JP7043186B2 - タッチセンサおよび表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、タッチセンサ、およびタッチセンサを備える表示装置に関する。

スマートフォンやタブレット端末等の携帯端末において、ディスプレイにタッチセンサが内蔵されることが一般的である。静電容量式のタッチセンサはユーザによる接触を検出するための複数のセンサ素子（センサ電極）を含んでおり、各センサ素子においてユーザの指やタッチペン等が接触（近接することを含む）する際に静電容量が変化する。タッチセンサは、いずれのセンサ素子において静電容量の変化したかに基づいて、接触（例えば接触の重心）の位置を検出する。

従来、様々な形状および配置のセンサ素子が開発されている。例えば特許文献１には、複数のセンサ素子が格子状に配置されているタッチセンサが記載されている。特許文献２には、複数のセンサ素子がダイヤモンド状に配置されているタッチセンサが記載されている。

特開２０１４－２１１６８５号公報 特表２０１３－５０８８８７号公報

タッチセンサに含まれるセンサ素子の数はディスプレイの大きさに比例する。センサ素子が多くなるほど、微細な加工が必要になり、またセンサ素子の接続に必要な配線が多くなるため、製造コストが大きくなる。近年携帯端末のディスプレイの大型化が進んでいるため、必要なセンサ素子の数が増加し、製造コストが増大する傾向にある。

タッチセンサに含まれるセンサ素子の数を減らすためには各センサ素子のサイズを大きくすることが考えられるが、この場合には接触位置の検出精度が低下する問題が発生する。具体的には、各センサ素子のサイズが大きい場合に、ユーザの指やタッチペンがタッチセンサに接触する際に、接触範囲が複数のセンサ素子にまたがらずに１つのセンサ素子の中に収まる確率が高まる。接触範囲が複数のセンサ素子にまたがる場合には、タッチセンサは該複数のセンサ素子の出力値を統合して接触の細かい位置を算出することができる。しかしながら、接触範囲が１つのセンサ素子の中に収まる場合には、１つのセンサ素子中のどこに実際の接触が位置したとしても、タッチセンサは該１つのセンサ素子の中心に接触が位置するものとして算出する。このように、特許文献１および２の技術において特に各センサ素子のサイズが大きい場合に、接触位置を検出する精度が低下してしまう。

同様に、ユーザがタッチペンを用いてタッチセンサに接触する場合には接触面積が小さいため、接触範囲が複数のセンサ素子にまたがらずに１つのセンサ素子の中に収まってしまい、接触位置の検出精度が低下する問題が発生する。

本発明は、上述の問題に鑑みて行われたものであって、センサ素子のサイズが大きい場合又は接触の面積が小さい場合であっても高精度に接触位置を検出可能なタッチセンサ、およびタッチセンサを備える表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、タッチセンサであって、接触を検出する複数のセンサ素子を備え、それぞれの前記センサ素子は、導電性の主枝部と、導電性の複数の副枝部と、を有し、それぞれの前記センサ素子において、それぞれの前記副枝部の一方端は前記主枝部に接続され、かつ他方端は開放端であり、隣接する２つの前記副枝部は離間して配置されており、前記複数のセンサ素子のうち隣接する２つの前記センサ素子の前記副枝部は、交互に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、センサ素子のサイズが大きい場合又は接触の面積が小さい場合であっても高精度に接触位置を検出することができる。

第１の実施形態に係るタッチセンサの概略構成図である。 第１の実施形態に係るタッチセンサを備える表示装置の断面図である。 第１の実施形態に係るタッチセンサを含むＴＦＴ基板の詳細な断面図である。 第１の実施形態に係るセンサ素子の上面図である。 第１の実施形態に係るセンサ素子の配置を示す模式図である。 センサ素子上の接触領域の模式図である。 第２の実施形態に係るセンサ素子の配置を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明は各実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るタッチセンサ１００の概略構成図である。タッチセンサ１００は、静電容量式のタッチセンサである。タッチセンサ１００が用いる具体的な検出方式は、自己容量式および相互容量式のどちらでもよい。タッチセンサ１００は、複数のセンサ素子１１０（センサ電極ともいう）と、タッチＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１２０とを備える。各センサ素子１１０とタッチＩＣ１２０との間は導電性の配線１３０（ラウティングともいう）によって接続される。

センサ素子１１０は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等の透明な導電材料によって形成される。図１では視認性のためにセンサ素子１１０同士が離間して表されているが、図５を用いて後述するように本実施形態では隣接するセンサ素子１１０同士の配置領域が重なるように設けられる。

