JP2019125218A - タッチパネル及び表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】タッチセンサパネルのタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサの検出性能を向上可能な技術を提供することを目的とする。【解決手段】タッチパネルは、指示体との間に形成される静電容量の変化を検出可能なタッチセンサ102を含むタッチセンサパネル1と、タッチセンサパネル1のタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサ107と、シールド層105とを備える。シールド層105は、タッチ面と圧力センサ107との間に、タッチ面からみて圧力センサ107の少なくとも一部と重ねられて配設され、タッチパネル外部の誘電体と圧力センサ107との間に形成される静電容量を抑制可能である。【選択図】図1

Description

本発明は、タッチパネル及びそれを備えた表示装置に関する。
手指などの指示体によるタッチを検出して、そのタッチの位置を示す座標(タッチ座標)を検出するタッチパネルは、各種の情報処理装置の入力装置に広く用いられている。特に、表示装置の画面上に取り付けられたタッチパネルは、情報処理装置などにおける新たなユーザーインターフェースとして普及している。
静電容量方式の1つである投影型静電容量方式では、人の手指が、タッチパネル内に設けられたタッチセンサに与える僅かな静電容量の変化を検出回路で検出し、その検出結果からタッチスパネルにおけるタッチ座標を算出する。このような投影型静電容量方式によれば、タッチセンサが内蔵されるタッチパネルの前面側を厚さ数mm程度のガラス板等の保護板で覆った場合でもタッチ検出が可能である。このような投影型静電容量方式タッチパネルは、保護板を前面に配設することによって堅牢性に優れる点だけでなく、手袋装着時でもタッチ検出が可能である点、可動部を有しないため長寿命である点などを利点として有する。
投影型静電容量方式タッチパネルの保護板は、例えば、アクリル、ポリカーボネート等の透明樹脂基板またはガラス基板等で構成される。また、当該方式のタッチパネルでは、指示体によりタッチされるタッチ面の外形サイズを、静電容量を検出するセンサ面よりも大きくして、タッチ面がセンサ面をオーバハングによって覆う構造が用いられることが多い。このような構造によれば、意匠性に優れた製品を提供できるだけでなく、表示装置の筐体と組み合わせた際のシーリング性を向上することができる。
さて、投影型静電容量方式タッチパネルは、従来の抵抗膜方式などのタッチパネルでは使用できなかった、雨、海水、飲み物、薬品などが付着するような場所でも使用可能な防水性と、手袋装着時などにおける高感度の検出性能とを有する。しかしながら、水分などの高誘電物質がタッチ面に付着した場合には、指示体がタッチパネルをタッチしていないにも関わらず、検出値が高誘電物質に反応してタッチがあると検出することがある。このため、水分の付着によって指示体が検出されたと誤検出せずに安定に動作するタッチパネルが求められている。例えば特許文献1には、指示体の押下圧力を検出する圧力検出手段と、投影型静電容量方式による検出機能とを組み合わせ、指示体の操作と水分の付着とを識別することによって、タッチパネル動作を安定させたタッチパネルが開示されている。
特許第5866526号公報
特許文献1に開示されるタッチパネルでは、圧力検出手段に、静電容量方式と異なる圧電素子または圧電フィルムが用いられている。このため、投影型静電容量方式のタッチパネルに新たな検出方式の圧力検出機能が必要となり、コストが増えるという問題がある。また、圧電素子または圧電フィルムを用いて圧力を検出するためには、構造物がセンサと接触する必要があり、タッチ動作の度に接触及び非接触が繰り返されるため、耐久性に問題がある。
上記のような課題に対し、上記のような接触がなくても、センサ電極に導電体や誘電体が近接することによる容量変化から圧力を検出可能な圧力センサを、圧力検出手段として用いることが有効であることを発明者は見出した。また、この圧力センサは、静電容量方式タッチパネルと同様に静電容量を検出するため、静電容量方式タッチパネルとの組み合わせにおいて検出回路の流用が可能でかつ容易であり、低コスト化の観点からも有効であることを発明者は見出した。しかしながら、容量変化から圧力を検出可能な圧力センサと、指示体などとの間に寄生容量がある場合、その寄生容量は、圧力センサで検出される静電容量のノイズ成分となり、圧力センサの検出性能に悪影響を与えるという課題があった。
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、タッチセンサパネルのタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサの検出性能を向上可能な技術を提供することを目的とする。
本発明に係るタッチパネルは、指示体との間に形成される静電容量の変化を検出可能な静電容量検出センサを含むタッチセンサパネルと、前記タッチセンサパネルのタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサと、前記静電容量検出センサで検出される前記静電容量の変化と、前記圧力センサで検出される前記静電容量の変化とに基づいて、前記タッチ面への指示体のタッチに関する情報を生成する制御を行うタッチパネルコントローラと、前記タッチ面と前記圧力センサとの間に、前記タッチ面からみて前記圧力センサの少なくとも一部と重ねられて配設される導電材料を含むシールド層と、前記シールド層と前記圧力センサとを電気的に絶縁する絶縁層とを備える。
本発明によれば、タッチ面と圧力センサとの間に、タッチ面からみて圧力センサの少なくとも一部と重ねられて配設され、タッチパネル外部の誘電体と圧力センサとの間に形成される静電容量を抑制可能なシールド層を備える。このような構成によれば、タッチセンサパネルのタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサの検出性能を向上させることができる。
