(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撓み波振動を支持可能な部材を有する接触検知装置上で接触が発生したことを示す情報を判断する方法であって、
個別の場所において前記部材との接触が生じることにより前記部材中に発生した撓み波振動を測定し、測定撓み波信号を求める段階と、
前記測定撓み波信号を処理し、前記接触が発生したことを示す情報を計算する段階と、を含み、
前記計算する段階は、周波数に依存して伝播速度が変化する前記測定撓み波信号を、周波数に関係なく一定伝播速度で伝播が進行する修正伝播信号に変換する修正を付与する段階
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
撓み波振動を支持可能な部材と、
前記部材に取り付けられ、前記部材中の撓み波振動を測定する少なくとも一つのセンサと、
前記少なくとも一つのセンサに結合されて作動するプロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、接触によって前記部材中に引き起こされ、前記少なくとも一つのセンサによって測定された測定撓み波振動から得られる、前記部材の表面上に接触が生じたことを示す情報を処理し、周波数に依存して伝播速度が変化する該測定撓み波信号を、周波数に関係なく一定伝播速度で伝播が進行する非分散性の修正伝播信号に変換する修正を行うように動作する、
ことを特徴とする接触検知装置。
【請求項３】
撓み波振動を支持できる部材を含む接触検知装置上での接触に関連する情報を求める方法であって、
前記部材に接触を生じさせ、該接触部を摩擦的に動かすことによって前記部材に撓み波振動を発生させ、
前記部材中の前記撓み波振動を測定して、測定撓み波信号を求め、
前記測定撓み波振動を処理して、接触が生じたことを示す情報を計算し、
周波数に依存して伝播速度が変化する前記測定撓み波信号を、周波数に関係なく一定伝播速度で伝播が進行する非分散性の修正伝播信号に変換するように修正を行なう
段階からなることを特徴とする方法。
【請求項４】
撓み波振動を支持できる部材を有する接触検知装置上での接触に関連する情報を求める方法であって、
接触に関連する情報を調べるために前記部材に撓み波振動を発生させ、
前記部材に対する接触の結果として前記部材中の前記撓み波振動に生じる変化を測定して測定撓み波信号を求め、
前記測定撓み波信号を処理して、前記接触が生じたことを示す情報を計算する、
段階からなり、
前記測定撓み波信号を処理する段階は、周波数に依存して伝播速度が変化する前記測定撓み波信号を、周波数に関係なく一定伝播速度で伝播が進行する非分散性の修正伝播信号に変換するように修正を行なう段階を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
撓み波振動を支持可能な部材と、
前記部材中に撓み波振動を励振して、前記部材の表面に対してなされた接触に関連する情報を調べる、前記部材に結合された放射変換器と、
前記部材中の撓み波振動を測定するための、前記部材に結合された少なくとも一つのセンサと、
前記少なくとも一つのセンサに結合されて作動するプロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、前記部材中に励振され前記少なくとも一つのセンサによって測定された測定撓み波振動に接触の結果として生じる変化から求められた、該接触が生じたことを示す情報を処理し、周波数に依存して伝播速度が変化する前記測定撓み波信号を、周波数に関係なく一定伝播速度で伝播が進行する非分散性の修正伝播信号に変換するように修正を行なう、
ことを特徴とする接触検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、接触検知装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
視覚表示装置は、何らかの形式の接触検知スクリーンを含む場合が多い。このことは、パームトップコンピュータ等の次世代携帯マルチメディア装置の出現に伴ってより一般的になってきている。接触を検知するために波を使用する最も確立された技術は、表面弾性波（ＳＡＷ）法であり、高周波をガラススクリーン表面上に生成して、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。この技術は「飛行時間」法であり、外乱が１つ又はそれ以上のセンサに到達する時間を位置の検出に利用する。この方法は、媒体が非分散的に振る舞う場合、即ち波の速度が対象物の周波数帯域にわたって著しく変動しない場合に可能である。
【０００３】
（発明の開示）
本発明は、接触検知装置上の接触に関連する情報を特定する方法を提供するものであり、本方法は、
撓み波を支持可能な部材を準備する段階と、
部材中の撓み波振動の変動を引き起こすように個別の位置で部材に接触する段階と、
部材に取り付けられ、測定された撓み波信号を特定するために、部材中の撓み波振動の変動を測定する少なくとも１つの測定手段を準備する段階と、
