JP7100982B2 - 静電容量型の伸縮可能なタッチパッド - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型の伸縮可能なタッチパッドに関する。

歪ゲージとしての伸縮可能な抵抗性布またはエラストマーは、当該技術分野において知られている。導電性材料で実現されたタッチセンサも、当該技術分野において知られている。これらの用途では、電子機器入力ステージの静電気放電（ＥＳＤ）保護は、一般に、各々の静電容量センサトレースに直列の抵抗器によって確立されている。

タッチセンサは、一般に、固体または硬質基板上に実装されており、一般に、着用することが困難であることも知られている。歪ゲージは、歪ゲージの機能によって決まる性質により、常に、伸縮可能な基板上に実装されている。

特許文献１には、編み金属ステッチからなり、かつ縦方向および横方向の両方に弾性を有するように設計されたテキスタイル圧力センサが開示されている。テキスタイル圧力センサのニットの布は、少なくともその領域において導電性の第１および第２の構造からなっている。中間絶縁要素は、第１および第２の導電性構造体の間に配置されている。このテキスタイル圧力センサの表面および静電容量の両方は、テキスタイル構造が様々な方向に伸長することができるという事実により、一定ではない。これは、圧力測定のエラーにつながる可能性がある。従って、これらの伸長の影響は、例えば、伸長測定によって補償されなければならない。

特に、特許文献１には、計算された圧力に影響を及ぼす容量変化を補償するために布の伸び量を測定するための歪ゲージのアレイを使用することが記載されている。

しかし、上記従来技術の布圧力センサの主な目的は、圧力、より正確には、間接的に圧力を測定する現象として、電極間の静電容量を使用することにより、布に沿った圧力分布を測定することである。

特許文献２には、第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれた少なくとも１つの絶縁材料層を含む可撓性圧力検出プラットフォームが開示されており、各電極層は、可撓性材料に埋め込まれたストライプ電極のアレイを含んでいる。圧力は、特定の垂直導電性ストライプおよび水平導電性ストライプの交差部での静電容量変化に基づいて測定されている。

特許文献３には、インタラクティブテキスタイルについて記載されている。インタラクティブテキスタイルは、タッチ入力を検出する静電容量タッチセンサを形成するために、インタラクティブテキスタイルに織り込まれた導電糸のグリッドを含んでいる。検出されたタッチ入力は、遠隔デバイスを制御するために使用することができる。

米国特許出願公開第２０１６／０１８２７４号明細書 米国特許出願公開第２０１５／２９４７５６号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０４８２３５号明細書

本発明の課題は、タッチセンサとして、および／または歪ゲージとして動作することができる伸縮可能な布を提供することである。

この、およびその他の課題は、単方向または双方向に伸縮可能な布からなり、そこに複数の導電性要素が組み込まれている静電容量型の伸縮可能なタッチパッドであって、前記導電性要素は、タッチによって生じる静電容量信号の変化を与える電極を形成する抵抗歪ゲージであることを特徴とする静電容量型の伸縮可能なタッチパッドによって達成される。

この実施形態の利点としては、上記の構造が、タッチパッド、すなわち、タッチ入力デバイスとして使用することができるデバイスの機能と、表面が伸縮可能なタッチパッドの伸び、および三次元におけるこのような伸びの位置、方向、および表面を測定することができる歪ゲージの機能とを結合していることである。

より具体的には、歪ゲージを設けることにより、伸縮時の個々のタッチセンサの静電容量の変化を修正することができる。したがって、伸縮可能なタッチパッドの機能は、ｉ）タッチセンサの修正を与えること、およびｉｉ）布の伸び、および伸びの方向を監視することの２つである。

本発明の別の実施形態では、抵抗歪ゲージは、双方向アレイに直交する方向に沿って設置され、絶縁性材料は、前記抵抗歪ゲージの交差部に配置されている。

この実施形態の利点としては、この特定のケースでは、歪ゲージも可撓性抵抗であるという事実により、タッチセンサの出力を読み出すために、静電気放電（ＥＳＤ）保護抵抗が必要とされないことである。

