DE60209730T2

DE60209730T2 - Berührungsempfindliches gerät

Info

Publication number: DE60209730T2
Application number: DE60209730T
Authority: DE
Inventors: New Transducers Ltd D.M. Huntingdon SULLIVAN
Original assignee: New Transducers Ltd
Current assignee: NVF Tech Ltd
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: KR100913453B1; CN100570543C; US20060132464A1; CA2450859A1; EP1645947B1; DE60209730D1; CN101071357B; US6922642B2; CN101071358A; CN1739090A; EP1645947A2; WO2003005292A1; EP1405256A1; CN100349106C; CA2450859C; JP4180508B2; JP2004534329A; BR0210774A; MXPA04000117A; CN101071357A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft berührungsempfindliche Einrichtungen.
Stand der Technik
Visuelle Anzeigen umfassen häufig eine Art berührungsempfindlichen Bildschirm. Dies wird mit dem Auftreten der nächsten Generation tragbarer Multimediavorrichtungen, wie z.B. Palmtopcomputern gebräuchlicher. Die etablierteste Technologie unter Verwendung von Wellen zur Erfassung einer Berührung ist die akustische Oberflächenwelle (Surface Acoustic Wave, SAW), die Hochfrequenzwellen auf der Oberfläche eines Glasbildschirms erzeugt, und ihre Dämpfung durch die Berührung eines Fingers wird dazu eingesetzt, den Berührungsort zu erfassen. Diese Technik ist eine "Laufzeit"-Technik, bei der die Zeit, die die Störung benötigt, um einen oder mehrere Sensor(en) zu erreichen, dazu verwendet wird, den Ort zu erfassen. Ein derartiger Ansatz ist möglich, wenn sich das Medium nicht dispersiv verhält, d.h. die Geschwindigkeit der Wellen über den interessierenden Frequenzbereich nicht signifikant variiert.
Im Gegensatz dazu werden in der WO 01/48684, gegenüber der die Ansprüche abgegrenzt sind, eine berührungsempfindliche Einrichtung sowie ein Verfahren zur Verwendung derselben vorgeschlagen. Die Einrichtung umfasst ein Element, das eine Biegewellenschwingung zu unterstützen vermag und einen an dem Element angebrachten Sensor zum Messen einer Biegewellenschwingung in dem Element und zum Übertragen eines Signals an einen Prozessor, wodurch eine Information, die eine Berührung einer Oberfläche an dem Element betrifft, aus der durch die Berührung erzeugte Änderung der Biegewellenschwingung in dem Element berechnet wird.
Unter einer Biegewellenschwingung wird eine Anregung, beispielsweise durch die Berührung verstanden, die eine gewisse Verschiebung aus der Ebene auf das Element ausübt. Viele Materialien verbiegen sich, einige mit einer reinen Biegung mit einer perfekten Quadratwurzeldispersionsrelation und einige mit einer Mischung aus einer reinen und einer Scherbiegung. Die Dispersionsrelation beschreibt die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Wellen in der Ebene von der Frequenz der Wellen.
Es werden zwei Arten einer berührungsempfindlichen Einrichtung vorgeschlagen, nämlich ein passiver Sensor, in dem eine Biegewellenschwingung in dem Element nur durch die Berührung angeregt wird und ein aktiver Sensor, in dem die berührungsempfindliche Einrichtung ferner einen emittierenden Wandler umfasst, um zur Sondierung einer die Berührung betreffenden Information eine Biegewellenschwingung in dem Element anzuregen. In dem aktiven Sensor wird eine die Berührung betreffende Information berechnet, indem die Reaktion von durch den emittierenden Wandler erzeugter Wellen in Abwesenheit einer Berührung mit der Reaktion verglichen wird, die durch die mechanische Beschränkung bei einer Berührung verursacht wird.
Biegewellen weisen Vorteile auf, wie z.B. eine erhöhte Robustheit und eine verringerte Empfindlichkeit für Oberflächenkratzer etc.. Biegewellen sind jedoch dispersiv, d.h. die Biegewellengeschwindigkeit und folglich die "Laufzeit" hängt von der Frequenz ab. Allgemein umfasst ein Impuls einen breiten Bereich von Frequenzkomponenten und somit werden die Hochfrequenzkomponenten zuerst ankommen, wenn der Impuls eine kurze Distanz zurücklegt. Dieser Effekt muss korrigiert werden.
In der WO 01/48684 kann eine Korrektur zur Umwandlung des gemessenen Biegewellensignals in ein Fortpflanzungssignal von einer Quelle nicht dispersiver Wellen angewendet werden, so dass auf den Gebieten des Radars und des Sonars eingesetzte Techniken angewendet werden können, um den Ort der Berührung zu erfassen. Die Anwendung der Korrektur ist in den 1a bis 1d der vorliegenden Anmeldung/des vorliegenden Patents gezeigt.
1a zeigt einen Impuls in einem idealen Medium mit einer Quadratwurzeldispersionsrelation und demonstriert, dass ein dispersives Medium die Wellenform eines Impulses nicht konserviert. Die Ausgangswelle (60) ist zum Zeitpunkt t = 0 sichtbar und das Echosignal (62) breitet sich in Abhängigkeit der Zeit aus, was eine Bestimmung eines exakten Berührungsorts problematisch macht.
In einem nicht-dispersiven Medium, wie z.B. Luft, ist eine periodische Variation des Frequenzverhaltens charakteristisch für eine Reflexion und wird häufig als Kammfiltern bezeichnet. Physikalisch resultiert die periodische Variation in dem Frequenzverhalten aus der Anzahl von Wellenlängen, die zwischen die Quelle und den Reflektor passt. Wenn die Frequenz erhöht wird und die Anzahl der in diesen Raum passenden Wellenlängen zunimmt, oszilliert die Interferenz der reflektierten Welle mit der Ausgangswelle zwischen konstruktiv und destruktiv.
Eine Berechnung der Fourier-Transformierten des dispersiven Impulsverhaltens nach 1a erzeugt das in 1b gezeigte Frequenzverhalten. Das Frequenzverhalten ist nicht periodisch und die periodische Variation mit der Wellenlänge überträgt sich auf eine Variation der Frequenz, die mit zunehmender Frequenz langsamer wird. Dies ist eine Folge der Quadratwurzeldispersion, bei der die Wellenlänge proportional zur Quadratwurzel der inversen Frequenz ist. Die Wirkung des Paneels auf das Frequenzverhalten besteht daher darin, das Verhalten als eine Funktion der Frequenz gemäß der Paneeldispersion zu verbreitern. Infolgedessen kann eine Korrektur für die Paneeldispersion angewendet werden, indem die inverse Verbreiterung in der Frequenzdomäne angewendet wird und somit die im nicht-dispersiven Fall vorhandene Periodizität wiederhergestellt wird.
Durch Verdrehen der Frequenzachse mit der inversen Paneeldispersion kann die 1b in ein Frequenzverhalten für den nicht-dispersiven Fall transformiert werden (1c), bei dem die Frequenz der Anregung proportional zur inversen Wellenlänge ist. Diese einfache Beziehung überführt die periodische Variation mit abnehmender Wellenlänge in eine periodische Variation mit zunehmender Wellenlänge, wie in 1c gezeigt ist.
Das Anwenden der inversen schnellen Fourier-Transformierten (Fast Fourier Transform, fft) auf die Linie in 1c erzeugt ein in 1d gezeigtes Impulsverhalten, das für eine Dispersion korrigiert ist und bei dem die klare Reflexion wiederhergestellt ist. Wie in 1d gezeigt ist, wird jede besondere Wellenform eines Impulses in Abhängigkeit der Zeit konserviert, da die sich in einem nicht-dispersiven Medium fortpflanzenden Wellen unabhängig von ihrer Frequenz eine konstante Fortpflanzungsgeschwindigkeit aufweisen. Demgemäss ist die Aufgabe, ein Echo zu lokalisieren, relativ unkompliziert. Die Ausgangswelle (50) ist zum Zeitpunkt t = 0 gemeinsam mit einer klaren Reflexion (52) bei 4 ms sichtbar. Die Reflexion (52) hat eine Größe, die ungefähr ein Viertel der Größe der Ausgangswelle (50) ist.
Das beschriebene Verfahren ist nicht anwendbar, wenn der Impuls zu einem unbekannten Zeitpunkt t₀ aufgetreten ist und die Distanz x von der Reaktion auf einen anfänglichen Impuls kann nur berechnet werden, wenn der Impuls bei t₀ = 0 auftritt.
Es existiert eine Anzahl von aus dem Stand der Technik bekannten berührungsempfindlichen Einrichtungen. Beispielsweise offenbart die US-A-5,691,959 eine Einrichtung, die von einem Fühler ausgehende akustische Wellen einsetzt, um die Position des Fühlers auf einer Platte zu bestimmen. Die akustischen Wellen werden von der Spitze des Fühlers in die Platte eingeleitet und durch eine Mehrzahl von Detektoren erfasst, die an verschiedenen Punkten entlang des Umfangs der Platte angeordnet sind. Durch die Erfassung von Differenzen in den Ankunftszeiten der akustischen Wellen an den Detektoren, berechnet ein Mikroprozessor die Position des Fühlers.
In der US-A-5,986,224 umfasst die Einrichtung ein Wandlersystem zum Emittieren akustischer Energie in ein für akustische Wellen durchlässiges Medium und ein Empfängersystem zum Empfangen der akustischen Energie als mindestens zwei separate Sätze von Wellen. Ein Abschnitt eines jeden Satzes überlappt zeitlich an dem Empfängersystem oder überlappt physikalisch, indem er sich in einen berührungsempfindlichen Abschnitt des Mediums fortpflanzt, wodurch eine eine Position oder eine Wellenform störende Eigenschaft einer Berührung des berührungsempfindlichen Abschnitts bestimmt werden kann.
Die US-A-5,591,945 offenbart eine Einrichtung mit einem Wandler, der eine Welle aufbringt, und einer reflektierenden Anordnung, die die Welle als einen Satz von Wellen reflektiert. Die Wellen werden durch ein das Substrat berührendes Objekt teilweise absorbiert, gedämpft oder gestört, um eine modifizierte Wellenform zu erzeugen, die Eigenschaften aufweist, die für die axiale Verschiebung und/oder den Kontaktzustand des Objekts mit dem Substrat charakteristisch sind. Die Wellenstörung wird erfasst, indem der Satz von Wellen mit einer reflektierenden Anordnung gesammelt wird, die die Wellenenergie auf einen Empfängerwandler zurückleitet.
Die US-A-4,393,268 lehrt den Einsatz von elastischen Oberflächenwellen zur Markierung der Koordinaten eines Fühlers, der eine Linie auf der Oberfläche einer piezoelektrischen Platte erzeugt. Die Messoberfläche ist mit Rauhigkeiten oder Unebenheiten versehen, deren Größe verglichen mit der Wellenlänge der Oberflächenwellen vernachlässigbar ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative berührungsempfindliche Einrichtung bereitzustellen, bei der eine Biegewellenschwingung eingesetzt wird, um eine die Berührung betreffende Information zu gewinnen.
Offenbarung der Erfindung
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine berührungsempfindliche Einrichtung bereitgestellt, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
Die folgenden Merkmale können sowohl bei der Einrichtung als auch bei dem Verfahren eingesetzt werden, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, viele der Berechnungen- oder Verarbeitungsschritte des Verfahrens bereitzustellen.
Die dispersionskorrigierte Funktion kann wie folgt berechnet werden:

