JP2009110247A - タッチパネル、表示装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、位置検出精度の高いタッチパネル、表示装置、電子機器を提供する。
【解決手段】入力面４２Ａを有するタッチパネル基板４２と、タッチパネル基板４２の入力面４２Ａあるいは裏面４２Ｂのいずれかに配置される圧電素子４３と、を備え、圧電素子４３は、タッチパネル基板４２の各辺の一部に少なくとも一つずつ配置され、タッチパネル基板４２の圧電素子４３と反対側の面には、少なくとも圧電素子４３と平面視で重なる位置に、入力に追従して変位する変位部６１が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タッチパネル、表示装置、電子機器に関するものである。

近年、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、パーソナルコンピュータ等の小型情報電子機器の普及に伴い、表示画面上に指又はペンなどの物体を接触させることにより入力操作を行う、所謂タッチパネル機能が付加された表示装置が広く利用されている。

ここで、指やペンなどの物体の接触位置を検出する方法として、例えば抵抗膜や圧電素子を用いた方法が知られている。抵抗膜方式では、抵抗膜に物体が接触することによって生じるその抵抗膜の抵抗値の変化を検知し、物体の接触位置を検出する（例えば特許文献１）。圧電素子方式では、圧電素子の厚み方向に外力が加わることによって生じる出力信号の変化に基づいて押圧位置を検出する（例えば特許文献２，３）。
特開昭６１−０００８２５号公報 特開平１１−２１２７２５号公報 特開平０６−１３９０１８号公報

上記した方法は、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、抵抗膜方式は使用中に媒体表面の抵抗膜が損傷する虞があり耐久性が乏しい。さらに、圧電素子方式では、圧電素子を厚みモードで使用しているため、媒体が硬い材質や厚みのある形状であった場合あるいは押圧力が小さかった場合には、位置検出精度が極端に低下する問題がある。つまり、押圧力が大きくないと圧電素子が変形しないため、入力に力がいる。また、位置検出の感度が鈍いためにユーザが情報を入力する際に時間が掛かってしまう。更に、上記した特許文献２，３では、媒体の面積が大きい場合には押圧位置を精度よく検出することが非常に難しい。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、簡易な構成で、位置検出精度の高いタッチパネル、表示装置、電子機器を提供することを目的としている。

本発明のタッチパネルは、上記課題を解決するために、入力面を有するタッチパネル基板と、タッチパネル基板の入力面あるいは裏面のいずれかに配置される圧電素子と、を備え、圧電素子は、タッチパネル基板の各辺の一部に少なくとも一つずつ配置され、タッチパネル基板の圧電素子とは反対側の面には、少なくとも圧電素子と平面視で重なる位置に、入力に追従して変位する変位部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、タッチパネル基板の入力面がユーザによって押圧された場合に、変位部が形成された箇所を局所的に湾曲させて、圧電素子を変形しやすくなる。タッチパネル基板が容易に湾曲変形すると、タッチパネル基板の変形に追従して圧電素子も同時に湾曲変形し、その変形量に応じた起電力を発生する。このようなタッチパネル基板の各辺に配置されたそれぞれの圧電素子からの起電力の違いによって、ユーザによって押圧された位置を検出することができる。本発明では、圧電素子を曲げモードで使用しているので、厚さ方向の押圧力を検出する方式（厚みモード）よりも高精度に押圧位置を検出することができる。また、タッチパネル基板に、入力に追従して変形する変位部を形成して基板を撓みやすくすることで圧電素子からの出力信号を高めており、位置検出精度がより向上する。
本発明では、圧電素子による起電力を利用するため、消費電流が小さくて済むとともにユーザの指以外に導通性を有しないペンなどを用いて行ったとしても、押圧位置を精度良く検出することができる。
したがって、簡易な構成で、位置検出精度の高い高感度のタッチパネルを得ることができる。

また、変位部が、入力面あるいは裏面のいずれかに開口する溝と、溝内に充填され、且つタッチパネル基板よりも柔軟な弾性体と、を有して構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、溝によって入力時にタッチパネル基板が変形し易くなり、弾性体によって外部振動による誤作動を防止することができる。

また、溝の深さが、タッチパネル基板の厚みに対して２０〜７０％の範囲内であることが好ましい。
例えば、溝の深さがタッチパネル基板の厚みの２０％未満であった場合、タッチパネル基板が変形し難くなり、各圧電素子から出力される起電圧が小さい。そのため、押圧位置を正確に検出できない虞がある。また、溝の深さがタッチパネル基板の厚みの７０％を越えた場合、圧電素子からの起電圧は大きくなるが、溝分の板厚が薄くなるので使用中にタッチパネル基板が損傷する虞があり耐久性が乏しい。また、押圧位置が撓まずに基板全体が一様に押し込まれてしまい、位置検出精度が低下する虞がある。
よって、溝の深さをタッチパネル基板の厚みの２０〜７０％以内とすることにより、タッチパネル基板が従来よりも変形し易くなって、押圧位置の検出精度が向上するとともに、耐久性も確保したものとなる。

本発明のタッチパネルは、入力面を有するタッチパネル基板と、タッチパネル基板の入力面あるいは裏面のいずれかに配置される圧電素子と、を備え、圧電素子は、タッチパネル基板の各辺に少なくとも一つずつ配置され、タッチパネル基板の内部には、圧電素子と平面視で重なる位置に、入力に追従して変動する変位部が形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、タッチパネル基板の入力面がユーザによって押圧された場合に、基板内に設けられた変位部を基点としてタッチパネル基板が容易に変形する。すると、タッチパネル基板の変形に追従して圧電素子も同時に変形し、その変形量に応じた起電力を発生する。このようなタッチパネル基板の各辺に配置されたそれぞれの圧電素子による起電力の違いによって、ユーザによって押圧された位置を高精度に検出することができる。本発明では、圧電素子による起電力を利用するため、消費電流が小さくなるとともにユーザの指以外に導通性を有しないペンなどを用いて行ったとしても、押圧位置を精度良く検出することができる。したがって、簡易な構成で、位置検出精度の高いタッチパネルを得ることができる。

