JP2013246737A - エンベディッド型タッチスクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】共通電極の形状や接触検知用の信号に制約を受けることのないエンベディッド型タッチスクリーンを提供すること。
【解決手段】本発明に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００は、前面又は背面に第２の方向に延びる複数の検知電極を備えた第１の基板と、第１の方向に延びる複数の走査信号線及び前記第２の方向に延びる複数の映像信号線により格子状に区画された複数の画素が画像領域に配置され、前記画素毎に前記走査信号線に接続されたスイッチング素子を介して前記映像信号線に接続される画素電極と、共通電極を前面に備えた第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた液晶層と、前記検知電極又は前記画素電極の一方に交番信号を印加する印加回路と、前記検知電極又は前記画素電極の他方に励起された信号を検出する検出回路とを有し、前記検出回路による検出の際に、前記画素電極を少なくとも前記第２の方向に関して走査する走査回路と、を備えた。
【選択図】図９

Description

本発明はエンベディッド型タッチスクリーンに関する。

タブレット型情報端末や、多機能型携帯電話（いわゆるスマートフォン）において、タッチスクリーンを備えたものが普及してきている。ここで、タッチスクリーンとは、例えば液晶表示装置のような画像表示装置にタッチパネルを組み合わせたものである。また、ここでタッチパネルとは、平面形状の接触検知式ポインティングデバイスを指す。使用者は、タッチスクリーンに表示された画像を見ながら、指やスタイラス等でその画面を直接触れることにより入力を行う。

一般的に普及しているタッチスクリーンは、別個に作成された画像表示装置と接触検知型入力装置を一体に貼り合わせたものである。このようなタッチパネルは、パネルの厚みや重量、部品点数及びコストの点で不利であり、また製造工程も多くなるため歩留まりが悪化する問題がある。

そこで、画像表示装置と接触検知型入力装置を別個に制作することなく一体としたタッチスクリーンが提案されている。このようなタッチスクリーンは、エンベディッド型或いはインセル型等と称されるが、本明細書では、以後、エンベディッド型タッチスクリーンと呼び慣わすこととする。この中でも特に、使用者の指が電気的容量を形成することに注目し、指（又は導電性のスタイラス）がタッチスクリーンの表面に接触した際に、静電容量の変化を検出することにより接触検知を行う方式が提案されている。

特許文献１には、エンベディッド型タッチスクリーンであって、対向基板の裏面又は画素基板の表面に形成された共通電極と対向基板の表面に形成されたタッチ検出電極との間で容量素子を構成し、共通電極に交流矩形波を印加し、タッチ検出電極に表れる電位波形を検出することにより接触検知を行うものが記載されている。

特開２０１１−２２７９２３号公報

特許文献１に記載のエンベディッド型タッチスクリーンでは、共通電極を接触検知用の静電素子を構成する電極として用いている。そのため共通電極の形状が制限され、また、接触検知用の信号である交流矩形波がコモン駆動信号と供用されるため、必ずしも接触検知に適した波形を印加することができない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、共通電極の形状や接触検知用の信号に制約を受けることのないエンベディッド型タッチスクリーンを提供することを課題とする。

本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）前面又は背面に第２の方向に延びる複数の検知電極を備えた第１の基板と、第１の方向に延びる複数の走査信号線及び第２の方向に延びる複数の映像信号線により格子状に区画された複数の画素が画像領域に配置され、前記画素毎に前記走査信号線に接続されたスイッチング素子を介して前記映像信号線に接続される画素電極と、共通電極を前面に備えた第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた液晶層と、前記検知電極又は前記画素電極の一方に交番信号を印加する印加回路と、前記検知電極又は前記画素電極の他方に励起された信号を検出する検出回路とを有し、前記検出回路による検出の際に、前記画素電極を少なくとも前記第２の方向に関して走査する走査回路と、を備えたエンベディッド型タッチスクリーン。

（２）（１）において前記走査回路は、前記走査信号線に走査信号を出力するエンベディッド型タッチスクリーン。

（３）（１）又は（２）において、前記検知電極は、前記第１の基板の背面に形成されるエンベディッド型タッチスクリーン。

（４）（３）において、前記第１の基板の前面は研磨された研磨面であるエンベディッド型タッチスクリーン。

（５）（１）又は（２）において、前記検知電極は、前記第１の基板の前面に形成されるエンベディッド型タッチスクリーン。

上記本発明の（１）の側面によれば、共通電極の形状や接触検知用の信号に制約を受けることのないエンベディッド型タッチスクリーンが提供される。

上記本発明の（２）の側面によれば、既存の走査信号線を利用することにより、新たな走査用の配線スペースをとることなく第２の方向への走査ができる。

上記本発明の（３）の側面によれば、第１の基板の片面のみにリソグラフィ等の工程を施せばよいから、製造が容易である。

上記本発明の（４）の側面によれば、第１の基板と第２の基板を貼り合わせた後に第１の基板の前面を研磨できるため、薄型でかつ軽量のエンベディッド型タッチスクリーンが得られる。

上記本発明の（５）の側面によれば、接触検知の感度のよいエンベディッド型タッチスクリーンが得られる。

本発明に係るエンベディッド型タッチスクリーンの原理を示すための模式断面図である。 本発明に係るエンベディッド型タッチスクリーンの原理を示すための模式断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンの構成を示す図である。 液晶パネルに形成される画素の一つを回路図により示したものである。 エンベディッド型タッチスクリーンの画像領域の部分拡大平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線による断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係るエンベディッド型タッチスクリーンの画像領域の部分拡大平面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線による断面図である。 図８のＸ−Ｘ線による断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンが接触検知及び座標検知を行う際の部分的な構成を模式的に示した図である。 本発明の第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンが接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。 本発明の第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンの動作信号の波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンが接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。 本発明の第３の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンが接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。

まず、本発明の各実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーンの基本的な原理を図１及び２を参照しつつ説明する。

