專利名稱：使用高階水平偏振切變波傳播的聲波接觸位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲波接觸位置傳感器，特別涉及這樣的傳感器，其中，其階數(shù)大于零的水平偏振切變波傳入一基片中，該切變波沿著發(fā)射信號的具有一定特征時間延遲范圍的波前在該基片中傳播，該發(fā)射信號具有許多不同長度的路徑，各路徑與沿著該基片的不同軸向位移對應(yīng)。接觸該基片造成對該切變波的擾動，然后傳感該擾動而確定該接觸在基片上的軸向位移。
發(fā)明的背景公知的聲波接觸位置傳感器包括一接觸板，基片的第一邊上有一發(fā)射器陣列同時發(fā)出平行的表面聲波(SAW)在該板中定向傳播到該基片第二邊上與第一陣列相對的一檢測器陣列。另一對陣列與第一組陣列垂直。接觸該板的一點可使通過該接觸點的聲波衰減，從而該兩組陣列的輸出表示出該接觸點的坐標。這種聲波接觸位置傳感器可見美國專利No.3,673,327。
該基片在許多實施例中最好為透明基片，以便該接觸傳感器可高效、有效地用作放置在陰極射線管、場致發(fā)光顯示或液晶顯示之類顯示裝置前方的面板上。
還公知有這樣的聲波接觸位置傳感器，其中，每一軸線上只設(shè)置一個換能器，該換能器發(fā)出一表面聲波，該表面聲波由一其光柵元件與波束成45°的光柵反射，從而在光柵長度上生成在該基片的有效區(qū)域中以與原方向成90°傳播的各表面聲波。為了確定該有效區(qū)域上一接觸點的位置，可以比方說設(shè)置一相對的反射光柵，該光柵沿著該光柵的軸線把該表面聲波導向一接受換能器裝置，該接受換能器裝置記錄與這些陣列的軸線上一位置對應(yīng)的一衰減波型到達的時間。在這種情況下，該接觸可用手指或鐵筆觸壓該表面產(chǎn)生。還公知有用來收集傳感信號的其他類型的結(jié)構(gòu)。
反射陣列由反射部分聲波的結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，它可以是雕刻或高起的表面構(gòu)件或具有不同的波傳播特性而構(gòu)成部分阻擋層的一構(gòu)件。這些構(gòu)件理論上可形成在任何具有很大波能的部位。因此，若一波有表面能，就可使用表面構(gòu)件。若波能深埋，則這些阻擋層必須伸入基片材料中。因此對于具有表面能的波，這些反射陣列可形成在表面上，而若基片的兩面上都有波能，這些反射陣列可形成在基片的一個或兩個表面上。由于接觸傳感器一般放置在顯示裝置的前方，而反射陣列一般不透明，因此反射陣列一般設(shè)置在基片的有效傳感區(qū)域之外的周邊上而隱藏在一檔板底下。
由玻璃之類非壓電固體基片支持的聲波傳播有許多不同的類型。具有垂直、即厚度方向上的分量和縱向、即波動方向上的分量的一種表面聲波(SAW)下文中稱為VLCW。在厚度有限的基片中的這些VLCW或為其表面能主要限制在有限距離、單面上的準雷利波或為在基片正反兩面上都有表面能的蘭姆波。在長距離處，顯然，真正的雷利波包括一對稱蘭姆波分量和一反對稱蘭姆波分量；這些分量是散射的，具有不同的相速度。因此，在可實現(xiàn)裝置中，表面波在長距離處并不真正限制在單面上，從而可導致假象。這在下文詳述。
盡管應(yīng)用準雷利波的接觸傳感器的靈敏性很高，但這種工作方式對污物或接觸接觸板的有效表面的其他材料也很靈敏甚至過分靈敏。對污物的過高靈敏性的原因在于波能局限在該限制性表面上。從而極少量的表面污物也能吸收大部分的準雷利波能。由于絕大部分或全部波能被污物、密封劑或接觸該板的其他材料吸收，因此在與污物相交的軸線上造成聲波陰影或盲點。因此，盡管準雷利式接觸傳感器對接觸很敏感，但這些傳感器在有效區(qū)域上有大量污物時電會發(fā)生陰影，從而接觸點在傳感器的一軸線或兩軸線上無法定位。因此當接觸點的一個或兩個坐標位于一盲軸上時使用雷利波的接觸位置傳感器就無法對該接觸點定位。
切變波為也在有限厚度的基片中傳播的體波，如在現(xiàn)有接觸位置傳感器中公知公用的，這些切變波為零階，也即沒有與基片相交的波節(jié)面，體波能是均勻的。由于切變波的能量分布在整個基片厚度上，少量表面污物不會吸收全部波能從而不完全陰暗，因此切變波式傳感器在污染環(huán)境中更可靠。理論上還已知有具有許多與基片相交的波節(jié)面的更復雜的波，但這些波被看成復雜的干擾波，無法實際用來傳感接觸，因此避免使用在接觸位置傳感器中，或在發(fā)生干擾時加以消除。這些復雜波的某些特性與零階水平偏振切變波或更簡單的切變波相同，但其他特性顯著不同。這些波在本文中稱為高階水平偏振切變波或HOHPS波。這類波在很大程度上依賴于基片的特性并對構(gòu)型敏感。特別是，這些波與簡單切變波的共同特性是波能在整個基片中傳播。
現(xiàn)有聲波接觸傳感器的波型沿著發(fā)射邊反射陣列的軸線散射，橫越基片后比方說重組成一軸向傳播波，按照橫越基片所取路徑到時由另一光柵散射而以與發(fā)射波反平行方向傳播到一接受換能器，該換能器接受該波后把它轉(zhuǎn)換成一待處理的電信號。因此，按照這一裝置，每一軸線只需要兩個換能器。由于是反平行路徑，電信號擾動的時間延遲與波所經(jīng)距離對應(yīng)，而該距離又與波在進入基片的有效區(qū)域之前波在反射陣列上所行進的離開該換能器的軸向距離有關(guān)。把檢測到的衰減信號與標準的接受波形作比較即能確定接觸點的位置。因此，對每一軸線可確定一距離，對兩正交的軸線，就可確定發(fā)生衰減的唯一坐標。這類接觸位置傳感器可見本申請的參考材料美國專利Nos.4,642,423、4,644,100、4,645,870、4,700,176、4,746,914和4,791,416。
對于每一軸線，把一壓電換能器粘接在該基片有效區(qū)域外部，從而向該換能器提供一標準信號即能生成一沿一軸線傳播的波。例如，一般把表面波耦合到基片的用作接觸敏感面的表面部分上。在波的路徑上、把波導入接觸敏感區(qū)的反射陣列包括一系列相距發(fā)射換能器所生成的波的波長整數(shù)倍、與該軸線即波傳播方向成45°角的相間距的表面障礙物。該反射陣列從而生成一在基片的有效區(qū)域中以與原傳播角成90°傳播的表面聲波。
如圖1A和1C所示，可如下以一定耦合效率把表面聲波傳入一接觸板在一楔形體上裝一換能器，該楔形體本身裝在該板的接觸表面上，換能器以所示方向振動而生成一在楔形體中傳播的壓縮體波，該波轉(zhuǎn)而經(jīng)楔形體-基片界面在接觸板中轉(zhuǎn)換成一表面聲波即具有垂直和縱向分量的波(VLCW)。楔形體伸展在該板的上方，因此基片的反面或無效面及其邊緣無需連接電路或重要元件。而且，基片的其中的波能為準雷利波的區(qū)域?qū)τ跓o效反面貼在顯示裝置上是不敏感的。耦合楔形體一般用塑料制成而裝到一玻璃板上。該換能器一般為一壓電元件，該壓電元件的相對兩主面上有接線片，該換能器粘接到塑料楔形體上，其間有一導電件，然后把其上有換能器的楔形體粘接到玻璃接觸板上，而夾在其間的導電件和兩接線片則連接在電路中。
為了接受傳感波，一般最好用一換能器把該波轉(zhuǎn)換成一電信號，從而接觸位置由該信號中的瞬時波動編碼。盡管可使用等于基片全長的換能器，但這需使用很大的換能器。因此，現(xiàn)有技術(shù)使用反向傳輸技術(shù)，把傳感波多路傳輸成一導向一小接受換能器的表面波。從而，在有效區(qū)域外的一部位，這些波又受由相間距、與波傳播角成-45°的障礙物構(gòu)成的一相同反射陣列的反射，從而把該間隔散射的信號多路傳輸成其傳播方向與所發(fā)射的表面聲波反平行的一波型而由另一換能器檢測。在現(xiàn)有裝置中，激發(fā)頻率一般約為5MHz或5.5MHz，該基片的厚度在由鈉鈣玻璃制成的情況下一般為0.090”-0.125”。
在現(xiàn)有技術(shù)中，還把同一換能器用來發(fā)射波和接受傳感波，并只用一反射陣列散射和重組該波。這種裝置因此使用一與反射陣列相對的反射邊。因此，SAW波經(jīng)過有效區(qū)兩次，從而提高了接觸對波的吸收，但由于反射和再次經(jīng)過基片的有效區(qū)，因此也加大了整個信號衰減。因此，SAW波可從基片的一與發(fā)射邊反射光柵的軸線平行的邊反射回該反射陣列然后沿原路返回到該換能器。在這種情況下，該換能器構(gòu)作成在合適時間周期中既用作發(fā)射器，又用作接受器。為與此軸線成直角的另一軸線設(shè)置第二換能器、反射陣列和反射邊即能確定接觸點的坐標。
另一裝置只使用一個換能器在兩軸線上生成用于檢測接觸的傳感波，它既生成聲波，又接受兩軸線的波。在這種情況下，傳感接觸的區(qū)域一般呈橢圓形，從而一路徑上的最長特征延遲時間比第二路徑上的最短特征延遲時間短。
Adler的美國專利Re.33,151涉及一用來確定一表面上一軸線上的接觸點位置的接觸傳感裝置。一SAW發(fā)生器與一基片耦合而生成一串波脈沖，該串脈沖波由一轉(zhuǎn)向光柵陣列偏轉(zhuǎn)到該裝置的一有效區(qū)中。這些準雷利波橫越該有效區(qū)后由光柵又沿一軸線轉(zhuǎn)向到一輸出換能器上。這些轉(zhuǎn)向光柵與傳播軸線成45°角。在時間域中分析所接受波形的局部衰減即能確定接觸位置，每一特征延遲與該表面上的一點對應(yīng)。各光柵元件放置成45°角而相距準雷利波波長的整數(shù)倍，其下降元件在有效區(qū)上生成大致不變的SAW能量密度。從而光柵之間的間距隨著在傳播軸線上離開換能器的距離越遠而越小，最小間距等于所發(fā)射波的一個波長。US5,260,521、US5,234,148、US5,177,327、US5,162,618和US5,172,427提出對各種波使用高度變動的反射元件以便控制反射波能與不反射波能的比例。這類高度可變陣列在換能器的制作中需小心控制陣列元件材料的分布。
Brenner等人的US4,644,100涉及一種接觸傳感裝置，它使用對SAW擾動的位置和振幅都作出響應(yīng)的表面聲波。US4,644,100的裝置的操作與US Re.33,151相同，但同時確定所接受波的振幅并將之與—存儲的基準進行比較。
上述專利的接觸傳感器的性能由于接觸靈敏性與接觸板的最小厚度互不獨立而很難最佳。為了在厚度減小、其他尺寸保持不變的接觸板中支持準雷利波，必須減小波長以便在基片的有效區(qū)上維持單面性。準雷利波的特性是其限制深度與波長有關(guān)，限制深度隨著波長的減小而減小。因此，波被限制在以表面為界的更淺區(qū)域內(nèi)，而一定吸收介質(zhì)在表面處所吸收的波能比例提高將近波長的負兩次方。因此準雷利波接觸傳感器甚至對于較厚的接觸板在某些應(yīng)用中也過分靈敏，從而接觸板厚度減小的結(jié)果是接觸傳感器對表面污物或其他接觸物更為敏感。相反，在現(xiàn)有技術(shù)中也有通過增加準雷利波波長來降低靈敏性的，但這又使接觸板的厚度和重量增加。
具有垂直和縱向分量、能量分布在基片整個厚度上的表面波稱為蘭姆波，使用蘭姆波檢測接觸位置的裝置可見US5,072,427和US5,162,618。如上所述，蘭姆波是散射的，相位和速度都變動，從而在基片中傳播的各蘭姆波互相干擾。因此，使用蘭姆波的裝置還包括分離或消除不希望有的波型或干擾傳播的波型的部件。
例如，公知有把反射陣列的元件設(shè)置在基片兩面上以便通過區(qū)別該陣列的相位即基片正反兩面上的元件的位置和間距而在零階對稱與零階反對稱波之間作出選擇。
上述專利所述使用表面聲波的聲波接觸位置傳感器的若干缺點可通過更詳細地考察這些傳感器中所使用的表面聲波的性質(zhì)而更清楚地看出。如在上述專利中那樣，如果接觸板由非壓電均勻介質(zhì)構(gòu)成而聲波限制在比方說接觸板外表面之類的單面處，則該聲波稱為雷利波。這些波具有X和Z分量，因此擾動粒子在X-Z平面中沿橢圓運動。這些波的特點是體波能隨著深度而迅速減小，從而波能在Z軸上大致限制在接觸板的表面處。
理論上，真正的雷利波只存在在無限厚介質(zhì)中。如圖1A-1D所示在一有限厚度的非壓電均勻介質(zhì)中大致限制在單面上的波確切說來稱為準雷利波。若在有限厚度的介質(zhì)中的傳播路徑足夠長，雷利波波能將不限制在單面上，而會在板的兩表面之間來回傳輸。這是因為，盡管很小，由至少一對稱和一反對稱波形構(gòu)成的波能分量伸展在材料厚度上，每一個波形以稍稍不同的相速度行進，從而在基片表面的各間距點處造成強化性和削弱性的干擾即在表面上形成對波的兩分量強化性或削弱性干擾的點。低表面波能的區(qū)域?qū)_動影響、比方說接觸不敏感，而較高表面能的區(qū)域可過分敏感而造成假象。
在比方說接觸板的厚度為兩倍雷利波波長或以下時，如圖1E和1F所示，換能器源所發(fā)出的波為顯然可區(qū)別于雷利波的蘭姆波。蘭姆波以互相獨立傳播的兩組不同階數(shù)出現(xiàn)。一組的特點是粒子位移對稱于板的中間平面。另一組蘭姆波的特點是粒子位移反對稱于該中間平面。總的來說，對稱蘭姆波組中的一定階數(shù)在相位和組速度上與同一階數(shù)的反對稱蘭姆波組不同。特別是，當板足夠厚而等于或大于兩倍雷利波波長時，主要激發(fā)出兩種振幅大致相同的蘭姆波，即零階對稱蘭姆波和零階反對稱蘭姆波。如圖1E和1F所示，對稱和反對稱蘭姆波不限制在接觸板的單面上，而是伸展到板的正反兩面上。但是從對圖1E和1F的比較中可看出，在比方說起初靠近波源處兩者“同相”時，波在一面上強化性干擾而在另一面上削弱性干擾，從而兩蘭姆波組合成準雷利波。隨著兩蘭姆波行進而進一步離開波源，由于相速度不同從而兩者的相位不同，波能顯然完全從發(fā)射波的換能器所在外表面上傳輸?shù)搅硪幻?。能量在板的兩面之間的來回傳輸以一定間距出現(xiàn)，從而尺寸足夠大的接觸板會出現(xiàn)這種傳輸，從而只要存在這兩種波，一般就不適用于接觸位置傳感器。如上述專利所述，這些波可過濾掉從而消除不希望有的波。
在基片的厚度約為四倍雷利波波長時，準雷利波的大部分能量保持在單面上，因此有限大小的基片是敏感的而不會由于波在整個表面上散射而生成死點。因此，使用表面聲波、特別是準雷利波的接觸位置傳感器須使用較厚的板，即板厚為在其中傳播的表面聲波的波長的3-4倍，以便把準雷利波限制在單面上。
上述雷利波接觸傳感器專利所述接觸傳感器在使用比方說0.045”鈉鈣玻璃的薄玻璃基片、約為5MHz的工作頻率時無法工作，因為在一外表面上波能完全傳輸?shù)搅硪槐砻嫔系牟课惶幍慕佑|對波的擾動無法被檢測到，因此該傳感器無法使用。實用中，為了生成一實際上限制在單面上的波，接觸板的厚度至少為傳入該基片中的波的波長的3-4倍，而接觸板的長度和寬度也有限度?；某叽缈蔀镾AW波的波長的約25倍到1000倍以上，從而工作波長為0.0574cm、工作頻率為5.53Mhz時基片約為1.5-70cm。
因此公知有使用蘭姆波而不使用準雷利波在大塊片材中傳播的。這種波在基片的整個厚度上傳播，從而該裝置對該基片的兩面上的接觸都敏感。這就很難把一般為透明的基片裝在陰極射線管(CRT)的前面上。而且，與這一對基片的兩面都敏感有關(guān)的是，信噪比由于波能位于有效和無效面上而降低。此外，由于橫向傳播波的垂直分量對由少量水所造成的衰減高度敏感，因此會造成假象。
在零階蘭姆波裝置中，基片的最大厚度限制在約為激發(fā)波的兩倍波長。同樣條件下加厚的基片會傳播準雷利波之類的波，波的大部分能量會分布到基片的整個厚度上。對稱和反對稱蘭姆波的相速度差在薄玻璃中比在厚基片中大，從而如US5,072,427所述可簡化和選擇性地過濾波型。
公知有用零階切變波生成零階蘭姆波的，為此，用沿著切變波的傳播軸線間距為基片中所要生成的蘭姆波波長整數(shù)倍的平行障礙物陣列反射切變波，反射元件的角度放置成θA＝arctan(VL/VZ)其中，θA為轉(zhuǎn)向元件與X軸的角度，VL為所要生成的蘭姆波的相速度，VZ為沿該陣列的軸線傳播的零階水平偏振切變波的速度。
同樣，一零階水平偏振切變波可由基片兩面上都有元件的陣列轉(zhuǎn)換成蘭姆波，以便由基片正反兩面上的陣列的相對相位在零階對稱和零階反對稱蘭姆波之間作出選擇。蘭姆波可由基片的一面或兩面上有元件的反射陣列反射到一相對的接受換能器裝置，也可經(jīng)基片的一頂邊的反射經(jīng)有效區(qū)返回后沿該陣列的軸線反射成零階水平偏振切變波而由同時作為激發(fā)和接受換能器的換能器檢測。
在US5,072,427中，把零階切變波傳入基片后由一反射陣列轉(zhuǎn)換成蘭姆波后再由一反射陣列轉(zhuǎn)換回切變波以便檢測零階分量。據(jù)說在Exzrc，Inc.生產(chǎn)的一種接觸位置傳感器中，由一換能器生成的一蘭姆波由一反射陣列轉(zhuǎn)換成一切變波，而零階切變波分量轉(zhuǎn)換回待檢測的蘭姆波。
