JP2018136954A - Printed piezoelectric pressure-sensing foil - Google Patents
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Abstract
Description
ここ数年に渡って、接触検知デバイスは、ますます重要になってきている。接触検知デバイスは、光学式、抵抗式、および容量追跡式の、３つの異なるカテゴリーに分けることができる。 Over the last few years, touch sensing devices have become increasingly important. Touch sensing devices can be divided into three different categories: optical, resistive, and capacitive tracking.
光学式の接触解決策は、周囲の照明および追跡物の材料に大きく依存している。加えて、「タッチ」および「ペン」入力の分離が容易に実行できない。 Optical contact solutions are highly dependent on the surrounding illumination and the material of the tracked object. In addition, the separation of “touch” and “pen” input cannot be easily performed.
抵抗アレイに基づいたセンサは、通常、導電材料の２つの層から構成されており、１つは水平線で、もう一つは垂直線である。ユーザが表面に接触すると、水平および垂直線は、交互に接続して電流の流れを実現する。このアプローチは安価であり、エネルギー効率も高いが、追跡する解像度は検知ラインの間の空間に限られている。代わりに、明確に定められた抵抗率を有する平面タイプの導体が、上面および下面電極として用いられる。接触信号は電極の一つに電圧を印加することによって測定されて、その電極の端部に対する他の電極の抵抗が検出される。これは、電極を分圧器として扱っていることと同様である。ここで解像度は主に、読み出し電子回路の感度、電極間の分離（スペーサ）、および電極の電導度の均一性によって決定される。しかしながら、標準的な抵抗式タッチパネルのコンセプトは、圧力検知には適していない。 Sensors based on resistive arrays are usually composed of two layers of conductive material, one is a horizontal line and the other is a vertical line. When the user touches the surface, the horizontal and vertical lines are connected alternately to achieve current flow. This approach is inexpensive and energy efficient, but the resolution to track is limited to the space between the sensing lines. Instead, planar type conductors with well-defined resistivity are used as the top and bottom electrodes. The contact signal is measured by applying a voltage to one of the electrodes, and the resistance of the other electrode relative to the end of that electrode is detected. This is similar to treating the electrode as a voltage divider. Here, the resolution is mainly determined by the sensitivity of the readout electronic circuit, the separation between the electrodes (spacer), and the uniformity of the conductivity of the electrodes. However, the standard resistive touch panel concept is not suitable for pressure sensing.
米国特許出願公開公報第２００９／０２５６８１７号Ａ１から、力感知型抵抗（Force Sensitive Resistance）を補間すること（ＩＦＳＲ）に基づいたタッチもペンも追跡するための、抵抗式圧力検知接触型入力デバイスが知られている。この組立においては、検知材料が、紙のように薄くフレキシブルで曲げることができる材料の上に搭載されており、圧力の入力を検知することができる。 From US 2009/0256817 A1, a resistive pressure sensitive contact input device for tracking both touch and pen based on interpolating Force Sensitive Resistance (IFSR) is disclosed. Are known. In this assembly, the sensing material is mounted on a thin, flexible and bendable material such as paper and can detect pressure input.
容量式タッチセンサは、ガラスのような薄い絶縁体の上に設置された薄い導電層から構成されている。この層はキャパシタの電極のように働く。表面上への接触は、パネルの静電界の歪をもたらし、静電容量における電荷として測定できる。しかしながら、容量性の検知は接触位置を測定することができるのみである（解像度は、接触領域にのみ限定されている）。これは圧力検知に対しては適切ではない。この技術の別の主な欠点は、それが人体の静電特性に依存することであり、従ってタッチペン（stylus）または物体は追跡できないことである。 Capacitive touch sensors are composed of a thin conductive layer placed on a thin insulator such as glass. This layer acts like a capacitor electrode. Contact on the surface results in distortion of the electrostatic field of the panel and can be measured as a charge on the capacitance. However, capacitive sensing can only measure the touch position (resolution is limited only to the touch area). This is not appropriate for pressure sensing. Another major drawback of this technique is that it depends on the electrostatic properties of the human body, and therefore a stylus or object cannot be tracked.
技術水準の圧電性検知デバイスは、デバイスの端部に置かれた圧電トランスデューサを介して接触によって誘導された表面（音響）波の検出によって、間接的にのみ圧電効果を利用している。そのようなデバイスは、必要とされる無機の圧電材料および関連する高価な組立工程のコストのために高価である。それらは、例えば静止した（motion-less）指
の検出が不可能であり、限られたユーザ対話（user interaction）を提供しているにす
ぎない。
State-of-the-art piezoelectric sensing devices utilize the piezoelectric effect only indirectly by the detection of surface (acoustic) waves induced by contact via a piezoelectric transducer placed at the end of the device. Such devices are expensive due to the required inorganic piezoelectric materials and associated expensive assembly process costs. They are not capable of detecting, for example, motion-less fingers and only provide limited user interaction.
国際公開公報第２０１２／０２５４１２号Ａ１は、圧電および焦電コーティングの製造方法を記載している。 International Publication No. 2012/025412 A1 describes a method for producing piezoelectric and pyroelectric coatings.
米国特許公報８，１３８，８８２号Ｂ２は、「インテリジェントフロア」（intelligent floor）における検知デバイスの使用を記載している。 US Pat. No. 8,138,882 B2 describes the use of a sensing device on an “intelligent floor”.
前述のセンサのコンセプトのいくつかは、マルチタッチ検知機能を提供しているが、そ
れ（マルチタッチ検知機能）は、入力された圧力を効率的かつ正確に追跡することができないことが多い。また、それはペンとタッチの操作を分離して追跡することが望ましい。加えて、それは圧力追跡を有してペンとタッチの追跡を組み合わせることが望ましい。
Some of the aforementioned sensor concepts provide a multi-touch sensing function, which (multi-touch sensing function) often cannot efficiently and accurately track the input pressure. It is also desirable to keep track of pen and touch operations separately. In addition, it is desirable to have pressure tracking to combine pen and touch tracking.
本発明は、それらの、および他の問題に対処することを目的とする。 The present invention aims to address these and other problems.
本発明は、特許請求の範囲の記載に特徴付けられている。 The invention is characterized in the claims.
（例示的な実施形態の説明）
本発明の例示的な実施形態を図面を参照して今から記述する。
(Description of Exemplary Embodiments)
Exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings.
導入
本発明の１実施形態においては、圧電効果および焦電効果を共に有する強誘電性材料に基づいた圧力検知入力デバイスが提供される。強誘電性材料を、大きな、平たいおよび／または曲げられた表面上における圧力変化を検知するために用いることができる。この入力デバイスは、いかなる材料の上にも容易に印刷することができる、４層のサンドイッチ構造を有している。この材料を、米国特許出願公開公報第２０１１／０３１００６６号Ａ１に記載されているような高分解能の光学に基づいた検知箔、または、米国特許出願公開公報第２０１２／０１２７１１０号Ａ１に記載されているような光学タッチペンと組み合わせて用いることができる。
Introduction In one embodiment of the present invention, a pressure sensing input device based on a ferroelectric material having both piezoelectric and pyroelectric effects is provided. Ferroelectric materials can be used to sense pressure changes on large, flat and / or bent surfaces. This input device has a four-layer sandwich structure that can be easily printed on any material. This material is described in high-resolution optical sensing foils as described in US Patent Application Publication No. 2011/0310066 A1, or in US Patent Application Publication No. 2012/0127110 A1. It can be used in combination with such an optical touch pen.
入力デバイスは、手およびペンによる入力追跡の双方を支援する。デバイスに実装されている箔は、曲げられることができ、エネルギー効率が高く、および、それ（箔）は印刷
工程において容易に製造されることができる。
The input device supports both hand and pen input tracking. The foil mounted on the device can be bent, energy efficient and it (foil) can be easily manufactured in the printing process.