実施の形態1に係るタッチパネルの構成を示すブロック図である。 実施の形態1に係るタッチパネルの構成を示す平面図である。 実施の形態1に係るタッチパネルの構成を示す断面図である。 実施の形態1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 実施の形態1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。 実施の形態1に係る圧力センサの回路例を示す図である。 実施の形態1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 実施の形態1に係るタッチパネルの動作を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る検出可能領域を示す平面図である。 関連タッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 関連タッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 実施の形態1に係るタッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 実施の形態1に係るタッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 実施の形態1に係るタッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 実施の形態1に係るタッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。 変形例1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 変形例1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 変形例1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 変形例1に係るタッチパネルを適用した構造例を示す平面図である。 変形例2に係る検出可能領域を示す平面図である。 変形例2に係る検出可能領域を示す平面図である。 変形例2に係る検出可能領域を示す平面図である。 実施の形態2に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。 実施の形態2に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。 実施の形態2に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。 実施の形態2に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下、説明が重複して冗長になることを避けるため、各図において同一または相当する機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係るタッチパネル(タッチパネル装置)の構成を示すブロック図である。図1に示すように、当該タッチパネルは、タッチセンサパネル1と、タッチパネルコントローラ2とを含み、ホスト機器901と接続されている。
タッチセンサパネル1は、投影型静電容量方式のタッチセンサ102と、静電容量方式の圧力センサ107とを含んでいる。タッチセンサ102は、指などの指示体との間に静電容量を形成し、当該静電容量の変化を検出可能な静電容量検出センサである。圧力センサ107は、タッチセンサパネル1のタッチ面への圧力、例えば指示体からタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能なセンサである。以下の説明では、タッチセンサパネル1のタッチ面を「タッチ面」とのみ記す。
図1では、タッチセンサパネル1が圧力センサ107を含むように構成されている。つまり、圧力センサ107がタッチセンサパネル1の構成要素だけで構成されているが、本実施の形態1に係る圧力センサ107はこれに限ったものではない。例えば、圧力センサ107は、タッチセンサパネル1に含まれなくてもよいし、以下で説明するように、タッチセンサパネル1以外の構成要素に跨って構成されてもよい。
タッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化に基づいて、指示体がタッチ面をタッチした位置を示すタッチ座標を検出(算出)し、圧力センサ107で検出される静電容量の変化に基づいて指示体の押下圧力を検出する。そして、タッチパネルコントローラ2は、これら検出結果及びタッチの有無などを含む情報を、タッチ面への指示体のタッチに関するタッチ情報として生成する制御、及び、生成したタッチ情報を出力する制御を行う。タッチ情報を生成する制御は、タッチ情報を生成すること、及び、タッチ情報の生成を停止することを含み、タッチ情報を出力する制御は、タッチ情報を出力すること、及び、タッチ情報の出力を停止することを含む。
タッチパネルコントローラ2は、例えばコネクタやケーブル等の接続要素902を介してホスト機器901に接続されており、生成したタッチ情報などをホスト機器901に出力可能となっている。タッチパネルコントローラ2とホスト機器901との間の通信には、例えばUSB(Universal Serial Bus)、I2C(Inter-Integrated Circuit)、UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)などが用いられる。
図2は、本実施の形態1に係るタッチパネルの構成をタッチ面からみた平面図であり、図3は、当該構成の断面図である。なお、図2及び図3には、タッチセンサパネル1及びタッチパネルコントローラ2だけでなく、タッチセンサパネル1とタッチパネルコントローラ2とを電気的に接続するフレキシブル基板5(以下「FPC5」と記す)が図示されている。また、図3には、タッチセンサパネル1が表示面側に貼り付けられて一体化された表示装置である液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)に含まれる液晶モジュール8が図示されている。
図2及び図3のタッチパネルは、タッチセンサパネル1及びタッチパネルコントローラ2に加えて、FPC5と、シールド層105と、絶縁層106と、圧力センサ電極107aとを含む。タッチセンサパネル1は、透明基板101と、複数のXセンサ102a及び複数のYセンサ102bと、絶縁層104とを含む。タッチパネルコントローラ2は、静電容量検出回路201を含む。
これらの構成のうち、複数のXセンサ102aと、複数のYセンサ102bとは、図1のタッチセンサ102を構成する。また、後述するように、圧力センサ電極107aと、液晶モジュール8の金属フレーム801とは、図1の圧力センサ107を構成する。
タッチセンサパネル1は、複数のXセンサ102a及び複数のYセンサ102bを、マトリクス型センサとして内蔵している。図2のタッチセンサパネル1は、タッチ面へのタッチを検出するためのセンサとして、垂直方向に伸延し水平方向に並べて配設された複数のXセンサ102aと、水平方向に伸延し垂直方向に並べて配設された複数のYセンサ102bとを有している。つまり、複数のXセンサ102a及び複数のYセンサ102bは、互いに直交する配線として配設されている。
