(57)【要約】【課題】指先の微妙な感触を効果的にフィードバックすることのできる表示装置及びタッチパネルを提供する。【解決手段】映像を表示するディスプレイ部４と、導電体の近接位置を検出するタッチパネル３と、導電体に機械的振動を付与する機械的振動発生部６と、導電体に静電吸着力を作用させる静電吸着力発生部７と、タッチパネルで検出した導電体の位置情報に基づいて機械的振動発生部と静電吸着力発生部とを連動して動作させる制御部５とを備える表示装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示するディスプレイ部と、
導電体の近接位置を検出するタッチパネルと、
前記導電体に機械的振動を付与する機械的振動発生部と、
前記導電体に静電吸着力を作用させる静電吸着力発生部と、
前記タッチパネルで検出した前記導電体の位置情報に基づいて前記機械的振動発生部と前記静電吸着力発生部とを連動して動作させる制御部とを備える表示装置。
【請求項２】
前記ディスプレイ部、タッチパネル、機械的振動発生部、静電吸着力発生部、及び制御部を格納する筐体を更に有し、
前記静電吸着力発生部は、
前記筐体の表面側に向けて前記タッチパネル上に透明電極と、前記導電体と接触する透明誘電体とが積層して配され、
前記筐体の裏面側に向けて電極と、他の導電体と接触する誘電体とが積層して配され、
前記電極に変化する電圧を供給する発振器及び高電圧アンプを備える、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記誘電体の単位面積当りの容量に対する前記透明誘電体の単位面積当たりの容量の比が２以上である、請求項２記載の表示装置。
【請求項４】
前記タッチパネルは、表面型静電容量方式のタッチパネルであって、前記タッチパネルのセンサ電極は前記透明電極と共用するようになされる、請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記透明電極の単位面積当たりの抵抗値が１０５Ω以上である、請求項２に記載の表示装置。
【請求項６】
前記透明電極は、接地されずフローティング状態にある、請求項２に記載の表示装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記導電体が前記透明誘電体と接触を開始した際、機械的振動を発生させ、
前記導電体が前記透明誘電体と接触したまま移動中は静電吸着力を作用させる、請求項２に記載の表示装置。
【請求項８】
前記機械的振動発生部は、圧電素子と、前記圧電素子に機械的に接続する慣性質量と、前記圧電素子に変化する電圧を供給する発振器及び高電圧アンプとを有し、
前記機械的振動発生部と静電吸着力発生部の発振器及び高電圧アンプがそれぞれ共用される、請求項２に記載の表示装置。
【請求項９】
前記静電吸着力発生部が複数設けられ、
前記制御部は、それぞれの前記電極に異なる波形の電圧を付与するように制御する、請求項２に記載の表示装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の表示装置に設けられる前記タッチパネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、表示装置及びタッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザインタフェースの形としてタッチパネル機能を具備した表示装置を搭載した携帯電話や携帯情報端末、パーソナルコンピュータなどの電子機器が開発されている。このようなタッチパネル機能を具備した電子機器では、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置に、別途タッチパネル基板を貼り合わせることでタッチパネル機能を付加することが検討されている。
【０００３】
ところで、機械式の押し釦を押下するときには、釦が可動し及びタッチ面が凹凸することにより、ユーザはどの釦を押したか、また入力の実行を触感により認識することができる。しかし、タッチパネルには、可動および凹凸が無いためこのような触感を得ることができない。そこで、人工的に触感を作り出すためのさまざまな方法が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、「圧電アクチュエータ」により触感を生成する方法が開示されている。圧電アクチュエータは交流電圧によって振動するため、電気信号により人工的な触覚を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４８８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように触覚機能に関しては、上述の機械的振動によるものの他、静電吸着によるものも検討されている。しかし、指先の微妙な感触を効果的にフィードバックするには、従来の方法では不十分なことが指摘されている。例えば、タッチパネルを接触した指以外に、保持する手の部分に触覚が発生するため、指先に集中して触覚を与えることができないという問題があった。また、接触状態で指をスライドさせないと触覚が得られないといった問題もあった。
