KR101121891B1 - 접촉 감응 장치 - Google Patents

Abstract

접촉 감응 장치는 굴곡파를 지지할 수 있는 부재(12); 상기 부재 상에 부착되어 상기 부재의 굴곡파 진동을 측정하고, 측정 굴곡파 신호를 결정하는 3개의 센서(16); 및 상기 측정 굴곡파 신호로부터 상기 부재 상의 접촉 지점을 계산하는 프로세서를 포함한다. 접촉 지점을 결정하기 위한 적어도 두 개의 위상차가 계산되도록, 프로세서는 각 측정 굴곡파 신호에 대해 위상각을 계산하고, 적어도 두 쌍의 센서의 위상각 사이의 위상차를 계산한다.

Description

접촉 감응 장치 { CONTACT SENSITIVE DEVICE }

본 발명은 접촉 감응 장치에 관한 것이다.

시각적 디스플레이는 종종 소정 형태의 터치 감응 스크린(touch sensitive screen)을 포함한다. 이는 팜탑 컴퓨터(palm top computer)와 같은 차세대 휴대형 멀티미디어 장치의 출현에 따라 보다 일반화되고 있다. 접촉을 탐지하기 위해 파동을 이용하는 가장 확립된 기술은 표면 음파(Surface Acoustic Wave, SAW)법으로, 이는 유리 스크린의 표면 상에 고주파를 생성하고, 손가락의 접촉에 의한 이들 고주파의 감쇄가 접촉 지점을 탐지하는데 이용된다. 이러한 기술은 "타임 오브 플라이트(time-of-flight)"이며, 교란(disturbance)이 하나 이상의 센서에 도달하는 시간이 위치를 탐지하는 데 이용된다. 이러한 방법은 매체가 비-분산 방식(non-dispersive manner)으로 거동할 때, 즉 파동의 속도가 해당 주파수 범위에서 크게 변하지 않을 때 가능하다.

본 출원인에 의한, WO 01/48684 와 PCT/GB2002/003073 에는, 두 개의 접촉 감응 장치 및 이 장치의 사용방법이 제안되어 있다. 양 출원에서, 상기 장치는 굴곡파 진동(bending wave vibration)을 지지할 수 있는 부재(member)와 상기 부재 상에 부착되어 상기 부재에서의 굴곡파 진동을 측정하고 신호를 프로세서로 전송하 는 센서를 포함하며, 그로 인해 상기 부재의 표면상에 이루어진 접촉과 관련된 정보가 접촉에 의해 상기 부재에 발생하는 굴곡파 진동의 변화로부터 계산된다.

굴곡파 진동은 예를 들어 접촉에 의한 여기 상태(excitation)를 의미하는데, 이는 상기 부재에 소정의 평면 외 변위를 부여한다. 많은 물질들이 굴곡하는데, 일부는 완전 제곱근 분산 관계로 순수 굴곡을 하고, 일부는 순수 및 전단(shear) 굴곡이 혼합되어 굴곡한다. 분산 관계는 파동의 주파수에 대한 파동의 평면 내 속도의 종속성을 나타낸다.

굴곡파는 증가된 견고성과 표면 긁힘에 대한 감소된 민감성 등과 같은 이점을 제공한다. 하지만, 굴곡파는 분산성이다, 즉 굴곡파 속도와 "타임 오브 플라이트"는 주파수에 종속적이다. 일반적으로, 임펄스(impulse)는 넓은 범위의 성분 주파수를 포함하여, 따라서 만약 임펄스가 짧은 거리를 이동하면, 고주파 성분이 먼저 도달할 것이다. WO 01/48684 와 PCT/GB2002/003073 에서, 레이더 및 소나(sonar) 분야에서 사용되는 기술이 접촉 지점을 탐지하는데 적용될 수 있도록, 측정 굴곡파 신호를 비-분산 파원(non-dispersive wave source)으로부터의 전파 신호(propagation signal)로 변환하기 위한 정정이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 굴곡파를 지지할 수 있는 부재; 상기 부재 상에 부착되어 상기 부재의 굴곡파 진동을 측정하고, 측정 굴곡파 신호를 결정하는 3개의 센서; 및 상기 측정 굴곡파 신호로부터 상기 부재 상의 접촉 지점을 계산하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 각각의 측정 굴곡파 신호에 대해 위상각을 계산하고, 다음에 상기 접촉 지점이 결정되는 적어도 두 쌍의 센서의 위상각 사이의 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치가 제공된다.

본 발명의 제 2 측면에 따르면, 굴곡파를 지지할 수 있는 부재와 상기 부재 상에 부착되어 상기 부재의 굴곡파 진동을 측정하기 위한 3개의 센서를 제공하는 단계; 상기 부재의 한 지점에 접촉하는 단계; 측정 굴곡파 신호를 결정하기 위해 각각의 센서를 이용하는 단계; 및 상기 측정 굴곡파 신호로부터 접촉 지점을 계산하는 단계를 포함하고, 각각의 측정 굴곡파 신호에 대한 위상각을 계산하는 단계; 적어도 두 쌍의 센서의 위상각 사이의 위상차를 계산하는 단계; 및 상기 적어도 두 개의 계산된 위상차로부터 상기 접촉 지점을 결정하는 단계를 특징으로 하는 접촉 감응 장치상의 접촉에 관한 정보 결정 방법이 제공된다.

이하의 특징들은 다수의 계산 또는 상기 방법의 처리 단계를 제공하기 위해 적응된 프로세서와 함께 상기 장치와 방법 모두에 적용될 수 있다.

부재의 모서리에 접촉하여 흡수재(absorber)를 배치함으로써 반사파는 억제될 것이다. 흡수재 및 부재의 기계적 임피던스(mechanical impedance)는 상기 부재의 모서리로부터의 굴곡파의 반사를 최소화하기 위해 선택될 것이다. 특히, 굴곡파 에너지가 선택된 주파수 ω₀ 근처의 주파수 대역에서 크게 흡수되도록, 임피던스는 선택될 것이다. 흡수재의 임피던스는 저항성이고, 컴플라이언트(compliant) 하도록선택될 것이다. 임피던스는 Z_T가 흡수재의 종단 임피던스이고, Z_B는 부재의 모서리의 기계적 임피던스일 때 다음 식을 만족하도록 선택될 것이다.

