JP6515141B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置の前面に配置して、指の触れた位置を検出する透明型の位置検出装置に関する。

近年、情報通信機器の入力装置として、タッチパネルが多く使われている。タッチパネルは、情報通信機器の備える表示装置の前面に配置して、ユーザが指を触れた位置を検出する。表示装置に表示した内容と、ユーザが指を触れた位置との対応関係により、情報通信機器の操作を行える。

タッチパネルの位置検出方式には、抵抗皮膜方式、静電容量方式、再帰反射方式、超音波方式、電磁誘導方式などがある。静電容量方式はさらに、表面型静電容量方式、投影型静電容量方式に分類される。投影型静電容量方式は、タッチ感が非常に軽いこと、マルチタッチが可能であることから、近年、特に普及が進んでいる。

投影型静電容量方式は、タッチパネル全体に複数の静電容量センサを形成し、タッチ位置を検出する。そのため、タッチパネルが大型化することにより、次のような問題が発生する。静電容量センサの配線抵抗と電気容量の積で与えられる時定数が大きくなることにより、印加する電圧波形が鈍る。印加電圧波形が鈍ると、静電容量センサに誘起される電荷量（＝電圧×容量変化）が小さくなり、その結果、ノイズと信号の分離が悪くなってしまう。これを改善するためには静電容量センサを構成する金属配線の抵抗を小さくする必要があり、使用する金属配線は超厚膜になってしまう。金属配線が超厚膜となることにより、生産上では基板の反り、工程時間の長時間化、加工精度の低下などの問題が発生する。

このような問題に対して、タッチパネルの駆動信号としてお互いに位相が１８０度ずれた信号を用いることが提案されている（特許文献１）。

特開２０１４−６３２４９号公報

しかしながら、従来技術では、４点の静電結合の交点が必要なため、高解像度、かつ、高精度のセンシングが困難となってしまう。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高解像度かつ高精度のセンシングが可能な、位置検出装置の提供を目的とする。

本発明に係る位置検出装置は、幅より全長の長さが長い長尺状の信号電極を複数含む信号電極層と、幅より全長の長さが長い長尺状の検出電極を複数含み前記信号電極層と異なる層に配されている検出電極層と、前記信号電極層と検出電極層との積層方向の間に配されている絶縁層と、前記信号電極層又は検出電極層に積層してなる位置入力パネルと、前記信号電極及び検出電極間の静電容量の変化を検出する検出部とを備え、該検出部が検出した静電容量の変化により、指示体による前記位置入力パネル上の指示位置を検出する位置検出装置において、前記信号電極層は、複数の前記信号電極を長手方向と交差する方向に所定間隔で配してなる第１要素電極層を２つ積層した２層構造であり、前記検出電極層は、複数の前記検出電極を長手方向と交差する方向に所定間隔で前記信号電極のそれぞれと交差するように配してなる第２要素電極層を２つ積層した２層構造であり、２つの前記第２要素電極層のそれぞれは、２つの前記第１要素電極層のいずれとも異なる層に配されていることを特徴とする。

本発明にあっては、電極層を２層としたことにより、高解像度、高精度で位置の検出が可能となる。

タッチパネルの主要部の概略構成を示す分解斜視図である。 タッチパネルの階層構造を示す説明図である。 Ｘ電極及びＹ電極のパターンを示す説明図である。 タッチパネルの位置検出原理を示すための回路図である。 タッチパネルの動作原理を示す説明図である。 電極の端部の構造を模式的に示した説明図である。 電極の積層構造を示す説明図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。

実施の形態１
図１はタッチパネル１の主要部の概略構成を示す分解斜視図である。タッチパネル１は、第１Ｘ電極層１１、第２Ｘ電極層１２、絶縁層１３、第１Ｙ電極層１４、及び第２Ｙ電極層１５を含む。第１Ｘ電極層１１、第２Ｘ電極層１２、絶縁層１３、第１Ｙ電極層１４、及び第２Ｙ電極層１５それぞれは、矩形板状をなしている。それぞれの縦横寸法は略同一である。縦横寸法は、タッチパネル１が取り付けられる表示装置に応じて、定められる。

