JP2019194791A - 押圧力測定を備えたタッチパネル - Google Patents

Abstract

【課題】 静電センサと圧電センサを兼備し、位置検出と力測定を行うタッチパネルにおいて、静電センサの駆動ノイズを除去できる押圧検出機能付きタッチパネルを提供する。【解決手段】 本発明の押圧検出機能付きタッチパネル１は、静電センサ２と圧電センサ３とを備えたセンサ部１０と、前記静電センサ２に接続された容量検出回路４と、前記圧電センサ３に接続されたチャージアンプ５と、前記チャージアンプ５に接続され、前記容量検出回路４が非駆動のときには前記チャージアンプ５の出力を送出し、前記容量検出回路４が非駆動から駆動に変化するときには変化直前の前記チャージアンプ５の出力を保持して送出するサンプルアンドホールド回路６と、前記サンプルアンドホールド回路６に接続されたＡＤコンバータ８と、を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、静電センサと圧電センサを兼備したタッチパネルに関する。

従来、静電センサと圧電センサを兼備し、位置検出と力測定を行うタッチパネルが知られている。これら従来のタッチパネルは圧電センサの上面又は下面に静電センサが重ねられている。２種のセンサを単に重ね合わせただけでは、タッチパネルが厚くなり、透明性などの光学特性が変わり、製造コストも上がる。

そこで、特許文献１では、静電センサと圧電センサとで構成層を一部共用した押圧力測定を備えたタッチパネルが提案されている。
具体的には、圧電体の一方面上に第１方向に延在し、第１方向に直交する第２方向に並べられた複数の送信電極（Tｘ）と、他方面上に第２方向に延在し、第１方向に並べられた複数の受信電極（Rｘ）とからなる位置検出に使用する一対の静電センサ電極と、送信電極（Ｔｘ）どうしの間又は受信電極（Rｘ）どうしの間に各々平行に配置された力測定に使用する複数の圧電センサ電極(Sｘ)を設ける。すなわち、２層の電極層のみを形成するだけでよいので、薄型化と光学特性の維持と製造コストの低廉化に利点を有する。

特開２０１４−１８６７１１号公報

しかしながら、特許文献１のタッチパネルは、圧電センサ電極が同一層の静電センサ電極に近接したり、圧電センサ電極が別層で直交する静電センサ電極と重なったりしているため、静電センサの駆動時に静電センサ電極に印加される信号に応じて圧電センサ電極がノイズ（以下、駆動ノイズという）を検出してしまう。また、従来の静電センサと圧電センサを積層したタッチパネルでも、圧電センサ電極が同様に駆動ノイズを検出してしまうことがあった。よって、これらのタッチパネルで正確な力測定ができないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、静電センサと圧電センサを兼備し、位置検出と力測定を行うタッチパネルにおいて、静電センサの駆動ノイズを除去できる押圧検出機能付きタッチパネルを提供することにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。

本発明の押圧検出機能付きタッチパネルの第１態様は、
静電センサと、前記静電センサの背面に積層されるか、前記静電センサと構成層を一部共用する圧電センサ）と、を備えたセンサ部と、
前記センサ部の前記静電センサに接続され、静電容量変化からタッチの有無とタッチ位置を検出し、電気信号をホストへ送出する容量検出回路と、
前記センサ部の前記圧電センサに接続され、電荷信号を電圧信号に変換させるチャージアンプと、
前記チャージアンプに接続され、前記容量検出回路が静電センサを非駆動にしているときには前記チャージアンプの出力を送出し、前記容量検出回路が静電センサを非駆動から駆動するように変化するときには変化直前の前記チャージアンプの出力を保持して送出するサンプルアンドホールド回路と、
前記サンプルアンドホールド回路に接続され、前記サンプルアンドホールド回路の出力をデジタル変換してホストに送信するＡＤコンバータと、
を備える。

このように構成することで、容量検出回路が非駆動のときにはチャージアンプの出力を送出し、容量検出回路が非駆動から駆動に変化するときには変化直前のチャージアンプの出力を保持（ホールド）して送出するため、圧電センサによる力測定において、容量検出回路の駆動ノイズが除去される。したがって、正確な力測定ができる。

