JP5861439B2 - 押圧力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザがタッチパネルを押したときの押圧力を検出する押圧力検出装置に関する。

近年、タッチパネルを用いた操作入力装置が広く普及している。タッチパネルを用いた操作入力装置は、例えば、タブレットタイプのモバイル情報端末等に適用されている。一般に、タッチパネルを用いた操作入力装置では、ユーザによってタッチパネルが押圧された位置を検出し、検出位置に応じた処理を実行するようになっている。

一方、タッチパネルを用いた操作入力装置として、押圧位置に加えて、押圧力を検出するようになされたものも提案されている。

特許文献１には、タブレット内の流体の圧力を検出することにより、タブレットへの押圧力を検出する技術が開示されている。

特許文献２、３、４には、静電容量方式や抵抗膜方式のセンサによって押圧位置座標を検出するのに加えて、歪みセンサ（歪みゲージ）によって押圧力を検出する、入力装置が開示されている。

特開平８−２２３５４号公報 特開２００９−８７３１１号公報 特開２０１１−２８６６３号公報 特開２０１１−２２１６４０号公報

ところで、特許文献１に記載の構成は、主に、押圧力が存在するか否かを検出するものであり、押圧力を精度良く検出することは困難である。

また、特許文献２、３、４に記載の構成は、歪みセンサ（歪みゲージ）に押圧力が直接作用する構成となっているので、大きな押圧力が与えられた場合に、歪みゲージが損傷するおそれがある。因みに、歪みゲージの損傷を回避するために歪みゲージの強度を上げると、押圧力に対する感度が低下してしまう（つまり押圧力の検出精度が低下してしまう）といった新たな課題が生じる。

本発明の目的は、大きな押圧力が与えられた場合でも圧力検出部が損傷することなく、かつ、押圧力の値を高精度で検出できる、押圧力検出装置を提供することである。

本発明の押圧力検出装置の一つの態様は、
タッチパネルと、
前記タッチパネルに加えられる押圧力に応じて、前記タッチパネルが前記押圧力の方向に変位するように、前記タッチパネルを前記タッチパネルの周縁位置で支持する、支持部材と、
前記支持部材よりも前記タッチパネルの中央側の位置に設けられ、前記タッチパネルの前記押圧力の方向への変位に応じて密閉空間内に圧力を発生させ、この密閉空間内圧力を検出する圧力検出部と、
検知された前記密閉空間内圧力と、前記押圧力が加えられた前記タッチパネルの座標と、を用いて、前記押圧力を推定する推定部と、
を具備し、
前記圧力検出部の前記密閉空間は、前記タッチパネルに押圧力が加えられていない状態では、大気と連通される。

本発明によれば、大きな押圧力が与えられた場合でも圧力検出部が損傷することなく、かつ、押圧力の値を高精度で検出できる。

本発明の押圧力検出装置が適用される機器の一例としての、タブレットタイプのモバイル情報端末を示す外観図 押圧力検出装置の主要構成を示す図であり、図２Ａは押圧力検出装置の断面図、図２Ｂは押圧力検出装置の模式的平面図 図３Ａは押圧力が加えられていない状態を示す断面図、図３Ｂは押圧力が加えられている状態を示す断面図 図４Ａは押圧力が加えられていない状態を示す図、図４Ｂは押圧力が加えられている状態を示す図 センサモジュールの構成を示す図 図６Ａはタッチパネルの中央部分を押圧した場合の様子を示す図、図６Ｂはタッチパネルの周縁部を押圧した場合の様子を示す図 タッチパネルの押圧位置によって変化する、検出圧力値の様子を示す図 ｘ方向の押圧位置のみに着目した検出圧力の変化の様子を示す図 押圧力を補正するための回路の構成を示すブロック図 図１０Ａは補正前の押圧力検出値を示す図、図１０Ｂは補正後の押圧力検出値を示す図 回路基板の下面に回路部品を実装した構造を示す図 タッチパネルの下方向への変位を規制するストッパを設けた構造を示す図 外枠ゴムを、回路部品の厚みを考慮して形成された台の上面に載置して設けた構造を示す図 密閉空間と外気とを連通する連通孔を形成した構成を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の押圧力検出装置が適用される機器の一例として、タブレットタイプのモバイル情報端末を示す。モバイル情報端末１０は、例えばスマートホンである。モバイル情報端末１０は、タッチパネル１１を有し、タッチパネル１１にアイコンやカーソル等の画像を表示する。また、モバイル情報端末１０は、ユーザによってタッチパネル１１が押圧操作されると、押圧された位置と、押圧力とを検出し、この位置及び押圧力に応じた処理を施すようになっている。

