JP2021128766A - 圧電感知デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】感知および／または触覚効果を提供するための電子デバイスを提供する。
【解決手段】接触面と、接触面と機械的に結合された圧電変換器と、圧電交変換器と電気的に結合された制御回路と、を備えたデバイスであって、圧電変換器の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得し、当該少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成し、駆動電圧で圧電変換器を駆動し、駆動電圧で圧電変換器を駆動した後に圧電変換器の電圧曲線を測定し、基準電圧曲線と測定された電圧曲線とを比較し、比較に基づいて、接触面上の接触を検出するよう構成されていることを特徴とするデバイス。デバイス、方法およびコンピュータ・プログラム製品が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、デバイス、より具体的には、感知および／または触覚効果を提供するための電子デバイスに関する。

圧電変換器は、ユーザーに触覚効果を提供するために、触覚を感知するために、またはその両方のために使用され得る。ただし、単一の圧電変換器を使用して両方の機能を実行すると、さまざまな課題が発生する可能性がある。例えば、圧電変換器が一つの駆動電圧で同時に駆動されている場合、ユーザーの接触によって生成された信号を検出するのは難しい場合がある。

本発明の概要は、後述する発明の詳細な説明でさらに説明される簡略化された形式での概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、クレームされた主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、クレームされた主題の範囲を制限するために使用されることも意図していない。

感知および／または触覚効果を提供するための電子デバイスを提供することを目的とする。前述の目的および他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらなる実施形態は、従属請求項、説明および図から明らかである。

第１の態様によれば、本デバイスは、接触面と、前記接触面と機械的に結合された圧電変換器と、前記圧電交変換器と電気的に結合された制御回路と、を備えたデバイスであって、前記圧電変換器の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得し、当該少なくとも1つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成し、駆動電圧で前記圧電変換器を駆動し、前記駆動電圧で前記圧電変換器を駆動した後に前記圧電変換器の電圧曲線を測定し、前記基準電圧曲線と測定された電圧曲線とを比較し、前記比較に基づいて、接触面上の接触を検出するよう構成されていることを特徴とする。本デバイスは、例えば、駆動電圧で圧電変換器を駆動しているときであっても、接触面上の接触を検出することもできる。

第１の態様の実装形態では、前記制御回路は、さらに、前記比較に基づいて、前記接触面上の接触の時間的変化特性を検出するよう構成されている。本デバイスは、たとえば、接触によって加えられる力が増加しているか減少しているかを検出することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、前記少なくとも１つのパラメータは、前記圧電変換器のＲＣ時定数を含む。本デバイスは、例えば、単一のパラメータを使用して基準電圧曲線を形成することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、前記制御回路は、さらに、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線との差を算出することによって前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較するように構成されている。本デバイスは、例えば、基準電圧曲線と測定電圧曲線とを効率的に比較することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、前記制御回路は、さらに、前記基準電圧曲線を前記測定電圧曲線から差し引いて差分電圧曲線を生成し、当該差分電圧曲線に基づいて前記接触を検出することにより、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較するように構成されている。本デバイスは、例えば、圧電変換器を駆動しているときであっても、接触を検出することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、制御回路は、さらに、前記差分電圧曲線の積分を計算し、当該差分電圧曲線の積分に基づいて前記接触を検出するように構成されている。本デバイスは、例えば、接触を効率的に検出することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、制御回路は、さらに、前記差分電圧曲線の振動振幅を計算し、当該差分電圧曲線の振動振幅に基づいて前記接触を検出するように構成されている。本デバイスは、例えば、物体によって誘発される振動を使用して、接触を効率的に検出することもできる。

第１の態様のさらなる実施形態では、制御回路は、さらに、前記基準電圧曲線の飽和期間を検出し、前記測定電圧曲線の飽和期間を検出し、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線の飽和期間を比較することによって、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較するように構成されている。本デバイスは、例えば、飽和によって信号の検出が制限されている場合でも、接触を効率的に検出することができる。

第１の態様のさらなる実施形態では、制御回路は、さらに、試験駆動電圧を使用して前記圧電変換器を駆動し、当該試験駆動電圧により前記圧電変換器に引き起こされる応答電圧曲線を測定し、当該応答電圧曲線に基づいて前記少なくとも1つのパラメータを算出するように構成されている。本デバイスは、例えば、少なくとも１つのパラメータを更新することができる。このように、圧電変換器の電気的および／または機械的特性が変化する場合、本デバイスはこれらの変化を考慮に入れることができる。

上記の第１の態様の実施形態は、互いに組み合わせて使用することができることが理解されるべきである。いくつかの実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を形成することができる。

第２の態様によれば、本方法は、圧電変換器の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得する工程と、前記少なくとも1つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成する工程と、駆動電圧によって前記圧電変換器を駆動する工程と、駆動電圧で前記圧電変換器を駆動した後に前記圧電変換器の電圧曲線を測定する工程と、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較する工程と、前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程とを含むことを特徴とする。

第２の態様の実装形態では、前記比較に基づいて、接触面上の接触を検出する工程には、前記比較に基づいて前記接触面上の接触の時間的変化特性を検出する工程が含まれている。

第２の態様のさらなる実施形態では、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較する工程には、前記基準電圧曲線を前記測定電圧曲線から差し引いて差分電圧曲線を生成する工程が含まれ、前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程には、前記差分電圧曲線に基づいて前記接触を検出する工程が含まれている。

第２の態様のさらなる実施形態では、さらに、前記差分電圧曲線の積分を算出しする工程を含み、前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程には、前記差分電圧曲線の積分に基づいて前記接触を検出する工程が含まれている。

