JP2009523278A - 赤外線タッチスクリーン用のタッチ力検出装置 - Google Patents

Abstract

赤外線タッチスクリーンのタッチ力を検出するための装置は、板ガラス、センサ、赤外線送受信アレイ、信号処理回路、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラを含む。前記センサは機械力センサであり、その信号出力ポートは、信号処理回路の入力ポートに接続される。信号処理回路の出力ポートは、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続される。

Description

本発明は、一般にセンサ測定及び信号処理技術に関し、より詳細には、赤外線タッチスクリーン用のタッチ力検出装置に関する。

周知のように、従来の赤外線タッチスクリーン技術は、広く使用されている。中国特許第００１２１４６２．４号、第００２５０８０６．０号、第００２００１４７．６号、第００２６２０７２．３号、第０１２０２２５２．７号、第２００４２００９３５９１．３号、第２００４２０１１７９５２．３号、及び米国特許第３７６４８１３号、第３８６０７５４号、第３７７５５６０号は、さまざまな修正技術提案を含めて、多数の赤外線タッチスクリーン技術を開示している。しかし、実際の状況では、使用されている赤外線タッチスクリーンは、環境内の障害物による干渉とを区別することができない。たとえば、スクリーン上に落下する羽のある昆虫、より大きなサイズの浮遊物、及びあらゆる他の偶然の障害物などがタッチスクリーン上の人の指と見なされるおそれがあり、操作が不正確になる。タッチスクリーンの前記不正確な操作は、産業上の制御又は現場使用など、いくつかの特定の場合には使用することができない。
中国特許第００１２１４６２．４号 中国特許第００２５０８０６．０号 中国特許第００２００１４７．６号 中国特許第００２６２０７２．３号 中国特許第０１２０２２５２．７号 中国特許第２００４２００９３５９１．３号 中国特許第２００４２０１１７９５２．３号 米国特許第３７６４８１３号 米国特許第３８６０７５４号 米国特許第３７７５５６０号

したがって、本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、偶然の物体によって引き起こされる誤ったタッチを低減し、さらになくする技術提案をすることである。

本発明は、機械振動信号を電気信号に変換するための、赤外線タッチスクリーン用のタッチ力検出装置を提供する。

これらの課題を達成するために、本発明は、赤外線タッチスクリーンのタッチが強い打力であるかどうか検出することにより、指のタッチと環境の妨害とを区別するための方法を提供する。本発明では、赤外線タッチスクリーンの内部に設置された前記タッチ検出装置は、ガラス板、センサ、信号処理回路、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラを含む。前記センサは、タッチスクリーンのガラス板の縁部に設置された機械力センサである。前記機械力センサの信号出力ポートは、前記信号処理回路の入力ポートに接続される。前記信号処理回路の出力ポートは、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続される。前記機械力センサは、歪みゲージ、圧力若しくは張力センサ、又はピックアップのうちの１つであり、上述のセンサの組合せでも十分とすることができる。

本発明は、タッチ力、及び赤外線タッチスクリーンに付加されたタッチ力によって引き起こされる振動を検出することによって、タッチ事象（incident）を補助的に確認する装置であって、機械力センサとして、赤外線タッチスクリーンの安全ガラス板の縁部に設置された歪みゲージ、張力若しくは圧力センサ、又はピックアップを使用する装置によって、上記検出を実現する。羽のある昆虫又は空気中の浮遊物によって引き起こされるタッチスクリーンの誤ったトリガは、前記補助的な装置によってなくすることができ、したがって、タッチスクリーンが判断するタッチ事象の精度が高められ、同時に、タッチスクリーンをいくつかの特別な場合に適用することができる。

赤外線タッチスクリーン用のタッチ力検出装置は、ガラス板、センサ、赤外線送受信ダイオードアレイ、信号処理回路、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラを含む。前記センサは、機械力センサであり、その信号出力ポートは、信号処理回路の入力ポートに接続され、信号処理回路の出力ポートは、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続される。