なお、図2及び図3では、図を簡単にするために複数のXセンサ102a及び複数のYセンサ102bの本数を少なくして、X0〜X3が付された4本のXセンサ102aと、Y0〜Y3が付された4本のYセンサ102bとが図示されている。以下、Xセンサ102a及びYセンサ102bを区別しない場合には、これらを「センサ102a」及び「センサ102b」と記して説明する。
図3に示すように、複数のセンサ102a,102bは、それぞれが絶縁層104に覆われた状態で、例えばフィルムやガラス等の透明基板101のタッチ面側に配設される。複数のセンサ102a,102bのそれぞれと、液晶モジュール8内の対向電極などとの間には寄生容量である自己容量Cgが形成され、Xセンサ102aとYセンサ102bとの間には相互容量Cmとが形成される。
図2の平面視において、タッチ面のうち、複数のセンサ102a,102bからなるタッチセンサ102が検出可能な領域を「検出可能領域102c」と記して以下説明する。この検出可能領域102cを囲む外周領域には、2点鎖線で示される圧力センサ電極107aと、1点鎖線で示されるシールド層105及び絶縁層106とが設けられている。
図3の断面視において、シールド層105は、透明基板101のタッチ面と反対側の面上に配設されている。タッチ面と反対側の面からみて、絶縁層106は、シールド層105上に配設され、圧力センサ電極107aは、絶縁層106上に配設されている。
シールド層105は、例えば導電材料を含むシールド電極である。このシールド層105は、タッチ面と圧力センサ107との間に、タッチ面からみて圧力センサ107の少なくとも一部と重ねられて配設されている。図2及び図3の例では、シールド層105の面積は、圧力センサ107を構成する圧力センサ電極107aの面積より大きく、かつ、圧力センサ107を構成する金属フレーム801より小さい。このため、シールド層105は、圧力センサ107の一部と重ねられている。圧力センサ107が、金属フレーム801の代わりに、シールド層105の面積よりも面積が小さい構成要素から構成されている場合には、シールド層105は、圧力センサ107の全てと重ねられて配設される。
さて、シールド層105は、後述するように、タッチパネルコントローラ2の静電容量検出回路201によって、GND(接地電位)、直流電源、または、容量検出用の励起信号と同相の交流信号を出力する交流電源と接続されて低インピーダンス化される。このように構成されたシールド層105は、例えば指示体及び高誘電物質などのタッチパネル外部の誘電体と、圧力センサ107との間に形成される、電気力線ひいては寄生容量(静電容量)を抑制可能または遮断可能となっている。これについては後で詳細に説明する。
FPC5は、タッチセンサパネル1側の複数のセンサ102a,102b、シールド層105、及び、圧力センサ電極107aと、タッチパネルコントローラ2側の静電容量検出回路201とを電気的に接続する。例えば、FPC5は、タッチセンサパネル1側の構成要素とは異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)を用いて圧着接続され、タッチパネルコントローラ2側の構成要素とはコネクタ等を用いて接続される。この接続により、配線501,502,503が形成される。
静電容量検出回路201は、配線501を介して複数のセンサ102a,102bと接続され、配線502を介してシールド層105と接続され、配線503を介して圧力センサ電極107aと接続されている。静電容量検出回路201は、複数のセンサ102a,102bを含むタッチセンサ102などの検出値から、ホスト機器901に出力されるタッチ座標などを算出する制御演算回路を有している。この制御演算回路は、励起信号発生回路、積分アンプ、サンプル&ホールド回路、ADコンバータなどからなる、静電容量を計測するメモリ及び演算回路を含む。
タッチセンサパネル1のタッチ面と反対側には、画像を表示する液晶モジュール8が配設されている。液晶モジュール8は、液晶パネル802と、LED(Light Emitting Diode)、導光板及び光学フィルムなどで構成されたバックライト803と、これらを覆う金属フレーム801とから構成されている。
液晶モジュール8は、両面テープ6によってタッチセンサパネル1と貼り合わされている。この両面テープ6は、比較的高いクッション性を有しており、圧力センサ電極107aと金属フレーム801との間のギャップが、タッチ面への圧力によって十分に変動できる程度に弾性変形することが可能となっている。
図4は、本実施の形態1に係るタッチパネルを適用したアウトセル構造を示す平面図であり、図5は、その構造の断面図である。図4には、図2及び図3に説明した構成に加えて、保護板3、透明粘着材(OCA:Optically Clear Adhesive)4、装置筐体9、及び、両面テープ10が図示されている。
タッチセンサパネル1は、複数のセンサ102a,102b及び透明基板101などの構造に加えて、保護板3と、透明粘着剤4とを含んでいる。
保護板3は、当該構造を保護する透明な板であり、保護板3の表面はタッチ面として用いられる。なお、保護板3のタッチ面と反対側の面のうち、タッチ面からみてセンサ102a,102bが設けられた領域以外の領域には、印刷などによって形成される意匠性を有する加飾部材301が設けられている。
透明粘着剤4は、保護板3と透明基板101とを貼り合わせている。装置筐体9は、保護板3、透明基板101、及び、液晶モジュール8などの側部を覆う。両面テープ10は、上述した両面テープ6と同様に弾性変形することが可能なテープであり、保護板3のタッチ面と反対側の面と、装置筐体9とを貼り合わせている。
さて、図4及び図5には、指などの指示体7がタッチ面をタッチしている状態が示されている。また、図4及び図5には、水、塩水、飲み物、薬品などの高誘電物質703が、タッチ面の外周部、具体的には、装置筐体9から端側のセンサ102a,102bまでの部分に付着した状態が示されている。
また、図5には、指示体7と複数のセンサ102a,102bとの間に形成される静電容量701、人体容量702、高誘電物質703と複数のセンサ102a,102bとの間に形成される結合容量704、高誘電物質703と金属フレーム801との間に形成される結合容量705、高誘電物質703と装置筐体9との間に形成される結合容量706、高誘電物質703とシールド層105との間に形成される結合容量707、圧力センサ電極107aと金属フレーム801との間に形成される結合容量708が図示されている。
ここで、結合容量708は、圧力センサ電極107a及び金属フレーム801から構成される圧力センサ107によって検出されるべき圧力センサ容量である。以下、このことについて詳細に説明する。
