專利名稱：接觸敏感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接觸敏感裝置。
背景技術(shù)：
視覺顯示器通常包含某種形式的觸摸敏感屏幕。隨著下一代便攜式多媒體裝置(如掌上型計算機)的出現(xiàn)，此種現(xiàn)象變得日益普遍。使用波來檢測接觸的最完善的技術(shù)為表面聲波(Surface Acoustic Wave，SAW)技術(shù)，該技術(shù)在玻璃屏幕的表面上產(chǎn)生高頻波，并使用由手指接觸而引起的高頻波衰減來檢測觸摸位置。此技術(shù)為“飛行時間(time-of-flight)”型，其中使用干擾到達一個或多個感測器所需的時間來檢測觸摸位置。當介質(zhì)以非分散的方式作用，即波的速度不會在有關(guān)頻率范圍上大幅變化時，該方法可行。
在本發(fā)明人的WO 01/48684與PCT/GB2002/003073中，提出了兩種接觸敏感裝置及其使用方法。在這兩份申請中，該裝置包括能支持彎曲波振動的部件以及安裝于該部件上用于測量該部件中的彎曲波振動并且用于將信號發(fā)送至處理器的感測器，由此從該部件的表面上所作的接觸在該部件中所產(chǎn)生的彎曲波振動變化來計算有關(guān)該接觸的信息。
彎曲波振動意味著一激發(fā)，例如通過接觸，該激發(fā)會使該部件發(fā)生平面外的位移。許多材料都會彎曲，某些材料具有完全平方根離差關(guān)系(perfectsquare root dispersion relation)的純彎曲，而某些材料則具有純彎曲與剪切彎曲的混合彎曲。離差關(guān)系說明波的平面內(nèi)速度與波的頻率的相依性。
彎曲波具有優(yōu)點，如提高強固性(robustness)以及降低對表面刮傷的敏感性等。然而，彎曲波為分散波，即彎曲波的速度從而“飛行時間”依賴于頻率。一般而言，脈沖包含大范圍的頻率成分，因此如果該脈沖行進一較短距離，高頻成分會首先到達。在WO 01/48684與PCT/GB2002/003073中，可應(yīng)用將所測量的彎曲波信號轉(zhuǎn)換成一來自非分散波源的傳播信號的校正，以便可應(yīng)用雷達與聲納領(lǐng)域所使用的技術(shù)來檢測接觸位置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種接觸敏感裝置，該裝置包括能支持彎曲波的部件；安裝于該部件上用于測量該部件中的彎曲波振動的三個感測器，由此每個感測器確定一所測量的彎曲波信號；以及從這些所測量的彎曲波信號計算該部件上的接觸的位置的處理器，該接觸敏感裝置的特征在于該處理器計算每個所測量彎曲波信號的相位角，然后計算至少兩對感測器的相位角之間的相位差異，并從該相位差異確定該接觸的位置。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種確定與接觸敏感裝置上的接觸有關(guān)的信息的方法，該方法的步驟包括提供能夠支持彎曲波的部件以及安裝于該部件上用于測量該部件中的彎曲波振動的三個感測器；在該部件的一位置處施加接觸；使用每個感測器來確定一所測量的彎曲波信號以及從該所測量的彎曲波信號計算接觸的位置，該方法的特征在于計算每個所測量彎曲波信號的相位角、計算至少兩對感測器的相位角之間的相位差異以及從這些至少兩個所計算的相位差異確定該接觸的位置。
下列特征可應(yīng)用于該裝置與該方法，其中將該處理器調(diào)適以提供該方法的許多計算或處理步驟。
可通過將一吸收器放置成與該部件的邊緣接觸而抑制反射波。該吸收器與部件的機械阻抗可選擇為使得該部件的邊緣的彎曲波反射減至最少。具體而言，所選擇的阻抗使得彎曲波能量在圍繞所選頻率ω0的頻帶中被強烈地吸收。該吸收器的阻抗可選擇成兼具抗性與相容性。這些阻抗可選擇成滿足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT為吸收器的終止(termination)阻抗，且ZB為該部件邊緣的機械阻抗。
該吸收器可由泡沫塑膠制成，這些泡沫塑膠可具有開孔或閉孔且可為聚安酯或聚氯乙烯。例如，該泡沫可為一軟PVC、閉孔為主的泡沫，如MIERSTM，或中等密度至高密度的開孔聚安酯泡沫。另一類已發(fā)現(xiàn)的合適泡沫為丙烯酸閉孔泡沫。此等泡沫可具有較高的阻尼度以及相對高的硬度。此類特性尤其適合于硬、重材料如玻璃的邊緣終止。示例包括3M序列號碼4956、4910、4950與4655。該吸收器可實質(zhì)上圍繞該部件的周邊而延伸。該吸收器可當作安裝架，用于將該部件支撐于框架中或至另一表面。
