JP5202395B2 - 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
本人認証機能を有する電子機器にタッチパネルを用いる際には、高解像度での画像取得が要求される。例えば、タッチパネルの各画素内にフォトセンサを設け、各フォトセンサが光を検出して生成した電気信号を収集し、画像処理を施すことで、本人認証をする構成が有効である。さらに、高度な本人認証機能を実現するためには、モノクロではなく、カラーで多階調でのデータ収集が必要になる。すなわち、画素内のフォトセンサで、被検出物からの光をR、G、B毎に精度良く検出する必要がある。ところが、一般的にフォトセンサは、R、G、Bで感度が異なる。そのため、高解像度のカラーデータを収集することは、容易ではない。
本発明は、上記の問題を鑑みなされたもので、R、G、Bの光を検出するフォトセンサから得られる電気信号を、R、G、Bで異なる電圧分解能に変更できるA/Dコンバータを用いてA/D変換することで、高階調のデータセンシングが可能なタッチパネルを提供する。
本発明におけるタッチパネルにおいて、R、G、Bの画素にフォトセンサを各々搭載し、且つ、画素数列毎に逐次変換方式のA/Dコンバータを搭載したタッチパネルにおいて、R、G、Bの画素のフォトセンサから得られる電気信号の電圧範囲に応じて、A/Dコンバータを構成するD/Aコンバータの電位を変更する。このようにすることで、A/Dコンバータで検出できる一階調当たりの電圧を変更する。つまり、R、G、Bでフォトセンサの感度が異なる場合でも、タッチパネルにおいて高解像度のセンシングが可能となる。
本発明のタッチパネルの一態様は、第1の色の光を検出する第1のフォトセンサ部を含む第1の画素と、第2の色の光を検出する第2のフォトセンサ部を含む第2の画素と、前記第1のフォトセンサ部の出力信号をA/D変換する第1のA/Dコンバータと、前記第2のフォトセンサ部の出力信号をA/D変換する第2のA/Dコンバータと、を少なくとも有する。第1のA/Dコンバータの電圧分解能と、第2のA/Dコンバータの電圧分解能は異なる。
第1の画素と第2の画素はそれぞれ、表示素子部を有する。また、第1のフォトセンサ部と第2のフォトセンサ部はそれぞれ、フォトダイオードと、トランジスタを有する。また、第1のA/Dコンバータと第2のA/Dコンバータはそれぞれ、DAコンバータと、比較回路を有する。
本発明の一態様は、高階調のデータセンシングが可能なタッチパネルを提供することができる。
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。 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7を参照して説明する。
タッチパネルの構成について、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及びフォトセンサ制御回路103を有する。
画素部101は、複数の画素104を有する。画素104は、表示素子部105とフォトセンサ部106を有する。複数の画素104はマトリクス状に配置され、例えば、n列目(nは自然数)には第1の色の光を検出する画素104が設けられ、(n+1)列目には第2の色の光を検出する画素104が設けられ、(n+3)列目には第3の色の光を検出する画素104が設けられる。第1、第2、第3の色とは、例えば、R(赤)、G(緑)、B(青)である。そして、赤色の光を検出する画素104には赤色のカラーフィルタが重なるように設けられ、緑色の光を検出する画素104には緑色のカラーフィルタが重なるように設けられ、青色の光を検出する画素104には青色のカラーフィルタが重なるように設けられる。
表示素子部105は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)、保持容量、液晶層、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、外光もしくは液晶表示装置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、保持容量に電荷を注入もしくは排出する機能を有する。
なお、表示素子部105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。その場合、例えば、n列目(nは自然数)には第1の色の光を発光する発光素子を含む表示素子部105と第1の色の光を検出するフォトセンサ部106を含む画素104が設けられ、(n+1)列目には第2の色の光を発光する発光素子を含む表示素子部105と第2の色の光を検出するフォトセンサ部106を含む画素104が設けられ、(n+3)列目には第3の色の光を発光する発光素子を含む表示素子部105と第3の色の光を検出するフォトセンサ部106を含む画素104が設けられる。また表示素子部105が発光素子を含む場合、カラーフィルタは設けられない。
