JP2015111409A - タッチ操作により入力を行う入力装置および表示装置 - Google Patents

タッチ操作により入力を行う入力装置および表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】駆動電極及び引き出し線の長さ、検知電極の長さの違いにより、検出信号の応答に差が生じない入力装置を提供する。
【解決手段】ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置は、複数の駆動電極(11)と、複数の駆動電極と交差するように配置された複数の検知電極(12)とを備える。駆動電極(11)に駆動信号を印加し、駆動電極と検知電極の交点における静電容量の変化に基づき変化する、検知電極(12)それぞれから出力される検出信号を検出することにより、タッチ位置の検出を行う。入力装置はさらに、駆動電極毎に設けられ、駆動信号に対して、駆動信号の立ち上がり部分および/または立下り部分において補正信号を付加して駆動電極に印加する複数の信号補正器(15)を備える。
【選択図】図10

Description

本開示は、タッチ操作された座標を入力する入力装置及びそのような入力装置を備えた表示装置に関する。
表示画面に使用者の指などでタッチ操作して情報を入力する画面入力機能をもつ入力装置を備えた表示装置が、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。このようなタッチ操作による入力装置におけるタッチ検出方式として、タッチされた部分の抵抗値変化を検出する抵抗膜方式、あるいは容量変化を検出する静電容量結合方式、タッチにより遮蔽された部分の光量変化を検出する光センサ方式などが知られている。
静電容量結合方式を採用する入力装置では、複数の駆動電極と複数の検知電極とが互いに交差するように配置されている。駆動電極と検知電極はその交差点においてタッチセンサを構成する。このタッチセンサは、駆動電極と検知電極との間で、電気信号の入力および静電容量変化による応答検出を行い、表示面への物体の接触を検出する。
各電極は、抵抗Rと静電容量Cからなる分布定数回路と見なせ、場所によって異なるCR時定数を持つ。そのCR時定数によって、駆動電極が送信する駆動信号の立ち上がり、立下りがなまる。従って、パルス幅に対してCR時定数が大きい場合、検知電極が検出する検出信号の振幅を正確に検出できない。
信号の応答を改善するために、信号補正をして見掛け上の応答を早くする方法が提案されている。例えば、特許文献1は、液晶の応答の遅さを信号処理で補正する方法を開示する。特許文献1の方法は、現フィールドの各画素の輝度値と、前フィールドの各画素の輝度値との差に応じて、現フィードの輝度値の立ち上がり・立下り信号に対して信号補正を行う。これにより、液晶応答を改善することができる。
特開2005−010202号公報
本開示は、タッチ操作時の検出精度の低下を低減できる入力装置を提供する。
本開示における第1の入力装置は、ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置である。入力装置は、複数の駆動電極と、複数の駆動電極と交差するように配置された複数の検知電極とを備える。駆動電極に駆動信号を印加し、駆動電極と検知電極の交点における静電容量の変化に基づき変化する、検知電極それぞれから出力される検出信号を検出することにより、タッチ位置の検出を行う。入力装置はさらに、駆動電極毎に設けられ、駆動信号に対して、駆動信号の立ち上がり部分および/または立下り部分において補正信号を付加して駆動電極に印加する複数の信号補正器を備える。
本開示における第2の入力装置は、ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置である。入力装置は、複数の駆動電極と、複数の駆動電極と交差するように配置された複数本の検知電極と、を備える。駆動電極に駆動信号を印加し、駆動電極と検知電極の交点における静電容量の変化に基づき変化する、検知電極それぞれから出力される検出信号を検出することによりタッチ位置の検出を行う。入力装置はさらに、複数の検知電極の出力をそれぞれ積分する複数の積分器と、複数の積分器の出力の立ち上がり、立下りの応答性を早くする位相補償を行う複数の位相補償器と、を備える。
本開示における入力装置は、駆動電極または検知電極の時定数の影響を低減できるため、タッチ操作時の検出精度の低下を低減できる。
実施の形態1にかかるタッチセンサ機能を備えた液晶表示装置の全体構成を説明するためのブロック図 タッチセンサを構成する駆動電極と検知電極の配列の一例を示す図 タッチ操作を行っていない状態とタッチ操作を行った状態におけるタッチセンサの等価回路を説明した図 タッチ操作を行っていない場合とタッチ操作を行った場合の検出信号の変化を示す図 液晶パネルの走査信号線の配列とタッチセンサの駆動電極および検知電極の配列を示す図 液晶パネルの表示更新を行う走査信号線のラインブロックへの走査信号の入力と、タッチセンサのタッチ検出を行うために駆動電極のラインブロックへの駆動信号の供給との関係の一例を示す図 1フレームにおける走査信号と駆動信号の印加の状態を示すタイミングチャート 1水平走査期間における表示更新期間とタッチ検出期間との関係の一例を説明するためのタイミングチャート 従来のタッチセンサの構成を説明するための図 実施の形態1にかかるタッチセンサの詳細構成を説明するための図 従来のタッチセンサの駆動電極入力端での駆動信号の時定数を説明するための図 実施の形態1における駆動電極入力端での駆動信号の時定数の影響の低減を説明するための図 駆動信号(パルス)の補正を説明するための図 駆動信号の補正量と、信号補正回路を通した時の波形との関係を説明するための図 駆動電極と引き出し線を合わせた導体の時定数を説明するための図 検知電極の時定数を説明する図 検知電極の時定数の影響の低減を説明するための図 信号補正器の一構成例を示す図 駆動電極の時定数の影響による検知電極端での受信パルスの時定数を説明するための図 位相補償器の一構成例を示す図 位相補償器の動作を説明するための図
