WO2014042194A1 - タッチペン、タッチパネルシステムおよびタッチパネル付き表示装置 - Google Patents

タッチペン、タッチパネルシステムおよびタッチパネル付き表示装置 Download PDF

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WO2014042194A1
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touch panel
touch pen
tip
shaft portion
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伸一 宮崎
朋稔 辻岡
雅幸 畠
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シャープ株式会社
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
    • G06F3/03545—Pens or stylus
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    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0446—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using a grid-like structure of electrodes in at least two directions, e.g. using row and column electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a touch pen, a touch panel system, and a display device with a touch panel, and more particularly to a touch pen, a touch panel system, and a display device with a touch panel used for a capacitive touch panel.
  • the touch panel detects a touch pen or a finger close to the operation surface with various sensors. At this time, it is necessary to be able to appropriately determine the presence or absence of input from the user (presence or absence of touch). This is because if the determination is not appropriate, an operation intended by the user is not accepted or an unintended operation is accepted.
  • Japanese Patent No. 4315423 discloses a coordinate input pen used in a light shielding coordinate input device.
  • the coordinate input pen includes a pen tip switch and a light emitting unit for detecting an operation state of the pen tip switch and emitting the detection result as an optical signal. According to this configuration, when the user presses the pen tip of the coordinate input pen against the coordinate input surface, the pen tip switch is turned on, a pen down signal is generated, and is emitted from the light emitting unit as an optical signal.
  • the input device described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-13696 includes a pressure-sensitive touch panel and a touch pen.
  • the touch pen includes a mode switch for switching the input mode of the touch panel. According to this configuration, erroneous input can be prevented by switching the mode switch.
  • the coordinate input pen described in Japanese Patent No. 4315423 requires a power source for driving a circuit for generating a pen-down signal and a circuit for emitting an optical signal.
  • the input device described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-13696 requires communication means for transmitting mode switch information to the touch panel. For this reason, a cable is necessary for wired communication, and a power supply for driving the transmission circuit is necessary for wireless communication.
  • the sensitivity decreases when a touch panel designed to operate with a finger is operated with a touch pen. Therefore, when operating with a touch pen, an appropriate threshold value cannot be set, and it is difficult to appropriately determine the presence or absence of a touch.
  • An object of the present invention is to obtain a configuration of a touch pen that can appropriately determine the presence or absence of a touch.
  • the touch pen disclosed herein includes a tip portion formed of a conductor, a shaft portion having a conductor at least in part, a connecting portion formed of an insulator and connecting the tip portion and the shaft portion, a switch, Is provided.
  • the switch electrically connects the tip portion and the conductor portion of the shaft portion when the pressure applied to the tip portion is equal to or greater than a predetermined value, and the tip portion when the pressure applied to the tip portion is less than a predetermined value.
  • the conductor portion of the shaft portion is electrically disconnected.
  • a configuration of a touch pen that can appropriately determine the presence or absence of a touch is obtained.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a touch pen according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view when the conductor portion of the shaft portion is exposed.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic view when the conductor portion of the shaft portion is covered with an insulating film (plating, paint, etc.).
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a display device with a touch panel as an example of a device in which the touch pen according to the embodiment of the present invention is used.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of the touch panel.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the touch panel.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a touch pen according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view when the conductor portion of the shaft portion is exposed.
  • FIG. 3
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating a functional configuration of the touch panel.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A ′ of FIG. 7, and shows a state where a finger is close to the operation surface of the touch panel.
  • FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A ′ in FIG. 7, and shows a state where the tip of the touch pen is close to the operation surface of the touch panel.
  • FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 14 is an enlarged view of a part of FIG. 7, schematically showing electric lines of force.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A ′ of FIG. 7, and shows a state where a finger is close to the operation surface of the touch panel.
  • FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the signal d and the distance d between the tip of the touch pen and the operation surface of the touch panel.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a problem that occurs when the threshold value of the signal S is not appropriate.
  • FIG. 17 is a schematic diagram for explaining the effect of the touch pen according to the embodiment of the present invention.
  • 18 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the distance d and the signal S.
  • FIG. 20 shows a circuit model of the touch panel.
  • FIG. 21 is an enlarged view of the sensor block of FIG.
  • FIG. 22 is a waveform diagram of an output signal of the drive circuit.
  • FIG. 23 is a schematic diagram illustrating a state in which the touch pen comes into contact with the operation surface of the touch panel and is grounded through the human body.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing an example of a specific configuration of the touch pen according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view showing another example of the specific configuration of the touch pen according to the embodiment of the present invention.
  • a touch pen includes a tip portion formed of a conductor, a shaft portion having a conductor at least in part, and a connecting portion that is formed of an insulator and connects the tip portion and the shaft portion. And a switch.
  • the switch electrically connects the tip portion and the conductor portion of the shaft portion when the pressure applied to the tip portion is equal to or greater than a predetermined value, and the tip portion when the pressure applied to the tip portion is less than a predetermined value.
  • the conductor portion of the shaft portion is electrically disconnected (first configuration).
  • the tip portion which is a conductor and the shaft portion having the conductor are insulated by the connecting portion which is an insulator.
  • the tip portion and the conductor portion of the shaft portion are electrically connected by a switch.
  • the conductor portion of the shaft is connected to the human body holding the shaft directly or by capacitive coupling. Therefore, when the tip and the shaft are electrically connected, the tip is virtually grounded via the shaft and the human body. This greatly changes the output signal detected by the touch panel. That is, when the tip portion contacts the operation surface of the touch panel, the output signal detected by the touch panel changes greatly. Therefore, the presence or absence of touch can be determined appropriately.
  • the shaft portion and the connecting portion may be fixed, and the tip portion may slide with respect to the shaft portion and the connecting portion (second configuration).
  • the tip portion and the connecting portion may be fixed, and the tip portion and the connecting portion may slide with respect to the shaft portion (third configuration).
  • the touch pen is preferably used for a capacitive touch panel (fourth configuration).
  • the conductor portion of the shaft portion may be formed at a location in contact with the user's hand (fifth configuration).
  • the conductor portion of the shaft portion can be formed so as to be capacitively coupled with a user's hand (sixth configuration).
  • a touch panel system includes a touch electrode, a detection circuit that supplies an output signal based on a capacitance of the touch electrode, and a calculation process that performs a predetermined calculation process based on the output signal.
  • a circuit and a touch pen having any one of the first to sixth configurations are provided.
  • the arithmetic processing circuit is a maximum value of the output signal when the tip portion and the conductor portion of the shaft portion are not electrically connected as a threshold value of the output signal for determining the presence or absence of input from the touch pen Larger than the minimum value of the output signal when the tip portion and the conductor portion of the shaft portion are electrically connected (first configuration of the touch panel system).
  • the touch panel system further includes a drive circuit that supplies a drive signal to the touch electrode, and the touch electrode includes a drive electrode connected to the drive circuit and a sensor electrode connected to the detection circuit.
  • a display device with a touch panel includes a liquid crystal display device and the touch panel system having the first or second configuration (first configuration of the display device with a touch panel).
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a touch pen 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the touch pen 1 includes a tip portion 11, a shaft portion 15, and a connecting portion 14 that connects the tip portion 11 and the shaft portion 15.
  • the user operates the touch pen 1 by grasping the shaft portion 15, brings the tip portion 11 close to the operation surface of the touch panel, and designates coordinates, for example.
  • the shapes of the tip portion 11, the shaft portion 15, and the connecting portion 14 are arbitrary.
  • the area of the cross section of the tip 11 (area perpendicular to the axial direction of the touch pen 1) is preferably smaller than the area of the finger so that a finer operation can be performed than when operated with the finger.
  • the tip portion 11 and the shaft portion 15 are formed of a conductor.
  • the tip portion 11 and the shaft portion 15 are not necessarily required to have high conductivity such as metal, and may have higher conductivity than the connection portion 14.
  • the resistivity of the tip portion 11 and the shaft portion 15 is preferably 10 3 ⁇ cm or less.
