DE60008426T2 - Kontaktempfindliche vorrichtung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES FACHGEBIET
  • Die Erfindung betrifft kontaktempfindliche Vorrichtungen.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Sichtanzeigen weisen oftmals eine Art von kontaktempfindlichem Bildschirm auf. Mit Auftreten der nächsten Generation tragbarer Multimedia-Geräte, wie etwa handflächengroßer Computer, wird dies mehr und mehr geläufig. Die am stärksten etablierte Technologie, die Wellen verwendet, um einen Kontakt zu detektieren, ist die der akustischen Oberflächenwellen (SAW). Bei dieser werden hochfrequente Wellen auf der Oberfläche eines Glasschirms erzeugt, wobei deren Dämpfung durch den Kontakt mit einem Finger zur Detektierung des Orts der Berührung verwendet wird. Diese Technik ist eine "Laufzeit"-Technik, bei der die Zeit, die die Störung benötigt, um einen oder mehrere Sensoren zu erreichen, zur Erfassung des Orts verwendet wird. Ein derartiger Ansatz ist möglich, wenn sich das Medium in nicht-dispersiver Weise verhält, d.h. die Geschwindigkeit der Wellen sich im interessierenden Frequenzbereich nicht signifikant ändert.
  • US-A-5,691,959 beschreibt eine berührempfindliche Vorrichtung, die von einem Stift ausgehende akustische Wellen nutzt, um die Position des Stifts auf einer Platte zu ermitteln. Die akustischen Wellen werden von der Spitze des Stifts in die Platte eingeleitet und werden von einer Mehrzahl von Detektoren erfasst, welche an verschiedenen Stellen längs des Umfangs der Platte angeordnet sind.
  • US-A-5,591,945 stellt die Grundlage für die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 38 dar und beschreibt einen akustischen Berührpositionssensor mit einem Wandler, welcher eine Welle in ein Substrat einleitet, und einer die Welle reflektierenden Reflexionsanordnung. Die reflektierten Wellen werden von einem das Substrat berührenden Objekt teilweise absorbiert, abgeschwächt oder gestört, sodass eine modifizierte Wellenform mit Eigenschaften erzeugt wird, welche für die axiale Verlagerung und/oder die Kontaktverhältnisse des Objekts mit dem Substrat bezeichnend sind.
  • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Ermittlung von Informationen betreffend einen Kontakt auf einer kontaktempfindlichen Vorrichtung vorgesehen, umfassend die Schritte:
    • – Bereitstellen eines zur Führung von Biegewellen fähigen Elements,
    • – Kontaktieren des Elements an einer diskreten Stelle zur Erzeugung einer Biegewellenschwingungsänderung in dem Element,
    • – Bereitstellen wenigstens eines an dem Element angebrachten Messmittels zum Messen der geänderten Biegewellenschwingung in dem Element, um ein gemessenes Biegewellensignal zu bestimmen, und
    • – Verarbeiten des gemessenen Biegewellensignals zur Berechnung von Informationen betreffend den Kontakt,
    gekennzeichnet durch die Anwendung einer Korrektur, um das gemessene Biegewellensignal in ein Ausbreitungssignal von einer nicht-dispersiven Wellenquelle umzuwandeln.
  • Der Kontakt kann in Form einer Berührung mit einem Stift oder einem Finger vorliegen. Der Stift kann in Form eines handhaltbaren Schreibers vorliegen.
  • Die berechnete Information kann der Ort des Kontakts sein oder kann eine andere Information sein, z.B. Druck oder Größe des Kontakts. Die den Kontakt betreffende Information kann in einem zentralen Prozessor berechnet werden.
  • Die Biegewellenausbreitung kann mittels mindestens eines Sensors gemessen werden, welcher an einem Rand des Elements oder im Abstand hiervon angebracht sein kann. Der Sensor kann in Form eines sensierenden Wandlers vorliegen, welcher eine Biegewellenschwingung in ein analoges Eingangssignal umwandeln kann. Es kann mehr als ein Sensor vorhanden sein.
  • Mit einer Biegewellenschwingung ist eine Anregung gemeint, z.B. durch den Kontakt, welche eine gewisse Verlagerung des Elements aus dessen Ebene heraus verursacht. Viele Materialien biegen sich, einige mit reinem Biegen mit einer perfekten Quadratwurzel-Dispersionsbeziehung und einige mit einer Mischung aus reinem und Scherbiegen. Die Dispersionsbeziehung beschreibt die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Wellen in der Ebene von der Frequenz der Wellen. Die relative Größe der Schwingung wird durch Materialeigenschaften des Elements und die Anregungsfrequenz bestimmt.
  • Biegewellen sind dispersiv, d.h. die Biegewellengeschwindigkeit hängt von der Frequenz ab. Diese Eigenschaft macht jeden "Laufzeit"-Ansatz ungeeignet, da sich die Signatur der Störung zunehmend mit der Zeit ausbreitet. Dementsprechend umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Anwendung einer Korrektur, um das gemessene Biegewellensignal in ein Ausbreitungssignal von einer nicht-dispersiven Wellenquelle umzuwandeln. Sobald die Korrektur angewendet ist, können in den Gebieten des Radars und Sonars verwendete Techniken eingesetzt werden, um den Ort des Kontakts zu erfassen.
  • Ein signifikanter Vorteil der Nutzung einer Biegewellenausbreitung ist, dass Biegewellen Körperwellen sind, welche eine Bewegung des gesamten Elements mit sich bringen und nicht bloß der Oberfläche. Dagegen beruhen die meisten der alternativen berührempfindlichen Technologien auf Oberflächeneffekten und sind als solche anfällig bei Oberflächenschäden. Eine mit Biegewellen arbeitende kontaktempfindliche Vorrichtung sollte danach robuster sein und weniger empfindlich gegenüber Kratzern usw. an der Oberfläche sein.
  • Die Anwendung der Korrektur kann der erste Schritt bei der Verarbeitung des Biegewellensignals sein. Die angewendete Korrektur beruht vorzugsweise auf der Dispersionsbeziehung des Materials des die Biegewellen führenden Elements. Diese Dispersionsbeziehung kann entweder unter Verwendung der Biegewellengleichung in Verbindung mit bekannten physikalischen Parametern des Materials des Elements modelliert werden. Alternativ kann die Dispersionsbeziehung unter Verwendung eines Laservibrometers gemessen werden, um ein Bild des Schwingungsmusters in dem Element für eine Anzahl gegebener Frequenzen zu erzeugen und so die Dispersionsbeziehung in dem interessierenden Frequenzbereich zu ermitteln.
  • Die Messung der Biegewellenausbreitung kann dadurch erfolgen, dass die Bewegung in dem Element kontinuierlich abgetastet wird. Durch Vergleichen des gemessenen Biegewellensignals mit einem Referenzsignal, beispielsweise dem Signal, bevor ein Kontakt gemacht wird, ist es möglich herauszufinden, wann ein Kontakt gemacht wird. Die Größe oder andere Eigenschaften des Signals können verglichen werden. Sobald ein Kontakt gemacht wurde, kann das gemessene Biegewellensignal aufgezeichnet werden und kann dann verarbeitet werden.
  • Das Element kann in Form einer Platte oder Tafel vorliegen. Das Element kann transparent oder alternativ nicht-transparent sein, beispielsweise ein gedrucktes Muster aufweisen. Das Element kann gleichmäßige Dicke besitzen. Alternativ kann das Element eine mehr komplexe Form besitzen, beispielsweise eine gekrümmte Oberfläche und/oder eine veränderliche Dicke. Vorausgesetzt, dass es den Biegewellen möglich ist, vom Ort des Kontakts bis zu einem der Sensoren wie komplex der Weg auch immer ist) zu wandern, kann das Verfahren an komplex geformte Elemente durch Bereitstellen eines adaptiven Algorithmus, etwa eines neuronalen Netzes, angepasst werden, um die Stelle des Kontakts aus dem von dem Sensor empfangenen Biegewellensignal zu entschlüsseln. Es kann erforderlich sein, mehrere Sensoren zu haben.