– berechnen von W ^₁(ω) und W ^₂(ω)*, die die Fourier-Transformation und die komplexe konjugierte Fourier-Transformation der zwei gemessenen Biegewellensignale W₁(t) und W₂(t) sind; t ist die Zeit, ω ist 2πf, wobei f die Frequenz ist.
– berechnen einer ersten Zwischenfunktion W ^₁(ω)W ^₂*(ω);
– berechnen einer zweiten Zwischenfunktion M(ω), die eine Funktion von W ^₁(ω)W ^₂*(ω) ist;
– anwenden einer frequenzverbreiternden Operation f(ω), wie oben im Zusammenhang mit der WO 01/48684 beschrieben, auf M(ω), um die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion zu erhalten:

Die Zwischenfunktion M(ω) kann einfach W ^₁(ω)W ^₂*(ω) sein, was eine dispersionskorrigierte Standardkorrelationsfunktion ergibt. Alternativ dazu kann M (ω) eine Funktion sein, die die Amplitude, nicht aber die Phase von W ^₁(ω)W ^₂*(ω) modifiziert, um eine phasenäquivalente Funktion zu der dispersionskorrigierten Standardkorrelationsfunktion zu ergeben. Da die phasenäquivalente Funktion und die dispersionskorrigierte Standardkorrelationsfunktion die gleichen Phaseneigenschaften haben, haben sie ein Maximum an der gleichen Position. Die Phaseninformation in den gemessenen Biegewellensignalen kann dazu verwendet werden, eine Information über die Berührung, insbesondere deren Ort zu erhalten. Der Ort kann anhand des Zeitpunkts berechnet werden, an dem das Maximum in den Funktionen auftritt.
M (ω) kann aus den folgenden Funktionen ausgewählt werden, die alle phasenäquivalente Funktionen zu der dispersionskorrigierten Standardkorrelationsfunktion ergeben:
Somit kann M (ω) die Amplituden von W ^₁(ω)W ^₂*(ω) auf eins normieren, um eine normierte dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion zu erhalten, die sonst als dispersionskorrigierte Kohärenzfunktion bekannt ist.
Somit kann M (ω) auf die Amplituden von W ^₁(ω)W ^₂*(ω) wirken, um eine dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion mit einer modifizierten Peakform zu ergeben.
wobei φ(x) eine Realwertfunktion ist
Somit kann M (ω) eine allgemeine Modifikation anwenden, um eine phasenäquivalente Funktion mit einer Amplitude zu ergeben, die sich von der der Standardkorrelationsfunktion unterscheidet.
wobei ψ(ω) eine Realwertfunktion ist
Somit kann M (ω) eine allgemeine frequenzabhängige Skalierung anwenden, um eine phasenäquivalente Funktion mit einer Amplitude zu ergeben, die sich von der der Standardkorrelationsfunktion unterscheidet. Eine derartige Skalierung ist als auch Akzentuierung bekannt.
Alternativ dazu kann M (ω) die Funktion D ^ (ω) sein, die die Fourier-Transformation der Korrelationsfunktion D(t) ist: D(t) = ∫∞–∞ W1(t + t')W2(t')dt'
D ^ (ω) ist mathematisch äquivalent zu W ^₁(ω)W ^₂(ω) und kann erhalten werden, ohne W ^₁(ω) und W ^₂(ω)* zu berechnen. Dies ist ein alternatives Verfahren zur Berechnung der dispersionskorrigierten Standardkorrelationsfunktion. Die Schritte sind Berechnen von D(t); Berechnen von D ^ (ω) und Anwenden einer frequenzverbreiternden Operation, um zu der dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion zu gelangen:
Ein Vorteil der Anwendung der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion besteht darin, dass sie in Situationen anwendbar ist, in denen die präzise Zeit t₀, bei der eine Berührung aufgetreten ist, nicht bekannt ist. Dies resultiert daher, dass ein versetztes t₀ (d.h. t₀ ≠ 0) in den Verhaltensfunktionen als ein zusätzlicher Faktor exp(iωt₀) in den Fourier-Transformationen W ^₁(ω) und W ^₁(ω) dargestellt ist, der in der Zwischenfunktion W ^₁(ω)W ^₂*(ω) wegfällt.
Ein Wandler kann sowohl als der erste als auch als der zweite Sensor wirken, wodurch die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion eine Autokorrelationsfunktion ist. Die Autokorrelationsfunktion kann berechnet werden, indem die gleichen Schritte für die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion unter Verwendung von W₁(t) = W₂(t) angewendet werden.
Die frequenzverbreiternde Operation kann, wie im Zusammenhang mit den 1a bis 1d beschrieben, durch Ώ ^ (ω) = W ^[f(ω)] bestimmt werden, wobei f(ω) so gewählt ist, dass Ω ^ (ω) ein imaginäres Verhalten eines Mediums darstellt, in dem sich Biegewellen aller Frequenzen mit identischer Phasengeschwindigkeit fortpflanzen. Beispielsweise ergibt die frequenzverbreiternde Operation k = νC√ω für Biegemodenschwingungen, die einer Quadratwurzelrelation eines Wellenvektors k zu einer Winkelfrequenz k = C√ω folgen, ein imaginäres Verhalten Ω(t) eines Mediums mit einer konstanten willkürlichen Phasengeschwindigkeit ν. C ist eine Konstante und ist durch C = (μ/B)^1/4 definiert, wobei μ = Masse pro Flächeneinheit und B = Biegesteifigkeit.
Die inverse Fourier-Transformierte Ω(t) kann untersucht werden, um die Distanz zum Ort der Berührung zu bestimmen. Ω(t) ist bei einem Wert t₁ zentriert, der proportional zu der Distanz zwischen dem Ort der Berührung und jedem Sensor ist.
Die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion kann darüber hinaus dazu eingesetzt werden, den präzisen Ort der Berührung zu bestimmen. Beispielsweise ist für die Funktion G(t) der Mittelpunkt der Korrelationsfunktion bei t = (x₁– x₂)/ν angeordnet, wobei x₁ und x₂ die Distanzen von dem Berührungsort zu den jeweiligen Schwingungssensoren sind. Die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion kann daher dazu eingesetzt werden, einen Unterschied in der Pfadlänge (d.h. x₁ – x₂) zwischen dem Berührungsort und den zwei Sensoren zu bestimmen. Diese Größe x₁ – x₂ definiert eine Hyperbel möglicher Orte der Berührung auf der Paneeloberfläche. Wenn ein dritter Sensor vorhanden ist, stellt eine zweite dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion aus einer anderen Kombination von Sensorpositionen eine zweite Pfadlängendifferenz bereit, beispielsweise x₁ – x₃. Alternativ dazu kann ein zweites Paar von Sensoren an dem Element angebracht sein, um eine zweite dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion bereitzustellen. In vielen Fällen (beispielsweise dann, wenn die Sensoren in den vier Ecken eines rechteckigen Paneels positioniert sind) haben die zwei hyperbolischen Kurven, die durch die zwei Pfadlängendifferenzen definiert sind, einen gemeinsamen Schnittpunkt, der den Ort der Berührung unzweifelhaft bestimmt.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion liegt in der Behandlung von Wellen, die von Grenzen des Elements reflektiert werden. Die reflektierten Wellen erzeugen den Effekt virtueller Quellen, die außerhalb der physischen Grenzen angeordnet sind, insbesondere an dem Berührungsort, der in den Achsen der Grenzen reflektiert ist. Der Impuls, der durch eine Berührung erzeugt wird, kann Merkmale zeigen, die "Echos" entsprechen, welche nach den direkten Wellen des Impulses ankommen. Durch Anwenden der Dispersionskorrektur auf einen Impuls bei t = 0 können diskrete Reflexionen als Peaks in dem korrigierten Impulsverhalten aufgelöst werden. Der Ort dieser Peaks kann als zusätzliche Information zur Bestimmung des Orts der Berührung eingesetzt werden. Dies kann insbesondere dann wirksam sein, wenn die Empfindlichkeit oder das Empfangsverhalten der Sensoren von der Richtung der ankommenden Welle nicht unabhängig ist, da das dem direkten Weg von der Berührung entsprechende gemessene Signal schwächer sein kann als das Signal aufgrund von reflektierten Wellen.
Die dispersionskorrigierte Autokorrelationsfunktion kann angewendet werden, um die Pfadlängendifferenz zwischen dem Sensor und den realen und virtuellen Quellen von Biegewellen zu lokalisieren, die aus Reflektionen an den Grenzen entstehen. Eine derartige Information kann zur Bestimmung des Berührungsorts beitragen.
Reflektierte Wellen können unterdrückt werden, indem ein absorbierendes Material in Kontakt mit den Rändern des Elements angeordnet wird. Alternativ dazu kann der Prozessor dazu eingerichtet sein, den Beitrag reflektierter Wellen aus dem gemessenen Biegewellensignal zu entfernen. Dies kann auf der Grundlage erfolgen, dass in einem dispersiven Medium, d.h. einem mit einer Dispersionsrelation der Form k = C√ω, Niedrigfrequenzkomponenten, die sich entlang des direkten Weges bewegen, nach den ersten reflektierten Hochfrequenzwellen ankommen können. Dieser Prozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Tiefpassfilteroperation mit einem beweglichen Mittelwert an dem ursprünglich gemessenen Biegewellensignal auszuführen, wobei die Breite des mittelwertbildenden Fensters lokal in Abhängigkeit der Zeitkoordinate gemäß Δt ∝ t² variiert.
Das gemessene Biegewellensignal kann in ein Verhalten transformiert werden, bei dem die Signale aufgrund der direkten und der reflektierten Welle jeweils mit konstanten aber unterschiedlichen Perioden oszillieren. Beispielsweise kann ein gemessenes Biegewellensignal W(t) von einer Berührung zum Zeitpunkt t = 0 auf der Zeitachse transformiert werden, indem U(τ) = W(1/τ) angewendet wird. In der Funktion U(τ) oszilliert das Signal von einem scharfen Impuls, der sich an einem dispersiven Element fortpflanzt, mit einer konstanten Periode. Darüber hinaus haben die Oszillationen von der direkten Welle eine längere Periode als die von den reflektierten Wellen. Der Beitrag der reflektierten Wellen kann daher durch eine Tiefpassfilteroperation an U(τ) entfernt werden. Das Verhalten kann dann gemäß W'(t) = U(1/t) auf lineare Zeiteinheiten zurücktransformiert werden. Dieses Verfahren kann auf andere Formen der Dispersionsrelation verallgemeinert werden.
Für eine perfekte Zurückweisung reflektierter Wellen ist es erforderlich, die Dispersionsrelation in dem Element, den Zeitpunkt t₀, an dem die Berührung aufgetreten ist, und die Distanz x zwischen dem Berührungsort und dem Sensor zu kennen. Im Allgemeinen ist jedoch nur die erste bekannt. Somit kann der Prozessor dazu eingerichtet sein, Schätzungen oder Ersatzgrößen für t₀ und x bereitzustellen, die in einer Berechnung zur Entfernung der reflektierten Wellen als Ersatzgrößen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann eine Schätzung für t₀ der Zeitpunkt sein, zu dem die Berührung von einem Sensor an dem Element zuerst erfasst wurde, d.h. der Zeitpunkt, zu dem das gemessene Signal zum ersten mal einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Distanz x kann als die Distanz zwischen dem relevanten Sensor und dem entferntesten Punkt an dem Element oder die maximale Abmessung (beispielsweise der Durchmesser) des Elements definiert werden. Der Einsatz dieser Ersatzgrößen sollte das Direktwegsignal intakt lassen. Schätzungen von t₀ und x, die durch andere Mittel erhalten werden, können ebenfalls eingesetzt werden.
An dem Element können mehrere (d.h. n) Sensoren vorhanden sein und somit beträgt die Anzahl separater Korrelationsfunktionen n(n – 1)/2. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Abbildungsfunktion zu erzeugen, die die Oberfläche des Elements für jede Korrelationsfunktion abbildet, wodurch die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion G(t) abtastend über die Oberfläche geführt wird, so dass alle Koordinaten einer gegebenen Pfadlängendifferenz Δx den Wert G(Δx/ν) annehmen. Das Produkt des gesamten Satzes abgebildeter Korrelationsfunktionen kann dann berechnet werden und der Ort der Berührung kann aus der maximalen Koordinate bestimmt werden. Dieses Verfahren hat die gewünschte Eigenschaft, falsche Beiträge von Reflexionen zunehmend zurückzuweisen, wenn die Anzahl der Sensoren erhöht wird.
Jeder Sensor und seine zugehörige Schaltung kann identische oder unterschiedliche Phaseneigenschaften aufweisen. Unterschiede in den Phaseneigenschaften können durch mechanische Inkonsistenzen bei der Herstellung und beim Anbringen der Sensoren verursacht werden, oder durch begrenzte Toleranzen von Komponentenwerten in den zugehörigen Verstärkungs- und Filterschaltungen. Wenn die Phaseneigenschaften aller Sensoren unterschiedlich sind, kann die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion mit einer asymmetrischen Funktion zusammengefügt werden. Diese asymmetrische Funktion kann zu falschen Messungen der Pfaddifferenz-Differenz führen, da die Position der Peaks in der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion nicht länger unabhängig von den Phaseneigenschaften des Sensors ist.
Der Prozessor kann somit dazu eingerichtet sein, die folgenden Schritte auszuführen:

