ES2878623T3 - Panel táctil estirable de tipo capacitivo - Google Patents

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Leyla Zengi
Günes Banazili
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Kenan Loyan
Özgür Akdemir
Fehim Caglar
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Abstract

Un dispositivo de detección que comprende un panel táctil estirable (10) de tipo capacitivo, incluyendo el panel táctil estirable (10) un género textil estirable uni o bidireccionalmente (20) que tiene una pluralidad de elementos conductores incorporados en el mismo, caracterizado porque dichos elementos conductores son galgas extensométricas resistivas (30, 40) que forman electrodos que proporcionan un cambio de señal de capacitancia provocado por un toque, comprendiendo dicho dispositivo una unidad (90) de control configurada para procesar dicha señal y para medir la resistencia de dichas galgas extensométricas resistivas.

Description

DESCRIPCIÓN
Panel táctil estirable de tipo capacitivo
La presente invención versa sobre un panel táctil estirable de tipo capacitivo.
En la técnica se conocen géneros o elastómeros resistivos estirables como galgas extensométricas. Los sensores táctiles dotados de materiales conductores también son conocidos en la técnica. En estas aplicaciones, se establece, en general, una protección contra descargas electroestáticas (ESD, por sus siglas en inglés) de la etapa de entrada de los dispositivos electrónicos por medio de una resistencia en serie con cada una de las trazas del sensor capacitivo. También es sabido que los sensores táctiles son implementados, en general, sobre sustratos en estado sólido o rígido y, en general, no son susceptibles de llevarlos puestos. Las galgas extensométricas son implementadas siempre sobre sustratos estirables debido a la naturaleza dictada por la función de una galga extensométricas.
El documento US2016018274 divulga un sensor de presión textil que comprende puntos metálicos de tricotado y está diseñado para ser elástico tanto en la dirección longitudinal como en la dirección transversal. Los géneros tricotados del sensor de presión textil configuran unas estructuras primera y segunda que son conductoras al menos en regiones de las mismas. Un elemento intermedio aislante está dispuesto entre las estructuras conductoras primera y segunda. Tanto la superficie como la capacitancia de este sensor de presión textil no son constantes debido al hecho de que la estructura textil puede extenderse en las diversas direcciones. Esto puede dar lugar a errores en la medición de presión. En consecuencia, los efectos de estas extensiones tienen que ser compensados, por ejemplo, mediante una medición de la extensión.
En particular el documento mencionado anteriormente describe el uso de un conjunto de galgas extensométricas para medir la cantidad de alargamiento del género textil para compensar la variación de capacidad que afecta, a su vez, a la presión calculada.
Sin embargo, el objeto principal del sensor de presión textil de la técnica anterior precedente es medir la presión o, más precisamente, la distribución de presión a lo largo del género usando la capacitancia entre electrodos como el fenómeno para medir la presión de forma indirecta. El documento US2015294756 divulga una plataforma flexible de detección de presión que comprende al menos una capa de material aislante intercalada entre una primera capa de electrodo y una segunda capa de electrodo, comprendiendo cada capa de electrodo un conjunto de electrodos de banda embebidos en un material flexible. Se mide la presión en función del cambio de capacitancia en la intersección de las bandas conductoras específicas vertical y horizontal.
El documento US20160048235 describe textiles interactivos. Los textiles interactivos incluyen una rejilla de hebra conductora tejida en el textil interactivo para formar un sensor táctil capacitivo que está configurado para detectar la entrada táctil. Las entradas táctiles detectadas pueden usarse para controlar dispositivos remotos.
El documento US2016/328043 describe conjuntos de sensores bordados que están formados sobre un sustrato flexible, tal como un material adecuado de género. Los patrones conductores son bordados en el sustrato flexible para formar un conjunto de sensores que pueden configurarse de diversas maneras y usarse en muchas aplicaciones diferentes. Un conjunto de sensores puede implementar sensores sensibles al tacto dispuestos para reconocer entradas mediante la medición de capacitancia. El conjunto de sensor también puede implementar controles sensibles a la presión y/o a la fuerza para un dispositivo de entrada, tal como un teclado. También se contemplan otros tipos de detección tal como la detección por proximidad, movimiento, flujo, gestos, y/o deformación. Se puede formar un patrón conductor en una única capa de material y/o por medio de un único tramo continuo de material conductor. El conjunto de sensores bordados es flexible y, por lo tanto, puede tener una forma que se conforme a diversos tipos diferentes de objetos y formar superficies “inteligentes” para esos objetos.