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態1)
以下、添付の図面を用いて、実施の形態1を説明する。
[1−1.構成]
図1は、実施の形態1における入力装置であるタッチセンサを備えた液晶表示装置の全体構成を説明するブロック図である。図1に示すように、液晶表示装置は、液晶パネル1と、バックライトユニット2と、走査線駆動回路3と、映像線駆動回路4と、バックライト駆動回路5と、信号制御装置8と、タッチコントローラ14とを備えている。
液晶パネル1は、ガラス基板などの透明基板からなるTFT基板と、このTFT基板に対向するように所定の間隙を設けて配置される対向基板とを有し、TFT基板と対向基板との間に液晶材料を封入することにより構成されている。
TFT基板は、液晶パネル1の背面側に位置する。TFT基板を構成する基板上に、マトリクス状に配置された画素電極と、画素電極に対応して設けられ画素電極への電圧印加をオンオフ制御するスイッチング素子としての薄膜トランジスタ(TFT)と、共通電極などが形成されている。
また、対向基板は、液晶パネル1の前面側に位置する。対向基板を構成する透明な基板に上、画素電極に対応する位置に少なくとも赤(R)緑(G)青(B)の3原色からなるカラーフィルタ(CF)と、RGBの各サブピクセルの間および/またはRGBのサブピクセルで構成される画素間に配置されるコントラストを向上させるための遮光材料からなるブラックマトリクスなどが形成されている。なお、本実施の形態では、TFT基板の各サブピクセルに形成されるTFTはnチャネル型のTFTであるとして説明する。
TFT基板には、複数の映像信号線9と複数の走査信号線10とが、互いに概ね直交して形成される。走査信号線10はTFTの水平方向に設けられ、複数のTFTのゲート電極に共通に接続される。映像信号線9はTFTの垂直方向に設けられ、複数のTFTのドレイン電極に共通に接続される。また、各TFTのソース電極には、TFTに対応する画素領域に配置された画素電極が接続される。
TFT基板に形成された各TFTは、走査信号線10に印加される走査信号に応じて、所定の単位でオン/オフ動作が制御される。オンに制御された水平列の各TFTは、画素電極を、映像信号線9に印加される映像信号に応じた電位(画素電圧)に設定する。そして、液晶パネル1は、複数の画素電極およびこの画素電極に対向するように設けた共通電極を有し、画素電極と共通電極との間に生じる電界により画素領域毎に液晶の配向を制御して、バックライトユニット2から入射した光に対する透過率を変えることにより、表示面に画像を形成する。
バックライトユニット2は、液晶パネル1の裏面側に配置され、液晶パネル1の裏面から光を照射するもので、例えば複数の発光ダイオードを配列して面光源を構成する構造や、発光ダイオードの光を導光板と拡散反射板とを組み合わせて用い、面光源とする構成の構造のものが知られている。
走査線駆動回路3は、TFT基板に形成された複数の走査信号線10に接続されている。走査線駆動回路3は、信号制御装置8から入力されるタイミング信号に応じて走査信号線10を順番に選択し、選択した走査信号線10にTFTをオンする電圧を印加する。例えば、走査線駆動回路3は、シフトレジスタを含んで構成される。シフトレジスタは信号制御装置8からのトリガ信号を受けて動作を開始し、垂直走査方向に沿って走査信号線10を順次選択し、選択した走査信号線10に走査パルスを出力する。
映像線駆動回路4は、TFT基板に形成された複数の映像信号線9に接続されている。映像線駆動回路4は、走査線駆動回路3による走査信号線10の選択に合わせて、選択された走査信号線10に接続されるTFTそれぞれに、各サブピクセルの階調値を表す映像信号に応じた電圧を印加する。これにより、選択された走査信号線10に対応するサブピクセルに映像信号が書き込まれる。
バックライト駆動回路5は、信号制御装置8から入力される発光制御信号に応じたタイミングや輝度でバックライトユニット2を発光させる。
タッチコントローラ14は、センサ駆動回路6と、信号検出回路7と、センサ制御回路13とを備えている。タッチコントローラ14は、信号制御装置8より入力されるタイミング信号に基づいて、タッチセンサを制御する。
本実施形態では、静電容量方式のタッチセンサを採用している。タッチセンサは複数の駆動電極11と複数の検知電極12とで構成される。液晶パネル1において、複数の駆動電極11と複数の検知電極12とが互いに交差するように配置されている。
これらの駆動電極11および検知電極12により構成されるタッチセンサは、駆動電極11と検知電極12との間で、電気信号の入力および静電容量変化による応答検出を行い、表示面に対する物体の接触を検出する。この接触を検出する電気回路として、センサ駆動回路6および信号検出回路7が設けられている。
センサ駆動回路6は、交流信号源であり、駆動電極11に接続される。例えば、センサ駆動回路6は、センサ制御回路13からセンサ信号を入力し、センサ信号に応じて駆動電極11を順番に選択し、選択した駆動電極11に矩形状のパルス電圧による駆動信号Txvを供給する。
なお、駆動電極11および走査信号線10は、TFT基板に水平方向の列方向に延在するように形成され、垂直方向の行方向に複数本配列されている。これらの駆動電極11および走査信号線10に電気的に接続されるセンサ駆動回路6および走査線駆動回路3は、画素が配列される表示領域の幅方向(水平方向)の両側に配置され、幅方向の一方の側に走査線駆動回路3を配置し、他方の側にセンサ駆動回路6を配置している。
信号検出回路7は、静電容量変化を検出する検出回路であり、検知電極12に接続される。信号検出回路7は、検知電極12毎に検出回路を設け、検知電極12において検出した静電容量変化を検出信号Rxvとして出力する。なお、他の構成例としては、複数の検知電極12群に対して1つの検出回路を設け、駆動電極11に印加される複数回のパルス電圧において、複数の検知電極12群毎に検出信号Rxvの検出を時分割で行い、検出信号Rxvを出力するようにしてもよい。
