JP5123774B2 - 入力装置、及びそれを備えた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画面へ座標を入力する入力装置、及びそれを備えた表示装置にかかり、特に容量結合方式の入力装置を有す表示装置における座標検出精度の高精度化に好適なものである。

表示画面に使用者の指などを用いてタッチ操作（接触押圧操作、以下、単にタッチと称する）して情報を入力する画面入力機能をもつ入力装置（以下、タッチセンサ又はタッチパネルとも称する）を備えた表示装置は、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。このようなタッチによる入力装置として、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。

静電容量結合方式は、抵抗膜方式や光センサ方式と比較した場合に次のような利点がある。例えば、抵抗膜方式や光センサ方式では透過率が８０％程度と低いのに対し静電容量結合方式は約９０％と透過率が高く表示画質を低下させない点で有利である。また、抵抗膜方式では抵抗膜の機械的接触によりタッチ位置を検知するため、抵抗膜が劣化または破損するおそれがあるのに対し、静電容量結合方式では検出用電極が他の電極などと接触するような機械的接触がなく、耐久性の点からも有利である。

静電容量結合方式のタッチパネルとしては、例えば、特許文献１で開示されているような方式がある。この開示された方式では、縦横二次元マトリクス状に配置した検出用縦方向の電極（Ｘ電極）と検出用横方向の電極（Ｙ電極）とを設け、入力処理部で各電極の容量を検出する。タッチパネルの表面に指などの導体が接触した場合には、各電極の容量が増加するため、入力処理部でこれを検知し、各電極が検知した容量変化の信号を基に入力座標を計算する。ここでは、検出用の電極が劣化して物理的特性である抵抗値が変化しても容量検出に及ぼす影響は少ないため、タッチパネルの入力位置検出精度に及ぼす影響が少ない。そのため、高い入力位置検出精度を実現することができる。

特表２００３−５１１７９９号公報

しかしながら、静電容量結合方式のタッチパネルは、上記特許文献１のように検出用の各電極の容量変化を検出して、入力座標を検出するため、入力手段としては導電性のある物質が前提となる。そのため、抵抗膜式などで使用されている導電性の無い樹脂製スタイラスなどを静電容量結合方式のタッチパネルに接触させた場合には、電極の容量変化がほとんど発生しないため、入力座標を検出できないという課題がある。

また、一方で導電性のある物質、例えば金属などでスタイラスを作り、それにより静電容量結合方式のタッチパネルに入力しようとした場合には、電極本数が増加する。例えば、対角４インチで縦横の寸法比が３対４の静電容量結合方式タッチパネルを、特許文献１のような菱形を基本とした電極形状で実現する場合を考える。ここで指を入力対象とする場合には最小の接触面を直径６ｍｍと仮定し、このサイズを電極間隔として検出用電極を用意すると、電極総数は２２本となる。一方でスタイラスの接触面を直径１ｍｍと仮定し、このサイズを電極間隔として検出用電極を用意すると１３９本となり、約６倍まで電極本数が増加する。電極本数が増加すると入力処理部への配線引回しに必要となる額縁面積が大きくなり、また制御回路との信号接続本数が増えるため衝撃などに対する信頼性も低下する。また、入力処理部の端子数が増加するため回路面積も増え、コスト増加が懸念される。

以上のことから、上記特許文献１に開示される静電容量結合方式タッチパネルでは、非導電性物質による入力への対応と、小さい接触面の入力手段に対応する場合の電極数削減が課題となる。

上記課題の解決を実現するため本発明では、複数のＸ電極と複数のＹ電極と複数のＺ電極を備えた静電容量タッチパネルを用いる。この静電容量タッチパネルにおいて、前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置される。また、前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、隣接する前記Ｘ電極と前記Ｙ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成しており、かつ前記Ｚ電極は互いに電気的にフローティングであることを特徴とする。このとき、前記第２の絶縁層を、タッチによる押圧により厚さが変化する材料、例えば弾性絶縁材料で形成することで、非導電性の入力手段においても前記Ｘ電極および前記Ｙ電極と、前記Ｚ電極間の容量変化を発生させることが可能となり、静電容量結合方式によりタッチを検出することが可能となる。

また、前記Ｘ電極のパッド部は、該Ｘ電極と隣接するＸ電極の細線部付近まで延在し、平面的に観た場合に、該Ｘ電極のパッド部における形状は、前記隣接するＸ電極の細線部付近で面積が最小となり、該Ｘ電極の細線部付近で面積が最大となり、該Ｘ電極の細線部付近から前記隣接するＸ電極の細線部付近へかけて、該パッド部の面積が減少することを特徴とする。これにより、タッチ操作における接触面に比べて前記Ｘ電極の電極間隔が広い場合にも、隣接する前記Ｘ電極の検出容量成分の比からタッチ座標位置を計算することが可能となり、少ない電極本数で高精度な位置検出が可能となる。

また、前記複数のＺ電極を、隣接する前記Ｘ電極と前記Ｙ電極との両方に重畳させて形成することで、前記Ｘ電極上にタッチによる接触面が存在した場合でも、前記Ｚ電極を通じて隣接する前記Ｙ電極が容量変化を検知でき、逆に前記Ｙ電極上にタッチによる接触面が存在した場合でも、前記Ｚ電極を通じて隣接する前記Ｘ電極が容量変化を検知できるため、タッチパネル全面において入力座標を検出することができる。また同時に前記Ｙ電極の電極本数も削減することが可能となる。