a) Abschätzen eines Konvolutionskorrekturkoeffizienten ϕ₁₂ (ω) aus
wobei {W ^_1,j(ω)} und {W ^*_2,j(ω)} die Fourier-Transformation und die komplexe konjugierte Fourier-Transformation von zwei gemessenen Biegewellensignalen {W_1,j(t)} und {W_2,j(t)} und {Δx_j} die Pfadlängendifferenz ist;
b) Berechnen der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion mit Phasenkorrektur aus:

Die Phasenkorrektur hat die Wirkung einer Dekonvolution der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion, so dass die Position des Maximums mit der Position der Berührung übereinstimmt.
Der Prozessor kann ferner dazu eingerichtet sein, jede erhältliche Information darüber, wo die Berührung erwartet werden kann, in das Bestimmungsverfahren einzubeziehen. Dies kann insbesondere in Situationen nützlich sein, in denen die Position einer Berührung durch die dispersionskorrigierten Korrelationsfunktionen nicht unzweifelhaft bestimmt werden kann, z.B. wenn reflektierte Wellen die Direktwellensignatur stören oder weniger als drei Sensoren eingesetzt werden. Wenn das Element eine Eingabeeinrichtung für eine graphische Anwenderschnittstelle ist, bei der dem Anwender eine Auswahl von "Knöpfen" zum Drücken präsentiert wird, kann es beispielsweise nützlich sein, anzunehmen, dass jede Berührung an dem Element in den den Knöpfen entsprechenden diskreten Bereichen auftritt.
Alternativ dazu kann eine Darstellung der Wahrscheinlichkeit, mit der eine Berührung wahrscheinlich auftritt und die auf dem erwarteten Verhalten des Anwenders basiert, eingesetzt werden. Die Einrichtung kann eine Softwareanwendung mit einer graphischen Anwenderschnittstelle (graphical user interface, GUI) umfassen, die durch eine Anwendungsprogrammschnittstelle (application program interface, API) mit dem Betriebssystem in Wechselwirkung tritt, wobei die API dazu eingerichtet ist, die Wahrscheinlichkeitsdarstellung zu erzeugen. Die Wahrscheinlichkeitsdarstellung kann auf dem Ort, der Größe und der Einsatzfrequenz von Objekten basieren, die von der graphischen Anwenderschnittstelle dargestellt werden. Die Wahrscheinlichkeitsdarstellung kann darüber hinaus auf Informationen über die relative Wahrscheinlichkeit basieren, mit der die verschiedenen GUI-Elemente aktiviert werden.
Die Information in den dargestellten Korrelationsfunktionen können mit der Wahrscheinlichkeitsdarstellung kombiniert werden, um eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen. Die erwartete Wahrscheinlichkeit kann darüber hinaus eine weitere Eingabe an ein neuronales Netz sein, das die von den Sensoren stammende Information empfängt.
Das Element kann ein erhöhtes Muster auf seiner Oberfläche umfassen, wodurch ein über die Oberfläche gezogener Kontakt eine variable Kraft auf das Element ausübt, um Biegewellen in dem Element zu erzeugen. Das Muster kann periodisch oder quasiperiodisch mit einer statistisch wohldefinierten räumlichen Verteilung von Wellen sein. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, die Kontaktposition zu bestimmen, indem das Wissen über die Periodizität des Musters sowie die Tatsache genutzt wird, dass das Intervall zwischen Impulsen die Zeit darstellt, in der sich ein Kontakt, der durch einen Fühler bereitgestellt sein kann, zu einem benachbarten Merkmal des Musters bewegt. Das Muster kann zufällig sein, wodurch ein sich über die Oberfläche des Elements bewegender Kontakt ein zufälliges Biegewellensignal erzeugt.
Der Einsatz eines zufälligen Oberflächenmusters kann unabhängig von dem Einsatz der Dispersionskorrekturkorrelationsfunktion erfolgen. Somit wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung eine berührungsempfindliche Einrichtung bereitgestellt, die ein Element, das Biegewellen zu unterstützen vermag, einen an dem Element angebrachten Sensor zum Messen einer Biegewellenschwingung in dem Element zur Bestimmung eines ersten gemessenen Biegewellensignals und einen Prozessor umfasst, der eine die Berührung betreffende Information aus dem gemessenen Biegewellensignal von dem Sensor berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Elements ein erhöhtes Muster umfasst, wodurch ein über die Oberfläche gezogener Kontakt eine variable Kraft auf das Element aufbringt, um Biegewellen in dem Element zu erzeugen.
Die Einrichtung kann eine Erfassungseinrichtung zur Bestimmung eines zweiten gemessenen Biegewellensignals umfassen, das gleichzeitig mit dem ersten gemessenen Biegewellensignal gemessen wird, und der Prozessor kann eine die Berührung betreffende Information aus einer dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion der zwei gemessenen Biegewellensignale berechnen. Die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion ist oben beschrieben und somit können die Merkmale der ersten und zweiten Ausführungsformen auf diese Ausführungsform angewendet werden. Die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion ist insbesondere nützlich, wenn die gemessenen Biegewellensignale eine große Bandbreite mit einem Mittelpunkt bei einer Frequenz aufweisen, die eine Phasengeschwindigkeit der Biegewellen in dem Element ergibt, die viel größer ist als die maximale seitliche Geschwindigkeit des Kontakts.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine berührungsempfindliche Einrichtung bereitgestellt, die ein Element, das Biegewellen zu unterstützen vermag, einen an dem Element angebrachten Sensor zum Messen einer Biegewellenschwingung in dem Element zur Bestimmung eines ersten gemessenen Biegewellensignals und einen Prozessor umfasst, der eine eine Berührung betreffende Information aus dem gemessenen Biegewellensignal von dem Sensor berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens einen zweiten Sensor umfasst, um ein zweites gemessenes Biegewellensignal zu bestimmen, das gleichzeitig mit dem ersten gemessenen Biegewellensignal gemessen wird, und der Prozessor ein Produkt eines Satzes von korrigierten Impulsverhaltensmessungen von jedem Sensor optimiert, um eine die Berührung betreffende Information zu bestimmen.
Die berechnete Information kann der Zeitpunkt t₀ sein, zu dem die Berührung auftritt und somit müssen die Form der Dispersionsrelation (ω) und die Distanz x, die jeden Sensor von dem Berührungsort trennt, bekannt sein. Die korrigierte Impulsverhaltensmessung kann unter Verwendung der folgenden Schritte berechnet werden:

1) Berechnen der Fourier-Transformierten W ^(ω) eines gemessenen Biegewellensignals W(t);
2) Berechnen eines äquivalenten Verhaltens W'(t), von einem an dem Berührungsort positionierten fiktiven Sensor durch W ^'(ω) = WW ^(ω)exp[ik(ω)x].
3) Berechnen der inversen Fourier-Transformierten W ^'(ω), um eine Funktion W'(t) bereitzustellen.

