WO2018186323A1

WO2018186323A1 - タッチパネル一体型表示装置

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Publication number: WO2018186323A1
Application number: PCT/JP2018/014054
Authority: WO
Inventors: 北川　大二; 琢矢曽根
Original assignee: シャープ株式会社
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2018-10-11

Abstract

タッチパネル一体型表示装置において、反転駆動が行われる場合であっても、タッチ検出信号のノイズを抑制する。タッチを検出するための構成が表示装置に内蔵されたタッチパネル一体型表示装置であって、画素電極との間で静電容量を形成する複数の対向電極（２１）と、複数の対向電極のそれぞれに接続されたタッチセンサ配線（２２）と、画像表示制御とタッチ検出制御とを時分割して交互に行う制御部（２０）と、制御部（２０）が参照可能な記憶部（２５）とを備えている。制御部（２０）は、画像表示制御とタッチ検出制御とを時分割で行う。制御部（２０）は、所定の周期で前記ソース配線に供給する信号の極性を反転させる。記憶部（２５）に、画像表示制御を行う期間にソース配線に供給される信号の極性に対応した２つ以上のキャリブレーションマップを備えている。

Description

タッチパネル一体型表示装置

　本発明は、タッチパネルを備えた表示装置に関し、特に、タッチパネルの構成要素が表示装置内に内蔵されたタッチパネル一体型表示装置に関する。

　従来、タッチパネルを備え、指等によるタッチを検出することができる表示装置が知られている。近年は、タッチ位置を検出するための電極や配線等の構成要素を、表示装置の内部に備えたタッチパネル一体型表示装置も知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２０１４－２４１１７７号公報

　従来のタッチパネル一体型表示装置では、画像を表示する動作と、タッチ位置を検出する動作とを時分割して行うことにより、それぞれの動作によるノイズが他方に影響を与えないようにしている。

　しかし、表示装置が液晶表示装置である場合には、液晶の劣化を防止するために、極性反転駆動が行われることが一般的である。この場合、タッチ位置検出動作の直前の画像表示期間が正極性・負極性のいずれであったかによって、回路内の各ノードの電位や状態が異なる。これにより、タッチ位置検出動作で読み出されるタッチ検出信号の値が異なり、ノイズとして認識されるという問題がある。

　本発明は、上記の問題を鑑み、タッチパネルの構成要素が表示装置内に内蔵されたタッチパネル一体型表示装置において、反転駆動が行われる場合であっても、タッチ検出信号のノイズを抑制することを目的とする。

　上記の目的を達成するために、以下に開示する、タッチパネル一体型表示装置は、
　アクティブマトリクス基板と、
　前記アクティブマトリクス基板と対向する対向基板と、
　前記アクティブマトリクス基板及び前記対向基板に挟まれた液晶層とを備えたタッチパネル一体型表示装置であって、
　前記アクティブマトリクス基板が、
　互いに交差するゲート配線およびソース配線と、
　前記ゲート配線およびソース配線に接続された表示制御素子と、
　前記表示制御素子に接続された画素電極と、
　前記画素電極との間で静電容量を形成する複数の対向電極と、
　前記複数の対向電極のそれぞれに接続されたタッチセンサ配線とを備え、
　前記タッチパネル一体型表示装置は、さらに、
　画像表示制御とタッチ検出制御とを時分割して交互に行う制御部と、前記制御部が参照可能な記憶部とを備え、
　前記制御部は、前記画像表示制御を行う期間には、前記ゲート配線、前記ソース配線、および前記タッチセンサ配線へ、画像を表示するために必要な信号を供給し、前記タッチ検出制御を行う期間には、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極へセンサ駆動信号を出力し、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極からタッチ検出信号を受信し、
　前記制御部は、所定の周期で前記ソース配線に供給する信号の極性を反転させ、
　前記記憶部に、前記画像表示制御を行う期間に前記ソース配線に供給される信号の極性に対応した２つ以上のキャリブレーションマップを備えている。

