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JP5874739B2 - タッチ式操作入力装置 - Google Patents

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Description

本発明は、指等で操作入力された位置と当該操作時の押し込み量とを検出するタッチ式操作入力装置に関する。
従来、操作者が指等で平面状の操作面をタッチすることで、当該タッチ位置とタッチ時の押し込み量とを同時に検出するタッチ式操作入力装置が各種考案されている。
例えば、特許文献1には、平板状の感圧センサと、タッチ位置を検出するタッチパネルとを密着させて重ね合わせた構造のタッチ式操作入力装置が記載されている。このタッチ入力装置では、タッチ位置は、タッチパネルで検出される。押し込み量は、タッチパネルとは別体で形成され、当該タッチパネルに重ねられた感圧センサで検出される。
このようなタッチ式操作入力装置において、感圧センサに圧電素子を用いた場合、押し込み量を検出するために、圧電素子に所定バイアスの基準電圧を印加したり、圧電素子に出力電圧をオペアンプ等の増幅回路で増幅したりする必要がある。
特開平5−61592号公報
しかしながら、上述のように、圧電素子に所定バイアスを印加したり、増幅回路で出力電圧を増幅すると、外部からのノイズ等による外乱によって、基準電圧が不安定になってしまう。
このため、実際に操作者がタッチパネルを押した場合に、真の押圧力に応じた出力電圧が得られているとは限らない。
したがって、本発明の目的は、外乱による基準電圧の不安定さの影響を受けることなく、操作者が押した押圧力を正確に検出することができるタッチ式操作入力装置を提供することにある。
この発明は、押圧力に応じた出力電圧を発生する圧電センサと、タッチ面上の操作入力された位置を検出し、位置検出信号を出力するタッチセンサと、圧電センサの出力電圧に基づいて押圧力を検出する押圧力検出部を備えたタッチ式操作入力装置に関するものであって、次に示す特徴を有する。この押圧力検出部は、タッチセンサからの前記位置検出信号に基づいて一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られない時には、押圧力検出用の基準電圧を圧電センサの前記出力電圧に一致させる。押圧力検出部は、タッチセンサからの前記位置検出信号に基づいて一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られた時には、基準電圧を固定し、出力電圧と固定した基準電圧との電圧の差から押圧力を検出する。
この構成では、タッチ式操作入力装置の所定位置に対して、一定の押圧力が加わったタイミングで基準電圧が固定され、押圧力が検出される。これにより、外乱による基準電圧の不安定さを抑制した状態で、押圧力の検出が行われる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置では、押圧力検出部は、タッチセンサからの押圧位置を表す出力信号が所定時間以上同じである時に、一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られたものと判断することが好ましい。
この構成では、タッチ面を誤って触ってしまった場合や、タッチ面上の操作位置を移動させながらタッチ面を触った場合には押圧力の検出が行われない。これにより、押圧力の検出が必要な時にのみ、押圧力を検出することができる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置では、次に構成であることが好ましい。押圧力検出部は、タッチセンサからの押圧位置を表す出力信号を検出していない時に、押圧力検出を停止する。押圧力検出部は、タッチセンサからの押圧位置を表す出力信号を検出した時に、押圧力検出を開始する。
この構成では、操作入力が行われていない間は、押圧力検出部がスリープモードとなり、操作入力が行われると押圧力検出部が起動する。これにより、タッチ式操作入力装置を省電力化できる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置では、押圧力検出部は、タッチセンサからの押圧位置を表す出力信号の示すタッチ面上の位置に応じて、出力電圧から検出する押圧力を補正することもできる。
この構成では、押圧力に対する圧電センサの曲がり量がタッチ面の位置に応じて異なることに起因する押圧力検出値の誤差を補正することができる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置では、押圧力検出部は、押圧位置を表す出力信号の示すタッチ面上の位置とタッチ面の中心との距離に基づいて、中心から離間するほど押圧力に対する感度を高くする補正を行うことが好ましい。
この構成では、タッチ面上のタッチ位置によらず、押圧力をより正確に検出することができる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置は、次の構成であることが好ましい。圧電センサとタッチセンサは、互いに対向する第1主面と第2主面を備えた平膜状の圧電フィルムと、該圧電フィルムの少なくとも第1主面または第2主面に形成された静電容量検出用電極と、圧電フィルムの第1主面および第2主面に形成された圧電電圧検出用電極と、を備える。
この構成では、圧電センサとタッチセンサを、1枚の圧電フィルムと該圧電フィルムに形成する電極とによって形成できる。これにより、圧電センサとタッチセンサとを一体化し、薄型化することができる。
また、この発明のタッチ式操作入力装置では、圧電フィルムは、少なくとも一軸方向に延伸処理を行ったポリ乳酸からなることが好ましい。
この構成では、上記圧電フィルムに好適な材料例を示している。延伸することにより所定の方向に対する分子配向度を高くしたポリ乳酸は、圧電定数が高いため、圧電フィルムにポリ乳酸を用いれば、タッチによる押し込み量の検出感度が高く、タッチによる静電容量の変化の検出感度も高くできる。
さらに、ポリ乳酸は、内部ヘイズ値が極めて小さく、全光線透過率が高いので、透光性の高いタッチ式操作入力装置も実現できる。そして、ポリ乳酸は、焦電性がないため、指等がタッチ表面に触れた際に体温が伝わっても、押し込み量(押圧力)の検出に影響を与えない。したがって、圧電フィルムとしてポリ乳酸を用いた場合、PVDF等の焦電性を有する圧電フィルムを用いた場合と比較して、体温による補正を行う必要が無い。もしくは、体温が圧電フィルムに伝達されないような複雑な機構を付与する必要が無い。
