KR101094623B1 - 표시 장치 - Google Patents

Abstract

제1 절연층을 개재하여 교차하는 X전극 XP와 Y전극 YP와, 제2 절연층을 개재하여 서로 플로팅인 복수의 Z전극을 형성한다. 상기 제2 절연층에는, 터치에 의한 압압(押壓)으로 두께가 변화되는 재질을 이용한다. 또한, 상기 Z전극은, 인접하는 상기 X전극과 상기 Y전극의 양방에 중첩하도록 배치한다. 또한, 그 X전극의 중심을 향함에 따라서 면적이 커지고, 상기 인접하는 X전극의 중심을 향함에 따라서 면적이 작아지는 것을 특징으로 한다. 따라서, 비도전성의 입력 수단을 사용할 수 있고, 또한 터치 면적이 작아도 적은 전극 개수로 고정밀도의 위치 검출할 수 있다.

X전극, Y전극, Z전극, 절연층, 패드부, 슬릿, 터치 패널

Description

표시 장치{DISPLAY DEVICE}

본 발명은, 표시 장치에 관한 것으로, 특히 용량 결합 방식의 입력 장치를 갖는 표시 장치에서의 좌표 검출 정밀도의 고정밀도화에 바람직한 것인다.

표시 화면에 사용자의 손가락 등을 이용하여 터치 조작(접촉 압압(押壓) 조작, 이하, 간단히 터치라고 칭함)하여 정보를 입력하는 화면 입력 기능을 갖는 입력 장치(이하, 터치 센서 또는 터치 패널이라고도 칭함)를 구비한 표시 장치는, PDA나 휴대 단말기 등의 모바일용 전자 기기, 각종 가전 제품, 무인 접수기 등의 거치형 고객 안내 단말기에 이용되고 있다. 이와 같은 터치에 의한 입력 장치로서, 터치된 부분의 저항값 변화를 검출하는 저항막 방식, 혹은 용량 변화를 검출하는 정전 용량 결합 방식, 터치에 의해 차폐된 부분의 광량 변화를 검출하는 광 센서 방식 등이 알려져 있다.

정전 용량 결합 방식은, 저항막 방식이나 광 센서 방식과 비교한 경우에 다음과 같은 이점이 있다. 예를 들면, 저항막 방식이나 광 센서 방식에서는 투과율이 80% 정도로 낮은 것에 대해 정전 용량 결합 방식은 약 90%로 투과율이 높아 표시 화질을 저하시키지 않는 점에서 유리하다. 또한, 저항막 방식에서는 저항막의 기계적 접촉에 의해 터치 위치를 검지하기 때문에, 저항막이 열화 또는 파손될 우려가 있는 것에 대해, 정전 용량 결합 방식에서는 검출용 전극이 다른 전극 등과 접촉하도록 하는 기계적 접촉이 없어, 내구성의 점에서도 유리하다.

정전 용량 결합 방식의 터치 패널로서는, 예를 들면, 특허 문헌 1에서 개시되어 있는 바와 같은 방식이 있다. 이 개시된 방식에서는, 종횡 2차원 매트릭스 형상으로 배치된 검출용 세로 방향의 전극(X전극)과 검출용 가로 방향의 전극(Y전극)을 형성하고, 입력 처리부에서 각 전극의 용량을 검출한다. 터치 패널의 표면에 손가락 등의 도체가 접촉한 경우에는, 각 전극의 용량이 증가하기 때문에, 입력 처리부에서 이것을 검지하고, 각 전극이 검지한 용량 변화의 신호에 기초하여 입력 좌표를 계산한다. 여기서는, 검출용의 전극이 열화되어 물리적 특성인 저항값이 변화되어도 용량 검출에 미치는 영향은 적기 때문에, 터치 패널의 입력 위치 검출 정밀도에 미치는 영향이 적다. 그 때문에, 높은 입력 위치 검출 정밀도를 실현할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특표 2003-511799호 공보

그러나, 정전 용량 결합 방식의 터치 패널은, 상기 특허 문헌 1과 같이 검출용의 각 전극의 용량 변화를 검출하여, 입력 좌표를 검출하기 때문에, 입력 수단으로서는 도전성이 있는 물질이 전제로 된다. 그 때문에, 저항막식 등에서 사용되고 있는 도전성이 없는 수지제 스타일러스 등을 정전 용량 결합 방식의 터치 패널에 접촉시킨 경우에는, 전극의 용량 변화가 거의 발생하지 않기 때문에, 입력 좌표를 검출할 수 없다고 하는 과제가 있다.

또한, 한편 도전성이 있는 물질, 예를 들면 금속 등으로 스타일러스를 만들고, 그에 의해 정전 용량 결합 방식의 터치 패널에 입력하고자 한 경우에는, 전극 개수가 증가한다. 예를 들면, 대각 4인치이고 종횡의 치수비가 3대4인 정전 용량 결합 방식 터치 패널을, 특허 문헌 1과 같은 마름모형을 기본으로 한 전극 형상으로 실현하는 경우를 생각한다. 여기서 손가락을 입력 대상으로 하는 경우에는 최소의 접촉면을 직경 6㎜로 가정하고, 이 사이즈를 전극 간격으로 하여 검출용 전극을 준비하면, 전극 총수는 22개로 된다. 한편 스타일러스의 접촉면을 직경 1㎜로 가정하고, 이 사이즈를 전극 간격으로 하여 검출용 전극을 준비하면 139개로 되어, 약 6배까지 전극 개수가 증가한다. 전극 개수가 증가하면 입력 처리부에의 배선 주회에 필요로 되는 액연 면적이 커지고, 또한 제어 회로와의 신호 접속 개수가 증가하기 때문에 충격 등에 대한 신뢰성도 저하된다. 또한, 입력 처리부의 단자수가 증가하기 때문에 회로 면적도 증가하여, 코스트 증가가 염려된다.

