专利名称：触敏设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括触敏(touch sensitive)屏幕或面板的触敏设备。
背景技术：
US 4，885，565,US 5，638，060,US 5，977，867、US2002/0075135 描述了当被触摸时具有对用户的触觉反馈的触摸操作装置。在US 4，885，565中，提供了一种致动器，用以当该致动器被激励来提供触觉反馈时将动作通知给CRT (阴极射线管)。在US 5，638，060中， 将电压施加给压电元件，该压电元件形成一个开关以便振动元件从而将反作用力施加到用户的手指。在US 5，977，867中，当触摸屏幕被手指或指示器触摸时，触觉反馈单元产生用户感测到的机械振动。控制机械振动的幅度、振动频率和脉冲长度，并且脉冲宽度长到足够感觉得到但是短到足够在下一次按键触摸之前结束。US2002/0075135描述了使用辅助换能器以瞬时尖峰的形式提供脉冲以模拟按钮点击。在上述的每个现有技术文献中，响应于用户手指或指示器的不连续触摸来提供触觉反馈。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种被配置成在使用模式或校正模式下工作的触敏设备，所述设备包括触敏屏幕；安装到所述屏幕的多个换能器，其中所述多个换能器被配置成当所述设备在使用模式下工作时生成激励所述屏幕的输出信号，并且其中所述多个换能器被配置成当所述设备在校准模式下工作时检测所述屏幕中由来自振动发生器的输入信号生成的振动，所述振动发生器在测试位置处接触所述屏幕，和耦接到所述多个换能器的处理器，从而所述处理器被配置成处理检测到的振动以便在感测模式下对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而在使用模式下，所述多个换能器激励所述屏幕对在测试位置处接触屏幕的用户产生期望触感。所述振动发生器可以是振动铁笔的形式。根据本发明的另一方面，提供了一种校准触敏设备的方法，所述触敏设备包括触敏屏幕、安装到所述屏幕的多个换能器、和处理器，所述方法包括在所述屏幕上的测试位置处将信号输入到所述屏幕，从而所述屏幕被激励振动；使用所述多个换能器检测所述屏幕中的振动；和处理检测到的振动以便对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而当所述换能器被所述输出信号驱动时，所述屏幕被激励在测试位置处生成期望触感。所述屏幕中的振动可以是通过振动铁笔生成的。以这种方式，触敏设备可以是自校准的，即，能够教导自己。这缓解了计算将要馈入到每个换能器的信号(具体为传递函数)以便生成期望触感的需要。计算传递函数在系统和数学上是精确的。然而，计算过程可能繁琐，尤其对于在屏幕上不止一个位置处(即， 多区域触觉)同时提供触感的复杂系统而言。所述多个换能器可以是互易换能器。这样，所述设备可以利用互易性 (reciprocity) 0互易性的一般原理可表达为“如果通过源点处的作用势(potential acting)在观察点处造成流响应，则如果这两点的角色对调，流与势之间的关系不变”。将该原理应用于电磁学(Lorentz (劳伦兹)互易性)、静电学(Green(格林)互易性)、天线设计和声学(Rayleigh-Carson互易定理)。在本申请中，互易性是指从换能器的电压到测试点的速率的传递函数与从测试点的力到换能器的电流的传递函数是相同的。测量测试点处的速率较难，但是测量来自换能器的电流简单。一些换能器可以是不互易的或者可以是部分或全部互易的。如果多个换能器不是全部互易的，则在正向和逆传递函数之间仍有已知的关系。