专利名称：接触敏感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及接触敏感装置。
背景技术：
视觉显示器通常包含某种形式的触摸敏感屏幕。随着下一代便携式多媒体装置(如掌上型计算机)的出现，此种现象变得日益普遍。使用波来检测接触的最完善的技术为表面声波(Surface Acoustic Wave，SAW)技术，该技术在玻璃屏幕的表面上产生高频波，并使用由手指接触而引起的高频波衰减来检测触摸位置。此技术为“飞行时间(time-of-flight)”型，其中使用干扰到达一个或多个感测器所需的时间来检测触摸位置。当介质以非分散的方式作用，即波的速度不会在有关频率范围上大幅变化时，该方法可行。
在本发明人的WO 01/48684与PCT/GB2002/003073中，提出了两种接触敏感装置及其使用方法。在这两份申请中，该装置包括能支持弯曲波振动的部件以及安装于该部件上用于测量该部件中的弯曲波振动并且用于将信号发送至处理器的感测器，由此从该部件的表面上所作的接触在该部件中所产生的弯曲波振动变化来计算有关该接触的信息。
弯曲波振动意味着一激发，例如通过接触，该激发会使该部件发生平面外的位移。许多材料都会弯曲，某些材料具有完全平方根离差关系(perfectsquare root dispersion relation)的纯弯曲，而某些材料则具有纯弯曲与剪切弯曲的混合弯曲。离差关系说明波的平面内速度与波的频率的相依性。
弯曲波具有优点，如提高强固性(robustness)以及降低对表面刮伤的敏感性等。然而，弯曲波为分散波，即弯曲波的速度从而“飞行时间”依赖于频率。一般而言，脉冲包含大范围的频率成分，因此如果该脉冲行进一较短距离，高频成分会首先到达。在WO 01/48684与PCT/GB2002/003073中，可应用将所测量的弯曲波信号转换成一来自非分散波源的传播信号的校正，以便可应用雷达与声纳领域所使用的技术来检测接触位置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种接触敏感装置，该装置包括能支持弯曲波的部件；安装于该部件上用于测量该部件中的弯曲波振动的三个感测器，由此每个感测器确定一所测量的弯曲波信号；以及从这些所测量的弯曲波信号计算该部件上的接触的位置的处理器，该接触敏感装置的特征在于该处理器计算每个所测量弯曲波信号的相位角，然后计算至少两对感测器的相位角之间的相位差异，并从该相位差异确定该接触的位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种确定与接触敏感装置上的接触有关的信息的方法，该方法的步骤包括提供能够支持弯曲波的部件以及安装于该部件上用于测量该部件中的弯曲波振动的三个感测器；在该部件的一位置处施加接触；使用每个感测器来确定一所测量的弯曲波信号以及从该所测量的弯曲波信号计算接触的位置，该方法的特征在于计算每个所测量弯曲波信号的相位角、计算至少两对感测器的相位角之间的相位差异以及从这些至少两个所计算的相位差异确定该接触的位置。
下列特征可应用于该装置与该方法，其中将该处理器调适以提供该方法的许多计算或处理步骤。
可通过将一吸收器放置成与该部件的边缘接触而抑制反射波。该吸收器与部件的机械阻抗可选择为使得该部件的边缘的弯曲波反射减至最少。具体而言，所选择的阻抗使得弯曲波能量在围绕所选频率ω0的频带中被强烈地吸收。该吸收器的阻抗可选择成兼具抗性与相容性。这些阻抗可选择成满足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT为吸收器的终止(termination)阻抗，且ZB为该部件边缘的机械阻抗。
该吸收器可由泡沫塑胶制成，这些泡沫塑胶可具有开孔或闭孔且可为聚安酯或聚氯乙烯。例如，该泡沫可为一软PVC、闭孔为主的泡沫，如MIERSTM，或中等密度至高密度的开孔聚安酯泡沫。另一类已发现的合适泡沫为丙烯酸闭孔泡沫。此等泡沫可具有较高的阻尼度以及相对高的硬度。此类特性尤其适合于硬、重材料如玻璃的边缘终止。示例包括3M序列号码4956、4910、4950与4655。该吸收器可实质上围绕该部件的周边而延伸。该吸收器可当作安装架，用于将该部件支撑于框架中或至另一表面。
