聲波觸控屏的關(guān)鍵專利技術(shù)分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 李 龍 趙 亮

聲波觸摸屏是采用表面聲波來確定觸摸位置的一種觸摸屏，聲波觸控屏一般是安裝在一塊沒有任何膜貼覆層的純玻璃，由于沒有電極、引線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，具有高清晰度、高分辨率、高透光率、高耐久度、抗刮傷性好、反應(yīng)靈敏不受溫度濕度影響等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于自助服務(wù)終端、零售終端/POS機、ATM機、醫(yī)療設(shè)備等公共場所設(shè)備。但對其關(guān)鍵專利的分析較少，難以啟迪其他研發(fā)工作者。本文分析聲波觸摸屏專利的發(fā)展脈絡(luò)，并針對關(guān)鍵專利進(jìn)行解讀。

1 領(lǐng)域發(fā)展分析

如圖1所示，聲波式觸摸屏的申請最早要追溯到1962年，并隨著時間波動時的上升，大致分為起始-發(fā)展-回落-第二次發(fā)展-平穩(wěn)的過程。

圖1 聲波觸控屏專利申請趨勢

1962年IBM的工程師PaulW.WOO申請了US19620246557的專利，提出了一種超聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，利用驅(qū)動器對片材施加機械干擾，感測裝置和片材接觸，感測機械干擾，并將施加、感測干擾之間的時間數(shù)字化，以實現(xiàn)感測位置。該專利的提出為聲波觸控屏的實施提出了可能性。如圖2所示。

圖2 US19620246557附圖

1970年，加拿大專利和發(fā)展有限公司進(jìn)一步提出的申請?zhí)朇A861701DA的專利，提出了一種觸敏位置編碼器，其利用計算機輸入的觸敏位置編碼器，其中用于傳播和接收彈性表面波的換能器被定位在優(yōu)選為玻璃的透明材料片的邊緣處。放置在片材上的位置處的手指或觸針將反射表面波，連接到換能器的檢測和定時電路確定手指或觸筆在幾何坐標(biāo)項中的位置。如圖3所示。

圖3 CA861701DA附圖

1974年，該公司又提出了US19740481896A的申請，又提出了在X/Y軸設(shè)置換能器的基礎(chǔ)上，在換能器對側(cè)位置設(shè)置聲波發(fā)生裝置，換能器來接收發(fā)生裝置會產(chǎn)生的聲波，當(dāng)用戶通過手指觸碰玻璃基板時，手指會阻擋聲波信號，沿X/Y軸方向聲波會受阻衰減，根據(jù)信號值來確定觸碰位置。上述幾個專利的提出，提出了聲波觸摸屏的位置的基本檢測方式，為后續(xù)專利的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

1985年ZENITH ELECTRONIS申請了US19850698306A的專利，提出了一種改進(jìn)型聲波觸摸屏，將換能器以及接收器放置于觸摸屏的角落，并在45°反射光柵G1-G4，以替代對應(yīng)設(shè)置的發(fā)射器和接收器來實現(xiàn)位置檢測，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)大幅簡化了聲波觸摸屏的結(jié)構(gòu)，給聲波觸摸屏的應(yīng)用帶來了更大的前景。在1985-1988年之間聲波觸摸屏技術(shù)的提出迎來了第一發(fā)展期。

圖4 US19850698306A附圖

1988-2005年間，聲波觸摸屏突破遇到了一定障礙，新技術(shù)的提出相比之前回落到一個穩(wěn)定的水平。2005年4月，3M創(chuàng)新有限公司提出了申請?zhí)朥S20050116463A的申請，其公開了一種彎曲模式傳感器，基板界面設(shè)置為曲面狀，手指接觸基板表面，會產(chǎn)生彎曲波，傳感器檢測彎曲波分析來識別位置。該技術(shù)提出了一種新穎的聲波產(chǎn)生方式，利用彎曲基板所產(chǎn)生波形的固有頻率來區(qū)分其他聲波，有效的降低了聲波噪聲，如圖5所示。同樣ELO觸摸技術(shù)有限公司也基于彎曲材質(zhì)的基板提出了聲波脈沖式觸控基礎(chǔ)，其以玻璃基板上每個位置產(chǎn)生獨特的聲波來識別具體位置。這些技術(shù)的提出給聲波觸控屏的改進(jìn)帶來了極大的動力。從2005年開始聲波觸控屏的專利申請量也開始逐漸上升。