該部件的表面上可包括凸起的圖案，從而橫跨該表面所拖拉的接觸為該部件提供可變的力以在該部件中產(chǎn)生彎曲波。該圖案可為具有統(tǒng)計上良好定義的空間波動分布的周期性或準周期性圖案。該圖案可為隨機圖案，從而在該部件的表面上行進的接觸產(chǎn)生隨機彎曲波信號。隨機浮雕圖案可為抗反射涂層、防眩表面光制(finish)或蝕刻光制，如在電子顯示器的前部所放置的許多熟知透明面板上所發(fā)現(xiàn)的圖案。
可通過具有以所選頻率ω0為中心的通帶且具有帶寬Δω的帶通濾波器來處理每個所測量的彎曲波信號。濾波器的帶寬Δω最好選擇成解決多普勒(Doppler)效應(yīng)，其中彎曲波到達一點時的頻率與其原始頻率不同。因此，帶寬最好符合以下關(guān)系Δω＞＞2k(ω0)Vmax其中Vmax為橫跨該表面的接觸的最大橫向速度，例如，如果該接觸是由觸摸筆提供，則Vmax為用戶能夠移動觸摸筆的最大速度。
每個已過濾信號的相位可通過與參考信號比較而測量到。參考信號可具有頻率ω0。所測量相位是輸入與參考信號之間的平均相位差異，最佳在間隔2π/Δω上測量?；蛘?，參考信號可從來自第二感測器的已過濾的信號導(dǎo)出，在該情形下，所測量的相位為兩個輸入信號之間的相位差異。
相位差異可以2π/Δω的間隔予以計算，該間隔可為小于10ms的間隔。可將參考與輸入信號饋送至相位檢測器。相位檢測器的輸出可饋送通過具有約Δω/2的截止頻率的低通濾波器、然后通過數(shù)字化器、最后通過處理器以計算相位角θ。
兩個所測量彎曲波信號的瞬時相位θ1(t)與θm(t)可滿足相位差等式Δθ1m＝θ1-θm＝k(ω0)Δx1m+2πn1m其中Δx1m＝X1-Xm，(xm與x1分別為從接觸位置至標有m與1的每個感測器的距離)，且k(ω)為波向量。如果兩個感測器之間的路徑長度差異小于帶通濾波器的相干長度，則可滿足此等式，帶通濾波器的相干長度可定義為xc=2πω0Δωk(ω0)]]>相干條件因此為|Δx1m|＜＜xc。如果未滿足相干條件，則可能不滿足上述相位等式。
因此，需要n1m與相位角差異的值來確定接觸的位置。該部件的形狀可選擇成將Δx1m的幅度限制為小于一個波長的一半的值，即|Δx1m|＜π/k(ω0)。在此情形中，如果Δx1m的所有可能的值滿足條件|Δx1m|＜π/k(ω0)，則僅有一個n1m值為滿足|Δθ1m-2πn1m|＜π的整數(shù)n1m?；蛘撸琻可以某種方式加以估計或推斷。
每個相位角差異結(jié)合整數(shù)n1m的可能值的范圍可用以產(chǎn)生一系列的路徑長度差異，從而在該部件的表面上定義一系列的離散雙曲線，以表示可能的接觸位置?？赏ㄟ^繪制每個路徑長度差異所定義的每條雙曲線并選擇大量雙曲線相交或近乎相交的一點而確定該接觸位置。此點可能為真實的接觸位置。
如果n1m未知，則確定接觸位置所需的雙曲線系列的最小數(shù)目為三，并且通過增加欲繪制的雙曲線的數(shù)目而增加確定正確接觸位置的可能性?？墒褂枚鄠€感測器，其中可為每對感測器計算相位角差異，從而產(chǎn)生多條雙曲線。在該實施例中，感測器的最小數(shù)目為三。
或者，如果n1m未知，則可將來自每個感測器的所測量的彎曲波信號分成兩個或多個離散頻帶，其中可為每個頻帶并為每對感測器計算相位角差異。雖然可從單對感測器計算多個相位角差異，但不同頻率下的相位角差異是從相同的路徑長度差異導(dǎo)出。因此，感測器的最小數(shù)目為三?？赏ㄟ^由具有不同通帶頻率的至少兩個帶通濾波器處理彎曲波信號來實現(xiàn)頻帶分割。例如，使用具有頻率ω0+ωδ以及ω0-ωδ的兩個帶通濾波器，兩個感測器的相位角差異Δθa、Δθb可定義為Δθa＝k(ω0+ωδ)Δx+2πnaΔθb＝k(ω0-ωδ)Δx+2πnb其中Δx為該接觸與感測器位置所定義的單路徑長度差異。
因此，可選擇na與nb的值，使得所測量的相位角差異推斷出路徑長度差異的類似值。僅有一個(na，nb)值組合滿足此點。在此情況下，可確定路徑長度差異的真實值。正確的組合(na，nb)可確定為使以下表達式最小化的值組合|Δθa-2πnak(ω0+ωδ)-Δθb-2πnbk(ω0-ωδ)|]]>路徑長度差異則可估計為Δx=12(Δθa-2πnak(ω0+ωδ)+Δθb-2πnbk(ω0-ωδ))]]>如果對兩對感測器重復(fù)此處理，則可確定兩個路徑長度差異，該兩個路徑長度差異進而可用于確定接觸位置。
或者，如果n1m未知，則可使用WO 01/48684與PCT//GB2002/003073(如圖11所概述)中所教導(dǎo)的方法來作出接觸位置的初始確定。然后，可假定該接觸比彎曲波移動更慢，因此相位角差異在時間標度Δt上變化較小的增量。因此，可選擇n的每個值以最小化路徑長度差異的變化。
所測量的相位角差異可包含會導(dǎo)致選擇不正確n值的隨機錯誤。例如可通過狀態(tài)空間估計器如廣為人知的卡爾曼(Kalman)濾波器評估n的連續(xù)序列的可能性來減輕此錯誤。選擇具有最大可能性測量值的序列。