この発明によれば、操作者が押した押圧力を正確に検出することができる。
本発明のタッチ式操作入力装置1のブロック図である。 第1の実施形態に係る押圧力検出部3の処理フローを示すフローチャートである。 第1の実施形態に係る押圧力検出部3による処理を行った場合の各電圧の変化を示す図である。 押圧力検出部3の操作入力検出フローを示すフローチャートである。 本発明のタッチパネル10の平面図および複数の断面図である。 本発明のタッチパネル10の第1主面100STの平面図である。 本発明のタッチパネル10の第2主面100SBの平面図である。 本発明のタッチパネル10の押し込み量検出機能を説明するための図である。 本発明のタッチパネル10の押し込み量の出力電圧の波形図、および出力電圧と押し込み量との相関を示すグラフである。 第2の実施形態に係る押圧力検出部3の処理フローを示すフローチャートである。 第3の実施形態に係る押圧力検出部3で実行される押圧力補正処理の概念を説明するための図である。
本発明の第1の実施形態に係るタッチ式操作入力装置1について、図を参照して説明する。図1は本発明のタッチ式操作入力装置1のブロック図である。
タッチ式操作入力装置1は、タッチパネル10、圧電センサ用駆動電圧印加部2A、タッチセンサ用駆動電圧印加部2B、押圧力検出部3を備える。
タッチパネル10は、圧電センサ10Pとタッチセンサ10Dとが1枚の圧電フィルム100を用いて一体形成されてなる。圧電センサ用駆動電圧印加部2Aは、圧電センサ10Pに対して所定の駆動電圧を印加する。この駆動電圧により、圧電センサ10Pの基準電圧が決定する。タッチセンサ用駆動電圧印加部2Bは、タッチセンサ10Dに対して所定の検出用電圧を印加する。
圧電センサ10Pは、好適となる詳細な構造は後述するが、ポリ乳酸(PLA)からなる圧電フィルム100の第1主面に形成された圧電電圧検出用電極と、第2主面に形成された圧電電圧検出用電極とを備える。圧電センサ10Pは、タッチパネル10に押圧力が加わり、タッチパネル10の微少な撓みにより圧電フィルム100が伸長(もしくは圧縮)されると、第1主面の圧電電圧検出用電極と、第2主面の圧電電圧検出用電極との間に、変位量に応じた出力電圧が発生して、出力する。
タッチセンサ10Dも、好適となる詳細な構造は後述するが、ポリ乳酸(PLA)からなる圧電フィルム100の第1主面に形成された静電容量検出用電極と、第2主面に形成された静電容量検出用電極とを備える。タッチセンサ10Dは、操作者が指で保護層30の所定位置をタッチした際に生じる第1主面と第2主面にそれぞれ形成された静電容量検出用電極間での電流変化を検出し、位置検出信号を出力する。
押圧力検出部3は、圧電センサ10Pからの出力電圧とタッチセンサ10Dからの位置検出信号とに基づいて、タッチパネル10に対する押圧力Pを検出する。なお、図示していないが、タッチ式操作入力装置1は、タッチセンサ10Dからの位置検出信号に基づいて、タッチ位置を検出する機能部も備えている。
次に、押圧力検出部3のより具体的な処理について説明する。図2は押圧力検出部3の処理フローを示すフローチャートである。図3は押圧力検出部3による処理を行った場合の各電圧の変化を示す図である。
押圧力検出部3は、タッチセンサ10Dからの位置検出信号をモニタすることで、タッチセンサ10Dによる操作入力の有無を検出する(S101)。押圧力検出部3は、位置検出信号を取得できず、操作入力無しと判断すると(S102:NO)、図3の期間Taに示すように、押圧力検出用の基準電圧Vrefを、圧電センサ10Pの出力電圧Vpに追随させる(S103)。言い換えれば、押圧力検出部3は、入力される圧電センサ10Pの出力電圧Vpに一致させるように、常に基準電圧Vrefを変動させる。
押圧力検出部3は、位置検出信号を取得し、操作入力有りと判断すると(S102:YES)、図3の期間Tbに示すように、押圧力検出用の基準電圧Vrefを固定する(S104)。この際、押圧力検出部3は、基準電圧Vrefを、操作入力有りと判断したタイミングでの出力電圧Vpに一致させて固定する。もしくは、押圧力検出部3は、基準電圧Vrefを、操作入力有りと判断したタイミングの直前に取得した出力電圧Vpに一致させて固定する。
押圧力検出部3は、基準電圧Vrefを固定すると、圧電センサ10Pの出力電圧Vpを取得する。押圧力検出部3は、出力電圧Vpから基準電圧Vrefを差分し、押圧力検出電圧Voutを算出する。押圧力検出部3は、予め記憶した押圧力検出電圧Voutと押圧力Pとの関係テーブルもしくは関係式を用いて、算出した押圧力検出電圧Voutから押圧力Pを算出する(S105)。
なお、図3の期間Tcに示すように、操作入力が解除され、押圧力検出部3が位置検出信号を取得できず、操作入力無しと判断すると、押圧力検出部3は、基準電圧Vrefを再び圧電センサ10Pの出力電圧Vpに追随させる。
このような処理を行うことで、図3の期間Taに示すように、タッチパネル10が操作されていない時には、外部環境の変化に応じて基準電圧Vrefが適応する。そして、図3の期間Tbに示すように、タッチパネル10が操作された時に基準電圧Vrefが固定され、出力電圧Vpとの差から押圧力Pを検出することができる。
これにより、外乱の影響を受けて基準電圧Vrefがばらつくことによる押圧力検出電圧Voutの誤差成分を抑圧することができる。したがって、押圧力検出電圧Voutを高精度に検出でき、押圧力Pを高精度に検出することができる。
なお、この際、例えば、圧電センサ10Pの後段に接続するオペアンプの入力インピーダンスを非常に高く保持する構造や、圧電センサ10Pにキャパシタを並列接続する構造を用いることで、押圧力Pに応じた出力電圧Vpの保持時間を長くすることができ、押圧力検出電圧Voutを算出しやすくなる。
ところで、タッチパネル10に操作入力を行う際に、ある程度の押圧力を与えず、タッチ面をなぞるだけの場合もある。例えば、マウスのポインタを移動させるような状況が、この状況に該当する。このような場合、タッチ面をなぞったことを検出して基準電圧Vrefを固定するよりも、タッチ面をなぞる場合には基準電圧Vrefを出力電圧Vpに追随させた方が、好適な時もある。この場合、例えば、操作入力の有無の判断処理を次の図4に示すフローに基づいて行うとよい。図4は押圧力検出部3の操作入力検出フローを示すフローチャートである。
