一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面装置，包括一个固定尺寸的平板，以及至少一对声电换能器。该平板利用点击产生的弹性机械波即超声波在平板内传递时，到达不同传感器组的时间差推导触碰的位置。压电换能器利用平板为振膜激发和接收声波，提供麦克风及扩音器功能。平板边缘具有相对中正面对称型的坡面，可增强触碰产生的非对称型传递超声波的信号，并抵消对称型超声波。换能器在平板坡面上相对于中正面对称粘贴并具相反极性，通过桥接进一步抵消对称型超声波。本发明专利技术适用于制作具有平整水平表面的交互界面，并可以通过整体装配进入现有桌面或橱窗，实现如：交互橱窗、交互桌台、交互地板或智能公交站台产品。

An interactive interface device for selective excitation and reception of unsymmetrical sound waves in a flat plate

The invention relates to an interactive interface device realized by selective excitation and reception of plate asymmetric sound waves, including a fixed size flat plate and at least one pair of acoustic electric transducers. The plate uses the elastic mechanical wave produced by clicks, that is, when the ultrasonic wave is transmitted in the plate, the time difference between the different sensor groups is deduced to deduce the position of the touch. The piezoelectric transducer uses a flat plate as a vibration film to stimulate and receive sound waves, providing the functions of a microphone and a microphone. The edge of the flat plate has a relatively symmetrical front slope, which can enhance the asymmetrical transmission of ultrasonic signals generated by the touch and counteract the symmetrical ultrasonic wave. The transducer is symmetrically attached to the front face on the flat slope and opposite polarity, and the symmetrical ultrasonic wave is further offset by bridging. The invention is suitable for making an interactive interface with flat horizontal surface, and can be integrated into existing desktop or window through integral assembly, such as interactive window, interactive table, interactive floor or intelligent bus platform product.

【技术实现步骤摘要】
一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面装置本专利技术是基于2014年02月28日递交申请的专利技术专利《一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面》，申请号2014100696304，的一个分案申请。
本专利技术涉及人机交互领域，特别涉及一个用户与电脑交互的触控界面装置，特别涉及一个新的在平板里激发和接收超声波的设施，该平板可用于人机交互，并附有麦克风、触摸屏以及音响功能。
技术介绍