測定された撓み波信号を処理して接触に関連する情報を計算する段階と、
を含む。
【０００４】
接触は、スタイラス接触又は指接触の形式であってもよい。スタイラスは、手持ち型ペンの形式であってもよい。
計算された情報は、接触位置であってもよく、又は、例えば接触圧力又は大きさ等の別の情報であってもよい。接触に関連する情報は、中央処理装置によって計算できる。
撓み波の伝搬は、部材の端部に又はそこから間隔をおいて取り付けることができる少なくとも１つのセンサによって測定できる。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式であってもよい。２つ以上のセンサが存在してもよい。
【０００５】
撓み波振動は、例えば、接触によって所定平面外への変位を部材に対して与える励起を意味する。多くの材料は撓むが、或るものは完全な平方根分散関係をもつ単純撓みであり、或るものは単純撓みと剪断撓みが混ざったものである。分散関係は、波の周波数に対する波の面内速度依存性を言う。振動の相対振幅は、部材の材料特性と励起周波数とによって決まる。
【０００６】
撓み波は分散性であり、撓み波の速度は周波数に依存する。外乱のサインは遅れずに漸次広がるので、この特性は如何なる「飛行時間」法も不適切にする。従って、本方法は、測定された撓み波信号を非分散性波源からの伝搬信号に変換するための補正を行うステップを更に含んでいる。一度補正が行われると、レーダー及びソナー分野で用いられている方法を適用して接触位置を検出できる。
【０００７】
撓み波伝搬を利用する１つの重要な利点は、撓み波が、部材表面だけでなく全ての部材の動きを伴うバルク波である点にある。対照的に、多くの他の接触検知方法は、表面作用に依存するので表面損傷を被りやすい。従って、撓み波を利用する接触検知装置は、より丈夫で、表面の擦り傷等に対して鈍感である必要がある。
補正を行うことは撓み波信号処理の第１のステップである。適用される補正は、好適には撓み波を支持する部材の材料の分散関係に基づく。この分散関係は、部材材料の既知の物理特性を組み合わせて、撓み波方程式を利用してモデル化できる。もしくは、分散関係は、レーザ振動計を用いて測定でき、対象の周波数帯域における分散関係を与える多数の所定周波数に対する部材中の振動パターンの画像を作成するようになっている。
【０００８】
撓み波伝搬の測定は、部材中の動きを継続的にサンプリングすることによって行うことができる。測定された撓み波信号を接触前の信号等の基準信号と比較することにより、接触がいつ行われたかを識別できる。信号の振幅又は他の特性は比較できる。一度接触が行われると、測定された撓み波信号は記録でき、その後処理できる。
【０００９】
部材はプレート又はパネル形状であってもよい。部材は、透明であってもよく、あるいは、例えば、印刷パターンをもつ非透明であってもよい。部材の厚さは均一であってもよい。もしくは、部材は、表面が曲面で及び／又は厚さが変化する複雑な形状であってもよい。撓み波が接触位置からセンサの１つの位置まで（どのような複雑な経路であっても）進むことがきるとすれば、本方法は、センサが受信した撓み波信号から接触位置を解読するためのニューラルネット等の適応アルゴリズムを備えることによって、複雑な形状の部材に適用できる。幾つかのセンサが必要になるであろう。
【００１０】
本方法は、純粋に受動検知機構を含むことができ、換言すれば、接触によって引き起こされる部材中の撓み波振動の変動は、部材中の撓み波振動に対する励振源である。換言すれば、受動センサに対する他に撓み波振動の発生源は存在しない。接触位置は、各々のセンサでの衝撃到着時間を記録し、時間を比較して衝撃の起点からの各々のセンサの相対距離を特定し、各相対距離を交差させて接触位置を与えることによって計算できる。撓み波振動、従って測定された撓み波信号は、最初の衝撃によって又は接触の摩擦移動によって生成され。最小限３個のセンサが存在してもよい。
【００１１】
接触又は接触位置を検出するのに用いるセンサの数を増やすと付加的な情報がもたらされるので、更に正確な検出を行うことができる。別の方法として又は追加的に、各々のセンサで受信された撓み波信号は、長時間に亘って解析できるので、直接的な信号、即ち衝撃が最初に変換器に到達したときの信号が測定されるだけでなく、部材端部からの反射信号も測定される。この手法は、既存のセンサ又は各々の既存のセンサの鏡面バージョンの追加と同じである。この手法を使用して、得られた付加情報は、精度を非常に高くするか又はセンサの数を減らすために使用できる。
【００１２】
接触位置の計算の後に測定された撓み波信号を更に処理して、接触に関連する追加情報を特定できる。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、及び速度の影響を受けた連続信号を生成できる。連続信号から得られる連続時間データは、種々の用途において有用な付加情報を得るのに利用できる。
【００１３】