El documento GB 2443208 divulga un elemento textil de detección de presión como un género textil tejido en el que se tejen fibras electroconductoras en la dirección de la trama e incluyen hilo conductor cubierto continuamente por un manguito de material aislante. Se tejen hilos conductores similares en la dirección de la urdimbre. Se forman uniones en la intersección de dos hilos electroconductores adyacentes superpuestos, y la unión incluye un espacio entre conductores, formándose tales uniones entre hilos conductores de la trama y de la urdimbre y creándose el espacio entre conductores por medio del material aislante que forma un manguito en torno a cada conductor. La capacitancia entre conductores adyacentes superpuestos entre los extremos del espacio en cada unión varía en relación con el tamaño del espacio. Por lo tanto, en un punto particular en una unión, se puede medir el desplazamiento de un conductor respecto al otro. En la práctica, se aplica una fuerza sobre un área que incluye una unión y un área circundante y, por lo tanto, la lectura de una unión es indicativa de una presión aplicada sobre su área circundante. Cuando se disponen múltiples uniones en un patrón, se puede deducir la presión sobre el área cubierta por el patrón.
La presente invención está definida en las reivindicaciones adjuntas. Un objetivo de la presente invención es crear un género estirable que pueda operar como un sensor táctil y/o como una galga extensométrica.
Se logran este y otros objetivos mediante un panel táctil estirable de tipo capacitivo que incluye un género textil uni o bidireccional que tiene una pluralidad de elementos conductores incorporados en el mismo, caracterizado porque dichos elementos conductores son galgas extensométricas resistivas que forman electrodos que proporcionan un cambio de señal de capacitancia provocado por un toque.
Una ventaja de esta realización es que la anterior estructura combina las funciones de un panel táctil, en concreto de un dispositivo que puede usarse como un dispositivo de entrada táctil y de galgas extensométricas que hacen posible medir en tres dimensiones el alargamiento, la ubicación, la dirección, y la superficie de tal alargamiento del panel táctil de superficie estirable. Más en particular, la presencia de galgas extensométricas también permite la corrección de la variación de capacitancia de los sensores táctiles individuales tras eventos de estiramiento. Por lo tanto, la función del panel táctil estirable es doble: i) proporcionar la corrección para los sensores táctiles, y ii) monitorizar el alargamiento del género y la dirección de tal alargamiento.
En otra realización de la invención, las galgas extensométricas resistivas están dispuestas a lo largo de direcciones perpendiculares en un conjunto bidireccional y un material aislante está colocado en los puntos de cruce de dichas galgas extensométricas resistivas.
Una ventaja de esta realización es que, debido al hecho de que las galgas extensométricas también son resistencias flexibles en este caso específico, no se necesitan resistencias de protección contra descargas electroestáticas (ESD) para leer la salida del sensor táctil.
En una realización adicional de la invención, las galgas extensométricas resistivas comprenden revestimientos elastoméricos resistivos impresos sobre el género textil estirable.
Las galgas extensométricas resistivas en otra realización también pueden comprender revestimientos elastoméricos resistivos serigrafiados sobre bandas.
El género textil estirable también puede tener diferentes propiedades de alargamiento en dos direcciones perpendiculares.
La invención también versa sobre un procedimiento para operar un panel táctil estirable como se ha descrito anteriormente, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- medir continuamente una señal análoga de capacitancia proporcionada por el panel táctil estirable; y
- comparar la señal medida de capacitancia con un valor umbral para determinar si se ha producido un toque o no, en el que dicho valor umbral está continuamente ajustado como una función de la resistencia de las galgas extensométricas resistivas que forman los electrodos condensadores de dicho panel táctil.
Una ventaja de esta realización es que permite obtener una mejor sensibilidad al detectar eventos táctiles binarios ajustando el algoritmo de detección de eventos táctiles en función de la variación de la resistencia de las galgas extensométricas.
Según la invención, el procedimiento comprende, además, las etapas de:
- medir una variación de la resistencia eléctrica de una galga extensométrica resistiva;
- usar la variación medida de resistencia eléctrica como un alargamiento para corregir un error de capacitancia parásita debido al alargamiento de las galgas extensométricas resistivas. Las realizaciones preferidas son el objeto de las reivindicaciones dependientes.
