接触传感装置及方法

专利名称：接触传感装置及方法
接触传感装置及方法本申请是2000年12月18日提交的申请号为00817654.X的发明专利申请"接触传感装置"的分案申请。技术领域 本发明是有关接触传感装置及方法。
背景技术：
直观显示器通常包含某种型式的接触传感屏幕。在例如掌上型计算机的 下一代便携式多媒体装置出现后，其变得更普遍。利用波以检测接触的最近 建立的技术是表面声波(SAW)。其将在玻璃屏幕表面上产生高频波，并利用 手指触摸后的衰减以检测触摸位置。这一方法为"飞逝的时间 (t ime-of-f 1 ight)",其中利用到达一或更多的传感器的扰动时间以检测位 置。当々某体^、非分散性方式工作，亦即波速在所关注的频率范围内无显著的 变化时，这一方法是可行的。发明内容根据本发明，提供了 一种确定与一有源接触传感装置上的接触有关的信 息的方法，包含以下步骤提供一可维持弯曲波振动的面板形式的部件；从 该部件上的一个位置产生该部件中的弯曲波振动，以探查与接触有关的信 息；在离散的位置接触该部件，以便生成在该部件中所产生的弯曲波振动的 变化；在该部件的两个位置上，测量该部件中的变化的弯曲波振动，以确定 所测得的弯曲波信号；以及处理所测得的弯曲波信号，以计算与接触有关的 信息，该处理包括施加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性 波来源的传播信号。根据本发明，提供了一种有源接触传感装置，包括可维持弯曲波振动、并在被激励时形成声音辐射器的部件；耦接到该部件的一个或多个激励器， 用于激励该部件中的弯曲波振动，以探查与在该部件的表面上产生的接触有 关的信息，并使该部件产生声音输出；耦接到该部件的至少一个传感器，用 于测量该部件中的弯曲波振动；可操作地耦接到所述至少 一个传感器的处理 器，用于根据由接触产生、并由所述至少一个传感器测量的在该部件中的弯 曲波振动的变化，来处理与接触有关的信息，并施加校正，以将所测得的弯 曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。根据本发明，提供了一种有源接触传感装置，包括可维持弯曲波振动 的部件；耦接到该部件的发射转换器，用于激励该部件中的弯曲波振动，以 探查与接触有关的信息；耦接到该部件的至少一个传感器，用于测量该部件 中的弯曲波振动；可操作地耦接到所述至少一个传感器的处理器，用于根据 由接触产生、并由所述至少 一个传感器测量的在该部件中的弯曲波振动的变 化，来处理与在该部件的表面上产生的接触有关的信息，并用于施加校正， 以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。根据本发明，提供了 一种确定与一接触传感装置上的接触有关的信息的 方法，包含以下步骤 一是供一可维持弯曲波振动的部件；在该部件中产生弯 曲波振动，以探查与接触有关的信息；在离散的位置接触该部件，以便生成 在该部件中所产生的弯曲波振动的变化；测量该部件中的变化的弯曲波振 动，以确定所测得的弯曲波信号；以及处理所测得的弯曲波信号，以计算与 接触有关的信息，该处理包括施加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成 从非分散性波来源的传播信号。根据本发明，提供了一种用于可维持弯曲波振动、并在被激励时形成声 音辐射器的部件的方法，该方法包括使用耦接到该部件的发射转换器来激 励弯曲波振动；在耦接到该部件的至少一个传感器中，测定与在该部件的表 面上产生的接触有关的、该部件中的弯曲波振动；以及处理由所述至少一个 传感器测量的与接触有关的信息，并施加校正，以将所测得的弯曲波信号转 换成从非分散性波来源的传播信号，从而识别与接触有关的信息。根据本发明，提供了 一种确定有关在一接触传感装置上接触的信息所述 的方法，包含的步骤为提供一可维持弯曲波的部件，在离散的位置接触该部件，以在部件中产生弯曲波振动的变化，至少提供一个附着至该部件的测量装置，以测量在部件中变化的弯曲波 振动因而确定所测量的弯曲波信号，以及处理所测得的弯曲波信号以计算有关接触的信息。接触可为输入笔(stylus)或手指接触的形式。该输入笔可为手握式钢笔 的形状。所计算的信息可为接触的位置或可为其它信息，例如接触的压力或尺 寸。有关接触信息可在中央处理器中计算。可用至少一个安装在部件边缘或与部件边缘相隔的传感器测量弯曲波 传播。传感器的形式可为一传感转换器(sensing transducer),其可将弯曲 波振动转换成模拟输入信号。