JP2005149403A - 接触位置検出装置及びこれを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接触部の薄型化が可能な接触位置検出装置及びこれを備えた表示装置を提供する。
【解決手段】 検出用信号印加手段１０３により、使用者が接触した接触部１０１の位置を検出するための接触位置検出用信号を接触部１０１に印加する。そして、位置検出部１０２とモニタ部１０４とにより構成される位置検出手段１１０により、使用者が接触した位置における接触位置検出用信号の変化に基づき、使用者が接触した接触部１０１の位置を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接触位置検出装置及びこれを備えた表示装置に関し、特に接触位置を検出するための構成に関する。

従来、使用者が接触する接触部を備え、使用者が接触した接触部の位置を検出する接触位置検出装置があり、このような接触位置検出装置においては、使用者が接触した接触部の位置を検出するための方式として抵抗膜方式、光学方式、静電容量方式、磁気誘導方式、弾性波方式などが実用化されている。

そして、このような接触位置検出装置として、接触部として例えば周知の抵抗膜方式のタッチパネルを備えたものがあり、このような接触位置検出装置のタッチパネルを液晶パネルに付加することにより、接触位置検出装置付の表示装置を実現させるという提案が行われている（特許文献１参照。）。

なお、従来、皮膚表面にある種の触覚を提示する手法として、機械的刺激を用いた手法や、電気的刺激を用いた手法がある。そして、このような電気的刺激を用いた手法の一例として、電極アレイに指を載せた際、皮膚表面に電流を通電させ、皮膚下の感覚神経を選択的に刺激する手法が行われている（特許文献２参照）。

特開２００１−１８３６３０号公報 特開２００２−０６５８６６号公報

ところで、このような抵抗膜方式のタッチパネルを備えた従来の接触位置検出装置においては、使用者が液晶パネル上に表示された所定の絵柄を、タッチパネルを介して選択する際、タッチパネルの絵柄に対応する位置に指を接触させると、その接触位置を検出し、この検出された接触位置に応じた位置信号を表示装置に入力するようにしている。そして、このような位置信号に基づき表示装置は使用者により選択された絵柄を判断し、所定の表示等を行うようになっている。

ところが、このように液晶パネル上に表示された絵柄を、タッチパネルを介して選択する場合、タッチパネル外側の空気と、タッチパネル内部の屈折率の差により、使用者が絵柄を視認する位置と、実際の絵柄との間に視差が生じる場合がある。

そして、この視差が大きい場合には、使用者はタッチパネルの、絵柄に対応した位置に接触したつもりでも、実際には絵柄に対応した位置に触れることができないという問題点があった。また、実際には絵柄に対応した位置に触れることができない場合でも、絵柄に対応した位置に触れたか否かを認識できないという問題点があった。なお、これらの問題は、タッチパネルの厚さが厚いほど顕著になる。

そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、接触部の薄型化が可能な接触位置検出装置及びこれを備えた表示装置を提供することを目的とするものである。また、接触部の接触位置を確実に認識することのできる接触位置検出装置及びこれを備えた表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、使用者が接触する接触部を備え、前記使用者が接触した接触部の位置を検出する接触位置検出装置において、前記使用者が接触した位置を検出するための検出用信号を前記接触部に印加する検出用信号印加手段と、前記使用者が接触した位置における前記検出用信号の変化に基づき前記使用者が接触した接触部の位置を検出する位置検出手段と、を備えたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触部は、前記使用者の皮膚表面に接触し、前記検出用信号を印加する複数の領域を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触部の前記複数の領域を複数の電極で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段は、前記使用者の皮膚表面の抵抗による前記検出用信号の変化に基づいて前記使用者が接触した位置を検出することを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段は、前記検出用信号の大きさに応じた信号を出力する位置検出部と前記位置検出部の出力をモニタし、該位置検出部の出力の変化に基づいて接触位置を検出するモニタ部とを備えると共に、前記位置検出部を抵抗素子で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段は、前記使用者の皮膚表面の抵抗による前記検出用信号の変化を順次検出するよう前記検出用信号を印加する領域を順次選択し、前記検出用信号の変化に基づいて前記使用者が接触した位置を検出することを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段は、前記検出用信号の大きさに応じた信号を出力する位置検出部と前記位置検出部の出力をモニタし、該位置検出部の出力の変化に基づいて接触位置を検出するモニタ部とを備えると共に、前記位置検出部を抵抗素子と、スイッチ回路で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記検出用信号は電流信号であることを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段が検出する検出用信号の変化は、電圧信号の変化であることを特徴とするものである。