表示面上での物体の接触位置は、センサ制御回路13において、どの駆動電極11に駆動信号Txvを印加したときに、どの検知電極12で接触による信号が検出されたかの判断結果に基づいて求められる。駆動信号Txvが印加された駆動電極11と、検出信号Rxvが得られた検知電極12との交点が、演算により接触位置として求められる。
信号制御装置8は、CPUなどの演算処理回路およびROMやRAMなどのメモリを備えている。信号制御装置は、演算処理回路が所定のプログラムを実行することで所定の機能を実現する。なお、信号制御装置8は所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路で構成されてもよい。信号制御装置8は、入力される映像データに基づき、色調整などの各種の画像信号処理を行って各サブピクセルの階調値を示す画像信号を生成し、映像線駆動回路4に供給する。また、信号制御装置8は、入力された映像データに基づき、走査線駆動回路3、映像線駆動回路4、バックライト駆動回路5、コントローラ14それぞれに対して、タイミング信号を生成し、供給する。また、信号制御装置8は、バックライト駆動回路5への発光制御信号として、入力された映像データに基づいて発光ダイオードの輝度を制御するための輝度信号を供給する。
センサ制御回路13は、信号制御装置8から入力されるタイミング信号に応じてセンサ信号を生成し、センサ信号に基づきセンサ駆動回路6及び信号検出回路7を制御する。
ここで、液晶パネル1の各信号線および電極に接続される走査線駆動回路3、映像線駆動回路4、センサ駆動回路6、センサ制御回路13および信号検出回路7は、フレキシブル配線板やプリント配線板やガラス基板に、各回路の半導体チップを搭載することにより構成している。しかし、走査線駆動回路3、映像線駆動回路4、センサ駆動回路6およびセンサ制御回路13の各回路を、TFT基板に、TFTなどとともに同時に形成してもよい。
図2は、タッチセンサを構成する駆動電極と検知電極の配列の一例を示す図である。図2に示すように、入力装置としてのタッチセンサは、水平方向(図2の左右方向)に延在する複数本のストライプ状の電極パターンである駆動電極11と、駆動電極11の導電体の延在方向と交差する方向に延びる複数本のストライプ状の導電体である検知電極12とから構成されている。それぞれの駆動電極11と検知電極12とが互いに交差した部分それぞれに、静電容量を持つ容量素子が形成されている。
また、駆動電極11は、走査信号線10が延在する方向に平行な方向に延在するように配列されている。そして、駆動電極11は、後で詳細に説明するが、M(Mは自然数)本の走査信号線を1ラインブロックとしたときにおける、N(Nは自然数)個のラインブロックのそれぞれに対応するように配置される。駆動電極11、ラインブロック毎に駆動信号Txvを印加する。
タッチ検出動作を行う際は、センサ駆動回路6から駆動電極11に対し、ラインブロック毎に時分割で順次走査するように駆動信号Txvを供給する。これにより、検出対象となる1つのラインブロックが順次選択される。また、検知電極12から検出信号Rxvを受信することにより、1つのラインブロックのタッチ検出が可能となっている。
[1−2.動作]
[1−2−1.タッチ検出原理]
以上のように構成される液晶表示装置の動作を説明する。最初に、入力装置におけるタッチ検出の原理について、図3、図4を用いて説明する。本実施形態の入力装置は、静電容量方式のタッチセンサを採用する。
図3(a)、(b)は、タッチ操作を行っていない状態(図3(a))とタッチ操作を行った状態(図3(b))における、タッチセンサの概略構成と等価回路を説明した図である。図4は、タッチ操作を行っていない場合とタッチ操作を行った場合の検出信号の変化を説明した図である。
静電容量方式のタッチセンサでは、互いに交差する一対の駆動電極11と検知電極12との交差部(図2参照)において容量素子が形成される。すなわち、図3(a)に示すように、駆動電極11、検知電極12および誘電体Dによって、容量素子C1が構成される。容量素子C1は、その一端が交流信号源としてのセンサ駆動回路6に接続され、他端Pは、抵抗器Rを介して接地されるとともに、電圧検出器としての信号検出回路7に接続される。
交流信号源としてのセンサ駆動回路6から駆動電極11(容量素子C1の一端)に、数十kHz〜数百kHz程度の所定の周波数のパルス電圧による駆動信号Txv(図4参照)を印加すると、検知電極12(容量素子C1の他端P)に、図4に示すような出力波形(検出信号)Rxvが現れる。
指が接触(または近接)していない状態では、図3(a)に示すように、容量素子C1に対する充放電に伴って、容量素子C1の容量値に応じた電流I0が流れる。このときの容量素子C1の他端Pの電位波形は、図4に示す検出信号Rxvの波形V0のようになり、これが電圧検出器である信号検出回路7によって検出される。
一方、指が接触(または近接)した状態では、図3(b)に示すように、等価回路は、指によって形成される容量素子C2が容量素子C1に直列に追加された構成となる。この状態では、容量素子C1、C2に対する充放電に伴って、それぞれ電流I1、I2が流れる。このときの容量素子C1の他端Pの電位波形は、図4に示す検出信号Rxvの波形V1のようになり、これが電圧検出器である信号検出回路7によって検出される。このとき、点Pの電位は、容量素子C1、C2を流れる電流I1、I2の値によって定まる電位となる。このため、波形V1の振幅は、非接触状態での波形V0の振幅よりも小さい値となる。
信号検出回路7は、検知電極12それぞれから出力される検出信号の電位を所定のしきい値電圧Vthと比較し、このしきい値電圧以上であれば非接触状態と判断し、しきい値電圧未満であれば接触状態と判断する。このようにして、タッチ検出が可能となる。これ以外の静電容量の変化の信号を検知する方法として、電流を検知する方法等がある。
[1−2−2.タッチセンサの駆動方法]
