JP6288374B2 - 押圧センサおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、指等による操作時の押圧力を検出する押圧センサ、およびそれを備えた電子機器に関する。

従来、指等による操作時の押圧力（押し込み量）を検出可能としたタッチ式入力装置に利用されるセンサとして各種センサが考案されている。例えば、特許文献１には、操作面を押し込んだ際の変位量に応じた押込信号を出力する圧電センサと、押込信号と基準電位との差を積分して、積分結果から押込量検出信号を出力する押込量算出部とを備える押込量検出センサが示されている。

また、圧電素子で発生した信号を基に、押圧力の大きさに応じて押圧状態を検知するようにしたセンサが特許文献２に示されている。

国際公開第２０１４／０５０６８３号 特開平５−２５３０３７号公報

圧電センサを押圧センサとして用いるには、圧電素子で発生した信号を積分して押圧プロファイルを再現する必要がある。ところが、回路の温度ドリフト、ＡＤ変換誤差、センサに設けられている粘着剤の塑性変形などにより、積分誤差が発生する。そのため、時間経過に伴い、積分値は実際の押圧力から乖離する傾向がある。

特許文献１に示されるセンサにおいては、操作面がタッチされていない状態を検出して積分値をリセットするように構成されているので、上記乖離の問題は回避できる。しかし、操作面への接触を検出する接触検出センサが必要であるので、センサの構造が複雑化する。また、押圧力検出のための信号処理と接触検出センサの信号処理とを個別に行う場合には、接触検出センサによる操作面のタッチ有無の状態を通信するための新たな処理が必要になるので演算処理負荷が増える。

そこで、本発明の第１の目的は、センサの構造を複雑化することなく、積分処理に伴う累積誤差の問題を回避した押圧センサおよびそれを備えた電子機器を提供することにある。

また、特許文献２に示されるように、圧電素子で発生した検出信号を基に、押圧力の大きさを所定の閾値を超えるか否かによって押圧状態を検知する方法では、指先等の接触があっても、検出信号が必ずしも閾値以上となるとは限らない。圧電素子で発生する信号は、押圧力の微分成分であるので、一定押圧力で押圧されている状態や、押圧力が緩慢に変化するような状態は、検出されない。

そこで、本発明の第２の目的は、安定した押圧力で押圧されている状態や、押圧力が緩慢に変化する状態でも、それを検知できるようにした押圧センサおよびそれを備えた電子機器を提供することにある。

（１）本発明の押圧センサは、
押圧により変形する押圧部と、
前記押圧部の変形量に応じた検出電圧を発生する圧電センサと、
前記圧電センサの容量に対する充放電電流を電圧信号に変換して出力する第１電流電圧変換回路と、
前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の積分値を求め、当該積分値を前記押圧部の変形量として検出する変形量検出部と、
前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の微小変動状態の有無により前記押圧部の微小振動の有無を検知する微小振動検知部と、
前記微小振動の不検知に応じて前記積分値をリセットする積分リセット処理部と、を備えたことを特徴とする。

微小振動の不検知、すなわち微小振動の検知状態から不検知状態へ遷移することは、人の不覚筋動等による振動が無くなったことであり、人による押圧が解除されたタイミングである。上記積分リセット処理部により、微小振動の検知状態から不検知状態への遷移時に、変形量算出部の積分値がリセットされる。これにより、回路の温度ドリフト、ＡＤ変換誤差、センサに設けられている粘着剤の塑性変形などによる積分誤差の累積が解消される。しかも、センサの構造を複雑化することなく、積分処理に伴う累積誤差の問題が回避される。

（２）上記（１）において、前記微小振動検知部は、前記変形量算出部により算出された前記押圧部の変形量が所定の閾値を超えるか否かによって検知する手段であることが好ましい。このことにより、押圧部の変形量と閾値との単なる大小比較で微小振動の有無を検知できるので、少ない演算負荷または単純な信号処理回路で微小振動が検知できる。

（３）上記（１）または（２）において、前記変形量検出部は、前記第１電流電圧変換回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータにより変換されたデジタル値を積分する演算部とで構成されることが好ましい。この構成により、積分回路で積分する構成に比べて長時間の押圧操作にも対応でき、回路定数の誤差による押圧力の検出誤差を低減できる。

（４）上記（１）または（２）において、前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の変化率に相当する電流を電流電圧変換する第２電流電圧変換回路をさらに備え、前記変形量検出部は、前記第１電流電圧変換回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータにより変換されたデジタル値を２階積分演算する演算部とで構成されることが好ましい。この構成により、２段増幅回路が構成されることと、上記第２電流電圧変換回路による２階微分の作用とで、微小な振動の検知感度が高まる。

（５）上記（４）において、前記演算部は、１階積分値の変化量または変化率が所定値未満であることを検出したとき、１階積分値をリセットする１階積分リセット処理部を備えることが好ましい。このことにより、２階積分値のリセットだけでなく、１階積分値の誤差の累積も都度解消され、２階積分値の誤差の累積が抑制される。

