JP6465143B2 - タッチ式入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばディスプレイ表面上に設けられ、ユーザーが指で直接触れるもしくは専用の器具を用いて触れることにより、平面上の位置情報と押圧情報とを同時に入力できるタッチ式入力装置に関するものである。

近年、タッチ式入力装置、所謂タッチパネル方式を採用した機器が大幅に増加している。銀行ＡＴＭや駅の券売機のみならず、携帯電話、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤーなど、薄型ディスプレイ技術の発展と相まって入力インターフェースとしてタッチパネル方式が採用される機器が大幅に増加している。

現状用いられているタッチパネルは主に抵抗膜式や静電容量式が主流であり、これ以外にも光学式、電磁誘導式、圧電による弾性表面波を利用したものなどがある。通常はこれらの方式を用いて位置情報を検出する。即ちタッチパネル上のどの地点をユーザーがタッチしたのかを座標情報として取得し、この情報をもとに指定された処理が実行される。銀行ＡＴＭに代表されるように、画面に表示されたボタンの部分を触れることにより、ユーザーはあたかも実際のボタンを押して操作したかのように機器を操作することが出来る。最近のグラフィックユーザーインターフェース（ＧＵＩ）処理技術の発達により、ユーザーが画面上を撫でることにより表示画像をスクロールさせたり、グラフィックとして表示されたスライドスイッチを指で直接コントロールできるような装置もある。

タッチパネルにはさらなる多様性が求められつつあり、最近では位置情報と合わせて押圧情報を同時に得たいという要望が高まっている。即ちユーザーが画面のどの位置をどのぐらいの強さで触れたかという２値の情報を検出すれば、さらなる操作性の向上が図られる。

これに関する技術として特許文献１には、位置検出用素子と感圧センサーとを重ねることにより、位置情報と押圧情報とを同時に検出する技術が開示されている。

また特許文献２には、圧電体フィルムを用いて押圧情報を取得すると共に、この圧電体フィルムに格子状に形成された複数の電極線のどの部分に検知電圧が現れたのかを検出して位置情報を取得する方式が開示されている。

特開平５−６１５９２号公報 特開２００６−１６３６１８号公報

特許文献１に記載のタッチパネルでは、位置検出のみを行う通常のタッチパネルの上にさらに、圧電フィルムや感圧抵抗体シートで形成された感圧センサーを重ねている。感圧センサーはタッチパネルの全面を覆っている。

通常のタッチパネルは、何らかの画像表示装置の上に設置されることが通例であり、高い透明度が要求される。位置検出用のタッチパネル、感圧センサーともそれぞれ複数のフィルムと電極層とを有する。フィルムを透明とし、電極にＩＴＯ等の透明電極を用いれば全体を透明とすることが出来るが、積層数が多いため光線透過率が低下するという問題点があった。また複数の部品とプロセスが必要であるためコストアップの要因となる。さらに位置情報と押圧情報が別々に検出されるため信号処理が複雑となるといった問題点があった。

また、特許文献２に記載のタッチパネルでは、位置情報と押圧情報を同時に検出するために、圧電体フィルムに対して格子状の微細配線電極を形成している。信号がこの格子状電極のどの電極から強く検出されたかによって位置情報を得るため、これらの微細配線の全てを演算処理部に接続する必要があり構造がかなり複雑となるといった問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明の第１の局面は、分子配向させたポリ乳酸フィルムからなるタッチパネルであって、前記ポリ乳酸フィルムの第１の主面と第２の主面とに電極が形成されており、前記第１の主面の電極は、少なくとも４つに電気的に分割された分割電極とされていることを特徴とする。

また本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面のタッチパネルにおいて、前記第２の主面の電極は、前記第１の主面の前記分割電極とそれぞれが対向するように形成された分割電極であることを特徴とする。

また本発明の第３の局面は、本発明の第１の局面のタッチパネルにおいて、前記第２の主面の電極は、前記第１の主面の前記分割電極と不足無く対向するように形成された一様なグランド電極であることを特徴とする。

また本発明の第４の局面は、本発明の第１から第３の何れかの局面のタッチパネルにおいて、前記分割電極は、電極非形成部分からなる複数の電極分割線により電気的に分割されており、該電極分割線は、所定の幅を有する直線で形成されていることを特徴とする。

また本発明の第５の局面は、本発明の第４の局面のタッチパネルにおいて、前記電極分割線のそれぞれは、前記ポリ乳酸フィルムの略中央の１点で所定の角度で交わっていることを特徴とする。

また本発明の第６の局面は、本発明の第５の局面のタッチパネルにおいて、前記複数の電極分割線のなす角は互いに等しいことを特徴とする。

また本発明の第７の局面は、本発明の第１から第６の何れかの局面のタッチパネルにおいて、前記ポリ乳酸フィルムは、１軸延伸により分子配向されていることを特徴とする。

また本発明の第８の局面は、本発明の第７の局面のタッチパネルにおいて、前記複数の電極分割線は、第１の電極分割線と、第２の電極分割線とで形成されており、前記第１の電極分割線と、前記ポリ乳酸フィルムの延伸方向とのなす角をθ₁、前記第２の電極分割線と、前記ポリ乳酸フィルムの延伸方向とのなす角をθ₂、としたとき、前記θ₁およびθ₂が下記の数式の条件を満たすことを特徴とする。

