JP5100670B2 - タッチパネル、電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、タッチセンサを有するタッチパネルに関する。また、当該タッチパネルを搭載した電子機器に関する。
近年、タッチセンサを搭載した表示装置が注目されている。タッチセンサを搭載した表示装置は、タッチパネル又はタッチスクリーンなどと呼ばれている（以下、これを単に「タッチパネル」と呼ぶ）。タッチセンサには、動作原理の違いにより、抵抗膜方式、静電容量方式、光方式などがある。いずれの方式においても、被検出物が表示装置に接触もしくは近接することでデータを入力することができる。
光方式のタッチセンサとして光を検出するセンサ（「フォトセンサ」ともいう）をタッチパネルに設けることにより、表示画面が入力領域を兼ねる。このような光方式のタッチセンサを有する装置の一例として、画像取り込みを行う密着型エリアセンサを配置することによって画像取り込み機能を備えた表示装置が挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。光方式のタッチセンサを有するタッチパネルでは、タッチパネルから光が照射される。タッチパネルの任意の位置に被検出物が存在する場合には、被検出物が存在する領域の光が被検出物によって遮断され、一部の光が反射される。タッチパネル内の画素には光を検出することができるフォトセンサ（「光電変換素子」と呼ばれることもある。）が設けられており、反射された光を検出することで、光が検出された領域に被検出物が存在することを認識することができる。
また、携帯電話等の携帯情報端末をはじめとする電子機器に、本人認証機能等を付与する試みがなされている（例えば、特許文献２を参照）。本人認証には、指紋、顔、手形、掌紋及び手の静脈の形状等が挙げられる。本人認証機能を表示部とは別の部分に設ける場合には、部品点数が増大し、電子機器の重量や価格が増大するおそれがある。
また、タッチセンサのシステムにおいて、外光の明るさに応じて指先の位置を検出するための画像処理方法を選択する技術が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
特開２００１−２９２２７６号公報 特開２００２−０３３８２３号公報 特開２００７−１８３７０６号公報
光方式のタッチセンサとしてフォトセンサをタッチパネルに用いる場合、被検出物がタッチパネルに接触もしくは近接することで検出する。被検出物がタッチパネルに接触する場合には、被検出物から印加される圧力により、タッチパネルの基板と垂直方向に物理的な力が働く。例えば、液晶パネルを用いたタッチパネルの場合、タッチパネルの基板と垂直方向に物理的な力が働くと、液晶を封止している一対の基板（ＴＦＴ基板と対向基板）の間隔が局所的に狭くなり、表示が乱れることになる。特に、近年は液晶パネルやＥＬパネルの薄型化が切望され、液晶パネルやＥＬパネルを構成する基板が薄くなってきている。頑丈な筺体に保持することで、ＴＦＴ基板の機械的強度を維持することは可能である。しかしながら、この場合、対向基板がたわむことになり、機械的な強度を維持することは難しくなってきている。
本発明の一態様は、上記の問題を鑑みなされたもので、被検出物が接触した場合にタッチパネルを構成する一対の基板の間隔の変化を抑制することで、表示の乱れがなく、機械的強度を向上するタッチパネルを提供することを課題とする。
本発明の一態様は、画素にフォトセンサと微小電気機械スイッチ（以下、ＭＥＭＳ素子とよぶ）を搭載し、フォトセンサから得られる電気信号から被検出物の接触の有無を判定し、被検出物の接触が検出された領域のＭＥＭＳ素子を動作させることで、タッチパネルを構成する一対の基板（ＴＦＴ基板と対向基板）の間に垂直方向の応力を生成する。このようにすることで、タッチパネルに被検出物が接触した場合に一対の基板の間隔を一定に保つことができる。したがって、表示の乱れを少なくすることができる。また、ＴＦＴ基板を筺体に保持する構成にすることで、対向基板のたわみを低減し、機械的強度を向上することができる。
本発明の一態様は、一対の基板間に、複数の画素を含む画素部を有する。画素は、一対の基板のうちの一方の基板に被検出物が接触したことを検知するフォトセンサ部と、フォトセンサ部の検知結果に基づいた信号が入力されると、前記一対の基板と垂直な方向に機械的変位を生じるＭＥＭＳ部と、を有する。
画素は、液晶素子と、前記液晶素子を制御する第１のトランジスタを含む表示素子部を有する。または、画素は、発光素子と、前記発光素子を制御する第１のトランジスタを含む表示素子部を有する。また、第１のトランジスタは、薄膜トランジスタであってもよい。
フォトセンサ部は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードを制御する第２のトランジスタを有し、ＭＥＭＳ部は、ＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子を制御する第３のトランジスタを有する。第２のトランジスタと第３のトランジスタは、それぞれ薄膜トランジスタであってもよい。