因此，检测到的振动仍旧可用来确定输出信号。然而，所述处理不太简单。检测到的振动可被处理来确定(即，通过测量)输入信号的传递函数，即测量在测试位置处施加的力向每个换能器的传递的函数。所述处理可以进一步包括推断该传递函数的逆，即，从每个换能器在测试位置处产生纯脉冲所需的传递函数。所述推断步骤可以是通过直接计算，因此传递函数H(f)的测量之后跟随求逆以便获得H—Hf)。可替换地，所述推断步骤可以是间接的，例如，使用反馈自适应滤波技术以便隐性地求逆H(f)。可替换地，所述推断步骤可以是启发式的，例如，使用参数均衡处理，以及调节参数来估计逆传递函数。可替换地，所述推断步骤可以通过反转测量的时间响应被近似，在频域中这等效于复共轭，因此产生匹配的滤波器响应_。在这种情况下，应用滤波器的结果不是纯脉冲，而是自相关函数。作为结果的逆传递函数可被存储在例如传递函数矩阵中，以便设备后来使用，在所述传递函数矩阵中用于多个换能器中的每一个的逆传递函数存储在该矩阵中的相关坐标处。传递函数矩阵的空间分辨率可以通过在校准测试点之间进行内插来增大。时间反转响应可以通过添加固定延迟而生成，所述固定延迟至少与检测到的信号的持续时间一样长。所述固定延迟可以是至少5ms、至少7. 5ms或至少10ms。所测量的时间响应可以在滤波之前被标准化，例如，通过除以频域中的所有测量响应的和，并且随后变换到时域，以使得响应更光谱白色(spectrually white)。因此，按照本发明的另一方面，提供了一种校准触敏设备的方法，所述触敏设备包括触敏屏幕、耦接到所述屏幕的多个振动换能器、和信号处理器，这种结构使得所述多个换能器中的至少一些响应于触摸而向所述屏幕提供触觉反馈，所述方法包括在所述屏幕上的测试位置处将振动信号输入到所述屏幕，从而所述屏幕被激励振动；响应于所述振动信号，使用来自所述多个换能器的信号检测所述屏幕中的振动；在所述信号处理器中测量检测到的信号，以便对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而通过所述输出信号驱动所述换能器来激励所述屏幕在测试位置处生成期望触感，和其中通过使用检测到的信号的时间反转副本(time inverted copy)对检测到的
5信号滤波来生成输出信号。时间反转副本可以包括固定延迟，所述固定延迟至少与检测到的信号的持续时间一样长。所述固定延迟可以是至少5ms、至少7. 5ms或至少10ms。在每个换能器处检测到的振动在滤波之前可被标准化，例如通过除以频域中所有测量的响应的和，并且随后变换到时域，以使得响应更光谱白色。期望触感可以是在给定测试点处的最大值响应。因此，每个换能器的输出信号可以彼此同相，从而换能器产生的所有位移合计达给定测试点处的最大位置。注意，在其它测试点处，可能是相位抵消。可替换地，期望触感可以是在给定测试点处的最小值响应。因此，可以选择每个换能器的输出信号，从而在测试位置处提供的位移(即，因此适当的传递函数)求和为零。利用两个换能器，这通过相对于一个输出信号而反转另一个输出信号来实现。期望触感可以是在第一测试点处的最大值和在第二测试点处的最小值。可替换地，期望触感可以是在给定测试位置处(例如，将要考虑在多个测试位置处的响应的地方) 的最小值或最大值之间的响应。期望触感可以向用户提供按钮点击的感觉。可替换地，可以生成复杂触觉信号 (在产生的位移和/或加速度方面)来向用户提供附加的信息。触觉反馈信号可以与用户动作或姿势等相关联。可替换地，或者另外，触觉信号可以在显示动作或反应方面与触敏表面的响应相关联。输出(即载波)信号可以是单一频率的正弦波。可替换地，载波信号可以包括覆盖一个频率范围的多个正弦波或者可以是扫频(啁啾声信号(chirp))，或者可以是FM调制的正弦波或者限带噪声信号，或者可以通过限带噪声来调制载波。