该部件的表面上可包括凸起的图案，从而横跨该表面所拖拉的接触为该部件提供可变的力以在该部件中产生弯曲波。该图案可为具有统计上良好定义的空间波动分布的周期性或准周期性图案。该图案可为随机图案，从而在该部件的表面上行进的接触产生随机弯曲波信号。随机浮雕图案可为抗反射涂层、防眩表面光制(finish)或蚀刻光制，如在电子显示器的前部所放置的许多熟知透明面板上所发现的图案。
可通过具有以所选频率ω0为中心的通带且具有带宽Δω的带通滤波器来处理每个所测量的弯曲波信号。滤波器的带宽Δω最好选择成解决多普勒(Doppler)效应，其中弯曲波到达一点时的频率与其原始频率不同。因此，带宽最好符合以下关系Δω＞＞2k(ω0)Vmax其中Vmax为横跨该表面的接触的最大横向速度，例如，如果该接触是由触摸笔提供，则Vmax为用户能够移动触摸笔的最大速度。
每个已过滤信号的相位可通过与参考信号比较而测量到。参考信号可具有频率ω0。所测量相位是输入与参考信号之间的平均相位差异，最佳在间隔2π/Δω上测量。或者，参考信号可从来自第二感测器的已过滤的信号导出，在该情形下，所测量的相位为两个输入信号之间的相位差异。
相位差异可以2π/Δω的间隔予以计算，该间隔可为小于10ms的间隔。可将参考与输入信号馈送至相位检测器。相位检测器的输出可馈送通过具有约Δω/2的截止频率的低通滤波器、然后通过数字化器、最后通过处理器以计算相位角θ。
两个所测量弯曲波信号的瞬时相位θ1(t)与θm(t)可满足相位差等式Δθ1m＝θ1-θm＝k(ω0)Δx1m+2πn1m其中Δx1m＝X1-Xm，(xm与x1分别为从接触位置至标有m与1的每个感测器的距离)，且k(ω)为波向量。如果两个感测器之间的路径长度差异小于带通滤波器的相干长度，则可满足此等式，带通滤波器的相干长度可定义为xc=2πω0Δωk(ω0)]]>相干条件因此为|Δx1m|＜＜xc。如果未满足相干条件，则可能不满足上述相位等式。
因此，需要n1m与相位角差异的值来确定接触的位置。该部件的形状可选择成将Δx1m的幅度限制为小于一个波长的一半的值，即|Δx1m|＜π/k(ω0)。在此情形中，如果Δx1m的所有可能的值满足条件|Δx1m|＜π/k(ω0)，则仅有一个n1m值为满足|Δθ1m-2πn1m|＜π的整数n1m。或者，n可以某种方式加以估计或推断。
每个相位角差异结合整数n1m的可能值的范围可用以产生一系列的路径长度差异，从而在该部件的表面上定义一系列的离散双曲线，以表示可能的接触位置。可通过绘制每个路径长度差异所定义的每条双曲线并选择大量双曲线相交或近乎相交的一点而确定该接触位置。此点可能为真实的接触位置。
如果n1m未知，则确定接触位置所需的双曲线系列的最小数目为三，并且通过增加欲绘制的双曲线的数目而增加确定正确接触位置的可能性。可使用多个感测器，其中可为每对感测器计算相位角差异，从而产生多条双曲线。在该实施例中，感测器的最小数目为三。
或者，如果n1m未知，则可将来自每个感测器的所测量的弯曲波信号分成两个或多个离散频带，其中可为每个频带并为每对感测器计算相位角差异。虽然可从单对感测器计算多个相位角差异，但不同频率下的相位角差异是从相同的路径长度差异导出。因此，感测器的最小数目为三。可通过由具有不同通带频率的至少两个带通滤波器处理弯曲波信号来实现频带分割。例如，使用具有频率ω0+ωδ以及ω0-ωδ的两个带通滤波器，两个感测器的相位角差异Δθa、Δθb可定义为Δθa＝k(ω0+ωδ)Δx+2πnaΔθb＝k(ω0-ωδ)Δx+2πnb其中Δx为该接触与感测器位置所定义的单路径长度差异。
因此，可选择na与nb的值，使得所测量的相位角差异推断出路径长度差异的类似值。仅有一个(na，nb)值组合满足此点。在此情况下，可确定路径长度差异的真实值。正确的组合(na，nb)可确定为使以下表达式最小化的值组合|Δθa-2πnak(ω0+ωδ)-Δθb-2πnbk(ω0-ωδ)|]]>路径长度差异则可估计为Δx=12(Δθa-2πnak(ω0+ωδ)+Δθb-2πnbk(ω0-ωδ))]]>如果对两对感测器重复此处理，则可确定两个路径长度差异，该两个路径长度差异进而可用于确定接触位置。