また、変位部が、タッチパネル基板の内部に形成された空洞部と、該空洞部内に充填され、タッチパネル基板よりも柔軟な弾性体と、を有して構成されていることが好ましい。
このような構成によれば、入力時にタッチパネル基板が変形し易くなるとともに、外部振動による誤作動を防止することができる。

また、変位部が、タッチパネル基板の辺縁に沿う枠形状であることが好ましい。
このような構成によれば、タッチパネル基板の変形量（湾曲率）が向上して、タッチパネル基板全体がユーザの押圧力に応じて素直に変形するため押圧位置の検出精度が向上する。

また、圧電素子が、タッチパネル基板の各辺に複数ずつ配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、押圧位置の検出精度が向上する。

また、弾性体が、シリコーン樹脂あるいはゲル化材からなることが好ましい。
このような構成によれば、タッチパネル基板よりも柔軟な材料であるため、タッチパネル基板に追従して変形するとともに外部振動を効果的に吸収することができる。

また、ゲル化材が、ウレタンゴム、ブチルゴム、あるいはポリアクリルアミドを主体とするハイドロゲルのいずれかからなることが好ましい。
このような構成によれば、振動（衝撃）吸収性が高く耐久性に優れた材料であることから、タッチパネルの誤動作を長期的に防止して信頼性の高いタッチパネルとすることができる。

また、圧電素子が、タッチパネル基板上に積層された第１電極と圧電体膜と第２電極とを有しており、圧電体膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３のうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、曲げ応力（変形量）に比例して起電力を発現する圧電効果を安定して得ることのできる圧電体膜を得ることができる。

また、圧電素子上には保護膜が設けられ、保護膜が、ＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３からなることが好ましい。
このような構成によれば、圧電素子の劣化を長期的に防止することが可能となる。

また、圧電素子の近傍かつ同一面上に配置され、圧電素子に接続される配線上に当該圧電素子よりも高さを有する凸部を有することが好ましい。
このような構成によれば、タッチパネルと他の部材との間に凸部が介在することで圧電素子と他の部材との間に空間を形成し、タッチパネル基板の変形によって圧電素子が他の部材に接触することを防止することができる。これにより、圧電素子の誤動作を防止することができる。また、圧電素子に接続される配線上に凸部を形成することでタッチパネル基板の額縁領域を縮小することができ、その結果、タッチパネル基板を小型化できる

また、タッチパネル基板には、入力面の溝よりも外側に、当該タッチパネルが装着される他の構成部材と嵌合される切欠部が形成されていることが好ましい。
このような構成によれば、パネルケースへの位置決め等が容易となる。また、パネルケースの上面とタッチパネル基板の入力面とを面一とし、入力面上に段差のない形状とすることも容易である。また、タッチパネルが装着される機器の構成部材を切欠部に嵌合させるだけで上記機器に対するタッチパネルの位置決めを行うことができるので、互いの位置合わせを容易且つ正確に行うことが可能である。

本発明の表示装置は、上記のタッチパネルと、表示パネルとを有する表示装置であって、表示パネルは、一対の基板と、一対の基板間に挟持される電気光学物質と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、ユーザによる押圧位置の検出精度が高いタッチパネルを備えているので、表示パネルに表示された画像に沿うユーザの情報、つまりユーザの操作入力を正確に検知することができる。

また、タッチパネルと表示パネルとが、タッチパネルに形成された凸部を介して対向配置されていることが好ましい。
このような構成によれば、タッチパネル基板の変形によって圧電素子が表示パネルに接触することを防止して、押圧された位置を高精度に検出することができる。

また、タッチパネルと表示パネルとが、光学弾性接着膜によって接合されていることが好ましい。
このような構成によれば、タッチパネル基板の変形を妨げたり表示パネルに表示された画像の視認性を損なうことなく、タッチパネルと表示パネルとを良好に接合することができる。また、弾性を有する接着材のため、耐衝撃性が高いものとなる。

本発明の電子機器は、先に記載の表示装置を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、押圧位置の検出精度が高いタッチパネルを有する表示装置を備えているので、応答性の良い電子機器を得ることができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明に係る表示装置の一例である液晶表示装置の全体構成を示す断面図であって、（ｂ）はタッチパネルの要部拡大図、図２（ａ）はタッチパネル基板の入力面側を示す平面図であって、（ｂ）はタッチパネル基板の裏面側を示す平面図である。また、図３はタッチパネルの内部構成を示す図である。
なお、以下の説明において、素子基板及びカラーフィルタ基板の液晶層側の面を内面と呼び、液晶層と反対側の面を外面と呼ぶ。

本実施形態の液晶表示装置（表示装置）１００は、大きく分けてタッチパネル４０と液晶表示パネル３０とからなる。
タッチパネル４０は、入力面４２Ａを有するタッチパネル基板４２と、ユーザによる入力面４２Ａの押圧位置を検出する位置検出センサとを有して構成され、液晶表示パネル３０は、素子基板１とカラーフィルタ基板２との間に挟持される液晶層４とを有して構成されている。タッチパネル４０は、タッチパネル基板４２の入力面４２Ａとは反対側の裏面４２Ｂを、液晶表示パネル３０のカラーフィルタ基板２の外面２Ａと対向させた状態で、光学弾性接着膜５８により液晶表示パネル３０と接合されている。