本発明のさらなる実施形態では、抵抗歪ゲージは、伸縮可能な布に印刷された抵抗性エラストマーコーティングを含んでいる。

別の実施形態では、抵抗歪ゲージは、ストライプにスクリーン印刷された抵抗性エラストマーコーティングを含むこともできる。

伸縮可能な布は、２つの直交する方向において異なる伸び特性を有することもできる。

本発明は、上記のような伸縮可能なタッチパッドの動作方法にも関しており、前記方法は、
－前記伸縮可能なタッチパッドによって与えられる静電容量アナログ信号を連続的に測定する工程と、
－タッチがされたか否かを判断するために測定された静電容量信号を閾値と比較する工程とを含み、
前記閾値は、前記タッチパッドのコンデンサ電極を形成する抵抗歪ゲージの抵抗の関数として連続的に調整されている。

この実施形態の利点としては、タッチイベント検出アルゴリズムを歪ゲージの抵抗の変化の関数として調整することにより、バイナリタッチイベントを検出する際のより良い感度を得ることができることである。

本発明によれば、前記方法は、
－抵抗歪ゲージの電気抵抗の変化を測定する工程と、
－抵抗歪ゲージの伸びによる寄生静電容量誤差を修正するために、伸びとして測定された電気抵抗の変化を使用する工程とをさらに含んでいる。

好ましい実施形態は、従属請求項の目的としている。

以下、添付の例示的および非限定的な図面を参照して、本発明を詳細に説明する。同じ符号は、同じ要素を示している。

本発明の第１の実施形態による静電容量型の伸縮可能なタッチパッドを示す図である。 本発明の別の実施形態による静電容量型の伸縮可能なタッチパッドを示す図である。 図１ａおよび図１ｂの伸縮可能なタッチパッドのいずれかの出力を読み取ることに適した制御ユニットの回路図を示す図である。 本発明の一実施形態によるタッチ検出方法の動作の一例を示すグラフである。

例示的な実施形態を、添付の図面を参照して、用途および使用を限定することなく説明する。

図１ａでは、静電容量型の伸縮可能なタッチパッド１０が示されており、伸縮可能なタッチパッド１０は、その中に組み込まれた複数の導電性要素を有する伸縮可能な布２０を含んでいる。

電流が各導電性要素３０を通って流れるので、導電性要素３０の各々は、ポート間の電圧降下を引き起こす２つのポートを有しており、各要素は、２つのルーティング３２を有し、１つは、それぞれの要素３０に入り、もう１つは、そこから出て、かつ２つの接触パッド３５も有している。

同様に、導電性要素４０の各々は、２つのルーティング４２を有し、１つは、それぞれの要素４０に入り、もう１つは、そこから出て、かつ２つの接触パッド４５も有している。

特に、導電性要素は、タッチによって引き起こされる静電容量信号の変化を与えることに適した電極を形成する抵抗歪ゲージ３０、４０であってもよい。

抵抗歪ゲージ３０、４０は、このような静電容量の変化を表す信号を制御ユニット９０に与えることができる。

制御ユニット９０は、このような信号を連続的に測定し、このような信号を可変閾値と比較することによってタッチイベントとして解釈するように設計されている。この閾値は、タッチパッド１０のコンデンサ電極を形成する静電容量の実際の測定値と抵抗歪ゲージの抵抗値との関数となっている。

伸縮可能な布２０は、２つの直交する方向において異なる伸び特性を有することができる。

抵抗歪ゲージ３０、４０は、双方向アレイに直交する方向に沿って設置され、絶縁性材料５０は、抵抗歪ゲージ３０、４０の交差部６０に配置されている。

抵抗歪ゲージ３０、４０は、伸縮可能な布２０に印刷された、または布に組み込まれた伸縮可能なストライプに印刷された抵抗性エラストマーコーティングを含むことができる。

このように、伸縮可能な抵抗歪ゲージ３０、４０が作り出され、金属導電線とは対照的に、抵抗歪ゲージ３０、４０は、適用されるテキスタイル材料と同程度に伸縮または伸長することができ、それらの電気抵抗は加えられる伸びの関数として変化する。

さらに、抵抗歪ゲージ３０、４０は、布に織り込まれた、または編まれた導電性の糸を含むことができ、または導電性の糸からなることができる。

伸縮可能なタッチパッド１０は、着用可能な衣類に組み込むことができる。

着用可能な衣類は、例えばルーティング３２、４２および接触パッド３５、４５によって、伸縮可能なタッチパッド１０に接続された制御ユニットを含むことができ、これにより、タッチパッド１０によって検出された信号を検出して分析することができる。

図１ｂでは、静電容量型の別の伸縮可能なタッチパッド１０’が示されており、導電性要素３０および導電性要素４０のそれぞれは、接地（ＧＮＤ）に接続されたルーティングの１つを有している。