  • the tip portion 11 and the shaft portion 15 are, for example, molded products of metal or resin or rubber kneaded with a conductive filler.
  • the shaft portion 15 does not need to be entirely formed of a conductor, and may have a conductor at least in part. In this case, it is preferable that the conductor portion is disposed at a location close to the user's hand when the user holds the touch pen 1.
  • the conductor portion does not need to be exposed, and if the user's hand is arranged to at least capacitively couple with the conductor portion of the shaft portion 15 when the user holds the touch pen 1. good. Therefore, the outer surface of the shaft portion 15 may be plated with an insulating material or printed with an insulating paint.
  • the connecting portion 14 that connects the tip portion 11 and the shaft portion 15 is formed of an insulator.
  • the connecting portion 14 is, for example, a resin or rubber molded product.
  • the touch pen 1 includes a switch 12 and a conductive wire 13 that electrically connects one contact of the switch 12 and the shaft portion 15.
  • the other contact point of the switch 12 is electrically connected to the distal end portion 11 by a conducting wire.
  • the switch 12 switches between connection and non-connection between the two contacts according to the pressure applied to the tip portion 11. That is, pressure is applied to the tip 11 when the tip 11 touches the operation surface of the touch panel.
  • the pressure applied to the tip portion 11 exceeds a predetermined value
  • the two contacts of the switch 12 are closed (ON state), and the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected.
  • the two contact points of the switch 12 are opened (OFF state), and the distal end portion 11 and the shaft portion 15 are electrically disconnected.
  • FIG. 2 is a schematic diagram when the conductor portion 151 of the shaft portion 15 is exposed.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • the user's hand contacts the shaft portion 15 at a point A0 on the conductor portion 151, for example. That is, the user's hand is in direct contact with the conductor portion 151.
  • the electrical resistance R1 between the tip 11 and the point A0 is preferably 3.5 k ⁇ or less.
  • FIG. 4 is a schematic view when the conductor portion 151 of the shaft portion 15 is covered with an insulating film 152 (plating, paint, etc.).
  • FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of FIG.
  • the user's hand comes into contact with the shaft portion 15 at a point A1 on the insulating film, for example. At this time, the user's hand is capacitively coupled to the conductor portion 151.
  • the electrical resistance R2 between the tip 11 and a point on the inner surface of the insulating film 152 (for example, the point A2 in FIG. 4) is 3.5 k ⁇ .
  • the capacitance C1 formed by the insulating film 152 is preferably 1 pF to 1300 pF.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a display device 10 with a touch panel as an example of a device in which the touch pen 1 is used.
  • the display device 10 with a touch panel includes a touch pen 1, a capacitive touch panel 5, and a liquid crystal display device 6.
  • the touch panel 5 is disposed on the surface of the liquid crystal display device 6 on the viewer side.
  • the touch panel 5 includes a touch electrode, which will be described in detail later.
  • the touch panel 5 detects the touch pen 1 or a finger that is close to the operation surface based on a change in the capacitance of the touch electrode.
  • the liquid crystal display device 6 includes a first polarizing plate 61, a color filter substrate 62, a liquid crystal layer 63, an active matrix substrate 64, a second polarizing plate 65, and a backlight unit 66.
  • the liquid crystal display device 6 drives the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 63 by the pixel electrodes formed on the active matrix substrate 64 and the counter electrodes formed on the color filter substrate 62. Accordingly, the liquid crystal display device 6 displays an image by controlling the transmittance of light emitted from the backlight unit 66 for each pixel electrode.
  • the touch panel 5 is disposed outside the first polarizing plate 61 (on the side opposite to the color filter substrate 62). However, the touch panel 5 may be disposed between the first polarizing plate 61 and the color filter substrate 62. Further, the touch panel 5 may have a configuration in which a touch electrode is formed on the color filter substrate 62 without including an independent support substrate.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of the touch panel 5.
  • the touch panel 5 includes a plurality of drive electrodes 51 and a plurality of sensor electrodes 52 as the touch electrodes 50.
  • Each of the drive electrodes 51 is connected to a drive circuit (not shown).
  • Each of the sensor electrodes 52 is connected to a detection circuit (not shown).
  • Each of the drive electrodes 51 is formed to extend in one direction (hereinafter referred to as the X direction).
  • the drive electrodes 51 are arranged at predetermined intervals along a direction intersecting the X direction (hereinafter referred to as the Y direction).
  • each of the sensor electrodes 52 is formed extending in the Y direction.
  • the sensor electrodes 52 are arranged at predetermined intervals along the X direction.
  • Each of the drive electrodes 51 includes a generally rhombic island-shaped portion (electrode pad) 511 and a connection portion 512 that connects the adjacent island-shaped portions 511 to each other.
  • each of the sensor electrodes 52 includes an approximately diamond-shaped island-shaped portion 521 and a connection portion 522 that connects the adjacent island-shaped portions 521 to each other.
  • the island-shaped portion 511 of the drive electrode 51 and the island-shaped portion 521 of the sensor electrode 52 are arranged in a tile shape and cover the operation surface of the touch panel 5.
  • the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 intersect at the connection portions 512 and 522 in plan view. However, the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 are configured not to be electrically connected by, for example, disposing an interlayer insulating film between the connection part 512 and the connection part 522.
  • the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 are transparent conductive films such as ITO (Indium Tin Oxide) or IZO (Indium Zinc Oxide), for example.
  • the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 are formed by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition) or sputtering and patterned by photolithography.
  • the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 are preferably formed of the same material, but may be formed of different materials.
  • the island-shaped part 511 and the connection part 512, and the island-shaped part 521 and the connection part 522 may be formed of the same material, or may be formed of different materials.
  • the shapes of the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 described above are examples, and the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 can take any shape.
  • the island portions 511 and 512 may be circular.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the touch panel 5. As described above, each of the drive electrodes 51 is connected to the drive circuit 54, and each of the sensor electrodes 52 is connected to the detection circuit 55.
  • the drive circuit 54 includes an oscillation circuit 541.
  • the detection circuit 55 includes an integration circuit 551.
  • the touch panel 5 measures the capacitance Cds between the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 by the drive circuit 54 and the detection circuit 55.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a functional configuration of the touch panel 5.
  • the touch panel 5 includes an arithmetic processing circuit 56 in addition to the drive circuit 54, the touch electrode 50, and the detection circuit 55 described above.
  • a drive signal is supplied from the drive circuit 54 to the touch electrode 50.
  • an output signal is obtained by the detection circuit 55 based on the capacitance of the touch electrode 50 and supplied to the arithmetic processing circuit 56.
  • the arithmetic processing circuit 56 performs predetermined arithmetic processing based on the output signal.
  • the arithmetic processing circuit 56 may include a storage device 561, and may perform arithmetic processing based on a plurality of output signals stored in the storage device 561.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A ′ in FIG. 7, and shows a state where the finger 99 is close to the operation surface of the touch panel 5.
  • FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of FIG. In FIG. 11, the finger 99 is illustrated by a two-dot chain line.
  • a capacitance Cdf is formed between the finger 99 and the drive electrode 51.
  • a capacitance Csf is formed between the finger 99 and the sensor electrode 52. Note that the driver electrode 51 and the sensor electrode 52 are virtually grounded via the finger 99.
  • the touch panel 5 detects the finger 99 based on the signal S. For example, the touch panel 5 scans the drive electrode 51, measures the signal S between each sensor electrode 52 for each drive electrode 51, and stores the signal S in the storage device 561. As a result, the distribution of the signal S stored for each intersection of the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 is obtained.
  • the arithmetic processing circuit 56 performs predetermined arithmetic processing on this distribution to detect the finger 99. At this time, for example, when the signal S is equal to or greater than a predetermined threshold, it is determined that there is an input (touch) from the finger 99.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross section along the line A-A ′ of FIG. 7, and shows a state where the tip 11 of the touch pen 1 is close to the operation surface of the touch panel 5.
  • FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of FIG. In FIG. 13, the touch pen 1 is illustrated by a two-dot chain line.
  • a capacitance Cdp is formed between the tip 11 and the drive electrode 51.