前記タッチ力検出装置は、赤外線タッチスクリーンの内部に設置される。

前記機械力センサは、前記ガラス板の縁部表面に設置された歪みゲージであり、歪みゲージの検出方向は、ガラス板の縁部と平行である。

前記機械力センサは、前記ガラス板の隅部表面と前記タッチスクリーンのフレームとの間に設置された機械センサである。

前記機械力センサは、ガラス板の隅部表面と前記タッチスクリーンのフレームとの間に設置された圧力センサであり、前記フレームは、ガラス板とディスプレイの間に位置するタッチスクリーンの内部フレームである。

前記機械力センサは、ガラス板の隅部表面とタッチスクリーンのフレームとの間に設置された張力センサであり、前記フレームは、ガラス板の正面に位置するタッチスクリーンの外部フレームである。

前記機械力センサは、前記ガラス板の縁部に設置されたピックアップである。

前記ピックアップは、圧電セラミックスラブ又は静電容量若しくは電磁ピックアップである。

前記信号処理回路は、信号増幅回路及びフィルタ回路を含むフロントエンド回路と、検出回路、シェーピング回路（整形回路）、及びクランプ回路を含む駆動回路とを含む。

前記信号処理回路は、選択されたセンサアダプタ回路に接続される。

前記機械力センサは、歪みゲージ、機械センサ、及びピックアップの中の少なくとも２つのセンサの組合せである。本発明の技術提案は、成熟技術、低コスト、メンテナンスの容易さという利点を有し、したがって赤外線タッチスクリーンシステムに十分に適用される。上述のタッチ力検出装置を含む赤外線タッチスクリーンは、遮断された赤外線（infrared blocked）と、ガラス板表面に加えられた力、及び加えられた力によって生じる変形移動（deformed movement）を伴うあらゆる種類の移動とを検出する２重検出モードによって、羽のある昆虫、空中浮遊物によって引き起こされる干渉を効果的になくすることができる。したがって、タッチスクリーンのタッチ信頼性が増大され、この種のスクリーンを特別な場合に使用することができる。

本発明の前述の、及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面と併せ読めば、以下の詳細な説明から、より明らかになろう。

以下の実施形態は本発明について述べるために使用されるが、本発明の範囲を限定するためには使用されない。

本発明は、複数の実施形態を有する。

図１は、タッチ力検出を実現するための機械力センサとして歪みゲージを使用する実施形態を示す。特にＬＣＤが多く使用されている場合、ＬＣＤスクリーンの表面が壊れやすいので、ディスプレイスクリーンを保護するために、一般に、赤外線タッチスクリーンには、タッチスクリーンの（破線で示されている）内部フレーム１０２に１枚の（スチール）ガラス板１０１が設置されている。このようにして、（抵抗歪みゲージとしても知られる）歪みゲージ１０３が、ガラス板の表面縁部に設置される。図１に示されているように、赤外線送受信ダイオードアレイ１０４を保護するために使用されるフレーム１０２内にガラス板１０１の縁部が貫通するため、タッチスクリーンのフレームが歪みゲージを保護する。図１は、４つの歪みゲージ１０３がガラス板の４つの表面縁部に設置されている実施形態を提示する。一般的には、２つの歪みゲージを２つの隣接する縁部に設置することが実際の需要（reality demand）に対して十分であるが、４つの歪みゲージを設置することにより、はるかに良好な感度が得られ、わずかなタッチ動作を検出することができる。信号処理回路の増幅度又は干渉のない機能（interference-free feature）、したがって製品デバッガの難点は、より良好な感度が必要とされない限り低減することができる。しかし、歪みゲージの数が増えると、より高いコストが必要とされるので、状況に従って適切な構造構成を選択すべきである。ガラス板がタッチ力を受けると主に曲げモーメントが生じるため、歪みゲージの検出方向は、ガラス板の縁部と平行とすべきである。図１に示されている、長さ／幅比が大きい帯状歪みゲージは、歪みゲージの検出感度を上げるためのものであり、実際の応用例においては、通常の長さ／幅比を有する現行の歪みゲージを選択することができる。歪みゲージの感度係数は重要なパラメータであり、ガラス板を変形させる通常のタッチ力に対して適切なものである。

