JP5600197B2 - タッチセンサ付き表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等の表示装置に係わり、特に、ユーザが指等で触れることにより情報入力が可能な静電容量式のタッチセンサを備えたタッチセンサ付き表示装置に関する。

近年、いわゆるタッチパネルと呼ばれる接触検出装置（以下、タッチセンサという。）を液晶表示装置上に直接装着すると共に、液晶表示装置に各種のボタンを表示させることにより、通常のボタンの代わりとして情報入力を可能とするようにした表示装置が注目されている。この技術は、モバイル機器の画面の大型化傾向の中にあって、ディスプレイとボタンの配置の共用化を可能にすることから、省スペース化や部品点数の削減という大きなメリットをもたらす。しかしながら、この技術には、タッチパネルの装着によって液晶モジュールの全体の厚さが厚くなるという問題があった。特にモバイル機器用途においては、タッチパネルの傷防止のための保護層が必要となることから、液晶モジュールが益々厚くなる傾向があり、薄型化のトレンドに反するという問題があった。

そこで、例えば特許文献１には、液晶表示素子の観察側基板とその外面に配置された観察用偏光板との間にタッチパネル用導電膜を設け、このタッチパネル用導電膜と偏光板の外面との間に、偏光板の外面をタッチ面とした静電容量型タッチパネルを形成したタッチパネル付き液晶表示素子が提案され、薄型化が図られている。

特開２００８−９７５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたタッチパネル付き液晶表示素子では、原理的に、タッチパネル用導電膜が利用者と同電位にあることが必要であり、利用者がきちんと接地されている必要がある。したがって、コンセントから電源を取っているような据置型のテレビジョン受像機はともかく、モバイル機器用途に適用するのは現実的に見て困難である。また、上記技術では、タッチパネル用導電膜が利用者の指に極めて接近していることが必要なので、液晶表示素子の例えば奥深い部分に配設することが無理である等、配設部位が制限される。すなわち、設計の自由度が小さい。さらに、上記技術では、その構成上、タッチパネル駆動部や座標検出部といった回路部分を、液晶表示素子の表示駆動回路部とは別個に設けなければならず、装置全体としての回路の集積化が困難である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、特にモバイル機器用途に適したタッチセンサ付き表示装置を提供することにある。その第２の目的は、設計の自由度が高いタッチセンサ付き表示装置を提供することにある。その第３の目的は、回路の集積化が容易な構造を有するタッチセンサ付き表示装置を提供することにある。

本発明の第１のタッチセンサ付き表示装置は、複数の表示画素電極と、共通電極と、表示機能層と、表示制御回路と、タッチ検出電極と、検出回路と、を備えている。共通電極は、表示画素電極と対向して設けられたものである。表示機能層は、画像表示機能を有するものである。表示制御回路は、画像信号に基づいて、表示画素電極と共通電極との間に表示用電圧を印加して表示機能層の表示機能を発揮させるように画像表示制御を行うものである。タッチ検出電極は、共通電極と並んで設けられ、共通電極との間に静電容量を形成するものである。検出回路は、表示制御回路により共通電極に印加される信号に基づくタッチ検出電極の検出信号と、所定のしきい値電圧とを比較し、検出信号が所定のしきい値電圧以下であるか否かにより、接触状態であるか非接触状態であるかを判断する。

本発明の第２のタッチセンサ付き表示装置は、複数の表示画素電極と、複数の共通電極と、表示機能層と、表示制御回路と、タッチ検出電極と、検出回路と、を備えている。複数の共通電極は、複数の表示画素電極と対向して設けられたものである。表示機能層は、画像表示機能を有するものである。表示制御回路は、画像信号に基づいて、表示画素電極と共通電極との間に表示用電圧を印加して表示機能層の表示機能を発揮させるように画像表示制御を行うものである。タッチ検出電極は、複数の共通電極と対向して設けられ、複数の共通電極との間に静電容量をそれぞれ形成するものである。上記表示制御回路は、共通電極を順次駆動して走査することにより、充放電される静電容量を走査するものである。検出回路は、表示制御回路により共通電極に印加される信号に基づくタッチ検出電極の検出信号と、所定のしきい値電圧とを比較し、検出信号が所定のしきい値電圧以下であるか否かにより、接触状態であるか非接触状態であるかを判断する。

本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置では、元々表示用駆動電圧の印加用に設けられた共通電極と、新たに設けたタッチ検出電極との間に静電容量が形成される。この静電容量は、物体の接触の有無によって変化する。したがって、表示制御部により共通電極に印加される表示用駆動電圧をタッチセンサ用駆動信号としても利用（兼用）するようにすれば、静電容量の変化に応じた検出信号がタッチ検出電極から得られる。そして、この検出信号を検出回路に入力するようにすれば、物体の接触の有無が検出可能になる。さらに、タッチ検出電極を複数の電極パターンに分割して個別に駆動すれば、物体の接触位置が検出可能になる。表示機能層としては、例えば液晶層が用いられる。

本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置では、表示制御回路を形成した回路基板と対向させて対向基板を配設すると共に、表示画素電極を回路基板の対向基板に近い側に配設し、共通電極を対向基板の回路基板に近い側に配設し、回路基板の表示画素電極と対向基板の共通電極との間に表示機能層を挿設するように構成することが可能である。この構成は、表示機能層が、例えばＴＮ（ツイステッドネマティク）モードやＶＡ（垂直配向）モード等の液晶である場合に適している。この場合、タッチ検出電極は、対向基板側に形成するのが好ましく、検出回路は、回路基板に形成することが好ましい。

