JP6197962B2 - タッチ式入力装置及びタッチ入力検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、操作面へのタッチ位置と押圧量とを検出するタッチ式入力装置及びタッチ入力検出方法に関する。

特許文献１には、画面のタッチ位置と、画面への押圧量とを検出できるタッチパネルが開示されている。特許文献１に記載のタッチパネルは、誘電体フィルムと圧電体フィルムとを備え、各フィルムを挟み込むように電極が配置されている。そして、誘電体フィルムの一主面側を操作面として、その操作面がユーザによりタッチされると、誘電体フィルムを挟み込む電極により静電容量の変化が検出され、その静電容量の変化によりタッチ位置が検出される。また、操作面が押圧されると、圧電体フィルムを挟み込む電極により圧電電圧が検出され、その圧電電圧により押圧量が検出される。

国際公開２０１４／０４５８４７号パンフレット

静電容量式のタッチパネルにおいて、タッチ位置を検出する場合、検出信号を電極に印加し、その応答を測定した後、次の測定を開始するまでの間、検出信号の印加を停止し、電極に蓄積された電荷を放出する必要がある。この電荷を放出するタイミングで、圧電電圧を検出し、押圧量を検出した場合、圧電電圧が変化することがある。このため、押圧量を精度よく検出できない場合がある。

そこで、本発明の目的は、タッチ位置の検出処理に影響を受けずに、押圧量を検出できるタッチ式入力装置及びタッチ入力検出方法を提供することにある。

本発明に係るタッチ式入力装置は、操作面へタッチ位置を検出する位置検出センサと、操作面への押圧を検出する押圧検出センサと、前記位置検出センサへの駆動信号の出力及び出力停止を繰り返し、前記位置検出センサから出力された応答信号を検出し、駆動信号の出力停止時に、前記位置検出センサの電荷を放電する位置検出センサ駆動部と、前記押圧検出センサから出力された押圧信号を検出する押圧信号検出部と、を備え、前記押圧信号検出部は、前記位置検出センサ駆動部による駆動信号の出力期間に、押圧信号を検出することを特徴とする。

この構成では、位置検出センサに蓄積された電荷を放電するタイミングを避けて、駆動信号の出力期間に押圧信号検出部が押圧信号を検出するため、押圧信号検出部が検出する押圧信号に、位置検出センサに蓄積された電荷の放電に起因する圧電電圧変化の影響を及ぼさないようにできる。この結果、精度よく押圧量を検出できる。

前記押圧信号検出部は、前記位置検出センサ駆動部が駆動信号の出力を開始するタイミングを基準として、押圧信号を検出することが好ましい。

この構成では、押圧信号検出部が検出する押圧信号に、タッチ位置の検出処理に起因するノイズが影響を及ぼさないようにできるため、精度よく押圧量を検出できる。

前記位置検出センサは、誘電体基板と、前記誘電体基板の第１主面に配置された第１位置検出用電極と、前記誘電体基板の第２主面に配置された第２位置検出用電極と、を有し、前記押圧検出センサは、第１主面が、前記誘電体基板の第２主面と重なるように配置された圧電フィルムと、前記圧電フィルムの第１主面に配置された第１圧電検出用電極と、前記圧電フィルムの第２主面に配置された第２圧電検出用電極と、を有していることが好ましい。

タッチ位置の検出処理に起因するノイズが影響を及ぼさないことができるため、前記構成のように、第２位置検出用電極と第１圧電検出用電極とを同層に形成できるなど、設計の自由度が向上する。その結果、タッチ式入力装置の薄型化を実現できる。

前記第２位置検出用電極と前記第１圧電検出用電極とは、同層に形成されていることが好ましい。

この構成では、第２位置検出用電極と、第１圧電検出用電極とが同一平面上に形成ため、積層方向に薄くできる。

本発明によれば、押圧信号検出部が検出する押圧信号に、タッチ位置の検出処理に起因するノイズが影響を及ぼさないようにできるため、精度よく押圧量を検出できる。

実施形態に係るタッチセンサの側面断面図 実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図 実施形態に係るタッチセンサを備えるタッチ式入力装置の構成を示す側面断面図 演算回路モジュールの構成を示すブロック図 位置検出センサ駆動部と押圧信号検出部とがそれぞれ信号を検出するタイミングについて説明するための図