押圧力検出部3は、タッチセンサ10Dからの位置検出信号をモニタすることで、タッチセンサ10Dによる操作入力の有無を検出する。押圧力検出部3は、位置検出信号を検出できなければ(S111:NO)、位置検出信号のモニタを継続する。押圧力検出部3は、位置検出信号を検出すると(S111:YES)、当該位置検出信号からタッチセンサ10D上のタッチ面における押圧位置を検出する。
押圧力検出部3は、この処理を継続し、予め設定した所定時間以上、同じ押圧位置を検出できれば(S112:YES)、押圧力検出用の操作トリガを発生する(S113)。押圧力検出部3は、押圧力検出用の操作トリガを得られると、図2に示したフローにしたがって、押圧力Pを検出する。押圧力検出部3は、同じ押圧位置を検出した継続時間が、前記予め設定した所定時間に満たなければ(S122:NO)、位置検出信号のモニタを継続する。なお、前記「同じ押圧位置」とは、位置検出座標が所定の範囲内にとどまることを意味する。
このような処理を実行することで、タッチ面をなぞった場合には基準電圧Vrefが押圧力検出電圧Voutに追随するために押圧力が検知されない。したがって、操作者がタッチ面を意図的に押圧した時にのみ、基準電圧Vrefが固定され、押圧力検出電圧Voutを高精度に検出することができる。なお、このような処理を実行すれば、意図せず(誤って)、タッチ面を押圧した場合にも、基準電圧Vrefが固定されない。
なお、押圧力検出部3において、押圧力検出用の操作トリガを得ていない場合には、押圧力の検出そのものの動作を行わないというソフトウエア的な処理を行うようにしてもよい。
次に、上述のタッチ式操作入力装置1に、より好適となるタッチパネル10の構成について、図5から図9を参照して説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態に係るタッチパネル10の平面図と、当該平面図におけるA−A’断面図、B−B’断面図、C−C’断面図、D−D’断面図である。図6は、本発明の第1の実施形態に係るタッチパネル10の第1主面100STの平面図である。図7は、本発明の第1の実施形態に係るタッチパネル10の第2主面100SBの平面図である。なお、図6、図7は、第1主面100ST、第2主面100SBを、第1主面100SST側から見た図である。なお、図5、図6、図7の電極パターンは一例であり、第1線状電極、第2線状電極、第3線状電極および第4線状電極の配設個数はこれに限るものではなく、タッチパネルの仕様に応じて、これらの個数は適宜決定されている。
タッチパネル10は、圧電フィルム100、保護層30,40、後述するパターンで形成された圧電検出用電極および静電容量検出用電極を備える。
圧電フィルム100は、互いに対向する第1主面100STと第2主面100SBを備える矩形状の平膜からなる。圧電フィルム100は、一軸延伸されたポリ乳酸(PLA)によって形成されている。
PLAは、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。PLAは、一軸延伸され、分子が配向すると、圧電性を有する。一軸延伸されたPLAの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。
なお延伸倍率は3〜8倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、PLAの延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えばある方向をX軸としてその方向に8倍、その軸に直交するY軸方向に2倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそX軸方向に4倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことが出来る。
また、PLAは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、PVDF等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないPLAの圧電性は、PVDFやPZT等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、PLAには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、PVDF等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、PLAの圧電定数は経時的に極めて安定している。なお、ポリ乳酸(PLA)にはL型ポリ乳酸(PLLA)とD型ポリ乳酸(PDLA)があるが、製造コスト等の点からPLLAを用いるのが好ましい。
また、PLLAは比誘電率が約2.5と非常に低いため、dを圧電定数とし、εを誘電率とすると、圧電出力定数(=圧電g定数、g=d/ε)が大きな値となる。
ここで、誘電率ε33 =13×ε,圧電定数d31=25pC/NのPVDFの圧電g定数は、上述の式から、g31=0.2172Vm/Nとなる。一方、圧電定数d14=10pC/NであるPLLAの圧電g定数をg31に換算して求めると、d14=2×d31であるので、d31=5pC/Nとなり、圧電g定数は、g31=0.2258Vm/Nとなる。したがって、圧電定数d14=10pC/NのPLLAで、PVDFと同様の押し込み量の検出感度を十分に得ることができる。そして、本願発明の発明者らは、d14=15〜20pC/NのPLLAを実験的に得ており、当該PLLAを用いることで、さらに非常に高感度に押し込み量を検出することが可能になる。
このような特性を有するPLLAからなる圧電フィルム100の第1主面100STには、静電容量検出用電極となる複数の第1線状電極11A,11B,11C,11D,11E,11Fと、押圧力検出用電極となる第3線状電極13A,13B,13C,13D,13E,13F,13G,13H,13I,13J,13K,13Lが図5,図6に示すようなパターンで形成されている。これら複数の第1線状電極11A〜11Fと、線状電極13A〜13Lは、ITO、ZnO、銀ナノワイヤ、ポリチオフェンを主成分とする有機電極、ポリアニリンを主成分とする有機電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い電極パターンを形成できる。尚、透明性が必要とされない場合には銀ペーストにより形成された電極や、蒸着やスパッタ、あるいはメッキなどにより形成された金属系の電極を用いることもできる。
