JP5197547B2 - タッチ入力機能付き表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、タッチ入力機能を有する表示装置に関する。

タッチパネルの呼称で知られるパネル型入力装置は、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、現金自動預払機（ＡＴＭ）等の、表示装置を備えたデータ処理装置における補助的な入力装置であり、パネル表面の所望位置をオペレータがペンや指で触れることにより、表示装置に要求される二次元座標データを入力指示するものである。特に、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＰＤＰ（プラズマパネル）、ＣＲＴ（ブラウン管）等の表示装置の画面に重ねて設置可能な、それ自体透明な構造を有するタッチパネルが、広く利用されている。

従来のタッチパネルは、タッチ位置の検出方式で分類すれば、光学式、超音波式、静電容量式、抵抗膜式等の構成を有するものが知られている。このうち、抵抗膜式のタッチパネルは、他の方式に比べて検出機構が単純で小型化が容易なことから、ＰＤＡ等の携帯機器で特に有利に使用されている。しかし、抵抗膜式タッチパネルは、２枚の透明基板を重ね合わせて構成されているので、表示装置の画面に重ねて配置したときに、画面の明るさやコントラスト等の、表示装置の描画品質を劣化させることが懸念される。

タッチパネルを表示装置の画面に重ねて配置する上記構成に代えて、表示装置とタッチパネルとの両機能を共通の基板に持たせたタッチ入力機能付き表示装置が、従来提案されている。例えば特許文献１は、液晶パネルが有するマトリクス状配列の画素電極群に、フォトダイオード等の複数の光電変換素子を規則的に混在させてなるタッチパネルを開示する。このタッチパネルは、液晶パネル構造によって画像を表示する一方で、パネル表面の所望位置をタッチ入力するペンの先端で液晶表示用のバックライトの光を反射し、この反射光を周辺の光電変換素子が受光することにより、タッチ位置を検出するものである。

また、特許文献２は、１つの基板にＥＬ素子と光電変換素子（フォトダイオード）とをマトリクス状に混在配置してなるパネル型の情報装置を開示する。この情報装置も、ＥＬ素子群が画像を表示する一方で、パネル表面の所望位置をタッチ入力するペンの先端でＥＬ素子の表示光を反射し、この反射光を周辺の光電変換素子が受光することにより、タッチ位置を検出するものである。

特開平１１−１１９８９８号公報 特開２００２−２８７９００号公報

上記した従来のタッチ入力機能付き表示装置は、１つの基板で表示機能とタッチ入力機能との双方を実現しているので、タッチパネルを表示装置の画面に重ねて配置する構成に比べて、一層の小型化・低背化を促進することが期待される。その反面、液晶バックライトやＥＬ素子等の表示光の反射光を光電変換素子が受光することにより、タッチ位置を検出する構成であるから、表示光の散乱光がノイズとなって位置検出精度を低下させたり、太陽光等の強い外光の下での使用時に外光による誤作動が生じたりする危惧がある。また、バックライトやＥＬ素子の劣化（つまり表示機能の劣化）による検出光量の減少が、位置検出精度の低下に直結することも懸念される。さらに、バックライトの設置やＥＬ素子等の自発光素子の使用を前提としているので、外光を利用して画像表示を行なう表示装置（例えば反射型ＬＣＤ、電子ペーパ等）には適用困難である。

