JP5089806B2 - 高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置 - Google Patents

Description

本発明は、高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置に関し、特に、入出力信号伝達用配線電極の本数を増加させず、大型タッチパネル装置に用いることができ、同一サイズのタッチパネル装置の場合には精密な座標位置感知が可能であることから、同一本数の位置感知用メインセンサ電極を有する場合、信号伝達用配線電極の本数が減少するのでスペースを低減することができ、軽薄短小化を達成できる高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置に関する。

従来、グラフィックユーザーインターフェース（Graphic User Interface）システムの発達及び大衆化に伴い、入力の簡単なタッチパネル装置（Touch panel device）の使用が普遍化してきたが、前記タッチパネル装置に用いられる方式には、大きく分けて抵抗膜方式、静電容量方式、光センサ方式、超音波方式、電磁誘導（Electromagnetic）方式、ベクトル力（Vector Force）方式等がある。

このようなタッチパネル装置は、各々種類別に欠点を有しているため、すべてのアプリケーション（Application）に問題なく使用することはできない。

抵抗膜方式は、二枚の基板間の透明導電膜が接触して動作する方式であって、従来のタッチパネル装置方式の中で最も実現しやすく、性能に優れているものの、機械的及び環境的信頼性が劣るという欠点がある。

光センサ方式は、光出力素子と光入力素子との間の光経路が遮断される際に位置を判別する方式であって、外光の影響を受けるという欠点がある。

また、超音波方式も光センサ方式と同様に音波発生素子と音波認識素子との間の音波経路が遮断される際に位置を判別する方式であって、工場の騒音又はノイズに脆弱であるという欠点がある。

電磁誘導方式は、ファラデー（Faraday）法則の磁石と起電力発生の原理を用いた方式であって、各々位置別にコイルに流れる電流の量を判断して座標を計算する。コイルに交流の信号を印加しなければならないため、特殊な専用ペンを必要とするという欠点がある。

一方、静電容量方式は、センサ電極と指との間に静電容量の変化により流れる微細な電流を感知して位置を判別する方式であって、ノイズ信号に脆弱であるという欠点があるが、環境的信頼性に強く、上部に位置する保護層（Protective Layer）の変更により、機械的信頼性も自在に変えることができるという利点がある。

このような静電容量方式には図１のアナログ（Analog）方式と図２のデジタル（Digital）方式がある。図１は従来技術に係るアナログ方式電極の構造を示す図であり、図２は従来技術に係るデジタル方式電極の構造を示す図である。

図１及び図２に示すように、アナログ方式は、センサ電極１０がシート（Sheet）形状の電極であって、感知動作領域内にパターンが必要なく、デジタル方式は、感知動作領域内に一定の形状のパターン（pattern）化されたセンサ電極２０が必要である。アナログ方式もデジタル方式も基本的に外部環境からセンサ電極１０、２０を保護するための特定誘電率を有する保護層（図示せず）を備える。

センサ電極１０、２０に交流成分の信号が印加され、広い意味として接地成分の導体と言える、指を通じて流れる微細電流の量を判断して位置を判別する方式と、対となる二本の電極のうち片方に交流信号を印加し、この際、指によって歪む静電容量（Capacitor）の変化量を感知して位置を感知する方式との二種類がある。

人の指を通じて流れる微細な電流の量を図１でのように四隅で測定し、この値から座標を認識することになる。パネルのセンサ電極１０に電気的信号を伝達するリード電極１２が４本であるので、パネルの画面のサイズが大きくなってもリード電極１２の設置領域の幅が大きく増加せず、大型パネルの軽薄短小化に有利であるが、微細な電流の量を相対的な比較値で計算するため、回路制御部が複雑になり、初期値が変わるなど外部環境のノイズの変化に脆弱であるという欠点がある。

なお、接触点の数が複数個の場合、接触点を中間地点に認識するので、複数の接触（Multi Touch）機能の実現が難しいという欠点がある。

従来のデジタル方式の場合も、外部環境のノイズの変化に脆弱であるという欠点があるものの、アナログ方式とは異なり、温度、湿度、抵抗値の変化などによる初期値の変化による接触位置の変化は防ぐことができる。

このようなデジタル方式をより詳細に理解するために、図３及び図４を参照する。図３及び図４は従来のデジタル方式電極の構造をそれぞれＸ軸、Ｙ軸で詳しく表現した図である。