［タッチパネル］
まず、タッチパネルの構成について説明する。
図１に示すように、タッチパネル４０は、タッチパネル基板４２及び位置検出センサを有して構成され、液晶表示パネル３０の外側に配置されている。
タッチパネル基板４２は、ガラスまたは透明度の高いポリカーボネートやポリエチレン、アクリルなどにより所定の厚さを有して構成されており、液晶表示装置１００の表示領域に表示された画像が、当該タッチパネル基板４２を介してユーザへと提供できるようになっている。タッチパネル基板４２は、その裏面４２Ｂ側を液晶表示パネル３０のカラーフィルタ基板２に対向させて配置され、裏面４２Ｂと反対側の面に、ユーザが実際に指などで入力を行う入力面４２Ａを有している。つまり、タッチパネル基板４２の外面側が、ユーザが画像を視認しつつ情報を入力する側となる。

図２（ａ）に示すように、入力面４２Ａは、入力領域Ｘ（液晶表示パネル３０の表示領域に対応する領域）と、該入力領域Ｘを取り囲む配線領域Ｙ（液晶表示パネル３０の非表示領域に対応する領域）とを有する。配線領域Ｙにおけるタッチパネル基板４２の周縁部には、タッチパネル基板４２の各辺４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄに複数の圧電素子４３が設けられている。本実施形態においては、各辺４２ａ〜４２ｃに圧電素子４３が２つずつ、互いに所定の間隔をおいて入力領域Ｘの周囲に配置されている。

図１（ｂ）に示すように、圧電素子４３は、上部電極４４ａと下部電極４４ｂとの間に圧電体膜４５が挟持された構成からなる。圧電体膜４５は、例えば、延伸して製造したフィルムにポーリング処理をして圧電作用を生じるようにしたものである。この圧電体膜４５の両側に電極４４ａ，４４ｂを配すことによって、圧電体膜４５が変形したときに発生する起電力を取り出すことができる。

下部電極４４ｂは、Ｐｔ層とＩｒ層とが順に積層されて構成されたもので、その膜厚が、約１００〜１０００ｎｍとなっている。

また、上部電極４４ａは、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができ、本実施形態では、イリジウムを用いて約１００〜１０００ｎｍの膜厚に形成されている。
その他、電極４４ａ，４４ｂの組み合わせとしては、Ａｌ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｐｔ／Ｔｉなどから適宜選択され、さまざまな組み合わせが考えられる。

圧電体膜４５は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）等を採用することができる。例えば、上記タッチパネル基板４２がガラスからなる場合には、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどにより所定の厚さを有して形成されたものが用いられる。圧電体膜４５は、上述したように曲げ変形に応じて起電力を発生する。また、圧電体膜４５の厚さは、出力の大きさなどの性能上の観点から所定の厚さで形成される。

このような圧電素子４３は、接着材等を用いてタッチパネル基板４２に取り付けられ、タッチパネル基板４２の変形に応じて変形する。ここで、変形によってタッチパネル基板４２から圧電素子４３が剥がれたりしないように接着されている。

そして、複数の圧電素子４３のうち、タッチパネル基板４２の隣り合う辺４２ａ、４２ｂに沿って配置された４つの圧電素子４３の上部電極４４ａ同士が接続配線４７によって接続されており、辺４２ａ、４２ｂに沿って配置された４つの圧電素子４３の上部電極４４ａ同士が接続配線４８によって接続されている。各接続配線４７，４８は、それぞれグランドに接続されている。また、各圧電素子４３の下部電極４４ｂからはそれぞれ信号線４９が引き出されている。信号線４９は、圧電体膜４５で生じた起電力の出力信号を図３に示す座標検出回路５０へと伝達するためのものである。各信号線４９は、基板上を引き廻されて一箇所に集められ、配線基板５１を介して座標検出回路５０へ電気的に接続されている。

座標検出回路５０は、アンプ５２、Ａ／Ｄ変換器５３、座標計算部５４を有して構成されている。各圧電素子４３から出力された出力信号は、アンプ５２により電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器５３によりデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、座標計算部５４へと送られる。座標計算部５４では、各圧電素子４３のデジタル信号を不図示のメモリーへ記憶し、各圧電素子４３からの出力信号の比較及び演算を行う。この座標検出回路５０による演算結果から入力領域Ｘにおけるユーザの押圧位置を検出する。つまり、それぞれの圧電素子４３からの出力信号の大きさを比較し、タッチパネル基板４２の変形が入力領域Ｘのどの位置で生じているかを算出する。圧電素子４３の出力信号の大きさは、タッチパネル基板４２（圧電素子）の曲率に比例することから、出力信号が大きい圧電素子４３の近くでタッチパネル基板４２の曲げ変形が生じているといえる。この座標検出回路５０と圧電素子４３とを含んで本実施形態の位置検出センサが構成されている。

また、図１（ｂ）に示すように、圧電素子４３上には機構的な保護や電気絶縁性の維持や向上のため、各電極４４ａ，４４ｂ及び圧電体膜４５の露出部を覆う保護膜４６が形成されている。本実施形態では、例えば、（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などを用いて形成し、その膜厚を約０．２μｍとする。この保護膜４６は、水素（Ｈ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の還元性物質の侵入を防止して、電極４４ａ，４４ｂ及び圧電体膜４５の劣化を防止するものである。

さらに、図１（ａ），（ｂ）に示すように、入力面４２Ａの配線領域Ｙには、圧電素子４３の近傍であって圧電素子４３よりも基板の面方向内側に、平面視略枠形状のスペーサ５５（凸部）が配置されている。このスペーサ５５は、液晶表示パネル３０とタッチパネル４０との間に間隔ｄを形成するための間隔形成部材であって、圧電素子４３の各信号線４９を含むようにしてその上方に形成されている。なお、図１においては、スペーサ５５内の信号線４９の数を少なく描いている。そして、スペーサ５５の高さは圧電素子４３よりも高く、その上面が圧電素子４３の上面よりも入力面４２Ａから遠ざかっている。これにより、スペーサ５５上に設けられるカバー材５６と圧電素子４３との接触が防止され、圧電素子４３を保護することができる。

カバー材５６は、タッチパネル４０及び液晶表示パネル３０を収容するパネルケースの一部であって、平面視枠状に形成された薄板からなり、タッチパネル基板４２の配線領域Ｙを被覆可能な板幅を有している。

