接触検出装置、表示装置および接触検出方法
【課題】静電容量式の接触検出装置のS/N比と検出精度の両方を高いレベルに維持させる。
【解決手段】走査方向に並ぶn個の駆動電極E1と、検出駆動走査部11と、複数の検出電極と、k個の電圧検出器DETとを有する。検出駆動走査部11は、n個の駆動電極E1から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を含む交流駆動電極ユニットEUを選択し、これを交流駆動する。検出駆動走査部11は、この選択対象を走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が選択対象に含まれるように繰り返す。各電圧検出器DETは、検出駆動走査部11がシフト動作を行うたびに、対応する検出電極E2の電位を所定の閾値Vtと比較する。
【解決手段】走査方向に並ぶn個の駆動電極E1と、検出駆動走査部11と、複数の検出電極と、k個の電圧検出器DETとを有する。検出駆動走査部11は、n個の駆動電極E1から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を含む交流駆動電極ユニットEUを選択し、これを交流駆動する。検出駆動走査部11は、この選択対象を走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が選択対象に含まれるように繰り返す。各電圧検出器DETは、検出駆動走査部11がシフト動作を行うたびに、対応する検出電極E2の電位を所定の閾値Vtと比較する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ユーザが指等で触れることにより情報入力が可能な静電容量式の接触検出装置と接触検出方法とに関する。また、本発明は、当該接触検出装置の機能を有する表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
いわゆるタッチパネルと呼ばれる接触検出装置が知られている。
一般に、接触検出装置は、検出面に対しユーザの指やペン等が接触し、あるいは、近接したことを検出する装置である。
【0003】
これに対しタッチパネルは、表示パネルに重ねて形成し、表示面に画像として各種のボタンを表示させることにより、通常のボタンの代わりとして情報入力を可能とする。この技術を小型のモバイル機器に適用すると、ディスプレイとボタンの配置の共用化が可能で画面の大型化、あるいは、操作部の省スペース化や部品点数の削減という大きなメリットをもたらす。
このように“タッチパネル”というとき、一般には、表示装置と組み合わされるパネル状の接触検出装置を指す。
しかしながら、タッチパネルを液晶パネルに設けると、液晶モジュールの全体の厚さが厚くなる。
【0004】
そこで、例えば特許文献1には、液晶表示素子の観察側基板とその外面に配置された観察用偏光板との間にタッチパネル用導電膜を設け、このタッチパネル用導電膜と偏光板の外面との間に、偏光板の外面をタッチ面とした静電容量型タッチパネルを形成したタッチパネル付き液晶表示素子が提案され、薄型化が図られている。
【0005】
静電容量式のタッチセンサは、複数の駆動電極と、当該複数の駆動電極の各々と静電容量を形成する複数の検出電極を有する。
センサ検出精度は駆動電極と検出電極の数に比例するが、検出電極とは別にセンサ出力線を設けると配線の数が膨大となる。したがって、検出電極をセンサ出力線としても機能させるために、複数の駆動電極の1つを交流駆動し、その交流駆動している駆動電極を、駆動電極が一定ピッチで並ぶ方向(以下、走査方向)にシフトする駆動法が主流となってきている。この交流駆動する駆動電極の一方向に走査する手法では、走査に追従して検出電極の電位変化を観察すると、電位変化があった走査時の位置から被検出物のタッチパネル面への接触または近接が検出できる。
【0006】
【特許文献1】特開2008−9750号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、例えば上記特許文献1に開示されるような静電容量式のタッチパネル、あるいは、当該タッチセンサの機能をもつ液晶表示素子では、検出電極の電位変化を検出する際のS/N比と検出精度(検出時の分解能)とがトレードオフの関係にある。
より詳細には、交流駆動する単位である駆動電極の面積が小さいと検出電極から出力される電位変化が小さく、S/N比が悪い。
一方で、駆動電極の面積を大きくすると、走査方向の駆動電極の幅が大きくなる。走査方向のタッチパネルの大きさ(パネル高さ)が一定とすると、駆動電極の幅が大きいほど、一定のパネル高さに収まる駆動電極数が減り、走査方向の分解能が低くなる。ここで分解能とは、被検出物を小さくしていったときに検出可能な被検出物の下限の大きさである。
【0008】
本発明は、表示装置に内蔵するか外付けするかを問わず、静電容量式の接触検出装置のS/N比と検出精度の両方を高いレベルに維持させるためのものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第1観点に関わる接触検出装置は、走査方向に並ぶn個の駆動電極と、当該n個の駆動電極を駆動する検出駆動走査部と、複数の検出電極と、複数の検出回路とを有する。
前記検出駆動走査部は、前記n個の駆動電極から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
前記複数の検出電極は、前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量を形成している。
前記複数の検出回路は、前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0010】
上記構成によれば、上述したようにして、検出駆動走査部がn個の駆動電極からm個の駆動電極を同時に交流駆動し、その駆動対象を走査方向内で変更するシフト動作を繰り返す。m個の駆動電極の組み合わせが変わるシフト動作のたびに、当該m個の駆動電極との間で静電容量が形成されている複数の検出電極にも交流電位変化が静電容量を介して伝達される。このとき検出電極に出現する交流電位変化の大きさは静電容量の大きさに依存し、静電容量が大きいほど大きな交流電位変化が得られる。
【0011】
ここで被検出物が幾つかの検出電極の近くに存在すると、その被検出物の容量(外部容量)の影響で、上記検出電極における変化後の交流電位が異なる値をとる。
複数の検出回路は、例えば、その閾値が外部容量の影響有りと影響無しが判別できるレベルに設定されているとする。すると、複数の検出回路のうち、被検出物の位置に対応する幾つかの検出回路の出力が、他の検出回路の出力と同じ論理値から反転する。反転が起きた検出回路と、その反転が生じたタイミングから得られる走査位置との関係から、被検出物の位置が判別できる。
【0012】
この動作では、上述したように駆動電極の個数、mを大きくすれば検出電極に出現する交流電位変化を大きくでき、このためS/N比が高い検出信号で被検出物の位置判別が可能である。ここで「mを大きくする」とは、駆動電極ごとに交流駆動する場合で言うと、駆動電極の走査方向の幅を大きくすることに相当する。
その一方で駆動電極m個分を1回のシフト量とする制御では、mが大きいほど被検出物の位置検出の精度が低くなる。ここで検出可能な被検出物の最小の大きさを分解能と呼ぶと、分解能は1回のシフト量に対応する。このことを駆動電極ごとに交流駆動する場合で言うと、「駆動電極の幅が大きいほど被検出物の位置検出の精度(分解能)が小さくなる」ことに相当する。
【0013】
第1観点の本発明では、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が選択対象に含まれるようにシフトを行う。このため、駆動電極m個分を1回のシフト量とする制御に比べると、位置検出精度が高い。
【0014】
上記第1観点では各シフト動作の前後で共通する駆動電極数に着目したが、同じことは、シフト量を規定する駆動電極数でも表現できる。
即ち、本発明の第2観点に関わる接触検出装置は、その検出駆動走査部が、前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0015】
上記第1観点または第2観点において、最も位置検出精度を上げるには、駆動電極1つ分を単位としてシフトを繰り返すとよい。このとき、検出駆動走査部は、連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が選択対象に含まれるようにシフトを行う。
【0016】
本発明では好適に、前記複数の検出回路の各々は、前記対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と超えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生する。この検出信号を時間サンプリングすると、そのサンプリングしたデジタル値の集合はビットマップを形成する。
本発明では好適に検出処理部を有する。検出処理部は、ビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する。この重心位置から、被検出物の位置判定が可能である。
検出処理部は、ビットマップ上でビット変化領域の範囲から被検出物の大きさを判定してもよい。検出処理部は、被検出物の位置と大きさの両方を判定してもよい。
【0017】
前述した第1観点または第2観点の接触検出装置を、駆動電極を表示のための対向電極と共用し、表示装置と一体に形成できる。
【0018】
本発明に関わる表示装置は、複数の画素電極と、n個の対向電極(接触検出装置の駆動電極に相当)と、複数の検出電極と、表示機能層と、検出駆動走査部と、複数の検出回路とを有する。
前記複数の画素電極は、画素ごとに設けられ、面状に行列配置されている。
前記n個の対向電極は、前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されている。
前記複数の検出電極は、前記n個の対向電極の各々との間に静電容量を形成している。
前記表示機能層は、互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する。
【0019】
前記検出駆動走査部は、第1観点においては、前記n個の対向電極から連続するm(2≦m<n)個の対向電極を選択し、当該選択したm個の対向電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
前記検出駆動走査部は、第2観点においては、前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の対向電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の対向電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0020】
前記複数の検出回路は、前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0021】
本発明の関わる接触検出方法は、以下の3つのステップを含む。
(1)駆動走査のステップ:
第1観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
第2観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0022】
(2)電位検出のステップ:
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0023】
(3)判定のステップ:
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、表示装置に内蔵するか外付けするかを問わず、静電容量式の接触検出時のS/N比と検出精度の両方を高いレベルに維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明の実施形態を、静電容量式の接触検出装置、および、当該接触検出の機能をもつ液晶表示装置を主な例として図面を参照して説明する。
【0026】
最初に、実施形態で前提となる事項として、図1〜図3を参照して、静電容量式接触検出の基本を説明する。
図1(A)と図2(A)はタッチセンサ部の等価回路図、図1(B)と図2(B)はタッチセンサ部の構造図(概略断面図)である。ここで図1は被検出物としての指がセンサに近接していない場合を、図2はセンサに指が近接または接触している場合を、それぞれ示す。
【0027】
図解するタッチセンサ部は、静電容量型タッチセンサであり、図1(B)および図2(B)に示すように容量素子からなる。具体的に、誘電体Dと、誘電体Dを挟んで対向配置する1対の電極、すなわち駆動電極E1および検出電極E2とから容量素子(静電容量)C1が形成されている。
図1(A)および図2(A)に示すように、容量素子C1の駆動電極E1が、ACパルス信号Sgを発生する駆動信号源Sに接続される。容量素子C1の検出電極E2は、電圧検出器DETに接続される。このとき検出電極E2は抵抗Rを介して接地されることで、DCレベルが電気的に固定される。
【0028】
駆動信号源Sから駆動電極E1に所定の周波数、例えば数[kHz]〜十数[kHz]程度のACパルス信号Sgを印加する。このACパルス信号Sgの波形図を図3(B)に例示する。
ACパルス信号Sgの印加に応じて、検出電極E2に、図3(A)に示す出力波形の信号(検出信号Vdet)が現れる。
【0029】
なお、詳細は後述するが、接触検出装置の機能を液晶表示パネル内に有する液晶表示装置の実施形態では、駆動電極E1が液晶駆動のための対向電極(画素電極に対向する、複数画素で共通の電極)に相当する。ここで対向電極は液晶駆動のため、いわゆるVcom反転駆動と称される交流駆動がなされる。よって、本発明の実施形態では、Vcom反転駆動のためのコモン駆動信号Vcomを、駆動電極E1をタッチセンサのために駆動するACパルス信号Sgとしても用いる。
【0030】
指を接触していない図1に示す状態では、容量素子C1の駆動電極E1が交流駆動され、その充放電にともなって検出電極E2に交流の検出信号Vdetが出現する。以下、このときの検出信号を「初期検出信号Vdet0」と表記する。検出電極E2側はDC接地されているが高周波的には接地されていないため交流の放電経路がなく、初期検出信号Vdet0のパルス波高値は比較的大きい。ただし、ACパルス信号Sgが立ち上がってから時間が経過すると、初期検出信号Vdet0のパルス波高値が損失のため徐々に低下している。図3(C)に、拡大した波形をスケールとともに示す。初期検出信号Vdet0のパルス波高値は、初期値の2.8[V]から高周波ロスによって僅かな時間の経過で0.5[V]ほど、低下している。
【0031】
この初期状態から、指が検出電極E2に接触、または、影響を及ぼす至近距離まで接近すると、図2(A)に示すように、検出電極E2に容量素子C2が接続された場合と等価な状態に回路状態が変化する。これは、高周波的に人体が、片側が接地された容量と等価になるからである。
この接触状態では、容量素子C1とC2を介した交流信号の放電経路が形成される。よって、容量素子C1とC2の充放電に伴って、容量素子C1,C2に、それぞれ交流電流I1,I2が流れる。そのため、初期検出信号Vdet0は、容量素子C1とC2の比等で決まる値に分圧され、パルス波高値が低下する。
【0032】
図3(A)および図3(C)に示す検出信号Vdet1は、この指が接触したときに検出電極E2に出現する検出信号である。図3(C)から、検出信号の低下量は0.5[V]〜0.8[V]程度であることが分かる。
図1および図2に示す電圧検出器DETは、この検出信号の低下を、例えば閾値Vtを用いて検出することにより、指の接触を検出する。
【0033】
《第1実施形態》
本実施形態では、表示パネルに外付け可能な静電容量式のタッチパネルを例として、本発明に関わる接触検出装置の実施形態を説明する。
【0034】
図4(A)〜図4(C)に、本実施形態に関わる接触検出装置の電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図を示す。また、図4(D)に、本実施形態に関わる接触検出装置を、液晶表示パネルの表示面側に外付けしたときの概略的な断面構造を示す。図4(D)は、例えば行方向(画素表示ライン方向)の6画素分の断面を表している。
【0035】
図4(D)では断面構造を見易くするために、対向電極、画素電極および検出電極についてはハッチングを付すが、それ以外の部分(基板、絶縁膜および機能膜等)についてはハッチングを省略している。このハッチングの省略は、これ以降の他の断面構造図においても同様である。
なお、図4(D)に示す液晶表示パネルの詳細は後述する他の実施形態で説明する。そのため図4(D)には、その説明で用いる符号を付しているが、本実施形態では液晶表示パネル自体の詳しい説明は省略する。
【0036】
図4(D)に示す液晶表示パネルは、画素の駆動のための信号が主に供給される基板(以下、駆動基板2という)と、駆動基板2に対向して配置された対向基板4と、駆動基板2と対向基板4との間に配置された液晶層6とを備えている。
本実施形態に関わる接触検出装置(以下、タッチパネル10という)は、接着層12を介して対向基板4上に貼られている。
タッチパネル10は、液晶表示パネル側の駆動電極E1と、駆動電極E1上に誘電体層14を介して重なる検出電極E2とを有する。検出電極E2上には保護層13が形成されている。
【0037】
「検出面13A」は、保護層13の最表面を指す。
図4(D)のようにタッチパネル10が液晶表示パネル1上に貼られた状態ではタッチパネル10を通して表示光がユーザ側に出射されるため、検出面13Aが表示面となる。
【0038】
駆動電極E1と検出電極E2は、図4(A)〜図4(C)に示すように、互いに直交する方向で分割されている。
ここで、検出面13Aをユーザ側から透視すると、図4(A)のように、所定数m本の駆動電極E1が配置されている。図4では、n本の駆動電極E1を符号“E1_1,E1_2,…,E1_m,…E1_n”により示している。ここで“m”は“n”より小さい2以上の整数である。
駆動電極E1_1〜E1_nは、比較的細い幅の帯形状を有し、互いに平行に配置されている。ここで、表示装置に外付けするタッチパネル10において、駆動電極の幅(走査方向のサイズ)は表示装置の画素サイズとは無関係に規定できる。駆動電極の幅を小さくすればするほど検出精度あるいは物体検出の解像度は高くなる。
【0039】
n分割された駆動電極E1_1〜E1_nは、m(2≦m<n)本で同時に駆動される。
同時駆動される駆動電極の束を、交流駆動電極ユニットEUと表記する。本実施形態では、1つの交流駆動電極ユニットEUが包含する駆動電極の数は一定の数mとする。また、駆動電極の組み合わせを一部重複しつつ変えながら、交流駆動電極ユニットEUが列方位にステップ状にシフトする。シフトの方向は図4(A)〜図4(C)の紙面の縦方向であり、この方向を走査方向と言う。また、連続した駆動電極の束として選択される駆動電極の組み合わせを一方にずらす動作を走査と称する。
【0040】
走査では、シフトごとに交流駆動電極ユニットEUとして選択される対向電極の組み合わせが変化する。
このとき、1回のシフトの前後で行われる連続する2回の選択で、1つ以上の駆動電極が重複して選択される。シフト量を駆動電極の数で表わすと、そのシフト量の範囲が1以上で(m−1)以下の駆動電極数に対応する。
【0041】
このような駆動電極の交流駆動電極ユニットEUを単位とする交流駆動の動作と、そのシフト動作は検出駆動走査部11により行われる。
ここでシフト量を最小の駆動電極1個分とすると、検出精度や被検出物の解像度を最も高くできるため望ましい。以下、この望ましい最小のシフト量を前提とする。この前提の下における検出駆動走査部11の動作は、「m本の駆動電極を同時に交流駆動する駆動信号源S(図1および図2参照)を列方向に移動して、選択する駆動電極を1つずつ変えながら列方向に走査する動作」に等しいとみなせる。図4(A)と図4(C)で駆動信号源Sから矢印を引いているのは、この信号源の走査を模式的に示すものである。
【0042】
これに対し、検出電極E2は、駆動電極E1とは直交する方向に長い平行ストライプ配置の所定数kの導電層から形成されている。以下、この平行ストライプ状の検出電極の各々を“検出線”と呼ぶ。図4では、この検出線を符号“E2_1〜E2_k”により示している。
