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技術 接触検知装置

出願人 ニュートランスデューサーズリミテッド
発明者 ヒルニコラスパトリックローランドサリヴァンダリウスマーティン
出願日 2003年12月3日 (16年11ヶ月経過) 出願番号 2004-558773
公開日 2006年3月16日 (14年8ヶ月経過) 公開番号 2006-509301
状態 特許登録済
技術分野 位置入力装置
主要キーワード 中間関数 位相角間 接触感知装置 圧電振動センサ 連続成形品 連続気泡ポリウレタン発泡体 振動測定値 部材表
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課題・解決手段

接触感知装置は、撓み波を支持可能な部材(12)と、前記部材(12)上に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定してこれにより各々が測定された撓み波信号を求める3つのセンサ(16)と、前記測定された撓み波信号から前記部材上の接触位置を計算する処理装置とを備える。 前記処理装置は、各々の測定された撓み波信号の位相角と少なくとも2対のセンサの前記位相角との間の位相差を計算し、接触位置が求められる少なくとも2つの位相差を計算するようにすることを特徴とする接触検知装置

概要

背景

視覚表示装置は、何らかの形式接触感知画面を含むことが多い。これはパームトップコンピュータなどの、次世代携帯マルチ媒体装置出現と共により一般的になってきている。接触を検出するために波を利用する最も確立された技術は表面弾性波SAW)であり、ガラス画面表面上に高周波を生成し、接触位置を検出するために指の接触による減衰を利用している。この技術が「飛行時間法」であり、ここでは外乱が1つ又はそれ以上のセンサに到達するまでの時間が位置の検出に使用される。このような方法は、媒体非分散的な様態で動作する場合、すなわち対象となる周波数帯域にわたって波の速度が大幅に変動しない場合に可能である。

本発明の出願人による国際特許公開WO001/48684及びPCT/GB2002/003073では、2つの接触検知装置及びその使用方法が提案されている。両出願において、本装置は、撓み波振動支持可能な部材と、該部材上に取り付けられ、該部材中の撓み波振動を測定して処理装置に信号を送信するセンサとを備え、これにより接触によって引き起こされた部材中の撓み波振動の変化から部材の表面上でなされた接触に関連する情報が計算される。

撓み波振動とは、例えば接触により、ある平面外変位を部材に対して与える励振を意味する。多くの材料は撓み、あるものは完全な平方根分散関係を有する単純撓みであり、あるものは単純撓みと剪断撓みが混合したものである。分散関係は波の周波数に関する波の平面内速度の依存性を表す。

撓み波は、堅牢性が向上し、表面の擦り傷などに対する敏感さが低下するといった利点がある。しかしながら、撓み波は分散性であり、すなわち撓み波速度、従って「飛行時間」は周波数に依存する。一般に、衝撃には広範囲の周波数成分が含まれるので、衝撃が短い距離を伝わる場合には高周波数成分が最初に到達する。WO001/48684及びPCT/GB2002/003073において、測定された撓み波信号を非分散波源からの伝搬信号に変換するための補正は、レーダー及びソナー分野で用いられる技術を適用して接触位置を検出することができる。

国際特許公開WO001/48684公報
PCT/GB2002/003073公報

概要

接触感知装置は、撓み波を支持可能な部材(12)と、前記部材(12)上に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定してこれにより各々が測定された撓み波信号を求める3つのセンサ(16)と、前記測定された撓み波信号から前記部材上の接触位置を計算する処理装置とを備える。 前記処理装置は、各々の測定された撓み波信号の位相角と少なくとも2対のセンサの前記位相角との間の位相差を計算し、接触位置が求められる少なくとも2つの位相差を計算するようにすることを特徴とする接触検知装置。

目的

本発明の第2の態様により、接触検知装置上の接触に関連する情報を特定する方法であって、撓み波を支持可能な部材と、部材中の撓み波振動を測定するために部材上に取り付けられた3つのセンサとを準備し、測定された撓み波信号を求めるために各センサを使用して、ある位置で部材に接触を加え、各々の測定された撓み波信号の位相角を計算し、少なくとも2つの対のセンサの位相角の間の位相差を計算して、少なくとも2つの計算された位相差から接触位置を求めることによって特徴付けられる測定された撓み信号から接触位置を計算する方法が提供される。
以下に述べる特徴は、本発明の多くの計算又は本方法の処理ステップを提供するように適合されている処理装置を用いた装置及び方法の両方に適用することができる。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

撓み波を支持可能な部材と、該部材上に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定してこれにより各々が測定された撓み波信号を求める3つのセンサと、前記測定された撓み波信号から前記部材上の接触位置を計算する処理装置と、を備える接触検知装置であって、前記処理装置は、各々の測定された撓み波信号の位相角と少なくとも2対のセンサの前記位相角との間の位相差を計算し、接触位置が求められる少なくとも2つの位相差を計算するようにすることを特徴とする接触検知装置。

請求項2

前記部材の縁部に吸収体を備え、これにより反射波が抑制されることを特徴とする請求項1に記載の接触検知装置。

請求項3

前記吸収体と前記部材の機械インピーダンスは、前記部材の縁部からの撓み波の反射を最小にするように選択されることを特徴とする請求項2に記載の接触検知装置。

請求項4

前記インピーダンスは、選択された周波数ω0近傍の周波数帯域で撓み波エネルギーが強く吸収されるように選択されることを特徴とする請求項3に記載の接触検知装置。

請求項5

前記インピーダンスは、次式を満たすように選択されることを特徴とする請求項4に記載の接触検知装置。ZT=−iZB(ω0)ZTは前記吸収体の終端インピーダンス、ZBは前記部材の縁部の機械インピーダンス。