また本発明は、前記位置検出手段により検出された前記接触部の接触位置に、使用者に触覚を提示させる電気刺激信号を、前記検出用信号印加手段を用いて印加することを特徴とするものである。

また本発明は、前記電気刺激信号は電流信号であることを特徴とするものである。

また本発明は、前記電気刺激信号又は前記検出用信号を選択的に出力するよう前記検出用信号印加手段を制御する制御部を備え、前記制御部は前記位置検出手段により検出された前記接触部の接触位置に前記電気刺激信号を印加するよう前記検出用信号印加手段を制御することを特徴とするものである。

また本発明は、前記制御部は、前記検出用信号及び前記電気刺激信号の信号形状を制御することを特徴とする。

また本発明は、前記検出用信号印加手段は、定電流源を備えていることを特徴とするものである。

また本発明は、前記皮膚表面は指先の皮膚表面であることを特徴するものである。

また本発明は、表示装置において上記のいずれかに記載の接触位置検出装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明のように、使用者が接触した位置における接触位置検出用信号の変化に基づき、使用者が接触した接触部の位置を検出することにより、接触部の薄型が可能となる。そして、このように接触部の薄型が可能となることにより、使用者が絵柄を視認する位置と、実際の絵柄の視差を最小限に抑えることができ、表示装置への正確な入力が可能になる。

また、使用者が接触部に接触した際、電気刺激信号を指先に印加し、使用者の指先に触覚を提示させることにより、使用者は表示装置への入力の成否、即ち絵柄に対応した位置に触れたか否かを確実に認識することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る接触位置検出装置の構成を示すブロック図であり、同図に示すように、この接触位置検出装置は、接触部１０１と、位置検出部１０２と、検出用信号印加部１０３と、モニタ部１０４と、制御部１０５とで構成されている。

ここで、接触部１０１は、使用者の皮膚表面と接触するものであり、接触位置検出用の信号（以下、接触位置検出用信号という）及び使用者の皮膚表面にある種の触覚を提示させる触覚提示用の電気刺激信号を、使用者の皮膚表面に印加するための複数の微小電極１０６ａが設けられた複数の領域を有する電極アレイ１０６を備えている。

検出用信号印加手段である検出用信号印加部１０３は、使用者の皮膚表面に印加する接触位置検出用信号及び電気刺激信号を電極アレイ１０６の各電極１０６ａに出力（印加）するものであり、不図示の定電流回路で構成されている。

制御部１０５は、検出用信号印加部１０３を制御して接触位置検出用信号及び電気刺激信号を選択的に出力させるためのものであり、パソコン等で構成される。なお、この制御部１０５は、検出用信号印加部１０３より接触位置検出用信号として例えば、微弱な直流信号を印加するときは、直流信号の大きさを制御して接触位置検出用信号の強度（大小）を制御するようにしている。

また、検出用信号印加部１０３より触覚提示用の電気刺激信号として例えば、パルス信号を印加するときは、パルス信号のパラメータ（周波数、強度、位相、デューティー比、信号極性、オフセット）を制御するようにしている。

位置検出部１０２は、電極アレイ１０６に流れる電流信号を、自身の抵抗素子の抵抗値で乗算し、電圧信号に変換して出力するものであり、例えば抵抗素子、或は抵抗素子及びスイッチ回路で構成される。

モニタ部１０４は、位置検出部１０２からの接触位置検出用信号に対応した出力信号の変化に基づいて使用者の皮膚表面と接触部１０１との接触位置を検出するものであり、パソコン等で構成される。そして、このモニタ部１０４と位置検出部１０２とにより、使用者が接触した位置における接触位置検出用信号の変化に基づき使用者が接触した接触部１０１の位置を検出する位置検出手段１１０が構成される。

なお、この接触位置に関する情報は、制御部１０５に出力され、制御部１０５は、この接触位置情報に応じ、接触位置検出用信号が変化した接触部１０１の接触位置に対応する電極アレイ１０６の領域に設けられた電極１０６ａに、触覚提示用の電気刺激信号を、検出用信号印加部１０３を介して出力するようにしている。

次に、このような構成の接触位置検出装置の接触位置検出動作及び触覚提示動作について説明する。なお、以下、皮膚表面は使用者の指先とし、使用者（指先）は接地されているものとする。

まず、使用者の指先が接触部１０１に接触していないときの状態について説明する。

指先が接触部１０１に接触していないとき、電極アレイ１０６の各電極１０６ａには、検出用信号印加部１０３から出力される接触位置検出用信号、具体的には、微弱な直流電流信号Ｉが流れている。なお、この直流電流信号Ｉの強度（大小）は、制御部１０５で制御されるようになっている。

