JP2011175396A - 入力装置及びそれを備えた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小面積にも適用可能な静電容量式センサとそれを用いた表示装置の製造コストを低減する。
【解決手段】接触物体が接触する透明基板と、前記透明基板上に透明導電膜で形成される矩形状の単一の面状電極とを備え、前記接触物体の接触位置を検出するタッチセンサからなる入力装置であって、第１の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第１の方向に沿った前記接触位置を検出する第１検出手段と、前記第１の方向の接触位置の検出後に、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第２の方向に沿った前記接触位置を検出する第２検出手段とを備える入力装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、入力装置及びそれを備えた表示装置に係わり、特に、静電容量方式のタッチセンサと表示装置とを組み合わせて構成される画面入力型画像表示装置に関する。

表示画面にセンサ機能を設け、指やスタイラスペンなどによるタッチ操作で情報を入力する、画面入力機能をもつ画像表示装置は、ＰＤＡや携帯端末などのモバイル用電子機器、各種の家電製品、無人受付機等の据置型顧客案内端末に用いられている。このような画面入力機能を備えた画像表示装置に用いられるセンシング方式として、タッチされた部分の抵抗値変化、あるいは静電容量変化を検出する方式、タッチにより遮蔽された部分の光量変化を検出する方式、などが知られている。これらの中で、静電容量変化を検出する方式（静電容量式）は、表示している画像の見え方に対する影響が少なく、且つ耐久性に優れるなどの点から特に利用が進んでいる。この静電容量式は、静電容量検出のための電極をマトリクス状に分割配置した投影型と、分割されていない単一面電極を用いる表面型に大別される。

特許文献１に、投影型での静電容量変化検出の方式例が開示されている。分割された各電極に対する充放電を順次行い、電極毎の充放電電荷量の違いから指等の接触位置を検出するものである。また、特許文献２には、表面型での静電容量変化検出の方式例が開示されている。単一矩形面電極の四隅から信号を入力し、その信号源の出力電流量の違いから指等の接触位置を検出するものである。

US 6466036 B1号 特開2006-146895号公報

特許文献１に記載の投影型は、電極が分割されているため携帯端末のような小さい面積のセンサが必要となる場合でも高い検出位置分解能が得やすいが、複雑な電極構造の形成が必要なため製造コストが高くなってしまうという問題がある。

また、特許文献２に記載の表面型は、電極構造が単純なため製造コストを低くすることが可能である。しかしながら、センサの面積を小型化すると位置分解能が得にくくなるため、据置型顧客端末のような大型センサが必要な場合には適するが、携帯端末のような小面積のセンサへの適用が困難である。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、携帯端末などが必要とする小面積にも適用可能な静電容量式センサ及びそれを用いた表示装置の製造コストを低減されることが可能な技術を提供することにある。

（１）前記課題を解決すべく、接触物体が接触する透明基板と、前記透明基板上に透明導電膜で形成される矩形状の単一の面状電極とを備え、前記接触物体の接触位置を検出するタッチセンサからなる入力装置であって、第１の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第１の方向に沿った前記接触位置を検出する第１検出手段と、前記第１の方向の接触位置の検出後に、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第２の方向に沿った前記接触位置を検出する第２検出手段とを備える入力装置である。

（２）前記課題を解決すべく、表示部を有する表示パネルと、前記表示パネルの表示面側に配置される透明基板と、前記透明基板上に透明導電膜で形成される矩形状の単一の面状電極とを備える表示装置であって、第１の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第１の方向に沿った前記接触位置を検出する第１検出手段と、前記第１の方向の接触位置の検出後に、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第２の方向に沿った前記接触位置を検出する第２検出手段とを備える表示装置である。

本発明によれば、小面積の非分割単一面電極でも高い位置検出分解能が得られ、表面型の静電容量式センサが、携帯端末などが必要とする小面積にも適用可能となり、静電容量式センサが低コストに実現される。

本発明のその他の効果については、明細書全体の記載から明らかにされる。

本発明の実施形態１の表示装置の全体構成を説明するための図である。 本発明の実施形態１の表示装置におけるタッチセンサ部の詳細構成を説明するための図である。 本発明の実施形態１の表示装置におけるＹ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図である。 本発明の実施形態１の表示装置におけるＸ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図である。 図３に示す動作原理図における検出精度の高い領域を示す図である。 図４に示す動作原理図における検出精度の高い領域を示す図である。 本発明の実施形態１の表示装置におけるＹ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図である。 本発明の実施形態１の表示装置におけるＸ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図である。 図７に示す動作原理図における検出精度の高い領域を示す図である。 図８に示す動作原理図における検出精度の高い領域を示す図である。 本発明の実施形態１のタッチセンサに指を接触させた場合の入出力状態の等価回路図である。 本発明の実施形態１のタッチセンサに指を接触させた場合の入出力信号の周波数特性を示す図である。 本発明の実施形態１のタッチセンサの長辺側にそれぞれ５個ずつの供給点と検出点を設けた場合の信号源と検出回路との接続を説明するための図である。 図１３に示す入力信号の状態と検出信号の状態を比較した図である。 図１３に示す入出力信号の周波数特性を示す図である。 実施形態１のタッチセンサにおける信号検出回路の入力部の一例を示す図である。 図１６に示す信号検出回路の入力部の等価回路図である。 図１７に示す等価回路における特性変化を示す図である。 実施形態１の非分割単一面電極内における電位分布を説明するための図である。 実施形態１の非分割単一面電極内を流れる電流分布を説明するための図である。 本発明の実施形態２の表示装置におけるタッチセンサの構成を説明するための図である。 実施形態２の非分割単一面電極内における電位分布を説明するための図である。 本発明の実施形態３の表示装置におけるタッチセンサの構成を説明するための図である。 本発明の実施形態３の表示装置における出力信号の状態を説明するための図である。 従来の投影型のタッチセンサの概略構成を説明するための図である。 従来の表面型のタッチセンサの概略構成を説明するための図である。 従来の表面型のタッチセンサの概略動作を説明するための図である。 従来の表面型のパッチパネルの構成要素を集中素子により等価回路化した図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。

