WO2012049969A1

WO2012049969A1 - タッチ式入力装置およびその制御方法

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Publication number: WO2012049969A1
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Inventors: 正道安藤; 靖浩近藤
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Abstract

　タッチ式入力装置において、構造を複雑化させることなく、押圧操作における押圧操作位置および押圧力の双方の検知を可能とする。　タッチパネル（１）に備える圧電シート（３）に、複数の電極部分（４ａ～４ｄ）を有する分割電極（４）を設ける。タッチパネル（１）に格子状の座標を設定し、各格子点に対する所定の加重による押圧操作によって各電極部分に発生する電圧を基礎電圧として記憶部（１０４）に予め保管しておく。実際の使用時での押圧操作により各電極部分に発生する実際の測定電圧を検出部（１０２）にて検出し、演算部（１０３）において、基礎電圧に対する測定電圧の比率を計算し、その平均および標準偏差を求め、標準偏差の小さい順でたとえば４個の格子点の座標から実際に操作した押圧位置の座標を求めるとともに、最小の標準偏差の格子点での上記比率と上記加重とを乗じて押圧力を求める。

Description

タッチ式入力装置およびその制御方法

　この発明は、タッチ式入力装置およびその制御方法に関するもので、特に、圧電シートを用いたタッチ式入力装置およびその制御方法に関するものである。

　近年、いわゆるタッチパネル方式を採用した入力装置、すなわちタッチ式入力装置が大幅に増加している。銀行ＡＴＭや駅の券売機のみならず、携帯電話機、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤなどにおいて、薄型ディスプレイ技術の発展と相まって、入力インターフェースとしてタッチパネル方式が採用される機器が大幅に増加している。

　現在用いられているタッチパネルは、抵抗膜式や静電容量式が主流であるが、これ以外にも光学式、電磁誘導式、圧電による弾性表面波を利用したものなどがある。通常はこれらの方式を用いて位置情報を検出する。すなわち、タッチパネル上のどの位置を操作者がタッチ（押圧操作）したのかを座標情報として取得し、この情報をもとに指定された処理が実行される。銀行ＡＴＭに代表されるように、画面に表示されたボタンの部分を触れることにより、操作者はあたかも実際のボタンを押して操作したかのように機器を操作することができる。最近のグラフィックユーザーインターフェース（ＧＵＩ）処理技術の発達の結果、操作者が画面上を撫でることにより、表示画像をスクロールさせたり、グラフィックとして表示されたスライドスイッチを指で直接コントロールしたりできるような装置もある。

　タッチパネルにはさらなる多様性が求められつつあり、最近では位置情報と併せて押圧力情報を同時に得たいという要望が高まっている。すなわち、操作者が画面のどの位置をどのぐらいの強さで触れたかという２種類の情報を検出できれば、さらなる操作性の向上が図られる。

　これに関する技術として、特開平５－６１５９２号公報（特許文献１）には、位置検出用素子と感圧センサーとを重ねることにより、位置情報と押圧力情報とを同時に検出する技術が開示されている。

　また、特開２００６－１６３６１８号公報（特許文献２）には、圧電シートを用いて押圧力情報を取得するとともに、この圧電シートに格子状に形成された複数の電極線のどの部分に検知電圧が現れたのかを検出して位置情報を取得する方式が開示されている。

　しかしながら、特許文献１に記載のタッチパネルでは、位置検出のみを行なう通常のタッチパネルの上にさらに、圧電シートや感圧抵抗体シートで形成された感圧センサーを重ねている。この感圧センサーはタッチパネルの全面を覆っている。

　通常のタッチパネルは、何らかの画像表示装置の上に設置されることが通例であり、高い透明度が要求される。位置検出用のタッチパネル、感圧センサーともそれぞれ複数のフィルムと電極層とを有する。これらフィルムを透明とし、電極層に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の透明導電材料を用いれば、全体を透明性とすることができるが、積層数が多いため、光線透過率が低下するという問題があった。また、多数の部品とプロセスが必要であるため、コストアップの要因となる。さらに、位置情報と押圧力情報とが別々に検出されるため、信号処理が複雑となるといった問題もあった。

　他方、特許文献２に記載のタッチパネルでは、位置情報と押圧力情報とを同時に検出するために、圧電シートに対して格子状の微細配線電極を形成している。信号がこの格子状電極のどの電極から強く検出されたかによって位置情報を得るため、これらの微細配線のすべてを演算処理部に接続する必要があり、構造がかなり複雑となるといった問題があった。

特開平５－６１５９２号公報特開２００６－１６３６１８号公報

　そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、タッチ式入力装置およびその制御方法を提供しようとすることである。

　この発明は、圧電性を有する圧電シートと、圧電シートの互いに対向する第１および第２の主面上にそれぞれ形成された、互いに対向する第１および第２の電極とを有し、第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面が圧電シートの第１の主面に沿って延びている、タッチパネルを備え、タッチパネルの操作面を押圧操作した際に、分割電極における複数の電極部分の各々に発生する電圧を比較することによって、押圧操作した位置および押圧力を演算するようにされた、タッチ式入力装置にまず向けられるものであって、次のような構成を備えることを特徴としている。

　この発明に係るタッチ式入力装置は、タッチパネルの操作面に対し、格子状のマトリックス座標を設定する工程と、格子状のマトリックス座標の各格子点に対する所定の加重による押圧操作に関連して各電極部分に発生する電圧をそれぞれ測定する工程とを経て得られた電圧を、各格子点における基礎電圧として予め保管しておく記憶手段をまず備えている。

