JP5865724B2 - 入力装置及び前記入力装置を用いた重心位置の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、携帯機器やその他の電子機器に搭載されて、指などを操作パネルに接触させて操作する入力装置に関する。

特許文献１には、静電センサと荷重検出センサ（感圧センサ）とを有するタッチパネル装置が開示されている。また特許文献２〜５にはパネル下に複数の荷重検出センサ（圧力センサ、歪みセンサ）を備える入力装置が開示されている。

複数の荷重検出センサを用いることで、操作面上を２点同時押ししたとき、各荷重検出センサのセンサ出力に基づいて重心荷重及び重心位置を求めることができる（特許文献３の［００４２］欄等を参照）。

特開２００８−１６５５７５号公報 特開２０１０−２４４２５２号公報 特開２００８−７１１０２号公報 特開昭６１−１２２７４０号公報 特開２０１０−５５５１０号公報

しかしながら、各荷重検出センサのセンサ感度のばらつきやリニアリティ性が劣るなどして重心位置には誤差が生じていた。このため誤差を含む前記重心位置に基づいて各押圧位置での荷重値を求めてしまうと正確な荷重値が得られないという問題があった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に重心位置を簡単に補正することが可能な入力装置及び前記入力装置を用いた複数点の荷重検出方法を提供することを目的としている。

本発明における入力装置は、操作面上に同時に押圧された２つの各押圧位置を検出可能な位置検出センサと、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を検出可能な荷重検出センサと、前記荷重検出センサにより得られた補正前の重心位置から前記位置検出センサにより得られた各押圧位置間を結ぶ直線上に垂線を下ろして前記垂線と前記直線とが交わる交点を補正後の重心位置とする制御部と、を有することを特徴とするものである。

また本発明における重心位置の補正方法は、操作面上に同時に押圧された２つの各押圧位置を検出可能な位置検出センサと、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を検出可能な荷重検出センサとを用い、補正前の重心位置を以下のステップにより補正することを特徴とするものである。

前記位置検出センサの出力に基づき、各押圧位置を求める座標検出ステップ、
前記荷重検出センサの出力に基づき、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を求める重心検出ステップ、
前記荷重検出センサにより得られた補正前の重心位置から前記位置検出センサにより得られた各押圧位置間を結ぶ直線上に垂線を下ろし、前記垂線と前記直線とが交わる交点を補正後の重心位置とする重心位置補正ステップ。
本発明によれば、簡単且つ適切に重心位置を補正することができる。

本発明では、前記重心位置補正ステップ後、前記補正後の重心位置及び前記重心荷重に基づいて、各押圧位置での荷重値を高精度に求めることができる。

また本発明では、前記重心位置補正ステップでは、前記座標検出ステップ及び前記重心検出ステップにより第１の押圧位置（Ｘｔ０，Ｙｔ０）及び第２の押圧位置（Ｘｔ１，Ｙｔ１）、ならびに補正前の重心位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が検知された第１のＸＹ座標系から、各押圧位置間を結ぶ直線の方向をＸ方向とし、前記第１の押圧位置（Ｘｔ０，Ｙｔ０）を原点とした第２のＸＹ座標系に座標変換し、前記第２のＸＹ座標系上における補正前の重心位置（Ｘｓ´、Ｙｓ´）を算出し、
前記重心位置（Ｘｓ´、Ｙｓ´）のＹｓ´を０として前記第２のＸＹ座標系上での前記交点（Ｘｓ´，０）を求め、前記交点を前記第１のＸＹ座標系に戻して、前記補正後の重心位置（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）とすることが好ましい。これにより演算量を低減でき、補正後の重心位置の算出を簡単にできる。

本発明によれば、簡単且つ適切に重心位置を補正できる。

図１は、本発明の実施形態における入力装置（タッチパネル）の部分縦断面図である。 図２は、本実施形態の入力装置のブロック図である。 図３は、静電容量式タッチパネルセンサの説明図である。 図４は、荷重検出センサの説明図であり、図４（ａ）は部分縦断面図、図４（ｂ）は、荷重検出センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。 図５は、本実施形態の入力装置の捜査面を示し、特に、２点を同時押ししたときの各押圧位置、補正前の重心位置、及び補正後の重心位置を説明するための平面図である。 図６は、図５の各点を拡大したものであり、特に補正後の重心位置の算出方法を説明するための拡大平面図である。 図７は、補正後の重心位置及び重心荷重に基づいて、各押圧位置での荷重値の算出方法を説明するための拡大平面図である。 本実施形態の入力装置を用いて、操作面上を２点押しした際のフローチャート図である。 図９は、計算例を示すＸＹ座標系の図である。