複数の第1線状電極11A〜11Fは、同じ形状からなる。具体的に、例えば、第1線状電極11Aは、複数の幅広部111と複数の幅狭部112と一対の端部用の幅広部113を備える。各幅広部111は、正方形からなる。幅狭部112は幅に対して長さの長い矩形状からなる。端部用の幅広部113は、略二等辺三角形からなる。複数の幅広部111と複数の幅狭部112は、第1線状電極11Aの延びる方向に沿って、交互に並ぶように接続されている。この際、各幅広部111は、正方形の対角線と幅狭部112に対する接続方向とが平行になるように、幅狭部112に接続される。さらに、各幅広部111は、当該対角線を形成する一対の頂角で、幅狭部112に接続される。
第1線状電極11Aの延びる方向の両端には、端部用の幅広部113が備えられている。複数の幅広部111と複数の幅狭部112とからなる連続の電極パターンの両端は、幅狭部112によって端部用の幅広部113へ接続されている。この際、端部用の幅広部113は、二等辺三角形の頂角で幅狭部112に接続されている。
複数の第1線状電極11A〜11Fは、圧電フィルム100の第1主面100STにおける第1方向に沿って延びるように形成されている。複数の第1線状電極11A〜11Fは、第1主面100STにおける前記第1方向と直交する第2方向に沿って、所定間隔をおいて形成されている。この際、複数の第1線状電極11A〜11Fは、それぞれの幅広部111が第1方向に沿った同じ位置となるように、言い換えれば、それぞれに幅広部111が第2方向に沿って配列されるように、形成されている。
ここで、第1方向と第2方向は、圧電フィルム100の一軸延伸方向900に対して略45°の角度を成す方向に設定されている。略45°とは、例えば45°±10°程度を含む角度をいう。これらの角度は、変位センサの用途に基づき、曲げの検知精度など全体の設計に応じて、適宜決定されるべき設計事項である。
複数の第3線状電極13A〜13Lは、第1線状電極11A〜11Fの外径形状に沿う形状で、当該第1線状電極11A〜11Fから離間して形成されている。
具体的には、第3線状電極13Aは、第1線状電極11Aにおける第1線状電極11Bと反対側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Aから離間して形成されている。
第3線状電極13Bは、第1線状電極11Aにおける第1線状電極11B側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Aから離間して形成されている。第3線状電極13Cは、第1線状電極11Bにおける第1線状電極11A側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Bから離間して形成されている。第3線状電極13B,13Cは、第1線状電極の幅広部111および端部の幅広部113の角部付近で互いに接続している。
第3線状電極13Dは、第1線状電極11Bにおける第1線状電極11C側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Bから離間して形成されている。第3線状電極13Eは、第1線状電極11Cにおける第1線状電極11B側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Cから離間して形成されている。第3線状電極13D,13Eは、第1線状電極の幅広部111および端部の幅広部113の角部付近で互いに接続している。
第3線状電極13Fは、第1線状電極11Cにおける第1線状電極11D側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Cから離間して形成されている。第3線状電極13Gは、第1線状電極11Dにおける第1線状電極11C側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Dから離間して形成されている。第3線状電極13F,13Gは、第1線状電極の幅広部111および端部の幅広部113の角部付近で互いに接続している。
第3線状電極13Hは、第1線状電極11Dにおける第1線状電極11E側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Dから離間して形成されている。第3線状電極13Iは、第1線状電極11Eにおける第1線状電極11D側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Eから離間して形成されている。第3線状電極13H,13Iは、第1線状電極の幅広部111および端部の幅広部113の角部付近で互いに接続している。
第3線状電極13Jは、第1線状電極11Eにおける第1線状電極11F側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Eから離間して形成されている。第3線状電極13Kは、第1線状電極11Fにおける第1線状電極11E側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Fから離間して形成されている。第3線状電極13J,13Kは、第1線状電極の幅広部111および端部の幅広部113の角部付近で互いに接続している。
第3線状電極13Lは、第1線状電極11Fにおける第1線状電極11Eと反対側の外径形状に沿って、当該第1線状電極11Fから離間して形成されている。
第3線状電極13A〜13Kは、引き回し電極14によってまとめられており、外部回路へ接続されている。第1線状電極11A〜11Fは、それぞれ個別に引き回し電極12A〜12Fに接続され、当該引き回し電極12A〜12Fを介して外部回路へ接続される。これら引き回し電極12A〜12F,14は、第1線状電極11A〜11Fと第3線状電極13A〜13Kの形成領域よりも外側に形成されている。さらに、引き回し電極12A〜12Fは第1方向の一方端に形成され、引き回し電極14は第1方向の他方端に形成されている。
