轴 向距离相关，即大约两倍沿阵列的轴的距离加阵列之间的间隔。图9中 示出典型的返回波形组。

接触的位置是用检测接收的信号幅值的衰减确定的，该幅值或者以 绝对项或者与标准或基准接收波形比较。从而，对于各轴，可以确定一 个距离，而对于两个正交轴，可以确定衰减的唯一坐标。这一类型的声 学接触位置传感器示出在美国专利号4,642,423、4,644,100、4,645,870、 4,700,176、4,746,914及4,791,416中，通过引用结合在此。

美国专利号Re.33,151及4,700,176也公开了具有一组发散的声径的 接触传感器系统，边些声径入射在具有沿弧线定位及分隔开以符合相干 性标准的元件的反射阵列上。见Re.33151及4,700,176、图16及有关文 字，通过引用结合在此。这一接触传感器产生对应于接触的角位置的单 方向输出。

按照已知的系统，采用若干种算法来确定接触的坐标位置。最简单 的算法为阈值检测，在其中将接收信号的幅值与设定值比较。任何下降 到该值以下认为是指示接触。更完善的是自适应阈值，在其中阈值根据 实际的接收数据组变化，这允许提高灵敏度及排除有限幅的假象。

控制电路可以多种模式工作，诸如换能器数目与配置。在具有矩形 基板无冗余的已知系统中，换能器数目变化如下：1(三转移)；2 (ExEec/Carroll Touch)；4(Adler)；及6(电等离子体)。存在着先 有技术设计中未出现的自然8换能器布置，这是6换能器方案的扩展， 其中X与Y轴测定两者都使用4个换能器，见图6B。

已知系统还包含自适应基线，其中存储一段时间上的正常接收信号 的幅值，并将接收的信号与具有特征时帧的基线比较。这一系统中，一 个位置上的假象不一定降低另一位置上的灵敏度。

Brenner等人的US4,644,100涉及采用响应表面声波的扰动的位置与 幅度两者的表面声波的接触敏感系统。按照US4,644,100的系统在执行 中类似于按照US Re.33,151的系统，同时确定接收波的幅值并将其与存 储的基准轮廓比较。

为了减少换能器的数目，已知的“三转移”系统反射声音信号使单 个换能器发出的波沿第一轴分散成平行波，然后成直角反射并沿第二轴 分散成平行波。然后将这些波反射回阵列然后回到换能器，从而换能器 先接收沿第一轴行进的所有波，以后才接收沿第二轴行进的任何波，这 通常要求扁长的基板。因此控制器为接收的信号设定两个不重叠的时窗， 第一窗口用于第一轴而第二窗口用于第二轴。因此，传统地分析各进窗， 而解出笛卡尔坐标对。

美国专利号5,451,723中公开了感测笔尖在声学触敏基板上的力的 系统，通过引用结合在此。这一系统将刚性笔尖部分的点接触转换成放 置在笔尖与基板之间的声音吸收弹性材料的面积接触。

e、波模

这里所用的“表面声波”(“SAW”)是指表面上的接触导致声能 的可测出的衰减的声波而言。表面声波的若干实例是已知的。

当前绝大多数商品化产品是基于Rayleigh波的。由于它们限制在接 触表面上这一事实，Rayleigh波在接触表面上保持有用的能量密度。数 学上，Rayleigh波只存在在半无限介质中。实际上基板厚度为3或4个 波长已足够。在这一情况中，具有实际上等效于Rayleigh波的准Rayleigh 波。在本上下文中，应理解Rayleigh只在理论上存在，因此对其引用表 示准Rayleigh波。

和Rayleigh波一样，Love波为“表面限制波”。对于Rayleigh波， 粒子运动是垂直与轴向的。与Rayleigh波关联的有剪切与压缩/拉伸应力。 反之，对于Love波，粒子运动是水平的，即平行于接触表面。只有剪切 应力与Love波关联。其它表面限制波是已知的。

有可能与声学触屏相关的另一类表面声波为板波。与表面限制波不 同，板波需要基板的顶与底表面的封闭效应来维持接触表面上的有用能 量密度。板波的实例包括对称与反对称Lamb波、零次水平偏振切变 (ZOHPS)波及高次水平偏振切变(HOHPS)波。

声模的选择影响接触灵敏度、水滴与手指接触之间的相对接触灵敏 度、以及若干传感器设计细节。然而，声学触屏操作的基本原理极大地 独立于声模的选择。

f、环境条件的优化

触屏的暴露表面通常为玻璃。虽然一些系统可能包含这种附加物， 但导电涂层或覆盖片不是必要的。因此，对于取决于对耐用的触摸界面 的公众使用的应用，声学触屏特别有吸引力。

诸如ATM、售票亭等半室外应用具有特别兴趣。通常在这些应用中， 用小室或檐等保护触屏不受直接环境降雨的接触。然而，由用户传送或 冷凝引起的水接触是可能的。从而，带着湿衣服、手套或伞从雨或雪中 走来的用户有可能在触屏表面上留下偶然的水滴。在已知系统中小水滴 具有Rayleigh波的高吸收作用；从而有效区中的水滴会屏蔽与该滴相交 的声径，而妨碍这些轴的触摸的正常检测。

限制水与触屏表面接触的一种方法为采用覆盖片。见美国专利号 5,451,723。然而，覆盖片通常降低通过得出的传感器看到的显示图像的 光学质量并导致较不耐用的暴露表面。降低小水滴的作用的另一方法为 采用较少受小水滴影响的波模，诸如低频Rayleigh波，见美国专利号 5,334,805；Lamb波，见美国专利号5,072,427及5,162,618；或零次水平 偏振切变波，见美国专利号5,260,521。然而这些波也降低灵敏度，导致 降低接触系统的接触灵敏度，增加对电磁干扰的敏感性，或者较昂贵的 控制器电路。

在Rayleigh波的情况中，较低频操作需要较厚的基板，诸如3至4 倍波长，及较宽的反射阵列与换能器。为低频Rayleigh波设计的传感器 的增加的庞大体积通常是严重的机械设计问题。在Lamb波的情况中， 要求薄的基板，例如在大约5MHz大约1mm。这种薄基板是易损坏的， 并且Lamb波在顶与底表面上都有能量，由于信号衰减而使光学粘合成 为问题。在ZOHPS波的情况中，与Rayleigh波相反，对手指的相对灵 敏度比对小水滴大。此外，ZOHPS支持光学粘合的有限选用，诸如不支 持切变幅射阻尼的RTV(硅胶)。

切变传感器在冷气候中有两个缺点。在特别冷的气候中，触屏感测 带手套的手的手指触摸是重要的。与Rayleigh波相比切变波具有降低的 灵敏度，从而使检测带手套的手指更困难。第二，在这种气候中，水滴 可冻成冰。虽然液态水并不强烈地耦合在水平偏振切变波上而冰则会。 从而冻结在触屏表面上的水滴会导致屏蔽或模糊。

仍存在着对配置有这些设备的与日俱增的严酷环境中可靠地操作的 接触位置传感器的需求。从而存在着补充现有技术的需求，以便扩展声 学接触传感器系统的可应用性。

g、尺寸制约

已考虑将Adler类型的声学传感器用在电子白板中；见图10及E.P. 申请94119257.7，Seiko Epson，中的相关文本。当前，尚不能得到根据 声学传感器技术的商用电子白板产品。部分地，这是由于已知声学技术 的尺寸限制。

发明内容

本发明从声学位置测定技术遭受各种限制的理解中导出可以通过实 现在感测波中带有各种形式的冗余的系统来解决。从而，对于各输出坐 标轴，提供了承载关于沿该轴的单个接触的位置的信息的多组波。因此， 一组波确定接触位置的能力上的任何限制可用从至少另一组波中导出的 信息来补充。由于冗余性是部分的，其它信息同样可从可以获得的波组 中导出，包括接触的特征及关于多个接触的信息。

按照产生部分地冗余的波组的一组方案，提供多组的波，各相对于 要沿其感测接触位置的轴在不同角度上传播。各波应能沿轴的有效部分 感测位置。从而，传统类型接触系统提供两组波，各平行于矩形基板的 一条边并生成垂直于这两条边传播的波。这样，各组波专用于感测沿特 定的轴的位置。类似地，已知的二等分反射阵列方案在触敏表面的不明 显部分上将波重叠，并且所生成的波具有相同的频率、模、传播轴，并 因此是实质上完全冗余及很可能实质上承载相同的信息。

本发明还将这些相同原理扩展成包含若干其它实施例，其中包含声 波沿既不平行也不垂直于基板的边的路径行进或者沿既不平行也不垂直 于反射阵列的路径行进的声学接触系统。从而，本发明通过理解接触传 感器基板、反射阵列或声径的几何形状不一定限制在输出中所表示的坐 标系，而放松强加在先有接触位置传感器上的制约。从而，本发明可提 供能执行坐标系变换及比先有系统更高级的声音信号中所包含的信息的 分析的控制系统。

在形成控制不一定限于将声波的扰动的特征定时转换成沿单一轴的 坐标位置的这一理解中，开创了非欧几何形状的可能性。从而，虽然先 有技术认为声学接触感测可应用在CRT荧光屏的球面部分上，先有技术 的目标为提供一种系统，其中所接收的声音信号的分析似乎基板是平面 的。因此，这些先有技术系统是研制成在反射阵列的设计与放置中来补 偿球面象差的。同样，已知的先有技术系统采用入射在反射阵列上的发 散的波组来感测单方向角测定值。在这一情况中控制将一维角测定值不 加变换地作为单一坐标轴对待。

本发明提供允许分析沿触屏的触敏区中的非正交的轴传播的波的接 触系统灵活性。此外，本发明提供能承受与分析在时间上重叠，即同时 冲击在一个或多个接收换能器上的波的触屏系统。本发明的这些相关方 面在一起提供了在触屏的设计中极大地增进了的灵活性，在不利条件下 具有改进的性能。

本发明还包含用于图形用户界面以外的目的的接触传感器。例如， 存在于机器人学术领域中的应用，其中希望赋予机器人触觉。虽然存在 着若干传感器技术，声学传感器在机器上提供了大面积、高分辨率、单 位面积低成本的传感器的可能性，例如，检测与邻接物体的接触或压力 及确定接触的位置。这种机器通常具有不平的表面，并因而提供符合机 器的外壳的接触位置与/或压力传感器是有利的。按照本发明，可将具有 不规则几何形状的各种表面形成到传感器表面中。

本发明还提供允许分析两种不同类型的波的扰动的接触系统，这些 波的模、频率、波形、速度与/或波长不同。本系统有利地允许冗余位置 测定与/或差分波扰动感测。

本发明的一个方面可描述如下。将声能发送到支持声波传播的基板 中。这一能量通过基板的一部分行进到接收系统，它可包含声能发射装 置的重复使用。能量是作为至少两个有区别的波接收的。这些波具有不 同的路径或特征定时。这些波在时间或空间平面中是非正交的，意味着 它们同时冲击在一个或多个接收换能器上，或者跟随基本上非正交的路 径(具有与90°不同的关系)。

因此，如图7中所示，本发明的一个实施例有些类似于“三转移” 系统，但允许同时接收跟随两条不同路径1、2的声音信号。这一系统用 单一反射阵列5提供第一路径2，它将声波从基板4的对边3反射回来 通过基板的触敏区，回到反射阵列5，并到达始发换能器6，最大路径长 度大约为高加宽之和的两倍。正交轴接收一部分来自换能器6的相同声 波，从对角反射器7反射出来，沿具有第二反射阵列8的垂直轴。将该 波作为一组波9反射通过基板4的触敏区并入射在第三反射阵列10上， 后者将声波反射到基板4的邻边上靠近第一换能器6的第二换能器11 上。这一路径的最大路径长度为高加宽之和的两倍。在这一情况中，在 至少一些延时之后两个换能器6、11同时接收信号。

本发明的另一实施例提供采用具有不同频率、波长、相速或幅值的 多个波的传感器。这些波在时间或空间平面中也可以是非正交的，但不 一定非这样不可。换言之，这些可区别的波可顺序地与/或在正交路径上 行进。

当单个换能器同时接收多个声波部分时，通常希望接收电路对接收 的信号的相位是灵敏的，以便协助分辨干涉效应。类似地，当采用不同 频率的波时，希望接收机按照它们的频率有选择地接收这些波。当采用 不同的波传播模式的波时，可提供具有对不同波模的选择性的换能器。 因此，本发明的实施例也可包含至少对某些波特征敏感的接收机。

本发明的又一实施例提供正响应传感器，诸如接收信号的提高表示 典型的扰动。通常，正响应系统中的扰动会导致波中某种类型的改变， 使之能与未扰动的波区别。这种波又是可以在时间或空间平面中非正交 的，但不一定非如此不可。例如，通过滤波可以完全衰减未扰动的信号， 因此不被接收机接收。在这一情况中，只接收按照本发明的单个正响应 信号。

从而，本发明不限于在传统的方式中顺序地接收表示沿笛卡尔坐标 轴传播的波的独立相关信号，及通过相对于时间检测波的能量来分析它 们以确定被接触衰减的发射的波。尤其是，按照本发明，可同时接收多 个波，所接收的信号可以是来自不同波组的分量的不相关的叠加，这些 波不一定平行于平面基板的直角坐标轴传播，并且检测不一定只根据接 收的信号的能量衰减的时间的判定。因此采用了包含接收的波形的增强 的逻辑分析的改进的接收机。有利地，可以一起利用波形敏感的分析及 增强的逻辑分析。

至少两个暂时重叠的不同波的接收可指示各具有实质性能量、各特 定地旨在供接收及可能承载有关于沿坐标轴的接触位置的信息的两个 波。此外，两个不同的波之一可能是由无意识的散射波、假象及并不旨 在用于接触检波的干扰引起的。在任一情况中，即使与其它信号分量重 叠，也可利用带有接触信息的信号。

本发明允许接收与分析部分地冗余的波。因此，可以减少掺杂物及 各种假象的效应。此外，在使用不同波模或频率时，可遵照差分感测方 法来确定接触的位置与模式敏感的特征。

本发明包含一个系统，其中接触的位置是用与基板的物理轴线无关 的控制器确定的，从而在输出之前提供坐标处理与变换。这便能提高换 能器系统布置中的灵活性。在本文件中，将“换能器系统”定义为在包 含诸如楔形或边沿换能器等换能器本身及相关反射阵列(如果采用时) 的要求的接触区中将电子信号耦合到声波上的系统。

本发明还允许接收与分析由表示带有重叠的特征时段的不同波组路 径的公共换能器激发的信号。

本发明的又另一方面提供了一种声波接触传感器，其中用接收的信 号的扰动检测接触，其中该扰动可以是幅值的下降、幅值的升高、接收 信号的相位改变或幅值改变与相位改变的组合。

按照本发明的一组实施例包括采用共用公共路径部分的多个波的系 统。已知的三重转移换能器也共用公共路径部分，但并不具有同时接收 的波或坐标系变换。换言之，已知的三重转移系统需要在接收的表示正 交的轴的波之间的时间分隔，从而限制了传感器的布局。

按照本发明的一个方面，沿接触传感器的有效区中的非正交轴行进 的多个波可具有至少部分地重叠的公共路径部分。具体地，按照本发明 的一定实施例，这些波共用一个公共换能器及来自该换能器的一条公共 传播轴。这些波可以在诸如路径、波模、频率、相位、传播速度或波长 上有所不同。因此，按照本发明的一些实施例提供将波分开成沿不同路 径传播的反射阵列。另一组实施例则提供多组有区别的反射阵列，它们 在不同的角度上或作为不同传播模式的波或两者兼而有之，反射这些波 的部分。

按照本发明的传感器系统允许波的叠加产生跨越具有特征时延或其 它特征的基板的接触区传播的接触敏感的波组，及用于接收传播的波并 确定接触或波扰动的特征的系统。一组波的传播轴不一定与另一组的轴 正交。按照本发明，可以与正交波一起使用这些非正交波组。通过提供 这多个波中一组以上，便可用冗余信息确定接触位置，诸如利用比数学 上确定位置所需要的更多信息，从而能增强在出现噪声、干扰与屏蔽时 的性能。

如上所述，声波可在包含波模、传播速度、波长在内的其它性质上 不同，这通常提供两种优点。首先，具有不同性质的波可对环境条件与 假象具有不同的灵敏度。从而可利用感测波上的不同效应来确定与表面 接触的物体的性质。此外，可利用这些波中的差别来有选择地滤波这些 波，从而提供有选择地减小噪声或分离潜在的干涉波形的机会。可用具 有对应于一定波长及其传播轴的物理特征的反射阵列有选择地重新引导 基板中具有不同波长的波。

在本发明的另一方面中，感测波的坐标系是与输出坐标系非正交的。 因此，为了输出坐标值，必须分析多个波及变换它们的位置信息。也可 分析这多个波的冗余性来验证接触坐标，及可能解决二义性，这种二义 性可能是由二维位置测定中的多个接触引起的。

在本发明的一个实施例中，至少激发三个不同的声波组，为了检测 接触的二维位置，至少需要分析其中的两组。因此，在各种环境下，可 以忽略或丢失一个或多个波而操作仍能继续进行。当可以获得至少三个 时，便可分析这三个波来获取接触位置一致性、假象或干扰，以及确定 指示接触位置的优化输出。至少三个波的分析也可包含输出多个同时的 接触位置。

按照另一实施例，在基板中感应不同的波模，使得低灵敏度区采用 一种传播模式，而相对的具有足够灵敏度的区则采用不同的传播模式。 例如，在由于掺杂物而严重地屏蔽的Rayleigh波的区中，可为这一同一 区分析较不敏感的后备波模，诸如水平偏振的切变波模，来确定接触数 据。

双波模操作允许以空间域、频域、波传播模式或时域多路复用用至 少两种波操作。因此，信号可沿不同路径接收，具有不同的频率、不同 的波传播模式或不同接收位置。

为了从基本上公共的传感器硬件提供具有不同特征的波，来自换能 器系统的信号可包含若干分量。为了提供频率模式分辨，接收系统必须 区别各种接收的频率。对于多种波模，或者必须将不同的波模转换成激 励换能器的单一波模，或者换能器必须对各种波模灵敏。对于时域多路 复用系统，顺序地进行按照各种波模的读取。为了检波空间分隔的波， 可设置分隔的换能器或可将波重新引导到公共接收换能器。当叠加不同 类型的波时，对于不同的波，扰动通常具有不同的特征时延，这可用来 区别特定的波。

本发明的各种实施例分析接收的波形中的潜在二义性。这便是跟随 不同路径的两个波在无法区分的时窗内到达同一接收换能器，并从而给 定的波扰动有可能对两个波都起作用。因此，没有进一步的信息，控制 器根据所接收的波的信号有可能无法确定接触穿过的是两条可能路径中 哪一条。然而，按照这些实施例的子类，出现一对这种含糊的信号扰动。 从而通过参照传感器的物理模型及来自其它波组的信号的附加信息分析 该对含糊的信号扰动，便可确定或预测扰动的位置，并消除二义性。此 外，如这里所提到的，可用沿单一的重叠阵列组发射的一对声波明确地 感测位置。

按照本发明的另一方面，可以从诸如沿另一轴的附加重叠阵列组得 到附加信息。在确定坐标位置中可进一步利用这一信息。更一般地，本 发明包括诸如互相相关地散布多个波的反射阵列的重叠及物理上重叠的 阵列结构。

当波沿不同路径行进时，通常将波引导到基板的不同边上。因此， 例如可用两个不同的接收换能器同时感测两个波。因此，有利地将传统 的触屏系统与带倾斜的传播路径的触屏系统重叠。从而按照本发明的实 施例提供用于接收声波信息的多个信道。

即使要感测诸如手指、带手套的手指、笔尖等不同类型的接触物体 时，按照本发明也能增强操作可靠性。同样，可以识别与/或滤波或忽略 潜在的干扰因素。

通过允许多种波模与/或路径，实现了部分冗余测定及差分波扰动特 征感测的优点。

算法可利用冗余坐标信息来验证及解决二维位置测定中的二义性。

此外，算法可支持带冗余坐标测定的系统，其中只需要三或更多组 波中的两组来重构接触的二维坐标。

按照本发明的系统还包括多用户接触应用。在这些情况中，可利用 多波径的冗余度来解决多个自由度。例如，这些多用户接触系统可包含 供教师与若干学生同时操作的教室多媒体设备、交互式博物馆显示器、 带触摸界面的双人电视游戏或可由工程师小组同时检查与编制的工程图 的大型桌面显示。复杂的控制系统人类界面也是可能的。

多用户接触/显示系统通常需要比一次供一位用户使用的系统更大 的显示设备，例如可能带有投影系统及可以购得的或在研制中的大型平 板显示器。因此，按照本发明的各种方法允许感测多个接触，减小声径 长度及可能的干扰源。按照本发明的实施例还采用允许较长声径长度的 特征。

对于现有的触屏产品，同时接触是有问题的。模拟电阻性、电容性 及力感测接触技术本质上混淆多接触与中间位置上的假接触。由于需要 大量的电子信道而使覆盖带有离散接触区的大面积高分辨率电阻性与电 容性接触方案成为不合适与昂贵的。如果提供了解决离散二义性的措施， 声学接触技术具有内在的能力来识别同时的多个接触。除了真正的多用 户应用，同时接触能力也能进行其中单个用户同时用双手或单手上的一 个以上手指接触的接触应用。例如，接触/显示设备上支持和弦演奏的接 触/显示设备上的虚拟钢琴键盘。

因此本发明的目的为提供在其中利用不同特征的波来感测基板中的 接触的系统，其中这些波可具有不同的非正交传播轴、不同的波传播模 式、不同频率、波长或相速。

本发明的另一目的为提供一种接触传感器，包括：具有表面及所述 表面的触敏部分的声波传输介质；将声能发射到所述介质中的换能系统； 及用于接收来自基板的声能及确定由所述表面上的接触引起的所述声能 的扰动的接收机系统，所述接触传感器包括具有用于散射入射声波的部 分及传递其它不散射部分的多个间隔开的元件的反射阵列，这些散射部 分为具有与所述入射波不同的传播矢量的波，所述阵列设置有选自由下 述阵列构成的组中的一个阵列：

(a)与位于沿路径上的所述介质关联的阵列，所述路径不是平行于笛 卡尔空间中的基板的坐标轴的直线段，平行于圆柱空间中的基板的轴向 轴或垂直于径向轴的线段，也不是平行与邻接于球的小立体角部分的矩 形区的边的；

(b)位于沿基本上不对应于接触位置输出信号的要求的坐标轴的路 径的阵列；

(c)位于沿基本上不平行于所述介质的边的路径的阵列；

(d)所述阵列中的元件至少在其一部分上具有与入射声波的波长的 整数倍不同的间隔；

(e)所述阵列中的元件是不平行的；

(f)具有在所述阵列的区域上变化的声波接受角；

(g)相关地散布所述接收系统所接收的至少两个可区别的声波；以及

(h)上述各阵列的组合与子组合，

除外(d)、(e)或(f)中的所述阵列不设置有平行与邻接于球的小立体角 部分的矩形区的边。

本发明的又一目的为提供能逻辑分析从同时接收的公共传输换能器 脉冲串中导出的两组波的控制器，即其中所接收的波不能只参照时窗区 别。从而，本系统不需要在多个波之间维持时间间隔来供正常操作。

本发明的又另一目的为提供在其中分析接收信号的诸如由多路径信 号路径引起的波形信息的接收机。此外，按照本发明的接收机可分析所 接收的信号中由复合幅值的扰动而不仅由接收功率的衰减指示的接触。