狀態(tài)空間估計器提供系統(tǒng)(對該系統(tǒng)進行噪聲測量)的內(nèi)部狀態(tài)的估計。狀態(tài)空間估計器的必要輸入為系統(tǒng)狀態(tài)的演變的統(tǒng)計說明。該狀態(tài)的一示例為說明與該部件接觸的物體的位置與速度的坐標系。廣為人知的是，卡爾曼濾波器與其他狀態(tài)空間估計器可提供所觀察到的噪聲測量的序列與系統(tǒng)狀態(tài)的模型相一致的可能性的測量。
狀態(tài)空間估計器因此可用以采取在不同時間(例如t1、t2、t3、...)所作的一對路徑長度差異(例如Δx12與Δx34)的序列來估計這些時間的系統(tǒng)狀態(tài)，即接觸的位置與速度。而且，可評估路徑長度差異的這些值與系統(tǒng)模型相一致的總體可能性。
如果從相位角差異序列與一組整數(shù)(n＝n(t1)、n(t2)、n(t3)、...)獲得該路徑長度差異序列，則通過狀態(tài)空間估計器所產(chǎn)生的可能性的測量值可用以推斷已選擇n的正確值的可能性。由此得出結(jié)論，用于選擇整數(shù)n的正確序列的方法是找到狀態(tài)空間估計器給予最大可能性測量值的序列。
如上所述，狀態(tài)空間估計器使用系統(tǒng)狀態(tài)演變的某些統(tǒng)計說明。接觸移動的適當模型可為簡單的隨機步行?；蛘?，該模型采用用戶如何移動觸摸筆或手指的詳細統(tǒng)計說明。一個示例為用戶在寫入文字或個別字符時如何移動鋼筆的統(tǒng)計說明。
處理器可進一步適用于在該確定程序中包含任何有關(guān)接觸預(yù)期位置的可用信息。例如，如果該部件為圖形用戶界面的輸入裝置，其中用戶可選擇按下“按鈕”，則有用的是，假定該部件上的任何接觸在與這些按鈕對應(yīng)的離散區(qū)域內(nèi)發(fā)生。
或者，可使用接觸可能發(fā)生的機率的地圖，并且該機率基于用戶的預(yù)期行為。該裝置可包括具有圖形用戶界面(GUI)的軟件應(yīng)用程序，其利用應(yīng)用程序接口(API)與操作系統(tǒng)交互，其中API適用于產(chǎn)生機率地圖。該機率地圖可基于圖形用戶界面所呈現(xiàn)的物體的位置、大小以及使用頻率。該機率地圖也可基于有關(guān)被啟動的各種GUI元件的相對可能性的信息。
下列特征可應(yīng)用于本發(fā)明的所有實施例。該裝置可包括記錄構(gòu)件，用于當該接觸橫跨該部件移動時，隨時間記錄來自該感測器或每個感測器的所測量的彎曲波信號?？稍谥醒胩幚砥髦杏嬎闩c接觸有關(guān)的信息。這些感測器可安裝于該部件的邊緣處或與該部件的邊緣隔開。感測器可采用可將彎曲波振動轉(zhuǎn)換成模擬輸入信號的感測轉(zhuǎn)換器的形式。
該部件可采用板或面板的形式。該部件可為透明或非透明，例如具有印刷圖案。該部件可具有均勻的厚度?；蛘撸摬考删哂懈鼜?fù)雜的形狀，例如曲面及/或可變厚度。
該裝置可為純被動感測器，其中通過初始沖擊或通過該接觸的摩擦移動來產(chǎn)生彎曲波振動，從而產(chǎn)生所測量的彎曲波信號。該接觸可采用手指觸摸或觸摸筆(其可為手持鋼筆的形式)觸摸的形式。觸摸筆在該部件上的移動可產(chǎn)生連續(xù)的信號，該信號受到觸摸筆在該部件上的位置、壓力以及速度的影響。該觸摸筆可具有撓性尖端、例如，橡皮尖端，該尖端通過向該部件施加可變的力而在該部件中產(chǎn)生彎曲波。該可變的力可由黏著于該部件的表面或橫跨該部件的表面滑動的尖端來提供。當尖端橫跨該部件的表面移動時，會產(chǎn)生張力，該張力在某臨界值處會造成該尖端與該部件之間的任何黏合破裂，從而允許尖端橫跨該表面滑動。彎曲波可具有超聲波區(qū)域(＞20kHz)內(nèi)的頻率成分。
該部件也可以是聲輻射器，并可將發(fā)射轉(zhuǎn)換器安裝于該部件上，以便在該部件中激發(fā)彎曲波振動，以產(chǎn)生聲輸出。該轉(zhuǎn)換器的音頻信號的頻帶最好不同于并且不重疊于感測器的測量的頻帶。音頻信號因而可得以過濾，例如，音頻頻帶可限于20kHz以下的頻率，而振動測量可限于20kHz以上的頻率。感測器可具有雙重功能性并且當作發(fā)射轉(zhuǎn)換器。
該或每個發(fā)射轉(zhuǎn)換器或感測器可為彎曲轉(zhuǎn)換器，其與該部件例如壓電轉(zhuǎn)換器直接焊接。或者，該或每個發(fā)射轉(zhuǎn)換器或感測器可為在單點處與該部件耦合的慣性轉(zhuǎn)換器。慣性轉(zhuǎn)換器可為電動轉(zhuǎn)換器或壓電轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)本發(fā)明的接觸敏感裝置可包含于移動電話、膝上型計算機或個人數(shù)據(jù)助理中。例如，傳統(tǒng)上裝配于移動電話的袖珍鍵盤可由根據(jù)本發(fā)明為觸摸敏感型的連續(xù)模具(moulding)替代。在膝上型計算機中，當作鼠標控制器發(fā)揮作用的觸摸板可由其為根據(jù)本發(fā)明的接觸敏感裝置的連續(xù)模具替代?；蛘?，該接觸敏感裝置可為顯示器屏幕，例如包含液晶的液晶顯示器屏幕，其可用于激發(fā)或感測彎曲波。顯示器屏幕可呈現(xiàn)與接觸有關(guān)的信息。