図２はタッチパネル１の階層構造を示す説明図である。タッチパネル１は、第１Ｘ電極層１１（要素電極層）、第２Ｘ電極層１２（要素電極層）、絶縁層１３、第１Ｙ電極層１４（要素電極層）、及び第２Ｙ電極層１５（要素電極層）に加えて、透明フィルム１６、カバーガラス１７をさらに含む。タッチパネル１は、第１Ｘ電極層１１の上に、第２Ｘ電極層１２が重ねられ、さらに、絶縁層１３、第１Ｙ電極層１４、第２Ｙ電極層１５が順に重ねられ、さらに透明フィルム１６、カバーガラス１７（位置入力パネル）が重ねられ、固定される。

第１Ｘ電極層１１は基材１１ａ、第１層Ｘ電極１１ｂ、透明フィルム１１ｃを含む。基材１１ａは光透過性の高い絶縁体、例えばＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ポリエチレンテレフタラート）樹脂で形成する。第１層Ｘ電極１１ｂは透明導電材料、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：酸化インジウム・スズ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：インジウムドープ酸化亜鉛）で形成する。透明フィルム１１ｃは、例えばＯＣＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｌｅａｒ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）フィルムなど、光透過性の高いフィルムである。第１層Ｘ電極１１ｂは、透明フィルム１１ｃ表面に形成される。第１層Ｘ電極１１ｂが形成された透明フィルム１１ｃは、基材１１ａに貼り付けられている。

第２Ｘ電極層１２は中間絶縁層１２ａ及び第２層Ｘ電極１２ｂを含む。中間絶縁層１２ａは、光透過性の高い誘電体又は絶縁体皮膜である。第２層Ｘ電極１２ｂの形状は、第１層Ｘ電極１１ｂと同様である。第２層Ｘ電極１２ｂは、中間絶縁層１２ａに形成されている。なお、以降の説明において、単に「Ｘ電極」と記載した場合は、第１層Ｘ電極１１ｂ、第２層Ｘ電極１２ｂのいずれか一方又は両方を示すものとする。

絶縁層１３は光透過性の高い誘電体又は絶縁体薄膜である。

第１Ｙ電極層１４は中間絶縁層１４ａ及び第１層Ｙ電極１４ｂを含む。第１層Ｙ電極１４ｂは透明導電材料、例えばＩＴＯ、ＩＺＯで形成する。第１層Ｙ電極１４ｂは絶縁層１３に積層される。中間絶縁層１４ａは第１層Ｙ電極１４ｂに積層される。

第２Ｙ電極層１５は基材１５ａ及び第２層Ｙ電極１５ｂを含む。基材１５ａは光透過性の高い絶縁体、例えばＰＥＴ樹脂で形成する。第２層Ｙ電極１５ｂは、中間絶縁層１４ａに積層されている。基材１５ａは第２層Ｙ電極１５ｂに接着剤により固定する。接着剤は例えばアクリルやシリコーンが主成分のもので、接着後も高い光透過性を保つものを使用する。なお、以降の説明において、単に「Ｙ電極」と記載した場合は、第１層Ｙ電極１４ｂ、第２層Ｙ電極１５ｂのいずれか一方又は両方を示すものとする。また、Ｘ電極並びにＹ電極の材料として、上記透明電極以外に透光性を阻害しない金属材料も使用できる。

第２Ｙ電極層１５の上にさらに、透明フィルム１６又は散乱フィルム、カバーガラス１７が積層される。

図３はＸ電極及びＹ電極のパターンを示す説明図である。図３はタッチパネル１の主要部を平面視した場合を示している。図１及び図３に示すように、Ｘ電極を構成する第１層Ｘ電極１１ｂは所謂メッシュ型電極である。第１層Ｘ電極１１ｂは互いに平行な複数本（図３では４本）の縦電極と、当該縦電極と交差し互いに平行な複数本（図３では４本）の横電極とを格子状に配置した格子電極を複数含む。第１層Ｘ電極１１ｂは、複数の格子電極を格子の角部分が隣り合うように所定方向に沿って等間隔で並べ、隣り合う角部分を接続したものを一系列としてある。そして、複数の系列を格子電極の並設方向と交差する方向に複数の系列を等間隔に並べたものを総称して、第１層Ｘ電極１１ｂと名付けている。Ｘ電極を構成する第２層Ｘ電極１２ｂも、第１層Ｘ電極１１ｂと略同一のパターンを有している。第１層Ｘ電極１１ｂと第２層Ｘ電極１２ｂとは、平面視で重なり合うように位置合わせされ、積層されている。なお、第１層Ｘ電極１１ｂ及び第２層Ｘ電極１２ｂの格子電極の並設方向をＸ方向という。なお、図３では縦電極と横電極の本数を４本としたが、それに限らない。