本発明の一態様により、タッチパネルに被検出物が接触した場合に、タッチパネルを構成する一対の基板の間隔を一定に保つことができる。したがって、表示の乱れを少なくすることができる。また、ＴＦＴ基板を筺体に保持する構成にすることで、対向基板のたわみを低減し、機械的強度を向上させることができる。
タッチパネルの構成を説明する図。 タッチパネルの構成を説明する図。 タイミングチャート。 タッチパネルの構成を説明する図。 タッチパネルの構成を説明する図。 タッチパネルの構成を説明する図。 タッチパネルの構成を説明する図。 電子機器を説明する図。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、タッチパネルについて図１〜図４を参照して説明する。
最初に、タッチパネル１００の構成について、図１を参照して説明する。タッチパネル１００は、画素部１０１、表示素子制御回路１０２、フォトセンサ制御回路１０３、およびＭＥＭＳ制御回路１０４を有する。
画素部１０１は、行列方向にマトリクス状に配置された複数の画素１０５を有する。各々の画素１０５は、表示素子部１０６、フォトセンサ部１０７、およびＭＥＭＳ部１０８を有する。
表示素子部１０６は、薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）、保持容量、画素電極と対向電極の間に液晶層が挟まれた液晶素子、カラーフィルタなどを有する。タッチパネル１００では、液晶層に電圧を印加することで偏光方向が変化することを利用して、液晶層を透過する光の明暗（階調）を作ることで、画像表示が実現される。液晶層を透過する光には、外光もしくはタッチパネル１００の裏面から照射される光源（バックライト）を用いる。また、液晶層を通過した光がカラーフィルタを通過することで、特定の色（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ）の階調を作ることができ、カラー画像表示が実現される。保持容量は、液晶層に印加する電圧に相当する電荷を保持する機能を有する。薄膜トランジスタは、保持容量への電荷の注入もしくは排出を制御する機能を有する。
なお、表示素子部１０６が液晶素子を有する場合について説明したが、発光素子などの他の素子を有していてもよい。
フォトセンサ部１０７は、フォトダイオードなど、受光することで電気信号を発する機能を有する素子、該素子を制御するトランジスタなどを有する。なお、フォトセンサ部１０７が受光する光は、被検出物に外光もしくはバックライトが照射された際の反射光もしくは透過光を利用することができる。ここで、カラーフィルタを用いることで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を発色する機能を有する画素１０５を、各々、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素と呼ぶことにする。なお、被検出物に外光もしくはバックライトが照射された際の反射光もしくは透過光のうち、Ｒ、Ｇ、Ｂを、各々Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素が有するフォトセンサ部１０７により、取り出すことができる。
ＭＥＭＳ部１０８は、電気信号を与えることで機械的変位を生じる機能を有する素子、例えば、圧電効果を有する圧電セラミックスなど用いた圧電素子や、静電力を用いた平衡平板型静電アクチュエータ素子などのＭＥＭＳ素子と、ＭＥＭＳ素子を制御するトランジスタ、ＭＥＭＳ素子に印加する電位を保持する保持容量などを有する。
表示素子制御回路１０２は、表示素子部１０６を制御するための回路であり、信号線（「ソース信号線」ともいう）を介して表示素子部１０６に信号を入力する表示素子信号線駆動回路１０９と、走査線（「ゲート信号線」ともいう）を介して表示素子部１０６に信号を入力する表示素子走査線駆動回路１１０を有する。例えば、表示素子走査線駆動回路１１０は、特定の行における画素が有する表示素子部１０６を選択する機能を有する。また、表示素子信号線駆動回路１０９は、選択された行の画素が有する表示素子部１０６に任意の電位を与える機能を有する。なお、表示素子走査線駆動回路１１０により高電位を印加された表示素子部１０６では、表示素子部１０６が有する薄膜トランジスタが導通状態となり、信号線側の表示素子信号線駆動回路１０９により与えられる電荷が供給される。供給された電荷は、表示素子部１０６が含む保持容量に蓄積され、電位を保持する。
フォトセンサ制御回路１０３は、フォトセンサ部１０７を制御するための回路であり、フォトセンサ信号線読み出し回路１１１、フォトセンサ走査線駆動回路１１２を有する。例えば、フォトセンサ走査線駆動回路１１２は、特定の行に配置された画素が有するフォトセンサ部１０７を選択する機能を有する。また、フォトセンサ信号線読み出し回路１１１は、選択された行の画素が有するフォトセンサ部１０７の出力信号を取り出す機能を有する。
ＭＥＭＳ制御回路１０４は、ＭＥＭＳ部１０８を制御するための回路であり、ＭＥＭＳ信号線駆動回路１１３、ＭＥＭＳ走査線駆動回路１１４を有する。例えば、ＭＥＭＳ走査線駆動回路１１４は、特定の行に配置された画素が有するＭＥＭＳ部１０８を選択する機能を有する。また、ＭＥＭＳ信号線駆動回路１１３は、選択された行の画素が有するＭＥＭＳ部１０８に印加する電位を供給する機能を有する。
