(57)【要約】【課題】  媒体の材質や厚さ、押し込み量などに影響され難く、構造並びに組み立てが簡単で、待機電力も不要であり、大面積の媒体にも十分な検出精度が得られるようにする。【解決手段】  周辺部で保持した硬質板状の媒体１０上に１個以上の加速度センサ１４を取り付け、タッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を加速度センサによって検出し、その検出信号によってタッチを検出する。典型的には、四辺形状の媒体の各辺に加速度センサをそれぞれ取り付け、対向する２辺の加速度センサを組として、互いに直交する関係にある加速度センサの組での検出信号強度の比率から２次元座標上でのタッチ位置検出を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周辺部で保持した硬質板状の媒体上に１個以上の加速度センサを取り付け、該加速度センサによってタッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を検出し、その検出信号によってタッチを検出することを特徴とするタッチパネル。
【請求項２】
媒体の対向する２辺に加速度センサをそれぞれ取り付け、両方の加速度センサで得られる検出信号強度の比率から１次元座標上でのタッチ位置検出を行う請求項１記載のタッチパネル。
【請求項３】
四辺形状の媒体の各辺に加速度センサをそれぞれ取り付け、対向する２辺の加速度センサを組として、互いに直交する関係にある加速度センサの組みでの検出信号強度の比率から２次元座標上でのタッチ位置検出を行う請求項１記載のタッチパネル。
【請求項４】
対向する２辺の加速度センサの一方の組をＸ側、それに直交する組みをＹ側とし、Ｘ側の検出信号強度を求めＸ信号強度比率を算出してＸ位置を決定し、Ｙ側の検出信号強度を求めＹ信号強度比率を算出し、Ｘ信号強度比率からＸ信号強度比率別のＹ検量線を決定してＹ信号強度比率からＹ位置を決定する請求項３記載のタッチパネル。
【請求項５】
検出信号強度として変形加速度波形のピーク値を用い、ピーク値の比率によってタッチ位置検出を行う請求項２乃至４のいずれかに記載のタッチパネル。
【請求項６】
媒体にガラスあるいは硬質のプラスチックを用い、加速度センサとして圧電素子を用いる請求項１乃至５のいずれかに記載のタッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状媒体へのタッチ入力を検出する方式のタッチパネルに関し、更に詳しく述べると、タッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を圧電素子などの加速度センサで検出する形式のタッチパネルに関するものである。この技術は、タッチ位置を２次元的に検出する大型のタッチパネルのみならず、タッチの有無を検出するタッチパネル（スイッチ）などにも適用できる。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルは、板状媒体へのタッチ入力を検出する入力デバイスであり、各種のコンピュータ応用機器などで用いられている。タッチパネルにおける位置検出方式としては、従来、抵抗膜方式、静電容量方式、超音波方式、赤外線方式などが開発されているが、それぞれ一長一短があり、用途や使用状態が制限されている。例えば、抵抗膜方式では使用中に媒体表面の抵抗膜が損傷する恐れがあり耐久性が乏しく、静電容量方式では手袋をしたままで媒体にタッチしても応答しない。超音波方式では媒体に水滴が付着すると伝搬する振動が吸収されるため検出できない恐れがあり、赤外線方式ではタッチしなくても反応してしまうことがある。
【０００３】
それらに対して、最近、歪ゲージ方式のタッチパネルが提案されている（例えば特許文献１参照）。ここでは四辺形状の板状媒体の四隅に歪ゲージセンサを配置し、タッチ入力による媒体の変形を検出するように構成されている。歪ゲージセンサで検出できるのは媒体の変形量の絶対値であり、それゆえ四隅での変形バランスによってタッチ位置の特定を行う。
【０００４】