  • Das Verfahren kann ein rein passives Sensieren beinhalten, mit anderen Worten kann die durch den Kontakt hervorgerufene Biegewellenschwingungsänderung in dem Element die Biegewellenschwingungsanregung in dem Element sein. Anders ausgedrückt gibt es keine andere Biegewellenschwingungsquelle bei einem passiven Sensor. Die Position des Kontakts kann berechnet werden, indem die Ankunftszeit eines Impulses an jedem Sensor aufgezeichnet wird, die Zeiten verglichen werden, um die relativen Abstände jedes Sensors vom Ursprung des Impulses zu ermitteln, und die relativen Abstände in Überschneidung gebracht werden, um die Position des Kontakts zu erhalten. Die Biegewellenschwingung und damit das gemessene Biegewellensignal können durch einen Anfangsstoß oder durch reibende Bewegung des Kontakts erzeugt werden. Ein Minimum von drei Sensoren kann vorhanden sein.
  • Ein Erhöhung der Anzahl der zur Detektierung des Kontakts oder des Kontaktorts verwendeten Sensoren stellt zusätzliche Informationen bereit und kann somit für eine genauere Erfassung sorgen. Alternativ oder zusätzlich kann das an jedem Sensor empfangene Biegewellensignal über einen längeren Zeitraum hinweg analysiert werden, sodass nicht nur das direkte Signal, d.h. das Signal, wenn der Impuls den Wandler das erste Mal erreicht, gemessen wird sondern auch die Reflexionen von den Rändern des Elements. Dieser Ansatz ist vergleichbar mit der Hinzufügung von Spiegelversionen des oder jedes bestehenden Sensors. Mit Hilfe dieses Konzepts können die erhaltenen zusätzlichen Informationen dazu verwendet werden, eine höhere Genauigkeit zu liefern oder die Anzahl der Sensoren zu reduzieren.
  • Nach Berechnung des Orts des Kontakts kann das gemessene Biegewellensignal weiterverarbeitet werden, um zusätzliche Informationen betreffend den Kontakt zu ermitteln. Die Bewegung eines Stifts auf dem Element kann ein kontinuierliches Signal erzeugen, das durch den Ort, den Druck oder die Geschwindigkeit des Stifts auf dem Element beeinflusst wird. Zeitkontinuierliche Daten, die aus dem kontinuierlichen Signal hergeleitet werden können, können dazu verwendet werden, zusätzliche nützliche Informationen in einer Vielzahl von Anwendungen herzuleiten.
  • Eine Anwendung kann die Unterschriftserkennung sein, die eine Untergruppe der allgemeineren Aufgabe der Mustererkennung ist. Anwendungen wie diese, bei denen Muster aus komplexen Daten herausgezogen werden, profitieren stark von den zusätzlichen unabhängigen Informationen, die in den zeitkontinuierlichen Daten enthal ten sind. Das Verfahren kann somit ferner den Schritt der Implementierung eines neuronalen Netzes zur Verarbeitung zeitkontinuierlicher Daten umfassen. Das neuronale Netz kann mittels eines Satzes von Beispielen trainiert werden, beispielsweise eines Satzes von Unterschriften, die von einem bestimmten Subjekt geschrieben werden, oder einer Menge, die aus Wissen über die durch den menschlichen Vorgang des Schreibens hervorgerufene typische Varianz erzeugt wird.
  • Eine grundlegende Eigenschaft eines neuronalen Netzes ist, dass die Genauigkeit der gezogenen Schlüsse umso größer ist, je mehr unabhängige Information vorhanden ist. Ein großer Teil der in den zeitkontinuierlichen Daten verfügbaren Information ist vollständig unabhängig von der Positionsinformation, da sie mit der Geschwindigkeit und dem Druck des Stifts auf der Oberfläche des Elements verbunden ist. Die zusätzliche Information erhöht daher die Möglichkeit einer genauen Unterschriftserkennung. Das Verfahren kann ferner das Trainieren eines zweiten neuronalen Netzes mit Beispielen von Zeitantworten auf Unterschriften umfassen. Eine zusätzliche Verbesserung kann durch ein Training mit weiteren Beispielen erreicht werden, die entweder vom Benutzer oder aus Wissen über die erwarteten Abweichungen des Drucks und der Geschwindigkeit erzeugt werden.
  • Alternativ können die zeitkontinuierlichen Daten bei der Handschriftenerkennung, der Erfassung eines "Doppelklicks" oder der Erfassung der Stärke eines Kontakts verwendet werden, z.B. wie hart ein Klick ist. Sowohl die Erfassung eines "Doppelklicks" als auch der Klickstärke kann mit dem Bild der Impulsform in den zeitkontinuierlichen Daten erzielt werden. Es kann möglich sein, eine langsamere Positionsabtastrate zu verwenden als andere eher herkömmliche Technologien.
  • Die Erfassung eines Kontakts, sei es ein Schreiber, Finger, usw., erfolgt dagegen herkömmlicherweise mit einer vorbestimmten Abtastrate, wobei die die Stelle des Kontakts betreffende Information aus einer Gruppe von Punkten gebildet wird. Es gibt keine zeitkontinuierlichen Informationen, weswegen viele der vorstehend beschriebenen Anwendungen nicht durchgeführt werden können oder weniger zufriedenstellend durchgeführt werden können.
  • Eine Messung des Frequenzgehalts des gemessenen Biegewellensignals kann zur Ermittlung der Kontaktart verwendet werden, da die von jedem Typ von Stift erzeugten charakteristischen Frequenzen unterschiedlich sind. Beispielsweise erzeugt ein harter Stift höhere Frequenzen als ein weicher Finger. Somit kann eine kontaktempfindliche Vorrichtung zur Verwendung mit einer handhaltbaren Stifteingabevorrich tung so eingerichtet werden, dass sie nicht ausgelöst wird, wenn die Hand des Bedieners die kontaktempfindliche Vorrichtung berührt.
  • Die Unterschiede in der durch verschiedene Arten von Stift erzeugten Frequenzen bedeuten einen Unterschied in der erzielbaren absoluten räumlichen Auflösung; höhere Frequenzen ermöglichen eine höhere Auflösung. Der Unterschied in der Auflösung deckt sich jedoch oft mit den Anforderungen an den fraglichen Kontakt. Beispielsweise ist die für eine Eingabe mittels eines Fingers verlangte räumliche Auflösung üblicherweise niedriger als die für einen Stift mit einer scharfen Spitze erwartete räumliche Auflösung.
  • Die durch den Kontakt erzeugten Frequenzen sind relativ niedrig, d.h. allgemein Audiofrequenzen anstatt Ultraschall. Folglich ist das Element vorzugsweise dazu fähig, eine Biegewellenschwingung im Audiobereich zu führen. Somit kann auch ein Element, dass ähnlich solchen ist, die als akustischer Strahler in einem Lautsprecher verwendet werden, dazu verwendet werden, als kontaktempfindliche Vorrichtung zu dienen.
  • Die kontaktempfindliche Vorrichtung kann darüber hinaus einen an dem Element angebrachten abstrahlenden Wandler zur Erzeugung einer Biegewellenschwingung in dem Element umfassen, um den Kontakt betreffende Informationen zu gewinnen. Das Element kann demnach ein akustischer Strahler sein, wobei eine Biegewellenschwingung in dem Element zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe genutzt werden kann. Eine solche Schwingung kann als Rauschsignal angesehen werden, wenngleich es andere Arten von Rauschsignalen gibt, die das passive Sensieren bewirken können. Wenn ein externes Rauschsignal vorhanden ist, kann das Verfahren des Weiteren Techniken umfassen, um das Rauschsignal von dem durch den Kontakt erzeugten Signal zu isolieren, beispielsweise:
    • 1) Eine Prädiktionsfilterung, die die Antwort des Rauschsignals in kleinem Zeitmaßstab vorhersagt. Abweichungen von dem vorhergesagten Wert entstehen wahrscheinlicher durch einen Kontakt als durch die abstrahlenden Wandler.
    • 2) Eine Modellierung des Rauschsignals mit Hilfe einer kontinuierlichen Erfassung des erzeugten Audiosignals in Verbindung mit Wissen über die Übertragungsfunktion vom abstrahlenden Wandler zum Sensor. Dies erlaubt eine genauere Vorhersage des Rauschsignals als die Prädiktionsfilterung.