Ahora, la invención será descrita con mayor detalle, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos no limitantes, en los que números similares denotan elementos similares, y en los que:
la Figura 1a muestra un panel táctil estirable de tipo capacitivo según una primera realización de la invención; la Figura 1b muestra un panel táctil estirable de tipo capacitivo según otra realización de la invención;
la Figura 2 muestra un diagrama de circuito de una unidad de control adecuada para leer la salida de cualquiera de los paneles táctiles estirables de las Figuras 1a y 1b; y
la Figura 3 muestra un gráfico que representa un ejemplo de la operación del procedimiento de detección táctil según una realización de la invención.
Ahora, se describirán realizaciones ejemplares con referencia a los dibujos adjuntos sin la intención de limitar su aplicación y sus usos.
En la Figura 1a se representa un panel táctil estirable 10 de tipo capacitivo, en el que el panel táctil estirable 10 incluye un género textil estirable 20 que tiene una pluralidad de elementos conductores incorporados en el mismo.
Cada uno de los elementos conductores 30 tiene dos orificios dado que fluye corriente eléctrica a través de cada elemento 30 provocando una caída de tensión entre los extremos de los orificios, teniendo cada elemento, por lo tanto, dos enrutamientos 32, uno que entra en el elemento 30 respectivo y uno que sale de él y que también tiene dos almohadillas 35 de contacto.
De forma similar, cada uno de los elementos conductores 40 tiene dos enrutamientos 42, uno que entra en el elemento 30 respectivo y uno que sale del mismo y que también tiene dos almohadillas 45 de contacto.
En particular, los elementos conductores pueden ser galgas extensométricas resistivas 30, 40 que forman electrodos adecuados para proporcionar un cambio de la señal de capacitancia provocado por un toque.
Las galgas extensométricas resistivas 30, 40 pueden proporcionar una señal representativa de tal cambio de capacitancia a una unidad 90 de control.
El género textil estirable 20 puede tener diferentes propiedades de alargamiento en dos direcciones perpendiculares.
Las galgas extensométricas resistivas 30, 40 están dispuestas a lo largo de direcciones perpendiculares en un conjunto bidireccional y un material aislante 50 está colocado en los puntos 60 de cruce de las galgas extensométricas resistivas 30, 40.
Las galgas extensométricas resistivas 30, 40 pueden comprender revestimientos elastoméricos resistivos impresos sobre el género textil estirable 20 o impresos sobre bandas estirables incorporadas en el género.
De esta forma, se crean galgas extensométricas resistivas estirables 30, 40 que, a diferencia del hilo metálico eléctricamente conductor, pueden estirarse o alargarse tanto como el material textil al que se aplican y cuya resistencia eléctrica cambia en función del alargamiento aplicado.
Además, las galgas extensométricas resistivas 30, 40 pueden comprender o constar de hilos conductores tejidos o tricotados en el género.
El panel táctil estirable 10 puede incluirse en una prenda de vestir.
La prenda de vestir puede incluir una unidad de control conectada con dicho panel táctil estirable 10, por ejemplo, por medio de los enrutamientos 32, 42 y las almohadillas 35, 45 de contacto para detectar y analizar señales detectadas por el panel táctil 10.
En la Figura 1b se representa un panel táctil estirable 10' alternativo de tipo capacitivo, en el que cada uno de los elementos conductores 30 y cada uno de los elementos conductores 40 tiene uno de los enrutamientos conectado a tierra (TIERRA).
En la Figura 2 se representa un diagrama de circuito de una unidad 90 de control adecuada para leer la salida del panel táctil estirable 10.
La unidad 90 de control comprende un convertidor 100 de capacitancia a digital (CDC, por sus siglas en inglés) que es usado para leer cada electrodo de detección capacitiva, en concreto las señales eléctricas proporcionadas por las galgas extensométricas resistivas 30, 40, por ejemplo, cuando un usuario interactúa con el panel táctil 10.
Más específicamente, una corriente eléctrica discurre a través de las galgas extensométricas 30, 40 y se mide una tensión variable en el punto N del circuito de la figura 2, siendo la tensión medida representativa de una variación de la resistencia eléctrica de una galga extensométrica resistiva 30, 40.