　さらに、この発明に係るタッチ式入力装置は、
　タッチパネルの操作面に対する操作者による押圧操作に関連して各電極部分に発生する実際の測定電圧を求める第１の手段と、
　格子点の各々について、基礎電圧の絶対値の最大値を示す電極部分と測定電圧の絶対値の最大値を示す電極部分とを照合し、かつその符号同士を照合し、電極部分と符号が一致する場合、その格子点を処理対象格子点として絞り込む第２の手段と、
　処理対象格子点の各々について、基礎電圧に対する測定電圧の比率を各電極部分毎に計算する第３の手段と、
　処理対象格子点の各々について、比率の平均を各電極部分毎に求める第４の手段と、
　処理対象格子点の各々について、比率の標準偏差を求める第５の手段と、
　標準偏差の小さい順に処理対象格子点を順位付けする第６の手段と、
　順位付けされた処理対象格子点の上位から所定のｎ個の格子点を選択する第７の手段と、
　選択された格子点の座標を（Ｘｋ，Ｙｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）、標準偏差をＳｋ（ｋ＝１，２，…，ｎ）としたとき、操作者による押圧操作の押圧位置の座標（Ｘ，Ｙ）を、
Ｘ＝Σ（Ｘｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）、Ｙ＝Σ（Ｙｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）
として決定する第８の手段と、
　順位付けの最上位の格子点の比率の平均を加重に乗じて、操作者による押圧操作の押圧力を求める第９の手段と
を備えることを特徴としている。

　この発明は、また、上記タッチ式入力装置の制御方法にも向けられる。この発明に係るタッチ式入力装置の制御方法は、
　タッチパネルの操作面に対し、格子状のマトリックス座標を設定する第１の予備工程と、
　格子状のマトリックス座標の各格子点に対する所定の加重による押圧操作に関連して各電極部分に発生する電圧をそれぞれ測定する第２の予備工程と、
　第２の予備工程によって得られた電圧を、各格子点における基礎電圧としてメモリに保管しておく第３の予備工程と
をまず備えている。

　そして、さらに、実際の使用時において、
　タッチパネルの操作面に対する操作者による押圧操作に関連して各電極部分に発生する実際の測定電圧を求める第１の実践工程と、
　格子点の各々について、基礎電圧の絶対値の最大値を示す電極部分と測定電圧の絶対値の最大値を示す電極部分とを照合し、かつその符号同士を照合し、電極部分と符号が一致する場合、その格子点を処理対象格子点として絞り込む第２の実践工程と、
　処理対象格子点の各々について、基礎電圧に対する測定電圧の比率を各電極部分毎に計算する第３の実践工程と、
　処理対象格子点の各々について、比率の平均を各電極部分毎に求める第４の実践工程と、
　処理対象格子点の各々について、比率の標準偏差を求める第５の実践工程と、
　標準偏差の小さい順に処理対象格子点を順位付けする第６の実践工程と、
　順位付けされた処理対象格子点の上位から所定のｎ個の格子点を選択する第７の実践工程と、
　選択された格子点の座標を（Ｘｋ，Ｙｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）、標準偏差をＳｋ（ｋ＝１，２，…，ｎ）としたとき、操作者による押圧操作の押圧位置の座標（Ｘ，Ｙ）を、
Ｘ＝Σ（Ｘｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）、Ｙ＝Σ（Ｙｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）
として決定する第８の実践工程と、
　順位付けの最上位の格子点の比率の平均を加重に乗じて、操作者による押圧操作の押圧力を求める第９の実践工程と
を備えることを特徴としている。

　上述した第２の予備工程および第１の実践工程において、各電極部分に発生する電圧は、タッチパネルの操作面に対する押圧操作における、押圧方向（操作面に向かう方向）の動作時に検出されるようにしても、逆押圧方向（操作面から放す方向）の動作時に検出されるようにしてもよい。

　この発明によれば、分割電極の分割数が比較的少なくても、予め求められる基礎電圧といった離散的な基礎データに基づいて、非離散的な位置、すなわち全表面における任意の位置についての位置情報を得ることができ、同時に押圧力を検知することができる。

　また、この発明によれば、格子点の各々について、基礎電圧の絶対値の最大値を示す電極部分と測定電圧の絶対値の最大値を示す電極部分とを照合し、かつその符号同士を照合し、電極部分と符号が一致する場合、その格子点を処理対象格子点として絞り込むようにしているので、以後の処理の負荷を軽減することができ、よって、処理の迅速化を図ることができる。

　この発明において、格子点の各々について、基礎電圧の絶対値の最大値および第２位を示す電極部分と、測定電圧の絶対値の最大値および第２位を示す電極部分とを照合し、電圧の順位に関係なくそれぞれの電極部分が一致しかつそれぞれの電極部分における電圧の符号同士が一致する場合、その格子点を処理対象格子点として絞り込むようにすると、誤検知を減らすことができる。

　上述の好ましい実施態様において、測定電圧の第２位の電圧の値が、所定の閾値より小さい場合には、最大値のみで判定するようにすれば、以後の処理の負荷をより軽減することができる。

　この発明に係るタッチ式入力装置において、圧電シートの第１の主面上に操作面を与えるためのガラス板が配置されると、各電極部分に発生する電圧を安定化させることができる。また、圧電シートの第２の主面側にゴム状弾性体が配置される場合にも、各電極部分に発生する電圧を安定化させることができる。