請求項6

各々の測定された撓み波信号をフィルタ処理するための帯域通過フィルタを備え、前記フィルタは選択された周波数ω0を中心とする帯域幅Δωの通過帯域を有することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の接触検知装置。

請求項7

前記フィルタの帯域幅Δωは次式の関係に従うことを特徴とする請求項6に記載の接触検知装置。Δω>>2k(ω0)νmaxここでνmaxは前記接触の最大横方向速度

請求項8

前記吸収体は発泡プラスチック製であることを特徴とする請求項2から7のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項9

前記部材はその表面に隆起したパターンを含み、これにより表面にわたって引かれる接触が前記部材内に撓み波を生成する力を前記部材に与えることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項10

前記パターンはランダムであり、これにより前記部材の表面にわたり伝わる接触がランダムな撓み波信号を生成することを特徴とする請求項9に記載の接触検知装置。

請求項11

前記パターンは反射防止コーティング、ぎらつき防止表面仕上げ、又はエッチング仕上げにより形成されることを特徴とする請求項10に記載の接触検知装置。

請求項12

通過帯域周波数が異なり、1対のセンサによって測定された撓み波信号を同時に処理する少なくとも2つの帯域通過フィルタを備え、これにより各々の通過帯域周波数の位相角の差が1対のセンサによって与えられることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項13

前記部材上に4つのセンサを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項14

測定された撓み波信号の対の分散補正相関関数を使用して前記接触の最初の位置を求めるための手段と、測定された撓み波信号の対の間の位相角の差を使用して前記接触の後続の位置を求めるための手段とを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項15

前記の位相角の差を求める手段は、位相検出器を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項16

前記処理装置は、前記位相角を求めるための低域通過フィルタデジタイザとを含むことを特徴とする請求項15に記載の接触検知装置。

請求項17

前記部材は音響放射体であり、前記部材には放射変換器が取り付けられて前記部材中で撓み波振動を励振して、音響出力を生成することを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項18

音響出力と前記測定された撓み波信号が離散的な周波数帯域にあることを保証する手段を備えることを特徴とする請求項17に記載の接触検知装置。

請求項19

前記部材は透明であることを特徴とする前記請求項のいずれか1項に記載の接触検知装置。

請求項20

接触検知装置上の接触に関する情報を求める方法であって、撓み波を支持可能な部材と、該部材中の撓み波振動を測定するために前記部材上に取り付けられた3つのセンサとを準備し、測定された撓み波信号を求めるために各センサを使用してある位置で前記部材に接触を加え、各々の測定された撓み波信号の位相角を計算し、少なくとも2つの対のセンサの前記位相角の間の位相差を計算して、前記少なくとも2つの計算された位相差から接触位置を求めることによって特徴付けられる前記測定された撓み波信号から接触の位置を計算する、各段階を含む方法。

請求項21

前記部材の縁部に吸収体を配置することによって反射波を抑制する段階含む請求項20に記載の方法。

請求項22

前記部材の縁部からの撓み波の反射を最小にするように前記吸収体と部材の機械インピーダンスを選択する段階を含む請求項21に記載の方法。

請求項23

選択された周波数ω0の近傍の周波数帯域で撓み波エネルギーが強く吸収されるように前記インピーダンスを選択する段階を含む請求項22に記載の方法。

請求項24

次式を満たすように前記インピーダンスを選択する段階を含む請求項23に記載の方法。ZT=−iZB(ω0)ここでZTは前記吸収体のインピーダンス、ZBは前記部材の縁部の機械インピーダンス。

請求項25

選択された周波数ω0を中心とする帯域幅Δωの通過帯域を有する帯域通過フィルタによって、各々の測定された撓み波信号をフィルタ処理する段階を含む請求項23又は24に記載の方法。

請求項26

前記接触位置を求めるために次の位相差方程式を適用する段階を含む請求項20から25のいずれか1項に記載の方法。Δθlm=θl−θm=k(ω0)Δxlm+2πnlmここでθiは測定された撓み波信号の位相角、xiは接触位置から各々のセンサまでの距離、Δxlm=xl−xmは2つのセンサの経路長の差、k(ω)は波長、nlmは未知整数

請求項27

nlmがから求められるようにΔxlmの大きさを波長の1/2より小さい値に制限するよう前記部材を選択する段階を含む請求項26に記載の方法。

請求項28

1対の測定された撓み波信号の分散補正相関関数を使用し、経路長の差の変化を最小にするnlmの値を選択して、前記接触の最初の位置を求める段階を含む請求項26に記載の方法。

請求項29

nlmの一連の値を選択し、前記一連の値を各々の位相角の差と組み合わせて一連の経路長の差を定め、前記経路長の差の一連のグラフプロットし、多数のグラフが交差する点からnlmの真の値を推測する段階を含む請求項26に記載の方法。

請求項30

前記位相角の対から複数の位相角の差を計算し、各々の経路長の差のグラフをプロットし、多数の双曲線が交差する点を接触位置として選択する段階を含む請求項20から29のいずれか1項に記載の方法。

請求項31

各々のセンサから測定された前記撓み波信号を少なくとも2つの離散的な周波数帯域に分割し、各々の周波数帯域に対する1対のセンサの位相角の差を計算する段階を含む請求項20から30のいずれか1項に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は接触検知装置に関する。