図１は、本発明に係るエンベディッド型タッチスクリーン１の原理を示すための模式断面図である。同図において、エンベディッド型タッチスクリーン１に表示される画像は、図中上側より観察者により観察される。エンベディッド型タッチスクリーン１は、一般的な液晶表示装置としての構成を有しており、観察者側に配置されるガラス等からなる透明基板である第１の基板２と第２の基板３とに液晶層４が挟まれた構造の液晶パネルと、さらにその背面側に平面光源であるバックライト５が配置される。以降では、エンベディッド型タッチスクリーン１の観察者側に向く面を前面、その反対側の面を背面と呼び、観察者側を前面側、その反対側を背面側と呼びならわす。

第１の基板２の背面には、絶縁層６が形成されている。絶縁層６は、同図ではその詳細な構造を省略して示しているが、カラーフィルタ層や配向膜などから構成されており、そのため、第１の基板２は一般にカラーフィルタ基板と呼ばれる。また、第１の基板２の前面又は背面、この図では前面に電極８が形成されている。なお、電極８を背面に設ける場合には、電極８を第１の基板２の側に配置し、絶縁層６に覆われるようにするとよい。この電極８は、接触検知のために設けられる電極であり、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）やＩｎＺｎＯ（酸化インジウム亜鉛）等の透明導電膜であることが望ましい。エンベディッド型タッチスクリーン１がアクティブマトリクス形式の液晶表示装置でもある場合、第２の基板３の前面には、スイッチング素子としてのＴＦＴや各種配線、液晶層４中の液晶材料の配向方向を制御するための各種電極等の電気的構造が形成される。ここでは、それら電気的構造は、模式的に付番７が付された電極のみが示されている。電極７やその他の電気的構造は、絶縁層９に覆われている。絶縁層９は、同図ではその詳細な構造を省略して示しているが、一般的な絶縁膜や配向膜などから構成されるものである。

ここで、電極７は、交番電源１０に接続されており、同回路により交番信号が印加される。なお、ここで交番信号とは、周期的にその大きさと向きが変化する電流又は電圧を示しており、その波形は問わない。本明細書では、以降交番信号としてはその代表的なものとして、正弦波交流電圧を用いることとするが、これに限定するものではない。一方、電極８は、電極７に隣接して配置されており、電極８に接続された増幅器１１により、電極８に励起された信号、すなわち電圧又は電流を増幅し、その結果を検出するためのものである。ここでは、例として、増幅器１１は電極８に励起された電圧を増幅するものとする。なお、以降では、交番信号が印加される側の電極を印加電極、励起された信号を検出する側の電極を検出電極と呼びならわす。図１の例では、電極７が印加電極、電極８が検出電極となっている。

ここで、電極７に印加された交番信号により励起される電界は交番電界であり、図１にその電気力線を破線で示すように、電極７から第１の基板２の前面側にはみ出し、電極８へとつながる。このとき、電極８には、かかる交番電界により励起された信号が発生する。ここで、エンベディッド型タッチスクリーン１の使用者が、第１の基板２の前面に指１２、あるいは導電性を有するスタイラスその他の部材を触れると、図２に示すように、電極７と電極８間の交番電界が遮られ、電極８に励起される信号のレベルは低下する。増幅器１１により増幅された、かかる信号レベルの変化を検知することにより、エンベディッド型タッチスクリーン１の前面に使用者が触れたことが検知され、さらに、信号レベルの変化のあった電極８の位置により、使用者が触れた位置、すなわち、座標検知がなされるのである。

ところで、このような原理により接触検知及び座標検知を行う場合には、図１に示されるように、電極７により励起される交番電界が第１の基板２の前面側にはみ出していなければならない。そのためには第１の条件として、第１の基板２には、交番電界が前面側にはみ出すのを妨げるような電極が形成されていてはならない。すなわち、第１の基板２には電界を遮蔽するいわゆるファラデーケージとなるような電極があってはならないのである。一般的に、液晶表示装置は画素電極と共通電極の間に形成される電界により液晶の配向方向を制御するものであり、液晶の駆動方式によっては、共通電極は第１の基板に形成されることも、第２の基板に形成されることもある。そして、第１の基板に形成された共通電極はファラデーケージとなるため、本発明においては、共通電極は第２の基板３に形成される形式でなければならない。すなわち、第２の基板３の前面には、画素電極と共通電極が形成される。このような形式をとる液晶の駆動方式の代表的なものとしてＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）があり、本明細書ではエンベディッド型タッチスクリーン１はＩＰＳ方式の液晶表示装置でもあるものとする。

第２の条件としては、電極７と電極８間のピッチが十分に大きいことである。両者間のピッチが小さいと、交番電界はエンベディッド型タッチスクリーン１内部にとどまり、ほとんど第１の基板２の前面側にはみ出さない。より具体的には、電極７と電極８間のピッチＤが、少なくとも、第１の基板２の前面から第２の基板３の前面までの距離ｄより大きいことが必要である。なお、以上の説明では、電極７に交番信号を印加し、電極８により励起された信号を検出するものとしたが、これを逆にしても全く差し支えない。

ここで、電極８は、第２の基板３の前面に画素電極と共通電極が形成される形式の液晶表示装置に不可欠のものではなく、タッチスクリーンとしての機能を付与するために追加される電極である。一方、電極７は、必ずしも専用の電極を設ける必要はなく、エンベディッド型タッチスクリーン１が液晶表示装置として機能する際に必要となる何らかの電極により兼ねることができ、それにより、既存の液晶表示装置の回路構成を大きく変更することなくエンベディッド型タッチスクリーン１が得られる。そのような電極として、本明細書では、画素電極を用いる。このことの詳細は後述する。