図6は、タッチ面への圧力を検出する圧力センサ107の回路例を示す図である。圧力センサ107では、圧力センサ電極107aと金属フレーム801とのギャップd1において、結合容量708が形成されており、金属フレーム801はGNDと電気的に接続されている。
図2及び図5の静電容量検出回路201は、励起信号回路202と、時間測定回路205とを含んでいる。励起信号回路202は、充電抵抗203を介して圧力センサ電極107aと電気的に接続されている。また、励起信号回路202は、充電抵抗203及びアンプ回路204を介してシールド層105と電気的に接続されている。時間測定回路205は、充電抵抗203、アンプ回路204及び圧力センサ電極107aと電気的に接続されている。
以上の接続により弛張発振回路が形成されている。この弛張発振回路において、励起信号回路202が、充電抵抗203を介して結合容量708に充電を行うと、当該充電における電圧波形は、充電抵抗203と結合容量(圧力センサ容量)708との積を時定数とする波形となる。このため、放電時点と、放電時点の電圧から一定電圧まで充電した時点との間の時間を、時間測定回路205で計測すれば、当該時間の変化量から結合容量708の変化量を求めることができ、求めた結合容量708の変化量からギャップd1の変動を求めることができる。弛張発振回路では、このように、ギャップd1の変動に基づく結合容量708の変化を、時間として検出することが可能となっている。なお、計測される時間の変化量はごく僅かであるため、当該時間を複数のタイミングで計測し、それによって得られた複数の時間に平均化処理を行ことなどが好ましい。
図6の圧力センサ電極107aの上には、絶縁層106を介してシールド層105が設けられ、シールド層105は、圧力センサ電極107aを覆うようにパターニングされている。ここで、仮にシールド層105が、フローティング状態などのハイインピーダンス状態である場合、時間測定回路205で測定される容量には、結合容量(圧力センサ容量)708だけでなく、高誘電物質703などとシールド層105との間に形成される結合容量707(図5)が含まれてしまう。この結合容量707は、タッチ面に印加された圧力に起因する容量ではないため、ノイズ成分となる。
詳細は後述するが、シールド層105をハイインピーダンス状態にするのではなくGNDに直接的または間接的に接続すれば、結合容量707によるノイズ成分を低減することができる。しかしながら、このようにシールド層105をGNDに接続しても、時間測定回路205で測定される容量は、結合容量(圧力センサ容量)708とはならず、結合容量(圧力センサ容量)708と、圧力センサ電極107aとシールド層105との間の寄生容量710(図6)との和になる。
ここで、仮に圧力センサ電極107aとシールド層105との間の距離d2がギャップd1に対して小さい場合や、絶縁層106の誘電率が大きい場合などには、寄生容量710が結合容量708に対して大きくなる。この場合、測定範囲を大きくする必要が生じたり、分解能が同じであれば相対的に感度が低下したりするなどの不具合が生じてしまう。この不具合を低減して、結合容量(圧力センサ容量)708を測定しやすくする、すなわち結合容量708の変化を高分解能かつ短時間で測定するためには、寄生容量710は小さいことが望ましい。
そこで本実施の形態1に係る好適タッチパネルでは、寄生容量710が小さくなるように、圧力センサ電極107aに印加される電圧波形と同じ電圧波形が、アンプ回路204によって低インピーダンス化されてシールド層105に印加されるように構成されている。詳細は後述するが、このような構成によれば、実質的に、シールド層105と圧力センサ107との間に電位差が発生しないので、寄生容量710を無視でき、結合容量(圧力センサ容量)708のみを測定することが可能となる。
なお以上では、結合容量(圧力センサ容量)708を検出する方式の例として、弛張発振方式を説明した。しかしながら、圧力に応じた容量変化を検出可能な方式であれば、他の検出方式であってもよい。また、距離d2がギャップd1に対して同等以上である場合には、自己容量方式の検出だけではなく、シールド層105の励起を行って圧力センサ107から検出(受信)する相互容量方式の検出も行ってもよい。
図7は、タッチセンサパネル1に配設されたシールド層105、絶縁層106、及び、圧力センサ電極107aの、タッチ面の反対側の面からみたパターンレイアウトの一例を示す図である。なお、圧力センサ電極107aのパターンは、検出数、センサ面積、センサ抵抗値、タッチパネルの光学性能(透過率、反射率、パターン見えなどの見栄え)などを考慮して決定される。これらパターンのバリエーションについては、後述する変形例1において詳細に説明する。
図8は、本実施の形態1に係るタッチパネルの動作を示すフローチャートである。図8のフローチャートでは、ステップS1の処理から始まり、ステップS3、ステップS6またはステップS7の処理が実行された後、再びステップS1の処理が行われるというループ処理が行われる。なお、ベースライン更新処理など、本実施の形態1の説明に直接関係しない処理については図示を省略している。
ステップS1にて、タッチセンサパネル1のタッチセンサ102は、指示体との間に形成された静電容量701を検出する。
ステップS2にて、圧力センサ107は、指示体の押下圧力に対応する、圧力センサ電極107aと金属フレーム801との間に形成された結合容量(圧力センサ容量)708を検出する。
ステップS3にて、静電容量検出回路201は、ステップS1で検出された静電容量701が、タッチ有無を判定するタッチ閾値を越えているか否かを判定する。静電容量701がタッチ閾値以下であると判定された場合には、静電容量検出回路201は、タッチ無しと判定し、ステップS1及びステップS2で検出された静電容量値とベースライン値とから最新のベースライン値を生成するなどの処理(図示せず)を行う。その後、処理がステップS1に戻る。静電容量701がタッチ閾値を超えていると判定された場合には、静電容量検出回路201は、タッチ有りと判定し、処理がステップS4に進む。
ステップS4にて、静電容量検出回路201は、タッチ有りと判定されたタッチについてタッチ座標を算出する。
ここで本実施の形態1では、タッチセンサ102が検出可能な図2の検出可能領域102cが2つの領域に区分されている。図9は、本実施の形態1に係る検出可能領域102cの一例を示す平面図である。図9の検出可能領域102cは、検出可能領域102cの端に規定された第1タッチ領域102c1と、検出可能領域102cの第1タッチ領域102c1以外の領域である第2タッチ領域102c2とを含んでいる。