本発明の目的は、表示機能とタッチ入力機能とを共通の基板に組み込んでなるタッチ入力機能付き表示装置において、太陽光等の強い外光の下で使用する際にも外光による誤作動を生じることがなく、また表示機能が劣化しても位置検出精度を維持することができ、さらに、透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、ＥＬ素子、ＬＥＤ等、画像表示機構の構成に関わらず適用できる、信頼性及び発展性に優れたタッチ入力機能付き表示装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、基板と、基板に設けられ、画面領域を規定する複数のセル部と、複数のセル部のうち第１群のセル部に個別に形成される複数の表示素子と、複数のセル部のうち第１群のセル部とは異なる第２群のセル部に個別に対応して設けられ、対応するセル部に入射する外光を導く複数の導光部材と、基板から離隔して配置されるとともに複数の導光部材に個別に対応して設けられ、対応する導光部材により導かれた外光を検出する複数の光検出素子と、複数の光検出素子による外光の検出に応じて、画面領域におけるタッチ入力座標位置を特定する処理部と、を具備するタッチ入力機能付き表示装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、基板と、基板に設けられ、画面領域を規定する複数のセル部と、基板から離隔して配置される複数の表示素子と、複数のセル部に個別に対応し、かつ複数の表示素子に個別に対応して設けられ、対応する表示素子による表示光を対応するセル部に導く複数の第１導光路と、基板から離隔して配置され、光を検出する複数の光検出素子と、複数のセル部に個別に対応し、かつ複数の光検出素子に個別に対応して設けられ、対応するセル部に入射する外光を対応する光検出素子に導く複数の第２導光路と、複数の第１導光路と複数の第２導光路とを互いに切り替える切替部材と、複数の光検出素子による外光の検出に応じて、画面領域におけるタッチ入力座標位置を特定する処理部と、を具備するタッチ入力機能付き表示装置を提供する。

本発明によれば、１つの基板で表示機能とタッチ入力機能との双方を実現できるから、タッチパネルを表示装置の画面に重ねて配置する構成に比べて、一層の小型化・低背化を促進することができる。また、基板の画面領域に配置される複数の光検出素子が、画面領域に入射する外光の局所的陰影を検出し、処理部がその局所的陰影の位置をタッチ入力座標位置として処理するように構成したから、太陽光等の強い外光の下での使用時にも、外光による誤作動が生じる危惧は確実に排除される。また、表示素子の表示機能の劣化により表示光の光量が減少しても、位置検出精度に影響を及ぼすことはない。さらに、バックライトの設置や自発光素子の使用を必須要件としないから、外光を利用して画像表示を行なう表示装置（例えば反射型ＬＣＤ、電子ペーパ等）にも適用することができる。したがってこの発明によれば、透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、ＥＬ素子、ＬＥＤ等、画像表示機構の構成に関わらず適用できる、信頼性及び発展性に優れたタッチ入力機能付き表示装置が提供される。

請求項１に記載の発明によれば、基板の製作が容易になる。

請求項２に記載の発明によれば、基板の製作が容易になるとともに、表示素子による画像表示の解像度を劣化させることなく、光検出素子によるタッチ位置検出精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態によるタッチ入力機能付き表示装置を、機能ブロックを用いて模式図的に示す図である。 図１のタッチ入力機能付き表示装置に組み込まれる基板の概略平面図である。 図１のタッチ入力機能付き表示装置におけるタッチ位置検出機能を模式図的に示す図である。 変形例によるタッチ入力式キーボード装置におけるタッチ位置検出機能を模式図的に示す図である。 本発明の他の実施形態によるタッチ入力機能付き表示装置を、機能ブロックを用いて模式図的に示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるタッチ入力機能付き表示装置を模式図的に示す図で、（ａ）画像表示状態、及び（ｂ）タッチ入力検出状態をそれぞれ示す。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明の一実施形態によるタッチ入力機能付き表示装置１０（以下、表示装置１０と略称する）を、機能ブロックを用いて示す模式図、図２は、表示装置１０に組み込まれる基板１２の概略平面図、図３は、表示装置１０におけるタッチ位置検出機能を説明する模式図である。

