JP2007279820A - タッチパネル付き表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者の視線方向の違いに起因するタッチ位置のずれを低減する。
【解決手段】曲面タッチパネル１５は、曲面状のタッチ面Ｔを有する静電容量方式の透明なタッチパネルである。ＬＥＤ１１と液晶パネル１３は、曲面タッチパネル１５の背面側に設けられた表示面に画像を表示する。コリメートレンズ１２は、ＬＥＤ１１から出射された光の一部を平行光に変換する。レンズアレイ１４は、複数の屈折率分布型レンズを２次元状に配置したものであり、液晶パネル１３に表示された画像の等倍正立実像を曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に光学的に結像させる。利用者は、空中に結像された画像を見ながら、曲面タッチパネル１５のタッチ面Ｔにタッチする。
【選択図】図１

Description

本発明は、タッチパネル付き表示装置に関し、より特定的には、タッチ面が曲面であるタッチパネルを備えた表示装置に関する。

車載用の電子機器やゲーム機器などにおいて、機器の操作性を高めるために、タッチ面が曲面であるタッチパネル（以下、曲面タッチパネルという）を用いることが提案されている。しかしながら、曲面タッチパネルと共に使用されるディスプレイについては、今のところ、可撓性を有する平面ディスプレイを湾曲させて得られる円筒面状（アーチ状）のディスプレイですらまだ開発段階にあり、球面（ドーム状）や任意の曲面のディスプレイの実用化にはさらに時間がかかる。このため実用的には、曲面タッチパネルを平面ディスプレイと共に使用する形態が多いと考えられる。

図６は、曲面タッチパネルと平面ディスプレイとを備えたタッチパネル付き表示装置の外観を示す図である。図６において曲面タッチパネル１は、半球状のタッチ面を有する透明なタッチパネルである。曲面タッチパネル１の下には、曲面タッチパネル１が形成する空間内に平面の表示画面２を表示する表示装置（例えば、液晶表示装置）が設けられる。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献１には、接触部分が半球状またはドーム状のタッチパネルを備えた座標入力装置が開示されている。また、特許文献２には、曲面タッチパネルを備えた電気光学パネルが開示されている。
特開２００４−９４４５０号公報 特開２００４−２５２６７６号公報

しかしながら、図６に示すタッチパネル付き表示装置には、曲面タッチパネル１が表示画面２から離れているために、利用者が表示装置を見る方向によって、タッチ位置がずれるという問題がある。例えば図６において、利用者が表示画面２内の点Ｐにタッチする場合を考える。曲面タッチパネル１の真上から点Ｐを見る利用者Ｕ１は、点Ｐにタッチしようとして、曲面タッチパネル１の頂上に位置する点Ｑ１にタッチする。これに対して、斜めから点Ｐを見る利用者Ｕ２は、点Ｐにタッチしようとして、曲面タッチパネル１の頂上から離れた位置にある点Ｑ２にタッチする。このように視線方向の違いに起因する位置のずれ（視差）があると、タッチ位置にずれが生じ、利用者からの入力を正しく検出できなくなる。

それ故に、本発明は、視線方向の違いに起因するタッチ位置のずれを低減した曲面タッチパネル付き表示装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、タッチパネル付きの表示装置であって、
曲面状のタッチ面を有する静電容量方式の透明なタッチパネルと、
前記タッチパネルの背面側に設けられた所定の表示面に画像を表示する画像表示部と、
前記表示面に表示された画像を、前記タッチパネルの表面近傍の空間に光学的に結像させる画像結像部とを備える。