図２は、赤外線タッチスクリーンのガラス板と内部フレームの間に設置された圧力センサ２０２の設置構造を示す断面概略図であり、図３は、圧力センサの設置位置を示す。赤外線タッチスクリーンは、一般に、ディスプレイ表面２０７の正面に設置され、フレーム１０２は、内側が開いている。前記フレームは、ガラス板とディスプレイシェル２０６の間に位置する内部フレーム２０４と、ガラス板を囲む側部フレーム２０５と、ガラス板の正面に位置する外部フレーム２０３とからなる。ガラス板の縁部、回路板２０１、及び赤外線送受信ダイオードアレイ１０４がフレーム１０２によって囲まれ、その結果、ガラス板１０１は、内部フレーム２０４と外部フレーム２０３の間に設置される。ここで、圧力センサである機械力センサ２０２は、ガラス板とフレームの間で支持構造を形成するように、前記ガラス板の表面と前記タッチスクリーンの内部フレーム２０４の間に配置すべきである。一般的な機械の原理によれば、ガラス板の安定を確保するために、前記支持構造は、図３に示されているように、隅部分と称されるガラス板の隅に位置すべきである。

図３に示されているように、圧力又は張力センサ３０１は、ガラス板の４つの隅部分に設けられる。タッチスクリーンに加えられるタッチ力は、スクリーン表面に向かって配向されるので、圧力センサは、図５に示されているように、ガラス板の正面に位置し、かつ前記ガラス板の隅部表面と前記タッチスクリーンの外部フレームとの間に設置され、やはりガラス板の支持物を形成する張力センサと置き換えられる。本発明の実施形態について簡単に述べるために、圧力センサ及び張力センサは、図２、図３、及び図５に関して、機械センサと称され、また図３では３０１と示される。

図４では、ガラス板は、非常に高いヤング率、すなわち非常に高い強度及び弾性を備え、その表面は、ある摩擦係数を有し、その結果、タッチ力がガラス板に作用したとき、前記タッチが単一のタッチであろうと連続的に摺動するタッチであろうと、ガラス板の振動が不可避的に生じることになる。そこで、図４に示されているように、ガラス板に加えられた力によって引き起こされる振動を検出するための機械力センサとして、ピックアップが使用される。ピックアップは、タッチ事象が発生したか否か判断するために、ガラス板の縁部に設置される。この図は、検出感度を上げるための、２つのピックアップ４０１を示す。実際には、ガラス板内で伝導される機械的な衝撃はほとんど失われることがないので、１つのピックアップだけで十分である。ピックアップは、低コストの圧電セラミックセンサを選択することも、低周波応答がより良好なコンデンサピックアップ又は電磁ピックアップを選択することもできるが、後者のピックアップの方がコストがかかり、環境ノイズの干渉を受けやすい。

図５に示されているように、圧力センサ又は張力センサ５０１は、前記ガラス板１０１の表面と前記タッチスクリーンのフレーム１０２の間に配置され、ガラス板とフレームの間で支持構造を形成する。

図６は、装置全体の構造を示すブロック図を提示する。本発明で使用されるあらゆる種類の機械力センサは、機械力センサのタイプを区別することなしに、１枚のガラス板部で信号源として標準化（normalized）される。実際、上述の応用例は、技術提案で十分とすることができ、このようにして、歪みゲージ、力センサ、及びピックアップの中の少なくとも２つのセンサが、タッチ力又は打撃力を検出するように組み合わされ、あらゆる種類のセンサの利点を利用する。

図６に示されているように、マイクロコントローラシステム６０２と、赤外線送受信ダイオードアレイ、送信ダイオード駆動回路、及び受信ダイオード信号処理回路など、赤外線タッチスクリーン内の他のデバイスとは、インターフェースチャネル６０３を介して従来技術のタッチスクリーンシステム全体を形成する。本発明は、タッチスクリーンをトリガする要件である、ガラス板に加えられたタッチ力によって引き起こされる振動検出を実現するために、機械力センサ及びその信号処理回路６０１を含むサブシステムを従来技術のタッチスクリーンシステムに再接合する。信号処理回路の出力ポートは、マイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続される。マイクロコントローラがＩ／Ｏインターフェースから出力された電気信号を検出しさえすれば、妨げられた赤外線がマニピュレータによって確認され、それによってタッチ動作が実施される。したがって、前記Ｉ／Ｏインターフェースから出力される電気信号は、タッチスクリーンの妨げられた赤外線によって生成される電気信号と「論理積」関係を有し、前記関係は、マイクロコントローラのソフトウェアコードによって達成される。