一方、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、タッチパネル基板４２の裏面４２Ｂ側には、入力面４２Ａ側に配置された複数の圧電素子４３と平面視で重なる位置に、タッチパネル基板４２の辺縁に沿う枠形状の溝５７と、溝５７内に充填された弾性体６０とからなる変位部６１が形成されている。

溝５７は、裏面４２Ｂから板厚方向に凹む凹部からなり、開口部５７Ａの幅ｗはおよそ０．５μｍ、深さｔは、タッチパネル基板４２の板厚に対して２０〜７０％の範囲内で設定されている。
例えば、溝５７の深さｔがタッチパネル基板４２の板厚の２０％未満であった場合、タッチパネル基板４２が変形し難くなり、ある程度強い押圧力（ユーザが意識的に力を入れて押圧するような動作）が必要となる。また、溝５７の深さｔがタッチパネル基板４２の板厚の７０％を越えた場合、溝５７の部分の板厚が薄くなるので使用中にタッチパネル基板４２が損傷する虞があり耐久性が乏しい。よって、溝５７の深さｔをタッチパネル基板４２の板厚の２０〜７０％以内とすることにより、タッチパネル基板４２が従来よりも変形し易くなるとともに、耐久性も確保したものとなる。
なお、溝５７の幅ｗや深さｔは、タッチパネル基板４２の材質や面積に応じて適宜変更可能である。

また、弾性体６０は、タッチパネル基板４２よりも柔軟なシリコーン樹脂あるいはゲル化材からなり、溝５７内に隙間なく充填されている。ここで、ゲル化材としては、例えばウレタンゴム、ブチルゴム、あるいはポリアクリルアミドを主体とするハイドロゲルなどが挙げられる。このような材料からなる弾性体６０は、高い振動吸収性を有しており、外部振動などによるタッチパネル基板４２の振動を抑制する。

なお、本実施形態においては、平面視において圧電素子４３の略中央で重なるように変位部６１を形成しているが、図４に示すように、圧電素子４３の外側の端部４３ａ寄りに変位部６１を形成してもよい。これにより、タッチパネル基板４２に追従して変形する圧電素子４３の変化量（曲げ応力）が増加するため、同じ押圧力であってもより大きな起電力を得ることができるため、ユーザが情報を入力する際の応答性が良いものとなる。

［液晶表示パネル］
次に、液晶表示パネルの構成について説明する。
図１に示すように、液晶表示パネル３０は、カラーフィルタ基板２と、該カラーフィルタ基板２に対向して配置される素子基板１とが枠状のシール部材３を介して貼り合わされている。そして、シール部材３に囲まれたカラーフィルタ基板２と素子基板１との間には液晶が封入されて液晶層４（電気光学物質）が形成されている。この枠状のシール部材３には、複数の金粒子や銀粒子などの導通部材７が混入されている。

カラーフィルタ基板２はガラスなどにより構成され、カラーフィルタ基板２の内面上には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかからなる着色層６が形成されており、この着色層６によりカラーフィルタが構成されている。隣り合う着色層６の間には、光の混入を防止するために遮光層ＢＭが形成されている。

着色層６及び遮光層ＢＭの上には、透明樹脂等からなる保護層１８が形成されている。この保護層１８は、各色間のカラーフィルタの段差を平滑化する機能を有するとともに、液晶表示装置１００の製造工程中に使用される薬剤等による腐食や汚染から着色層６を保護する機能を有する。

保護層１８の表面上には、ストライプ状のＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極３２が形成されている。この透明電極３２の一端は、シール部材３内に延在しており、シール部材３内の上記した導通部材７と電気的に接続されている。

一方、素子基板１は、ガラスなどにより形成され、素子基板１の内面上には、走査線３１が一定の間隔を置いて形成されている。また、素子基板１の内面上には、サブ画素毎に、スイッチング素子であるＴＦＤ（Thin Film Diode）素子２１、画素電極１０が形成されている。そして、走査線３１は、対応するＴＦＤ素子２１を介して画素電極１０に電気的に接続されている。また、液晶表示パネル３０は、画素電極１０と透明電極３２との間に電圧をかけ、液晶層４の液晶を配向制御することにより、光の透過性を変化させて階調表示を行う。ここで、スイッチング素子としては、ＴＦＤ素子に限らず、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子を用いることもできる。

素子基板１の外面側（液晶層４と反対側の面）には、バックライトとして機能する照明装置２０が配置されている。照明装置２０は、光源、具体的には点状光源としてのＬＥＤ（Light Emitting Diode）と、ＬＥＤから出射された点状の光を面状に変換して出射する導光体とを有する。各ＬＥＤから出た光は、導光体の内部へ導入され、その導光体の光出射面から面状の光として液晶表示パネル３０方向に出射される。

本実施形態のタッチパネル４０は、接着材により液晶表示パネル３０と接合されている。詳細には、図１（ａ）に示すように、タッチパネル基板４２の裏面４２Ｂを液晶表示パネル３０のカラーフィルタ基板２の外面２Ａと対向させた状態で、相互間に配置された光学弾性接着膜５８によって接着されている。光学弾性接着膜５８は、カラーフィルタ基板２の外面２Ａにベタ状に塗布された透明接着材からなる。

また、タッチパネル基板４２とカラーフィルタ基板２との間にこれらと屈折率がほぼ等しい光学弾性接着膜５８を配置することで、ニュートンリングの発生を防止することができる。

一体化されたタッチパネル４０と液晶表示パネル３０は、上記カバー材５６を有するパネルケース内に収容される。このようにして、タッチパネル機能を有する液晶表示装置１００が構成される。