이상의 점으로부터, 상기 특허 문헌 1에 개시되는 정전 용량 결합 방식 터치 패널에서는, 비도전성 물질에 의한 입력에의 대응과, 작은 접촉면의 입력 수단에 대응하는 경우의 전극수 삭감이 과제로 된다.

상기 과제의 해결을 실현하기 위해서 본 발명에서는, 복수의 X전극과 복수의 Y전극과 복수의 Z전극을 구비한 정전 용량 터치 패널을 이용한다. 이 정전 용량 터치 패널에서, 제1 평면에서, 제1 방향으로 연장되며, 세선부가 교대로 배열되도록 하여 형성된 복수의 X전극과, 제2 평면에서, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며, 세선부가 교대로 배열되도록 하여 형성된 복수의 Y전극과, 제3 평면에서, 전기적으로 플로팅인 복수의 Z전극과, 상기 X전극과 상기 Y전극 사이에 배치된 제1 절연층과, 상기 Y전극과 상기 Z전극 사이에 배치된 제2 절연층을 구비하고, 상기 X전극과 상기 Y전극은, 상기 제1 절연층을 개재하여 교차되고, 평면적으로 본 경우에, 상기 X전극의 패드부와 상기 Y전극의 패드부는 중첩하지 않게 배치되고, 상기 Z전극은, 평면적으로 본 경우에, 인접하는 상기 X전극과 상기 Y전극의 양방에 중첩하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2 절연층을, 터치에 의한 압압에 의해 두께가 변화되는 재료, 예를 들면 탄성 절연 재료로 형성함으로써, 비도전성의 입력 수단에서도 상기 X전극 및 상기 Y전극과, 상기 Z전극 사이의 용량 변화를 발생시키는 것이 가능하게 되어, 정전 용량 결합 방식에 의해 터치를 검출하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 X전극의 패드부는, 그 X전극과 인접하는 X전극의 세선부 부근까지 연장되고, 평면적으로 본 경우에, 그 X전극의 패드부에서의 형상은, 그 X전극의 세선부를 향함에 따라서 면적이 커지고, 상기 인접하는 X전극의 세선부를 향함에 따라서 면적이 작아지는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 터치 조작에서의 접촉면에 비해 상기 X전극의 전극 간격이 넓은 경우에도, 인접하는 상기 X전극의 검출 용량 성분의 비로부터 터치 좌표 위치를 계산하는 것이 가능하게 되어, 적은 전극 개수로 고정밀도의 위치 검출이 가능하게 된다.

또한, 상기 복수의 Z전극을, 인접하는 상기 X전극과 상기 Y전극의 양방에 중첩시켜 형성함으로써, 상기 X전극 상에 터치에 의한 접촉면이 존재한 경우라도, 상기 Z전극을 통하여 인접하는 상기 Y전극이 용량 변화를 검지할 수 있고, 반대로 상기 Y전극 상에 터치에 의한 접촉면이 존재한 경우라도, 상기 Z전극을 통하여 인접하는 상기 X전극이 용량 변화를 검지할 수 있기 때문에, 터치 패널 전체면에서 입력 좌표를 검출할 수 있다. 또한 동시에 상기 Y전극의 전극 개수도 삭감하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 터치 패널의 전극의 형상이나 배치를 연구함으로써, 적은 전극 개수로 종래와 비교하여 정밀도가 높은 위치 검출이 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

입력 장치(이하, 터치 패널이라고 부름), 및 그것을 구비한 표시 장치의 구성을, 도 1에 도시한다.

도 1에서, 참조 부호 101은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 터치 패널이다. 터치 패널(101)은, 용량 검출용의 X전극 XP와 Y전극 YP를 갖는다. 여기서는, 예를 들면 X전극을 4개(XP1부터 XP4), Y전극을 4개(YP1부터 YP4)로 도시하고 있지만, 전극수는 이에 한정되지 않는다. 터치 패널(101)은 표시 장치(106)의 전체면에 설치된다. 따라서, 표시 장치에 표시된 화상을 사용자가 보는 경우에는, 표시 화상이 터치 패널을 투과할 필요가 있기 때문에, 터치 패널은 투과율이 높은 것이 바람직하다. 터치 패널(101)의 X전극과 Y전극은, 검출용 배선에 의해 용량 검출부(102)에 접속된다. 용량 검출부(102)는, 제어 연산부(103)로부터 출력되는 검출 제어 신호에 의해 제어되며, 터치 패널에 포함되는 각 전극(X전극, Y전극)의 용량을 검출하고, 각 전극의 용량값에 의해 변화하는 용량 검출 신호를 제어 연산부(103)에 출력한다. 제어 연산부(103)는, 각 전극의 용량 검출 신호로부터 각 전극의 신호 성분을 계산함과 함께, 각 전극의 신호 성분으로부터 입력 좌표를 연산하여 구한다. 시스템(104)은, 터치 조작에 의해 터치 패널(101)로부터 입력 좌표가 전송되면, 그 터치 조작에 따른 표시 화상을 생성하여, 표시 제어 신호로서 표시 제어 회로(105)에 전송한다. 표시 제어 회로(105)는, 표시 제어 신호에 의해 전송되는 표시 화상에 따라서 표시 신호를 생성하고, 표시 장치에 화상을 표시한다.