背景技術

0002

視覚表示装置は、何らかの形式接触感知画面を含むことが多い。これはパームトップコンピュータなどの、次世代携帯マルチ媒体装置出現と共により一般的になってきている。接触を検出するために波を利用する最も確立された技術は表面弾性波SAW)であり、ガラス画面表面上に高周波を生成し、接触位置を検出するために指の接触による減衰を利用している。この技術が「飛行時間法」であり、ここでは外乱が1つ又はそれ以上のセンサに到達するまでの時間が位置の検出に使用される。このような方法は、媒体非分散的な様態で動作する場合、すなわち対象となる周波数帯域にわたって波の速度が大幅に変動しない場合に可能である。

0003

本発明の出願人による国際特許公開WO001/48684及びPCT/GB2002/003073では、2つの接触検知装置及びその使用方法が提案されている。両出願において、本装置は、撓み波振動支持可能な部材と、該部材上に取り付けられ、該部材中の撓み波振動を測定して処理装置に信号を送信するセンサとを備え、これにより接触によって引き起こされた部材中の撓み波振動の変化から部材の表面上でなされた接触に関連する情報が計算される。

0004

撓み波振動とは、例えば接触により、ある平面外変位を部材に対して与える励振を意味する。多くの材料は撓み、あるものは完全な平方根分散関係を有する単純撓みであり、あるものは単純撓みと剪断撓みが混合したものである。分散関係は波の周波数に関する波の平面内速度の依存性を表す。

0005

撓み波は、堅牢性が向上し、表面の擦り傷などに対する敏感さが低下するといった利点がある。しかしながら、撓み波は分散性であり、すなわち撓み波速度、従って「飛行時間」は周波数に依存する。一般に、衝撃には広範囲の周波数成分が含まれるので、衝撃が短い距離を伝わる場合には高周波数成分が最初に到達する。WO001/48684及びPCT/GB2002/003073において、測定された撓み波信号を非分散波源からの伝搬信号に変換するための補正は、レーダー及びソナー分野で用いられる技術を適用して接触位置を検出することができる。

0006

国際特許公開WO001/48684公報
PCT/GB2002/003073公報

発明が解決しようとする課題

0007

本発明の1つの態様により、撓み波を支持可能な部材と、該部材上に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定してこれにより各々が測定された撓み波信号を求める3つのセンサと、測定された撓み波信号から部材上の接触位置を計算する処理装置とを備える接触検知装置であって、該処理装置は測定された各撓み波信号の位相角を計算し、次いで接触位置が求められる少なくとも2対のセンサの位相角間位相差を計算することを特徴とする接触検知装置が提供される。

0008

本発明の第2の態様により、接触検知装置上の接触に関連する情報を特定する方法であって、撓み波を支持可能な部材と、部材中の撓み波振動を測定するために部材上に取り付けられた3つのセンサとを準備し、測定された撓み波信号を求めるために各センサを使用して、ある位置で部材に接触を加え、各々の測定された撓み波信号の位相角を計算し、少なくとも2つの対のセンサの位相角の間の位相差を計算して、少なくとも2つの計算された位相差から接触位置を求めることによって特徴付けられる測定された撓み信号から接触位置を計算する方法が提供される。
以下に述べる特徴は、本発明の多くの計算又は本方法の処理ステップを提供するように適合されている処理装置を用いた装置及び方法の両方に適用することができる。

0009

反射波は、吸収体を部材の縁部に接触させて配置することによって抑制することができる。吸収体と部材の機械インピーダンスは、部材の縁部からの撓み波の反射が最小になるように選択することができる。詳細には、インピーダンスは、撓み波エネルギーが選択された周波数ω0近傍の周波数帯域で強く吸収されるように選択することができる。吸収体のインピーダンスは抵抗性コンプライアントの両方であるように選択することができる。インピーダンスは次式満足するよう選択することができる。
ZT=−iZB(ω0)
ここで、ZTは吸収体の終端インピーダンス、ZBは部材の縁部の機械インピーダンスである。

0010

吸収体は連続気泡又は独立気泡を有する発泡プラスチック製とすることができ、ポリウレタン又はポリ塩化ビニールでもよい。例えば、発泡体は、MIERS商標)などの独立気泡の発泡体を主とする軟質PVC、又は中密度から高密度連続気泡ポリウレタン発泡体であってもよい。好適であることが分かった他の部類の発泡体は、独立気泡のアクリル発泡体である。これらは高い減衰性と比較的高い剛性を有する。このような特性は、ガラスなどの、剛性の重い材料のエッジ終端に特に適している。例として、3Mシリアルナンバー4956、4910、4950、及び4655が含まれる。吸収体は、実質的に部材の周縁部の周りに延びることができる。吸収体は、部材をフレーム内か又は別の表面に支持する取付具として機能することができる。

0011

部材は、その表面上に隆起したパターンを備えることができ、これにより表面にわたって接触が引かれることにより部材内に撓み波を生成する可変の力を該部材に与える。パターンは周期的とすることができ、又は起伏が統計的に明確に定められた空間分布を有する準周期的とすることができる。パターンはランダムであってもよく、これにより部材の表面にわたって移動する接触は、ランダムな撓み波信号を生成する。ランダムなレリーフパターンは、反射防止コーティング、ぎらつき防止表面仕上げ、又は電子ディスプイ装置の前面に配置された、多くの既知の透明パネル上に見られるようなエッチング仕上げとすることができる。

0012

各測定された撓み波信号は、選択された周波数ω0を中心として帯域幅がΔωである通過帯域帯域フィルタによって処理することができる。フィルタの帯域幅Δωは好ましくは、ドップラー効果対処するように選択され、これにより撓み波が元の周波数とは異なる周波数の地点に到達する。従って、好適には帯域幅は次の関係式に従う。
Δω>>2k(ω0)νmax
ここで、νmaxは表面にわたる接触の最大横方向速度であり、例えば接触がスタイラスによって行われる場合には、νmaxは、ユーザがスタイラスを動かすことができる最大速度である。