また、圧電フィルム100の第2主面100SBには、静電容量検出用電極となる複数の第2線状電極21A,21B,21C,21D,21E,21Fと、押圧力検出用電極となる第4線状電極23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23K,23Lが図1,図3に示すようなパターンで形成されている。これら複数の第2線状電極21A〜21Fと線状電極23A〜23Lも、ITO、ZnO、銀ナノワイヤ、ポリチオフェンを主成分とする有機電極、ポリアニリンを主成分とする有機電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い電極パターンを形成できる。尚、透明性が必要とされない場合には銀ペーストにより形成された電極や、蒸着やスパッタ、あるいはメッキなどにより形成された金属系の電極を用いることもできる。
複数の第2線状電極21A〜21Fは、同じ形状からなる。具体的に、例えば、第2線状電極21Aは、複数の幅広部211と複数の幅狭部212と一対の端部用の幅広部213を備える。各幅広部211は、正方形からなる。幅狭部212は幅に対して長さの長い矩形状からなる。端部用の幅広部213は、略二等辺三角形からなる。複数の幅広部211と複数の幅狭部212は、第2線状電極21Aの延びる方向に沿って、交互に並ぶように接続されている。この際、各幅広部211は、正方形の対角線と幅狭部212に対する接続方向とが平行になるように、幅狭部212に接続される。さらに、各幅広部211は、当該対角線を形成する一対の頂角で、幅狭部212に接続される。
第2線状電極21Aの延びる方向の両端には、端部用の幅広部213が備えられている。複数の幅広部211と複数の幅狭部212とからなる連続の電極パターンの両端は、幅狭部212によって端部用の幅広部213へ接続されている。この際、端部用の幅広部213は、二等辺三角形の頂角で幅狭部212に接続されている。
複数の第2線状電極21A〜21Fは、圧電フィルム100の第2主面100SBにおける第2方向に沿って延びるように形成されている。複数の第2線状電極21A〜21Fは、第2主面100SBにおける前記第2方向と直交する第1方向に沿って、所定間隔をおいて形成されている。この際、複数の第2線状電極21A〜21Fは、それぞれの幅広部211が第2方向に沿った同じ位置となるように、言い換えれば、それぞれに幅広部211が第1方向に沿って配列されるように、形成されている。
また、複数の第2線状電極21A〜21Fは、それぞれの幅広部221が圧電フィルム100を介して第1線状電極11A〜11Fの幅広部111と対向しないように、形成されている。言い換えれば、第1主面100ST側から見て、複数の第2線状電極21A〜21Fを構成する各幅広部221が、第1線状電極11A〜11Fを構成する各幅広部111に重ならないように、第2線状電極21A〜21Fは形成されている。さらに別の表現をすれば、複数の第1線状電極11A〜11Fおよび複数の第2線状電極21A〜21Fは、幅狭部112,212の部分でのみ圧電フィルム100を介して対向している。
さらには、第1主面100ST側から見て、複数の第2線状電極21A〜21Fを構成する各幅広部221と、第1線状電極11A〜11Fを構成する各幅広部111との間に所定の幅の隙間ができるように、第1線状電極11A〜11Fおよび第2線状電極21A〜21Fは形成されている。そして、この隙間の幅は、上述の第1主面100STに形成される線状電極13A〜13Kが、第1主面100ST側から見て隙間内に収まるように、設定されている。
複数の第4線状電極23A〜23Lは、第2線状電極21A〜21Fの外径形状に沿う形状で、当該第2線状電極21A〜21Fから離間して形成されている。
具体的には、第4線状電極23Aは、第2線状電極21Aにおける第2線状電極21Bと反対側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Aから離間して形成されている。
第4線状電極23Bは、第2線状電極21Aにおける第2線状電極21B側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Aから離間して形成されている。第4線状電極23Cは、第2線状電極21Bにおける第2線状電極21A側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Bから離間して形成されている。第4線状電極23B,23Cは、第2線状電極の幅広部211および端部の幅広部213の角部付近で互いに接続している。
第4線状電極23Dは、第2線状電極21Bにおける第2線状電極21C側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Bから離間して形成されている。第4線状電極23Eは、第2線状電極21Cにおける第2線状電極21B側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Cから離間して形成されている。第4線状電極23D,23Eは、第2線状電極の幅広部211および端部の幅広部213の角部付近で互いに接続している。
第4線状電極23Fは、第2線状電極21Cにおける第2線状電極21D側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Cから離間して形成されている。第4線状電極23Gは、第2線状電極21Dにおける第2線状電極21C側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Dから離間して形成されている。第4線状電極23F,23Gは、第2線状電極の幅広部211および端部の幅広部213の角部付近で互いに接続している。
第4線状電極23Hは、第2線状電極21Dにおける第2線状電極21E側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Dから離間して形成されている。第4線状電極23Iは、第2線状電極21Eにおける第2線状電極21D側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Eから離間して形成されている。第4線状電極23H,23Iは、第2線状電極の幅広部211および端部の幅広部213の角部付近で互いに接続している。
第4線状電極23Jは、第2線状電極21Eにおける第2線状電極21F側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Eから離間して形成されている。第4線状電極23Kは、第2線状電極21Fにおける第2線状電極21E側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Fから離間して形成されている。第4線状電極23J,23Kは、第2線状電極の幅広部211および端部の幅広部213の角部付近で互いに接続している。