１つの用途として、最も一般的なタスクであるパターン認識のサブセットであるサイン認識を挙げることができる。パターンが複雑なデータから引き出されるこのような用途は、連続的な時間データ中に存在する付加的な独立情報から大きな利益を得る。従って、本方法は、連続的な時間データを処理するために、ニューラルネットを実行するステップを更に含むことができる。ニューラルネットは、特定の対象者によって書かれたサインのセット、又は人間の書き順により生成される典型的な変動の知識から生じるセット等の標本セットによって訓練することができる。
【００１４】
ニューラルネットの基本的な特性は、利用できる情報が多いほど正確な結論が引き出されることである。連続的な時間データ中で利用できる情報の多くは部材表面上のスタイラスの速度と圧力に関連しているので、位置情報から完全に独立している。従って、付加的な情報は、正確なサイン認識の可能性を高める。本方法は、サインに関する時間応答性標本を備える第２のニューラルネットの訓練を更に含むことができる。ユーザが生成するか、又は圧力及び速度における期待される変動の知識から引き起こされる別の標本を用いて訓練の更なる改善を達成できる。
【００１５】
もしくは、連続的な時間データは、手書き認識、「ダブル・クリック」の検出、又はクリックがどれほど強いかといった接触の強さの検出に利用でき、「ダブル・クリック」及びクリックの強さの検出は、連続的な時間データ中の衝撃形状の画像を用いて達成できる。他の一般的な手法よりも遅い位置サンプリング速度を使用することも可能である。
【００１６】
対照的に、従来、ペンや指による接触の特定は、予め定められたサンプリング速度で行われ、接触位置に関連する情報は、１組の点から確立される。連続的な時間情報がないので、前述の多数の用途を実現できず、実現できても満足のいくものではない。
【００１７】
各々の形式のスタイラスにより生成される固有周波数は異なるので、測定された撓み波信号の周波数成分は、接触の形式を特定するのに使用できる。例えば、硬いスタイラスは柔らかいスタイラスよりも高い周波数を生成することになる。従って、手持ち式ペン入力装置に使用される接触検知装置は、使用者の手が接触検知装置に触れた場合には作動しないように設定することができる。
【００１８】
異なる形式のスタイラスで生成される周波数の違いは、達成可能な完全空間解像度の違いを意味し、周波数が高いほど高解像度につながる。しかし、解像度の差は、議論されている接触に対する要求と一致する場合が多い。例えば、指による入力に必要な空間解像度は、通常、鋭い先端のスタイラスに期待される空間解像度よりも低い。
【００１９】
接触によって生成される周波数は比較的低く、即ち超音波というよりは概して可聴周波数である。その結果、部材は、可聴周波数領域の撓み波振動を好適に支持できる。従って、ラウドスピーカの音響ラジエータとして使用されるのと同じ部材を使用することもでき、接触検知装置としての機能を果たす。
【００２０】
接触検知装置は、部材に取り付けられている放射変換器を更に備えることができ、部材中に撓み波振動を生成して接触に関連する情報を調べることができる。従って、部材は音響ラジエータであり、部材中の撓み波振動は、音響出力を生成するために使用できる。そのような振動はノイズ信号と見なされるが、受動検知装置に影響を与える他の形式のノイズ信号も存在する。外部ノイズ信号が存在する場合、本方法では、接触によって生成される信号からノイズ信号を分離させる手法を更に含むことができる。例えば、
１）短い時間尺度でのノイズ信号の応答性を予測する予測フィルタ。予測値からの偏差は、放射変換器ではなく接触によって生み出される。
２）放射変換器からセンサへの伝達関数の知識と共に、生成された可聴周波数信号の連続ログインを使用したノイズ信号のモデル化。これにより予測フィルタよりも正確にノイズ信号を予測できる。
３）接触位置を見つけるのに用いたのと同じ方法（例えば、交差手法）で、放射変換器の位置を特定するための複数センサの利用。この情報は、接触によって生成された撓み波から、放射変換器によって生成された撓み波を分離することを助長するであろう。
【００２１】
もしくは、ノイズ信号は、部材中の接触の能動プローブとして使用できる。つまり、本方法は、部材中に撓み波を生成するステップを含んでおり、能動検知装置、つまり接触による波の生成に依存せず、接触によって引き起こされた機械的拘束に対する、部材中に既に存在する波の応答性に依存する検知装置が存在する。
【００２２】
部材中の撓み波は、部材上に取り付けられる変換器の励振信号によって生成される。変換器は、デュアル機能性、即ち放射変換器及びセンサとしての機能を果たすことができる。もしくは、部材上に放射変換器と少なくとも１つのセンサを取り付けることもできる。
【００２３】
接触の作用は、反射性、吸収性、又はそれらの組み合わせである。反射に関しては、放射変換器は撓み波を生成するが、これは接触によって反射され、同一の変換器か又は別のセンサのいずれかによって検出される。次に、時間又は周波数のいずれかに応答する信号は、材料分散関係情報でもって処理されて、放射変換器又は放射源から接触点を経由してセンサまでの距離をもたらす。
【００２４】