0013

フィルタ処理された信号の位相は、基準信号と比較することによって測定することができる。基準信号は周波数ω0を有することができる。測定された位相は、区間2π/Δωにわたり最適に測定された入力信号と基準信号との平均位相差である。或いは、基準信号は、第2のセンサからのフィルタ処理された信号から導出することができ、この場合測定された位相は、2つの入力信号間の位相差である。

0014

位相差は、10msよりも短い区間とすることができる2π/Δωの区間で計算することができる。基準信号及び入力信号は位相検出器に供給される。位相検出器からの出力は、約Δω/2のカットオフ周波数を有する低域通過フィルタを通して、次いでデジタイザを通し、最終的には処理装置を通って供給され位相角θを計算することができる。

0015

2つの測定された撓み波信号の瞬間位相θl(t)とθm(t)は、次の位相差方程式を満足することができる。
Δθlm=θ1−θm=k(ω0)Δxlm+2πnlm
ここで、Δxlm=x1−xm(xm及びx1は、接触位置からそれぞれmとlで表記された各センサまでの距離である)、k(ω)は波動ベクトルである。この方程式は、2つのセンサ間の経路長の差が帯域通過フィルタコヒーレンス長よりも短い場合に満足することができ、該コヒーレンス長は次のように定義される。

0016

従って、コヒーレンス条件は、

である。コヒーレンス条件が満足されない場合、上の位相方程式を満足することはできない。

0017

このように、nlmの値と位相角差は、接触位置を特定するために必要とされる。部材の形状は、Δxlmの振幅を1/2波長よりも小さい値、すなわち、

制約するように選択することができる。この場合、Δxlmの全ての可能な値が条件

を満足する場合、

を満たす整数nlmであるただ1つの値nlmが存在する。もしくは、nを何らかの方法で推定又は推測してもよい。

0018

整数nlmの可能な値の範囲と組み合わせた各位相角の差を用いて、一連の経路長の差を生成し、これにより部材の表面上に一連の個別の双曲線を定義し、接触の可能性のある位置を表す。接触位置は、各経路長の差によって定義された各双曲線をプロットし、多くの双曲線が交差するか又はほぼ交差する点を選択することによって特定することができる。

0019

nlmが未知である場合、接触位置を特定するのに必要とされる一連の双曲線の最小数は3であり、プロットされることになる双曲線の数が増加すると、接触の正確な位置を特定する可能性が高くなる。複数のセンサを使用することができ、これにより各対のセンサの位相角の差を計算することができるので、複数の双曲線が生成される。この実施形態ではセンサの最小数は3である。

0020

もしくは、nlmが未知の場合、各センサから測定された撓み波信号は2つ又はそれ以上の離散的周波数帯域に分割することができ、これにより各周波数帯域及び各対のセンサについて位相角の差を計算してもよい。一対のセンサから複数の位相角の差を計算することができるが、異なる周波数における位相角の差が同じ経路長の差から導出される。従って、センサの最小数は3である。周波数帯域の分割は、異なる通過帯域を有する少なくとも2つの帯域通過フィルタにより撓み波信号を処理することによって達成することができる。例えば、周波数がω0+ωδとω0−ωδの2つの帯域通過フィルタを使用して、2つのセンサからの位相角の差ΔθaとΔθbは、
Δθa=k(ω0+ωδ)Δx+2πna
Δθb=k(ω0−ωδ)Δx+2πnb
として定義することができる。ここで、Δxは接触とセンサ位置によって定義される単一の経路長の差である。

0021

従ってnaとnbの値は、測定された位相角の差が経路長の差と同等の値と推測されるように選択することができる。これが可能となる値(na、nb)の組み合わせは1つだけ存在することができる。この場合、経路長の差の真の値を特定することができる。正しい組み合わせ(na、nb)は、次式を最小にする値の組み合わせとして求めることができる。

次いで、経路長の差は次式のように推定することができる。

このプロセスが2対のセンサで繰り返される場合、2つの経路長の差を求めることができ、これを用いて接触位置を特定することができる。

0022

或いは、nlmが未知の場合、接触位置の最初の特定は、WO01/48684及びPCT/GB2002/003073で教示される方法(図11にまとめられているように)を使用して行うことができる。その後、接触が撓み波よりも遅く移動し、その結果、位相角の差が時間尺度Δtにわたって小さな増分だけ変化すると想定することができる。従って、nの各値は経路長の差の変化が最小になるように選択することができる。

0023

測定された位相角の差は、ランダムな誤差を含むことがあり、これにより誤ったnの値の選択につながる可能性がある。この誤差は、例えばよく知られたカルマンフィルタのような状態空間推定器により、連続するnのシーケンスの可能性を評価することによって軽減することができる。可能性の最大尺度を有するシーケンスが選択される。

0024

状態空間推定器は、ノイズのある測定が行われるシステム内部状態を推定する。状態空間推定器に必要な入力は、システム状態展開の統計的記述である。このような状態の実施例は、部材と接触する物体の位置及び速度を記述する座標のセットである。カルマンフィルタ及び他の状態空間推定器は、観測されるノイズのある測定値のシーケンスがシステム状態のモデルと一致する可能性の尺度を提供できることが広く知られている。