フォトセンサ部106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等を有する。なお、フォトセンサ部106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104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の光を、各々R画素、G画素、B画素におけるフォトセンサ部106により、取り出すことができる。
表示素子制御回路102は、表示素子信号線駆動回路107と表示素子走査線駆動回路108を有し、表示素子部105を制御する。例えば、表示素子走査線駆動回路108は、特定の行における表示素子部105のみに高電位を与える機能を有する。また、表示素子信号線駆動回路107は、特定の列における表示素子部105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108により高電位を印加された表示素子部105では、トランジスタが導通状態となり、保持容量は表示素子信号線駆動回路107により与えられる電位を保持する。
フォトセンサ制御回路103は、フォトセンサ信号線読み出し回路109とフォトセンサ走査線駆動回路110を有し、フォトセンサ部106を制御する。例えば、フォトセンサ走査線駆動回路110は、特定の行におけるフォトセンサ部106のみを動作させる機能を有する。また、フォトセンサ信号線読み出し回路109は、特定の列におけるフォトセンサ部106の出力信号を取り出す機能を有する。
画素104の回路図について、図2を用いて説明する。画素104は、トランジスタ201、保持容量202及び液晶素子203を有する表示素子部105と、フォトダイオード204、トランジスタ205及びトランジスタ206を有するフォトセンサ部106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。
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。
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。
次に、画素104の動作について、図3のタイミングチャートを用いて説明する。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のゲートが接続されたゲート信号線209、トランジスタ205のゲートが接続されたゲート信号線213、フォトセンサ出力信号線211の電位に相当する。
期間Aにおいて、フォトダイオードリセット信号線208の電位(信号301)を”H”とすると、フォトダイオード204が導通し、トランジスタ205のゲートが接続されたゲート信号線213の電位(信号303)を”H”となる。
期間Bにおいて、フォトダイオードリセット信号線208の電位(信号301)を”L”にすると、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213の電位(信号303)が低下する。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213の電位(信号303)は変化する。すなわち、トランジスタ205のソース・ドレイン電流が変化する。
期間Cにおいて、ゲート信号線209の電位(信号302)を”H”にすると、トランジスタ206が導通し、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の電位(信号304)を”H”にプリチャージしているため、フォトセンサ出力信号線211の電位は、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。
次に、図1に示したフォトセンサ信号線読み出し回路109の構成について、図4を用いて説明する。
フォトセンサ信号線読み出し回路109は、第1のA/Dコンバータ(以下第1のADCと表記)401〜第9のADC409とADC制御回路410を有し、第1のフォトセンサ信号線411〜第9のフォトセンサ信号線419、フォトセンサ信号線読み出し回路出力信号線420、第1のADC出力信号線421〜第9のADC出力信号線429、第1のADC制御信号線431〜第9のADC制御信号線439に接続されている。第1のフォトセンサ信号線411〜第9のフォトセンサ信号線419はそれぞれ、画素104が含むフォトダイオード204が接続されたフォトセンサ出力信号線211に接続されている。具体的には、第1のフォトセンサ信号線411〜第9のフォトセンサ信号線419はそれぞれ、画素部101の一列分の画素104が含むフォトダイオード204が接続されたフォトセンサ出力信号線211に接続されている。
