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技術 圧電シートならびにそれを用いたタッチパネルならびにそれらを用いた入出力装置

出願人 TianmaJapan株式会社
発明者 高取憲一
出願日 2014年8月8日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2014-162582
公開日 2015年6月18日 (4年9ヶ月経過) 公開番号 2015-111391
状態 特許登録済
技術分野 位置入力装置
主要キーワード 特定振幅 基準電位面 寸法効果 直流駆動回路 信号刺激 振動発生信号 振幅形状 検出源
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年6月18日)のものです。
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図面 (20)

課題

タッチ位置とタッチ圧を検出できるシンプルな構成の素子を提供する。

解決手段

圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層とからなり、第1の導電体層で面内の位置を検出し、第2の導電体層で圧力を検出する圧電シートである。第1の導電体層は、表面型静電容量方式導電膜面として働くことで位置を検出する。第1の導電体層には正弦波印加され、その振幅が位置によって変化することによって、位置を検出する。一方、第2の導電体層の電圧は固定されるか別の波形と同期されることで、他の信号からの影響を受けにくくするためのシールド層役割を果たす。圧力が印加されると、第1の導電体層と第2の導電体層間に圧力の変化に応じた波形が観察される。この波形は、第1の導電体層や第2の導電体層に印加される波形とは異なった時間振幅形状を示すので、容易に分離することが出来る。

概要

背景

液晶ディスプレイ等の表示装置入力装置であるタッチスクリーンタッチパネルとも呼ぶ)を設置もしくは融合した表示および入力装置が広く実用化されている。特に、携帯電話等の携帯機器では、表示および入力装置を用いることが主流となりつつある。このタッチスクリーンを用いた表示および入力装置は、ユーザが画面上の表示内容を押すことで、機器直感的に操作することを可能としている。

タッチスクリーンには様々な方式のものがあるが、静電容量方式が近年増えている。静電容量方式のうち、X方向とY方向に複数にパターニングされた電極を有する投影型静電容量方式は、多点検知が容易であり、近年急速に普及している。

一方、静電容量方式のうち、平面状のパターニングされていない電極を検出面とする表面型は、一部の堅牢性を求められる用途等でニーズが高い。他の方式と異なる点として、以下のような点が挙げられる。(1)電極のパターニング等がないため、デジタルでなくアナログ感度を持つ、(2)微小容量から反応がある、(3)グラウンド人体)と平面状電極との絶対的な容量を測定するため、水の付着による影響が少ない、(4)小型から大型までの様々なサイズで、ほぼ同様の構造で対応可能、(5)構成が簡単、(6)積層される層が少なく、視認部にパターニングが無いため、視認性が良い。

次に圧電シートに関する背景技術に関して述べる。

圧電効果(Piezoelectricity)とは、物質機械的な歪を作用させた際に生じる電気的な分極表面電荷現象である。そのとき発生する電位は歪の大きさに比例し、その極性は歪の方向に対応する。これは可逆性を持ち、同じ物質に電界印加し電気的に分極すれば、その分極の大きさに比例して物質に機械的な歪が発生、すなわち変形する。

圧電効果と類似した現象として、焦電効果を挙げることができる。焦電効果(Pyroelectricity)とは、物質が熱を吸収して生じる電気的な分極現象である。発生する電荷温度変化の大きさに比例する。焦電効果を示す焦電体は全て圧電効果を示す。
一方で、圧電効果を示す圧電体の中には、焦電効果を示さないものがある。

圧電効果を持つ材料としては、PZTチタン酸ジルコン酸鉛、Pb[ZrxTi1−x]O3)に代表されるセラミックスが多く使われている。また、多くの圧電性セラミック材料が鉛を含み毒性に関する問題があるため、ビスマスフェライト(BiFeO3)等の無鉛圧電セラミックスが多数開発されてきた。しかし、セラミックスは、材料が硬く、屈曲性加工性が悪く、また、大面積で扱いにくいという欠点がある。

一方、高分子材料を用いたピエゾフィルムは、次のような特徴を有する。柔軟性(柔軟で変形性富む)、加工性(はさみで切ることが出来るなど加工が容易)、耐衝撃性高耐電圧性、耐水性化学的定性等を兼ね備え、更に大面積・薄膜化が容易である。また、比重が小さく軽量であり、透明性が良い等の特徴を有する。更に、高い電圧出力広範囲周波数特性低音インピーダンス、大きな圧電係数等を特徴として持つ。

分極化(ポーリング)したホモポリマーポリフッ化ビニリデン(1,1−2フッ化エタン重合体PVDF)は、高い圧電性を示す。セラミックスは、材料の結晶構造によって圧電効果を生み出す。一方、PVDFは結晶化度が50%程度の半結晶高分子であり、ポリマー内では相互に曲がりくねった長鎖分子がくっついたり引き離れたりするため、結晶構造自体が有する圧電性とは異なった挙動を示す。PVDFでは主に二つの機構によって圧電効果が発生するとされている。一つは、外力によって結晶内の双極子が変形することによる結晶の圧電性であり、もう一つは、やわらかい非結晶部分が歪むために残留分極
が電極に誘起する電荷が変化する寸法効果による圧電性である。

上記の圧電性を示すポリマーを用い、圧力を検出する透明の圧電シートが特許文献1に開示されている。

特許文献1では、シート状透明圧電体層と、その一方の面上に配置された第1透明平板電極と、他方の面上に配置された第2透明平板電極とを含む透明圧電シートが開示されている。この透明圧電シートは、タッチ圧の検出に用いることが出来、タッチ圧検出用透明圧電シートとすることが出来る。このタッチ圧検出用透明圧電シートは、タッチ位置検出用タッチパネルと組み合わせて用いられることにより、タッチ位置検出用タッチパネルに、タッチ圧を検出する機能を付与する。ここで用いられるタッチ位置検出用タッチパネルは、製造コストが低い抵抗膜式タッチ位置検出用タッチパネル、もしくは、多点検知が容易である投影型の静電容量式タッチ位置検出用タッチパネルが用いられる。特許文献1の図1に対応する図35として参照すると、抵抗膜式もしくは投影型静電容量方式タッチパネル2210の下に、透明平板電極2122,2123が形成された透明シート部材を透明平板電極が向かい合うように組み合わせ、その間にシート状透明圧電層2121が設けられている。透明平板電極2122,2123とシート状透明圧電層2121によって圧電シート2120が形成されている。これらの全体は、フレーム2124の中に入れられている。このような構成によって、タッチ位置とタッチ圧の両方を検出することを可能としている。

一方、特許文献2には、投影型静電容量方式のタッチ位置検出用タッチパネルと、その四隅に設けられた圧電素子により、タッチ位置検出とタッチ圧検出を実施する手法が示されている。

特許文献2では、センサ装置を開示している。特許文献2のセンサ装置を備えた情報処理装置を示す図1を図36として参照する。そのセンサ装置は、タッチパネル2250と、筐体2210と、感圧センサ2260からなる。タッチパネルは、静電容量式か抵抗膜式とされている。特許文献2の静電容量式タッチパネルは、例えばX電極基板とY電極基板を積層しており、X電極基板とY電極基板はそれぞれ検出用透明電極パターン及びY透明電極パターンが形成されている。すなわち、特許文献2の静電容量式タッチパネルは、投影型静電容量方式タッチパネルである。

また、感圧センサ2260は、タッチパネル2250に固定された第1の電極と、筐体2210に固定された第2の電極と、タッチパネルと筐体の間に配置された弾性体を有する。入力操作面が押された押圧力を第1及び第2電極間静電容量の変化として検出する。この感圧センサは、タッチパネルの四隅に配置される。

更に、液晶パネル2230がタッチパネル2250の背面に配置される。液晶パネル2230とタッチパネル2250と感圧センサ2260は、筐体2210に保持される。

概要

タッチ位置とタッチ圧を検出できるシンプルな構成の素子を提供する。圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層とからなり、第1の導電体層で面内の位置を検出し、第2の導電体層で圧力を検出する圧電シートである。第1の導電体層は、表面型静電容量方式の導電膜面として働くことで位置を検出する。第1の導電体層には正弦波が印加され、その振幅が位置によって変化することによって、位置を検出する。一方、第2の導電体層の電圧は固定されるか別の波形と同期されることで、他の信号からの影響を受けにくくするためのシールド層役割を果たす。圧力が印加されると、第1の導電体層と第2の導電体層間に圧力の変化に応じた波形が観察される。この波形は、第1の導電体層や第2の導電体層に印加される波形とは異なった時間振幅形状を示すので、容易に分離することが出来る。

目的

本発明に係る第一の目的は、シンプルな構造で、タッチ位置とタッチ圧(押圧)を検出できる圧電シートを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

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請求項1

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層で面内の位置を検出し、前記第2の導電体層で圧力を検出することを特徴とする圧電シート

請求項2

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層で面内の位置を検出すると共に、前記第1の導電体層で圧力を検出することを特徴とする圧電シート。

請求項3

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層に面内の位置を検出する信号を印加する信号印加手段を有し、前記第2の導電体層に前記面内の位置を検出する信号に振動発生信号重畳した信号を印加する第2の信号印加手段を有することを特徴とする入出力装置

請求項4

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置されたストライプ状にパターニングされた第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層に面内の位置を検出する信号を印加する信号印加手段を有し、前記パターニングされた第2の導電体層の両端で電圧計測するための計測手段を有することを特徴とするタッチパネル

請求項5

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層で面内の位置を検出する信号を印加する信号印加手段を有し、前記第1の導電体層と前記第2の導電体層間に信号を印加することで前記圧電体層を駆動し音を発生させる音響発生信号印加手段を有し、音を発生することを特徴とする入出力装置。

請求項6

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第2の導電体層に対して前記第1の導電体層と反対側に所定の距離を離して配置された第3の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層で面内の位置を検出し、前記第2の導電体層で圧力を検出することを特徴とする圧電シート。

請求項7

前記第1の導電体層に電気的に接続された複数の電極を有し、該複数の電極を介して面内の位置に関する情報を含む電気信号を取り出し、該電気信号から面内の位置を算出することを特徴とする請求項1、2、6の何れか一に記載の圧電シート。

請求項8

請求項1、2、6の何れか一に記載の圧電シートを利用した入出力装置。

請求項9

請求項3のタッチパネルを利用した入出力装置。

請求項10

前記圧電シートと、前記圧電シートに接続される位置検出座標算出ICと、前記圧電シートに接続される押圧検出ICとを有することを特徴とする請求項8に記載の入出力装置。

請求項11

検出された圧力と、記憶された一つ以上のしきい値とを比較し、該しきい値に応じた動作を可能とすることを特徴とする請求項3、5、8または9の何れか一に記載の入出力装置。

請求項12

検出された圧力と、記憶された一つ以上のしきい値とを比較し、しきい値に応じた動作と共に、検出されたタッチ位置に応じた動作を可能とすることを特徴とする請求項3、5、8または9の何れか一に記載の入出力装置。

請求項13

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、位置検出・座標算出部が前記第1の導電体層で面内の位置を検出し、押圧検出部が前記第2の導電体層で圧力を検出することを特徴とする圧電シートを有するタッチパネル。

請求項14

前記位置検出・座標算出部は、第1の導電体層に正弦波等の駆動信号を印加すると共に、第1の導電体層から引き出された4本の接続配線電流の変化を検出し位置座標を算出することを特徴とする請求項13に記載のタッチパネル。