可有多于一个的传感器。弯曲波振动意谓着例如接触的激励，其将一些平面位移传予部件。有许 多弯曲材质，某些具有完全的平方根分散关系的纯弯曲，而某些为纯弯曲及 剪性弯曲的混合。分散关系描述了波的平面速度与波频率的相关性。部件的 材料特性及激励频率确定了振动的相对幅度。弯曲波为分散性的，亦即弯曲波的速度与频率有关。因扰动记号随时间 逐渐散播，故此特性-使得任何"飞逝的时间"方法不是4艮恰当。因此，本方 法还包含将来自非分散波来源的所测量的弯曲波信号加以校正，其以将转换 成传播信号的步骤。 一旦加入了校正，用于雷达及声纳领域的技术方法可用 来检测接触的位置。利用弯曲波传播的一个重大的优点是弯曲波为体波(bulk wave),其包 含整个部分的移动，而非只是表面。相反，大部分其它的接触传感技术依赖 的是表面效应，因而易受到表面的损坏的影响。因此，利用弯曲波的接触传 感装置应是更坚固且对表面的划伤较不敏感等。利用校正可为处理弯曲波信号的第 一 步。所利用的校正最好是基于维持 弯曲波的部件材料的分散关系。这一分散关系通过将弯曲波方程式与部件材 料已知的实际参数结合来模型化。另外，可用一激光振动计测量分散关系， 以便在部件中对许多已知的频率产生振动模式(pattern)的图像，从而提供 在所关注的频率范围中的分散关系。通过对部件中的移动可持续地取样以进行弯曲波传播的测量。将所测得 的弯曲波信号与一参考信号(例如在接触前已形成的信号)相比较，当接触时 可识别。可比较信号的幅度或其它特性。 一旦形成接触，可记录所测得的弯曲波信号，然后加以处理。部件可为平板(plate)或面板(panel)的形式。该部件可为透明的或选择 非透明的，例如具有印刷的图形。该部件可具有均匀的厚度。另外，部件可 具有更复杂的形状，例如弯曲的表面及/或可变的厚度。若弯曲波可能从接 触位置行进至传感器之一(不管是多复杂的路径)，通过提供一例如类神经网 路的自适应算法以解译传感器所收到的弯曲波信号的接触位置，该方法可适用于复杂形状的部件。可能需有数个传感器。该方法可涉及纯无源式(passive)传感。换句话-说，^"触所引起的部件 中弯曲波振动的变化可为对部件中弯曲波振动的激励。换句话说，对无源式 传感器并无其它弯曲波振动源。通过记录在各传感器脉沖到达的时间、比较 这些时间以确定各传感器距脉冲源的相对距离并将相对距离交叉以得接触 的位置，可计算出接触的位置。通过接触的最被碰击或摩擦移动可产生弯曲 波振动以及所测量的弯曲波信号。最少可有三个传感器。增加用于检测接触或接触位置的传感器数目提供了额外的信息，且因而 可提供更准确的检测。另外地或附加地，可在较长的时间段分析在各传感器 所收到的弯曲波信号，以致不仅测量了直接信号(亦即脉沖最先到达转换器 的信号)且也测量了来自部件边缘的反射。这一方法近似于向各现有的传感 器加入镜面反射的方案。利用这一方式，所得的额外信息可用于提供较高的 准确度或减少传感器的数目。在计算接触的位置之后，可进一步处理所测得的弯曲波信号以确定接触 有关的其它信息。输入笔在部件上的移动将会产生受部件上输入笔的位置、 压力及速度影响的连续信号。可从该连续信号推导出的连续时间数据，可用 于推导出在各种应用上其它有用的信息。一种应用可为签字辩认，其为图形辩认的更一般性工作的子集合。例如 这些从复杂的数据画出图形的应用，其优点主要来自在连续时间数据中出现 的额外独立信息。因而这一方法还可包含实现用于处理连续时间凝:据的类神 经网路的步骤。可以一组例子训练该类神经网路，例如由一特定物件所写的 一组签字或根据人书写过程所引起的典型变化的知识所产生的集合。类神经网路的基本特性是可用的独立信息愈多，所得出结论的准确度愈 高。因为是与在部件表面上输入笔的速度及压力相关，在连续时间数据中许 多可用的信息是完全与位置信息无关的。因此额外的信息将增加准确的签字辩认的可能性。该方法还可包含对签字的时间响应的实例的第二类神经网路 的训练。利用由使用者产生的或从压力及速度预期的变化的知识的更多例子 训练，可实现其它的改进。另外，连续时间数据可用于手写的辩认、"双击"的检测或接触强度 的牙企测，例如点击有多强。利用连续时间数据中脉冲形状的图像，可实现对 "双击"及点击强度两者的检测。可以利用比其它更传统的技术更慢的位置 取样速率。相比较而言，传统上对笔、手指等接触的检测是在预定的取样率下进行 的，而有关接触位置的信息是从点的集合建立的。并无连续的时间信息，因 而无法进行上述的许多应用，或者只可在较低满意度下进行。