第4線状電極23Lは、第2線状電極21Fにおける第2線状電極21Eと反対側の外径形状に沿って、当該第2線状電極21Fから離間して形成されている。
そして、第2主面100SBに形成された第4線状電極23A〜23Lと第1主面100STに形成された第3線状電極13A〜13Kは、幅広部211,213と幅広部111,113との間に生じる第1主面100ST側から見た隙間において、略全長に亘り、圧電フィルム100を介して、互いに対向するように形成されている。
例えば、図5に示すように、第4線状電極23Aは、第2線状電極21Aの端部用の幅広部213と第1線状電極11Aの端部用の幅広部113との間において、第3線状電極13Aに対向する。また、第4線状電極23Aは、第2線状電極21Aの幅広部211と第1線状電極11A,11Bの端部用の幅広部113との間において、それぞれ第3線状電極13B,13Cに対向する。
なお、図5に示すように、第4線状電極23Aの他の箇所も同様に、第3線状電極13D〜13Lに対向し、他の第4線状電極23B〜23Lも、それぞれ第3線状電極13A〜13Lに対向する。
第4線状電極23A〜23Kは、引き回し電極24によってまとめられており、外部回路へ接続されている。第2線状電極21A〜21Fは、それぞれ個別に引き回し電極22A〜22Fに接続され、当該引き回し電極22A〜22Fを介して外部回路へ接続される。これら引き回し電極22A〜22F,24は、第2線状電極21A〜21Fと第4線状電極23A〜23Kの形成領域よりも外側に形成されている。さらに、引き回し電極22A〜22Fは第2方向の一方端に形成され、引き回し電極24は第2方向の他方端に形成されている。
このように第1線状電極11A〜11F、第3線状電極13A〜13L、第2線状電極21A〜21Fおよび第4線状電極23A〜23Lが形成された圧電フィルム100により、タッチパネル1のタッチパネル10が構成される。
タッチパネル10における圧電フィルム100の第1主面100ST側には、第1線状電極11A〜11Fおよび第3線状電極13A〜13Lの電極パターン形成領域の全面を覆うように、保護層30が配設されている。保護層30は、絶縁性を有し、透光性を有する材料によって形成されている。なお、透光性が必要とされない場合には、絶縁性を有していれば特に材料は限定されない。
タッチパネル10における圧電フィルム100の第2主面100SB側には、第2線状電極21A〜21Fおよび第4線状電極23A〜23Lの電極パターン形成領域の全面を覆うように、保護層40が配設されている。保護層40も、保護層30と同様に、絶縁性を有し、透光性を有する材料によって形成されている。なお、保護層30,40は、ポリエチレンテレフタレートPET、ポリエチレンナフタレートPEN、ポリプロピレンPP等を用いればよく、圧電フィルム100の湾曲を阻害しない形状(厚み等)で形成するとよい。また、透光性が必要とされない場合には、絶縁性を有していれば特に材料は限定されない。
以上のような構造からなるタッチパネル10は、次に示すように、タッチ位置および押し込み量を検出する。
まず、タッチ位置は、次のような原理で検出される。なお、本実施形態の構成では、所謂、投影型で相互キャパシタンス方式によるタッチ位置の検出概念を用いており、詳細な検出概念の説明は省略する。したがって、以下では、タッチ位置の検出概念を概略的に説明する。
第1線状電極11A〜11Fには、引き回し電極12A〜12Fを介して駆動信号が印加される。第2線状電極21A〜21Fは、引き回し電極22A〜22Fを介して、図示しない検出回路に接続されている。
このような状態において、操作者が指で保護層30の所定位置をタッチすると、当該タッチ位置での電界の一部が指側に誘導される。これにより、タッチ位置では、指によるタッチを行っていない時に対して、電流変化が生じる。したがって、このような電流変化を検出回路で検出することで、タッチ位置に応じた位置検出信号が生成され、指によるタッチを検出することができる。
ここで、上述のように、第1線状電極11A〜11Fが第1方向に延びる形状で第2方向に沿って所定間隔で配設され、第2線状電極21A〜21Fが第2方向に延びる形状で第1方向に沿って所定間隔で配設されていることから、第1線状電極11A〜11Fと第2線状電極21A〜21Fが圧電フィルム100を介して対向する位置、言い換えれば電界を生じて検出用の電流を流す位置は、当該対向位置を構成する第1線状電極と第2線状電極との組合せから二次元座標で検出できる。例えば、操作者が、第1線状電極11Cと第2線状電極21Dの対向位置付近をタッチした場合、当該対向位置付近では、電界が変化し、第1線状電極11Cから第2線状電極21Dを介して流れる電流が変化する。この際、他の対向箇所では電界が変化しないので、電流も変化しない。このような原理を用いることで、タッチ位置を検出することができる。
さらに、本実施形態の第1線状電極11A〜11Fおよび第2線状電極21A〜21Fは、操作面である第1主面100STに直交する方向に沿って見て、幅狭部112,212で対向し、幅広部111,112では重なり合わないように配設されていることで、第1線状電極11A〜11Fおよび第2線状電極21A〜21Fの両方に対して、指のタッチによる電界変化が生じやすくなる。これにより、タッチの検出感度を向上させることができる。
次に、押し込み量の検出概念について説明する。図8は、本発明の第1の実施形態に係るタッチパネル10の押し込み量検出機能を説明するための図である。図8(A)が押し込み量の係っていない状態を示し、図8(B)は指による押し込み量の係っている状態を示す。図9(A)は、押し込み量と検出電圧との相関を示すグラフであり、図9(B)は本発明の第1の実施形態に係るタッチパネル10の押し込み量の検出電圧の波形図である。
図8(A)に示すように、タッチパネル1のタッチパネル10を平板状の弾性体50の一方主面に、互いの平面が密着するように取り付ける。弾性体50はガラス、アクリル、ポリカーボネート等で形成されている。弾性体50はここに記載した材料に限らず、使用条件に応じて適切な材料を選択すればよい。また、タッチパネル1のタッチパネル10を貼り合わせる面についても使用条件に応じて適切な面を選択すればよい。弾性体50の対向する両端を支持体501で支持する。すなわち、タッチパネル1であれば、タッチパネル1の第1方向の両端を固定する。この状態では、弾性体50は屈曲しておらず、圧電フィルム100に応力が係っていないため、電荷は生じない。