도 2는 용량 검출부(102)의 회로 구성을 도시한다. 여기서는 일례로서 전류적분에 의한 용량 검출 회로를 나타내고 있다. 단, 용량 검출 방식은 이에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 용량과 스위치를 이용한 스위치드 캐패시터에 의한 용량 검출 방식이나, 동일하게 스위치와 용량을 이용하여 전하를 용량에 수송하는 차지 트랜스퍼 방식 등, 터치 패널의 용량 검출용 전극의 용량, 혹은 용량 변화를 검출할 수 있는 방식이면, 본 발명의 실시 형태에 적용 가능하다. 도 2에 도시하는 전류 적분에 의한 용량 검출 회로는, 정전류원과, 정전류원의 전류를 터치 패널(101)의 X전극 및 Y전극에 인가하기 위한 스위치 SW_A와, 전류 적분 시의 용량 검출용 전극의 전압 VINT와 참조 전압 VREF를 비교하는 컴퍼레이터(107), 및 용량 검출용 전극의 전압을 리세트하기 위한 스위치 SW_B로 구성된다. 여기서, X전극 XP에 접속되는 상기 스위치 SW_A, SW_B, 및 그 제어 신호를 SW_XPA, SW_XPB로 기재하고, Y전극 YP에 접속되는 상기 스위치 SW_A, SW_B, 및 그 제어 신호를 SW_YPA, SW_YPB로 기재하고 있다.

도 3은 도 2에 도시한 용량 검출부(102)의 동작을 나타내는 타이밍차트이다. 여기서는 제어 신호가 하이 레벨일 때에 스위치가 접속 상태로 되고, 제어 신호가 로우 레벨일 때에 스위치가 비접속 상태로 된다고 가정한다. 용량 검출부(102)는, SW_XP1B를 로우 레벨로 하여 리세트 상태를 해제하고, 그리고 SW_XP1A를 하이 레벨로 하여 정전류원과 XP1 전극을 접속한다. 이에 의해 터치 패널(101)의 용량 검출용 전극 XP1의 전압 VINT는 상승한다. 참조 전압 VREF는 리세트의 전위(여기서는, GND로 가정)보다도 고전위로 설정되어 있다. 따라서, SW_XP1A가 하이 레벨로 되고나서 VINT가 VREF에 도달할 때까지 컴퍼레이터(107)의 출력은 로우 레벨로 된다. VINT가 참조 전압 VREF 이상으로 되면, 컴퍼레이터(107)는 하이 레벨을 출력한다. 그 후, SW_XP1A가 비접속 상태, SW_XP1B가 접속 상태로 되어 XP1 전극이 리세트될 때까지, 컴퍼레이터(107)는 하이 레벨을 출력한다. 전술한 XP1 전극의 충방전이 종료되면, 다음으로 XP2 전극의 충방전을 마찬가지로 행한다. 이 동작을 반복하여, XP1부터 XP4, YP1부터 YP4의 전극의 용량 검출을 행한다. 이상의 동작을 반복함으로써, 연속적으로 입력 좌표를 검출할 수 있다. 도 4는 도 2 및 도 3에 도시한 전류 적분에 의한 용량 검출에 의해, 터치 패널(101)의 용량 검출용 전극의 용량이 변화된 경우의 XP1 전극의 전압 VINT를 도시한 도면이다. 터치 패널(101)의 XP1 전극 상에 터치가 없는 경우에는 XP1 전극의 용량은 변화되지 않기 때문에, 참조 전압 VREF에 도달할 때까지의 시간은, 검출 조작마다 거의 일정하게 된다. 한편，XP1 전극 상에 터치가 있는 경우에는, XP1 전극의 용량은 변화된다. 여기서는, 예를 들면 용량이 증가하였다고 가정하면, 정전류원의 전류는 일정하기 때문에, 참조 전압 VREF에 도달할 때까지의 시간은 길어진다. 제어 연산부(103)는, 이 터치 상황에 의한 참조 전압 VREF까지의 도달 시간의 차를, 용량 검출 신호의 상승 타이밍의 차로서 검지하는 것이 가능하다. 따라서, 제어 연산부(103)는, 용량 검출 신호의 상승 타이밍의 차를 각 전극의 신호 성분으로서 산출하고, 각 전극의 신호 성분으로부터 입력 좌표를 계산하는 것이 가능하게 된다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 터치 패널(101)에 형성한 용량 검출용의 전극에 대하여, 도 5a, 도 5b 및 도 6을 이용하여 설명한다.

도 5a는 터치 패널(101)의 용량 검출용의 X전극 XP 및 Y전극 YP, 또한 그 상부에 형성한 Z전극 ZP의 전극 패턴을 도시한 도면이다. X전극 XP와 Y전극 YP는, 검출용 배선에 의해 용량 검출부(102)에 접속된다. 한편，Z전극 ZP는 전기적으로 접속되어 있지 않고, 플로팅의 상태로 한다. 도 5b는 X전극 XP와 Y전극 YP의 전극 패턴만을 도면에 도시한 것이다. Y전극은 터치 패널(101)의 가로 방향으로 신장하고 있으며, 복수의 Y전극이 세로 방향으로 복수개 배열되어 있다. Y전극과 X전극의 교차 부분은, 각 전극의 교차 용량을 삭감하기 위해서 Y전극과 X전극의 전극 폭을 가늘게 하고 있다. 이 부분을 임시로 세선부라고 부른다. 따라서, Y전극은 그 연장 방향으로 세선부와, 그 이외의 전극 부분(이하에서는, 패드부라고 부름)을 교 대로 배치한 형상으로 된다. 인접하는 Y전극 사이에, X전극을 배치한다. X전극은 터치 패널(101)의 세로 방향으로 연장되어 있고, 복수의 X전극이 가로 방향으로 복수개 배열된다. Y전극과 마찬가지로，X전극은 그 연장 방향으로 세선부와 패드부를 교대로 배치한 형상으로 된다. 이하에서, X전극의 패드부의 형상을 설명하기 위해서, 임시로 X전극을 검출용 배선에 접속하기 위한 배선 위치(혹은 X전극의 세선부)를, X전극의 가로 방향의 중심이라고 가정한다. X전극의 패드부의 전극 형상은, 인접하는 X전극의 중심에 가까워짐에 따라서 면적이 작아지고, 그 X전극의 중심에 가까울수록 면적이 커진다. 따라서, 인접하는 2개의 X전극, 예를 들면 XP1과 XP2 사이에서의 X전극의 면적을 생각한 경우에는, XP1 전극의 중심 부근에서는 XP1 전극의 패드부의 전극 면적이 최대로 되고, 또한 XP2 전극의 패드부의 전극 면적은 최소로 된다. 한편，XP2 전극의 중심 부근에서는 XP1 전극의 패드부의 전극 면적이 최소로 되고, 또한 XP2 전극의 패드부의 전극 면적이 최대로 된다. 여기서, 인접하는 2개의 X전극간에서의 패드부 형상은, 한쪽의 X전극의 형상이 볼록 형상이며, 다른 한쪽의 X전극 형상이 오목 형상인 것을 특징으로 한다.

