JP5491020B2 - タッチパネル - Google Patents

Description

本発明は、画面へ座標を入力する入力装置、及びそれを備えた表示装置にかかわり、特に容量結合方式の入力装置を有す表示装置における座標検出精度の高精度化に好適なものである。

表示画面に使用者の指などを用いてタッチ操作（接触押圧操作、以下、単にタッチと称する）して情報を入力する画面入力機能をもつ入力装置（以下、タッチセンサ又はタッチパネルとも称する）を備えた表示装置は、ＰＤＡや携帯端末などのモバイル用電子機器、各種の家電製品、無人受付機等の据置型顧客案内端末に用いられている。このようなタッチによる入力装置として、タッチされた部分の抵抗値変化を検出する抵抗膜方式、あるいは容量変化を検出する静電容量結合方式、またはタッチにより遮蔽された部分の光量変化を検出する光センサ方式などが知られている。
静電容量結合方式は、抵抗膜方式や光センサ方式と比較した場合に次のような利点がある。例えば、抵抗膜方式や光センサ方式では透過率が８０％程度と低いのに対し静電容量結合方式は約９０％と透過率が高く表示画質を低下させない点で有利である。また、抵抗膜方式では抵抗膜の機械的接触によりタッチ位置を検知するため、抵抗膜が劣化または破損するおそれがあるのに対し、静電容量結合方式では検出用電極が他の電極などと接触するような機械的接触がなく、耐久性の点からも有利である。
静電容量結合方式のタッチパネルとしては、例えば、下記特許文献１で開示されているような方式がある。この開示された方式では、縦横二次元マトリクス状に配置した検出用縦方向の電極（Ｘ電極）と検出用横方向の電極（Ｙ電極）とを設け、入力処理部で各電極の容量を検出する。タッチパネルの表面に指などの導体が接触した場合には、各電極の容量が増加するため、入力処理部でこれを検知し、各電極が検知した容量変化の信号を基に入力座標を計算する。ここでは、検出用の電極が劣化して物理的特性である抵抗値が変化しても容量検出に及ぼす影響は少ないため、タッチパネルの入力位置検出精度に及ぼす影響が少ない。そのため、高い入力位置検出精度を実現することができる。

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
特表２００３−５１１７９９号公報

しかしながら、静電容量結合方式のタッチパネルは、前述の特許文献１のように検出用の各電極の容量変化を検出して入力座標を検出するため、入力手段としては導電性のある物質が前提となる。そのため、抵抗膜式などで使用されている導電性の無い樹脂製スタイラスなどを静電容量結合方式のタッチパネルに接触させた場合には、電極の容量変化がほとんど発生しないため、入力座標を検出できないという課題がある。
また、２点同時に樹脂製スタイラスなどを静電容量結合方式のタッチパネルに接触させる使用方法においては、２つのＸ座標と２つのＹ座標が検出されることから、接触した点の候補として４つの座標が考えられるため、２点同時に接触した点を検出することが困難であった
さらに、小さい接触面の入力手段に対応する場合に、電極数を増加させることなく精度良く検出する方法も課題であった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、静電容量結合方式のタッチパネルを備えた表示装置において、非導電性の入力手段によるタッチにも反応し、かつタッチ面積が小さくても少ない電極本数で高精度の位置検出を実現することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の課題の解決を実現するため、本発明では、複数のＸ電極と複数のＹ電極と複数のＺ電極を備えた静電容量タッチパネルを用いる。この静電容量タッチパネルにおいて、前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置される。
また、前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、隣接する前記Ｘ電極と前記Ｙ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成しており、かつ前記Ｚ電極は互いに電気的にフローティングであることを特徴とする。このとき、前記第２の絶縁層を、タッチによる押圧により厚さが変化する材料、例えば弾性絶縁材料で形成することで、非導電性の入力手段においても前記Ｘ電極および前記Ｙ電極と、前記Ｚ電極間の容量変化を発生させることが可能となり、静電容量結合方式によりタッチを検出することが可能となる。

また、前記Ｘ電極のパッド部は、該Ｘ電極と隣接するＸ電極の細線部付近まで延在し、平面的に観た場合に、該Ｘ電極のパッド部における形状は、前記隣接するＸ電極の細線部付近で面積が最小となり、該Ｘ電極の細線部付近で面積が最大となり、該Ｘ電極の細線部付近から前記隣接するＸ電極の細線部付近へかけて、該パッド部の面積が減少することを特徴とする。これにより、タッチ操作における接触面に比べて前記Ｘ電極の電極間隔が広い場合にも、隣接する前記Ｘ電極の検出容量成分の比からタッチ座標位置を計算することが可能となり、少ない電極本数で高精度な位置検出が可能となる。
また、前記複数のＺ電極を、隣接する前記Ｘ電極と前記Ｙ電極との両方に重畳させて形成することで、前記Ｘ電極上にタッチによる接触面が存在した場合でも、前記Ｚ電極を通じて隣接する前記Ｙ電極が容量変化を検知でき、逆に前記Ｙ電極上にタッチによる接触面が存在した場合でも、前記Ｚ電極を通じて隣接する前記Ｘ電極が容量変化を検知できるため、タッチパネル全面において入力座標を検出することができる。また同時に前記Ｙ電極の電極本数も削減することが可能となる。
また、Ｘ電極またはＹ電極のうち、一方の電極に順次信号を印加し、他方の電極で信号の変化を検出することで、あらかじめどの電極に印加された信号であるか識別して、静電容量結合方式のタッチパネルで２点を同時に接触した場合の検出精度を向上させた。

