CN105593793B

CN105593793B - 触摸式输入装置

Info

Publication number: CN105593793B
Application number: CN201480053242.5A
Authority: CN
Inventors: 北田宏明; 安藤正道
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2018-10-26
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: US9910535B2; JPWO2015046289A1; CN105593793A; US20160195994A1; JP5954500B2; WO2015046289A1

Abstract

本发明涉及触摸式输入装置。触摸式输入装置(1)具备触摸面板(10)、按压检测信号生成部(200)、以及接触检测信号生成部(300)。触摸面板(10)由压电传感器(10P)与静电传感器(10D)层叠地形成。压电传感器(10P)与按压检测信号生成部(200)连接，并且静电传感器(10D)与接触检测信号生成部(300)连接。压电传感器(10P)具备压电膜(110)、和夹着压电膜(110)配置的第一、第二按压检测用导体(111、112)。将压电性膜(110)配置成压电膜(110)因按压而产生的电荷的极性与当静电传感器(10D)进行接触检测时在压电膜(110)所产生的激发电荷的极性成为相反极性。

Description

触摸式输入装置

技术领域

本发明涉及检测针对操作面的触摸位置和按压的触摸式输入装置。

背景技术

以往，提案了各种检测针对操作面的触摸位置和按压的触摸式输入装置。例如，在专利文献1中公开了一种电阻式的触摸面板。专利文献1的触摸面板配备具有与操作面平行的主面的第一导电膜和第二导电膜，第一导电膜和第二导电膜在与主面正交的方向空出间隔地配置。若操作面被压入，则在被压入的位置第一导电膜与第二导电膜接触。专利文献1的触摸式输入装置利用基于该接触位置的分压检测触摸位置，并利用分压和电阻检测按压。

由于是这样的构成以及动作，需要用于将触摸位置检测电路和按压检测电路切换成第一导电膜和第二导电膜来连接的开关电路。另外，在专利文献1的构成中，如果第一电极膜与第二电极膜未接触，即，如果不进行一定程度的压入，那么不能够进行位置检测。

另一方面，以往也提案了由不同的基础部件形成位置检测传感器和按压检测传感器，并且使这些位置检测传感器和按压检测传感器叠加地构成的触摸式输入装置。在该构成中，由于将位置检测传感器与触摸位置检测电路连接，并将按压检测传感器与按压检测电路连接，所以不需要开关电路。另外，在该构成中，即便轻轻地与操作面接触，也能够检测位置。

此处，由于如果使用静电电容式的位置检测传感器作为位置检测传感器，则能够根据静电电容的变化检测触摸位置，所以即便轻轻地接触操作面、即不强地压入，也能够检测触摸位置。

而且，对于这样的位置检测传感器，有时采用使用了压电膜的压电传感器作为按压检测传感器。

专利文献1：日本特开2000－283869号公报

然而，在使静电电容式的位置检测传感器与由压电传感器形成的按压检测传感器组合的情况下，会产生如下的问题。

对于静电电容式的位置检测传感器，为了测量静电电容，对位置检测传感器恒定地注入电荷。由于该注入量根据静电电容而变化，所以注入量在手指等电介质与操作面接触时和不接触时变化。

在位置检测传感器与按压检测传感器接近地配置的情况下，导致按压检测传感器与位置检测传感器电容耦合。该情况下，受到向位置检测传感器注入的电荷的一部分的影响，导致在按压检测传感器产生电荷。

由压电传感器形成的按压检测传感器根据通过对操作面的压入使压电膜变形而产生的电荷来检测按压的有无、按压力。

因此，若受位置检测传感器的电荷的影响所产生的电荷在按压检测传感器产生，则会导致将该电荷误检测为通过按压而使压电传感器产生的电荷。由此，有时不能够正确地检测按压量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种触摸式输入装置，即便是静电电容式的位置检测传感器与由压电传感器形成的按压检测传感器接近地配置的触摸式传感器，也能够正确地检测按压。