【0043】
以上のように配置されたk本の検出線E2_1〜E2_kの一方端に、検出部8が接続されている。検出部8は、図1および図2に示す「検出回路」としての電圧検出器DETを基本検出単位とする。k個の検出線E2_1〜E2_kの各が、検出部8の対応する電圧検出器DETに接続されている。よって、各検出線からの検出信号Vdet(図3参照)が、電圧検出器DETで検出可能となっている。
【0044】
図5は、タッチ検出動作を行う検出部8の一構成例を、検出対象の位置を示す電極パターンとともに示す図である。
図5において、斜線により示す駆動電極E1_1〜mが駆動信号源Sに接続されて選択され、それ以外の駆動電極E1_m+1〜E1_m+4がGND電位で保持されている。駆動電極が選択された状態をオン状態、GND電位で保持された非選択の状態をオフ状態ともいう。なお、実際にはオン状態の駆動電極はm個(≧2)存在するため、図5に示す駆動電極E1_1〜mのみ、m個の駆動電極の総体を表している。
図5は、これらの駆動電極群に交差する、ある検出線E2_i(i=1〜k)に接続された電圧検出器DETと、駆動信号源Sの回路図を示している。検出線E2_iと各駆動電極との各交差部分に、(静電)容量素子C1_0〜C1_4が形成される。
【0045】
図5に図解する駆動信号源Sは、制御部91と、2つの出力スイッチSW(+),SW(-)と、ラッチ回路92と、バッファ回路(波形整形部)93と、出力スイッチSWとを有する。
制御部91は、プラス電圧V(+)とマイナス電圧V(-)を各々がスイッチする2つの出力スイッチSW(+),SW(-)と、出力スイッチSWとを制御する回路である。制御部91は、駆動信号源S内に設けなくとも、外部のCPU等で代用できる。
出力スイッチSW(+)はプラス電圧V(+)とラッチ回路92の入力との間に接続され、出力スイッチSW(-)はマイナス電圧V(-)とラッチ回路92の入力との間に接続されている。ラッチ回路92の出力はバッファ回路93を介して、出力スイッチSWのオン側ノードに接続されている。バッファ回路93はプラス電圧V(+)とマイナス電圧V(-)に、入力電位を電位補償して出力する回路である。
ここで出力スイッチSWは、制御部91により制御されて、当該駆動信号源Sをオン(選択状態あるいは活性状態)とするか、非活性のGND接続とするかを制御する。この制御部91の機能は他の駆動信号源Sとの制御と同期させる関係上、通常は、たとえば活性化する駆動信号源Sのグループをシフトして選択する信号を、シフトレジスタ等で順送りする等の構成によって実施される。
【0046】
(静電)容量素子C1_0〜C1_4が接続された検出線E2に、電圧検出器DETが接続されている。
図5に図解する電圧検出器DETは、OPアンプ回路81、整流回路82および出力回路83から構成される。
OPアンプ回路81は、OPアンプ84、抵抗R1とR2、および、容量C3により図示のように構成され、ノイズ除去のためのフィルタ回路を形成する。このフィルタ回路は抵抗の比等で増幅率が決まり、信号増幅回路としても機能する。
OPアンプ84の非反転入力「+」に検出線E2が接続され、ここから検出信号Vdetが入力される。検出線E2は、その電位のDCレベルを電気的に固定するために抵抗Rを介して接地電位に接続されている。OPアンプ84の出力と反転入力「−」との間に抵抗R2と容量C3が並列接続され、OPアンプ84の反転入力「−」と接地電位との間に抵抗R1が接続されている。
【0047】
整流回路82は、半波整流を行うダイオードD1と、充電キャパシタC4と、放電抵抗R0とを有する。ダイオードD1のアノードがOPアンプ回路81の出力に接続され、ダイオードD1のカソードと接地電位との間に、充電キャパシタC4と放電抵抗R0がそれぞれ接続されている。充電キャパシタC4と放電抵抗R0により平滑回路が形成される。
ダイオードD1のカソード(整流回路82の出力)電位が、出力回路83を介してデジタル値として読み出される。図5に示す出力回路83は、閾値と電圧比較を実行するコンパレータ85のみ示す。出力回路83はADコンバータの機能も有する。ADコンバータに関し、抵抗ラダー型や容量分割型などのタイプは任意である。出力回路83は、入力したアナログ信号をコンパレータ85によって閾値Vt(図3(A)参照)と比較する。コンパレータ85は、CPUなどの制御回路(不図示)の機能として実現してもよい。この比較結果が、タッチされたか否かを示す信号、例えばボタン操作の有無を示す信号として各種アプリケーションに利用される。
【0048】
コンパレータ85の参照電圧としての閾値Vtは、CPUなどの制御部によって変更可能である。コンパレータ85は、閾値Vtを用いて検出信号Vdetの電位を検出する。不図示のCPUなどを含む「検出処理部」は、検出した電位に基づいて被検出物の位置や大きさを判定可能である。非検出物の位置や大きさの判定のための処理、ならびに、判定の手法の詳細は後述する。
【0049】
つぎに、検出駆動走査部11による、m本の選択された駆動電源(交流駆動電極ユニットEU)のシフトおよび交流駆動について、図面を用いて説明する。
図6(A)に、画素表示ライン単位(書き込みユニットともいう)で分割された駆動電極E1_1〜E1_nを示す。図6(B)に、そのうちの最初の1本である駆動電極E1_1の駆動時におけるタッチセンサ部の等価回路図を示す。
図6(A)に示すように駆動電極E1_1は駆動信号源Sに接続されることによって交流駆動されている。このときタッチセンサ部は、既に説明したように図6(B)のような等価回路が形成される。ただし、ここでは容量素子C1_0〜C1_nの各静電容量値を“Cp”、検出電極E2に、容量素子C1_0〜C1_n以外に接続されている容量成分(寄生容量)を“Cc”、駆動信号源Sによる交流電圧の実効値を“V1”と表す。
このとき電圧検出器DETで検出される検出信号Vdetは、指が非接触のときは電圧Vs、指が接触のときは電圧Vfとなる。以下、電圧Vs,Vfをセンサ電圧という。
【0050】
非接触時のセンサ電圧Vsは、図6(C)のような式によって表される。この式から、駆動電極E1の分割数nが大きいと、その分、各静電容量値Cpは小さくなる。図6(C)の式の分母は“nCp”がほぼ一定なため余り大きな変化がないが、分子が小さくなる。よって、駆動電極E1の分割数nが大きくなるにしたがって、センサ電圧Vsの大きさ(交流の実効値)も小さくなる。
したがって、S/N比をある程度大きくするためには、分割数nを余り大きくできない。
【0051】
一方、分割数nが小さく、1つの駆動電極E1_1の面積が大きいと、被検出物の検出精度が低下する。
そこで、本実施形態では前述したように、分割数は大きくして個々の駆動電極の幅(走査方向の長さ)を小さくするが、複数の駆動電極を同時に交流駆動する。また、一部の駆動電極は、2回連続して選択する。これにより、分割数nが大きくなることによるセンサ電圧の低下(S/N比の低下)と、高い検出精度の確保とを同時に達成する。
【0052】
図7に、交流駆動とシフトの動作説明図を示す。
図7において斜線により示す7本の対向電極により交流駆動電極ユニットEUが構成されている。図7(A)〜図7(C)は、交流駆動電極ユニットEUを1つの駆動電極を単位として列方向にシフトさせたときの選択範囲の推移を示す。
図7(A)の時間T1では、最初の1つの駆動電極は非選択であるが、2番目から8番目の駆動電極が選択されて同時に駆動信号源Sで交流駆動されている。次のサイクル(時間T2)では、1つの駆動電極分シフトし、1番目と2番目の2つの駆動電極が非選択、3番目以降の7つが選択、その他が非選択となっている。さらにその次のサイクル(時間T3)では、さらに1つの駆動電極分シフトし、1〜3番目の駆動電極が非選択、4番目以降の7つが選択、その他が非選択となる。
以後、同様にシフトと交流駆動を繰り返す。
【0053】
この動作により、図6(C)に示した式におけるnの値は、実際の分割数の1/7に低減されてセンサ電圧Vsの実効値がその分、大きくなる。一方、図7に示すように、選択グループ(交流駆動電極ユニットEU)に新たに含まれ、それに変わって含まれなくなる単位(シフト量)が1つの駆動電極である。よって、交流駆動電極ユニットEUのシフト量が最小の単位で移動し、そのたびに検出信号Vdetが出力される。このため、検出信号Vdetと閾値Vtの比較が頻繁に行われ、駆動電極の分割数nを上げただけ高い検出精度が得られる。
【0054】
<判定手法の基本概念>
つぎに、検出信号Vdetと閾値Vtの比較結果に基づく、位置や大きさの判定手法の基本的概念について図8を用いて説明する。
図8(A)に、走査方向(Y軸方向)の位置座標における駆動電極や交流駆動電極ユニットEUの幅を示す。
交流駆動電極ユニットEUのY軸方向の幅を、以下、「ボーダ(boarder)幅B」と呼ぶ。ここで駆動電極E1の幅を“b”とすると、ボーダ幅Bに含まれる駆動電極数mであるから、B=m×bとなる。
【0055】
図8(B)に、ボーダ幅Bの交流駆動電極ユニットEUを駆動電極幅bのシフト量で交流駆動することにより、1フレームの画面を走査するときの動作を模式的に示す。
1つの交流駆動と次の交流駆動の開始時間の時間間隔は任意である。後述する表示装置と連動する場合、この時間間隔は、例えば1水平表示期間(1H)とすることができる。この場合、1フレームが16.7[msec]であるため、Y軸方向の駆動電極数nとボーダ幅B内の駆動電極数mとによって、1フレーム内に切り替える交流駆動電極ユニットEUの数(ボーダ数)は決められる。
【0056】
図8(C)に、図5に示すコンパレータ85の出力波形の例と、被検出物の位置や大きさの判定手法の概略を示す。この判定は、図5には図示を省略した、CPU等を含む「検出処理部」によって行われる。
【0057】
図8(C)に示す例では全部で18回の交流駆動シフトが行われ、そのうち最初の3回までは、図5に示すコンパレータ85の出力ビットが、初期レベル(オフレベル)のままである。3回目と4回目の交流駆動間で生じるコンパレータ85の入力変化が、閾値Vtのレベルを跨いで起こる。このため、コンパレータ85の出力ビットが、オフレベルからオンレベルに変化する。コンパレータ85の出力ビットがオフからオンに変化したタイミングは、最初の交流駆動から何回目の交流駆動かによって決まってくる。つまり、1回の交流駆動の時間幅は予め決められているので、最初の交流駆動時(走査開始時)からの時間をカウントすることで、出力ビット変化が何回目の交流駆動時に生じたかを確認できる。出力ビット変化はボーダ幅Bの中心で生じたと仮定する。走査開始から出力ビット変化が生るまでのボーダ数とボーダ幅Bとの関係から、出力ビットがオフからオンに変化したY軸上の位置(以下、第1のエッジ位置Ysという)が求まる。
【0058】
図8(C)の例では、出力ビットがオフからオンに変化したボーダ(交流駆動電極ユニットEU)から数えて、さらに4つ目のボーダで出力ビットがオンから初期状態のオフに戻る。出力ビットがオンからオフに戻ったときのボーダ幅B中心で、当該出力ビット変化が生じたと仮定する。
上記第1のエッジ位置Ysと同様にして、走査開始から当該出力ビット変化が生るまでのボーダ数とボーダ幅Bとの関係から、出力ビットがオンからオフに戻ったY軸上の位置(以下、第2のエッジ位置Yeという)が求まる。
【0059】
CPU等を含む不図示の「検出処理部」は、この第1のエッジ位置Ysと第2のエッジ位置Yeをそれぞれ計算により求める。そして、被検出物の中心位置Yaを、Ya=(Ye+Ys)/2により求める。また、被検出物のY軸方向の大きさWを、W=(Ye−Ys)により求める。
なお、閾値Vtの取り方によって、上記方法で求めた被検出物(本例では指)の大きさWを、被検出物のY軸方向の実際の大きさAと、ほぼ一致させることができる。逆に言うと、「検出処理部」は、被検出物が指なのかスタイラスペンなのかに応じて、このように大きさが一致するように、予め閾値Vtを個々に求めておく。また、「検出処理部」は、大きさWの絶対値から推定される被検出物の種類、例えば指かスタイラスペンかの違いに応じて、コンパレータ85に出力する上記閾値Vtを変えるようにしてもよい。
【0060】
図9に、判定手法の基本的概念で、より具体的な数値を定めた例を示す。
図9(A)にボーダ幅、ボーダのシフト量および指の大きさの例を示す。ここでは、ボーダ幅Bが10[mm]、シフト量(駆動電極の幅)bが0.1[mm]、指のY軸方位の大きさAが5[mm]であるとする。また、ボーダの移動範囲がY軸原点から最大60[mm]とする。
【0061】
図9(B)は、閾値設定の具体例を模式的に示す図である。この図9(B)のように、走査の途中で最初に、ボーダ幅Bsにすっぽりと被検出物(指)が含まれるようになったときにコンパレータ85の出力ビットがオフからオンに変化するように閾値Vtを設定する。このように設定された閾値Vtの下では、ボーダ幅Beにすっぽりと指が含まれた状態から外れる瞬間にコンパレータ85の出力ビットがオンからオフに変化する。
【0062】
ここで、図9(B)の閾値Vtを定義したときのボーダ幅Bsの後方(原点側)エッジ座標が画素電極22.5[mm]、前方エッジ座標が12.5[mm]であるとする。また、出力ビットがオフに戻るときのボーダ幅Beの後方エッジ座標が17.5[mm]、前方エッジ座標が27.5[mm]であるとする。
このとき出力ビットがオンするときの第1のエッジ位置Ysはボーダ幅Bsの中心座標であり、図9(C)のようにYs=17.5[mm]と計算される。同様に、出力ビットがオフに戻るときの第2のエッジ位置Yeはボーダ幅Beの中心座標であり、図9(C)のようにYe=22.5[mm]と計算される。
この場合、被検出物(指)の中心位置Yaは、Ya=(Ye+Ys)/2=20[mm]と計算される。また、被検出物(指)のY軸方向の大きさWは、W=(Ye−Ys)=5[mm]となり、実際の指の大きさAと一致する。
【0063】
以上のようにして、被検出物の走査方向の中心座標と大きさを正確に測定することができる。
Y軸と直交するX軸方向の解像度は、図4(B)や図4(C)に示す検出線E2の数kと、検出線に1:1で接続される電圧検出器DETの数を増やすだけで、原理的にはいくらでも高くすることが可能である。
以上より、本実施形態の駆動および接触検出の方法を用いることで非常に細かい位置検出が可能となる。
【0064】
なお、上記説明では電圧検出器DETがタッチパネル10に備えられていることを前提とするが、タッチパネル10の外に電圧検出器DETを設けることもできる。
前者の場合、タッチパネル10を本発明の「接触検出装置」の実施例としてよい。一方、後者の場合、タッチパネル10とその外部の電圧検出器DETとを含む範囲が本発明の「接触検出装置」の実施例となる。
【0065】
以上の記載から、本実施形態に関わる接触検出装置の接触位置検出ならびに駆動の方法は、以下の3つのステップを含む方法の一例である。
(1)駆動走査のステップ:
第1観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
第2観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0066】
(2)電位検出のステップ:
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0067】
(3)判定のステップ:
得られた比較結果から、n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する。
【0068】
<検出処理の具体的手法>
以上の基本概念では「逐次、閾値Vtとの比較を行い、その出力波形がオンしてからオフする時間をクロックカウンタ等で計測し、その計測結果から被検出物の位置や大きさを求める」といった具体的手法が容易に思いつく。
しかしながら、そのような具体的手法では、走査方向の位置や大きさの検出ができても、走査方向と直交する検出線の配列方向(X座標方向)の検出ができない。したがって、検出線の配列方向(X座標方向)でのリアルタイム処理を行うには別の検出アルゴリズムが必要となる。
【0069】
以下に述べるビットマップを用いた検出処理の具体的手法(以下、ビットマップ検出処理という)は、Y座標方向のみならず、X座標方向もリアルタイムで判定可能な手法である。
【0070】
図10は、ビットマップ検出処理の実行手段として、検出部8に接続された「検出処理部」の具体的構成例を示すブロック図である。図11は、ビットマップ検出処理の主な手順を示すフローチャートである。また、図12は、ビットマップ展開例を示す模式図である。
【0071】
図10に示すように、「検出処理部」は、電圧検出器DETがX方向に並ぶ検出部8の出力波形からサンプリングによりビット情報を発生するサンプリング部86を有する。また、「検出処理部」は、サンプリング部86が発生したビット情報を、メモリ空間に展開しビットマップを作成する画像メモリ87と、CPU等の制御部88とを有する。制御部88は、検出部8、サンプリング部86、画像メモリ87を制御する手段である。制御部88を、これらを含む接触検出装置全体を制御する手段としてもよい。
ここで、画像メモリ87にサンプリング部86から入力されるビット情報は、例えば、電圧検出器で閾値Vtより大きいと判断されたドットを“1”、閾値Vt以下と判断されたドットを“0”で表す。
【0072】
図12に示す例では、接触検出装置1の検出面の離れた2箇所に指先が接触している。
以下、この接触例を用いて、図11に沿って処理内容を説明する。
【0073】
図11のステップST1では、図10に示すサンプリング部86が2値化を行い、これを順次画像メモリ内に展開し、記憶させることによってビットマップBMを作成する。
ビットマップBMは、図12の例では1つのドット(あるいはビット)が1つの格子に該当し、白抜きの格子が“0”、グレーの格子が“1”のビットの集合から形成されている。被検出物である指が接触検出装置1に接触または近接していない場合の初期状態では、ビットマップBM全体が白抜きの格子からなる全ビット“0”の状態である。
【0074】
この状態から、指の接触によって、その接触に対応した部分の領域がビット変化する。図12の例では、1つ目の指の接触により発生するビット変化領域を符号“BMRe1”により表し、2つ目の指の接触により発生するビット変化領域を符号“BMRe2”により表わしている。
【0075】
図11のステップST2では、作成されたビットマップBM上の処理で、ビット変化領域の識別を行う。この処理はラベリング処理と呼ばれ、主に制御部88によって実行される。
ラベリング処理後は、ビット変化領域BMRe1とBMRe2の識別番号等によって別の領域(被接触物)であることが区別される。例えば、図12に模式的に示すように、ビット変化領域BMRe1とBMRe2は、識別番号“1”と“2”が割り当てられる。
【0076】
なお、領域形状に応じて被接触物かどうかを判別してもよい。ビット変化領域の形状が指やペン先かどうか分からない複雑な領域形状の場合、ビット変化領域とは判定しないようにしてもよい。この場合、意図的に接触したものでなく、例えば手の平や甲が意図しないで触れてしまったような場合には、以後の処理を中止してもよい。
このように領域形状の判断ステップを入れて、処理の継続か中止かを決めると、無駄な処理による電力の消費やハードウエアの負担を軽減することができる。
【0077】
図11の次のステップST3では、被検出物の位置と大きさの少なくとも一方が判定される。ここでは、ステップST3が、位置を判定するステップST3Aと、大きさを判定するステップST3Bとからなる。ステップST3AとST3Bの内容は図示のものと逆でもよい。
【0078】
ステップST3Aでは、識別番号等を指標として得られる1つのビット変化領域ごとに、X方向、Y方位のそれぞれで重心位置を求める。重心計算は、例えば、ビット変化領域のXアドレスとYアドレスの各々に対して、アドレスの平均を求めることで実行できる。
これによりビット変化領域の重心座標が求まり、これを被接触物の接触位置と判定する。
【0079】
ステップST3Bでは、ビット変化領域の範囲から、被検出物の大きさを求める。大きさは、X方向の最大サイズ、Y方向の最大サイズから表現したものでもよいし、ビットマップ上の最大サイズ(斜め方向の場合も含む)を求めてもよい。
【0080】