  • a capacitance Csp is formed between the tip portion 11 and the sensor electrode 52.
  • the capacitance between the driver electrode 51 and the sensor electrode 52 changes from Cds to Cds ′′.
  • the area of the cross section of the tip 11 of the touch pen 1 is preferably smaller than the area of the finger 99.
  • the tip 11 has a smaller cross-sectional area, the area where the tip 11 blocks the electric field between the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 becomes smaller. Therefore, the capacitance change ⁇ Cds due to the proximity of the tip portion 11 is smaller than the capacitance change ⁇ Cds due to the proximity of the finger 99. That is, when the touch panel 5 is operated with the touch pen 1, the signal S is smaller than when the touch panel 5 is operated with the finger 99.
  • the area of the cross section of the tip 11 is smaller than the pitch of the touch electrodes 50, the magnitude of the signal S changes depending on the relative positional relationship with the touch electrodes 50.
  • the area of the cross section of the tip portion 11 is about 1/3 to 1/2 of the area of the island portions 511 and 512.
  • FIG. 14 is an enlarged view of a part of FIG. 7, schematically showing electric lines of force.
  • electric lines of force formed between the island-shaped portion 511 of the drive electrode 51 and the island-shaped portion 521 of the adjacent sensor electrode 52 are schematically illustrated by arrows.
  • the touch pen 1 arranged at the position P1 and the touch pen 1 arranged at the position P2 have different numbers of lines of electric force to be blocked. Specifically, at the position P1 that is the sensor edge, only a quarter of the effective electric field lines of the tip portion 11 of the touch pen 1 are blocked, so the signal S becomes small.
  • the number of the touch pens 1 blocking the effective lines of electric force is the largest, and the signal S is the largest.
  • FIG. 15 is a graph showing a relationship between the signal S and the distance d between the tip 11 of the touch pen 1 and the operation surface of the touch panel 5.
  • a curve C1 indicates the relationship between the distance d and the signal S when the touch pen 1 is disposed at the position P1.
  • a curve C2 indicates the relationship between the distance d and the signal S when the touch pen 1 is disposed at the position P2.
  • the signal S increases as the distance d decreases.
  • the signal S is smaller when the touch pen 1 is at the position P1 than when the touch pen 1 is at the position P2.
  • the threshold value of the signal S for determining whether or not there is an input (touch) from the touch pen 1 is set to a predetermined value S1.
  • a predetermined value S1 When the touch pen 1 is at the position P1, if the distance d is equal to or less than d1, it is determined that there is an input from the touch pen 1.
  • the touch pen 1 is at the position P2, if the distance d is equal to or less than d2, it is determined that there is an input from the touch pen 1.
  • a variation ⁇ d occurs in the distance d determined that there is an input from the touch pen 1 depending on the position of the touch pen 1.
  • the line may be connected and recognized (e1), or the line may not be recognized (e2).
  • FIG. 17 is a schematic diagram for explaining the effect of the touch pen 1.
  • 18 is an equivalent circuit diagram of FIG. In FIG. 18, the touch pen 1 is illustrated by a two-dot chain line.
  • pressure is applied from the distal end portion 11 to the switch 12 by the distal end portion 11 contacting the operation surface of the touch panel 5.
  • the switch 12 changes from an open state (OFF state) to a closed state (ON state).
  • the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected.
  • the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 are virtually grounded via the distal end portion 11, the shaft portion 15, and the human body holding the shaft portion 15.
  • the signal S increases as compared with the case where the distal end portion 11 is in a floating state (when the switch 12 is in an open state).
  • the signal S is greater when the tip 11 is in contact with the operation surface of the touch panel 5 than when it is not in contact.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the distance d and the signal S.
  • a curve C1 indicates a relationship between the distance d (d> 0) and the signal S when the touch pen 1 is disposed at the position P1.
  • a curve C2 indicates a relationship between the distance d (d> 0) and the signal S when the touch pen 1 is disposed at the position P2.
  • the threshold value of the signal S for determining the presence / absence of input from the touch pen 1 is greater than the maximum value Sa of the signal S when the tip portion 11 and the shaft portion 15 are not electrically connected.
  • a value S2 that is large and smaller than the minimum value Sb of the signal S when the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected can be used. Thereby, the presence or absence of touch can be determined clearly.
  • the tip portion 11 that is a conductor and the shaft portion 15 are insulated by the connecting portion 14 that is an insulator.
  • the connecting portion 14 that is an insulator.
  • the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected by the switch 12.
  • the distal end portion 11 is virtually grounded via a human body holding the shaft portion 15.
  • the signal S detected by the touch panel 5 changes greatly. That is, when the distal end portion 11 comes into contact with the operation surface of the touch panel 5, the signal S detected by the touch panel 5 changes greatly. Therefore, the presence or absence of touch can be determined appropriately.
  • the switch 12 can be realized by a mechanical configuration. Therefore, the touch pen 1 does not require a power source. Further, the touch pen 1 does not require communication with the touch panel 5. Therefore, a cable and a transmission circuit are not required. Therefore, the touch pen 1 can have a simple configuration.
  • the touch pen 1 does not depend on the pitch and shape of the touch electrodes 50 of the touch panel 5. Therefore, the touch pen 1 can be used for various touch panels 5.
  • the touch panel 5 is based on the mutual capacitance detection method.
  • the touch pen 1 can also be used for a self-capacitance detection type touch panel.
  • the touch panel 5 is a projected capacitive touch panel.
  • the touch pen 1 can also be applied to a surface capacitive touch panel.
  • FIG. 20 is a circuit model of the touch panel 5.
  • FIG. 21 is an enlarged view of the sensor block SB of FIG.
  • Rx is the resistance of the drive electrode 51
  • Ry is the resistance of the sensor electrode 52.
  • Cds is a capacitance between the drive electrode 51 and the sensor electrode 52
  • Cpx is a parasitic capacitance of the drive electrode 51
  • Cpy is a parasitic capacitance of the sensor electrode 52.
  • the output V OUT of the detection circuit 55 is supplied to an AD converter (not shown).
  • the sampling time of the AD converter it is preferable to set the sampling time of the AD converter to a time when the outputs of all the detection circuits 55 are saturated.
  • FIG. 22 is a waveform diagram of the output signal VIN of the drive circuit 54.
  • a touch panel is designed so that a charging rate of 99% or more can be expected. From the above equation, the time t 0.99 for setting the charging rate to 99% is t 0.99 ⁇ 1.96RC. Therefore, the pulse application time Tp of the drive circuit 54 is Td when the maximum value of the time constant of the drive electrode 51 is Td and the maximum value of the time constant Ts of the sensor electrode 52 is Ts. Tp ⁇ 1.96 ⁇ (Td + Ts) Is set to be
  • 1.96 ⁇ Td is a time during which the charging rate at the intersection of the drive electrode 51 and the sensor electrode 52 farthest from the drive circuit 54 and the detection circuit 55 is 99% or more.
  • 1.96 ⁇ Ts is the readout time of the capacitance Cds at the intersection.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a state in which the touch pen 1 comes into contact with the operation surface of the touch panel 5 and is grounded through the human body 100.
  • the system surrounded by the broken line is in an equilibrium state within a time of 1.96 ⁇ Td. That is, it is preferable that the transient current of the system surrounded by the broken line is almost eliminated within the time of 1.96 ⁇ Td.
  • the equilibrium state is set to 95%, the time constant Tpen between the pen and the human body 100 is 1.96 ⁇ Td ⁇ Tpen ⁇ 3 It is preferable to satisfy.
  • the resistance R of the touch pen 1 is 1.5 ⁇ 10 ⁇ 6 ⁇ 100 ⁇ 10 ⁇ 12 ⁇ (1500 + R) ⁇ 3 Therefore, it is preferable that R ⁇ 3.5 k ⁇ .
  • FIG. 24 is a cross-sectional view illustrating an example of a specific configuration of the touch pen 1.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view, but hatching is omitted.
  • the touch pen 1 includes the tip portion 11 and the shaft portion 15 formed of a conductor, the connecting portion 14 formed of an insulator, and the switch 12.