また、本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置では、表示制御回路を形成した回路基板と対向させて対向基板を配設すると共に、回路基板に共通電極および表示画素電極を絶縁層を介して順に積層し、回路基板の表示画素電極と対向基板との間に表示機能層を挿設するように構成してもよい。この構成は、表示機能層が、例えばＦＦＳ（フリンジフィールドスイッチング）モード等のいわゆる横電界モードの液晶である場合に適している。この場合、タッチ検出電極は、対向基板側に形成してもよいし、回路基板側に形成してもよい。検出回路は、回路基板に形成することが好ましい。タッチ検出電極を回路基板側に形成する場合には、共通電極を回路基板の表示領域の内側に配設すると共に、タッチ検出電極を回路基板上の額縁領域に共通電極と同一階層の電極層として共通電極から隔てて形成するように構成することも可能である。タッチ検出電極を対向基板側に形成すると共に、検出回路を回路基板に形成するようにした場合には、対向基板側のタッチ検出電極と回路基板側の検出回路との間を接続する導電経路を形成すればよい。あるいは、対向基板側のタッチ検出電極と回路基板側の検出回路との間を容量結合する容量結合経路を形成するようにしてもよい。

本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置によれば、表示用駆動電圧の印加用に元々設けられている共通電極と、新たに設けたタッチ検出電極との間に静電容量を形成し、この静電容量が物体（利用者の指）の接触によって変化することを利用してタッチ検出を行うようにしたので、利用者の電位が不定であることが多いモバイル機器用途にも適合可能なタッチセンサ付き表示装置を得ることができる。特に、表示用の共通電極に印加すべく元々用意されている既存の表示用駆動電圧をタッチセンサ用駆動信号としても利用（兼用）するようにすれば、静電容量の変化に応じた検出信号がタッチ検出電極から得られるので、新たなセンサ駆動信号を用意する必要がない。また、タッチの有無に応じた電流の相対変化（電位変化）の有無をデジタル的に検知するだけでよいので、簡単な検出回路構成で検出精度を高めることができる。さらに、タッチ検出電極を複数の電極パターンに分割して個別に駆動すれば、タッチ位置の検出も可能になる。

また、本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置によれば、表示機能層のタイプに応じて、タッチ検出電極を対向基板側に形成するか、あるいは画素基板側に形成するかを適宜選択可能であるので、設計の自由度が高いタッチセンサ付き表示装置を得ることができる。

また、本発明の第１および第２のタッチセンサ付き表示装置によれば、表示機能層のタイプによってはタッチ検出電極を回路基板側に形成することも可能なので、検出回路を回路基板に形成することが構造設計上有利であり、表示用の回路とセンサ用の回路とを１つの回路基板上に一体に集積することが容易になる。すなわち、回路の集積化が容易である。

本発明に係るタッチセンサ付き表示装置の動作原理を説明するための図であり、指非接触時の状態を示す図である。 本発明に係るタッチセンサ付き表示装置の動作原理を説明するための図であり、指接触時の状態を示す図である。 本発明に係るタッチセンサ付き表示装置の動作原理を説明するための図であり、タッチセンサの駆動信号および検出信号の波形の一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るタッチセンサ付き表示装置の概略断面構造を表す断面図である。 図４に示したタッチセンサ付き表示装置の要部（共通電極およびセンサ用検出電極）の一構成例を示す斜視図である。 図４に示したタッチセンサ付き表示装置における検出回路の一構成例を示す回路図である。 図４に示したタッチセンサ付き表示装置の要部（共通電極およびセンサ用検出電極）の他の構成例を示す斜視図である。 図４に示したタッチセンサ付き表示装置の要部（共通電極およびセンサ用検出電極）のさらに他の構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係るタッチセンサ付き表示装置の概略断面構造を表す断面図である。 図９に示したタッチセンサ付き表示装置の要部の拡大斜視図である。 図９に示したタッチセンサ付き表示装置の動作を説明するための断面図である。 図９に示したタッチセンサ付き表示装置の具体的構成例を示す断面図である。 図９に示したタッチセンサ付き表示装置の一変形例を示す断面図である。 図９に示したタッチセンサ付き表示装置の他の変形例を示す断面図である。 図１４に示したタッチセンサ付き表示装置の具体的構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るタッチセンサ付き表示装置の概略断面構造を表す断面図である。 図１６に示したタッチセンサ付き表示装置の概略平面構造を示す平面図である。 図１６に示したタッチセンサ付き表示装置の変形例を示す要部断面図である。 図１６に示したタッチセンサ付き表示装置の他の変形例を示す概略断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

まず最初に、図１ないし図３を参照して、本実施の形態のタッチセンサ付き表示装置におけるタッチ検出方式の基本原理を表すものである。このタッチ検出方式は、静電容量型タッチセンサとして具現化されるものであり、図１（Ａ）に示したように、誘電体Ｄを挟んで互いに対向配置された一対の電極（駆動電極Ｅ１および検出電極Ｅ２）を用い、容量素子を構成する。この構造は、図１（Ｂ）に示した等価回路として表される。駆動電極Ｅ１、検出電極Ｅ２および誘電体Ｄによって容量素子Ｃ１が構成される。容量素子Ｃ１は、その一端が交流信号源Ｓに接続され、他端Ｐは抵抗Ｒを介して接地されると共に電圧検出器ＤＥＴに接続される。交流信号源Ｓから駆動電極Ｅ１（容量素子Ｃ１の一端）に所定の周波数（例えば数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚ程度）の交流矩形波Ｓｇ（図３（Ｂ））を印加すると、検出電極Ｅ２（容量素子Ｃ１の他端Ｐ）に、図３（Ａ）に示したような出力波形（検出信号Ｖdet）が現れる。なお、この交流矩形波Ｓｇは、後述するコモン駆動信号Ｖcomに相当するものである。