なお、電極７により励起される交番電界は、図１に示されるように、液晶層４を貫くため、かかる交番電界が液晶の配向方向に影響を与える恐れがある。そのため、交番電源１０により電極７に印加される交番信号の周波数を液晶層４の液晶が応答しない程度以上の周波数とすることにより、実質的に交番電界による液晶への影響を排除する。液晶が応答し得る周波数は、液晶の組成や液晶層４の厚み、気温などの外的要因により変動するため一概には言えないが、通常は印加される電界の周波数が１ｋＨｚ程度以上となると応答しないと考えられる。従って、本発明における交番信号の周波数は、１ｋＨｚ以上、より好ましくは１０ｋＨｚ以上とすればよい。一方、理想的には交番信号の周波数の上限はないが、現実には種々の要因、例えば、増幅器１１の検出限界や、ＴＦＴの遮断周波数により上限が定められる。したがって、現時点でのエンベディッド型タッチスクリーン１、すなわち液晶表示装置の製造技術を考慮すると、交番信号の上限はおおよそ１０〜２０ＭＨｚ程度である。

以下、上述した原理に基いてエンベディッド型タッチスクリーン１を具体的に構成した例を実施形態として説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００の構成を示す図である。

液晶パネル１３は矩形であり、その左右方向及び上下方向の長さは、エンベディッド型タッチスクリーン１００の用途に応じて定められる。図示した液晶パネル１３は横長形状（左右方向の長さが上下方向の長さより長い）であるが、これに限られず、縦長形状（左右方向の長さが上下方向の長さより短い）であっても、左右方向と上下方向の長さが等しくともよい。

液晶パネル１３の第２の基板３には複数の映像信号線Ｙと複数の走査信号線Ｘとが形成されている。映像信号線Ｙと走査信号線Ｘは互いに直交しており、格子状に形成されている。そして隣接する２つの映像信号線Ｙと隣接する２つの走査信号線Ｘとによって囲まれた領域が１つの画素となっている。

図４は、液晶パネル１３に形成される画素の一つを回路図により示したものである。図中に示した映像信号線Ｙｎ及びＹｎ＋１、並びに走査信号線Ｘｎ及びＸｎ＋１に囲まれた領域が一つの画素となっている。ここで注目する画素は、映像信号線Ｙｎ及び走査信号線Ｘｎにより駆動されるものとする。各画素の第２の基板３側には、ＴＦＴ１４が設けられている。ＴＦＴ１４は走査信号線Ｘｎから入力される走査信号によってオン状態となる。映像信号線Ｙｎは当該画素の画素電極１５に、オン状態のＴＦＴ１４を介して電圧（各画素の階調値を表す信号）を加える。

また、同じく第２の基板３側には、一方、第１の基板２と第２の基板３間に挟まれて封入されている液晶層４を介して容量を形成するように共通電極１６が形成されている。共通電極１６は、共通電位に電気的に接続される。そのため、画素電極１５に印加された電圧に応じて、画素電極１５と共通電極１６の間の電界が変化し、それにより液晶層４中の液晶の配向状態が変化し、液晶パネル１３を透過する光線の偏光状態を制御する。そして、液晶パネル１３の前面と背面には偏光フィルタが貼り付けられている。これにより、液晶パネル１３に形成された各画素は、光の透過率を制御する素子として機能する。そして、各画素の光の透過率を入力された画像データに応じて制御することにより画像が形成される。従って、液晶パネル１３において、画素が形成されている領域が、画像が形成される画像領域となる。

図３に戻り、制御装置１７には、外部機器より映像データが入力される。制御装置１７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性／揮発性記憶素子とを備えたマイクロコンピュータであってよい。制御装置１７は入力された映像データに対して色調整などの各種画像処理を行い、各画素の階調値を示す映像信号を生成するとともに、後述するようにエンベディッド型タッチスクリーン１００による接触検知及び座標検知を制御し、その結果得られる座標データを外部機器に出力する。

制御装置１７は生成した映像信号を映像信号線駆動回路１８に出力する。また、制御装置１７は入力された映像データに基づいて、映像信号線駆動回路１８、走査信号線駆動回路１９、バックライト駆動回路２０、印加回路２１及び検出回路２２が同期を取るためのタイミング信号を生成し、各回路に向けて出力する。なお、制御装置１７の物理的な形態は特に限定されず、複数のＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）から構成されてもよいし、単体であってもよい。また、バックライト駆動回路２０とその他の回路との同期を取らないものとしてもよい。

バックライト駆動回路２０は、バックライト５に必要な電流を供給する回路である。本実施形態では、制御装置１７は入力される映像データに基づいてバックライト５の輝度を制御するための信号を生成し、バックライト駆動回路２０に向けて出力する。そして、バックライト駆動回路２０は、当該生成された信号及び必要であればタイミング信号に応じてバックライト５に供給される電流の量を制御し、その輝度を調節する。なお、バックライト５の輝度は、バックライト５の領域毎に調節してもよい。バックライト５の光源としては、公知のいかなる光源を用いてもよいが、発光ダイオードを光源として用いる場合には、その輝度を制御する方法として、電流量を一定として、発光期間で明るさを制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式を用いてもよく、あるいは、発光ダイオードの輝度を制御せず、一定の光量で発光するように電流量を一定としてもよい。

走査信号線駆動回路１９は走査信号線Ｘに接続されている。走査信号線駆動回路１９は制御装置１７から入力されるタイミング信号に応じて走査信号線Ｘを順番に選択し、選択した走査信号線Ｘに電圧を印加する。走査信号線Ｘに電圧が印加されると、当該走査信号線Ｘに接続されたＴＦＴ１４がオン状態となる。

映像信号線駆動回路１８は映像信号線Ｙに接続されている。映像信号線駆動回路１８は走査信号線駆動回路１９による走査信号線Ｘの選択に合わせて、当該選択された走査信号線Ｘに接続されるＴＦＴ１４のそれぞれに、各画素の階調値を表す映像信号に応じた電圧を印加する。