或者，如果n1m未知，则可使用WO 01/48684与PCT//GB2002/003073(如图11所概述)中所教导的方法来作出接触位置的初始确定。然后，可假定该接触比弯曲波移动更慢，因此相位角差异在时间标度Δt上变化较小的增量。因此，可选择n的每个值以最小化路径长度差异的变化。
所测量的相位角差异可包含会导致选择不正确n值的随机错误。例如可通过状态空间估计器如广为人知的卡尔曼(Kalman)滤波器评估n的连续序列的可能性来减轻此错误。选择具有最大可能性测量值的序列。
状态空间估计器提供系统(对该系统进行噪声测量)的内部状态的估计。状态空间估计器的必要输入为系统状态的演变的统计说明。该状态的一示例为说明与该部件接触的物体的位置与速度的坐标系。广为人知的是，卡尔曼滤波器与其他状态空间估计器可提供所观察到的噪声测量的序列与系统状态的模型相一致的可能性的测量。
状态空间估计器因此可用以采取在不同时间(例如t1、t2、t3、...)所作的一对路径长度差异(例如Δx12与Δx34)的序列来估计这些时间的系统状态，即接触的位置与速度。而且，可评估路径长度差异的这些值与系统模型相一致的总体可能性。
如果从相位角差异序列与一组整数(n＝n(t1)、n(t2)、n(t3)、...)获得该路径长度差异序列，则通过状态空间估计器所产生的可能性的测量值可用以推断已选择n的正确值的可能性。由此得出结论，用于选择整数n的正确序列的方法是找到状态空间估计器给予最大可能性测量值的序列。
如上所述，状态空间估计器使用系统状态演变的某些统计说明。接触移动的适当模型可为简单的随机步行。或者，该模型采用用户如何移动触摸笔或手指的详细统计说明。一个示例为用户在写入文字或个别字符时如何移动钢笔的统计说明。
处理器可进一步适用于在该确定程序中包含任何有关接触预期位置的可用信息。例如，如果该部件为图形用户界面的输入装置，其中用户可选择按下“按钮”，则有用的是，假定该部件上的任何接触在与这些按钮对应的离散区域内发生。
或者，可使用接触可能发生的机率的地图，并且该机率基于用户的预期行为。该装置可包括具有图形用户界面(GUI)的软件应用程序，其利用应用程序接口(API)与操作系统交互，其中API适用于产生机率地图。该机率地图可基于图形用户界面所呈现的物体的位置、大小以及使用频率。该机率地图也可基于有关被启动的各种GUI元件的相对可能性的信息。
下列特征可应用于本发明的所有实施例。该装置可包括记录构件，用于当该接触横跨该部件移动时，随时间记录来自该感测器或每个感测器的所测量的弯曲波信号。可在中央处理器中计算与接触有关的信息。这些感测器可安装于该部件的边缘处或与该部件的边缘隔开。感测器可采用可将弯曲波振动转换成模拟输入信号的感测转换器的形式。
该部件可采用板或面板的形式。该部件可为透明或非透明，例如具有印刷图案。该部件可具有均匀的厚度。或者，该部件可具有更复杂的形状，例如曲面及/或可变厚度。
该装置可为纯被动感测器，其中通过初始冲击或通过该接触的摩擦移动来产生弯曲波振动，从而产生所测量的弯曲波信号。该接触可采用手指触摸或触摸笔(其可为手持钢笔的形式)触摸的形式。触摸笔在该部件上的移动可产生连续的信号，该信号受到触摸笔在该部件上的位置、压力以及速度的影响。该触摸笔可具有挠性尖端、例如，橡皮尖端，该尖端通过向该部件施加可变的力而在该部件中产生弯曲波。该可变的力可由黏着于该部件的表面或横跨该部件的表面滑动的尖端来提供。当尖端横跨该部件的表面移动时，会产生张力，该张力在某临界值处会造成该尖端与该部件之间的任何黏合破裂，从而允许尖端横跨该表面滑动。弯曲波可具有超声波区域(＞20kHz)内的频率成分。
该部件也可以是声辐射器，并可将发射转换器安装于该部件上，以便在该部件中激发弯曲波振动，以产生声输出。该转换器的音频信号的频带最好不同于并且不重叠于感测器的测量的频带。音频信号因而可得以过滤，例如，音频频带可限于20kHz以下的频率，而振动测量可限于20kHz以上的频率。感测器可具有双重功能性并且当作发射转换器。
该或每个发射转换器或感测器可为弯曲转换器，其与该部件例如压电转换器直接焊接。或者，该或每个发射转换器或感测器可为在单点处与该部件耦合的惯性转换器。惯性转换器可为电动转换器或压电转换器。