実質的に離れた距離にある２つの接触位置を区別するには、１つの測定値で十分である。しかし、接触位置を更に正確に特定するにはより多くの情報が必要である。このことは、複数のセンサを用いて反射を検知することで達成できるが、一部の又は全てのセンサに対する励振信号は、放射変換器又は別の放射源から生じる。いずれにしても、各々のセンサは、接触位置の独立した測定値を与え、それらを組み合わせて正確な接触位置を与えることができ、変換器の数が増えるにつれて精度は次第に高くなる。
【００２５】
位置精度を高くする別の方法は、部材中の撓み波振動を更に長い時間をかけて測定すること、つまり各々の測定値の情報を増やすことである。周波数応答性に関して、周波数応答性は、高い周波数解像度に対応する。また、拡張された信号は、接触点からの直接反射及び間接反射の両方に関する情報を含む。間接反射は、接触点から１つ以上の境界反射を経でセンサへ到達する信号である。本方法は、別のセンサを当初のセンサの鏡面位置に追加することと等価であり、単一の組み合わされた放射源／検知変換器を用いて正確な接触位置を特定するのに利用できる。
【００２６】
接触検知装置に自動測定機構を組み込んで、部材中の材料分散関係を測定することができる。接触が行われていないにもかかわらず、境界反射は依然として存在するが、境界反射は、規則正しい形状に対して各々の境界に対する距離に対応する強い反射として現れる。特定の実施に関して、放射変換器、センサ、及び境界位置は公知であり、これは公知の基準点セットを与える。従って、材料分散関係を示す平滑化機能は最適化され、これらの基準点に対応する周期性が復元されるように周波数軸が歪められる。更に、所望であれば、予め定められた場所での接触といった、別の公知の基準点を追加することによって最適化を行うことができる。
この手法は、材料分散関係の事前の知識なしに能動検知手法の実施を可能にする。もしくは、これはパネル特性に存在する僅かな製造誤差、又は熱や湿度による変動に対する補正の微調整に利用できる。
【００２７】
純粋な吸収は、反射に基づく手法に対して別の手段を必要とする。つまり、本方法は、接触により１つ又はそれ以上のセンサ上への波の入射が妨害される場合には、「光線トレース手法」の実施を含むことができる。センサ上への波の入射は、例えば、反対側の位置での１つ又はそれ以上の放射変換器による直接励振によって、又は１つ又はそれ以上の境界反射からの間接励振によって引き起こされる。間接励振に関して、放射変換器は、センサの隣接位置を含めて任意の位置に取り付けることができる。更に、間接励振は、境界反射の励振源又は境界反射センサとしての機能を果たす単一の変換器からの吸収性接触の検知を可能にする。
【００２８】
また、入射波の妨害は、吸収点の周りの回折をもたら場合もある。回折作用は、純粋な光線トレースの場合よりも非常に広い領域に対して吸収性手法を敏感にさせる。接触位置は、センサ上の撓み波入射の直接経路の外側にあり、センサにより受信された信号に依然として影響を及ぼす。吸収によって取得された情報は、反射接触のものよりも複雑な形態である。その結果、ニューラルネット等の高度な検出アルゴリズムを必要とする場合もある。
【００２９】
変換器によって生成される励振信号は、良好なノイズ除去率をもつことが好ましく、可聴性の影響がなく又は聴覚上聞こえないことが好ましい。従って、励振信号の振幅は、非常に小さくてもよく、又はノイズと同等であってもよい。後者では、関連の計算に対する特定の相関がノイズ中に隠されている場合もある。もしくは、励振信号は、可聴周波数帯域外、即ち２０ｋＨｚを以上の周波数の超音波で形成される。このことは、大きな信号振幅を使用でき、高い周波数が高解像度につながるという利点をもつ。しかし、部材がそのような超音波信号を支持できることが必要である。ガラス、結晶ポリスチレン等の多数の適切な材料を挙げることができる。
【００３０】
励振信号は以下の信号のいずれか１つから選択できる。
１．パルス励振：これは振幅が十分に大きい場合に、ノイズ除去率及び可聴性に劣る欠点があることに留意されたい。
２．バンド制限ノイズ：この信号は、任意の所定の周波数帯域において、大部分のものより可聴性の影響が少なく、最適な周波数帯域に調整できるという利点がある。更に、超音波を形成できる。
３．定常正弦波：これらはノイズに対して良好な信号を与えるが、可聴周波数帯域では非常に可聴性が高い。改良する場合、周波数を可聴周波数帯域の外側に置くか、又は複数のランダム相対位相をもつ、密接に間隔をあけた複数の正弦波を用いて、信号をよりノイズ様の可聴周波数にする。これはノイズ様可聴周波数信号の１つの例であるが、信号対ノイズレベルを改善する潜在的相関性を有する。そのようなトレースの他の例は、ＭＬＳ（最大長シーケンス）信号である。
４．チャープ信号：これは広範囲の周波数にわたるシステムの周波数応答性を特定するために広く使用されている信号である。しかし、可聴周波数帯域ではない超音波周波数においてのみ実施できる。
５．音響信号：これは部材がラウドスピーカ用の音響ラジエータとして使用されている変換器に供給できる。この場合、意図された音響出力を担う信号そのものなので、可聴性減衰効果をもつ励振信号を含んでも問題はない。
【００３１】
