WO2011125408A1

WO2011125408A1 - タッチパネルおよびタッチパネルを備える入出力装置

Info

Publication number: WO2011125408A1
Application number: PCT/JP2011/055611
Authority: WO
Inventors: 正道安藤; 佳郎田實
Original assignee: 株式会社村田製作所; 学校法人関西大学
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-10-13

Abstract

　押圧操作位置および押圧力の検知が可能であるとともに、操作者に対して音や触覚を与えることができ、しかも、厚みの薄いタッチパネルを実現する。　より小さい厚み寸法とするため、たとえば所定の方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸シートからなる圧電シート（１２）と、圧電シート（１２）の第１および第２の主面上にそれぞれ形成された第１および第２の電極と、圧電シート（１２）の第１の主面側に貼り付けられ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面を構成する保護フィルム（１１）と、圧電シート（１２）の第２の主面側に配置された基体（１４）とを備える構成とされ、第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされる。さらに、押圧操作位置の検出精度を高めるため、圧電シート（１２）と基体（１４）との間にゴム状弾性体（１３）が配置される。

Description

タッチパネルおよびタッチパネルを備える入出力装置

　この発明は、タッチパネル、およびこのタッチパネルを用いて構成される入出力装置に関するもので、特に、タッチパネルの押圧操作位置についての検出精度の向上を図るための技術に関するものである。

　この発明にとって興味あるタッチパネルが、たとえば特開平１１－２１２７２５号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１の特に図３には、現金自動出納機に備える情報表示装置における表示操作部が図示されている。この表示操作部は、窓を有するケース内に液晶表示パネルを収容しており、液晶表示パネルの主面が情報表示面となっている。液晶表示パネルの情報表示面に対して平行にかつ所定の間隔を隔てて、操作パネルが配置される。液晶表示パネルの４隅の各近傍であって、上記ケースの底面には、圧電素子が配置され、操作パネルは、これら圧電素子によって支持されている。

　特許文献１に記載のタッチパネルでは、操作パネルの操作面のいずれの位置を押圧操作したかが、４個の圧電素子を用いて検知され、また、操作パネルの操作面を押圧操作した操作者に対して、圧電素子が振動を与えることにより、操作感を与えるようにしている。

　しかしながら、特許文献１に記載のタッチパネルでは、圧電素子が比較的大きな厚み寸法を占めるため、タッチパネルの厚みを薄くすることが困難である。

特開平１１－２１２７２５号公報

　そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得るタッチパネル、およびそれを用いて構成される入出力装置を提供しようとすることである。

　この発明に係るタッチパネルは、より小さい厚み寸法とするため、圧電性を有する圧電シートと、圧電シートの互いに対向する第１および第２の主面上にそれぞれ形成された、互いに対向する第１および第２の電極と、圧電シートの第１の主面側に貼り付けられ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面を構成する保護フィルムと、圧電シートの第２の主面側に配置された基体とを備える構成とされる。ここで、第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされる。さらに、押圧操作位置の検出精度を高めるため、圧電シートと基体との間にゴム状弾性体が配置される。

　上記圧電シートは、所定の方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸シートであることが好ましい。

　また、この発明に係るタッチパネルにおいて、圧電シート、第１および第２の電極、保護フィルムならびにゴム状弾性体は透明性を有することが好ましい。

　この発明は、また、上述したタッチパネルを備える、入出力装置にも向けられる。この発明に係る入出力装置は、操作面上の任意の位置への押圧操作に応じて分割電極の複数の電極部分の各々から出力される電気信号を操作信号として取り出す操作信号取出し手段と、操作信号に応答して分割電極の複数の電極部分の各々に駆動信号をフィードバックする駆動信号フィードバック手段とを備えている。

　この発明に係る入出力装置において、タッチパネルは、駆動信号により操作者に対して音を発するようにされても、操作者に対して触覚を与えるようにされても、これら両者が実行されるようにされてもよい。