画素１０５の回路図について、図２を用いて説明する。画素１０５は、トランジスタ２０１、保持容量２０２および液晶素子２０３を含む表示素子部１０６と、フォトダイオード２０４、トランジスタ２０５およびトランジスタ２０６を含むフォトセンサ部１０７と、トランジスタ２１３、保持容量２１４およびＭＥＭＳ素子２１５を含むＭＥＭＳ部１０８とを有する。
トランジスタ２０１は、ゲートがゲート信号線２０７に、ソース又はドレインの一方がビデオデータ信号線２１０に、ソース又はドレインの他方が保持容量２０２の一方の電極と液晶素子２０３の一方の電極に電気的に接続されている。保持容量２０２の他方の電極と液晶素子２０３の他方の電極は一定の電位に保たれている。液晶素子２０３は、一対の電極と、該一対の電極の間に液晶層を含む素子である。
フォトダイオード２０４は、一方の電極がフォトダイオードリセット信号線２０８に、他方の電極がトランジスタ２０５のゲートに電気的に接続されている。トランジスタ２０５は、ソース又はドレインの一方がフォトセンサ出力信号線２１１に、ソース又はドレインの他方がトランジスタ２０６のソース又はドレインの一方に電気的に接続されている。トランジスタ２０６は、ゲートがゲート信号線２０９に、ソース又はドレインの他方がフォトセンサ基準信号線２１２に電気的に接続されている。
トランジスタ２１３は、ゲートがゲート信号線２１６に、ソース又はドレインの一方がＭＥＭＳ駆動信号線２１７に、ソース又はドレインの他方が保持容量２１４の一方の電極とＭＥＭＳ素子２１５の一方の電極に電気的に接続されている。保持容量２１４の他方の電極とＭＥＭＳ素子２１５の他方の電極は一定の電位に保たれている。
続いて、表示素子部１０６の動作について、図２を用いて説明する。表示素子部１０６が含むトランジスタ２０１は、ゲート信号線２０７に”Ｈ”が印加されると、ビデオデータ信号線２１０の電位を保持容量２０２と液晶素子２０３に印加する。保持容量２０２は、印加された電位を保持する。液晶素子２０３は、印加された電位により、光の透過率を変更する。
次に、フォトセンサ部１０７の動作について図２、図３を用いて説明する。図３において、信号３０１〜信号３０４は、フォトダイオードリセット信号線２０８、トランジスタ２０６のゲートが接続したゲート信号線２０９、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２２０、フォトセンサ出力信号線２１１の電位に相当する。
フォトダイオード２０４は、フォトダイオードリセット信号線２０８に”Ｈ”が印加されると導通し、トランジスタ２０５のゲート信号線２２０の電位を”Ｈ”とする（図３の期間Ｔ１参照）。続いて、フォトダイオードリセット信号線２０８に”Ｌ”が印加されると、フォトダイオード２０４のオフ電流により、トランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２２０の電位が低下する（図３の期間Ｔ２参照）。フォトダイオード２０４は、光が照射されるとオフ電流が増大するので、照射される光の量に応じてトランジスタ２０５のゲートが接続されたゲート信号線２２０の電位は変化する。すなわち、トランジスタ２０５のソース・ドレイン電流（トランジスタ２０５のソースとドレインの間を流れる電流）が変化する。
次に、トランジスタ２０６のゲートが接続されたゲート信号線２０９に”Ｈ”が印加され、トランジスタ２０６を導通とすると（図３の期間Ｔ３参照）、フォトセンサ基準信号線２１２とフォトセンサ出力信号線２１１とが、トランジスタ２０５とトランジスタ２０６とを介して導通する。あらかじめ、フォトセンサ出力信号線２１１を”Ｈ”にプリチャージしておくと、フォトセンサ出力信号線２１１の電位が低下していく。ここで、フォトセンサ出力信号線２１１の電位が低下する速さは、トランジスタ２０５のソース・ドレイン電流に依存する。すなわち、フォトダイオード２０４に照射されている光の量に応じて変化する。
最後に、ＭＥＭＳ部１０８の動作について、図２を用いて説明する。ＭＥＭＳ部１０８が含むトランジスタ２１３は、トランジスタ２１３のゲートが接続されたゲート信号線２１６に”Ｈ”が印加されると、ＭＥＭＳ駆動信号線２１７の電位を保持容量２１４とＭＥＭＳ素子２１５に印加する。保持容量２１４は、印加された電位を保持する。ＭＥＭＳ素子２１５は、印加された電位により、タッチパネル面に垂直な方向に機械的変位を生じる。
続いて、本発明の実施の形態におけるタッチパネルの駆動方法について、図４を用いて説明する。図４において、外部処理回路４０１、フォトセンサ制御回路出力信号線４０２、ＭＥＭＳ制御回路入力信号線４０３である。
まず、被検出物がタッチパネル１００の画素部１０１に接触すると、画素部１０１の当該領域における画素１０５に内蔵されたフォトセンサ部１０７内のフォトダイオード２０４に照射される光の量が変化する。ここで、上述したように、当該領域のフォトセンサ部１０７が動作し、フォトダイオード２０４に照射される光の量が変化すると、フォトセンサ出力信号線２１１の電位が変化する。
