JP6589479B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、表示部と圧電素子とを備えた表示装置に関する。
近年、スマートフォンやタブレットなどの表示装置はますます薄型化してきている。例えば特許文献1は、薄型化と筺体の強度を両立させるため、SUSやマグネシウム合金などからなる金属筐体を備える表示装置、又は、樹脂からなる筺体内部に金属シャーシを備える表示装置を開示している。
また、最近では押圧検知機能を備えた表示装置が一般に知られている。例えば特許文献2は、押圧を検知する押圧センサと表示部とを備えたタッチパネルを開示している。押圧センサは、圧電フィルムを有する。押圧センサは、電荷を取り出すための電極を圧電フィルムの両面に取り付ける必要がある。なお、電極は、導電性の薄膜が成膜されたフィルムを圧電フィルムに貼付してもよいが、薄型化のため、圧電フィルムに直接導電性の薄膜を成膜することが好ましい。
国際公開2014/050553号パンフレット 特開平5−61592号公報
しかしながら、圧電フィルムの両面に直接導電性薄膜を成膜した押圧センサを表示部の背面に配置した場合、押圧操作によって表示部が撓むと、押圧センサも撓み、圧電フィルムの電極と金属筐体または金属シャーシとが接触する可能性がある。このとき、押圧操作によって圧電フィルムから発生した電荷が損失する。したがって、従来の表示装置には、薄型化によって、押圧を正確に検知することができないという問題がある。
そこで、押圧センサの電極を絶縁層で保護する方法や、圧電フィルムの電極と金属筐体または金属シャーシとの間隔を広くする方法が考えられるが、これらの方法では表示装置の厚みが増し、前述の薄型化に反する。
そこで、本発明は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる表示装置を提供することを目的とする。
本発明の表示装置は、操作面と表示部と圧電素子と金属部材とを備える。表示部は、画像を操作面に表示させる。圧電素子は、操作面に対する押圧を検知する。圧電素子は、表示部の裏面に貼付された第1主面と、第1主面の裏面である第2主面とを有する。圧電素子は例えば、第1電極と、第2電極と、第1電極及び第2電極が両主面に形成された圧電フィルムと、を有する。
金属部材は、第2主面に対向する。金属部材は例えば、表示部および圧電素子を収納する金属筐体、又は第2主面に対向する金属シャーシである。圧電素子は、第1電極を第1主面に有し、第2電極を第2主面に有する。第2電極は、グランド電極である。
この構成では、利用者が操作面に対して押圧操作を行う。押圧操作によって表示部が金属部材側へ撓むと、圧電素子も金属部材側へ撓み、圧電素子の第2電極と金属部材とが接触する可能性がある。
しかし、この構成の圧電素子では、第2主面の第2電極がグランド電極になっている。そのため、第2電極が金属部材に接触しても、押圧操作によって圧電素子で発生した電荷が損失しない。
したがって、この構成の表示装置は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
なお、第1電極が、電極機能および反射機能を兼ねることで、この構成の表示装置は、さらに薄型化を実現することができる。
この発明の表示装置は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
表示装置の外観斜視図である。 表示装置の側面断面図である。 バックライトユニットの分解斜視図である。 表示装置のブロック図である。 変形例1における表示装置の側面断面図である。 変形例2における表示装置の側面断面図である。 変形例3における表示装置の側面断面図である。 変形例1に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例2に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例1に係る圧電センサの分解斜視図である。 変形例2に係る圧電センサの分解斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る表示装置について説明する。
図1の外観斜視図に示すように、表示装置1は、外観上、直方体形状の筐体50と、筐体50の上面の開口部に配置された平面状の表面パネル40と、を備えている。表面パネル40は、利用者が指やペン等を用いてタッチ操作を行う操作面として機能する。筐体50の材料は例えば樹脂である。
なお、本実施形態では、筐体50の幅方向(横方向)をX方向とし、長さ方向(縦方向)をY方向とし、厚み方向をZ方向とする。
図2に示すように、筐体50の内部には、筐体50の開口部(表面パネル40)側から順にZ方向に沿って、表示パネル30、バックライトユニット31、圧電センサ11、および金属シャーシ213が配置されている。圧電センサ11と表面パネル40とによりタッチパネルが構成される。
なお、表面パネル40が、本発明の操作面の一例に相当する。表示パネル30及びバックライトユニット31が、本発明の表示部の一例に相当する。圧電センサ11が、本発明の圧電素子の一例に相当する。金属シャーシ213が、本発明の金属部材の一例に相当する。
圧電センサ11、表示パネル30、およびバックライトユニット31は、平板状であり、それぞれ筐体50の開口部(表面パネル40)と対面するように、または沿うように、筐体50の内部に配置されている。
