JP6739686B1 - 触覚提示タッチパネル及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
指やペン等でタッチした位置を検出するとともに触覚を提示する触覚提示タッチパネルにおいて、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上する。検出電極と、検出電極を覆う第１誘電体層と、検出電極と平面視において重ならないように配列された触覚電極と、触覚電極を覆う第２誘電体層とを備え、第１誘電体層の比誘電率よりも第２誘電体層の比誘電率を大きくする。これにより、触覚提示強度を大きくしてもノイズの伝搬を抑制し位置検出感度を確保することができる。
Description
本発明は、指やペン等でタッチした位置を検出するとともに触覚を提示する触覚提示タッチパネル及びこの触覚提示タッチパネルを備える表示装置に関する。
使用者が画面をタッチし、触れた位置を検出するタッチパネルが広く知られている。その中で、手触り等の触覚を提示する触覚提示タッチパネルの需要も高まりつつある。例えば使用者が触覚提示タッチパネルの表面に触れると触覚電極との間に生じる静電容量によって触覚を提示させる技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、従来の触覚提示タッチパネルでは、例えば静電容量を大きくして触覚電極により提示する触覚を強めると、ノイズの伝搬が大きくなり、位置検出が困難となるという課題があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、触覚提示強度を大きくしてもノイズの伝搬を抑制でき、位置検出感度を確保することができる触覚提示タッチパネル及び表示装置を提供することを目的とする。
本発明に係る触覚提示タッチパネルは、操作面を備える触覚提示タッチパネルであって、透明絶縁基板と、透明絶縁基板の操作面側の面上に形成され、第１の方向に延在し、第１の方向と異なる第２の方向に配列された複数の検出電極と、検出電極及び透明絶縁基板の操作面側の面上を覆う第１誘電体層と、透明絶縁基板の操作面側の面又は第１誘電体層の操作面側の面上に形成され、第１の方向に延在し、平面視において検出電極と重ならないように第２の方向に配列され、触覚を提示する電圧信号が印加される複数の触覚電極と、少なくとも触覚電極の操作面側の面上を覆う、第１誘電体層よりも比誘電率が大きい第２誘電体層と、透明絶縁基板の操作面側の面と反対側に配置され、検出電極とともにタッチ位置の検出に用いられる送信電極とを備え、検出電極は、平面視において第１誘電体層と重なりかつ第２誘電体層と重ならず、または、平面視において第１誘電体層および第２誘電体層の積層と重なり、触覚電極の操作面側の面上は、第１誘電体層および第２誘電体層のうち第２誘電体層のみで覆われている。
また、本発明に係る表示装置は、本発明に係る触覚提示タッチパネルと、触覚提示タッチパネルの触覚電極が形成された面の反対側に配置され、画像及び映像の少なくともいずれかを表示する表示パネルとを備えたものである。
本発明によれば、検出電極を覆う第１誘電体層の比誘電率よりも触覚電極を覆う第２誘電体層の比誘電率を大きくしたことにより、触覚提示強度を大きくしてもノイズ伝搬を抑制できるため、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上することができる。
実施の形態１．
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について説明する。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１における触覚提示タッチパネル１０１及び表示装置３０１を概略的に示す分解斜視図である。また、図２は表示装置３０１を概略的に示す断面図である。ｘ軸、ｙ軸は互いに直交して、触覚提示タッチパネル１０１の面内に平行、実施の形態では、触覚提示タッチパネル１０１の長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸としている。ｚ軸は触覚提示タッチパネル１０１の面内に垂直な方向、実施の形態では、ｚ軸正方向は操作面側、負方向を表示パネル２００側としている。
表示装置３０１は、液晶等の表示機能を有する表示パネル２００と、表示パネル２００の上面（図１のｚ軸正方向）に接着材１１１等を介して取り付けられ、使用者の指、ペン等の指示体１が触れた位置を検出するとともに、指示体１に触覚を提示する触覚提示タッチパネル１０１とを備える。