指を接触していない状態では、図１に示したように、容量素子Ｃ１に対する充放電に伴って、容量素子Ｃ１の容量値に応じた電流Ｉ０が流れる。このときの容量素子Ｃ１の他端Ｐの電位波形は、例えば図３（Ａ）の波形Ｖ０のようになり、これが電圧検出器ＤＥＴによって検出される。

一方、指を接触した状態では、図２に示したように、指によって形成される容量素子Ｃ２が容量素子Ｃ１に直列に追加された形となる。この状態では、容量素子Ｃ１，Ｃ２に対する充放電に伴って、それぞれ電流Ｉ１，Ｉ２が流れる。このときの容量素子Ｃ１の他端Ｐの電位波形は、例えば図３（Ａ）の波形Ｖ１のようになり、これが電圧検出器ＤＥＴによって検出される。このとき、点Ｐの電位は、容量素子Ｃ１，Ｃ２を流れる電流Ｉ１，Ｉ２の値によって定まる分圧電位となる。このため、波形Ｖ１は、非接触状態での波形Ｖ０よりも小さい値となる。電圧検出器ＤＥＴは、後述するように、検出した電圧を所定のしきい値電圧Ｖthと比較し、このしきい値電圧以下であれば非接触状態と判断する一方、しきい値電圧以上であれば接触状態と判断する。このようにして、タッチ検出が可能となる。

［第１の実施の形態］
図４は、本実施の形態のタッチセンサ付き表示装置の要部断面構造を表すものである。このタッチセンサ付き表示装置は、表示素子として液晶表示素子を用いると共に、この液晶表示素子に元々備えられている電極の一部（後述する共通電極４３）および表示用駆動信号（後述するコモン駆動信号Ｖcom）を兼用して静電容量型タッチセンサを構成したものである。

図４に示したように、このタッチセンサ付き表示装置は、画素基板２と、この画素基板２に対向して配置された対向基板４と、画素基板２と対向基板４との間に挿設された液晶層６とを備えている。

画素基板２は、回路基板としてのＴＦＴ基板２１と、このＴＦＴ基板２１上にマトリクス状に配設された複数の画素電極２２とを有する。ＴＦＴ基板２１には、各画素電極２２を駆動するための図示しない表示ドライバやＴＦＴ（薄膜トランジスタ）のほか、各画素電極に画素信号を供給するソース線や、各ＴＦＴを駆動するゲート線等の配線が形成されている。ＴＦＴ基板２１にはまた、後述するタッチ検出動作を行う検出回路（図６）が形成されていてもよい。

対向基板４は、ガラス基板４１と、このガラス基板４１の一方の面に形成されたカラーフィルタ４２と、このカラーフィルタ４２の上に形成された共通電極４３とを有する。カラーフィルタ４２は、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のカラーフィルタ層を周期的に配列して構成したもので、各表示画素（画素電極２２）ごとにＲ、Ｇ、Ｂの３色が１組として対応付けられている。共通電極４３は、タッチ検出動作を行うタッチセンサの一部を構成するセンサ用駆動電極としても兼用されるものであり、図１における駆動電極Ｅ１に相当する。

共通電極４３は、コンタクト導電柱７によってＴＦＴ基板２１と連結されている。このコンタクト導電柱７を介して、ＴＦＴ基板２１から共通電極４３に交流矩形波形のコモン駆動信号Ｖcomが印加されるようになっている。このコモン駆動信号Ｖcomは、画素電極２２に印加される画素電圧とともに各画素の表示電圧を画定するものであるが、タッチセンサの駆動信号としても兼用されるものであり、図１の駆動信号源Ｓから供給される交流矩形波Ｓｇに相当する。

ガラス基板４１の他方の面には、センサ用検出電極４４が形成され、さらに、このセンサ用検出電極４４の上には、偏光板４５が配設されている。センサ用検出電極４４は、タッチセンサの一部を構成するもので、図１における検出電極Ｅ２に相当する。

液晶層６は、電界の状態に応じてそこを通過する光を変調するものであり、例えば、ＴＮ（ツイステッドネマティック）、ＶＡ（垂直配向）、ＥＣＢ（電界制御複屈折）等の各種モードの液晶が用いられる。

なお、液晶層６と画素基板２との間、および液晶層６と対向基板４との間には、それぞれ配向膜が配設され、また、画素基板２の下面側には入射側偏光板が配置されるが、ここでは図示を省略している。

図５は、対向基板４における共通電極４３およびセンサ用検出電極４４の一構成例を斜視状態にて表したものである。この例では、共通電極４３は、図の左右方向に延在する複数のストライプ状の電極パターンに分割されている。各電極パターンには、ドライバ４３Ｄによってコモン駆動信号Ｖcomが順次供給され、時分割的に線順次走査駆動が行われるようになっている。一方、センサ用検出電極４４は、共通電極４３の電極パターンの延在方向と直交する方向に延びる複数のストライプ状の電極パターンから構成されている。センサ用検出電極４４の各電極パターンからは、それぞれ、検出信号Ｖdetが出力され、図６に示した検出回路８に入力されるようになっている。