触敏屏幕可以通过施加包括多个脉冲或脉冲流的信号来振动。振动可以包括任何类型的振动，包括弯曲波振动，更具体地为谐振弯曲波振动。振动激励器可以包括用于将弯曲波振动施加到屏幕表面的部件。振动激励器可以是电机械的。激励器可以是电磁激励器。这样的激励器在本技术领域，例如从属于本申请人并且并入于此作为参考的W097/09859、W098/34320和W099/13684中都是公知的。可替换地， 激励器可以是压电换能器、磁致伸缩激励器或者弯曲器或扭转换能器(例如，WO 00/13464 中示教的类型)。该激励器可以是分布模式致动器，如作为引用并入于此的W001/54450中所述。可以选择多个激励器(可能是不同类型)以协调方式工作。每种激励器可以是惯性的。触摸表面可以是面板形式的组件，作为弯曲波设备，例如谐振弯曲波设备。触摸屏幕也可以是扬声器，其中辅助振动激励器激励产生声学输出的振动。可替换地，也可以使用用于提供触觉反馈的激励器之一来提供音频信号以便驱动触摸屏幕作为扬声器。例如，触摸屏幕可以是如并入作为参考并入的国际专利申请W097/09842中描述的谐振弯曲波模式扬声器。如在本申请人的国际专利申请WO 01/48684、WO 03/005292和/或W004/053781 中所描述的，可以检测和/或跟踪表面上的接触。这些国际专利申请并入于此作为参考。可替换地，可以使用其它已知方法来接收和记录或感测这样的接触。
本发明进一步提供了用于实现上述方法的具体为诸如盘、CD(致密盘)_或 DVD-ROM(数字多用途盘-只读存储器)的数据载体、诸如只读存储器(固件)的编程存储器或者诸如光学或电信号载体的数据载体上的处理器控制代码。实现本发明实施例的代码 (和/或数据)可以包括诸如C之类的传统编程语言(解释或编译的)的源、对象或可执行代码、或者汇编代码、用于设置或控制ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列) 的代码、或者用于诸如Verilog(商标)或VHDL(极高速集成电路硬件描述语言)的硬件描述语言的代码。技术人员将会理解，这样的代码和/或数据可以在彼此相互通信的多个耦接组件之间分布。
在附图中通过举例概略地图示了本发明，其中图1是触敏设备的示意图示；图加示出了对于来自不同位置从测试点行进到传感器的响应所采取的在时间上的时间反转滤波脉冲响应；图2b示出了在通过匹配反转输入响应进行滤波之后图加的输入脉冲响应在时间上的变化；图2c示出了图2b的标准化输出的和差组合；图3a示出了对于来自相似位置从测试点行进到传感器的响应所采取的在时间上的两个输入时间反转滤波脉冲响应的变化；图北示出了在通过匹配反转输入响应进行滤波之后图3a的输入脉冲响应在时间上的变化；图3c示出了图北的标准化输出的和差组合；图乜示出了针对每个通道F的I力I与频率的log-log曲线以及算术和FA ；图4b示出了图如的每个通道除以FA(即，标准化)的Iog-Iin曲线；图fe到图5d示出了针对图如的每个信号的、随时间变化时的脉冲响应；图6a示出了针对图fe到图5d中每个图的时间反转滤波器；图6b示出了与图fe到图5d的每个相应信号卷积的图6a的时间反转滤波器；图7a到图7c示出了使用不同快照长度(5毫秒、7. 5毫秒和10毫秒)生成时间反转滤波器得到的触摸点处的输出信号；图到图8c示出了图7a到图7c的输出信号的变化，和图9是图如到图8c的方法步骤的流程图。