本発明によれば、タッチパネルの電極の形状や配置を工夫することで、少ない電極本数で従来と比較して精度の高い位置検出が可能となる。また、２点を同時に接触した場合でも検出精度を向上することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
入力装置（以下、タッチパネルと呼ぶ）、及びそれを備えた表示装置の構成を、図１に示す。図１において、１０１は本発明の実施例によるタッチパネルである。
タッチパネル１０１は、容量検出用のＸ電極ＸＰとＹ電極ＹＰを有する。ここでは、例えばＸ電極を４本（ＸＰ１からＸＰ４）、Ｙ電極を４本（ＹＰ１からＹＰ４）で図示しているが、電極数はこれに限らない。
タッチパネル１０１は表示装置１０６の前面に設置される。従って、表示装置に表示された画像を使用者が見る場合には、表示画像がタッチパネルを透過する必要があるため、タッチパネルは光透過率が高いことが望ましい。
タッチパネル１０１のＸ電極とＹ電極は、検出用配線２０１によって容量検出部１０２に接続される。容量検出部１０２は、制御演算部１０３から出力される検出制御信号２０２により制御され、タッチパネルに含まれる各電極（Ｘ電極、Ｙ電極）の容量を検出し、各電極の容量値によって変化する容量検出信号２０３を制御演算部１０３に出力する。
制御演算部１０３は、各電極の容量検出信号２０３から各電極の信号成分を計算するとともに、各電極の信号成分から入力座標を演算して求める。制御演算部１０３はＩ／Ｆ信号２０４を用いて入力座標をシステム１０４に転送する。システム１０４は、タッチ操作によりタッチパネル１０１から入力座標が転送されると、そのタッチ操作に応じた表示画像を生成して、表示制御信号２０５として表示制御回路１０５に転送する。表示制御回路１０５は、表示制御信号２０５により転送される表示画像に応じて表示信号２０６を生成し、表示装置に画像を表示する。

図２（ａ）に、容量検出部１０２の回路構成を概略ブロック図で示し、図２（ｂ）に信号読み出し部３１０の概略構成を示す。容量検出部１０２は、Ｙ電極に信号を入力する信号入力部３１１とＸ電極から信号を読み出す信号読み出し部３１０、及びメモリ部３１２で構成される。
なお、図２（ａ）では、一対のＸ電極ＸＰ１とＹ電極ＹＰ１についてのみ回路構成を図示しているが、タッチパネル１０１上に形成されている各Ｘ電極、Ｙ電極に対して同様の構成の信号読み出し部３１０−ｎ、信号入力部３１１−ｎがそれぞれ接続されているものとする。
信号入力部３１１は、基準電位ＶａｐとＶｒｅｆをスイッチ３０７、３０８の切り替えにより、波形３０９の如くＹ電極に対して電圧を印加する。
信号読み出し部３１０は、演算増幅器３００、積分容量３０１、リセットスイッチ３０５からなる積分回路３２０と、サンプルスイッチ３０３、ホールド容量３０２からなるサンプルホールド回路３３０と、電圧バッファ３０４、及びアナログデジタル変換器３０６で構成される。
以下、容量検出部１０２の動作の概略を説明する。尚、容量検出部１０２の初期状態では積分容量３０１は充電されていない状態にあるものとする。
初期状態から、先ずスイッチ３０７がオン状態となって、信号入力部３１１によりＹ電極ＹＰ１に電圧が印加される。これによりＸ電極Ｙ電極間の結合容量２５０は、Ｙ電極ＹＰ１が印加電圧Ｖａｐに到達するまで充電される。このとき、Ｘ電極ＸＰ１の電位は、演算増幅器３００の負帰還作用により常にグランド電位に固定される。従って、充電電流は、積分容量３０１を経由して演算増幅器３００の出力端子３２１に流れる。

この動作による積分回路３２０の出力端子３２１の電圧をＶｏとし、結合容量２５０の容量をＣｄｖとし、積分容量３０１の容量をＣｒで表すと、Ｖｏ＝−Ｖａｐ(Ｃｄｖ/Ｃｒ)と表され、Ｘ電極とＹ電極間の結合容量２５０の大きさＣｄｖに依存する。
上記動作により積分回路３２０の出力電位Ｖｏが決定した後、出力電位Ｖｏをサンプルホールド回路３３０で保持する。サンプルホールド回路３３０では、まずサンプルスイッチ３０３をオン状態とし、次に所定時間経過後にオフ状態とすることで、ホールド容量３０２に出力電位Ｖｏを保持する。ホールド容量３０２に保持された電位Ｖｏは、電圧バッファ３０４を経由してアナログデジタル変換器３０６に入力し、デジタルデータに変換される。
なお、サンプルホールド回路３３０の保持電圧を電圧バッファ３０４によりアナログデジタル変換器３０６に入力する構成としているが、電圧バッファ３０４は電圧増幅率を有する構成でもよい。
また、上記Ｘ電極ＸＰ１以外のＸ電極についても、それぞれに接続された信号読み出し部が、Ｘ電極ＸＰ１に接続された信号読み出し部３１０と同様の動作を行い、Ｙ電極ＹＰ１からの入力信号による積分回路出力電位がＸ電極ＸＰ１と同時に読み出される。
各Ｘ電極に接続されている信号読み出し部３１０の出力は、メモリ部３１２に入力され、その出力データがメモリ部３１２に保持される。メモリ部３１２は、図１に示す演算制御部１０３との間で保持データの授受を行う。
Ｙ電極ＹＰには順次信号３０９が印加されており、次々と、Ｙ電極ＹＰに電圧を印加し、容量検出を行う。また、信号読み出し部３１０では容量検出に先立ってリセットスイッチ３０５を一旦オン状態とし、その後オフ状態となるように制御して各積分回路の積分容量３０１をリセットする。
以降、同様の動作を繰り返す。ここで、任意のＹ電極ＹＰに信号３０９が印加されるタイミングが定められており、特定のＹ電極ＹＰに特定の期間パルス状の信号が印加されることで、基準クロック等のカウントにより、Ｘ電極ＸＰの出力はどのＹ電極ＹＰからの出力信号であるかが判別可能となっている。