図６は、タッチ検出動作を行う検出回路８の一構成例を表すものである。この検出回路８は、信号増幅用のオペアンプ８１と、高域をカットし低域を通過させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）８２と、高域を通過させるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）８３と、整流平滑部８４と、コンパレータ８５とを有する。オペアンプ８１の正入力端（＋）には、入力端子Ｔinが接続され、ここから検出信号Ｖdet が入力されるようになっている。オペアンプ８１の出力端は、ＬＰＦ８２を介して整流平滑部８４に接続されている。ＬＰＦ８２にはＨＰＦ８３が接続されている。ＬＰＦ８２は、抵抗８２Ｒとキャパシタ８２Ｃとを並列接続した構成であり、ＨＰＦ８３は、接地との間に抵抗８３Ｒとキャパシタ８３Ｃとを直列接続した構成である。ＬＰＦ８２とＨＰＦ８３との接続点はオペアンプ８１の負入力端（−）に接続されている。整流平滑部８４は、半波整流用のダイオード８４Ｄからなる整流部と、接地との間に抵抗８４Ｒおよびキャパシタ８２Ｃを並列接続してなる平滑部とを含む。整流平滑部８４の出力端はコンパレータ８５の正入力端（＋）に接続されている。このコンパレータ８５の負入力端（−）には所定のしきい値電圧Ｖth（図３参照）が入力されている。コンパレータ８５の出力端は出力端子Ｔout に接続され、ここから検出結果（タッチされたか否か）が出力されるようになっている。

このような構成の検出回路８は、次のように動作する。入力端子Ｔinに入力された検出信号Ｖdetは、オペアンプ８１によって増幅されたのち、その低周波成分はＬＰＦ８２を通過し、高周波成分はＨＰＦ８３を介して除去される。ＬＰＦ８２を通過した低周波の交流成分は、整流平滑部８４のダイオード８４Ｄによって半波整流されたのち、平滑化されてレベル信号となり、コンパレータ８５に入力される。コンパレータ８５は、入力されたレベル信号をしきい値電圧Ｖthと比較し、しきい値電圧Ｖth以下であったときに、タッチ検出信号を出力するようになっている。

なお、検出回路８は、対向基板４上の周辺領域（非表示領域または額縁領域）に形成するようにしてもよいし、あるいは、画素基板２上の周辺領域に形成するようにしてもよい。但し、画素基板２上に形成すれば、元々画素基板２上に形成されている表示制御用の各種回路素子等との集積化が図れるので、回路の集積化による簡略化という観点でより好ましい。この場合には、コンタクト導電柱７と同様のコンタクト導電柱（図示せず）によって、センサ用検出電極４４の各電極パターンと画素基板２の検出回路８との間を接続し、検出信号Ｖdet をセンサ用検出電極４４から検出回路８に伝送するようにすればよい。

次に、以上のような構成のタッチセンサ付き表示装置の動作を説明する。

画素基板２の表示ドライバ（図示せず）は、共通電極４３の各電極パターンに対してコモン駆動信号Ｖcomを線順次で供給する。表示ドライバはまた、ソース線を介して画素電極２２へ画素信号を供給すると共に、これに同期して、ゲート線を介して各画素電極のＴＦＴのスイッチングを線順次で制御する。これにより、液晶層６には、画素ごとに、コモン駆動信号Ｖcomと各画素信号とにより定まる縦方向（基板に垂直な方向）の電界が印加されて液晶状態の変調が行われる。このようにして、いわゆる反転駆動による表示が行われる。

一方、対向基板４の側では、共通電極４３の各電極パターンと、センサ用検出電極４４の各電極パターンとの交差部分にそれぞれ容量素子Ｃ１が形成される。共通電極４３の各電極パターンにコモン駆動信号Ｖcomを時分割的に順次印加していくと、その印加された共通電極４３の電極パターンとセンサ用検出電極４４の各電極パターンとの交差部分に形成されている一列分の容量素子Ｃ１の各々に対する充放電が行われる。その結果、容量素子Ｃ１の容量値に応じた大きさの検出信号Ｖdetが、センサ用検出電極４４の各電極パターンからそれぞれ出力される。対向基板４の表面にユーザの指が触れられていない状態においては、この検出信号Ｖdetの大きさはほぼ一定となる。コモン駆動信号Ｖcomのスキャンに伴い、充放電の対象となる容量素子Ｃ１の列が線順次的に移動していく。

ここで、対向基板４の表面のいずれかの場所にユーザの指が触れると、そのタッチ箇所に元々形成されている容量素子Ｃ１に、指による容量素子Ｃ２が付加される。その結果、そのタッチ箇所がスキャンされた時点（すなわち、共通電極４３の電極パターンのうち、そのタッチ箇所に対応する電極パターンにコモン駆動信号Ｖcomが印加されたとき）の検出信号Ｖdetの値が他の箇所よりも小さくなる。検出回路８（図６）は、この検出信号Ｖdetをしきい値電圧Ｖthと比較して、しきい値電圧Ｖth以下の場合に、その箇所をタッチ箇所として判定する。このタッチ箇所は、コモン駆動信号Ｖcom の印加タイミングと、しきい値電圧Ｖth以下の検出信号Ｖdetの検出タイミングとから割り出すことができる。

このように、本実施の形態によれば、液晶表示素子に元々備えられている共通電極４３を、駆動電極と検出電極とからなる一対のタッチセンサ用電極のうちの一方として兼用すると共に、表示用駆動信号としてのコモン駆動信号Ｖcomを、タッチセンサ用駆動信号として共用するようにして静電容量型タッチセンサを構成したので、新たに設ける電極はセンサ用検出電極４４だけでよく、また、タッチセンサ用駆動信号を新たに用意する必要がない。したがって、構成が簡単である。

また、従来のタッチパネル付き表示装置（特許文献１）では、センサに流れる電流の大きさを正確に測定し、その測定値に基づいてタッチ位置をアナログ演算により求めるようにしているのに対し、本実施の形態では、タッチの有無に応じた電流の相対変化（電位変化）の有無をデジタル的に検知するだけでよいので、簡単な検出回路構成で検出精度を高めることができる。また、コモン駆動信号Ｖcomの印加用に元々設けられている共通電極４３と、新たに設けたセンサ用検出電極４４との間に静電容量を形成し、この静電容量が利用者の指の接触によって変化することを利用してタッチ検出を行うようにしたので、利用者の電位が不定であることが多いモバイル機器用途にも適合可能である。

