DE102022127726A1

DE102022127726A1 - Kraftmessung in einem berührungssensor durch steuerung der richtcharakteristik von sendewandlern

Info

Publication number: DE102022127726A1
Application number: DE102022127726.7A
Authority: DE
Inventors: Emanuel Stoicescu; Erhard Landgraf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US11698701B1

Abstract

Ein Berührungssensor weist eine Berührungsstruktur auf, die über einen Ultraschallport angeordnet ist; ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des Ultraschallports angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, eine Hauptrichtkeule zu erzeugen, die auf eine Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule durch selektives Aktivieren der Sendewandler zu modulieren; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignis ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.

Description

HINTERGRUND
Berührungserfassung durch Metalloberflächen unter Verwendung von Ultraschallwellen wird derzeit als Alternative zu kapazitiven Berührungserfassungsprinzipien untersucht. Die Ultraschallerfassung beruht auf der Sendung eines Ultraschallsignals und dem Empfang und der Verarbeitung der reflektierten Wellenform von der Berührungsfläche eines Berührungssubstrats. Die Wellenform hängt von der Existenz oder Nichtexistenz eines Berührungsereignisses ab. Jedoch erfordert die Ersetzung mechanischer Tasten durch eine berührungsempfindliche Benutzerschnittstelle zusätzlich zu der Berührung-/Keine-Berührung-Detektion eine Kraftdetektion. Dementsprechend kann ein Ultraschall-Berührungssensor wünschenswert sein, der die Berührungsdruckkraft unterscheiden kann.
KURZDARSTELLUNG
In einigen Aspekten betreffen die hierin beschriebenen Techniken einen Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird; ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
In einigen Aspekten betreffen die hierin beschriebenen Techniken einen Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird, wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
In einigen Aspekten betreffen die hierin beschriebenen Techniken einen Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird; ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsschnittstelle erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
In einigen Aspekten betreffen die hierin beschriebenen Techniken einen Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird, wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen werden hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 veranschaulicht einen Ultraschall-Berührungssensor gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 ist eine Draufsicht eines Arrays von Sende-Empfänger-Wandlern 200 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
3A und 3B veranschaulichen die Dimensionierung einer akustischen Apertur während eines Berührungsereignisses, gemäß der einen oder den mehreren Ausführungsformen;
3C veranschaulicht drei Hauptrichtkeulen mit unterschiedlichen Strahlbreiten gemäß einer Variation des Abstands des aktiven Elements, gemäß der einen oder den mehreren Ausführungsformen;
4 veranschaulicht ein Beispiel einer Steuerung einer Senderichtung oder eines Orientierungswinkels einer Hauptrichtkeule gemäß der einen oder den mehreren Ausführungsformen; und
5 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm eines Ultraschall-Berührungssensors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Details dargelegt, um eine gründlichere Erläuterung der beispielhaften Ausführungsformen bereitzustellen. Jedoch wird es Fachleuten offensichtlich sein, dass Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen eher in Form eines Blockdiagramms oder in einer schematischen Ansicht statt im Detail gezeigt, um eine Verschleierung der Ausführungsformen zu vermeiden. Außerdem können Merkmale der nachstehend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Ferner werden äquivalente oder ähnliche Elemente, oder Elemente mit äquivalenter oder ähnlicher Funktionalität, in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Da in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, kann auf eine wiederholte Beschreibung von mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elementen verzichtet werden. Daher sind Beschreibungen, die für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt werden, untereinander austauschbar.
In dieser Hinsicht kann eine Richtungsterminologie, wie „oben“, „unten“, „unter“, „über“, „vorne“, „hinten“, „hinter“, „vorlaufend“, „nachlaufend“ usw., in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zum Zweck der Veranschaulichung verwendet. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dabei von dem durch die Ansprüche definierten Umfang abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen. Die in den Ansprüchen verwendete Richtungsterminologie kann dabei helfen, die räumliche oder positionelle Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder Merkmal zu definieren, ohne auf eine bestimmte Ausrichtung beschränkt zu sein. Beispielsweise können seitliche, vertikale, und überlappende räumliche oder Positionsbeziehungen in Bezug auf ein anderes Element oder Merkmal beschrieben werden, ohne auf eine bestimmte Ausrichtung der Vorrichtung als Ganzes beschränkt zu sein.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann, oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind, wenn ein Element als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Worte, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen“ vs. „direkt zwischen“, „angrenzend“ vs. „direkt angrenzend“, usw.) .
In hierin beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h., jede Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischenliegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zusätzlichen zwischengeschalteten Elementen, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise die Übertragung einer bestimmten Art von Signal oder die Übertragung einer bestimmten Art von Information, im Wesentlichen gewahrt bleibt. Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Beispielsweise können Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben wurden, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, sofern nichts anderes angegeben wird.
Die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ können hier verwendet werden, um kleine Fertigungstoleranzen (z. B. innerhalb von 5 %) zu berücksichtigen, die in der Industrie als akzeptabel erachtet werden, ohne von den Aspekten der hier beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Beispielsweise kann ein Widerstand mit einem ungefähren Widerstandswert in der Praxis einen Widerstand innerhalb von 5 % dieses ungefähren Widerstandswerts haben.
In der vorliegenden Offenbarung können Ausdrücke, die Ordnungszahlen aufweisen, wie etwa „erster“, „zweiter“ und/oder dergleichen, verschiedene Elemente modifizieren. Solche Elemente sind jedoch nicht durch die obigen Ausdrücke beschränkt. Beispielsweise schränken die obigen Ausdrücke die Reihenfolge und/oder Wichtigkeit der Elemente nicht ein. Die obigen Ausdrücke werden lediglich zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von den anderen Elementen verwendet. Beispielsweise geben ein erster Kasten und ein zweiter Kasten unterschiedliche Kästen an, obwohl beides Kästen sind. Als weiteres Beispiel könnte ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und auf ähnliche Weise könnte ein zweites Element auch als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Eines oder mehrere Elemente der vorliegenden Offenbarung können dazu eingerichtet werden, dass dedizierte Hardware oder ein Softwareprogramm in einem Speicher, das einen Prozessor steuert, implementiert wird, um die Funktionen einer beliebigen der Komponenten oder Kombinationen davon auszuführen. Jede dieser Komponenten kann als eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) oder ein anderer Prozessor implementiert werden, der ein Softwareprogramm von einem Aufzeichnungsmedium, wie etwa einer Festplatte oder einer Halbleiterspeichervorrichtung, liest und ausführt. Beispielsweise können Anweisungen von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa von einer oder mehreren CPUs, digitalen Signalprozessoren (DSPs), Allzweckmikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Logikarrays (FPGAs), eine programmierbare Logiksteuerung (PLC), oder anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltungen.
Dementsprechend bezieht sich der Begriff „Prozessor“, wie er hierin verwendet wird, auf jede der vorstehenden Strukturen, oder jede andere Struktur, die für die Implementierung der hierin beschriebenen Techniken geeignet ist. Eine Steuerung, die Hardware aufweist, kann auch eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen. Eine Steuerung, die einen oder mehrere Prozessoren aufweist, kann elektrische Signale und digitale Algorithmen verwenden, um ihre Empfangs-, Analyse- und Steuerfunktionen auszuführen, die ferner Korrekturfunktionen aufweisen können. Solche Hardware, Software und Firmware können in derselben Vorrichtung oder in separaten Geräten implementiert werden, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen.
Eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalaufbereitungsschaltung kann ein oder mehrere Signale (d. h. Messsignale) von einer oder mehreren Komponenten in Form von Rohmessdaten empfangen, und kann aus dem Messsignal weitere Informationen ableiten. Signalaufbereitung, wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Manipulation eines analogen Signals derart, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Die Signalaufbereitung kann das Umwandeln von analog nach digital (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler), das Verstärken, das Filtern, das Umwandeln, das Vorspannen, die Bereichsanpassung, die Isolierung, und alle anderen Prozesse, die erforderlich sind, um ein Signal für die Verarbeitung nach der Aufbereitung geeignet zu machen, umfassen.
Ausführungsformen betreffen Ultraschall- (d. h. akustische) Berührungssensoren und Ultraschall-Berührungssensorsysteme. Als Sensor kann ein Bauteil bezeichnet werden, das eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandelt. In diesem Fall handelt es sich bei der physikalischen Größe um Ultraschallwellen, die beispielsweise von einem Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) erzeugt werden. Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUTs) und piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler (PMUT) sind zwei Beispiele für MEMS-Wandler, aber die offenbarten Ausführungsformen sind nicht darauf beschränkt. Ein Anregungssignal ist ein Signal, das an den Wandler des Senders (TX) angelegt wird, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen, die verwendet wird, um Berührungsereignisse an einer Berührungsfläche des Sensorpakets sowie die davon aufgebrachte Kraft zu detektieren.
1 veranschaulicht einen Ultraschall-Berührungssensor 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie hier definiert, ist ein Ultraschallsignal eine Schallwelle mit einer Frequenz von 20 kHz oder höher. In 1 sind die Ultraschallsignale 111, 112 und 115 als Ultraschallwellen dargestellt. Eine einzelne gesendete Welle/ein Signal 111 verursacht zwei Reflexionen an unterschiedlichen Grenzflächen 110 und 114, wobei die Ultraschallwelle 112 eine Reflexion von der Grenzfläche 110 ist und die Ultraschallwelle 115 eine Reflexion von der Grenzfläche 114 ist. Da diese Grenzfläche 114 weiter entfernter von dem Sender ist als die Grenzfläche 110, tritt die Ultraschallwelle 115 zu einem späteren Zeitpunkt auf als das Auftreten der Ultraschallwelle 112. Eine akustische Impedanzänderung an der zweiten Grenzfläche 114 von einem Berührungsereignis an der Berührungsfläche 104 bewirkt eine Änderung der reflektierten Ultraschallwelle 115. Insbesondere ändert sich eine Änderung der Signalamplitude der reflektierten Ultraschallwelle 115, wenn die Berührungsfläche 104 berührt wird. Die Änderung der reflektierten Ultraschallwelle 115 kann auf der Empfängerseite des Ultraschall-Berührungssensors 100 detektiert werden, um Berührung-/Keine-Berührung-Ereignisse zu detektieren sowie den Berührungsort und die Berührungskraft zu bestimmen.
