JP6677355B2 - 操作検出装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、操作対象物に対する利用者の操作を検出する操作検出装置および表示装置に関する。

特許文献１には、透明なディスプレイを備えた携帯端末が開示されている。特許文献１の携帯端末は、透明なディスプレイ、タッチ操作を検出する第１タッチパネル、および第１タッチパネルが設けられた側の裏側に設けられた第２タッチパネルを備える。

特開２０１２−２３０５１９号公報

しかし、特許文献１の携帯端末は、タッチ操作を検出するタッチパネルが表裏の両面に設けられている。すなわち、特許文献１の携帯端末は、表裏の両面に静電容量センサ等のタッチセンサを配置している。特許文献１のように表裏の両面にタッチセンサを設けると、機器の厚みが増加する、または製造プロセスが複雑化するという問題が発生する。

本発明は、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を検出する操作検出装置および表示装置を提供する。

本発明の操作検出装置は、第１主面または第２主面からタッチ操作を受け付けるパネルと、前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対する押圧操作を検出する押圧操作検出部と、前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対するタッチ操作を検出する静電容量センサと、前記押圧操作検出部の検出結果に応じて、前記第１主面または前記第２主面のいずれに対する前記押圧操作がなされたかを判断し、前記静電容量センサの駆動方式を切り替える、制御部と、を備える。

本発明の静電容量センサは、パネルの第１主面または第２主面に対するタッチ操作を検出するが、静電容量センサの配置される位置と、パネル表面との距離は、第１主面と第２主面とで異なる。したがって、静電容量センサにおける、第１主面または第２主面に対するタッチ操作の感度は、異なる。しかし、本発明の操作検出装置は、押圧操作検出部によって、第１主面または第２主面のいずれに対する前記押圧操作がなされたかを判断し、前記静電容量センサの駆動方式を切り替えることで、感度を均一にすることができる。よって、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を同程度の感度で検出することができる。

なお、静電容量センサの駆動方式の切り替えは、例えば静電容量センサの検出閾値を切り替える。また、静電容量センサが相互容量方式である場合には、駆動方式の切り替えとして、静電容量センサの送信電極と受信電極の駆動を切り替えることも可能である。

この発明によれば、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を検出することができる。

表示装置の外観斜視図である。 表示パネルの側面断面図である。 表示パネルの平面図である。 表示装置のブロック図である。 図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、電圧値の時間軸上の信号を示した図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、静電容量値の時間軸上の信号を示した図である。 表示パネルの側面断面図である。 表示パネルの平面図である。 図９（Ａ）は、第１表面パネル４０Ａがタッチされた場合の各電極の動作を示す平面図であり、図９（Ｂ）は、第２表面パネル４０Ｂがタッチされた場合の各電極の動作を示す表示パネルの平面図である。 表示パネルの側面断面図である。 表示パネルの平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の操作検出装置を備えた表示装置について説明する。図１は、表示装置１の外観斜視図である。図２は、表示パネル４０の断面分解図である。図３は、表示パネル４０を平面視した時の、一部構成を示した平面図である。

表示装置１は、図１の外観斜視図に示すように、外観上、筐体５０と、表示パネル４０と、を備えている。筐体５０は、厚み方向（Ｚ方向）に薄い直方体形状である。筐体５０は、幅方向（Ｘ方向）に長く、長さ方向（Ｙ方向）に短い形状である。

表示パネル４０は、筐体５０の側面に、表示面に重ならないように接続されている。表示パネル４０は、平面視して長方形状の平板である。表示パネル４０には、ディスプレイが設けられている。また、表示パネル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（操作対象物）として機能する。なお、ここでは長方形状の平板を示しているが、多角形または円形などのその他の形状でも良い。

表示パネル４０は、第１表面パネル４０Ａ、静電容量電極１１、静電容量センサ用絶縁層１２、第１押圧電極用フィルム１３、押圧電極１４、圧電フィルム１５、第２押圧電極用フィルム１６、表示器３０、および第２表面パネル４０Ｂを備えている。静電容量電極１１、押圧電極１４、および表示器３０は、筐体５０に内蔵された不図示の回路基板に接続されている。