圖5 彎曲聲波觸摸屏附圖

隨著而來的，聲波觸控屏的技術(shù)發(fā)展迎來的第二波發(fā)展期，針對面板的具體結(jié)構(gòu)提出了諸多算法支持以及結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，傳感器公司在2007年申請了EP07291611A的專利，提出一種確定至少兩個沖擊位置的方法，根據(jù)多個沖擊產(chǎn)生的傳感器感測信號，識別最強沖擊位置，基于每一個感測信號和預(yù)定參考信號的比較，得到感測信號和參考信號的相關(guān)值，而參考信號與對應(yīng)位置處的參考沖擊對應(yīng)，參考沖擊描述了整個表面的特征，參考位置獲得相關(guān)函數(shù)的極大值處即為沖擊位置，以此來解決多點觸摸“鬼點”的問題。宸鴻科技2011年提出了CN201110157592的申請，提出了感測器感測聲波產(chǎn)生電子訊號，存儲基板上復(fù)數(shù)點坐標(biāo)的延時測量標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)該電子訊號計算觸控點之延時測量值及將該延時測量值與該復(fù)數(shù)之延時測量標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以獲得該觸控點之坐標(biāo)，其中每一點坐標(biāo)之延時測量標(biāo)準(zhǔn)值為在一校準(zhǔn)過程中復(fù)數(shù)次測量之平均值。使得延時測量之噪音隨復(fù)數(shù)次測量取平均值而得以抵消，進(jìn)而提高延時測量標(biāo)準(zhǔn)值之準(zhǔn)確度。ELO TOUCH在2010年又申請了US20100732132A的專利，提出一種無邊框的聲波觸摸屏，基板具有前表面、后表面和形成在所述前表面和所述后表面之間的彎曲連接表面，聲波換能器和所述反射陣列在所述后表面后面，聲波換能器能夠向所述反射陣列發(fā)送表面聲波或從所述反射陣列接收表面聲波，反射陣列能夠聲學(xué)地耦合所述表面聲波，以經(jīng)由所述彎曲的連接表面在所述后表面和所述前表面之間傳播。

經(jīng)由多年的技術(shù)發(fā)展，相關(guān)專利的申請逐漸升高，技術(shù)不斷完善，逐漸產(chǎn)業(yè)化，完成了相關(guān)專利的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。從2012年開始，申請量逐漸趨于平穩(wěn)，但相關(guān)技術(shù)仍然不斷提出，三星2016年提出了KR1022103770000的專利：控制超聲傳感器在不同的各個時間發(fā)送超聲信號，基于發(fā)送的超聲信號來檢測從對象反射到超聲傳感器的超聲信號，并基于反射的超聲信號的飛行時間ToF來檢測對象的觸摸點，實現(xiàn)了低成本檢測觸摸位置；業(yè)成科技2017年提出了CN201711001037的專利：超聲波接收單元在受到外界擾動時產(chǎn)生低頻電信號，該低頻電信號導(dǎo)致超聲波接收單元輸出端輸出的電信號發(fā)生變化，控制器通過該電信號的變化判斷是否開啟超聲波接收單元，以此避免觸控裝置頻繁被喚醒，導(dǎo)致耗電量增加。這些技術(shù)的完善使得聲波觸摸屏更加降低成本、更加貼近使用場景，推動了聲波觸摸屏的廣泛應(yīng)用。

2 總結(jié)

聲波觸控屏到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過了近60年的發(fā)展歷程，國內(nèi)外諸多觸控面板公司都參與其中，并且隨著技術(shù)從結(jié)構(gòu)到算法的不斷完善，已經(jīng)初步工業(yè)化使用，并且由于聲波觸控屏的高透光、高防爆、高壽命等優(yōu)點，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，尤其是結(jié)構(gòu)簡化和生產(chǎn)成本的相關(guān)專利的逐步出現(xiàn)，聲波觸摸屏?xí)蔀橹悄芙换サ男路较颉?/p>