흡수재는 열린 또는 닫힌 셀을 가질 수 있고, 폴리우레탄(polyurethane) 또는 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC)일 수 있는, 발포 플라스틱(foamed plastics)으로 만들어질 것이다. 예를 들어, 발포재는 MIERS^TM와 같은 소프트 PVC 현저한 닫힌 셀 발포재이거나, 중고밀도 열린 셀 폴리우레탄 발포재일 것이다. 적당한 것으로 알려진 다른 종류의 발포재는 아크릴(acrylic) 닫힌 셀 발포재이다. 이러한 것들은 높은 정도의 댐핑(damping)과 상대적으로 높은 강성(stiffness)을 가질 것이다. 이런 특성은 유리와 같은 딱딱하고(stiff), 무거운(heavy) 물질의 모서리 종단에 특히 적합하다. 예시는 3M 시리얼 번호 4956, 4910, 4950 및 4655를 포함한다. 흡수재는 부재의 주변부 주위에서 실제로 확장될 것이다. 흡수재는 프레임 내 또는 다른 표면에 대해 부재를 지지하는 마운팅(mounting)으로서 동작할 것이다.

부재는 그 표면상에 돌출 패턴(raised pattern)을 포함할 수 있고, 그래서 표면을 가로질러 이루어진 접촉이 부재에 굴곡파를 발생시키기 위해 부재에 가변력(variable force)을 제공한다. 패턴은 주기적이거나, 또는 파동이 통계적으로 명확하게 공간 분포되어 있는 준-주기적(quasi-periodic)일 것이다. 패턴은 무작위이어서 부재의 표면을 따라 이동하는 접촉은 무작위의 굴곡파 신호를 생성할 것이다. 무작위로 돌출된 패턴은 반사-방지 코팅(anti-reflective coating), 안티-글레어 표면 피니쉬(anti-glare surface finish) 또는 에칭된 피니쉬(etched finish)일 것이고, 이런 것들은 전자 디스플레이의 전면에 배치되는 많은 알려진 투명 패널에서 발견된다.

각각의 측정 굴곡파 신호는 선택된 주파수 ω ₀ 를 중심으로 하는 통과-대역(pass-band)을 지니고, 대역폭(bandwidth) Δω를 가지는 대역-통과 필터(band-pass filter)에 의해 처리될 수 있다. 필터의 대역폭 Δω는 굴곡파가 원래 주파수와 다른 주파수로 도달하는 도플러 효과(Doppler effect)에 초점을 맞추어 선택되는 것이 바람직하다. 따라서, 대역폭은 다음 관계를 따르는 것이 바람직하다.

여기서 v_max는 표면을 가로지르는 접촉의 최대 횡 속도이며, 예를 들어 만약 접촉이 스타일러스(stylus)에 의해 제공되면, v_max는 사용자가 스타일러스를 움직일 수 있는 최대 속도이다.

각각의 필터링된 신호의 위상은 기준 신호와 비교하여 측정될 것이다. 기준 신호는 ω ₀ 의 주파수를 가진다. 측정된 위상은 입력 신호와 기준 신호 사이의 평균 위상차이고, 2π/Δω의 간격으로 최적으로 측정된다. 선택적으로, 기준 신호는 제 2 센서로부터 필터링된 신호로부터 얻어질 수 있고, 이 경우 측정 위상은 두 입력 신호 사이의 위상차이다.

위상차는 10ms보다 작은 간격인 2π/Δω의 간격에서 계산될 것이다. 기준 및 입력 신호는 위상 검출기(phase detector)로 입력될 것이다. 위상 검출기로부터의 출력은 대략 Δω/2의 컷-오프(cut-off) 주파수를 가지는 저역-통과 필터(low-pass filter)를 거치게 되고, 디지타이저(digitiser)를 지나고 마지막으로 위상각 θ을 계산하기 위한 프로세서로 입력될 것이다.

두 측정 굴곡파 신호의 순간 위상(instantaneous phase), θ _l(t)와 θ _m(t)는 위상차식을 만족할 것이다.

여기서 Δx_lm = x_l - x_m (x_l 및 x_m은 접촉지점으로부터 각각 m과 l로 불리는 각 센서까지의 거리)이고, k(ω)는 파동벡터이다. 만약 두 센서 사이의 경로 길이 차가

로 정의되는 대역통과 필터의 코히어런스(coherence) 길이보다 작으면 이 식은 만족될 것이다.

따라서 코히어런스 조건은 │Δx _lm │<<x _c 이다. 만약 코히어런스 조건이 만족되지 않으면, 상기 위상식은 만족될 수 없을 것이다.

그러므로, n _lm 의 값과 위상각차는 접촉 지점을 결정하기 위해 요구된다. Δx _lm 의 크기를 한 파장의 반보다 작은 값으로 억제하도록, 즉 │Δ x _lm │<<π/k(ω ₀ ) 이 되도록 부재의 형태가 선택될 것이다. 이 경우에, 조건 │Δx _lm │<<π/k(ω ₀ ) 을 만족하는 모든 가능한 값에 대해, │Δθ _lm - 2πn _lm │<π 를 만족하는 정수인 n _lm 이 단지 하나가 있다. 선택적으로, n은 어떤 방법으로 추정되거나 추론될 수 있다.

정수 n _lm 의 가능한 값의 범위와 조합하여 각각의 위상각 차는 연속의 경로 길이 차를 생성하도록 사용될 것이고, 그것으로 접촉의 가능한 지점을 표시하는 부재의 표면 상의 연속된 개개의 쌍곡선을 정의할 것이다. 각각의 경로 길이 차에 의해 정의되는 각 쌍곡선을 그리고, 많은 수의 쌍곡선이 교차하거나 거의 교차하는 지점을 선택함으로써, 접촉 지점은 결정될 것이다. 이 지점은 실제 접촉 지점에 거의 일치할 것이다.

n _lm 을 알지 못할 때, 접촉 지점을 결정하기 위해 요구되는 연속된 쌍곡선의 최소 개수는 3개이고, 정확한 접촉지점을 결정할 가능성은 그려지는 쌍곡선의 수가 많아 질수록 증가한다. 복수 개의 센서가 사용되어, 위상각 차가 각 센서 쌍에 대해 계산되고, 따라서 복수 개의 쌍곡선을 생성할 수 있을 것이다. 이 실시예에서, 센서의 최소 개수는 3개이다.