図３は、図２に示した容量検出部１０２の動作を示すタイミングチャートである。
信号３０９−１から３０９−ｎは、信号入力部３１１−１から３１１−ｎの動作信号波形で、信号入力部３１１−１から３１１−ｎは、Ｙ電極ＹＰ１からＹＰｎに対して検出周期ＤＴＣの間に順次信号３０９を出力する。なお、以下信号３０９をパルス信号とも呼ぶ。
波形Ｉｃｄｖは、図２に示したＸＹ電極間結合容量２５０（Ｃｄｖ）に流れる電流波形である。信号入力部３１１による信号入力でＹ電極ＹＰの電位が立ち上がる際、過渡的に電流が流れる。また、Ｙ電極ＹＰの電位が立ち下がる際にも、過渡的に電流が流れる。
波形ＶＩＮは、図２に示す積分回路３２０の出力波形、すなわち各パルス信号３０９に対応する、前述の積分回路３２０の出力端子３２１の電圧Ｖｏである。また波形ＳＷＲＳＴ-１は、図２に示すリセットスイッチ３０５の制御信号波形を表している。
リセットスイッチ制御信号ＳＷＲＳＴ-１が立ち上がると、積分回路３２０がリセットされ、波形ＶＩＮが立ち下がり、信号読み出し部３１０は初期状態となる。その後、信号入力部３１１からパルス信号３０９が入力され再び積分回路３２０の出力波形ＶＩＮが立ち上がる。以降この動作が繰り返される。
尚、本例では波形ＶＩＮの振幅が変化している例を示しているが、これは、信号を入力するＹ電極が変わる毎に検出される容量の大きさが変化していることを示している。つまり、タッチパネル１０１に検出対象の接触があった場合、この容量変化を反映する信号ＶＩＮが接触点を示す様に局所的に変化することを示している。

波形ＳＷＳＨ−１は、図２に示すサンプルホールド回路３３０のサンプリングスイッチ３０３を制御する信号である。また波形ＳＨ−１はサンプルホールド回路３３０の出力信号を表している。信号ＳＷＳＨ−１が立ち上がっている時間帯では、サンプリングスイッチ３０３がオン状態となり、ホールド容量３０２にサンプルホールド回路３３０への入力電位、つまり積分回路３２０の出力電位（波形ＶＩＮ）が印加され、信号ＳＷＳＨ−１が立ち下がると、サンプリングスイッチ３０３がオフ状態となり、ホールド容量３０２に印加電圧がホールドされる。波形ＳＨ−１に示すように、サンプリング動作毎にサンプルホールド回路３３０の出力が更新される。
波形ＡＤ−１は、図２に示すアナログデジタル変換器３０６を制御する信号、また波形ＡＤｏｕｔ−１は該アナログデジタル変換器３０６の出力信号を表している。サンプルホールド回路の出力波形ＳＨ−１が更新されるたびに、所定時間差を設けて信号ＡＤ−１が発行される。信号ＡＤ−１が出力されるとアナログデジタル変換器３０６は、その入力電圧を所定の分解能のデジタルデータＡＤｏｕｔ-１として出力する。
波形Ｍｅｍ−１は、図２に示すメモリ部３１２への書き込み制御信号を表している。信号ＡＤｏｕｔ-１が更新されるたびに、所定時間差を設けて信号Ｍｅｍ−１が発行される。信号Ｍｅｍ−１が発行されると、デジタルデータＡＤｏｕｔ−１がメモリ部３１２に書き込まれる。
以上、容量検出部１０２の動作に伴う信号波形変化を図２に示す信号読み出し部３１０に着目して説明したが、他のＸ電極に接続されている信号読み出し部（３１０−ｎ）に関しても、同様の動作及び波形変化となる。

図４（ａ）は、図２に示したメモリ部３１２に格納される検出値を取り込むタイミングにより区別し、ＸＹ電極によって決まる座標に対応させて示したものである。ここで四角は横軸と縦軸に示した各電極同士が交差する位置を示している。またこれら四角内の数値は、検出工程により得られた各交点の容量値を反映する値である。数値が大きいほど容量値が大きくなっていることを表しており、この数値の大小または閾値判定等により、タッチパネル１０１に対する検出対象の接触の有無が判定される。
図４（ｂ）は、上記図４(a)の状態に対して閾値判定を行い、具体的には数値が１００を超えている場合を接触有りと判定した。その判定結果をグルーピング処理によりグループ毎に共通の番号を付与したものである。この処理の後、グループ毎に信号強度の分布を解析し、タッチパネル１０１に対する検出対象の接触座標に変換する。
ここでグルーピング処理は一般的に知られているラベリング処理等を想定するが、これに限定されるものではない。また、上記容量検出工程により図４(a)の如く得られたデータからタッチパネル１０１に対する検出対象の接触座標を算出する手段は、ここに記載された方法に限られないことは明らかである。