表示パネル２００は、例えば液晶パネルである。有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）パネル、電子ペーパーパネル等であってもよい。また、表示パネル２００は、駆動回路２０１に接続されており、駆動回路２０１から供給された電気信号により表示駆動される。
触覚提示タッチパネル１０１は、透明絶縁基板４３上に第１誘電体層４１で覆われた検出電極４２が形成された検出電極基板４０と、第１誘電体層４１上に形成され、第２誘電体層５１で覆われた触覚電極５２を有する触覚提示層５０と、透明絶縁基板４３の下面に例えば接着材１１２等を介して取り付けられる、ガラス基板等の基板３３上に絶縁層３１で覆われた送信電極３２が形成された送信電極基板３０とを備える。
また、送信電極３２及び検出電極４２は、図２に示すタッチ検出回路１０に接続され、指示体１が触れた位置を検出することができる。また、触覚提示層５０の触覚電極５２は、電圧供給回路２０に接続され、電圧供給回路２０から供給された電圧に対応して変化する静電容量により触覚提示タッチパネル１０１に触れた指示体１へ触覚を提示する。
以下、触覚提示タッチパネル１０１が備える検出電極基板４０、触覚提示層５０、及び送信電極基板３０についてそれぞれ説明する。
検出電極基板４０は、例えばガラス、ポリカーボネート、及びＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）等で形成される透明であって絶縁性を有する透明絶縁基板４３と、透明絶縁基板４３上に形成された複数の検出電極４２と、検出電極４２を覆う第１誘電体層４１とを有する。検出電極４２は、第１の方向（図２におけるｙ軸方向）に延在し、第２の方向（図２におけるｘ軸方向）に沿って、間隔を空けて互いに平行に配列されている。
検出電極基板４０上の触覚提示層５０は、複数の触覚電極５２と、触覚電極５２を覆う第２誘電体層５１とを有する。触覚電極５２は、検出電極４２と同様に第１の方向（図２におけるｙ軸方向）に延在し、第２の方向（図２におけるｘ軸方向）に沿って、間隔を空けて互いに平行に配列されている。検出電極４２及び触覚電極５２の幅は、それぞれ５〜５０μｍ程度であり、ストライプ状に形成される。図１、図２の例では、検出電極及び触覚電極の幅は同一の幅で形成されている。
また、この例では、検出電極４２と触覚電極５２は、図２におけるｘ軸方向に交互に配列される。そして、触覚電極５２は、隣り合って配列された検出電極４２に平面視（図２におけるｚ軸負方向へ見下ろした視点）において重ならないように配置される。ここで、平面視において重ならないとは、検出電極４２による位置検出と、触覚電極５２による触覚提示が互いに影響を受けないように重ならないことを意味し、すべての検出電極４２及び触覚電極５２が完全に重ならないことまで限定するものではない。これにより、位置検出と触覚提示は互いに妨げられず、位置検出感度の確保しながら触覚提示機能を向上できる。
さらに、検出電極４２上の第１誘電体層４１を例えば厚さ０．５μｍ程度の比誘電率３．５の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜とし、触覚電極５２上の第２誘電体層５１を例えば厚さ０．３μｍ程度の比誘電率１８．２の５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）膜として検出電極４２上の第１誘電体層４１の比誘電率よりも触覚電極５２上の第２誘電体層５１の比誘電率を大きくする。これにより触覚電極５２と指示体１との間の静電容量を増大して提示する触覚を大きくでき、かつ検出電極４２へのノイズの伝搬を抑制できる。したがって、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上することができる。
また第１誘電体層４１及び第２誘電体層の厚みは、０．２μｍ以上１μｍ以下であると好ましい。このようにすると、厚みを確保すれば機械強度不足、電極からの放電を抑制できる。厚みが厚すぎないことにより透光性の低下、検出感度の低下を抑制できる。
次に図３を用いて検出電極４２及び触覚電極５２の配線について説明する。検出電極４２及び触覚電極５２は、例えば透光性を有する酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）により形成できる。透光性を有する材料を用いて、検出電極４２及び触覚電極５２を透明とすることにより、表示パネル２００に表示された映像、画像等の視認を妨げない。また、視認性を妨げない程度に細くした微細配線をメッシュ状にして検出電極４２、触覚電極５２を形成してもよい。例えば、微細配線は銀、銅、アルミニウム、またはこれらの合金等で形成すればよい。
