WO2015064488A1 - タッチ式入力装置 - Google Patents

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北田宏明
井上貴文
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株式会社村田製作所
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    • G06F2203/04105Pressure sensors for measuring the pressure or force exerted on the touch surface without providing the touch position

Definitions

  • the present invention relates to a touch input device that detects a user's touch operation.
  • touch-type input devices equipped with a capacitance sensor have become widespread as devices that detect user touch operations.
  • the touch-type input device detects that a touch operation has been performed when the detection capacity of the capacitance sensor exceeds a predetermined threshold.
  • the detection capacity changes even when an object (such as a finger or a pen) that performs a touch operation on the operation surface is not in contact with the operation surface. In some cases, it may be detected that a touch operation has been performed even if the user does not perform the operation.
  • a touch panel system capable of adjusting a threshold value so as to prevent erroneous detection of an unintended touch operation has been proposed (see Patent Document 1).
  • the threshold is set high to prevent false detection, it becomes difficult to detect touch operations other than normal fingers.
  • the change in detection capacity is small compared to a normal finger touch operation, making it difficult to detect the touch operation.
  • Patent Document 2 a method for detecting a touch operation with a pen or the like by providing a pressure detection electrode below the electrode of the capacitance sensor and detecting a position where the pressure operation is performed.
  • an object of the present invention is to provide a touch-type input device that can realize the same operational feeling between an object having a large change in capacitance and an object having a small change in capacitance. .
  • the touch-type input device includes an operation surface, a capacitance sensor whose capacitance is changed by a touch operation on the operation surface, a pressure sensor that detects a pressure on the operation surface, and a detection capacity of the capacitance sensor. And a control unit that receives the touch operation when the pressure sensor detects the pressure.
  • the touch input device of the present invention accepts a touch operation only when a pressing is further detected when the detected capacitance of the capacitance sensor exceeds a predetermined threshold value and a touch operation is detected.
  • a threshold value of the detection capacity is set to be extremely low, unless it actually touches the operation surface, it will not be accepted as a touch operation, so you may feel that you have responded to not touching the operation surface. Absent.
  • the touch operation is accepted only when the object touches the operation surface and a pressure is generated. Therefore, the same detection is performed for an object having a large change in capacitance and an object having a small change in capacitance. Sensitivity can be set, and the same operation feeling can be realized for any object.
  • the aspect which sets a predetermined threshold value to 50 fF for example can be considered.
  • the detection capacity of the capacitance sensor exceeds 50 fF in a non-contact state (for example, the distance to the operation surface is about 0.1 mm to 0.3 mm) even for an object whose capacitance change is small. If the object has a large change in capacitance, it exceeds 50 fF even when the distance to the operation surface is about 1 mm. Therefore, if the threshold value is set to 50 fF, any object will exceed the threshold value only by being brought closer to the operation surface.
  • the touch-type input device of the present invention is touched because it is not accepted as a touch operation until the object actually contacts even when such a very sensitive threshold is set. The same detection sensitivity can be obtained for an object with a large change in capacitance and an object with a small change in capacitance. The same feeling of operation can be realized.
  • the threshold value may be set to a detection capacity when the distance between the operation surface and an object to be touched on the operation surface is 0.5 mm to 1.0 mm.
  • the pressure sensor is preferably a piezoelectric sensor. If it is a piezoelectric sensor, even a slight pressure change can be detected, and a light operational feeling can be realized.
  • the piezoelectric sensor can be a highly transparent pressure sensor by including a piezoelectric film made of a chiral polymer.
  • the chiral polymer is more preferably polylactic acid. Since polylactic acid generates piezoelectricity by molecular orientation treatment such as stretching, it is not necessary to perform poling treatment unlike other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics. Further, since polylactic acid does not have pyroelectricity, a piezoelectric sensor can be disposed at a position close to the operation surface.
  • the same operational feeling can be realized for an object having a large change in capacitance and an object having a small change in capacitance.
  • the display device 1 includes a rectangular parallelepiped casing 50 and a flat panel 40 disposed in an opening on the upper surface of the casing 50 in appearance.
  • the panel 40 functions as an operation surface on which a user performs a touch operation using a finger or a pen.
  • the width direction (lateral direction) of the casing 50 is the X direction
  • the length direction (vertical direction) is the Y direction
  • the thickness direction is the Z direction.
  • a capacitance sensor 11 ⁇ / b> D, a press sensor 11 ⁇ / b> P, a display unit 30, and a control circuit module 52 are arranged inside the housing 50. These components are arranged in the order of the capacitance sensor 11D, the pressure sensor 11P, the display unit 30, and the control circuit module 52 along the Z direction in order from the opening (panel 40) side of the housing 50.