図６における信号処理回路６０１は、様々な機械力センサによって変わる。ピックアップがセンサとして選択された場合、信号処理回路の基本構造は、図７として示されている。

図７に示されているように、信号処理回路は、フロントエンド回路７０１、及び駆動回路７０２からなる。信号増幅及びフィルタ回路を含むフロントエンド回路７０１は、検出回路、シェーピング回路、及びクランプ回路を含む駆動回路７０２と直列接続（カスケード接続）される。当然ながら、電子回路の設計モビリティ（design mobility）に鑑みて、上記のブロックの分割は単一ではなく、たとえば駆動回路７０２内の検出部は、フロントエンド回路７０１内に組み込むことができる。設計原理は、信号伝送の流路に一致し、回路が動作することを可能にする。音響周波数又は超低周波数信号の増幅及び濾波工程、またマイクロコントローラのインターフェース問題は従来技術に属するため、本発明は特定の回路構造を例示せず、ＡＧＣ回路、ＡＬＣ回路、赤外線遠隔制御又は音響制御スイッチなど、たとえばChengdu University of Science and Technology Press及びElectric University of Science and Technology Pressによって毎年発行される１巻版の「electric paper」、Posts and Telecom Pressによって毎月発行される「wireless radio」を参照する。

図８は、歪みゲージ又は機械センサの対応する信号処理回路を示す。図８における前記回路には、図７における回路と以下の相違がある。図８では、信号増幅、フィルタ回路、復調又は検出回路を含むフロントエンド回路８０２の入力ポートに接続された歪みゲージ又は機械センサ８０１が、選択整合（selective match）センサアダプタ回路８０４（破線で選択整合を表す）にも接続される。一般的な方法では、前記センサアダプタ回路の機能は、センサに対して最も適切な使用条件を提供することである。たとえば、電気抵抗歪みゲージの場合、ＡＣ（交流）電源により検出電流が供給され、その結果、次の回路は、直流オフセットを生成しがちな直流増幅器ではなく、低コストでデバッグが容易な交流増幅器を使用することができる。静電容量構造を有する機械センサの場合、高電圧電源により分極電圧が提供される。一方、圧電セラミック構造を有するピックアップの場合、高入力インピーダンスの入力ポートを必要とする。このようにして、上記のフロントエンド回路８０２の内部構造は、センサによって変わる。しかし、上述の内容もまた成熟した技術である。たとえば、China Measurement出版社によって発行された「strain electrical measurement and sensing technique」（ISBN 7-5026-0630-0/TM5, by Maliang cheng, at 1993）を参照すると、歪みゲージがセンサとして使用されている。一方、機械センサが使用される場合、回路設計は、企業によって提供されるユーザガイド又は技術情報を必要とする。というのは、均一な基準が形成されておらず、現在、様々な企業の製品を広く使用することができないからである。フロントエンド回路８０２は、復調又は検出された一般的な電気信号を出力し、次いで前記一般的な電気信号は、マイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続される、クランプ、シェーピング回路を含む駆動回路８０３によって標準レベル信号に変換される。

本発明の目的を達成するために、上述の好ましい実施形態が詳細な説明であったが、他の多種多様な部分が、本発明によるマイクロコントローラのプログラム設計、選択されたあらゆる種類のチップ及びＥＭＣ設計など、生産プログラム全体に加えられることを本発明者らは理解しており、したがって、本発明は、本発明の任意の変形形態、変更、及び応用を包含するものとする。

本発明はまた、他の実施形態とすることができ、したがって、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、様々な変更及び修正を加えることができ、たとえば、何らかの応用環境では、赤外線タッチスクリーンが安全ガラス板を必要とせず、ここでは前記機械力センサを、ディスプレイスクリーンの表面にあるガラス板上に直接設置することができることを、当業者なら理解されたい。しかし、これらの変更及び修正は、添付の特許請求の範囲内にある。