도 5b에서는, X전극 좌측의 패드부의 전극 형상을 볼록 형상, 우측의 전극 형상을 오목 형상으로 하고 있지만, 이에 한하지 않는다. 예를 들면, X전극 우측의 전극 형상을 볼록 형상, 좌측의 전극 형상을 오목 형상으로 하여도 되고, X전극 좌우의 전극 형상을 볼록 형상으로 하고, 인접하는 X전극의 전극 형상을 오목 형상으로 하여도 된다.

다음으로，Z전극 ZP의 형상에 대하여 설명한다. 도 5a에서, Z전극 ZP는, Y 전극과 평행한 복수의 슬릿과, X전극과 평행한 복수의 슬릿에 의해, 복수의 전극 ZP로 분할된다. 도 5a에서는，Y전극과 평행한 슬릿의 세로 방향의 위치를, 각 X전극 상과 각 Y전극 상에 형성하고 있고, 각 X전극 상의 슬릿의 세로 위치는 X전극 형상의 볼록형 형상의 정점 부근, 혹은 오목형 형상의 골짜기 부근으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 각 Y전극 상의 슬릿의 세로 위치는, Y전극의 전극 폭의 중심 부근으로 하는 것이 바람직하다. 한편，X전극과 평행한 슬릿수는, 인접하는 X전극간에 복수 개소 형성한다. 그 때의 X전극과 평행한 슬릿의 간격은 임의로 설정할 수 있지만, 상정하는 입력 수단의 최소 접촉면의 치수에 가까운 것이 바람직하다.

도 6은 도 5a에서 점 A부터 점 B까지의 터치 패널(101)의 단면 형상을 도시한 도면이다. 이 단면도에서는, 터치 패널 동작의 설명에 필요로 되는 층만을 도시하고 있다. 터치 패널(101)의 각 전극은 투명 기판 상에 형성한다. 투명 기판으로부터 가까운 층부터 먼 층으로 순서대로 설명한다. 우선 투명 기판에 가까운 개소에 X전극 XP를 형성하고, 다음에 X전극과 Y전극을 절연하기 위한 절연막을 형성한다. 그 다음에，Y전극 YP를 형성한다. 여기서, X전극 XP와 Y전극의 순번을 교체하여도 된다. Y전극 YP의 다음에는 압력 검지용 절연층을 배치하고, 그 다음에 Z전극 ZP와 보호층을 형성한다. 여기서 압력 검지용 절연층은, 터치 조작에 의한 압압 시에, 막 두께가 변화되는 투명한 절연 재료이면 된다. 예를 들면, 탄성 절연 재료 등을 이용하여, 압력 검지용 절연층을 형성하여도 된다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 터치 패널(101)에서의 터치 조작 시의 용량 변화에 대하여, 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b를 이용하여 설명한다.

도 7a 및 도 7b는, 터치 조작의 입력 수단이 손가락 등의 도체인 경우의 용량 변화를 설명하는 모식도이다. 여기서는, 터치 시의 압압이 작아서 압력 검지용 절연층의 두께가 변화되지 않는 것으로 가정한다. 또한, 각 전극의 전극 용량은, 인접 전극과의 프린지 용량, 교차 용량, 그 밖의 기생 용량과의 합성 용량으로 되지만, 여기서는 Z전극과의 사이의 평행 평판 용량만 주목하고, 그 밖의 전극 용량은 터치 조작 시와 터치 조작이 없는 경우에서 변화하지 않는다고 가정하였다. 여기서, 터치 조작이 없는 경우의 Z전극 ZPA와 X전극 XP1 사이의 용량을 Cxz, Z전극 ZPA와 Y전극 YP2 사이의 용량을 Cyz로 가정한다.

X전극 XP1의 전극 용량을 용량 검출부(102)가 검출할 때는, Y전극 YP2는 리세트 상태로 GND 전위로 된다. 그 때문에 X전극 XP1로부터 본 경우의 합성 용량은, Z전극 ZPA가 플로팅이기 때문에，Cxz와 Cyz의 직렬 접속의 용량으로 된다. 이 때의 X전극의 합성 용량 Cxp는, 다음의 수학식으로 표현된다.

한편, 터치 조작에 의해 손가락의 접촉이 있는 경우에는, Z전극 ZPA에 손가락의 정전 용량 성분 Cf가 전기적으로 접속된 상태로 간주할 수 있다. 이 경우의 합성 용량을 등가 회로로 나타내면 도 7b로 되고, 터치 조작 시의 X전극의 합성 용량 Cxpf는, 다음의 수학식으로 표현된다.