次に、本実施形態の液晶表示装置におけるタッチセンサの駆動方法について、図5〜図15を用いて説明する。
図5は、液晶パネルの走査信号線の配列構造とタッチセンサの駆動電極および検知電極の配列構造を示す概略図である。
水平方向に延在するX本の走査信号線10は、図5に示すように、M(Mは自然数)本の走査信号線Gi−1、Gi−2・・・Gi−M(iは1〜N)毎にグループ化される。グループ毎に1ラインブロックとして管理される。すなわち、走査信号線10は、N(Nは自然数)個のラインブロック10−1、10−2・・・10−Nに分割して配列されている。
タッチセンサの駆動電極11は、ラインブロック10−1、10−2・・・10−Nに対応させてN本の駆動電極11−1、11−2・・・11−Nが水平方向に延在するように配列される。N本の駆動電極11−1、11−2・・・11−Nと交差するように、複数本の検知電極12が配列されている。
図6は、液晶パネルの表示更新を行う走査信号線のラインブロックへの走査信号の入力と、タッチセンサのタッチ検出を行うために駆動電極のラインブロックへの駆動信号の供給との関係の一例を示す説明図である。図6の(a)〜(f)それぞれが1ラインブロック走査期間における状態を示している。本実施形態では、液晶パネルの表示更新を行う走査信号線を供給するラインブロックと、タッチセンサにおいてタッチ検出を行うための駆動信号を供給する駆動電極のラインブロックとを異ならせている。
具体的には、図6(a)に示すように、最初のラインブロック10−1の走査信号線それぞれに走査信号を順次入力している水平走査期間においては、最後のラインブロック10−Nに対応する駆動電極11−Nに駆動信号を供給している。この後に続く水平走査期間においては、図6(b)に示すように、2番目のラインブロック10−2の走査信号線それぞれに走査信号を順次入力し、さらに、その水平走査期間においては、最初のラインブロック10−1に対応する駆動電極11−1に駆動信号を供給している。その後に続く水平走査期間においては、図6(c)に示すように、3番目のラインブロック10−3の走査信号線それぞれに走査信号を順次入力する。さらに、その水平走査期間においては、2番目のラインブロック10−2に対応する駆動電極11−2に駆動信号を供給している。
同様に、図6(d)〜(f)に示すように、ラインブロックをラインブロック10−4、10−5・・・10−Nと順次切り替えながら、各ラインブロックの走査信号線それぞれに走査信号を順次入力していく。同時に、走査信号を供給するラインブロック10−4、10−5・・・10−Nの1ライン前のラインブロック10−3、10−4・・・10−(N−1)に対応する駆動電極11−3、11−4・・・11−(N−1)に駆動信号を供給する。
すなわち、本実施形態においては、駆動電極11への駆動信号の供給は、表示更新を行う1ラインブロック走査期間において、複数の走査信号線に走査信号を印加していないラインブロックに対応する駆動電極11−i(i=1〜N)を選択して供給するように構成している。
図7は、図6に示す例において、走査信号と駆動信号の印加の状態を示すタイミングチャートである。図7は本実施の形態における駆動方法の通常モード時にタッチ検出動作を示すタイミングチャートである。
図7に示すように、1フレーム期間のそれぞれの水平走査期間(1H、2H、3H、…、MH)おいて、走査信号線10にはラインブロック単位(10−1、10−2、…、10−N)で走査信号が入力されて表示更新が行われる。この走査信号が入力されている期間内に、走査信号が入力されていないラインブロックに対応する駆動電極11−N、11−1、11−2、…、に、タッチ検出のための駆動信号が供給されている。
タイミング信号は液晶パネル1の動作のために信号制御装置8により生成される。図7において、タイミング信号1は走査信号のタイミングを表す信号であり、タイミング信号2は走査の開始タイミングを表す信号である。図7は、ラインブロック10−1から走査を開始する例を示している。具体的には、タイミング信号2の入力後、タイミング信号1が入力されると、走査信号線G1−1に走査信号が入力される動作となる。
また、センサ信号はセンサ動作のために生成される信号である。センサ信号は、センサ制御回路13により信号制御装置8より入力されるタイミング信号1、2に基づいて、所定の遅延を設けて生成される。センサ駆動回路6は、センサ制御回路13が生成するセンサ信号に基づいて、駆動電極11に駆動信号を供給する。図7に示すように、センサ信号は通常モードにおいては走査信号に同期した信号となる。
図8は、1水平走査期間における表示更新期間とタッチ検出期間との関係の一例を説明するためのタイミングチャートである。また、本実施の形態の駆動方法においては、走査信号間には所定の期間は存在しない。
図8に示すように、各表示更新期間において、走査信号線10(G1−1、G1−2、…)に対して走査信号が入力されるとともに、各画素の画素電極のスイッチング素子に接続される映像信号線9に対しては、入力される映像信号に応じた画素信号が入力される。
本開示においては、この表示更新期間に同期したタイミングでタッチ検出期間を設けている。表示更新期間の開始後遷移期間に続く期間を、タッチ検出期間としている。すなわち、走査信号が所定の電位に立ち上がり、電圧の変位が収束(安定)した時点で、駆動電極11に駆動信号としてパルス電圧を供給し、パルス電圧の立ち上がりによる電位の変位点からタッチ検出期間を開始している。また、タッチ検出タイミングSは、パルス電圧の立下りポイント直前とタッチ検出期間終了ポイントの2箇所に存在している。ここで、遷移期間は、前半の画素信号が変位する期間t1と、画素信号の変位に伴い共通電極の電位が新たな画素信号の電位に変位する期間t2とを含む期間に設定している。これは、画素信号の遷移期間後に,パネル内寄生容量の容量結合により、共通電極の電位の変動が、タッチ検出期間で起こらないようにするためである。
タッチ検出期間におけるタッチ検出動作は、図3、図4により説明した通りである。
[1−2−3.電極の時定数に起因する問題]