　この発明によれば、押圧操作位置の検知および押圧力の検知といった３次元的な押圧操作情報を取得することができるとともに、圧電シート自体によって、操作者に対して、音や触覚を与えることができ、そして、このような多機能を有するにも関わらず、厚み寸法の小さいタッチパネルを実現することができる。

　また、この発明に係るタッチパネルによれば、圧電シートと基体との間にゴム状弾性体が配置されるので、押圧操作位置の検出精度を高めることができる。

　この発明に係るタッチパネルにおいて、圧電シート、第１および第２の電極、保護フィルム、ならびにゴム状弾性体が透明性を有していると、基体をたとえばフラットパネルディスプレイで構成したり、基体をも透明性を有する構成としながら、その下にフラットパネルディスプレイを配置したりすることにより、フラットパネルディスプレイを見ながらの押圧操作が可能となる。

この発明の第１の実施形態によるタッチパネル１の外観を示す斜視図である。図１に示したタッチパネル１の断面図である。図１に示したタッチパネル１に備える圧電シート１２を示す斜視図である。図３に示した圧電シート１２を第１の主面１２ａ側から示した平面図である。この発明の比較例としてのタッチパネルの問題点を説明するためのもので、図２に示したタッチパネル１において、ゴム状弾性体１３を無くし、基体１４と圧電シート１２との間が微小な空間とされている場合の電圧測定値を示す図である。この発明に係るタッチパネルの利点を説明するためのもので、タッチパネル１を、図２に示すとおり、基体１４と圧電シート１２との間にゴム状弾性体１３を入れた構造としたときの電圧測定値を示す、図５に対応する図である。図３に示した電極部分２ａ～２ｄの各々に信号電圧を与えたときの圧電シート１２の基本振動モードを有限要素法シミュレーションにより計算した結果を示した図である。図１に示したタッチパネル１を用いて構成される入出力装置５の回路構成を略図的に示す図である。この発明の第２の実施形態を示す、図４に対応する図である。この発明の第３の実施形態を示す、図４に対応する図である。この発明の第４の実施形態を示す、図４に対応する図である。この発明の第５の実施形態を示す、図４に対応する図である。この発明の第６の実施形態を示す、図４に対応する図である。図１３に示した実施形態に係るタッチパネルをスピーカまたは触覚フィードバックとして駆動する際の電圧の印加方法を説明するための図である。図１３に示した実施形態に係るタッチパネルをスピーカまたは触覚フィードバックとして駆動する際の電圧の印加方法の他の例を説明するための図である。図１５においてハッチングを施した電極部分５５～５８にのみ振動信号を与えたときの振動の様子を有限要素法でシミュレーションして示した図である。

　図１に、この発明の第１の実施形態によるタッチパネル１の外観が斜視図で示されている。このタッチパネル１の断面図が図２に示されている。

　タッチパネル１は、図２に示すように、保護フィルム１１、圧電シート１２、ゴム状弾性体１３、および基体１４がこの順で積層された断面構造を有している。タッチパネル１は、通常、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の表面に配置される。よって、タッチパネル１を構成する各要素は、好ましくは、透明性を有する材料から構成される。保護フィルム１１は、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面を構成するもので、その表面には、図示を省略するが、反射防止膜や傷防止や汚れ防止のためハードコートが施される場合がある。

　図３に、圧電シート１２が斜視図で示されている。圧電シート１２は、好ましくは、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）から構成される。ＰＬＬＡからなる圧電シート１２は、延伸されかつ熱処理されることにより圧電性が与えられるものであり、この実施形態では、矢印の方向に向く延伸軸１５を有している。

　図３において、電極２が図示されているが、圧電シート１２の互いに対向する第１および第２の主面上には、それぞれ、互いに対向する第１および第２の電極が形成される。これら電極は、好ましくは、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛、ポリチオフェン系導電性ポリマー、アニリン系導電性ポリマーのような透明性を有する材料から構成される。電極が、酸化インジウム錫や酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛のような無機材料から構成される場合には、たとえばスパッタリングによる形成方法が適用され、ポリチオフェン系導電性ポリマーやアニリン系導電性ポリマーのような有機材料から構成される場合には、塗布による形成方法が適用される。