センサ及び放射変換器が互いに接近するか又は同一の１つの変換器である場合、放射変換器から生成されるバックグラウンド信号は、一般に接触に関連する対象の信号よりも非常に大きい。このことは問題を引き起こす場合もあるが、いくつかの方法で多少とも解決できる。例えば、パルス励振信号に関して、センサでの測定値はゲート制御され、放射変換器によって生成された送出波がセンサ以外の所に伝搬したときに測定が始まる。しかし、後者はノイズ除去特性に劣るので、拡張時間励振信号は、パルス励振信号よりも一般的である。
【００３２】
拡張時間励振信号に関して、接触サインの相対的な大きさを改善するのに使用できる、以下の機械的又は他の手法がある。
１）センサ位置で検知される送出波の振幅が最小化されるように、放射変換器から約１／４波長の位置にセンサを配置する。この手法は、接触信号が周波数の比較的狭い帯域に限定される場合に使用できる。
２）放射変換器及びセンサを１つの駆動点に配置し、放射変換器及びセンサが直交した物理特性で結合されるように設計する。例えば、曲げ変換器と慣性結合変換器とを同一箇所に配置できる。一方の変換器によって生成された送出波は、他方によって検知されない。しかし、接触点又は境界のいずれかから反射された第２の波は検知され、その相対的振幅を最大化するようになっている。
３）問題領域を電気領域にアドレス指定する。周波数応答性の測定値は、掃引正弦波と復調ステージで得ることができる。放射変換器からの送出波は、接触点からの小さな反射による微細構造が重ね合わせられている、周波数応答性の高いバックグラウンド値を生成する。復調（例えば、チャープ復調回路による）の後に、出力は、大きな滑らかに変動するバックグラウンド上の小さなリップルであってもよい。従って、この出力が高域フィルタを通過すると、関連微細構造は、大きなバックグラウンドに比例して強調される。
４）大きなバックグラウンド頂部の微細構造に敏感であるように、測定信号を十分な精度でデジタル化する。次に、微細構造は、デジタル領域のフィルタにより強調される。
【００３３】
変換器の用途に応じて、これは２つ、３つ、又は４つのいずれかの端末手段であってもよい。２つの端末手段では、センサ又は放射変換器として別々に使用される。もしくは、検知機能が端末手段の装置インピーダンスから特定される、デュアル機能変換器として使用できる。３つ及び４つの端末手段は、センサ及び放射変換器として別々の変換器を使用する。３つの端末手段の場合、センサ及び放射変換器は共通の電極を共有するが、対照的に４つの端末装置の場合、センサ及び放射変換器は電気的に絶縁される。
【００３４】
該当又は各々の変換器又はセンサは、部材に直接結合されている曲げ変換器であり、例えば、圧電変換器である。曲げ変換器は、一般に方向性をもち、特定の用途において好都合であろう。得られた方向性は、物理的形状によって決定されるので、それに応じて調整できる。付加的な利点としては、高い変換効率、低コスト、及びかなりのローバスト性を挙げることができる。
【００３５】
もしくは、該当又は各々の変換器又はセンサは、部材の単一箇所に結合される慣性変換器であってもよい。慣性変換器は、電気力学式又は圧電式のいずれであってもよい。接触点が対象周波数における部材中の撓み波に比較して小さい場合、慣性変換器は、一般に全方向性である。
変換器及び／又はセンサは、用途の特定のトポロジーに応じて、部材の端部の周り又は表面上に相対的に同じ間隔でもって配置される。
【００３６】
既に所定位置にある音響変換器を検知及び／又は放射変換器として利用できる。これにより最低限のハードウエアの追加でタッチスクリーン機能を付加できる。しかし、この手法を用いることができない場合、能動検知に使用できる超音波周波数に特に適しているので、小型圧電素子が最適な変換器であることが分かっている。
【００３７】
本発明の第２の態様によれば、撓み波振動を支持可能な部材と、この部材上に取り付けられ、部材中の撓み波振動を測定して、接触によって引き起こされる部材中の撓み波振動の変動から部材の表面上で行われた接触に関連する情報を処理する処理装置へ信号を送信するセンサとを備える接触検知装置が提供される。
【００３８】
接触検知装置は、受動センサであってもよく、部材中の撓み波振動は、接触によって励振されるだけであり、他の如何なる励振源によっても励振されない。もしくは、接触検知装置は、能動センサであってもよい。従って、接触検知装置は、接触に関連する情報を調べるために部材中へ撓み波振動を励振する放射変換器を更に備えることができる。接触に関連する情報は、放射変換器によって生成される波の応答性を、接触によって引き起こされる機械的拘束と比較することによって計算される。
【００３９】
部材は、可聴周波数帯域の撓み波を支持できる。接触検知装置はラウドスピーカであり、該ラウドスピーカの音響ラジエータは、接触検知装置の部材としての機能を果たすようになっており、音響ラジエータ上に取り付けられ音響ラジエータ中に撓み波を励振して音響出力を生成する励振器は、接触検知装置の放射変換器としての機能を果たす。
【００４０】