次に、本発明の実施例のタッチパネル１０１に設けた容量検出用の電極について、図５および図６を用いて説明する。
図５（ａ）は、タッチパネル１０１の容量検出用のＸ電極ＸＰおよびＹ電極ＹＰ、さらにその上部に重ねて設けたＺ電極ＺＰの電極パターンを示した図である。Ｘ電極ＸＰとＹ電極ＹＰは、例えば、Ｘ電極ＸＰが検出用配線２０１によって容量検出部１０２に接続される。他方、Ｙ電極ＹＰには一定期間にあらかじめ定められたタイミングと電圧のパルス信号３０９が印加される。Ｚ電極ＺＰは電気的に接続されておらず、フローティングの状態とする。
図５（ｂ）はＸ電極ＸＰとＹ電極ＹＰの電極パターンのみを図に示したものである。Ｙ電極ＹＰはタッチパネル１０１の横方向に伸びており、複数のＹ電極ＹＰが縦方向に複数本並べられている。Ｙ電極ＹＰとＸ電極ＸＰの交差部分は、各電極の交差容量を削減するためにＹ電極ＹＰとＸ電極ＸＰの電極幅を細くしている。この部分を細線部３２７と呼ぶ。したがって、Ｙ電極ＹＰはその延在方向に細線部３２７と、それ以外の電極部分（以下では、パッド部３２８と呼ぶ）とを交互に配置した形状となる。
隣接するＹ電極ＹＰの間に、Ｘ電極ＸＰを配置する。Ｘ電極ＸＰはタッチパネル１０１の縦方向に延びており、複数のＸ電極ＸＰが横方向に複数本並べられる。Ｙ電極ＹＰと同様に、Ｘ電極ＸＰはその延在方向に細線部３２７とパッド部３２８Ｘを交互に配置した形状となる。

図５（ｂ）に示すように、Ｘ電極ＸＰのパッド部３２８Ｘはひし形をしている。Ｘ電極ＸＰのパッド部３２８Ｘの形状を説明する上で、仮にＸ電極ＸＰを検出用配線に接続するための配線位置（或いはＸ電極ＸＰの細線部３２７）を、Ｘ電極ＸＰの横方向の中心と仮定する。Ｘ電極ＸＰのパッド部３２８Ｘの電極形状は、隣接する他のＸ電極ＸＰの中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、当該Ｘ電極ＸＰの中心に近いほど面積が大きくなる。
よって、隣接する２本のＸ電極ＸＰ、例えばＸ電極ＸＰ１とＸＰ２の間におけるＸ電極ＸＰの面積を考えた場合には、Ｘ電極ＸＰ１の中心付近ではＸ電極ＸＰ１のパッド部３２８Ｘの電極面積（電極幅）が最大となり、且つＸ電極ＸＰ２のパッド部３２８Ｘの電極面積（電極幅）は最小となる。一方、Ｘ電極ＸＰ２の中心付近ではＸ電極ＸＰ１のパッド部３２８Ｘの電極面積（電極幅）が最小となり、且つＸ電極ＸＰ２のパッド部３２８Ｘの電極面積（電極幅）が最大となる。ここで、隣接する２本のＸ電極ＸＰ間におけるパッド部３２８Ｘの形状は、隣接するＸ電極ＸＰに向けて形状が凸状であることを特徴とする。
図５（ｂ）では、Ｘ電極ＸＰの左右に向けて凸状としたが、Ｘ電極ＸＰの形状はこれに限らない。例えば、Ｘ電極ＸＰのパッド部３２８Ｘの左側電極形状を凸状、右側の電極形状を凹状としても良いし、Ｘ電極ＸＰの右側の電極形状を凸状、左側の電極形状を凹状としても良く、Ｘ電極ＸＰの左右の電極形状を凸状とし、隣接するＸ電極ＸＰの電極形状を凹状としても良い。

次に、Ｚ電極ＺＰの形状について説明する。図５（ａ）において、Ｚ電極ＺＰは、Ｙ電極ＹＰの延伸方向と平行な複数のスリット３２９と、Ｘ電極ＸＰの延伸方向と平行な複数のスリット３２６により、複数のＺ電極ＺＰに分割する。
図５（ａ）においては、Ｙ電極ＹＰの延伸方向と平行なスリット３２９の縦方向の位置を、各Ｘ電極ＸＰ上と各Ｙ電極ＹＰ上とに設けており、各Ｘ電極ＸＰ上のスリット３２９の縦位置はＸ電極ＸＰの電極幅の中心付近とすることが望ましい。また、各Ｙ電極ＹＰ上のスリット３２９の縦位置は、Ｙ電極ＹＰの電極幅の中心付近とすることが望ましい。なお、スリット３２９の縦位置は、各Ｘ電極ＸＰ上にのみ、あるいは、各Ｙ電極ＹＰ上にのみ設けるようにしてもよい。
一方、Ｘ電極ＸＰと平行なスリット３２６の数は、隣接するＸ電極ＸＰ間に複数箇所設ける。その時のＸ電極ＸＰの延伸方向と平行なスリット３２６の間隔は任意で設定できるが、想定する入力手段の最小接触面の寸法に近いことが望ましい。