図２は、本実施の形態の押圧力検出装置の主要構成を示す図である。図２Ａは、押圧力検出装置１００の断面図であり、図２Ｂは、押圧力検出装置１００の模式的平面図である。

押圧力検出装置１００は、筐体１０１にタッチパネル１１が取り付けられている。タッチパネル１１は、支持部材としての外枠ゴム１０２によって支持されている。外枠ゴム１０２は、タッチパネル１１に加えられる押圧力に応じて、タッチパネル１１が押圧力の方向に変位するように、タッチパネル１１をタッチパネル１１の周縁位置で支持する。なお、タッチパネル１１を支持する支持部材は、ゴムに限らず、要は、タッチパネル１１に加えられる押圧力に応じて、タッチパネル１１が押圧力の方向に変位するように、タッチパネル１１をタッチパネル１１の周縁位置で支持する部材であればよい。因みに、図２Ａ中のＬ１は外枠ゴム１０２の厚みを示し、本実施の形態では、Ｌ１＝０．５ｍｍとされている。また、図２Ａ中のＬ２は、後述するセンサモジュール（図５）の厚みを示し、本実施の形態では、Ｌ２＝２．２ｍｍとされている。

タッチパネル１１の裏面側には、タッチパネル１１と平行に回路基板１０３が設けられている。回路基板１０３は筐体１０１によって支持されている。外枠ゴム１０２は、タッチパネル１１と回路基板１０３との間に配置されている。よって、タッチパネル１１が押圧操作されると、タッチパネル１１は変位するが、回路基板１０３は変位しない。回路基板１０３には、タッチパネル１１に画像を表示させるための表示制御回路や、押圧位置及び押圧力を検出するための検出回路、モバイル情報端末１０の通信制御を行うための通信制御回路などが形成されている。

かかる構成に加えて、タッチパネル１１のほぼ中央の下方位置には、圧力検出部１１０が設けられている。なお、本実施の形態では、圧力検出部１１０がタッチパネル１１の中央に１つだけ設けられている場合について述べるが、圧力検出部１１０は外枠ゴム１０２よりもタッチパネル１１の中央側の位置に複数設けるようにしてもよい。

圧力検出部１１０の詳細構成は、図４に示されている。圧力検出部１１０は、タッチパネル１１の下面に当接し、タッチパネル１１の下方に延在する圧力媒体ゴム１１１と、圧力センサ１１２と、を有する。

圧力媒体ゴム１１１は、タッチパネル１１が下方向に変位したときに、外枠ゴム１０２に比べてタッチパネル１１の裏面を押す力が小さい、材質及び形状とすることが好ましい。換言すれば、タッチパネル１１に対する支持はほとんど外枠ゴム１０２で行い、圧力媒体ゴム１１１はタッチパネル１１の変位に応じて変形が大きい材質及び形状とすることが好ましい。本実施の形態の場合、圧力媒体ゴム１１１は、外枠ゴム１０２と比較して、弾性係数が大きくすることで、これを実現している。

圧力媒体ゴム１１１と圧力センサ１１２との間には、密閉空間１１３が形成される。本実施の形態の場合、密閉空間１１３内は空気が充填されているが、密閉空間１１３は液体で充填されていてもよい。

圧力媒体ゴム１１１と密閉空間１１３との間には、圧力センサモジュールのモジュール基板１１４が設けられている。モジュール基板１１４には、貫通孔１１４ａが形成されている。

圧力センサ１１２としては、一般的に知られている、ダイアフラム型の圧力センサが用いられている。簡単に説明すると、圧力センサ１１２は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）プロセス技術を用いて、チップ中央部の薄肉部１１２ａ（シリコンダイアフラム）上にゲージ抵抗等（図示せず）を形成することによって、構成されている。つまり、圧力センサ１１２の薄肉部１１２ａには、半導体歪みゲージが形成されており、密閉空間１１３内の圧力変化に応じて半導体歪みゲージの抵抗値が変化する。圧力センサ１１２は、この抵抗値の変化を検出することで、密閉空間１１３内の圧力を求めるようになっている。

実際上、圧力センサモジュールは、図５に示すように、圧力センサ１１２と、押圧力検出回路１１５と、モジュール基板１１４と、モジュールカバー１１６と、を有する。圧力センサ１１２及び押圧力検出回路１１５は、モジュール基板１１４に取り付けられる。圧力センサ１１２の歪みゲージは、押圧力検出回路１１５に電気的に接続されている。また、モジュールカバー１１６には、カバー内部と大気とを連通させるための貫通孔１１６ａが形成されている。圧力センサモジュールは、回路基板１０３の下面側に圧力媒体ゴム１１１に接した状態で取り付けられている。因みに、図２、図３、図４、図６等ででは、図を簡単化するために、圧力センサモジュールの押圧力検出回路１１５及びモジュールカバー１１６は省略して示してある。