선택적으로, n _lm 을 알지 못할 때, 각 센서로부터의 측정 굴곡파 신호는 둘 또는 그 이상의 개별 주파수 대역으로 분할되어, 각 주파수 대역과 각 센서 쌍에 대해 위상각 차가 계산될 것이다. 복수개의 위상각 차가 단일 센서 쌍으로부터 계산될 것이지만, 다른 주파수에서의 위상각 차는 같은 경로 길이 차로부터 얻어진다. 따라서 센서의 최소 개수는 3개이다. 다른 통과-대역 주파수를 가지는 적어도 2개의 대역-통과 필터에 의해 굴곡파 신호를 처리함으로써, 주파수 대역의 분리는 이루어질 것이다. 예를 들어, 주파수 ω ₀ + ω _δ 와 ω ₀ - ω _δ 를 가지는 두 개의 대역-통과 필터를 사용하여, 두 센서로부터의 위상각 차 Δθ _a, Δθ _b 가

로 정의될 것이고, 여기서 Δx 는 접촉점과 센서의 위치에 위해 정의되는 단일 경로-길이 차이다.

그러므로 측정 위상각 차가 경로-길이 차의 유사한 값을 추정하도록 n_a및 n_b의 값이 선택될 것이다. 이것이 가능한 단지 하나의 (n_a, n_b)의 조합이 있을 것이다. 이 경우에 경로-길이 차의 실제 값이 결정될 것이다. 정확한 조합 (n_a, n_b)은 식

을 최소화하는 값의 조합으로써 결정될 것이다.

그러면 경로 길이 차는

로써 추정될 것이다.

이 과정이 두 쌍의 센서에 대해 반복되면, 두 개의 경로 길이 차가 결정될 것이고, 따라서 접촉 지점을 결정하기 위해 사용될 것이다.

선택적으로, n _lm 을 알지 못할 때, 접촉 지점의 초기 결정은 WO 01/48684 및 PCT/GB2002/003073 (도 11에서 요약된)에서 설명된 방법을 사용하여 이루어질 것이다. 그 후 접촉점이 굴곡파보다 더 천천히 움직이고, 그러므로 위상각 차가 시간스케일 Δt에 대해 작게 증가하면서 변할 것이라고 가정할 것이다. 따라서, n의 각 값은 경로 길이 차의 변화를 최소화하도록 선택될 것이다.

측정 위상각 차는 n의 부정확한 값의 선택을 야기하는 무작위 에러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주지의 칼만 필터(Kalman filter)와 같은 상태-공간 추정기(state-space estimator)에 의해 n의 연속적인 시퀀스의 가능성을 평가함으로써, 이 에러는 경감될 수 있다. 가능성의 최대 측정값을 가지는 시퀀스가 선택될 것이다.

상태-공간 추정기는 노이즈가 있는 측정이 이루어지는 시스템의 내부 상태의 추정을 제공한다. 상태-공간 추정기로의 필요한 입력은 시스템 상태의 발전의 통계적인 설명이다. 그런 상태의 예는 부재와 접촉하는 물체의 위치와 속도를 기술하는 좌표의 세트이다. 칼만 필터 및 다른 상태-공간 추정기는 관찰되고, 노이즈가 있는 측정의 시퀀스가 시스템 상태 모델과 일치하는 가능성의 측정값을 제공할 것이라는 것은 주지의 사실이다.

따라서, 일정한 시간에서 접촉의 위치와 속도와 같은 시스템 상태을 추정하기 위해, 다른 시간(즉 t₁, t₂, t₃, ...)에서의 경로-길이 차 쌍의 시퀀스(즉 Δx₁₂ 및 Δx₃₄)를 취하도록 상태-공간 추정기는 사용될 것이다. 나아가, 시스템 모델과 일치하는 경로-길이 차의 값의 모든 가능성이 평가될 것이다.

경로-길이 차의 시퀀스가 위상-각 차의 시퀀스와 정수( n = n(t₁), n(t₂), n(t₃), ...)의 세트로부터 얻어질 때, 상태-공간 추정기로부터 생성되는 가능성의 측정값이 정확한 n 값이 선택되는 가능성을 추측하기 위해 사용될 것이다. 정확한 정수 n의 시퀀스를 선택하기 위한 방법은 상태-공간 추정기가 가능성의 최대 측정값을 주는 시퀀스를 찾는 것이다.

상기에서 언급된 것처럼, 상태 공간 추정기는 소정의 시스템 상태의 발전의 통계적인 설명을 사용한다. 접촉의 움직임에 대한 적절한 모델은 단순한 무작위 워크(random walk)일 것이다. 선택적으로, 모델은 어떻게 사용자가 스타일러스 또는 손가락을 움직이는지에 대한 상세한 통계적 설명을 사용할 것이다. 하나의 예는 텍스트 또는 개개의 글자를 쓸 때 사용자가 어떻게 펜을 움직이는 지에 대한 통계적인 설명이다.

프로세서는 또한 결정 과정에서 접촉이 기대되는 장소에 대한 가능한 정보를 포함하도록 적응될 것이다. 예를 들어, 만약 부재가 사용자에게 누를 수 있는 '버튼' 선택이 제공되는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface)에 대한 입력 장치라면, 부재 상의 어떤 접촉도 버튼에 대응하는 개별 영역에서 일어난다고 가정하는 것이 유용할 것이다.

선택적으로, 사용자의 예상 행동에 기초한 접촉이 일어날 수 있는 확률 맵이 사용될 수 있다. 본 장치는 확률 맵을 생성하도록 적응되는 애플리케이션 프로그램 인터페이스(application program interface, API)에 의해 운영체제(operating system)와 상호작용하는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface, GUI)를 지닌 소프트웨어 애플리케이션을 포함할 수 있다. 확률 맵은 그래픽 사용자 인터페이스에 의해 제공되는 물체의 위치, 크기, 및 사용 주파수에 기초할 것이다. 확률 맵은 또한 다양한 GUI 요소가 활성화되는 상대적 가능성에 대한 정보에 기초할 수 있다.