  • the capacitance sensor 11D, the pressure sensor 11P, and the display unit 30 have a flat plate shape, and are arranged inside the housing 50 so as to be parallel to the opening (panel 40) of the housing 50, respectively.
  • a circuit board (not shown) is disposed between the bottom surface of the housing 50 and the display unit 30, and a control circuit module 52 is mounted on the circuit board.
  • the control circuit module 52 is a module that implements the control unit 20 and the storage unit 21 shown in FIG. Capacitance sensor 11D, press sensor 11P, display unit 30, and storage unit 21 are connected to control unit 20.
  • the storage unit 21 stores an operation program for the control unit 20.
  • the control unit 20 reads the operation program from the storage unit 21 and performs various processes. For example, the control unit 20 controls the display unit 30 to display an image, and determines the operation input content according to the touch operation received through the capacitance sensor 11D and the press sensor 11P.
  • the display unit 30 includes a liquid crystal display element, for example.
  • the display unit 30 includes a liquid crystal panel 301, a front polarizing plate 302, a back polarizing plate 303, and a backlight 304.
  • the front polarizing plate 302 and the back polarizing plate 303 are arranged so as to sandwich the liquid crystal panel 301 therebetween.
  • the backlight 304 is disposed on the opposite side of the liquid crystal panel 301 with the back polarizing plate 303 interposed therebetween.
  • the light output from the backlight 304 is polarized by the back polarizing plate 303 and reaches the front polarizing plate 302 through the liquid crystal panel 301.
  • the liquid crystal panel 301 changes the polarization state for each pixel under the control of the control unit 20 and changes the amount of light passing through the surface polarizing plate 302.
  • the light output from the front polarizing plate 302 is output to the panel 40 via the pressure sensor 11P and the capacitance sensor 11D. As a result, various images are displayed on the panel 40.
  • the capacitance sensor 11D includes a flat insulating substrate 11D1, a plurality of capacitance detection electrodes 11D2, and a plurality of capacitance detection electrodes 11D3.
  • the insulating substrate 11D1 is made of a transparent material, for example, PMMA (acrylic resin).
  • a plurality of capacitance detection electrodes 11D2 are formed on one main surface of the insulating substrate 11D1. As shown in FIG. 3A, the plurality of capacitance detection electrodes 11D2 have a rectangular shape that is long in one direction when seen in a plan view, and are arranged so that the longitudinal direction is parallel to the Y direction. . Such a plurality of capacitance detection electrodes 11D2 are arranged at predetermined intervals along the X direction.
  • a plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are formed on the other main surface of the insulating substrate 11D1. As shown in FIG. 3A, the plurality of capacitance detection electrodes 11D3 also have a rectangular shape that is long in one direction in plan view. The plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are arranged so that the longitudinal direction is parallel to the X direction. Such a plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are arranged at predetermined intervals along the Y direction.
  • the plurality of capacitance detection electrodes 11D2 and the plurality of capacitance detection electrodes 11D3 are all made of a material having transparency, and have, for example, indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or polythiophene as a main component. Use materials.
  • ITO indium tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • polythiophene polythiophene
  • the capacitance sensor 11D outputs the capacitance value (detection capacitance) D sd detected by the capacitance detection electrode 11D2 and the capacitance detection electrode 11D3 to the control unit 20.
  • the detection capacitance D sd detected by each electrode varies depending on the presence or absence of a touch operation on the panel 40 that is the operation surface. Therefore, the control unit 20 determines whether or not a touch operation has been performed depending on whether or not the peak of the detection capacitance D sd (or the integrated amount of a plurality of electrodes within a predetermined range including the peak) exceeds a predetermined threshold (threshold TH sd ). Determine whether. Further, the control unit 20 detects the position where the touch operation is performed by the combination of the capacitance detection electrode 11D2 and the capacitance detection electrode 11D3 where the peak exceeding the threshold TH sd is detected.
  • the press sensor 11P includes a flat film-like piezoelectric film 11P1.
  • a pressure detection electrode 11P2 is formed on one main surface of the piezoelectric film 11P1, and a pressure detection electrode 11P3 is formed on the other main surface. As shown in FIG. 3B, the press detection electrode 11P2 and the press detection electrode 11P3 are formed on substantially the entire main surface of the piezoelectric film 11P1.
  • the pressure detection electrode 11P2 and the pressure detection electrode 11P3 are all made of a transparent material, and for example, a material mainly composed of indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), or polythiophene is used.
  • ITO indium tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • polythiophene polythiophene
  • the piezoelectric film 11P1 is bent in the normal direction when the operator presses the panel 40 with an object such as a finger or a pen, and generates an electric charge.
  • Charge amount D sp that occurs is uniquely determined by the displacement amount displaced in the normal direction of the piezoelectric film 11P1 by pressing.
  • the charge amount D sp is detected by the press detection electrodes 11P2 and press detection electrodes 11p3.