제어 연산부(103)는, 터치 조작이 없을 때의 XP1 전극 용량 Cxp와, 터치 조작이 있을 때의 XP1 전극 용량 Cxpf의 차분을 XP1 전극의 신호 성분으로서 계산한다. 터치 조작 유무에서의 전극 용량의 차분 ΔCxp는, 수학식 1과 수학식 2로부터 산출할 수 있다.

수학식 3로부터도 확인할 수 있는 바와 같이, 전극 용량의 차분 ΔCxp는 손가락의 정전 용량 Cf에 의존하기 때문에, 제어 연산부(103)에 의해 XP1 전극의 신호 성분으로서 산출할 수 있다.

도 8a 및 도 8b는, 터치 조작의 입력 수단이 비도전성이며, 터치 시의 압압에 의해 압력 검지용 절연층의 두께가 변화되는 경우의 용량 변화를 설명하는 모식도이다. 터치 조작이 없는 경우의 XP1 전극의 용량은, 도 7a 및 도 7b에서 설명한 바와 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다. 도 8a 및 도 8b는, 터치 시의 압압에 의해 Z전극 ZPA와 용량 검출용 전극 사이의 압력 검지용 절연층이 얇아진 경우의 도면이다. 이 경우의 Z전극 ZPA와 X전극 XP1간의 용량을 Cxza로 하고, Z전극 ZPA와 Y전극 YP2간의 용량을 Cyza로 한 경우, 평행 평판 용량은 두께에 반비례하기 때문에 다음의 수학식이 성립한다.

X전극 XP1의 전극 용량을 용량 검출부(102)가 검출할 때에는, Y전극 YP2는 리세트 상태로 GND 전위로 된다. 그 때문에 X전극 XP1로부터 본 경우의 합성 용량은, Z전극 ZPA가 플로팅이기 때문에，Cxza와 Cyza의 직렬 접속의 용량으로 된다. 이 때의 X전극의 합성 용량 Cxpa는, 다음의 수학식으로 표현된다.

제어 연산부(103)는, 터치 조작이 없을 때의 XP1 전극 용량 Cxp와, 터치 조작이 있을 때의 XP1 전극 용량 Cxpa의 차분을 XP1 전극의 신호 성분으로서 계산한다. 터치 조작 유무에 의한 전극 용량의 차분 ΔCxpa는, 수학식 1과 수학식 5로부터 산출할 수 있다.

수학식 4와 수학식 6으로부터도 확인할 수 있는 바와 같이, 전극 용량의 차분 ΔCxpa를 용량 검출부(102)에 의해 검출할 수 있기 때문에, 제어 연산부(103)에 의해 XP1 전극의 신호 성분으로서 산출할 수 있다.

이상의 점으로부터, 압력 검지용 절연층과 Z전극 ZP를 이용함으로써, 비도전성의 입력 수단이라도, 압압에 의해 압력 검지용 절연층의 두께가 변화됨으로써 용량 변화에 의해 입력 좌표를 검지하는 것이 가능하게 된다.

다음으로, 도 9a∼도 9d 및 도 10을 이용하여, 터치 조작에 의한 접촉면이 작은 경우에, 접촉면의 위치가 가로 방향으로 변화한 경우의 각 전극의 신호 성분 에 대하여 설명한다.

도 9a는 인접하는 2개의 X전극인 XP2와 XP3 사이에서, X전극 상에서 접촉면의 위치가 변화된 모습을 도시하고 있다. XA는 XP2의 중심 부근이며, XB는 XP2와 XP3의 중간 부근이며, XC는 XP3의 중심 부근이다. 도 9a에서는, 도면의 간략화를 위해서 Z전극 ZP를 도시하고 있지 않다. 도 9b는 접촉면의 위치가 XA일 때의, XP2와 XP3의 제어 연산부(103)가 산출하는 신호 성분을 나타낸 도면이다. 마찬가지로, 도 9c는 위치 XB일 때, 도 9d는 위치 XC일 때의 XP2와 XP3의 신호 성분을 각각 나타내고 있다. 도 7a 및 도 7b에서 설명한 정전 용량 Cf나, 도 8a 및 도 8b에서 설명한 Z전극 ZP와 용량 검출용 전극 사이의 용량 변화는, 접촉면의 면적에 의존한다. 따라서, 용량 검출용 전극과 접촉면이 겹치는 면적이 큰 경우에는 신호 성분이 커지고, 반대로 용량 검출용 전극과 접촉면이 겹치는 면적이 작은 경우에는 신호 성분이 작아진다. 위치 XA에서는, 접촉면과 XP2가 겹치는 부분이 많고, XP3과는 거의 겹치지 않기 때문에, 도 9b에 도시한 바와 같이, XP2의 신호 성분이 크고, XP3의 신호 성분은 작아진다. 위치 XB에서는, XP2 및 XP3과 접촉면이 겹치는 면적이 거의 동일하게 되므로, 도 9c에 도시하는 바와 같이 산출되는 신호 성분은 XP2와 XP3에서 거의 동일하게 된다. 또한, 위치 XC에서는, 접촉면과 XP3이 겹치는 부분이 많고, XP2와 거의 겹치지 않기 때문에, 도 9d에 도시한 바와 같이, XP3의 신호 성분이 크고, XP2의 신호 성분은 작아진다. 제어 연산부(103)는, 각 전극의 신호 성분을 이용하여 무게 중심 계산을 행하여, 접촉면이 터치 조작에 의해 접촉한 입력 좌표를 산출한다. 도 9c와 같이 XP2와 XP3에서 동일한 정도의 신호 성분이 얻어지는 경우에는, 무게 중심 위치는 XP2 전극과 XP3 전극의 중간에 오기 때문에, 입력 좌표를 산출할 수 있다. 한편, 도 9b나 도 9d와 같이 한쪽의 X전극의 신호 성분이 매우 큰 경우에는, 무게 중심 위치는 큰 신호 성분을 검출한 X전극 부근으로 되기 때문에, 마찬가지로 입력 좌표를 산출할 수 있다.