具体实施例方式图1示出了触敏触觉设备10，其具有安装到触敏屏幕14的四个触觉输入振动换能器12 (在屏幕上可以具有任意数量的输入换能器)。每个换能器12经由双路放大器22耦接到系统处理器20。铁笔16也经由双路放大器M连接到处理器20。触敏设备具有两种工作模式，即正常使用和训练模式。在正常使用时，即当用户正在使用触敏设备10的屏幕14时，换能器12响应于检测到的表面上的触摸而产生必需的局部化触觉力反馈。产生触觉反馈的方法对于设备的操作并不至关重要，并且可以如在任何已知技术中描述的。触感可以是点击来模拟按下按钮的感受或者可以更复杂来模拟其它感觉，即与滑动、增大/减小感受强度等相关。更复杂的感觉可以与诸如在屏幕上滑动、倾斜或旋转手指之类的姿势相关。在训练模式中，使用铁笔16在特定的测试点处置入振动信号；从而铁笔16可被认为是“施力笔(force pencil)”。使用换能器12作为传感器来检测这些输入信号。因此换能器是互易换能器，既能够作为输出设备工作以便生成在屏幕中产生振动的激励信号， 又能够作为输入设备工作以便感测屏幕中的振动并且将该振动转换为待分析的信号。优选地，所有换能器都是互易设备，但是也可以具有不是所有换能器都是互易的设备，这样的设备更复杂。系统处理器20生成经由双路放大器M发送到铁笔16的信号，并且接收来自换能器12的信号。双路放大器22也连接在系统处理器20与每个换能器12之间；每条通路一个放大器，即，每个换能器一个放大器。铁笔16也被布置成感测屏幕中起源于换能器12的触觉反馈信号并且经由双路放大器M将感测到的信号馈入到处理器20。图加示出了在触敏屏幕上的测试点处由铁笔16输入到系统并且在与测试点间隔不同的两个换能器处测量的时间反转滤波脉冲响应的时间变化。这两个信号都具有随时间幅度增加然后减小的正弦本质。第一信号hli示出了在第一换能器处接收到的信号。第一信号在近似0.0018s (秒)处具有负峰值幅度，在近似0.00 处具有正峰值。第二信号 h2i(如在第二换能器处接收到的)在第一信号之后的近似0. 0005s处具有负和正峰值幅度。所述信号在近似0.003s处到达换能器的位置。图2b绘制了作为对图2b的输入响应滤波的结果的每个换能器的输出信号。通过用系统处理器20生成的匹配滤波器通过反转脉冲响应来对输入响应滤波。换句话说，第一滤波信号ttli是通过使用反转输入信号Mi对第一输入信号Mi滤波而生成的。类似地， 第二滤波信号是通过使用反转输入信号Mi对第二输入信号Mi滤波而生成的。如图 2b中所示，输出信号通常一致，即，同相具有相似的幅度。两种信号在近似0. 003s处具有最大(正)幅度。因此，如果将适当的输出信号施加到每个换能器以便激励屏幕，则这些输出信号都将在测试点处具有最大输出。图2c绘制了同相或异相的匹配滤波器的输出的组合结果。标准化匹配滤波器响应的和(即，同相组合)加强测试点处的信号，并且标准化匹配滤波器响应的差(即，异相组合)导致在0. 003s处(即在测试点处)的抵消。图3a到图3c总体类似于图加到图2c中的那些，除了测量输入信号的换能器离测试位置距离相等。第一换能器测量的第一输入信号hli在近似0. 002s处具有负峰值幅度，第二换能器测量的第二信号h2i在近似相同时间具有正峰值幅度。图北绘制了对图北的输入响应滤波的结果。通过在系统处理器20中生成的匹配滤波器通过反转脉冲响应来对输入响应滤波。换句话说，第一滤波信号ttli是使用反转输入信号通过对第一输入信号hli滤波而产生的。类似地，第二滤波信号tt^是使用反转输入信号hi通过对第二输入信号h2i滤波而产生的。如图北中所示，滤波输入(或输出) 信号大致匹配，即，同相具有相似幅度。两个输出信号在近似0.003s处具有最大(正)幅度。因此，如果相关的输出信号被单独地输入到相关联的换能器，则该换能器在屏幕中产生在测试点处具有最大值的振动。
8