このように歪ゲージ方式では、検出する量が媒体変形量の絶対値であり、従って媒体が硬い材質や厚い形状の場合、あるいは押し込み量が小さい場合には検出精度が極端に低下する問題がある。また、媒体を固定する額縁状のフレームの間に歪ゲージセンサを配置する必要があるため高い組み立て精度が要求され、しかも初期歪を考慮した取り付けが必要なため取り付け構造も複雑となる。歪ゲージセンサは抵抗値の変化を検出するものであるから、タッチ検出のためには歪ゲージセンサに通電し続けなければならず、待機電力が必要となる。更に、この方式は、大面積の媒体に対しては精度よく検出することが非常に難しい。
【特許文献１】特表平１０−５１１１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、従来の歪ゲージ方式では、媒体が硬い材質や厚い形状の場合、あるいは押し込み量が小さい場合には検出精度が極端に低下する点、高い組み立て精度が要求される点、待機電力が必要な点、大面積の媒体に対しては検出が非常に難しい点、などである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、周辺部で保持した硬質板状の媒体上に１個以上の加速度センサを取り付け、該加速度センサによってタッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を検出し、その検出信号によってタッチを検出することを特徴とするタッチパネルである。
【０００７】
加速度センサを１個のみ取り付けた場合には、検出信号の有無によってタッチ入力の有無を検出でき、スイッチとして機能する。媒体の対向する２辺に加速度センサをそれぞれ取り付けると、両方の加速度センサからの検出信号強度の比率から１次元座標上でのタッチ位置検出を行うことができる。
【０００８】
四辺形状の媒体の各辺に加速度センサをそれぞれ取り付け、対向する２辺の加速度センサを組として、互いに直交する関係にある加速度センサの組での検出信号強度の比率から２次元座標上でのタッチ位置検出を行うことができる。その場合、対向する２辺の加速度センサの一方の組をＸ側、それに直交する組みをＹ側とし、Ｘ側の検出信号強度を求めＸ信号強度比率を算出してＸ位置を決定し、Ｙ側の検出信号強度を求めＹ信号強度比率を算出し、Ｘ信号強度比率からＸ信号強度比率別のＹ検量線を決定してＹ信号強度比率からＹ位置を決定するのが好ましい。検出信号強度として変形加速度波形のピーク値を用い、ピーク値の比率によってタッチ位置検出を行うことができる。
【０００９】
媒体としては、ガラスあるいは硬質のプラスチックなどを用いることができ、加速度センサとしては圧電素子を用いるのが望ましい。圧電素子は媒体表面に薄く塗布した接着剤で貼り付け固定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のタッチパネルは、タッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を加速度センサによって検出するように構成したので、従来の歪ゲージ方式などと比べて以下のような効果が得られる。
（１）検出信号（加速度センサの出力）が押し込み量に依存しないので、使用者が加える力の差による影響を受けない。
（２）直流成分を検出しないので、温度等によるドリフトが無い。
（３）加速度センサの取り付けが容易である。
（４）操作環境を選ばず、水滴や埃の付着、手袋の装着などに無関係である。
（５）簡単な構造で、パネルサイズ変更も容易であり、低コスト化できる。
（６）加速度センサとして圧電素子を用いている場合には、圧電効果により発生する電荷を利用するため、待機電力が不要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
