JP2019002813A - 圧力検出装置及び情報入力装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧力検出装置は、感圧センサ13と、圧力算出部61とを有している。感圧センサ13は、上部基材31と、下部基材33と、平面中心に対して対称の位置にある一対の感圧部41〜42を有しており上部基材31及び下部基材33の少なくとも一方の面に形成されている感圧層35と、押圧力が作用する位置に配置された第1弾性体71及び第2弾性体73と、感圧層35を間に挟んで配置された第1電極37及び第2電極39とを有する。圧力算出部61は、感圧センサ13によって感圧部41〜42ごとの圧力変化を検出するステップと、一対の感圧部41〜42の一方の圧力変化に一対の感圧部41〜42の他方の圧力変化の符号を反転したものを合算することで出力を増幅させるステップと、を実行する。
【選択図】図4
Description
特許文献1に記載のタッチ入力装置1000(第2実施形態、図4)は、タッチセンサパネル100と、ディスプレイモジュール300と、圧力検出モジュール400とを有している。
しかし、近年におけるスマートフォンなどの携帯端末における情報入力装置の表示装置の周縁部の幅は狭い。そのため、表示装置の縁部に圧力検出部を設けるのが困難である。一方、表示装置の中央部に表示部と重ねて圧力検出部を設けることも考えられる。しかし、圧力検出部が表示装置に対して部分的に対応している場合、表示装置の一部に圧力検出部から圧力が加わり、その結果、プーリングと呼ばれる映像の歪みが生じてしまう。
また、表示装置の表示部と重ねて圧力検出部を設ける場合、感圧センサの初期荷重は、表示装置と筐体とを接着するまでは発生しない。つまり、表示装置の組立前には、感圧センサの圧力検出性能を正確に把握できない。
感圧センサは、第1絶縁層と、第1絶縁層に対向して配置された第2絶縁層と、平面中心に対して対称の位置にある一対の感圧部を有しており第1絶縁層と第2絶縁層の少なくとも一方の面に形成されているセンサ部材と、押圧力が作用する位置に配置された弾性部材と、センサ部材を間に挟んで配置されたドライブ電極及びセンス電極と、を有している。
圧力検出制御部は、感圧センサによって感圧部ごとの圧力変化を検出するステップと、一対の感圧部の一方の圧力変化に一対の感圧部の他方の圧力変化の符号を反転したものを合算することで出力を増幅させるステップと、を実行する。
この圧力検出装置では、出力が高くなりつまり感度が向上する。
この圧力検出装置では、出力が高くなりつまり感度が向上する。
一対の感圧部は感圧センサの二辺に対応して設けられていてもよい。
この圧力検出装置では、出力が高くなりつまり感度が向上する。
センサ部材は、感圧センサに作用する押圧力が変化すると抵抗が変化してもよい。
タッチパネルは、タッチ座標を検出する。
支持板は、表示装置との間に光学フィルム群と感圧センサを挟むように配置されている。
支持体は、表示装置と支持板を連結して光学フィルム群と感圧センサを表示装置と板金との間に閉じ込めることで、センサ構造を構成する。
この装置では、情報入力装置の組立が完成する前に、センサ構造の初期荷重を設定できる。したがって、センサ構造の製造が容易になる。
圧力検出制御部は、一対の感圧部のうちタッチ座標から遠い方の感圧部が検出した圧力変化の符号を反転したものを、一対の感圧部のうちタッチ座標に近い方の感圧部が検出した圧力変化に合算することで出力を増幅させてもよい。
この情報入力装置では、出力が高くなりつまり感度が向上する。
側部の開口側の縁部は、センサ構造を支持していてもよい。
凹部は、センサ構造を収容していてもよい。
底部と支持板との間には隙間が確保されていてもよい。
この装置では、表示装置に押圧力が作用すると、表示装置と支持板との間で感圧センサが圧縮される。これにより、押圧力が検出される。また、このとき支持板は、押圧力に応じて底部との間で弾性変形する。
この装置では、装置を完成する前に、センサ構造において筐体への取付け前に初期荷重を設定できる。したがって、センサ構造の製造が容易になる。
支持板は、表示装置との間に光学フィルム群と感圧センサを挟むように配置されている。
支持体は、表示装置と支持板を連結して光学フィルム群と感圧センサを閉じ込めることで、センサ構造を構成する。