なお、本実施形態では、図３に示した制御装置１７及びバックライト駆動回路２０は、図示しない制御基板上に形成されている。また、映像信号線駆動回路１８及び走査信号線駆動回路１９からなる映像表示回路２３、並びに印加回路２１及び検出回路２２は、液晶パネル１３に電気的に接続されたＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）上あるいは、液晶パネル１３を構成する基板上に形成されている（いわゆる、ＳＯＧ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ））。なお、これらの配置は一例であり、各回路をどの部分に設けるかは任意である。印加回路２１及び検出回路２２については後述するが、印加回路２１は交番電源１０を、検出回路２２は増幅器１１を含む回路である（図１及び２参照）。

図５はエンベディッド型タッチスクリーン１００の画像領域の部分拡大平面図である。同図には、隣接する３つの画素が含まれる部分を示しており、走査信号線２４、映像信号線２５、画素電極１５、共通電極１６と、各画素毎に形成されるＴＦＴ１４及び、映像信号遮蔽電極２６が示されている。なお、これら各部材は第２の基板３表面に公知の半導体製造プロセスを用いて積層され、適宜絶縁層を介して互いに重なり合うように配置されるが、図５では、互いの位置関係を明らかとするため重なり合う部分についてもその外形を示している。

走査信号線２４は、図中横方向に連続して延びるストリップ線であり、本実施形態では、ＩＴＯと銅の積層膜である。また、映像信号線２５は、走査信号線２４と直交するように図中縦方向に連続して延びる銅薄膜によるストリップ線である。以降、本明細書では、走査信号線２４が延びる方向を第１の方向、映像信号線２５が延びる方向を第２の方向と称する。そして、隣接する走査信号線２４同士、映像信号線２５同士に囲まれた略矩形の領域が一画素となる。なお、本実施形態では、表示特性を改善するため画素の形状は完全な矩形でなく折れ曲がった形状となっており、映像信号線２５も第２の方向に沿う直線ではなく若干折れ曲がった形状となっている。

画素内部には、画素電極１５と、画素電極１５に重なり合う位置に形成される共通電極１６が配置される。画素電極１５は、ＩＴＯ薄膜による櫛歯形状のパターンを持つ電極であり、ＴＦＴ１４のソース電極に接続される。共通電極１６は、画素全体を覆うベタパターンのＩＴＯ薄膜であり、第１の方向に隣接する共通電極１６同士は互いに接続されている。また、映像信号遮蔽電極２６は、映像信号線２５の直上に平行かつ重畳するように形成され、第２の方向に延びるＩＴＯ薄膜によるストリップ線である。映像信号遮蔽電極２６は共通電位に接続され、映像信号線２５からのノイズ電界が画素電極１５に到達しないように、映像信号線２５を電気的に遮蔽する役割を有している。これにより、画像表示時には、映像信号のクロストークによる画像の劣化を防ぎ、また、接触検知時には、後述するように映像信号線２５に印加される交番信号のクロストークによる接触検知への影響を防ぐ。なお、映像信号遮蔽電極２６は必須の構成ではなく、不要であれば省略してもよい。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線による断面図である。同図は、ＴＦＴ１４の断面を示しており、第２の基板３上に形成された走査信号線２４及び共通電極１６を覆うようにＳｉＮからなるゲート絶縁膜２７が形成されている。ゲート絶縁膜２７上には、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる半導体層２８が形成される。半導体層２８上には、平面視において互いに分離されるようにソース電極２９及びドレイン電極３０が形成される。ソース電極２９及びドレイン電極３０は、リンをドープしたｎ＋型水素化アモルファスシリコン膜上に、必要に応じて銅及びモリブデン積層体等の金属膜を積層したものである。これら、ゲート電極として機能する走査信号線２４、ゲート絶縁膜２７、半導体層２８、ソース電極２９及びドレイン電極３０によりＴＦＴ１４が構成される。

ドレイン電極には、映像信号線２５が接続される。また、ＴＦＴ１４、映像信号線２５を含む全体を被覆するようにＳｉＮからなる保護絶縁膜３１が形成される。保護絶縁膜３１上には画素電極１５が形成され、画素電極１５とソース電極２９はスルーホール３２を介して接続される。また、保護絶縁膜３１を挟み、映像信号線２５と重畳する位置には映像信号遮蔽電極２６が形成される。なお、図６及び続く図７では画素電極１５の更に前面に形成される平坦化膜、配向膜等の各種絶縁膜は図示を省略している。

図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。同図は、画素の光透過領域の断面を示しており、櫛歯状のパターンを持つ画素電極１５と、その下層に形成される共通電極１６が示されている。画素電極１５に電荷が与えられ、所定の電圧が書き込まれると、画素電極１５と共通電極１６の間に略水平方向の電界が形成され、これにより液晶の配向方向を制御する。かかる形式の液晶駆動方式がＩＰＳ方式であり、液晶の応答が速く広い視野角を持つ特性がある。また、同図には、画素電極１５とは同一層に映像信号遮蔽電極２６が映像信号線２５と重畳且つ絶縁するように形成されている様子が示されている。

なお、以上の図５乃至図７を参照して説明した構成は、通常のＩＰＳ方式の液晶表示装置と同等のものであり、各部材の材質や形状及び配置は、その機能を損なわない限度で当業者が任意に変更して差し支えない。例えば、上述の構成では共通電極１６を最下層（第２の基板３に最も近い位置）に配置し、映像信号線２５をその上層に配置したが、共通電極１６を映像信号線２５の上層に配置してもよい。

図８乃至１０は共通電極１６を映像信号線２５の上層に配置した変形例を示す図である。なお、図８は先の図５に、図９は先の図６に、図１０は先の図７にそれぞれ対応した図示となっている。図８は本実施形態の変形例に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００の画像領域の部分拡大平面図である。この変形例では、共通電極１６は映像信号線２５と平面的に重畳するように設けられている。また、第２の方向に関しても、隣接する画素同士の共通電極１６が接続されている。また、映像信号遮蔽電極は設けられていない。