図５（ａ）は、ユーザがタッチパネル４０を指で押圧する様子を示す模式図であって、図５（ｂ）は押圧時における圧電素子及び変位部の変形状態を示す模式図である。なお、以下の説明において図３を適宜参照するものとする。
図５（ａ）に示すように、ユーザが、例えば指などで入力面４２Ａのある特性の場所を押圧すると、押圧位置を中心にタッチパネル基板４２が液晶表示パネル３０側に撓み、光学弾性接着膜５８がタッチパネル基板４２の変形に沿ってその膜厚を変化させるようにして変形する。このとき、光学弾性接着膜５８によって押圧時の衝撃が緩和される。

タッチパネル基板４２が押圧されると、図５（ｂ）に示すように、溝５７の開口部５７Ａの幅方向が圧縮され、開口幅が狭められることで弾性体６０も変形する。このように、溝５７の開口幅が狭められることでタッチパネル基板４２の変形が許容されている。この変位部６１の存在がタッチパネル基板４２の変形を容易にしている。

なお、弾性体６０は溝５７の変形に沿って柔軟に変形するため、溝５７内に弾性体６０が設けられていない場合と略同等の入力圧となる。また、弾性体６０によって、押圧時の反動によるタッチパネル基板４２の振動が吸収される。

一方、図５（ｂ）に示すように、タッチパネル基板４２に設けられた複数の圧電素子４３は、タッチパネル基板４２の変形と同時に、タッチパネル基板４２の曲率変化に伴ってそれぞれ湾曲する。タッチパネル基板４２の曲率は押圧手段、押圧位置及び押圧力などに応じて異なるが、圧電素子４３は、このようなタッチパネル基板４２の変形に追従して変形することが可能である。

変形により、圧電素子４３はその変形量に応じた起電力（曲げ力）を発生する。圧電素子４３における圧電体膜４５は引張力を加えたときに良く反応し、特に、製造時の延伸方向に引張られると大きな起電力を生じることから、曲げによる引張力に対応した曲げモードの起電力が発生することになる。そのため、タッチパネル基板４２における所定箇所に位置する各圧電素子４３は、ユーザによる押圧位置及び押圧力に応じた曲げモードの起電力を発生する。ここで、各圧電素子４３は、圧電体膜４５の製造時における延伸方向を、対応するタッチパネル基板４２の各辺にそれぞれ直交させて配置しておくことが好ましい。

そして、各圧電素子４３からの出力信号をもとに、図３に示す座標検出回路５０においてユーザによる入力面４２Ａの押圧位置が検出される。詳細には、タッチパネル基板４２のｘ方向に配置された４つの圧電素子４３の出力信号の大きさを比較することによって、押圧された場所のｘ座標を特定し、タッチパネル基板４２のｙ方向に配置された４つの圧電素子４３の出力信号の大きさを比較することによって、押圧された場所のｙ座標を特定する。このように、座標検出回路５０は、各圧電素子４３からの出力信号の大きさを基に、ユーザーにより押圧された位置のｘ座標及びｙ座標を算出することができる。

なお、圧電素子４３とカバー材５６との間にはスペーサ５５によって間隔ｄが設けられていることから、変形によって圧電素子４３とカバー材５６とが接触することが防止され、圧電素子４３の出力に影響を及ぼすことはない。

本実施形態によれば、タッチパネル基板４２の入力面４２Ａがユーザによって押圧された場合に、その押圧力が小さい場合（軽くタッチした場合）であっても、溝５７を基点としてタッチパネル基板４２が容易に変形する。つまり、押圧によって溝５７の開口側が圧縮されることで当該開口部５７Ａが縮小変形し、それに沿って弾性体６０も変形する。このようにして、タッチパネル基板４２の変形が許容される。押圧時、基板全体が一様に変形していた従来の構成と違って、本実施形態では、タッチパネル基板４２の押圧部分の曲率を大きく変化させることができる。タッチパネル基板４２が変形すると、その変形に追従して圧電素子４３も同時に変形し、その変形量に応じた起電力を発生する。そのため、タッチパネル基板４２の各辺４２ａ〜４２ｄに配置されたそれぞれの圧電素子４３からの出力信号の大きさを比較することによって、入力面４２Ａ（入力領域Ｘ）におけるユーザの押圧位置を検出することができる。

また、押圧位置の検出手段として圧電素子４３による起電力を利用するため、消費電流が小さくて済むとともにユーザの指以外に導通性を有しないペンなどを用いて行ったとしても、押圧位置を精度良く検出することができる。また、圧電素子４３をタッチパネル基板４２に取り付けるだけでよいため、設置作業が容易である。

さらに、本実施形態では、溝５７内に弾性体６０を充填させておくことによって、押圧時の反動や外部振動などによるタッチパネル基板４２の振動が効果的に抑制され、タッチパネル４０の誤作動を防止することができる。そのため、押圧位置の正確な検出が可能となっている。

また、光学弾性接着膜５８によって押圧時の衝撃が緩和されるため、タッチパネル基板４２の耐衝撃性が向上し耐久性の高いものとなる。
さらに、スペーサ５５が、接続配線４７，４８上に形成されているとともに圧電素子４３よりも内側に配置されているので、タッチパネル４０の額縁幅を狭くでき、タッチパネル基板４２を小型化することができる。
したがって、以上述べた本実施形態によれば、簡易な構成で押圧位置の検出精度の高いタッチパネル４０を備えた液晶表示装置１００とすることができる。