Der Ultraschall-Berührungssensor 100 weist ein Gehäuse auf, das Kapselungsmaterial 101 (z. B. ein Formteil) und eine Berührungsstruktur 102 (z. B. ein Berührungssubstrat) aufweist, die mit dem Kapselungsmaterial 101 (z. B. einem umspritzten Thermoplast) ein Innenvolumen 103 bildet. Mit anderen Worten, das Kapselungsmaterial 101 weist als Teil des Gehäuses eine Aussparung auf, die zum Innenvolumen 103 wird, wenn die Berührungsstruktur 102 die Aussparung umschließt. In einigen Ausführungsformen kann sich das Kapselungsmaterial 101 in das Innenvolumen 103 erstrecken und dieses füllen, wodurch die darin angeordneten Sensorkomponenten bedeckt werden. Es kann Epoxid oder ein anderes ultraschallkompatibles Material verwendet werden, das in die Aussparung gegossen wird. Dementsprechend kann der Bereich des Gehäuses, in dem sich die Wandler befinden, als akustischer Port oder Ultraschallport bezeichnet werden.
In jedem Fall wird die Berührungsstruktur 102 als Deckel oder Gehäuseabdeckung verwendet, die auf der Berührungsseite des Gehäuses ruht. In dem gezeigten Beispiel ist das Innenvolumen 103 ein Hohlraum, der durch die Einschließung des Kapselungsmaterials 101 und der Berührungsstruktur 102 gebildet wird. Die Berührungsstruktur 102 kann aus einer oder mehreren Metallschichten und/oder Kunststoffschichten und/oder aus einem anderen festen Material hergestellten Schichten hergestellt sein, und weist eine Berührungsfläche 104 an seiner externen Grenzfläche mit der Umgebung auf. Die Berührungsfläche 104 ist dazu angeordnet und betreibbar, einen Kontakt (d. h. Berührungen) von einem Benutzer zu empfangen, der durch eine Sensorschaltung detektiert werden kann.
Das Innenvolumen 103 enthält die Schaltung, die zum Detektieren von Nichtberührungs- und Berührungsereignissen an der Berührungsfläche 104 verwendet wird. Ein Berührungsereignis ist als ein Fall definiert, in dem ein Benutzer die Berührungsfläche 104 berührt, und ein Nichtberührungsereignis sind alle anderen Umstände, einschließlich des Auftretens von Störeinflüssen (d. h. Fehlerquellen), die ohne ein Berührungsereignis auftreten können. Die Schaltung ist dazu eingerichtet, um zwischen einem Berührungsereignis und einem Nichtberührungsereignis zu unterscheiden, wobei mögliche Fehler, die von den störenden Einflüssen herrühren, berücksichtigt werden.
Die Schaltung beinhaltet einen Sender (TX) 105, der dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu senden, einen Empfänger (RX) 106, der dazu eingerichtet ist, reflektierte Ultraschallsignale zu empfangen, und eine Sensorschaltung 107 (z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC)), die dazu eingerichtet ist, die Ultraschallsignale zur Sendung durch den Sender 105 zu erzeugen, eine Signalverarbeitung an den vom Empfänger 106 empfangenen reflektierten Ultraschallsignalen durchzuführen, die reflektierten Ultraschallsignale durch Anwenden eines Berührungsdetektionsalgorithmus auszuwerten, um Nichtberührungsereignisse und Berührungsereignisse zu detektieren, und eine oder mehrere Komponenten des Sensors 100 zu steuern, einschließlich der Steuerung des Senders 105, des Empfängers 106 oder einer beliebigen der Signalverarbeitungskomponenten der Signalverarbeitungskette der Sensorschaltung 107.
Der Sender 105 und der Empfänger 106 können beide Schallwandler mit einer flexiblen Membran sein, die vibriert, entweder, im Fall eines Senders, um Schallwellen zu erzeugen, oder, im Fall eines Empfängers, als Reaktion auf den Empfang von Schallwellen. Insbesondere können der Sender 105 und der Empfänger 106 kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUTs) sein. Ein CMUT ist ein Wandler, bei dem die Energieumwandlung auf eine Kapazitätsänderung zurückzuführen ist. CMUTs werden unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken auf Silizium aufgebaut. Ein Hohlraum kann in einem Siliziumsubstrat gebildet werden, und eine dünne Schicht, die auf der Oberseite des Hohlraums aufgehängt ist, dient als Membran, auf der eine leitende Schicht zusammen mit dem Siliziumsubstrat, das als untere Elektrode dient, als Elektrode wirkt. CMUTs mit Elektroden, die aus Back-End-of-Line(BEOL)-Metallen - von denen eines einem Druckanschluss ausgesetzt ist - und einer Lücke in der Isolationsstruktur dazwischen gebildet sind, würden ebenfalls einen Ultraschallwandler ergeben.
Wenn ein Wechselstromsignal über die vorgespannten Elektroden angelegt wird, erzeugt die vibrierende Membran Ultraschallwellen in dem interessierenden Medium. Auf diese Weise arbeitet der CMUT als Sender. Die Sensorschaltung 107 ist dazu eingerichtet, ein Anregungssignal zu erzeugen und das Anregungssignal an den Sender 105 zu senden. Das Anregungssignal wird über die vorgespannten Elektroden angelegt, was bewirkt, dass die Membran gemäß der Wellenform des Anregungssignals vibriert und eine entsprechende Ultraschallwelle erzeugt. Unterschiedliche Anregungssignale induzieren unterschiedliche Ultraschallwellen. Wenn andererseits Ultraschallwellen auf die Membran eines vorgespannten CMUT aufgebracht werden, vibriert die Membran entsprechend der aufgebrachten Ultraschallwelle, und der CMUT erzeugt ein Wechselsignal (d. h. ein Messsignal), wenn seine Kapazität variiert wird. Auf diese Weise ist das Wechselsignal ein Messsignal, das empfangene Ultraschallwellen darstellt, und der CMUT arbeitet als ein Empfänger von Ultraschallwellen. Es ist auch möglich, dass jeder MEMS-Wandler als Sende-Empfänger konfigurierbar ist, der Ultraschallwellen sowohl senden als auch empfangen kann.
Der Sender 105, der Empfänger 106 und die Sensorschaltung 107 können auf einem gemeinsamen Schaltungssubstrat 108 (z. B. einer PCB) angeordnet sein, das an der Basis des Kapselungsmaterials angeordnet ist. Das gemeinsame Schaltungssubstrat 108 ist dazu eingerichtet, die Sensorschaltung 107 sowohl mit dem Sender 105 als auch mit dem Empfänger 106 elektrisch zu koppeln. Der Sender 105, der Empfänger 106 und die Sensorschaltung 107 können separate ICs (d. h. Chips) sein, oder können in beliebiger Kombination zu einem oder zwei ICs kombiniert werden. Außerdem können sowohl der Sender 105 als auch der Empfänger 106 als separate Sende-Empfänger implementiert werden, so dass zwei Sender und zwei Empfänger bereitgestellt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 2 gezeigt wird, können ein oder mehrere Arrays von Wandlern bereitgestellt werden. Der Sender 105 kann einer von einer Mehrzahl von Sendern sein, die in einem Array von Sendewandlern vorgesehen sind, das innerhalb des Ultraschallports angeordnet ist. Ebenso kann der Empfänger 106 einer von einer Mehrzahl von Empfängern sein, die in einem Array von Empfängern bereitgestellt sind, das innerhalb des Ultraschallports angeordnet ist. Alternativ kann eine Anordnung von Sende-Empfänger-Wandlern innerhalb des Ultraschallports bereitgestellt werden.
Der verbleibende Teil des Innenvolumens 103 kann mit einem Kopplungsmedium 109 gefüllt sein, wie beispielsweise einem Silikongel, weichem Epoxid, einer Flüssigkeit oder irgendeinem anderen Material, das die Ausbreitung von Ultraschallsignalen im Wesentlichen ohne Dämpfung ermöglicht. Das Kopplungsmedium 109 ist ein nicht gasförmiges Medium.
Das Kopplungsmedium 109 ist in Kontakt mit einer inneren (Innen-)Fläche 110 der Berührungsstruktur 102, deren Grenzfläche dazu eingerichtet ist, gesendete Ultraschallsignale 111 zurück in das Innenvolumen 103 zu reflektieren, um von dem Empfänger 106 als reflektierte Ultraschallsignale 112 empfangen zu werden. Somit sind der Sender 105 und der Empfänger 106 durch das Kopplungsmedium 109 miteinander gekoppelt. Das Kopplungsmedium 109 und die Innenfläche 110 bilden einen Ausbreitungskanal zwischen dem Sender 105 und dem Empfänger 106. Wie oben erwähnt, bildet die Berührungsfläche 104 eine Grenzfläche 114 mit der Umgebung, wobei die Grenzfläche 114 Teil des Ausbreitungskanals ist. An dieser Grenzfläche 114 tritt eine zweite interne Reflexion des gesendeten Ultraschallsignals auf, wodurch das reflektierte Ultraschallsignal 115 erzeugt wird.