また、センサ用検出電極４４を複数の電極パターンに分割して個別に時分割的に駆動するようにしたので、タッチ位置の検出も可能になる。

なお、上記説明では、図５に示したように、共通電極４３およびセンサ用検出電極４４の両方とも、互いに交差するように延在する複数の電極パターンとして形成するようにしたが、これには限定されない。例えば図７に示したように、共通電極４３を一面ベタの単一電極として形成すると共に、センサ用検出電極４４を、マトリクス状に配設された複数の個別電極として形成するようにしてもよい。この場合には、センサ用検出電極４４を構成する各個別電極からの検出信号Ｖdetによって、直ちにタッチ位置を割り出すことができる。

あるいは、図８に示したように、共通電極４３を、図５と同様に、ストライプ状に分割された複数の電極パターンとして形成すると共に、センサ用検出電極４４については、図７と同様に、マトリクス状に配設された複数の個別電極として形成するようにしてもよい。この場合においても、共通電極４３の複数の電極パターンをコモン駆動信号Ｖcomで順次スキャンしながら検出を行うことができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記第１の実施の形態の場合とは異なり、表示素子として横電界モードの液晶素子を用いるようにしたものである。

図９は、本実施の形態のタッチセンサ付き表示装置の要部断面構造を表し、図１０はその斜視構造を表すものである。これらの図で、上記の図４と同一部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態のタッチセンサ付き表示装置は、画素基板２Ａと、この画素基板２Ａに対向して配置された対向基板４Ａと、画素基板２Ａと対向基板４Ａとの間に挿設された液晶層６とを備えている。

画素基板２Ａは、ＴＦＴ基板２１と、このＴＦＴ基板２１上に配設された共通電極４３と、この共通電極４３の上に絶縁層２３を介してマトリクス状に配設された複数の画素電極２２とを有する。ＴＦＴ基板２１には、各画素電極２２を駆動するための図示しない表示ドライバやＴＦＴのほか、各画素電極に画素信号を供給するソース線や、各ＴＦＴを駆動するゲート線等の配線が形成されている。ＴＦＴ基板２１にはまた、タッチ検出動作を行う検出回路（図６）が形成されている。共通電極４３は、タッチ検出動作を行うタッチセンサの一部を構成するセンサ用駆動電極としても兼用されるものであり、図１における駆動電極Ｅ１に相当する。

対向基板４Ａは、ガラス基板４１と、このガラス基板４１の一方の面に形成されたカラーフィルタ４２とを有する。ガラス基板４１の他方の面には、センサ用検出電極４４が形成され、さらに、このセンサ用検出電極４４の上に偏光板４５が配設されている。センサ用検出電極４４は、タッチセンサの一部を構成するもので、図１における検出電極Ｅ２に相当する。センサ用検出電極４４は、図５，図７または図８に示したように、複数の電極パターンに分割されて構成される。センサ用検出電極４４は、薄膜プロセスにより対向基板４Ａの上に直接形成してもよいが、間接的に形成してもよい。この場合には、タッチ検出電極４４を図示しないフィルム基体上に形成すると共に、このタッチ検出電極４４の形成されたフィルム基体を対向基板４Ａの表面に貼り付けるようにすればよい。この場合、ガラスと偏光板の間だけでなく偏光板の上面に貼り付けることも可能であり、さらには偏光板を構成するフィルム内に作成してもよい。

共通電極４３は、ＴＦＴ基板２１から交流矩形波形のコモン駆動信号Ｖcomが印加されるようになっている。このコモン駆動信号Ｖcomは、画素電極２２に印加される画素電圧とともに各画素の表示電圧を画定するものであるが、タッチセンサの駆動信号としても兼用されるものであり、図１の駆動信号源Ｓから供給される交流矩形波Ｓｇに相当する。

液晶層６は、電界の状態に応じてそこを通過する光を変調するものであり、例えば、ＦＦＳ（フリンジフィールドスイッチング）モードや、ＩＰＳ（インプレーンスイッチング）モード等の横電界モードの液晶が用いられる。

画素基板２Ａにおける共通電極４３および対向基板４Ａにおけるセンサ用検出電極４４の構成は、例えば図５に示したものと同様であり、両方とも、互いに交差するように延在する複数の電極パターンとして形成されている。但し、上記の図７または図８に示したような構成であってもよい。

図１０を参照して、より詳細に説明する。ここに示したようなＦＦＳモードの液晶素子においては、画素基板２Ａ上に形成された共通電極４３の上に、絶縁層２３を介して、櫛歯状にパターニングされた画素電極２２が配置され、これを覆うように配向膜２６が形成される。この配向膜２６と、対向基板４Ａ側の配向膜４６との間に、液晶層６が挟持される。２枚の偏光板２４，４５は、クロスニコルの状態で配置される。２枚の配向膜２６，４６のラビング方向は、２枚の偏光板２４，４５の一方の透過軸と一致している。図１０では、ラビング方向が出射側の偏光板４５の透過軸と一致している場合を図示してある。さらに、２枚の配向膜２６，４６のラビング方向および偏光板４５の透過軸の方向は、液晶分子が回転する方向が規定される範囲で、画素電極２２の延設方向（櫛歯の長手方向）とほぼ平行に設定されている。