また、検出電極４２及び触覚電極５２は例えば２０〜２００μｍ程度の等ピッチＰにて配置されるのが好ましい。このように配置すると、外光による透明絶縁基板４３上の反射が平均化され、表示パネル２００に表示された映像、画像等の視認性を確保できる。
透明絶縁基板４３の端部には、第２誘電体層５１から露出する端子部４４が設けられており、透明絶縁基板４３には、それぞれの電極と接続される複数の引き出し配線４５が設けられる。
図３の例において、触覚電極５２を、順に第１触覚電極５３、第２触覚電極５４とし、それぞれに異なる電圧信号を印加して触覚の提示を行う。触覚電極５２は、スルーホール５５により引き出し配線４５と接続されており、引き出し配線４５を介して端子部４４に接続される。ここで、第１触覚電極５３と第２触覚電極５４との間には検出電極４２が平面視で重ならないように配置される。
検出電極４２及び触覚電極５２に接続された引き出し配線４５は、端子部４４に接続され、端子部４４は、例えばＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を介してタッチ検出回路１０及び電圧供給回路２０と接続される。ここで、タッチ検出回路１０は、静電容量の変化を検出する回路であり、検出用ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とマイクロコンピュータとを有する。
引き出し配線４５は、例えば複数の配線Ｌｃ（１）〜Ｌｃ（ｊ）及び複数の配線Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）で構成される。ここで番号１からｊまでのいずれかの整数をｋとして、配線Ｌｃ（ｋ）及びＬｄ（ｋ）は、ｋ番目の触覚電極５２、及びｋ番目の検出電極４２に対応してそれぞれ接続される。
また、引き出し配線４５は、金属膜、又は金属膜と非金属膜との積層膜により形成される。積層膜が下層と上層とを有する複数層の場合、上層は下層の保護層として機能する。例えば、エッチング工程において、保護層として上層が下層をエッチャントから保護する。また、表示装置３０１の製造時及び使用時において、上層が下層の腐食を防止するキャップ層として機能する。さらに、下層の材料が、上層の材料よりも透明絶縁基板４３との密着性に優れた材料を用いれば、引き出し配線４５の剥離の発生を抑制できる。
この例において、配線Ｌｃ（１）〜Ｌｃ（ｊ）及び配線Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）は、触覚提示タッチパネル１０１が触覚を提示できるエリアの外側に配置されており、端子部４４の配列の中央に近いものから順に、対応する検出電極４２及び触覚電極５２へ端子部４４からほぼ最短距離が得られるように延びている。端子部４４は、透明絶縁基板４３の長辺に沿って、長辺の中央近傍に配置されている。配線Ｌｃ（１）〜Ｌｃ（ｊ）および配線Ｌｄ（１）〜Ｌｄ（ｊ）は、相互の絶縁を確保しつつ、なるべく密に配置されている。このように引き出し配線４５を配置すると、透明絶縁基板４３の検出電極４２及び触覚電極５２が配置されていない領域の面積を抑え、位置検出及び触覚提示が可能な領域を拡大できる。
次に図４を用いて送信電極基板３０について説明する。送信電極基板３０は、基板３３上に形成された送信電極３２と、これを覆う絶縁層３１とにより構成される。
基板３３の端部には端子部３５が設けられており、送信電極３２は、複数の送信電極用配線３４により端子部３５に接続されている。端子部３５は、例えばＦＰＣを介してタッチ検出回路１０に接続される。
複数の送信電極３２は、図４におけるｘ軸方向に延在され、図４におけるｙ軸方向に沿って、間隔を空けて互いに平行に配列されている。この例では、送信電極３２は検出電極４２と平面視において交差するように延在、配列されており、これにより指示体１が触れた位置を二つの座標軸により検出することができる。このように検出電極基板４０と送信電極基板３０とがタッチ検出回路１０に接続されることにより、指示体１が触れた位置を検出する。図４の例では送信電極３２の幅は検出電極４２の幅よりも大きいが、送信電極３２の幅は検出電極４２の幅と同程度であってもよい。また、検出電極４２と同様に視認性を妨げない程度に細くした微細配線をメッシュ状にして送信電極３２を形成してもよい。