図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線による断面図である。この変形例では、共通電極１６は第２の基板３のすぐ上ではなく、保護絶縁膜３１ａの上に設けられている。さらに、保護絶縁膜及び共通電極１６の上には、さらにもう一層の保護絶縁膜３１ｂが設けられている。画素電極１５とソース電極２９を接続するスルーホール３２は、保護絶縁膜３１ａ及び保護絶縁膜３１ｂを貫通するように設けられる。

図１０は、図８のＸ−Ｘ線による断面図である。保護絶縁膜３１ａの上に設けられた共通電極１６は、映像信号線２５の上層において平面視において映像信号線２５を覆っている。これにより、映像信号線２５からのノイズ電界は共通電極１６により遮蔽され、画素電極１５に到達しない。そのため、本変形例では映像信号遮蔽電極は不要である。共通電極１６の上層には保護絶縁膜３１ｂが設けられ、さらにその上面には櫛歯状の画素電極１５が設けられている。

なお、図８乃至１０に示した変形例において、映像信号遮蔽電極を設けなかったが、これは共通電極１６によりその作用効果を代替できるためであり、別途映像信号遮蔽電極を設けることを妨げるものではない。

以上説明した構成において、走査信号線２４は第１の方向に延びる形状であり、第１の方向に並ぶ画素電極１５は同一の走査信号線２４に接続されているＴＦＴ１４を介して映像信号線２５と接続されていることから、走査信号線２４からの信号により一斉にオン又はオフとされる。また、第２の方向に並ぶ画素電極１５はＴＦＴ１４を介して同一の映像信号線２５と接続されることになる。

図１１は、本実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００が接触検知及び座標検知を行う際の部分的な構成を模式的に示した図である。同図では、第１の基板２及び第２の基板３上に形成された回路のうち、接触検知及び座標検知に寄与する部材のみ示し、それ以外の部分は省略して示している。また、各部材間の位置関係を明らかとするため、それらが重なり合う部分についてもその外形を示している。

図右側の４行５列の画素電極１５（図中では代表するもの一つだけに付番を付した）は一体となって、図１の電極７に相当する印加電極として働く。すなわち、図中に示した画素電極１５が接続されるＴＦＴ１４はオンの状態とされ、また５列の映像信号線２５は互いに短絡され一体となって交番電源１０に接続される。この結果、図中に示した画素電極１５は、あたかも縦４画素、横５画素に跨る一つの印加電極としてふるまう。

一方、図左側に示した検知電極３７は、本実施形態では、第１の基板２の裏面に形成されたＩＴＯ薄膜であり、図１の電極８に相当する検出電極として働く。検知電極３７は、第２の方向に延びる帯状のストリップ電極であり、その幅は、先の印加電極と同様に横５画素に跨るものとなっている。そして、検知電極３７に励起される電圧は増幅器１１により増幅され、外部に読み出される。

以上のように、本実施形態では、印加電極及び検知電極はいずれもその配置方向である第２の方向に対する幅方向、すなわち第１の方向に関し、複数の画素に跨るものとなっている。この理由は、前述したように印加電極と検出電極間のピッチを大きくとること、及び、それぞれの電極の形状を平面的なものとすることにより、両電極間に形成される交番電界が第１の基板２の前面からはみ出すようにするためである。現時点において一般に、液晶層４の厚さは通常３〜５μｍ、第１の基板２の厚さは０．５〜０．７ｍｍ程度であるから、印加電極及び検出電極の隣接方向のピッチ及びサイズ（すなわち幅）もこれと同等の大きさとすることが必要である。このような大きさの電極を、特に第２の基板３上に新たに設けることは、エンベディッド型タッチスクリーン１００の液晶表示装置としての機能に鑑みるとあまり現実的でない。そこで、本実施形態のように、第１の方向に関し、複数の画素に跨るように複数の画素電極１５を束ねて短絡し、一体として用いることにより、大面積の電極を実効的に合成するのである。束ねる画素電極１５の数、すなわち、跨る画素の数は、画素のサイズや得たい座標検知の精度にも依存するため一概には言えないが、上記したような０．５〜０．７ｍｍの電極を得るためには、エンベディッド型タッチスクリーン１００がＲＧＢそれぞれの副画素を有するフルカラー表示に対応した液晶パネル１３を備えているものである場合、第１の方向については副画素単位で好ましくは３列以上、より好ましくは６列以上を束ねるとよい。

図１２は、本実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００が接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。エンベディッド型タッチスクリーン１００の画像領域における第２の基板３上には、符号ＥＸで示す印加電極が形成され、また第１の基板２上には、符号ＲＣで示す検出電極が形成されており、平面視において印加電極ＥＸ及び検出電極ＲＣは第１の方向に交互に配置されている。また、印加電極ＥＸと検出電極ＲＣは、配置方向である第２の方向に沿って長く伸びた形状をしている。なお、区別のため、印加電極ＥＸにはハッチングを施してある。

ここで、印加電極ＥＸは、具体的には前述の通り複数の画素電極１５を束ねたものであるが、ここでは便宜的に束ねられた画素電極１５を１個の印加電極ＥＸとして取り扱う。又検出電極ＲＣは、前述の検知電極３７である。

印加電極ＥＸには、印加回路２１が接続されており、交番電源１０からの交番信号が各印加電極ＥＸに印加されるようになっている。検出電極ＲＣには、検出回路２２が接続されている。検出回路２２では、検出電極ＲＣに励起された信号及び、第２の交番電源３３からの信号を増幅器１１に入力し、両者の差分を増幅してデジタル信号処理回路３４へと入力する。ここで、第２の交番電源３３は、交番電源１０と同位相の交番信号を出力するものであり、エンベディッド型タッチスクリーン１００の前面に指等の接触がない状態で検出電極ＲＣに励起される信号を打ち消して最小の出力になるよう調整されている。この構成は、接触検知の感度及び正確さを高めるためのものである。なお、特段問題なければ交番電源１０により第２の交番電源３３を兼ねてもよい。また、デジタル信号処理回路３４は、増幅された増幅器１１からの信号を基に接触が検知された座標をデジタル信号として出力するためのものであり、ローパスフィルタ、積分回路、Ａ／Ｄ変換回路或いはコンパレータその他適宜の信号処理のための回路を備えていてよい。

