JP6698226B2 - 検出面に対する物体の接近および/または接触、ならびに圧力を検出するための装置および方法 - Google Patents
検出面に対する物体の接近および/または接触、ならびに圧力を検出するための装置および方法 Download PDFInfo
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Description
・少なくとも1つの測定電極と、
・特に前記測定電極に面して配置された、ガード電極と呼ばれる少なくとも1つの電極と、
・前記測定電極の電気容量に関して信号を測定するための測定電子機器と、を備え、
前記測定電極とガード電極とは、前記物体によって前記検出面に及ぼされる荷重によって、局所的に弾性的に変更可能な距離だけ隔てられていることを特徴とするとともに、
・測定電極およびガード電極に、各々接地電位とは異なる
・同一の第1の交流電位、または
・実質的に同一の第1の交流電位、
を印加して、前記測定電極と前記物体との間の、電極−物体間容量と呼ばれる静電容量に関する第1の信号を測定する、
・測定電極とガード電極との間に交流電位差を印加して、前記電極間の電極−ガード容量と呼ばれる静電容量に関する第2の信号を測定する、
ために配置された電極の電気分極のための手段を含むことを特徴とする。
・同一の時間形状(正弦波、正方形、三角形など)、同一の変動振幅および同一の位相を有する(言い換えれば同期的に変動する)交流電位。
・少なくとも1つの動作周波数において同一の振幅および位相を有する少なくとも1つのスペクトル成分を含む交流電位。
・第1の交流電位および電位差は、それぞれ異なる周波数の少なくとも1つの周波数成分を含む。
・第1の交流電位および電位差は互いに直交する信号を含む。
・同期復調器
・振幅検出器
・デジタル復調器
のうちの少なくとも1つを利用する少なくとも1つの復調手段を有する測定電子機器を備えることができる。
搬送波信号は、それぞれ、以下のものであるか、またはそれを含むことができる。
・第1の電気信号の復調のための第1の交流電位。
・第1の電気信号の復調のための交流電位差。
・少なくとも1つのガード電極に交流電位差を印加するように、
・少なくとも1つの測定電極に交流電位差を印加するように、
のいずれかの構成に従って配置される。
・少なくとも1つのガード電極および少なくとも1つの測定電極に、接地電位または第1の交流電位(例えば第1の電源から生じる)のいずれかを印加することを可能にするように構成された第1のスイッチ。
・少なくとも1つのガード電極と少なくとも1つの測定電極との間に交流電位差(例えば第2の電源によって生じるものなど)、またはゼロもしくは実質的にゼロの電位差のいずれかを印加することを可能にするように構成された第2のスイッチ。
・第1の信号(および/または速度、経路、動き、ジェスチャなど)の関数として、物体と検出面との間の距離または接触を特定する。および/または
・第2の信号の関数として検出面上に前記物体によって加えられた荷重を特定する。
誘電材料は、例えば、
・油のような誘電性流体、
・ケイ素系ポリマーなどの誘電性ポリマー、または
・ポリエステルまたはシリコーンから作られたフォームのような誘電フォーム、
を含み得る。
・誘電材料の表面上に、例えばスクリーン印刷またはインクジェットプロセスで堆積された導電性インクの堆積物から、
・銅、銀などの金属材料、または炭素または金属酸化物(インジウム錫酸化物すなわちITO、酸化亜鉛すなわちZnO)などの他の導電性材料の層から、真空蒸着法によって堆積、またはエッチング法によってエッチングされて、
・単層または数層の金属などを有するプリント回路基板または同様の、硬質、半硬質または可撓性(誘電性エポキシ、ポリイミド、PETなど)のものから、
・導電性ポリマーで、
・織ったり編んだりした導電性材料(金属など)から作られたワイヤを有する織物または織物の層の形態で、
・漏れのない絶縁材料に組み込まれている液体物質(水など)から、
製造された1つまたは複数の測定電極および/またはガード電極を備えることができる。
・いくつかの、特に全ての測定電極に対向して配置された少なくとも1つのガード電極。
・少なくとも1つの、特にそれぞれの測定電極に対して、前記測定電極に対向して配置されたガード電極。
・少なくとも1つの、特にそれぞれの測定電極に対して、前記測定電極に対向して配置されたいくつかのガード電極。
・測定電極と同一平面内(例えば接続トラックを保護するため)に。
・ガード電極と同一平面内(およびその周囲)に。
・ガード電極の面に対向し、測定電極とは反対側のガード電極の面に対して。
・測定電極のアレイ。
・測定電極に対向して配置され、互いに電気的に接続された個々のガード電極。
・同一平面内で、ガード電極の周りに配置された第2のガード電極。
・全ての測定電極を順次ポーリングすること(順次測定)を可能にする、単一の測定チャネルおよび電極スイッチを有する測定電子機器。
・それぞれが測定電極の一部をポーリングすること(順次測定および並列測定)を可能にする電極スイッチを有する、いくつかの測定チャネルを利用する1つまたは複数の測定電子機器。
・全ての測定電極を同時にポーリング(並列測定)するための、電極スイッチなしの、測定電極と同数の測定電子機器または測定チャネル。
・前記検出面に対する物体の接近および/または接触を検出する第1のステップであって、
・測定電極とガード電極とに、各々接地電位とは異なる
・同一の第1の交流電位、または
・実質的に同一の第1の交流電位
を印加することと、
・前記測定電極と前記物体との間の、電極−物体間容量と呼ばれる静電容量に関する第1の信号を測定することと、を含む第1のステップ、および、