従来の静電容量方式のタッチセンサにおける問題を具体的に説明する。
図9は、従来のタッチセンサの構成を説明した図である。図9に示すように、タッチを検出する際に用いる駆動電極11と検知電極12の位置によって、センサ駆動回路6から信号検出回路7の間における駆動電極11と検知電極12の経路の長さが異なる。例えば、駆動電極TX1から検知電極RX1に至る経路C1の長さと、TXmからRXnに至る経路Cmの長さとは、大きな差がある。これらの電極は、同じ幅であれば、その電気抵抗は長さに比例して大きくなる。駆動電極11と検知電極12はセンサ駆動回路6の基準電位に対して静電容量を持つ。駆動電極11と検知電極12の静電容量は電極の長さに応じて分布定数となる。駆動電極11と検知電極12の抵抗と静電容量は、時定数を形成し、検出に用いる電極の経路が長くなるほど時定数が大きくなる。例えば、検知電極RXnを用いる場合、検知電極RX1を用いる場合よりも、検出に用いる駆動電極11の長さが長くなる。従って、検知電極RXnの検出信号の時定数は、検知電極RX1からの検出信号の時定数よりも大きくなる。
駆動電極11の時定数が大きいと、駆動信号の立ち上がり/立ち下がりが遅くなる。また、駆動信号は各種信号の出力時間の隙間の期間(所定期間)に出力される。このため、駆動信号はこの隙間の期間(所定期間)内に本来の信号レベルに収束する必要がある。しかし、時定数が大きく、駆動信号の立ち上がり/立ち下がりが遅れると、所定の時間内に収束しなくなり、タッチ操作の検出の感度の低下を招くという問題がある。本実施形態では、このような時定数に起因する駆動信号の立ち上がり/立ち下がりの遅れを低減するための構成を提供する。
駆動電極11と検知電極12を用いてタッチ操作を検出するタッチセンサにおいては、以下の3つの時定数が考えられる。
(1)駆動電極11の引き出し線の時定数
(2)検知電極12の時定数
(3)駆動電極11の時定数
以下、それぞれの時定数の影響を軽減するための、本実施形態の液晶表示装置の構成を説明する。
[1−2−4.時定数の影響の低減処理]
図10は、上記の課題を解決するための、実施の形態1の液晶表示装置におけるタッチセンサのより詳細な構成を説明した図である。
図10に示すように、m(mは自然数)本の駆動電極11とセンサ駆動回路6の間にm個の信号補正器15が配置されている。また、n(nは自然数)本の検知電極12と信号検出回路7の間に、n個の積分器16とn個の位相補償器17が配置されている。ここで、駆動電極11は、実際は導体であるが、長さに応じた電気抵抗を持つので、図10では複数の抵抗を直列に接続した等価回路で表している。
信号補正器15は、センサ駆動回路6から出力される駆動信号に補正信号を加えて、駆動電極11に送出する。積分器16は、検知電極12で検出された検出信号を積分する。駆動信号は、駆動電極11と検知電極12との間の静電容量で微分された形状の検出信号になるので、積分器16で積分することにより、電極が持つ回路時定数でなまった検出信号が再生される。位相補償器17は、積分器16で積分された検出信号の立ち上がり、立ち下がりを早くする位相補償を行い、なまりが補正された検出信号を信号検出回路7に出力する。信号補正器15と位相補償器17の動作は後に説明する。
[1−2−4−1.駆動電極の引き出し線の時定数]
以下、駆動電極11の引き出し線の時定数の影響を低減するための構成を説明する。
図11を用いて、タッチセンサの駆動電極11(TX1〜TXm)の入力端での駆動信号の時定数を説明する。
図11に示すように、駆動電極TX1〜TXmに対して、センサ駆動回路6からの駆動信号を引き出し線18を用いて入力する場合、各々の引き出し線18−1、18−2、…18−mの長さが異なるので、駆動電極TX1〜TXmの入力端における時定数は異なる。図11の例では、駆動電極TX1の引き出し線18−1が最短で、駆動電極TXmの引き出し線18−mが最長になる。各々の引き出し線18に同じ駆動信号を加えた場合、各駆動電極11の入力端における駆動信号の時定数が異なる。すなわち、駆動電極TX1からTXmに行くほど駆動信号の時定数は大きくなる。図11には、入力端A、B…、Dそれぞれにおける駆動信号の波形も例示している。図11に示すように入力端A、B,…Dでの駆動信号の波形は時定数の影響を受けて変化している。
図12は、本実施の形態における駆動電極11の入力端での駆動信号の時定数(駆動電極11の引き出し線の時定数)の影響の低減(時定数の補正)を説明するための図である。
本実施形態では、図12に示すように、センサ駆動回路6と各駆動電極11の間に信号補正器15を設ける。信号補正器15による補正量はTX1からTXmに行くほど大きくなるように設定する。図12に、駆動電極TX1の入力端A、駆動電極TX2の入力端Bにおける駆動信号、駆動電極TXm−1の入力端Cにおける駆動信号、駆動電極TXmの入力端Dにおける駆動信号それぞれの波形も例示している。同図に示すように、各駆動電極TX1〜TXmの入力端A〜Dにおいて、各駆動信号の時定数を揃えることができる。
以下、信号補正器15の動作について詳述する。信号補正器15は、図13に示すように、駆動信号パルスの立ち上がり/立下りエッジにおいて補正電圧ΔA/−ΔAを付加することで駆動信号を補正する。すなわち、信号補正器15は、駆動信号の立ち上がりにおいて一定期間(tod)駆動信号の振幅を元の振幅(Vin)よりも高い値(Kod・Vin)に増加させ、駆動信号の立ち下がりにおいて駆動信号の振幅をより低い値(−(Kod−1)・Vin)に低下させるように駆動信号の波形を補正する。これにより、時定数に起因する、駆動信号の立ち上がり/立ち下がりにおける応答の遅れを低減し、結果として時定数を補正したのと同様の効果を得る。駆動信号の立ち上がり、立ち下がりにおける駆動信号の補正量ΔAは、各駆動電極TX1〜TXmの引き出し線18の長さに応じて設定する。信号補正器15の回路構成は後述する。