次に、フォトセンサ出力信号線２１１の電位は、タッチパネル１００のフォトセンサ制御回路１０３に搭載されているＡ／Ｄ変換回路により、デジタルデータに変換された後、フォトセンサ制御回路出力信号線４０２より、外部処理回路４０１に供給される。外部処理回路４０１では、上記デジタルデータに対して演算処理を施すことにより、被検出物の形状、大きさなどを抽出することができる。なお、フォトセンサ部１０７がＲ、Ｇ、Ｂの各画素に設けられている場合には、被検出物の色も抽出することができる。例えば人の指の場合、強い力でタッチパネルに触れると、表示面における指先はつぶれることになる。
外部処理回路４０１における演算処理方法として、例えば、次のような方法がある。まず、人の指であることをパターンマッチングなどの公知の方法を用いて検出し、その面内位置の情報を獲得する。続いて、その面積（つぶれ具合）から、印加されている圧力の情報を獲得する。さらに、圧力が印加された面内位置の情報と、圧力の情報と、から、画素部１０１と重なる基板のたわみ（変位量）を算出する。このようにして、被検出物が接触した領域における位置情報と基板の変位量を算出することができる。
なお、上記のように、Ａ／Ｄ変換回路をフォトセンサ制御回路１０３に搭載した場合、アナログ信号をタッチパネル１００の外部に取り出すためのオペアンプなどが不要になる。そのため、プロセスばらつきの影響を受けにくい、高速なデータ出力が可能なタッチパネルを提供することができる。
また、フォトセンサ出力信号線２１１の電位を、外部処理回路４０１に搭載されたＡ／Ｄ変換回路により、デジタルデータに変換する構成としてもよい。この場合、タッチパネル１００に複雑な構成のＡ／Ｄ変換回路を搭載しなくて良いため、タッチパネル１００の製造コストを低減することが容易である。さらに、外部処理回路４０１を、タッチパネル１００と同一基板上に搭載することも有効である。この場合、タッチパネルを搭載した電子機器の部品点数が減らすことができ、安価な電子機器を提供することができる。
続いて、外部処理回路４０１から、被検出物が接触した領域と検出した基板の変位量とに応じた制御信号を、ＭＥＭＳ制御回路入力信号線４０３からＭＥＭＳ制御回路１０４に供給する。ＭＥＭＳ制御回路１０４では、被検出物が接触した領域の画素におけるＭＥＭＳ素子２１５を駆動するために、ＭＥＭＳ駆動信号線２１７に所望の電位を供給し、トランジスタ２１３のゲートが接続されたゲート信号線２１６に”Ｈ”を印加する。ＭＥＭＳ駆動信号線２１７の電位は保持容量２１４とＭＥＭＳ素子２１５に印加される。すると、ＭＥＭＳ素子２１５は、パネルを構成する一対の基板（ＴＦＴ基板と対向基板）の間に、両基板面に垂直な方向に所望の力を生じる。したがって、被検出物の接触による一対の基板の間の間隔を一定に保つことができる。
以上のようにすることで、被検出物が接触した場合に、タッチパネルを構成する一対の基板の間隔を一定に保つことができる。したがって、表示の乱れを少なくすることができる。また、ＴＦＴ基板を筺体に保持することで、対向基板のたわみを低減でき、機械的強度を向上したタッチパネルを提供することができる。
なお上記の実施の形態では、表示素子部１０６に液晶素子を用いた場合を示したが、本発明の実施の形態はこれに限定されない。発光素子を用いてもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態では、タッチパネルについて図５を参照して説明する。
タッチパネルは、絶縁表面を有する基板５０１、画素部１０１、表示素子制御回路１０２、フォトセンサ制御回路１０３、ＭＥＭＳ制御回路１０４、接続フィルム５０３、対向基板５０２を有する（図５（Ａ）参照）。接続フィルム５０３は外部に設けられるＩＣチップに接続される。
タッチパネルのＡ−Ｂにおける断面構造について、図５（Ｂ）を参照して説明する。表示素子部１０６が含むトランジスタ２０１と液晶素子２０３、フォトセンサ部１０７が含むフォトダイオード２０４、ＭＥＭＳ部１０８が含むＭＥＭＳ素子２１５が示されている。液晶素子２０３は、画素電極５３１、液晶層５３２、対向電極５３３を含む。ＭＥＭＳ素子２１５は、電極５２１、中空領域５２２、電極５２３を含む。電極５２３上には、スペーサ５２５が設けられている。ＭＥＭＳ素子２１５は、配線５２４を介して信号が入力されると、基板５０１、５０２と垂直な方向に、所望の変位、すなわち、機械的力を生じる。
また、表示素子制御回路１０２が含むＣＭＯＳ素子５１０が示されている。なお、図５（Ｂ）では、ＭＥＭＳ制御回路１０４に設けられた素子の断面構造の記載は省略している。画素部１０１、表示素子制御回路１０２、フォトセンサ制御回路１０３、ＭＥＭＳ制御回路１０４の周囲には、シール材５１１が設けられ、基板５０１と対向基板５０２がシール材５１１により貼り合わされている。
なお、基板５０１上に形成されるトランジスタは、非晶質半導体に比べて移動度等の特性が良好な結晶質半導体層により形成することが好ましい。結晶性半導体層を用いることにより、モノリシック化が実現される。その結果、接続する外部ＩＣの個数が減少し、小型・軽量・薄型を実現することができる。
タッチパネルでは、外光またはバックライトから発せられた光５３０が被検出物５０４（例えばタッチペン）のペン先において反射し、その反射した光がフォトダイオード２０４に入ることにより、被検出物５０４が指し示した位置が認識される。