Aunque no se muestre en el circuito de la Fig. 2, el CDC 100 también está conectado con el DQM 140 de tal forma que las dos mediciones puedan ser analizadas conjuntamente con el fin de la invención. El CDC 100 y el DQM 140 son preferiblemente parte de un mismo microcontrolador. Por lo tanto, el CDC 100 puede operar como un canal de eventos táctiles mediante la lectura de la capacitancia Cp (representada con líneas discontinuas en la Figura 2), en concreto la capacitancia parásita debida a eventos táctiles de un usuario que está acoplada con el mismo nodo electrónico N.
La unidad 90 de control también comprende un diodo 110 y un filtro 120 de paso bajo (LPF, por sus siglas en inglés).
En la salida del diodo 110, se puede leer un nivel de tensión que representa el alargamiento de las galgas extensométricas resistivas 30, 40 cuando se encuentran estiradas.
El filtro 120 de paso bajo (LPF) opera para filtrar componentes no deseados de mayor frecuencia de la lectura de la señal de capacitancia y la unidad 90 de control comprende, además, un convertidor 130 de análogo a digital (ADC, por sus siglas en inglés) para digitalizar la salida del LPF 120.
El filtro 120 de paso bajo (LPF) es preferiblemente un filtro de paso bajo con un ancho fijo de banda.
El ADC 130 puede ser un elemento separado o puede estar integrado en un microcontrolador y operar como un canal de eventos de alargamiento.
Finalmente, la unidad 90 de control comprende un monitor 140 de calidad de datos (DQM, por sus siglas en inglés) para la visualización de la detección. El DQM 140 puede implementarse como un soporte lógico ejecutado por un microcontrolador y también puede colocarse entre el CDC 100 y el nodo N para monitorizar eventos táctiles.
En general, cuando se encuentran estirados, la impedancia de las galgas extensométricas individuales 30, 40 cambia, un fenómeno que degrada, a su vez, la precisión de detección de la variación de capacitancia parásita.
En el anterior circuito de la unidad 90 de control, por lo tanto, los diversos elementos interactúan para detectar un evento táctil mientras compensa los errores debido al alargamiento de los sensores individuales.
La Figura 3 muestra un gráfico que representa un ejemplo de la operación del procedimiento de detección táctil según una realización de la invención.
El procedimiento de detección táctil de la invención tiene el objetivo de aumentar la sensibilidad al evento táctil en un sensor susceptible de ser llevado puesto con respecto a la técnica anterior, en concreto para permitir detectar un evento táctil solamente en el caso de golpes o toques intencionales considerando la variación de impedancia debida al alargamiento de las galgas extensométricas 30, 40.
Como una primera etapa, se hace un seguimiento de los datos en bruto que representan diferentes valores de capacitancia en el tiempo (curva A de la Figura 3) en una operación ejemplar de la unidad 90 de control descrita anteriormente, pudiéndose correlacionar o no tales valores de capacitancia con eventos táctiles.
Usando el filtro 120 de paso bajo de ancho fijo de banda, se puede calcular una curva promedio de los datos en bruto (curva B); en concreto, los datos en bruto son filtrados y se genera una media móvil de los datos filtrados.
Entonces, se calcula un umbral variable (Curva C) en función de los datos filtrados en bruto y de la resistencia de la galga extensométrica como un medio de visualización del alargamiento de la banda sensora.
Como puede verse en la Fig. 3, el primer pico de datos realmente medidos (toque detectado) es mucho más alto que la altura de la detección segunda y más larga que comienza en torno a la referencia 320 y finaliza en torno a la referencia 340. Durante este segundo evento táctil, la banda sensora se alarga lo cual es la razón principal para una medición menor del toque en torno a 1000 en el eje y. La banda sensora es gradualmente liberada durante el evento táctil que, a su vez, aumenta gradualmente tanto el umbral (C) como la medición real (A) según cae la resistencia.
En operación, para detectar un evento táctil, se mide continuamente la señal análoga de capacitancia del panel táctil estirable representada en la curva A.
La señal medida de capacitancia es comparada continuamente con el valor umbral de la curva C para determinar si se ha producido o no un evento táctil.
Si la capacitancia medida tiene un valor mayor al umbral variable, se determina que se ha producido un evento táctil y se emite un valor lógico elevado (curva D al nivel 1000).