　第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされる。図３および図４には、圧電シート１２の第１の主面１２ａ側が図示されている。この第１の主面１２ａは、図２において、上側に向く主面であっても、下側に向く面であってもよい。この第１の主面１２ａ上には、第１の電極２が形成され、第１の電極２は、たとえば４個の電極部分２ａ～２ｄを有する分割電極とされている。図示されない第２の主面上に形成される第２の電極については、第１の電極２と同様、４個の電極部分を有する分割電極とされても、第１の電極２の４個の電極部分２ａ～２ｄに共通に対向する一様な電極とされてもよい。

　保護フィルム１１は、たとえばポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートから構成される。また、基体１４についても、たとえばポリエチレンテレフタレートまたはポリエチレンナフタレートから構成されるが、これに代えて、ＦＰＤによって与えられてもよい。保護フィルム１１は、好ましくは、基体１４よりも薄くされる。

　ゴム状弾性体１３は、ゴム状態であり、ゴム弾性（エントロピー弾性）を有する弾性体である。ゴム状弾性体１３を構成する材料としては、たとえばポリウレタンゴム、シリコーンゴムのような高透明度のものが好適であり、また、硬度Ｈｓ２０～５０のものが好適である。用いられるゴムの厚さ、種類および硬度については、保護フィルム１１の厚さおよび硬さ、圧電シート１２の厚さ、圧電定数および検知精度等を鑑みて決定される設計事項である。

　圧電シート１２の任意の位置が押圧されて変形すると、電極部分２ａ～２ｄの各々に所定の電圧が発生する。この電圧の情報を元に押圧操作された平面的な位置と押圧力とを検知することができる。

　すなわち、押圧操作に応じて電極部分２ａ～２ｄの各々に発生する電圧から得られる電圧情報を予め記憶しておき、この記憶された電圧情報と実際に検出された電極部分２ａ～２ｄの各々に発生する電圧から得られた電圧情報とを比較することによって、押圧操作された位置と押圧力とを検知することができる。

　このような押圧操作の位置および押圧力の検出精度の向上にゴム状弾性体１３が寄与している。これについて以下に説明する。

　図４は、図３に示した圧電シート１２を第１の主面１２ａ側から示した平面図である。なお、図３および図４において、電極からの引き出し線の図示は省略されている。

　圧電シート１２は変形することにより電圧を生じる。したがって、基体１４と圧電シート１２との間に微小な空隙を設けた場合にも、圧電シート１２に電圧を生じさせることができる。

　圧電シート１２の延伸軸１５は、前述したように、図４に矢印で示した方向とされている。電極部分２ａ～２ｄは、圧電シート１２を同じ形状で均等に４分割された領域にそれぞれ形成されている。このような分割状態においては、この圧電シート１２上の円で示した位置１０に応力を与えたときに生じる電圧は、電極部分２ｃと電極部分２ｄとで、ほぼ絶対値が互いに等しくかつ逆極性の電圧が観測され、電極部分２ａと電極部分２ｂとで、ほぼ絶対値が互いに等しくかつ逆極性の電圧が観測されるはずである。また、電極部分２ａおよび２ｂの各々で観測される電圧の絶対値は、電極部分２ｃおよび２ｄの各々で観測される電圧の絶対値よりも大分小さくなるはずである。有限要素法のシミュレーションでも、これと同様の結果が得られる。

　図５は、ゴム状弾性体１３を無くし、基体１４と圧電シート１２との間が微小な空間とされている場合の電圧測定値を表わしたものである。すなわち、電極部分２ａ～２ｄの各々にアンプを接続し、位置１０を押したとき、電極部分２ａ～２ｂの各々に発生する電圧を時間の経過とともに測定した測定値が示されている。