本発明によれば、タッチパネルの電極の形状や配置を工夫することで、少ない電極本数で従来と比較して精度の高い位置検出が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図を用いて詳細に説明する。

入力装置（以下、タッチパネルと呼ぶ）、及びそれを備えた表示装置の構成を、図１に示す。

図１において、１０１は本発明の第１の実施形態によるタッチパネルである。タッチパネル１０１は、容量検出用のＸ電極ＸＰとＹ電極ＹＰを有する。ここでは、例えばＸ電極を４本（ＸＰ１からＸＰ４）、Ｙ電極を４本（ＹＰ１からＹＰ４）で図示しているが、電極数はこれに限らない。タッチパネル１０１は表示装置１０６の前面に設置される。従って、表示装置に表示された画像を使用者が見る場合には、表示画像がタッチパネルを透過する必要があるため、タッチパネルは透過率が高いことが望ましい。タッチパネル１０１のＸ電極とＹ電極は、検出用配線によって容量検出部１０２に接続される。容量検出部１０２は、制御演算部１０３から出力される検出制御信号により制御され、タッチパネルに含まれる各電極（Ｘ電極、Ｙ電極）の容量を検出し、各電極の容量値によって変化する容量検出信号を制御演算部１０３に出力する。制御演算部１０３は、各電極の容量検出信号から各電極の信号成分を計算するとともに、各電極の信号成分から入力座標を演算して求める。システム１０４は、タッチ操作によりタッチパネル１０４から入力座標が転送されると、そのタッチ操作に応じた表示画像を生成して、表示制御信号として表示制御回路１０５に転送する。表示制御回路１０５は、表示制御信号により転送される表示画像に応じて表示信号を生成し、表示装置に画像を表示する。

図２は、容量検出部１０２の回路構成を示す。ここでは一例として電流積分による容量検出回路を示している。但し、容量検出方式はこれに限られるものではなく、例えば、容量とスイッチを用いたスイッチドキャパシタによる容量検出方式や、同じくスイッチと容量を用いて電荷を容量に輸送するチャージトランスファー方式など、タッチパネルの容量検出用電極の容量、或いは容量変化を検出できる方式であれば、本発明の実施形態に適用可能である。図２に示す電流積分による容量検出回路は、定電流源と、定電流源の電流をタッチパネル１０１のＸ電極及びＹ電極に印加するためのスイッチＳＷ＿Ａと、電流積分時の容量検出用電極の電圧ＶＩＮＴと参照電圧ＶＲＥＦとを比較するコンパレータ１０７、および容量検出用電極の電圧をリセットするためのスイッチＳＷ＿Ｂから構成される。ここで、Ｘ電極ＸＰに接続される上記スイッチＳＷ＿Ａ、ＳＷ＿Ｂ、及びその制御信号をＳＷ＿ＸＰＡ、ＳＷ＿ＸＰＢと記し、Ｙ電極ＹＰに接続される上記スイッチＳＷ＿Ａ、ＳＷ＿Ｂ、及びその制御信号をＳＷ＿ＹＰＡ、ＳＷ＿ＹＰＢと記している。

図３は、図２に示した容量検出部１０２の動作を示すタイミングチャートである。ここでは制御信号がハイレベルの時にスイッチが接続状態となり、制御信号がロウレベルの時にスイッチが非接続状態となると仮定する。容量検出部１０２は、ＳＷ＿ＸＰ１Ｂをロウレベルとしてリセット状態を解除し、そしてＳＷ＿ＸＰ１Ａをハイレベルとして定電流源とＸＰ１電極を接続する。これによりタッチパネル１０１の容量検出用電極ＸＰ１の電圧ＶＩＮＴは上昇する。参照電圧ＶＲＥＦはリセットの電位（ここでは、ＧＮＤと仮定）よりも高電位に設定されている。よって、ＳＷ＿ＸＰ１ＡがハイレベルになってからＶＩＮＴがＶＲＥＦに到達するまでコンパレータ１０７の出力はロウレベルとなる。ＶＩＮＴが参照電圧ＶＲＥＦ以上となると、コンパレータ１０７はハイレベルを出力する。その後、ＳＷ＿ＸＰ１Ａが非接続状態、ＳＷ＿ＸＰ１Ｂが接続状態となってＸＰ１電極がリセットされるまで、コンパレータ１０７はハイレベルを出力する。上述のＸＰ１電極の充放電が終わると、次にＸＰ２電極の充放電を同様に行う。この動作を繰り返し、ＸＰ１からＸＰ４、ＹＰ１からＹＰ４の電極の容量検出を行う。以上の動作を繰り返すことにより、連続的に入力座標を検出することが出来る。図４は、図２及び図３に示した電流積分による容量検出によって、タッチパネル１０１の容量検出用電極の容量が変化した場合のＸＰ１電極の電圧ＶＩＮＴを示した図である。タッチパネル１０１のＸＰ１電極上にタッチが無い場合はＸＰ１電極の容量は変化しないため、参照電圧ＶＲＥＦに到達するまでの時間は、検出操作毎にほぼ一定となる。一方、ＸＰ１電極上にタッチがある場合には、ＸＰ１電極の容量は変化する。ここでは、例えば容量が増加したと仮定すると、定電流源の電流は一定であるため、参照電圧ＶＲＥＦに到達するまでの時間は長くなる。制御演算部１０３は、このタッチ状況による参照電圧ＶＲＥＦまでの到達時間の差を、容量検出信号の立ち上りタイミングの差として検知することが可能である。よって、制御演算部１０３は、容量検出信号の立ち上りタイミングの差を各電極の信号成分として算出し、各電極の信号成分から入力座標を計算することが可能となる。