  • the switch 12 is a pressure-sensitive micro switch including two contacts 12a and 12b and a pressure-sensitive surface 12c.
  • the switch 12 operates by pressure applied to the pressure-sensitive surface 12c, and switches between electrical connection and non-connection between the contact 12a and the contact 12b.
  • the contact 12 a is electrically connected to the tip end portion 11 by a conducting wire 16.
  • the contact 12 b is electrically connected to the shaft portion 15 by a conducting wire 13.
  • the switch 12 is not limited to this, but can be configured as follows, for example.
  • the switch 12 includes a conductive leaf spring and an actuator (such as a lever) that transmits external force from the pressure-sensitive surface 12c to the leaf spring.
  • One end of the leaf spring is fixed to the contact 12a.
  • the other end of the leaf spring is arranged so as not to contact the contact 12b when no external force is applied.
  • the other end of the leaf spring moves to the contact 12b side.
  • the pressure applied to the leaf spring reaches a predetermined value or more, the other end of the leaf spring contacts the contact 12b, and the contact 12a and the contact 12b become conductive.
  • the other end of the leaf spring is separated from the contact 12b by the elastic force, and the contact 12a and the contact 12b become non-conductive.
  • the shaft portion 15 and the connecting portion 14 are fixed, and the distal end portion 11 slides in the axial direction with respect to the shaft portion 15 and the connecting portion 14.
  • the tip portion 11 is in contact with the pressure sensitive surface 12 c of the switch 12.
  • the tip portion 11 when pressure is applied to the tip portion 11, the tip portion 11 slides and presses the pressure-sensitive surface 12c. While the pressure of a predetermined value or more is applied to the distal end portion 11, the distal end portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected by the switch 12. When the pressure applied to the distal end portion 11 is removed, the distal end portion 11 returns to the original position by the elastic force of the switch 12. Since the pressure on the pressure-sensitive surface 12c is also removed, the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically disconnected again.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view showing another configuration example of the touch pen 1.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view, but hatching is omitted.
  • the tip portion 11 and the connecting portion 14 are fixed, and the tip portion 11 and the connecting portion 14 slide in the axial direction with respect to the shaft portion 15.
  • the end of the connecting portion 14 on the shaft portion 15 side is in contact with the pressure-sensitive surface 12 c of the switch 12.
  • the tip portion 11 and the connecting portion 14 slide to press the pressure-sensitive surface 12c. While the pressure of a predetermined value or more is applied to the distal end portion 11, the distal end portion 11 and the shaft portion 15 are electrically connected by the switch 12. When the pressure applied to the distal end portion 11 is removed, the distal end portion 11 and the connecting portion 14 are returned to their original positions by the elastic force of the switch 12. Since the pressure on the pressure-sensitive surface 12c is also removed, the tip portion 11 and the shaft portion 15 are electrically disconnected again.
  • the load or stroke at which the switch 12 operates can be adjusted by adjusting the switch 12.
  • the load for operating the switch 12 is, for example, 160 g weight (1.6 N).
  • a stroke for operating the switch 12 is, for example, 0.1 mm.
  • the tip portion 11 and the switch 12 and the shaft portion 15 and the switch 12 are connected by the conducting wires, respectively.
