CN1146779C - 显示表面上触摸点位置参数传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明属传感技术领域，应用于多媒体计算机的触摸输入方面，尤其是在显示元件表面上触摸位置的传感技术。本发明使用了多点定位技术，即显示表面的手指或其等效物，反射由超声波换能器所发射的超声波，到多个位置已知超声波接收器，转换成为电信号输出到后续处理系统，而得到触摸点与每个接收器之间的距离，进而得到该标的点的坐标。本装置或部件输出的信息，是不同的换能器所发射、接收的电信号的时间值或时间差。

Description

显示表面上触摸点位置参数传感装置

本发明属于超声传感技术领域，主要应用于计算机多媒体技术中数据信息点的触摸式输入方面，尤其是在用计算机显示器的显示屏幕上，实施对特定的显示区域的数据的选择输入，是一种使用超声波技术，对触摸点的位置坐标进行检测的传感元件。

现有的在显示屏幕上实现触摸点位置坐标检测的技术，即触摸屏技术，主要有电阻电位技术、电容漏电流技术、光学及红外技术、声表面波技术、矢量力技术。在申请号码为98101325.2的中国专利之中，本申请人提供了多篇介绍上述各种技术的专利文献，对上述技术的优缺点进行了较为详细的分析，同时公开了一种使用超声波技术，来实现对平面或空间内的“触摸点”的位置坐标信息进行传感检测的技术方案。该专利的实施方案，是在某个指定的平面内，分布设置最少三个超声波接收器，接收由一个安装在手持的触摸柄的顶端的超声波发射器所发射的超声波，在接收到超声波信号后，各个接收器分别输出一个或一系列电信号到后面的数据处理系统。由于超声波发射器与各个接收器的距离不同，并且声速在指定的介质中是已知恒定的，故各个接收器所输出的电信号的时间也就不同，所以这一系列电信号被后面的数据处理系统接收后，就能够计算出这些电信号之间的时间差，再利用解析几何的方法，就能够得到超声波发射器，即手持触摸柄的顶端所在的被触摸点的位置坐标。这种方案的优点在于生产制造的费用低，而且几乎与被检测、传感定位区域的大小无关；能够应用在挂图表面、墙面等其它场所；也能够制成可以随身携带的部件，以适用于不同地点的临时使用。同时，在需要的时候，还能够实现在三维的立体空间内的“触摸点”的位置坐标参数的检测、传感。但是，由于实施这个技术方案，必须使用一个几乎独立的、安装有超声波发射器的触摸柄，使得使用方法较为复杂，也增加了管理维护的工作量，不适合应用在难于管理的、以计算机显示器为输出部件时的公共场所的信息查询。

本发明的目的就是针对上述的缺点，提供了一种更适合于计算机显示器以及小型的投影显示器使用的检测元件或装置，在省去了手持的超声波发射器的情况下，根据同样的几何学原理，来实现对显示屏幕上的触摸点的位置坐标信息的检测。

本发明的具体技术方案是这样的：将至少一个用于超声波发射和至少三个用于超声波接收的、适用于以空气为传播介质的超声波换能器，分布安装在显示表面的边缘、其位置坐标在某个参照坐标系内是已知或可知值的点上，使这些换能器的发射或接收面，即工作表面指向显示表面的前方区域，并且与相应的超声波发射接收电路相连接；使用发射角足够大的发射换能器，使该发射器从其安装点所发射的超声波，能够在显示表面前部、平行于显示表面的平面，即工作面内覆盖整个显示表面；同样使用接收角足够大的接收换能器，使该接收器能够，接收从上述工作面内的任意一点，指向该接收器安装点的超声波信号。当手指或其等效替代物进入工作面内时，反射从发射换能器发射的超声波到上述的接收换能器。由于超声波信号自被发射出到被接收到，需要一定的时间，所以本部件或元件中不同的接收器输出的电信号时间，与其和反射物之间的距离相关，通过选择不同的发射、接收方案，经过发射接收电路的处理，或者可以得到不同的接收电信号与发射电信号之间的时间差，或与其距离差值相对应的时间序列信号。本装置或部件输出的信号被送到后续的数字处理系统，计算出所述的各个距离，就能够得到触摸点的坐标。

因为省掉了手持的超声波发射器，所以本发明与先有技术相比更具优点。首先，这种技术方案适合于应用在显示器或显示元件上，能够实现与现有的各种触摸屏相同的功能，但却只需要更低的生产、制造和维护费用；其次，本技术方案同样也能够象申请号码为98101325的中国专利一样，在增加一个类似于教鞭、不带有超声波换能器的手持触摸柄，即手指的等效替代物的情况下，应用于挂图、墙面、较大的投影屏幕等其它平面情况下，同时，也能够制成可以随身携带的部件，以适用于不同地点的临时使用。

