CN111164369B - 具有固定于交互面的至少三个换能器的冲击定位装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

冲击定位装置的制造方法，装置包括：具有接收冲击的前表面的交互面(12)；以及至少三个换能器(PT)，应分布并固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上；制造方法包括以下步骤：确定(102)每个换能器(PT)在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上的中心定位点(C)；通过形成第一电极的其下导电层(28)将每个换能器(PT)围绕其中心定位点(C)固定(102)。制造方法在固定(102)每个换能器(PT)之后还包括使用机床(32)机加工(104)至少一个换能器(PT)的自由上导电层(26)至少直至换能器(PT)的中间压电层(24)的步骤，以便使换能器(PT)的第二电极(34)围绕中心定位点(C)定中而形成。

Description

具有固定于交互面的至少三个换能器的冲击定位装置的制造 方法

技术领域

本发明涉及一种冲击定位装置的制造方法，该冲击定位装置具有固定在交互面上的至少三个换能器。本发明还涉及由这种制造方法产生的冲击定位装置。

更具体地，本发明涉及冲击定位装置的制造，该冲击定位装置包括具有用于接收冲击的前表面的交互面、以及至少三个换能器，这些换能器需分布并固定在交互面的前表面或后表面上，换能器设计成用于捕获来自冲击的在交互面中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号，制造方法包括以下步骤：

-确定每个换能器在交互面的前表面或后表面上的中心定位点，

-将每个换能器围绕其中心定位点固定，每个换能器具有：形成第一电极的下导电层，通过其将换能器固定在交互面的前表面或后表面上；中间压电层；和用于形成第二电极的自由上导电层。

背景技术

已知多种具有交互面的装置，例如显示装置、移动电话或其他便携式个人数字辅助装置。其界面通常是一种扁平矩形屏幕，用户可以使用弹珠、笔甚至手指与之交互。例如，自动冲击定位式的游戏或运动射击设备可以包括这样的装置以及在交互面或交互板上、特别是在其前表面或后表面上显示的靶样。然而，应当指出，本发明更普遍地应用于具有能够使来自冲击的机械行波传播的交互面的任何类型的物体，该交互面不必须是平坦的，也不必须具有矩形轮廓。

交互面是指具有一定厚度的二维或三维表面，当其受到诸如触摸、接触力、机械脉冲或甚至是撞击之类的冲击时，能够在材料静态和动态弹性意义上而言改变形状，因此允许传播由换能器可检测到的、来自冲击位置的机械行波、尤其是诸如兰姆波的表面声波。表面变形可以是肉眼无法感知的亚毫米级的。塑料、玻璃或金属表面是合适的。

每个已知的具有交互面的装置均包括借助一种或多种检测技术的冲击定位装置。降低制造成本和减小尺寸的强烈趋势旨在仅保留使用有限数量压电换能器的最简单的技术。

第一种解决方案在美国专利US 7 345 677 B2中公开。该解决方案是基于学习的冲击位置识别。所实施方法使至少一个测量到的声信号与参考集即所谓“签名集(ensemblede signatures)”之间互相关，该声信号是由于检测到对物体交互面的冲击而产生的声波而获得测量，参考集则包括预记录的声脉冲响应，每个响应都与一个预定的位置相关联，期望使所述一个预定的位置与一个功能相结合并在该位置受到冲击时识别出该一个预定的位置。

例如在美国专利US 8 330 744 B2中公开的第二种解决方案在于测量冲击对在不受这种冲击影响而在交互面中规则地发射的机械行波传播的干扰。该解决方案被认为比前面的解决方案更加精确和可靠，尤其是对于定性或跟踪冲击方面，但该解决方案仍基于通过学习识别冲击位置。

前两个解决方案具有依赖于学习的缺点，该学习可能既实施复杂又在介质或交互面发生变化时很快就无法使用。它们还需要相当庞大的计算能力。

第三较为陈旧的解决方案基于测量冲击产生的波包向多个压电探测器的传输时间差和借助根据探测器的假设位置预先建立的数学公式对波包发射源位置三角测量的分析计算。例如在美国专利US 6 933 930 B2中详细描述了分析计算的一种示例。因此，该解决方案需要冲击定位装置，其包括：