筐体は、凹部を形成する底部及び側部を有する。
側部の開口側の縁面は、センサ構造を支持している。
凹部は、センサ構造を収容している。
底部と支持板との間には隙間が確保されている。
この装置では、表示装置に押圧力が作用すると、表示装置と支持板との間で感圧センサが圧縮される。これにより、押圧力が検出される。また、このとき支持板は、押圧力に応じて底部との間で弾性変形する。
この装置では、装置を完成する前に、センサ構造において筐体への取付け前に初期荷重を設定できる。したがって、センサ構造の製造が容易になる。
(1)情報入力装置の概略構成
図1及を用いて、情報入力装置1を説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る情報入力装置の模式的断面図である。
情報入力装置1は、操作者からの接触動作によって情報を入力可能な装置である。情報入力装置1は、表示装置の機能と入力装置の機能とを有する表示一体型入力装置であり、例えば、スマートフォン、タブレット型コンピュータ、スマートウォッチ等の電子機器である。
情報入力装置1は、表示装置11を有している。表示装置11は、タッチパネル9の下面に接着剤(OCA)によって固定されている。表示装置11は、液晶パネル、有機ELパネル、又はその他である。
情報入力装置1は、光学フィルム群15を有している。光学フィルム群15は表示装置11の下面に設けられている。
情報入力装置1は、感圧センサ13をタッチパネル9及び表示装置11に固定するための構造として、板金21(支持板の一例)と、支持体23とを有している。板金21は、感圧センサ13の下面に配置されている。板金21とハウジング5の凹部5aの底部5bとの間には、隙間24が確保されている。支持体23は、上下方向に延びて、板金21の外周縁と表示装置11の外周縁とを固定する部材である。
以上に述べたように支持体23によって光学フィルム群15、反射板17及び感圧センサ13をタッチパネル9及び表示装置11と板金21との間に、挟み込んだセンサ構造25が実現されている。センサ構造25は、タッチパネル9及びカバー部材7を介して、ハウジング5の側部5cの開口側の縁部5dによって支持されている。また、センサ構造25は、凹部5aに収容されている。
上記の情報入力装置1では、カバー部材7が押圧されて表示装置11に押圧力が作用すると、タッチパネル9及び表示装置11から荷重を受けることで表示装置11と板金21との間で感圧センサ13が圧縮される。これにより、押圧力が検出される。また、このとき板金21は、押圧力に応じて底部5bとの間で弾性変形する。具体的には、板金21は、全体が押圧方向に変形し、そのため周縁部から内側に入った部分の圧縮量が大きくなる。さらに、板金21は、押圧点に対応する部分が部分的に押圧方向に突出する。
図2〜図5を用いて、感圧センサ13を説明する。図2は、抵抗変化型感圧センサの模式的断面図である。図3は、抵抗変化型感圧センサの詳細断面図である。図4は、抵抗変化型感圧センサの模式的平面図である。図5は、抵抗変化型感圧センサの感圧部の配置を示す図である。
感圧センサ13は、表示装置11に対して概ね同じ面積で全面的に形成されている。したがって、押圧時に表示装置11の表示状態に不具合が生じにくい。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、第1電極37と第2電極39が形成されている。第1電極37はドライブ電極であり、第2電極39はセンス電極である。第1電極37と第2電極39は、交互に配置された一対のの櫛歯の組み合わせを複数を有している。感圧層35は、各対の櫛歯に対応して複数形成されており、感圧層35と第1電極37及び第2電極39の組み合わせを以下では感圧部という。
感圧層35と第1電極37及び第2電極39は隙間を空けて又は互いに当接して配置されている。両者はドットスペーサによって隙間が確保されていてもよい(以下も同様である)。
各感圧部の第1電極に対しては、共通の1本のドライブ配線37aが接続されている。また、各感圧部の第2電極部に対して、個別のセンス配線が接続されている。つまり、本実施形態では合計4本のセンス配線39aが設けられている。