第２の発明は、第１の発明において、
前記画像結像部は、凸レンズ、フルネルレンズおよび凹面鏡のいずれかを含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、
前記画像結像部は、前記表示面に表示された画像の等倍正立実像を結像させるレンズアレイ部を含むことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記レンズアレイ部は、複数の屈折率分布型レンズを２次元状に配置したレンズアレイを含むことを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明において、
前記レンズアレイ部は、複数の凸レンズを２次元状に配置した第１および第２のレンズアレイを含み、
前記第１のレンズアレイは、前記表示面に表示された画像の等倍倒立実像を結像させ、
前記第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイで得られた画像の等倍倒立実像を結像させることを特徴とする。

第６の発明は、第３の発明において、
前記画像結像部は、前記レンズアレイ部に入射する光を平行光とするためのコリメータをさらに含むことを特徴とする。

第７の発明は、第１の発明において、
前記画像表示部は、光源と非発光型の表示パネルとを含むことを特徴とする。

第８の発明は、第１の発明において、
前記画像表示部は、自発光型の表示パネルを含むことを特徴とする。

上記第１の発明によれば、表示面に表示された画像は、タッチパネルの表面近傍の空間に光学的に空中像として結像される。したがって、利用者は、どの方向からでも空中像を見ながら、表示画面内でタッチしようとする点に対応する曲面タッチパネル上の点に正しくタッチすることができる。このように第１の発明によれば、視線方向の違いに起因する位置のずれ（視差）を低減し、タッチ位置のずれを低減することができる。

上記第２の発明によれば、凸レンズ、フルネルレンズまたは凹面鏡を用いて画像結像部を構成し、タッチ位置のずれを低減したタッチパネル付き表示装置を得ることができる。

上記第３ないし第５の発明によれば、レンズアレイ部を含む画像結像部を用いることにより、物体像面間距離を短くし、タッチ位置のずれを低減した薄型のタッチパネル付き表示装置を得ることができる。

上記第６の発明によれば、レンズアレイ部を用いて等倍倒立実像を得るときに必要な平行光を、コリメータを用いて得ることができる。

上記第７または第８の発明によれば、非発光型の表示パネルまたは自発光型の表示パネルを用いて、タッチ位置のずれを低減したタッチパネル付き表示装置を得ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るタッチパネル付き表示装置の構成を示す図である。図１に示す表示装置１０は、発光ダイオード（Light Emitting Diode；以下、ＬＥＤと略称する）１１、コリメートレンズ１２、液晶パネル１３、レンズアレイ１４、および、曲面タッチパネル１５を備えている。表示装置１０では、レンズアレイ１４としてセルフォック（登録商標）レンズアレイが使用される。

曲面タッチパネル１５は、曲面状のタッチ面Ｔを有する静電容量方式の透明なタッチパネルである。図２は、曲面タッチパネル１５の構造を示す断面図である。曲面タッチパネル１５は、図２に示すように、凸状に形成された曲面基板１６に透明導電膜１７と保護膜１８を順に積層したものである。曲面タッチパネル１５では、透明導電膜１７と保護膜１８が形成された面がタッチ面Ｔとなる。以下、タッチ面Ｔの裏側の面（図２では面Ｓ）を「背面」という。

曲面基板１６は、半球状（ドーム状）に形成された、厚さが１〜２ｍｍ程度の基板である。曲面基板１６は、例えば、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、耐熱性ガラスなどで形成される。あるいは、曲面基板１６を、後述する成膜プロセスに耐え得るプラスチック材料などで形成してもよい。なお、曲面基板１６の形状は、半球状に限らず、凸面でも凹面でも任意のレリーフ状の凹凸面（例えば、人物や漫画のキャラクターの顔の形状）でもよい。

透明導電膜１７は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide ）、ＳｎＯ₂ などの導電性物質で形成された透明な膜である。透明導電膜１７は、スパッタリング処理によって曲面基板１６上に成膜される。透明導電膜１７の膜厚は１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度であり、透明導電膜１７の面抵抗は約１ＫΩ／□である。

なお、透明導電膜１７は、必ずしも１枚の連続した膜である必要はない。例えば曲面基板１６の形状が複雑であるときには、曲面基板１６を複数の領域に分割し、各領域にその領域の形状に合った膜を貼り付け、貼り付けた膜同士を配線で電気的に接続してもよい。

