(57)【要約】【課題】低コスト且つ簡素な構成で信頼性高く作動する接触検出システムの提供。【解決手段】タッチセンサ１０はキーボードを有し、キーボードは接触位置１４を定めるキーを有する。キーは、接触の間にユーザ１６との容量性相互作用及び電磁的相互作用の少なくとも一方に応答する。キーは、キーに関連する制御回路を有する。制御回路は制御信号を出力する。制御信号の大きさは、接触の間にユーザ及びキー間の相互作用量を表わす。コントローラは制御回路に接続され、接触を識別するために所定期間にわたり制御信号の大きさの変動を分析する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触検出位置を定めるキーを有する接触検出モジュールであって、接触の際に前記キーがユーザと容量性相互作用及び電磁相互作用のうち少なくとも一方に対して応答する接触検出モジュールと、
前記キーに入力信号を送信する制御モジュールであって、制御信号の大きさが接触の間の前記ユーザ及び前記キー間の相互作用の大きさを表わし、前記入力信号の大きさは前記キーの接触の間に変化する制御モジュールと、
前記キーからの出力信号を受信し、接触を確認する期間にわたり前記出力信号の大きさの変動を分析する分析モジュールと
を具備することを特徴とする接触検出システム。
【請求項２】
前記制御モジュールは、前記キーに対するパルス化された信号及び連続信号の一方を送信することを特徴とする請求項１記載の接触検出システム。
【請求項３】
前記出力信号の大きさの変動は、接触の間の前記ユーザの接近速さを構成することを特徴とする請求項１記載の接触検出システム。
【請求項４】
前記出力信号は、関連する前記キーで接触が生ずる場合の接触信号と、関連する前記キーで接触が生じない場合の非接触信号とからなり、
前記分析モジュールは、接触を確認するために前記接触信号の大きさの変動を分析することを特徴とする請求項１記載の接触検出システム。
【請求項５】
前記キーに関するユーザの身体の位置に基づいて前記出力信号が変動することを特徴とする請求項１記載の接触検出システム。
【請求項６】
前記期間にわたる前記出力信号の大きさの変動が、接触の間の前記ユーザの接近速さに関連し、
前記分析モジュールは、上側閾値速さ及び下側閾値速さを識別し、前記接近速さが前記上側閾値速さを下回ると共に前記下側閾値速さを上回ることに基づいて接触が生じたことを確認することを特徴とする請求項１項記載の接触検出システム。
【請求項７】
請求項１の前記接触検出システムを使用して接触を検出する方法であって、
前記キーに対する物体の近接に対応して前記キーでの出力信号を発生する工程であって、該出力信号の大きさは前記キーに対する前記物体の接近に依存して変化する出力信号発生工程と、
接触が生じていることを決定するために所定期間にわたり前記出力信号の大きさの変化を分析する工程と
を具備することを特徴とする接触検出方法。
【請求項８】
前記出力信号の大きさの変動が、接触の間の前記ユーザの接近速さに関連し、
前記分析工程は、前記接近速さが前記接近速さの所定範囲内にあることを確認する工程を具備することを特徴とする請求項７記載の接触検出方法。
【請求項９】
前記期間にわたる前記出力信号の大きさの変動が、接触の間の前記ユーザの接近速さに関連し、
前記接触検出方法は、上側閾値速さ及び下側閾値速さを識別する工程をさらに具備し、
前記分析工程は、前記接近速さが前記上側閾値速さを下回ると共に前記下側閾値速さを上回ることを確認する工程を具備することを特徴とする請求項７記載の接触検出方法。
【請求項１０】
前記出力信号発生工程は、関連する前記キーで接触が生ずる場合の接触信号と、関連する前記キーで接触が生じない場合の非接触信号とを発生する工程を具備し、
前記出力信号の大きさの変化の分析工程は、接触が生じていることを確認するために前記接触信号の大きさの変動を分析する工程を具備することを特徴とする請求項７記載の接触検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタッチセンサに関し、より詳細には接触検出方法及びタッチセンサ用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の接触検出システムは、複数のキーを有するキーボードを具備している。各キーは、誘電体要素がオーバーレイされた導電性パッドを有する。導電性パッドは、パッドの電流レベルを監視する制御回路に接続されている。代表的なパッドには一定の大きさの電流が供給され、ユーザがキーに触れると、キーに供給された信号をユーザ及びキー間の相互作用が変化させる。キーの出力信号を計測することにより、接触検出システムは接触がいつ生じているかを検出する。