  • the press sensor 11P outputs the detected charge amount Dsp to the control unit 20.
  • Control unit 20 the input charge amount D sp is on whether more than a threshold value TH sp, it is determined whether the pressing operation is performed.
  • a highly transparent chiral polymer for the piezoelectric film 11P1. More preferably, it is uniaxially stretched polylactic acid (PLA), more preferably L-type polylactic acid (PLLA).
  • PLA uniaxially stretched polylactic acid
  • PLLA L-type polylactic acid
  • a chiral polymer has a helical structure in its main chain, and has a piezoelectric property when oriented uniaxially and molecules are oriented. Since chiral polymers generate piezoelectricity by molecular orientation treatment such as stretching, it is not necessary to perform poling treatment unlike other polymers such as PVDF and piezoelectric ceramics.
  • polylactic acid does not have pyroelectricity, and therefore, even when a pressure sensor is arranged near the operation surface and heat from a user's finger or the like is transmitted, the detected charge amount may change. Absent.
  • the piezoelectric constant of uniaxially stretched PLLA belongs to a very high class among polymers. Furthermore, the piezoelectric constant of PLLA does not vary with time and is extremely stable. In this embodiment, as shown in FIG. 3B, the piezoelectric film 11P1 is arranged such that the uniaxial stretching direction 900 forms an angle of about 45 ° with respect to the X direction and the Y direction. By performing such an arrangement, the pressing operation can be detected with higher sensitivity.
  • control unit 20 performs a touch operation depending on whether or not the peak of the detection capacitance D sd input from the capacitance sensor 11D (or the integrated amount of a plurality of electrodes within a predetermined range including the peak) exceeds the threshold value TH sd. determining whether or not made, further, accepting the touch operation only if the charge amount D sp inputted from the pressing sensor 11P is greater than the threshold value TH sp, it determines the operation input.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating the operation in the touch operation standby state.
  • the control unit 20 acquires the detection capacitance D sd from the capacitance sensor 11D (S101).
  • the control unit 20 determines whether or not the peak of the detection capacitance D sd (or the integrated amount of a plurality of electrodes within a predetermined range including the peak) exceeds the threshold value TH sd (S102).
  • the control unit 20 determines that the touch operation is not performed, and repeats the process from acquisition of the detected capacity D sd .
  • the control unit 20 determines that a touch operation has been performed, and detects the position at which the touch operation has been performed (S103).
  • the threshold TH sd is preferably set as low as possible so that a touch operation can be detected even for an object with little change in capacitance.
  • the setting of the threshold value TH sd will be described with reference to FIG.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 6 indicates the distance between the operation surface and the object to be touched, and the vertical axis indicates the detection capacity.
  • the change in detection capacity and the curvature of the tip when a cylindrical probe having a radius of 8 mm is changed from a distance of 0 mm (in a state where the bottom surface of the cylinder is in contact with the operation surface) to a distance of 1.0 mm.
  • the figure shows changes in the detection capacity when a needle-shaped probe having a radius of 2.5 mm is changed from a distance of 0 mm (in a state where the tip is in contact with the operation surface) to a distance of 1.0 mm.
  • a cylindrical probe with a radius of 8 mm corresponds to a touch operation with a finger.
  • a needle-shaped probe having a tip radius of curvature of 2.5 mm corresponds to a touch operation with a pen and has a very small contact area with the operation surface.
  • the detection capacity when a cylindrical probe having a radius of 8 mm contacts the operation surface is about 250 fF.
  • the distance between the probe and the operation surface is 0.1 mm, it is about 170 fF, when it is 0.3 mm, it is about 100 fF, when it is 0.5 mm, it is about 75 fF, and when it is 1.0 mm, it is about 50 fF.
  • the detection capacity when contacting the operation surface is about 75 fF.
  • the distance between the probe and the operation surface is 0.1 mm, it is approximately 57 fF, when it is 0.3 mm, it is approximately 44 fF, when it is 0.5 mm, it is approximately 24 fF, and when it is 1.0 mm, it is approximately 13 fF.
  • the threshold value TH sd is set to 50 fF, it is determined that a touch operation has been performed even when the panel 40 and the user's finger are separated by about 1.0 mm. Even with a pen with a thin tip, it is determined that the touch operation has been performed at a distance from the panel 40 of about 0.1 mm to 0.3 mm. Therefore, if the threshold value TH sd is set to 50 fF, the detection capacity exceeds the threshold value TH sd only by bringing the target object closer to the operation surface.
