タッチパネルの基礎

タッチ・パネル
九州大学
産学連携センター
プロジェクト部門
フォトニクシステム領域
教授
服部励治
内容
1. はじめに
1. タッチパネルの分類
2. 外付けタッチパネル技術
1. 静電容量式タッチパネル
2. ｉＰｏｎｅタッチパネル
3. オン・セルタッチパネル技術
1. 問題点
2. 寄生容量キャンセリング
4. イン・セルタッチパネル技術
1. 光学式、容量式、抵抗式、ハイブリッド
2. 電子ペーパータッチパネル
5. まとめ
2
タッチパネルの分類
内蔵型
外付型
オン・セル型
イン・セル型
偏光板
タッチパネル
ガラス
液晶
ガラス
偏光板
ガラス
液晶
ガラス
タッチパネル
偏光板
ガラス
液晶
ガラス
偏光板
LCDパネル
TSPメーカー
TFTアレイプロセスの為、
TFTラインによって律速
TFT
TFT
偏光板
偏光板
LCDパネル
LCDパネル
TFT/CFメーカー
パネルとの寄生容量が問
題となる
TFT
タッチ機能
TFTメーカー
厚さ／重さ／コストで最も
有望であるが・・・
厚さ・重さ・コスト
3
外付けタッチパネルの分類
デジタル式
抵抗膜方式
4線式
アナログ式
8線式
表面型
静電容量方式
自己容量型
投影型
相互容量型
赤外線式
光学方式
再帰反射板
表面音響波（ＳＡＷ）
音響方式
屈曲波
電磁方式
4
抵抗式タッチパネル
Digital Type
Analog Type
Detection of Y-axis
V
Detection of X-axis
V
X１ X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X1１
Y13
Y12
Y11
Y10
Y9
Y8
Y7
Y6
Y5
Y4
Y3
Y2
Top Plate (PET 150~200um)
Adhesive
(75~100um)
Transparency Electrode (ITO 100~150A)
Dot Spacer(30~50um)
Voltage @ Meter
Hard Coat (1~3um)
Voltage @ Meter
Y1
Bottom Plate (GLS 0.7 ~ 1.8mm)
Position
Position
5
静電容量型タッチパネル
表面型
投影型
Cover Plate
Cover Plate
Top Transparency Electrode Pattern
Transparency Electrode (ITO 100~150A)
Insulation Layer
Bottom Transparency Electrode Pattern
~
i4
GLS
i1
i3
~
i2
~
ITO
~
Display
6
投影型一検出原理
アナログ値を投影して電極ピッチ以
上の分解能
(a)ヒステリシス発振
Ⓑ
カウン
ター
Y1
Ⓐ
Cｆ
Y2
Cｆ
Ⓐ
R
Ⓑ
Y3
(a)弛張発振
Y4
Y5
X1
X2
X3
X4
X5
R
Ⓐ
Cｆ
Ⓑ
Vref
カウン
ター
Vref
Ⓐ
LSI
自己容量方式
Ⓑ
7
自己容量方式／相互容量方式
自己容量方式
Sensing only
相互容量方式
Driving & Sensing
Y Sensing
Y Sensing
スキャン
Ghost point
X Sensing
X Sensing
Cypress Semicon.
Cｆ
Analog Devices
Cp
Cｆ