Ein Berührungsereignis an der Berührungsfläche 104 der Berührungsstruktur 102 verursacht eine Änderung einer Eigenschaft des Ausbreitungskanals (z. B. einer Eigenschaft an der Grenzfläche 114), und ändert dadurch die Ausbreitung der Ultraschallsignale durch den Ausbreitungskanal von dem Sender 105 an den Empfänger 106. Mit anderen Worten, eine Eigenschaft eines Ultraschallsignals, das sich entlang des Ausbreitungskanals ausbreitet, ändert sich als Reaktion auf ein Berührungsereignis an der Berührungsfläche 104, und die Sensorschaltung 107 ist dazu eingerichtet, das Berührungsereignis einschließlich einer oder mehrerer Eigenschaften davon, einschließlich Kontaktdruckbetrag, Kontaktdauer und Kontaktort auf der Berührungsfläche 104, zu detektieren. Insbesondere ist die Sensorschaltung 107 dazu eingerichtet, während des Betriebs des Berührungssensors 100 einen Berührungsdetektionsalgorithmus zur Unterscheidung zwischen einem Berührungsereignis und einem Nichtberührungsereignis anzuwenden, unter Berücksichtigung möglicher Fehlerquellen, wie elektrisches und Ultraschall-Übersprechen, Mehrwegeausbreitung, Rauschen, Temperatur, und Umgebungsstörungen, wie Schmutz oder Wasser auf der Berührungsfläche 104.
Während des Betriebs des Berührungssensors 100 ist die Sensorschaltung 107 dazu eingerichtet, ein Ultraschall-Sendesignal für jede Berührungs-/Nicht-Berührungs-Entscheidung durch Anlegen eines Anregungssignals zu erzeugen. Beim Empfang jedes reflektierten Ultraschallsignals trifft die Sensorschaltung 107 unter Verwendung des Berührungsdetektionsalgorithmus eine Berührung-/Keine-Berührung-Entscheidung. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Berührungsdetektionen (d. h. zwischen aufeinanderfolgenden Anregungssignalen) kann beispielsweise in der Größenordnung von 25 ps liegen. Der Zeitraum zwischen dem Auslösen eines Anregungssignals und eines nächsten Anregungssignals kann als Anregungsrahmen bezeichnet werden. Die Sensorschaltung 107 ist dazu eingerichtet, reflektierte Signale für jeden Anregungsrahmen zu analysieren, um eine Berührung/Keine-Berührung-Entscheidung auf einer Rahmen-für-Rahmen-Basis zu treffen.
Ein Anregungssignal kann ein kurzer Signalimpuls oder eine Pulsfolge sein, die aus mehreren kurzen Impulsen besteht (z. B. mit einer Dauer von etwa 100 ns bis zu etwa 1 ps). Ein Anregungssignal kann jede Form haben (z. B. rechteckig, sinusförmig, Gauß, eine Gaußsche Ableitung, usw.) oder kann ein Chirp-Signal sein, dessen Frequenz kontinuierlich von einer Startfrequenz zu einer Stoppfrequenz zunimmt oder abnimmt, beispielsweise unter Verwendung von linearer Frequenzmodulation. Somit kann ein Anregungssignal entweder eine feste (konstante) Frequenz oder eine sich ändernde (modulierte) Frequenz haben. In einer Pulsfolge können die Impulse dieselbe Frequenz oder unterschiedliche Frequenzen und/oder dieselbe Impulsdauer (d. h. Bandbreite) oder unterschiedliche Impulsdauern (d. h. Bandbreiten) aufweisen. Eine Signalamplitude der Anregungssignale ist ebenfalls konfigurierbar und kann zwischen Anregungssignalen variieren. Impulse einer Pulsfolge können eine konstante (feste) Amplitude oder variierte Amplituden haben. Eine Anzahl von Impulsen, die in einer Pulsfolge verwendet werden, ist auch unter Anregungssignalen konfigurierbar. Eine Pulsfrequenz (d. h. eine Periode zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen einer Pulsfolge) kann ebenfalls konfigurierbar sein und kann bei Anregungssignalen, die eine Pulsfolge aufweisen, unterschiedlich sein. Eine Pulsfolge, die Signal-Chirps aufweist, kann feste (konstante) Start- und Stoppfrequenzen zwischen Signal-Chirps haben, oder kann variable Start- und/oder Stoppfrequenzen zwischen Signal-Chirps haben. Die Signalchips können die gleiche Impulsdauer oder unterschiedliche Impulsdauern aufweisen.
Auf der Empfängerseite weist die Sensorschaltung 107 eine analoge Signalverarbeitungskette und eine digitale Signalverarbeitungskette auf, die beide eine oder mehrere optionale Komponenten aufweisen können. Die analoge Signalverarbeitungskette kann einen direkten Abwärtswandler und einen Tiefpassfilter als optionale Komponenten aufweisen. Der direkte Abwärtswandler kann jede Form von direkter Abwärtswandlung der reflektierten Ultraschallsignale 112 und 115 aufweisen. Beispielsweise können Quadrieren, Absolutwert, Gleichrichtung usw. zum Durchführen der direkten Abwärtswandlung verwendet werden. Analoge Schaltungsblöcke für eine solche Abwärtswandlungsverarbeitung können ein Multiplikator oder sogar nur eine Diode sein. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters sollte auf die Bandbreite des gesendeten Ultraschallsignals und die Bandbreite des Senders 105 abgestimmt werden. Beispielsweise könnte die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters auf 1 MHz oder 2 MHz eingestellt werden.
Die Sensorschaltung 107 weist einen Analog-Digital-Wandler (ADC) auf, der dazu eingerichtet ist, mehrere digitale Abtastwerte (d. h. Messproben) von den reflektierten Ultraschallsignalen 112 und 115 für jedes Ultraschall-Sendesignal zu erfassen und die digitalen Abtastwerte im Speicher zu speichern. Ein digitaler Prozessor ist dazu betreibbar, die in einem Beobachtungsfenster empfangenen digitalen Abtastwerte unter Verwendung des ausgewählten Berührungsdetektionsalgorithmus auszuwerten, um zu bestimmen, ob es ein Nichtberührungsereignis oder ein Berührungsereignis gibt, das dem Ultraschall-Sendesignal entspricht.
2 ist eine Draufsicht auf ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 erstreckt sich in zwei Dimensionen in dem Ultraschallport, um einen wesentlichen Bereich unter der Berührungsstruktur 102 abzudecken. Das Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 kann zwei oder mehr Sub-Arrays 201-204 aufweisen, die jeweils eine Teilmenge von Sende-Empfänger-Wandlern aufweisen. Einzelne Sende-Empfänger-Wandler des Arrays 200 sind als Sender, Empfänger oder Sende-Empfänger konfigurierbar. Diese Konfigurierbarkeit kann individuell (Wandler für Wandler), auf Sub-Array-Basis, oder auf einer anderen Basis eingestellt werden. Darüber hinaus können die Wandler in der Größe variieren, obwohl jeder Wandler im Wesentlichen gleich groß gezeigt ist. Beispielsweise können die Wandler des Sub-Arrays 201 größer sein als die Wandler des Sub-Arrays 202. Die Größe einer von einem einzelnen Wandler erzeugten akustischen Welle ist proportional zur Größe (d. h. der Membranfläche) dieses Wandlers.
Jeder Wandler des Arrays 200 ist separat durch die Sensorschaltung 107 steuerbar. Sie können einzeln als Sender erregt werden, allein oder in Kombination, und können einzeln, allein oder in Kombination, zum Empfangen eingerichtet sein. Wenn einer oder mehrere Sendewandler erregt werden, erzeugt jeder Wandler seine eigene Ultraschall-Sendewelle mit akustischer Apertur oder Strahlbreite (d. h. proportional zur Größe der Membran). Wenn zwei oder mehr Sendewandler gleichzeitig aktiviert werden, kombinieren sich ihre entsprechenden Ultraschall-Sendewellen entweder konstruktiv oder dekonstruktiv über konstruktive oder dekonstruktive Interferenz, um eine kombinierte (überlagerte oder zusammengesetzte) Ultraschall-Sendewelle zu erzeugen, die eine Hauptrichtungskeule und möglicherweise einen zusätzlichen Seitenlappen aufweist. Die einzelnen Wellenfronten können kugelförmig sein, aber sie können vor dem Array 200 kombinieren, um eine ebene Welle zu erzeugen, die ein Strahl von Ultraschallwellen ist, der sich in eine bestimmte Richtung ausbreitet. Die Senderichtung oder der Orientierungswinkel der Hauptrichtkeule soll der Ausbreitungsrichtung der ebenen Welle entsprechen. Wenn nur ein einziger Sendewandler aktiviert ist, entspricht die Hauptrichtkeule der einzelnen Wellenfront, die von diesem Sendewandler erzeugt wird.
Unabhängig davon, ob ein Sendewandler erregt wird oder mehrere Sendewandler erregt werden, weist die Hauptrichtkeule eine oder mehrere Richtcharakteristiken auf, die durch eine Steuerung angepasst werden können. Richtcharakteristiken der Hauptrichtkeule weisen Senderichtung, Ausrichtungswinkel, Größe der akustischen Apertur, Strahlbreite, Strahlhöhe usw. auf. Als Ergebnis können die Strahldimensionierung, Strahlformung und Strahllenkung durch eine Modulation der Aktivierung der Sendewandler realisiert werden, um die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals zu steuern. Das Ändern der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule ändert den Einfallsbereich der Hauptrichtkeule auf der Grenzfläche 114.