次に、以上のような構成のタッチセンサ付き表示装置の動作を説明する。

ここではまず、図１０および図１１を参照して、ＦＦＳモードの液晶素子の表示動作原理について簡単に説明する。ここで、図１１は液晶素子の要部断面を拡大して表したものである。これらの図で、（Ａ）は電界非印加時、（Ｂ）は電界印加時における液晶素子の状態を示す。

共通電極４３と画素電極２２との間に電圧を印加していない状態では（図１０（Ａ）、図１１（Ａ））、液晶層６を構成する液晶分子６１の軸が入射側の偏光板２４の透過軸と直交し、かつ、出射側の偏光板４５の透過軸と平行な状態となる。このため、入射側の偏光板２４を透過した入射光ｈは、液晶層６内において位相差を生じることなく出射側の偏光板４５に達し、ここで吸収されるため、黒表示となる。一方、共通電極４３と画素電極２２との間に電圧を印加した状態では（図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ））、液晶分子６１の配向方向が、画素電極間に生じる横電界Ｅにより、画素電極２２の延設方向に対して斜め方向に回転する。この際、液晶層６の厚み方向の中央に位置する液晶分子６１が約４５度回転するように白表示時の電界強度を最適化する。これにより、入射側の偏光板２４を透過した入射光ｈには、液晶層６内を透過する間に位相差が生じ、９０度回転した直線偏光となり、出射側の偏光板４５を通過するため、白表示となる。

次にタッチセンサ付き表示装置の表示制御動作およびタッチ検出動作を説明する。これらの動作は、上記第１の実施の形態における動作と同様なので、適宜省略する。

画素基板２Ａの表示ドライバ（図示せず）は、共通電極４３の各電極パターンに対してコモン駆動信号Ｖcomを線順次で供給する。表示ドライバはまた、ソース線を介して画素電極２２へ画素信号を供給すると共に、これに同期して、ゲート線を介して各画素電極のＴＦＴのスイッチングを線順次で制御する。これにより、液晶層６には、画素ごとに、コモン駆動信号Ｖcomと各画素信号とにより定まる横方向（基板に平行な方向）の電界が印加されて液晶状態の変調が行われる。このようにして、いわゆる反転駆動による表示が行われる。

一方、対向基板４Ａの側では、共通電極４３の各電極パターンにコモン駆動信号Ｖcomを時分割的に順次印加していくと、その印加された共通電極４３の電極パターンとセンサ用検出電極４４の各電極パターンとの交差部分に形成されている一列分の容量素子Ｃ１の各々に対する充放電が行われ、容量素子Ｃ１の容量値に応じた大きさの検出信号Ｖdetが、センサ用検出電極４４の各電極パターンからそれぞれ出力される。対向基板４Ａの表面にユーザの指が触れられていない状態においては、この検出信号Ｖdetの大きさはほぼ一定となる。対向基板４Ａの表面のいずれかの場所にユーザの指が触れると、そのタッチ箇所に元々形成されている容量素子Ｃ１に、指による容量素子Ｃ２が付加される結果、そのタッチ箇所がスキャンされた時点の検出信号Ｖdetの値が他の箇所よりも小さくなる。検出回路８（図６）は、この検出信号Ｖdetをしきい値電圧Ｖthと比較して、しきい値電圧Ｖth以下の場合に、その箇所をタッチ箇所として判定する。このタッチ箇所は、コモン駆動信号Ｖcom の印加タイミングと、しきい値電圧Ｖth以下の検出信号Ｖdetの検出タイミングとから割り出される。

このように、本実施の形態によれば、上記第１の実施の形態（図５）の場合と同様に、液晶表示素子に元々備えられている共通電極４３を、駆動電極と検出電極とからなる一対のタッチセンサ用電極のうちの一方として兼用すると共に、表示用駆動信号としてのコモン駆動信号Ｖcomを、タッチセンサ用駆動信号として共用して静電容量型タッチセンサを構成したので、新たに設ける電極はセンサ用検出電極４４だけでよく、また、タッチセンサ用駆動信号を新たに用意する必要がない。したがって、構成が簡単である。

特に、本実施の形態では、タッチセンサ用駆動電極としての共通電極４３が画素基板２の側（ＴＦＴ基板２１の上）に設けられた構造を有していることから、ＴＦＴ基板２１から共通電極４３にコモン駆動信号Ｖcomを供給することが極めて容易であると共に、必要な回路や電極パターンおよび配線等を画素基板２に集中させることができ、回路の集積化が図られる。したがって、上記第１の実施の形態（図５）において必要であった、画素基板２側から対向基板４側へのコモン駆動信号Ｖcomの供給経路（コンタクト導電柱７）が不要となり、構造がより簡単になる。

なお、検出回路８（図６）は、対向基板４上の周辺領域（非表示領域または額縁領域）に形成するようにしてもよいが、画素基板２上の周辺領域に形成するのが好ましい。画素基板２上に形成すれば、元々画素基板２上に形成されている表示制御用の各種回路素子等との集積化が図れるからである。この場合には、例えば図１２に示したように、周辺領域にコンタクト導電柱７Ａを形成して、画素基板２に形成された検出回路８（図示せず）と、対向基板４のカラーフィルタ４２の表面との間を接続することにより、センサ用検出電極４４と検出回路８との間に容量結合経路を形成し、この容量結合経路を介して検出信号Ｖdet をセンサ用検出電極４４から検出回路８に伝送するようにすればよい。但し、この場合には、センサ用検出電極４４がフローティング状態になってしまうため、これを回避すべく、高抵抗１０を介してセンサ用検出電極４４を接地に接続することが好ましい。なお、このように接地することは、静電気を接地に逃がすことができる点でもメリットがある。