接触検知装置は、処理装置によって計算される接触に関連する情報を表示する表示手段を更に備えることができる。つまり、本発明の第３の態様によれば、接触検知装置である表示スクリーンが提供される。表示スクリーンは、撓み波を励振又は検知するのに利用できる液晶を含む、液晶表示スクリーンであってもよい。スクリーンは、広い周波数帯域にわたる撓み波を支持できる。スクリーンに直接接触することにより接触検知装置が起動する。従って、この用途は、機械部品を追加することなく、標準的なＬＣＤスクリーン接触検知装置を作る可能性を与える。
【００４１】
本方法は複雑な形状にも適応できるので、本発明による接触検知装置は、携帯電話、ラップトップ、又は携帯データ端末に組み込むことができる。例えば、従来、携帯電話に取り付けられていたキーパッドは、本発明による接触検知装置である連続成型品に置き換えることができる。この手法により、コストを低減して、広範囲の音響用途を提供できる。ラップトップにおいて、マウス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型品に置き換えることができる。成型品には、マウスコントローラ、又はキーボード等の他の手段を与えることができる。
【００４２】
他の技術的方法と比較した本発明の撓み波接触検知装置及び方法の利点は以下の通りである。
１）接触の位置及び圧力の両者に敏感な汎用性の高い技術的方法である。
２）透明な接触アレイ及び磁気チップ等の複雑なセンサを必要としないので、安価な接触検知装置の形態である。
３）この装置は、部材の材料パラメータを制御することによって、寸法及び空間感度を容易に拡大縮小できる。
４）デュアル機能性部材を使用することによって、狭い空間及び重量の制約内で高品質の音を得ることができる。
本発明は添付に例示的に図示されている。
【００４３】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、表示装置（１４）の前側に取り付けられている透明な接触検知プレート（１２）を備える接触検知装置（１０）を示す。表示装置（１４）は、テレビジョン、コンピュータスクリーン、又は他の視覚表示装置の形式であってもよい。接触検知プレート（１２）上に文字（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。
【００４４】
透明な接触検知プレート（１２）は、撓み波振動を支持可能な音響装置でもある。プレート（１２）上には３つの変換器（１６）が取り付けられている。変換器（１６）の少なくとも２つは、検知変換器又はセンサであり、プレートの撓み波振動に敏感で、プレートの撓み波振動を監視する。第３の変換器（１６）は、同様に検知変換器であってもよく、システムは図３又は図４の受動接触検知装置に対応する。
【００４５】
もしくは、第３の変換器は、プレート中に撓み波振動を励振する放射変換器であってもよく、システムは図５の能動センサに対応する。図６又は図７の実施形態において、能動センサは、ラウドスピーカ及び接触検知装置を組み合わせたものとして機能する。
【００４６】
図２ａ及び図２ｂは、撓み波振動を検知成分として使用する接触検知装置（２２）の一般原理を示す。接触検知装置（２２）は、撓み波振動を支持できるパネル（２４）と、パネル（２４）上に取り付けられ、検知変換器（２６）が取り付けられた場所でパネル（２４）中の撓み波振動を検知する検知変換器（２６）とを備える。図２ａは、撓み波振動の振動パターン（２８）を示すが、この場合、正常な妨害のない振動パターン、例えば、所定周波数又は過渡パルスの定常状態での振動パターンを示す。
【００４７】
図２ｂにおいて、接触点（３０）においてパネル（２４）への接触が行われており、振動パターンが変わっている。接触により、既にパネル（２４）中に存在する撓み波の経路を乱すか、又は接触点（３０）から広がる新しい撓み波を生成するかのいずれかによって振動パターン（２８）が変わる。振動パターン（２８）の変化は、検知変換器（２６）によって検知される。接触に関連する情報は、例えば第１の処理ユニットによる検知変換器の読み出しに基づいて特定できる。情報は、表示スクリーンに情報を出力する第２の処理ユニットへ伝送できる。情報としては、以下に示す接触衝撃の位置及び圧力プロファイルの詳細が含まれる。
１）接触点のｘ、ｙ座標
２）例えば、１ｍｍがペン又はスタイラスに対応し１ｃｍが指に対応する、接触点の固有の大きさ
３）時間を関数とする接触点の圧力プロファイル
【００４８】
図３及び図４は、２つの接触検知装置（３２、３３）を詳細に示す。接触検知装置（３２、３３）は、撓み波振動を支持できるパネル（２４）と、それぞれの取り付け点で撓み波振動を検知する３つの検知変換器（２６）とを備えている。接触点（３０）に圧力を加えると、振動パターン（２８）が形成される。この装置は、放射変換器を備えていないので受動接触検知装置と見なすことができる。つまり、パネル中の撓み波パネル振動は、接触によってのみ生成される。
【００４９】
受動センサにおいて、パネル（２４）本体中への衝撃は、パネル（２４）の端部へ向かって進む撓み波を引き起こす。図３に示すように、撓み波は、端部の周りに等距離で取り付けられている３つの検知変換器によって、又は図４に示すように、パネル（２４）表面に取り付けられるが端部から間隔をあけて取り付けられている３つの検知変換器によって検知される。測定された撓み波信号は処理され、印加された衝撃の空間起点及び力プロファイルが特定される。