本发明的又一目的为允许输出声波的扰动的通常为笛卡尔坐标系的 输出坐标系中的坐标位置，各声波所测定的坐标基本上不同于输出坐标 系的轴。

从而，按照本发明的接触位置传感器可提供下述优点中的一些或全 部：

(a)通过获取冗余信息与/或采用坚强的波形能耐受掺杂物的屏蔽效 应。

(b)由可以获得冗余坐标信息导致的较高信噪比。

(c)多波模传感器允许各选择类型波模的复合优点，如Rayleigh波模 的对接触的高灵敏度、水平偏振切变波模的对掺杂物的相对不敏感性。

(d)根据差分波扰动与/或特征新信号的外观来检测接触的波模敏感 的扰动特征的能力。

(e)基板选择中的万能性，例如使用大尺寸、非矩形形状、球的大立 体角部分及其它非平面几何形状。

(f)可靠地重构多个接触的能力，并从而支持一个以上手指、手或用 户可能同时输入接触信息的应用。

从较佳实施例的图与详细描述的观察中，这些与其它目的将是显而 易见的。

附图说明

本发明的较佳实施例将通过参照附图加以说明，其中：

图1为具有多个各发射换能器与接收换能器的先有技术触屏系统；

图2为具有发射宽声波的发射换能器的先有技术触屏系统；

图3为具有带沿弯曲的路径的单一反射阵列的发散发射换能器的先 有技术触屏系统；

图4为具有四个换能器及四个反射阵列的先有技术触屏系统；

图5为具有两个换能器及两个反射阵列的先有技术触屏系统；

图6A为具有6个换能器、两个正常阵列及两个分段反射阵列的先 有技术触屏系统；

图6B为具有8个换能器及4个分段反射阵列的触屏系统；

图7为具有两个换能器及三个反射阵列的触屏系统；

图8为具有一个换能器及两个反射阵列的先有技术三重转移触屏系 统；

图9A与9B示出分别受到一个及两个同时接触的来自按照图4的换 能器系统的接收的典型波形；

图9C示出从按照图8的换能器系统接收的典型波形；

图9D(1)示出通过求和图7的实施例的接收换能器可见到的两个同 时接收的信号的叠加；

图9D(2)、9D(3)与9D(4)示出当叠加的信号为(2)与RMS检波器同相、 (3)异相及(4)与相位保持接收机异相时图9D(1)的叠加信号之和；

图10示出没有中间反射的通用平板传感器子系统；

图11示出按照图10的实施例的阵列反射器间隔与朝向；

图12(a)-(f)示出作为按照图10的触屏系统的实施例的示例坐标子 系统几何形状，其中图12(a)为先有技术；

图13(a)与(b)示出分别具有两个正交波径组及一个附加对角线波径 组的按照本发明的矩形触屏；

图14示出具有两个正交波径组及两个对角线波径组的按照本发明 的矩形触屏，其中示出了第二对角线波径组；

图15(a)示出具有支持两个有区别的坐标子系统的两个有区别的间 隔的矢量的两个有效傅里叶变换分量的按照本发明的反射阵列的细节；

图15(b)与15(c)示出分别包含按照图15(a)的反射阵列的按照本发明 的六边形与三角形传感器系统；

图16(a)示出具有分段反射阵列的按照本发明的大面积矩形传感器；

图16(b)与16(c)示出按照本发明的线性分段的反射阵列与搭迭的分 段反射阵列；

图17示出带有中间反射的类似于按照图10的子系统的通用平板传 感器子系统；

图18(a)-18(d)示出包含按照图17的传感器子系统的示例触屏系 统，其中18(c)带有公共发射/接收换能器系统而18(d)为先有技术；

图19(a)示出按照本发明的在其一端上具有三重重叠阵列的圆柱形 传感器系统的等角投影图；

图19(b)示出按照图19(a)的传感器系统的表面的平面化表示；

图20示出按照本发明的通用非平面传感器子系统；

图21(a)与21(b)分别示出按照本发明的用于确定球坐标系中的接触 位置的球面部分换能器系统的顶视与侧视图；

图21(c)与21(d)分别示出按照本发明的半球接触传感器系统的另一 实施例的平面投影与顶视图；

图22(a)与(b)分别示出按照本发明的Love波模盆形传感器的等角投 影与平面图；

图22(c)示出具有按照本发明的单一换能器及反射阵列系统的半半 球接触传感器的侧视图；

图23(a)-(d)分别示出从按照图13的实施例的换能器接收的信号；

图24(a)与(b)分别示出按照本发明的冗余检验算法的流程图的一般 化表示及详细的特定示例；

图25(a)与(b)分别示出按照本发明的抗屏蔽算法的流程图的一般化 表示及详细的特定示例；

图26示出按照本发明的差分接触特征感测算法的一般化流程图(特 定的示例见图28(c))；

图27(a)与27(b)分别示出按照本发明的具有不同波模的波的两个非 正交波径组的接触位置传感器系统，及展示接收的信号的关系的定时图；

图28(a)与28(b)分别示出按照本发明的具有单一波模的波的两上非 正交波径组与第三波的矩形波径组的接触位置传感器系统，及展示两个 同时接触的接收信号的关系的定时图；

图29(a)-(d)示出带有任意相位关系的一组重叠的波之一的扰动的 效应图；

图30示出适用于处理按照图4的实施例所接收的信号的先有技术的 典型AM接收机电路；

图31(a)-(f)分别示出按照本发明的用于实现相敏接收机的各种电 路图，其中(a)为根据传输的波串的载波合成电路；(b)为跟踪锁相环载波 恢复电路；(c)为采用发射串时钟的载波电路；(d)为根据接收信号的时钟 恢复电路；(e)为过度抽样信号及用软件分析数字化信号的数字信号处理 器实施例；及(f)为在传送数字信号表示给微型计算机之前执行相位检测、 滤波与分样的应用特定的集成电路实施例；以及

图32(a)(1)、32(a)(2)、32(b)与32(c)示出展示本发明的许多方面的传 感器系统控制序列部分的流程图。

具体实施方式

下面的详细描述与示例是为了展示本发明的方面与示例而提供的， 不应认为是对元件的各种其它可能组合或子组合的限制。因此，应理解 下面的示例为构成本发明的一部分的较佳实施例或实施例部分，要从说 明书的整体上来认识它，包含列举的先有技术的有关方面及权利要求书。

概述

声波

用于感测接触的声波可以是用基板表面上的接触可检测到地扰动的 任何声波。表面声波模式的选择存在许多可选之处。Rayleigh波具有优 异的接触灵敏度，并且即使对于任意大的厚度的基板也本质上局限于接 触表面附近的薄的体积中。水平偏振切变波具有对诸如水与硅胶封口等 液体与类凝胶掺杂物的弱的优点。不均匀的基板可支持不对称水平偏振 切变波，其中包括Love波，它们和Rayleih波一样是在接触表面附近捕 获的水平偏振切变波。充分地薄的基板中Lamb波提供表面声波波模选 择的又一种选项。给定应用的声音波模的最佳选择中包含各种工程学权 衡。

在本上下文中，可用与具有高相速的低基板部分接口的具有低相速 的顶部基板部分支持Love波。可用更复杂性质的垂直相速梯度支持一般 分类为不对称的水平偏振切变波的类似类型的波。如果它们在底表面上 基本上没有能量密度，不对称水平偏振切变波具有特殊优点。当在这里 采用Love波时，也可类似地采用不对称水平偏振切变波。

本发明寻求通过提供各种门类型的波冗余来增强触屏的操作，其中 的冗余波受到不同的干扰、调整及假象的支配。从而，一种冗余策略提 供沿不同角度传播的波。从而，降低沿一条波传播轴的灵敏度的屏蔽效 应不会也屏蔽沿不同的轴通过的波。第二种策略采用具有不同传播模式 的波，从而允许利用各波模的优点，同时允许差分检波来确定接触物体 的吸收率特征。当不同的波模沿不同的轴一样行进时，便得到进一步的 增强。

不同频率的使用增加了实现波冗余性的选择余地。除了通过区分轴 或模式来区分冗余波，可用窄带滤波器与滤波技术来区分不同的传感器 子系统。此外，通过在不同频率与不同波模上操作，可以重复地利用触 屏的物理结构来降低基板系统复杂性。再者，不同频率上的给定声模， 如Rayleigh，的特征不同，诸如接触灵敏度及来自掺杂物的屏蔽量，从 而利用不同的频率能达到与利用不同的声模类似的目的。

注意典型的已知声学触屏采用两个不同的角度，如X与Y轴。然而， 除了存在接触而不是其位置，并不认为它们是冗余的。因此，本发明的 方向为提供一种系统，该系统能提供定义沿至少一条坐标轴的位置，或 者沿并不对应于基板的边的坐标轴的位置的冗余信息。

基板

声学触屏传感器通常用能以相对低的衰减支持声波传播的材料的片 状基板构成。通常将触屏布置在显示设备的前方，从而它们是透明的。 本发明允许声学基板为诸如阴极射线管的面板等显示设备的整体部件。 在没有相关的显示设备时，声学基板也可是设备的触敏机械表面。在不 需要基板透明的环境中，可采用金属(如铝或铁)或陶瓷基板。

也能用塑料构成基板或诸如声音滤波器的一部分等基板的部件。注 意大多数塑料通常比玻璃等无机材料更吸音，因此可能不适合于用作较 大尺寸的声学接触传感器的单片基板。然而，对于较小的设备，塑料可 用作基板或基板的部件。对于不同的聚合物材料声音吸收变化很大。在 塑料中，聚苯乙烯、低密度聚乙烯、Nylon 6/6、聚丙烯、Lustran及丙烯 酸具有相对小的吸音。对于全塑料基板，采用这种相对地低损失的塑料 是较好的。如果用塑料来构成声滤波器的一部分，则使用较高损失的塑 料是可允许甚至的满意的。

基板可以是单片、分层或涂层的。可用非单片基板来改变基板中的 波能分布，支持选择的波模传播或者滤去不需要的波模。例如慢速层在 快速层在吸音层上的夹层可支持Love波并同时滤掉寄生板波。从而，基 板可包括具有不同声音传播性质与/或声音界面的层。

在一些情况中，在金属带上制成反射阵列然后将它们粘合到基板的 其余部分上可能对于制造目的是方便的，见US4,746,914栏9。这一分层 结构可用于制造方便性或封装配置。这种分层的带也可达到声学性能的 优点。

计算机视频显示监视器的触屏实施例中的片状基板通常是2至3mm 厚的透明钠钙玻璃。注意各种基板可为声学触屏传感器提供特殊的优点。 例如，已发现硼硅玻璃对于显示监视器的典型的Rayleigh模式触屏系统 比钠钙玻璃增加高达大约30dB的信噪比。此外，硼硅玻璃中的声音衰 减降低率随着声径长度的增加而具有上升的优点。从而，因此可将硼硅 玻璃基板有利地用于大尺寸传感器系统或具有长声波路径的系统。

本发明的一个有利实施例提供硼硅玻璃基板，在其背而层叠或者提 供投影屏面。注意采用在背面上具有极少能量的Rayleigh、Love及其它 任何波模能方便地与背面上带有叠层或其它声音吸收结构一起使用。已 知的投影系统包括阴极射线管、液晶光闸器件、激光束的电光投影及其 它空间光调制器，诸如Texas仪器公司的所谓数字反射镜器件(“DMD”)。 从而硼硅玻璃可有利地用于大面积图像投影设备。此外，本发明的几何 形状灵活性能可观地提高最大可实行的传感器大小。再者，可将这种大 设备放置在受到环境污染的环境中，并因此有利于本发明所提供的坚固 接触感测系统，例如通过利用接触坐标的冗余或差分感测。

在大的白板应用中也可采用大基板，其中该基板在大面积上是触敏 的。在白板应用中，基板不需要是透明的，因此可用诸如铝等不透光材 料构成。有利地，铝及一些其它金属可涂有具有相对地慢的声相传播速 度的搪瓷，从而在前表面上支持带有高接触灵敏度(相对于水平切变板 形波模)的Love波。

适用于在一个表面上具有波能而在相对表面上实质性地较少波能的 切变型波的Love波的接触传感器基板是作为两种或更多相速不同的基 板材料的叠层构成的，较低的速度在顶部敏感表面上。叠层可包含若干 层，它们遵照通用的递增相速改变模式。此外，叠层可具有不同的相传 播速度，设置成滤波器配置来特定地选择要求的Love波模。基板的滤波 可以是直接的，例如衰减或消除不需要的模式，或者是间接的，增加需 要的模式与不需要的模式之间的相速差，从而增强反射阵列的波模滤波 性能。因此，可设置带整体不对称性的较高与较低相速材料的交替层， 来协助诸如反射阵列选择需要的Love波。通过选择相速分布，叠层基板 可以有选择地改变不同波模的性质。

带有较低速表面层的Love波基板的示例为具有0.1mm厚度的铅基 釉料的均匀涂层的2mm玻璃片。其它釉料或上光釉料选项可适用于从接 触面酸浸出的铅为潜在的健康损害的应用中。有可能构成强烈地在表面 附近捕集声能并从而改进接触灵敏度的Love波基板。例如，在带有大约 3.0mm/μsee切变速度的2-3mm厚的铅片顶上的具有小于大约2.6mm/ μsee的切变速度的含铅搪瓷的100微米厚层捕集200微米表层内的大部 分Love波能；这一基板非常类似于已知的镀搪瓷建筑铝板。

此外，假定上光釉料具有比陶瓷低的切变波速度，上光陶瓷也支持 Love波传播。从而，可将承盘构成为诸如漏水池或卫生间盆等卫生设备。

基板可构成为矩形或诸如六边形等非矩形的平板。作为替代，基板 可沿一条或两条轴弯曲成柱形、球形或椭球体表面或部分表面，或者可 具有其它配置。具体地，设想了大立体角球面及完全柱面基板。本发明 提供换能器与阵列的布置中的灵活性以提供各式各样的传感器形状。例 如，可在多边形接触传感器的各边上设置反射阵列而在顶点上设置换能 器。

柱形基板是本发明特别有趣的应用，因为可以使用环形反射阵列而 阵列无须平行于柱体的轴，允许确定轴向位置与角度两者。从而可在柱 形外壳中利用柱形接触传感器来电子地控制照相机透镜的焦点与镜头移 动而无须外部移动部件。通过采用诸如水平偏振切变波等具有低的水吸 收分数及水与肌肉之间明显的差分吸收的选择的波模，可以支持诸如水 下照相机控制等应用。

反射阵列

间隔矢量公式

反射阵列本质上以受控方式散射或重新引导声能。参见图10，下面 介绍反射阵列设计的一般原则。这些非常广阔的原则使新颖的反射阵列 设计工程成为可能。

注：在本文件中，矢量变量是以粗体给出的，而标量变量则不是。

可从所要求的入射与反射声波的波矢量确定反射器的朝向与间隔。 这些波矢量的定义如下。将波矢量K_I定义为平行于入射束方向并具有幅 值K_I＝2π/λ_I。入射束的波长λ_I＝V_I/f是从入射波的工作频率f及相(不 是群)速V_I确定的。类似地对于反射波，将K_R定义为带有幅值K_R＝2 π/λ_R的平行于反射束方向的，其中λ_R＝V_R/f，而V_R为反射波的相速。

这些波矢量可以是沿阵列的位置的函数。为此目的引入路径参数 “S”，它唯一地标识声波路径组的成员，并从而也标识声径在其上从发 射阵列散射或散射到接收阵列上的沿阵列的位置。例如，声径组的各成 员可用零与1之间的值“S”表示。通常阵列的入射与反射波矢量为S 的函数：K_I(S)与K_R(S)。对于US4,645,870中所描述的传感器系 统，其中接触的S值是用信号吸收频率标识的，甚至工作频率f(s)并 从而波长λ_I(S)及λ_R(S)取决于路径参数。为了标记方便，并不永 远明显地写出而是隐含地表示路径参数相关性。在许多情况中，诸如先 有技术的平板矩形传感器，波矢量是与路径参数无关的常量。

沿反射阵列各位置的阵列反射器的间隔与朝向可从波矢量K_I与K_R确定。例如，考虑反射阵列由直线段反射器元件构成的情况；见图11。 特别感兴趣的是垂直于反射器行及具有等于在平行于S的方向上的反射 器元件之间的中心到中心间隔的长度的反射器间隔矢量S。如果反射器 间隔矢量S是已知的，则反射器的朝向与间隔也是已知的。

注意图11中所示的线段反射器元件是脉冲压缩滤波器的一种形式， 而按照本发明适当时可采用其它已知类型的这种脉冲压缩滤波器。

通常作为路径参数的函数的间隔矢量可从入射与反射波矢量确定如 下：

S＝2πn(K_I-K_R)/|K_I-K_R|²

这是相干反射阵列设计的基本公式。在先有技术中找到的所有反射器元 件朝向与间隔都能作为这一通用公式的特例导出。此外，这一基本公式 使得在先有技术的范围之外的新传感器实施例的大系列阵列的设计成为 可能。给出了其重要性，下面提出推导这一间隔矢量公式的一些细节。

为了推导，定义平行于反射器线元件及其长度为图11中从点A到 点C的距离的反射器朝向矢量R。反射器间隔矢量S垂直于反射器元件； 用矢量点积记号，这一正交条件表示为R·S＝0。

例如，K_I·R＝(2π/λ_I)×R×cos(θ)，其中θ为点A、C与F 所定义的角。R×cos(θ)是入射声波为在点C而不在点A上与反射器 相交而必须行进的额外距离。从而(2π/λ_I)×R×cos(θ)为入射声 模在从点F传播到点C中以弧度表示的相位超前。

类似地，K_R·R为反射声模从点A传播到G的相位超前。

来自给定反射器元件内任意点对(如点A与C)的相干散射要求相 位延迟K_I·R与K_R·R相等。这一要求可表示为(K_I-K_R)·R＝0， 即反射器元件垂直于入射与反射波矢量差。

如果不存在波模转换，并从而波矢量K_I与K_R具有相同的幅值，(K_I-K_R)·R＝0简化了从反射镜光学熟知的入射角等于反射角定律。如 果存在波模转换，则入射角不再等于反射角，而是在定量上类似于光学 折射中熟知的S nell定律(其中相速等于光速除以折射率)。

注意由于矢量S及(K_I-K_R)都垂直于反射器元件，两者都与R正 交。从而它们必然互相平行(±S的代数符号是物理上无关的，因此如 果忽略它们是逆平行的可能性并不损失普遍性)。这确认间隔矢量公式 正确地给出间隔矢量的方向。

现在考虑不同反射器上的任意点之间的散射应相干的要求。具体地， 考虑从图11中点B与C的散射。从点D传播到B的入射波的相位延迟 可示出为等于K_I·S。从点B传播到E的散射波模的相位延迟为-K_R·S。 从而，从点B散射相对于从点C的散射的总相位延迟为(K_I-K_R)·S。 为了在反射器元件之间具有相干散射，这一总相位超前必须是2π的整 数倍，并从而满足条件(K_I-K_R)·S＝2πn。

加在一起，反射器内相干条件(K_I-K_R)·R＝0及反射器间相干 条件(K_I-K_R)·S＝2πn揭示(K_I-K_R)平行于S且具有幅值2πn/S。 从而有下面的等式。

(K_I-K_R)＝2πnS/S²

解出S给出上面给出的基本间隔矢量公式。

给定的矢量S支持逆方向上的散射。更正式地，如果定义了逆方向 波矢量K_I’＝-K_R及K_R’＝-K_I，则当且仅当满足K_I’与K_R’的间隔矢量公 式时，间隔矢量S才满足K_I与K_R的间隔矢量公式。

间隔矢量的特殊情况为“n＝1间隔矢量”，它满足下述不包含因子 “n”的关系。

S＝2π(K_I-K_R)/|K_I-K_R|²

从数学观点，这是间隔矢量公式的最基本形式。数学上，带有间隔矢量 S的反射阵列通常是带有间隔矢量S/2、S/3等的分量的叠加。n＞1的解 来自基本反射器间隔的这些“高次谐波”的相干散射。

反射阵列的定义

已知系统及可得到的触屏产品中的反射阵列是由线段反射元件构成 的，这些元件由喷镀在基板表面上的材料构成，通过从基板表面上消除 材料或两者的组合制成。更一般地将反射阵列定义为传感器子系统的区， 其中介质的声学性质已以这样的方式调制成产生散射中心的分布，这一 分布对于由2πS/S²给定的二维波矢量空间中的点具有有效的二维傅 里叶变换幅值，其中S为要求的n＝1间隔矢量。这一条件保证所要求的 方向上的相干散射到要求的声模中。

在较佳实施例中，反射阵列是由图11中所示的线性反射器元件组成 的。反射阵列可用改变基板对入射声波的声阻抗的任何措施构成。在较 佳实施例中，反射器元件为通过在基板表面上用模板筛玻璃釉料并随后 焙烧筛有釉料的基板将釉料熔在基板上而构成的升起的线。在另一实施 例中，反射器为声音基板上的凹槽，也许用其它材料回填的。制造成本 的考虑通常支配着从许多选项中的选择。

虽然反射阵列的一般定义包括其中的反射器之间的最短距离是由所 要求的n＝1间隔矢量S或其倍数给定的线段反射器阵列，但这不是要求。 例如，与原子核的晶体衍射中子相似，反射阵列可由反射点阵构成。X 射线晶体衍射提供类似情况，其中散射中心的分布(电子轨道的概率密 度)更为复杂；反射阵列没有必要分成严格定义的或隔离的反射元件。 例如，可用冲压工艺以正弦或更复杂的方式调制诸如铝或临时加热的玻 璃等可延展的基板表面。间隔矢量公式中的相干散射原理是与反射阵列 制造技术的细节无关的。

许多实施例包含叠加的反射阵列。叠加阵列的一般定义为传感器子 系统的区，其中已以这样的方式调制介质的声学性质，该方式对于由2 πS_i/S_i²给定的二维波矢量空间中的两个或更多的点具有有效的二维傅 里叶变换幅值，其中S_i对于i＝1，2，…为两个或更多要求的n＝1间隔 矢量。

如上所述，可利用其它类型的脉冲压缩滤波器沿要求的路径或路径 组重新引导或散射声波部分。因此广义地，脉冲压缩滤波器至少具有带 有所要求的波或波组的通路的一个二维傅里叶变换。在诸如压电射频表 面声波(SAW)器件领域中利用这些其它类型的脉冲压缩滤波器的实例。

共享波径

为了简化系统的构造或支持更紧凑的传感器设计，多个要求的波可 共用物理元件及波径部分。为了建立其中多个传感器子系统共用波径部 分的系统，可能有若干配置。

首先，可采用带有适合于散射两个不同的波的特征间隔与角度的一 组反射元件的反射阵列来生成最终加以分析的两组波径。这样，反射阵 列的相同物理元件可用来反射两种波。通常，适用的波的频率与/或波模 可能不同。参见图11，这是单一间隔矢量S同时满足两或多组入射与反 射波矢量的间隔矢量公式的情况；对于这两或多组，值n不必要相同。 虽然这一方法提供精巧的设计经济性，但间隔矢量公式加上了限制这一 方法的几何形状灵活性的制约。

第二，可以相互邻接地设置多个阵列，如图18(a)与(c)中所示。在这 一情况中，各阵列可设有分开的换能器或宽得足以激发通过一个以上阵 列传播的声波的换能器。阵列的空间分离提供滤波阵列之间的波来消除 不想要的分量的机会。为了行进到或自中心触敏区，来自横向阵列的波 必须通过中间阵列。来自不需要的阵列的散射可导致信号幅值的一些损 失并且也许生成寄生的声径；通常这是次要的效应，因为波所通过的各 阵列只散射一小部分波。必要时，可应用下面讨论的各种寄生波抑制技 术。对于具有紧凑的空间制约的应用，这一方法具有这样的缺点，即包 含靠近基板的边沿的阵列的区域可能需要相对地大。

第三，阵列可放置在基板的正反两面上。在这一情况中，想要与基 板背面上的反射阵列交互作用的波必须在基板的后面上具有明显的能量 密度，如在板波的情况中。例如，顶面上的反射阵列可具有为Rayleigh 到Rayleigh散射设计的间隔矢量，而后面反射阵列可具有设计成将接触 区中的HOHPS波耦合到背面Rayleigh波上的间隔矢量。这一方法与为 了区分对称与反对称Lamb波而为Lamb波传感器提出的顶与底阵列方 案相反，允许保证只发出一种声模；见美国专利号5,329,070、5,243,148、 5,072,427、5,162,618及5,177,327。

第四，可在同一物理空间中叠加作为阵列布置的多个反射元件，或 者更一般地可用任何方法设计反射阵列来支持一个以上间隔矢量，如图 15(a)中所示。这一配置通常是较佳的，因为其高效利用间隔，高效利用 换能器及对应的布线与电子器件。如果沿叠加的阵列传播不同的声模， 诸如Rayleigh与切变，可能需要不同的换能器。有利地，当阵列是物理 地重叠且只有单一的波模沿阵列传播时，可以只用单一的换能器。

作为反射阵列的示例的反射边界

波径可遇到发射与接收阵列散射出来之间的反射边界。这是图17中 所示的广义概念。反射边界可利用来自重叠的散射中心的相干散射，如 果这样便能用与跟随声径段的反射阵列相似的原理来设计。例如，仍能 应用间隔矢量公式。然而，注意对于反射边界，采用更强地散射的反射 元件是可能有利的。

在许多情况中，反射边界允许公用或叠加的发射与接收阵列。例如， 考虑在包含布置在45°±θ角度上的元件的平面基板上的叠加反射阵 列。这样，沿阵列传播的波将在90°±2θ的角度上散射。当将反射结 构跨越基板相对且平行于重叠的反射阵列布置时，且反射边界的间隔矢 量垂直于边界时，则波将在三角形路径组中行进。

在一定情况中，可能希望在从反射结构反射时改变波模，而不是在 反射阵列上。在这一情况中，可将反射结构设置成一系列适当地间隔的 平行元件，它们一起高效地将波能散射成选择的波模；图11的相干散射 条件除了反射阵列以外同样适用于反射边界。例如，上面的三角形声径 的变型便是将其中的反射边界与反射阵列的反射器组之一设计成波模转 换器的。

寄生声径

阵列设计中有时可能需要工程学考虑来减少能导致信号假象的不希 望有的寄生声径的产生。有许多措施可供利用来抑制这些寄生信号。

反射阵列用作波长与传播角两者的窄带滤波器。从而，具有高方向 灵敏度的反射阵列与换能器的方向灵敏度结合用来限制系统的角接收 度。从而，散逸的波能量很少在接收的电子信号中导致实质性干扰。