이하의 특징은 본 발명의 모든 실시예에 적용될 수 있다. 상기 장치는 접촉이 부재를 가로질러 움직일 때 시간에 따른 상기 각 센서로부터의 측정 굴곡파 신호를 기록하는 수단을 포함할 것이다. 접촉에 관련된 정보는 중앙 프로세서에서 계산될 것이다. 센서는 부재의 모서리에 또는 떨어져서 설치될 것이다. 센서는 굴곡파 진동을 아날로그 입력 신호로 바꾸는 감지 트랜스듀서(sensing transducer)의 형태일 것이다.

부재는 플레이트 또는 패널의 형태일 수 있다. 부재는 투명하거나 또는 선택적으로 예를 들어 인쇄 패턴(printed pattern)을 가지는 불투명일 수 있다. 부재는 균일한 두께를 가질 것이다. 선택적으로, 부재는 보다 복잡한 형태, 예를 들어 곡면 표면 및/또는 가변 두께를 가질 것이다.

상기 장치는 굴곡파 진동을 지닌 순수 수동 센서일 수 있고, 따라서 측정된 굴곡파 신호는 접촉의 초기의 충격 또는 마찰 이동에 의해 생성될 것이다. 접촉은 손가락 또는 손에 쥐는 펜 형태일 수 있는 스타일러스에 의한 터치 형태일 것이다. 부재상에서의 스타일러스의 움직임은 부재상의 스타일러스의 위치, 압력 및 속도에 의해 영향받는 연속적인 신호를 생성할 것이다. 스타일러스는 예를 들어 고무로 된 유연한 팁(tip)을 가질 것이고, 가변력을 가함으로써 부재 상에 굴곡파를 생성할 것이다. 가변력은 선택적으로 부재의 표면에 부착되거나 또는 가로질러 미끄러지는 팁에 의해 제공될 것이다. 팁이 부재를 가로질러 이동함에 따라, 어떤 한계값에서 팁과 부재사이의 부착을 해제시켜서 팁이 표면을 가로질러 미끄러지도록 하는 인장력(tensile force)이 생성될 수 있다. 굴곡파는 초음파 영역(> 20 kHz)에서 주파수 성분을 가질 것이다.

부재는 또한 음파 방출기(acoustic radiator)일 수 있고, 음파 출력을 생성하기 위해 부재상에 굴곡파 진동을 여기하도록 방사 트랜스듀서(emitting transducer)가 부재상에 부착될 수 있다. 트랜스듀서의 오디오 신호의 주파수 대역은 센서로부터의 측정되는 주파수 대역과 다르고, 중첩되지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 오디오 대역은 20kHz 이하의 주파수에 제한되고, 진동 측정값은 20kHz 이상의 주파수에 제한되도록, 오디오 신호가 필터링될 것이다. 센서는 이중의 기능을 가질 수 있고, 방사 트랜스듀서로서 동작할 것이다.

상기 각 방사 트랜스듀서 또는 센서는 부재에 직접 접착되는 벤더 트랜스듀서(bender transducer), 예를 들어 압전(piezoelectric) 트랜스듀서일 것이다. 선택적으로, 상기 각 방사 트랜스듀서 또는 센서는 단일 지점에서 부재상에 결합된 관성(inertial) 트랜스듀서일 수 있다. 관성 트랜스듀서는 전기역학적(electrodynamic) 또는 압전 트랜지듀서일 것이다.

본 발명에 따른 접촉 감응 장치는 휴대폰, 랩탑(laptop) 또는 PDA(personal data assistant)에 포함될 것이다. 예를 들어, 종래에 휴대폰에 달렸던 키패드는 본 발명에 따른 터치 감응성의 연속 몰딩(continuous moulding)으로 대체될 수 있다. 랩탑에서, 마우스 컨트롤러로서 기능하는 터치패드는 본 발명에 따른 접촉 감응성의 연속 몰딩으로 대체될 수 있다. 선택적으로 접촉 감응 장치는 디스플레이 스크린, 예를 들어, 굴곡파를 여기하거나 감지하는 데 사용될 수 있는 액정을 포함하는 액정 디스플레이 스크린(liquid crystal display screen)일 수 있다. 디스플레이 스크린은 접촉에 대한 정보를 제공할 수 있다.

첨부 도면에는 예시로서 본 발명이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 터치 감응 장치의 도식적 평면도.

도 2는 도 1의 장치의 도식적 사시도.

도 3은 일차원 빔의 도식적 측면도.

도 4a는 주파수(Hz)에 대한 반사 계수의, 비율이기 때문에 단위가 없는 진폭을 보여주는 그래프.

도 4b는 주파수(Hz)에 대한 반사 계수의 위상(라디안으로)을 보여주는 그래프.

도 5a및 5b는 다른 터치 감응 장치의 도식적 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 접촉 지점을 찾기 위한 방법의 플로우차트(flowchart).

도 7a는 위상각을 계산하기 위해 사용되는 장치의 도식적 블록도.

도 7b는 도 7a의 장치와 함께 사용되는 장치의 도식적 블록도.

도 8a 내지 8d는 경로 길이 차의 쌍곡선을 보여주는 본 발명에 따른 장치의 평면도.

도 9는 위상각을 계산하기 위해 사용되는 다른 장치의 도식적 블록도.

도 10은 접촉 지점을 계산하는 다른 방법을 보여주는 플로우차트.

도 11은 분산 수정 상관 함수(dispersion corrected correlation function)를 사용하여 접촉 지점을 계산하는 방법을 보여주는 플로우차트.

도 11a는 시간에 대한 분산 수정 상관 함수의 그래프.

도 12a는 또한 확성기(loudspeaker)로서 동작하는 접촉 감응 장치의 도식적 블록도.

도 12b는 도 12a의 장치에서 오디오 신호와 측정 굴곡파 신호를 분리하는 방법.

