JP2015075892A

JP2015075892A - タッチ入力装置およびセンサー装置

Info

Publication number: JP2015075892A
Application number: JP2013211259A
Authority: JP
Inventors: 崇金村; Takashi Kanemura; 哲浩小谷; Tetsuhiro Kotani; 明天高; Meiten Ko; 恵吏向井; Eri Mukai
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-20

Abstract

【課題】操作性の高いタッチ入力装置を提供する。【解決手段】タッチ入力装置１は、圧電体を有するタッチパネル２と、前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の前記タッチパネルへの接触有無を検出する接触検出部５を有する信号処理部３と、を備える。前記圧電体は、焦電性を有しており、信号処理部３は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部６をさらに有する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体を有するタッチパネルに関する。

近年、スマートフォン、タブレットＰＣ、及びカーナビゲーションシステムのように、液晶ディスプレイ等の表示装置の前面に、タッチパネルを有する入力装置を配置した電子機器が普及している。スマートフォン及びタブレットＰＣでは、タップ、フリップ、ピンチ及びドラッグ等の操作を軽快に行える（すなわち、操作の快適性の高い）静電容量方式のタッチパネルが多く採用されている。一方、カーナビゲーションシステムでは、誤操作が起こりにくい（すなわち、操作の確実性の高い）抵抗膜方式のタッチパネルが多く採用されている。

ここで、もし、ユーザーがタッチした“位置”（本明細書中、タッチ位置と称する場合がある）及びその“強さ”（言い換えれば、押圧の有無、強さ、速度又はこれらの組み合わせ）（本明細書中、タッチ圧と称する場合がある）の両方を検出できるタッチパネルが実用化されれば、前述の操作の快適性と確実性との両立等、多くの利点が考えられる。

そこで、圧電体を有するタッチパネルが提案されている（例えば、特許文献１）。圧電体を押圧すると、圧電体は、押圧時のひずみの時間的変位に応じた電圧を発生する。この性質を利用して、特許文献１に係る技術では、圧電体を用いることにより、タッチ位置（ＸＹ軸）だけでなく、タッチ圧（Ｚ軸）も検出可能としている。

特開２００６−１６３６１９号公報

一般に、タッチパネルは反応速度が遅い（応答時間が長い）ため、キーボードに比べ操作性が悪いという問題がある。従って、本発明は、操作性の高いタッチ入力装置の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、
圧電体を有するタッチパネルと、
前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の前記タッチパネルへの接触有無を検出する接触検出部を有する信号処理部と、
を備えたタッチ入力装置であって、
前記圧電体は、焦電性を有しており、
前記信号処理部は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部をさらに有する、タッチ入力装置
によって、前記課題が解決出来ることを見出した。

本発明は、次の態様を含む。
［項１］
圧電体を有するタッチパネルと、
前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の前記タッチパネルへの接触有無を検出する接触検出部を有する信号処理部と、
を備えたタッチ入力装置であって、
前記圧電体は、焦電性を有しており、
前記信号処理部は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部をさらに有する、タッチ入力装置。
［項２］
前記圧電体は有機圧電フィルムである、前記項１に記載のタッチ入力装置。
［項３］
前記有機圧電フィルムはフッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムである、前記項２に記載のタッチ入力装置。
［項４］
前記フッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムはフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルムである、前記項３に記載のタッチ入力装置。
［項５］
圧電体と、
前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の接触有無を検出する接触検出部を有する信号処理部と、
を備えたセンサー装置であって、
前記圧電体は、焦電性を有しており、
前記信号処理部は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部をさらに有する、センサー装置。
［項６］
前記圧電体は有機圧電フィルムである、前記項５に記載のセンサー装置。
［項７］
前記有機圧電フィルムはフッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムである、前記項６に記載のセンサー装置。
［項８］
前記フッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムはフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルムである、前記項７に記載のセンサー装置。

本発明によれば、操作性の高いタッチ入力装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るタッチ入力装置の構成を示すブロック図である。タッチパネルの断面図である。指が接近した状態におけるタッチパネルの断面図である。指が接触した状態におけるタッチパネルの断面図である。タッチ操作時の信号処理部への入力電圧の時間変化を示すグラフである。指の接近有無および接触有無の検出手順を示すフローチャートである。