Eine Kontaktfläche bzw. Kontaktfleck bezieht sich auf den Bereich der Berührungsfläche 104, an dem ein Berührungsereignis auftritt. Die Größe der Kontaktfläche ist ein Bereich einer Impedanzänderung an der Berührungsgrenzfläche 114, die sich aus dem Berührungsereignis ergibt. Die Größe der Kontaktfläche ist proportional zu dem Betrag einer Kontaktkraft, die während eines Berührungsereignisses ausgeübt wird. Beispielsweise haben weniger kräftige Berührungen kleinere Kontaktflächen, wohingegen kräftigere Berührungen größere Kontaktflächen haben. Das Ändern der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule kann verwendet werden, um die Kanten einer Kontaktfläche zu detektieren, um ihre Größe zu bestimmen.
Insbesondere ist die Empfängerschaltung der Sensorschaltung 107 dazu eingerichtet, mindestens ein Messsignal zu empfangen, das von einem oder mehreren Empfangswandlern erzeugt wird, und zu bestimmen, ob ein Nichtberührungsereignis oder das Berührungsereignis an der Berührungsgrenzfläche 104 aufgetreten ist, basierend auf mindestens einem von dem Array 200 empfangenen Messsignal. Die Empfängerschaltung kann eine Signalamplitudenschwellenwertanalyse durch Vergleichen der Amplitude(n) des/der empfangenen Messsignals/e mit einem Schwellenwert durchführen, und bestimmen, basierend auf dem Vergleich, ob ein Berührungsereignis oder ein Nichtberührungsereignis aufgetreten ist. Zusätzlich ist die Empfängerschaltung der Sensorschaltung 107 dazu eingerichtet, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche 114 vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer während des Berührungsereignisses ausgeübten Kontaktkraft basierend auf der Größe der Kontaktfläche unter Verwendung eines Korrelationsalgorithmus zu bestimmen. Alternativ kann die Empfängerschaltung eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche 114 vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule bestimmen, und einen Betrag der während des Berührungsereignisses ausgeübten Kontaktkraft basierend auf der Größe der Kontaktfläche unter Verwendung eines Korrelationsalgorithmus bestimmen.
Die Sensorschaltung 107 weist ferner eine Steuerung (z. B. einen Mikrocontroller) auf, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik einer Hauptrichtkeule einer akustischen Welle zu steuern, indem selektiv ein oder mehrere Anregungssignale zum selektiven Anregen eines oder mehrerer Sendewandler erzeugt werden. Da jeder Sendewandler durch ein entsprechendes Anregungssignal erregt wird, um eine entsprechende Ultraschallwelle zu erzeugen, ermöglicht diese Konfigurierbarkeit der Steuerung, zu steuern, wie die Hauptrichtkeule gebildet wird, und wie sie auf die Grenzfläche 114 gerichtet wird, indem gesteuert wird, welche Sendewandler erregt werden und wie sie erregt werden.
3A und 3B veranschaulichen die Dimensionierung einer akustischen Apertur während eines Berührungsereignisses gemäß der einen oder den mehreren Ausführungsformen. In 3A wird eine kleine Kontaktkraft auf die Berührungsfläche 104 aufgebracht, was zu einer kleinen Kontaktfläche 120 an der Berührungsfläche führt. In diesem Beispiel werden 0,1 Newton (N) aufgebracht. Die Gesamtgröße oder -fläche der Kontaktfläche 120 ist relativ klein. Zusätzlich erzeugt das Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 eine Hauptrichtkeule 130, die mit mindestens einer Ultraschall-Sendewelle auf die Berührungsgrenzfläche 114 gerichtet ist. Hier hat die Hauptrichtkeule 130 eine schmale Strahlbreite W oder Strahlspreizung.
In 3B wird eine größere Kontaktkraft auf die Berührungsfläche 104 ausgeübt, was zu einer kleinen Kontaktfläche 120 an der Berührungsfläche führt. In diesem Beispiel werden 2 Newton (N) aufgebracht. Die Gesamtgröße oder -fläche der Kontaktfläche 120 ist relativ groß im Vergleich zu der Kontaktfläche, die in 3A gezeigt ist. Zusätzlich erzeugt das Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 eine Hauptrichtkeule 130, die mit mindestens einer Ultraschall-Sendewelle auf die Berührungsgrenzfläche 114 gerichtet ist. Hier hat die Hauptrichtkeule 130 eine größere Strahlbreite W oder Strahlspreizung.
Die 3A und 3B veranschaulichen ein Beispiel des Steuerns der akustischen Apertur der Hauptrichtkeule 130. Die Senderichtung bleibt vertikal, aber der Emissionsort der Hauptrichtkeule innerhalb des Arrays 200 kann geändert werden. Außerdem kann die Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 dynamisch oder halbstatisch geändert werden. Somit kann der Abdeckungsbereich oder Einfallsbereich der Hauptrichtkeule 130 an der Berührungsgrenzfläche 114 durch Modulieren der Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 geändert werden.
Die Strahlbreite W der Hauptrichtkeule 130 kann durch elektrische Aktivierung einer größeren oder kleineren Fläche von Sendewandlern 105 innerhalb des Arrays 200 gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Anzahl von Sendewandlern 105 erhöht werden, um die gesamte aktivierte Fläche des Arrays 200 zu vergrößern, oder die Anzahl von Sendewandlern 105 kann verringert werden, um die gesamte aktive Fläche des Arrays 200 zu verringern. Alternativ kann die Strahlbreite W der Hauptrichtkeule 130 durch Umschalten zwischen unterschiedlichen Größen von Sendewandlern 105 gesteuert werden, so dass größere Sendewandler 105 aktiviert werden, um die Strahlbreite W zu erhöhen, und kleinere Sendewandler 105 aktiviert werden, um die Strahlbreite W zu verringern. Natürlich können unterschiedliche Kombinationen von größeren und kleineren Sendewandlern aktiviert werden, um die Strahlbreite in unterschiedlichen Inkrementen abzustimmen.
Die Strahlbreite W kann auch moduliert werden, indem das Prinzip der konstruktiven und dekonstruktiven Interferenz verwendet wird, um eine zusammengesetzte Welle oder einen zusammengesetzten Strahl zu bilden. Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, dass sie die Strahlbreite der Hauptrichtkeule zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten umschaltet, indem selektiv ein Abstand aktiver Elemente zwischen aktivierten Sendewandlern geändert wird. Ein Abstand aktiver Elemente bezieht sich auf einen Abstand zwischen zwei erregten Sendewandlern 105. Es können ein oder mehrere inaktive Sendewandler 105 zwischen aktiven vorhanden sein. Ein inaktiver Sendewandler ist einer, der kein Anregungssignal empfängt.
Wenn zwei erregte Sendewandler 105 näher beieinander liegen, ist konstruktive Interferenz die dominierende Interferenz zwischen Ultraschallwellen, die von den zwei erregten Sendewandlern 105 erzeugt werden. Somit werden die Ultraschallwellen konstruktiv addiert, was zu einer breiteren Hauptrichtkeule führt. Wenn im Gegensatz dazu zwei erregte Sendewandler 105 weiter voneinander entfernt sind, ist dekonstruktive Interferenz die dominierende Interferenz zwischen Ultraschallwellen, die von den zwei erregten Sendewandlern 105 erzeugt werden. Somit werden die Ultraschallwellen dekonstruktiv addiert, was zu einer schmaleren Hauptrichtkeule führt. Als Ergebnis ist die Strahlbreite W der Hauptrichtkeule in einem umgekehrten Verhältnis zu dem Abstand des aktiven Elements zwischen den aktivierten Sendewandlern aufgrund von konstruktiver Interferenz und/oder dekonstruktiver Interferenz von mindestens zwei Ultraschall-Sendewellen, die die Hauptrichtkeule erzeugen.
Dieses Prinzip ist in 3C veranschaulicht, die drei Hauptrichtkeulen mit unterschiedlichen Strahlbreiten gemäß einer Variation des Abstands des aktiven Elements zeigt. Ein Abstand aktiver Elemente von 100 um zwischen aktivierten Sendewandlern erzeugt beispielsweise die schmalste Hauptrichtkeule 130-1, ein Abstand aktiver Elemente von 60 um erzeugt die breiteste Hauptrichtkeule 130-2, und ein Abstand aktiver Elemente von 80 um erzeugt eine Hauptrichtkeule 130-3 mit einer Strahlbreite dazwischen. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, in diesem Fall die Strahlbreite der Hauptrichtkeule zu modulieren, indem sie den Abstand des aktiven Elements entweder dynamisch oder halbstatisch ändert.
Die Steuerung ist dazu eingerichtet, die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule halbstatisch oder kontinuierlich so zu ändern, dass sich eine an der Berührungsgrenzfläche 114 befindliche empfindliche Stelle ändert, um die Kanten der Kontaktfläche zu überwachen. Die empfindliche Stelle ist eine Einfallsquerschnittsfläche der Hauptrichtkeule 130 auf der Berührungsgrenzfläche 114.
Darüber hinaus kann die Steuerung gleichzeitig unterschiedliche Gruppen von Sendewandlern innerhalb des Arrays 200 aktivieren, um gleichzeitig auf unterschiedliche Segmente der Berührungsgrenzfläche 114 abzuzielen. Jede Gruppe von Sendewandlern erzeugt eine entsprechende Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, so dass eine Mehrzahl von Hauptrichtwirkungen vorhanden sind. Die Gruppen können in jeder erdenklichen Größe eingerichtet sein und sich gegenseitig ausschließen. Dies kann nützlich sein, wenn ein Berührungsereignis überwacht wird, das irgendwo auf der Berührungsfläche 104 auftreten kann.