-至少三个换能器，它们以足够精确的方式布置和分布在交互面的前表面或后表面上，以使分析计算不会产生任何重大误差，以及

-连接到换能器以接收其电信号的电子中央单元，该电子中央单元被编程为用于通过基于在接收到的电信号中确定的冲击检测时刻来分析冲击产生的机械行波向换能器的传播时间差，而在交互面上定位冲击。

因此，通常可以定位手指或尖头物体(例如弹珠或笔)的冲击，因为该冲击会是脉冲发射器。这种相当陈旧的技术由于能够使用既耐冲击由对冲击敏感的交互面，因而有利地简单及优选地用于游戏或运动射击方面，但是利用这种技术难以达到良好的定位精度，因为其难以根据基于每个换能器的每个中心定位点的坐标预先建立的数学公式精确地定位换能器。

由于换能器的实际位置与用作预先建立的数学公式的计算基础的理论位置之间存在差异，因此至少一个换能器的任何不良定位都会产生定位误差。因此，举例说明，对于具有布置成正方形的四个换能器的200mmx200mm的冲击面，每个换能器100μm的不良定位会导致偏移和线性误差。在偏移方面，在这些条件下，瞄准中心的横坐标和纵坐标偏移可以达到100μm。就线性而言，误差取决于冲击位置，从测量中心到冲击面的周边逐渐增加，因此在上述条件下在其周边可达到340μm。此外，除这些误差外还有分辨率误差，分辨率误差由于在给定的时钟频率下由换能器返回的测量值的量化导致。对于为80MHz的时钟频率，钢板材质的交互板意味着兰姆波传播速度接近0.53mm/μs，分辨率误差可达+/-50μm。

因此，对于使用200mmx200mm冲击面在10m处进行游戏或运动射击的应用而言，必须固定四个换能器且不确定度小于100μm，这是使用已知制造方法很难获得的。实际上，这导致制造复杂，意味着：需要完美掌握换能器的尺寸以及每个换能器的电极和压电层的相对轴向布置；需要具有精确定位卡板，对于在10m处进行游戏或运动射击的200mmx200mm冲击面最近50μm，对于在50m处进行游戏或运动射击的600mmx600mm冲击面最近100μm；需要能够使卡板在交互面测量中心上完美定中；即使使用粘合剂时会产生回缩效应，也能将换能器固定控制在这些允许误差范围内；尤其是控制压电敏感区相对于其两个电极的定位。所有这些限制产生了误差可能性，这些误差累积起来，从而它们使制造变得非常难以实现。

作为变型，可以设想数值方法来确定固定之后的换能器的实际位置，并据此推导出三角测量的数学公式或其数值近似。但是，这种固定后的校准方法复杂且昂贵。

发明内容

因此可能期望设计一种用于制造冲击定位装置的制造方法，该冲击定位装置具有固定在交互面上的至少三个换能器，这使得可以克服至少一部分上述问题和限制。

因此提出一种用于制造冲击定位装置的制造方法，冲击定位装置包括：

-具有用于接收冲击的前表面的交互面，以及

-至少三个换能器，应分布并固定在交互面的前表面或后表面上，设计成用于捕获来自冲击的在交互面中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号，

所述制造方法包括以下步骤：

-确定步骤：确定每个换能器在交互面的前表面或后表面上的中心定位点，

-固定步骤：将每个换能器围绕其中心定位点固定，每个换能器具有：形成第一电极的下导电层，每个换能器通过其固定在交互面的前表面或后表面上；中间压电层；和用于形成第二电极的自由上导电层，

所述制造方法在固定每个换能器之后还包括这样的机加工步骤：使用机床机加工至少一个换能器的自由上导电层至少直至该至少一个换能器的中间压电层，以便使该至少一个换能器的第二电极作为设置在自由上导电层中的上导电层部分围绕该至少一个换能器的中心定位点定中而形成。

因此，由于采用以比固定本身精确得多的方式显著控制的机加工并且机加工中定位的不确定性可以很容易保持低于10μm，因此与通过已知制造技术相比，令人满意得多地获得每个换能器的功能部分围绕其中心定位点定中。于是获得换能器的实际定位与其中心定位点的期望及理论定位之间的相符，这种相符可以确保随后将由所述装置进行的测量的期望精度。所有这些都是在不需要对常规制造的换能器的尺寸和对固定步骤进行任何特殊要求的情况下获得的。