　この発明に係るタッチ式入力装置において、圧電シートとして、所定の方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）シートが用いられると、透明性に優れたタッチパネルを得ることができるとともに、ＰＬＬＡは圧電定数ｄ₁₄を有するため、平面方向の伸びに応じて、正の電圧を発生する部分と負の電圧を発生する部分があるため、情報の分離がしやすくなり、分解能を高めることができる。

　この発明に係るタッチ式入力装置の制御方法における第２の予備工程および第１の実践工程において、各電極部分に発生する電圧のうち最も絶対値の大きい電圧の極性に基づいて、各電極部分に発生する電圧が、タッチパネルの操作面に対する押圧操作における、押圧方向動作時に検出されたものか、逆押圧方向動作時に検出されたものかを判断するようにすれば、より信頼性の高い判断が可能となる。

　この発明に係るタッチ式入力装置の制御方法における第３の実践工程において、基礎電圧のうち、所定の閾値より小さい電圧値を示す電極部分での基礎電圧を使用しないようにすれば、処理の信頼性を高めることができるとともに、処理能力の負荷を軽減することができる。

この発明の一実施形態によるタッチ式入力装置に備えるタッチパネル１を示すもので、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ－Ｂに沿う断面図である。図１に示したタッチパネル１に対して応力８が加わったときに、圧電シート３に生じる引っ張り応力９を示す図である。圧電シート３を示すとともに、操作面に対して設定されるべきＸ－Ｙ座標を示す平面図である。圧電シート３としてＰＬＬＡシートを用いながら、図３に示した円１０に沿って離散的に一定の押圧力をもって押圧操作を加えたときに、電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧値を示す図である。図３の原点に押圧操作を加えたときの、押圧力の大きさと電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧の大きさとを棒グラフにして示した図である。図１に示したタッチパネル１を備えて構成されるタッチ式入力装置１００の回路構成を示すブロック図である。タッチパネル１の操作面に対して設定される格子状のマトリックス座標を説明するための図である。図６に示した演算部１０３が実行する座標検知アルゴリズムを示すフロー図である。図８に示した座標検知アルゴリズムを用いて実施される押圧操作点の座標決定のイメージを説明するための図である。

　図１は、この発明の一実施形態によるタッチ式入力装置に備えるタッチパネル１を示すもので、図１において、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｂ－Ｂに沿う断面図である。なお、（Ｂ）の断面図において、各要素の厚みは誇張して表されている。

　タッチパネル１は、図１（Ｂ）に示すように、シート状の保護材２、圧電性を有する圧電シート３、ゴム状弾性体５、および基体６がこの順で積層された断面構造を有している。より詳細には、圧電シート３は、保護材２と貼り合わされ、ゴム状弾性体５は、保護材２と基体６との間に挿入されたスペーサ７によって隔てられた圧電シート３と基体６との間の空間に充填される。なお、ゴム状弾性体５は、圧電シート３の変形を許容するもので、エラストマーやゲル材から構成されるが、圧電シート３と基体６との間は、空間のままとされてもよい。

　タッチパネル１は、通常、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の表面に配置される。よって、タッチパネル１を構成する各要素は、好ましくは、透明性を有する材料から構成される。また、この場合、前述した基体６はＦＰＤによって構成されてもよい。

　図１（Ａ）において、電極４が図示されているが、圧電シート３の互いに対向する第１および第２の主面上には、それぞれ、互いに対向する第１および第２の電極が形成され、第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされる。

　図１（Ａ）には、圧電シート３が、保護材２を通して透視された状態で示され、特に、その下方側に向く第１の主面３ａ（図１（Ｂ）参照）上に形成される第１の電極４が透視されて図示されている。第１の電極４は、たとえば４個の電極部分４ａ～４ｄを有する分割電極とされている。なお、図１（Ｂ）では電極の図示が省略されている。

　図示されない上方側に向く第２の主面上に形成される第２の電極については、第１の電極４と同様、４個の電極部分を有する分割電極とされても、第１の電極４の４個の電極部分４ａ～４ｄに共通に対向する一様な電極とされてもよい。後者のように、保護材２と貼り合わされる側にある、第２の主面上に形成される第２の電極を一様な電極とし、これをグランド電極とすれば、外部からのノイズを効果的に除去することができる。あるいは、第２の主面上に形成される第２の電極が分割電極とされ、他方、第１の主面３ａ上に形成される第１の電極４が、分割電極としての第２の電極に共通に対向する一様な電極とされてもよい。

　なお、分割電極における分割数は、４分割に限らず、設計に応じて変更すればよく、また、各電極部分の形状や分割線の幅も任意である。たとえば、分割電極は、より幅の広い分割線によって分割され、より離散的に分布する複数の電極部分を有していてもよい。

　保護材２は、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面を構成するもので、ガラス板または樹脂フィルムから構成されている。ここで、樹脂フィルムとしては、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート等からなるフィルムが使用される。保護材２の表面には、図示を省略するが、反射防止膜や傷防止や汚れ防止のためハードコートが施されてもよい。保護材２をガラス板から構成し、この上に割れ防止用の樹脂フィルムを形成してもよい。

　圧電シート３を構成する材料としては、ポリプロピレンからなるエレクトレットフィルム、圧電体であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）もしくはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）、または、圧電セラミック粉末を樹脂の中に分散させたコンポジット材などを用いることができる。

　上述の第１の電極４および第２の電極を構成する材料としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ：登録商標）、もしくは酸化亜鉛を主成分とする無機材料、または、ポリチオフェンを主成分とする有機材料を用いることができる。もっとも、透明性が要求されないときには、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属材料を用いてもよい。電極を形成する方法としては、蒸着、スパッタリング、めっき、塗布等を適用することができる。