下面根据附图来详细说明本发明的一些具体的实施方案。

图1已知点在坐标系坐标轴上的一种设置方式

图2已知点在坐标系坐标轴上的另一种设置方式

图3超声波传感器在显示器上的一种安装形式

图4超声波传感器在显示器上的另一种安装形式及手指尺寸误差分析

图5传感装置的一种结构示意图

图6图5的A-A剖面图

图7传感装置的另一种结构示意图

图8图7的A-A剖面图

图9传感装置在显示监视器一个边缘的安装和操作示意图

图10超声波换能器的一种外形图

图11超声波换能器的另一种外形图

图12发射的超声波在屏幕法线方向的分布

图13衍射波干扰的形成示意图

图14一种超声波的发射和接收信号的时序和波形图

图15另一种超声波的发射和接收信号的时序和波形图

图16与图14相对应的超声波发射和接收电路的方块图

图17与图15相对应的超声波发射和接收电路的方块图

图18超声波发射与接收器在阴极射线管表面的安装示意图

图19本装置或部件在其它显示表面边缘的一种安装方案示意图

图1、图2表示出了本发明的几何学原理。图中P₁、P₂、P₃表示超声波换能器在某个参照坐标系的安装点，其坐标值是已知的，或者可以使用某种方法通过事先测量而得到，标注在括号内；点P表示手指或其等效替代物所在的位置，D₁、D₂、D₃表示点P到各个安装点的距离。更一般的设置情况和各个距离值来计算P点坐标值的几何学方法，可以参见前述中国专利的说明书。

图3给出了本装置的超声波换能器在显示器的壳体上的一种与图1相对应安装方法。在一般情况下，超声波发射器也同时是一个超声波接收器(有时只是效率不同，或者接收换能器还带有机械式的滤波器)，因此在图3中显示器的显示302表面周围的壳体301边框的角上，安装了303、304、305三个换能器，306是一个备用或作为校验用的换能器，可以不装。这三个换能器在这里既是发射器，同时又是接收器，其功能的转换是通过图17的切换开关来实现的。图中307、308、309依次表示的是换能器303、304、305所发射的超声波(图中的同心弧)，被手指310所反射的反射波及其方向。使用这种实施方案，由于各个发射器的发射时间不同，所以计算时间差较困难，但是测量每个换能器从发射出到接收到超声波的时间差却很容易，这个时间差乘以声速，就是该接收器到手指触摸点距离的二倍。

图4是与图2的已知点的设置方式相对应的另一种超声波换能器的安装方案。图4中边框中间的换能器可以是两个，即一个专用的发射换能器和一个专用的接收换能器，分别是图5中的502和304，也可以是一个特殊设计的、发射接收通用的换能器304。401表示从发射器304或502中发射出的超声波的各个方向中的一个方向，402表示可以达到接收器305的一簇反射波。因为手指310有一定的粗细，故在图中用d来表示，当需要精确定位时，在编制软件计算时间或距离时，需要把这个直径考虑进去，以减小误差。当手指在显示表面不同的位置时，直径d对接收器303、305的影响是不同的，但在显示表面上指定的区域内，对指定的接收器的影响是可以通过计算得到，而对304的影响基本上相同，因此在计算出手指坐标值所在的区域时，可以用在该区域内已经计算好的修正值来修正坐标值，得到精确的坐标值。在图4的方案中，可以如上所述来设定发射、接收换能器，也可以另外设置，如将303、305设置成发射接收通用的换能器，而将304设置为专用的接收器；或者将上述三个换能器都设置成通用换能器。在这些设置情况下，通用换能器与发射、接收电路的连接方式，需要参考图3中换能器的切换方法来进行功能切换，同时在编制软件时考虑到这种情况下，不同的接收器输出电信号的时间与超声波被发射的时间，以及不同的传播路径之间的关系。