    • 3) Die Verwendung der mehrfachen Sensoren zur Ermittlung des Orts des abstrahlenden Wandlers in gleicher Weise, wie sie zur Lokalisierung des Kontakts verwendet wurden (beispielsweise Schnittmethode). Diese Information sollte die Trennung der durch den abstrahlenden Wandler erzeugten Biegewellen von den durch den Kontakt erzeugten Biegewellen erleichtern.
  • Alternativ kann das Rauschsignal als aktiver Fühler für einen Kontakt in dem Element verwendet werden. Das Verfahren kann somit ferner die Erzeugung von Biegewellen in dem Element umfassen, sodass es ein aktives Sensieren gibt, mit anderen Worten, ein Sensieren, dass nicht auf der Erzeugung von Wellen durch den Kontakt beruht, sondern auf der Antwort bereits in dem Element vorhandener Wellen auf eine durch den Kontakt verursachte mechanische Bedingung.
  • Die Biegewellen in dem Element können durch ein Anregungssignal von einem an dem Element angebrachten Wandler erzeugt werden. Der Wandler kann eine doppelte Funktionalität besitzen, er kann nämlich als abstrahlender Wandler und als Sensor dienen. Alternativ können ein abstrahlender Wandler und mindestens ein an dem Element angebrachter Sensor vorhanden sein.
  • Die Wirkung des Kontakts kann reflektierend, absorbierend oder eine Kombination von Beidem sein. Was Reflexion anbelangt, so erzeugt ein abstrahlender Wandler Biegewellen, die durch den Kontakt reflektiert werden und entweder von demselben Wandler oder einem gesonderten Sensor detektiert werden. Das Signal, entweder eine Zeit- oder eine Frequenzantwort, kann dann mit der Information über die Materialdispersionsbeziehung verarbeitet werden, um die von dem abstrahlenden Wandler oder der Quelle über den Kontakt bis zu dem Sensor zurückgelegte Entfernung zu erhalten.
  • Eine einzige Messung kann genügen, um zwischen zwei Kontaktorten zu unterscheiden, die einen wesentlichen Abstand voneinander haben. Es kann allerdings mehr Information erforderlich sein, um den Kontaktort genauer zu bestimmen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Reflexion mit mehreren Sensoren erfasst wird, wobei das Anregungssignal für einige oder alle Sensoren von dem abstrahlenden Wandler oder von einer anderen Quelle ausgehen kann. In jedem Fall liefert jeder Sensor einen unabhängigen Messwert für den Kontaktort, welche kombiniert werden können, um mit zunehmender Wandlerzahl einen zunehmend genaueren Kontaktort zu erhalten.
  • Ein alternativer Weg zur Steigerung der Ortsgenauigkeit kann es sein, die Biegewellenschwingung in dem Element über einen längeren Zeitraum hinweg zu messen und so die Informationen in jeder Messung zu vermehren. Im Hinblick auf eine Frequenz antwort kann dies einer größeren Frequenzauflösung entsprechen. Das ausgedehnte Signal kann außerdem Informationen enthalten, die sowohl eine direkte als auch eine indirekte Reflexion an dem Kontakt betreffen. Indirekte Reflexion ist ein Signal, dass von dem Kontakt über eine oder mehrere RandReflexionen zu dem Sensor gelangt. Diese Methode kann als gleichwertig zur Hinzufügung weiterer Sensoren an Spiegelorten des ursprünglichen Sensors angesehen werden und kann angewendet werden, um mit lediglich einem kombinierten Quellen/Fühler-Wandler einen genauen Kontaktort zu bestimmen.
  • Zur Messung der Materialdispersionsbeziehung in dem Element kann in die kontaktempfindliche Vorrichtung ein Selbstmeßsystem integriert sein. Auch wenn kein Kontakt vorliegt, sind die RandReflexionen dennoch vorhanden, welche bei einer regelmäßigen Gestalt als starke Reflexionen greifbar sind, die den Abständen zum jeweiligen Rand entsprechen. Die Orte von abstrahlendem Wandler, Sensor und Rändern sind bei gegebener Implementierung bekannt, was einen Satz bekannter Referenzpunkte ergibt. Eine die Materialdispersionsbeziehung darstellende weiche Funktion kann dann optimiert werden, um die Frequenzachse so zu verziehen, dass die diesen Referenzpunkten entsprechenden Periodizitäten wiederhergestellt sind. Eine weitere Optimierung kann bei Bedarf dadurch erfolgen, dass weitere bekannte Referenzpunkte hinzugefügt werden, wie etwa ein Kontakt an einer vorbestimmten Stelle.
  • Dieses Konzept erlaubt eine Implementierung der aktiven Sensiertechnik ohne vorheriges Wissen über die Materialdispersionsbeziehung. Alternativ kann es zur Feinabstimmung einer Korrektur der geringen Herstellungstoleranzen bei den Eigenschaften der Tafel oder zur Korrektur von durch Wärme, Feuchtigkeit usw. bedingten Abweichungen eingesetzt werden.
  • Reine Absorption erfordert eine andere Implementierung als ein auf Reflexion beruhendes Konzept. Das Verfahren kann daher die Implementierung eines "Strahlverfolgungskonzepts" umfassen, wobei die Wirkung des Kontakts darin liegt, eine an einem oder mehreren der Sensoren anliegende Welle zu unterbrechen. Eine an einem Sensor anliegende Welle kann durch direkte Anregung erzeugt werden, z.B. durch einen oder mehrere abstrahlende Wandler an einer gegenüberliegen Stelle oder durch indirekte Anregung mittels einer oder mehrerer RandReflexionen. Bei indirekter Anregung kann der abstrahlende Wandler an jeder beliebigen Position einschließlich einer dem Sensor benachbarten Position angeordnet sein. Indirekte Anregung erlaubt darüber hinaus die Erfassung eines absorbierenden Kontakts mit einem einzelnen Wandler, der als Quelle und Sensor der RandReflexionen dient.
  • Eine Unterbrechung der einfallenden Welle kann auch zu einer Diffraktion an dem Absorptionspunkt führen. Die Wirkung der Diffraktion macht den Absorptionsansatz empfindlich für einen viel größeren Bereich als dies der Fall bei reiner Strahlverfolgung ist. Der Kontaktort kann außerhalb eines direkten Wegs der an dem Sensor anfallenden Biegewelle liegen und dennoch das seitens des Sensors empfangene Signal beeinflussen. Die durch Absorption erhaltene Information kann in komplexerer Form vorliegen als die bei einem reflektierendem Kontakt. Folglich kann ein intelligenterer Erfassungsalgorithmus erforderlich sein, etwa ein neuronales Netz.
  • Das von dem Wandler erzeugte Anregungssignal weist vorzugsweise eine gute Rauschunterdrückung auf und hat vorzugsweise keine audiomäßig schädliche oder akustische offensichtliche Wirkung. Das Anregungssignal kann folglich eine sehr kleine Amplitude haben oder kann rauschähnlich sein. Im letzteren Fall kann eine bestimmte Korrelation in dem Rauschen versteckt sein, an der sich die Berechnungen festhalten können. Alternativ kann das Anregungssignal unhörbar gemacht werden, d.h. zu Ultraschall, durch Erhöhen der Frequenz auf über 20kHz. Dies hat den Vorteil, dass eine große Signalamplitude verwendet werden kann und die hohe Frequenz zu einer hohen räumlichen Auflösung führt. Allerdings muss das Element in der Lage sein, ein solches Ultraschallsignal zu führen. Viele Materialien sind geeignet, beispielsweise Glas, Kristall, Polystyrol.
  • Das Anregungssignal kann aus einem der folgenden Signale gewählt werden:
    • 1. Gepulste Anregung – beachte, dass sie an schlechter Rauschunterdrückung und Hörbarkeit leidet, wenn sie eine hinreichende Amplitude hat.
    • 2. Bandbegrenztes Rauschen – dieses Signal ist weniger hörmäßig schädlich als die meisten in einem gegebenen Frequenzband und hat den Vorteil, dass es auf das geeignetste Frequenzband eingestellt werden kann. Außerdem kann es zu Ultraschall gemacht werden.