已通過示例在附圖中概略性說明了本發(fā)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明一方面的觸摸敏感裝置的示意平面圖；圖2為圖1的裝置的示意透視圖；圖3為一維梁的示意側(cè)視圖；圖4a為說明反射系數(shù)的振幅對頻率(Hz)的曲線圖，因振幅為一比率故無單位；圖4b為說明反射系數(shù)的相位(以弧度為單位)對頻率(Hz)的曲線圖；圖5a與5b為替代性觸摸敏感裝置的示意透視圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明找到接觸位置的方法的流程圖；圖7a為用于計算相位角的設(shè)備的示意方塊圖；圖7b為結(jié)合圖7a的設(shè)備使用的設(shè)備的示意方塊圖；圖8a至8d為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的平面圖，說明路徑長度差異的雙曲線；圖9為用于計算相位角的替代性設(shè)備的示意方塊圖；圖10為說明計算接觸位置的替代性方法的流程圖；圖11為使用離差校正的相關(guān)函數(shù)計算接觸位置的方法的流程圖；圖11a為離差校正的相關(guān)函數(shù)對時間的曲線圖，以及圖12a為兼作一揚聲器操作的接觸敏感裝置的示意方塊圖，以及圖12b說明在圖12a的裝置中分離音頻信號與所測量彎曲波信號的方法。
具體實施例方式
圖1說明一接觸敏感裝置10，其包括安裝于顯示裝置14前方的透明觸摸敏感板12。顯示裝置14可采用電視、計算機屏幕或其他視覺顯示裝置的形式。使用鋼筆形式的觸摸筆18來將文字20或其他內(nèi)容寫在觸摸敏感板12上。
透明觸摸敏感板12為能夠支持彎曲波振動的部件，例如一聲裝置。如圖2所示，將用于測量板12中彎曲波振動的四個感測器16安裝于該板的下側(cè)。感測器16采用壓電振動感測器的形式，并且在板12的每個角落安裝一個感測器。至少一個感測器16也可當作一發(fā)射轉(zhuǎn)換器，用于在板中激發(fā)彎曲波振動。以此方式，該裝置可當作一組合式揚聲器與接觸敏感裝置。
由泡沫塑膠制成的安裝架22是附著于板12的下側(cè)并實質(zhì)上圍繞板12的周邊而延伸。安裝架22具有黏性表面，從而該部件可牢固地附著于任何表面。安裝架與板的機械阻抗經(jīng)過選擇而使板邊緣的彎曲波反射減至最小。
安裝架與板的機械阻抗之間的關(guān)系可通過考慮圖3所示的一維模型而加以近似。該模型包括梁(beam)形式的波導(dǎo)34，其終止于具有終止阻抗的邊緣安裝架36。沿波導(dǎo)34向下行進的入射波38是由安裝架36反射而形成反射波40。入射與反射波是沿垂直于邊緣的方向行進的平面波。假定安裝架36滿足下列邊界條件(i)終止阻抗僅耦合進橫向速度，即其不提供任何扭矩阻力；從而彎曲力矩在邊緣處等于零，以及(ii)邊緣處橫向剪切力與速度的比率等于終端阻抗；安裝架的反射系數(shù)是由下式給定R(ω)=-ZT/ZB(ω)-iZT/ZB(ω)+i]]>其中ZT為安裝架的終止阻抗，并且ZB為波導(dǎo)末端的機械阻抗，由下式給定ZB(ω)=Bk3(ω)2ω(1+i)]]>其中k(ω)為波向量，其根據(jù)面板的彎曲硬度B以及每單位面積的質(zhì)量μ來表示，k=(μB)1/4ω]]>因此，反射系數(shù)取決于波導(dǎo)末端與安裝架的阻抗的比率。此外，波導(dǎo)的阻抗與頻率的平方根成正比，并且具有權(quán)重相等的實與虛(reactive)成分(即π/4相位角)。因此，反射系數(shù)可能與頻率有很大關(guān)系。
如果下列條件得到滿足，則反射系數(shù)消失，即在圍繞ω0的頻帶中強烈吸收彎曲波能量
ZT＝-iZB(ω0)因此，該安裝架的終止阻抗必須兼具實與虛成分，或等效地，該安裝架必須兼具抗性與相容性。
該板可為例如1mm厚的聚碳酸酯薄片，其每單位面積質(zhì)量為μ＝1.196kgm-2，并且彎曲硬度為B＝0.38Nm。以上等式可用于計算板的阻抗以及強烈吸收所選角頻率ω0＝2π(900Hz)周圍的彎曲波能量所需的吸收器的阻抗。
板的每單位寬度阻抗(impedance)(1mm梁近似值)為ZB(ω0)＝(1+i)33.8Nsm-2。
提供所需吸收的吸收器的特性因而為每單位寬度的電阻(resistance)，Re(ZT)＝Im[ZB(ω0)]＝33.8Nsm-2。
每單位寬度的硬度，-i Im(ZT)ω0＝Re[ZB(ω0)]ω0＝1.91×105Nm-2。
