JP5854174B2 - タッチ式入力装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作面へのタッチ位置の検出と操作面への押圧量を検出するタッチセンサを備えるタッチ式入力装置および表示装置に関する。

従来、操作者が操作面に触れたことで操作入力を検出するタッチ式入力装置が各種考案されている。タッチ式入力装置としては、操作面へのタッチ位置と、操作面の押圧や押圧量を検出する装置がある。

例えば、特許文献１に記載のタッチ式入力装置は、平板状の感圧センサ（押圧センサ）と平板状のタッチパネルを重ねた構造である。感圧センサは押圧量を検出し、タッチパネルは操作位置を検出する。

特開平２０１０−１０８４９０号公報

しかしながら、従来のタッチ式入力装置では、互いに独立した構造からなる平板状の押圧センサと平板状のタッチパネル（位置検出センサ）を単に重ねた構造である。したがって、操作位置と押圧を検出するタッチセンサとしては、少なくとも押圧センサの厚みと操作位置検出センサの厚みを加算した厚みとなる。そのため、タッチ式入力装置全体の厚みが大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、操作位置と押圧を検出できる従来構成よりも薄厚のタッチ式入力装置を提供することにある。

この発明のタッチ式入力装置は、次の構成を備えることを特徴としている。タッチ式入力装置は、タッチセンサと制御部とを備える。タッチセンサは、圧電フィルムと、第１、第２検出導体を備える。第１検出導体は、複数個であり、該圧電フィルムにおける一方側の面に配置されている。第２検出導体は、複数個であり、圧電フィルムの一方側の面と反対側の面に、それぞれが第１検出導体に対して少なくとも一部が対向するように配置されている。第１検出導体と第２検出導体は、長尺状であり、長尺方向が直交する向きに配置されている。制御部は、複数の第１検出導体と複数の第２検出導体を介して出力される検出信号とを用いて、操作位置と押圧を検出する。制御部は、押圧の検出時には、第２検出導体側を基準電位とする。

この構成では、制御部は、第１検出導体と第２検出導体を介して出力される検出信号とを用いて、操作位置と押圧を検出する。すなわち、第１検出導体と第２検出導体とを操作位置と押圧の検出のいずれにも用いることができ、押圧と操作位置を個別に検出することができる。

また、この発明のタッチ式入力装置では、圧電フィルムは、一軸方向に延伸されたポリ乳酸であることが好ましい。

この構成では、押圧検出の感度を向上させることができるとともに、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

また、この発明のタッチ式入力装置の制御部は、押圧の検出に当たって、第２検出導体にチャージされた電荷を除去することが好ましい。

この構成では、押圧をより正確に検出することができる。

また、この発明のタッチ式入力装置は、第１検出導体とグランド電位との間にインピーダンス調整回路を備えることが好ましい。

この構成では、インピーダンス調整回路によって設定される特定の周波数で、第１検出導体をグランド電位にすることができる。これにより、操作位置検出時のノイズを抑圧でき、操作位置をより正確に検出できる。

また、この発明のタッチ式入力装置では、インピーダンス調整回路は、第１検出導体とグランド電位を接続するコンデンサであることが好ましい。

この構成では、押圧検出を阻害することなく、操作位置検出時のノイズを抑圧できる。また、インピーダンス調整回路の回路構成が簡素になる。

また、この発明のタッチ式入力装置では、コンデンサは、第１検出導体との直列回路によって、検出信号の周波数よりも高周波数を共振周波数とするキャパシタンスからなることが好ましい。この構成では、コンデンサの具体的な態様を示している。

また、この発明の表示装置は、次の構成であることを特徴としている。表示装置は、上述のいずれかに記載のタッチ式入力装置と、当該タッチ式入力装置に重ねあわせて画像を表示する表示パネルと、該表示パネルを駆動する表示駆動部を備える。表示駆動部の発生する信号の周波数が共振周波数である。

この構成では、表示駆動部の発生する信号が、タッチセンサに接続されるグランドに流れるため、当該表示駆動部の発生する信号による検出結果への影響を抑圧できる。

また、この発明の表示装置は次の構成であってもよい。表示装置は、高周波信号の送受信を行うフロントエンド部を備える。フロントエンド部に伝送する信号の周波数が共振周波数である。

この構成では、フロントエンド部が伝送する信号が、タッチセンサに接続されるグランドに流れるため、当該フロントエンド部が伝送する信号による検出結果への影響を抑圧できる。

この発明によれば、操作位置と押圧を検出できるタッチ式入力装置を、従来構成よりも薄厚で実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置の外観斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を示す側面断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の制御部が実行する処理の時系列での遷移状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る表示装置のタッチ式入力装置の機能ブロック図である。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置、および、これに備えられたタッチセンサやタッチ式入力装置について、図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る表示装置の外観斜視図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を示す側面断面図である。図３は本発明の第１の実施形態に係るタッチセンサの分解斜視図である。図４は本発明の第１の実施形態に係るタッチ式入力装置の機能ブロック図である。