图3c绘制了组合同相或异相的匹配滤波器的输出的结果。如果换能器生成标准化匹配滤波器响应的和(即，同相组合)，则得到的输出加强测试点处的最大幅度。相反，标准化匹配滤波器响应的差(即，异相组合)导致测试点处的抵消，即，在测试点处不产生振动。如上所解释的，在图加到图2c中，测试点与换能器间隔不同，并且在图3a到图3c 中，每个换能器与测试位置之间的距离相似。对于传感器条件的两种测试位置工作良好的事实说明时间反转方法补偿了延迟差。图如到图9图示了使用时间反转脉冲响应生成匹配滤波器响应的替换方法。如图9中所示，第一步骤S200是在测试位置将信号输入到屏幕并且在多个位置上测量该输入信号(S202)。如参考图如所解释的，每个测量的响应被选择地变白(S204)并且随后被变换为时域(S206)。如图fe到图5d中所解释的，滤波器是通过拍摄每个脉冲响应的快照 (S208)并且反转该快照(S210)而形成的。时间反转信号的频谱是源的复共轭源x(t)_> X(f)滤波:y(t)= χ (-t) ；Y (f) = conj (X (f))这通过添加固定延迟而近似，因此z(t) =x (T-t)如果 t < = T，或者 ζ (t) =0 如果 t > T当对信号应用滤波器时(忽略眼下的近似)，去除相位信息，但是加强幅度信息。y (t) *x (t) - > X (f) xY (f) = | X (f) | “ 2(事实上，得到的时间响应是自相关函数)。如步骤S212中所示，滤波器幅度可以如参考图7a到图8c所述地调节。随后将滤波器应用于每个脉冲响应，以便生成将在每个位置处应用的输出信号(S214)。图乜是针对每条通道(F)(即针对四个触觉输入振动换能器)的I力I与频率的log-log曲线和这四个力的算术和(FA)。图4b是4个通道响应中的每一个除以FA(FN) (即标准化)的Iog-Iin曲线。将每个响应除以FA使得它们更光谱白色，这提高了方法的效率。这是因为幅度响应在滤波处理中被平方，因此如果信号是光谱“白色”或者平坦的， 则这是有利的。图fe到图5d示出了变换为时域以便给出单个脉冲响应的四个标准化响应中的每一个(GYtime^)。这些脉冲响应也可以通过对于每个响应除以峰值来标准化。通过拍摄图fe到图5d的脉冲响应的有限快照并且随后及时反转它们来形成时间反转滤波器TR。TR已经嵌入等于样本的长度的延迟。图6a示出了每条通道(0，1，2和3) 的时间反转滤波器。其中kmax =样本(长度)图6b示出了在时域(GYtime)中与适当的脉冲响应卷积滤波器的结果以便给出滤波器响应GYresp。所述卷积表达如下
权利要求
1.一种校准触敏设备的方法，所述触敏设备包括触敏屏幕、安装到所述屏幕的多个换能器和处理器，所述方法包括在所述屏幕上的测试位置处将信号输入到所述屏幕，从而所述屏幕被激励振动；使用所述多个换能器检测所述屏幕中的振动；和在所述触敏设备的处理器中处理检测到的振动，以便对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而当所述换能器被所述输出信号驱动时，所述屏幕被激励在测试位置处生成期望的触感。
2.如权利要求1的方法，其中所述处理包括处理检测到的振动以便对所述多个换能器中的每一个测量输入信号的传递函数。
3.如权利要求2的方法，其中所述处理包括从所测量的传递函数对所述多个换能器中的每一个推断逆传递函数，并且从相关的逆传递函数对所述多个换能器中的每一个生成输出信号。
4.如权利要求3的方法，其中所述推断包括通过求逆输入信号的传递函数来直接计算每个逆传递函数。
5.如权利要求3的方法，其中所述推断包括使用反馈自适应滤波器技术来隐性地求逆输入信号的传递函数。
6.如权利要求3的方法，其中所述推断包括使用启发式方法。
7.如权利要求3到6中任一项的方法，包括存储推断出的逆传递函数。