なお、本実施形態では、上部電極４４ａを共通電極とし、下部電極４４ｂを個別電極としているが、構成上の都合等によりこれを逆にしても支障はない。また、タッチパネル基板４２に配置された全ての圧電素子４３の上部電極４４ａを共通電極としても良い。これにより構成が簡易化されるため形成が容易となる。また、圧電素子４３としては、市販されている金属粉膜含有塗料を塗布した圧電フィルムを用いることも可能である。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は第２の実施形態おける液晶表示装置の全体構成を示す断面図、図６（ｂ）は切欠部の構成を示す拡大断面図である。図７（ａ）はタッチパネル基板の裏面側を示す平面図であって、図７（ｂ）は、押圧時における圧電素子及び変位部の変形状態を示す模式図である。
本実施形態は、タッチパネルと液晶表示基板とがスペーサを介して接合されている点において上記実施形態と異なる。なお、その他の液晶表示装置の基本構成は、上記実施形態と同様であり、共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６（ａ）に示すように、液晶表示装置２００（表示装置）は、タッチパネル４０と液晶表示パネル３０とがスペーサ５５を介して接合されている。本実施形態では、入力面４２Ａ側に変位部６１が形成され、裏面４２Ｂ側に圧電素子４３が配置されている。圧電素子４３は、スペーサ５５の内側にあり、スペーサ５５と光学弾性接着膜５８との間に介在する。圧電素子４３とカラーフィルタ基板２との間は、スペーサ５５によって間隔ｄが設けられている。
なお、スペーサ５５の高さを圧電素子４３の高さ以上に設定するとともに、タッチパネル４０及び液晶表示パネル３０間に所定の間隔を設けることで、ニュートンリングの発生を防止できる。

光学弾性接着膜５８は、少なくとも液晶表示パネル３０の表示領域（タッチパネルの入力領域Ｘ）を覆う範囲に形成されており、その周囲において、複数の圧電素子４３が上記実施形態と同様、タッチパネル基板４２の各辺ごとに２つずつ配置されている。本実施形態においても、図７に示すように圧電素子４３から引き出された複数の信号線４９を含むようにしてスペーサ５５を形成してもよい。さらに、本実施形態の信号線４９は、タッチパネル基板４２の周縁部を引き廻されて辺４２ｃの一側に集められ、配線基板を介して座標検出回路に接続されている。

図６（ａ）に示すように、変位部６１を構成する枠形状の溝５７は、平面視において各圧電素子４３と重なる位置に形成されている。本実施形態では、溝５７が外方に開放された構成のため弾性体６０が露出する。弾性体６０上にゴミなどが付着することを防止するために、弾性体６０の露出面を被覆する不図示の被覆部材などを設けるようにしても良い。この被覆部材は、変位部６１の変形に追従して伸縮するような材料から構成されたものである。

また、変位部６１の外側であってタッチパネル４０の周縁には、不図示のパネルケースと嵌合するための切欠部６３が形成されている。切欠部６３は、図６（ｂ）に示すように、入力面４２Ａとは板厚方向に高さを異ならせた底面６３ａと、入力面４２Ａと底面６３ａとの間に段差を形成する壁面６３ｂとから構成されている。この切欠部６３にカバー材５６を組み込むことで、一体化されたタッチパネル４０と液晶表示パネル３０とがパネルケース内に収容される。収容後、タッチパネル４０の入力面４２Ａとカバー材５６の上面とが面一な状態となる。収容時には、切欠部６３の壁面６３ｂにカバー材５６の側面５６ｃを当接させることにより、パネルケースに対するタッチパネル４０の幅方向の位置が規制される。また、切欠部６３の底面６３ａにカバー材５６の裏面５６ｂを当接させることにより、パネルケースに対するタッチパネル４０の深さ方向の位置が規制される。本実施形態の切欠部６３は、パネルケースに対するタッチパネル４０及び液晶表示パネル３０の位置決め機能を有する。

また、本実施形態のタッチパネル４０の入力面４２Ａがユーザにより押圧されると、押圧位置を中心にタッチパネル基板４２が液晶表示パネル３０側に撓むことになるが、このとき、タッチパネル４０の入力面４２Ａ側には引張力が加わるため溝５７の開口部５７Ａが広がる。開口部５７Ａの変形に追従して弾性体６０も変形する。
そして、このような開口部５７Ａの広がりによってタッチパネル基板４２の変形が許容され、押圧部分の曲率が大きく変化する。よって、本実施形態においても上記実施形態と同様、押圧位置を精度良く検出することができる。

本実施形態によれば、タッチパネル基板４２の入力面４２Ａとパネルケースの外面とが面一となり、入力領域Ｘの見かけ上の面積が増大する。さらに、タッチパネル４０上に段差がないため、意匠性が向上するとともにほこり等が溜まり難くなるとともに掃除も容易となる。また、タッチパネルを薄型にすることができるので、装置全体の小型化も実現可能である。さらに、切欠部６３にカバー材５６を組み込むだけで、パネルケースに対するタッチパネル４０及び液晶表示パネル３０の位置決めがなされるため、パネルケースに対するタッチパネル４０及び液晶表示パネル３０の位置合わせを容易且つ正確に行うことができる。
また、本実施形態においても、溝５７内に充填された弾性体６０によって、押圧時の反動や外部振動などによるタッチパネルの誤動作を防止することができる。これにより、位置検出精度の高いタッチパネルとなる。

［実施例］
図８，９、及び表１に、押圧位置と各圧電素子の起電力との関係を示す。図８は、タッチパネル基板の入力領域Ｘにおけるユーザのタッチ位置を示す平面図である。図９の（ａ）から（ｃ）は、各圧電素子の起電力の値を押圧位置ごとに示すグラフである。さらに、表１は、各圧電素子からの出力結果を押圧位置ごとにまとめた表である。
以下、図８，９及び表１を適宜参照して説明する。

押圧位置Ｐ１，Ｐ２は、入力領域Ｘの角部であって２つの圧電素子Ａ，Ｅに非常に近接しており、タッチパネル基板の変形がこれら圧電素子Ａ，Ｅに最もよく反映され、曲げによる変形量が他の圧電素子よりも大きくなる。図９（ａ）及び表１において、圧電素子Ａ，Ｅの出力が他の圧電素子と比べて格段に大きいことから、各圧電素子の曲げ変形量に応じた起電力が生じていることが明らかである。