0025

従って、状態空間推定器を用いて、異なる時間(すなわちt1、t2、t3、...)に得られる経路長の差の対(例えばΔx12とΔx34)のシーケンスを取得し、これらの時間においてのシステム状態、すなわち接触位置と速度を推定することができる。更に、システムのモデルと一致するこれらの経路長の差の値の全体の可能性を評価することができる。

0026

経路長の差のシーケンスが位相角の差のシーケンス及び整数(n=n(t1)、n(t2)、n(t3)、...)のセットから取得される場合、状態空間推定器によって生成された可能性の尺度を用いて、nの正確な値が選択された可能性を推測することができる。整数nの正確なシーケンスを選択するための方法は、状態空間推定器が可能性の最大尺度を与えるシーケンスを見いだすことになる。

0027

上述のように、状態空間推定器は、システム状態の展開の何らかの統計的記述を使用する。接触動作の適切なモデルは単純なランダムウォークとすることができる。もしくは、モデルは、ユーザによるスタイラス又は指の動かし方の詳細な統計的記述を用いてもよい。1つの実施例は、テキスト又は個々の文字を書いている間のユーザによるペンの動かし方の統計的記述である。

0028

処理装置は更に、接触が期待される場所に関する全ての利用可能な情報を特定手順に含むように適合させることができる。例えば部材が、押すべき「ボタン」の選択がユーザに呈示されるグラフカル・ユーザ・インターフェース用の入力装置である場合には、部材上の任意の接触はボタンに対応する離散的範囲内で生じると想定することが有用とすることができる。

0029

或いは、ユーザの期待される挙動に基づく接触が生じ得る確率マップを使用してもよい。装置は、アプリケーションプログラム・インターフェース(API)によってオペレーティングシステム対話するグラフィカル・ユーザ・インターフェース(GUI)を備えたソフトウエアアプリケーションを含むことができ、該APIは確率マップを生成するように適合されている。確率マップは、グラフィカル・ユーザ・インターフェースによって呈示された場所、サイズ、及び対象が使用する周波数に基づくことができる。確率マップはまた、動作している種々のGUI要素の相対的な可能性についての情報に基づくことができる。

0030

本発明の全ての実施形態に対して以下の特性を適用することができる。装置は、接触が部材全体にわたり移動するときの時間にわたるセンサ又は各センサから測定された撓み波信号を記録する手段を含むことができる。接触に関連する情報は、中央処理装置において計算することができる。センサは、部材の縁部に、又は縁部から離間して取り付けることができる。センサは、撓み波振動をアナログ入力信号に変換できる検知変換器の形態とすることができる。

0031

部材は、プレート又はパネルの形態とすることができる。部材は、透明であってもよく、或いは、例えば印刷パターンを有する非透明であってもよい。部材は均一な厚さとすることができる。もしくは、部材は、例えば湾曲した表面及び/又は厚さが変化するより複雑な形状であってもよい。

0032

装置は、撓み波を、従って最初の衝撃又は接触の摩擦性動きによって生成される測定された撓み波信号を用いる純粋な受動センサとすることができる。接触は、指による接触、又は手持ち型ペンの形態とすることができるスタイラスによる接触の形態とすることができる。部材上のスタイラスの動きは、部材上のスタイラスの位置、圧力、及び速度によって影響を受ける連続信号を生成することができる。スタイラスは、例えばゴムなどの可撓性の先端を有することができ、部材に可変の力を印加することによって撓み波を生成する。可変の力は、部材の表面に付着するか、又は部材表面にわたり滑る先端によって与えることができる。先端が部材にわたって動くときに、特定の閾値で先端と部材間の全ての付着を脱して、先端が表面にわたって滑ることを可能にする引張力を生成することができる。撓み波は、超音波領域(>20kHz)の周波数成分有することができる。

0033

部材はまた、音響放射体とすることができ、該部材に放射変換器を取り付けて、部材中に撓み波振動を励振し、音響出力を生成することができる。変換器音響信号の周波数帯域は、センサからの測定値の周波数帯域とは異なり、重複しないのが好ましい。従って音響信号はフィルタ処理することができ、例えば音響帯域を20kHzより低い周波数に制限し、振動測定値を20kHzより高い周波数に制限することができる。センサは、二重の機能性を有し、放射変換器としても機能することができる。

0034

該放射変換器又はセンサ、或いは各放射変換器又はセンサは、例えば圧電変換器である、部材に直接結合された曲げ変換器とすることができる。或いは、当該又は各放射変換器又はセンサは、単一の箇所で部材に結合される慣性変換器とすることができる。慣性変換器は電動式又は圧電式のいずれであってもよい。

0035

本発明による接触検知装置は、携帯電話ラップトップ、又は携帯情報端末内に組み込むことができる。例えば、従来携帯電話に装備されていたキーパッドは、本発明による接触検知式である連続成形品と置き換えることができる。ラップトップにおいて、マウスコントローラとして機能する接触パッドは、本発明による接触検知装置である連続成形品と置き換えることができる。或いは、接触検知装置は、例えば撓み波を励振又は検知するのに使用することができる液晶から構成された液晶表示画面などの表示画面とすることができる。表示画面は、接触に関連する情報を表示することができる。
本発明は添付図面に例証として図示される。

発明を実施するための最良の形態

0036

図1表示装置14の前面に取り付けられた透明な接触検知プレート12を備えた接触検知装置10を示す。表示装置14は、テレビジョンコンピュータ画面、又は他の視覚表示装置の形態であってもよい。接触検知プレート12上にテキスト20又は他の内容を書き込むために、ペン形のスタイラス18が使用される。