本明細書中、用語「タッチ」は、触れること、触れられること、押すこと、押されること、及び接触すること、を包含する。

また、本明細書中、「接触」は、ヒトを包含する「物体」について、用語「タッチ」と同様に、触れること、触れられること、押すこと、押されること、及び接触すること、を包含する。なお、本明細書中、用語「物体」は、独立していない、ヒトの指等を包含する。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るタッチ入力装置１の構成を示すブロック図である。タッチ入力装置１は、タッチパネル２と、タッチパネル２の出力信号を処理する信号処理部３とを有しており、携帯電話（例、スマートフォン）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、タブレットＰＣ、デジタイザ、タッチパッド、ＡＴＭ、自動券売機、及びカーナビゲーションシステムなどの電子機器に組み込まれている。

タッチパネル２は、タッチ位置およびタッチ操作時のタッチ圧を検出可能に構成されており、Ｘ方向に配列されるｍ本の透明電極ＥＳ１〜ＥＳｍと、Ｙ方向に配列されるｎ本の透明電極ＥＣ１〜ＥＣｎとを有している。各透明電極ＥＳ１〜ＥＳｍ、ＥＣ１〜ＥＣｎの一端は、信号処理部３に接続されている。信号処理部３は、タッチパネル２におけるタッチ位置を検出する位置検出部４と、指などのタッチパネル２への接触有無を検出する接触検出部５と、指のタッチパネル２への接近（非接触の近接）を検出する接近検出部６とを備える。

図２は、タッチパネル２の透明電極ＥＣ１に沿った断面図である。図２に示すように、タッチパネル２は、フィルム状の焦電体２１を備えている。焦電体２１の一方面に透明電極ＥＳ１〜ＥＳｍが設けられ、焦電体２１の他方面に透明電極ＥＣ１〜ＥＣｎが設けられている。また、透明電極ＥＳ１〜ＥＳｍは保護膜２２によって覆われ、透明電極ＥＣ１〜ＥＣｎは保護膜２３によって覆われている。

焦電体２１は、透明又は不透明の圧電体であることができ、好ましくは、透明圧電体である。

焦電体２１は、無機圧電膜又は有機圧電フィルムであることができる。無機圧電膜の例としては、ＬｉＮｂＯ_３圧電膜、ＬｉＴａＯ_３圧電膜、ＫＮｂＯ_３圧電膜、ＺｎＯ圧電膜、ＡｌＮ圧電膜、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３系固溶体系材料）圧電膜等が挙げられる。有機圧電フィルムの例としては、例えば、奇数鎖ナイロン圧電フィルム、フッ化ビニリデン系重合体圧電フィルム（例、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、フッ化ビニリデン／トリフロオロエチレン共重合体フィルム、ポリフッ化ビニリデンフィルム）等が挙げられる。

前記「有機圧電フィルム」は、有機物である重合体から形成されるフィルム（重合体フィルム）である。当該「有機圧電フィルム」は、当該重合体以外の成分を含有してもよい。当該「有機圧電フィルム」は、当該重合体からなるフィルム、及び当該重合体中に無機物が分散されているフィルムを包含する。

本発明の圧電フィルムにおける当該重合体の含有量は、好ましくは、８０質量％以上、より好ましくは８５質量％以上、更に好ましくは９０質量％である。当該含有量の上限は特に制限されず、例えば、１００質量％であってもよいし、９９質量％であってもよい。

当該重合体は、好ましくは、フッ化ビニリデン系重合体である。

本発明の圧電フィルムは、好ましくは分極化フッ化ビニリデン系重合体フィルムからなる。

本明細書中、「フッ化ビニリデン系重合体フィルム」の例としては、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルム、フッ化ビニリデン／トリフロオロエチレン共重合体フィルム、及びポリフッ化ビニリデンフィルムが挙げられる。

前記フッ化ビニリデン系重合体フィルムは、好ましくはフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルムである。

当該「フッ化ビニリデン系重合体フィルム」は、樹脂フィルムに通常用いられる添加剤を含有してもよい。

当該「フッ化ビニリデン系重合体フィルム」は、フッ化ビニリデン系重合体から構成されるフィルムであり、フッ化ビニリデン系重合体を含有する。

当該「フッ化ビニリデン系重合体」の例としては、
（１）フッ化ビニリデンと、これと共重合可能な１種以上のモノマーと、の共重合体；及び
（２）ポリフッ化ビニリデン
が挙げられる
当該「（１）フッ化ビニリデンと、これと共重合可能な１種以上のモノマーと、の共重合体」における「これと共重合可能なモノマー」の例としては、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレン、及びフッ化ビニルが挙げられる。