第1タッチ領域102c1は、水などの高誘電物質703が付着しやすく、高誘電物質703と金属フレーム801または装置筐体9との結合容量705,706が検出されやすい範囲として規定される。つまり、第1タッチ領域102c1は、金属フレーム801や装置筐体9の位置によって規定される。なお、検出可能領域102cの外周から数本分のセンサ102a,102bの数本分が、高誘電物質703の影響受けやすい。このため、例えば、複数のセンサ102a,102bのそれぞれの幅が5mmである場合には、検出可能領域102cの外周から3本分のセンサ102a,102bの幅15mmだけ内側に入った領域が、第1タッチ領域102c1として規定されることが好ましい。なお、第1タッチ領域102c1及び第2タッチ領域102c2のバリエーションについては、後述する変形例2において詳細に説明する。
図8のステップS5にて、静電容量検出回路201は、算出されたタッチ座標が、第1タッチ領域102c1の座標であるか、第2タッチ領域102c2の座標であるかを判定するエリア判定を行う。つまり、静電容量検出回路201は、タッチセンサ102によって検出されたタッチが、第1タッチ領域102c1及び第2タッチ領域102c2のいずれの領域へのタッチであるかを判定する。
算出されたタッチ座標が、第1タッチ領域102c1の座標であると判定された場合には、水付着による誤検出の可能性が高いと判定されて、処理がステップS6に進む。算出されたタッチ座標が、第2タッチ領域102c2の座標であると判定された場合には、水付着による誤検出の可能性が低いと判定されて、処理がステップS7に進む。なお、マルチタッチにより複数点のタッチが検出され、かつ、複数のタッチ点の中に第1タッチ領域102c1の座標が1つ以上ある場合には、処理がステップS6に進んでもよい。
ステップS6にて、静電容量検出回路201は、ステップS2で検出された結合容量(圧力センサ容量)708に基づいて、タッチによる押下圧力があったか否かを判定する。タッチによる押下圧力があったと判定された場合には、水付着による誤検出の可能性が低いと判定されて、処理がステップS7に進む。タッチによる押下圧力がなかったと判定された場合には、水付着による誤検出の可能性が高いと判定されて、処理がステップS7に進まずにステップS1に戻る。
ステップS7にて、静電容量検出回路201は、タッチ座標等を含むタッチ情報を、図1のホスト機器901に出力する。これにより、水付着による誤検出の可能性が低いと判定された場合に、タッチ情報がホスト機器901に出力される。その後、処理がステップS1に戻る。
以上のように本実施の形態1では、静電容量検出回路201を含むタッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化と、圧力センサ107で検出される静電容量の変化とに基づいて、第1タッチ領域102c1に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行う。また、タッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化に基づいて、第2タッチ領域102c2に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行う。
次にステップS1でのタッチセンサ102の検出時、及び、ステップS2での圧力センサ107の検出時において、シールド層105に印加される電圧について説明する。
図10及び図11は、本実施の形態1に係るタッチパネルに関連する関連タッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。図12及び図13は、本実施の形態1に係るタッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。図14及び図15は、本実施の形態1に係る好適タッチパネルでの電圧印加を説明するための図である。図10,図12及び図14では、指などの指示体7によるタッチが行われている状態が図示されている。図11,図13及び図15では、水などの高誘電物質703が、保護板3のうちの第1タッチ領域102c1、例えば端のセンサ102a,102b及び金属フレーム801上の領域に付着された状態が図示されている。
図10〜図15には、複数の容量が図示されている。自己容量(Cg)709は、複数のセンサ102a,102bの自己容量であり、静電容量701は、指示体7または高誘電物質703と複数のセンサ102a,102bとの間に形成される静電容量である。結合容量707は、指示体7または高誘電物質703とシールド層105との間に形成される結合容量であり、結合容量711は、シールド層105と金属フレーム801との間に生成される結合容量である。シールド層105と装置筐体9との間の寄生容量も、結合容量711と同様に記載できるが、図の簡略化のため省略している。
寄生容量710は、図6を用いて説明したように、シールド層105と圧力センサ電極107aとの間に形成される寄生容量である。結合容量(圧力センサ容量)708は、図6を用いて説明したように、圧力センサ107で検出されるべき、圧力センサ電極107aと金属フレーム801との間に形成される結合容量である。この結合容量(圧力センサ容量)708は、タッチ面への指示体の押下圧力により、圧力センサ電極107aと、導電体や誘電体(ここでは金属フレーム801)との間の距離が変わると変動する。
さて、図10及び図11の状態と、図12及び図13の状態と、図14及び図15の状態とでは、シールド層105の電圧が異なっている。具体的には、図10及び図11に示される関連タッチパネルでは、シールド層105はフローティング状態(ハイインピーダンス状態)である。図12及び図13に示される実施の形態1に係るタッチパネルでは、シールド層105がGNDに接続されている。図14及び図15に示される実施の形態1に係る好適タッチパネルでは、シールド層105が、励起信号回路202を介してGNDと接続されている。そして図14及び図15の構成では、励起信号回路202は、複数のセンサ102a,102bによる静電容量検出時の励起信号と同位相の信号、及び、圧力センサ107による静電容量検出時の励起信号と同位相の信号を、シールド層105に印加可能となっている。
次に、上記3つの状態のそれぞれについて、複数のセンサ102a,102bによる静電容量検出時に誤差要因となる寄生容量成分(以下「Cet」と記載することもある)と、圧力センサ107による静電容量検出時に誤差要因となる寄生容量成分(以下「Cef」と記載することもある)とについて説明する。
<関連タッチパネル>
まず、図10及び図11に示される関連タッチパネルについて説明する。図10及び図11では、シールド層105は、何も接続されておらずフローティング状態(ハイインピーダンス状態)となっている。
<関連タッチパネル:センサ102a,102bからみた自己容量>