因为各类型的输入笔所产生的特性频率不同，所以所测得的弯曲波信号 的频率含量的测量可用于确定接触类型。例如硬输入笔将比软手指产生更高 的频率。因而可建立利用手拿的笔输入装置的接触传感装置，若操作者的手 触及该接触传感装置也不致将其触发。由不同类型的输入笔所产生的频率差异意味着可达到的绝对空间分辨率的差异；愈高的频率转变成愈大的分辨率。然而，分辨率的差异通常与讨 论中接触的要求一致。例如，以手指输入所需的空间分辨率通常低于尖锐端 输入笔预期的空间分辨率。接触所产生的频率相当低，亦即一般为音频而非超声波的频率。因此， 部件最好可维持音频范围的弯曲波振动。因而与用做扬声器的声音辐射器相 似的部件也可用做为接触传感装置。接触传感装置还可包含一安装于部件上的发射转换器，以产生部件中的 弯曲波振动，因而探查有关接触的信息。因此该部件可为声音辐射器，且在 部件的弯曲波振动可用于产生声音的输出。虽然有会影响无源式传感的其它 型式噪声信号，不过这种振动可当做是噪声信号。当有外部噪声信号时，本方法还可包含将噪声信号与接触所产生的信号隔离的技术，例如1) 预测在短时间内噪声信号的响应的预测滤波。与预测值的差异很可能是 由接触而非发射转换器所产生。2) 通过利用所产生声音信号的连续记录与发射转换器至传感器的传递函 数，将噪声信号模型化。这使得能比预测滤波更加准确地预测噪声信号。3) 以用于定位接触(例如，交叉法)位置的相同方式，利用多个传感器以确定发射转换器的位置。这一信息有利于将发射转换器所产生的弯曲波与接触 所产生的弯曲波相分开。另夕卜，噪声信号可用做部件中接触的有源(active)探测。因此本方法还 可包含在部件中产生弯曲波，以形成有源的检测，换句话说，与接触产生的的波的响应有关。在部件中的弯曲波可由来自安装在部件上的转换器的激励信号产生。该 转换器可具有双功能，亦即做为发射转换器及传感器。另外，可在部件上安 装一发射转换器及至少 一个传感器。接触的效应可为反射性、吸收性的，或者二者的组合。对于反射，发射 转换器产生了弯曲波，其反映接触并由同一转换器或独立的传感器所检测。 然后可以利用材料分散关系信息处理时间或频率响应的信号。以产生从发射 转换器或来源经过接触至该传感器所行进的距离。单一测量足以区别两个明显距离分开的接触位置。然而，可能需要更多 信息以更准确地确定接触位置。可以用多个传感器4全测反射以达到这一 目 的，而可从该发射转换器或从某些或全部传感器用的不同来源发出激励信 号。以任一种方式，各传感器对接触位置做了独立测量，通过结合增加转换 器数目可逐渐提供更准确的接触位置。另外一种增加位置准确度的方式可为在较长时间内测量部件中的弯曲 波振动，因而增加在各次测量的信息。频率响应方面，这可对应于较高的频 率分辨率。该扩展的信号也可含有关由于接触的直接及间接反射的信息。间 接反射为从接触经一或更多的边界反射而到达传感器的信号。这一方法可看 做等同于在起始传感器的镜面位置加入更多的传感器，且可用于仅以一个组 合的来源/传感转换器来确定准确的接触位置。可将一种自行测量方案融入接触传感装置以测量在部件中的材料分散关系。当无接触时，边界反射仍会出现，这对规则形状而言是显现对应于至 各边界的距离的强烈反射。对于一特定的实施方式，已知发射转换器，传感 器及边界位置，以提供一组已知的参考点。然后可最优化一表示材料分散关 系的平滑函数以环绕(warp)频率轴，因而恢复对应于这些参考点的周期性。 若有需要，通过附加其它已知的参考点(例如在一预定位置的接触)，可进行 进一步的最优化。这一方式使得在实施有源传感技术时不需先知道材料分散关系。另外， 其可用于对面板特性中出现的小制造容差或由热、湿度等引起的变化的微 调。对一种基于反射的方案，纯吸收需要不同的实施方法。因而这一方法可 包含实施一种"射线追踪方案"，其中而接触的效应是中断入射在一或更多 传感器的波。可由直接激励产生入射在传感器的波，例如由在相对位置的一 或更多发射转换器，或者由来自一或更多边界反射的间接激励。对于间接激 励，发射转换器可置于在包括邻近传感器的位置的任何位置。再者，间接激 励使得能够检测由于做为边界反射的来源及传感器的单一转换器的吸收接触o入射波的中断也可导致对吸收点的绕射。绕射效应使得吸收式方法对比 在纯射线追踪情况更宽的区域传感。接触位置可在入射在传感器的弯曲波的 直接路径外，且仍可影响传感器所收到的信号。吸收所得的信息可为比在反 射接触更复杂的形式。因此可能需要更具智能化的检测算法，例如类神经网 路。转换器所产生的激励信号最好很好地抑制噪声信号，且最好没有听得见 的有害或听觉上明显的影响。