請求項15

前記位置検出・座標算出部は、第1の導電体層から引き出された4本の接続配線の信号は、タッチに伴い人体を通した仮想グランドへと電流が流れる新たな経路が発生し、電流変化検出部は、このタッチによる電流変化を検出し信号を次のブロックで処理が容易となる形式に変換し、電流変化検出部からの微弱信号を、フィルタリング増幅部でフィルタリングし、且つ、増幅することで整形し、続くノイズ除去部では、ノイズ成分を除去することでS/N比シグナルノイズ比)を向上させ、A/D変換部では、アナログ信号デジタル信号に変換し、以降はデジタル処理され、位置座標算出部で、4本の接続配線の信号から得られたタッチによる信号変化から演算により位置座標を算出する請求項14記載のタッチパネル。

請求項16

押圧検出部は、圧電体層と二つの導電体層で感知されたタッチ圧を検出し、押圧検出部で検知し、記憶部に記憶された押圧のしきい値を超えた場合に押圧が発生したとする請求項14記載のタッチパネル。

請求項17

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、前記第1の導電体層で面内の位置を検出し、前記第2の導電体層で圧力を検出する圧電シートの駆動方法において、前記第1の導電体層は、表面型静電容量方式導電膜面として働くことで位置を検出すると共に、圧電体層の電圧変化モニタ用の導電膜面として働くことでタッチ圧を検出し、前記第2の導電体層では電流や電圧の検出をせず、圧電体層の駆動のみを行う駆動方法。

請求項18

圧電体層と、前記圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、前記圧電体層の他方の面上に配置された第2の導電体層と、前記第1の導電体層の前記圧電体層が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層とを含み、位置検出・座標算出部が前記第1の導電体層で面内の位置を検出し、押圧検出部が前記第2の導電体層で圧力を検出し、押圧検出部の出力に3軸の同軸配線を用いて、帰還構造のアンプの出力が内部シールドに印加され、全回路グランド外部シールドに印加されるモジュール

技術分野

0001

本発明は、圧電シートに関し、特にタッチ位置検出タッチ圧検出が可能な圧電シートに関する。また、その圧電シートを用いたタッチパネルに関する。さらに、それらの圧電シートもしくはタッチパネルを用いた入出力装置に関する。

0002

また、その圧電シートを用いた入出力装置に関する。

背景技術

0003

液晶ディスプレイ等の表示装置入力装置であるタッチスクリーン(タッチパネルとも呼ぶ)を設置もしくは融合した表示および入力装置が広く実用化されている。特に、携帯電話等の携帯機器では、表示および入力装置を用いることが主流となりつつある。このタッチスクリーンを用いた表示および入力装置は、ユーザが画面上の表示内容を押すことで、機器直感的に操作することを可能としている。

0004

タッチスクリーンには様々な方式のものがあるが、静電容量方式が近年増えている。静電容量方式のうち、X方向とY方向に複数にパターニングされた電極を有する投影型静電容量方式は、多点検知が容易であり、近年急速に普及している。

0005

一方、静電容量方式のうち、平面状のパターニングされていない電極を検出面とする表面型は、一部の堅牢性を求められる用途等でニーズが高い。他の方式と異なる点として、以下のような点が挙げられる。(1)電極のパターニング等がないため、デジタルでなくアナログ感度を持つ、(2)微小容量から反応がある、(3)グラウンド人体)と平面状電極との絶対的な容量を測定するため、水の付着による影響が少ない、(4)小型から大型までの様々なサイズで、ほぼ同様の構造で対応可能、(5)構成が簡単、(6)積層される層が少なく、視認部にパターニングが無いため、視認性が良い。

0006

次に圧電シートに関する背景技術に関して述べる。

0007

圧電効果(Piezoelectricity)とは、物質機械的な歪を作用させた際に生じる電気的な分極表面電荷現象である。そのとき発生する電位は歪の大きさに比例し、その極性は歪の方向に対応する。これは可逆性を持ち、同じ物質に電界印加し電気的に分極すれば、その分極の大きさに比例して物質に機械的な歪が発生、すなわち変形する。

0008

圧電効果と類似した現象として、焦電効果を挙げることができる。焦電効果(Pyroelectricity)とは、物質が熱を吸収して生じる電気的な分極現象である。発生する電荷温度変化の大きさに比例する。焦電効果を示す焦電体は全て圧電効果を示す。
一方で、圧電効果を示す圧電体の中には、焦電効果を示さないものがある。

0009

圧電効果を持つ材料としては、PZTチタン酸ジルコン酸鉛、Pb[ZrxTi1−x]O3)に代表されるセラミックスが多く使われている。また、多くの圧電性セラミック材料が鉛を含み毒性に関する問題があるため、ビスマスフェライト(BiFeO3)等の無鉛圧電セラミックスが多数開発されてきた。しかし、セラミックスは、材料が硬く、屈曲性加工性が悪く、また、大面積で扱いにくいという欠点がある。

0010

一方、高分子材料を用いたピエゾフィルムは、次のような特徴を有する。柔軟性(柔軟で変形性富む)、加工性(はさみで切ることが出来るなど加工が容易)、耐衝撃性高耐電圧性、耐水性化学的定性等を兼ね備え、更に大面積・薄膜化が容易である。また、比重が小さく軽量であり、透明性が良い等の特徴を有する。更に、高い電圧出力広範囲周波数特性低音インピーダンス、大きな圧電係数等を特徴として持つ。

0011

分極化(ポーリング)したホモポリマーポリフッ化ビニリデン(1,1−2フッ化エタン重合体PVDF)は、高い圧電性を示す。セラミックスは、材料の結晶構造によって圧電効果を生み出す。一方、PVDFは結晶化度が50%程度の半結晶高分子であり、ポリマー内では相互に曲がりくねった長鎖分子がくっついたり引き離れたりするため、結晶構造自体が有する圧電性とは異なった挙動を示す。PVDFでは主に二つの機構によって圧電効果が発生するとされている。一つは、外力によって結晶内の双極子が変形することによる結晶の圧電性であり、もう一つは、やわらかい非結晶部分が歪むために残留分極
が電極に誘起する電荷が変化する寸法効果による圧電性である。

0012

上記の圧電性を示すポリマーを用い、圧力を検出する透明の圧電シートが特許文献1に開示されている。

0013

特許文献1では、シート状透明圧電体層と、その一方の面上に配置された第1透明平板電極と、他方の面上に配置された第2透明平板電極とを含む透明圧電シートが開示されている。この透明圧電シートは、タッチ圧の検出に用いることが出来、タッチ圧検出用透明圧電シートとすることが出来る。このタッチ圧検出用透明圧電シートは、タッチ位置検出用タッチパネルと組み合わせて用いられることにより、タッチ位置検出用タッチパネルに、タッチ圧を検出する機能を付与する。ここで用いられるタッチ位置検出用タッチパネルは、製造コストが低い抵抗膜式タッチ位置検出用タッチパネル、もしくは、多点検知が容易である投影型の静電容量式タッチ位置検出用タッチパネルが用いられる。特許文献1の図1に対応する図35として参照すると、抵抗膜式もしくは投影型静電容量方式タッチパネル2210の下に、透明平板電極2122,2123が形成された透明シート部材を透明平板電極が向かい合うように組み合わせ、その間にシート状透明圧電層2121が設けられている。透明平板電極2122,2123とシート状透明圧電層2121によって圧電シート2120が形成されている。これらの全体は、フレーム2124の中に入れられている。このような構成によって、タッチ位置とタッチ圧の両方を検出することを可能としている。

0014

一方、特許文献2には、投影型静電容量方式のタッチ位置検出用タッチパネルと、その四隅に設けられた圧電素子により、タッチ位置検出とタッチ圧検出を実施する手法が示されている。

0015

特許文献2では、センサ装置を開示している。特許文献2のセンサ装置を備えた情報処理装置を示す図1図36として参照する。そのセンサ装置は、タッチパネル2250と、筐体2210と、感圧センサ2260からなる。タッチパネルは、静電容量式か抵抗膜式とされている。特許文献2の静電容量式タッチパネルは、例えばX電極基板とY電極基板を積層しており、X電極基板とY電極基板はそれぞれ検出用透明電極パターン及びY透明電極パターンが形成されている。すなわち、特許文献2の静電容量式タッチパネルは、投影型静電容量方式タッチパネルである。

0016

また、感圧センサ2260は、タッチパネル2250に固定された第1の電極と、筐体2210に固定された第2の電極と、タッチパネルと筐体の間に配置された弾性体を有する。入力操作面が押された押圧力を第1及び第2電極間静電容量の変化として検出する。この感圧センサは、タッチパネルの四隅に配置される。

0017

更に、液晶パネル2230がタッチパネル2250の背面に配置される。液晶パネル2230とタッチパネル2250と感圧センサ2260は、筐体2210に保持される。

先行技術

0018

特開2010−108490号公報図1図4、ならびに、6ページ32行〜8ページ20行
WO2010/106759A1号公報

発明が解決しようとする課題

0019

従来の発明における第1の課題は、タッチ位置検出用タッチパネルとして、抵抗膜方式もしくは投影型静電容量方式を用いるため、タッチ位置検出用タッチパネルの構造が複雑な点である。抵抗膜方式もしくは投影型静電容量方式は、電極層が2層以上必要である。

0020

また、抵抗膜方式では、その電極間に構造物が必要であり、一方、投影型静電容量方式では、その電極が共にパターニングされる必要がある。更に、投影型静電容量方式では、パターニングにより分割された個々の電極片と外部の信号源検出源を接続する必要がある。このような複雑な構成は、コストを増大すると共に、使用材料の種類・量が多いため環境面でも好ましくない。

0021

第2の課題は、ディスプレイ等と組み合わせた際に、視認性が悪い点である。その理由は、特許文献1ではタッチ位置検出とタッチ圧検出に別々の二組以上の透明電極が必要であったり、特許文献1ならびに特許文献2ではタッチ位置検出を実現するために複数の層を必要としたりするためである。電極層の数が増えたり、構成する層の数が増えたりすると、個々の層の吸収により透過率が低下する。また、構成する層の数が増すにつれて、各層の界面での反射によって、明所コントラストが低下する等、視認性が低下する。また、特許文献2では、液晶パネル2230とタッチパネル2250の間に空隙2295があり、この空隙によって界面反射が大きくなるため、視認性が更に低下する。

0022

第3の課題は、特許文献2ではタッチ圧検出用の感圧センサを構成する際に、タッチ位置検出用タッチパネルに設けた第1の電極と筐体に設けた第2の電極が必要であり、また、その電極間の弾性体が必要であり、構造が複雑である点である。この感圧センサを固定するためには、従来のタッチパネルやディスプレイでは見られなかった特別な固定構造が必要となっているため、製造が難しく高コストとなっていると共に、振動や衝撃に対する機械的な強度が弱かった。

0023

第4の課題は、特許文献1や特許文献2では、構成する部品の数が多いために、重量ならびに容量が大きかった。重量が大きいため、持ち運び型では可搬性阻害され、据え置き型の場合でも支える台に強度が要求された。また、容量が大きいため、厚みが増したり、タッチ圧の検出面以外の額縁部分が広くなったりする結果、可搬性を阻害したり、設置面積体積が増大していた。