  • the distance between the tip portion 11 and the shaft portion 15 is regulated by an insulating spring, and when the pressure is applied to the tip portion 11, the tip portion 11 and the shaft portion 15 come into contact and conduct. It may be a configuration.
  • the present invention can be industrially used as a touch pen, a touch panel system, and a display device with a touch panel used for a capacitive touch panel.

Abstract

　タッチの有無を適切に判定することができるタッチペンの構成を得る。タッチペン（１）は、導体によって形成された先端部（１１）と、少なくとも一部に導体を有する軸部（１５）と、絶縁体によって形成され、前記先端部（１１）と前記軸部（１５）とを連結する連結部（１４）と、スイッチ（１２）とを備える。前記スイッチ（１２）は、前記先端部（１１）に加わる圧力が所定値以上のとき前記先端部（１１）と前記軸部（１５）の導体部分とを電気的に接続し、前記先端部（１１）に加わる圧力が所定値未満のとき前記先端部（１１）と前記軸部（１５）の導体部分とを電気的に非接続にする。

Description

タッチペン、タッチパネルシステムおよびタッチパネル付き表示装置
　本発明は、タッチペン、タッチパネルシステムおよびタッチパネル付き表示装置に関し、特に静電容量方式のタッチパネルに用いられるタッチペン、タッチパネルシステム、およびタッチパネル付き表示装置に関する。
　タッチパネルは、操作面に近接したタッチペンまたは指等を、各種のセンサによって検出する。このとき、ユーザからの入力の有無（タッチの有無）を適切に判定できる必要がある。この判定が適切でないと、ユーザが意図した操作が受け付けられなかったり、意図しない操作が受け付けられたりするからである。
　特許第４３１５４２３号公報には、遮光方式の座標入力装置に用いられる座標入力ペンが開示されている。この座標入力ペンは、ペン先スイッチと、ペン先スイッチの動作状態を検知してその検知結果を光信号として放射するための発光部とを備える。この構成によれば、ユーザが座標入力ペンのペン先を座標入力面に押圧すると、ペン先スイッチが導通し、ペンダウン信号が生成され、発光部から光信号として放射される。
　特開平７－１３６９６号公報に記載されている入力装置は、感圧方式のタッチパネルと、タッチペンとを備える。タッチペンは、タッチパネルの入力モードを切り替えるモードスイッチを備えている。この構成によれば、モードスイッチを切り替えることで、誤入力を防止できる。
　特許第４３１５４２３号公報に記載されている座標入力ペンは、ペンダウン信号を生成する回路および光信号を放射するための回路を駆動するための電源が必要である。特開平７－１３６９６号公報に記載されている入力装置は、モードスイッチの情報をタッチパネルに送信するための交信手段が必要である。そのため、有線で交信する場合はケーブルが必要であり、無線で交信する場合は送信回路を駆動するための電源が必要である。
　近年、静電容量方式のタッチパネルが需要を伸ばしている。静電容量方式のタッチパネルでは、指等が近接すると、操作面に接触する前からタッチ電極の静電容量が変化する。そのため、タッチの有無を判定するための閾値の設定は重要である。
　静電容量方式の場合、指で操作するように設計されたタッチパネルをタッチペンで操作すると、感度が低下する。そのため、タッチペンで操作する場合、適切な閾値が設定できず、タッチの有無を適切に判定することが難しい。
　この問題に対し、ソフトウェア（ファームウェア）によってタッチ位置を推定し閾値を変える方法も考えられる。しかし、タッチペンおよびタッチ電極のパターン毎にソフトウェアを調整する必要がある。
　本発明の目的は、タッチの有無を適切に判定することができるタッチペンの構成を得ることである。
　ここに開示するタッチペンは、導体によって形成された先端部と、少なくとも一部に導体を有する軸部と、絶縁体によって形成され、前記先端部と前記軸部とを連結する連結部と、スイッチとを備える。前記スイッチは、前記先端部に加わる圧力が所定値以上のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に接続し、前記先端部に加わる圧力が所定値未満のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に非接続にする。
　本発明によれば、タッチの有無を適切に判定することができるタッチペンの構成が得られる。
図１は、本発明の一実施形態にかかるタッチペンの概略構成を示す模式図である。 図２は、軸部の導体部分が露出している場合の模式図である。 図３は、図２の等価回路図である。 図４は、軸部の導体部分が絶縁膜（メッキ、塗料等）で覆われている場合の模式図である。 図５は、図４の等価回路図である。 図６は、本発明の一実施形態にかかるタッチペンが用いられる装置の一例としての、タッチパネル付き表示装置の概略構成を示す模式図である。 図７は、タッチパネルの構成の一例を示す平面図である。 図８は、タッチパネルの等価回路図である。 図９は、タッチパネルの機能的構成を示すブロック図である。 図１０は、図７のＡ－Ａ’線に沿った断面を模式的に示した図であって、指がタッチパネルの操作面に近接した状態を示す図である。 図１１は、図１０の等価回路図である。 図１２は、図７のＡ－Ａ’線に沿った断面を模式的に示した図であって、タッチペンの先端部がタッチパネルの操作面に近接した状態を示す図である。 図１３は、図１２の等価回路図である。 図１４は、図７の一部を拡大した図であって、電気力線を模式的に示した図である。 図１５は、タッチペンの先端部からタッチパネルの操作面までの間の距離ｄと、シグナルＳとの関係を示すグラフである。 図１６は、シグナルＳの閾値の設定が適切でない場合におこる問題を説明するための図である。 図１７は、本発明の一実施形態にかかるタッチペンの効果を説明するための模式図である。 図１８は、図１７の等価回路図である。 図１９は、距離ｄと、シグナルＳとの関係を示すグラフである。 図２０は、タッチパネルの回路モデルである。 図２１は、図２０のセンサーブロックを拡大したものである。 図２２は、駆動回路の出力信号の波形図である。 図２３は、タッチペンがタッチパネルの操作面に接触し、人体を介して接地される様子を示す模式図である。 図２４は、本発明の一実施形態にかかるタッチペンの具体的な構成の一例を示す断面図である。 図２５は、本発明の一実施形態にかかるタッチペンの具体的な構成の他の例を示す断面図である。
　本発明の一実施形態にかかるタッチペンは、導体によって形成された先端部と、少なくとも一部に導体を有する軸部と、絶縁体によって形成され、前記先端部と前記軸部とを連結する連結部と、スイッチとを備える。前記スイッチは、前記先端部に加わる圧力が所定値以上のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に接続し、前記先端部に加わる圧力が所定値未満のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に非接続にする（第１の構成）。
　上記の構成によれば、導体である先端部と、導体を有する軸部とは、絶縁体である連結部によって絶縁されている。一方、先端部がタッチパネルの操作面に接触し、先端部に加わる圧力が所定値以上になると、先端部と軸部の導体部分とは、スイッチによって電気的に接続される。軸部の導体部分は、軸部をつかんでいる人体と、直接に、または容量結合によって接続される。そのため先端部と軸部とが電気的に接続されると、先端部は、軸部および人体を介して仮想接地される。これによって、タッチパネルで検出される出力信号が大きく変化する。すなわち、先端部がタッチパネルの操作面に接触すると、タッチパネルで検出される出力信号が大きく変化する。したがって、タッチの有無を適切に判定することができる。
　上記第１の構成において、前記軸部と前記連結部とが固定され、前記軸部および前記連結部に対して前記先端部がスライドする構成としても良い（第２の構成）。
　上記第１の構成において、前記先端部と前記連結部とが固定され、前記先端部および前記連結部が前記軸部に対してスライドする構成としても良い（第３の構成）。
　上記第１～第３のいずれかの構成において、前記タッチペンは、静電容量方式のタッチパネルに用いられることが好ましい（第４の構成）。
　上記第１～第４のいずれかの構成において、前記軸部の導体部分はユーザの手と接触する箇所に形成される構成とすることができる（第５の構成）。
　上記第１～第４のいずれかの構成において、前記軸部の導体部分はユーザの手と容量結合するように形成される構成とすることができる（第６の構成）。