（６）本発明の押圧センサは、
押圧により変形する押圧部と、
前記押圧部の変形量に応じた検出信号を発生する圧力センサと、
前記圧力センサの検出信号から変形量を検出する変形量検出部と、
前記圧力センサの検出信号の微小変動状態の有無により前記押圧部の微小振動の有無を検知する微小振動検知部と、を備えることを特徴とする。

上記微小振動検知部が上記押圧部の微小振動状態を検知したとき、それは人体による安定した押圧状態であるので、上記構成により、人体による押圧特有の処理を行うことができる。また、微小振動の検知によって人体による操作の有無を検知するので、押圧力が弱い状態での安定した押圧力で押圧されている状態や、押圧力が緩慢に変化する状態でも、人体による操作の有無が検知できる。

（７）本発明の電子機器は、
上記（１）から（６）のいずれかの押圧センサを備え、前記微小振動検知部の検知結果に応じて所定の制御を行う制御部を更に備える。この構成により、人体による押圧とその他の押圧とを区別して所定の処理を行う電子機器が構成される。

（８）上記（７）において、前記制御部は、前記微小振動の有無と前記変形量検出部の検出結果とに応じて、所定の制御を行うことが好ましい。このことにより、指先等による押し込み操作の状態に応じて所定の処理が実行される電子機器が構成できる。

本発明の押圧センサによれば、押圧センサ以外の特別なセンサを利用することなく、積分処理に伴う累積誤差の問題を回避した押圧センサおよびそれを備えた電子機器が得られる。また、微小振動の検知によって人体による操作の有無を検知するので、押圧力が弱い状態での安定した押圧力で押圧されている状態や、押圧力が緩慢に変化する状態でも、それを検知できるようにした押圧センサおよびそれを備えた電子機器が得られる。

図１は第１の実施形態に係る押圧センサ１０１およびその出力によって所定の制御を行う制御部２００の回路図である。 図２は第１の実施形態に係る押圧センサ１０１の圧電センサ１およびアナログ回路２の回路図である。 図３は図２中の各部の概略電圧波形図である。 図４（Ａ）は２階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。図４（Ｂ）は比較例の押圧センサによる２階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。 図５は、図１に示した押圧センサ１０１における演算部４の処理内容を示すフローチャートである。 図６は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。 図７は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。 図８は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ３からｔ４の間に押圧力が弱められ、時刻ｔ５まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ５からｔ６にかけて押圧力が次第に解除された例である。 図９は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が安定し、時刻ｔ３で押圧力が弱められ、時刻ｔ４で押圧力が解除された例である。 図１０は第２の実施形態に係る押圧センサの圧電センサ１およびアナログ回路２の回路図である。 図１１は図１０中の各部の概略電圧波形図である。 図１２は比較例の押圧センサによる１階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。 図１３は、第２の実施形態に係る押圧センサにおける演算部の処理内容を示すフローチャートである。 図１４は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ３からｔ４の間に押圧力が弱められ、時刻ｔ５まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ５からｔ６にかけて押圧力が次第に解除された例である。 図１５は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。 図１６は、第３の実施形態に係る押圧センサにおける演算部の処理内容を示すフローチャートである。 図１７は、第４の実施形態に係る電子筆記具３０１の斜視図である。 図１８は、図１７に示す電子筆記具３０１の断面図である。 図１９は、圧電センサ１の部分断面図である。

以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

《第１の実施形態》
第１の実施形態では、２階微分および２階積分を伴う押圧センサについて示す。

図１は第１の実施形態に係る押圧センサ１０１およびその出力によって所定の制御を行う制御部２００の回路図である。押圧センサ１０１は、圧電センサ１、アナログ回路２、ＡＤコンバータ３および演算部４を備える。圧電センサ１は、押圧部の変形量に応じた検出電圧を発生する。アナログ回路２は圧電センサ１による検出電圧に対し、後述する信号処理を行うことで電圧信号を出力する。ＡＤコンバータ３はアナログ回路２の出力電圧を所定サンプリング周期でデジタル値に変換する。演算部４はＡＤコンバータ３で変換されたデジタル値を基に、後述する演算を行うことで、押圧部の変形量および押圧部の微小振動の有無を検知する。制御部２００は、演算部４により検出された押圧部の変形量および微小振動の有無検知に応じて、後述する所定の制御を行う。

図２は第１の実施形態に係る押圧センサ１０１の圧電センサ１およびアナログ回路２の回路図である。図３は図２中の各部の概略電圧波形図である。アナログ回路２は、第１電流電圧変換回路１０、第２電流電圧変換回路２０を備える。また、本実施形態では、電源回路ＰＳ、基準電位発生回路３０も備える。

圧電センサ１は押圧による変位を電圧に変換する素子であり、等価的には図１に示すように、電圧源ＶＳと、それに直列接続される容量Ｃ１とで表される。なお、圧電センサ１は電流源と、それに並列接続される容量とで表すこともできる。いずれも等価的には同じである。

電源回路ＰＳは、一定電源電圧を発生する。基準電位発生回路３０は、容量Ｃ３０，Ｃ３１および抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を含み、電源回路ＰＳが発生する電源電圧の１／２の電圧を生成する。