图5、图6是图4安装方式的一种具体结构的示意图。在这种结构中，设置了一个专用发射发射换能器502和三个专用的接收换能器，分别安装在电路板503的两面，使得发射器的发射面601和接收器的接收面602互不阻挡，共同装入外壳501之中。图中发射器502安装在外壳的后部，接收器安装在外壳的开口附近，这种设计的一个目的是为了使所发射的的超声波能够更容易覆盖整个显示表面；另一个目的是使接收器在与显示表面垂直的方向上有更广阔的接收角，即图12中的角β，以增加对手指以不同的姿态触摸时的适应能力。如果发射换能器在工作面内的发射角足够大，则它的安装位置就会更自由些。外壳开口处向内的小凸起的作用是限制图12中角β在显示表面前方的延伸，尽可能多地阻挡因为超声波衍射而被人的手部反射所产生的杂波干扰。壳体下部的夹角γ的作用是调节超声波的发射方向，使其成为平行于显示表面的一个“超声波层”，并使其能够沿着显示表面的曲率有一定的衍射，见图12中的1201。但是这时需要注意，不要使电路板503与外壳下部底板内壁的宽度H小于发射面601的高度h，以免因狭缝效应而导致所发射的超声波在显示表面的法线N的方向上过分衍射，即导致图12中的发射角α过大，致使其能量密度降低导致反射信号太弱而无法接收，或者因人手其它部位的反射而使干扰增加。图中的603是安装在电路板上的其它电子元件，用于处理发射和接收的超声波信号。

图7、8与图5、6相类似，是图4安装方式的另一种具体结构的示意图。在这种结构中，部分或全部使用了发射接收通用换能器，即304和502是同一元件，或者三个都是通用换能器，其余部分与图5、图6相同。在这种情况下，使用安装在显示表面边缘中部的换能器304发射超声波，三个一起接收，或者三个换能器按顺序地发射、接收超声波信号的方法较好，可以使超声波在整个工作面内的能量密度比较均衡。

图3所示安装方式的具体结构，完全可以参照图5-图8的结构形式来设计，具体来说就是把外壳501延伸到显示表面的其它边缘。这种安装方式的缺点是尺寸较大、发射接收电路较复杂，优点是软件简单、能够实现分时测距使各个换能器之间没有影响，对于手指尺寸所产生的误差，只需要在计算距离时加上手指的半径即可消除。同理，在图7、8所示的结构中，如果使用三个通用换能器分时测距，同样具有上述的优点而外壳的尺寸实现最小化。

图9表示出了图5、6或图7、8所示结构的传感装置901在显示器边缘的一种安装方式。图中901安装在显示器的上部边缘，这样可以避免杂物落入本装置的外壳501之中。当然也可以安装在其它边缘上。图9还表示出了本装置的使用方式和手指与超声波间的关系。图中902是本装置部件与后续处理系统之间的连接电缆。这里，显示器外壳301内的显示元件可以是阴极射线管、LCD、等离子体等显示元件之中的一种。显示元件安装在外壳301之中，所以显示屏周围的边框可能会反射超声波而形成干扰。为避免这种干扰的影响，最好在显示屏周围壳体的边框内侧、所述换能器所发射的超声波能够直接达到的表面上，铺设上如海绵、微孔橡胶等超声波吸收材料，如图4、12中的311；或者把该表面制成倾斜形状，使其与显示屏表面成钝角，如图12中的1302部分所示。

本装置或部件还可以直接安装在上述显示元件上，如图18所示，1801是上述换能器的全部或其中一个，通过减震安装垫1802，同粘接等方法安装在显示元件1803的显示表面的边缘，1003是换能器的作用面，即发射面601或接收面602。1201即图12中的超声波层。减震安装垫1802的作用，是防止所发射的超声波通过显示元件的表面传播而对接收产生影响。本装置的另一个应用是将所有的换能器安装在一个安装支架1901上，再把安装支架固定在投影屏幕、或用做投影屏幕的墙面、平板面，以及各种用途的挂图的附近，如图19所示。在这里，为方便起见，我们也统称这些表面为显示表面。这里的安装支架可以制成类似于图5中外壳501的长条形，又可以对应于图3制成框形；为了适用于不同地点的临时使用，安装支架还可以制成可随身携带的、能够随时安装拆卸的部件。在这种情况下，因为显示表面可能很大，而人手臂的长度则有限，所以操作起来很困难而且会遮挡显示表面，为此最好再增加一个类似于教鞭的手持触摸杆(未画出)，来作为手指的等效替代物实现定位。该杆与手持部分相对的头部，安装有一个圆柱形、椭圆柱形或纺锤形的，能够在整个工作面内广角反射超声波的反射头。因为在操作时，杆本身基本上与显示表面是平行的，所以为了保证操作时反射头的轴线与显示表面相垂直而达到最好的反射效果，杆在这里，即靠近反射头的地方应该是弯曲的，与杆身大致成90°角。前述的中国专利对该支架和手持触摸杆(柄)的结构有很详细的说明，可供参考使用。

