JP2017506395A - 同時検知及び作動を用いる触覚ディスプレイ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は2014年2月21日に出願された米国仮特許出願第61/942,983号の恩典及び優先権を主張し、その開示は全体を引用することにより本明細書の一部をなす。
本発明は全米科学財団によって授与された許可番号IIS−0964075及びIIP−1330966に基づく政府支援によって行われた。政府は本発明に関して一定の権利を有する。
本発明者らのうちの何人かによる同時係属の特許出願(「Electrostatic Multi-touch Haptic Display」と題する特許文献3)は、多点静電気式ハプティクスを実現する幾つかの方法を記述している。その開示の幾つかの態様が本明細書において背景として言及される。例えば、静電気式ハプティクスの基本原理は、指とタッチインターフェースのタッチ表面との間の垂直抗力に電界を介して直接作用する結果として摩擦力を変調することである。指先とタッチ表面との間の接触点において電界が確立される。これは、基板のタッチ表面付近に1つ又は複数の電極を配置し、誘電体層を用いてそれらの電極を指先から絶縁することによって成し遂げられる。電界を引き起こすために、指先を通して回路が閉じられなければならない。これを果たす2つの主な方法がある。
減衰係数=(Cb/(Cb+Cf))2
である。
大部分の最新のマルチタッチセンサーは、「投影静電容量」(pCap)方式からなる。これらのセンサーは一般に平面方向にあり、第1の軸(例えば、y軸)に沿って又は平行に延在する1組の送信(Tx)電極と、第2の軸(例えば、x軸)に沿って又は平行に延在する1組の受信(Rx)電極との間の相互静電容量に基づいて機能し、それゆえ、互いに直交するように配置される。数多くの異なる電極パターンが使用されているが、pCapセンサーの場合に最も一般的なのは、図4に示される交互に組み合わせられた菱形パターンである。Txライン及びRxラインは異なる層上にあるか、又は同じ層上にあるかのいずれかであるが、そうでなければ、Txラインと任意のRxラインとの間で接触が発生しないように、これらのラインが交差することになる位置にブリッジが形成される。
2組の電極は、互いに実質的に同じパターンを有し、それゆえ、一般的な意味において、互いの鏡像を与えると言うことができる。したがって、鏡像配置電極を用いるタッチインターフェースは、実質的に類似のパターンを構成する上部電極層及び底部電極層の両方を有し、そのパターンは、例えば、図2、図3a、図3b、図4及び図8a〜図12に示されるパターンを含むことができる。
したがって、図6に示されるように、本開示の一態様は鏡像配置電極の使用であり、その電極は、絶縁性基板38又はシートの前面又は上(タッチ)面34上にある電極30、32(触覚デバイス)と、背面又は底面36上にある電極30’及び32’(検知デバイス)とを有する実質的に同一の位置合わせされた電極パターンを含む。
上記の検討から、鏡像配置される前面又は上部(ハプティクス)電極及び背面又は底部(検知)電極が、底部活動パターンを上部活動パターンに「投影する」役割を果たす。さらに、上部電極から指への強い容量性結合によって、従来のpCap検知の場合より、SNRを著しく高くできるようになるはずである。残念なことに、向上した「人間送信機」効果(背面電極の場合に優勢である「人間分路」とは対照的である)と、指から指への著しい信号伝導性とを組み合わせることに起因して、指タッチのゴースト又は誤認が現れる可能性がある。上部電極がハプティクスと同様検知のために直接使用される場合にも、この同じ問題が生じることになる。しかしながら、本開示は、この不都合を克服する、マルチタッチ触覚のために新たに開発された手法を提供する。それぞれが自らの強みを有する4つのそのような方法が本明細書において開示される。
1本の指から次の指への抵抗に起因して、ゴースト又は誤認は実際には、実際の指より弱い強度からなる。強度差の大きさは、上面電極から指先までの静電容量(〜1nF)と、1本の指先から次の指先までの人体の内部抵抗(100オーム〜1000オームと推定される)とによって求められるRC時定数によって特徴付けられる。この時定数は、電極に問い合わせる場合の時定数より長いが、電極の抵抗(酸化インジウムスズ(ITO)を想定すると、約1kΩ〜10kΩ)と、その電極からの対地静電容量(約100pF)とによって左右される。指から指への送信の場合の時定数が電極に問い合わせる場合の時定数より著しく長い場合には、速すぎて指を通して効率的に送信することができないであろう励起信号を用いることによって個々の指タッチを区別することが可能である。そうすることにより、実際には、1本の指が他の指(複数の場合もある)から分離されることになる。ITO電極の抵抗を考えると、タイミング制約は難しいが、その手法は、より抵抗が低い別の材料でITOが置き換えられれば、より有望になる。銀ナノワイヤ及びグラフェンを含む、幾つかのそのような材料が当該技術分野において既知である。別の手法は、より低い抵抗率を有するより厚いITO層を使用することである。有益なことには、指間送信の場合の時定数が電極に問い合わせる場合の時定数より実際に長い必要はない。その時定数は、ゴースト信号と実際の指タッチ信号とを区別するのに十分にゴースト信号を減衰させることで十分な場合がある。