タッチＩＣ１２０は、センサ素子１１０に接触検出用の電圧を印加し、ユーザの指やタッチペン等が接触（近接することを含む）したセンサ素子１１０に発生する静電容量の変化に基づいて、接触の位置を算出する制御部である。静電容量の変化に基づく接触の位置の算出方法として、既知の方法を用いることができる。

本実施形態ではセンサ素子１１０とタッチＩＣ１２０との接続方式として、各センサ素子１１０とタッチＩＣ１２０との間が接続される内部接続方式が用いられている。センサ素子１１０とタッチＩＣ１２０との接続方式として、これに限られず、例えば隣接するセンサ素子１１０間を接続し、かつ端部のセンサ素子１１０をタッチＩＣ１２０に接続するベゼル接続方式が用いられてもよい。

図２は、本実施形態に係るタッチセンサ１００を備える表示装置２００の断面図である。表示装置２００は、表示部として所望の画像を表示するための液晶パネルを含む。本実施形態に係るタッチセンサ１００の実装方式として、タッチセンサ１００を液晶パネルの液晶セル中に組み込むインセル方式が用いられており、後述するように液晶駆動用のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）基板に含まれる共通電極がセンサ素子１１０として構成される。

表示装置２００は、偏光板２０１、タッチセンサ１００を含むＴＦＴ基板２０２、カラーフィルタ基板２０３、偏光板２０４、接着剤２０５、およびカバーガラス２０６をこの順で重ねた構成を有する。図２では視認性のために部材同士が離間して記載されているが、部材間は接触してもよく、部材間にスペーサが設けられてもよい。図２の表示装置２００の構成は一例であり、表示装置２００に含まれる部材の追加、省略、順序の変更があってもよい。

図３は、本実施形態に係るタッチセンサ１００を含むＴＦＴ基板２０２の詳細な断面図である。ＴＦＴ基板２０２において、ガラス基板Ｌ１上に、バッファ層Ｌ２、半導体活性層Ｌ３、およびゲート絶縁膜Ｌ４が積層されている。ゲート絶縁膜Ｌ４の上にはゲート電極Ｌ５およびソース／ドレイン電極Ｌ６が形成されており、ソース／ドレイン電極Ｌ６はゲート絶縁膜Ｌ４を貫通して半導体活性層Ｌ３に接触するように設けられている。ゲート電極Ｌ５およびソース／ドレイン電極Ｌ６の間を埋めるように層間絶縁膜Ｌ７が形成されており、さらにソース／ドレイン電極Ｌ６を覆うようにパッシベーション層Ｌ８、Ｌ９が形成されている。

パッシベーション層Ｌ８、Ｌ９の上には、共通電極Ｌ１０が形成されている。共通電極Ｌ１０は、所定の形状を有するように成形されることによって本実施形態に係るセンサ素子１１０として構成されている。さらに共通電極Ｌ１０を覆うように層間絶縁膜Ｌ１１が形成されている。

層間絶縁膜Ｌ１１の上には配線層Ｌ１２が形成され、配線層Ｌ１２を覆うように層間絶縁膜Ｌ１３が形成されている。層間絶縁膜Ｌ１３上には共通電極Ｌ１０および配線層Ｌ１２を接続する配線電極Ｌ１４が形成されている。また、層間絶縁膜Ｌ１３上には画素電極Ｌ１５が形成されており、画素電極Ｌ１５はソース／ドレイン電極Ｌ６に接続されている（接続部は不図示）。

各層を構成する材料として、既知の材料を用いることができる。また、各層を形成するための方法として、ＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、ＰＶＤ法等、任意の方法を用いることができる。図２のＴＦＴ基板２０２の構成は一例であり、ＴＦＴ基板２０２に含まれる層の追加、省略、順序の変更があってもよい。

表示装置２００は、表示部として、液晶パネルに限られず、ＯＬＥＤ（有機ＥＬ）パネルを含んでもよい。表示装置２００にタッチセンサ１００を設ける実装方式として、インセル方式に限られず、タッチセンサ１００を液晶パネルの表面に設けるアウトセル方式（外付け方式）、あるいはタッチセンサ１００を液晶パネル内の偏光板とカラーフィルタ基板との間に設けるオンセル方式が用いられてもよい。

図４は、本実施形態に係るセンサ素子１１０の上面図である。センサ素子１１０は、面状の導電材料が図４の形状に成形されることによって形成される。センサ素子１１０は、主枝部１１１と、主枝部１１１から延びる複数の副枝部１１２とを備える。主枝部１１１は２本の直線状の形状が直交した十字形状を有している。複数の副枝部１１２は、互いに離間して平行に主枝部１１１から延在している。それぞれの副枝部の１１２の一方端は主枝部に接続され、かつ他方端は開放端である。換言すると、主枝部１１１および副枝部１１２は、魚の骨又は櫛のような形状を有する。主枝部１１１および副枝部１１２の先端は正方形の各辺上に配置されており、センサ素子１１０は全体として正方形状をなす。

