JP2011141464A - タッチ検出器と統合された液晶表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】タッチセンサ及び液晶表示を統合したシステムを提供する。
【解決手段】本発明が提供するタッチセンサ及び液晶表示を統合したシステムは、表示機能に用いる電極がタッチセンサ機能に用いることもできるタッチ検出器である。本発明は、時間マルチプレキシング技術を採用する。タッチセンサ機能を有さない液晶表示パネルと比べ、本発明は、別途製造工程の増加を必要としない。別途製造工程の増加を必要としないことは、余計な光を吸収及び反射を有さないことを意味する。
【選択図】図７

Description

本発明は、液晶表示（ＬＣＤ）パネルに用いる容量タッチセンサに関する。特に、液晶表示パネルの表示電極を利用し、容量タッチ検出器のセンサ電極とし、別途電極の追加が不要であるタッチ検出器と統合された液晶表示システムに関する。

タッチパネルは、既に多くの電子製品の入力部材に広く応用されている。特に、タッチパネル検出機能を有する液晶パネルは、タッチパネルを液晶表面に付加して得られる。この技術を用いる従来技術は、例えば、Ming-shen Sunの米国特許第６５３８７０６Ｂ２号明細書、Yong Ik Bang等の米国特許第７５５７８６９Ｂ２号明細書、Yun Cheol Jeong等の米国特許第７５０８４６１Ｂ２号明細書がある。タッチパネルを液晶表示パネルに付加することは、タッチパネルを液晶表示パネル上に付属部材として加えることである。コストを増加する以外に、この技術は、パネル全体の厚さ及び重量を増加させ、より多くの光が吸収及び反射するという欠点を招く。

前記の従来技術は、抵抗型タッチパネルである。抵抗型タッチパネルは、２層の電極を有する。タッチパネル内の多層の電極が余計な光の吸収及び反射を招き、液晶表示パネルの性能が低下する。中国特許第ＺＬ２００６２００１３２９２．３号で使用する技術は、前記の欠点を解決することができる。この技術中、一層の透明導電膜は、液晶表示パネルの上ガラス基板上に直接、タッチセンサ電極として鍍金される。この従来技術は、容量型タッチセンサであり、且つただ一層の導電膜で抵抗型タッチセンサの２層の導電膜に置き換えることのみ必要である。

この従来技術は、液晶表示パネルの厚さ及び重量を減少することができるが、透明導電膜は、依然として光が吸収、反射され、製造コストがタッチセンサの従来のＬＣＤパネルより高い。タッチセンサ電極は、液晶表示パネルの上ガラス基板内に嵌め込み、余計な光の吸収、反射を回避することが好ましい。

液晶表示パネル及び抵抗型タッチセンサパネルを統合する技術は、Mikio Kurihara等の米国特許第６，５０１，５２９Ｂ１号明細書に開示されている。その構造は、２片の基板、第１基板及び第２基板を有する。液晶は、２片の基板間に注入されている。各基板の上において、１つの表示イメージを提供する表示電極及び１つのタッチセンサ電極にタッチ位置を検出させる。この構造は、パネル全体の厚さ及び重量を減少する。また、光の吸収及び反射も減少される。但し、タッチパネルセンサ電極の位置が制限され、なぜならば、タッチセンサ電極及び表示電極が重なり合うことができないからである。もう１つの欠点は、表示電極の構造及びタッチセンサ電極の構造が異なり、且つ製造コストが比較的高いことである。

低コストで、軽薄で高品質であることは、多くのタッチパネル及び液晶表示パネルの結合の応用において、重要である。上記効果を得る為、好適な方法は、液晶表示電極をタッチセンサ電極として利用し、余計な構造を増加しないことである。

