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WO2024225271A1 - タッチセンサ及び表示装置 - Google Patents

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Publication number
WO2024225271A1
WO2024225271A1 PCT/JP2024/015922 JP2024015922W WO2024225271A1 WO 2024225271 A1 WO2024225271 A1 WO 2024225271A1 JP 2024015922 W JP2024015922 W JP 2024015922W WO 2024225271 A1 WO2024225271 A1 WO 2024225271A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
detection conductor
touch sensor
commercial power
power frequency
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/015922
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
拓也 津田
Original Assignee
株式会社クレハ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社クレハ filed Critical 株式会社クレハ
Publication of WO2024225271A1 publication Critical patent/WO2024225271A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means

Definitions

  • the present invention relates to a touch sensor and a display device.
  • Touch panels are widely used in small portable devices and various terminals.
  • a touch panel includes a sensor that detects the position coordinates pointed to by a finger or pen, or the presence or absence of a pointing action, and a surface display device such as a liquid crystal display.
  • Patent Document 1 discloses a surface-type capacitance sensor.
  • a surface-type capacitive sensor includes a laminate consisting of an insulating substrate, a uniform conductive layer formed on its surface, and a thin insulating layer (protective layer) formed on the top surface of the substrate.
  • the operating principle of this sensor is as follows: 1) An AC voltage is applied to the four corners of the conductive layer to form a uniform electric field. 2) When a finger touches the conductive layer, a weak current flows through the finger via the capacitance formed between the conductive layer and the finger. 3) This current flows from each of the four corners of the conductive layer to the point where the finger touched (contacted). 4) A signal processing circuit then measures the ratio of the current amounts at the terminals at each of the four corners, thereby calculating the coordinates of the finger's touch position.
  • Surface-type capacitive sensors have a simple structure, are inexpensive to manufacture, and can be made relatively large, so they are widely used in touch panels.
  • the detection method of surface-type capacitive sensors is to apply an AC voltage to generate a weak electric field on the substrate surface, and detect the touch position by capturing the change in capacitance caused by touch with four electrodes, making it difficult to further reduce circuit costs and power consumption.
  • the present invention aims to provide a touch sensor that can be manufactured at low cost and operates with low power consumption.
  • a touch sensor includes a first detection conductor composed of a split electrode having multiple electrode portions electrically insulated from one another, a second detection conductor that is insulated from the first detection conductor or connected with high impedance through a resistance of 10 k ⁇ or more, and a control unit that uses the second detection conductor as a reference potential to extract a signal in the commercial power frequency band from a signal detected from the first detection conductor and detects a touch position using the signal in the commercial power frequency band.
  • a touch sensor that can be manufactured at low cost and operates with low power consumption.
  • FIG. 1 is an external perspective view of an exemplary display device having a touch sensor according to an embodiment of the present invention
  • 1 is a side cross-sectional view of an exemplary display device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view of an exemplary display device according to a modification of the present embodiment.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a configuration of an exemplary display device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an example of processing performed by a signal processing unit of an exemplary display device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the filter frequency characteristic of a filter used to extract a signal of a commercial power supply frequency band component in the exemplary display device according to the present embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a digital signal after a signal processing unit processes a signal detected from an electrode touched by a finger.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a digital signal after signal processing by a signal processing unit on a signal detected from an electrode not touched by a finger adjacent to an electrode touched by a finger;
  • FFT fast Fourier transform
  • Hum noise is detected as electrical noise when electromagnetic waves generated by the amplitude of commercial AC power collide with a conductor and become a current.
  • Hum noise is a noise component that depends on the commercial power supply frequency, and is known to be present, for example, when measuring minute bioelectrical signals measured using electrodes attached to the surface of the human body.
  • commercial power frequency means the frequency of the alternating current supplied as a commercial power source.
  • the commercial power frequency may vary depending on the country or region; for example, the commercial power frequency in Japan is 50 Hz or 60 Hz.
  • Hum noise may also be called commercial power frequency noise, commercial power frequency dependent noise, etc.
  • hum noise can be used to detect the presence or absence of a touch by a finger. Therefore, the following describes an embodiment for detecting the touch position using hum noise.
  • the touch position detection method of this touch sensor is similar to the position detection method of the surface-type capacitive sensor described above. Specifically, this method involves providing electrodes around the periphery of the panel, and detecting the touch position from the difference in voltage detected by each electrode.
  • the resistance is non-uniform depending on the location due to the non-uniformity of the material, and furthermore, noise generation conditions vary depending on individual differences in the human body, so there is a risk that this method cannot guarantee the accuracy of position detection.
  • FIG. 1 is a perspective view of an exemplary display device having a touch sensor according to an embodiment of the present invention, which includes various devices having a touch detection function, such as a mobile personal computer (PC), a tablet terminal, a smartphone, and a digital camera.
  • PC personal computer
  • tablet terminal a tablet terminal
  • smartphone a smartphone
  • digital camera a digital camera
  • the display device 1 includes a housing 10 having a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the front side (positive side in the Z direction) of the housing 10 is open.
  • the width direction (horizontal direction) of the housing 10 is described as the X direction, the length direction (vertical direction) as the Y direction, and the thickness direction as the Z direction (the X axis, Y axis, and Z axis are perpendicular to each other).
  • the length of the housing 10 in the X direction is shorter than the length of the housing 10 in the Y direction.
  • the length in the X direction and the length in the Y direction may be the same, or the length in the X direction may be longer than the length in the Y direction.
  • FIG. 2A is a side cross-sectional view of an exemplary display device according to this embodiment, taken along the A-A' plane parallel to the XZ plane.
  • the laminates 201-205 and various circuits 40 constituting the touch sensor 20, and the display panel 30 are arranged inside the housing 10. These are arranged in the Z direction from the opening surface (display surface) side (positive Z-axis side) of the housing 10 in the order of the laminates 201-205, the display panel 30, and the various circuits 40.
  • the touch sensor 20 may be referred to as a touch-type input device. All or part of the circuit 40 may be referred to as a control unit or a control circuit.
  • the touch sensor 20 includes a protective film (protective layer) 201, a substrate 202, a first detection conductor 203, an insulating film 204, and a second detection conductor 205.
  • the first detection conductor 203 is disposed on the opening side of the housing 10 (i.e., closer to the surface touched by the finger) so that a larger commercial power frequency noise can be detected
  • the second detection conductor 205 is disposed on the negative Z-axis side of the first detection conductor 203.
  • the protective film 201 is made of glass, has insulating properties, and has a thickness of about 1 mm (1.1 mm in this embodiment).
  • the protective film 201 is present in the outermost layer of the opening surface, and is disposed over substantially the entire surface of the base material 202 on the opening surface side of the housing 10.
  • the protective film 201 serves as the operation surface of the display device 1 and the touch sensor (touch-type input device).
  • the protective film 201 may be made of a transparent organic material such as epoxy resin, an inorganic material such as glass, or a mixture of these.
  • the substrate 202 is disposed over substantially the entire surface of the protective film 201 opposite the opening of the substrate 202.
  • the substrate 202 is a rectangular, flat, insulating material, and is made of a transparent material.
  • the substrate 202 is made of polyethylene terephthalate (PET). Note that any known transparent film can be used as the substrate, and although there are no particular limitations, PET, polycarbonate, and cycloolefin polymer (COP) are preferably used.
