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M351418專利
以具有減法器之訊號處理單元來改良聲波式觸控面板
M352729專利 聲納式觸控面板及其系統
M366122專利
具有三角柱結構之改良式聲波式觸控面板
M386549
專利以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板
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M386549 專利
以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板
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| 公告日2010/08/11
證書號M386549
申請日2009/04/09
申請號098205764
國際分類號/IPCG06F-003/043(2006.01)
公報卷期37-23
發明人
LIN, YEN JUEI TW;
JHAN, KAI CYUAN TW;
YANG, YI BIN TW;
JHU, JIA SIAN TW;
LEE, WEI YU TW;
LEE, KUN YI TW;
CHU, LI LING TW;
CHEN, CHI LIN TW;
CHANG, SHUN PAO TW;
CHU, SHU MEI TW;
HUANG, CHING CHOU TW;
LIU, LIAN GI TW
摘要
一種以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板，係包括一聲波式觸控面板、一輸入/輸出控制單元、一檢測單元及一信號處理單元，該觸控面板係包括一平板，並於該平板上兩個相鄰面板邊緣上形成有至少一第一、第二發射器，且發射器、接收器放置在玻璃側邊邊緣上，該平板邊緣與設有該第一及第二發射器之邊緣的對向角落邊緣上亦分別形成有至少第一、第二、第三及第四接收器，分別接收來自該第一及第二發射器所傳來的發射信號，其中該接收器與發射器的數量關係為多對多、多對一及一對多之其中一者，該輸入/輸出控制單元以分時多工掃描方式控制該發射器發射表面聲波信號與控制該檢測單元拾取經該接收器接收表面聲波而產生之電信號；且透過訊號處理單元以減法器判斷出該電信號之衰落特徵以確定使用者於該觸控面板上之點觸位置，提高該觸控面板之解析度與訊號處理速度。
詳細說明
本案涉及一種以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板，尤其涉及一種陶瓷壓電薄膜製成之發射器及接收器的聲波式觸控面板系統。
隨著電腦的普及，鍵盤及滑鼠已成為一般大眾接受程度最高的資訊輸入設備，但是由於其具有體積較大不便攜帶及在使用上程式略顯複雜的缺點，因而開發了另一種與螢幕疊合一體成型的觸控面板的輸入裝置。
觸控面板是可以直接以手指或觸控筆點選面板上特定區域，已達成輸入指令的一種人性化輸入裝置。隨著電子產品輕、薄、短、小以及功能複雜的發展趨勢，產品可供放置輸入裝置的空間十分有限，而觸控面板的使用可以完全不占空間，除可同時具有鍵盤、滑鼠的功能之外，且可提供手寫輸入等人性化的操作方式，因此成為人機介面的最佳選擇。觸控面板依其工作原理可分為電阻式、電容式、光學式以及表面聲波式，其中，電阻式的觸控面板具有透光率差的缺點，因此降低顯示螢幕的亮度與對比；再者，因電容式的觸控面板易受溫度、濕度或接地情況不同而產生的變化，固其穩定性較差；又，光學式的觸控面板之解析度由紅外線發射接收對的數目決定，固解析度易受到限制。
鑒於上述觸控面板的缺點，因此，即有表面聲波式觸控面板的發展。目前表面聲波式觸控面板判斷觸控面板位置的方法約可分為兩類：一類為單一發射轉能器與單一接收轉能器，而另一類為陣列式發射轉能器與陣列式接收轉能器。