【特許文献１】米国特許第５７６０７１５号明細書
【特許文献２】特開平８−１０１２４０号公報
【特許文献３】米国特許第６０９４４９１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／１２２７９４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００３／１５９９１０号明細書
【特許文献６】米国特許第５５０８７００号明細書
【特許文献７】米国特許第５９３３１０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術の接触検出システムの問題点の一つに、キーの出力信号に影響を与える複数のファクタに対してシステムが敏感であることである。このため、システムは偽接触を検出するか、或いは実際の接触を検出しないおそれがある。キーの出力信号に影響を与えるこれらのファクタのうち少なくともいくつかは、キーに使用される誘電体材料の厚さ又はタイプ、キーの寸法又は位置、キーに接触するユーザの指の寸法、ユーザのキーの接触方法、ノイズにより生ずる干渉、製造要因又は環境要因により生ずるキー感度の不均一、温度又は湿度等の環境要因によるキー感度のドリフト、金属物体、水又は動物等のユーザ以外による接触等の種々の問題で生ずる。
【０００４】
少なくともいくつかの公知の接触検出システムは、これらの問題のうち一つ以上に対処してきた。例えば、偽接触を検出する従来技術の接触検出システムは、特許文献１に記載されている。特許文献１において、接地接続されたユーザにより誘電体要素への検出位置での接触を検出するために、パッドのないタッチセンサが使用される。このタッチセンサは、印加された所定電位を有する導電性プレートを有する。同時に、テストパルスが接地に生成される。ユーザが検出位置で誘電体要素に接触すると、接地、ユーザ及びセンサ間に形成された容量性回路によるテストパルスが存在する間、導電性プレートに電位変動が生成される。このように、誘電体要素上に直接配置された外部物体は、誤ってタッチ条件を生成することはない。
【０００５】
他の公知の接触検出システムは、キーからの接触出力信号に影響を与えるこれらのファクタのうちいくつかを補償する制御アルゴリズム又は機能を提供するので、出力信号をより正確に計測することができる。しかし、これらの制御アルゴリズムはシステム全体を複雑にし、高価にしてしまう。
【０００６】
従って、本発明は、低コスト且つ簡素な構成で信頼性高く作動する接触検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面において、接触検出位置を定めるキーを有するキーボードを具備し、接触の際にキーがユーザと容量性相互作用及び電磁相互作用のうち少なくとも一方に対して応答するタッチセンサが提供される。キーボードはキーに関連する制御回路を有し、制御回路は制御信号を出力し、制御信号の大きさは、接触の間のユーザ及びキー間の相互作用の大きさを表わす。コントローラは、制御回路に接続されると共に接触を識別する期間にわたる制御信号の大きさの変動を分析する。
【０００８】
任意であるが、キーは接触の間のユーザとの容量性結合を示し、ユーザがキーに接近するとキャパシタンスレベルが増加してもよい。制御信号の大きさの変動は、接触の間のユーザの接近速さを構成してもよい。任意であるが、制御信号は、関連するキーで接触が生ずる場合に接触信号を有してもよいし、関連するキーで接触が生じていない場合に非接触信号を有してもよい。ここで、コントローラは、接触が生じていることを確認するために接触信号の大きさの変動を分析する。キーに関するユーザの身体の位置に基づいて、制御信号が変動してもよい。制御信号は、変化する大きさ成分及び一定の大きさ成分を有してもよい。任意であるが、コントローラは、ユーザの身体がキーに向かって移動する際に変化する制御信号の大きさ、及びユーザの身体がキーを接触する際に一定のままである制御信号の大きさを有する接触パターンに基づいて接触があったことを識別してもよい。
【０００９】
本発明の別の側面において、接触検出位置を定めるキーを有する接触検出モジュールを具備する接触検出システムが提供される。キーは、接触の際にユーザと容量性相互作用及び電磁相互作用のうち少なくとも一方に応答する。制御モジュールはキーに入力を送信し、制御信号の大きさは、接触の際、ユーザ及びキー間の相互作用の量を表わし、入力信号の大きさはキーの接触の際に変化する。分析モジュールはキーから出力信号を受信し、接触を確認する期間にわたり出力信号の大きさの変動を分析する。