可选地，以环绕方式进行对所述至少一个换能器的自由上导电层的机加工，以形成定中在该至少一个换能器的中心定位点上的圆盘形式的第二电极。

同样可选地，对固定在交互面的前表面或后表面上的所有换能器执行机加工步骤。

同样可选地，执行机加工的机床是激光机加工装置。

同样可选地，在交互面的前表面或后表面上确定以菱形、长方形或正方形布置的四个中心定位点，用以固定四个换能器。

同样可选地，机加工步骤包括在交互面中开出一些孔，这些孔用于接纳定位靶样载体的基准销。

同样可选地，机加工步骤包括在交互面中标记测量中心。

同样可选地，根据本发明的冲击定位装置的制造方法可以在机加工步骤之后还包括这样的连接步骤：使两条导线中的一条连接到形成在换能器的下导电层中的第一电极而另一条连接到形成在换能器的上导电层部分中的第二电极，来使两条导线通过焊接连接每个换能器，以处理换能器提供的信号。

还提出一种冲击定位装置，包括：

-具有用于接收冲击的前表面的交互面，以及

-至少三个换能器，围绕各自的中心定位点分布并固定在交互面的前表面或后表面上，设计成用于捕获来自冲击的在交互面中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号，每个换能器具有：形成第一电极的下导电层，每个换能器通过其固定在交互面的前表面或后表面上；中间压电层；和用于形成第二电极的自由上导电层；

至少一个换能器的自由上导电层包括通过机加工自由上导电层至少直至该至少一个换能器的中间压电层形成所述第二电极的上导电层部分，其定中在该至少一个换能器的中心定位点上并与自由上导电层的另一周边部分电绝缘。

还提出一种游戏或运动射击设备，包括：

-根据本发明的冲击定位装置，冲击定位装置还包括用于电子处理由所述至少三个换能器提供的电信号的中央处理单元，中央处理单元设计成用于通过分析来自冲击的机械行波向所述至少三个换能器的传播时间差来定位冲击，以及

-至少一个靶样，用于显示在冲击定位装置的交互面的平面中。

附图说明

通过下述仅示例性给出并参考附图进行的描述，将更好地理解本发明，附图中：

图1示意性地示出根据本发明一实施例具有固定在交互面上的四个换能器的冲击定位装置的总体结构的前视图，

图2示出根据本发明一实施例的图1装置制造方法的相继步骤，以及

图3示出图1装置的后视图。

具体实施方式

在图1中以正视图示出的冲击定位装置10包括板12形式的交互面，该交互面具有用于接收冲击P的前表面A、和后表面B(后表面在图3中示出)，四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D分布并固定于后表面上。这四个换能器——仅其功能部分在图1中用短虚线界定，以四个相应的中心定位点C_A、C_B、C_C和C_D为中心。它们设计成用于捕获来自冲击P的在交互板12中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号。

装置10还包括对四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D提供的电信号进行电子处理的中央处理单元14，该中央处理单元设计成通过分析来自冲击P的机械行波向压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D的传播时间差来定位冲击。该中央处理单元14例如被布置在交互板12的后表面B上。可选地，它还可以提供对每个定位冲击的功率估值。然后，可以将检测到的每个冲击及其位置和功率保存在储存器中，以便建立冲击历史记录。

在图1的示例中，装置10用于游戏或运动射击设备中，该设备不仅涉及利用压缩空气式或弹药式的武器——卡宾枪或***——进行的游戏或运动射击活动，同样还涉及射箭、弩、吹管、飞镖或其他的活动。根据该用途，靶样16显示在交互板12的平面中。根据可能的实施例，靶样16复制在固定于交互板12的前表面A上的纸板18上，纸板18借助定位基准销20相对于四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D正确定中。更精确地，四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D布置在正方形的四角，且基准销20通过制造被布置成将靶样16的瞄准中心精确地置于测量中心，该测量中心与正方形中心重合。

现在将参考图2详细描述用于制造装置10的方法的示例。

在第一步骤100期间，通过制造或购买获得四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D。对其设计没有任何特别限制。每个压电换能器，在图2中用通用标号PT标识，具有：形成第一电极的下导电层22，每个换能器通过其固定在交互面12的后表面B上；中间压电层24；和用于形成第二电极的自由上导电层26。