〈実施形態１〉
図１は本発明の実施形態１の表示装置の全体構成を説明するための図であり、特に、タッチセンサを構成要素とする画面入力型画像表示装置の全体構成を説明するための図である。ただし、タッチセンサ１０６及び検出制御回路１０８を除く他の構成は従来の画面入力型画像表示装置と同様の構成となる。従って、以下の説明では、タッチセンサ１０６及び検出制御回路１０８について詳細に説明する。

図１に示すように、実施形態１の表示装置は、周知の液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイス１０１の表示面側に本願発明に係わるタッチセンサ１０６が配置されている。表示デバイス１０１には、表示コントローラ１０３が接続され、画像の表示データや制御信号などの画像表示に係わるデータ１０２が供給される。また、タッチセンサ１０６には、検出制御回路１０８が接続され、検出信号１０７などの授受が行われる。システムコントローラ１０５は、表示コントローラ１０３及び検出制御回路１０８と接続され、タッチセンサ１０６で得られた座標データ１０９を用いた処理結果などを合わせた表示制御信号１０４を、表示コントローラ１０３に与える構成となっている。

すなわち、実施形態１の表示装置は、表示デバイス１０１及び表示コントローラ１０３からなる画像表示部と、タッチセンサ１０６及び検出制御回路１０８からなる入力装置部とがシステムコントローラ１０５により一体的に制御される構成となっている。

図２は本発明の実施形態１の表示装置における入力装置部の詳細構成を説明するための図であり、以下、図２に基づいて実施形態１の入力装置部の詳細構成を説明する。ただし、図２中を含め、以下に示すＸ、ＹはそれぞれＸ軸及びＹ軸を示す。

図２から明らかなように、実施形態１の入力装置部は、例えば透明なガラス基板や樹脂基板等からなる透明基板８０７と、該透明基板８０７に形成される矩形状の非分割単一面電極２０３とからなるタッチセンサ１０６を有する構成となっている。非分割単一面電極２０３の４辺のそれぞれの辺縁部(辺部)には、少なくとも１本以上の信号線路８０１を介して１辺ごとに計測信号となる交流信号が供給されると共に、この計測信号（交流信号）が供給される１辺と対向する辺から非分割単一面電極２０３に供給される計測信号（交流信号）を検出する構成となっている。

実施形態１では、スイッチ回路８０２を介して同一の信号線路８０１を用い、信号源回路８０３で生成された信号８０６の供給と、非分割単一面電極２０３から出力される信号８０５の検出を行う構成となっている。このようなスイッチ回路８０２は、例えば同一の信号線路８０１に接続される図示しない２個の周知のスイッチ素子の一方を信号源回路８０３に接続し、他方のスイッチ素子を信号検出回路８０４に接続しておき、システムコントローラの出力により２個のスイッチ素子の何れか一方をオン状態とすることにより、各信号線路８０１を計測信号（交流信号）の供給線と検出線とに切り替えることができる。このような構成とすることによって、実施形態１のタッチセンサでは、非分割単一面電極２０３に接続される信号線路８０１の本数を低減させ、タッチセンサ１０６の挟額縁化を可能としている。なお、システムコントローラがスイッチ回路８０２の設定条件を切り換えにより、矩形状の非分割単一面電極２０３の各辺での入出力機能を制御し、接触物体である図示しない操作者の指先等の接触位置（接触座標）を検出する検出動作の詳細は後述する。

次に、図３に本発明の実施形態１の表示装置におけるＹ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図を、図４に本発明の実施形態１の表示装置におけるＸ軸方向の接触位置を検出するための動作原理図を示し、以下、図３及び図４に基づいて、検出動作原理を説明する。

図３に示すように、タッチセンサ１０６の長辺方向（Ｙ軸方向）に沿った接触位置の検出を行うためには、長辺方向の一方の辺縁部から計測信号（交流信号）４０１を入力し、計測信号（交流信号）が入力される辺と対向配置される他方の辺縁部で非分割単一面電極２０３を伝搬した計測信号（交流信号）４０２を検出する。このとき、実施形態１の検出制御回路１０８では、指３１６の接触に伴う計測信号（交流信号）の状態Ｓ１から状態Ｓ２への変化から、Ｙ軸方向の位置情報を特定する構成となっているので、図５中に示す点線で囲まれた領域６０１すなわち検出辺に近い側の辺縁部領域での検出精度を高くすることが可能となる。なお、接触位置の検出動作の詳細は後述する。