【００５０】
図５は、図３又は図４の各々の検知変換器（２６）で検知された撓み波情報の処理アルゴリズムを示す。アルゴリズムは、次のステップで構成される。
ｉ）各々の検知変換器での信号を最適化して、不要な外部信号を最小化する。信号の線形予測を用いてバックグラウンドノイズを予測して除去する。
ｉｉ）各々の変換器での周波数応答性を計算する。
ｉｉｉ）（随意的に）能動検知が利用できる場合には、接触衝撃の位置に関する情報を追加する。
ｉｖ）材料パラメータに関する情報を追加する。
ｖ）ステップ（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）で入手できる情報を利用して、非分散応答性を与えるようにパネル分散を補正する。
ｖｉ）接触時の応答性の逆高速フーリエ変換（ｆｆｔ）を計算して、接触点での衝撃形状を与える。
ｖｉｉ）所望であれば、衝撃形状及び位置情報を詳述する情報を出力する。
【００５１】
受動検知の利点は以下の通りである。
１）本方法は２つ以上の周波数を網羅し、衝撃形状を画像化するのに必要な十分な周波数成分を含む。
２）本方法は受動的であり所要電力は最小限である。
受動検知の１つの短所は、測定信号の周波数成分が衝撃の周波数成分によって制限されることである。結果的に高周波数情報が制限されるので、比較的長い撓み波となる。従って、信号の空間解像度は制限される。
【００５２】
図６及び図７は、他の接触検知装置及び音響装置の組み合わせ（３５、３７）を詳細に示す。この装置は、撓み波振動を支持可能なパネル（２４）と、パネル（２４）中の撓み波振動を励振するための放射変換器（３１）とを備える。図６の装置（３５）は、それぞれの取り付け点における撓み波振動を検知するための２つの付加的な検知変換器（２６）を更に備えるが、図７の装置（３７）は、１つの付加的な検知変換器（２６）を備える。接触点（３０）に圧力を加えると振動パターン（２８）は妨害される。この装置は放射変換器（３１）を備えるので能動接触検知装置と見なすことができる。
【００５３】
図６において、検知放射変換器（２６、３１）はパネル（２４）の端部の周りに等間隔で設けられているが、図７において、検知放射変換器（２６、３１）はパネル（２４）の端部から間隔をあけて設けられており、その表面に取り付けられている。図７の変換器は、パネルの表面上に等間隔で設けられている。
【００５４】
図８及び図９は、能動接触検知装置の可能性のある実施を示す。図８において、中央処理装置（３４）は、デジタル−アナログ変換装置（ＤＡＣ）（３８）によってアナログ出力信号（４０）に変換されたデジタル出力信号（３６）を出力する。アナログ出力信号（４０）は、増幅器（４２）に供給され、増幅器（４２）は、増幅アナログ出力信号（４４）を放射変換器（３１）へ供給する。放射変換器（３１）は、撓み波励振（４６）を放射してパネル中に撓み波（４８）を引き起こす。
【００５５】
パネル中の撓み波（４８）は、ステップ（５０）において２つの検知変換器（２６）によって検知される。検知変換器（２６）は、入力アナログ−デジタル変換装置（ＡＤＣ）（５４）に供給される撓み波振動をアナログ入力信号（５２）に変換する。結果として得られたデジタル入力信号（５６）は、中央処理装置（３４）に伝送されて、接触衝撃の位置及びプロファイルに関連する情報（５８）が特定される。
【００５６】
図９において、接触点の位置を特定するための方法が示されているが、そのステップは、以下の通りであり、図６に示す中央処理装置によって実行される。
ａ）各々の検知変換器における周波数応答性を測定する。
ｂ）パネル分散関係を補正する。
ｃ）非分散媒体に関する応答時間を与えるためにｆｆｔを計算する。
ｄ）パネルに対して外部接触がない場合、時間応答性を基準応答性と比較する。
ｅ）接触点から生じる反射を識別する。
ｆ）発生源を識別するために関連反射に関する反響位置選定を行う。
ｇ）接触位置を詳細に示す位置情報を出力する。
【００５７】
能動検知の利点
１）本手法は、外部信号に対する応答性を測定するので、高周波数情報が制限されず、高い空間解像度が得られる。
２）外部ノイズに対する感応性を大幅に低減できる。このことは、可聴周波数スペクトル以上といった、外部ノイズが少ない場合に、周波数帯域における応答性を検知することによって達成できる。特定の相関関係を信号に与えて、バックグラウンドノイズに比べて小さい場合でもその検出を可能にできる。
【００５８】
能動検知の欠点
１）本手法は、受動手法よりも衝撃特性に対する感度が低いと思われる。しかし、この状況は、より高度な処理によって改善できる。例えば、指又はペンの圧力が高い程、大きな減衰度を導入できるであろう。このことは対応する単純なデータ処理を付加することで確認できる。
２）外部信号が必要なので、受動的な測定よりも大きな電力を必要とするであろう。この欠点は、励振信号を可能な限り小さくすることによって最小化できる。また、励振周波数が高い場合には、圧電変換器を用いることができ、これは非常に効率が高いという利点を有する。
【００５９】