【００１０】
本発明のさらに別の側面において、キーを有するタッチセンサを使用する接触検出方法が提供される。この方法は、キーに対する物体の接近に対応してキーでの出力信号を発生する工程を具備し、出力信号の大きさはキーに対する物体の接近に依存して変化する。この方法はまた、接触が生じていることを決定するために所定期間にわたり出力信号の大きさの変化を分析する工程を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に従ったタッチセンサ１０の概略図である。タッチセンサ１０は誘電体要素１２の下に実装され、ユーザの指１６が誘電体要素１２の検出位置１４を接触するので「接触」状態が図示されている。ユーザが検出位置１４に物理的に接触するか、又はユーザが検出位置１４に近接して位置すると接触が生ずるので、ユーザはタッチセンサ１０と相互作用する。ユーザ及びタッチセンサ１０間の相互作用は図１の破線で示される。任意であるが、ユーザはタッチセンサ１０と容量的に相互作用してもよく、この場合、タッチセンサ１０はユーザの指１６及びタッチセンサ１０間の容量結合を検出する。或いは、ユーザは、電磁相互作用、電場、場擾乱、電荷移動、放射伝達等の他の検出可能な方法でタッチセンサ１０と相互作用してもよい。
【００１２】
タッチセンサ１０は、誘電体要素１２の下に配置された導電性パッド１８を有する。パッド１８は、誘電体要素１２の検出位置１４に位置決めされている。タッチセンサ１０はまた、表面に接触回路を画定する制御回路を有する回路基板２０を有する。パッド１８は回路基板２０に接続されている。任意であるが、パッド１８は固体の導電性パッドであってもよいし、或いは、検出位置１４に集中した回路基板２０上の複数の導電性回路基板パターンであってもよい。容量性タッチセンサに関してタッチセンサ１０を図示すると共に説明しているが、他のタイプのタッチセンサも使用可能であることを理解されたい。例えば、電場タッチセンサ、場擾乱タッチセンサ、電荷移動タッチセンサ、放射伝達タッチセンサ等である。
【００１３】
検出位置１４、対応する導電性パッド１８、及びパッド１８に関連する接触回路は、「キー」と称される。適切な場合、指１６が接触しなければならない正確な位置をユーザに示してキーにおける接触状態を達成するために、マーキングを設けてもよい。もちろん、当業者であれば、「指」の用語が、キーに接触するために使用できる任意の身体部分に置換できることを理解するであろう。単一のキー又は複数のキーのいずれかがキーボードを画定するよう配列される。このキーボードは家庭、事務所又は工業用途に使用することができる。
【００１４】
作動時において、接触回路は、キーの接触を検出するためにユーザ及びキー間の相互作用を使用する。制御モジュール３４からの入力すなわち制御信号として、信号が制御回路に沿って各キーに送信される。任意であるが、信号は、キーに対するパルス化された一定の大きさの信号であってもよい。或いは、信号はキーに対してほぼ連続して送信されてもよい。制御モジュール３４からの入力に対応するキーからの出力すなわち制御信号は、キーから分析モジュール３６に送信される。出力は、ユーザ及びキー間の相互作用を表わす。接触の際、接触信号は出力として送信される。接触状態に無い間、出力として非接触信号が送信される。キーからの接触信号及び非接触信号は互いに異なるので、分析モジュール３６は接触を区別することができる。任意であるが、キーへのユーザの相互作用により、信号は変化してもよい。結果として、接触信号は非接触信号とは異なる大きさを有してもよい。
【００１５】
図２は、接触の種々の段階を示すタッチセンサ１０の概略図である。第１の位置において、ユーザの指１６は、その先端がＡ点に位置すると、誘電体要素１２から所定距離４０に位置する。この距離４０はキーの最大検出距離を定める。この最大検出距離はタッチセンサ１０の検出範囲４２を定める。指１６が検出範囲４２内にある場合、ユーザの指１６はパッド１８と相互作用し、キーに関連する制御回路は指１６の存在を検出する。最大検出距離は、タッチセンサ１０の解像度、タッチセンサ１０の周囲のノイズ量、キーの感度等のファクタに基づいてもよい。
【００１６】