【０００７】
本願発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであって、指先の微妙な感触を効果的にフィードバックすることのできる表示装置及びタッチパネルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様による表示装置は、映像を表示するディスプレイ部と、導電体の近接位置を検出するタッチパネルと、前記導電体に機械的振動を付与する機械的振動発生部と、前記導電体に静電吸着力を作用させる静電吸着力発生部と、前記タッチパネルで検出した前記導電体の位置情報に基づいて前記機械的振動発生部と前記静電吸着力発生部とを連動して動作させる制御部とを備える表示装置である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態の表示装置の構成を示す断面図。
【図２】第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部及び静電吸着力発生部の構成を示す図。
【図３】第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部を組み込んだ構成例を示す図。
【図４】第１の実施の形態の表示装置の裏面側の触覚発生を防止する方法を説明するための図。
【図５】第１の実施の形態の表示装置のタッチパネルの動作不良を防止する方法を説明するための図。
【図６】第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部のバリエーションの構成を示す図。
【図７】第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部の他のバリエーションの構成を示す図。
【図８】第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部の他のバリエーションの構成を示す図。
【図９】第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部と静電吸着力発生部とを駆動する方法を説明するための図。
【図１０】第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部と静電吸着力発生部とを駆動する他の方法を説明するための図。
【図１１】第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部と静電吸着力発生部とを駆動する他の方法を説明するための図。
【図１２】第２の実施の形態の表示装置の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、第１の実施の形態の表示装置の構成を示す断面図である。  
第１の実施形態に係る表示装置１は、筐体２、タッチパネル３、ディスプレイ部４、制御部５、機械的振動発生部６及び静電吸着力発生部７を備えている。なお、第１の実施の形態のディスプレイ部４は、例えば、液晶表示パネルである。ディスプレイ部４はＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）などによる薄型ディスプレイとして形成されても良い。
【００１１】
タッチパネル３は、指などの導電体の接近（接触）位置を検知電極によって検知する。検知電極は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）や銀ナノワイヤーなどの素材を使用した透明電極で、例えば、縦横からなる多数のモザイク状電極パターンとしてガラス、プラスチックなどの基板上に配置される。
【００１２】
ディスプレイ部４は、一対の電極基板であるアレイ基板（不図示）および対向基板（不図示）間に液晶層（不図示）を挟持した構造である。アレイ基板に設けられた画素電極および対向基板に設けられた共通電極から液晶層に印加される液晶駆動電圧により液晶表示パネルの透過率が制御される。
【００１３】
筐体２は、タッチパネル３、及びディスプレイ部４を外部からの衝撃から保護する。筐体２は、ガラスであるが、アクリル、ポリカーボネート、ＰＥＴなど透明な物質で形成されても良い。
【００１４】