上述以單一發射轉能器與單一接收轉能器組成之表面聲波式觸控面板係由發射轉能器激發一表面波，經由眾多反射柵或與面板邊緣成一特定角度斜向發射，使行經面板不同位置之表面波在不同的時問抵達接收轉能器，經由接收轉訊號強度與時間的關係曲線，即可判斷觸碰面板的位置。如第一圖所示之美國專利第
4,644,100號案，其即揭露一應用具該單一發射轉能器與單一接收轉能器之工作原理的表面聲波式觸控面板之系統架構圖。如圖所示．該系統包括一基板
10，該基板10上有一對發射轉能器T1與T2以及一對接收轉能器R1與R2，一與該兩對轉能器電性連接之控制系統11，各個轉能器(T1、T2、R1及
R2)分別沿著路徑P1、P2、P3、P4具有由複數個反射單元(e1至en)所組成之反射柵G1、G2、G3及G4。
該控制系統11透過一發射轉能器開關11a產生發射信號S1、S2，以使該發送信號S1、S2分別傳送至相對應的發射轉能器T1、T2，致使該發射特能器T1、T2分別沿著路徑P1、P2而產生傳遞的表面波。
以沿著該路徑P1所產生的傳遞表面波為例，該表面波經反射柵G1所傳遞的表面波與該路徑P1成45度角發射後分成n個部分並與該路徑P1成90度角向下傳遞至與該反射柵G1相對向的反射柵G2，導致該反射柵G2中之反射單元e1至en將自該反射柵G1所反射出的n個部分的表面波方向改變，並使改變方向的表面波沿著路徑P3傳遞且到達接收轉能器R1，該接收轉能器R1將接收到的表面波能量轉換成信號S3並輸出至與該控制系統11電性連接之振幅檢測器11b。另一方面，當該發射轉能器T2接收來自該發射轉能器開關11a所傳來的該發送信號S2後，致使該發射轉能器T2分別沿著路徑P2而產生傳遞的表面波，該表面波經反射柵G3所傳遞的表面波與該路徑P2成45度角發射後分成n個部分並與該路徑P2成90度角向下傳遞至與該反射柵G3相對向的反射柵G4，導致該反射柵G4將自該反射柵G3所反射出的n個部分的表面波方向改變，並使改變方向的表面波沿著路徑P4傳遞且到達接收轉能器R2，該接收轉能器R2將接收到的表面波能量轉換成信號S4並輸出至與該控制系統11電性連接之振幅檢測器11b。
接著，該振幅檢測器11b對該信號S3、S4進行分析。由於到達該接收轉能器R1的表面波行經距離的不同，故到達的時問也不同，接收到的信號S3如第二圖所示，時間t0為反射柵G2之反射單元e1所反射的表面波到達接收轉能器RI的時問，時問tn為反射單元en所反射的表面波到達該接收轉能器R1的時間，實線部分為使用者尚未觸碰面板時的輸出訊號。假設點觸面板的位置如第一圖所示之點A1，則經反射柵G1反射部分表面波沿著路徑Pv傳遞並經過該點A1，經路徑Pv的部分表面波能量被部分吸收導致輸出信號S3產生衰減的輸出信號D1，如第二圖所示，該輸出信號D1的發生時間為時問t，由發生的時間t即可推得使用者於水平座標上的觸碰位置X，而輸出信號D1的深度則與使用者觸碰的壓力有關。依據此種方式，亦可推得使用者於垂直座標上的觸碰位置Y，籍由坐標位置
(X,Y)即可確定點A1的位置。
在此實施例中，由於發射轉能器T1、T2發射的表面波經由反射柵G1、G2、G3、G4的n次反射及透射後才到達相應的接收轉能器R1、R2，導致發射轉能器T1、T2發射的大部分表面波能量損失，使輸出信號S3、S4為弱，不利於控制系統11對該輸出信號分析。同時，為了使經反射柵G1、G3反射後的n
個部分表面聲波具有相同的能量，導致反射柵的設計及基板10製程變得複雜。
此外，由於表面聲波波速快，且時間t0與時間tn間的時間間隔亦很短，故需較快速的信號處理速度，從而需使用效能較高的A/D轉換器，由於效能較高的A/D轉換器價格昂貴，故使該觸控面板的成本大幅增加。反之，若為避免該觸控面板的成本提高，只有犧牲其解析度。
再者，如第三圖所示之美國專利第3,673,327號案，其即揭示另一類應用陣列式發射轉能器及陣列式接收轉能器之表面聲波式觸控面板的系統架構。請參閱第三圖所示，該系統中之觸控面板20之平板20a兩個相鄰的邊上各設有複數個併排的發射器21、22，該平板20a另外兩個相鄰的邊且分別與該排發射器
