JP5586776B1 - 入力装置及び入力装置の制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】感圧センサの特性の直線化を図ることで、感圧センサの検出精度の向上を図ることが可能な入力装置を提供する。
【解決手段】入力装置1は、感圧センサ50とセンサコントローラ90を備え、センサコントローラ90は、感圧センサ50の実出力値を取得する取得部91と、補正関数g(Vout)を記憶した記憶部92と、補正関数g(Vout)に実出力値を代入することで、実出力値を補正する補正部93と、を有しており、補正関数g(Vout)は、感圧センサ50の出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、感圧センサ50の出力変数Voutを感圧センサ50の補正出力変数Vout’に置き換えると共に、感圧センサ60に対する印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた関数である。
【選択図】 図7

Description

本発明は、感圧センサを備えた入力装置、及び、当該入力装置の制御方法に関するものである。
感圧センサの検出精度向上のため、感圧センサの特性の個体間のバラツキを低減する技術として、次のようなものが知られている。
すなわち、実測データに基づいて出力対圧力の関係を表す近似式を個体毎に定める技術(例えば特許文献1参照)や、外力が0の場合に感圧センサの抵抗値も0とし、外力が最大の場合に感圧センサの抵抗値が1とする外力−抵抗特性の規格化情報を定める技術が知られている(例えば特許文献2参照)。
特開2005−106513号公報 特開2011−133421号公報
しかしながら、そもそも、感圧センサは、印加荷重が大きくなるほど抵抗値の低下率が鈍化する曲線的な特性を有している。このため、同一の荷重変化量であっても初期荷重に応じて抵抗変化量が異なってしまうという現象が生じる。従って、感圧センサの特性の直線化を図らなければ、感圧センサの検出精度の向上を十分に図ることはできない、という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、感圧センサの特性の直線化を図ることで、感圧センサの検出精度の向上を図ることが可能な入力装置及び入力装置の制御方法を提供することである。
[1]本発明に係る入力装置は、押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、前記制御手段は、前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、補正関数g(Vout)を記憶した記憶部と、前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする。
[2]上記発明において、前記感圧センサは、押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化してもよい。
[3]本発明に係る入力装置は押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化する感圧センサと、前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、前記制御手段は、前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、補正関数g(V out )を記憶した記憶部と、前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、前記取得部は、前記感圧センサに電気的に直列接続された固定抵抗体を有しており、前記出力特性関数f(F)は、下記の(1)式であることを特徴とする
Figure 0005586776
但し、前記(1)式において、Vinは、前記感圧センサへの入力電圧値であり、Rfixは、前記固定抵抗体の抵抗値であり、h(F)は、前記印加荷重変数Fと前記感圧センサの抵抗変数との関係を示す抵抗特性関数である。
[4]上記発明において、前記抵抗特性関数h(F)は、下記の(2)式であり、前記補正関数g(Vout)は、下記の(3)式であってもよい。
Figure 0005586776
Figure 0005586776
但し、前記(2)式及び前記(3)式において、kは、前記感圧センサの切片定数であり、nは、前記感圧センサの傾き定数である。
[5]上記発明において、前記(3)式において、n=1であってもよい。
[6]本発明に係る入力装置は、押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、前記制御手段は、前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、補正関数g(Vout)を記憶した記憶部と、前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数に近似する関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする。
[7]本発明に係る入力装置は押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、前記制御手段は、前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、補正関数g(V out )を記憶した記憶部と、前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数に近似する関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、前記補正関数g(Vout)は、下記の(4)式であることを特徴とする
Figure 0005586776
但し、前記(4)式において、aは、前記感圧センサの比例定数である。
[8]上記発明において、前記入力装置は、複数の前記感圧センサを備え、前記記憶部は、複数の前記補正関数g(Vout)を記憶しており、前記補正関数g(Vout)は、複数の前記感圧センサのそれぞれに個別的に対応していてもよい。
[9]上記発明において、前記入力装置は、タッチパネルを少なくとも有するパネルユニットをさらに備えており、前記感圧センサは、前記パネルユニットを介して印加された荷重を検出してもよい。
[10]上記発明において、前記感圧センサは、第1の基板と、前記第1の基板に対向する第2の基板と、前記第1の基板に設けられた第1の電極と、前記第1の電極に対向するように前記第2の基板に設けられた第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極に対応する位置に貫通孔を有し、前記第1の基板と前記第2の基板との間に介在するスペーサと、を備えてもよい。
[11]本発明に係る入力装置の制御方法は、押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、補正関数g(Vout)を準備する第1のステップと、前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする。
[12]上記発明において、前記感圧センサは、押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化してもよい。
[13]本発明に係る入力装置の制御方法は押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、補正関数g(V out )を準備する第1のステップと、前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、前記入力装置は、前記感圧センサに電気的に直列接続された固定抵抗体を備えており、前記出力特性関数f(F)は、下記の(5)式であることを特徴とする
Figure 0005586776
但し、前記(5)式において、Vinは、前記感圧センサへの入力電圧値であり、Rfixは、前記固定抵抗体の抵抗値であり、h(F)は、前記印加荷重変数Fと前記感圧センサの抵抗変数との関係を示す抵抗特性関数である。
[14]上記発明において、前記抵抗特性関数h(F)は、下記の(6)式であり、
前記補正関数g(Vout)は、下記の(7)式であってもよい。
Figure 0005586776
Figure 0005586776
但し、前記(6)式及び前記(7)式において、kは、前記感圧センサの切片定数であり、nは、前記感圧センサの傾き定数である。
[15]上記発明において、前記(7)式において、n=1であってもよい。
[16]本発明に係る入力装置の制御方法は、押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、補正関数g(Vout)を準備する第1のステップと、前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数に近似する関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする。