多くの用途において、撓み波接触検知装置の１つだけの実施では、一般に全ての状況に十分に対処できない。例えば、受動センサは、装置からの再生音がない場合には上手く機能する。しかし、大音量で音楽が再生されている場合、可聴周波数帯域を外れた周波数又は音楽信号を励振として使用している周波数であっても能動センサは最適である。従って、２つ以上の特定の組み合わせを実現することが最善の解決策であることが分かっている。更に、受動検知と能動検知との遷移領域では、両方の手法から有益な情報が得られる場合もある。
【００６０】
図１０ａから図１０ｄは、測定された撓み波信号を非分散媒体からの伝搬信号に変換する、１つの可能な補正方法のステップを示す。図１０ａは、任意のユニットの時間に対する応答性を示す、分散衝撃応答性のグラフである。図１０ｂは、任意のユニットの周波数に対する応答性を示す、分散周波数応答性のグラフである。図１０ｃは、任意のユニットの周波数に対する応答性を示す、非分散周波数応答性のグラフである。図１０ｄは、任意のユニットの時間に対する応答性を示す、非分散衝撃応答性のグラフである。
【００６１】
純粋なプレートの撓みに関しては、波の速度は周波数の平方根に比例する。即ち、任意の特定の波の高周波数成分は、低い周波数成分よりも早く進む。図１０ａは、平方根分散関係にある理想媒体における衝撃を示すが、分散媒体が衝撃の波形を維持しないことを示している。送出波（６０）は、時間ｔ＝０ではっきりと分かり、反響信号（６２）は、時間の経過と共に拡散しており、これは正確な接触位置の判定に問題を生じる。
【００６２】
周波数応答性の周期的変動は反射の特徴であり、櫛形フィルタと呼ばれる場合が多い。物理的には、周波数応答性の周期的変動は、発生源と反射器との間で適合する多数の波長に由来する。周波数が高くなると、この空間に適合する波長の数が増えるので、送出波に対する反射波の干渉は、発展的干渉と相殺的干渉との間を往復する。
【００６３】
図１０ａの分散衝撃応答性のフーリエ変換を計算することにより、図１０ｂに示す周波数応答性が得られる。周波数応答性は非周期的であり、波長に対する周期的変動は、周波数が高くなると遅くなる周波数変動である。このことは波長が周波数の逆数の平方根に比例する平方根分散の結果である。従って、周波数応答性に関するパネルの作用は、パネル分散に応じて周波数を関数として応答性を引き伸ばすことである。その結果、周波数領域における逆の引き伸ばしを適用することで、パネル分散に対する補正を行うことができ、非分散の場合に存在する周期性を復元することになる。
【００６４】
パネル分散を逆にして周波数軸を歪めることにより、図１０ｂは、非分散の場合（図１０ｃ）の周波数応答性に変形でき、ここでは励振の周波数が波長の逆数に比例する。この単純な関係は、漸減する波長をもつ周期的変動を図１０ｃに示す漸増する周波数をもつ周期的変動に変換する。
【００６５】
図１０ｃの軌跡に逆高速フーリエ変換（ｆｆｔ）を適用することにより、分散が補正され、明らかに反射が復元されている、図１０ｄに示す衝撃応答性がもたらされる。図１０ｄに示すように、非分散媒体中を進む波の速度は一定であり、周波数には無関係なので、特定の衝撃波形が適切に維持される。従って、反響位置のタスクは、比較的単純である。４ｍｓでの明らかな反射（６８）と共に、時間ｔ＝０において送出波（６６）が見られる。反射（６８）の振幅は、送出波（６６）の振幅の約１／４である。
【００６６】
（産業上の利用可能性）
従って、本発明は、新規で好都合な接触検知装置と、撓み波パネル音響装置と組み合わせた接触検知装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による接触検知ラウドスピーカを示す。
【図２ａ】  接触前の撓み波ラウドスピーカを示す。
【図２ｂ】  接触後の撓み波ラウドスピーカを示す。
【図３】  本発明の第２の実施形態による受動接触検知装置を組み込んだ第１のラウドスピーカを示す。
【図４】  本発明の第２の実施形態による受動接触検知装置を組み込んだ第２のラウドスピーカを示す。
【図５】  本発明の第１の実施形態による受動接触処理アルゴリズムのブロック図を示す。
【図６】  本発明の第１の実施形態による能動接触検知装置を組み込んだ第１のラウドスピーカを示す。
【図７】  本発明の第１の実施形態による能動接触検知装置を組み込んだ第１のラウドスピーカを示す。
【図８】  本発明の実施トポロジーのブロック図を示す。
【図９】  本発明の第１の実施形態による能動検知処理アルゴリズムのブロック図を示す。
【図１０ａ】  分散補正方法のグラフを示す。
【図１０ｂ】  分散補正方法のグラフを示す。
【図１０ｃ】  分散補正方法のグラフを示す。
【図１０ｄ】  分散補正方法のグラフを示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ−ｂ】
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【図１０ｃ−ｄ】
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