反射系數(shù)為無單位復(fù)數(shù)。圖4a以及4b為說明反射系數(shù)R(ω)的振幅與相位隨頻率變化的曲線圖。當ω0近似等于900Hz時，反射系數(shù)的振幅為零，反射系數(shù)的相位為倒相。
在圖5a與5b中，板12具有均勻的表面糙度且采用凸起表面圖案28、29的形式。沿路徑30橫跨該表面拖拉觸摸筆18，當觸摸筆18通過圖案上一凸起部分或線時，便在該部件中產(chǎn)生彎曲波32。因此，觸摸筆18的接觸在該部件中提供一彎曲波振動來源。在圖5a中，表面圖案28為凸起交叉線的周期性圖案，而在圖5b中，表面圖案29為隨機浮雕圖案。
在圖2、5a與5b的具體實施例中，當接觸在該部件的粗糙表面上移動時，彎曲波在該部件中從接觸點各向同性地輻射。該部件在距離x處從接觸點的位移通過一轉(zhuǎn)移函數(shù)H(ω；x)而與接觸點處的位移相關(guān)。在距離大于波長λ＝2π/k(ω)時，轉(zhuǎn)移函數(shù)可近似為，H(ω;x)=Ak(ω)xeik(ω)x]]>其中A為常數(shù)且k(ω)為先前定義的波向量。雖然嚴格地說，H(ω；x)僅適用于無限板上的彎曲波，但因為安裝架強烈吸收彎曲波振動，故該關(guān)系得以滿足。轉(zhuǎn)移函數(shù)顯示，如果一彎曲波來源發(fā)射純正弦頻率，角頻率為ω0，則對于該來源，在距離x1與x2處的兩個位置與接觸點的位移之間的相位差異Δθ12為exp(iΔθ12)＝exp[ik(ω0)(x1-x2)]這意味著相位角差異、路徑長度差異Δx＝(x1-x2)以及一整數(shù)n12之間的下列關(guān)系。
Δθ1＝θ1-θ2＝k(ω0)Δx12+2πn12圖6說明使用此等式來確定接觸位置的方法中的步驟a)使用每個感測器來測量一彎曲波信號，以提供已測量的彎曲波信號Wi(t)與Wj(t)，b)計算所測量彎曲波信號Wi(t)與Wj(t)的相位角θi(t)與θj(t)，c)計算兩個相位角θi(t)與θj(t)之間的差異，d)從下式計算接觸位置k(ω0)Δxij＝Δθij-2πnij圖7a說明一裝置的示意方塊圖，該裝置用于計算這些感測器之一所測量的彎曲波Wj(t)的相位角θj。信號Wj(t)為隨機信號，因而在長時間標度期間不相關(guān)。該信號首先由放大器42加以放大，然后由模擬帶通濾波器44加以處理，該帶通濾波器的通帶以ω0為中心，并且?guī)挒棣う亍?br> 彎曲波的移動來源可證明多普勒效應(yīng)，其中具有頻率ω0并由以速度v朝部件上的一點移動的來源所發(fā)射的彎曲波到達該點時具有ω0-k(ω0)v所定義的不同頻率。因此，該部件上兩個不同點處的彎曲波之間的最大角頻率偏移為2k(ω0)vmax，其中vmax為移動來源的最大速度。如果角頻率偏移變得大于帶通濾波器的寬度，則以上相位差異等式不成立。因此，將濾波器44的帶寬Δω設(shè)定為大于此最大頻率偏移，因而符合以下關(guān)系Δω＞＞2k(ω0)vmax由濾波器44處理后，所產(chǎn)生的已過濾信號W′j(t)為一具有頻率ω0的振幅與相位已調(diào)制載波，并由下式加以定義W′j(t)＝Aj(t)sin[ω0t+θj(t)]其中Aj(t)與θj(t)為該信號的振幅與相位。兩者都在由濾波器的帶寬所確定的時間標度Δt，即Δt＝2π/Δω上波動?？蓮膸V波器輸出作獨立相位角測量的最大頻率為1/Δt。因為觸摸感測器通常每10ms提供一更新的接觸位置測量，位置測量的最小頻率的條件為Δt＜10ms。
然后將已過濾的信號W′j(t)同時傳送至兩個模擬相位檢測器46。此類檢測器在現(xiàn)有技術(shù)中已廣為人知，例如，參見Horowitz與Hill的“The Art ofElectronics(電子技術(shù))”第644頁。也將每個都具有頻率ω0但相位差異為π/2的參考信號饋送至兩個相位檢測器。相位檢測器的輸出通過各具有約Δω/2的截止頻率的低通濾波器48。低通濾波器的輸出分別與cos(θj)與sin(θj)成正比。這些輸出然后是通過數(shù)字化器50加以數(shù)字化并由處理器52加以處理，以便提供相位角θj。
圖7b說明圖7a中所用的參考信號可如何產(chǎn)生。在第二感測器處測量第二彎曲波信號Wi(t)。將該信號饋送通過放大器42以及模擬帶通濾波器44，以便產(chǎn)生已過濾的信號W′j(t)。已過濾的信號W′j(t)形成直接饋送至一個相位檢測器46的參考信號。也經(jīng)由一裝置將已過濾的信號饋送至第二相位檢測器46，該裝置將該信號的相位偏移π/2。使用相位偏移信號作為第二相位檢測器46的參考信號。
圖8a至8d說明相位角差異因而路徑長度差異如何用于計算接觸位置。圖6的步驟(d)中的等式定義可覆蓋于板12上的雙曲線。圖8a說明使用一對感測器16(板12的短側(cè)的各端均安裝一個)的三個不同的n1m值以及所計算的相位角差異所產(chǎn)生的三條雙曲線26。同樣地，圖8b與8c說明通過兩對其他的感測器的相位角差異以及不同的n1m值而產(chǎn)生的雙曲線26。圖8d說明由感測器所產(chǎn)生的全部雙曲線。接觸位置24為三條雙曲線的交點，每條雙曲線來自于每對感測器?？蓮慕佑|位置24推斷n1m的正確值。
