聲波觸控屏的關鍵專利技術分析

國家知識產權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、引線等內部結構的影響，具有高清晰度、高分辨率、高透光率、高耐久度、抗刮傷性好、反應靈敏不受溫度濕度影響等優(yōu)點。廣泛應用于自助服務終端、零售終端/POS機、ATM機、醫(yī)療設備等公共場所設備。但對其關鍵專利的分析較少，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，并針對關鍵專利進行解讀。

1 領域發(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)據轉換器，利用驅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軸設置換能器的基礎上，在換能器對側位置設置聲波發(fā)生裝置，換能器來接收發(fā)生裝置會產生的聲波，當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)專利的改進奠定了基礎。

1985年ZENITH ELECTRONIS申請了US19850698306A的專利，提出了一種改進型聲波觸摸屏，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，以替代對應設置的發(fā)射器和接收器來實現(xiàn)位置檢測，如圖4所示。該結構大幅簡化了聲波觸摸屏的結構，給聲波觸摸屏的應用帶來了更大的前景。在1985-1988年之間聲波觸摸屏技術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，基板界面設置為曲面狀，手指接觸基板表面，會產生彎曲波，傳感器檢測彎曲波分析來識別位置。該技術提出了一種新穎的聲波產生方式，利用彎曲基板所產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觸摸技術有限公司也基于彎曲材質的基板提出了聲波脈沖式觸控基礎，其以玻璃基板上每個位置產生獨特的聲波來識別具體位置。這些技術的提出給聲波觸控屏的改進帶來了極大的動力。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，聲波觸控屏的技術發(fā)展迎來的第二波發(fā)展期，針對面板的具體結構提出了諸多算法支持以及結構的進一步優(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，根據多個沖擊產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定參考信號的比較，得到感測信號和參考信號的相關值，而參考信號與對應位置處的參考沖擊對應，參考沖擊描述了整個表面的特征，參考位置獲得相關函數(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生電子訊號，存儲基板上復數(shù)點坐標的延時測量標準值，根據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數(shù)之延時測量標準值進行比較，以獲得該觸控點之坐標，其中每一點坐標之延時測量標準值為在一校準過程中復數(shù)次測量之平均值。使得延時測量之噪音隨復數(shù)次測量取平均值而得以抵消，進而提高延時測量標準值之準確度。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，反射陣列能夠聲學地耦合所述表面聲波，以經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。

經由多年的技術發(fā)展，相關專利的申請逐漸升高，技術不斷完善，逐漸產業(yè)化，完成了相關專利的技術成果轉化。從2012年開始，申請量逐漸趨于平穩(wěn)，但相關技術仍然不斷提出，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生低頻電信號，該低頻電信號導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，導致耗電量增加。這些技術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用。

2 總結

聲波觸控屏到現(xiàn)在已經經過了近60年的發(fā)展歷程，國內外諸多觸控面板公司都參與其中，并且隨著技術從結構到算法的不斷完善，已經初步工業(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，相信隨著技術的發(fā)展，尤其是結構簡化和生產成本的相關專利的逐步出現(xiàn)，聲波觸摸屏會成為智能交互的新方向。