Zusammenfassend kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 durch Variieren einer Anzahl von aktivierten Sendewandlern innerhalb des Arrays von Sendewandlern 200 anzupassen. Die Steuerung kann eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten umschalten oder hin- und herschalten durch selektives Aktivieren unterschiedlicher Anzahlen von Sendewandlern. Zusätzlich oder alternativ ist die Steuerung dazu eingerichtet, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten umzuschalten, indem sie selektiv einen Abstand aktiver Elemente zwischen aktivierten Sendewandlern ändert, wobei die Strahlbreite in einem umgekehrten Verhältnis zu dem Abstand zwischen den aktivierten Sendewandlern ist, aufgrund von konstruktiver Interferenz und/oder dekonstruktiver Interferenz von mindestens zwei Ultraschall-Sendewellen, die die Hauptrichtkeule erzeugen. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, die Hauptrichtkeule auf unterschiedliche Bereiche der Berührungsgrenzfläche 114 zu richten, indem selektiv unterschiedliche Gruppen von Sendewandlern aktiviert werden, wobei sich die unterschiedlichen Gruppen von Sendewandlern in Bereichen des Arrays von Sendewandlern 200 befinden. Zusätzlich oder alternativ kann das Array von Sendewandlern 200 Sendewandler 105 mit einer Mehrzahl von Größen aufweisen, und die Steuerung ist dazu eingerichtet, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule durch selektives Aktivieren der Sendewandler basierend auf den Größen anzupassen.
Die Empfängerschaltung der Sensorschaltung 107 misst die Stärke des zusammengesetzten Empfangssignals. Die Empfängerschaltung ist dazu eingerichtet, die Größe der Kontaktfläche 120 durch kontinuierliches Variieren der Richtcharakteristikparameter der Hauptrichtkeule 130 zu messen, die zusammengesetzte empfangene Signalstärke sowohl mit einem Berührungsereignisschwellenwert zu vergleichen, um Berührungsereignisse zu detektieren, als auch mit der zusammengesetzten empfangenen Signalstärke der bisherigen Strahleinstellung. Wenn beispielsweise die Strahlbreite im Vergleich zu einer zweiten Messung vergrößert ist, sich aber die Stärke des zusammengesetzten empfangenen Signals im Vergleich zu der zweiten Messung nicht ändert, bedeutet dies, dass die Kanten der Kontaktfläche 120 die aktuelle Strahlbreite erreicht haben. Wenn jedoch die zusammengesetzte empfangene Signalstärke zunimmt, wenn die Strahlbreite vergrößert wird, sind die Kanten der Kontaktfläche 120 möglicherweise noch nicht erreicht worden. Somit wird eine weitere Vergrößerung der Strahlbreite durchgeführt, und die zusammengesetzte empfangene Signalstärke wird untersucht, bis es keine Änderung zwischen einer zusammengesetzten empfangenen Signalstärke einer aktuellen Messung und derjenigen einer ersten Messung gibt. Die Empfängerschaltung kann somit die Größe der Kontaktfläche 120 aus der Strahlbreite ableiten, was zu keiner Erhöhung der Stärke des zusammengesetzten empfangenen Signals führt. Die zusammengesetzte empfangene Signalstärke ist eine Summe aller Messsignale von einer selben Empfangswelle, die einen Amplitudenschwellenwert überschreiten, der zum Detektieren eines Berührungsereignisses oder eines Vorhandenseins einer Kontaktfläche 120 verwendet wird.
Das Array von Sendewandlern 200 ist dazu eingerichtet, eine erste Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine erste Hauptrichtkeule mit einer ersten Richtcharakteristik aufweist, und eine zweite Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine zweite Hauptrichtkeule mit einer zweiten Richtcharakteristik aufweist, die sich von der ersten Richtcharakteristik unterscheidet. Die erste Ultraschall-Sendewelle und die zweite Ultraschall-Sendewelle können zeitlich aufeinanderfolgend sein (z. B. in benachbarten Anregungsrahmen gesendet werden) oder Teil einer Folge von Messungen sein, die dazu bestimmt sind, eine Größe einer detektierten Kontaktfläche 120 zu unterscheiden. Beispielsweise kann eine Kontaktfläche anfänglich über ein detektiertes Berührungsereignis detektiert werden, und es können zusätzliche Strahlen an der detektierten Kontaktfläche als eine Folge von Messungen übertragen werden, die dazu bestimmt sind, die Größe der detektierten Kontaktfläche 120 zu unterscheiden. Dementsprechend kann, indem die Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 geändert wird, das Array 200 mit Strahlen unterschiedlicher Größe auf eine Stelle an der Berührungsgrenzfläche 114 zielen, um die Kanten einer Kontaktfläche 120 zu unterscheiden und/oder eine Größe einer Kontaktfläche 120 zu berechnen.
Zu diesem Zweck ist das Array von Empfangswandlern 200 dazu eingerichtet, eine erste reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der ersten Hauptrichtkeule 130 an der Berührungsgrenzfläche 114 erzeugt wird, und die erste reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein erstes Messsignal umzuwandeln. Das Array von Empfangswandlern 200 ist dazu eingerichtet, eine zweite reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der zweiten Hauptrichtkeule 130 an der Berührungsgrenzfläche 114 erzeugt wird, und die zweite reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein zweites Messsignal umzuwandeln. Die Empfängerschaltung ist dazu eingerichtet, eine erste zusammengesetzte Empfangssignalstärke des mindestens einen ersten Messsignals mit einer zweiten zusammengesetzten Empfangssignalstärke des mindestens einen zweiten Messsignals zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, und die Kanten der Kontaktfläche basierend auf dem Vergleichsergebnis die erste Richtcharakteristik und die zweite Richtcharakteristik zu detektieren.
Die Empfängerschaltung ist dazu eingerichtet, jedes Messsignals mit einem Amplitudenschwellenwert zu vergleichen, der das Berührungsereignis angibt, um ein Berührungsereignis zu detektieren, oder die zusammengesetzte empfangene Signalstärke mit einem Amplitudenschwellenwert zu vergleichen, der das Berührungsereignis angibt, um ein Berührungsereignis zu detektieren. Sobald ein Berührungsereignis detektiert wird, kann die Empfängerschaltung versuchen, eine Größe der detektierten Kontaktfläche zu bestimmen, indem sie die Kanten der Kontaktfläche basierend auf einer zusammengesetzten empfangenen Signalstärke der Messsignale (z. B. einer aufsummierten Signalstärke der Messsignale, die den Amplitudenschwellenwert überschreiten) und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule detektiert, und die Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten bestimmt. Beispielsweise werden die Messsignale, die den Amplitudenschwellenwert überschreiten, aufsummiert, um eine zusammengesetzte empfangene Signalstärke der Messsignale zu berechnen.
Zusätzlich zum Steuern der akustischen Apertur oder Strahlbreite der oben diskutierten Hauptrichtkeule können Ausführungsformen auch Strahlformung und Strahllenkung verwenden, um die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu ändern, die die Größe einer Kontaktfläche 120 bestimmen. 4 veranschaulicht ein Beispiel des Steuerns einer Senderichtung oder eines Orientierungswinkels der Hauptrichtkeule 130. Dieses Merkmal kann verwendet werden, um einen Abtastvorgang zum Detektieren eines Vorhandenseins einer Kontaktfläche (d. h. zum Detektieren eines Berührungsereignisses) und zum Bestimmen der Größe der Kontaktfläche durchzuführen. Die Steuerung kann das Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 als ein phasengesteuertes Sender-Array konfigurieren, indem sie gleichzeitig eine Mehrzahl von Sendewandlern 105 in dem Array 200 aktiviert, um ein phasengesteuertes Sender-Array zu bilden. Dieses Merkmal kann separat oder in Kombination mit der akustischen Apertursteuerung verwendet werden.
Die Steuerung kann die Anregungssignale für ausgewählte Sendewandler 105 so steuern, dass sie eine vorbestimmte Phasenbeziehung zueinander aufweisen, um die Hauptrichtkeule in einer gewünschten Senderichtung zu bilden. Beispielsweise kann die Steuerung dazu eingerichtet sein, entsprechende Anregungssignale für eine Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen. Die entsprechenden Anregungssignale haben zueinander eine differentielle Phasenbeziehung Δφ. Beispielsweise kann jeder Sendewandler 105 mit einem Phasenschieber (φ) gekoppelt sein, der von der Steuerung gesteuert wird. Jeder Phasenschieber kann ein Anregungssignal empfangen, eine dazu eingerichtete Phasenverschiebung auf das Anregungssignal anwenden, und ein phasenverschobenes Anregungssignal an seinen entsprechenden Sendewandler liefern, um den Sendewandler anzuregen. Jede angewendete Phasenverschiebung kann ein Vielfaches einer vorkonfigurierten Phasendifferenz (z. B. 0, Δφ, 2Δφ, 3Δφ usw.) sein, so dass benachbarte Sendewandler 105 in Bezug zueinander um die vorkonfigurierte Phasendifferenz Δφ phasenverschoben sind.