同様にして、タッチセンサ１０６の短辺方向（Ｘ軸方向）に沿った接触位置の検出を行うためには、図４に示すように、短辺方向の一方の辺縁部から交流信号４０３を入力し、交流信号が入力される辺と対向配置される他方の辺縁部で交流信号４０４を検出する。このときも、実施形態１の検出制御回路１０８では、指３１６の接触に伴う交流信号の状態Ｓ１から状態Ｓ２への変化から、Ｘ軸方向の位置情報を特定する構成となっているので、図６中に示す点線で囲まれた領域６０２すなわち検出辺に近い側の辺縁部領域での検出精度を高くすることが可能となる。

ただし、図５及び図６から明らかなように、点線で囲まれた領域６０１、６０２を除く領域での検出精度は領域６０１、６０２よりも低下することとなる。従って、実施形態１においては、図７及び図８に示すように交流信号５０１、５０３を入力する辺縁部と、検出を行う辺縁部とを入れ替えることにより、図９及び図１０に示すように、検出精度の高い領域７０１、７０２を入れ替える構成としている。なお、このときの交流信号５０１、５０３の入力側と、交流信号５０２、５０４の検出側との入れ替えは、スイッチ回路８０２の切り替えによって行う。

次に、図１１に本発明の実施形態１のタッチセンサに指を接触させた場合の入出力状態の等価回路図を、図１２に本発明の実施形態１のタッチセンサに指を接触させた場合の入出力信号の周波数特性を示し、実施形態１のタッチセンサにおける接触位置の検出原理を説明する。ただし、図１２に示す入出力信号の周波数特性は、図３に示すように非分割単一面電極２０３からの交流信号を検出する側に操作者が指３１６を接触させた場合を示す。また、図１２における横軸は周波数、縦軸は入力信号と出力信号の振幅比率であり、実線は指３１６が接触していない場合の周波数特性９０６を示し、点線は指３１６が接触している場合の周波数特性９０７を示す。

前述するように実施形態１のタッチセンサ１０６では、透明基板上にＩＴＯ等の周知の透明電極材料で非分割単一面電極２０３を形成する構成となっているので、該非分割単一面電極２０３は抵抗９０２と容量９０３で示される。従って、信号源回路の有する信号源９０１を含めた等価回路は、抵抗９０２と容量９０３が信号源９０１に直列接続された構成となる。このとき、実施形態１のタッチセンサ１０６では交流信号４０１が入力される辺縁部に対向する側の辺縁部で非分割単一面電極２０３を伝搬した後の交流信号４０２を検出する構成となっているので、検出出力（出力信号）は容量９０３の両端での信号となる。

一方、タッチセンサ１０６に接触する指３１６も直列接続の抵抗９０５と容量９０４で表わされるので、図１１に示すように非分割単一面電極２０３の容量９０３と、直列接続される抵抗９０５及び容量９０４とが並列接続される等価回路となる。

このような抵抗９０２、９０５と容量９０３、９０４とからなる等価回路となるので、実施形態１のタッチセンサ１０６で形成される検出系は、フィルタ特性の違いに帰着する。そのため、入力信号４０１に対する検出信号４０２の周波数特性は、指３１６の接触有無に伴う特定の周波数ω０の減衰の有無に反映される。従って、指３１６が接触していない場合の周波数特性（非分割単一面電極の電流伝達特性）９０６と、指３１６が接触している場合の周波数特性（非分割単一面電極の電流伝達特性）９０７との差分の周波数特性９０８は特定周波数ω０にピークを有する。この結果から、信号源９０１は、周波数ω０を含む信号、例えば周波数ω０の正弦波とすることが望ましい。なお、非分割単一面電極２０３の大きさや形成材料等に応じて抵抗９０２及び容量９０３も大きく変化することとなるので、周波数ω０は適宜設定する。又は、差分の周波数特性９０８の出力値を監視し、そのピーク値が最大となる周波数ω０を含む交流信号となるように、当該交流信号を補正する補正回路を設ける構成としてもよい。

次に、図１３に本発明の実施形態１のタッチセンサの長辺側にそれぞれ５個ずつの供給点と検出点を設けた場合の信号源と検出回路との接続を説明するための図を、図１４に図１３に示す入力信号の状態と検出信号の状態を比較した図を、図１５に図１３に示す入出力信号の周波数特性を示す図を示し、以下、図１３〜図１５に基づいて実施形態１のタッチセンサにおける接触位置の算出原理を説明する。

図１３に示すように、タッチセンサ１０６の左右の対称となる位置の一方側（図１３中の左側）に５点の交流信号の供給点Ｉ１〜Ｉ５を設けると共に、対向する他方側（図１３中の右側）に５点の検出点Ｏ１〜Ｏ５を設けた場合、同じ交流信号として、例えば１つの信号源１００１から出力される交流信号が分配され供給点Ｉ１〜Ｉ５に供給される。このとき、５点の検出点Ｏ１〜Ｏ５にはそれぞれ独立した測定部となる電圧計１００２〜１００６が接続され、検出点Ｏ１〜Ｏ５の電圧がそれぞれ計測される。