因此，激励信号可具有极小的幅度或可为与噪声信号相似。对于后者，为了计算，可将特定关联性隐藏在噪声信号中，以便理解。另外，激励信号可为听不见的，亦即将频率增加至超过20千赫兹 的超声波。这所具的优点是可利用大的信号幅度，且高频率转变成高空间分 辨率。然而，部件须能维持这一超声波信号。许多种材料均是^艮合适的，例 如，玻璃、晶体聚苯乙烯。 可从下列信号的任一个信号选取激励信号1. 脉冲式激励-注意若其具有足够的幅度，这将导致很差的噪声抑制及可 听见。2. 频带限制的噪声-这一信号比在任何指定频带中的大多数有较少听得见 的损害，且具有可将其调谐至最适当频带的优点。此外，其可为超声波的。3. 稳态正弦波-具有极佳的信号对噪声比，不过在声音频带时为可完全听 见的。其改良是将频率置于声音频带外或利用多个具有随机相对相位的紧密 相隔的正弦波，因而使得信号听来更像噪声之类。这为听起来像噪声的信号 的一个实例，不过具有改进信号对噪声电平比的隐藏关联性。这种轨迹(trace)的另一实例是MLS (最大长度序列)信号。4. 裤火声(chirp)信号-这是为确定在宽广频率范围系统的频率响应所广泛 使用的信号。然而，这仅在听不见的超声波频率才可是实用的。5. 声音信号-当将部件用做为扬声器的声音辐射器时，可将其馈入转换器。 在此情况下，并无具有听得见的损害效应的激励信号的问题，因为这正是导 致所要的声音输出的信号。当将传感器与发射转换器紧密放在一起或者为同一转换器时，发射转换器所 产生的背景信号通常远大于与接触相关联的信号。这样可能引起的问题可按 许多方式緩和。例如，对于脉冲式激励信号，可将在传感器的测量予以控制， 以便在发射转换器产生的向外波将比传感器前进得更远之后开始测量。然 而，因脉沖式激励信号具有较差的噪声抑制特性，延长时间的激励信号比脉 冲式激励信号更通用。对于延长时间的激励信号，有可用于改进接触记号的相对幅度的机械或 其它的技术，例如1) 将传感器置于距发射转换器约1/4波长处，因而在传感器位置所检测的 向外波的幅度为最小。若接触信号是限制在相当狭窄的频率范围，可利用这 一技术。2) 将发射转换器及传感器置于一个驱动点，并将发射转换器及传感器设计 成按正交形体特性耦合。例如， 一弯曲转换器及一惯性耦合的转换器可置于 同一点。由任一转换器产生的向外波不会为另一个转换器检测到。然而，通 过最大化其相对幅度，将检测到由于接触或边界所反射的的二次波。3) 注重电气领域的问题。利用扫描(swept)正弦波及解调级可实现频率响应 的测量。来自发射转换器的向外波产生一频率响应的大背景值，在这一值上 叠加了由于接触引起的较小反射的细微结构。在解调(例如由啾声解调电路) 之后，输出可为在大的平稳变化的背景上的小紋波。因此，当这一输出通过 高通滤波器时，相对于大背景可突出该相关的细微结构。4) 通过将具有足够的准确度所测得的信号数字化，使得其将对大背景顶上 的细微结构很敏感。然后通过可以数字域中的滤波突出该细微结构。依转换器的使用而定，其可为二、三或四端器件。二端器件可分别用做 传感器或发射转换器。另外，它们可用做为双功能转换器，而由器件的阻抗 确定传感的功能。三及四端器件利用单独的转换器做为传感器及发射转换器。对于三端器件，传感器及发射转换器共用一共同的电极，而在四端器件 中传感器与发射转换器是电气上隔离的。各发射转换器或传感器可为直接粘着至部件的弯曲片式转换器，例如压 电式转换器。弯曲片式转换器通常为方向性的，在某些应用上是很有利的。 由它们的体形确定可达到的指向性，并因此可相应地调谐。其它优点包括高 转换效率、低成本及相当的强度。另夕卜，各发射转换器或传感器可为以单点耦合至部件的惯性转换器。该 惯性转换器可为电动式或压电式。若在所关注的频率，相比较于部件中弯曲 波长，接触点很小，则惯性转换器通常为全向式的。对于应用上的特定布局，可在围绕部件边缘或部件表面上相对地相等间 隔放置转换器及/或传感器。使用已置于适当位置做为传感及/或发射转换器的声音转换器。这一实 施方式可利用最小额外硬件增加接触屏幕的便利性。然而，若这一方案不可 能，则小的压电元件可成为最适当的转换器，这因为它们特别地适合可用做 有源传感的超声波频率。根据本发明的第二个方面，所提供的接触传感装置包含一可维持弯曲波 振动的部件及装于该部件上的传感器，该传感器用于测量在部件中的弯曲波 振动并将信号传送至一处理器，该处理器处理与由于接触所产生的部件中弯 曲波振动的变化而在部件表面上的接触有关的信息。接触传感装置可为无源式传感器，在部件中弯曲波振动仅由接触而非由 任何其它来源所激励。