  • the first detection conductor 203 is disposed on the surface of the substrate 202 opposite to the surface that abuts against the protective film 201. As will be described with reference to FIG. 3, the first detection conductor 203 is composed of a plurality of electrodes. The plurality of electrodes that constitute the first detection conductor 203 are arranged in a matrix shape at intervals along the X and Y directions, respectively.
  • the first detection conductor 203 is connected to a measurement circuit (composed of an amplifier section 401, a multiplexer 402, an analog-to-digital (AD: Analog to Digital) conversion section 403, and a signal processing section 404, which will be described later). Hum noise can be detected when the human body directly contacts or comes into close proximity with the first detection conductor 203 (electrodes).
  • the first detection conductor 203 uses a PET film as a base material and an electrode whose main component is indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • inorganic electrodes such as zinc oxide (ZnO), silver nanowires, carbon nanotubes, and graphene, and organic electrodes whose main components are polythiophene and polyaniline, etc. may also be used. By using these materials, a highly transparent conductor pattern can be formed.
  • the insulating film 204 is a rectangular flat plate of approximately the same size as the base material 202, and is disposed on the surface of the first detection conductor 203 opposite the opening surface of the housing 10.
  • the insulating film 204 is preferably made of PET, PC, or COP, but may also be made of glass, epoxy resin, or the like.
  • the second detection conductor 205 is a rectangular flat plate of approximately the same size as the base material 202 and the insulating film 204, and is disposed over approximately the entire surface of the insulating film 204 opposite the opening side of the housing 10.
  • the shape and area of the second detection conductor 205 can be set as necessary, and the position of the second detection conductor 205 is not particularly limited as long as it functions as a reference potential.
  • the second detection conductor 205 is composed of a single ITO electrode.
  • the second detection conductor 205 is preferably connected to the ground potential of the measurement circuit board or a fixed potential having a certain offset voltage from the ground potential to serve as the reference potential (for example, it can also serve as the ground or earth of the display device 1). By using the second detection conductor 205 as the reference potential in this way, the detection signal output via the first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 is used for touch position detection.
  • the configuration of the laminate that constitutes the touch sensor 20 is not limited to the configuration shown in FIG. 2A. Below, modified examples of the laminate that constitutes the touch sensor 20 are described.
  • the touch sensor 20 includes a protective film (protective layer) 201, a first detection conductor 203, a substrate (insulating film) 206, and a second detection conductor 205.
  • the first detection conductor 203 is realized by forming a conductor pattern on the substrate 206. In this way, the arrangement of the substrate 202 and the first detection conductor 203 shown in FIG. 2A may be changed to the arrangement of the substrate 206 and the first detection conductor 203 shown in FIG. 2B by switching them up and down.
  • the first detection conductor 203 may be arranged on the positive side, and the substrate 206 may be arranged on the negative side.
  • the substrate 206 may be arranged on the negative side.
  • the first detection conductor 203 may also be realized by forming a conductor pattern on a protective film 201 such as glass.
  • the distance between the finger and the first detection conductor 203 is shorter, making it possible to detect the touch position with greater sensitivity and accuracy.
  • the laminate located on the positive Z-axis side of the display panel 30 formed by stacking the protective film 201, the substrate 202, the first detection conductor 203, the insulating film 204, and the second detection conductor 205 can have a total light transmittance of 80% or more.
  • the signal from the electrode constituting the first detection conductor 203 which corresponds to the touch position, contains commercial power frequency noise that occurs when the finger approaches the electrode. Therefore, by identifying the commercial power frequency noise, the position of the electrode that is the source of the noise (signal) can be detected as the touch position.
  • the display panel 30 is composed of a flat panel display having a liquid crystal display element (not shown).
  • the display panel 30 includes a liquid crystal panel, a front polarizing plate, a rear polarizing plate, and a backlight (none of which are shown).
  • the front polarizing plate and the rear polarizing plate are arranged to sandwich the liquid crystal panel.
  • the backlight is arranged on the opposite side of the liquid crystal panel, sandwiching the rear polarizing plate.
  • the display panel 30 displays an image by superimposing it on the touch sensor 20 (touch-type input device).
  • the display panel 30 is not limited to the above configuration, and may be any display panel, such as a flat panel display having organic EL (Electro-Luminescence) elements.
  • the various circuits 40 include an amplifier 401 (amplification circuit), a multiplexer 402, an AD conversion unit 403 (AD converter, AD conversion circuit), a signal processing unit 404 (signal processing circuit), and a controller 405, and further includes a drive unit (drive circuit; not shown) that drives the display panel 30 to control the liquid crystal display element.
  • the various circuits 40 are arranged on the back side of the display panel 30.
  • a mounting board (not shown) is arranged in the space on the back side of the display panel 30 inside the housing 10, and the various circuits 40 are mounted on the mounting board. All or a part of the various circuits 40 (for example, the signal processing unit 404, the controller 405) may be referred to as a control unit or a control circuit.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the configuration of an exemplary display device according to this embodiment.
  • the first detection conductor 203 is composed of a plurality of electrodes, and the plurality of electrodes are arranged in a divided manner.
  • the number of the plurality of electrodes is n, that is, electrode E (1) , electrode E (2) , ..., electrode E (n) .
  • the electrodes E (1) to E (n) are arranged in a matrix along the X and Y directions as viewed from the Z direction.
  • Each of the electrodes E (1) to E (n) is, for example, a rectangular electrode having a size of 30 mm x 30 mm and made of ITO, as described above, with a PET film as a base material.
  • the size, position and shape of the electrodes are not limited to these.
  • the shape of the electrodes may be hexagonal.
  • the first detection conductor 203 is composed of a divided electrode having a plurality of electrode parts electrically insulated from each other, and if it is arranged to cover the entire panel, the finger (indirectly) touches (comes close to) one or more electrodes, so that the position can be identified.
  • Each of the multiple electrodes E (1) to E (n) outputs (transmits) an analog signal to the amplifier section 401 .
  • the amplifier 401 amplifies the analog signals input (received) from each of the electrodes E (1) to E (n) to a measurable amplitude range (0 to 3.3 V in this embodiment) and outputs the amplified signals to the multiplexer 402.
  • the number of amplifiers 401 is equal to the number of electrodes.
  • the multiplexer 402 multiplexes the analog signals input from the electrodes via the multiplexer 402.
  • the multiplexer 402 outputs to the AD conversion unit 403, in order, at regular intervals (periods) (i.e., while repeating periodically), the amplified analog signal AS(1) from the electrode E (1) , the amplified analog signal AS ( 2) from the electrode E (2) , ..., the amplified analog signal AS (n) from the electrode E (n) in this order, in accordance with a selection signal input from the controller 405.
  • the AD conversion unit 403 converts the (amplified) analog signals AS (1) to AS (n) input from the multiplexer 402 into digital signals DS (1) to DS (n) , respectively, and outputs the digital signals DS (1) to DS( n ) in order to the signal processing unit 404.
  • the output of the digital signals from the AD conversion unit 403 to the signal processing unit 404 is repeated continuously and periodically at a constant period (for example, 5 milliseconds), with the output of the digital signals DS (1) to DS (n) being regarded as one period.
  • the sampling frequency during AD conversion is at least twice the commercial power frequency.
  • the signal processing unit 404 performs the following processing (band-pass filter processing, envelope detection processing, and touch determination processing) on the digital signal input from the AD conversion unit 403 at regular intervals (periods) (i.e., repeatedly performed periodically) in accordance with the selection signal input from the controller 405.