　この構成によれば、タッチパネルの構成要素が表示装置内に内蔵されたタッチパネル一体型表示装置において、反転駆動が行われる場合であっても、タッチ検出信号のノイズを抑制することができる。

図１は、第１の実施形態におけるタッチパネル一体型表示装置の概略構成を示す断面図である。図２は、アクティブマトリクス基板に形成されている対向電極の配線の一例を示す平面模式図である。図３は、アクティブマトリクス基板の一部の領域を拡大した図である。図４は、容量マップの一例を示す模式図である。図５は、キャリブレーションマップの一例を示す模式図である。図６は、画素部の等価回路図である。図７は、反転駆動による極性の違いによってタッチ検出信号に相違が生じる様子を示す説明図である。図８は、正極性の画素表示が行われた後のタッチ検出信号の容量マップ（左側）と、負極性の画素表示が行われた後のタッチ検出信号の容量マップ（右側）とを示す模式図である。図９は、正極性の画素表示が行われた後のタッチ検出信号を正極性用のキャリブレーションマップを用いてキャリブレーションした結果（左側）と、負極性の画素表示が行われた後のタッチ検出信号を負極性用のキャリブレーションマップを用いてキャリブレーションした結果（右側）とを示す模式図である。図１０は、比較例として、正極性・負極性の区別なく設けられた単一のキャリブレーションマップの例を示す模式図である。図１１は、比較例として、図８に示したタッチ検出信号を図１０のキャリブレーションマップを用いてキャリブレーションした結果を示す模式図である。

　以下、本発明の実施形態について説明する。

　第１の構成にかかるタッチパネル一体型表示装置は、
　アクティブマトリクス基板と、
　前記アクティブマトリクス基板と対向する対向基板と、
　前記アクティブマトリクス基板及び前記対向基板に挟まれた液晶層とを備えたタッチパネル一体型表示装置であって、
　前記アクティブマトリクス基板が、
　互いに交差するゲート配線およびソース配線と、
　前記ゲート配線およびソース配線に接続された表示制御素子と、
　前記表示制御素子に接続された画素電極と、
　前記画素電極との間で静電容量を形成する複数の対向電極と、
　前記複数の対向電極のそれぞれに接続されたタッチセンサ配線とを備え、
　前記タッチパネル一体型表示装置は、さらに、
　画像表示制御とタッチ検出制御とを時分割して交互に行う制御部と、前記制御部が参照可能な記憶部とを備え、
　前記制御部は、前記画像表示制御を行う期間には、前記ゲート配線、前記ソース配線、および前記タッチセンサ配線へ、画像を表示するために必要な信号を供給し、前記タッチ検出制御を行う期間には、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極へセンサ駆動信号を出力し、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極からタッチ検出信号を受信し、
　前記制御部は、所定の周期で前記ソース配線に供給する信号の極性を反転させ、
　前記記憶部に、前記画像表示制御を行う期間に前記ソース配線に供給される信号の極性に対応した２つ以上のキャリブレーションマップを備えている。

　この構成においては、画像表示制御が行われる期間に、ソース配線に供給する信号の極性が所定の周期で反転することにより、前記信号が正極性の場合と負極性の場合とにおいて、タッチを検出するための回路内の各ノードの電位や状態が互いに相違する。したがって画像表示制御を行う期間に前記ソース配線に供給される信号の極性に対応した２つ以上のキャリブレーションマップを備えたことにより、画像表示制御期間の極性の違いに起因してタッチ検出信号に生じる差分を除去することができる。この結果、反転駆動が行われるタッチパネル一体型表示装置においても、反転駆動の影響を受けずに、正確なタッチ検出を行うことができる。

　第２の構成にかかるタッチパネル一体型表示装置は、前記第１の構成において、前記制御部が、複数回分のタッチ検出信号に基づいて前記キャリブレーションマップの値を更新する。