−１２°≦θ₁≦１２°，−１０２°≦θ₂≦−７８°
また本発明の第９の局面は、本発明の第８の局面のタッチパネルにおいて、前記第１の電極分割線は、前記ポリ乳酸フィルムの延伸方向と略一致する方向に形成されており、前記第２の電極分割線は、前記第１の電極分割線と略直交する方向に形成されていることを特徴とする。

また本発明の第１０の局面は、本発明の第１から第９の何れかの局面のタッチパネルにおいて、前記電極はＺｎＯを主成分とする透明電極であることを特徴とする。

また本発明の第１１の局面は、本発明の第１から第１０の何れかの局面のタッチパネルにおいて、前記ポリ乳酸フィルムが２層以上積層されたことを特徴とする。

また本発明の第１２の局面は、本発明の第１から第１１の何れかの局面のタッチパネルを備えたタッチ式入力装置であって、前記分割電極のそれぞれは、該分割電極から互いに独立して検出される電圧を元に位置情報および／または押圧情報を出力する処理装置に接続されていることを特徴とする。

また本発明の第１３の局面は、銀行ＡＴＭや駅の券売機、携帯電話、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤーなどの機器であって、本発明の第１２の局面のタッチ式入力装置を入力インターフェースとして用いたことを特徴とする。

分子配向されたポリ乳酸フィルムは圧電性を有し、かつその透明度はアクリルに匹敵する。従って本発明によれば、ポリ乳酸フィルムに透明電極を設けることにより、透明度が非常に高く、位置情報のみではなく押圧情報も同時得られる安価なタッチパネルおよびタッチ式入力装置が実現できる。

本発明のタッチパネル基本構造を示す斜視図である。 （ａ）本発明のタッチパネルの表面電極構成を示す平面図である。（ｂ）本発明のタッチパネルの裏面電極構成を示す平面図である。（ｃ）本発明のタッチパネルの裏面の他の例の電極構成を示す平面図である。 ポリ乳酸の圧電現象による変形を説明するための説明図である。 本発明の基本動作を説明するための斜視図である。 本発明の基本動作を説明するための座標を定義した平面図である。 本発明のタッチパネルの対角線に沿って押圧力を加えた際に、押圧位置と各電極から発生する電圧の関係を示すグラフである。 本発明のタッチパネルの中央部から等距離でＸ軸と所定の角度を成す位置に押圧力を加えた際に、押圧位置と各電極から発生する電圧の関係を示すグラフである。 本発明のタッチパネルの所定の位置に所定の押圧力を加え、その押圧力を変化させた際に各電極から生じる電圧のパターンをグラフ化したものである。 本発明のタッチ式入力装置のブロックダイアグラムである。 （ａ）本発明の第２の実施例を示す平面図である。（ｂ）本発明の第２の実施例の変形例を示す平面図である。 （ａ）本発明の第３の実施例を示す平面図である。（ｂ）本発明の第３の実施例の変形例を示す平面図である。 本発明の第３の実施例を説明するための第１の説明図である。 本発明の第３の実施例に示すタッチパネルにおいて、電極分割線と延伸軸のなす方向と各電極に発生する電圧の関係を示す第１のグラフである。 本発明の第３の実施例を説明するための第２の説明図である。 本発明の第３の実施例に示すタッチパネルにおいて、電極分割線と延伸軸のなす方向と各電極に発生する電圧の関係を示す第２のグラフである。 本発明の第４の実施例を示す平面図である。 本発明の第５の実施例を示す平面図である。 本発明の第６の実施例を示す平面図である。 本発明の第７の実施例を説明するための説明図である。

（実施例１）
図１は第１の実施例を示す斜視図である。図１は本発明のタッチ式入力装置の主要構成部であるタッチパネル１を拡大して示したものである。タッチパネル１は処理装置に接続され本発明のタッチ式入力装置を成す。尚、処理装置については後述する。タッチパネル１は基体２と、基体２の両主面に形成された電極から構成されている。基体２の第１の主面には電極分割線５ａおよび５ｂにより電気的に分割された電極３ａ〜３ｄが形成されている。電極分割線５ａおよび５ｂはフィルムの中心を通り互いに略９０°の角度を成して交わっている。基体２はポリ乳酸フィルムで構成されており、ポリ乳酸フィルムの延伸軸は電極分割線５ａの長手方向と略一致する方向とされている。尚、図は説明のために各部を誇張して描いており実際の寸法関係とは異なっている。また、ここではタッチパネルをほぼ正方形として示したが、特に正方形に限られるものではない。

図２（ａ）はタッチパネル１の平面図である。矢印１０はポリ乳酸フィルムの延伸軸方向を示している。矢印１０は説明を分かりやすくするために平面図上に書き入れた物で、実際のタッチパネル１にはこのような矢印は描かれていない。電極３ａ〜３ｄは電圧を検出する装置に電気的に接続されているが本図ではこれを省略している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したタッチパネル１の第２の主面（裏面）の一例を示す平面図であり、電極分割線５０ａを軸として図２（ａ）を裏返しにして示したものである。第２の主面には、第１の主面の電極３ａ〜３ｄのそれぞれと過不足無く対向するように、電極分割線５０ａ，５０ｂによって分割された電極３０ａ〜３０ｄが形成されている。電極３０ａ〜３０ｄは、この順序で電極３ａ〜３ｄとそれぞれ対向している。電極３０ａ〜３０ｄは電圧を検出する装置に電気的に接続されているが本図ではこれを省略している。