入力デバイスは、また、焦電効果に基づいた空中静止モード（hovering mode）を支援
する。
The input device also supports a hovering mode based on the pyroelectric effect.
圧電効果
圧電材料は、スポンジが圧迫されて水が注がれたときの、湿ったスポンジのようである。信号の振幅および周波数は、直接的に圧電材料の機械的変形に比例している。誘導された圧電素子の変形は、材料の表面電荷密度の変化を引き起こし、電極間の電圧（図１）に帰結する。圧電係数は、印加される力当たりの発生する電荷の量で表される。
Piezoelectric piezoelectric material is like a wet sponge when the sponge is pressed and water is poured. The amplitude and frequency of the signal is directly proportional to the mechanical deformation of the piezoelectric material. The induced deformation of the piezoelectric element causes a change in the surface charge density of the material, resulting in a voltage between the electrodes (FIG. 1). The piezoelectric coefficient is represented by the amount of charge generated per applied force.
全ての圧電材料のように、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）フィルムは、機械的応力の変化に比例して電荷が生じる動的な材料である。結果として圧電材料それ自体は、それらの内部抵抗のために、静的な測定には適合しない。ポリマーフィルム内で発生した電荷は、誘電率、フィルムの内部抵抗、および、そのフィルムが接続されているインターフェース回路の入力インピーダンス、によって決定される時定数で減衰する（図２）。 Like all piezoelectric materials, PVDF (polyvinylidene fluoride) film is a dynamic material that generates charge in proportion to changes in mechanical stress. As a result, the piezoelectric materials themselves are not suitable for static measurements due to their internal resistance. The charge generated in the polymer film decays with a time constant determined by the dielectric constant, the internal resistance of the film, and the input impedance of the interface circuit to which the film is connected (FIG. 2).
焦電効果
焦電センサ材料は、通常、温度に依存する分子双極子モーメントを有する誘電材料である。これらの材料が熱エネルギーを吸収すると、これらは拡張（または収縮）する。拡張のせいで非直接的な圧電信号が引き起こされる。フィルムの平均分極（分子双極子モーメントの合計）の減少は、加熱による双極子のランダムな動きによって引き起こされ、これはフィルム表面上に確立される電荷を生成する。圧電性および応力に類似して、焦電出力電流は、温度変化の割合に比例する。焦電電荷係数は、温度変化の度（degree）当たりの発生する電荷の量で記述される。
Pyroelectric effect pyroelectric sensor materials are typically dielectric materials with a molecular dipole moment that is temperature dependent. As these materials absorb thermal energy, they expand (or shrink). The expansion causes an indirect piezoelectric signal. The decrease in the average polarization of the film (the sum of the molecular dipole moments) is caused by the random movement of the dipole due to heating, which creates a charge that is established on the film surface. Similar to piezoelectricity and stress, the pyroelectric output current is proportional to the rate of temperature change. The pyroelectric charge coefficient is described by the amount of charge generated per degree of temperature change.
本発明の１実施形態によれば、前述の材料特性に基づいて、圧電および焦電ポリマーフィルムが、広い領域で、圧力および温度変化を検知するために用いられる。特に、センサの適切なレイアウトと組み合わせて、圧電および焦電ポリマーインクの印刷可能な配合を用いることによって、スクリーン印刷工程による広い領域のセンサをコスト効率高く製造することが可能になる。これらのセンサは、圧力の検知および追跡（タッチおよび／またはペン入力）も可能であり、人の手のような赤外線（ＩＲ）放出の接近または近接の検出も可能である。 According to one embodiment of the invention, based on the material properties described above, piezoelectric and pyroelectric polymer films are used to detect pressure and temperature changes over a wide area. In particular, by using a printable formulation of piezoelectric and pyroelectric polymer inks in combination with an appropriate layout of the sensors, it is possible to cost-effectively produce a wide area sensor with a screen printing process. These sensors can also sense and track pressure (touch and / or pen input) and can detect the proximity or proximity of infrared (IR) emissions, such as a human hand.
図３においては、圧電および焦電効果が、約５００ｍｓの持続期間を有するタッチを示して比較されている。図３の右側で分かるように、それは、タッチ信号から暖めるおよび冷却する効果を区別することは非常に複雑である。場合によっては、これらの効果は、さらにいっそう融合されて得ることができる。通常、圧電箔は、外部からのいかなる光（熱）源に対しても非常に敏感である。 In FIG. 3, the piezoelectric and pyroelectric effects are compared showing a touch having a duration of about 500 ms. As can be seen on the right side of FIG. 3, it is very complex to distinguish the warming and cooling effects from the touch signal. In some cases, these effects can be obtained even more fused. Piezoelectric foils are usually very sensitive to any external light (heat) source.
これらの問題は、赤外線光の反射層、すなわち、ヒートシンクのように働く積層を加えること、従って焦電応答を減少させることによって対処することができ、または以下に述べるような箔の設計を提供することにより、対処することができる。 These problems can be addressed by adding a reflective layer of infrared light, i.e., a laminate that acts like a heat sink, thus reducing the pyroelectric response, or providing a foil design as described below. This can be dealt with.
箔の設計
１実施形態における検知箔は、スクリーン印刷の１６×８配列に基づいた、直径１０ｍｍを有するフレキシブル、容量性の円形センサスポットである。タッチ箔の土台は、透明なプラスチック基板であり、印刷される材料に対してキャリアのように働く。次のステップにおいて、１２８の円形スポット（電極）がキャリア材料に印刷されて、水平に接続される。その後、プラスチック基板は強誘電性材料で完全に覆われる。その後で、垂直に接
続される電極の第２の層が印刷される。電極の２つの層はキャパシタを形成する。電荷は、電極の間で測定可能な電圧を引き起こす強誘電性のセンサ層の中で変化する。
Foil Design The sensing foil in one embodiment is a flexible, capacitive circular sensor spot having a diameter of 10 mm based on a 16 × 8 array of screen prints. The base of the touch foil is a transparent plastic substrate that acts like a carrier for the printed material. In the next step, 128 circular spots (electrodes) are printed on the carrier material and connected horizontally. Thereafter, the plastic substrate is completely covered with a ferroelectric material. Thereafter, a second layer of vertically connected electrodes is printed. The two layers of electrodes form a capacitor. The charge changes in a ferroelectric sensor layer that causes a measurable voltage between the electrodes.
図４は、次の材料を有する箔構造のサンドイッチ設計を示す。
○透明なポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）基板によって形成された第１層、
○半透明な導電性ポリマー材料によって形成された第２層内の電極、
○ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）および三フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）によって形成されて、約８５％の透明度を有している圧電および焦電センサ材料、および、
○非透明なカーボンまたは導電性ポリマーによって形成された上部電極、を有する。
FIG. 4 shows a sandwich design of a foil structure with the following materials.
A first layer formed by a transparent polyethylene terephthalate (PET) substrate;
An electrode in the second layer formed by a translucent conductive polymer material,
Piezoelectric and pyroelectric sensor materials formed by polyvinylidene fluoride (PVDF) and ethylene trifluoride (TrFE) and having a transparency of about 85%, and
-It has an upper electrode formed of non-transparent carbon or conductive polymer.
ペンとタッチとの分離が厳しいアプリケーション（例えば、ペンは注釈（annotations
）に対して用いられるが、タッチは操作（manipulation）に対して用いられる）に対しては、双方の入力の安定的な分離が必要である。これを達成するために１実施形態においては、安定的なペンおよびタッチの追跡を提供するために、図示されたセンサ箔が米国特許出願公開公報第２０１１／０３１００６６号Ａ１に記載されたタイプの箔と組み合わされている。そのような追加の箔は、焦電応答を減少するための温度吸収層としての役目を果たす。
Applications where the separation between pen and touch is strict (for example, pens are annotations
), But touch is used for manipulation), a stable separation of both inputs is required. To achieve this, in one embodiment, the illustrated sensor foil is a foil of the type described in US Patent Application Publication No. 2011/0310066 A1 to provide stable pen and touch tracking. Is combined with. Such additional foil serves as a temperature absorbing layer to reduce the pyroelectric response.