　この第２の構成によれば、複数回分のタッチ検出信号に基づいて前記キャリブレーションマップの値が更新される。すなわち、動作環境の変化等に応じて、キャリブレーションマップを動的にかつ適切に更新することができる。
　［実施形態］
　以下、図面を参照し、より具体的な実施形態を説明する。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。

　図１は、本発明の一実施形態にかかるタッチパネル一体型表示装置１０の基本的な構成を示す断面図である。タッチパネル一体型表示装置１０は、アクティブマトリクス基板１と、対向基板２と、アクティブマトリクス基板１および対向基板２に挟まれた液晶層３とを備える。アクティブマトリクス基板１および対向基板２はそれぞれ、ほぼ透明な（高い透光性を有する）ガラス基板を備えている。対向基板２は、図示しないカラーフィルタを備えている。また、図示は省略するが、このタッチパネル一体型表示装置１０は、バックライトを備えている。

　本実施形態におけるタッチパネル一体型表示装置１０は、画像を表示する機能を有するとともに、その表示される画像に基づいて使用者が入力する位置情報（タッチ位置）を検出する機能を有する。このタッチパネル一体型表示装置１０におけるタッチパネルは、タッチ位置を検出するために必要な電極や配線等が表示パネル内に形成されている。このようなタッチパネルは、インセル型タッチパネルと称されることがある。

　本実施形態におけるタッチパネル一体型表示装置１０では、液晶層３に含まれる液晶分子の駆動方式が横電界駆動方式である。横電界駆動方式を実現するため、電界を形成するための画素電極および対向電極（共通電極と呼ばれることもある）は、アクティブマトリクス基板１に形成されている。

　図２は、アクティブマトリクス基板１に形成されている対向電極２１の配置の一例を示す図である。対向電極２１は、アクティブマトリクス基板１の液晶層３側の面に形成されている。図２に示すように、対向電極２１は矩形形状であり、アクティブマトリクス基板１上に、マトリクス状に複数配置されている。対向電極２１は、例えば、縦（Ｙ方向）に約４ｍｍ、横（Ｘ方向）に約４ｍｍ程度の大きさとすることができるが、対向電極２１の大きさおよび数は任意である。

　アクティブマトリクス基板１には、コントローラ（制御部）２０が設けられている。コントローラ２０は、画像を表示するための制御と、タッチ位置を検出するための制御を時分割して交互に行う。

　コントローラ２０と、各対向電極２１との間は、Ｙ軸方向に延びるタッチセンサ配線２２によって接続されている。すなわち、対向電極２１の数と同じ数のタッチセンサ配線２２がアクティブマトリクス基板１上に形成されている。

　本実施形態におけるタッチパネル一体型表示装置１０では、対向電極２１は、画素電極と対になって静電容量を形成することにより、画像表示制御の際に用いられるとともに、自己容量方式のセンサ電極として、タッチ位置検出制御の際にも用いられる。

　対向電極２１は、隣接する対向電極２１等との間に寄生容量が形成されているが、人の指等が表示装置１０の表示画面に触れると、対向電極２１と人の指等との間でも容量が形成されるため、静電容量が増加する。タッチ位置検出制御の際、コントローラ２０は、タッチセンサ配線２２を介して、センサ駆動信号を対向電極２１に供給し、タッチセンサ配線２２を介してタッチ検出信号を受信する。すなわち、タッチセンサ配線２２は、センサ駆動信号およびタッチ検出信号の送受信用の線として機能する。コントローラ２０は、対向電極２１のそれぞれについて静電容量の変化を検出することにより、タッチ位置を検出する。

　図３は、アクティブマトリクス基板１の一部の領域を拡大した図である。図３に示すように、複数の画素電極３１は、マトリクス状に配置されている。また、図３では省略しているが、表示制御素子であるＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）も、画素電極３１と対応してマトリクス状に配置されている。なお、対向電極２１には、複数のスリット２１ａが設けられている。