次に、本実施の形態の押圧力検出装置１００の動作について、図３及び図４を用いて説明する。図３は押圧力検出装置１００の全体の様子を示す断面図であり、図４は特に圧力検出部１１０の様子を詳細に示した図である。ここで、図３Ａ及び図４Ａは、押圧力が加えられていない状態を示し、図３Ｂ及び図４Ｂは、押圧力が加えられた状態を示す。

図３Ａに示すように押圧力が加えられていない状態から、押圧力が加えられると、図３Ｂに示すように、タッチパネル１１が下方向に変位する。このとき、図４Ｂに示すように、圧力媒体ゴム１１１は、密閉空間１１３の方向に撓むことにより、密閉空間１１３の圧力を増大させる。すると、圧力センサ１１２の薄肉部１１２ａが変形する。つまり、薄肉部１１２ａは、密閉空間内の圧力と、密閉空間外の圧力と、の差圧に反応して変形する。この結果、薄肉部１１２ａに形成された歪みゲージの抵抗値が変化するので、密閉空間１１３の圧力変化を検出できる。

このように、本実施の形態の押圧力検出装置１００は、タッチパネル１１に加えられる押圧力に応じて、タッチパネル１１が押圧力の方向に変位するように、タッチパネル１１をタッチパネル１１の周縁位置で支持する外枠ゴム１０２と、外枠ゴム１０２よりもタッチパネル１１の中央側の位置に設けられ、タッチパネル１１の押圧力の方向への変位に応じて密閉空間１１３内に圧力を発生させ、この密閉空間１１３内の圧力を検出する圧力検出部１１０と、を有する。

これにより、タッチパネル１１に加えられた押圧力は、圧力検出部１１０の圧力センサ１１２に直接的に作用するのではなく、密閉空間１１３を介して圧力センサ１１２に作用するようになる。この結果、圧力センサ１１２の損傷を防止できるようになる。換言すれば、損傷を気にせずに、感度の良い圧力センサ１１２を用いることができるようになる。

かかる構成に加えて、本実施の形態の押圧力検出装置１００は、圧力センサ１１２の出力をタッチパネル１１の押圧位置情報を用いて補正することにより、より正確な押圧力を得ることができるようになっている。

ここで、図６に示すように、タッチパネルに同じ押圧力を加えた場合でも、タッチパネルのどの位置を押圧したかによって、圧力媒体ゴム１１１に加わる力は異なり、ひいては圧力センサ１１２によって検出される圧力も異なってしまう。具体的には、図６Ａに示すように、タッチパネル１１の中央部分を押圧した場合の方が、図６Ｂに示すように、タッチパネル１１の周縁部を押圧した場合よりも、圧力媒体ゴム１１１が大きく変形するので、同じ押圧力を加えても中央部分を押圧した場合の方が大きな検出圧力値が得られてしまう。

図７は、タッチパネル１１の押圧位置によって変化する、検出圧力値の様子を示すものである。タッチパネル１１の中心（ｘ＝０、ｙ＝０）に近い位置を押圧するほど、大きな値の押圧力が検出されることが分かる。

図８は、より分かり易くするために、ｘ方向の押圧位置のみに着目した検出圧力値の変化の様子を示した図である。図８からも、タッチパネル１１の中心（ｘ＝０）に近い位置を押圧するほど、大きな値の押圧力が検出されることが分かる。

そこで、本実施の形態では、圧力センサ１１２によって検出された密閉空間内圧力と、押圧力が加えられたタッチパネル１１の座標と、を用いて、タッチパネル１１に加えられた押圧力を推定するようになっている。実際には、図９の補正回路１２１によって、この推定（補正）を行うようになっている。

図９の構成について説明する。押圧力算出回路１２０は、圧力センサ１１２の出力値を、所定の関係式に代入することで、タッチパネル１１に加えられた押圧力を求める。なお、ここで算出される押圧力とは、必ずしも実際にタッチパネル１１に加えられた押圧力の実値である必要はなく、押圧力に対応する値であればよい。

補正回路１２１は、押圧力算出回路１２０により得られた押圧力情報と、タッチパネル１１からの押圧位置情報（ｘｙ座標情報）と、メモリ１２２に格納されている補正パラメータ情報と、温度センサ１２３からの温度情報と、を入力する。