本发明的触摸式输入装置具备位置检测传感器、按压检测传感器、按压检测信号生成部、以及接触检测信号生成部。位置检测传感器是静电电容式传感器，并具备第一位置检测用导体以及第二位置检测用导体。按压检测传感器是所谓压电传感器，并具备压电膜、和夹着该压电膜配置的第一按压检测用导体以及第二按压检测用导体。按压检测信号生成部使用按压检测传感器输出的电荷来生成按压检测电压信号。通过对位置检测传感器赋予电压并得到位置检测传感器的电荷，接触检测信号生成部产生接触检测电压信号。位置检测传感器与按压检测传感器接近地配置。按压检测传感器被配置成因对位置检测传感器赋予的电压而在按压检测传感器产生的电荷与因按压而在按压检测传感器产生的电荷变成相反极性。

在该构成中，对于在非按压(压入)而是因对位置检测传感器赋予的电压而在按压检测传感器激发的电荷、和因按压而由按压检测传感器产生的电荷而言，它们对按压检测电压信号的电压值给予的影响是相反的。例如，在由对位置检测传感器赋予的电压所激发的电荷使得按压检测电压信号发挥提高电压的作用的情况下，由按压产生的电荷发挥使按压检测电压信号的电压变低的作用。由此，能够区别因接触而激发的电荷所引起的按压检测电压信号的电压值的变化、与由按压产生的电荷所引起的按压检测电压信号的电压值的变化。

另外，在本发明的触摸式输入装置中，优选第一位置检测用导体与第一按压检测用导体被形成在相同的平面上。

在该构成中，能够使位置检测传感器与按压检测传感器被层叠的复合体(触摸式传感器)变薄。

另外，在本发明的触摸式输入装置中，优选压电膜由手性高分子形成。另外，在本发明的触摸式输入装置中，优选压电膜由至少沿单轴方向延伸的聚乳酸形成。

在这些构成中，示出了压电膜的优选例。

发明效果

根据本发明，一边使用静电电容式的位置检测传感器与由压电传感器形成的按压检测传感器接近地配置的触摸式传感器，一边能够正确地检测按压。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置的框图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的触摸面板的主要构成的侧面剖视图。

图3是用于说明对本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置中的基于按压的电荷进行检测的原理的图。

图4是由本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置检测的接触检测电压以及按压检测电压的波形图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置进行说明。图1是本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置的框图。图2是表示本发明的实施方式所涉及的触摸面板的主要构成的侧面剖视图。

触摸式输入装置1具备触摸面板10、按压检测信号生成部200、以及接触检测信号生成部300。触摸面板10具备压电传感器10P和静电传感器10D。压电传感器10P相当于本发明的“按压检测传感器”，静电传感器10D相当于本发明的“静电电容式的位置检测传感器”。

触摸面板10是平板状，并将平板面的至少一个主面(平板面)作为操作面，来受理操作者的操作。压电传感器10P以及静电传感器10D也是平板状，并以该平板形状的主面平行的方式被层叠。在本实施方式的触摸面板10中，从操作面侧开始，按静电传感器10D、压电传感器10P的顺序被层叠。

压电传感器10P具备压电膜110、第一按压检测用导体111、以及第二按压检测用导体112。压电膜110由含有聚乳酸(PLA)、更具体而言由含有L型聚乳酸(PLLA)的材料形成。此外，虽然压电膜110是具有压电性的膜即可，但是优选由含有手性高分子的材料形成，更优选含有PLA、PLLA的材料。此外，在使用PLLA来构成压电膜110的情况下，压电膜110被单轴延伸处理。被单轴延伸了的PLLA的压电常数属于在高分子中非常高的种类。