当該「これと共重合可能な１種以上のモノマー」又はそのうちの１種は、好ましくはテトラフルオロエチレンである。

当該「フッ化ビニリデン系重合体」の好ましい例としては、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体が挙げられる。

当該「フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体」は、本発明に関する性質が著しく損なわれない限りにおいて、フッ化ビニリデン及びテトラフルオロエチレン以外のモノマーに由来する繰り返し単位を含有してもよい。

前記「（１）フッ化ビニリデンと、これと共重合可能な１種以上のモノマーと、の共重合体」は、フッ化ビニリデンに由来する繰り返し単位を５０モル％以上（好ましくは６０モル％以上）含有する。

前記「フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体」における（テトラフルオロエチレンに由来する繰り返し単位）／（フッ化ビニリデンに由来する繰り返し単位）のモル比は、好ましくは５／９５〜３６／６４の範囲内、より好ましくは１５／８５〜２５／７５の範囲内、更に好ましくは１８／８２〜２２／７８の範囲内である。

前記「フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体」は、本発明に関する性質が著しく損なわれない限りにおいて、フッ化ビニリデン及びテトラフルオロエチレン以外のモノマーに由来する繰り返し単位を含有してもよい。通常、このような繰り返し単位の含有率は、１０モル％以下である。このようなモノマーは、フッ化ビニリデンモノマー、テトラフルオロエチレンモノマーと共重合可能なものである限り限定されないが、その例としては、
（１）フルオロモノマー（例、ビニルフルオリド（ＶＦ）、トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）、ヘキサフルオロプロペン（ＨＦＰ）、１−クロロ−１−フルオロ−エチレン（１，１−ＣＦＥ）、１−クロロ−２−フルオロ−エチレン（１，２−ＣＦＥ）、１−クロロ−２，２−ジフルオロエチレン（ＣＤＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、トリフルオロビニルモノマー、１，１，２−トリフルオロブテン−４−ブロモ−１−ブテン、１，１，２−トリフルオロブテン−４−シラン−１−ブテン、ペルフルオロアルキルビニルエーテル、ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＰＭＶＥ）、ペルフルオロプロピルビニルエーテル（ＰＰＶＥ）、ペルフルオロアクリラート、２，２，２−トリフルオロエチルアクリラート、２−（ペルフルオロヘキシル）エチルアクリラート）；並びに
（２）炭化水素系モノマー（例、エチレン、プロピレン、無水マレイン酸、ビニルエーテル、ビニルエステル、アリルグリシジルエーテル、アクリル酸系モノマー、メタクリル酸系モノマー、酢酸ビニルが挙げられる。

本発明の有機圧電フィルムは、全光線透過率が９０％以上であることが好ましい。

本発明の有機圧電フィルムの全光線透過率は、より好ましくは９２％以上、更に好ましくは９５％以上である。当該全光線透過率の上限は限定されないが、本発明の有機圧電フィルムの全光線透過率は、通常９９％以下である。

本明細書中、「全光線透過率」は、ＡＳＴＭＤ１００３に基づき、ヘイズガードＩＩ（製品名）（東洋精機製作所）又はその同等品を使用した光透過性試験によって得られる。

本発明の有機圧電フィルムの全ヘイズ値は、３．０％以下であることが好ましい。

本発明の有機圧電フィルムの全ヘイズ値は、より好ましくは２．０％以下、更に好ましくは１．５％以下、特に好ましくは１．０％以下である。当該全ヘイズ値は低いほど好ましく、その下限は限定されないが、本発明の有機圧電フィルムの全ヘイズ値は、通常０．２％以上である。

本明細書中、「全ヘイズ値」（total haze）は、ＡＳＴＭＤ１００３に準拠し、ヘイズガードＩＩ（製品名）（東洋精機製作所）又はその同等品を使用したヘイズ（ＨＡＺＥ、濁度）試験によって得られる。