図１に示すように、表示装置１は、略直方体形状の筐体５０を備える。筐体５０の表面側は開口している。なお、以下では、筐体５０の幅方向（横方向）をＸ方向とし、長さ方向（縦方向）をＹ方向とし、厚み方向をＺ方向として説明する。また、本実施形態に説明では、筐体５０のＸ方向の長さが、筐体５０のＹ方向の長さよりも短い場合を示している。しかしながら、Ｘ方向とＹ方向の長さが同じであっても、Ｘ方向の長さがＹ方向の長さより長くてもよい。

図２に示すように、筐体５０内には、タッチセンサ１０、表示パネル３０、および、制御部６０を実現する演算回路モジュール６００が配置されている。これらは、筐体５０の開口面（表示面）側から順に、Ｚ方向に沿って、タッチパネル１０、表示パネル３０、演算回路モジュール６００の順で配置される。タッチセンサ１０と制御部６０により、タッチ式入力装置１１が構成される。

図２、図３に示すように、タッチセンサ１０は、基材１０１、圧電フィルム１０２、第１検出導体１０３、第２検出導体１０４を備える。

基材１０１は、矩形平板状の絶縁性材料からなり、透光性を有する材料からなる。例えば、基材１０１は、ＰＭＭＡ（アクリル樹脂）からなる。

圧電フィルム１０２は、矩形であり、基材１０１の一方の主面（平板面）の略全面に亘る形状で配置されている。

圧電フィルム１０２は、キラル高分子から形成されるフィルムである。キラル高分子として、本実施形態では、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、特にＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を用いている。ＰＬＬＡは、図２に示すように、一軸延伸されている。一軸延伸方向９００は、矩形を構成する直交する二辺（Ｘ方向の辺およびＹ方向の辺）に対して、略４５°を成す。なお、一軸延伸方向９００が成す角度は、適宜調整すればよく、タッチセンサ１０が筐体５０に対して、Ｘ方向の両端のみ、もしくはＹ方向の両端のみで固定されている場合には、４５°であることが最も好ましい。

このようなキラル高分子からなるＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸されて分子が配向すると圧電性を有する。そして、一軸延伸されたＰＬＬＡは、圧電フィルムの平板面が押圧されることにより、電荷を発生する。この際、発生する電荷量は、押圧量（押込量）により平板面が当該平板面に直交する方向へ変位する変位量に依存する。

そして、一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。したがって、押圧による変位を高感度に検出することができる。

なお、延伸倍率は３〜８倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。尚、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えば第１の軸方向に８倍、第１の軸方向に直交する第２の軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそ第１の軸方向に４倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。すなわち、上述の一軸延伸方向とは、圧電フィルムが複数方向に延伸された場合も含めて、最も延伸された方向を意味する。そして、単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。

また、ＰＬＬＡは、延伸等による分子の配向処理で圧電性を生じ、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦやＰＺＴ等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、周囲環境に影響されることなく、押圧による変位を高感度に検出することができる。

第１検出導体１０３は、長尺状であり、圧電フィルム１０２における基材１０１に当接する面と反対側の面に配置されている。第１検出導体１０３は、複数であり、長尺方向に直交する方向に沿って、間隔を空けて配列されている。第１検出導体１０３は、圧電フィルム１０２の主面の略全面に亘る形状からなる態様とすることもできる。

第１検出導体１０３は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極のいずれかを用いるのが好適である。これらの材料を用いることで、透光性の高い導体パターンを形成できる。

第２検出導体１０４は、長尺状であり、基材１０１における圧電フィルム１０２に当接する面と反対側の面に配置されている。第２検出導体１０４は、複数であり、長尺方向に直交する方向に沿って、間隔を空けて配列されている。複数の第２検出導体１０４は、基材１０１の主面の略全面を覆うように配置されている。この際、各第２検出導体１０４は、少なくとも一部が、第１検出導体１０３と対向するように配置されている。第２検出導体１０４の長尺方向は、第１検出導体１０３の長尺方向と直交する。

なお、第２検出導体１０４の基材１０１と反対側の面には、基材１０１の主面の略全面に、絶縁性の保護膜４０が配置されている。この保護膜４０が筐体５０の開口面の最外層であり、保護膜４０の表面が表示装置１およびタッチ式入力装置１１の操作面となる。

このような構成とすることで、基材１０１と圧電フィルム１０２とが、第１検出導体１０３と複数の第２検出導体１０４との間に配置される構造となる。

したがって、操作者の指等により操作面が押圧されると、圧電フィルム１０２の平板面が湾曲して電荷が発生する。この発生する電荷を第１検出導体１０３と第２検出導体１０４とによって電位差として検出することで、押圧検出用の検出信号を取得することができる。