マルチタッチ
マルチタッチ検知に対する前述の設計を用いると、センサ箔の設計に起因して、いわゆるゴーストポイントが発生するかもしれない。マルチタッチ入力で「ゴースト発生」を避けるために、１実施形態においては特別なタイプのセンサ箔が用いられる。センサ箔は、基板の両面に適用された上部および下部電極の直交格子構造を有する２つのセンサ層を備える。２つのセンサ格子の上部および下部電極の方向は４５°回転しており、従って、双方のセンサ層の現実のタッチポイントは同じ位置にあるが、生成されるゴーストポイントは異なる位置である。双方の箔の入力信号を減算することによって、残された信号はゴースト発生ポイントのせいであると明確にすることができ、従って、マルチタッチ・アプリケーションにおける真のタッチ位置を明らかにすることができる。
Using the above-described design for multi-touch multi-touch detection, so-called ghost points may occur due to the design of the sensor foil. In order to avoid “ghosting” with multi-touch input, a special type of sensor foil is used in one embodiment. The sensor foil comprises two sensor layers having an orthogonal lattice structure of upper and lower electrodes applied to both sides of the substrate. The direction of the upper and lower electrodes of the two sensor grids is rotated 45 °, so that the actual touch points of both sensor layers are at the same position, but the ghost points generated are at different positions. By subtracting the input signals of both foils, it is possible to clarify that the remaining signal is due to the ghosting point, thus revealing the true touch position in multi-touch applications. .
（好ましい実施形態の説明）
センサアレイの製造
製造は、以下の４つの機能インクを用いるセンサアレイのスマート・アクティブ・マトリックスの低コスト印刷によって実現されてもよい。
○フッ素ポリマー（fluoropolymer）・センサインク、
○導電性のポリマーインク、
○導電性のカーボンペースト、および
○導電性の銀インク。
(Description of Preferred Embodiment)
Manufacture and manufacture of the sensor array may be realized by low cost printing of the smart active matrix of the sensor array using the following four functional inks.
○ Fluoropolymer sensor ink
○ Conductive polymer ink,
○ Conductive carbon paste, and ○ Conductive silver ink.
センサインクは、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（ポリ（フッ化ビニリデン・三フッ化エチレン））によって形成されてもよい。ポリマーインクは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリ（３、４−エチレンジオキシチオフェン（(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)）：ポリ（スチ
レンスルフォン酸）poly(styrene sulfonic acid))インクによって形成されてもよい。
また、センサインクは、圧電および焦電ポリマーに埋め込まれた無機の強誘電性ナノ粒子のナノ複合材料によって形成されてもよい。
The sensor ink may be formed of P (VDF-TrFE) (poly (vinylidene fluoride / ethylene trifluoride)). The polymer ink may be formed by PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonic acid)) ink. .
The sensor ink may also be formed by a nanocomposite of inorganic ferroelectric nanoparticles embedded in piezoelectric and pyroelectric polymers.
基板は、透明でフレキシブルな（厚さ１７５μｍの）プラスチック箔によって形成されており、これによって高いフレキシビリティ、およびスクリーン印刷工程の際に適用される機能性材料（インク）の良好な接着を提供している。センサインクは、圧電性および焦電性の共重合体（copolymer）Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）に基づいており、これは半結晶性
構造を有しており、箔の上に厚さ５μｍの透明層を形成するように印刷されることができ
る。銀の導電線は、センサ電極をＭｏｌｅｘの１．００ｍｍピッチのＦＦＣ／ＦＰＣコネクタへ接続するために印刷される。印刷ステップの後で、各層は、たった１００℃で短いアニール処理を受ける。このか焼は、溶剤の蒸発を完全に提供し、それによって各層の機能特性（導電性、圧電および焦電応答）が増進される。低い熱的要求のおかげで、全工程に渡って低温での製造を考慮することができる。
The substrate is formed by a transparent and flexible (175 μm thick) plastic foil, which provides high flexibility and good adhesion of the functional material (ink) applied during the screen printing process. ing. The sensor ink is based on a piezoelectric and pyroelectric copolymer P (VDF-TrFE), which has a semi-crystalline structure and is a transparent layer with a thickness of 5 μm on the foil. Can be printed to form. Silver conductive lines are printed to connect the sensor electrodes to Molex's 1.00 mm pitch FFC / FPC connectors. After the printing step, each layer undergoes a short annealing at only 100 ° C. This calcination provides complete solvent evaporation, thereby enhancing the functional properties of each layer (conductivity, piezoelectric and pyroelectric response). Thanks to the low thermal requirements, low temperature production can be considered throughout the process.
改善された巨視的な圧電および焦電応答を提供するために、アモルファス基質に埋め込まれた、ランダムに順序付けられかつ双極子を含む複数のナノ結晶が、センサ電極に対して垂直に整列している。これは、ソーヤタワー回路を用いたセンサのヒステリシスポーリング（hysteresis poling）によって実現することができる。十分な量で耐久性のある双
極子配列に対して、電界は、保磁力の２倍である約１４０ＭＶ／ｍが印加されている。この手順は、１０Ｈｚのポーリング周波数で７０ｍＣ／ｍ2の非常に大きな残留分極を導く
。
In order to provide an improved macroscopic piezoelectric and pyroelectric response, a plurality of randomly ordered and dipole-containing nanocrystals embedded in an amorphous substrate are aligned perpendicular to the sensor electrode . This can be achieved by hysteresis polling of the sensor using a soya tower circuit. For a dipole array that is durable in sufficient quantity, an electric field of about 140 MV / m, which is twice the coercive force, is applied. This procedure leads to a very large remanent polarization of 70 mC / m 2 with a 10 Hz polling frequency.
結果として生じるセンサ箔は、印刷された、広い領域の、フレキシブルで耐久性のあるポリマーセンサを提供し、室温で２０〜３０ｐＣ／Ｎの圧電係数ｄ33、および４０μＣ／ｍ2Ｋの焦電係数ｐ33、１２５℃のキュリー温度を示す。 The resulting sensor foil provides a printed, large area, flexible and durable polymer sensor with a piezoelectric coefficient d 33 of 20-30 pC / N at room temperature and a pyroelectric coefficient of 40 μC / m 2 K. p 33 , showing a Curie temperature of 125 ° C.
検知回路
圧電センサの等価回路は、図５ａに示されているように、内部抵抗Ｒs（１ＧΩ）およ
び内部容量Ｃs（１ｎＦ）を有する電流源である。センサの内部抵抗および内部容量は、
使用された材料の物理的な大きさ、電気伝導度、および誘電率に依存している。箔をタッチすることによって、ほんの少量のエネルギーを発生させるが、それを測定することは難しい。従って、インピーダンス変換器がセンサ信号を増幅するために用いられる（図５ｂ）。それは入力電圧を出力電圧に転送するが、信号出力を増幅する。好ましくは、入力電流はゼロアンペアに近い。それ故、極端に低い入力電流（１０ｆＡ未満）をサポートしている演算増幅器が好ましい。このタイプの演算増幅器の欠点は温度従属性である。従って、１ｐＡの入力電流の、より温度従属性の小さい演算増幅器が用いられ、追加的に１００ＭΩの入力抵抗が加えられる。さらに、既知の入力抵抗が、信号からタッチ力（ニュートン）の逆算に提供される。
The equivalent circuit of the sensing circuit piezoelectric sensor is a current source having an internal resistance R s (1 GΩ) and an internal capacitance C s (1 nF), as shown in FIG. 5a. The internal resistance and internal capacitance of the sensor are
It depends on the physical size, electrical conductivity, and dielectric constant of the material used. Touching the foil generates only a small amount of energy, but it is difficult to measure. Therefore, an impedance converter is used to amplify the sensor signal (FIG. 5b). It transfers the input voltage to the output voltage but amplifies the signal output. Preferably, the input current is close to zero amperes. Therefore, operational amplifiers that support extremely low input currents (less than 10 fA) are preferred. The disadvantage of this type of operational amplifier is temperature dependency. Therefore, an operational amplifier with a lower temperature dependency of an input current of 1 pA is used, and an additional input resistance of 100 MΩ is added. Furthermore, a known input resistance is provided for the back calculation of the touch force (Newton) from the signal.