また、本発明の押圧検出機能付きタッチパネル（１）の第２態様は、
前記サンプルアンドホールド回路と前記ＡＤコンバータとの間に接続され、前記サンプルアンドホールド回路の出力からスイッチングノイズを除去するフィルタ回路を、さらに備える。

このように構成することで、前記サンプルアンドホールド回路のスイッチングにより発生し、前記サンプルアンドホールド回路の出力にわずかに残るスイッチングノイズが除去され、押圧時の実際の力変化にほぼ完全に一致した信号になる。したがって、より正確な力測定ができる。

なお、前記静電センサが、圧電フィルムと、前記圧電フィルムの一方の面上に、第１方向に延在し、第１方向に直交する第２方向に並べて配置された複数の第１静電センサ電極と、前記圧電フィルムの他方の面上に、第２方向に延在し、第１方向に並べて配置された複数の第２静電センサ電極と、で構成され、前記圧電センサが、前記圧電フィルムと、前記圧電フィルムの前記第２静電センサ電極が配置された側の面上に、前記第２静電センサ電極どうしの間に各々配置された複数の圧電センサ電極と、で構成されていてもよい。

本発明の押圧検出機能付きタッチパネルは、上記のように構成されるので、部品点数をほとんど増やさずに、静電センサの駆動ノイズを除去できる。

本発明の第一実施形態に係る押圧検出機能付きタッチパネル示すブロック図。 表面部材とセンサ部の積層体の一構成例を示す断面図。 図２のセンサ部の電極パターンの一例を示す模式図。 Ｓ＆Ｈ回路のノイズ軽減効果を説明するタイミングチャート。 押圧力と圧電センサの出力との関係を示す図。 表面部材とセンサ部の積層体の他の構成例を示す断面図。 容量検出回路部の一構成例を示す説明図。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするため、一部の構成要素を誇張して表すなど模式的に表しているものがある。このため、構成要素間の寸法や比率などは実物と異なっている場合がある。また、本発明の実施例に記載した部材や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載のない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

１．第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態に係る押圧検出機能付きタッチパネル示すブロック図である。
本実施形態の押圧検出機能付きタッチパネル１は、センサ部１０と、容量検出回路４と、チャージアンプ５と、サンプルアンドホールド回路６と、フィルタ回路７と、ＡＤコンバータ８と、ホスト９とを備えている。

＜センサ部＞
センサ部１０は、図１に示すように、静電センサ２と、圧電センサ３とを備えて4いる。本実施形態において、静電センサ２と圧電センサ３とは、図２に示すように、構成層を一部共用している。また、使用時において、センサ部１０の上面に、例えばガラス製の表面部材２０が配置された積層体で構成されている（図２参照）。

（静電センサ）
静電センサ２は、圧電フィルム３０と、圧電フィルム３０の一方の面上に配置された第１静電センサ電極２１と、圧電フィルム３０の他方の面上に配置された第２静電センサ電極２２と、で構成されている。
第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２に係る相互容量や自己容量の変化よって、タッチの有無とタッチ位置を検出する。

静電センサ２において、圧電フィルム３０は第１静電センサ電極２１と第２静電センサ電極２２との間の絶縁層として機能する。

圧電フィルム３０を構成する材料としては、セラミック圧電材料、フッ化物重合体、またはその共重合体、さらには、キラリティーを有する高分子材料などが挙げられる。セラミック圧電材料としては、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマスなどが挙げられる。フッ化物重合体、またはその共重合体としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体が挙げられる。キラリティーを有する高分子材料としては、Ｌ型ポリ乳酸や、Ｒ型ポリ乳酸などが挙げられる。
圧電フィルム３０の厚さは１μｍ〜２００μｍである。

第１静電センサ電極２１は、図３ａに示すように、第１方向に延在し、第１方向に直交する第２方向に並べられた複数の電極である。また、第２静電センサ電極２２は、図３ｂに示すように、第２方向に延在し、第１方向に並べられた複数の電極である。なお、図３においては、第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２として、複数のダイヤ形状の電極部が連なったものが示されているが、これに限定意されない。例えば、第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２は、短冊状であってもよい。