本発明の有機圧電フィルムの内部ヘイズ値は、１．２％以下であることが好ましい。

本発明の有機圧電フィルムの内部ヘイズ値は、より好ましくは１．０％以下、更に好ましくは０．９％以下、特に好ましくは０．８％以下である。当該内部ヘイズ値は低いほど好ましく、その下限は限定されないが、本発明の有機圧電フィルムの内部ヘイズ値は、通常０．１％以上である。

本明細書中、「内部ヘイズ値」（inner haze）は、前記全ヘイズ値の測定方法において、ガラス製セルの中に水を入れて、その中にフィルムを挿入し、ヘイズ値を測定することにより、得られる。

本発明の有機圧電フィルムの外部ヘイズ値は、好ましくは１．５％以下、より好ましくは１．２％以下、更に好ましくは１．０％以下である。当該外部ヘイズ値は低いほど好ましく、その下限は限定されないが、本発明の有機圧電フィルムの外部ヘイズ値は、通常０．１％以上である。

本明細書中、「外部ヘイズ値」（outer haze）は、フィルムの全ヘイズ値から内部へイズ値を差し引くことで算出される。

本発明の有機圧電フィルムの厚さは、通常３〜１００μｍの範囲内、好ましくは６〜５０μｍの範囲内、より好ましくは９〜４０μｍの範囲内、更に好ましくは１０〜３０μｍの範囲内である。

焦電体２１の厚さは、通常１〜２００μｍであり、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは１〜５０μｍである。透明性の観点では、当該厚さは、より薄いことが好ましく、圧電性が重視される場合は、より厚いほうが好ましい。これらのことに基づき、焦電体２１の厚さは、その用途等に応じて適宜設定できる。

透明電極ＥＳ１〜ＥＳｍおよび透明電極ＥＣ１〜ＥＣｎは、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）電極又は酸化スズ電極、その他金属酸化物系ナノ粒子電極、又は銀ナノワイヤー、カーボンナノチューブ、グラフェン、或いはＰＥＤＯＴ／ＰＳＳなどの有機導電膜であることができる。

図３に示すように、タッチパネル２に指などの放熱物体が接近したとき、焦電体２１の指に対向する位置（図３では、透明電極ＥＳ２・ＥＣ１の交点付近）の温度が上昇し、或いは指先からの赤外線を感知し、焦電効果による微弱な電圧が発生する。当該電圧は、透明電極ＥＳ２・ＥＣ１を介して信号処理部３に入力される。

続いて、図４に示すように、タッチパネル２に指が接触すると、焦電体２１にタッチ圧が加わり、圧電効果による電圧が発生する。当該電圧も、透明電極ＥＳ２・ＥＣ１を介して信号処理部３に入力される。

図１に示す位置検出部４は、電圧信号を入力した電極に基づいて、タッチパネル２における指の接近位置およびタッチ位置を検出することができる。また、圧電効果による電圧は、焦電体２１のひずみの時間的変位に対応する。これにより、図１に示す接触検出部５は、タッチパネル２への指の接触有無を検出するとともに、焦電体２１の変位量に基づき、タッチ圧を検出することができる。

また、焦電効果による電圧は、圧電効果による電圧よりも微弱である。図１に示す接近検出部６は、電圧の変化に基づいて、タッチパネル２への指の接近（非接触の近接）の有無を検出している。指の接近有無および接触有無の検出方法について、図５および図６に基づいて説明する。

図５は、タッチ操作時の信号処理部３への入力電圧（Ｖ）の時間変化を示すグラフであり、図６は、指の接近有無および接触有無の検出手順を示すフローチャートの一例である。なお、本発明は、このフローに限定されるものではない。

タッチパネル２の起動後（ステップＳ１）、指がタッチパネル２に接近し、焦電体２１の温度が上昇し始めると（時刻ｔ１）、焦電効果により入力電圧も上昇し始める。さらに、時刻ｔ２において、入力電圧が閾値Ｖｔｈ１以上になると（ステップＳ２においてＹＥＳ）、接近検出部６は、指が接近したと判定する（ステップＳ３）。なお、閾値Ｖｔｈ１は、焦電効果による最大電圧よりも低く設定される。

その後、時刻ｔ３において指がタッチパネル２に接触すると、圧電効果により入力電圧が急激に上昇する。時刻ｔ４において、入力電圧が閾値Ｖｔｈ２以上になると（ステップＳ４においてＹＥＳ）、接触検出部５は、指が接触したと判定する（ステップＳ５）。なお、閾値Ｖｔｈ２は、焦電効果による最大電圧よりも高く設定される。