押圧位置Ｐ３は、入力領域Ｘの略中央であって、若干圧電素子Ｅよりである。この押圧位置Ｐ３における各圧電素子の出力は、図９（ｂ）に示すように圧電素子Ｅの出力が最も大きく、入力領域Ｘの長手方向に配置された圧電素子Ｆ，Ｇ，Ｈの出力は圧電素子Ｅの出力の半分以下であるが、３つともほぼ等しい出力である。さらに、入力領域Ｘの短手方向に配置された圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力は略等しく、圧電素子Ｆ，Ｇ，Ｈの出力の略半分かそれ以下の出力である。

つまり、入力領域Ｘ（タッチパネル基板）が長方形状をなす場合、入力領域Ｘが押圧されるとその長手方向が撓みやすい。そのため、入力領域Ｘの長手方向に沿って配置された圧電素子Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈの出力の方が、短手方向に沿って配置された圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力よりも大きくなる。また、圧電素子Ｅの出力が最も大きいことから、押圧位置が入力領域Ｘの中心から圧電素子Ｅ側にずれていることが分かる。

図１０に、ユーザが押圧位置Ｐ４を押圧したときのタッチパネル基板の変形を表すシミュレーション結果を示す。
図１０に示すように、色の濃い部分ほど変形の曲率が大きい。曲率の変化は、入力領域Ｘ（タッチパネル基板）の各辺から押圧位置Ｐ４までの距離によって異なっており、押圧位置Ｐ４と辺との距離が小さいほど曲率変化が大きく、押圧位置Ｐ４と辺との距離が広がるほど曲率変化も小さく穏やかに変形していることが分かる。また、タッチパネル基板の曲率の変化には、上述したように入力画面の長手方向及び短手方向にも関係する。実施例４では、圧電素子ごとの出力差が明確であり、タッチパネル基板の複雑な変形状態を表している。

このように、各圧電素子からの出力は、押圧位置によってそれぞれ異なっている。これら各圧電素子からの出力を比較し、最も大きな圧電信号を出力する圧電素子の位置でタッチパネル基板の曲げ変形が生じていることが分かる。つまり、タッチパネル基板の曲率変形が最も大きい箇所が押圧位置と推定することができる。このようにして、ユーザによる押圧位置を検知することが可能である。

なお、上記実施形態では、タッチパネル基板４２の各辺に２つずつの圧電素子４３を配置するとしたがこれに限らず、各辺に１つずつ配置してもよいし、２つ以上ずつ配置してもよい。また、辺ごとに圧電素子４３の数が異なっていても良い。圧電素子４３の数や位置は、タッチパネル基板４２の面積や形状などによって適宜設定する。

また、上記実施形態では枠形状の溝５７としたが、途中（例えば、角部付近）で分断されていても良く、図１１（ａ）に示すように変位部６０を複数の溝６７から構成してもよい。また、基板の面方向に溝を複数並設するようにしてもよい。例えば、図１１（ｂ）に示すように大きさの異なる枠形状の溝６９ａ，６９ｂを互いに所定間隔をおいて二重構成としても良い。これにより、タッチパネル基板４２の変形量が増加するため圧電素子からの起電力を大きくできるとともに、変形による各溝６９ａ，６９ｂへの応力負荷が分散されるためタッチパネル基板４２の耐久性が向上する。
また、溝の角部が丸い枠状であってもよいし、平面視における形状が楕円状であってもよい。
また、弾性体６０が溝５７からはみ出すように充填されていても良い。

さらに、スペーサも上記実施形態に限らず、複数に分断されていてもよい。その場合は、少なくとも各圧電素子の近傍にそれぞれスペーサを配置するようにする。

また、上記実施形態の溝５７の断面は略四角形状であったが、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、断面視における形状が、くさび形状の溝５７ａ、開口端が広口の台形状の溝５７ｂ、開口端が狭口の台形状の溝５７ｃ、Ｕ字形状の溝５７ｄなどであっても良い。また、図１２（ｅ）に示すように、タッチパネル基板の内部に変位部７１を設けるようにしても良い。変位部７１は、タッチパネル基板の内部に形成された空洞部７０と、該空洞部７０内に充填される弾性体６０とから構成されている。弾性体６０は、上記実施形態同様、空洞部７０内に隙間なく充填されており、例えばタッチパネル基板の入力面あるいは裏面から空洞部７０へと連通する孔などを介して注入される。また、この空洞部７０の形状も特に問わない。

［電子機器］
次に、本発明の電子機器の一例について説明する。
図１３は、上述したタッチパネル機能を有する液晶表示装置１００を備える携帯電話（電子機器）を示した斜視図である。
図１３に示すように、携帯電話６００は、ヒンジ１２２を中心として折り畳み可能な第１ボディ１０６ａと第２ボディ１０６ｂとを備えている。そして、第１ボディ１０６ａには、液晶表示装置６０１と、複数の操作ボタン１２７と、受話口１２４と、アンテナ１２６とが設けられている。また、第２ボディ１０６ｂには、送話口１２８が設けられている。
本実施形態に係る電子機器によれば、誤動作が防止され、かつタッチパネルのガラス（タッチパネル基板、第１タッチパネル基板）の飛散が防止された液晶表示装置１００を備えるため、高性能及び高信頼性の携帯電話６００を提供することができる。

なお、上述したタッチパネル機能を有する液晶表示装置１００は、上記携帯電話以外にも種々の電子機器に適用することができる。例えば、液晶プロジェクタ、マルチメディア対応のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）及びエンジニアリング・ワークステーション（ＥＷＳ）、ページャ、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファインダ型又はモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子手帳、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた装置などの電子機器に適用することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもなく、上記各実施形態を組み合わせても良い。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、第１実施形態に係るタッチパネル及び第２実施形態に係るタッチパネルは、上述した液晶表示装置に取り付けることができるだけでなく、有機ＥＬ表示装置などの他の表示装置にも取り付けることができるのは言うまでもない。