Por lo contrario, si la capacitancia medida tiene un valor inferior al del umbral variable C, se determina que no se ha producido un evento táctil y se emite un valor lógico bajo (curva D al nivel 0).
Según se ha indicado anteriormente, no se fija el valor del umbral de capacitancia, pero se ajusta continuamente como una función de la variación medida de la resistencia eléctrica de dichas galgas extensométricas resistivas 30, 40.
La variación medida del alargamiento de resistencia eléctrica es usada, entonces, para corregir un error de capacitancia parásita debido al alargamiento de las galgas extensométricas resistivas 30, 40. La implementación de tal procedimiento evita que el ruido aleatorio y los picos no intencionados alteren la detección del evento táctil.
Por supuesto, las galgas extensométricas también son usadas para monitorizar lo que ocurre a la superficie del panel táctil; por ejemplo, cómo un usuario de la prenda de vestir dobla la unión sobre la que se lleva puesta la prenda de vestir, en qué dirección y cuánto, dado que una galga extensométrica es capaz de comunicar tal información.
Esto quiere decir que, en la presente invención, las funciones del sensor táctil y de la galga extensométrica son llevadas a cabo por los mismos elementos, en concreto las galgas extensométricas resistivas 30, 40.
Aunque se ha presentado al menos una realización ejemplar en el sumario precedente y en la descripción detallada, se debería apreciar que existe un amplio número de variaciones. También se debería apreciar que la realización ejemplar o realizaciones ejemplares son solamente ejemplos, y no están previsto que limiten el alcance, la aplicabilidad, o la configuración de modo alguno. En vez de ello, el sumario precedente y la descripción detallada proporcionarán a los expertos en la técnica una hoja de ruta conveniente para implementar al menos una realización ejemplar, entendiéndose que pueden realizarse diversos cambios en la función y en la disposición de elementos descritos en una realización ejemplar sin alejarse del alcance definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de detección que comprende un panel táctil estirable (10) de tipo capacitivo, incluyendo el panel táctil estirable (10) un género textil estirable uni o bidireccionalmente (20) que tiene una pluralidad de elementos conductores incorporados en el mismo, caracterizado porque dichos elementos conductores son galgas extensométricas resistivas (30, 40) que forman electrodos que proporcionan un cambio de señal de capacitancia provocado por un toque, comprendiendo dicho dispositivo una unidad (90) de control configurada para procesar dicha señal y para medir la resistencia de dichas galgas extensométricas resistivas.
2. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dichas galgas extensométricas resistivas (30, 40) están dispuestas a lo largo de direcciones perpendiculares en un conjunto bidireccional y en el que se coloca un material aislante (50) en los puntos (60) de cruce de dichas galgas extensométricas resistivas (30, 40).
3. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dichas galgas extensométricas resistivas (30, 40) comprenden revestimientos elastoméricos resistivos serigrafiados sobre el género textil estirable (20).
4. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dichas galgas extensométricas resistivas (30, 40) comprenden hilos conductores tejidos o tricotados en el género (20).
5. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dichas galgas extensométricas resistivas (30, 40) comprenden revestimientos elastoméricos resistivos serigrafiados sobre bandas.
6. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dicho género textil estirable (20) tiene diferentes propiedades de alargamiento en dos direcciones perpendiculares.
7. El dispositivo (10) de detección según la reivindicación 1, en el que dicha unidad (90) de control está conectada con dicho panel táctil estirable (10) para analizar la señal de una capacitancia parásita detectada por dicho panel táctil (10).
8. Una prenda de vestir que incluye un dispositivo (10) de detección según las reivindicaciones 1 a 7.
9. Un procedimiento para operar un dispositivo (10) de detección según las reivindicaciones 1 a 7, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- medir continuamente una señal análoga de capacitancia proporcionada por el panel táctil estirable (10); y
- comparar la señal medida de capacitancia con un valor umbral para determinar si se ha producido un toque o no, en el que dicho valor umbral se ajusta continuamente en función de la resistencia de las galgas extensométricas resistivas (30, 40) que forman los electrodos condensadores de dicho panel táctil (10)
- medir una variación de la resistencia eléctrica de una galga extensométrica resistiva (30, 40);
- usar la variación medida de alargamiento de la resistencia eléctrica para corregir un error de capacitancia parásita debido al alargamiento de las galgas extensométricas resistivas (30, 40).
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