タッチセンサ１０６の中央部より検出点Ｏ１〜Ｏ５に近い側に指３１６が接触されている場合、各供給点Ｉ１〜Ｉ５には信号源１００１から出力された後に５つに分配された入力信号がそれぞれ入力される。このとき、供給点Ｉ１〜Ｉ５に入力される交流信号は１つの信号源１００１から分配された信号となり、振幅が同じ交流信号となる。ここで、実施形態１のタッチセンサでは、入力点Ｉ１〜Ｉ５における信号振幅の分布を状態Ｓ１としているので、図１４に示すように、入力信号の状態Ｓ１は平坦な特性となる。

一方、検出点Ｏ１〜Ｏ５における信号振幅の分布である状態Ｓ２は、図１４に示すように、検出点Ｏ３、Ｏ４、に減衰ピークが発生している。これは、前述した周波数特性を変化させる指３１６の接触により、交流信号に含まれる特定周波数ω０成分が減衰したためである。

従って、実施形態１のタッチセンサ１０６では、図１５に示すように、対向する各入力点と各検出点間での状態Ｓ１と状態Ｓ２との比率を算出し、この分布に対して図中に点線で示すように周知のフィッティングや重心演算などの処理を行うことにより、指３１６の接触位置１００７が算出される。

図１６は実施形態１のタッチセンサにおける信号検出回路の入力部(入力段)の一例を示す図であり、図１７は図１６に示す信号検出回路の入力部の等価回路図であり、図１８は図１７に示す等価回路における特性変化を示す図であり、以下、図１６〜図１８に基づいて、実施形態１の信号検出回路での検出動作について説明する。ただし、図１８の縦軸は指３１６の非分割単一面電極２０３への接触状態を示す容量Ｃ２（９０４）に対する検出電流Ｉｓの感度を示し、横軸は伝送線（配線）や接触点等に起因する抵抗成分Ｒ２を示す。

図１６に示すように、実施形態１の信号検出回路では、入力部に演算増幅器１３０１を用いた入力回路１３０３が配置され、各検出点Ｏ１〜Ｏ５から入力される信号はそれぞれに対応して設けられた入力回路１３０３を介した後に、図示しない電圧計で検出点Ｏ１〜Ｏ５の電圧が計測される構成となる。

このとき、実施形態１の入力回路１３０３では、演算増幅器１３０１の入力で検出点からの信号を受ける構成とすると共に、演算増幅器１３０１の出力が抵抗１３０２を介して負帰還される構成となっている。このような構成とすることにより、演算増幅器１３０１の負帰還作用を用いて検出点の電位を固定し、検出点での電位変化を抑制する。

一方、非分割単一面電極２０３上の検出点Ｏ１〜Ｏ５と演算増幅器１３０１との間には、前述の図２に示すように、検出点Ｏ１〜Ｏ５とスイッチ回路８０２とを接続する配線及びスイッチ回路８０２と信号検出回路８０４とを接続する配線に起因する抵抗成分、スイッチ回路８０２を構成する各スイッチ素子自身の抵抗成分、及び各接続部における接触点での抵抗成分（接続抵抗）が生じることとなる。これらの抵抗成分の合計を抵抗成分Ｒ２（１４０１）とした場合、図１７に示すように、検出点Ｏ１〜Ｏ５からの電流は抵抗成分Ｒ２（１４０１）を介して入力回路１３０３に入力されることとなり、検出点の電位変化抑制が劣化し、検出感度が低下することが懸念される。

ここで、検出電流Ｉｓは、非分割単一面電極２０３を示すモデルの要素である抵抗Ｒ１（９０２）、容量Ｃ１（９０３）、指３１６を示すモデルの要素である容量Ｃ２（９０４）、抵抗Ｒ３（９０５）、及び伝送線や接触点等に起因する抵抗成分Ｒ２により変化する。このときの特性は図１８に示すように、検出電流Ｉｓの、指３１６の非分割単一面電極２０３への接触状態を示す容量Ｃ２（９０４）に対する感度は、抵抗成分Ｒ２（１４０１）に依存して曲線１４０２のように変化し、伝送線や接触点等に起因する抵抗成分Ｒ２（１４０１）の所定値１４０３において極大となる。従って、実施形態１の入力回路１３０３では、前述の特性を活用し抵抗成分が発生する場合、その抵抗成分に応じて等価回路で示す抵抗成分Ｒ２を調整することにより、検出感度の低下を防ぐことが可能になる。なお、実施形態１のタッチセンサでは、信号検出回路の入力に演算増幅器１３０３を用いた入力回路を設けた構成としたが、これに限定されることはなく、他の構成であってもよい。

このように実施形態１の表示装置では、入力装置となる透明基板上に透明導電膜で形成される非分割単一面状電極が形成されるタッチセンサに対して、検出制御回路が信号源回路及び信号検出回路並びにスイッチ回路を制御し第１検出手段として動作させ、第１の方向としてＹ軸方向の辺に沿って延在する一方の辺縁部から非分割単一面状電極に交流信号を入力すると共に、該一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該非分割単一面状電極を伝搬した交流信号を取り出し、第１の方向に沿った接触位置を検出する。次に、検出制御回路が信号源回路及び信号検出回路並びにスイッチ回路を制御し第２検出手段として動作させ、第１の方向と交差する第２の方向としてＸ軸方向の辺に沿って延在する一方の辺縁部から非分割単一面状電極に交流信号を入力すると共に、該一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該非分割単一面状電極を伝搬した交流信号を取り出し、第２の方向に沿った接触位置を検出し、タッチパネル上の接触位置を検出する構成となっているので、小面積の非分割単一面電極でも高い位置検出分解能が得られる。その結果、表面型の静電容量式センサが、携帯端末などが必要とする小面積にも適用可能となり、静電容量式センサを低コストで製造することができる。