筐体50の底面と圧電センサ11との間には、剛性を高めるため、金属シャーシ213が配置されている。金属シャーシ213は板形状である。さらに、筐体50の底面と圧電センサ11との間には、回路基板(不図示)が配置されている。当該回路基板には、図4に示す検出部20を構成する回路モジュールが設けられている。
図4に示すように、検出部20には、圧電センサ11および処理部22が接続される。処理部22には、検出部20、プログラム記憶部23、および表示パネル30が接続される。
表示装置1は、タッチ式入力装置45および処理装置47からなる。圧電センサ11および検出部20は、タッチ式入力装置45を構成する。処理部22、プログラム記憶部23、および表示パネル30は、処理装置47を構成する。
処理部22は、CPUを含み、処理装置47を統括的に制御する。すなわち、処理部22は、プログラム記憶部23に記憶されている動作用プログラムを読み出して各種処理を行う。例えば、処理部22は、表示パネル30を制御して画像を表示させるとともに、検出部20から入力された検出信号に応じて操作入力内容を決定し、表示されている画像を変更する。
圧電センサ11は、操作面である表面パネル40に対する押圧操作に応じた電荷を発生する。検出部20は、圧電センサ11で発生した電荷を検出し、検出信号として処理部22に出力する。
表示パネル30は、例えば液晶表示素子からなる。表示パネル30は、図示は省略するが、表偏光板、液晶パネル、および裏偏光板を備えている。
バックライトユニット31は、図2および図3に示すように、表面側から順に第1拡散シート310、プリズムシート311、第2拡散シート312、導光板313、および反射シート314を備えている。また、バックライトユニット31は、導光板313に光を入射させる光源350を備えている。
導光板313は、光源350からの光を取り込み、表面側に向けて面内で均一な強度の光を出力する。反射シート314は、導光板313から裏面側に出力される光を反射する。
第2拡散シート312は、導光板313から出力された光を拡散する。プリズムシート311は、第2拡散シート312で拡散された光の広がり角度を所定の角度範囲に集中させる。第1拡散シート310は、プリズムシート311から出力された光を再び拡散させる。
このようにしてバックライト304から出力された光は、表示パネル30に入力される。表示パネル30には、駆動回路が接続され、画素毎に透過光量が変化される。これにより、表面パネル40に各種画像が表示される。
圧電センサ11は、表示パネル30の裏面に貼付された第1主面11Aと、第1主面の裏面である第2主面11Bとを有する。圧電センサ11は、表面側から順に、第1電極111、圧電フィルム112、および第2電極113を備えている。圧電センサ11は、第1電極111を第1主面11Aに有し、第2電極113を第2主面11Bに有する。第1電極111および第2電極113は、圧電フィルム112の両主面112A,112Bに直接成膜されている。
第1電極111および第2電極113は、例えばアルミニウムからなる。また、第1電極111および第2電極113は、透明性を有する材料からなっていてもよい。透明性を有する材料は、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料等がある。第1電極111および第2電極113は、それぞれPETフィルム等の主面に、蒸着等により予め形成されている。なお、アルミニウムのような光を透過させない材料は、第1電極もしくは第2電極のどちらか一方に用いられるようにしてもよい。
圧電フィルム112は、利用者が表面パネル40を押圧することで法線方向に撓み、電荷を発生する。圧電フィルム112は、PVDF、あるいはキラル高分子を用いる。キラル高分子の場合、より好ましくは、圧電フィルム112には、一軸延伸されたポリ乳酸(PLA)、さらにはL型ポリ乳酸(PLLA)であることが好ましい。
キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。そして、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、螺旋分子の分子軸に沿って加わったずり歪みによって一意的に決定される。
一軸延伸されたPLLAの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。すなわち、押圧操作を高感度に検出し、押圧量に応じた変形検出信号を高精度に出力することができる。
また、キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、ポーリング処理を行う必要がない。特に、ポリ乳酸は、焦電性がないため、利用者の指等の熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。また、機器の発熱や周囲環境温度によって押圧感度が変わる等の影響を受けることもない。特に、発熱し易いバッテリと圧電フィルムとを近接配置するようなスマートフォンまたはタブレット端末等の小型電子機器に対して用いることが有効である。さらに、PLLAの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。