図１は、従来のタッチセンサ機能を有さない液晶表示装置の断面図である。図１において、この装置は、２つのガラス基板、１片上基板１１及び１片の下基板１２を含む。上表示電極１３０，１３１，１３２，１３３は、上基板１１に鍍金され、下表示電極１４は、下基板１２に鍍金される。各上表示電極と下表示電極１４は、１つの画素（pixel or segment）を形成する。一層の液晶(層)１５が上基板１１及び下基板１２の間に注入される。この液晶表示パネルは、下偏光片（polarizer）１７及び上偏光片１６及びバックライド（back light）１８を含む。

図１において、上基板１１及び下基板１２の間の距離が小さいので上表示電極１３０，１３１，１３２，１３３及び下表示電極１４の間の容量が大きくなる。直接上表示電極を利用し、タッチセンサ電極として利用すれば、感度が低下し、正確な検出を行なうことが困難である。表示機能を実行時、交流電圧波形は、２つの電極に加える必要がある。同一上表示電極は、タッチセンサとして用いられる場合、タッチセンサの検出は、交流電圧波形により影響を受ける。この問題を解決する為、表示機能及びタッチ機能間のマルチプレキシング（multiplexing）方式を用いて解決する必要がある。

米国特許第６５３８７０６Ｂ２号明細書 米国特許第７５５７８６９Ｂ２号明細書 米国特許第７５０８４６１Ｂ２号明細書 中国特許第ＺＬ２００６２００１３２９２.３号 米国特許第６，５０１，５２９Ｂ１号明細書

本発明の目的は、タッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、タッチ検出機能を有さない液晶表示パネルと同一工程で製造するタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、タッチセンサが余計な光の吸収、反射を招くことのないタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、表示機能のタッチセンサに対する干渉が最も低いタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の第１観点は、透明型タッチセンサ及び液晶表示を統合したシステムを開示することにあり、透明型液晶パネル及び制御システムを含み、液晶表示パネルは、上基板と、下基板と、上電極アレイと、下電極アレイと、上偏光片と、下偏光片と、液晶と、背光板と、を含む。制御システムは、マイクロプロセッサと、表示制御回路と、表示駆動回路アレイと、タッチ検出回路と、該上電極を対応する下電極に短絡する伝送ゲートアレイと、を含む。タッチ検出回路は、物体又は手指の電極への接近を検出することに用いられる。表示制御回路及び表示駆動回路は、表示機能を実行することに用いる。そのうち、改良した箇所は、以下である。一対の電極は、上電極アレイの１つの上電極と下電極アレイの１つの下電極を含み、液晶表示パネルで１つの画素を表示することに用い、同一対の電極は、タッチ検出機能を実行することに用いることもできる。表示機能及びタッチ検出機能は、時間マルチプレキシング技術により実行する。表示機能を実行時、上電極及び下電極は、表示制御回路から表示駆動回路の波形発生器に接続する。タッチ機能を実行時、上電極及び下電極及び表示制御回路は、相互に接続しない。一対の電極の上電極及び下電極が短絡され、その機能が単一タッチセンサ電極となる。上電極及び下電極の容量が短絡されれば、タッチ検出機能の感度に対して負荷の影響を及ぼさない。タッチ検出機能を操作する時、上電極及び下電極及び表示駆動回路の波形発生器は、接続しないので、表示駆動回路は、タッチ検出機能に対して干渉を形成しない。本発明は、工程を追加する必要がなく、且つタッチ検出機能を加えることにより光の吸収、反射を増加させることがない。

本発明の他の観点は、タッチ検出及び液晶表示を統合したシステムを開示することにあり、そのうち、液晶表示システムが反射型であり、且つ背光板が一層の反射板で置き換え、下偏光片を有さない。

本発明の更に他の観点は、タッチ検出及び液晶表示を統合したシステムを開示することにあり、そのうち、液晶表示システムは、混合型液晶表示システムであり、表示電極は、タッチ機能を有する、及びタッチ機能を有さない２種の表示電極から構成することもできる。タッチ検出機能を有さない領域は、下電極を共用することができ、タッチ検出機能を有する領域は、電極対（electrode pair）を使用する。