第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２を構成する材料としては、導電性を有する材料により構成できる。導電性を有する材料としては、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、スズ−亜鉛酸化物（Ｔｉｎ−Ｚｉｎｃ−Ｏｘｉｄｅ、ＴＺＯ）などのような透明導電酸化物、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏＰｈｅｎｅ、ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子、などを用いることができる。この場合、上記の電極は、蒸着やスクリーン印刷などを用いて形成できる。また、導電性を有する材料として、銅、銀などの導電性の金属を用いてもよい。この場合、上記の電極は、蒸着により形成してもよく、銅ペースト、銀ペーストなどの金属ペーストを用いて形成してもよい。さらに、導電性を有する材料として、バインダー中に、カーボンナノチューブ、金属粒子、 金属ナノファイバーなどの導電材料が分散したものを用いてもよい。

また、第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２は、圧電フィルム３０に直接形成してもよいし、樹脂フィルムに形成して、それを圧電フィルム３０に貼合してもよい。
樹脂フィルムを用いる場合、その材料としては、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、シクロオレフィンポリマーなどを挙げることができる。

（圧電センサ）
一方、圧電センサ３は、共有の構成層である前述の圧電フィルム３０と、圧電フィルム３０の第２静電センサ電極２２が配置された側の面上に、第２静電センサ電極２２どうしの間に各々平行に配置された圧電センサ電極３１と、で構成されている。
押圧時に圧電フィルム３０から発生する電荷を、圧電センサ電極３１で検出する。

圧電センサ電極３１は、図３ｂに示すように、第２静電センサ電極２２どうしの間に各々存在する複数の電極である。そして、圧電センサ電極３１は、第２静電センサ電極２２動揺に、第２方向に延在し、第１方向に並べられた複数の電極である（図３ｂ参照）。

圧電センサ電極３１を構成する材料としては、第１静電センサ電極２１および第２静電センサ電極２２と同様の材料により構成できる。

＜容量検出回路＞
容量検出回路４は、センサ部１０の静電センサ２に接続され、静電容量変化からタッチの有無とタッチ位置を検出し、電気信号をホスト９へ送出する回路である。

容量検出回路４は、第１静電センサ電極２１（又は第２静電センサ電極２２）の一端に駆動信号を入力して、静電センサ２を駆動する駆動部４１を有する。また、第２静電センサ電極２２（又は第１静電センサ電極２１）の一端から出力信号を検出し、静電容量の変化を検出する検出部４２を有する。

容量検出回路４における駆動信号の入力では、一定周期でＯＮ信号とＯＦＦ信号を繰り返すパルス信号を生成して行なわれる。すなわち、容量検出回路４は、図４に示すように、駆動と非駆動を繰り返している。
本発明においては、容量検出回路４は、この駆動と非駆動の変化に合わせて、圧電センサ３の検出に用いるサンプルアンドホールド回路６を制御するサンプルアンドホールド回路制御部４３を有する。

また、容量検出回路４は、複数の第１静電センサ電極２１及び第２静電センサ電極２２のいずれかの一端からの出力信号（アナログ信号）を、デジタル値に変換した上で、ホスト９へ送出するＡＤ変換部４４を有する。

＜ホスト＞
ホスト９は、容量検出回路４に接続され、本発明のタッチパネルを搭載したスマートフォンなどの電子機器が備える各種機能やアプリケーションを実行するものである。ホスト９は、容量検出回路４から位置情報を受信し、実行中の機能またはアプリケーションにおいて、当該位置に応じた各種演算処理を実行する。また、ホスト９は、各種機能およびアプリケーションの実行により、タッチパネル背面に配置されたディスプレイの表示画面に表示させる画像データを生成し、ディスプレイの表示画面を更新させる。

＜チャージアンプ＞
チャージアンプ５は、センサ部１０の圧電センサ３に接続され、電荷信号を電圧信号に変換させる回路である。
ところが、図４に示すように、容量検出回路４の駆動のタイミングで、チャージアンプ５の出力は駆動ノイズを受けている。図中では、駆動ノイズを受けた結果、静電センサ２を駆動中の出力信号は、静電センサ２を駆動していないときの出力電圧から駆動ノイズの分だけズレた、すなわちオフセットされた信号となっている。

＜サンプルアンドホールド回路＞
サンプルアンドホールド回路６は、チャージアンプ５に接続され、容量検出回路４が静電センサ２を非駆動にしているときにはチャージアンプ５の出力を送出し、容量検出回路４が静電センサ２を非駆動から駆動するように変化するときには変化直前のチャージアンプ５の出力を保持して送出する回路である。