指の真下にある電極の場合、人間送信機効果は人間分路効果より強いが、他の近隣電極の場合、これは必ずしも当てはまらない。指の近くにあるが、その真下にはない他の上面電極対の場合、相互静電容量が減少することになる。したがって、実際の指タッチに近いが、ゴーストに近くない、低下した相互静電容量の1つのパターンが存在することになる。それゆえ、候補指タッチを自己静電容量を用いて識別することができ、近隣電極交点の相互静電容量を用いることによってゴーストと区別することができる。
相互信号強度の行列全体を収集することによって、観測された強度と一致させるために、全ての指の位置と、ユーザーの手と体を通して全ての指を相互接続する交差結合効率とを求めるための解法を生み出すように、線形システムを逆転させることができる。この全体論的解法ははるかに優れた雑音排除性を有し、多数の指に拡張可能である。この方法のもう1つの利点は、指の位置だけでなく、それらの交差結合効率も決定することである。例えば、同じ手の指は、反対の手に属する指より強く交差結合する。指を手で区別することが可能であることは、魅力的なユーザーインタフェースの可能性を示唆している。加えて、またさらに有望な新規の適用例では、同じ画面を同時にタッチしている第2のユーザーの指は、第1のユーザーの指にもっと弱く交差結合することによって明らかに区別可能である。
図8a及び図8bに示されるような、第3の組の鏡像配置電極は、区別のためのもう1つの手段を提供する。その方法は、タッチスクリーンの指タッチを、2つだけでなく3つの電極40、42、44が交差するか、又は互いに直に向かい合うように配置される位置に結び付ける。これは、本明細書において3重交点と呼ばれることになり、電極自体が実際に交差するのを回避するために個々の電極ラインのためのブリッジングを含むことになる。後に説明されるように、依然としてゴーストが生じる場合があるが、指が実際に移動しているときにゴーストは持続しない。
多点ハプティクスでは、各指タッチ位置が一対の電極の上方にある必要がある。さらに、触覚効果を独立して指定できるのを確実にするために、各指タッチのための電極対が他の指のための電極対から電気的に分離されるべきである。図3bは、2つの指の場合のこの例を示すが、論じられたように、2本の指が同じアクティブ電極上にあるとき、電気的分離は不可能である。
本明細書において教示される方法では、前面又は上面電極(触覚デバイス)が、検知及び作動(ハプティクス)の両方に関与する。当然、触覚効果が加えられている指の位置を同時に検知することが望ましい。さらに、ハプティクスが検知の質に影響を及ぼさないことが望ましい。これらの目標はいずれも、適切な時系列化によって達成される。
鏡像配置電極の技法は、前面電極が1つ又は複数のかき傷によって劣化した場合であっても、検知を成し遂げることができるのを確実にするので有利である。かき傷が生じる可能性が低い場合には、検知及び作動を成し遂げるために、1組の電極のみ、すなわち、タッチ表面上の電極のみを使用することが望ましい場合がある。本明細書において教示される技法を用いるとき、それを果たすことが依然として可能である。詳細には、実際のタッチ位置とゴースト位置とを区別する問題は、本明細書において教示される方法によって依然として解決することができ、触覚信号及び検知信号の適切なタイミングによって、同時検知及び作動を依然として達成することができる。
鏡像配置電極の技法は、前面が1つ又は複数のかき傷によって劣化した場合であっても、検知を成し遂げることができるのを確実にするので重要である。かき傷が生じる可能性が低いか、又は自己回復するか、若しくは容易に修理される場合には、検知及び作動を成し遂げるために、1組の電極のみ、すなわち、タッチ表面上の電極のみを使用することが望ましい場合がある。本明細書において教示される技法を用いるとき、それを果たすことが依然として可能である。詳細には、実際のタッチ位置を誤認又はゴースト位置から区別する問題は、本明細書において教示される方法によって依然として解決することができ、触覚信号及び検知信号の適切なタイミングによって、同時検知及び作動を依然として達成することができる。前面同時検知及び作動の技法は、本明細書において更に説明される。