Der Orientierungswinkel der maximalen Emission (d. h. der Hauptrichtkeule) verschiebt sich mit zunehmender Phasendifferenz Δφ. Die Emissionsspitzenhöhe der Hauptrichtkeule 130 nimmt auch mit zunehmender Phasendifferenz ab. Somit ändert sich mit der Modulation der Phasendifferenz auch die Größe des empfindlichen Flecks an der Berührungsgrenzfläche 114, da sich die Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130 ändert, wenn sich ihre Emissionsspitzenhöhe ändert. Dementsprechend ist die Steuerung dazu eingerichtet, einen Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 durch Einstellen der differentiellen Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen anzupassen. Zusätzlich ist die Steuerung dazu eingerichtet, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130, die auf die Berührungsgrenzfläche 114 einfällt, anzupassen, indem die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen angepasst wird. Die Steuerung kann die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anpassen, um die Strahlbreite der Hauptrichtkeule 130, die auf die Berührungsgrenzfläche 114 einfällt, dynamisch anzupassen, so dass die Hauptrichtkeule 130 auf unterschiedlich große Bereiche der Berührungsgrenzfläche 114 fällt.
In einer Konfiguration ist die Steuerung dazu eingerichtet, die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule 130 die Berührungsgrenzfläche 114 abtastet. Die Steuerung kann die Phasenschieber verwenden, die mit jedem Sendewandler 105 verbunden sind, um die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch und kontinuierlich anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 kontinuierlich zu drehen.
Alternativ kann der Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 geändert werden, indem die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale angepasst wird, während ihre Phasen bei einer konstanten Phasenverschiebung Δφ relativ zueinander gehalten werden. In diesem Fall ändert sich der Strahl mit der Hauptrichtkeule 130 gleichzeitig mit einer Änderung des Abstrahlwinkels der Hauptrichtkeule 130. Die Frequenzen der entsprechenden Anregungssignale bleiben während der Frequenzverschiebung gleich. Der Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 verschiebt sich mit einer Änderung der Frequenz aufgrund der konstanten Phasenverschiebung Δφ. Somit kann die Steuerung die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch anpassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule die Berührungsgrenzfläche 114 abtastet. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, die Phasen der entsprechenden Anregungssignale so zu halten, dass sie eine konstante Phasenverschiebung relativ zueinander aufzuweisen, während die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch angepasst wird, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule 130 zu drehen.
Die Steuerung kann eine Strahlabtastung verwenden, um einen Bereich der Berührungsgrenzfläche 114 nach einem Berührungsereignis (d. h. einer Kontaktfläche) abzutasten. Die Empfängerschaltung ist beispielsweise dazu dazu eingerichtet, die zusammengesetzte empfangene Signalstärke mit einem Amplitudenschwellenwert zu vergleichen, der einem Berührungsereignis entspricht, und ein Berührungsereignis zu detektieren, wenn die zusammengesetzte empfangene Signalstärke die Amplitudenschwelle überschreitet. Sobald ein Berührungsereignis detektiert wird, können die Kanten der Kontaktfläche 120 detektiert werden, indem die Richtwirkungsparameter der Hauptrichtwirkungskeule 130 geändert werden und die zusammengesetzte empfangene Signalstärke, die über mehrere Messungen hinweg genommen wurde, verglichen wird.
5 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm des Ultraschall-Berührungssensors 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der Ultraschall-Berührungssensor 100 weist die Sensorschaltung 107 auf, die sowohl analoge als auch digitale Bereiche aufweist, ein Array von Sendewandlern, Ausbreitungskanäle, die sowohl das Kopplungsmedium 109 als auch die Berührungsstruktur 102 aufweisen, einschließlich der Grenzflächen 110 und 114, und ein Array von Empfangswandlern. Wie oben erwähnt, können das Array von Sendewandlern und das Array von Empfangswandlern separate Arrays sein oder in einem Array von Sende-Empfänger-Wandlern 200 kombiniert sein. Zusammen bilden ein oder mehrere Sendewandler 105 einen Ausbreitungskanal, und einer oder mehrere Empfangswandler 106 machen den äquivalenten Ultraschallkanal eines Ultraschallsignals aus.
Eine Berührung der Berührungsfläche 104 (d. h. ein Berührungsereignis) ändert eine Eigenschaft des Ultraschallkanals, und insbesondere eine Eigenschaft des Ausbreitungskanals.
Die Sensorschaltung 107 weist einen Signalgenerator 501 auf, der ein Anregungssignal erzeugt und das Anregungssignal an einen oder mehrere optionale Phasenschieber 502 sendet, die dazu eingerichtet sind, eine Phasenverschiebung gemäß einer durch die Steuerung 506 eingestellten Phasenverschiebungseinstellung anzuwenden. Beachte, dass die akustische Apertursteuerung mit oder ohne die Phasenschieber 502 durchgeführt werden kann. Die Phasenverschiebungen der Phasenschieber 502 können so eingestellt werden, dass sie gleich sind, oder sie können mit einer differentiellen Phasenbeziehung (z. B. einer vorkonfigurierten Phasendifferenz Δφ) dazwischen eingestellt werden, die von der gewünschten Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule 130 abhängig ist.
Die Sensorschaltung 107 kann optional Leistungsverstärker 503 mit einstellbaren Verstärkungseinstellungen g aufweisen, die von der Steuerung 506 gesteuert werden. Jeder Leistungsverstärker 503 kann mit einem anderen Sendewandler 105 gekoppelt sein, und kann dazu verwendet werden, selektiv seinen entsprechenden Sendewandler 105 zum Senden zu aktivieren. Beispielsweise stellt eine Verstärkungseinstellung von null sicher, dass die Leistung jedes Anregungssignals, das einem Sendewandler 105 zugeführt wird, null ist. Dies deaktiviert diesen Sendewandler 105 effektiv, so dass er keine Ultraschall-Sendewelle sendet. Die Steuerung 506 kann die Verstärkungen jedes Leistungsverstärkers 503 steuern, um die Sendewandler 105 in dem Array selektiv zu aktivieren oder zu deaktivieren. Alternativ könnten die Leistungsverstärker 503 durch einen Multiplexer ersetzt werden, der Anregungssignale selektiv mit entsprechenden Sendewandlern 105 koppelt und entkoppelt.
Ein Sendewandler 105 erzeugt wiederum ein Ultraschall-Sendesignal zur Sendung entlang des Ausbreitungskanals basierend auf einem Anregungssignal. Einer oder mehrere Empfangswandler 106 empfangen das Ultraschall-Sendesignal 111 als ein reflektiertes Ultraschallsignal 115. Die Empfangswandler 106 senden die empfangenen Signale an die Verarbeitungsschaltung der Sensorschaltung 107 als Messsignale zur Analyse.
Die Verarbeitungsschaltung der Sensorschaltung 107 weist einen Mehrbit-ADC 504 auf, der das Analogsignal in einen Mehrbit-Digitalcode oder einen Digitalwert umwandelt und das Digitalsignal an eine Verarbeitungsschaltung 505 (z. B. einen DSP) sendet. Die Verarbeitungsschaltung 505 wertet die digitalen Signale zum Detektieren von Berührungsereignissen (Kontaktflächen) aus, indem sie die digitalen Signale von jedem Empfangswandler 106 mit einem Amplitudenschwellenwert vergleicht, der einem Berührungsereignis entspricht. Die Verarbeitungsschaltung 505 detektiert ein Berührungsereignis, wenn eines der digitalen Signale die Amplitudenschwelle überschreitet. Alternativ kann die Verarbeitungsschaltung 505 eine zusammengesetzte empfangene Signalstärke des digitalen Signals mit einem Amplitudenschwellenwert vergleichen, der einem Berührungsereignis entspricht, und ein Berührungsereignis detektieren, wenn die zusammengesetzte empfangene Signalstärke den Amplitudenschwellenwert überschreitet.
Wenn ein Berührungsereignis detektiert wird, kann die Verarbeitungsschaltung 505 ein Detektionssignal an die Steuerung 506 senden, um der Steuerung 506 mitzuteilen, dass eine Kontaktfläche detektiert wurde. Das Detektionssignal kann zusätzliche Informationen aufweisen, wie beispielsweise eine ungefähre Position der Kontaktfläche. Als Reaktion auf den Empfang des Detektionssignals kann die Steuerung 506 die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule 130 ändern, um die Größe der Kontaktfläche zu bestimmen. Die Steuerung 506 kann die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule 130 zwei- oder mehrmals ändern oder eine Strahlschwenkung durchführen, um die Kanten der Kontaktfläche zu lokalisieren.
Die Steuerung 506 kann die Hauptrichtkeule 130 auf einen benachbarten Bereich der ungefähren Position der Kontaktfläche, die in dem Detektionssignal angegeben ist, fokussieren. Die Steuerung 506 kann eine Frequenz des Anregungssignals durch Steuern einer Frequenzverschiebung Δf des Signalgenerators steuern, eine Phasenverschiebung Δφ der Phasenschieber steuern, und/oder eine Aktivierung und Deaktivierung der einzelnen Sendewandler 105 durch Steuern der Verstärkungseinstellungen der Leistungsverstärker 503 steuern, um die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule 130 zu steuern. Die Steuerung 506 kann auch die auf einen bestimmten Bereich der Berührungsgrenzfläche 114 gerichtete übertragene Leistung verringern oder erhöhen, indem sie die Verstärkungseinstellungen der Leistungsverstärker 503 ausgewählter Sendewandler 105 steuert.