도 10은 Y전극 상에서 도 9a와 마찬가지로 접촉면이 변화하였을 때의 모습을 도시하고 있다. 가로 방향의 위치는, 도 9a의 XA가 XA', XB가 XB', XC가 XC'에 상당한다. 도 10에서 접촉면은 X전극과 직접 겹쳐져 있지 않지만, 접촉면이 겹쳐져 있는 Z전극 ZP는 인접하는 X전극 XP2와 XP3에 겹쳐져 있다. 따라서, Y전극 상에서의 접촉에 의한 용량 변화는, Z전극 ZP를 통한 용량 커플링에 의해 인접하는 X전극에서도 검출할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 X전극의 전극 형상을 이용함으로써, 접촉면에 비해 X전극의 전극 간격이 넓은 경우라도 무게 중심 계산이 가능하게 되어, 고정밀도로 위치를 검출하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 접촉면에 비해 X전극의 전극 간격을 넓힘으로써 종래의 전극 패턴보다 전극 개수를 삭감하는 것이 가능하게 된다. 또한，X전극의 전극 형상이 Y전극을 사이에 두어 이산적이라도, 전기적으로 플로팅인 Z전극을 인접하는 X전극과 Y전극에 걸치도록 배치함으로써, 터치 패널 전체면에서 X 방향의 입력 좌표를 검출하는 것이 가능하게 된다.

다음으로, 도 11a∼도 11d를 이용하여, 터치 조작에 의한 접촉면이 작은 경우에, 접촉면의 위치가 세로 방향으로 변화한 경우의 각 전극의 신호 성분에 대하여 설명한다.

도 11a는, 인접하는 2개의 Y전극인 YP2와 YP3 사이에서, 세로 방향으로 접촉면의 위치가 변화한 모습을 도시하고 있다. YA는 YP2의 중심 부근이며, YB는 YP2와 YP3의 중간 부근이며, YC는 YP3의 중심 부근이다. 접촉면이 위치 YA인 경우에는 접촉면과 겹치는 Y전극은 YP2만이기 때문에, 제어 연산부(103)가 검출하는 신호 성분은, 도 11b와 같이 YP2 전극의 신호 성분만으로 된다. 마찬가지로, 접촉면이 위치 YC인 경우에는 접촉면과 겹치는 Y전극은 YP3만이기 때문에, 도 11d와 같이 YP3 전극의 신호 성분만으로 된다. 한편, 접촉면이 위치 YB와 같이 X 전극 상에 있는 경우에는, 접촉면과 겹치는 Z전극 ZP가 인접하는 Y전극과 교차하고 있다. 그 때문에，X전극 상에서의 접촉에 의한 용량 변화는, Z전극 ZP를 통한 용량 커플링에 의해 인접하는 Y전극에서 검출할 수 있다. 위치 YB의 경우에는, YP2 전극과 교차하는 Z전극 ZP에서 발생하는 용량 변화와, YP3 전극과 교차하는 Z전극 ZP에서 발생하는 용량 변화가 대략 동일하다. 따라서, 도 11c에 도시한 바와 같이, YP2와 YP3에서 얻어지는 신호 성분이 대략 동일하게 된다. 제어 연산부(103)는, X전극의 입력 좌표 산출의 경우와 마찬가지로, 각 전극의 신호 성분을 이용하여 무게 중심 계산을 행하여, 접촉면이 터치 조작에 의해 접촉한 입력 좌표를 산출한다. 도 11c와 같이 YP2와 YP3에서 동일한 정도의 신호 성분이 얻어지는 경우에는, 무게 중심 위치는 YP2 전극과 YP3 전극의 중간에 오기 때문에, 입력 좌표를 산출할 수 있다. 한편, 도 11b나 도 11d와 같이 한쪽의 Y전극의 신호 성분만의 경우에는, 무게 중심위치는 신호 성분을 검출한 Y전극의 중심 부근으로 되기 때문에, 마찬가지로 입력 좌표를 산출할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 Y전극의 전극 형상이, X전극을 사이에 두어 이산적이라도, 전기적으로 플로팅인 Z전극을 인접하는 X전극과 Y전극에 걸치도록 배치함으로써, 터치 패널 전체면에서 Y 방향의 입력 좌표를 검출하는 것이 가능하게 된다. 또한，X전극이 존재하는 영역의 세로 방향의 입력 좌표를, 전술한 Z전극을 이용함으로써 검출 가능하기 때문에, Y전극의 개수를 삭감하는 것이 가능하게 된다. 또한, 세로 방향의 Y 좌표에서도 무게 중심 계산에 의한 좌표 연산이 가능하게 되어, 고정밀도로 위치를 검출하는 것이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명의 제1 실시 형태에서의 X전극, Y전극, 및 Z전극의 전극 형상에 의한 용량 검출용 전극 개수의 삭감 효과를 나타내기 때문에, 도 12에 도시한 바와 같은 대각 4인치(종횡비는 3대4로 가정)의 터치 패널에서의 전극 개수를 계산하였다. 여기서는, 상정하는 최소의 접촉면을 직경 1.0㎜로 가정하고, Y전극의 전극 간격을 2.0㎜로 하였다. X전극의 전극 간격을 파라미터로 하였을 때의 전극수를 통합한 그래프를 도 13에 나타낸다. X전극의 전극 간격을 넓힘으로써 X전극 개수를 삭감할 수 있다. 예를 들면, 전극 간격을 6.0㎜로 함으로써, 종래 기술의 경우의 전극수 139개(X전극과 Y전극 모두 1.0㎜의 전극 간격으로 배열한 경우)에 대하여, 용량 검출용의 전극수를 약 100개 삭감하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 제1 실시 형태에 의해 용량 검출용의 전극 개수를 삭감함으로써, 검출용 배선 주회를 위한 액연 치수를 작게 할 수 있다. 또한, 터치 패널(101)과 용량 검출부(102)의 접속선수도 적어지기 때문에, 신뢰성 향상도 기대할 수 있다. 또한, 용량 검출용의 전극 개수가 적어지기 때문에, 용량 검출부의 단자수도 삭감 할 수 있어, IC화하였을 때의 코스트를 저감하는 것이 가능하게 된다.