　図５において、Ｖ１は電極部分２ａに発生する電圧、Ｖ２は電極部分２ｂに発生する電圧、Ｖ３は電極部分２ｃに発生する電圧、Ｖ４は電極部分２ｄに発生する電圧である。図５からわかるように、Ｖ１のみが正の電圧となり、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４は、すべて負の電圧であり、それらの差もそれほど大きくない。このように、図５に示した結果は、先に予測したとおりの値にはなっていないことがわかる。

　一方、タッチパネル１を、図２に示すとおり、基体１４と圧電シート１２との間にゴム状弾性体１３を入れた構造としたときの同様の測定結果が図６に示されている。

　図６では、Ｖ１～Ｖ４の関係は、先に予測したものに完全に合致していることがわかる。したがって、タッチパネル１を図２に示すような構造とすれば、シミュレーションに合致した測定結果が得られる。このことから、図２に示すような構造のタッチパネル１によれば、位置と押圧力の双方を検知し得ることがわかる。

　図２に示した構造では、圧電シート１２がゴム状弾性体１３を介して基体１４に固定されている。すなわち、圧電シート１２は、基体１４に対して、直接リジッドに固定されていないため、圧電シート１２には自由度があり、これを振動させることが可能である。圧電シート１２には保護フィルム１１が貼り付けられているため、ユニモルフ構造となっており、電極部分２ａ～２ｄの各々に信号電圧を与えることによりタッチパネル１自体を振動させることができる。

　図７は、上述のように信号電圧を与えたときの圧電シート１２の基本振動モードを有限要素法シミュレーションにより計算した結果を示したものである。この実施形態では、電極部分２ａと電極部分２ｃとに互いに同じ信号を与え、電極部分２ｂおよび２ｄに、電極部分２ａおよび２ｃに与えられている信号と逆極性の電圧を与えることにより、このような振動を起こさせることができる。

　この場合、音声信号を与えれば音楽を鳴らすことができ、指の触覚に適した周波数の信号を入れることによって触覚をフィードバック（ハプティクス）することができる。

　図８は、上述したタッチパネル１を用いて構成される入出力装置５の回路構成を略図的に示したものである。

　入出力装置５は、タッチパネル１、リレー２０、アンプ２１、アンプ２２、制御モジュール２３、制御ライン３０、操作信号線３１、駆動信号線３２および入出力信号線３３を備えている。

　制御モジュール２３には、ＣＰＵ、メモリ、音楽駆動ＩＣ、信号発生器などが必要に応じて組み込まれている。

　タッチパネル１を本来の入力手段として動作させるときは、制御モジュール２３はリレー２０を操作して、入出力信号線３３とアンプ２１および操作信号線３１とを接続する。アンプ２２は切り離される。

　この状態で、タッチパネル１を押圧操作したことにより発生する微小な操作信号はアンプ２１で増幅されて、制御モジュール２３で信号が解析され、位置検知および押圧力検知が行なわれる。

　他方、タッチパネル１を出力手段として動作させるとき、たとえば触覚フィードバック装置もしくはスピーカとして機能させるときは、制御モジュール２３はリレー２０を操作して、入出力信号線３３とアンプ２２および駆動信号線３２とを接続する。アンプ２１は切り離される。

　この状態で、制御モジュール２３から出された駆動信号としての交流信号はアンプ２２で増幅されて、入出力信号線３３を通じてタッチパネル１に送られ、タッチパネル１が振動する。

　触覚フィードバックの際は１ショットの信号を出力した後、制御モジュール３２はすぐにリレー２０を操作してタッチパネル１が本来の入力手段に復帰する。

　スピーカとして機能させた際は、一定時間後、もしくは他に設けられたスイッチの操作により、タッチパネル１が入力手段へと復帰させることができる。

　触覚フィードバックの直後もしくは直前に「ポン」というような音を出すような動作をさせてもよい。このようにすることにより、音と触覚により操作感を確実に得ることができる。