此外，优选延伸倍率是3～8倍左右。通过在延伸后实施热处理，可促进聚乳酸的延伸链结晶的结晶化，使得压电常数增加。此外，在双轴延伸的情况下，通过使各个轴的延伸倍率不同，能够得到与单轴延伸相同的效果。例如在将某个方向设为X轴来对该方向施加8倍的延伸，对与该轴正交的Y轴方向施加2倍的延伸的情况下，对压电常数而言，能够获得与大概对X轴方向施加4倍的单轴延伸的情况大致相同的效果。由于单纯地单轴延伸的膜容易沿延伸轴方向破裂，所以通过进行如前所述的双轴延伸，能够增加一些强度。如此，即使在双轴延伸的情况下，在膜处于与单轴延伸实质相同的状态下，相当于本发明的至少沿单轴方向被延伸的聚乳酸。

另外，PLLA通过基于延伸等的分子的取向处理而产生压电性，不需要像PVDF等其他的聚合物、压电陶瓷那样进行转态处理。即，不属于铁电体的PLLA的压电性不是如PVDF、PZT等铁电体那样通过离子的极化而发现的性质，而是由来于作为分子的特征构造的螺旋构造的性质。因此，由于在PLLA中不存在其他的铁电性的压电体具有的热电性，所以不产生基于热电性的电荷。并且，虽然可观察到PVDF等随时间变化而压电常数的变动，有时压电常数显著降低，但PLLA的压电常数随时间变化极其稳定。

另外，由于PLLA的相对介电常数非常低约为2.5，所以若将d设为压电常数，将ε^T设为介电常数，则压电输出常数(＝压电g常数、g＝d/ε^T)变为大的值。

此处，介电常数ε₃₃ ^T＝13×ε₀，压电常数d₃₁＝25pC/N的PVDF的压电g常数根据上述的公式为g₃₁＝0.2172Vm/N。另一方面，若将压电常数d₁₄＝10pC/N的PLLA的压电g常数换算为g₃₁来进行求取，则由于d₁₄＝2×d₃₁，所以d₃₁＝5pC/N，压电g常数为g₃₁＝0.2258Vm/N。因此，利用压电常数d₁₄＝10pC/N的PLLA能够充分得到与PVDF相同的(按压力)压入量的检测灵敏度。而且，本申请发明的发明人们通过实验得到d₁₄＝15～20pC/N的PLLA，通过使用该PLLA，能够进一步以非常高的灵敏度检测按压力。

另外，PLLA具有高透光性。因此，通过由PLLA形成压电膜110，并由透光性高的材料形成后述的第一、第二按压检测用导体111、112，从而能够实现具有透光性的压电传感器10P。

在压电膜的第一主面形成有第一按压检测用导体111。另外，在压电膜110的第二主面形成有第二按压检测用电极112。

上述多个第一、第二按压检测用导体111、112通过使用以聚噻吩、聚苯胺等作为主成分的有机的电极、ITO、ZnO、银纳米线、纳米碳管、石墨烯等无机电极的任意一个，从而能够形成透光性高的导体图案。此外，在不需要透明性的情况下，也能够使用由银糊形成的电极、通过蒸镀、溅射或者电镀等形成的金属电极。

第一、第二按压检测用导体111、112借助走线导体113与按压检测信号生成部200连接。

静电传感器10D具备电介质基板120、第一位置检测用导体121、以及第二位置检测用导体122。电介质基板120由具有透光性的电介质材料形成，例如，由玻璃等形成。

在电介质基板120的第一主面、换言之在电介质基板120的压电传感器10P侧一面，形成有多个第一位置检测用导体121。多个第一位置检测用导体121是长条状，并形成为沿电介质基板120的第一主面的第一方向伸长的形状。多个第一位置检测用导体121分别沿第一主面的第二方向(与第一方向正交的方向)空出间隔地排列形成。

此外，上述压电传感器10P的第一按压检测用电极111和该静电传感器10D的第一位置检测用导体121被配置在压电膜110与电介质基板120之间，并被配置在触摸式传感器10的层叠方向相同的位置。第一按压检测用电极111和第一位置检测用导体121以不接触的方式配置。