Das Produkt ist somit Π_jW'_j(t), wobei die Funktion W'(t) einen anfänglichen Impuls von der Berührung zeigt, der ohne Dispersion ist und der bei t₀, dem Zeitpunkt des Impulses zentriert ist. Merkmale in W(t) aufgrund von Randreflexionen treten später in W'(t) auf, werden jedoch für eine Dispersion nicht in gleicher Art und Weise korrigiert wie für den direkten Impuls, der somit einfacher zu identifizieren ist.
Das Produkt zeigt einen starken Peak aufgrund des direkten Impulses und ein schwaches Hintergrundrauschen. Durch das Heranziehen des Produkts verstärken wir das in allen W'_j(t) bei t₀ zusammentreffende Signal, wohingegen die Information aufgrund von Reflexionen unkorreliert ist und unterdrückt wird. Dieses Verfahren ist daher eine zuverlässige Möglichkeit zur Bestimmung von t₀.
Umgekehrt kann die die Berührung betreffende Information der Ort der Berührung sein, d.h. die Koordinate r und somit die Sensor-Berührungs-Distanzen x_j sein, und der Zeitpunkt t₀, für den der Maximalwert von Π_jW'_j(t₀) erhalten wird, muss bekannt sein.
Dieser Optimierungsprozess kann eine iterative Verfeinerung von Schätzungen für r und t₀ umfassen. Die anfängliche Schätzung kann aus Impulsverhaltensfunktionen abgeleitet werden, deren zeitliche Hochfrequenzkomponenten unterdrückt wurden, mit dem Ergebnis, dass die Schätzung einfach zu erhalten ist (weniger lokale Maxima), aber eine geringe räumliche Präzision aufweist. Weitere Iterationen können zunehmend höhere Frequenzkomponenten einführen, wenn die Schätzung verfeinert wird.
Die Erfindung stellt daher zwei komplementäre Verfahren zur Bestimmung der Berührungsposition bereit: das Verfahren der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktionen und das Verfahren der Maximierung von Π_jW'_j(t₀).
Die folgenden Eigenschaften können auf alle Ausführungsformen der Erfindung zutreffen. Die Einrichtung kann eine Einrichtung zur Aufzeichnung gemessener Biegewellensignale von dem oder jedem Sensor in Abhängigkeit der Zeit umfassen, wenn sich der Kontakt über das Element bewegt. Die gemessenen Biegewellensignale können als Zeitreihendaten aufgezeichnet werden, d.h. als eine Sequenz von Werten, die zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen wurden.
Die Zeitreihendaten können als eine Sequenz von kurzen Ausschnitten oder "Rahmen" von Daten analysiert werden, die Breiten oder eine Zeitdauer von 10 ms haben können. Der Prozessor kann eine Fensterfunktion auf die Rahmen von Daten anwenden. Fensterfunktionen sind im Stand der Technik gut bekannt, siehe beispielsweise Press W.H. et al., Numerical Recipes in C, 2 Ed., Cambridge University Press 1992, Kapitel 13.4. Der Prozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Information über die Berührung zu gewinnen, die über die Dauer des Rahmens gemittelt ist, z.B. die mittlere Positionskoordinate des sich bewegenden Kontakts. Der Prozessor kann die dispersionskorrigierte Korrelationstechnik anwenden, um die mittlere Pfadlängendifferenz für jeden Datenrahmen zu berechnen, um eine Sequenz von Pfadlängendifferenzen in Abhängigkeit der Zeit zu erhalten.
Alternativ dazu können die Zeitreihendaten unter Verwendung adaptiver Filter analysiert werden, wie es z.B. in Grant PM et al. "Analogue and digital Signal Processing and Coding", Kapitel 10 (1989) beschrieben ist. Der adaptive Filter kann eine Konvolutionsfunktion korrigieren, die die Zeitreihendaten von den ersten und zweiten gemessenen Biegewellensignalen in Beziehung setzt. Die Konvolutionsfunktion verändert sich in Abhängigkeit der Zeit langsam, wenn sich der Kontakt bewegt und ist abhängig von der Position des Kontakts.
Der adaptive Filter kann eine Konvolutionskorrektur berechnen, die, wenn sie auf die gemessenen Biegewellensignale angewendet wird, ein Signal erzeugt, das so nah wie möglich an der Messeingabe liegt. Die ersten gemessenen Biegewellensignale bilden erste Zeitreihendaten, die dem Referenzsignal des adaptiven Filters zugesandt werden können und die zweiten gemessenen Biegewellensignale bilden zweite Zeitreihendaten, die vorzugsweise durch die maximal erwartete Breite der Korrelationsfunktion verzögert werden können, bevor sie dem Primäreingang des adaptiven Filters zugesandt werden, wodurch die Konvolutionskorrektur berechnet werden kann. Der Prozessor kann die Dispersionskorrektur auf die Konvolutionsfunktion anwenden, um eine Funktion zu erhalten, deren Maximum durch die Differenz zwischen der Pfadlänge von der Berührung zu dem Sensor und der Pfadlänge von der Berührung zu der Erfassungseinrichtung bestimmt wird.
Die berechnete Information kann der Ort der Berührung sein oder kann eine andere Information sein, beispielsweise der Druck oder die Größe des Kontakts. Die die Berührung betreffende Information kann in einem zentralen Prozessor berechnet werden. Die Sensoren können an oder in einem Abstand von einem Rand des Elements angebracht sein. Die Sensoren können die Form von Erfassungswandlern haben, die eine Biegewellenschwingung in ein analoges Eingangssignal umwandeln können.
Das Element kann in Form einer Platte oder eines Paneels vorliegen. Das Element kann transparent oder, alternativ dazu, nicht transparent sein und beispielsweise ein gedrucktes Muster aufweisen. Das Element kann eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Alternativ dazu kann das Element eine komplexere Form haben, beispielsweise eine gekrümmte Oberfläche und/oder eine variierende Dicke. Der Prozessor kann für komplex geformte Elemente eingerichtet sein, indem er einen adaptiven Algorithmus bereitstellt, wie z.B. ein neuronales Netz, um den Berührungsort aus dem von dem Sensor empfangenen Biegewellensignal abzuleiten.
Die Einrichtung kann ein rein passiver Sensor sein, wobei die Biegewellenschwingung und folglich die gemessenen Biegewellensignale durch einen anfänglichen Druck oder durch eine Reibbewegung des Kontakts erzeugt werden. Alternativ dazu kann die Einrichtung ein aktiver Sensor sein und somit kann die Einrichtung einen emittierenden Wandler umfassen. Der Wandler kann eine Doppelfunktionalität haben, nämlich als emittierender Wandler und als Sensor wirken. Das Element kann darüber hinaus ein akustischer Abstrahler sein und eine Biegewellenschwingung in dem Element kann dazu eingesetzt werden, eine akustische Ausgabe zu erzeugen.
Messungen des Biegewellensignals aufgrund einer Berührung können durch die Biegewellen aufgrund des Audiosignals beeinträchtigt werden, insbesondere wenn das Audiosignal dem durch die Berührung erzeugten Biegewellensignal ähnlich ist. Der Effekt kann minimiert werden, indem sichergestellt wird, dass sich das Frequenzband des Audiosignals von dem Frequenzband der Messungen von den Sensoren und der Erfassungseinrichtung unterscheidet und nicht mit diesem überlappt. Die Audiosignale und die gemessenen Signale können somit gefiltert werden, beispielsweise kann das Audioband auf Frequenzen unterhalb von 20 kHz begrenzt werden und die Schwingungsmessungen können auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz begrenzt werden.
Die Einrichtung kann ein dualer aktiver und passiver Sensor sein und dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit davon, ob eine Berührung auf die Einrichtung aufgebracht ist, zwischen aktiven und passiven Erfassungsmoden umzuschalten. Die Einrichtung kann einen Zyklus zwischen einem Verbleiben in einem passiven Erfassungsmodus, wenn keine Berührung erfasst wird, einem Umschalten zu einem aktiven Erfassungsmodus, wenn eine Berührung aufgebracht wird, und einem Rückkehren zu einem passiven Erfassungsmodus, sobald die Berührung zurückgezogen wird, um weitere Berührungen zu erwarten, durchlaufen. Dies kann vorteilhaft sein, um den Energieverbrauch im aktiven Modus der Einrichtung zu vermeiden.
Die Berührung kann in Form einer Berührung von einem Fühler erfolgen, der die Form eines Handstifts haben kann. Die Bewegung eines Fühlers auf dem Element kann ein kontinuierliches Signal erzeugen, das durch den Ort, den Druck und die Geschwindigkeit des Fühlers auf dem Element beeinflusst wird. Der Fühler kann eine flexible Spitze, beispielsweise aus Gummi aufweisen, die Biegewellen in dem Element erzeugt, indem eine variable Kraft darauf aufgebracht wird. Die variable Kraft kann durch eine Spitze bereitgestellt werden, die alternativ an der Oberfläche des Elements haftet oder darübergleitet. Wenn sich die Spitze über das Element bewegt, kann eine Zugkraft erzeugt werden, die bei einem bestimmten Schwellenwert dazu führt, dass eine Haftung zwischen der Spitze und dem Element unterbrochen wird und somit die Spitze über die Oberfläche gleiten kann.
Alternativ dazu kann die Berührung in Form einer Berührung von einem Finger erfolgen, die Biegewellen in dem Element erzeugen kann, die durch passive und/oder aktive Erfassung erfasst werden können. Die Biegewellen können Frequenzkomponenten im Ultraschallbereich (>20 kHz) haben. Eine passive Erfassung ist daher sowohl für Fingerberührungen als auch für Fühlerberührungen empfindlich.
Wenn die Einrichtung als aktiver Sensor wirkt, d.h. einen emittierenden Wandler aufweist, der ein Anregungssignal erzeugt, kann die Berührung eine nicht lineare Kraft auf das Element ausüben, um Oberwellen des Anregungssignals zu erzeugen. Der Prozessor kann Signalverarbeitungseinrichtungen umfassen, um das Anregungssignal von den Oberwellen zu isolieren, so dass die Oberwellen dazu eingesetzt werden können, die Berührungsposition in ähnlicher Weise, wie bei der passiven Erfassung zu bestimmen. Die Oberwellen bilden wirksam eine Quelle von Biegewellen von dem Berührungsort.
Der oder jeder emittierende Wandler oder Sensor kann ein Biegewandler sein, der direkt mit dem Element verbunden ist, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler. Alternativ dazu kann der oder jeder emittierende Wandler oder Sensor ein Inertialwandler sein, der an einem einzigen Punkt an das Element gekoppelt ist. Der Inertialwandler kann entweder elektrodynamisch oder piezoelektrisch sein. Es kann möglich sein, Audiowandler einzusetzen, die sich bereits als erfassende und/oder emittierende Wandler an Ort und Stelle befinden.