[17]本発明に係る入力装置の制御方法は押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、補正関数g(V out )を準備する第1のステップと、前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数に近似する関数であり、前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、前記補正関数g(Vout)は、下記の(8)式であることを特徴とする
Figure 0005586776
但し、前記(8)式において、aは、前記感圧センサの比例定数である。
[18]上記発明において、前記入力装置は、複数の前記感圧センサを備え、前記第1のステップは、複数の前記補正関数g(Vout)を準備することを含み、前記補正関数g(Vout)は、複数の前記感圧センサのそれぞれに個別的に対応していてもよい。
[19]上記発明において、前記感圧センサは、第1の基板と、前記第1の基板に対向する第2の基板と、前記第1の基板に設けられた第1の電極と、前記第1の電極に対向するように前記第2の基板に設けられた第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極に対応する位置に貫通孔を有し、前記第1の基板と前記第2の基板との間に介在するスペーサと、を備えてもよい。
本発明によれば、感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して出力変数Voutを補正出力変数Vout’に置き換えると共に印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた補正関数g(Vout)に、実出力値を代入することで、実出力値を補正する。これにより、感圧センサの出力特性の直線化を図ることができ、延いては感圧センサの検出精度の向上を図ることができる。
また、本発明によれば、感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して出力変数Voutを補正出力変数Vout’に置き換えると共に印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた関数に近似する補正関数g(Vout)に、実出力値を代入することで、実出力値を補正する。これにより、感圧センサの出力特性の直線化を図ることができ、延いては感圧センサの検出精度の向上を図ることができる。
図1は、本発明の実施形態における入力装置の平面図である。 図2は、図1のII-II線に沿った断面図である。 図3は、本発明の実施形態におけるタッチパネルの分解斜視図である。 図4は、本発明の実施形態における感圧センサの断面図である。 図5は、本発明の実施形態における感圧センサの変形例を示す拡大断面図である。 図6は、本発明の実施形態における表示装置の平面図である。 図7は、本発明の実施形態における入力装置のシステム構成を示すブロック図である 図8(a)は、図7の取得部の詳細構成を示す回路図であり、図8(b)は当該取得部の等価回路図である。 図9は、本発明の実施形態における取得部の第1変形例を示す回路図である。 図10は、本発明の実施形態における取得部の第2変形例を示す回路図である。 図11は、本発明の実施形態における感圧センサの荷重−抵抗特性(抵抗特性関数h(F))を示すグラフである。 図12は、本発明の実施形態における感圧センサの荷重−出力電圧特性(出力特性関数f(F))を示すグラフである。 図13は、本発明の実施形態における感圧センサの出力特性関数f(F)、逆関数f−1(F)、及び、補正関数g(Vout)による補正出力値を示すグラフである。 図14(a)は、補正前の感圧センサの出力特性を示すグラフであり、図14(b)は、補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフである。 図15は、第1の近似関数を用いた補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフである。 図16は、第2の近似関数を用いた補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフである。 図17は、本発明の実施形態における入力装置の制御方法を示すフローチャートである。 図18(a)及び図18(b)は、本発明の実施形態における具体的な効果を説明するためのグラフであり、図18(a)は、感圧センサの補正前の出力特性を示し、図18(b)は、当該感圧センサの補正後の出力特性を示す。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1及び図2は本実施形態における入力装置の平面図及び断面図である。なお、以下に説明する入力装置1の構成は一例に過ぎず、特にこれに限定されない。
本実施形態における入力装置(電子機器)1は、図1及び図2に示すように、パネルユニット10と、表示装置40と、感圧センサ50と、シール部材60と、第1の支持部材70と、第2の支持部材75と、を備えており、パネルユニット10は、カバー部材20と、タッチパネル30と、を備えている。パネルユニット10は、感圧センサ50とシール部材60を介して第1の支持部材70に支持されており、感圧センサ50及びシール部材60の弾性変形によって、第1の支持部材70に対するパネルユニット10の微小な上下動が許容されている。
この入力装置1は、表示装置40によって画像を表示することが可能となっている(表示機能)。また、この入力装置1は、操作者の指やタッチペン等によって画面上における任意の位置が示されると、タッチパネル30によってそのXY座標位置を検出することが可能となっている(位置入力機能)。さらに、操作者の指等によってパネルユニット10がZ方向に押圧されると、この入力装置1は、感圧センサ50によってその押圧操作を検出することが可能となっている(押圧検出機能)。
カバー部材20は、図1及び図2に示すように、可視光線を透過することが可能な透明基板21から構成されている。こうした透明基板21を構成する材料の具体例としては、例えば、ガラス、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)等を例示することができる。
この透明基板21の下面には、例えば白色インクや黒色インク等を塗布することで形成された遮蔽部分(額縁部分)23が設けられている。この遮蔽部分23は、透明基板21の下面において中央に位置する矩形状の透明部分22を除いた領域に枠状に形成されている。
なお、透明部分22と遮蔽部分23の形状は特に上記に形成されない。また、白色や黒色に加飾された加飾部材を透明基板21の下面に貼り合わせることで、遮蔽部分23を形成してもよい。或いは、透明基板21と略同一の大きさを有し、遮蔽部分23に対応する部分のみが白色又は黒色に着色された透明なシートを準備し、当該シートを透明基板21の下面に貼り付けることで、遮蔽部分23を形成してもよい。
図3は本実施形態におけるタッチパネルの分解斜視図である。
タッチパネル30は、図3に示すように、相互に重ね合わせられた2枚の電極シート31,32を備えた静電容量方式のタッチパネルである。
なお、タッチパネルの構造は、特にこれに限定されず、例えば、抵抗膜方式のタッチパネルや、電磁誘導方式のタッチパネルを採用してもよい。また、以下に説明する電極パターン312,322をカバー部材20の下面に形成して、カバー部材20をタッチパネルの一部として利用してもよい。或いは、2枚の電極シート31,32に代えて、一枚のシートの両面に電極を形成したタッチパネルを用いてもよい。
第1の電極シート31は、可視光線を透過可能な第1の透明基材311と、この第1の透明基材311上に設けられた複数の第1の電極パターン312と、を有している。
第1の透明基材311を構成する具体的な材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)、ビニル系樹脂、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリビニルアルコール(PVA)、アクリル樹脂、トリアセチルセルロース(TAC)等の樹脂材料やガラスを例示することができる。
第1の電極パターン312は、例えば、酸化インジウム錫(ITO)や導電性高分子から構成された透明電極であり、図3中のY方向に沿って延在する短冊形状の面状パターン(所謂ベタパターン)で構成されている。図3に示す例では、第1の透明基材311上において、9本の電極パターン312が相互に平行に並べられている。なお、第1の電極パターン312の形状、数、配置等は上記に特に限定されない。
第1の電極パターン312をITOで構成する場合には、例えば、スパッタリング、フォトリソグラフィ、及び、エッチングによって形成する。一方、第1の電極パターン312を導電性高分子で構成する場合には、ITOの場合と同様にスパッタリング等によって形成してもよいし、或いは、スクリーン印刷やグラビアオフセット印刷等の印刷法や、コーティングした後にエッチングを行うことによって形成してもよい。
第1の電極パターン312を構成する導電性高分子の具体例としては、例えば、ポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系、ポリアセチレン系、ポリフェニレン系等の有機化合物を例示することができるが、この中でもPEDOT/PSS化合物を用いることが好ましい。