图10和图11展现了两种结构相近的超声波发射或接收换能器，其主要区别是发射或接收角不同。图10、图11所示的换能器在工作面内的发射或接收角分别为φ和θ，角φ接近或等于180°，角θ接近或等于90°。图中1001、1101分别是换能器工作头1002和1102的安装基座；1003和1103是发射或接收面，即图6中的601、602所示的工作表面。在本发明中，图10所示的换能器一般安装在显示表面边缘的中间部分，即图5中的304或502，而图11所示的换能器一般安装在显示表面边缘的四个角上，即图3中的换能器303、304、305、306，或图4中的换能器303、305。发射面的高度h最好是超声波波长的1.5倍以上，使所发射的超声波的衍射尽可能地小些，能量更集中在工作面内。

图16是一种超声波发射接收电路的方块原理图。图中，超声波发射器1601对应于图5-8之中的304或502，以及图14中的P₂，连接在驱动电路1602的输出端，对从超声波发生器1603送来的超声波信号进行功率放大。多个(图中画出三路)超声波接收器1608、1609和1610的输出端分别连接在包含有三路相同的滤波、放大电路的前处理电路1611的三个输入端。前处理电路1611的输出端分别与一个多路控制开关1612相连接，当超声波发生器输出超声波信号时，该信号也同时输入到延时控制电路1604中，而后输出一个控制脉冲到控制开关的控制端，使其关断一段短的时间，以免发射器发射的超声波对接收器产生干扰。这个控制脉冲的持续时间可以根据超声波脉冲离开发射器，到达显示表面的边缘的时间来设定，以其不影响接收器接收最近距离的反射波为原则。该控制开关也可以省去不用，而由后续系统的软、硬件来实现这种控制功能。由控制开关1612输出的接收信号在被送到限幅、整形电路1613中处理后，就可以通过输出接口1618，传输给后续的处理系统进行处理、计算。由整形电路输出的信号还可以直接送到一个多路的R-S阀锁电路1614的复位端，使该已经被由超声波发生器的输出信号置位的阀锁复位，分别输出一个持续时间等于发射与接收信号之间的时间差的高电平，分别控制多个与门1615、1616、1617开启，使标准时间信号发生器1607所输出的标准时间信号能够通过这些与门，通过输出端口1619传输到后续系统直接计数、处理计算。图中的1605是由后续系统送来的控制信号的连接线，其中的虚线表示不是必须的连接线；1606是本电路与后续系统的控制接口；有关的波形标注在相应的连接线旁边。这个实施电路可以应用在图4的安装形式下，所发射和接收的超声波的时序图，基本上与图14相对应。在图14中，P₂表示发射接收通用换能器及其安装点，P₁、P₃表示超声接收器及其安装点；所发射的超声波脉冲的宽度为ΔT；ΔV表示图16中滤波放大电路1611的有效输入阀值电压，所在的时间t₂就是接收到超声波信号1402的时间；其后的不规则波形表示图13中衍射杂波，及其被手部其它部位所反射的杂波1301所形成的干扰电压。一般情况下，脉冲宽度为ΔT可以取几至二十几微秒，在定位精度要求较高的情况下，在软件中应该考虑这个发射信号的峰值时的时间t₀与ΔT时间的差别。t₁、t₃与t₂的意义相同，分别表示另外两个接收器接收到超声波1404、1405的时间。

图17是另一种超声波发射接收电路的方块原理图，该电路构成与图16大致相同。在图17中，图16中的控制开关1612被图17中的切换开关1704所代替，延时控制电路1604被发射分配控制电路1702所代替，该电路同时也具备延时控制电路的功能，同时还控制多路切换开关和多路转换开关1703，同步地把由超声波发生器1603所输出的超声波电信号，在多路驱动电路1701中分配，和每个超声波换能器的发射与接收功能的切换。另外，图17中的R-S阀锁有三个置位端和三个复位端，分别被三路超声波发射信号和经过处理的接收信号所控制，输出的高电平控制三个与门的开启与关闭。其余部分的名称和功能与图16中相同标号部分相同。与这个实施电路相对应的时序图是图15，其中的t₀₁、t₀₂、t₀₃分别表示三个反射换能器所反射的超声波信号1401、1501、1503峰值时的时间，t₁、t₂、t₃也与图14中的含义相同，是接收到的超声波信号1402、1502、1504的时间。