図１は、本実施形態に係るタッチセンサの側面断面図である。図２は、本実施形態に係るタッチセンサの各層の電極パターンを示す平面図である。図３は、本実施形態に係るタッチセンサを備えるタッチ式入力装置の構成を示す側面断面図である。なお、図３ではタッチセンサを構成する押圧検出センサおよび位置検出センサの概略形状のみを記載している。

タッチセンサ１０は、押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０とを備える。押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０は、平面視して矩形の平板形状からなる。押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０は、主面が平行になるように重ねて配置されている。タッチセンサ１０は、位置検出センサ３０をカバー部材４０側にして、カバー部材４０の裏面側に装着されている。カバー部材４０は、ガラス板又はアクリル板等の透光性及び絶縁性を有する。カバー部材４０は、表面が操作面で且つ表示画像の表示面である。

カバー部材４０及び位置検出センサ３０は透光性の粘着剤１２によって接着されている。また、位置検出センサ３０及び押圧検出センサ２０は透光性の粘着剤１１によって接着されている。粘着剤１１，１２は、例えば、アクリル系粘着剤からなる。

このような構成のタッチセンサ１０は、図３に示すように、タッチ式入力装置１の一部として組み込まれる。タッチ式入力装置１は、略直方体形状の筐体５０を備える。筐体５０は開口を有している。筐体５０内には、開口側から順に、カバー部材４０、タッチセンサ１０（押圧検出センサ２０と位置検出センサ３０との積層体）、表示パネル６０及び演算回路モジュール７０が配置されている。タッチセンサ１０と表示パネル６０とは接着剤１３により接合されている。粘着剤１３は押圧検出センサに圧力が加わった時の変形を阻害しない程度の弾性率であることが好ましい。また、接着剤１３は空間であってもよい。この場合、押圧検出センサ２０の変形を阻害しない。表示パネル６０及び演算回路モジュール７０が配置されている。表示パネル６０は、液晶パネル、有機ＥＬパネル等の薄型ディスプレイからなる。演算算出回路モジュール７０は、押圧検出センサ２０及び位置検出センサ３０が出力する検出信号から、操作位置及び押圧量を算出する。

次に、タッチセンサ１０のより具体的な構成について説明する。

押圧検出センサ２０は、圧電フィルム２１、第１圧電検出用電極２２及び第２圧電検出用電極２３を備える。圧電フィルム２１は、本発明に係る「フィルム部材」に相当する。なお、本発明に係る「フィルム部材」は、圧電フィルムを一例に示しているが、これに限らない。

圧電フィルム２１は、矩形であり、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を用いている。ＰＬＬＡは、一軸延伸されている。一軸延伸方向は、矩形を構成する直交する二辺（第１方向の辺および第２方向の辺）に対して、略４５°を成す。略４５°は４５°±１０°を含む。この場合、４５°と同等程度の特性を得ることができる。また使用形態によっては±１０°の範囲を超えていてもよい。なお、一軸延伸方向が成す角度は、適宜調整すればよく、タッチセンサ１０が筐体５０に対して、第１方向の両端のみ、第２方向の両端のみ、もしくは外周に沿って固定されている場合には、４５°であることが最も好ましい。

このようなキラル高分子からなるＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電フィルムの平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧量（押込量）により平板面が当該平板面に直交する方向へ変位する変位量に依存する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。したがって、圧電フィルム２１にＰＬＬＡを用いることで、押圧による変位を高感度に検出することができる。

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、ポリ乳酸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。例えば第１の軸方向に８倍、第１の軸方向に直交する第２の軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそ第１の軸方向に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。すなわち、上述の一軸延伸方向とは、圧電フィルムが複数方向に延伸された場合も含めて、最も延伸された方向を意味する。そして、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できる。

また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマー又は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ＰＬＬＡ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、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が無く、周囲温度の変化によって影響されない。したがって、気温の変化、電子機器の発熱、または指が接触することによる温度変化等によって振動の強さが変わらない。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、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