如果寄生声径具有比想要的信号的延时更长的延时，则可用接收信 号的定时选通来消除寄生信号。

将反射阵列的元件设计成低效反射器，即它们允许大部分波无散射 地通过，只有小部分按照已知原理被散射。在较佳的阵列设计中，在阵 列的元件上散射1％数量级的入射波能量。由于反射元件各反射1％数量 级的入射波能量，不直接引导到接收换能器上的反射波将需要另一次反 射，因此与要求的信号相比将是实质上衰减的。本发明人的研究已确定， 事实上由散逸声能引起的初级干扰与在其波径中具有小的反射次数的寄 生路径相关，而不是与具有包含多次反射的伸长的路径的散射波能相关。 从而，通过关注相对地小数目的直接寄生路径而不是大数目的简接路径， 便可控制干扰。

认为对反射元件及作为整体的阵列的相对低的反射率有作用的另一 种结果是在分析反射阵列时小信号假设是有效的，如叠加原理。从而， 本发明人已发现低反射率反射阵列在重叠时，通常线性地叠加，而无明 显的高次效应。从而，重叠的元件的相交以及潜在的谐振不会导致假象、 失真、不适当的寄生路径或不可操作性。

信号均衡方法

控制器电子器件与相关接触识别算法通常能接纳信号振幅的变化 (在接触前)而在用户看来并无接触灵敏度变化。这种能接纳的振幅的 动态范围总是有极限的。因此，通常希望将信号振幅的动态范围限制在 传感器子系统的声径组的接收信号的有用时窗内。能用若干信号均衡方 法来控制信号振幅中的变化。

下面描述若干信号均衡方法。可以同时使用这些方法的组合。

可用“反射元件取出”法来控制反射声波的能量密度，如在 US4,644,100与Re.33,151中讨论的。这里反射器元件的间隔是变化的。 这里将间隔矢量公式中的“n”，并从而将与要求的入射与反射波矢量符 合的间隔矢量S的离散选择项系列有利地用作局部变化的阵列参数。 “反射元件取出”法使得从标称密集的n＝1阵列中消除阵列中选择的反 射元件。注意，对于叠加或双用途阵列，最佳的反射元件放置可以与为 简单反射阵列设置的不同。

注意，用取出法，局部间隔矢量在长度上增加了整数倍，例如m倍。 这一间隔的增加使得更有可能产生相干寄生散射，因为取出的反射器不 再能用来提供对不希望有的散射的破坏性干扰。更正式地，对于大于1 的值m的寄生散射波矢量K’_R可存在n’的整数值，而对于m＝1则不存 在这种解：

mS(s)＝2πn’(K_I-K’_R(s))/[K_I-K’_R(s))·(K_I-K’_R(s))]

在证明这是寄生信号的主要原因的情况中，最好用其它信号均衡技术。

另一种得到恒定能量密度的方法包括通过设置可变高度的反射元件 来改变沿阵列的点上的能量反射率。这种具有可变高度的反射阵列的反 射元件是已知的，见美国专利号4,746,914，通过引用将其结合在此。

又一种调制反射能量的方法为采用具有诸如虚或点线或交错行等中 断的反射元件的分段或截断的反射阵列元件。见美国专利号Re.33,151 及4,700,176，图9、10及10a与伴随的文字说明，通过引用将其结合在此。

又另一种调制反射能量的方法为改变反射器行的行宽度。有穷宽度 的反射器元件可分析为无穷小宽度的许多邻接反射器元件的叠加。该有 穷宽度反射器的散射幅度为其无穷小元件的散射幅度的矢量和。在已知 的传感器中，将反射器元件的行宽设计成使得该行宽的第一与最后无穷 小反射器元件的散射之间存在180°路径长度相位延迟；并从而将行宽 选择为使散射幅度最大。因此，本发明包括反射元件行宽调制的新的反 射能量调制技术。在本发明的上下文中这一方法具有有趣的优点；对于 某些寄生散射，有可能取得基本上消除寄生散射幅度而仍支持要求的信 号路径的有用散射幅度的行宽。这一方法对于叠加的反射阵列也有利， 因为它允许调制反射能量同时保持均匀的釉料厚度。更一般地，这一方 法支持适合于只支持基板的一种修改的声阻抗的制造工艺的阵列设计。

分段反射阵列

为了缩短大基板中的声径长度，必须将基板的边细分成多个段，各 有其自己的换能器及与该换能器关联的反射阵列，如图6(a)与(b)及16(a) 一(c)中所示。从而，声波径不需要包含基板的整边的长度。当边是二等 分的时，在图6(a)中所示的已知实施例中，这两个换能器可生成或接收 沿反射阵列在逆平行方向上行进的波，将该反射阵列设置成两个反射阵 列各直接反射声波到基板的触敏部分中。两个反射阵列部分略为重叠， 使得重叠部分受到两个换能器所生成的相同类型的平行波的感测。

更一般地，可将反射阵列分段及沿基板的有效区的周边布置。在这 一情况中，各段在一个末端上包含一个换能器。按照这一分段阵列布置， 声波路径长度缩短到横跨基板的距离加上发射与接收阵列的长度，它们 短于阵列所在的边上的基板长度。

分段阵列1601可能导致在相邻的段的结合处上的复合系统中的盲 点1602，如图16(b)中所示。在一些充分冗余的传感器系统的情况中， 这些盲点是可接受的。在其它情况中，通过搭迭布置反射阵列(即倾斜 并在各端上重叠小部分)，将与换能器1604关联的阵列1603的端布置 在另一阵列1605后方，便可避免盲点，如图16(c)中所示。在这一情况 中，与非倾斜的阵列相比，应按图10与11的原理调整反射器的角度与 间隔来提供沿要求的轴传播的波。在上面提到的特殊情况中，如图6(a) 与6(b)中所示，通过提供重叠部分16、17两个端对端阵列12、13、14、 15(带有逆平行传播的波)可避免盲点，但这一解决方法只能应用在前 后二等分系统上。

逆向反射

在一些情况中，阵列将声径从接触区引出到反射边界可能是有利的， 并从而只间接地耦合在跨越所要求的接触区的声径段上。通过引用结合 在此的美国专利5,260,521，特别是图17及其伴随的文字说明，展示了 这一布置。如这一先有技术示例中所示，这一逆向反射提供了在声径中 包含波模选择滤波的额外机会。注意，按照本发明，按照本发明的反射 边界没有必要包括基板的边或平行于基板的边与/或反射阵列。

在本发明的上下文中，逆向反射可提供另一种可能优点。如果叠加 阵列的希望的间隔矢量

S＝2πn(K_I-K_R)/|K_I-K_R|²

促使产生不希望的寄生声径，在采用完全不同方向的间隔矢量时由于散 射波矢量的反向而使逆向反射能在传感器的要求的触敏区中允许使用类 似的声波路径组。这增加了抑制寄生路径可利用的设计选择。

反射部分可以是基板的切割边，或一个或多个平行反射元件为所要 求的波提供高反射界面。虽然对于提高反射率，相对地大的散射强度是 希望的，这些反射元件可以以类似于反射阵列的反射元件的方式构成。 有利的，可以设置控制反射角的反射结构，借此减少对玻璃的边界条件 的依赖，并允许对各波径的传播角的精细控制。

逆向反射通常增加声径长度并从而增加延迟时间。在一些情况中， 这可以提供避免来自两个传感器子系统的信号之间的时间重叠的措施。

在某些情况中，可能希望在从反射部分反射时改变波模。在这一情 况中，可将反射部分设置成一系列平行元件，其间隔满足将入射波能满 意地散射到选择的波模中的矢量间隔公式。

在各种传感器配置中，可根据需要布置基板的要求的触敏部分，例 如相对于基板的边界在反射阵列之间或横向上。

电子器件

换能器接口

发射与接收换能器将去往与来自控制器的电能耦合到触屏中的声能 上。虽然其它类型的换能器是可能的，为了成本、机械紧凑性与性能的 原因，基于压电元件的换能器通常是较好的。

压电元件通常以薄的矩形平板的形式，在两个相对的表面上具有作 为电极工作的导电部分。当将振荡电压信号作用在电极上时，通过压电 效应在压电材料内得到的电场导致元件振动。反之，如果元件受到机械 振动，电极上将出现振荡电压。

关于压电元件的机械振荡模式有多种选择。常用的选择为相对于元 件的薄的厚度的最低阶压缩膨胀振荡；诸如耦合在体压力波或带有明显 的纵向分量的其它声模上的元件。另一种选择是最低阶切变振荡，其中 一个带电极表面逆平行于对面运动；这种元件耦合在体切变波及其它带 有切变分量的声模上。可将切变运动的方向设计成在电极平面内任何方 向上。更复杂的选择也是可能的。按照本发明的一个方面，可以通过有 选择地耦合到适当的模敏换能器上而按照它们的传播模式区分在基板中 传播的各种感测波组。

通常，将压电元件设计成在所要求的振荡模式的工作频率上具有谐 振频率。对于最低阶压缩振荡，谐振频率为体压力波速度(在压电材料 中)除以两倍压电元件厚度，从而压电换能器元件为一半波长厚。类似 地，最低阶切变模式压电元件为一半体切变波长厚。如在触屏中所使用 的，由于耦合在基板中的声波上，压电元件为阻尼机械振荡器。机械质 量因子Q通常在5至20的范围中。看作频率滤波器，压电元件具有对 应的相对宽的带宽；在控制器接收机电路认为有区别的频率上的两个信 号仍有可能使用公共的换能器。

压电元件可直接连接在触屏基板上从而构成换能器。例如，见美国 专利5,162,618的图2B，通过引用将其全部结合在此。通常将这种换能 器放置在基板边上并称作“边沿换能器”。换能器可包含一个以上压电 元件，它们可帮助耦合到要求的声模上；例如见美国专利5,162,618的图 2D。5,162,618的图2中所示的所有换能器都可与本发明一起使用。

压电元件可间接耦合在触屏基板上。例如，见美国专利5,072,427的 图12中的用作压电元件与基板之间的声音传输线“柔性连接器”，通过 引用将其全部结合在此。

在较佳实施例中，换能器包含在压电元件与接触基板之间的楔状耦 合块。当用作发射换能器时，压电元件在楔状材料中生成体波，后者又 耦合在接触基板中要求的声模上。例如，在Elo Touch Systems出售的触 屏产品中，以这一方式用聚丙烯楔将压力模式压电元件耦合在Rayleigh 波上。此外，楔状换能器可将水平偏振切变压电元件耦合在适当的接触 基板中的Love波上。楔材料必须具有接触基板中的要求的波模的相速低 的体波声速；楔形角的余弦等于这两上速度之比。

在一些实施例中，接收换能器也可用作发射换能器。当同一换能器 既用于发射又用于接收时，可通过高阻抗开关将低电压高灵敏度接收机 电子器件临时从高电压发射电子器件上断开。

发射换能器从控制器接收所要求的频率上的正弦波或伪正弦波音调 脉冲串。这一脉冲串通常具有最大为额定工作频率的能谱。通常将传感 器调谐成在特定频率或频率组上使用，因此这一参数是预定的。见美国 专利号4,644,100、Re.33,151及4,700,176，通过引用结合在此。

描述的类型的压电换能器是本质上方向性的。当同相电子或机械驱 动所有压电部件时，声电子耦合最强。从而，在斜角上入射到压电元件 的面上的波具有实质上减小的轴响应。

通常，换能器是波模选择性的。例如，带有压力模式压电元件的楔 状换能器可以是对Rayleigh波灵敏而对水平偏振切变波不灵敏的。基于 安装在边沿上的水平偏振切变波模压电元件的换能器可对ZOHPS波灵 敏但对Lamb波不灵敏。换能器的波模灵敏度有助于压缩来自寄生声径 的信号。

注意，如这里所使用的，换能器系统包括换能器与任何相关阵列。 因此，换能器系统生成行进通过基板的增量地变化的波组，它们可具有 与换能器本身生成的相同或不同的波传播模式。

控制系统

控制系统具有若干功能。首先，生成电子信号，它激发换能器生成 随后构成波组的声波。然后换能器接收该波组，并将它们转换成电信号。 接收电信号，并在低级控制系统中以相对高的数据率保持有效信息。通 常与低级控制在结构上组合的中级控制系统处理所接收的数据，寻求识 别与特征化扰动。例如，在一个实施例中，中级控制滤波信号，执行基 线校正及确定信号时阈值的关系。高级控制分析信号扰动及输出接触位 置。因此，控制系统作为一个整体具有下述功能：激发声波，接收带有 作为扰动的接触信息的声波部分，及分析接收的部分以抽取接触的诸如 位置等特征。

在较佳实施例中，如下面详细讨论的，激发发射换能器的电子信号 是以短音调脉冲串的形式的，并为接收信号中的扰动确定延迟时间。作 为替代，控制系统可通过信号扰动的频率分析确定接触吸收哪些波径。 见诸如US4,645,780。

A、实现

接触位置传感器的典型控制系统包括具有存储在非易失性存储器中 的程序指令的数字微型计算机系统。例如，这是具有内部CPU、RAM、 计数器与定时器及可能的其它功能的8或16位微控制器。从而，可使用 工业标准80C51改型微计算机或包含80C51核心的ASIC设备。类似地， 可采用数字信号处理器来分析波形，或者也可采用诸如Microchip PIC 16 X与17X RISC微控制器等低价RISC微控制器。

按照本发明实现控制的电路可以设置成分立装置，按照通用性划分 的标准装置或诸如应用特定的集成电路(ASIC)等高度集成的电路。较 佳的控制电路设置成一对ASIC，它们分别一般性地参预脉冲串与采集周 期的数字控制，及触屏系统的模拟发射与接收功能。传统上，声学触屏 中的压电换能器所需的激发需要数十伏范围中的相对高电压，并因此为 这一功能采用分立的半导体装置。然而，按照本发明的若干实施例，逻 辑电平换能器激发是可能的，允许高度集成的混合信号ASIC来实现这 一控制。因此，本发明也包括高度集成的控制电路来实现激发与接收功 能，以及可选用的可编程微控制器。逻辑电平电压是指用于在数字集成 电路之间的通信的信号而言。因此，一个有利的实施例可包含采用打算 用在计算机间设备通信的电压的激发，它们通常具有比计算机内部通信 器件的电压高。从而，这种电压可从RS-232通信电路导出，例如可用 来传递接触位置输出。

虽然在这里分开描述各种控制功能，应理解在许多实例中，最好用 高级功能集成，并因此理解公共硬件元件可用于各种功能。然而，在一 些实例中，特别是当接触感测系统与主计算机一起使用时，一些高级功 能可作为程序或所谓设备驱动器在主计算机上实现。

B、激发

激发功能通常是直观的。以规定的模式发出一系列在额定频率上具 有实质性能谱密度的一系列脉冲或整形脉冲。由于这一脉冲具有有限的 持续时间，它具有有限带宽。例如，Elo Touch Systems制造一种能以6 至42次振荡范围的持续时间激发5.53MHz音调脉冲串的控制器。这一 电子脉冲串驱动发射换能器，后者发出从发射换能器向外行进的声波。 该波是高度方向性的，并沿例如通过反射阵列的轴行进。

当希望在激发脉冲串上具有高度灵活的控制时，可采用诸如Analog Devices AD9850等直接数字合成器。

在激发期间，通常希望可以多路复用来接收来自多个换能器的信号 的接收电路是电隔离的，例如通过电子开关与/或二级管，以便来自激发 电路的寄生电路径不致过载高增益接收机电路或影响包含滤波器在内的 电荷存储元件。当激发脉冲结束时，然后将用电子开关将接收电路连接 到接收换能器上，后者可以是与发射换能器相同的。隔离电路可与多路 复用电路合作。可将激发电路适应成接受传感器子系统的特征中的变化。 例如，Elo Touch System控制器产品E281-2310通过调节脉冲串脉冲持 续时间适应于不同信号衰减的触屏。

C、带宽考虑

激发音调脉冲串具有有限的持续时间并从而包含若干频率分量，其 中包含额定发射频率。与反射阵列的相对地窄的频率滤波特征相比，这 一频率分布通常是宽的。

反射阵列作为滤波器工作，并且通常是换能器的最窄带滤波系统。 对于严格均衡的信号幅值及对于反射器间隔的高质量阵列设计与制造控 制，带宽能接近与信号持续时间的倒数成比例的理论极限。从而，来自 激发脉冲的许多宽带能量并不相干散射或者是被反射阵列误引导的，并 且不与要求的信号一起接收。在一些情况中，宽带波能分量可导致由旁 瓣、波模转换或使这一波能与接收的要求的波干涉的其它有害效应引起 的寄生信号。这提供了限制接收电路的带宽的动机。从而，接收机可包 括选择性滤波器。

从频域的观点，接触改变传感器子系统的频率滤波特征。在时域中 狭窄的由接触引起的扰动将通过带宽与持续时间之间的基本数学关系导 致传感器子系统的频率滤波器特征的加宽。发射的音调脉冲串通常保持 充分短，从而传感器子系统受到包含接触信息的频带的激发。接收电路 中的带通滤波器的带宽必须具有足够的宽度来通过包含接触信息的频率 分量。

D、接收机

控制接收对应于来自换能器的声波的信号，并处理该信号供分析。 控制保持相关数据，并且可以，实际上最好，从信号中滤掉无关的数据。 从而，当对于平滑的波形相关的信息为时间与幅值时，诸如相位、需要 的带宽以外的频率分量及供其它传感器子系统的接收换能器的信号等其 它信息可以忽略。此外，包含在信号中的数据类型定义最简单的可接受 的控制器配置。然而，信号内也可包含其它类型的信息。这一信息的分 析在分析信号中可能是有用的。接收机的目的是从声波信号中抽取信息， 声波信号可表示其源、路径、扰动的特征或类型、扰动的定时、扰动的 持续时间、扰动的频率特征、扰动的压力或幅度以及干扰或假象。从而， 接收机取得具有大量原始数据的信号并生成表示信号的有效特征的矢 量。

按照本发明的一些实施例，可将不同类型的波时分复用，例如顺序 地作用在基板上，因此不需要同时出现与分析。从而，当具有不同的频 率或波长的发射的波的激发可以独立选择时，可将它们时分复用到基板 上。因此，接收机也可多路复用在多种状态中工作。作为潜代，可将各 种波模同时作用在基板上，并通过从两个或多个接收来自公共发射换能 器的信号接收换能器中选择一个来解决，并在接收换能器上或接收电子 器件中有选择地处理。

接收电路可适应于传感器子系统的物理特征的变化。例如，Elo Touch System控制器产品E281-2310通过调节用于选通接收信号的时 窗适应不同大小的传感器子系统。

可采用不同参数的多变量分析从接收的数据中得出进一步的信息。 如果可以得到一种以上的波类型，控制器可选择最佳的波或波组来分析 感测的变量，即在不同条件下，在确定输出中分析或采用可获得的信息 的子集。

在许多实施例中，没有必要捕捉包含在接收信号中的相位信息。然 而，在一些实例中，这样做是有利的甚至是不可少的。如下面讨论的， 使用相位信息允许推广到在其中要求的信号是相干地叠加在另一要求的 信号或寄生信号上的情况。下面更详细地讨论本发明的这一新颖特征。

相位与叠加的信号的分离

接收信号中的相位信息可用来解开时间上重叠的信号。参见图 29(a)，其中示出了叠加的波的效应，在相位敏感的接收机系统中，如果 信号矢量S_i幅值明显地大于或小于基准矢量R_i的幅值，或者如果相对 相移

Δφ＝φ_i-(φ_i+Δ+φ_i-Δ)/2

明显地非零，或者诸如Δφ与|S_i-R_i|/|R_i|的平方和等两者的加 权组合大于阈值，便在第i时间片上检测到扰动。在这一公开中，Δ为 相当于或大于典型的接触扰动所占用的时间片的数目的整数。注意Δφ 的值并从而上述条件不受绝对相位的整体漂移影响，也不受相位对时间 的斜率的整体改变的影响。从而，即使在存在干涉信号时，相位敏感的 接收机系统也能可靠地检测所要求的信号的扰动。另一方面，即使在第 i时间片上在信号相位中出现明显的改变，如果|S_i|≈|R_i|，AM检 测系统可以忽略这一点。

这一阈值没有必要是全程值，并因此可在传感器的不同区之间变化。 理论上将阈值设定为可靠地检测接触(低虚假否定率)同时防止指示并 不对应于真实接触的接触的输出(低虚假肯定率)。例如，可通过确定 给定区域中的噪声或信号不稳定级，并将阈值设定在该区域的平均噪声 或不稳定级以上来加以优化。可以周期性地、连续地与/或根据整件的发 生重新确定阈值。虽然相敏控制器可能更恰当，也可将区域性确定阈值 系统应用在传统AM检波器系统上。这些区域可对应于接收信号的时间 尺度、传感器系统的物理坐标或其它方便的空间。阈值确定可在信号的 逻辑分析之前、之后或与之同时发生。

在相敏系统中，为了保证将扰动定位成对接触所期望的，可进行进 一步的分析，对于距离第i个(i^th)时间片适当地小的步长数目Δ的时间 片的信号幅值上，要求下述条件成立。

φ_i+Δ≈φ_i-Δ|S_i+Δ|≈|R_i+Δ||S_i-Δ|≈|R_i-Δ|

现代电子器件支持这些相位算法原理的进一步求精与改进。例如， 可提供具有自适应能力的DSP滤波器设计，即，它可学习新的补偿策略 或细节并在必要时应用它们。注意可将DSP功能实现为专用半导体设计， 诸如DSP或数字滤波器，或者可作为通用处理器的软件控制的功能提供。 适用的DSP器件包括来自Texas仪器公司的TMS320C2x，C3X或C5X 器件，来自Motorola的MC 56000系统DSP，来自Zilog的包含DSP 功能的Z8系列微控制器等。DSP功能也能通过应用特定的集成电路、 可编程逻辑器件及其它类型的半导体器件获得。

声音信号传播时间与人类反应时间相比是非常短的。因此，信号不 需要完全实时处理。通常在接收到它时简单地捕捉与数字化波形信息便 已足够。捕捉的原始数据可在以后处理。有可能顺序地激发多个传感器 子系统并在激发另一个时处理来自一个子系统的信号数据。从而，在设 置了可以分析接收的信号的控制系统时，基板便可用于其它的测定周期， 允许独立地分析不同的波模激发周期。在希望高速数据采集的环境中， 或者计算能力可用于这一目的环境中，也可并行分析多个传感器子系统。

D(i)AM检波

对于其中的信号幅值信息足以重构接触位置的实施例，可使用AM (调幅)检波电路。这可能是来自寄生声径的干扰是可以忽略不计及永 远不会在接收换能器上同时接收来自一个以上传感器子系统的一个以上 要求的信号的情况。先有技术声学接触系统假设能通过AM检波成功地 处理接收的信号的要求。对于本发明，这不是要求，但对于许多实施例 这仍然是成立的。图30中示出了典型的AM检波电路。

先有技术中广泛地采用AM检波法。从而，AM接收机公开在美国 专利号5,162,618、5,072,427、5,177,372、5,243,148及5,329,070中，通 过引用特意结合在此，以及在美国专利号4,642,423、4,700,176、4,644,100 及Re.33,151中，通过引用特意结合在此，在可以应用时它们可与传感 器实施例一起采用。声学接触板控制器还公开在美国专利号5,380,959及 5,334,805中，通过引用特意结合在此。

下面的AM检波方案是典型的现有商品化控制器产品。在各接收换 能器一个的前置放大器级之后，将接收信号多路传输到诸如MC1350RF 自动增益控制放大器上。然后用诸如全或半波整流电路、同步整流器或 MC1330检波器检波该信号。检波器后面通常跟随单极低通滤波器。将 带宽限制作用在信号链的各级上。得出的带宽通常小于0.5MHz。然后将 由于带宽限制而平滑的整流信号缓冲存储并用8或12位模数转换器数字 化。每微秒一个数字化样本是典型的。数字化数据可以实时分析与/或缓 冲存储供以后分析。

先有技术的AM检波触屏信号方法不是可以利用的仅有AM检波技 术。例如，接收机电路可包含调谐窄带AM超外差接收机。具有已知传 输频率的接收信号在低噪声、高增益视频型放大器中初始放大。然后将 放大的载波与信号与AFC(自动频率控制)调谐信号混合以达到诸如 3.54MHz的IF。滤波该窄带IF(中频)信号以消除其它频率但保留具有 小于500KHz带宽的幅值信息，然后放大。然后用全波整流与滤波或同 步检波检波放大的经过滤波的IF信号。数字化AM检波的信号。

对于本发明的许多实施例，信号扰动的低级识别可通过已知的AM 检波方案进行，但识别出的信号扰动的高级逻辑分析则与已知的系统不 同，如这里所描述的。

美国专利号5,380,959与5,334,805中公开的AM检波法的变型，在 其中各别的X与Y接收换能器生成信号。一个接收机响应要求的信号加 上来自声音寄生路径或电磁背景的干扰，而另一个只响应干扰。虽然也 许不是典型的，可能存在着X与Y接收换能器两者以相同的相位与幅值 接收干扰的情况。在这些情况中可将只有干扰的信号相干地从其它信号 中减去，并通过标准AM检波法处理得出的消除了干扰的信号。这一来 自两个接收换能器的信号的组合是与下面描述的相敏检波法截然不同 的，后者中即使多个信号是重叠的，控制器也能处理来自单个接收换能 器的输入；美国专利5,380,959与5,334,805的双接收换能器电路的明显 目的为避免处理在时间上重叠的信号的需要，否则会与AM检波方案冲 突。