第２の態様のさらなる実施形態では、試験駆動電圧を使用して前記圧電変換器を駆動する工程と、当該試験駆動電圧により前記圧電変換器に引き起こされる応答電圧曲線を測定する工程と、当該応答電圧曲線に基づいて前記少なくとも1つのパラメータを算出する工程と、がさらに含まれている。

上記の第２の態様の実施形態は、互いに組み合わせて使用することができることが理解されるべきである。いくつかの実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を形成することができる。

第３の態様によれば、プログラム・コードを備えたコンピュータ・プログラム製品であって、コンピュータ上で前記プログラム・コードが実行される時に上記の第２の態様に記載された方法を実施するよう構成されたコンピュータ・プログラム製品が提供される。

付随する特徴の多くは、添付図面に関連して考慮される以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるようになるので、より容易に理解されるであろう。

以下、例示的な実施形態は、添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係るデバイスの断面図である。

図２は、一実施形態に係る演算部の概略図である。

図３は、一実施形態に係るデバイスの回路図である。

図４は、一実施形態に係る圧電変換器を駆動するために用いられる電圧パルスおよび基準電圧曲線の概略図である。

図５は、一実施形態に係る圧電変換器の測定電圧曲線の概略図である。

図６は、一実施形態に係る差分電圧曲線の概略図である。

図７は、一実施形態に係る圧電変換器の測定電圧曲線の概略図である。

図８は、一実施形態に係る差分電圧曲線の概略図である。

図９は、一実施形態に係る方法のフローチャートである。

図１０は、一実施形態に係る制御回路で用いられる電圧のフロー図である。

以下、同様の参照符号は、添付の図面において同様の部分を指定するために使用される。

以下、添付図面を参照して説明する。図面は、本開示の一部を構成し、図面には本開示が配置され得る特定の態様が例示として示されている。本開示の範囲から逸脱することなく、他の側面を利用することができ、構造的または論理的変更を行うことができることが理解される。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲で定義されている。

例えば、説明された方法に関連する開示は、その方法を実行するように構成された対応するデバイスまたはシステムにも当てはまる可能性があり、逆もまた同様であることが理解される。例えば、特定の方法ステップが説明される場合、対応するデバイスは、たとえそのようなユニットが図に明示的に説明または図示されていなくても、説明された方法ステップを実行するためのユニットを含み得る。他方、例えば、特定の装置が機能単位に基づいて記述されている場合、対応する方法は、たとえそのようなステップが図に明示的に記述または図示されていなくても、記述された機能を実行するステップを含み得る。さらに、本明細書に記載の様々な例示的な態様の特徴は、特に断りのない限り、互いに組み合わせることができることが理解される。

図１は、一実施形態によるデバイス１００の断面の概略図を示している。

図１は、本実施形態に係るデバイス１００の断面図である。デバイス１００は、接触面１０１を備え得る。

接触面１０１は、また、層、表面層、タッチインターフェース表面、またはタッチインターフェース層とも称される。接触面１０１は、タッチユーザインタフェースの一部であってもよいです。接触面１０１は、例えば、トラックパッドの一部、またはラップトップコンピュータまたはタッチスクリーンのキー／ボタンであり得る。

接触面１０１は、第一側面及び第二の側面を含んでもよい。第一側面は、少なくともその一部分において遮るものがない。ユーザーは、例えば指などの物体１０４によって第一側面に触れてもよい。

デバイス１００は、圧電変換器１０２をさらに備え得る。圧電変換器１０２は、接触面１０１に機械的に結合され得る。

本明細書において、２つの要素が機械的に結合されていることは、２つの要素間に機械的接続があることを示し得る。 ２つの要素は、例えば、互いに接触していてもよく、または、他の要素を介して機械的接続が実施されてもよい。例えば、圧電変換器１０２が接触面１０１と接触していてもよく、または、圧電変換器１０２と接触面１０１との間に１つまたは複数の他の要素が存在し得る。したがって、力が接触面１０１に加えられるとき、物体１０４が接触面１０１に接触すると、力は圧電変換器１０２に伝達され得る。

デバイス１００は、圧電変換器１０２に電気的に結合された制御回路１０３をさらに備え得る。制御回路１０３は、圧電変換器１０２の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得するように構成され得る。

基準応答はまた、基準行動または類似の名称で呼称され得る。基準応答は、圧電変換器１０２が、所定の基準信号／電圧などの所定の信号／電圧で駆動されたときにどのように応答するかを示すことができる。基準応答は、圧電変換器１０２が、所定の基準信号／電圧などの所定の信号／電圧で駆動されるときの、圧電変換器１０２上の時間依存電圧に対応し得る。

少なくとも１つのパラメータは、圧電変換器１０２の基準応答に対応し得る。

少なくとも１つのパラメータは、例えば、圧電変換器１０２のＲＣ時定数を含み得る。あるいは、または、さらに、少なくとも１つのパラメータは、圧電変換器１０２の基準応答を示す他の任意のパラメータを含み得る。代替的または追加的に、少なくとも１つのパラメータは、圧電変換器１０２の基準応答を説明する他のパラメータ、 圧電変換器１０２の抵抗Ｒ、圧電変換器１０２の静電容量Ｃなど、および／または圧電変換器１０２の少なくとも１つの機械的特性 および／または接触面１０１の剛性、および／または圧電変換器１０２の剛性など、を含み得る。

制御回路１０３は、さらに、少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成するように構成され得る。

例えば、少なくとも１つのパラメータが圧電変換器のＲＣ時定数を含む場合、制御回路１０３は、圧電変換器１０２のＲＣ電圧放電曲線を形成することができる。

あるいは、または、さらに、少なくとも１つのパラメータは、複数のパラメータを含み得る。そのような場合、制御回路１０３は、より複雑な基準電圧曲線を形成するように構成され得る。

制御回路１０３は、少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を生成するように構成され得る。制御回路１０３は、当該少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を合成するように構成され得る。