図14は実施の形態1における駆動信号の補正量と補正した時の波形との関係を説明する図である。図14(a)は、信号補正器15による補正後の駆動信号の波形を示した図である。図14(b)は、同図(a)の駆動信号を時定数τ0の信号伝送路を通過させた後の駆動信号波形を示す。図14(a)において、縦軸は駆動信号の振幅電圧、横軸は時間tを示す。また、図14(b)において、縦軸は駆動信号の振幅電圧、横軸は時間tを示す。図14(a)において、斜線部が補正量に相当する。ここでは、信号補正器15により、駆動信号の立ち上がりの一定期間(tod)の間、補正後の振幅が元の信号の振幅(Vin)のKod倍になるように補正するとする。信号補正を加える前の時定数をτ0、信号補正を加えた後の時定数をτod、補正前の振幅電圧をVin、補正後の振幅電圧をVoutとすると、信号補正量Kod、todはτod、τ0を用いて、式(1)、(2)で表せる。
Kod={1−exp(−1)}/{1−exp(−τod/τ0)} (1)
tod=−τ0・ln(1−1/Kod) (2)
図14(b)の曲線(1)は、図14(a)の信号補正をしていない駆動信号の場合の波形である。駆動信号の振幅電圧Vinに対して、時定数τ0を無限時間与えると、振幅電圧Voutに収束する。曲線(2)は図14(a)の信号補正時に、振幅電圧Kod・Vinを加え続けた場合の波形である。曲線(2)の場合において、振幅が(1)の収束値であるVoutに達したところで、図14(a)に示す様に信号補正の振幅電圧をKod・VinからVinに下げると、曲線(3)に示すようになる。曲線(3)は、曲線(1)と比べると見かけ上、時定数がτ0からτodに小さくなっているので、時定数を補正ができたことになる。
前述の例では、駆動信号の立ち上がり部分の補正について説明したが、駆動信号の立下り部分の補正についても同様に補正することができる。すなわち、駆動信号の立ち上がり部分において振幅電圧を増加させた分((Kod−1)・Vin)だけ、立下り部分において振幅電圧をより低下させればよい。
図15は、実施の形態1における駆動電極11と引き出し線18を合わせた導体の時定数を説明する図である。図15(a)に示すように、駆動電極TX1〜TXmの引き出し線18の長さをL1〜Lmとし、引き出し線18の単位長さの抵抗率をρ1とすると、隣接する駆動電極TX1〜TXm間の各引き出し線18の抵抗値R1i(i=1、2、・・・・・・、m)は式(3)で表される。
R1i=ρ1・(Li−L(i−1)) (3)
ここで、R11=ρ1・L1=R10、L1=Li−L(i−1)とすると、R1i=R10となる(i=1、2、・・・・・、m)。
また、駆動電極11の入力端における等価静電容量をC10とすると、引き出し線18の等価回路は図15(b)のように、CRの多段回路で表される。従って、i番目(i=1、2、・・・・・、m)の駆動電極TXiの時定数τ1iは一般によく知られているElmoreの近似を用いて、式(4)で表される。
τ1i=i・(i+1)・C10・R10/2 (4)
ここで、TX1の時定数とTXmの時定数を等しくするとする。すなわち、TX1においては、Kod=1、tod=0とする。また、TXi(i=1、2、3、・・・・・、m)においては、τod=τ11、τ0=τ1iとして、式(1)、(2)に代入することにより、駆動電極TX1〜TXm各々の信号補正量Kod、todを求めることができる。
[1−2−4−2.検知電極の時定数]
次に、検知電極12の時定数の影響を低減する構成を説明する。
図12において、1つの検知電極RX1〜RXnに注目した時、検知電極と交差する駆動電極TX1〜TXmに応じて、検知電極RX1〜RXnの出力端から、検知電極と駆動電極の交点までの経路の長さが異なる。このため、検出信号の時定数も、検知電極12と交差する駆動電極TX1〜TXmに応じて異なる。そこで、信号補正器15により、検知電極12の長さ(すなわち、検知電極12の出力端から、検知電極12と駆動電極の交点までの長さ)に起因する時定数も考慮した補正を行うことにより、検知電極12の時定数に起因する影響も低減することができる。
図16は実施の形態1における検知電極12の時定数を説明する図である。図16は、説明の便宜上、駆動電極11と検知電極RX1のみを示している。他の検知電極12も同じ回路で表せるので説明を省略している。検知電極12の単位長さの抵抗率をρ2とすると、隣接する駆動電極TX1〜TXmで区切られる区間の検知電極12の各抵抗値R2i(i=1、2、・・・・・・、m)は式(5)で表される。
R2i=ρ2・(Li−L(i−1)) (5)
ここで、R21=ρ2・L1=R20、L1=Li−L(i−1)とすると、R2i=R20となる(i=1、2、・・・・・、m)。
また、駆動電極TX1〜TXmと検知電極RX1との交点での等価静電容量をC20とすると、等価回路は図16(b)のように、CRの多段回路で表される。引き出し線18と検知電極12時定数を合わせた時定数は、Elmoreの近似を用いて、式(6)で表される。
τ2i=i・(i+1)・(C10・R10+C20・R20)/2
(i=1、2、・・・・・・、m) (6)
ここで、TX1からRX1への時定数とTXmからRX1への時定数を等しくする。TX1では、kod=1、tod=0となる。また、TXi(i=1,2、・・・・・・、m)では、τod=τ21、τ0=τ2iとして、式(1)、(2)式に代入して、TX1〜TXm各々の信号補正量kod、todを求めることができる。なお、式(6)において、引き出し線18の時定数を考慮せず、検知電極12の時定数(C20・R20)の項のみを考慮してもよい。
図17は、実施の形態1における検知電極12の時定数の影響の低減(時定数の補正)を説明する図である。図17は、信号補正器15による補正後の駆動信号1〜駆動信号mを示す。図17には、駆動電極TX1の入力端Aにおける駆動信号、駆動電極TX2の入力端Bにおける駆動信号、駆動電極TX(m−1)の入力端Cにおける駆動信号、駆動電極TXmの入力端Dにおける駆動信号の波形も例示している。図17に示すように、それぞれの駆動信号の波形は、立ち上がりエッジにおいてオーバーシュートが、立下りエッジにおいてアンダーシュートが加わった波形となっている。このようなオーバーシュートおよびアンダーシュートが付加されていることにより、検知電極12を経由した出力端では、TX1〜TXm何れからのパルスに対しても時定数のそろった駆動信号波形(パルス)を受信することができる。