如图30中所示，一对换能器X与Y提供输入给带通滤波器3001与 3002。这些带通滤波器也可以是陷波滤波器，并且前置放大器3003、3004 是频带限制的。取决于哪一个换能器正在活跃地接收信号，将前置放大 器3003、3004的输出多路传输通过多路复用器3005。可设置又一个带 通滤波器3006。设置电压控制放大器3007以允许控制器调节输入信道 的增益。带通滤波器3008消除DC与低频分量以及高频噪声，并在全波 整流器3009或RMS电路中检波信号的幅值。然后用低通滤波器3010 再一次滤波检波到的输出，用放大器3011放大，及输出。可将输出馈送 到例如样本与保持放大器及模数转换器(未示出)。

D(ii)相敏检波

按照本发明的一组实施例，叠加两(或以上)组波径并在接收机上 同时接收多个部分。这一情况示出在图9D(1)中。叠加的波径组可对应于 所要求的传感器子系统，或由寄生声径引起。没有作出假设在不同的叠 加波径组之间存在任何特殊绝对相位关系，此外叠加信号之间的相位关 系可随时间漂移。

两种波的四种代表性相对相位状态为：同相、异相、超前与滞后。 例如，通过一部分基板的具有相等幅度的波受到接触引发的扰动，其中 为了示例目的，假定手指触摸完全吸收其中一种波。如果波是同相的， 这一触摸会导致总幅度中的两个减少因子。如果这些波具有90°的超前 与滞后相位关系，手指触摸只导致净信号幅值的大小中29％的减少。如 果波是异相的(相隔180°)，在触摸前净幅值为零，而手指触摸将引 起有限信号的出现。这些效应使基于AM检波方案的典型接触识别算法 混淆，并且这便是在此之前为什么认为它不能在传感器设计中接受来允 许以这一方式组合信号幅度的原因。

如图9D(1)中所示，各带有接触信息的两个信号是同时出现的。将它 们相加时，如上所述有多种可能性。图9D(2)示出相位相干的叠加，其中 两个波的幅值是相加的。在相位相干检波方案中，如图9D(3)中所示，从 第一波形20中减去第二波形21，带有负幅值22的可能性，而信号幅值 的增加对应于波扰动23。图9D(4)示出两个波的破坏性干扰，带有得出 的波形的RMS检波，从而负幅值是不可能的。更一般地，在接收它们时， 图9D(1)中的两个信号之间的相位关系可能漂移，从而导致对于AM检 波方案更成问题的信号。

其中的控制器捕捉相位以及幅值信息的实施例能利用这种叠加信 号。例如，如图29(a)所指出的，由于接触引起的信号扰动可用二维I- Q空间中的净幅值的位移识别。即使净信号的大小并不改变这也成立。 即使存在叠加信号，要求的信号的声衰减永远改变I-Q空间中的净信号 矢量。如在上面关于图29(a)的讨论中指出的，有可能实现滤掉叠加的波 组的总体相位中的各种漂移的算法。

如果与控制器更新基准I-Q幅值矢量R_i占用的时间相比叠加波组 的总体相位中的漂移是慢的，便可作为|S_i-R_i|的明显的非零值来简 单地识别接触的存在。

存在着许多方法来实现相敏控制器。一种方法是比较接收信号的相 位与自激基准时钟信号，如图31(c)中所示。其它方法可利用锁相环，如 图31(a)、31(b)与31(d)所示。

在图31(c)的上下文中，零差混合提供特别简单的概念方法。例如， 对于在5MHz上工作的传感器，生成连续的5MHz基准时钟信号3101。 对发射换能器的音调脉冲串与这一基准时钟信号具有固定的相位关系。 必要时在混合器3104中将用移相器3103时移时钟导出的基准时钟信号 3102的“同相”或“T”拷贝与来自接收换能器3105的滤波信号3106 混合，并将得出的混合信号传递通过低通滤波器3107，然后用模数转换 器3108数字化；从而捕捉到I波形3109。用正交发生器3110生成相对 于I基准时钟信号具有90°相移的基准时钟信号的“正交”或“Q”拷 贝；这类似于通过混合器3111、低通滤波器3112及模数转换器3113来 捕捉Q波形3114所用的。以这一方式直接生成S_i＝(I_i，Q_i)供在实现 基于图29(a)的算法中使用。数字处理可用通用微处理器或更专门化的数 字信号处理器(未示出在图31(c)中)来完成。

图31(a)中示出替代的锁相环实施例。在该图中，发射脉冲信号发生 器也控制接收时钟发生器。发射脉冲串发生器3147生成受模型3148影 响的输出，模型3148为诸如一组延时与滤波器。然后将其馈送到锁相环 电路3149。图31(a)的其余部分类似于下面讨论的图31(b)的电路。

在某些实例中，可能希望用诸如四倍于捕捉RF波形的载波频率f₀的充分高的时间分辨率来捕捉来自接收换能器3122的接收信号。最好用 窄带滤波器3127滤波接收信号。在这一情况中，抽样时钟3123提供相 位基准来操作跟踪与保持放大器3124及模数转换器3125，如图31(e)与 31(f)中所示。具体地，图31(c)中所示的系统提供可编程数字信号处理 3126所提供的全部灵活性。例如，如果使用两个或更多工作频率时，部 分地通过加载生成在软件中选择的要求的频率上的滤波器所需的适当数 字信号处理常数，便可选择特定的接收信号。图31(f)提供执行相位抽取、 数字滤波及时间抽取的应用特定的数字信号处理电路3120。从而，降低 了输出数据率，并且可用不带特别数字信号处理技能的典型微计算机 3121来执行进一步的分析。

在捕捉RF波形的这种系统中，是在前置放大与标准信号调节(可 包含窄带滤波)之后在超过Nyquist速率的速率上直接数字化接收信号， 然后用数字信号处理器(DSP)3126处理。在这一情况中，DSP 3126可 实时操作，或者将接收的数字化波形缓冲存储在RAM中并等待处理。 例如，对于大约每40毫微秒的样本(每秒25兆样本)，用5.53MHz激 发及500μS回波分析，可能需要大约16千字数量级上的RAM缓冲器。 当然，如果不需要一次完全分析整个信号，可以降低这一存储器要求； 例如可以在时间上分信号，及接连地分析接连样本的块。这将为各激发 脉冲串将分析集中在传感器部分上。可以自适应地改变实际样本定时来 跟踪接收的波形，或者在恒定的速率上。然后在检测相关参数之后可以 数字滤波数字化信号(FIR、IIR、自回归、或诸如自回归与移动平均处 理滤波等更复杂的滤波器)，对其进行波形分析，自适应补偿，与基准 比较，及提交给其它技术来确定诸如位置、Z轴(压力)及物体类型(波 模吸收特征)等接触的波形扰动特征。这样，提供了选择性的灵敏系统。

可用锁相环3130从接收的信号中生成基准时钟信号，如图31(d)中 所示。通常可在硬件中实现锁相环3130，以便生成对应于另一信号的“载 波”的振荡信号。如图31(b)中更详细地所示，锁相环3131跟踪信号， 但限于用时延3132较慢地变化。从而，可以滤去由制造容差及环境效应 引起的相位漂移，而仍可通过比较生成的载波与实际信号或通过分析误 差信号来确定由接触引起的相位中的任何快速变化。图31(b)中还示出一 对用于混合同相及正交合成时钟输出3135与接收信号的混合器3133、 3134，及一对检波各相位信号的RMS检波器3136、3137。如所示，该 电路寻求使I与Q信号的RSM值之间的差最大，在各自的幅值中出现 相对改变时移位VCO 3138的相位。VOD 3138具有来自控制器3140的 锁定输入3139以防止例如在检测到接触时的补偿改变。在多路复用器 3141中多路传输I与Q信号的RMS值，并在模数转换器3142中数字化， 及输入到控制器3140。控制器3140具有用于存储过渡数据的RAM 3143、 用于存储程序与表的ROM 3144，以及输入与输出驱动器3145。如图31(d) 中所示，检波电路3146可生成I与Q信号，它们不加RMS处理地多路 传输与数字化。

如果锁相环的控制反馈充分地快，则例如可以积分与数字化控制锁 相环中的可变频率振荡器的电压以直接提供信号相位的测定。利用滤去 DC滤波器，能消除总体相位偏移中的变化。与AM检波组合，这提供 以极坐标表示的数字化I-Q信号幅值。从而相敏控制器可数字化以笛卡 尔或极坐标表示的I-Q空间中的信号。

电子工业提供并能期望继续引入能够制造相敏控制器的部件。例如， Intel Pentium处理器或Texas仪器公司TMS 320C80DSP协处理器能提 供惊人的数字信号处理能力。从一个或多个Texas仪器公司 TLC5540INSLE 8位ADC在40MSPS上，或从一个或多个Analog Devices ADS82010位ADC在20MSPS上的10位分辨率上的快速信号数字化是 可能的。适用的PLL有例如Signetics NE/SE 564、NE568(或等效物) 及Texas仪器公司TLC 2932(或等效物)。适用的混频器包括NE/SA602 及NE612(或等效物)，它们各包含双平衡混频电路。见Signetics NE/SA602数据表及Signetics AN1981及AD1982。特定应用的成本性能 权衡确定相敏控制器的部件的最适当选择。

利用带外差式混频的中频(“IF”)可认为是将接收信号移位到用 于大规模市场信号处理应用的标准的频率的一种措施。例如，455Khz与 10.7MHz为用于无线电与视频通信的标准IF频率。此外，当要接收多个 频率时，外差式接收机允许利用公共的滤波器与接收机来接收调谐后的 各种信号。注意中频有可能高于触屏的工作频率。IF频率的使用进一步 增加了作为相敏控制器的构筑块电子部件的选择。

E、中级处理

中级处理的目的为高效地重构由接触引起的信号的扰动的延时及定 时吸收信息，并以对由温度、湿度、电子发射、射频干涉之类引起的信 号假象充分的不敏感性来这样做。中级处理没有必要是完全没有错误的， 由于算法中的高次处理也可排除假象。如果现实，如果高级算法需要来 自三个或更多传感器子系统的相符与冗余的信息，以不敏感为代价能优 化中级处理的效率。

通常，相关接触信息包含在额定工作频率周围的相对地窄的带宽内。 用硬件中或通过数字信号处理的适当频率滤波能消除许多假象。

相对于许多信号漂移源，接触扰动出现在快速时间标度上。因此， 先有技术中通常利用自适应基线来区别真的接触信息与信号幅值中的系 统性漂移。然而，注意，与先有技术不同，自适应基线不限于AM幅值 信息；自适应基线也可包含相位信息。

如上面讨论的，基线与/或阈值处理可以是区域性改变的，并可优化 成最高性能。

在相敏控制器的上下文中，自适应基线的采用在概念上类似于已知 的AM系统。从而例如，自适应基线校正是通过记住基线模式并相对于 记住的基线分析接收的信号来确定扰动的出现而实现的。基准条件补偿 长期的与环境的条件，并简化接收的信号的有意义的分析。基准条件最 好在不存在接触或其它瞬变状态指示时周期性地导出。此外，即使在出 现接触的时段中，也可根据假定不受瞬变状态影响的信号部分连续地更 新基线。因此，基准信号补偿屏幕、掺杂物、以及由诸如温度等引起的 长期漂移的许多物理特征。已知系统实现这种自适应基线。

采用相敏控制器的本发明的实施例必须不止包含基线的简单减法。 诸如记住的基准波形等基线信息包含相位以及幅值信息。作为选项，可 存储稳定性或噪声信息。简单的基准幅值减法被包含I-Q空间中的位移 的计算的数学处理所取代。

不管控制器是否是相敏的，处理接收的信号而为传感器子系统提供 时间延迟与候选接触扰动的幅值。然后将这一信息用在数据处理的下一 级中。

如果存在着哪一个传感器子系统对应于候选接触扰动的二义性，则 可将所有解释提供给高一级的算法供进一步处理。这种二义性出现在图 19、22(c)及28中所示的传感器系统中。恰当的例子是当相敏控制器通过 公共的接收换能器同时接收来自两个传感器子系统的信号，而该控制器 可能没有确定相关地求和的信号中哪一个受到了扰动的直接措施。

F、扰动分析

分析候选接触扰动来重构接触位置。可选择地，接触系统可输出关 于接触的进一步信息，诸如接触“压力”，即声吸收强度，及诸如切变 波对Rayleigh波吸收比等“水排除”接触特征。此外，本发明支持具有 提高的对由掺杂物引起的屏蔽的耐受性的算法，具有清楚的多接触能力， 及具有由于基于冗余测定的一致性检验而得出的增强可靠性。

推广到非正交传感器子系统

虽然本发明的范围包括只输出单个坐标的方案，大多数接触系统的 基本目的是输出表面上的接触的二维坐标。如果两个或更多传感器子系 统感测到接触，则通常能说明在对应的信号中观察到的扰动导致的延时 只有表面上的唯一接触位置。注意用按照本发明的子系统测定的坐标不 必要对应于输出坐标轴也不必要互相正交，与阵列正交也不必要与玻璃 的边正边。从而，当感测波并不跨越与参照坐标系正交的基板的触敏区 时，控制器在一个或多个接收信号上执行到达要求的坐标系的坐标变换。 到输出坐标系的坐标变换可在重构接触的二维位置之前或之后进行。

当接收到比重构接触位置所需要的多的信息时，例如两个坐标轴的 三个接收信号，便可执行一致性检验与优化分析来优化获得的信息的利 用。可根据用感测接触的传感器子系统对确定的坐标来构成加权平均值。 此外，算法可利用最有可能提供可靠与精确的坐标测定值的传感器子系 统对确定的坐标。

一旦登记了接触，便通过计算接触中心来确定接触的坐标，可能带 有线性或定标校正，并作为接触位置输出。

没有要求接触扰动的延时与任何感兴趣的坐标之间存在着线性或近 似线性的关系。

接触特征双波模感测

如同先有技术传感器，作为接触系统的输出可与接触位置一起包含 接触的“压力”或“Z轴”。如果一个以上声模感测到接触，本发明可 提供附加信息。见图26。例如，如果接触受到水平偏振切变波及诸如 Rayleigh波等受到在水掺杂中衰减的泄漏波辐射的声模两者的感测，则 切变波对非切变波声吸收之比提供可用于排除水的接触特征。可定义一 个阈值以便在接受手指触摸的同时排除由水滴引起的“接触”。这是在 接触区中利用一种以上声模的传感器的重要特征。从而，按照图26，重 构接触位置(2601)。在2602确定各波的信号扰动强度。在2603相对 于已知条件测试扰动的一致性，以便分类接触的特征。

抗屏蔽

对于设计成用三个或更多传感器子系统来感测接触的传感器设计， 抗屏蔽算法是可能的。见图25(a)与25(b)。当掺杂或其它声障将信号幅 值降低到产生无反应的死区时，便出现屏蔽。对于传感器子系统，死区 不仅包含掺杂物的位置，还包括受掺杂物屏蔽的整个声径长度。例如， 在按照先有技术的带有X与Y传感器子系统的矩形传感器中，一英寸直 径的强吸收掺杂物将导致在掺杂物上相交的具有一英寸的水平与垂直带 的十字形死区，在其中不能重构二维接触坐标。注意，丢失任何一个坐 标测定值都导致不能重构接触位置。反之，当接触位于三个或更多传感 器子系统的灵敏区中时，如果在掺杂物的屏蔽中丢失一个坐标，仍能确 定二维位置。

图25(a)示出抗屏蔽算法的简化流程图。该算法流程图是缩简的及象 征性的，提出基本步骤。在下面本发明的特定实施例的上下文中考虑基 本概念的应用。在2501识别所有传感器子系统信号中的所有明显扰动。 在2502为各信号扰动确定延时。在2503匹配传感器子系统的重叠区中 的扰动。最后在2504，从匹配的组中计算接触位置。注意，认为屏蔽影 响与接触相反，而是强吸收慢变化的扰动，而接触则通常具有短持续时 间且可能小于完全吸收。图25(b)更详细地示出用于图13中所示的X，Y， 30°对角线路径传感器系统的抗屏蔽算法。在2511为接触搜索X信号。 如果找到，在2512搜索Y信号，如果未找到，在2521也搜索Y信号。 如果X与Y都找到，在2513报告接触位置。然后在2514、2517搜索两 个三角形传感器子系统的对角线路径上的接触，如果找到，在2515、2518 计算丢失的Y，并在2516、2519报告，如果未找到对角线接触扰动，X 接触信息可能是假象而在2520忽略它。如果未找到X，在2521上搜索 Y上的接触。如果X与Y都不显示接触，便在2522假定未出现接触。 反之，如果找到Y接触，则在2523、2526搜索对角线路径上的接触， 如果找到，在2524、2527上计算丢失的X并在2525、2528上报告。如 果未找到对角线接触扰动，则Y接触信息可能是假象而在2529忽略它。

对于屏蔽掺杂物，特别是由三个或更多传感器子系统观察到的，控 制器具有能从中确定掺杂物的存在与位置的信息。这一信息也能用来向 用户提供反馈以便解除这一问题。例如，诊断软件可包含维护选项，在 必要时显示带有箭头与目标的“在这里清洁我！”报文。

多接触功能

本发明的某些实施例的特定方面为根据多个波检波与分析多个同时 的接触的能力。见图24(a)与24(b)。

先有技术传感器在同时遭受两个或更多接触时遭遇下述二义性。考 虑声学触屏遭受两个接触，一个可用坐标(X₁，Y₁)表示而另一个用坐 标(X₂，Y₂)。提供X坐标作息的接收信号包含能确定X₁与X₂的值的 两个信号扰动。见图9B。类似地Y信号允许重构Y₁与Y₂的值。这些信 号清楚地表示有两个接触。然而存在着这样的二义性，两个接触是在坐 标(X₁，Y₁)与(X₂，Y₂)上还是在坐标(X₁，Y₂)与(X₂，Y₁)上。 二义性涉及用哪一个X坐标与哪一个Y坐标配对。以增高的复杂性，类 似的二义性存在于三个或更多用时接触。

在一定程度上，这一二义性能用定时与定量衰减信息来解决。如果 (X₁，Y₁)接触在(X₂，Y₂)接触之前与传感器接触，控制器可确定(X₁， Y₁)/(X₂，Y₂)双接触比(X₁，Y₂)/(X₂，Y₁)双接触更有可能跟随 在(X₁，Y₁)单接触后面。类似地，可以利用接触幅值信息。例如假定 第二接触是比在(X₁，Y₁)上的接触较轻的接触(即带有较少的衰减)， 用小写字母来表示其接触坐标(x₂，y₂)。通过匹配幅值，控制器可确定 (X₁，Y₁)/(x₂，y₂)双接触比(X₁，y₂)/(x₂，Y₁)双接触可能性更 大。在许多情况中，这些方法将解决二义性。然而，只有它们本身，这 些方法不是永远可靠的。两个接触可具有近似地相同的衰减或同时进行 接触。最重要的是，如果X₁与X₂或者Y₁与Y₂的值充分接近，信号 中的对应扰动将重叠而使得可靠与精确地解开两个坐标值成为问题。

这里如图13与14中所示，用三个或更多传感器子系统来覆盖所要 求的接触区是有利的。图24(b)示出可用在图13中的传感器上的算法。 利用一对传感器子系统，可在2401X、2401Y上确定遭受二义性的候选 接触位置。对于各候选接触位置，可为其余的传感器子系统预测延时。 对于有效的接触位置，预测的延时将对应于沿所有轴测定的接触扰动。 更一般地，用来自三个或更多传感器子系统的延时的自相一致的三元组 识别一个有效的接触。从这些自相一致的三元组中可以计算接触位置。

比较过程包含用各种可能性来测试候选接触位置。从而在2405识别 候选接触，在2406、2408为对角线轴的各候选接触位置计算预测的扰动， 并在2407、2409将预测的扰动与各对角线轴的实际扰动比较。在2410 确定一致的候选接触的接触位置并输出。在2411接连地评估候选接触。

注意这里提出的接触扰动干扰问题是“掺杂物”屏蔽问题的变型， 并从而能在抗屏蔽算法的协助下解决。即该算法可根据严格分开的接触 扰动的传感器子系统数据确定接触位置。

多接触算法可遭遇由组合原理引起的排列相对地大的数目的候选接 触位置的负担。然而，除非同时接触的数目过份大，对于算法响应时间 这不是重大问题，在低级控制中产生大量的数据缩减，即来自模数转换 器的数据流减少到相对小的参数组，诸如各检测到的扰动的定时、宽度 与幅值。由于要由高级控制(即逻辑分析)处理的数据量是相对地小的， 有可能用全面的分析。因此，如果在三组波的各组中检测到三个扰动， 三个接触的27个可能坐标位置的各个逻辑分析是可能的。因此，可将各 扰动的扰动特征、衰减与定时相关性进行比较来预测一组最可能的点。 如果例如扰动之一包含假象或干扰，则可排除或忽略对应的坐标。

注意，为了从许多可能性中定义接触位置，不必用声学方法严格地 执行二义性分辨。例如，可用粗略的红外线接触检测网络(相对于声学 传感器子系统测定的坐标转动的)来检测一个或多个接触的大概位置， 用粗略位置来一致地确定接收的声波信号中的多个扰动的精确位置。

冗余测定值一致性检验

即使在没有由多个接触引起的离散二义性时，其于冗余坐标测定值 的自相容性的算法也提供消除假象的措施。见图24(a)。利用来自三个或 更多传感器子系统的延时的自相一致三元组超过了先有技术中使用的冗 余检测。

按照已知的方案，波沿对应于基板的一对垂直的物理边沿或主轴的 轴行进，并且一组波感测沿各轴的接触。从而单个接触将在一组波的各 个中产生一对对应的扰动，这一对扰动直接对应于基板的坐标系。从而， 在检测到接触时，分析确定沿各轴的位置及输出一个坐标对。这一已知 的系统冗余地检测接触的出现，这便是如果在X与Y声道中都观察到时 证实存在着接触。从而，可以忽略影响一个读数而并不影响另一轴上的 随后读数的不相关的噪声。此外，可以要求最小的扰动持续时间，以便 为了登记接触而至少需要一个确认读数。然而，已知的系统并不包含高 级冗余。

本发明包括冗余分析，使得利用至少提供通过一个接触位置的两条 波径来确定沿单一的轴的位置的信息，或者对于通过接触位置的接触具 有差分吸收率特征的两种波来确定沿一条坐标轴的位置。按照本发明的 另一方面，执行坐标变换将来自不同波径的换能器所生成的信号翻译成 所要求的坐标系，其中该变换至少需要两条波径来定义单一的输出坐标。

从而扰动分析也可包含确认检验及基于多个信号的位置估算，其中 可能出现不一致性。从而，这些信号是按照规则逻辑地分析的，这些规 则可以是预定的或自适应的，定义应当为给定的输入组生成的输出。

图24示出具有两个正交声径组及一个非正交声径组的接触传感器 的多接触/冗余检验算法流程图。算法流程图是缩减与象征性的，提出基 本步骤。在2401识别所有传感器子系统信号中的明显扰动。在2402确 定所有扰动的延时。然后在2403评估三元组的自相一致性，连带评估误 差的重大性。然后在2404计算接触位置及输出。在下面本发明的特定实 施例的上下文中将考虑基本概念的应用。这一算法能解决多接触二义性， 并提供附加的噪声排除，允许在较噪杂的环境中操作与/或以较轻的接触 阈值操作。

当假定冗余信息不一致时，可分析信号来确定信号之一是否有可能 不精确或有误差，并输出最可能的坐标。此外，当不精确或误差遵照一 定模式时，例如表示用很差地优化的定标常数来相互关联延时与接触位 置，可提供出错信号来最终提示用户校正该问题，如重新运行定标软件。

波模

如上所述，本文件将“表面声波”(此后记作“SAW”)定义为表 面上的接触导致可测定的声能衰减的声波。将表面声波用在穿越传感器 子系统的要求的触敏区的声径段上。诸如沿阵列去往与来自换能器的其 它声径段可使用耦合在换能器上并且还通过反射阵列的散射耦合在所要 求的表面声波上的任何声模。若干种表面声波的实例是已知的。

对于即使是任意地厚的基板也在接触表面上包含高接触灵敏度与高 能量密度的Rayleigh波，存在许多优点。Rayleigh波由于允许基板材料 变形成自由空间的边界条件而在接触表面上保持有用的能量密度，有效 地减小了用于波的材料刚度并从而降低了其速度，从而在表面附近得到 降低速度的波导效应。例如，这使得能将Rayleigh波用在相对于声音波 长代表非常厚的基板的CRT面板上。

与Rayleigh波相似，Love波是“表面约束波”。对于Rayleigh波， 粒子运动是垂直与横向的；剪切与压缩/拉伸应力两者都与Rayleigh波关 联。反之，对于Love波，粒子运动是水平的，即平行于基板表面。只有 剪切应力与Love波关联。Love波具有不通过压缩波辐射阻尼与水或其 它液体或诸如硅胶封条等准液体掺杂物耦合的优点。当然，消除辐射阻 尼也会降低对现在只能依赖于粘滞阻尼的手指触摸的灵敏度。然而，对 于市场场所，液体掺杂物是特殊问题，Love波可能比Rayleigh波更受欢 迎。取决于基板设计，可以改变表面上的声能密度，从而改变接触灵敏 度。Love波或更一般地不对称水平偏振切变波的关键性优点在于它们在 基板的下表面上没有感觉得到的能量。