次のステップにおいて、信号のノイズが減少される。周囲の主要電圧によれば、電気的ノイズは、信号スペクトラムにおいて約５０Ｈｚである。従って、５０Ｈｚのノッチフィルタがこのノイズを除去するために用いられる（図５ｃ）。最終ステップにおいて、マイクロコントローラの内部アナログーデジタル変換器（図５ｄ）の測定範囲（０〜３．３Ｖ）を満足するために、オフセットおよび減衰が信号に対して適用される。 In the next step, signal noise is reduced. According to the surrounding main voltage, the electrical noise is about 50 Hz in the signal spectrum. Therefore, a 50 Hz notch filter is used to remove this noise (FIG. 5c). In the final step, offset and attenuation are applied to the signal to satisfy the measurement range (0-3.3V) of the microcontroller's internal analog-to-digital converter (FIG. 5d).
説明した実施形態においては、ＡＴＭＥＬ社からの非常にエネルギー効率が高い３２ビットのCortex-M3マイクロコントローラが用いられている（図５ｅ）。他の一般的なマイ
クロコントローラとの比較において、データのタイプが３２ビット以上であり、高性能の乗算がサポートされているので、処理される信号は基板上でより効率的に行われることができる。加えて、１２ビットのアナログ−デジタル変換器（毎秒１００万サンプル）および組み込まれたＵＳＢコアユニットも用いられている。
In the described embodiment, a very energy efficient 32-bit Cortex-M3 microcontroller from ATMEL is used (FIG. 5e). In comparison with other common microcontrollers, the data type is more than 32 bits and high performance multiplication is supported so that the processed signal can be done more efficiently on the board . In addition, a 12-bit analog-to-digital converter (1 million samples per second) and an embedded USB core unit are also used.
センサマトリックスのスキャンニング
１実施形態においては、センサマトリクスは２１０ｍｍ×１３０ｍｍの領域に及んでいる１２８個のセンサスポットを有している。下部の電極は水平に接続されており、上部の電極は垂直に接続されている。極端に低いリークのアナログ・マルチプレクサが、水平の列からアース（ground）に接続されている。とはいうものの、他の全ての列は高インピーダンスである（図６）。
Sensor Matrix Scanning In one embodiment, the sensor matrix has 128 sensor spots that span an area of 210 mm × 130 mm. The lower electrode is connected horizontally, and the upper electrode is connected vertically. An extremely low leakage analog multiplexer is connected from a horizontal row to ground. That said, all other columns are high impedance (FIG. 6).
全ての行はインピーダンス変換器回路に接続されている。追加的なアナログ・マルチプレクサは、マイクロコントローラのアナログーデジタル変換器の入力の一つに出力するインピーダンス変換器のオン／オフを切り替えるために用いられている。 All rows are connected to an impedance converter circuit. An additional analog multiplexer is used to switch on / off the impedance converter that outputs to one of the inputs of the analog-to-digital converter of the microcontroller.
全てのセンサスポットが測定されて、それらの出力電圧が処理手段（コンピュータ）に１０ｍｓごとに送信される。全１２８センサのスキャンに対して４．３５２ｍｓ（１２８×３４μｓ）かかる。要約すれば、アナログ・マルチプレクサを分割するために、約１μｓかかり、マルチプレクサおよびフィルタ回路を新しいセンサ出力に設定するための待機に２５μｓかかり、そして最終的にＡ／Ｄ変換に８μｓかかる。全てのセンサをスキャン後、追加的に、ＰＣへ結果を送信するためにＵＳＢコアのＤＭＡコントローラを環境設定するために２μｓかかる。短い処理時間のおかげで、十分な能力が、より大きな箔やより高いタッチポイント密度を不要とする。 All sensor spots are measured and their output voltage is sent to the processing means (computer) every 10 ms. It takes 4.352 ms (128 × 34 μs) for a scan of all 128 sensors. In summary, it takes about 1 μs to split an analog multiplexer, 25 μs to wait to set the multiplexer and filter circuit to a new sensor output, and finally 8 μs to A / D conversion. After scanning all sensors, it additionally takes 2 μs to configure the USB core DMA controller to send the results to the PC. Thanks to the short processing time, sufficient capacity eliminates the need for larger foils and higher touch point densities.
タッチの処理
センサスポット上の全ての圧力変化が電荷を発生し、最終的に測定可能な電圧になる。かりに、更なる圧力変化が生じなければ、その電圧は、圧電フィルムの内部抵抗および測定回路の入力抵抗を介して放電される。この放電は指数関数に従い、その指数関数のパラメータが知られていれば予測可能である。
All pressure changes on the processing sensor spot of the touch generate an electric charge, eventually resulting in a measurable voltage. If no further pressure change occurs, the voltage is discharged through the internal resistance of the piezoelectric film and the input resistance of the measuring circuit. This discharge follows an exponential function and can be predicted if the parameters of the exponential function are known.
予測された値の全ての偏差が、センサ上の新しい圧力変化によって引き起こされなければならない。このことにより、センサ信号からの圧力変化を処理するように用いることができる。追加的なステップにおいては、圧力進展は、全ての圧力変化の積算によって計算されることができる。 All deviations in the predicted value must be caused by a new pressure change on the sensor. This can be used to process pressure changes from sensor signals. In an additional step, the pressure evolution can be calculated by integrating all pressure changes.
１００Ｈｚのサンプリング・レートが用いられたとき、ｔは１０ｍｓである。指数関数の時定数τは、センサの内部抵抗および内部容量、および測定回路の入力インピーダンスしだいである。空気圧の測定設定は、センサスポットに対する再現可能な（繰り返しできる）力を適用するために用いられてもよい。この設定により、１つの単一のセンサスポットのステップ応答を測定することができる。指数関数を有するステップ応答を補間するために、フィッティングツールを用いることができる（図７）。 When a sampling rate of 100 Hz is used, t is 10 ms. The time constant τ of the exponential function depends on the internal resistance and internal capacitance of the sensor and the input impedance of the measurement circuit. The air pressure measurement setting may be used to apply a reproducible (repeatable) force on the sensor spot. With this setting, the step response of one single sensor spot can be measured. A fitting tool can be used to interpolate the step response with an exponential function (FIG. 7).
補間された指数関数は、１７．７２ｍｓの時定数τを有している。従って、センサ出力からの圧力進展を処理するために必要とされる全てのパラメータが分かる。図８は、センサ出力から圧力を計算するための逆算を示す。印加された圧力は第１のグラフに示されている。第２のグラフは、センサの測定された出力電圧を示す。指数関数由来の予測値と、（圧力変化によって誘導された）測定値との偏差が、第３のグラフに示されている。最終的に、偏差の積算が最後のグラフにプロットされている。電圧進展が印加された圧力に比例することが分かる。 The interpolated exponential function has a time constant τ of 17.72 ms. Thus, all the parameters required to handle the pressure evolution from the sensor output are known. FIG. 8 shows the back calculation for calculating the pressure from the sensor output. The applied pressure is shown in the first graph. The second graph shows the measured output voltage of the sensor. The deviation between the predicted value from the exponential function and the measured value (derived by pressure change) is shown in the third graph. Finally, the deviation sum is plotted in the last graph. It can be seen that the voltage evolution is proportional to the applied pressure.