本発明は、タッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供する。

本発明は、タッチ検出機能を有さない液晶表示パネルと同一工程で製造するタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供する。

本発明は、タッチセンサが余計な光の吸収、反射を招くことのないタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供する。

本発明は、表示機能のタッチセンサに対する干渉が最も低いタッチ検出機能を有する液晶表示パネルを提供する。

従来のタッチ検出機能を有さない液晶表示装置（ＬＣＤ）の断面図である。 本発明を用いることができる透視型液晶表示装置（ＬＣＤ）の断面図であ る。 本発明を用いることができる反射型液晶表示装置（ＬＣＤ）の断面図であ る。 １つの映像点が「ＯＮ」状態にある時の上下電極の波形対時間の曲線図で ある。 １つの映像点が「ＯＦＦ」状態にある時の上下電極の波形対時間の曲線図 である。 ０でない電圧が表示時間Ｔ１時、上電極及び下電極に印加されることを 示す図である。 本発明の技術を示す回路図である。 タッチ検出回路を示すブロック回路図である。 従来の表示パネル及び本発明の表示パネルを結合した混合型表示パネル を示す断面図である。

本発明の上記及びその他の目的及び利点を分かり易くする為、以下の図面及び好適実施例を参考にして説明する。

図２は、本発明を用いることができる透明型液晶表示（ＬＣＤ）パネルである。
図２に示す液晶表示パネルは、２片の基板、上基板２１及び下基板２２を有する。２片の基板の間に液晶２５を注入する。上表示電極アレイ２３０，２３１，２３２，２３３は、上基板２１上に鍍金される。下表示電極アレイ２４０，２４１，２４２，２４３は、下基板２２上に鍍金される。上表示電極の１つ２３０及び相応する下表示電極２４０は、液晶表示パネルの１つの画素（pixel）を表示することに用いる。上基板２１の下に上偏光片２６を有し、下基板２２の上に下偏光片２７を有する。背光板２８は、下偏光片２７の下に位置する。

図３は、本発明を用いることができる反射型液晶表示（ＬＣＤ）パネルである。反射型液晶表示パネルの構造及び透明型液晶表示パネルと相似する。但し、反射型液晶表示パネルは、下偏光片を有さず、背光板は、反射板３８で置き換えられる。本発明は、反射型及び透明型液晶表示パネルに応用することができ、回路の修正が必要ない。

本発明の目的は、同一の電極により表示機能の電極及びタッチ機能の電極をさせることにある。上記の目的を達成する為、表示機能の電極及びタッチ機能の電極の間で時間マルチプレキシング（time multiplexing）技術を使用することができる。

表示機能の電極及びタッチ機能の電極の間に使用する時間マルチプレキシング技術は、図４の波形を用いて説明できる。図４の上,下電極間に印加する電圧の波形４１，４２，４３及び図２、図３の電極は相対する。波形４１は、上電極に印加する電圧であり、波形４２は、下電極に印加する電圧であり、波形４３は、上電極及び下電極に印加する相対電圧である。

図４に示すように、２種の時間間隔Ｔ１，Ｔ２を有する。時間Ｔ１時、システムは、表示機能を実行する。時間Ｔ２時、システムは、タッチ機能を実行する。

時間Ｔ１時、上電極及び下電極がＬＣＤ表示駆動回路に接続する。この時間間隔時、タッチ検出プロセスを実行できず、なぜならば、表示波形の干渉によりタッチ検出エラーを招くからである。