次に、本発明の第１の実施形態によるタッチパネル１０１に設けた容量検出用の電極について、図５および図６を用いて説明する。

図５（ａ）は、タッチパネル１０１の容量検出用のＸ電極ＸＰおよびＹ電極ＹＰ、さらにその上部に設けたＺ電極ＺＰの電極パターンを示した図である。Ｘ電極ＸＰとＹ電極ＹＰは、検出用配線によって容量検出部１０２に接続される。一方、Ｚ電極ＺＰは電気的に接続されておらず、フローティングの状態とする。図５（ｂ）はＸ電極ＸＰとＹ電極ＹＰの電極パターンのみを図に示したものである。Ｙ電極はタッチパネル１０１の横方向に伸びており、複数のＹ電極が縦方向に複数本並べられている。Ｙ電極とＸ電極の交差部分は、各電極の交差容量を削減するためにＹ電極とＸ電極の電極幅を細くしている。この部分を仮に細線部と呼ぶ。したがって、Ｙ電極はその延在方向に細線部と、それ以外の電極部分（以下では、パット部と呼ぶ）とを交互に配置した形状となる。隣接するＹ電極の間に、Ｘ電極を配置する。Ｘ電極はタッチパネル１０１の縦方向に延びており、複数のＸ電極が横方向に複数本並べられる。Ｙ電極と同様に、Ｘ電極はその延在方向に細線部とパッド部を交互に配置した形状となる。以下で、Ｘ電極のパッド部の形状を説明する上で、仮にＸ電極を検出用配線に接続するための配線位置（或いはＸ電極の細線部）を、Ｘ電極の横方向の中心と仮定する。Ｘ電極のパッド部の電極形状は、隣接するＸ電極の中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、該Ｘ電極の中心に近いほど面積が大きくなる。よって、隣接する２本のＸ電極、例えばＸＰ１とＸＰ２の間におけるＸ電極の面積を考えた場合には、ＸＰ１電極の中心付近ではＸＰ１電極のパッド部の電極面積が最大となり、且つＸＰ２電極のパッド部の電極面積は最小となる。一方、ＸＰ２電極の中心付近ではＸＰ１電極のパッド部の電極面積が最小となり、且つＸＰ２電極のパッド部の電極面積が最大となる。ここで、隣接する２本のＸ電極間におけるパッド部形状は、一方のＸ電極の形状が凸状であり、もう一方のＸ電極形状が凹状であることを特徴とする。

図５（ｂ）では、Ｘ電極左側のパッド部の電極形状を凸状、右側の電極形状を凹状としているが、これに限らない。例えば、Ｘ電極右側の電極形状を凸状、左側の電極形状を凹状としても良いし、Ｘ電極左右の電極形状を凸状とし、隣接するＸ電極の電極形状を凹状としても良い。

次に、Ｚ電極ＺＰの形状について説明する。図５（ａ）において、Ｚ電極ＺＰは、Ｙ電極と平行な複数のスリットと、Ｘ電極と平行な複数のスリットにより、複数の電極ＺＰに分割する。図５（ａ）においては、Ｙ電極と平行なスリットの縦方向の位置を、各Ｘ電極上と各Ｙ電極上とに設けており、各Ｘ電極上のスリットの縦位置はＸ電極形状の凸型形状の頂点付近、或いは凹形形状の谷付近とすることが望ましい。また、各Ｙ電極上のスリットの縦位置は、Ｙ電極の電極幅の中心付近とすることが望ましい。一方、Ｘ電極と平行なスリット数は、隣接するＸ電極間に複数箇所設ける。その時のＸ電極と平行なスリットの間隔は任意で設定できるが、想定する入力手段の最小接触面の寸法に近いことが望ましい。

図６は、図５（ａ）において点Ａから点Ｂまでのタッチパネル１０１の断面形状を示した図である。この断面図では、タッチパネル動作の説明に必要となる層のみ示している。タッチパネル１０１の各電極は透明基板上に形成する。透明基板から近い層から遠い層へ順に説明する。まず透明電極に近い箇所にＸ電極ＸＰを形成し、次にＸ電極とＹ電極を絶縁するための絶縁膜を形成する。その次に、Ｙ電極ＹＰを形成する。ここで、Ｘ電極ＸＰとＹ電極の順番を入れ換えても良い。Ｙ電極ＹＰの次には圧力検知用絶縁層を配置し、次にＺ電極ＺＰと保護層を設ける。ここで圧力検知用絶縁層は、タッチ操作による押圧時に、膜厚が変化する透明な絶縁材料であれば良い。例えば、弾性絶縁材料などを用いて、圧力検知用絶縁層を形成しても良い。