Eine berührungsempfindliche Einrichtung gemäß der Erfindung kann in einem Mobiltelefon, einem Laptop oder einem Personal Data Assistant eingesetzt werden. Beispielsweise kann das üblicherweise an einem Mobiltelefon vorgesehene Tastenfeld durch ein durchgängiges Formteil ersetzt werden, das gemäß der vorliegenden Erfindung berührungsempfindlich ist. In einem Laptop kann das als Maussteuerung fungierende Touchpad durch ein durchgängiges Formteil ersetzt werden, das eine erfindungsgemäße berührungsempfindliche Einrichtung ist. Das Formteil kann als Maussteuerung oder anderweitig, beispielsweise als Tastatur eingesetzt werden. Alternativ dazu kann die berührungsempfindliche Einrichtung ein Anzeigebildschirm, beispielsweise ein Flüssigkristallanzeigebildschirm mit Flüssigkristallen sein, der dazu eingesetzt werden kann, Biegewellen anzuregen oder zu erfassen. Der Anzeigebildschirm kann eine die Berührung betreffende Information darstellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist beispielhaft schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, von denen:
1a bis 1d eine graphische Darstellung eines Verfahrens zur Dispersionskorrektur gemäß dem Stand der Technik sind, wobei 1a eine graphische Darstellung eines dispersiven Impulsverhaltens ist, die das Verhalten in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit der Zeit zeigt; 1b eine graphische Darstellung eines dispersiven Frequenzverhaltens ist, die das Verhalten in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit der Frequenz zeigt; 1c eine graphische Darstellung eines nicht dispersiven Frequenzverhaltens ist, die das Verhalten in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit der Frequenz zeigt; 1d eine graphische Darstellung eines nicht dispersiven Impulsverhaltens ist, die das Verhalten in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit der Zeit zeigt;
2 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen berührungsempfindlichen Einrichtung ist;
3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Einrichtung ist, die eine passive Berührungserfassung umfasst;
4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Einrichtung ist, die eine passive Berührungserfassung umfasst;
5 ein Blockdiagramm eines Verarbeitungsalgorithmus für die passive Erfassung nach den 3 und 4 ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer ersten Einrichtung ist, die eine aktive Berührungserfassung umfasst;
7 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Einrichtung ist, die eine aktive Berührungserfassung umfasst;
8 ein Fließdiagramm ist, das ein Verfahren zur Berechnung der Pfadlängendifferenz zwischen der Berührung und zwei Messpunkten unter Verwendung der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion zeigt;
8a eine schematische Draufsicht einer Einrichtung ist, bei der das Verfahren nach 8 angewendet wird;
8b eine graphische Darstellung einer dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion in Abhängigkeit der Zeit ist;
9 ein Fließdiagramm ist, das ein erstes Verfahren zum Entfernen von Reflexionen aus einem gemessenen Biegewellensignal zeigt;
10 ein Fließdiagramm ist, das ein zweites Verfahren zum Entfernen von Reflexionen aus einem gemessenen Biegewellensignal zeigt;
11a und 11b schematische perspektivische Ansichten und Draufsichten einer berührungsempfindlichen Einrichtung nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind;
12 ein schematisches Blockdiagramm eines Verarbeitungsalgorithmus ist, das für die Einrichtung nach 11 eingesetzt werden kann;
12a eine graphische Darstellung ist, die die kombinierte Übertragungsfunktion H(f) in Abhängigkeit der Frequenz (f) für den Filter und Verstärker nach 12 zeigt;
12b eine graphische Darstellung eines gemessenen Biegewellensignals in Abhängigkeit der Zeit ist;
13 ein Fließdiagramm der Schritte zum Erhalten einer empirischen Phasenkorrektur ist;
13a eine Draufsicht eines auf einem Element definierten Gitters zur Verwendung in dem Verfahren nach 13;
14 eine berührungsempfindliche Einrichtung nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist;
15 ein Schaltbild eines adaptiven Rauschunterdrückers ist, der in den verschiedenen Einrichtungen eingesetzt werden kann;
16a ein schematisches Blockdiagramm einer berührungsempfindlichen Einrichtung ist, die auch als Lautsprecher wirkt;
16b ein Verfahren zur Trennung eines Audiosignals und eines gemessenen Biegewellensignals in der Einrichtung nach 16a ist;
17 ein Fließdiagramm ist, das ein Verfahren zur Berechnung des Berührungsorts unter Verwendung der dispersionskorrigierten Autokorrelationsfunktion zeigt;
17a eine schematische Draufsicht einer Einrichtung ist, bei der das Verfahren nach 17 angewendet wird;
17b eine graphische Darstellung einer dispersionskorrigierten Autokorrelationsfunktion in Abhängigkeit der Zeit ist; und
18 ein Blockdiagramm ist, das zeigt, wie ein adaptiver Filter eingesetzt werden kann, um eine die Berührung betreffende Information zu berechnen.
2 zeigt eine berührungsempfindliche Einrichtung (10) mit einer transparenten berührungsempfindlichen Platte (12), die vor einer Anzeigeeinrichtung (14) angebracht ist. Die Anzeigeeinrichtung (14) kann in Form eines Fernsehers, eines Computerbildschirms oder einer anderen visuellen Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein. Ein Fühler (18) in Form eines Stifts wird dazu verwendet, einen Text (20) oder andere Dinge auf die berührungsempfindliche Platte (12) zu schreiben.
Die transparente berührungsempfindliche Platte (12) ist ein Element, beispielsweise eine akustische Einrichtung, das eine Biegewellenschwingung zu unterstützen vermag. Drei Wandler (16) sind an der Platte (12) angebracht. Mindestens zwei der Wandler (16) wirken als Sensoren oder Erfassungseinrichtungen und sind somit empfindlich für eine Biegewellenschwingung in der Platte und überwachen diese. Der dritte Wandler (16) kann ebenfalls ein erfassender Wandler sein, so dass das System der passiven berührungsempfindlichen Einrichtung nach 3 oder 4 entspricht.
Alternativ dazu kann der dritte Wandler ein emittierender Wandler sein, um eine Biegewellenschwingung in der Platte anzuregen, so dass das System dem aktiven Sensor nach 5 entspricht. In der Ausführungsform nach 6 oder 7 kann der aktive Sensor als kombinierter Lautsprecher und berührungsempfindliche Einrichtung wirken.
Die 3 und 4 sind eine detailliertere Darstellung zweier berührungsempfindlicher Einrichtungen (32, 33). Die berührungsempfindlichen Einrichtungen (32, 33) umfassen ein Element in Form eines Paneels (24), das eine Biegewellenschwingung zu unterstützen vermag sowie drei Sensoren in Form von Erfassungswandlern (26), um eine Biegewellenschwingung an ihren jeweiligen Befestigungspunkten zu erfassen. Das Schwingungsmuster (28) wird erzeugt, wenn ein Druck auf einen Berührungspunkt (30) aufgebracht wird. Die Einrichtungen können als passive berührungsempfindliche Einrichtungen betrachtet werden, da die Einrichtungen keinen emittierenden Wandler umfassen. Somit wird die Biegewellenpaneelschwingung in dem Paneel ausschließlich durch die Berührung erzeugt.
In einem passiven Sensor initiiert ein Impuls in dem Körper des Paneels (24) eine Biegewelle, die sich in Richtung des Rands des Paneels (24) fortpflanzt. Die Biegewelle wird durch die drei Erfassungswandler (26) erfasst, die wie in 3 in gleichen Abständen um die Ränder angebracht sind oder durch die drei Erfassungswandler, die an einer Oberfläche des Paneels (24) angebracht, aber wie in 4 von den Rändern des Paneels (24) beabstandet sind. Die gemessenen Biegewellensignale werden verarbeitet, um den räumlichen Ursprung und das Kraftprofil des aufgebrachten Impulses zu bestimmen.
5 zeigt eine mögliche Implementierung zur Verarbeitung der an jedem Erfassungswandler (26) nach 3 oder 4 erfassten Biegewelleninformation. In 5 werden die Biegewellen in dem Paneel durch drei Erfassungswandler (26) erfasst. Die Erfassungswandler (26) messen analoge Biegewellensignale W₁(t), W₂(t) und W₃(t), die an einen Multiplexanalog-Digitalwandler (analogue to digital converter, ADC) (54) übertragen werden. Das resultierende digitale Eingangssignal wird an den zentralen Prozessor (34) übertragen, von dem eine den Ort und das Profil des Berührungsimpulses betreffende Information (58) bestimmt wird.
Die 6 und 7 sind detailliertere Darstellungen alternativer kombinierter berührungsempfindlicher und Audioeinrichtungen (35, 37). Die Einrichtungen umfassen jeweils ein Paneel (24), das eine Biegewellenschwingung zu unterstützen vermag, und einen emittierenden Wandler (31), um eine Biegewellenschwingung in dem Paneel (24) anzuregen. Die Einrichtung (35) in 6 umfasst ferner zwei Erfassungswandler (26), um eine Biegewellenschwingung an ihren jeweiligen Befestigungspunkten zu erfassen, wohingegen die Einrichtung (37) in 7 lediglich einen Erfassungswandler (26) umfasst. Das Schwingungsmuster (28) wird unterbrochen, wenn an einem Berührungspunkt (30) ein Druck aufgebracht wird. Die Einrichtungen können als aktive berührungsempfindliche Einrichtungen betrachtet werden, da die Einrichtungen einen emittierenden Wandler (31) umfassen.
In 6 sind die Erfassungswandler und die emittierenden Wandler (26, 31) in gleichen Abständen um die Ränder des Paneels (24) angeordnet, wohingegen in 7 die Erfassungswandler und die emittierenden Wandler (26, 31) von den Rändern des Paneels (24) beabstandet und an einer Oberfläche davon angebracht sind.
8a zeigt eine Ausführungsform mit zwei Sensoren (102), die an einem Element (100) angebracht sind, auf das an einem Berührungsort (104) eine Berührung aufgebracht wird. 8 zeigt ein Verfahren zur Berechnung der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion, um die Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (104) und den Sensoren (102) zu bestimmen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(a) Messen von zwei Biegewellensignalen W₁(t) und W₂(t);
(b) Entfernen von Reflexionen aus den gemessenen Signalen und Berechnen von W₁'(t) und W₂'(t), beispielsweise unter Verwendung des in 9 dargestellten Verfahrens;
(c) Berechnen der Fourier-Transformierten von W₁'(t) und W₂'(t), um zu W ^₁(ω) und W ^₂(ω) und folglich der Zwischenfunktion W ^₁(ω)W ^₂*(ω) zu gelangen, wobei W ^₂*(ω) die komplexe konjugierte Fourier-Transformierte ist;
(d) und (e) gleichzeitig mit der Durchführung der Schritte (a) bis (c) wird die frequenzverbreiternde Operation f(ω) = νC√(ω) unter Verwendung der vorbestimmten Paneeldispersionsrelation k = √(ω) berechnet;
(f) W ^₁(ω) und W ^₂(ω) und f(ω) = νC√(ω) werden kombiniert, um zu der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion zu gelangen:
(g) die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion wird in Abhängigkeit der Zeit aufgetragen, wobei ein Peak zum Zeitpunkt t₁₂ auftritt, wie in 8 gezeigt ist;
(h) Δx₁₂ wird aus t₁₂ berechnet; Δx₁₂ ist die Pfadlängendifferenz zwischen den Pfadlängen x₁ und x₂ von den ersten und zweiten Sensoren zur Berührung;
(i) Δx₁₂ wird dzu verwendet, den Ort der Berührung zu berechnen.