時間Ｔ２時、システムは、タッチ回路機能を実行し、上電極及び下電極は、タッチセンサとなる。表示回路の波形からの干渉を回避するため、上電極及び下電極は、表示駆動回路から切断する必要がある。上電極及び下電極は、何れもタッチ検出回路に接続する。また、時間Ｔ２時、各上電極及び相応する下電極は、短絡を形成し、この時間、この２つの電極は、同一の電圧を有し、図４の波形４１，４２のようになる。図４中、時間Ｔ２時、タッチ検出回路からの波形を合わせたものは、ここでは、方形波で表示するが、その他の波形であることもでき、タッチ検出回路により決定される。時間Ｔ２時にタッチ検出回路から上下電極までを合わせた電圧波形が何であるかを問わず、上下電極間の電圧が０であり、例えば、図４の波形４３に示すようになる。且つ、タッチ検出回路からの波形を合わせたものは、ＬＣＤの表示品質に影響を及ぼさない。上電極及び相応する下電極間に大きな容量を有し、上下電極が同様に短絡され、上下電極が時間Ｔ２である時、その機能は、１つの電極のようになる。この容量のタッチセンサに対する負荷は０であり、タッチ検出回路の感度に影響を及ぼさない。

液晶表示パネルについて言えば、「ＯＮ」又は「ＯＦＦ」状態を問わず、２つの表示電極間に印加する電圧は、如何なる直流成分も有さない交流電圧である必要がある。

図４に示す波形は、１つの映像点が「ＯＮ」状態にある時の対時間を説明する曲線図である。波形４３は、上下電極間に印加される電圧である。この電圧は、直流成分を有さない交流電圧である。

１つの映像点が「ＯＦＦ」状態にあることを表示する為には、上下表示電極間の相対電圧値を小さくし、良好な対比品質を獲得しなければならない。簡単な解決方法は、表示時間Ｔ１時、上下電極に０電圧を印加することである。この波形は、図５に示す。図５中の波形５１は、上電極に印加する電圧であり、波形５２は、下電極に印加する電圧であり、波形５３は、上下電極間に印加する電圧である。図５の波形５３から分かるように、上下電極間の相対電圧が０である。従って、「ＯＮ」又は「ＯＦＦ」状態の表示対比が十分に良好となる。

「ＯＦＦ」状態において、表示時間Ｔ１時、上下電極間の電圧が０である必要がない。図６中、１つの０でない電圧が表示時間Ｔ１時、上電極及び下電極に印加される。この波形は、図６中の波形６１は、上電極に印加する電圧であり、波形６２は、下電極に印加する電圧であり、２つの電極が一様の波形を有し、２つの電極間の電圧が０であり、図６の波形６３に示すようである。

本発明は、タッチセンサ期間において、上電極が下電極と短絡する必要があり、上電極は、従来のＬＣＤのように１つの共用下電極を共用することができない。この構造は、図２及び図３に詳細に記載する。

図７は、本発明の技術を示す回路図である。図７中、タッチセンサの液晶システム７は、マイクロプロセッサ７１と、表示制御回路７２と、タッチ検出回路７３と、表示駆動回路アレイ７４０〜７４Ｎと、伝送ゲートアレイ７５０〜７５Ｎと、上電極アレイ７７０〜７７Ｎと、下電極アレイ７６０〜７６Ｎと、を含む。上電極と下電極を含む電極対は、表示機能として用いることも、手指又は物体がこの電極に接近することを検出することに用いることもできる。単一電極で上記２種の機能を行なうには、時間マルチプレキシング技術を使用することができる。マイクロプロセッサ７１は、信号を発生し、２種の機能間で時間マルチプレキシングな命令を実行する。表示制御回路７２は、制御信号を発生し、表示駆動回路に与える。表示駆動回路は、電極対が表示機能を実行するよう駆動することに用いる。タッチ検出回路７３は、手指又は物体がこの電極に接近したことを検出することに用いる。表示時間Ｔ１の期間において、電極７６０，７７０は、表示制御回路７２により制御され、表示駆動回路アレイ７４０の波形発生器に接続する。伝送ゲートアレイ７５０がオフとされ、且つタッチ検出回路７３の入力バイアスが浮動する。この状態において、電極は、表示制御回路７２の影響のみを受け、タッチ検出回路７３の影響を受けない。