根据本发明的接触敏感装置可包含于移动电话、膝上型计算机或个人数据助理中。例如，传统上装配于移动电话的袖珍键盘可由根据本发明为触摸敏感型的连续模具(moulding)替代。在膝上型计算机中，当作鼠标控制器发挥作用的触摸板可由其为根据本发明的接触敏感装置的连续模具替代。或者，该接触敏感装置可为显示器屏幕，例如包含液晶的液晶显示器屏幕，其可用于激发或感测弯曲波。显示器屏幕可呈现与接触有关的信息。
已通过示例在附图中概略性说明了本发明，其中图1为根据本发明一方面的触摸敏感装置的示意平面图；图2为图1的装置的示意透视图；图3为一维梁的示意侧视图；图4a为说明反射系数的振幅对频率(Hz)的曲线图，因振幅为一比率故无单位；图4b为说明反射系数的相位(以弧度为单位)对频率(Hz)的曲线图；图5a与5b为替代性触摸敏感装置的示意透视图；图6为根据本发明找到接触位置的方法的流程图；图7a为用于计算相位角的设备的示意方块图；图7b为结合图7a的设备使用的设备的示意方块图；图8a至8d为根据本发明的设备的平面图，说明路径长度差异的双曲线；图9为用于计算相位角的替代性设备的示意方块图；图10为说明计算接触位置的替代性方法的流程图；图11为使用离差校正的相关函数计算接触位置的方法的流程图；图11a为离差校正的相关函数对时间的曲线图，以及图12a为兼作一扬声器操作的接触敏感装置的示意方块图，以及图12b说明在图12a的装置中分离音频信号与所测量弯曲波信号的方法。
具体实施例方式
图1说明一接触敏感装置10，其包括安装于显示装置14前方的透明触摸敏感板12。显示装置14可采用电视、计算机屏幕或其他视觉显示装置的形式。使用钢笔形式的触摸笔18来将文字20或其他内容写在触摸敏感板12上。
透明触摸敏感板12为能够支持弯曲波振动的部件，例如一声装置。如图2所示，将用于测量板12中弯曲波振动的四个感测器16安装于该板的下侧。感测器16采用压电振动感测器的形式，并且在板12的每个角落安装一个感测器。至少一个感测器16也可当作一发射转换器，用于在板中激发弯曲波振动。以此方式，该装置可当作一组合式扬声器与接触敏感装置。
由泡沫塑胶制成的安装架22是附着于板12的下侧并实质上围绕板12的周边而延伸。安装架22具有黏性表面，从而该部件可牢固地附着于任何表面。安装架与板的机械阻抗经过选择而使板边缘的弯曲波反射减至最小。
安装架与板的机械阻抗之间的关系可通过考虑图3所示的一维模型而加以近似。该模型包括梁(beam)形式的波导34，其终止于具有终止阻抗的边缘安装架36。沿波导34向下行进的入射波38是由安装架36反射而形成反射波40。入射与反射波是沿垂直于边缘的方向行进的平面波。假定安装架36满足下列边界条件(i)终止阻抗仅耦合进横向速度，即其不提供任何扭矩阻力；从而弯曲力矩在边缘处等于零，以及(ii)边缘处横向剪切力与速度的比率等于终端阻抗；安装架的反射系数是由下式给定R(ω)=-ZT/ZB(ω)-iZT/ZB(ω)+i]]>其中ZT为安装架的终止阻抗，并且ZB为波导末端的机械阻抗，由下式给定ZB(ω)=Bk3(ω)2ω(1+i)]]>其中k(ω)为波向量，其根据面板的弯曲硬度B以及每单位面积的质量μ来表示，k=(μB)1/4ω]]>因此，反射系数取决于波导末端与安装架的阻抗的比率。此外，波导的阻抗与频率的平方根成正比，并且具有权重相等的实与虚(reactive)成分(即π/4相位角)。因此，反射系数可能与频率有很大关系。
如果下列条件得到满足，则反射系数消失，即在围绕ω0的频带中强烈吸收弯曲波能量
ZT＝-iZB(ω0)因此，该安装架的终止阻抗必须兼具实与虚成分，或等效地，该安装架必须兼具抗性与相容性。
该板可为例如1mm厚的聚碳酸酯薄片，其每单位面积质量为μ＝1.196kgm-2，并且弯曲硬度为B＝0.38Nm。以上等式可用于计算板的阻抗以及强烈吸收所选角频率ω0＝2π(900Hz)周围的弯曲波能量所需的吸收器的阻抗。
板的每单位宽度阻抗(impedance)(1mm梁近似值)为ZB(ω0)＝(1+i)33.8Nsm-2。
提供所需吸收的吸收器的特性因而为每单位宽度的电阻(resistance)，Re(ZT)＝Im[ZB(ω0)]＝33.8Nsm-2。
每单位宽度的硬度，-i Im(ZT)ω0＝Re[ZB(ω0)]ω0＝1.91×105Nm-2。