そして、このとき、例えば抵抗素子で構成される位置検出部１０２は、この直流電流信号Ｉと、抵抗素子の抵抗値Ｒによって既定される電圧値ＩＲをモニタ部１０４に出力し、モニタ部１０４では、この位置検出部１０２から出力される電圧値ＩＲ、即ち電極アレイ１０６の各電極１０６ａの電圧値について、それぞれモニタしている。なお、位置検出部１０２の抵抗値Ｒは指先の皮膚表面の抵抗値と同等か、それ以上の値が望ましい。

次に、この状態のとき使用者の指先が接触部１０１に接触した場合について説明する。ここで、指先が接触部１０１に接触しても、電極アレイ１０６の各電極１０６ａに流れる直流電流信号Ｉは、定電流源を備えた検出用信号印加部１０３より出力された信号であるため変化しない。

しかし、指先が接触した場合、それまで同図に示す矢印のように位置検出部１０２にのみ流れていた接触位置検出用の直流電流信号Ｉは、指先と位置検出部１０２の２つに分かれて流れるようになる。このため、位置検出部１０２に流れ込む電流量は減少し、これに伴いモニタ部１０４においてモニタしている電圧値も減少する。そして、このように電圧値が減少した電極１０６ａを検出することにより、指先が接触している電極１０６ａを知ることができ、これに基づき指先が接触している接触位置（位置座標）を知ることができる。

次に、このように指先が接触している接触位置を検出すると、モニタ部１０４は、この位置座標を制御部１０５に出力し、制御部１０５は、このモニタ部１０４からの出力に応じて触覚提示用の電気刺激信号を、検出用信号印加部１０３を介して電極アレイ１０６のうち接触位置に配されている電極１０６ａに出力し、使用者の指先に触覚を提示するようにしている。

ここで、触覚を司る感覚神経は、一般に直流信号に対して非常に鈍感であることから、触覚提示用の電気刺激信号として望ましいのは、信号強度が、時間的に変化を伴う信号である。このため、本実施の形態では、電気刺激信号として、図２の（ａ）に示すパルス信号を指先に印加するようにしている。なお、このパルス信号は、（ｂ）に示すある周波数を有する触覚提示信号４０２に、（ｃ）に示す接触位置検出用信号４０１をオフセットさせたものである。

なお、同図において、４０４は接触位置検出時間を示しており、この接触位置検出時間４０４では、接触位置検出用信号４０１として微弱な定電流信号を印加することにより、既述した接触検出方法を用いて指先の接触状態を検出するようにしている。また、４０３は触覚提示時間を示しており、この触覚提示時間４０３では、既述したように触覚を提示させる触覚提示信号４０２として電気刺激信号を指先に印加し、使用者の指先に触覚を提示させるようになっている。なお、この電流パルス信号は、この信号形状に限定されるものではない。

このように、位置検出手段１１０（モニタ部１０４及び位置検出部１０２）により、使用者が接触した位置における接触位置検出用信号の変化に基づき、使用者が接触した接触部１０１の位置を検出することにより、例えば従来の抵抗膜方式にみられるように、２枚の抵抗膜を用いる構成に比べて、接触部１０１を容易に薄型にすることができる。

そして、このように接触部１０１を薄型することにより、使用者が絵柄を視認する位置と、実際の絵柄の視差を最小限に抑えることができ、これにより接触位置検出装置が取り付けられた、例えば不図示の液晶パネルを備えた表示装置に対する正確な入力が可能になる。

さらに、本実施の形態のように使用者の接触位置を、使用者の皮膚表面と電極とに流れる電流量をモニタして検出する構成とすることにより、平面性や剛性が必要とならないため、曲面のような任意の３次元立体構造上の接触位置検出への応用が容易となる。

また、使用者が接触部１０１に接触した際、電気刺激信号を指先に印加し、使用者の指先に触覚を提示させることにより、使用者は液晶パネルに表示されたボタン等の絵柄に対する入力の成否、即ち絵柄に対応した位置に触れたか否かを確実に認識することができ、より表示装置に対する正確な入力が可能になる。

次に、このような構成の接触位置検出装置の実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例においては、図３に示すように検出用信号印加部１０３として、定電流源２０２を備えたものを用いる。なお、この定電流源２０２の回路構成としては、オペアンプで構成される電圧電流変換回路に、トランジスタで構成するプッシュプルエミッタフォロワ回路、カレントミラー回路で構成した定電流回路を用いたものである。