图16、图17中多路控制或切换开关1612、1704应该使用半导体开关以保证开关速度；其包含的路数与换能器的数量相同，每路的开关数量与换能器需要切换或控制的端口的数量相对应的，如每个换能器有两个输入输出端口需控制或切换，则每路就有两个开关；如果换能器有公共端，如共地端，则每路只需要一个开关。该开关，每一个都有一个公共端和两个切换选择端，公共端与超声波换能器相连接，两个选择端分别与超声波发射的驱动电路的输出端(如果是专用接收换能器，则空置)、超声波接收处理电路的输入端相连接。

图17所示的电路既可以应用于图3、图4所示的安装方式，又可以应用于图3中部分换能器是通用换能器的情况下，所以是更一般的电路模式。但在这时，专用的接收换能器的切换开关的控制端应该与某个通用换能器的切换开关的控制端并联，以接收该换能器发射的超声波的反射波；事实上该路开关的作用相当于图16中的控制开关1612，或者说控制开关是切换开关的一种特例，切换开关完全可以替代控制开关。

本发明装置或部件所使用的超声波的频率越高，所需的发射换能器的尺寸就越小；或者说在发射换能器的尺寸一定的情况下，频率越高超声波的衍射就越小，干扰就越小；同时显示表面越平坦，所需要的延显示表面的衍射就越小，就越可以选用较高频率的超声波；而在这种情况下，接收换能器在显示表面的法线方向上的接收角β越大，对手指或其等效替代物在触摸时的姿势的要求就宽松，但也容易引入干扰。因此，需要综合考虑上面的各种因素来进行实施。但总的来说，显示表面的曲率越小，本装置或部件的设计制造就越容易，这也正符合以显示器技术为代表的显示技术的发展趋势。

Claims (10)

1.一种用于计算机多媒体数据输入的显示表面上触摸点位置参数传感装置，包含有超声波发射接收电路，和分布安装在显示表面边缘的超声波换能器，其特征在于：

A.所述的超声波换能器有至少一个用于超声波发射和至少三个用于超声波接收；这些换能器的工作表面指向显示表面的前方区域，并且至少三个接收换能器的位置坐标值在某个参照坐标系内是可知或已知的；

B.所述超声波换能器，是适用于以空气为超声波传播介质的超声波换能器件；

C.用于超声波发射或者接收的换能器，当其安装在显示表面边缘的中间部分时，在平行于显示表面的平面内的发射或者接收角应接近或者等于180°；当其安装在显示表面边缘的角上时，上述发射或接收角应接近或者等于90°。

2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：超声波换能器安装在显示表面的一个边缘上；在这些换能器之中，至少有一只用于超声波的发射。

3.根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于：所述的超声波换能器之中，只有一只用于超声波发射；该换能器安装在显示表面边缘的中部。

4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：至少有三只用于超声波发射的换能器和三只用于超声波接收的换能器，安装在显示表面边缘的三个角上。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的传感装置，其特征在于：用于超声波发射的换能器同时也是超声波接收器；并且在超声波发射和接收电路中，包含有一个由半导体元件所构成的多路切换开关，该开关的路数至少与所述换能器的数量相同，每路包含的开关数量与换能器需要切换的端口的数量相对应；每一个切换开关都有一个公共端和两个切换选择端，公共端与超声波换能器相连接，两个选择端分别与超声波发射的驱动电路的输出端、超声波接收处理电路的输入端相连接。

6.根据权利要求1或2、3、4所述的传感装置，其特征在于：显示表面是一个阴极射线管、LCD或等离子体等显示元件的显示屏、投影屏幕、作为投影屏幕墙面以及备种挂图表面之中的一种；上述边缘就是显示表面的边缘。

7.根据权利要求6所述的传感装置，其特征在于：所述装置还包含一个手持触摸杆，和安装在该杆上的广角反射头；显示表面是投影屏幕、作为投影屏幕墙面以及各种挂图表面之中的一种；超声波换能器安装在显示表面旁边的安装支架上。

8.根据权利要求1或2、3、4所述的传感装置，其特征在于：显示表面是一个带有外壳的显示器的显示屏；上述的边缘就是显示屏周围外壳所构成的边框。

9.根据权利要求8所述的传感装置，其特征在于：在显示屏周围壳体的边框内侧、所述换能器所发射的超声波能够直接达到的表面上，铺设有吸音材料。

10.根据权利要求8所述的传感装置，其特征在于：显示屏周围壳体的边框内侧、所述换能器所发射的超声波能够直接达到的表面，与显示屏之间的夹角是钝角。

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