以上のビットマップ処理では、閾値と比較して得られる検出情報を、一旦メモリ空間に展開してから処理により、位置と大きさを求める。あるフレームに対して閾値と比較している間に、前回のフレームの接触位置や大きさの判定を行うようにすれば、リアルタイム処理が可能である。また、X方向とY方向でほぼ同時に位置や大きさの判定ができる。また、斜め方向の最大サイズなども容易に求まる。
なお、リアルタイム性を確実にするには、メモリ空間を必要量の2倍用意し、その半分にビットマップを作成している間に、他の半分に対して、既に作成されているビットマップから被検出物の位置や大きさを判定する処理を実行するようにしてもよい。
【0081】
ここで、以上の第1実施形態により示される接触検出の方法の利点を、比較例を挙げて説明する。
【0082】
<比較例>
図13に、本実施形態に関わる図5に示す回路に対する比較例を示す。
図13に示す駆動検出回路100は、図5と同一符号の(静電)容量素子C1_0に対する駆動と保持電位変化の検出を行う回路である。この駆動検出回路100は、電流源101と、スイッチSWTと、コンパレータ102と、パルス変調回路(PWM)103と、タイマ回路104とを有する。
【0083】
容量素子C1_0の一方電極に電流源101が接続され、これにより充電が行われる。スイッチSWTは容量素子C1_0の一方電極と他方電極間に接続されて、容量素子C1_0の放電経路の形成を制御する。スイッチSWTはコンパレータ102の出力に応じて制御される。
コンパレータ102は、容量素子C1_0の一方電極の充電電位を基準電位VBGと比較してパルスを発生する回路である。容量素子C1_0の一方電極の充電が進み、その電位が基準電位VBGを超えるとコンパレータ102の出力にパルスが立ち上がる。しかし、コンパレータ102の出力がハイレベルとなるとスイッチSWTがオンして放電が開始される。よって、コンパレータ102の出力パルスは直ぐに終了する。
【0084】
回路構成上、この充電と放電は交互に発生するため、コンパレータ102からは一定周期の連続パルスが出力される。このパルスはPWM103の入力クロックとして用いられている。PWM103は、入力パルス(“1”と表記)をパルス幅変調する回路であり、その出力パルス幅は入力クロックに応じて変化する。PWM103の出力はタイマ回路104のイネーブル端子に入力されている。タイマ回路104は、イネーブル期間の時間を、入力されるシステムクロックSYSCLKの周期を単位として計測する。
【0085】
ここで、指(被検出物)の接近により容量素子C1_0は、その容量値がΔCだけ上昇する。すると、単位時間当たりに容量素子C1_0を充電する速度が見かけ上低下する。したがって、コンパレータ102から出力されるパルスの幅がΔCに応じて大きくなる。このためPWM103の入力クロック周波数が低下し、PWM103からの出力パルスの幅が大きくなる。よって、タイマ回路104の計測時間も、その分大きくなる。
【0086】
このように構成され動作する、静電容量式タッチセンサの駆動検出回路100は、数十回〜数百回のパルス発生を待って1回の接触検出を行う。したがって、駆動検出回路100は、その動作原理上、1つのボーダ幅の駆動時間は比較的長い。逆に言うと、駆動検出回路100は、比較的長い時間の接触検出を監視することで、接触ありを確実に検出するための回路構成となっている。したがって、駆動検出回路100は、電灯のスイッチなどの意図的な接触を確実に検出し、短い意図しない接触は無視するなどの用途に向いている。
一方で、例えば表示パネルの表示内容と連動した高度な情報入力の用途に対しては、駆動検出回路100は接触検出の応答性が悪く、不向きである。
【0087】
本実施形態で説明した駆動検出の回路および手法は、微細な被検出物の検出をする検出精度を上げても、検出信号Vdetの波高値を下げないで済み、むしろ大きくできる。このため、接触検出のための電位比較を図10のように何十〜何百回もする必要がなく、1交流駆動ごとに1回の電位比較でよい。よって、本実施形態では、電位変化から被検出物の有無や位置の判定までの時間が非常に短く、応答性がよい接触検出装置を提供できるという利点がある。
【0088】
《第2実施形態》
第2実施形態では、タッチセンサの検出電極(表示面側で指等が近接する電極)よりパネル内部に設けられ、検出のための静電容量を検出電極との間に形成する駆動電極を、液晶制御のための電極と兼用する。この電極は検出電極と画素電極の双方に対向するように設けることが好ましいため、以下、単に「対向電極」と称する。
【0089】
一方、液晶制御のための電極としては、液晶層などの表示機能層に対して電界を印加するために複数の画素に共通に設けられた共通電極(いわゆるVcom駆動電極)が、画素ごとの画素電極と対向して用いられる。液晶表示制御において、共通電極に与えるコモン駆動信号Vcomは信号電圧の基準となる電圧である。よく知られている低消費電力駆動では、使用する電圧の絶対値をほぼ半減するための方法として、コモン駆動信号VcomをACパルス駆動する。また、この交流駆動は、液晶の特性低下防止のためにも有効である。
本実施形態では、例えば、液晶等を制御のためにACパルス駆動といった交流で駆動されるコモン駆動信号Vcomを、タッチセンサの駆動電圧としても利用するものである。別の言い方をすると、上記タッチサンサの対向電極を、液晶駆動の共通電極と共用する。
【0090】
ここで、当然ながら、対向電極の交流駆動は、Vcom駆動に適合したものでなければならず、これが表示駆動のための要請である(第1の要請)。
【0091】
また、タッチセンサは指等が表示装置の表示面に接近または接触したことを単に検出するのみならず、その指などの表示面内での操作位置を検出することが望ましい。例えば複数のボタンの画像を表示した場合、どのボタンが操作されたかを検出する必要がある。このために、表示駆動の共通電極とタッチセンサの駆動電力を兼ねる電極(対向電極)を、複数に分割する。これは、表示画素ラインの駆動に支障のない範囲で、どの対向電極に静電容量変化が発生したかによって操作位置の検出を行うためである。
より詳細には、表示駆動のために走査の対象となっている画素ラインを含む領域に位置する、分割された一の対向電極のみACパルス駆動する。そして、表示駆動をする画素ラインを移動(走査)させることにともなって、接触検出のためにACパルス駆動すべき対向電極を移動(走査)させる。この表示駆動と接触検出のためのACパルス駆動の対象を走査する最中、静電容量変化を監視し、第1実施形態と同様に、閾値Vtを用いた指などの位置判定も可能である。
以上が、表示制御の共通電極とセンサ駆動電極とを共用した場合に、タッチセンサの位置検出のための要請である(第2の要請)。
【0092】
さらに、上記第2の要請を満たすために、タッチセンサの電極駆動が画面内の一部に対して行われる場合、以下の不都合が発生する可能性がある。
対向電極の端に最も近い画素ラインが表示されて、次の画素ラインへ走査が移行するときは、それにともなって対向電極のACパルス駆動を、隣の対向電極側へ切り替える操作も行われる。そのため、微妙な駆動電圧の変動が画素ラインの表示に影響する。つまり、表示画面全体では、対向電極の境目がわずかに線として見える画質低下の懸念がある。
【0093】
その一方で、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、画素ラインごとの表示駆動ごとに、ACパルス駆動する対向電極も切り替わる。このとき、どの画素ラインにとっても対向電極のACパルス駆動が切り替わる条件が等しいため、境目の線は見えにくい。また、画素電極の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの駆動周波数に近い。このため、画素ラインごとに対向電極を設けた場合は、仮に微妙な駆動電圧の変動があっても人の目には見にくい。
【0094】
さらに、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、タッチセンサとしての列方向の分解能は高くなる。しかし、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、共通電極のコモン駆動信号Vcomが静電容量を介して検出電極に伝達された電圧(センサ電圧Vs)が小さくなるため、ノイズの影響を受けてS/N比が低下する。
以上より、タッチセンサの位置検出のために対向電極を分割して順次、駆動すると、駆動対象の対向電極が切り替わる線が見えて画質が低下することと、センサ電圧Vsの大きさ確保(S/N比確保)とが相反するトレードオフの関係にある。また、タッチセンサとしての分解能を高めることと、S/N比の確保ともトレードオフの関係にある。
このトレードオフの克服または緩和は、センサ駆動電極と表示駆動の共通電極とを共用する場合に要求される、第3の要請である。
【0095】
以下に説明する2つの実施形態は、上記第1〜第3の要請の1つ以上を満たすための、対向電極の構造とその駆動法を含む。
ただし、第1実施形態と同様に、対向電極(駆動電極に相当)から出力されるアナログの検出信号Vdetを閾値Vtを用いて比較する検出手法は、以下に述べるどの実施形態でも共通する。また、図1〜図3を用いて既に説明した静電容量式接触検出の基本は、以下の実施形態でも同じである。図5に示す検出駆動走査部11(以下の実施形態では、Vcom駆動回路9と呼ぶ)の基本構成、ならびに、検出部8の基本構成は、第1実施形態と共通する。図6と図7に示す分割数と検出精度の関係やシフトの仕方も、本実施形態において「駆動電極」を「対向電極」と読み替えることによって適用できる。図8および図9に示す被検出物の位置や大きさの判定手法も、第2実施形態において同様に適用できる。さらに、図10〜図12を用いて説明したビットマップ検出処理が適用可能なことも第1実施形態と同じである。
【0096】
以下、主に、第1実施形態と異なる点を中心として表示装置の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図14(A)〜図14(C)に、本実施形態に関わる表示装置の電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図を示す。また、図14(D)に、本実施形態に関わる表示装置の概略的な断面構造を示す。図14(D)は、例えば行方向(画素表示ライン方向)の6画素分の断面を表している。図15は、画素の等価回路図である。
図14に図解する表示装置は、「表示機能層」としての液晶層を備える液晶表示装置である。
【0097】
液晶表示装置は、前述したように、複数の画素で共通な電極として、各画素ごとに階調表示のための信号電圧に対し基準電圧を付与するコモン駆動信号Vcomが印加される電極(対向電極)を有する。本発明の実施形態では、この対向電極をセンサ駆動のための電極としても用いる。
【0098】
液晶表示パネル1は、図15に示す画素PIXがマトリクス配置されている。
各画素PIXは、図15に示すように、画素のセレクト素子としての薄膜トランジスタ(TFT;thin film transistor、以下、TFT23と表記)と、液晶層6の等価容量C6と、保持容量(付加容量ともいう)Cxとを有する。液晶層6を表す等価容量C6の一方側の電極は、画素ごとに分離されてマトリクス配置された画素電極22であり、他方側の電極は複数の画素で共通な対向電極43である。
【0099】
TFT23のソースとドレインの一方に画素電極22が接続され、TFT23のソースとドレインの他方に信号線SIGが接続されている。信号線SIGは不図示の垂直駆動回路(後述の実施形態に関わる図14参照)に接続され、信号電圧を持つ映像信号が信号線SIGに垂直駆動回路から供給される。
対向電極43には、コモン駆動信号Vcomが与えられる。コモン駆動信号Vcomは、中心電位を基準として正と負の電位を、1水平期間(1H)ごとに反転した信号である。
TFT23のゲートは行方向、即ち表示画面の横方向に並ぶ全ての画素PIXで電気的に共通化され、これにより走査線SCNが形成されている。走査線SCNは、不図示の垂直駆動回路から出力され、TFT23のゲートを開閉するためのゲートパルスが供給される。そのため走査線SCNはゲート線とも呼ばれる。
【0100】
図15に示すように、保持容量Cxが等価容量C6と並列に接続されている。保持容量Cxは、等価容量C6では蓄積容量が不足し、TFT23のリーク電流などによって書き込み電位が低下するのを防止するために設けられている。また、保持容量Cxの追加はフリッカ防止や画面輝度の一様性向上にも役立っている。
【0101】
このような画素が配置された液晶表示パネル1は、断面構造(図14(D))で見ると、断面に現れない箇所で図15に示すTFT23が形成され画素の駆動信号(信号電圧)が供給される駆動基板2を備えている。また、液晶表示パネル1は、駆動基板2に対向して配置された対向基板4と、駆動基板2と対向基板4との間に配置された液晶層6とを備えている。
【0102】
駆動基板2は、図15のTFT23が形成された回路基板としてのTFT基板21(基板ボディ部はガラス等からなる)と、このTFT基板21上にマトリクス配置された複数の画素電極22とを有する。
TFT基板21に、各画素電極22を駆動するための図示しない表示ドライバ(垂直駆動回路、水平駆動回路等)が形成されている。また、TFT基板21に、図15に示すTFT23、ならびに、信号線SIGおよび走査線SCN等の配線が形成されている。TFT基板21に、タッチ検出動作を行う電圧検出器DET(図5参照)が形成されていてもよい。
【0103】
対向基板4は、ガラス基板41と、このガラス基板41の一方の面に形成されたカラーフィルタ42と、カラーフィルタ42の上(液晶層6側)に形成された対向電極43とを有する。カラーフィルタ42は、例えば赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のカラーフィルタ層を周期的に配列して構成したもので、画素PIX(または画素電極22)ごとにR、G、Bの3色の1色が対応付けられている。なお、1色が対応付けられている画素を「サブ画素」といい、R、G、Bの3色のサブ画素の集合を「画素」という場合があるが、ここではサブ画素も「画素PIX」と表記する。
対向電極43は、タッチ検出動作を行うタッチセンサの一部を構成するセンサ駆動電極としても兼用されるものであり、図1および図2における駆動電極E1に相当する。
【0104】
対向電極43は、コンタクト導電柱7によってTFT基板21と連結されている。このコンタクト導電柱7を介して、TFT基板21から対向電極43に交流パルス波形のコモン駆動信号Vcomが印加されるようになっている。このコモン駆動信号Vcomは、図1および図2の駆動信号源Sから供給されるACパルス信号Sgに相当する。
【0105】
ガラス基板41の他方の面(表示面側)には、検出電極44(44_1〜44_k)が形成され、さらに、検出電極44の上には、保護層45が形成されている。検出電極44は、タッチセンサの一部を構成するもので、図1および図2における検出電極E2に相当する。ガラス基板41に、タッチ検出動作を行う電圧検出器DET(図5参照)が形成されていてもよい。
【0106】
液晶層6は、「表示機能層」として、印加される電界の状態に応じて厚さ方向(電極の対向方向)を通過する光を変調する。液晶層6は、例えば、TN(ツイステッドネマティック)、VA(垂直配向)、ECB(電界制御複屈折)等の各種モードの液晶材料が用いられる。
【0107】
なお、液晶層6と駆動基板2との間、および液晶層6と対向基板4との間には、それぞれ配向膜が配設される。また、駆動基板2の反表示面側(即ち背面側)と対向基板4の表示面側には、それぞれ偏光板が配置される。これらの光学機能層は、図4で図示を省略している。
【0108】
対向電極43は、図14(A)に示すように、画素配列の行または列、本例では列の方向(図の縦方向)に分割されている。この分割の方向は、表示駆動における画素ラインの走査方向、すなわち不図示の垂直駆動回路が走査線SCNを順次活性化していく方向と対応する。
対向電極43は、駆動電極を兼ねることに基づく必要性から、合計でn個に分割されている。よって、対向電極43_1,43_2,…,43_m,…,43_nは、行方向に長い帯状のパターンを有して面状配置され、当該面内で互いの離間距離をとって平行に敷き詰められている。
【0109】
n分割された対向電極43_1〜43_nは、少なくとも2以上のm(<n)本で同時に駆動される。つまり、m本の対向電極43_1〜43_mに同時にコモン駆動信号Vcomが印加されて、その電位が反転を1水平期間(1H)ごとに繰り返す。そのとき、他の対向電極は、駆動信号が与えられないため電位変動しない。この同時駆動される対向電極の束が、第1実施形態と同様な交流駆動電極ユニットEUを構成する。
本実施形態で、交流駆動電極ユニットEUごとに対向電極の数は一定の数mとする。また、交流駆動電極ユニットEUが、その束ねる対向電極の組み合わせを変えながら列方位にステップ状にシフトする。つまり、シフトごとに交流駆動電極ユニットEUとして選択される対向電極の組み合わせが変化する。そして、2回のシフトでは1つの、分割された対向電極のみが選択から外れ、代わりに、分割された対向電極が新たに選択される。
【0110】
このような対向電極の交流駆動電極ユニットEUを単位とするVcom駆動と、そのシフト動作は、不図示の垂直駆動回路(書き込み駆動走査部)内に設けられた、「検出駆動走査部」としてのVcom駆動回路9により行われる。Vcom駆動回路9の動作は、「m本の対向電極の配線を同時にVcom交流駆動する駆動信号源S(図1および図2参照)を列方向に移動して、選択する対向電極を1つずつ変えながら列方向に走査する動作」に等しいとみなせる。
【0111】
一方、検出電極44は、対向電極43の電極パターン(対向電極43_1〜43_n)の分離方向に延びる複数のストライプ状の電極パターン(検出電極44_1〜44_k)から構成されている。k個の検出電極44_1〜44_kから、それぞれ検出信号Vdetが出力される。これらk個の検出信号Vdetが、図1および図2に示す電圧検出器DETを基本検出単位とする、検出部8に入力されるようになっている。
【0112】
なお、図14(A)と図14(B)は電極パターン説明のために分けた図であるが、実際には、図14(C)のように対向電極43_1〜43_nと検出電極44_1〜44_kとは重ねて配置され、2次元平面内の位置検出が可能になっている。
この構成によって、検出部8は、どの電圧検出器DETに電圧変化が生じたかで行方向の位置が検出でき、その検出時のタイミングによって列方向の位置情報を得ることができる。つまり、Vcom駆動回路9のVcom駆動と検出部8の動作が、例えば所定周期のクロック信号で同期しているとする。このような同期動作によって、検出部8が電圧変化を得たときが、Vcom駆動回路9が分割された、どの対向電極を駆動していたときに対応するかが分かるため、指の接触位置中心を検出できる。このような検出動作は、液晶表示パネル1全体を統括する不図示のコンピュータベースの統括制御回路、例えばCPUやマイクロコンピュータ、あるいは、タッチ検出のための制御回路により制御される。
【0113】
「検出駆動走査部」としてのVcom駆動回路9は、図14(D)の駆動基板2側に形成されるが、「検出部」としての検出部8は、駆動基板2側でも対向基板4側でもよい。TFTが多く集積化されているため製造工程数を減らすには駆動基板2に検出部8も一緒に形成することが望ましい。ただし、検出電極44が対向基板4側に存在し、検出電極44が透明電極材料から形成されるため配線抵抗が高くなることがある。そのような場合、配線抵抗が高いことの不具合を回避するには、対向基板4側に検出部8を形成することが好ましい。ただし、検出部8だけのために対向基板4にTFT形成プロセスを用いると、コスト高になるという不利益がある。
以上の利益と不利益を総合的に勘案して、検出部8の形成位置を決定するとよい。
【0114】
次に、以上のような構成の表示装置の動作を説明する。
【0115】
駆動基板2の表示ドライバ(図示しない水平駆動回路および垂直駆動回路等)は、対向電極43の各電極パターン(対向電極43_1〜43_n)に対してコモン駆動信号Vcomを線順次で供給する。このとき、対向電極の選択の仕方とシフトの仕方は、上述したとおりである。コモン駆動信号Vcomは、画像表示の対向電極電位制御のためにも用いられる。