ADC制御回路410は、第1のADC出力信号線421〜第9のADC出力信号線429の各々の電位から、フォトセンサ信号線読み出し回路出力信号線420に出力する電位を生成する。具体的には、第1のADC出力信号線421〜第9のADC出力信号線429のうち一つを選択し、当該信号線の電位を、フォトセンサ信号線読み出し回路出力信号線420に出力する。また、ADC制御回路410は、第1のADC制御信号線431〜第9のADC制御信号線439の各々に出力する電位を生成する。
次に、第1のADC401〜第9のADC409の構成とその動作について詳述する。以下には、代表的に、第1のADC401の構成とその動作について、図5を用いて説明する。
ここでは、第1のADC401は、2ビットの逐次変換方式のA/Dコンバータとする。第1のADC401は、比較回路(以下CMPと表記)501、逐次変換レジスタ(以下SARと表記)502、D/Aコンバータ(以下DACと表記)503、CMP出力信号線504、第1のSAR出力信号線505、第2のSAR出力信号線506、DAC出力信号線507、第1の保持回路508、第2の保持回路509、ADCイネーブル信号線510、リセット1信号線511、リセット2信号線512、ADCセット1信号線513、ADCセット2信号線514を有する。ADCイネーブル信号線510、リセット1信号線511、リセット2信号線512、ADCセット1信号線513、ADCセット2信号線514、をまとめて、第1のADC制御信号線431とよぶ。第1のSAR出力信号線505と、第2のSAR出力信号線506は、第1のADC出力信号線421を構成する。すなわち、第1のADC出力信号線421は、2ビットの信号線である。
CMP501は、第1のフォトセンサ信号線411と、DAC出力信号線507を入力信号線とし、両信号線の電位の比較を行う。そして、比較結果に伴い、CMP出力信号線504に、”H”もしくは”L”を出力する。ここでは、第1のフォトセンサ信号線411の電位の方が、DAC出力信号線507の電位より高い場合に”H”、低い場合に”L”、を出力するものとする。また、CMP501は、ADCイネーブル信号線510の電位を制御することで、動作もしくは停止とすることができる。CMP501が停止中は、CMP501における消費電力を著しく低減することができる。これは、例えば、CMP501に供給する電源電圧を停止することで実現できる。ここでは、ADCイネーブル信号線510の電位が”H”または”L”の場合に、CMP501が動作または停止するものとする。
SAR502は、第1の保持回路508と第2の保持回路509を有する。ADCセット1信号線513の電位を制御することで、第1の保持回路508に、CMP出力信号線504の電位に応じた電位が保持される。ADCセット2信号線514の電位を制御することで、第2の保持回路509に、CMP出力信号線504の電位に応じた電位が保持される。リセット1信号線511の電位を制御することで、第1の保持回路508及び第2の保持回路509に保持された電位がリセットされる。リセット2信号線512の電位を制御することで、第2の保持回路509に保持された電位がリセットされる。
第1の保持回路508と第2の保持回路509はそれぞれ、レベルセンシティブラッチ、エッジセンシティブラッチ、などで構成することができる。ここでは、第1の保持回路508、第2の保持回路509をレベルセンシティブラッチで構成する。ADCセット1信号線513(ADCセット2信号線514)の電位が”H”の際に、CMP出力信号線504の電位が”H”ならば、第1の保持回路508(第2の保持回路509)に”H”が保持され、CMP出力信号線504の電位が”L”ならば、第1の保持回路508(第2の保持回路509)に”L”が保持されるものとする。また、リセット1信号線511の電位を”H”とすることで、第1の保持回路508に”H”、第2の保持回路509に”L”が保持され、リセット2信号線512の電位を”H”とすることで、第2の保持回路509に”H”が保持されるものとする。
SAR502において、第1の保持回路508と第2の保持回路509に保持された電位は、第1のSAR出力信号線505と、第2のSAR出力信号線506と、に各々出力される。
DAC503は、第1のSAR出力信号線505の電位と、第2のSAR出力信号線506の電位と、で一意に決まる電位を、DAC出力信号線507に出力する。ここでは、第1のSAR出力信号線505の電位と、第2のSAR出力信号線506の電位と、が各々(”L”、”L”)、(”H”,”L”)、(”L”、”H”)、(”H”、”H”)の場合、DAC出力信号線507に、0V、1V、2V、3Vを各々出力するものとする。このような、DAC503は、抵抗方式、容量方式、などで実現することができる。
次に、第1のADC401の動作について、図6に示すタイミングチャートを用いて説明する。
図6において、信号601〜信号610は、各々、第1のフォトセンサ信号線411、ADCイネーブル信号線510、ADCリセット1信号線511、ADCリセット2信号線512、ADCセット1信号線513、ADCセット2信号線514、CMP出力信号線504、第1のSAR出力信号線505、第2のSAR出力信号線506、DAC出力信号線507の電位に対応する。なお、第1のフォトセンサ信号線411の電位(信号601)の電位は、一例として、1.5Vとする。