本明細書において、「電圧曲線」は、時間の関数である電圧を指し得る。電圧曲線は連続的または離散的である可能性がある。電圧曲線は、例えば、時間の関数であり得る数式を使用して、または複数の離散電圧サンプルを使用して表すことができる。

制御回路１０３は、さらに、駆動電圧で圧電変換器を駆動するように構成され得る。駆動電圧は、駆動電圧曲線と呼ばれることもある。

駆動電圧は、時間の関数であり得る。駆動電圧は、例えば、電圧パルスを含み得る。電圧パルスは、例えば、実質的にガウシアンパルスであり得る。

制御回路１０３は、圧電変換器上の電圧曲線を測定するようにさらに構成され得る。これにより、測定された電圧曲線が生成され得る。

制御回路１０３は、圧電変換器１０２に電気的に接続された少なくとも１つの抵抗器を含み得る。当該少なくとも１つの抵抗器は、圧電変換器１０２を放電し得る。制御回路１０３は、圧電変換器１０２は、少なくとも１つの抵抗器を介して放電する一方、圧電変換器１０２の電圧曲線を測定するように構成され得る。。

制御回路１０３は、さらに、基準電圧曲線と測定電圧曲線とを比較するように構成され得る。これにより、比較結果が生成される場合がある。制御回路１０３は、例えば、測定電圧曲線から基準電圧曲線を差し引くことによって、またはその逆によって、基準電圧曲線と測定電圧曲線とを比較することができる。

制御回路１０３は、さらに、比較に基づいて、接触面１０１への接触を検出するように構成され得る。

制御回路１０３は、比較結果に基づいて、接触面１０１への接触を検出するように構成され得る。

圧電変換器１０２は、接触面１０１の第２の側面に配置され得る。デバイス１００は、複数の圧電変換器１０２を含み得る。本明細書の開示は、複数の圧電変換器内の各圧電変換器１０２に適用され得る。

デバイス１００が複数の圧電変換器１０２を含む場合、制御回路１０３は、各圧電変換器１０２で検出された力に基づいて、接触面１０１上の物体１０４の位置を推定するように構成され得る。制御回路１０３は、例えば、加重平均または同様の手順を使用してこれを実行することができる。

圧電変換器１０２は、第２の側面の隣に、第２の側面に近接して、または第２の側面から離れて配置されてもよい。複数の圧電変換器内の各圧電変換器１０２は、物体１０４によって接触面１０１の第１の側面に加えられる力によって誘導される圧電変換器１０２の機械的応力を電圧に変換するように構成され得る。機械的応力は、応力と呼ばれることもある。電圧は、電圧、応力誘導電圧、または対応する電圧と呼ばれることがある。電圧は機械的応力に比例することがある。

圧電変換器１０２は、圧電性とも呼ばれる圧電効果を介して機械的応力を電圧に変換するように構成され得る。物体１０４は、例えば、ユーザーの指、人間の他の任意の身体部位、スタイラスペン、またはユーザーによって保持される他の物体であり得る。物体１０４が指である場合、使用者は手袋を着用することができ、手袋の布のみが接触面１０１と直接接触することもありうる。

圧電変換器１０２上に誘導される電圧、すなわち測定電圧曲線は、物体１０４によって接触面１０１に加えられる力／圧力の変化率に比例し得る。

圧電変換器１０２は、また、圧電変換器に印加された電圧を、圧電効果を介して機械的応力に変換するように構成され得る。したがって、駆動電圧が圧電変換器１０２上に印加されると、触覚効果が接触面１０１に誘導され得る。

図１の実施形態では、１つの物体１０４のみが示されているが、同時に接触面１０１に接触する複数の物体１０４が存在し得る。本明細書に記載のデバイス１００の任意の実施形態は、接触面１０１上の複数の物体１０４の各物体の位置を特定するように構成することができる。各物体１０４の位置決めは、本明細書に記載するように実行することができる。

図２は、一実施形態による計算ユニット２００の概略図を示している。制御回路１０３は、計算ユニット２００を含み得る。

計算ユニット２００は、少なくとも１つのプロセッサ２０１を含むことができる。少なくとも１つのプロセッサ２０１は、例えば、コプロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、付随するＤＳＰを伴うまたは伴わない処理回路、または、例えば、アプリケーション固有の集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの集積回路を含む様々な他の処理デバイス、マイクロプロセッサユニット（ＭＣＵ）、ハードウェアアクセラレータ、専用コンピュータチップなどの１つまたは複数の様々な処理デバイスを含むことができる。

計算ユニット２００は、メモリ２０２をさらに備え得る。メモリは、例えば、コンピュータ・プログラムなどを格納するように構成され得る。メモリは、１つまたは複数の揮発性メモリデバイス、１つまたは複数の不揮発性メモリデバイス、および／または１つまたは複数の揮発性メモリデバイスと不揮発性メモリデバイスとの組み合わせを含むことができる。例えば、メモリの具体例としては、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ、フロッピーディスク、磁気テープなど）、光磁気記憶装置、および半導体メモリ（マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（プログラム可能ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（消去可能ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）など）などが挙げられる。

計算ユニット２００がいくつかの機能を実装するように構成されている場合、少なくとも１つのプロセッサおよび／またはメモリなどの計算ユニット２００のいくつかのコンポーネントおよび／またはコンポーネントは、この機能を実装するように構成され得る。さらに、少なくとも１つのプロセッサがいくつかの機能を実装するように構成されている場合、この機能は、例えばメモリに含まれるプログラムコードを使用して実装され得る。

メモリ２０２は、少なくとも１つのパラメータ２０３を含み得る。

計算ユニット２００は、例えば、ブースト変換器回路、マイクロプロセッサ、および圧電変換器１０２と相互作用するために使用される他の構成要素をさらに含み得る。ブースト変換器は、触覚フィードバックの場合、圧電変換器１０２を駆動するために必要とされ得る高電圧を提供し得る。