また、表示ドライバは、信号線SIGを介して画素電極22へ信号電圧を供給すると共に、これに同期して、走査線SCNを介して各画素電極のTFTのスイッチングを線順次で制御する。これにより、液晶層6には、画素ごとに、コモン駆動信号Vcomと各画素信号とにより定まる縦方向(基板に垂直な方向)の電界が印加されて液晶状態の変調が行われる。このようにして、いわゆる反転駆動による表示が行われる。
【0116】
一方、対向基板4の側では、対向電極43の各電極パターン(対向電極43_1〜43_n)と、検出電極44の各電極パターン(検出電極44_1〜44_k)との交差部分にそれぞれ容量素子C1が形成される。対向電極43の各電極パターンにコモン駆動信号Vcomを時分割的に順次印加していくと、その印加された対向電極43の電極パターンと検出電極44の各電極パターンとの交差部分に形成されている一列分の容量素子C1の各々に対する充放電が行われる。その結果、容量素子C1の容量値に応じた大きさの検出信号Vdetが、検出電極44の各電極パターンからそれぞれ出力される。対向基板4の表面にユーザの指が触れられていない状態においては、この検出信号Vdetの大きさはほぼ一定(センサ電圧Vs)となる。コモン駆動信号Vcomのスキャンに伴い、充放電の対象となる容量素子C1の列が線順次的に移動していく。
【0117】
ここで、対向基板4の表面のいずれかの場所にユーザの指が触れると、そのタッチ箇所に元々形成されている容量素子C1に、指による容量素子C2が付加される。その結果、そのタッチ箇所がスキャンされ、当該タッチ箇所に対応する駆動電極にコモン駆動信号Vcomが印加されたときの検出信号Vdetの値(センサ電圧Vs)が他の箇所よりも小さくなる。つまり、センサ電圧Vf<センサ電圧Vsとなる。検出部8(図5)は、この検出信号Vdetを閾値Vtと比較して、検出信号Vdetが閾値Vt以下の場合に、その箇所をタッチ箇所として判定する。このタッチ箇所は、コモン駆動信号Vcomの印加タイミングと、閾値Vt以下の検出信号Vdetの検出タイミングとから求めることができる。
【0118】
このように、本実施形態によれば、液晶表示素子に元々備えられている液晶駆動の共通電極(対向電極43)を、駆動電極と検出電極とからなる一対のタッチセンサ用電極の一方(駆動電極)と兼用する。また、本実施形態では、表示駆動信号としてのコモン駆動信号Vcomを、タッチセンサ駆動信号として共用する。よって、新たに設ける電極は検出電極44だけでよく、また、タッチセンサ駆動信号を新たに用意する必要がない。したがって、構成が簡単である。
また、複数の対向電極を同時に交流駆動し、その同時に交流駆動する電極グループを、各対向電極が2回の交流駆動で共に選択されるようにシフトする。このため、第1実施形態と同様、S/N比とセンサ検出精度の両方を高いレベルで維持できる。
【0119】
交流駆動の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの1H反転周波数と等しくなる。この周波数は商用電源周波数、例えば60[Hz]を列方向の画素数倍した非常に高い周波数となる。たとえば列方向の画素数が480の場合、この周波数は28.8[kHz]、パルス波形の周波数としては、その半分の14.4[kHz]となる。よって、交流駆動のシフトに起因する画像変化は、人の目に視認できない十分に高い周波数となる。
以上より、センサ電圧の低下によるS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立できる。
なお、このS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立は必須の要件でない。よって、センサ検出精度の向上を、この画質低下防止より優先させてよい。
【0120】
本実施形態によれば、さらにコモン駆動信号Vcomの駆動電極と駆動回路を、センサ駆動電極と駆動回路と兼用できるため、その分の配置スペースと消費電力の節約ができる。
【0121】
なお、図14において、検出電極44は細い幅のラインとして示すが、行方向に大きな幅に形成してもよい。この幅は、容量素子C1の容量値が小さ過ぎて、より大きくしたい場合に、電極幅を大きく対処できる。逆に、例えば誘電体Dが薄いために容量素子C1の容量値が大き過ぎて、より小さくしたい場合は、電極幅を小さくして対処できる。
あるいは、検出電極44を列方向に分割して、それぞれの分割した孤立パターンから配線を列方向に引き出してもよい。それぞれの配線に電圧検出器DETを接続してもよいが、回路規模が増大することを防止するために複数の検出電極44で1つの電圧検出器DETを共用してもよい。例えば、1つの電圧検出器DETを1列の検出電極44で共用し、当該電圧検出器DETによって、時分割で検出電極44ごとの検出を行ってもよい。
【0122】
《第3実施形態》
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態は、上記第2実施形態の場合とは異なり、表示素子として横電界モードの液晶素子を用いるようにしたものである。
【0123】
図16は、本実施形態の表示装置の概略的な断面構造図である。図16で、第2実施形態と同一の構成は、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0124】
本実施形態の表示装置が、第2実施形態と異なる点は、対向電極43を駆動基板2側に配置することである。本実施形態における対向電極43は、画素電極22の反液晶層側に画素電極22と対向して配置されている。ここで対向といっても、特に図示しないが、画素電極22同士の間の距離が比較的大きく取られ、画素電極22の間から対向電極43が液晶層6に電界を作用させる。つまり、液晶層6に対する電界の作用する方向が横方向の横電界モードの液晶表示となる。
その他の構成は、断面における配置に限れば、第3実施形態と第2実施形態は同じとなる。
【0125】
容量素子C1は、検出電極44と対向電極43との間に形成されるため、第2実施形態(図14(D))に比べると、容量値が低くなる。しかし、電極間隔が遠くなることを、電極幅を大きくするなどで補うような対処が可能であり、また、容量素子C2との関係で感度が大きくなる場合もある。
【0126】
液晶層6は、電界の状態に応じてそこを通過する光を変調するものであり、例えば、FFS(フリンジフィールドスイッチング)モードや、IPS(インプレーンスイッチング)モード等の横電界モードの液晶が用いられる。
【0127】
つぎに、図17を参照して、より詳細に説明する。
図17に示すFFSモードの液晶素子においては、駆動基板2上に形成された対向電極43の上に、絶縁層25を介して、櫛歯状にパターニングされた画素電極22が配置され、これを覆うように配向膜26が形成される。この配向膜26と、対向基板4側の配向膜46との間に、液晶層6が挟持される。2枚の偏光板24,45は、クロスニコルの状態で配置される。2枚の配向膜26,46のラビング方向は、2枚の偏光板24,45の一方の透過軸と一致している。図17では、ラビング方向が出射側の保護層45の透過軸と一致している場合を図示してある。さらに、2枚の配向膜26,46のラビング方向および保護層45の透過軸の方向は、液晶分子が回転する方向が規定される範囲で、画素電極22の延設方向(櫛歯の長手方向)とほぼ平行に設定されている。
【0128】
次に、以上のような構成の表示装置の動作を説明する。
【0129】
ここではまず、図17および図18を参照して、FFSモードの液晶素子の表示動作原理について簡単に説明する。ここで、図18は液晶素子の要部断面を拡大して表したものである。これらの図で、(A)は電界非印加時、(B)は電界印加時における液晶素子の状態を示す。
【0130】
対向電極43と画素電極22との間に電圧を印加していない状態では(図17(A)、図18(A))、液晶層6を構成する液晶分子61の軸が入射側の偏光板24の透過軸と直交し、かつ、出射側の保護層45の透過軸と平行な状態となる。このため、入射側の偏光板24を透過した入射光hは、液晶層6内において位相差を生じることなく出射側の保護層45に達し、ここで吸収されるため、黒表示となる。一方、対向電極43と画素電極22との間に電圧を印加した状態では(図17(B)、図18(B))、液晶分子61の配向方向が、画素電極間に生じる横電界Eにより、画素電極22の延設方向に対して斜め方向に回転する。この際、液晶層6の厚み方向の中央に位置する液晶分子61が約45度回転するように白表示時の電界強度を最適化する。これにより、入射側の偏光板24を透過した入射光hには、液晶層6内を透過する間に位相差が生じ、90度回転した直線偏光となり、出射側の保護層45を通過するため、白表示となる。
【0131】
なお、タッチセンサ部に関しては、断面構造内の電極配置が異なるのみで、基本的な動作は第1および第2実施形態と共通する。つまり、Vcom交流駆動とシフトの繰り返しにより対向電極43を列方向で駆動し、そのときのセンサ電圧VsとVfの差を、電圧検出器DETを介して読み取る。デジタル値として読み取ったセンサ電圧Vsを閾値Vtと比較し、指の接触または接近の位置をマトリクス状に検出する。
このとき、図7と同様に、m本(図7ではm=7)同時に対向電極43を交流駆動し、1つの書き込みユニットに対応する1本の対向電極43ずつずらしてシフトしてから再度交流駆動を行い、このシフトと交流駆動を繰り返す。このため、図6(C)に示した式におけるnの値は、実際の分割数の1/mに低減されてセンサ電圧Vsがその分、大きくなる。一方、図7に示すように、選択グループに新たに含まれ、それに変わって含まれなくなる単位が1画素ラインに対応する1つの対向電極である。よって、S/N比とセンサ検出精度を高いレベルで維持できる。
【0132】
また、交流駆動の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの1H反転周波数と等しくしてもよい。この周波数は商用電源周波数、例えば60[Hz]を列方向の画素数倍した非常に高い周波数となる。たとえば列方向の画素数が480の場合、この周波数は28.8[kHz]、パルス波形の周波数としては、その半分の14.4[kHz]と、人の目に視認できない十分に高い周波数となる。
以上より、センサ電圧の低下によるS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立できる。
【0133】
以上の効果に加え、第2実施形態と同様に、Vcom駆動とセンサ駆動の電極の共用により、構成が簡単であるという利点がある。また、コモン駆動信号Vcomの駆動電極と駆動回路を、センサ駆動電極と駆動回路と兼用できるため、その分の配置スペースと消費電力の節約ができる。
より詳細には、対向基板側に透明電極材(ITO)が存在する液晶モード(VA,TN,ECB等の各モード)は駆動用の対向基板の電位をTFT素子から上げる必要がある。このため、TFT基板と対向電極間に多数のコンタクトが必要となり、構造が複雑になる。
これに対し、第3実施形態の横電界モードの液晶表示装置では、そのような構造を複雑化する要素がなく、その点でも望ましい。
【図面の簡単な説明】
【0134】
【図1】実施形態に関わるタッチセンサ部の動作を説明するための等価回路図と概略断面図である。
【図2】図1に示すタッチセンサ部に指が接触または接近した場合の、同等価回路図と同概略断面図である。
【図3】実施形態に関わるタッチセンサ部の入出力波形を示す図である。
【図4】第1実施形態に関わる接触検出装置のタッチ検出のための電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図と概略断面図である。
【図5】実施形態に関わる表示装置において、センサ駆動のための駆動信号源と電圧検出器の回路例を示すための図である。
【図6】実施形態に関わる駆動電極のパターンと、当該パターンも含めたタッチセンサ部の等価回路図ならびにセンサ電圧の式を示す図である。
【図7】実施形態に関わる駆動電極の選択(同時に交流駆動する電極グループの決定)と、そのシフト(再選択)の様子を示す平面図である。
【図8】実施形態に関わる位置判定手法の説明図である。
【図9】図9の位置検出手法を、数値を定めて具体化した実施例を示す図である。
【図10】実施形態に関わるビットマップ検出処理の実行手段を含むブロック図である。
【図11】実施形態に関わるビットマップ検出処理の主な手順を示すフローチャートである。
【図12】実施形態に関わるビットマップ展開例を示す模式図である。
【図13】実施形態に関わる比較例の駆動検出回路の構成図である。
【図14】第2実施形態に関わる表示装置のタッチ検出のための電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図と概略断面図である。
【図15】第2および第3実施形態に関わる表示装置の画素の等価回路図である。
【図16】第3実施形態に関わる表示装置の概略断面図である。
【図17】第3実施形態に関わるFFSモード液晶素子の動作説明図である。
【図18】図17の動作を断面図において示す図である。
【符号の説明】
【0135】
1…液晶表示装置、2…駆動基板、21…TFT基板、22…画素電極、23…TFT、4…対向基板、41…ガラス基板、42…カラーフィルタ、43…対向電極、44…検出電極、6…液晶層、7…コンタクト導電柱、8…検出部、81…OPアンプ回路、82…整流回路、83…出力回路、86…サンプリング部、87…画像メモリ、88…制御部、10…タッチパネル、11…検出駆動走査部、12…接着層、13…保護層、14…誘電体層、C1,C2…容量素子、S…駆動信号源、DET…電圧検出器、Sg…ACパルス信号、E1…駆動電極、E2…検出電極、Vcom…コモン駆動信号、Vdet…検出信号、Vt…閾値、Vs…センサ電圧(非接触時)、Vf…センサ電圧(接触時)
【技術分野】
【0001】
本発明は、ユーザが指等で触れることにより情報入力が可能な静電容量式の接触検出装置と接触検出方法とに関する。また、本発明は、当該接触検出装置の機能を有する表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
いわゆるタッチパネルと呼ばれる接触検出装置が知られている。
一般に、接触検出装置は、検出面に対しユーザの指やペン等が接触し、あるいは、近接したことを検出する装置である。
【0003】
これに対しタッチパネルは、表示パネルに重ねて形成し、表示面に画像として各種のボタンを表示させることにより、通常のボタンの代わりとして情報入力を可能とする。この技術を小型のモバイル機器に適用すると、ディスプレイとボタンの配置の共用化が可能で画面の大型化、あるいは、操作部の省スペース化や部品点数の削減という大きなメリットをもたらす。
このように“タッチパネル”というとき、一般には、表示装置と組み合わされるパネル状の接触検出装置を指す。
しかしながら、タッチパネルを液晶パネルに設けると、液晶モジュールの全体の厚さが厚くなる。
【0004】
そこで、例えば特許文献1には、液晶表示素子の観察側基板とその外面に配置された観察用偏光板との間にタッチパネル用導電膜を設け、このタッチパネル用導電膜と偏光板の外面との間に、偏光板の外面をタッチ面とした静電容量型タッチパネルを形成したタッチパネル付き液晶表示素子が提案され、薄型化が図られている。
【0005】
静電容量式のタッチセンサは、複数の駆動電極と、当該複数の駆動電極の各々と静電容量を形成する複数の検出電極を有する。
センサ検出精度は駆動電極と検出電極の数に比例するが、検出電極とは別にセンサ出力線を設けると配線の数が膨大となる。したがって、検出電極をセンサ出力線としても機能させるために、複数の駆動電極の1つを交流駆動し、その交流駆動している駆動電極を、駆動電極が一定ピッチで並ぶ方向(以下、走査方向)にシフトする駆動法が主流となってきている。この交流駆動する駆動電極の一方向に走査する手法では、走査に追従して検出電極の電位変化を観察すると、電位変化があった走査時の位置から被検出物のタッチパネル面への接触または近接が検出できる。
【0006】
【特許文献1】特開2008−9750号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、例えば上記特許文献1に開示されるような静電容量式のタッチパネル、あるいは、当該タッチセンサの機能をもつ液晶表示素子では、検出電極の電位変化を検出する際のS/N比と検出精度(検出時の分解能)とがトレードオフの関係にある。
より詳細には、交流駆動する単位である駆動電極の面積が小さいと検出電極から出力される電位変化が小さく、S/N比が悪い。
一方で、駆動電極の面積を大きくすると、走査方向の駆動電極の幅が大きくなる。走査方向のタッチパネルの大きさ(パネル高さ)が一定とすると、駆動電極の幅が大きいほど、一定のパネル高さに収まる駆動電極数が減り、走査方向の分解能が低くなる。ここで分解能とは、被検出物を小さくしていったときに検出可能な被検出物の下限の大きさである。
【0008】
本発明は、表示装置に内蔵するか外付けするかを問わず、静電容量式の接触検出装置のS/N比と検出精度の両方を高いレベルに維持させるためのものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第1観点に関わる接触検出装置は、走査方向に並ぶn個の駆動電極と、当該n個の駆動電極を駆動する検出駆動走査部と、複数の検出電極と、複数の検出回路とを有する。
前記検出駆動走査部は、前記n個の駆動電極から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
前記複数の検出電極は、前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量を形成している。
前記複数の検出回路は、前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0010】
上記構成によれば、上述したようにして、検出駆動走査部がn個の駆動電極からm個の駆動電極を同時に交流駆動し、その駆動対象を走査方向内で変更するシフト動作を繰り返す。m個の駆動電極の組み合わせが変わるシフト動作のたびに、当該m個の駆動電極との間で静電容量が形成されている複数の検出電極にも交流電位変化が静電容量を介して伝達される。このとき検出電極に出現する交流電位変化の大きさは静電容量の大きさに依存し、静電容量が大きいほど大きな交流電位変化が得られる。
【0011】
ここで被検出物が幾つかの検出電極の近くに存在すると、その被検出物の容量(外部容量)の影響で、上記検出電極における変化後の交流電位が異なる値をとる。
複数の検出回路は、例えば、その閾値が外部容量の影響有りと影響無しが判別できるレベルに設定されているとする。すると、複数の検出回路のうち、被検出物の位置に対応する幾つかの検出回路の出力が、他の検出回路の出力と同じ論理値から反転する。反転が起きた検出回路と、その反転が生じたタイミングから得られる走査位置との関係から、被検出物の位置が判別できる。
【0012】
この動作では、上述したように駆動電極の個数、mを大きくすれば検出電極に出現する交流電位変化を大きくでき、このためS/N比が高い検出信号で被検出物の位置判別が可能である。ここで「mを大きくする」とは、駆動電極ごとに交流駆動する場合で言うと、駆動電極の走査方向の幅を大きくすることに相当する。
その一方で駆動電極m個分を1回のシフト量とする制御では、mが大きいほど被検出物の位置検出の精度が低くなる。ここで検出可能な被検出物の最小の大きさを分解能と呼ぶと、分解能は1回のシフト量に対応する。このことを駆動電極ごとに交流駆動する場合で言うと、「駆動電極の幅が大きいほど被検出物の位置検出の精度(分解能)が小さくなる」ことに相当する。
【0013】
第1観点の本発明では、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が選択対象に含まれるようにシフトを行う。このため、駆動電極m個分を1回のシフト量とする制御に比べると、位置検出精度が高い。
【0014】
上記第1観点では各シフト動作の前後で共通する駆動電極数に着目したが、同じことは、シフト量を規定する駆動電極数でも表現できる。
即ち、本発明の第2観点に関わる接触検出装置は、その検出駆動走査部が、前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0015】
上記第1観点または第2観点において、最も位置検出精度を上げるには、駆動電極1つ分を単位としてシフトを繰り返すとよい。このとき、検出駆動走査部は、連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が選択対象に含まれるようにシフトを行う。