機械的振動発生部６は、タッチパネル３に近接する指先に機械的振動を付与する。静電吸着力発生部７は、表示装置１に近接する指先に吸着力を作用させる。制御部５はタッチパネル３の位置情報に基づいて、機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７とを連動して駆動して、振動と静電吸着力を発生させる。
【００１５】
図２は、第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部及び静電吸着力発生部の構成を示す図である。
【００１６】
図２（ａ）に示す機械的振動発生部６は、印加電圧に応じて機械的な変位を発生する圧電素子１１、圧電素子１１に積載される慣性質量１２、及び圧電素子１１に電圧を印加する高電圧アンプ１３と発振器１４を備えている。例えば、発振器１４は１０〜１０００Ｈｚ程度の正弦波信号を出力する。高電圧アンプ１３はこの正弦波信号を１０〜１０００Ｖ程度の電圧に増幅して圧電素子１１に印加する。これにより圧電素子１１と慣性質量１２とに機械的振動が発生し、この振動と慣性質量とによる力が表示装置１に伝えられる。ここで、圧電素子１１に印加する電圧値（１０〜１０００Ｖ）は、指と接触する部位の膜厚に応じて決定することができる。
【００１７】
発振器１４が出力する正弦波信号は、連続的であるだけでなく、断続的であっても良い。例えば、０．０１ｓｅｃから１ｓｅｃ程度の期間に単発で出力しても良く、または、０．０１ｓｅｃから１ｓｅｃ程度の間隔で断続的に出力しても良い。出力方法を変えることで、操作者に異なる触覚を与えることができる。また発振器１４が出力する信号は、正弦波に限られず、矩形波、ノコギリ波、三角波であっても良い。波形を変えることで、操作者に異なる触覚を与えることができる。
【００１８】
なお、機械的振動を発生させる方法は、この圧電素子１１を用いる方法に限られない。例えば、偏芯回転質量を回転数制御可能な小型モータで回転させる方法でも良く、印加電圧により伸縮を行う電気活性ポリマーに慣性質量を設けたものであっても良い。
【００１９】
図２（ｂ）に示す静電吸着力発生部７は、電極２１、電極２１を人体から絶縁するための誘電体２２、及び電極２１に変化する電圧を印加する高電圧アンプ２３と発振器２４を備えている。例えば、発振器２４は１０〜１０００Ｈｚ程度の正弦波信号を出力する。高電圧アンプ１３はこの正弦波信号を１０〜１０００Ｖ程度の電圧に増幅して電極２１に印加する。
【００２０】
絶縁体である誘電体２２に指を接触した状態で電極２１に電圧を印加すると、指と誘電体２２に極性の異なる電荷が生じ、指と誘電体２２との間に静電吸着力が発生する。そのため指を誘電体２２に接触した状態でスライドさせると、吸着力に応じた摩擦力が発生する。ここで、電極２１に印加する電圧値（１０〜１０００Ｖ）は、指と接触する誘電体２２の膜厚によって決定することができる。
【００２１】
発振器１４が出力する信号を継続して出力することで、スライドさせる指に一定の摩擦抵抗を発生させることができる。また発振器１４が出力する信号は、正弦波に限られず、矩形波、ノコギリ波、三角波であっても良い。波形を変えることで、操作者に異なる触覚を与えることができる。
【００２２】
図３は、第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部を組み込んだ構成例を示す図である。
【００２３】
表示装置１の内部には、上述の静電吸着力発生部である電極２１、誘電体２２、高電圧アンプ２３、発振器２４が設けられている。ここで、電極２１及び誘電体２２は、表示装置１の裏面（タッチ操作を行う面と反対側の面）であって、表示装置１を把持、保持する手、指が接触する部位に設けられる。また、表示装置１の表面（タッチ操作を行う面）側には、表面から内部に向けて透明誘電体２６、透明電極２７、タッチパネル３、及びディスプレイ部４がこの順に設けられている。そして、透明電極２７が筐体２のアースに接地されている。
【００２４】
透明電極２７に用いるシート材料として、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの無機材料、ＰＥＤＯＴなどの有機材料、ＡｇナノワイヤーやＣｕメッシュ電極を用いることができる。透明誘電体２６には、厚さ１μｍから数ｍｍ程度の透明絶縁体で、ガラス、ＰＥＴ、アクリル、ポリカーボネート、ポリスチロール、ポリスチレン、ポリイミド、Ｔｉｏ２、ｓｉｏ２、などを用いることができる。
【００２５】
表面側の透明電極２７に用いるシート材料は１０６〜１０１０Ω／□と高い抵抗値を有する。これは、タッチパネル３が静電容量式であるため、タッチパネル３上に抵抗の低い材料を設けた場合、タッチパネル３の動作が阻害されるためである。この詳細については後述する。なお、裏面側の電極２１の抵抗値については上述のような制約はない。