Ｙ電極もＸ電極と同様の構成である。すなわち、第１層Ｙ電極１４ｂ及び第２層Ｙ電極１５ｂも略同一のパターンを有し、平面視で重なり合うように位置合わせされ、積層されている。Ｙ電極の構成する格子電極の並設方向は、Ｘ方向と交差する方向である。この方向をＹ方向という。また、複数の系列が並んでいる方向がＸ方向となる。図３に示すように、Ｘ電極を構成する格子電極とＹ電極を構成する格子電極とは平面視で互いに重ならないように配置されており、Ｘ電極とＹ電極とは市松配置としてある。

次に、実施の形態１におけるタッチパネル１による位置検出の原理について説明する。図４はタッチパネル１の位置検出原理を示すための回路図である。図４は図３において、Ｐの部分にユーザの指が触れた場合を示している。図４に示すように、Ｘ電極には信号回路１８が接続されている。また、Ｙ電極には電流検出回路１９が接続されている。図４では、Ｘ電極に信号を印加し、Ｙ電極で信号を観測する場合を示している。従来のタッチパネルと同様に、Ｘ電極の複数の系列に順に信号を印加し、Ｙ電極の複数の系列の出力信号を順に観測することにより、位置の検出を行う。すなわち、検出位置に対応する系列のＸ電極に信号を付加した場合に、検出位置に対応する系列のＹ電極に出力信号が観測される。従来技術においては、隣り合う２つのＸ電極の系列に信号を印加し、隣りあうＹ電極の２つの系列の信号を観測していた。

実施の形態１のタッチパネル１では、Ｘ電極の一系列の第１層及び第２層に信号を印加する。図４に示すように信号回路１８は信号発生器１８ａ、バッファ１８ｂ、インバータ１８ｃを含む。信号発生器１８ａは駆動信号を発生させる。信号発生器１８ａが発生した駆動信号は、インバータ１８ｃを経て第１層Ｘ電極１１ｂに印加される。同様に、駆動信号は、バッファ１８ｂを経て第２層Ｘ電極１２ｂに移管される。第１層Ｘ電極１１ｂにはインバータ１８ｃを、第２層Ｘ電極１２ｂにはバッファ１８ｂを通った駆動信号がそれぞれ印加されるので、互いに位相が１８０度異なる信号が印加される。すなわち、第１層Ｘ電極１１ｂ及び第２層Ｘ電極１２ｂにより、平衡配線を構成している。Ｙ電極では、一系列の第１層及び第２層の出力信号を観測する。出力信号の観測については、従来技術と同様に電流検出回路１９（検出部）により行う。例えば、図４に示すように電流検出回路１９は差動増幅器１９ａを含む。差動増幅器１９ａは、Ｙ電極の第１層及び第２層の出力を入力する。差動増幅器１９ａの出力値が所定の閾値を超えたときに、ユーザがタッチパネル１を触れたと判定する。

図３に示すように実施の形態１では、電極はメッシュ型となっている。ユーザがタッチパネル１を触れたことによるＸ電極とＹ電極との結合点は１６点となる。すなわち、メッシュ型電極は４本の電極を備え、Ｙ電極は２層構造、Ｘ電極も２層構造であるから、４×２×２＝１６で、１６点となる。