・前記検出面上の物体の圧力を検出する第2のステップであって、
・測定電極とガード電極との間に交流電位差を印加することと、
・前記測定電極とガード電極との間の、電極−ガード容量と呼ばれる静電容量に関する第2の信号を測定することと、を含む第2のステップ、
の少なくとも1回繰り返すことを含む。
・接近および/または接触を検知することと、
・検出される物体の不在下で、「較正静電容量」と呼ばれる電極−ガード容量を特定するために圧力を検出することと、
を含む較正ステップを含むことができる。
・測定された電極−物体間容量がゼロであるかまたは全く検出されないことに対応する測定ノイズのレベルである、
・たとえこの検出面の近傍に物体が存在しても、測定された電極−物体間容量が、検出面に接触している物体がないことが確実である所定の閾値未満である(圧力が印加されないために十分である)、
であり得る基準の関数として実現することができる。
・測定電極(単数または複数)およびガード電極(単数または複数)を、前記機器の表面またはケーシングの上、中もしくは下に配置することができ、
・測定電極(単数または複数)およびガード電極(単数または複数)を、前記機器のアイテムとは独立してトリム要素に配置し、前記機器のアイテムに取り付けることができ、
・ガード電極(単数または複数)を、前記機器のアイテムの表面またはケーシングの上、中、または下に配置することができるとともに、測定電極(単数または複数)を、前記機器のアイテムとは独立してトリム要素内に配置し、前記機器のアイテム上に取り付けることができる。
・電極−物体間容量Ceoを測定するために、ガード電極108は、少なくとも第1の交流電位に関する復調の観点から、測定電極106と同じ電位に分極されることによって、測定電極106を環境との寄生容量結合から保護する。第2の電源Vが第1の交流電位に直交する、または異なる周波数で、交流電位差V1を供給する限り、これは第2の電源Vがオンにされるときでさえも当てはまることに留意されたい。この点で、第1の交流電位はガード電位である。
・電極−ガード容量Cegを測定するために、ガード電極108は測定電極106とは異なる電位にあり、その差は交流電位差V1に対応する。これにより、静電容量Cegを発生させることができ、これは交流電位差V1に基づく復調で測定することができる。
・第1の位置では、第1の電源Eの出力に、そして
・第2の位置では、接地電位Gに
接続することを可能にする。
・第1の位置では、ガード電極108に、そして
・第2の位置では、第2の電源Vの出力に
接続することを可能にする。
・第1の位置では、第1の電源Eの出力に、そして
・第2の位置では、接地電位Gに
接続することを可能にする。
・第1の位置では、OA110の正入力に、そして
・第2の位置では、第2の電源Vの出力に
接続することを可能にする。
・第2の電源Vも第2のスイッチ302も含まないこと、
・ガード電極108は常に第1の電源Eの出力に接続されており、この第1の電源Eによって供給される電位Vgを受け取ること、
の点で異なっている。
・第1の位置では、第1の電源Eの出力とガード電極108とに、そして
・第2の位置では、接地電位Gに
接続することを可能にする。
・第1の位置では、第1の電源Eの出力と、OA110の正入力とに、そして
・第2の位置では、接地電位Gに
接続することを可能にする。
・第1の測定された信号の関数として、物体102と検出面104との間の距離、接触または半接触を特定する、および/または
・第2の測定された信号の関数として、検出面104に前記物体102によって加えられた荷重を特定する、
ように構成された少なくとも1つの計算モジュール(図示せず)を含むことができる。
・第1の電源Eの出力(構成100、600)に、
・スイッチ302(構成500)に、
・スイッチ402(構成400)に、
接続されている。
この第2のガード電極902は、例えば、この接続部からの容量性漏洩を排除することによって、検出面104と電子機器との間の接続部に関して大きな利点を提供する(前記接続部はケーブル、アクティブ面の延長部、可撓性接続、プリント回路素子などであり得る)。
・電極スイッチ1001を用いて測定電極1061が選択され(アクティブ測定電極)、
・電極スイッチ1001でアクティブ測定電極の反対側に存在するガード電極1081が選択され(励起されたガード電極)、
・アクティブ測定電極と励起されたガード電極との間の電極−ガード容量Cegを得るべく第2の信号の測定が行われる。
・単一の測定電極に従って(したがって測定電極の寸法と実質的に等しい寸法で)延在する、
・いくつかの測定電極に従って(したがって測定電極の寸法よりも大きい寸法で)延在する、
・あるいは、上述のように、1つの測定電極に対向するいくつかのガード電極を有するように、測定電極の寸法よりも小さい寸法を有する、
ことができる。
Claims (25)
- 検出面(104)に対する物体(102)を検出するための装置(100、200、400、500、600、1000、1100)であって、前記装置(100、200、400、500、600、1000)は、
・少なくとも1つの測定電極(106)と、
・ガード電極と呼ばれる少なくとも1つの電極(108)と、
・前記測定電極(106)の電気容量に関して信号を測定するための測定電子機器と、を備え、
前記測定電極(106)および前記ガード電極(108)は、前記物体(102)によって前記検出面(104)に及ぼされる荷重によって、局所的に弾性的に変更可能な距離(D)だけ隔てられており、
前記装置(100、200、400、500、600、1000、1100)は、