隣接する２つの副枝部１１２の間隔Ａ２は、副枝部１１２の太さＡ１（すなわち副枝部１１２の延在方向に対する垂直方向の幅）よりも大きい。これにより、隣り合う２つのセンサ素子１１０について、一方のセンサ素子１１０の副枝部１１２を、他方のセンサ素子１１０の副枝部１１２間の隙間に配置することができる。

主枝部１１１の太さＡ３（すなわち主枝部１１１の延在方向に対する垂直方向の幅）は成形可能な任意の値でよいが、副枝部１１２の太さＡ１よりも大きいことが望ましい。主枝部１１１を太くすることによって、図１のように配線１３０をセンサ素子１１０に接続する際に、配線１３０を主枝部１１１に容易に接触させることができる。

図５は、本実施形態に係るセンサ素子１１０の配置を示す模式図である。図５には、タッチセンサ１００におけるｘ－ｙ方向が表されており、一般的にタッチセンサ１００におけるｘ－ｙ方向はタッチセンサ１００を内蔵する表示装置２００におけるｘ－ｙ方向と一致する。

図５には、ｘ方向に沿って配置された同一の形状を有する３つのセンサ素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃが表されている。視認性のために、センサ素子１１０ａおよびセンサ素子１１０ｃの中には多数の斜線が表されており、センサ素子１１０ｂの中には多数の点が表されている。各センサ素子１１０の中心には、仮想的な中心点Ｂが表されている。

実際のタッチセンサ１００においては、ｘ方向およびｙ方向の両方に沿って、タッチセンサ１００の大きさに対応する数のセンサ素子１１０が配置される。センサ素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、各センサ素子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃのなす正方形の対角線がｘ方向およびｙ方向に一致するようにダイヤモンド状に配置されている。このような配置により、各センサ素子１１０の中心点が等間隔でｘ方向に平行な直線上およびｙ方向に平行な直線上に並ぶため、ユーザが接触位置を一方向に動かす際にセンサ素子１１０によって検出される接触位置の軌跡がジグザグになることを抑制することができる。

センサ素子１１０ａの副枝部１１２は、隣のセンサ素子１１０ｂの副枝部１１２間の隙間に配置されている。逆に、センサ素子１１０ｂの副枝部１１２は、隣のセンサ素子１１０ａの副枝部１１２間の隙間に配置されている。すなわち、隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士は交互に配置される。図５にはｘ方向に沿ったセンサ素子１１０の配置のみが示されているが、ｙ方向についても同様に配置される。したがって本実施形態では、隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士を交互に配置することによって、隣接する２つのセンサ素子１１０の配置領域を重ねることができる。このような構成により、１つのセンサ素子１１０の副枝部１１２が隣のセンサ素子１１０の中心点Ｂに近付くため、タッチセンサ１００に対する接触が複数のセンサ素子１１０間にまたがりやすくなる。

各副枝部１１２は、直線に対して垂直な方向に所定の幅（太さ）をもって延在する直線状の形状を有する。隣接する２つの副枝部１１２は互いに平行に配置されている。隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士を交互に配置可能であれば、副枝部１１２は直線状に限られず、曲線状や折れ線状等の任意の形状で構成されてもよい。

各副枝部１１２は、主枝部１１１に対して所定の角度をなして延在している。本実施形態において、主枝部１１１および副枝部１１２のなす角度は４５度である。隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士を交互に配置可能であれば、主枝部１１１および副枝部１１２のなす角度は任意に設定できる。

図６（ａ）は、本実施形態に係るセンサ素子１１０上の接触領域Ｃの模式図である。図６（ａ）のセンサ素子１１０の形状および配置は、図５と同様である。図６（ｂ）は、比較例としての従来のセンサ素子３１０上の接触領域Ｃの模式図である。図６（ｂ）のセンサ素子３１０は矩形の平板の電極であり、互いに重ならないように配置されている（特許文献１に記載の技術と同様）。接触領域Ｃは、ユーザの指やタッチペン等がセンサ素子１１０、３１０に接触（近接していることを含む）している領域を示す。ここでは簡略化のために接触領域Ｃを直径Ｄの円としている。図６（ａ）、６（ｂ）では視認性のために、接触領域Ｃの中には多数の点が表されている。