  • the control unit 20 accepts the touch operation only when it is further determined that a press is detected. That is, in S103 of FIG. 5, after detecting the position where the touch operation is performed, the control unit 20 acquires the charge amount Dsp corresponding to the amount of pressing on the panel 40 (S104). Control unit 20, the charge amount D sp is determined whether more than a threshold value TH sp (S105). Control unit 20, if the detected capacitance D sp does not exceed the threshold value TH sp, no pressing operation, it is determined that the object is not in contact with the operation surface, and repeats the processing from the acquisition of the detection volume D sd. On the other hand, the control unit 20, if the detected capacitance D sp is greater than the threshold value TH sp, it is determined that the pressed in contact with the object is made on the operating surface, and accepts a touch operation (S106).
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating the operation of the control unit 20 in a state during a touch operation (a state where a touch operation is received).
  • the control unit 20 detects the position where the touch operation is performed from the capacitance sensor 11D (S201). Thereafter, the control unit 20 acquires a charge amount Dsp corresponding to the amount of pressing on the panel 40 (S202). Then, the control unit 20, the charge amount D sp is determined whether more than a threshold value TH sp (S203). Control unit 20, if the detected capacitance D sp is greater than the threshold value TH sp determines that the state of the object is in contact with the operation surface, is repeated from the processing of S201. On the other hand, the control unit 20, if the detected capacitance D sp is equal to or less than the threshold value TH sp, determines away the object from the operation surface, releasing the acceptance of the touch operation (S204).
  • the control unit 20 accepts a touch operation only when the target object touches the operation surface and detects a pressing operation, so the threshold value TH sd of the capacitance sensor is set to a significantly low value (for example, 50 fF). Even if you do, you will not feel that you have responded even though the user has not touched it. In addition, since the same threshold value TH sd is set for an object having a large change in capacitance and an object having a small change in capacitance, the same operational feeling can be realized for any object. Can do.
  • the threshold value TH sd is set to 50 fF.
  • the threshold value TH sd is set to a detection capacity corresponding to the distance between the operation surface and the object of 0.5 mm to 1.0 mm. May be.
  • the detection capacity corresponding to a distance of 0.5 mm to 1.0 mm can be set.
  • the detection capacitance when the distance between the cylindrical probe having a radius of 8 mm and the operation surface is 0.5 mm is about 75 fF. Therefore, when the threshold TH sd is set to a detection capacity corresponding to a distance between the finger and the operation surface of 0.5 mm, it is 75 fF. Further, when the distance between the needle-shaped probe having the tip radius of curvature of 2.5 mm and the operation surface is 0.5 mm, the detection capacity is about 24 fF. Therefore, when the threshold TH sd is set to a detection capacity corresponding to a distance between the pen and the operation surface of 0.5 mm, it is 24 fF.
  • the threshold TH sd is a change in capacitance. It is preferable to set it as low as possible so that a touch operation can be detected even for an object with a small amount of noise and can be distinguished from noise.
  • the determinations in S102 and S105 in FIG. 5 are not instantaneous values, but are determined based on whether or not the threshold value TH sd is exceeded for a predetermined time (for example, about 0.1 s), thereby preventing chattering. it can. Further, in the touch operation standby state and a touch operation in a state, the threshold value TH sp charge amount D sp of the pressing may be a different value.
  • the pressure sensor is not limited to the piezoelectric sensor as shown in the present embodiment, but if it is a piezoelectric sensor, a slight pressure on the panel 40 can be detected and a light operation feeling can be realized. it can.
  • the piezoelectric film 11P1 is not limited to an embodiment using PLLA, and a material with low transparency such as PVDF can be used. When a material with low transparency is used, the pressure sensor 11P is disposed on the lower surface side of the backlight 304. In this case, as the pressure detection electrode 11P2 and the pressure detection electrode 11P3, an electrode formed of silver paste, or a metal-based conductor formed by vapor deposition, sputtering, plating, or the like can be used.