電流波形
タッチなし
タッチあり
電流波形
タッチなし
タッチあり
8
表面型タッチパネル
表面容量方式：一つの電極にAC電位を誘起しタッチの際インピーダンス変化により
電流値の比により座標化
１次元
２次元
~
i4
GLS
i1
i3
~
i2
~
ITO
~
Display
9
iPhone/iPod/iPadタッチパネル
電源, オーディ
無線LAN, 添付アク
SDRAM, 1.3 オ・コー
3.1 セサリ, 2.8 ディック, 2.9 0.5 組み立て
費, 3.5 液晶モ
ジュール, 25.0 ASIC, 7.5 その他, 7.8 2次電池, 8.1 メイン基
その他, 板, 19.0 44.0 上部筺体
(タッチ・パ
ネル付き
ガラス）, 182.0 下部筺
体, 139.0 タッチ・パ
ネル, 13.7 NANDフ
ラッシュ, 筺体など, 11.4 12.5 製造原価中の比率(%)
2次電池
モジュー
ル, 148.0 液晶モ
ジュール, 148.0 部品の質量(g)
日経エレクトニクス 2010、5月3日号より
10
iPhone/iPod/iPadタッチパネル
• 強化ガラス（Corning社 Gorilla）を採用
• 光学粘着剤によるオプティカルボンディング
で直接反射低減
• ITO電極パターニングの工夫により透過率の
均一化
• D&S方式に適した電極構造
強化ガラス0.78mm
ITO
タッチパネル基板
0.55mm
ITO
光学粘着剤
上部電極
下部電極
がシールド
透過率の均一化
偏光板
LCDコモン電極
下部電極
スキャン
• 強化ガラスによる厚さ・重量・コスト増
• タッチパネル製造はTFTアレイラインで行われ
るため供給不足
11
内蔵型タッチパネルの分類と学会発表
接触型
イン・セル型
マイクロスイッチ
IDW ’09, INP2‐2
電圧検出
SID 09, 38.1
容量型
ハイブリッド
SID 09, 32.1
光学型
光検出
IDW ’09, INP2‐3, INP2‐4
抵抗型
オン・セル型
表面型
IDW ’09, INP2‐5
容量型
IDW ’10
投影型
SID10 45.3
The 17th International Display Workshops
December 1 – 3, 2010 Fukuoka International Congress Center, Fukuoka, Japan
12
オン･セル化の課題
投影型
表面型
保護層
偏光板
ITO
絶縁基材
前面ガラス
Cp
Cp
LCDコモン電極
R1
Cｆ
A
i
A
Cｆ
R2
i1
Cp
i2
A
Cp
LCDコモン電極との寄生容量Cpの増大
偏光板・ARフィルムによる浮遊容量Cfの減少
投影型では高ビットセンシングが必要
表面型ではセンシング不可能
13
オン・セル（表面式）
IDW ’09, INP2‐5:Touch Panel Embedded LCD using Conductive Overlay
Hiroshi Haga et al., NEC, Japan
• PCR技術を用いて寄生電流を99％減らすことによりノイズ回避及びタッチ感度を改善
• On Cell型のSurface capacitiveのタッチセンサ  マルチタッチは不可
•3.5“ VGA （LTPS TN LCD)，イメージ依存性なし、筆圧に対する線形性もある
Theory of Touch Detection