図２（ｃ）は、図２（ａ）に示したタッチパネル１の第２の主面の他の一例を示す平面図である。第２の主面には、第１の主面の電極３ａ〜３ｄの全てを含めて対向するように一様な電極４が形成されている。電極４はグランド電位とされている。電極４はタッチパネル１が装備される機器のグランドに電気的に接続されているが本図ではこれを省略している。

また、通常タッチパネルの表面および裏面には反射防止フィルムや保護フィルムが設けられる、もしくは反射防止層や保護層がコーティングされているが本実施例ではこれを省略している。

第１の主面の電極に対して、第２の主面の電極を図２（ｂ）に示したような分割電極とするか、図２（ｃ）に示したような一様な電極とするかは実施時に適宜選択できる設計事項である。それぞれの利点については後述する。

電極３ａ〜３ｄ、電極３０ａ〜３０ｄもしくは電極４はＺｎＯ、ＩＴＯ、ＩＺＯ（登録商標）、またはこれらを主成分とする無機電極、もしくはポリチオフェンを主成分とする有機電極で構成されており、このような電極を用いることにより電極を透明とすることが可能である。尤も透明性が必要とされない場合には金属による電極を構成しても良い。電極の構成方法としては蒸着、スパッタ、メッキ、箔の貼り付け等様々な方法が適用可能である。また、第１の主面の電極と第２の主面の電極は必ずしも同じ種類とする必要はなく、異なる種類の電極を用いても良い。

特にＺｎＯは常温での成膜が可能で透明度も高いためポリ乳酸に好適に用いられる。元来ＺｎＯは大気中の水分との反応によりキャリア供給源である酸素欠損が再酸化され抵抗の上昇を招くという欠点があった。ＺｎＯにＩＩＩＢ族元素であるＧａを７重量％以上の高濃度でドープし、オフアクシスタイプのマグネトロンスパッタリング法で形成した透明電極は、Ｈ₂ＯとＺｎＯとの反応の活性化エネルギーが上昇し優れた耐湿性を示すため実用上問題はない。また実使用上においては、タッチパネル１には保護フィルムが設けられるか、保護層がコーティングされるのが通例であり、ＺｎＯに対して直接水分が供給される確率は極めて低い。

ここでポリ乳酸の圧電性について説明する。ポリ乳酸フィルムは分子を配向させた後、熱処理を施したフィルムである。通常１軸延伸を施すことにより延伸軸方向にポリマーの主鎖を配向させることが出来る。ポリ乳酸は乳酸の縮合重合体であり、乳酸モノマーは不斉炭素を含むためキラリティがある。そのためポリ乳酸には主鎖が左巻きとなるＬ型ポリ乳酸と、主鎖が右巻きとなるＤ型ポリ乳酸がある。前者をＰＬＬＡ、後者をＰＤＬＡと呼ぶ。一般的に流通する物はＰＬＬＡであるため、以降本明細書内ではポリ乳酸をＰＬＬＡと表記する。

ＰＬＬＡはポリマー内にＣ＝Ｏをはじめとして、永久双極子を発生する分子群が存在する。一本の分子鎖全体について双極子の和を求めると螺旋軸方向に大きな双極子が残る。一方、ＰＬＬＡの結晶単位胞内では逆向きの分子鎖がそれぞれ一本ずつ存在し結晶全体としては双極子はうち消されてしまう。ＰＬＬＡ結晶の点群はＤ₂に属し、圧電歪み定数としてｄ₁₄，ｄ₂₅，ｄ₃₆のテンソル成分がある。

フィルムを１軸延伸して配向させるとポリマーの螺旋構造の影響で一部の対称性が崩れ、ズリ圧電性が発現することが知られている。圧電歪み定数として観測される成分はｄ₁₄，ｄ₂₅であり、ｄ₃₆に関しては垂直な鏡面の存在によりその成分がうち消されてしまう。

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、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、２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１軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えばある方向をＸ軸としてその方向に８倍、その軸に直交するＹ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Ｘ軸方向に４倍の１軸延伸を施した場合と同等の効果が得られる。単純に１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２軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことが出来る。

ＰＬＬＡを配向させる方法に関しては、ここに述べた１軸延伸もしくは２軸延伸以外にも方法がある。例えばポリマーの側鎖の一部をメソゲン基で置換し、磁場もしくは電場によりメソゲン基が配向する性質を用いて、主鎖そのものを溶液中で配向させ、この状態で溶媒を蒸発させて配向したフィルムを得る等の方法がある。またフィルムの厚み方向に高圧をかけることによっても配向が可能である。