圧電フィルム１５は、平面視して、表示パネル４０の略全面に配置されている。押圧電極１４は、平面視して、圧電フィルム１５の外周部分において枠状に配置されている。なお、押圧電極１４は、必ずしも図３に示すように環状である必要はなく、部分的に電極非形成部があっても良い。また、電極の幅についても必ずしも同じである必要はなく、必要に応じて調整される。静電容量電極１１は、平面視して、押圧電極１４に囲まれる領域に配置されている。押圧電極１４および静電容量電極１１は、互いに重ならないようになっている。

圧電フィルム１５は、利用者が表示パネル４０を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。圧電フィルム１５は、例えば、透明性の高いキラル高分子を用いる。キラル高分子は、一軸延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）であることが好ましい。ポリ乳酸は、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）またはＤ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）がある。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。そして、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、表示パネル４０が法線方向へ変位する変位量によって一意的に決定される。

一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。すなわち、利用者の押圧操作を高感度に検出し、押圧量に応じた信号を高精度に出力することができる。

また、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。このため、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。さらに、ポリ乳酸は、焦電性がないため、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。

本実施形態では、図３の矢印に示すように、圧電フィルム１５は、Ｘ方向およびＹ方向に対して、一軸延伸方向が略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。なお、略４５°とは、４５°±１０°であってもよいし、例えば、２２．５°〜６７．５°であっても良い。

なお、押圧操作検出部としては、本実施形態に示すような圧電フィルムを用いた圧電センサに限るものではなく、第１主面に対応する第１表面パネル４０Ａ側から押圧した場合と第２主面に対応する第２表面パネル４０Ｂ側から押圧した場合とで異なる値が出力されるものであれば良い（理想的には、逆の極性で出力されるセンサであることが好ましい）。ただし、圧電センサであれば、表示パネル４０に対するわずかな変形も検出することができる。なお、圧電フィルム１５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も可能である。透明性の低い材料を用いる場合には、表示器３０よりも第２表面パネル４０Ｂ側に圧電フィルム１５を配置しても良い。

図４は、表示装置１の構成を示すブロック図である。表示装置１は、図４に示す様に、機能的に、操作検出装置４５および処理装置４７からなる。押圧センサ１１Ｐおよび静電容量センサ１１Ｄには、制御部２０が接続されている。押圧センサ１１Ｐは、第１押圧電極用フィルム１３、押圧電極１４、圧電フィルム１５、および第２押圧電極用フィルム１６により構成される。静電容量センサ１１Ｄは、自己容量方式のセンサであり、静電容量電極１１および静電容量センサ用絶縁層１２により構成される。押圧センサ１１Ｐ、静電容量センサ１１Ｄ、および制御部２０は、操作検出装置４５を構成する。処理部２２、プログラム記憶部２３、および表示器３０は、処理装置４７を構成する。

ユーザが、表示パネル４０における第１表面パネル４０Ａまたは第２表面パネル４０Ｂにタッチ操作を行なうと、圧電フィルム１５が法線方向に撓み、電荷が生じる。押圧電極１４は、当該電荷を電圧として出力する。同時に、利用者の指と、静電容量電極１１との間の静電容量が変化する。制御部２０は、静電容量センサ１１Ｄから出力された静電容量の変化を検出することで、タッチ位置を検出する。制御部２０は、検出したタッチ位置を示す情報（位置検出信号）を処理部２２に出力する。

処理部２２は、ＣＰＵを含み、処理装置４７を統括的に制御する。すなわち、処理部２２は、プログラム記憶部２３に記憶されている動作用プログラムを読み出して各種処理を行う。例えば、処理部２２は、表示器３０を制御して画像を表示させるとともに、制御部２０から入力された位置検出信号に応じて操作入力内容を決定し、表示されている画像を変更する。なお、表示器３０は、透明性を有してもよい。この場合、圧電フィルム１５は、高い透明性を有するポリ乳酸を用いる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、押圧センサ１１Ｐの電圧値の時間軸上の信号を示す図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、静電容量センサ１１Ｄの静電容量の時間軸上の信号を示す図である。