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Abstract

 制御部(20)は、静電容量センサ(11D)から検出容量Dsdを取得する(S101)。制御部(20)は、この検出容量Dsdのピーク(またはピークを含む所定範囲内の複数電極の積分量)が閾値THsdを超えるか否かを判断し(S102)、検出容量Dsdが閾値THsdを超えた場合、タッチ操作がなされたと判断して、当該タッチ操作がなされた位置を検出する(S103)。そして、制御部(20)は、パネル(40)への押圧量に対応する電荷量Dspを取得する(S104)。制御部(20)は、この電荷量Dspが閾値THspを超えるか否かを判断し(S105)、検出容量Dspが閾値THspを超えた場合、操作面に対象物が接触して押圧操作がなされたと判断して、タッチ操作を受け付ける(S106)。

Description

タッチ式入力装置
 本発明は、利用者のタッチ操作を検出するタッチ式入力装置に関する。
 近年、利用者のタッチ操作を検出するものとして、静電容量センサを備えたタッチ式入力装置が普及している。タッチ式入力装置は、静電容量センサの検出容量が所定の閾値を超えた場合にタッチ操作がなされたものとして検出する。
 ただし、静電容量センサでは、操作面に対してタッチ操作を行う対象物(指やペン等)が操作面に接触していない場合であっても検出容量が変化するため、意図的にタッチ操作を行っていない場合にもタッチ操作がなされたものとして検出される場合がある。そこで、意図しないタッチ操作を誤検出しないように、閾値の調整を行うことができるタッチパネルシステムが提案されている(特許文献1を参照)。
 しかし、誤検出を防止するために閾値を高く設定すると、通常の指以外のタッチ操作を検出することが困難になる。例えば、ペンの様な先端が細いものや手袋をしている場合等は、通常の指によるタッチ操作に比べて検出容量の変化が少ないため、タッチ操作を検出することが困難になる。
 一方、静電容量センサの電極の下側に押圧検出用の電極を設けて押圧操作がなされた位置を検出することにより、ペン等によるタッチ操作を検出する手法が提案されている(特許文献2を参照)。
特開2012-248035号公報 特開2012-3522号公報
 特許文献1の装置では、閾値を高く設定すると指以外のタッチ操作を検出することが困難になり、逆に閾値を低く設定すると、利用者は、指が触れていないのに反応するため、違和感が生じることになる。すなわち、静電容量の変化が大きい対象物(通常の指)と、静電容量の変化が少ない対象物(ペン、手袋をした指等)と、同じ操作感を実現することが困難であった。
 一方で、特許文献2の装置では、静電容量センサの下側の電極が押圧検出用の電極に接触するか否かによって押圧の位置を検出するため、操作面をある程度強い力で押す必要があり、通常の指によるタッチ操作のような軽い操作感を実現することは困難である。したがって、この場合も、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ操作感を実現することはできなかった。
 そこで、本発明の目的は、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ操作感を実現することができるタッチ式入力装置を提供することにある。
 この発明のタッチ式入力装置は、操作面と、前記操作面に対するタッチ操作によって容量が変化する静電容量センサと、前記操作面に対する押圧を検出する押圧センサと、前記静電容量センサの検出容量が閾値を超え、かつ前記押圧センサが前記押圧を検出した場合に、前記タッチ操作を受け付ける制御部と、を備えたことを特徴とする。
 このように、本発明のタッチ式入力装置は、静電容量センサの検出容量が所定の閾値を超えてタッチ操作を検出した場合において、さらに押圧が検出された場合に限り当該タッチ操作を受け付ける。これにより、検出容量の閾値を著しく低く設定した場合であっても操作面に実際に接触しない限り、タッチ操作として受け付けられることがないため、操作面に触れていないのに反応したと感じることがない。また、対象物が操作面に接触して押圧が発生した場合に限りタッチ操作が受け付けられるため、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ検出感度とすることができ、どの対象物であっても同じ操作感を実現することができる。
 なお、所定の閾値は、例えば50fFに設定する態様が考えられる。静電容量センサの検出容量は、静電容量の変化が小さい対象物であっても非接触(例えば操作面との距離が0.1mm~0.3mm程度)の状態で50fFを超え、静電容量の変化が大きい対象物であれば操作面との距離が1mm程度の状態であっても50fFを超える。したがって、閾値を50fFに設定すればどの対象物であっても操作面に近づけるだけで閾値を超えることになる。そして、本発明のタッチ式入力装置は、このような非常に高感度の閾値を設定した場合であっても、対象物が実際に接触するまではタッチ操作として受け付けられることがないため、触れていないのに反応したと感じることがなく、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ検出感度とすることができ、どの対象物であっても同じ操作感を実現することができる。
 また、利用者は、操作面との距離が0.5mm以上の状態でタッチ操作が受け付けられると、触れていないのに反応したと感じ、違和感が生じることが多い。したがって、閾値は、操作面と、操作面に対してタッチ操作を行う対象物と、の距離が0.5mm~1.0mmである場合の検出容量に設定する態様であってもよい。