図３はＰＬＬＡの圧電現象による変形を説明した概念図である。紙面の手前から奥に向かう軸を１軸、矢印１０で示される延伸軸を３軸としている。ＰＬＬＡフィルム２ａに対し１軸の方向に向かって電場をかけると、ｄ₁₄によるズリ弾性の影響により、対角線１２ａとほぼ一致する方向に伸び、対角線１２ｂとほぼ一致する方向に縮む様な変形を生じる。結果的にＰＬＬＡフィルムは２ｂで示される形へと変形する。シンボル１１は電場の向きを表しており、紙面手前から奥に向かって電場が存在していることを示す。尚、変形量は誇張して表現されている。

ＰＬＬＡのｄ₁₄は、延伸条件、熱処理条件、添加物の配合等の条件を整えることにより１０〜２０ｐＣ／Ｎもの値が得られることが知られている。

このような圧電性を有するフィルムは、上述したように電場をかけると変形を生ずるが、逆に変形を与えると電圧が生じる。このような性質を論ずる指標として圧電応力定数（ｇ定数）がある。ＰＬＬＡの場合、ｇ₁₄は３００〜５００×１０^-3Ｖｍ／Ｎにも達し、ＰＶＤＦ（ｇ₃₁＝２１６×１０^-3Ｖｍ／Ｎ）、ＰＺＴ（ｇ₃₁＝１１×１０^-3Ｖｍ／Ｎ）と比較して非常に大きい。従ってＰＬＬＡはセンシング用途として非常に好適である。

次にＰＬＬＡのｇ₁₄を利用して位置情報および押圧情報を得る方法について説明する。
図４（ａ）は図１のタッチパネル１の平面図に説明用の対角線１３ａ〜１３ｄを追加した物である。同じ図形要素には同じ番号を付し説明を省略する。タッチパネル１の中央部に下方向の力を加えた場合、タッチパネル１の中央部はそれに応じて撓みを生じる。この変形の様子を図４（ｂ）に示す。矢印２０はタッチパネル１の中央部に加えられる力を表している。

図４（ｂ）から分かるように対角線１３ａ〜１３ｄは何れもほぼ均等に伸びる。この図４（ｂ）に図３を適応して説明する。即ち図４（ｂ）に示す対角線１３ａ，１３ｃは図３の対角線１２ａに対応し図４（ｂ）の対角線１３ｂ，１３ｄは図３の対角線１２ｂに対応する。

前述した図３による説明を逆に考えると、対角線１２ａが伸びることによりシンボル１１で示される電場が生じる。従って対角線１３ａ，１３ｃが伸びることにより、電極３ａ，３ｃにはプラスの電位が生じることになる。図３において対角線１２ｂは縮んでいるが、対角線１２ｂが伸びる場合にはシンボル１１が示す電場は逆方向となる。従って対角線１３ｂ，１３ｄが伸びることにより、電極３ｂ，３ｄにはマイナスの電位が生じることになる。

次に図４（ｂ）に示したモデルを用い有限要素法シミュレーションを行った結果を示す。表１は計算の際の条件を示し、表２は計算結果を示している。尚、この計算の際の裏面の電極は図２（ｃ）に示した如く、一様なグランド電極とされている。

前述したように、電極３ａ，３ｃにはプラスの電位が発生し、電極３ｂ，３ｄにはマイナスの電位が発生している。それぞれの発生電圧はほぼ等しい。

次に、図５に示すようにタッチパネル１の中央部が原点となるように座標軸を設定し、様々な箇所を押したときに発生する電圧を有限要素法シミュレーションにより求めた結果を示す。計算時の条件は表１に示したものと同様である。表３は対角線１３ａに沿う位置を押したときに発生する電圧をまとめて示したものである。尚、表中の数値の単位はｍＶである。

図６は表３の結果をグラフ化したものである。凡例に示すプロット点、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに発生する電圧を示している。押す位置が変化するに従って発生する電圧がほぼ滑らかに変化していることが分かる。

表４は押圧座標の原点からの距離を１２．５ｍｍとし、Ｘ軸となす角度を変化させて、電極３ａ〜３ｄに発生する電圧を有限要素法シミュレーションにより求めた結果である。計算時の条件は表１に示した物と同様である。

図７は表４の結果をグラフ化したものである。図６と同様に凡例に示すプロット点、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ電極３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに発生する電圧を示している。押す位置が変化するに従って発生する電圧がほぼ滑らかに変化していることが分かる。

表２〜表４で示したように、押圧する座標により電極３ａ〜３ｄに発生する電圧が変化する。それぞれの電極に発生する電圧の符号、絶対値の大小関係には一定のパターンが存在し、このパターンを解析することによって、タッチパネル１のどの部分が押されたかを位置情報として得ることが出来る。

次に押圧力の検出方法について説明する。表５は（Ｘ，Ｙ）＝（１２．５，１２．５）、（−１２．５，１２．５）、（−１２．５，−１２．５）、（１２．５，−１２．５）の各位置について、押圧力を０．０５Ｎ、０．１Ｎ、０．２Ｎとしたときの発生電圧を有限要素法シミュレーションにより求めた結果を示している。各座標において、表中の数値の上段、中段、下段がそれぞれ押圧力０．０５Ｎ、０．１Ｎ、０．２Ｎに対応している。