制御回路１０３が計算操作を実行するように構成されている場合、計算ユニット２００が該計算操作を実行するように構成され得る。かかる計算操作は、例えば、少なくとも１つのパラメータを取得すること、少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成すること、基準電圧曲線と測定された電圧曲線を比較すること、および／またはその比較に基づいて接触面上の接触を検出することを含み得る。

図３は、一実施形態によるデバイス１００の回路図表現を示している。

デバイス１００のいくつかの構成要素は、制御回路１０３の一部として示されているが、これは、デバイス１００を実装することができる唯一の方法ではなく、制御回路１０３を単一のユニットに実装する必要はない。むしろ、制御回路１０３は、圧電変換器１０２を制御するために使用されるデバイス１００内の様々な構成要素を含むことができる。

圧電変換器１０２は、コンデンサとして模式化することができる。圧電変換器１０２の抵抗、インダクタンス、ヒステリシス、およびＬＣ共振などの他の電気的／物理的特性もまた、対応する電気部品を圧電変換器１０２の模式に追加することによって模式化することができる。例えば、圧電変換器１０２の抵抗損失を模式化するために抵抗器を追加することができる。圧電変換器１０２のインダクタンスをモデル化するためにインダクタを追加することができる。多くの場合、圧電変換器１０２の容量挙動が支配的であり得、したがって、圧電変換器１０２を単一のコンデンサとして模式化すれば十分であり得る。

デバイス１００は、第１の抵抗器３０１と第２の抵抗器３０２を含む分圧器３０３を備え得る。

デバイス１００は、第３の抵抗器３０４およびコンデンサ３０５を含むローパスフィルタ３０６をさらに備え得る。ローパスフィルタ３０６は、不要な周波数成分を除去するように構成され得る。

ローパスフィルタ３０６のカットオフ周波数は、例えば、５０−３００ヘルツ（Ｈｚ）の範囲、またはこれの任意のサブ範囲、例えば、５０−２００Ｈｚ、５０−１５０Ｈｚ、または７０−１３０Ｈｚであり得る。

デバイス１００は、第１のダイオード３０７および第２のダイオード３０８をさらに備え得る。

デバイス１００は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０９をさらに備え得る。制御回路１０３は、例えば、ＡＤＣ３０９を備え得る。

第１の３０７および第２のダイオード３０８は、ＡＤＣ３０９に供給される電圧を制限することができる。第１のダイオード３０７は、第１の導体３１０と最大電圧Ｖ_ｍａｘとの間に結合され得る。第２のダイオード３０８は、第１の導体３１０と最小電圧−Ｖ_ｍａｘとの間に結合され得る。第１の導体３１０は、ＡＤＣ３０９に電気的に結合され得る。したがって、第１の導体３１０を介してＡＤＣ３０９に供給される電圧は、−Ｖ_ｍａｘと＋ Ｖ_ｍａｘとの間に制限され得る。 ＡＤＣ３０９のダイナミックレンジは２Ｖ_ｍａｘであり得る。

制御回路１０３は、基準電圧回路３３０をさらに備えることができる。基準電圧回路３３０は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆを提供することができる。

ＡＤＣ３０９は、第２の導体３１１に電気的に結合することができる。第２の導体３１１は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆにあることができる。基準電圧は、例えば、接地電圧、１ ／ ２Ｖ_ｄｄ、または同様のものに対応し得る。Ｖ_ｄｄは電源電圧の場合があります。 ＡＤＣ３０９は、第１の導体３１０と第２の導体３１１との間の電圧を測定するように構成され得る。

Ｖ_ｒｅｆは、ＡＤＣ３０９のダイナミックレンジ内の任意の実用的な電圧を含み得、これは、Ｖ_ｒｅｆの上下のピエゾ電圧の読み取りを可能にする。Ｖ_ｒｅｆは、ＡＤＣ３０９のダイナミックレンジの中心にある必要はない。また、上下の応答が線形である必要も、上下の同様のダイナミクスを持つ必要もない。ただし、Ｖ_ｒｅｆに関連して、両方向に差動で測定する機能が必要になる場合がある。

あるいは、Ｖ_ｒｅｆは接地電圧に対応する場合がある。しかしながら、その場合、ＡＤＣ３０９は、負の電圧も読み取ることができる必要があり得、これは、デバイス１００の製造コストを増加させ得る。

デバイス１００は、図に示されていない他の構成要素をさらに含み得る。

デバイス１００は、マルチプレクサを含み得る。複数の圧電変換器１０２は、マルチプレクサを介してＡＤＣ３０９に結合され得る。

デバイス１００は、ブーストコンバータ３２０をさらに備え得る。ブーストコンバータ３２０は、圧電変換器１０２を駆動するように構成され得る。制御回路１０３が圧電変換器１０２を駆動するように構成される場合、計算ユニット２００は、ブーストコンバータ３２０に電気的に結合され得る。計算ユニット２００は、ブーストコンバータ３２０が圧電変換器１０２に駆動電圧／電流を提供するようにブースト変換器３２０を制御することができる。ブースト変換器３２０は、マルチプレクサを介して複数の圧電変換器１０２を駆動することができる。

デバイス１００では、ブーストコンバータ３２０および感知回路は、感知と触覚とを切り替える必要なしに、常に圧電変換器１０２に接続され得る。これにより、高度な応答性と改善された使用性が可能になり得る。

デバイス１００がアイドル状態であるとき、圧電変換器１０２の各端子は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆにあり得る。基準電圧は、手元の検知システムに応じて選択できる。アイドル状態では、この電圧は実質的に一定のままである可能性がある。このように、第１の抵抗器３０１および／または第２の抵抗器３０２に電圧があってはならない。