触控意即让电脑使用者透过触觉达至图像应用控制的输入技术。触控技术可以实现更具个性化的人机交互方式，能够为用户带来更好的应用体验。触控界面的展示载体通常为LCD或LED屏幕。触摸屏为典型的应用，该应用中，用户透过自己的手指将信息传给机器，机器透过视觉(显示屏)来将这个信息解释和展示给用户。在这个过程中，用户的手指往往要接触触摸屏，通过手指在触控屏上的位置和运动传递信息给机器。能让电脑感受到物理上的触碰的事物包括：热力、指压、高速摄影机、红外线、光学感应、电阻改变、超声波接收器，微音器、雷射波幅感应器及影子感应器等。要使用触控技术，传统装置必需配备触模屏或触控版，同时需装载可辨认手指触碰的软件。根据已公布的资料，如WO9611378(A1)，WO0038104(A1)，以及WO2004055661(A1)，存在一种根据点击或碰撞在一个平板里产生的超声波进行计算，推导(x，y)坐标值的触控技术。此类技术通常应用在玻璃或金属材质上，具有四对超声波换能器，并通常对界面的机械机构进行优化，提高信噪比，从而收集点击产生的声波到达不同换能器产生的信号。此类技术往往具有相应的算法，能根据触碰产生的振动波(超声波)达到不同换能器组的时间差计算推导位置信息。此类技术可以支持多达数平方米的交互界面的设计和制造。需要提及的是，此处及本专利技术提及的超声波为触碰产生的机械弹性波，在固体内部传递。在物理学上，该超声波依然是属于声波(acousticwaves)。然而，目前应用此类技术的专利技术拥有多项不足。首先，通常交互界面的面积越大，应用此类技术的触摸屏的精度越低，这通常是由于超声波信息在平板里进行固体传递时的衰减造成。另一方面，超声波换能器的大小，精度以及抗电磁干扰的能力，甚至电线接入的质量，都会对此类技术的精度造成影响，从而，为了提升精度和准确性，工程设计人员往往需要在换能器外布置保护壳或通过绝缘涂层等方式减少环境因素带来的信号污染。从而，传统应用此类超声波到达时间差技术的专利技术并不适合家具或建筑行业内的工程人员直接使用。事实上，根据现有的文献检索，尚未存在一种集成了换能器后依然保持平面度的交互界面，并且该交互界面可以作为窗户或桌面的一部分直接整合进现有的工作环境如双层玻璃或餐馆桌台里。最后，由于此类触控平板使用平板里传递的机械振动超声波来进行计算，通常其所采用的声一电换能器，既可以作为麦克风记录语音，也可以在加载高电压时作为音响使用，此时平板即可作为麦克风或扩音器的振膜。然而在人机交互界面同时提供麦克风和音响功能时，会产生相应的干扰。众所周知，音响功能需要大功率的输出，而相应的专利技术使用的超声波换能器会接收到音响功能输出的振动，该振动产生的电信号远远大于点击产生的信号的强度，极易造成信号饱和。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题即是解决所有上述问题，并提供相应的解决方案。本专利技术提供一种将点击触控产生的超声波通过特别设计的结构，使得超声波在平板里传递时会根据预先制定的传递路线传递，从而提升触控检测的精度和准确性。为此，本专利技术设计了一种平面化的人机交互平板，该平板经过特殊方法的加工，从而既可以提升触控精度，亦可以在提供麦克风以及音响功能时优化信号质量。本专利技术也同时提供了一种利用平板本身振动作为音响播放的高保真方案。为了实现这些目标，本专利技术首先建议了一种激发-接收超声波的设施，该设施包含了一个硬质平板，该平板可以自由振动，并连接有数个压电陶瓷换能器。该平板的厚度，其边缘的加工以及该平板的固有振动频率均是本专利技术的核心参数。事实上，当该平板被应用于检测一个点击触碰的位置时，根据信号处理的算法，我们检测由点击产生的非对称超声波，该点击可以由手指，笔，硬塑料外壳，钥匙，戒指等各类物体产生。为了实现良好的精度，我们主要关心点击时产生的多频率振动波中高频的部分，特别是80kHz到100kHz的部分。根据实验结果，当点击平板的物体越大材质越软，触碰产生的超声波频谱约偏向低频，而检测的精度越低。本专利技术涉及的机械弹性振动波，或所谓超声波的典型波长为40mm，涉及平板材质为玻璃或硬铝。本专利技术涉及的压电陶瓷换能器的尺寸需要小于波长的一半。平板材质为玻璃时，其厚度处于0.5mm和20mm之间，其边长最高为6.8米。在此配置条件下，点击触碰所产生的机械弹性波为Lamb型超声波。此类超声波特点，为在我们考虑的频率范围内，只存在两种振动波传递模式，一种为对称型，一种称为非对称型。而当平板材质为玻璃或金属时，非对称型传递方式的超声波的振幅远远高于对称型传递方式下的超声波。从而，针对非对称型传递超声波进行检测，对于点击触碰的力度轻微时更有优势。然而，问题在于非对称型传递的速度比对称型传递要慢，在典型的玻璃平板应用场合下，非对称型超声波传递速度为每秒3300米，而对称型传递速度为每秒5400米。考虑到我们并不预先了解点击触碰的大小和方式，我们需要事先选择两种传递方式中的一种进行监测。Lamb型超声波的另一个特点，是其传递模式可以根据边界条件进行筛选。Lamb型超声波的传递，可以看做是平板内部的一个机械弹性横波和一个机械弹性纵波的集合。可以观察到，在非对称传递模式下，横波针对平板中层面为非对称分布，而纵波为对称分布，而在对称传递模式下则恰恰相反，纵波为非对称分布。此种特性可以被利用来在监测时对不同传递模式进行限定和筛选。