それぞれの座標において、それぞれの電極における発生電圧を比較すると、押圧力が０．１Ｎの時の発生電圧は、押圧力が０．０５Ｎの時のほぼ２倍となっており、さらに押圧力が０．２Ｎの時の発生電圧は、押圧力が０．１Ｎの時のほぼ２倍となっていることが分かる。

図８は、座標（１２．５，１２．５）における各電極の発生電圧を、押圧力別に棒グラフにしたものである。この棒グラフそのものが視覚化された電圧パターンである。押圧力に応じて発生電圧の大きさがリニアに変位していることが分かる。従ってここで述べた方式により、総合的な発生電圧の大きさを評価することにより押圧情報を得ることが出来る。以上の説明を総合し、位置情報および押圧情報を同時に得る機能を改めて説明する。図９はタッチ式入力装置１００を説明するものであり、タッチパネル１と処理装置１０１の接続概念図である。処理装置１０１は、検出部１０２と演算部１０３と記憶部１０４とを備えている。検出部１０２は接続線１０５ａ〜１０５ｄによって、タッチパネル１の電極３ａ〜３ｄにそれぞれ接続されている。検出部１０２は、タッチパネル１の表面に力が加えられたときに、電極３ａ〜３ｄに発生する電圧を独立に検出する。

記憶部１０４には、所定の押圧力で所定の位置が押されたときに電極３ａ〜３ｄに生じる電圧が電圧パターンとして記憶されている。電圧パターンとは電極３ａ〜３ｄに生じる電圧の符号、電圧の大きさをひとまとめの情報としたものである。電圧の大きさの記憶方法としては、その絶対値をそのまま記憶しても良いし、基準となる電極の電圧からの差分、もしくはその比率として記憶しても良い。特に記憶の方法に関してはここに記載された方法に限らなくとも良い。

電圧パターンは複数個記憶されており、このデータの作成にあたってはシミュレーションで行っても良いし、実際にタッチパネル１を押した時の情報をそのまま記憶してもよい。予め記憶される電圧パターンの個数はタッチ式入力装置に求められる座標精度に鑑みて適宜決定されるものである。

検出部１０２により検出された電圧は演算部１０３に送られる。演算部１０３は記憶部１０４に記憶されている電圧パターンと同じ方式で、検出部１０２で検出された電圧の電圧パターンを生成する。例えば、記憶部１０４に記憶されている電圧パターンが、各電極に生じる最大電圧を基準として全てこの電圧に対する比率で記憶されている場合、検出された電圧の電圧パターンもこれと同様の方法で生成する。次に演算部１０３は生成された電圧パターンと記憶部１０４に記憶されている電圧パターンを、符号を含めて比較する。記憶部１０４に記憶されている電圧パターンは位置情報に対応したものであるが、記憶容量の制限や演算速度を考慮して、位置情報に対応する押圧位置はある程度離散的なものとされている。従ってほぼ完全に合致する電圧パターンは得られない可能性がある。記憶された電圧パターンと比較する際には、記憶された電圧パターンと測定された電圧パターンの各電圧比率の誤差の二乗和を求め、その値の小さい物から順に数点を選択し、その大きさから位置情報を推定する。位置情報の推定が完了すれば、演算部１０３はその位置の周辺に位置するポイントの電圧パターンを記憶部１０４から読みとり、その位置における最大の電圧を生じる電極の電圧値を線形補完により生成する。生成された電圧値と検出された電圧の最大値の比率を求め、記憶部１０３に記憶されている所定の押圧力に乗じることにより実際の押圧力を求めることが出来る。尚、位置情報と押圧情報の求め方についてはここに記載したものに限られるものではない。

前述したように、ここの計算においては電極３ａ〜３ｄに対向する裏面の電極は、図２（ｃ）に示すような一様なグランド電極４とした。一様なグランド電極４は構成が単純で、パターニングが不要であるため安価に形成が可能である。また、裏面には電極非形成部分が無いために、表面から裏面を透視的に見たときに、電極のパターンは視認されにくい。

また、図２（ｂ）に示すように、表面と同様な分割電極を裏面に構成した際には、前者の場合と比較して発生電圧が大きくなるというメリットがある。

上記した方法により、非常に簡単な構成のタッチパネル１を用いて位置情報と押圧情報を同時に出力可能なタッチ式入力装置を構成することが出来る。タッチパネル１の基体２の材料として利用したＰＬＬＡは前述したように乳酸の縮合重合体である。通常、乳酸はトウモロコシを原料とする澱粉から微生物の力を利用して作られている。従ってＰＬＬＡは材料として化石燃料を用いていないため、廃棄により空気中の二酸化炭素を増加させることがない。また製造時における二酸化炭素排出量も他のポリマーに比較して極めて少ない。さらに生分解性という特徴も持つため環境負荷の極めて低いデバイスとすることが出来る。

ここで述べた方式による位置情報検知、押圧情報検知に関しては、同様の電極構成に対し、基体２にＰＶＤＦ等の他の圧電ポリマーを用いることによっても達成できる。ＰＶＤＦを用いた場合、各電極から発生する電圧は全てがプラスの電位もしくはマイナスの電位となる。何れになるかはＰＶＤＦのポーリングの方向による。ＰＬＬＡの場合は、各電極生じる電圧に極性があるため、ＰＶＤＦと比較して得られる情報量が多い。また、ＰＶＤＦはポーリング処理を行っているため、経時的に圧電定数の低下が見られるが、ＰＬＬＡの圧電性は延伸と熱処理により生じる分子配向に起因するため半永久的に保持される。さらにＰＶＤＦは乳白色のポリマーであり、薄くすると透明となるがＰＬＬＡと比較すると透明度は劣る、この点を鑑みてもタッチパネルとしてＰＬＬＡは非常に優れている。