本発明によれば、タッチ力検出装置を使用し、タッチ力、及び赤外線タッチスクリーンに加えられたタッチ力によって引き起こされる振動を検出することによって、タッチ事象を補助的に確認する。前記装置は、赤外線タッチスクリーンの安全ガラス板の縁部に設置された機械力センサとして歪みゲージ、張力若しくは圧力センサ、又はピックアップを採用する。前記タッチ力検出装置を有する赤外線タッチスクリーンは、羽のある昆虫又は空気中の浮遊物によって引き起こされる誤ったトリガをなくすることができ、タッチ事象を判断する精度が高められる。本発明は、成熟した技術、低コスト、好都合な維持という利点を有する。したがって本発明は、赤外線タッチスクリーンシステムに適用するのに十分適している。

本発明による、赤外線タッチスクリーンのガラス板における歪みゲージの設置位置を示す概略図である。 本発明による、赤外線タッチスクリーンのガラス板と内部フレームの間の圧力センサの設置構造を示す横断面概略図である。 本発明による、赤外線タッチスクリーンのガラス板における圧力又は張力センサの設置位置を示す概略図である。 本発明による、赤外線タッチスクリーンのガラス板におけるピックアップの設置位置を示す概略図である。 赤外線タッチスクリーンのガラス板と外部フレームの間の張力センサの設置構造を示す横断面概略図である。 本発明による装置全体の電気機械構造を示す概略図である。 本発明による、ピックアップを採用する信号処理回路を示すブロック図である。 本発明による、機械センサを採用する信号処理回路を示すブロック図である。

図中：１０１ ガラス板；１０２ タッチスクリーンフレーム；１０３ 歪みゲージ；１０４ 赤外線送受信ダイオードアレイ；２０１ ＰＣＢ；２０２ 圧力センサ；２０３ 外部フレーム；２０４ 内部フレーム；２０５ 側部フレーム；２０６ ディスプレイシェル；２０７ ディスプレイ表面；３０１ 機械センサ；４０１ ピックアップ；５０１ 圧力センサ；６０１ 信号処理回路；６０２ マイクロコントローラシステム；６０３ インターフェースチャネル；７０１ フロントエンド回路；７０２ 駆動回路；８０１ 機械センサ；８０２ フロントエンド回路；８０３ 駆動回路；８０４ センサアダプタ回路

Claims (11)

1. ガラス板、センサ、赤外線送受信ダイオードアレイ、信号処理回路、タッチスクリーンを制御するためのマイクロコントローラを含む赤外線タッチスクリーン用のタッチ力検出装置であって、前記センサが機械力センサであり、その信号出力ポートが、前記信号処理回路の入力ポートに接続され、信号処理回路の出力ポートが、タッチスクリーンを制御するための前記マイクロコントローラのＩ／Ｏインターフェースに接続されていることを特徴とするタッチ力検出装置。
2. 赤外線タッチスクリーンの内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
3. 機械力センサが、ガラス板の縁部の表面に設置された歪みゲージであり、前記歪みゲージの検出方向が、前記ガラス板の縁部と平行であることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
4. 機械力センサが、ガラス板の隅部表面とタッチスクリーンのフレームとの間に設置された機械センサであることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
5. 機械力センサが、ガラス板の隅部表面とタッチスクリーンのフレームとの間に設置された圧力センサであり、前記フレームが、ガラス板とディスプレイとの間に位置する前記タッチスクリーンの内部フレームであることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
6. 機械力センサが、ガラス板の隅部表面とタッチスクリーンのフレームとの間に設置された張力センサであり、前記フレームが、前記ガラス板の正面に位置する前記タッチスクリーンの外部フレームであることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
7. 機械力センサが、ガラス板の縁部に設置されたピックアップであることを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
8. ピックアップが、圧電セラミックスラブ、コンデンサピックアップ、又は電磁ピックアップであることを特徴とする請求項７に記載のタッチ力検出装置。
9. 信号処理回路が、信号増幅、フィルタ回路を含むフロントエンド回路と、復調回路、シェーピング回路、及びクランプ回路を含む駆動回路とを含むことを特徴とする請求項１に記載のタッチ力検出装置。
10. 信号処理回路が、選択されたセンサアダプタ回路に接続されることを特徴とする請求項１又は請求項９に記載のタッチ力検出装置。
11. 機械力センサが、歪みゲージ、機械センサ、及びピックアップの中の少なくとも２つのセンサの組合せであることを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項７に記載のタッチ力検出装置。

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