保護膜１８は、例えばＳｉＯ₂ 、ＳｉＮｘ、透明樹脂などの絶縁性物質で形成された透明な膜である。保護膜１８は、スパッタリング処理、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法、あるいは、塗布によって透明導電膜１７上に成膜される。保護膜１８の膜厚は、１００ｎｍ〜１μｍ程度である。

透明導電膜１７には、電流検出用に複数のリード線（図示せず）が接続されている。このリード線には、検出した電流に基づき、曲面タッチパネル１５上の２次元位置を算出する位置算出部（図示せず）が接続されている。なお、位置算出部において曲面タッチパネル１５上の２次元位置を正しく算出するためには、曲面基板１６の外周部にリード線を３本以上設ける必要がある。

なお、上記の構成において、透明導電膜１７および保護膜１８を曲面基板１６の背面側（タッチ面Ｔと反対側の面）に形成してもよい。

ところで、タッチパネルには、静電容量方式以外にも、抵抗膜方式、電磁誘導方式、光学式、超音波式などの方式がある。しかしながら、静電容量方式以外の方式は、曲面タッチパネル１５には適していない。その理由は、以下のとおりである。

抵抗膜方式では、抵抗膜を形成した２枚の基板をわずかな間隔を空けて保持する必要がある。ところが、基板の形状が球面や任意の曲面である場合には、２枚の基板の間隔を高い精度で目標値に合わせることは極めて困難である。電磁誘導方式では、不透明なセンサー基板を表示素子の背面に配置する必要がある。ところが、センサー基板をそのような位置に配置すると、センサー感度が低下する。これに加えて電磁誘導方式には、ペンがどの程度まで接近したときにタッチしたと判定するかを決定することが困難であるという問題もある。光学式については、光の直進性を考慮すると、曲面に沿ってタッチを検出することは原理的に不可能である。超音波式には、曲面上に微細な超音波トランスデューサー（発信／受信素子）を形成することが製造上困難であるいう問題がある。

これら４つの方式とは異なり、静電容量方式によれば、基板の形状が球面や任意の曲面であっても、製造上の課題は比較的少ない。このため、本実施例の曲面タッチパネル１５では、上記４つの方式よりも有利な静電容量方式が採用されている。

以下、再び図１を参照して、表示装置１０の全体構成を説明する。液晶パネル１３は、透過型の液晶パネルであり、曲面タッチパネル１５の背面側に設けられる。ＬＥＤ１１は、所定の輝度で発光する光源であり、液晶パネル１３を挟んで曲面タッチパネル１５の反対側に配置される。液晶パネル１３は、駆動回路（図示せず）から供給された映像信号に基づき、画像を表示する。このようにＬＥＤ１１および液晶パネル１３は、曲面タッチパネル１５の背面側に設けられた表示面（液晶パネル）に画像を表示する画像表示部として機能する。

一方、コリメートレンズ１２およびレンズアレイ１４は、表示面（液晶パネル）に表示された画像を、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に光学的に結像させる画像結像部として機能する。より詳細には、コリメートレンズ１２は、ＬＥＤ１１と液晶パネル１３との間に設けられ、ＬＥＤ１１から出射された光の一部を平行光に変換する。コリメートレンズ１２から出射された平行光は、液晶パネル１３を透過し、レンズアレイ１４を経由して曲面タッチパネル１５に到達する（図１を参照）。

上述したように、レンズアレイ１４は、セルフォックレンズアレイである。セルフォックレンズアレイは、口径の小さい複数の屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）を２次元状に配置したレンズアレイの一種であり、入力画像の等倍正立実像を結像させる機能を有する。この機能を用いることにより、液晶パネル１３に表示された画像を、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に光学的に結像させることができる。