送信電極３２と検出電極４２の各々の交点では相互容量が形成されており、指示体１が触れた位置の近傍では、前記相互容量が変化する。複数の送信電極３２には順次、電圧パルスが入力され、前記相互容量変化に従って、送信電極３２から検出電極４２に流れる電流が変化するため、前記電流変化をタッチ検出回路１０で検出することで、位置座標が算出できる。
次に図５から図９を用いて、触覚電極５２と指示体１との間の静電容量の形成及び電圧信号の印加について説明する。図５の上図は断面概略図を、下図は平面図を示す。図５、図６に示すように、指示体１が触覚提示タッチパネル１０１の表面に触れると、指示体１と触覚電極５２との間の第２誘電体層５１に静電容量が形成される。
電圧供給回路２０の触覚提示電圧発生回路（図示せず）は、第１電圧発生回路２１と、第２電圧発生回路２２とを有する。第１電圧発生回路２１は、複数の第１触覚電極５３に電圧信号Ｖａを印加する。また、第２電圧発生回路２２は、複数の第２触覚電極５４に電圧信号Ｖｂを印加する。ここで、Ｖａ、Ｖｂは、複数の第１触覚電極５３及び第２触覚電極５４のすべてに印加しても、一部に印加してもよい。
図７は電圧信号Ｖａの例を、図８は電圧信号Ｖｂの例を示す図である。第１電圧発生回路２１の電圧信号Ｖａは第１周波数を有し、第２電圧発生回路２２の電圧信号Ｖｂは、第１周波数と異なる第２周波数を有する。電圧信号Ｖａの振幅と電圧信号Ｖｂの振幅とは、同じ振幅ＶＬであってよい。図７、図８の例においては、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂとして、周波数の異なる正弦波が用いられている。正弦波に代えて、パルス波、又は他の波形を有するものが用いられてもよい。振幅ＶＬは、十分に触覚を生成するために、数十Ｖ程度であることが好ましい。
図９は、電圧信号Ｖａ及び電圧信号Ｖｂが組み合わさることによって発生する振幅変調信号ＶＦを示す図である。第１触覚電極５３には第１電圧発生回路２１により電圧信号Ｖａが印加され、第２触覚電極５４には第２電圧発生回路２２により電圧信号Ｖｂが印加される。第１触覚電極５３および第２触覚電極５４のそれぞれと指示体１との間の静電容量が形成されている領域では、振幅ＶＬとおおよそ等しい最大振幅ＶＨを有する振幅変調信号ＶＦによる充放電が繰り返される。この充放電により、第２誘電体層５１を介して第１触覚電極５３と第２触覚電極５４とを覆って接する指示体１には、最大振幅ＶＨの振幅変調信号ＶＦに対応する静電気力が加わる。
振幅変調信号ＶＦは、第１周波数と第２周波数との差に対応した、うなりの周波数を有する。指示体１が触覚提示タッチパネル１０１上を移動する際には、指示体１に作用する摩擦力が、上述したうなりの周波数で変化することにより、指示体１がうなりの周波数で振動する。使用者は、指示体１のこの振動を触覚提示タッチパネル１０１表面から得られた触覚として知覚できる。
ここで、第１触覚電極５３と第２触覚電極５４との間隔Ｉは、指示体１の直径Φよりも小さいことが好ましい。第１触覚電極５３から第２触覚電極５４に亘って指示体１を接触できるようにすると、確実に触覚の提示ができる。
次に、図１０から図１１を用いて、第１誘電体層４１の比誘電率εａ及び第２誘電体層の比誘電率εｂと、位置検出感度及び触覚提示強度の関係について説明する。
静電容量Ｃは、Ｃ＝ε0・εr・Ｓ/ｄ（ε0：真空の誘電率、εr：比誘電率、Ｓ：タッチ面積、ｄ：膜厚）で表される。タッチ面積Ｓは指示体１、膜厚ｄは要求される機械強度や、ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）耐性といった製品仕様で決まるため、同程度の膜厚であれば静電容量Ｃは比誘電率で決まる。本実施の形態においては、検出電極４２を覆う第１誘電体層４１の比誘電率εａよりも、触覚電極５２を覆う第２誘電体層５１の比誘電率εｂを大きくした。これにより、触覚電極５２と指示体１との間の静電容量を増強して提示する触覚を大きくし、かつ検出電極４２へのノイズの伝搬を抑制し、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上させた。
εｂをεａより大きくする効果の検証のために、図１０に示すサンプルＡ〜Ｃを作製し、位置検出のシグナルとノイズの比率（ＳＮ比）と触覚提示強度比（サンプルＢを１とした場合の比）の比較を行った。各誘電体層は、例えば比誘電率が３．５である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、比誘電率が１８．２である５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）により形成し、各誘電体層の厚さはそれぞれ同程度とした。