ここで接触領域Ｃがセンサ素子１１０、３１０よりも小さい場合を考える。本実施形態に係るセンサ素子１１０を用いる構成において、図６（ａ）に示すように、中央のセンサ素子１１０ｂの中心点Ｂ上に接触領域Ｃが位置する場合に、接触領域Ｃは該センサ素子１１０ｂだけでなくそれに隣接するセンサ素子１１０ａ、１１０ｃにも触れる。そのため、センサ素子１１０ｂの出力値に加えて隣接するセンサ素子１１０ａ、１１０ｃの出力値を用いることによって、接触領域Ｃの位置を高精度に算出することができる。

一方、従来のセンサ素子３１０を用いる構成において、図６（ｂ）に示すように、１つのセンサ素子３１０の中心点Ｂ上に接触領域Ｃが位置する場合に、接触領域Ｃは該センサ素子３１０内に収まってしまうため、隣接するセンサ素子３１０に触れない。そのため、接触領域Ｃの位置は１つのセンサ素子３１０の中心点Ｂ上にあるとみなされ、１つのセンサ素子３１０内のどこにあるかを算出することはできない。

図６（ａ）、６（ｂ）のセンサ素子１１０、３１０の形状および配置をシミュレーションすることによって、接触領域Ｃの位置を算出した。図６（ａ）のセンサ素子１１０を実施例とし、図６（ｂ）のセンサ素子３１０を比較例とした。実施例の外径Ｅを９．８６ｍｍとし、比較例の外径Ｅを５．７ｍｍとした。実施例および比較例の外径Ｅは異なっているが、同一の画素数（画素サイズ０．１７９２５ｍｍのとき１０２４画素）に対応する。これらのセンサ素子に対して、接触領域の大きさ（直径）を１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍとした場合のシグナルレベルおよび接触位置（接触領域の中心点）の計算を行った。

表１は、対象センサ素子上に接触領域を位置させた場合に、該対象センサ素子に隣接する１つの隣接センサ素子から出力されるシグナルレベルの割合を示す。比較例では、図６（ｂ）で説明したように接触領域が対象センサ素子内に収まるため、隣接センサ素子のシグナルレベルは０％である。それに対して実施例では、接触領域の大きさが３ｍｍ以上の場合には隣接センサ素子のシグナルレベルが０％より大きくなっている。この結果から、本実施形態に係るセンサ素子を用いることによって、接触領域が位置するセンサ素子だけでなくそれに隣接するセンサ素子においても接触を検出することができることがわかる。

対象センサ素子および隣接センサ素子の出力値から接触領域の位置を算出した。表２は、算出された接触領域の位置と実際の接触領域の位置とのずれ量を示す。接触領域の大きさが１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍのいずれの場合においても、比較例よりも実施例のずれ量の方が小さい。これは、実施例においては対象センサ素子の出力値および隣接センサ素子の出力値を用いて接触領域の位置を算出できるためである。この結果から、本実施形態に係るセンサ素子を用いることによって、従来よりも高精度に接触領域の位置を算出できることがわかる。

本実施形態によれば、隣接するセンサ素子１１０の副枝部１１２同士が交互に配置され、一方のセンサ素子１１０の副枝部１１２が他方のセンサ素子１１０の中心点Ｂに近付くため、タッチセンサ１００に対する接触が複数のセンサ素子１１０間にまたがりやすくなる。そのため、本実施形態は隣接する複数のセンサ素子１１０の出力値を用いて接触領域の位置を高精度に算出できる効果を奏する。本実施形態に係るセンサ素子１１０は、サイズを大きくしても検出精度を維持できるため、タッチセンサ１００に含まれるセンサ素子１１０の数を低減することができ、逆に同じ数のセンサ素子１１０で大型のタッチセンサ１００を作製することができる。また、タッチペンを用いる場合のように接触領域が小さい場合であっても、接触領域の位置を高精度に算出できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においてセンサ素子１１０は各センサ素子１１０のなす正方形の対角線がｘ方向およびｙ方向に一致するようにダイヤモンド状に配置されている。それに対して、本実施形態では、センサ素子１１０は格子状に配置されている。センサ素子１１０の配置以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

図７は、本実施形態に係るセンサ素子１１０の配置を示す模式図である。図７には、タッチセンサ１００におけるｘ－ｙ方向が表されている。図７には、ｘ方向およびｙ方向に沿って配置された同一の形状を有する４つのセンサ素子１１０が表されている。視認性のために、センサ素子１１０の中には多数の斜線又は多数の点が表されている。各センサ素子１１０の中心には、仮想的な中心点Ｂが表されている。実際のタッチセンサ１００においては、ｘ方向およびｙ方向の両方に沿って、タッチセンサ１００の大きさに対応する数のセンサ素子１１０が配置される。