另外，接触传感装置可为有源式传感器。因而接触传 感装置还可包含一发射转换器，用于激励部件中的弯曲波振动因而探查与接 触有关的信息。通过将发射转换器产生的波的响应与接触引起的机械限制相 比较，以计算接触有关的信息。部件可维持声频范围的弯曲波。因而接触传感装置可为一扬声器，使得 该扬声器的声音辐射器做为接触传感装置的部件起作用，及一做为接触传感 装置的发射转换器的激励器，其安装于声音辐射器上，以激励声音辐射器中 弯曲波振动而产生声音输出。接触传感装置还可包含显示装置，用于显示由处理器所计算的接触有关 的信息。因此，根据本发明的第三实施例，提供了一作为接触传感装置的显 示屏幕。该显示屏幕可为一包含可用于激励或传感弯曲波的液晶的液晶显示屏幕。该屏幕可以维持在一宽广频率范围中的弯曲波。对屏幕的直接接触可触发该接触传感装置。因此，这一应用使标准LCD屏幕无需其它机械元件就 提供了对接触传感的可能性。因为本方法可适于复杂的形状，所以移动电话、手提式计算机或个人数 据助理可包含根据本发明的接触传感装置。例如，根据本发明，对接触很敏 感的连续式;f莫压件(molding)可取代传统上装于移动电话的辅助键盘。这一 方案可降低成本并在声频应用上提供扩充的使用范围。在手提式计算机中， 根据本发明，作为接触传感装置的连续式模压件可以取代起鼠标控制器作用 的触板。该模压件可以按照鼠标控制器或其它替代物(例如键盘)实现。与其它技术相比较，弯曲波接触传感装置及方法的优点是1) 对接触的位置及压力两者很敏感的更多用途的技术；2) 因无需透明接点阵列或磁触点(tip)式的复杂传感器等，故其为较便宜形 式的接触传感装置；3) 通过控制部件的材料参数，可很容易标定装置的尺寸及空间灵敏度；及4) 通过利用双功能部件，在很紧的空间及重量限制下可实现良好品质的声 响。附图简述在附图之中通过举例以示意说明本发明，其中图l表示根据本发明的接触传感扬声器；图2A及2B表示在接触之前及之后弯曲波扬声器；图3为根据本发明第二实施例融入无源式接触传感的第一扬声器；图4为4艮据本发明第二实施例融入无源式接触传感的第二扬声器；图5为根据本发明第一实施例的无源式传感处理算法的方块图；图6为根据本发明第一实施例融入有源式接触传感的第一扬声器；图7为根据本发明第一实施例融入有源式接触传感的第一扬声器；图8为本发明的实施布局的方块图；图9为根据本发明第一实施例的有源式传感处理算法的方块图；及

图10a至10d为分散校正方法的曲线图。实施本发明的最佳方式图1表示一接触传感装置10,其包含一安装于显示装置14前方的透明 接触传感板12。显示装置14可为电视、计算机屏幕或其它直观显示装置的 形式。 一钢笔形状的输入笔18用来将文本20或其它内容写在该接触传感板 12上。透明接触传感板12也可为一可维持弯曲波振动的声响装置。三个转换 器16是安装于板12上。至少两个转换器16k为传感转换器或传感器，因而 对板中的弯曲波振动很敏感且监视着弯曲波振动。第三转换器16也可为传 感转换器，因而这一系统对应于图3或图4的无源式接触传感装置。另夕卜，第三转换器可为用于激励板中的弯曲波振动的发射转换器，因而 该系统对应于图5的有源传感器。在图7实施例的图6中，有源式传感器可 做为组合的扬声器及接触传感装置。图2a及2b示出一利用弯曲波振动做为传感元件的接触传感装置22的 一般原理。接触传感装置22包含一可维持弯曲波振动的面板24以及一安装 于面板24上的传感转换器26,该转换器用于检测在该传感转换器26安装 点的面板24的弯曲波振动。图2a表示弯曲波振动的振动模式28，在这种 情况下为正常未中断的振动模式，例如在指定频率下的稳态模式或一暂态脉 冲模式。在图2b中，于接触点30对面板24进行接触，而改变了振动模式。通 过扰动已在面板24中的弯曲波路径或通过产生从接触点30发出的新弯曲 波，接触可改变振动模式28。由传感转换器26检测振动模式28的变化。 例如由一第一处理单元可从传感转换器的读数确定接触有关的信息。该信息 可传送至一第二处理单元，其将信息输出在显示屏幕上。信息可包含接触脉 冲的位置及压力分布的细节，例如1) 接触的x, y座标。2) 接触的特性尺寸，例如1毫米对应于钢笔或输入笔，l厘米对应于手指。3) 接触的压力分布做为时间的函数。图3及4更详细地表示两个接触传感装置32、 33。接触传感装置32, 33包含一可维持弯曲波振动的面板24以及三个用于在它们分别安装点检测 弯曲波振动的传感转换器26。当在接触点30加上压力时，则产生振动模式28。