位置検出感度は、使用者の指を模した擬似指２（直径８ｍｍの導電体）の一端を接地接続し、触覚提示タッチパネル１０１上に置いたときのタッチ検出回路１０により検出されたＳＮ比で表される。また、触覚提示強度は、擬似指２の一端を接地接続せずに、触覚提示タッチパネル１０１上に設置し、オシロスコープによって測定された振幅変調信号ＶＦと、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂとの間の電位差から算出される擬似指２と触覚電極５２との間の静電気力で表される。また、ＳＮ比の算出時、タッチ検出回路１０から送信電極３２へ入力されるパルス信号の電圧振幅は５Vとし、電圧信号Ｖａ及び電圧信号Ｖｂの振幅ＶＬは１００Ｖとした。
図１０において、εａ、εｂを１８．２としたサンプルＣは、εａ、εｂを３．５としたサンプルＢに比べて触覚提示強度比を大きくできるが、位置検出のＳＮ比が低下することがわかる。一方、εａを３．５、εｂを１８．２としたサンプルＡは、サンプルＢに比べて、位置検出のＳＮ比と触覚提示強度比がいずれも向上することがわかる。
図１１に示す電束Ｅのイメージを用いて考察すると、図１１（ｂ）に示すサンプルＢでは、静電容量を大きくできず、静電気力は増大しない。
また、図１１（ｃ）に示すεａ、εｂの大きいサンプルＣでは、触覚電極５２と擬似指２の間の静電気力は増大するが、検出電極４２と擬似指２との間の電束Ｅも増加する。ここで擬似指２とタッチ検出回路１０の接地は必ずしも一致しない。通常、これらの接地の間には他の装置の接地が介在する場合が多く、タッチ検出回路１０の接地を基準としたとき、他の装置から発生するノイズが擬似指２に伝搬することがある。その結果、さらに擬似指２から検出電極４２へノイズが伝搬するため、ＳＮ比が向上できない。
これらに比べて、εｂがεａよりも大きいサンプルＡでは図１１（ａ）に示すように、εｂが大きいため、触覚電極５２と擬似指２との間の静電気力を増大できる。さらにεａはεｂよりも小さいため、検出電極４２と擬似指２との間の電束Ｅをほとんど増加させず、ノイズの伝搬を抑制できる。
また、位置検出のシグナルは、送信電極３２と検出電極４２との間の電束を擬似指２により遮られる量に依存する。サンプルＡはサンプルＢと比較して、εｂが大きく、電束が擬似指２方向に引っ張られやすくなる。これにより擬似指２が遮る電束の数を増加させることができ、位置検出のシグナルが増大でき、ＳＮ比が向上できる。
このように、第２誘電体層５１の比誘電率εａを第１誘電体層４１の比誘電率εｂより大きくすると、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上することができる。
さらに、図１２に示すように、εａとεｂの比であるεｂ／εａと、ＳＮ比の関係から、εｂ／εａが４以上であると、ＳＮ比が飽和するので、安定してＳＮ比を維持できることがわかる。εｂ/εａが５以上であると、ＳＮ比がさらに飽和するので、さらにＳＮ比を安定して維持できる。
εａ、εｂは、例えば、第１誘電体層４１及び第２誘電体層５１に用いる材料により決定できる。各誘電体層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、及びチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等で形成すればよい。
なお、本実施の形態では触覚電極５２を覆うように第２誘電体層５１、検出電極４２を覆うように第１誘電体層４１が形成される例について説明したが、図１３（ａ）のように、第２誘電体層５１を、検出電極４２の上方には設けず、触覚電極５２だけを覆うように形成してもよい。また、図１３（ｂ）のように透明絶縁基板４３上に検出電極４２及び触覚電極５２を形成し、第１誘電体層４１を検出電極４２上のみに、第２誘電体層５１を触覚電極５２の上面のみに形成してもよい。
また、本実施の形態のタッチ検出回路１０において、タッチ検出回路１０から検出電極４２へ接続される接点と、タッチ検出回路１０から送信電極３２へ接続される接点をそれぞれ入れ替えてもよい。この構成でも本実施の形態と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態において、基板３３上に絶縁層３１で覆われた送信電極３２を配置する例を説明したが、図１４、図１５に示すように、検出電極基板４０を構成する透明絶縁基板４３の検出電極４２が配置されていない側の面に送信電極３２を形成し、これを覆う絶縁層３１及び接着材１１１を介して表示パネル２００を取り付けてもよい。このようにすると、基板３３の部材を省略でき、製造コストを抑制できる。