表示装置１０は、矩形薄板状の基板１２と、基板１２に設けられ、所望面積の画面領域１４を規定する複数のセル部１６と、それらセル部１６に関連して設けられる複数の表示素子１８及び複数の光検出素子２０と、それら光検出素子２０が検出した光に基づいて画面領域１４におけるタッチ入力座標位置を特定する入力処理部２２とを備えて構成される。複数のセル部１６は、基板１２上でマトリクス状に配置されて、平面視略矩形の画面領域１４を画定する。複数（所定個数）の表示素子１８及び複数（所定個数）の光検出素子２０は、個々のセル部１６に直接に、それぞれ千鳥状の交互配置で規則的に分散して設けられる（図２）。なお、各図面において、理解を助けるためにセル部１６は十分に拡大して示されている。

各表示素子１８は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）の画素の構造を有する。つまり、表示素子１８を有する個々のセル部１６には、電極、液晶、スイッチング素子等の、公知の画素構成要素（図示せず）が設置される。したがって表示装置１０は、基板１２上で千鳥状に配置される所定個数の表示素子１８が協働して、例えばアクティブマトリクス型のＬＣＤとして機能する。その目的で、表示装置１０にはさらに、それら表示素子１８を駆動制御する表示制御部２４が設けられる。また、表示装置１０を反射型ＬＣＤとして構成する場合には、基板１２に隣接して図示しない反射板が設置され、透過型ＬＣＤとして構成する場合は、基板１２に隣接して図示しないバックライトが設置される。

複数の表示素子１８は、公知の成膜工程、塗布工程等を経て、基板１２の所望のセル部１６にそれぞれ形成される。なお、表示素子１８の構成は、上記したＬＣＤ素子に限定されず、例えばＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子等の自発光素子や、電子インク等の帯電粒子群を採用することもできる。また、表示素子１８の配置は、上記した千鳥状配置に限定されず、個々の表示素子１８の形状、寸法も様々に設定できる。いずれの構成においても、表示制御部２４の制御下で、所定個数の表示素子１８が協働して、画面領域１４に所望の画像を表示する。

各光検出素子２０は、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）の画素の構造を有する。つまり、光検出素子２０を有する個々のセル部１６には、電極、フォトダイオード、マイクロレンズ等の、公知の画素構成要素（図示せず）が設置される。したがって表示装置１０は、基板１２上で千鳥状に配置される所定個数の光検出素子２０が、個々に光電変換を行なって撮像信号を入力処理部２２に送信し、入力処理部２２が、所定の撮像信号を出力した光検出素子２０の位置をタッチ入力位置として処理することにより、光学式のタッチパネルとして機能する。

さらに詳述すれば、各光検出素子２０は、表示装置１０の外部から画面領域１４に入射する外光Ｌ１を検出するとともに、オペレータが例えば指先２６で画面領域１４の所望位置を指し示したとき（すなわちタッチ入力したとき）に生じる外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出するように構成される（図３）。ここで、表示装置１０では、画面領域１４を保護するための透明板２８が、画面領域１４の全体を覆うようにして基板１２に対向配置される。したがって各検出素子２０は、透明板２８の所望位置に触れた指先２６やペン先３０（図４）の、透明板２８を介して画面領域１４に投影される局所的陰影Ｓを検出することになる。なお、表示素子１８によるバックライト等の表示光Ｌ２は、透明板２８を介してオペレータに観察される。

入力処理部２２は、個々の光検出素子２０から獲得した撮像信号を演算処理し、各光検出素子２０で検出した光の強さ等の光学的データを予め定めた閾値と比較して、上記したタッチ入力による局所的陰影Ｓが検出されているか否かを判定する。そして入力処理部２２は、いずれかの光検出素子２０で外光Ｌ１の局所的陰影Ｓが検出されたと判定したときに、当該光検出素子２０の画面領域１４における２次元座標位置を、タッチ入力座標位置データとして入力処理する。さらに入力処理部２２は、表示装置１０を搭載したデータ処理装置のＣＰＵ（図示せず）に入力座標信号を送信し、ＣＰＵが表示制御部２４等の種々の制御部に所要の制御指令を送る。なお、ＣＣＤ素子からなる光検出素子２０は、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出できればよいので、入力処理部２２が光検出素子２０からの撮像信号に基づく画像処理を行なう必要はない。