0024

また、従来の技術では、透明圧電シートと表面容量型静電容量方式によって、タッチ位置とタッチ圧を検出するタッチパネルが開示されていない。仮に従来の透明圧電シートと表面容量型静電容量方式のタッチパネルを組み合わせた場合、透明圧電シートを構成するために、2層の導電層と圧電層が必要であり、表面容量型静電容量方式のタッチパネルに1層の導電層が必要である。更に、透明圧電シートの導電層の一方と表面容量型静電容量方式のタッチパネルの導電層とが電気的にショートしないような絶縁層もしくは空隙が必要である。このため、抵抗膜方式や投影型静電容量方式に比べて構造が簡単な表面型静電
容量方式を用いても、複雑な構造となり、コストが増大したり、部材が増加したりしてしまう。更には、表面型静電容量方式は、タッチする指との静電容量を使用するため、構成として、表面型静電容量方式の導電層がより指に近い上層に置かれ、透明圧電シートが下層に置かれる構成しか実現できない。このため、透明圧電シートでタッチ圧を正しく検出するには、表面型静電容量方式のタッチパネル、ならびにその下層の絶縁層もしくは空隙が、押圧に応じて変形するようなフレキシブルさがないとタッチ圧を検出できない。このような構成は、既存の表面型静電容量方式のタッチパネルでなく、特別に設計された表面
型静電容量方式のタッチパネルが必要なことを意味し、コストが増大する要因となる。

0025

このように、既存の透明圧電シートと表面型静電容量方式のタッチパネルの組み合わせはコスト面や性能面で課題があり実現が困難であり、表面型静電容量方式タッチパネルにおいて、タッチ位置とタッチ圧の双方を検出することが出来なかった。

0026

そこで、前記の課題を解決すべく、本発明に係る第一の目的は、シンプルな構造で、タッチ位置とタッチ圧(押圧)を検出できる圧電シートを提供することにある。また、構造がシンプルなため、従来に比べて薄く軽量であると共に、低コストである圧電シートを提供することにある。更には、シンプルな構造によって、振動や外圧等に対する機械的強度が強く、信頼性や堅牢性が高い圧電シートを提供することにある。

0027

第二の目的は、タッチ位置とタッチ圧(押圧)を検出でき、ディスプレイ等と組み合わせた際に視認性が極めて良好な圧電シートを提供することにある。加えて、ディスプレイからの光を通過させる際、光透過率が高く光量の低下が少なく、低消費電力もしくは高輝度を実現できる圧電シートを提供することにある。

0028

第三の目的は、タッチ位置検出とタッチ圧検出に加えて、シートを曲げたりねじったりした場合の曲げやネジリを検出できる圧電シートを提供することにある。

0029

第四の目的は、タッチ位置検出とタッチ圧検出に加えて、振動によるフィードバック感覚を得ることが出来る圧電シートを提供することにある。これにより、タッチした際にタッチに関連した振動フィードバックをタッチした指等に与える。また、振動の周波数の調整により音としてのフィードバックを与える。一方、振動をタッチ以前から発生しておくことにより、タッチ時点での振動の状態やタッチ前後での振動の変化によって、素材感等の感覚を誘起させる。

0030

第五の目的は、表面型静電容量方式によるタッチ位置検出を主としながら、導電性のないペン非導電性スタイラス)によるタッチでもタッチ位置を求めることが可能な圧電シートを提供することにある。

0031

第六の目的は、第一から第五の目的を満たす圧電シートを用いたタッチパネル、また、それらの圧電シートもしくはタッチパネルを用いた入出力装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0032

上記課題を解決するために、本発明の第一の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層で面内の位置を検出し、第2の導電体層で圧力を検出する圧電シートである。

0033

圧電体層の一方の面に第1の導電体層、他方の面に第2の導電体層が存在することにより、外力により圧電体層に生じた歪を電気的信号として第1の導電体層もしくは第2の導電体層から取り出すことが可能である。本発明では、第2の導電体層で歪による電気信号を検出することにより圧力を検出する。一方、第1の導電体層は、表面型静電容量方式の導電膜面として働くことで位置を検出することが可能である。このように一層からなる導電膜面とその上に配置された絶縁体層とで表面型静電容量方式のタッチパネルでのタッチ位置検出が出来ることは従来から知られている。

0034

より詳しくは、第1の導電体層には例えば正弦波が印加され、その正弦波の振幅が圧電シートと平行な面内のタッチの位置に依存して変化することを利用して、面内の位置を検出する。第2の導電体層は通常は特定の電圧に固定されたり、特定の別の波形(例えば、第1の導電体層に印加される正弦波)と同期されたりすることで、位置の検出において他の信号源からの輻射ノイズ等の影響を受けにくくするためのシールド層役割を果たす。

0035

一方で、圧力が印加されると、第1の導電体層と第2の導電体層間の圧電体層に歪が生じ、圧力の変化に応じた電気的な波形が観察される。この波形は、第1の導電体層に印加される正弦波や第2の導電体層に印加される特定の電圧や波形とは異なった時間振幅形状を示すので、印加波形とは容易に分離することが出来る。

0036

本手段では、第1の導電体層を表面型静電容量方式のタッチパネルの導電体膜面として利用すると共に、圧電体に生じた歪を第2の導電体層で検出する際の基準電位面として利用する。このような利用が可能な理由は、前述のようにそれぞれの導電体層への印加波形と、圧力により生じた波形が容易に分離できるためである。そして、第2の導電体層の電圧をモニタすることで得られた信号から圧力による波形を分離することで圧力の検出が可能となる。一方、第1の導電体層でも信号の分離により圧力として検出することも可能ではあるが、第1の導電体層で観察される信号からはタッチ圧による信号はフィルタ等で除去する方が、第1の導電体層で検出されるタッチ位置の精度を優先することが出来るため好ましい。

0037

また、タッチ圧による信号を検出する他の方法として、タッチ位置検出のための信号を印加する期間と時間的にずらして検出する方法がある。すなわち、時分割で駆動して検出する方法である。この方法は、駆動が若干複雑となるが、信号の分離が時間軸上で可能となるため、検出信号の取り出しが容易となる。

0038

本手段では、必要に応じて、第1の導電体層に電圧波形を印加する印加手段、第2の導電体層に電圧波形を印加する印加手段、第1の導電体層を流れる電流を検出する検出手段、第2の導電体層の電圧を検出する検出手段等が設けられる。これらの印加手段や検出手段は、一つの手段によって複数の手段の役割を果たす素子を用いることも可能であり、例えば、一つのICにまとめられることもある。

0039

本発明の第二の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層で面内の位置を検出すると共に、第1の導電体層で圧力を検出する圧電シートである。

0040

圧電体層の一方の面に第1の導電体層、他方の面に第2の導電体層が存在することにより、外力により圧電体層に生じた歪を電気的信号として第1の導電体層もしくは第2の導電体層から取り出すことが可能である。本発明では、第1の導電体層で歪による電気信号を検出することにより圧力を検出する。更に、第1の導電体層は、表面型静電容量方式の導電膜面として働くことで位置を検出することが可能である。このように一層からなる導電膜面とその上に配置された絶縁体層とで表面型静電容量方式のタッチパネルでのタッチ位置検出が出来ることは従来から知られている。

0041

上記の説明のように、第1の導電体層は、表面型静電容量方式の導電膜面として働くことで位置を検出すると共に、圧電体層の電圧変化モニタ用の導電膜面として働くことでタッチ圧を検出することが可能である。この構成では、第2の導電体層では電流や電圧の検出をせず、圧電体層の駆動のみを行う。すなわち、第2の導電体層は、特定の電圧もしくは特定の波形に固定することが可能である。この結果、本発明の圧電シートを表示素子と組み合わせた場合に、第2の導電体層がシールド面の役割をも同時に果たすことが可能であり、表示素子からの輻射ノイズ等の影響を受けにくくなる。この構成では、第2の導電
体層を駆動のみに利用しているため、このシールド効果を常時得ることが可能である。一方、第1の導電体層のみでタッチ位置とタッチ圧の両方の検出を行うため、第1の導電体層は時分割で駆動してタッチ位置とタッチ圧を時間差で検出する方法が用いられる。

0042

本手段では、必要に応じて、第1の導電体層に電圧波形を印加する印加手段、第2の導電体層に電圧波形を印加する印加手段、第1の導電体層を流れる電流を検出する検出手段、第1の導電体層の電圧を検出する検出手段等が設けられる。これらの印加手段や検出手段は、一つの手段によって複数の手段の役割を果たす素子を用いることも可能であり、例えば、一つのICにまとめられることもある。

0043

本発明の第三の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層に面内の位置を検出するための信号を印加する信号印加手段を有し、第2の導電体層に前記面内の位置を検出する信号に振動発生信号重畳した信号を印加する信号印加手段を有することを特徴とする圧電シートである。

0044

この構成では、第1の導電体層は、タッチ位置の検出のための駆動信号が印加され、検出もタッチ位置にかかわる信号が検出される。一方で、第2の導電体層に印加される振動発生信号を重畳した信号により、圧電体層は振動する。この振動は、その周波数と強度によって、タッチしたユーザに対し、さまざまな触感呈示することが可能である。すなわち、いわゆる触覚フィードバックタクタイルフィードバック)が可能である。

0045

本発明の第四の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置されたストライプ状にパターニングされた第2の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層に面内の位置を検出するための信号を印加する信号印加手段を有し、パターニングされた第2の導電体層の両端で電圧を計測するための計測手段を有することを特徴とする圧電シートである。

0046

この構成では、第1の導電体層では、表面型静電容量方式タッチパネルと同様の原理でタッチ位置を検出できる。一方、第2の導電体層ではタッチ圧が検出可能である。その際、第2の導電体層はストライプ状にパターニングされているため、そのストライプの長手方向と直交する方向に関しては、ストライプのパターニングの存在によって、タッチした場所によってタッチ圧が検出されたりされなかったりするか、検出されるタッチ圧の大きさに違いがある。その結果、第2の導電体層において、ストライプの長手方向と直交する方向でのタッチ位置をタッチ圧の違いとして検出することが可能である。また、第2の導
電体層ではストライプ状にパターニングされた各領域の両端で電圧を計測する。タッチ圧により発生する電荷はストライプ状の各領域の中でもタッチした位置によってストライプの長手方向に位置に応じた分布が生じる。電圧の測定をストライプ状の各領域の両端で測定することにより、両端の電圧の違いにより、ストライプの長手方向でのタッチ位置を検出することが可能である。この結果、第2の導電体層では、タッチ圧に加えて、タッチ圧を生じているタッチ位置を2次元の面内で検出することが可能である。従来、表面型静電容量方式をペンでタッチした場合、ペン先に導電性があり且つグランド電位が固定されているような特殊ペンでタッチした場合しかペンによるタッチを検出できなかった。また、きわめて厚い手袋をした場合等、静電的な変化がはなはだ小さい場合に検出精度落ちる場合があった。本構成では、タッチ圧によってもタッチ位置を検出することが可能なため、特殊でない普通のペンによるタッチや、きわめて厚い手袋によるタッチ等でも、タッチ圧の位置の違いとして検出することが可能である。

0047

本発明の第五の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層に面内の位置を検出するための信号を印加する信号印加手段を有し、第1の導電体層と第2の導電体層の間に信号を印加することで圧電体層を駆動し音を発生させる音響発生信号印加手段を有し、音を発生する圧電シートである。