　画素電極３１の周りには、ゲート配線３２およびソース配線３３が設けられている。ゲート配線３２は、Ｘ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。ソース配線３３は、Ｙ軸方向に延びており、Ｘ軸方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。すなわち、ゲート配線３２およびソース配線３３は格子状に形成されており、ゲート配線３２およびソース配線３３によって区画された領域に画素電極３１が設けられている。ゲート配線３２およびソース配線３３は、コントローラ２０に接続されている。

　タッチセンサ配線２２は、対向電極２１と同数設けられており、それぞれの対向電極２１とコントローラ２０とを接続する。図３に示すように、Ｙ軸方向に延びているタッチセンサ配線２２は、アクティブマトリクス基板１の法線方向において、Ｙ軸方向に延びているソース配線３３と一部が重畳するように配置されている。具体的には、タッチセンサ配線２２は、ソース配線３３よりも上層に設けられており、平面視でタッチセンサ配線２２とソース配線３３は一部が重畳している。対向電極２１とタッチセンサ配線２２とは、コンタクト３５によって接続されている。なお、図３における画素電極３１と対向電極２１との対応関係はあくまでも一例であり、１つの対向電極２１が覆う画素電極３１の数は、任意に設計することができる。

　ここで、タッチパネル一体型表示装置１０における画像表示制御とタッチ位置検出制御について説明する。

　前述したように、コントローラ２０は、画像表示制御とタッチ位置検出制御とを時分割して交互に行う。画像表示制御を行う期間においては、コントローラ２０は、ゲート配線３２を順次選択しながら、選択されたゲート配線３２上の画素に表示させるべき階調に応じたデータ信号をソース配線３３へ供給する。この間、コントローラ２０は、全ての対向電極２１に対して一定の電圧を供給する。コントローラ２０は、この画像表示制御を６０Ｈｚのフレームレートで実行する。なお、コントローラ２０は、ソース配線３３へ供給するデータ信号の、対向電録２１に対する極性を、１フレーム毎に反転させる。

　コントローラ２０は、タッチ位置検出制御を行う期間においては、複数の対向電極２１に対して１つずつ順次、センサ駆動信号を供給し、タッチ検出信号を取得する。コントローラ２０は、全ての対向電極２１からタッチ検出信号を取得する処理を、１２０Ｈｚのレートで行う。すなわち、コントローラ２０は、画像表示制御が全画素への書き込みを行う間に、全ての対向電極２１からのタッチ検出信号の取得処理を２回行う。

　コントローラ２０は、取得したタッチ検出信号をＲＡＭ（Random Access Memory）２５（図２参照）上の容量マップに書き込む。図２の例では、ＲＡＭ２５はコントローラ２０に内蔵されているが、コントローラ２０からアクセス可能な外部のＲＡＭを用いることも可能である。

　容量マップとは、図４に模式的に示すように、対向電極２１のそれぞれから読みだしたタッチ検出信号の値を格納したものである。図４では、１０行６列の対向電極２１から読みだした値を格納する容量マップの例を示すが、対向電極２１の数および配置はこの具体例にのみ限定されるものではない。容量マップの値は、タッチ検出信号の取得処理が行われる毎に、新しい値によって上書きされる。ただし、これに限らず、ＲＡＭ２５において容量マップを複数世代持つようにしても良い。

　タッチパネル一体型表示装置１０は、ＲＡＭ２５上に、前記容量マップの他に、キャリブレーションマップを備えている。キャリブレーションマップは、指等によるタッチがない状態において対向電極２１のそれぞれから読みだされたタッチ検出信号の値を、あらかじめ格納したものである。コントローラ２０は、容量マップの値とキャリブレーションマップとの値の差分を求め、求められた差分値が所定の値よりも大きい箇所について、タッチがあったものと判断する。