可使用圖9中所示的具體實施例來實施推斷n的方法。每個感測器所測量的彎曲波信號W1(t)由兩個帶通濾波器48、54同時處理。計算兩個相位角，每個濾波器各對應(yīng)一個，例如，如圖7所述。濾波器48、54具有略微不同的通帶頻率，其中由每對感測器提供兩個相位角差異，每個通帶頻率各對應(yīng)一個差異。
來自感測器的相位角差異Δθa、Δθb可定義為Δθa＝k(ω0+ωδ)Δx+2πnaΔθb＝k(ω0-ωδ)Δx+2πnb其中Δx為接觸與感測器位置所定義的單路徑長度差異。
正確的組合(na，nb)可確定為使以下表達式最小化的值組合|Δθa-2πnak(ω0+ωδ)-Δθb-2πnbk(ω0-ωδ)|]]>
路徑長度差異則可估計為Δx=12(Δθa-2πnak(ω0+ωδ)+Δθb-2πnbk(ω0-ωδ))]]>另一對感測器則可用于確定第二路徑長度差異。每個路徑長度差異在該面板上定義一雙曲線。這兩條雙曲線的交點為接觸位置。如圖8a至8d所示，繪制雙曲線，并且最大數(shù)目的雙曲線的交點很可能為真實的接觸位置。
圖10說明用于從以上等式計算接觸位置的替代方法，即i.測量一對彎曲波信號Wi(t)與Wj(t)，每個信號分別由一感測器測量；ii.使用圖11與11a中所述的方法計算兩個信號的離差校正的相關(guān)函數(shù)；iii.使用離差校正的相關(guān)函數(shù)計算接觸的初始位置，如圖11與11a所述；iv.重新測量彎曲波信號Wi(t)與Wj(t)；v.計算每個信號的相位角-例如，如圖7a與7b所述；vi.計算相位角之間的差異；vii.選擇使路徑長度差異的變化最小化的n1m值；viii.繪制由下式所定義的雙曲線k(ω0)Δxij＝Δθij-2πnijix.重復(fù)步驟(iv)至(viii)，重新測量規(guī)則間隔Δt(例如Δt＝2π/Δω)的彎曲波信號。
在步驟(viii)，需要來自不同對感測器的兩條雙曲線的最小值來確定接觸位置。因此，必須為至少兩對感測器同時實行整個程序。因此，必須確定兩個相位角差異的最小值。如圖9所述，通過使用兩個感測器并將該信號分成兩個頻帶而產(chǎn)生兩個相位角差異?；蛘撸墒褂枚鄠€感測器，以便使用不同對的感測器來計算多個相位角差異。
圖11說明計算離差校正的相關(guān)函數(shù)以顯示接觸位置與感測器之間的路徑長度差異的方法。以下提出的方法概述了PCT/GB2002/003073中的信息。該方法包括下列步驟(a)測量兩個彎曲波信號W1(t)與W2(t)；(b)計算W1(t)與W2(t)的傅立葉變換以得到 與 并因而得到中間函數(shù) 其中 為復(fù)數(shù)共軛傅立葉變換，t代表時間，ω為2πf，其中f為頻率。
(c)計算第二中間函數(shù)M(ω)，其為 的函數(shù)
(d)與(e)在執(zhí)行步驟(a)至(c)的同時，使用預(yù)定的面板離差關(guān)系k=(μ/B)1/4ω]]>來計算頻率延伸運算f(ω)=v(μ/B)1/4ω.]]>(f)組合M(ω)與f(ω)=v(μ/B)1/4ω]]>以得到離差校正的相關(guān)函數(shù)G(t)=12π∫-∞+∞M[f(ω)]exp(iωt)dω;]]>以及(g)對于時間繪制離差校正的相關(guān)函數(shù)，峰值發(fā)生在時間t12處，如圖11a所示；(h)從t12計算Δx12；Δx12為從第一與第二感測器至接觸的路徑長度x1與x2之間的路徑長度差異。
(i)Δx12定義一雙曲線，其可如圖7所示繪制，以計算接觸位置。
如使用圖10的方法，需要兩條雙曲線的最小值來確定接觸位置。因此，上述產(chǎn)生更多雙曲線的方式可應(yīng)用于此方法。
第二中間函數(shù)M(ω)可簡單地為 其可提供一標準的離差校正的相關(guān)函數(shù)。或者，M(ω)可從下列函數(shù)中選擇，這些函數(shù)都會產(chǎn)生標準的離差校正的相關(guān)函數(shù)的相位等效函數(shù)a)---M(ω)=W^1(ω)W^2*(ω)|W^1(ω)W^2*(ω)|]]>b)---M(ω)=W^1(ω)W^2*(ω)|W^1(ω)W^2*(ω)|]]> 其中(x)為一實值函數(shù)d)---M(ω)=W^1(ω)W^2*(ω)ψ(ω),]]>其中ψ(ω)為一實值函數(shù)或者，M(ω)可為函數(shù) 其為相關(guān)函數(shù)D(t)D(t)=∫-∞+∞W1(t+t′)W2(t′)dt′]]>的傅立葉變換。