期間Aにおいて、ADCリセット1信号線511の電位(信号603)を”H”とすると、第1の保持回路508と、第2の保持回路509と、に保持された電位がリセットされる。また、第1のSAR出力信号線505の電位(信号608)が”H”、第2のSAR出力信号線506(信号609)の電位が”L”となる。また、DAC出力信号線507の電位(信号610)は2Vとなる。以上、期間Aでは、DAC電位の第1の設定操作を行う。
期間Bにおいて、ADCイネーブル信号線510の電位(信号602)を”H”とすると、CMP501が動作する。CMP501は、第1のフォトセンサ信号線411の電位(信号601、1.5V)と、DAC出力信号線507の電位(信号610、2V)と、を比較する。比較の結果、DAC出力信号線507の電位(信号610)の方が高いので、CMP出力信号線504(信号607)の電位は”L”となる。以上、期間Bでは、DAC電位と被測定電位との第1の比較操作を行う。本比較操作により、被測定電位の電位は、0〜2Vの範囲内と判定されたことになる。
期間Cにおいて、ADCセット1信号線513の電位(信号605)を”H”とすると、第1の保持回路508に”L”が保持され、第1のSAR出力信号線505の電位(信号608)が”L”となる。また、DAC出力信号線507の電位(信号610)は0Vとなる。
期間Dにおいて、ADCリセット2信号線512の電位(信号604)を”H”とすると、第2の保持回路509に保持された電位がリセットされ、第2のSAR出力信号線506の電位(信号609)が”H”となる。また、DAC出力信号線507の電位(信号610)は1Vとなる。以上、期間Cと期間Dとでは、DAC電位の第2の設定操作を行う。
期間Eにおいて、ADCイネーブル信号線510の電位(信号602)を”H”とすると、CMP501が動作し、第1のフォトセンサ信号線411の電位(信号601、1.5V)と、DAC出力信号線507の電位(信号601、1V)と、を比較し、DAC出力信号線507の電位(信号610)の方が低いので、CMP出力信号線504の電位(信号607)は”H”となる。以上、期間Eでは、DAC電位と被測定電位との第2の比較操作を行う。本比較操作により、被測定電位の電位は、1〜2Vの範囲内と判定されたことになる。
期間Fにおいて、ADCセット2信号線514の電位(信号606)を”H”とすると、第2の保持回路509に”H”が保持される。ここでは、もともと第2の保持回路509には”H”が保持されているため、第2のSAR出力信号線506の電位(信号609)は変わらず”H”のままである。また、DAC出力信号線507の電位(信号610)も1Vのままである。以上、期間Fでは、DAC電位の第3の設定操作を行う。
以上の結果、DAC電位の設定操作を3回、DAC電位と被測定電位との比較操作を2回、行うことで、被測定電位は1〜2Vの範囲内と判定でき、第1のADC出力信号線421より、A/D変換データとして、”L”、”H”が出力される。
このように、逐次変換方式のA/Dコンバータでは、SAR502に含まれる第1の保持回路508と第2の保持回路509とに保持される電位を変更することでDAC出力を逐次変更する操作、すなわち、DAC電位の設定操作と、当該DAC出力と被測定電位とを比較する操作と、を繰り返すことで、被測定電位の範囲を逐次絞り込んで、被測定電位を決定していく。ここでは、2ビットのA/Dコンバータの場合について説明したが、より多数のビットにおけるA/Dコンバータについても、同様な方式により、動作が行える。一般的に、nビットのA/Dコンバータを用いると、DACの設定操作を(n+1)回、DAC電位と被測定電位との比較操作をn回行うことで、nビットの精度で被測定電位を判定することができる。
第1のADC401〜第9のADC409に接続されたADC制御回路410(図4参照)は、以上で説明した第1のADC制御信号線431と同様に、第2のADC制御信号線432〜第9のADC制御信号線439に制御信号を与え、第1のADC出力信号線421と同様に第2のADC出力信号線422〜第9のADC出力信号線429から出力信号を得る。
さて、図2及び図3で説明したように、フォトダイオード204に照射する光の量に応じて、フォトセンサ出力信号線211の電位は変化する。したがって、フォトセンサ出力信号線211の電位の変化をADCで計測することで、光の量を求めることができる。なお、フォトダイオードに照射した光の量に対して、どの程度電流が流れるか、すなわちフォトダイオードの感度は、光の波長によって異なることが知られている。すなわち、R、G、Bの光に応じて、フォトセンサ出力信号線211の電位の変化の程度は異なることになる。一般的なフォトダイオードでは、Gの光に対する感度と、R、Bの光に対する感度とは、10倍程度異なる。つまり、フォトダイオードがGの光を検出した場合のフォトセンサ出力信号線211の電位の変化に対して、R、Bの光を検出した場合のフォトセンサ出力信号線211の電位の変化はわずかになる。したがって、R、Bの光を検出する場合には、ADCの電圧分解能を向上させ、より小さな電圧変化を検出できるようにする必要がある。