另一类声学触屏可能感兴趣的表面声波为板波。与表面约束波不同， 板波需要基板的顶与底表面两者的约束效应在接触表面上保持有用的能 量密度。板波的实例包含对称与反对称的Lamb波、零次水平偏振切变 (ZOHPS)波及高次水平偏振切变(HOHPS)波。

板波的使用限制了基板的厚度。对于板波，接触灵敏度随板厚度增 加而降低。对于诸如ZOHPS波等低次板波，随着基板厚度的增加，相 对于相邻声模(即n＝1HOHPS对ZOHPS)的相位速度差缩小，使得清 楚地分开波模更难。从而在5MHz上工作的ZOHPS传感器通常将玻璃 基板厚度限制在大约1毫米上。高次波模能用于2至3毫米的较厚一些 的玻璃基板上，部分地由于与相邻波模的较大相位速度差，而部分地由 于基板内的节面协助将声能集中在接触表面上。注意板波在基板顶面与 底面上是一样灵敏的。对于基板厚度受限制不成问题的应用及对于底侧 接触灵敏度不成问题的应用，板波是有生命力的选择。

声模的选择影响接触灵敏度、水滴与手指接触之间的相对接触灵敏 度以及许多设计细节。然而，声学触屏的基本工作原理极大地独立于声 模的选择。

如上所述，用一种以上声模同时检测接触特别有利。例如，能根据 来自水平偏振切变波模(如Love、ZOHPS、HOHPS)及来自在液体中 受压力波辐射阻尼的波模的接触扰动的比较，排除水。

区分波模的物理滤波器

传感器子系统是为特定的声径与声模组设计的。理想上，接收机信 号是完全由要求的路径与波模引起的。在相敏控制器协助下，某些来自 寄生声信号的干扰是可以接受的，但是仍然希望避免过份的寄生干扰。 可采用各种物理滤波器来保证达到寄生波模的充分抑制。

换能器与阵列提供最基本的滤波器来抑制不需要的声模。例如，由 压力模式压力元件及楔状体构成的Rayleigh波换能器会强烈地耦合在 Rayleigh波上但非常弱地耦合在可能的寄生水平偏振切变波上。阵列本 身是典型的非常有选择性的波模滤波器。参见图11，将阵列的间隔矢量 设计成在要求的方向上充分散射要求的波模；对于阵列在错误的方向上 相干地散射错误的波模或正确的波模，需要幸运的情况。除了作为传感 器设计的不可分部分的这两个基本波模滤波机制，可以引入进一步的波 模滤波器。

在一些情况中，能用反射阵列的深层结构来增强反射阵列的波模选 择性。例如美国专利5,072,427的图5A与5B为了在从ZOHPS波到指定 对称性(对称或反对称)的Lamb波的波模转换期间减少寄生波模生成 而考虑了在基板的顶与底表面两者上的反射材料。原则上，如果在反射 器结构的深层轮廓上具有完全的设计控制，便能获得最佳的反射阵列波 模选择性；但在实践中这不是永远是合算的。

商品化声学触屏通常利用声阻尼材料来吸收或“滤去”不需要的声 径。例如，在基板边沿不用在要求的声学目的的传感器设计中，将诸如 连接粘合剂等吸音材料至少放置在一部分基板周边上以消除从玻璃边沿 可能的局外反射。这种在基板周边的吸收材料在功能上类似于奥林匹克 风格的游泳池边沿的波吸收设计；冲击周边的波不反射回活动区中，在 那里它们可能使信号分析复杂化或减慢游泳运动员。这种先有技术也可 应用在本发明的实施例上。

美国专利5,177,327的图14参照数字52也示出使用吸音材料来差分 吸收需要的与寄生的波模。这种技术也能应用在本发明的实施例上。诸 如在美国专利5,177,327的图17中所示的逆反射方案提高了将波模滤波 器放置在从发射到接收换能器的声径中的机会。

可将基板本身设计成有选择地传播需要的波模及截掉或吸收不需要 的波模。例如，如果所需要的波模为最低次板波，诸如ZOHPS或弯曲 波，则充分地薄的基板不支持Rayleigh波及其截止频率在工作频率以上 的高次板波；可在有限的区域中或整个基板上减薄。作为另一示例，安 全玻璃的玻璃-聚合物-玻璃叠层可用作Rayleigh波基板，由于与上层 玻璃厚度相比波长充分地小；所有板波波模都将被吸音粘结剂粘合层吸 收。作为又另一示例，Love波基板可设计成在顶部带有薄的慢速层，中 间带有高速介质，而在底部带有吸音材料。可减少慢速层的厚度直到只 捕捉最低次Love波为止。这一Love波基板将支持最低次Love波及修 改的Rayleigh波，而不传播任何(修改的)板波波模。

一些实施例包含反射边界。在一些情况中，反射边界可能是寄生波 模转换的源，例如当反射边界是简单的基板的机加工边沿时。在其它情 况中，反射边界可提供进一步的波模滤波，例如基于多个反射器的相干 散射的反射边界，即基于图11与17的原理的反射边界。

反射边界的一种有趣的变型为基板的斜切边。随着基板变薄，高次 板波波模的截止频率提高。如果斜切边变得充分地薄来驱动工作频率以 上的截止频率，则对应的波模将被反射。由于在反射点上的高声能密度 (类似于卷成小山的物体的最大高度上的长停留时间)，放置在反射点 上的吸收器将具有提高的阻尼效应。对于斜切的基板边，不同的高次波 模具有距基板边沿不同距离上的反射点；从而能策略地放置吸收器来不 同地吸收不同波模。这一基本波模滤波技术适用于Lamb波与水平偏振 切变波两者。

作为示例，更详细地观察水平偏振切变波。可用具有斜切反射边的 基板提供波模选择性滤波器。随着基板变薄，HOHPS波模的截止频率提 高。随着波导截止频率提高，群速降低。当基板薄到足以使截止频率等 于工作频率时，群速成为零而波被反射。这一反射点对于不同的波模不 同，波模的次n越大，反射点距基板边沿越远。声波对于放置在反射点 附近的吸音材料通常具有增强的灵敏度。基板斜切可采取变窄斜切或在 基板的一面或两面斜削的方式。

从而，如果要求是n次HOHPS，诸如次n＝4，n-1次波，诸如次n ＝3，将是具有最接近的群速的波并因之而是潜在的干扰源。在带有斜切 边的基板上，放置在次n＝4反射点前面(基板较薄处)的诸如密封胶、 RTV硅树脂、环氧树脂、粘结剂或自粘带等吸音材料将滤去低次波。这 一材料可放在基板的一面或二面上。为了滤掉n+1次波，可将另一种吸 音材料放在n+1次反射点上(基板较厚处)，由于n+1次波能集中在 该点上，它将吸收比n次波多的n+1次波。对于n＝0的特殊情况，注 意可相对于ZOHPS波模抑制n＝1HOHPS波模。这种利用斜切边沿作 为反射波模滤波器的一个吸引人的特征在于玻璃与其它基板是通常制成 带斜切的边沿的。

正响应传感器

本发明的范围包含一个或多个传感器子系统具有正信号型的实施 例。这里“正信号”是指采用接触感应完成声径所需的波模转换，或生 成从始发的波移相的波的要求的声径。因此信号扰动便是在延时上生成 信号幅值，对于该幅值而言前面的信号幅值是小的或零。必要时在低级 算法中作出对应的改变。采用相敏控制器的实施例不需要任何修改，在 I-Q空间中仍存在矢量位移。一旦重构了延时与扰动大小，高级接触重 构算法照常进行，如同没有正信号特征一样。

在考虑采用正信号传感器子系统的传感器的示例性实例之前，回忆 以下的声学。考虑在B.A.Auld的“固体中的声场与波：卷II”第二版的 图10.18中标记为L₁与F₁的最低次对称与反对称Lamb波。在基板是非 常厚的限制中，这两个Lamb波模的相速变成Rayleigh波速，并且L₁与 F₁的同相叠加“L₁+F₁”变成顶部表面上的Rayleigh波及L₁与F₁的异相 叠加“L₁-F₁”。如果基板是厚的但厚度是有限的，则这两个叠加波模 为“准Payleigh波”，它们是实际触屏中使用的“Rayleigh波”。对于 有限厚度的基板，在顶部表面上作为“L₁+F₁”准Rayleigh波初始发射 声波在传播了由

d＝(1/2f)V_R²/ΔV

给出的距离之后在底部表面上转换成“L₁-F₁”准Rayleigh波，其中f 为工作频率，V_R为Rayleigh波速，而ΔV为在工作频率上L₁与F₁波模 之间的相速差。通过改变基板厚度，便能控制ΔV之值并从而控制d之 值。对于如Elo Touch Systems生产的商品化Rayleigh波传感器，希望与 触屏的尺寸相比d非常大，以便“Rayleigh波”留在接触基板的顶部表 面上。在5.53MHz上采用2或3毫米的碱石灰玻璃满足这一条件。此外 美国专利5,072,427及5,162,618讨论了在其中一次Lamb波感测接触的 声学传感器；这里基板为大约两个波长厚或更薄，如在5MHz上大约1 毫米或以下的碱石灰玻璃。这里d非常短从而抑制了准Rayleigh波表现。 回顾了这一背景材料之后，考虑d等于跨越触敏区的声径的距离的中间 基板厚度的情况(也许是实验确定的)。

为了简化，首先考虑没有反射阵列而是发射与接收换能器之间一条 直的视线的情况，如在Johnson与Fryberger的US3,673,327中图1(a)中 所示。如上所述，将基板厚度选择为使在接触区一侧上发射的顶部表面 准Rayleigh波在接触区另一侧上作为底部表面准Rayleigh波接收。通过 在基板的顶与底表面上放置诸如楔状物等发射与接收换能器，顶与底部 准Rayleigh波两者都能发射与接收。这一布置支持顶对顶、顶对底、底 对顶及底对底从发射换能器到接收换能器的声传输的四种传感器子系 统。在接触(或掺杂)之前，顶对底及底对顶子系统具有大信号而顶对 顶及底对底子系统具有小(通常没有)信号。接触将衰减顶对底及底对 顶信号并在顶对顶及底对底信号中建立正信号响应。

对于这一实例，接触区顶表面上的强吸收接触将波模“复位”成底 部准Rayleigh波。从而接触不仅衰减声能，并且改变L₁与F₁分量之间 的相位。因此在接收换能器上L₁与F₁分量不再具有相位差0°或180°， 并从而在一个表面上接收波不再是纯准Rayleigh波。两个表面上的接收 换能器都会检测到准Rayleigh波分量。用这一机制，吸收接触导致正信 号。

注意在顶部表面上发射而在底部表面上名义上接收的准Rayleigh波 将被更接近发射与接收换能器中的发射换能器的接触更重地吸收(如用 两个接收信号的强度之和所测定的)。对于在底部表面上发射的准 Rayleigh波的反定理也成立。从而来自两个发射换能器的脉冲串的相加 的接收强度之比提供沿声径方向的位置测定值。用顶对顶、顶对底、底 对顶及底对底这四个信号，能够以冗余性或附加接触特征测定值这两个 附加自由度确定接触坐标及接触压力。

上述换能器视线方案推广到带反射阵列的传感器。例如，只带“X” 阵列的矩形传感器如果在基板的顶部与底部都设置有换能器与反射阵列 便能测定X与Y坐标。注意在这一方案中对于哪一个X坐标与哪一个Y 坐标关联的多接触不存在二义性。在阵列区中加厚基板以便换能器与阵 列上的散射之间的准Rayleigh波留在要求的表面上是有利的。对于在顶 部与底部表面上带有“X”与“Y”阵列两者及换能器的矩形传感器，能 够冗余地测定X与Y坐标两者。

可以考虑其中的接触引发其它类型的波模转换的正信号传感器子系 统，例如，其中楔状换能器发射Rayleigh波，发射阵列以n＝3的HOHPS 波的形式将声束散射到接触区中，接收阵列有选择地将n＝4的HOHPS 波散射到Rayleigh波中，然后后者被Rayleigh波楔状换能器所接收。为 了完成声径，需要在接触区中从n＝3到n＝4HOHPS波模的波模转换。 这一传感器将是对这种波模转换的扰动灵敏的。

在一个实施例中将这种正面信号传感器子系统与其它传感器子系统 组合，及双或多波模算法提供真与伪接触的增加的特征化。

非触屏应用

本发明增加了关于传感器几何形状的许多灵活性。提高了最大传感 器尺寸。传感器不必是矩形的。惊人的非平面形状是可能的。这为矩形 基板是不合适的许多非触屏应用开辟了门户。

图15(b)的六边形传感器、图15(c)的三角形传感器、图19(a)的柱形 传感器、图21的球形传感器、图22(a)与(b)的槽形传感器及图22(c)的半 球提供了图10、图17及图20的原理所提供的传感器几何形状的自由度 的实例。这增进了声学接触传感器技术赋予机器人部件触觉的可应用性。

声学接触位置感测的非触屏应用的实例为在表面上检测吸声物体的 存在。例如，如图22(a)与(b)中所示，利用声波来确定盆或厕所洁具是否 已经用过，其内容物的性质及在冲洗或抽出过程中是否及什么时候已合 理地清洁。从而，在清洗盆或厕所洁具内部设置了反馈机构，它可以构 成控制系统的一部分。如果希望传感器能区分固体与液体，最好采用诸 如Love波等水平切变波。这种波是粘度敏感的，并从而对水相对不灵敏 而对粘性物质较灵敏。可以实现算法来支持公共政策，例如最近的 California抗旱口号“如果是尿，不管它，如果是棕色物，冲掉它”。在 这一情况中，不必精确地或无二义性地确定物体的位置。

本发明允许利用冗余信息来确定接触的位置或质量，在各种实施例 中允许差分感测及来自屏蔽的不敏感性。虽然通常希望感测坐标位置， 在一些应用中，一个轴向位置测定值便已足够。因此，本发明也包括一 维传感器。例如，1-D传感器的实际应用包括公寓建筑门铃系统；电梯 按钮；乐器；单自由度手动输入设备；及安全进入系统的接触传感器的 部件。例如，见图27，其中示出了双波模基本上单轴感测系统。在这一 系统，采用不同波模的波，Rayleigh波及n＝4的HOHPS波。从单一换 能器2701发射这两种波。波是在大约5MHz上发射的，由反射阵列2702 在非正交角度上散射，并由另一反射阵列2704散射到第二换能器2703 上。另一方面，沿正交路径2705发射与行进HOHPS波。HOHPS波通 过反射阵列2704，从构成为部分地屏蔽的斜切边沿的反射边界2706反 射出有选择的n＝4HOHPS，并沿其入射路径重新引导到反射阵列2702， 返回到换能器2701。在这一实例中，基板2707是铝的。图27(b)示出按 照图27(a)的系统的定时图，其中Rayleigh(图27(b)(1))与HOHPS(图 27(b)(2))波在时间上重叠。由于Rayleigh波的非正交路径，可从接收信 号中抽取某些水平位置信息。

对于安全系统，能够检验手指或笔尖具有预期的声学性质(如切变 时Rayleigh吸收之比)可能是有利的。从而例如，为了进入存储对生物 危害物质的区域，可能要求操作员带着部分地选择为具有与众不同的波 形的干橡胶手套。

覆盖片的使用扩展了本发明的潜在应用。接触表面可以是暴露或覆 盖的。例如，带有垫片点的塑料片提供若干有趣的优点。这一覆盖片保 护触摸表面不受可能损害声波传播的划伤与戳伤；特别是如果外壳是铝 等软金属时。通过将雨水与接触表面隔开，覆盖片能带来室外应用。当 设置了覆盖片时，声传感器通过片的声顺性更直接地响应接触的压力(而 不是感测接触材料的声学性质)。见Knowles与Huaug的美国专利号 5,451,723，其中提出了为某些应用采用带声学接触面板的覆盖片。

有利地，可在接触表面或对应的覆盖片上画上“控制按钮”。这允 许单一表面既用作传感器又用作用户输入设备，提供统一的界面来减少 开支的机会，诸如在玩具设备上，或者最佳地利用可获得的表面面积。 例如，在玩具机器人上，在圆柱形铝外壳上设置有带图形的覆盖片。当 玩具机器人移动时，将感测到任何接触。当机器人不动，或在与周围物 体不太可能接触的其它环境中，例如当未检测到沿运动或预期接触的轴 线的接触时，可将感测分析为来自用户的潜在输入。

本发明的范围不限于放置在显示器前方的透明触屏。

实例1

图10示出包含发射与接收换能器及阵列的通用传感器子系统。这一 能用传感器子系统包含各种不同参数的实施例系列。

以后的实例将推广到其中发射与接收阵列之间的声径被反射边界散 射一次或多次的实施例系列上。以后的实例也将推广到其中的传感器表 面具有非平面几何形状的实施例系列。在本实例中，考虑图10的通用传 感器子系统。

在图10的实施例中，一组声径与传感器子系统关联。该组声径中的 各成员可用路径参数“s”的零与1之间的值表示。(如果零到1以外的 范围是数学上方便的；这能容易地用变量改变来提供)。给定路径参数 的声径起始在定中在位置T_t上的发射换能器上，沿发射阵列前进一段距 离与方向sA_t，在那里它被重新引导跨越触敏区一段距离与方向P(s)，在 那里它被接收阵列截获。然后声径继续由sA_r给定的一段距离与方向， 直到它结束在定中在T_r上的接收换能器上为止。阵列位置与朝向对笛卡 尔轴方向或玻璃的边不必具有任何特殊关系。

按照本发明，没有要求通过有效区的声径组是平行路径组，然而为 了简化接触重构算法，在许多情况中这样做是方便的。

存在着与声径的各段关联的声模。这里定义V_t为声模的群速而v_t为相速，该声模是从发射换能发射的及沿发射阵列行进，并且被发射阵 列散射与存可能波模转换。类似地为跨越接触区的路径段定义V_p与v_p， 及为沿接收阵列的段定义V_r与v_r。跨越接触区的声模必须是诸如 Rayleigh或Love波及在充分地薄的基板中的Lamb、ZOHPS、HOHPS 波等表面声波。沿阵列的波模可以是具有对换能器与反射阵列元件具有 充分耦合的任何波模。

对于路径参数的每一个值，存在着关联的延时。延时用下式与所用 的波模的群速相关。

t(s)＝sA_t/V_t+P(s)/V_p+sA_r/V_r

(回忆记号，例如A_t表示“黑体”矢量A_t的幅值。)

通常希望将几何形状选择为使延时是路径参数的单调递增函数，但 这不是要求。如果这样，则导致信号幅值在时间t(s)上降低的手指在有 效区中的接触必须定位在通过在下列表达式中在零与1之间改变α所定 义的点的轨迹内

αP(s)+sA_t+T_t

可在图11中所示的间隔矢量法的协助下设计反射阵列。用在间隔矢 量计算中的波矢量确定如下。波矢量K_t、K_p(s)与K_r分别平行于A_t、 P(s)与A_r。波矢量的幅值k_t＝2π/λ_t，k_p＝2π/λ_p及k_r＝2π/λ_r， 取决于波模波长λ_t、λ_p及λ_r，后者又用工作频率f与相(非群)速v_t、 v_p与v_r确定，即λ_t＝v_t/f、λ_p＝v_p/f及λ_r＝v_r/f。给定波矢量作为路 径参数的函数，反射阵列间隔矢量可计算如下。对于发射阵列，反射器 间隔矢量可用下式计算。

S(s)＝2πn(K_t-K_p(s))/|K_t-K_p(s)|²

类似地，对于接收阵列，反射器的朝向与间隔确定如下。

S(s)＝2πn(K_p(s)-K_r)/|K_p(s)-K_r |²

为了表面的清楚性，图10并未完全包含本发明范围内的下述推广。

·表示接收阵列散射位置的矢量sA_r更一般地表达为r(s)A_r，其中r(s) 为范围零至1中的路径参数的单调递增函数。

·Adler的美国专利4,642,423的图11教导一种阵列设计技术使沿阵 列行进的声束从直线轨迹偏离，或更一般地从诸如大圆等短程线轨迹偏 离。利用这一或其它波导技术，可将与图10关联的实施例系列推广到其 中的阵列不是直线线段的情况。

·在换能器与它们的对应阵列之间可介入没有反射器的间隙。这一 间隙，例如可用来防止讨论中的换能器封锁另一传感器子系统的声径。 更一般地，在图10的体系内，没有要求阵列的全长度上都填满反射元件。

实例2

图12示出在图10的范围内的特定接触区几何形状的实例。

图12(a)中所示的矩形接触区是典型的当前平面矩形声学触屏产品 的X坐标传感器子系统。

如果图12(a)中的声径的所有段都使用同一声模，则间隔矢量公式导 致带有沿阵列轴的波长间隔的先有技术45°反射器。例如，如果入射波 在X方向上而散射波在Y方向上，则将间隔矢量计算为S＝(nλ/2，n λ/2)，并从而反射器在45°上，反射器之间在垂直于反射器的方向上 的间隔为nλ/√2并且反射器间隔沿阵列轴nλ。

反之，如果发射与接收阵列波模为零次水平偏振切变(ZOHPS)波 及接触区波模为Lamb波，则将间隔矢量计算为S＝n(λ_Lamb，λ_ZOHPS) {λ_Lambλ_ZOHPS/(λ_Lamb²+λ_ZOHPS²)}。这又蕴含相对于阵列轴的反射器 角θ满足条件tan(θ)＝λ_Lamb/λ_ZOHPS＝v_Lamb/v_ZOHPS。这一反射器朝向给 出在美国专利5,072,427的式2中。用θ来表示，间隔矢量的幅值可化简 到S＝n sin(θ)λ_ZOHPS，这又蕴含相对于阵列轴的nλ_ZOHPS反射器间隔。 从而美国专利4,072,427，通过引用结合在此，的阵列设计要素也可从间 隔矢量公式中导出。

超过先有技术，与矢量间隔公式结合的图10的原理还允许设计出各 式各样其它几何形状的传感器子系统，其中包含图12(b)中的平行四边 形、图12(c)中的梯形及图12(d)、12(e)与12(f)中所示的三角形。

实例3

图13示出利用4个传感器子系统的传感器设计。这一设计支持包含 抗屏蔽算法及解决多接触二义性算法的控制系统。接触区具有√3；1的宽 高比。

与图12(a)中一样，两个传感器子系统为矩形的；见图13(a)。就其 本身而言，图13(a)与带标准X与Y测定值的先有技术传感器十分相似。 图13(a)示出X发射换能器1301、带45°上的反射元件的X发射反射阵 列1302、带45°上的反射元件的X接收反射阵列1303及X接收换能器 1304。类似地，沿正交轴组设置Y发射换能器1305、带45°上的反射 元件的Y发射反射阵列1306、带45°上的反射元件的Y接收反射阵列 1307及Y接收换能器1308。

其它两个子系统提供“U”对角线坐标的测定值。图13(b)示出这两 个其它传感器子系统。它们都是图12(f)所示的类型。一组声径起始在X 发射换能器1301上并被Y接收换能器1308接收；这一传感器子系统的 接触区是三角形的，其边用X发射阵列1302、Y接收阵列1307及跨越 接触区的对角线定义。另一组声径起始在Y发射换能器1305上并被X 接收换能器1304接收；这一传感器子系统的接触区是三角形的，其边用 Y发射阵列1306、X接收阵列1303及跨越接触区的对角线定义。在两 种情况中，通过接触区的声径在与X轴成30°的对角线上。这两个传感 器子系统的接触区在一起基本上覆盖了由图13(a)的X与Y传感器子系 统所覆盖的整个矩形接触区。

图13中注明了反射器角与间隔。这些值可以从图10的原理及间隔 矢量公式中导出。已为所有声径的所有段都使用波长λ的相同声模的情 况计算出反射器角度。间隔矢量公式支持推广到包含波模转换的实施例。

图13(a)与13(b)中所示的阵列是重叠的。在X发射换能器前方的发 射阵列1302包含45°与75°反射器。在Y发射换能器前方的发射阵列 1306包含45°与60°反射器。在X接收换能器前方的接收阵列1303包 含45°与15°反射器。在Y接收换能器前方的接收阵列1307包含45 °与30°反射器。这些反射器朝向对于在反射阵列上没有波模转换的设 计是合适的，即反射器元件是象反射镜那样定向的，使得入射角等于反 射角。

在诸如具有工作频率5.63MHz的碱石灰玻璃基板等声波长为 0.0226”的特定实施例中，沿阵列轴的反射器间隔对于所有45°反射器为 整数倍0.0226”，对于75°X_t反射器为整数倍0.0121”，对于15°X_r反射 器为0.1687”，对于60°Y_t反射器为0.0151”及对于30°Y_r反射器为 0.0432”。

图23示出图13中所示的所有Rayleigh X-Y-U 30°对角线传感器 的接收信号的定时。其它声模选择及X-Y-U对角线传感器的几何尺 度将导致在量上类似的定时图。如所示，从任一发射换能器的单一声发 射被两个接收换能器接收。注意，对角线轴是分两半从独立换能器读取 的，从而，接触2301只扰动一个这种对角线路径信号。比较图23(d)与 23(c)。