　図２に示すように、保護材２の上から、何らかの応力８が加わったとき、保護材２は撓み、圧電シート３にはこれに応じた引っ張り応力９がかかる。押さえる場所と力により、圧電シート３に生じる応力分布は変化する。すなわち、電極が分割されている際には、各電極部分から発生する電圧が変化する。

　図３には、圧電シート３が図示されているが、そこには、タッチパネル１の保護材２によって与えられる操作面に対して設定されるべきＸ－Ｙ座標が図示されている。なお、図３においても、電極部分４ａ～４ｄが圧電シート３を通して透視された状態で図示されている。

　図４には、圧電シート３としてＰＬＬＡシートを用いながら、図３に示した円１０に沿って離散的に一定の押圧力をもって押圧操作を加えたときに、電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧値が示されている。図４において、横軸の角度は、円１０上の点のＸ座標軸からの角度を表わしている。なお、圧電シート３を構成するＰＬＬＡの延伸軸の方向は、図３のＸ軸の方向と一致している。なお、延伸軸をどの方向に向けるかは設計事項であるため、これに限らなくともよい。

　図５は、ある所定の点に押圧操作を加えたときの、押圧力の大きさと電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧の大きさとを棒グラフにして示したものである。図５から、押圧力の大きさに比例して、発生する電圧が変化していることがわかる。さらに、ある電極部分の電位を基準としたときに各電極部分から発生する電圧の大きさの比率は変化していないことがわかる。

　よって、上記比率を解析すれば、押圧された位置を特定でき、その電圧の大きさを解析すれば、押圧力が検知できることとなる。

　ＰＬＬＡは、圧電定数ｄ₁₄を有するため、平面方向の伸びに応じて、正の電圧を発生する部分と負の電圧を発生する部分とがあるため、情報の分離がしやすくなり、分解能が向上する。これに対し、前述したエレクトレット、セラミックコンポジット材およびＰＶＤＦはｄ₃₁を有しており、すべての電極部分で発生する電圧の符号は等しくなる。そのため、分解能がＰＬＬＡより劣ることは否めない。

　次に、この発明の特徴的構成となるデータ処理の方法について説明する。

　図６は、上述したタッチパネル１を備えて構成されるタッチ式入力装置１００の回路構成を示すブロック図である。タッチ式入力装置１００は、タッチパネル１と処理装置１０１とを備え、処理装置１０１は、検出部１０２と演算部１０３と記憶部１０４とを備えている。

　図６を参照して、電極部分４ａ～４ｄの各々に発生した電圧は、それぞれ、接続線１０５ａ～１０５ｄを通じて検出部１０２に送られ、そこで、各電圧が増幅される。増幅された電圧は、演算部１０３で解析されて、位置および押圧力が求められる。記憶部１０４には、予め取得された基礎電圧が保存されている。

　まず、タッチ式入力装置１００を実際に使用する前に予め行なっておくべき予備処理について説明する。

　まず、第１の予備工程として、図７に示すように、タッチパネル１の操作面に対し、格子状のマトリックス座標を設定する。図７では、電極部分４ａ～４ｄの図示は省略されている。マトリックス座標の格子点は架空の点であり、たとえば操作面上に描かれるものではない。格子点の数、つまり、縦軸と横軸とによる分割数は任意であり、細かく分割するほど分解能は上昇するが、この予備手順および後の演算処理が複雑になる。

　この発明によれば、ある程度ラフに格子点を取った状態でも正確に位置検知が可能な方法が提供される。最終的に要求される分解能の１０～１００倍程度の間隔で格子点を設定すればよい。たとえば要求分解能が０．２ｍｍであれば、２～２０ｍｍ程度の間隔で格子点を設定すればよい。要求分解能の１０倍とするか、１００倍とするかは、圧電シート３の検知感度による。これは、圧電シート３の厚み、圧電定数および均一性、そして保護材２の材料として何を使用するかによるため、設計事項である。

　実験によれば、保護材２を薄いガラス板から構成すれば、比較的安定した電圧が得られることがわかっている。また、保護材２を薄い樹脂フィルムで構成した場合には、前述したように、圧電シート３と基材６との間に、ゴム状弾性体やゲル材を入れることにより、比較的安定した電圧が得られることがわかっている。

　次に、第２の予備工程として、すべての格子点に対して、予め決められた所定の押圧力を加え、そのときに、電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧を測定する。

　圧電体では、押圧操作における、押圧方向（操作面に向かう方向）の動作時と逆押圧方向（操作面から放す方向）の動作時との双方で電圧が発生するため、この双方の電圧を取得しておくことが望ましい。実際の測定は、ロボットとロボットに連動した自動計測装置を用いて自動で行なわれる。複数回測定を行ない平均化するか、多点のデータを用いて最小二乗近似しておくことが望ましい。

　次に、第３の予備工程として、上記第２の予備工程によって得られた電圧が、各格子点の座標値とともに、各格子点における基礎電圧として記憶部１０４に保管される。

　縦方向と横方向でそれぞれｎ本のラインが設定されている場合には、格子点の個数はｎ×ｎである。縦方向の分割数と横方向の分割数とを必ずしも同じにする必要はない。また、すべての分割を等間隔で行なう必要はなく、分解能の要求が高いエリアと分解能の要求が低いエリアとに分けて、格子間の間隔を異ならせてもよい。