도 1은 디스플레이 장치(14)의 전면에 부착된 투명한 터치 감응 플레이트(12)를 포함하는 접촉 감응 장치(10)를 보여준다. 디스플레이 장치(14)는 텔레비전, 컴퓨터 스크린 또는 다른 시각적 디스플레이 장치의 형태일 수 있다. 펜 형태인 스타일러스(18)는 텍스트(20) 또는 다른 필기물을 터치 감응 플레이트(12)에 쓰는 데 사용된다.

투명한 터치 감응 플레이트(12)는 굴곡파 진동을 지지할 수 있는 부재, 예를 들어 음파 장치이다. 도 2에서 보여지는 것처럼, 플레이트(12)에서 굴곡파 진동을 측정하기 위한 4개의 센서(16)가 플레이트의 밑면에 부착된다. 센서(16)는 압전 진동 센서의 형태이고, 플레이트(12)의 각 모서리에 부착된다. 또한 센서(16) 중의 적어도 하나는 플레이트에서 굴곡파 진동을 여기하기 위한 방사 트랜스듀서로서 동작할 것이다. 이 방법으로, 상기 장치는 결합된 확성기와 접촉 감응 장치로서 동작할 수 있다.

발포 플라스틱으로 만들어진 마운팅(22)은 플레이트(12)의 밑면에 부착되고, 플레이트(12)의 주위를 따라 실제로 확장된다. 마운팅(22)은 접착성의 표면을 가지고, 그래서 부재는 어떤 표면에도 안전하게 부착될 수 있다. 마운팅과 플레이트의 기계적 임피던스는 플레이트 모서리로부터의 굴곡파의 반사를 최소화하도록 선택될 것이다.

마운팅과 플레이트의 기계적 임피던스 사이의 관계는 도 3에서 보여지는 일차원 모델을 고려함으로써 근사될 것이다. 모델은 종단 임피던스를 가지는 모서리 마운팅(36)에서 종단되는 빔(beam)의 형태의 도파관(waveguide)(34)을 포함한다. 도파관(34)을 따라 이동하는 입사파(38)는 반사파(40)를 형성하기 위해 마운팅(36)에 의해 반사된다. 입사파와 반사파는 모서리에 수직인 방향으로 이동하는 평면파이다. 마운팅(36)이 다음 경계 조건

(i) 종단 임피던스는 단지 횡속도에만 결합한다, 즉 어떤 토크 저항(torque resistance)도 제공하지 않으며, 그래서 휨 모멘트(bending moment)는 모서리에서 0과 같고,

(ii) 모서리에서의 횡 전단력(lateral shear force)과 속도의 비는 종단 임피던스와 같다;

를 만족하는 것으로 가정하면, 마운팅에서의 반사 계수는

로 주어지고, 여기서 Z _T 는 마운팅의 종단 임피던스이고, Z _B 는

로 주어지는 도파관 끝의 기계적 임피던스이고, 여기서 k(ω) 는 패널의 휨 강성(bending stiffness), B와 단위 면적당 질량, μ로 표현되는 파동벡터일 것이다.

그러므로, 반사 계수는 도파관과 마운팅의 끝에서의 임피던스의 비에 의해 결정된다. 또한, 도파관의 임피던스는 주파수의 제곱근에 비례하고, 같은 웨이트(weight)에서 실수이면서, 리액티브(reactive)이다 (즉, π/4 위상각). 따라서, 반사 계수는 크게 주파수 종속적일 것이다.

만약 다음 조건이 만족되면:

반사 계수는 0이 된다, 즉, 굴곡파 에너지가 ω₀ 근처의 주파수 대역에서 크게 흡수된다.

따라서, 마운팅의 종단 임피던스는 실수와 허수 부분을 모두 가져야 하고, 또는, 동일하게, 마운팅은 저항성이면서, 컴플라이언트(compliant) 해야만 한다.

예를 들어, 플레이트는 단위 면적당 질량, μ=1.196 kg m^-2 와 휨 강성, B=0.38 Nm을 가지는 1mm 두께의 폴리카보네이트 시트(polycarbonate sheet) 일 것이다. 상기 식은 플레이트와 선택된 각주파수 ω₀ = 2π(900 Hz) 주위의 굴곡파 에너지를 크게 흡수하기 위해 요구되는 흡수재의 임피던스를 계산하기 위해 사용될 것이다.

플레이트의 1mm 빔 근사를 위한, 단위 폭 당 임피던스는

이다.

원하는 흡수량을 제공하는 흡수재의 특성은 다음과 같다:

단위 폭 당 저항,

단위 폭 당 강성,

반사 계수는 단위가 없는 복소수이다. 도 4a 및 4b는 주파수에 따라 변하는 반사 계수 R(ω)의 진폭과 위상을 보여주는 그래프이다. 대략 900Hz 에 일치하는 ω ₀ 에서 반사 계수의 진폭은 0이고, 그 위상은 반대가 된다.

도 5a 및 5b에서, 플레이트(12)는 돌출된 표면 패턴(28, 29)의 형태에서 균일한 표면 거칠기(roughness)를 가진다. 스타일러스(18)는 경로(30)를 따라 표면을 가로질러 이동하고, 그것이 패턴의 돌출된 부분 또는 라인을 교차할 때, 부재상에 굴곡파(32)를 생성한다. 따라서 스타일러스(18)로부터의 접촉이 부재상에 굴곡파 진동의 소스를 제공한다. 도 5a에서, 표면 패턴(28)은 돌출된 교차 라인의 주기적 패턴이고, 표면 패턴(29)은 무작위 돌출 패턴이다.

도 2, 5a, 5b의 실시예에서, 접촉이 부재의 거친 표면을 이동함에 따라, 굴곡파는 접촉점으로부터 부재상에서 등방성으로 방사한다. 접촉점으로부터 거리 x에서의 부재의 변위는 전달 함수, H(ω;x)에 의해 접촉점에서의 변위와 관계된다. 파장, λ = 2π/k(ω) 보다 큰 거리에서, 전달 함수는

로 근사될 수 있고, 여기서 A는 상수이고, k(ω)는 이전에 정의된 파동벡터이다. H(ω;x)는 엄밀하게 무한 플레이트 상의 굴곡파에만 적용되지만, 마운팅이 강하게 굴곡파 진동을 흡수하기 때문에, 상기 관계가 만족된다. 굴곡파의 소스가 각주파수 ω ₀ 의 순수 사인 주파수(purely sinusoidal frequency)를 방출할 때, 소스에 대한 접촉점으로부터 거리 x₁ 과 x₂ 에 있는 두 지점에서의 변위 사이의 위상차 Δθ ₁₂ 는:

이라는 것을 전달함수는 보여준다.