切變波接觸傳感器也是公知的。這些裝置在基片中激發(fā)出非散射的零階切變波。一接觸只吸收與被接觸表面相交的切變波的很小一部分能量，因此靈敏度較低，但不易造成假象。事實上，在實際的接觸板厚度下，一定接觸所吸收的能量的百分比在一表面聲波中要比一類似的零階水平偏振切變波大8倍。這種零階水平偏振切變波裝置可見US5,177,327。還可見Knowles，T.J.，“46.6一種壓感接觸-輸入裝置”，SID 92 Digest，(1992)pp.920-923；Christensen，R.和Masters，T.，“受引導的聲波接觸技術(shù)中的最新波”，ECN(January 1995)，pp.13 et seq。
增加基片的厚度有利于迄今為止被看成是寄生的HOHPS波的傳播。因此，現(xiàn)有切變波接觸傳感器特意限制基片厚度以便限制或消除這些HOHPS波以及其他波，例如準雷利波。高階水平偏振切變波是散射的，因此提高這類波的波能分量的構(gòu)型被看成是困難或無法工作的。因此，理論上，接觸傳感器的有效區(qū)中的混合HOHPS波的波型與蘭姆波相同，由于各分量的散射會在基片表面上生成“死點”。
零階水平偏振切變波接觸傳感器的厚度可任意薄，它只受結(jié)構(gòu)強度的限制。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了限制可能的干擾波，零階水平偏振切變波接觸位置傳感器中的基片厚度做成比能支持準雷利波薄，因為基片越薄，水平偏振切變波對表面接觸的相對靈敏性越高。
按照US5,177,327所述，最好使用比方說0.040”厚的薄玻璃基片，因為它對有效區(qū)中的零階水平偏振切變波的由接觸造成的衰減的靈敏性較高，但重量輕，且比常使用在準雷利波接觸傳感器中的比方說0.090”的更厚玻璃容易彎曲。但是，0.090”的玻璃比0.040”厚的薄玻璃容易制造并結(jié)實。
Knowles的US5,329,070涉及零階水平偏振切變波接觸位置傳感器。US5,329,070表明使用零階水平偏振切變波的一個優(yōu)點是該傳感器可任意薄，事實上該基片的厚度保持在不到2倍波長，以便抑制高階波或諧波。為了把基片厚度提高到超過2倍波長以便提高強度，用粘接劑粘接一不支持切變波傳播的底板，或該底板的切變波傳播速度大于基片的切變波傳播速度。
因此零階水平偏振切變波較之表面聲波具有若干優(yōu)點，它補償了接觸所吸收總能量的較低百分比。但是，如在現(xiàn)有技術(shù)中公知的，它很難實施，且有其自身的問題和不足。切變波不象表面聲波那樣限制在基片表面上，而是分布在基片的整個厚度上。污物或接觸切變波接觸位置傳感器的其他物質(zhì)不會在與污物相交的軸線上造成盲點或大陰影。表面波有一垂直橫波分量而容易被表面上的水滴吸收，而沒有垂直橫波分量的切變波不會把壓力波射入表面上的水滴中，從而對這些污物不敏感。因此，波能的絕大部分將通過接觸點或表面污物處。因此，切變波接觸位置傳感器適用于可能無法使用表面聲波傳感器的環(huán)境中。切變波接觸位置傳感器還對基片正反兩面上的接觸都敏感，而表面聲波傳感器只對基片的裝有換能器的表面敏感。此外，使用沒有垂直橫波分量的波如現(xiàn)有技術(shù)中所注意到的那樣可避免由大基片中的VLCW的空氣阻尼可能造成的損耗，從而切變波接觸位置傳感器的損耗比表面聲波接觸位置傳感器小。這些因素以及波的特性使得切變波比類似的表面聲波的傳播距離遠。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供一種使用在一片狀材料即基片的有效區(qū)中傳播的高階水平偏振切變波的接觸傳感裝置以便克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。特別是，本發(fā)明提供一具有支持高階水平偏振切變波的基片的有效區(qū)，其中傳播并選擇特別階數(shù)的波而用作接觸的定位和/或特征化。
本發(fā)明切變波接觸傳感器包括一可傳播一階數(shù)大于零的高階水平偏振切變波的基片；一生成一具有垂直和縱向分量的源波的換能器；把各部分源波轉(zhuǎn)換成在該基片中沿與換能器的源波傳播軸線不同的一軸線傳播的高階水平偏振切變波的裝置，所述高階水平偏振切變波穿過基片的一有效區(qū)，從而基片上的一接觸可檢測地擾動該切變波。同樣，另一波或波分量可沿其傳播矢量與第一波正交的不同軸線穿過該基片從而可確定該接觸或擾動的坐標。受檢測的該接觸或擾動的特點可以是一壓力、吸聲因素、振動的大小和/形狀、運動或其他會在波中生成一可測量的擾動的已知特性。
本發(fā)明還提供一種在一基片中激發(fā)許多波型并選擇性地過濾各振動方式而選擇所需振動特性或波型的裝置。這一波型選擇最好用一反射器陣列進行，例如沿從換能器發(fā)出的波的傳播軸線緊密間距的平行障礙物，它們的角度選擇成以所需角度發(fā)出所需波型，而不希望有的波型以不同的角度發(fā)出。這許多波型的激發(fā)是把一表面波傳入該基片后入射到該反射陣列上，從而轉(zhuǎn)換成許多波型。由于所發(fā)射的表面波和所反射的各波型的相速度不同，因此反射陣列與換能器軸線之間的角度一般不是45°而作直角反射，實際角度可根據(jù)該裝置的構(gòu)型或根據(jù)預定特性從經(jīng)驗上選定。該表面波為具有垂直和縱向分量的波(“VLCW”)。事實上，在一表面波入射到反射元件上時，反射陣列會以各種角度發(fā)出許多切變波，包括高階水平偏振切變(“HOHPS”)波，相速度與波的階數(shù)的平方有關(guān)。因此，HOHPS波的傳播方式?jīng)Q定于反射陣列相對于VLCW入射角的角度以及用作繞射光柵的反射元件的間距。從而，可得到許多波型，每一個波型具有可選擇地加以利用的特性。不希望有的波型用物理和/電子過濾法和對其余干擾波型不敏感的設(shè)計消除掉。按照本發(fā)明，最好使用波型4或5的HOHPS波，雖然也可使用其他波型。
當波不沿預定最佳路徑傳播時，比方說非選擇的切變波型，它們在最終回到換能器之前一般具有更長路徑。因此，非選擇的波型不會干擾所選擇的波型的接受，因為它們不在臨界時間窗口內(nèi)返回而是隨著時間和大量反射而衰減。
按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種裝置，它包括一產(chǎn)生一VLCW波的換能器，該VLCW波在一較厚基片中以與VLCW傳播方向正交的一角度轉(zhuǎn)變成一HOHPS波。在作為HOHPS波傳播過程中因受反射而橫越基片一次或兩次后該聲波振動轉(zhuǎn)換回與HOHPS波正交傳播的VLCW。該裝置的信噪比(SNR)與具有一半基片厚度的類似的蘭姆波-切變波-蘭姆波裝置大致相同。這是由于與零階切變波作比較，更大部分的波能在HOHPS的表面上，從而把局部吸收提高到同樣程度。本發(fā)明較之現(xiàn)有VLCW傳感器對基片有效區(qū)中的水滴較不敏感。
當然，本發(fā)明在其范圍內(nèi)還包括發(fā)射給反射陣列、可選擇性地在有效區(qū)中生成HOHPS波的其他波，例如蘭姆波。
分開的發(fā)射器和接受器在本發(fā)明一實施例中，基片包括在導向設(shè)置在基片另一邊上的第二反射元件陣列的各第一平行路徑上生成切變波的第一反射元件陣列。以相對該陣列的特殊方向引導一具有垂直和縱向分量的波即可生成該切變波。這一方向在這里稱為軸線，盡管應(yīng)該看到，波發(fā)射軸線不必與反射陣列的機械對稱軸線一致。第一反射元件陣列位于把具有垂直和縱向分量的波傳入基片中的第一換能器的波傳播軸線上。同樣，第二反射元件陣列位于接受具有垂直和縱向分量的波的第二換能器的波接受軸線上，該波提供一代表它的信號而被用來確定接觸點的位置。
反向反射在另一實施例中，用一反射元件陣列把具有垂直和縱向分量的一波(VLCW)反射成高階水平偏振切變波經(jīng)基片的一區(qū)域到達基片相對邊上的一反射元件陣列。反射裝置還包括第一陣列旁的第一反射邊和相對陣列旁的第二反射邊。第一陣列的反射元件把VLCW反射成切變波到第一反射邊上，第一反射邊反射該切變波橫越基片經(jīng)第二反射元件陣列到達相對反射邊。第二反射邊把波反射入旁邊的第二陣列，第二陣列轉(zhuǎn)而把切變波轉(zhuǎn)換成VLCW而引導到接受換能器。每一陣列的反射元件相對一直接反射裝置轉(zhuǎn)動90°而把波反射到旁邊的反射邊。這種反向反射構(gòu)型如下所述可把一波型選擇過濾器設(shè)置在兩反射陣列之間的接觸敏感區(qū)域區(qū)之外和一反射元件陣列與一鄰近的反射邊之間，從而提高該裝置的波型選擇性。當然，反射邊本身可用作波型選擇器的一部分。波型選擇器最好完全平行于反射陣列以便加強正確的波型。應(yīng)該看到，在該實施例中，一部分波第二次通過反射陣列而返回換能器，從而波能由該反射陣列進一步反射入該裝置的有效區(qū)中。
組合式發(fā)射和接受換能器在另一實施例中，反射裝置只包括一位于一與基片的裝有一換能器的一邊垂直的軸線上的反射元件陣列，即該軸線與換能器所發(fā)射的波的傳播軸線重合?；幸慌c該反射元件陣列相對的反射邊。這些反射元件把由該換能器發(fā)射的表面聲波反射成高階水平偏振切變波傳到基片的相對一邊，該邊轉(zhuǎn)而把波型與入射波大致相同的切變波反射回反射陣列。該陣列的反射元件轉(zhuǎn)而把從基片的反射邊反射回來的高階水平偏振切變波轉(zhuǎn)換成具有垂直和縱向分量的波返回換能器，換能器在傳感到反射回來的波時生成表示這些波的信號。每一軸設(shè)置一發(fā)射和接受具有垂直和縱向分量的波的換能器即能確定接觸點的位置。
三重轉(zhuǎn)換裝置也可使用單一換能器發(fā)射和接受在兩坐標軸上傳播的具有垂直和縱向分量的波，其中，用一與兩軸都相交的裝置把在第一軸上傳播的波反射到第二軸上或把在第二軸上傳播的波反射到第一軸上。經(jīng)基片的邊反射的切變波的能量損耗最小，即切變波的反射效率很高，但表面聲波在反射時的損耗很大而且信號也隨所經(jīng)距離衰減。因此這種單個SAW換能器設(shè)計不如多個換能器設(shè)計受歡迎。此外，在單個換能器設(shè)計中，第一軸的最長波路必須比第二軸的最短波路短。一般來說，這就是說，換能器在第一軸線上的長度必須大于第二軸線上的長度以防止在第一和第二軸線上傳播的波發(fā)生重疊。
基片基片最好為回火或毛玻璃、塑料、金屬或陶瓷，最好為0.090”厚的回火透明鈉鈣玻璃。基片一般最好透明以便用于顯示裝置前面。在不要求基片透明即該傳感裝置不用作顯示器前的觸摸屏時可使用金屬或陶瓷基片。
基片還可做成平板形或在一軸線或兩軸線方向上呈圓柱面、球面、橢球面或其他形狀。在這些非平面實施例中，由于是三維幾何形狀，正常情況下波的傳播不必與發(fā)射邊陣列正交，傳播角事實上隨陣列的不同部分而變。因此，反射陣列的各元件的角度不必都平行，而是為達到所需性能而改變。同樣，在平板基片實施例中為達到所需構(gòu)型波分量的傳播軸線可改變。
應(yīng)該看到，聲波接觸傳感器也可使用其他基片。事實上，硼硅酸鹽玻璃具有某些優(yōu)點，包括信噪比比SAW裝置的鈉鈣玻璃提高30dB。據(jù)信零階和高階切變波傳感器的信噪比顯著提高。
本發(fā)明一優(yōu)選實施例提供一硼硅酸鹽玻璃基片，其反面為毛面，用作TexasInstruments數(shù)字微鏡裝置(“DMD”)投影儀和觸摸屏傳感器的投射面。當然也可使用其他投影技術(shù)，例如LCD和CRT技術(shù)。
玻璃基片可回火，盡管不使用玻璃熔塊形成反射元件或過濾元件之類表面件，因為固化玻璃熔塊所需高溫超過了玻璃基片的退火溫度。
切變波如圖2B所示，由反射陣列傳入基片10中的切變波12不限制在基片10的單面上，而是傳播到基片10的整個厚度上。生成各種波型，該裝置最好在具有至少一個通過基片的水平波節(jié)面的波中產(chǎn)生大量能量。由于相速度不同，這些波以不同角度從反射陣列發(fā)出。切變波的特征是，在X方向上傳播的波的粒子只在Y方向上運動。應(yīng)該看到，切變波可對稱或反對稱于中間平面。如上所述，反射陣列生成許多散射的切變波波型。所需波型由該裝置的構(gòu)型選出。特別是，這些波型對在X方向上傳播的波來說遵從下列方程。
UX＝0UY＝A cos(2πnz)exp〔2πi(x/λ-ft)〕UZ＝A sin(2πnz) 方程1其中，UX、UY、UZ分別為x、y和z方向上的位移分量，A為常數(shù)，n為波型，λ為波長，f為每秒周期數(shù)。這些切變波稱為水平偏振切變波。
按照本發(fā)明，用聲波反射器在反射過程中按照各波型的不同相速度選擇性地以預定方向引導所需聲波波型的聲能。因此，所需波型的這一定向性要求可區(qū)分開具有緊密間距相速度的波型。若相速度過于接近，寄生波型會使觸摸屏信號行為復雜化。部分地正是出于這一原因，現(xiàn)有蘭姆波-切變波-蘭姆波傳感裝置的的基片必須較薄。因此本裝置使用可與寄生波型輕易區(qū)分開來的所需波型。
零階切變波與各HOHPS之間的相速度差大致與(n/t)2成正比，其中，n為波型的階數(shù)，t為玻璃的厚度。n＝0(零階切變波)與n＝1波型之間的相差隨著t的增大而因(1/t)2減小而減小。因此，增大n就可使用厚玻璃同時反射陣列仍可清楚分離出一所需波型。應(yīng)該看到，玻璃如更厚，n＝0與n＝1之間的相速度差一般會太小而無法清楚分離。但是，階數(shù)越高，特別是n＝3、4和5時，可更容易相分離。應(yīng)該看到，在比方說0.040”厚的更薄基片中，不支持n＝4以上的高階波型。此時，最好使用較低階數(shù)HOHPS，例如n＝1或n＝2。
除了可使用厚玻璃，使用HOHPS還有其他好處。零階水平偏振切變波與HOHPS波型的不同之處在于，HOHPS有至少一與基片表面平行的波節(jié)面，而零階切變波的準均勻波前傳播到基片的整個厚度。所有HOHPS的表面聲能密度為基片體積上的平均聲能密度的兩倍，而零階切變波的體積聲能密度不變，在表面處與體積上的平均值相同。因此，對于n＞0來說，切變波有很多能量集中在表面處。正是這一關(guān)系使得n＞0的HOHPS傳感器中使用的基片厚度可為n＝o的切變波傳感器的兩倍。
多波型傳感器本發(fā)明使用聲波并使用許多明顯不同的聲波波型測量單一數(shù)據(jù)，在這種情況下可通過檢測不同的聲波波型而最佳地測量各種特性。也可通過分析不同聲波波型進行冗余測量而分析同一特性。例如可使用在基片正反兩面上產(chǎn)生的三階和四階的HOHPS波冗余測量一接觸點的坐標。同樣，具有垂直分量的波對接近或接觸的物體高度敏感，而切變波對該物體的敏感性較低，但不容易因波在表面上的擾動吸收性強而產(chǎn)生陰影。因此，可使用多變量分析獲得更多信息或解決所接受信號中的模糊性。這些波的頻率不必相同，事實上，對于在同一傳感裝置中傳播的不同波來說，頻率和波型最好不同。這樣，可在同一裝置中利用不同波型的各種特性。
可對不同參數(shù)進行多變量分析而從所接受數(shù)據(jù)中獲得更多信息。若存在不止一種波型，就可用一控制器選擇最佳波或波組來分析所傳感變量。此外，若存在許多種波型，就可選擇對其他設(shè)備干擾最小的波或波組。例如，在相同的兩傳感器靠近時就會發(fā)生干擾。此時，若有許多波型或頻率，兩靠近裝置就可不同地調(diào)諧而減小干擾。干擾還發(fā)生在靠近的設(shè)備發(fā)出或接受與該裝置的工作頻率相近的頻率之時。同樣，若可以許多頻率或跳躍式頻率工作，該裝置就更可靠，在其環(huán)境中就更少受干擾。
當然，各種波型可以時分制多路傳輸，例如依次加到基片上，從而不必同時存在或進行分析。但是，如使用具有最少數(shù)量的換能器的固定機械構(gòu)型，最好各波型同時加到基片上而在接受換能器或接受電子線路中進行選擇性處理。若換能器數(shù)量不是最少，可使用主動消除方法。
在可對具有不同頻率或波長的所發(fā)射波的激發(fā)獨立加以選擇的場合，這些波最好時分制多路傳輸?shù)交?。這是因為聲波接觸傳感器的時間分解力一般比它在使用場合下所需的高得多，因此這些測量不必盡快完成。分時進行這些測量可減小測量之間的干擾并可減小進行分析所需的計算復雜性。在要求高速獲得數(shù)據(jù)或為此計算能力很強的情況下，可同時分析多種波型。
還可提供一種可最佳地用于不同波型的構(gòu)型隨時間變動的傳感器。隨時間變動的構(gòu)型需要使用機械調(diào)節(jié)器或電聲裝置，這雖然也在本發(fā)明范圍內(nèi)，但由于其復雜性增加而不優(yōu)選。在使用主動消除方法時，該補償器可隨時間變動而幫助選擇所需波型進行分析以便減小干擾。
在聲波接觸位置傳感器中，為了確定基片上一接觸的位置，該裝置設(shè)計成基片上的每一點只有唯一或準唯一的比方說由各波在發(fā)射器與檢測裝置即接受器之間必須經(jīng)過的不同路徑長度造成的一組時間延遲特征。雖然可用不同波型的波檢測兩根或多根不同軸線上的位置，但最好使用同一類型的波確定這些坐標。例如，在細長形基片中，最好使用不同波型或位置檢測裝置檢測長度軸線和寬度軸線上的位置。此外，也可使用對角線軸線，只要波的傳播方式相同或不同。