これから、基板３０の上に位置認識用センサ電極３１、４１及びこれらを電気的に接続する信号伝達用ブリッジ電極３２、４２が形成されることが分かる。

一方、図５は、図２でのＢ−Ｂ’線に沿う断面構造を概略的に示す図である。

図５に示すように、基板２１の上下部にセンサ電極２０が不連続的に形成されており、センサ電極２０は保護層３０により覆われているので、外力からセンサ電極２０を保護する。

このように、アナログ方式とは異なり、デジタル方式は、センサ電極２０が接続されたそれぞれの格子（Grid）状のＸ軸及びＹ軸により交流信号を印加し、この際、指から伝達されて流れる微細電流の変化量をＹ軸及びＸ軸でそれぞれ測定し、最も変化が大きい地点での位置を指の接触位置として認識することになる。

デジタル方式は、寄生静電容量（Parasitic Capacitance、図５におけるＣ１、Ｃ２及びＣ３）により流れる交流信号を利用して位置座標を計算するが、正確な位置座標を計算するためには単位面積当たり一定の数以上の位置感知用センサ電極２０が必要である。ここで位置座標を正確に認識するメカニズムを詳しく説明する。

図６は、従来の小型に実現されるデジタル方式による静電容量結合の特性を示すグラフである。

図６に示すように、指と信号を交換する位置感知用センサ電極の密度が十分であるので、正確な位置座標計算が可能である。不連続的なセンサ電極により得られた信号を用いて位置座標を計算するために、センサ電極別信号を正規分布形態を有するガウス（Gausian）曲線で示すことができ、この際、電極の間に信号レベルが存在しない領域で近似したガウス関数値を用いて最大値を示す地点を指が接触した位置座標に設定することができる。

しかしながら、小型デジタル方式の場合とは異なり、大型デジタル方式は、図７から分かるように、少なくとも２〜３つの電極信号を有することができないため、ガウス関数を適用できないという問題がある。図７は、従来の大型に実現されるデジタル方式による静電容量結合の特性を示す図である。

大型デジタル方式であっても信号伝達用配線電極が設けられる領域の非活性領域（Non-Active Area）の幅が大幅に増加するのではなく、小型デジタル静電容量方式より小幅な増加で済む。一般に、タッチパネル装置の非活性領域は、液晶ディスプレイ装置（ＬＣＤ）の電極設計マージン領域、即ち、非表示領域（Non-Viewing Area）とほとんど一致するように設計するが、液晶ディスプレイ装置の非表示領域の幅は、その大きさと関係なくほとんど一定に２〜３ｍｍ内に設計される。

信号伝達用配線電極の大きさや本数は非活性領域の幅の影響を受けるので、実際的表示領域（Display Area）に設けることができる位置感知用センサ電極の数は、小型の方式に比べほとんど増加させることができないという問題がある。

そのために、センサ電極間の間隔が広くなるので、これを補完するためにセンサ電極の面積を増加させるが、このような場合、指とセンサ電極間の寄生静電容量が増加して静電容量も増加する効果はあるものの、指により静電容量結合が起きるセンサ電極の数が増加するのではない。

従って、指により静電容量結合が起きるセンサ電極の面積が大きくなり、一定の面積以上になると指の微細な動きを感知することはできなくなるので、センサ電極の大きさは、指がタッチパネル装置に接触する際、接触面積内にＸ軸及びＹ軸センサ電極が少なくとも２〜３本程度になるべくセンサ電極の大きさが決定されなければならない。即ち、大型の場合、正確な位置感知が不可能になるので、デジタル方式の場合、適用できるディスプレイ表示装置の大きさが制限されるという問題点があった。

本発明の目的は、入出力信号伝達用配線電極の本数を増加させず、大型タッチパネル装置に用いることができ、同一サイズのタッチパネル装置の場合には精密な座標位置感知が可能であることから、同一本数の位置感知用メインセンサ電極を有する場合、信号伝達用配線電極の本数が減少するのでスペースを低減することができ、軽薄短小化を達成できる高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置を提供することにある。

本発明は、上述した技術的課題を達成するために、基板と、前記基板の中央部に形成されて映像が表示される表示領域と、前記表示領域の外周部に形成されて前記基板の端部まで伸び、複数の信号伝達用配線電極が位置する非活性領域と、前記表示領域に位置して、座標を表示するために２次元的に配列される２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と、前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極が各方向に互いに電気的に接続されるように、その間に位置する複数のブリッジ電極と、前記複数の信号伝達用配線電極の一端はそれぞれ前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と接続され、その他端が電気的に接続された外部端子部と、前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極のそれぞれには電気的に接続されるが、前記複数のブリッジ電極が接続された方向とは異なる方向に形成された位置感知用サブ電極とを含むことを特徴とする高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネルを提供する。