　本発明の一実施形態にかかるタッチパネルシステムは、タッチ電極と、前記タッチ電極の静電容量に基づいて出力信号を供給する検出回路と、前記出力信号に基づいて所定の演算処理を実施する演算処理回路と、上記第１～第６のいずれかの構成のタッチペンとを備える。前記演算処理回路は、前記タッチペンからの入力の有無を判定する前記出力信号の閾値として、前記先端部と前記軸部の導体部分とが電気的に接続されていないときの前記出力信号の最大値よりも大きく、前記先端部と前記軸部の導体部分とが電気的に接続されているときの前記出力信号の最小値よりも小さい値を用いる（タッチパネルシステムの第１の構成）。
　上記タッチパネルシステムの第１の構成において、前記タッチ電極に駆動信号を供給する駆動回路をさらに備え、前記タッチ電極は、前記駆動回路に接続されたドライブ電極と、前記検出回路に接続されたセンサ電極とを含むことが好ましい（タッチパネルシステムの第２の構成）。
　本発明の一実施形態にかかるタッチパネル付き表示装置は、液晶表示装置と、上記第１または第２の構成のタッチパネルシステムとを備える（タッチパネル付き表示装置の第１の構成）。
　［実施の形態］
　以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
　［全体の構成]
　図１は、本発明の一実施形態にかかるタッチペン１の概略構成を示す模式図である。タッチペン１は、先端部１１、軸部１５、および先端部１１と軸部１５とを連結する連結部１４を備えている。ユーザは、軸部１５をつかんでタッチペン１を操作し、先端部１１をタッチパネルの操作面に近接させて、例えば座標を指示する。先端部１１、軸部１５、および連結部１４の形状は任意である。ただし、先端部１１の横断面の面積（タッチペン１の軸方向と垂直な面積）は、指で操作する場合よりも細かい操作ができるように、指の面積よりも小さいことが好ましい。
　先端部１１および軸部１５は、導体によって形成されている。先端部１１および軸部１５は、金属のような高い導電性は必須ではなく、連結部１４よりも高い導電性を有していれば良い。先端部１１および軸部１５の抵抗率は、好ましくは１０３Ωｃｍ以下である。先端部１１および軸部１５は例えば、金属、または導電性フィラーを練り込んだ樹脂もしくはゴムの成形品である。なお、軸部１５は、全体が導体で形成されている必要はなく、少なくとも一部に導体を有していれば良い。この場合、導体部分は、ユーザがタッチペン１をつかんだときに、ユーザの手に近接する箇所に配置されることが好ましい。また、後述するように、導体部分は露出している必要はなく、ユーザがタッチペン１をつかんだときに、ユーザの手が軸部１５の導体部分と少なくとも容量結合するように配置されていれば良い。したがって、軸部１５の外面に、絶縁性のメッキがされていたり、絶縁性の塗料が印刷されていたりしても良い。
　先端部１１と軸部１５とを接続する連結部１４は、絶縁体によって形成されている。連結部１４は例えば、樹脂またはゴムの成形品である。
　タッチペン１は、スイッチ１２、およびスイッチ１２の一方の接点と軸部１５とを電気的に接続する導線１３を備えている。図１には図示していないが、スイッチ１２の他方の接点は、先端部１１と導線によって電気的に接続されている。詳しい構成は後述するが、スイッチ１２は、先端部１１に加わる圧力に応じて、二つの接点の間の接続と非接続とを切り替える。すなわち、先端部１１がタッチパネルの操作面に触れることによって、先端部１１に圧力が加わる。先端部１１に加わる圧力が所定値以上になると、スイッチ１２の二つの接点は閉状態（ＯＮ状態）になり、先端部１１と軸部１５とが電気的に接続する。一方、先端部１１に加わる圧力が所定値未満になると、スイッチ１２の二つの接点は開状態（ＯＦＦ状態）になり、先端部１１と軸部１５とは電気的に非接続になる。
　図２は、軸部１５の導体部分１５１が露出している場合の模式図である。図３は、図２の等価回路図である。ユーザの手は、例えば導体部分１５１上の点Ａ０において軸部１５と接触する。すなわち、ユーザの手は、導体部分１５１と直接接触する。この場合、スイッチ１２の二つの接点が閉状態になったとき、先端部１１と点Ａ０との間の電気抵抗Ｒ１は、３．５ｋΩ以下となることが好ましい。
　図４は、軸部１５の導体部分１５１が絶縁膜１５２（メッキ、塗料等）で覆われている場合の模式図である。図５は、図４の等価回路図である。ユーザの手は、例えば絶縁膜上の点Ａ１において軸部１５と接触する。このとき、ユーザの手は、導体部分１５１と容量結合する。この場合、スイッチ１２の二つの接点が閉状態になったとき、先端部１１と絶縁膜１５２の内面上の点（例えば、図４中の点Ａ２）との間の電気抵抗Ｒ２が３．５ｋΩ以下であり、かつ絶縁膜１５２によって形成される静電容量Ｃ１が１ｐＦ～１３００ｐＦとなることが好ましい。
　図６は、タッチペン１が用いられる装置の一例としての、タッチパネル付き表示装置１０の概略構成を示す模式図である。タッチパネル付き表示装置１０は、タッチペン１と、静電容量方式のタッチパネル５と、液晶表示装置６とを備えている。
　タッチパネル５は、液晶表示装置６の観察者側の面に配置されている。タッチパネル５は、詳しい構成は後述するが、タッチ電極を備えている。タッチパネル５は、タッチ電極の静電容量の変化によって、操作面に近接したタッチペン１または指等を検出する。
　液晶表示装置６は、第１偏光板６１、カラーフィルタ基板６２、液晶層６３、アクティブマトリクス基板６４、第２偏光板６５、およびバックライトユニット６６を備えている。液晶表示装置６は、アクティブマトリクス基板６４に形成された画素電極と、カラーフィルタ基板６２に形成された対向電極とによって、液晶層６３の液晶分子を駆動する。これによって、液晶表示装置６は、バックライトユニット６６から出射される光の透過度を画素電極ごとに制御して、画像を表示する。
　図６では、タッチパネル５は、第１偏光板６１の外側（カラーフィルタ基板６２と反対側）に配置されている。しかし、タッチパネル５は、第１偏光板６１とカラーフィルタ基板６２との間に配置されても良い。また、タッチパネル５は、独立した支持基板を備えず、タッチ電極がカラーフィルタ基板６２に形成された構成であっても良い。
　図７は、タッチパネル５の構成の一例を示す平面図である。タッチパネル５は、タッチ電極５０として、複数のドライブ電極５１と、複数のセンサ電極５２とを備えている。ドライブ電極５１のそれぞれは、図示しない駆動回路に接続されている。センサ電極５２のそれぞれは、図示しない検出回路に接続されている。
　ドライブ電極５１のそれぞれは、一方向（以下、Ｘ方向と呼ぶ）に延びて形成されている。ドライブ電極５１は、Ｘ方向と交差する方向（以下、Ｙ方向と呼ぶ）に沿って所定の間隔で配置されている。一方、センサ電極５２のそれぞれは、Ｙ方向に延びて形成されている。センサ電極５２は、Ｘ方向に沿って所定の間隔で配置されている。
　ドライブ電極５１のそれぞれは、概略菱形の島状部（電極パッド）５１１と、隣接する島状部５１１同士を接続する接続部５１２とを含んでいる。同様に、センサ電極５２のそれぞれは、概略菱形の島状部５２１と、隣接する島状部５２１同士を接続する接続部５２２とを含んでいる。ドライブ電極５１の島状部５１１とセンサ電極５２の島状部５２１とは、タイル状に配置され、タッチパネル５の操作面を覆っている。ドライブ電極５１とセンサ電極５２とは、接続部５１２および５２２の部分において、平面視で交差している。しかし、例えば、接続部５１２と接続部５２２との間に層間絶縁膜を配置する等によって、ドライブ電極５１とセンサ電極５２とは導通しないように構成されている。
　ドライブ電極５１およびセンサ電極５２は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｚｉｎｃ　Ｏｘｉｄｅ）といった透明導電膜である。ドライブ電極５１およびセンサ電極５２は、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはスパッタリングによって成膜され、フォトリソグラフィによってパターニングされる。ドライブ電極５１とセンサ電極５２とは、同一の材料によって形成されることが好ましいが、異なる材料で形成されても良い。また、島状部５１１と接続部５１２と、および島状部５２１と接続部５２２とは、同一の材料によって形成されていても良いし、異なる材料によって形成されていても良い。
　なお、上記したドライブ電極５１およびセンサ電極５２の形状は一例であって、ドライブ電極５１およびセンサ電極５２は、任意の形状を取り得る。例えば、島状部５１１および５１２は、円形であっても良い。
　図８は、タッチパネル５の等価回路図である。上述のように、ドライブ電極５１のそれぞれは駆動回路５４に接続され、センサ電極５２のそれぞれは検出回路５５に接続されている。駆動回路５４は、発振回路５４１を含んでいる。検出回路５５は、積分回路５５１を含んでいる。タッチパネル５は、駆動回路５４と検出回路５５とによって、ドライブ電極５１とセンサ電極５２との間の静電容量Ｃｄｓを測定する。