細長形基片可使用在比方說電梯控制、家用電器控制、鍵盤布置和某些工業(yè)控制中。在細長形基片中，用來傳感長軸上的接觸的切變波比VLCW波不容易產(chǎn)生由污物造成的陰影。因此，對細長形基片來說，最好在不同軸線上使用不同波型。
在基片上的水滴之類環(huán)境因素會干擾比方說準雷利波之類一種波的傳播時，可使用對各種干擾因素具有不同敏感性的多波型裝置。此時，基片中選擇性地激發(fā)兩種或多種波。例如，一所謂的SAW-SAW-SAW裝置可與一所謂的SAW-shear-SAW裝置一起使用，在SAW-SAW-SAW裝置中，由一換能器生成的準雷利波經(jīng)反射橫越基片后再反射到一接受換能器；而在SAW-shear-SAW裝置中，換能器生成的準雷利波反射成切變波橫越基片再反射成準雷利波到一接受換能器。此時，用于SAW-SAW-SAW裝置的換能器可設(shè)置在基片的前面即接觸傳感面上，而SAW-shear-SAW裝置的換能器可設(shè)置在基片的反面上。由于切變波的能量密度分布在基片的整個厚度上，因此它對觸摸屏兩面上的接觸都敏感，把這種波型的反射陣列設(shè)置在基片反面上并不妨礙它的工作。也可把SAW-SAW-SAW裝置和SAW-shear-SAW裝置都設(shè)置在基片的正面上，它們的反射陣列互相平行。反射陣列最好重疊，每一裝置中的波以反平行方向通過反射陣列，從而接受換能器可放置成區(qū)別信號源。
在某些情況下，一裝置可用相同機械構(gòu)型時分制多路傳輸兩種不同的波型。這只須比方說變動換能器的工作頻率而使待反射的入射波的相速度的比例幾乎相同而兩波長接近。從而一組換能器可同時使用于兩種波型。例如，SAW-shear-SAW裝置的激發(fā)頻率可為5MHz，而與之相聯(lián)的SAW-SAW-SAW裝置的激發(fā)頻率可為6MHz。每一裝置的反射陣列重疊。不同波型之間的頻率差有助于過濾干擾信號并只須變動發(fā)射換能器的激發(fā)頻率即可選擇波型。
同樣，一shear-SAW-shear裝置可與一SAW-shear-SAW裝置一起使用，從而用一組反射陣列就可進行雙波型操作。優(yōu)選的切變波換能器為一安裝在邊緣處、厚度為基片厚度或更厚的激發(fā)零階切變波的壓電晶體；或為一安裝在基片頂面旁、厚度小于基片厚度、電連接成生成切變運動和厚度方向運動從而根據(jù)基片的共振頻率和其激發(fā)頻率生成零階切變波、HOHPS和準雷利波的換能器。從而，用一個換能器就可激發(fā)不同的波。
應(yīng)該看到，不同的工作方式不必是SAW-SAW-SAW和SAW-shear-SAW，事實上，可以是比方說SAW-HOHPS(n＝3)-SAW和SAW-HOHPS(n＝4)-SAW或其他組合。總之，這些裝置可使用單組雙波型換能器、基片正反兩面上的換能器或基片同一面上的雙換能器。除了使用兩種不同的工作方式檢測指定波型裝置的信號外，這些裝置也可檢測一種波從一波型向另一波型的轉(zhuǎn)換。這種波轉(zhuǎn)換機制如下所述可提供可靠的信號響應(yīng)。
在基片表面上出現(xiàn)高吸收污物點時，基片會“出現(xiàn)陰影”而沿通過該點的X和Y軸線不敏感。補救的辦法是可使用兩個互成角度傳播的不同波。例如，第一裝置的工作角度可為0°和90°，而第二裝置的工作角度可為45°和135°。為此可在反射陣列上疊置第二和第三反射陣列，從而第一、第二和第三陣列分別以45°、90°和135°反射各波。例如可在一長方形基片的四角上設(shè)置四個發(fā)射/接受換能器。一個換能器發(fā)射的互出成角度的各波可由其余換能器接受。從而四個換能器可獲得兩組正交坐標，從而即使有吸收點陰影波直接通過也能工作。當然，陣列不必重疊，而是設(shè)置在基片的正反兩面上或設(shè)計成以不同頻率和/不同波型工作。
當基片中有許多波型時，它們的反射特性很可能不同。例如，從一不希望有的切變波導出的一VLCW很可能在基片中沿與所需切變波不同的一軸線傳播。因此，可增加反射陣列到接受換能器的距離以使波在空間上分得更開從而提高換能器的靈敏度。此時，可分開接受不希望有的波和所需波。因此，基片可改成延伸聲波的傳播從而在保持所需波型的同時使不同波型在空間上分得更開。
接受器收到的不希望有的波的信號可另外用來提供有關(guān)接觸特性的信息；可據(jù)之對該裝置進行主動消除而提高性能或提供用來說明接受所需波的換能器的信號的數(shù)據(jù)。應(yīng)該看到，在某些情況下，所需波和不希望有的波的作用可倒轉(zhuǎn)，不希望有的波可為該裝置的輸出提供主要信息。
正響應(yīng)傳感器在另一實施例中，在基片中傳播的第一波型由于波受到擾動、比方說因一物體的靠近而轉(zhuǎn)換成第二波型。因此可使用一反對稱裝置，其中有一選擇第二波型的檢測器，從而具有信噪比提高、差分干擾效應(yīng)、容易檢測或過濾等優(yōu)點。主動過濾、比方說把一聲波信號射入基片中以便在接受換能器所接受的信號上產(chǎn)生補償效應(yīng)或后轉(zhuǎn)換電子抵銷技術(shù)可用來衰減這一新波以便更易檢測。由于每一換能器常常有其自身的最佳工作方式，因此最好分開使用發(fā)射和接受換能器?？捎锚毩⒌膿Q能器進行主動或被動補償方法，這些換能器的類型和/或位置可與主換能器不同。
HOHPS波的波型在受到接觸之類的擾動時容易發(fā)生變化。因此接觸會生成一階數(shù)和/或能量分布不同的新波形。該新波有一分量的傳播軸線與入射波相同從而可由與發(fā)射邊反射陣列相同或平行的接受邊反射陣列接受后以與測量信號衰減的裝置同樣的方式反射到一接受換能器。例如，在一面上的一接觸會以可能是非線性方式局部衰減該波，從而在基片中生成一反對稱波。該新波的傳播方向與入射波相同，因此可由接受裝置的反射陣列接受后以與只測量信號衰減的裝置相同的方式反射到接受換能器。
接受邊反射陣列最好構(gòu)作成最適用于具有不同階數(shù)的波即由接觸生成的波。為此特別可確定所接受的波的正確反射角，該角很可能與發(fā)射邊陣列的反射元件的角度不同。因此，按照該實施例，一由該傳感器的擾動生成的一在一基線以上的正信號響應(yīng)、而不是在一信號衰減響應(yīng)測量裝置中常見的信號響應(yīng)中的一衰減被接受后進行分析。從而用簡化的電子裝置即可提高信噪比。當然，這一正響應(yīng)裝置可與一衰減響應(yīng)裝置一起使用而調(diào)諧到所發(fā)射波的頻率而成為雙波型傳感裝置。從而可生成一使用所發(fā)射的準雷利波的雙波型傳感器，其中的反射元件的角度為45°，使一準雷利波橫越基片。在有效區(qū)中的一接觸把一部分準雷利波轉(zhuǎn)換成傳播方向與該準雷利波相同的一切變波。接受邊反射陣列為一接近反射器、例如一刻槽或一突起件或一連串與波的路徑垂直的直線件之類的表面件，它們把表面波選擇性地反射回該相對的反射陣列后由組合式發(fā)射/接受換能器接受。在該陣列的這一選擇性反射部的頂端的反射元件放置成合適的角度而把該切變波選擇性地轉(zhuǎn)換成沿另一接受路徑中的一軸線傳播的一VLCW。因此，這一裝置既接受衰減的準雷利波，又從該生成的切變波中接受一正響應(yīng)信號。
或者，另一實施例提供一種把一零階水平偏振切變波入射到傳感器的有效區(qū)中的正響應(yīng)裝置。該零階切變波由接觸局部吸收表面波能而轉(zhuǎn)換成階數(shù)為1的一HOHPS波以及可能更高階的波。因此，可用標準方法生成一零階水平偏振切變波，同時使用上述的用于n＝1的HOHPS波的接受裝置。應(yīng)該看到，為簡化正響應(yīng)裝置，入射的零階切變波不必是“純”的，只要消除或完全補償n＝1的HOHPS波，因為接受子裝置可把所有干擾波與n＝1的HOHPS波分開。
反射元件當一表面聲波或其他具有垂直和縱向分量的波即零階對稱或反對稱蘭姆波、高階蘭姆波沿一反射元件陣列傳播時，這些元件可反射一份份波能。各反射的特性決定于反射器類型及其特性、間距與角度、基片及其參數(shù)、入射波特性以及其他不完全清楚的系統(tǒng)整體特性。但是，一般來說，可找到一組參數(shù)，在標準條件下，即在一約厚0.090°的鈉鈣玻璃基片中，若一頻率約為5.53MHz的準雷利波在一由寬度為0.01”、間距為0.022”的絲網(wǎng)玻璃熔塊構(gòu)成的反射光柵中以一定角度即與換能器軸線成稍大于45°的角度反射，則會生成與換能器軸線正交的三階或四階水平偏振切變波。在同樣條件下，其他波形將可能顯著不相干地以不同角度傳播而不會影響接觸敏感性，也不會在接受換能器上產(chǎn)生很大的干擾信號。也可按照下文所述選擇其他有用實施例的參數(shù)。
總之，可以看到，通過選擇用于高階水平偏振切變波的接觸傳感器的特性，可使用較厚的均質(zhì)基片而獲得良好的接觸敏感性但對污物等不敏感而降低陰影效應(yīng)。由于通過變動反射陣列的元件的角度來選擇這些波，因此結(jié)構(gòu)細節(jié)是很清楚的，只需對現(xiàn)有生產(chǎn)方法稍作改動。
當反射元件的間距為在介質(zhì)中的波的波長的整數(shù)倍時，反射是相干的即同相的。
用來來回轉(zhuǎn)換表面聲波與切變波的反射器陣列的反射元件的角度還必須選擇成使所選擇的波在反射前后即在換能器與基片的有效區(qū)之間同相。因此該反射陣列用作選擇并反射所需波形的選擇過濾器。該反射陣列可與其他可以現(xiàn)有技術(shù)中的標準方法添加的過濾器組合而選擇所需波傳播方式。這些過濾器一般為被動過濾器，本發(fā)明范圍內(nèi)也包括主動過濾器。此外，接受換能器本身可設(shè)計成用被動或主動裝置選擇性地接受所需信號。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，一壓電換能器以約5.53MHz的頻率生成一激發(fā)信號而沿一軸線傳播一準雷利波或蘭姆波。該波型對基片反面上的接觸不敏感。該換能器可為普通型。沿著該同一軸線在基片的有效區(qū)外部形成一連串與該傳播軸線成約45°、例如約為47-57°的緊密間距的平行障礙物。這些障礙物的間距約為該準雷利波或蘭姆波的波長的整數(shù)倍。反射元件的構(gòu)型、特別是角度最好選擇成以與該軸線成直角地把一4階水平偏振切變波偏轉(zhuǎn)入該傳感裝置的有效區(qū)。該基片最好為一塊容易制造、用標準光粘接密封工藝便可安裝的0.090”厚的鈉鈣玻璃片。
我們發(fā)現(xiàn)，對于0.085”-0.090”厚的玻璃來說，與VLCW的傳播軸線所成的光人字角對于n＝0的切變波為約46°、對于n＝1的切變波為約47-48°、對于n＝2的切變波為約48°、對于n＝3的切變波為約50°、對于n＝4的切變波為約52-53°、對于n＝5的切變波為約56°，且厚度越厚角度越小。準雷利波與n＝4的HOHPS的相速度之比約為0.92。
應(yīng)該看到，所選擇波型不必以與換能器軸線正交的角度傳播，事實上可以其他各種角度傳播。事實上，如上所述，如本設(shè)計所固有的，各種波型以不同角度傳播。但是，本裝置的構(gòu)型可選擇性地檢測所選擇波的擾動。因此，一個發(fā)射邊陣列就可生成許多不同波型的波由與許多接受邊反射陣列光相聯(lián)的許多接受換能器選擇性地接受。這些接受陣列可在基片的正反兩面上重疊、平行或作其他布置。
當反射后傳播方向不與VLCW的傳播軸線垂直時，最好基片的四邊或者不反射波或者做成以所需傳播方向反射波，同時用比方說鋸齒形成角度刻面保持基片的長方形。這些刻面的厚度也可改變。這類刻面可有直角頂部、成角度地形成平行而以所需方向引導波的刻面邊，沿反射軸線交錯布置成一可使所反射波同相的距離。該刻面的反射面也可放置成與入射波成另一角度，以便以所需方式選擇性地反射波。由于與反射陣列平行的筆直的基片邊會沿入射路徑反射切變波，因此可用非筆直邊而使該裝置對非正交的信號路徑的工作最佳。因此該邊可做成鋸齒形。在希望沿一非正交路徑反射波時，基片和反射陣列最好設(shè)計成多路傳輸所需信號而由單個換能器接受而不發(fā)生干擾或假象。
檢測靈敏性最好在基片的整個有效區(qū)中基本上處處相同。當反射陣列中的反射元件都相同且間隔相同時，信號路徑最短的波的強度比信號路徑最長的波大得多。這是因為波在基片中傳輸時會發(fā)生衰減以及下述事實均勻設(shè)計的反射陣列會在每一反射元件處反射一比例不變的波能，從而使得信號強度隨著離開換能器的距離的增加而呈指數(shù)衰減。因此最好比方說通過改變信號隨著離開換能器的距離增加的反射比例而補償這一指數(shù)衰減從而補償這一或這兩個效應(yīng)。接觸敏感性在一定程度上與聲波在接觸區(qū)的能量密度有關(guān)。因此，能量密度最好在基片的整個接觸敏感區(qū)上基本保持不變。能量密度不變可減小用來分析所接受信號的接受裝置的所需動態(tài)范圍。
使陣列所反射的表面聲波的能量密度保持不變的一種方法是使用US4,644,100和Re.33,151所述的“反射元件抽出”法。該方法在陣列的各點上隨著該陣列上的這些點與換能器的距離的增加而增加能量反射。“反射元件抽出”法是抽走陣列中選定的元件。但該方法降低了陣列的區(qū)分不同類型的波的波長或相速度的能力?！胺瓷湓槌觥狈ㄏ拗屏私佑|板的大小，因為板越大，陣列中的間距也越大，最終造成非重疊反射元件。
保持能量密度不變的另一種方法是如圖4所示通過一高度可變的反射陣列在陣列的各點上隨著陣列上的這些點與換能器的距離的增加而增加能量反射。這種高度可變的反射陣列的反射元件是公知的，可見本申請的參考材料美國專利No.4,746,914。該反射陣列中的每一元件的高度做成使得反射陣列的單位長度的能量反射近似由下式給出(忽略多反射效應(yīng)、散射、在基片中的吸收等等)σ(x)＝α/〔(1+α/σL)(εα(L-X)-1)〕方程2陣列在x處的高度與第一陣列元件(n＝0)的高度之比約為h(x)/h(0)＝〔〔(1+α/σL)(εαL-1)〕/〔(1+α/σL)(εα(L-X)-1)〕〕1/2方程3最后一個陣列元件的高度與第一陣列元件的高度之比約為
h(L)/h(0)＝〔〔(1+α/σL)(εα(L-X)-1)〕/〔α/σL〕〕1/2方程4其中，α為陣列每單位長度的能量吸收，x為表示離開陣列起始點的距離的變量，L為該陣列的長度。為了設(shè)計高度可變陣列，在估計最大與最小高度之比h(L)/h(0)的實際值后代入方程4中確定σL。然后把h(0)和σL的值代入方程3中估算出陣列隨距離而變的高度。然后用實驗測試所得的傳感器基片而使基片最佳化以算出其他變量。使用高度可變的陣列，可得到圖8所示波形，其中，由各陣列元件反射的各HOHPS波的振幅在不存在接觸時在整個陣列上大致保持不變。
還可以篩分基片正反兩面上的陣列，只要正反兩面的反射元件對齊而加強所需波型而抑制或最好區(qū)分其他波型。
層狀或全深度結(jié)構(gòu)為了抑制寄生波可把陣列的反射元件做成伸展在基片的整個厚度上而在反射一定HOHPS波時減小寄生波的數(shù)量。HOHPS波和雷利波在玻璃的厚度上相位有變動。為此可在基片中蝕刻出一定尺寸的槽后回填玻璃熔塊之類而形成伸展在基片整個厚度上的反射元件。應(yīng)該看到，盡管HOHPS的能量分布在基片的整個體積中，但雷利波的能量局限在表面處，因此全厚度反射陣列的效率只比部分厚度槽反射陣列稍高。
反射陣列一般應(yīng)有很高的聲透射性以便大量能量能到達反射陣列的頂端部。最好用表面反射器反射表面聲能密度大的波。但是，若基片為層狀結(jié)構(gòu)，也可使用埋置的反射陣列。這種結(jié)構(gòu)有利于從一換能器發(fā)射的波在傳入該傳感裝置的傳感部前受到保護。因此，可生成一內(nèi)部波、比方說斯通利波(Stoneley wave)而在層狀結(jié)構(gòu)的基片的一部分內(nèi)部傳導從而在該基片的一相對受限層中傳播。所反射波最好為切變波，例如零階切變波或HOHPS。因此，換能器可生成一以內(nèi)部斯通利波傳播的波而免遭外部影響。由內(nèi)部條狀材料或突起在一中間層上的反射元件構(gòu)成的反射陣列伸入一層壓件中而把斯通利波反射入基片的有效區(qū)中而成為一切變波。該切變波由基片上的接觸以特征時間延遲衰減，其余波能由相應(yīng)反射器反射到接受換能器。盡管該經(jīng)反射的波作為一Stoneley-shear-Stoneley傳感裝置的一部分也可為斯通利波，經(jīng)兩次反射的波可以是另一類型的波、例如雷利波。該基片在反射器區(qū)中可為比方說一夾在兩層塑料中的玻璃片，而在傳感區(qū)中為玻璃或三層玻璃片。換能器可通過除去該部位的塑料而與中間層玻璃片連接。