本発明の一実施例によると、前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極はそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に伸びて備えることができる。

本発明の他の実施例によると、前記位置感知用メインセンサ電極に接続される位置感知用サブセンサ電極は少なくとも一つ以上である。

本発明のまた他の実施例によると、前記位置感知用サブセンサ電極は、前記複数のブリッジ電極が形成された方向と直角になる。

本発明のまた他の実施例によると、前記位置感知用サブセンサ電極の形状は、前記位置感知用メインセンサ電極と同一である。

本発明のまた他の実施例によると、前記位置感知用サブセンサ電極の形状は、三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形及び円形の形状からなる群より選ばれる少なくとも一つである。

本発明のまた他の実施例によると、前記位置感知用サブセンサ電極は、第１補助電極および第２補助電極を含むことができる。

本発明のまた他の実施例によると、前記第１補助電極および第２補助電極の面積の和は、前記位置感知用サブセンサ電極と同一である。

本発明のまた他の実施例によると、前記第１補助電極および第２補助電極は、その面積比（ratio）は、
である（但し、ｍは位置感知用サブセンサ電極の本数であり、ｘは任意番目の位置感知用サブセンサ電極である。）。

本発明に係る高感度デジタル静電容量方式のタッチパネル装置は、入出力信号伝達用配線電極の本数を増加させず、大型タッチパネル装置に用いることができ、同一サイズのタッチパネル装置の場合には精密な座標位置感知が可能であることから、同一本数の位置感知用メインセンサ電極を有する場合、信号伝達用配線電極の本数が減少するのでスペースを低減することができ、デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置の軽薄短小化を達成できるという効果を有する。

従来技術に係るアナログ方式電極の構造を示す図である。 従来技術に係るデジタル方式電極の構造を示す図である。 従来のデジタル方式電極の構造をＸ軸で詳しく表現した図である。 従来のデジタル方式電極の構造をＹ軸で詳しく表現した図である。 図２でのＢ-Ｂ'線に沿う断面構造を概略的に示す図である。 従来の小型に実現されるデジタル方式による静電容量結合の特性を示すグラフである。 従来の大型に実現されるデジタル方式による静電容量結合の特性を示す図である。 本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置を概略的に表現した図である。 本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置の位置感知用サブセンサ電極を中心に示す図である。 図１０ａおよび図１０ｂは、それぞれ本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネルの断面を概略的に示す図である。

以下、本発明を詳しく説明する。

本発明を添付の図面及び実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。図面における膜又は領域の大きさ及び厚さは、明細書の明確性のために誇張されたものである。

本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置は、基板と、前記基板の中央部に形成されて映像が表示される表示領域と、前記表示領域の外周部に形成されて前記基板の端部まで伸び、複数の信号伝達用配線電極が位置する非活性領域と、前記表示領域に位置して、座標を表示するために２次元的に配列される２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と、前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極が各方向に互いに電気的に接続されるように、その間に位置する複数のブリッジ電極と、前記複数の信号伝達用配線電極の一端は、それぞれ前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と接続され、その他端が電気的に接続された外部端子部と、前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極のそれぞれには電気的に接続されるが、前記複数のブリッジ電極が接続された方向とは異なる方向に形成された位置感知用サブ電極とを含む特徴がある。

先ず、図８は、本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置を概略的に示す図である。

図８に示すように、基板１００、表示領域２００、非活性領域３００、信号伝達用配線電極４００、位置感知用メインセンサ電極５０１、５０２、ブリッジ電極６００、外部端子部７００及び位置感知用サブセンサ電極８００が形成されている。

このような構成により、デジタル方式の軽薄短小化と、信号伝達用配線電極４００の数を増加させない範囲内で高感度の入力信号の認識が可能なタッチパネル装置を実現できる。

基板１００は、様々な材質や形状を適用でき、例えば、ガラス、プラスチック及びフィルムからなる群より選ばれる少なくとも一つであり、その形状は、四角形だけでなく多角形や円形の形状も可能である。