 なお、押圧センサは、圧電センサであることが好ましい。圧電センサであれば、わずかな圧力変化も検出することができ、軽い操作感を実現することができる。特に、圧電センサとしては、キラル高分子からなる圧電フィルムを備えることで、透明性の高い押圧センサとすることができる。また、キラル高分子は、ポリ乳酸であることがより好ましい。ポリ乳酸は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、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。また、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に圧電センサを配置することができる。
 この発明によれば、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ操作感を実現することができる。
表示装置の外観斜視図である。 表示装置の側面断面図である。 静電容量センサおよび押圧検出センサの平面図である。 表示装置のブロック図である。 タッチ操作待機状態の動作を示す図である。 距離と検出容量の関係を示した図である。 タッチ操作中状態の動作を示す図である。
 以下、図面を参照して、本発明のタッチ式入力装置を備えた表示装置について説明する。
 図1の外観斜視図に示すように、表示装置1は、外観上、直方体形状の筐体50と、筐体50の上面の開口部に配置された平面状のパネル40と、を備えている。パネル40は、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。
 なお、本実施形態では、筐体50の幅方向(横方向)をX方向とし、長さ方向(縦方向)をY方向とし、厚み方向をZ方向とする。
 図2に示すように、筐体50の内部には、静電容量センサ11D、押圧センサ11P、表示部30、および制御回路モジュール52が配置されている。これら構成部は、筐体50の開口部(パネル40)側から順にZ方向に沿って、静電容量センサ11D、押圧センサ11P、表示部30、および制御回路モジュール52の順で配置される。静電容量センサ11D、押圧センサ11P、および表示部30は、平板状であり、それぞれ筐体50の開口部(パネル40)と平行になるように、筐体50の内部に配置されている。
 筐体50の底面と表示部30との間には、回路基板(不図示)が配置されており、当該回路基板に制御回路モジュール52が実装されている。制御回路モジュール52は、図4に示す制御部20および記憶部21を実現するモジュールである。制御部20には、静電容量センサ11D、押圧センサ11P、表示部30、および記憶部21が接続される。
 記憶部21は、制御部20の動作用プログラムを記憶する。制御部20は、記憶部21から当該動作用プログラムを読み出して各種処理を行う。例えば、制御部20は、表示部30を制御して画像を表示させるとともに、静電容量センサ11Dおよび押圧センサ11Pを介して受け付けたタッチ操作に応じて操作入力内容を決定する。
 表示部30は、例えば液晶表示素子からなる。この例では、表示部30は、液晶パネル301、表面偏光板302、裏面偏光板303、およびバックライト304を備えている。
 表面偏光板302および裏面偏光板303は、液晶パネル301を挟むように配置されている。バックライト304は、裏面偏光板303を挟んで、液晶パネル301と反対側に配置されている。
 バックライト304から出力された光は、裏面偏光板303で偏光され、液晶パネル301を経て表面偏光板302に達する。液晶パネル301は、制御部20の制御に応じて画素毎に偏光状態を変化させ、表面偏光板302を通過する光量を変化させる。表面偏光板302から出力された光は、押圧センサ11Pおよび静電容量センサ11Dを経てパネル40に出力される。これにより、パネル40に各種画像が表示される。
 静電容量センサ11Dは、平板状の絶縁性基板11D1、複数の静電容量検出用電極11D2、および複数の静電容量検出用電極11D3を備えている。絶縁性基板11D1は、透明性を有する材料からなり、例えばPMMA(アクリル樹脂)からなる。
 絶縁性基板11D1の一方の主面には、複数の静電容量検出用電極11D2が形成されている。図3(A)に示すように、複数の静電容量検出用電極11D2は、平面視して一方向に長い長方形状であり、長尺方向がY方向に平行になるように配置されている。このような複数の静電容量検出用電極11D2は、X方向に沿って所定の間隔で配置されている。
 また、絶縁性基板11D1の他方の主面には、複数の静電容量検出用電極11D3が形成されている。図3(A)に示すように、複数の静電容量検出用電極11D3も、平面視して一方向に長い長方形状である。複数の静電容量検出用電極11D3は、長尺方向がX方向に平行になるように配置されている。このような複数の静電容量検出用電極11D3は、Y方向に沿って所定の間隔で配置されている。
 複数の静電容量検出用電極11D2および複数の静電容量検出用電極11D3は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。
 静電容量センサ11Dは、静電容量検出用電極11D2および静電容量検出用電極11D3で検出される静電容量の値(検出容量)Dsdを制御部20に出力する。各電極で検出される検出容量Dsdは、操作面であるパネル40に対するタッチ操作の有無によって変化する。したがって、制御部20は、検出容量Dsdのピーク(またはピークを含む所定範囲内の複数電極の積分量)が所定の閾値(閾値THsd)を超えるか否かで、タッチ操作がなされたか否かを判断する。また、制御部20は、当該閾値THsdを超えるピークが検出された静電容量検出用電極11D2および静電容量検出用電極11D3の組み合わせにより、タッチ操作がなされた位置を検出する。