　さらに、タッチパネル一体型表示装置１０は、ＲＡＭ２５上に、図５に示すように、正極性用のキャリブレーションマップ（左側）と負極性用のキャリブレーションマップ（右側）との二種類のキャリブレーションマップを備えている。なお、図５に示したキャリブレーションマップはあくまで一例であって、マップに格納される値はこれに限定されない。キャリブレーションマップは、タッチパネル一体型表示装置１０の出荷前に個々の装置について適切な値を設定するようにしても良い。

　あるいは、タッチパネル一体型表示装置１０の動作時に、随時更新されるタッチ検出信号の値に基づいて、適切な値を算出してキャリブレーションマップの値を更新するようにしても良い。この態様によれば、動作時の環境温度等に起因する容量変化を校正することができる。すなわち、周辺温度等の変化に伴って、指等によるタッチが無い場合のタッチ検出信号の値は変化するので、毎回更新されるタッチ検出信号の値を複数世代にわたって記憶しておき、その平均を求める等の処理を行うことにより、動作環境に応じたキャリブレーションマップを得ることができる。

　前述のように、タッチパネル一体型表示装置１０では、画像表示の際にコントローラ２０からソース配線３３へ供給されるデータ信号は、１フレーム毎に極性が反転される。正極性用のキャリブレーションマップは、ソース配線３３へ正極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に検出されたタッチ検出信号のキャリブレーションに用いられる。負極性用のキャリブレーションマップは、ソース配線３３へ負極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に検出されたタッチ検出信号のキャリブレーションに用いられる。

　このように、正極性用と負極性用との二種類のキャリブレーションマップを備えたことによる効果を、以下に説明する。

　図６は、タッチパネル一体型表示装置１０の画素部の等価回路図である。図６に示すように、対向電極２１の容量ＣＯＭは、液晶および画素電極との間に形成される容量Ｃ１と、ソース配線３３との間に形成される容量Ｃ２との影響を受ける。容量Ｃ１は、液晶および画素電極に印加される電圧によって変動する。容量Ｃ２は、ソース配線３３に印加される電圧によって変動する。よって、正極性の場合と負極性の場合とで、容量Ｃ１および容量Ｃ２の値が異なる。

　さらに、対向電極２１の容量ＣＯＭは、ソース配線３３との容量カップリングの影響によっても変動する。そして、タッチ位置検出期間の直前のソース配線３３の電位変動が、タッチ位置検出期間の対向電極２１の容量ＣＯＭに影響を与える。さらに、図７に示すように、データ信号が正極性の場合と負極性の場合とにおいて、対向電極２１の容量ＣＯＭの変化の方向が異なる。図７はあくまでも一例であるが、図７の上図に示すように、データ信号が正極性であって、データ信号の階調が低階調から高階調へ変化する場合、対向電極２１とソース配線３３とのカップリングによって、容量ＣＯＭも正方向へ変化する。この反対に、図７の下図に示すように、データ信号が負極性であって、データ信号の階調が低階調から高階調へ変化する場合、正極性の場合とは逆に、容量ＣＯＭは負方向へ変化する。この結果、図７の上図と下図とを比較することからわかるように、タッチ位置検出期間において、対向電極２１から読みだされる静電容量（タッチ検出信号）の値は、直前の画像表示期間のデータ信号の極性によって、互いに異なる。

　図８は、あくまでも一例であるが、ソース配線３３へ正極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に検出されたタッチ検出信号の容量マップ（左側）と、負極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に検出されたタッチ検出信号の容量マップ（右側）とを示す。図８から明らかなように、これら二つの容量マップにおいて、同じ対向電極２１から検出されるタッチ検出信号の値に差がある。