ＭＥＭＳ素子２１５は、電極５２３の機械的弾性力と、電極５２１と電極５２３との間の電位により生じる両電極間の静電引力と、により機械的変位、すなわち、機械的力を生成する。より具体的には、電極５２１と電極５２３との間の電位を増大すると、両電極間の静電引力が増大し、電極５２３の中空領域５２２の上部分が電極５２１側の方向（図５の下方向）に移動する。すなわち、機械的力を生じる。また、電極５２１と電極５２３との間の電位を低減すると、両電極間の静電引力が減少し、電極５２３の機械的弾性力により、電極５２３の中空領域５２２の上部分が電極５２１側の反対側の方向（図５の上方向）に移動する。すなわち、機械的力を生じる。
さて、電極５２３の中空領域５２２の上部分の移動、すなわち、機械的力は、スペーサ５２５を介して、対向基板５０２に伝達する。よって、被検出物５０４の接触により、対向基板５０２が圧力（図５で下方向）を受けても、ＭＥＭＳ素子２１５により、逆方向の力を生成し、対向基板に５０２に与えることで、基板５０１と対向基板５０２との間隔を一定に保つことができる。また、基板５０１を筺体に保持することで、対向基板５０２のたわみを低減でき、機械的強度を保つことができる。
なお、電極５２３の中空領域５２２の上部分の移動を妨げぬよう、電極５２３付近は中空とすることが望ましい。もしくは、潤滑性のある材料とのみ接触する構造とすることが望ましい。
本実施の形態は、上記の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態３）
タッチパネルの断面構造の一例について、図６、７を参照して説明する。最初に、表示素子として液晶素子を用いたタッチパネルの断面の一例について、図６を参照して説明する。
基板８００としてはガラス基板又は石英基板等の透光性基板を用いる。基板８００上には、薄膜トランジスタ８０１、薄膜トランジスタ８０２、フォトセンサ８０３、ＭＥＭＳ素子２１５が設けられている。フォトセンサ８０３は、ｎ型半導体層８１０、ｉ型半導体層８１１、及びｐ型半導体層８１２が順に積層されて設けられている。ｎ型半導体層８１０は、一導電型を付与する不純物元素（例えばリン）を含む。ｉ型半導体層８１１は、真性半導体である。ｐ型半導体層８１２は、一導電型を付与する不純物元素（例えばボロン）を含む。
ＭＥＭＳ素子８３０は、コイル５４１と磁石５４２を含む。コイル５４１と磁石５４２の間には、液晶層８２４が充填されている。磁石５４２に接するように、スペーサ５４３が設けられている。ＭＥＭＳ素子８３０は、コイル５４１に信号が入力されると、基板８００、８２０と垂直な方向に、所望の変位、すなわち、機械的力を生じる。
ＭＥＭＳ素子８３０は、コイル５４１に電流を流した場合にコイル５４１と磁石５４２との間に生じる磁力により機械的変位、すなわち、機械的力を生成する。より具体的には、コイル５４１に流す電流を増大すると、コイル５４１と磁石５４２間の磁力が増大し、磁石５４２は、図６の上下方向に移動する。すなわち、機械的力が増大する。なお、コイル５４１に流す電流の向きを反対にすることで、磁石５４２の移動方向、すなわち、機械的力の方向が反対になる。
さて、磁石５４２の移動、すなわち、機械的力は、スペーサ５４３を介して、対向基板８２０に伝達する。よって、被検出物の接触により、対向基板８２０が圧力（図６で下方向）を受けても、ＭＥＭＳ素子８３０により、逆方向の力を生成し、対向基板に８２０に与えることで、基板８００と対向基板８２０との間隔を一定に保つことができる。また、基板８００を筺体に保持することで、対向基板８２０のたわみを低減でき、機械的強度を保つことができる。
なお、磁石５４２の移動を妨げぬよう、磁石５４２付近は中空とすることが望ましい。もしくは、潤滑性のある材料とのみ接触する構造とすることが望ましい。
図６では、薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２としてトップゲート型の薄膜トランジスタを用いたが、これに限定されない。薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２としてボトムゲート型の薄膜トランジスタを用いてもよい。また、フォトセンサ８０３は、ｎ型半導体層８１０、ｉ型半導体層８１１、及びｐ型半導体層８１２の構成となっているが、これに限定されない。
本実施の形態では、薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２の半導体層に結晶性半導体層を用いることができる。例えば、多結晶シリコンを用いることができる。しかしこれに限定されず、薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２の半導体層に、非晶質シリコン、単結晶シリコン、ペンタセン等の有機半導体、または酸化物半導体等を用いてもよい。なお、基板８００上に単結晶シリコンを用いた半導体層を形成する場合は、表面から所定の深さに損傷領域が設けられた単結晶シリコン基板と基板８００とを接合し、当該損傷領域で単結晶シリコン基板を分離することによって形成することができる。また、酸化物半導体としては、インジウム、ガリウム、アルミニウム、亜鉛及びスズから選んだ元素の複合酸化物を用いることができる。