図５（Ａ）は、第１表面パネル４０Ａが押圧された場合の出力を示し、図５（Ｂ）は、第２表面パネル４０Ｂが押圧された場合の出力を示す。制御部２０は、基準電位に対して、プラス側に第１閾値Ｔｈ１、マイナス側に第２閾値Ｔｈ２を設定している。制御部２０は、電圧値が第１閾値Ｔｈ１を超えると、第１表面パネル４０Ａが押圧されたと判断し、第２閾値Ｔｈ２を下回ると、第２表面パネル４０Ｂが押圧されたと判断する。なお、基準電位に対して第１閾値Ｔｈ１およびＴｈ２閾値は同じ値（Ｔｈ１＝Ｔｈ２）でも良いし、異なる値を設定しても良い。特に、図２のように押圧センサ１１Ｐが第２表面パネル４０Ｂよりも第１表面パネル４０Ａ側に近く配置されている場合、Ｔｈ１の値をＴｈ２の値よりも大きくしても良い。そのように閾値を設定することによって、操作者は、同じ感度で操作することが可能となる。図２の位置関係の場合、第２表面パネル４０Ｂの変形は第１表面パネル４０Ａ側の変形より伝わりにくいためである。なお、押圧センサ１１Ｐよりも第１表面パネル４０Ａ側、第２表面パネル４０Ｂ側の弾性率の違いを考慮して閾値を設定しても良い。

図６（Ａ）は、第１表面パネル４０Ａがタッチされた場合の出力を示し、図６（Ｂ）は、第２表面パネル４０Ｂがタッチされた場合の出力を示す。制御部２０は、静電容量の値が閾値Ｔｈを超えると、タッチ操作がなされたと判定する。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す様に、第２表面パネル４０Ｂをタッチした場合、第１表面パネル４０Ａをタッチした場合に比べて、静電容量の値は小さくなる。図２に示した様に、第２表面パネル４０Ｂと静電容量センサ１１Ｄとの距離は、第１表面パネル４０Ａと静電容量センサ１１Ｄとの距離よりも長いためである。

そこで、制御部２０は、押圧センサ１１Ｐにより、第２表面パネル４０Ｂが押圧されたと判断した場合、図６（Ｂ）に示す様に、閾値Ｔｈを小さくする。これにより、制御部２０は、第１表面パネル４０Ａがタッチされた場合も、第２表面パネル４０Ｂがタッチされた場合も、感度を均一にすることができる。よって、制御部２０は、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を同程度の感度で検出することができる（Ｔｈ１とＴｈ２は同じ値でも良いが、異ならせることが好ましい）。

本発明の押圧センサ１１Ｐは、静電容量センサ１１Ｄの閾値を変更し、表裏の両面に対するタッチ操作の感度を同程度とする機能を提供するだけでなく、表示パネル４０を押し込んだ強さを検知して、押し込み量を示す情報を制御部２０に出力することができる。押し込み量は、図５で示した押圧センサ１１Ｐの信号を積分することで判定することができる。つまり、本発明の押圧センサ１１Ｐは、タッチ位置とその押し込み量を検出できる表示装置を実現できる。

また、表示パネル４０が可撓性を有する場合、押圧センサ１１Ｐは、表示パネル４０の曲げ方向および曲げ量を検知して、曲げ状態を示す情報を制御部２０に出力することができる。曲げ方向は、図５で示した押圧センサ１１Ｐの信号の極性で判定することができる。曲げ量は、図５で示した押圧センサ１１Ｐの信号を積分することで判定することができる。つまり、本発明の押圧センサ１１Ｐは、タッチ位置および表示パネル４０の曲げ状態を検出できる表示装置を実現できる。

次に、図７は、変形例１に係る表示パネル４０の断面分解図である。図８は、表示パネル４０における、一部構成を示した平面図である。

図７および図８に示す表示パネルは、静電容量センサが、相互容量方式となっている。その他の構成については、図２および図３で示した構成と同じであり、説明を省略する。

相互容量方式の静電容量電極は、静電容量センサ用絶縁層１２を挟んで対向するように、格子状に配置された第１静電容量電極１１Ａと、第２静電容量電極１１Ｂと、を備える。

相互容量方式の静電容量センサは、送信電極（Ｔｘ）にパルス状の信号を入力し、受信電極（Ｒｘ）で電流を測定することで静電容量の変化を検出する。これにより、制御部２０は、利用者のタッチの有無を判定する。

図９（Ａ）に示す様に、制御部２０は、押圧センサ１１Ｐにより、第１表面パネル４０Ａが押圧されたと判断した場合、第１表面パネル４０Ａ側に配置された第１静電容量電極１１Ａを、受信電極（Ｒｘ）とし、第２表面パネル４０Ｂ側に配置された第２静電容量電極１１Ｂを、送信電極（Ｔｘ）として用いる。