反射系数为无单位复数。图4a以及4b为说明反射系数R(ω)的振幅与相位随频率变化的曲线图。当ω0近似等于900Hz时，反射系数的振幅为零，反射系数的相位为倒相。
在图5a与5b中，板12具有均匀的表面糙度且采用凸起表面图案28、29的形式。沿路径30横跨该表面拖拉触摸笔18，当触摸笔18通过图案上一凸起部分或线时，便在该部件中产生弯曲波32。因此，触摸笔18的接触在该部件中提供一弯曲波振动来源。在图5a中，表面图案28为凸起交叉线的周期性图案，而在图5b中，表面图案29为随机浮雕图案。
在图2、5a与5b的具体实施例中，当接触在该部件的粗糙表面上移动时，弯曲波在该部件中从接触点各向同性地辐射。该部件在距离x处从接触点的位移通过一转移函数H(ω；x)而与接触点处的位移相关。在距离大于波长λ＝2π/k(ω)时，转移函数可近似为，H(ω;x)=Ak(ω)xeik(ω)x]]>其中A为常数且k(ω)为先前定义的波向量。虽然严格地说，H(ω；x)仅适用于无限板上的弯曲波，但因为安装架强烈吸收弯曲波振动，故该关系得以满足。转移函数显示，如果一弯曲波来源发射纯正弦频率，角频率为ω0，则对于该来源，在距离x1与x2处的两个位置与接触点的位移之间的相位差异Δθ12为exp(iΔθ12)＝exp[ik(ω0)(x1-x2)]这意味着相位角差异、路径长度差异Δx＝(x1-x2)以及一整数n12之间的下列关系。
Δθ1＝θ1-θ2＝k(ω0)Δx12+2πn12图6说明使用此等式来确定接触位置的方法中的步骤a)使用每个感测器来测量一弯曲波信号，以提供已测量的弯曲波信号Wi(t)与Wj(t)，b)计算所测量弯曲波信号Wi(t)与Wj(t)的相位角θi(t)与θj(t)，c)计算两个相位角θi(t)与θj(t)之间的差异，d)从下式计算接触位置k(ω0)Δxij＝Δθij-2πnij图7a说明一装置的示意方块图，该装置用于计算这些感测器之一所测量的弯曲波Wj(t)的相位角θj。信号Wj(t)为随机信号，因而在长时间标度期间不相关。该信号首先由放大器42加以放大，然后由模拟带通滤波器44加以处理，该带通滤波器的通带以ω0为中心，并且带宽为Δω。
弯曲波的移动来源可证明多普勒效应，其中具有频率ω0并由以速度v朝部件上的一点移动的来源所发射的弯曲波到达该点时具有ω0-k(ω0)v所定义的不同频率。因此，该部件上两个不同点处的弯曲波之间的最大角频率偏移为2k(ω0)vmax，其中vmax为移动来源的最大速度。如果角频率偏移变得大于带通滤波器的宽度，则以上相位差异等式不成立。因此，将滤波器44的带宽Δω设定为大于此最大频率偏移，因而符合以下关系Δω＞＞2k(ω0)vmax由滤波器44处理后，所产生的已过滤信号W′j(t)为一具有频率ω0的振幅与相位已调制载波，并由下式加以定义W′j(t)＝Aj(t)sin[ω0t+θj(t)]其中Aj(t)与θj(t)为该信号的振幅与相位。两者都在由滤波器的带宽所确定的时间标度Δt，即Δt＝2π/Δω上波动。可从带通滤波器输出作独立相位角测量的最大频率为1/Δt。因为触摸感测器通常每10ms提供一更新的接触位置测量，位置测量的最小频率的条件为Δt＜10ms。
然后将已过滤的信号W′j(t)同时传送至两个模拟相位检测器46。此类检测器在现有技术中已广为人知，例如，参见Horowitz与Hill的“The Art ofElectronics(电子技术)”第644页。也将每个都具有频率ω0但相位差异为π/2的参考信号馈送至两个相位检测器。相位检测器的输出通过各具有约Δω/2的截止频率的低通滤波器48。低通滤波器的输出分别与cos(θj)与sin(θj)成正比。这些输出然后是通过数字化器50加以数字化并由处理器52加以处理，以便提供相位角θj。
图7b说明图7a中所用的参考信号可如何产生。在第二感测器处测量第二弯曲波信号Wi(t)。将该信号馈送通过放大器42以及模拟带通滤波器44，以便产生已过滤的信号W′j(t)。已过滤的信号W′j(t)形成直接馈送至一个相位检测器46的参考信号。也经由一装置将已过滤的信号馈送至第二相位检测器46，该装置将该信号的相位偏移π/2。使用相位偏移信号作为第二相位检测器46的参考信号。