为了分析接收信号，可应用抗屏蔽算法，它首先搜索一条轴上的接 触，然后另一条上，如果两者都找到便报告有效输出。如果找到一个而 未找到另一个，分析对角线轴信号的接触信息。如果对角线信号之一指 示接触，则变换该信号以生成丢失的数据与输出。当在另一条轴上未发 现接触时，存在着出错条件。当任何轴上都未见接触时，不报告输出。 以这一抗屏蔽算法，考虑这样的情况，其中感测一个传感器子系统的接 触的声波强烈地受到诸如吸收Rayleigh波的一滴水或吸收ZOHPS波的 一滴结冰的水的屏蔽。为了确定接触位置，需要两个坐标，它们对应于 X与Y。其中X与Y之一受到干扰，可以分析穿过接触位置但通常不同 时穿过干涉物体的30°对角线路径来确定接触的位置。应用相对简单的 变换来生成对应于X与Y的输出。

作为替代，可采用冗余检验/多接触算法。由于数据中包含冗余信息， 在没有干扰时，附加的数据可用来检验计算位置的一致性或确定多个接 触的存在与位置。在初始步骤中，从X与Y数据流中构成候选的X与Y 接触坐标。比较这些候选者与对角线数据的一致性。当所有三个对应时， 便存在有效的输出条件。当它们不对应时，提出与测试不同的候选坐标。

实例4

实例3与图13的传感器为X-Y-U传感器，其中U声径在30°斜 角上并且高宽比为√3∶1。在本实例中，考虑带任意高宽比的X-Y-U 传感器。

令H与W为X-Y-U传感器的接触区的高度与宽度。通过接触区 的U声径具有满足tan(Θ)＝H/W的斜角。图10的原理及间隔矢量公式 导致U子系统的反射器角与间隔如下表中所给出的。对于值Θ＝30°， 重新产生图13的角度与间隔。表中给出的行宽对应于使散射幅值最大的 行宽度；如前面指出的可以使用这些行宽度，但并不是要求的。

  角度   间隔   行宽度   X发射   90°-Θ/2   λ/(1+cos(Θ))   λ/(4×cos(Θ/2))   X接收   Θ/2   λ/(1-cos(Θ))   λ/(4×cos(90°-Θ/2))   Y发射   45°+Θ/2   λ/(1+sin(Θ))   λ/(4×cos(45°-Θ/2))   Y接收   45°-Θ/2   λ/(1-sin(Θ))   λ/(4×cos(45°+Θ/2))

在按照本发明构成的样机中，构造了具有接触区尺寸H＝6.40”及W ＝9.60”的系统。这些接触器尺寸与Elo Touch Systems公司出售的商品化 触屏产品E284A-693相同。除外样机传感器中的阵列为包含U反射器 以及标准的X与Y反射器之外，样机在包含反射阵列的布置等构造上是 相同的。这些样机展示对角线声径与重叠阵列的使用。样机的U斜线角 为33.7°，如tan(Θ)＝H/W＝6.40”/9.60”＝tan(33.7°)所要求的。U传 感器子系统的反射器的间隔与朝向是利用上表中的公式计算的。

在样机中观察所有要求的声径组。这展示重叠阵列的操作。这还提 供作为能从第一原理计算出反射器间隔与朝向的通用方法的间隔矢量体 系的另一种展示。用这些样机观察了来自干扰寄生声径的一些信号假象， 但没有一种不能在下述寄生抑制技术的一种或多种的帮助下消除或耐受 的；减少控制器中及X与Y脉冲串线路之间的电缆连接中的电子串音； 粗调阵列脚印几何形状；基板背面的声阻尼(如光学粘合或在带有接触 粘合剂的塑料膜上OCLI HEA^TM抗反射涂层的背面应用)；行宽度调制； 提高反射器元件的密度；及采用相敏控制器。在其中在样机中检测寄生 声径的所有情况中，从发射到接收换能器的声径只包含阵列的一次散射； 由于寄生路径包含多次反射而没有观察到信号假象。

实例5

图14提供在图13的X、Y、U传感器以外增加第二对角线“V”测 定值。图14因此示出两个附加传感器子系统。V子系统的反射阵列类似 于图13中的那些重叠在X、Y与U阵列上。一个传感器子系统的声径 起始在X发射换能器1301而结束在Y发射换能器1305上，它在这一上 下文中用作接收换能器；这一传感器子系统具有图12(e)中所示的类型。 另一传感器子系统的声径起始在Y接收换能器1308上(它现在用作发 射换能器)而被X接收换能器1304接收；这一传感器子系统具有图12(d) 中所示的类型。在这一情况中，X发射反射阵列1302包含15°上的附 加反射元件组，X接收反射阵列1303包含75°上的附加反射元件组，Y “发射”反射阵列1306包含30°上的附加反射元件组，而Y“接收” 反射阵列1307包含60°上的附加反射元件组。反射器间隔注明在图14 上，并可按照图10的原理与间隔矢量公式计算。

关于声模有许多选择可以采用。在一个实施例中，U与V子系统不 包含波模转换，而X与Y子系统则包含。例如，除外X与Y接触区段 使用Love波，所有声径段都可使用Rayleigh波。作为替代，除外X与 Y接触区使用最低次对称或反对称Lamb波，所有声径段都可使用 ZOHPS波。在这两种情况中，坐标对(X，Y)与(U、V)之一在接触 表面上用水平偏振切变波而另一对用明显的垂直运动(耦合到流体中的 压力波上)感测接触。异常地小的切变波对非切变波信号之比排除由水 滴引起的虚假接触。

如果在U与V子系统中没有波模转换，图10的原理与间隔矢量公 式导致图13(b)与14中所示的反射器角度与间隔。然而，在实现波模转 换时，则使用不同的反射器角度。为了在X与Y子系统中实现波模转换， 不使用图13(a)中所示的45°反射器角；这些反射器角的正切将等于接触 区中波模的相速对沿阵列传播的波模的相速之比。

如同X-Y-U传感器，X-Y-U-V传感器不必限制在+30°与 -30°角上的对角线路径上。U与V角近似相等及相反而幅度等于接触 区的高宽比的反正切。最好，对角线波对反射阵列具有大约10°至80 °之间的角，更好对反射阵列具有25°至65°之间的角。各种波的角度 最好互相不同大约至少5°，而至少15°则更好。

应理解作为这些技术的扩展，有可能将来自各换能器的具有增量变 化的一组声径引导到所有换能器上，其中包括始发换能器。从而，本系 统不限于例如四组声径。类似地，当在不同的换能器上分离接收的波的 组时，允许使用单个声波AM接收机，本发明不是这样受限制的，单一 换能器可接收多个波组，其中有些部分是同时接收的。

实例6

按照本发明的接触传感器不必是矩形的。广泛的多种多样的多边形形 状是可能的。例如，图15(b)示出包含6个相同的图12(c)的类型的梯形 传感器子系统的六边形传感器。

在该图中，偶数编号的换能器1502、1504、1506、1508、1510、1512 为发射换能器，而奇数编号的换能器1501、1503、1505、1507、1509、 1511为接收换能器，然而这不是唯一的可能性。这6个梯形传感器子系 统提供换能器对之间的如下声径：从1512发射在1509上接收；1502发 射在1511上接收；1504发射在1501上接收；1506发射在1503上接收； 1508发射在1505上接收；及1510发射1507接收。

图15(a)中所示±60°的反射角对应于在阵列上散射期间没有波模 转换的情况。这能容易地推广到使用矢量间隔公式的其它声模选择上。

大部分接触板表面被三个传感器子系统覆盖。如果如所画的，缩短 阵列来为换能器留出空间，则可能有三条带只被两个传感器子系统覆盖。 在这情况中板的正中心是不敏感的。作为替代，可退后换能器而使用较 长的阵列；也许以增加边界区的宽度为代价。此外，可设置包围间隙区 的矩形路径组，如图12(a)所示。三个这种增加的矩形传感器子系统可利 用下述发射/接收换能器对：1506与1501；1508与1503；以及1510与 1505。当增加了这三个矩形传感器子系统时，则各阵列具有三个叠加的 反射阵列组。

理论上，可设置反射阵列将声波引导到各其它反射阵列上(带有允 许传输到布置在同一边上或过分大的钝角上的反射阵列上的反射)。然 而，为了减少声损耗，最好在任何反射阵列中设置不多于三组反射元件。

这一六边形触敏表面具有例如作为筑入会议桌的系统的应用。将传 感器设置成例如作为圆桌的桌面的一部分。桌子的中心部分包含一块六 边形基板，各边具有一对换能器及一个复合反射阵列，后者具有二或三 组反射元件用于将波引导到不相邻的各边上。从而，带有三个重叠的阵 列，在60°、90°与120°上引导波。因此，为了沿两条轴感测坐标位 置，提供了潜在的18条波径，或9条非平凡的路径。因此存在着明显的 冗余度，提供了对屏蔽的增强免疫力并允许分辨多个同时接触，抑制来 自固定物体的干扰，区别手指与手掌，及其它优点。围坐桌子的若干个 人可时与系统交互作用。由于大量的感测路径，因而这一桌子允许会议 及多接触功能。接触板本身可以是不透明或透明的。如果它是透明的， 可在基板背面设置背投影屏幕，将图像投影到其上面。例如，投影显示 器可照明层叠在3mm厚硼硅玻璃基板下面的背投影屏幕，在基板上制造 全Rayleigh波六边形传感器；硼硅玻璃在5.53MHz上的相对地低的声衰 减能支持具有大到足以包含60cm直径的圆的接触区的传感器尺寸。

如图15(c)中所示，这些原理也可应用在三角形传感器上，在这一情 况中它也使用按照图15(a)的阵列。在这一情况中波径对应于图12(d)。 作为替代，用不同于图15(a)的阵列设计，三角形传感器可使用三个图12(e) 的类型的传感器子系统，以图15(c)中给出的发射与接收换能器的相同布 置。

从本实例及图10与11中的一般原理中显而易见广泛的各式各样多 边形都是接触传感器的可能形状。

实例7

本实例示出利用本发明来扩展传感器尺寸。对于诸如电子白板等一 些应用，较大的传感器是相当受关注的。

对于给定的声模、工作频率及声学基板，传感器尺寸受到最大声径 长度的限制，超过了它声波的进一步衰减导致不可接受的弱信号强度。 例如，对于碱石灰玻璃中的5.53Mhz Rayleigh波，对于长于大约1米的 声径，弱信号幅值通常是问题。采用硼硅玻璃或铝作为基板，对于相同 的系统参数几乎能双倍这一最大路径长度。

接收机系统与电子器件的特征、电磁噪声环境影响可检测性的极限 并从而影响最大声径长度的数值。无论什么因素限制声径长度，对于给 定的最大路径，本发明提供了扩展传感器的最大尺寸的措施。例如，如 图16中所示，其中示出了具有X、U、V传感器布置连同传感器子系统 的代表性实例的大型矩形传感器。

对于先有技术矩形触屏的X传感器子系统，最大路径长度近似地为 2W+H，其中W与H为接触区的宽度与高度。在图16中所示的传感器 中，将宽度分成长度S＝W/4的四段。从而各X传感器子系统具有2S +H＝W/2+H的近似最大声径长度。对于U与V传感器子系统，最大 路径长度为3S/2+√[H²+(3S/2)²]＝3W/8+√[H²+(3W/8)²]。对于具有 3至4高宽比的接触区，已知的先有技术矩形触屏采用最大路径长度2W +H＝(11/3)H，而图16给出最大路径长度W/2+H＝(5/3)H及0.46W+ H＝1.62H＜(5/3)H。对于给定的传感器尺寸，最大声径减小了一个因子 2以上。对于给定的最大声径长度，传感器尺寸能大一倍以上。通过避 免沿阵列的长声径长度，增加了跨越接触区的允许路径长度。这增加了 矩形传感器的最大允许高度。

按照本实施例，如图16中所示，已经避免了必须横穿传感器的整个 宽度的声径，诸如在Y传感器子系统中找到的。结果，假定在换能器数 目上没有限制，便在大型矩形传感器的宽度上没有声径长度限制。从而， 虽然图16中的传感器的高度仍有限地延伸，用阵列的进一步分段能任意 增加传感器的宽度。

深入研究图16中的传感器的进一步细节，存在着6个在传感器顶部 指示的标记为TL、T1、T2、T3、T4与TR的发射换能器。在传感器底 部指示6个接收换能器，并标记为RL、R1、R2、R3、R4与RR。与T1、 T2、T3、T4、R1、R2、R3、与R4关联的阵列为三重重叠的包含X、U 与V传感器子系统的反射器的阵列。垂直的阵列为只支持U与V传感 器子系统的双重重叠阵列。

可从图10与11的原理中计算出反射器角度与间隔。跨越接触区的 声径相对于水平线成90°及90°±θ的角，其中θ定义为 arctan[(3/2)S/H]。如果没有波模转换，则在传感器顶部与底部的反射阵列 具有在45°及45°±θ/2角度上及nλ与nλ/(1±sinθ)的反射器间隔的 反射阵列。侧面阵列具有±θ/2及nλ/(1-cosθ)的反射器角及间隔。通 过使最密集的反射器间隔的反射器行宽度与反射器之间的间隙相等能确 定反射器宽度的一种选择。间隔矢量公式能为采用波模转换的实施例计 算反射器设计参数。

为了减少死区，“搭迭”顶部与底部换能器阵列系统可能是有利的， 如图16(c)中所示。通过倾斜阵列使得阵列的换能器端到玻璃的边比阵列 的远端至少近一个换能器宽度，便能扩展阵列来消除换能器导致的死空 间，如图16(b)中所示。

传感器子系统确定的X、U与V坐标与接触引发的信号扰动的延时 线性相关。各传感器子系统对这一线性映射具有其本身的适当常数。U 与V用以下关系与笛卡尔坐标相关。

U＝X+tanθ×Y    V＝-tanθ×Y

X、U与V坐标用下述等式互相相关。

X＝(U+V)/2U＝2X-V    V＝2X-U

从而笛卡尔坐标(X、Y)与X、U及V相关如下。

(X，Y)＝({U+V}/2，{U-V}/{2×tanθ})＝(X，{U-X}/ tanθ)＝(X，-{V-X}/tanθ)

X、U与v中任何两个都足以确定接触位置。此外，由于冗余度及触敏 表面的分段，可同时检测多个接触及分析它们的位置。

下面考虑具有带3至4高宽比的矩形接触区的不带波模转换的特定 实施例。θ的值为26.6°，从而波在相对于水平的X方向上64.4°、90 °与116.6°的角上穿过接触区。对于顶部阵列U子系统反射器角为 31.72°，对于底部阵列为58.28°，而对于侧面阵列为13.3°。顶部与 底部阵列的X子系统反射器成45°。V子系统反射器角对顶部阵列为 58.28°，对底部阵列为31.72°而对侧面阵列为13.3°。U子系统反射 器间隔对顶部阵列为1.809×nλ，对底部阵列为0.691×nλ，而对侧面阵 列为9.472×nλ。顶部与底部阵列的X子系统反射器具有nλ间隔。V 子系统反射器间隔对于顶部阵列为0.691×nλ，对于底部阵列为1.809 ×nλ，而对于侧面阵列为9.472×nλ。

此外，另一个传感器实施例具有这样的布局，其中接触区的大小为 3英尺×4英尺，即60英寸对角线。以图16(a)的布局，最大声径长度为 60”。对于硼硅玻璃或铝基板中的5.53MHz Rayleigh波，这是可行的。从 而图16(a)的传感器设计支持当前市场上许多电子白板的典型尺寸。

白板(不一定是电子的)通常具有金属上的搪瓷书写表面。本发明 的一个方面为使用由低声音损耗金属基板上的低声速搪瓷薄层构成的 Love波基板。例如，3mm铝基板上的大约100μm厚铝(或其它重金 属)基搪瓷，类似于过去使用的已知建筑面板。这一Love波基板在抑制 诸如来自触笔的干墨水痕迹等液体掺杂物的效应可能是有利的，此外， 由于Love波在表面附近的较高声能密集性而能提供比1mm厚基板中的 ZOHPS波更高的接触灵敏度。

实例8

通过利用传感器子系统中的反射边界来产生声径的中间散射，进一 步增进传感器设计的灵活性。见图17，它是图10的推广，其中的声径 在发射与接收阵列之间经受中间反射。类似地，可出现多次反射。

反射边界1701可由类似于发射与接收阵列的反射元件阵列构成。例 如见美国专利4,700,176的图11的项目60。可用间隔矢量公式计算反射 器的角度与间隔，即反射边界的反射器间隔矢量是由下述表达式给出的 (下标“pt”用于来自发射阵列的路径而“pr”用于去往接收阵列的路径。)

S(s)＝2πn(K_pt(s)-K_pr(s))/|K_pt(s)-K_pr(s))|²

如同发射与接收阵列，波模转换是在反射边界1701上的一种选择。

与要求对沿它们的长度传播的声径是准透射的发射与接收阵列不 同，能将反射边界1701设计成强反射的，只要没有声径需要通过反射边 界1701即可。

与发射及接收阵列一样，来自不同传感器子系统的反射边界1701阵 列与能与另一传感器子系统的反射边界1701或反射阵列重叠。

反射边界1701可包含基板的边。在这一情况中可考虑附加的衍射光 栅反射边界方案，诸如多面体边沿。如果不需要波模转换，且入射角等 于反射角，则简单的机加工玻璃边沿可能已经足够，特别是对于最低次 板波：ZOHPS及最低次对称与反对称Lamb波。例如，见美国专利 5,243,148的图17的项目220与222。

虽然图17中的声径只遇到一个反射边界1701，这些原理可推广到 两次或多次中间反射。

用路径参数及沿发射阵列(V_t)、跨越接触区的发射路径(V_pt)、 跨越接触区的发射路径(V_pr)及接收阵列(V_r)表示的延时为

t(s)＝sA_t/V_t+P_t(s)/V_pt+P_r(s)/V_pr+SA_r/V_r

这一时刻上的扰动对应于下面两个点集合的并集内的接触(其中0＜ α＜1)。

αP_t(s)+sA_t+T_t

αP_r(s)+P_t(s)+sA_t+T_t

美国专利4,700,176的图11示出利用反射边界来减少所需的换能器 数目；其中示出了一个传感器子系统，其中的声径离开换能器，被反射 阵列散射90°，穿过接触区，被反射边界反射回来跨越接触区，并折返 其路径回到它的同一始发换能器。

美国专利5,243,148的图17示出利用反射器边界将声径通过波模选 择滤波器。在本实例中，“逆反射”反射阵列在反射边界将声径重新引 导回到接触区之前，将声径从接触区引导通过波模滤波器。

在本发明的上下文中，反射边界进一步增加了非正交声径的选择、 非矩形与非平面传感器形状的选择及用一个以上声模来感测接触的选 择。

实例9

图17体现了许多可能的传感器子系统几何形状，其中的少数实例示 出在图18中。

在图18(a)中，接收与发射换能器及阵列是在梯形触敏区的一边上 的。接收与发射阵列可以重叠，从而允许采用公共的发射/接收换能器。

图18(b)为接收与发射系统串行对齐的梯形方案的变形。在带有周期 性边界条件的垂直柱体的上下文中，发射与接收阵列可以重叠并采用公 共的发射/接收换能器。

图18(c)中的矩形传感器子系统包含从底边的180°反射。发射与接 收阵列可以重叠，或甚至相同，从而支持采用公共的发射/接收换能器。 如图18(c)中所示，重新使用反射阵列与换能器，这种传感器子系统是已 知的并被Carroll Touch采用在其用于X与Y坐标测定的ZOHPS产品中。

在图18(d)中，发射与接收阵列在与标准商品化矩形传感器相反的方 向上散射。这一方案在颁给Knowles的美国专利5,392,070中是已知的。 这一方案对散射的声波的波模滤波提供附加的机会并可用来插入延时。 从而，叠加的反射阵列可设置有诸如与入射声束成±45°布置的反射元 件，一条散射路径与另一条反方向行进。路径之一与反射边界相交，后 者重新引导它与/或以要求的方式波模转换它。此外，这一配置可用来抑 制某些寄生路径。最后指出反射边界不必作为平行于反射阵列的反射镜 工作，因此可生成任意的反射角。

实例10

图19示出包含图18(b)与18(c)中给出的类型的传感器子系统的圆柱 面传感器。

为了本发明的目的，将“平面表面”的含义延伸到包含欧氏几何的 任何二维表面，即能够“展开与铺平”而不带褶皱或其它挠曲的表面。 球面是非平面的；这是关于地球的平面地图的地图制造者问题的观察。 然而，按照本发明柱面可以认为是“平面的”。柱面传感器表面连同声 径能映射到带有对应声径的平表面上，只要与声波长相比曲率永远是大 的；并且事实上圆柱形弯曲的视频监视器的已知触屏并不为柱面形状提 供特别补偿。从而图19的圆柱面弯曲的传感器可用来展示图18的应用。

完全的圆柱形式的传感器对“平面”传感器几何提出有趣的拓扑学 挠曲。图19的传感器利用完全圆柱表面1901的周期性边界条件。从图 19的研究中显而易见，这消除了任何垂直阵列的需要。

图19的接触传感器包含图18(b)的类型的两个传感器子系统1902、 1903及图18(c)的类型的两个传感器子系统1904、1905的叠加。存在着 各瞄准在包含三组反射器的重叠的反射器阵列1908、1909上的两个接收 /发射换能器1906、1907。

在图10与11的原理的帮助下，关于声模有许多选择。声模的选择 将影响在圆柱体顶部的反反射边界的设计。如果跨越接触区使用最低次 板波，即ZOHPS、最低次对称Lamb或弯曲波，反射边界可以是简单地 机加工边沿，如图19(a)中所示。对于其它类型的表面声波，可采用反射 阵列型反射边界。

如果在反射阵列上没有波模转换，则对于图18(c)的类型的传感器子 系统反射角为45°，而对于梯形子系统的反射器为在45°±θ/2的角 上，其中tan(θ)＝πR/2H。如果要求波模转换，则可用间隔矢量公式来 计算反射器角与间隔。

注意来自换能器的脉冲串生成三个信号。对于某些延时，全部三个 接收信号都是活跃的。可用若干种方法来解开这些同时接收的信号。

来自图18(c)的类型的矩形子系统的信号是隔离的。对于这些信号， 接收换能器与发射换能器相同，这与来自图18(b)的类型的梯形子系统的 四个信号形成对照。这是利用不同的接收换能器来分离公共发射脉冲生 成的信号的实例。

在梯形传感器子系统中，对于发射换能器的给定的选择(另一种选 择只简单地反转声径的方向)，脉冲串在同一时窗中生成被公共接收换 能器接收的两个信号。一种方法是将两个传感器子系统的反射器间隔设 计成对应于两个不同的工作频率。接收机电子器件的频率调谐然后被用 来分离这两个信号；发射脉冲串可以是宽带的或在不同频率上的一序列 脉冲串。

另一种方法为利用相敏控制器。在接收机上允许两个同时接收的信 号与不受控制的相位组合。然而，不管两个接收信号之间的相对相位如 何，永远可用该组合信号的幅值变化或相位变化或两者来识别一个信号 中的接触衰减。

用相敏控制器的信号分离可导致识别组合信号中的哪一个扰动对应 于哪一个分量信号中的二义性。见图19(b)中所示的虚线幻影路径1910。 对于图19的传感器，在来自矩形传感器子系统的坐标数据的帮助下能够 容易地解决这种二义性。

图19只是许多可能的柱面传感器配置之一。其它实例包括带有柱面 的内表面上的接触表面的系统；带有围绕整个周边的反射阵列的单一换 能器的系统；带有分离的换能器的顶部与底部阵列、并排的阵列而不是 重叠的阵列等。

实例11

图28示出面临与按照图10的柱面传感器相同类型的二义性的平面 传感器系统。在这一实施例中，单一换能器2801与重叠反射阵列2802 生成与接收互相成角度行进的波组2803、2804。在这一系统中，如图28 (b2)中所示，单个接触在接收信号中产生一对扰动。该对信号扰动的 平均时延表示沿阵列距换能器的距离，而分离表示距基板底边的距离。 注意由于向前与向后的波径而单个传感器子系统观察接触两次。图28(a) 的实施例包含正交的第三组波径2805。在这一情况中，利用阵列2802 中的一组反射元件将从换能器发射的Rayleigh波波模转换成成直角的 HOHPS波。

图28(a)的传感器提供可以支持抗屏蔽算法、多接触算法以及双波模 接触特征算法的冗余度。

图28(b)与28(c)进一步示出这三个波径可用来确定一对接触的位置。 该方法首先在2810上寻找矩形波组的扰动。在2811从中估算X坐标。 在2812接着确定“W”形波径中的扰动。然后开始重复循环2813来检 查所有扰动对。在2814计算平均延时。在2815对矩形路径的各扰动， 在2816确定“W”形路径的一致性。此外，由于矩形波为切变波而“W” 波为Rayleigh波，在2817上可确定衰减比来消除小水滴的屏蔽效应。然 后在2818计算确认的接触位置，并在2819输出。然后在2820分析其它 矩形路径扰动，然后在2812增量重复循环2813。