絶縁層８０４は、薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２上を覆って設けられている。絶縁層８０４上には絶縁層８０５が設けられ、絶縁層８０５上には絶縁層８０６が設けられている。画素電極８０７は絶縁層８０６上に設けられ、フォトセンサ８０３と下部電極８０８は絶縁層８０５上に設けられている。下部電極８０８によって、絶縁層８０５に設けられた開口部を介して、フォトセンサ８０３と薄膜トランジスタ８０１とが電気的に接続される。
対向基板８２０には、対向電極８２１、カラーフィルタ層８２２、及びオーバーコート層８２３が設けられている。対向基板８２０と基板８００はシール材によって固定され、スペーサ８２５によって基板間隔が概ね一定の距離に保たれている。画素電極８０７と対向電極８２１が液晶層８２４を挟持することで、液晶素子を構成している。
カラーフィルタ層８２２は、図６に示すようにフォトセンサ８０３と画素電極８０７の両方と重なるように設けるとよい。
フォトセンサ８０３は、図６に示すように薄膜トランジスタ８０２のゲート電極８１３と重なっており、薄膜トランジスタ８０２の信号線８１４とも重なるように設けてもよい。
また図６に示すタッチパネルには、バックライトが設けられている。図６では、バックライトは基板８００側に設けられ、破線の矢印で示す方向に光が照射されている。バックライトとしては、冷陰極管（Ｃｏｌｄ−Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ：ＣＣＦＬ）又は白色の発光ダイオードを用いることができる。白色の発光ダイオードは、冷陰極管よりも明るさの調整範囲が広いため好ましい。
また、フォトセンサ８０３を例えば駆動回路部にも設けて外光を検出し、使用環境に応じた表示が可能となるようにバックライトの明るさ（輝度）を調節することもできる。
また、バックライトは上記構成に限定されない。例えば、ＲＧＢの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いてバックライトを構成してもよいし、ＲＧＢのＬＥＤバックライトを順次点灯させてフィールドシーケンシャル方式でカラー表示してもよい。この場合にはカラーフィルタ層は不要である。
ここで、図６に示すタッチパネルの作製方法の一例について簡単に説明する。
まず、活性層として結晶性半導体層を有するトップゲート構造の薄膜トランジスタを作製する。ここではゲート電極８１３を有する薄膜トランジスタ８０２、フォトセンサ８０３と電気的に接続される薄膜トランジスタ８０１を同一基板上に形成する。それぞれのトランジスタとして、ｎ型薄膜トランジスタ又はｐ型薄膜トランジスタを用いることができる。また、これらのトランジスタと同一の工程で保持容量を形成することができる。保持容量は、半導体層を下部電極とし、容量配線を上部電極とし、薄膜トランジスタ８０１及び薄膜トランジスタ８０２のゲート絶縁膜と同一の工程で形成される絶縁膜を誘導体とすればよい。
また、薄膜トランジスタの層間絶縁層の一つである絶縁層８０４にはコンタクトホールが形成され、それぞれの半導体層と電気的に接続されるソース電極又はドレイン電極、若しくは、上方の配線と接続される接続電極を形成する。また、フォトセンサ８０３と電気的に接続される薄膜トランジスタ８０１の信号線も同一の工程で形成される。薄膜トランジスタ８０２の信号線８１４も同一の工程で形成される。
次に、信号線８１４を覆う絶縁層８０５を形成する。なお、本実施の形態では、透過型の液晶表示装置を例として示しているので、絶縁層８０５には可視光を透過することのできる絶縁性材料を用いる。次に、絶縁層８０５にコンタクトホールを形成し、絶縁層８０５上に下部電極８０８を形成する。
そして、下部電極８０８の少なくとも一部と重なるようにフォトセンサ８０３を形成する。下部電極８０８は、フォトセンサ８０３と、薄膜トランジスタ８０１とを電気的に接続させる電極である。フォトセンサ８０３は、ｎ型半導体層８１０、ｉ型半導体層８１１及びｐ型半導体層８１２が順に積層されて形成される。本実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いることで、リンを含む微結晶シリコンによりｎ型半導体層８１０を形成し、非晶質シリコンによりｉ型半導体層８１１を形成し、ボロンを含む微結晶シリコンによりｐ型半導体層８１２を形成する。
次に、フォトセンサ８０３を覆う絶縁層８０６を形成する。透過型の液晶表示装置の場合は、絶縁層８０６に可視光を透過することのできる絶縁性材料を用いる。その後、絶縁層８０６にコンタクトホールを形成し、絶縁層８０６上に画素電極８０７を形成する。画素電極８０７と同一の層によりフォトセンサ８０３の上部電極であるｐ型半導体層８１２と電気的に接続される配線も形成する。
続いて、絶縁層８０６に開口部を形成し、開口部内にコイル５４１を形成する。続いて、磁石５４２を形成し、磁石５４２上にスペーサ５４３を形成する。
次に、絶縁層８０６上にスペーサ８２５を形成する。図６では、スペーサ８２５として柱状スペーサ（ポストスペーサ）を設けたが、球状スペーサ（ビーズスペーサ）を用いてもよい。