また、操作者の指等が、操作面に接触すると、接触位置およびその周辺に位置する、第１検出電極１０３と、第２検出電極１０４との交点に形成される容量が変化する。したがって、第１検出電極１０３と、第２検出電極１０４との間の信号伝搬状態の変化から、位置検出のための信号を得ることができる。

表示パネル３０は、所謂フラットディスプレイからなり、ここでは、具体的に液晶表示素子からなる。表示パネル３０は、液晶パネル３０１、表面偏光板３０２、裏面偏光板３０３、バックライト３０４を備える。表面偏光板３０２と裏面偏光板３０３は、液晶パネル３０１を挟むように配置されている。バックライト３０４は、裏面偏光板３０３を挟んで、液晶パネル３０１と反対側に配置されている。

演算回路モジュール６００は、制御部６０を実現するものであり、表示パネル３０の裏面側に配置されている。具体的には、筐体５０内における表示パネル３０の裏面側の空間には、実装基板（図示せず）が配置されており、当該実装基板上に演算回路モジュール６００が実装されている。演算回路モジュール６００からなる制御部６０は、図４に示すように、タッチ検出部６１、および圧電検出部６２を備える。制御部６０は、タッチセンサ１０の第１検出導体１０３および複数の第２検出導体１０４（１０４（１）〜１０４（ｎ））に接続されている。なお、ｎは所望の整数である。

タッチ検出部６１は、第１検出電極１０３から容量変化検出用の信号を出力する。タッチ検出部６１は、第１検出電極１０３と、第２検出電極１０４との交点に形成される容量を介してカップリングされて、第２検出電極１０４に伝搬した容量変化検出用の信号を受信する。タッチ検出部６１は、受信した信号より、第１検出電極１０３と、第２検出電極１０４との交点の容量変化量に対応する値を算出し、あるしきい値以上の変化をした点に関連付けられた座標を操作位置の位置座標として出力する。

押圧検出部６２は、複数の第２検出導体１０４の全体を押圧検出用導体とし、当該押圧検出用導体と第１検出導体１０３とによって出力される検出信号の信号レベルを取得する。押圧量と検出信号のレベルとは、関連付けされた状態で記憶部に記憶されている。押圧検出部６２は、検出信号のレベルに基づいて、関連付けされた押圧量を記憶部から読み出し、押圧量として出力する。

制御部６０は、タッチ検出部６１と押圧検出部６２を時系列で切り替えて実行する。図５は、制御部が実行する処理の時系列での遷移状態を示す図である。図５に示すように、制御部６０は、第２検出導体１０４を基準電位にした押圧検出部６２として機能し、押圧検出を行う。制御部６０は、押圧検出を行うと、第１検出導体１０３を基準電位にしたタッチ検出部６１として機能し、操作位置を検出する。制御部６０は、操作位置を検出すると、第２検出導体１０４を基準電位とすることで、第２検出導体１０４にチャージされた電荷を除去するとともに、押圧検出部６２として機能する。以降、制御部６０は、押圧検出部６２とタッチ検出部６１とを順次切り替えて実行する。なお、切り替え時間間隔は、画面の更新周期よりも短くする必要があり、例えば、１０ｍｓｅｃ．間隔（毎秒１００回）程度を用いている。

このような切り替えを行うことで、第１検出導体１０３、第２検出導体１０４を、押圧検出と操作位置検出の両方に利用することができる。したがって、押圧検出センサと操作位置検出センサを個別に設けなくてもよく、押圧検出と操作位置検出が可能なタッチセンサ１０、タッチ式入力装置１１、および表示装置１を薄型に形成することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る表示装置について、図を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る表示装置のタッチ式入力装置の機能ブロック図である。本実施形態の表示装置のタッチ式入力装置１１Ａは、第１の実施形態に示したタッチ式入力装置１１に対して、制御部６０Ａの構成が異なる。したがって、異なる箇所のみを具体的に説明する。

制御部６０Ａは、タッチ検出部６１、押圧検出部６２、および、インピーダンス調整回路６３を備える。タッチ検出部６１および押圧検出部６２は、第１の実施形態と同様の構成である。すなわち、制御部６０Ａは、第１の実施形態に示した制御部６０に、インピーダンス調整回路６３を追加したものである。

インピーダンス調整回路６３は、第１検出導体１０３に接続されている。インピーダンス調整回路６３は、特定周波数において第１検出導体１０３をグランド電位に接続する（接地する）回路構成からなる。