0037

透明な接触検知プレート12は、撓み波振動を支持可能な、例えば音響装置である部材である。図2に示されるように、プレート12中の撓み波振動を測定するためにその裏面に4つのセンサ16が取り付けられている。センサ16は圧電振動センサの形態であり、プレート12の各コーナーに1つ取り付けられる。センサ16の少なくとも1つは、プレート中の撓み波振動を励振するための放射変換器として機能することもできる。このように、装置はラウドスピーカと接触検知装置の組み合わされたものとして機能することができる。

0038

発泡プラスチック製の取付具22がプレート12の裏面に取り付けられ、実質的にプレート12の周縁部の周りに延びる。取付具22は接着面を有し、これにより任意の面に部材を確実に取り付けることができる。取付具及びプレートの機械インピーダンスは、プレート縁部からの撓み波の反射が最小になるように選択される。

0039

取付具とプレートの機械インピーダンスの関係は、図3に示された1次元モデルを考察することによって近似することができる。モデルは、終端インピーダンスを有する縁部取付具36で終端するビームの形態の導波管34を有する。導波管34を下方に伝わる入射波38は、取付具36によって反射されて反射波40を形成する。入射及び反射波は、縁部に対して垂直な方向に伝わる平面波である。取付具36は次の境界条件を満足すると仮定する。
(i)終端インピーダンスだけが横方向の速度に結合し、すなわちどのようなトルク抵抗も与えないので、曲げモーメントは縁部でゼロに等しい。
(ii)横方向の剪断力と縁部での速度の比率は、終端インピーダンスに等しく、取り付け部における反射係数は次式で与えられる。

ここで、ZTは取付具の終端インピーダンス、ZBは導波管の端部の機械インピーダンスであり、次式で与えられる。

ここで、k(ω)は、パネルの撓み剛性Bと単位面積当たりの質量μで表すことができる波動ベクトルであり、

である。

0040

従って、反射係数は、導波管の端部と取付具のインピーダンスの比によって決定される。加えて、導波管のインピーダンスは、周波数の平方根に比例し、等しい重量において実数部リアクタンスとが存在する。(すなわちπ/4の位相角)或いは反射係数は周波数に強く依存する可能性がある。

0041

次の条件が満足される場合に、反射係数はゼロになり、すなわち撓み波エネルギーはω0近傍の周波数帯域で強く吸収される。
ZT=−iZB(ω0)

0042

従って、取付具の終端インピーダンスは、実数成分虚数成分の両方を有する必要があり、すなわち換言すれば、取り付け部は抵抗性であり且つコンプライアントでなければならない。

0043

プレートは、例えば、単位面積当たりの質量μ=1.196kgm-2、撓み剛性B=0.38Nmである厚さが1mmのポリカーボネートであってもよい。上記の方程式を用いて、プレートのインピーダンスと、選択された角周波数ω0=2π(900Hz)近傍の撓み波エネルギーを強く吸収するのに必要な吸収体のインピーダンスとを計算することができる。

0044

プレートの1mmビーム近似における単位幅当たりのインピーダンスは、
ZB(ω0)=(1+i)33.8Nsm-2
である。

0045

所望の吸収をもたらす吸収体の特性はすなわち、
単位幅当たりの抵抗が、
Re(ZT)=Im〔ZB(ω0)〕=33.8Nsm-2
単位幅当たりの剛性が、
−iIm(ZT)ω0=Re〔ZB(ω0)〕ω0=1.91×105Nm-2
である。

0046

反射係数は単位の無い虚数である。図4a及び4bは、周波数に伴って変化する反射係数R(ω)の振幅と位相を示すグラフである。900Hzにほぼ等しいω0で、反射係数の振幅はゼロであり、その位相が反転する。

0047

図5a及び5bにおいて、プレート12は、隆起した表面パターン28、29の形態の均一な粗さの表面を有する。スタイラス18は、経路30に沿った表面にわたって引かれ、スタイラスが隆起した部分又はパターンの線を横切るときに、部材中に撓み波32を生成する。このように、スタイラス18の接触が部材中の撓み波振動源となる。図5aにおいて、表面パターン28は、隆起した交差線周期的パターンであり、図5bでは、表面パターン29はランダムな起伏パターンである。

0048

図2、図5a、及び図5bの実施形態において、接触が部材の粗い表面上を移動すると、撓み波が接触点から部材中に等方的に放射する。接触点からの距離xにおける部材の変位は、伝達関数H(ω;x)によって接触点の変位に関連付けられる。波長λ=2π/k(ω)を超える距離では、伝達関数は次式で近似することができる。

ここで、Aは定数、k(ω)は事前に定義された波動ベクトルである。H(ω;x)は、厳密には無限大のプレートの撓み波に適用されるだけであるが、取付具が撓み波振動を強く吸収するので、この関係が満足される。伝達関数は、撓み波発生源が角周波数ω0で純正曲線の周波数を放射する場合に、発生源の接触点からの距離x1とx2である2つの位置での変位間の位相差Δθ12が次式:

であるように示す。

0049

これは、位相角の差の間、経路長Δx=(x1−x2)、及び整数n12の間の次の関係があることを意味する。
Δθ12=θ1−θ2=k(ω0)Δx12+2πn12

0050

図6は、この方程式を用いて接触位置を特定する方法におけるステップを示す。
(a)各センサを使用して撓み波信号を測定し、測定された撓み波信号Wi(t)及びWj(t)を得る。
(b)測定された撓み波信号Wi(t)及びWj(t)の位相角θi(t)及びθj(t)を計算する。
(c)2つの位相角θi(t)及びθj(t)間の差を計算する。
(d)次式から接触位置を算出する。
k(ω0)Δxij=ΔθIJ−2πnij