また、接触位置検出用信号４０１として、０．１ｍＡの定電流信号を用い、接触位置における触覚提示信号４０２として周波数１ｋＨｚ、デューティー比２０％のパルス信号を用いる。また、このパルス信号の信号極性は陽極であり、信号強度は、使用者の受ける触覚の感覚に既定されるが、およそ０．３〜１．０ｍＡのものを主に扱う。ただし、これらのパラメータに限定されるものではない。また、触覚を提示させる必要のない場所については、接触位置検出用信号４０１だけを接触部１０１の電極アレイ１０６の各電極１０６ａに印加するものとする。

位置検出部１０２は、電極アレイ１０６の各電極１０６ａに、それぞれ接続される抵抗素子を備えた抵抗アレイ２０６で構成する。ここで、抵抗アレイ２０６の各抵抗素子としては、抵抗値が５ＭΩのものを使用するが、抵抗値については、これに限定されるものではない。

接触部１０１の電極アレイ１０６としては、４０×４０の透明電極により構成されるものを用いると共に、各電極１０６ａは径が０．６ｍｍの円形形状とし、各電極間の距離は１ｍｍとする。ただし、これらのパラメータに限定されるのもではない。

そして、このような構成の接触位置検出装置において、モニタ部１０４を用いて電極１０６ａから抵抗アレイ２０６の各抵抗に流れる電流量を検出するようにすれば、指の接触位置を検出することが可能になる。

ここで、以上のような構成を有する接触位置検出装置の動作を確認するため、本実施例では、接触部１０１を表示装置の液晶パネル上に配し、この接触部１０１を介して液晶パネル上に表示したボタンにアクセスする実験を行った。このとき、ボタンが表示されている個所については、触覚提示用のパルス信号を印加するようにした。

なお、この接触位置検出装置は、接触位置検出時間４０４中に指の接触位置を検出し、触覚提示時間４０３中に接触点に触覚を提示するよう動作するものである。

そして、動作検証の結果、任意の位置での指との接触点の位置座標を検出できていることを確認した。また、ボタン上に指をアクセスした時には、触覚を指先に提示できていることを確認した。

（実施例２）
本実施例においては、図４に示すように検出用信号印加部１０３として、定電流源２０２を備えたものを用いる。なお、この定電流源２０２の回路構成としては、オペアンプで構成される電圧電流変換回路に、トランジスタで構成するプッシュプルエミッタフォロワ回路、カレントミラー回路で構成した定電流回路を用いたものである。

また、接触位置検出用信号４０１として、０．１ｍＡの定電流信号を用い、接触位置における触覚提示信号４０２として周波数１ｋＨｚ、デューティー比２０％のパルス信号を用いる。また、このパルス信号の信号極性は陽極であり、信号強度は、使用者の受ける触覚の感覚に既定されるが、およそ０．３〜１．０ｍＡのものを主に扱う。ただし、これらのパラメータに限定されるものではない。また、触覚を提示させる必要のない場所については、接触位置検出用信号４０１だけを接触部１０１の電極アレイ１０６の各電極１０６ａに印加するものとする。

位置検出部１０２は、スイッチ回路３０１と抵抗素子３０２で構成する。ここで、スイッチ回路３０１は、ＦＥＴなどのスイッチ素子で構成され、電極アレイ１０６の各電極１０６ａに、それぞれ接続されるものであり、抵抗素子３０２は、同図に示すようにスイッチ回路３０１の片端に接続されるものである。なお、この抵抗３０２としては抵抗値が５ＭΩのものを使用するが、この抵抗値については、これに限定されるものではない。

ここで、本実施例において、制御部１０５は、スイッチ回路３０１の各スイッチＳＷを順次オンさせて接触位置検出用信号を印加する電極１０６ａ（領域）を順次選択し、使用者の皮膚表面の抵抗による検出用信号の変化を順次検出するようにしている。そして、このように使用者の皮膚表面の抵抗による検出用信号の変化を順次検出し、この検出用信号の変化に基づいて使用者が接触した位置を検出するようにしている。

接触部１０１の電極アレイ１０６としては、４０×４０の透明電極により構成されるものを用いると共に、各電極１０６ａは径が０．６ｍｍの円形形状とし、各電極間の距離は１ｍｍとする。ただし、これらのパラメータに限定されるのもではない。

そして、このような構成の接触位置検出装置において、モニタ部１０４を用いて電極１０６ａからスイッチ回路３０１の各スイッチＳＷ及び抵抗素子３０２に流れる電流量を検出するようにすれば、指の接触位置を検出することが可能になる。