図１は、本発明の実施形態における入力装置（タッチパネル）の部分縦断面図、図２は、本実施形態の入力装置のブロック図、図３は、静電容量式タッチパネルセンサの説明図、図４は、荷重検出センサの説明図であり、図４（ａ）は部分縦断面図、図４（ｂ）は、荷重検出センサを構成するセンサ基板の裏面透視図である。

本実施形態における入力装置（タッチパネル）１は、静電容量式タッチパネルセンサ（位置検出センサ）２の裏面側に複数の荷重検出センサ３を備えた構成である。

静電容量式タッチパネルセンサ２は、透明な操作パネル４と、操作パネル４の裏面４ｂに設けられたセンサ層５とを有して構成される。操作パネル４はガラスやプラスチック等で構成される。操作パネル４の表面が操作面４ａである。

センサ層５は、例えば図３に示すようにＩＴＯ等で形成されたＸ電極２７とＹ電極２８とを有して構成される。Ｘ電極２７とＹ電極２８との間は絶縁されている。また、Ｘ電極２７とＹ電極２８とは直交している。指で操作面４ａ上を押圧すると、指と各電極２７，２８との間の静電容量が変化する。この静電容量変化に基づき指の操作位置を検出することが可能である。静電容量式タッチパネルセンサ２では、上記した静電容量変化に基づき、操作面４ａ上を複数点にて同時押ししても、各押圧位置のＸ座標及びＹ座標を検出することが可能である。センサ層５の構成は図３のものに限定されない。図３のように電極がＸ電極２７とＹ電極２８との２層構造とされていてもよいし、１層構造で構成することも可能である。また静電容量式でなく抵抗膜式等とすることも可能である。抵抗膜式の場合、同じ平面の抵抗層を複数に分離する等で、複数点を同時に押圧した時、各押圧位置の位置座標の同時検出を可能とする。ただし静電容量式とすることで、複数点を同時に押圧した場合において複数の押圧位置の各位置座標をより精度良く検出することができる。

図１では図示しないが操作パネル４の裏面４ｂの周囲に加飾層を設けることで、操作パネル４を通して液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１０の表示がされ操作面４ａでの操作を可能とする操作領域と、操作領域の周囲を縁取る不透明な加飾領域とに区分けできる。加飾領域では、センサ層５に設けられた金属配線が引き回されており前記金属配線は、操作面４ａ側から見えないようになっている。また加飾領域には、次に説明する荷重検出センサ３を配置することが可能である。

荷重検出センサ３は、図４に示すように、センサ基板１２と、ベース基板１３とを有する。センサ基板１２には、変位部１４と、変位部１４の上面に上方に向けて突出する突起状の受圧部１７が設けられる。センサ基板１２とベース基板１３との間には所定の空間部１５が形成されており、これにより変位部１４が荷重を受けると高さ方向に変位できるようになっている。図４（ａ）（ｂ）に示すように、センサ基板１２の裏面には、歪検出素子として複数のピエゾ抵抗素子１６が設けられる。受圧部１７で受けた荷重により変位部１４が高さ方向に変位すると、その変位量に応じて各ピエゾ抵抗素子１６の電気抵抗が変化し、各ピエゾ抵抗素子１６によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化することで、センサ出力を得ることが出来る。図４（ｂ）に示すように各ピエゾ抵抗素子１６から引き回された配線部１８が図示しないパッド部と電気的に接続されている。

本実施形態における荷重検出センサ３は図４に示した構成以外のものであってもよい。例えば操作面４ａを押圧したときに２つの電極間の距離の変化に基づいて静電容量が変化し、この静電容量変化により荷重を検出することが可能な構成にすることも可能である。

図１に示すように、荷重検出センサ３は、静電容量式タッチパネルセンサ２の裏面側に配置される。荷重検出センサ３は、例えば、図５に示すように、操作面４ａの周辺部の４隅に配置される。また図１に示すように、荷重検出センサ３を支える支持部９を備え、この支持部９と静電容量式タッチパネルセンサ２間が高さ方向に変形可能な接続部１１により接続されている。これにより操作面４ａを押圧したときに操作パネル４が下方に移動し、荷重検出センサ３に荷重を加えることができる。接続部１１は例えば両面テープである。

なおタッチパネル１における荷重検出センサ３の支持構造は図１に示すものに限定されない。また、タッチパネル１における荷重検出センサ３の位置は図５に示すものに限定されず、例えば、操作面４ａの周辺部における各辺の中央部に夫々、配置しても良く、押圧力の荷重を適切に検知できるところに適宜配置できるものである。