　また、特に保護材２をガラス板から構成した場合には、周辺領域を押圧したときの機械的変化より、中央領域を押圧したときの機械的変化が大きい。したがって、中心付近では「めりはり」のある電圧が検知され、周辺部ではノイズが乗りやすくなる。これに伴って、周辺部の分割数を多くするという場合もある。

　以上が、タッチ式入力装置１００を実際に使用する前に予め行なっておくべき予備工程である。次に、実際の使用時に実施される実践工程について説明する。

　実際の使用時には、必ず格子点をタッチされるとは限らない。このときの座標の求め方について説明する。図８に、演算部１０３が実行する座標検知アルゴリズムを示す。図８を参照して、各フローについて説明する。

　Ｆ０００：
　ここで、プログラムがスタートする。

　タッチパネル１に電圧が発生したことをトリガとして、検出部１０２がトリガを引き、このプログラムをスタートさせてもよいし、常に一定間隔で繰り返し実行を行なっていてもよい。

　Ｆ００１：
　演算部１０３は、記憶部１０４から、各格子点の座標と、その点における基準押圧時に電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する電圧とを読み込む。

　この処理は、タッチパネル１に対する押圧が発生する度に行なう必要はなく、一旦、ＣＰＵ上にデータがロードされてしまえば、その後は実行する必要はない。

　Ｆ００２：
　検出部１０２から測定電圧（電極部分４ａ～４ｄの各々からの電圧値）を読み込む。

　なお、検出部１０２には、タッチパネル１の操作面に対する操作者による押圧操作に関連して電極部分４ａ～４ｄの各々に発生する実際の測定電圧についてのデータが送られている。

　Ｆ００３：
　Ｆ００２で読み込んだ電極部分４ａ～４ｄの測定電圧のうちで電圧の絶対値が最大値を示す電極部分の位置を認識し、その位置をＰ１とする。また、その測定電圧の符号を一時記憶する。

　Ｆ００４：
　このステップは、繰り返し処理の上端である。

　すべての格子点に対して繰り返し処理を実行する。

　Ｆ００５：
　現在の計算対象となっている各格子点の基礎電圧について、電極部分４ａ～４ｄのうちで電圧の絶対値が最大値を示す電極部分の位置を認識し、その位置をＰ２とする。また、その基礎電圧の符号を一時記憶する。

　Ｆ００６：
　電極部分の位置Ｐ１と電極部分の位置Ｐ２とを照合する。これらが同じであればＦ００７へ、異なっていればＦ０１１へ進む。

　Ｆ００７：
　Ｆ００３で一時記憶した測定電圧の符号と、Ｆ００５で一時記憶した基礎電圧の符号とを照合する。これらが同じであればＦ００８へ、異なっていればＦ０１１へ進む。

　Ｆ００８：
　位置および符号が一致した電極部分について基礎電圧に対する測定電圧の比率を求める。

　Ｆ００３～Ｆ００８のステップで行なわれる処理の一部を例示すると以下のようになる。

　電極部分４ａの測定電圧が１９５（Ｖ）、電極部分４ｂの測定電圧が－１２８（Ｖ）、電極部分４ｃの測定電圧が４８（Ｖ）、電極部分４ｄの測定電圧が－９０（Ｖ）であったとする。

　また、これに対して、
　格子点Ａ（図７参照）における電極部分４ａ～４ｄの基礎電圧は、それぞれ、１０１、－６０、２８、－４０（単位省略）、同様に、
　格子点Ｂ（図７参照）における電極部分４ａ～４ｄの基礎電圧は、それぞれ、９４、－６３、２８、－４６（単位省略）、同様に、
　格子点Ｃ（図７参照）における電極部分４ａ～４ｄの基礎電圧は、それぞれ、３０、－３５、８０、－７０（単位省略）であったとする。

　まず、Ｆ００３で測定電圧の絶対値の最大値と符号が判定される。この場合、電極部分４ａの１９５が電圧絶対値の最大値となる。したがって、ここでは、電圧の絶対値のうち、最大電圧を示す電極部分は電極部分４ａ、電圧符号はプラス、という情報が保持される。

　Ｆ００４において格子点Ａが計算対象とされた場合、Ｆ００５で格子点Ａの基礎電圧の絶対値の最大値と符号が判定される。この場合、電極部分４ａの１０１が電圧絶対値の最大値となる。したがって、ここでは、電圧の絶対値のうち、最大電圧を示す電極部分は電極部分４ａ、電圧符号はプラス、という情報が保持される。

　Ｆ００６において、Ｆ００３の結果による電極位置情報とＦ００５の結果による電極位置情報とが照合される。この場合、電極位置は双方とも電極部分４ａで一致するのでＦ００７に進む。

　Ｆ００７において、Ｆ００３の結果による符号情報とＦ００５の結果による符号情報とが照合される。この場合、符号情報は双方ともプラスで一致するのでＦ００８に進む。

　Ｆ００８では、すべての電極部分４ａ～４ｄにおいて基礎電圧に対する測定電圧の比率が計算される。この結果を表１に示す。

　同様に、Ｆ００４において格子点Ｂが計算対象とされた場合、Ｆ００５の処理において電極部分４ａの９４が電圧絶対値の最大値となる。したがって、ここでは、電圧の絶対値のうち、最大電圧を示す電極部分は電極部分４ａ、電圧符号はプラス、という情報が保持される。

　Ｆ００８では、すべての電極部分４ａ～４ｄにおいて基礎電圧に対する測定電圧の比率が計算される。この結果を表２に示す。

　同様に、Ｆ００４において格子点Ｃが計算対象とされた場合、Ｆ００５の処理において電極部分４ｃの８０が電圧絶対値の最大値となる。したがって、ここでは、電圧の絶対値のうち、最大電圧を示す電極部分は電極部分４ｃ、電圧符号はプラス、という情報が保持される。