第１電流電圧変換回路１０は、次に述べるように、圧電センサ１の容量Ｃ１に対する充放電電流を電圧信号に変換して電圧信号を出力する。第１電流電圧変換回路１０はオペアンプＯＡ１、帰還抵抗Ｒ１０、補償容量Ｃ１０を含む。帰還抵抗Ｒ１０および補償容量Ｃ１０はオペアンプＯＡ１の出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続されている。オペアンプＯＡ１の非反転入力端には基準電位発生回路３０が発生する基準電位が入力され、反転入力端とグランドとの間に圧電センサ１が接続されている。

図２におけるＰ１点には、圧電センサの圧電効果により、押圧力に比例する電圧が現れる。このＰ１点の電圧によって圧電センサ１自身の容量Ｃ１の充放電電流ｉｓが変化する。この充放電電流ｉｓは帰還抵抗Ｒ１０を流れる。帰還抵抗Ｒ１０の抵抗値をＲｆ、Ｐ２点の電圧をＶ２、基準電位をＶｍ、でそれぞれ表すと、Ｖ２＝Ｖｍ−Ｒｆ・ｉｓの関係が成り立つ。すなわち、圧電センサ１の容量Ｃ１に対する充放電電流の比例電圧信号がＰ２点に現れる。

上記圧電センサ１の容量Ｃ１に対する充放電電流は、Ｐ１点の電圧の変化量（微分）に相当する。なお、補償容量Ｃ１０は、電流電圧変換の周波数特性にローパスフィルタ特性を持たせるために設けている。これにより、ステップ応答に対するオーバーシュートを抑制する。

第２電流電圧変換回路２０は、次に述べるように、第１電流電圧変換回路１０の出力電圧の変化率に相当する電流を電流電圧変換して電圧信号を出力する。第２電流電圧変換回路２０は、容量Ｃ２１、抵抗Ｒ２１、オペアンプＯＡ２、帰還抵抗Ｒ２０、補償容量Ｃ２０を含む。帰還抵抗Ｒ２０および補償容量Ｃ２０はオペアンプＯＡ２の出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続されている。オペアンプＯＡ２の非反転入力端には基準電位が入力され、反転入力端とＰ２点との間に、容量Ｃ２１および抵抗Ｒ２１の直列回路が挿入されている。

上記容量Ｃ２１によって第１電流電圧変換回路１０の出力信号の低周波成分はカットされる。Ｐ２点の電圧はオペアンプＯＡ２によって増幅され、Ｐ３点に電圧信号を発生するが、Ｐ２点の電圧変化による容量Ｃ２１の充放電電流が帰還抵抗Ｒ２０を流れるので、Ｐ３点の電圧はＰ２点の電圧の変化量（微分）に相当する。

上記第１電流電圧変換回路１０と第２電流電圧変換回路２０とで、２段増幅回路が構成される。

図３において、電圧Ｖ１は上記Ｐ１点の電圧、電圧Ｖ２は上記Ｐ２点の電圧、電圧Ｖ３は上記Ｐ３点の電圧をそれぞれ表している。図３の例は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。Ｐ１点の電圧Ｖ１は上記押圧力の時間経過のプロファイル（押圧プロファイル）に相当する。Ｐ２点の電圧Ｖ２はＶ１の微分波形に相当し、Ｐ３点の電圧Ｖ３は電圧Ｖ２の微分波形に相当する。すなわち、アナログ回路２の出力波形は押圧プロファイルの２階微分に近い波形となる。後述するように、このアナログ回路２の出力電圧信号を２階積分することによって押圧プロファイルに近いデータ列を得る。

図４（Ａ）は上記２階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。図４（Ｂ）は比較例の押圧センサによる２階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。ここでは、積分誤差の累積結果を表している。本実施形態によれば、２階積分により求められる押圧プロファイルは図３に示した台形状に近似した形状となる。これに対し、積分誤差の累積があると、図４（Ｂ）に表れるように、押圧プロファイルは、時間経過に伴い、実際の押圧プロファイルから次第に乖離したものとなる。

図５は、図１に示した押圧センサ１０１における演算部４の処理内容を示すフローチャートである。図５において各変数の意味は次のとおりである。

Ａ：ＡＤ変換結果の値
Ａｒ：ＡＤ変換値を積分する際の基準値
Ａmax：ＡＤ変換値の所定時間での最大値
Ａmin：ＡＤ変換値の所定時間での最小値
Ａppth：微小振動有無検知のための閾値
Ｂ：１階積分値
Ｂｒ：１階積分値Ｂを積分する際の基準値
Ｂmax：１階積分値の所定時間での最大値
Ｂmin：１階積分値の所定時間での最小値
Ｂppth：１階積分値の安定化検知のための閾値
Ｃ：２階積分値
図５に示すように、まず１階積分値Ｂおよび２階積分値Ｃをリセットする（Ｓ１）。また、タイマーをリセットすることで、タイマーを初期値から計時開始する（Ｓ２）。続いて、ＡＤ変換結果を変数Ａに入れる（Ｓ３）。そして、ＡＤ変換値Ａとその基準値Ａｒとの差分を変数Ｂに加算することで１階積分値Ｂを更新する（Ｓ４）。また、１階積分値Ｂとその基準値Ｂｒとの差分を変数Ｃに加算することで２階積分値Ｃを更新し、この２階積分値Ｃを出力する（Ｓ５→Ｓ６）。上記の処理を所定時間が経過するまで（所定データ数分）繰り返す（Ｓ７→Ｓ３→・・・）。