【0016】
本発明では好適に、前記複数の検出回路の各々は、前記対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と超えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生する。この検出信号を時間サンプリングすると、そのサンプリングしたデジタル値の集合はビットマップを形成する。
本発明では好適に検出処理部を有する。検出処理部は、ビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する。この重心位置から、被検出物の位置判定が可能である。
検出処理部は、ビットマップ上でビット変化領域の範囲から被検出物の大きさを判定してもよい。検出処理部は、被検出物の位置と大きさの両方を判定してもよい。
【0017】
前述した第1観点または第2観点の接触検出装置を、駆動電極を表示のための対向電極と共用し、表示装置と一体に形成できる。
【0018】
本発明に関わる表示装置は、複数の画素電極と、n個の対向電極(接触検出装置の駆動電極に相当)と、複数の検出電極と、表示機能層と、検出駆動走査部と、複数の検出回路とを有する。
前記複数の画素電極は、画素ごとに設けられ、面状に行列配置されている。
前記n個の対向電極は、前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されている。
前記複数の検出電極は、前記n個の対向電極の各々との間に静電容量を形成している。
前記表示機能層は、互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する。
【0019】
前記検出駆動走査部は、第1観点においては、前記n個の対向電極から連続するm(2≦m<n)個の対向電極を選択し、当該選択したm個の対向電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
前記検出駆動走査部は、第2観点においては、前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の対向電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の対向電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0020】
前記複数の検出回路は、前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0021】
本発明の関わる接触検出方法は、以下の3つのステップを含む。
(1)駆動走査のステップ:
第1観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
第2観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0022】
(2)電位検出のステップ:
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0023】
(3)判定のステップ:
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、表示装置に内蔵するか外付けするかを問わず、静電容量式の接触検出時のS/N比と検出精度の両方を高いレベルに維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明の実施形態を、静電容量式の接触検出装置、および、当該接触検出の機能をもつ液晶表示装置を主な例として図面を参照して説明する。
【0026】
最初に、実施形態で前提となる事項として、図1〜図3を参照して、静電容量式接触検出の基本を説明する。
図1(A)と図2(A)はタッチセンサ部の等価回路図、図1(B)と図2(B)はタッチセンサ部の構造図(概略断面図)である。ここで図1は被検出物としての指がセンサに近接していない場合を、図2はセンサに指が近接または接触している場合を、それぞれ示す。
【0027】
図解するタッチセンサ部は、静電容量型タッチセンサであり、図1(B)および図2(B)に示すように容量素子からなる。具体的に、誘電体Dと、誘電体Dを挟んで対向配置する1対の電極、すなわち駆動電極E1および検出電極E2とから容量素子(静電容量)C1が形成されている。
図1(A)および図2(A)に示すように、容量素子C1の駆動電極E1が、ACパルス信号Sgを発生する駆動信号源Sに接続される。容量素子C1の検出電極E2は、電圧検出器DETに接続される。このとき検出電極E2は抵抗Rを介して接地されることで、DCレベルが電気的に固定される。
【0028】
駆動信号源Sから駆動電極E1に所定の周波数、例えば数[kHz]〜十数[kHz]程度のACパルス信号Sgを印加する。このACパルス信号Sgの波形図を図3(B)に例示する。
ACパルス信号Sgの印加に応じて、検出電極E2に、図3(A)に示す出力波形の信号(検出信号Vdet)が現れる。
【0029】
なお、詳細は後述するが、接触検出装置の機能を液晶表示パネル内に有する液晶表示装置の実施形態では、駆動電極E1が液晶駆動のための対向電極(画素電極に対向する、複数画素で共通の電極)に相当する。ここで対向電極は液晶駆動のため、いわゆるVcom反転駆動と称される交流駆動がなされる。よって、本発明の実施形態では、Vcom反転駆動のためのコモン駆動信号Vcomを、駆動電極E1をタッチセンサのために駆動するACパルス信号Sgとしても用いる。
【0030】
指を接触していない図1に示す状態では、容量素子C1の駆動電極E1が交流駆動され、その充放電にともなって検出電極E2に交流の検出信号Vdetが出現する。以下、このときの検出信号を「初期検出信号Vdet0」と表記する。検出電極E2側はDC接地されているが高周波的には接地されていないため交流の放電経路がなく、初期検出信号Vdet0のパルス波高値は比較的大きい。ただし、ACパルス信号Sgが立ち上がってから時間が経過すると、初期検出信号Vdet0のパルス波高値が損失のため徐々に低下している。図3(C)に、拡大した波形をスケールとともに示す。初期検出信号Vdet0のパルス波高値は、初期値の2.8[V]から高周波ロスによって僅かな時間の経過で0.5[V]ほど、低下している。
【0031】
この初期状態から、指が検出電極E2に接触、または、影響を及ぼす至近距離まで接近すると、図2(A)に示すように、検出電極E2に容量素子C2が接続された場合と等価な状態に回路状態が変化する。これは、高周波的に人体が、片側が接地された容量と等価になるからである。
この接触状態では、容量素子C1とC2を介した交流信号の放電経路が形成される。よって、容量素子C1とC2の充放電に伴って、容量素子C1,C2に、それぞれ交流電流I1,I2が流れる。そのため、初期検出信号Vdet0は、容量素子C1とC2の比等で決まる値に分圧され、パルス波高値が低下する。
【0032】
図3(A)および図3(C)に示す検出信号Vdet1は、この指が接触したときに検出電極E2に出現する検出信号である。図3(C)から、検出信号の低下量は0.5[V]〜0.8[V]程度であることが分かる。
図1および図2に示す電圧検出器DETは、この検出信号の低下を、例えば閾値Vtを用いて検出することにより、指の接触を検出する。
【0033】
《第1実施形態》
本実施形態では、表示パネルに外付け可能な静電容量式のタッチパネルを例として、本発明に関わる接触検出装置の実施形態を説明する。
【0034】
図4(A)〜図4(C)に、本実施形態に関わる接触検出装置の電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図を示す。また、図4(D)に、本実施形態に関わる接触検出装置を、液晶表示パネルの表示面側に外付けしたときの概略的な断面構造を示す。図4(D)は、例えば行方向(画素表示ライン方向)の6画素分の断面を表している。
【0035】
図4(D)では断面構造を見易くするために、対向電極、画素電極および検出電極についてはハッチングを付すが、それ以外の部分(基板、絶縁膜および機能膜等)についてはハッチングを省略している。このハッチングの省略は、これ以降の他の断面構造図においても同様である。
なお、図4(D)に示す液晶表示パネルの詳細は後述する他の実施形態で説明する。そのため図4(D)には、その説明で用いる符号を付しているが、本実施形態では液晶表示パネル自体の詳しい説明は省略する。
【0036】
図4(D)に示す液晶表示パネルは、画素の駆動のための信号が主に供給される基板(以下、駆動基板2という)と、駆動基板2に対向して配置された対向基板4と、駆動基板2と対向基板4との間に配置された液晶層6とを備えている。
本実施形態に関わる接触検出装置(以下、タッチパネル10という)は、接着層12を介して対向基板4上に貼られている。
タッチパネル10は、液晶表示パネル側の駆動電極E1と、駆動電極E1上に誘電体層14を介して重なる検出電極E2とを有する。検出電極E2上には保護層13が形成されている。
【0037】
「検出面13A」は、保護層13の最表面を指す。
図4(D)のようにタッチパネル10が液晶表示パネル1上に貼られた状態ではタッチパネル10を通して表示光がユーザ側に出射されるため、検出面13Aが表示面となる。
【0038】
駆動電極E1と検出電極E2は、図4(A)〜図4(C)に示すように、互いに直交する方向で分割されている。
ここで、検出面13Aをユーザ側から透視すると、図4(A)のように、所定数m本の駆動電極E1が配置されている。図4では、n本の駆動電極E1を符号“E1_1,E1_2,…,E1_m,…E1_n”により示している。ここで“m”は“n”より小さい2以上の整数である。
駆動電極E1_1〜E1_nは、比較的細い幅の帯形状を有し、互いに平行に配置されている。ここで、表示装置に外付けするタッチパネル10において、駆動電極の幅(走査方向のサイズ)は表示装置の画素サイズとは無関係に規定できる。駆動電極の幅を小さくすればするほど検出精度あるいは物体検出の解像度は高くなる。
【0039】
n分割された駆動電極E1_1〜E1_nは、m(2≦m<n)本で同時に駆動される。
同時駆動される駆動電極の束を、交流駆動電極ユニットEUと表記する。本実施形態では、1つの交流駆動電極ユニットEUが包含する駆動電極の数は一定の数mとする。また、駆動電極の組み合わせを一部重複しつつ変えながら、交流駆動電極ユニットEUが列方位にステップ状にシフトする。シフトの方向は図4(A)〜図4(C)の紙面の縦方向であり、この方向を走査方向と言う。また、連続した駆動電極の束として選択される駆動電極の組み合わせを一方にずらす動作を走査と称する。
【0040】
走査では、シフトごとに交流駆動電極ユニットEUとして選択される対向電極の組み合わせが変化する。
このとき、1回のシフトの前後で行われる連続する2回の選択で、1つ以上の駆動電極が重複して選択される。シフト量を駆動電極の数で表わすと、そのシフト量の範囲が1以上で(m−1)以下の駆動電極数に対応する。
【0041】
このような駆動電極の交流駆動電極ユニットEUを単位とする交流駆動の動作と、そのシフト動作は検出駆動走査部11により行われる。
ここでシフト量を最小の駆動電極1個分とすると、検出精度や被検出物の解像度を最も高くできるため望ましい。以下、この望ましい最小のシフト量を前提とする。この前提の下における検出駆動走査部11の動作は、「m本の駆動電極を同時に交流駆動する駆動信号源S(図1および図2参照)を列方向に移動して、選択する駆動電極を1つずつ変えながら列方向に走査する動作」に等しいとみなせる。図4(A)と図4(C)で駆動信号源Sから矢印を引いているのは、この信号源の走査を模式的に示すものである。
【0042】
これに対し、検出電極E2は、駆動電極E1とは直交する方向に長い平行ストライプ配置の所定数kの導電層から形成されている。以下、この平行ストライプ状の検出電極の各々を“検出線”と呼ぶ。図4では、この検出線を符号“E2_1〜E2_k”により示している。
【0043】
以上のように配置されたk本の検出線E2_1〜E2_kの一方端に、検出部8が接続されている。検出部8は、図1および図2に示す「検出回路」としての電圧検出器DETを基本検出単位とする。k個の検出線E2_1〜E2_kの各が、検出部8の対応する電圧検出器DETに接続されている。よって、各検出線からの検出信号Vdet(図3参照)が、電圧検出器DETで検出可能となっている。
【0044】
図5は、タッチ検出動作を行う検出部8の一構成例を、検出対象の位置を示す電極パターンとともに示す図である。
図5において、斜線により示す駆動電極E1_1〜mが駆動信号源Sに接続されて選択され、それ以外の駆動電極E1_m+1〜E1_m+4がGND電位で保持されている。駆動電極が選択された状態をオン状態、GND電位で保持された非選択の状態をオフ状態ともいう。なお、実際にはオン状態の駆動電極はm個(≧2)存在するため、図5に示す駆動電極E1_1〜mのみ、m個の駆動電極の総体を表している。
図5は、これらの駆動電極群に交差する、ある検出線E2_i(i=1〜k)に接続された電圧検出器DETと、駆動信号源Sの回路図を示している。検出線E2_iと各駆動電極との各交差部分に、(静電)容量素子C1_0〜C1_4が形成される。
【0045】
図5に図解する駆動信号源Sは、制御部91と、2つの出力スイッチSW(+),SW(-)と、ラッチ回路92と、バッファ回路(波形整形部)93と、出力スイッチSWとを有する。
制御部91は、プラス電圧V(+)とマイナス電圧V(-)を各々がスイッチする2つの出力スイッチSW(+),SW(-)と、出力スイッチSWとを制御する回路である。制御部91は、駆動信号源S内に設けなくとも、外部のCPU等で代用できる。
出力スイッチSW(+)はプラス電圧V(+)とラッチ回路92の入力との間に接続され、出力スイッチSW(-)はマイナス電圧V(-)とラッチ回路92の入力との間に接続されている。ラッチ回路92の出力はバッファ回路93を介して、出力スイッチSWのオン側ノードに接続されている。バッファ回路93はプラス電圧V(+)とマイナス電圧V(-)に、入力電位を電位補償して出力する回路である。
ここで出力スイッチSWは、制御部91により制御されて、当該駆動信号源Sをオン(選択状態あるいは活性状態)とするか、非活性のGND接続とするかを制御する。この制御部91の機能は他の駆動信号源Sとの制御と同期させる関係上、通常は、たとえば活性化する駆動信号源Sのグループをシフトして選択する信号を、シフトレジスタ等で順送りする等の構成によって実施される。
【0046】
(静電)容量素子C1_0〜C1_4が接続された検出線E2に、電圧検出器DETが接続されている。
図5に図解する電圧検出器DETは、OPアンプ回路81、整流回路82および出力回路83から構成される。
OPアンプ回路81は、OPアンプ84、抵抗R1とR2、および、容量C3により図示のように構成され、ノイズ除去のためのフィルタ回路を形成する。このフィルタ回路は抵抗の比等で増幅率が決まり、信号増幅回路としても機能する。
OPアンプ84の非反転入力「+」に検出線E2が接続され、ここから検出信号Vdetが入力される。検出線E2は、その電位のDCレベルを電気的に固定するために抵抗Rを介して接地電位に接続されている。OPアンプ84の出力と反転入力「−」との間に抵抗R2と容量C3が並列接続され、OPアンプ84の反転入力「−」と接地電位との間に抵抗R1が接続されている。
【0047】
整流回路82は、半波整流を行うダイオードD1と、充電キャパシタC4と、放電抵抗R0とを有する。ダイオードD1のアノードがOPアンプ回路81の出力に接続され、ダイオードD1のカソードと接地電位との間に、充電キャパシタC4と放電抵抗R0がそれぞれ接続されている。充電キャパシタC4と放電抵抗R0により平滑回路が形成される。
ダイオードD1のカソード(整流回路82の出力)電位が、出力回路83を介してデジタル値として読み出される。図5に示す出力回路83は、閾値と電圧比較を実行するコンパレータ85のみ示す。出力回路83はADコンバータの機能も有する。ADコンバータに関し、抵抗ラダー型や容量分割型などのタイプは任意である。出力回路83は、入力したアナログ信号をコンパレータ85によって閾値Vt(図3(A)参照)と比較する。コンパレータ85は、CPUなどの制御回路(不図示)の機能として実現してもよい。この比較結果が、タッチされたか否かを示す信号、例えばボタン操作の有無を示す信号として各種アプリケーションに利用される。
【0048】
コンパレータ85の参照電圧としての閾値Vtは、CPUなどの制御部によって変更可能である。コンパレータ85は、閾値Vtを用いて検出信号Vdetの電位を検出する。不図示のCPUなどを含む「検出処理部」は、検出した電位に基づいて被検出物の位置や大きさを判定可能である。非検出物の位置や大きさの判定のための処理、ならびに、判定の手法の詳細は後述する。
【0049】
つぎに、検出駆動走査部11による、m本の選択された駆動電源(交流駆動電極ユニットEU)のシフトおよび交流駆動について、図面を用いて説明する。
図6(A)に、画素表示ライン単位(書き込みユニットともいう)で分割された駆動電極E1_1〜E1_nを示す。図6(B)に、そのうちの最初の1本である駆動電極E1_1の駆動時におけるタッチセンサ部の等価回路図を示す。
図6(A)に示すように駆動電極E1_1は駆動信号源Sに接続されることによって交流駆動されている。このときタッチセンサ部は、既に説明したように図6(B)のような等価回路が形成される。ただし、ここでは容量素子C1_0〜C1_nの各静電容量値を“Cp”、検出電極E2に、容量素子C1_0〜C1_n以外に接続されている容量成分(寄生容量)を“Cc”、駆動信号源Sによる交流電圧の実効値を“V1”と表す。
このとき電圧検出器DETで検出される検出信号Vdetは、指が非接触のときは電圧Vs、指が接触のときは電圧Vfとなる。以下、電圧Vs,Vfをセンサ電圧という。
【0050】
非接触時のセンサ電圧Vsは、図6(C)のような式によって表される。この式から、駆動電極E1の分割数nが大きいと、その分、各静電容量値Cpは小さくなる。図6(C)の式の分母は“nCp”がほぼ一定なため余り大きな変化がないが、分子が小さくなる。よって、駆動電極E1の分割数nが大きくなるにしたがって、センサ電圧Vsの大きさ(交流の実効値)も小さくなる。
したがって、S/N比をある程度大きくするためには、分割数nを余り大きくできない。
【0051】
一方、分割数nが小さく、1つの駆動電極E1_1の面積が大きいと、被検出物の検出精度が低下する。
そこで、本実施形態では前述したように、分割数は大きくして個々の駆動電極の幅(走査方向の長さ)を小さくするが、複数の駆動電極を同時に交流駆動する。また、一部の駆動電極は、2回連続して選択する。これにより、分割数nが大きくなることによるセンサ電圧の低下(S/N比の低下)と、高い検出精度の確保とを同時に達成する。
【0052】
図7に、交流駆動とシフトの動作説明図を示す。
図7において斜線により示す7本の対向電極により交流駆動電極ユニットEUが構成されている。図7(A)〜図7(C)は、交流駆動電極ユニットEUを1つの駆動電極を単位として列方向にシフトさせたときの選択範囲の推移を示す。
図7(A)の時間T1では、最初の1つの駆動電極は非選択であるが、2番目から8番目の駆動電極が選択されて同時に駆動信号源Sで交流駆動されている。次のサイクル(時間T2)では、1つの駆動電極分シフトし、1番目と2番目の2つの駆動電極が非選択、3番目以降の7つが選択、その他が非選択となっている。さらにその次のサイクル(時間T3)では、さらに1つの駆動電極分シフトし、1〜3番目の駆動電極が非選択、4番目以降の7つが選択、その他が非選択となる。
以後、同様にシフトと交流駆動を繰り返す。
【0053】
この動作により、図6(C)に示した式におけるnの値は、実際の分割数の1/7に低減されてセンサ電圧Vsの実効値がその分、大きくなる。一方、図7に示すように、選択グループ(交流駆動電極ユニットEU)に新たに含まれ、それに変わって含まれなくなる単位(シフト量)が1つの駆動電極である。よって、交流駆動電極ユニットEUのシフト量が最小の単位で移動し、そのたびに検出信号Vdetが出力される。このため、検出信号Vdetと閾値Vtの比較が頻繁に行われ、駆動電極の分割数nを上げただけ高い検出精度が得られる。
【0054】
<判定手法の基本概念>