そこで、本発明の一態様では、第1のADC401〜第9のADC409の電圧分解能を、フォトダイオードが検出する光の色に応じて、変化させることを特徴とする。具体的には、第1のADC401〜第9のADC409のそれぞれに含まれるDAC503に与えられる電位を変化させることを特徴とする。以下には、DAC503の構成とその動作について、図7を用いて説明する。
DAC503は、ここでは、R−2Rラダー方式と呼ばれる構成としている。DAC503は、第1の抵抗701、第2の抵抗702、第3の抵抗703、第4の抵抗704、第1のスイッチ705、第2のスイッチ706を有する。第1の抵抗701、第2の抵抗702、第3の抵抗703、第4の抵抗704の抵抗比は、2:2:2:1である。
第1のスイッチ705、第2のスイッチ706において、第1のSAR出力信号線505、第2のSAR出力信号線506が各々”H”の時、高電位線707(電位VH)が選択され、”L”の時、低電位線708(電位VL)が選択される。したがって、第1のSAR出力信号線505、第2のSAR出力信号線506の電位が、各々(”L”、”L”)、(”H”、”L”)、(”L”、”H”)、(”H”、”H”)の場合に、DAC出力信号線507の電位は(4VL+0VH)/4、(3VL+VH)/4、(2VL+2VH)/4、(VL+3VH)/4が得られる。すなわち、DAC503では、VL〜VHの範囲で、(VH−VL)/4の電圧分解能で、出力を得ることができる。
例えば、低電位線708の電位VLが0V、高電位線707の電位VHが4Vであるとき、第1のSAR出力信号線505、第2のSAR出力信号線506の電位が、各々(”L”、”L”)、(”H”、”L”)、(”L”、”H”)、(”H”、”H”)の場合に、DAC出力信号線507の電位は、0V、1V、2V、3Vが得られる。
さて、前述の通り、第1のADC401では、DAC503の出力と被測定電圧(第1のフォトセンサ信号線411の電位)とを逐次比較してA/D変換を行う。したがって、図7の構成のDAC503を用いた場合、第1のADC401では、VL〜VHの電圧範囲の被測定電圧に対し、電圧分解能が(VH−VL)/4で、A/D変換を行うことができる。したがって、高電位線707の電位VHと低電位線708の電位VLとを調整することで、任意の電圧範囲に対して、任意の電圧分解能で、A/D変換を行うことができる。
ここで、前述の一般的なフォトダイオード、すなわち、Gの光に対する感度が、R、Bの光に対する感度より10倍程度優れるフォトダイオードを用いた場合を考える。図2及び図3を用いて説明したように、フォトダイオードがGの光を検出した場合のフォトセンサ出力信号線211の電位の変化に対して、R、Bの光を検出した場合のフォトセンサ出力信号線211の電位の変化はわずかになる。したがって、R、G、Bの各々の光を検出する際に、フォトセンサ出力信号線211の電位が変化する電圧範囲の上限と下限とを高電位線707の電位VHと低電位線708の電位VLとに設定することで、フォトダイオードに入射した光の量を精密に検出することができる。例えば、図2に示した回路構成では、フォトダイオードに入射する光の量が増大すると、フォトセンサ出力信号線211の電位がより低下する。そのため、光に対する感度が劣るR、Bの光を検出する場合には、光に対する感度に優れるGの光を検出する場合よりも、低電位線708の電位VLが高く設定される。
以下には、フォトセンサ部106がGの光を検出した場合と、R、Bの光を検出した場合と分けて、具体的な数値を挙げて、表1を用いて説明する。
Figure 0005202395
表1において、「フォトセンサ出力信号線211の電位の変化し得る範囲」とは、Gの光またはR、Bの光を検出するフォトセンサ部106が接続されたフォトセンサ出力信号線211の電位の変化である。「高電位線707の電位VH」、「低電位線708の電位VL」とは、フォトセンサ出力信号線211の電位の変化の電位の変化に対応して、設定された電位である。「DAC出力信号線507から出力され得る電位」は、上述した通り、高電位線707の電位VHと低電位線708の電位VLにより決定されるものであり、(4VL+0VH)/4、(3VL+VH)/4、(2VL+2VH)/4、(VL+3VH)/4で決定される。「ADC401の電圧分解能」は(VH−VL)/4で決定される値である。
5Vとなる。
以上より、フォトダイオードが検出する光の色に応じて、ADCの電圧分解能を向上させることができる。また、ADCの電圧分解能を向上させることにより、フォトセンサ信号出力線211の小さな電圧変化を検出できる。