なお、この第1の電極パターン312を、導電性ペーストを第1の透明基材311上に印刷して硬化させることで形成してもよい。この場合には、タッチパネル30の十分な光透過性を確保するために、それぞれの第1の電極パターン312を、面状パターンに代えて、メッシュ状に形成する。導電性ペーストとしては、例えば、銀(Ag)や銅(Cu)等の金属粒子と、ポリエステルやポリフェノール等のバインダと、を混合したものを用いることができる。
複数の第1の電極パターン312は、第1の引出配線パターン313を介してタッチパネルコントローラ80(図7参照)に接続されている。この第1の引出配線パターン313は、第1の透明基材311上において、カバー部材20の遮蔽部分23に対向する位置に設けられており、操作者からはこの第1の引出配線パターン313を視認できないようになっている。このため、この第1の引出配線パターン313は、導電性ペーストを第1の透明基材311上に印刷して硬化させることで形成されている。
第2の電極シート32も、可視光線を透過可能な第2の透明基材321と、この第2の透明基材321上に設けられた複数の第2の電極パターン322と、を有している。
第2の透明基材321は、上述の第1の透明基材311と同様の材料で構成されている。また、第2の電極パターン322も、上述の第1の電極パターン312と同様に、例えば、酸化インジウム錫(ITO)や導電性高分子から構成された透明電極である。
この第2の電極パターン322は、図3中のX方向に沿って延在する短冊状の面状パターンで構成されている。図3に示す例では、第2の透明基材321上において、6本の第2の電極パターン322が相互に平行に並べられている。なお、第2の電極配線パターン322の形状、数、配置等は上記に特に限定されない。
複数の第2の電極パターン322は、第2の引出配線パターン323を介して、タッチパネルコントローラ80(図7参照)に接続されている。この第2の引出配線パターン323は、第2の透明基材321上において、カバー部材20の遮蔽部分23に対向する位置に設けられており、操作者からはこの第2の引出配線パターン323を視認できないようになっている。このため、上述の第1の引出配線パターン313と同様に、この第2の引出配線パターン323も、導電ペーストを第2の透明基材321上に印刷して硬化させることで形成されている。
第1の電極シート31と第2の電極シート32は、平面視において第1の電極パターン312と第2の電極パターン322が実質的に直交するように、透明粘着剤を介して相互に貼り付けられている。また、タッチパネル30自体も、第1及び第2の電極パターン312,322がカバー部材20の透明部分22に対向するように、透明粘着剤を介して、カバー部材20の下面に貼り付けられている。こうした透明粘着剤の具体例としては、例えば、アクリル系粘着剤等を例示することができる。
以上に説明したカバー部材20とタッチパネル30から構成されるパネルユニット10は、図2に示すように、感圧センサ50とシール部材60を介して第1の支持部材70に支持されている。図1に示すように、感圧センサ50は、パネルユニット10の四隅に設けられている。これに対し、シール部材60は、矩形の環状形状を有し、パネルユニット10の外縁に沿って全周に亘って設けられており、感圧センサ50の外側に配置されている。感圧センサ50及びシール部材60は、粘着剤を介してカバー部材20の下面にそれぞれ貼り付けられていると共に、粘着剤を介して第1の支持部材70にそれぞれ貼り付けられている。なお、感圧センサ50がパネルユニット10を安定して保持可能であれば、感圧センサ50の数や配置は特に限定されない。
図4は本実施形態における感圧センサの断面図、図5は本実施形態における感圧センサの変形例を示す拡大断面図である。
感圧センサ50は、図4に示すように、検出部51と、弾性部材55と、を備えており、検出部51は、第1の電極シート52と、第2の電極シート53と、これらの間に介装されたスペーサ54と、を備えている。なお、図4は、図1のIV-IV線に沿った断面図である。
第1の電極シート52は、第1の基材521と、上部電極522と、を有している。第1の基材521は、可撓性を有する絶縁性フィルムであり、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)等から構成されている。
上部電極522は、第1の上部電極層523と第2の上部電極層524から構成されており、第1の基材521の下面に設けられている。第1の上部電極層523は、電気的抵抗の比較的低い導電性ペーストを第1の基材521の下面に印刷して硬化させることで形成されている。一方、第2の上部電極層524は、電気的抵抗の比較的高い導電性ペーストを第1の上部電極層523を包むように第1の基材521の下面に印刷して硬化させることで形成されている。
第2の電極シート53も、第2の基材531と、下部電極532と、を有している。第2の基材531は、上述の第1の基材521と同様の材料で構成されている。下部電極532は、第1の下部電極層533と第2の下部電極層534から構成されており、第2の基材531の上面に設けられている。
第1の下部電極層533は、上述の第1の上部電極層523と同様に、電気的抵抗の比較的低い導電性ペーストを第2の基材531の上面に印刷して硬化させることで形成されている。一方、第2の下部電極層534は、上述の第2の上部電極層524と同様に、電気的抵抗の比較的高い導電性ペーストを第1の下部電極層533を包むように第2の基材531の上面に印刷して硬化させることで形成されている。
なお、電気的抵抗の比較的低い導電性ペーストとしては、例えば、銀(Ag)ペースト、金(Au)ペースト、銅(Cu)ペーストを例示することができる。これに対し、電気的抵抗の比較的高い導電性ペーストとしては、例えば、カーボン(C)ペーストを例示することができる。また、これらの導電性ペーストを印刷する方法としては、例えば、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、インクジェット法等を例示することができる。
第1の電極シート52と第2の電極シート53は、スペーサ54を介して積層されている。このスペーサ54は、両面粘着シートから構成されており、その基材541は、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)等の絶縁性材料から構成されている。このスペーサ54は、その両面に設けられた粘着層を介して、第1及び第2の電極シート52,53にそれぞれ貼り付けられている。
このスペーサ54には、上部電極522及び下部電極532に対応する位置に貫通孔541形成されている。上部電極522及び下部電極532は、この貫通孔541の中に位置しており相互に対向している。また、このスペーサ54の厚さは、感圧センサ50に対して圧力が印加されていない状態において、上部電極522及び下部電極532が相互に接触するように調整されている。
なお、無負荷状態において上部電極522及び下部電極532が離れていてもよいが、上部電極522及び下部電極532を無負荷状態で接触させておくことで、圧力が印加されているのに電極同士が非接触であるという事態(すなわち、感圧センサ50の出力が0(ゼロ)である事態)がなくなり、感圧センサ50の検出精度の向上を図ることができる。
上部電極522と下部電極532の間に所定電圧を印加した状態で、感圧センサ50に対して上方から荷重が加わると、当該荷重の大きさに応じて上部電極522と下部電極532との密着度が増加し、これらの電極522,532の間の電気抵抗が減少する。一方、感圧センサ50に対する荷重が解放されると、上部電極522と下部電極532との密着度が減少し、これらの電極522,532間の電気抵抗が増加する。
このように、感圧センサ50は、この抵抗変化に基づいて感圧センサ50に加わる圧力の大きさを検出することが可能となっており、本実施形態における入力装置1は、この感圧センサ50の電気抵抗値を所定の閾値と比較することで、操作者によるパネルユニット10の押圧操作を検出する。なお、本実施形態において、「密着度が増加する」とは、微視的な接触面積の増加を意味し、「密着度が減少する」とは、微視的な接触面積の減少を意味する。
なお、第2の上部電極層524や第2の下部電極層534を、カーボンペーストに代えて、感圧インクを印刷して硬化させることで形成してもよい。感圧インクの具体例としては、例えば、量子トンネル効果を利用した量子トンネル複合材料を挙げることができる。また、感圧インクの他の具体例としては、例えば、金属やカーボン等の導電粒子と、有機物弾性フィラーまたは無機酸化物フィラー等の弾性粒子と、バインダと、を含んだものを例示することができ、この感圧インクの表面は弾性粒子によって凹凸状になっている。また、上述した電極層523,524,533,534を、印刷法に代えて、めっき処理やパターニング処理によって形成してもよい。
弾性部材55は、第1の電極シート52の上に粘着剤551を介して積層されている。この弾性部材55は、発泡材やゴム材料等の弾性材料から構成されている。弾性部材55を構成する発泡材の具体例としては、例えば、独立気泡型のウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、シリコーンフォーム等を例示することができる。また、弾性部材55を構成するゴム材料としては、ポリウレタンゴム、ポリスチレンゴム、シリコーンゴム等を例示することができる。なお、弾性部材55を、第2の電極シート53の下に積層してもよい。或いは、弾性部材55を、第1の電極シート52の上に積層すると共に、第2の電極シート53の下に積層してもよい。