這些步驟為計算D(t)；計算 并應(yīng)用一頻率延伸運算以得出離差校正的相關(guān)函數(shù)G(t)=12π∫-∞+∞D^[f(ω)]exp(iωt)dω.]]>或者，在步驟(f)，可計算下列離差校正的相關(guān)函數(shù)G(t)=12π∫-∞+∞W1^[f(ω)]W^2*[f(ω)]φ12[f(ω)]exp(iωt)dω]]>其中φ12*(ω)=|ΣjW^1,j(ω)W^2,j*(ω)exp[-ik(ω)Δxj]|]]>
其中 與 為兩個所測量的彎曲波信號{W1，j(t)}與{W2，j(t)}的傅立葉變換與復(fù)數(shù)共軛傅立葉變換，且{ΔXj}為路徑長度差異。
一感測器可當作第一與第二感測器兩者，其中該離差校正的相關(guān)函數(shù)為一自相關(guān)函數(shù)?？墒褂肳1(t)＝W2(t)對該離差校正的相關(guān)函數(shù)應(yīng)用相同的步驟而計算自相關(guān)函數(shù)。
圖12a說明一兼作揚聲器操作的接觸敏感裝置。圖12b說明用于將音頻信號以及所測量的信號分成兩個不同的頻帶以便抑制音頻信號對已處理的所測量信號的貢獻的方法。該裝置包括一部件106，其中通過一發(fā)射轉(zhuǎn)換器或激勵器108與接觸產(chǎn)生彎曲波。發(fā)射轉(zhuǎn)換器將一音頻信號施加于部件106以產(chǎn)生一聲輸出。在施加于該部件之前，通過一低通濾波器112過濾該音頻信號，如圖12b所示，該濾波器移除臨界頻率f0以上的音頻信號。
如圖12b所示，該接觸產(chǎn)生一信號，該信號的功率輸出在一較大頻帶上實質(zhì)上不變。將來自該接觸的信號與該音頻信號相加以得到一組合信號，該組合式信號通過高通濾波器114以移除臨界頻率f0以上的信號。然后將該已過濾的信號傳送至數(shù)字化器116以及處理器118上。
權(quán)利要求
1.一種接觸敏感裝置，包括能夠支持彎曲波的部件；安裝于該部件上用于測量該部件中的彎曲波振動的三個感測器，從而每個感測器確定一所測量的彎曲波信號；以及從這些所測量的彎曲波信號計算該部件上的接觸的位置的處理器，其特征在于，該處理器計算每個所測量彎曲波信號的相位角以及至少兩對感測器的相位角之間的相位差異，以便計算至少兩個相位差異，從該至少兩個相位差異確定該接觸的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的接觸敏感裝置，包括在該部件的邊緣處的吸收器，從而使反射波得以抑制。
3.如權(quán)利要求2所述的接觸敏感裝置，其中選擇該吸收器與該部件的機械阻抗以使來自該部件的邊緣的彎曲波反射減至最小。
4.如權(quán)利要求3所述的接觸敏感裝置，其中選擇這些阻抗，使得彎曲波能量在圍繞所選頻率ω0的頻帶中被強烈吸收。
5.如權(quán)利要求4所述的接觸敏感裝置，其中選擇這些阻抗以滿足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT為吸收器的終止阻抗，且ZB為該部件的邊緣的機械阻抗。
6.如權(quán)利要求4或5所述的接觸敏感裝置，包括用于過濾每個所測量的彎曲波信號的帶通濾波器，該濾波器具有以該所選頻率ω0為中心的通帶以及帶寬Δω。
7.如權(quán)利要求6所述的接觸敏感裝置，其中該濾波器的帶寬Δω符合以下關(guān)系Δω＞＞2k(ω0)vmax其中vmax為該接觸的最大橫向速度。
8.如權(quán)利要求2至7中任一項所述的接觸敏感裝置，其中該吸收器是由泡沫塑膠所制成。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，其中該部件在其表面上包括凸起的圖案，從而橫跨該表面所拖拉的接觸為該部件提供一力，以在該部件中產(chǎn)生彎曲波。
10.如權(quán)利要求9所述的接觸敏感裝置，其中該圖案為隨機圖案，從而在該部件的該表面上行進的接觸產(chǎn)生隨機彎曲波信號。
11.如權(quán)利要求10所述的接觸敏感裝置，其中該圖案是由抗反射涂層、防眩表面光制或蝕刻光制所形成。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，包括至少兩個帶通濾波器，這些帶通濾波器具有不同的通帶頻率并同時處理由一對感測器所測量的彎曲波信號，從而由一對感測器提供每個通帶頻率的相位角差異。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，包括在該部件上的四個感測器。
14.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，包括使用多對所測量的彎曲波信號的離差校正的相關(guān)函數(shù)來確定該接觸的初始位置的構(gòu)件；以及使用多對所測量的彎曲波信號之間的相位角差異來確定該接觸的后續(xù)位置的構(gòu)件。
15.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，其中該相位角確定構(gòu)件包括相位檢測器。