図10及び図11でのセンサ102a,102bからみた自己容量(全ての寄生容量の総和)は、C709+(C701//(C702+(C707//(C711+(C710//C708)))))と表される。なお、[A+B]はAとBとの接続が並列接続であることを示し、[A//B]はAとBとの接続が直列接続であることを示す。
図10のタッチによって増加する容量、及び、図11の水などの高誘電物質703の付着によって増加する容量は、上式からC709を除いた式で表され、具体的にはC701//(C702+(C707//(C711+(C710//C708))))と表される。この式から、タッチセンサ102による検出時に誤差となる寄生容量Cetは、C707//(C711+(C710//C708)と表される。
図10のタッチ状態では、人体容量C702は、40〜100pF程度であり、Cetに対して十分大きいため、金属フレーム801にノイズが入らなければ、寄生容量Cetによるタッチ容量C701への影響は十分に小さい。
図11の高誘電物質703の付着状態では、高誘電物質703はアース(仮想接地)されないので、図10の人体容量C702はほぼ0(ゼロ)であり、図11では人体容量C702は図示されていない。全センサを等電位で励起する自己容量方式の構成では、タッチパネルの全てのセンサ102a,102bがほぼ等電位となり、各々のセンサ102a,102b間の容量も小さい。このため、高誘電物質703の付着状態で、かつ、自己容量方式の構成では、寄生容量CetがC701に対して無視できない程度(100fF以上)になることがあり、タッチセンサ102によるタッチ検出の誤差の原因となる。
<関連タッチパネル:圧力センサ電極107aからみた自己容量>
図10及び図11での圧力センサ電極107aからみた自己容量(全ての寄生容量の総和)は、C708+(C710//(C711+(C707//(C702+(C701//C709)))))と表される。
押下圧力として検出したい容量は、圧力センサ容量C708である。このため、図10及び図11での圧力センサ107による検出時に誤差となる寄生容量Cef(圧力センサ電極107aと指示体7との寄生容量)は、C710//(C711+(C707//(C702+(C701//C709))))と表される。
人体容量C702は40〜100pF程度であり、C707と比較して十分に大きい。このため、図11では寄生容量Cef≒C710//(C711+C707)となる。C707はおよそ1pF以下であり小さい値となるが、圧力センサ容量C708の変動量が小さい場合には、圧力センサ107による圧力検出の誤差の原因となる。
<実施の形態1に係るタッチパネル>
次に、図12及び図13に示される実施の形態1に係るタッチパネルについて説明する。図12及び図13では、シールド層105はGNDに接続されている。
<実施の形態1に係るタッチパネル:センサ102a,102bからみた自己容量>
図12及び図13でのセンサ102a、102bからみた自己容量(全ての寄生容量の総和)では、センサ102a、102bからみてシールド層105よりもGND側に接続された寄生容量は影響しなくなる。このため、当該自己容量は、C709+(C701//(C702+C707))となり、タッチセンサ102による検出時に誤差となる寄生容量CetはC707となる。
図12のタッチ状態では、寄生容量Cetは、前述の通り人体容量C702と比較して十分小さいので、タッチ容量C701への影響は十分に小さい。
図13の高誘電物質703の付着状態では、図11の状態と同様、寄生容量CetがC701に対し無視できない程度(100fF以上)になることがあり、タッチセンサ102によるタッチ検出の誤差の原因となる。ただし、図13の寄生容量Cetは、図11の寄生容量Cetよりも低減されるので、関連タッチパネルよりも、タッチセンサ102によるタッチ検出の誤差を低減することができる。
<実施の形態1に係るタッチパネル:圧力センサ電極107aからみた自己容量>
図12及び図13での圧力センサ電極107aからみた自己容量(全ての寄生容量の総和)は、C708+C710と表される。つまり本実施の形態1では、シールド層105がGNDに接続されることによって、押下圧力として検出する容量に、圧力センサ電極107aと指示体7または高誘電物質703との間に形成される容量C707が含まれなくなる。この結果、関連タッチパネルよりも、圧力センサ107による圧力検出の誤差を低減することができる。ただし、この場合であっても、圧力センサ電極107aからみた自己容量には、C708だけでなくC710が含まれている。
<実施の形態1に係る好適タッチパネル>
次に、図14及び図15に示される実施の形態1に係るタッチパネルについて説明する。図14及び図15では、タッチセンサ102による検出時には、タッチセンサ102の静電容量検出用の励起信号と同位相の信号が、シールド層105に印加される。そして、タッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102に印加される励起信号と同位相の交流信号がシールド層105に印加されている場合に、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化を用いて、タッチ情報を生成する。
また、圧力センサ107による検出時には、圧力センサ107の静電容量検出用の励起信号と同位相の信号が、シールド層105に印加される。そして、タッチパネルコントローラ2は、圧力センサ107に印加される励起信号と同位相の交流信号がシールド層105に印加されている場合に、圧力センサ107で検出される静電容量の変化を用いて、タッチ情報を生成する。
<実施の形態1に係る好適タッチパネル:センサ102a,102bからみた自己容量>
図14及び図15でのセンサ102a,102bからみた自己容量では、シールド層105にタッチセンサパネル1の静電容量計測用の励起信号と同位相の信号を印加することで、C707は影響しなくなる。このため、当該自己容量は、C709+(C701//C702)となり、タッチセンサ102によるタッチ検出の誤差となる寄生容量Cetは実質的に無くなる。
そして、図14のタッチ状態だけでなく、図15の高誘電物質703の付着状態でもタッチセンサ102によるタッチ検出の誤差となる寄生容量Cetが無くなる。このため、図14及び図15のタッチパネルでは、図12及び図13のタッチパネルと比べて、タッチセンサ102によるタッチ検出の誤差を低減することができ、水付着時のロバスト性が改善する。
<実施の形態1に係る好適タッチパネル:圧力センサ電極107aからみた自己容量>
図14及び図15での圧力センサ電極107aからみた自己容量(全ての寄生容量の総和)では、圧力センサ107の静電容量検出用の励起信号と同位相の信号がシールド層105に印加されることにより、C710は影響しなくなる。このため、当該自己容量は、圧力センサ電極107aと指示体7との間の寄生容量であるC710を含まずに、C708と表される。このため、図14及び図15のタッチパネルでは、図12及び図13のタッチパネルと比べて、圧力センサ107による圧力検出の誤差を低減することができる。