図２に示すように本実施形態のタッチパネル１は、静電容量式タッチパネルセンサ２と荷重検出センサ３とに接続される制御部（ＩＣ）２０を備える。また制御部２０からのデータを機器本体部の画像表示装置２１に送信できるようになっている。前記制御部２０には、操作面４ａ上の複数点を同時押ししたときに、重心位置を補正し、各押圧位置の各荷重値を算出することが可能な演算部を備える。

以下では、図５〜図８を用いて、操作面４ａ上を２点同時押しした際の重心位置の補正方法及び各押圧位置における各荷重値の算出方法について説明する。

図５，図６は、本実施形態における入力装置１の操作面４ａ上の異なる２点Ａ，Ｂを同時に押圧したときの平面図を示している。図５，図６では第１のＸＹ座標系Ｃ１において、第１の押圧位置ＡのＸＹ座標（Ｘｔ０，Ｙｔ０）、第２の押圧位置ＢのＸＹ座標（Ｘｔ１，Ｙｔ１）を静電容量式タッチパネルセンサ２からの出力に基づいて検知できる（図８のステップＳＴ１）。

ここで第１のＸＹ座標系Ｃ１は、操作面５ａが正方形状や矩形状であれば、左右方向の辺に沿う方向をＸ方向、左右方向に直交する前後方向の辺に沿う方向をＹ方向とした座標系である。

また図５では、第１の押圧位置Ａを中心として描かれた円が、第２の押圧位置Ｂを中心として描かれた円よりも大きく図示されているが、これは第１の押圧位置Ａでの押圧力のほうが第２の押圧位置Ｂでの押圧力よりも大きいことを示している。

さらに図５に示す各荷重検出センサ３の出力に基づいて図２に示す制御部２０では、各押圧位置Ａ，Ｂにおける補正前の重心位置のＸＹ座標（Ｘｓ，Ｙｓ）と、重心荷重（総荷重）Ｆｔｏｔａｌを求めることができる（図８のステップＳＴ２）。

ここで、第１のＸＹ座標系Ｃ１における、補正前の重心位置ＤのＸＹ座標（Ｘｓ、Ｙｓ）及び重心荷重Ｆｔｏｔａｌは、荷重検出センサ３からの各センサ出力等により以下の数式１にて算出することができる（図８のステップＳＴ３）。

（数式１）
Ｘｓ＝（ｓ２＋ｓ３）／[（ｓ１＋ｓ４）＋（ｓ２＋ｓ３）]×Ｗ
Ｙｓ＝（ｓ３＋ｓ４）／[（ｓ１＋ｓ２）＋（ｓ３＋ｓ４）]×Ｈ
Ｆｔｏｔａｌ＝（ｓ１＋ｓ２＋ｓ３＋ｓ４）／Ｓ

ここでｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、図５に示す各荷重検出センサ３からのセンサ出力を指し例えば単位はｍＶである。またＳは、各荷重検出センサ３のセンサ感度を示し例えば単位はｍＶ／Ｎである。またＷは、Ｘ方向に配列された各荷重検出センサ３の中心間の幅寸法を示し、Ｈは、Ｙ方向に配列された各荷重検出センサ３の中心間の長さ寸法を示す。なお、上記（数式１）は補正前の重心位置のＸＹ座標（Ｘｓ、Ｙｓ）及び重心荷重Ｆｔｏｔａｌを求める一例であり、この数式を用いて求める方法に限定はされない。

ところで、例えば上記数式１により求められた重心位置ＤのＸＹ座標（Ｘｓ，Ｙｓ）は、各荷重検出センサ３のセンサ感度のばらつき等により誤差を含んでいる。このため図５に示すように、理想的には、重心位置Ｄは、第１の押圧位置Ａと第２の押圧位置Ｂとを結んだ直線Ｅ上にあるが、補正前の重心位置Ｄは直線Ｅから外れている。

そこで本実施形態では、図５に示すように、補正前の重心位置Ｄから直線Ｅ上に垂線Ｆを下ろして垂線Ｆと直線Ｅとが交わる交点Ｇを補正後の重心位置Ｇとした（図８のステップＳＴ４）。補正後の重心位置ＧのＸＹ座標は（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）である。このように本実施形態では、補正前の重心位置Ｄから直線Ｅへの最短距離を補正後の重心位置Ｇと定義したのである。上記したように本来、重心位置は直線Ｅ上に乗っているため、補正により重心位置Ｇを直線Ｅ上に移動させ且つその移動距離を補正前の重心位置Ｄからみて最短距離とすることで、重心位置のずれを効果的に簡単に小さくすることができる。