    • 3. Stationäre Sinuswellen – diese ergeben ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis, sind aber im Audioband äußerst hörbar. Verbesserungen sind, die Frequenz aus dem Audioband herauszulegen oder mehrere eng beabstandete Sinussignale mit zufälliger relativer Phase zu verwenden und so das Signal in Bezug auf das Hören rauschartiger zu machen. Dies ist ein Beispiel eines Signals, das hörmäßig rauschartig ist, aber eine versteckte Korrelation enthält, die den Signal/Rausch-Pegel verbessert. Ein weiteres Beispiel einer solchen Spur ist ein MLS- (Maximallängensequenz) Signal.
    • 4. Ein Chirpsignal – dies ist ein weithin verwendetes Signal zu Bestimmung einer Frequenzantwort eines Systems über einen breiten Bereich von Frequenzen. Dies mag jedoch nur bei Ultraschallfrequenzen praktisch sein, wo es nicht hörbar ist.
    • 5. Ein Audiosignal – dieses kann in die Wandler eingespeist werden, wenn das Element als akustischer Strahler für einen Lautsprecher verwendet wird. In diesem Fall gibt es kein Problem, dass das Anregungssignal einen audiomäßig schädlichen Effekt haben könnte, da es eben dieses Signal ist, das für die beabsichtigte Audioausgabe verantwortlich ist.
  • Wenn ein Sensor und ein abstrahlender Wandler nahe beieinander oder derselbe Wandler sind, ist das von dem abstrahlenden Wandler erzeugte Hintergrundsignal im allgemeinen viel stärker als das mit dem Kontakt verbundene interessierende Signal. Dies kann Probleme hervorrufen, die auf verschiedene Weise gelindert werden können. Beispielsweise kann bei einem gepulsten Anregungssignal die Messung am Sensor gesperrt werden, sodass die Messung beginnt, nachdem eine von dem abstrahlenden Wandler erzeugte abgehende Welle weiter als der Sensor vorangeschritten ist. Allerdings sind zeitlich ausgedehnte Anregungssignale üblicher als gepulste Anregungssignale, da die Letzteren schlechte Rauschunterdrückungseigenschaften aufweisen.
  • Bei einem zeitlich ausgedehnten Anregungssignal gibt es mechanische oder andere Techniken, die zur Verbesserung der relativen Größe der Kontaktsignatur eingesetzt werden können, beispielsweise:
    • 1) Das Anordnen des Sensors annähernd ¼ Wellenlänge entfernt von dem abstrahlenden Wandler, sodass die Größe der am Ort des Sensors detektierten abgehenden Welle minimiert ist. Diese Technik kann angewendet werden, wenn das Kontaktsignal auf einen relativ engen Bereich von Frequenzen beschränkt ist.
    • 2) Das Anordnen des abstrahlenden Wandlers und des Sensors an einem Treiberpunkt und das Gestalten des abstrahlenden Wandlers und des Sensors derart, dass sie mit orthogonalen physikalischen Eigenschaften verkoppelt sind. Beispielsweise können ein Biegewandler und ein inertial gekoppelter Wandler an der gleichen Stelle angeordnet werden. Eine von einem der Wandler erzeugte abgehende Welle wird vom anderen nicht detektiert. Allerdings wird eine entweder am Kontakt oder an Rändern reflektierte sekundäre Welle detektiert, was ihre relative Größe maximiert.
    • 3) Die Adressierung des Problems im elektrischen Bereich. Eine Messung der Frequenzantwort kann mit einer Durchlauf-Sinuswelle und einer Demodulationsstufe erhalten werden. Die abgehende Welle vom abstrahlenden Wandler erzeugt einen starken Hintergrundwert der Frequenzantwort, dem die durch die kleineren Reflexionen am Kontakt bedingte Feinstruktur überlagert ist. Nach Demodulation (z.B. durch eine Chirp-Demodulationsschaltung) kann das Ausgangssignal eine kleine Welligkeit über einem starken, sich sanft verändernden Hintergrund sein. Wenn dann dieses Ausgangssignal durch ein Hochpassfilter geleitet wird, kann die fragliche Feinstruktur gegenüber dem starken Hintergrund hervorgehoben werden.
    • 4) Das Digitalisieren des gemessenen Signals mit hinreichender Genauigkeit, sodass es empfindlich für die über dem starken Hintergrund liegende Feinstruktur ist. Die Feinstruktur kann dann durch Filterung im digitalen Bereich hervorgehoben werden.
  • Abhängig von der Anwendung des Wandlers kann dieser entweder ein Zwei-, Drei- oder Viertor-Bauteil sein. Zweitor-Bauteile können gesondert als Sensoren oder abstrahlende Wandler verwendet werden. Alternativ können sie als Wandler mit doppelter Funktion verwendet werden, wobei aus der Impedanz des Bauteils eine Sensierfunktion ermittelt wird. Drei- und Viertor-Bauteile nutzen einen gesonderten Wandler als Sensor und abstrahlenden Wandler. Bei einem Dreitor-Bauteil teilen sich der Sensor und der abstrahlende Wandler eine gemeinsame Elektrode, wohingegen der Sensor und der abstrahlende Wandler bei Viertor-Bauteilen elektrisch getrennt sind.
  • Der oder jeder abstrahlende Wandler oder Sensor kann ein Biegewandler sein, der direkt mit dem Element verbunden ist, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler. Die Biegewandler sind im allgemeinen richtungsabhängig, was bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein kann. Die erreichte Richtungsabhängigkeit wird durch ihre physikalische Form bestimmt und kann daher entsprechend abgestimmt werden. Weitere Vorteile beinhalten eine hohe Wandlungseffizienz, geringe Kosten und eine beträchtliche Robustheit. Alternativ kann der oder jeder abstrahlende Wandler oder Sensor ein Inertialwandler sein, der an einer einzigen Stelle mit dem Element gekoppelt ist. Der Inertialwandler kann entweder elektrodynamisch oder piezoelektrisch sein. Inertialwandler sind im allgemeinen omnidirektional, vorausgesetzt, dass der Kontaktpunkt klein im Vergleich zur Biegewellenlänge in dem Element bei der interessierenden Frequenz ist.
  • Die Wandler und/oder Sensoren können mit relativ gleichem Abstand entlang des Rands oder auf der Oberfläche des Element angeordnet werden, abhängig von der speziellen Topologie der Anwendung.
  • Es kann möglich sein, Audiowandler zu verwenden, die bereits als sensierende und/oder abstrahlende Wandler vorhanden sind. Diese Ausbildung kann die Möglichkeit eines Berührbildschirms mit einem Minimum an zusätzlicher Hardware bieten. Falls dieser Ansatz allerdings nicht möglich ist, können sich kleine Piezoelemente als die geeignetsten Wandler erweisen, da sie besonders für die Ultraschallfrequenzen geeignet sind, die zur aktiven Sensierung genutzt werden können.
  • Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine kontaktempfindliche Vorrichtung vorgesehen, umfassend ein zur Führung einer Biegewellenschwingung fähiges Element sowie einen an dem Element angebrachten Sensor zum Messen einer Biegewellenschwingung in dem Element und zum Übermitteln eines Signals zu einem Prozessor, welcher Informationen betreffend einen an einer Oberfläche des Elements gemachten Kontakt von der durch den Kontakt hervorgerufenen Biegewellenschwingungsänderung in dem Element verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor eine Korrektur anwendet, um das gemessene Biegewellensignal in ein Ausbreitungssignal von einer nicht-dispersiven Wellenquelle umzuwandeln.
  • Die kontaktempfindliche Vorrichtung kann ein passiver Sensor sein, bei dem eine Biegewellenschwingung in dem Element allein durch den Kontakt und nicht durch eine andere Quelle angeregt wird. Alternativ kann die kontaktempfindliche Vorrichtung ein aktiver Sensor sein. Die kontaktempfindliche Vorrichtung kann somit ferner einen abstrahlenden Wandler zum Anregen einer Biegewellenschwingung in dem Element umfassen, um Informationen betreffend den Kontakt zu gewinnen. Die den Kontakt betreffenden Informationen werden durch Vergleich der Antwort von Wellen, die von dem abstrahlenden Wandler erzeugt werden, auf eine durch den Kontakt hervorgerufene mechanische Bedingung berechnet.