つぎに、検出信号Vdetと閾値Vtの比較結果に基づく、位置や大きさの判定手法の基本的概念について図8を用いて説明する。
図8(A)に、走査方向(Y軸方向)の位置座標における駆動電極や交流駆動電極ユニットEUの幅を示す。
交流駆動電極ユニットEUのY軸方向の幅を、以下、「ボーダ(boarder)幅B」と呼ぶ。ここで駆動電極E1の幅を“b”とすると、ボーダ幅Bに含まれる駆動電極数mであるから、B=m×bとなる。
【0055】
図8(B)に、ボーダ幅Bの交流駆動電極ユニットEUを駆動電極幅bのシフト量で交流駆動することにより、1フレームの画面を走査するときの動作を模式的に示す。
1つの交流駆動と次の交流駆動の開始時間の時間間隔は任意である。後述する表示装置と連動する場合、この時間間隔は、例えば1水平表示期間(1H)とすることができる。この場合、1フレームが16.7[msec]であるため、Y軸方向の駆動電極数nとボーダ幅B内の駆動電極数mとによって、1フレーム内に切り替える交流駆動電極ユニットEUの数(ボーダ数)は決められる。
【0056】
図8(C)に、図5に示すコンパレータ85の出力波形の例と、被検出物の位置や大きさの判定手法の概略を示す。この判定は、図5には図示を省略した、CPU等を含む「検出処理部」によって行われる。
【0057】
図8(C)に示す例では全部で18回の交流駆動シフトが行われ、そのうち最初の3回までは、図5に示すコンパレータ85の出力ビットが、初期レベル(オフレベル)のままである。3回目と4回目の交流駆動間で生じるコンパレータ85の入力変化が、閾値Vtのレベルを跨いで起こる。このため、コンパレータ85の出力ビットが、オフレベルからオンレベルに変化する。コンパレータ85の出力ビットがオフからオンに変化したタイミングは、最初の交流駆動から何回目の交流駆動かによって決まってくる。つまり、1回の交流駆動の時間幅は予め決められているので、最初の交流駆動時(走査開始時)からの時間をカウントすることで、出力ビット変化が何回目の交流駆動時に生じたかを確認できる。出力ビット変化はボーダ幅Bの中心で生じたと仮定する。走査開始から出力ビット変化が生るまでのボーダ数とボーダ幅Bとの関係から、出力ビットがオフからオンに変化したY軸上の位置(以下、第1のエッジ位置Ysという)が求まる。
【0058】
図8(C)の例では、出力ビットがオフからオンに変化したボーダ(交流駆動電極ユニットEU)から数えて、さらに4つ目のボーダで出力ビットがオンから初期状態のオフに戻る。出力ビットがオンからオフに戻ったときのボーダ幅B中心で、当該出力ビット変化が生じたと仮定する。
上記第1のエッジ位置Ysと同様にして、走査開始から当該出力ビット変化が生るまでのボーダ数とボーダ幅Bとの関係から、出力ビットがオンからオフに戻ったY軸上の位置(以下、第2のエッジ位置Yeという)が求まる。
【0059】
CPU等を含む不図示の「検出処理部」は、この第1のエッジ位置Ysと第2のエッジ位置Yeをそれぞれ計算により求める。そして、被検出物の中心位置Yaを、Ya=(Ye+Ys)/2により求める。また、被検出物のY軸方向の大きさWを、W=(Ye−Ys)により求める。
なお、閾値Vtの取り方によって、上記方法で求めた被検出物(本例では指)の大きさWを、被検出物のY軸方向の実際の大きさAと、ほぼ一致させることができる。逆に言うと、「検出処理部」は、被検出物が指なのかスタイラスペンなのかに応じて、このように大きさが一致するように、予め閾値Vtを個々に求めておく。また、「検出処理部」は、大きさWの絶対値から推定される被検出物の種類、例えば指かスタイラスペンかの違いに応じて、コンパレータ85に出力する上記閾値Vtを変えるようにしてもよい。
【0060】
図9に、判定手法の基本的概念で、より具体的な数値を定めた例を示す。
図9(A)にボーダ幅、ボーダのシフト量および指の大きさの例を示す。ここでは、ボーダ幅Bが10[mm]、シフト量(駆動電極の幅)bが0.1[mm]、指のY軸方位の大きさAが5[mm]であるとする。また、ボーダの移動範囲がY軸原点から最大60[mm]とする。
【0061】
図9(B)は、閾値設定の具体例を模式的に示す図である。この図9(B)のように、走査の途中で最初に、ボーダ幅Bsにすっぽりと被検出物(指)が含まれるようになったときにコンパレータ85の出力ビットがオフからオンに変化するように閾値Vtを設定する。このように設定された閾値Vtの下では、ボーダ幅Beにすっぽりと指が含まれた状態から外れる瞬間にコンパレータ85の出力ビットがオンからオフに変化する。
【0062】
ここで、図9(B)の閾値Vtを定義したときのボーダ幅Bsの後方(原点側)エッジ座標が画素電極22.5[mm]、前方エッジ座標が12.5[mm]であるとする。また、出力ビットがオフに戻るときのボーダ幅Beの後方エッジ座標が17.5[mm]、前方エッジ座標が27.5[mm]であるとする。
このとき出力ビットがオンするときの第1のエッジ位置Ysはボーダ幅Bsの中心座標であり、図9(C)のようにYs=17.5[mm]と計算される。同様に、出力ビットがオフに戻るときの第2のエッジ位置Yeはボーダ幅Beの中心座標であり、図9(C)のようにYe=22.5[mm]と計算される。
この場合、被検出物(指)の中心位置Yaは、Ya=(Ye+Ys)/2=20[mm]と計算される。また、被検出物(指)のY軸方向の大きさWは、W=(Ye−Ys)=5[mm]となり、実際の指の大きさAと一致する。
【0063】
以上のようにして、被検出物の走査方向の中心座標と大きさを正確に測定することができる。
Y軸と直交するX軸方向の解像度は、図4(B)や図4(C)に示す検出線E2の数kと、検出線に1:1で接続される電圧検出器DETの数を増やすだけで、原理的にはいくらでも高くすることが可能である。
以上より、本実施形態の駆動および接触検出の方法を用いることで非常に細かい位置検出が可能となる。
【0064】
なお、上記説明では電圧検出器DETがタッチパネル10に備えられていることを前提とするが、タッチパネル10の外に電圧検出器DETを設けることもできる。
前者の場合、タッチパネル10を本発明の「接触検出装置」の実施例としてよい。一方、後者の場合、タッチパネル10とその外部の電圧検出器DETとを含む範囲が本発明の「接触検出装置」の実施例となる。
【0065】
以上の記載から、本実施形態に関わる接触検出装置の接触位置検出ならびに駆動の方法は、以下の3つのステップを含む方法の一例である。
(1)駆動走査のステップ:
第1観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す。
第2観点では、走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す。
【0066】
(2)電位検出のステップ:
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する。
【0067】
(3)判定のステップ:
得られた比較結果から、n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する。
【0068】
<検出処理の具体的手法>
以上の基本概念では「逐次、閾値Vtとの比較を行い、その出力波形がオンしてからオフする時間をクロックカウンタ等で計測し、その計測結果から被検出物の位置や大きさを求める」といった具体的手法が容易に思いつく。
しかしながら、そのような具体的手法では、走査方向の位置や大きさの検出ができても、走査方向と直交する検出線の配列方向(X座標方向)の検出ができない。したがって、検出線の配列方向(X座標方向)でのリアルタイム処理を行うには別の検出アルゴリズムが必要となる。
【0069】
以下に述べるビットマップを用いた検出処理の具体的手法(以下、ビットマップ検出処理という)は、Y座標方向のみならず、X座標方向もリアルタイムで判定可能な手法である。
【0070】
図10は、ビットマップ検出処理の実行手段として、検出部8に接続された「検出処理部」の具体的構成例を示すブロック図である。図11は、ビットマップ検出処理の主な手順を示すフローチャートである。また、図12は、ビットマップ展開例を示す模式図である。
【0071】
図10に示すように、「検出処理部」は、電圧検出器DETがX方向に並ぶ検出部8の出力波形からサンプリングによりビット情報を発生するサンプリング部86を有する。また、「検出処理部」は、サンプリング部86が発生したビット情報を、メモリ空間に展開しビットマップを作成する画像メモリ87と、CPU等の制御部88とを有する。制御部88は、検出部8、サンプリング部86、画像メモリ87を制御する手段である。制御部88を、これらを含む接触検出装置全体を制御する手段としてもよい。
ここで、画像メモリ87にサンプリング部86から入力されるビット情報は、例えば、電圧検出器で閾値Vtより大きいと判断されたドットを“1”、閾値Vt以下と判断されたドットを“0”で表す。
【0072】
図12に示す例では、接触検出装置1の検出面の離れた2箇所に指先が接触している。
以下、この接触例を用いて、図11に沿って処理内容を説明する。
【0073】
図11のステップST1では、図10に示すサンプリング部86が2値化を行い、これを順次画像メモリ内に展開し、記憶させることによってビットマップBMを作成する。
ビットマップBMは、図12の例では1つのドット(あるいはビット)が1つの格子に該当し、白抜きの格子が“0”、グレーの格子が“1”のビットの集合から形成されている。被検出物である指が接触検出装置1に接触または近接していない場合の初期状態では、ビットマップBM全体が白抜きの格子からなる全ビット“0”の状態である。
【0074】
この状態から、指の接触によって、その接触に対応した部分の領域がビット変化する。図12の例では、1つ目の指の接触により発生するビット変化領域を符号“BMRe1”により表し、2つ目の指の接触により発生するビット変化領域を符号“BMRe2”により表わしている。
【0075】
図11のステップST2では、作成されたビットマップBM上の処理で、ビット変化領域の識別を行う。この処理はラベリング処理と呼ばれ、主に制御部88によって実行される。
ラベリング処理後は、ビット変化領域BMRe1とBMRe2の識別番号等によって別の領域(被接触物)であることが区別される。例えば、図12に模式的に示すように、ビット変化領域BMRe1とBMRe2は、識別番号“1”と“2”が割り当てられる。
【0076】
なお、領域形状に応じて被接触物かどうかを判別してもよい。ビット変化領域の形状が指やペン先かどうか分からない複雑な領域形状の場合、ビット変化領域とは判定しないようにしてもよい。この場合、意図的に接触したものでなく、例えば手の平や甲が意図しないで触れてしまったような場合には、以後の処理を中止してもよい。
このように領域形状の判断ステップを入れて、処理の継続か中止かを決めると、無駄な処理による電力の消費やハードウエアの負担を軽減することができる。
【0077】
図11の次のステップST3では、被検出物の位置と大きさの少なくとも一方が判定される。ここでは、ステップST3が、位置を判定するステップST3Aと、大きさを判定するステップST3Bとからなる。ステップST3AとST3Bの内容は図示のものと逆でもよい。
【0078】
ステップST3Aでは、識別番号等を指標として得られる1つのビット変化領域ごとに、X方向、Y方位のそれぞれで重心位置を求める。重心計算は、例えば、ビット変化領域のXアドレスとYアドレスの各々に対して、アドレスの平均を求めることで実行できる。
これによりビット変化領域の重心座標が求まり、これを被接触物の接触位置と判定する。
【0079】
ステップST3Bでは、ビット変化領域の範囲から、被検出物の大きさを求める。大きさは、X方向の最大サイズ、Y方向の最大サイズから表現したものでもよいし、ビットマップ上の最大サイズ(斜め方向の場合も含む)を求めてもよい。
【0080】
以上のビットマップ処理では、閾値と比較して得られる検出情報を、一旦メモリ空間に展開してから処理により、位置と大きさを求める。あるフレームに対して閾値と比較している間に、前回のフレームの接触位置や大きさの判定を行うようにすれば、リアルタイム処理が可能である。また、X方向とY方向でほぼ同時に位置や大きさの判定ができる。また、斜め方向の最大サイズなども容易に求まる。
なお、リアルタイム性を確実にするには、メモリ空間を必要量の2倍用意し、その半分にビットマップを作成している間に、他の半分に対して、既に作成されているビットマップから被検出物の位置や大きさを判定する処理を実行するようにしてもよい。
【0081】
ここで、以上の第1実施形態により示される接触検出の方法の利点を、比較例を挙げて説明する。
【0082】
<比較例>
図13に、本実施形態に関わる図5に示す回路に対する比較例を示す。
図13に示す駆動検出回路100は、図5と同一符号の(静電)容量素子C1_0に対する駆動と保持電位変化の検出を行う回路である。この駆動検出回路100は、電流源101と、スイッチSWTと、コンパレータ102と、パルス変調回路(PWM)103と、タイマ回路104とを有する。
【0083】
容量素子C1_0の一方電極に電流源101が接続され、これにより充電が行われる。スイッチSWTは容量素子C1_0の一方電極と他方電極間に接続されて、容量素子C1_0の放電経路の形成を制御する。スイッチSWTはコンパレータ102の出力に応じて制御される。
コンパレータ102は、容量素子C1_0の一方電極の充電電位を基準電位VBGと比較してパルスを発生する回路である。容量素子C1_0の一方電極の充電が進み、その電位が基準電位VBGを超えるとコンパレータ102の出力にパルスが立ち上がる。しかし、コンパレータ102の出力がハイレベルとなるとスイッチSWTがオンして放電が開始される。よって、コンパレータ102の出力パルスは直ぐに終了する。
【0084】
回路構成上、この充電と放電は交互に発生するため、コンパレータ102からは一定周期の連続パルスが出力される。このパルスはPWM103の入力クロックとして用いられている。PWM103は、入力パルス(“1”と表記)をパルス幅変調する回路であり、その出力パルス幅は入力クロックに応じて変化する。PWM103の出力はタイマ回路104のイネーブル端子に入力されている。タイマ回路104は、イネーブル期間の時間を、入力されるシステムクロックSYSCLKの周期を単位として計測する。
【0085】
ここで、指(被検出物)の接近により容量素子C1_0は、その容量値がΔCだけ上昇する。すると、単位時間当たりに容量素子C1_0を充電する速度が見かけ上低下する。したがって、コンパレータ102から出力されるパルスの幅がΔCに応じて大きくなる。このためPWM103の入力クロック周波数が低下し、PWM103からの出力パルスの幅が大きくなる。よって、タイマ回路104の計測時間も、その分大きくなる。
【0086】
このように構成され動作する、静電容量式タッチセンサの駆動検出回路100は、数十回〜数百回のパルス発生を待って1回の接触検出を行う。したがって、駆動検出回路100は、その動作原理上、1つのボーダ幅の駆動時間は比較的長い。逆に言うと、駆動検出回路100は、比較的長い時間の接触検出を監視することで、接触ありを確実に検出するための回路構成となっている。したがって、駆動検出回路100は、電灯のスイッチなどの意図的な接触を確実に検出し、短い意図しない接触は無視するなどの用途に向いている。
一方で、例えば表示パネルの表示内容と連動した高度な情報入力の用途に対しては、駆動検出回路100は接触検出の応答性が悪く、不向きである。
【0087】
本実施形態で説明した駆動検出の回路および手法は、微細な被検出物の検出をする検出精度を上げても、検出信号Vdetの波高値を下げないで済み、むしろ大きくできる。このため、接触検出のための電位比較を図10のように何十〜何百回もする必要がなく、1交流駆動ごとに1回の電位比較でよい。よって、本実施形態では、電位変化から被検出物の有無や位置の判定までの時間が非常に短く、応答性がよい接触検出装置を提供できるという利点がある。
【0088】
《第2実施形態》
第2実施形態では、タッチセンサの検出電極(表示面側で指等が近接する電極)よりパネル内部に設けられ、検出のための静電容量を検出電極との間に形成する駆動電極を、液晶制御のための電極と兼用する。この電極は検出電極と画素電極の双方に対向するように設けることが好ましいため、以下、単に「対向電極」と称する。
【0089】
一方、液晶制御のための電極としては、液晶層などの表示機能層に対して電界を印加するために複数の画素に共通に設けられた共通電極(いわゆるVcom駆動電極)が、画素ごとの画素電極と対向して用いられる。液晶表示制御において、共通電極に与えるコモン駆動信号Vcomは信号電圧の基準となる電圧である。よく知られている低消費電力駆動では、使用する電圧の絶対値をほぼ半減するための方法として、コモン駆動信号VcomをACパルス駆動する。また、この交流駆動は、液晶の特性低下防止のためにも有効である。
本実施形態では、例えば、液晶等を制御のためにACパルス駆動といった交流で駆動されるコモン駆動信号Vcomを、タッチセンサの駆動電圧としても利用するものである。別の言い方をすると、上記タッチサンサの対向電極を、液晶駆動の共通電極と共用する。
【0090】
ここで、当然ながら、対向電極の交流駆動は、Vcom駆動に適合したものでなければならず、これが表示駆動のための要請である(第1の要請)。
【0091】
また、タッチセンサは指等が表示装置の表示面に接近または接触したことを単に検出するのみならず、その指などの表示面内での操作位置を検出することが望ましい。例えば複数のボタンの画像を表示した場合、どのボタンが操作されたかを検出する必要がある。このために、表示駆動の共通電極とタッチセンサの駆動電力を兼ねる電極(対向電極)を、複数に分割する。これは、表示画素ラインの駆動に支障のない範囲で、どの対向電極に静電容量変化が発生したかによって操作位置の検出を行うためである。
より詳細には、表示駆動のために走査の対象となっている画素ラインを含む領域に位置する、分割された一の対向電極のみACパルス駆動する。そして、表示駆動をする画素ラインを移動(走査)させることにともなって、接触検出のためにACパルス駆動すべき対向電極を移動(走査)させる。この表示駆動と接触検出のためのACパルス駆動の対象を走査する最中、静電容量変化を監視し、第1実施形態と同様に、閾値Vtを用いた指などの位置判定も可能である。
以上が、表示制御の共通電極とセンサ駆動電極とを共用した場合に、タッチセンサの位置検出のための要請である(第2の要請)。
【0092】
さらに、上記第2の要請を満たすために、タッチセンサの電極駆動が画面内の一部に対して行われる場合、以下の不都合が発生する可能性がある。
対向電極の端に最も近い画素ラインが表示されて、次の画素ラインへ走査が移行するときは、それにともなって対向電極のACパルス駆動を、隣の対向電極側へ切り替える操作も行われる。そのため、微妙な駆動電圧の変動が画素ラインの表示に影響する。つまり、表示画面全体では、対向電極の境目がわずかに線として見える画質低下の懸念がある。
【0093】
その一方で、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、画素ラインごとの表示駆動ごとに、ACパルス駆動する対向電極も切り替わる。このとき、どの画素ラインにとっても対向電極のACパルス駆動が切り替わる条件が等しいため、境目の線は見えにくい。また、画素電極の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの駆動周波数に近い。このため、画素ラインごとに対向電極を設けた場合は、仮に微妙な駆動電圧の変動があっても人の目には見にくい。
【0094】
さらに、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、タッチセンサとしての列方向の分解能は高くなる。しかし、画素ラインごとに対向電極も細かく区切ると、共通電極のコモン駆動信号Vcomが静電容量を介して検出電極に伝達された電圧(センサ電圧Vs)が小さくなるため、ノイズの影響を受けてS/N比が低下する。
以上より、タッチセンサの位置検出のために対向電極を分割して順次、駆動すると、駆動対象の対向電極が切り替わる線が見えて画質が低下することと、センサ電圧Vsの大きさ確保(S/N比確保)とが相反するトレードオフの関係にある。また、タッチセンサとしての分解能を高めることと、S/N比の確保ともトレードオフの関係にある。
