(57)【要約】【課題】部品数と加工工数の削減によりコスト低減をしつつ荷重の座標点および荷重量の計測精度を向上する。【解決手段】起歪板と前記起歪板に設けられた複数の固定部と、を有し、前記固定部とは、前記起歪板に取り付け可能な脚部であり、前記固定部との対角線上近傍に設けられた少なくとも１つ以上の歪センサを有することを特徴とするタッチパネル。【選択図】  図１（ｂ）
2012177960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪板と、
前記起歪板に設けられた複数の固定部と、を有し、
前記固定部とは、前記起歪板に取り付け可能な脚部であり、
前記固定部との対角線上近傍に設けられた少なくとも１つ以上の歪センサを有することを特徴とするタッチパネル。
【請求項２】
貫通孔を有する起歪板と、
前記起歪板に設けられた複数の固定部と、を有し、
前記固定部とは、前記貫通孔に挿入することで前記起歪板を固定する固定部材であり、
前記固定部との対角線上近傍に少なくとも１つ以上の歪センサを設けることを特徴とするタッチパネル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のタッチパネルにおいて、
前記起歪板は略長方形状であることを特徴とするタッチパネル。
【請求項４】
請求項３に記載のタッチパネルにおいて、
前記固定部は、前記起歪板の４隅に設けられており、
前記歪センサは、前記固定部の４隅に各々１つ以上設けられていることを特徴とするタッチパネル。
【請求項５】
請求項３に記載のタッチパネルにおいて、
前記固定部は、前記起歪板の４隅に設けられており、
前記歪センサは、前記起歪板の一辺の長辺側に設けられた固定部の２隅に各々４５度ずらして２つ以上設けることを特徴とするタッチパネル。
【請求項６】
請求項４に記載のタッチパネルにおいて、
前記歪センサは、４隅に各々４５度ずらして２つ以上設けることを特徴とするタッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタッチパネルに関し、特に、パネルに加わる接触力に基づき位置および荷重を計測するタッチパネルに関わる。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルは様々な電子機器に搭載されており、画面上の表示を押すことで機器を操作する入力装置として広く使用されている。このように操作者が実際に画面に触れることでその操作者が望む適切な動作を直感的に行うことができ、利便性が高い。このようなタッチパネルは、従来、特許文献１に記載のように、パネルをパネルの隅にブラケットの金属クリップ内に保持し、そこにエポキシで接着し、歪みゲージセンサーを、ロー材により金属化した領域とブラケットの取り付けスタンドの間にロー付けする構造である。これにより、歪みゲージセンサーを、金属クリップに隣接する取り付けブラケットの一部をタッチパネルに保持されたガラスとで挟む構造となっている。ガラスパネルがその表面の特定の部分で接触することにより生じる歪みは、ガラスをたわませ、それが次にブラケットの金属を通じてゲージセンサーに伝わり、これにより歪みを検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表平１０−５１１１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のタッチパネルは、パネルに更に新たな外部装置を４隅に設けるため、部品数が多く、また、加工工数も多いため高コストとなる。また、スペースを確保する上でも困難さが生じる。