 x
  f 

 y






I1 



I2 



I3 
if



I4 


4

I
n
 (threshold )
n 1
then Touch State
14
オン・セル（表面式）２
Huge Parasitic Current
 Induced by parasitic capacitance
Parasitic Current Reduction Technique
 Induced by parasitic capacitance
V‐blank
LCD Operation
Addressable
Conductive
Overlay Voltage
if
ip>>if
ip
A
Cf:10pF
Cf
Polarizer
Conductive Overlay
CF
CCF :100 ~ 1,000 pF
Counter Electrode
LC
CLC :10 ~ 100 nF
A
CCF
CLC
~
TFT Substrate
~
Polarizer
i0  i f  i p   (C p  C f )v
i1  i2  i f   (C f )v
15
オン・セル（投影方式）
SID 10, 45‐3: On Cell Projected Capacitive Type Touch Sensor for NBPC
Sang‐soo Hwang et al., LG Display@Paju, Korea
• CF基板を形成する前に投影容量式タッチセンサを形成
• メタル層とITO層間の絶縁膜には無機の絶縁膜を用いたが最上部のITOの保護膜は用いてない。
 CFプロセス及び外部からのScratchにおいては有利らしい  光学特性の改善
Touch Sensor 試作プロセス
電極構造(Dual 構造)
16
イン・セル（容量式）
SID ’09, 38.1: Embedded Liquid Crystal Capacitive Touch Screen Technology for Large Size LCD Applications, Seiki Takahashi, Samsung Mobile Display, Korea
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イン・セル（コンタクト式）
IDW ’09, INP2‐2: Low Temperature Poly‐Si TFT LCDs with Integrated Contact–type Touch Sensor, Shuji Hayashi et al., SONY Mobile Display, Japan
• 2.5” QVGA 164ppi(Senssor 116 ppi)
• In Cell Micro Switch Typeのタッチセンサ
• LTPSを用いた画素と回路を
用いて透過率を高めることができた
 センサシグナルを感知するため
Blank Timeをセットする必要があるが
６us内に制限されるa‐Si:H TFTでは厳しい
• タッチ圧によりコンタクトセンサが増え
筆圧対応のとした
18
イン・セル（光学式）
IDW ‘10 INP2‐3: AM displays with imbedded photo‐sensors Se‐Hwan Kim et. al. , ADRC@Kyunghee Univ , Korea
• ５００ppi a‐Si:H Photo sensor （IDW05)
Pixel Layout
線形性はWを減らすことにより改善
しかし感度が劣化する
 最適のサイズを選択する必要
Light Intensity: 200lux
• AM LCD with Image Sensor （SID06)
TFT LCD + Photo Sensor
Device Structure
19
イン・セル（光学式）
IDW ’09, INP2‐4: A System LCD with Integrated Infra‐Red Sensing Optical Touch Panel
Chris Brown et. al. , Sharp Lab@Europe , United Kindom
• センサの感度を高めるためVoltage dependent MOS capacitor Structureを用いた
Conventional
Novel
Pixel out voltage range
と容量面積のトレードオフ関係
 感度を高めるのが難しい
1) Capacitance structure M2
is on during integration and at start of read out
M2 on CINT Large
2) M2 turns off during
read out
VINT @ t3  VINT @ t0
M2 off CINT Small
 Signal
Amplification
20
イン・セル（ハイブリッド）
SID 09, 32.1: LCD Embedded Hybrid Touch Screen Panel Based on a‐Si:H TFT, Bong Hyun You, Samsung Electronics Co., Ltd.
21
イン・セル（電子ペーパー）
九州大学服部研究室ではディスプレイとして電子ペーパ（QRLPD)を用いこれに
適したパネル実状型の静電容量方式のタッチパネルを研究している。
カラムドライバー交流電源
なぜ静電容量方式なのか？
~
ロウドライバーL
ロウドライバーR
QR-LPD ディスプレイは
PM構造＆バイステイブルなので
A
電流測定回路L
上部ロウ電極を
タッチパネルとして利用
タッチパネルを
ディスプレイに実状
A
~ 交流電源電流測定回路R
Fig 6.1 タッチパネル使用時におけるQR-LPDの電極構成
22
QR‐LPD電子ペーパとは
QR-LPDとは電子ペーパの方式の１種で透明電極間の電子粉流体と呼ばれる高分子に
電界を印加して移動させて表示を行うディスプレである。
１）閾値特性からTFT配列が不要  パッシブマトリクス配列が可能
２）高流動性、優れた帯電性３）安定性が高く、応答速度が速い
４）駆動に高電圧が必要
White appearance
ITO
Liquid
Powders
ｰ－－
ｰｰ－
－ｰ－
ｰｰ－
－－
－
ｰｰｰｰ－
ｰ－
Glass
50~100 µm
ITO
ｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰｰ
Rib
Air
Rib
Rib
+
++++ ++
+ +++++
+++
+++
++
+
Glass
Air
++
+ ++++
++
+++
+++
+++++ +
+
Glass
Rib
Black appearance
Glass
Fig 6.2 QR-LPD 電子ペーパの構成
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電子ペーパー（ロウ/カラム間の画素容量）
選択したロウ電極以外を開放状態にしていると，選択した電極上以外をタッチ
したときにも矢印で示したような経路で電流が流れてしまい，正確な位置検出
ができないが、
すべての電極を同相・同振幅の交流電圧で振れば，非選択電極上をタッチした
ときには電流が流れないため，正確な位置検出を行うことができる。
Hi-Z
Hi-Z
Hi-Z
Hi-Z
~
Hi-Z
Cp
Cp
Cp
Cp
~
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Hi-Z
Cp
Cp
Cp
Cp
~
Cf
~
Cf
A
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Hi-Z
選択したロウ電極以外を開放状態
~
A
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
Cp
~
すべての電極を同相・同振幅の交流電圧
24
まとめ
• 学会ではフレキシブルディスプレイや，イン・セル型
タッチパネルに関する研究報告が盛んであるが，現在
タッチパネル市場をけん引しているiPadは，全くこれに
逆行する強化ガラスを用いた外付け型タッチパネルを
採用した．
• 厚さ，重さ，コストの観点から，外付けタッチパネルは
フレキシブルディスプレイに内蔵されることが望まれ
る．
• イン・セルタッチパネルにおいて，光学式，容量式，接
点式，何れにおいても周囲環境からの雑音が問題と
なりやすい．
• オン・セルタッチパネルが最も現実的な解である．
• 電子ペーパーにおいてはイン・セルも現実的である．
25

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