<実施の形態1のまとめ>
以上のような本実施の形態1に係るタッチセンサパネル1によれば、シールド層105によって、指示体7及び高誘電物質703などのタッチパネル外部の誘電体と、圧力センサ107との間に形成される静電容量である結合容量707を抑制する。このような構成によれば、タッチセンサパネル1のタッチ面への圧力を検出するために圧力センサ107に検出される静電容量のノイズを低減することができる。このため、圧力センサ107の検出性能を高めることができる。
また本実施の形態1によれば、タッチセンサ102に印加される励起信号と同位相の交流信号がシールド層105に印加されている場合にタッチセンサ102で検出される静電容量の変化を用いて、タッチ情報を生成する。また、圧力センサ107に印加される励起信号と同位相の交流信号がシールド層105に印加されている場合に圧力センサ107で検出される静電容量の変化を用いて、タッチ情報を生成する。このような構成によれば、水付着時のロバスト性が改善するので、押下圧力検出時の誤差を低減することができる。
また本実施の形態1によれば、タッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化と、圧力センサ107で検出される静電容量の変化とに基づいて、第1タッチ領域102c1に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行う。また、タッチパネルコントローラ2は、タッチセンサ102で検出される静電容量の変化に基づいて、第2タッチ領域102c2に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行う。このような構成によれば、指示体7と水などの高誘電物質703とを識別することができるため、タッチ面への高誘電物質703の付着を、タッチ面への指示体7のタッチとして検出してしまう誤検出を抑制することができる。
<変形例1>
以上の説明では、図7を用いて、シールド層105、絶縁層106、及び、圧力センサ電極107aの、タッチ面の反対側の面からみたパターンレイアウトの一例を説明したが、パターンレイアウトはこれに限ったものではない。
例えば、光学性能を優先する場合には、図7、図16、図17またはこれらの組み合わせのように、シールド層105、絶縁層106、及び、圧力センサ電極107aは、タッチ領域以外ひいては表示領域以外の領域に配設されてもよい。
また例えば、光学性能よりも圧力センサの感度性能を優先する場合には、図18または図19のように、シールド層105、絶縁層106、及び、圧力センサ電極107aは、表示領域内に配設されてもよい。
なお、圧力の有無のみを検出する場合には、図7または図18のように、1つの圧力センサ電極107aを配設して、圧力センサ電極107aの面積を可及的に増やした方が、検出感度が上がる。しかしながら、その構成では、圧力の位置を検出することはできないため、タッチ面の周辺部で水などの高誘電物質が付着している状態で、指示体7がタッチ面の中心をタッチしている場合には、当該高誘電物質を指示体として検出してしまい、その座標が出力される可能性が多少ある。
これに対して、図16、図17、図19またはこれらの組み合わせのように、複数の圧力センサ電極107a、ひいては複数の圧力センサ107を配設して、おおよその圧力が印加された位置を把握できれば、高誘電物質を指示体として検出してしまうことをさらに抑制することができる。なお、圧力センサ電極107aの数は、感度と、計算に必要な検出数(圧力センサ107の数)とで決定すればよい。
<変形例2>
以上の説明では、図9を用いて、第1タッチ領域102c1が第2タッチ領域102c2の全周囲を囲う一例を説明したが、これに限ったものではない。例えば、タッチパネルが屋外に配設される機器などにおいては、表示装置とともにタッチパネルが垂直に配設されることが多く、水が流れ落ちる画面下部での誤検出が多い。このように、タッチパネルの配設条件によって、誤検出が生じやすい部分が異なることが多い。このため、第1タッチ領域102c1及び第2タッチ領域102c2は、図20、図21または図22のように規定されてもよい。
また、図9、図20〜図22では、検出可能領域102cの短手方向が重力の方向として第1タッチ領域102c1及び第2タッチ領域102c2が図示されているが、第1タッチ領域102c1及び第2タッチ領域102c2はこれに限ったものではない。例えば、視野角などの都合で、検出可能領域102cの上下が反転されてもよいし、製品などの都合で、検出可能領域102cの縦方向が横方向より長くされてもよい。
<実施の形態2>
図23〜図26は、本発明の実施の形態2に係るタッチパネルを適用した構造例を示す断面図である。本実施の形態2では、絶縁層106及び圧力センサ電極107aなどが、保護板3に設けられた加飾部材301上に配設されている点が、実施の形態1と異なる主な点である。このうち図23及び図25の構造では、圧力センサ107が、圧力センサ電極107aと金属フレーム801との間に形成される容量を検出するのではなく、圧力センサ電極107aと装置筐体9との間に形成される容量を検出する点でも実施の形態1と異なっている。つまり、図23及び図25の構造では、圧力センサ107は、圧力センサ電極107aと装置筐体9とによって構成されており、図24及び図26の構造では、圧力センサ107は、圧力センサ電極107aと金属フレーム801とによって構成されている。
さて、一般的な投影静電容量方式タッチパネルでは、意匠性や防水性などの理由で保護板3のサイズはタッチセンサパネル1のサイズより大きい。このため、図23などのように、タッチセンサパネル1ではなく保護板3の加飾部材301上に、シールド層105、絶縁層106及び圧力センサ107をこの順に配設した方が、圧力センサ107を大きくすることができ、圧力センサ107の感度を向上させることができる。つまり、シールド層105が加飾部材301上に配設され、絶縁層106が、シールド層105と圧力センサ107との間に配設された方が、圧力センサ107の感度を向上させることができる。また、一般的に、加飾部材301が表示領域外周部に設けられる点も、外周領域の押圧検出に有利である。
図24には、透明基板101と保護板3とを、一体化したOGS(One Glass Solution)構造のタッチパネルが示されている。OGS構造では、加飾部材301に導電性を持たせることが可能である。このようなOGS構造によれば、シールド層105は、遮光性を有し、かつ加飾されることによって、加飾部材301としても用いることができるので、材料の低減化が期待できる。また、OGS構造によれば、タッチセンサ102を構成する複数のセンサ102a,102bと圧力センサ電極107aとが同一面に配設されるため、これらとFPCとをACFなどで圧着することが容易となることも期待できる。