【００２６】
発振器２４が出力する信号は、高電圧アンプ２３で増幅されて電極２１に印加される。この電極２１に印加された電圧によって誘電体２２と接触する裏面側の指が帯電する。この結果、人体を導電路として表面側の指が帯電し、表面側の指と透明誘電体２６に極性の異なる電荷が生じ、指と透明誘電体２６との間に静電吸着力が発生する。そのため、タッチパネル３上の指をスライドさせると、スライドさせた指のみに摩擦抵抗が生じ触覚を発生させることができる。
【００２７】
なお、図３に示す静電吸着力発生部７の構成とは逆に、高電圧アンプ２３の出力電圧を表側の透明電極２７に印加し、裏側の電極２１を接地する構成も考えられる。しかし、透明電極２７に電圧を印加する方法では、透明電極２７とタッチパネル３との間に発生する寄生容量の影響によって透明電極２７の中央部にまで電圧が伝播せず触覚が得られにくいことが分かった。従って、図３に示すように、表面側の透明電極２７を接地し、裏面側の電極２１に電圧を印加するように静電吸着力発生部７を構成することで、問題なく触覚を得ることができる。
【００２８】
ところで、図３に示す構成の表示装置１では筐体２を保持する裏面側の手にも触覚が発生する場合があった。これは、裏面側であっても原理的には吸着力が発生する可能性があるため、保持する手が微妙に動くことで触覚を感じたからと考えられる。
【００２９】
図４は、第１の実施の形態の表示装置の裏面側の触覚発生を防止する方法を説明するための図である。
【００３０】
上述の対策として、裏面側の誘電体２２の厚さを表面側の透明誘電体２６より厚くするなどにより、裏面側の誘電体２２の容量に対して、表面側の透明誘電体２６の容量を大きくする。図４に示す座標の縦軸は裏面側で触覚が発生する確率を示し、座標の横軸は裏面側の誘電体２２の容量に対する表面側の透明誘電体２６の容量の比率を表している。
【００３１】
横軸の比率が１よりも小さいときは常に裏面側の指に触覚が発生していたが、横軸の比率が１以上になるに従って裏面側の指の触覚の発生確率が小さくなった。そして、横軸の比率が２以上になると、裏面側の指に触覚が発生しなくなった。このことから、裏面側の誘電体２２の容量に対する表面側の透明誘電体２６の容量の比率を２以上とすることによって裏面側の触覚発生を防止することができる。
【００３２】
次に、表面側の透明電極２７のシート材について説明する。タッチパネル３として静電容量方式のタッチパネルが用いられた場合、タッチパネルに設けられたセンサ電極と指との間の容量を検知することでタッチ位置が決定される。そのため、タッチパネル３と指との間に低抵抗の導電膜が介在すると、タッチ位置を検出することができなくなる。
【００３３】
図５は、第１の実施の形態の表示装置のタッチパネルの動作不良を防止する方法を説明するための図である。
【００３４】
図５に示す座標の縦軸は、静電容量方式のタッチパネルが正常に動作する確率を示し、座標の横軸は透明電極２７のシート材の抵抗値を示している。透明電極２７のシート材の抵抗値が１×１０３Ω／□以下では、指の位置を検知できなかった。これは、タッチパネル３が透明電極２７によってシールドされるためである。透明電極２７のシート材の抵抗値が１×１０４Ω／口では動作が不安定であった。タッチパネル３が安定に動作するのはシート材の抵抗値が１×１０５Ω／□以上であることが必要である。上述のように本実施の形態では、透明電極２７に用いるシート材料は１０６〜１０１０Ω／□である。このような高抵抗材料はＺｎＯやＰＥＤＯＴなどにより実現可能である。
【００３５】
次に、静電吸着力発生部７のバリエーションの構成について説明する。
【００３６】
図６は、第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部のバリエーションの構成を示す図である。図６に示す静電吸着力発生部７では、ディスプレイ部４の上部に静電容量式のタッチパネル３が構成され、タッチパネル３の上側に透明電極２７と透明誘電体２６とが設けられている。この静電吸着力発生部７では、図３に示す構成と異なり、透明電極２７は接地されていない。
【００３７】
タッチパネル中のセンサ電極と透明電極２７とは近い位置にあるため、両電極間には大きな寄生容量２９が発生している。そのため、透明電極２７が接地されておらず、フローティング状態であっても、その電位は、タッチパネル中の各センサ電極電位の平均値とほぼ等しくなる。従って透明電極２７の電位は、ほぼ接地された状態となる。このバリエーションの構成によれば、透明電極２７を接地するための電極を設ける必要がなくなり、静電吸着力発生部７の構成を簡素化することができる。
【００３８】