（実施例２）
図１０（ａ）は図１、図２に示した実施例１の他の実施形態を示したものである。図１０（ａ）は図２（ａ）に対応しており、図２（ｂ）（ｃ）に対応する裏面の作図は省略する。以降の実施例、変形例においても裏面の電極が一様な電極の場合には作図を省略するものとする。同じ機能を有する構成要素には同じ記号を付し説明を省略する。基体２は長方形とされている。タッチパネルはディスプレイの表面に設けられることが多く、ディスプレイは通常長方形状のものが圧倒的に多いため、必然的にタッチパネルも同様の形状となる。このような形状としても実施例１に説明した場合と同様に機能させることが出来る。

図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示した実施例の変形例である。電極分割線５ａおよび５ｂは基体２の中央を通っておらず、その交点は基体２の中央部からずれた位置にある。電極の接続線との位置関係や、下に表示される画像との兼ね合いがあれば本例のように電極分割線５ａ，５ｂの交点を基体２の中央から所定量ずらした形としても差し支えない。最も頻繁に位置検知が必要な部分の近傍に電極分割線５ａ，５ｂの交点を設定することが好適である。ずらし量に関しては、検知精度を確認し設計に合わせて適宜設定すればよい。

（実施例３）
図１１（ａ）は実施例２の他の実施形態を示したものである。同じ機能を有する構成要素には同じ記号を付し説明を省略する。基体２は実施例２と同様に長方形とされている。基体２のＰＬＬＡは、延伸軸が基体２の外枠の辺に対して４５°の角度を成すように切り出されている。図３を用いて前述説明したように、ＰＬＬＡは電圧の印加により延伸軸と４５°をなす方向に対して伸び縮みが発生する。従って効率よく電圧検知を行うためには図１１（ａ）に示すように電極分割線５ａ，５ｂの何れかを延伸軸と同方向に向け、他方を延伸軸と９０°の角度を成す方向に向けることが好適である。この場合も図１０（ｂ）の様に電極分割線５ａ，５ｂの交点を基体２の中心からずらして構成しても良い。

図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示した実施例の変形例である。基体２のＰＬＬＡの延伸軸の向きは図１１（ａ）に示す場合と同様であるが、電極分割線５ａ、５ｂの何れも延伸軸の方向に沿っておらず、基体２の対角線に沿う様に形成されている。図１１（ａ）の場合と比較してやや検知電圧が落ちる場合があるが、実用上問題なく使用できる。

次に、ＰＬＬＡの延伸軸と電極分割線のなす角度による検知電圧の変化について説明する。図３に関する前述の説明を引用すると、ＰＬＬＡフィルムの厚み方向に一様な電場をかけることにより、延伸軸に対して４５°の角度を成す対角線１２ａは伸び、延伸軸に対して−４５°の角度を成す対角線１２ｂは縮む。従って延伸軸に対しては図２（ａ）に示した電極パターンの様に各電極を配置すれば理想的な電圧変化が観測できる。

図１２は、図２の変形例を示したものであり、図２の電極分割線５ａ，５ｂの直交状態を保ったまま電極分割線５ａを４５°回転した場合の平面図を示している。即ち図中のθ₁＝４５°，θ₂＝−４５°である。この状態で基体２の中心部を押さえたとき、前述したとおり電極分割線５ａに沿う部分にはプラスの電位が発生し、電極分割線５ｂに沿う部分にはほぼ絶対値の等しいマイナスの電位が発生する。従って電極３ａ〜３ｄのそれぞれにおいては電圧がほぼ相殺されてしまうこととなる。従って、電極分割線を２本のみとする場合には、０°≦θ₁＜４５°、−９０°≦θ₂＜−４５°とすることが好ましい。

図１３は、図１２に示すモデルにおいて、基体２の中央部を押したときに発生する電圧を有限要素法シミュレーションで計算した結果を示すグラフである。θ₁＝０°、θ₂＝−９０°を基点として、θ₁が４５°まで増加したときの各電極に生じる電圧を、θ₁＝０°、θ₂＝−９０°の時の電圧値を基準としてそれに対する比率を示したものである。ただし、θ₂＝θ₁−９０°とする。このグラフによればθ₁＝４５°の時に発生電圧は最小となり、４５°から少し小さくなった時点で電圧値は急激に上昇することが分かる。θ₁＝２５°のときでも最大値のほぼ８割の電圧が得られている。従って、実用上出来るだけ有利にθ₁を設定するならば、θ₁≦２５°とする事が好適である。尚このグラフは、θ₁＝０°を対称軸としてほぼ左右対称となるため、−２５°≦θ₁≦２５°として差し支えない。