在电介质基板120的第二主面、换言之，在电介质基板120的操作面侧的面形成有多个第二位置检测用导体122。多个第二位置检测用导体122是长条状，并形成为沿电介质基板120的第二主面的第二方向伸长的形状。多个第二位置检测用导体122分别沿第二主面的第一方向(与第二方向正交的方向)空出间隔地排列形成。

第一、第二位置检测用导体121、122由ITO等透明电极形成。第一、第二位置检测用导体121、122借助走线导体图案123与接触检测信号生成部300连接。

在压电传感器10P的第二按压检测用电极112侧的外表面安装有绝缘性膜114，在静电传感器10D的第二位置检测用导体122侧的外表面(操作面)安装有绝缘性膜124。

若手指等电介质(以下，仅指的是手指。)接近或者接触于由这样的构成所形成的触摸式传感器10的操作面，则对静电传感器10D而言，接触位置的静电电容变化。由接触检测信号生成部300检测该静电电容的变化作为接触检测电压，接触检测信号生成部300生成由该电压值形成的接触检测信号来输出。

由于静电传感器10D产生的静电电容根据手指与操作面的距离或者手指与操作面的接触面积而变化，所以如果接触面积未变化，则不管按压力大小如何静电电容均为相同。即，根据是否接触，接触检测信号的电压值而变化。而且，通过观测该接触检测信号的电压值，从而能够判断操作面是否被触摸。另外，通过如上述那样地配置第一位置检测用导体121和第二位置检测用导体122，第一位置检测用导体121与第二位置检测用导体122的重复部投影到操作面而成为矩阵状。而且，在触摸位置静电电容变化最大。因此，通过对每组第一、第二位置检测用导体121、122取得接触检测信号，从而静电传感器10D能够检测触摸位置。

另外，若用手指压入触摸式传感器10的操作面，则根据按压力(压入量)，压电传感器10P的压电膜110弯曲。压电膜110产生与该弯曲量相应的电荷。第一、第二按压检测用导体111、112利用基于该压电效果的电荷产生电位差。按压检测信号生成部200生成由基于该电位差的电压值形成的按压检测信号。

接触检测信号生成部300如上述那样地与静电传感器10D连接，并生成与接触检测电压相应的接触检测信号。接触检测信号是被二值化为Hi、Low的信号。具体而言，接触检测信号生成部300对接触检测电压设定接触检测用阈值，在检测到该接触检测用阈值以上的接触检测电压的期间输出Hi状态的接触检测信号。接触检测信号生成部300在未检测到该接触检测用阈值以上的接触检测电压的期间输出Low状态的接触检测信号。

接触检测信号生成部300向按压检测信号生成部200以及第一输出端子Pout1输出接触检测信号。此时，接触检测信号生成部300对按压检测信号生成部200仅输出接触检测信号即可，对第一输出端子Pout1将与接触位置相关的信息与接触检测信号一起输出。

按压检测信号生成部200具备运算放大器U1、电阻器R1、电容器C1、放电用电阻器R0、以及开关元件S0。运算放大器U1的反相输入端子经由电阻器R1与压电传感器10P连接。因此，基于压电传感器10P产生的电位差的信号经由电阻器R1向运算放大器U1的反相输入端子输入。对运算放大器U1的非反相输入端子施加基准电位V1。

运算放大器U1的输出端子与触摸式输入装置1的第二输出端子Pout2连接。电容器C1被连接在运算放大器U1的反相输入端子与输出端子之间。放电用电阻器R0与开关元件S0被串联连接，并且该串联电路与电容器C1并联连接。

开关元件S0根据接触检测信号的Hi、Low被实施接通断开控制。例如，开关元件S0当接触检测信号是Low状态时变为接通状态，当接触检测信号是Hi状态时变为断开状态。具体而言，开关元件S0例如由常开型的FET等实现。