より詳細には、表示装置１０では、液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５とは正対するように配置され、レンズアレイ１４は液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５との間にレンズ面が液晶パネル１３と平行になるように配置される。この際、レンズアレイ１４は、液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５の中間点に近い位置に配置される。

レンズアレイ１４は、入力画像の等倍正立実像を結像させる機能を有する。したがって、液晶パネル１３に表示された画像を原画像とした等倍正立実像が、レンズアレイ１４を挟んで液晶パネル１３と対称な位置に結像する（図３を参照）。また、等倍正立実像が結像する位置は、曲面タッチパネル１５の表面に近い位置である。したがって、図１に示すように、液晶パネル１３に表示された画像（より正確には、液晶パネル１３上の領域Ａ内に表示された画像）の等倍正立実像が、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に（具体的には、図１に示す領域Ｂに）空中像として結像する。

曲面タッチパネル１５は透明であるので、表示装置１０の利用者には、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に結像した空中像（液晶パネル１３に表示された画像と同じ画像）が見える。また、空中像が結像する位置は、曲面タッチパネル１５の表面近傍である。したがって、利用者は、どの方向からでも空中像を見ながら、表示画面内でタッチしようとする点に対応した曲面タッチパネル１５上の点にタッチすることができる。

なお、表示装置１０に含まれる液晶パネル１３の画面サイズは、空中像を結像させる光学系の構成、空中像の解像度などに応じて決定される。表示装置１０では、画像結像部は液晶パネル１３に表示された画像の等倍正立実像を結像させるので、液晶パネル１３として、空中像のサイズよりも大きく、曲面タッチパネル１５のサイズよりも小さい画面を有するものが使用される。

以上に示すように、本実施形態に係る表示装置１０によれば、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に空中像が結像するので、視線方向の違いに起因する位置のずれ（視差）を低減し、タッチ位置のずれを低減することができる。特に、表示装置１０では、空中像を結像させるためにセルフォックレンズアレイを用いているので、物体像面間距離を短くし、表示装置を薄くする（図１では、縦方法の長さを短くする）ことができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るタッチパネル付き表示装置の構成を示す図である。図４に示す表示装置２０は、第１の実施形態に係るタッチパネル付き表示装置（図１）において、レンズアレイ１４を２枚の凸レンズアレイ２１、２２に置換したものである。本実施形態の構成要素のうち、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

凸レンズアレイ２１、２２は、いずれも口径の小さい複数の凸レンズを２次元状に配置したものであり、同じ構造を有する。２枚の凸レンズアレイ２１、２２は、凸レンズ同士が正対するように所定の間隔を空けて配置され、ペアで使用される。このように配置された２枚の凸レンズアレイ２１、２２は、第１の実施形態に係るレンズアレイ１４と同様に等倍正立実像を結像させる機能を有する。この機能を用いることにより、液晶パネル１３に表示された画像を、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に光学的に結像させることができる。

より詳細には、表示装置２０においても、液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５とは正対するように配置され、凸レンズアレイ２１、２２は液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５の間にレンズ面が液晶パネル１３と平行になるように配置される。この際、凸レンズアレイ２１、２２は、２枚のレンズアレイの中間点が液晶パネル１３と曲面タッチパネル１５の中間点に近くなるように配置される。

図５に示すように、凸レンズアレイ２１は、液晶パネル１３に表示された画像を原画像とした等倍倒立実像（以下、中間像という）を結像させる。凸レンズアレイ２２は、中間像の等倍倒立実像を結像させる。したがって、凸レンズアレイ２１、２２は、原画像の等倍正立実像を結像させる。また、等倍正立実像が結像する位置は、曲面タッチパネル１５の表面に近い位置である。したがって、第１の実施形態と同様に、液晶パネル１３に表示された画像の等倍正立実像が、曲面タッチパネル１５の表面近傍の空間に空中像として結像する。