在随后的步骤102期间，四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D中的每一个通过其下导电层22固定于交互板12的后表面B。为此，可精确地并预先地确定每个换能器PT在交互板12的后表面B上的由图2中通用标号C标识的中心定位点。当前已知的标记技术允许以微米层级精度定位这种中心点C。然后，每个压电换能器PT例如借助粘合剂层28围绕其中心定位点C固定，而无需任何特别的精确调节。例如在图2中注意到，通过粘合剂固定后，换能器PT并未确切地定中在中心点C上。在该步骤102结束时，鉴于对精度的要求，可以检查每个粘合的换能器PT的布置情况以核查其是否正确定中。

在下一步骤104期间，使未正确定中的每个压电换能器PT、或者如果没有在步骤102结束时进行该核查则默认四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D中的每一个与机床32的加工头30面对布置。然后，将其自由上导电层26加工至少直至其中间压电层24，以便使该压电换能器PT的第二电极作为设置在自由上导电层26中的上导电层部分34围绕中心定位点C定中而形成。为此，例如，将加工头30布置在距中心点C的轴线期望的距离R处，然后围绕该轴线进行环绕加工，以根据精确地定中于C的半径为R的圆盘形成第二电极。例如，通过利用交互板12的成直角的两个边缘进行几何基准来精确定位机床32。由于进行了机加工，因此该圆盘与形成位于自由上导电层26周边的另一部分的该自由上导电层可能的剩余部分36电绝缘。因此，如此加工的压电换能器PT在功能上以C为中心，因为仅仅是定中于通过C的法向轴线的其半径为R的圆柱形有用部分执行检测功能。同样在该步骤104期间，可以通过机加工开出一些孔，以通过接纳基准销20来尽可能精确地限定基准销20的定位。由四个压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D形成的正方形的中心、或者应与靶样16的瞄准中心重合的测量中心，也可以在该步骤中进行标记。

在最后的步骤106期间，使由下导电层22构成的第一电极和由上导电层部分34构成的第二电极电连接，例如通过焊接导线来进行这种电连接——其中一个接地(或-端子)而另一个接到中央处理单元14(或+端子)，以便处理经机加工的压电换能器PT提供的信号。

上面详述的制造方法的结果在图3中示出。可以从中看出，即使压电换能器PT_A、PT_B、PT_C和PT_D已经大约在其各自的中心定位点周围粘合固定，而在步骤104中进行的机加工仍可以通过将每个压电换能器的功能部分围绕其中心定位点精确地重新定中，来对其进行校正。图3上可见的每个自由上导电层26包括正确定中部分(白色)和与其电绝缘开的另一非工作的周边部分(加纹)，另一非工作的周边部分由于电绝缘成为无源部分。

可以明确的是，上述制造方法可以获得具有固定在交互面上的换能器的冲击定位装置，其中换能器非常精确地定位在该交互面上。不确定性是非常低的、通常小于10μm的机加工不确定性。因此，可以设想将获得的装置用于具有电子靶的游戏或运动射击应用，这些应用对冲击定位测量精度要求非常高：在靶中心需要大约100μm的精度，以便无论射击规则如何都可以计算一分或零点一分；而前述介绍的制造方法可以在整个冲击面上充分地达到该精度。

还应注意，本发明不限于前述实施例。

因此，已经描述借助粘合剂将换能器固定在交互板12的后表面B上。然而，作为变型，可以设想借助换能器定位机械接口进行这种固定。还可以在提供冲击防护的条件下，将换能器固定在交互板12的前表面A上。

还已经描述了在纸板载体18上的靶样16，但是作为变型，该载体可以是由硬质材料制成的瞄准卡板，其可以借助基准销20确保非常高的定位精度。如果期望耐用的不透明载体，则可以通过蚀刻、丝网印刷、通过电铸或电解沉积的化学或电化学侵蚀、或在质量体中***颜色来在载体上形成靶样16。还作为变型，靶样可以是屏幕上的或通过视频投影仪投射的图像或视频，且瞄准中心在测量中心上的定位可以通过像素对准获得保证。

还已经描述了在交互板12的前表面A上显示的靶样16。但是作为变型，可以将靶样显示在后表面B上，以保护其免受冲击，在这种情况下，交互板12必须是透明的。在材料方面，可以根据目标应用在聚碳酸酯、可能经强化的玻璃、钢合金等中选择交互板12。应根据其透明性和/或对期望弹珠的耐久性来选择这种或那种材料。

还已经描述了交互板12，但是任何交互面，特别是非平面的交互面，可能更一般来说都是合适的，例如三维物体壳。

还已经描述了布置在交互板12的后表面B的中央处理单元14。但是作为变型，中央处理单元14可以至少部分地外置，特别外置到计算机上。可以采取许多其他变型来设计由交互板12、靶样16显示载体和中央处理单元14构成的组件。