  • Das Element kann dazu fähig sein, Biegewellen im Audiobereich zu führen. Die kontaktempfindliche Vorrichtung kann dann ein Lautsprecher sein, derart, dass ein akustischer Strahler des Lautsprechers als das Element der kontaktempfindlichen Vorrichtung dient und ein an dem akustischen Strahler angebrachter Erreger zur Anregung einer Biegewellenschwingung in dem akustischen Strahler zwecks Erzeugung einer akustischen Ausgabe als der abstrahlende Wandler der kontaktempfindlichen Vorrichtung dient.
  • Die kontaktempfindlichen Vorrichtung kann ferner Anzeigemittel umfassen, um den Kontakt betreffende Informationen darzustellen, die von dem Prozessor berechnet werden. Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist daher ein Anzeigeschirm vorgesehen, der eine kontaktempfindliche Vorrichtung ist. Der Anzeigeschirm kann ein Flüssigkristallanzeigeschirm mit Flüssigkristallen sein, welche zur Anregung oder Erfassung von Biegewellen genutzt werden können. Der Schirm kann zur Führung von Biegewellen in einem breiten Frequenzbereich ausgebildet sein. Ein direkter Kontakt des Schirms kann die kontaktempfindliche Vorrichtung auslösen. Diese Anwendung bietet daher die Möglichkeit, einen standardgemäßen LCD-Schirm ohne zusätzliche mechanische Teile berührempfindlich zu machen.
  • Da das Verfahren an komplexe Formen angepasst werden kann, kann eine erfindungsgemäße kontaktempfindliche Vorrichtung in einem Mobiltelefon, einem Laptop-Computer oder einem persönlichen Datenassistent enthalten sein. Beispielsweise kann das gewöhnlich bei einem Mobiltelefon vorgesehene Tastenfeld durch einen durchgehenden Formkörper ersetzt werden, der berührempfindlich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist. Dieser Ansatz kann Kosten senken und stellt einen ausgedehnten Bereich zum Einsatz in Audioanwendungen bereit. Bei einem Laptop-Computer kann das Tastenfeld, das als Maussteuerung dient, durch einen durchgehenden Formkörper ersetzt werden, der eine kontaktempfindliche Vorrichtung im Sinne der Erfindung ist. Der Formkörper kann als Maussteuerung oder eine andere Alternative ausgebildet werden, z.B. als Tastatur.
  • Die Vorteile der kontaktempfindlichen Biegewellen-Vorrichtung und des Verfahrens im Vergleich zu anderen Technologien sind:
    • 1) eine vielseitigere Technologie, die sowohl auf den Ort als auch den Druck des Kontakts anspricht;
    • 2) eine billigere Art von kontaktempfindlicher Vorrichtung, da es kein Erfordernis einer Anordnung transparenter Kontakte oder eines komplexen Sensors einer magnetischen Spitze usw. gibt;
    • 3) die Vorrichtung ist durch Beeinflussung der Materialparameter des Elements ohne weiteres hinsichtlich Größe und räumlicher Empfindlichkeit skalierbar; und
    • 4) durch Verwendung eines doppelt wirkenden Elements kann innerhalb enger räumlicher und Gewichtsbeschränkungen ein qualitativ guter Ton erhalten werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung ist beispielhaft und schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
  • 1 eine Darstellung eines berührempfindlichen Lautsprechers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2a and 2b Darstellungen eines Biegewellen-Lautsprechers vor und nach Kontaktherstellung sind;
  • 3 ein erster Lautsprecher mit passiver Berührerfassung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 ein zweiter Lautsprecher mit passiver Berührerfassung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegender Erfindung ist;
  • 5 ein Blockdiagramm eines Verarbeitungsalgorithmus zur passiven Sensierung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein erster Lautsprecher mit aktiver Berührerfassung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 ein erster Lautsprecher mit aktiver Berührerfassung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 ein Blockdiagramm einer Topologie zur Realisierung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 9 ein Blockdiagramm eines Verarbeitungsalgorithmus zur aktiven Sensierung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und
  • 10a bis 10d eine graphische Darstellung eines Verfahrens zur Dispersionskorrektur sind.
  • BESTE ARTEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine kontaktempfindliche Vorrichtung (10) mit einer vor einer Anzeige vorrichtung (14) angebrachten transparenten berührempfindlichen Platte (12). Die Anzeigevorrichtung (14) kann in Form eines Fernsehers, eines Computerbildschirms oder eines anderen Sichtanzeigegeräts vorliegen. Ein Stift bzw. Griffel (18) in Form eines Schreibers dient zum Schreiben von Text (20) oder anderen Dingen auf der berührempfindlichen Platte (12).
  • Die transparente berührempfindliche Platte (12) ist außerdem eine akustische Vorrichtung, die in der Lage ist, eine Biegewellenschwingung zu führen bzw. zu unterstützen. Drei Wandler (16) sind an der Platte (12) angebracht. Mindestens zwei der Wandler (16) sind sensierende Wandler oder Sensoren und sind somit empfindlich gegenüber einer Biegewellenschwingung in der Platte und überwachen eine solche. Der dritte Wandler (16) kann ebenfalls ein sensierender Wandler sein, sodass das System der passiven kontaktempfindlichen Vorrichtung der 3 oder 4 entspricht.
  • Alternativ kann der dritte Wandler ein abstrahlender Wandler zur Anregung einer Biegewellenschwingung in der Platte sein, sodass das System dem aktiven Sensor der 5 entspricht. Bei der Ausführungsform der 6 oder 7 kann der aktive Sensor kombiniert als Lautsprecher und kontaktempfindliche Vorrichtung wirken.
  • Die 2a und 2b stellen die allgemeinen Prinzipien einer eine Biegewellenschwingung nutzenden kontaktempfindlichen Vorrichtung (22) als sensierendes Element dar. Die kontaktempfindliche Vorrichtung (22) umfasst eine Tafel (24), welche zur Unterstützung einer Biegewellenschwingung fähig ist, sowie einen an der Tafel (24) angebrachten sensierenden Wandler (26), um eine Biegewellenschwingung in der Tafel (24) an der Stelle zu erfassen, an der der sensierende Wandler (26) angebracht ist. 2a zeigt das Schwingungsmuster (28) der Biegewellenschwingung im Fall eines normalen, nicht unterbrochenen Schwingungsmusters, z.B. das eines Dauerzustands bei einer gegebenen Frequenz oder einem transienten Impuls.
  • In 2b ist die Tafel (24) an einem Kontaktort (30) berührt worden und das Schwingungsmuster geändert. Der Kontakt kann das Schwingungsmuster (28) entweder durch Störung des Wegs der bereits in der Tafel (24) vorhandenen Biegewellen ändern oder durch Erzeugung neuer Biegewellen, die von dem Kontaktpunkt (30) ausgehen. Die Änderung des Schwingungsmusters (28) wird durch den sensierenden Wandler (26) erfasst. Aus den Ablesungen des sensierenden Wandlers können Informationen betreffend den Kontakt ermittelt werden, beispielsweise mittels einer ersten Verarbeitungseinheit. Die Informationen können an eine zweite Verarbeitungseinheit weitergeleitet werden, welche die Informationen auf dem Anzeigeschirm ausgibt. Die Informationen können Einzelheiten über den Ort und das Druckprofil des Kontaktimpulses beinhalten, beispielsweise:
    • 1) die x,y-Koordinaten des Kontakts,
    • 2) die charakteristische Größe des Kontakts, z.B. 1mm entspricht einem Schreiber oder Stift, 1cm entspricht einem Finger,
    • 3) das Druckprofil des Kontakts als Funktion der Zeit.