次に、本発明の第１の実施形態によるタッチパネル１０１におけるタッチ操作時の容量変化について、図７及び図８を用いて説明する。

図７は、タッチ操作の入力手段が指などの導体である場合の容量変化を説明する模式図である。ここでは、タッチ時の押圧が小さくて圧力検知用絶縁層の厚さが変化しないと仮定する。また、各電極の電極容量は、隣接電極とのフリンジ容量、交差容量、その他の寄生容量との合成容量となるが、ここではＺ電極との間の平行平板容量のみ着目し、その他の電極容量はタッチ操作時とタッチ操作が無い場合で変化しないと仮定した。ここで、タッチ操作が無い場合のＺ電極ＺＰＡとＸ電極ＸＰ１との間の容量をＣｘｚ、Ｚ電極ＺＰＡとＹ電極ＹＰ２との間の容量をＣｙｚと仮定する。

Ｘ電極ＸＰ１の電極容量を容量検出部１０２が検出する際には、Ｙ電極ＹＰ２はリセット状態でＧＮＤ電位となる。そのためＸ電極ＸＰ１からみた場合の合成容量は、Ｚ電極ＺＰＡがフローティングであるため、ＣｘｚとＣｙｚの直列接続の容量となる。このときのＸ電極の合成容量Ｃｘｐは、次の式で表される。

Ｃｘｐ＝Ｃｘｚ・Ｃｙｚ／（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ） ・・・式（１）
一方、タッチ操作により指の接触がある場合には、Ｚ電極ＺＰＡに指の静電容量成分Ｃｆが電気的に接続された状態とみなせる。この場合の合成容量を等価回路で描くと図７（ｂ）となり、タッチ操作時のＸ電極の合成容量Ｃｘｐｆは、次の式で表される。

Ｃｘｐｆ＝Ｃｘｚ・（Ｃｙｚ＋Ｃｆ）／（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ＋Ｃｆ） ・・・式（２）
制御演算部１０３は、タッチ操作が無いときのＸＰ１電極容量Ｃｘｐと、タッチ操作があるときのＸＰ１電極容量Ｃｘｐｆとの差分をＸＰ１電極の信号成分として計算する。タッチ操作有無での電極容量の差分ΔＣｘｐは、式（１）と式（２）から算出できる。

ΔＣｘｐ＝Ｃｘｚ^２・Ｃｆ／｛（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ）（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ＋Ｃｆ）｝
・・・式（３）
式（３）からも確認できるように、電極容量の差分ΔＣｘｐは指の静電容量Ｃｆに依存するため、制御演算部１０３によりＸＰ１電極の信号成分として算出できる。

図８は、タッチ操作の入力手段が非導電性であり、タッチ時の押圧により圧力検知用絶縁層の厚さが変化する場合の容量変化を説明する模式図である。タッチ操作が無い場合のＸＰ１電極の容量は、図７で説明したように式（１）で表すことができる。図８は、タッチ時の押圧によりＺ電極ＺＰＡと容量検出用電極間の圧力検知用絶縁層が薄くなった場合の図である。この場合のＺ電極ＺＰＡとＸ電極ＸＰ１間の容量をＣｘｚａとし、Ｚ電極ＺＰＡとＹ電極ＹＰ２間の容量をＣｙｚａとした場合、平行平板容量は厚さに反比例するため次の式が成り立つ。

Ｃｘｚａ＞Ｃｘｚ，Ｃｙｚａ＞Ｃｙｚ ・・・式（４）
Ｘ電極ＸＰ１の電極容量を容量検出部１０２が検出する際には、Ｙ電極ＹＰ２はリセット状態でＧＮＤ電位となる。そのためＸ電極ＸＰ１からみた場合の合成容量は、Ｚ電極ＺＰＡがフローティングであるため、ＣｘｚａとＣｙｚａの直列接続の容量となる。このときのＸ電極の合成容量Ｃｘｐａは、次の式で表される。

Ｃｘｐａ＝Ｃｘｚａ・Ｃｙｚａ／（Ｃｘｚａ＋Ｃｙｚａ） ・・・式（５）
制御演算部１０３は、タッチ操作が無いときのＸＰ１電極容量Ｃｘｐと、タッチ操作があるときのＸＰ１電極容量Ｃｘｐａとの差分をＸＰ１電極の信号成分として計算する。タッチ操作有無での電極容量の差分ΔＣｘｐａは、式（１）と式（５）から算出できる。

ΔＣｘｐａ＝｛Ｃｘｚ・Ｃｘｚａ（Ｃｙｚａ−Ｃｙｚ）＋Ｃｙｚ・Ｃｙｚａ（Ｃｘｚａ−Ｃｘｚ）｝
／｛（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ）（Ｃｘｚａ＋Ｃｙｚａ）｝ ・・・式（６）
式（４）と式（６）からも確認できるように、電極容量の差分ΔＣｘｐａを容量検出部１０２により検出できるため、制御演算部１０３によりＸＰ１電極の信号成分として算出できる。

以上のことから、圧力検知用絶縁層とＺ電極ＺＰを用いることで、非導電性の入力手段であっても、押圧により圧力検知用絶縁層の厚さが変化することで容量変化により入力座標を検知することが可能になる。