ここでは、一般的なフォトダイオードとして、Gの光に対する感度が、R、Bの光に対する感度より優れる場合について説明したが、異なる特性のフォトダイオードを用いる場合についても同様に適用できる。すなわち、Rの光に対する感度が、G、Bの光に対する感度より優れる場合、もしくは、Bの光に対する感度が、R、Gの光に対する感度より優れる場合、についても同様に適用できる。さらに、R、G、Bの光に対する感度が各々異なる場合についても、上述の方法を容易に適用することができる。
なお、R、G、Bの光を検出するフォトダイオードの出力電位を、各々異なるADCで検出する場合には、各々のADCの高電位線及び低電位線に供給する電位VH及びVLを、上述した方法で決定し、個別に設定する構成が有効である。また、R、G、Bの光を検出するフォトダイオードの出力電位を、同一のADCで、時間分割して検出する場合には、R、G、B、各々の出力電位を検出する際に、ADCの高電位線及び低電位線に供給する電位VH及びVLを、上述した方法で決定し、該当する時間毎に変更する構成が有効である。
以上のようにすることで、高階調のデータセンシングが可能なタッチパネルを提供することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1〜4で説明したタッチパネルについて、図8、9を参照して説明する。本実施の形態において、タッチパネルはフォトセンサと表示素子を有している。表示素子は液晶素子や発光素子を有する。
図8は、実施の形態1〜4で説明したタッチパネルにおいて、表示素子が液晶素子を有する液晶表示装置の断面の一例を示す図である。バックライトからの光が被検出物である指1035で反射し、フォトセンサ1003に照射される状態を示している。
基板1000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1000上には、薄膜トランジスタ1001、薄膜トランジスタ1002、及びフォトセンサ1003が設けられている。フォトセンサ1003は、n型半導体層1010、i型半導体層1011、及びp型半導体層1012が順に積層されて設けられている。n型半導体層1010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1011は、真性半導体である。p型半導体層1012は、一導電型を付与する不純物元素(例えばボロン)を含む。
図8では、薄膜トランジスタ1001及び薄膜トランジスタ1002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1001及び薄膜トランジスタ1002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1003は、n型半導体層1010、i型半導体層1011、及びp型半導体層1012を有する構成としているが、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1001及び薄膜トランジスタ1002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1001及び薄膜トランジスタ1002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1000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1000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1004は、薄膜トランジスタ1001及び薄膜トランジスタ1002上を覆って設けられている。絶縁層1004上には絶縁層1005が設けられ、絶縁層1005上には絶縁層1006が設けられている。画素電極1007は絶縁層1006上に設けられ、フォトセンサ1003と下部電極1008は絶縁層1005上に設けられている。下部電極1008によって、絶縁層1005に設けられた開口部を介して、フォトセンサ1003と薄膜トランジスタ1001とが電気的に接続される。
また、対向基板1020には、対向電極1021、カラーフィルタ層1022、及びオーバーコート層1023が設けられている。対向基板1020と基板1000はシール材によって固定され、スペーサ1025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1007と対向電極1021が液晶層1024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1022は、図8に示すようにフォトセンサ1003と画素電極1007の両方と重なるように設けてもよい。
また、フォトセンサ1003は、図8に示すように薄膜トランジスタ1002のゲート電極1013と重なっており、薄膜トランジスタ1002の信号線1014とも重なるように設けるとよい。