Alternativ kann im Schritt (e) die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion mit einer unten dargestellten Phasenkorrektur ϕ₁₂ verwendet werden. Die Berechnung von ϕ₁₂ ist in 13 erläutert.
9 zeigt ein Verfahren zur Entfernung von Reflexionen aus einer Impulsmessung, wobei der Impuls bei t = 0 auftritt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

i) Messen eines Biegewellensignals W₁(t);
ii) Transformieren des Signals auf der Zeitachse unter Verwendung von U(τ) = W(1/τ);
iii) Anwenden eines Tiefpassfilters, beispielsweise U'(τ), wie gezeigt, um alle reflektierten Signale zu entfernen. Die Konstante C aus der vorbestimmten Paneeldispersionsrelation k = C√(ω) wird dazu verwendet, die Breite der Konvolutionsfunktion Δτ zu definieren;
iv) Das Verhalten kann dann als W'(t) = U(1/t) auf lineare Zeiteinheiten zurücktransformiert werden.

10 zeigt ein alternatives Verfahren zur Entfernung von Reflexionen aus einer Impulsmessung, wobei der Impuls bei t = 0 auftritt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

i) Messen eines Biegewellensignals W₁(t);
ii) Abschätzen der Distanz x zwischen jedem Sensor und dem Ort der Berührung;
iii) Verwenden der Abschätzung x und einer vorbestimmten Dispersionsrelation k = C√(ω), um ein mittelwertbildendes Fenster N(t, t') zu definieren;
iv) Anwenden des mittelwertbildenden Fensters N(t, t') auf das Biegewellensignal W₁(t), um den Effekt von Reflexionen zu entfernen.

N(t, t') ist ein Beispiel eines mittelwertbildenden Fensters mit einer Gausform. Ein rechteckiges Fenster kann eingesetzt werden, um Berechnungseffizienz zu erzielen. Mehrere Anwendungen eines rechteckigen Fensters können wünschenswert sein; eine große Anzahl wiederholter Anwendungen eines rechteckigen Fensters erzeugt ein ähnliches Ergebnis wie N(t, t').
Die 11a und 11b zeigen eine berührungsempfindliche Einrichtung (80) mit einem rechteckigen Element (82), das Biegewellen zu unterstützen vermag und vier Sensoren (84), um eine Biegewellenschwingung in dem Element zu messen. Die Sensoren (84) haben die Form piezoelektrischer Schwingungssensoren und sind an der Unterseite des Elements (82), einer an jeder Ecke, angebracht. Eine Schaumbefestigung (86) ist an der Unterseite des Elements angebracht und erstreckt sich im Wesentlichen um den Umfang des Elements. Die Schaumbefestigung (86) hat Haftoberflächen, wodurch das Element sicher an jeder Oberfläche befestigt werden kann. Die Schaumbefestigung kann die Reflexionen von den Rändern des Elements verringern.
Zwei Sätze von Pfadlängendifferenzen Δx₁₂ = x₁ – x₂ und Δ₃₄ = x₃ – x₄ werden berechnet, wie in 8 beschrieben ist; x_i ist der Abstand von jedem Sensor zu der Berührung. Wie in 11b gezeigt ist, werden die durch die zwei Pfadlängendifferenzen definierten Hyperbeln (85) aufgetragen und der Ort der Berührung ist der Schnittpunkt (87) von zwei Hyperbeln.
12 ist ein schematisches Diagramm, das die Implementierung des Verarbeitungsalgorithmus in der Einrichtung nach 11 zeigt. Die Sensoren (84) messen analoge Biegewellensignale W₁(t), W₂(t) und W₃(t), die durch einen Verstärker und Anti-Aliasing(Tiefpass)-Filter (88) geleitet werden. Die Amplitude der kombinierten Übertragungsfunktion H(t) des Verstärkers und Anti-Aliasing-Filters ist in 12a gezeigt. Die gefilterten Signale werden durch einen Digitalisierer (90) in digitale Signale umgewandelt und in einem First-in-first-out-Puffer mit einer endlichen Länge gespeichert. Der Puffer umfasst zwei Speicher, einen Pre-Trigger- und einen Post-Triggerspeicher (92, 93) für Signale, die vor bzw. nach dem Start des Erfassungsprozesses gemessen werden.
Der zentrale Prozessor (94) bestimmt eine Information, die den Ort und das Profil einer Berührung des Elements betrifft, durch die folgenden Schritte:

a) Der zentrale Prozessor führt einen Schwellenwerttest durch, der in 12b dargestellt ist. Das gemessene Biegewellensignal (96) wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert (98) verglichen. Wenn das gemessene Signal den Schwellenwert überschreitet, wird der Erfassungsprozess gestartet.
b) Eine Anordnung digitaler Zeitreiheneingangssignale wird von dem Puffer an den Prozessor übertragen. Die Signale umfassen Messungen, die vor und nach dem Start der Erfassungsprozesses erfolgt sind, so dass ein digitales Maß der gesamten Wellenform des Impulses von der Berührung rekonstruiert wird.
c) Der Prozessor verschiebt die Wellenform gemäß der Schätzung von t₀, so dass t₀ auf Null gesetzt wird.
d) Der Prozessor entfernt, wie oben beschrieben, den Effekt von Reflexionen aus dem digitalisierten Signal mit der Schätzung von t₀ als Null und der Schätzung von x als diagonale Länge des Elements.
e) Der Prozessor führt eine weitere Verarbeitung durch, insbesondere eine Berechnung der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion für jedes diagonal gegenüberliegende Paar von Sensoren und eine Berechnung einer die Berührung betreffenden Information.