0048

音響発生信号は、他の信号と重畳されても良く、この信号の周波数と強度を調整することによって、ユーザに対し、さまざまな音によるフィードバックを呈示する構成である。圧電体層に印加される電圧の変化は歪や力の変化に変換される。その結果、歪ならびに力の変化の結果として音を発生することが出来る。

0049

本発明の第六の手段は、圧電体層の一方の面上に配置された第1の導電体層と、他方の面上に配置された第2の導電体層と、第2の導電体層に対して第1の導電体層と反対側に所定の距離を離して配置された第3の導電体層と、第1の導電体層の圧電体層と反対の面に配置された絶縁体層とからなり、第1の導電体層で面内の位置を検出し、第2の導電体層で圧力を検出する圧電シートである。

0050

この構成は、圧電シートの下面からの輻射ノイズ等の影響を受けないようにするために用いられる構成である。例えば、圧電シートの下面に表示素子等の別の素子を組み合わせることにより、下面に配置した別の素子からの輻射ノイズ等の影響を受けないようにするためのものである。この構成の一つの例では、第1の導電体層に面内の位置を検出する信号を印加すると共に、第3の導電体層に第1の導電体層に印加する信号と同じ信号を印加する。これにより、第3の導電体層が下面からの輻射ノイズ等に対するシールド面の役割を果たす。更に、また、第2の導電体層は、タッチ圧が生じない状態では、第1の導電体層の電位と第3の導電体層の電位から容量関係で規定される電位に安定する。理想的には、第1の導電体層および第3の導電体層と同じ電位となる。一方、タッチ圧が生じている状態では、第2の導電体層の電位は第1の導電体層の電位とは異なる電位となる。この結果、第2の導電体層からタッチ圧を検出することが出来る。本構成は、導電体層の数が他の構成より増える代わりに、輻射ノイズ等の影響を受けにくく、信号の分離が容易なため、位置精度やタッチ圧が高精度に検出できる。

発明の効果

0051

前記のように本発明を実施することで、発明の効果が生じる。第1の効果は、導電体層2層とその間の圧電体層と絶縁体層というシンプルな構成、かつ低コストに、タッチ位置とタッチ圧の両方を検出できる圧電シートを得ることが出来る。

0052

その理由は、タッチ位置の検出に表面型静電容量式タッチパネルの原理を適用し、タッチ位置の検出に必要な導電体層を1層のみとすると共に、タッチ圧の検出に必要な2つの導電体層のうち一方をタッチ位置の検出に用いる導電体層と兼用しているからである。特許文献1等の従来の技術では、タッチ位置の検出に導電体層が2層、タッチ圧の検出に導電体層が2層と、計4層の導電体層が必要であったが、本願では導電体層が2層のみと半減できている。これに伴い、導電体層間に必要な絶縁層等の他の層の数も激減する。

0053

第2の効果は、視認性が向上することである。

0054

その理由は、第1の効果に記載したように構成する層の数が激減することにより、層間での反射が減少するためである。これにより、透過率を高くすることができると共に、層間の界面反射による2重像や表示とタッチ位置のズレ感である視差を防ぐことが出来ると共に、明所コントラストの低下を防ぐことが出来る。更には、従来のようにX方向用とY方向用の2層のパターニング電極層を必要としないため、パターニングされたパターンが見えることが無い。このため、投影型静電容量方式でしばしば用いられるようなパターニング電極のパターンを見えにくくするための屈折率調節層等がいらない。

0055

第3の効果は、新たに他の部品を添加することなく、触覚や音といった新しい機能を持たせることができ、触覚や音といった別のフィードバックを実現できることである。

0056

その理由は、圧電体層に印加する信号に、触覚や音に関係する信号を重畳するためである。圧電体層は、タッチ圧を検出する際はタッチした圧力に応じた電気を生じることで検出し、逆に、触覚や音を発生する際は印加した電気に応じた変形を生じることで発生する。

0057

第4の効果は、表面型静電容量方式のタッチパネルで、指や導電性でない物質によるタッチでもタッチ位置を検出することが可能となる点である。

0058

その理由は、第2の導電層をストライプ状にパターニングすることでy方向の圧力位置を検出し、ストライプの両端の電圧をモニタすることでx方向の圧力位置を検出するためである。この効果により、タッチ手段として、分厚い手袋を介したタッチや、プラスチックスタイラスによるタッチなどの多様な手段を利用することが可能となる。

0059

第5の効果は、シンプルな構成ながら外部ノイズに強いタッチパネル機能つきの圧電シートが得られることである。

0060

その理由は、第2の導電層もしくは第3の導電層がシールド面の役割を果たすことによって、表示素子等からの輻射ノイズ等の影響を第1の導電層が受けないためである。

0061

第6の効果は、位置検出に加えて、圧電シート全体を曲げたりねじったりした場合に、その曲げやネジリを検出することも可能な圧電シートが得られることである。

0062

その理由は、上記の本発明が全て従来の技術に比べると構造がシンプルであることに加えて、発明を構成する材料として柔軟な材料もしくは柔軟な材料にある程度追従できる材料を使用するためである。このように、新規に部品を追加することなく、応力分布荷重分布を測定できる素子を提供できる。また、圧電シートは、その圧電力を検出する方向を選択することが出来るため、曲げやネジレを検出するのに有利な方向に製作することが可能である。また、特に、焦電性をほとんど持たない材料を使用することによって、温度変化の影響を受けないためである。すなわち、焦電性が存在すると、温度の変化で分極が発生するため、使用温度が変化したり、人が手で持って温まったりしただけで特性の変化が発生する。一方、焦電性が存在しない場合は、温度の変化に影響されること無く、曲げやネジレを正確に検出することが可能である。

図面の簡単な説明

0063

本発明の第1の実施の形態を示す斜視図である。
本発明で用いられる位置検出・座標算出ICのブロック図の一例である。
本発明で用いられる押圧検出ICのブロック図の一例である。
本発明の第1の実施の形態のタイミングチャートの一例である。
本発明で用いられる位置検出・座標算出ICのブロック図の一例である。
本発明で用いられる信号印加とフローティング状態切り替えを実現する回路のブロック図の一例である。
本発明の第2の実施の形態を示す斜視図である。
本発明の第2の実施の形態のタイミングチャートの一例である。
本発明の第3の実施の形態を示す斜視図である。
本発明の第3の実施の形態のタイミングチャートの一例である。
本発明の第4の実施の形態を示す斜視図である。
本発明の第4の実施の形態で用いる第2の導電体層に印加する信号を発生する回路のブロック図の一例である。
本発明の第4の実施の形態で用いることが可能な触覚フィードバックの印加波形の一例である。
本発明の第5の実施の形態を示す斜視図である。
本発明の第5の実施の形態を第2導電体側から観察した場合の平面図である。
本発明の第5の実施の形態の第2導電体面を第1導電体側から観察した場合の平面図である。
本発明の第5の実施の形態における、たわみの発生の様子を模式的に示す図である。
本発明の第5の実施の形態における、圧電分極による電荷の発生の様子を模式的に示す図である。
本発明の第5の実施の形態において、x方向のタッチ圧の発生位置による両端電圧の違いを示す図である。
本発明の第6の実施の形態を示す斜視図である。
本発明の第6の実施の形態で用いる第2の導電体層に印加する信号を発生する回路のブロック図の一例である。
本発明の第6の実施の形態で用いる第2の導電体層に印加する信号を発生する回路のブロック図の他の例である。
本発明の第7の実施の形態を示す斜視図である。
圧電シートと、位置検出・座標算出ICと、押圧検出ICを有する入出力装置の一例を示す図である。
本発明の実施例1における、第2の導電体層に設けた電極の例を示す平面図である。
本発明の実施例1において、押圧の強度に応じて、機能を選択する際の、時間と押圧の強度の関係の一例を示す図である。
本発明の実施例において、機能を選択する際の画面表示の推移の一例を示す図である。
本発明の実施例において、機能を選択する際の画面表示の推移の一例を示す図である。
本発明の実施例において、機能を選択する際の画面表示の推移の一例を示す図である。
本発明の実施例において、機能を選択する際の画面表示の推移の一例を示す図である。
本発明の実施例において、機能を選択する際の画面表示の推移の一例を示す図である。
本発明の実施例で用いることが可能なガードドライブ方式の一例である。
本発明の実施例2において、押圧の強度に応じて、機能を選択する際の、時間と押圧の強度の関係の一例を示す図である。
本発明の実施例4における第2の導電体層に印加する信号を発生する回路のブロック図の一例である。
本発明の実施例5の構成を示す斜視図である。
本発明の実施例5での知育玩具を示す図である。 (a)は音量が小さい場合(平面状)、(b)は音量が大きい場合(両端を持って曲げた場合)。
音を発生させる際に使用する回路の一例を示す回路図である。
本発明の実施例5における第2の導電体層に印加する信号を発生する回路のブロック図の一例である。
従来の位置検出用タッチパネルと圧電シートを組み合わせたタッチパネルを示す断面図である。
従来のセンサ装置を備えた情報処理装置を示す断面図である。

0064

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施の形態の斜視図である図1を参照すると、本発明の実施の形態は、圧電体層102と、圧電体層102の一方の面に配置された第1の導電体層112と、圧電体層102の他方の面に配置された第2の導電体層122と、第1の導電体層112の圧電体層102が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層142とからなる。

0065

好ましくは、圧電体層102は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0066

本発明の実施の形態では、第1の導電体層112で面内の位置を検出し、第2の導電体層122で圧力を検出する。図1では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層112の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線123、ならびに、第2の導電体層122に設けられた電極(図示せず)とそこから引き出された第2導電体層用接続配線124が示されている。但し、接続配線を用いずに、他の手段によって、電気的な接続を行ってもよい。

0067

図1の第1の導電体層112の四隅に設けられた電極から引き出された接続配線の各々では、第1の導電体層に例えば交流信号を与えると共に、その接続配線を流れる電流の変化を読み取ることによってタッチによる電流変化ならびにタッチ位置による電流変化量の違いを知ることが出来る。また、第1の導電体層112と第2の導電体層122に設けられた電極から引き出された接続配線ならびに第2導電体層用接続配線を用いて、タッチ圧により圧電体層102に生じる電圧を知ることが出来る。これらの構成について、次に詳細に説明する。

0068

図2は、本発明の実施の形態における位置検出・座標算出ICのブロック図の一例である。本発明の実施の形態の位置検出・座標算出IC210では、第1の導電体層112から引き出された4本の接続配線を介して第1の導電体層112に正弦波等の駆動信号を印加すると共に、第1の導電体層112から引き出された4本の接続配線の電流の変化を検出し位置座標を算出する。

0069

図2のブロック図の動作を具体的に説明する。図2の位置検出・座標算出IC210では、信号の処理の最初の段階は、4本の接続配線の信号を並列に扱い、且つ、アナログ処理される。さて、交流駆動回路(信号印加手段)207で駆動される第1の導電体層112から引き出された4本の接続配線の信号は、タッチに伴い人体を通した仮想グランドへと電流が流れる新たな経路が発生する。電流変化検出部201は、このタッチによる電流変化を検出し信号を次のブロックで処理が容易となる形式に変換する。ついで、電流変化検出部201からの微弱信号を、フィルタリング増幅部202でフィルタリングし、且つ、増幅することで整形する。続くノイズ除去部203では、ノイズ成分を除去することでS/N比シグナルノイズ比)を向上させる。A/D変換部204では、アナログ信号デジタル信号に変換する。以降はデジタル処理される。続く位置座標算出部205で、4本の接続配線の信号から得られたタッチによる信号変化から演算により位置座標を算出する。第1の導電体層112に設けられた四隅の電極とタッチ位置の間の距離に応じて、それぞれの電極を介して観測される電流変化量が異なっている。この電流変化量の違いを用いることで、面内のタッチ位置を知ることが出来る。これは、他の表面容量型静電容量方式のタッチパネルと同様である。最後のインターフェイスドライバ206は、続く外部のホスト208とデータの受け渡しやコマンドの受け渡しを行う。