このような構成では、複数用意された増幅器１１のいずれからの信号に変化が生じたかを検出することにより、接触検知と同時に、第１の方向における座標検知、すなわち接触位置の検知がなされる。しかしながら、このままでは第２の方向における座標検知はできない。そこで、本実施形態では、走査回路３５を備え、印加電極ＥＸを第２の方向に時分割することにより、接触検知のなされたタイミングから第２の方向における座標検知をする。走査回路３５は、走査信号線２４と接続されており、走査信号線２４にＴＦＴ１４をオンとする信号を順次印加し、第２の方向に走査する。ここで、図示のように、走査回路３５による走査の単位は１画素毎でなくともよく、複数画素毎であってよい。ここで示した例では、４画素を束ねて順次走査するようにしている。

従って、あるタイミング、例えば、交番電源１０から交番信号が出力されており、また、走査回路３５により図１２中上から５段目の走査単位における走査信号線２４にＴＦＴ１４をオンとする信号が印加されている場合、印加電極ＥＸ中、図中黒塗りで示した部分における画素電極１５のみが映像信号線２５と短絡され、交番電源１０からの交番信号が入力される。このタイミングでいずれかの増幅器１１からの出力信号に変化があったならば、変化が検出された増幅器１１の位置により第１の方向における接触位置が、また、出力信号に変化があった時点での走査単位の位置（図示の場合は上から５段目）により第２の方向における接触位置が判明することから、結局、座標検知がなされることとなる。なお、走査回路３５は、走査信号線駆動回路１９（図３参照）とは独立に設けてもよいし、両者を兼ねるものとしてもよい。

なお、本明細書でいう「走査」とは、一続きに並べられた全ての対象に対して、各対象を一度ずつ、同時に一つのみ選択していく動作を指しており、かかる選択の順番は問わない。一般的には、「走査」として、制御あるいは回路が単純なものとなるよう、一続きに並べられた全ての対象を端から順番に選択していく動作を行うことが多く、本実施形態においても同様の動作を採用しているが、これに限定するものではない。

図１３は本実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００の動作信号の波形を示す図である。エンベディッド型タッチスクリーン１００は、表示する画像を順次更新しているが、このある画像を表示してから次の画像が表示されるまでの期間をフレームと呼ぶ。さらに、エンベディッド型タッチスクリーン１００では、フレームをさらに分割し、表示サブフレームと接触検知サブフレームに分割している。１フレームの長さはフレーム周波数に依存するが、一例としてフレーム周波数を６０Ｈｚとすると１６．７ｍｓとなる。サブフレームの長さをどのように定めるかは任意であるが、一例として、表示サブフレームを１２ｍｓ、接触検知サブフレームを４．７ｍｓとする。

エンベディッド型タッチスクリーン１００が画像を表示する期間であり、映像表示回路２３が映像信号を書き込む書き込み期間でもある表示サブフレームにおいては、走査信号線駆動回路１９（図３参照）から画素１行毎のパルス信号である走査信号線駆動信号Ｖｓｃａｎ１を順次入力し、映像信号Ｖｉｍａｇｅを画素電極１５に書き込む。また、バックライト駆動信号Ｖｌｉｇｈｔはオンの状態であり、バックライト５が点灯される。このとき、走査回路３５からの接触検知用走査信号Ｖｓｃａｎ２及び、印加回路２１からの交番信号Ｖａｌｔは供給されない。

なお、液晶表示装置としてのエンベディッド型タッチスクリーン１００の動作の詳細は本発明を説明する上で重要でないので、上述した表示サブフレームにおける動作信号の波形は簡略化したものである。上述の説明では表示サブフレームの全期間にわたり映像信号Ｖｉｍａｇｅが書き込まれるとともにバックライト５が点灯しているかのごとく説明しているが、エンベディッド型タッチスクリーン１００を実現するにあたり、映像信号Ｖｉｍａｇｅを書き込む期間は表示サブフレームの期間の一部であってよく、また、バックライト５は映像信号Ｖｉｍａｇｅが書き込まれている期間は全面的にあるいは部分的に消灯してもよい。

エンベディッド型タッチスクリーン１００が接触検知及び座標検知を行う期間であり、印加回路２１による印加及び検出回路２２による検出がなされる検出期間でもある接触検知サブフレームにおいては、走査信号線駆動信号Ｖｓｃａｎ１、映像信号Ｖｉｍａｇｅの供給を停止し、印加電極ＥＸに交番信号Ｖａｌｔを供給する。接触検知サブフレーム中に走査信号線駆動信号Ｖｓｃａｎ１、映像信号Ｖｉｍａｇｅの供給を停止することで、これらの信号からの電磁ノイズが接触検知及び座標検知に影響を及ぼすことを回避できる。

交番信号Ｖａｌｔの周波数は、前述したとおり、液晶が応答しない周波数とすることが望ましく、１ｋＨｚ以上、より好ましくは１０ｋＨｚ以上とする。一方、本実施形態では、信号はＴＦＴ１４を介して検出されるため、励起周波数はＴＦＴ１４の遮断周波数より十分小さい必要がある。遮断周波数は用いられるＴＦＴの種類や大きさに依存するため、Ｖａｌｔの周波数の上限は設計により異なるが、現時点で一般的に用いられるＭＯＳ型ＴＦＴの場合、大型テレビジョン受像機に広く用いられるアモルファスシリコンＴＦＴであればおおよそ１００ｋＨｚ以下、携帯機器等に用いられる小型ディスプレイに用いられるポリシリコンＴＦＴでは、おおよそ１０ＭＨｚ以下とするとよい。