こうした弾性部材55を感圧センサ50が備えることで、感圧センサ50に対して印加された荷重を検出部51全体に均等に分散させることができ、感圧センサ50の検出精度の向上を図ることができる。また、支持部材70,75等が歪んでいる場合や支持部材70,75等の厚さ方向の公差が大きい場合に、弾性部材55によってこれらを吸収するこができる。さらに、感圧センサ50に過大な圧力や衝撃が加わった場合に、こうした弾性部材55によって感圧センサ50の損傷や破壊を防止することもできる。
なお、感圧センサの構造は上記に特に限定されない。例えば、図5に示す感圧センサ50Bのように、上部電極522Bの第2の上部電極層524Bによって環状の突出部525を形成し、下部電極532Bを突出部525と同一径となるように拡大し、さらに当該突出部525と下部電極522Bとの間にスペーサ54Bを挟むように構成してもよい。本例における突出部525は、上部電極522Bの上部から径方向に突出している。また、本例におけるスペーサ54Bの貫通孔541Bの内径は、上部電極532Bの突出部525の外径や下部電極522Bの外径に対して相対的に小さくなっている。
また、印加荷重と感圧センサの出力との関係が非線形のものであれば、感圧センサの構造は、特に上記に限定されない。例えば、圧電素子や歪みゲージを感圧センサとしても用いてもよい。或いは、ピエゾ抵抗層を有する片持梁形状(或いは両持梁形状)のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子を、感圧センサとして用いてもよい。或いは、スクリーン印刷によって電極をそれぞれ形成した絶縁性基板の間に、圧電性を示すポリアミノ酸材料を挟み込んだ構造を有する圧力センサを、感圧センサとして用いてもよい。或いは、圧電性を示すポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた圧電素子を、感圧センサとして用いてもよい。或いは、一対の電極間の静電容量の変化に基づいて印加荷重を検出するものや、導電性ゴムを用いたものを、感圧センサとしても用いてもよい。
シール部材60も、上述の弾性部材55と同様に、発泡材やゴム材料等の弾性材料から構成されている。シール部材60を構成する発泡材の具体例としては、例えば、独立気泡型のウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、シリコーンフォーム等を例示することができる。また、シール部材60を構成するゴム材料としては、ポリウレタンゴム、ポリスチレンゴム、シリコーンゴム等を例示することができる。こうしたシール部材60をカバー部材20と第1の支持部材70との間に設けることで、外部からの異物の侵入を防止することができる。
なお、上述の弾性部材55の弾性率は、シール部材60の弾性率に対して相対的に高いことが好ましい。これにより、押圧力を感圧センサ50に正確に伝達することができ、感圧センサ50の検出精度の向上を図ることができる。
以上に説明した感圧センサ50とシール部材60は、図2に示すように、カバー部材20と第1の支持部材70との間に挟まれている。第1の支持部材70は、枠部71と、保持部72と、を有している。枠部71は、カバー部材20を収容可能な開口を有する矩形枠形状を有している。一方、保持部72は、矩形環形状を有しており、枠部71の下端から径方向内側に向かって突出している。感圧センサ50とシール部材60は、この保持部72に保持されることで、カバー部材20と第1の支持部材70の間に介装されている。この第1の支持部材70は、例えば、アルミニウム等の金属材料、或いは、ポリカーボネート(PC)、ABS樹脂等の樹脂材料等で構成されており、枠部71と保持部72とが一体的に形成されている。
図6は本実施形態における表示装置の平面図である。
表示装置40は、図6に示すように、画像が表示される表示領域41と、その表示領域41を取り囲む外縁領域42と、その外縁領域42の両端から突出するフランジ43と、を有している。この表示装置40の表示領域41は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、又は、電子ペーパ等の薄型の表示デバイスで構成されている。
フランジ43には貫通孔431が設けられており、この貫通孔431は第1の支持部材70の背面に形成されたネジ穴に対向している。図2に示すように、ネジ44が貫通孔431を介して第1の支持部材70のネジ穴に螺合することで、表示装置40が第1の支持部材70に固定されており、これにより、表示領域41が第1の支持部材70の中央開口721を介してカバー部材20の透明部分22に対向している。
第2の支持部材75は、上述の第1の支持部材70と同様に、例えば、アルミニウム等の金属材料、或いは、ポリカーボネート(PC)、ABS樹脂等の樹脂材料等で構成されている。この第2の支持部材75は、表示装置40の背面を覆うように、粘着剤を介して、第1の支持部材70に取り付けられている。なお、粘着剤に代えて、第2の支持部材75を第1の支持部材70にネジ止めしてもよい。
次に、本実施形態における入力装置1のシステム構成について、図7〜図10を参照しながら説明する。
図7は本実施形態における入力装置のシステム構成を示すブロック図、図8(a)は図7の取得部の詳細を示す回路図、図8(b)は当該取得部の等価回路図、図9及び図10は取得部の変形例を示す回路図である。
本実施形態における入力装置1は、図7に示すように、タッチパネル30が電気的に接続されたタッチパネルコントローラ80と、感圧センサ50が電気的に接続されたセンサコントローラ90と、当該コントローラ80,90が電気的に接続されたコンピュータ100と、を備えている。本実施形態におけるセンサコントローラ90が、本発明における制御手段の一例に相当する。
タッチパネルコントローラ80は、例えばCPU等を備えた電子回路等で構成されている。このタッチパネルコントローラ80は、タッチパネル30の第1の電極パターン312と第2の電極パターン322との間に所定電圧を周期的に印加し、第1及び第2の電極パターン312,322の交点毎の静電容量の変化に基づいて、タッチパネル30上における指の位置(X座標値及びY座標値)を検出し、当該XY座標値をコンピュータ100に出力するようになっている。
また、このタッチパネルコントローラ80は、静電容量の値が所定閾値以上となった場合に、操作者の指がカバー部材20に接触したことを検出し、コンピュータ100を介してセンサコントローラ90にタッチオン信号を送信するようになっている。一方、静電容量の値が所定閾値未満となった場合には、このタッチパネルコントローラ80は、操作者の指がカバー部材20から離れたことを検出し、コンピュータ100を介してセンサコントローラ90タッチオフ信号を送信するようになっている。
なお、操作者の指がカバー部材20から所定距離以内に接近したこと(いわゆるホバー(hover)状態)を検出した際に、タッチパネルコントローラ80がタッチオン信号を送信してもよい。
センサコントローラ90も、上述のタッチパネルコントローラ80と同様に、例えばCPU等を備えた電子回路から構成されている。このセンサコントローラ90は、図7に示すように、取得部91、記憶部92と、第1の補正部93と、設定部94と、第1の演算部95と、選択部96と、第2の補正部97と、第2の演算部98と、感度調整部99と、を機能的に備えている。本実施形態における取得部91が本発明における取得部の一例に相当し、本実施形態体における記憶部92が本発明における記憶部の一例に相当し、本実施形態における第1の補正部93が本発明における補正部の一例に相当する。
取得部91は、図8(a)及び図8(b)に示すように、感圧センサ50の上部電極522(又は下部電極532)に直列接続された電源911と、当該感圧センサ50の下部電極532(又は上部電極522)に直列接続された第1の固定抵抗体912と、感圧センサ50と第1の固定抵抗体912との間に接続されたA/D変換器915と、を備えている。本実施形態における第1の固定抵抗体912が、本発明における固定抵抗体の一例に相当する。
電源911によって電極522,532に所定電圧を印加した状態で、感圧センサ50に対して上方から荷重が加わると、当該荷重の大きさに応じて電極522,532間の電気的な抵抗値が変化する。取得部91は、こうした抵抗変化に対応した電圧値のアナログ信号を感圧センサ50から一定の間隔で周期的にサンプリングし、当該アナログ信号をA/D変換器915によってデジタル信号に変換した後に、当該デジタル信号(実出力値)を第1の補正部93に出力する。
図7に示すように、この取得部91は、感圧センサ50毎に設けられており、感圧センサ50毎に実出力値を取得する。
なお、図9に示すように、取得部91が、感圧センサ50に並列接続された第2の固定抵抗体913を有してもよい。さらに、図10に示すように、取得部91が、感圧センサ50と第2の固定抵抗体913から構成される並列回路に直列接続された第3の固定抵抗体914を有してもよい。第1〜第3の固定抵抗体912〜914の抵抗値を調整することで、感圧センサ50の出力特性をリニア(直線状)により近づけることができる。