〈効果の説明〉
以上に説明したように、実施形態１のタッチセンサでは、検出点Ｏ１〜Ｏ５で検出される出力信号の状態Ｓ２に基づいて、検出点Ｏ１〜Ｏ５の配列方向である長辺の延在方向に沿った指３１６の位置を検出する構成となっている。従って、検出のために、例えば、電圧が増加するような入力信号を印加した場合、非分割単一面電極２０３内での電位分布は変化し、入力側から検出側に電流が発生する。該電流は、検出点で検出され計測される。一方、指３１６等の接触があった場合、非分割単一面電極２０３の電流伝達特性が変化するため、非分割単一面電極２０３内での電流分布が変化する。該電流分布変化を、指３１６等の接触位置に対応する局所的な位置に発生させ、該分布を維持して検出点に伝達させることが高分解能検出に必要となる。

次に、図１９に実施形態１の非分割単一面電極内における電位分布を説明するための図を、図２０に実施形態１の非分割単一面電極内を流れる電流分布を説明するための図を示し、以下、図１９及び図２０に基づいて、実施形態１のタッチセンサにおける接触位置の検出精度について説明する。ただし、図１９及び図２０に示す非分割単一面電極内における等電位線及び電位強度グラフ並びに信号電流はシミュレーション結果に基づいてものである。また、図１９及び図２０に示すタッチセンサでは、前述と同様に、信号源１００１から発生する信号を供給点Ｉ１〜Ｉ５に分配入力する構成の場合を示す一例である。

図１９に示すように、信号源１００１から発生する交流信号を分配し、この分配された交流信号を非分割単一面電極２０３の長辺の図中左端に設けた５点の入力点Ｉ１〜Ｉ５から入力する。このとき、各供給点Ｉ１〜Ｉ５に、例えば、電圧が増加するような入力信号を印加した場合、非分割単一面電極２０３内では電位分布は変化し、等電位線１１０１で示されるような電位分布が形成される。このとき、検出点Ｏ１〜Ｏ５側の電位変化を小さく保った場合、入力点Ｉ１〜Ｉ５から検出点Ｏ１〜Ｏ５に向かう方向すなわちｘ軸方向に沿う電界強度は、電界強度グラフ（電界強度特性）１１０２で示されるような平坦で大きな値となる。逆に、検出点Ｏ１〜Ｏ５側の電位変化が大きくなる場合は、入力点Ｉ１〜Ｉ５から検出点Ｏ１〜Ｏ５に向かう方向すなわちｘ軸方向に沿う電界強度グラフ１１０２が平坦であるが小さな値となる。電界強度グラフ１１０２の分布が高い値になるほど信号電流が大きく流れるため、検出分解能を向上させる上で好ましい。

一方、入力点Ｉ１〜Ｉ５、及び検出点Ｏ１〜Ｏ５の並ぶ辺（長辺）に平行な方向すなわちｙ軸方向に沿う電界強度は、電界強度グラフ（電界強度特性）１１０３に示すように、検出点Ｏ１〜Ｏ５に近くなるほど０（ゼロ）付近に分布するようになる。これは、入力点Ｉ１〜Ｉ５、及び検出点Ｏ１〜Ｏ５が複数設けられていること、また入力、及び検出を行っていない辺対である短辺の電位が固定されていないことに起因する。

以上のことより、入力点と検出点をそれぞれ２点以上の複数点設け、検出点の電位変化を抑制し、且つ入力、及び検出を行っていない辺対の電位を固定しないことが検出性能を向上するための必要条件となる。

この必要条件が整う場合、図２０に示すように、非分割単一面電極２０３内では電位分布は変化し、等電位線１１０１で示されるような電位分布が形成される。ここで、入力点Ｉ１から検出点Ｏ１に至る信号電流１１１１、入力点Ｉ２から検出点Ｏ２に至る信号電流１１１２、入力点Ｉ３から検出点Ｏ３に至る信号電流１１１３、入力点Ｉ４から検出点Ｏ４に至る信号電流１１１４、及び入力点Ｉ５から検出点Ｏ５に至る信号電流１１１５は、該電位分布に従いそれぞれ入力点Ｉ１〜Ｉ５から検出点Ｏ１〜Ｏ５に向かい流れる。前記電界強度の状態があるため、信号電流１１１１、１１１２、１１１３、１１１４、１１１５は、入力及び検出を行っていない辺である短辺に平行に流れ、且つ均等な値を有している。点線分Ａにおいては、指３１６等が接触しているため、信号電流１１１３、１１１４は信号電流１１１６、１１１７に減衰し、電流分布に変化が発生する。こののちも信号電流１１０２、１１０３、１１１６、１１１７、１１１５は検出点に向かい流れるが、上記電界強度の状態があるため、その分布は、点線Ａ上での電流分布グラフ１１１８と、点線Ｂ上での電流分布グラフ１１１９に示すように維持される。従って、前述する必要条件を満たす実施形態１のタッチセンサ装置においては、接触位置の情報が正しく得られる。

