JP2006509301A - 接触検知装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

本発明は接触検知装置に関する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

従って、コヒーレンス条件は、

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

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

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

を満足する場合、

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

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

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

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

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

次いで、経路長の差は次式のように推定することができる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

である。

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

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

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

プレートは、例えば、単位面積当たりの質量μ＝１．１９６ｋｇｍ^-2、撓み剛性Ｂ＝０．３８Ｎｍである厚さが１ｍｍのポリカーボネートであってもよい。上記の方程式を用いて、プレートのインピーダンスと、選択された角周波数ω₀＝２π（９００Ｈｚ）近傍の撓み波エネルギーを強く吸収するのに必要な吸収体のインピーダンスとを計算することができる。

プレートの１ｍｍビーム近似における単位幅当たりのインピーダンスは、
Ｚ_B（ω₀）＝（１＋ｉ）３３．８Ｎｓｍ^-2
である。

所望の吸収をもたらす吸収体の特性はすなわち、
単位幅当たりの抵抗が、
Ｒｅ（Ｚ_T）＝Ｉｍ〔Ｚ_B（ω₀）〕＝３３．８Ｎｓｍ^-2
単位幅当たりの剛性が、
−ｉＩｍ（Ｚ_T）ω₀＝Ｒｅ〔Ｚ_B（ω₀）〕ω₀＝１．９１×１０⁵Ｎｍ^-2
である。

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

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

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

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

であるように示す。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

次いで、経路長の差は以下の式から推定することができる。

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

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

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

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

と

、従って中間関数

を得る。ここで、

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

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

を使用して周波数引き延ばし演算

を計算する。
（ｆ）Ｍ（ω）と

を組み合わせて、分散補正相関関数

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

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

第２の中間関数Ｍ（ω）は単に、標準分散補正相関関数を与える

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

ここでψ(ｘ)は実数値関数である。

ここで、Ψ(ω)は実数値関数である。

もしくは、Ｍ（ω）は相関関数Ｄ（ｔ）：

のフーリエ変換である関数

でもよい。

各ステップは、Ｄ（ｔ）の計算；

の計算と、周波数引き延ばし演算を適用して分散補正相関関数：

を得ることである。

或いは、ステップ（ｆ）で、以下の分散補正相関関数を計算することができる。

ここで、

であり、ここで、

及び

は、２つの測定された撓み波信号

及び

のフーリエ変換と複素共役フーリエ変換であり、

は経路長の差である。

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

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

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

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

符号の説明

１０ 接触検知装置
１２ 部材
１６ センサ
２２ 取付具

Claims (31)