  • the processing of the signal processing unit 404 will be described below with reference to FIG. 4 as appropriate. Note that the processing performed by the signal processing unit 404 (or the controller 405) described below may be realized by hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • the signal processing unit 404 Before the band-pass filter process, the signal processing unit 404 first performs offset adjustment on the digital signal input from the AD conversion unit 403.
  • the signal processing unit 404 uses a commercial power frequency band-pass filter (band-pass filter; for example, a filter having the filter frequency characteristics shown in FIG. 5) to extract (a signal of) a commercial power frequency component B that has passed through the filter from the digital signal A (after offset adjustment) input from the AD conversion unit 403.
  • the band-pass filter process can remove other noises such as high-frequency noise, so that the signal used for touch position detection can be detected with higher accuracy.
  • the signal processing unit 404 performs envelope detection processing of the waveform shown in Fig. 4 on the signal B of the commercial power frequency component extracted as described above, to calculate an envelope signal C. Note that in order to obtain the envelope signal C, a known technique such as a Hilbert transform may be used.
  • the signal processor 404 can determine whether or not an electrode is touched based on a preset threshold (touch determination process shown in FIG. 4). For example, the signal processor 404 determines, for each electrode, the period during which the value of the envelope signal C exceeds a predetermined threshold as being touched, and outputs to the controller 405 a signal (signal indicating touching) that is at a high level only during the period during which the electrode is (determined to be) touched.
  • touch determination processing using envelope detection has been shown, but a similar touch determination processing can be performed by Fourier transforming the obtained signal.
  • Signal B of the commercial power frequency component is continuously cut out for a certain period (frame), and the frames are Fourier transformed to obtain a spectrum of piezoelectric signal strength against frequency.
  • the strength at the commercial power frequency of a touched electrode is greater than that of an untouched electrode, so it is possible to determine whether or not each electrode is touched. For example, if the strength of the commercial power frequency of a certain electrode exceeds a specified threshold, it can be determined that the electrode is touched at the time of measurement.
  • the controller 405 outputs a selection signal to the multiplexer 402 for outputting the amplified analog signals from each electrode in sequence to the AD conversion unit 403.
  • the controller 405 outputs a selection signal to the signal processing unit 404 for executing the above-mentioned signal processing on each digital signal input from the AD conversion unit 403.
  • the controller 405 detects the touch position in real time based on the signal input from the signal processing unit 404. Specifically, the controller 405 can identify (i.e. detect) the touch position based on the electrode corresponding to the signal indicating the touch determination processing result input from the signal processing unit 404 and the position information (e.g. position coordinates) of the electrode pre-stored in the storage unit.
  • the controller 405 can identify (i.e. detect) the touch position based on the electrode corresponding to the signal indicating the touch determination processing result input from the signal processing unit 404 and the position information (e.g. position coordinates) of the electrode pre-stored in the storage unit.
  • the above embodiment does not require the application of an AC voltage and has a very simple configuration, making it possible to provide a touch sensor and display device that can be made smaller (thinner), and that can detect touch position at low cost and with low power consumption.
  • position detection is performed using split electrodes, it is possible to accurately detect weak signals such as hum noise, and accurate position detection is possible without being affected by the unevenness of the detection conductor or differences between individuals.
  • the first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 are insulated by the insulating film 204, but the same effect as in the above embodiment can be obtained by connecting the first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 at a high impedance.
  • the first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 are preferably connected at a high impedance with a resistance of 10 k ⁇ or more, and more preferably connected at a high impedance with a resistance of 100 k ⁇ or more.
  • the signal processing unit 404 is described as extracting the signal of the commercial power frequency component using a bandpass filter, but the signal processing unit 404 can also obtain the same effect as the above embodiment by extracting the signal of the commercial power frequency component using a notch filter (band cut filter or band stop filter).
  • the signal processing unit 404 separates the digital signal (after offset adjustment) input from the AD conversion unit 403 into the commercial power frequency component that does not pass through the filter and the frequency components other than the commercial power frequency component that pass through the filter. Then, the signal processing unit 404 can extract the commercial power frequency component (signal) by subtracting the frequency components other than the commercial power frequency component from the digital signal (after offset adjustment).
  • signal processing is achieved by using a bandpass filter as a digital filter after digital signal conversion, but the same function can be achieved by using an analog filter instead of a digital filter.
  • the controller 405 is described as determining the touch position based on the touch determination processing result by the signal processing unit 404, but the signal processing unit 404 may determine the touch position based on the touch determination processing result and electrode position information pre-stored in the storage unit.
  • first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 are described and illustrated as having a parallel plate shape, but the shapes of the first detection conductor 203 and the second detection conductor 205 are not limited to the above shapes.
  • the inventors produced a touch sensor according to this embodiment and evaluated touch position detection.
  • the first detection conductor 203 was composed of 12 rectangular electrodes (electrodes E (1) to E (12) ) arranged to be insulated from each other, and the total light transmittance of the laminate constituting the touch sensor was 80% or more.
  • the analog signals AS (1) to AS (12) from the electrodes E( 1) to E (12) were taken as one period, and the signals output from the multiplexer 402 at a sampling frequency of 200 Hz were converted from the analog signals AS (1) to AS (12) to digital signals DS (1) to DS (12) by the AD conversion unit 403, respectively, and the digital signals DS (1) to DS (12) after AD conversion were input to the signal processing unit 404.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a digital signal after signal processing by signal processing unit 404 for a signal detected from an electrode touched by a finger.
  • signal B (“signal-B”) is a signal of a commercial power frequency component that has passed through a commercial power frequency band pass filter (bandpass filter) for extracting the commercial power frequency (50 Hz) from the digital signal after offset adjustment by signal processing unit 404
  • signal C (“signal-C”) is an envelope signal obtained by performing envelope detection processing on commercial power frequency component B (signal B).
  • the horizontal axis represents the number of samplings n when sampling is performed at a period of 5 milliseconds
  • the vertical axis represents the voltage signal strength (strength 1 corresponds to 0.8 millivolts).
  • the signal processor 404 can determine the presence or absence of touch for each rectangular electrode by threshold-judging the value of the envelope signal C. In this evaluation, the signal processor 404 judged the period during which the value of the envelope signal C exceeded the threshold value of 100 ("Threshold”) as the period during which the electrode was being touched, and output a signal D (“signal-D") that was at a high level only during the period of touch.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a digital signal after signal processing by the signal processing unit 404 for a signal detected from an electrode not touched by a finger adjacent to an electrode touched by a finger.
  • signal B (“signal-B”) is a signal of a commercial power frequency component that has passed through a commercial power frequency band pass filter (band pass filter) for extracting the commercial power frequency (50 Hz) from the digital signal after offset adjustment by the signal processing unit 404
  • signal C (“signal-C”) is an envelope signal obtained by performing envelope detection processing on the commercial power frequency component B (signal B).
  • the commercial power frequency signal is hardly detected, and there is no period during which the value of the envelope signal C exceeds the threshold value 100 ("Threshold”), so the signal processing unit 404 determines that no finger is touching during this measurement period.
  • the signal processing unit 404 periodically acquires information on the rectangular electrodes that are touched by the finger and the rectangular electrodes that are not touched by the finger and outputs the information to the controller 405, so that the controller 405 can identify (i.e. detect) the touch position by referring to the position information of the rectangular electrodes that is pre-stored in the memory unit.
  • the controller 405 can detect the touch position in real time based on the information input from the signal processing unit 404.