複数の光検出素子２０は、公知の成膜工程、塗布工程等を経て、基板１２の所望のセル部１６にそれぞれ形成される。なお、光検出素子２０の構成は、ＣＣＤ素子に限定されず、例えばＣｄＳ（cadmium sulfide）素子、フォトダイオード、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等の、光を検出可能な種々の構成を採用できる。また、光検出素子２０の配置は、上記した千鳥状配置に限定されず、個々の光検出素子２０の形状、寸法も様々に設定できるが、好ましくは、画面領域１４内で複数の表示素子１８に対し満遍なく一様に混在して配置される。さらに、透明板２８は、アクリル、ポリカーボネート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ガラス等から作製できる。

上記構成を有する表示装置１０によれば、１つの基板１２で表示機能とタッチ入力機能との双方を実現しているので、タッチパネルを表示装置の画面に重ねて配置する構成に比べて、一層の小型化・低背化を促進することができる。また、基板１２の画面領域１４に複数の表示素子１８に混在して配置される複数の光検出素子２０が、画面領域１４に入射する外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出し、入力処理部２２がその局所的陰影Ｓの位置をタッチ入力座標位置として処理するように構成したから、太陽光等の強い外光Ｌ１の下での使用時にも、外光Ｌ１による誤作動が生じる危惧は確実に排除される。また、バックライトや表示素子１８の劣化（つまり表示機能の劣化）により表示光Ｌ２の光量が減少しても、位置検出精度に影響を及ぼすことはない。さらに、バックライトの設置や自発光素子の使用を必須要件とせず、外光を利用して画像表示を行なう表示装置（例えば反射型ＬＣＤ、電子ペーパ等）にも適用することができる。したがって、表示装置１０は、透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、ＥＬ素子、ＬＥＤ等、画像表示機構の構成に関わらず適用できる、信頼性及び発展性に優れたタッチ入力機能付き表示装置となる。

表示装置１０においては、表示素子１８による表示光Ｌ２の散乱光や反射光がノイズとなってタッチ入力位置の検出精度を低下させることを、可及的に防止できることが望ましい。その目的で、図４に示すように、基板１２の表面１２ａに沿って、複数のセル部１６の間に延設される複数の障壁３２を備えることが有利である。各障壁３２は、各表示素子１８による表示光Ｌ２が、隣接する光検出素子２０に入射することを防止するように作用する。このような障壁３２は、表示素子１８又は光検出素子２０を形成する成膜／塗布工程で、樹脂材料の微細リブとして、追加して形成することができる。なお、同様の目的で、基板１２に対向配置される透明板２８に、表示素子１８による表示光Ｌ２の反射を防止する反射防止層（図示せず）を設けたり、外光Ｌ１や表示光Ｌ２を制御する偏光膜（図示せず）を設けたりすることもできる。

また、表示装置１０では、表示素子１８による表示光Ｌ２の変化が、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓとして誤って検出されないようにすることが望ましい。その目的で、各光検出素子２０は、例えばＣＣＤの撮像信号として、光の強度及びスペクトルを検出することが有利である。この場合、入力処理部２２は、光検出素子２０が検出した光の強度及びスペクトルを、別途検出又は記憶したその瞬間の各表示素子１８による表示光Ｌ２の強度及びスペクトルと比較することにより、検出光が外光Ｌ１の局所的陰影Ｓであるか、或いは表示素子１８による表示光Ｌ２の反射光又は散乱光であるかを、識別して判定する。