表面パネル40が利用者に押下されたとき、表示パネル40に積層された圧電フィルムには、水平方向に伸びまたは収縮が発生する。押下操作による伸縮は、螺旋分子の分子軸に対してずり歪みとなるように分子軸を配置することが望ましい。一軸延伸のポリ乳酸フィルムでは、圧電性に寄与する螺旋分子は延伸軸方向に向いている。本実施形態では、圧電フィルム112は、X方向およびY方向に対して、一軸延伸方向L1が略45°の角度を成すように配置されている。このような配置を行うことで、より高感度に押圧操作を検出できる。なお、一軸延伸方向L1は、45°であることが最も効果的であるが、例えば45±10°の範囲であっても略同等の効果が得られる。
なお、延伸倍率は3〜8倍程度が好適である。延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。また、二軸延伸した場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることが出来る。例えば、ある方向をX軸としてX軸方向に8倍、X軸に直交するY軸方向に2倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそX軸方向に4倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。
仮に、圧電フィルム112が完全に透明ではない場合、表示性能を考慮して、色の校正が必要になる。また、圧電フィルム112によって、表示画面が暗くなる可能性もある。この場合、バックライトをより高輝度で光らせる必要があるため、電池の消耗が大きい等の課題が発生する。しかし、本実施形態の圧電センサ11は、反射部材である反射シート314の主面の一方側(裏面側)に設けられている。したがって、圧電センサ11が表示パネル30の表示性能に影響を与えることがない。
以上の構成において、利用者が表面パネル40に対して矢印Pの方向から押圧操作を行う。押圧操作によって表示パネル30及びバックライトユニット31が金属シャーシ213側へ撓むと、圧電センサ11も金属シャーシ213側へ撓み、圧電センサ11の第2電極113と金属シャーシ213とが接触する可能性がある。
しかし、圧電センサ11では、第2主面11Bの第2電極113がグランド電極になっている。そのため、押圧操作によって表示パネル30及びバックライトユニット31が撓み、第2電極113が金属シャーシ213に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置1は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
なお、表示パネル面から静電気が侵入した場合、第1電極111または第2電極113を介して、回路が破損される恐れがある。そのため、パネル正面から見て、第1電極111および第2電極113が、LCDまたはタッチパネルからはみ出さない設計にすることが好ましい。具体的には、第1電極111および第2電極113の外周をエッチングする、もしくは第1電極111および第2電極113をLCDタッチパネルより一回り小さくするという手法が考えられる。
なお、第1電極111がアルミニウム等の可視光帯での反射光スペクトルがフラットな導電性材料からなる場合、当該第1電極111は、反射シート314の反射機能を兼ねることが可能である。反射シート314は、ポリエステルフィルムやポリエチレンフィルム等の両面にアルミニウムを蒸着してなる場合が多いが、仮にアルミニウムの厚みを薄くすると、反射シートとしての機能が劣化する(光を透過する)可能性がある。しかし、第1電極111が鏡面反射をするアルミニウム等の導電性材料からなる場合、第1電極111によって機能を補完することができる。そのため、反射シート314の反射膜を薄くしたり、片面にしたりすることができ、コストの低減を図ることができる。また、第2電極113もアルミニウム等の光を透過させない材料を使用することができる。これにより、良好な光の反射効果を得つつ機器の薄型化を実現することができる。
次に、図5は、変形例1に係る表示装置1Aの構成を示す側面断面図である。図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
表示装置1Aは、筐体50に代えて筐体55を備えている。筐体55の厚みは、筐体50の厚みより薄い。筐体55の材料は例えば樹脂である。図5に示すように、反射シート314を省略することも可能である。この場合、第1電極111が電極と反射シートの機能を兼ねている。また、この例においても、圧電センサ11では、第2電極113がグランド電極になっている。そのため、押圧操作によって表示パネル30及びバックライトユニット31が撓み、第2電極113が金属シャーシ213に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置1Aは、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
次に、図6は、変形例2に係る表示装置1Bの構成を示す側面断面図である。図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
