JP7252832B2 - 圧力感知装置及び方法 - Google Patents
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Description
図1を参照すると、圧電センサ1の等価回路が示されている。
圧電センサ1を構成する1対の第1電極と第2電極との間にある圧電材料の分極Pに応じて電流が誘導されると、この電流は、第1電極及び第2電極のそれぞれにおいて互いに反対の符号(sense)を有する。これに対し、外部源Vintによって誘導された干渉信号は、圧電センサ1を形成する第1及び第2電極に対して同じ符号を有する。外部電界への結合によって引き起こされる干渉の影響を低減するためには、差動測定を行うことが一法である。
第3増幅器A3は差を得るために使用され、Iint1≒Iint2であるとき、第3増幅器A3の出力Voutは以下に関連する。
このように、圧電センサ1の両方の電極7、8から流れる電流を測定することによって、干渉源Vintの影響が低減又は除去されている圧電電流Ipiezoの大きさを測定することが可能となる。
このようにして、合計された信号は圧電電流Ipiezoとはほぼ無関係である場合がある。これは直感に反するように見えるかもしれないが、本明細書の発明者らは、合計された信号I1+I2が外部干渉源Vintの有無の指標として役立ち得ることを認識している。よって、外部干渉源Vintの影響を低減するためにこのような後処理が必要とされるとき、合計された信号I1+I2が信号後処理適用のトリガーとして使用され得る。不要な後処理を回避すれば、際だって強い又は鋭い真の信号を不注意で低減又は除去する可能性を減らすことができる。これは、圧電式タッチパネルシステム又は静電容量結合型の圧電式タッチパネルシステムの信頼性及び感知性を向上させる効果を奏し得る。単純な2電極圧電センサ1に適用されても、合計された信号I1 + I2を得ることの有用性はすぐには明らかではないかもしれないが、以下に説明されるように、この方法は、より多数の感知電極を含む圧電タッチパネル10(図7)に適用されるときにより有用なものとなり得る。
これに対し、一般的な場合であっても、第1及び第2電極7、8で発生した圧電電流は、共に合計されることにより(例えば、測定誤差まで)実質的に互いに相殺し合うはずである。よって、測定された信号I1、I2が合計されたとき、圧電電流Ipiezoは(何らかの測定誤差を除いて)相殺されるべきであり、次の式を得る。
一般に、測定された信号I1、I2の差又は合計の取得は、アナログ信号レベルで具体的に構成された回路によって、あるいは、デジタル信号に変換した後に後処理することによって、実行され得る。例えば、第4測定回路6は、第1及び第2増幅器A1、A2の出力Vout1、Vout2の差を取得するように構成され、また別の構成では、前記合計は、第3増幅器A3を加算器(図示せず)で置き換えることによって取得されるものであってもよく、あるいは、第1及び第2増幅器A1、A2のいずれか1つの出力Vout1、Vout2を反転することによって取得されるものであってもよい。
前述の例では、第1および第2の電極7、8が実質的に同一の広がりを持ち、かつ単純な幾何学形状である場合がある圧電センサ1に関して測定が説明されている。このような構成によって比較的簡単に差動測定を行うことが可能になる。しかしながら、圧電圧力測定用又は静電容量結合型の圧電圧力測定用の実際のタッチパネルにおいて、第1電極7は、共通の第2電極8を共有する多くの電極のうちの1つであってもよい。さらに、いくつかの例では、第1電極7は、静電容量測定システムの受信側であるRx電極、及び/又は、静電容量測定システムの送信側であるTx電極としてさらに機能してもよい。このようなタッチパネルでは、第2電極8は共通対向電極であり、この共通対向電極は、多数の第1電極7それぞれよりも、わずかに大きい、あるいは、はるかに大きい総面積を有していてもよい。仮に別々の整合した対向電極を用いるとすれば、Rx電極及び/又はTx電極それぞれに結びついた同一対向電極は、一又は複数のさらなる導電性層パターン、及び、これに関連する電気的接続を必要とすることになる。よって、第4又は第5測定回路6、9に関して示されているような単純な差動測定は、実用的ではない、あるいは、望ましくない場合がある。