また、本実施の形態では、送信電極３２及び検出電極４２を平面視において直角に交差させた例について説明したが、交差する角度は直角でなく、やや傾いた斜め方向でもよい。各電極を配列することができる長さを、延在、配列する方向で調整できるため、各基板上に形成する電極の数を増大できる。
実施の形態２．
図１６は、実施の形態２に係る触覚提示タッチパネル１０１の概略断面図である。実施の形態２に係る表示装置３０１は、実施の形態１と同様に、表示パネル２００と、触覚提示タッチパネル１０１とを備え、触覚提示タッチパネル１０１は、検出電極基板４０と、触覚提示層５０と、送信電極基板３０とを備える。実施の形態２では、検出電極基板４０の第１誘電体層４１及び触覚提示層５０の第２誘電体層５１が複数層により形成されることが異なる。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１６は、実施の形態２に係る触覚提示タッチパネル１０１の概略断面図である。実施の形態２に係る表示装置３０１は、実施の形態１と同様に、表示パネル２００と、触覚提示タッチパネル１０１とを備え、触覚提示タッチパネル１０１は、検出電極基板４０と、触覚提示層５０と、送信電極基板３０とを備える。実施の形態２では、検出電極基板４０の第１誘電体層４１及び触覚提示層５０の第２誘電体層５１が複数層により形成されることが異なる。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
第１誘電体層４１は、下層側から第１誘電体単層ａ１〜ａｎを有し、これらは例えば、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＢａＴｉＯ３、及びＳｒＴｉＯ３等の誘電体により形成される。
また、第１誘電体単層ａ１〜ａｎの厚みはｔａ１〜ｔａｎであり、第１誘電体層４１の厚みｔａは例えば０．５μｍ程度とする。
複数層により形成される第１誘電体層４１の比誘電率εａは、次の式（１）より求められる。
また、第２誘電体層５１は、同様に、第２誘電体単層ｂ１〜ｂｎを有し、これらは例えば、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＢａＴｉＯ３、及びＳｒＴｉＯ３等の誘電体により形成される。第２誘電体単層ｂ１〜ｂｎの厚みはｔｂ１〜ｔｂｎであり、第２誘電体層５１の厚みｔｂは例えば０．３μｍ程度とする。
複数層により形成される第２誘電体層５１の比誘電率εｂは、同様に次の式（２）より求められる。
このように第１誘電体層４１及び第２誘電体層５１をそれぞれ複数層にし、εｂをεａよりも大きくしても、実施の形態１と同様に触覚電極５２と指示体１との間の静電容量を増大して提示する触覚を大きくし、かつ検出電極４２へのノイズの伝搬を抑制して、位置検出感度を確保しながら触覚提示強度を向上することができる。また、複数層にすることによりεａ、εｂの調整が容易となる。
なお、本実施の形態では、第１誘電体層４１及び第２誘電体層５１が複数層である例について説明したが、第１誘電体層４１及び第２誘電体層５１のいずれかが複数層であってもよい。
実施の形態３．
図１７は、実施の形態３に係る触覚提示タッチパネル１０１を概略的に示す平面図である。実施の形態３に係る表示装置３０１は、実施の形態１と同様に、表示パネル２００と、触覚提示タッチパネル１０１とを備え、触覚提示タッチパネル１０１は、検出電極基板４０と、触覚提示層５０と、送信電極基板３０とを備える。実施の形態３では、検出電極基板４０の検出電極４２の幅が触覚提示層５０の触覚電極５２の幅よりも小さいことが異なる。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１７は、実施の形態３に係る触覚提示タッチパネル１０１を概略的に示す平面図である。実施の形態３に係る表示装置３０１は、実施の形態１と同様に、表示パネル２００と、触覚提示タッチパネル１０１とを備え、触覚提示タッチパネル１０１は、検出電極基板４０と、触覚提示層５０と、送信電極基板３０とを備える。実施の形態３では、検出電極基板４０の検出電極４２の幅が触覚提示層５０の触覚電極５２の幅よりも小さいことが異なる。実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図１７に示すように、検出電極４２の幅を、触覚電極５２の幅よりも小さくした。これにより、指示体１と触覚電極５２との間の電束が増加し、検出電極４２と触覚電極５２との間の電束を小さくできるため、位置検出感度を確保しながら触覚提示強度を向上できる。