21、22個別相對向的邊上亦設有複數個併排的接收器23、24，該複數個發射器21分別與對邊上的一對向的接收器23相對應，該發射器22分別與對邊上的一對向接收器24相對應。該發射器21、22分別產生沿著X、Y軸橫越該觸控面板20的平行的表面聲波25、26，以在該平板20a上形成一探測矩陣。
請參閱第四圖，係為在該觸控面板20上施加表面波之剖面視圖。如圖所示，該發射器21係由一壓電晶體21a及一合成透明樹脂21b構成，該接收器23係由一壓電晶體23a及一合成透明樹脂23b構成。在操作時，驅動器27將電信號傳遞至該壓電晶體21a產生震動，使該合成透明樹脂21b產生表面聲波28並沿著該平板20a傳到另一端的合成透明樹脂23b以產生震動，該壓電晶體23a將震動轉變為電信號傳至接收器23，再經信號檢測器29傳入。控制系統30
進行信號分析處理。當使用者點觸該平板時，會阻礙在該平板上傳遞的表面波25、26，亦即表面波的能量會被吸收，由此使該控制系統30計算出使用者的點觸位置。
此種應用陣列式發射轉能器及陣列式接收轉能器所構成的觸控面板，將使觸控面板的構造較為複雜，且該觸控面板的解析度與信號的分析處理方法息息相關。且該觸控面板之解析度與該轉能器設置間距相同，故，在製程技術成本的限制下，無法獲得高解析度的產品。
因此，如何提供一種可提高解析度及處理速度之表面聲波式觸控面板系統，可避免習知技術之缺失實以成為目前業界亟待解決之難題。
鑒於上述習知技術之缺點，本案之一目的在於提供一種可提高解析度及處理速度之以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板。
本案之另一目的在於提供一種製程簡單之以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板。
為達上述及其他目的，本案提供一種聲波式觸控面板，該觸控面板包括一平板，且該平板表面兩個相鄰邊緣上形成至少有一第一、第二發射器，該平板邊緣與設有該第一及第二發射器之邊緣的對向角落上亦分別形成至少有第一、第二、第三及第四接收器，且發射器、接收器放置在玻璃側邊邊緣上，以分別接收來自第一及第二發射器所傳來的信號，其中，該接收器與發射器數量關係係為多對多、多對一及一對多知其中一者。
本案亦提供一種以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板，其系統包括上述之聲波式觸控面板；一輸入/輸出控制單元，係使用分時多工掃描方式激發該第一及第二發射器發射一表面聲波，並以分時多工方式拾取經該第一、第二、第三及第四接收器接收第一及第二發射器所發射出的表面聲波而產生之電信號，且當使用者點觸該平板上的特定位置時，行經該位置的表面聲波受到阻擋致使能量被部分吸收，從而使輸出電信號的振幅衰減；一用以透過減法器對該第一、第二、第三及第四接收器所輸出的電信號進行處理以檢出震幅衰減的信號之訊號處理單元。
因此，本案以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板具有訊號處理速度快，觸控面板解析度高等優點，同時，使得該聲波式觸控面板製程容易、結構簡單與成本降低。
以下係藉由特定的具體實例說明本案之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本案之其他優點與功效。本案亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本案之精神下進行各種修飾與變更。
請參閱第五圖，其係為本案之聲波式觸控面板第一實施例之上視圖。如圖所示，本案之表面聲波式觸控面板65係由一具有兩個發射器60a、60b及四個接收器63a、63b、63c、63d，且發射器、接收器放置在玻璃側邊邊緣的平板61所組成。
該平板61係為一玻璃材料製成的薄板，其可為透明的玻璃平板；該兩個發射器60a、60b及四個接收器63a、63b、63c、63d係利用壓電薄膜的製作技術形成於該平板61表面上，其中，該發射器60a係以正中央之位置位於該平板61之邊緣60a上，而該發射器60b亦以正中央之位置位於與該邊緣