硬質材料からなる四辺形板状の媒体を周辺部で保持し、該硬質板状の媒体上に加速度センサを取り付け、タッチ入力により媒体が変形する際の変形加速度を加速度センサによって検出する。媒体表面に指あるいは他の物体（棒の先端など）が接触すると、媒体が僅かに変形し、その変形が各位置の加速度センサで検出される。従って、媒体を叩くようなタッチの仕方ほど出力は大きくなる。加速度センサは、媒体の４辺にそれぞれ取り付ける。そして、対向する２辺の加速度センサを組として、各組みの加速度センサでの検出信号強度の比率から２次元座標上のタッチ位置検出を行う。具体的には、対向する２辺の加速度センサの一方の組をＸ側、それに直交する組みをＹ側とし、Ｘ側の検出信号強度を求めＸ信号強度比率を算出してＸ位置を決定し、Ｙ側の検出信号強度を求めＹ信号強度比率を算出し、Ｘ信号強度比率からＸ信号強度比率別のＹ検量線を決定してＹ信号強度比率からＹ位置を決定する。
【実施例】
【００１２】
図１は本発明に係るタッチパネルの一実施例を示す説明図である。ガラス製の長方形板状の媒体１０を用い、その媒体を四隅で硬質ゴム製の保持部材１２によって上下で挟むように保持する。媒体１０の４辺の中央には、それぞれ加速度センサ１４として圧電素子を接着剤によって貼り付ける。圧電素子は、表面と裏面に電極を設けて、両方から信号線を取り出す。接着剤は、極力薄く塗布して変形（衝撃）を吸収し難くし、媒体の変形が効率よく圧電素子に伝達されるようにする。
【００１３】
媒体１０の表面をタッチすると（指でもよいし、棒の先端などでもよい）、媒体１０が変形し、その変形は媒体１０の位置により異なる。指のタッチで媒体１０を変形させることが必要なため、媒体１０は薄い方がタッチ力が少なくて済む。実験的には、数ｍｍ厚のガラス板で十分に検出可能な出力が得られている。また、板厚はヤング率、曲げ剛性及び押力で適切なものを選択する。
【００１４】
このように本発明では、タッチ入力の際の加速度（変形加速度）を各加速度センサ１４で検出する。検出信号（変形加速度）は、例えば図２に示すような波形となる。タッチ位置に近いほど変形は大きいため、変形加速度も大きくなることから、タッチ位置に近い加速度センサほど大きな出力が得られる。つまり、加速度センサ１４で検出される検出信号波形は、タッチ位置によって、実線で示すように大きく、あるいは破線で示すように小さく変化する。従って、各加速度センサ１４で得られる検出信号強度の比率を計算することで、タッチ位置を検出することができる。勿論、タッチ入力がなければ検出信号は生じない。それ故、１個以上の加速度センサがあれば、検出信号の有無でタッチの有無を検出することが可能である。
【００１５】
タッチ入力により発生する検出信号のピーク強度比を比較する場合には、全ての加速度センサの後段にピーク検出回路を設ける。
【００１６】
タッチパネルの動作原理を図３に示す。長方形板状の媒体１０の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸にとり、短辺中央に設けた加速度センサをＸ１，Ｘ２とし、長辺中央に設けた加速度センサをＹ１，Ｙ２とする。ここで交差斜線を付した領域ｔを指でタッチしたとすると、媒体１０は僅かに変形する。タッチ前の状態を点線で示し、タッチ時の状態を実線で示している（但し、図を分かり易くするために変形を極端に誇張して描いているが、実際にはこのように大きく変形するわけではない）。
【００１７】
このような変形が生じる時の変形加速度を各加速度センサ１４で検出する。検出信号波形の例を図４に示す。ＡはＸ側の加速度センサの出力（検出信号）波形、ＢはＹ側の加速度センサの出力（検出信号）波形である。図３において、タッチ位置が媒体の左寄り下方であるため、Ｘ側の加速度センサについてはタッチ位置に近いＸ１の方がＸ２よりも出力（ここではピーク値）が大きく（ｘ１＞ｘ２）、同様にＹ側の加速度センサではタッチ位置に近いＹ１の方がＹ２よりも出力（ここではピーク値）が大きい（ｙ１＞ｙ２）。
【００１８】
タッチ位置決定のアルゴリズムを図５に示す。Ｘ側の検出信号強度を求めＸ信号強度比率を算出する。このＸ信号強度比率によりＸ位置を決定する。同様に、Ｙ側の検出信号強度を求めＹ信号強度比率を算出する。Ｘ信号強度比率によってＹ検量線を選択する。これは周辺部と中央部とで変形量（変形加速度）が異なるためである。図６にＸ信号強度比率別のＹ検量線を示す。ここではＸ信号強度比率が０〜０．２または０．８〜１の場合のＹ検量線ａと、Ｘ信号強度比率が０．２〜０．８の場合のＹ検量線ｂの２本を使用する。前記のようにして算出したＸ信号強度比率が０〜０．２または０．８〜１の場合には、Ｙ検量線ａを用いて、Ｙ信号強度比率からＹ位置を決定する。またＸ信号強度比率が０．２〜０．８の場合には、Ｙ検量線ｂを用いて、Ｙ信号強度比率からＹ位置を決定する。このようにして、タッチ位置のＸ及びＹ座標を検知することができる。