도 14 및 도 15는 Z전극의 슬릿의 위치를 변화시킨 경우이다. 도 5a, 도 14, 및 도 15의 Z전극 ZP에서, X전극과 평행한 슬릿은 동일하며, Y전극과 평행한 슬릿이 상이한다. 단，Z전극이 인접하는 X전극과 Y전극에 걸쳐 교차하고 있는 점은 공통이다.

도 14에서, Y전극과 평행한 슬릿은 각 Y전극의 중앙 부근에 배치된다. 이에 의해, 인접하는 X전극과 Y전극에는 동일한 Z전극이 걸쳐 교차하기 때문에, 도 5a의 경우와 마찬가지로 X전극 상의 용량 변화를 커플링에 의해 Y전극이 검출 가능하게 되고, 반대로 Y전극 상의 용량 변화를 커플링에 의해 X전극이 검출 가능하게 된다. 이 때문에, 도 5a와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.

도 15에서는，Y전극과 평행한 슬릿은 각 X전극의 중앙 부근에 배치된다. 이에 의해, 인접하는 X전극과 Y전극에는 동일한 Z전극이 걸쳐 교차하기 때문에, 도 5a의 경우와 마찬가지로 X전극 상의 용량 변화를 커플링에 의해 Y전극이 검출 가능하게 되고, 반대로 Y전극 상의 용량 변화를 커플링에 의해 X전극이 검출 가능하게 된다. 이 때문에, 도 5a와 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.

도 16은 도 5b에 도시한 X전극의 형상을 변화시킨 경우이다. 도 5b 및 도 16에서, Y전극의 형상은 동일하다. 도 5b에서는 X전극 형상이 오목형 형상, 볼록형 형상이었지만, 도 16은 대략 삼각형에 가까운 형상이다. 도 5b 및 도 16 모두, 인접하는 X전극의 중심에 가까워짐에 따라서 면적이 작아지고, 그 X전극의 중심에 가까울수록 면적이 커지는 특징은 동일하다. 그 때문에, 도 5b와 마찬가지의 효과 를 기대할 수 있다. 또한，X전극의 형상은, 인접하는 X전극의 중심에 가까워짐에 따라서 면적이 작아지고, 그 X전극의 중심에 가까울수록 면적이 커지는 형상이면, 도 5b, 도 16의 형상에 한정되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 비도전성의 입력 수단에 의해 터치 패널 상에 접촉한 경우라도, 용량 검출용의 X전극이나 Y전극과, 그 상부의 Z전극과의 거리가 변화함으로써 용량 변화를 발생할 수 있기 때문에, 정전 용량 결합 방식으로서 입력 좌표를 검출할 수 있다. 이에 의해, 저항막식에서 사용되고 있는 수지제 스타일러스에도 대응 가능하게 되어, 저항막식 터치 패널과의 치환의 장벽이 낮아진다.

또한, 인접하는 X전극간의 입력 위치는, 인접하는 2개의 X전극으로부터 얻어지는 용량 변화의 신호비에 의해 산출할 수 있도록 전극 형상을 연구함으로써 X전극 개수를 삭감하고, 또한 Y전극은 Z전극의 배치를 연구함으로써 삭감할 수 있다. 이에 의해, 검출용 전극으로부터 입력 처리부까지의 주회 배선에서 필요한 액연 폭을 좁게 할 수 있어, 디자인성의 우도가 향상된다. 또한, 입력 처리부의 단자수 증가를 억제할 수 있기 때문에, 염가로 고정밀도의 입력 위치 검출을 할 수 있는 정전 용량 결합 방식 터치 패널을 실현할 수 있다. 또한, 접촉면이 작은 입력 수단, 예를 들면 스타일러스 등에서도 정밀도 좋게 입력 좌표의 검출을 할 수 있기 때문에, 문자 입력 등의 어플리케이션에 적용도 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에서의 입력 장치, 및 그것을 구비한 표시 장치의 시스템 구성도,

도 2는 용량 검출부(102)의 회로 구성도.

도 3은 용량 검출부(102)의 동작을 설명하는 타이밍차트.

도 4는 용량 검출 시에서의 용량 검출용 전극의 전압 파형도.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시 형태에서의 터치 패널의 전극 형상을 도시하는 평면도.

도 6은 본 발명의 실시 형태에서의 터치 패널의 전극 구조를 도시하는 단면도.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시 형태에서의 터치 패널에서 용량 검출용 전극의 정전 용량에 의한 용량 변화를 도시하는 모식도.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 형태에서의 터치 패널에서 용량 검출용 전극의 압력 검지용 절연층의 두께 변화에 의한 용량 변화를 도시하는 모식도.

도 9a는 X전극 상에서의, X 방향의 복수의 접촉면의 위치를 도시하는 도면, 도 9b∼도 9d는 도 9a의 각 위치에서의 XP2 및 XP3의 신호 성분을 나타내는 그래프.