62a相鄰的邊緣62d上，且該邊緣62d對向的邊緣62b角落上亦形成兩個接收器63a、63b，而該邊緣62a對向的邊緣62c角落上亦形成兩個接收器63c、63d，藉此結構提供一種具有兩個發射器60a、60b與四個接收器63a、63b、63c、63d的觸控面板。
請參閱第六圖，其係為應用本案之聲波式觸控面板65之以具有陶瓷壓電材料元件之彎曲波傳遞方式來改良聲波式觸控面板的第一實施例。如圖所示，該系統包括一聲波式觸控面板61、一輸入/輸出I/O控制單元35、一檢測單元36及一訊號處理單元37。
該表面聲波式觸控面板65係整合於一顯示裝置(在此未予圖示)內，其形成方式即如上述第五圖所示之聲波式觸控面板65。為簡化說明，故在此將不為文贅述。
該1/0控制單元35係以分時多工掃描方式激發兩個發射器60a、60b中之每一發射器發射一表面聲波，且由該數個接收器63a、63b、63c、63d
分別接收該兩數個發射器60a、60b所發射的經該平板61傳遞之表面聲波，並將其所接收到的表面聲波轉換為電信號輸出。
該檢測單元36係用以拾取各接收器63a、63b、63c、63d所輸出的電信號，並進行信號放大處理。由於該各接收器63a、63b、63c、63d所輸出的電信號係屬高頻信號，例如2OMHz的載波信號，為供該訊號處理單元37對各接收器63a、63b、63c、63d所傳來的電信號進行解調等後續處理，則需對該電信號進行放大處理。
該訊號處理單元37係以減法器對該檢測單元36所放大的信號進行處理。其中該信號處理單元37復包括一A/D轉換模組38、一解調模組39及一演算模組40。該聲波式觸控面板65的解析度係依據該接收器63a、63b、63c、63d的數目與減法器架構而定。
該接收器63a、63b、63c、63d數目無需與該發射器60a、60b數目相等。如圖所示，為簡單說明本案之特徵，僅圖示出一個發射器以說明以一維置中排列的發射器60a，且以一個發射器以說明以一維置中排列的發射器60b，又以兩個接收器說明以一維陣列排列的接收器63a、63b，並再以兩個接收器說明一維陣列排列的接收器63c、63d，同時定義邊緣62a所在方向為Y軸，邊緣62d所在方向為X軸，且發射器、接收器放置在玻璃側邊邊緣上，在此須提出說明的是，此Y軸與X軸的定義方式並非侷限於此，亦即，端視實施型態而定。
該I/O控制單元35以一信號s1可同時或多工地激發該發射器60b，致使該發射器60b激發出一表面聲波，以一信號s2可同時或多工地激發該發射器
60a，致使該發射器60a激發出一表面聲波。而該接收器63a、63b係各別接收該發射器60b所激發出的表面聲波，並分別輸出電信號f2、f3，且該接收器63c、63d亦各別接收該發射器60a所激發出的表面聲波，並分別輸出電信號f1、f2。
且該檢測單元36即對各接收器63a、63b、63c、63d所輸出的電信號進行信號放大處理，並將放大後的電信號傳送至該訊號處理單元37。再者，第六圖而言，由於該觸控面板65兩相鄰邊緣分別所設之接收器63a、63b、63c、63d數量為多個，故本實施例之檢測單元36復具有分時多工處理，並可依據該I/O控制單元35所傳來的信號s3及信號s4一次或分次接收經所有接收器63a、63b、63c、63d對該發射器60a及發射器60b所傳來的表面聲波進行轉換處理後所傳來的電信號(f1至f3)，其中該檢測單元36所提供的分時多工處理效能係依據硬體資源而達到不同的設計需求。
該A/D轉換模組38以峰值檢測方式對該檢測單元36所放大處理後的電信號(f1至f3)進行解調處理。由於該觸控面板65所設之接收器(63a、
63b、63c、63d)數量為多個，故經該A/D轉換模組38所處理後的峰值信號則相對具有多個，且依該平板61被觸壓的情況，而使各接收器(63a、
