JP4682357B2 - 力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置 - Google Patents

Description

本発明は、力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置に関し、特に、コンピュータ、携帯電話などのモニターや液晶ディスプレイの前面に取り付け、指や専用のタッチペンでタッチパネルに触れたときの接触位置、接触力及び接触モーメントを検出して、それら情報を利用し、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作するインターフェイス装置に関する。

従来のタッチパネルとしては、次のような構成のものが知られている。
（１）ベースのガラス板上面と可撓性絶縁フィルム下面に透明導電膜をはり、両導電膜の間に突起状絶縁物を配列し、指またはタッチペンが表面に触れていないときは突起状絶縁物の配列により両導電膜は非接触状態となるが、指またはタッチペンが表面で接触すると、その圧力により可撓性絶縁フィルムが撓み、両導電膜が接触して導通し、そのときの分圧から接触位置を検出する抵抗膜方式（例えば、特許文献１参照）。

（２）表示パネルの周囲縦、横壁に超音波トランスジューサを配置して超音波表面弾性波を発生させ、指が表示パネルに触れるとその部分の振動が吸収されることから、発信から受信までの到達時間に差が生じ、その時間差から接触位置を検出する超音波表面弾性波方式（例えば、タッチパネル・システムズ（株）インテリタッチ）。

（３）表示パネルの表面周囲縦、横壁にLEDと受光素子のペアを配置し、画面をタッチすることで光がさえぎられ、光がさえぎられた縦横位置から接触位置を検出する赤外遮光方式（例えば、タッチパネル・システムズ（株）キャロルタッチ）。

（４）表示パネルに指が触れることで生じる表面電荷の変化から接触位置を検出する静電容量方式（例えば、（株）データメート C-12.1AA1-1X）。

（５）タッチペンに磁石を組み込み、パネル側に導線やコイルを埋め込んで、ペンが移動したときの電磁誘導からペンの位置を検出する電磁誘導方式（例えば、ワコム社 液晶ペンタブレット DTU-710）。
特開２００３−２３４０４５号公報

上記従来のタッチパネルは、いずれも、指もしくはタッチペンとタッチパネルとの間の接触位置、または接触位置と圧力（パネル面に対して垂直方向の力）を検出するものである。

しかしながら、従来のタッチパネルのように接触位置のみ（あるいは接触位置と接触圧力）しか検出できない場合には、例えば、タッチパネルの操作で、カメラのパン、チルト、ズームを操作する場合を考えると、図６(a)のように、パン、チルト、ズームごとに、それぞれ＋と−の操作ボタンを用意し、タッチペンと表示パネルの接触位置によってカメラを操作していた。この場合、パン、チルト、ズームを同時に操作することができなかった。

本発明は上記問題を解決することを目的とするものであり、指またはタッチペンとタッチパネルとの間の接触位置、接触力及び接触モーメントを検出し、それら情報を利用して、より直感的、かつより少ない操作でディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作するインターフェイス装置を実現することを課題とする。

即ち、本発明は、指もしくはタッチペンと表示パネルとの間の接触位置ばかりでなく、接触力・接触モーメントが検出できるタッチパネルを構成することで、それらの情報を利用可能とし、従来のタッチパネルと比べて、より直感的かつより少ない操作で、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、ロボットなどの情報機器を操作するインターフェイス装置を構築しようとするものである。

なお、ここでいう接触力とは、単に表示パネル垂直方向の圧力ではなく、接触点に作用する３次元成分をもった力ベクトルである。

本発明は上記課題を解決するために、タッチパネル、モニターまたは液晶ディスプレイ、及び計算機を備えたンターフェイス装置であって、上記タッチパネルは、透明な平板から成る表示パネル、外枠、上記表示パネルと外枠を連結する弾性体、及び上記弾性体の歪みを計測する歪みゲージを有し、かつ、該弾性体は、上記表示パネルと上記外枠のそれぞれの辺を連結する梁の構造をしている。上記弾性体は、上記表示パネルに加わる力とモーメントの成分によって選択的に歪み、該歪みは、左右の部分を上記表示パネルと外枠に連結した上記梁の上下前後面のそれぞれに貼られている上記歪みゲージにより計測されるものであり、かつ、各梁の歪みを計測することにより、上記表示パネルに作用する力とモーメントを計測する。上記表示パネルに作用する力及びモーメントと弾性体の歪みの関係は、あらかじめキャリブレーションによって求められキャリブレーションデータとして上記計算機に保存されており、上記計算機は、上記歪みゲージによって計測される弾性体の歪みデータを入力し、上記キャリブレーションデータを用いて、上記表示パネルに作用する６軸力を演算により求めることを特徴とするインターフェイス装置を提供する。

上記表示パネルに加わる６軸力情報と上記表示パネルの幾何情報から、計算演算により、指または専用タッチペンと表示パネルとの間の接触点位置、接触力及び接触モーメントを検出することを特徴とする。