0070

図3は、本発明の実施の形態における押圧検出ICのブロック図の一例である。押圧検出IC310では、圧電体層102と二つの導電体層112,122で感知されたタッチ圧を検出する。押圧検出部302は、図1の第2導電層用接続配線に接続される。押圧検出部302でタッチ圧(押圧)を検知し、記憶部303に記憶された押圧のしきい値等の制御値を超えているかを判断し、次の動作を進める。後述のように、押圧によって発生する電圧は厳密には押圧に比例しないが、ほぼ比例の関係である。この比例の係数をあらかじめ求めておくことで、押圧検出部302では測定された電圧の変化から押圧を求めることができる。しかし、単純な比例係数のみではノイズ等による電圧変化も押圧として検出してしまうため、測定される電圧の変化量があらかじめ定め記憶部303に記憶されたしきい値を超えた場合に押圧が発生したとするようにする。これら全体は制御部301で制御される。
尚、押圧検出部302は、接続された導電体層の電圧を計測する電圧モニタ(計測手段)と、電圧モニタで計測された電圧からタッチ圧を求める電圧—押圧換算部とからなる。後述のように、電圧とタッチ圧がほぼ比例関係にある場合は、電圧—押圧換算部は、オフセット量と比例係数に基づいて測定された電圧とタッチ圧を変換する簡単な構成が可能である。

0071

ここで示した位置検出・座標算出ICならびに押圧検出ICの構成は一例であり、他の構成でもかまわない。また、ICとせず他の回路で組み合わせて構成してもよい。もしくは、両方のICを一体化した一つのICとしてもよい。

0072

タッチ位置とタッチ圧の検出の更に詳細な方法としては、様々な方法が考えられる。ここでは、まずタッチ位置とタッチ圧とを時間をずらして検出する時分割検出の方法の一例を示す。

0073

図4は、時分割検出の一例を示すタイミングチャートである。時分割検出では、タッチ位置検出期間4Cとタッチ圧検出期間4Dが分けられる。タッチ位置検出期間は、例えば、第1の導電体層112、第2の導電体層122共に正弦波が印加される。この期間は、タッチによってタッチする面により近い第1の導電体層112の信号に変化が発生する(図示せず)。この変化を図5の位置検出・座標算出IC2101で読み取る。続くタッチ圧検出期間は、第1の導電体層112は一定電位、例えばグランド電位に固定される。この第1の導電体層への印加電圧の時間に応じた切り替えは、例えば図5に示す位置検出・座標検出IC2101内の、セレクタ2072、直流駆動回路2071、交流駆動回路207、から構成される。交流信号を印加している期間は、セレクタ2072により交流駆動回路207の出力が選択され、一定電位に固定する期間は、セレクタ2072により直流駆動回路2071が選択される。一方、第2の導電体層122はタッチ圧検出期間中はフローティング状態とされる。交流信号の印加とフローティング状態の切り替えは、例えば図6に示す回路で実現される。この回路は、第2の導電体層に接続され、ハイインピーダンススイッチ2077と交流駆動回路2075からなり、ハイインピーダンススイッチ2077により、交流駆動回路2075に接続するか、接続せずにフローティング状態(ハイインピーダンス)とするかを選択する。このフローティング状態の第2の導電体層の電圧変化をFETアンプOPアンプ等で構成した電圧モニタ(押圧検出部302に設けられる)で測定する。この時に、電圧変化を測定する検出回路は、図6のハイインピーダンススイッチ2077の第2導電体層122へと記載した部分に接続される。すると、タッチによる押圧がある場合(4A)、圧電シートにたわみが生じ、圧電分極による電荷が発生する。その結果、第1の導電体層112の電位に対する第2の導電体層122の電位の変化として、電圧変化を測定することが出来る。この電圧変化は、押された際と、離された際で正負が逆向きとなる。この電圧変化の強度は、押す強さに比例する(正しくは、押す力に発生する電荷が比例する。圧電体層は押されることによって容量も変化するため、電圧は押す力に対し完全には比例しないが、ほぼ比例する)。また、押圧がある場合、押すのをやめた際、押圧で生じた電荷を打ち消すような逆向きの電位の変化が生じる(図で押圧がない場合より下に出ている変化)。この逆向きの電位変化を検出することによってもタッチ圧の強度を求めることが可能である。こうして測定されたタッチ圧の強度を、図3の押圧検出IC310の記憶部303に記憶されたしきい値と比較することで、タッチ圧に応じた反応を実現することが出来る。例えば、記憶部303に3段階の押圧に対するしきい値(最も低い段階のしきい値は、前述の押圧の発生自体を検知するためのしきい値と同じとする)を記憶することで、軽い押圧はタッチ(表面に触れたが、まだ探索中等で選択にまで至らない可能性がある状態)、中間の押圧は仮選択(メニューの一項目を選ぶ準備が整った状態)、強い押圧は最終決定(メニューの一項目の選択を確定したり、付随したサブメニュー内の項目を選択したりする状態)というような使い分けをすることも可能となる。タッチによる押圧がない場合(4B)、圧電シートにたわみは生じないので、圧電分極せず、電荷も発生しない。

0074

尚、この時分割検出の構成で、タッチ位置検出期間に第2の導電体層122に印加する波形は正弦波である必然性はない。しかし、第1の導電体層112と同じ正弦波を使用した場合、圧電シートの下に表示素子を組み合わせた場合等において、下側の素子が発生する輻射ノイズ等の影響を第1の導電体層112に伝えないためのシールド面の役割を第2の導電体層122が担う。これによって、高精度なタッチ位置の検出が可能となる。

0075

本実施形態では、第1の導電体層と第2の導電体層に挟まれた圧電シートを利用することによって、タッチ位置とタッチ圧を検出するため、従来の技術で課題となっていた、使用する部材が多いことや装置全体のサイズが大きくなることが解消する。

0076

[発明の他の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態として、第1の実施の形態の変形例を示す。ここでは、タッチ位置とタッチ圧の検出方法を変えた例を示す。

0077

上記では時分割検出の例を示したが、ここでは、時間的に分割しないで検出する方法の一例を示す。図7は時間的に分割しないで検出する方法における斜視図を示し、図8はそのタイミングチャートである。第1の導電体層112には、交流電圧が印加される。一方、第2の導電体層122では、導電体層の一端(例えば第2導電層用接続配線1 2201)から交流電圧が印加され、他端(例えば第2導電層用接続配線2 2202)で電圧を検出する。この構成により、タッチ位置とタッチ圧が検出できる。第1の導電体層112で検出されるタッチ位置による第1の導電体層の電位の変化は、位相がわずかに変化するが、その変化量はタッチ中を通じてほぼ一定であり、振幅の変化がタッチ状態に応じて大きく変化する。すなわち、位相の変化に基づく時間的な波形のズレはわずかであり、また、時間軸に対し、ほぼ平行移動である一方で、振幅はタッチ開始からタッチ終了まで複雑に変化する。一方、第2の導電体層122の第2導電体層接続配線2 2202を通して検出されるタッチ圧による第2の導電体層の電位の変化は、位相・振幅共に大きく変化する。第2の導電体層で検出されるタッチ圧の影響は圧電効果と逆圧電効果に基づくものであるため、複雑な変化となる。このようにタッチ位置によるものとタッチ圧によるものは波形が大きく異なるので、分離が可能である。例えば、位相が大きく変化することを利用して特定周波数でのフィルタリングが可能である。また、タッチ圧がない状態での振幅は特定振幅より大きい振幅への増加と特定振幅への戻りというプラス側の変化のみを示すのに対し、タッチ圧が存在する場合、逆圧電効果により、特定振幅よりも減少するマイナス側の変化も示す点を利用して分離が可能である。これらの分離方法を組み合わせることも可能である。ここで、図5において押圧がある場合の波形が5Aであり、押圧がない場合の波形が5Bである。

0078

第1の実施の形態の時分割による検出では、タッチ圧検出期間が不連続となるため、正確なタッチ圧を見積もることが困難な状況が発生する場合がある。すなわち、タッチ圧の変化がきわめて緩やかな場合、一度のタッチにおけるタッチ圧の変化が、複数の時分割の期間に分解される。そして、タッチ位置検出期間とタッチ圧検出期間を一つのセットとした場合に、複数のセットを経て、一度のタッチ動作のタッチ圧の変化の検出が可能となる。この場合、時分割の切り替え時に印加波形も変化するため、検出の基準の設定や変化の追跡が困難になる。例えば、タッチ圧検出期間の終了後に次のタッチ位置検出期間に移る
際に、図4では第2の導電体層122がフローティング状態から第1の導電体層112と同電位・同波形とされる。この際、タッチ圧によって生じた分極電荷による成分も含めて両導電体層の電位を同一化するように働くため、次のタッチ圧検出期間では、その前のタッチ位置検出期間の開始時に存在していたタッチ圧は無かったものとして信号が検出される。このように、タッチ圧が各検出期間のセット毎に不連続となるため、正しいタッチ圧を見積もることがしばしば困難となる。押圧検出IC310の記憶部303に検出期間ごとの情報を記憶しておき、制御部301で連続性を保つようにすることは可能である。

0079

一方、本実施形態の時分割によらない方法では、複雑な波形を分離する必要がある一方で、印加する波形は一定で連続しているため、基準の設定や変化の追跡が困難になる場合はほぼ生じない。このため、連続して、タッチ圧を見積もることが可能である。その結果、押圧検出IC310の構成も簡単でよい。

0080

次に、本発明の第3の実施の形態を、図面を参照して説明する。

0081

本実施形態の斜視図である図9を参照すると、本発明の実施の形態は、圧電体層602と、圧電体層602の一方の面に配置された第1の導電体層612と、圧電体層602の他方の面に配置された第2の導電体層622と、第1の導電体層612の圧電体層602が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層642とからなる。

0082

好ましくは、圧電体層602は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0083

本実施形態では、第1の導電体層612で面内の位置を検出すると共に、圧力を検出する。図9では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層612の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線623が示されている。第2の導電体層622には信号が印加される。

0084

図9の第1の導電体層612の四隅に設けられた電極から引き出された接続配線623には、第1の導電体層に例えば交流信号を与えると共に、その接続配線623を流れる電流の変化を読み取ることによってタッチによる電流変化ならびにタッチ位置による電流変化量の違いを知ることが出来る。また、第1の導電体層612と第2の導電体層622に設けられた電極から引き出された接続配線623を用いて、タッチ圧により圧電体に生じる電圧を知ることが出来る。これらの構成について、次に詳細に説明する。