補正回路１２１は、押圧力算出回路１２０により得られた押圧力情報を、タッチパネル１１からの押圧位置情報（ｘｙ座標情報）と、メモリ１２２に格納されている補正パラメータ情報と、を用いて補正する。

ここで、補正回路１２１による補正処理の一例を挙げる。先ず、補正回路１２１は、補正パラメータａ_Ｘ、ｂ_Ｘ、ａ_Ｙ、ｂ_Ｙと、押圧位置情報ｘ、ｙとを用いて、ｘ方向での補正値Ｒx、ｙ方向での補正値Ｒyを、次式により求める。
Ｒx ＝ ａ_Ｘｘ^２ ＋ ｂ_Ｘ
Ｒy ＝ ａ_Ｙｙ^２ ＋ ｂ_Ｙ ………（１）

そして、補正回路１２１は、式（１）により求めた補正値Ｒx、Ｒyを、押圧力算出回路１２０により得られた押圧力に加算することで、図７及び図８に示したような、押圧位置に起因する検出誤差を補正することができる。具体的には、補正回路１２１は、タッチパネル１１の中心からの距離が大きいほど、大きな値の補正値を加算するようになっている。

なお、本実施の形態の補正の方法は一例であり、要は、押圧力が加えられたタッチパネル１１の座標を用いて、押圧力を推定（補正）すればよい。例えば、押圧力が加えられたタッチパネル１１の座標に対応した補正値を出力する補正値テーブルを用いて、押圧力を推定（補正）してもよい。ここで、上記補正パラメータａ_Ｘ、ｂ_Ｘ、ａ_Ｙ、ｂ_Ｙや、補正テーブルは、装置の出荷前に、タッチパネル１１上の様々な位置を同一の押圧力で押圧操作したときに、圧力センサ１１２により得られた圧力検出値に基づいて予め求めて、メモリに格納しておけばよい。

また、本実施の形態では、補正回路１２１は、温度センサ１２３によって検出された温度に基づいて、押圧力を補正する。具体的には、外枠ゴム１０２及び圧力媒体ゴム１１１は、温度が低くなるほど硬化して、圧力センサ１１２で得られる圧力検出値も小さい値となるので、温度が低いほど、圧力検出値に大きな値の補正値を加算すればよい。

補正回路１２１は、このようにして得た補正押圧力情報を出力する。

図１０は、それぞれ０．３ｋｇｗ、０．２ｋｇｗ、０．１ｋｇｗの押圧力をタッチパネル１１上の各位置に加えた場合の、補正回路１２１による補正前の押圧力検出値（図１０Ａ）と、補正回路１２１による補正後の押圧力検出値（図１０Ｂ）と、を示したシミュレーション結果である。図１０Ｂを見れば分かるように、補正回路１２１の補正によって、タッチパネル１１上のどの位置を押圧しても、ほぼ同一の押圧力検出値を得ることができるようになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、タッチパネル１１に加えられた押圧力を、密閉空間１１３を介して圧力センサ１１２に伝達させるようにしたことにより、圧力センサ１１２の損傷を防止でき、感度の良い圧力センサ１１２を用いて（例えば薄肉部１１２ａの非常に薄い圧力センサ１１２を用いて）、高精度の押圧力検出結果を得ることができるようになる。

加えて、圧力センサ１１２の出力をタッチパネル１１の押圧位置情報を用いて補正したことにより、より正確な押圧力を得ることができる。

なお、図１１に示すように、回路基板１０３の下面に回路部品２０１、２０２、２０３を実装すれば、タッチパネル１１が下方に変位したときに、タッチパネル１１が回路部品２０１、２０２、２０３に衝突することがないので、タッチパネル１１及び回路部品２０１、２０２、２０３の損傷を回避できる。また、タッチパネル１１と回路基板１０３との間の距離を小さくできるので、薄型の装置を実現できる。

図１２に示すように、タッチパネル１１の下方向への変位を規制するストッパ３０１を設ければ、回路基板１０３の上面に回路部品２０１、２０２、２０３を実装しても、タッチパネル１１と回路部品２０１、２０２、２０３との衝突を防止できる。

また、図１３に示すように、外枠ゴム１０２を回路基板１０３の上面に載置するのではなく、回路部品２０１、２０２、２０３の厚みを考慮して形成された台３０２の上面に載置して設ければ、タッチパネル１１と回路部品２０１、２０２、２０３との衝突を防止できる。

ここで、図１４に示すように、押圧力が加えられていない状態において、密閉空間１１３と大気とを連通するように、圧力媒体ゴム１１１に連通孔４０１を形成すると、好ましい。このようにすれば、薄肉部１１２ａは、大気圧の変化による影響を受けることなく、押圧力の変化による影響のみによって変形することになるので、大気圧の変動による圧力検出値のオフセットを防止できるようになる。