以下、信号補正器15について説明する。図18は、本実施の形態1における信号補正器15の一構成例を示す図である。
図18(a)に示すように、信号補正器15は4つの切り替え端子32とセレクタ31を有する。セレクタ31は2bitの信号A1、A0に従って、4つの切り替え端子32の中からいずれかの端子を選択する。2bitの信号A1、A0で示される値(2・A1+A0)により、セレクタ番号0〜3のいずれかが指定される。
図18(b)(c)は、A1とA0のパルス信号によりセレクタを切り替えて、駆動信号を発生する様子を示した図である。図中の0〜3は、選択されたセレクタの状態を示している。この例の場合は、A1、A0信号はセンサ駆動回路6から出力される。図18(b)は信号補正を加えた駆動信号の例を、図18(c)は信号補正のない従来の駆動信号の例を示している。
セレクタ31は、同図(b)に示すように、A1、A0の値により、以下に示す4種類の電圧を切り替えて出力することができる。
(1)(A1、A0)=(0,1)の場合
電圧VBが選択され、駆動信号TXの振幅電圧はVBとなる。
(2)(A1、A0)=(1、1)の場合
電圧VCが選択され、駆動信号TXの振幅電圧はVCとなる。
(3)(A1、A0)=(0、0)の場合
電圧VAが選択され、駆動信号TXの振幅電圧はVAとなる。
(4)(A1、A0)=(1、0)の場合
電圧0が選択され、駆動信号TXの振幅電圧は0となる。
以上の動作により、信号補正器15から補正信号が付加された信号が出力される。
[1−2−4−3.駆動電極の時定数]
次に、駆動電極11の時定数の影響を低減するための構成を説明する。
図11において、1つの駆動電極TX1に注目した時に、その駆動電極と交差する各検知電極RX1〜RXnの位置に応じて、駆動電極TX1〜TXmの入力端から、検知電極と駆動電極の交点までの経路の長さが異なる。この経路の長さの違いにより駆動電極の時定数が異なる。そこで、位相補償器17で、駆動電極の長さ(駆動電極の入力端から検知電極と駆動電極の点までの長さ)に起因する時定数の補正を行うことにより、駆動電極11での時定数に起因する影響を低減することができる。
図19は、実施の形態1における駆動電極11の時定数の影響による検知電極12の出力端での検出信号の時定数を説明するための図である。
図19(a)は、説明の便宜上、1つの駆動電極TX1と、複数の検知電極12とを示している。以下に説明する駆動電極TX1に対する技術思想は、他の駆動電極TX2〜TXmに対しても同様に適用できる。駆動電極TX1の等価回路を図19(b)に示す。等価回路は図19(b)のようにCRの多段回路で表される。他の駆動電極TX2〜TXmも同じ等価回路で表せる。ここで駆動電極11の単位長さの抵抗率をρ3とすると、各駆動電極TX1〜TXmの抵抗値R3i(i=1、2、・・・・・・、m)は式(7)で表される。
R3i=ρ3・(Mi−M(i−1)) (7)
ここで、R31=ρ3・M1=R30、M1=Mi−M(i−1)とすると、R3i=R30となる。
また、駆動電極TX1と検知電極RX1〜RXnとの交点での等価静電容量をC30とすると、等価回路は図19(b)のように表わされる。検知電極RX1〜RXnの出力端での時定数τ3k(k=1、2、・・・・・・、n)は、Elmoreの近似を用いて式(8)のようになる。
τ3k=k・(k+1)・C30・R30/2 (8)
以下、位相補償器17の構成、動作説明する。図20は、実施の形態1における位相補償器17の一構成例を示す図である。位相補償器17は、オペアンプOPと、コンデンサCcと、抵抗Rcとで構成される。式(9)に、位相補償器17の伝達関数G(jω)を示す。
G(jω)=1+jωCcRc (9)
ここで、jは虚数単位、ωは角周波数である。
位相補償器17は微分回路であって、検出信号(積分器16の出力信号)における立ち上がり/立下り(図10参照)の変化が急峻になるように、検出信号を補正する。これにより、検出信号の立ち上がり/立下りが早くなり、時定数が補正される。
このために、検知電極RX1〜RXnに接続する位相補償器17において、時定数Cck・Rck(k=1、2、・・・・・・、n)を、駆動電極TX1に対する各検知電極RX1〜RXnの出力端での時定数τ31〜τ3nに対して、次式が成立するように設定する。
Cck・Rck=τ3k=k・(k+1)・C30・R30/2
(k=1、2、・・・・・・、n) (10)
これにより、駆動電極11間の時定数の差を補正することができる。
図21は位相補償器の動作の一例を示す図である。本実施の形態によれば、位相補償器17により、各検出信号における時定数の差を補正する。位相補償器17により、図10に示す検出信号の立ち上がり、立下りを早くすることで、図21に示すように各位相補償器1〜nから出力される検出信号の時定数を均一にすることができる。
以上のように、本実施の形態の液晶表示装置におけるタッチ操作を検出する入力装置は、検知電極12の出力を積分する複数の積分器16と、駆動信号に補正信号を付加して駆動電極に印加する複数の信号補正器15と、積分器16の出力の立ち上がり、立下りの応答性を早くするよう位相補償を行う複数の位相補償器17とを備える。
この構成により、各検知電極の長さに起因する検出信号の時定数を均一にすることができ、タッチ操作の検出精度の低下を防止できる。
[1−3.効果、等]
以上のように本実施形態の液晶表示装置に配置される入力装置は、ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置である。入力装置は、複数本の駆動電極11と、複数本の駆動電極と交差するように配置された複数本の検知電極12とを備える。入力装置において、駆動電極11に駆動信号を印加し、駆動電極11と検知電極12の交点における静電容量の変化に基づき変化する、検知電極12それぞれから出力される検出信号を検出することにより、タッチ位置の検出を行う。入力装置はさらに、駆動電極毎に設けられ、駆動信号に対して、駆動信号の立ち上がり部分および/または立下り部分において補正信号を付加して駆動電極に印加する複数の信号補正器15を備える。