Die von dem Prozessor durchgeführte weitere Verarbeitung kann darüber hinaus das Anwenden einer vorbestimmten Phasenkorrektur auf die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion umfassen. Dies kann, wie in 13 gezeigt, berechnet werden.

a) Definieren eines Gitters – für die in den 11a und 11b gezeigte Ausführungsform, die ein Element (82) mit vier Sensoren (84) umfasst, kann dies beispielsweise durch Festlegen von Punkten (71) durch den Vektor {r_j} erfolgen. In diesem Beispiel hat das Gitter 8 Reihen und 7 Spalten, so dass das Gitter durch einen Satz von 56 Vektoren [r₁, r₂ ... r₅₆] definiert ist.
b) Ein Anwender tippt auf den ersten Punkt (71) in dem durch r₁ definierten Gitter und die ersten und zweiten Biegewellensignale {W_1,j(t)} und {W_2,j(t)} werden durch den ersten und den zweiten Sensor eines jeden Paares von Sensoren gemessen;
c) Schritt (b) wird wiederholt, bis der Anwender auf jeden Punkt in dem Gitter getippt hat;
d) Berechnen der Fourier-Transformierten der Biegewellensignale;
e) Berechnen der empirischen Phasenkorrektur:

_j

_1,j

_2,j

14 zeigt eine berührungsempfindliche Einrichtung (70) mit einem Element (72), das Biegewellen zu unterstützen vermag und drei Sensoren (64), die an dem Element angebracht sind, um eine Biegewellenschwingung in dem Element zu messen. Eine Oberfläche des Elements (72) umfasst ein erhöhtes Muster (66), das ein periodisches Muster erhöhter gekreuzter Linien ist. Ein Fühler (78) wird entlang eines Wegs (74) über die Oberfläche gezogen und wenn er eine Linie des Musters kreuzt, erzeugt er eine Biegewelle (76) in dem Element.
15 zeigt einen adaptiven Rauschunterdrücker, wie er z.B. in "Widrow et al., Adaptive Noise Cancelling: Principles and Applications, Proceedings of the IEEE, Vol. 63, Nr. 12, Seiten 1692 (1975)" beschrieben ist. Der adaptive Rauschunterdrücker umfasst einen adaptiven Filter (40), der das anfängliche Audiosignal als Referenzeingabe benutzt. Der Unterdrücker kann dazu eingesetzt werden, den Beitrag des Audiosignals aus der Ausgabe eines Schwingungssensors zu entfernen, bevor eine weitere Verarbeitung erfolgt. Der gezeigte adaptive Filter ist ein Beispiel eines adaptiven Filters, der für diese Aufgabe herangezogen werden kann.
16a zeigt eine berührungsempfindliche Einrichtung, die auch als Lautsprecher wirkt. 16b zeigt ein Verfahren zur Aufteilung des Audiosignals und des gemessenen Signals in zwei getrennte Frequenzbänder, so dass der Beitrag des Audiosignals zu dem verarbeiteten gemessenen Signal unterdrückt wird. Die Einrichtung umfasst ein Element (106), in dem durch einen emittierenden Wandler oder Aktuator (108) und die Berührung Biegewellen erzeugt werden. Der emittierende Wandler bringt ein Audiosignal auf das Element (106) auf, um eine akustische Ausgabe zu erzeugen. Bevor es auf das Element aufgebracht wird, wird das Audiosignal durch einen Tiefpassfilter (112) gefiltert, der, wie in 16b gezeigt ist, das Audiosignal oberhalb einer Schwellenwertfrequenz f₀ entfernt.
Wie in 16b gezeigt ist, erzeugt die Berührung ein Signal, das eine Leistungsausgabe hat, die über ein großes Frequenzband im Wesentlichen konstant ist. Das Signal von der Berührung und das Audiosignal summieren sich, um ein kombiniertes Signal zu ergeben, das durch einen Hochpassfilter (114) geleitet wird, um das Signal oberhalb der Schwellenwertfrequenz f₀ zu entfernen. Das gefilterte Signal wird dann einem Digitalisierer (116) und einem Prozessor (118) zugeleitet.
17a zeigt eine Ausführungsform mit einem einzigen Sensor (120), der an einem Element (100) angebracht ist, auf das an einem Berührungsort (104) eine Berührung aufgebracht wird. Biegewellen werden von dem Rand des Elements reflektiert und erzeugen ein Bild einer virtuellen Quelle, die sich an einem Ort (122) befindet. 17 zeigt ein Verfahren zur Berechnung der dispersionskorrigierten Autokorrelationsfunktion, um den Berührungsort (104) zu ermitteln. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(a) Messen eines Biegewellensignals W₁(t);
(b) Berechnen der Fourier-Transformierten von W₁'(t), um zu W ^₁(ω) zu gelangen;
(c) Gleichzeitig mit der Durchführung der Schritte (a) und (b) wird unter Verwendung der vorbestimmten Paneeldispersionsrelation k = C√(ω) die frequenzverbreiternde streckende Operation f(ω) = νC√(ω) berechnet;
(d) W ^₁(ω) und f(ω) = νC√(ω) werden kombiniert, um zu der dispersionskorrigierten Autokorrelationsfunktion zu gelangen:
(g) die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion wird in Abhängigkeit der Zeit aufgetragen, wobei, wie in 17b gezeigt ist, zu den Zeitpunkten t₁₁ und -t₁₁ Peaks auftreten;
(h) Δx₁₁ wird aus t₁₁ berechnet; Δx₁₂ ist die Pfadlängendifferenz zwischen den Pfadlängen x₁ und x₁' von den ersten und zweiten Sensoren zu der Berührung;
(i) Δx₁₂ wird dazu verwendet, den Ort der Berührung zu berechnen.

18 zeigt, dass der adaptive Filter nach 15 auch dazu eingesetzt werden kann, den Ort der Berührung mit einer zwei Sensoren umfassenden Einrichtung zu berechnen. Allgemein umfassen adaptive Filter einen Filter mit einer endlichen Impulsantwort (finite-impulse-response, FIR). Ein FIR-Filter ist äquivalent zu einer Konvolutionsoperation mit einer Konvolutionsfunktion ϕ(t).
Die von dem ersten Sensor gemessenen Signale W₁(t) werden dem adaptiven Filter (40) zugeleitet und die von dem zweiten Sensor gemessenen Signale W₂(t) werden einer Verzögerungseinheit (41) zugeleitet. Die Verzögerungseinheit verzögert die Signale von dem zweiten Sensor, vorzugsweise um die maximal erwartete Breite der Konvolutionsfunktion. Die verzögerten Signale werden dann dem primären Eingang des adaptiven Filters zugeleitet. Der adaptive Filter aktualisiert kontinuierlich die Konvolutionsfunktion, so dass eine Schätzung W ~₂(t) der primären Signaleingabe W₂(t) aus der Referenzeingabe W₁(t) erhalten werden kann. Die Konvolutionsoperation ist wie folgt definiert: W ~2(t) = ∫∞–∞ W1(t')Φ(t – t')dt'.
Der Ort der Berührung wird in dem Prozessor durch die folgenden Schritte berechnet:

a) Bestimmen der FIR-Konvolutionsfunktion aus dem internen Speicher des adaptiven Filters.
b) Berechnen der Fourier-Transformierten der FIR-Konvolutionsfunktion.
c) Anwenden der frequenzverbreiternden Operation f(ω) = νC√(ω).
d) Berechnen der inversen Fourier-Transformierten, um zu F(t) zu gelangen.

F(t) ist ein Phasenäquivalent der dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion G(t) und somit haben die Fourier-Transformierten von G(t) und F(t) die gleiche Phase, aber nicht unbedingt die gleiche Amplitude. Demgemäß ist der Ort aller Peaks in der Zeitdomäne für F(t) und G(t) der gleiche und somit kann der Ort der Berührung aus dem Peak von F(t) berechnet werden, wie oben für G(t) beschrieben wurde.