また、ＰＬＬＡは有機圧電材料としては透光性が高い。したがって、圧電フィルム２１の透光性を高くすることができる。

第１圧電検出用電極２２は、圧電フィルム２１の第１主面に配置されている。圧電フィルム２１の第１主面は、位置検出センサ３０側の面であり、位置検出センサ３０の第２主面と重なっている。圧電フィルム２１の第１主面には、薄膜で透光性の高いハードコート層２１０が成膜されており、当該ハードコート層２１０の表面に第１圧電検出用電極２２が形成されている。ハードコート層２１０は、絶縁性を有するとともに、圧電フィルム２１よりも剛性を有する材料からなる。

第１圧電検出用電極２２は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれを用いてもよい。このような材料を用いることで、透光性が高い電極を形成することができる。

また、この構成では、圧電フィルム２１の第１主面にハードコート層２１０が形成されているので、当該ハードコート層２１０の表面に形成された第１圧電検出用電極２２を外部回路に接続する際に、異方性導電膜等の熱圧着による接続を行うことができる。

第２圧電検出用電極２３は、圧電フィルム２１の第２主面側に配置されている。圧電フィルム２１の第２主面は、圧電フィルム２１の第１主面と反対側の面である。第２圧電検出用電極２３は、絶縁性ベースフィルム２３０に形成されている。絶縁性ベースフィルム２３０は、透光性を有する材料からなる。絶縁性ベースフィルム２３０は、第２圧電検出用電極２３が形成されている側の面が圧電フィルム２１側となるように、粘着剤２５によって圧電フィルム２１の第２主面に接着されている。

第２圧電検出用電極２３は、圧電フィルム２１の第２主面の略全面に亘る形状で配置されており、図２に示すように、複数の電極非形成部２３１を有する。電極非形成部２３１は、タッチセンサ１０を厚み方向に沿って見て、後述する位置検出センサ３０の電極３２，３３の両方が重なる領域（位置検出用電極の重複領域）に設けられている。この構成により、位置検出用電極の重複領域以外において、第２圧電検出用電極２３は第１圧電検出用電極２２と重なる構造となる。

電極非形成部２３１を設けることにより、各電極の重なり度合いを均一に近づけることができる。その結果、表示パネル６０の色ムラを軽減することができる。

第２圧電検出用電極２３は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれを用いてもよい。このような材料を用いることで、透光性が高い電極を形成することができる。

このような構成では、カバー部材４０が押し込まれて、圧電フィルム２１に応力が加わると、圧電フィルム２１は変形して電荷を発生する。第１圧電検出用電極２２と第２圧電検出用電極２３がこの電荷を検出して押圧検出信号を発生することで、押圧量を検出することができる。

位置検出センサ３０は、誘電体基板３１、第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３を備える。誘電体基板３１は矩形であり、透光性を有する絶縁性材料からなる。

第１位置検出用電極３２は長尺状であり、誘電体基板３１の第１主面に、誘電体基板３１の第１方向と長尺方向とが平行になるように配置されている。誘電体基板３１の第１主面は、誘電体基板３１のカバー部材４０側の面である。

第１位置検出用電極３２は複数あり、誘電体基板３１の第２方向に沿って間隔をおいて配置されている。第１位置検出用電極３２は、誘電体基板３１の第１主面に直接形成されている。

第２位置検出用電極３３は長尺状であり、誘電体基板３１の第２主面に、誘電体基板３１の第２方向と長尺方向とが平行になるように配置されている。誘電体基板３１の第２主面は、誘電体基板３１の押圧検出センサ２０側の面である。第２位置検出用電極３３は複数あり、誘電体基板３１の第１方向に沿って間隔をおいて配置されている。より具体的には、誘電体基板３１の第２主面と、圧電フィルム２１の第１主面とは重なっている。したがって、第２位置検出用電極３３は、ハードコート層２１０の表面に形成され、第１圧電検出用電極２２と同層に形成されている。電極２２，３３を同層に形成することで、タッチセンサ１０を薄くできる。

第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３は、透光性を有する材料からなり、例えば、ＩＴＯからなる。これにより、透光性を有する位置検出センサ３０を実現できる。

このような構成では、操作面に指が接触もしくは近接した際の静電容量の変化により、第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３間の静電容量が変化する。この際、指に最も近い位置の第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３が対向する領域の静電容量が最も大きく変化する。したがって、この最も静電容量の変化が大きな第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３の組合せを検出することで、操作位置を検出することができる。