感圧センサ13の短辺の長さ(幅)をWとすると、第3感圧部43と第4感圧部44の短手方向の辺の中心が縁からW/6〜2W/6の範囲にあり、第3感圧部43と第4感圧部44の短手方向の幅が2W/6以下であることが好ましい。
また、感圧センサ13の長辺の長さ(高さ)をHとすると、第1感圧部41と第2感圧部42の長手方向の辺の中心が縁からH/6〜2H/6の範囲にあり、第1感圧部41と第2感圧部42の長手方向の幅が2H/6以下であることが好ましい。
上記2つの条件は両方とも満たされていれば最も好ましいが、いずれ一方が満たされているだけでもよい。
なお、第1弾性体71と第2弾性体73との一方は省略されてもよい。
第1電極37及び第2電極39は、例えば銀ペースト又は銅ペーストであるが、特に限定されない。ただし、第1電極37及び第2電極39は、熱硬化型の導電ペーストからなることが好ましい。なお、電極材料は、金属箔、スパッタ膜、蒸着膜、ラミネート膜などをペースト以外のものであってもよい。
カバー部材7が操作者によって押されると、カバー部材7、タッチパネル9及び表示装置11が撓んで変形する。具体的には、タッチパネル9及び表示装置11が押圧ポイントを中心に底部5bに対して突出するように変形する。その結果、感圧センサ13において上部基材31及び下部基材33が互いに接近するように押されることになり、その結果、感圧層35が櫛歯状の電極部に接触する面積が増大し、それにより一対の電極の間のセンサ抵抗が減少する。このように感圧センサ13に作用する押圧力が変化すると、抵抗が変化する。
図6を用いて、情報入力装置1の制御構成を説明する。図6は、情報入力装置の制御ブロック図である。
情報入力装置1は、制御部51を有している。
具体的には、制御部51は、タッチパネル検出部55及び感圧センサ検出部57(後述)からの入力信号に基づいて、情報入力装置1の各種制御を実行するための装置である。例えば、制御部51は、人の手によるタッチ操作が実行されると、それに基づいて情報処理を行い、さらに表示装置11に各種画像データを表示させる。
制御部51の各要素の機能は、一部又は全てが、制御部51を構成するコンピュータシステムにて実行可能なプログラムとして実現されてもよい。その他、制御部51の各要素の機能の一部は、カスタムICにより構成されていてもよい。
情報入力装置1は、感圧センサ検出部57を有している。感圧センサ検出部57は、は、AD変換部(図示せず)を有しており、感圧センサ13からの信号を検出する。AD変換部は、A/D変換により所定のサンプル周期でアナログの出力信号をデジタルの出力値に変換する。
制御部51は、位置算出部60を有している。位置算出部60は、タッチパネル検出部55からの信号に基づいて、タッチされた位置を判定する。
制御部51は、圧力算出部61(圧力検出制御部の一例)を有している。圧力算出部61は、感圧センサ検出部57からの信号に基づいて、押圧力を算出する。具体的には、圧力算出部61は、感圧センサ13によって感圧部41〜44ごとの圧力変化を検出するステップと、対称位置にある一対の感圧部の一方の圧力変化に一対の感圧部の他方の圧力変化の符号を反転したものを合算することで出力を増幅させるステップと、を実行することができる。これにより、情報入力装置1では、出力が高くなりつまり感度が向上する。
図7を用いて、圧力算出部61による圧力算出制御動作を説明する。図7は、情報入力装置の制御動作を示すフローチャートである。
以下に説明する制御フローチャートは例示であって、各ステップは必要に応じて省略及び入れ替え可能である。また、複数のステップが同時に実行されたり、一部又は全てが重なって実行されたりしてもよい。
さらに、制御フローチャートの各ブロックは、単一の制御動作とは限らず、複数のブロックで表現される複数の制御動作に置き換えることができる。
ステップS1では、制御部51において、圧力算出部61が各感圧部41〜43の圧力値F0を記憶しながら、タッチパネル9によるタッチ検出が行われるのを待つ。
具体的には、ステップS2では、圧力算出部61は、位置算出部60によって得られたタッチ座標Pを記憶し、次に、各感圧部41〜43の圧力値F1を測定する。なお、抵抗変化型の場合(本第1実施形態)は、圧力値とは抵抗値のことを意味する。そして、容量変化型の場合(後述する第2実施形態)は、圧力値とは静電容量値のことを意味する。