記憶部92には、感圧センサ50の実出力値を直線状に補正するための補正関数g(Vout)が記憶されている。この補正関数g(Vout)は、後述するように、感圧センサ50の出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、感圧センサ50の出力変数Voutを当該感圧センサ50の補正出力変数Vout’に置き換えると共に、当該感圧センサ50に対する印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた関数である。本実施形態では、具体的には、この補正関数g(Vout)は下記の(9)式で表わされる。
Figure 0005586776
上記の(9)式において、Rfixは第1の固定抵抗体912の抵抗値であり、Vinは感圧センサ50への入力電圧値であり、kは感圧センサ50の切片定数であり、nは感圧センサ50の傾き定数である。
図7に示すように、記憶部92は感圧センサ50毎に設けられており、それぞれの記憶部92には、個々の感圧センサ50に対応したフィッティングパラメータ(具体的には、上記のk及びn)が入力された補正関数g(Vout)が記憶されている。こうした補正関数g(Vout)は感圧センサ50毎に個別に設定されており、以下に説明する要領で予め設定されている。
以下に、補正関数g(Vout)の具体的な設定方法について、図11〜図12を参照しながら説明する。
図11は本実施形態における感圧センサの荷重−抵抗特性(抵抗特性関数h(F))を示すグラフ、図12は本実施形態における感圧センサの荷重−出力電圧特性(出力特性関数f(F))を示すグラフである。
すなわち、先ず、図11に示すように、複数の荷重点(本例では図11中において丸で囲んだ3点)で感圧センサ50の抵抗値を測定する。次いで、当該測定した抵抗値を用いて、下記の(10)式に対してカーブフィッティング(曲線あてはめ)を行うことで、切片定数kと傾き定数nの値を算出する。なお、下記の(10)式は、接触抵抗の圧力依存性を利用した感圧センサの特性を表した経験式である。この(10)式は、感圧センサ50に対する印加荷重変数Fと感圧センサ50の抵抗変数Rsensとの間の関係を示す抵抗特性関数であり、印加荷重変数Fに対する抵抗変数Rsensを表している。
Figure 0005586776
なお、図12に示すように、複数の荷重点(本例では図12中において丸で囲んだ3点)で感圧センサ50の出力電圧値を測定し、当該測定した出力電圧値を用いて下記の(12)式に対してフィッティングを行うことで、切片定数kと傾き定数nの値を算出してもよい。
本実施形態における上記の(10)式が、本発明における抵抗特性関数h(F)の一例に相当する。なお、抵抗特性関数h(F)は特にこれに限定されず、例えば、多項式近似、対数近似、累乗近似等を用いた近似関数であってもよい。
一方、直列固定抵抗体912を有する回路(図8参照)を用いて検出した感圧センサ50の出力電圧値は、以下の(11)式で表すことができ、下記の(11)式に上記(10)式を代入すると、以下の(12)式を得ることができる。下記の(12)式は、感圧センサ50に対する印加荷重変数Fと感圧センサ50の出力変数Voutとの関係を示す出力特性関数であり、印加荷重変数Fに対する出力変数Voutを表している。
Figure 0005586776
Figure 0005586776
さらに、印加荷重変数F及び出力変数Voutについて上記の(12)式の逆関数f−1(F)を求めると、以下の(13)式のようになる。そして、下記の(13)式に対して、感圧センサ50の出力変数Voutを当該感圧センサ40の補正出力変数Vout’に置き換えると共に、当該感圧センサ50に対する印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えることで、上記の(9)式のg(Vout)を得ることができる。換言すれば、上記の(9)式の補正関数g(Vout)は、等式変形によって、上記の(12)式を印加荷重変数Fについて解いた式である。
Figure 0005586776
以上の要領で上記の(9)式g(Vout)を予め準備しておく工程が、本発明における第1のステップの一例に相当する。
なお、図9に示す第2の固定抵抗体913の抵抗値は、感圧センサ50の抵抗値Rsensよりも十分に大きい。そのため、取得部91が図9に示す回路構成を有する場合であっても、当該第2の固定抵抗体913を無視することができ、上記の(12)式をそのまま使用することができる。
或いは、図9に示す例の場合に、補正関数g(Vout)として、下記の(14)式を用いてもよい。なお、下記の(14)式において、Rは、第2の固定抵抗体913の抵抗値である。
Figure 0005586776
ここで、図9に示す構成の取得部91を用いて検出した感圧センサ50の出力電圧値は、以下の(15)式で表すことができる。すなわち、図9に示す例のように取得部91が第2の固定抵抗値を含む場合には、上記の(11)における抵抗変数Rsensを、感圧センサ50と第2の固定抵抗体から構成される並列回路の合成抵抗に置き換えればよい。
Figure 0005586776
そして、上記の(14)式は、この(15)式の出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、感圧センサ50の出力変数Voutを補正出力変数Vout’に置き換えると共に、当該感圧センサ50に対する印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた関数である。なお、(15)式の出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)は、以下の(16)式で表わされる。
Figure 0005586776
また、取得部91が上述の図10に示す回路構成を有する場合には、上述の図9に示す例の場合と同様の要領で、上記の(11)における抵抗変数Rsensを、感圧センサ50と第2の固定抵抗体913から構成される並列回路と、当該並列回路に直列接続された第3の固定抵抗体924と、の合成抵抗に置き換えればよい。
また、特に図示しないが、第1の固定抵抗体912に他の固定抵抗体が電気的に接続されている場合にも、上記の(11)における抵抗値Rfixを、それらの合成抵抗に置き換えればよい。
図7に戻り、第1の補正部93は、上記の(9)式の補正関数g(Vout)中の出力変数Voutに、取得部91により取得された実出力値を代入する。
ここで、上記の(9)式において、第1の固定抵抗体912の抵抗値Rfixと感圧センサ50への入力電圧値Vin(すなわち電源911の電圧Vin)は既知であり、切片定数kと傾き定数nは上述のように決定されている。そして、これらの値Rfix,Vin,k,nは、記憶部92に記憶され、補正関数g(Vout)に入力されている。このため、第1の補正部93は、当該補正関数g(Vout)の出力変数Voutに実出力値を代入することで、補正後の出力値OP(=Vout’)を一義的に得ることができる。
この第1の補正部93は、図7に示すように、上述の取得部91や記憶部92と同様に、感圧センサ50毎に設けられており、感圧センサ50毎に補正出力値OPを算出する。
図13は本実施形態における感圧センサの出力特性関数f(F)、逆関数f−1(F)、及び、補正関数g(Vout)による補正出力値を示すグラフ、図14(a)は補正前の感圧センサの出力特性を示すグラフ、図14(b)は補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフである。
ここで、上述の出力特性関数f(F)と逆関数f−1(F)との合成関数は、図13に示すように、逆関数の定義上、以下の(17)式に示すような恒等関数となる。
Figure 0005586776
このため、上記の(9)式の出力値Voutに感圧センサ50の実出力値を代入すると、印加荷重に対する実出力値が曲線であっても、当該実出力値を恒等関数(つまり、y=x)の直線に近づけることができる。なお、図13において、実線は、上記の(12)式の出力特性関数f(F)を示し、一点鎖線は、上記の(13)式の逆関数f−1(F)を示し、破線は、出力特性関数f(F)の出力値を補正関数g(Vout)により補正した値を示す。
また、補正前の感圧センサ50の実出力値がバラツキを有している場合(図14(a)参照)であっても、本実施形態では、感圧センサ50毎に補正関数g(Vout)を作成するので、当該実出力値を上記の(9)式に代入すると、当該バラツキも低減することができる(図14(b)参照)。
なお、図14(a)は、意図的にバラツキを持たせた9種類の出力特性関数f(F)を示している。これら9種類の出力特性関数f(F)では、図8に示す回路における電源911による感圧センサ50Bに対する印加電圧Vinが5Vに設定され、同図に示す回路における第1の固定抵抗体912の抵抗値が2200Ωに設定され、切片定数kとして7000,10000,13000の3種類が設定され、傾き定数nとして0.9,1.0,1.1の3種類が設定されている。
これに対し、図14(b)は、上記の3種類の切片定数kと3種類の傾き定数nを用いて作成した9種類の上記の(13)式に対して、対応する理論出力値(図14(a)参照)をそれぞれ代入した結果を示すグラフである。
図15は第1の近似関数による補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフ、図16は第2の近似関数による補正後の感圧センサの出力特性を示すグラフである。