信号補正器15により、駆動信号に補正信号を付加することにより、検知電極12や駆動電極11の引き出し線の長さに起因する時定数により信号の立ち上がり/立下りの応答性の低下を防止できる。また、複数の検知電極12間、複数の駆動電極11間での時定数のばらつきを均一にすることもできる。これにより、駆動電極11または検知電極12の時定数の影響を低減できるため、タッチ操作時の検出精度の低下を低減できる。
また、本開示における入力装置は、信号補正器15に加えて、または、それに代えて、複数の検知電極12の出力をそれぞれ積分する複数の積分器16と、複数の積分器の出力の立ち上がり、立下りの応答性を早くする位相補償を行う複数の位相補償器17と、を備えてもよい。
位相補償器17により、積分器16の出力(すなわち検出信号)の立ち上がり/立ち上がりの応答特性の低下を防止できる。また、積分器16の出力(すなわち検出信号)の立ち上がり/立ち上がりの応答特性を、駆動電極11間で均一になるように、積分器16の出力(すなわち検出信号)を補正できる。これにより、駆動電極11または検知電極12の時定数の影響を低減できるため、タッチ操作時の検出精度の低下を低減できる。
(他の実施の形態)
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態1を説明した。しかしながら、本開示は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
実施の形態1の入力装置においては、信号補正器15と位相補償器17の双方を設けたが、信号補正器15および位相補償器17のいずれか一方のみを設けてもよい。すなわち、実施の形態1では、(1)駆動電極11の引き出し線の時定数、(2)検知電極12の時定数、および(3)駆動電極11の時定数のすべての影響を低減する構成を説明した。しかし、(1)〜(3)のうちの少なくとも1つの時定数の影響を低減するように、信号補正器15および/または位相補償器17を設けてもよい。
また、実施の形態1においては、時定数の算出において、Elmoreの近似を用いたが、これに限定するものではない。
添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、タッチ操作を検出する入力装置およびそれを具備した表示装置において適用できる。
1 液晶パネル
2 バックライトユニット
3 走査線駆動回路
4 映像線駆動回路
5 バックライト駆動回路
6 センサ駆動回路
7 信号検出回路
8 信号制御装置
9 映像信号線
10 走査信号線
10−1、10−2・・・10−N ラインブロック
11 駆動電極
12 検知電極
13 センサ制御回路
14 タッチコントローラ
15 信号補正器
16 積分器
17 位相補償器
18 引き出し線
31 セレクタ
32 切り替え端子

Claims (8)

  1. ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置であって、
    複数の駆動電極と、
    前記複数の駆動電極と交差するように配置された複数の検知電極と、を備え、
    前記駆動電極に駆動信号を印加し、前記駆動電極と前記検知電極の交点における静電容量の変化に基づき変化する、前記検知電極それぞれから出力される検出信号を検出することによりタッチ位置の検出を行い、
    前記入力装置はさらに、
    前記駆動電極毎に設けられ、前記駆動信号に対して、前記駆動信号の立ち上がり部分および/または立下り部分において補正信号を付加して前記駆動電極に印加する複数の信号補正器を備える
    入力装置。
  2. 前記各信号補正器の補正量は、各信号補正器が接続する駆動電極の引き出し線の長さに応じて設定される請求項1に記載の入力装置。
  3. 前記各信号補正器の補正量は、各信号補正器が接続する駆動電極が交差する前記検知電極の位置と、前記検知電極の出力端との間の長さに応じて設定される請求項1に記載の入力装置。
  4. 前記検知電極の出力を積分する複数の積分器と、
    前記複数の積分器の出力の立ち上がり、立下りの応答性を早くする位相補償を行う複数の位相補償器と、をさらに備えた請求項1記載の入力装置。
  5. 前記位相補償器の位相補償特性は、前記位相補償器が前記積分器を介して接続する検知電極と各駆動電極との交点と、各駆動電極の入力端との間の長さに応じて設定される、請求項4記載の入力装置。
  6. ユーザによるタッチ操作を検出する入力装置であって、
    複数の駆動電極と、
    前記複数の駆動電極と交差するように配置された複数の検知電極と、を備え、
    前記駆動電極に駆動信号を印加し、前記駆動電極と前記検知電極の交点における静電容量の変化に基づき変化する、前記検知電極それぞれから出力される検出信号を検出することによりタッチ位置の検出を行い、
    前記入力装置はさらに、
    前記複数の検知電極の出力をそれぞれ積分する複数の積分器と、
    前記複数の積分器の出力の立ち上がり、立下りの応答性を早くする位相補償を行う複数の位相補償器と、を備える
    入力装置。
  7. 前記位相補償器の位相補償特性は、前記位相補償器が前記積分器を介して接続する検知電極と各駆動電極との交点と、各駆動電極の入力端との間の長さに応じて設定される請求項6に記載の入力装置。
  8. 1フレーム期間中に複数の走査信号線に走査信号を印加して表示の更新を行う表示部と、
    前記表示の更新と同期した期間において前記タッチ位置の検出を行う請求項1ないし7のいずれかの入力装置と
    を備えた表示装置。
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