図４は、演算回路モジュール７０の構成を示すブロック図である。

位置検出センサ駆動部７１は、駆動信号の位置検出センサ３０への出力と出力停止とを繰り返す。詳しくは、位置検出センサ駆動部７１は、周期的に、第１位置検出用電極３２と第２位置検出用電極３３との間に電圧を印加する。電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、ユーザが操作面に指を接触（又は近接）させると、電極３２，３３間での静電容量の変化による電流の変化が生じる。位置検出センサ３０は、この電流を位置検出信号として出力する。位置検出センサ駆動部７１は、その位置検出信号を検出する。この位置検出信号は、本発明に係る「応答信号」に相当する。

また、位置検出センサ駆動部７１は、駆動信号の出力停止時に、次の駆動信号の出力までに、電極３２，３３の一方又は両方をグランドに接続する。これにより、電極３２，３３間に蓄積された電荷は放電される。このため、次に駆動信号が出力され、操作面がタッチされた際に、電極３２，３３間での静電容量変化が生じるようになる。

タッチ位置算出部７２は、位置検出センサ駆動部７１が検出した位置検出信号から、操作面へのタッチ位置を算出する。詳しくは、タッチ位置算出部７２は、位置検出信号から、最も静電容量の変化が大きな第１位置検出用電極３２及び第２位置検出用電極３３の組合せを検出して、それに対応する位置を特定する。

押圧信号検出部７３は、押圧検出センサ２０から出力された押圧検出信号を検出する。ユーザが操作面を押圧することで圧電フィルム２１に応力が加わると、圧電フィルム２１は変形して電荷を発生する。押圧検出センサ２０は、発生した電荷を、第１圧電検出用電極２２と第２圧電検出用電極２３とにより検出し、押圧検出信号（電圧値）として出力する。

押圧信号検出部７３は、位置検出センサ駆動部７１が駆動信号を出力する期間に、押圧検出信号を検出する。詳しくは後に詳述するが、押圧信号検出部７３は、位置検出センサ駆動部７１から位置検出信号の検出終了が通知されたときに、押圧検出信号を検出する。

サンプリング部７４は、押圧信号検出部７３が検出した押圧検出信号を所定の周期でサンプリングする。

押圧信号処理部７５は、サンプリング部７４がサンプリングしたデータに対応する電圧値から、押圧検出センサ２０にかかっている押圧量、すなわち、ユーザによる操作面への押圧量を算出する。

位置・押圧合成部７６は、タッチ位置算出部７２が算出したタッチ位置と、押圧信号処理部７５が算出した押圧量とを合成する。位置・押圧合成部７６が合成したデータは、例えば、不図示の制御部に出力され、その制御部において、算出されたタッチ位置及び押圧量に応じた処理が適宜実行される。

図５は、位置検出センサ駆動部７１と押圧信号検出部７３とがそれぞれ信号を検出するタイミングについて説明するための図である。

押圧信号検出部７３は、位置検出センサ駆動部７１が駆動信号を出力する期間に、押圧検出信号を検出する。詳しくは、図５に示すように、位置検出センサ駆動部７１は駆動信号を出力し、信号出力を停止後、位置検出信号を検出する。押圧信号検出部７３は、位置検出センサ駆動部７１が位置検出信号を検出した後、押圧検出信号を検出する。

前記したように、押圧検出センサ２０の第１圧電検出用電極２２と、位置検出センサ３０の第２位置検出用電極３３とは、同層に設けられている。また、位置検出センサ駆動部７１による駆動信号の出力停止後、電極３２，３３はグランドに接続され、電極３２，３３間に蓄積された電荷は放電される。このため、電極３２，３３がグランドに接続されたとき、押圧検出センサ２０からの押圧検出信号の出力電圧は低下する。この電圧低下時に押圧検出信号を検出して押圧量を算出すると、電圧変化によって押圧されていないにもかかわらず、押圧を誤検出する場合がある。

そこで、図５に示すように、位置検出センサ駆動部７１が駆動信号を出力する期間に、押圧信号検出部７３は押圧検出信号を検出する。これにより、電圧低下時に押圧量を算出することで、押圧を誤検出するといった問題を回避できる。特に、本実施形態で説明したように、第２位置検出用電極３３と第１押圧検出用電極２２とが同層に配置される構成において有用である。