記憶部92が、上記の(9)式に示す補正関数g(Vout)に代えて、下記の(18)式に示す第1の近似関数g(Vout)を記憶してもよく、さらに第1の補正部93が当該第1の近似関数g(Vout)を用いて実出力値を補正してもよい。
Figure 0005586776
上記の(18)式は、上記の(9)式においてn=1とした式であり、k’は、下記の(19)式に示すとおりである。このk’の値は、例えば、最大荷重印加時(図15に示す例では5N印加時)に補正出力値Vout’が1となるように設定される。ここで、n=1としたのは、通常の感圧センサ50の傾き定数nが1.0前後であることに基づくものである。
Figure 0005586776
このように、補正関数g(Vout)に代えて、上記の(18)式に示す簡易式を用いることで、図15に示すように、補正出力値Vout’の直線性が若干損なわれるが、センサコントローラ80の処理速度の向上を図ることができ、処理速度の遅いセンサコントローラにも対応することができる。
なお、図15は、上記の3種類の切片定数kと3種類の傾き定数nを用いて作成した9種類の上記の(18)式に対して、対応する理論出力値(図14(a)参照)をそれぞれ代入した結果を示すグラフである。
或いは、記憶部92が、上記の(9)式に示す補正関数g(Vout)に代えて、下記の(20)式に示す第2の近似関数g(Vout)を記憶してもよく、さらに第1の補正部93が当該第2の近似関数g(Vout)を用いて実出力値を補正してもよい。
Figure 0005586776
上記の(20)式は、図13に示す逆関数f−1(F)の形状が下記の(21)式の形状に類似していることに基づくものである。なお、上記の(20)式におけるaは比例定数であり、例えば、最大荷重印加時(図16に示す例では5N印加時)に補正出力値Vout’が1となるように設定される。
Figure 0005586776
このように、補正関数g(Vout)に代えて、上記の(20)式に示す簡易式を用いることで、図16に示すように、補正出力値Vout’の直線性が若干損なわれるが、センサコントローラ80の処理速度の向上をさらに図ることができ、処理速度の遅いセンサコントローラにも対応することができる。
なお、図16は、上記の3種類の切片定数kと3種類の傾き定数nを用いて作成した9種類の上記の(20)式に対して、対応する理論出力値(図14(a)参照)をそれぞれ代入した結果を示すグラフである。
なお、補正関数g(Vout)の代わりに用いることのできる近似関数は、上記の第1の近似関数や第2の近似関数に特に限定されず、例えば、次数が2以下の多項式近似、対数近似、累乗近似等による近似式等により近似された関数を用いてもよい。
図7に戻り、センサコントローラ90の設定部94は、コンピュータ100を介してタッチパネルコントローラ80からタッチオン信号が入力された場合に、当該接触検出時点或いはその直前に感圧センサ50の実出力値(つまり接触検出の同時又はその直前にサンプリングされた実出力値)の補正出力値OPを基準値OPに設定する。この設定部94は、感圧センサ50毎に設けられており、感圧センサ50毎に基準値OPを設定する。
なお、この基準値OPには0(ゼロ)も含まれる。また、タッチオン信号が、カバー部材20への指の所定距離以内の接近を検出したことを示す場合には、設定部94は、当該接近検出時点又はその直後の感圧センサの出力値(つまり接近検出と同時又はその直後にサンプリングされた出力値)の補正出力値OPを基準値OPに設定する。
第1の演算部95は、下記の(22)式に従って、感圧センサ50に印加されている第1の押圧力pn1を演算する。この第1の演算部95も、図7に示すように、上述の取得部91、記憶部92、第1の補正部93、第1の設定部94と同様に、感圧センサ50毎に設けられており、感圧センサ50毎に第1の押圧力pn1を演算する。
Figure 0005586776
選択部96は、4つの設定部94によって設定された4つの基準値OPの中から最小値を選択し、当該最小基準値を比較値Sに設定する。
第2の補正部97は、下記の(23)及び(24)式に従って、それぞれの感圧センサ50の補正値Rを算出し、この補正値Rを用いて当該感圧センサ50の第1の押圧力pn1を補正する。この第2の補正部96も、図7に示すように、上述の取得部91、記憶部92、第1の補正部93、設定部94、及び、第1の演算部95と同様に、感圧センサ50毎に設けられており、感圧センサ50毎に第1の押圧力pn1を補正する。なお、下記の(24)式におけるpn1’は補正後の第1の押圧力である。
Figure 0005586776
Figure 0005586776
上述のように、感圧センサ50は、印加荷重が大きくなるほど抵抗値の低下率が鈍化する曲線的な特性を有しており、同一の荷重変化量であっても初期荷重に応じて抵抗変化量が異なってしまうという現象が生じる。特に、入力装置1が備える4つの感圧センサ50は、当該入力装置1の姿勢等に応じて異なる初期荷重が印加されている場合がある。そのため、第1の演算部95によって演算された第1の押圧力pn1は、それぞれの感圧センサ50の初期荷重に大きく依存している。
これに対し、本実施形態では、補正値Rを用いて第1の押圧力pn1を補正して、第1の押圧力pn1に対する初期荷重の影響を低減することで、感圧センサ50の検出精度の向上を図っている。
なお、選択部96が、基準値OPの中からいずれか一つの値を比較値Sとして選択すればよく、例えば、基準値OPの中の最大値を比較値Sとして選択してもよい。
また、選択部96による第1の押圧力pn1の補正方法は、比較値Sに対して基準値OPが大きいほど第1の押圧力pn1を大きく補正し、比較値Sに対して基準値OPが小さいほど第1の押圧力pn1を小さく補正するのであれば、上記の方法に特に限定されない。
第2の演算部98は、下記の(25)式に従って、カバー部材20に印加された第2の押圧力pn2として、4つの感圧センサ50の補正後の第1の押圧力pn1’の総和を算出する。
Figure 0005586776
感度調整部99は、下記の(26)式に従って第2の押圧力pn2の感度調整を行うことで、最終的な押圧力Pを算出する。この(26)式により算出された押圧力Pは、コンピュータ100に出力される。なお、下記の(26)式におけるkadjは、操作者の押圧の個人差を調整するための係数であり、例えば、感度調整部99に予め記憶されており、操作者に応じて任意に設定することが可能となっている。
Figure 0005586776
なお、特に図示しないが、4つの感圧センサ50とセンサコントローラ91との間にセレクタを介在させてもよい。この場合には、センサコントローラ90は、取得部91、記憶部92、第1の補正部93、設定部94、第1の演算部95、及び、第2の補正部97をそれぞれ一つずつ備えればよい。
コンピュータ100は、特に図示しないが、CPU、主記憶装置(RAM等)、補助記憶装置(ハードディスクやSSD等)、及び、インタフェース等を備えた電子計算機であり、図7に示すように、上述のタッチパネルコントローラ80やセンサコントローラ90がインタフェースを介して電気的に接続されている。このコンピュータ100は、特に図示しないが、補助記憶装置に記憶された各種プログラムを実行することで、タッチパネルコントローラ80により検出された指の位置や、センサコントローラ90により検出された押圧力Pに基づいて、操作者が意図する入力操作を判断する。
以下に、本実施形態における入力装置の制御方法について、図17を参照しながら説明する。図17は本実施形態における入力装置の制御方法を示すフローチャートである。
本実施形態における入力装置1の制御が開始されると、先ず、図17のステップS10において、取得部91が4つの感圧センサ50から実出力値を取得する。この実出力値は、感圧センサ50毎に取得される。
次いで、図17のステップS20において、第1の補正部93が、補正関数g(Vout)を用いて実出力値を補正することで補正出力値OPを算出し、当該補正出力値OPを設定部94や第1の演算部95に出力する。この補正出力値OPも、感圧センサ50毎に算出される。
次いで、図17のステップS30において、設定部94が、タッチパネルコントローラ80からのタッチオン信号の入力の有無を判断する。
カバー部材20に対する操作者の指の接触がタッチパネルコントローラ80によって検出されない限り(図17のステップS30にてNO)、ステップS10〜S30を繰り返し実行する。
これに対し、タッチパネルコントローラ80によって指の接触が検出されたら(図17のステップS30にてYES)、図17のステップS40において、設定部94が、当該接触検出直前にサンプリングされた実出力値の補正出力値OPを、基準値OPに設定する。この基準値OPは、感圧センサ50毎に設定され、すなわち、本例では4つの基準値OPが設定される。
基準値OPが設定されたら、図17のステップS50において、取得部91が感圧センサ50の実出力値を改めて取得する。この実出力値は、感圧センサ50毎に取得される。
次いで、図17のステップS60において、第1の補正部93が、上記のステップS50で取得された実出力値を、補正関数g(Vout)を用いて補正することで、補正出力値OPを算出する。この補正出力値OPも、感圧センサ50毎に算出される。
次いで、図17のステップS70において、第1の演算部95が、上記の(22)式に従って、当該補正出力値OPと基準値OPから第1の押圧力pn1を算出する。この第1の押圧力pn1も感圧センサ50毎に算出される。