Die Verarbeitungsschaltung 505 ist dazu eingerichtet, die Signalamplituden aller digitalen Signale aufzusummieren, um eine zusammengesetzte empfangene Signalstärke zu erzeugen. Die Verarbeitungsschaltung 505 ist ferner dazu eingerichtet, die Kanten der Kontaktfläche 120 zu detektieren, indem sie die zusammengesetzte Empfangssignalstärke vergleicht, die über mehrere Messungen hinweg genommen wird, die mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken der Hauptrichtkeule 130 erfasst werden. Die Verarbeitungsschaltung 505 ist dazu eingerichtet, eine erste zusammengesetzte empfangene Signalstärke des mindestens einen ersten Messsignals mit einer zweiten zusammengesetzten empfangenen Signalstärke des mindestens einen zweiten Messsignals zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, und die Kanten der Kontaktfläche basierend auf dem Vergleichsergebnis, der ersten Richtcharakteristik und der zweiten Richtcharakteristik zu detektieren. Somit sind die Steuerung 506 und die Verarbeitungsschaltung 505 dazu eingerichtet, die Größe der Kontaktfläche 120 durch Variieren der Richtcharakteristikparameter der Hauptrichtkeule 130 und Vergleichen der empfangenen Signalstärke des zusammengesetzten Signals mit der empfangenen Signalstärke des zusammengesetzten Signals von einer oder mehreren vorherigen Strahleinstellungen zu messen, um die Größe der Kontaktfläche 120 zu bestimmen. Sobald die Verarbeitungsschaltung 505 die Größe der Kontaktfläche 120 bestimmt hat, bestimmt der Verarbeitungsschaltkreis 505 einen Betrag der während des Berührungsereignisses ausgeübten Kontaktkraft basierend auf der Größe der Kontaktfläche unter Verwendung eines Korrelationsalgorithmus.
Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung, ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Ferner versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer Vorgänge oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden kann, dass sie nur innerhalb der spezifizierten Reihenfolge liegen. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Handlungen oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, es sei denn, diese Vorgänge oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen ein einzelner Vorgang mehrere Teilvorgänge aufweisen oder in diese unterteilt sein. Solche Teilvorgänge können eingeschlossen und Teil der Offenlegung dieses einzelnen Vorgangs sein, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen werden.
Darüber hinaus veranschaulichen die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der Offenbarung. Es versteht sich daher, dass Fachleute verschiedene Anordnungen konzipieren können, die, obwohl sie hierin nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Offenbarung verkörpern können und in ihrem Geist und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle hier angeführten Beispiele im Prinzip ausdrücklich nur zu didaktischen Zwecken dienen, um das Verständnis der Prinzipien der Offenbarung und der Konzepte, die zur Förderung des Standes der Technik beigetragen haben, zu unterstützen, und sind ohne Beschränkung auf solche spezifisch angeführten Beispiele und Bedingungen auszulegen. Darüber hinaus sollen alle Aussagen hierin, die durch Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Offenbarung angeführt werden, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon umfassen. Somit versteht es sich, dass Modifizierungen und Variationen der Anordnungen und der hierin beschriebenen Details Fachleuten offensichtlich sein werden.
Darüber hinaus werden die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als ein separates Ausführungsbeispiel stehen kann. Während jeder Anspruch für sich allein als separate beispielhafte Ausführungsform stehen kann, ist anzumerken, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere beispielhafte Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs aufweisen können. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, sofern nicht angegeben wird, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus sollen Merkmale eines Anspruchs auch in jeden anderen unabhängigen Anspruch aufgenommen werden, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Insbesondere werden hierin die folgenden BEISPIELE offenbart:

BEISPIEL 1. Ein Berührungssensor, aufweisend:
- ein Gehäuse mit einem Ultraschallport;
- eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist;
- ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird;
- ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt;
- eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und
- eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
BEISPIEL 2. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Empfängerschaltung dazu eingerichtet ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu bestimmen, ob ein Nichtberührungsereignis oder das Berührungsereignis an der Berührungsgrenzfläche aufgetreten ist.
BEISPIEL3. Der Berührungssensor von BEISPIEL 2, wobei sich eine Eigenschaft eines Ausbreitungswegs als Reaktion auf das Berührungsereignis ändert, das eine Eigenschaft der reflektierten Ultraschallwelle ändert.
BEISPIEL 4. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Ausrichtungswinkel der Hauptrichtkeule durch Aktivieren von mindestens zwei Sendewandlern anzupassen.
BEISPIEL 5. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Ausrichtungswinkel der Hauptrichtkeule durch Variieren einer Anzahl von aktivierten Sendewandlern innerhalb des Arrays von Sendewandlern anzupassen.
BEISPIEL 6. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule durch Variieren einer Anzahl von aktivierten Sendewandlern innerhalb des Arrays von Sendewandlern anzupassen.
BEISPIEL 7. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten durch selektives Aktivieren von unterschiedlichen Anzahlen von Sendewandlern umzuschalten.
BEISPIEL 8. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten umzuschalten durch selektives Ändern eines Abstands aktiver Elemente zwischen aktivierten Sendewandlern.
BEISPIEL 9. Der Berührungssensor von BEISPIEL 8, wobei die Strahlbreite in einem umgekehrten Verhältnis zu dem Abstand aktiver Elemente zwischen den aktivierten Sendewandlern ist aufgrund mindestens eines von konstruktiver Interferenz und/oder destruktiver Interferenz von mindestens zwei Ultraschall-Sendewellen, die die Hauptrichtkeule erzeugen.
BEISPIEL 10. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Hauptrichtkeule durch selektives Aktivieren unterschiedlicher Gruppen von Sendewandlern auf unterschiedliche Bereiche der Berührungsgrenzfläche zu richten, wobei sich die unterschiedlichen Gruppen von Sendewandlern in unterschiedlichen Bereichen des Arrays von Sendewandlern befinden.
BEISPIEL 11. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei das Array von Sendewandlern Sendewandler mit einer Mehrzahl von Größen aufweist, und die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule durch selektives Aktivieren der Sendewandler basierend auf der Mehrzahl von Größen anzupassen.
BEISPIEL 12. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Sendewandlern in dem Array von Sendewandlern gleichzeitig zu aktivieren, um ein phasengesteuertes Senderarray zu bilden.
BEISPIEL 13. Der Berührungssensor von BEISPIEL 12, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die entsprechenden Anregungssignale eine differentielle Phasenbeziehung aufweisen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule anzupassen durch Anpassen der differentiellen Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen.
BEISPIEL 14. Der Berührungssensor von BEISPIEL 13, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule die Berührungsgrenzfläche abtastet.
BEISPIEL 15. Der Berührungssensor von BEISPIEL 14, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch und kontinuierlich anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule kontinuierlich zu drehen.
BEISPIEL 16. Der Berührungssensor von BEISPIEL 12, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule anzupassen durch Anpassen einer Frequenz der entsprechenden Anregungssignale.
BEISPIEL 17. Der Berührungssensor von BEISPIEL 16, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule die Berührungsgrenzfläche abtastet.
BEISPIEL 18. Der Berührungssensor von BEISPIEL 17, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, Phasen der entsprechenden Anregungssignale so zu halten, dass sie eine konstante Phasenverschiebung relativ zueinander haben, während die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch angepasst wird, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule zu drehen.
BEISPIEL 19. Der Berührungssensor von BEISPIEL 18, wobei sich eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule gleichzeitig mit einer Änderung des Abstrahlwinkels der Hauptrichtkeule ändert.
BEISPIEL 20. Der Berührungssensor von BEISPIEL 12, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die entsprechenden Anregungssignale eine differentielle Phasenbeziehung aufweisen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche einfällt, durch Anpassen der differentiellen Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen anzupassen.
BEISPIEL 21. Der Berührungssensor von BEISPIEL 20, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anzupassen, um die Strahlbreite der Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche einfällt, dynamisch so anzupassen, dass die Hauptrichtkeule auf unterschiedlich großen Flächen der Berührungsgrenzfläche einfällt.
BEISPIEL 22. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, gleichzeitig unterschiedliche Gruppen von Sendewandlern zu aktivieren, wobei jede Gruppe von Sendewandlern eine entsprechende Hauptrichtkeule erzeugt, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, so dass eine Mehrzahl von Hauptrichtkeulen gleichzeitig gebildet werden.
BEISPIEL 23. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei:
- die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule halbstatisch oder dynamisch zu ändern, so dass sich eine an der Berührungsgrenzfläche befindliche empfindliche Stelle ändert, um die Kanten der Kontaktfläche zu überwachen, wobei die empfindliche Stelle eine Einfallsquerschnittsfläche der Hauptrichtkeule auf der Berührungsgrenzfläche ist.
BEISPIEL 24. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei:
- das Array von Sendewandlern dazu eingerichtet ist, eine erste Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine erste Hauptrichtkeule mit einer ersten Richtcharakteristik aufweist, und eine zweite Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine zweite Hauptrichtkeule mit einer zweiten Richtcharakteristik aufweist, die sich von der ersten Richtcharakteristik unterscheidet,
- das Array von Empfangswandlern dazu eingerichtet ist, eine erste reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der ersten Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die erste reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein erstes Messsignal umzuwandeln,
- das Array von Empfangswandlern dazu eingerichtet ist, eine zweite reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der zweiten Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die zweite reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein zweites Messsignal umzuwandeln, und
- die Empfängerschaltung dazu eingerichtet ist, eine erste zusammengesetzte empfangene Signalstärke des mindestens einen ersten Messsignals mit einer zweiten zusammengesetzten empfangenen Signalstärke des mindestens einen zweiten Messsignals zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, und die Kanten der Kontaktfläche basierend auf dem Vergleichsergebnis der ersten Richtcharakteristik und der zweiten Richtcharakteristik zu detektieren.
BEISPIEL 25. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei die Empfängerschaltung dazu eingerichtet ist, jedes des mindestens einen Messsignals mit einem Amplitudenschwellenwert, der das Berührungsereignis angibt, zu vergleichen, die Kanten der Kontaktfläche basierend auf einer zusammengesetzten empfangenen Signalstärke des mindestens einen Messsignals und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu detektieren, und die Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen.