第１の抵抗器３０１に接続された圧電変換器１０２の端子は、測定端子と呼ばれ得る。第２の導体３１１に接続された圧電変換器１０２の端子は、基準端子と呼ばれ得る。

物体１０４が接触面１０１に接触するか、または電圧パルスが圧電変換器１０２上に電位を生成するときはいつでも、圧電変換器１０２の高インピーダンス測定端子の電位は、より安定した低インピーダンスの基準端子と比較して増加し、かくして端子間に制御回路１０３がＡＤＣ３０９を使用して測定することができる電圧差が導入される。

該電位差は、第１の抵抗器３０１および第２の抵抗器３０２を介して電流を導入することができ、該電流は、圧電変換器１０２内の電荷を放電する。これは、制御回路１０３によって、第２の抵抗器３０２上の電圧として検出され得る。該電圧は、圧電変換器１０２、第１の抵抗器３０１、および第２の抵抗器３０２の抵抗、ならびに圧電変換器１０２の容量に起因するＲＣ放電曲線を含む。

第１の抵抗器３０１および第２の抵抗器３０２の抵抗は、圧電変換器１０２の内部抵抗を支配し得る。第１の抵抗器３０１および第２の抵抗器３０２の抵抗は、ヒューマンインターフェイスの目的から、圧電変換器１０２の電圧の合理的な減衰率を生成するように選択され得る。

デバイス１００は、計算ユニット２００を含み得る。制御回路１０３は、計算ユニット２００を含み得る。計算ユニット２００は、ブーストコンバータ３２０および／またはＡＤＣ３０９に電気的に結合され得る。計算ユニット２００は、ＡＤＣ３０９を経由して電圧測定値のサンプルを取得し得る。計算ユニット２００は、ブーストコンバータ３２０を制御することもできる。ブーストコンバータ３２０が何らかの動作を実行するように構成されている場合、計算ユニット２００は、ブーストコンバータ３２０を制御することによってその動作を実行するように構成され得る。

図４は、一実施形態による、圧電変換器１０２を駆動するために使用される駆動電圧４０２の概略図および基準電圧曲線４０１を示す。

駆動電圧４０２および基準電圧曲線４０１の縮尺は同じではない場合がある。例えば、駆動電圧４０２の振幅は、５０−５００ボルト（Ｖ）の範囲、またはこれの任意のサブ範囲、例えば、５０−３００Ｖ、１００−３００Ｖ、または１５０−２５０Ｖであり得る。一方、基準電圧曲線４０１の最大値は、飽和電圧レベル４０３によって制限され得る。飽和電圧レベル４０３は、１０Ｖ未満、例えば、３．３Ｖであり得る。

飽和電圧レベル４０３は、例えば、ＡＤＣ３０９の制限されたダイナミックレンジに起因する可能性がある。

基準電圧曲線４０１は、駆動電圧４０２に対応し得る。圧電変換器１０２が駆動電圧４０２で駆動される場合、基準電圧曲線４０１は、圧電変換器１０２が物体１０４によって接触されていないときの圧電変換器１０２上の電圧に対応し得る。

制御回路１０３は、少なくとも１つのパラメータ２０３に基づいて基準電圧曲線４０１を形成することができる。例えば、少なくとも１つのパラメータ２０３が圧電変換器１０２のＲＣ定数τを含む場合、基準電圧曲線４０１の時間的挙動は、次の式に従うことがある。

ここで、ｔは時間であり、Ｖ_０は時刻ｔ ＝ ０およびτ＝ ＲＣにおけるある最大電圧であり得る。ここで、Ｒは、圧電変換器１０２の抵抗であり、Ｃは、圧電変換器１０２の静電容量であり得る。Ｒは、第１の抵抗器３０１および／または第２の抵抗器３０２の抵抗を含む。

典型的な使用シナリオでは、τは、例えば５−１０ミリ秒（ｍｓ）である。

ＡＤＣ３０９のダイナミックレンジが制限されているため、基準電圧曲線４０１は、図４の実施形態に示されるように飽和し得る。このように、基準電圧曲線４０１は、基準電圧曲線４０１が飽和していない場合にのみ、上記の挙動に従い得る。

圧電変換器１０２以外の構成要素が、基準電圧曲線および／または少なくとも１つのパラメータに影響を及ぼし得ることを理解するべきである。例えば、いくつかの構成要素は、基準電圧曲線４０１および／または少なくとも１つのパラメータ２０３に影響を及ぼし得る静電容量を含み得る。したがって、少なくとも１つのパラメータ２０３は、圧電変換器１０２を含む回路のＲＣ時定数を含み得る。

図５は、一実施形態による圧電変換器１０２上で測定電圧曲線５０１の概略図を示している。

図５の実施形態に提示された測定電圧曲線５０１は、接触面１０１に接触している物体１０４が押圧力を低減している状況に対応し得る。これは、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１との差として観察できる。減少力により、測定電圧曲線５０１の値は、力が減少しているときの基準電圧曲線４０１の値よりも大きくなる。

本明細書の説明は、圧電変換器１０２が逆分極されていると仮定し得ることを理解すべきである。圧電変換器１０２が逆分極されていない場合、図５の実施形態に提示された状況は、押圧力が増加した状況に対応し得る。

制御回路１０３はさらに、以下のようにして、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１とを比較するように構成され得る。基準電圧曲線４０２の飽和期間５０２を検出し、測定電圧曲線５０１の飽和期間５０３を検出する。そして、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１の飽和期間を比較する。

ここで、「飽和期間」は、問題の電圧曲線が飽和状態にある時間間隔の長さを指し得る。電圧曲線の値が飽和電圧レベル４０３以上である場合、電圧曲線は飽和状態にある可能性がある。