　Ｆ００６において、Ｆ００３の結果による電極位置情報とＦ００５の結果による電極位置情報とが照合される。この場合、電極位置は一致しないので、Ｆ００７～Ｆ０１０はスキップされる。

　ここでは、説明のために、格子点Ｃにおける基礎電圧に対する測定電圧の比率も計算し、表３として示す。（実際にはこの計算は実施されない。）

　表１および表２に示す格子点Ａおよび格子点Ｂでは、測定電圧を基礎電圧と比較した際、どの電極部分においても約２倍近い比率が計測されている。一方、表３に示す格子点Ｃでは、測定電圧と基礎電圧との比率は、電極部分間でばらばらである。

　これら表１ないし表３を見れば、格子点Ｃは実際の押圧点から遠く離れており、格子点Ａおよび格子点Ｂの近傍の点が押圧されたことがわかる。ここでは、測定誤差等は無視して考えている。したがって、格子点Ｃは計算対象から省いてよいことがわかる。

　電圧が最大となる電極部分の位置とその符号が一致する格子点を計算対象とし、それ以外の格子点を計算から除外することで、Ｆ００８～Ｆ０１０の間の処理を減らすことができ、処理の負荷を軽減することができる。

　比率を求める際には、すべての符号が合致していることが前提である。したがって、Ｆ００８の処理において絶対値が最大となる電極部分以外の電極部分の符号も判断し、符号が一致しない場合には、この時点で処理を中断して、Ｆ０１１へジャンプしてもよい。ただし、測定電圧が０近傍にある場合には符号が逆転する可能性があるため、これに対しては、予め閾値を設定しておき、ある電極部分の基礎電圧が閾値より低い場合には、電圧の符号は判定せず、その電極部分のデータのみを以降の処理で用いないようにする処理としてもよい。

　たとえば、次のステップでは４点で標準偏差計算を行なうが、上述のように、閾値より低い基礎電圧がある場合には、この基礎電圧を示した点を除いて、３点で計算を行なうことになる。このようにすることにより、基礎電圧が０近傍にある場合に、算出された比率が極端に大きくなってしまうことを防ぐことができる。

　Ｆ００９：
　各電極毎の比率の標準偏差を求める。

　標準偏差の例も表１ないし表３に記載している。表１ないし表３からわかるように、比率のばらつきが小さいほど、押圧点はその格子点に近いことを表しており、標準偏差は小さくなる。

　もし、標準偏差が０となれば、押圧はその格子点そのものであったことを示す。実際には、誤差の影響で標準偏差が０となる確率は極めて小さいが、もし０となった場合には、以降の座標判断処理は中断し、押圧点の座標は格子点そのものの座標としてもよい。実際のプログラムでは、標準偏差の閾値を設定しておき、閾値よりも小さくなった場合には、以降の座標判断処理は中断し、格子点そのものの座標として押圧点の座標を決定する。

　Ｆ０１０：
　前の処理で得られた標準偏差の順位付けを行なう。

　繰り返し処理であるので、前の一連の動作で既に順位が付けられている。よって、今回求めた標準偏差が、前回の順位のどこにはいるかを算出し、以降のデータの順位を下にずらす。

　Ｆ０１１：
　このステップは、繰り返し処理の下端である。

　すべての格子点にわたって計算が完了するまでＦ００４～Ｆ０１１を繰り返す。

　Ｆ０１２：
　最終のＦ０１０の処理で最上位に位置付けられた格子点の基礎電圧データに対する比率の平均値を求め、これを押圧力比率とする。

　たとえば表１ないし表３に示した格子点Ａ～Ｃのうち、格子点Ｂが第１位の点とされた場合には、その比率の平均を算出すると、１．９４３となる。したがって、基準押圧力を０．１０Ｎとしている場合であれば、実際の押圧力は約０．２０Ｎと判断される。

　Ｆ０１３：
　図８に示すとおり、変数に数値を割り当てる。

　順位付けＭ番目までのデータについて求めるとすれば、格子点の座標を（ＧＸｋ，ＧＹｋ）、標準偏差をＳｋとしたとき、ｋ＝１，２，…，Ｍとする。ここで、Ｍは、実用上、３もしくは４とすれば十分である。多くすれば計算量が増えるだけで誤差はかえって大きくなる。

　Ｆ０１４：
　図８に示すとおり計算する。

　求める座標を（Ｘ，Ｙ）とすれば、
Ｘ＝Σ（ＧＸｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）　…（１）、および
Ｙ＝Σ（ＧＹｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）　…（２）
（ただし、ｋ＝１，２，…，Ｍ）
の式により求められる。

　押圧操作点の座標決定のイメージは以下のとおりである。図９は、Ｍ＝４としたときの上位の格子点の近傍を抜き出して示したものである。図９において、押圧操作点３０の近傍に格子点３１～３４が図示されている。なお、タッチパネル１上には、このような格子点は見える形では存在していない。

　前述した順位付けによって、第１位が格子点３４、第２位が格子点３１、第３位が格子点３３、第４位が格子点３２というように決定される。第１位の格子点３４、第２位の格子点３１、第３位の格子点３３および第４位の格子点３２の各座標が、それぞれ、（－２０，５）、(－２０，１０)、(－２５，５)および（－２５，１０）であり、また、各々の標準偏差が、それぞれ、０．０５、０．０８、０．１３および０．１８であったとすれば、上記（１）および（２）式より、押圧操作点３０の座標（Ｘ，Ｙ）は、
（Ｘ，Ｙ）＝（－２１．４５，６．９７）と求まる。