0085

本実施形態と第1の実施形態ならびに第2の実施形態との違いは、本実施形態では、検出を全て第1の導電体層612で行う点である。すなわち、時分割で検出を行う。位置検出・座標算出IC210と押圧検出IC310も時間ごとに分けて使用する。例えば、二つのICは共に第1の導電体層612に接続される。それぞれをスイッチやリレー等の手段で時間的に切り替えて用いる構成とする。

0086

図10に、本実施形態における、時分割検出の一例を示すタイミングチャートである。時分割検出は、タッチ位置検出期間(7A)とタッチ圧検出期間に分けられる(7B)。図4と異なる点は、本実施形態では、第2の導電体層の電位は、正弦波もしくは固定電位とされる。第1の導電体層の電位は正弦波から、フローティング状態とされ、図4の第1と第2を入れ替えたようなタイミングチャートとなる。すなわち、押圧検出IC310を使用する期間(タッチ圧検出期間)は、位置検出・座標算出IC210と第1の導電体層612の接続はハイインピーダンスとされ、第1の導電体層612はフローティング状態となる。この期間に押圧検出IC310が第1の導電体層612に接続され、押圧を検出する。一方、第2の導電体層622には、図5のセレクタ2072、直流駆動回路2071、交流駆動回路207に相当する回路が接続されることで、交流駆動回路207による正弦波と、直流駆動回路2071による固定電位を切り替えることが可能となる。

0087

この構成により、時分割検出ではあるが、タッチ位置とタッチ圧を検出することが可能となる。図10において、押圧がある場合が波形7Cであり、押圧が無い場合の波形が7Dである。また、第1の実施の形態で時分割検出する場合と比べると、第2の導電体層に常に何らかの電位・信号が供給されているため、表示素子を第2の導電体層622の下に組み合わせた場合に、第2の導電体層622が表示素子からの輻射ノイズ等を第1の導電体層612に伝えないようにするシールド面の役割も果たしている。このため、第1の実施の形態での時分割検出に比べると、裏面からのノイズに強い。

0088

次に、本発明の第4の実施の形態について、図面を参照して説明する。

0089

図11は、本実施形態を示す斜視図である。図11は、第1の実施形態の図1と同様に、圧電体層802と、圧電体層802の一方の面に配置された第1の導電体層812と、圧電体層802の他方の面に配置された第2の導電体層822と、第1の導電体層812の圧電体層802が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層842とからなる。

0090

好ましくは、圧電体層802は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0091

本実施形態では、第1の導電体層812で面内の位置を検出する。図11では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層812の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線823、ならびに、第2の導電体層822に設けられた電極(図示せず)とそこから引き出された第2導電体用接続配線824が示されている。

0092

一方、第2の導電体層822には、第1の導電体層812に印加される位置検出用の信号と同じ信号に加えて、必要に応じて振動信号(振動信号の波形に関しては、後述する)が重畳して印加される。この重畳される振動信号は、タッチした人や物に対し、振動によるフィードバックを与えるために利用される。
図12に、第2導電体用接続配線824に接続され、位置検出用の信号と振動信号を重畳して印加する回路(第2の信号印加手段)のブロック図を示す。この回路では、位置検出用の信号を発生する交流駆動回路8075の出力と、振動信号発生部(振動信号発生手段)8055の出力とを重畳する重畳部8010を有する。

0093

上記で利用される振動信号の振幅が、位置検出信号等に比べて高電圧が必要な場合は、必要に応じてDC/DCコンバータ等で構成された昇圧回路を利用する。

0094

尚、振動によるフィードバックで用いる振動信号は、提示したい振動刺激によって適宜選択される。

0095

例えば、5Hz程度の振動刺激では圧覚圧感)を提示することが可能である。これは、この近辺低周波数はSAタイプとされ、特に受容野が広いSAI分類される触覚受容器であるメルケル触盤を効果的に刺激するためである。この場合、低周波振動で大きな変異を生じることによって凹凸感を明確に示すことが出来る。このSAIタイプの触覚受容器は、ひずみセンサとしての機能を有しており、圧覚に対応する。

0096

一方、20Hz程度において振動の周波数も変化させるような刺激では、粗さ感を提示できる可能性がある。この際に触運動速度変化等とも組み合わせる方が粗さ感をより明確に提示できる。この近辺の周波数は、高周波数で且つ受容野が広いFAIに分類される
マイスナー小体を刺激すると考えられる。このFAIタイプの触覚受容器は、速度センサとしての機能を有しているため、粗さ感に対応する。

0097

更に、200Hz程度においての信号刺激は、摩擦感を提示できる可能性がある。この際、触運動の加速度変化(すなわち指を動かす動作など)等とも組み合わせる方が摩擦感をより明確に提示できる。この近辺の周波数は、高周波数で且つ受容野が狭いFAIIに分類されるパチニ小体を刺激すると考えられる。このFAIIタイプの触覚受容器は、加速度センサとしての機能を有しているため、摩擦感に対応する。

0098

尚、単純な操作感を提示する場合は、以下のような観点での考慮も必要である。すなわち、数百Hzより高い周波数ではほとんどの触覚受容器の感度が低下しているため、触覚フィードバックとして優れていない上に、消費電力が大きくなってしまう。一方で、速い立ち上がり時間は、強力な触覚を生むが、同時に不要なクリック音を生じることがある。このため、与えたい触覚フィードバックの種類によって、印加する振動信号の波形を調整する必要がある。一例として、図13のような波形が参考となる。これは、機械式ボタンを模式した触覚フィードバックでの波形の例である。P0〜P1の期間でボタンを押した際の触覚フィードバックの応答を示し、P2〜P3でボタンを離した際の触覚フィードバックの応答を示す。P1〜P2の期間は、ボタンを押している期間であり、実際のタッチ状況によって決定される。この図13のような波形を振動信号発生部8055で発生することによって、圧電素子の振動を調整し、人に触覚として認識させることが可能である。

0099

また、高電圧が必要とされる場合は、上述のようにDC/DCコンバータ等の回路の工夫で対応することも可能であるが、一方で圧電シートを積層する等の手法によって厚膜化することで、同じ電圧で大きな駆動力を得るようにし、必要な電圧を低下することも可能である。

0100

本発明の第5の実施の形態について、図面を参照して説明する。

0101

図14は、本実施形態を示す斜視図である。図14は、圧電体層1002と、圧電体層1002の一方の面に配置された第1の導電体層1012と、圧電体層1002の他方の面に配置された第2の導電体層1022と、第1の導電体層1012の圧電体層1002が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層1042とからなる。ここで、第2の導電体層1022は、複数のストライプ状にパターニングされている。

0102

好ましくは、圧電体層1002は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0103

本実施形態では、第1の導電体層1012で面内の位置を検出する。図14では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層1012の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線1023が示されている。

0104

一方、第2の導電体層1022では、ストライプ状にパターニングされた個々の導電体の両端に電極が設けられ、そこから接続配線1023が引き出される。この様子の平面図を図15に示す。図15は、図14の構成を第2の導電層1022側から観察した平面図である。尚、図14図15は、図中に示したxyz座標系記号で方向が分かるようにしてある。ストライプ状のパターンの各々は、図のx方向が長手になるように形成されている。そして、図のy方向にストライプが並ぶようになっている。

0105

本実施形態では、このストライプ状にパターニングされた第2の導電体層の両端に設けた電極によりストライプの両端で電圧を計測する。すなわち、図15に示すように、ストライプ状にパターニングされた第2の導電体層1022の各ストライプパターンの両端に電極が設けられ、各々に対して接続配線1023が設けられる。この各々の接続配線1023の先に電圧アンプ等の計測手段が設けられる。

0106

このストライプ状のパターニングの効果と、両端での電圧計測の効果により、タッチ圧からタッチ位置を得ることが可能である。以下、本実施形態の構造ならびにタッチ圧からタッチ位置を得る動作に関して詳細に説明する。

0107

図16にこのストライプ状導電体層をユーザがタッチする側、すなわち、第1の導電体層側から観察した場合の図を示す。ここでは、接続配線は示しておらず、パターニングされた第2の導電体層のみを示している。ここで、仮に第2の導電体層が図のように13本のストライプパターン1022a〜mに分割されているとする。

0108

本実施形態をペン等である程度の圧力をかけてタッチした場合、図17に示すようにタッチした部分を中心に周囲にほぼ同心円状にたわみが発生する。その際に誘起される分極電荷を図示すると、例えば、図18のようになる。ここで、プラス記号は分極電荷の発生とその強度を面内の密度にかえて表したものである。すなわち、タッチした部分を中心にほぼ同心円状に強度が異なる分極電荷が観察される。この図18の状態を測定すると、ストライプパターン1022fはプラス記号2つが入っていることから、わずかな分極電荷が観察される。一方、1022hではプラス記号が4つ入っており、1022fの約2倍の分極電荷が観察される。そして、1022gでは、プラス記号が12個入っており、1022hの更に約3倍の分極電荷が観察される。それ以外のストライプパターン上では、プラス記号が入っておらず、分極電荷は観察されないか観察されるとしても非常にわずかである。このように各ストライプパターンで観察される分極電荷を比較することにより、タッチした部分のy方向での位置は、1022gの中心から若干1022hよりであることが分かる。このようにして、タッチ圧による分極電荷から、y方向の位置を知ることが出来る。各ストライプパターンの抵抗が十分に小さい場合は、分極電荷はたわみが発生している場所に生じた後に、各ストライプパターン内に配分される。このような電荷の配分が生じた場合も、大きな分極電荷が生じたストライプパターン(例えば1022g)と分極電荷が生じていないストライプパターンは容易に区別でき、y方向の位置を知ることが出来る。

0109

更に、ストライプの両端に電極が設けられ、各ストライプの両端で電圧を計測する。この構成で、第2の導電体層1022のシート抵抗を適当な値に設定すると共に、電圧の計測部ならびに圧電体層1002の時定数が適当な値になるように厚み等を調節する。この結果、タッチ圧によってストライプの両端に発生する電圧が、ストライプ内でのタッチ位置1023に依存して変化するようになる。この様子を図19に模式的に示す。タッチする位置1023によって、両端で観察される電圧が異なる様子が示されている。電圧値は模式的に示したものであるが、例えば、右端をタッチした場合、右側では5.45V、左側では4.5Vが計測される。中央をタッチした場合、左右ともに、5.0Vが計測される。このようにして、x方向でのタッチ圧をかけた位置の違いによって、両端で観測される電圧が異なってくる。この結果を利用することにより、タッチ圧が発生したx方向での位置1023を求めることが可能である。

0110

このように、ストライプ状の第2の導電体層、ならびに、ストライプの両側で電圧を計測することによって、タッチ圧が面内のどの位置で発生したかを求めることが出来る。

0111

第1の導電体層1012は、表面型静電容量方式のため、タッチする物体が仮想グランドに対し導通を有する必要がある。すなわち、人体のように体を介して仮想グラウンドに接続される例や、導電性で且つグランドに接続された特殊ペンの例、等ではタッチ位置1023を検出することが出来るが、通常のペンでのタッチ等ではタッチ位置1023を検出することが出来ない。この第4の実施の形態では、タッチ圧を利用してタッチ位置を求めることが出来るため、パターニングされない第1の導電体層と、ストライプ状にパターニングされた第2の導電体層と、その間の圧電層というシンプルな構成によって、通常のペンでのタッチや絶縁物を介してのタッチ等でもタッチ位置1023を知ることが出来る。