0051

図7aは、センサの1つによって測定された撓み波信号Wj(t)の位相角θjを計算する装置の概略ブロック図である。信号Wj(t)はランダムな信号であり、従って長い時間尺度にわたって相関性がない。信号は、最初に増幅器42によって増幅され、次いでω0を中心とする帯域幅Δωの通過帯域を有するアナログ帯域通過フィルタ44によって処理される。

0052

撓み波の移動する発生源はドップラー効果を示すことができ、これにより周波数ω0を有し、速度vで部材上のある箇所に向かって移動する発生源から放射される撓み波が、ω0−k(ω0)νで定義される異なる周波数の箇所に到達する。従って、部材上の2つの異なる箇所における撓み波間の最大の角周波数シフトは、2k(ω0)νmaxであり、ここでνmaxは移動する発生源の最大速度である。角周波数シフトが帯域通過フィルタの幅よりも大きくなると、上記の位相差方程式は成立しない。従って、フィルタ44の帯域幅Δωは、この最大周波数シフトを超える大きさに設定され、従って、次の関係に従う。
Δω>>2k(ω0)νmax

0053

フィルタ44による処理の後で、結果として生じたフィルタ処理された信号W’j(t)は、周波数ω0を有する振幅及び位相変調キャリアであり、次式によって定義される。

ここで、Aj(t)及びθj(t)は信号の振幅と位相である。両方ともフィルタの帯域幅、すなわちΔt=2π/Δωによって決まる時間尺度Δtにわたって変動する。独立した位相角の測定値を帯域通過フィルタの出力から得ることができる最大周波数は1/Δtである。接触センサは典型的には10msごとに接触位置の更新された測定値を提供するので、位置測定値最小周波数の条件は、Δt<10msである。

0054

次いで、フィルタ処理された信号W’j(t)は2つのアナログ位相検出器46に同時に送られる。このような検出器は当該技術分野ではよく知られており、例えば、Horowitz及びHillによる「The Art of Electronics(電子機器の技術)」の644頁を参照のこと。基準信号は各々周波数ω0を有するが、π/2の位相差も2つの位相検出器に同様に供給される。位相検出器の出力は、各々約Δω/2の周波数カットオフを有する低域通過フィルタ48を通過する。低域通過フィルタの出力は、cos(θj)とsin(θj)とにそれぞれ比例する。次に、これらの出力はデジタイザ50によってデジタル化され、処理装置52によって処理されて位相角θjが得られる。

0055

図7bは、図7aで使用される基準信号をどのようにして生成することができるかを示している。第2の撓み波信号Wi(t)は第2のセンサで測定される。信号は、増幅器42及びアナログ帯域通過フィルタ44を介して供給され、フィルタ処理された信号W’j(t)を生成する。フィルタ処理された信号W’j(t)は、基準信号を形成し、1つの位相検出器46に直接供給される。フィルタ処理された信号はまた、その位相をπ/2だけシフトする装置を介して第2の位相検出器46に供給される。位相シフトされた信号は、第2の位相検出器46に対する基準信号として使用される。

0056

図8aから図8dは、位相角の差、従って経路長の差を用いてどのように接触位置を計算することができるかを示している。図6のステップ(d)の式は、プレート12に重なる可能性がある双曲線を定義している。図8aは、nlmの3つの異なる値と、プレート12の短い辺の両端部に取り付けられた1対のセンサ16について計算された位相角の差とを用いて生成された、3つの双曲線26を示す。同様に図8b及び図8cは、位相角の差と、センサの他の2つの対についてのnlmの異なる値とによって生成された双曲線26を示す。図8dは、センサによって生成された全ての双曲線を示す。接触位置24は、3つの双曲線の交点であり、センサの各対からのものである。接触位置24からnlmの正確な値を推測することができる。

0057

nを推測する方法が図9に示される実施形態を使用して実施される。各センサによって測定された撓み波信号W1(t)は、2つの帯域通過フィルタ48、54によって同時に処理される。各フィルタ用のものである2つの位相角は、例えば図7において説明されるように計算される。フィルタ48、54の通過帯域周波数はわずかに異なるので、各通過帯域周波数用である2つの位相角の差は、各センサの対によって与えられる。

0058

センサからの位相角の差Δθa、Δθbは、以下で定義される。
Δθa=k(ω0+ωδ)Δx+2πna
Δθb=k(ω0−ωδ)Δx+2πnb
ここで、Δxは接触とセンサの位置によって定義される単一の経路長差である。

0059

正しい組み合わせ(na、nb)は、次式を最小にする値の組み合わせとして求めることができる。

0060

次いで、経路長の差は以下の式から推定することができる。

0061

次に、センサの別の対を使用して、第2の経路長の差を求めることができる。各経路長の差はパネル上に双曲線を定める。これらの2つの双曲線の交点が接触位置である。図8aから8dのように双曲線がプロットされ、最も多い数の双曲線が交差する点が真の接触位置である可能性がある。

0062

図10は、上式から接触位置を計算するための代替方法を示しており、すなわち、
i.1対の撓み波信号Wi(t)とWj(t)を測定し、1つの信号は1つのセンサによって測定される。
ii.図11及び図11aにおいて説明される方法を使用して、2つの信号の分散補正相関関数を計算する。
iii.図11及び図11aにおいて説明されるように、分散補正相関関数を用いて接触の最初の位置を計算する。
iv.信号Wi(t)及びWj(t)を再測定する。
v.例えば、図7aと及び図7bに説明されるように、各信号の位相角を計算する。
vi.位相角間の差を計算する。
vii.経路長の差の変化を最小にするnlmの値を選択する。
viii.次式によって定義される双曲線をプロットする。
k(ω0)Δxij=Δθij−2πnij
ix.ステップ(iv)から(viii)までを繰り返し、規則的な区間Δt(例えばΔ(t)=2π/Δω)で撓み波信号を再測定する。