このトレードオフの克服または緩和は、センサ駆動電極と表示駆動の共通電極とを共用する場合に要求される、第3の要請である。
【0095】
以下に説明する2つの実施形態は、上記第1〜第3の要請の1つ以上を満たすための、対向電極の構造とその駆動法を含む。
ただし、第1実施形態と同様に、対向電極(駆動電極に相当)から出力されるアナログの検出信号Vdetを閾値Vtを用いて比較する検出手法は、以下に述べるどの実施形態でも共通する。また、図1〜図3を用いて既に説明した静電容量式接触検出の基本は、以下の実施形態でも同じである。図5に示す検出駆動走査部11(以下の実施形態では、Vcom駆動回路9と呼ぶ)の基本構成、ならびに、検出部8の基本構成は、第1実施形態と共通する。図6と図7に示す分割数と検出精度の関係やシフトの仕方も、本実施形態において「駆動電極」を「対向電極」と読み替えることによって適用できる。図8および図9に示す被検出物の位置や大きさの判定手法も、第2実施形態において同様に適用できる。さらに、図10〜図12を用いて説明したビットマップ検出処理が適用可能なことも第1実施形態と同じである。
【0096】
以下、主に、第1実施形態と異なる点を中心として表示装置の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図14(A)〜図14(C)に、本実施形態に関わる表示装置の電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図を示す。また、図14(D)に、本実施形態に関わる表示装置の概略的な断面構造を示す。図14(D)は、例えば行方向(画素表示ライン方向)の6画素分の断面を表している。図15は、画素の等価回路図である。
図14に図解する表示装置は、「表示機能層」としての液晶層を備える液晶表示装置である。
【0097】
液晶表示装置は、前述したように、複数の画素で共通な電極として、各画素ごとに階調表示のための信号電圧に対し基準電圧を付与するコモン駆動信号Vcomが印加される電極(対向電極)を有する。本発明の実施形態では、この対向電極をセンサ駆動のための電極としても用いる。
【0098】
液晶表示パネル1は、図15に示す画素PIXがマトリクス配置されている。
各画素PIXは、図15に示すように、画素のセレクト素子としての薄膜トランジスタ(TFT;thin film transistor、以下、TFT23と表記)と、液晶層6の等価容量C6と、保持容量(付加容量ともいう)Cxとを有する。液晶層6を表す等価容量C6の一方側の電極は、画素ごとに分離されてマトリクス配置された画素電極22であり、他方側の電極は複数の画素で共通な対向電極43である。
【0099】
TFT23のソースとドレインの一方に画素電極22が接続され、TFT23のソースとドレインの他方に信号線SIGが接続されている。信号線SIGは不図示の垂直駆動回路(後述の実施形態に関わる図14参照)に接続され、信号電圧を持つ映像信号が信号線SIGに垂直駆動回路から供給される。
対向電極43には、コモン駆動信号Vcomが与えられる。コモン駆動信号Vcomは、中心電位を基準として正と負の電位を、1水平期間(1H)ごとに反転した信号である。
TFT23のゲートは行方向、即ち表示画面の横方向に並ぶ全ての画素PIXで電気的に共通化され、これにより走査線SCNが形成されている。走査線SCNは、不図示の垂直駆動回路から出力され、TFT23のゲートを開閉するためのゲートパルスが供給される。そのため走査線SCNはゲート線とも呼ばれる。
【0100】
図15に示すように、保持容量Cxが等価容量C6と並列に接続されている。保持容量Cxは、等価容量C6では蓄積容量が不足し、TFT23のリーク電流などによって書き込み電位が低下するのを防止するために設けられている。また、保持容量Cxの追加はフリッカ防止や画面輝度の一様性向上にも役立っている。
【0101】
このような画素が配置された液晶表示パネル1は、断面構造(図14(D))で見ると、断面に現れない箇所で図15に示すTFT23が形成され画素の駆動信号(信号電圧)が供給される駆動基板2を備えている。また、液晶表示パネル1は、駆動基板2に対向して配置された対向基板4と、駆動基板2と対向基板4との間に配置された液晶層6とを備えている。
【0102】
駆動基板2は、図15のTFT23が形成された回路基板としてのTFT基板21(基板ボディ部はガラス等からなる)と、このTFT基板21上にマトリクス配置された複数の画素電極22とを有する。
TFT基板21に、各画素電極22を駆動するための図示しない表示ドライバ(垂直駆動回路、水平駆動回路等)が形成されている。また、TFT基板21に、図15に示すTFT23、ならびに、信号線SIGおよび走査線SCN等の配線が形成されている。TFT基板21に、タッチ検出動作を行う電圧検出器DET(図5参照)が形成されていてもよい。
【0103】
対向基板4は、ガラス基板41と、このガラス基板41の一方の面に形成されたカラーフィルタ42と、カラーフィルタ42の上(液晶層6側)に形成された対向電極43とを有する。カラーフィルタ42は、例えば赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のカラーフィルタ層を周期的に配列して構成したもので、画素PIX(または画素電極22)ごとにR、G、Bの3色の1色が対応付けられている。なお、1色が対応付けられている画素を「サブ画素」といい、R、G、Bの3色のサブ画素の集合を「画素」という場合があるが、ここではサブ画素も「画素PIX」と表記する。
対向電極43は、タッチ検出動作を行うタッチセンサの一部を構成するセンサ駆動電極としても兼用されるものであり、図1および図2における駆動電極E1に相当する。
【0104】
対向電極43は、コンタクト導電柱7によってTFT基板21と連結されている。このコンタクト導電柱7を介して、TFT基板21から対向電極43に交流パルス波形のコモン駆動信号Vcomが印加されるようになっている。このコモン駆動信号Vcomは、図1および図2の駆動信号源Sから供給されるACパルス信号Sgに相当する。
【0105】
ガラス基板41の他方の面(表示面側)には、検出電極44(44_1〜44_k)が形成され、さらに、検出電極44の上には、保護層45が形成されている。検出電極44は、タッチセンサの一部を構成するもので、図1および図2における検出電極E2に相当する。ガラス基板41に、タッチ検出動作を行う電圧検出器DET(図5参照)が形成されていてもよい。
【0106】
液晶層6は、「表示機能層」として、印加される電界の状態に応じて厚さ方向(電極の対向方向)を通過する光を変調する。液晶層6は、例えば、TN(ツイステッドネマティック)、VA(垂直配向)、ECB(電界制御複屈折)等の各種モードの液晶材料が用いられる。
【0107】
なお、液晶層6と駆動基板2との間、および液晶層6と対向基板4との間には、それぞれ配向膜が配設される。また、駆動基板2の反表示面側(即ち背面側)と対向基板4の表示面側には、それぞれ偏光板が配置される。これらの光学機能層は、図4で図示を省略している。
【0108】
対向電極43は、図14(A)に示すように、画素配列の行または列、本例では列の方向(図の縦方向)に分割されている。この分割の方向は、表示駆動における画素ラインの走査方向、すなわち不図示の垂直駆動回路が走査線SCNを順次活性化していく方向と対応する。
対向電極43は、駆動電極を兼ねることに基づく必要性から、合計でn個に分割されている。よって、対向電極43_1,43_2,…,43_m,…,43_nは、行方向に長い帯状のパターンを有して面状配置され、当該面内で互いの離間距離をとって平行に敷き詰められている。
【0109】
n分割された対向電極43_1〜43_nは、少なくとも2以上のm(<n)本で同時に駆動される。つまり、m本の対向電極43_1〜43_mに同時にコモン駆動信号Vcomが印加されて、その電位が反転を1水平期間(1H)ごとに繰り返す。そのとき、他の対向電極は、駆動信号が与えられないため電位変動しない。この同時駆動される対向電極の束が、第1実施形態と同様な交流駆動電極ユニットEUを構成する。
本実施形態で、交流駆動電極ユニットEUごとに対向電極の数は一定の数mとする。また、交流駆動電極ユニットEUが、その束ねる対向電極の組み合わせを変えながら列方位にステップ状にシフトする。つまり、シフトごとに交流駆動電極ユニットEUとして選択される対向電極の組み合わせが変化する。そして、2回のシフトでは1つの、分割された対向電極のみが選択から外れ、代わりに、分割された対向電極が新たに選択される。
【0110】
このような対向電極の交流駆動電極ユニットEUを単位とするVcom駆動と、そのシフト動作は、不図示の垂直駆動回路(書き込み駆動走査部)内に設けられた、「検出駆動走査部」としてのVcom駆動回路9により行われる。Vcom駆動回路9の動作は、「m本の対向電極の配線を同時にVcom交流駆動する駆動信号源S(図1および図2参照)を列方向に移動して、選択する対向電極を1つずつ変えながら列方向に走査する動作」に等しいとみなせる。
【0111】
一方、検出電極44は、対向電極43の電極パターン(対向電極43_1〜43_n)の分離方向に延びる複数のストライプ状の電極パターン(検出電極44_1〜44_k)から構成されている。k個の検出電極44_1〜44_kから、それぞれ検出信号Vdetが出力される。これらk個の検出信号Vdetが、図1および図2に示す電圧検出器DETを基本検出単位とする、検出部8に入力されるようになっている。
【0112】
なお、図14(A)と図14(B)は電極パターン説明のために分けた図であるが、実際には、図14(C)のように対向電極43_1〜43_nと検出電極44_1〜44_kとは重ねて配置され、2次元平面内の位置検出が可能になっている。
この構成によって、検出部8は、どの電圧検出器DETに電圧変化が生じたかで行方向の位置が検出でき、その検出時のタイミングによって列方向の位置情報を得ることができる。つまり、Vcom駆動回路9のVcom駆動と検出部8の動作が、例えば所定周期のクロック信号で同期しているとする。このような同期動作によって、検出部8が電圧変化を得たときが、Vcom駆動回路9が分割された、どの対向電極を駆動していたときに対応するかが分かるため、指の接触位置中心を検出できる。このような検出動作は、液晶表示パネル1全体を統括する不図示のコンピュータベースの統括制御回路、例えばCPUやマイクロコンピュータ、あるいは、タッチ検出のための制御回路により制御される。
【0113】
「検出駆動走査部」としてのVcom駆動回路9は、図14(D)の駆動基板2側に形成されるが、「検出部」としての検出部8は、駆動基板2側でも対向基板4側でもよい。TFTが多く集積化されているため製造工程数を減らすには駆動基板2に検出部8も一緒に形成することが望ましい。ただし、検出電極44が対向基板4側に存在し、検出電極44が透明電極材料から形成されるため配線抵抗が高くなることがある。そのような場合、配線抵抗が高いことの不具合を回避するには、対向基板4側に検出部8を形成することが好ましい。ただし、検出部8だけのために対向基板4にTFT形成プロセスを用いると、コスト高になるという不利益がある。
以上の利益と不利益を総合的に勘案して、検出部8の形成位置を決定するとよい。
【0114】
次に、以上のような構成の表示装置の動作を説明する。
【0115】
駆動基板2の表示ドライバ(図示しない水平駆動回路および垂直駆動回路等)は、対向電極43の各電極パターン(対向電極43_1〜43_n)に対してコモン駆動信号Vcomを線順次で供給する。このとき、対向電極の選択の仕方とシフトの仕方は、上述したとおりである。コモン駆動信号Vcomは、画像表示の対向電極電位制御のためにも用いられる。
また、表示ドライバは、信号線SIGを介して画素電極22へ信号電圧を供給すると共に、これに同期して、走査線SCNを介して各画素電極のTFTのスイッチングを線順次で制御する。これにより、液晶層6には、画素ごとに、コモン駆動信号Vcomと各画素信号とにより定まる縦方向(基板に垂直な方向)の電界が印加されて液晶状態の変調が行われる。このようにして、いわゆる反転駆動による表示が行われる。
【0116】
一方、対向基板4の側では、対向電極43の各電極パターン(対向電極43_1〜43_n)と、検出電極44の各電極パターン(検出電極44_1〜44_k)との交差部分にそれぞれ容量素子C1が形成される。対向電極43の各電極パターンにコモン駆動信号Vcomを時分割的に順次印加していくと、その印加された対向電極43の電極パターンと検出電極44の各電極パターンとの交差部分に形成されている一列分の容量素子C1の各々に対する充放電が行われる。その結果、容量素子C1の容量値に応じた大きさの検出信号Vdetが、検出電極44の各電極パターンからそれぞれ出力される。対向基板4の表面にユーザの指が触れられていない状態においては、この検出信号Vdetの大きさはほぼ一定(センサ電圧Vs)となる。コモン駆動信号Vcomのスキャンに伴い、充放電の対象となる容量素子C1の列が線順次的に移動していく。
【0117】
ここで、対向基板4の表面のいずれかの場所にユーザの指が触れると、そのタッチ箇所に元々形成されている容量素子C1に、指による容量素子C2が付加される。その結果、そのタッチ箇所がスキャンされ、当該タッチ箇所に対応する駆動電極にコモン駆動信号Vcomが印加されたときの検出信号Vdetの値(センサ電圧Vs)が他の箇所よりも小さくなる。つまり、センサ電圧Vf<センサ電圧Vsとなる。検出部8(図5)は、この検出信号Vdetを閾値Vtと比較して、検出信号Vdetが閾値Vt以下の場合に、その箇所をタッチ箇所として判定する。このタッチ箇所は、コモン駆動信号Vcomの印加タイミングと、閾値Vt以下の検出信号Vdetの検出タイミングとから求めることができる。
【0118】
このように、本実施形態によれば、液晶表示素子に元々備えられている液晶駆動の共通電極(対向電極43)を、駆動電極と検出電極とからなる一対のタッチセンサ用電極の一方(駆動電極)と兼用する。また、本実施形態では、表示駆動信号としてのコモン駆動信号Vcomを、タッチセンサ駆動信号として共用する。よって、新たに設ける電極は検出電極44だけでよく、また、タッチセンサ駆動信号を新たに用意する必要がない。したがって、構成が簡単である。
また、複数の対向電極を同時に交流駆動し、その同時に交流駆動する電極グループを、各対向電極が2回の交流駆動で共に選択されるようにシフトする。このため、第1実施形態と同様、S/N比とセンサ検出精度の両方を高いレベルで維持できる。
【0119】
交流駆動の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの1H反転周波数と等しくなる。この周波数は商用電源周波数、例えば60[Hz]を列方向の画素数倍した非常に高い周波数となる。たとえば列方向の画素数が480の場合、この周波数は28.8[kHz]、パルス波形の周波数としては、その半分の14.4[kHz]となる。よって、交流駆動のシフトに起因する画像変化は、人の目に視認できない十分に高い周波数となる。
以上より、センサ電圧の低下によるS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立できる。
なお、このS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立は必須の要件でない。よって、センサ検出精度の向上を、この画質低下防止より優先させてよい。
【0120】
本実施形態によれば、さらにコモン駆動信号Vcomの駆動電極と駆動回路を、センサ駆動電極と駆動回路と兼用できるため、その分の配置スペースと消費電力の節約ができる。
【0121】
なお、図14において、検出電極44は細い幅のラインとして示すが、行方向に大きな幅に形成してもよい。この幅は、容量素子C1の容量値が小さ過ぎて、より大きくしたい場合に、電極幅を大きく対処できる。逆に、例えば誘電体Dが薄いために容量素子C1の容量値が大き過ぎて、より小さくしたい場合は、電極幅を小さくして対処できる。
あるいは、検出電極44を列方向に分割して、それぞれの分割した孤立パターンから配線を列方向に引き出してもよい。それぞれの配線に電圧検出器DETを接続してもよいが、回路規模が増大することを防止するために複数の検出電極44で1つの電圧検出器DETを共用してもよい。例えば、1つの電圧検出器DETを1列の検出電極44で共用し、当該電圧検出器DETによって、時分割で検出電極44ごとの検出を行ってもよい。
【0122】
《第3実施形態》
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態は、上記第2実施形態の場合とは異なり、表示素子として横電界モードの液晶素子を用いるようにしたものである。
【0123】
図16は、本実施形態の表示装置の概略的な断面構造図である。図16で、第2実施形態と同一の構成は、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0124】
本実施形態の表示装置が、第2実施形態と異なる点は、対向電極43を駆動基板2側に配置することである。本実施形態における対向電極43は、画素電極22の反液晶層側に画素電極22と対向して配置されている。ここで対向といっても、特に図示しないが、画素電極22同士の間の距離が比較的大きく取られ、画素電極22の間から対向電極43が液晶層6に電界を作用させる。つまり、液晶層6に対する電界の作用する方向が横方向の横電界モードの液晶表示となる。
その他の構成は、断面における配置に限れば、第3実施形態と第2実施形態は同じとなる。
【0125】
容量素子C1は、検出電極44と対向電極43との間に形成されるため、第2実施形態(図14(D))に比べると、容量値が低くなる。しかし、電極間隔が遠くなることを、電極幅を大きくするなどで補うような対処が可能であり、また、容量素子C2との関係で感度が大きくなる場合もある。
【0126】
液晶層6は、電界の状態に応じてそこを通過する光を変調するものであり、例えば、FFS(フリンジフィールドスイッチング)モードや、IPS(インプレーンスイッチング)モード等の横電界モードの液晶が用いられる。
【0127】
つぎに、図17を参照して、より詳細に説明する。
図17に示すFFSモードの液晶素子においては、駆動基板2上に形成された対向電極43の上に、絶縁層25を介して、櫛歯状にパターニングされた画素電極22が配置され、これを覆うように配向膜26が形成される。この配向膜26と、対向基板4側の配向膜46との間に、液晶層6が挟持される。2枚の偏光板24,45は、クロスニコルの状態で配置される。2枚の配向膜26,46のラビング方向は、2枚の偏光板24,45の一方の透過軸と一致している。図17では、ラビング方向が出射側の保護層45の透過軸と一致している場合を図示してある。さらに、2枚の配向膜26,46のラビング方向および保護層45の透過軸の方向は、液晶分子が回転する方向が規定される範囲で、画素電極22の延設方向(櫛歯の長手方向)とほぼ平行に設定されている。
【0128】
次に、以上のような構成の表示装置の動作を説明する。
【0129】
ここではまず、図17および図18を参照して、FFSモードの液晶素子の表示動作原理について簡単に説明する。ここで、図18は液晶素子の要部断面を拡大して表したものである。これらの図で、(A)は電界非印加時、(B)は電界印加時における液晶素子の状態を示す。
【0130】
対向電極43と画素電極22との間に電圧を印加していない状態では(図17(A)、図18(A))、液晶層6を構成する液晶分子61の軸が入射側の偏光板24の透過軸と直交し、かつ、出射側の保護層45の透過軸と平行な状態となる。このため、入射側の偏光板24を透過した入射光hは、液晶層6内において位相差を生じることなく出射側の保護層45に達し、ここで吸収されるため、黒表示となる。一方、対向電極43と画素電極22との間に電圧を印加した状態では(図17(B)、図18(B))、液晶分子61の配向方向が、画素電極間に生じる横電界Eにより、画素電極22の延設方向に対して斜め方向に回転する。この際、液晶層6の厚み方向の中央に位置する液晶分子61が約45度回転するように白表示時の電界強度を最適化する。これにより、入射側の偏光板24を透過した入射光hには、液晶層6内を透過する間に位相差が生じ、90度回転した直線偏光となり、出射側の保護層45を通過するため、白表示となる。
【0131】