−前記測定電極(106)と前記物体(102)との間の、電極−物体間容量と呼ばれる静電容量(Ceo)に関する第1の信号を測定するように、前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)とに、各々接地電位(G)とは異なる同一の第1の交流電位(Vg )を印加し、
−前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)との間の電極−ガード容量と呼ばれる静電容量(Ceg)に関する第2の信号を測定するように、前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)との間に交流電位差(V1)を印加する、
ために配置された前記電極の電気分極手段(V、E、302、402)を備えていることを特徴とする、装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。 - 前記電極の前記電気分極手段(V、E、302、402、116)は、
・第1の交流電位(Vg)および電位差(V1)がそれぞれ異なる周波数における少なくとも1つの周波数成分を含むこと、
・前記第1の交流電位(Vg)および前記電位差(V1)が互いに直交する信号を含むこと、
の基準の少なくとも1つを満たす前記第1の交流電圧(Vg)および前記電位差(V1)を生成するように配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の装置(100、200、400、500、1000、1100)。 - ・同期復調器、
・振幅検出器、
・デジタル復調器、
のうちの少なくとも1つを利用する少なくとも1つの復調手段(115)を有する測定電子機器を備えていることを特徴とする、請求項1または2に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。 - 前記第1の信号を特定するために前記第1の交流電位(Vg)を利用する第1の復調手段(115)と、前記第2の信号を特定するために前記交流電位差(V1)を利用する第2の復調手段(115)とを備えていることを特徴とする、請求項3に記載の装置(100、200、1000、1100)。
- 前記電極の前記電気分極手段(V、E、302、402)は、前記第1の交流電位(Vg)の振幅とは異なる振幅を有する交流電位差(V1)を生成するように配置されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、1000、1100)。
- 前記電極の前記電気分極手段は、入力において前記接地電位(G)を参照し、そして前記第1の交流電位(Vg)を供給する第1の電源(E)を含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- 前記第1の電源(E)は、前記出力において前記少なくとも1つのガード電極(108)に電気的に接続されており、前記電極の前記電気分極手段はまた、前記少なくとも1つの測定電極(106)を前記第1の交流電位(Vg)または前記接地電位(G)のいずれかに電気的に分極させることを可能にする第1の電源スイッチ(420)を含むことを特徴とする、請求項6に記載の装置(600)。
- 前記電極の前記電気分極手段は、前記交流電位差(V1)を供給する第2の電圧源(V)を含み、前記第2の電圧源(V)は、前記入力において前記第1の交流電位(Vg)を参照し、そして前記出力が、以下の構成:
・前記少なくとも1つのガード電極(108)に前記交流電位差(V1)を印加するように、
・前記少なくとも1つの測定電極(106)に前記交流電位差(V1)を印加するように、
のうちの1つに従って配置されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、1000、1100)。 - 前記電極の前記電気分極手段は、
・前記少なくとも1つのガード電極(108)および前記少なくとも1つの測定電極(106)に、前記接地電位(G)または前記第1の交流電位(Vg)のいずれかを印加することを可能にするように構成された第1のスイッチ(402)、
・前記少なくとも1つのガード電極(108)と前記少なくとも1つの測定電極(106)との間に前記交流電位差(V1)、またはゼロの電位差のいずれかを印加することを可能にするように構成された第2のスイッチ(302)、
のうちの少なくとも1つのスイッチ(402、302)を含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置(400、500)。 - ・前記第1の信号の関数として、前記物体(102)と前記検出面(104)との間の距離または接触を特定するために構成された少なくとも1つの計算モジュール、
・前記第2の信号の関数として、前記検出面上に前記物体(102)によって加えられた荷重または圧力を特定するために構成された少なくとも1つの計算モジュール、または
・前記第1の信号の関数として、前記物体(102)と前記検出面(104)との間の距離または接触を特定し、かつ前記第2の信号の関数として、前記検出面上に前記物体(102)によって加えられた荷重または圧力を特定するために構成された少なくとも1つの計算モジュール
を備えていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。 - 弾性的に圧縮可能であり、誘電材料を含むか、または誘電材料によって形成される層(118)によって分離された、少なくとも1つの測定電極(106)、および少なくとも1つのガード電極(108)を備えていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- 可撓性材料から製造され、少なくとも1つのガード電極(108)の上に距離を隔てて配置され、荷重が加えられると少なくとも局所的に変形する支持体の、上、中、または下に配置された少なくとも1つの測定電極(106)を備えていることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- いくつかの測定電極(1061〜106N)を備えていることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- ・いくつかの前記測定電極(1061〜106N)に対向して配置された少なくとも1つのガード電極(108)、