図１４Ａは、タッチパネル１１に押圧力が加えられていないときの状態を示すもので、密閉空間１１３（厳密には、この状態では密閉空間とは呼べないが）は連通孔４０１を介して大気と連通されている。タッチパネル１１が押圧されると、図１４Ｂに示すように、連通孔４０１はつぶれて密閉空間１１３が形成され、図１４Ｃに示すように、密閉空間１１３内の圧力が大気圧よりも大きくなるので、密閉空間１１３内の圧力と大気圧との差圧により薄肉部１１２ａが外方に撓む。

なお、本実施の形態では、圧力センサ１１２として、ダイアフラム型の圧力センサを適用した場合を例にとって説明したが、他の構成を圧力センサ１１２として適用してもよい。例えば、静電容量型の圧力センサを採用してもよい。

また、本実施の形態では、圧力センサ１１２によって密閉空間１１３と大気との差圧を検出しているが、密閉空間１１３内の圧力そのものを検出してもよい。この場合は、絶対圧センサを採用すればよい。絶対圧センサは、ダイアフラム型の場合も静電容量型の場合も、感圧部の片面側を真空密封することで形成される基準室の圧力（真空のため圧力はゼロ）と他面側の印加圧力（本実施の形態では密閉空間１１３内の圧力）との差を検出する構成を有する。なお、密閉空間１１３内圧力は大気圧の変動を原因として変動し得るため、上記構成においては、大気圧の変動による影響を検出値から取り除く計算を行うことが好ましい。

上述の実施の形態では、本発明の押圧力検出装置をモバイル情報端末１０に適用した例について説明したが、勿論、モバイル情報端末１０に限らず、他の種々の電子機器に適用可能である。例えば、ゲームのコントローラや、テレビのリモコン等に適用してもよい。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ モバイル情報端末
１１ タッチパネル
１００ 押圧力検出装置
１０１ 筐体
１０２ 外枠ゴム
１０３ 回路基板
１１０ 圧力検出部
１１１ 圧力媒体ゴム
１１２ 圧力センサ
１１３ 密閉空間
１１４ モジュール基板
１１４ａ、１１６ａ 貫通孔
１１５ 押圧力検出回路
１１６ モジュールカバー
１２０ 押圧力算出回路
１２１ 補正回路
１２２ メモリ
１２３ 温度センサ
２０１、２０２、２０３ 回路部品
３０１ ストッパ
３０２ 台
４０１ 連通孔

Claims (5)

1. タッチパネルと、
   前記タッチパネルに加えられる押圧力に応じて、前記タッチパネルが前記押圧力の方向に変位するように、前記タッチパネルを前記タッチパネルの周縁位置で支持する、支持部材と、
   前記支持部材よりも前記タッチパネルの中央側の位置に設けられ、前記タッチパネルの前記押圧力の方向への変位に応じて密閉空間内に圧力を発生させ、この密閉空間内圧力を検出する圧力検出部と、
   検知された前記密閉空間内圧力と、前記押圧力が加えられた前記タッチパネルの座標と、を用いて、前記押圧力を推定する推定部と、
   を具備し、
   前記圧力検出部の前記密閉空間は、前記タッチパネルに押圧力が加えられていない状態では、大気と連通される、
   押圧力検出装置。
2. 前記圧力検出部は、
   前記密閉空間内の圧力を検出する圧力センサと、
   前記支持部材よりも前記タッチパネルの中央側の位置で、かつ前記タッチパネルのうち、前記押圧力が加えられる面に対して裏面に接触して設けられ、かつ一部が前記密閉空間に対向しており、前記押圧力による前記タッチパネルの変位に応じて前記密閉空間の方向に突出するように変形することにより前記密閉空間内の圧力を変化させる、変形部材と、
   を具備する請求項１に記載の押圧力検出装置。
3. 前記支持部材及び前記変形部材は、ゴムでなり、
   前記タッチパネルが押圧力に応じて変位したとき、前記タッチパネルの裏面を押す力は、前記支持部材の方が前記変形部材よりも大きい、
   請求項２に記載の押圧力検出装置。
4. 前記支持部材及び前記変形部材は、ゴムでなり、
   前記変形部材の弾性係数は、前記支持部材の弾性係数よりも大きい、
   請求項３に記載の押圧力検出装置。
5. 前記推定部は、前記密閉空間内圧力と、前記押圧力が加えられた前記タッチパネルの座標と、に加えて、温度センサによる温度検出値を用いて、前記押圧力を推定する、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の押圧力検出装置。