因装置并不含发射转换器，故装置可当做是无源式接触传感装置。因而 仅通过接触产生面板中的弯曲波面板振动。在无源式传感器中，面板24本体内的脉冲开始了趋向面板24边缘的弯 曲波行进。弯曲波是由如图3围绕边缘等距离安装的三个传感转换器26或 由如图4安装于面板24的表面上不过与面板24边缘相隔的三个传感转换器 所检测。对所测得的弯曲波信号进行处理以确定施加脉沖的空间原点及作用 力分布。图5表示用于对在图3或图4中在各传感转换器26检测到的弯曲波信 息处理的算法。该算法包含下列步骤i) 最优化在各传感转换器的信号以将不想要的外界信号降至最低。可利用 信号的线性预测去预测及消除背景噪声。ii) 计算在各转换器的频率响应。iii) (视需要)若可从有源式传感获取时，添加关于接触脉冲位置的信息。iv) 加入材料参数信息。v) 利用从步骤(U), (iii)及(iv)得到的信息；校正面板的分散性以获得非 分散响应。vi) 计算在接触点指定脉冲形状的接触时间的响应的反快速傅立叶转换 (ff t)。vii) 输出详述脉冲形状的信息及视需要的位置信息。 无源式传感的优点包含1) 本方法涵盖超过一种的频率且包含描述脉冲形状所需的足够频率含量， 及2) 因本方法为无源式者，所需功率最低。无源式传感的一个缺点是脉冲的频率含量限制了所测得信号的频率含 量。因此，将转变成相当长的弯曲波长的高频信息受到限制。因而信号的空 间分辨率受到限制。图6及7更详细表示另一种组合式接触传感及声音装置35， 37的。这 些装置各含一可维持弯曲波振动的面板24及一用于激励面板24中的弯曲波 振动的发射转换器31。在图6中的装置35还包含两个用于检测在它们分别 的安装点的弯曲波振动的另外的传感转换器26,而在图7中的装置37包含 一个另外的传感转换器26。当在接触点30加上压力时，振动模式28受到中断。因这些装置包含一发射转换器31,可认定这些装置为有源式接触传 感装置。在图6中，传感及发射转换器26, 31是围绕面板24的边缘等距离地隔 开，而在图7中，传感及发射转换器26， 31是与面板24的边缘形成距离并 安装至其表面上。在图7中的转换器在面板的表面上等距地隔开。图8及9示出有源式接触传感装置的可能实施方式。在图8中，中央处 理器34输出一数字输出信号36,该信号由数字-模拟转换器DAC 38转换 成模拟输出信号40。该模拟输出信号40馈至放大器42，其将放大的模拟输 出信号44馈至发射转换器31。该发射转换器31发出激励面板48中的弯曲 波46的弯曲波激励信号。两个传感转换器26在;^r测步骤50检测在面^反48中的弯曲波。传感转 换器26将弯曲波振动转换为模拟输入信号52，这些信号馈入模拟-数字转 换器ADC 54的输入端。所形成的数字输入信号56传送至中央处理器34, 由该处理器确定有关接触脉沖的位置及分布的信息58。在图9中，表示确定接触点位置的方法，其步骤如下，并可由图6所示 的中央处理器执行a) 测量在各传感转换器的频率响应。b) 校正面板的分散关系。c) 计算fft以提供非分散性媒体的时间响应。d) 比较该时间响应与无外界接触面才反时的参考响应。e) 识别来自接触点的反射。f) 根据相关反射进行回波定位，以识别它们的来源。g) 输出详述接触位置的信息。有源式传感的优点包含1) 因为这一技术测量对外界信号的响应，高频信息不受限制且可能有高的 空间分辨率，以及2) 对外界噪声的感受度可大为降低。这可通过检测在外界噪声很小时的频 带(例如高于声音频谱)内的响应而实现。替代方法是为该信号提供特定的关 联性，使得即使与背景噪声相比很小时仍能检测到。有源式传感的缺点包含 1)这一技术比无源式可能对脉冲分布不敏感。然而，更复杂的处理可改善这一情况。例如，手指或钢笔的压力愈大，可能引入额外阻尼的程度愈大。 这可由相当筒单的另外的数据处理来识别，以及2)对外界信号的需求可能比无源式测量需要更高功率。通过将激励信号降 至尽可能地小时即可使这一缺点最小。此外，当激励信号在高频时，可利用 压力转换器，其具有非常高效率的优点。在许多应用中， 一个单一的弯曲波^接触传感装置的实施方式通常可能不 足以适应所有情况。例如当无声音经这一装置插-;改时，无源式传感器将工作 得很好。然而，当播放大声的音乐时，在声音频带外的频率或利用音乐信号 做为激励的有源式传感器更为适合。因此超过一个特定实施方案的组合可证 明为是最佳解决方式。再者，在无源式与有源式传感之间的过渡区，可从两 种技术获得有用的信息。