図７は、第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部の他のバリエーションの構成を示す図である。図７に示す静電吸着力発生部７では、ディスプレイ部４の上部に表面型静電容量式のタッチパネル３が構成され、タッチパネル３の上側に透明誘電体２６が設けられている。この静電吸着力発生部７は、図３に示す構成と異なり、タッチパネル３の形式が異なり、更に透明電極２７は設けられていない。
【００３９】
表面型静電容量タッチパネル３の電極は、一枚の透明電極で構成される。従って、表面型静電容量タッチパネル３の電極が静電吸着力発生部７の透明電極２７を兼用するため、透明電極２７を設ける必要がない。この結果、静電吸着力発生部７の構成を簡素化することができる。
【００４０】
図８は、第１の実施の形態の表示装置の静電吸着力発生部の他のバリエーションの構成を示す図である。図８に示す静電吸着力発生部７では、表示装置１の裏面側には、右手用、左手用それぞれの静電吸着用の電極２１と誘電体２２が設けられ、表示装置１の表面側のタッチパネル上には共有の静電吸着用の透明電極２７と透明誘電体２６とが設けられる。左右それぞれの電極２１に、相異なる信号波形の高電圧を印加することで、右手左手別々の触覚を与えることができる。
【００４１】
次に、機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７とを駆動する方法を説明する。
【００４２】
図９は、第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７とを駆動する方法を説明するための図である。
【００４３】
図９に示すタイミング発生チャートでは、指がタッチパネル３に接触を開始したときに機械的振動を発生させ、０．０１から１ｓｅｃ程度で停止させる。これにより、タッチパネル３に接触したことをクリック感として感知させる。その後、指が移動を開始したときから指が移動を停止するまでの間、静電吸着力発生用の信号を発生する。
【００４４】
このような駆動方法を行うことで、指がタッチパネル３に接触した時のクリック感と指を移動させた時の吸着力の感触の両方を触覚できるようになった。なお、指がタッチしたタイミング、指が移動を開始したタイミング及び終了したタイミングは、表示装置１の動作を統括して制御する制御部５が検知して機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７との動作を制御する。
【００４５】
図１０は、第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７とを駆動する他の方法を説明するための図である。
【００４６】
図１０に示す駆動方法では、機械振動用信号と静電吸着用信号を同時に発生させる。このとき各々の信号の周波数は１Ｈｚから２００Ｈｚ程度ずれて設定されている。このようにすることで、周波数の差の周波数の触覚が得られる。機械的振動によって発生する力は慣性質量と周波数とに関係するため、人体の触覚感度の高い１００Ｈｚ近辺の周波数で、触覚を発生させるためには振動子の大型化（慣性質量の重量化）が必要である。本駆動方法によれば、このような方法で１ｋＨｚ以上の高い周波数に設定することができるようになり、小さく軽い振動子を用いることができる。
【００４７】
図１１は、第１の実施の形態の表示装置の機械的振動発生部６と静電吸着力発生部７とを駆動する他の方法を説明するための図である。
【００４８】
図１１に示す駆動方法では、機械振動用信号と静電吸着用信号の周波数を同一とし、その位相を同期させて同時に発生させる。これにより、より大きな触覚を操作者に与えることができる。
【００４９】
図１２は、第２の実施の形態の表示装置の構成を示す断面図である。  
第２の実施の形態では、１台の発振器３４と１台の高電圧アンプ３３とで機械的振動の発生と静電吸着力の発生とを制御する。このように発振器３４と高電圧アンプ３３とを共有する構成とすることで、表示装置の回路を簡略化することができる。
【００５０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５１】
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…表示装置、２…筐体、３…タッチパネル、４…ディスプレイ部、５…制御部、６…機械的振動発生部、７…静電吸着力発生部、１１…圧電素子、１２…慣性質量、１３…高電圧アンプ、１４…発振器、２１…電極、２２…誘電体、２３…高電圧アンプ、２４…発振器、２６…透明誘電体、２７…透明電極、３３…高電圧アンプ、３４…発振器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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