16.如權(quán)利要求15所述的接觸敏感裝置，其中該處理器包括低通濾波器與數(shù)字化器，用于確定該相位角。
17.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，其中該部件為聲輻射器，并將發(fā)射轉(zhuǎn)換器安裝于該部件上以在該部件中激發(fā)彎曲波振動，從而產(chǎn)生聲輸出。
18.如權(quán)利要求17所述的接觸敏感裝置，其包括用于確保該聲輸出與所測量的彎曲波信號處于離散的頻帶中的構(gòu)件。
19.如前述權(quán)利要求中任一項所述的接觸敏感裝置，其中該部件為透明部件。
20.一種確定與接觸敏感裝置上的接觸有關(guān)的信息的方法，包括下述步驟提供能夠支持彎曲波的部件以及安裝于該部件上用于測量該部件中的彎曲波振動的三個感測器；在該部件的一位置處施加接觸；使用每個感測器來確定一所測量的彎曲波信號以及從該所測量的彎曲波信號計算該接觸的位置，其特征在于，計算每個所測量彎曲波信號的相位角、計算至少兩對感測器的相位角之間的相位差異以及從所述至少兩個所計算的相位差異確定該接觸的位置。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，包括通過將一吸收器放置于該部件的邊緣處而抑制反射波。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，包括選擇該吸收器與該部件的機械阻抗以使來自該部件的邊緣處的彎曲波反射減至最少。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，包括選擇這些阻抗使得彎曲波能量在圍繞所選頻率ω0的頻帶中被強烈吸收。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，包括選擇這些阻抗以滿足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT為該吸收器的阻抗，且ZB為該部件的邊緣的阻抗。
25.如權(quán)利要求第23或24所述的方法，包括通過一帶通濾波器過濾每個所測量的彎曲波信號，該帶通濾波器具有以該所選頻率ω0為中心的通帶以及帶寬Δω。
26.如權(quán)利要求20至25中任一項所述的方法，包括應(yīng)用下述相位差異等式Δθ1m＝θ1-θm＝k(ω0)Δx1m+2πn1m來確定該接觸的位置，其中θi為一所測量的彎曲波信號的相位角，xi為從該接觸位置至每個感測器的距離，Δx1m＝X1-xm為兩個感測器的路徑長度差異，k(ω)為波向量以及n1m為一未知整數(shù)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，包括選擇該部件以將Δx1m的幅度限制為小于波長的一半的值，以便從|Δθ1m-2πn1m|＜π確定n1m。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，包括使用一對所測量的彎曲波信號的離差校正的相關(guān)函數(shù)來確定該接觸的初始位置，并選擇使該路徑長度差異中的變化減至最小的n1m值。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，包括選擇一系列的n1m值，將該系列的值與每個相位角差異組合以定義一系列的路徑長度差異，繪制這些路徑長度差異的系列曲線圖，以及從大量這些曲線圖相交的一點推斷真實的n1m值。
30.如權(quán)利要求20至29中任一項所述的方法，包括從這些多對相位角計算多個相位角差異，繪制每個路徑長度差異的曲線圖以及將大量雙曲線相交的一點選擇為該接觸的位置。
31.如權(quán)利要求20至30中任一項所述的方法，包括將來自每個感測器的這些所測量彎曲波信號分割成至少兩個離散頻帶，以及針對每個頻帶計算一對感測器的相位角差異。
全文摘要
一種接觸敏感裝置，包括一能夠支持彎曲波的部件(12)、安裝于該部件(12)上用于測量該部件中的彎曲波振動的三個感測器(16)，由此每個感測器(16)確定一所測量的彎曲波信號，以及一從這些所測量的彎曲波信號計算該部件上的接觸的位置的處理器。該處理器計算每個所測量彎曲波信號的相位角以及至少兩對感測器的相位角之間的相位差異，以便計算出至少兩個相位差異，并從中確定該接觸的位置。
文檔編號G06F3/041GK1720498SQ200380104775
公開日2006年1月11日 申請日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者尼克拉斯·P·R·希爾, 達賴厄斯·M·沙利文 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司