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TECHNISCHES FACHGEBIET
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Die
Erfindung betrifft kontaktempfindliche Vorrichtungen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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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.
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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.
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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.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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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.
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Der
Kontakt kann in Form einer Berührung mit
einem Stift oder einem Finger vorliegen. Der Stift kann in Form
eines handhaltbaren Schreibers vorliegen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist beispielhaft und schematisch in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt, in denen:
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1 eine Darstellung eines
berührempfindlichen
Lautsprechers gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2a and 2b Darstellungen eines Biegewellen-Lautsprechers
vor und nach Kontaktherstellung sind;
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3 ein erster Lautsprecher
mit passiver Berührerfassung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein zweiter Lautsprecher
mit passiver Berührerfassung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegender Erfindung ist;
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5 ein Blockdiagramm eines
Verarbeitungsalgorithmus zur passiven Sensierung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein erster Lautsprecher
mit aktiver Berührerfassung
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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7 ein erster Lautsprecher
mit aktiver Berührerfassung
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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8 ein Blockdiagramm einer
Topologie zur Realisierung der vorliegenden Erfindung ist;
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9 ein Blockdiagramm eines
Verarbeitungsalgorithmus zur aktiven Sensierung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist und
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10a bis 10d eine graphische Darstellung eines
Verfahrens zur Dispersionskorrektur sind.
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BESTE ARTEN ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die
Erfindung stellt danach eine neue und vorteilhafte kontaktempfindliche
Vorrichtung sowie eine kontaktempfindliche Vorrichtung kombiniert
mit einer akustischen Biegewellentafel-Vorrichtung bereit.