所定時間経過すれば、その所定時間内で（所定データ数について）、ＡＤ変換値の最大値と最小値との差（Ａmax−Ａmin）が閾値Ａppth未満であるか否かを判定する（Ｓ８）。（Ａmax−Ａmin）＜Ａppthで無ければ、所定時間内で（所定データ数について）、１階積分値Ｂの最大値と最小値との差（Ｂmax−Ｂmin）が閾値Ｂppth未満であるか否かを判定する（Ｓ９）。（Ｂmax−Ｂmin）＜Ｂppthで無ければステップＳ２以降の処理へ戻る（Ｓ９→Ｓ２→・・・）。

ステップＳ９で、（Ｂmax−Ｂmin）＜Ｂppthであれば、１階積分値Ｂをリセットする（Ｓ９→Ｓ１０）。このステップＳ９，Ｓ１０を実行する手段が、本発明に係る「１階積分リセット処理部」の例である。

また、ステップＳ８で、（Ａmax−Ａmin）＜Ａppthであれば、すなわち微小振動状態で無ければ、２階積分値Ｃをリセットする（Ｓ８→Ｓ１１）。このステップＳ８，Ｓ１１を実行する手段が、本発明に係る「積分リセット処理部」の例である。

このように、微小振動の不検知に応じて２階積分値Ｃをリセットすることにより、２階積分の累積誤差が解消される。また、本実施形態では、１階積分値Ｂの安定化に応じて１階積分値Ｂをリセットすることにより、１階積分の累積誤差も解消される。

次に、微小振動を伴う実際の押圧操作時の動作の例について示す。図６〜図９は、アナログ回路２の出力電圧波形および積分演算結果の電圧波形を表す図である。

図６は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。図６において、電圧Ｖ４は、アナログ回路２の出力電圧Ｖ３の１階積分値（電圧Ｖ３の、ベースラインからの差分を積算した値）であり、それを電圧波形として表したものである。また、電圧Ｖ５は、アナログ回路２の出力電圧Ｖ３の２階積分値（電圧Ｖ４の、ベースラインからの差分を積算した値）であり、それを電圧波形として表したものである。この２階積分値は押圧力の時間経過のプロファイル（押圧プロファイル）を再現したものとなる。

図６から、アナログ回路の出力電圧Ｖ３は、押圧中は微小変動し、離しているときは微小変動が無いことが分かる。押圧力の変化率が小さくなると、１階積分値Ｖ４の変化率は小さくなる。時刻ｔ２′で１階積分値Ｖ４の変化率が所定の閾値より小さくなると、１階積分値Ｖ４はリセットされる（図５中のステップＳ９→Ｓ１０）。このことにより、２階積分値Ｖ５は発散しない。

図６の例では、時刻ｔ４以降（押圧解除後）、２階積分値Ｖ５は０（ベースライン）に戻っているので、２階積分値Ｖ５はリセットされていない。

図７は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。この例では、強く押圧した後に、時刻ｔ３で押圧を急激に解除したとき、アナログ回路２の動作レンジを超えて、出力電圧Ｖ３は飽和している。そのため、押圧解除後、２階積分値Ｖ５には大きな誤差が生じている。しかし、時刻ｔ５で、電圧Ｖ３の微小変動が無くなったことが検知されて、２階積分値Ｖ５はリセットされる（図５中のステップＳ８→Ｓ１１）。

なお、図７の例では、時刻ｔ４′で１階積分値Ｖ４の変化率が所定の閾値より小さくなっているので、そのタイミングで１階積分値Ｖ４はリセットされている。

図８は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ３からｔ４の間に押圧力が弱められ、時刻ｔ５まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ５からｔ６にかけて押圧力が次第に解除された例である。この例では、時刻ｔ２′，ｔ６′で、１階積分値Ｖ４の変化率が所定の閾値より小さくなって、１階積分値Ｖ４はリセットされている。この例では、時刻ｔ６以降（押圧解除後）、２階積分値Ｖ５は０（ベースライン）に戻っているので、２階積分値Ｖ５はリセットされていない。

図９は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が安定し、時刻ｔ３で押圧力が弱められ、時刻ｔ４で押圧力が解除された例である。この例では、時刻ｔ５で、電圧Ｖ３の微小変動が無くなったことが検知されて、２階積分値Ｖ５はリセットされる。また、時刻ｔ２′，ｔ４′で、１階積分値Ｖ４の変化率が所定の閾値より小さくなって、１階積分値Ｖ４はリセットされている。