实例12

图10的概念推广到非平面，即非欧氏，表面。在非平面表面上，声 波自然地在表面上短程线上行进。例如，在球面上，声波自然地跟随大 圆。因此图19的线段推广到图20的短程线。

图20中所示的所有三段声径都是短程线。路径参数“S”可以是平 滑与单调地与沿反射阵列的弧线长度相关的任何参数。作为路径参数的 函数的延时t(s)可用线段长度各除以其声模的群速之和来确定。

对于一般的复杂曲面通常不存在紧密的解析表达式。一旦已知或提 出了传感器的几何形状，可能需要计算t(s)以及间隔矢量公式计算作为S 的函数的反射器角度与间隔所需的波矢量的数值计算。

反射器间隔与朝向是通过考虑在其中发生散射的小准平面邻域，然 后与应用在平面坐标子系统上相同的方式应用波矢量分析而作为阵列与 路径参数S的函数确定的。在本上下文中，图11表示一般曲面的小准平 坦区。间隔矢量公式同样可应用在平面与非平面传感器上。

如图17中所示，图10可推广到其中的声径遇到反射边界的情况。 虽然未明显地示出，对图20也应这样理解。反射边界和它们应用在平面 上一样地可应用在非平面上，并且事实上可有利地采用它们来增加传感 器几何形状的选择或简化接触传感器的构造。

如图10中所指出的，能用波导效应来设计导致对应的声径偏离线段 的发射与接收阵列。类似地，图20推广到其中发射与接收段偏离短程线 的情况。

图20的原理使许多可能的形状能用于非平面传感器设计。下面是少 数示例。虽然存在数学值来强调能解析分析的特例，如球面部分，本发 明的范围不受这种限制。

实例13

图21(a)与(b)提供非平面传感器的实例。其中的接触表面是球面的一 部分，性质上对应于赤道与北极圈之间的地球表面。

这一传感器包含下述四个传感器子系统。

来自发射换能器T1的脉冲串在90°角上散射并沿“径线”上行直 到它被接近球冠的反射边界反射而再跟踪其路径回到T1。这一传感器子 系统覆盖“12小时时区”。起始与结束在换能器T2上的类似声径提供 覆盖另一“12小时时区”的第二传感器子系统。这两个传感器子系统一 起提供φ坐标测定值，其中如果φ为负则T1感测接触，而如果φ为正则 T2感测接触。

图21(a)未示出的是起始在换能器T1上而结束在换能器R1上的“u” 声径。如图21(b)中所示，在与T1/T2传感器对成角度u上将发射的声束 散射到大圆上。这一大圆是相对于垂直方向倾斜角度θ的，并在R1/R2 换能器及极孔之间通过。当它与赤道相交时，散射到赤道上并完成其行 程到达R1。

图21(b)中所示为非常类似于“u”传感器子系统的“v”系统的声径。 这时脉冲串来自T2而在R2上接收信号。大圆短程线又一次成倾斜角θ 倾斜，但这一次在T1/T2换能器与极孔之间通过，并且相关反射边界被 φ传感器子系统使用。

u或v传感器子系统都不覆盖整个接触区。然而(忽略由换能器的 有限尺寸引起的可能死区)，接触表面上的所有点都被坐标对(u，φ) 或(v，φ)之一覆盖。在抗屏蔽算法的帮助下能感测整个接触表面的二 维坐标；这里讨论的屏幕是由极孔引起的。

更详细地观察传感器几何形状，如果测定了三个坐标φ、u、v中的 任何两个，便能确定球冠上的接触的坐标(Θ，φ)。将接触相对于垂 直方向的角度Θ定义为在“北极”上Θ＝0，而在“赤道”上Θ＝90°＝ π/2，其中阵列位于赤道上。Θ的可能测定值在0＜Θ＜π/2的范围内。

Θ＝arctan(tan(θ)/sin(Δφ))＝arccot(sin(Δφ)×cot(θ))

其中Δφ＝(π-u-v)/2   对于φ＞0

    Δφ＝(u+v-π)/2      对于φ＜0

或

    Δφ＝φ-u         对于φ＞0

    Δφ＝|φ|+u-π       对于φ＜0

或

Δφ＝π-φ-v          对于φ＞0

Δφ＝v-|φ|              对于φ＜0

如果不直接测定φ，它能从u与v确定如下。

如果(u+v)＜π，则φ＞0且φ＝(u-v)/2+π/2

如果(u+v)＞π，则φ＞0且φ＝(u-v)/2-π/2

如果φ及u与v之一是已知的，另一个可预测如下。

u＝2φ+v-π对于φ＞0或u＝2φ+v+π对于φ＜0

v＝π+u-2φ对于φ＞0或v＝-π+u+2φ对于φ＜0

角u与v具有0与π之间的范围，并与延时线性相关。

在间隔矢量公式与图20的原理的帮助下，存在着许多选项用于选择 声模。作为简单的示例，考虑只有一种声模用于所有声径段的情况。在 这一情况中，赤道阵列包含下述三组重叠反射器元件：带有nλ间隔的 45°反射器；带有n λ(1-sin(θ))间隔的45°-θ/2反射器；及带有n λ(1+sin(θ))间隔的45°+θ/2反射器。并且在这一情况中，可由带 表面间隔λ/2的一组同心环构成反射边界。

存在许多基板选择：玻璃、铝、铝上釉料Love波基板等。声模与基 板的选择除了在确定最大尺寸中以外不影响传感器几何形状。例如，铝 上的5.53MHz Rayleigh波能支持带有大于30厘米对角线尺寸的大小。

在稳定实施例中，设置大约300mm直径的半球形铝圆穹。接近“赤 道”凹口，在外表面上设置一对反射阵列，各围绕半球面延伸大约一半 并在各侧接近会合。在各反射阵列的各端上设置一个超声换能器，诸如 压电陶瓷元件，可将它安装在楔状物上来生成或接收平行于反射阵列的 轴行进的声波。

接近圆穹的顶点，设置另一个反射部分，具有大约100mm的直径。 这一顶点反射器可以是对垂直入射波强反射的，而对其它入射角上的可 能的寄生声径则是弱反射的。

各反射阵列包含三组反射元件：

1、带间隔nλ且与半球对称轴成45°

2、带间隔nλ/(1-sinθ)与阵列的赤道平面成45°+θ/2(35.5°)

3、带间隔nλ/(1+sinθ)与阵列的赤道平面成45°-θ/2(54.5°)

通过考虑所要求的声径连同入射角等于反射角的准则解决这些反射角中 的镜面反射二义性。θ为上部反射部件的半球中心之间的角，大约为26 °。

在这一情况中，从第一换能器沿该对阵列之一发射的波的一部分是 沿半球的大圆发射的，然后被另一反射阵列接收，跟随平行于该反射阵 列的路径到达接收换能器，波的其它部分直接被引导到顶点反射部件并 向下回到始发反射阵列与始发换能器。因此，在任何时间上，一个换能 器发射的波被该同一换能器以及与另一阵列关联的一个接收换能器所接 收。因此，两个系统可同时工作不带实质性互相干扰地接收声波。发射 换能器T1与T2可顺序地发射声脉冲串。

作为替代，这些阵列可以搭迭，在小的角度上倾斜以使一个阵列的 换能器位于另一阵列的末端上。当然，阵列的角度与间隔必须按间隔矢 量公式补偿这一倾斜。在较佳实施例中，换能器刚好藏在赤道下面，而 对应的反射器阵列则跟随正好在对侧换能器上方端点通过的大圆。

此外，按照这里提出的原理，可以有两个以上换能器与阵列，允许 一个换能器反射多个感测波而被多个换能器接收。

注意在任何基板上，尤其是在非平面基板上，用来定义扰动位置的 坐标系不必是笛卡尔或准笛卡尔系，因此可表示为极坐标或其它项。此 外，在某些实例中，可用诸如覆盖片或叠加的图像等外部的因素来定义 有效项，因此输入位置中的二义性没有必要在每一个实例中都只通过声 波扰动分析来全面解决，以便提供有用的输出。

实例14

图21(c)与21(d)提供利用图20的原理的非平面传感器的另一实例。 再一次考虑球面的一部分。这一次接触表面对应于“北回归线”以北的 所有地方，而赤道与北回归线之间的区域可用于阵列与换能器。下面更 详细地描述这一系统。

图21(c)与21(d)中所示的圆穹形传感器是半球面形状的。接触区在 北纬23.5°上的“北回归线”以上，并且是冗余地用无死区的三对传感 器子系统覆盖的。将阵列与换能器放置在其基底或赤道与北回归线之间 的球面区中。图21(c)中给出的平面地图投影示出换能器与阵列的布置。 图21(d)中的顶视透视图示出6个传感器子系统之一。

在带有6个传感器子系统的最简单的实施例中，图21(c)中的各阵列 弧对应于构成阵列的单个反射元件组。然而，按照本发明，指出可将这 些阵列叠加以支持附加的传感器子系统，因些各换能器可与多条波径关 联，而提供进一步的冗余度。下面更详细地描述这一最简单的实施例。

6对换能器环绕赤道均匀地间隔开，每对中一个发射与一个接收换 能器。各换能器对支持一个传感器子系统。下面的三个传感器子系统对 的各个完全覆盖北回归线以上的接触区：R1/T1与R4/T4；R2/T2与 R5/T5；及R3/T3与R6/T6。

只是为了表示的清楚起见，图21(c)示出T1的发射阵列与R4的接收 阵列的端点之间的间隙，以及类似地其它直径上相对的发射与接收换能 器。实践中，希望扩展两个阵列使得存在着重叠。这保证没有死区，及 事实上例如在R1/T1传感器子系统与R4/T4传感器子系统之间的重叠。 阵列的重叠部分具有相对于阵列轴近似镜面反射的反射器元件。

现在更详细地考虑单个传感器子系统，即图21(d)中所示的R1/T1传 感器子系统，发射阵列跟随与X轴相交并相对于赤道平面绕X轴旋转了 角度Θ的大圆的一段。诸如Θ＝20°的倾斜角小于回归线的23.5°纬度。

在分析这一阵列中，令R为半球的半径。则发射阵列在半球的表面 上跟随下述迹线。

x(s)＝R·cos(πs/2)

y(s)＝R·sin(Θ)·sin(πs/2)

z(s)＝R·cos(Θ)·sin(πs/2)

图21(d)中示出用于x，y与z方向的定义。类似地，接收阵列的迹线如 下。

x(s)＝R·cos(πs/2)

y(s)＝R·sin(Θ)·sin(πs/2)

z(s)＝R·cos(Θ)·sin(πs/2)

在这些公式中，s为随着距换能器的距离的增加而额定地从零变到1 的路径参数。在本实例中，为了为有限大小的换能器留出空间而阵列从 s的小的正值开始，并为了在上面讨论的传感器子系统对之间提供重叠而 结束在略大于1的s值上。

现在考虑用下述关系定义的半球的球面的(θ，φ)坐标系。

-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)

用这一坐标系表示，发射阵列跟随下述迹线：

θ(s)＝arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))

φ(s)＝arctan(sin(Θ)·sin(πs/2))

以及接收阵列跟随下述迹线：

θ(s)＝-arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))

φ(s)＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))

连接路径参数s的发射与接收阵列的短程线为相对于X轴纵向的线 段，即大圆的下述段。

-arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))＜θ＜arcsin(cos(Θ)·sin (πs/2))

φ＝arctan(sin(Θ)·tan(πs/2))

关于声模的选择有许多可选项，而特殊的球面配置并不改变本发明 的一般原理。更详细地考虑其中同一声模以群速V沿发射与接收阵列两 者传播的情况，同时穿过接触区的也许是不同的波模具有群速V’。作为 路径参数的函数的延时给出如下。

T(s)＝(R·(πs/2))/V+2R·arcsin(cos(Θ)·sin(πs/2))/V’+ (R·(πs/2))/V

延时也能用截断声径的接触的坐标φ表示。

T(φ)＝(2R/V)·arctan(tan(φ)/sin(Θ))+2 R·arcsin(cos(Θ)·sin(arctan(tan(φ)/sin(Θ)))/V’

利用这一解析表达式可以计算查找表。这一查找表可用在实时微处理器 代码中将测定的信号扰动的延时转换成接触坐标φ。

更一般地，当明显的数学分析能确定表面上的接触位置时，在一些 情况中这一分析是不必要的。而是换能器为给定的接触条件生成一组输 出，例如位置。通过实验确定了这一接触条件的特征，控制器便能确定 何时随后出现这一输入条件。此外，确定了若干这些条件，即使并不完 全对应于前面确定的输入条件，也能确定输入条件的内插或统计确定。 查找表是存储数据的一种方法。作为替代，可作为用于将输入空间映射 到所要求的输出空间中的补偿算法的系数来存储数据。

换能器对R1/T1与R4/T4提供整个接触区上的接触坐标φ的完全覆 盖。

类似地R2/T2与R5/T5提供接触坐标u的测定值，除外仍然在X- Z平面内的极轴相对于Z轴旋转了60°之外，u是φ的等价物。类似地 R6/T6与R3/T3提供接触坐标V，它等价于旋转-60°的φ。三个坐标 φ、u与v提供圆穹传感器的冗余覆盖。用x、y与z坐标表示，用下述 关系定义φ、u与v。

φ＝arctan(y/x)

u＝artan{y/[(1/2)x+(√3/2)z]}

v＝artan{y/[(1/2)x-(√3/2)z]}

接触坐标θ可从φ、u确定如下。

θ(φ，u)＝artan[2cot(u)·sin(φ)/√3-cos(φ)/√3]

类似地，接触坐标θ可从φ，v确定如下。

θ(φ，v)＝-artan[2cot(v)·sin(φ)/√3-cos(φ)/√3]

如果θ(φ，u)与θ(φ，v)一致，则(φ，u，v)构成延时的自相一致的 三元组；上面讨论过三元组自相一致的意义，如结合图24(a)的项目2403。 从而，这一传感器支持抗屏蔽与多接触/冗余检验算法。

如果定义δθ＝θ，δφ＝φ-π/2，δu＝u-π/2及δv＝v-π/2，则 圆穹传感器的顶对应于值δθ＝0、δφ＝0、δu＝0及δv＝0。关于传 感器的顶的上述关系的Taylor展开给出以下近似关系。

δθ＝δφ/√3-2δu/√3

δθ＝-δφ/√3+2δv/√3

δθ＝(-δu+δv)/√3

δφ＝δu+δv

注意图15(b)的平面6边形传感器的类似性，其中Y为由使用换能器1502、 1511、1508与1505的两个传感器子系统测定的坐标，U为由使用换能 器1504、1501、1510与1507的两个传感器子系统测定的坐标，V为由 使用换能器1512、1509、1506与1503的两个传感器子系统测定的坐标， 而传感器中心对应于X＝Y＝U＝V＝0。

U＝-√3×/2+Y/2或X＝+Y/√3-2U/√3

V＝√3×/2+Y/2或X＝-Y/√3+2V/√3

X＝(-U+V)/√3

Y＝U+V

在图21(d)的传感器顶上的小的准平面区中存在着X、Y、U及V与δθ、 δφ、δu及δv之间的量上的相似性。在这一意义上。图21(d)的传感 器是图15(b)的传感器的非平面推广。类似地，其它平面传感器几何形状 也存在非平面推广。

可用前面讨论的原理计算出反射器间隔及角度。参见图21(d)中这一 第一传感器子系统。对于发射阵列，反射器间隔矢量为S＝2πn(K_t(s) -K_p(s))/|K_t(s)-K_p(s)|²，其中K_t(s)与K_p(s)可用下述表达式从上面 给出的已知阵列迹线(θ(s)，φ(s))中计算出。

K_t(s)＝(2πλ)·(-sin(πs/2))，sin(Θ)·cos(πs/2)，cos(Θ)·cos(πs/2))

K_p(s)＝(2πλ’)·(-cos(φ(s))sin(θ(s))，-sin(φ(s)sin(θ(s))，cos(θ (s))

其中λ表示沿发射阵列行进的声模的波长，而λ’表示穿过接触区的波 长。

注意传感器子系统的最大声径长度(2π-2Θ)R。对于Θ＝20°， 这成为5.585*R。对于铝或硼硅玻璃基板上的5.53MHz上的Rayleigh 波，这意味着圆穹传感器可具有超过10英寸的半径。如果采用较低工作 频率或提供其它措施来减少衰减或耐受较弱的信号幅值，甚至更大的尺 寸也是可能的。

因此，按照本实施例的半球面圆穹传感器的应用为诸如在交互式博 物馆环境中。例如，可设置带有层叠在背面的背投影屏幕的20英寸(或 1/2米)直径硼硅玻璃圆穹传感器。可将夜空星图或一部地球投影到传感 器上。这一系统能支持桌面亲身试验天象仪或交互式地球展出。可将接 触表面、阵列及传感器放置在传感器的凹入面上；例如可以提供交互式 触敏水池门，也许与超声波鱼寻找/识别系统结合，在其中用户指点可能 游过的海洋生物。可以想象许多其它应用。

实例15

图22(a)与22(b)提供展示本发明的内在几何形状灵活性的示例。它 示出一个盆，可将其想象为整平的或变形的半球，带有一个孔用于泄漏。 这一传感器几何形状作为包含液体的盆是有意义的。此外，触敏表面是 在内侧而不是外侧。以类似于图15(b)的6边形传感器的拓扑形状布置反 射阵列2201、2202、2203、2204、2205、2206；有6个重叠的阵列，各 具有一个发射换能器2207、2208、2209、2210、2211、2212及一个接收 换能器2213、2214、2215、2216、2217、2218。如同图15(b)的6边形 传感器，可在各阵列上叠加第三组反射器来支持包含相对的阵列对的传 感器子系统。

盆2200的边是在换能器与阵列的位置上垂直的。从而，水平面在换 能器与阵列的水平上与盆的交线构成短程线环。沿阵列的声径跟随这一 闭合的环形短程线的段。

对于各传感器子系统的发射与接收阵列，将路径参数“s”定义为从 换能器阵列沿阵列的路径的弧长除以阵列的总弧长。

概念上，值s跨越接触区的短程路径可确定如下。将一条绳锚定在 对应于路径长度参数s值的发射阵列上。将绳在盆2200的凹面上形成环 状，使它与对应于路径长度参数s位置上的接收阵列相交。将绳拉成贴 紧，并观察阵列之间的绳的长度及在两个阵列上绳的方向，这确定了跨 越触敏区的短程线的路径长度以及在发射与接收阵列上发生散射的短程 线的波矢量的方向。实践中，这一概念方案作为解决声径几何形状的计 算机模拟算法的数学基础。以这一方式，可以确定图20的所有相关几何 形状信息。

如果盆2200非常深，例如不是整平的半球而是伸长的半球，则阵列 之间的短程线有可能不通过要求的接触区。在绳索模拟中，拉贴紧绳索 可导致绳索滑离要求的接触区。在这一情况中，设计工程师可整平盆的 几何形状或用反射边界在声径中引入中间散射。

对于声模与基板选项的任何选择，图20的原理与间隔矢量公式允许 计算反射器角度与间隔。在当前商品化声学触屏的典型设计方法中，可 通过建立样机、观察信号均匀性(或其缺乏)及改进阵列反射性的调制 来迭代地确定阵列反射性的调制(诸如通过反射器密度、反射器高度或 行宽度)。从而存在着可利用的措施来设计图22(a)与22(b)中的传感器 的反射器阵列。

作为示例性实例，考虑下面的声模与基板选择。盆2200用厚度为 1mm的铝构成，在阵列与换能器1厘米以内平滑地增加到3mm的厚度。 铝盆内侧涂有釉料，以适当类型与厚度的釉料来支持大约5MHz上的 Love波，诸如100微米的铝(或其它重金属)基釉料。对于跨越接触区 的声径，利用最低次Love波。沿反射阵列传播被存在的釉料涂层修改的 诸如三次对称Lamb型波。阵列反射器是作为在铝盆的原来光滑的内侧 表面上的调制形成的，并可在作用釉料涂层之前用碾磨、划割、化学蚀 刻、光刻、光刻胶或冲压来制造。换能器(耦合在Lamb型波上)为楔 状换能器并粘结在铝盆的外侧或凸表面上。从而，换能器与反射阵列两 侧对盆2200中的环境都受到保护。

注意，对于波模与基板的这一特殊选择，盆2200可部分地或完全地 充水，而仍然响应与分辨由手指或在接触表面上提供粘滞阻尼的类似扰 动引起的接触。

从扰动分析算法设计的观点，可将图22(b)中所示的排出管孔2219 看作是广义的“掺杂物”。在这一方面，注意图22(a)与22(b)的传感器 设计具有足够的冗余度来支持抗屏蔽算法。

检测到用过洗手盆或厕所洁具之后，手动或自动启动水流或冲洗。 在这一情况中，声学传感器可用来确定何时清空了盆，并在清空了内容 物时停止水流。在按照固定的周期工作的厕所的情况中，可预编程最小 的周期，检测何时需要这一周期，并根据需要重复直到清空盆为止。否 则，可以调节水流速率或持续时间。从而，闭环洗涤或冲洗周期控制是 可能的。

诸如上述应用等声学传感器应用需要本发明使之能够实行的复杂的 非平面几何形状的传感器设计。

实例16

在某些情况中为一个以上传感器子系统采用相同的反射阵列的相同 间隔矢量可能是有利的。这进一步扩展了本发明的范围内的设计选择。

作为示例性实例，考虑沿X方向在碱石灰玻璃基板上具有单个均匀 的间隔的45°反射器组的反射阵列。该阵列被生成5MHz或2.5MHz上 的Rayleigh波的发射换能器照射。Rayleigh波长在5MHz上为0.025”而 在2.5MHz上为0.05”。反射器沿阵列的轴的间隔为0.100”，即在5MHz 上四个Rayleigh波长及在2.5MHz上两个Rayleigh波长。

这一反射阵列的间隔矢量为S＝(-0.050”，0.050”)。这一间隔矢 量支持在5MHz上的Rayleigh波的90°散射，及在2.5MHz上的Rayleigh 波的90°散射，以及如下面讨论的，对于玻璃基板的一定离散厚度，71.56 °上的5MHz Rayleigh波散射到板波中。

Rayleigh波的入射波矢量为K_I＝(2π/λ，0)，在5MHz上估算为 (251.3inch^-1，0)及在2.5MHz上估算为(125.7inch^-1，0)。对应的 90°反射波矢量K_R由(0,251.3inch^-1)及(0,125.7inch^-1)给出。在间 隔矢量公式中，因子2π(K_I-K_R)/|K₁-K_R|²估算为在5MHz上 (0.0125”，-0.0125”)及在2.5MHz上(0.025”，-0.025”)。在5MHz 上以n＝-4及在2.5MHz上以n＝-2满足间隔矢量公式

S＝2π(K_I-K_R)/|K_I-K_R|²。

(因为反射器间隔是单方向概念，S与n的代数符号是物理上无关的。)

考虑5MHz上的入射Rayleigh波散射到散射板波71.56°上的板波中 的情况。此外，基板的厚度受到调节以支持波长为0.0316英寸的5MHz HOHPS板波。在这一情况中，可将反射波矢量计算为K_R＝(62.85inch^-1， 188.49inch^-1)并将间隔矢量公式因子2π(K_I-K_R)/|K_I-K_R|²估算 为(0.0167inch，-0.0167inch)。在这一情况中，以n＝-3满足间隔矢 量公式。

支持波长λ_HOHPS的“n”次HOHPS波的基板厚度“b”由下式给出

b＝(n/2)·λ_HOHPS·λ_ZOHPS/√(λ_HOHPS²-λ_ZOHPS²)

其中在5MHz上，λ_ZOHPS＝0.0267英寸。例如，如果玻璃基板具有0.100 英寸厚度，则在5MHz上n＝4的HOHPS波具有波长0.0316英寸。

当一个以上传感器子系统采用相同的间隔矢量时信号均衡法变得更 复杂；一个传感器子系统的均衡信号可包含另一传感器子系统的信号均 匀性。在这一上下文中，诸如行宽调制等均衡技术是受到关注的。与改 变反射器高度不同，改变行宽可有差别地影响不同波组的散射幅值。注 意信号均衡技术可应用在传感器子系统内的任何阵列或反射边界上。

本实例示出本发明的特殊方面，即反射阵列的同一间隔矢量S可支 持一组以上散射波。

实例17

在本实例中从接触重构算法观点考虑本发明的特征。本发明使冗余 检验能够进行。冗余检验对于具有多接触能力以及具有排除虚假接触的 自己的权利的价值的算法是重要的。其中用三个或更多传感器子系统来 感测接触的任何传感器系统都可利用带冗余检验的算法。下面首先考虑 冗余检验的一般原理，然后考虑对特定传感器几何形状的特定应用。

图24(a)示出冗余检验算法的基本框。这一算法可用来提供增强的虚 假接触排除，解决由多个接触引起的二义性，解决由传感器几何形状引 起的二义性，或上述各项的任何组合。

图24(a)中2401上的明显扰动识别及2402上的延时确定是用上面讨 论的技术实现的。现有的商品化产品用各式各样的特征来识别值得进一 步用接触识别算法处理的明显信号扰动：充分的幅值变化；带重复的脉 冲串的信号扰动的再现率；与手指触摸一致的持续时间特征；等等。用 各式各样的平均或形心寻找法将唯一的时间赋予有限持续时间的扰动也 能容易地计算出明显信号扰动的时延。从而这些步骤对应于控制的低级 信号处理与中级扰动抽取部分。