도 10은 Y전극 상에서의, X 방향의 복수의 접촉면의 위치를 도시하는 도면.

도 11a는 Y전극 상에서의, Y 방향의 복수의 접촉면의 위치를 도시하는 도면, 도 11b∼도 11d는 도 11a의 각 위치에서의 XP2 및 XP3의 신호 성분을 나타내는 그 래프.

도 12는 터치 패널에서의 용량 검출용 전극의 배치도.

도 13은 용량 검출용 전극 개수의 X전극 간격 의존을 나타내는 그래프.

도 14는 본 발명의 실시 형태에서의, 다른 Z전극의 형상을 도시하는 모식도.

도 15는 본 발명의 실시 형태에서의, 다른 Z전극의 형상을 도시하는 모식도.

도 16은 본 발명의 실시 형태에서의, 다른 X전극의 형상을 도시하는 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

XP　: 용량 검출용의 X전극

YP　: 용량 검출용의 Y전극

101 : 터치 패널

102 : 용량 검출부

103 : 제어 연산부

104 : 시스템 CPU

105 : 표시 제어 회로

106 : 표시 장치

107 : 컴퍼레이터

SW_A, SW_B : 스위치, 및 그 제어 신호

VINT　: 용량 검출용 전극의 전류 적분 전압

VREF　: 참조 전압

ZP, ZPA　: Z전극

Cf　: 정전 용량

Cxz, Cxza　: X전극과 Z전극 사이의 용량 성분

Cyz, Cyza　: Y전극과 Z전극 사이의 용량 성분

XA, XB, XC　: 접촉면 위치

XA'，XB'，XC' : 접촉면 위치

YA, YB, YC : 접촉면 위치

Claims (13)

1. 표시 영역 상에서의 터치 위치 좌표를 정전 용량 결합 방식에 의해 검출하는 정전 용량 터치 패널을 포함하는 표시 장치에 있어서,

   상기 정전 용량 터치 패널은,

   제1 평면에서, 제1 방향으로 연장되며, 패드부와 세선부가 교대로 배열되도록 하여 형성된 복수의 X전극과,

   제2 평면에서, 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되며, 패드부와 세선부가 교대로 배열되도록 하여 형성된 복수의 Y전극과,

   제3 평면에서, 전기적으로 플로팅인 복수의 Z전극과,

   상기 X전극과 상기 Y전극 사이에 배치된 제1 절연층과,

   상기 Y전극과 상기 Z전극 사이에 배치된 제2 절연층을 포함하고,

   상기 X전극과 상기 Y전극은, 상기 제1 절연층을 개재하여 교차되고,

   평면적으로 본 경우에, 상기 X전극의 패드부와 상기 Y전극의 패드부는 중첩 하지 않게 배치되고,

   상기 Z전극은, 평면적으로 본 경우에, 인접하는 상기 X전극과 상기 Y전극의 양방에 중첩하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 절연층은, 터치에 의한 압압(押壓)에 의해 그 제2 절연층의 두께가 변화되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 절연층은, 탄성 절연 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 X전극의 패드부는, 그 X전극과 인접하는 X전극의 세선부 부근까지 연장되고,

   평면적으로 본 경우에, 상기 X전극의 패드부에서의 형상은, 그 X전극의 세선부를 향함에 따라서 면적이 커지고, 상기 인접하는 X전극의 세선부를 향함에 따라서 면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
5. 제4항에 있어서,

   평면적으로 본 경우에, 상기 Y전극의 패드부의 폭이, 상기 Y전극이 연장되는 방향에 대하여 일정하고,

   상기 X전극의 패드부와 상기 Y전극의 패드부는, 평면적으로 본 경우에, 상기 X전극이 연장되는 방향으로 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
6. 제5항에 있어서,

   인접하는 2개의 상기 X전극의 패드부에서, 한쪽의 그 패드부의 형상은 볼록형 형상이고, 다른 한쪽의 그 패드부의 형상은 오목형 형상인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
7. 제5항에 있어서,

   인접하는 2개의 상기 X전극의 패드부에서, 양방의 그 패드부의 형상은 볼록형 형상인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
8. 제5항에 있어서,

   상기 Z전극은, 상기 X전극의 연장 방향을 따른 복수의 슬릿에 의해 분할되고, 또한 상기 Y전극의 연장 방향을 따른 복수의 슬릿에 의해 분할되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 Y전극이 연장되는 방향을 따른 상기 Z전극의 슬릿은, 평면적으로 본 경우에, 상기 Y전극 상에 1개씩 형성되고, 또한 상기 X전극 상에 1개씩 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
10. 제8항에 있어서,

    상기 Y전극이 연장되는 방향을 따른 상기 Z전극의 슬릿은, 평면적으로 본 경 우에, 상기 Y전극 상에 1개씩 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
11. 제8항에 있어서,

    상기 Y전극이 연장되는 방향을 따른 상기 Z전극의 슬릿은, 평면적으로 본 경우에, 상기 X전극 상에 1개씩 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
12. 정전 용량 터치 패널을 포함하는 표시 장치에 있어서,

    상기 정전 용량 터치 패널은,

    제1 방향으로 신장하는 복수의 제1 전극과,

    상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 신장하는 복수의 제2 전극과,

    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 절연하는 제1 절연층과,

    평면적으로 본 경우에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 중첩하는 복수의 제3 전극과,

    상기 제3 전극과 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 절연하는 제2 절연층으로 구성되고,

    상기 제2 절연층은, 터치에 의해 상기 제2 절연층의 두께가 변화되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 복수의 제3 전극은, 각각이 전기적으로 플로팅인 것을 특징으로 하는 표시 장치.

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