また、図９（Ｂ）に示す様に、制御部２０は、押圧センサ１１Ｐにより、第２表面パネル４０Ｂが押圧されたと判断した場合、第２表面パネル４０Ｂ側に配置された第２静電容量電極１１Ｂを、受信電極（Ｒｘ）とし、第１表面パネル４０Ａ側に配置された第１静電容量電極１１Ａを、送信電極（Ｔｘ）として用いる。

これにより、制御部２０は、第１表面パネル４０Ａがタッチされた場合も、第２表面パネル４０Ｂがタッチされた場合も、感度を均一にすることができる。よって、制御部２０は、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を同程度の感度で検出することができる。

次に、図１０は、変形例２に係る表示パネル４０の断面分解図である。図１１は、表示パネル４０における、一部構成を示した平面図である。

図１０および図１１に示す表示パネルは、圧電フィルム１５が表示パネル４０の全面ではなく一部に配置されている。その他の構成については、図２および図３で示した構成と同じであり、説明を省略する。

この場合も、制御部２０は、押圧センサ１１Ｐを用いて、第１表面パネル４０Ａまたは第２表面パネル４０Ｂのいずれが押圧されたかを判断して、静電容量センサの駆動方式を切り替える（閾値Ｔｈを変更する）ことで、表裏の両面にタッチセンサを設けることなく、表裏の両面に対するタッチ操作を同程度の感度で検出することができる。

また、変形例２の構成によれば、圧電フィルム１５の面積を減らすことができ、製造コストを低減することができ、かつ組立ても容易になる。また薄型化にも有効である。

制御部２０は、第１表面パネル４０Ａまたは第２表面パネル４０Ｂのいずれが押圧されたかを判断して静電容量センサの駆動方式を切り替えても良いし、最初に画面を複数回押したのを検知したあとで切り替えても良い。自然な操作感を求める場合には１回の押圧で切り替えるほうが良い。また、ノイズまたは振動などによる誤検知を軽減し、確実に操作することを求める場合は、複数回押した後で切り替えるほうが良い。

１…表示装置
１１…静電容量電極
１１Ａ…第１静電容量電極
１１Ｂ…第２静電容量電極
１１Ｄ…静電容量センサ
１１Ｐ…押圧センサ
１２…静電容量センサ用絶縁層
１３…第１押圧電極用フィルム
１４…押圧電極
１５…圧電フィルム
１６…第２押圧電極用フィルム
２０…制御部
２２…処理部
２３…プログラム記憶部
３０…表示器
４０…表示パネル
４０Ａ…第１表面パネル
４０Ｂ…第２表面パネル
４５…操作検出装置
４７…処理装置
５０…筐体

Claims (4)

1. 第１主面または第２主面からタッチ操作を受け付けるパネルと、
   前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対する押圧操作を検出する押圧操作検出部と、
   前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対するタッチ操作を検出する静電容量センサと、
   前記押圧操作検出部の検出結果に応じて、前記第１主面または前記第２主面のいずれに対する前記押圧操作がなされたかを判断し、前記静電容量センサの駆動方式を切り替える、制御部と、
   を備え、
   前記静電容量センサは、自己容量方式であり、
   前記制御部は、前記駆動方式の切り替えとして、前記静電容量センサの検出閾値を切り替えることを特徴とする操作検出装置。
2. 第１主面または第２主面からタッチ操作を受け付けるパネルと、
   前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対する押圧操作を検出する押圧操作検出部と、
   前記パネルの前記第１主面または前記第２主面に対するタッチ操作を検出する静電容量センサと、
   前記押圧操作検出部の検出結果に応じて、前記第１主面または前記第２主面のいずれに対する前記押圧操作がなされたかを判断し、前記静電容量センサの駆動方式を切り替える、制御部と、
   を備え、
   前記静電容量センサは、送信電極および受信電極を備える相互容量方式であり、
   前記制御部は、前記駆動方式の切り替えとして、前記静電容量センサの前記送信電極と前記受信電極とを切り替えることを特徴とする操作検出装置。
3. 前記押圧操作検出部は、前記パネルの一部に配置されている、
   請求項１または請求項２に記載の操作検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の操作検出装置と、
   表示器と、
   を備えた表示装置。

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