  • Figure 8 shows the horizontal axis of signal-B in Figures 6 and 7 as time (unit: seconds), where the signal from the touched electrode is called signal-6T and the signal from the untouched electrode is called signal-7T.
  • FIG. 9 shows the signal obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) on the section from 1.00 seconds to 1.25 seconds in FIG. 8, with the horizontal axis corresponding to frequency (unit: Hz).
  • FFT fast Fourier transform
  • the signal obtained by fetching Signal-6T is denoted as signal-6F
  • the signal obtained by fetching Signal-7T is denoted as signal-7F.
  • sampling width There are no particular limitations on the sampling width for performing the Fourier transform. The shorter the sampling width, the faster the detection speed becomes, but the fewer the number of detection points becomes, which tends to result in lower detection accuracy.
  • the touch sensor 20 included in the display device 1 includes a first detection conductor 203, a second detection conductor 205, a signal processing unit 404, and a controller 405.
  • the first detection conductor 203 is composed of a divided electrode having a plurality of electrode portions electrically insulated from each other.
  • the second detection conductor 205 is insulated from the first detection conductor 203 or is connected with high impedance with a resistance of 10 k ⁇ or more.
  • the signal processing unit 404 and the controller 405 extract a signal (hum noise) in the commercial power frequency band from the signal detected from the first detection conductor 203 with the second detection conductor 205 as a reference potential.
  • the signal processing unit 404 and the controller 405 detect the touch position on the touch sensor 20 using the extracted signal in the commercial power frequency band.
  • the above configuration does not require the application of AC voltage and is a very simple configuration, making it possible to make the device smaller (thinner), and it is possible to detect the touch position at low cost and with low power consumption.
  • position detection is performed using split electrodes, it is possible to accurately detect weak signals such as hum noise, and accurate position detection is possible without being affected by the unevenness of the detection conductor or differences between individuals.
  • a touch sensor includes a first detection conductor consisting of a split electrode having a plurality of electrode portions that are electrically insulated from each other, a second detection conductor that is insulated from the first detection conductor or is connected with high impedance with a resistance of 10 k ⁇ or more, and a control unit that extracts a signal in a commercial power frequency band from a signal detected from the first detection conductor using the second detection conductor as a reference potential, and detects a touch position using the signal in the commercial power frequency band.
  • control unit calculates an envelope signal of the commercial power frequency band signal, and if the value of the envelope signal exceeds a threshold value, detects the position of the divided electrode corresponding to the envelope signal as the touch position.
  • the first detection conductor is positioned closer to the surface of the touch sensor that is touched by a finger than the second detection conductor.
  • control unit extracts a signal in the commercial power frequency band from the signal using a bandpass filter that passes the commercial power frequency band.
  • control unit extracts a signal in the commercial power frequency band from the signal using a band-stop filter that passes frequency bands other than the commercial power frequency band.
  • the total light transmittance of the laminate of the touch sensor including the first detection conductor and the second detection conductor, is 80% or more.
  • a display device includes the touch sensor, a display panel that displays an image by superimposing it on the surface of the laminate that is disposed on the opposite side of the touch sensor to the surface that is touched by a finger, and a drive unit that drives the display panel.