図7を参照すると、圧電圧力測定用又は静電容量結合型の圧電圧力測定用のタッチパネル10の第1の例が示されている。
図9及び図10も参照して、圧電圧力測定中に外部電界への結合の存在及び/又は程度を検出する方法を説明する。
圧電材料層16の分極Pが共通電極15と感知電極xn、ymとの間に誘導されたると、感知電極xn、ymに誘導された電荷は、共通電極15に誘導された電荷と反対の極性を有する。すなわち、対象物33への外部結合は、システム接地又はコモンモード電圧とすべての電極xn、ym、15による全体の集合体との間において電荷の流れを誘導し、一方、圧電材料層16の分極Pは、対向電極15と感知電極xn、ymとの間において電荷の流れを誘導する。前述のように、1つの結論は、圧電材料層16の分極Pによって電荷が誘導されると、この電荷の合計は、ゼロになるか、少なくとも測定誤差内になると予想される、ということである。
対向電極15上に圧電電荷FCEが誘導されると、タッチパネル10に加えられた全ての力は良好に測定され得ることに留意されたい。
同様に、M個の第1感知電極14のm番目ymに誘導される電荷は、次のように記述されてもよい。
そして、対向電極15に誘導された電荷は、次のように記述されてもよい。
外部電界への結合の存在及び/又は程度を検出する方法では、すべての感知電極xn、ymで測定された電荷Qxn、Qymが共通電極15で測定された電荷SCEと合計されて次の式が生み出される。
ここで、Qextは、共通電極15と全ての感知電極xn, ymによって測定された全電荷の合計である。外部干渉信号32は、合計Qextに対応するか関連してもよい。式(6)及び(7)を参照すると、理想的な条件下では、式(11)の第1の括弧で囲まれた項は総静電荷QESに等しく、式(11)の第2の括弧で囲まれた項はゼロに等しい。実際、非理想的な条件下においては、外部干渉信号32であるQextは、やはり総静電荷QESに次のように近似されてもよい。
実際には、N個の第2感知電極20のn番目xnに対応する電圧出力がVxnであってQxnなどに関連しているとするように、電荷Qxn、Qym、QCEは、電荷増幅器34を使用して検出されてもよい。通常、電荷増幅器34が入力電流を積分するであろう。例えば、N個の第2感知電極のn番目xnの電流がIxnであれば、その時、時間tにおけるN個の第2感知電極のn番目xnの電圧Vxnは、理想的な条件下では次のように表されてもよい。
ここで、Gxnは、N個の第2感知電極xnに接続されたN個の電荷増幅器34のn番目の利得であり、τは、積分変数である。同様に、M個の第1感知電極のm番目ym の電圧は、次のように表されてもよい。
ここで、Gymは、M個の第1感知電極ynに接続されたM個の電荷増幅器34のm番目の利得であり、Iymは、M個の第1感知電極のm番目ymの電流であり、τは、積分変数である。同様に、共通電極15の電圧は次のように表されてもよい。
ここで、GCEは共通電極15に接続された電荷増幅器34の利得であり、ICEは共通電極15上の電流であり、そしてτは積分変数である。外部干渉信号32は、この例においてはVextと表記されており、全ての電荷増幅器34の信号の合計として近似されてもよい。
Gxn≒Gym≒GCE≒Gであるように利得が全て実質的に等しい場合、電圧Vextに関する外部干渉信号32は、電荷Qextに関する外部干渉信号32の単純な倍数、すなわちVext≒G・Qextとして表されてもよい。しかしながら、実際には、電荷増幅器34の利得Gxn、Gym、GCEは同一ではない。さらに、各電荷増幅器34においては、実際には、電圧出力における低周波数成分及びDC成分の時間依存減衰(適宜「ロールオフ」とも呼ばれる)に加えて、DCオフセット及びドリフトが生じる。
ここで、GTは電荷増幅器34の総合利得に関する定数であり、εは前述の様々な原因から生じる瞬間的な誤差又はノイズを表す項目である。ノイズ項εは、主に、個々の電荷増幅器34の利得Gxn, Gym, GCE同士のわずかな不均衡のために相殺されなかった圧力信号の残留成分から主に構成されると考えられる。定数GTの値は、較正されてもよいが較正される必要はない。必要とされるのは適切な閾値Vthreshを決定することだけであり、それを超えると、外部干渉信号32であるVextが干渉源Vintの影響を検出していることが確実に特定することができる。