指１６及びパッド１８間の距離は、キーからの接触出力信号に影響を与える。指が矢印Ｂ方向等のほぼキーに向かう接触方向に移動すると、指１６及びパッド１８間の相互作用が増加する。その結果、キーからの出力信号の計測される変数（例えば、大きさ、キャパシタンス又は電場）は、指がキーに向かって移動するに従って変化する。例えば、指１６が第２位置にある（すなわち、指１６の先端がＣ点に位置する）場合、指１６及びパッド１８間の相互作用は指１６が第１位置にある場合よりも大きい。指１６が誘電体要素１２に接触する（すなわち、指１６の先端がＤ点に位置する）と、指１６及びパッド１８間に最大の相互作用が存在する。
【００１７】
接触信号は、指１６が図２に図示された各位置にある場合のキーからの出力である。しかし、各位置における信号の計測される変数（例えば、大きさ、キャパシタンス又は電場）は異なっている。さらに、パッド１８に対するユーザの指１６の位置以外のファクタは、キーからの接触出力信号に影響を与える。例えば、誘電体要素１２の厚さ、タイプ又は材料、或いは誘電体要素１２及びパッド１８間の空隙は、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがある。パッド１８の寸法又は位置、或いはキーに関連する制御回路の変動は、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがある。温度、湿度又は製造上の変動等の環境ファクタは、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがある。ユーザの大きさ又はユーザの指１６の寸法は、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがある。例えば、大人と子供はキャパシタンスが異なる。さらに、ユーザのキー接触方法は、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがある。例えば、キーの上で静止することは、タッチセンサ１０の性能を損なうおそれがある。キー上での静止は、人が最大検出距離に近い位置で出力信号のちらつきを生じさせるおそれがあり、タッチセンサ１０は不要又は不用意な接触を検出するおそれがある。制御アルゴリズム又は機能は、キーからの接触出力信号に影響を与えるおそれがあるこれらのファクタのうちいくつかを補償するよう設けられてもよい。例えば、制御アルゴリズムは、キーの感度に対して均一化、校正又は調整を提供することができる。
【００１８】
上述したように、典型的な一実施形態において、分析モジュール３６は、接触が生じているかどうかを決定する期間にわたり接触信号の計測される変数（例えば、大きさ、キャパシタンス又は電場）の変化を分析する。接触信号は、アナログ信号でもデジタル信号でもよい。分析モジュール３６は信号の電流を計測しても信号の電圧を計測してもよい。任意であるが、分析モジュール３６は、一定の時間間隔で信号の大きさを計測し変化を決定する。
【００１９】
各接触はそれぞれの接触パターンを有する。典型的な接触パターンは、接近期、係合期及び後退期を有する。指１６は、接近期の間、タッチセンサ１０の方へ移動し、係合期の間、タッチセンサ１０と係合すなわち相互作用し、後退期の間、タッチセンサ１０からほぼ離れる方向に移動する。
【００２０】
分析モジュール３６は、接触パターンを予測範囲又は所定の人パターンと比較する。所定の人パターンは、人の接触の典型である接触パターンの範囲を識別する。所定の人パターンは、信号、接近期の間の指の速さ、又は係合期の時間等のファクタの最小値及び最大値を含む。接触パターンが予測範囲内にある場合、分析モジュール３６は接触があったことを確認する。接触パターンが予測範囲内に無い場合、分析モジュール３６は信号を無視する。例えば、指１６が極めて低速又は極めて高速で接近する場合、分析モジュール３６は、通常の人の振舞いではないものとして信号を無視し、接触が無いものとして処理する。この結果、接触は、典型的な人の振舞いに対応する所定の範囲内にある計測変数の変化に基づいて決定される。接触は、計測変数の絶対値が或る閾値内にあることに大部分が基づいて決定されないが、むしろ、期間にわたる変数の変動に基づく。このように、タッチセンサ１０は、実際の信号のあまり依存せず、キーの感度、誘電体材料の１２の厚さ又はタイプ、及び他の同様なファクタ等の接触出力信号に影響を与えるおそれがあるファクタにあまり依存しない。
【００２１】