実施の形態１のタッチパネル１では、以下のような効果を奏する。Ｘ電極及びＹ電極のそれぞれを２層とし、平衡配線構造としているので、ノイズによる電圧波形の鈍りが少ない信号を伝送可能となる。それにより、電圧波形の鈍りが少ないことから、電圧の低下が少なく、Ｘ電極とＹ電極との間の静電結合の効率を上げることが可能となる。また、各電極の時定数が小さくなるため、電極の膜厚を薄くすることが可能となる。さらにまた、静電結合の効率が上がることにより、タッチパネル１のセンサ感度を上げることが可能となる。加えて、平衡配線を採用することにより、Ｘ電極及びＹ電極それぞれが２倍になり、ユーザが触れたときにＸ電極及びＹ電極間で生じる静電結合部は、従来技術によるタッチパネルと比較すると４倍に増加する。それにより、さらにセンサ感度を上げることが可能となる。なお、信号を印加する電極をＸ電極とし、信号を観測するＹ電極としたが、それに限らない。信号を印加する電極をＹ電極とし、信号を観測する電極をＸ電極としてもよい。また、電極はメッシュ型としたが、それに限らない。櫛形電極でも良い。

変形例
図５はタッチパネル１の動作原理を示す説明図である。以下の説明では、信号を印加する電極を信号電極、出力信号を観測する電極を検出電極という。実施の形態１においては、Ｘ電極を信号電極とし、Ｙ電極を検出電極としたが、変形例では、Ｙ電極を信号電極とし、Ｘ電極を検出電極とする動作も行う。図５に示すように、変形例においては切替回路２０を設けてある。切替回路２０を設けた点以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であるから、説明を省略する。

変形例では切替回路２０を設けたことにより、Ｘ電極を信号電極、Ｙ電極を検出電極とする動作と、Ｙ電極を信号電極、Ｘ電極を検出電極とする動作とを切り替えて行うことが可能となる。動作の切り替えは、例えば次のようにする。信号電極のうち、信号を印加する系列を固定し、検出電極のすべての系列について、順に出力信号の検出を行う。同様の動作を、信号を印加する系列を順に変え、すべての系列について行う。その後、信号電極と検出電極とを切り替え、同様の動作を行う。終了したら、信号電極と検出電極とを再び切り替えて、同様の動作を繰り返す。いずれの動作の場合においても、位置の検出動作の原理は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

変形例のタッチパネル１は、実施の形態１に加えて、以下の効果を奏する。時間的に信号電極と検出電極とを切り替えることにより、ＸＹ方向の位置検出、時間的な位置変化の検出が可能となる。

実施の形態２
実施の形態２は電極の端部に特徴を有する。実施の形態２において、Ｘ電極及びＹ電極の端部は、段差構造を有するように形成する。図６は電極の端部の構造を模式的に示した説明図である。図６はＸ電極の一例を示している。図６は基材１１ａ、第１層Ｘ電極１１ｂ、中間絶縁層１２ａ、第２層Ｘ電極１２ｂの端部を示している。第１層Ｘ電極１１ｂ、中間絶縁層１２ａ及び第２層Ｘ電極１２ｂの端部は、信号の伝送方向に沿って段差構造としてある。図６では、基材１１ａが上記伝送方向に沿って最も長く、第１層Ｘ電極１１ｂ、中間絶縁層１２ａの順に短くなり、第２層Ｘ電極１２ｂが最も短くなっている。

第１層Ｘ電極１１ｂの端部は基材１１ａの端部から距離ｄ１を隔てた位置としてある。中間絶縁層１２ａの端部は第１層Ｘ電極１１ｂの端部から距離ｄ２を隔てた位置としてある。第２層Ｘ電極１２ｂの端部は中間絶縁層１２ａの端部から距離ｄ３を隔てた位置としてある。

実施の形態２に係るタッチパネル１は、実施の形態１に係るタッチパネル１が奏する効果に加え、次のような効果を奏する。段差構造とすることにより、端部を揃えたときに比べて、電極取り出し面積及び電極の引き回しを小さくすることが可能となる。

実施の形態３
実施の形態３は電極の構造に特徴を有する。実施の形態１又は２において、Ｘ電極を構成する第１層Ｘ電極１１ｂ及び第２層Ｘ電極１２ｂ、並びにＹ電極を構成する第１層Ｙ電極１４ｂ及び第２層Ｙ電極１５ｂは、複数材料を積層した構造としてある。その他の構成については、実施の形態１又は２と同様であるから、説明を省略する。