更に、近年は様々な分野にタッチパネルが応用されており、タッチをする際の荷重の座標点および荷重量の感度も求められてきている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、部品数と加工工数の削減によりコスト低減をしつつ荷重の座標点および荷重量の計測精度を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のタッチパネルは、起歪板と前記起歪板に設けられた複数の固定部と、を有し、前記固定部とは、前記起歪板に取り付け可能な脚部であり、前記固定部との対角線上近傍に設けられた少なくとも１つ以上の歪センサを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、部品数と加工工数の削減によりコスト低減をしつつ荷重の座標点および荷重量の計測精度を向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１（ａ）】本発明の一実施例であるタッチパネルの側面図。
【図１（ｂ）】本発明の一実施例であるタッチパネルの下面図。
【図２】本発明の他の実施例であるタッチパネルの断面図。
【図３】演算処理のフロー図。
【図４】タッチパネルに荷重がかかった場合のモデル図。
【図５（ａ）】歪センサを被測定物に取り付けた図。
【図５（ｂ）】歪センサを４５°傾けて取り付けた図。
【図６】センサ出力と傾き角の関係を表した図。
【図７】偏角を考慮したモデル図。
【図８】荷重点のなす角と補正係数との関係を表した図。
【図９】アスペクト比を考慮したモデル図。
【図１０】荷重点のなす角と補正係数λとの関係を表した図。
【図１１】本発明の他の実施例であるタッチパネルのモデル図。
【図１２】荷重点のなす角とセンサ出力との関係を表した図。
【図１３】荷重点のなす角とセンサ出力比との関係を表した図。
【図１４（ａ）】シングルタッチにおけるモデル図。
【図１４（ｂ）】複数タッチにおける荷重不均衡を示した図。
【図１５】複数タッチの判別の一実施例であるタッチパネルを示す図。
【図１６】４箇所の重心位置を示した図。
【図１７】ゲイン自己補正のモデル図。
【図１８】伝播時間を示した図。
【図１９】起歪板の厚みの違いによる波形の変化を示した図。
【図２０】本発明のタッチパネルを自動車に応用した例。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施例について説明する。なお、以下に説明する実施例はあくまで一例であり、これだけに捉われるものではない。
【００１０】
図１（ａ），図１（ｂ）は本発明のタッチパネル１の一例を示した図である。本実施例では、地面や机などの土台上に置いて使用するための構成である。四角形（あるいは３つ以上の角を有する板）板（起歪板２）の接地面の四隅に脚３（例えばゴム等）を取り付け、脚の中心から反対側の脚の中心までの線と歪センサ４の対角線が重なる様に歪センサ４を４箇所に貼り付ける。
【００１１】
ここで脚３の中心から歪センサ４の中心までの距離は均一とし、歪センサ４への干渉物が無い範囲でできるだけ脚３に近付けることが望ましい。同時に、過大な歪みを付加することで、接着部のクリープや、歪センサ４自体の故障が起こり得る。
【００１２】
ここで歪センサ４の歪測定範囲は−５００με〜＋５００με（現行品、接合方法により上下限値は異なる）であり、効率良く感度を得るためには、実使用上の荷重範囲とこれにより発生する歪みの範囲が一致することが望ましい。尚、起歪板２は剛体ではなく、板自信が歪む構造になっている。このため、起歪板２の設計時に板厚や材質（ヤング率）を調節することで、故障低下と感度の両立を得ることができる。
【００１３】
図２は、本発明の他のタッチパネル１の一例である。本実施例では傾斜がある面に対しても使用可能とした。起歪板２の四隅には、穴５が加工により施され、土台６側で固定されたねじ７がこの穴５を通ることで、脱落しない（滑り落ちない）構造となっている。これによりタッチパネル１を垂直面に傾けた時まで対応可能となる。
【００１４】
起歪板２の変動量に応じた隙間を得るために、土台と起歪板２の間にカラー８を設置する必要がある。カラー８はできるだけ起歪板２の変形に影響を及ぼさないようにする必要があり、点支持に近付けるよう、起歪板２側の先端形状を丸めておくことで出力値が安定する。
【００１５】
また、垂直面以上の角度を付けた面に取り付ける際は、できるだけ設置面積と外径が小さいバネやゴムチューブを介してナットで挟み込む構造にすることで、両端支持構造を維持することができ、両端固定構造の場合よりも、感度の低減を防ぐことができる。