图8a至8d说明相位角差异因而路径长度差异如何用于计算接触位置。图6的步骤(d)中的等式定义可覆盖于板12上的双曲线。图8a说明使用一对感测器16(板12的短侧的各端均安装一个)的三个不同的n1m值以及所计算的相位角差异所产生的三条双曲线26。同样地，图8b与8c说明通过两对其他的感测器的相位角差异以及不同的n1m值而产生的双曲线26。图8d说明由感测器所产生的全部双曲线。接触位置24为三条双曲线的交点，每条双曲线来自于每对感测器。可从接触位置24推断n1m的正确值。
可使用图9中所示的具体实施例来实施推断n的方法。每个感测器所测量的弯曲波信号W1(t)由两个带通滤波器48、54同时处理。计算两个相位角，每个滤波器各对应一个，例如，如图7所述。滤波器48、54具有略微不同的通带频率，其中由每对感测器提供两个相位角差异，每个通带频率各对应一个差异。
来自感测器的相位角差异Δθa、Δθb可定义为Δθa＝k(ω0+ωδ)Δx+2πnaΔθb＝k(ω0-ωδ)Δx+2πnb其中Δx为接触与感测器位置所定义的单路径长度差异。
正确的组合(na，nb)可确定为使以下表达式最小化的值组合|Δθa-2πnak(ω0+ωδ)-Δθb-2πnbk(ω0-ωδ)|]]>
路径长度差异则可估计为Δx=12(Δθa-2πnak(ω0+ωδ)+Δθb-2πnbk(ω0-ωδ))]]>另一对感测器则可用于确定第二路径长度差异。每个路径长度差异在该面板上定义一双曲线。这两条双曲线的交点为接触位置。如图8a至8d所示，绘制双曲线，并且最大数目的双曲线的交点很可能为真实的接触位置。
图10说明用于从以上等式计算接触位置的替代方法，即i.测量一对弯曲波信号Wi(t)与Wj(t)，每个信号分别由一感测器测量；ii.使用图11与11a中所述的方法计算两个信号的离差校正的相关函数；iii.使用离差校正的相关函数计算接触的初始位置，如图11与11a所述；iv.重新测量弯曲波信号Wi(t)与Wj(t)；v.计算每个信号的相位角-例如，如图7a与7b所述；vi.计算相位角之间的差异；vii.选择使路径长度差异的变化最小化的n1m值；viii.绘制由下式所定义的双曲线k(ω0)Δxij＝Δθij-2πnijix.重复步骤(iv)至(viii)，重新测量规则间隔Δt(例如Δt＝2π/Δω)的弯曲波信号。
在步骤(viii)，需要来自不同对感测器的两条双曲线的最小值来确定接触位置。因此，必须为至少两对感测器同时实行整个程序。因此，必须确定两个相位角差异的最小值。如图9所述，通过使用两个感测器并将该信号分成两个频带而产生两个相位角差异。或者，可使用多个感测器，以便使用不同对的感测器来计算多个相位角差异。
图11说明计算离差校正的相关函数以显示接触位置与感测器之间的路径长度差异的方法。以下提出的方法概述了PCT/GB2002/003073中的信息。该方法包括下列步骤(a)测量两个弯曲波信号W1(t)与W2(t)；(b)计算W1(t)与W2(t)的傅立叶变换以得到 与 并因而得到中间函数 其中 为复数共轭傅立叶变换，t代表时间，ω为2πf，其中f为频率。
(c)计算第二中间函数M(ω)，其为 的函数
(d)与(e)在执行步骤(a)至(c)的同时，使用预定的面板离差关系k=(μ/B)1/4ω]]>来计算频率延伸运算f(ω)=v(μ/B)1/4ω.]]>(f)组合M(ω)与f(ω)=v(μ/B)1/4ω]]>以得到离差校正的相关函数G(t)=12π∫-∞+∞M[f(ω)]exp(iωt)dω;]]>以及(g)对于时间绘制离差校正的相关函数，峰值发生在时间t12处，如图11a所示；(h)从t12计算Δx12；Δx12为从第一与第二感测器至接触的路径长度x1与x2之间的路径长度差异。
(i)Δx12定义一双曲线，其可如图7所示绘制，以计算接触位置。
如使用图10的方法，需要两条双曲线的最小值来确定接触位置。因此，上述产生更多双曲线的方式可应用于此方法。
第二中间函数M(ω)可简单地为 其可提供一标准的离差校正的相关函数。或者，M(ω)可从下列函数中选择，这些函数都会产生标准的离差校正的相关函数的相位等效函数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)为一实值函数d)---M(ω)=W^1(ω)W^2*(ω)ψ(ω),]]>其中ψ(ω)为一实值函数或者，M(ω)可为函数 其为相关函数D(t)D(t)=∫-∞+∞W1(t+t′)W2(t′)dt′]]>的傅立叶变换。