BEISPIEL 26. Der Berührungssensor von BEISPIEL 1, wobei der Betrag der Kontaktkraft proportional zu der Größe der Kontaktfläche ist.
BEISPIEL 27. Der Berührungssensor von BEISPIEL 26, wobei die Größe der Kontaktfläche eine Impedanzänderungsfläche an der Berührungsgrenzfläche ist, die sich aus dem Berührungsereignis ergibt.
BEISPIEL 28. Ein Berührungssensor, aufweisend:
- ein Gehäuse mit einem Ultraschallport;
- eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist;
- ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird,
- wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln;
- eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und
- eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
BEISPIEL 29. Ein Berührungssensor, aufweisend:
- ein Gehäuse mit einem Ultraschallport;
- eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist;
- ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird;
- ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt;
- eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und
- eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
BEISPIEL 30. Berührungssensor, aufweisend:
- ein Gehäuse mit einem Ultraschallport;
- eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist;
- ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine Hauptrichtkeule, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird,
- wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln;
- eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und
- eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.

Claims

Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule erzeugt wird; ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wurde, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer während des Berührungsereignisses ausgeübten Kontaktkraft basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
Berührungssensor nach Anspruch 1, wobei die Empfängerschaltung dazu eingerichtet ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu bestimmen, ob ein Nichtberührungsereignis oder das Berührungsereignis an der Berührungsgrenzfläche aufgetreten ist.
Berührungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Eigenschaft eines Ausbreitungswegs ändert als Reaktion auf das Berührungsereignis, das eine Eigenschaft der reflektierten Ultraschallwelle ändert.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Ausrichtungswinkel der Hauptrichtkeule anzupassen durch mindestens eines von Aktivieren von mindestens zwei Sendewandlern, und Variieren einer Anzahl von aktivierten Sendewandlern innerhalb des Arrays von Sendewandlern.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule durch Variieren einer Anzahl von aktivierten Sendewandlern innerhalb des Arrays von Sendewandlern anzupassen.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Strahlbreiten umzuschalten durch mindestens eines von selektivem Aktivieren unterschiedlicher Anzahlen von Sendewandlern; und selektivem Ändern eines Abstands aktiver Elemente zwischen aktivierten Sendewandlern.
Berührungssensor nach Anspruch 6, wobei die Strahlbreite in einem umgekehrten Verhältnis zu dem Abstand aktiver Elemente zwischen den aktivierten Sendewandlern ist aufgrund mindestens eines von konstruktiver Interferenz und/oder destruktiver Interferenz von mindestens zwei Ultraschall-Sendewellen, die die Hauptrichtkeule erzeugen.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Hauptrichtkeule auf unterschiedliche Bereiche der Berührungsgrenzfläche zu richten durch selektives Aktivieren unterschiedlicher Gruppen von Sendewandlern, wobei die unterschiedlichen Gruppen von Sendewandlern sich in unterschiedlichen Bereichen des Arrays von Sendewandlern befinden.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Array von Sendewandlern Sendewandler mit einer Mehrzahl von Größen aufweist und die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule durch selektives Aktivieren der Sendewandler basierend auf der Vielzahl von Größen anzupassen.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Sendewandlern in dem Array von Sendewandlern gleichzeitig zu aktivieren, um ein phasengesteuertes Senderarray zu bilden.
Berührungssensor nach Anspruch 10, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die entsprechenden Anregungssignale eine differentielle Phasenbeziehung aufweisen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel der Hauptrichtungskeule anzupassen durch Anpassen der differentiellen Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen, besonders um die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule die Berührungsgrenzfläche abtastet, ganz besonders um die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch und kontinuierlich anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule kontinuierlich zu drehen.
Berührungssensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, einen Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule anzupassen durch Anpassen einer Frequenz der entsprechenden Anregungssignale, besonders um die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch anzupassen, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule so zu drehen, dass die Hauptrichtkeule die Berührungsgrenzfläche abtastet, ganz besonders um Phasen der entsprechenden Anregungssignale so zu halten, dass sie eine konstante Phasenverschiebung relativ zueinander zu haben, während die Frequenz der entsprechenden Anregungssignale dynamisch angepasst wird, um den Abstrahlwinkel der Hauptrichtkeule zu drehen.
Berührungssensor nach Anspruch 12, wobei sich eine Strahlbreite der Hauptrichtkeule gleichzeitig mit einer Änderung des Abstrahlwinkels der Hauptrichtkeule ändert.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, entsprechende Anregungssignale für die Mehrzahl von Sendewandlern zu erzeugen, wobei die entsprechenden Anregungssignale eine differentielle Phasenbeziehung aufweisen, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, eine Strahlbreite der auf die Berührungsgrenzfläche einfallenden Hauptrichtkeule anzupassen durch Anpassen der differentiellen Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen, besonders um die differentielle Phasenbeziehung zwischen den entsprechenden Anregungssignalen dynamisch anzupassen, um die Strahlbreite der Hauptrichtkeule, die dynamisch an der Berührungsgrenzfläche einfällt, anzupassen, so dass die Hauptrichtkeule auf unterschiedlich großen Flächen der Berührungsgrenzfläche einfällt.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, unterschiedliche Gruppen von Sendewandlern gleichzeitig zu aktivieren, wobei jede Gruppe von Sendewandlern eine entsprechende Hauptrichtkeule erzeugt, die auf die Berührungsgrenzfläche gerichtet ist, so dass eine Mehrzahl von Hauptrichtkeulen gleichzeitig gebildet werden.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei: die Steuerung dazu eingerichtet ist, die Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule halbstatisch oder dynamisch zu ändern, so dass sich eine an der Berührungsgrenzfläche befindliche empfindliche Stelle ändert, um die Kanten der Kontaktfläche zu überwachen, wobei die empfindliche Stelle eine Einfallsquerschnittsfläche der Hauptrichtkeule auf der Berührungsgrenzfläche ist.
Berührungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei: das Array von Sendewandlern dazu eingerichtet ist, eine erste Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine erste Hauptrichtkeule mit einer ersten Richtcharakteristik aufweist, und eine zweite Ultraschall-Sendewelle zu senden, die eine zweite Hauptrichtkeule mit einer zweiten Richtcharakteristik aufweist, die sich von der ersten Richtcharakteristik unterscheidet, das Array von Empfangswandlern dazu eingerichtet ist, eine erste reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der ersten Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die erste reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein erstes Messsignal umzuwandeln, das Array von Empfangswandlern dazu eingerichtet ist, eine zweite reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der zweiten Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die zweite reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein zweites Messsignal umzuwandeln, und die Empfängerschaltung dazu eingerichtet ist, eine erste zusammengesetzte empfangene Signalstärke des mindestens einen ersten Messsignals mit einer zweiten zusammengesetzten empfangenen Signalstärke des mindestens einen zweiten Messsignals zu vergleichen, um ein Vergleichsergebnis zu erzeugen, und die Kanten der Kontaktfläche basierend auf dem Vergleichsergebnis der ersten Richtcharakteristik und der zweiten Richtcharakteristik zu detektieren.
Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird, wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, Kanten einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal zu detektieren, eine Größe der Kontaktfläche basierend auf den detektierten Kanten zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses ausgeübt wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sendewandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sendewandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird; ein Array von Empfangswandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind und akustisch mit dem Array von Sendewandlern gekoppelt sind, wobei das Array von Empfangswandlern eine reflektierte Ultraschallwelle empfängt, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umwandelt; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sendewandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.
Berührungssensor, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Ultraschallport; eine Berührungsstruktur, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist und über dem Ultraschallport angeordnet ist, so dass der Ultraschallport ein umschlossenes Innenvolumen bildet, wobei die Berührungsstruktur eine Berührungsgrenzfläche und eine innere Grenzfläche, die entgegengesetzt der Berührungsgrenzfläche angeordnet ist, aufweist, wobei die innere Grenzfläche dem umschlossenen Innenvolumen zugewandt ist; ein Array von Sende-Empfänger-Wandlern, die innerhalb des umschlossenen Innenvolumens angeordnet sind, wobei jeder Sende-Empfänger-Wandler dazu eingerichtet ist, eine entsprechende Ultraschall-Sendewelle als Reaktion darauf zu senden, dass er durch ein entsprechendes Anregungssignal aktiviert wird, wobei eine auf die Berührungsgrenzfläche gerichtete Hauptrichtkeule durch mindestens eine Ultraschall-Sendewelle erzeugt wird, wobei das Array von Sende-Empfänger-Wandlern dazu eingerichtet ist, eine reflektierte Ultraschallwelle zu empfangen, die mindestens teilweise durch interne Reflexion der Hauptrichtkeule an der Berührungsgrenzfläche erzeugt wird, und die reflektierte Ultraschallwelle in mindestens ein Messsignal umzuwandeln; eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, eine Aktivierung der Sende-Empfänger-Wandler zu modulieren, um eine Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu steuern durch selektives Erzeugen mindestens eines entsprechenden Anregungssignals; und eine Empfängerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Messsignal zu empfangen, eine Größe einer Kontaktfläche eines Berührungsereignisses, das an der Berührungsgrenzfläche vorhanden ist, basierend auf dem mindestens einen Messsignal und der Richtcharakteristik der Hauptrichtkeule zu bestimmen, und einen Betrag einer Kontaktkraft, die während des Berührungsereignisses aufgebracht wird, basierend auf der Größe der Kontaktfläche zu bestimmen.