ペンおよびタッチの追跡
ペンおよびタッチの追跡のための安定的な解決策を提供するために、上述の箔設計と、例えば、ＡＮＯＴＯ（登録商標）によって提供されているような、追加的なドットパターンを組み合わせることが好ましい。
Pen and touch tracking To provide a stable solution for pen and touch tracking, the above-described foil design and additional dot patterns, for example as provided by ANOTO® Are preferably combined.
ペンとタッチとの分離はソフトウエアに基づいた処理によって実現される。組み合わされた入力ドライバーが、ペンおよびタッチの入力データ双方を同時に解析する。新しいタッチが行われるごとに、入力ドライバーは、約５０ｍｓの間、同じスポットでペン入力を待つ（小さいしきい値の中で）。この期間、全てのタッチデータは、入力ドライバーに一時的に保存される。ペン入力が認識されるごとに、入力ドライバーは、ペン入力だけに向
かい、タッチ入力は無視する。そうしないと、一時的に保存されたタッチデータが、規則通りにアプリケーションへ転送される。
Separation of pen and touch is realized by processing based on software. A combined input driver analyzes both pen and touch input data simultaneously. Each time a new touch is made, the input driver waits for pen input at the same spot for about 50 ms (within a small threshold). During this period, all touch data is temporarily stored in the input driver. Each time a pen input is recognized, the input driver goes to the pen input only and ignores the touch input. Otherwise, the temporarily stored touch data is transferred to the application according to the rules.
（アプリケーション）
ヒューマン・マシン・インターフェース（触覚（haptic）／音響フィードバックを有するＨＭＩ）
検知デバイスまたは本発明の、１実施形態においてはヒューマン・マシン・インターフェースを実装することが用いられる。ＰｙｚｏＦｌｅｘ技術に基づいたヒューマン・マシン・インターフェース技術は、オプション的には透明に近い基板を有して、フレキシブル基板上の広い領域に渡って印刷することで低コストプロセスにおけるタッチ入力機能を提供する可能性を有している。インプリンティングによるアクティブ強誘電性材料の３次元パターニングは、１つの機能層に音響フィードバックと受動的な触覚とを組み合わせることを可能にする。
(application)
Human machine interface (haptic / HMI with acoustic feedback)
A sensing device or in one embodiment of the invention is used to implement a human machine interface. Human machine interface technology based on PyzoFlex technology can optionally provide a touch input function in a low cost process by having a substrate that is nearly transparent and printing over a large area on a flexible substrate It has sex. The three-dimensional patterning of active ferroelectric materials by imprinting makes it possible to combine acoustic feedback and passive haptics in one functional layer.
１実施形態においては、ヒューマン・マシン・インターフェース技術の基本的要素は、透明なまたは赤外線吸収の電極の間に誘電体のサンドイッチとしての半結晶の強誘電性ポリマーＰＶＤＦ−ＴｒＦＥに基づいて印刷された強誘電性センサキャパシタのアレイである。センサは、その圧電特性による圧力の変化、またはその焦電特性における温度の変化に敏感である。そのような印刷された容量性センサアレイは、有機トランジスタおよび表示素子とともに一体的に組み込まれることができて、さらに、フレキシブルで、容易に加工できて、接触によってまたは近接によって（非接触）制御されることができる低コストのユーザインタフェースとして利用される。 In one embodiment, the basic elements of human machine interface technology were printed based on a semi-crystalline ferroelectric polymer PVDF-TrFE as a dielectric sandwich between transparent or infrared absorbing electrodes. An array of ferroelectric sensor capacitors. The sensor is sensitive to changes in pressure due to its piezoelectric properties, or changes in temperature in its pyroelectric properties. Such printed capacitive sensor arrays can be integrated with organic transistors and display elements, and are also flexible, easily processable and controlled by contact or proximity (non-contact). Can be used as a low-cost user interface.
全ての層をスクリーン印刷によって堆積することができる。もし、透明で滑らかな層が必要であれば、電極としての可能性のある材料は、（ｉ）ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、または（ｉｉ）最近のＩＴＯ技術の代わりとしての印刷可能な金属製のナノワイヤーである。もし、低い抵抗率および／または赤外線の良好な吸光度が重要であれば、カーボンおよび銀が選択の材料である。 All layers can be deposited by screen printing. If a transparent and smooth layer is required, possible materials for the electrodes are (i) PEDOT: PSS, or (ii) printable metal nanowires as an alternative to modern ITO technology It is. If low resistivity and / or good infrared absorption are important, carbon and silver are the materials of choice.
１実施形態においては、新しい膜・ボタンコンセプトが提供される。特に、印刷された圧電ポリマーは、入力のための圧力センサとして、および触知性（tactile）フィードバ
ックのためのアクチュエータとして、また音響フィードバックを可能にする拡声器としても役立つことができる。
In one embodiment, a new membrane and button concept is provided. In particular, the printed piezoelectric polymer can serve as a pressure sensor for input, as an actuator for tactile feedback, and as a loudspeaker that allows acoustic feedback.
本発明の入力デバイスは印刷されているので、バックボーン（基板）の硬さは印刷されたＰＶＤＦ−ＴｒＦＥの接着性と相まって、センサデバイスの振動出力に影響する。１実施形態においては、接触性の、および／または音響のユーザフィードバックに対する振動振幅を拡大するために、穴の開いたフィルムもしくはホットエンボス加工（hot embossing）／インプリンティング（imprinting）によって製造されたキャビィティを有するポリ
マーフィルムのような構造化基板が用いられ、インプリントされたドーム状のセンサキャパシタが用いられる。これを図９に示す。
Since the input device of the present invention is printed, the hardness of the backbone (substrate), coupled with the adhesion of the printed PVDF-TrFE, affects the vibration output of the sensor device. In one embodiment, the cavity produced by perforated film or hot embossing / imprinting to increase the vibration amplitude for tactile and / or acoustic user feedback. A structured substrate such as a polymer film having a thickness of 10 is used, and an imprinted dome-shaped sensor capacitor is used. This is shown in FIG.
結果は、アクティブなポリマーに取り付けられた電極で電荷を誘導するキーパットの変形で誘導された圧力に基づくパシッブな接触フィードバックを有する簡単な入力キーである。キーの信号検出の後で、入力デバイスに接続されている処理手段が、所定の規定された周波数および振幅の電圧信号（接触検知に対して、音響検知に対して、もしくは、双方によって）を生成することによって、アクチュエータ／拡声器上にアクティブなフィードバックを生成することができる。ユーザに対して与えられるフィードバックの最終的な印象は、いかなる目的および環境においても自由に設計されることができる、である。フィードバック信号の強度は、バックボーンの設計、キーパッドの大きさ、およびセンサへ送
出される信号によって決定されることができる。加えて、全体的なキー設計および機能性に影響することなく音響応答および拡声器の音圧を最適化することが好ましい。好ましい１実施形態は、規定の周波数および音響レベルでの音波の放射に対して最適化された強度を有するドーム状のＰＶＤＦセンサの製造を有する。
The result is a simple input key with passive contact feedback based on pressure induced by deformation of the keypad that induces charge at the electrode attached to the active polymer. After key signal detection, the processing means connected to the input device generates a voltage signal (for touch detection, for acoustic detection, or both) of a prescribed frequency and amplitude. By doing so, active feedback can be generated on the actuator / loudspeaker. The final impression of feedback given to the user can be freely designed for any purpose and environment. The strength of the feedback signal can be determined by the backbone design, the keypad size, and the signal delivered to the sensor. In addition, it is preferable to optimize the acoustic response and loudspeaker sound pressure without affecting the overall key design and functionality. One preferred embodiment involves the production of a dome-shaped PVDF sensor having an intensity optimized for the emission of sound waves at a defined frequency and sound level.
（マルチ）タッチパネル
圧電マルチタッチパネルのための、本発明の１実施形態における電極のパターンは、印刷工程により制約されている解像度を有するアレイタイプ、または、より高い解像度を有する低導電性積層電極に基づく三角形のタイプである。
The electrode pattern in one embodiment of the present invention for a (multi-) touch panel piezoelectric multi-touch panel is based on an array type having a resolution constrained by the printing process, or a low-conductivity laminated electrode having a higher resolution. It is a triangle type.