該裝置還可使用作用與光學裝置中的反射涂層相同的特殊波型過濾器。因此比方說若要從許多高階水平偏振切變波中選擇選出一4階水平偏振切變波，可在基片的一反射邊上設(shè)置一由適用于各種切變波的不同相速度的交替材料層構(gòu)成的層壓構(gòu)件。這種層壓件示出在圖17中。這種層壓件的寬度做成加強所需波而衰減階數(shù)、入射角或相速度不同的波。同樣，可在多元件過濾器中使用具有一中間局部反射平面的沿寬度方向疊置的層壓件。事實上，整個基片可做成一層壓件，從而選擇性地傳播相應(yīng)階數(shù)的切變波以及低階和高階諧波。在這種情況下，可交替層壓厚度和聲傳導特性受到嚴格控制的塑料薄膜和玻璃基質(zhì)材料而根據(jù)該薄膜相對于基片Z軸上的波長的厚度選擇性地只傳導一高階水平偏振切變波。
可把具有光涂層的塑料片、例如具有由OCLI制造的HEA涂層的薄膜壓制到基片的底面上而消除或減小光反射?；趁嫔系倪@種塑料涂層不僅提高了基片的光學特性，而且可防止玻璃基片爆裂對人造成傷害。由于該塑料片具有過濾作用，其聲學性能受到良好控制，例如材料、厚度、層壓條件和其他已知因素。
任何反射平面或部分反射平面或與波的傳播軸線平行的一波的相速度的空間變化都會過濾該波而選擇性地傳導某些波型。此外，具有變動聲學特性、例如吸收性的任何層也會過濾波而選擇性地傳導某些波型。層狀構(gòu)件不必對稱于基片的中間平面，可使用任何類型的各種材料一起選擇性地傳導所需波型。在選擇所需波時也可使用其他類型的三維結(jié)構(gòu)和共振器。
在一優(yōu)選實施例中，使用標準的安全玻璃，例如包括3/32”玻璃、1/32”聚合粘接劑、3/32”玻璃的汽車檔風玻璃。該裝置的工作頻率決定于所選擇階數(shù)波以及基片的機械和聲學特性。
在另一優(yōu)選實施例中，使用一為切變型體波的洛夫波(Love wave)，該波的波能在一表面上，而另一面上的波能大大減少。使用由兩層或多層相速度不同的基質(zhì)材料構(gòu)成的層壓件、把較低相速度的層設(shè)置在敏感頂面上有利于生成洛夫波。洛夫波可有不同階數(shù)，例如n＝0、1、2、3、……，其中，與HOHPS波類似，n為無波動的相交波節(jié)面數(shù)。此時，層壓基片結(jié)構(gòu)的作用與上述空間波過濾器稍有不同而表明可使用本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)選擇所需波類以及該波類中的階數(shù)。從而該層壓件可包括更多層，它們的相速度變化呈單調(diào)增加；或使用一種過濾結(jié)構(gòu)特別選擇所需洛夫波，例如相速度高低交替材料層，但總體上不對稱而選擇所需洛夫波。
在一優(yōu)選實施例中，一3mm厚的硼硅酸鹽玻璃片壓制到一3mm厚的鈉鈣玻璃片上而截獲階數(shù)n＝0、1的洛夫波，造成n＝0時前面比后面的接觸敏感性大約55dB。一1mm厚的硼硅酸鹽玻璃片壓制到一3mm厚的鈉鈣玻璃片上可截獲階數(shù)n＝0的洛夫波，造成前面與后面的接觸敏感性相差約40dB，而一2mm厚的硼硅酸鹽玻璃片可截獲階數(shù)n＝0、1的洛夫波，造成n＝0時前面與后面的接觸敏感性相差約50dB。
電子過濾如上所述，在本發(fā)明的主動消除技術(shù)中，用一在該傳感器旁的換能器施加一波形而選擇性地消除、衰減或補償輸出從而減小接受換能器及其電子線路所需的動態(tài)范圍。一主動過濾裝置的核心可以是比方說一具有受驅(qū)叉指的壓電基片或許多裝在該基片上的換能器，它們協(xié)同工作而生成所需波而抑制不希望有的波。一相關(guān)的裝置包括一相控換能器陣列。
主動過濾裝置或相控換能器陣列一般與一數(shù)字信號處理器(DSP)或SAW過濾器一起使用。當使用數(shù)字信號處理器時，該裝置計算干擾波中的反向響應(yīng)而把該反向響應(yīng)作為一信號傳送而抵銷所接受波中的不希望有的波。SAW過濾器在模擬域中以與壓電基片上的聲波相同的方式工作。DSP可有適應(yīng)能力，即可學習新的補償方法或細節(jié)而在需要時使用之。SAW不容易改變成象可編程的數(shù)字裝置那樣具有適應(yīng)性。應(yīng)該看到，DSP的功能可用專用的半導體設(shè)計實現(xiàn)，例如DSP或數(shù)字過濾器或可作為通用處理器的軟件控制功能。合適的DSP裝置包括Texas Instruments的TMS320C2X、C3X或C5X；Motorola的MC56000系列DSP以及Zilog的Z8系列DSP等。
主動過濾可由發(fā)射和/接受換能器實現(xiàn)，也可使用獨立的發(fā)射換能器。
也可實現(xiàn)被動過濾功能，這依賴于一種傳感裝置，接受換能器可有一獨立的補償換能器裝置，以便減小干擾并精確檢測波的擾動特性即一接觸的位置。這一被動過濾器可是適應(yīng)性的而可用DSP、數(shù)字過濾器或其他計算系統(tǒng)實施。
使用復雜過濾器補償共振、非線性、各種反射波型和其他干擾即可分析一主要包括擾動的效果的信號。從而該過濾器補償傳感器本身的背景和特性，而與擾動影響有關(guān)的信息可通過以便進行特別分析后輸出。
本發(fā)明的主動過濾裝置不限于使用HOHPS波檢測接觸的傳感器，而可用于各種設(shè)計，在這些設(shè)計中，發(fā)射換能器、有效傳感區(qū)和接受換能器使用各種公知的聲波。因此接觸板的具有一體化過濾器的聲波換能器、例如具有可以公知方式連接成主動或被動裝置的叉指電極的壓電基片也在本發(fā)明范圍內(nèi)。把補償發(fā)射換能器用作主動消除裝置的聲波接觸傳感器也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
波型區(qū)分物理過濾器原則上，用來選擇各種波型的過濾器有許多種實施方式，包括高通、低通、帶通和復雜傳導功能設(shè)計。首先，不希望有的波可吸收掉，它們的能量可在一傳導或反射過濾器中擴散。這種過濾器比方說可包括不支持切變波傳播的基片部分或一布置成需要一禁用反射波型的反射器。其次，過濾器可包括一供一分量通過而反射另一分量的半反射元件。該不希望有的分量以后專門擴散或在其后對所需分量的分析中予以忽略。也可使用專用帶通過濾器選擇所需波型。這些過濾器可與基片或換能器制成一體，也可以是獨立部件。
應(yīng)該看到，當所需切變波在反射面上的入射角不為零時，必須小心防止由于公知的波動力學出現(xiàn)的禁用波型。另一方面這些禁用的反射波型可用來消除不希望有的切變波波型。
例如，在一反射陣列旁或基片的與反射陣列相對的一反射邊可包括一過濾器用來選擇性地反射所需波型而衰減或以不同方式反射其他波型。若反射這些不希望有的波型，最好用一吸收器擴散這些不希望有的波的能量。由于所需波與不希望有的波分開，因此該吸收器本身不必是波型選擇性的。
可使用只根據(jù)相速度來區(qū)分波型的過濾器，例如如反射陣列的反射元件那樣放置在切變波的與入射角正交的路徑上的一連串反射元件。由于切變波的能量分布在基片的整個體積中，因此這些元件可設(shè)置在基片的一個表面或正反兩面上。
盡管過濾器可環(huán)繞基片的有效區(qū)，但過濾器最好不降低用作CRT觸摸屏的基片的光學性能。
如果不希望有的傳播波干擾接受換能器且這些波型有不同的相速度或其他可區(qū)分特性，則在該波到達該接受換能器前的路徑上放置一選擇性的過濾器。在這種情況下，最不希望有的波型為具有縱向分量的波、特別是低階波(雷利波或低階蘭姆波)。因此，可把一連串設(shè)置在基片的頂面或正反兩面上、根據(jù)波長、體能分布和傳播角供所需波通過而衰減不希望有的波的相間距元件用作選擇性過濾器。
也可把具有斜反射邊的基片用作波型選擇過濾器。隨著基片變薄，HOHPS波的截止頻率提高。隨著“波導”截止頻率提高，組速度減小。當基片薄到截止頻率等于工作頻率時，組速度為零而反射波。這一反射點對不同的波型是不同的，從而波型的階數(shù)n越大，反射點離基片的邊越遠。聲波對放置在反射點附近的吸收材料的敏感性提高。
因此，如果所需的HOHPS的階數(shù)為n、比方說n＝4，則階數(shù)為n-1、比方說n＝3的波最接近組速度而造成最多干擾。當然所需波的階數(shù)須大于零，因為零階切變波不受斜邊的反射從而無法有效選擇波型。在具有斜邊的基片上，位于階數(shù)n＝4的反射點遠端的密封膠、粘接劑或膠帶之類的吸收材料會過濾n＝0、1、2和3的波。該材料可設(shè)置在基片的一個或正反兩個表面上。為了過濾階數(shù)為n+1的波，可在階數(shù)n的反射點旁放置另外的吸收材料而由于波能的集中和在該點的低相速度而吸收n+1階的波。因此斜邊上的吸收條可在n接波的反射的位置處中斷。
也可用斜邊方法使用狹條換能器在基片的一邊上選擇性地激發(fā)和接受所需階數(shù)的HOHPS波。
基片斜邊可做成在基片一面或正反兩面上的狹窄刻面或圓錐體。這一斜邊可使用在每一軸有兩個換能器的傳感器中，每一軸一個換能器和兩根軸一個換能器。但最好在有反射元件的邊上不使用斜邊，除非波反向傳播相鄰邊進行過濾。
因此反射邊可用作波型選擇過濾器的一部分。該波型選擇過濾器與反射陣列的平行間距最好非常精確以便加強所需波并沿所需路徑反射回所需波。
電物理過濾器或者也可如圖1G所示使用許多接受元件進行波形的空間瞬時分析，例如，該接受換能器包括內(nèi)部選擇過濾器選擇性地接受所需特性的波形。
盡管最好使用圖1C和1G所示壓縮型壓電接受晶體，但接受換能器也可平裝在基片上而生成有用信號。此時，一壓電接受換能器最好裝在一傳導層上，該換能器頂面上的各元件把換能器分隔成各部分。此時，該壓電晶體的頂面上有一連串電極，如圖1H所示，該壓電晶體為PZT或鈮酸鋰壓電晶體，其間距為波形的θ2/2或更小。在換能元件相隔該波的波長的情況下，可合計或獨立分析交替電極而從不希望有的波中選擇所需波。當電極間距不精確等于波長的一半時，可獨立分析各電極。
從一不希望有的波導出的VLCW在基片中的傳播軸線與所需波形不同。因此可增加從反射陣列到接受換能器的距離以便提高波的空間分離從而提高換能器的選擇性。此時可在另一軸線上使用另一換能器接受與另一波有關(guān)的信息。從而反射陣列也用作物理過濾器。
優(yōu)點因此本發(fā)明接觸位置傳感器具有如下一部分或全部優(yōu)點其他參數(shù)相同的條件下，HOHPS的信噪比比零階水平偏振切變波接觸傳感器高。
由于基片底面對在能量集中在頂面上的雷利波區(qū)域中的接觸的敏感性為零，因此安裝簡化，從而基片底面的邊可套在被安裝物上。
厚的基片可使用回火玻璃，剛性增加且不易脆裂，即厚約0.090”-0.125”的基片可使用剛性增加而不易脆裂的回火玻璃。平板玻璃的斷裂強度與其厚度平方成正比，而剛性與厚度的三次方成正比。厚玻璃容易制造，特別可做成與CRT管形狀一致的圓柱形或球面形。
附圖的簡要說明下面結(jié)合


本發(fā)明優(yōu)選實施例，附圖中圖1A為現(xiàn)有表面聲波傳播板的立體圖；圖1B為在圖1A的現(xiàn)有板中傳播的表面聲波的放大立體圖；圖1C為圖1A所示現(xiàn)有板的側(cè)視剖面圖，示出該板中所生成波的性質(zhì)；圖1D示出一雷利波；圖1E示出一對稱蘭姆波；圖1F示出一反對稱蘭姆波；圖1G示出一多元件接受換能器；圖1H示出一具有多電極的接受換能器；圖2A為本發(fā)明切變波傳播板的立體圖；圖2B為在圖2A的板中傳播的切變波的放大圖；圖3為本發(fā)明第一實施例的HOHPS波接觸位置傳感器的立體圖；圖4示出構(gòu)成圖3所示一反射陣列的高度可變的反射元件；圖5為圖3所示接觸位置傳感器的信號處理部的方框圖；圖6為說明本發(fā)明傳感器的位置確定操作的流程圖；圖7為說明由圖6所示軟件程序訪問的接觸掃描程序的流程圖；圖8示出圖3接觸位置傳感器所生成的X和Y波形；圖9示出一HOHPS波與一表面聲波的相對靈敏性之間的差別；圖10為本發(fā)明接觸位置傳感器的第二實施例的俯視圖；圖11為本發(fā)明HOHPS波接觸位置傳感器的第三實施例；圖12為圖11所示傳感器生成的波形與圖3所示傳感器生成的波形的比較；圖13為其上裝有寄生波抑制反射器的圖3所示接觸位置傳感器的俯視圖；圖14為其上裝有吸收條的圖3所示接觸位置傳感器的俯視圖；圖15為圖5所示計算機所執(zhí)行的自動設(shè)置程序的流程圖；圖16為本發(fā)明一實施例的接觸位置傳感器的俯視圖17為層狀波形選擇過濾器的立體圖；圖18為換能器接口線路的方框圖；以及圖19為包括一洛夫波傳感器的第四實施例的立體圖。
對優(yōu)選實施例的詳細說明基片本發(fā)明接觸位置傳感器包括一可傳播圖2A所簡示的切變波12的基片10?；?0由0.090”厚的鈉鈣玻璃片制成。
鈉鈣玻璃基片10可作回火處理，雖然可不使用玻璃熔塊形成反射陣列的元件28或過濾元件之類的表面件等，因為固化玻璃熔塊所需高溫超過玻璃基片的退火溫度。
換能器為了生成在X方向上傳播的切變波，圖1A所示的一壓電換能器14安裝成生成一在基片10的Y軸線上傳播、具有垂直和縱向分量、其波能大部分限制在基片表面處的準雷利波。換能器14在一驅(qū)動信號的作用下生成一傳給基片的振蕩。該準雷利波由反射陣列轉(zhuǎn)換成沿Y軸線傳播的一切變波。
如圖1A和C所示，用一裝在一塑料楔形體上的壓電換能器把表面聲波傳入基片，而該塑料楔形體裝在該板的接觸面上。換能器振動而生成一沿與換能器和塑料楔形體的界面正交的軸線傳播的壓縮體波。該波在楔形體中傳播而把一具有垂直和縱向分量的表面聲波VLCW傳入基片。楔形體伸展在板的上方，因此基片的反面或無效面可不接電路或關(guān)鍵元件。此外，基片中波能為雷利波或準雷利波的部位對反面或無效面的安裝不敏感。壓電換能器粘接到塑料楔形體上，然后把其上有換能器的該楔形體粘接到玻璃接觸板上。一導電層夾在塑料楔形體與壓電換能器之間而形成合適的電連接。
使用一種簡單結(jié)構(gòu)而比較由一接觸造成的準雷利波與切變波的衰減，0.040”基片中的準雷利波從4.8v衰減到3.2v，降低33.3％。0.090”基片中的切變波從1.5v衰減到1.4v，降低6.6％。因此，為了獲得同樣的靈敏性，用于切變波傳感器的換能器的脈沖串振幅應(yīng)提高約5倍，例如+14dB。經(jīng)計算得出，對于0.040”基片中的切變波，提高約20log(0.090”/0.040”)＝3.5dB。也可增加激發(fā)信號的脈沖串長度來提高靈敏性。
與使用0.040”基片的準雷利波接觸傳感器比較，使用0.040”基片的切變波傳感器的換能器脈沖串振幅應(yīng)提高約1.67倍(+4.5dB)，而使用0.090”基片的切變波傳感器的換能器脈沖串振幅應(yīng)提高約5倍(+14dB)。
反射陣列其反射角連續(xù)變動的一測試反射陣列用來在基片的各部分生成垂直于反射陣列的軸線傳播的階數(shù)順序變化的截然不同的切變波。另一方面，同一階數(shù)的HOHPS以對應(yīng)于反射陣列的元件的角度的變動的角度傳播。這種測試反射陣列可用來確定給定基片設(shè)計中的反射元件的最佳角度?？捎靡谎b在基片表面的探頭傳感器檢測各波。
同樣，反射角度固定的一反射陣列用作線性繞射光柵，以不同角度傳播相速度不同的波，相速度越快，其角度越呈銳角。這一設(shè)計可用作接觸傳感器。
反射陣列由一連串放置成與波傳播軸線成52°角的絲網(wǎng)玻璃熔塊線構(gòu)成。熔塊在換能器和塑料楔形體裝到基片上之前在較后階段在一爐子中固化。這些熔塊線以等于所發(fā)射波的波長的不變間隔相間距。然后焙烤熔塊以便熔融熔塊。熔塊的數(shù)量隨著離開換能器的距離增加而增加，以便確保所反射的波能均勻。反射元件根據(jù)換能器和接觸的期望方向制成在基片的頂面上。當然也可使用其他反射元件構(gòu)型。
傳感裝置的第一實施例圖3所示本發(fā)明第一實施例的接觸位置傳感器16包括與其上坐標要確定的每一軸線有關(guān)的一對發(fā)射和接受換能器18、20和22、24。盡管接觸位置傳感器16有4個換能器18、20和22、24分別與X軸和Y軸相聯(lián)，從而可確定一接觸的X和Y坐標，但若只需要一個坐標、例如X軸上的坐標，與Y軸相聯(lián)的換能器22和24就可除去。這些換能器為塑料楔形體，該楔形體一表面上的一導電片上粘接有壓電元件。這些楔形體用粘接劑以標準方式裝在基片上并對齊成壓電換能器在楔形體中生成一壓縮波而在玻璃基片中轉(zhuǎn)換成沿反射陣列的軸線傳播的一VLCW波或在楔形體中接受一由在玻璃基片中沿反射陣列傳播的一VLCW轉(zhuǎn)換而成的壓縮波。
發(fā)射換能器18生成的一VLCW沿X軸傳播到下文詳述的一反射元件陣列28。反射陣列28的每一元件的角度選擇成傳導一特別的HOHPS波以與VLCW傳播軸線正交的方向橫越基片。反射元件的這一角度對于0.090”厚鈉鈣玻璃基片來說與波傳播軸線成約52°。因此，經(jīng)反射的HOHPS波在Y方向上傳播到反射陣列30中的一對應(yīng)反射元件。反射元件陣列30所在軸線與反射陣列28所在軸線平行。