次いで、図17のステップS80において、選択部96が、4つの基準値OPの中で最も小さな値を比較値Sに設定する。
次いで、図17のステップS90において、第2の補正部97が、上記の(23)式に従って、それぞれの感圧センサ50の補正値Rを算出し、図17のステップS100において、第2の補正部97が、上記の(24)式に従って、この補正値Rを用いて第1の押圧力pn1を補正する。この補正値Rも感圧センサ50毎に算出される。
次いで、図17のステップS110において、第2の演算部98が、上記の(25)式に従って、4つの感圧センサ50の補正後の第1の押圧力pn1’の合計を算出することで、第2の押圧力pn2を求める。
次いで、図17のステップS120において、感度調整部99が、上記の(26)式に従って、第2の押圧力pn2の感度調整を行う。調整後の第2の押圧力Pはコンピュータ100に出力される。そして、コンピュータ100は、当該調整後の第2の押圧力Pに基づいて、操作者が入力装置1に対して行った入力操作を判断する。なお、このステップS100を省略してもよく、この場合には、ステップS110で算出された第2の押圧力pn2がコンピュータ100に入力される。
指の接触が継続している限り(図17のステップS130にてYES)、上述のステップS50〜S120の処理が定期的に実行される。なお、ステップS80は、タッチコントローラ80からタッチオン信号が入力された後に初回だけ実行すればよい。
これに対し、タッチパネルコントローラ80によって指の接触が検出されなくなったら(図17のステップS130にてNO)、図17のステップS140において、4つの基準値OPと比較値Sの設定を解除した後に、図17のステップS10に戻る。
以上のように、本実施形態では、感圧センサ50の出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して出力変数Voutを補正出力変数Vout’に置き換えると共に印加荷重変数Fを出力変数Voutに置き換えた補正関数g(Vout)に、実出力値を代入することで、実出力値を補正する。これにより、感圧センサ50の出力特性の直線化を図ることができ、延いては感圧センサ50の検出精度の向上を図ることができる。
なお、本発明における図17のステップS10,S50が本発明における第2のステップの一例に相当し、本発明における図17のステップS20,S60が本発明における第3のステップの一例に相当する。
以下に、本実施形態の具体的な効果について、図18(a)及び図18(b)を参照しながら説明する。
図18(a)及び図18(b)は本実施形態における具体的な効果を説明するためのグラフであり、図18(a)は感圧センサの補正前の出力特性を示し、図18(b)は当該感圧センサの補正後の出力特性を示す。
図18(a)は、図8(a)に示す構成の取得部91により感圧センサ50Bの実出力値を取得することで作成したグラフである。
感圧センサ50Bは上述の図5に示す構成を有しており、当該感圧センサ50Bの具体的な仕様は以下のとおりである。
すなわち、第1/第2の基材521,531として100μmの厚さを有するPETシートを用い、第1の上部/下部電極層523,533Bを、銀ペーストを印刷して硬化させることで形成した。一方、第2の上部/下部電極層524B,534Bを、高抵抗感圧カーボンペーストを印刷して硬化させることで形成した。これら電極層523,524B,533B,534Bの厚さはいずれも10μmとした。第2の上部/下部電極層524B,534Bの比抵抗は、100Ω・cmであった。
また、第1の上部電極層523の外径を6mmとし、第2の上部電極層524Bの外径を8mmとし、第1の下部電極層533Bの外径を7.5mmとし、第2の下部電極層534Bの外径を8mmとした。スペーサ54Bとして10μmの厚さを有する両面粘着シートを用い、貫通孔541の内径を7mmとした。また、150μmの厚さを有する粘着テープ551を介して、0.8mmの厚さを有する弾性材料55を第1の基材521の上に貼り付けた。
また、取得部91の具体的な仕様は以下のとおりである。
すなわち、取得部91の電源911による感圧センサ50Bに対する印加電圧値Vinは5Vであり、第1の固定抵抗体912の抵抗値Rfixは2200Ωとした。
そして、取得部91により取得した図18(a)の3N,4N,5N印加時の抵抗値を用いて、上記の(10)式によるフィッティングを行うことで、切片定数kと傾き定数nの値を算出した。次いで、当該切片定数kと傾き定数nの値を上記の(9)式に代入し、当該(9)式を完成させた。
次いで、図18(a)のデータを(9)式の出力変数Voutに代入することで(すなわち、図18(a)のデータを(9)式でフィルタリングすることで)、感圧センサ50Bの出力特性の補正を行った。その結果、図18(b)に示すように、感圧センサ50Bの出力特性のバラツキが抑制され、且つ、線形に近い出力特性に変換することができた。
因みに、上記の例では、切片定数k及び傾き定数nの算出時の荷重点が3つであるが、当該荷重点の数を増加させることで、感圧センサの補正後の出力特性の線形性の更なる向上を図ることができる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
例えば、上述の実施形態では、感圧センサ50の実出力値や出力特性関数f(F)の出力変数Voutを電圧値として説明したが、特にこれに限定されず、例えば、電流値を感圧センサの実出力値や出力特性関数の出力変数に用いてもよい。
また、上述の実施形態では、所得部91の直後に第1の補正部93が配置されているが、特にこれに限定されず、センサコントローラ90内であれば第1の補正部93を任意の位置に配置してもよい。
1…入力装置
10…パネルユニット
20…カバー部材
30…タッチパネル
40…表示装置
50,50B…感圧センサ
51…検出部
52,52B…第1の電極シート
521…第1の基材
522,522B…上部電極
525…突出部
53,53B…第2の基板
531…第2の基材
532,522B…下部電極
54,54B…スペーサ
541…貫通孔
55…弾性部材
551…粘着剤
60…シール部材
70…第1の支持部材
75…第2の支持部材
80…タッチパネルコントローラ
90…センサコントローラ
91…取得部
92…記憶部
93…第1の補正部
94…設定部
95…第1の演算部
96…選択部
97…第2の補正部
98…第2の演算部
99…感度調整部
100…コンピュータ

Claims (17)

  1. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、
    前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、
    前記制御手段は、
    前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、
    補正関数g(Vout)を記憶した記憶部と、
    前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、
    前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、
    前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする入力装置。
  2. 請求項1に記載の入力装置であって、
    前記感圧センサは、押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化することを特徴とする入力装置。
  3. 押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化する感圧センサと、
    前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、
    前記制御手段は、
    前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、
    補正関数g(V out )を記憶した記憶部と、
    前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、
    前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、
    前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、
    前記取得部は、前記感圧センサに電気的に直列接続された固定抵抗体を有しており、
    前記出力特性関数f(F)は、下記の(1)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    但し、前記(1)式において、
    inは、前記感圧センサへの入力電圧値であり、
    fixは、前記固定抵抗体の抵抗値であり、
    h(F)は、前記印加荷重変数Fと前記感圧センサの抵抗変数との関係を示す抵抗特性関数である。
  4. 請求項3に記載の入力装置であって、
    前記抵抗特性関数h(F)は、下記の(2)式であり、
    前記補正関数g(Vout)は、下記の(3)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    Figure 0005586776