이것은 위상각 차, 경로 길이 차 Δx = (x1 - x2) 및 정수 n₁₂ 사이의 다음 관계를 의미한다.

도 6은 접촉 지점을 결정하기 위해 이 식을 사용하는 방법에서의 단계를 보여준다:

a) 측정 굴곡파 신호 W _i (t) 와 W _j (t) 를 제공하기 위해 각 센서로 굴곡파 신호를 측정한다.

b) 측정 굴곡파 신호 W _i (t) 와 W _j (t) 의 위상각 θ _i (t) 및 θ _j (t) 를 계산한다.

c) 두 위상각 θ _i (t) 및 θ _j (t) 사이의 차를 계산한다.

d)

로부터 접촉 지점을 계산한다.

도 7a는 센서들 중의 하나에 의해 측정되는 굴곡파 신호 W _j (t) 의 위상각 θ _j 를 계산하는 장치의 도식적 블록도를 보여준다. 신호 W _j (t) 는 무작위 신호이고 따라서 긴 시간 스케일에 대해서 상관되어 있지 않다. 신호는 먼저 증폭기(42)에 의해 증폭되고 통과-대역의 중심이 ω ₀ 이고 대역폭이 Δω인 아날로그 대역-통과 필터(44)에 의해 처리된다.

굴곡파의 이동하는 소스는 도플러 효과를 보여줄 것이고, 그래서 주파수 ω₀를 가지고 부재상의 한 지점을 향해 속도 v로 이동하는 소스에서 방출되는 굴곡파는 그 지점에 ω ₀ - k(ω ₀ )v 로 정의되는 다른 주파수로 도착할 것이다. 부재상의 두 다른 지점에서의 굴곡파 사이의 최대 각주파수 이동은 따라서, 2k(ω ₀ )v _max 이고, 여기서 v_max는 이동하는 소스의 최대 속도이다. 만약 각주파수 이동이 대역 통과 필터의 폭보다 커지면, 상기 위상차 식은 적용할 수 없다. 따라서, 필터(44)의 대역폭 Δω은 이 최대 주파수 이동보다 크게 설정되고 다음 관계를 따른다.

필터(44)에 의해 처리된 후, 결과적인 필터링된 신호 W' _j (t) 는 주파수 ω ₀ 를 가지는 진폭 및 위상 변조 반송파이고,

로 정의되며, 여기서 A _j (t) 및 θ _j (t)는 신호의 진폭 및 위상이다. 양자는 필터의 대역폭에 의해 결정되는 시간스케일 Δt, 즉 Δt = 2π/Δω에 걸쳐 변동한다. 독립적인 위상각 측정이 대역통과 필터의 출력으로부터 행해질 수 있는 최대 주파수는 1/Δt 이다. 터치 센서가 일반적으로 매 10 ms 마다 접촉 지점의 업데이 트된 측정값을 제공하기 때문에, 위치 측정의 최소 주파수에 대한 조건은 Δt < 10ms 이다.

필터링된 신호

는 두 아날로그 위상 검출기(46)로 동시에 지나게 된다. 이런 검출기는 당업계에서 잘 알려져 있으며, 예를 들어 호로위츠(Horowitz) 와 힐(Hill)의 "전자공학의 아트(The Art of Electronics)"의 644페이지를 참조하라. 각각 주파수 ω ₀ 와 위상차 π/2를 가지는 기준 신호가 또한 두 개의 위상 검출기로 입력된다. 위상 검출기의 출력은 각각 대략 Δω/2의 컷-오프 주파수를 가지는 저역-통과 필터(48)를 통해 지나간다. 저역-통과 필터의 출력은 cos(θ _j ) 와 sin(θ _j )에 각각 비례한다. 이러한 출력은 디지타이저(50)에 의해 디지털화되고 위상각 θ _j 을 제공하기 위해 프로세서(52)에 의해 처리된다.

도 7b는 도 7a에서 사용되는 기준 신호가 어떻게 생성되는 지를 보여준다. 제 2 굴곡파 신호 W _i (t) 는 제 2 센서에서 측정된다. 신호는 필터링된 신호 W' _j (t) 를 생성하기 위해 증폭기(42)와 아날로그 대역-통과 필터(44)를 통해 입력된다. 필터링된 신호 W' _j (t)는 하나의 위상 검출기(46)로 직접 입력되는 기준 신호를 형성한다. 필터링된 신호는 또한 그 위상을 π/2만큼 이동시키는 장치를 통해 제 2 위상 검출기(46)로 입력된다. 위상 이동된 신호는 제 2 위상 검출기(46)에 대한 기준 신호로 사용된다.

도 8a 내지 8d는 어떻게 위상각 차 및 경로 길이 차가 접촉 지점을 계산하는 데 사용될 수 있는지를 보여준다. 도 6의 단계 (d)의 식은 플레이트(12)에 씌워질 수 있는 쌍곡선을 정의한다. 도 8a는 n_lm의 3가지 다른 값과 플레이트(12)의 작은 면의 각 끝에 부착된 한 쌍의 센서(16)에 대해 계산된 위상각 차를 이용하여 생성되는 3개의 쌍곡선(26)을 보여준다. 유사하게 도 8b와 도 8c는 두 개의 다른 센서 쌍에 대한 위상각 차와 n_lm의 다른 값에 의해 생성되는 쌍곡선(26)을 보여준다. 도 8d는 센서에 의해 생성되는 모든 쌍곡선을 보여준다. 접촉 지점(24)은 3개의 쌍곡선의 교차지점이고, 각각의 쌍곡선은 각 센서 쌍으로부터 얻어진다. 접촉 지점(24)으로부터, n_lm의 정확한 값이 추론될 수 있다.

n을 추론하는 방법은 도 9에서 보여지는 실시예를 사용하여 구현된다. 각 센서에 의해 측정되는 굴곡파 신호 W _j (t) 는 두 개의 대역-통과 필터(48, 54)에 의해 동시에 처리된다. 각 필터에 대해 하나씩인, 두 개의 위상각이 예를 들어 도 7에 기술되는 것처럼 계산된다. 필터(48, 54)는 약간 다른 통과-대역 주파수를 가져서, 각 통과-대역 주파수에 대해 하나씩인, 두 개의 위상각 차가 각 센서 쌍에 의해 제공된다.