0112

次に、本発明の第6の実施の形態について、図面を参照して説明する。

0113

図20は、本実施形態を示す斜視図である。図20は、本発明の第1の実施の形態の図1や第4の実施の形態の図11と同様に、圧電体層1602と、圧電体層1602の一方の面に配置された第1の導電体層1612と、圧電体層1602の他方の面に配置された第2の導電体層1622と、第1の導電体層1612の圧電体層1602が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層1642とからなる。

0114

好ましくは、圧電体層1602は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0115

本実施形態では、第1の導電体層1612で面内の位置を検出する。図20では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層1612の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線1623、ならびに、第2の導電体層1622に設けられた電極(図示せず)とそこから引き出された接続配線1624が示されている。また、図21に、第2導電体用接続配線1624に接続され、位置検出用の信号と音響発生信号を重畳して印加する回路(音響発生信号印加手段)のブロック図を示す。この回路では、位置検出用の信号を発生する交流駆動回路16075の出力と、音響発生信号発生部(音響発生信号発生手段)16085の出力とを重畳する重畳部16010を有する。

0116

本実施形態が、第4の実施の形態の図12と大きく異なる点は、図21の回路で重畳される振動信号の波形や周波数や強度である。この本実施形態では、ユーザフィードバックの一つとして音を発生させる。一方で、第4の実施の形態では好ましくない音の発生を排除する構成を一例として挙げている。本実施形態では、特に周波数を数百Hzから数kHzの非常に聞き取りやすい音の周波数とすることで、ユーザが音を検知することが出来る。このように、本実施形態では、第1の導電体層1612で面内の位置を検出し、第1の導電体層1612と第2の導電体層1622の間に信号を印加することによって、ユーザが可聴な音を発生させる。

0117

更には、重畳する振動信号の波形によっては、触覚と音との両方を良好に提供することが出来る。すなわち、聴覚用と比較すると低周波の触覚用の信号に、触覚用と比較すると高周波の聴覚用の信号を重畳することによって、触覚と音の両方を提供することが実現可能である。この場合に第2導電体用接続配線1624に接続され、位置検出用の信号と振動信号と音響発生信号の双方を重畳して印加する回路(音響発生信号印加手段)のブロック図の一例を図22に示す。この回路では、位置検出用の信号を発生する交流駆動回路16175の出力と、振動信号発生部16155の出力、音響発生信号発生部16185の出力とを重畳する重畳部16110を有する。

0118

このように、本実施形態では、触覚だけでなく、ユーザが聞くことのできる音を発生させることを特徴とする。

0119

本発明の第7の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

0120

本実施形態の斜視図である図23を参照すると、本実施形態は、圧電体層1702と、圧電体層1702の一方の面に配置された第1の導電体層1712と、圧電体層1702の他方の面に配置された第2の導電体層1722と、第1の導電体層1712の圧電体層1702が配置された面と反対側の面に配置された絶縁体層1742と、第2の導電体層1722に対して前記第1の導電体層1712と反対側に所定の距離を離して配置された第3の導電体層1732とからなる。

0121

好ましくは、圧電体層1702は、可視光領域で透明な透明圧電シートとする。また、使用する用途によっては、可視光領域に限らず用途に応じた波長領域で透明な特性を有する圧電シートとする。

0122

本実施形態では、第1の導電体層1712で面内の位置を検出し、第2の導電体層1722で圧力を検出する。図23では、検出のために配置される電極の例として、第1の導電体層1712の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線1723が示されている。

0123

図23の第1の導電体層1712の四隅に設けられた電極から引き出された接続配線には、第1の導電体層に例えば交流信号を与えると共に、その接続配線を流れる電流の変化を読み取ることによってタッチによる電流変化ならびにタッチ位置による電流変化量の違いを知ることが出来る。また、第1の導電体層1712と第2の導電体層1722に設けられた電極から引き出された接続配線(図示せず)を用いて、タッチ圧により圧電体に生じる電圧を知ることが出来る。本実施形態では、第3の導電体層1732を有し、第2の導電体層1722に直接信号を印加するのではなく、第3の導電体層1732に信号を印
加する。これらの構成について、次に詳細に説明する。

0124

他の実施の形態では、第2の導電体層が信号の印加と信号の検出の双方に利用されるか、信号の印加のみに使用される。一方、本実施形態では、第2の導電体層1722は、信号の検出のみに使用される。第2の導電体層1722への印加が必要とされる信号は、第1の導電体層1712と第3の導電体層1732とその間の第2の導電体層1722からなる容量結合によって、第1の導電体層1712と第3の導電体層1732に印加された信号の結果として得られる。

0125

理想的には、圧電体層1702が圧電気を発生していない状態では、第1の導電体層1712と第2の導電体層1722の間の容量と、第2の導電体層1722と第3の導電体は等しいことが好ましい。また、第1の導電体層1712と第3の導電体層1732のシート抵抗は同一であり、信号の印加方法(何箇所から印加するか等)も同じであり、印加される信号も同一であることが好ましい。この構成によって、第2の導電体層1722に誘起される電位は、第1の導電体層1712と第3の導電体層1732と同じ電位となる。但し、第1の導電体層1712に印加する表面型静電容量式タッチパネル用の検出信号の周波数が特定の条件となると、第1の導電体層1712に印加する正弦波等の信号に対し、圧電体層が反応し圧電気を示してしまう場合がある。このような場合は、検出信号の周波数を変更するか、容量結合の容量比に影響を与える第1の導電体層1712と第2の導電体層1722間の容量の算出において、検出信号の周波数によって誘起された圧電気による圧電体層の厚み等の変化による容量の変化を考慮することが好ましい。

0126

上記のような構成によって、第2の導電体層1722に直接的に信号を印加せずとも、容量結合による誘起によって所望の信号波形を得ることが出来る。

0127

本構成では、第2の導電体層1722が容量結合等の間接的なものでなく外部との直接的な接続によって電気接続されるのは、第2の導電体層1722でタッチ圧を検出する構成のみとなる。この構成は、タッチ圧の検出を時分割で行う必要が無いと共に、信号印加の影響を受けないため、ノイズ等が低減する。更には、表示素子等を第3の導電体層1732の裏側に配置する場合、第3の導電体層1732が表示素子からのノイズに対するシールド面の役割を果たすため、タッチ圧の検出精度が向上すると共に、タッチ位置の検出精度も向上する。

0128

また、上記で説明した圧電シートを表示素子と組み合わせる場合の構成の一例を図24に示す。圧電シートの下に表示素子を配置する。圧電シートはほぼ透明であるため、表示素子の表示を問題なく観察することが出来る。圧電シートと位置検出・座標算出IC210ならびに押圧検出IC310は、接続部を介して接続される。図では、接続部を表示素子の側面に置くことにより、これらのIC210、310は、表示素子の裏面に配置されている。

0129

本発明の第1の実施の形態に関わる実施例を以下に示す。

0130

本実施例では、圧電体層102として、PVDFフィルムを用いた。PVDFフィルムの厚みは50μmとした。押し出し後に一軸延伸することでフィルム状に形成した後に、外部に金属電極を準備して高電圧を印加することで分極処理ポーリング処理)を施して、圧電性を付与した。ここでは、分極処理をフィルム形成後に行ったが、延伸等の機械的な工程中に分極処理を行っても良い。

0131

分極処理されたPVDFフィルムの両面に、透明電極として、ITO(インジウム錫酸化物)をスパッタ法により50nmの厚みで成膜した。この際に、ターゲット種類、酸素圧成膜温度等からなる成膜条件は、第1の導電体層となる側のITOはシート抵抗が500Ω(オーム)となる条件とし、第2の導電体層となる側のITOはシート抵抗が50Ωとなる条件とした。

0132

第1の導電体層に相当するITO膜の四隅に銀ペーストで電極を形成し、更にその電極に配線を接続し計4本の配線を構成した。ここで外部ノイズの影響を受けにくくするため、配線は同軸配線とした。

0133

第2の導電体層に相当するITO膜では、圧電体層の外形である長方形の二つの短辺にそれぞれ、すなわち、2点間の距離が長い方向の2箇所に銀ペーストで電極を形成し、更にその電極に配線を接続し計2本の配線を構成した。この様子を図25に示す。図では、導電体層の左右端に上下方向に延在した電極を銀ペーストで設けている。ここでも外部ノイズの影響を受けにくくするためと、電圧の検出の部分で高い入力インピーダンスインピーダンス変換回路を用いる際にシールド効果を最大限に高められるようにするために、配線は同軸配線とした。

0134

第2の導電体層の電圧の検出に用いる電圧モニタには、FETスイッチソースフォロアもしくはOPアンプを用いたボルテージフォロア等を用いることができる。

0135

更に、既に説明した位置検出・座標算出ICと、押圧検出ICを利用した。

0136

本実施例では、タッチ位置の検出はタッチ検出エリア対角サイズに対して、3%の精度での検出が可能であった。また、タッチ圧では0.3N(ニュートン)から8Nの間の押圧とその離脱と正しく測定できた。8Nより大きい押圧も検出できたが、圧力と電位の非線形性が見られ、圧電シートを支えている筐体の変形等が関与している可能性が見られたため、本実施例での実用レベルは8Nまでとした。逆に、0.3Nから8Nの間は圧力と電圧の間の関係がほぼ線形となっており、直線で近似した際の決定係数R2(相関係数の2乗)は0.98と線形性は極めて良好であった。

0137

ここで、押圧の強度に応じて、機能を選択する構成を採用した。図3の押圧検出IC310を用い、測定されたタッチ圧の強度を、押圧検出IC310の記憶部303に記憶されたしきい値と比較することで、タッチ圧に応じた反応を実現することが出来る。記憶部303に3段階の押圧に対するしきい値を記憶する構成でのソフトウェア機能選択の例を図26並びに図27に示す。図26は、時間と押圧レベルの関係を示す図であり、記憶部303に記憶された3種類のしきい値(しきい値1、しきい値2、しきい値3)と、押圧の変化の例を示している。図27は、図26に示した27A〜27Dの各状態に、画面上に表示されているオブジェクトの例を示す。

0138

最も低い段階のしきい値であるしきい値1は、押圧の発生自体を検知するためのしきい値とし、このしきい値を以下ではタッチを検出できないと判断し、画面表示は図27A図26の27Aに対応)のように特に変化はない。このしきい値1を超えると、タッチが発生したと判断し、次の機能である、表面選択(表面に触れたが、まだ探索中等で選択にまで至らない可能性がある状態)とする。この場合、しきい値1としきい値2の間の押圧レベルで画面内のタッチ位置を変えると、画面表示は図27B図26の27Bに対応)や図27C図26の27Cに対応)のようにタッチしている位置に応じて選択されるオブジェクトが変更される。次に、しきい値2を超えると、次の機能である、仮選択(メニューの一項目を選ぶ準備が整った状態)とする。仮選択の状態では、例えば図27D図26の27Dに対応)のように、選択されているオブジェクトの上に、オブジェクトに対応したメニューが表示される。更に押圧が上がり、しきい値3を超えると、次の機能である最終決定(メニューの一項目の選択を確定したり、付随したサブメニュー内の項目を選択したりする状態)とする。最終決定の状態では、例えば図27E図26の27Eに対応)のように、選択されているオブジェクトに対応するメニューのうち1項目(図の例では、再生ボタン)が選択され、メニューに対応した動作がついで行われる。このように、機能変更を、記憶された押圧のしきい値によって選択するような同動作が可能である。