次に、図９および図１０を用いて、タッチ操作による接触面が小さい場合に、接触面の位置が横方向に変化した場合の各電極の信号成分について説明する。

図９（ａ）は、隣接する２つのＸ電極であるＸＰ２とＸＰ３との間において、Ｘ電極上で接触面の位置が変化した様子を示している。ＸＡはＸＰ２の中心付近であり、ＸＢはＸＰ２とＸＰ３との中間付近であり、ＸＣはＸＰ３の中心付近である。図９（ａ）では、図の簡略化のためＺ電極ＺＰを図示していない。図９（ｂ）は接触面の位置がＸＡのときの、ＸＰ２とＸＰ３の制御演算部１０３が算出する信号成分を表した図である。同様に、図９（ｃ）は位置ＸＢのとき、図９（ｄ）は位置ＸＣのときのＸＰ２とＸＰ３の信号成分をそれぞれ表している。図８で述べた静電容量Ｃｆや、図９で述べたＺ電極ＺＰと容量検出用電極との間の容量変化は、接触面の面積に依存する。よって、容量検出用電極と接触面とが重なる面積が大きい場合には信号成分が大きくなり、逆に容量検出用電極と接触面とが重なる面積が小さい場合には信号成分が小さくなる。位置ＸＡでは、接触面とＸＰ２とが重なる部分が多く、ＸＰ３とはほとんど重ならないため、図９（ｂ）に示すように、ＸＰ２の信号成分が大きく、ＸＰ３の信号成分は小さくなる。位置ＸＢでは、ＸＰ２及びＸＰ３と接触面と重なる面積がほぼ等しくなるので、図９（ｃ）に示すように算出される信号成分はＸＰ２とＸＰ３でほぼ等しくなる。さらに、位置ＸＣでは、接触面とＸＰ３と重なる部分が多く、ＸＰ２とほとんど重ならないため、図９（ｄ）に示すように、ＸＰ３の信号成分が大きく、ＸＰ２の信号成分は小さくなる。制御演算部１０３は、各電極の信号成分を用いて重心計算を行い、接触面がタッチ操作により接触した入力座標を算出する。図９（ｃ）のようにＸＰ２とＸＰ３で同程度の信号成分が得られる場合には、重心位置はＸＰ２電極とＸＰ３電極の中間にくるため、入力座標を算出できる。一方、図９（ｂ）や図９（ｄ）のように一方のＸ電極の信号成分が非常に大きい場合には、重心位置は大きな信号成分を検出したＸ電極付近になるため、同様に入力座標を算出できる。

図１０は、Ｙ電極上で図９と同様に接触面が変化したときの様子を示している。横方向の位置は、図９のＸＡがＸＡ’、ＸＢがＸＢ’、ＸＣがＸＣ’に相当する。図１０において接触面はＸ電極と直接重なっていないが、接触面が重なっているＺ電極ＺＰは隣接するＸ電極ＸＰ２とＸＰ３に重なっている。よって、Ｙ電極上での接触による容量変化は、Ｚ電極ＺＰを介した容量カップリングにより隣接するＸ電極でも検出できる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によるＸ電極の電極形状を用いることで、接触面に比べてＸ電極の電極間隔が広い場合でも重心計算が可能となり、高精度に位置を検出することが可能となる。よって、接触面に比べてＸ電極の電極間隔を拡げることで従来の電極パターンより電極本数を削減することが可能となる。また、Ｘ電極の電極形状がＹ電極を間に挟み離散的であっても、電気的にフローティングであるＺ電極を隣接するＸ電極とＹ電極へ跨るように配置することで、タッチパネル全面でＸ方向の入力座標を検出することが可能となる。

次に、図１１を用いて、タッチ操作による接触面が小さい場合に、接触面の位置が縦方向に変化した場合の各電極の信号成分について説明する。

図１１（ａ）は、隣接する２つのＹ電極であるＹＰ２とＹＰ３との間において、縦方向に接触面の位置が変化した様子を示している。ＹＡはＹＰ２の中心付近であり、ＹＢはＹＰ２とＹＰ３との中間付近であり、ＹＣはＹＰ３の中心付近である。接触面が位置ＹＡの場合には接触面と重なるＹ電極はＹＰ２だけであるため、制御演算部１０３が検出する信号成分は、図１１（ｂ）のようにＹＰ２電極の信号成分のみとなる。同様に、接触面が位置ＹＣの場合には接触面と重なるＹ電極はＹＰ３だけであるため、図１１（ｄ）のようにＹＰ３電極の信号成分のみとなる。一方、接触面が位置ＹＢのようにＸ電極上にある場合には、接触面と重なるＺ電極ＺＰが隣接するＹ電極と交差している。そのため、Ｘ電極上での接触による容量変化は、Ｚ電極ＺＰを介した容量カップリングにより隣接するＹ電極で検出することが出来る。位置ＹＢの場合には、ＹＰ２電極と交差するＺ電極ＺＰで発生する容量変化と、ＹＰ３電極と交差するＺ電極ＺＰで発生する容量変化が略等しい。よって、図１１（ｃ）に示すようにＹＰ２とＹＰ３で得られる信号成分が略等しくなる。制御演算部１０３は、Ｘ電極の入力座標算出の場合と同様に、各電極の信号成分を用いて重心計算を行い、接触面がタッチ操作により接触した入力座標を算出する。図１１（ｃ）のようにＹＰ２とＹＰ３で同程度の信号成分が得られる場合には、重心位置はＹＰ２電極とＹＰ３電極の中間にくるため、入力座標を算出できる。一方、図１１（ｂ）や図１１（ｄ）のように一方のＹ電極の信号成分のみの場合には、重心位置は信号成分を検出したＸ電極の中心付近になるため、同様に入力座標を算出できる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によるＹ電極の電極形状が、Ｘ電極を間に挟み離散的であっても、電気的にフローティングであるＺ電極を隣接するＸ電極とＹ電極と跨るように配置することで、タッチパネル全面でＹ方向の入力座標を検出することが可能となる。また、Ｘ電極が存在する領域の縦方向の入力座標を、前述のＺ電極を用いることで検出可能なことから、Ｙ電極の本数を削減することが可能となる。また、縦方向のＹ座標においても重心計算による座標演算が可能となり、高精度に位置を検出することが可能となる。