센서들로부터의 위상각 차 Δθ_a, Δθ_b가

로 정의될 것이고, 여기서 Δx 는 접촉과 센서의 위치에 위해 정의되는 단일 경로-길이 차이다.

정확한 조합 (n_a, n_b)은 식

을 최소화하는 값의 조합으로써 결정될 것이다.

그러면 경로 길이 차는

로서 추정될 것이다.

다른 센서 쌍은 제 2 경로 길이 차를 결정하기 위해 사용될 것이다. 각각의 경로 길이 차는 패널 상의 쌍곡선을 정의한다. 이 두 쌍곡선의 교차점이 접촉 지점이다. 도 8a 내지 8d에서처럼 쌍곡선이 그려져서, 가장 많은 개수의 쌍곡선이 교차하는 지점이 실제 접촉 지점일 것이다.

도 10은 상기 식으로부터 접촉 지점을 계산하는 다른 방법을 보여준다, 즉

i. 하나의 신호가 하나의 센서에 의해 측정되는, 굴곡파 신호 W _i (t) 와 W _j (t) 의 쌍을 측정한다;

ii. 도 11과 도 11a에서 기술된 방법을 사용하여 두 신호의 분산 수정 상관 함수를 계산한다;

iii. 도 11과 도 11a에서 기술된 것처럼, 분산 수정 상관 함수를 사용하여 초기 접촉 지점을 계산한다;

iv. 굴곡파 신호 W _i (t) 와 W _j (t) 를 다시 측정한다;

v. 예를 들어 도 7a 및 7b에 기술된 것처럼 각 신호의 위상각을 계산한다;

vi. 위상각 사이의 차를 계산한다;

vii. 경로 길이 차에서의 변화를 최소화하기 위해 n_lm의 값을 선택한다;

viii.

로 정의되는 쌍곡선을 그린다.

ix. 규칙적인 간격 Δt, 예를 들어 Δt = 2π/Δω에서 굴곡파 신호를 다시 측정하면서, 단계 (iv)로부터 (viii)를 반복한다.

단계 (viii)에서 접촉 지점을 결정하기 위해 다른 센서 쌍으로부터의 최소 두 개의 쌍곡선이 요구된다. 그러므로 전체 과정이 적어도 두 쌍의 센서에 대해 동시에 수행되어야 한다. 그래서 두 개의 위상각 차의 최소 개수가 결정되어야 한다. 두 개의 위상각 차는 두 개의 센서를 이용하고, 도 9에 기술된 것처럼 신호를 두 개의 주파수 대역으로 분리함으로써 생성될 수 있다. 선택적으로, 복수개의 위상각 차가 다른 센서 쌍을 이용하여 계산될 수 있도록 복수개의 센서가 이용될 수 있다.

도 11은 접촉 지점과 센서 사이의 경로 길이에서의 차를 밝히기 위해 분산 수정 상관 함수를 계산하는 방법을 보여준다. 아래에 보여지는 방법은 PCT/GB2002/003073에서의 정보를 요약한다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:

(a) 두 개의 굴곡파 신호 W₁(t) 와 W₂(t)를 측정한다.

(b)

와

및 중간 함수

에 이르도록 W₁(t) 와 W₂(t)의 푸리에 변환을 계산한다; 여기서

는 복소수 켤레 푸리에 변환이고, t는 시간을 나타내고, f가 주파수일때 ω는 2πf이다.

(c)

의 함수인 제 2 중간 함수 M(ω)를 계산한다.

(d) 및 (e), 단계 (a) 내지 (c)를 수행함과 동시에, 주파수 신장 연산

이 소정의 패널 분산 관계

를 이용하여 계산된다.

(f) 분산 수정 상관 함수

에 이르도록 M(ω) 및

가 결합된다.

(g) 도 11a에서 보여지는 것처럼, 시간 t₁₂에서 피크가 발생하는 분산 수정 상관 함수가 시간에 대해 그려진다.

(h) Δx₁₂는 t₁₂로부터 계산된다; Δx₁₂는 제 1 및 제 2 센서로부터 접촉점까지의 경로 길이 x1 과 x2 사이의 경로-길이 차이다.

(i) 접촉지점을 계산하기 위해 Δx₁₂는 도 7에서처럼 그려지는 쌍곡선을 정의한다.

도 10의 방법에 있어서, 접촉 지점을 결정하기 위해서는 최소 두 개의 쌍곡 선이 요구된다. 따라서 상기에서 논의된 많은 쌍곡선을 생성하는 방법이 이 방법에도 마찬가지로 적용된다.

제 2 중간 함수 M(ω)는 단순히 표준 분산 수정 상관 함수를 제공하는

일 것이다. 선택적으로, M(ω)는 모두가 표준 분산 수정 상관 함수에 대해 위상이 동일한 함수를 제공하는 이하의 함수로부터 선택될 것이다.

a)

b)

c) φ(x)가 실수 함수일 때,

d) ψ(ω)가 실수 함수 일 때,

선택적으로, M(ω)는 상관 함수 D(t):

의 푸리에 변환인 함수

일 것이다.

상기 단계들은 D(t)를 계산하고;

를 계산하고, 분산 수정 상관 함수:

에 이르도록 주파수 신장 연산을 적용한다.

선택적으로, 단계 (f)에서 다음 분산 수정 상관 함수가 계산될 것이다:

여기서

이고,

및

는 두 개의 측정 굴곡파 신호

및

의 푸리에 변환과 복소수 켤레 푸리에 변환이고,

는 경로-길이 차이다.