次に、液晶層８２４としてＴＮ液晶等を用いる場合には、画素電極８０７上に配向膜を塗布し、ラビング処理を行う。
一方で、対向基板８２０上にはカラーフィルタ層８２２、オーバーコート層８２３、対向電極８２１を形成し、対向電極８２１上に配向膜を塗布し、ラビング処理を行う。
その後、基板８００の配向膜が塗布された面と、対向基板８２０の配向膜が塗布された面とを、シール材により貼り合わせる。これらの基板間には液晶滴下法又は液晶注入法により液晶を配置し、液晶層８２４を形成する。
なお、液晶層８２４は、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いて形成してもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、液晶層８２４に適用するには、温度範囲を改善するために５重量％以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が１０μｓ〜１００μｓと短く、光学的に等方性であるため配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。
次に、表示素子として発光素子（例えば、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、又は有機物及び無機物を含むＥＬ素子）を用いたタッチパネルについて、図７を用いて説明する。
基板９００上には、薄膜トランジスタ９０１、薄膜トランジスタ９０２、フォトセンサ９０３、ＭＥＭＳ素子９３０が設けられている。フォトセンサ９０３は、ｎ型半導体層９１０、ｉ型半導体層９１１、及びｐ型半導体層９１２が積層されて設けられている。ＭＥＭＳ素子９３０は、電極５５１、中空領域５５２を含む。中空領域５５２上には、膜５５３（例えば無機絶縁膜）が設けられている。膜５５３上にはスペーサ５５４が設けられている。基板９００と対向基板９２０は、シール材によって貼り合わせられている。
絶縁層９０４は、薄膜トランジスタ９０１及び薄膜トランジスタ９０２上を覆って設けられている。絶縁層９０４上には絶縁層９０５が設けられ、絶縁層９０５上には絶縁層９０６が設けられている。発光素子９２７は絶縁層９０６上に設けられ、フォトセンサ９０３は絶縁層９０５上に設けられている。フォトセンサ９０３のｎ型半導体層９１０によって、絶縁層９０５に設けられた開口部を介して、フォトセンサ９０３と薄膜トランジスタ９０１とが電気的に接続されている。
また、センサ用配線９０９によって、ｐ型半導体層９１２と他の配線とが電気的に接続されている。
発光素子９２７は、画素電極９２３、発光層９２４、対向電極９２５が積層されて設けられている。バンク９２６によって隣り合う画素同士の発光層が区切られている。
薄膜トランジスタ９０１及び薄膜トランジスタ９０２として、ｎ型薄膜トランジスタ又はｐ型薄膜トランジスタを用いることができる。画素電極９２３が陰極として機能する場合は、電流の向きを考慮して、画素電極９２３と電気的に接続する薄膜トランジスタ９０２をｎ型薄膜トランジスタとすることが好ましい。また、画素電極９２３が陽極として機能する場合は、薄膜トランジスタ９０２をｐ型薄膜トランジスタとすることが好ましい。
ＭＥＭＳ素子９３０は、絶縁層９０６内に設けられた中空領域５５２に電極５５１が設けられている。中空領域５５２は、膜５５３により覆われている。膜５５３上にスペーサ５５４が設けられている。電極５５１は、信号が印加されると発熱する材料（例えば金属）により構成される。ＭＥＭＳ素子９３０は、電極５５１に信号が入力されると、基板９００、対向基板９２０と垂直な方向に、所望の変位、すなわち、機械的力を生じる。
ＭＥＭＳ素子９３０は、電極５５１に電流を流した場合に電極５５１が発熱し、中空領域５５２が膨張する力により機械的変位、すなわち、機械的力を生成する。より具体的には、電極５５１に流す電流を増大すると、電極５５１がより高温になり、中空領域５５２の圧力が増大し、膜５５３の中空領域５５２の上部分は、図７の上方向に移動する。すなわち、機械的力が増大する。
さて、膜５５３の中空領域５５２の上部分の移動、すなわち、機械的力は、スペーサ５５４を介して、対向基板９２０に伝達する。よって、被検出物の接触により、対向基板９２０が圧力（図７で下方向）を受けても、ＭＥＭＳ素子９３０により、逆方向の力を生成し、対向基板９２０に与えることで、基板９００と対向基板９２０との間隔を一定に保つことができる。また、基板９００を筺体に保持することで、対向基板９２０のたわみを低減でき、機械的強度を保つことができる。
なお、中空領域５５２は、熱により膨張する特性を持つ気体、液体、固体などで充填されていることが望ましい。また、膜５５３は、中空領域５５２を充填する物質を封子する機能と、前記物質の膨張力をスペーサ５５４に伝達する機能と、を備えている如何なる材料を用いることができる。
本実施の形態は、上記の実施の形態と自由に組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、タッチパネルを用いた電子機器の一例について、図８を用いて説明する。