同樣，為了界定Y軸，Y發(fā)射換能器22裝在基片10的頂面上。發(fā)射換能器22振動而生成一沿Y軸傳播到下文詳述的反射元件陣列34的VLCW波。X和Y的裝置相同。反射陣列34的每一元件放置成與波傳播軸線成約52°角從而把入射其上的一部分VLCW波沿X方向反射到反射陣列36中的對應(yīng)反射元件。反射元件陣列36所在軸線與反射陣列34所在軸線平行。陣列36中的每一反射元件的角度與該發(fā)射陣列對應(yīng)，與陣列36的軸線成約-52°從而把來自反射陣列34、沿X方向傳播的一VLCW反射到接受換能器24。該接受換能器24以公知方式與陣列36的軸線垂直地安裝在基片10的頂面上從而傳感由陣列36反射其上的VLCW而生成一表示該VLCW的信號。
陣列28和30中的各反射元件決定了在基片的軸線上的特征路徑程度，從而由陣列28中各相繼元件反射的各HOHPS波傳播到接受換能器20的路徑不斷增長，例如時間延遲不斷加長。
在本裝置中，按照優(yōu)選設(shè)計參數(shù)，例如在用浮法工藝生產(chǎn)的0.090”鈉鈣玻璃中傳播的4階水平偏振切變波，換能器的工作頻率為5.53MHz，則反射陣列的元件與入射波傳播軸線所成的角約為52°，盡管這一角度隨設(shè)計細節(jié)的微小改動而變。
由反射陣列28和30決定的各路徑以Y方向平行地穿過基片10，每一平行路徑?jīng)Q定一X坐標。同樣，陣列34和36中的反射元件決定一組不同長度的路徑從而由陣列34中相繼各元件反射的HOHPS波到達接受器24的路徑不斷增大。由反射陣列34和36決定的各路徑以X方向平行地穿過基片10，每一平行路徑?jīng)Q定一Y坐標。
圖8示出由接受換能器20和24生成的X和Y信號，其中，如下所述，使用高度和/間距可變的反射陣列28、30、34和36而提供其振幅大致不隨時間而變的X和Y信號。關(guān)于X軸信號，如換能器18開始生成一VLCW的時間為t0，則換能器20接受第一VLCW的時間為2t1+t2+t0，其中，t1為VLCW從基片邊26傳到陣列28中第一反射元件所經(jīng)時間，也是VLCW從陣列30中第一反射元件傳到邊26而被換能器20傳感所經(jīng)時間。在該方程中，t2為所選HOHPS波沿Y方向穿過基片10的時間。由反射陣列28中最后元件反射而由陣列30中最后元件接受的HOHPS波的接受時間為2t1+t2+2t3+t0，其中，t3為VLCW沿X方向在陣列28的第一元件與最后元件之間傳播的時間以及VLCW沿X方向在陣列30的最后元件與第一元件之間傳播的時間。同樣，如換能器22生成一VLCW的時間為t0，則接受換能器24接受由陣列34和36反射的第一VLCW的時間為2t1+t3+t0，而接受換能器24接受由陣列34和36反射的最后VLCW的時間為2t1+t3+2t2+t0。2t1+t2+t0與2t1+t2+2t3+t0之間的每一值tx表示X軸上的一坐標；而2t1+t3+t0與2t1+t3+2t2+t0之間的每一值ty表示Y軸上的一坐標。應(yīng)該看到，在該優(yōu)選實施例中，為了減少干擾，驅(qū)動信號加到Y(jié)軸發(fā)射換能器22上的時間在驅(qū)動信號加到X軸發(fā)射換能器18的時間之后，也在X軸接受換能器20接受由陣列28和30反射的最后HOHPS的時間之后。
在基片10的頂面40或底面42上的一接觸會吸收穿過基片10的HOHPS在接觸位置處的一部分能量。能量的這一局部吸收造成其能量被吸收的HOHPS波的擾動，該擾動表達成接受換能器20和24生成的信號的振幅的變動。例如，基片10的頂面或底面上的一接觸的坐標在圖8中分別表示為在X和Y換能器信號中擾動出現(xiàn)的時間ttx和tty。在換能器與反射陣列之間傳播的VLCW只對頂面即其上形成有反射陣列的表面上的接觸敏感，而這些波在該陣列的底面上的傳播區(qū)域中的接觸大致不擾動所接受的波形，從而有利于基片的安裝。
控制系統(tǒng)使用VLCW-HOHPS-VLCW技術(shù)確定接觸位置所使用的控制系統(tǒng)一般為公知公用的觸摸屏控制技術(shù)。由于各換能器都相同，換能器所發(fā)射和接受的信號也相同，因此本發(fā)明傳感器無需使用不同的控制器。但應(yīng)看到，由于可能發(fā)生干擾以及是多路反射，因此先進的控制器設(shè)計有利于降低成本、提高信噪比、提高接觸靈敏性、加快響應(yīng)時間并減少出現(xiàn)假象的可能性和嚴重性。
圖5所示接觸位置傳感器的控制系統(tǒng)為一其程序指令存儲在一非易失性存儲器中的數(shù)字微電腦系統(tǒng)。它最好為一具有內(nèi)部CPU、RAM、計數(shù)器和定時器以及其他功能的8位微控制器。例如可使用工業(yè)標準8052型微控制器。本發(fā)明范圍內(nèi)也包括其他實施例。該控制器控制對換能器18和22的驅(qū)動信號的施加并根據(jù)表示接觸的信號擾動的出現(xiàn)時間ttx和tty確定基片10上的接觸的坐標。圖5所示接觸板70包括基片10、X和Y發(fā)射換能器18和20、X和Y接受換能器20和24以及反射陣列28、30、34和36?？砂ㄒ晃⑻幚砥鞯囊恢饔嬎銠C72對一控制器74發(fā)出指令而啟動接觸板70的一掃描周期。該控制器74響應(yīng)該計算機72發(fā)出的啟動掃描周期指令而經(jīng)一X驅(qū)動器把一驅(qū)動信號加到X發(fā)射換能器18上，其中，控制器74的定時由一時鐘/振蕩器78確定。加到換能器18上的驅(qū)動信號為一其周波數(shù)等于陣列28的寬度除以一常數(shù)的正弦波脈沖串驅(qū)動信號。合適的驅(qū)動電路也可見本申請的參考材料US4，644，100和Re.33，151。該控制器74還把一X/Y開關(guān)80設(shè)定在X位置上而使X接受換能器20與一射頻(R.F.)放大器82連接。當換能器20傳感到由陣列28和30反射的VLCW時，換能器20生成一表示經(jīng)開關(guān)80連接到放大器82的VLCW的X軸信號。放大器82輸出的放大X軸信號傳到一解調(diào)器84而除去該放大X軸信號中的交流分量而生成圖8所示包絡(luò)波形。解調(diào)器84的輸出傳到一閾值裝置86，該閾值裝置根據(jù)輸入輸出信號，若裝置86的輸入大于其閾值才有輸出。但當輸入信號小于其閾值時閾值裝置86沒有輸出。閾值裝置86的輸出傳到一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器88，該轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)一緩沖器90傳到內(nèi)部母線91?？刂破?4把模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器88的輸出存儲在一靜態(tài)RAM92(隨機存取存儲器)中從而一表示由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器88取樣的每一時間點tx上的X軸信號的振幅的值存儲在該靜態(tài)RAM92中一表示該時間點的存儲單元中。
在X軸數(shù)據(jù)存儲在靜態(tài)RAM92中后，控制器74控制Y驅(qū)動器76把一脈沖串驅(qū)動信號加到接觸板70的Y軸發(fā)射換能器22上?？刂破?4還改變X/Y開關(guān)80的狀態(tài)而使Y接受換能器24與射頻放大器82連接。表示模擬/數(shù)字周期88所輸出Y軸信號的數(shù)字數(shù)據(jù)同樣存儲在靜態(tài)RAM中從而一表示由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器88取樣的每一時間點ty上的Y軸信號的振幅的值存儲在該靜態(tài)RAM92中一表示該時間點的存儲單元中。
在初始化過程中，主計算機22根據(jù)存儲在靜態(tài)RAM92中的未經(jīng)接觸的板70的值經(jīng)一其輸出連接到一數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器96的緩沖器設(shè)定射頻放大器82上的增益。閾值裝置86結(jié)合由反饋回路98提供的自動增益控制變換基帶響應(yīng)的零水平而提高表示接觸點與未接觸點的換能器輸出信號的振幅的差別，從而可更容易檢測接觸點。這一方法是可能的，因為基片的有效區(qū)中從由反射陣列反射VLCW生成的HOHPS波的信噪比很高。這一特征從而補償了圖9所示HOHPS波較之(基片的有效區(qū)中的)準雷利波的較低的相對靈敏性。
圖6示出主計算機72在確定接觸板70上的接觸位置時的工作情況。在該系統(tǒng)的初始化過程中，對未受接觸的板70進行掃描周期而把X和Y振幅值存儲在靜態(tài)RAM92中作為時間tx0和ty0的基線。在初始化過程中，從靜態(tài)RAM92讀取的每一取樣時間點tx0和ty0的X和Y振幅值存儲在主計算機72的一RAM101中。在初始化后，在方塊100主計算機72把ttx和tty設(shè)定成零，而把變量X和Y設(shè)定成1。然后在方塊102主計算機訪問圖7所示接觸掃描程序。該接觸掃描程序為一“終止后常駐”程序，即一存儲在主計算機72的RAM101中、無需再裝入而可周期性地執(zhí)行的程序。主計算機72在方塊104按照接觸掃描程序把X軸的射頻放大器的自動增益控制值設(shè)定成初始化時所確定的值。然后在方塊106主計算機72向控制器74發(fā)出指令啟動X軸的掃描脈沖串。當時間tx的X軸值存儲在靜態(tài)RAM92中后，主計算機72在方塊107設(shè)定Y信道的自動增益控制值并在方塊108指示控制器74啟動Y軸的掃描。在時間ty的Y軸值存儲在靜態(tài)RAM92中后，主計算機72把存儲在靜態(tài)RAM92中的時間tx和ty的每一振幅值讀入RAM101的一部分中。然后在方塊112主計算機72返回圖6所示程序。靜態(tài)RAM92用作從接受換能器截獲數(shù)據(jù)的緩沖器，因此主計算機72可以比該數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)慢的數(shù)據(jù)率運行。
在時間tx和ty的X和Y振幅值從靜態(tài)RAM92讀入主計算機72的RAM101中后，主計算機72在方塊114根據(jù)tx存儲的振幅值(其中，x在方塊100初始化成1)與tx0存儲的振幅值(即x＝1時為t10，其中，t10為初始化過程中第一取樣時間所存儲德文振幅值)之間的差確定差值tx0。然后該計算機在方塊116確定差值tx0是否大于一閾值，如是，計算機72在方塊118確定差值txD是否大于X軸檢測的最大差值DX。如txD大于DX，計算機72在方塊120把DX設(shè)定成差值txD，把該差值的出現(xiàn)時間ttx設(shè)定成tx。在方塊122計算機72作x+1運算，若如計算機72在方塊124確定的那樣x不大于X軸的時間取樣點數(shù)N，計算機72返回方塊114確定下一個差值。在方塊114為由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器88取樣的每一時間點和存儲在RAM101中的振幅值確定差值后，計算機72在方塊126確定最大振幅差DX的出現(xiàn)時間ttx是否為零。若ttx為零，表明X軸上未檢測到接觸，則計算機72在方塊127退出該程序。但若ttx不為零，表明一接觸的出現(xiàn)時間為ttx，則計算機72進到方塊128。
在方塊128，計算機72比較在時間ty存儲的振幅與在時間ty0的同一點存儲的初始化值并將其差存儲為tyD。在方塊130計算機72比較tyD與在方塊128計算的Y軸信號的最大差值Dy。然后，若在方塊132確定tyD大于Dy，則計算機72在方塊134把Dy設(shè)定成tyD，而把最大差信號Dy的出現(xiàn)時間tty設(shè)定成ty。在方塊136計算機72作y+1運算后在方塊138比較y與Y軸信號的取樣點數(shù)Z。若y小于或等于Z，計算機72返回方塊128。若y大于Z，表明對Y軸上的每一取樣點計算出一差信號，則計算機72在方塊140根據(jù)ttx和tty的值確定一接觸的X和Y坐標。然后計算機72在方塊142退出該程序。
接觸板的大小也可按照圖15所示流程圖自動確定，從而各種大小的接觸板可與用來控制微處理器和同一電子設(shè)備的預定軟件配套使用而在安裝或使用時確定接觸板的大小。在進入自動設(shè)置程序后，計算機72在方塊200指示控制器74把一驅(qū)動信號加到發(fā)射換能器18上而把一脈沖串傳給陣列28，計算機72存儲第一脈沖串信號的傳導時間。然后，在計算機72存儲接受器20接受第一信號的時間。在方塊204計算機72存儲隨著接受換能器20接受第一發(fā)射脈沖串生成的最后信號的時間。計算機72然后使用已知的波在基片10中的傳播速度在方塊206根據(jù)在方塊200存儲的時間和分別在方塊202和204存儲的時間計算第一和最后反射波所經(jīng)距離。特別是，計算機72根據(jù)在方塊200和202存儲的時間確定接觸板在Y軸線上的尺寸。計算機72還根據(jù)在方塊206存儲的時間以及在方塊200和202存儲的時間計算接觸板在X軸線上的尺寸。在方塊208，計算機72使用算得的接觸板的尺寸自動證實其后所檢測的接觸點的坐標。
反射陣列28、30、34和36用基片10頂面40上的一模板篩分玻璃熔塊而形成。反射陣列玻璃熔塊可在在基片上形成其他熔塊的同時形成。例如在本發(fā)明其他實施例中，用導電熔塊把換能器直接粘接到基片10上而不使用塑料楔形體。反射陣列也可由金屬制成而粘接到基片10的頂面40上。
該線路也可用其他現(xiàn)有方法實施。最好使用能執(zhí)行大多數(shù)功能的ASIC，一裝置包括基本數(shù)字控制線路，一裝置包括模擬發(fā)射和接受線路，另外有標準設(shè)計的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、RAM和控制器。也可使用分為各組件的裝置，單芯片實施例也是有用的，包括數(shù)字線路以及低電壓模擬線路。
在一優(yōu)選實施例中，一數(shù)字控制器提供整個控制和處理以及傳感器輸出。該為一微處理器的控制器提供與外部裝置的接口、檢測基片上的污物并控制再學習和再處理事件的定時。一ASIC用來控制傳感器的正常操作，執(zhí)行脈沖串和采集周期、確定關(guān)于接觸存在、位置和大小的數(shù)據(jù)，并控制各增益受控元件的各種增益。還用一模擬ASIC放大和支配換能器的信號。
該系統(tǒng)可包括一用來確定所接受信號的信號基線的數(shù)字過濾集成電路而自動補償環(huán)境因素的緩慢變化，同時提供對接觸的敏感響應(yīng)。
該檢測系統(tǒng)還可包括同步檢測、零差或超外差式接受器、全數(shù)字域處理、開關(guān)電容過濾器和SAW過濾器。
在使用多元件接受換能器時，可在一模擬預放大器中用電子裝置組合各信號，也可分開處理各信號。接受換能器可構(gòu)作成選擇性地接受所需信號。在分開處理情況下，可用一IF混合器遞降轉(zhuǎn)換信號，然后在數(shù)字域中加以處理而提高靈活性，例如可使用不同工作頻率和提高信噪比。
換能器接口發(fā)射換能器為一其正反兩面上有導電件、在受一比方說約100V-500V高壓信號激發(fā)時生成壓縮波的壓電件。波的振幅為了大到足以檢測，必須使用高壓，所需激發(fā)電壓決定于換能器和傳感器本身的效率。
接受換能器也是其兩面上有導電件的壓電件，事實上在某些實施例中把發(fā)射換能器本身用作接受換能器。當同一換能器用作發(fā)射和接受時，如上所述，低壓高靈敏接受電子線路用一高阻抗開關(guān)暫時與發(fā)射電子線路斷開。即使在使用兩不同的換能器或不同軸線使用不同換能器時，在基片中激發(fā)波的過程中也可斷開接受電子線路，因為把一發(fā)射波直接傳到接受換能器會生成接受系統(tǒng)無法接受的高壓。所接受的信號的振幅通常為約1V-約10V RMS，盡管這一振幅可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計而變。
發(fā)射換能器接受直接由控制器控制的預定頻率的正弦波或偽正弦波激發(fā)信號。優(yōu)選的激發(fā)頻率為在微電腦控制系統(tǒng)的直接控制能力內(nèi)的5.53MHz。對于給定系統(tǒng)來說，激發(fā)振幅一般保持不變，盡管在本發(fā)明中，該振幅在傳感器使用條件變化下在單串脈沖行進過程中可變。通常該傳感器調(diào)諧到用于特定頻率或頻率組，因此該參數(shù)是預定的，但該傳感器也可具有補償溫度變化之類環(huán)境變化的工作頻率。