例えば、基準電圧曲線４０１の飽和期間は、図５の実施形態に示される時間間隔ｔ_ｓ、ｒ５０２の長さを指すことができる。同様に、測定電圧曲線５０１の飽和期間は、図５の実施形態に示される時間間隔ｔ_ｓ、ｍ５０３の長さを指すことができる。

制御回路１０３は、例えば、ｔ_ｓ、ｒ５０２とｔ_ｓ、ｍ５０３との間の時間差Δｔを計算することができる。

Δｔが正の場合、測定電圧曲線５０１は、基準電圧曲線４０１よりも長い時間にわたって飽和状態にある。そのような状況の例は、図５の実施形態に示されている。これは、接触面１０１に接触する物体１０４が押圧力を減少させている状況に対応し得る。

一方、Δｔが負の場合、測定電圧曲線５０１は、基準電圧曲線４０１よりも短い時間にわたって飽和状態にある。これは、接触面１０１に接触している物体１０４が押圧力を増加させている状況に対応し得る。

図６は、一実施形態による差分電圧曲線６０１の概略図を示している。

制御回路１０３は、さらに、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１との間の差を計算することによって、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１とを比較するように構成され得る。

制御回路１０３は、さらに、差分電圧曲線６０１を生成する測定電圧曲線５０１から基準電圧曲線４０１を差し引くことによって、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１とを比較し、差分電圧曲線６０１に基づいて接触を検出するように構成され得る。

差分電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）６０１は、例えば、測定された電圧曲線Ｖ_ｍｅａｓ（ｔ）から基準電圧曲線Ｖ_ｒｅｆ（ｔ）を差し引くことによって得ることができる。

例えば、図６に示される差分電圧曲線は、図５に示される測定電圧曲線５０１から基準電圧曲線４０１を差し引くことによって得られ得る。

制御回路１０３は、差分電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）の符号／極性を検出するように構成され得る。例えば、図６に提示された差分電圧曲線６０１の場合、制御回路１０３は、差分電圧曲線６０１が主に正であることを検出するように構成され得る。

制御回路１０３は、差分電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）の符号／極性に基づいて、接触の時間的変化特性を検出するように構成され得る。例えば、図６に提示された差分電圧曲線６０１の場合、制御回路１０３は、接触によって加えられる力が減少していることを検出するように構成され得る。

制御回路１０３は、さらに、比較に基づいて、接触面１０１上の接触の時間的変化特性を検出するように構成され得る。

接触面１０１上の接触の時間的変化特性は、時間とともに変化する接触の任意の特性を指し得る。例えば、制御回路１０３は、接触によって加えられる力／圧力が増加しているか、減少しているか、または一定に保たれているかどうかを検出するように構成され得る。

制御回路１０３は、差分電圧曲線の積分を計算し、差分電圧曲線の積分に基づいて接触を検出するようにさらに構成され得る。

制御回路１０３は、例えば、以下の積分を計算するように構成され得る。

ｔ_１は、デバイス１００が駆動電圧で圧電変換器を駆動し始める瞬間であり得る。 ｔ_２は、ｔ_１の後の事前設定された時刻であり得る。

積分Ｉの結果に基づいて、制御回路１０３は、物体が接触面１０１に接触しているかどうかを推測することができる。例えば、図６の実施形態の場合、Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）はほとんどの場合正である。したがって、積分の結果は正であり、制御回路１０３は、物体が減少する力で接触面１０１に接触している可能性があると推論することができる。

制御回路１０３は、差分電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆのサンプルを合計することによって、上に提示された積分を近似することができる。

ここで、Ｖ_ｄｉｆｆ［ｉ］はＶ_ｄｉｆｆのｉ番目のサンプルを指し、Ｎはサンプルの総数を指し、Ｔはサンプルが取得された期間の長さを指し、例えば：Ｔ＝ｔ_２−ｔ_１・である。

あるいは、制御回路１０３は、他の方法を使用して、積分Ｉの値を評価することができる。

制御回路１０３は、積分Ｉが事前設定された閾値に到達したことに応じて、接触面１０１上の接触を検出するように構成され得る。

時間分解能Ｔ ／ Ｎは、例えば、１ミリ秒未満であり得る。

Ｔおよび／またはＮは、事前設定された値を含み得る。代替的または追加的に、制御回路１０３は、ある事前構成された閾値に達するまで差分電圧曲線をサンプリングするように構成され得る。事前構成された値に到達したことに応答して、制御回路１０３は、接触面１０１上の接触を検出することができる。

一実施形態によれば、制御回路１０３は、さらに、差分電圧曲線の振動振幅を計算し、差分電圧曲線の振動振幅に基づいて接触を検出するように構成される。

物体１０４が接触面１０１に接触すると、物体１０４は、接触面１０１に振動を導入することができる。この振動は、圧電変換器１０２を介して検出することができる。

制御回路１０３は、例えば、以下を使用して、平均差電圧Ｖ_{ｄｉｆｆ、ａｖｅ}を計算することができる。

ここで、Ｎは平均の計算に使用されるサンプルの数である。

各サンプルＶ_ｄiff ［ｉ］、について、計算ユニット２００は、例えば、以下を使用して、振動振幅Ａ_ｉを計算することができる。

制御回路１０３は、例えば、以下を使用して、平均振動振幅Ａ_ａｖｅを計算することができる。

または

平均振動振幅Ａ_ａｖｅは、圧電変換器１０２の振動量を定量化することができる。差電圧の振動振幅は、平均振動振幅Ａ_ａｖｅを含み得る。

素子１０２の振動量は、圧電変換器１０２と物体１０４との間の距離に反比例し得るので、計算ユニット２００は、各圧電変換器１０２の振動成分を使用して、接触面１０１上の物体１０４の位置を計算／推定することができる。