【００１６】
次に、図３および図４を用いて起歪板２に荷重が加わったときの荷重の座標点および荷重量の演算について説明する。図３は、演算処理フローの一例を示しており、図４は荷重がかかった場合におけるタッチパネルの模式図を示している。なお、簡略化のために歪センサ４は丸印で示している。
【００１７】
まず、ステップ１００において４箇所の歪センサ４からの出力電圧ＶｏｕｔをＡＤ変換器を介してパソコンに取り込む（４ｃｈ）。
【００１８】
次にステップ１０１において、タッチパネルへの荷重を無くした（無操作）状態とし、この状態での各ｃｈの電圧値を記録（Ｖｏｆｓ）する。更に、Ｖｏｕｔ−Ｖｏｆｓ＝Ｖｏｕｔ２とし、初期オフセット成分を排除する。
【００１９】
次に、ステップ１０２で、脚の対角線が交わる箇所（ほぼ板の中心）において、起歪板２の垂直方向から一定の荷重Ａｋｇｆを掛ける。
【００２０】
次に、ステップ１０３でゲイン校正を行う。すなわち、ステップ１０２で掛けた荷重によるＶｏｕｔ２の変化分ΔＶｏｕｔ２がＡ／４kg分に相当するため、未知の荷重に対するΔＶｏｕｔ２をＶｄｉｆとすると、１ｃｈ分の荷重Ｗａは以下で求めることができる。
【００２１】
【数１】
2012177960.tif 000003
【００２２】
次に、ステップ１０４の座標点と荷重量算出について説明する。
【００２３】
４箇所の歪センサ４にそれぞれ加わる荷重を、Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ，Ｗｄとすると起歪板２に掛かる荷重Ｗａｌｌは以下で求めることができる。
【００２４】
【数２】
2012177960.tif 000004
【００２５】
また、荷重座標点は以下の式で求めることができる。
【００２６】
【数３】
2012177960.tif 000005
【００２７】
【数４】
2012177960.tif 000006
【００２８】
【数５】
2012177960.tif 000007
【００２９】
【数６】
2012177960.tif 000008
【００３０】
ここで、例えば、荷重点９に荷重を掛けたときの４箇所の歪センサ４がそれぞれ受ける荷重と、荷重点１０に荷重を掛けたときに歪センサ４がそれぞれ受ける荷重では、それぞれの歪センサ４で受ける荷重は異なる。そして、荷重歪の計測特性上、荷重量が大きい方がセンサ出力の変動が安定する。そのため、上記条件により荷重配分に応じて荷重座標点を求める計算式を切り替えて使用することで、より計測誤差を低減することができる。
【００３１】
次に、ステップ１０５における歪センサ４の指向性を考慮した荷重と座標点の補正について説明する。
【００３２】
初めに、歪センサ４の指向性について図５および図６を用いて説明する。図５は、歪センサ４を被測定物に取り付けた図、および、被測定物に対して４５°の傾きをもって取り付けた図である。図６は、垂直ひずみεＸを掛けたときのセンサ出力と歪センサ４を被測定物に対して取り付けの傾きを変化させたときの関係を表した図である。図６より、取り付け角度により、ｃｏｓ２δで出力が変化することがわかる。すなわち、例えば、図５（ａ）で図示された歪センサで得られる出力を基準とすると、そこから１°傾けると約０.０６％の誤差が生じることになる。そして、図５（ｂ）のように４５°傾けてしまうと出力が０となる。そのため、歪センサ４の指向性を考慮した補正が必要となる。
【００３３】
ステップ１０４にて求めた荷重座標により偏角を求める。そして求められた偏角に応じて補正係数を図８により求め、偏角に応じて生じる誤差で補正を行う。
【００３４】
このとき、補正後の荷重は以下の式で求められる。
【００３５】
【数７】
2012177960.tif 000009
【００３６】
【数８】
2012177960.tif 000010
【００３７】
これにより、ステップ１０５にて４箇所の歪センサの出力から得られる補正後のＷａ′，Ｗｂ′，Ｗｃ′，Ｗｄ′を得ることができ、ステップ１０６にて改めて補正後の荷重Ｗａｌｌ′を以下の式より求める。
【００３８】