按照本發(fā)明，也可使用線性調(diào)頻脈沖或偽線性調(diào)頻脈沖。線性調(diào)頻脈沖使用在把聲束集中于一特殊位置的場合，因此反射陣列設(shè)計成只把具有特定頻率的波偏轉(zhuǎn)到該位置上，例如，反射陣列具有一隨距離而變的反射特性(不是振幅)，例如反射元件的角度和/或間距。因此，該線性調(diào)頻脈沖掃過這些位置區(qū)域，而一固定的頻率選擇一特殊位置。
圖18為換能器的模擬線路接口的方框圖。接受換能器在發(fā)射器不工作時與接受電子線路連接。接受換能器根據(jù)返回的聲波信號發(fā)出一約為1V-10V RMS的電壓信號。從X和Y軸接受換能器1801和1802的輸入分別去耦以防止發(fā)射換能器激發(fā)(未示出)過程中過載。該信號用電容耦合、例如經(jīng)一高通濾波器1803、1804后用預放大器1805、1806放大。多路預放大器1805、1806的輸出用一多路傳輸器1807時分多路傳輸。多路傳輸器1807的輸出最好用一受控或增益可變放大器1809、例如一電壓受控放大器放大。合適的增益可變放大器為MC1350，它是一RF自動增益控制放大器。多路傳輸器1807與增益受控放大器1809之間有一帶通濾波器1808。增益可變放大器1809的輸出用高通濾波器1810中的電容或電感AC耦合到一AM檢測器，該檢測器比方說可為一全波整流電流1811。合適的檢測器為MC1330檢測器。該檢測器的輸出為其振幅受位置信息調(diào)制的DC整流信號，該信號用一低通濾波器1812濾波而除去載波頻率而保留該信息。該濾波器然后由一緩沖器緩沖并正確偏置。緩沖器的輸出1814然后用分辨率為8-12比特的一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)以超過Nyquist率的一速率、例如約每秒1百萬樣本取樣。由于該數(shù)據(jù)率可能超過微控制器的容量，因此該ADC的輸出在一可構(gòu)作成一FIFO緩沖器、環(huán)形緩沖器或隨機存取存儲器(RAM)的存儲器中緩沖。
可使用反向二極管保護接受信號調(diào)節(jié)電路的輸入，可用另一二極管以公知方式實施頻道選擇電路。發(fā)射壓電換能器的驅(qū)動器可以是比方說由一TC1427驅(qū)動程序從邏輯水平驅(qū)動的SI9942 N和P頻道MOS驅(qū)動器。
信號獲取后送到數(shù)字處理器進行分析。該分析可以只是檢測信號振幅中表示接觸的超閾值變動的與基線分析之間的偏離。該分析也可以包括使用FIR(位移平均值)、IIR、自動回歸的數(shù)字濾波或自動回歸和滑動平均濾波之類更復雜的濾波器。在該處理過程中，一擾動的特征時間延遲轉(zhuǎn)換成一接觸的位置。這一轉(zhuǎn)換還可包括補償可預編程成適合于或響應(yīng)環(huán)境傳感器的該傳感器裝置中的非線性或變動。例如，基片的不均勻可使該傳感器某一位置上的延遲時間與位置之間呈非線性關(guān)系。在校正過程中這可被發(fā)現(xiàn)后加以補償。同樣，環(huán)境條件的變動可改變時間與位置的關(guān)系。當把手指用作接觸區(qū)接觸件時，希望用指尖定位。在該傳感器的整個范圍上，對于不同的操作者，指尖相對于指印的聲波吸收中心的位置是不同的?？墒褂没谄胀ㄟ壿嫽蚰Ｐ偷姆椒?、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、中性網(wǎng)絡(luò)或其他公知方法把該控制器編程成或賦予學習功能而補償這些因素。
當所接受的信號很復雜、包括傳感板的多路響應(yīng)或其他干擾信號時，最好以很高的分辨率處理該信號，以便解析這些效果。例如，所接受信號可經(jīng)預放大和標準的信號調(diào)節(jié)后直接數(shù)字化而使用一數(shù)字信號處理器(DSP)處理。此時，該DSP可實時操作，雖然最好在一RAM中緩沖所接受的數(shù)字化波形而以某一執(zhí)行時間處理它。此時，若激發(fā)頻率為5.53MHz、回波分析為0.500mS，則需使用約8kB的RAM緩沖器，約每83nS取得樣本。當然，若無需充分分析整個信號，這一存儲量可減小。例如，該信號可時分而連續(xù)分析連續(xù)樣本塊。該分析將集中在該傳感器的每一激發(fā)脈沖串的各部分上。
反射陣列的形成反射陣列最好用基片10頂面40上的一模板篩分玻璃熔塊而成。反射陣列28、30、34和36也可用金屬粘接到基片10的頂面40上而成。如上所述，反射陣列28、30、34和36的每一反射元件的角度選擇成相對其換能器18、20、22和24把一特別階數(shù)的HOHPS傳向相對反射陣列的一對應(yīng)反射元件或反射邊上，從而一VLCW沿該反射陣列的軸線傳播，同時該VLCW的能量作為HOHPS而橫越該基片到相對邊后又轉(zhuǎn)換回一VLCW而由該接受器檢測。相鄰反射元件在反射陣列軸線上的間距最好等于由其換能器傳入基片10中的VLCW的波長的整數(shù)倍。反射元件的寬度最好約為波長的一半。此外，每一反射陣列18、20、22和24的寬度約等于換能器的寬度，在這里，加到換能器上的驅(qū)動信號為正弦波，該正弦波的周波數(shù)如上所述等于陣列寬度除以一常數(shù)。陣列的寬度也可隨著所發(fā)射的VLCW在陣列上傳播時加寬而變動。
波型選擇過濾器使用圖4所示高度可變反射陣列并根據(jù)上述方程2、3和4而隨著陣列上的點離開換能器的距離的增加而增加該點上的能量反射即可在基片中保持切變波的能量密度不變。使用高度可變反射元件可獲得圖8所示波形，其中，由陣列元件反射的HOHPS波的振幅在不存在接觸時在整個陣列上大致保持不變。
圖13和14示出進一步減少由不希望有的波造成的干擾的方法，這些干擾可由階數(shù)與所需波不同的切變波造成。確切說，在圖13中，在每一反射陣列28、30、34和36的旁邊設(shè)置一與該陣列的軸線平行伸展的寄生波(HOHPS)抑制反射器50。反射帶之間的間距選擇成等于待通過的波的波長的1/4。在圖14所示的另一實施例中，在基片10的頂面40和底面42上在每一反射陣列28、30、34和36的緊前方設(shè)置一反射材料帶52以便吸收寄生蘭姆波能量。最好相對HOHPS吸收蘭姆波。有效的吸收帶可由環(huán)氧樹脂、硅酮之類或膠帶制成。吸收帶的寬度最好不大于陣列寬度的25％而約為3mm。在實際應(yīng)用中接觸板需用硅酮RTV之類密封膠粘接到上覆凸緣或邊框上，此時密封膠本身可用作上部吸收帶。
在需要把一凸緣或邊框套到接觸板的周邊上時，該凸緣或邊框的寬度受到限制從而無法把反射陣列和吸收帶隱藏在顯示器的視區(qū)外。圖16示出一減輕這一問題的非常有效的實施例。在這里，28’和30’中的反射元件相對圖3所示陣列28和30轉(zhuǎn)動90°。這些吸收帶抑制具有垂直分量的不希望有的波即雷利波和蘭姆波。所需波型的HOHPS波現(xiàn)在向外反射到基片的用作引導波能橫越基片到相對邊222的高效反射元件的相鄰邊220。在經(jīng)邊反射后，波穿過陣列28’，一部分波能作為VLCW轉(zhuǎn)向左邊。相對邊222把波反射到接受陣列30’，反射陣列30’轉(zhuǎn)而把波引入接受換能器20，在波通過時相當一部分能量由接受陣列轉(zhuǎn)向右邊。這一實施例的目的是使一選擇過濾器52設(shè)置在陣列28’和30’的后部靠近基片10的邊220和222，從而陣列前方的空間空出。反射路徑來回橫越每一吸收帶兩次，從而吸收帶的效力加倍從而寬度可減小。
實際上，把發(fā)射和接受電纜貼到基片的邊上的膠帶即可用作吸收帶。陣列在波經(jīng)邊反射后穿過陣列時從信號路徑中選擇性地除去更大部分VLCW波的作用進一步使HOHPS與寄生VLCW波分離。應(yīng)該看得，圖16中只示出兩個陣列28’和30’，另一檢測軸線的相應(yīng)一組陣列未示出。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可看出，說明本發(fā)明其他實施例的其他附圖中的陣列的反射元件也可轉(zhuǎn)動90°。
應(yīng)該看到，按照本發(fā)明，VLCW受反射陣列的繞射而生成許多以各種角度傳播的HOHPS波，而這些角度因各種波型的相速度不同而不同。因此，基片可提供一半反射結(jié)構(gòu)件、例如邊32，該邊與陣列的間距選擇成形成強化性干擾而加強所需波型以及/或者破壞性干擾而阻斷干擾波型。這一結(jié)構(gòu)可以與反射陣列同樣的方式、同樣的工藝形成以便于設(shè)置這一結(jié)構(gòu)件。因此，若HOHPS波選擇成與反射陣列成直角傳播而反射陣列與基片平行，那末若陣列設(shè)置成從該結(jié)構(gòu)件的反射與所需HOHPS波同相，就可加強所需HOHPS。
還應(yīng)看到，所需HOHPS波不必以與反射陣列成直角傳播而可以其他某一角度傳播，只要相對陣列的位置放置成把所需HOHPS波轉(zhuǎn)換成VLCW后把該VLCW引向接受換能器。此外，基片的一邊可做成包括許多以所需方向引導HOHPS波的刻面或與反射陣列協(xié)作而選擇所需HOHPS波的相應(yīng)陣列樣式。每一刻面通常有一表面放置成反射該波所需角度，每一表面偏置半波長的整數(shù)倍，以便保持波的相位一致。從而，整個基片用作所需波型的過濾器而可使用標準的調(diào)諧和最佳化方法。
可把具有光學涂層的一塑料片、例如OCLI制造的具有HEA涂層的一膜片壓制到基片10的底面上而消除或減少光反射。基片底面上的這一塑料涂層可用來防止由于玻璃基片破裂對人造成傷害。玻璃還可回火，無需其他強化或防裂處理。因此，本發(fā)明的優(yōu)選0.090”玻璃基片可回火、加涂層或其他公知的處理。該塑料片最好用作波型選擇器，因此小心控制其厚度和聲學特性。
總之，這類塑料涂層吸收切變波，因此不應(yīng)用在不希望衰減切變波的地方，雖然這類涂層可用在與VLCW傳感面相對的一表面上。
傳感裝置的第二實施例圖10示出本發(fā)明接觸位置傳感器的第二實施例，其中，每一在其上確定一接觸的坐標的軸線有一同時用作發(fā)射和接受VLCW的換能器。此外，不是象圖3所示實施例那樣每一軸線有兩個反射陣列，圖10所示接觸位置傳感器的每一軸線只有一個陣列28、34，其中，基片10的與陣列28、34相對的邊32、44機加工成反射邊。由于切變波的反射效率高，因此基片10的反射邊32和44在反射垂直傳播其上的HOHPS波時能量損耗小。
特別是，換能器18、20連接到受控制器74控制的發(fā)射/接受開關(guān)上從而X或Y驅(qū)動器76或脈沖串發(fā)生器在第一時段中連接到換能器18、20上而把驅(qū)動信號加到其上。換能器18、20響應(yīng)該驅(qū)動信號而把一VLCW傳到基片10上，該VLCW分別沿著陣列28、34的軸線傳播。陣列28、34的反射元件把入射其上的一份份VLCW反射成所選波型HOHPS波而與入射VLCW正交地沿Y或X方向橫越基片10而分別到達基片10的反射邊32、44。基片的邊32、44把垂直傳播其上的HOHPS波反射回反射陣列28、34，反射陣列28、34轉(zhuǎn)而把這些波反射成VLCW而返回換能器18、20。在驅(qū)動信號加到換能器18、20上后，控制器把發(fā)射/接受開關(guān)的狀態(tài)改變成接受位置，從而換能器18、20連接到R.F.放大器82，從而由換能器傳感的VLCW連接到位置檢測線路。
傳感裝置的第三實施例圖11示出本發(fā)明接觸位置傳感器的第三實施例，其中，在其上確定一接觸的坐標的兩垂直軸線共用同時用來發(fā)射和接受VLCW的換能器。在該實施例中，使用兩個反射陣列，第一反射陣列28沿一垂直于其上裝有換能器18的邊26的軸線伸展，第二反射陣列36沿一與第一陣列28的軸線垂直并鄰接陣列28的該端的軸線伸展。為了把沿反射陣列28的軸線傳播的VLCW耦合到垂直的反射陣列36上，基片10的與陣列28和36的軸線相交的轉(zhuǎn)角切去而形成一與基片10的相鄰邊44和48成45°角的反射邊46。當然，不難看出，按照本發(fā)明，該轉(zhuǎn)角也可呈其他形狀，其角度選擇成把波轉(zhuǎn)換成沿反射陣列36傳播的HOHPS，然后該HOHPS反射成VLCW而橫越基片，從而在這兩根不同軸線上出現(xiàn)雙重波型，或用作其他用處。
換能器18響應(yīng)驅(qū)動器76發(fā)出的驅(qū)動信號而把一VLCW傳到基片10上沿陣列28的軸線傳播。陣列28的反射元件把一份份VLCW反射成所選HOHPS波沿與Y軸線平行的許多路徑傳播到基片10的機加工成一反射邊的邊32。基片10的邊32把垂直傳播其上的HOHPS波反射回陣列28，陣列28轉(zhuǎn)而把從邊32返回的HOHPS波反射成VLCW而返回換能器18。當沿反射陣列28的軸線傳播的VLCW碰到反射邊46時，邊46沿第二陣列36的軸線反射VLCW。
第二陣列36的反射元件把一份份VLCW反射成所選HOHPS波沿-X方向的許多平行路徑傳播到基片10的機加工成第二反射邊的邊26?；倪?6把垂直傳播其上的HOHPS波反射回第二反射陣列36，反射陣列36轉(zhuǎn)而把HOHPS波反射成VLCW傳播到反射邊46。反射邊46然后把該VLCW反射回換能器18。換能器18傳感反射回來的VLCW而生成一表示該VLCW的信號。
這種工作方式稱為三重轉(zhuǎn)換方式。在三重轉(zhuǎn)換方式中，由換能器18生成的信號的振幅比圖3所示換能器20生成的信號的振幅小，其差別示出在圖12中。由于三重轉(zhuǎn)換方式的局部靈敏性比單轉(zhuǎn)換方式提高約3dB，因此可不使用閾值裝置86，因為波通過吸收結(jié)構(gòu)兩次，從而更大比例的波能被吸收。應(yīng)該看到，在該實施例中，換能器18設(shè)置在基片10的與較長反射陣列的軸線垂直的一邊上，從而與X陣列和Y陣列有關(guān)的路徑長度不重疊。
傳感裝置的第四實施例圖19示出本發(fā)明接觸位置傳感器的第四實施例，其中，在其上確定一接觸的坐標的兩軸線各有一同時用作發(fā)射和接受VLCW的換能器。該接觸位置傳感器的兩軸線各有一反射陣列28、34，其中，基片10的與反射陣列28、34相對的邊32、44機加工成反射邊。其線路與上述第二實施例相同。
應(yīng)該看到，洛夫波為具有縱向表面波能分量、垂直波能分量和(沿垂直軸線)非均勻分布的切變波波能分量的復雜波。因此，洛夫波滿足這樣一種聲波的條件，即具有與傳播介質(zhì)的表面平行的水平切變波分量，在與該表面垂直的軸線上體能密度不均勻，此外具有縱向表面能分量。因此，發(fā)射換能器可生成一軸向傳播的洛夫波，它可把一空間散射的洛夫波反射入基片的有效區(qū)，它還可以任何合適的方式被檢測，包括把空間散射的洛夫波反射成一軸向傳播洛夫波到一接受換能器上。事實上，若該基片為一均勻的壓層板，則所有傳播波由于基片的非均質(zhì)性而具有洛夫波能量。本發(fā)明的原理可用來反射洛夫波，同時選擇一特殊的洛夫波波型用作傳感。此外，基片不必在整個面積上均勻，從而基片的有效區(qū)可支持洛夫波傳播，而換能器四周的區(qū)域可支持另一種波的傳播。當然，此時應(yīng)小心防止不希望有的不連續(xù)性，不連續(xù)會減小波從基片的一區(qū)域到另一區(qū)域的耦合效率。
該基片為由3mm厚硼硅酸鹽玻璃片230和3mm厚鈉鈣玻璃片231層壓而成。它們用比方說光固化透明樹脂粘接劑232層壓在一起。當激發(fā)頻率為5.53MHz時，硼硅酸鹽玻璃片230的切變波速度為328m/sec，而鈉鈣玻璃片231的切變波速度為3350m/sec，其比為0.98。該基片支持洛夫波傳播。見Auld，B.A.，聲波場和固體中的波，卷II，第95-99頁。
洛夫波為滿足下列方程的非對稱波tan(k(ts)b)＝Vs’Zs’，nπ＜k(ts)b＜nπ+π/2方程5其中，n為洛夫波的階數(shù)。這些波的能量隨著深度的增加而呈指數(shù)衰減，從而大部分體能密度集中在傳播速度較慢的一面上，另一面的體能密度很低而對接觸不敏感。這些波與切變波類似從而反射效率高。
另一基片用可用來把換能器楔形體粘接到玻璃基片上的優(yōu)選粘接劑Dymax 628-TUV型可固化粘合劑把0.090”厚鈉鈣玻璃和0.100”厚硼硅酸鹽玻璃粘接而成。所制成的層壓基片約為7.6”×10.8”。該層壓基片以每分鐘20℃的速率從室溫加熱到100℃進行測試。未見有脫膠、開裂或其他變化，只是由于各層的熱膨脹系數(shù)不同而使基片成弓形。在100℃時，(熱膨脹系數(shù)較低的)硼硅酸鹽層位于凸面一邊，在10.8”長度上的彎矢為0.045”，接近理論值。
由0.100”厚硼硅酸鹽玻璃層和0.090厚鈉鈣玻璃層層壓而成的基片的前后表面接觸靈敏性的預期比例為約40d-B。
用作換能器的裝在塑料楔形體上的壓電元件用Dymax 628-TUV型可固化粘接劑粘在基片的硼硅酸鹽玻璃一邊上。
應(yīng)該看到，上述優(yōu)選實施例只是例示性的，不應(yīng)看成對只由后附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍有所限制。