　図９を用いて、タッチパネル５の動作の概略を説明する。図９は、タッチパネル５の機能的構成を示すブロック図である。タッチパネル５は、上述した駆動回路５４、タッチ電極５０、および検出回路５５に加えて、演算処理回路５６を備えている。まず、駆動回路５４からタッチ電極５０に駆動信号が供給される。次いで、検出回路５５によって、タッチ電極５０の静電容量に基づいて出力信号が求められ、演算処理回路５６に供給される。演算処理回路５６は、出力信号に基づいて所定の演算処理を実施する。なお、演算処理回路５６は記憶装置５６１を含んでいても良く、記憶装置５６１に記憶された複数の出力信号に基づいて演算処理を実施しても良い。
　図１０～図１３を参照して、タッチパネル５の動作を具体的に説明する。図１０は、図７のＡ－Ａ’線に沿った断面を模式的に示した図であって、指９９がタッチパネル５の操作面に近接した状態を示す図である。図１１は、図１０の等価回路図である。図１１には、指９９を二点鎖線で図示している。指９９がタッチパネル５の操作面に近づくと、指９９とドライブ電極５１との間に、静電容量Ｃｄｆが形成される。同様に、指９９とセンサ電極５２との間に、静電容量Ｃｓｆが形成される。なお、ドライバ電極５１およびセンサ電極５２は、指９９を介して仮想接地される。これによって、ドライバ電極５１とセンサ電極５２との間の静電容量は、ＣｄｓからＣｄｓ’に変化する。検出回路５５によって検出されるシグナル（出力信号）Ｓは、この静電容量の変化量ΔＣｄｓ＝Ｃｄｓ－Ｃｄｓ’に比例する。具体的には、発振回路５４１の実効電圧をＶ、積分回路５５１の静電容量をＣｓとすると、Ｓ＝ΔＣｄｓ×Ｖ／Ｃｓとなる。
　タッチパネル５は、シグナルＳに基づいて、指９９を検出する。タッチパネル５は、例えば、ドライブ電極５１を走査して、ドライブ電極５１毎に各センサ電極５２との間のシグナルＳを測定し、記憶装置５６１に記憶する。これによって、ドライブ電極５１とセンサ電極５２との交点毎に記憶されたシグナルＳの分布が得られる。演算処理回路５６は、この分布に所定の演算処理を実施して指９９を検出する。このとき、例えばシグナルＳが所定の閾値以上の場合、指９９から入力（タッチ）があったと判定する。
　図１２は、図７のＡ－Ａ’線に沿った断面を模式的に示した図であって、タッチペン１の先端部１１がタッチパネル５の操作面に近接した状態を示す図である。図１３は、図１２の等価回路図である。図１３には、タッチペン１を二点鎖線で図示している。タッチペン１の先端部１１がタッチパネル５の操作面に近づくと、先端部１１とドライブ電極５１との間に、静電容量Ｃｄｐが形成される。同様に、先端部１１とセンサ電極５２との間に、静電容量Ｃｓｐが形成される。これによって、ドライバ電極５１とセンサ電極５２との間の静電容量は、ＣｄｓからＣｄｓ’’に変化する。指９９の場合と同様に、検出回路５５によって検出されるシグナルＳは、この静電容量の変化ΔＣｄｓ＝Ｃｄｓ－Ｃｄｓ’’に比例する。
　既述のように、タッチペン１の先端部１１の横断面の面積は、指９９の面積よりも小さいことが好ましい。先端部１１が横断面の面積が小さくなると、先端部１１がドライブ電極５１とセンサ電極５２との間の電界を遮る面積が小さくなる。そのため、先端部１１が近接することによる静電容量の変化ΔＣｄｓは、指９９が近接することによる静電容量の変化ΔＣｄｓよりも小さくなる。すなわち、タッチペン１によってタッチパネル５を操作する場合、指９９によってタッチパネル５を操作する場合と比較して、シグナルＳが小さくなる。
　さらに、以下に説明するように、先端部１１の横断面の面積がタッチ電極５０のピッチよりも小さい場合、シグナルＳの大きさが、タッチ電極５０との相対的な位置関係によって変化する。なお、指で操作するように設計されたタッチパネル５の場合、先端部１１の横断面の面積は、島状部５１１および５１２の面積の１／３～１／２程度である。
　図１４は、図７の一部を拡大した図であって、電気力線を模式的に示した図である。図１４には、ドライブ電極５１の島状部５１１と隣接するセンサ電極５２の島状部５２１との間に形成される電気力線を矢印で模式的に図示している。図１４に示すように、位置Ｐ１に配置されるタッチペン１と、位置Ｐ２に配置されるタッチペン１とは、遮る電気力線の数が異なる。具体的には、センサエッジである位置Ｐ１では、タッチペン１の先端部１１の１／４しか有効な電気力線を遮らないため、シグナルＳが小さくなる。一方、ドライブ電極５１とセンサ電極５２との交差部である位置Ｐ２では、タッチペン１が有効な電気力線を遮る本数が最も多くなり、シグナルＳが最も大きくなる。
　図１５は、タッチペン１の先端部１１からタッチパネル５の操作面までの間の距離ｄと、シグナルＳとの関係を示すグラフである。曲線Ｃ１は、タッチペン１が位置Ｐ１に配置された場合の、距離ｄとシグナルＳとの関係を示している。曲線Ｃ２は、タッチペン１が位置Ｐ２に配置された場合の、距離ｄとシグナルＳとの関係を示している。タッチペン１が位置Ｐ１にある場合と位置Ｐ２にある場合とのいずれにおいても、距離ｄが小さくなるにつれてシグナルＳが大きくなる。一方、タッチペン１が位置Ｐ１にある場合の方が、タッチペン１が位置Ｐ２にある場合よりも、シグナルＳは小さくなる。
　ここで、タッチペン１からの入力（タッチ）の有無を判定するシグナルＳの閾値を、所定値Ｓ１に設定する。タッチペン１が位置Ｐ１にある場合、距離ｄがｄ１以下であれば、タッチペン１からの入力があると判定される。一方、タッチペン１が位置Ｐ２にある場合、距離ｄがｄ２以下であれば、タッチペン１からの入力があると判定される。このように、タッチペン１の位置によって、タッチペン１からの入力があると判定される距離ｄにバラつきΔｄが生じる。
　このようなバラつきΔｄが存在すると、入力（タッチ）と非入力（非タッチ）とを正確に判定することが困難になる。このため、僅かな閾値の差によって、入力の有無を適切に判定できない場合がある。その結果、図１６に示すように、線が繋がって認識されたり（ｅ１）、線が認識されなかったり（ｅ２）する場合がある。
　本実施形態によるタッチペン１の効果を、図１７～図１９を用いて説明する。
　図１７は、タッチペン１の効果を説明するための模式図である。図１８は、図１７の等価回路図である。図１８には、タッチペン１を二点鎖線で図示している。タッチペン１の構成によれば、先端部１１がタッチパネル５の操作面に接触することで、先端部１１からスイッチ１２に圧力が加わる。この圧力によって、スイッチ１２は開状態（ＯＦＦ状態）から閉状態（ＯＮ状態）になる。スイッチ１２が閉状態になることで、先端部１１と軸部１５とが電気的に接続される。ドライブ電極５１およびセンサ電極５２は、先端部１１、軸部１５、および軸部１５をつかんでいる人体を介して仮想接地される。これによって、先端部１１がフローティング状態の場合（スイッチ１２が開状態の場合）と比較して、シグナルＳが大きくなる。
　すなわち、タッチペン１の構成によれば、先端部１１がタッチパネル５の操作面に接触している場合、接触していない場合と比較して、シグナルＳが大きくなる。
　図１９は、距離ｄと、シグナルＳとの関係を示すグラフである。曲線Ｃ１は、タッチペン１が位置Ｐ１に配置された場合の、距離ｄ（ｄ＞０）とシグナルＳとの関係を示している。曲線Ｃ２は、タッチペン１が位置Ｐ２に配置された場合の、距離ｄ（ｄ＞０）とシグナルＳとの関係を示している。マーカＭ１は、タッチペン１が位置Ｐ１に配置された場合の、距離ｄ＝０でのシグナルＳを示している。マーカＭ２は、タッチペン１が位置Ｐ２に配置された場合の、距離ｄ＝０でのシグナルＳを示している。図１９に示すように、タッチペン１が位置Ｐ１にある場合と位置Ｐ２にある場合とのいずれにおいても、距離ｄ＝０となることによって、シグナルＳが大きくなる。すなわち、タッチペン１の先端部１１がタッチパネル５の操作面と接触することによって、スイッチ１２が閉状態となり、シグナルＳが大きくなる。
　ここで、タッチペン１からの入力の有無（タッチの有無）を判定するシグナルＳの閾値として、先端部１１と軸部１５とが電気的に接続されていないときのシグナルＳの最大値Ｓａよりも大きく、先端部１１と軸部１５とが電気的に接続されているときのシグナルＳの最小値Ｓｂよりも小さい値Ｓ２を用いることができる。これによって、タッチの有無を明確に判定することができる。
　以上のように、本実施形態によれば、導体である先端部１１と軸部１５とは、絶縁体である連結部１４によって絶縁されている。一方、軸部１１がタッチパネル５の操作面に接触し、先端部１１に加わる圧力が所定値以上になると、先端部１１と軸部１５とは、スイッチ１２によって電気的に接続される。このとき、先端部１１は、軸部１５をつかんでいる人体を介して仮想接地される。これによって、タッチパネル５で検出されるシグナルＳが大きく変化する。すなわち、先端部１１がタッチパネル５の操作面に接触すると、タッチパネル５で検出されるシグナルＳが大きく変化する。したがって、タッチの有無を適切に判定することができる。
　スイッチ１２は、機械的な構成によって実現できる。したがって、タッチペン１は、電源を必要としない。また、タッチペン１は、タッチパネル５との交信を必要としない。そのため、ケーブルおよび送信回路を必要としない。したがって、タッチペン１は、簡潔な構成にすることができる。