图10a至10d表示一种将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性媒体的 传播信号的可能校正方法。图10a为表示任意单位的响应对时间的分散性脉 冲响应的曲线图。图10b为显示任意单位的响应对频率的分散性频率响应的 曲线图。图10c为表示任意单位的响应对频率的非分散性频率响应的曲线 图。图10d为表示任意单位的响应对时间的非分散性脉沖响应的曲线图。对于纯平板弯曲，波速是与频率的平方根成比例，即任一特定波的高频 分量行进得比低分量要快。图10a表示在具有平方根分散关系的理想媒体中 的脉冲，并证实分散性媒体无法保持脉冲的波形。向外波60在时间t-0是 很明显的，面回波信号62随时间传播，这使得要确定正确的接触位置很有 问题。频率响应的周期性变化为反射的特性，且通常称为梳状滤波。实质上，出的。由于频率增加且符合这一空间的波长数目增加，具有向外波的反射波 扰动在构建性与破坏性间振荡。计算图10a的分散性脉冲响应的傅立叶转换产生了图10b所示的频率响 应。该频率响应为非周期性的，具波长的周期性变化转变成随频率增加而有 变慢的频率变化。这为平方根分散的结果，其中波长是与频率的平方根成反 比的。因此面板关于频率响应的效应是根据面板分散性将响应展开成频率的 函数。因此，通过在频域施加^^开，可对面板分散加以校正，因而恢复在 非分散性情况呈现的周期性。利用面板分散性的反变换环绕(wrap)频率轴，可将图10b转换成非分散 性情况的频率响应(图10c),其中激励频率与波长成反比。这一简单的关系 是将波长渐减的周期性变化转变成如图10c所示频率渐增的周期性变化。将反快速傅立叶转换(fft)用在图10c的轨迹上，则产生图10d所示的 脉沖响应，其已经分散性校正且已恢复清楚的反射。如图10d所示，因在非的脉冲波形将及时保存。因此，回波位定的工作是相当直接的。在时间t=0, 向外波66是很明显的，而在4毫秒时具有清楚的反射68。该反射68具有 约为向外波66幅度的四分之一的幅度。 工业应用性因而本发明提供了 一种颖新且便利的接触传感装置，以及一种与弯曲波 面板声音装置结合的接触传感装置。
权利要求
1.一种确定与一有源接触传感装置上的接触有关的信息的方法，包含以下步骤提供一可维持弯曲波振动的面板形式的部件；从该部件上的一个位置产生该部件中的弯曲波振动，以探查与接触有关的信息；在离散的位置接触该部件，以便生成在该部件中所产生的弯曲波振动的变化；在该部件的两个位置上，测量该部件中的变化的弯曲波振动，以确定所测得的弯曲波信号；以及处理所测得的弯曲波信号，以计算与接触有关的信息，该处理包括施加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，与接触有关的信息包括接触的位置。
3. 如权利要求l所述的方法，其中，与接触有关的信息包括接触的压力。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，与接触有关的信息包括接触的大小。
5. 如权利要求l所述的方法，其中，在该部件上的接触的移动产生一 受在部件上的接触的位置、压力及速度影响的连续信号，并且，使用来自该 连续信号的连续时间数据，以导出与接触有关的附加信息。
6. 如权利要求5所述的方法，还包括使用神经网络来处理连续时间 数据。
7. 如权利要求l所述的方法，其中，与接触有关的信息包括接触类型。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，从由输入笔的触摸和手指的触摸 组成的组中选择接触类型。
9. 如权利要求l所述的方法，其中，测量步骤包括测量所测得的弯 曲波信号的频率含量，以确定接触类型。 ；
10. 如权利要求l所述的方法，还包括将所测得的弯曲波信号与一参 考信号相比较，以识别何时产生接触。
11. 如权利要求l所述的方法，其中，测量步骤包括测量该部件的两 个边缘上的变化的弯曲波振动。
12. —种有源接触传感装置，包括可维持弯曲波振动、并在被激励时形成声音辐射器的部件；耦接到该部件的一个或多个激励器，用于激励该部件中的弯曲波^猿动，以探查与在该部件的表面上产生的接触有关的信息，并使该部件产生声音输出；耦接到该部件的至少 一个传感器，用于测量该部件中的弯曲波振动； 可操作地耦接到所述至少一个传感器的处理器，用于根据由接触产生、 并由所述至少一个传感器测量的在该部件中的弯曲波振动的变化，来处理与 接触有关的信息，并施加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性 波来源的传播信号。