權(quán)利要求
1.一種接觸傳感器，包括一具有至少一個接觸面、可傳播一聲波的基片，該聲波具有與所述表面平行的水平切變波分量、在一與所述表面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻并在所述表面上有能量；一生成一聲波的換能器，該聲波在所述基片的第一軸線上有縱向能分量，所述第一軸線有一與所述表面平行的分量；以及一設(shè)置在所述第一軸線上、具有一長度的第一反射陣列，用來在所述陣列的所述長度上把一份份所述具有一縱向分量的波反射成第一反射波，所述第一反射波具有與所述表面平行的水平切變波分量、在一與所述表面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻并在所述表面上有能量，所述第一反射波沿所述基片中的一與所述第一軸線不同的第二軸線傳播并有一與所述表面平行的分量；從而一物體接近所述基片會造成所述第一反射波的表面能量的擾動。
2.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括沿所述第一反射波的所述第二軸線橫越所述基片而與所述第一反射陣列間距的第二反射陣列，用來沿著第三軸線把所述第一反射波反射成一具有縱向分量的波。
3.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括沿所述第一軸線橫越所述基片而與所述第一反射陣列間距的一反射件，用來沿著第四軸線把所述第一反射波反射成朝向所述第一反射陣列的第二反射波。
4.按權(quán)利要求3所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第四軸線反平行于所述第二軸線，所述第一反射陣列把來自所述第四軸線的所述第二反射波反射到反平行于所述第一軸線的第五軸線而成為一具有縱向分量的波。
5.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一用來檢測所述第一反射波中的擾動的換能器。
6.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述擾動的瞬時特性對應(yīng)于所述物體接近所述基片的一位置。
7.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一用來生成一聲波的第二換能器，該聲波在所述基片的第六軸線上有一縱向分量，所述第六軸線有一與所述表面平行的分量；以及設(shè)置在所述第六軸線上、具有一長度的第二反射陣列，用來在所述陣列的所述長度上把一份份所述具有一縱向分量的波反射成第三反射波，所述第三反射波具有與所述表面平行的水平切變波分量、在一與所述表面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻并在所述表面上有能量，所述第三反射波沿所述基片中的一與所述第六軸線不同的第七軸線傳播并有一與所述表面平行的分量；一物體接近所述基片會造成所述第三反射波的表面能量的擾動，從而所述接近造成沿所述第二軸線和所述第七軸線傳播的波的擾動。
8.按權(quán)利要求7所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括用來檢測沿所述第二軸線和所述第七軸線傳播的波的擾動的裝置。
9.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述具有一縱向分量的波為雷利波。
10.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述具有一縱向分量的波為蘭姆波。
11.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射陣列為一由聲波散射元件構(gòu)成的繞射陣列，靠相速度不同而分離出所述與所述表面平行、在一與所述表面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻、在所述表面上有能量的水平切變波分量的各種波型。
12.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射波為一4階水平偏振切變波。
13.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述第一反射波的雷利波長厚約三倍。
14.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片的厚度約為所述第一反射波的雷利波長的四倍。
15.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片為厚度約為0.085”-0.125”的回火玻璃。
16.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用塑料制成。
17.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用玻璃制成。
18.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用鈉鈣玻璃制成。
19.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用硼硅酸鹽玻璃制成。
20.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用硼硅酸鹽玻璃和鈉鈣玻璃沿縱向?qū)訅憾?；所述第一反射波為洛夫波?br> 21.按權(quán)利要求17所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用毛玻璃制成。
22.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片包括壓制到一玻璃片上的一塑料層。
23.按權(quán)利要求22所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射波為洛夫波。
24.按權(quán)利要求22所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射波為階數(shù)大于零的水平偏振切變波。
25.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述換能器包括PZT壓電換能器。
26.按權(quán)利要求25所述的接觸傳感器，其特征在于，所述PZT壓電換能器產(chǎn)生壓縮波并裝在一與所述基片的所述表面接觸的塑料楔形體上而使具有縱向分量的波在所述基片中傳播。
27.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片呈弧形。
28.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括用來接受聲波的第三換能器；以及用來把來自所述第一反射陣列的波反射到所述第三換能器上的第三反射陣列。
29.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述反射陣列包括一聲波繞射光柵。
30.按權(quán)利要求29所述的接觸傳感器，其特征在于，所述聲波繞射光柵具有高度變動的元件。
31.按權(quán)利要求29所述的接觸傳感器，其特征在于，所述聲波繞射光柵具有間距變動的元件。
32.按權(quán)利要求29所述的接觸傳感器，其特征在于，所述聲波繞射光柵具有方位變動的元件。
33.一種接觸傳感器，包括一可傳播一階數(shù)大于零的水平偏振切變波的基片；所述基片至少有一接觸面，所述基片上的一接觸造成所述水平偏振切變波的擾動；一在一波傳播區(qū)中生成一具有一縱向分量的垂直偏振橫波的換能器；把所述在所述傳播區(qū)中傳播、具有一縱向分量的垂直偏振橫波轉(zhuǎn)換成所述在所述基片中傳播、階數(shù)大于零的水平偏振切變波的裝置；以及傳感所述水平偏振切變波的由接觸造成的擾動的裝置。
34.一種接觸位置傳感器，包括一可傳播切變波的基片，所述基片有至少一個接觸面；把一具有縱向分量的波的各部分反射成至少一個階數(shù)大于零的水平偏振切變波的裝置，包括一軸線，反射路徑處于所述軸線的不同位移處，所述反射裝置位于所述基片上；生成一具有縱向分量、在所述基片中沿所述反射裝置的所述軸線傳播的波的裝置，在所述基片接觸面上的一接觸擾動所述切變波；以及傳感一擾動出現(xiàn)時間的裝置。
35.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述切變波的雷利波長厚約三倍。
36.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述切變波的雷利波長厚約四倍。
37.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片包括一玻璃片。
38.按權(quán)利要求37所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片包括鈉鈣玻璃片、硼硅酸鹽玻璃片、晶質(zhì)玻璃片、硼硅酸鹽玻璃片與鈉鈣玻璃片的層壓板、塑料和玻璃的層壓板、毛玻璃片、回火玻璃片、塑料片、金屬片或陶瓷片。
39.按權(quán)利要求37所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片的形狀可呈平面、圓柱面、球面、橢圓面或圓錐面。
40.按權(quán)利要求37所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述生成裝置包括粘接在一表面上而與所述基片傳聲的第一換能器。
41.按權(quán)利要求40所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述生成裝置包括把所述換能器粘接到所述表面上的傳導玻璃熔塊。
42.按權(quán)利要求41所述的接觸位置傳感器，其特征在于，進一步包括粘接在一表面上而與所述基片傳聲的第二換能器，所述第二換能器貼近所述第一換能器，其中，粘接所述第一換能器的所述傳導玻璃熔塊與把所述第二換能器粘接到所述表面上的傳導玻璃熔塊相連。
43.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，進一步包括把所述受擾動切變波的各部分反射成一具有縱向分量，沿一軸線傳播的受擾動波的裝置。
44.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述傳感裝置包括一接受所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波的擾動信息的接受換能器。
45.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述生成裝置和所述傳感裝置共用一換能器。
46.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述傳感裝置選定在所述基片中傳播的一種受擾動切變波波型后把所述選定的受擾動切變波波型引導到一接受換能器。
47.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波與所述具有縱向分量的波成直角地傳播。
48.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述受擾動的切變波反平行于所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波傳播。
49.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波為4階水平偏振切變波。
50.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述基片中的切變聲波的相速度處處不同，而所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波為一洛夫波。
51.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述受擾動水平偏振切變波以與所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波相同的波型傳播。
52.按權(quán)利要求34所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述受擾動水平偏振切變波以與所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波不同的波型傳播。
53.一種接觸傳感器，包括一可傳播切變波的基片，所述基片有至少一個接觸面；把一具有縱向分量的波的各部分反射成階數(shù)大于零的第一水平偏振切變波的第一反射裝置，從而該第一水平偏振切變波沿所述第一反射裝置的第一軸線上的不同位移處的第一路徑傳播；以及把一具有縱向分量的波的各部分反射成階數(shù)大于零的第二水平偏振切變波的第二反射裝置，從而該第二水平偏振切變波沿所述第二反射裝置的第二軸線上的不同位移處的第一路徑傳播。
54.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一用來反射在所述第一軸線與所述第二軸線之間傳播的具有縱向分量的波的反射器；以及一沿所述第一軸線發(fā)射一具有縱向分量的波、接受所述第一和第二水平偏振切變波中的信息的換能器。
55.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射裝置包括所述基片的一表面上的突起物，突起物的間距為所述具有縱向分量的波的波長的整數(shù)倍，突起物相對所述第一軸線的角度設(shè)置成使得所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波與所述第一軸線成直角地傳播。
56.按權(quán)利要求55所述的接觸傳感器，其特征在于，所述具有縱向分量的波為頻率約為5.5MHz的準雷利波，所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波為4階水平偏振切變波，所述突起物與所述第一軸線成52°角。
57.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括沿所述第一軸線傳播一具有縱向分量的波的第一換能器和沿所述第二軸線傳播一具有縱向分量的波的第二換能器。
58.按權(quán)利要求57所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一換能器和所述第二換能器生成階數(shù)相同的波。
59.按權(quán)利要求57所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一換能器響應(yīng)沿所述第一軸線傳播的波，所述第二換能器響應(yīng)沿所述第二軸線傳播的波。
60.按權(quán)利要求59所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括把所述階數(shù)大于零的第一水平偏振切變波引導到所述第一換能器的裝置和把所述階數(shù)大于零的第二水平偏振切變波引導到所述第二換能器的裝置。
61.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于所述第一反射裝置包括位于所述基片上的第一反射陣列和位于所述基片上、與所述第一反射陣列平行、間距的第二反射陣列，所述第一反射陣列把所述階數(shù)大于零的第一水平偏振切變波從所述第一軸線反射到所述第二反射陣列；以及所述第二反射裝置包括位于所述基片上的第三反射陣列和位于所述基片上、與所述第三反射陣列平行、間距的第四反射陣列，所述第三反射陣列把所述階數(shù)大于零的第二水平偏振切變波從所述第二軸線反射到所述第二反射陣列。