  • a touch sensor that can be manufactured at low cost and operates with low power consumption.
  • One aspect of the present invention is suitable as a touch sensor.
  • REFERENCE SIGNS LIST 1 display device 10 housing 20 touch sensor 201 protective film 202 substrate 203 first detection conductor 204 insulating film 205 second detection conductor 206 substrate (insulating film) 30 Display panel 40 Circuit 401 Amplification unit 402 Multiplexer 403 AD conversion unit 404 Signal processing unit 405 Controller

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Abstract

製造コストが低く、低消費電力で駆動するタッチセンサが開示される。本発明の一態様に係るタッチセンサは、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成されている第１検出導体と、前記第１検出導体と絶縁されている又は１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されている第２検出導体と、前記第２検出導体を基準電位として前記第１検出導体から検出された信号から商用電源周波数帯域の信号を抽出し、前記商用電源周波数帯域の信号を用いてタッチ位置を検出する制御部と、を備える。

Description

タッチセンサ及び表示装置
　本発明は、タッチセンサ及び表示装置に関する。
　小型携帯機器や各種端末等においてタッチパネルが広く利用されている。通常、タッチパネルは、指やペン等を用いて指し示された位置座標、又は、指し示す動作の有無を検出するセンサと、液晶ディスプレイ等の面表示装置と、を含む。
　このようなセンサの検出方式として、表面型静電容量方式、抵抗膜方式、赤外線方式、超音波表面弾性波方式、電磁誘導方式等が知られている。例えば、特許文献１には、表面型静電容量方式のセンサが開示されている。
　表面型静電容量方式のセンサは、絶縁性基板と、その表面に形成された均一な導電層と、その上面に形成された薄い絶縁層（保護層）と、から構成されている積層体を含む。このセンサの作動原理は、次の通りである。１）導電層の四隅に交流電圧を印加し、均一な電界を形成する。２）指が導電層に触れると、導電層と指とで形成された静電容量を介して、指に微弱電流が流れる。３）この電流は、導電層の四隅のそれぞれから指がタッチ（接触）した点へ流れる。４）そして、信号処理回路がそれぞれ四隅の端子の電流量の比率を計測することで、指のタッチ位置の座標が計算される。
　表面型静電容量方式のセンサは、単純な構造を有し、安価に製造でき、比較的大型化しやすいためタッチパネルに広く採用されている。
特開２０１０－２６２６２６号公報
　しかしながら、表面型静電容量方式のセンサの検出方式は、交流電圧を印加して基板表面に微弱な電界を発生させ、タッチによる静電容量の変化を４つの電極で捉えることでタッチ位置を検出する方式であるため、回路コスト及び消費電力のさらなる低減が困難である。
　したがって、構造が単純で、検出信号の処理回路を簡略化でき、さらにセンサの駆動消費電力が低い、新たな方式のタッチセンサの開発が望まれている。
　本発明は、上記に鑑みて、製造コストが低く、低消費電力で駆動するタッチセンサを提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係るタッチセンサは、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成されている第１検出導体と、前記第１検出導体と絶縁されている又は１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されている第２検出導体と、前記第２検出導体を基準電位として前記第１検出導体から検出された信号から商用電源周波数帯域の信号を抽出し、前記商用電源周波数帯域の信号を用いてタッチ位置を検出する制御部と、を備える。
　本発明の一態様によれば、製造コストが低く、低消費電力で駆動するタッチセンサを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る例示的なタッチセンサを有する表示装置の外観斜視図 本実施形態に係る例示的な表示装置の側面断面図 本実施形態の変形例に係る例示的な表示装置の側面断面図 本実施形態に係る例示的な表示装置の構成を説明するための説明図 本実施形態に係る例示的な表示装置の信号処理部の処理の一例を説明するための説明図 本実施形態に係る例示的な表示装置の商用電源周波数帯域成分の信号を取り出すために用いるフィルタのフィルタ周波数特性の一例を示す図 指でタッチしている電極から検出された信号に対する信号処理部による信号処理後のデジタル信号の例を示す図 指でタッチしている電極に隣接する指でタッチしていない電極から検出された信号に対する信号処理部による信号処理後のデジタル信号の例を示す図 図６及び図７のそれぞれのsignal-Bの横軸を時間で表示した図 図８における１．００秒から１．２５秒までの区間を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）したシグナルを表示した図
　（本発明に至った経緯）
　我々の周囲には日常的に交流電源ラインや電子機器から電気ノイズが発せられている。そのような電気ノイズとして、ハムノイズ（hum又はhumming noise）が挙げられる。ハムノイズは、商用交流電源の振幅によって発生する電磁波が導体と衝突した際に電流となって、電気ノイズとして検出される。
　ハムノイズは、商用電源周波数に依存したノイズ成分であり、例えば、人体の表面に装着された電極から測定される微小な生体電気信号測定時に混入することが知られている。
　ここで、商用電源周波数は、商用電源として供給されている交流の電源周波数を意味する。商用電源周波数は、国や地域によって異なり得るものであり、例えば、日本国内の商用電源周波数は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。ハムノイズは、商用電源周波数ノイズ、商用電源周波数依存ノイズ等と称されてもよい。
　本発明者は、鋭意検討した結果、ハムノイズを利用することで、指によるタッチの有無を検出できることを見出した。そこで、以下では、ハムノイズを利用してタッチ位置を検出するための実施形態について説明する。
　（関連技術）
　本発明の実施形態について説明する前に、関連技術について説明する。関連技術として、「夏　子軒ら,“ハムノイズを利用したタッチセンサHumTouchのワンタッチ校正”，第22回システムインテグレーション部門講演会（SI2021）（2021年12月15日～17日）」には、ハムノイズを利用したタッチセンサが開示されている。
　このタッチセンサのタッチ位置検出方法は、上述した表面型静電容量方式のセンサの位置検出方法に類似している。具体的には、この方法は、パネルの周囲に電極を設け、各電極で検出される電圧の違いからタッチ位置を検出する。
　この方法を用いると、タッチパネルの抵抗が小さすぎる場合には、各電極で検出される電圧信号の差が小さくなり、位置検出精度が低下する虞がある。一方、抵抗が大きすぎると、ハムノイズは微弱な電流であるため、各電極での信号の検出が困難になる。
　さらに、開示されているタッチパネルでは、材料の不均一性のため場所により抵抗が不均一になり、さらには、人体の個人差によりノイズの発生状況が異なるため、この方法では、位置検出の正確性を担保できない虞がある。
　以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態について、詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本発明を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。なお、各種の図面に示す要素は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけでない。
　（実施形態）
　図１は、本発明の一実施形態に係る例示的なタッチセンサを有する表示装置の外観斜視図である。かかる表示装置の例には、タッチ検出機能を有するモバイルＰＣ（Personal Computer）、タブレット端末、スマートフォン、デジタルカメラ等の様々な装置が含まれる。
　図１に示すように、表示装置１は、略直方体形状の筐体１０を備える。筐体１０の表面側（Ｚ方向の正側）は開口している。なお、本明細書及び図面において、筐体１０の幅方向（横方向）をＸ方向とし、長さ方向（縦方向）をＹ方向とし、厚み方向をＺ方向として説明する（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する）。本実施形態では、筐体１０のＸ方向の長さが、筐体１０のＹ方向の長さよりも短い場合を示している。しかしながら、Ｘ方向の長さとＹ方向の長さとが同一であってもよいし、Ｘ方向の長さがＹ方向の長さより長くてもよい。