 押圧センサ11Pは、平膜状の圧電フィルム11P1を備える。圧電フィルム11P1の一方の主面には、押圧検出電極11P2が形成され、他方の主面には、押圧検出電極11P3が形成されている。図3(B)に示すように、押圧検出電極11P2および押圧検出電極11P3は、圧電フィルム11P1の主面の略全面に形成されている。
 押圧検出電極11P2および押圧検出電極11P3は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。
 圧電フィルム11P1は、操作者が指やペン等の対象物でパネル40を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。発生する電荷量Dspは、押圧により圧電フィルム11P1の法線方向へ変位する変位量によって一意に決定される。この電荷量Dspは、押圧検出電極11P2および押圧検出電極11P3で検出される。押圧センサ11Pは、この検出した電荷量Dspを制御部20に出力する。制御部20は、入力された電荷量Dspが閾値THspを超えるか否かで、押圧操作がなされたか否かを判断する。
 このような圧電フィルム11P1には、透明性の高いキラル高分子を用いることが好ましい。より好ましくは、一軸延伸されたポリ乳酸(PLA)、さらにはL型ポリ乳酸(PLLA)であることが好ましい。キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、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。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、操作面に近い位置に押圧センサを配置し、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。また、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。さらに、PLLAの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。本実施形態では、図3(B)に示すように、圧電フィルム11P1は、X方向およびY方向に対して、一軸延伸方向900が略45°の角度を成すように配置されている。このような配置を行うことで、より高感度に押圧操作を検出できる。
 ここで、制御部20は、静電容量センサ11Dから入力された検出容量Dsdのピーク(またはピークを含む所定範囲内の複数電極の積分量)が閾値THsdを超えるか否かでタッチ操作がなされたか否かを判断し、さらに、押圧センサ11Pから入力された電荷量Dspが閾値THspを超えた場合に限り当該タッチ操作を受け付け、操作入力内容を決定する。
 制御部20の動作について、図5のフローチャートを参照して説明する。図5は、タッチ操作待機状態の動作を示すフローチャートである。制御部20は、まず静電容量センサ11Dから検出容量Dsdを取得する(S101)。制御部20は、この検出容量Dsdのピーク(またはピークを含む所定範囲内の複数電極の積分量)が閾値THsdを超えるか否かを判断する(S102)。制御部20は、検出容量Dsdが閾値THsdを超えない場合、タッチ操作がなされていないと判断して、検出容量Dsdの取得から処理を繰り返す。一方、制御部20は、検出容量Dsdが閾値THsdを超えた場合、タッチ操作がなされたと判断して、当該タッチ操作がなされた位置を検出する(S103)。
 閾値THsdは、静電容量の変化が少ない対象物であってもタッチ操作が検出できるように、できるだけ低く設定することが好ましい。図6を参照して、閾値THsdの設定について説明する。図6のグラフの横軸は、操作面と、タッチ操作を行う対象物と、の距離を示し、縦軸は検出容量を示す。この例では、対象物として半径が8mmの円柱形状のプローブを距離0mm(円柱底面を操作面に接触させた状態)から距離1.0mmまで変化させた場合の検出容量の変化と、先端の曲率半径が2.5mmである針形状のプローブを距離0mm(先端を操作面に接触させた状態)から距離1.0mmまで変化させた場合の検出容量の変化と、を示している。半径が8mmの円柱形状のプローブは、指によるタッチ操作に対応する。先端の曲率半径が2.5mmである針形状のプローブは、ペンによるタッチ操作に対応し、操作面との接触面積は極めて小さい。
 この例では、半径が8mmの円柱形状のプローブが操作面に接触した場合の検出容量が約250fFである。当該プローブと操作面との距離が0.1mmの場合は約170fFであり、0.3mmの場合は約100fF、0.5mmの場合は約75fF、1.0mmの場合は約50fFである。
 一方、先端の曲率半径が2.5mmである針形状のプローブでは、操作面に接触した場合の検出容量が約75fFである。当該プローブと操作面との距離が0.1mmの場合は約57fFであり、0.3mmの場合は約44fF、0.5mmの場合は約24fF、1.0mmの場合は約13fFである。
 ここで、例えば閾値THsdを50fFに設定すると、パネル40と利用者の指が1.0mm程度離れた場合であってもタッチ操作がなされたと判断されることになる。また、先端の細いペンであっても、パネル40との距離が0.1mm~0.3mm程度でタッチ操作がなされたと判断されることになる。したがって、閾値THsdは、50fFに設定すればどの対象物であっても操作面に近づけるだけで検出容量が閾値THsdを超えることになる。