    但し、前記(2)式及び前記(3)式において、
    kは、前記感圧センサの切片定数であり、
    nは、前記感圧センサの傾き定数である。
  5. 請求項4に記載の入力装置であって、
    前記(3)式において、n=1であることを特徴とする入力装置。
  6. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、
    前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、
    前記制御手段は、
    前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、
    補正関数g(Vout)を記憶した記憶部と、
    前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、
    前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数に近似する関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、
    前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする入力装置。
  7. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサと、
    前記感圧センサが電気的に接続された制御手段と、を備えた入力装置であって、
    前記制御手段は、
    前記感圧センサの実出力値を取得する取得部と、
    補正関数g(V out )を記憶した記憶部と、
    前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する補正部と、を有しており、
    前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数に近似する関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、
    前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、
    前記補正関数g(Vout)は、下記の(4)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    但し、前記(4)式において、aは、前記感圧センサの比例定数である。
  8. 請求項1〜7の何れかに記載の入力装置であって、
    前記入力装置は、複数の前記感圧センサを備え、
    前記記憶部は、複数の前記補正関数g(Vout)を記憶しており、
    前記補正関数g(Vout)は、複数の前記感圧センサのそれぞれに個別的に対応していることを特徴とする入力装置。
  9. 請求項1〜8の何れかに記載の入力装置であって、
    前記入力装置は、タッチパネルを少なくとも有するパネルユニットをさらに備えており、
    前記感圧センサは、前記パネルユニットを介して印加された荷重を検出することを特徴とする入力装置。
  10. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、
    補正関数g(Vout)を準備する第1のステップと、
    前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、
    前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、
    前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、
    前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする入力装置の制御方法。
  11. 請求項10に記載の入力装置の制御方法であって、
    前記感圧センサは、押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化することを特徴とする入力装置の制御方法。
  12. 押圧力に応じて抵抗値が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、
    補正関数g(V out )を準備する第1のステップと、
    前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、
    前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、
    前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、
    前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、
    前記入力装置は、前記感圧センサに電気的に直列接続された固定抵抗体を備えており、
    前記出力特性関数f(F)は、下記の(5)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    但し、前記(5)式において、
    inは、前記感圧センサへの入力電圧値であり、
    fixは、前記固定抵抗体の抵抗値であり、
    h(F)は、前記印加荷重変数Fと前記感圧センサの抵抗変数との関係を示す抵抗特性関数である。
  13. 請求項12に記載の入力装置の制御方法であって、
    前記抵抗特性関数h(F)は、下記の(6)式であり、
    前記補正関数g(Vout)は、下記の(7)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    Figure 0005586776
    但し、前記(6)式及び前記(7)式において、
    kは、前記感圧センサの切片定数であり、
    nは、前記感圧センサの傾き定数である。
  14. 請求項13に記載の入力装置であって、
    前記(7)式において、n=1であることを特徴とする入力装置の制御方法。
  15. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、
    補正関数g(Vout)を準備する第1のステップと、
    前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、
    前記感圧センサの出力特性を直線化するために、前記補正関数g(Vout)に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、
    前記補正関数g(Vout)は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f−1(F)に対して、前記感圧センサの出力変数Voutを前記感圧センサの補正出力変数Vout’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数Voutに置き換えた関数に近似する関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数Voutとの関係を示す関数であり、
    前記逆関数f−1(F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数Voutについての前記出力特性関数f(F)の逆関数であることを特徴とする入力装置の制御方法。
  16. 押圧力に応じて出力が連続的に変化する感圧センサを備えた入力装置の制御方法であって、
    補正関数g(V out )を準備する第1のステップと、
    前記感圧センサの実出力値を取得する第2のステップと、
    前記補正関数g(V out )に前記実出力値を代入することで、前記実出力値を補正する第3のステップと、を備えており、
    前記補正関数g(V out )は、前記感圧センサの出力特性関数f(F)の逆関数f −1 (F)に対して、前記感圧センサの出力変数V out を前記感圧センサの補正出力変数V out ’に置き換えると共に、前記感圧センサに対する印加荷重変数Fを前記出力変数V out に置き換えた関数に近似する関数であり、
    前記出力特性関数f(F)は、前記感圧センサの前記印加荷重変数Fと前記出力変数V out との関係を示す関数であり、
    前記逆関数f −1 (F)は、前記印加荷重変数F及び前記出力変数V out についての前記出力特性関数f(F)の逆関数であり、
    前記補正関数g(Vout)は、下記の(8)式であることを特徴とする入力装置。
    Figure 0005586776
    但し、前記(8)式において、aは、前記感圧センサの比例定数である。
  17. 請求項10〜16の何れかに記載の入力装置の制御方法であって、
    前記入力装置は、複数の前記感圧センサを備え、
    前記第1のステップは、複数の前記補正関数g(Vout)を準備することを含み、
    前記補正関数g(Vout)は、複数の前記感圧センサのそれぞれに個別的に対応していることを特徴とする入力装置の制御方法。
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