さて補正後の重心位置ＧのＸＹ座標は、以下の算出方法により求めることができる（図８のステップＳＴ４）。

まず図６に示す第１のＸＹ座標系Ｃ１でのＸ方向に対する各押圧位置Ａ，Ｂ間を結んだ直線Ｅの傾き角度θを以下の数式２により算出する。

（数式２）

次に、第１のＸＹ座標系Ｃ１から直線Ｅの方向をＸ方向とした第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２に座標変換する。このとき第１の押圧位置Ａを第２のＸＹ座標系Ｃ２における原点（０，０）とすることが好ましい。すなわち第２のＸＹ座標系Ｃ２は、第１のＸＹ座標系Ｃ１に対してθだけ傾いており、第２のＸＹ座標系Ｃ２におけるＸ方向（図６でのＸ´方向）上に直線Ｅが位置する状態となっている。

そして第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２上での補正前の重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）を以下の数式３により算出する。

（数式３）

ここで、図５を用いて説明したように、第１のＸＹ座標系Ｃ１において、補正後の重心位置Ｇは、補正前の重心位置Ｄから垂直Ｆを下ろし直線Ｅと交わる交点と定義した。

このため図６で示した第２のＸＹ座標系Ｃ２での、交点（補正後の重心位置）について考察すると、数式３で示した補正前の重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）に対して交点（補正後の重心位置）は、（Ｘｓ´，０）の位置に該当する。すなわち第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２において、補正後の重心位置は（Ｘｓ´，０）である。

そのため次に、第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２での補正後の重心位置を第１のＸＹ座標系に以下の数式４を用いて戻す。

（数式４）

以上により、第１のＸＹ座標系Ｃ１において、補正後の重心位置ＧのＸＹ座標（Ｘｔp、Ｙｔｐ）を簡単且つ適切に求めることができる。

次に、図７に示すように、補正後の重心位置Ｇ及び重心荷重Ｆｔｏｔａｌに基づいて、各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２を以下の数式５により求める（図８のステップＳＴ５）。なお図７に示す各点での円の大きさは、荷重値の大きさを示している。

（数式５）

数式５では、各押圧位置Ａ，Ｂと補正後の重心位置Ｇについて距離の比を算出し、比に応じた各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２を求めている。

本実施形態では、重心位置を補正したことにより、各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２を精度良く算出することができる。

そして各押圧位置Ａ，Ｂでの各荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２や位置座標の各データが図２に示す画像表示装置２１に送信され、画像表示装置２１では送信データに基づいて液晶ディスプレイ１０の画像表示処理を行う（図８のステップＳＴ６）。例えば、各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値の大きさに応じて画面表示を変化させることができる。

本実施形態では、操作面４ａ上を２点同時押ししたとき、各荷重検出センサ３のセンサ感度のばらつき等により重心位置が誤差を含んでいても、各押圧位置間の直線上に向けて、補正前の重心位置から垂線を下ろし、垂線と直線とが交わる交点を補正後の重心位置とすることで簡単且つ適切に重心位置の補正を行うことができる。

特に本実施形態では、図６で示したように、第１の座標系Ｃ１での各押圧位置Ａ，Ｂ間の直線ＥをＸ方向とした第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）にて、補正前の重心位置のＸＹ座標（Ｘｓ´，Ｙｓ´）を求めることで、補正後の重心位置のＸＹ座標を（Ｘｓ´，０）とおくことができる。そして補正後の重心位置のＸＹ座標（Ｘｓ´，０）を、第２のＸＹ座標系から第１のＸＹ座標系に戻せば、第１のＸＹ座標系での補正後の重心位置のＸＹ座標（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）をより簡単に求めることができる。このように本実施形態では座標変換を行うことで、演算量を低減させることができ、演算スピードを上げることが可能である。

本実施形態における入力装置（タッチパネル）１は、携帯電話、携帯用の情報処理装置、携帯用の記憶装置、携帯用のゲーム装置などに適用できる。

図９に示すように、今、位置ＡとＢとを同時に同じ力で押圧したとき、重心位置（Ｘｓ，Ｙｓ）（補正前）が検知されたとする。

第１の押圧位置ＡのＸＹ座標（Ｘｔ０，Ｙｔ０）＝（１００、４００）
第２の押圧位置ＢのＸＹ座標（Ｘｔ１，Ｙｔ１）＝（４００、１００）
重心位置（Ｘｓ，Ｙｓ）（補正前）＝（４００、４００）であった。