タッチセンサ時間Ｔ２の期間において、電極７６０，７７０の機能は、タッチセンサであり、表示駆動回路(アレイ)７４０の波形発生器に接続しない。この時間において、伝送ゲートアレイ７５０がオンとなり、電極７６０，７７０を短絡させる。２つの電極の機能は、１つの電極のようであり、２つの電極間の容量がタッチセンサ機能の動作に対して影響を及ぼさない。表示駆動回路(アレイ)７４０は、電極に接続せず、且つ２つの電極間の容量がタッチセンサに影響を及ぼさないので、回路７は、タッチセンサの動作を正常に実行することができる。

公開文献は、多種の容量式物体接近センサがある。大多数の容量式物体接近センサは、何れも本発明のタッチ検出回路となることができる。林緒徳（本発明の発明者）の米国特許第７０２３２２１Ｂ１号明細書、中華民国特許第Ｉ２５９９０８号明細書、欧州特許第１７９１２６０Ｂ１号明細書、中華人民共和国特許第ＺＬ２００５１００８０２３１．９号明細書及び日本特許第４３６５８１７号明細書は、１種の容量式物体接近センサであり、本発明の接触センサ回路となることができる。本発明中、タッチ検出回路内において、一列Ｎ個センサのみ必要であり、この接触センサ回路は、図８に表示する。
この回路の動作の詳細は、米国特許第７０２３２２１Ｂ１号明細書に記載される。ここで、タッチ検出回路７３の動作及びＬＣＤ表示機能間の動作を詳細に説明する。図８の回路は、図７のタッチ検出回路７３に用いられる時、タッチ検出回路の動作は、図７のマイクロプロセッサ７１により制御される。図８のマイクロプロセッサ８０６は、カウンタ８０４とシステム発信器８０５(電源レギュレータ８０７により電源供給)により駆動されるとともに、図７のマイクロプロセッサ７１と結合して１つのマイクロプロセッサとなることができる。そうでなければ、マイクロプロセッサ８０６は、マイクロプロセッサ７１と同期して動作し、タッチセンサ機能とＬＣＤ表示機能の同期動作を保証する必要がある。図７に示すように、下電極アレイ７６０，７６１・・・７６Ｎは、それぞれタッチ検出回路７３の入力Ｉ０，Ｉ１・・・ＩＮに接続する。タッチセンサ時間Ｔ２の期間、全ての電極が順に伝送ゲートＣＮＴＣ０，ＣＮＴＣ１・・・ＣＮＴＣＮをスキャンし、図８に示すようになる。ＬＣＤ表示時間Ｔ１の期間において、タッチ検出回路７３の入力８０１は、図８の伝送ゲートＣＮＴＣ０，ＣＮＴＣ１・・・ＣＮＴＣＮをオンとし、表示電極から切断される。図８中のセンサ発振器８０３内のバイアス回路は、ＬＣＤ表示回路の動作に影響を及ぼさない。

本発明の技術の記載のように、本発明の液晶パネル及び従来の表示パネルの唯一異なる箇所は、下電極の構造である。本発明技術及び従来の技術の製造工程は相違がない。本発明の液晶表示パネルの製造は、コストを増加しない。同時に従来の表示パネルと比べて、本発明の表示パネルは、鍍金層を増加しない。表示パネルが鍍金層を増加しないことは、光の吸収、反射を増加しないことを意味する。

同様の製造工程を使用し、従来の表示パネル及び本発明の表示パネルを混合型として結合することができる。この混合型表示パネルは、図１及び図２の構造を結合して形成されることができ、図９に示すようになる。図９中、上電極８５，８６，８７，８８及び下電極９５，９６，９７，９８は、表示及びタッチの二重の機能を果たすことができる。上電極８１，８２，８３，８４及び共用下電極８０は、表示電極としてのみ用いることができる。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。