図６は、図５（ａ）において線Ａ−Ａで示した概略断面図である。なお、図６に示す断面図では、タッチパネル動作の説明に必要となる層のみ示している。
タッチパネル１０１の各電極は透明基板１１０上に形成する。透明基板１１０から近い層から遠い層へ順に説明する。まず透明基板１１０に近い箇所にＸ電極ＸＰを形成し、次にＸ電極とＹ電極を絶縁するための絶縁膜１１１を形成する。その次に、Ｙ電極ＹＰを形成する。ここで、Ｘ電極ＸＰとＹ電極の順番を入れ換えても良い。Ｙ電極ＹＰの次には圧力検知用絶縁層１１２を配置し、次にＺ電極ＺＰと保護層１１３を設ける。
圧力検知用絶縁層１１２は、タッチ操作による押圧時に、膜厚が変化する透明な絶縁材料であれば良い。例えば、弾性絶縁材料などを用いて、圧力検知用絶縁層１１２を形成しても良い。圧力検知用絶縁層１１２に、空気など圧力により体積が変化する気体すること好適である。この場合には、非接触時の層間距離を一定に保つ為に、Ｚ電極ＺＰとＸ電極ＸＰ及びＹ電極ＹＰとの間に、スペーサ１１４などを配置してもよい。

次に、タッチパネル１０１におけるタッチ操作時の容量変化について、図７及び図８を用いて説明する。
図７は、タッチ操作の入力手段が指などの導体である場合の容量変化を説明する模式図である。ここでは、タッチ時の押圧が小さくて圧力検知用絶縁層１１２の厚さが変化しないと仮定する。
また、各電極の電極容量は、隣接電極とのフリンジ容量、交差容量、その他の寄生容量との合成容量となるが、ここではＺ電極ＺＰとの間の平行平板容量のみ着目し、その他の電極容量はタッチ操作時とタッチ操作が無い場合で変化しないと仮定した。ここで、タッチ操作が無い場合のＺ電極ＺＰＡとＸ電極ＸＰ１との間の容量をＣｘｚ、Ｚ電極ＺＰＡとＹ電極ＹＰ２との間の容量をＣｙｚと仮定する。
Ｘ電極ＸＰ１の電極容量を容量検出部１０２が検出する際には、Ｙ電極ＹＰ２はリセット状態で特定の基準電位となる。Ｘ電極ＸＰ１からみた場合の合成容量は、Ｚ電極ＺＰＡがフローティングであるため、ＣｘｚとＣｙｚの直列接続の容量となる。このときのＸ電極の合成容量Ｃｘｐは、Ｃｘｐ＝Ｃｘｚ・Ｃｙｚ／（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ）で表される。
一方、タッチ操作により指の接触がある場合には、Ｚ電極ＺＰＡに指の静電容量成分Ｃｆが電気的に接続された状態とみなせる。この場合の合成容量を等価回路で描くと図７（ｂ）となり、タッチ操作時のＸ電極の合成容量Ｃｘｐｆは、Ｃｘｐｆ＝Ｃｘｚ・（Ｃｙｚ＋Ｃｆ）／（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ＋Ｃｆ）で表される。
制御演算部１０３は、タッチ操作が無いときのＸ電極ＸＰ１の容量Ｃｘｐと、タッチ操作があるときのＸ電極ＸＰ１の容量Ｃｘｐｆとの差分をＸ電極ＸＰ１の信号成分として計算する。タッチ操作有無での電極容量の差分ΔＣｘｐは、ΔＣｘｐ＝Ｃｘｚ２・Ｃｆ／｛（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ）（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ＋Ｃｆ）｝となり、Ｘ電極容量の差分ΔＣｘｐは指の静電容量Ｃｆに依存する。そのため、制御演算部１０３によりＹ電極ＹＰ２に特定電圧のパルス信号３０９を印加すると、Ｘ電極ＸＰ１の容量変化を信号変化として検出できる。

図８は、タッチ操作の入力手段が、例えば、非導電性の樹脂製スタイラス１２０であり、タッチ時の押圧により圧力検知用絶縁層１１２の厚さが変化する場合の容量変化を説明する模式図である。
タッチ操作が無い場合のＸ電極ＸＰ１の容量は、図７で説明したように表すことができる。図８は、タッチ時の押圧によりＺ電極ＺＰＡと、Ｘ電極ＸＰおよびＹ電極ＹＰ（以下両電極を容量検出用電極とも呼ぶ）間の圧力検知用絶縁層１１２が薄くなった場合の図である。
この場合のＺ電極ＺＰＡとＸ電極ＸＰ１間の容量をＣｘｚａとし、Ｚ電極ＺＰＡとＹ電極ＹＰ２間の容量をＣｙｚａとした場合、平行平板容量は厚さに反比例するためＣｘｚａ＞Ｃｘｚ，Ｃｙｚａ＞Ｃｙｚの関係が成り立つ。
Ｘ電極ＸＰ１の電極容量を容量検出部１０２が検出する際には、Ｙ電極ＹＰ２はリセット状態で特定の基準電位となる。そのためＸ電極ＸＰ１からみた場合の合成容量は、Ｚ電極ＺＰＡがフローティングであるため、ＣｘｚａとＣｙｚａの直列接続の容量となる。このときのＸ電極の合成容量Ｃｘｐａは、Ｃｘｐａ＝Ｃｘｚａ・Ｃｙｚａ／（Ｃｘｚａ＋Ｃｙｚａ）で表される。
制御演算部１０３は、タッチ操作が無いときのＸ電極ＸＰ１の容量Ｃｘｐと、タッチ操作があるときのＸ電極ＸＰ１の容量Ｃｘｐａとの差分をＸ電極ＸＰ１の信号成分として計算する。タッチ操作有無での容量の差分ΔＣｘｐａは、ΔＣｘｐａ＝｛Ｃｘｚ・Ｃｘｚａ（Ｃｙｚａ−Ｃｙｚ）＋Ｃｙｚ・Ｃｙｚａ（Ｃｘｚａ−Ｃｘｚ）｝／｛（Ｃｘｚ＋Ｃｙｚ）（Ｃｘｚａ＋Ｃｙｚａ）｝で表される。
Ｙ電極ＹＰ２に特定電圧のパルス信号３０９を印加すると、Ｘ電極ＸＰ１の容量の差分ΔＣｘｐａを容量検出部１０２により信号変化として検出できる。
以上のことから、圧力検知用絶縁層１１２とＺ電極ＺＰを用いることで、非導電性の入力手段であっても、押圧により圧力検知用絶縁層１１２の厚さが変化することで容量変化により入力座標を検知することが可能になる。