以上で述べた本発明の第１の実施形態におけるＸ電極、Ｙ電極、およびＺ電極の電極形状による容量検出用電極本数の削減効果を示すため、図１２に示すような対角４インチ（縦横比は、３対４と仮定）のタッチパネルでの電極本数を計算した。ここでは、想定する最小の接触面を直径１．０ｍｍと仮定し、Ｙ電極の電極間隔を２．０ｍｍとした。Ｘ電極の電極間隔をパラメータとしたときの電極数をまとめたグラフを図１３に示す。Ｘ電極の電極間隔を拡げることでＸ電極本数を削減することができる。例えば、電極間隔を６．０ｍｍとすることで、従来技術の場合の電極数１３９本（Ｘ電極とＹ電極ともに１．０ｍｍの電極間隔で並べた場合）に対し、容量検出用の電極数を約１００本削減することが可能となる。

本発明の第１の実施形態により容量検出用の電極本数を削減することで、検出用配線引回しのための額縁寸法を小さくすることが出来る。また、タッチパネル１０１と容量検出部１０２との接続線数も少なくなることから、信頼性向上も期待できる。また、容量検出用の電極本数が少なくなることから、容量検出部の端子数も削減でき、ＩＣ化した際のコストを低減することが可能となる。

図１４及び図１５は、Ｚ電極のスリットの位置を変えた場合である。図５（ａ）、図１４、および図１５のＺ電極ＺＰにおいて、Ｘ電極と平行なスリットは同じであり、Ｙ電極と平行なスリットが異なっている。ただし、Ｚ電極が隣接するＸ電極とＹ電極へ跨り交差している点は共通である。

図１４において、Ｙ電極と平行なスリットは各Ｙ電極の中央付近に配置される。これにより、隣接するＸ電極とＹ電極には同一のＺ電極が跨って交差するため、図５（ａ）の場合と同様にＸ電極上の容量変化をカップリングでＹ電極が検出可能となり、逆にＹ電極上の容量変化をカップリングでＸ電極が検出可能となる。このため、図５（ａ）と同様の効果が期待できる。

図１５においては、Ｙ電極と平行なスリットは各Ｘ電極の中央付近に配置される。これにより、隣接するＸ電極とＹ電極には同一のＺ電極が跨って交差するため、図５（ａ）の場合と同様にＸ電極上の容量変化をカップリングでＹ電極が検出可能となり、逆にＹ電極上の容量変化をカップリングでＸ電極が検出可能となる。このため、図５（ａ）と同様の効果が期待できる。

図１６は、図５（ｂ）に示すＸ電極の形状を変えた場合である。図５（ｂ）および図１６において、Ｙ電極の形状は同じである。図５（ｂ）ではＸ電極形状が凹形形状、凸形形状であったが、図１６は略三角形に近い形状である。図５（ｂ）および図１６共に、隣接するＸ電極の中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、該Ｘ電極の中心に近いほど面積が大きくなる特徴は同じである。そのため、図５（ｂ）と同様の効果が期待できる。また、Ｘ電極の形状は、隣接するＸ電極の中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、該Ｘ電極の中心に近いほど面積が大きくなる形状であれば、図５（ｂ）、図１６の形状に限定されない。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、非導電性の入力手段によりタッチパネル上へ接触した場合でも、容量検出用のＸ電極やＹ電極と、その上部のＺ電極との距離が変化することで容量変化を発生できるため、静電容量結合方式として入力座標を検出することが出来る。これにより、抵抗膜式で使用されている樹脂製スタイラスへも対応可能となり、抵抗膜式タッチパネルとの置き換えの障壁が低くなる。

また、隣接するＸ電極間の入力位置は、隣接する２つのＸ電極から得られる容量変化の信号比により算出できるように電極形状を工夫することでＸ電極本数を削減し、またＹ電極はＺ電極の配置を工夫することで削減することができる。これにより、検出用電極から入力処理部までの引き回し配線で必要な額縁幅を狭くすることができ、デザイン性の尤度が向上する。また、入力処理部の端子数増加を抑制することが出来るため、安価に高精度な入力位置検出ができる静電容量結合方式タッチパネルを実現することが出来る。また、接触面の小さい入力手段、例えばスタイラスなどでも精度良く入力座標の検出が出来ることから、文字入力などのアプリケーションへ適用も可能となる。

上記で説明した本発明の第１の実施形態によるタッチパネルにおいて、Ｘ電極ＸＰの形状は、図１７に示すようにＸ電極の中心から最遠端の部分で、ある一定の電極幅を有する電極形状としても良い。