表示装置1Bは、筐体50に代えて筐体150を備えている。筐体150の厚みは、筐体50の厚みより薄い。筐体150の材料は例えば樹脂である。また、表示装置1Bは、表示パネル30に代えてOLEDパネル35および遮光部材(遮光シート)75を備えている。圧電センサ11は、遮光シート75の裏面側に設けられている。なお、OLEDパネル35及び遮光部材75が、本発明の表示部の一例に相当する。
このように、OLED等のバックライトがない表示装置においても、圧電センサ11は、表示パネル(OLEDパネル35)および遮光シート75の裏面側に配置されているため、表示性能に影響を与えることがない。また、この例においても、圧電センサ11では、第2電極113がグランド電極になっている。そのため、押圧操作によってOLEDパネル35及び遮光部材75が撓み、第2電極113が金属シャーシ213に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置1Bは、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
次に、図7は、変形例3に係る表示装置1Cの構成を示す側面断面図である。図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
表示装置1Cは、表示装置1の構成に加えて、静電容量センサ70を備えている。静電容量センサ70は、圧電センサ11よりも表面パネル40側に配置されている。すなわち、各構成部は、筐体250の開口部(表面パネル40)側から順にZ方向に沿って、静電容量センサ70、表示パネル30、バックライトユニット31、および圧電センサ11の順で配置される。表示装置1Cは、筐体50に代えて金属筐体250を備えている。金属筐体250の材料は例えばSUSである。そのため、表示装置1Cは、金属シャーシ213を備えなくても、金属筐体250によって剛性を確保できる。
なお、静電容量センサ70は、本発明の位置検知部の一例に相当する。
静電容量センサ70は、平板状であり、筐体250の開口部(表面パネル40)と対面するように、または沿うように、筐体250の内部に配置されている。
静電容量センサ70は、第1静電容量検出用電極701、平板状の絶縁性基板702、および第2静電容量検出用電極703を備えている。絶縁性基板702は、透明性を有する材料からなり、例えばPMMA(アクリル樹脂)からなる。絶縁性基板702の表面側の主面には、第1静電容量検出用電極701が形成され、裏面側の主面には、第2静電容量検出用電極703が配置されている。
第1静電容量検出用電極701および第2静電容量検出用電極703は、全て透明性を有する材料からなり、例えば酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする材料を用いる。
静電容量センサ70は、第1静電容量検出用電極701および第2静電容量検出用電極703で検出される静電容量の変化により、タッチ操作の有無およびタッチ位置を検出する。
変形例3に係る表示装置1Cにおいても、圧電センサ11は、表示パネル30の裏面側に配置されているため、表示性能に影響を与えることがない。また、この例においても、圧電センサ11では、第2電極113がグランド電極になっている。そのため、押圧操作によって静電容量センサ70、表示パネル30及びバックライトユニット31が撓み、第2電極113が金属筐体250に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置1Cは、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
次に、図8は、変形例1に係る圧電センサ11の分解斜視図である。変形例1に係る圧電センサ11の第1電極111は、平面視して、2つの長辺のうち長手方向の中心付近が第1電極111の中心に向かって絞り込まれている。すなわち、第1電極111は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられているのではなく、一部が欠けた状態となっている。そのため、第1電極111の面積は、第2電極113の面積より小さくなっている。
表面パネル40は、防水・防塵機能を確保するために、外周縁部が全て筐体50に固定される場合がある。この場合、例えば表面パネル40を平面視して中心位置を押圧すると、圧電フィルム112の中心位置は、裏面方向に歪む。しかし、圧電フィルム112の長辺付近は、筐体50に固定された状態となっているため、中心位置とは逆方向に歪む状態となり、発生する電圧(電荷)の極性が反転する領域が形成される。圧電センサ11に接続される検出部20は、圧電フィルム112の歪み量に応じて発生した電圧(電荷)を全て合計して検出信号を検知するため、圧電フィルム112に電圧極性の反転領域が存在すると、発生した電圧(電荷)が相殺されてしまう。そのため、押圧が正確に検出できず、検出感度も低下する。そこで、圧電センサ11は、極性の反転領域に第1電極111を設けない態様としている。
この場合も、第2電極113は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられ、かつグランド電極になっている。そのため、押圧操作によって表示パネル30及びバックライトユニット31が撓み、第2電極113が金属シャーシ213又は金属筐体250に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