アレイタイプの（マルチ）タッチパネル
本発明の１実施形態においては、特に低コストで印刷可能なポリマーペーストによって生成された真の圧電センサに基づいた（マルチ）タッチパネルが提供されている。前述された実施形態は、異なる種類のユーザ対話（user interactions）のための印刷された（
マルチ）タッチセンサを、大きな領域で製造するために用いることができる。強誘電性ポリマーは可視領域においては透明であるので、透明電極材料を用いたタッチスクリーンを製造することに用いることもできる。単一のタッチポイントの信頼できるトリガに対して、重なる領域で圧電アクティブ、容量性領域を形成する直角に正しく並べられた下部および上部電極のアレイ状の構造が提供されている。
Array Type (Multi) Touch Panel In one embodiment of the present invention, a (multi) touch panel based on a true piezoelectric sensor produced by a polymer paste that can be printed at a particularly low cost is provided. The embodiments described above are printed (for different types of user interactions) (
Multi-touch sensors can be used to manufacture in large areas. Since the ferroelectric polymer is transparent in the visible region, it can be used to manufacture a touch screen using a transparent electrode material. For reliable triggering of a single touch point, an array of bottom and top electrodes arranged in a right angle to provide a piezoelectric active, capacitive region in the overlapping region is provided.
しかしながら、マルチタッチのジェスチャーが捕えられたとき、キルヒホッフの法則により述べられる電荷分散によるゴーストポイントの生成が単層アプローチを困難にする。本発明の１実施形態においてはこの問題は、例えば、先行技術での容量性タッチスクリーンに関連してなされたような、複雑で高価な電子機器やソフトウエアのような組み合わせを用いることなく対処される。それどころか、この１実施形態においては、第２のセンサ層を追加して、単一のタッチパネルに対して４５°だけ電極の方向を傾けることによって信頼できるマルチタッチ認識が達成される。この設計は、双方のセンサパネルからの圧電センサ信号を減算することによってタッチ入力の決定を可能にし、従って、真のタッチポイントを排除して電荷分散によって生じたゴーストポイントを明らかにする。これを図１０に示す。 However, when multi-touch gestures are captured, the generation of ghost points due to charge dispersion as described by Kirchhoff's law makes the single-layer approach difficult. In one embodiment of the present invention, this problem is addressed without the use of a combination of complex and expensive electronics and software, such as was done in connection with capacitive touch screens in the prior art. The On the contrary, in this one embodiment, reliable multi-touch recognition is achieved by adding a second sensor layer and tilting the direction of the electrode by 45 ° relative to a single touch panel. This design allows for the determination of touch input by subtracting the piezoelectric sensor signals from both sensor panels, thus eliminating the true touch points and revealing the ghost points caused by charge distribution. This is shown in FIG.
積層電極の三角形分割パネル
本発明の別の実施形態においては、電極材料の抵抗率の相違を生かした三角形分割（triangulation）に基づいた圧電タッチパネルが提供される。この実施形態においては、信
号がセンサ箔の角で検出されることができ、センサ信号が距離に依存して減少するために、低い導電性の電極の直列抵抗に関連して、励起位置の正確な場所を計算することができる。
Multilayered Triangulation Panel In another embodiment of the present invention, a piezoelectric touch panel based on triangulation that takes advantage of the difference in resistivity of electrode materials is provided. In this embodiment, since the signal can be detected at the corner of the sensor foil and the sensor signal decreases with distance, the accuracy of the excitation position is related to the series resistance of the low conductivity electrode. You can calculate the exact location.
レーザ安全壁
本発明の１実施形態においては、センサデバイスの中に用いられるアクティブ・ポリマーは、圧電および焦電性（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）または、双方の一つになることができるもの（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ＋ナノ複合材料）であり、圧力変化によるタッチ入力の検出のみならず、温度変化も検知することができる。
Laser Safety Wall In one embodiment of the invention, the active polymer used in the sensor device is one that can be piezoelectric and pyroelectric (PVDF-TrFE) or one of both (PVDF-TrFE + Nanocomposite material), which can detect not only touch input due to pressure change but also temperature change.
上述した（マルチ）タッチパネルに関するセンサ構造を用いることにより、熱の局部的な変化も検出することができる。適切な処理手段と組み合わせることにより、熱の空間分解された変化が、記録され解析されることができる。この技術は、例えば自動化されたレーザ溶接システムのための、またはあるレーザクラスを超える自動化されたレーザ製造システムに近接している、アクティブ・レーザ安全壁のコスト効率の高い製造に用いることができる。これらのアプリケーションのために、本発明の検知デバイスに含まれている熱
的に感度の高いセンサ箔は、レーザビームのデフォーカスまたは散乱によって生成された熱をセンサアレイに直接的に転送するために、（典型的には、適切な厚さの金属プレートからなる）パッシブ・レーザハウジングに取り付けられる。処理手段は信号分配および強度に応じて、どのような種類の危険事象が生じているかどうかを決定すること、および警報を起動すること、または、もし必要であればレーザシステムをシャットダウンすること、を提供する。
By using the sensor structure related to the (multi) touch panel described above, a local change in heat can also be detected. In combination with appropriate processing means, spatially resolved changes in heat can be recorded and analyzed. This technique can be used for cost-effective production of active laser safety walls, for example, for automated laser welding systems or close to automated laser production systems beyond a certain laser class. For these applications, the thermally sensitive sensor foil included in the sensing device of the present invention is designed to transfer heat generated by laser beam defocusing or scattering directly to the sensor array. , Attached to a passive laser housing (typically composed of a metal plate of appropriate thickness). Depending on the signal distribution and intensity, the processing means determines what type of hazardous event is occurring and triggers an alarm or shuts down the laser system if necessary. provide.
この実施形態を用いれば、適切な量のセンサシートを組み合わせること／縫い合わせることによって、大きな領域のアクティブ・レーザ安全壁を製造することができる。これはまた、危険事象の後で、損傷を受けた部分の容易な交換を可能にする。さらに、温度上昇の強度と位置は処理手段によって明らかにすることができるので、センサシートの空間分解能によって簡単な故障診断が可能になる。 With this embodiment, a large area active laser safety wall can be produced by combining / stitching the appropriate amount of sensor sheets. This also allows easy replacement of damaged parts after a hazard event. Furthermore, since the intensity and position of the temperature rise can be clarified by the processing means, simple fault diagnosis can be performed by the spatial resolution of the sensor sheet.
エネルギー収穫器
本発明の１実施形態によれば、検知デバイスは圧力および／または熱の変化が生じるときに、電極上で電荷を分離するパッシブ容量センサを備える。これらの特徴により、センサは、機械的および熱的エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換器として使用されることができる。１実施形態によれば、検知デバイスは、振動変化および／または熱変動の近傍でエネルギー収穫器として使用されることができる。
Energy Harvester According to one embodiment of the present invention, the sensing device comprises a passive capacitive sensor that separates charge on the electrodes when pressure and / or heat changes occur. These features allow the sensor to be used as an energy converter that converts mechanical and thermal energy into electrical energy. According to one embodiment, the sensing device can be used as an energy harvester in the vicinity of vibrational changes and / or thermal fluctuations.