63b、63c、63d)接收不同程度來自各發射器(60a、60b)所發射的表面聲波。如圖所示，該信號(s1及s2)激發各發射器(60a、60b)
以產生沿該平板61表面之表面聲波，當使用者點觸該平板61上之點時，使部分表面聲波能量被吸收，並令該檢測單元36依據信號(s3及s4)接收經各接收器(63a、63b、63c、63d)對該發射器60a、發射器60b所傳來的表面聲波進行轉換處理後所輸出的電信號(f1至f3)，以令該A/D轉換模組38根據該檢測單元36放大處理後所得的複數組電信號(F1至F3)而檢出不同峰值，就本實施例而言，由於該接收器(63a、63b、63c、63d)
的數量為4個，則將輸出3組電信號(F1至F3)，且需對各組電信號F1至F3)進行峰值檢出處理，之後透過該解調模組39對檢出的峰債進行取樣處理以轉換並取得各組峰值所對應之數位信號，其中每取一次則產生一組數位碼，而該產生的數位碼即可儲存於一記憶裝置(在此未予以圖示，其例如RAM等記憶裝置)
中，得以供該演算模組40根據儲存於該記憶裝置中的數位碼以減法器計算出該平板61被觸壓處之點位置。在此須提出說明的是，該演算模組40利用減法器確定點觸位置之原理、方法係一般熟知減法器者所習用，故在此將不予贅述。
本實施例之面板65係以接收信號強度以及空間(因本實施例面板65之兩相鄰邊緣上分別設有多個接收器)的關係並由減法器計算該面板65被觸壓之位置。
上述第六圖所示之觸控面板之兩相鄰邊緣上分別設有多個接器，故經該解調模組所處理後的峰值信號則相對為多，則可依據實際觸控狀態而檢出不同接收器輸出信號的峰值，對這些不同輸出信號峰值取樣、轉換及儲存處理，由演算模組針對所儲存之不同輸出信號峰值及其相對應接收器所在位置，以減法器之方式更精確地估測出該面板被觸壓之位置。
在本案中，採用分時多工掃描方式控制數個發射器及接收器，故可各別控制發射器所發射出的表面聲波的時序與持續時問，以及控制拾取各個接收器所輸出信號的延遲時問，故，在訊號處理過程中，無須使用處理速度快的A/D轉換器；再者，由於透過減法器的運算方式，即便設於該觸控面板側邊的發射器或接收器數量為單一個時，亦可判斷出觸控點的位置，從而降低觸控面板之產品成本。此外，本案之以擺設位置提高彎曲波改良聲波式觸控面板系統於訊號處理過程中因採用減法器，可提高訊號處理速度及觸控面板解析度。上述實施例僅例示性說明本案之原理及其功效，而非用於限制本案。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本案之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧基板
11‧‧‧控制系統
11b‧‧‧振幅檢測器
65‧‧‧聲波式觸控面板
61‧‧‧平板
60a、60b‧‧‧發射器
63a、63b、63c、63d‧‧‧接收器
62a、62b、62c、62d‧‧‧邊緣
35‧‧‧I/O控制單元
36‧‧‧檢測單元
37‧‧‧訊號處理單元
38‧‧‧A/D轉換模組
39‧‧‧解調模組
40‧‧‧演算模組
20‧‧‧觸控面板
20a‧‧‧平板
21、22‧‧‧發射器
21a、23a‧‧‧壓電晶體
21b、23b‧‧‧合成透明樹脂
23、24‧‧‧接收器
25、26、28‧‧‧表面聲波
27‧‧‧驅動器
29‧‧‧信號檢測器
e1、en‧‧‧反射單元
A1‧‧‧點處位置
f1、f2、f3‧‧‧輸出信號
G1、G2、G3、G4‧‧‧反射柵
P1、P2、P3、P4、Ph、Pv‧‧‧路徑
R1、R2‧‧‧接收轉能器
T1、T2‧‧‧發射轉能器
第一圖係為習知表面聲波式觸控面板系統之架構圖；第二圖係為第一圖中之接收轉能器R1輸出信號S3之時問-振幅圖；第三圖係為習知表面聲波式觸控面板之上視圖；第四圖係為在第三圖所示的觸控面板上施加表面波之剖面視圖；第五圖係為本案之聲波式觸控面板第一實施例之上視圖；第六圖係為本案之以擺設位置提高彎曲波改良聲波式觸控面板系統架構圖；
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