制御回路１０３は、例えば、差電圧の振動振幅を事前設定された閾値と比較することができる。差電圧の振動振幅が事前設定された閾値よりも大きい場合、制御回路１０３は、物体１０４が接触面１０１に接触していると推定することができる。

図７は、一実施形態による圧電変換器１０２上で測定された電圧曲線７０１の概略図を示している。

図７の実施形態に示される測定電圧曲線７０１は、接触面１０１に接触している物体１０４が押圧力を増加させている状況に対応し得る。これは、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線７０１との間の差として観察され得る。力が増加するため、測定電圧曲線７０１の値は、基準電圧曲線４０１の値よりも小さい。

図８は、一実施形態による差分電圧曲線８０１の概略図を示している。

図８に示される差分電圧曲線８０１は、図７に示される測定電圧曲線７０１から基準電圧曲線４０１を差し引くことによって得られ得る。

制御回路１０３は、差分電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）の符号／極性を検出するように構成され得る。例えば、図８に提示された差分電圧曲線８０１の場合、制御回路１０３は、差分電圧曲線８０１が主に負であることを検出するように構成され得る。

制御回路１０３は、差電圧曲線Ｖ_ｄｉｆｆ（ｔ）の符号／極性に基づいて、接触の時間的変化特性を検出するように構成され得る。例えば、図８に提示された差電圧曲線８０１の場合、制御回路１０３は、接触によって加えられる力／圧力が増加していることを検出するように構成され得る。

図９は、一実施形態による方法のフローチャートによる表現を示している。

一実施形態によれば、方法９００は、圧電変換器の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得する工程９０１を含む。

方法９００は、さらに、少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成する工程９０２を含み得る。

方法９００は、さらに、駆動電圧で圧電変換器を駆動する工程９０３を含み得る。

方法９００は、さらに、圧電変換器上の電圧曲線を測定する工程９０４を含み得る。

方法９００は、さらに、基準電圧曲線と測定電圧曲線とを比較する工程９０５を含み得る。

方法９００は、さらに、比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程９０６を含み得る。

図１０は、一実施形態による制御回路１０３によって使用される電圧のフロー図表現を示す。

制御回路１０３はさらに、試験駆動電圧１００１を用いて圧電変換器１０２を駆動するように構成され得る。

試験駆動電圧１００１は、駆動電圧４０２と同様であり得る。試験駆動電圧１００１は、例えば、圧電変換器１０２の電気的および／または機械的特性を試験するのに適した任意の事前構成された電圧曲線を含み得る。

制御回路１０３は、物体１０４によって接触面１０１に加えられる外力がないときに、試験駆動電圧１００１で圧電変換器１０２を駆動するように構成され得る。

制御回路１０３は、さらに、圧電変換器１０２上の試験駆動電圧１００１によって引き起こされる応答電圧曲線１００２を測定するように構成され得る。

制御回路１０３は、物体１０４によって接触面１０１に外力が加えられていないときに、試験駆動電圧１００１で圧電変換器１０２を駆動するように構成され得るので、応答電圧曲線１００２は、基準電圧曲線４０２に対応し得る。したがって、制御回路１０３は、応答電圧曲線１００２を測定することによって基準電圧４０２曲線を取得することができる。

制御回路１０３は、さらに、応答電圧曲線１００２に基づいて少なくとも１つのパラメータ２０３を計算するように構成され得る。

制御回路１０３は、さらに、少なくとも１つのパラメータ２０３を格納するように構成され得る。制御回路１０３は、少なくとも１つのパラメータ２０３を、例えば、メモリ２０２に格納することができる。

制御回路１０３は、例えば、応答電圧曲線１００２に基づいて圧電変換器１０２のＲＣ時定数を推定することができる。制御回路１０３は、例えば、曲線フィッティングおよび／または他の計算手順を使用して、応答電圧曲線１００２から少なくとも１つのパラメータ２０３を取得し得る。

制御回路１０３は、例えば、定期的に、少なくとも１つのパラメータ２０３を計算するための前述の動作を実行することができる。圧電変換器１０２の電気的および／または機械的特性は、時間とともに変化し得るので、制御回路１０３は、このようにして、圧電変換器１０２の電流特性に対応するように少なくとも１つのパラメータ２０３を更新し得る。したがって、基準電圧曲線少なくとも１つのパラメータ２０３に基づいて形成された４０１は、圧電変換器１０２の基準挙動をより正確に示し得る。

次に、制御回路１０３は、少なくとも１つのパラメータ２０３を取得し、該少なくとも１つのパラメータ２０３に基づいて基準電圧曲線４０１を形成し、駆動電圧４０２で圧電変換器を駆動し、圧電変換器１０２上の電圧曲線５０１を測定し、基準電圧曲線４０１と測定電圧曲線５０１とを比較し、本明細書に記載されている比較に基づいて、接触面１０１上の接触を検出する。

ここに記載されている範囲またはデバイス値は、所望の効果を失うことなく拡張または変更できる。また、明示的に禁止されていない限り、任意の実施形態を別の実施形態と組み合わせることができる。

主題は、構造的特徴および／または行為に固有の言語で説明されてきたが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、必ずしも上記の特定の特徴または行為に限定されないことを理解すべきである。むしろ、上記の特定の特徴および行為は、特許請求の範囲を実施する例として開示され、他の同等の特徴および行為は、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

上記の利益および利点は、１つの実施形態に関連し得るか、またはいくつかの実施形態に関連し得ることが理解されるであろう。実施形態は、記載された問題のいずれかまたはすべてを解決するもの、または記載された利益および利点のいずれかまたはすべてを有するものに限定されない。さらに、「ひとつ」の事項への言及は、その事項の１つまたは複数を指す場合があることが理解されよう。