伸縮可能なタッチパッド１０の出力を読み取ることに適している制御ユニット９０の回路図は、図２に示されている。

制御ユニット９０は、例えばユーザがタッチパッド１０と相互作用する場合に、各静電容量検出電極、すなわち抵抗歪ゲージ３０、４０によって与えられる電気信号を読み出すために使用される静電容量デジタル変換器（ＣＤＣ）１００を備えている。

より具体的には、電流は、歪ゲージ３０、４０を流れ、可変電圧は、図２の回路の点Ｎで測定され、測定された電圧は、抵抗歪ゲージ３０、４０の電気抵抗の変化を表している。

図２の回路には示されていないが、ＣＤＣ１００は、本発明の目的のために２つの測定値を同時に分析することができるように、ＤＱＭ１４０にも接続されている。ＣＤＣ１００およびＤＱＭ１４０は、同じマイクロコントローラの一部であることが好ましい。

したがって、ＣＤＣ１００は、静電容量Ｃｐ（図２の破線で示す）、すなわち、同じ電子ノードＮに結合されたユーザのタッチイベントによる寄生静電容量を読み出すことによって、タッチイベントチャネルとして動作することができる。

制御ユニット９０は、ダイオード１１０およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０も備えている。ダイオード１１０の出力において、伸縮された場合の抵抗歪ゲージ３０、４０の伸びを表す電圧レベルを読み出すことができる。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０は、読み出した静電容量信号の不要な高周波数成分をフィルタリングして取り除くために動作し、制御ユニット９０は、ＬＰＦ１２０の出力をデジタル化するためのアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１３０をさらに備えている。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０は、固定帯域幅のローパスフィルタであることが好ましい。

ＡＤＣ１３０は、別個の要素であってもよいし、マイクロコントローラ内に統合されて、伸長イベントチャネルとして動作してもよい。

最後に、制御ユニット９０は、検出の視覚化のためのデータ品質モニタ（ＤＱＭ）１４０を備えている。ＤＱＭ１４０は、マイクロコントローラによって実行されるソフトウェアとして実現されてもよく、タッチイベントを監視するためにＣＤＣ１００とノードＮとの間に配置されてもよい。

一般に、伸縮された場合、個々の歪ゲージ３０、４０のインピーダンスが変化し、寄生静電容量の変化の検出精度が低下する現象が生ずる。

したがって、制御ユニット９０の上記の回路では、個々のセンサの伸びによる誤差を補償しながらタッチイベントを検出するために、様々な要素が相互作用することになる。

図３は、本発明の一実施形態によるタッチ検出方法の動作の一例を示すグラフである。

本発明のタッチ検出方法は、従来技術に対する着用可能なセンサのタッチイベントに対する感度を向上させることを目的としており、歪ゲージ３０、４０の伸びによるインピーダンスの変化を考慮して、意図的なタップまたはタッチの場合にのみタッチイベントを検出することができるようにしている。

第１の工程として、上述の制御ユニット９０の例示的な動作において、時間に沿った異なる静電容量値を表す生データが記録され（図３の曲線Ａ）、そのような静電容量値は、タッチイベントに相関されてもよいし、相関されなくてもよい。

固定帯域幅ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２０を使用して、生データ平均曲線を計算することができる（曲線Ｂ）。すなわち、生データをフィルタリングし、フィルタリングされたデータを移動平均する。

フィルタリングされた生データ平均と、センサストライプの伸びの表示としての歪ゲージの抵抗とに基づいて、可変閾値（曲線Ｃ）が計算されている。

図３に見られるように、実際に測定されたデータ（検出されたタッチ）の第１のピークは、ｘ軸の３２０付近で始まり３４０付近で終了する第２の、およびより長時間検出されたピークよりもはるかに高くなっている。この第２のタッチイベントの間に、センサストライプが伸長されていることが、タッチの測定値がｙ軸上で約１０００付近とより低くなっていることの主な理由である。センサストライプは、タッチイベントの間に徐々に解除され、抵抗が下がるにつれて閾値（Ｃ）と実際の測定値（Ａ）とが徐々に増加している。

動作中、タッチイベントを検出するために、伸縮可能なタッチパッドの静電容量アナログ信号は、曲線Ａに示すように連続的に測定されている。

測定された静電容量信号を曲線Ｃの閾値と連続的に比較し、タッチイベントが生じたか否かを判断している。

測定された静電容量が可変閾値より大きい値を有する場合、タッチイベントが発生し、高い論理値が出力されている（レベル１０００における曲線Ｄ）と判断される。

これに対して、測定された静電容量が可変閾値Ｃより低い値を有する場合、タッチイベントが発生しておらず、低い論理値が出力されている（レベル０における曲線Ｄ）と判断される。