  • Die 3 und 4 sind detailliertere Darstellungen zweier kontaktempfindlicher Vorrichtungen (32, 33). Die kontaktempfindlichen Vorrichtungen (32, 33) umfassen eine Tafel (24), welche zur Ausbildung einer Biegewellenschwingung fähig ist, sowie drei sensierende Wandler (26) zur Erfassung einer Biegewellenschwingung an ihrem jeweiligen Anbringungsort. Das Schwingungsmuster (28) wird erzeugt, wenn an einem Kontaktpunkt (30) ein Druck aufgebracht wird. Die Vorrichtungen können als passive kontaktempfindliche Vorrichtungen angesehen werden, da die Vorrichtungen keinen abstrahlenden Wandler umfassen. Die Biegewellenschwingung in der Tafel wird somit allein durch den Kontakt hervorgerufen.
  • Bei einem passiven Sensor ruft ein Impuls im Körper der Tafel (24) eine Biegewelle hervor, die zum Rand der Tafel (24) hin wandert. Die Biegewelle wird von den drei sensierenden Wandlern (26), die wie in 3 in gleichen Abständen entlang des Rands angebracht sind, oder von den drei sensierenden Wandlern erfasst, die wie in 4 an einer Oberfläche der Tafel (24), jedoch im Abstand von den Rändern der Tafel (24) angebracht sind. Die gemessenen Biegewellensignale werden verarbeitet, um den räumlichen Ursprung und das Kraftprofil des aufgebrachten Impulses zu bestimmen.
  • 5 zeigt einen Algorithmus für die Verarbeitung der am jeweiligen sensierenden Wandler (26) der 3 oder 4 erfassten Biegewelleninformation. Der Algorithmus umfasst die folgenden Schritte:
    • i) Optimieren des Signals am jeweiligen sensierenden Wandler, um unerwünschte externe Signale zu minimieren. Eine lineare Prädiktion des Signals kann zur Vorhersage und Entfernung von Hintergrundrauschen eingesetzt werden.
    • ii) Berechnen der Frequenzantwort am jeweiligen Wandler.
    • iii) (optional) Hinzufügen von Informationen über den Ort des Kontaktimpulses, sofern aus aktiver Sensierung verfügbar.
    • iv) Hinzufügen von Materialparameterinformationen.
    • v) Mit Hilfe der aus den Schritten (ii), (iii) und (iv) verfügbaren Informationen Korrigieren der Tafeldispersion, um eine nicht-dispersive Antwort zu erhalten.
    • vi) Berechnen der inversen FFT der Antwort zur Kontaktzeit, was die Impulsform am Ort des Kontakts ergibt.
    • vii) Ausgeben von die Impulsform näher angebenden Informationen und von Ortsinformationen, falls erforderlich.
  • Die Vorteile des passiven Sensierens umfassen:
    • 1) Das Verfahren deckt mehr als eine Frequenz ab und beinhaltet einen hinreichenden Frequenzgehalt, der erforderlich ist, um ein Bild der Impulsform zu erhalten, und
    • 2) da das Verfahren passiv ist, sind die Leistungsanforderungen minimal.
  • Ein Nachteil des passiven Sensierens ist, dass der Frequenzinhalt des gemessenen Signals durch den Frequenzinhalt des Impulses beschränkt wird. Folglich ist die Hochfrequenzinformation begrenzt, was sich in einer relativ langen Biegewellenlänge niederschlägt. Die räumliche Auflösung des Signals ist daher begrenzt.
  • Die 6 und 7 sind detailliertere Darstellungen alternativer kombinierter berührempfindlicher und Audiovorrichtungen (35, 37). Die Vorrichtungen umfassen jeweils eine Tafel (24) die zur Ausbildung einer Biegewellenschwingung fähig ist, sowie einen abstrahlenden Wandler (31) zur Anregung einer Biegewellenschwingung in der Tafel (24). Die Vorrichtung (35) in 6 umfasst ferner zwei zusätzliche sensierende Wandler (26) zur Erfassung einer Biegewellenschwingung an ihrem jeweiligen Anbringungsort, wohingegen die Vorrichtung (37) in 7 einen zusätzlichen sensierenden Wandler (26) umfasst. Das Schwingungsmuster (28) wird unterbrochen, wenn an einem Kontaktpunkt (30) ein Druck aufgebracht wird. Die Vorrichtungen können als aktive kontaktempfindliche Vorrichtungen angesehen werden, da die Vorrichtungen einen abstrahlenden Wandler (31) umfassen.
  • In 6 sind die sensierenden und abstrahlenden Wandler (26, 31) in gleichen Abständen entlang des Rands der Tafel (24) angeordnet, wohingegen in 7 die sensierenden und abstrahlenden Wandler (26, 31) mit Abstand von den Rändern der Tafel (24) angeordnet sind und an einer Oberfläche derselben angebracht sind. Die Wandler in 7 sind in gleichen Abständen auf der Oberfläche der Tafel angeordnet.
  • Die 8 und 9 zeigen mögliche Ausbildungen der aktiven kontaktempfindlichen Vorrichtung. In 8 gibt der zentrale Prozessor (34) ein digitales Ausgangssignal (36) aus, dass von dem Digital/Analog-Wandler (DAC) (38) in ein analoges Ausgangssignal (40) umgewandelt wird. Das analoge Ausgangssignal (40) wird an einen Verstärker (42) geliefert, welcher ein verstärktes analoges Ausgangssignal (44) an den abstrahlenden Wandler (31) liefert. Der abstrahlende Wandler (31) strahlt eine Biegewellenanregung (46) ab, welche Biegewellen in der Tafel (48) anregt.
  • Die Biegewellen in der Tafel (48) werden in einem Erfassungsschritt (50) von zwei sensierenden Wandlern (26) erfasst. Die sensierenden Wandler (26) wandeln die Biegewellenschwingung in analoge Eingangssignale (52) um, welche einem eingangsseitigen Analog/Digital-Wandler (ADC) (54) zugeführt werden. Das resultierende digitale Eingangssignal (56) wird zu dem zentralen Prozessor (34) übermittelt, von dem Informationen (58) betreffend den Ort und das Profil des Kontaktimpulses ermittelt werden.
  • In 9 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Orts des Kontaktpunkts gezeigt, wobei die Schritte wie folgt sind und von dem in 6 gezeigten zentralen Prozessor durchgeführt werden können:
    • a) Messen einer Frequenzantwort am jeweiligen sensierenden Wandler.
    • b) Korrigieren der Tafeldispersionsbeziehung
    • c) Berechnen der FFT, um die Zeitantwort für ein nicht-dispersives Medium zu erhalten
    • d) Vergleichen der Zeitantwort mit einer Referenzantwort, bei der kein äußerer Kontakt der Tafel vorliegt.
    • e) Auffinden der von dem Kontaktpunkt ausgehenden Reflexionen
    • f) Durchführen einer Echolokalisierung bei den relevanten Reflexionen, um deren Ursprung aufzufinden
    • g) Ausgeben der den Ort des Kontakts bezeichnenden Informationen.
  • Vorteile der aktiven Erfassung beinhalten:
    • 1) Da die Technik die Antwort auf ein externes Signal misst, ist die Hochfrequenzinformation nicht beschränkt und es ist eine hohe räumliche Auflösung möglich, und
    • 2) die Anfälligkeit gegenüber externem Rauschen kann stark verringert werden. Dies kann dadurch erreicht, dass die Antwort in einem Frequenzband erfasst wird, in dem das externe Rauschen gering ist, wie etwa dem hörbaren Spektrum. Eine Alternative ist es, dem Signal eine bestimmte Korrelation zu ver leihen, was seine Detektion selbst dann ermöglicht, wenn es klein im Vergleich zum Hintergrundrauschen ist.
  • Nachteile der aktiven Erfassung beinhalten:
    • 1) Die Technik ist wahrscheinlich weniger empfindlich für das Profil des Impulses als das passive Konzept. Allerdings kann eine besser ausgeklügelte Verarbeitung diese Situation verbessern. Je größer beispielsweise der Druck eines Fingers oder Schreibers ist, desto größer ist der Grad an zusätzlicher Dämpfung, der wahrscheinlicherweise eingeführt wird. Dies kann durch eine relativ einfache zusätzliche Verarbeitung der Daten herausgefunden werden. Außerdem
    • 2) erfordert die Notwendigkeit eines externen Signals wahrscheinlich mehr Leistung als die passive Messung. Dieser Nachteil kann dadurch minimiert werden, dass das anregende Signal so klein wie möglich gemacht wird. Zudem können, wenn das anregende Signal hochfrequent ist, Piezowandler eingesetzt werden, die den Vorteil einer sehr hohen Effizienz haben.