　図２Ａは、ＸＺ面に平行なＡ－Ａ’面で切断した場合の、本実施形態に係る例示的な表示装置の側面断面図である。
　図２Ａに示すように、筐体１０内には、タッチセンサ２０を構成する積層体２０１～２０５及び各種回路４０と、表示パネル３０と、が配置されている。これらは、筐体１０の開口面（表示面）側（Ｚ軸正方向側）から順に、Ｚ方向に沿って、積層体２０１～２０５、表示パネル３０、各種回路４０の順で配置されている。タッチセンサ２０は、タッチ式入力装置と称されてもよい。回路４０の全部又は一部は、制御部又は制御回路と称されてもよい。
　図２Ａに示すように、タッチセンサ２０は、保護膜（保護層）２０１と、基材２０２と、第１検出導体２０３と、絶縁フィルム２０４と、第２検出導体２０５と、を備える。本実施形態において、タッチ位置検出をより感度良く行うため、より大きな商用電源周波数ノイズが検出されるように、第１検出導体２０３は、筐体１０の開口面側に（すなわち指がタッチする面のより近くに）配置されており、第２検出導体２０５は、第１検出導体２０３よりもＺ軸負方向側に配置されている。
　保護膜２０１は、ガラスから構成され、絶縁性を有し、その厚さは１ｍｍ程度（本実施形態では１．１ｍｍ）である。保護膜２０１は、開口面の最外層に存在し、基材２０２における筐体１０の開口面側の面の略全面に配置されている。保護膜２０１は、表示装置１及びタッチセンサ（タッチ式入力装置）の操作面となる。なお、保護膜２０１は、エポキシ樹脂などの透明な有機材料から構成されてもよいし、ガラスなどの無機材料から構成されてもよいし、それらを混合したものでもよい。
　基材２０２は、保護膜２０１における基材２０２の開口面と反対側の面の略全面に配置されている。基材２０２は、矩形平板状の絶縁性材料であって、透明性を有する材料から構成される。本実施形態において、基材２０２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から構成されている。なお、基材としては公知の透明フィルムを採用することができ、特に限定されないがＰＥＴ、ポリカーボネート、及びシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）などが好適に用いられる。
　第１検出導体２０３は、基材２０２における保護膜２０１に当接する面と反対側の面に配置されている。第１検出導体２０３は、図３を参照して説明するように、複数の電極から構成されている。第１検出導体２０３を構成する複数の電極は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ沿って、間隔を空けてマトリクス状に配列されている。第１検出導体２０３は、測定回路（後述する増幅部４０１、マルチプレクサ４０２、アナログ－デジタル（ＡＤ：Analog to Digital）変換部４０３及び信号処理部４０４から構成される）に接続されている。人体が第１検出導体２０３（電極）に直接接触又は近接することにより、ハムノイズを検出することができる。
　第１検出導体２０３は、ＰＥＴフィルムを基材とし、酸化インジュウムスズ（ＩＴＯ）を主成分とする電極を用いている。なお、ＩＴＯ以外に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、銀ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、グラフェン等の無機系の電極、ポリチオフェン、ポリアニリン等を主成分とする有機系の電極を用いてもよい。これらの材料を用いることで、透明性の高い導体パターンを形成することができる。
　絶縁フィルム２０４は、基材２０２と略同サイズの矩形平板状であり、第１検出導体２０３における筐体１０の開口面側と反対側の面に配置されている。なお、絶縁フィルム２０４は、ＰＥＴ、ＰＣ、及びＣＯＰが好適に用いられるが、ガラス及びエポキシ樹脂等から構成されてもよい。
　第２検出導体２０５は、基材２０２及び絶縁フィルム２０４と略同サイズの矩形平板状であり、絶縁フィルム２０４における筐体１０の開口面側と反対側の面の略全面に配置されている。なお、第２検出導体２０５は、必要に応じて形状及び面積を設定することができ、また、第２検出導体２０５の位置は、基準電位として機能する場所であれば特に限定されない。
　第２検出導体２０５は、１枚のＩＴＯ電極から構成されている。
　第２検出導体２０５は、測定回路基板のグランド電位、又は、グランド電位から一定のオフセット電圧を持つ固定電位に接続して、基準電位とすることが望ましい（例えば、表示装置１のグランドやアースを兼用することができる）。このように第２検出導体２０５を基準電位とすることで、第１検出導体２０３と第２検出導体２０５とを介して出力される検出信号を、タッチ位置検出に用いる。
　なお、タッチセンサ２０を構成する積層体の構成は、図２Ａに示す構成に限定されない。以下、タッチセンサ２０を構成する積層体の変形例について説明する。
　図２Ｂは、本実施形態の変形例に係る例示的な表示装置１の側面断面図である。本変形例では、図２Ｂに示すように、タッチセンサ２０は、保護膜（保護層）２０１と、第１検出導体２０３と、基材（絶縁フィルム）２０６と、第２検出導体２０５と、を備える。第１検出導体２０３は、基材２０６の上に導体パターンを形成することで実現される。このように、図２Ａに示す基材２０２と第１検出導体２０３との配置を、上下入れ替えることで、図２Ｂに示す基材２０６と第１検出導体２０３との配置に変えてもよい。別言すれば、Ｚ方向において、正側に第１検出導体２０３が配置され、負側に基材２０６が配置されてもよい。この場合、図２Ｂに示すように基材２０６を絶縁フィルムとして利用するのが合理的な構成である。
　また、第１検出導体２０３は、ガラス等の保護膜２０１の上に導体パターンを形成することで実現されてもよい。
　本変形例では、指と第１検出導体２０３との間の距離が短くなるので、より感度及び精度良くタッチ位置を検出することが可能となる。
　保護膜２０１と基材２０２と第１検出導体２０３と絶縁フィルム２０４と第２検出導体２０５とを積層して形成されている積層体（表示パネル３０よりＺ軸正方向側に位置する）は、８０％以上という全光線透過率を有することができる。
　表示装置１の操作者の指が操作面にタッチした場合、タッチ位置に対応する、第１検出導体２０３を構成する電極からの信号には、電極への指の近接に伴う商用電源周波数ノイズが含まれている。したがって、商用電源周波数ノイズを判別することにより、そのノイズ（信号）の発生源の電極の位置を、タッチ位置として検出することができる。
　表示パネル３０は、液晶表示素子（図示せず）を有するフラットパネルディスプレイから構成される。表示パネル３０は、液晶パネル、表面偏光板、裏面偏光板及びバックライト（いずれも図示せず）を備える。表面偏光板と裏面偏光板とは、液晶パネルを挟むように配置されている。バックライトは、裏面偏光板を挟んで、液晶パネルと反対側に配置されている。表示パネル３０は、タッチセンサ２０（タッチ式入力装置）に重ね合わせて画像を表示する。なお、表示パネル３０は、上記の構成に限定されず、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子を有するフラットパネルディスプレイから構成される等、任意の表示パネルであってよい。
　各種回路４０は、図３を参照して説明するように、増幅部４０１（増幅回路）、マルチプレクサ４０２、ＡＤ変換部４０３（ＡＤ変換器、ＡＤ変換回路）、信号処理部４０４（信号処理回路）及びコントローラ４０５を含み、液晶表示素子を制御するための、表示パネル３０を駆動する駆動部（駆動回路；図示せず）をさらに含む。各種回路４０は、表示パネル３０の裏面側に配置されている。例えば、筐体１０内における表示パネル３０の裏面側の空間には、実装基板（図示せず）が配置されており、当該実装基板上に各種回路４０が実装されている。各種回路４０の全部又は一部（例えば、信号処理部４０４、コントローラ４０５）は、制御部又は制御回路と称されてもよい。
　図３は、本実施形態に係る例示的な表示装置の構成を説明するための説明図である。
　上述したように、第１検出導体２０３は、複数の電極から構成され、複数の電極は、分割配置されている。なお、本実施形態において、複数の電極の数は、電極Ｅ（１）、電極Ｅ（２）、・・・、電極Ｅ（ｎ）のｎ個であるものとする。
　複数の電極Ｅ（１）～Ｅ（ｎ）は、Ｚ方向から見て、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、マトリクス状に配列されている。電極Ｅ（１）～Ｅ（ｎ）の各々は、例えば、上述したように、ＰＥＴフィルムを基材とし、ＩＴＯから構成される３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの矩形電極である。しかしながら、電極の大きさ、位置及び形状は、これらに限定されない。例えば、電極の形状は、六角形であってもよい。また、例えば、指でタッチされる平面タッチパネルの場合、第１検出導体２０３は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成され、パネル全体を覆い尽くすように配置されれば、１つ以上の電極に指が（間接的に）タッチする（近接する）ので、その位置を特定することが可能である。
　複数の電極Ｅ（１）～Ｅ（ｎ）の各々は、アナログ信号を増幅部４０１に出力（送信）する。
　増幅部４０１は、電極Ｅ（１）～Ｅ（ｎ）の各々から入力（受信）されたアナログ信号を、測定可能な振幅範囲（本実施形態では０～３．３Ｖ）まで増幅してマルチプレクサ４０２に出力する。増幅部４０１の数は、電極の数に等しい。