センサ素子１１０は、各センサ素子１１０のなす正方形の辺がｘ方向又はｙ方向に一致するように格子状に配置されている。第１の実施形態と同様に、隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士は交互に配置される。図５にはｘ方向に沿ったセンサ素子１１０の配置のみが示されているが、ｙ方向についても同様に配置される。したがって本実施形態では、隣接する２つのセンサ素子１１０に含まれる副枝部１１２同士を交互に配置することによって、隣接する２つのセンサ素子１１０の配置領域を重ねることができる。このような構成により、１つのセンサ素子１１０の副枝部１１２が隣のセンサ素子１１０の中心点Ｂに近付くため、タッチセンサ１００に対する接触が複数のセンサ素子１１０間にまたがりやすくなる。

本実施形態は、第１の実施形態と同様に、タッチセンサ１００に対する接触が複数のセンサ素子１１０間にまたがりやすくなるため接触領域の位置を高精度に算出できる効果を奏する。本実施形態では第１の実施形態とは異なりセンサ素子１１０の中心点Ｂの位置がｘ方向およびｙ方向に沿って多少ジグザグするように配置されているが、センサ素子１１０の中心点Ｂ間の距離が近いため、特許文献２に記載の技術のように平板のセンサ素子をダイヤモンド状に配置する構成よりもジグザグの程度を低減することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

１００ タッチセンサ
１１０ センサ素子
１１１ 主枝部
１１２ 副枝部
１２０ タッチＩＣ
１３０ 配線
２００ 表示装置
２０１ 偏光板
２０２ ＴＦＴ基板
２０３ カラーフィルタ基板
２０４ 偏光板
２０５ 接着剤
２０６ カバーガラス
３１０ センサ素子

Claims (13)

1. 接触を検出する複数のセンサ素子を備え、
   それぞれの前記センサ素子は、導電性の主枝部と、導電性の複数の副枝部と、を有し、
   それぞれの前記センサ素子において、それぞれの前記副枝部の一方端は前記主枝部に接続され、かつ他方端は開放端であり、隣接する２つの前記副枝部は離間して配置されており、
   前記複数のセンサ素子のうち第１の方向に沿って隣接する２つのセンサ素子は同じ形状であり、前記第１の方向に沿って隣接する２つの前記センサ素子の前記副枝部は、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って交互に配置されていることを特徴とする、タッチセンサ。
2. それぞれの前記センサ素子において、隣接する２つの前記副枝部間の間隔は、それぞれの前記副枝部の太さよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のタッチセンサ。
3. 前記複数のセンサ素子のうち第１のセンサ素子の前記副枝部は、前記複数のセンサ素子のうち第２のセンサ素子の隣接する２つの前記副枝部の間に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のタッチセンサ。
4. それぞれの前記センサ素子において、それぞれの前記副枝部は直線状の形状を有し、隣接する２つの前記副枝部は互いに平行に配置されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のタッチセンサ。
5. それぞれの前記センサ素子において、それぞれの前記副枝部は、前記副枝部の延在方向が前記主枝部に対して４５度の角度をなして配置されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のタッチセンサ。
6. それぞれの前記センサ素子において、前記主枝部は、２本の直線状の形状が直交した十字形状を有することを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のタッチセンサ。
7. それぞれの前記センサ素子において、前記主枝部の先端および前記副枝部の先端は、正方形の各辺上に配置されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のタッチセンサ。
8. 前記センサ素子からの出力値に基づいて前記接触の位置を算出する制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のタッチセンサ。
9. 前記制御部は、前記センサ素子の出力値に基づいて、自己容量式および相互容量式の少なくとも一方によって前記接触の位置を検出することを特徴とする、請求項８に記載のタッチセンサ。
10. 複数の前記センサ素子のそれぞれにおいて、複数の前記副枝部は、前記主枝部の両側に非対称に配置されている、請求項１に記載のタッチセンサ。
11. 前記主枝部の第１の側に配置された前記副枝部は、前記主枝部の第２の側に配置された２つの前記副枝部の間の部分に対応する、請求項１０に記載のタッチセンサ。
12. 請求項１～９のいずれか一項に記載のタッチセンサと、
    画像を表示する表示部と、を備え、
    前記表示部を駆動するための薄膜トランジスタ基板に含まれる共通電極は、前記センサ素子として構成される表示装置。
13. 前記タッチセンサは、前記表示部に対してインセル方式、オンセル方式およびアウトセル方式のうちいずれか１つによって設けられることを特徴とする、請求項１２に記載の表示装置。

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