（ａ）は本発明に係る表示装置の一例である液晶表示装置の全体構成を示す断面図、（ｂ）はタッチパネルの要部拡大図。 （ａ）はタッチパネル基板の入力面側を示す平面図、（ｂ）はタッチパネル基板の裏面側を示す平面図。 タッチパネルの内部構成を示す図。 溝における配置位置の他の例を示す図。 （ａ）はユーザがタッチパネルを指で押圧する様子を示す模式図、（ｂ）は押圧時における圧電素子及び変位部の変形状態を示す模式図。 （ａ）第２の実施形態おける液晶表示装置の全体構成を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。 （ａ）はタッチパネル基板の裏面側を示す平面図、（ｂ）は押圧時における圧電素子及び変位部の変形状態を示す模式図。 入力領域における押圧位置を示す図。 （ａ）から（ｃ）は各圧電素子の起電力の値を押圧位置ごとに示すグラフ。 ユーザが押圧位置Ｐ４を押圧したときのシミュレーション結果を示す図。 溝の他の実施形態を示す平面図。 溝の他の実施形態を示す断面図。 電子機器の一例であるプロジェクタの概略構成図。

符号の説明

１００…液晶表示装置、１…素子基板、２…基板、２Ａ…外面、３…部材、４…液晶層、６…着色層、７…導通部材、Ａ〜Ｇ…圧電素子、ｄ…間隔、ｗ…開口幅、１０…画素電極、１８…保護層、２０…照明装置、２１…素子、３０…液晶表示パネル、３１…走査線、３２…透明電極、４０…タッチパネル、４２…基板、４２Ａ…入力面、４２Ｂ…裏面、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ…辺、４３…圧電素子、４３ａ…端部、４４ａ…上部電極、４４ｂ…下部電極、４５…圧電体膜、４６…保護膜、４７，４８…接続配線、４９…信号線、５０…座標検出回路、５１…配線基板、５２…アンプ、５３…変換器、５４…座標計算部、５５…スペーサ（凸部）、５６…カバー材、５６ｂ…裏面、５６ｃ…側面、５７…溝、５７Ａ…開口部、５８…光学弾性接着膜、６０…弾性体、６１…変位部、６３…切欠部、６３ａ…底面、６３ｂ…壁面、７０…空洞部、７１…変位部、ＢＭ…遮光層、１００…液晶表示装置（表示装置）、１０６ａ…ボディ、１０６ｂ…ボディ、１２２…ヒンジ、１２４…受話口、１２６…アンテナ、１２７…ボタン、１２８…送話口、２００…液晶表示装置（表示装置）、６００…携帯電話（電子機器）、６０１…液晶表示装置

Claims (17)

1. 入力面を有するタッチパネル基板と、
   前記タッチパネル基板の前記入力面あるいは裏面のいずれかに配置される圧電素子と、を備え、
   前記圧電素子は、前記タッチパネル基板の各辺の一部に少なくとも一つずつ配置され、
   前記タッチパネル基板の前記圧電素子とは反対側の面には、少なくとも前記圧電素子と平面視で重なる位置に、入力に追従して変位する変位部が形成されていることを特徴とするタッチパネル。
2. 前記変位部が、前記入力面あるいは前記裏面のいずれかに開口する溝と、
   前記溝内に充填され、且つ前記タッチパネル基板よりも柔軟な弾性体と、を有して構成されていることを特徴とする請求項１記載のタッチパネル。
3. 前記溝の深さが、前記タッチパネル基板の厚みに対して２０〜７０％の範囲内であることを特徴とする請求項２記載のタッチパネル。
4. 入力面を有するタッチパネル基板と、
   前記タッチパネル基板の前記入力面あるいは裏面のいずれかに配置される圧電素子と、を備え、
   前記圧電素子は、前記タッチパネル基板の各辺に少なくとも一つずつ配置され、
   前記タッチパネル基板の内部には、前記圧電素子と平面視で重なる位置に、入力に追従して変動する変位部が形成されていることを特徴とするタッチパネル。
5. 前記変位部が、前記タッチパネル基板の内部に形成された空洞部と、
   該空洞部内に充填され、且つ前記タッチパネル基板よりも柔軟な弾性体と、を有して構成されていることを特徴とする請求項４記載のタッチパネル。
6. 前記変位部が、前記タッチパネル基板の辺縁に沿う枠形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のタッチパネル。
7. 前記圧電素子が、前記タッチパネル基板の各辺に複数ずつ配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のタッチパネル。
8. 前記弾性体が、シリコーン樹脂あるいはゲル化材からなることを特徴とする請求項２または５に記載のタッチパネル。
9. 前記ゲル化材が、ウレタンゴム、ブチルゴム、あるいはポリアクリルアミドを主体とするハイドロゲルのいずれかからなることを特徴とする請求項８記載のタッチパネル。
10. 前記圧電素子が、前記タッチパネル基板上に積層された第１電極と圧電体膜と第２電極とを有しており、
    前記圧電体膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＫＮｂＯ_３のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のタッチパネル。
11. 前記圧電素子上には保護膜が設けられ、
    前記保護膜が、ＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のタッチパネル。
12. 前記圧電素子の近傍かつ同一面上に配置され、前記圧電素子に接続される配線上に当該圧電素子よりも高さを有する凸部を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のタッチパネル。
13. 前記タッチパネル基板には、前記入力面の前記変位部よりも外側に、当該タッチパネルが装着される他の構成部材と嵌合される切欠部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のタッチパネル。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のタッチパネルと、表示パネルとを有する表示装置であって、
    前記表示パネルは、一対の基板と、前記一対の基板間に挟持される電気光学物質と、を備えることを特徴とする表示装置。
15. 前記タッチパネルと前記表示パネルとが、前記タッチパネルに形成された凸部を介して対向配置されていることを特徴とする請求項１４記載の表示装置。
16. 前記タッチパネルと前記表示パネルとが、光学弾性接着膜によって接合されていることを特徴とする請求項１４または１５記載の表示装置。
17. 請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載の表示装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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