これに対して、図２５に示す従来の投影型のタッチセンサでは、複数のＸ電極２０２、Ｙ電極２０１が配置され、マトリクスを形成している。それぞれの電極２０１、２０２と検出制御回路１０８とは個別の信号線があり検出信号１０７が伝達される構成となっているので、電極構造が複雑となってしまっている。

また、図２６に示す従来の表面型のタッチセンサでは、非分割単一面電極２０３の四隅から検出信号１０７を取り出す構成となっており、取り出された検出信号１０７が検出制御回路に入力される構成となっている。この表面型のタッチセンサでは、図２７に示すように、検出制御回路１０８に接続される各検出信号１０７線路に対して信号源３０１〜３０４が接続されている。各信号源３０１〜３０４は、電極２０３に対して信号を供給している。ここで、該電極２０３に対して、指３１６が接触した場合、信号源３０１〜３０４からの電流３０６〜３０９の一部３０５が、指３１６を介して電極外部に流れる。これにより電流３０６〜３０９の値に変化が発生する。電流量の変化は、指３１６の電極２０３への接触位置に依存しているため、この電流量の変化を検出することで位置検出が可能となる。

次に、図２８に表面型のパッチパネルの構成要素を集中素子により等価回路化した図を示し、図２８に基づいて検出原理を説明する。図２８においては、指３１６は直列接続された容量３１４と抵抗３１５で示され、電極２０３は指３１６の接触点と検出信号１０７線の接続点とを結ぶ抵抗３１０〜３１３及び容量３１７とで表わされる。この場合、信号源３０１〜３０４からの電流量変化は、指３１６の接触点と検出信号１０７線の接続点を結ぶ抵抗３１０、３１１１、３１２、３１３の値によって変化するため、変化の感度を高めるには、信号源３０１、３０２、３０３、３０４からの電流量変化は、指３１６の接触点と検出信号１０７線の接続点を結ぶ抵抗３１０、３１１１、３１２、３１３の値が大きいこと、すなわち、電極２０３の面積が大きいこと、が求められる。反対に、電極２０３の面積が小さい場合は、抵抗３１０、３１１１、３１２、３１３の値が小さくなるため、変化の感度が低下する。このため、表面型を小面積センサに適用することが困難となっている。

これに対して、本願発明のタッチセンサでは、前述するように、非分割単一面電極の対向する辺の一方側から交流信号を入力し、他方側で検出する構成となっているので、非分割単一面電極の面積が小さい場合であっても高精度で接触位置を検出することが可能となる。

〈実施形態２〉
図２１は本発明の実施形態２の表示装置におけるタッチセンサの構成を説明するための図である。ただし、実施形態２のタッチセンサは、１点の入力点から交流信号を非分割単一面電極２０３に入力する構成を除く他の構成は実施形態１と同様の構成である。従って、以下の説明では、入力点の構成及びその検出動作について詳細に説明する。

図２１に示すように、実施形態２のタッチセンサ１０６では、交流信号を入力する側の辺（図２１中の左側の辺）の中央部に１点の入力点Ｉ０が形成され、この辺に対向する側の辺に５点の検出点が形成される構成となっている。このような構成とすることによって、供給点Ｉ０に交流信号を印加した場合、非分割単一面電極２０３内では電位分布は変化し、等電位線１２０１で示されるような電位分布が形成される。このとき、入力点Ｉ０から検出点Ｏ１〜Ｏ５に向かう方向すなわちｘ軸方向に沿う電界強度は、電界強度グラフ（電界強度特性）１２０２で示すように、非分割単一面電極２０３のｙ軸方向中央付近（例えば、入力点Ｉ０から検出点Ｏ３）では、実施形態１と同様に平坦となる。一方非分割単一面電極２０３のｙ軸方向端付近（図２１中の上端又は下端付近）では、電界強度グラフ（電界強度特性）１２０３で示すように不均一になる。また、入力点及び検出点の並ぶ辺（長辺）に平行な方向すなわちｙ軸方向に沿う電界強度も、電界強度グラフ（電界強度特性）１２０４で示す非分割単一面電極２０３のｘ軸方向中央付近と、電界強度グラフ（電界強度特性）１２０５で示す非分割単一面電極２０３のｘ軸方向端付近（検出点付近）では状態が異なるようになる。