本明細書に記載の方法の工程は、任意の適切な順序で、または必要に応じて同時に実行することができる。さらに、個々のブロックは、本明細書に記載の主題の精神および範囲から逸脱することなく、任意の方法から削除することができる。上記の実施形態のいずれかの態様は、記載された他の実施形態のいずれかの態様と組み合わせて、所望の効果を失うことなくさらなる実施形態を形成することができる。

「含む」という用語は、本明細書では、識別された方法、ブロックまたは要素を含むことを意味するために使用されるが、そのようなブロックまたは要素は、排他的リストを含まず、方法または装置は、追加のブロックまたは要素を含み得る。

上記の説明は、例としてのみ与えられており、当業者によって様々な修正を行うことができることが理解されよう。上記の仕様、例、およびデータは、例示的な実施形態の構造および使用の完全な説明を提供する。様々な実施形態がある程度の特殊性をもって、または１つまたは複数の個々の実施形態を参照して上記で説明されてきたが、当業者は、本明細書の精神または範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に多数の変更を加えることができる。

Claims (15)

1. 接触面（１０１）と、
   前記接触面（１０１）と機械的に結合された圧電変換器（１０２）と、
   前記圧電変換器（１０２）と電気的に結合された制御回路（１０３）と、
   を備えたデバイス（１００）であって、
   前記圧電変換器（１０２）の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータ（２０３）を取得し、
   当該少なくとも１つのパラメータ（２０３）に基づいて基準電圧曲線（４０１）を形成し、
   駆動電圧（４０２）で前記圧電変換器（１０２）を駆動し、
   前記駆動電圧（４０２）で前記圧電変換器（１０２）を駆動した後に前記圧電変換器（１０２）の電圧曲線（５０１，７０１）を測定し、
   前記基準電圧曲線（４０１）と測定された電圧曲線（５０１，７０１）とを比較し、
   前記比較に基づいて、接触面（１０１）上の接触を検出するよう構成されていることを特徴とするデバイス（１００）。
2. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記比較に基づいて、前記接触面（１０１）上の接触の時間的変化特性を検出するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１００）。
3. 前記少なくとも１つのパラメータ（２０３）は、前記圧電変換器（１０２）のＲＣ時定数を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデバイス（１００）。
4. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記基準電圧曲線（４０１）と前記測定電圧曲線（５０１，７０１）との差を算出することによって前記基準電圧曲線（４０１）と前記測定電圧曲線（５０１，７０１）とを比較するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のデバイス（１００）。
5. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記基準電圧曲線（４０１）を前記測定電圧曲線（５０１，７０１）から差し引いて差分電圧曲線（６０１，８０１）を生成し、当該差分電圧曲線（５０１，７０１）に基づいて前記接触を検出することにより、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較するように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のデバイス（１００）。
6. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記差分電圧曲線（６０１，８０１）の積分を計算し、当該差分電圧曲線の積分に基づいて前記接触を検出するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のデバイス（１００）。
7. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記差分電圧曲線（６０１，８０１）の振動振幅を計算し、当該差分電圧曲線の振動振幅に基づいて前記接触を検出するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のデバイス（１００）。
8. 前記制御回路（１０３）は、さらに、前記基準電圧曲線（４０１）の飽和期間（５０２）を検出し、前記測定電圧曲線（５０１、７０１）の飽和期間（５０３）を検出し、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線の飽和期間を比較することによって、前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較するように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のデバイス（１００）。
9. 前記制御回路（１０３）は、さらに、試験駆動電圧（１００１）を使用して前記圧電変換器（１０２）を駆動し、当該試験駆動電圧（１００１）により前記圧電変換器（１０２）に引き起こされる応答電圧曲線（１００２）を測定し、当該応答電圧曲線（１００２）に基づいて前記少なくとも１つのパラメータ（２０３）を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のデバイス（１００）。
10. 圧電変換器の基準応答を示す少なくとも１つのパラメータを取得する工程（９０１）と、
    前記少なくとも１つのパラメータに基づいて基準電圧曲線を形成する工程（９０２）と、
    駆動電圧によって前記圧電変換器を駆動する工程（９０３）と、
    駆動電圧で前記圧電変換器を駆動した後に前記圧電変換器の電圧曲線を測定する工程（９０４）と、
    前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較する工程（９０５）と、
    前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程（９０６）と、
    を含むことを特徴とする方法（９００）。
11. 前記比較に基づいて、接触面上の接触を検出する工程には、前記比較に基づいて前記接触面上の接触の時間的変化特性を検出する工程が含まれていることを特徴とする請求項１０に記載の方法（９００）。
12. 前記基準電圧曲線と前記測定電圧曲線とを比較する工程（９０５）には、前記基準電圧曲線を前記測定電圧曲線から差し引いて差分電圧曲線を生成する工程が含まれ、前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程（９０６）には、前記差分電圧曲線に基づいて前記接触を検出する工程が含まれていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法（９００）。
13. さらに、前記差分電圧曲線の積分を算出する工程を含み、前記比較に基づいて接触面上の接触を検出する工程（９０６）には、前記差分電圧曲線の積分に基づいて前記接触を検出する工程が含まれていることを特徴とする請求項１２に記載の方法（９００）。
14. 試験駆動電圧を使用して前記圧電変換器を駆動する工程と、
    当該試験駆動電圧により前記圧電変換器に引き起こされる応答電圧曲線を測定する工程と、
    当該応答電圧曲線に基づいて前記少なくとも1つのパラメータを算出する工程と、
    がさらに含まれていることを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の方法（９００）。
15. プログラム・コードを備えたコンピュータ・プログラム製品であって、コンピュータ上で前記プログラム・コードが実行される時に請求項１０から１４のいずれかに記載された方法を実施するよう構成されたコンピュータ・プログラム製品。

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