図１８に、検出電極４２の幅Ｗａを触覚電極５２の幅Ｗｂの２分の１とし、εａを３．５、εｂを１８．２としたサンプルＤと、検出電極４２と触覚電極５２の幅が等しいサンプルＡ〜サンプルＣの位置検出のＳＮ比及び触覚提示強度比を求めた結果を示す。
位置検出のＳＮ比は、サンプルＢを１とし、使用者の指を模した擬似指２（直径８ｍｍの導電体）の一端を接地接続し、触覚提示タッチパネル１０１上に置いたときのタッチ検出回路１０により検出された信号とノイズの比から求められた。また、触覚提示強度比は、擬似指２の一端を接地接続せずに、触覚提示タッチパネル１０１上に設置し、オシロスコープによって測定された振幅変調信号ＶＦと、電圧信号Ｖａおよび電圧信号Ｖｂとの間の電位差から算出される擬似指２と触覚電極５２との間の静電気力をサンプルＢを１として表した。また、位置検出のＳＮ比の算出時、タッチ検出回路１０から送信電極３２へ入力されるパルス信号の電圧振幅は５Vとし、電圧信号Ｖａ及び電圧信号Ｖｂの振幅ＶＬは１００Ｖとした。
図１８に示すように、第１誘電体層４１の比誘電率εａを３．５、第２誘電体層５１の比誘電率εｂを１８．２として、第２誘電体層５１の比誘電率を第１誘電体層４１の比誘電率より大きくした場合において、検出電極４２の幅Ｗａを触覚電極５２の幅Ｗｂの２分の１、すなわち、Ｗｂ／Ｗａ＝２とすると、ＷａとＷｂが等しい、すなわちＷｂ／Ｗａ＝１であるサンプルＡよりもさらに位置検出のＳＮ比と触覚提示強度比を向上できることがわかる。
図１９（ａ）にサンプルＡ、図１９（ｂ）にサンプルＤの電束を模式的に示すと、ＷａがＷｂよりも小さくなったことにより、擬似指２と触覚電極５２との間の電束Ｅが増加するため、触覚提示強度が向上する。さらに触覚電極５２の動作時に発生するノイズが検出電極４２に伝搬することを抑制できるため、ＳＮ比が向上する。
図２０に、εａ及びεｂが３．５であるサンプルにおける、位置検出のＳＮ比と、検出電極４２の幅Ｗａ及び触覚電極５２の幅Ｗｂの比であるＷｂ／Ｗａとの関係を示す。ここで、位置検出のＳＮ比は、検出電極４２と触覚電極５２の幅が等しく、εａ及びεｂが３．５であるサンプルＢの位置検出のＳＮ比を１とした比率である。Ｗｂ／Ｗａが増大する、すなわちＷａをＷｂより小さくすると、検出電極４２に伝搬するノイズを抑制することができ、ＳＮ比が向上する。Ｗｂ／Ｗａが２以上、すなわち検出電極４２の幅Ｗａを触覚電極５２の幅Ｗｂの２分の１より小さくすると、検出電極４２と触覚電極５２との間の電束密度の減少が飽和し、ＳＮ比の増加が飽和する。このことから、検出電極４２の幅を触覚電極５２の幅の２分の１より小さく形成するのが好ましい。
このように、触覚電極５２の幅よりも検出電極４２の幅を小さくすることにより、位置検出感度を確保しながら触覚提示機能を向上することができる。
なお、実施の形態１〜３では、平面視において各電極間には他の電極を配置していないが、平面視における各電極の間に、電気的に分断されたフローティング電極を配置してもよい。このようにすると、外光の反射を平均化でき、表示パネルに表示された映像、画像等の視認性が向上する。
また、検出電極と触覚電極は交互に配列され、検出電極と触覚電極が同じ本数である例について示したが、それぞれ本数が異なってもよい。この場合、触覚電極と検出電極は交互である必要は無く、例えば触覚電極が１本、検出電極が２本以上の順で配列されてもよい。さらに、各電極の形状は、ストライプ状でなくてもよく、例えば直線が折れ曲がった形状や円弧を含んだ形状であってもよい。このようにすると、それぞれの電極の数及び形状で、用途に適した位置検出感度及び触覚提示機能を得ることができる。
本明細書中に開示する各実施の形態は、その範囲内において、自由に組み合わせることが可能であり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 指示体、２ 擬似指、１０ タッチ検出回路、２０ 電圧供給回路、２１ 第１電圧発生回路、２２ 第２電圧発生回路、３０ 送信電極基板、３１ 絶縁層、３２ 送信電極、３３ 基板、３４ 送信電極用配線、３５、４４ 端子部、４０ 検出電極基板、４１ 第１誘電体層、４２ 検出電極、４３ 透明絶縁基板、４５ 引き出し配線、５０ 触覚提示層、５１ 第２誘電体層、５２ 触覚電極、５３ 第１触覚電極、５４ 第２触覚電極、５５ スルーホール、１０１ 触覚提示タッチパネル、１１１、１１２ 接着材、２００ 表示パネル、２０１ 駆動回路、３０１ 表示装置
Claims (12)
- 操作面を備える触覚提示タッチパネルであって、
透明絶縁基板と、