次に、θ₂＝θ₁−９０°の関係が満たされない場合に関して説明する。図１４は図２の変形例を示したものであり、電極分割線５ａは延伸軸からθ₁回転され、電極分割線５ｂは延伸軸からθ₂回転された場合の平面図を示している。

図１５は、図１４に示すモデルにおいて、基体２の中央部を押したときに発生する電圧を有限要素法シミュレーションで計算した結果を示すグラフである。θ₁＝０°、θ₂＝−９０°を基点として、θ₁が３０°まで増加したときの各電極に生じる電圧を、θ₁＝０°、θ₂＝−９０°の時の電圧値を基準としてそれに対する比率を示したものである。ただし、θ₂＝−θ₁−９０°とする。このグラフによれば、分割電極３ａ、３ｃの電圧は徐々に上昇し、分割電極３ｂ、３ｄの電圧が徐々に低下しているのが分かる。分割電極３ｂ、３ｄの電圧の低下の割合の方が、分割電極３ａ、３ｃの電圧の上昇の割合よりも大きい。最大値の８割の電圧を得ようとすればθ₁の範囲は、０°≦θ₁≦１２°となる。尚、このグラフは、θ₁＝０°を対称軸としてほぼ左右対称となるため、−１２°≦θ₁≦１２°として差し支えない。図１２、図１３を用いて説明したように、θ₂＝θ₁−９０°なる関係を満たすとき、−２５°≦θ₁≦２５°であれば、電圧発生の最大値に対して８割以上の電圧が検知できる。従って、総合的に考えれば−１２°≦θ₁≦１２°のとき、θ₂が、−１０２°≦θ₂≦−７８°の範囲にあれば、θ₁およびθ₂の特別な関係を設定せずとも、実用上好適な範囲が決定できる。尚、ここでは最大電圧に対する電圧の低下量を８割として説明したが、これは当該技術者が極一般的に考え得る量であり、実使用上問題なければ低下量をこれより小さい値と考え、θ₁およびθ₂の取りうる値を適宜拡大しても何ら差し支えない。

（実施例４）
図１６は、実施例１〜３の他の実施形態を示す平面図である。前述した実施例と同じ機能を有する構成要素には同じ番号を付け説明を省略する。基体２の主面に形成された電極は電極分割線５ａ〜５ｄによって、８つの分割電極３ａ〜３ｈに分割されている。本実施例の動作原理は実施例１において説明したものと同等である。

電圧検出要素が増したことにより、位置情報に対する電圧パターンがより細かく形成できる。これにより位置情報、押圧情報共に精度を高めることが出来る。

本実施例において電極分割線５ａ〜５ｄは全て基体２の中央部で交わっているが、実施例２で説明したように必ずしも中央部で交わる必要はない。

電極分割線は、延伸軸と一致する方向にあるものと、それに直交するもの、もしくは実施例３において説明したような角度で設定されたものを設け、それらの電極分割線が成す角度を等分するように他の電極分割線を設ける、もしくは電極分割線により分割される分割電極が出来るだけ等面積で分割されるように他の電極分割線を設けることが好適である。

（実施例５）
図１７は、実施例１〜４の他の実施形態を示す平面図である。前述した実施例と同じ機能を有する構成要素には同じ番号を付け説明を省略する。基体２の主面には異形の電極３ａ〜３ｄと、電極非形成領域８ａ〜８ｇが形成されている。電極非形成領域により電極３ａ〜３ｄは電気的に分割されており、他の実施例と同様の動作が可能である。中心線３１ａ〜３１ｄは電極の長軸を示す中心線である。ここで示したように、電極は必ずしも基体２の主面全面を覆わなくとも良い。図１７に示した電極構成では、電極３ａ〜３ｄのそれぞれは矢印１０で示される延伸軸と４５°もしくは−４５°を向く方向とされている、即ち中心線３１ａ〜３１ｄのそれぞれが矢印１０で示される延伸軸と４５°もしくは−４５°を向く方向とされているため、押圧により１つの電極の島の中には同符号の電荷しか発生しない場合の確率が非常に高まる。従って逆電荷により電圧がうち消されてしまう確率が非常に小さくなる。

電極は基体２の中心線に対して必ずしも線対称形とする必要はない。実施例２や実施例４で示した方法を複合して、多様性のある電極形状が設定可能である。電極の縁も必ずしも直線とする必要はなく、曲線としても何ら差し支えはない。これらは設計に応じて適宜決定される事項である。

（実施例６）
図１８は、電極形状について実施例１〜５と異なる概念の実施形態を示す平面図である。基体２の主面には市松模様状に電極９ａ〜９ｔが形成されている。電極９ａ〜９ｔの全ての引き出し電極は作図を省略している。基体２上の所定の箇所に押圧力を加えることにより、電極９ａ〜９ｔそれぞれには押圧座標と押圧力に応じた電圧が発生する。電極が複数存在するため、詳細な電圧パターンが取得可能となり、位置検知精度の向上が期待できる。取得電圧個数が多く解析処理の負担が大きくなるため、特定の閾値以上の電圧を出力した電極に絞って演算処理を実行しても良い。