　タッチペン１は、タッチパネル５のタッチ電極５０のピッチおよび形状によらない。そのため、タッチペン１は、様々なタッチパネル５に対して用いることができる。上記では、タッチパネル５が、相互容量検出方式の場合を説明した。しかし、タッチペン１は、自己容量検出方式のタッチパネルにも用いることができる。また、上記では、タッチパネル５が、投影型静電容量方式のタッチパネルの場合を説明した。しかし、タッチペン１は、表面型静電容量方式のタッチパネルにも適用可能である。
　以下、図２０～図２３を参照して、タッチペン１の好ましい特性について説明する。図２０は、タッチパネル５の回路モデルである。図２１は、図２０のセンサーブロックＳＢを拡大したものである。図２１において、Ｒｘはドライブ電極５１の抵抗、Ｒｙはセンサ電極５２の抵抗である。Ｃｄｓはドライブ電極５１とセンサ電極５２との間の静電容量、Ｃｐｘはドライブ電極５１の寄生容量、Ｃｐｙはセンサ電極５２の寄生容量である。
　図２０において、検出回路５５の出力ＶＯＵＴは、図示しないＡＤ変換器に供給される。静電量Ｃｄｓを正しく評価するためには、ＡＤ変換器のサンプリング時間は、すべての検出回路５５の出力が飽和する時間に設定することが好ましい。駆動回路５４の出力電圧をＶＤＤ、時刻ｔにおける検出回路５５の出力電圧ＶＯＵＴとすると、タッチパネルセンサの様なモデルの場合、充電特性は下記の式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図２２は、駆動回路５４の出力信号ＶＩＮの波形図である。一般的にタッチパネルは充電率９９％以上が期待できるように設計される。上式から、充電率を９９％にするための時間ｔ０．９９は、ｔ０．９９≒１．９６ＲＣである。したがって、駆動回路５４のパルス印加時間Ｔｐは、ドライブ電極５１の時定数の最大値をＴｄ、センサ電極５２の時定数Ｔｓの最大値をＴｓとしたとき、
　　　Ｔｐ≧１．９６×（Ｔｄ＋Ｔｓ）
となるように設定される。
　換言すれば、１．９６×Ｔｄは、駆動回路５４および検出回路５５から最も遠いドライブ電極５１とセンサ電極５２との交点の充電率が、９９％以上になる時間である。また、１．９６×Ｔｓは、その交点の静電容量Ｃｄｓの読出し時間である。
　図２３は、タッチペン１がタッチパネル５の操作面に接触し、人体１００を介して接地される様子を示す模式図である。このとき、１．９６×Ｔｄの時間内に、破線で囲った系が平衡状態になることが好ましい。すなわち、１．９６×Ｔｄの時間内に、破線で囲った系の過渡電流が殆どなくなることが好ましい。平衡状態を９５％に設定した場合、ペンと人体１００の時定数Ｔｐｅｎは、
　　　１．９６×Ｔｄ≧Ｔｐｅｎ×３
を満たすことが好ましい。
　例えば図２３のように、人体１００を１．５ｋΩの抵抗と１００ｐＦの容量とを直列でつないで近似したモデルにおいて、１．９６×Ｔｄ＝１．５μｓとした場合、タッチペン１の抵抗Ｒは、
　　　１．５×１０－６≧１００×１０－１２×（１５００＋Ｒ）×３
より、Ｒ≦３．５ｋΩであることが好ましい。
　［タッチペン１の構成例］
　図２４は、タッチペン１の具体的な構成の一例を示す断面図である。図２４は断面図であるが、ハッチングを省略している。タッチペン１は、既述のように、導体で形成された先端部１１および軸部１５と、絶縁体で形成された連結部１４と、スイッチ１２とを備えている。
　スイッチ１２は、二つの接点１２ａおよび１２ｂと、感圧面１２ｃとを含む圧力感応式のマイクロスイッチである。スイッチ１２は、感圧面１２ｃに加わる圧力によって動作し、接点１２ａと接点１２ｂとの間の電気的な接続と非接続とを切り替える。接点１２ａは、導線１６によって先端部１１に電気的に接続されている。接点１２ｂは、導線１３によって軸部１５に電気的に接続されている。
　スイッチ１２は、これに限定されないが、例えば次の様な構成とすることができる。スイッチ１２は、導体の板ばねと、感圧面１２ｃから板ばねに外力を伝達するアクチュエータ（レバー等）とを備える。板ばねの一方の端部は、接点１２ａに固定されている。板ばねの他方の端部は、外力が加わっていない状態では、接点１２ｂに接しないように配置されている。板ばねに外力が加わると、板ばねの他方の端部は接点１２ｂ側に移動する。板ばねに加わる圧力が所定値以上になると、板ばねの他方の端部と接点１２ｂとが接触し、接点１２ａと接点１２ｂとが導通する。板ばねに加わっていた外力が取り除かれると、板ばねの他方の端部は弾性力によって接点１２ｂと離れ、接点１２ａと接点１２ｂとは非導通になる。
　図２４の構成例では、軸部１５と連結部１４とが固定されており、軸部１５および連結部１４に対して先端部１１が軸方向にスライドする。先端部１１は、スイッチ１２の感圧面１２ｃに接している。
　この構成によれば、先端部１１に圧力が加わると、先端部１１がスライドして感圧面１２ｃを押圧する。先端部１１に所定値以上の圧力が加わっている間、スイッチ１２によって先端部１１と軸部１５とが電気的に接続される。先端部１１に加わっていた圧力が除かれると、スイッチ１２の弾性力によって先端部１１は元の位置に戻る。感圧面１２ｃへの圧力も除かれるので、先端部１１と軸部１５とは再び電気的に非接続になる。
　図２５は、タッチペン１の他の構成例を示す断面図である。図２５は断面図であるが、ハッチングを省略している。図２５の構成例では、先端部１１と連結部１４とが固定されており、先端部１１および連結部１４が軸部１５に対して軸方向にスライドする。連結部１４の軸部１５側の端部は、スイッチ１２の感圧面１２ｃに接している。
　この構成によれば、先端部１１に圧力が加わると、先端部１１および連結部１４がスライドして感圧面１２ｃを押圧する。先端部１１に所定値以上の圧力が加わっている間、スイッチ１２によって先端部１１と軸部１５とが電気的に接続される。先端部１１に加わっていた圧力が除かれると、スイッチ１２の弾性力によって先端部１１および連結部１４は元の位置に戻る。感圧面１２ｃへの圧力も除かれるので、先端部１１と軸部１５とは再び電気的に非接続になる。
　以上、タッチペン１の具体的な構成について説明した。タッチペン１の構成によれば、スイッチ１２を調整することで、スイッチ１２が動作する荷重またはストロークを調整することができる。スイッチ１２を動作させる荷重は、例えば１６０ｇ重（１．６Ｎ）である。スイッチ１２を動作させるストロークは、例えば０．１ｍｍである。
　なお、上記した構成は本発明の特に好適な実施形態であって、本発明はこれに限定されない。上記では、先端部１１とスイッチ１２と、および軸部１５とスイッチ１２とを、それぞれ導線で接続している。しかし、タッチペンは例えば、先端部１１と軸部１５との間隔が絶縁性のばねによって規制され、先端部１１に圧力が加わることによって先端部１１と軸部１５とが接触して導通するような構成であっても良い。
　本発明は、静電容量方式のタッチパネルに用いられるタッチペン、タッチパネルシステム、およびタッチパネル付き表示装置として産業上の利用が可能である。

Claims (9)

  1. 　導体によって形成された先端部と、
    　少なくとも一部に導体を有する軸部と、
    　絶縁体によって形成され、前記先端部と前記軸部とを連結する連結部と、
    　前記先端部に加わる圧力が所定値以上のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に接続し、前記先端部に加わる圧力が所定値未満のとき前記先端部と前記軸部の導体部分とを電気的に非接続にするスイッチとを備える、タッチペン。
  2. 　前記軸部と前記連結部とが固定され、前記軸部および前記連結部に対して前記先端部がスライドする、請求項１に記載のタッチペン。
  3. 　前記先端部と前記連結部とが固定され、前記先端部および前記連結部が前記軸部に対してスライドする、請求項１に記載のタッチペン。
  4. 　静電容量方式のタッチパネルに用いられる、請求項１～３のいずれか一項に記載のタッチペン。
  5. 　前記軸部の導体部分はユーザの手と接触する箇所に形成される、請求項１～４のいずれか一項に記載のタッチペン。
  6. 　前記軸部の導体部分はユーザの手と容量結合するように形成される、請求項１～４のいずれか一項に記載のタッチペン。
  7. 　タッチ電極と、
    　前記タッチ電極の静電容量に基づいて出力信号を供給する検出回路と、
    　前記出力信号に基づいて所定の演算処理を実施する演算処理回路と、
    　請求項１～６のいずれか一項に記載のタッチペンとを備え、
    　前記演算処理回路は、前記タッチペンからの入力の有無を判定する前記出力信号の閾値として、前記先端部と前記軸部の導体部分とが電気的に接続されていないときの前記出力信号の最大値よりも大きく、前記先端部と前記軸部の導体部分とが電気的に接続されているときの前記出力信号の最小値よりも小さい値を用いる、タッチパネルシステム。
  8. 　前記タッチ電極に駆動信号を供給する駆動回路をさらに備え、
    　前記タッチ電極は、
    　前記駆動回路に接続されたドライブ電極と、
    　前記検出回路に接続されたセンサ電極とを含む、請求項７に記載のタッチパネルシステム。
  9. 　液晶表示装置と、
    　請求項７または８に記載のタッチパネルシステムとを備える、タッチパネル付き表示装置。
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