したがって、本実施形態に係る表示装置２０によれば、第１の実施形態と同様に、視線方向の違いに起因する位置のずれ（視差）を低減し、タッチ位置のずれを低減することができる。特に、空中像を結像させるために２枚の凸レンズアレイを用いているので、第１の実施形態と同様に、物体像面間距離を短くし、表示装置を薄くすることができる。

本発明のタッチパネル付き表示装置については、以下に示す変形例を構成することができる。例えば、以上の説明では、画像表示部は、光源としてＬＥＤ１１を含むこととしたが、これに代えてハロゲンランプやショートアークランプなどを含んでいてもよい。

また、以上の説明では、画像表示部は、非発光型の表示パネルとして透過型の液晶パネル１３を含むこととしたが、画像表示部は、非発光型の表示パネルとして反射型の液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）など、反射型表示素子を有する表示パネルを含んでいてもよい。非発光型の表示パネルを用いる場合、画像表示部に光源を設ける必要がある。

あるいは、画像表示部は、非発光型の表示パネルに代えて、蛍光表示管、無機または有機ＥＬ表示素子、ＳＥＤ（Surface-conduction Electron-emitter Display ）などの自発光型の表示パネルを含んでいてもよい。自発光型の表示素子を用いる場合には、画像表示部に光源を設ける必要はない。

また、以上の説明では、画像結像部は、表示面に表示された画像の等倍正立実像を結像させることとしたが、画像結像部は、凸レンズ、フルネルレンズおよび凹面鏡のいずれかを含み、表示面に表示された画像とは異なるサイズの正立実像を結像させてもよい。

これら変形例に係るタッチパネル付き表示装置によれば、第１および第２の実施形態と同様に、視線方向の違いに起因する位置のずれ（視差）を小さくし、タッチ位置のずれを小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る表示装置の構成を示す図である。 図１に示す表示装置に含まれる曲面タッチパネルの構造を示す断面図である。 図１に示す表示装置に含まれるレンズアレイの機能を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る表示装置の構成を示す図である。 図４に示す表示装置に含まれる凸レンズアレイの構成を示す図である。 タッチパネル付き表示装置におけるタッチ位置のずれを示す図である。

符号の説明

１０、２０…表示装置
１１…ＬＥＤ
１２…コリメートレンズ
１３…液晶パネル
１４…レンズアレイ
１５…曲面タッチパネル
１６…曲面基板
１７…透明導電膜
１８…保護膜
２１、２２…凸レンズアレイ

Claims (8)

1. タッチパネル付きの表示装置であって、
   曲面状のタッチ面を有する静電容量方式の透明なタッチパネルと、
   前記タッチパネルの背面側に設けられた所定の表示面に画像を表示する画像表示部と、
   前記表示面に表示された画像を、前記タッチパネルの表面近傍の空間に光学的に結像させる画像結像部とを備えた、表示装置。
2. 前記画像結像部は、凸レンズ、フルネルレンズおよび凹面鏡のいずれかを含むことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記画像結像部は、前記表示面に表示された画像の等倍正立実像を結像させるレンズアレイ部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記レンズアレイ部は、複数の屈折率分布型レンズを２次元状に配置したレンズアレイを含むことを特徴とする、請求項３に記載の表示装置。
5. 前記レンズアレイ部は、複数の凸レンズを２次元状に配置した第１および第２のレンズアレイを含み、
   前記第１のレンズアレイは、前記表示面に表示された画像の等倍倒立実像を結像させ、
   前記第２のレンズアレイは、前記第１のレンズアレイで得られた画像の等倍倒立実像を結像させることを特徴とする、請求項３に記載の表示装置。
6. 前記画像結像部は、前記レンズアレイ部に入射する光を平行光とするためのコリメータをさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の表示装置。
7. 前記画像表示部は、光源と非発光型の表示パネルとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
8. 前記画像表示部は、自発光型の表示パネルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。

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