【００１９】
長手方向に配置されている加速度センサの組を使用する方がタッチ位置の検知精度が高いため、このように、まずＸ座標を求め、Ｘ信号強度比率からＹ検量線を決めてＹ座標を求める手順が好ましい。
【００２０】
このように複数の加速度センサを組み込む場合には、各センサの出力ばらつきを抑えるため、予め特性の揃ったセンサを選択するか、あるいは所定のタッチによってピーク検出回路の出力調整を行う。また、タッチされた状態により媒体の固有振動が検出信号に混じっている場合があるため、低周波成分のみを通過させるローパスフィルタをピーク検出回路の前段に設けることが好ましい。検出信号のピーク値をデジタル化して、各加速度センサのピーク値の比率を求める。
【００２１】
上記の実施例では媒体を四隅で保持部材により保持しているが、額縁状保持部材（フレーム）によって全周で保持するような構造にしてもよい。保持部材は、上記のように硬質ゴムや硬質樹脂など変形し難い材料からなり、且つ媒体が割れたり欠けたりしないように均一な力で媒体を挟み込む構造とする。但し、保持の仕方によって媒体の変形モードは変化する。四隅で保持する方式は、周辺部で変形の挙動が微妙に変化する。それに対して全周で保持する方式は、変形の挙動が素直になる。いずれにしても、各加速度センサによる変形加速度の比率を求めれば、媒体のどの位置にタッチしたかを決定することができる。なお、媒体の周辺全体で保持する場合には、各加速度センサは保持部分よりも内側に配置すればよい。
【００２２】
上記の実施例では４個の加速度センサを各辺の中央に配置しているが、加速度センサの設置個数は媒体の大きさや使用目的などに応じて適宜変更してよい。単にタッチの有無の検出であれば加速度センサは１個でもよいし、細長い媒体を用いて１次元的な位置検出を行うのであれば長手方向の両側にそれぞれ１個ずつ加速度センサを設ければよい。２次元的な位置検出を行う場合でも、媒体が細長形状の場合には長辺側にそれぞれ２個以上ずつ２辺で対向するように配置してもよい。
【００２３】
また上記の実施例ではＹ検量線を２本設定しているが、保持構造や媒体の形状などによっては３本以上設定してもよい。検量線が多すぎても複雑になるだけで、精度的にはあまり変わらないので、通常、２〜３本程度とするのがよい。
【００２４】
更に上記の実施例では、検出信号強度として変形加速度波形のピーク値を用いている。この方法は最も単純で分かり易いが、他の方法でもよい。例えば、検出信号強度として、変形加速度波形が予め設定した複数の閾値をよぎった時間の差分と閾値の差分の比率から求めた変形加速度変化率を用いる方法、あるいは検出信号強度として、変形加速度波形を積分することで求めた力積を用いる方法などがある。いずれにしても変形加速度波形をデジタルサンプリングし、マイクロプロセッサで演算処理することで検出信号強度を求めることができる。
【００２５】
本発明のタッチパネルは、指で媒体を極僅か変形させるだけでよいので、所謂振動モードなどによる制約は一切無い。従って、液晶ディスプレイパネルやプラズマディスプレイパネルのカバーガラスを媒体として使用することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るタッチパネルの一実施例を示す説明図。
【図２】検出信号の一例を示す波形図。
【図３】本発明に係るタッチパネルの動作説明図。
【図４】そのＸ側及びＹ側の出力波形図。
【図５】タッチ位置決定のアルゴリズムを示すフロー図。
【図６】Ｘ信号強度比率別のＹ検量線の例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１０  媒体
１２  保持部材
１４  加速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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