本実施の形態の液晶表示装置には、バックライトが設けられている。図8では、バックライトは基板1000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1003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8に示す液晶表示装置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1013を有する薄膜トランジスタ1002と、フォトセンサ1003と電気的に接続される薄膜トランジスタ1001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。なお、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1001及び薄膜トランジスタ1002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1004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1003と電気的に接続される薄膜トランジスタ1001の信号線も同一の工程で形成される。薄膜トランジスタ1002の信号線1014も同一の工程で形成される。
次に、信号線1014を覆う絶縁層1005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1005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1005にコンタクトホールを形成し、絶縁層1005上に下部電極1008を形成する。
そして、下部電極1008の少なくとも一部と重なるようにフォトセンサ1003を形成する。下部電極1008は、フォトセンサ1003と、薄膜トランジスタ1001とを電気的に接続させる電極である。フォトセンサ1003は、n型半導体層1010、i型半導体層1011及びp型半導体層1012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1010を形成し、非晶質シリコンによりi型半導体層1011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1012を形成する。
次に、フォトセンサ1003を覆う絶縁層1006を形成する。透過型の液晶表示装置の場合は、絶縁層1006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1006にコンタクトホールを形成し、絶縁層1006上に画素電極1007を形成する。画素電極1007と同一の層によりフォトセンサ1003の上部電極であるp型半導体層1012と電気的に接続される配線も形成する。
次に、絶縁層1006上にスペーサ1025を形成する。図8では、スペーサ1025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1024としてTN液晶等を用いる場合には、画素電極1007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1020上にはカラーフィルタ層1022、オーバーコート層1023、対向電極1021を形成し、対向電極1021上に配向膜を塗布し、ラビング処理を行う。
その後、基板1000の配向膜が塗布された面と、対向基板1020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1024を形成する。
なお、液晶層1024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1024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、実施の形態1〜4で説明したタッチパネルにおいて、表示素子が発光素子を有するエレクトロルミネセンス表示装置(以下、「EL表示装置」という。)について説明する。
図9は、上記タッチパネルにおいて、発光素子としてEL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EL表示素子の断面の一例を示す図である。EL素子1127から発せられた光が被検出物である指1135で反射し、フォトセンサ1103に照射される状態を示している。
図9において、基板1100上には、薄膜トランジスタ1101、薄膜トランジスタ1102、及びフォトセンサ1103が設けられている。フォトセンサ1103は、n型半導体層1110、i型半導体層1111、及びp型半導体層1112が積層されて設けられている。基板1100は、シール材によって対向基板1120に固定されている。
絶縁層1104は、薄膜トランジスタ1101及び薄膜トランジスタ1102上を覆って設けられている。絶縁層1104上には絶縁層1105が設けられ、絶縁層1105上には絶縁層1106が設けられている。EL素子1127は絶縁層1106上に設けられ、フォトセンサ1103は絶縁層1105上に設けられている。フォトセンサ1103のn型半導体層1110によって、絶縁層1105に設けられた開口部を介して、フォトセンサ1103と薄膜トランジスタ1101とが電気的に接続されている。