　以上の説明では、押圧操作における、押圧方向動作時に検出されるデータの処理方式を記載したが、押圧した指またはペンを放す時、すなわち逆押圧方向動作時にも電圧が発生し、この電圧は、押圧方向動作時とは極性が逆転する。検出部１０２で検知される電圧は、圧電シート３がＰＬＬＡからなる場合であっても、ＰＶＤＦからなる場合であっても、一番大きな電圧が検出された電極部分に着目すれば、その極性は決まっている。したがって、その極性に着目すれば、押圧方向動作時であるか、逆押圧方向動作時であるかが区別できる。

　押圧動作時に発生した電圧に対して、逆押圧方向動作時には、すべての電極部分で逆極性の電圧が発生する、したがって、この極性を逆に読み替えれば、押圧方向動作時のデータをそのまま利用することができる。

　また、データ取得工程において、逆押圧方向動作時に取ったデータを使えば、そのまま同じアルゴリズムで検知が可能である。

　位置検出と押圧力検知とを押圧方向動作時のデータで行ない、逆押圧動作時には何もしないということももちろん可能である。あるいは、押圧方向動作時には何もせずに、逆押圧動作時にだけ検知するようにしてもよい。また、位置検出は押圧方向動作時のみで行ない、押圧力検知は逆押圧方向動作時に行なうという方法、もしくはその逆の方法も可能である。

　さらに、押圧方向動作時と逆押圧方向動作時との双方ですべての押圧力検知を行ない、それらの平均を用いるという方法でもよい。また、押圧方向動作時と逆押圧方向動作時とで別々の結果としても捉えてもよい。

　また、押圧操作を行なうにあたって、押す速度または放す速度を変えることにより、検知電圧が変化するため、ゲーム機などに適用される場合、押圧操作において、ゆっくり押す、速く押す、ゆっくり放す、速く放すといった使い分けが可能である。

　以上のように、この発明によれば、分割電極において複数の電極部分への分割数が少なくても、離散的な基本データを持つだけで、全平面で連続的に（離散化することなく）座標値と押圧力とを同時に検知できるタッチ式入力装置とすることができる。

　なお、タッチパネル１は、その用途によっては、透明性を有している必要がないこともある。この場合には、たとえば、保護材２、圧電シート３、第１の電極４を含む電極、ゴム状弾性体５および基体６のすべてまたはいずれかは、不透明とされてもよい。

１　タッチパネル
２　保護材
３　圧電シート
３ａ　第１の主面
４　第１の電極
４ａ～４ｄ　電極部分
５　ゴム状弾性体
６　基体
３０　押圧操作点
３１～３４　格子点
１００　タッチ式入力装置
１０１　処理装置
１０２　検出部
１０３　演算部
１０４　記憶部