このような電位分布が形成されると、図２２に示すように、入力点Ｉ０から検出点Ｏ１〜Ｏ５に流れる信号電流１２１１〜１２１５は、入力及び検出を行っていない辺である短辺と平行に流れにくくなる。このために、点線分Ａにおいて、指３１６等が接触した場合、信号電流１２１３、１２１４は信号電流１２１６、１２１７に減衰し、電流分布に変化が発生するが、上記電位分布の影響によりその分布は維持されにくく、点線Ａ上での電流分布グラフ１２１８と、点線Ｂ上での電流分布グラフ１２１９とに示すように、検出点付近では分布が平均化されてしまう。このために、実施形態１のタッチセンサに比較すると接触位置の検出精度は低下することとなるが、電流分布グラフ１２１９から明らかなように、指３１６の接触位置の検出は可能である。従って、例えば、表示パネルに「はい」と「いいえ」とのように、少ない選択肢を表示させ、操作者が選んだ選択肢に対応する指３１６の位置を特定する場合等のように、小型の表示パネルや解像度の低い表示パネルと共に使用されるタッチセンサに好適である。特に、入力点を配置する辺と検出点を配置する辺とを固定しておくことにより、タッチセンサの入力点及び検出点と検出制御回路１０８とを接続する信号線数を低減することが可能となり、表示装置の挟額縁化ができると共に、表示装置の製造コストを低減できるという格別の効果を得ることができる。

〈実施形態３〉
図２３は本発明の実施形態３の表示装置におけるタッチセンサの構成を説明するための図であり、図２４は本発明の実施形態３の表示装置における出力信号の状態を説明するための図である。ただし、実施形態３のタッチセンサは、タッチセンサの四隅に２点の入力点と検出点とをそれぞれ設けた構成、及び２点の検出点から指の接触位置を検出するための検出動作を除く他の構成は実施形態１と同様の構成である。従って、以下の説明では、入力点及び検出点の構成並びにその検出動作について詳細に説明する。

図２３に示すように、実施形態３のタッチセンサでは、非分割単一面電極２０３の四隅にそれぞれ入出力点となる電極を設けた構成となっている。このとき、実施形態３のタッチセンサでは、隣接するすなわち非分割単一面電極２０３の一辺の両端に配置される２点を入力点Ｉ１、Ｉ２とし、残りの２点を出力点Ｏ１、Ｏ５とすることにより、対向配置される一方の辺縁部から交流信号１００１を入力し、この交流信号１００１が入力される辺と対向配置される他方の辺縁部で交流信号を検出する。このときの交流信号の検出は、実施形態１と同様に、出力点Ｏ１に接続される電圧計１００２と、出力点Ｏ５の接続される電圧計１００６とにより行われる。

ここで、実施形態３のタッチセンサでは、２点の検出点Ｏ１、Ｏ５の電圧が計測されるのみとなるので、例えば、電圧計１００２で得られた計測値をＤ１、電圧計１００６で得られた計測値をＤ２とした場合、計測値Ｄ２から計測値Ｄ１を減算することにより、図２４に示すような直線２４０１が得られることとなる。従って、実施形態３では、例えば、直線２４０１の傾斜及び入力した交流信号１００１とから周知の方法によって、操作者の指３１６の位置を算出することが可能となる。この動作を各辺に対して繰り返すことによって、前述する実施形態１の効果に加えて、タッチセンサとスイッチ回路８０２とを接続するための信号線数すなわち非分割単一面電極２０３に接続される信号線数を大幅に減少させることができるという格別の効果を得ることができる。その結果、実施形態３のタッチセンサをさらに挟額縁化することも可能となる。さらには、スイッチ回路、信号源回路、及び信号検出回路の回路規模を小さくすることができるので、さらに製造コストを低減できるという格別の効果を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０１……表示デバイス、１０２……データ、１０３……表示コントローラ
１０４……表示制御信号、１０５……システムコントローラ、１０６……タッチセンサ
１０７……検出信号、１０８……検出制御回路、１０９……座標データ
２０１……Ｙ電極、２０２……Ｘ電極、２０３……非分割単一面電極
３０１〜３０４……信号源、３０５〜３０９……電流、３１０〜３１３、３１５……抵抗
３１４、３１７……容量、３１６……指、４０１、４０３……計測信号（交流信号）
４０２、４０４……計測信号（交流信号）、５０１、５０３……交流信号
５０２、５０４……交流信号、６０１、６０２……領域、７０１、７０２……領域
８０１……信号線路、８０２……スイッチ回路、８０３……信号源回路
８０４……信号検出回路、８０５、８０６……信号、８０７……透明基板
９０１……信号源、９０２、９０５……抵抗、９０３、９０４……容量
９０６〜９０８……周波数特性、１００１……信号源、１００２〜１００６……測定部
１００６……測定部、１００７……接触位置、１１０１……等電位線
１１０２……電界強度グラフ、１１０３……電界強度グラフ
１１１１〜１１１５……信号電流、１１１６、１１１７……信号電流
１１１８、１１１９……電流分布グラフ１２０１……等電位線
１２０２、１２０３……電界強度グラフ、１２０４、１２０５……電界強度グラフ
１２１１〜１２１５……信号電流、１２１６、１２１７……信号電流
１２１８、１２１９……電流分布グラフ

Claims (16)