［変形例］
第２の実施の形態では、センサ用検出電極４４をガラス基板４１の表面側（液晶層６と反対側）に設けるようにしたが、次のような変形が可能である。

例えば図１３に示したように、センサ用検出電極４４をカラーフィルタ４２よりも液晶層６の側に設けるようにしてもよい。

あるいは、図１４に示したように、センサ用検出電極４４をガラス基板４１とカラーフィルタ４２との間に設けたほうが好ましい。横電界モードの場合、縦方向に電極があると縦方向に電界がかかり、液晶が立ち上がってしまい視野角等が大きく悪化してしまう。カラーフィルター４２等の誘電体をはさんでセンサ用検出電極４４を配置すれば、この問題は大きく低減することができる。なお、この場合には、例えば図１５に示したように、コンタクト導電柱７Ｂによって、画素基板２に形成された検出回路８（図示せず）と、対向基板４のセンサ用検出電極４４との間を接続することにより、センサ用検出電極４４と検出回路８との間に導電経路を形成し、この導電経路を介して検出信号Ｖdetをセンサ用検出電極４４から検出回路８に伝送するようにすればよい。

［第３の実施の形態］
上記第１および第２の実施の形態では、センサ用検出電極４４を表示領域に配設するようにしたが、本実施の形態は、図１６，図１７に示したように、センサ用検出電極４４を表示領域Ｄの周りの領域（額縁領域Ｆ）に設けるようにしたものである。なお、図１７は本実施の形態のタッチセンサ付き表示装置の平面構成を表し、図１６は、図１７におけるＡ−Ａ矢視断面を表す。

このタッチセンサ付き表示装置では、画素基板２Ｂ側に共通電極４３およびセンサ用検出電極４４の両方が形成され、対向基板４側にはいずれの電極も配設されていない。具体的には、表示領域Ｄの全体にわたってＴＦＴ基板２１上に共通電極４３が形成される一方、額縁領域Ｆにのみ、ＴＦＴ基板２１上にセンサ用検出電極４４が配設されている。センサ用検出電極４４は、複数の個別電極群として形成される。各個別電極は、例えば表示アプリケーションの各種機能に対応した操作ボタンとして割り当てられる。センサ用検出電極４４の各個別電極は、スキャン信号線５２によってスイッチング制御されるＴＦＴ５０のソース・ドレインを介してセンサ用検出信号線５１に接続されるようになっている。スキャン信号線５２やＴＦＴ５０を画素の駆動回路と同時に形成すると共に、各個別電極を順次時分割的にスキャンするように構成することにより、検出回路を分割数持つ必要がなくなり非常に効率的である。

このような構成のタッチセンサ付き表示装置では、センサ用検出電極４４の各個別電極は、共通電極４３の形成面と同じ平面上に、共通電極４３から隔てて配設されていることから、センサ用検出電極４４の各個別電極と共通電極４３との間には横方向の容量結合が生じ、容量素子Ｃ１が形成される。共通電極４３（図１７の例では一面ベタの電極）にコモン駆動信号Ｖcomが印加されると共に、スキャン信号線５２によってＴＦＴ５０を順次オンさせることにより、センサ用検出電極４４の各個別電極から検出信号Ｖdetを時分割的に順次取り出す。取り出された検出信号Ｖdetは、センサ用検出信号線５１を介して、図６に示したような構成の検出回路８（図１６では図示せず）に入力される。

対向基板４Ｄの表面にユーザの指が触れられていない状態においては、この検出信号Ｖdet の大きさはほぼ一定となる。一方、対向基板４Ａの表面のいずれかの場所（センサ用検出電極４４のいずれかの個別電極に対応した位置）にユーザの指が触れると、そのタッチ箇所に元々形成されている容量素子Ｃ１に、指による容量素子Ｃ２が付加される結果、そのタッチ箇所がスキャンされた時点の検出信号Ｖdetの値が小さく変化する。検出回路８（図６）は、この検出信号Ｖdetをしきい値電圧Ｖthと比較して、しきい値電圧Ｖth以下の場合に、その箇所をタッチ箇所として判定する。このタッチ箇所は、スキャン信号によるセンサ用検出電極４４の個別電極スキャンのタイミングと、しきい値電圧Ｖth以下の検出信号Ｖdetの検出タイミングとから割り出される。

このように、本実施の形態によれば、共通電極４３およびセンサ用検出電極４４の両方を画素基板２の側に配設するようにしたので、ＴＦＴ基板２１に形成したセンサ駆動回路（図示せず）と共通電極４３との間のコモン駆動信号Ｖcomの伝送経路や、センサ用検出電極４４と検出回路８との間の検出信号Ｖdetの伝送経路を、コンタクト導電柱を介することなく容易に形成することができる。したがって、共通電極４３およびセンサ用検出電極４４、表示用回路、タッチセンサの駆動回路および検出回路をＴＦＴ基板２１に集中的に集積化することが極めて容易となる。

なお、本実施の形態のように、共通電極４３とセンサ用検出電極４４とを並べて配設して、両者間に横方向容量結合による容量素子Ｃ１を形成するようにした場合には、共通電極４３からＴＦＴ基板２１内部の回路素子（ＴＦＴ５０等）へのノイズ飛びが問題になる場合がある。そこで、これを防ぐために、図１８に示したように、センサ用検出電極４４の下側にシールド電極５３を設けることが好ましい。但し、上記シールド層は、特に専用の新しい層を設けるのではなく、金属配線や画素電極を構成する透明電極膜を流用することも可能である。