Claims

　圧電性を有する圧電シートと、前記圧電シートの互いに対向する第１および第２の主面上にそれぞれ形成された、互いに対向する第１および第２の電極とを有し、前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面が前記圧電シートの前記第１の主面に沿って延びている、タッチパネルを備え、
　前記タッチパネルの前記操作面を押圧操作した際に、前記分割電極における複数の前記電極部分の各々に発生する電圧を比較することによって、押圧操作した位置および押圧力を演算するようにされた、タッチ式入力装置であって、
　前記タッチパネルの前記操作面に対し、格子状のマトリックス座標を設定する工程と、前記格子状のマトリックス座標の各格子点に対する所定の加重による押圧操作に関連して各前記電極部分に発生する電圧をそれぞれ測定する工程とを経て得られた前記電圧を、前記各格子点における基礎電圧として予め保管しておく記憶手段を備え、さらに、
　前記タッチパネルの前記操作面に対する操作者による押圧操作に関連して各前記電極部分に発生する実際の測定電圧を求める第１の手段と、
　前記格子点の各々について、前記基礎電圧の絶対値の最大値を示す前記電極部分と前記測定電圧の絶対値の最大値を示す前記電極部分とを照合し、かつその符号同士を照合し、前記電極部分と前記符号が一致する場合、前記格子点を処理対象格子点として絞り込む第２の手段と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記基礎電圧に対する前記測定電圧の比率を各前記電極部分毎に計算する第３の手段と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記比率の平均を各前記電極部分毎に求める第４の手段と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記比率の標準偏差を求める第５の手段と、
　前記標準偏差の小さい順に前記処理対象格子点を順位付けする第６の手段と、
　順位付けされた前記処理対象格子点の上位から所定のｎ個の格子点を選択する第７の手段と、
　前記選択された格子点の座標を（Ｘｋ，Ｙｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）、前記標準偏差をＳｋ（ｋ＝１，２，…，ｎ）としたとき、操作者による押圧操作の押圧位置の座標（Ｘ，Ｙ）を、
Ｘ＝Σ（Ｘｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）、Ｙ＝Σ（Ｙｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）
として決定する第８の手段と、
　前記順位付けの最上位の格子点の前記比率の平均を前記加重に乗じて、操作者による押圧操作の押圧力を求める第９の手段と
を備える、タッチ式入力装置。
　前記第２の手段は、前記格子点の各々について、前記基礎電圧の絶対値の最大値および第２位を示す前記電極部分と、前記測定電圧の絶対値の最大値および第２位を示す前記電極部分とを照合し、電圧の順位に関係なくそれぞれの電極部分が一致しかつそれぞれの電極部分における電圧の符号同士が一致する場合、前記格子点を処理対象格子点として絞り込むようにされた、請求項１に記載のタッチ式入力装置。
　前記第２の手段は、前記測定電圧の前記第２位の電圧の値が、所定の閾値より小さい場合には、最大値のみで判定するようにされた、請求項２に記載のタッチ式入力装置。
　前記圧電シートの前記第１の主面上に配置される前記操作面を与えるためのガラス板をさらに備える、請求項１ないし３のいずれかに記載のタッチ式入力装置。
　前記圧電シートの前記第２の主面側に配置されるゴム状弾性体をさらに備える、請求項１ないし４のいずれかに記載のタッチ式入力装置。
　前記圧電シートは、所定の方向に向く延伸軸を有するＬ型ポリ乳酸シートである、請求項１ないし５のいずれかに記載のタッチ式入力装置。
　圧電性を有する圧電シートと、前記圧電シートの互いに対向する第１および第２の主面上にそれぞれ形成された、互いに対向する第１および第２の電極とを有し、前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極とされ、操作者による押圧操作が及ぼされるべき操作面が前記圧電シートの前記第１の主面に沿って延びている、タッチパネルを備え、
　前記タッチパネルの前記操作面を押圧操作した際に、前記分割電極における複数の前記電極部分の各々に発生する電圧を比較することによって、押圧操作した位置および押圧力を演算するようにされた、タッチ式入力装置の制御方法であって、
　前記タッチパネルの前記操作面に対し、格子状のマトリックス座標を設定する第１の予備工程と、
　前記格子状のマトリックス座標の各格子点に対する所定の加重による押圧操作に関連して各前記電極部分に発生する電圧をそれぞれ測定する第２の予備工程と、
　前記第２の予備工程によって得られた前記電圧を、前記各格子点における基礎電圧としてメモリに保管しておく第３の予備工程と
を備え、さらに、実際の使用時において、
　前記タッチパネルの前記操作面に対する操作者による押圧操作に関連して各前記電極部分に発生する実際の測定電圧を求める第１の実践工程と、
　前記格子点の各々について、前記基礎電圧の絶対値の最大値を示す前記電極部分と前記測定電圧の絶対値の最大値を示す前記電極部分とを照合し、かつその符号同士を照合し、前記電極部分と前記符号が一致する場合、前記格子点を処理対象格子点として絞り込む第２の実践工程と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記基礎電圧に対する前記測定電圧の比率を各前記電極部分毎に計算する第３の実践工程と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記比率の平均を各前記電極部分毎に求める第４の実践工程と、
　前記処理対象格子点の各々について、前記比率の標準偏差を求める第５の実践工程と、
　前記標準偏差の小さい順に前記処理対象格子点を順位付けする第６の実践工程と、
　順位付けされた前記処理対象格子点の上位から所定のｎ個の格子点を選択する第７の実践工程と、
　前記選択された格子点の座標を（Ｘｋ，Ｙｋ）（ｋ＝１，２，…，ｎ）、前記標準偏差をＳｋ（ｋ＝１，２，…，ｎ）としたとき、操作者による押圧操作の押圧位置の座標（Ｘ，Ｙ）を、
Ｘ＝Σ（Ｘｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）、Ｙ＝Σ（Ｙｋ／Ｓｋ）／Σ（１／Ｓｋ）
として決定する第８の実践工程と、
　前記順位付けの最上位の格子点の前記比率の平均を前記加重に乗じて、操作者による押圧操作の押圧力を求める第９の実践工程と
を備える、タッチ式入力装置の制御方法。
　前記第２の実践工程は、前記格子点の各々について、前記基礎電圧の絶対値の最大値および第２位を示す前記電極部分と、前記測定電圧の絶対値の最大値および第２位を示す前記電極部分とを照合し、電圧の順位に関係なくそれぞれの電極部分が一致しかつそれぞれの電極部分における電圧の符号同士が一致する場合、前記格子点を処理対象格子点として絞り込む工程を備える、請求項７に記載のタッチ式入力装置の制御方法。
　前記第２の実践工程は、前記測定電圧の前記第２位の電圧の値が、所定の閾値より小さい場合には、最大値のみで判定する工程を備える、請求項８に記載のタッチ式入力装置の制御方法。
　前記第２の予備工程および前記第１の実践工程において、各前記電極部分に発生する電圧は、前記タッチパネルの前記操作面に対する押圧操作における、押圧方向動作時に検出される、請求項７ないし９のいずれかに記載のタッチ式入力装置の制御方法。
　前記第２の予備工程および前記第１の実践工程において、各前記電極部分に発生する電圧は、前記タッチパネルの前記操作面に対する押圧操作における、逆押圧方向動作時に検出される、請求項７ないし９のいずれかに記載のタッチ式入力装置の制御方法。
　前記第２の予備工程および前記第１の実践工程において、各前記電極部分に発生する電圧のうち最も絶対値の大きい電圧の極性に基づいて、各前記電極部分に発生する電圧が、前記タッチパネルの前記操作面に対する押圧操作における、押圧方向動作時に検出されたものか、逆押圧方向動作時に検出されたものかを判断する工程をさらに備える、請求項１０または１１に記載のタッチ式入力装置の制御方法。
　前記第３の実践工程において、前記基礎電圧のうち、所定の閾値より小さい電圧値を示す前記電極部分での基礎電圧を使用しないようにする、請求項７ないし１２のいずれかに記載のタッチ式入力装置の制御方法。