[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及人机交互领域，特别涉及一个用户与电脑交互的触控界面，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。

背景技术

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，此处及本发明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(acoustic waves)。

然而，目前应用此类技术的发明拥有多项不足。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发明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-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，而相应的发明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。

发明内容

本发明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。本发明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，本发明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。本发明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，本发明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发明的核心参数。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。