声波触控屏的关键专利技术分析

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 李 龙 赵 亮

声波触摸屏是采用表面声波来确定触摸位置的一种触摸屏，声波触控屏一般是安装在一块没有任何膜贴覆层的纯玻璃，由于没有电极、引线等内部结构的影响，具有高清晰度、高分辨率、高透光率、高耐久度、抗刮伤性好、反应灵敏不受温度湿度影响等优点。广泛应用于自助服务终端、零售终端/POS机、ATM机、医疗设备等公共场所设备。但对其关键专利的分析较少，难以启迪其他研发工作者。本文分析声波触摸屏专利的发展脉络，并针对关键专利进行解读。

1 领域发展分析

如图1所示，声波式触摸屏的申请最早要追溯到1962年，并随着时间波动时的上升，大致分为起始-发展-回落-第二次发展-平稳的过程。

图1 声波触控屏专利申请趋势

1962年IBM的工程师PaulW.WOO申请了US19620246557的专利，提出了一种超声数据转换器，利用驱动器对片材施加机械干扰，感测装置和片材接触，感测机械干扰，并将施加、感测干扰之间的时间数字化，以实现感测位置。该专利的提出为声波触控屏的实施提出了可能性。如图2所示。

图2 US19620246557附图

1970年，加拿大专利和发展有限公司进一步提出的申请号CA861701DA的专利，提出了一种触敏位置编码器，其利用计算机输入的触敏位置编码器，其中用于传播和接收弹性表面波的换能器被定位在优选为玻璃的透明材料片的边缘处。放置在片材上的位置处的手指或触针将反射表面波，连接到换能器的检测和定时电路确定手指或触笔在几何坐标项中的位置。如图3所示。

图3 CA861701DA附图

1974年，该公司又提出了US19740481896A的申请，又提出了在X/Y轴设置换能器的基础上，在换能器对侧位置设置声波发生装置，换能器来接收发生装置会产生的声波，当用户通过手指触碰玻璃基板时，手指会阻挡声波信号，沿X/Y轴方向声波会受阻衰减，根据信号值来确定触碰位置。上述几个专利的提出，提出了声波触摸屏的位置的基本检测方式，为后续专利的改进奠定了基础。

1985年ZENITH ELECTRONIS申请了US19850698306A的专利，提出了一种改进型声波触摸屏，将换能器以及接收器放置于触摸屏的角落，并在45°反射光栅G1-G4，以替代对应设置的发射器和接收器来实现位置检测，如图4所示。该结构大幅简化了声波触摸屏的结构，给声波触摸屏的应用带来了更大的前景。在1985-1988年之间声波触摸屏技术的提出迎来了第一发展期。

图4 US19850698306A附图

1988-2005年间，声波触摸屏突破遇到了一定障碍，新技术的提出相比之前回落到一个稳定的水平。2005年4月，3M创新有限公司提出了申请号US20050116463A的申请，其公开了一种弯曲模式传感器，基板界面设置为曲面状，手指接触基板表面，会产生弯曲波，传感器检测弯曲波分析来识别位置。该技术提出了一种新颖的声波产生方式，利用弯曲基板所产生波形的固有频率来区分其他声波，有效的降低了声波噪声，如图5所示。同样ELO触摸技术有限公司也基于弯曲材质的基板提出了声波脉冲式触控基础，其以玻璃基板上每个位置产生独特的声波来识别具体位置。这些技术的提出给声波触控屏的改进带来了极大的动力。从2005年开始声波触控屏的专利申请量也开始逐渐上升。

图5 弯曲声波触摸屏附图

随着而来的，声波触控屏的技术发展迎来的第二波发展期，针对面板的具体结构提出了诸多算法支持以及结构的进一步优化，传感器公司在2007年申请了EP07291611A的专利，提出一种确定至少两个冲击位置的方法，根据多个冲击产生的传感器感测信号，识别最强冲击位置，基于每一个感测信号和预定参考信号的比较，得到感测信号和参考信号的相关值，而参考信号与对应位置处的参考冲击对应，参考冲击描述了整个表面的特征，参考位置获得相关函数的极大值处即为冲击位置，以此来解决多点触摸“鬼点”的问题。宸鸿科技2011年提出了CN201110157592的申请，提出了感测器感测声波产生电子讯号，存储基板上复数点坐标的延时测量标准值，根据该电子讯号计算触控点之延时测量值及将该延时测量值与该复数之延时测量标准值进行比较，以获得该触控点之坐标，其中每一点坐标之延时测量标准值为在一校准过程中复数次测量之平均值。使得延时测量之噪音随复数次测量取平均值而得以抵消，进而提高延时测量标准值之准确度。ELO TOUCH在2010年又申请了US20100732132A的专利，提出一种无边框的声波触摸屏，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间的弯曲连接表面，声波换能器和所述反射阵列在所述后表面后面，声波换能器能够向所述反射阵列发送表面声波或从所述反射阵列接收表面声波，反射阵列能够声学地耦合所述表面声波，以经由所述弯曲的连接表面在所述后表面和所述前表面之间传播。

经由多年的技术发展，相关专利的申请逐渐升高，技术不断完善，逐渐产业化，完成了相关专利的技术成果转化。从2012年开始，申请量逐渐趋于平稳，但相关技术仍然不断提出，三星2016年提出了KR1022103770000的专利：控制超声传感器在不同的各个时间发送超声信号，基于发送的超声信号来检测从对象反射到超声传感器的超声信号，并基于反射的超声信号的飞行时间ToF来检测对象的触摸点，实现了低成本检测触摸位置；业成科技2017年提出了CN201711001037的专利：超声波接收单元在受到外界扰动时产生低频电信号，该低频电信号导致超声波接收单元输出端输出的电信号发生变化，控制器通过该电信号的变化判断是否开启超声波接收单元，以此避免触控装置频繁被唤醒，导致耗电量增加。这些技术的完善使得声波触摸屏更加降低成本、更加贴近使用场景，推动了声波触摸屏的广泛应用。

2 总结

声波触控屏到现在已经经过了近60年的发展历程，国内外诸多触控面板公司都参与其中，并且随着技术从结构到算法的不断完善，已经初步工业化使用，并且由于声波触控屏的高透光、高防爆、高寿命等优点，相信随着技术的发展，尤其是结构简化和生产成本的相关专利的逐步出现，声波触摸屏会成为智能交互的新方向。