図３は、タッチセンサ１０により検出された典型的な接触のタイミングチャートである。このタイミングチャートは、時間に対する出力信号の計測された大きさを示す。図３に図示された接触は、接近期５０、係合期５２及び後退期５４を有する接触パターンを有する。接近期５０は、期間にわたる大きさの変化を定める正の傾斜を有する。この傾斜はほぼ一定しており、ユーザの指１６（図１参照）の接近速さが一定であることを示している。或いは、接触パターンは、ユーザがタッチセンサ１０に接近しつつあるとユーザの指１６の速さが変化しつつあることを示す接近期曲線を有してもよい。任意であるが、分析モジュール３６は、接近期の傾斜を決定するために所定のサンプリング間隔で出力信号をサンプリングしてもよい。このタイミングチャートはまた最小検出信号を示す。この最小検出信号は、最小閾値信号であると共に、ノイズ量、キー感度、誘電体要素１２（図１参照）、制御回路及び他の環境的及び製造的ファクタ等の種々のファクタに基づく。
【００２２】
タイミングチャートはまた、接触があったことの典型的な人パターンを示す。人パターンは、最も遅い指移動経路５６と、経路５６と共に指移動の速さの予測範囲を決定する最も速い指移動経路５８と共に示されている。図示の実施形態において、接触パターンはこれらの速さの範囲内であり、分析モジュール３６は別の分析の情報を考慮するであろう。
【００２３】
接触パターンの係合期５２は、誘電体要素１２とインタフェースするユーザに対応する。ユーザの指１６がパッド１８（図１参照）に対して一定位置のままであるので、係合期５２における信号の大きさは一定である。接触パターンの後退期５４は、パッド１８から離れる方向にユーザの指１６が移動することに対応する。後退期５４における信号の大きさは、係合期における信号の大きさよりも小さい。信号の傾斜は、ユーザの指が除去される速さに依存してほぼ一定であるか、曲線であってもよい。
【００２４】
任意であるが、接触は、接触パターンの一部に基づいて分析モジュール３６により確認されてもよい。例えば、分析モジュール３６は、予測範囲内の接近期５０及び所定のサンプリング時間等の所定の時間持続する係合期５２に基づいて接触を確認してもよい。このように、接触パターンの後退期は、接触の確認には必要ない。
【００２５】
図４は、タッチセンサ１０を使用する典型的な一デバイス１００の概略図である。デバイス１００は、タッチセンサ１０を保持するハウジング１０２を有する。任意であるが、デバイス１００はディスプレー１０４を有してもよい。デバイス１００は、図４に破線で示される内部コントローラ１０６を有してもよい。デバイス１００は、有線接続又は無線接続を介して第２のデバイス、機械又はシステム１０８と通信してもよい。デバイス１００と、第２デバイス、機械又はシステム１０８の一方又は両方を制御するために、タッチセンサ１０での接触を使用してもよい。
【００２６】
このように、低コストで信頼性高く作動するタッチセンサ１０が提供される。タッチセンサ１０は、キーを有するキーボード及び関連する制御回路を有する。タッチセンサ１０は、制御回路に信号を入力する制御モジュール３４と、制御回路からの出力信号を受信する分析モジュール３６とを使用して作動する。分析モジュール３６は、接触が生じているかどうかを決定するために期間にわたり制御信号の計測可能な変数の変動を分析する。計測可能な変数は、大きさ又はキャパシタンス等の変数であってもよい。分析モジュールはまた、計測変数を、有効な接触が生じていることを確認するために予測される計測範囲と比較する。変数の絶対値よりも計測された変数の変化を分析することにより、変数の絶対値を正確且つ一定して計測するタッチセンサ能力に悪影響を与えるファクタにあまり依存しない動的なタッチセンサが提供される。この結果、タッチセンサ１０は、接触に対する正確な応答を効率的に提供する。
【００２７】
種々の特定実施形態の観点から本発明を説明したが、当業者であれば本発明は特許請求の範囲の真髄内で変更を加えても実施することができることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の典型的な一実施形態に従って形成されたタッチセンサを示す概略図である。
【図２】図１に示されるタッチセンサの様々な接触段階を示す概略図である。
【図３】図１に示されるタッチセンサの典型的な作動のタイミングチャートである。
【図４】図１に示されるタッチセンサを使用する典型的なデバイスを示す概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  タッチセンサ
３４  制御モジュール
３６  分析モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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