这些步骤为计算D(t)；计算 并应用一频率延伸运算以得出离差校正的相关函数G(t)=12π∫-∞+∞D^[f(ω)]exp(iωt)dω.]]>或者，在步骤(f)，可计算下列离差校正的相关函数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 与 为两个所测量的弯曲波信号{W1，j(t)}与{W2，j(t)}的傅立叶变换与复数共轭傅立叶变换，且{ΔXj}为路径长度差异。
一感测器可当作第一与第二感测器两者，其中该离差校正的相关函数为一自相关函数。可使用W1(t)＝W2(t)对该离差校正的相关函数应用相同的步骤而计算自相关函数。
图12a说明一兼作扬声器操作的接触敏感装置。图12b说明用于将音频信号以及所测量的信号分成两个不同的频带以便抑制音频信号对已处理的所测量信号的贡献的方法。该装置包括一部件106，其中通过一发射转换器或激励器108与接触产生弯曲波。发射转换器将一音频信号施加于部件106以产生一声输出。在施加于该部件之前，通过一低通滤波器112过滤该音频信号，如图12b所示，该滤波器移除临界频率f0以上的音频信号。
如图12b所示，该接触产生一信号，该信号的功率输出在一较大频带上实质上不变。将来自该接触的信号与该音频信号相加以得到一组合信号，该组合式信号通过高通滤波器114以移除临界频率f0以上的信号。然后将该已过滤的信号传送至数字化器116以及处理器118上。
权利要求
1.一种接触敏感装置，包括能够支持弯曲波的部件；安装于该部件上用于测量该部件中的弯曲波振动的三个感测器，从而每个感测器确定一所测量的弯曲波信号；以及从这些所测量的弯曲波信号计算该部件上的接触的位置的处理器，其特征在于，该处理器计算每个所测量弯曲波信号的相位角以及至少两对感测器的相位角之间的相位差异，以便计算至少两个相位差异，从该至少两个相位差异确定该接触的位置。
2.如权利要求1所述的接触敏感装置，包括在该部件的边缘处的吸收器，从而使反射波得以抑制。
3.如权利要求2所述的接触敏感装置，其中选择该吸收器与该部件的机械阻抗以使来自该部件的边缘的弯曲波反射减至最小。
4.如权利要求3所述的接触敏感装置，其中选择这些阻抗，使得弯曲波能量在围绕所选频率ω0的频带中被强烈吸收。
5.如权利要求4所述的接触敏感装置，其中选择这些阻抗以满足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT为吸收器的终止阻抗，且ZB为该部件的边缘的机械阻抗。
6.如权利要求4或5所述的接触敏感装置，包括用于过滤每个所测量的弯曲波信号的带通滤波器，该滤波器具有以该所选频率ω0为中心的通带以及带宽Δω。
7.如权利要求6所述的接触敏感装置，其中该滤波器的带宽Δω符合以下关系Δω＞＞2k(ω0)vmax其中vmax为该接触的最大横向速度。
8.如权利要求2至7中任一项所述的接触敏感装置，其中该吸收器是由泡沫塑胶所制成。
9.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，其中该部件在其表面上包括凸起的图案，从而横跨该表面所拖拉的接触为该部件提供一力，以在该部件中产生弯曲波。
10.如权利要求9所述的接触敏感装置，其中该图案为随机图案，从而在该部件的该表面上行进的接触产生随机弯曲波信号。
11.如权利要求10所述的接触敏感装置，其中该图案是由抗反射涂层、防眩表面光制或蚀刻光制所形成。
12.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，包括至少两个带通滤波器，这些带通滤波器具有不同的通带频率并同时处理由一对感测器所测量的弯曲波信号，从而由一对感测器提供每个通带频率的相位角差异。
13.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，包括在该部件上的四个感测器。