62.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射裝置包括所述基片的第一反射邊；所述基片的第二反射邊，所述第二反射邊與所述第一反射邊平行、間距；設(shè)置在所述第一反射邊旁的第一反射元件陣列；以及設(shè)置在所述第二反射邊旁的第二反射元件陣列，一沿所述第一軸線傳播的具有縱向分量的波與所述第一反射元件陣列相交而被所述第一反射元件陣列反射成向所述第一反射邊傳播的階數(shù)大于零的第一水平偏振切變波，所述第一反射邊把所述第一切變波反射到所述第二反射邊，所述第二反射邊把所述第一切變波反射到所述第二反射元件陣列，所述第二反射元件陣列把所述第一切變波反射成沿第二軸線傳播的一具有縱向分量的波。
63.按權(quán)利要求62所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括與所述第一軸線在同一直線上的聲波發(fā)射換能器和一與所述第二軸線在同一直線上的聲波接受換能器。
64.按權(quán)利要求62所述的接觸傳感器，其特征在于，所述具有縱向分量的波還包括一垂直偏振的橫向分量，進一步包括吸收所述第一反射陣列與所述第一反射邊之間具有垂直分量的波的部件。
65.按權(quán)利要求64所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括吸收所述第二反射陣列與所述第二反射邊之間具有垂直分量的波的部件。
66.按權(quán)利要求59所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一數(shù)字信號處理器，所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將所述第一換能器中的信號數(shù)字化，而所述數(shù)字信號處理器接受所述數(shù)字化的信號并處理所述信號而過濾信號分量而選擇性地抽取與所述階數(shù)大于零的第一水平偏振切變波有關(guān)的信息。
67.按權(quán)利要求57所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括生成一驅(qū)動信號的裝置和對在第一和第二不相重疊的時段中在所述第一和第二換能器上施加所述驅(qū)動信號進行控制的裝置，其中，所述第一換能器在所述第一時段中在所述基片中生成一具有縱向分量的波，而所述第二換能器在所述第二時段中在所述基片中生成一具有縱向分量的波。
68.按權(quán)利要求67所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一和第二換能器響應(yīng)聲波，進一步包括接受來自所述第一和第二換能器的信號的一接受線路和一阻斷所述驅(qū)動信號發(fā)生裝置的驅(qū)動信號直接進入所述接受線路的線路。
69.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括所述基片的與所述第一反射裝置相對的第一反射邊和所述基片的與所述第二反射裝置相對的第二反射邊，所述第一反射邊沿其入射路徑把所述第一切變波反射到所述第一反射裝置，所述第二反射邊沿其入射路徑把所述第二切變波反射到所述第二反射裝置。
70.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述具有縱向分量的波的雷利波長厚約三倍。
71.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述具有縱向分量的波的雷利波長厚約四倍。
72.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片用下述一種或多種材料制成玻璃、鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃、晶質(zhì)鉛玻璃、銀晶質(zhì)玻璃、鈉鈣硼硅酸鹽玻璃層壓片、回火玻璃、毛玻璃、塑料、玻璃塑料層壓片、玻璃-有機聚合物層壓片、玻璃-硅酮聚合物層壓片、金屬、陶瓷、石英和離子束處理透明玻璃片。
73.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述基片的形狀可呈平面、圓弧面、圓柱面、球面、橢圓面、圓錐面或非球面。
74.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一經(jīng)一塑料楔形體裝在所述基片上的換能器。
75.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一經(jīng)一傳導玻璃熔塊裝在所述基片上的換能器。
76.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一具有許多叉指電極的換能器。
77.按權(quán)利要求76所述的接觸傳感器，其特征在于，所述換能器選擇性地響應(yīng)所述基片中的聲波。
78.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括裝在所述基片上一與所述基片的一接觸敏感面連接的表面上的一換能器。
79.按權(quán)利要求75所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括經(jīng)一傳導玻璃熔塊裝在所述基片上的第二換能器，所述第二換能器鄰近所述第一換能器，其中，粘接所述第一換能器的玻璃熔塊與安裝所述第二換能器的玻璃熔塊相連。
80.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括一用來衰減所述具有縱向分量的波的垂直偏振橫向波分量的垂直偏振橫向波抑制器。
81.按權(quán)利要求80所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一和第二反射裝置都包括一反射元件陣列并各與位于所述基片一表面上、與其反射元件陣列相鄰的一垂直偏振橫向波分量抑制器相聯(lián)。
82.按權(quán)利要求81所述的接觸傳感器，其特征在于，所述垂直偏振橫向波分量抑制器位于所述基片的頂面和底面上。
83.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，所述階數(shù)大于零的水平偏振切變波為3階或4階切變波。
84.按權(quán)利要求83所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括所述基片的一斜邊。
85.按權(quán)利要求53所述的接觸傳感器，其特征在于，進一步包括所述基片的與所述第一反射裝置相聯(lián)的第一斜邊和與第二反射裝置相聯(lián)的第二斜邊，所述斜邊對階數(shù)不同的水平偏振切變波具有選擇性的反射特性。
86.一種物體接近度傳感器，包括一能傳播一階數(shù)大于零的切變波的基片，所述基片有第一和第二平行邊以及一接觸頂面；耦合到所述基片的一表面上、響應(yīng)一驅(qū)動信號而把一具有縱向分量的波傳入所述基片中的第一發(fā)射換能器，所述波沿垂直于所述第一邊的第一軸線傳播；位于所述第一軸線上、鄰近所述第一邊的第一反射元件陣列，所述反射元件的位置設(shè)置成把所述具有縱向分量的波的各部分反射成沿互相平行的第一路徑傳播的階數(shù)大于零的水平偏振切變波，在所述基片接觸頂面上的一接觸造成沿與該接觸的位置相交的第一路徑上傳播的所述水平偏振切變波的擾動；以及一與所述第一發(fā)射換能器連接的驅(qū)動信號發(fā)生器。
87.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括生成一代表在所述基片中傳播的反射聲波的信號的裝置和響應(yīng)所述代表性信號而確定一物體與所述基片的接近度的裝置。
88.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括位于與所述第一軸線平行、間距的第二軸線上的第二反射元件陣列，所述第二反射元件陣列的間距設(shè)置成選擇性地把沿所述互相平行的第一路徑傳播的所述切變波的一部分反射成一具有縱向分量的波。
89.按權(quán)利要求87所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括存儲所述第一發(fā)射換能器把一波傳入所述基片中的時間的裝置；存儲由所述第一反射元件反射的一波的瞬時特性的裝置，以及根據(jù)所述存儲時間和所述存儲瞬時特性計算接近所述基片的一物體的位置的裝置。
90.按權(quán)利要求89所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括確定接近所述基片的一物體在一具有一與所述相互平行的第一路徑的軸線正交的分量的軸線上的位置的傳感裝置。
91.按權(quán)利要求90所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括輸出關(guān)于接近所述基片的所述物體的空間位置的信息的裝置。
92.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，進一步包括所述基片的第三和第四邊；位于與所述第一軸線平行、間距的第二軸線上的第二反射元件陣列，所述第二陣列的反射元件的間距設(shè)置成選擇性地把所述入射切變波的一部分反射成一具有縱向分量的波沿所述互相平行的第一路徑傳播到所述第一接受換能器而生成一代表所述接受波的信號；耦合到所述基片的所述第二邊、與所述第一發(fā)射換能器間距、響應(yīng)來自所述第二反射元件陣列的具有縱向分量的接受波而生成一代表該波的信號的第一接受換能器；耦合到所述基片的所述第三邊上、響應(yīng)一驅(qū)動信號而把一具有縱向分量的波傳入所述基片中的第二發(fā)射換能器，所述波沿與所述第三邊垂直的第三軸線傳播；位于所述第三軸線上、鄰近所述第一邊的第三反射元件陣列，所述第三陣列的所述反射元件的位置設(shè)置成把所述具有縱向分量的波的各部分反射成沿互相平行的第二路徑傳播的階數(shù)大于零的水平偏振切變波，在所述基片接觸頂面上的一接觸造成沿與該接觸的位置相交的第二路徑傳播的所述水平偏振切變波的擾動；以及位于與所述第三軸線平行、間距的第四軸線上的第四反射元件陣列，所述第四陣列的反射元件的間距設(shè)置成選擇性地把所述入射切變波的一部分反射成一具有縱向分量的波沿所述互相平行的第二路徑傳播到所述第二接受換能器而生成一代表所述接受波的信號。
93.按權(quán)利要求92所述的物體接近度傳感器，其特征在于，每一個所述換能器裝在一塑料楔形體上。
94.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述具有縱向分量的波還有一垂直波分量，所述傳感器還包括放置在所述第一反射陣列旁、用來衰減所述垂直波分量的裝置。
95.按權(quán)利要求94所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述衰減裝置包括位于所述第一反射元件陣列旁的聲波吸收材料條。
96.按權(quán)利要求94所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述衰減裝置設(shè)置在所述第一反射元件陣列與所述第一邊之間。
97.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述基片的厚度比所述具有縱向分量的波的雷利波長厚約三倍。
98.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述基片的厚度約為所述具有縱向分量的波的雷利波長的四倍。
99.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述基片用一鈉鈣玻璃片層壓到一硼硅酸鹽玻璃片上而成，所述第一發(fā)射換能器裝在所述硼硅酸鹽玻璃上。
100.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述基片透明而可傳導一顯示裝置中的圖象。
101.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述第一反射元件陣列中的元件與所述第一軸線所成的角大于45°。
102.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述第一反射元件陣列中的元件與所述第一軸線所成的角約為52°。
103.一種檢測一物體的方法，包括提供一至少有一接觸面、可傳播一聲波的基片，該聲波有一與所述平面平行的水平切變波能分量、其在一與所述平面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻并在所述表面上有能量；在基片的第一軸線上生成一具有縱向能分量的第一聲波，該第一軸線有一與該表面平行的分量；把第一聲波的能量的各部分反射成第二聲波，該第二聲波有一與該表面平行的水平切變波能分量，其在一與所述平面正交的垂直軸線上的體能密度不均勻并在所述表面上有能量，該第二聲波在基片中沿與第一軸線不同的第二軸線傳播并有一與該平面平行的分量；一物體接近所述基片的所述表面而擾動所述第二聲波；以及檢測受擾動的第二聲波。
104.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于所述擾動步驟進一步包括在可獲得傳播方式中重新分布第二聲波的波能；以及所述檢測步驟進一步包括檢測不存在于所述第二聲波中的波傳播方式中的波能。
105.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，進一步包括下列步驟把受擾動波反射成一具有縱向波能分量的波；其中，所述檢測步驟包括檢測具有縱向分量的聲波能量。
106.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，第一反射波為一4階水平偏振切變波。
107.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，所生成的第一聲波為準雷利波。
108.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，基片中的切變波相速度沿垂直方向變動，第一反射波為洛夫波。
109.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，所述檢測步驟包括下列子步驟用一聲-電換能器接受受擾動第二聲波、數(shù)字化該換能器中的電信號以及數(shù)字處理該數(shù)字化信號以補償該換能器所接受的交替返回路徑的波能。
110.按權(quán)利要求109所述的方法，其特征在于，所述數(shù)字處理步驟可用于變動環(huán)境。
111.按權(quán)利要求103所述的方法，其特征在于，該具有縱向分量的波為洛夫波。
112.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述具有縱向分量的波為洛夫波。
113.按權(quán)利要求1所述的接觸傳感器，其特征在于，所述第一反射波為洛夫波。
114.按權(quán)利要求29所述的接觸傳感器，其特征在于，所述聲波繞射光柵中的元件具有一相鄰區(qū)域的切變波相速度。
115.按權(quán)利要求50所述的接觸位置傳感器，其特征在于，所述空間變動發(fā)生在一與所述表面正交的軸線上。
116.按權(quán)利要求99所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述鈉鈣玻璃片厚約3mm，所述硼硅酸鹽玻璃片厚約3mm。
117.按權(quán)利要求86所述的物體接近度傳感器，其特征在于，所述基片為具有第一切變波相速度的第一材料和具有第二切變波相速度的第二材料的層壓板，所述第一材料的相速度與所述第二材料不同，所述層壓板做成把切變波有效地耦合在所述第一材料與第二材料之間。
全文摘要
一種聲波接觸位置傳感器,其中,一耦合在一基片(10)上的換能器(14)將一表面聲波傳入基片(10)中而沿第一軸線傳播。位于第一軸線上、對各種波傳播方式具有選擇反射特性的反射陣列(28、34、30、36)生成一與該軸線垂直的階數(shù)大于零的高階水平偏振切變波,從而基片(10)的接觸面(40)賦有切變波波能。一物體接觸基片(10)時部分吸收、衰減或擾動該能量從而生成表征該物體在基片(10)上的位置和/或物體與基片的接觸情況的改變了的波形。
文檔編號G06F3/043GK1179845SQ9619284
公開日1998年4月22日 申請日期1996年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月19日
發(fā)明者喬爾·肯特 申請人:埃羅接觸系統(tǒng)公司