まず上記した数式２を用いて、第１のＸＹ座標系Ｃ１でのＸ方向に対する各押圧位置Ａ，Ｂ間を結んだ直線Ｅの傾き角度θを算出する。以下の数式６に示すようにθが求まった。

（数式６）

続いて、第１のＸＹ座標系Ｃ１から直線Ｅの方向をＸ方向とした第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２に座標変換する。そして上記した数式３を用いて第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２上での補正前の重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）を算出する。以下の数式７により重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）が求まった。

（数式７）

次に、上記した数式４を用いて、第２のＸＹ座標系（Ｘ´Ｙ´座標系）Ｃ２での補正後の重心位置を第１のＸＹ座標系に戻す。以下の数式８により重心位置（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）が求まった。

（数式８）

そして、上記した数式５を用いて、各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２を算出する。以下の数式９により荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２が求まった。

（数式９）

上記に示すように補正後の重心位置（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）を適切に算出でき、各押圧位置Ａ，Ｂでの荷重値Ｆｐ１，Ｆｐ２を正確に求めることができた。

Ａ、Ｂ 押圧位置
Ｄ 補正前の重心位置
Ｅ 直線
Ｆ 垂線
Ｇ 補正後の重心位置
１ タッチパネル
２ 静電容量式タッチパネルセンサ
３ 荷重検出センサ
４ 操作パネル
４ａ 操作面
５ センサ層
１０ 液晶ディスプレイ
１２ センサ基板
１４ 変位部
１６ ピエゾ抵抗素子
２０ 制御部
２１ 画像表示装置
２７ Ｘ電極
２８ Ｙ電極

Claims (7)

1. 操作面上に同時に押圧された２つの各押圧位置を検出可能な位置検出センサと、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を検出可能な荷重検出センサと、前記荷重検出センサにより得られた補正前の重心位置から前記位置検出センサにより得られた各押圧位置間を結ぶ直線上に垂線を下ろして前記垂線と前記直線とが交わる交点を補正後の重心位置とする制御部と、を有することを特徴とする入力装置。
2. 前記制御部では、第１の押圧位置（Ｘｔ０，Ｙｔ０）、第２の押圧位置（Ｘｔ１，Ｙｔ１）及び補正前の重心位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が検知された第１のＸＹ座標系から前記直線の方向がＸ方向と平行になるように座標変換された第２のＸＹ座標系にて前記交点を算出し、前記交点を前記第１のＸＹ座標系に戻して前記補正後の重心位置（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）とする請求項１記載の入力装置。
3. 前記第２のＸＹ座標系において、前記第１の押圧位置を原点とする請求項２記載の入力装置。
4. 前記制御部では、前記補正後の重心位置及び前記重心荷重に基づいて、各押圧位置での荷重値を算出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の入力装置。
5. 操作面上に同時に押圧された２つの各押圧位置を検出可能な位置検出センサと、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を検出可能な荷重検出センサとを用い、補正前の重心位置を以下のステップにより補正することを特徴とする重心位置の補正方法。
   前記位置検出センサの出力に基づき、各押圧位置を求める座標検出ステップ、
   前記荷重検出センサの出力に基づき、各押圧位置の重心位置及び重心荷重を求める重心検出ステップ、
   前記荷重検出センサにより得られた補正前の重心位置から前記位置検出センサにより得られた各押圧位置間を結ぶ直線上に垂線を下ろし、前記垂線と前記直線とが交わる交点を補正後の重心位置とする重心位置補正ステップ。
6. 前記重心位置補正ステップ後、前記補正後の重心位置及び前記重心荷重に基づいて、各押圧位置での荷重値を求める請求項５記載の重心位置の補正方法。
7. 前記重心位置補正ステップでは、前記座標検出ステップ及び前記重心検出ステップにより第１の押圧位置（Ｘｔ０，Ｙｔ０）及び第２の押圧位置（Ｘｔ１，Ｙｔ１）、ならびに補正前の重心位置（Ｘｓ，Ｙｓ）が検知された第１のＸＹ座標系から、各押圧位置間を結ぶ直線の方向をＸ方向とし、前記第１の押圧位置（Ｘｔ０，Ｙｔ０）を原点とした第２のＸＹ座標系に座標変換し、前記第２のＸＹ座標系上における補正前の重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）を算出し、
   前記重心位置（Ｘｓ´，Ｙｓ´）のＹｓ´を０として前記第２のＸＹ座標系上での前記交点（Ｘｓ´，０）を求め、前記交点を前記第１のＸＹ座標系に戻して、前記補正後の重心位置（Ｘｔｐ，Ｙｔｐ）とする請求項６記載の重心位置の補正方法。

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