［変形例］
上記第３の実施の形態では、ＴＦＴ基板２１上に共通電極４３とセンサ用検出電極４４とを並べて配設し、横方向容量結合により容量素子Ｃ１を形成するようにしたが、これとは異なり、縦方向容量結合により容量素子Ｃ１を形成することも可能である。例えば図１９に示したように、共通電極４３をＴＦＴ基板２１上の表示領域Ｄのみならず額縁領域Ｆにまで延在させると共に、センサ用検出電極４４を、ＴＦＴ基板２１の額縁領域Ｆにおいて、共通電極４３と異なる階層の電極層として共通電極４３に対向するように形成する。これにより、共通電極４３とセンサ用検出電極４４との間に容量素子Ｃ１が形成される。この場合には、センサ用検出電極４４とＴＦＴ基板２１との間を結ぶコンタクト導電柱７Ｃを設け、これにより、センサ用検出電極４４からの検出信号Ｖdet をＴＦＴ基板２１側に伝送するようにすればよい。

以上の第１〜第３の実施の形態の説明から明らかなように、表示機能層としての液晶層のタイプに応じて、センサ用検出電極４４を対向基板４の側に形成するか、あるいは画素基板２の側に形成するかを適宜選択可能であるので、構造設計の自由度が高いというメリットがある。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記の第２、第３の実施の形態では、横電界モードとしてＦＦＳモードの液晶素子を例に説明したが、ＩＰＳモードの液晶について同様に適用可能である。

また、上記実施の形態では、表示素子として液晶表示素子を用いた表示装置について説明したが、それ以外の表示素子、例えば有機ＥＬ素子を用いた表示装置にも適用可能である。

２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ・・・画素基板、２１・・・ＴＦＴ基板、２２・・・画素電極、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ・・・対向基板、４１・・・ガラス基板、４２・・・カラーフィルタ、４３・・・共通電極（兼センサ用駆動電極）、４３Ｄ・・・ドライバ、４４・・・センサ用検出電極、４５・・・偏光板、５０・・・ＴＦＴ、５１・・・センサ用検出信号線、５２・・・スキャン信号線、５３・・・シールド電極、６・・・液晶層、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ・・・コンタクト導電柱、８・・・検出回路、８１・・・オペアンプ、８２・・・ＬＰＦ、８３・・・ＨＰＦ、８４・・・整流平滑部、８５・・・コンパレータ、Ｃ１，Ｃ２・・・容量素子、Ｓg・・・交流矩形波、Ｅ１・・・駆動電極、Ｅ２・・・検出電極、Ｖcom・・・コモン駆動信号、Ｖdet・・・検出信号、Ｖth・・・しきい値電圧。

Claims (8)

1. 複数の表示画素電極と、
   共通電極と、
   画像表示機能を有する表示機能層と、
   画像信号に基づいて、前記表示画素電極と前記共通電極との間に表示用電圧を印加して前記表示機能層の表示機能を発揮させるように画像表示制御を行う表示制御回路と、
   前記共通電極と並んで設けられ、前記共通電極との間に静電容量を形成するタッチ検出電極と、
   前記表示制御回路および前記タッチ検出電極が形成された回路基板と、
   前記回路基板と対向して配設された対向基板と、
   を備え、
   前記回路基板に前記共通電極および前記表示画素電極が形成され、
   前記回路基板の前記表示画素電極と、前記対向基板との間に前記表示機能層が設けられ、
   前記共通電極が、前記回路基板の表示領域の内側に配設され、
   前記タッチ検出電極が、前記回路基板上の前記表示領域を取り囲む額縁領域に、前記共通電極と同一階層の電極層として前記共通電極から隔てて形成されている
   タッチセンサ付き表示装置。
2. 複数の表示画素電極と、
   共通電極と、
   画像表示機能を有する表示機能層と、
   画像信号に基づいて、前記表示画素電極と前記共通電極との間に表示用電圧を印加して前記表示機能層の表示機能を発揮させるように画像表示制御を行う表示制御回路と、
   前記共通電極と対向して設けられ、前記共通電極との間に静電容量を形成するタッチ検出電極と、
   前記表示制御回路および前記タッチ検出電極が形成された回路基板と、
   前記回路基板と対向して配設された対向基板と、
   を備え、
   前記回路基板に前記共通電極および前記表示画素電極が形成され、
   前記回路基板の前記表示画素電極と、前記対向基板との間に前記表示機能層が設けられ、
   前記共通電極が、前記回路基板上の表示領域から額縁領域にまで延在し、
   前記タッチ検出電極が、前記回路基板の前記額縁領域において、前記共通電極と異なる階層の電極層として前記共通電極に対向して形成されている
   タッチセンサ付き表示装置。
3. 前記共通電極は、前記表示画素電極と対向して設けられ、
   前記タッチ検出電極は、前記表示制御回路により前記共通電極に印加される駆動信号に基づく検出信号を出力する
   請求項１または２に記載のタッチセンサ付き表示装置。
4. 前記共通電極は、前記複数の表示画素電極と対向して複数設けられ、
   前記タッチ検出電極は、前記複数の共通電極との間に静電容量をそれぞれ形成し、
   前記表示制御回路は、共通電極を順次駆動して走査することにより、充放電される静電容量を走査し、前記タッチ検出電極が、その充放電に応じた検出信号を出力する
   請求項１または２に記載のタッチセンサ付き表示装置。
5. 前記共通電極および前記表示画素電極は、前記回路基板に絶縁層を介して順に積層されている
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のタッチセンサ付き表示装置。
6. 前記表示機能層は、前記回路基板の前記表示画素電極と、前記対向基板との間に挿設されている
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のタッチセンサ付き表示装置。
7. 前記タッチ検出電極を電磁的にシールドするシールド電極が配設されている
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のタッチセンサ付き表示装置。
8. 前記表示機能層が液晶層であり、横電界モードでの液晶表示が行われる
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のタッチセンサ付き表示装置。

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