《第２の実施形態》
第２の実施形態では、１階微分および１階積分を伴う押圧センサについて示す。

図１０は第２の実施形態に係る押圧センサの圧電センサ１およびアナログ回路２の回路図である。図１１は図１０中の各部の概略電圧波形図である。アナログ回路２は、第１電流電圧変換回路１０を備える。また、本実施形態では、電源回路ＰＳ、基準電位発生回路３０も備える。圧電センサ１および基準電位発生回路３０の構成は第１の実施形態で図２に示した構成と同じである。また、押圧センサ全体の構成はブロック図で表すと、図１に示したとおりである。

第１電流電圧変換回路１０はオペアンプＯＡ１、帰還抵抗Ｒ１０、補償容量Ｃ１０を含む。帰還抵抗Ｒ１０および補償容量Ｃ１０はオペアンプＯＡ１の出力端と反転入力端との間にそれぞれ接続されている。オペアンプＯＡ１の反転入力端と基準電位との間に抵抗Ｒ１１が接続されている。オペアンプＯＡ１の非反転入力端とグランドとの間に圧電センサ１が接続されている。また、オペアンプＯＡ１の非反転入力端とグランドとの間に容量Ｃ１１および抵抗Ｒ１２がそれぞれ接続されている。

第１電流電圧変換回路１０は、オペアンプＯＡ１、帰還抵抗Ｒ１０、補償容量Ｃ１０、および抵抗Ｒ１１によって非反転増幅回路を構成する。容量Ｃ１１は圧電センサ１の出力電圧の充電（平滑）用キャパシタであり、抵抗Ｒ１２は容量Ｃ１１の電荷放電用抵抗である。

図１０におけるＰ１点には、圧電センサの圧電効果により、押圧力に比例する電圧が現れる。このＰ１点の電圧によって圧電センサ１自身の容量Ｃ１の充放電量ｉｓが変化する。この充放電電流ｉｓは抵抗Ｒ１０を流れる。

圧電センサ１の圧電定数が大きく、後段の増幅回路の利得が小さくて済むときは、本実施形態のように１段の増幅回路を設けるだけでもよい。このことにより、アナログ回路２の出力電圧は押圧プロファイルの１階微分に近い波形となる。

図１１において、電圧Ｖ１は上記Ｐ１点の電圧、電圧Ｖ２は上記Ｐ２点の電圧をそれぞれ表している。図１１の例は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。Ｐ１点の電圧Ｖ１は押圧プロファイルに相当する。Ｐ２点の電圧Ｖ２はＶ１の微分波形に相当する。すなわち、アナログ回路２の出力波形は押圧プロファイルの１階微分に近い波形となる。後述するように、このアナログ回路２の出力電圧信号を１階積分することによって押圧プロファイルに近いデータ列を得る。

図１２は比較例の押圧センサによる１階積分後のデータ列を時間波形として表した図である。ここでは、積分誤差の累積結果を表している。本実施形態によれば、１階積分により求められる押圧プロファイルは図１１に示した台形状に近似した形状となる。これに対し、積分誤差の累積があると、押圧プロファイルは、時間経過に伴って、実際の押圧プロファイルから次第に乖離したものとなる。

図１３は、第２の実施形態に係る押圧センサにおける演算部の処理内容を示すフローチャートである。図１３において各変数の意味は次のとおりである。

Ａ：ＡＤ変換結果の値
Ａｒ：ＡＤ変換値を積分する際の基準値
Ａmax：ＡＤ変換値の所定時間での最大値
Ａmin：ＡＤ変換値の所定時間での最小値
Ａppth1：微小振動有無検知のための閾値
Ａppth2：微小振動有無検知のための閾値
ΔＡｔｈ：ＡＤ変換値の変化量が小さい状態であることを検知するための閾値
Ｂ：１階積分値
ΔＢｔｈ：１階積分値が小さい状態であることを検知するための閾値
図１３に示すように、まず１階積分値Ｂをリセットする（Ｓ１）。また、タイマーをリセットすることで、タイマーを初期値から計時開始する（Ｓ２）。続いて、ＡＤ変換結果を変数Ａに入れる（Ｓ３）。ＡＤ変換値Ａとその基準値Ａｒとの差分が閾値ΔＡｔｈ未満であるか否かを判定し、（Ａ−Ａｒ）≧ΔＡｔｈであれば、ＡＤ変換値Ａとその基準値Ａｒとの差分を変数Ｂに加算することで１階積分値Ｂを更新する（Ｓ４→Ｓ５）。そして、この１階積分値Ｂを出力する（Ｓ６）。上記の処理を所定時間が経過するまで（所定データ数分）繰り返す（Ｓ７→Ｓ３→・・・）。

もし、（Ａ−Ａｒ）＜ΔＡｔｈになれば、１階積分値Ｂが閾値Ｂｔｈ未満であるか否かを判定し、未満であれば、１階積分値Ｂをリセットする（Ｓ４→Ｓ８→Ｓ９）。

所定時間経過すれば、その所定時間内で（所定データ数について）、ＡＤ変換値の最大値と最小値との差（Ａmax−Ａmin）が閾値Ａppth1未満であるか否かを判定する（Ｓ７→Ｓ１０）。（Ａmax−Ａmin）＜Ａppth1であれば、すなわち微小振動状態で無ければ、１階積分値Ｂをリセットする（Ｓ１０→Ｓ１２）。このステップＳ１０，Ｓ１２を実行する手段が、本発明に係る「積分リセット処理部」の例である。