　マルチプレクサ４０２は、電極からマルチプレクサ４０２を介して入力されたアナログ信号を多重化する。マルチプレクサ４０２は、コントローラ４０５から入力された選択信号に従って、一定の間隔（周期）で（すなわち周期的に繰り返しながら）、電極Ｅ（１）からの増幅アナログ信号ＡＳ（１）、電極Ｅ（２）からの増幅アナログ信号ＡＳ（２）、・・・、電極Ｅ（ｎ）からの増幅アナログ信号ＡＳ（ｎ）を順番にＡＤ変換部４０３に出力する。
　ＡＤ変換部４０３は、マルチプレクサ４０２から入力された（増幅）アナログ信号ＡＳ（１）～ＡＳ（ｎ）をそれぞれデジタル信号ＤＳ（１）～ＤＳ（ｎ）に変換し、デジタル信号ＤＳ（１）～ＤＳ（ｎ）を順番に信号処理部４０４に出力する。ここで、ＡＤ変換部４０３から信号処理部４０４へのデジタル信号の出力は、デジタル信号ＤＳ（１）からデジタル信号ＤＳ（ｎ）までの出力を１周期として、出力が一定周期（例えば、５ミリ秒）で連続して周期的に繰り返される。なお、ＡＤ変換時のサンプリング周波数は、少なくとも商用電源周波数の２倍以上である。
　信号処理部４０４は、コントローラ４０５から入力された選択信号に従って、一定の間隔（周期）で（すなわち周期的に繰り返しながら）、ＡＤ変換部４０３から入力されたデジタル信号に対して以下の処理（バンドパスフィルタ処理、包絡線検波処理及びタッチ判定処理）を実行する。以下、適宜図４を参照して、信号処理部４０４の処理について説明する。なお、以下で説明する信号処理部４０４（又はコントローラ４０５）によって実行される処理は、ハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアにより実現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。
　［バンドパスフィルタ処理］
　バンドパスフィルタ処理の前に、まず、信号処理部４０４は、ＡＤ変換部４０３から入力されたデジタル信号に対してオフセット調整を行う。信号処理部４０４は、商用電源周波数帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ；例えば、図５に示すフィルタ周波数特性を有するフィルタ）を用いて、ＡＤ変換部４０３から入力された（オフセット調整後の）デジタル信号Ａから、当該フィルタを通過した商用電源周波数成分（の信号）Ｂを抽出する。バンドパスフィルタ処理により、高周波ノイズ等の他のノイズを除去することができるので、タッチ位置検出に用いる信号をより精度良く検出することが可能になる。
　［包絡線検波処理］
　信号処理部４０４は、上記のようにして抽出された商用電源周波数成分の信号Ｂに対して、図４に示す波形の包絡線検波処理を行って、包絡線信号Ｃを算出する。なお、包絡線信号Ｃを得るために、ヒルベルト変換等の公知の技術が利用されてもよい。
　［タッチ判定処理］
　タッチされた電極からの包絡線信号Ｃの値は、タッチされていない電極の包絡線信号と比べて大きくなるため、信号処理部４０４は、予め設定された閾値に基づいて、タッチの有無を電極毎に判定することができる（図４に示すタッチ判定処理）。例えば、信号処理部４０４は、電極毎に、包絡線信号Ｃの値が所定の閾値を越えている期間をタッチしているとして判定し、タッチしている（として判定した）期間のみハイレベルとなる信号（タッチしていることを示す信号）をコントローラ４０５に出力する。
　信号処理部４０４では、包絡線検波を用いたタッチ判定処理を示したが、得られた信号をフーリエ変換することで同様のタッチ判定処理を行うことが出来る。商用電源周波数成分の信号Ｂを一定の期間（フレーム）で連続して切り出し、前記フレームをフーリエ変換すると周波数に対する圧電信号強度のスペクトルが得られる。前記スペクトルでは、タッチされた電極の商用電源周波数における強度が、タッチされていない電極に比べて大きくなるため、各電極に対するタッチの有無を判定することが出来る。例えば、ある電極の商用電源周波数の強度が所定の閾値を越えている場合に、その電極は測定時点においてタッチされていると判定することが出来る。
　コントローラ４０５は、それぞれの電極からの増幅アナログ信号を順番にＡＤ変換部４０３に出力させるための選択信号を、マルチプレクサ４０２に出力する。コントローラ４０５は、ＡＤ変換部４０３から入力されたそれぞれのデジタル信号に対して上述した信号処理を実行させるための選択信号を、信号処理部４０４に出力する。
　コントローラ４０５は、信号処理部４０４から入力された信号に基づいて、タッチ位置をリアルタイムに検出する。具体的には、コントローラ４０５は、信号処理部４０４から入力されたタッチ判定処理結果を示す信号に対応する電極と、記憶部に予め記憶されている電極の位置情報（例えば位置座標）と、に基づいて、タッチ位置を特定（すなわち検出）することができる。
　上記実施形態によれば、交流電圧を印加する必要がなく、非常に簡易な構成であるため、小型化（薄型化）することが可能であり、低コストかつ低消費電力でタッチ位置検出を行うことができるタッチセンサ及び表示装置を提供することができる。また、分割電極を用いて位置検出を行うので、ハムノイズの微弱な信号を正確に検出することが可能であり、検出導体の不均一性及び個人差の違いによる位置検出への影響を受けることなく、正確な位置検出が可能となる。
　＜変形例＞
　上記実施形態では、第１検出導体２０３と第２検出導体２０５とが、絶縁フィルム２０４によって絶縁されているとして説明したが、第１検出導体２０３と第２検出導体２０５とがハイインピーダンス接続されることによっても、上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。この場合、第１検出導体２０３と第２検出導体２０５とは、１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されることが好ましく、１００ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されることがさらに好ましい。
　上記実施形態では、信号処理部４０４が、バンドパスフィルタを用いて商用電源周波数成分の信号を抽出するとして説明したが、信号処理部４０４は、ノッチフィルタ（バンドカットフィルタ又はバンドストップフィルタ）を用いて商用電源周波数成分の信号を抽出することによっても、上記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。この場合、信号処理部４０４は、ＡＤ変換部４０３から入力された（オフセット調整後の）デジタル信号を、当該フィルタを通過しない商用電源周波数成分と、当該フィルタを通過した、商用電源周波数成分以外の周波数成分と、に分離する。そして、信号処理部４０４は、（オフセット調整後の）デジタル信号から商用電源周波数成分以外の周波数成分を差引くことにより、商用電源周波数成分（の信号）を抽出することができる。
　上記実施形態では、バンドパスフィルタをデジタル信号変換後のデジタルフィルタとして信号処理を実現したが、デジタルフィルタの代わりにアナログフィルタを用いても同じ機能を実現することが可能である。
　上記実施形態では、コントローラ４０５が、信号処理部４０４によるタッチ判定処理結果に基づいてタッチ位置を判定するとして説明したが、信号処理部４０４が、タッチ判定処理結果と、記憶部に予め記憶されている電極の位置情報と、に基づいて、タッチ位置を判定してもよい。
　上記実施形態では、第１検出導体２０３と第２検出導体２０５とが、平行平板な形状を有するとして説明及び図示したが、第１検出導体２０３及び第２検出導体２０５の形状は、上記の形状に限定されるものではない。
　＜タッチ位置検出評価＞
　本発明者は、本実施形態におけるタッチセンサを作製し、タッチ位置検出の評価を行った。本タッチセンサにおいては、第１検出導体２０３を、互いに絶縁するように配置された１２枚の矩形電極（電極Ｅ（１）～電極Ｅ（１２））から構成し、タッチセンサを構成する積層体の全光線透過率は８０％以上であった。電極Ｅ（１）～電極Ｅ（１２）それぞれからのアナログ信号ＡＳ（１）～アナログ信号ＡＳ（１２）を１周期とし、サンプリング周波数２００Ｈｚでマルチプレクサ４０２から出力された信号が、ＡＤ変換部４０３によってアナログ信号ＡＳ（１）～ＡＳ（１２）からそれぞれデジタル信号ＤＳ（１）～ＤＳ（１２）に変換され、ＡＤ変換後のデジタル信号ＤＳ（１）～ＤＳ（１２）が信号処理部４０４へ入力された。
　図６は、指でタッチしている電極から検出された信号に対する信号処理部４０４による信号処理後のデジタル信号の例を示す図である。図６において、信号Ｂ（「signal-B」）は、信号処理部４０４によるオフセット調整後のデジタル信号から、商用電源周波数（５０Ｈｚ）を抽出するための商用電源周波数帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）を通過した商用電源周波数成分の信号であり、信号Ｃ（「signal-C」）は、商用電源周波数成分Ｂ（信号Ｂ）に対して包絡線検波処理を行うことによって得られた包絡線信号である。
　図６に示すグラフにおいて、横軸は、５ミリ秒周期でサンプリングしたときのサンプリング回数ｎを表し、縦軸は、電圧信号強度を表す（強度１は０．８ミリボルトに相当する）。