【数９】
2012177960.tif 000011
【００３９】
次に、ステップ１０７について図９，図１０を用いて説明する。
【００４０】
起歪板２の縦と横の長さが異なる場合、同じ荷重量を加えた場合であっても、長辺側と短辺側とでは歪量が異なるため、これによる誤差を補正する必要がある。
【００４１】
４つの脚３の中心を結んだ線２本によって起歪板２を４つの領域に区分し、長辺側にプロットされた場合は最大でＱ／Ｐを乗じる。また、短辺側にプロットされた場合は最小でＰ／Ｑを乗じる。なお、重心位置が線上にある場合は補正不要となる。
【００４２】
このとき、補正係数をλとすると、補正後の荷重量Ｗａｌｌ″は以下で求められる。なお補正係数λと荷重点９の傾き角との関係は図１０で表される。
【００４３】
【数１０】
2012177960.tif 000012
【００４４】
【数１１】
2012177960.tif 000013
【００４５】
【数１２】
2012177960.tif 000014
【００４６】
以上、これまで説明してきたステップを行うことで、荷重の座標点および荷重量を精度よく求めることが可能となる。
【００４７】
次に、他の実施例の一例として図１１乃至図１３を用いて説明する。図１１は本発明の他の実施例であるタッチパネルのモデル図であり、図１２は荷重点のなす角とセンサ出力との関係を表した図であり、図１３は荷重点のなす角とセンサ出力比との関係を表した図である。
【００４８】
本実施例では先の実施例と同様の部分は説明を省略し、異なる部分のみを説明する。本実施例では、起歪板２の４隅に貼り付けられた歪センサ４のうち、片側の２隅に歪センサ４をまとめたものである。なお、それぞれの歪センサ４は貼り付け角度がわかるように簡易的に図示している。
【００４９】
図１１に示されるように、歪センサ４の貼り付け位置はできるだけ近付けた上で、貼り付け角度差を４５°付けたものである。１隅に掛かる荷重は同じであると仮定すると、図３のステップ１０５で説明したように２つの歪センサの出力差が指向性の影響によって生じることになる。「２つの歪センサの出力比（商）」と「一隅から加重点方向の角度」の関係は一意に決まるため、２隅からの荷重点方向の交差位置が荷重点となる。ここで、荷重点９のなす角θおよびηは以下の式により求められる。
【００５０】
【数１３】
2012177960.tif 000015
【００５１】
【数１４】
2012177960.tif 000016
【００５２】
また、正弦定理より以下の関係が成り立つ。
【００５３】
【数１５】
2012177960.tif 000017
【００５４】
これより、荷重点までの距離ａ，ｂを求めることができるので荷重点座標は以下で求めることが可能となる。
【００５５】
【数１６】
2012177960.tif 000018
【００５６】
【数１７】
2012177960.tif 000019
【００５７】
さらに、荷重量Ｗは以下により求めることができる。
【００５８】
【数１８】
2012177960.tif 000020
【００５９】
以上より、本実施例において歪センサ４を片側の２隅に設けることでも荷重の座標点および荷重量を求めることができる。
【００６０】
次に、他の実施例の一例として図１４乃至図１３を用いて説明する。図１１は本発明の他の実施例であるタッチパネルのモデル図であり、図１２は荷重点のなす角とセンサ出力との関係を表した図であり、図１３は荷重点のなす角とセンサ出力比との関係を表した図である。
【００６１】
本実施例では先の実施例と同様の部分は説明を省略し、異なる部分のみを説明する。本実施例では、複数のタッチをしたときでも判別が可能となる。
【００６２】
複数のタッチを行った場合、図１４（ａ），図１４（ｂ）に示すようにシングルのタッチの時より荷重分布の不均衡が生じる。すなわち、歪センサ４により近い場所でのタッチ時において歪影響を受けやすい。また、複数タッチの範囲が広い程、一点荷重時に対する荷重分布の不均衡が生じる。
【００６３】
以下判別方法について複数の方法を説明する。
【００６４】