  • Bei vielen Anwendungen kann die eine einzelne Ausgestaltung der kontaktempfindlichen Biegewellenvorrichtung nicht allgemein genug sein, um allen Situationen gerecht zu werden. Beispielsweise arbeitet ein passiver Sensor gut, wenn keine Töne von der Vorrichtung gespielt werden. Wenn allerdings laute Musik gespielt wird, ist ein aktiver Sensor – entweder bei Frequenzen außerhalb des Audiobands oder unter Verwendung des Musiksignals als Stimulus – besser geeignet. Eine Kombination von mehr als einer bestimmten Ausbildung kann sich daher als die beste Lösung erweisen. Darüber hinaus kann es nützliche Informationen geben, die im Übergangsbereich zwischen der passiven und der aktiven Erfassung aus beiden Techniken erhältlich sind.
  • Die 10a bis 10d zeigen die Schritte bei einem möglichen Korrekturverfahren zur Umwandlung des gemessenen Biegewellensignals in ein Ausbreitungssignal von einem nicht-dispersiven Medium. 10a ist eine graphische Darstellung einer dispersiven Impulsantwort, wobei die Antwort in willkürlichen Einheiten gegenüber der Zeit aufgetragen ist. 10b ist eine graphische Darstellung einer dispersiven Frequenzantwort, wobei die Antwort in willkürlichen Einheiten gegenüber der Frequenz aufgetragen ist. Figur 10c ist eine graphische Darstellung einer nicht-dispersiven Frequenzantwort, wobei die Antwort in willkürlichen Einheiten gegenüber der Frequenz aufgetragen ist. 10d ist eine graphische Darstellung einer nicht-dispersiven Impulsantwort, wobei die Impulsantwort in willkürlichen Einheiten gegenüber der Zeit aufgetragen ist.
  • Bei reinem Biegen einer Platte ist die Wellengeschwindigkeit proportional zur Quadratwurzel der Frequenz, d.h. die hochfrequente Komponente einer bestimmten Welle wandert schneller als die niederfrequenten Komponenten. 10a zeigt einen Impuls in einem idealen Medium mit einer Quadratwurzel-Dispersionsbeziehung und zeigt, dass ein dispersives Medium die Wellenform eines Impulses nicht bewahrt. Die abgehende Welle (60) tritt zur Zeit t=0 auf und das Echosignal (62) ist über die Zeit gestreut, was die Ermittlung einer exakten Kontaktposition problematisch macht.
  • Ein periodische Änderung der Frequenzantwort ist charakteristisch für eine Reflexion und wird oft als Kammfilterung bezeichnet. Physikalisch leitet sich die periodische Änderung der Frequenzantwort aus der Anzahl der Wellenlängen her, die zwischen die Quelle und den Reflektor passen. Wenn die Frequenz erhöht wird und die Anzahl der in diesen Zwischenraum passenden Wellenlängen zunimmt, schwingt die Inteferenz der reflektierten Welle mit der abgehenden Welle hin und her zwischen konstruktiv und destruktiv.
  • Eine Berechnung der Fourier-Transformierten der dispersiven Impulsantwort der 10a ergibt die in 10b gezeigte Frequenzantwort. Die Frequenzantwort ist nicht-periodisch, wobei sich die wellenlängenabhängige periodische Variation in einer Variation der Frequenz niederschlägt, die mit zunehmender Frequenz langsamer wird. Dies ist die Folge der Quadratwurzel-Dispersion, bei der die Wellenlänge proportional zur Quadratwurzel der Inversen der Frequenz ist. Der Effekt der Tafel auf die Frequenzantwort ist daher, die Antwort als Funktion der Frequenz entsprechend der Tafeldispersion zu strecken. Eine Korrektur für die Tafeldispersion kann folglich angewendet werden, indem im Frequenzbereich eine umgekehrte Streckung angewendet wird und so die im nicht-dispersiven Fall vorhandene Periodizität wiederhergestellt wird.
  • Durch Verziehen der Frequenzachse mit der Inversen der Tafeldispersion kann 10b in die Frequenzantwort für den nicht-dispersiven Fall transformiert werden (10c), in dem die Anregungsfrequenz proportional zur Inversen der Wellenlänge ist. Dieser einfache Zusammenhang wandelt die periodische Änderung mit abnehmender Wellenlänge in eine periodische Änderung mit zunehmender Frequenz um, wie in 10c gezeigt.
  • Wendet man die inverse schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die Spur der 10c an, so entsteht eine in 10d gezeigte Impulsantwort, die dispersionskorri giert ist und bei der die klare Reflexion wiederhergestellt ist. Wie in 10d gezeigt, wird jede bestimmte Wellenform eines Impulses zeitmäßig bewahrt, da die in einem nicht-dispersiven Medium wandernden Wellen eine konstante Laufgeschwindigkeit haben, die unabhängig von ihrer Frequenz ist. Die Aufgabe der Echolokalisierung ist dementsprechend relativ einfach. Die abgehende Welle (66) tritt auf zum Zeitpunkt t=0 zusammen mit einer klaren Reflexion (68) bei 4ms. Die Reflexion (68) hat eine Größe, die annähernd ein Viertel der Größe der abgehenden Welle (66) ist.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Die Erfindung stellt danach eine neue und vorteilhafte kontaktempfindliche Vorrichtung sowie eine kontaktempfindliche Vorrichtung kombiniert mit einer akustischen Biegewellentafel-Vorrichtung bereit.

Claims (57)

  1. Verfahren zur Ermittlung von Informationen betreffend einen Kontakt einer kontaktempfindlichen Vorrichtung (10, 22, 32, 33, 35, 37), umfassend die Schritte: Bereitstellen eines zum Tragen von Biegewellen fähigen Elements (12, 24, 48), Kontaktieren des Elements (12, 24, 48) an einer diskreten Stelle zur Erzeugung einer Biegewellenschwingungsänderung in dem Element (12, 24, 48), Bereitstellen wenigstens eines an dem Element (12, 24, 48) angebrachten Messmittels (16, 26) zum Messen der geänderten Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48), um ein gemessenes Biegewellensignal zu bestimmen, und Verarbeiten des gemessenen Biegewellensignals zur Berechnung von Informationen betreffend den Kontakt, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Korrektur, um das gemessene Biegewellensignal in ein Ausbreitungssignal von einer nicht-dispersiven Wellenquelle umzuwandeln.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die angewendete Korrektur auf einer Dispersionsbeziehung des Materials des Elements (12, 24, 48) basiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Dispersionsbeziehung unter Verwendung der Biegewellengleichung in Verbindung mit bekannten physikalischen Parametern des Materials des Elements (12, 24, 48) modelliert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Dispersionsbeziehung unter Verwendung eines Laser-Vibrometers gemessen wird, um ein Bild des Schwingungsmusters in dem Element für eine Anzahl gegebener Frequenzen zu erzeugen und so die Dispersionsbeziehung in dem interessierenden Frequenzbereich zu ermitteln.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Dispersionsbeziehung mit Hilfe eines in die kontaktempfindliche Vorrichtung integrierten Selbstmesssystems gemessen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder jedes Messmittel (16, 26) in Form eines Sensors (26) vorliegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die Anbringung des oder jedes Sensors (26) an einem Rand des Elements (12, 24, 48).
  8. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend die Anbringung des oder jedes Sensors (26) an dem Element (12, 24, 48) im Abstand von einem Rand des Elements (12, 24, 48).