図9は、変形例2に係る圧電センサ11の分解斜視図である。変形例2に係る圧電センサ11の第1電極111は、平面視して、辺縁部分だけに形成されている。
圧電フィルム112は、平面視して中心位置付近の歪み量が大きく、辺縁部の歪み量が小さくなる。すなわち、同じ押圧量であっても、押圧位置によって発生する電荷量がばらつく。そこで、変形例2に係る圧電センサ11の第1電極111は、押圧位置により電荷量がばらつく中心位置付近での発生電荷は取り出さずに、押圧位置によるばらつきが少ない辺縁部のみからの電荷を取り出している。
この場合も、第2電極113は、圧電フィルム112の全面にわたって設けられ、かつグランド電極になっている。そのため、押圧操作によって表示パネル30及びバックライトユニット31が撓み、第2電極113が金属シャーシ213又は金属筐体250に接触しても、押圧操作によって圧電フィルム112から発生した電荷が損失しない。
したがって、表示装置は、押圧を正確に検知することができ、薄型化も達成できる。
図10は、変形例1に係る圧電センサ11において、第1電極111が形成されていない箇所にダミー電極111Aを設けた例を示す分解斜視図である。
上述したように、反射シート314の厚みを薄くすると、反射シートとしての機能が劣化する(光を透過する)可能性がある。また、第1電極111がアルミニウム等の導電性材料からなる場合であっても、第1電極111において光を全て反射できない場合がある。ここで、圧電フィルム112がPLLA等の透明性の高い材料である場合、第2電極113側にも光が透過する場合がある。この場合、ダミー電極111Aが設けられ、第1電極111およびダミー電極111Aで光を反射させる。これにより、第1電極111およびダミー電極111Aは、反射シート314の反射機能をより適切に補助することができる。
なお、圧電センサ11は、ダミー電極111Aで検出される電圧を反転して(あるいは逆に第1電極111で検出される電圧を反転して)、第1電極111で検出される電圧と加算することで、検出信号を検知するようにしてもよい。
図11は、変形例2に係る圧電センサ11において、第1電極111が形成されていない箇所にダミー電極111Bを設けた例を示す分解斜視図である。
この場合も、図10の例と同様に、第1電極111およびダミー電極111Bで光を反射させる。これにより、第1電極111およびダミー電極111Bは、反射シート314の反射機能をより適切に補助することができる。
1…表示装置
11…圧電センサ
20…検出部
22…処理部
23…プログラム記憶部
30…表示パネル
31…バックライトユニット
35…OLEDパネル
40…表面パネル
45…タッチ式入力装置
47…処理装置
50…筐体
55…筐体
70…静電容量センサ
75…遮光シート
111…第1電極
111A,111B…ダミー電極
112…圧電フィルム
113…第2電極
150…筐体
213…金属シャーシ
250…金属筐体
304…バックライト
310…第1拡散シート
311…プリズムシート
312…第2拡散シート
313…導光板
314…反射シート
350…光源
701…第1静電容量検出用電極
702…絶縁性基板
703…第2静電容量検出用電極

Claims (7)

  1. 操作面と、
    画像を前記操作面に表示させる表示部と、
    前記表示部の裏面に貼付された第1主面と、前記第1主面の裏面である第2主面とを有し、前記操作面に対する押圧を検知する圧電素子と、
    前記第2主面に対向する金属部材と、を備え、
    前記圧電素子は、第1電極を前記第1主面に有し、第2電極を前記第2主面に有し、かつ前記第1電極及び前記第2電極が両主面に形成された圧電フィルムを有し、
    前記第2電極は、グランド電極であり、
    前記第1電極と前記第2電極とは、前記圧電フィルムを介して対向することを特徴とする表示装置。
  2. 前記第2主面と前記金属部材との間に空隙があることを特徴とする、請求項1に記載の表示装置。
  3. 前記金属部材は、前記表示部および前記圧電素子を収納する金属筐体、および前記第2主面に対向する金属シャーシの少なくとも一方である請求項1または請求項2に記載の表示装置。
  4. 前記表示部は、光を出力する光源を有し、
    前記第1電極は、前記光源から出力した前記光を反射する反射機能および電極機能の両方を兼ねている請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の表示装置。
  5. 前記第1電極の面積は、前記第2電極の面積より小さい請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の表示装置。
  6. 前記圧電フィルムは、ポリ乳酸を含む請求項2に記載の表示装置。
  7. 前記操作面に対するタッチ位置を検知する位置検知部を備えた請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の表示装置。
JP2015179844A 2015-09-11 2015-09-11 表示装置 Active JP6589479B2 (ja)

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