　このように、タッチパネル１によれば、１枚のフィルム状のデバイスでありながら、本来の入力手段としてのタッチパネルとしての機能、スピーカ（ブザー）としての機能および触覚フィードバック（ハプティクス）としての機能といった３つの機能を果たすことができる。

　この発明において採用され得る分割電極の分割態様としては、図３または図４に示したような４分割に限らない。２分割または３分割でもよく、あるいは５分割以上でもよい。また、分割された電極部分は、すべて対称形状とする必要はなく、互いに形状が異なっていてもよい。

　ここで注意すべきは、分割電極の分割数が検出可能な位置の数を決めるものではないということである。すなわち、タッチパネルにおいて、２箇所の検出のためには２分割、４箇所の検出のためには４分割、１６箇所の検出のためには１６分割がそれぞれ必要ということではない。原理的には、分割電極が２分割以上なら、無限の位置を検出することができる。ただ、２分割や３分割といった少ない分割数では、分解能が悪くなりがちであるというにすぎない。

　以下に、図面を参照しながら、他の分割態様の具体例について説明する。

　図９および図１０は、それぞれ、この発明の第２および第３の実施形態を示す、図４に対応する図である。図９および図１０には、２個の電極部分４１および４２を有するように２分割された分割電極が示されている。

　図１１および図１２は、それぞれ、この発明の第４および第５の実施形態を示す、図４に対応する図である。図１１および図１２には、３個の電極部分４３～４５を有するように３分割された分割電極が示されている。

　これら第２ないし第５の実施形態によれば、４分割のものに比べて、分割電極の分割数が少ないため、簡単に構成することができる。また、情報量が少ないため、タッチパネルの検知アルゴリズムは非常に簡素化される。ただし、その分、位置の検出精度は低下するが、ラフな位置精度しか要求されないタッチパネルとしては有用である。これら第２ないし第５の実施形態でも、音を鳴らしたり、触覚フィードバック用の振動を生じさせたりすることができるが、４分割と比較して変位量は小さくなる傾向がある。分割電極の分割線をどの方向に入れるか、各電極部分の形状をどのようにするかは、圧電シートの延伸軸の方向、圧電シートの外形等に基づいて決定される設計事項である。

　図１３は、この発明の第６の実施形態を示す、図４に対応する図である。図１３には、１６個の電極部分５１～６６を有するように１６分割された分割電極が示されている。図１３に示した分割電極は、第１の実施形態での４分割をさらに細かく分割したものに相当する。

　図１３に示した実施形態に係るタッチパネルを動作させるに際して、すべての電極部分５１～６６から独立して電圧を検出すれば、より精度の高い位置検出や押圧力検出が可能となる。位置情報の計算の際には得られた電圧の絶対値に対して閾値を設けておき、所定の電圧以下のデータを使わないようにすれば、計算量の増大は緩和できる。

　図１３に示した実施形態に係るタッチパネルをスピーカまたは触覚フィードバックとして駆動する際には、図１４に示すように、ハッチングを施した電極部分５５～５８および６３～６６を共通の信号で駆動し、ハッチングを施していない電極部分５１～５４および５９～６２を逆電圧となるように駆動すれば、図７に示した振動と同じような振動を形成することができる。

　また、触覚フィードバックに際して、触れられた部分の近傍の４個の電極部分を使用して振動を与えれば、タッチパネル全体が震えるのではなく、触れた部分の近傍で触覚フィードバックが得られるタッチパネルとすることができる。このことを、図１５および図１６を参照して説明する。

　図１５においてハッチングを施した電極部分５５～５８にのみ振動信号を与えたときの振動の様子を有限要素法でシミュレーションしたものが図１６に示されている。図１５においてハッチングを施した電極部分５５～５８のうち、電極部分５５および５７と電極部分５６および５８とでハッチングの向きが異なっているが、これは電極部分５５および５７と電極部分５６および５８とで互いに逆の電圧が印加されていることを示している。なお、ハッチングを施していない電極部分５１～５４および５９～６６には電圧が印加されていない。