・少なくとも1つの測定電極(1061〜106N)に対する、前記測定電極(1061〜106N)に対向して配置されたガード電極(1081〜108N)、
・少なくとも1つの測定電極(1061〜106N)に対する、前記測定電極(1061〜106N)に対向して配置されたいくつかのガード電極(1081〜108N)、
の構成のうちの少なくとも1つに従って配置された1つまたは複数のガード電極を備えていることを特徴とする、請求項13に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。 - 前記1つまたは複数の測定電極(106)の電位と同一の電位に分極された少なくとも1つの第2のガード電極(902)を備えていることを特徴とする、請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載の装置(1000、1100)。
- いくつかの測定電極(1061〜106N)と、「アクティブ電極」と呼ばれる測定電極(1061〜106N)を前記測定電子機器に選択的に接続することを可能にし、他の測定電極(1061〜106N)を前記アクティブ電極と同じ電位に分極するために配置されている電極スイッチ(1001)とを備えていることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置(1000、1100)。
- 前記交流電位差(V1)を複数のガード電極(1081〜108N)に印加するように構成された第2の電圧源(V)を備え、「励起ガード電極」と呼ばれる1つまたは複数のガード電極(1061〜106N)を前記第2の電圧源(V)に選択的に接続することを可能にするガード電極スイッチ(1101)も備え、前記ガード電極スイッチ(1101)はまた、他のガード電極(1081〜108N)を前記アクティブ電極と同じ電位に分極するように配置されていることを特徴とする、請求項13〜16のいずれか一項に記載の装置(1100)。
- 前記測定電子機器は、フィードバック容量成分を含むインピーダンス(112)を有する演算増幅器(110)を利用する回路を備えており、前記1つの又は複数の測定電極(106)は、前記演算増幅器の負入力に接続されていることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- 演算増幅器(110)を利用する前記回路は、前記第1の交流電位(Vg)を基準とする電源によって供給されることを特徴とする、請求項16に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)を用いた、検出面(104)に対する物体(102)の検出の方法であって、
前記検出面(104)に対する物体(102)の接近を検出するか、前記検出面(104)に対する物体(102)の接触を検出するか、または、前記検出面(104)に対する物体(102)の接近および接触を検出する第1のステップであって、
−前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)とに、各々接地電位(G)とは異なる同一の第1の交流電位(Vg )を印加することと、
−前記測定電極(106)と前記物体(102)との間の、電極−物体間容量と呼ばれる静電容量(Ceo)に関する第1の信号を測定することと、を含む第1のステップと;
前記検出面(104)上の前記物体(102)の圧力を検出する第2のステップであって、
・前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)との間に交流電位差(V1)を印加することと、
・前記測定電極(106)と前記ガード電極(108)との間の、電極−ガード容量と呼ばれる静電容量(Ceg)に関する第2の信号を測定することと、を含む第2のステップと、
のステップの少なくとも1回の繰り返しを含む、方法。 - 前記装置は複数の測定電極を含み、前記第2の検出ステップは、前記第1の検出ステップ間に前記物体(102)が検出された前記検出面(104)の領域内でのみ実行されることを特徴とする、請求項20に記載の方法。
- ・接近を検出するか、接触を検出するか、または、接近および接触を検出することと、
・検出される物体の不在下で、「較正静電容量」と呼ばれる電極−ガード容量を特定するように圧力を検出することと、
を含む較正ステップを含むことを特徴とする請求項20または21に記載の方法。 - 電極−ガード較正容量と、公称電極−ガード静電容量または公称電極−ガード静電容量の範囲とを比較することを含む機能検証ステップを含むことを特徴とする、請求項22に記載の方法。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)を備えた機器のアイテム用の検出層。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置(100、200、400、500、600、1000、1100)を備えた機器のアイテム。
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