なお、シールド層105、絶縁層106及び圧力センサ107が、この順に加飾部材301上に配設された静電容量方式タッチパネルであれば、センサ材料、構造及び検出方式は図23及び図24の構成のそれらに限ったものではない。
例えば図25のようにOGS構造を有する保護板3と透明基板101とを貼り合せた構造であってもよいし、図26のようにインセル型の電容量方式タッチパネルの構造であってもよい。また、上述した変形例1及び2は、本実施の形態2に適用されてもよい。
<その他の変形例>
以上に説明したタッチパネルでは、タッチセンサ102は、X−Yのマトリクス型のセンサ102a,102bから構成されると説明したが、これに限ったものではなく、例えばセグメントタイプの1層構造のセンサから構成されてもよい。
また以上では、両面テープ6,10によって、タッチセンサパネル1と液晶モジュール8との間の貼り合わせた構成について説明した。しかしこれに限ったものではなく、タッチセンサパネル1と液晶モジュール8との間を、弾性変形することが可能な透明の樹脂などで埋めて、タッチセンサパネル1及び液晶モジュール8のそれぞれと空気層との界面を無くしたオプティカルボンディングなどを、両面テープ6,10の代わりに用いてもよい。このような構成によれば、反射率などを低下させて視認性を向上させることができる。また、表示装置には、液晶を用いた液晶表示装置のみならず、有機EL(electroluminescence)、その他の表示方式を用いた表示装置でも適用可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び各変形例を自由に組み合わせたり、各実施の形態及び各変形例を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 タッチセンサパネル、2 タッチパネルコントローラ、7 指示体、8 液晶モジュール、102 タッチセンサ、102c 検出可能領域、102c1 第1タッチ領域、102c2 第2タッチ領域、105 シールド層、106 絶縁層、107 圧力センサ、301 加飾部材、703 高誘電物質。

Claims (10)

  1. 指示体との間に形成される静電容量の変化を検出可能な静電容量検出センサを含むタッチセンサパネルと、
    前記タッチセンサパネルのタッチ面への圧力を静電容量の変化として検出可能な圧力センサと、
    前記静電容量検出センサで検出される前記静電容量の変化と、前記圧力センサで検出される前記静電容量の変化とに基づいて、前記タッチ面への指示体のタッチに関する情報を生成する制御を行うタッチパネルコントローラと、
    前記タッチ面と前記圧力センサとの間に、前記タッチ面からみて前記圧力センサの少なくとも一部と重ねられて配設される導電材料を含むシールド層と、
    前記シールド層と前記圧力センサとを電気的に絶縁する絶縁層と
    を備える、タッチパネル。
  2. 請求項1に記載のタッチパネルであって、
    前記シールド層は、
    前記タッチセンサパネルの前記タッチ面と反対側の面上に配設され、
    前記絶縁層は、
    前記シールド層と前記圧力センサとの間に配設されている、タッチパネル。
  3. 請求項1または請求項2に記載のタッチパネルであって、
    前記タッチセンサパネルは、
    前記タッチ面と反対側の面のうち、前記タッチ面からみて前記静電容量検出センサが設けられた領域以外の領域に設けられた加飾部材をさらに含み、
    前記シールド層は、
    前記加飾部材上に配設され、
    前記絶縁層は、
    前記シールド層と前記圧力センサとの間に配設されている、タッチパネル。
  4. 請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記タッチセンサパネルは、
    前記静電容量検出センサが設けられた構造と、
    前記構造を保護し、前記タッチ面である表面を有する保護板と
    をさらに含み、
    前記保護板は、
    前記タッチ面と反対側の面のうち、前記タッチ面からみて前記静電容量検出センサが設けられた領域以外の領域に設けられた加飾部材を含む、タッチパネル。
  5. 請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記シールド層は、遮光性を有し、かつ加飾されている、タッチパネル。
  6. 請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記タッチパネルコントローラは、
    前記静電容量検出センサに印加される励起信号と同位相の交流信号が前記シールド層に印加されている場合に前記静電容量検出センサで検出される前記静電容量の変化を用いて、前記情報を生成する、タッチパネル。
  7. 請求項1から請求項6のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記タッチパネルコントローラは、
    前記圧力センサに印加される励起信号と同位相の交流信号が前記シールド層に印加されている場合に前記圧力センサで検出される前記静電容量の変化を用いて、前記情報を生成する、タッチパネル。
  8. 請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記タッチ面のうち前記静電容量検出センサが検出可能な検出可能領域は、
    前記検出可能領域の端に規定された第1タッチ領域と、前記検出可能領域の前記第1タッチ領域以外の領域である第2タッチ領域とを含み、
    前記タッチパネルコントローラは、
    前記静電容量検出センサで検出される前記静電容量の変化と、前記圧力センサで検出される前記静電容量の変化とに基づいて、前記第1タッチ領域に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行い、
    前記静電容量検出センサで検出される前記静電容量の変化に基づいて、前記第2タッチ領域に指示体がタッチした位置の座標を生成する制御を行う、タッチパネル。
  9. 請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルであって、
    前記シールド層は、直接的または間接的に接地電位と接続されている、タッチパネル。
  10. 請求項1から請求項9のうちのいずれか1項に記載のタッチパネルが表示面側に設けられた、表示装置。
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