さらに具体的には、上記の検出動作では、圧力算出部61は第1感圧部41に1本のドライブ配線37aを通じてドライブ信号を供給して、4本のセンス配線39aを通じて電気信号を受け取っている。
ステップS4では、圧力算出部61は、二対の合算値同士をさらに合算してその結果を出力する。これに基づいて、押圧力が判定される。
従来図1の構造とした場合、押圧に対してカバー部材7だけでなく板金21も同じ方向に歪むため、感圧センサ13が圧縮されず感度が不足する問題がある。そこで、本実施形態では、感圧部の位置を図4のように配置してさらに出力を反転して増幅することで、図1構造の場合でも感度を向上させている。
第1実施形態では第1電極及び第2電極は下部基材に設けられ、感圧層は上部基材に設けられていた。しかし、これらの配置関係は特に限定されない。
図8を用いて、そのような変形例を説明する。図8は、第1変形例における抵抗変化型感圧センサの模式的断面図である。
上部基材31には、下部基材33と対向する面に、第1電極37Aと第2電極39Aが形成されている。第1電極37Aはドライブ電極であり、第2電極39Bはセンス電極である。これらの構造及び機能はは第1実施形態と同じである。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、感圧層35A(センサ部材の一例)が形成されている。これの構造及び機能は第1実施形態と同じである。
第1実施形態では抵抗変化型感圧センサにおいて2種類の電極は同一の基材に設けられていたが、電極の配置構造は限定されない。例えば、2種類の電極は対向する基材にそれぞれ設けられていてもよい。
図9〜図11を用いて、そのような変形例を説明する。図9は、第2変形例における抵抗変化型感圧センサの模式的断面図である。図10は、第2変形例における抵抗型感圧センサの詳細断面図である。図11は、第2変形例の抵抗変化型感圧センサの模式的平面図である。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、第2電極39Bが形成されている。第2電極39Bは例えばセンス電極である。第1電極37Bと第2電極39Bは、平面視で一定の広がりを有する形状である。上部基材31には、さらに、第2電極39Bを覆うように感圧層35B’(センサ部材の一例)が形成されている。
感圧センサ13Bは、図9に示すように、第1弾性体71と第2弾性体73とをさらに有している。第1弾性体71は上部基材31の上面に配置されている。第2弾性体73は下部基材33の下面に配置されている。なお、第1弾性体71と第2弾性体73との一方は省略されてもよい。
第2変形例では2種類の電極の両方が感圧層に覆われていたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。例えば、感圧層は一方の電極のみを覆っていてもよい。
図12を用いて、そのような変形例を説明する。図12は、第3変形例における抵抗変化型感圧センサの模式的断面図である。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、第2電極39Cが形成されている。第2電極39Cは例えばセンス電極である。第1電極37Cと第2電極39Cは、平面視で一定の広がりを有する形状であり、具体的には矩形である。第2電極39Cには感圧層が形成されておらず、つまり第2電極39Cは露出している。
第2変形例では2種類の電極の両方が感圧層に覆われていたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。例えば、感圧層は一方の電極のみを覆っていてもよい。
図13を用いて、そのような変形例を説明する。図13は、第4変形例における抵抗変化型感圧センサの模式的断面図である。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、第2電極39Dが形成されている。第2電極39Dは例えばセンス電極である。第1電極37Dと第2電極39Dは、平面視で一定の広がりを有する形状である。上部基材31には、さらに、第2電極39Dを覆うように感圧層35D(センサ部材の一例)が形成されている。
第1実施形態では感圧センサとして抵抗変化型を説明したが、本発明はそのような実施形態に限定されない。感圧センサとしては例えば容量変化型であってもよい。