13. 如权利要求12所述的接触传感装置，其中，所述一个或多个激励 器中的一个激励器可被操作用来激励该部件中的弯曲波振动、以及使该部件 产生声音输出。
14. 如权利要求12所述的接触传感装置，其中，所述一个或多个激励 器包括至少两个激励器，并且，所述至少两个激励器中的分离的激励器可被 操作用来激励弯曲波振动、以及使该部件产生声音输出。
15. 如权利要求14所述的接触传感装置，其中，用来激励弯曲波振动 的激励器可^皮:捧作用来激励音频之外的弯曲波振动。
16. 如权利要求12所述的接触传感装置，其中，该部件是面板的形式。
17. 如权利要求16所述的接触传感装置，其中，该部件具有均匀的厚度。
18. 如权利要求12所述的接触传感装置，其中，所述至少一个传感器 被安装在该部件的边缘上。
19. 如权利要求12所述的接触传感装置，其中，所述至少一个传感器 被安装在该部件上、且与该部件的边缘隔开。
20. —种有源接触传感装置，包括 可维持弯曲波振动的部件；耦接到该部件的发射转换器，用于激励该部件中的弯曲波振动，以探查 与接触有关的信息；耦接到该部件的至少 一个传感器，用于测量该部件中的弯曲波振动； 可操作地耦接到所述至少一个传感器的处理器，用于根据由接触产生、 并由所述至少一个传感器测量的在该部件中的弯曲波振动的变化，来处理与 在该部件的表面上产生的接触有关的信息，并用于施加校正，以将所测得的 弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。
21. 如权利要求20所述的接触传感装置，其中，该发射转换器是由惯 性转换器和弯曲转换器组成的组中的一个，并且，所述至少一个传感器是所 述组中的另一个。
22. 如权利要求20所述的接触传感装置，其中，该部件是显示屏，并 且，其中，该发射转换器包括激励该部件中的弯曲波振动的显示屏的液晶。
23. —种确定与一接触传感装置上的接触有关的信息的方法，包含以下 步骤提供一可维持弯曲波振动的部件；在该部件中产生弯曲波振动，以探查与接触有关的信息； 在离散的位置接触该部件，以便生成在该部件中所产生的弯曲波振动的 变化；测量该部件中的变化的弯曲波振动，以确定所测得的弯曲波信号；以及 处理所测得的弯曲波信号，以计算与接触有关的信息，该处理包括施 加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。
24. 一种用于可维持弯曲波振动、并在被激励时形成声音辐射器的部件 的方法，该方法包4舌使用耦接到该部件的发射转换器来激励弯曲波振动；在耦接到该部件的至少一个传感器中，测定与在该部件的表面上产生的 接触有关的、该部件中的弯曲波振动；以及处理由所述至少一个传感器测量的与接触有关的信息，并施加校正，以 将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号，从而识别与接 触有关的信息。
25. 如权利要求24所述的方法，还包括利用该发射转换器，使该部 件产生声音输出。
26. 如权利要求24所述的方法，还包括将由接触产生的信号与由该 发射转换器产生的信号隔离。
27. 如权利要求26所述的方法，其中，所述隔离包括进行预测滤波， 以预测由该发射转换器产生的信号的响应。
28. 如权利要求26所述的方法，其中，所述隔离包括使用所产生的 信号的连续记录，而对由该发射转换器产生的信号建模。
29. 如权利要求26所述的方法，其中，所述隔离包括使用多个传感 器来确定该发射转换器的位置，以帮助由该发射转换器产生的弯曲波与由接 触产生的弯曲波的分离。
全文摘要
一种利用弯曲波的振动以计算与在接触传感装置(10)上的接触有关信息的方法及装置。该方法包含的步骤为提供一可维持弯曲波振动的面板形式的部件；从该部件上的一个位置产生该部件中的弯曲波振动，以探查与接触有关的信息；在离散的位置接触该部件，以便生成在该部件中所产生的弯曲波振动的变化；在该部件的两个位置上，测量该部件中的变化的弯曲波振动，以确定所测得的弯曲波信号；以及处理所测得的弯曲波信号，以计算与接触有关的信息，该处理包括施加校正，以将所测得的弯曲波信号转换成从非分散性波来源的传播信号。
文档编号G06F3/043GK101231566SQ200810074308
公开日2008年7月30日 申请日期2000年12月18日 优先权日1999年12月23日
发明者尼古拉斯·P·R·希尔 申请人:新型转换器有限公司