図8(B)に示すように、弾性体50の表面を指510で押すと、太矢印520に示すような押圧力が弾性体50に加わる。この場合、弾性体50は、タッチパネル10の配設面側へ膨らむように湾曲する。これにより、タッチパネル10の圧電フィルム100は第1方向に略沿って伸延され、太矢印530に示すような引っ張り応力が発生する。この応力により、圧電フィルム100は、第1主面100STと第2主面100SBとに分極する。
ここで、上述のように、第1主面100STに第3線状電極13A〜13Lが形成され、第2主面100SBに第4線状電極23A〜23Lが形成されていることで、第3線状電極13A〜13Lと第4線状電極23A〜23Lとの間に電位差が生じる。したがって、この電位差、すなわち圧電電圧を検出することで、指による押圧、言い換えれば指のタッチによる押し込みを検出することができる。
さらに、PLAでは、図9(A)に示すように、押し込み量(押圧力Pに対応)に応じて出力電圧Vp(圧電電圧)が線形で変化する。この際、上述のように基準電圧Vrefが状況に応じて適切に固定されることで、押圧力検出電圧Voutを正確に検出することができる。これらの効果により、タッチパネル10の出力電圧Vpを計測することで押圧力Pを容易且つ高精度に検出することもできる。すなわち、操作者が操作面を軽くタッチしたか、強く押し込んだかを、正確に検出することができる。なお、タッチパネル10の出力電圧Vpは、通常、応力の生じた瞬間に生じ、圧電効果による電荷の漏洩とともに、出力電圧Vpの値も急速に低下してしまう。しかしながら、上述のように、出力電圧Vpの検出回路に大きな入力インピーダンスを有する検出回路を用いれば、図9(B)に示すように、出力電圧Vp値を所定時間維持することができる。これにより、より確実に出力電圧Vp値を計測し、押圧力Pを検出することができる。
このように、上述の態様のタッチパネル10を用いれば、押圧力Pを容易且つ高精度に検出できる。さらに、上述の態様のタッチパネル10を用いれば、1枚の圧電フィルム100の対向する両面に静電容量検出用電極および押圧力検出用電極を形成するだけで、タッチ位置と押圧力を同時に検出することができる。これにより、薄型のタッチ式操作入力装置を実現することができる。さらに、透光性の高いタッチ式操作入力装置を実現することができる。
さらに、圧電フィルム100のPLAを用いることにより、焦電性による影響を受けない。したがって、検出時、検出位置の温度に依存することなく、押圧力Pのみに応じた出力電圧Vpを得ることができる。すなわち、上述の基準電圧Vrefの適応とともに、より高精度に、押圧力Pを検出することができる。また、PLAはポリマーであり、柔軟性を有するので、圧電セラミックスのように、大きな変位で破損することがない。したがって、変位量が大きくても、当該変位量を確実に検出することができる。
なお、上述の説明では、単に保護層30,40を配設することを記載したが、上述のように弾性率の高いアクリル板等の弾性体50にタッチパネル10の第1主面100ST側を当接し、第2主面100SB側にのみ保護層40を配設するようにしてもよい。
また、保護層30,40を配設し、保護層40のタッチパネル10と反対側の面に粘着性を持たせるようにしてもよい。さらに、この粘着性を弱粘着性にすることで、使用場所に応じて、装着したり剥がしたりすることが可能なタッチパネルを実現できる。
また、上述の態様からなるタッチパネル10は一例であり、圧電センサとタッチセンサとが一体化された他の態様のタッチパネルを用いても、上述の構成を適用できる。
次に、第2の実施形態に係るタッチ式操作入力装置について、図を参照して説明する。本実施形態のタッチ式操作入力装置は、第1の実施形態に示したタッチ式操作入力装置と構成は同じであり、押圧力検出部3の行う処理が異なる。したがって、異なる箇所のみを説明する。図10は、第2の実施形態に係る押圧力検出部3の処理フローを示すフローチャートである。
押圧力検出部3は、位置検出信号の入力が検出できなければ(S201:NO)、位置検出信号の入力検出機能のみを稼働させた状態で他の機能を停止するスリープモード(省電力モード)に設定する(S211)。押圧力検出部3は、位置検出信号の入力を検出すると(S201:YES)、押圧力検出部3の全機能を起動し、スリープモードを解除する(S202)。当該位置検出信号からタッチセンサ10D上のタッチ面における押圧位置を検出する。
押圧力検出部3は、この処理を継続し、予め設定した所定時間以上、同じ押圧位置を検出できれば(S203:YES)、押圧力検出用の操作トリガを発生する(S204)。押圧力検出部3は、同じ押圧位置を検出した継続時間が、前記予め設定した所定時間に満たなければ(S203:NO)、押圧力検出用の操作トリガを発生しない。
押圧力検出部3は、押圧力検出用の操作トリガを取得していなければ、操作入力無しと判断し(S205:NO)、押圧力検出用の基準電圧Vrefを、圧電センサ10Pの出力電圧Vpに追随させる(S206)。言い換えれば、押圧力検出部3は、入力される圧電センサ10Pの出力電圧Vpに一致させるように、常に基準電圧Vrefを変動させる。
押圧力検出部3は、押圧力検出用の操作トリガを取得し、操作入力有りと判断すると(S205:YES)、押圧力検出用の基準電圧Vrefを固定する(S207)。
押圧力検出部3は、基準電圧Vrefを固定すると、圧電センサ10Pの出力電圧Vpを取得する。押圧力検出部3は、出力電圧Vpから基準電圧Vrefを差分し、押圧力検出電圧Voutを算出する。押圧力検出部3は、予め記憶した押圧力検出電圧Voutと押圧力Pとの関係テーブルもしくは関係式を用いて、算出した押圧力検出電圧Voutから押圧力Pを算出する(S208)。
このような処理を行うことで、位置検出信号が得られるまでは、押圧力検出部3の機能が部分的に停止し、省電力化が可能になる。したがって、より消費電力の少ないタッチ式操作入力装置10を実現することができる。
次に、第3の実施形態に係るタッチ式操作入力装置について、図を参照して説明する。本実施形態の本実施形態のタッチ式操作入力装置は、第1の実施形態に示したタッチ式操作入力装置と構成は同じであり、押圧力検出部3の行う処理が異なる。したがって、異なる箇所のみを説明する。図11は、第3の実施形態に係る押圧力検出部3で実行される押圧力補正処理の概念を説明するための図である。