基板１００は大きく二つの部分に領域を分けることができるが、実際に人の指のような外部のタッチによって入力信号を発生させたり、本発明が液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、有機発光装置、電界発生装置のようなディスプレイ装置に具現される場合に様々な映像を表示できる表示領域２００と、ディスプレイ装置を保護するために最外周部に配置される製品ケースに遮られて見えない非活性領域３００とがここに該当する。

非活性領域３００は、主に信号伝達用配線電極４００が配置され、ここの一端部には外部端子部７００が備えられ、外部の電気回路（図示せず）と電気的に接続される。例えば、ＦＰＣ（Flexible printed circuit）のような電子部品素材が結合される。

また、表示領域２００の内部には、複数の位置感知用メインセンサ電極５０１、５０２が２組配置される。
ここで、２組とは、図８のものを基準として、横軸に沿って配置される複数の位置感知用メインセンサ電極５０１と、縦軸に沿って配置される複数の位置感知用メインセンサ電極５０２とが、外部の信号によって座標を認識するということで、２つの電極群（group of electrodes）で構成されているという意味である。例えば、Ｘ−Ｙ絶対座標系の場合は、Ｘ軸の位置を感知するＹ軸位置感知用メインセンサ電極に該当する位置感知用メインセンサ電極５０１と、Ｙ軸の位置を感知するＸ軸位置感知用メインセンサ電極に該当する位置感知用メインセンサ電極５０２である。

また、位置感知用メインセンサ電極は複数形成されており、それぞれはブリッジ電極６００により接続されて電気的に通電される。

また、位置感知用メインセンサ電極５０１、５０２は、それぞれ対応する複数の信号伝達用配線電極４００の一端と接続されている。

一方、位置感知用メインセンサ電極５０１、５０２は、ブリッジ電極６００が接続された方向と異なる方向に位置感知用サブセンサ電極８００と接続されているが、位置感知用サブセンサ電極８００は少なくとも一つ以上が接続される。

ここで、位置感知用サブセンサ電極８００は、指による位置座標を正確に認識するために、例えば、横軸を基準として位置感知用サブセンサ電極８００は、（Ｎ番目）と（Ｎ+１番目）の位置感知用メインセンサ電極５０１内で位置変化が静電容量（Capacitive Coupling）の変化として認識されるように、（Ｎ番目）の位置感知用メインセンサ電極５０１と電気的に接続される位置感知用サブセンサ電極８００および（Ｎ+１番目）の位置感知用メインセンサ電極５０１と電気的に接続される位置感知用サブセンサ電極８００の面積比率を調節する。

そのために、位置感知用サブセンサ電極８００は、二つの部分に分けられ、それを第１及び第２補助電極８１０、８１１とする。また、第１補助電極８１０は互いに電気的にブリッジ電極６００により接続され、第２補助電極８１１もブリッジ電極６００により互いに接続される。

また、前記面積比率は、例えば（Ｎ番目）と（Ｎ+１番目）の位置感知用メインセンサ電極５０１に接続された位置感知用サブセンサ電極８００がｍ本である際、第１補助電極８１０は、（Ｎ番目）から（Ｎ+１番目）の方向に行くほどその面積が段々と減少するが、その減少程度は下記の数式１で表することができる。

数式１

逆に、（Ｎ+１番目）から（Ｎ番目）の方向に見れば、第２補助電極８１１はその面積が段々と増加するが、その増加程度は下記の数式２で表することができる。

数式２

数式１及び２から分かるように、位置感知用サブセンサ電極８００は、その面積が位置感知用メインセンサ電極５０１、５０２と同一であるが、これを数式で表現すると下記の数式３で表することができる。

数式３

すなわち、ｍ本の位置感知用サブセンサ電極８００は、そのいずれも、例えばｘ番目のものも常にその面積が位置感知用メインセンサ電極と同一であることが分かる。もちろん、ここで「同一」という意味は、電気的感度が許容する限度内で類似の範囲まで含まれることは当然である。

また、上述したｍ本の位置感知用サブセンサ電極８００の中、ｍ＝３である実施例を例としてより詳しく説明する。

図９は、本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置の位置感知用サブセンサ電極を中心に示す図である。

図９に示すように、位置感知用メインセンサ電極５０１には位置感知用サブセンサ電極８００が３本接続されていることが分かる。また、位置感知用サブセンサ電極８００は、それぞれ第１補助電極８１０と第２補助電極８１１からなっていることも分かる。