14.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，包括使用多对所测量的弯曲波信号的离差校正的相关函数来确定该接触的初始位置的构件；以及使用多对所测量的弯曲波信号之间的相位角差异来确定该接触的后续位置的构件。
15.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，其中该相位角确定构件包括相位检测器。
16.如权利要求15所述的接触敏感装置，其中该处理器包括低通滤波器与数字化器，用于确定该相位角。
17.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，其中该部件为声辐射器，并将发射转换器安装于该部件上以在该部件中激发弯曲波振动，从而产生声输出。
18.如权利要求17所述的接触敏感装置，其包括用于确保该声输出与所测量的弯曲波信号处于离散的频带中的构件。
19.如前述权利要求中任一项所述的接触敏感装置，其中该部件为透明部件。
20.一种确定与接触敏感装置上的接触有关的信息的方法，包括下述步骤提供能够支持弯曲波的部件以及安装于该部件上用于测量该部件中的弯曲波振动的三个感测器；在该部件的一位置处施加接触；使用每个感测器来确定一所测量的弯曲波信号以及从该所测量的弯曲波信号计算该接触的位置，其特征在于，计算每个所测量弯曲波信号的相位角、计算至少两对感测器的相位角之间的相位差异以及从所述至少两个所计算的相位差异确定该接触的位置。
21.如权利要求20所述的方法，包括通过将一吸收器放置于该部件的边缘处而抑制反射波。
22.如权利要求21所述的方法，包括选择该吸收器与该部件的机械阻抗以使来自该部件的边缘处的弯曲波反射减至最少。
23.如权利要求22所述的方法，包括选择这些阻抗使得弯曲波能量在围绕所选频率ω0的频带中被强烈吸收。
24.如权利要求23所述的方法，包括选择这些阻抗以满足下列等式ZT＝-iZB(ω0)其中ZT为该吸收器的阻抗，且ZB为该部件的边缘的阻抗。
25.如权利要求第23或24所述的方法，包括通过一带通滤波器过滤每个所测量的弯曲波信号，该带通滤波器具有以该所选频率ω0为中心的通带以及带宽Δω。
26.如权利要求20至25中任一项所述的方法，包括应用下述相位差异等式Δθ1m＝θ1-θm＝k(ω0)Δx1m+2πn1m来确定该接触的位置，其中θi为一所测量的弯曲波信号的相位角，xi为从该接触位置至每个感测器的距离，Δx1m＝X1-xm为两个感测器的路径长度差异，k(ω)为波向量以及n1m为一未知整数。
27.如权利要求26所述的方法，包括选择该部件以将Δx1m的幅度限制为小于波长的一半的值，以便从|Δθ1m-2πn1m|＜π确定n1m。
28.如权利要求26所述的方法，包括使用一对所测量的弯曲波信号的离差校正的相关函数来确定该接触的初始位置，并选择使该路径长度差异中的变化减至最小的n1m值。
29.如权利要求26所述的方法，包括选择一系列的n1m值，将该系列的值与每个相位角差异组合以定义一系列的路径长度差异，绘制这些路径长度差异的系列曲线图，以及从大量这些曲线图相交的一点推断真实的n1m值。
30.如权利要求20至29中任一项所述的方法，包括从这些多对相位角计算多个相位角差异，绘制每个路径长度差异的曲线图以及将大量双曲线相交的一点选择为该接触的位置。
31.如权利要求20至30中任一项所述的方法，包括将来自每个感测器的这些所测量弯曲波信号分割成至少两个离散频带，以及针对每个频带计算一对感测器的相位角差异。
全文摘要
一种接触敏感装置，包括一能够支持弯曲波的部件(12)、安装于该部件(12)上用于测量该部件中的弯曲波振动的三个感测器(16)，由此每个感测器(16)确定一所测量的弯曲波信号，以及一从这些所测量的弯曲波信号计算该部件上的接触的位置的处理器。该处理器计算每个所测量弯曲波信号的相位角以及至少两对感测器的相位角之间的相位差异，以便计算出至少两个相位差异，并从中确定该接触的位置。
文档编号G06F3/041GK1720498SQ200380104775
公开日2006年1月11日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月6日
发明者尼克拉斯·P·R·希尔, 达赖厄斯·M·沙利文 申请人:新型转换器有限公司