７ 液晶表示システム
１１ 上基板
１２ 下基板
１４ 下表示電極
１５ 液晶
１６ 上偏光片
１７ 下偏光片
１８ 背光板
２１ 上基板
２２ 下基板
２５ 液晶
２６ 上偏光片
２７ 下偏光片
２８ 背光板
３８ 反射板
４１ 上電極に印加する電圧の波形
４２ 下電極に印加する電圧の波形
４３ 上下電極間に印加する電圧の波形
５１ 上電極に印加する電圧の波形
５２ 下電極に印加する電圧の波形
５３ 上下電極間に印加する電圧の波形
６１ 上電極に印加する電圧の波形
６２ 下電極に印加する電圧の波形
６３ 上下電極間に印加する電圧の波形
７１ マイクロプロセッサ
７２ 表示制御回路
７３ タッチ検出回路
８０ 共用下電極
８１，８２，８３，８４ 上電極
８５，８６，８７，８８ 上電極
９５，９６，９７，９８ 下電極
１３０，１３１，１３２，１３３ 上表示電極
２３０，２３１，２３２，２３３ 上表示電極
２４０，２４１，２４２，２４３ 下表示電極
７４０−７４Ｎ 表示駆動回路アレイ
７５０−７５Ｎ 伝送ゲートアレイ
７６０−７６Ｎ 下電極アレイ
７７０−７７Ｎ 上電極アレイ
８０１ 入力
８０３ センサ発振器
８０４ カウンタ
８０５ システム発振器
８０６ マイクロプロセッサ
８０７ 電源レギュレータ

Claims (3)

1. 透明型タッチセンサ及び液晶表示を統合したシステムであって、透明型液晶パネル及び制御システムを含み、該液晶表示パネルは、上基板と、下基板と、上電極アレイと、下電極アレイと、上偏光片と、下偏光片と、液晶と、背光板と、を含み、該制御システムは、マイクロプロセッサと、表示制御回路と、表示駆動回路アレイと、タッチ検出回路と、該上電極を対応する下電極に短絡する伝送ゲートアレイと、を含み、該タッチ検出回路は、物体又は手指の電極への接近を検出することに用いられ、該表示制御回路及び該表示駆動回路は、表示機能を実行することに用い、そのうち、改良した箇所が少なくとも、
   一対の電極が該上電極アレイの１つの上電極と該下電極アレイの１つの下電極を含み、該液晶表示パネルで１つの画素を表示することに用い、同一対の電極がタッチ検出機能を実行することに用いることもできることと、
   該表示機能及び該タッチ検出機能は、時間マルチプレキシング技術により実行されることと、
   表示機能を実行時、該上電極及び該下電極は、該表示制御回路から該表示駆動回路の波形発生器に接続することと、
   タッチ機能を実行時、該上電極及び該下電極及び表示駆動回路は、相互に接続せず、該一対の電極の上電極及び該下電極が短絡され、その機能が単一タッチセンサ電極となり、該上電極及び該下電極の容量が短絡されれば、該タッチ検出機能の感度に対して負荷の影響を及ぼさないことと、
   該タッチ検出機能を操作する時、該上電極及び該下電極及び該表示駆動回路の波形発生器は、接続せず、該表示駆動回路は、該タッチ検出機能に対して干渉を形成しないことと、
   を含み、工程を追加する必要がなく、且つ該タッチ検出機能を加えることにより光の吸収、反射を増加させることがないタッチセンサ及び液晶表示を統合したシステム。
2. 前記液晶表示システムが反射型であり、且つ該背光板が一層の反射板で置き換えられ、下偏光片を有さない請求項１に記載のタッチセンサ及び液晶表示を統合したシステム。
3. 前記液晶表示システムが混合型液晶表示システムであり、共用下電極がタッチセンサ機能を有さない領域に用いられ、電極対（electrode pair）がタッチ検出機能を有する領域に用いられる請求項１又は２に記載のタッチセンサ及び液晶表示を統合したシステム。

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