また、センサ用配線1109によって、p型半導体層1112と他の配線とが電気的に接続されている。
EL素子1127は、画素電極1123、発光層1124、対向電極1125が積層されて設けられている。なお、バンク1126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1101及び薄膜トランジスタ1102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1123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1123と電気的に接続する薄膜トランジスタ1102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1123が陽極として機能する場合は、薄膜トランジスタ1102をp型薄膜トランジスタとすることが好ましい。
なお本実施の形態は、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)
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10を用いて説明する。
図10(A)に示す携帯電話機は、表示部9101を含む。図10(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10(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10(D)に示す携帯型ゲーム機は、表示部9401等を含む。図10(E)に示す携帯情報端末は、表示部9501等を含む。図10(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、高階調のデータセンシングが可能なタッチパネルを提供することができる。

Claims (6)

  1. 第1の色の光を検出する第1のフォトセンサ部を含む第1の画素と、
    第2の色の光を検出する第2のフォトセンサ部を含む第2の画素と、
    前記第1のフォトセンサ部の出力信号をA/D変換する第1のA/Dコンバータと、
    前記第2のフォトセンサ部の出力信号をA/D変換する第2のA/Dコンバータと、を少なくとも有し、
    前記第1のフォトセンサ部の前記出力信号は、第1の配線を介して、前記第1のA/Dコンバータに入力され、
    前記第2のフォトセンサ部の前記出力信号は、第2の配線を介して、前記第2のA/Dコンバータに入力され、
    前記第1のA/Dコンバータと前記第2のA/Dコンバータはそれぞれ、D/Aコンバータと、比較回路を有し、
    前記比較回路は、前記D/Aコンバータと、前記第1のフォトセンサ部又は前記第2のフォトセンサ部とに電気的に接続されることを特徴とするタッチパネル。
  2. 請求項において、
    前記第1の画素と前記第2の画素はそれぞれ、表示素子部を有することを特徴とするタッチパネル。
  3. 請求項1又は2において、
    前記第1のフォトセンサ部と前記第2のフォトセンサ部はそれぞれ、フォトダイオードと、トランジスタを有することを特徴とするタッチパネル。
  4. 請求項において、
    前記D/Aコンバータは、第1乃至第4の抵抗と、第1及び第2のスイッチと、を有し、
    前記第1の抵抗は、第3の配線に電気的に接続され、
    前記第2の抵抗は、前記第1のスイッチを介して、前記第3の配線又は第4の配線に電気的に接続され、
    前記第3の抵抗は、前記第2のスイッチを介して、前記第3の配線又は前記第4の配線に電気的に接続され、
    前記第4の抵抗は、出力信号線及び前記第1乃至前記第3の抵抗に電気的に接続され、
    前記第3の配線に与えられる電位は、前記第4の配線に与えられる電位よりも低いことを特徴とするタッチパネル。
  5. 請求項において、
    前記第1のA/Dコンバータが有する前記D/Aコンバータにおいて、前記第3の配線に与えられる電位は、前記第1の配線の電位が変化する第1の電圧範囲の下限の値に等しく、前記第4の配線に与えられる電位は、前記第1の電圧範囲の上限の値に等しく、
    前記第2のA/Dコンバータが有する前記D/Aコンバータにおいて、前記第3の配線に与えられる電位は、前記第2の配線の電位が変化する第2の電圧範囲の下限の値に等しく、前記第4の配線に与えられる電位は、前記第2の電圧範囲の上限の値に等しいことを特徴とするタッチパネル。
  6. 請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の前記タッチパネルを用いた電子機器。
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