また、走査単位毎のパルス信号である接触検知用走査信号Ｖｓｃａｎ２が順次入力され、エンベディッド型タッチスクリーン１００の全面が第２の方向に走査される。さらに、このとき、バックライト駆動信号Ｖｌｉｇｈｔをオフの状態として、バックライト５を消灯する。

この理由は、接触検知用走査信号Ｖｓｃａｎ２が入力されることにより、走査単位に含まれる画素電極１５が短絡するため、エンベディッド型タッチスクリーン１００に表示される画像が乱れるが、これに起因する画像の劣化を防ぐためである。なお、バックライト５の消灯に換えて、画素電極１５に黒表示となる電圧を書き込むことにより、画素電極１５が保持する信号を黒表示としてもよい。

或いは、接触検知サブフレームにおいて、画素電極１５が映像信号Ｖｉｍａｇｅを保持した上で、画素電極１５に交番信号Ｖａｌｔを重畳することにより、接触検知サブフレームにおいても画像を表示したままとしてもよい。この場合、若干回路的な工夫が必要となるが、図１２において印加回路２１と印加電極ＥＸに含まれる個々の画素電極１５とをハイパスフィルターを介して接続するようにするとよい。ハイパスフィルターの遮断周波数は、交番信号Ｖａｌｔは通過するが映像信号Ｖｉｍａｇｅは通過できないような値に定めるとよい。この場合、接触検知サブフレームにおいて必ずしもバックライト５を消灯しなくともよい。

ところで、以上の説明では、検出電極ＲＣ、すなわち、検知電極３７は第１の基板２の前面及び背面の何れかに形成されると述べた。この点について、図１を参照してそれぞれの構成についてより詳細に説明する。

まず、図１に示したように、検知電極３７、すなわち、同図の電極８を第１の基板２の前面に形成した場合には、電極７と電極８の間に形成される交番電界は、電極８の前面において第１の基板２を通過することがなく、第１の基板２の前面にはみ出しやすいため、接触検知の感度がよい利点がある。一方で、第１の基板の前面に電極８を、背面に絶縁層６を形成する必要があるため、製造工程は若干複雑となる。

これに対し、電極８を第１の基板２の背面に形成した場合には、電極７と電極８の間に形成される交番電界が電極７及び電極８の両方について第１の基板２を通過しなければならないが、電極８及び絶縁層６はいずれも第１の基板２の同一の側の面に形成されるため、製造は容易である。また、このような構造であれば、第１の基板２と第２の基板３を貼り合わせた後に、第１の基板２の前面を研磨することが可能である。これにより、第１の基板の厚みを減じ、エンベディッド型タッチスクリーン１全体の厚みを薄く、又軽量にすることができる。なお、第１の基板２の研磨方法は特に限定されないが、フッ化水素酸をもちいたいわゆる化学研磨等を用いてよい。また、かかる工程を得たエンベディッド型タッチスクリーン１では、第１の基板２の前面が研磨された研磨面となる。なお、電極８を第１の基板２の背面に形成した場合において、電極８を第１の基板２に形成されるいわゆるブラックマトリクスと平面視において重なり合うようにしてもよい。この場合、電極８を必ずしもＩＴＯ等の透明導電膜で形成せずともよいし、また、電極８を透明導電膜で形成したとしても、光線の反射等の条件により、電極８が観察者に視認されることを防ぐことができる。

以上説明した実施形態は、種々の変形が可能である。以下、そのような変形にかかる実施形態を示す。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン２００が接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。なお、同図に示した以外の詳細なエンベディッド型タッチスクリーン２００の構造は、先に示した第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００のものと同様であるから、重複する説明は省略するものとする。

エンベディッド型タッチスクリーン２００では、印加電極ＥＸと印加回路２１の配置及び構成は、第１の実施形態のものと同様である。検出電極ＲＣに接続される検出回路２２の構成は第１の実施形態のものと異なっており、増幅器１１は各検出電極ＲＣと、第２の走査回路３６を介して接続されている。また、増幅器１１の数はこの例では１つのみであり、検出電極ＲＣの数に満たない。

本実施形態では、検出電極ＲＣを第１の方向に対しても時分割することにより、接触検知のなされたタイミングから、第２の方向のみならず、第１の方向における座標検知をもする。すならち、第２の走査回路３６は、増幅器１１と検出電極ＲＣを順次接続することにより、第１の方向に関して検出電極ＲＣを走査するものであり、第２の走査回路３６の走査中には、複数の検出電極ＲＣの内の一つが増幅器１１に接続される。

また、同時に走査回路３５による第２の方向についての走査もなされている。この第２の走査回路３６による第１の方向についての走査と、走査回路３５による第２の方向についての走査の順番は限定されないが、本実施形態では、走査回路３５による第２の方向について特定の走査単位が選択された状態で、第２の走査回路３６による第１の方向についての一連の走査がなされ、その後走査回路３５が新たな走査単位を選択し、再び第２の走査回路３６による第１の方向についての一連の走査がなされるという動作が繰り返されることにより、画像領域全体の走査がなされる。このようにすることにより、増幅器１１からの信号に変化が検出されたタイミングにより、第１の方向及び第２の方向双方について接触位置が検出され、それにより接触検知及び座標検知がなされる。

この構成では、第１の実施形態に比して、第１の方向についての走査を繰り返す分、接触検知及び座標検知に要する時間は長くなるものの、増幅器１１がこの例では１つのみと少なく、また信号線の数も少なくデジタル信号処理回路３４の回路規模も小規模なものとなるなど、検出回路２２が単純で簡潔なものとなる。