また、本実施形態では、押圧信号検出部７３は、位置検出信号の検出後に、押圧検出信号を検出するため、タッチ位置算出の合間に押圧量の算出を行うことができ、ソフトウェア処理の負荷を平準化できる。

以上説明したように、本実施形態では、押圧検出センサ２０からの押圧検出信号の出力電圧が低下するタイミングを避けて、押圧検出信号を検出することで、精度よく操作面への押圧量を算出することができる。

なお、位置検出センサ駆動部７１が駆動信号を出力する期間であれば、押圧信号検出部７３は、どのタイミングで押圧検出信号を検出するようにしてもよい。例えば、位置検出センサ駆動部７１が位置検出信号を検出してから所定時間経過後に、押圧検出信号を検出するようにしてもよい。この場合、圧電電圧変化の応答時間後に検出できるため、安定した押圧検出信号を検出できる。また、押圧信号検出部７３は、位置検出センサ駆動部７１が駆動信号の出力を開始するタイミングで、押圧検出信号を検出するようにしてもよい。この場合、所定時間待つ処理がない分、全体の制御を簡素化できる。

また、本実施形態では、第２位置検出用電極３３と第１押圧検出用電極２２とは同層に形成しているが、タッチセンサ１０は、第２位置検出用電極３３と第１押圧検出用電極２２とが近接配置された構成であってもよい。また、圧電フィルム２１として、ＰＶＤＦ、圧電セラミックなど種々の圧電材料を使用することができる。

１…タッチ式入力装置
１０…タッチセンサ
１１，１２…粘着剤
２０…押圧検出センサ
２１…圧電フィルム
２２…第１圧電検出用電極
２３…第２圧電検出用電極
２５…粘着剤
３０…位置検出センサ
３１…誘電体基板
３２…第１位置検出用電極
３３…第２位置検出用電極
４０…カバー部材
５０…筐体
６０…表示パネル
７０…演算回路モジュール
７１…位置検出センサ駆動部
７２…タッチ位置算出部
７３…押圧信号検出部
７４…サンプリング部
７５…押圧信号処理部
７６…押圧合成部
２１０…ハードコート層
２３０…絶縁性ベースフィルム
２３１…電極非形成部

Claims (5)

1. 操作面へタッチ位置を検出する位置検出センサと、
   前記操作面への押圧を検出する押圧検出センサと、
   前記位置検出センサへの駆動信号の出力及び出力停止を繰り返し、前記位置検出センサから出力された応答信号を検出し、駆動信号の出力停止時に、前記位置検出センサの電荷を放電する位置検出センサ駆動部と、
   前記押圧検出センサから出力された押圧信号を検出する押圧信号検出部と、
   を備え、
   前記押圧信号検出部は、前記位置検出センサ駆動部による駆動信号の出力期間に、押圧信号を検出する、
   タッチ式入力装置。
2. 前記押圧信号検出部は、
   前記位置検出センサ駆動部が駆動信号の出力を開始するタイミングを基準として、押圧信号を検出する、
   請求項１に記載のタッチ式入力装置。
3. 前記位置検出センサは、
   誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１主面に配置された第１位置検出用電極と、
   前記誘電体基板の第２主面に配置された第２位置検出用電極と、
   を有し、
   前記押圧検出センサは、
   第１主面が、前記誘電体基板の第２主面と重なるように配置された圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムの第１主面に配置された第１圧電検出用電極と、
   前記圧電フィルムの第２主面に配置された第２圧電検出用電極と、
   を有している、
   請求項１又は２に記載のタッチ式入力装置。
4. 前記第２位置検出用電極と前記第１圧電検出用電極とは、同層に形成されている、
   請求項３に記載のタッチ式入力装置。
5. 操作面へタッチ位置を位置検出センサにより検出し、
   前記操作面への押圧を押圧検出センサにより検出し、
   前記位置検出センサへの駆動信号の出力及び出力停止を繰り返し、前記位置検出センサから出力された応答信号を検出し、駆動信号の出力停止時に、前記位置検出センサの電荷を放電し、
   前記位置検出センサへの駆動信号の出力期間に、前記押圧検出センサから出力された押圧信号を検出する、
   タッチ入力検出方法。

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