8.如权利要求1或2的方法，其中所述处理包括通过使用时间反转响应对检测到的信号滤波来生成输出信号。
9.如权利要求8的方法，其中所述滤波步骤包括通过添加至少与检测到的信号的持续时间一样长的固定延迟来近似所述时间反转响应。
10.如权利要求9的方法，其中所述固定延迟是至少5毫秒。
11.如权利要求9的方法，其中所述固定延迟是至少10毫秒。
12.如权利要求8或9的方法，包括在滤波之前标准化检测到的信号。
13.如在前权利要求中的任一项的方法，包括选择测试位置，并且其中所述处理包括对于所述多个换能器中的每一个确定输出信号，从而在所选择的测试位置提供最大触感。
14.如任一在前权利要求的方法，包括选择测试位置，并且其中所述处理包括对所述多个换能器中的每一个确定输出信号，从而在所选择的测试位置提供最小触感。
15.一种被配置成在使用模式或校准模式下工作的触敏设备，所述设备包括触敏屏幕；安装到所述屏幕的多个换能器，其中所述多个换能器被配置成当所述设备在使用模式下工作时生成激励所述屏幕的输出信号，并且其中所述多个换能器被配置成当所述设备在校准模式下工作时检测所述屏幕中由来自振动发生器的输入信号生成的振动，所述振动发生器在测试位置处接触所述屏幕，和耦接到所述多个换能器的处理器，从而所述处理器被配置成处理检测到的振动以便对于所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而在使用模式下，所述多个换能器激励所述屏幕对在测试位置接触屏幕的用户产生期望的触感。
16.如权利要求15的触敏设备，其中所述多个换能器是互易换能器。
17.如权利要求16的触敏设备，其中所述处理器被配置成处理检测到的振动以便测量在所述多个换能器中的每一个的输入信号的传递函数，从每个测量的传递函数推断逆传递函数，并且使用适当的逆传递函数生成每个输出信号。
18.一种校准触敏设备的方法，所述触敏设备包括触敏屏幕、耦接到所述屏幕的多个振动换能器和信号处理器，结构为使得所述多个换能器中的至少一些响应于触摸而向所述屏幕提供触觉反馈，所述方法包括在所述屏幕上的测试位置处将振动信号输入到所述屏幕，从而所述屏幕被激励振动；响应于所述振动信号，使用来自所述多个换能器的信号检测所述屏幕中的振动；在所述信号处理器中测量检测到的信号，以便对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而通过所述输出信号驱动所述换能器来激励所述屏幕在测试位置处生成期望的触感,禾口其中通过使用检测到的信号的时间反转副本对检测到的信号滤波来生成输出信号。
19.如权利要求18的方法，其中所述时间反转副本包括添加至少与检测到的信号的持续时间一样长的固定延迟。
20.如权利要求19的方法，其中所述固定延迟是至少5毫秒
21.如权利要求19的方法，其中所述固定延迟是至少10毫秒。
22.如权利要求18或19的方法，包括在滤波之前标准化检测到的信号。
全文摘要
一种校准触敏设备的方法，所述触敏设备包括触敏屏幕、安装到所述屏幕的多个换能器和处理器，所述方法包括在所述屏幕上的测试位置处将信号输入到所述屏幕，从而所述屏幕被激励振动；使用所述多个换能器检测所述屏幕中的振动；和在所述触敏设备的处理器中处理检测到的振动，以便对所述多个换能器中的每一个生成输出信号，从而当所述换能器被所述输出信号驱动时，所述屏幕被激励在测试位置处生成期望的触感。
文档编号G06F3/043GK102388353SQ201080015702
公开日2012年3月21日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年4月9日
发明者N.J.哈里斯 申请人:新型转换器有限公司