なお、本図においても、印加電極ＥＸにはハッチングを施し、また、走査回路３５によりＴＦＴ１４がオンとされている走査単位（一例として、上から５番目の走査単位）を黒塗りで示した。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン３００が接触検知及び座標検知を行う際の全体的な構成を模式的に示した図である。なお、同図に示した以外の詳細なエンベディッド型タッチスクリーン３００の構造もまた、先に示した第１の実施形態に係るエンベディッド型タッチスクリーン１００のものと同様であるから、重複する説明は省略するものとする。

エンベディッド型タッチスクリーン３００では、印加電極ＥＸ及び検出電極ＲＣの配置及び構成は第１の実施形態のものと同様である。

印加回路２１は、交番電源１０に加え、第２の交番電源３３を有しており、交番電源１０からの交番信号は印加電極ＥＸに対し、第１の方向に一つおきに印加される。残った印加電極ＥＸに対しては、第２の交番電源３３からの交番信号が印加される。すなわち、印加電極ＥＸのみに着目すれば、第１の方向に沿って、交番電源１０からの交番信号と第２の交番電源３３からの交番信号が交互に印加されることになる。

ここで、第２の交番電源３３から出力される交番信号は、交番電源１０から出力される交番信号に対し１８０°位相が反転している信号である。したがって、一の検出電極ＲＣに着目すると、かかる検出電極ＲＣに隣接する印加電極ＥＸの一方には交番電源１０から出力される交番信号が印加され、反対側に位置する印加電極ＥＸの他方にはこれに対し１８０°位相の反転した交番信号が第２の交番電源３３から出力され印加されることとなる。

このようにすると、エンベディッド型タッチスクリーン３００の表面に何も接触していない状態では、検出電極ＲＣに対し、交番電源１０から出力される交番信号により励起される交番電界と、これに対し１８０°位相の反転した交番信号により励起される交番電界が作用することとなり、両者がバランスし打ち消しあうため、ほとんど何らの信号も検出されない。これに対し、エンベディッド型タッチスクリーン３００の表面に指等が接触すると、このバランスが乱され、検出電極ＲＣは信号を検出するようになる。このような構成としても、接触検知の感度及び正確さを高めることができる。

なお、本図において、第２の交番電源３３は交番電源１０と独立して設けられるかのごとく図示したが、必ずしもこれに限定するものではない。すなわち、第２の交番電源３３として、交番電源１０を一部流用する、またはその逆を行うことは何ら差し支えない。例えば、交番電源１０に位相反転回路を接続することにより、交番電源１０からの交番信号に対し１８０°位相の反転した交番信号を得るようにしてもよい。この場合、第２の交番電源３３は、交番電源１０と位相反転回路により構成されることになる。また、本図においても、印加電極ＥＸにはハッチングを施し、また、走査回路３５によりＴＦＴ１４がオンとされている走査単位（一例として、上から５番目の走査単位）を黒塗りで示した。また、本実施形態のように、検出電極ＲＣに隣接する印加電極ＥＸの一方に印加する交番信号に対し、１８０°位相の反転した交番信号を当該検出電極ＲＣの隣接する印加電極ＥＸの他方に印加する構成は、第３の実施形態のみならず、すでに説明した第１及び第２の実施形態に適用してもよい。

なお、以上説明した第１乃至第３の実施形態において、印加電極ＥＸと検出電極ＲＣを入れ替えてもよい。すなわち、画素電極１５を検出電極ＲＣとして用い、検知電極３７を印加電極ＥＸとして用いるようにしてもよい。

なお、以上説明した各実施形態において化体された具体的な構成は、本発明を説明する上で例示されたものであり、本発明の技術的範囲をかかる具体的な構成に限定するものではない。当業者は、上記各実施形態において開示された内容を適宜変形乃至最適化することができ、例えば、各部材の配置位置、数、形状等は必要に応じ任意に変更してよい。

１，１００，２００，３００ エンベディッド型タッチスクリーン、２ 第１の基板、３ 第２の基板、４ 液晶層、５ バックライト、６ 絶縁層、７，８ 電極、９ 絶縁層、１０ 交番電源、１１ 増幅器、１２ 指、１３ 液晶パネル、１４ ＴＦＴ、１５ 画素電極、１６ 共通電極、１７ 制御装置、１８ 映像信号線駆動回路、１９ 走査信号線駆動回路、２０ バックライト駆動回路、２１ 印加回路、２２ 検出回路、２３ 映像表示回路、２４ 走査信号線、２５ 映像信号線、２６ 映像信号遮蔽電極、２７ ゲート絶縁膜、２８ 半導体層、２９ ソース電極、３０ ドレイン電極、３１，３１ａ，３１ｂ 保護絶縁膜、３２ スルーホール、３３ 第２の交番電源、３４ デジタル信号処理回路、３５ 走査回路、３６ 第２の走査回路、３７ 検知電極。

Claims (5)

1. 前面又は背面に第２の方向に延びる複数の検知電極を備えた第１の基板と、
   第１の方向に延びる複数の走査信号線及び第２の方向に延びる複数の映像信号線により格子状に区画された複数の画素が画像領域に配置され、前記画素毎に前記走査信号線に接続されたスイッチング素子を介して前記映像信号線に接続される画素電極と、共通電極を前面に備えた第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれた液晶層と、
   前記検知電極又は前記画素電極の一方に交番信号を印加する印加回路と、
   前記検知電極又は前記画素電極の他方に励起された信号を検出する検出回路とを有し、
   前記検出回路による検出の際に、前記画素電極を少なくとも前記第２の方向に関して走査する走査回路と、を備えたエンベディッド型タッチスクリーン。
2. 前記走査回路は、前記走査信号線に走査信号を出力する請求項１記載のエンベディッド型タッチスクリーン。
3. 前記検知電極は、前記第１の基板の背面に形成される請求項１又は２記載のエンベディッド型タッチスクリーン。
4. 前記第１の基板の前面は研磨された研磨面である請求項３記載のエンベディッド型タッチスクリーン。
5. 前記検知電極は、前記第１の基板の前面に形成される請求項１又は２記載のエンベディッド型タッチスクリーン。

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