２つの微小振動有無検知のための閾値Ａppth1，Ａppth2は次の関係にある。

Ａppth1＜Ａppth2
Ａppth1は微小振動の下限、Ａppth2は微小振動の上限に対応し、ＡＤ変換値の変動幅がＡppth1からＡppth2までの範囲に収まっていれば、微小振動状態、すなわち一定押圧力で押圧されている状態と見なし、そのことを表す信号を出力する（Ｓ１０→Ｓ１１→Ｓ１３）。このステップＳ１０，Ｓ１１を実行する手段が、本発明に係る「微小振動検知部」の例である。

このように、微小振動の不検知に応じて１階積分値Ｂをリセットすることにより、１階積分の累積誤差が解消される。

上記微小振動検知部が上記押圧部の微小振動状態を検知したとき、それは人体による安定した押圧状態であるので、上記構成により、人体による押圧特有の処理を行うことができる。また、微小振動の検知によって人体による操作の有無を検知するので、押圧力が弱い状態での安定した押圧力で押圧されている状態や、押圧力が緩慢に変化する状態でも、人体による操作の有無が検知できる。

次に、微小振動を伴う実際の押圧操作時の動作について示す。図１４，図１５は、アナログ回路２の出力電圧波形および積分演算結果の電圧波形を表す図である。

図１４は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ３からｔ４の間に押圧力が弱められ、時刻ｔ５まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ５からｔ６にかけて押圧力が次第に解除された例である。図１４において、電圧Ｖ５は、アナログ回路２の出力電圧Ｖ２の１階積分値（電圧Ｖ２の、ベースラインからの差分を積算した値）であり、それを電圧波形として表したものである。この１階積分値は押圧力の時間経過のプロファイル（押圧プロファイル）を再現したものとなる。

図１４から、アナログ回路の出力電圧Ｖ２は、押圧中は微小変動し、離しているときは安定することが分かる。時刻ｔ６で、電圧Ｖ２の微小変動が無くなったことが検知されて、１階積分値Ｖ５はリセットされる（図１３中のステップＳ１０→Ｓ１２）。

図１５は、時刻ｔ１で押圧部の押圧が開始され、時刻ｔ２からｔ３まで、その押圧力が保持され、時刻ｔ４で押圧が解除された例である。この例では、強く押圧した後に、時刻ｔ３からｔ４にかけて押圧を解除したとき、アナログ回路２の動作レンジを超えて、出力電圧Ｖ２は飽和している。そのため、押圧解除後、１階積分値Ｖ５には大きな誤差が生じている。しかし、時刻ｔ５で、電圧Ｖ２の微小変動が無くなったことが検知されて、１階積分値Ｖ５はリセットされる（図１３中のステップＳ１０→Ｓ１２）。

なお、図１５の例では、時刻ｔ４′で１階積分値Ｖ５の変化率が所定の閾値より小さくなって、１階積分値Ｖ５はリセットされる（図１３中のステップＳ８→Ｓ９）。

《第３の実施形態》
第３の実施形態では、安定押圧状態の有無および押圧力の大きさ区分によって処理内容を選択する例を示す。

図１６は、第３の実施形態に係る押圧センサにおける演算部の処理内容を示すフローチャートである。図１６に示す演算部の演算処理以外の構成は第１の実施形態または第２の実施形態で示した押圧センサの構成と同じである。

例えば第２の実施形態で図１３に示した演算部の処理内容は、安定押圧状態の有無検知および押圧部の変形量の検出（押圧力の大きさの検出）を行うものであるが、第３の実施形態の図１６に示す処理内容は、上記安定押圧状態の有無および押圧力の大きさ区分によって処理内容を選択する例である。

図１６において、変数Ｂは第２の実施形態で示した１階積分値であり、押圧力に相当する。変数Ｂｔｈ１，Ｂｔｈ２は、変数Ｂの大きさを区分するための所定の閾値である。

図１６に示すように、安定押圧状態の有無および押圧力の大きさ区分によって次の処理を行う。

＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
状態 安定押圧状態 押圧力 処理内容
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
１ 不安定 小 第１処理
２ 不安定 大 第２処理
３ 安定 小 第３処理
４ 安定 大 第４処理
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
［状態１］は例えば、押圧開始または解除の過渡時であり、第１処理はそれに応じた処理である。［状態２］は、比較的強く押し込んでいて、且つ押圧力が変動している状態であり、第２処理はそれに応じた処理である。［状態３］は軽く押圧し続けている状態であり、第３処理はそれに応じた処理である。［状態４］は強く押圧し続けている状態であり、第４処理はそれに応じた処理である。

例えば、地図の拡大／縮小表示を押圧操作で行うアプリケーションにおいて、安定して強く押し込んだとき、地図の表示倍率が次第に大きくなり、押圧を解除したとき、その表示倍率の増大を停止するのであれば、上記第４処理は表示倍率の拡大の処理、上記第３処理は表示倍率の縮小の処理である。第１処理、第２処理はその他の処理である。