図８（Ａ）に示す携帯電話機は、表示部９１０１を含む。図８（Ｂ）に示す携帯情報端末は、表示部９２０１、入力ペン９２０２等を含む。図８（Ｃ）に示すデジタルビデオカメラは、表示部９３０１、９３０２等を含む。図８（Ｄ）に示す携帯型ゲーム機は、表示部９４０１等を含む。図８（Ｅ）に示す携帯情報端末は、表示部９５０１等を含む。図８（Ｆ）に示すテレビジョン装置は、表示部９６０１、入力ペン９６０２等を含む。本発明の一態様であるタッチパネルは、図８（Ａ）−（Ｆ）の電子機器に用いることができる。本発明の一態様であるタッチパネルを用いることにより、表示の乱れが少なく、また、機械的強度を向上した電子機器を提供することができる。
本実施の形態は、上記の実施の形態と自由に組み合わせることができる。

Claims (10)

  1. 一対の基板間に、フォトセンサ部及びＭＥＭＳ部を有する画素を複数有し、
    前記フォトセンサ部は、前記一対の基板のうちの一方の基板に被検出物が接触したことを検知する機能を有し、
    前記ＭＥＭＳ部は、前記フォトセンサ部の検知結果に基づいた信号が入力されると、前記一対の基板と垂直な方向に機械的変位を生じる機能を有することを特徴とするタッチパネル。
  2. 請求項１において、
    前記画素は、液晶素子と、前記液晶素子を制御する機能を有するトランジスタを有することを特徴とするタッチパネル。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記ＭＥＭＳ部は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられた中空領域と、を有し、
    前記第１の電極と前記第２の電極の間の電位の変化に応じて前記中空領域の一部が移動することによって、前記機械的変位が生じることを特徴とするタッチパネル。
  4. 請求項１または請求項２において、
    前記ＭＥＭＳ部は、コイルと、磁石と、前記コイルと磁石の間に設けられた液晶層と、を有し、
    前記コイルと前記磁石の間の磁力の変化に応じて前記磁石が移動することによって、前記機械的変位が生じることを特徴とするタッチパネル。
  5. 請求項１において、
    前記画素は、発光素子と、前記発光素子を制御する機能を有するトランジスタを有することを特徴とするタッチパネル。
  6. 請求項１又は請求項５において、
    前記ＭＥＭＳ部は、電極と、絶縁膜と、前記電極と前記絶縁膜の間に設けられた中空領域と、を有し、
    前記電極の発熱により前記中空領域が膨張することによって、前記機械的変位が生じることを特徴とするタッチパネル。
  7. 一対の基板間に、フォトセンサ部及びＭＥＭＳ部を有する画素を複数有し、
    前記フォトセンサ部は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードを制御する機能を有する第１のトランジスタを有し、
    前記ＭＥＭＳ部は、ＭＥＭＳ素子と、前記ＭＥＭＳ素子を制御する機能を有する第２のトランジスタを有し、
    前記フォトセンサ部は、前記一対の基板のうちの一方の基板に被検出物が接触したことを検知する機能を有し、
    前記ＭＥＭＳ部は、前記フォトセンサ部の検知結果に基づいた信号が入力されると、前記一対の基板と垂直な方向に機械的変位を生じる機能を有することを特徴とするタッチパネル。
  8. 一対の基板間に、フォトセンサ部及びＭＥＭＳ部を有する画素を複数有し、
    前記フォトセンサ部は、フォトダイオードと、第１のトランジスタと、第２のトランジスタを有し、
    前記第１のトランジスタのゲートは前記フォトダイオードと電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース及びドレインの一方は、第１の配線と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース及びドレインの他方は、前記第２のトランジスタのソース及びドレインの一方と電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース及びドレインの他方は、第２の配線と電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのゲートは、第３の配線と電気的に接続され、
    前記フォトセンサ部は、前記一対の基板のうちの一方の基板に被検出物が接触したことを検知する機能を有し、
    前記ＭＥＭＳ部は、前記フォトセンサ部の検知結果に基づいた信号が入力されると、前記一対の基板と垂直な方向に機械的変位を生じる機能を有することを特徴とするタッチパネル。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
    前記ＭＥＭＳ部と前記一対の基板のうちの一方との間にスペーサを有することを特徴とするタッチパネル。
  10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の前記タッチパネルを有することを特徴とする電子機器。
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