 そして、制御部20は、タッチ操作を検出した場合において、さらに、押圧が検出されたと判断した場合に限り当該タッチ操作を受け付ける。すなわち、図5のS103において、制御部20は、タッチ操作がなされた位置を検出した後、パネル40への押圧量に対応する電荷量Dspを取得する(S104)。制御部20は、この電荷量Dspが閾値THspを超えるか否かを判断する(S105)。制御部20は、検出容量Dspが閾値THspを超えない場合、押圧操作がなく、操作面に対象物が接触していないと判断して、検出容量Dsdの取得から処理を繰り返す。一方、制御部20は、検出容量Dspが閾値THspを超えた場合、操作面に対象物が接触して押圧操作がなされたと判断して、タッチ操作を受け付ける(S106)。
 一方、図7は、タッチ操作中状態(タッチ操作を受け付けている状態)における制御部20の動作を示すフローチャートである。制御部20は、静電容量センサ11Dからタッチ操作がされている位置を検出する(S201)。その後、制御部20は、パネル40への押圧量に対応する電荷量Dspを取得する(S202)。そして、制御部20は、この電荷量Dspが閾値THspを超えるか否かを判断する(S203)。制御部20は、検出容量Dspが閾値THspを超えている場合は、操作面に対象物が接触した状態と判断して、S201の処理から繰り返す。一方、制御部20は、検出容量Dspが閾値THsp以下となった場合、操作面から対象物が離れた判断して、タッチ操作の受け付けを解除する(S204)。
 このように、制御部20は、対象物が操作面に接触して押圧操作を検出した場合に限りタッチ操作を受け付けるため、静電容量センサの閾値THsdを著しく低い値(例えば50fF)に設定した場合であっても、利用者が触れていないのに反応したと感じることがない。また、静電容量の変化が大きい対象物と、静電容量の変化が少ない対象物と、で同じ閾値THsdを設定しているため、どの対象物であっても同じ操作感を実現することができる。
 なお、上述の例では、閾値THsdは、50fFに設定する例を示したが、閾値THsdは、操作面と対象物との距離が0.5mm~1.0mmに対応する検出容量に設定してもよい。一般的には、操作面との距離が0.5mm以上の状態でタッチ操作が受け付けられると、触れていないのに反応したと感じて、違和感が生じることが多いが、本発明のタッチ式入力装置は、対象物が実際に操作面に接触するまではタッチ操作として受け付けられることがないため、0.5mm~1.0mmの距離に対応する検出容量に設定することが可能である。
 例えば、図6に示した例では、半径が8mmの円柱形状のプローブと操作面との距離が0.5mmの場合の検出容量は、約75fFである。したがって、閾値THsdを、指と操作面との距離が0.5mmに対応する検出容量に設定する場合には、75fFとなる。また、先端の曲率半径が2.5mmである針形状のプローブと操作面との距離が0.5mmの場合の検出容量は、約24fFである。したがって、閾値THsdを、ペンと操作面との距離が0.5mmに対応する検出容量に設定する場合には、24fFとなる。あるいは、ペンと操作面との距離が1.0mmの場合に対応する検出容量に設定する場合には、13fFとなる。ただし、検出容量は、電極の幅(面積)、操作面から電極までに存在する物質の材料(比誘電率)、および当該物質の厚みによって変化するため、閾値THsdは、静電容量の変化が少ない対象物であってもタッチ操作が検出でき、かつノイズと区別できる程度にできるだけ低く設定することが好ましい。
 なお、図5におけるS102およびS105における判断は、瞬間的な値ではなく、所定時間(例えば0.1s程度)以上継続して閾値THsdを超えるか否かで判断し、チャタリングを防止することもできる。また、タッチ操作待機状態とタッチ操作中状態とで、押圧による電荷量Dspの閾値THspは、異なる値としてもよい。
 なお、押圧センサとしては、本実施形態に示すような圧電センサに限るものではないが、圧電センサであれば、パネル40に対するわずかな押圧も検出することができ、軽い操作感を実現することができる。なお、圧電フィルム11P1についても、PLLAを用いる態様に限るものではなく、PVDF等の透明性の低い材料を用いることが可能である。透明性の低い材料を用いる場合には、バックライト304よりも下面側に押圧センサ11Pを配置する。この場合、押圧検出電極11P2および押圧検出電極11P3には銀ペーストにより形成された電極や、蒸着やスパッタ、あるいはメッキなどにより形成された金属系の導体を用いることもできる。
1…表示装置
11D…静電容量センサ
11P…押圧センサ
20…制御部
21…記憶部
30…表示部
40…パネル
50…筐体

Claims (6)

  1.  操作面と、
     前記操作面に対するタッチ操作によって容量が変化する静電容量センサと、
     前記操作面に対する押圧を検出する押圧センサと、
     前記静電容量センサの検出容量が所定の閾値を超え、かつ前記押圧センサが前記押圧を検出した場合に、前記タッチ操作を受け付ける制御部と、
     を備えたタッチ式入力装置。
  2.  前記所定の閾値は、50fFに設定されている請求項1に記載のタッチ式入力装置。
  3.  前記所定の閾値は、前記操作面と、前記操作面に対して前記タッチ操作を行う対象物と、の距離が0.5mm~1.0mmである場合の検出容量に設定されている請求項1に記載のタッチ式入力装置。
  4.  前記押圧センサは、圧電センサからなる請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のタッチ式入力装置。
  5.  前記圧電センサは、キラル高分子からなる圧電フィルムを備えたことを特徴とする請求項4に記載のタッチ式入力装置。
  6.  前記キラル高分子は、ポリ乳酸からなることを特徴とする請求項5に記載のタッチ式入力装置。
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