また、安定して強く押し込んだとき、地図の表示倍率の増大が開始され、押圧を解除しても表示倍率の増大が継続され、軽くタッチしたとき、その表示倍率の増大を停止するのであれば、上記第４処理は表示倍率の拡大開始の処理、上記第３処理は表示倍率の変更停止の処理である。第１処理、第２処理はその他の処理である。

本実施形態によれば、微小振動の有無によって人体による安定操作であるか否かの判別がなされるので、例えば鞄の中で電子機器の押圧部が何らかの物体で押圧されたとしても、誤った動作がなされない。

《第４の実施形態》
第４の実施形態では、押圧センサを備える電子機器の例を示す。

図１７は、第４の実施形態に係る電子筆記具３０１の斜視図である。図１８は、図１７に示す電子筆記具３０１の断面図である。図１８は、電子筆記具３０１における圧電センサ１および基板２３０が装着された領域の断面図である。図１９は、圧電センサ１の部分断面図である。

図１７に示すように、電子筆記具３０１は、圧電センサ１および筐体２０１を備える。また、図１８、図１９に示すように、回路基板２３０に圧電センサ１が接続された状態で、回路基板２３０および圧電センサ１は筐体２０１内に設けられる。

筐体２０１は、円筒状である。筐体２０１は、絶縁性材料からなる。筐体２０１の内部には、図１８に示すように基材２０３が設けられている。筐体２０１の長尺方向（円周方向に直交する方向）の一方端には、図１７に示すように、先細り形状の先端部２０２が設けられている。

なお、筐体２０１は、その変形が圧電センサ１に伝達可能な程度の適度な弾性があればよく、金属であってもよい。

図１９に示すように、圧電センサ１は可撓性を有する基材２２６を備える。基材２２６には、第１電極２２４、圧電フィルム２２１および第２電極２２５の積層体が貼着されている。第１電極２２４、圧電フィルム２２１および第２電極２２５の積層体の端部はカバーレイ２５０で補強されている。基材２２６には第３電極２２９が形成されていて、この第３電極２２９に第２電極２２５が電気的に接続される。基材２２６に形成されている複数の電極は回路基板２３０に接続される。

圧電センサ１は図１８に示すように、筐体２０１の内壁面の円周方向に沿うよう湾曲した状態で装着される。

圧電フィルム２２１の材料は、ＰＬＬＡ（Ｌ型ポリ乳酸）である。ＰＬＬＡは、キラル高分子であり、主鎖が螺旋構造を有する。ＰＬＬＡは、一軸延伸され、分子が配向すると、圧電性を有する。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。

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。

ＰＬＬＡの延伸方向に３軸をとり、３軸方向に垂直な方向に１軸および２軸をとると、ＰＬＬＡにはｄ１４の圧電定数（ずりの圧電定数）が存在する。１軸方向が厚み方向となり、３軸方向（延伸方向）に対して４５°の角度をなす方向が長手方向となるように、ストライプ状の圧電フィルム２２１が切り出される。これにより、圧電フィルム２２１が長手方向に伸縮すると、圧電フィルム２２１は厚み方向に分極する。

筐体２０１がユーザによって保持されているか否かによって、圧電センサ１の変形量が変化するので、そのことで、ユーザが筐体２０１を保持しているのか否かが検知される。

なお、以上に示した実施形態では、基材を湾曲させた状態で筐体に装着する電子機器の一例として電子筆記具を示したが、これに限るものではない。実施の際、例えばマウス、タブレット端末、スマートフォン、ウェアラブル端末（いわゆるスマートウォッチ、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ等）の電子機器に適用することができる。

例えば、これら電子機器の場合、以下のような制御を実施することができる。

電子機器に人体が接触し、押圧されていない場合には第１の制御を実行し、押圧された場合には第２の制御を実行し、人体が接触されていない場合には第１の制御および第２の制御を実行しないようにしてもよい。これにより、人の意図によらず操作されてしまう場合に所定の制御が実行されることを抑制できる。ここで、「人体に接触されている状態」とは、直接接触している状態および間接的に接触している状態を含み、人体の微小振動が伝達される状況のことでもよい。また、押圧されていない状態とは弱く押圧されている状態を含む。人体が接触する際に押圧を意図していなくても、弱く押圧される可能性があり、その状態を含んでいる。

例えば、ウェアラブル端末では人体への装着状態が「押圧されていない状態」に相当する。また、「押圧されている状態」とは、押圧されていない状態よりも強い押圧力で意図的に電子機器が押圧されている状態である。本明細書において、「押圧されている」あるいは「押圧されていない」についても同様の意味である。

なお、人体の振動を検出するセンサは圧電センサに限らない。振動を検出できる種々の振動センサを利用可能である。

第１の制御では電子機器が電源ＯＦＦの状態からＯＮの状態に切り替えてもよい。また、第２の制御ではそれぞれの電子機器に合った制御を実施してもよい。例えば、スマートフォンではアイコンの選択や画面の拡大であってもよい。さらに、第１の制御と第２の制御とは全く異なる制御でなくてもよい。例えば、懐中電灯では第１の制御で弱い光を点灯させ、第２の制御で強い光を点灯させるような制御であってもよい。また、スマートフォンにおいて、第１の制御ではゆっくり画面を拡大し、第２の制御では速く画面を拡大する等、類似する一連の制御を実施するものであってもよい。

