より安全なインタラクションのための非接触タッチセンシング

エイミー・カルノスカス著 | 2019年9月3日

Neonode Inc.、シニア光学エンジニア、Richard Berglind 著

スマートフォンやその他のポータブル製品により、タッチ ヒューマン マシン インターフェイス (HMI) が他の多くの製品に採用されています。 タッチ センシングは実装が簡単で、使いやすく、信頼性が高く、コスト効率が優れています。 ただし、デバイスに物理的に触れることが望ましくないアプリケーションや状況は数多くあり、実際、場合によっては避けなければなりません。 これらの制限の厳しいアプリケーションに対する解決策を議論する前に、タッチ センシングの背景について少し説明しておく必要があります。

最近の市場レポートによると、タッチ センシングのニーズが高まっています [1]。 レポートでは、世界のタッチセンサー市場は2023年までに約84億米ドルに達し、2018年から2023年の予測期間にわたって12.8%の年間複合成長率(CAGR)で成長すると予測しています。 典型的なタッチ センシング テクノロジーには、抵抗膜、容量膜、表面弾性波 (SAW)、赤外線 (IR)、光学イメージング、そして最近では音響パルス認識 (APR) などがあります。 最も一般的な実装では、これらのアプローチはすべて、表面との実際の接触を必要とします。 ただし、物理的接触を望まない、または避ける必要があり、より高度なセンシング アプローチを必要とするアプリケーションが存在します。

可能性の 1 つは、飛行時間技術を使用してタッチスクリーン上の空中インタラクションを識別することです [2]。 飛行時間型は、光が物体に到達してセンサーに戻るまでにかかる時間を測定することによって、センサーと物体の間の距離を解決する測距技術です。 精度は 1 cm 程度であるため、タッチ操作の目的には適していません。 精度の向上は、通常、フレーム レートの低下を意味します。 さらに、この種のセンサーは校正が必要であり、温度変化に敏感です。

もう 1 つの代替手段は赤外線技術です。 従来の赤外線タッチでは、隣接する 2 つの側面にエミッタ、反対側にレシーバを備えた画面を囲むフレームが必要です。 画面の周囲のフレームを上げるだけで、タッチ インタラクティブ領域が画面から上がります。 しかし、結果的に画面の周囲に縁ができると、デバイスに美的に組み込むことが困難になるだけでなく、画面の掃除も難しくなり、その使用目的の 1 つが損なわれてしまいます。

赤外線タッチは、ディスプレイの一端に沿ってセンサーを取り付けることにより、反射技術を使用して実装できます。 インタラクション エリアは、図に示すように、センサーから投影され、ディスプレイの表面から任意の距離に配置される光のシートで構成されます。図1。

図 1. 反射技術を使用した IR タッチ センサーには、画面よりも盛り​​上がったインタラクション エリアがあります。

赤外線タッチ センサーは、図に示すように、交互に配置されたエミッターとレシーバーの配列で構成されます。図2 。 レーザーエミッターはコリメートが容易で、センサーモジュール内での内部迷光の生成が少ないため、LED よりも推奨されます。 内部迷光は、検出器の外側の物体から反射された信号生成光と干渉しないように、最小限に抑える必要があります。 945 nm で動作する垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) がエミッターとして使用され、シリコン フォトダイオードがレシーバーとして使用されます。 成形ポリカーボネート レンズは、エミッターからの光をコリメートし、レシーバーの視野を狭めるために使用されます。

図 2. 反射型タッチ センサーの電気ブロック図は、レーザー エミッターとフォトダイオード レシーバーが交互に配置されていることを示しています。

エミッターとレシーバーの両方に共有光学系を使用すると、図に示すように、レシーバーの視野が放射された光の方向に向かって角度を作るようになります。図3(a) 。 この角度は通常、センサーの検出領域のアスペクト比に応じて 17 ～ 26 度の間で変化します。

図 3. (a) エミッターとレシーバーは同じ光学系の一部を共有しているため、レシーバーの視野は放射された光に向かって角度を作ることになります。 (b) 各受信機は複数の送信機ビームを監視します。 出射ビームと受信機の視野の間の重なり合う各領域の中央部分は、黒丸でマークされています。