1. 撓み波を支持可能な部材と、
   該部材上に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定してこれにより各々が測定された撓み波信号を求める３つのセンサと、
   前記測定された撓み波信号から前記部材上の接触位置を計算する処理装置と、
   を備える接触検知装置であって、
   前記処理装置は、各々の測定された撓み波信号の位相角と少なくとも２対のセンサの前記位相角との間の位相差を計算し、接触位置が求められる少なくとも２つの位相差を計算するようにすることを特徴とする接触検知装置。
2. 前記部材の縁部に吸収体を備え、これにより反射波が抑制されることを特徴とする請求項１に記載の接触検知装置。
3. 前記吸収体と前記部材の機械インピーダンスは、前記部材の縁部からの撓み波の反射を最小にするように選択されることを特徴とする請求項２に記載の接触検知装置。
4. 前記インピーダンスは、選択された周波数ω₀近傍の周波数帯域で撓み波エネルギーが強く吸収されるように選択されることを特徴とする請求項３に記載の接触検知装置。
5. 前記インピーダンスは、次式を満たすように選択されることを特徴とする請求項４に記載の接触検知装置。
   Ｚ_T＝−ｉＺ_B（ω₀）
   Ｚ_Tは前記吸収体の終端インピーダンス、Ｚ_Bは前記部材の縁部の機械インピーダンス。
6. 各々の測定された撓み波信号をフィルタ処理するための帯域通過フィルタを備え、前記フィルタは選択された周波数ω₀を中心とする帯域幅Δωの通過帯域を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の接触検知装置。
7. 前記フィルタの帯域幅Δωは次式の関係に従うことを特徴とする請求項６に記載の接触検知装置。
   Δω＞＞２ｋ（ω₀）ν_max
   ここでν_maxは前記接触の最大横方向速度。
8. 前記吸収体は発泡プラスチック製であることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の接触検知装置。
9. 前記部材はその表面に隆起したパターンを含み、これにより表面にわたって引かれる接触が前記部材内に撓み波を生成する力を前記部材に与えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
10. 前記パターンはランダムであり、これにより前記部材の表面にわたり伝わる接触がランダムな撓み波信号を生成することを特徴とする請求項９に記載の接触検知装置。
11. 前記パターンは反射防止コーティング、ぎらつき防止表面仕上げ、又はエッチング仕上げにより形成されることを特徴とする請求項１０に記載の接触検知装置。
12. 通過帯域周波数が異なり、１対のセンサによって測定された撓み波信号を同時に処理する少なくとも２つの帯域通過フィルタを備え、これにより各々の通過帯域周波数の位相角の差が１対のセンサによって与えられることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
13. 前記部材上に４つのセンサを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
14. 測定された撓み波信号の対の分散補正相関関数を使用して前記接触の最初の位置を求めるための手段と、測定された撓み波信号の対の間の位相角の差を使用して前記接触の後続の位置を求めるための手段とを備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
15. 前記の位相角の差を求める手段は、位相検出器を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
16. 前記処理装置は、前記位相角を求めるための低域通過フィルタとデジタイザとを含むことを特徴とする請求項１５に記載の接触検知装置。
17. 前記部材は音響放射体であり、前記部材には放射変換器が取り付けられて前記部材中で撓み波振動を励振して、音響出力を生成することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
18. 音響出力と前記測定された撓み波信号が離散的な周波数帯域にあることを保証する手段を備えることを特徴とする請求項１７に記載の接触検知装置。
19. 前記部材は透明であることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の接触検知装置。
20. 接触検知装置上の接触に関する情報を求める方法であって、
    撓み波を支持可能な部材と、該部材中の撓み波振動を測定するために前記部材上に取り付けられた３つのセンサとを準備し、
    測定された撓み波信号を求めるために各センサを使用してある位置で前記部材に接触を加え、
    各々の測定された撓み波信号の位相角を計算し、少なくとも２つの対のセンサの前記位相角の間の位相差を計算して、前記少なくとも２つの計算された位相差から接触位置を求めることによって特徴付けられる前記測定された撓み波信号から接触の位置を計算する、
    各段階を含む方法。
21. 前記部材の縁部に吸収体を配置することによって反射波を抑制する段階含む請求項２０に記載の方法。
22. 前記部材の縁部からの撓み波の反射を最小にするように前記吸収体と部材の機械インピーダンスを選択する段階を含む請求項２１に記載の方法。
23. 選択された周波数ω₀の近傍の周波数帯域で撓み波エネルギーが強く吸収されるように前記インピーダンスを選択する段階を含む請求項２２に記載の方法。
24. 次式を満たすように前記インピーダンスを選択する段階を含む請求項２３に記載の方法。
    Ｚ_T＝−ｉＺ_B（ω₀）
    ここでＺ_Tは前記吸収体のインピーダンス、Ｚ_Bは前記部材の縁部の機械インピーダンス。
25. 選択された周波数ω₀を中心とする帯域幅Δωの通過帯域を有する帯域通過フィルタによって、各々の測定された撓み波信号をフィルタ処理する段階を含む請求項２３又は２４に記載の方法。
26. 前記接触位置を求めるために次の位相差方程式を適用する段階を含む請求項２０から２５のいずれか１項に記載の方法。
    Δθ_lm＝θ_l−θ_m＝ｋ（ω₀）Δｘ_lm＋２πｎ_lm
    ここでθ_iは測定された撓み波信号の位相角、ｘ_iは接触位置から各々のセンサまでの距離、Δｘ_lm＝ｘ_l−ｘ_mは２つのセンサの経路長の差、ｋ（ω）は波長、ｎ_lmは未知の整数。
27. ｎ_lmが
    

    

    から求められるようにΔｘ_lmの大きさを波長の１／２より小さい値に制限するよう前記部材を選択する段階を含む請求項２６に記載の方法。
28. １対の測定された撓み波信号の分散補正相関関数を使用し、経路長の差の変化を最小にするｎ_lmの値を選択して、前記接触の最初の位置を求める段階を含む請求項２６に記載の方法。
29. ｎ_lmの一連の値を選択し、前記一連の値を各々の位相角の差と組み合わせて一連の経路長の差を定め、前記経路長の差の一連のグラフをプロットし、多数のグラフが交差する点からｎ_lmの真の値を推測する段階を含む請求項２６に記載の方法。
30. 前記位相角の対から複数の位相角の差を計算し、各々の経路長の差のグラフをプロットし、多数の双曲線が交差する点を接触位置として選択する段階を含む請求項２０から２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 各々のセンサから測定された前記撓み波信号を少なくとも２つの離散的な周波数帯域に分割し、各々の周波数帯域に対する１対のセンサの位相角の差を計算する段階を含む請求項２０から３０のいずれか１項に記載の方法。

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