具体的には、インピーダンス調整回路６３は、第１検出導体１０３とグランド電位との間に接続されたコンデンサからなる。このコンデンサのキャパシタンスは、第１検出導体１０３のインダクタ成分との直列共振周波数が特定周波数になるように設定されている。このような構成とすることで、特定周波数において、第１検出導体１０３をグランド電位にすることができる。これにより、第１検出導体１０３に特定周波数の信号が流れても、当該特定周波数の信号をグランドに放電させることができる。

例えば、直列共振周波数は、操作位置検出の動作に影響を及ぼすノイズの周波数に設定されている。具体的な数値例としては、直列共振周波数が１０ｋＨｚから数１００Ｈｚになるように設定する。この周波数は、表示パネル３０である液晶ディスプレイの液晶ドライバや電源から発生するタッチセンサ１０およびタッチ式入力装置１１Ａにとってノイズ成分となる周波数である。このような構成とすることで、表示パネル３０が駆動した状態においてタッチセンサ１０で操作位置検出を行う場合であっても、表示パネル３０から生じるノイズをグランドに放電することができる。

ここで、操作位置を検出するための検出信号の周波数は、せいぜい数１０Ｈｚ程度である。したがって、検出信号は、グランドに流れることなく、制御部６０に入力される。

これにより、本実施形態の構成を用いることで、ノイズの影響を抑圧し、操作位置検出を確実且つ正確に行うことができる。

なお、ここでは、表示パネル３０によるノイズの周波数を、共振周波数とする例を示したが、表示装置が無線通信機器に装着される場合には、当該無線通信機器が送受信する高周波信号の周波数を、共振周波数に設定すればよい。また、操作位置検出の動作に影響を及ぼすノイズの周波数に設定するものと無線通信機器が送受信する高周波信号の周波数に設定するものを交互に配置することによって、両方の機能を果たすことが可能となる。

なお、上述の各実施形態では、表示装置の筐体内に表示パネルを備える例を示したが、表示パネルは、筐体外にあってもよい。すなわち、タッチパネルを備えるタッチ式入力装置と表示パネルは別体であってもよい。このような場合、タッチパネルは、透光性を有さなくてもよく、この場合、基材、圧電フィルム、および第１、第２検出導体に、透光性を有さない材料を用いてもよい。

また、上述の各実施形態では、圧電フィルム１０２の略全面を覆うように配置された１枚の第１検出導体１０３を用いる例を示したが、複数枚に分割した形状であってもよい。すなわち、複数枚の第１検出導体１０３を圧電フィルム１０２に配置してもよい。

１：表示装置
１０：タッチセンサ
１１，１１Ａ：タッチ式入力装置
３０：表示パネル
４０：保護膜
５０：筐体
６０：制御部
１０１：基材
１０２：圧電フィルム
１０３：第１検出導体
１０４，１０４Ａ，１０４（１）〜１０４（ｎ）：第２検出導体
３０１：液晶パネル
３０２：表面偏光板
３０３：裏面偏光板
３０４：バックライト
６００：制御回路モジュール

Claims (8)

1. 圧電フィルムと、該圧電フィルムにおける一方側の面に配置された複数の第１検出導体と、前記圧電フィルムの一方側の面と反対側の面に、それぞれが前記第１検出導体に対して少なくとも一部が対向するように配置された複数の第２検出導体と、を備えたタッチセンサと、
   前記第１検出導体と前記複数の第２検出導体とを介して出力される検出信号を用いて、操作位置と押圧を検出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記押圧の検出時に、前記第２検出導体側を基準電位とする、
   タッチ式入力装置。
2. 前記圧電フィルムは、一軸方向に延伸されたポリ乳酸である、
   請求項１に記載のタッチ式入力装置。
3. 前記制御部は、
   前記押圧の検出に当たって、前記第２検出導体にチャージされた電荷を除去する、
   請求項１または請求項２に記載のタッチ式入力装置。
4. 前記第１検出導体とグランド電位との間にインピーダンス調整回路を備える、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタッチ式入力装置。
5. 前記インピーダンス調整回路は、
   前記第１検出導体と前記グランド電位を接続するコンデンサである、
   請求項４に記載のタッチ式入力装置。
6. 前記コンデンサは、前記第１検出導体との直列回路によって、前記検出信号の周波数よりも高周波数を共振周波数とするキャパシタンスからなる、
   請求項５に記載のタッチ式入力装置。
7. 請求項６に記載のタッチ式入力装置と、
   前記タッチ式入力装置に重ねあわせて画像を表示する表示パネルと、
   該表示パネルを駆動する表示駆動部を備え、
   該表示駆動部の発生する信号の周波数が前記共振周波数である、
   表示装置。
8. 高周波信号の送受信を行うフロントエンド部を備え、
   該フロントエンド部に伝送する信号の周波数が前記共振周波数である、
   請求項７に記載の表示装置。

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