Claims

Berührungsempfindliche Einrichtung (10, 32, 33, 35, 37, 70, 80) mit: – einem Element (12, 24, 72, 82, 100, 106), das Biegewellen zu unterstützen vermag, – einer an dem Element (12, 24, 72, 82, 100, 106) angebrachten Erfassungseinrichtung (16, 26, 64, 84, 102, 110, 120) zur Messung einer Biegewellenschwingung in dem Element und zur Bestimmung eines ersten und eines zweiten gemessenen Biegewellensignals und – einem Prozessor (34, 94, 118), der konfiguriert ist, eine Korrektur auf der Basis der Dispersionsrelation des Materials des die Biegewellen unterstützenden Elements (12, 24, 72, 82, 100, 106) durchzuführen, und der konfiguriert ist, eine Information betreffend eine Berührung an dem Element (12, 24, 72, 82, 100, 106) aus den gemessenen Biegewellensignalen zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 26, 64, 84, 102, 110, 120) konfiguriert ist, gleichzeitig die ersten und zweiten gemessenen Biegewellensignale zu messen, und dass der Prozessor (34, 94, 118) konfiguriert ist, eine dispersionskorrigierte Funktion der zwei gemessenen Biegewellensignale zu berechnen, wobei die dispersionskorrigierte Funktion aus der Gruppe bestehend aus einer dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion, einer dispersionskorrigierten Konvolutionsfunktion und einer dispersionskorrigierten Kohärenzfunktion ausgewählt ist, wodurch eine Information betreffend die Berührung berechnet wird.
Berührungsempfindliche Einrichtung (37) nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung einen Sensor (26, 120) umfasst, der konfiguriert ist, sowohl das erste als auch das zweite gemessene Biegewellensignal zu bestimmen, wodurch die berechnete dispersionskorrigierte Funktion eine Autokorrelationsfunktion ist.
Berührungsempfindliche Einrichtung (10, 32, 33, 35, 70, 80) nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung einen ersten Sensor (16, 64, 102, 110) zur Bestimmung des ersten gemessenen Biegewellensignals und einen zweiten Sensor (16, 64, 102, 110) zur Bestimmung des zweiten gemessenen Biegewellensignals umfasst.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine zweite Erfassungseinrichtung (84) zur Bestimmung zweier zusätzlicher gemessener Biegewellensignale umfasst, aus denen eine zweite dispersionskorrigierte Funktion berechnet wird.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen jeweils ein Paar von Sensoren umfassen und bei der der Prozessor (34, 94, 118) konfiguriert ist, aus jeder dispersionskorrigierten Funktion eine erste Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (30, 104) und jedem des ersten Paars von Sensoren (84) sowie eine zweite Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (30, 104) und jedem des zweiten Paars von Sensoren (84) zu bestimmen, und konfiguriert ist, die Position der Berührung aus den ersten und zweiten Differenzen in der Pfadlänge zu bestimmen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche um zumindest einen Teil des Umfangs des Elements (82) angebrachte Absorber (86) zum Absorbieren reflektierter Wellen umfasst.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Prozessor (34, 94, 118) konfiguriert ist, den Beitrag reflektierter Wellen aus den gemessenen Biegewellensignalen zu entfernen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 7, bei der der Prozessor (34, 94, 118) einen Tiefpassfilteroperator (88) umfasst, der konfiguriert ist, auf das gemessene Biegewellensignal zu wirken und der ein einen Mittelwert bildendes Fenster mit einer Breite umfasst, die lokal in Abhängigkeit der Zeit variiert.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei der der Prozessor (34, 94, 118) konfiguriert ist, eine Abschätzung des Abstands zwischen dem Berührungsort und jeder Erfassungseinrichtung bereitzustellen, wobei die Abschätzung in eine Berechnung zur Entfernung der reflektierten Wellen eingesetzt wird.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche mehrere Erfassungseinrichtungen an dem Element umfasst, wodurch mehrere dispersionskorrigierte Funktionen bestimmt werden.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 10, bei der der Prozessor konfiguriert ist, eine Abbildungsfunktion zu erzeugen, die die Oberfläche des Elements für jede dispersionskorrigierte Funktion abbildet.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Element ein akustischer Abstrahler ist und ein emittierender Wandler (31, 108) an dem Element angebracht ist, um zur Erzeugung einer akustischen Ausgabe eine Biegewellenschwingung in dem Element anzuregen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 12, welche Mittel (40, 112, 114) umfasst, um zu gewährleisten, dass die akustische Ausgabe und gemessene Biegewellensignale in separaten Frequenzbändern liegen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 13, welche einen adaptiven Rauschunterdrücker (40, 112, 114) umfasst, um den Beitrag der akustischen Ausgabe aus dem gemessenen Biegewellensignal zu entfernen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Element transparent ist.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Prozessor konfiguriert ist, um einen Konvolutionskorrekturkoeffizienten abzuschätzen, der auf die dispersionskorrigierte Funktion angewendet wird, wodurch Phasendifferenzen zwischen den Sensoren kompensiert werden.
Berührungsempfindliche Einrichtung (70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Element (72) ein erhöhtes Muster (66) auf seiner Oberfläche umfasst, wodurch ein über die Oberfläche gezogener Kontakt eine variable Kraft auf das Element aufbringt, um Biegewellen (76) in dem Element (72) zu erzeugen.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 17, bei der das Muster (66) zufällig ist, wodurch eine zufällige Biegewellenschwingung in dem Element erzeugt wird.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Mittel zur Aufzeichnung von Sätzen von ersten und zweiten gemessenen Biegewellensignalen von der oder jeder Erfassungseinrichtung über die Zeit umfasst, wenn sich der Kontakt über das Element bewegt.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 19, bei der der Prozessor die gemessenen Biegewellensignale als Abfolge von Datenrahmen zu analysieren vermag.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 19, bei der der Prozessor dazu eingerichtet ist, eine Information über die Berührung zu gewinnen, die über die Dauer des Rahmens gemittelt ist.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Prozessor einen adaptiven Filter (40) umfasst, der eine Konvolutionsfunktion zwischen dem Satz von ersten gemessenen Biegewellensignalen und dem Satz von zweiten gemessenen Biegewellensignalen zu berechnen vermag.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 22, bei der der Prozessor dazu eingerichtet ist, zur Berechnung einer Information über die Berührung eine dispersionskorrigierte Konvolutionsfunktion zu verwenden.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der die Einrichtung eine ausschließlich passive Einrichtung ist, welche eine durch eine anfängliche Einwirkung oder durch eine Reibbewegung des Kontakts erzeugte Biegewellenschwingung zu unterstützen vermag, und die die gemessenen Biegewellensignale aus einer derartigen Schwingung zu bestimmen vermag.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der die Einrichtung eine aktive Einrichtung mit einem emittierenden Wandler ist.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, bei der die Einrichtung eine duale aktive und passive Einrichtung ist und konfiguriert ist, in Abhängigkeit davon, ob eine Berührung der Einrichtung erfolgt, zwischen aktiven und passiven Erfassungsmoden umzuschalten.
Berührungsempfindliche Einrichtung nach Anspruch 26, bei der die Einrichtung konfiguriert ist, einen Zyklus zwischen – Verweilen in einem passiven Erfassungsmodus, wenn keine Berührung erfasst wird, – Umschalten in einen aktiven Erfassungsmodus, wenn eine Berührung erfolgt und – Zurückkehren zu dem passiven Erfassungsmodus, sobald die Berührung entfernt wird, um auf weitere Berührungen zu warten, zu durchlaufen.
Verfahren zur Bestimmung einer Information betreffend eine Berührung an einer berührungsempfindlichen Einrichtung (10, 32, 33, 35, 37, 70, 80) mit den Schritten: – Bereitstellen eines Elements (12, 24, 72, 82, 100, 106), das Biegewellen zu unterstützen vermag, und einer Erfassungseinrichtung (16, 26, 64, 84, 102, 110, 120), die an dem Element angebracht ist, um eine Biegewellenschwingung in dem Element zu messen, – Messen eines ersten gemessenen Biegewellensignals unter Verwendung der Erfassungseinrichtung (16, 26, 64, 84, 102, 110, 120), – Messen eines zweiten gemessenen Biegewellensignals unter Verwendung der Erfassungseinrichtung (16, 26, 64, 84, 102, 110, 120), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch – Messen des zweiten gemessenen Biegewellensignals gleichzeitig mit dem ersten gemessenen Biegewellensignal, – Berechnen einer dispersionskorrigierten Funktion der zwei gemessenen Biegewellensignale, wobei die dispersionskorrigierte Funktion aus der Gruppe bestehend aus einer dispersionskorrigierten Korrelationsfunktion, einer dispersionskorrigierten Konvolutionsfunktion und einer dispersionskorrigierten Kohärenzfunktion ausgewählt ist, und – Verarbeiten des Ergebnisses der dispersionskorrigierten Funktion, um eine Information betreffend die Berührung zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die dispersionskorrigierte Korrelationsfunktion durch die folgenden Schritte berechnet wird: – Berechnen der Fourier-Transformation und der komplexen konjugierten Fourier-Transformation der zwei gemessenen Biegewellensignale, – Berechnen einer mittleren Funktion durch Multiplikation der Fourier-Transformation und der komplexen konjugierten Fourier-Transformation der zwei Biegewellensignale, – Kombinieren einer frequenzverbreiternden Operation und einer nachfolgenden inversen Fourier-Transformation mit der mittleren Funktion, um die dispersionskorrigierte Korrelationfunktion zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 28, bei der eine phasenäquivalente dispersionskorrigierte Funktion durch die folgenden Schritte berechnet wird: – Berechnen der Fourier-Transformation und der komplexen konjugierten Fourier-Transformation der zwei gemessenen Biegewellensignale, – Berechnen einer ersten mittleren Funktion durch Multiplikation der Fourier-Transformation und der komplexen konjugierten Fourier-Transformation der zwei Biegewellensignale, – Berechnen einer zweiten mittleren Funktion, die eine Funktion der ersten mittleren Funktion ist und die die Amplitude, nicht aber die Phase der ersten mittleren Funktion modifiziert, – Kombinieren einer frequenzverbreiternden Operation und einer nachfolgenden inversen Fourier-Transformation mit der zweiten mittleren Funktion, um die phasenäquivalente dispersionskorrigierte Funktion zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die zweite mittlere Funktion berechnet wird, indem die erste mittlere Funktion normiert wird, um die dispersionskorrigierte Kohärenzfunktion zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, welches das Entfernen der Wirkung von Reflektionen vor der Berechnung der oder jeder mittleren Funktion umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, welches das Bereitstellen einer Erfassungseinrichtung mit zwei Sensoren (16, 64, 102, 110) und die Verwendung der dispersionskorrigierten Funktion zur Bestimmung einer Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (30, 104) und jedem Sensor und folglich zur Bestimmung der Position der Berührung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, welches das Bereitstellen einer Sensoreinrichtung mit einem Wandler (26, 120), der konfiguriert ist, sowohl das erste als auch das zweite Biegewellensignal zu messen, und das Berechnen einer dispersionskorrigierten Autokorrelationsfunktion aus den gemessenen Signalen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, welches das Bereitstellen einer zweiten Erfassungseinrichtung mit einem zweiten Paar von Sensoren (84) zur Bestimmung zweier zusätzlicher gemessener Biegewellensignale und das Berechnen einer zweiten dispersionskorrigierten Funktion aus den zusätzlichen Signalen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34 und 35, welches das Bestimmen einer ersten Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (30, 104) und jedem des ersten Paars von Sensoren und einer zweiten Differenz in der Pfadlänge zwischen dem Berührungsort (34, 104) und jedem des zweiten Paars von Sensoren (84) aus jeder dispersionskorrigierten Funktion sowie das Bestimmen der Position der Berührung aus den ersten und zweiten Differenzen in der Pfadlänge umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, welches das Entfernen des Beitrags reflektierter Wellen aus jedem gemessenen Biegewellensignal durch Anwenden einer Tiefpassfilteroperation auf die gemessenen Biegewellensignale umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 37, welches das Bereitstellen mehrerer Sensoreinrichtungen an dem Element und das Bestimmen mehrerer dispersionskorrigierter Funktionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38, welches das Erzeugen einer Abbildungsfunktion umfasst, die die Oberfläche des Elements für jede dispersionskorrigierte Funktion abbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 39, welches das Berechnen eines Konvolutionskorrekturkoeffizienten und das Anwenden des Konvolutionskorrekturkoeffizienten bei der Berechnung der dispersionskorrigierten Funktion umfasst, um Phasendifferenzen zwischen den Erfassungseinrichtungen zu kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 40, welches das Aufzeichnen eines Satzes von ersten gemessenen Biegewellensignalen und eines Satzes von zweiten gemessenen Biegewellensignalen von der oder jeder Erfassungseinrichtung über die Zeit umfasst, wenn sich der Kontakt über das Element bewegt.
Verfahren nach Anspruch 41, welches das Analysieren der Sätze als eine Abfolge von Datenrahmen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 42, welches das Gewinnen einer Information betreffend die Berührung aus jedem Rahmen umfasst, die über die Dauer des Rahmens gemittelt ist.
Verfahren nach Anspruch 42 oder Anspruch 43, welches das Korrigieren für eine Konvolutionsfunktion zwischen den Sätzen umfasst.