　前述したように、本実施形態においては、図５に例示したような、正極性用と負極性用の二種類のキャリブレーションマップを用いる。正極性用のキャリブレーションマップには、ソース配線３３へ正極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に、指等がタッチしていない状態で検出されたタッチ検出信号の値が格納されている。負極性用のキャリブレーションマップには、ソース配線３３へ負極性のデータ信号が供給された画像表示期間の直後のタッチ位置検出期間に、指等がタッチしていない状態で検出されたタッチ検出信号の値が格納されている。

　図８に示した容量マップの値と、図５に示したキャリブレーションマップの値の差分を求めると、図９に示すような信号値が得られる。図９に示した例では、キャリブレーションが正常に行われている。一方、比較例として、データ信号が正極性・負極性のいずれであっても、例えば図１０に示すような単一のキャリブレーションマップを用いるものとすると、図８の容量マップに格納されたタッチ検出信号からは、図１１に示すような信号値が得られる。図１１に示した例では、キャリブレーションが正常にできず、ノイズが多い結果となっている。

　以上のとおり、本実施形態によれば、フレーム毎に極性が反転する画像表示制御を行うタッチパネル一体型表示装置１０において、極性反転に影響されずに、正しくタッチ検出を行うことができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係るタッチパネル一体型表示装置は、上述した実施形態の構成に限定されず、様々な変形構成とすることができる。例えば、上記の具体例では、ソース配線３３へ供給するデータ信号の極性をフレーム毎に反転する例をあげたが、液晶表示装置における極性反転の態様はこれに限定されない。

　また、図２においては、アクティブマトリクス基板１上にコントローラ２０が設けられた構成を例示したが、コントローラ２０はアクティブマトリクス基板１の外部（例えばフレキシブル基板上または外部の他の基板上）に設けられていても良い。

　また、上記の説明においては、正極性用のキャリブレーションマップと負極性用のキャリブレーションマップとを一つずつ備えた構成を例示したが、正極性用・負極性用のそれぞれについて、例えば異なる動作条件等に応じて、二つ以上のキャリブレーションマップを備えた構成としても良い。

　１０…タッチパネル一体型表示装置、１…アクティブマトリクス基板、２…対向基板、３…液晶層、２０…コントローラ、２１…対向電極、２２…タッチセンサ配線、２５…ＲＡＭ、３１…画素電極、３２…ゲート配線、３３…ソース配線、３５…コンタクト

Claims

　アクティブマトリクス基板と、
　前記アクティブマトリクス基板と対向する対向基板と、
　前記アクティブマトリクス基板及び前記対向基板に挟まれた液晶層とを備えたタッチパネル一体型表示装置であって、
　前記アクティブマトリクス基板が、
　互いに交差するゲート配線およびソース配線と、
　前記ゲート配線およびソース配線に接続された表示制御素子と、
　前記表示制御素子に接続された画素電極と、
　前記画素電極との間で静電容量を形成する複数の対向電極と、
　前記複数の対向電極のそれぞれに接続されたタッチセンサ配線とを備え、
　前記タッチパネル一体型表示装置は、さらに、
　画像表示制御とタッチ検出制御とを時分割して交互に行う制御部と、前記制御部が参照可能な記憶部とを備え、
　前記制御部は、前記画像表示制御を行う期間には、前記ゲート配線、前記ソース配線、および前記タッチセンサ配線へ、画像を表示するために必要な信号を供給し、前記タッチ検出制御を行う期間には、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極へセンサ駆動信号を出力し、前記タッチセンサ配線を介して前記対向電極からタッチ検出信号を受信し、
　前記制御部は、所定の周期で前記ソース配線に供給する信号の極性を反転させ、
　前記記憶部に、前記画像表示制御を行う期間に前記ソース配線に供給される信号の極性に対応した２つ以上のキャリブレーションマップを備えた、タッチパネル一体型表示装置。
　前記制御部が、複数回分のタッチ検出信号に基づいて前記キャリブレーションマップの値を更新する、請求項１に記載のタッチパネル一体型表示装置。