由此，开关元件S0在Low状态的接触检测信号被输入的期间被实施接通控制，并且在Hi状态的接触检测信号被输入的期间被实施断开控制。即，开关元件S0在接触未被检测到的期间被实施接通控制，并且在接触被检测到的期间被实施断开控制。

此外，在使用常开型的元件作为开关元件S0的情况下，虽然使用由上述的二值构成的接触检测信号即可，但在使用常闭型的元件作为开关元件S0的情况下，使接触检测信号的二值状态反相即可。即，在检测到接触期间，接触检测信号变为Low状态，并且在未检测到接触的期间使用变为Hi状态的接触检测信号即可。

通过形成这样的电路构成，在开关元件S0为断开状态的期间，对按压检测信号生成部200而言，形成有基于运算放大器U1、电阻器R1、电容器C1的积分电路。因此，按压检测信号生成部200将压电传感器10P产生的电位与基准电位的差积分，并向第二输出端子Pout2输出作为该积分结果的按压检测信号。

即，在接触被检测到的期间，按压检测信号生成部200将压电传感器10P产生的电位与基准电位的差积分。而且，按压检测信号生成部200向第二输出端子Pout2输出作为该积分结果的按压检测信号。

另一方面，当开关元件S0为接通状态时，变为电容器C1与放电用电阻器R0被并联连接的电路构成。由此，按压检测信号生成部200不作为积分电路发挥功能。因此，按压检测信号生成部200向第二输出端子Pout2直接输出基于压电传感器10P产生的电位的信号。另外，由于构成有电容器C1和放电用电阻器R0的闭环电路，所以电容器C1中积蓄的电荷被放电用电阻器R0放电、消耗。因此，输出端子Pout2的电位被复位成基准电位。

即，在接触被检测到的期间，按压检测信号生成部200将第二输出端子Pout2的电位复位成基准电位。

在由这样的构成形成的触摸式输入装置10中，由于静电传感器10D的第一位置检测用导体121与压电传感器10P的第一按压检测用电极111接近，所以如上述课题所示那样，导致由静电传感器10D产生的电荷在压电传感器10P激发电荷。即，导致产生了基于接触检测的激发电荷。

然而，通过具备如下所示的构成，即便该激发电荷产生，也能够正确地检测通过压电膜110弯曲而产生的电荷。图3是用于说明对本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置中的按压所产生的电荷进行检测的原理的图。

对压电传感器10P的压电膜110而言，如上述那样，若发生弯曲，则产生与该弯曲量相应的电荷。此时，电荷量由弯曲方向与单轴延伸方向的关系以及弯曲量决定。而且，电荷产生的极性由弯曲方向与单轴延伸方向的关系决定。

因此，使压电膜110由按压而产生的电荷的极性与在压电膜110产生的激发电荷的极性形成为相反极性。

例如，在图3所示的情况下，若手指与操作面接触(或者接近)，则第一位置检测用导体121和第二位置检测用导体122被连接于接触检测信号生成部200并且被施加电压，以便电介质基板120的第一位置检测用导体121侧带负电，电介质基板120的第二位置检测用导体122侧带正电。

该情况下，如图3(A)所示，压电膜110的第一按压检测用导体111侧带正电，并且压电膜110的第二按压检测用导体112侧带负电。

因此，如图3(B)所示，对压电膜110设定单轴延伸方向，以便通过操作面的按压，使第一按压检测用导体111侧带负电，并使第二按压检测用导体112侧带正电。

通过使用这样的构成，接触检测电压以及按压检测电压(按压检测信号的电压值)成为图4所示那样的波形。图4是由本发明的实施方式所涉及的触摸式输入装置所检测的接触检测电压以及按压检测电压的波形图。

通过具备上述构成，若手指与操作面接触，则接触检测电压上升。由此，能够检测手指对操作面的接触。同时，按压检测电压也从基准电压开始上升。然而，如上述那样，若施加按压，则由于压电传感器10P以产生负电压的方式构成，所以即便按压检测电压如此地从基准电压开始上升，也能够判断不是由按压产生的电压上升。