図14〜図16を用いて、そのような実施形態を説明する。図14は、第2実施形態の情報入力装置の容量変化型感圧センサの模式的断面図である。図15は、容量変化型感圧センサの詳細断面図である。図16は、容量変化型感圧センサの模式的平面図である。
上部基材31には、下部基材33と対向する面に、第1電極37Eが形成されている。第1電極37Eは例えばドライブ電極である。
第1電極37Eと第2電極39Eは、平面視で一定の広がりを有する形状であり、具体的には矩形である。
第2実施形態では各電極は基材の対向面に形成されていたが、本発明はそのような実施形態に限定されず、電極は基材の対向面と反対側面に形成されていてもよい。
図17を用いて、そのような変形例を説明する。図17は、第1変形例における容量変化型感圧センサの模式的平面図である。
上部基材31には、下部基材33と反対側の面に、第1電極37Fが形成されている。第1電極37Fは例えばドライブ電極である。
下部基材33には、上部基材31と対向する面に、第2電極39Fが形成されている。第2電極39Fは例えばセンス電極である。
図18を用いて、第1変形例と同様の変形例を説明する。図18は、第2変形例における容量変化型感圧センサの模式的平面図である。
感圧センサ13Gは、図18に示すように、上部基材31(第1絶縁層の一例)と、下部基材33(第2絶縁層の一例)と、その間に配置された誘電体38とを有している。誘電体38は、弾性変形可能な材料からなる。
下部基材33には、上部基材31と反対側の面に、第2電極39Gが形成されている。第2電極39Gは例えばセンス電極である。
図19を用いて、第1変形例と同様の変形例を説明する。図19は、第3変形例における容量変化型感圧センサの模式的平面図である。
感圧センサ13Hは、容量変化型感圧センサである。感圧センサ13Hは、図19に示すように、上部基材31(第1絶縁層の一例)と、下部基材33(第2絶縁層の一例)と、その間に配置された誘電体38とを有している。誘電体38は、弾性変形可能な材料からなる。
下部基材33には、上部基材31と反対側の面に、第2電極39Hが形成されている。第2電極39Hは例えばセンス電極である。
第2実施形態では容量変化型感圧センサにおいて2種類の電極が設けられていたが、電極の配置構造は限定されない。例えば、3種類の電極が設けられていてもよい。
図20及び図21を用いて、そのような実施形態を説明する。図20及び図21は、第4変形例における容量変化型感圧センサの模式的平面図である。
上部基材31には、下部基材33と対向する面に、第3電極40Iが形成されている。第3電極40Iは例えば共通電極である。
第1電極37Iと第2電極39Iは、交互に配置された一対のの櫛歯の組み合わせを複数を有している。第3電極40Iは、各対の櫛歯に対応して複数形成されており、第1電極37I及び第2電極39Iと第3電極40Iとの組み合わせによって、感圧部が構成されている。
第1実施形態及び第2実施形態では、タッチパネルと表示装置が別体で設けられていたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。例えば、タッチパネルと表示装置が一体に形成されていてもよい。
図22を用いて、そのような実施形態を説明する。図22は、第3実施形態に係る情報入力装置の模式的断面図である。
図22では、表示装置一体型タッチパネル63がカバー部材7の下面に設けられている。表示装置とタッチパネルの一体化は、インセル、オンセル、又はその他の方式である。
第1〜第3実施形態では、センサ構造25とハウジング5の底部5bとの間には隙間が確保されていたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。例えば、センサ構造が筐体の底部に当接して支持される構造であってもよい。
図23を用いて、そのような実施形態を説明する。図23は、第4実施形態に係る情報入力装置の模式的断面図である。
図23では、感圧センサ13Jは、反射板17Jの下側に設けられている。つまり、感圧センサ13Jは、反射板17Jとハウジング5の底部5bとの間に挟まれて配置されている。
この実施形態でも、第1実施形態と同じ効果が得られる。