次に、図９を用いて、タッチ操作による接触面が小さい場合に、接触面の位置が横方向に変化した場合の各電極の信号成分について説明する。
図９は、隣接する２つのＸ電極であるＸＰ２とＸＰ３との間において、Ｘ電極上で接触面の位置が変化した様子を示している。ＸＡはＸ電極ＸＰ２の中心付近であり、ＸＢはＸ電極ＸＰ２とＸＰ３との中間付近であり、ＸＣはＸ電極ＸＰ３の中心付近である。図９では、図の簡略化のためＺ電極ＺＰを図示していない。
図７で述べた静電容量Ｃｆや、図８で述べたＺ電極ＺＰと容量検出用電極との間の容量変化は、接触面の面積に依存する。よって、容量検出用電極と接触面とが重なる面積が大きい場合には信号成分が大きくなり、逆に容量検出用電極と接触面とが重なる面積が小さい場合には信号成分が小さくなる。
位置ＸＡでは、接触面とＸ電極ＸＰ２とが重なる部分が多く、Ｘ電極ＸＰ３とはほとんど重ならないためＸ電極ＸＰ２の信号成分が大きく、Ｘ電極ＸＰ３の信号成分は小さくなる。位置ＸＢでは、Ｘ電極ＸＰ２及びＸＰ３と接触面と重なる面積がほぼ等しくなるので、算出される信号成分はＸ電極ＸＰ２とＸＰ３でほぼ等しくなる。さらに、位置ＸＣでは、接触面とＸ電極ＸＰ３と重なる部分が多く、Ｘ電極ＸＰ２とほとんど重ならないため、Ｘ電極ＸＰ３の信号成分が大きく、Ｘ電極ＸＰ２の信号成分は小さくなる。制御演算部１０３は、各電極の信号成分を用いて重心計算を行い、接触面がタッチ操作により接触した入力座標を算出する。
位置ＸＢのようにＸ電極ＸＰ２とＸＰ３で同程度の信号成分が得られる場合には、重心位置はＸ電極ＸＰ２とＸＰ３の中間にくるため、入力座標を算出できる。一方、位置ＸＡやＸＢのように一方のＸ電極の信号成分が非常に大きい場合には、重心位置は大きな信号成分を検出したＸ電極付近になるため、同様に入力座標を算出できる。
以上のように、Ｘ電極の電極形状を隣接する電極に向かって細くなるような形状とすることで、接触面に比べてＸ電極の電極間隔が広い場合でも重心計算が可能となり、高精度に位置を検出することが可能となる。よって、接触面に比べてＸ電極の電極間隔を拡げることで従来の電極パターンより電極本数を削減することが可能となる。また、Ｘ電極の電極形状がＹ電極を間に挟み離散的であっても、電気的にフローティングであるＺ電極ＺＰを隣接するＸ電極ＸＰとＹ電極ＹＰへ跨るように配置することで、タッチパネル全面でＸ方向の入力座標を検出することが可能となる。

図１０は、図５（ｂ）に示すＸ電極ＸＰの形状を変えた場合である。図５（ｂ）および図１０において、Ｙ電極ＹＰの形状は同じである。図５（ｂ）ではＸ電極ＸＰ形状が左右両側に向かって凸型形状であったが、図１０では、Ｘ電極ＸＰ２に示すように、隣接する一方のＸ電極ＸＰ１に向かっては凸型形状であり、隣接する他方のＸ電極ＸＰ３に向かっては凹型形状である。
図５（ｂ）および図１０共に、隣接するＸ電極ＸＰの中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、該Ｘ電極ＸＰの中心に近いほど面積が大きくなる特徴は同じである。そのため、図１０に示すＸ電極ＸＰでも図５（ｂ）と同様の効果が期待できる。なお、Ｘ電極の形状は、隣接するＸ電極の中心に近くなるにつれて面積が小さくなり、該Ｘ電極の中心に近いほど面積が大きくなる形状であれば、図５（ｂ）、図１０の形状に限定されない。