1. 接触物体が接触する透明基板と、前記透明基板上に透明導電膜で形成される矩形状の単一の面状電極とを備え、前記接触物体の接触位置を検出するタッチセンサからなる入力装置であって、
   第１の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第１の方向に沿った前記接触位置を検出する第１検出手段と、
   前記第１の方向の接触位置の検出後に、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第２の方向に沿った前記接触位置を検出する第２検出手段とを備えることを特徴とする入力装置。
2. 請求項１に記載の入力装置において、
   前記計測信号は、前記面状電極と前記接触物体との接触により変化する周波数帯域を含む交流信号からなることを特徴とする入力装置。
3. 請求項１又は２に記載の入力装置において、
   前記面状電極は、前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って対向する辺縁部に電極を有し、
   前記第１検出手段及び前記第２検出手段は、前記電極を介して前記計測信号の入力と検出を行う辺縁部を切り替える手段を有し、順次、前記計測信号の入力と検出する辺縁部を切り替え、前記接触物体の接触位置を検出することを特徴とする入力装置。
4. 請求項１乃至３の内の何れかに記載の入力装置において、
   前記面状電極は、伝搬する計測信号を取り出す検出点を少なくとも２点以上有し、
   前記第１検出手段及び前記第２検出手段は、前記一方の辺縁部から入力した計測信号とそれぞれの検出点で計測された検出値とに基づいて、前記接触物体の接触位置を演算することを特徴とする入力装置。
5. 請求項４に記載の入力装置において、
   前記面状電極の角部に１つずつの前記電極が形成され、前記第１検出手段及び第２検出手段は、前記計測信号を入力する辺縁部の両端にそれぞれ形成される２つの電極から前記計測信号を入力すると共に、他の２つの電極から前記面状電極を伝搬する前記計測信号を計測することを特徴とする入力装置。
6. 請求項１乃至５の内の何れかに記載の入力装置において、
   前記第１検出手段及び前記第２検出手段の何れか一方の検出手段が計測を行っている場合、他方の検出手段は信号入力及び信号検出を行わない辺をハイインピーダンス状態とすることを特徴とする入力装置。
7. 請求項１乃至６の内の何れかに記載の入力装置において、
   前記面状電極内に形成される電位分布の勾配が、前記計測信号を入力する辺縁部から前記計測信号を検出する辺縁部に向かう方向に一様になるように、前記計測信号の入力位置と前記計測信号の検出位置が形成することを特徴とする入力装置。
8. 請求項１乃至７の内の何れかに記載の入力装置において、
   前記面状電極と前記接触物体とからなる系の信号伝達特性に基づき、前記第１検出手段及び前記第２検出手段から前記面状電極に至る線路の抵抗成分が検出感度に及ぼす影響を補正する補正手段を有することを特徴とする入力装置。
9. 表示部を有する表示パネルと、前記表示パネルの表示面側に配置される透明基板と、前記透明基板上に透明導電膜で形成される矩形状の単一の面状電極とを備える表示装置であって、
   第１の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第１の方向に沿った前記接触位置を検出する第１検出手段と、
   前記第１の方向の接触位置の検出後に、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿い対向する一方の辺縁部から前記面状電極に計測信号を入力すると共に、前記一方の辺縁部に対向する他方の辺縁部から当該面状電極を伝搬した計測信号を取り出し、前記第２の方向に沿った前記接触位置を検出する第２検出手段とを備えることを特徴とする表示装置。
10. 請求項９に記載の表示装置において、
    前記計測信号は、前記面状電極と前記接触物体との接触により変化する周波数帯域を含む交流信号からなることを特徴とする表示装置。
11. 請求項９又は１０に記載の表示装置において、
    前記面状電極は、前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って対向する辺縁部に電極を有し、
    前記第１検出手段及び前記第２検出手段は、前記電極を介して前記計測信号の入力と検出を行う辺縁部を切り替える手段を有し、順次、前記計測信号の入力と検出する辺縁部を切り替え、前記接触物体の接触位置を検出することを特徴とする表示装置。
12. 請求項９乃至１１の内の何れかに記載の表示装置において、
    前記面状電極は、伝搬する計測信号を取り出す検出点を少なくとも２点以上有し、
    前記第１検出手段及び前記第２検出手段は、前記一方の辺縁部から入力した計測信号とそれぞれの検出点で計測された検出値とに基づいて、前記接触物体の接触位置を演算することを特徴とする表示装置。
13. 請求項１２に記載の表示装置において、
    前記面状電極の角部に１つずつの前記電極が形成され、前記第１検出手段及び第２検出手段は、前記計測信号を入力する辺縁部の両端にそれぞれ形成される２つの電極から前記計測信号を入力すると共に、他の２つの電極から前記面状電極を伝搬する前記計測信号を計測することを特徴とする表示装置。
14. 請求項９乃至１３の内の何れかに記載の表示装置において、
    前記第１検出手段及び前記第２検出手段の何れか一方の検出手段が計測を行っている場合、他方の検出手段は信号入力及び信号検出を行わない辺をハイインピーダンス状態とすることを特徴とする表示装置。
15. 請求項９乃至１４の内の何れかに記載の表示装置において、
    前記面状電極内に形成される電位分布の勾配が、前記計測信号を入力する辺縁部から前記計測信号を検出する辺縁部に向かう方向に一様になるように、前記計測信号の入力位置と前記計測信号の検出位置が形成することを特徴とする表示装置。
16. 請求項９乃至１５の内の何れかに記載の表示装置において、
    前記面状電極と前記接触物体とからなる系の信号伝達特性に基づき、前記第１検出手段及び前記第２検出手段から前記面状電極に至る線路の抵抗成分が検出感度に及ぼす影響を補正する補正手段を有することを特徴とする表示装置。

Images