还已经描述了具有加工头30的机床32，作为变型，机床可以由激光加工装置代替。

还描述了四个换能器为一组的组件，但是三个换能器可以足以通过三角测量分析计算来确定位置。还可以使用更多的换能器以通过分析计算来改善定位。

更广泛来说，看来对于本领域技术人员而言，可以根据刚刚对其公开的教导来对上述实施例进行各种修改。在前面(对应于PCT文本第4页第22行-第6页第33行之间)对本发明进行的介绍中，所使用的术语不应解释为将本发明限制于此说明书中阐述的实施例，而必须应被解释为其中包括本领域技术人员将其常识应用于上述刚披露的教导而在其能力范围内即可实施的所有等同技术手段。

Claims (10)

1.一种冲击定位装置(10)的制造方法，冲击定位装置包括：

-具有用于接收冲击(P)的前表面(A)的交互面(12)，以及

-至少三个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)，应分布并固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上，设计成用于捕获来自冲击(P)的在交互面(12)中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号，

所述制造方法包括以下步骤：

-确定步骤(102)：确定每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上的中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)，

-固定步骤(102)：将每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)围绕其中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)固定，每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)具有：形成第一电极的下导电层(22)，每个换能器通过其固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上；中间压电层(24)；和用于形成第二电极的自由上导电层(26)，

其特征在于，所述制造方法在固定每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的固定步骤(102)之后还包括这样的机加工步骤(104)：使用机床(32)机加工至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的自由上导电层(26)至少直至该至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的中间压电层(24)，以便使该至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的第二电极作为设置在自由上导电层(26)中的自由的上导电层部分(34)围绕该至少一个换能器的中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)定中而形成。

2.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，以环绕方式进行对所述至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的自由上导电层(26)的机加工步骤(104)，以形成定中在该至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)上的圆盘形式的第二电极。

3.根据权利要求1或2所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，对固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上的所有换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)执行机加工步骤(104)。

4.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，执行机加工步骤(104)的机床(32)是激光机加工装置。

5.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上确定以菱形、长方形或正方形布置的四个中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)，用以固定四个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)。

6.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，机加工步骤(104)包括在交互面(12)中开出一些孔，这些孔用于接纳靶样载体(18)定位用的基准销(20)。

7.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，机加工步骤(104)包括在交互面(12)中标记测量中心。

8.根据权利要求1所述的冲击定位装置(10)的制造方法，其特征在于，所述制造方法在机加工步骤(104)之后还包括这样的连接步骤(106)：使两条导线中的一条连接到形成在换能器的下导电层(22 )中的第一电极而另一条连接到形成在换能器的上导电层部分(34)中的第二电极，来使两条导线通过焊接连接每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)，以处理换能器提供的信号。

9.一种冲击定位装置(10)，包括：

-具有用于接收冲击(P)的前表面(A)的交互面(12)，以及

-至少三个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)，围绕各自的中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)分布并固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上，设计成用于捕获来自冲击(P)的在交互面(12)中传播的机械行波并将机械行波转换为电信号，每个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)具有：形成第一电极的下导电层(22)，每个换能器通过其固定在交互面(12)的前表面(A)或后表面(B)上；中间压电层(24)；和用于形成第二电极的自由上导电层(26)，

冲击定位装置(10)的特征在于，至少一个换能器的下导电层未确切地定中在相应的中心定位点上，所述至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的自由上导电层(26)包括通过机加工自由上导电层至少直至该至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的中间压电层(24)形成所述第二电极的上导电层部分(34)，其定中在该至少一个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的中心定位点(C_A，C_B，C_C，C_D；C)上、但相对于下导电层的中心偏移并与自由上导电层(26)的另一周边部分(36)电绝缘。

10.一种游戏或运动射击设备，包括：

-根据权利要求9所述的冲击定位装置(10)，冲击定位装置还包括用于电子处理由所述至少三个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)提供的电信号的中央处理单元(14)，中央处理单元设计成用于通过分析来自冲击(P)的机械行波向所述至少三个换能器(PT_A，PT_B，PT_C，PT_D；PT)的传播时间差来定位冲击，以及

-至少一个靶样(16)，用于显示在冲击定位装置(10)的交互面(12)的平面中。

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