0063

ステップ(viii)において、接触位置を特定するためには、センサの別の対の2つの双曲線が最低限必要とされる。従って、プロセス全体がセンサの少なくとも2つの対に対して同時に実行されなければならない。このように、最小数でも2つの位相角の差が求められなければならない。2つのセンサを使用して、図9に説明されように2つの周波数帯域に信号を分割することによって2つの位相角の差を生成することができる。もしくは、センサの異なる対を使用して複数の位相角の差を計算することができるように、複数のセンサを使用してもよい。

0064

図11は、接触位置とセンサ間の経路長の差を明らかにするために分散補正相関関数を計算する方法を示す。以下に詳述される方法は、PCT/GB2002/003073の情報の概要である。この方法は以下のステップを含む。
(a)2つの撓み波信号W1(t)及びW2(t)を測定する。
(b)W1(t)及びW2(t)のフーリエ変換を計算し、



、従って中間関数

を得る。ここで、

複素共役フーリエ変換であり、tはωが2πfである時間を表し、fは周波数である。
(c)

関数である第2の中間関数M(ω)を計算する。
(d)及び(e)ステップ(a)から(c)の実行と同時に、予め定められたパネルの分散関係

を使用して周波数引き延ばし演算

を計算する。
(f)M(ω)と

を組み合わせて、分散補正相関関数

を得る。
(g)分散補正相関関数は、時間に対してプロットされ、図11aに示されるように時間t12でピークが発生する。
(h)t12からΔx12が計算される。Δx12は第1と第2のセンサから接触までの経路長x1とx2の間の経路長の差である。
(i)Δx12は、図7に示されるようにプロットすることができる双曲線を定義して、接触位置を計算する。

0065

図10の方法と同様に、接触位置を決定するためには最小でも2つの双曲線が必要とされる。従って、上述のより多くの双曲線を生成する方法は、この方法に等しく適用される。

0066

第2の中間関数M(ω)は単に、標準分散補正相関関数を与える

とすることができる。或いはM(ω)は、以下の関数から選択してもよく、これらは全て、標準分散補正相関関数に対して位相等価関数をもたらす。





ここでψ(x)は実数値関数である。

ここで、Ψ(ω)は実数値関数である。

0067

もしくは、M(ω)は相関関数D(t):

のフーリエ変換である関数

でもよい。

0068

各ステップは、D(t)の計算;

の計算と、周波数引き延ばし演算を適用して分散補正相関関数:

を得ることである。

0069

或いは、ステップ(f)で、以下の分散補正相関関数を計算することができる。

ここで、

であり、ここで、

及び

は、2つの測定された撓み波信号

及び

のフーリエ変換と複素共役フーリエ変換であり、

は経路長の差である。

0070

センサは第1及び第2のセンサとして機能することができるので、分散補正相関関数は自動補正関数である。自動補正関数は、W1(t)=W2(t)を使用して、分散補正相関関数と同じステップを適用して計算することができる。

0071

図12aはラウドスピーカとしても動作する接触検知装置を示す。図12bは、音響信号と測定された信号を2つの別個の周波数帯域に分割して、処理された測定信号に対する音響信号の影響を抑制するようにする方法を示す。装置は、放射変換器又はアクチュエータ108と接触によって撓み波が生成される部材106を備える。放射変換器は、部材106に音響信号を印加して音響出力を生成する。部材に印加する前に、図12bに示すように音響信号を低域通過フィルタ112によってフィルタ処理し、閾値周波数f0を超える音響信号を除去する。

0072

図12bに示すように、接触は広い周波数帯域にわたって実質的に一定である出力信号を生成する。接触からの信号と音響信号とを合計して高域通過フィルタ114を通過する合成信号が得られ、閾値周波数f0を超える信号を除去する。次に、フィルタ処理された信号はデジタイザを通り処理装置118に送られる。

図面の簡単な説明

0073

本発明の1つの態様による接触検知装置の概略平面図である。
図1の装置の概略斜視図である。
次元ビームの概略側面図である。
周波数(Hz)に対する反射係数の振幅を示すグラフであり、振幅は比であるので無名数である。
周波数(Hz)に対する反射係数の位相(ラディアンで表した)を示すグラフである。
代替接触感知装置の概略斜視図である。
代替の接触感知装置の概略斜視図である。
本発明による接触位置を見いだす方法のフローチャートである。
位相角を計算するために使用される装置の概略ブロック図である。
図7aの装置に使用される該装置の概略ブロック図である。
経路長の差の双曲線を示す本発明による装置の平面図である。
経路長の差の双曲線を示す本発明による装置の平面図である。
経路長の差の双曲線を示す本発明による装置の平面図である。
経路長の差の双曲線を示す本発明による装置の平面図である。
位相角を計算するために使用される代替の装置の概略ブロック図である。
接触位置を計算する代替の方法を示すフローチャートである。
分散補正相関関数を使用して接触位置を計算する方法を示すフローチャートである。
時間に対する分散補正相関関数のグラフである。
ラウドスピーカとしても動作する接触検知装置の概略ブロック図である。
図12aの装置で音響信号と測定された撓み波信号とを分離する方法である。

符号の説明

0074

10接触検知装置
12 部材
16センサ
22 取付具

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