第1〜第3実施形態では、感圧部は矩形の基材の各辺に対応して1つずつ設けられていたが、本発明はそのような実施形態に限定されない。例えば、感圧部は矩形の各辺に対応して複数設けられていてもよい。
図24〜図26を用いて、そのような実施形態を説明する。図24〜図26は、感圧センサの感圧部の配置変形例を示す平面図である。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
感圧センサは、抵抗変化型感圧センサ、容量変化型感圧センサに限定されない。
感圧部の平面形状は、矩形に限定されない。感圧部の平面形状は、正方形、直線形、曲線形、直線同士の組み合わせであってもよい。また、感圧部の平面形状は基材の辺に沿った形状であってもよい。
5 :ハウジング
5a :凹部
5b :底部
5c :側部
5d :縁部
7 :カバー部材
9 :タッチパネル
11 :表示装置
13 :感圧センサ
15 :光学フィルム群
17 :反射板
19 :感圧センサ
21 :板金
23 :支持体
24 :隙間
25 :センサ構造
41 :第1感圧部
42 :第2感圧部
43 :第3感圧部
44 :第4感圧部
51 :制御部
55 :タッチパネル検出部
57 :感圧センサ検出部
59 :表示制御部
60 :位置算出部
61 :圧力算出部
Claims (9)
- 第1絶縁層と、前記第1絶縁層に対向して配置された第2絶縁層と、平面中心に対して対称の位置にある一対の感圧部を有しており前記第1絶縁層と前記第2絶縁層の少なくとも一方の面に形成されているセンサ部材と、押圧力が作用する位置に配置された弾性部材と、前記センサ部材を間に挟んで配置されたドライブ電極及びセンス電極とを有する感圧センサと、
前記感圧センサによって前記感圧部ごとの圧力変化を検出するステップと、前記一対の感圧部の一方の圧力変化に前記一対の感圧部の他方の圧力変化の符号を反転したものを合算することで出力を増幅させるステップと、を実行する圧力検出制御部と、
を備えている、圧力検出装置。 - 前記一対の感圧部は同じ面積及び同じ形状を有している、請求項1に記載の圧力検出装置。
- 前記感圧センサは、矩形平面を有しており、
前記一対の感圧部は前記感圧センサの二辺に対応して設けられている、請求項1又は2に記載の圧力検出装置。 - 前記センサ部材は、前記感圧センサに作用する押圧力が変化すると抵抗が変化する、請求項1〜3のいずれかに記載の圧力検出装置。
- 前記センサ部材は、前記弾性部材であり、前記感圧センサに作用する押圧力が変化すると静電容量が変化する、請求項1〜3のいずれかに記載の圧力検出装置。
- タッチ座標を検出するタッチパネルと、
表示装置と、
光学フィルム群と、
請求項1〜5のいずれかに記載の圧力検出装置と、
前記表示装置との間に前記光学フィルム群と前記感圧センサを挟むように配置された支持板と、
前記表示装置と前記支持板を連結して前記光学フィルム群と前記感圧センサを前記表示装置と前記支持板との間に閉じ込めることで、センサ構造を構成する支持体と、
を備えた情報入力装置。 - 前記圧力検出制御部は、前記一対の感圧部のうちタッチ座標から遠い方の感圧部が検出した圧力変化の符号を反転したものを、前記一対の感圧部のうちタッチ座標に近い方の感圧部が検出した圧力変化に合算することで出力を増幅させる、請求項6に記載の情報入力装置。
- 開口を有する凹部を形成する底部及び側部を有する筐体をさらに備え、
前記側部の前記開口側の縁部は、前記センサ構造を支持しており、
前記凹部は、前記センサ構造を収容しており、
前記底部と前記支持板との間には隙間が確保されている、請求項6又は7に記載の情報入力装置。 - タッチパネルと、
表示装置と、
光学フィルム群と、
感圧センサと、
前記表示装置との間に前記光学フィルム群と前記感圧センサを挟むように配置された支持板と、
前記表示装置と前記支持板を連結して前記光学フィルム群と前記感圧センサを閉じ込めることで、センサ構造を構成する支持体と、
凹部を形成する底部及び側部を有する筐体と、を備え、
前記側部の前記開口側の縁面は、前記センサ構造を支持しており、
前記凹部は、前記センサ構造を収容しており、
前記底部と前記支持板との間には隙間が確保されている、情報入力装置。
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