上記外枠は、ネジ、マジックテープ（登録商標）または一体成形により上記モニターまたは液晶ディスプレイに取り付けられ、上記表示パネルは、上記モニターまたは液晶ディスプレイの前面に配置され、該表示パネルを通して上記モニターまたは液晶ディスプレイの画面を見ることができる構成としてもよい。

上記外枠は、ネジ止めまたは一体成形により携帯電話の液晶ディスプレイに取り付けられ、上記表示パネルは液晶ディスプレイの前面に配置され、上記表示パネルを通して液晶ディスプレイの画面を見ることができる構成としてもよい。

指または専用のタッチペンで上記表示パネルに触れたときの接触位置を検出し、接触位置の情報を利用して、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作することを特徴とする。

指または専用のタッチペンで上記表示パネルに触れたときの接触力及び接触モーメントを検出し、接触力・接触モーメントの情報を利用して、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作することを特徴とする。

以上の構成による本発明によれば、タッチパネルで、指またはタッチペンと表示パネルとの接触位置、接触力・接触モーメントが検出でき、それらの情報を用いることで、従来の接触位置や接触圧力しか検出できない場合とくらべて、より直感的、かつより少ない操作で計算機や携帯電話のディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物体を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作することができる。

即ち、本発明によれば、タッチペンとタッチパネルとの間の接触位置のみならず、接触力や接触モーメントの情報を利用することができるので、例えば、タッチパネルの操作で、カメラのパン・チルト・ズームを操作する場合を考えると、接触力のｘ成分（表示パネル面上・左右方向の力）をパンに割り当て、接触力のｙ成分（表示パネル面上・上下方向の力成分）をチルトに割り当て、接触モーメント（表示パネル垂直軸まわりの回転モーメント）をズームに割り当てれば、図６(b)のようにカメラを操作するボタンは一つでよく、ボタン上にタッチペンを置き、接触力や接触モーメントを加えることでカメラを操作することができる。

この場合、パン、チルト、ズームを同時に操作することができ、従来のタッチパネルと比べ、より直感的な操作となる。また、タッチパネル上の操作でディスプレイに表示されたスイッチを回すことを考えると、ペンでスイッチをなぞるよりも、接触モーメントを利用した方がより直感的に操作できる。

本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１は、本発明の力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置の実施例である。図１に示すとおり、このインターフェイス装置は、力覚式タッチパネル１、モニターまたは液晶ディスプレイ２、計算機３、専用タッチペン４から構成され、力覚式タッチパネル１はモニター２の前面に取り付けられる。

図２は、力覚式タッチパネル１の構成を説明する図である。力覚式タッチパネル１は、アクリルまたは強化ガラスなどの透明板から成る表示パネル１１と外枠１２、表示パネル１１と外枠１２を連結する複数の弾性体１３から構成される。各弾性体１３は、表示パネル１１に作用する力とモーメントの成分によって選択的に歪む。

表示パネル１１に作用する力及びモーメントと各弾性体１３の歪みの関係は、予めキャリブレーションにより求められており、各弾性体１３の歪みを、歪みゲージ１４、または発光素子と受光素子の組合せから成る光学素子で計測することにより、キャリブレーションデータを用いて、計算機内の演算により表示パネル１１に作用する６軸力が求められる。

タッチパネル１の外枠１２は、取り付けブロック１５を介して、ネジまたはマジックテープ（登録商標）などによりモニター２に取り付けられる。

図３は、弾性体１３の構成を示す一例である。弾性体１３は、略Ｈ型の形状をしており、弾性体１３の左右の部分を結ぶ梁１３’には、その上下前後の表面にそれぞれ歪みゲージ１４が貼られている。

透明な表示パネル１１と外枠１２は、それぞれ対応する辺において弾性体１３で連結されている。具体的には、弾性体１３の左右の部分がそれぞれ表示パネル１１と外枠１２に固定され、梁１３’を介して連結されている。本実施例では、４本の梁１３’によって連結しているが、弾性体の数、連結方法、梁１３’の形状は、６軸力が計測できる構成であれば、どのようなものでもよい。

図４は、表示パネル１１と外枠１２を４本の梁１３で連結した場合の、力覚成分と各梁の歪みの関係を説明するものである。表示パネル１１に作用する６軸力が計測できれば、指またはタッチペンと表示パネルとの間の接触位置、および接触力・接触モーメントが計算により求められる。

いま、タッチパネルのセンサ座標系を原点にとり、センサ座標系から見た表示パネル表面の方程式を、次の数式１とすると、表示パネル法線ベクトルは、数式２のとおりとなる。

そして、タッチパネルにより計測される６軸力（力とモーメント）をそれぞれ次の数式３のとおりとする。

すると、タッチパネルのセンサ座標系からみた、タッチペンと表示パネルとの間の接触点位置、接触力、接触モーメントはそれぞれ、次の数式４のとおりとなる。

ここで、センサ座標系はキャリブレーションの基準となった座標系であり、( ・ )はベクトルの内積を、( ×)はベクトルの外積を表す。

以上により、本タッチパネル１は、指またはタッチペンと表示パネルとの間の接触位置、接触力、接触モーメントが検出できる。

指またはタッチペン４と表示パネル１１との接触により得られる接触位置、接触力及び接触モーメントの情報を計算機３に入力すれば、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、接触モーメントの情報を利用してスイッチを回したり、接触力の大きさに応じて筆圧を変化させて筆文字を描いたり、タッチペンの先を移動させることなく、接触力の情報だけでディスプレイに表示させた計算機内の仮想的な物体を移動したり、接触力の情報を用いて計算機内で仮想的な物体を彫刻したり、あるいはカメラやロボットといった情報機器の操作を行うことができる。