第１補助電極８１０は、その面積を上記の数式１及び数式２によって計算してみると、例えば、Ｎ番目の位置感知用メインセンサ電極５０１に接続された１番目の位置感知用サブセンサ電極の第１補助電極８１０の場合には｛３÷（３+１）｝=０.７５であり、第２補助電極８１１の場合は｛１÷（３+１）｝=０.２５であるので、その面積の和が０.２５+０.７５=１になる関係であることが分かる。

このような関係は、図９における（Ｎ番目）、（Ｎ+１番目）が該当する横軸だけでなく、縦軸に対しても同様に適用されることはもちろんである。

一方、位置感知用メインセンサ電極の形状は、位置感知用サブセンサ電極の形状と同一であり、また、位置感知用サブセンサ電極の形状は、三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形及び円形の形状からなる群より選ばれる少なくとも一つであるが、本発明では、位置感知用メインセンサ電極や位置感知用サブセンサ電極の形状は静電容量結合され、外部の電子回路によって正確な位置座標の認識及び解釈が可能な範囲で上で言及したように、単一又は数個を混合して使用できることは当然である。

一方、図１０ａ及び図１０ｂは、それぞれ本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネルの断面を概略的に示す図である。

図１０ａ及び図１０ｂに示すように、上部から保護層１１０、センサ電極５５０、基板１００、遮蔽電極９００の順になっている。

センサ電極５５０は、上で説明した位置感知用メインセンサ電極や位置感知用サブセンサ電極に該当するものであり、図１０ａの場合は、センサ電極５５０が基板１００を基準として上下に位置しており、図１０ｂの場合は、センサ電極が基板１００の一面に位置していることが分かる。このような場合全てにおいて、本発明に係る高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置を用いることができる。例えば、上で説明した横軸に該当する位置感知用メインセンサ電極を上部に、縦軸に該当する位置感知用メインセンサ電極を下部に配置することができる。但し、基板１００の一面に横軸に該当する位置感知用メインセンサ電極と、縦軸に該当する位置感知用メインセンサ電極とを配置する場合には、それぞれに該当する電気的信号を分離させなければならないため、複数の位置感知用メインセンサ電極を接続するブリッジ電極が互いに重なる共通部（図示せず）を形成してショート（short）するので、これを防止するために、共通部にはブリッジ電極間に絶縁部を形成させる。絶縁部は、スクリーン印刷のような方法で形成したり、イメージ工程により光学的に形成する等、その方法には制限がない。

一方、遮蔽電極９００は、その下部のディスプレイ装置のような電子システムからのノイズ（noise）を除去するために配置する。しかしながら、電子システムからのノイズの影響が少ない場合はこれを省略しても構わない。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の中央部に形成されて映像が表示される表示領域と、
   前記表示領域の外周部に形成されて前記基板の端部まで伸び、複数の信号伝達用配線電極が位置する非活性領域と、
   前記表示領域に位置して、座標を表示するために２次元的に配列される２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と、
   前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極が各方向に互いに電気的に接続されるように、その間に位置する複数のブリッジ電極と、
   前記複数の信号伝達用配線電極の一端は、それぞれ前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極と接続され、その他端が電気的に接続された外部端子部と、
   前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極のそれぞれには電気的に接続されるが、前記複数のブリッジ電極が接続された方向とは異なる方向に形成された位置感知用サブ電極と、を含むことを特徴とする高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
2. 前記２組からなる複数の位置感知用メインセンサ電極は、それぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に伸びて備えられることを特徴とする請求項１に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
3. 前記位置感知用メインセンサ電極に接続される位置感知用サブセンサ電極は少なくとも一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
4. 前記位置感知用サブセンサ電極は、前記複数のブリッジ電極が形成された方向と直角となることを特徴とする請求項３に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
5. 前記位置感知用サブセンサ電極の形状は、前記位置感知用メインセンサ電極と同一であることを特徴とする請求項１に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
6. 前記位置感知用サブセンサ電極の形状は、三角形、四角形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形及び円形の形状からなる群より選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
7. 前記位置感知用サブセンサ電極は、第１補助電極および第２補助電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
8. 前記第１補助電極及び第２補助電極の面積の和は、前記位置感知用サブセンサ電極と同一であることを特徴とする請求項７に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。
9. 前記第１補助電極及び第２補助電極の面積の比（ratio）が
   （但し、ｍは位置感知用サブセンサ電極の本数であり、ｘは任意番目の位置感知用サブセンサ電極である。）
   であることを特徴とする請求項７に記載の高感度デジタル方式の静電容量型タッチパネル装置。