ここで、以上のような構成を有する接触位置検出装置の動作を確認するため、本実施例では、接触部１０１を表示装置の液晶パネル上に配し、この接触部１０１を介して液晶パネル上に表示したボタンにアクセスする実験を行った。このとき、ボタンが表示されている個所については、触覚提示用のパルス信号を印加するようにした。

なお、この接触位置検出装置は、接触位置検出時間４０４中に指の接触位置を検出し、触覚提示時間４０３中に接触点に触覚を提示するよう動作するものである。

そして、動作検証の結果、任意の位置での指との接触点の位置座標を検出できていることを確認した。また、ボタン上に指をアクセスした時には、触覚を指先に提示できていることを確認した。

本発明の実施の形態に係る接触位置検出装置の構成を示すブロック図。 上記接触位置検出装置に設けられた検出用信号印加部における印加信号の例を説明する図。 上記接触位置検出装置の実施例１に係る構成を示すブロック図。 上記接触位置検出装置の実施例２に係る構成を示すブロック図。

符号の説明

１０１ 接触部
１０２ 位置検出部
１０３ 検出用信号印加部
１０４ モニタ部
１０５ 制御部
１０６ 電極アレイ
１０６ａ 電極
１１０ 位置検知手段
２０２ 定電流源
２０３ 抵抗アレイ
３０１ スイッチ回路
４０１ 接触位置検出用信号
４０２ 触覚提示信号

Claims (16)

1. 使用者が接触する接触部を備え、前記使用者が接触した接触部の位置を検出する接触位置検出装置において、
   前記使用者が接触した位置を検出するための検出用信号を前記接触部に印加する検出用信号印加手段と、
   前記使用者が接触した位置における前記検出用信号の変化に基づき前記使用者が接触した接触部の位置を検出する位置検出手段と、
   を備えたことを特徴とする接触位置検出装置。
2. 前記接触部は、前記使用者の皮膚表面に接触し、前記検出用信号を印加する複数の領域を有することを特徴とする請求項１記載の接触位置検出装置。
3. 前記接触部の前記複数の領域を複数の電極で構成することを特徴とする請求項２記載の接触位置検出装置。
4. 前記位置検出手段は、前記使用者の皮膚表面の抵抗による前記検出用信号の変化に基づいて前記使用者が接触した位置を検出することを特徴とする請求項２又は３記載の接触位置検出装置。
5. 前記位置検出手段は、前記検出用信号の大きさに応じた信号を出力する位置検出部と前記位置検出部の出力をモニタし、該位置検出部の出力の変化に基づいて接触位置を検出するモニタ部とを備えると共に、前記位置検出部を抵抗素子で構成することを特徴とする請求項４記載の接触位置検出装置。
6. 前記位置検出手段は、前記使用者の皮膚表面の抵抗による前記検出用信号の変化を順次検出するよう前記検出用信号を印加する領域を順次選択し、前記検出用信号の変化に基づいて前記使用者が接触した位置を検出することを特徴とする請求項２又は３記載の接触位置検出装置。
7. 前記位置検出手段は、前記検出用信号の大きさに応じた信号を出力する位置検出部と前記位置検出部の出力をモニタし、該位置検出部の出力の変化に基づいて接触位置を検出するモニタ部とを備えると共に、前記位置検出部を抵抗素子と、スイッチ回路で構成することを特徴とする請求項６記載の接触位置検出装置。
8. 前記検出用信号は電流信号であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の接触位置検出装置。
9. 前記位置検出手段が検出する検出用信号の変化は、電圧信号の変化であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の接触位置検出装置。
10. 前記位置検出手段により検出された前記接触部の接触位置に、使用者に触覚を提示させる電気刺激信号を、前記検出用信号印加手段を用いて印加することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の接触位置検出装置。
11. 前記電気刺激信号は電流信号であることを特徴とする請求項１０記載の接触位置検出装置。
12. 前記電気刺激信号又は前記検出用信号を選択的に出力するよう前記検出用信号印加手段を制御する制御部を備え、前記制御部は前記位置検出手段により検出された前記接触部の接触位置に前記電気刺激信号を印加するよう前記検出用信号印加手段を制御することを特徴とする請求項１０又は１１記載の接触位置検出装置。
13. 前記制御部は、前記検出用信号及び前記電気刺激信号の信号形状を制御することを特徴とする請求項１２記載の接触位置検出装置。
14. 前記検出用信号印加手段は、定電流源を備えていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の接触位置検出装置。
15. 前記皮膚表面は指先の皮膚表面であることを特徴する請求項２乃至１４のいずれか１項に記載の接触位置検出装置。
16. 前記請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の接触位置検出装置を備えたことを特徴とする表示装置。
    

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