なお、タッチペン４は、図５に示すように、先端にゴムなどの柔軟材４２を装着し、表示パネル１１との接触において、表示パネル水平面上の力（ｘ、ｙ成分）および接触モーメントを発生しやすくしている。

以上、本発明に係る力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置について実施例を挙げて説明したが、本発明の実施例は上記実施例に限定されることはなく、特許請求の範囲の技術的範囲内でいろいろな態様があることは言うまでもない。

本発明に係る力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置は以上の構成であるから、マウスの代わりとして、情報機器一般のインターフェイスとして利用できる。また、文字や図を描く場合には、個人差のでやすい筆跡、筆圧、更に文字や図を描いたときの力ベクトルの時系列データが得られるので、個人認証にも利用でき、銀行のＡＴＭ端末のタッチパネルとして利用でき、大きな市場が望める。

本発明に係る力覚式タッチパネルを具備したインターフェイス装置の実施例を説明する図である。 力覚式タッチパネルの構成を説明する図である。 上記実施例の力覚式タッチパネルの弾性体の一例を説明する図である。 本発明の力覚式タッチパネルの６軸力検出原理である表示パネルに作用する６軸力と弾性体の歪みの関係を説明する図である。 上記実施例で使用されるタッチペンの一例を示す図である。 タッチパネルによるカメラのパン・チルト・ズーム操作例であって、（ａ）は従来のタッチパネルを用いたときのカメラ操作画面を示し、（ｂ）は本発明のタッチパネルを用いたときのカメラ操作画面を示す図である。

符号の説明

１ 力覚式タッチパネル
２ モニターまたは液晶ディスプレイ
３ 計算機
４ タッチペン
１１ 表示パネル
１２ 外枠
１３ 弾性体
１４ 歪みゲージ
１５ 取り付けブロック
４１ タッチペン軸
４２ タッチペン先柔軟材

Claims (6)

1. タッチパネル、モニターまたは液晶ディスプレイ、及び計算機を備えたインターフェイス装置であって、
   上記タッチパネルは、透明な平板から成る表示パネル、外枠、上記表示パネルと外枠を連結する弾性体、及び上記弾性体の歪みを計測する歪みゲージを有し、かつ、該弾性体は、上記表示パネルと上記外枠のそれぞれの辺を連結する梁の構造をしており、
   上記弾性体は、上記表示パネルに加わる力とモーメントの成分によって選択的に歪み、該歪みは、左右の部分を上記表示パネルと外枠に連結した上記梁の上下前後面のそれぞれに貼られている上記歪みゲージにより計測されるものであり、かつ、各梁の歪みを計測することにより、上記表示パネルに作用する力とモーメントを計測し、
   上記表示パネルに作用する力及びモーメントと弾性体の歪みの関係は、あらかじめキャリブレーションによって求められキャリブレーションデータとして上記計算機に保存されており、
   上記計算機は、上記歪みゲージによって計測される弾性体の歪みデータを入力し、上記キャリブレーションデータを用いて、上記表示パネルに作用する６軸力を演算により求めることを特徴とするインターフェイス装置。
2. 上記表示パネルに加わる６軸力情報と上記表示パネルの幾何情報から、計算演算により、指または専用タッチペンと表示パネルとの間の接触位置、接触力及び接触モーメントが求められることを特徴とする請求項１記載のインターフェイス装置。
3. 上記外枠は、ネジ、またはマジックテープ（登録商標）により上記モニターまたは液晶ディスプレイに取り付けられ、上記表示パネルは、上記モニターまたは液晶ディスプレイの前面に配置され、該表示パネルを通して上記モニターまたは液晶ディスプレイの画面を見ることができることを特徴とする請求項１又は２に記載のインターフェイス装置。
4. 上記外枠は、ネジにより携帯電話の液晶ディスプレイに取り付けられ、上記表示パネルは液晶ディスプレイの前面に配置され、上記表示パネルを通して液晶ディスプレイの画面を見ることができることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインターフェイス装置。
5. 指または専用のタッチペンで上記表示パネルに触れたときの接触位置を検出し、接触位置の情報を利用して、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインターフェイス装置。
6. 指または専用のタッチペンで上記表示パネルに触れたときの接触力及び接触モーメントを検出し、接触力・接触モーメントの情報を利用して、ディスプレイに表示されたボタンを押したり、ディスプレイに表示されたスイッチを回したり、ディスプレイに文字や図を描いたり、ディスプレイに表示された仮想的な物を操作したり、カメラやロボットなどの情報機器を操作することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のインターフェイス装置。