加えられた力の適切な範囲、例えば0.5N~10Nの間にわたる適切な長さの信号を記録した後、適切な閾値Vthreshが、εの測定値に基づいて決定される場合がある。閾値Vthreshは、記録されたεの最大絶対値の倍数として設定されてもよい。例えば、Vthresh = 1.5×max(|ε|)又はVthresh = 2×max(|ε|)などである。
ここで、AxnはGT/Gxnに対応する定数であり、AymはGT/Gymに対応する定数であり、ACEはGT/GCEに対応する定数であり、ε'はノイズ低減信号である。また、重み付け係数Axn、Aym、ACEが適切に較正された式(16)もまた参照すると、重み付けされた外部干渉信号32であるV'extは、電荷増幅器34の利得Gxn、Gym、GCEのあらゆる変動からの影響を受けにくくなり得る。重み付け係数Axn、Aym、ACEのすべてが等しい、すなわちAxn = Aym = ACEであるとき、式(17)が式(19)の特別な場合に対応することは明らかである。
本明細書の主題は、外部電界への結合の存在及び/又は程度、例えば外部干渉源Vintからの干渉を測定する方法である。外部電界への結合の存在がいったん検出されると、例えば外部干渉源Vintの影響による結果を低減又は除去するために使用される後処理の種類は、特に限定されない。任意の適切な後処理を使用することができる。しかしながら、外部電界への結合の存在及び/又は程度を特定する既述の方法の有用性を説明することを助けるために、適切な後処理方法の具体的かつ非限定的な例を検討することは有用である場合がある。
図13も参照すると、感知電極xn、ym及び共通電極15上に外部から誘導された電荷を示す実験データが示されている。
静電容量結合型感圧装置は、WO2016/102975A2に記載されており、特にこの文献の図22から図26において言及されている。
第1タッチパネル10では、第1及び第2感知電極14、20は、細長い長方形の電極の形態で示されている。しかしながら、他の形状が使用されてもよい。
図19も参照すると、第3タッチパネル61は、第1又は第2の装置22、40と組み合わせて使用されてもよい。
上記の実施形態に対して多くの修正を加えることができることは理解されよう。このような修正は、等価な他の特徴を含むものであり、これらの特徴は、圧力型及び/又は投影型の静電容量感知タッチパネルの設計、製造及び使用において既に知られており、かつ、本明細書で既に説明された特徴に代えて又は当該特徴に加えて用いられ得るものであってよい。一つの実施形態の特徴は、他の実施形態の特徴によって置換又は補足されてもよい。
図20も参照すると、第3の装置69は、静電容量結合型感圧用の第1タッチパネル10と第2制御装置70とを含んでいる。
Claims (14)
- タッチパネルからの信号を処理する装置であって、
前記タッチパネルは、複数の感知電極と少なくとも1つの共通電極との間に配置された圧電材料層を備え、
前記装置は、前記複数の感知電極に接続され、かつ、複数の第1圧力信号を生成するように構成された第1回路を備え、
それぞれの前記第1圧力信号は、一又は複数の感知電極に対応しており、かつ、前記タッチパネルにおいて前記一又は複数の感知電極に近接する箇所に作用する圧力を示しており、
前記装置は、前記少なくとも1つの共通電極に接続され、かつ、前記タッチパネルに加えられた全圧力を示す第2圧力信号を生成するように構成された第2回路を備え、
前記装置は、前記第2圧力信号と前記複数の第1圧力信号との加重和に基づいて外部干渉信号を測定する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記外部干渉信号と予め較正された閾値とを比較し、前記予め較正された閾値以上の前記外部干渉信号に応じて干渉フラグを出力するように構成されており、
前記干渉フラグは、前記第1及び第2圧力信号が一又は複数の外部電界との結合により影響を受けたことを示すものである。 - 請求項1に記載の装置であって、
前記制御装置は、前記タッチパネルに圧力が加えられた位置を特定し、かつ、