本发明的这一范围包括利用相敏控制器与相关信号处理设备来实现 这一低级信号处理。用适当的控制器电子器件，信号处理算法能利用同 相扰动以及幅值来检测与解释信号的扰动；见与图19相关的讨论。在一 些情况中，利用相敏控制器能设计出这样的传感器，其中来自一个以上 传感器子系统的信号同时被单一的接收换能器接收并且存在着关于哪一 个扰动与哪一个传感器子系统关联的二义性；在这些情况中不利用冗余 检验算法来解决这些二义性。

图24(a)的第三个框，2403上的自相一致的三元组的识别是能用三个 或更多传感器子系统感测接触的传感器所特有的。(更一般地，如图28(a) 中的传感器所示，即使由少于三个传感器子系统提供时只要有三个独立 延时便已足够。)这里算法识别延时的自相一致的三元组，例如所有三 个接收信号的扰动可以在测量误差之内一致地解释为对应于二维接触表 面上的一个共同位置。用于测试自相一致性的算法细节有许多选择。一 种选择是将所有延时转换成坐标然后检验坐标的一致性。作为替代，可 用两个延时来计算两个坐标并从而得出一个接触位置，后者又可用来预 测第三延时；比较第三延时的预测与测定值。在一些情况中，甚至无须 将延时转换成坐标值便有可能检验延时的自相一致性。还存在其它选择。 实质性要素是用接触表面上的单一接触位置来测试三个或更多延时的自 相三致性。

图24(a)中的第四个框表示在2404上将识别出的自相一致的三元组 处理成要求的坐标系中的零、一或多个接触坐标的表。若干自相一致的 三元组可对应于单一的接触；当四个或更多传感器子系统感测一个接触 时这是通常现象。要求的输出接触位置的坐标系不必与传感器子系统的 自然坐标系直接相关。例如，在图21(a)与21(b)的球冠传感器中，可用 (Θ，φ)坐标系来输出坐标，不管Θ不是用φ、u或v传感器子系统 中任何一个直接测定的这一事实。

有可能以各种方式组合第三与第四框。例如，在用四个传感器子系 统可靠地感测要求的接触区的传感器中，可以测试延时的候选自相一致 四元组。自相一致四元组包含延时的四个自相一致三元组。虽然图24(a) 的框图着重于二维表面上的接触的冗余检验的三个测定值的最低要求， 蕴含地理解可采用具有相同的净效果的算法。

对于设计成只测定一个接触坐标的传感器，则有可能是利用延时的 自相一致的二元组的冗余算法。例如，包含Rayleigh波X传感器子系统 与切变波X传感器子系统的传感器，冗余检验可基于这样的要求，即 两个传感器子系统在误差范围内测定相同的X值

下面更详细地考虑图13中的X-Y-U传感器。图23表示来自按 照图13的传感器系统的示意性信号，该传感器系统具有碱石灰玻璃基 板，传播5.53MHz Rayleigh波，及图13中所指示的位置上的接触，即 从没有换能器的接触区的角向上5.75英寸与横向5.75英寸。对于这一特 定实例的近似延时给出在图23中。

X发射到X接收信号提供X坐标测定值。Y发射到Y接收提供Y 坐标测定值。X发射到Y接收信号及Y发射到X接收信号提供U坐标 测定值。U与X及Y相关如下。

U≡-sin(Θ)X+cos(Θ)Y

对角线角为Θ＝30°，或更一般地传感器的高宽比的反正切。

各传感器子系统的延时t与X、Y或U线性相关。如果将有效区不 带换能器的角定义为原点，则坐标与延时的相关如下。

X＝W+H/2一Vt/2

Y＝H+W/2-Vt2

U＝-Wsin(Θ)·(W+W/cos(Θ)-Vt)/(W+W/cos(Θ)-H)对 于X到Y接收

U＝+Wsin(Θ)·(H+W/cos(Θ)Vt)/(H+W/cos(Θ)-W)对于Y 到X接收

V是所有声模的群速。对于图13中所示的接触位置，X坐标是从X传 感器子系统中的205微秒上的扰动中重构的，Y坐标是从Y传感器子系 统中的155微秒上的扰动中重构的，而U坐标是利用上述第二个U表达 从Y到X接收传感器子系统中的175微秒上的扰动中重构的。

实践中，为了适当地计入各种电子偏移及由反射器阵列的有限宽度 引起的路径长度效应，上式中的常数通常是从标定过程确定的。象上面 这样的公式的实际价值为提供检验用实验导出的线性映射系数是否“有 意义”的措施。

图23中的205、155及175微秒延时为图13的30°X-Y-U传感 器构成自相一致的三元组。这可以通过从延时中重构X、Y与U坐标来 验证，然后用下述不等式来测试得出的值。

|U-sin(Θ)X-cos(Θ)Y |＜ε

其中ε为测量容差而Θ＝30°。将容差ε调节得大到足以接纳合理的测量 误差与不确定性，并且仍小到足以排除从一个以上接触导出的延时组合。 其数值取决于许多因素。在许多情况中ε的最佳值在0.1英寸到0.5英寸 的范围内。

利用X、Y及U对延时之间的线性关系，上述不等式可直接用延时 重新表达。没有必要将延时转换成坐标来测试延时三元组的自相一致性。

自相一致性检验的另一种变型为确定两个坐标，如X与Y，然后用 它们来确定接触表面上的一点(X，Y)，再用它来为第三传感器系统， 诸如U，预测延时。

自相一致的三元组可用来解决由多个接触引起的二义性。例如，考 虑图11中的传感器受到两个接触的情况，一个在位置(X，Y)上而另 一个在(x，y)上，来自X与Y信号的数据可解释为在(X，y)与(x， Y)上的一对接触以及在(X，Y)与(x，y)上的一对接触。然而，当 将X、Y与U数据组合时，只有(X，Y)与(x，y)解释会引导到 延时的自相一致三元组。

如果图13的传感器受到位置(X，Y)、(x，y)及(X’，Y’)上 的三个同时接触，则存在着6种方式来解释X与Y信号：

[(X，Y)、(X’，Y’)、(x，y)]；[(X，Y)、(x，Y’)、(X’， y)]；[(X，y)、(x，Y’)、(X’，Y)]；[(X，y)、(X’，Y’)、 (x，Y)]；[(X，Y’)、(x，Y)、(X’，y)]；[(X，Y’)、(X’， Y)、(x，y)]。再一次用U坐标数据来识别延时的自相一致三元组将 唯一地识别这三个接触位置。原则上，相同的原理适用于任何数目的同 时接触。实践中，有限分辨率效应及信号扰动的重叠将导致能分类出的 同时接触的数目的实际限制。在任何情况中，作为已知技术的替代或增 加，本发明增强了多接触能力。

多接触可导致一个接触“屏蔽”另一接触的情况。例如，考虑图13 的传感器中的两个同时接触，其中这两个接触具有相同的X坐标但不同 的Y与U坐标。对于最佳的多接触性能，较佳实施例采用包含抗屏蔽算 法连同本实例中提出的冗余检验法的算法。

如果四个或更多传感器子系统感测一个接触，则一个以上的延时自 相一致三元组可能与一个接触关联。例如，以图14的X-Y-U-V传 感器，接触可得出包含任何下述坐标组合的四个自相一致三元组：(X， Y，U)；(X，Y，V)；(X，U，V)；(Y，U，V)。由于它们全 都引导到相同的重构的二维接触位置，同一接触可关联交替的自相一致 三元组。

没有φ传感器子系统，图19的传感器仍能用u与v传感器子系统重 构接触位置。然而，图19中的传感器的这一缩小的版本会遭受由传感器 几何形状引起的二义性，见图19B中示出的“幻影”接触。这一二义性 是用增加φ传感器子系统及自相一致三元组的使用解决的。

更详细地观察图19的传感器。从延时能确定用弧度定义的从φ＝0 绕柱面的轴到散射声波的发射阵列上的点的角度的坐标u、v与φ的值。 可从u与v延时重构接触位置。柱面坐标(φ，z)是以下述关系用u与v 确定的。

φ＝(u+v)/2mod 2π

z＝(H/πR)×{|[(π+u-v)mod 2π]-π|}

现在考虑同时接收u与v信号并用相敏控制器解开的情况。如果相敏控 制器没有识别哪一个扰动属于哪一个同时接收的信号的措施，标记为u’ 与v’的声径提供信号数据的另一种解释，这又导致重构图19(b)中所示的 幻影接触位置。这是离散接触位置二义性的示例。然而，注意(u，v， φ)将构成自相一致的三元组而(u’，v’，φ)不会。解决了二义性。

实例18

可利用具有多接触能力的触屏作为3D输入设备。例如，考虑包围 具有圆柱内在其上投影象素的旋转螺旋片的三维显示器的透明柱面传感 器。在这一情况中，很容易从接触中获得与解释两个坐标轴h与φ。然 而，可能希望能获得表示第三坐标轴ρ，距设备的轴的径向距离，的接 触信息。具有了来自两个同时接触(h₁，φ₁)与(h₂，φ₂)的坐标，存 在着许多选择来映射到三维空间(h，φ，ρ)中，例如(h，φ，ρ)＝ ([h₁+h₂]/2，[φ₁+φ₂]/2，R |φ₂-φ₁|)，其中R为圆柱的半径。 有了三个接触，便有足够的信息(6个参数)来控制三维空间中的立体 的图像的位置与朝向。在这一应用的柱面传感器的特定实施例中，设置 了具有等于其周长，如15英寸，的高的硼硅玻璃柱面。在柱面的下方各 设置三组并排的阵列，各阵列具有关联的换能器。第一反射阵列具有22.5 °上的反射器，第二反射阵列具有45°上的反射器，而第三反射阵列具 有67.5°上的反射器。从而，生成三种声波，其中两种具有相对于圆柱 的中心轴成±45°的路径，而另一种具有平行圆柱的中心轴的轴。在柱 面顶部，单一发射换能器在具有三组反射器的重叠阵列上发射脉冲。在 这一情况中，实现了在侧面部分上不带任何反射阵列的四换能器系统。 这一系统可用作诸如具有在其上面投影象素的柱面内的旋转螺旋片的三 维显示器的接触界面。

注意这些双或多接触分析是解决二义性数据的可获得性及其分析的 促进的结果，并且不限于柱面触屏系统。因此，平的、球面部分的或其 它几何形状的系统可用作三或更多维输入。

作为替代，通过分析接触的强度可获得第三轴，所谓Z轴。然而这 一Z轴具有低分辨率并且可能难于控制。从而多接触能力提供更精确与 可靠的3D输入装置。

实例19

抗屏蔽算法的可实行性是传感器设计的突出特征，其中至少部分接 触区是用三个或更多传感器子系统感测的。这在存在掺杂物时能增强传 感器性能以及增加对传感器设计选择的灵活性。

图25(a)为抗屏蔽算法的总流程图。在已知的传感器中，由于屏蔽而 丢失坐标测定值导致重构接触的二维位置失败或无能。这里屏蔽指由接 触的远端位置上的掺杂物、另一个接触或传感器设计的内在障碍而使通 过接触位置的声信号的破坏而言。

图25中前两上框2501、2502与图24的相同，并已在上面讨论过。 这里不进一步讨论。

第三个框指在2503上将对应于带重叠接触区的传感器子系统的延 时配对。第四个框在2504计算接触位置。抗屏蔽算法的基本特征为来自 两个传感器子系统的好数据足以重构二维表面上的接触位置。没有必要 所有传感器子系统都作出成功的测定。更一般地，如果接触是在N个传 感器子系统的接受范围内，则抗屏蔽算法可“配对”2、3…、或N-1 延时。

抗屏蔽算法利用来自第三传感器子系统的数据来改进接触检测效 率。这与利用来自第三传感器子系统的数据来增进虚假接触排除的冗余 检验算法形成对比。如果四个或更多传感器子系统感测接触，则能容易 地将抗屏蔽与冗余检验特征组合在同一算法中。如果只能利用三个传感 器子系统，则可使用有条件地利用抗屏蔽与冗余检验特征的更复杂的算 法。

现在在特定传感器几何形状的上下文中考虑抗屏蔽算法。考虑图13 中的X-Y-U传感器及图23的相关信号。在这一情况中，能作出三种 配对，它们中每一种都能确定接触的(X，Y)坐标。参见图25，如已 知的，205微秒X延时与155微秒Y延时允许确定(X，Y)。然而，也 可将205微秒X延时与175微秒Y到X延时组合。在这一情况中，丢 失的Y坐标可用下式确定

Y＝+H+(H/W)×X-{H/[√(H²+W²)+H-W]}×V×t

其中V为声群速(假定所有波模相同)而t为Y到X延时。类似地，如 果将155微秒Y延时与175微秒Y到X延时组合，则可用下式确定丢 失的X坐标。

X＝-W+(W/H)×Y-{W/[√(H²+W²)+H-W]}×V×t

如果接触是在X到Y传感器子系统的覆盖区中，则对应的公式如下

Y＝-H+(H/W)×X+{H/[√(H²+W²)+W-H]}×V×t

X＝+W+(W/H)×Y-{W/[√(H²+W²)+W-H]}×V×t

X到Y及Y到X传感器子系统为没有重叠接触区的传感器子系统的 实例。图25中的算法并不试图配对来自这些传感器子系统对的延时。

在许多情况中能组合图24(a)的冗余检验算法与图25(a)的抗屏蔽算 法。例如，考虑图14的X-Y-U-V传感器，其中通常四个传感器子 系统感测接触。可由于屏蔽而丢失一个坐标测定值，但仍留有三个坐标 测定值来支持需要延时的自相一致三元组的算法。

图19的柱面传感器也提供这种类型的分析的应用。如从图19(b)的 研讨中显而易见的，下面三个坐标对(u，v)、(u，φ)与(v，φ)的任 何一个都足以确定接触的(r，φ)坐标。

图21(a)与21(b)及图21(c)与21(d)的球冠传感器提供其它实例。在这 些情况中，三个可能的坐标对(u，v)、(u，φ)及(v，φ)中任何一个 都足以确定(Θ，φ)坐标。

对于图21(a)与21(b)的传感器，抗屏蔽算法对于保证整个接触表面 的二维接触重构是主要的。v传感器子系统具有孔与换能器R1与R2之 间的盲区；在这一区中(Θ，φ)坐标是从(u，φ)传感器子系统对重 构的。类似地u传感器在孔与换能器T1与T1之间具有盲区；在这一区 中(Θ，φ)坐标是从(v，φ)传感器子系统对重构的。

类似地，可利用图25(a)的抗屏蔽算法来优化诸如图15(b)的六边形 传感器等多边形传感器及诸如图16(a)的大型矩形传感器等大型传感器 的接触性能。

通常，图24(a)的冗余检验算法及图25(a)的抗屏蔽算法能有利地利 用采用冗余坐标测定值的传感器设计。

实例20

如果用一种以上声模感测接触，则可以确定接触位置与“Z轴”接 触压力以外的一种附加特征。这一信息可用来例如排除由接触平面上的 水滴引起的虚假接触。

图26概括了双波模接触特征排除算法的基本部份。第一个框在2601 上作为接触位置重构算法的副产品关联接触的来自不同传感器子系统的 延时；更一般地，第一框表示来自对应于单个接触的不同传感器的延时 群，不管是否实际计算接触位置。第二框在2602表示为与接触关联的延 时确定信号扰动的大小，有可能已作为测试扰动的有效性的一部分计算 出信号扰动的大小。这里假定并非所有信号扰动都在接触区中包含相同 的声模。在第三框2603中将信号扰动与期望的特征比较，例如有效接触 的扰动幅值比。

图26示出双波模算法的基本特征。在实践中，可将双波模特征以各 种方式包含进重构接触位置的算法中，也许是确定接触压力，也许是提 供抗屏蔽与多个特征等。这里的主要特征是与耦合两个或更多声模到接 触上的相对大小的期望值进行比较。

作为实例，对于实施例考虑图14中所示的传感器，该实施例中X 与Y传感器子系统用水平偏振切变波(ZOHPS、HOHPS或Love)感测 接触，并且在其中U与V传感器子系统用在表面上带有垂直粒子运动的 声模(诸如Rayleigh与Lamb波)感测接触。为了更具体，可用例如在 工作频率5.53MHz上的0.090英寸厚的碱石灰玻璃基板，Rayleigh波长 为0.0226英寸，其中U与V反射器角与间隔给出在图13(b)与图14中， 而X与Y反射器间隔为Rayleigh波长的整数倍，且X与Y反射器角为 大约52.5°，如将Rayleigh波耦合到穿过接触区的n＝4HOHPS波所需 要的。

如果这一传感器同时受到水滴与手指接触，由于粘滞阻尼，手指接 触将在(X，Y)与(U，V)子系统中都导致期望的信号扰动幅度。然 而由于水平偏振切变波对水的弱耦合，由水滴引起的(X，Y)信号扰动 弱而(U，V)信号扰动强。水滴的弱(X，Y)信号将不被解释为轻的 手指接触，因为对应的(U，V)接触是强的。从而同一接触的信号扰动 比提供区别水滴与手指接触的接触特征。用实验确定这些比的阈值，算 法能响应手指接触并排除来自水滴的接触。

图26的算法除了排除水之外还有其它用途。例如，这一算法能用来 验证用户是否适当地带手套，假定这种手套是用具有足以与光手指接触 区别的辐射阻尼对粘滞阻尼特征之比的材料制成的。可利用这一特征例 如来保证符合强制要带手套的设备的安全作业。

实例21

提供了具有相对于阵列的轴从45°到56°连续地改变反射器角的 测试反射阵列。反射器角的其它范围也可能是感兴趣的。这一阵列用来 在基板的不同部分上产生递增的反射器角，这些角度可用实验来测试入 射Rayleigh波在90°上散射到多种传播波模中的波模转换。90°散射的 有用特征在于沿阵列的轴的反射器间隔只与入射波模有关而与反射波模 无关。反射阵列作为衍射光栅工作，在沿阵列的不同位置上引导具有不 同相速的波。

已经发现对于直角上的散射从入射的Rayleigh波的传播轴的最佳V 形角，对于n＝0的切变波为大约40°，n＝1大约47-48°，n＝2大约48 °，n＝3大约50°，n＝4大约52-53°及n＝5大约56°，对于厚度0.085” 至0.090”的玻璃，厚度越大角越小。Rayleigh波与n＝4HOHPS的相速比 为大约0.92。

实例22

图26所示的双波模算法的输出不一定限制在接触的性质的简单通 过/排除判断。双波模算法可在离散的类集合中分类有效接触，或甚至提 供接触特征的模拟测定值。

“双波模”算法不一定限制在只利用两种不同的声模上。利用三种或 更多声模也在本发明的范围内。在本上下文中“不同的声模”可指在明 显不同的频率上的同一声模而言，例如在2与5MHz上的Rayleigh波。 主要特征在于不是所有传感器子系统都以相同方式耦合在接触上。

带有离散集输出的双波模算法在采用多种笔尖的传感器系统中具有 应用。例如可提供一组笔尖，其中各笔尖具有带唯一的声耦合性质的尖 端。唯一的声耦合性质可以是例如通过主漏波阻尼机制对Rayleigh波的 耦合强度对通过粘滞阻尼的水平切变运动的耦合强度的特定比。当用户 用笔尖在接触表面上拖动时，双波模算法能确定所用的特定笔尖。例如， 在电子白板应用中，不同的笔尖可对应不同的颜色；取决于电子白板是 否与显示技术组合，笔尖可以也可以不是将物理(相对于“电子”)墨 水作用在接触表面上的标记的复制品。

双波模算法可与其它技术组合来进一步分类接触的性质。例如，通 过传感器与笔尖尖端之间的接触面积的大小，可利用接触扰动的持续时 间来帮助区别不同的笔尖，如欧洲专利申请9411927.7的权利要求10中 所考虑的。为了以控制器算法能识别的方式来调制接触扰动的大小，笔 尖尖端可在诸如100Hz的特征频率上扰动。这些与其它方法可与双波模 算法组合来更可靠或更完整地表征接触扰动的性质。

这里“笔尖”推广到导致接触的任何东西。例如，考虑筑入盛油盘 底部的按照本发明的声学传感器。更具体地想象用ZOHPS与弯曲(最 低次反对称Lamb)波两者感测液滴。对于高粘滞油滴的ZOHPS对弯曲 扰动大小之比大于对于低粘滞度的汽油滴的大小比。

作为双波模算法的模拟输出的实例，再考虑上述盛油盘应用。作为 粘滞性的测度的ZOHPS信号扰动对作为与粘滞性弱相关的漏波衰减的 测定的弯曲波之比便是粘滞性的测度。从而利用双波模算法，本发明支 持粘滞性测定。已知血液计数是与血液粘稠性强相关的，作为“盛油盘” 的血液计数传感器可提供具有快速响应的便携式传感器，在这一情况中 传感器基板可以是玻璃片而工作频率可以是大约5MHz，以便缩小尺寸 及提高分辨率。

在血滴粘稠性测定系统中，反射阵列可作为玻璃片上的屏筛玻璃料 形成的或作为蚀刻或研磨结构。然而，当玻璃片是一次性的时，可分开 设置换能器并作为永久性夹紧装置的一部分。从而，在测试中将换能器 压紧在玻璃上，以便耦合声波而无须永久性粘结剂粘结。

实例23

如图32(a)(1)与32(b)(2)中所示，可实现带区域性变化来优化触屏的 灵敏度而不导致过份误差的自适应阈值确定方案。这一自适应阈值方案 有两个略为不同的方面。首先，在初始化期间，系统迅速地获取足够的 数据以允许扰动检测。然后，初始化之后，自适应更新阈值，排除一部 分传感器检测到的明显扰动。

从而，在3201系统初始寻求确定基线输入，假定对于各可利用的子 系统不存在接触。在初始化中，系统也可检测与忽略可能由诸如过早的 接触引起的明显瞬时扰动，并合并自适应基线处理的第一与第二方面的 处理方案。在3202存储基线特征。注意通常为设备的各传感器子系统分 开存储这一基线特征数据。根据为各传感器子系统存储的基线特征，在 3203作出正常变化、不稳定性与噪声的统计分析，这可提供在正常基线 与阈值之间设定边界的基础。在3204激发换能器之后，阈值可根据传感 器子系统的信号空间，根据传感器或延时的给定区域中的基线稳定性而 改变。在正常工作模式中，在3206确定基线，在3205不参照检测到的 扰动，并在3207自适应更新。此外，在3208的基线稳定性特征及在3209 的阈值可以各根据传感的位置或区域各自改变，及对于各可利用的传感 器子系统也可自适应更新。

按照本发明，单个发射的声波可产生多个表示不同换能器子系统的 接收信号。因此，如图32(b)中所示，可为分辨关于多个传感器子系统 3211、3213、3215的信息分析接收信号。通常系统顺序地测定来自各可 利用的传感器子系统3210的信号。然而，在一些情况中，可获得的冗余 度有可能允许传感器在没有来自一个或多个传感器子系统的数据的情况 中工作。此外，在时间的任何给定点上，即使各子系统的传感器的完全 映射是不完整的，可以利用足够的数据供一定的分析。

在3212上如果接收信号对于给定的位置与子系统在阈值以上，例如 在3216在相敏接收机实施例中估算为√((ΔI)²+(ΔQ)²)-阈值(位 置，子系统)＞0，便在3217接着分析。否则，在3218认为来检测到扰 动，而在3220系统继续接收与分析诸如来自下一个传感器子系统的进一 步的数据。反之，如果来自传感器子系统的数据超过阈值，检测到显示 的扰动，而在3219将这一信息传递给高级基线分析或其它算法。

如图32(c)中所示，在3221从扰动检测算法中获得一些或所有可利 用的传感器子系统的数据之后，在3222判定是否可利用足够的数据来进 行分析，这对于不同的算法可能不同。然后便可执行按照本发明的扰动 分析，包括3223的抗屏蔽算法，3224的多接触/冗余算法及3225的一致 性算法。通常，还在3226分析扰动的大小与形状，以便计算出最佳的输 出坐标。如果在3227接收与分析了足够的扰动数据，如上所述不必包括 所有数据或来自每一个传感器子系统的数据，则在3228的进一步处理保 证将扰动的坐标表示正规化到要求的输出坐标空间中。可以在处理的不 同点上执行实际正规化或坐标变换，并且处理的不同部分可在扰动位置 的不同空间表示中工作。然后在3229输出正规化的坐标表示。扰动分析 是连续的过程，分析各明显的扰动。从而图32(a)(1)、32(a)(2)、32(b) 及32(c)中的过程可独立与异步地进行，除非来自一个过程的数据为另一 过程的操作所需要。

因此本发明通过描述这些系统而扩展了声学触屏的领域，这些系统 为了提供提高组装与配置中的灵活性、改进性能、同时处理多个扰动的 能力等等的优点而革新了机械构造、接收机电子器件与/或逻辑处理系 统。应理解这里描述的较佳实施例与实例只是为了示例的目的而不应认 为是限制本发明的范围，本发明的范围只在所附权利要求书中界定。