前面検知の重要な利点は、単一の電極面しか必要としないので、製造コストが削減されることである。さらに、強調されたように、背面電極から指までより、前面電極から指までの容量性結合ははるかに強い。したがって、前面電極は、指によってタッチされるときに非常に大きな自己静電容量信号を与え、それゆえ、従来の背面法に比べて非常に高い信号対雑音比(SNR)を与える。この信号は、電極を特定の電圧まで昇圧するために必要とされる電流又は電荷(電流の積分)を測定すること等の、当該技術分野において既知の幾つかの方法のいずれかによって検出することができる。高いSNRは、背面検知の場合に一般的であるような、数多くの測定値を互いに平均する代わりに、単一の測定値又は少数の測定値において、信頼性のある信号を得ることができるということを意味する。この1つの結果は、タッチインターフェース又はスクリーンの基板の上面上の全ての電極を測定するために必要とされる時間が、背面検知を用いるタッチインターフェースの場合の一般的な時間よりはるかに短くできることである(例えば、好ましい実施形態では、200mm×300mmの面積を約1ミリ秒で走査することができる)。タッチ入力に対して非常に迅速に応答する低遅延システムを設計する場合、迅速な検知が有用である。また、ディスプレイを迅速に更新したり、オーディオを更新したり、又は触覚出力を更新したりするためにも低遅延が役に立つ可能性がある。
上記で論じられた全ての方法(組織抵抗率、近隣のタッチされない電極の相互静電容量、計算及び3重交点)が依然として適用可能である。ここで、本発明者らは、前面電極の指と電極との間の大きな静電容量を利用する更なる技法を教示する。本発明者らは、標準的な菱形電極アレイ(例えば、図3b)において生成される2つのゴーストから2つのタッチを区別する問題に特に焦点を合わせる。この問題が解決されれば、多数のタッチに容易に拡張される。
指位置センサーは、可聴雑音又は触感のような、検出可能なアーティファクトを引き起こすことなく、指の位置を測定できることが望ましい。同時に、検知及び作動電子回路が複雑になるのを最小限に抑えるために、作動に関して、検知の場合と同じ電圧レベルを使用することが望ましい。作動は触覚によって検出可能にすべきであり、一方、検知は検出不可能にすべきであるので、これは内在する対立を引き起こす。
1組のセンサー電子回路だけで全ての電極を扱う場合には、検知のために必要な電子コンポーネントの数を著しく削減することができる。この手法をとった結果、検知及び作動を注意深く調整しなければならなくなる。調整に関する課題を例証するために、触覚出力が2つのx軸電極ライン及び2つのy軸電極ラインによって生成されている上記のような作動シナリオを考える。さらに、所与の電極に送達される電流を測定し、積分すること(すなわち、電極を電圧Voまで昇圧するために必要とされる電荷を測定することであり、この電荷量は指の存在に極めて影響を受けやすい)に基づいて自己静電容量を検知する手法を考える。このシナリオにおける作動は4つの電極に電流を同時に送ることを必要とし、検知は個々の電極(作動に関与する電極だけでない)に送られる電流を積分することを必要とするので、特に全ての電極を扱う電流センサーが1つしか存在しない場合には、作動及び検知を同時に実行するのは難しい。ここで、検知及び作動を調整する幾つかの方法を説明する。
大部分の触覚作動信号は、図13aに示される種類のパルスが連続して繰り返されることを必要としない。例えば、典型的な作動信号が、触覚出力の典型的なセグメント中に単一の電極に印加される電圧として図14に示される。その間に作動パルスが送達されない時間が非常に多くある。それゆえ、1つの方策は、これらの無作動時間中に検知パルスを送達することである。この方策が機能するには、十分な無作動時間がなければならない。例えば、タッチインターフェース又は基板が、全部で50本の電極ライン(例えば、25本のx軸電極ライン及び25本のy軸電極ライン)を与え、各電極ラインを検知するのに50マイクロ秒が必要とされる場合には、基板全体を走査するのに2.5ミリ秒が必要とされることになる。100Hzにおいて検知データを更新することが更に望ましい場合には、検知走査は10ミリ秒ごとに繰り返されなければならない。これは、各10ミリ秒間隔のうちの7.5ミリ秒までが作動のために利用できることを意味する。したがって、75%未満のデューティサイクルを有する任意の作動信号を生成することができる。コントローラーは、所望の効果を生み出すために必要に応じて最初に触覚出力をスケジュールし、その後、任意の無作動期間中に検知パルスをスケジュールする。
そのパルスが検知を意図したものであれ、作動を意図したものであれ、任意のパルスに関連する電流を測定することができる。結果として、任意の他の電極が作動のために使用されるのと同時にその電極を作動させて、累積充電電流を測定することによって、電極ごとに測定を行うことができる。その後、作動電極に起因する測定値の部分を全体値から減算し、検知された電極に起因する部分のみを残すことができる。