図１８は、図１７に示す電極形状を用いたタッチパネルにおいて、タッチ操作による接触面が小さい場合に、接触面の位置が横方向に変化した場合の各電極の信号成分について説明する図である。

図１８（ａ）は、隣接する２つのＸ電極であるＸＰ２とＸＰ３との間において、Ｘ電極上で接触面の位置が変化した様子を示している。ＸＡはＸＰ２の中心付近であり、ＸＢはＸＰ２とＸＰ３との中間付近であり、ＸＣはＸＰ３の中心付近である。図１８（ａ）では、図の簡略化のためＺ電極ＺＰを図示していない。図１８（ｂ）は接触面の位置がＸＡのときの、ＸＰ２とＸＰ３の制御演算部１０３が算出する信号成分を表した図である。同様に、図１８（ｃ）は位置ＸＢのとき、図１８（ｄ）は位置ＸＣのときのＸＰ２とＸＰ３の信号成分をそれぞれ表している。前述したようにＺ電極ＺＰと容量検出用電極との間の容量変化は、接触面の面積に依存する。よって、容量検出用電極と接触面とが重なる面積が大きい場合には信号成分が大きくなり、逆に容量検出用電極と接触面とが重なる面積が小さい場合には信号成分が小さくなる。位置ＸＡでは、接触面とＸＰ２とが重なる部分が多くなる。一方、ＸＰ３は遠端部においても電極幅を有する電極形状となっているため、接触面と重なる面積を得る事ができる。このため、図１８（ｂ）に示すように、ＸＰ２の信号成分は大きくなり、ＸＰ３の信号成分は接触面と重なる面積に応じた信号成分となる。位置ＸＢでは、ＸＰ２及びＸＰ３と接触面と重なる面積がほぼ等しくなるので、図１８（ｃ）に示すように算出される信号成分はＸＰ２とＸＰ３でほぼ等しくなる。さらに、位置ＸＣでは、位置ＸＡの場合のＸＰ２とＸＰ３の関係が逆となる。

ここで、表示装置や容量検出部１０２周辺の影響により信号成分にノイズ成分が重畳される場合がある。ノイズ成分が重畳されると、図１８（ｂ）から図１８（ｄ）の図中に点線で示したノイズ成分以下の信号は、制御演算部１０３において重心計算に利用できなくなる。よって、ノイズ成分が多い場合には、図１７に示すようにＸ電極の中心から最遠端の部分を、任意の電極幅を有する電極形状にすることで、接触面と重なる面積を存在させることができ、信号成分を得ることで精度よく接触位置を検出することができる。

また、圧力検知用絶縁層は、空気など圧力により体積が変化する気体により構成してもよい。この場合には、非接触時の層間距離を一定に保つ為に、Ｚ電極ＺＰとＸ電極ＸＰ及びＹ電極ＹＰとの間に、スペーサなどを配置してもよい。

また、空気以外でも、上下の電極材料などと屈折率の近い液体材料を用いて、圧力検知用絶縁層としても良い。また、圧力検知用絶縁層として、圧力により層間距離が変化するエラストマ−等の樹脂を用いても良い。

次に、本発明の第２の実施形態によるタッチパネルについて説明する。本発明の第２の実施形態によるタッチパネルは、本発明の第１の実施形態で説明したＺ電極の形状が異なる。従って、Ｚ電極以外の構成要素は、前述した本発明の第１の実施形態と同様である。

本発明の第２の実施形態によるタッチパネルに備えられるＺ電極の形状について、図１９と図２０を用いて説明する。図１９に示すように、Ｚ電極ＺＰはスリットにより分割されず、ベタ電極の形状を有する。このベタ電極の形状のＺ電極ＺＰも電気的にフローティング状態とする。このときの点Ａから点Ｂの断面図が図２０である。ベタ電極形状のＺ電極ＺＰが、圧力検知用絶縁層を挟んで、Ｘ電極ＸＰとＹ電極ＹＰの上部に配置される。

図２１と図２２は、ベタ電極形状のＺ電極ＺＰを用いたときの、容量検出用電極であるＸ電極ＸＰの信号成分を、シミュレーションにより求めた結果である。

図２１は、ペンなどによりタッチパネルを押圧し、圧力検知用絶縁層の層間距離が変動した場合の信号成分を、シミュレーションにより求めた結果である。シミュレーションの条件として、押圧前の圧力検知用絶縁層の層間距離を７０ｕｍとし、押圧時の層間距離を１０ｕｍとして計算した。グラフの横軸は、圧力検知用絶縁層の比誘電率である。比較として、第１の実施形態であるスリット有のＺ電極ＺＰを用いた場合の信号成分も示した。この図で示されるように、ベタ電極形状のＺ電極ＺＰを用いた場合でも、図８（ａ）で説明した圧力検知用絶縁層の層間距離変化による容量変化を、スリット有のＺ電極ＺＰを用いたときと同程度に、信号成分として検出できることがわかる。