前記透明絶縁基板の前記操作面側の面上に形成され、第１の方向に延在し、前記第１の方向と異なる第２の方向に配列された複数の検出電極と、
前記検出電極及び前記透明絶縁基板の前記操作面側の面上を覆う第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の前記操作面側の面上に形成され、前記第１の方向に延在し、平面視において前記検出電極と重ならないように前記第２の方向に配列され、触覚を提示する電圧信号が印加される複数の触覚電極と、
少なくとも前記触覚電極の前記操作面側の面上を覆う、前記第１誘電体層よりも比誘電率が大きい第２誘電体層と、
前記透明絶縁基板の前記操作面側の面と反対側に配置され、前記検出電極とともにタッチ位置の検出に用いられる送信電極と
を備え、
前記検出電極は、平面視において前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の積層と重なり、
前記触覚電極の前記操作面側の面上は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のうち前記第２誘電体層のみで覆われていることを特徴とする触覚提示タッチパネル。 - 操作面を備える触覚提示タッチパネルであって、
透明絶縁基板と、
前記透明絶縁基板の前記操作面側の面上に形成され、第１の方向に延在し、前記第１の方向と異なる第２の方向に配列された複数の検出電極と、
前記検出電極及び前記透明絶縁基板の前記操作面側の面上を覆う第１誘電体層と、
前記透明絶縁基板の前記操作面側の面上に形成され、前記第１の方向に延在し、平面視において前記検出電極と重ならないように前記第２の方向に配列され、触覚を提示する電圧信号が印加される複数の触覚電極と、
少なくとも前記触覚電極の前記操作面側の面上を覆う、前記第１誘電体層よりも比誘電率が大きい第２誘電体層と、
前記透明絶縁基板の前記操作面側の面と反対側に配置され、前記検出電極とともにタッチ位置の検出に用いられる送信電極と
を備え、
前記検出電極は、平面視において前記第１誘電体層と重なりかつ前記第２誘電体層と重ならない触覚提示タッチパネル。 - 前記第２誘電体層の比誘電率は、前記第１誘電体層の比誘電率の４倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記触覚電極は、前記検出電極と平面視において隣り合うように配列されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記触覚電極は、前記検出電極の間に平面視において複数配列されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記触覚電極に電圧を供給する電圧供給回路をさらに備え、
前記触覚電極は、前記電圧供給回路からそれぞれ異なる電圧信号が印加される第１触覚電極及び第２触覚電極を有し、
前記検出電極は、平面視において前記第１触覚電極と前記第２触覚電極との間に一つ又は複数配列されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。 - 前記検出電極の幅は、前記触覚電極の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記検出電極の幅は、前記触覚電極の幅の２分の１以下であることを特徴とする請求項７に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層の少なくとも一方は複数層により形成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記送信電極は、前記透明絶縁基板の前記検出電極が形成された面と反対側の面に形成されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。
- 前記送信電極は、基板上に形成され、
前記基板は、前記透明絶縁基板の前記検出電極が形成された面と反対側に前記送信電極を覆う絶縁層及び接着材を介して配置されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネル。 - 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の触覚提示タッチパネルと、
前記触覚提示タッチパネルの前記触覚電極が形成された面の反対側に配置され、画像及び映像の少なくともいずれかを表示する表示パネルと
を備えたことを特徴とする表示装置。
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