ここで示した例のように分割電極の個数を多くした場合には、延伸軸との向きに関する考慮は意味を成さなくなるため、自由な配置が可能である。ここでは電極を市松模様状に配置した例を示したが、格子状の電極分割線で区切られたマトリックス電極としても良い。このときの格子状の電極分割線は、縦軸又は横軸の何れか一方が延伸軸に沿い、他方はその軸と略９０°となるようにされているとさらに好適である。

また電極の形状は正方形や長方形に限らず、多角形、円形、楕円形、その他の異形でも構わない。位置情報、押圧情報の取得方法は実施例１に記載された方法と同じである。電極の分割数は信号の処理能力を考慮して決定されるべき設計事項である。

実施例２〜６に示したそれぞれの例の裏面の電極に関しては、実施例１において説明したように、それぞれの例に示した平面図に示された電極に対向した分割電極が構成されていても良いし、一様なグランド電極が形成されていても構わない。これに関しては実施に際して適宜選択できる設計事項である。

ここで分割電極の数を４つより減らした場合について説明する。例えば主面に形成される電極を２分割とした場合、検知される電圧のパターンが著しく減少し、位置情報の検出が粗くなってしまう。タッチパネルに求められる精度は、適用される機器によって様々なものがあるため、粗い精度しか要求されないものでは電極分割数を減らすことが出来る。例えばタッチパネルの右半分もしくは左半分のどちらを押したのかのみを判断すれば良い場合には、電極の分割数は２〜３程度でも構わない。

（実施例７）
図１９は、さらなる実施形態を説明する概念図である。基体２は、２枚のＰＬＬＡフィルム２０１ａおよび２０１ｂが積層された構造となっている。ＰＬＬＡフィルム２０１ａおよび２０１ｂにはそれぞれ、これまでの実施例で説明されてきたような電極が形成されている。ＰＬＬＡフィルム２０１ａと２０１ｂの接着界面部が双方のフィルムのグランド電極側とされていることが構造上簡単で好ましい形態である。尚、本図では電極、接着剤等は省略している。図１５は矢印２０で示される応力が加わった部分の断面を示したものであり、この応力により基体２は撓みを生じる。界面を中立面としてＰＬＬＡフィルム２０１ａには圧縮応力、ＰＬＬＡフィルム２０１ｂには引っ張り応力が発生する。ＰＬＬＡフィルム２０１ａおよび２０１ｂに４分割された電極が形成されているとすれば、それぞれの電極には応力に応じた電圧が発生することとなる。一層の場合と比較して電圧パターンがより詳細に形成できるため、位置情報、押圧情報共に精度を高めることが出来る。また、ＰＬＬＡフィルム２０１ａとＰＬＬＡフィルム２０１ｂの延伸方向同士がなす角が９０°となるように構成すれば、透過的に見て分子鎖が格子状を成すように構成されるため、丈夫なタッチパネルが構成可能である。尤も延伸軸同士の角度は必ず９０°とする必要はなく、０°より大きければ強度向上の効果が期待できるものである。また積層数は２層に限られるものではなく、必要に応じて積層数を増やしても良い。以上の実施例１〜５に示したものは、本発明の代表的な例を示したものにすぎない。有限要素法シミュレーションにより計算した結果は、フィルムの厚み、その他の電気的定数、積層される保護フィルムの種類や厚み、およびその硬さによって変化するものであり、ここに示した数値が唯一の数値とはならない。従って実施の際にはその設計に応じて検知電圧の分布やその検出方法、演算方法等を決定すればよい。

なお、今回開示した上記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。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を含むものである。

本発明のタッチ式入力装置は、簡単な構造で位置情報と押圧情報を同時に取得することが可能で、透明度が高くしかも安価に構成できる。さらに廃棄時に環境に負荷を与えないと言う点で非常に大きなメリットが得られるために、産業上の利用可能性がある。

１ タッチパネル、２ 基体、３ａ〜３ｈ 分割電極、４ グランド電極、５ａ〜５ｄ 電極分割線、８ａ〜８ｇ 電極非形成部分、９ａ〜９ｔ 電極、１０ フィルムの延伸軸を示す矢印、１１ 電場の方向を示すシンボル、３０ａ〜３０ｄ 電極、３１ａ〜３１ｄ 電極中心線、５０ａ，５０ｂ 電極分割線、１００ タッチ式入力装置、１０１ 処理部、２０１ａ，２０１ｂ ＰＬＬＡフィルム。

Claims (3)

1. 圧電性を有し、第１主面および前記第１主面の逆側の面である第２主面を有するフィルムと、
   前記第１主面に設けられ、第１の電極分割線によって電気的に分割された第１電極と、
   前記フィルムを挟んで前記第１電極に対向するように、前記第２主面に設けられた第２電極とを備え、
   前記第１電極と前記第２電極とは、前記フィルムの変形によって発生する電圧に基づいて、加えられた押圧力を検出するように設けられ、
   前記第２電極は、前記第１の電極分割線と同様な第２の電極分割線によって電気的に分割されており、
   分割された電極にはそれぞれ接続線が１つのみ接続されている、タッチ式入力装置。
2. 前記第１の電極分割線はフィルムの中央を通っていない、請求項１に記載のタッチ式入力装置。
3. 前記第１電極および前記第２電極は、格子状の電極分割線で区切られたマトリックス電極である、請求項１に記載のタッチ式入力装置。

Images