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt des Vergleichens des gemessenen Biegewellensignals mit einem Referenzsignal, um die Herstellung eines Kontakts zu identifizieren.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die den Kontakt betreffenden Informationen den Ort des Kontakts umfassen.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die den Kontakt betreffenden Informationen den Druck des Kontakts umfassen.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die den Kontakt betreffenden Informationen die Größe des Kontakts umfassen.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Bewegung des Kontakts auf dem Element (12, 24, 48) ein durch den Ort, den Druck und die Geschwindigkeit des Kontakts auf dem Element (12, 24, 48) beeinflusstes kontinuierliches Signal erzeugt und zeitkontinuierliche Daten aus dem kontinuierlichen Signal dazu verwendet werden, zusätzliche nützliche Informationen in Bezug auf den Kontakt herzuleiten.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt der Einrichtung eines neuronalen Netzes zur Verarbeitung der zeitkontinuierlichen Daten.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktart aus einer Berührung mit einem Stift (18) oder einem Finger ausgewählt wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Messen des Frequenzgehalts des gemessenen Biegewellensignals zur Bestimmung der Kontaktart.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des Elements (12, 24, 48) solchermaßen, dass es transparent ist.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des Elements (12, 24, 48) solchermaßen, dass es in Form einer Tafel vorliegt.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des Elements (12, 24, 48) solchermaßen, dass es gleichmäßige Dicke besitzt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem das Element eine komplexe Gestalt besitzt und ein adaptiver Algorithmus verwendet wird, um den Kontakt betreffende Informationen aus dem gemessenen Biegewellensignal herzuleiten.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der adaptive Algorithmus in einem neuronalen Netz implementiert wird.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durch den Kontakt hervorgerufene Biegewellenschwingungsänderung die Erzeugung einer Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48) ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Biegewellenschwingung durch reibende Bewegung des Kontakts erzeugt wird.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen eines an dem Element (12, 24, 48) angebrachten abstrahlenden Wandlers zur Erzeugung einer Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48).
  25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der abstrahlende Wandler (31) eine Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48) erzeugt, um den Kontakt betreffende Informationen zu ermitteln.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend das Bereitstellen eines eine duale Funktionalität besitzenden abstrahlenden Wandlers (31), der als abstrahlender Wandler (31) und als Sensor (26) wirkt.
  27. Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, bei dem die Wirkung des Kontakts reflektierend ist, derart, dass von dem abstrahlenden Wandler (31) erzeugte Biegewellen durch den Kontakt reflektiert und von dem oder jedem Sensor (26) erfasst werden.
  28. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem die Wirkung des Kontakts absorbierend ist, derart, dass von dem abstrahlenden Wandler (31) erzeugte Biegewellen durch den Kontakt absorbiert und von dem oder jedem Sensor (26) erfasst werden.
  29. Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, bei dem die Wirkung des Kontakts von dem oder jedem Sensor (26) mittels indirekter Anregung von einer oder mehreren Grenzreflektionen erfasst wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem die von dem abstrahlenden Wandler (31) erzeugte Biegewellenschwingung nicht akustisch offensichtlich ist.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die von dem abstrahlenden Wandler (31) erzeugte Biegewellenschwingung im Ultraschallfrequenzbereich liegt.
  32. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Biegewellenschwingung Hintergrundrauschen ist.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem die von dem abstrahlenden Wandler (31) erzeugte Biegewellenschwingung eine akustische Ausgabe des Elements (12, 24, 48) hervorruft, das als akustischer Strahler eines Lautsprechers dient.
  34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Techniken zur Isolierung unerwünschter Signale von der durch den Kontakt hervorgerufenen Biegewellenschwingungsänderung.
  35. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, ferner umfassend das Anordnen des abstrahlenden Wandlers (31) und des oder jedes Sensors (26) mit relativ gleichem Abstand entlang des Umfangs des Elements (12, 24, 48).
  36. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, ferner umfassend das Anordnen des abstrahlenden Wandlers (31) und eines Sensors (26) am selben Ort und das Koppeln des abstrahlenden Wandlers (31) und des Sensors (26) mit orthogonalen physikalischen Eigenschaften.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem der abstrahlende Wandler (31) ein Inertialwandler ist und der Sensor (26) ein Biegewandler ist, oder umgekehrt.
  38. Kontaktempfindliche Vorrichtung (10, 22, 32, 33, 35, 37), umfassend ein zum Tragen einer Biegewellenschwingung fähiges Element (12, 24, 48) sowie einen an dem Element (12, 24, 48) angebrachten Sensor (26) zum Messen einer Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48) und zum Übermitteln eines Signals zu einem Prozessor, welcher Informationen betreffend einen an einer Oberfläche des Elements (12, 24, 48) erfolgten Kontakt von der durch den Kontakt hervorgerufenen Biegewellenschwingungsänderung im Element (12, 24, 48) verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (34) eine Korrektur anwendet, um das gemessene Biegewellensignal in ein Ausbreitungssignal von einer nicht-dispersiven Wellenquelle umzuwandeln.
  39. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei die kontaktempfindliche Vorrichtung ferner einen abstrahlenden Wandler (31) zum Anregen einer Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48) umfasst.
  40. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die kontaktempfindliche Vorrichtung (35, 37) ein Lautsprecher ist, derart, dass ein akustischer Strahler des Lautsprechers als das Element (12, 24, 48) der kontaktempfindlichen Vorrichtung (35, 37) wirkt und ein an dem akustischen Strahler angebrachter Erreger zur Anregung einer Biegewellenschwingung in dem akustischen Strahler zwecks Erzeugung einer akustischen Ausgabe als der abstrahlende Wandler (31) der kontaktempfindlichen Vorrichtung wirkt.
  41. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 39 oder Anspruch 40, bei der die in dem Element (12, 24, 48) angeregte Biegewellenschwingung zur Ermittlung den Kontakt betreffender Informationen verwendet wird.
  42. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 40, wobei die kontaktempfindliche Vorrichtung (32, 33) ein passiver Sensor ist, bei dem die durch den Kontakt hervorgerufene Biegewellenschwingungsänderung in dem Element (12, 24, 48) die Erzeugung der Biegewellenschwingung ist, welche dazu verwendet wird, Informationen über den Kontakt zu ermitteln.
  43. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 42, ferner umfassend Anzeigemittel (14).
  44. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei der Anzeigeschirm ein Flüssigkristallanzeigeschirm mit Flüssigkristallen ist, welche zur Anregung oder Erfassung einer Biegewellenschwingung in dem Element (12, 24, 48) verwendet werden.
  45. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 44, bei der der Sensor (26) an einem Rand des Elements (12, 24, 48) angebracht ist.
  46. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 44, bei der der Sensor (26) an dem Element (12, 24, 48) im Abstand von einem Rand des Elements (12, 24, 48) angebracht ist.
  47. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 46, bei der das Element (12, 24, 48) transparent ist.
  48. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 47, bei der das Element (12, 24, 48) in Form einer Tafel vorliegt.
  49. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 48, bei der das Element (12, 24, 48) gleichmäßige Dicke besitzt.
  50. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 49, bei der das Element eine komplexe Gestalt besitzt.
  51. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 50 in Verbindung mit Anspruch 39, bei der der abstrahlende Wandler (31) eine duale Funktionalität besitzt und als abstrahlender Wandler und als Sensor wirkt.
  52. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 50 in Verbindung mit Anspruch 39, bei der der abstrahlende Wandler (31) und der Sensor (26) mit relativ gleichem Abstand entlang des Umfangs des Elements (12, 24, 48) angeordnet sind.
  53. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 51 in Verbindung mit Anspruch 39, bei der der abstrahlende Wandler (31) und der Sensor (26) am selben Ort angeordnet sind und mit orthogonalen physikalischen Eigenschaften gekoppelt sind.
  54. Kontaktempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 53, bei der der abstrahlende Wandler (31) ein Inertialwandler ist und der Sensor (26) ein Biegewandler ist, oder umgekehrt.
  55. Mobiltelefon mit einer kontaktempfindlichen Vorrichtung (10, 22, 32, 33, 35, 37) nach einem der Ansprüche 38 bis 54.
  56. Laptop-Computer mit einer kontaktempfindlichen Vorrichtung (10, 22, 32, 33, 35, 37) nach einem der Ansprüche 38 bis 54.
  57. Persönlicher Datenassistent mit einer kontaktempfindlichen Vorrichtung (10, 22, 32, 33, 35, 37) nach einem der Ansprüche 38 bis 54.
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