次に、図１１にＺ電極ＺＰにスリットを形成しない場合のタッチパネルを示す。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ線で示す概略断面図である。図１９に示すＺ電極ＺＰはスリットにより分割されず、ベタ電極の形状を有する。このベタ電極の形状のＺ電極ＺＰも電気的にフローティング状態とする。ベタ電極形状のＺ電極ＺＰが、圧力検知用絶縁層１１２を挟んで、Ｘ電極ＸＰとＹ電極ＹＰの上部に配置される。
ベタ電極形状のＺ電極ＺＰを用いた場合でも、圧力検知用絶縁層１１２の層間距離変化による容量変化を、スリット有のＺ電極ＺＰを用いたときと同程度に、信号成分として検出できる。また、指などにより軽く接触した場合は、接触時に圧力検知用絶縁層１１２の層間距離は変化しないが、Ｚ電極のシート抵抗を高くすることで、スリット有のＺ電極ＺＰを用いた場合と同程度の信号成分を得られることが解った。Ｚ電極のシート抵抗を高くすることで、接触した導体から距離の近い容量検出用電極のみ、その接触した導体により発生する静電容量への充放電が可能となる。このようにＺ電極の抵抗を高くして、静電容量への充放電を局所的にすることで、信号成分を検出可能にした。

図１２は、タッチパネル１０１の断面構造を説明する図である。図１２（ａ）に示すＸａ−Ｘｂ線分、Ｙａ−Ｙｂ線分に沿う断面に構造における保護層１１３と透明基板１１０の距離関係を示している。図１２（ｂ）は、上記Ｘａ−Ｘｂ線分に沿う断面構造を示している。保護層１１３は接続部１２０５を介して透明基板１１０に接続している。ここで接続部１２０５付近での保護層１１３と透明基板１１０との距離１２０１と、Ｘａ−Ｘｂ線分中点付近での保護層１１３と透明基板１１０との距離１２０２の関係は、距離１２０１＜距離１２０２を満たしている。
また、図１２（ｃ）は、上記Ｙａ−Ｙｂ線分に沿う断面構造を示している。同様に保護層１１３は接続部１２０５を介して透明基板１１０に接続している。ここで接続部１２０５付近での保護層１１３と透明基板１１０との距離１２０３と、Ｙａ−Ｙｂ線分中点付近での保護層１１３と透明基板１１０との距離１２０４の関係は、距離１２０３＜距離１２０４を満たしている。
上記関係の少なくとも何れか一方を満たす場合、保護層１１３の上方向への反発力が強まる構造と成るため、タッチパネル１０１への接触が離れた際の保護層１１３の形状復帰が促進され、応答速度が速くなる。

以上説明したように、本実施例によれば、非導電性の入力手段によりタッチパネル上へ接触した場合でも、容量検出用のＸ電極ＸＰやＹ電極ＹＰと、その上部のＺ電極ＺＰとの距離が変化することで容量変化を発生できるため、静電容量結合方式として入力座標を検出することが出来る。これにより、導電性の低い樹脂製スタイラスへも対応可能となる。
また、隣接するＸ電極間の入力位置は、隣接する２つのＸ電極から得られる容量変化の信号比により算出できるように電極形状を工夫することでＸ電極本数を削減し、またＹ電極はＺ電極の配置を工夫することで削減することができる。これにより、検出用電極から入力処理部までの引き回し配線で必要な額縁幅を狭くすることができ、デザイン性の尤度が向上する。また、入力処理部の端子数増加を抑制することが出来るため、安価に高精度な入力位置検出ができる静電容量結合方式タッチパネルを実現することが出来る。また、接触面の小さい入力手段、例えばスタイラスなどでも精度良く入力座標の検出が出来ることから、文字入力などのアプリケーションへ適用も可能となる。
また、Ｘ電極ＸＰまたはＹ電極ＹＰのいずれか一方に、順次パルス信号を印加して、予めどの電極からの信号であるかを識別することで、２点を接触した場合でも精度良く検出することが可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルを備えた表示装置の概略構成図である。 本発明の実施例の表示装置の容量検出部の回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施例の表示装置の容量検出部の動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の実施例の表示装置の容量検出時における検出値の格納状態を示す図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルの電極形状を示す概略平面図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルの電極構造を示す要部断面図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルにおいて、人の指などのタッチ操作による容量変化を示す模式図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルにおいて、圧力検知用絶縁層の厚さ変化による容量変化を示す模式図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルにおいて、Ｘ方向に接触面が移動した際の接触位置を示した概略平面図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルの電極形状の変形例を示す概略平面図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルの電極形状の変形例を示す概略平面図である。 本発明の実施例の静電容量結合方式のタッチパネルの断面構造を示す概略図である。

符号の説明

１０１ タッチパネル
１０２ 容量検出部
１０３ 制御演算部
１０４ システム（ＣＰＵ）
１０５ 表示制御回路
１０６ 表示装置
１１０ 透明基板
１１１ 絶縁膜
１１２ 圧力検知用絶縁層
１１３ 保護層
１１４ スペーサ
１２０ 樹脂製スタイラス
２０１ 検出用配線
２５０ 結合容量
３００ 演算増幅器
３０１ 積分容量
３０２ ホールド容量
３０３ サンプリングスイッチ
３０４ 電圧バッファ
３０５ リセットスイッチ
３０６ アナログデジタル変換器
３０７，３０８ スイッチ
３１０ 信号読み出し部
３１１ 信号入力部
３１２ メモリ部
３２０ 積分回路
３２６，３２９ スリット
３２７ 細線部
３２８Ｘ Ｘ電極のパッド部
３２８Ｙ Ｙ電極のパッド部
３３０ サンプルホールド回路
１２０５ 接続部
ＸＰ 容量検出用のＸ電極
ＹＰ 容量検出用のＹ電極
ＺＰ，ＺＰＡ Ｚ電極
Ｃｆ 静電容量
Ｃｘｚ，Ｃｘｚａ Ｘ電極とＺ電極との間の容量成分
Ｃｙｚ，Ｃｙｚａ Ｙ電極とＺ電極との間の容量成分
ＸＡ，ＸＢ，ＸＣ 接触面位置