機械的エネルギーの検出に応答して生成される電荷は、振動および／または熱変化の振幅および周波数にも、センサ領域にも依存する。好ましくは、容量性エネルギー収穫器の設計は存在する環境に適合される。特に、アクティブ・ポリマーの厚さは、生成される電荷の量に関連して励起される電流・電圧比およびアクティブ領域の大きさに影響する。例えば、０．７ｃｍ2の領域を有する３ｎＣの単一のヒューマン・マシン・インターフェー
ス・センサを用いることで、単一のタッチイベントを生成させることができる。センサ設計を採用することにより、例えば、工業的な自動化環境における無線センサネットワーク内の無線センサノードにバイアスを与えるために、または、介護付きの環境という状況で適切な電化製品にバイアスを与えるために、生成されたエネルギーを用いることができる。
The charge generated in response to the detection of mechanical energy depends on the amplitude and frequency of vibration and / or thermal changes as well as on the sensor area. Preferably, the capacitive energy harvester design is adapted to the existing environment. In particular, the thickness of the active polymer affects the current-to-voltage ratio and the size of the active region that are excited in relation to the amount of charge generated. For example, a single touch event can be generated using a 3 nC single human machine interface sensor having a 0.7 cm 2 area. Adopting sensor design, for example, to bias wireless sensor nodes in wireless sensor networks in industrial automation environments, or to bias appropriate appliances in the context of caregiving environments The generated energy can be used.
インテリジェントフロア
本発明の検知デバイスは、幅広い周波数スペクトラムに渡って振動を検出することができる。従って、検知デバイスは、マイクロホン、固体伝播音センサ、または加速度センサとして用いられることができる。
Intelligent floor The sensing device of the present invention can detect vibrations over a wide frequency spectrum. Therefore, the detection device can be used as a microphone, a solid propagation sound sensor, or an acceleration sensor.
介護付きの環境（例えば、インテリジェントフロア）および警護アプリケーション（例えば、破壊行為の検出）の状況において、典型的な音響パターンはある出来事を示唆する。本発明の１実施形態においては、検知デバイスは、例えば建物内の部屋の壁、または床など、表面に取り付けられる。表面内のまたは表面の振動は種々の周波数を検知する検知デバイスの能力に基づいて検出され、および解析されることができる。 In the context of a nursing environment (eg, an intelligent floor) and a security application (eg, detection of vandalism), typical acoustic patterns suggest an event. In one embodiment of the invention, the sensing device is attached to a surface, for example, the wall or floor of a room in a building. In-surface or surface vibrations can be detected and analyzed based on the ability of the sensing device to sense various frequencies.
検知デバイスの音響的な感度は、その大きさ、形状および厚さを変化させることによって、ある周波数帯に同調されることができる。警備アプリケーションの分野においては、ある事件（events）（例えば、ガラスを破損する）は、ある事件を示す参照となるデータベースの保存データに記録された信号と比較することによって検出されることができ、従って、それらの検出を可能とする（例えば、破壊、事故または他のセキリティに関連する事件）。 The acoustic sensitivity of the sensing device can be tuned to a certain frequency band by changing its size, shape and thickness. In the field of security applications, certain events (e.g., breaking glass) can be detected by comparing them with the signal recorded in the stored database of the reference database indicating the certain event, Therefore, they can be detected (eg, incidents related to destruction, accidents or other security).
日常的な環境（介護付きの環境）におけるユビキタスコンピューティングの分野の成長
において、関心の高まっている一側面は、「インテリジェントフロア」である（米国特許公報第８，１３８，８８２号Ｂ２）。
One aspect of increasing interest in the field of ubiquitous computing in everyday environments (environment with care) is the “intelligent floor” (US Pat. No. 8,138,882 B2).
本発明の１実施形態においては、検知デバイスは床構造の中に／表面に実装される。検知デバイスの、圧力／温度の変化に対するセンサとしての堅牢性、形状およびの使用時の能力のおかげで、加速度センサおよび／または固体伝播音センサ、検知デバイスは、例えば、動いている人々や動物、音響イベント、温度変化（例えば火災）および、さらに多くの、検出および追跡が可能である。 In one embodiment of the invention, the sensing device is mounted in / on the floor structure. Thanks to the robustness of the sensing device as a sensor against pressure / temperature changes, the shape and the ability to use it, the acceleration sensor and / or the solid-borne sound sensor, the sensing device, for example, moving people or animals, Acoustic events, temperature changes (eg fire) and many more can be detected and tracked.
上述の実施形態は例示的にのみに述べられており、それらの実施形態の変形も添付の請求項の範囲内に含まれることが認められる。 It will be appreciated that the embodiments described above are described by way of example only, and that variations of those embodiments are also included within the scope of the appended claims.
以下、本願発明の実施態様を項分け記載する。
実施態様１
基板と、
前記基板に印刷された強誘電性センサインクによって形成された第１のセンサ層と、
前記第１のセンサ層に形成された少なくとも１つの導電層とを備えると共に、
複数の接続された第１電極および複数の接続された第２電極を、前記第１のセンサ層を中間に配置してさらに備え、
前記強誘電性センサインクは、圧電および焦電ポリマーを有するか、または、圧電および焦電ポリマーに埋め込まれた無機の強誘電性ナノ粒子のナノ複合材料によって形成され、
前記第１電極および前記第２電極の重なり対は、前記第１のセンサ層に生成された電荷に応答して測定可能な電圧を生成するセンサスポットにそれぞれ対応するキャパシタを形成し、
双極子を含む複数のナノ結晶が、前記複数の接続された第２電極に垂直に配列されていることを特徴とする検知デバイス。
実施態様２
前記少なくとも１つの導電層は、
前記第１のセンサ層の上に印刷された、ポリマー、カーボン、銀、銅、および／または、金属ナノワイヤーを有したインクによる導電インクによって形成された第１の導電層、
前記第１の導電層の上に印刷されたカーボンインクによって形成された第２の導電層、および
前記第２の導電層の上に印刷された銀インクによる導電インクによって形成された第３の導電層、
のうちの少なくとも１つ有することを特徴とする実施態様１に記載の検知デバイス。実施態様３
前記少なくとも１つの導電層は、前記基板における前記第１のセンサ層の下に、ポリマー、カーボン、銀、銅、金属ナノワイヤー、および／または、カーボンナノチューブを有する導電インクを印刷して形成され、前記基板の上に第１の導電層を形成することを特徴とする実施態様１に記載の検知デバイス。
実施態様４
前記強誘電性センサインクは、共重合体Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）によって、もしくはリラクサ強誘電性三元重合体（terpolymer）Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）によって形成された圧電および焦電ポリマーを有することを特徴とする実施態様１から３のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様５
さらに第２のセンサ層を備えており、前記第２のセンサ層は、印刷によって前記基板の後側に提供されるか、または、前記第１のセンサ層の上部に積層されて前記第１のセンサ
層の上部に提供されることを特徴とする実施態様１から４のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様６
前記第１のセンサ層は第１の複数の実質的に平行な導電ラインを備え、前記第２のセンサ層は第２の複数の実質的に平行な導電ラインを備え、前記第１の複数の実質的に平行な導電ラインおよび前記第２の複数の実質的に平行な導電ラインは、所定の角度だけ相互に傾いていることを特徴とする実施態様５に記載の検知デバイス。
実施態様７
前記強誘電性センサインクは、透明または赤外線吸収の電極の間に形成された、半結晶強誘電性ポリマーＰＶＤＦ―ＴｒＦＥを有する、印刷された強誘電性センサキャパシタのアレイを形成することを特徴とする実施態様１から６のいずれかに記載の検知デバイス。実施態様８
前記電極は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、印刷可能な金属製ナノワイヤー、カーボンおよび／または銀を有することを特徴とする実施態様７に記載の検知デバイス。
実施態様９
前記基板は、穴の開いたフィルム、または、ホットエンボス加工もしくはインプリンティングによって製造されたキャビテイを有するポリマーフィルムからなる構造化基板を有することを特徴とする実施態様７または８に記載の検知デバイス。
実施態様１０
さらに、インプリントされたドーム状のセンサを備えることを特徴とする実施態様７から９のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様１１
前記ドーム状のセンサは、予め定められた周波数および／または音響レベルで音波を発生するように構成されていることを特徴とする実施態様１０に記載の検知デバイス。
実施態様１２
前記電極は、電極の第１および第２のアレイを備え、前記アレイはお互いに対して傾いていることを特徴とする実施態様７から１１のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様１３
タッチ位置を特定するために電極の前記第１および第２のアレイからのセンサ信号を減算する処理手段を備えることを特徴とする実施態様１２に記載の検知デバイス。
実施態様１４
三角形分割に基づいてタッチ位置を特定する処理手段を備えることを特徴とする実施態様７から１１のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様１５
前記検知デバイスの出力信号の処理手段に関連して、事件を暗示する出力信号に応答して、予め定められた応答のトリガとなる信号を生成することを特徴とする実施態様１から１４のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様１６
前記検知デバイスは、振動、音波および／または熱変動、の検出に応答して信号を発生するように用意されていることを特徴とする実施態様１から１５のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様１７
前記検知デバイスは、振動、音波および／または熱変動により生成されたエネルギーを保存するように用意されており、前記エネルギーは、無線ネットワーク内の無線センサノードにバイアスをかけるように用いられることを特徴とする実施態様１６に記載の検知デバイス。
実施態様１８
前記検知デバイスは、マイクロホン、固体伝播音センサ、または加速度センサとして実施されるように提供されることを特徴とする実施態様１６または１７に記載の検知デバイス。
実施態様１９
前記振動、音波および／または熱変動の、周波数、振幅、および／または他のパラメータを検出する処理手段に関連して、検出されたパラメータに関連するイベントを検出することを特徴とする実施態様１６から１８のいずれかに記載の検知デバイス。
実施態様２０
前記検知デバイスは建物の表面に取り付けられるか、床に組み込まれることを特徴とする実施態様１６から１８のいずれかに記載の検知デバイス。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by item.