サンプルアンドホールド回路６は、図１に示すように、サンプリングスイッチ６ａとホールドキャパシタ６ｂとを備えている。サンプリングスイッチ６ａのＯＮ／ＯＦＦは、前述のように容量検出回路４によって制御される。

容量検出回路４は、図４に示すように、静電センサ２を非駆動にしているときだけサンプリングスイッチ６ａをＯＮにする。
サンプリングスイッチ６ａがＯＮの状態（サンプルモード）では、駆動ノイズを受けていないチャージアンプ５の出力が、ホールドキャパシタ６ｂを充放電しながら、入力時の電圧そのままでサンプルアンドホールド回路６から送出される。

容量検出回路４が静電センサを非駆動から駆動するように変化すると、容量検出回路４は、図４に示すように、サンプリングスイッチ６ａをＯＦＦにする。

サンプリングスイッチ６ａがＯＦＦの状態（ホールドモード）では、駆動ノイズを受けているチャージアンプ５の出力が遮断され、ホールドキャパシタ６ｂに溜まった電荷によって、サンプリングスイッチ６ａをＯＦＦにする直前の電圧が出力される。すなわち、駆動ノイズを受けていないチャージアンプ５からの入力電圧がホールドキャパシタ６ｂに保持（ホールド）され、その保持電圧が出力電圧となってサンプルアンドホールド回路６から送出される。

このように、サンプルアンドホールド回路６によって、容量検出回路４が静電センサ２を駆動するタイミングでも、駆動ノイズを受けていないチャージアンプ５の出力を送出できるので、駆動ノイズを除去できる（図４参照）。したがって、正確な力測定が出来る。

＜ローパスフィルタ回路＞
ローパスフィルタ回路７は、サンプルアンドホールド回路６に接続され、サンプルアンドホールド回路６の出力からスイッチングノイズを除去する回路である。
サンプルアンドホールド回路６の出力に残るスイッチングノイズとは、サンプルモードからホールドモードにスイッチングを行なったときにサンプリングスイッチ６ａ内に誘起された電荷がホールドキャパシタ６ｂに注入されるチャージインジェクションや、スイッチ６ａをＯＮにしたときに瞬間的に流れる定常より大きな電流によって発生するオーバーシュートなどのノイズである。
このローパスフィルタ回路７によって、図５に示すように、押圧時の実際の力変化にほぼ完全に一致した信号になる。したがって、さらに正確な力測定ができる。

＜ＡＤコンバータ＞
ＡＤコンバータ８は、フィルタ回路７に接続され、フィルタ回路７の出力信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換してホスト９に送信する回路である。

なお、力測定におけるホスト９は、圧電センサ３から上記の各種回路を経て圧力情報を受信し、実行中の機能またはアプリケーションにおいて、当該位置に応じた各種演算処理を実行する。また、ホスト９は、各種機能およびアプリケーションの実行により、タッチパネル背面に配置されたディスプレイの表示画面に表示させる画像データを生成し、ディスプレイの表示画面を更新させる。

２．第二実施形態
本実施形態は、サンプルアンドホールド回路６とＡＤコンバータ８との間にローパスフィルタ回路７が存在しないものである。その他の点については、第一実施形態と同様であるので説明を省略する。
サンプルアンドホールド回路６の出力にスイッチングノイズが残るものの、課題である駆動ノイズと比較して力測定の正確性への影響は極めて小さい。ただし、ローパスフィルタ回路７を備える方がより好ましい。

３．他の実施形態
以上、本発明の各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。
例えば、センサ部１０において静電センサ２と圧電センサ３を兼備する構成は、上記実施形態のように圧電フィルム３０を構成層として共有しなくてもよい。すなわち、図６に示すように、静電センサ２の背面に圧電センサ３を単に重ね合わせるだけでもよい。

静電センサ２の背面に圧電センサ３を重ね合わせる一例としては、次の構成がある。すなわち、静電センサ２が、樹脂フィルム４０と、樹脂フィルム４０の一方の面上に、第１方向に延在し、第１方向に直交する第２方向に並べて配置された複数の第１静電センサ電極２１と、樹脂フィルム４０の他方の面上に、第２方向に延在し、第１方向に並べて配置された複数の第２静電センサ電極２２と、で構成される。
一方、圧電センサ３が、樹脂フィルム４０とは別体の圧電フィルム３０と、圧電フィルム３０の一方の面上に配置された複数の圧電センサ電極３１と、で構成される。
なお、図６においては、圧電フィルム３０の静電センサ２側とは反対側の面上に圧電センサ電極３１が配置されているが、圧電フィルム３０の静電センサ２の面上に配置されてもよい。