Claims (16)

1. 複数のＸ電極と複数のＹ電極と複数のＺ電極を備える静電容量タッチパネルにおいて、
   前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差しており、それぞれ、延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置され、
   前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、隣接する前記Ｘ電極と前記Ｙ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成されており、
   前記複数のＺ電極は、互いに電気的にフローティングで、
   前記複数のＺ電極の上には保護層が形成され、
   前記複数のＺ電極は、導体によるタッチ操作の際もフローティングであり、
   前記Ｘ電極またはＹ電極の一方の電極に順次パルス信号を印加し、他方の電極から信号の変化を検出することを特徴とするタッチパネル。
2. 前記第２の絶縁層は、押圧により厚さが変化することを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
3. 前記第２の絶縁層は、弾性絶縁材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
4. 前記Ｘ電極のパッド部は、該Ｘ電極と隣接するＸ電極の細線部付近まで延在し、
   平面的に観た場合に、該Ｘ電極のパッド部における形状は、前記隣接する一方のＸ電極の細線部付近で面積が最小となり、該Ｘ電極の細線部付近で面積が最大となり、
   該Ｘ電極の細線部付近から前記隣接する他方のＸ電極の細線部付近へかけて、該パッド部の面積が減少することを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
5. 前記Ｘ電極のパッド部は、該Ｘ電極と隣接するＸ電極の細線部付近まで延在し、
   前記Ｘ電極のパッド部の形状は、平面的に観た場合に、前記隣接する両方のＸ電極の細線部付近で電極幅が最小となり、Ｘ電極の細線部付近で電極幅が最大となり、
   前記Ｙ電極のパッド部の形状は、平面的に見た場合に、前記Ｘ電極が延在する方向の幅が、前記Ｙ電極の延在する方向に対して一定であり、
   前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は、平面的に見た場合に、前記Ｘ電極が延在する方向に交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
6. 隣接する２本の前記Ｘ電極のパッド部において、パッド部の形状は隣接するＸ電極に向かって凸型形状であることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
7. 隣接する３本の前記Ｘ電極のパッド部において、該パッド部の形状は隣接する一方のＸ電極に向かって凸型形状で、他方のＸ電極に向かって凹型形状であることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
8. 前記Ｚ電極は、前記Ｘ電極の延在方向に沿った複数のスリットにより分割され、また前記Ｙ電極の延在方向に沿った複数のスリットにより分割されることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
9. 前記Ｚ電極は、前記Ｘ電極の延在方向に沿った複数のスリットにより分割され、前記Ｙ電極が延在する方向に沿った前記Ｚ電極のスリットは、平面的に観た場合に、前記Ｙ電極上に１本ずつ設けられ、また前記Ｘ電極上に１本ずつ設けられることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
10. 前記Ｚ電極は、前記Ｘ電極の延在方向に沿った複数のスリットにより分割され、前記Ｙ電極が延在する方向に沿った前記Ｚ電極のスリットは、平面的に観た場合に、前記Ｙ電極上に１本ずつ設けられることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
11. 前記Ｚ電極は、前記Ｘ電極の延在方向に沿った複数のスリットにより分割され、前記Ｙ電極が延在する方向に沿った前記Ｚ電極のスリットは、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極上に１本ずつ設けられることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル。
12. 複数のＸ電極と複数のＹ電極、およびＺ電極を備え、表示領域上におけるタッチ位置座標を静電容量結合方式にて検出する静電容量タッチパネルにおいて、
    前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置され、
    前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、前記複数のＸ電極と前記複数のＹ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成されており、
    前記Ｚ電極は、前記Ｚ電極の上に保護層が形成され、電気的にフローティングであり、
    前記Ｘ電極またはＹ電極の一方の電極に順次パルス信号を印加し、他方の電極から信号の変化を検出することを特徴とするタッチパネル。
13. 前記Ｚ電極は、高抵抗であることを特徴とする請求項１２に記載のタッチパネル。
14. 前記Ｚ電極は、ベタ電極であることを特徴とする請求項１２に記載のタッチパネル。
15. 複数のＸ電極と複数のＹ電極、及び複数または１つのＺ電極を備え、表示領域上におけるタッチ位置座標を静電容量結合方式にて検出する静電容量タッチパネルにおいて、
    前記Ｘ電極と前記Ｙ電極は、第１の絶縁層を介して交差されており、それぞれ、その延在方向にパッド部と細線部とが交互に並ぶようにして形成され、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極のパッド部と前記Ｙ電極のパッド部は重畳することなく配置され、
    前記Ｚ電極は、平面的に観た場合に、前記Ｘ電極と前記Ｙ電極の両方に重畳するように、第２の絶縁層を介して形成されており、
    前記複数または１つのＺ電極の上には保護層が形成され、
    前記複数または１つのＺ電極は、電気的にフローティングであり、
    前記第２の絶縁層は、圧力により体積が変化する気体で形成され、
    前記Ｘ電極またはＹ電極の一方の電極に順次パルス信号を印加し、他方の電極から信号の変化を検出することを特徴とするタッチパネル。
16. 前記第２の絶縁層は、空気であることを特徴とする請求項１５に記載のタッチパネル。

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