上述のように、静電容量閾値の値は、固定されていないが、抵抗歪ゲージ３０、４０の電気抵抗の測定された変化の関数として連続的に調整されている。

測定された電気抵抗伸びの変化は、抵抗歪ゲージ３０、４０の伸びによる寄生静電容量誤差を修正するために使用される。

このような方法の実施により、ランダムノイズおよび非意図的ピークがタッチイベント検出を妨害することを防止している。

もちろん、歪ゲージは、タッチパッドの表面に何が起きているかを監視するためにも使用される。例えば、衣類の着用者が、衣類を着用している関節をどの方向にどのくらい曲げているかの情報を、歪ゲージは、伝えることができる。

本発明では、タッチセンサと歪ゲージ機能とが、同じ要素、すなわち抵抗歪ゲージ３０、４０によって行われることを意味している。

少なくとも１つの例示的な実施形態を、前述の概要および詳細な説明で示したが、多くの変形例が存在することは言うまでもない。例示的な実施形態は、単なる例示であり、いかなる形であれ、本発明の範囲、適用の可能性、または構成を限定することを意図するものではない。むしろ、前述の概要および詳細な説明は、当業者に、少なくとも１つの例示的な実施形態を実施するための便利なロードマップを提供するが、特許請求の範囲およびそれらの法的同等物に記載された範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に記述された機能および要素の配置に、様々な変更を加えることができる。

１０、１０’ タッチパッド
２０ 布
３０ 抵抗歪ゲージ（導電性要素）
３２ ルーティング
３５ 接触パッド
４０ 抵抗歪ゲージ（導電性要素）
４２ ルーティング
４５ 接触パッド
５０ 絶縁性材料
６０ 交差部
９０ 制御ユニット
１００ 静電容量デジタル変換器（ＣＤＣ）
１１０ ダイオード
１２０ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１３０ アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）
１４０ データ品質モニタ（ＤＱＭ）

Claims (10)

1. 静電容量型の伸縮可能なタッチパッド（１０）を備える検出装置であって、前記伸縮可能なタッチパッド（１０）は、単方向または双方向に伸縮可能な布（２０）からなり、前記布に複数の導電性要素が組み込まれており、前記導電性要素は、タッチによって生じる静電容量アナログ信号の変化を与える電極を形成する抵抗歪ゲージ（３０、４０）であり、前記検出装置は、前記静電容量アナログ信号を処理し、前記抵抗歪ゲージの抵抗を測定するようになっている制御ユニット（９０）を備えていることを特徴とする。
2. 前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）は、双方向アレイに直交する方向に沿って設置され、絶縁性材料（５０）は、前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）の交差部（６０）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）は、前記伸縮可能な布（２０）にスクリーン印刷された抵抗性エラストマーコーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
4. 前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）は、前記布（２０）に織り込まれた、または編まれた導電性の糸を含むことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
5. 前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）は、ストライプにスクリーン印刷された抵抗性エラストマーコーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
6. 前記伸縮可能な布（２０）は、２つの直交する方向において異なる伸び特性を有することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の検出装置を組み込んでいる着用可能な衣類。
8. 前記タッチパッド（１０）によって検出された前記静電容量アナログ信号を分析するために、前記伸縮可能なタッチパッド（１０）に接続された前記制御ユニット（９０）をさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の着用可能な衣類。
9. 請求項１～６のいずれか１項に記載の検出装置の動作方法であって、前記方法は、
   －前記伸縮可能なタッチパッド（１０）によって与えられる静電容量アナログ信号を連続的に測定する工程と、
   －タッチがされたか否かを判断するために、測定された静電容量信号を閾値と比較する工程とを含み、
   前記閾値は、静電容量の実際の測定値の関数として、および前記タッチパッドのコンデンサ電極を形成する抵抗歪ゲージ（３０、４０）の抵抗の関数として連続的に調整されていることを特徴とする検出装置の動作方法。
10. 前記方法は、
    －前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）の電気抵抗の変化を測定する工程と、
    －前記抵抗歪ゲージ（３０、４０）の伸びによる静電容量誤差を修正するために、伸びとして測定された電気抵抗の変化を使用する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の検出装置の動作方法。

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