図７は電極の積層構造を示す説明図である。図７は第１層Ｘ電極１１ｂの構成例を示している。第１層Ｘ電極１１ｂは、それぞれ板状をなす第１材料１１ｂ１、第２材料１１ｂ２、第３材料１１ｂ３の３つの材料を積層している。第１材料１１ｂ１はチタニウム（Ｔｉ）、第２材料１１ｂ２はアルミニウム（Ａｌ）、第３材料１１ｂ３はタンタル（Ｔａ）である。他に用いる材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などである。２つの材料で電極を構成する場合は、例えば、タンタルとアルミニウムを積層する。上述した材料の中で、チタニウムやタンタルは光の反射率が小さく、かつ、基板や絶縁層に対する密着性が優れており、電極に使用する材料として優れた特性を有している。

実施の形態１又は２が奏する効果に加えて、以下の効果を奏する。第１層Ｘ電極１１ｂ等を、透光性を阻害しない複数材料の積層構造としているため、低抵抗で透光性を阻害しない電極を構成することが可能となる。

各実施例で記載されている技術的特徴（構成要件）はお互いに組合せ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ タッチパネル
１１ 第１Ｘ電極層
１１ａ 基材
１１ｂ 第１層Ｘ電極
１１ｃ 透明フィルム
１２ 第２Ｘ電極層
１２ａ 中間絶縁層
１２ｂ 第２層Ｘ電極
１３ 絶縁層
１４ 第１Ｙ電極層
１４ａ 中間絶縁層
１４ｂ 第１層Ｙ電極
１５ 第２Ｙ電極層
１５ａ 基材
１５ｂ 第２層Ｙ電極
１６ 透明フィルム
１７ カバーガラス

Claims (5)

1. 第１方向に長い長尺状の信号電極を複数含む信号電極層と、
   第２方向に長い長尺状の検出電極を複数含み前記信号電極層と異なる層に配されている検出電極層と、
   前記信号電極層と検出電極層との積層方向の間に配されている絶縁層と、
   前記信号電極層又は検出電極層に積層してなる位置入力パネルと、
   前記信号電極及び検出電極間の静電容量の変化を検出する検出部と
   を備え、
   該検出部が検出した静電容量の変化により、指示体による前記位置入力パネル上の指示位置を検出する位置検出装置において、
   前記信号電極層は、複数の前記信号電極を前記第１方向と交差する方向に所定間隔で配してなる第１要素電極層２つを、前記信号電極が互いに接続されないように第１絶縁層を挟んで積層した２層構造であり、
   前記検出電極層は、複数の前記検出電極を前記第２方向と交差する方向に所定間隔で前記信号電極のそれぞれと交差するように配してなる第２要素電極層２つを、前記検出電極が互いに接続されないように第２絶縁層を挟んで積層した２層構造であり、２つの前記第２要素電極層のそれぞれは、２つの前記第１要素電極層のいずれとも異なる層に配されており、
   前記信号電極の前記第１方向の一方側の端部の前記第１方向に関する位置は、２つの前記第１要素電極層の間で異なっており、及び／又は、前記検出電極の前記第２方向の一方側の端部の前記第２方向に関する位置は、２つの前記第２要素電極層の間で異なっている
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記検出部は、
   前記信号電極に信号を印加する信号回路と、
   前記検出電極に出力された信号を検出する検出回路とを有し、
   前記信号回路は、２つの前記第１要素電極層それぞれの信号電極に位相が異なる信号を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記第１要素電極層の複数の信号電極は、共に略同一形状であり、
   前記第２要素電極層の複数の検出電極は、共に略同一形状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記第１絶縁層の前記第１方向の一方側の端部は、前記第１方向に関して、一の前記第１要素電極層における前記信号電極の前記第１方向の一方側の端部と、他の前記第１要素電極層における前記信号電極の前記第１方向の一方側の端部との間に位置し、及び／又は、
   前記第２絶縁層の前記第２方向の一方側の端部は、前記第２方向に関して、一の前記第２要素電極層における前記検出電極の前記第２方向の一方側の端部と、他の前記第２要素電極層における前記検出電極の前記第２方向の一方側の端部との間に位置している
   ことを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
5. 前記複数の信号電極及び検出電極のそれぞれは、異なる複数の材料を積層してなる
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置検出装置。

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