樹脂フィルム４０の材料としては、前述の樹脂フィルムと同様であるので省略する。

静電センサ２の背面に圧電センサ３を重ね合わせる他の例としては、静電センサ２において、樹脂フィルム４０の代わりに絶縁インキ膜を用いてもよい。この場合、第１静電センサ電極２１と第２静電センサ電極２２との交差箇所のみに絶縁インキ膜を形成してもよいし、全面的に絶縁インキ膜を形成してもよい。

本発明の押圧検出機能付きタッチパネルは、前記サンプルアンドホールド回路６と前記ＡＤコンバータ８との間に接続され、商用電源からの電源ハムノイズや周囲の支配的な空間ノイズを除去するローパスフィルタ回路を備えていてもよい。
また、本発明の押圧検出機能付きタッチパネルは、前記サンプルアンドホールド回路６と前記ＡＤコンバータ８との間に接続され、周囲の温度変化による出力電圧等の変動（温度ドリフト）などを消すハイパスフィルタ回路を備えていてもよい。

本発明の押圧検出機能付きタッチパネルは、ＯＡ機器、スマートフォン、携帯ゲーム機器、電子辞書、カーナビゲーションシステム、小型ＰＣ、若しくは各種家電品などの電子機器に有用である。

１ ：押圧検出機能付きタッチパネル
２ ：静電センサ
３ ：圧電センサ
４ ：容量検出回路
５ ：チャージアンプ
６ ：サンプルアンドホールド回路（Ｓ＆Ｈ回路）
６ａ ：サンプリングスイッチ
６ｂ ：ホールドキャパシタ
７ ：ローパスフィルタ回路（ＬＰＦ）
８ ：ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
９ ：ホスト
１０ ：センサ部
２０ ：表面部材
２１ ：第１静電センサ電極
２２ ：第２静電センサ電極
３０ ：圧電フィルム
３１ ：圧電センサ電極
４０ ：樹脂フィルム
４１ ：駆動部
４２ ：検出部
４３ ：サンプルアンドホールド回路制御部
４４ ：ＡＤ変換部

Claims (3)

1. 静電センサと、前記静電センサの背面に積層されるか、前記静電センサと構成層を一部共用する圧電センサと、を備えたセンサ部と、
   前記センサ部の前記静電センサに接続され、静電容量変化からタッチの有無とタッチ位置を検出し、電気信号をホストへ送出する容量検出回路と、
   前記センサ部の前記圧電センサに接続され、電荷信号を電圧信号に変換させるチャージアンプと、
   前記チャージアンプに接続され、前記容量検出回路が静電センサを非駆動にしているときには前記チャージアンプの出力を送出し、前記容量検出回路が静電センサを非駆動から駆動するように変化するときには変化直前の前記チャージアンプの出力を保持して送出するサンプルアンドホールド回路と、
   前記サンプルアンドホールド回路に接続され、前記サンプルアンドホールド回路の出力をデジタル変換してホストに送信するＡＤコンバータと、
   を備えた押圧検出機能付きタッチパネル。
2. 前記サンプルアンドホールド回路と前記ＡＤコンバータとの間に接続され、前記サンプルアンドホールド回路の出力からスイッチングノイズを除去するローパスフィルタ回路を、さらに備えた請求項１の押圧検出機能付きタッチパネル。
3. 前記静電センサが、
   圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムの一方の面上に、第１方向に延在し、第１方向に直交する第２方向に並べて配置された複数の第１静電センサ電極と、
   前記圧電フィルムの他方の面上に、第２方向に延在し、第１方向に並べて配置された複数の第２静電センサ電極と、で構成され、
   前記圧電センサが、
   前記圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムの前記第２静電センサ電極が配置された側の面上に、前記第２静電センサ電極どうしの間に各々平行に配置された複数の圧電センサ電極（３１）と、で構成された、
   請求項１又は請求項２の押圧検出機能付きタッチパネル。

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