電力消費量も削減しながら、検知速度を更に高めるために、適応検知方式を使用することができる。適応検知方式では、指が配置されるまで、数がより少なく、頻度がより低いパルスが使用される。例えば、指が軸あたり2つ以上の電極を覆うことになるので、1つおきのx軸電極ライン及び1つおきのy軸電極ラインのみを走査することができる。さらに、50Hzのような低速でこれらの測定を行うことができる。しかしながら、指が配置されると、指の位置付近にある全ての電極を高速で走査することができる。これにより、指位置を高速、低遅延で測定できるようになる。以下において、本発明者らは、この方法を更に詳細に説明する。
Claims (16)
- 同時検知及び作動を有するタッチインターフェースであって、
絶縁性基板と、
基板の前面に接続され、1つのパターンに配置される1つ又は複数の電極と、
各電極を1つ又は複数の電圧レベルに接続するように構成される電子コントローラーと、
を備え、
前記電子コントローラーは、前記電極に1つ又は複数の電圧を印加することによって触覚効果を生成するように構成され、
前記電子コントローラーは、前記電極に1つ又は複数の電圧を印加することによって1つ又は複数のタッチ点の位置を測定するように構成される、タッチインターフェース。 - 前記電子コントローラーは、前記電極に正の電圧及び負の電圧を印加するように構成される、請求項1に記載のタッチインターフェース。
- 前記電子コントローラーは、1つの正の電圧及び1つの負の電圧を印加するように構成される、請求項2に記載のタッチインターフェース。
- 同時検知及び作動を有するタッチインターフェースであって、
絶縁性基板と、
基板の前面に接続され、1つのパターンに配置される1つ又は複数の電極と、
各電極を正の電圧又は負の電圧に接続するように構成される電子コントローラーと、
を備え、
前記電子コントローラーは、前記電極に正の電圧及び/又は負の電圧を印加することによって触覚効果を生成するように構成され、
前記電子コントローラーは、前記電極に正の電圧及び/又は負の電圧を印加することによって1つ又は複数のタッチ点の位置を測定するように構成される、タッチインターフェース。 - 前記電極は透明である、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記電極は保護層を含む、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記保護層は透明である、請求項6に記載のタッチインターフェース。
- 前記保護層は誘電体材料から形成される、請求項6に記載のタッチインターフェース。
- 前記基板は平坦である、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記基板は透明である、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記基板はガラス板又はプラスチック板を更に含む、請求項10に記載のタッチインターフェース。
- 前記電極によって与えられる前記触覚効果は摩擦の増加である、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記触覚効果は2つ以上のタッチ位置において独立制御可能である、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記デバイスは2つ以上のタッチ位置の位置の測定値を与える、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- 前記1つ又は複数の電極は、交点位置を示す異なる電極からなる2つ以上のラインを有するアレイを示している位置合わせされたパターンに配置される、請求項4に記載のタッチインターフェース。
- タッチインターフェースの基板上で単一の1組の電極を用いて、前記基板上で触覚効果を生成すると同時に、前記基板に対する指の位置を測定する方法であって、触覚効果は、前記基板に適用される第1の電極サブセットを選択することと、電圧源を用いて前記第1の電極サブセットを正の電圧又は負の電圧又は0電圧に昇圧することと、その後、前記電圧源から前記第1の電極サブセットを切り離すことと、その後、第2の電極サブセットを選択することと、前記第2の電極セットを前記正の電圧又は前記負の電圧まで昇圧するのに必要とされる電流又は電荷を監視しながら、電圧源を用いて前記第2の電極セットを正の電圧又は負の電圧まで昇圧することとによって生成される、方法。
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