0139

ここでは、圧電体層102としてPVDFフィルムを用いたが、材料の組成を若干変更することで、新たな特性を得ることも可能である。例えば、ポリフッ化ビニリデン−4フッ化エチレン共重合体とすることで、透明性を高めることが可能である。すなわち、(CH2−CF2)nで表されるポリフッ化ビニリデンと、テフロン登録商標)を構成する(CF2−CF2)nで表される4フッ化エチレンを共重合とする組成である。また、PVDFとトリフルオロエチレンとの共重合体では延伸処理を経ずとも圧電性を得ることが出来る。これらの共重合体は、モル比によって得られる特性が変わるため、必要な特性に応じてモル比を調整する。

0140

ここでは、同軸配線を利用した構成としたが、同軸配線として3軸の同軸配線を用いて、次のような構成とすることもできる。この例では、3軸の同軸配線を用いると共に、電圧の検出部を配線に並列に生じる寄生抵抗寄生容量の影響を無視できるガードドライブ方式とする。図28にガードドライブ方式での等価回路の一例を示す。圧電体は仮に等価回路1802で示している。電圧を測定する帰還構造のアンプの出力と同じ電位が内部シールド1804に印加される。その結果、アンプの入力と出力が共に同じ電位となるため、アンプの入力側のケーブルによる抵抗によるリークは発生せず抵抗は無限大、容量はゼロとみなすことができる。このような構成によって、より正確にタッチ圧で発生する電位を計測できる(電圧計の記号で図示)。この結果、タッチ圧の測定結果の正確性が増し、より微小な変化を検出することが出来るようになる。内部シールド1804の外周に外部シールド1806が設けられる。全回路のグランドが外部シールド1806に印加される。

0141

実施例2は、実施例1とほぼ同様の構成であるが、使用する材料を大きく変えている。

0142

本実施例では、圧電体層102として実施例1と異なる材料を用いた。具体的には、ポリ乳酸積層フィルムを用いた。ここで用いたポリ乳酸積層フィルムは、光学異性体関係にあるポリ乳酸PLLA)とポリD乳酸(PDLA)の2種類のフィルムを積層させたものである。

0143

ポリ乳酸積層フィルムでは、延伸するだけで圧電性を生じる。そのため、PVDFフィルムで必要とされるポーリング処理が不要であり、高電圧設備等ポーリング処理に必要とされる設備が不要である。また、ポリ乳酸積層フィルムは、PVDFフィルムが有する焦電性をほとんど持たないため、温度が変化した場合においても特性の変化がなく安定性に優れる。

0144

また、本実施例での透明電極は、ATOアンチモン添加錫酸化物)を用いた。シート抵抗500Ω程度では、ITOより長期信頼性に優れる場合も多く、本発明で用いるのに適している。

0145

本実施例で作成したサンプルは、高温高湿バイアス試験(温度60℃、湿度90%)において、実施例1のサンプルに比べて良好な特性(劣化開始時間が遅い等)を示した。

0146

更に、本実施例では、実施例1で実施した押圧に応じた機能選択と同じ機能を、タッチと押圧の両方を用いることで実現した。図29は、時間と押圧レベルの関係を示す図であり、記憶部303に記憶された2種類のしきい値(しきい値4、しきい値5)と、押圧の変化の例を示している。本実施例では、図27A〜27Cは、押圧でなくタッチ検出の機能によりタッチ位置を決定することで実現される。その間の押圧の変化は、例えば図29の29A〜29Cに示すようである。そして、図29の29Dのように押圧のしきい値4を超えると、仮選択の機能とし図27Dとなる。すなわち、本実施例のしきい値4は機能的には実施例1のしきい値2に相当する(実際の押圧のレベルは異なるが、機能は同じである)。更に、図29の29Eのように押圧のしきい値5を超えると、最終決定の機能とし図27Eとなる。すなわち、本実施例のしきい値5は機能的には実施例1のしきい値3に相当する(実際の押圧のレベルは異なるが、機能は同じである)。

0147

このように、機能の選択をタッチ位置検出と押圧のレベルの二つの別の検出値で制御することにより、押圧のしきい値の種類を減らすことが出来、押圧のレベルが大きく変わってしまうような不安定な押し方をされた場合でも、誤動作が少ない機能選択が実現できた。

0148

実施例3では、透明電極の材料を更に、AZO(アルミ添加酸化亜鉛)を用いた。この材料は、希少元素や有害な元素を用いない材料系である。特にアルミと亜鉛は地球上に豊富に存在すると共に容易に精製することが出来る材料であるため、材料の枯渇による費用の高騰等の心配がない。

0149

本材料系の採用により、より低コストでの本発明の圧電シートの実現が可能となった。

0150

本発明の実施例4として、本発明の圧電シートを用いた触覚フィードバック機能つきのタッチパネルの例を示す。

0151

本実施例は第4の実施の形態の構成である。この本実施例では、第1の導電体層に印加する正弦波に、図13に示したような波形を重畳すると共に、20Hz近辺で周波数の変調をかけた別の触覚信号も重畳したものを第2の導電体層に印加する。この結果、タッチ時に機械的なクリック間に似た押込みの感触を提示すると共に、機械的なボタンの表面の素材による粗さ感を提示することが可能であった。このような触覚フィードバックと、画面上に表示されるボタンの形状と素材感の視覚的な提示により、あたかも本物のボタンを押しているかのような感覚を与えることが出来た。

0152

また、別の信号波形として、第1の導電体層に印加する正弦波に、図13に示したような波形を重畳すると共に、1kHz近辺の周波数での信号を重畳したものを第2の導電体層に印加した。これにより、タッチ時に機械的なクリック感と共に、ボタンごとに異なる音を表現することが出来た。

0153

本実施例で用いた回路の一例を図30に示す。第1の導電体層に接続される位置検出・座標検出IC内の交流駆動回路の構成を図30に示す回路に替える。すなわち、交流駆動回路8275の出力と、振動信号発生部8255の出力を重畳部8210で重畳して第1の導電体層に印加する。振動信号発生部8255では図13に示したような波形を発生する。第2の導電体層には、図12のような回路が接続される。

0154

本発明の実施例5として、本発明の圧電シート1902を用いた、曲げ・ネジレ検出の例を示す。図31に、本実施例の構成を示す。

0155

本実施例では、分極処理した厚さ50μmのPVDFフィルム1904の両側に、PEDOT/PSS1906からなる導電材料スクリーン印刷で形成し導電膜の形とした。PEDOT/PSS1906は高分子材料であり、ITO等に比べると曲げ等の機械的な変化に強い。高分子材料PEDOT/PSS1906の四隅に設けられた電極とそこから引き出された接続配線1923が示されている。

0156

こうして形成した圧電シート1902の裏面に、2枚のフレキシブル基板1908で液晶1912を挟みこんで作成した液晶ディスプレイ1910を配置した。液晶ディスプレイ1910でのTFTは有機TFTを用いることで柔軟性を確保した。液晶ディスプレイ1910のバックライト1914も柔軟な導光材料等を用いることによって柔軟なバックライト1914とした。この構成により、液晶ディスプレイ1910と圧電シート1902からなるタッチパネル一体型液晶表示装置を形成した。このタッチパネル一体型液晶表示装置は、基板等が柔軟な材料で構成されており、曲げやネジリの変形が容易である。

0157

そこで、本液晶表示装置に曲げ・ネジリを加えた所、曲げやネジリが信号として検出された。この検出された曲げやネジリに特定の意味を持たせると、信号入力も可能である。例えば、全体を曲げた場合は、表示全体の拡大・縮小の意味としたり、右端を曲げた場合はメニューの決定の意味としたりできる。また、例えば、ネジリを発生させた場合、全ての選択をキャンセルする意味としたりできる。このような検出される動きと意味の対応は目的に応じて適宜可能である。本構成によって、キーボードマウスがない環境でも、タッチパネルのみでなく装置全体を使っての入力等の作業が可能となる。

0158

また、別の応用として第6の実施の形態に挙げた音の発生をテストした。曲げた状態で、1kHz近辺の周波数の信号を重畳することにより、曲げていないフラットな状態に比べて大きな音を出すことが可能であった。これにより、曲げに伴う変化を音で示したりできた。

0159

一方、別の応用として、曲げと伸ばしによる音量の変化を利用した子供向けの知育玩具2002を提供できる。図32(a)(b)に、この知育玩具の例を示す。これは、圧電シートで音を発生させる際、平面状のままでは音が小さく、曲げることによって歪が大きくなるため音が大きくなるという特性を利用する。すなわち、重畳する信号は一定のままでも、ユーザが装置を曲げることによって音量が自動的に大きくなり、画面上に三角形の形状のアイコンが表示され、そのアイコンの塗りつぶされた表示の面積で音量を表示する音量表示2004を示す(図32(b))。ユーザが装置をフラットに戻すことにより音量が自動的に小さくなるため(図32(a))、手の動作と音の音量の変化を取り入れ楽器的な知育玩具が実現できた。

実施例

0160

音の発生に際し、アナログ波である正弦波を使用するより、デジタル波である矩形波を用いた方が、大きな音として感じられることが分かった。このため、本実施例のような最終製品では、音の発生に矩形波を用いることで低電圧化を図り消費電力を下げることによって、バッテリの大きさを小さくしつつ、一度の充電で十分な耐用時間を得ることができた。この際の音の発生に用いた駆動回路の一例を図33並びに図34に示す。図34では、交流駆動回路16175の出力と、矩形波による音響発生信号を発生する矩形波発生部16195の出力を重畳部16110で重畳させ、図33の音響発生信号入力部に出力する。図33では、図34からの信号を音響発生信号入力部から第一の抵抗を介してNPNトランジスタに入力する。入力された信号は、NPNトランジスタを介して、圧電シートの第2の導電体層に印加する。一方、第1の導電体層には、第1の導電体層への信号が入力される。この圧電シートと並列して第二の抵抗が配置される。第二の抵抗の抵抗値は、圧電シートの充放電サポートできる抵抗値に設定する。このような回路構成を利用することにより、圧電シートに音を発生させることが可能である。

0161

1情報処理装置
10抵抗膜式もしくは投影型静電容量方式タッチパネル
11筐体
20 透明圧電シート
21シート状透明圧電体層
22,23 透明平板電極
24フレーム
25バックライト
30液晶パネル
32,33透明シート部材
40トッププレート
41操作子接触面
50タッチパネル
51入力操作面
52 タッチパネルの第2の面
60感圧センサ
95 空隙
100 タッチパネル
101センサ装置
102,602,802,1002,1602,1702 圧電体層
112,612,812,1012,1612,1712 第1の導電体層
122,622,822,1022,1622,1722 第2の導電体層
1732 第3の導電体層
142,642,842,1042,1642,1742絶縁体層
201電流変化検出部
202フィルタリング・増幅部
203ノイズ除去部
204 A/D変換部
205位置座標算出部
206インターフェイスドライバ
207,2075,8075,8275,16075,16175交流駆動回路
210位置検出・座標算出IC
301 制御部
302押圧検出部
303 記憶部
310 押圧検出IC
1623,1624接続配線
2201,2202 第2導電層用接続配線
2071直流駆動回路
2072セレクタ
2077ハイインピーダンススイッチ
8010,8210,16010,16110重畳部
8055,8255,16155振動信号発生部
16085,16185音響発生信号発生部
16195矩形波発生部

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