A substrate,
A first sensor layer formed by a ferroelectric sensor ink printed on the substrate;
And at least one conductive layer formed on the first sensor layer,
A plurality of connected first electrodes and a plurality of connected second electrodes, further comprising the first sensor layer disposed in the middle;
The ferroelectric sensor ink has a piezoelectric and pyroelectric polymer or is formed by a nanocomposite of inorganic ferroelectric nanoparticles embedded in the piezoelectric and pyroelectric polymer;
The overlapping pairs of the first electrode and the second electrode form capacitors respectively corresponding to sensor spots that generate a measurable voltage in response to the charge generated in the first sensor layer;
A sensing device, wherein a plurality of nanocrystals including dipoles are arranged perpendicular to the plurality of connected second electrodes.
Embodiment 2
The at least one conductive layer comprises:
A first conductive layer formed on the first sensor layer, formed by a conductive ink with an ink having polymer, carbon, silver, copper, and / or metal nanowires;
A second conductive layer formed by carbon ink printed on the first conductive layer; and a third conductive layer formed by conductive ink by silver ink printed on the second conductive layer. layer,
The sensing device according to
The at least one conductive layer is formed by printing a conductive ink having a polymer, carbon, silver, copper, metal nanowires, and / or carbon nanotubes under the first sensor layer on the substrate; The detection device according to
Embodiment 4
The ferroelectric sensor ink has a piezoelectric and pyroelectric polymer formed by a copolymer P (VDF-TrFE) or a relaxor ferroelectric terpolymer P (VDF-TrFE-CFE). The detection device according to any one of
Embodiment 5
The second sensor layer further includes a second sensor layer provided on the rear side of the substrate by printing, or laminated on the first sensor layer to form the first sensor layer. Embodiment 5. A sensing device according to any of
Embodiment 6
The first sensor layer comprises a first plurality of substantially parallel conductive lines, the second sensor layer comprises a second plurality of substantially parallel conductive lines, and the first plurality of substantially parallel conductive lines. 6. A sensing device according to embodiment 5, wherein the substantially parallel conductive lines and the second plurality of substantially parallel conductive lines are inclined relative to each other by a predetermined angle.
Embodiment 7
The ferroelectric sensor ink forms an array of printed ferroelectric sensor capacitors having a semi-crystalline ferroelectric polymer PVDF-TrFE formed between transparent or infrared absorbing electrodes. The detection device according to any one of
8. The sensing device according to embodiment 7, wherein the electrode comprises PEDOT: PSS, printable metal nanowires, carbon and / or silver.
Embodiment 9
9. A sensing device according to embodiment 7 or 8, wherein the substrate comprises a structured substrate consisting of a perforated film or a polymer film having cavities manufactured by hot embossing or imprinting.
Embodiment 10
The detection device according to any one of embodiments 7 to 9, further comprising an imprinted dome-shaped sensor.
Embodiment 11
The sensing device according to embodiment 10, wherein the dome-shaped sensor is configured to generate sound waves at a predetermined frequency and / or acoustic level.
Embodiment 12
12. A sensing device according to any of embodiments 7 to 11, wherein the electrode comprises first and second arrays of electrodes, the arrays being tilted with respect to each other.
Embodiment 13
13. A sensing device according to embodiment 12, comprising processing means for subtracting sensor signals from the first and second arrays of electrodes to determine a touch location.
Embodiment 14
The detection device according to any one of embodiments 7 to 11, further comprising processing means for specifying a touch position based on triangulation.
Embodiment 15
Any of the embodiments 1-14, wherein in connection with the means for processing the output signal of the sensing device, a signal that triggers a predetermined response is generated in response to the output signal implied by the incident. A detection device according to the above.
Embodiment 16
16. The sensing device according to any of embodiments 1-15, wherein the sensing device is prepared to generate a signal in response to detection of vibrations, sound waves and / or thermal fluctuations.
Embodiment 17
The sensing device is provided to store energy generated by vibration, sound waves and / or thermal fluctuations, the energy being used to bias a wireless sensor node in a wireless network. Embodiment 17. The detection device according to embodiment 16.
Embodiment 18
Embodiment 18. The sensing device according to embodiment 16 or 17, wherein the sensing device is provided to be implemented as a microphone, a solid-state sound sensor, or an acceleration sensor.
Embodiment 19
Embodiment 16 wherein an event associated with a detected parameter is detected in connection with processing means for detecting the frequency, amplitude, and / or other parameter of the vibration, sound wave and / or thermal variation. The detection device according to any one of 18 to 18.
Embodiment 19. A sensing device according to any of embodiments 16 to 18, characterized in that the sensing device is attached to the surface of a building or incorporated in a floor.
Claims (1)
前記基板に印刷された強誘電性センサインクによって形成された第１のセンサ層と、
前記第１のセンサ層に形成された少なくとも１つの導電層とを備えると共に、
複数の接続された第１電極および複数の接続された第２電極を、前記第１のセンサ層を中間に配置してさらに備え、
前記強誘電性センサインクは、圧電および焦電ポリマーを有するか、または、圧電および焦電ポリマーに埋め込まれた無機の強誘電性ナノ粒子のナノ複合材料によって形成され、
前記第１電極および前記第２電極の重なり対は、前記第１のセンサ層に生成された電荷に応答して測定可能な電圧を生成するセンサスポットにそれぞれ対応するキャパシタを形成し、
双極子を含む複数のナノ結晶が、前記複数の接続された第２電極に垂直に配列されていることを特徴とする検知デバイス。 A substrate,
A first sensor layer formed by a ferroelectric sensor ink printed on the substrate;
And at least one conductive layer formed on the first sensor layer,
A plurality of connected first electrodes and a plurality of connected second electrodes, further comprising the first sensor layer disposed in the middle;
The ferroelectric sensor ink has a piezoelectric and pyroelectric polymer or is formed by a nanocomposite of inorganic ferroelectric nanoparticles embedded in the piezoelectric and pyroelectric polymer;
The overlapping pairs of the first electrode and the second electrode form capacitors respectively corresponding to sensor spots that generate a measurable voltage in response to the charge generated in the first sensor layer;
A sensing device, wherein a plurality of nanocrystals including dipoles are arranged perpendicular to the plurality of connected second electrodes.
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Cited By (3)
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-
2018
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