図２２は、指などの導体によりタッチパネルに触れたときの信号成分をシミュレーションにより計算した結果を示している。ここでは、指などにより軽く接触した場合を想定して、接触時に圧力検知用絶縁層の層間距離は変化せず７０ｕｍ一定として計算した。また、圧力検知用絶縁層の比誘電率は３．８として計算した。グラフ中には、比較データとして、点線でスリット有のＺ電極を用いた場合における指接触時の信号成分をシミュレーションにより計算した結果を示した。グラフ横軸は、ベタ電極形状であるＺ電極ＺＰのシート抵抗である。この結果から、層間距離が変化しない場合には、Ｚ電極のシート抵抗を高くすることで、スリット有のＺ電極ＺＰを用いた場合と同程度の信号成分を得られることを示している。Ｚ電極のシート抵抗を高くすることで、接触した導体から距離の近い容量検出用電極のみ、その接触した導体により発生する静電容量への充放電が可能となる。このようにＺ電極の抵抗を高くして、静電容量への充放電を局所的にすることで、信号成分を検出可能にした。

以上で説明したように、スリットのないベタ電極形状のＺ電極を用いることで、本発明の第１の実施形態によるタッチパネルと同様の効果を得る事ができる。

本発明の実施形態における入力装置、およびそれを備えた表示装置のシステム構成図 容量検出部１０２の回路構成図 容量検出部１０２の動作を説明するタイミングチャート 容量検出時における容量検出用電極の電圧波形図 本発明の実施形態におけるタッチパネルの電極形状を示す平面図 本発明の実施形態におけるタッチパネルの電極構造を示す断面図 本発明の実施形態におけるタッチパネルにおいて容量検出用電極の静電容量による容量変化を示す模式図 本発明の実施形態におけるタッチパネルにおいて容量検出用電極の圧力検知用絶縁層の厚さ変化による容量変化を示す模式図 本発明の実施形態においてＸ方向に接触面が移動した際の信号成分を示したグラフ 本発明の実施形態において接触面がＹ電極上に存在しＸ方向に移動した際の模式図 本発明の実施形態においてＹ方向に接触面が移動した際の信号成分を示したグラフ タッチパネルにおける容量検出用電極の配置図 容量検出用電極本数のＸ電極間隔依存を示すグラフ 本発明の実施形態における、別なＺ電極の形状を示す模式図 本発明の実施形態における、別なＺ電極の形状を示す模式図 本発明の実施形態における、別なＸ電極の形状を示す模式図 本発明の実施形態における、別なＸ電極の形状を示す模式図 本発明の実施形態においてＸ方向に接触面が移動した際の信号成分を示したグラフ 本発明の第２の実施形態におけるタッチパネルの電極形状を示す平面図 本発明の第２の実施形態におけるタッチパネルの電極構造を示す断面図 本発明の実施形態におけるタッチパネルの圧力検知用絶縁層距離が変化したときの信号成分を示すグラフ 本発明の実施形態におけるタッチパネルの導体接触時の信号成分を示すグラフ

符号の説明

ＸＰ 容量検出用のＸ電極
ＹＰ 容量検出用のＹ電極
１０１ タッチパネル
１０２ 容量検出部
１０３ 制御演算部
１０４ システム（ＣＰＵ）
１０５ 表示制御回路
１０６ 表示装置
１０７ コンパレータ
ＳＷ＿Ａ，ＳＷ＿Ｂ スイッチ、及びその制御信号
ＶＩＮＴ 容量検出用電極の電流積分電圧
ＶＲＥＦ 参照電圧
ＺＰ，ＺＰＡ Ｚ電極
Ｃｆ 静電容量
Ｃｘｚ，Ｃｘｚａ Ｘ電極とＺ電極との間の容量成分
Ｃｙｚ，Ｃｙｚａ Ｙ電極とＺ電極との間の容量成分
ＸＡ，ＸＢ，ＸＣ 接触面位置
ＸＡ’，ＸＢ’，ＸＣ’ 接触面位置
ＹＡ，ＹＢ，ＹＣ 接触面位置

Claims (4)

1. 表示領域上におけるタッチ位置座標を静電容量結合方式にて検出する静電容量タッチパネルを備える表示装置において、
   前記静電容量タッチパネルは、複数のＸ電極と複数のＹ電極、およびＺ電極を備え、
   前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置され、
   前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、前記複数のＸ電極と前記複数のＹ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成されており、
   前記Ｚ電極は、電気的にフローティングであり、
   前記第２絶縁層は、圧力により厚さが変化し、
   前記Ｚ電極は、指などの導体が静電容量タッチパネルに接触した付近に生じる静電容量に対し、前記接触した付近の前記Ｘ電極および前記Ｙ電極からのみ、前記静電容量に充放電できるように、高抵抗であること
   を特徴とする表示装置。
2. 前記Ｚ電極は、ベタ電極であること、
   を特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 表示領域上におけるタッチ位置座標を静電容量結合方式にて検出する静電容量タッチパネルを備える表示装置において、
   前記静電容量タッチパネルは、複数のＸ電極と複数のＹ電極、及びＺ電極を備え、
   前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置され、
   前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、前記複数のＸ電極と前記複数のＹ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成されており、
   前記Ｚ電極は、電気的にフローティングであり、
   前記第２の絶縁層は、圧力により体積が変化する気体で形成され、
   前記Ｚ電極は、指などの導体が静電容量タッチパネルに接触した付近に生じる静電容量に対し、前記接触した付近の前記Ｘ電極および前記Ｙ電極からのみ、前記静電容量に充放電できるように、高抵抗であること
   を特徴とする表示装置。
4. 前記第２の絶縁層は、空気であること
   を特徴とする請求項３記載の表示装置。

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