我们只需将尺寸完全相同，具有完全一致规格的声电换能器两两一对，分别在平板的上下表面对称粘贴，在激发或检测超声波时同时检测，可以根据电信号的叠加或相减，选择非对称模式或对称模式下的超声波信号强度。典型情况下，我们选择将两两一对的换能器信号叠加，也就是说，增强了非对称模式超声波信号的同时，通过结构设计去除了对称模式下的超声波信号。类似结构设计，除了将两两一对的换能器对称的贴在平板的倒脚的上下表面，也可以在平板的侧边使用。而此时对加工精度的要求更高，此时平板边缘往往需要抛光打磨，且尺寸较小对换能器的安装精度要求更高。在上述配置下，我们可以使用四组换能器来检测点击位置。每组换能器拥有两两相对的一组声电换能器，分别占据平板的四个几何顶点。平板的几何形状可以是正方形也可以是长方形。检测位置的计算，通过观察触碰产生的超声波到达不同顶点的时间差来计算。同时，此平板也具有了声波信号的天线性质，本专利技术涉及的设施可利用四组换能器以检测非对称模式下的声波信号传入平板内的振动信号的方式，实现麦克风功能。从而，换能器在非对称模式下检测到的超声波生成的电信号需要进行两步处理。首先，是针对换能器采集到的信号进行编程放大，其次是根据不同的功能需求进行带通滤波。分别是针对位置检测也就是触控功能，在100kHz附近的滤波，以及针对录音功能，在0-4kHz范围内的模拟麦克风信号的滤波。每组换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面装置，该交互界面装置包含一个一定尺寸的平板，以及至少一组声电换能器；其特征在于：该平板至少具有一个局部几何区域能够对于对称型传递的超声波产生衰减效应，从而保证所述声电换能器主要检测到的是点击触碰时激发产生的非对称型模式传递的超声波；该局部区域内平板的表面非水平面而是相对于平板半高度面的具有一定角度的对称坡形表面；同时所述声电换能器两两相对，在平板上相对于半高度面对称布置；所述声电换能器为压电陶瓷盘片，其两面均覆盖有银涂层电极；所述声电换能器两两一组，并具有相反的极性，每组在平板上的位置为相对于平板正中面即半厚度面为对称；压电陶瓷盘片与平板接触的一面电极与双股电线焊接相连，并受金属外壳保护，构成一个兜帽机械结构，形成一个电磁屏蔽法拉第笼；兜帽内部填充有树脂，使其内部整体具有一定机械性能，可简便且精确的布置在所述平板上；所述压电陶瓷盘片为圆盘状、半圆形或长方形；所述坡面长度L的范围为30mm到40mm，坡面弧度小于或等于0.1rad，同时：a)：所述的声电换能器通过粘接与所述平板相连，并通过导电线连接到信号处理元件处后，平板在坡面处被坡度占据的面积填充为金属粉，从而减少超声波在平板边缘发生反射或折射而产生的回声效应；b)：所述平板由于坡面加工空出的面积被金属外壳所覆盖，可用于装配所述界面进入其他产品，所述外壳表面与平板中心表面保持水平。...

【技术特征摘要】
1.一种通过选择性激发和接收平板非对称声波实现的交互界面装置，该交互界面装置包含一个一定尺寸的平板，以及至少一组声电换能器；其特征在于：该平板至少具有一个局部几何区域能够对于对称型传递的超声波产生衰减效应，从而保证所述声电换能器主要检测到的是点击触碰时激发产生的非对称型模式传递的超声波；该局部区域内平板的表面非水平面而是相对于平板半高度面的具有一定角度的对称坡形表面；同时所述声电换能器两两相对，在平板上相对于半高度面对称布置；所述声电换能器为压电陶瓷盘片，其两面均覆盖有银涂层电极；所述声电换能器两两一组，并具有相反的极性，每组在平板上的位置为相对于平板正中面即半厚度面为对称；压电陶瓷盘片与平板接触的一面电极与双股电线焊接相连，并受金属外壳保护，构成一个兜帽机械结构，形成一个电磁屏蔽法拉第笼；兜帽内部填充有树脂，使其内部整体具有一定机械性能，可简便且精确的布置在所述平板上；所述压电陶瓷盘片为圆盘状、半圆形或长方形；所述坡面长度L的范围为30mm到40mm，坡面弧度小于或等于0.1rad，同时：a)：所述的声电换能器通过粘接与所述平板相连，并通过导电线连接到信号处理元件处后，平板在坡面处被坡度占据的面积填充为金属粉，从而减少超声波在平板边缘发生反射或折射而产生的回声效应；b)：所述平板由于坡面加工空出的面积被金属外壳所覆盖，可用于装配所述界面进入其他产品，所述外壳表面与平板中心表面保持水平。2.根据权利要求1所述的交互界面装置，其特征在于：所述平板的四个顶点部分分别被四组所述声电换能器占据，并通过电路和程序方法，推导一个点击触碰发生在所述平板表面上的位置(xr，yr)；推导方法为根据点击触碰到达不同换能器组的传递时间的不同；所述点击触碰是刚性物体与平板短时间接触产生。3.根据权利要求2所述的交互界面装置，其特征在于：所述声电换能器的任一组或几组，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，
申请(专利权)人：南京优触电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32