前記干渉フラグが設定されていることに応じて、一又は複数の外部電界への結合の前記影響を低減又は除去するように構成された信号後処理方法を使用して前記第1及び/又は第2圧力信号を処理するようにさらに構成されている。 - 請求項2に記載の装置であって、
一又は複数の外部電界への結合の前記影響を低減又は除去するように構成された信号後処理方法を使用して前記第1及び/又は第2圧力信号を処理することは、前記位置に近接する一又は複数の感知電極を識別し、かつ、前記全圧力を測定するための計算から、前記識別された感知電極を除外することを含んでいる。 - 請求項3に記載の装置であって、
前記制御装置は、前記除外されずに残っている感知電極に基づいて、前記タッチパネルにおいて前記一又は複数の除外された感知電極に近接している箇所に作用する一又は複数の圧力を推定するようにさらに構成される。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の装置であって、
前記第1回路は、各感知電極について、前記感知電極の静電容量を示す静電容量信号を生成するように構成されており、
前記制御装置は、前記タッチパネルに圧力が加えられる位置を前記静電容量信号に基づいて特定するように構成されている。 - 請求項5に記載の装置であって、
前記第1圧力信号及び前記静電容量信号を生成することは、前記感知電極から受信した単一の信号を分離することを含んでいる。 - タッチパネルシステムであって、
請求項1~6のいずれか1項に記載の装置と、
複数の感知電極と少なくとも1つの共通電極との間に配置された圧電材料層を有するタッチパネルとを備える。 - 請求項7に記載のタッチパネルシステムを備える電子機器。
- タッチパネルからの信号を処理する方法であって、
前記タッチパネルは、複数の感知電極と少なくとも1つの共通電極との間に配置された圧電材料層を備え、
前記方法は、
複数の第1圧力信号を生成するステップであって、各第1圧力信号は、一又は複数の感知電極から受信した信号に基づいており、かつ、各第1圧力信号は、前記タッチパネルにおいて前記一又は複数の感知電極に近接する箇所に作用する圧力を示すステップと、
前記少なくとも1つの共通電極から受信した信号に基づいて、前記タッチパネルに加えられた全圧力を示す第2圧力信号を生成するステップと、
前記第2圧力信号と前記複数の第1圧力信号との間の加重和に基づいて外部干渉信号を測定するステップと、
前記外部干渉信号を予め較正された閾値と比較し、前記外部干渉信号が前記予め較正された閾値以上であることに応じて、前記第1及び第2圧力信号が一又は複数の外部電界との結合によって影響されたことを示す干渉フラグを出力するステップとを含んでいる。 - 請求項9に記載の方法であって、
前記タッチパネルに圧力が加えられる位置を特定するステップと、
前記干渉フラグが設定されていることに応じて、一又は複数の外部電界への結合の前記影響を低減又は除去するように構成された信号後処理方法を使用して前記第1及び/又は第2圧力信号を処理するステップとをさらに含む。 - 請求項10に記載の方法であって、
一又は複数の外部電界への結合の前記影響を低減又は除去するように構成された信号後処理方法を使用して前記第1及び/又は第2圧力信号を処理するステップは、前記位置に近接した一又は複数の感知電極を識別し、前記全圧力を測定するための後続の計算から、前記識別した感知電極を除外することを含んでいる。 - 請求項11に記載の方法であって、
前記除外されずに残っている感知電極に基づいて、前記タッチパネルにおいて前記一又は複数の除外された感知電極に近接している箇所に作用する一又は複数の圧力を推定するステップをさらに含んでいる。 - 請求項9~12のいずれか1項に記載の方法であって、
各感知電極から受信した信号に基づき、前記感知電極の静電容量を示す静電容量信号を生成するステップをさらに含み、
前記方法は、前記静電容量信号に基づいて前記タッチパネルに圧力が加えられる位置を特定するステップをさらに含んでいる。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記第1圧力信号及び前記静電容量信号を生成するステップは、前記感知電極から受信した単一の信号を分離することを含んでいる。
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