図１５に複数タッチ判別のモデル図を示す。以下の式より、４箇所の歪センサ４による荷重値のうち、任意の３箇所の値を用いて重心位置を算出し、全４パターンにて合計４つの重心位置を求める。４つの重心位置のベクトル合計より複数タッチの方向を推定し、図１６に示されるように４つの重心位置間を直線で結び、合計６本の直線の長さの増減にて、複数タッチ領域の広さを推定する。
【００６５】
【数１９】
2012177960.tif 000021
【００６６】
【数２０】
2012177960.tif 000022
【００６７】
【数２１】
2012177960.tif 000023
【００６８】
【数２２】
2012177960.tif 000024
【００６９】
【数２３】
2012177960.tif 000025
【００７０】
【数２４】
2012177960.tif 000026
【００７１】
【数２５】
2012177960.tif 000027
【００７２】
【数２６】
2012177960.tif 000028
【００７３】
その他の方法として、１点荷重の場合、対角の荷重合計βは反対側対角荷重合計γと一致するという仮定に基づき、β−γの値の絶対値より複数タッチ領域の広さを推定し、プラスかマイナスかによって複数タッチの方向を推定する。
【００７４】
また、その他の方法として、１点荷重の場合、対角の荷重合計βは反対側対角荷重合計γと一致するという仮定に基づきβ／γの値より複数タッチ領域の広さを推定し、値が１以上か１以下かによって複数タッチの方向を推定する。
【００７５】
但し、中央線上で２点タッチした場合は認識できないが、逆に予め１点荷重であると分かっている場合に、複数タッチ判定の指標が大きくなった場合は校正ずれであると判定可能になる。
【００７６】
次に、複数のタッチ判別の更なる実施例について説明する。図１１では、歪センサ４を２隅に４５°ずらして貼り付けたが、これを４隅に４５°ずらして計８枚の歪センサ４を貼り付ける。これにより、４隅から得たベクトル線で囲まれた範囲の広さより、複数タッチ範囲の広さを推定することが可能となり、また、この場合は、中央線上で２点タッチした場合でも認識可能となる。
【００７７】
次に、図１７，図１８を用いてゲインの自己補正について説明する。
【００７８】
歪センサは振動歪も検出可能である。よって、タッチによって生じる起歪板の振動がタッチ位置を始点として、一定速度（音速と仮定）で伝播し、タッチ位置より近い順に振動を検出する。この時、伝播時間は短いので、温度や圧力は一定と見なすことができるので、伝播速度も一定と見なすことができる。
【００７９】
４箇所の各歪センサ４が振動を検出した順番をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄとした場合、Ａが振動検知した時点から各センサが振動検知するまでの時間ＴＢ，ＴＣ，ＴＤの合計値Ｔａｌｌと起歪板中央から歪センサまでの距離と音速から算出する伝播時間の４つ合計をＴ４と定義した場合、タッチ時点からセンサ到達までの時間はそれぞれ、
【００８０】
【数２７】
2012177960.tif 000029
【００８１】
【数２８】
2012177960.tif 000030
【００８２】
【数２９】
2012177960.tif 000031
【００８３】
【数３０】
2012177960.tif 000032
にて求めることができる。
【００８４】
これらの時間値をステップ１０４の式に代入することで、タッチ位置を推定可能となる。また、ステップ１０６算出の荷重位置と比較することで、再補正要否を判定可能となる。また、予め荷重合計値Ｗａｌｌ″が分かっている場合は、ゲイン値が算出可能となり、タッチする度にゲイン補正を行うことができ、接着性能のハードルを下げ、クリープ現象に対する影響を減らすことができる。
【００８５】
次に、図１９を用いて起歪板２の材質と厚みに応じてタッチ操作した際の波形による認識方法について説明する。
【００８６】
波形による認識方法としては、静止時から比べた、出力電圧の変化量が予め定めた閾値以上になった時点から閾値以下となるまでの時間が予め定めた範囲内にある場合、クリックされたと認識する。更に、出力電圧の変化量が予め定めた閾値以上となった場合、強打（どつき）されたものと認識する。