ここで、検出光が外光Ｌ１の局所的陰影Ｓであった場合には、検出光の強度及びスペクトルは表示光Ｌ２の強度及びスペクトルとは全く関連性の無いものとなるが、検出光が表示光Ｌ２の反射光又は散乱光であった場合には、少なくとも検出光のスペクトルは表示光Ｌ２のスペクトルに類似した形態を示す。したがって、入力処理部２２は、光検出素子２０から獲得した検出光のスペクトルが表示光Ｌ２のスペクトルとは関連性が無い場合にのみ、当該光検出素子２０による検出光を外光Ｌ１の局所的陰影Ｓと判断して、タッチ入力座標位置を特定する。

図５に示すように、表示装置１０においては、光検出素子２０を基板１２のセル部１６から離隔して配置することもできる。図示の構成では、複数（所定個数）の光検出素子２０と、それら光検出素子２０に個別に関連する（つまり表示素子１８を配置していない）所望のセル部１６との間に、複数の導光部材３４が個別に配置される。また、複数の光検出素子２０は、基板１２から離隔して設けられる光検出部材３６の一表面に、基板１２の画面領域１４（図２）における２次元配列に対応する２次元配列で、互いに隣接して配置される。

各導光部材３４は、例えば光ファイバから形成され、その長手方向一端面を対応のセル部１６に配置するとともに、長手方向他端面を対応の光検出素子２０に対向配置して、セル部１６に入射した外光Ｌ１を関連する光検出素子２０に導く。それにより、各光検出素子２０は、外光Ｌ１及びその局所的陰影Ｓを検出し、入力処理部２２が、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出した光検出素子２０の光検出部材３６上での位置（画面領域１４における位置と座標上は対応する）を、タッチ入力座標位置として処理する。このような構成によれば、基板１２のセル部１６には表示素子１８のみを形成すれば良いので、基板１２の製作が容易になる利点が得られる。

また図６に示すように、表示装置１０においては、表示素子１８及び光検出素子２０の双方を、基板１２のセル部１６から離隔して配置することもできる。図示の構成では、画面領域１４（図２）の全てのセル部１６とそれに対応する個数（１つのみ図示）の表示素子１８との間に第１導光路３８が形成されるとともに、全てのセル部１６とそれに対応する個数（１つのみ図示）の光検出素子２０との間に第２導光路４０が形成され、それら導光路３８、４０上に、第１導光路３８と第２導光路４０とを必要に応じて互いに切り替える切替部材４２が設置される。また、複数の表示素子１８は、基板１２から離隔して設けられる表示部材（図示せず）の一表面に、基板１２の画面領域１４（図２）におけるセル部１６の２次元配列に対応する２次元配列で、互いに隣接して配置される。同様に、複数の光検出素子２０は、基板１２から離隔して設けられる光検出部材（図示せず）の一表面に、基板１２の画面領域１４（図２）におけるセル部１６の２次元配列に対応する２次元配列で、互いに隣接して配置される。

第１導光路３８は、長手方向一端面を個々のセル部１６に配置する複数（１つのみ図示）の第１光ファイバ４４と、長手方向一端面を個々の表示素子１８に対向配置する複数（１つのみ図示）の第２光ファイバ４６とから構成できる。また、第２導光路４０は、長手方向一端面を個々のセル部１６に配置する複数（１つのみ図示）の第１光ファイバ４４と、長手方向一端面を個々の光検出素子２０に対向配置する複数（１つのみ図示）の第３光ファイバ４８とから構成できる。そして、切替部材４２は、第１光ファイバ４４の長手方向他端面と第２光ファイバ４６の長手方向他端面と第３光ファイバ４８の長手方向他端面との間に配置される可動式の極小ミラー又はスイッチ機能付きの光導波路部材から構成できる。