　この発明のさらに他の実施形態として、図２を参照して説明すると、表面の保護フィルム１１と圧電シート１２との間に、ゴム状弾性体１３とは別のゴム状弾性体を追加してもよい。この場合、触ったときのソフト感が増す。さらに、本件発明者らの実験では、電圧の出力値がさらに安定するという知見が得られている。ただし、この場合、ユニモルフ効果を出すためには、圧電シート１２の上下にあるゴム状弾性体の厚みを互いに異ならせるか、一方側の弾性率をやや高くすることが好適である。

　また、図２に示すような構造のタッチパネル１では、圧電シート１２の圧電性による電圧の発生と同時に、たとえば指と電極２との間に生じる静電効果による電圧（静電式タッチパネルの原理と同じ）がノイズとして含まれる可能性がある。これに対しては、保護フィルム１１を２層構造とし、保護フィルム１１における２層構造間の界面に一様な透明電極を形成し、これを接地しておけば、このようなノイズを除去することができる。

　また、圧電シート１２をＰＬＬＡから構成すると、安定した圧電特性を得ることができるとともに、透明性に優れたものとすることができる。しかしながら、このような利点を特に望まないならば、ＰＬＬＡ以外のキラル高分子を圧電シート１２の材料として用いてもよい。たとえば、ポリ－γ－メチル－Ｌ－グルタメートやポリ－γ－ベンジル－Ｌ－グルタメートを、圧電シート１２の材料として用いることができる。このような材料の圧電定数はｄ_１４であるため、これまで説明してきたようにタッチパネルとして正負の電圧が得られる。したがって、センシングとして非常に有利に用いることができる。精度、透明度が幾分、犠牲にできる場合はポリフッ化ビニリデンを圧電体として用いることができる。

　また、タッチパネル１は、その用途によっては、透明性を有している必要がないこともある。この場合には、たとえば、保護フィルム１１、圧電シート１２、第１の電極２を含む電極、ゴム状弾性体１３および基体１４のすべてまたはいずれかは、不透明とされてもよい。

１　タッチパネル
２　第１の電極
２ａ～２ｄ，４１，４２，４３～４５，５１～６６　電極部分
５　入出力装置
１１　保護フィルム
１２　圧電シート
１２ａ　第１の主面
１３　ゴム状弾性体
１４　基体
１５　延伸軸
２０　リレー
２３　制御モジュール
３０　制御ライン
３１　操作信号線
３２　駆動信号線
３３　入出力信号線

Claims

　圧電性を有する圧電シートと、
　前記圧電シートの互いに対向する第１および第２の主面上にそれぞれ形成された、互いに対向する第１および第２の電極と、
　前記圧電シートの前記第１の主面側に貼り付けられ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面を構成する保護フィルムと、
　前記圧電シートの前記第２の主面側に配置された基体と
を備え、
　前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされ、さらに、
　前記圧電シートと前記基体との間に配置されたゴム状弾性体を備える、
タッチパネル。
　前記圧電シートは、所定の方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸シートである、請求項１に記載のタッチパネル。
　前記圧電シート、前記第１および第２の電極、前記保護フィルムならびに前記ゴム状弾性体は透明性を有する、請求項１または２に記載のタッチパネル。
　請求項１ないし３のいずれかに記載のタッチパネルを備える、入出力装置であって、
　前記操作面上の任意の位置への押圧操作に応じて前記分割電極の複数の前記電極部分の各々から出力される電気信号を操作信号として取り出す操作信号取出し手段と、
　前記操作信号に応答して前記分割電極の複数の前記電極部分の各々に駆動信号をフィードバックする駆動信号フィードバック手段と
を備える、入出力装置。
　前記タッチパネルは、前記駆動信号により操作者に対して音を発する、請求項４に記載の入出力装置。
　前記タッチパネルは、前記駆動信号により操作者に対して触覚を与える、請求項４または５に記載の入出力装置。