接着，若用手指压入操作面(施加按压)，则根据按压力，按压检测电压从对基准电压增加了基于激发电荷的电压的第二基准电压下降。因此，通过检测该按压检测电压的下降，从而能够检测操作面被压入的情况(被按压的情况)。并且，通过检测电压下降量，从而能够检测按压力。此外，以按压检测电压根据按压检测信号生成部200具有的积分电路的常数逐渐地返回到第二基准电压的方式，按压检测电压上升。

接着，若手指对操作面的压入放开(按压放开)，则按压检测电压从第二基准电压上升。因此，通过检测该按压检测电压的下降，从而能够检测对操作面压入的放开。此外，以按压检测电压根据按压检测信号生成部200具有的积分电路的常数逐渐地返回到第二基准电压的方式，按压检测电压下降。

接着，若手指从操作面离开，则接触检测电压下降。由此，能够检测手指对操作面的接触。同时，按压检测电压也向基准电压下降，并且能够返回到按压检测待机状态。

如上述那样，通过使用本实施方式的构成，即便是静电电容式的位置检测传感器与基于压电传感器的按压检测传感器接近地配置的触摸式传感器，也能够正确地检测按压。

此外，在上述实施方式中，虽然使静电电容式的位置检测传感器的第一位置检测用导体121与按压检测传感器的第一按压检测用导体111配置在相同的平面上、即压电膜110上，但是并不限定于此。例如，即便是在静电电容式的位置检测传感器的第一位置检测用导体121与按压检测传感器的第一按压检测用导体111之间具有粘合剂层那样的触摸式传感器，由于静电电容式的位置检测传感器与基于压电传感器的按压检测传感器接近地配置，所以本发明的技术思想是有效的。可是，为了实现触摸式传感器薄型化，优选将第一位置检测用导体121与第一按压检测用导体111配置在相同的平面上。

另外，如果通过采用不使用电介质基板120，而将第一位置检测用导体121和第一按压检测用导体111配置在压电膜110的一面，并且将第二位置检测用导体122和第二按压检测用导体112配置在压电膜110的另一面的构造，能够进一步将触摸式传感器形成薄型。

附图标记说明

1-触摸式输入装置；10-触摸式传感器；10D-静电传感器；10P-压电传感器；110-压电膜；111-第一按压检测用导体；112-第二按压检测用导体；113-走线导体图案；114-绝缘性膜；120-电介质基板；121-第一位置检测用导体；122-第二位置检测用导体；123-走线导体图案；124-绝缘性膜；200-按压检测信号生成部；300-接触检测信号生成部。

Claims

1.一种触摸式输入装置，该触摸式输入装置具备：

静电电容式的位置检测传感器，其具备第一位置检测用导体和第二位置检测用导体；

按压检测传感器，其具备压电膜、和夹着该压电膜配置的第一按压检测用导体以及第二按压检测用导体；

按压检测信号生成部，其使用所述按压检测传感器输出的电荷来生成按压检测电压信号；以及

接触检测信号生成部，其通过对所述位置检测传感器赋予电压并且得到所述位置检测传感器的电荷，来产生接触检测电压信号，

所述位置检测传感器与所述按压检测传感器接近地配置以便能够由所述位置检测传感器产生的电荷在所述按压检测传感器激发电荷，

所述按压检测传感器被配置成因对所述位置检测传感器赋予的电压而在所述按压检测传感器产生的电荷与因按压而在所述按压检测传感器产生的电荷成为相反极性。

2.根据权利要求1所述的触摸式输入装置，其中，

所述第一位置检测用导体和所述第一按压检测用导体被形成在相同的平面上。

3.根据权利要求1或2所述的触摸式输入装置，其中，

所述压电膜由手性高分子形成。

4.根据权利要求3所述的触摸式输入装置，其中，

所述压电膜由至少沿单轴方向延伸的聚乳酸形成。