続いて、時刻ｔ５において、指がタッチパネル２から離れると、入力電圧が０となる（ステップＳ６においてＹＥＳ）。これにより、接触検出部５は、指が離れたと判定する（ステップＳ７）。その後、焦電体２１の温度が低下するため、焦電体２１は、温度上昇時とは逆の極性の電圧（負電圧）を発生する。

以上のように、本実施形態では、焦電体２１が発生する電圧の変化に基づいて、タッチパネル２への接触だけでなく、タッチパネル２への接近も検出することができる。よって、例えば、ダブルクリック操作によってアイコンの起動を行う場合に、「指の接近の検出」＝「アイコンの選択」、「指の接触の検出」＝「アイコンの起動」のように、接触検出部５および接近検出部６の検出結果と操作内容とを対応付けることにより、ダブルクリック操作を１回の押圧によって行うことができる。よって、タッチ入力装置１の操作性を高めることができる。

なお、上述のフローのように焦電体２１が発生する電圧と閾値とを比較する代わりに、焦電体２１が発生する電圧の変化率（微分値の変化：すなわち図５のグラフの傾きの変化）に基づいて、タッチパネルへの接近および接触の有無を検出してもよい。

また、本発明におけるタッチパネルは、焦電体を有するものであれば、抵抗膜方式、静電容量方式等、あらゆる方式のタッチパネルを用いることができる。

また、上記の実施形態では、焦電体を用いたタッチパネルについて説明したが、本発明は、感圧センサー等のセンサー装置に適用することもできる。この場合、センサー本体に焦電体を設けることにより、感圧センサーへの押圧の有無や加圧量だけでなく、感圧センサーへの放熱物体の接近の有無も検出できる。すなわち、押圧を検出する感圧センサーの機能と、非接触の物体を検出する近接センサーの機能との両方を兼ね備えたセンサー装置を実現できる。

さらに、焦電体として、Ｐ（ＶＤＦ／ＴＦＥ）系の高透明性強誘電体フィルムを用いることで、非接触での指の近接センサーと高視認性の感圧センサーとの両立を実現することができる。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

厚さ３０μｍのフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルム（ＴＦＥ／ＶＤＦ＝２／８）を調製し、その両面に１枚ずつ、ＩＴＯ付きＰＥＴフィルム（ＩＴＯ／ＰＥＴ）を、そのマトリックス透明電極を圧電フィルム側に向けて、粘着剤で貼り付けて、タッチパネルを作成した。その上面から指を近づけ、更に押すことで焦電信号と圧電信号を得ることができた。

本発明は、タッチパネルを有するタッチ入力装置の他、感圧センサーなどのセンサー装置にも適用可能である。

１タッチ入力装置
２タッチパネル
３信号処理部
４位置検出部
５接触検出部
６接近検出部
２１焦電体
２２保護膜
２３保護膜

Claims

圧電体を有するタッチパネルと、
前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の前記タッチパネルへの接触有無を検出する接触検出部を有する信号処理部と、
を備えたタッチ入力装置であって、
前記圧電体は、焦電性を有しており、
前記信号処理部は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部をさらに有する、タッチ入力装置。
前記圧電体は有機圧電フィルムである、請求項１に記載のタッチ入力装置。
前記有機圧電フィルムはフッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムである、請求項２に記載のタッチ入力装置。
前記フッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムはフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルムである、請求項３に記載のタッチ入力装置。
圧電体と、
前記圧電体が圧電効果によって発生する電圧に基づいて、物体の接触有無を検出する接触検出部を有する信号処理部と、
を備えたセンサー装置であって、
前記圧電体は、焦電性を有しており、
前記信号処理部は、前記圧電体が焦電効果によって発生する電圧に基づいて、放熱物体の接近有無を検出する接近検出部をさらに有する、センサー装置。
前記圧電体は有機圧電フィルムである、請求項５に記載のセンサー装置。
前記有機圧電フィルムはフッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムである、請求項６に記載のセンサー装置。
前記フッ化ビニリデン系重合体圧電フィルムはフッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体フィルムである、請求項７に記載のセンサー装置。