押圧力検出部3は、圧電センサ10Pの出力電圧Vpから押圧力Pを算出するが、圧電センサ10Pは、端部が固定された圧電フィルム100を用いているため、押圧位置によって、押圧力Pに対する曲がり量が異なる。このため、押圧力Pに対する出力電圧Vp、言い換えれば押圧力Pに対する出力電圧Vpの感度が異なる。具体的には、同じ押圧力Pであれば、中心ほど大きく曲がるため、出力電圧Vpも大きくなる。
したがって、本実施形態の押圧力検出部3では、タッチセンサ10Dからの位置検出信号に基づいて、押圧位置を検出すると、押圧位置に応じた補正係数を用いて押圧力Pを算出する。この際、補正係数は、タッチパネル10(圧電フィルム100)の中心900から押圧位置901までの距離RPに依存するように設定されている。より具体的には、例えば、次のように補正係数を設定する。
圧電フィルム100の中心900と押圧位置901とを結ぶ線と、圧電フィルム100の端面を構成する線との交点902とする。中心900と交点902との距離をRAとする。タッチパネル10(圧電フィルム100)の中心900から押圧位置901までの距離は、上述のようにRPとする。このような設定において、補正係数は、RP/RAに依存する関数で与えられる。例えば、補正係数は、RP/RAの値が大きくなるほど、すなわち押圧位置901が中心900から離間するほど、大きくなる値に設定されている。言い換えれば、RP/RAの値が大きくなるほど、すなわち押圧位置901が中心900から離間するほど感度が高くなるように設定する。
押圧力検出部3は、このように設定した補正係数を、上述の押圧力検出電圧Voutに乗算する。これにより、押圧位置の違いによる押圧力Pの算出誤差を抑制することができる。なお、ここで、押圧力検出電圧Voutに補正係数を乗算したが、押圧力検出電圧Voutから上述の方法で算出した押圧力Pに対して補正係数を乗算するようにしてもよい。
1:タッチ式操作入力装置、
2A:圧伝センサ用駆動電圧印加部、
2B:タッチセンサ用駆動電圧印加部、
3:押圧力検出部、
10:タッチパネル、
10P:圧電センサ、
10D:タッチセンサ、
30,40:保護層、
50:弾性体、
100:圧電フィルム、
100ST:第1主面、100SB:第2主面、
11A,11B,11C,11D,11E,11F:第1線状電極、
21A,21B,21C,21D,21E,21F:第2線状電極、
13A,13B,13C,13D,13E,13F,13G,13H,13I,13J,13K,13L,131A,132A,131B,132B,131C,132C,131D,132D,131E,132E,131H,132H,131I,132I,131J,132J,131K,132K,131L,132L:第3線状電極、
23A,23B,23C,23D,23E,23F,23G,23H,23I,23J,23K,23L,231A,232A,231B,232B,231C,232C,231D,232D,231E,232E,231H,232H,231I,232I,231J,232J,231K,232K,231L,232L:第4線状電極、
12A〜12F,14,22A〜22F,24,141,142,143,144,241,242,243,244:引き回し電極、
111,211:幅広部、112,212:幅狭部、113,213:端部用の幅広部、
Ar1:第1部分領域、Ar2:第2部分領域、Ar3:第3部分領域、Ar4:第4部分領域

Claims (7)

  1. 押圧力に応じた出力電圧を発生する圧電センサと、
    タッチ面上の操作入力された位置に基づいた位置検出信号を出力するタッチセンサと、
    前記圧電センサの出力電圧に基づいて押圧力を検出する押圧力検出部と、
    を備えたタッチ式操作入力装置であって、
    前記押圧力検出部は、
    前記タッチセンサからの前記位置検出信号に基づいて一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られない時には、押圧力検出用の基準電圧を前記圧電センサの前記出力電圧に一致させ、
    前記タッチセンサからの前記位置検出信号に基づいて一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られた時には、前記基準電圧を固定し、前記圧電センサの前記出力電圧と前記固定した基準電圧との電圧の差から押圧力を検出する、タッチ式操作入力装置。
  2. 前記押圧力検出部は、
    前記タッチセンサからの前記位置検出信号が表すタッチ面上の位置が所定時間以上同じである時に、前記一定の操作入力があったことを示す検出結果が得られたものと判断する、請求項1に記載のタッチ式操作入力装置。
  3. 前記押圧力検出部は、
    前記タッチセンサからの前記位置検出信号を検出していない時に、押圧力検出を停止し、
    前記タッチセンサからの前記位置検出信号を検出した時に、押圧力検出を開始する、請求項1または請求項2に記載のタッチ式操作入力装置。
  4. 前記押圧力検出部は、
    タッチセンサからの前記位置検出信号が表すタッチ面上の位置に応じて、前記出力電圧から検出する押圧力を補正する、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のタッチ式操作入力装置。
  5. 前記押圧力検出部は、
    前記位置検出信号が表すタッチ面上の位置と、タッチ面の中心との距離に基づいて、前記中心から離間するほど前記押圧力に対する感度を高くする補正を行う、請求項4に記載のタッチ式操作入力装置。
  6. 前記圧電センサと前記タッチセンサは、
    互いに対向する第1主面と第2主面を備えた平膜状の圧電フィルムと、
    該圧電フィルムの少なくとも前記第1主面または前記第2主面に形成された静電容量検出用電極と、
    前記圧電フィルムの前記第1主面および前記第2主面に形成された圧電電圧検出用電極と、を備える、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のタッチ式操作入力装置。
  7. 前記圧電フィルムは、少なくとも一軸方向に延伸処理を行ったポリ乳酸からなる、請求項6に記載のタッチ式操作入力装置。
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