【００８７】
尚、材質や板厚によっては、固有振動数が変化するため、これに合わせた閾値の設定が必要となる。特に硬い材質の場合は振動を生じるため、「微分」「フーリエ変換」「ウェーブレット変換」などを介した上で認識処理を行うことで、認識精度の改善が期待できる。
【００８８】
次に、本発明の応用例について説明する。
【００８９】
本発明のタッチパネルであれば、起歪板は接着可能な固体であれば、材質を問わない。このため、金属板などの導体を起歪板として用いることで、起歪板自体を電極として使用可能である。ここで、起歪板とグランドを静電容量センサに接続し、この間の静電容量を測定すれば、人の手と起歪板の距離に応じた出力が得られる。この出力を利用して、接近を認識した上で照明などの演出や、省電力モードからの復帰などへ利用することができる。
【００９０】
また、他の応用例としてパチンコ窓を起歪板２とする場合、窓の外周が剛体で固定されるため、両端固定構造（両端支持ではない）となる。この場合、ガラス隅部は歪みが生じにくくなるため、上下左右辺それぞれの中央部付近に歪センサを貼り付けることで検出精度が向上する。
【００９１】
また、他の応用例として、パチンコ窓に直接歪センサを貼り付けることができない場合、窓を裏面から押さえ付けるつめに歪センサを貼り付けることでロードセルとして、荷重や座標を検出することが可能となる。この場合、センサ指向性についての補正処理は不要となる。
【００９２】
また、他の応用例として、脚３をロードセル構造にすることで圧縮を曲げに変換することが可能となる。構造特性上、一般的に圧縮歪は微小であり、感度が低下する場合がある。このため、圧縮力によって曲げ力を発生させる構造として検出感度を改善した。同時に、圧縮歪の場合、荷重方向や取付角度の影響を受けやすいが、本方式は剛接合とせず、遊びを持たせたことで、これらの影響を低減した。
【００９３】
また、他の応用例として、自動車に車載されるものに様々な部分に歪センサ４を貼り付けることで代用が可能となる。例えば、窓開閉スイッチを窓に貼ったシールで代用する、エアコンやオーディオ類の操作スイッチ類をシールで代用する、ドアの開閉を固定のドアノブにする（可動しないので、故障低減）、シフトノブを固定にして歪量で操作も可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１  タッチパネル
２  起歪板
３  脚
４  歪センサ
５  穴
６  土台
７  ねじ
８  カラー
９〜１０  荷重点
【図１（ａ）】
2012177960.tif 000033
【図１（ｂ）】
2012177960.tif 000034
【図２】
2012177960.tif 000035
【図３】
2012177960.tif 000036
【図４】
2012177960.tif 000037
【図５（ａ）】
2012177960.tif 000038
【図５（ｂ）】
2012177960.tif 000039
【図６】
2012177960.tif 000040
【図７】
2012177960.tif 000041
【図８】
2012177960.tif 000042
【図９】
2012177960.tif 000043
【図１０】
2012177960.tif 000044
【図１１】
2012177960.tif 000045
【図１２】
2012177960.tif 000046
【図１３】
2012177960.tif 000047
【図１４（ａ）】
2012177960.tif 000048
【図１４（ｂ）】
2012177960.tif 000049
【図１５】
2012177960.tif 000050
【図１６】
2012177960.tif 000051
【図１７】
2012177960.tif 000052
【図１８】
2012177960.tif 000053
【図１９】
2012177960.tif 000054
【図２０】
2012177960.tif 000055