なお、タッチセンサ部に関しては、断面構造内の電極配置が異なるのみで、基本的な動作は第1および第2実施形態と共通する。つまり、Vcom交流駆動とシフトの繰り返しにより対向電極43を列方向で駆動し、そのときのセンサ電圧VsとVfの差を、電圧検出器DETを介して読み取る。デジタル値として読み取ったセンサ電圧Vsを閾値Vtと比較し、指の接触または接近の位置をマトリクス状に検出する。
このとき、図7と同様に、m本(図7ではm=7)同時に対向電極43を交流駆動し、1つの書き込みユニットに対応する1本の対向電極43ずつずらしてシフトしてから再度交流駆動を行い、このシフトと交流駆動を繰り返す。このため、図6(C)に示した式におけるnの値は、実際の分割数の1/mに低減されてセンサ電圧Vsがその分、大きくなる。一方、図7に示すように、選択グループに新たに含まれ、それに変わって含まれなくなる単位が1画素ラインに対応する1つの対向電極である。よって、S/N比とセンサ検出精度を高いレベルで維持できる。
【0132】
また、交流駆動の切り替わり周波数がコモン駆動信号Vcomの1H反転周波数と等しくしてもよい。この周波数は商用電源周波数、例えば60[Hz]を列方向の画素数倍した非常に高い周波数となる。たとえば列方向の画素数が480の場合、この周波数は28.8[kHz]、パルス波形の周波数としては、その半分の14.4[kHz]と、人の目に視認できない十分に高い周波数となる。
以上より、センサ電圧の低下によるS/N比低下の防止と、電極駆動の切り替えによる画質低下の防止が両立できる。
【0133】
以上の効果に加え、第2実施形態と同様に、Vcom駆動とセンサ駆動の電極の共用により、構成が簡単であるという利点がある。また、コモン駆動信号Vcomの駆動電極と駆動回路を、センサ駆動電極と駆動回路と兼用できるため、その分の配置スペースと消費電力の節約ができる。
より詳細には、対向基板側に透明電極材(ITO)が存在する液晶モード(VA,TN,ECB等の各モード)は駆動用の対向基板の電位をTFT素子から上げる必要がある。このため、TFT基板と対向電極間に多数のコンタクトが必要となり、構造が複雑になる。
これに対し、第3実施形態の横電界モードの液晶表示装置では、そのような構造を複雑化する要素がなく、その点でも望ましい。
【図面の簡単な説明】
【0134】
【図1】実施形態に関わるタッチセンサ部の動作を説明するための等価回路図と概略断面図である。
【図2】図1に示すタッチセンサ部に指が接触または接近した場合の、同等価回路図と同概略断面図である。
【図3】実施形態に関わるタッチセンサ部の入出力波形を示す図である。
【図4】第1実施形態に関わる接触検出装置のタッチ検出のための電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図と概略断面図である。
【図5】実施形態に関わる表示装置において、センサ駆動のための駆動信号源と電圧検出器の回路例を示すための図である。
【図6】実施形態に関わる駆動電極のパターンと、当該パターンも含めたタッチセンサ部の等価回路図ならびにセンサ電圧の式を示す図である。
【図7】実施形態に関わる駆動電極の選択(同時に交流駆動する電極グループの決定)と、そのシフト(再選択)の様子を示す平面図である。
【図8】実施形態に関わる位置判定手法の説明図である。
【図9】図9の位置検出手法を、数値を定めて具体化した実施例を示す図である。
【図10】実施形態に関わるビットマップ検出処理の実行手段を含むブロック図である。
【図11】実施形態に関わるビットマップ検出処理の主な手順を示すフローチャートである。
【図12】実施形態に関わるビットマップ展開例を示す模式図である。
【図13】実施形態に関わる比較例の駆動検出回路の構成図である。
【図14】第2実施形態に関わる表示装置のタッチ検出のための電極と、その駆動や検出のための回路の配置に特化した平面図と概略断面図である。
【図15】第2および第3実施形態に関わる表示装置の画素の等価回路図である。
【図16】第3実施形態に関わる表示装置の概略断面図である。
【図17】第3実施形態に関わるFFSモード液晶素子の動作説明図である。
【図18】図17の動作を断面図において示す図である。
【符号の説明】
【0135】
1…液晶表示装置、2…駆動基板、21…TFT基板、22…画素電極、23…TFT、4…対向基板、41…ガラス基板、42…カラーフィルタ、43…対向電極、44…検出電極、6…液晶層、7…コンタクト導電柱、8…検出部、81…OPアンプ回路、82…整流回路、83…出力回路、86…サンプリング部、87…画像メモリ、88…制御部、10…タッチパネル、11…検出駆動走査部、12…接着層、13…保護層、14…誘電体層、C1,C2…容量素子、S…駆動信号源、DET…電圧検出器、Sg…ACパルス信号、E1…駆動電極、E2…検出電極、Vcom…コモン駆動信号、Vdet…検出信号、Vt…閾値、Vs…センサ電圧(非接触時)、Vf…センサ電圧(接触時)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
走査方向に並ぶn個の駆動電極と、
前記n個の駆動電極から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す検出駆動走査部と、
前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量を形成する複数の検出電極と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する接触検出装置。
【請求項2】
前記複数の検出回路の各々は、前記対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と超えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生する
請求項1に記載の接触検出装置。
【請求項3】
前記複数の検出回路から複数の前記検出信号を入力し、入力した前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する検出処理部を
有する請求項2に記載の接触検出装置。
【請求項4】
前記検出処理部は、前記走査方向と当該走査方向に直交する方向との2方向の各々において前記ビット変化領域の平均座標点を求め、得られた2つの平均座標点から前記重点位置を特定し、特定した重点位置から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の位置を判定する
請求項3に記載の接触検出装置。
【請求項5】
前記複数の検出回路から複数の前記検出信号を入力し、入力した前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の範囲を求め、得られたビット変化領域の範囲から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の大きさを判定する検出処理部を
有する請求項2に記載の接触検出装置。
【請求項6】
前記検出駆動走査部は、前記連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が前記選択対象に含まれるように、駆動電極1つ分を単位として前記シフト動作を繰り返す
請求項1に記載の接触検出装置。
【請求項7】
一定のピッチで走査方向に並ぶn個の駆動電極と、
前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する接触検出装置。
【請求項8】
画素ごとに設けられ、面状に行列配置された複数の画素電極と、
前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されたn個の対向電極と、
前記n個の対向電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する表示機能層と、
前記n個の対向電極から連続するm(2≦m<n)個の対向電極を選択し、当該選択したm個の対向電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する表示装置。
【請求項9】
画素ごとに設けられ、面状に行列配置された複数の画素電極と、
前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されたn個の対向電極と、
前記n個の対向電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する表示機能層と、
前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の対向電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の対向電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する表示装置。
【請求項10】
走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す駆動走査のステップと、
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する電位検出のステップと、
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する判定のステップと、
を含む接触検出方法。
【請求項11】
前記電位検出のステップでは、対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と越えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生し、
前記判定のステップでは、前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項12】
前記判定のステップでは、前記走査方向と当該走査方向に直交する方向との2方向の各々において前記ビット変化領域の平均座標点を求め、得られた2つの平均座標点から前記重点位置を特定し、特定した重点位置から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の位置を判定する
請求項11に記載の接触検出方法。
【請求項13】
前記電位検出のステップでは、対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と越えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生し、
前記判定のステップでは、前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上でビット変化領域の範囲を求め、得られたビット変化領域の範囲から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の大きさを判定する
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項14】
前記駆動走査のステップでは、前記連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が前記選択対象に含まれるように、駆動電極1つ分を単位として前記シフト動作を繰り返す
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項15】
走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す駆動走査のステップと、
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する電位検出のステップと、
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する判定のステップと、
を含む接触検出方法。
【請求項1】
走査方向に並ぶn個の駆動電極と、
前記n個の駆動電極から連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す検出駆動走査部と、
前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量を形成する複数の検出電極と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する接触検出装置。
【請求項2】
前記複数の検出回路の各々は、前記対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と超えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生する
請求項1に記載の接触検出装置。
【請求項3】
前記複数の検出回路から複数の前記検出信号を入力し、入力した前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する検出処理部を
有する請求項2に記載の接触検出装置。
【請求項4】
前記検出処理部は、前記走査方向と当該走査方向に直交する方向との2方向の各々において前記ビット変化領域の平均座標点を求め、得られた2つの平均座標点から前記重点位置を特定し、特定した重点位置から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の位置を判定する
請求項3に記載の接触検出装置。
【請求項5】
前記複数の検出回路から複数の前記検出信号を入力し、入力した前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上の処理により、当該ビットマップ上でビット変化領域の範囲を求め、得られたビット変化領域の範囲から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の大きさを判定する検出処理部を
有する請求項2に記載の接触検出装置。
【請求項6】
前記検出駆動走査部は、前記連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が前記選択対象に含まれるように、駆動電極1つ分を単位として前記シフト動作を繰り返す
請求項1に記載の接触検出装置。
【請求項7】
一定のピッチで走査方向に並ぶn個の駆動電極と、
前記n個の駆動電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する接触検出装置。
【請求項8】
画素ごとに設けられ、面状に行列配置された複数の画素電極と、
前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されたn個の対向電極と、
前記n個の対向電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する表示機能層と、
前記n個の対向電極から連続するm(2≦m<n)個の対向電極を選択し、当該選択したm個の対向電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する表示装置。
【請求項9】
画素ごとに設けられ、面状に行列配置された複数の画素電極と、
前記画素電極と対向する面状に配置され、前記画素電極の一方の配置方向である走査方向で前記画素電極の配列が有するピッチ長の自然数倍のピッチ長を有し、前記走査方向で等間隔に配置されたn個の対向電極と、
前記n個の対向電極の各々との間に静電容量が形成される複数の検出電極と、
互いに対向する前記画素電極と前記対向電極との間に印加される信号電圧に応じて画像の表示機能を発揮する表示機能層と、
前記走査方向に連続するm(2≦m<n)個の対向電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の対向電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す検出駆動走査部と、
前記複数の検出電極に1対1で接続され、前記検出駆動走査部が前記シフト動作を行うたびに、対応する検出電極の電位を所定の閾値と比較する複数の検出回路と、
を有する表示装置。
【請求項10】
走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を選択し、当該選択したm個の駆動電極を同時に交流駆動し、当該m個の駆動電極の選択対象を前記走査方向内で変更するシフト動作を、各シフト動作の前後で共通な1つ以上の駆動電極が前記選択対象に含まれるように繰り返す駆動走査のステップと、
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する電位検出のステップと、
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する判定のステップと、
を含む接触検出方法。
【請求項11】
前記電位検出のステップでは、対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と越えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生し、
前記判定のステップでは、前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上でビット変化領域の重心位置を特定する
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項12】
前記判定のステップでは、前記走査方向と当該走査方向に直交する方向との2方向の各々において前記ビット変化領域の平均座標点を求め、得られた2つの平均座標点から前記重点位置を特定し、特定した重点位置から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の位置を判定する
請求項11に記載の接触検出方法。
【請求項13】
前記電位検出のステップでは、対応する検出電極の電位が前記閾値を超えた場合と越えない場合で異なる論理値をとる検出信号を発生し、
前記判定のステップでは、前記複数の検出信号を時間サンプリングして得られるビットマップ上でビット変化領域の範囲を求め、得られたビット変化領域の範囲から、前記静電容量の変化を引き起こす被検出物の大きさを判定する
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項14】
前記駆動走査のステップでは、前記連続する2回の交流駆動で共通な(m−1)個の駆動電極が前記選択対象に含まれるように、駆動電極1つ分を単位として前記シフト動作を繰り返す
請求項10に記載の接触検出方法。
【請求項15】
走査方向に並ぶn個の駆動電極から、連続するm(2≦m<n)個の駆動電極を同時に交流駆動する駆動動作を行い、同時に交流駆動する前記m個の駆動電極の組み合わせを前記走査方向内で変更するシフト動作を、前記m個より少ない個数の駆動電極が有する前記走査方向のサイズを1回のシフト量として繰り返す駆動走査のステップと、
前記駆動走査のステップで前記シフト動作を行うたびに、各駆動電極の電位を所定の閾値と比較する電位検出のステップと、
得られた比較結果から、前記n個の駆動電極と各検出電極との間に形成される静電容量の印加電圧が外部容量の影響で変化する変化領域の位置と大きさの少なくとも一方を判定する判定のステップと、
を含む接触検出方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2010−92275(P2010−92275A)
【公開日】平成22年4月22日(2010.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−261777(P2008−261777)
【出願日】平成20年10月8日(2008.10.8)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年4月22日(2010.4.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年10月8日(2008.10.8)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
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