また、人体が接触し、押圧されていない場合には第１の制御を実行し、人体が接触しておらず、且つ静電容量が変化している場合には第１の制御を実行しないようにしてもよい。これにより人体が非接触で且つ静電容量が変化する状態に所定の制御が実行されないため、意図せずして所定の制御が実行されることを抑制できる。例えば、スマートフォン等の静電容量センサを備える電子機器において、人体の接触が無い状態で静電容量を変化させる物体が接触した場合、所定の制御が実行されるのを抑制できる。

また、人体に接触している物体が押圧部に接触した場合には第１の制御を実行し、人体に接触していない物体が押圧部に接触した場合には第１の制御を実行しないようにしてもよい。人体に接触している物体が押圧部に接触した場合であっても人体の振動が物体を介して伝達するため、所定の制御を実行するようにしてもよい。人体に接触していない物体が接触した場合は人体の振動が伝わることがないので、所定の制御が実行されない。このことで、意図しない制御が実行されるのを抑制できる。

例えば、ウェアラブル端末の場合、微小振動の有無によって、その人体への装着・非装着の状態を判定し、電源のON/OFFを切り替えてもよい。

また、例えばスマートフォンや電子ブックにおいて、ディスプレイの端部に本発明の押圧センサを配置し、押圧力に応じてページをめくるスピードを変えるようにしてもよい。この場合も、人体以外の操作で誤動作することが防止できる。

また、例えばスマートグラスの場合に、メガネのツルの部分に本発明の押圧センサを配置し、音量調節や画面の早送り/巻き戻しなどを行うようにしてもよい。

以上に示した実施形態では、圧電センサ１に、ポリ乳酸の圧電フィルム２２１を用いる例を示したが、これに限るものではない。実施の際、ＰＶＤＦ等の他の圧電フィルムや圧電セラミック等が利用できる。但し、ＰＶＤＦは焦電性があるため温度変化による電荷発生も積算されてしまうというデメリットがあるため、焦電性のないＰＬＬＡのほうが好適である。

なお、本発明に係る第１電流電圧変換回路を備える押圧センサにおいては圧電センサが必要であるが、押圧部の変形量に応じた検出信号を発生する圧力センサを用い、押圧部の微小振動状態の有無を検知する場合には、圧電センサ以外に押圧部の変形量を電気信号として取り出せるセンサであればよい。本発明に係る「圧力センサ」には増幅回路を含む場合もある。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。例えば、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、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。

Ｃ１０，Ｃ２０…補償容量
ＯＡ１，ＯＡ２…オペアンプ
ＰＳ…電源回路
Ｒ１０，Ｒ２０…帰還抵抗
ＶＳ…電圧源
１…圧電センサ
２…アナログ回路
３…ＡＤコンバータ
４…演算部
１０…第１電流電圧変換回路
２０…第２電流電圧変換回路
３０…基準電位発生回路
１０１…押圧センサ
２００…制御部
２０１…筐体
２０２…先端部
２０３…基材
２２１…圧電フィルム
２２４…第１電極
２２５…第２電極
２２６…基材
２２９…第３電極
２３０…回路基板
２５０…カバーレイ
３０１…電子筆記具

Claims (5)

1. 押圧により変形する押圧部と、
   前記押圧部の変形量に応じた検出電圧を発生する圧電センサと、
   前記圧電センサの容量に対する充放電電流を電圧信号に変換して出力する第１電流電圧変換回路と、
   前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の積分値を求め、当該積分値を前記押圧部の変形量として検出する変形量検出部と、
   前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の微小変動状態の有無により前記押圧部の微小振動の有無を検知する微小振動検知部と、
   前記微小振動の不検知に応じて前記積分値をリセットする積分リセット処理部と、
   前記第１電流電圧変換回路の出力電圧の変化率に相当する電流を電流電圧変換する第２電流電圧変換回路と、を備え、
   前記変形量検出部は、前記第１電流電圧変換回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、前記ＡＤコンバータにより変換されたデジタル値を２階積分演算する演算部とで構成される、
   ことを特徴とする、押圧センサ。
2. 前記微小振動検知部は、前記変形量検出部により算出された前記押圧部の変形量が所定の閾値を超えるか否かによって検知する手段である、請求項１に記載の押圧センサ。
3. 前記演算部は、１階積分値の変化量または変化率が所定値未満であることを検出したとき、１階積分値をリセットする１階積分リセット処理部を備える、請求項１または２に記載の押圧センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の押圧センサを備え、
   前記微小振動検知部の検知結果に応じて所定の制御を行う制御部を更に備える、電子機器。
5. 前記制御部は、前記微小振動の有無と前記変形量検出部の検出結果とに応じて、所定の制御を行う、請求項４に記載の電子機器。

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