　指がタッチしている矩形電極の包絡線信号Ｃの値は、指がタッチしていない矩形電極の包絡線信号と比べて大きくなるため（後述する図７参照）、信号処理部４０４は、包絡線信号Ｃの値を閾値判定することで、タッチの有無を矩形電極毎に判定することができる。本評価にあたって、信号処理部４０４は、包絡線信号Ｃの値が閾値１００（「Threshold」）を越えている期間をタッチしているとして判定し、タッチしている期間のみハイレベルを出力する信号Ｄ（「signal-D」）を出力した。
　図７は、指でタッチしている電極に隣接する指でタッチしていない電極から検出された信号に対する信号処理部４０４による信号処理後のデジタル信号の例を示す図である。図７において、信号Ｂ（「signal-B」）は、信号処理部４０４によるオフセット調整後のデジタル信号から、商用電源周波数（５０Ｈｚ）を抽出するための商用電源周波数帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）を通過した商用電源周波数成分の信号であり、信号Ｃ（「signal-C」）は、商用電源周波数成分Ｂ（信号Ｂ）に対して包絡線検波処理を行うことによって得られた包絡線信号である。図７において、商用電源周波数の信号はほとんど検出されず、包絡線信号Ｃの値が閾値１００（「Threshold」）を越える期間はないので、信号処理部４０４は、この測定の期間中、指がタッチしていないと判定している。
　このようにして、信号処理部４０４が、指がタッチしている矩形電極及び指がタッチしていない矩形電極の情報を周期的に取得してコントローラ４０５に出力することにより、コントローラ４０５は、記憶部に予め記憶されている矩形電極の位置情報を参照することでタッチ位置を特定（すなわち検出）することができる。
　コントローラ４０５は、信号処理部４０４から入力された情報に基づいて、タッチ位置をリアルタイムに検出することが可能である。
　図８は、図６及び図７のそれぞれのsignal-Bの横軸を時間（単位：秒）で表示した図であり、タッチされた電極の前記シグナルをsignal-6T、タッチされていない電極の前記シグナルをsignal-7Tと呼ぶ。
　図９は、図８における１．００秒から１．２５秒までの区間を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）したシグナルを表示した図であり、横軸は周波数（単位：Ｈｚ）に相当する。Signal-6TをＦＥＴしたシグナルをsignal-6F、signal-7TをＦＥＴしたシグナルをsignal-7Fと表記する。フーリエ変換するためのサンプリング幅はとくに限定されない。前記サンプリング幅が短いほど検出速度は速くなるが、検出点数が少なくなるので検出精度が低くなる傾向がある。
　タッチされた電極からのsignal-6Fでは、商用電源周波数帯（５０Ｈｚ）に押圧に由来する強い信号が観測される。一方、タッチされていない電極からのsignal-7Fでは前記商用電源周波数帯に前記信号が観測されない。したがって、強度の閾値を適切に設定して（図１０Ｂでは３００に設定）判定すれば、電極に対するタッチの有無を判定することでできることがわかる。
　＜実施形態の効果＞
　本発明の一実施形態に係る表示装置１に含まれるタッチセンサ２０は、第１検出導体２０３と、第２検出導体２０５と、信号処理部４０４、コントローラ４０５と、を備えている。第１検出導体２０３は、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成されている。第２検出導体２０５は、第１検出導体２０３と絶縁されている又は１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されている。信号処理部４０４、コントローラ４０５は、第２検出導体２０５を基準電位として第１検出導体２０３から検出された信号から商用電源周波数帯域の信号（ハムノイズ）を抽出する。信号処理部４０４、コントローラ４０５は、抽出された商用電源周波数帯域の信号を用いてタッチセンサ２０に対するタッチ位置を検出する。
　上記の構成により、交流電圧を印加する必要がなく、非常に簡易な構成であるため、小型化（薄型化）することが可能であり、低コストかつ低消費電力でタッチ位置検出を行うことができる。また、分割電極を用いて位置検出を行うので、ハムノイズの微弱な信号を正確に検出することが可能であり、検出導体の不均一性及び個人差の違いによる位置検出への影響を受けることなく、正確な位置検出が可能となる。
　＜実施形態のまとめ＞
　本発明の一態様に係るタッチセンサは、互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成されている第１検出導体と、前記第１検出導体と絶縁されている又は１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されている第２検出導体と、前記第２検出導体を基準電位として前記第１検出導体から検出された信号から商用電源周波数帯域の信号を抽出し、前記商用電源周波数帯域の信号を用いてタッチ位置を検出する制御部と、を備える。
　一例において、前記制御部は、前記商用電源周波数帯域の信号の包絡線信号を算出し、前記包絡線信号の値が閾値を超えている場合に、前記包絡線信号に対応する分割電極の位置を前記タッチ位置として検出する。
　一例において、前記第１検出導体は、前記第２検出導体よりも、前記タッチセンサの指がタッチされる面の近くに配置されている。
　一例において、前記制御部は、前記商用電源周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを用いて、前記信号から前記商用電源周波数帯域の信号を抽出する。
　一例において、前記制御部は、前記商用電源周波数帯域以外の周波数帯域を通過させるバンドストップフィルタを用いて、前記信号から前記商用電源周波数帯域の信号を抽出する。
　一例において、前記第１検出導体及び前記第２検出導体を含む、前記タッチセンサの積層体の全光線透過率は８０％以上である。
　本発明の一態様に係る表示装置は、前記タッチセンサと、前記タッチセンサの指がタッチされる面と反対側に配置されている前記積層体の面に重ね合わせて画像を表示する表示パネルと、前記表示パネルを駆動する駆動部と、を備える。
　本発明の一態様によれば、製造コストが低く、低消費電力で駆動するタッチセンサを提供することができる。
　以上、図面を参照しながら実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。そのような変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態における各構成要素は任意に組み合わされてよい。
　本出願は、２０２３年４月２４日出願の特願２０２３－０７０７４１号に基づく優先権を主張する。当該出願明細書及び図面に記載された内容は、すべて本願に援用される。
　本発明の一態様は、タッチセンサとして好適である。
　１　表示装置
　１０　筐体
　２０　タッチセンサ
　２０１　保護膜
　２０２　基材
　２０３　第１検出導体
　２０４　絶縁フィルム
　２０５　第２検出導体
　２０６　基材（絶縁フィルム）
　３０　表示パネル
　４０　回路
　４０１　増幅部
　４０２　マルチプレクサ
　４０３　ＡＤ変換部
　４０４　信号処理部
　４０５　コントローラ
 

Claims (7)

  1. 　互いに電気的に絶縁された複数の電極部分を有する分割電極から構成されている第１検出導体と、
    　前記第１検出導体と絶縁されている又は１０ｋΩ以上の抵抗でハイインピーダンス接続されている第２検出導体と、
    　前記第２検出導体を基準電位として前記第１検出導体から検出された信号から商用電源周波数帯域の信号を抽出し、前記商用電源周波数帯域の信号を用いてタッチ位置を検出する制御部と、
    　を備えるタッチセンサ。
  2. 　前記制御部は、前記商用電源周波数帯域の信号の包絡線信号を算出し、前記包絡線信号の値が閾値を超えている場合に、前記包絡線信号に対応する分割電極の位置を前記タッチ位置として検出する、
    　請求項１に記載のタッチセンサ。
  3. 　前記第１検出導体は、前記第２検出導体よりも、前記タッチセンサの指がタッチされる面の近くに配置されている、
    　請求項１又は２に記載のタッチセンサ。
  4. 　前記制御部は、前記商用電源周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを用いて、前記信号から前記商用電源周波数帯域の信号を抽出する、
    　請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載のタッチセンサ。
  5. 　前記制御部は、前記商用電源周波数帯域以外の周波数帯域を通過させるバンドストップフィルタを用いて、前記信号から前記商用電源周波数帯域の信号を抽出する、
    　請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載のタッチセンサ。
  6. 　前記第１検出導体及び前記第２検出導体を含む、前記タッチセンサの積層体の全光線透過率は８０％以上である、
    　請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載のタッチセンサ。
  7. 　請求項６に記載のタッチセンサと、
    　前記タッチセンサの指がタッチされる面と反対側に配置されている前記積層体の面に重ね合わせて画像を表示する表示パネルと、
    　前記表示パネルを駆動する駆動部と、
    　を備える表示装置。
     
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