센서는 제 1 및 제 2 센서 양자 모두로 동작할 수 있고, 그래서 분산 수정 상관 함수는 자기상관 함수(autocorrelation function)이다. 자기상관 함수는 W₁(t) = W₂(t)를 이용하여 분산 수정 상관 함수에 대해 같은 단계를 적용하여 계산될 수 있다.

도 12a는 확성기로 또한 동작하는 접촉 감응 장치를 보여준다. 도 12b는 처리된 측정 신호에 대한 오디오 신호의 기여를 억제하기 위해, 오디오 신호와 측정 신호를 두 개의 별개의 주파수 대역으로 분리하는 방법을 보여준다. 상기 장치는 방사 트랜스듀서 또는 엑추에이터(actuator)(108)에 의해 굴곡파가 생성되는 부재(106)와 접촉부를 포함한다. 방사 트랜스듀서는 음파 출력을 생성하기 위해 부재(106)에 오디오 신호를 적용한다. 부재로 적용되기 전에, 도 12b에서 보여지는 것처럼, 한계 주파수 f₀이상의 오디오 신호를 제거하는 저역 통과 필터(112)에 의해 오디오 신호는 필터링된다.

도 12b에서 보여지는 것처럼, 접촉은 넓은 주파수 대역에 걸쳐 실제로 일정한 파워 출력을 가지는 신호를 생성한다. 접촉으로부터의 신호와 오디오 신호는 결합 신호를 제공하기 위해 합쳐지고, 한계 주파수 f₀이상의 신호를 제거하는 고역 통과 필터(114)를 통과한다. 그리고, 필터링된 신호는 디지타이저(116)와 프로세서(118)를 통과한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 접촉 감응 장치 등에 이용할 수 있다.

Claims (31)

1. 굴곡파를 지지할 수 있는 부재;

   상기 부재의 굴곡파 진동을 측정하기 위해 상기 부재 상에 부착되며, 각각이 측정 굴곡파 신호를 결정하는 적어도 3개의 센서; 및

   상기 측정 굴곡파 신호로부터 상기 부재 상의 접촉 지점을 계산하는 프로세서를 포함하고,

   상기 프로세서는 기준 신호와의 비교를 통해 각각의 측정 굴곡파 신호에 대한 위상을 계산하고,

   상기 프로세서는, 상기 적어도 3개의 센서 중 적어도 2개의 센서 쌍의 상기 계산된 위상들 사이의 위상차를 계산하여, 적어도 2개 위상차가 상기 접촉 지점을 결정하는데 계산 및 이용되도록 하고,

   상기 각 센서 쌍의 계산된 위상들 간 위상차는 Δθ_lm = θ_l-θ_m(여기서, θ_l 및 θ_m은 측정 굴곡파 신호 각각의 계산된 위상)으로 주어지는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부재의 모서리에 반사파를 억제시키는 흡수재를 포함하고,

   상기 흡수재와 상기 부재의 기계적 임피던스는 상기 부재의 모서리로부터의 굴곡파의 반사를 최소화하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 부재는 그 표면상에 돌출 패턴을 포함해서, 상기 표면을 가로질러 이루어진 접촉이 상기 부재에 굴곡파를 생성시키기 위한 힘을 상기 부재에 제공하는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   측정 굴곡파 신호 쌍의 분산 수정 상관 함수를 이용하여 상기 접촉의 초기 위치를 결정하는 수단; 및

   측정 굴곡파 신호 쌍 사이의 계산된 위상차를 이용하여 상기 접촉의 다음 위치를 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 부재는 음파 방출기이고, 음파 출력을 생성하기 위해 상기 부재상에 굴곡파 진동을 여기하도록 방사 트랜스듀서가 상기 부재상에 부착되고,

   상기 음파 출력과 측정 굴곡파 신호는 별개의 주파수 대역에 있는 것을 보장하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치.
6. 굴곡파를 지지할 수 있는 부재와 상기 부재의 굴곡파 진동을 측정하기 위해 상기 부재 상에 부착되는 3개의 센서를 제공하는 단계;

   상기 부재의 한 지점에 접촉하는 단계;

   측정 굴곡파 신호를 결정하기 위해 각각의 센서를 이용하는 단계; 및

   상기 측정 굴곡파 신호로부터 상기 접촉 지점을 계산하는 단계를 포함하고,

   상기 접촉 지점을 계산하는 단계는,

   각각의 측정 굴곡파 신호에 대한 위상을 계산하고,

   상기 3개의 센서 중 적어도 2개 센서 쌍의 상기 계산된 위상 사이의 위상차를 계산하고,

   상기 적어도 2개의 계산된 위상차로부터 상기 접촉 지점을 결정하는 것을 특징으로 하며,

   상기 각 센서 쌍의 계산된 위상들 간 각각의 계산된 위상차는 Δθ_lm = θ_l-θ_m(여기서, θ_l 및 θ_m은 측정 굴곡파 신호 각각의 계산된 위상)에 의해 주어지는 접촉 감응 장치상의 접촉에 관한 정보 결정 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 부재의 모서리에 흡수재를 배치함으로써 반사파를 억제하는 단계를 포함하고,

   상기 부재의 모서리로부터의 굴곡파의 반사를 최소화하도록 상기 흡수재와 상기 부재의 기계적 임피던스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치상의 접촉에 관한 정보 결정 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 접촉 지점을 결정하는 단계는, 상기 접촉 지점을 결정하기 위해 위상차 식:

   

   을 적용하는 단계를 포함하고, 여기서, θ_i는 측정 굴곡파 신호의 계산된 위상이고, x_i는 상기 접촉 지점에서부터 각 센서까지의 거리이고, Δx_lm = x_l - x_m 은 두 센서의 경로 길이 차이고, k(ω)는 파동 벡터이고, n_lm은 미지의 정수인 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치상의 접촉에 관한 정보 결정 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 n_lm을 결정함으로써 상기 접촉 지점을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 n_lm의 결정은 한 쌍의 측정 굴곡파 신호의 분산 수정 상관 함수를 이용하여 상기 접촉의 초기 위치를 결정하고, 상기 경로 길이 차의 변화를 최소화하는 n_lm값을 선택함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 접촉 감응 장치상의 접촉에 관한 정보 결정 방법.
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