上記構成において、表示装置１０が画像表示を行なう間は、切替部材４２を切替操作して、個々の表示素子１８による表示光Ｌ２が第１導光路３８を介して基板１２の全てのセル部１６に導かれるようにする（図６（ａ））。また、表示装置１０でタッチ入力を行なう際には、切替部材４２を切替操作して、基板１２の全てのセル部１６に入射する外光Ｌ１が第２導光路４０を介して個々の光検出素子２０に導かれるようにする（図６（ｂ））。そして、入力処理部２２（図１）は、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓ（図３）を検出した光検出素子２０の光検出部材（図示せず）上での位置（画面領域１４における位置と座標上は対応する）を、タッチ入力座標位置として処理する。このような構成によれば、表示素子１８による画像表示の解像度を劣化させることなく、光検出素子２０によるタッチ位置検出精度を向上させることができる。また、基板１２の製作が容易になる利点も得られる。

表示装置１０においては、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓがオペレータによるタッチ入力操作によって生じたときにのみ、入力処理部２２が前述した座標入力処理を行なうことが肝要である。その目的で、入力処理部２２は、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出した光検出素子２０に関して、所定時間内での局所的陰影Ｓの変化の有無を判定し、その経時変化が有ると判定したときにのみ、局所的陰影Ｓを検出した当該光検出素子２２の位置をタッチ入力座標位置として処理するように構成できる。このような構成によれば、例えば透明板２８の表面に異物や汚損が存在しているときに、それによって生じる局所的陰影Ｓは所定時間内での変化を実質的に生じないので、光検出素子２２からのそのような陰影検出信号を座標入力データとして扱わないようにすることができる。

さらに、表示装置１０においては、各光検出素子２０が、外光Ｌ１及びその局所的陰影Ｓに加えて、各表示素子１８による表示光Ｌ２の反射光を検出するように構成することもできる。この場合、入力処理部２２は、外光Ｌ１の局所的陰影Ｓを検出した光検出素子２２の、基板１２の画面領域１４（図１）における位置と、表示光Ｌ２の反射光を検出した光検出素子２２の画面領域１４における位置との、いずれか一方を選択して、タッチ入力座標位置として処理することができる。このような構成によれば、外光Ｌ１が弱く局所的陰影Ｓを検出し難い状況下で表示装置１０を使用する際に、表示光Ｌ２の反射光を検出する方式に切り替えて使用することができる。

１０ 表示装置
１２ 基板
１４ 画面領域
１６ セル部
１８ 表示素子
２０ 光検出素子
２２ 入力処理部
２４ 表示制御部
２８ 透明板
３２ 障壁
３４ 導光部材
３８ 第１導光路
４０ 第２導光路
４２ 切替部材

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板に設けられ、画面領域を規定する複数のセル部と、
   前記複数のセル部のうち第１群のセル部に個別に形成される複数の表示素子と、
   前記複数のセル部のうち前記第１群のセル部とは異なる第２群のセル部に個別に対応して設けられ、対応する該セル部に入射する外光を導く複数の導光部材と、
   前記基板から離隔して配置されるとともに前記複数の導光部材に個別に対応して設けられ、対応する該導光部材により導かれた前記外光を検出する複数の光検出素子と、
   前記複数の光検出素子による前記外光の検出に応じて、前記画面領域におけるタッチ入力座標位置を特定する処理部と、
   を具備するタッチ入力機能付き表示装置。
2. 基板と、
   前記基板に設けられ、画面領域を規定する複数のセル部と、
   前記基板から離隔して配置される複数の表示素子と、
   前記複数のセル部に個別に対応し、かつ前記複数の表示素子に個別に対応して設けられ、対応する該表示素子による表示光を対応する該セル部に導く複数の第１導光路と、
   前記基板から離隔して配置され、光を検出する複数の光検出素子と、
   前記複数のセル部に個別に対応し、かつ前記複数の光検出素子に個別に対応して設けられ、対応する該セル部に入射する外光を対応する該光検出素子に導く複数の第２導光路と、
   前記複数の第１導光路と前記複数の第２導光路とを互いに切り替える切替部材と、
   前記複数の光検出素子による前記外光の検出に応じて、前記画面領域におけるタッチ入力座標位置を特定する処理部と、
   を具備するタッチ入力機能付き表示装置。

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