(57)【要約】【課題】画素の開口率を下げることなく直接画面入力を可能とした画面入力機能付き画像表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示パネルの画面上から入射した光を受ける光検出ＴＦＴ６１と、ブラックマトリクスなどで遮光され、液晶表示パネルの画面上から入射した光を受けないスイッチＴＦＴ６０を直列接続して構成される。光検出ＴＦＴ６１のソース電極に、保持容量ＣSTおよび液晶素子の画素電極を接続する。液晶素子は容量ＣLCで表記されている。光検出ＴＦＴ６１のゲート電極にはセンサ制御線１４０が、スイッチＴＦＴ６０のゲート電極にはゲート線１２０が接続されている。スイッチＴＦＴ６０のドレイン電極にデータ線１１０が接続され、保持容量ＣSTの一端にストレージ線１５０が接続され、画像信号が液晶素子（ＣLC）の画素電極（ＩＴＯ）に供給される。また、光検出ＴＦＴ６１は、感光して生じた光電流Ｉｓｉｇをデータ線１１０を通じてセンサ信号処理回路（図１参照）に伝送する。【選択図】図４
2008134293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板に形成される画面の画素領域に対するタッチ操作で情報を入力する画面入力機能付き画像表示装置であって、
前記絶縁基板の主面で、前記画面を構成する複数の画素からなる画素領域における当該各画素のそれぞれに、前記画素面側からの光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタと、第１の薄膜トランジスタに直列接続されて前記光の照射を受ける第２の薄膜トランジスタとを備え、
前記第１の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたゲート線と、
前記第２の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたセンサ制御線と、
前記第１の薄膜トランジスタのドレイン電極又はソース電極に接続されたデータ線と、
前記第２の薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極に一方の電極が接続された保持容量、および該保持容量と並列に接続される画素の一方の電極が接続された画素電極とを有し、
前記画素による画像表示期間とは異なる期間に、前記センサ制御線から印加されるセンス期間選択信号で前記第２の薄膜トランジスタをオンとし、該第２の薄膜トランジスタが感光したことによる光電流を電荷として前記保持容量に蓄積し、
前記蓄積電荷を前記第１の薄膜トランジスタを通して光検出電流として前記データ線に読み出し、電圧変換して前記タッチ操作の検知信号とすることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記保持容量の他方の電極を接続するストレージ線を具備することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記画素領域の外に、前記タッチ操作の検知信号に基いてタッチ操作の有無を判定する判定信号を生成するセンサ信号処理回路を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記判定信号が２値信号であり、前記画像表示装置の上位制御回路に送られ、タッチされた画素領域の座標に設定されたインストラクションを実行することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記データ線に表示信号とタッチ操作の検知信号の切り替えを行う切り替えスイッチを有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記センサ制御線が前記ゲート線の配列方向に隣接する２画素で共用されることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記センサ制御線を前記ストレージ線で代用されることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記画像表示期間とは異なる期間は、１フレーム期間内のブランキング期間であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項９】
絶縁基板の画素領域に対するタッチ操作で情報を入力する画面入力機能付き画像表示装置であって、
前記絶縁基板の主面で、前記画面に赤画素、緑画素、青画素、白画素を１グループとした複数グループからなる画素領域が構成され、
前記各グループを構成する赤画素、緑画素、青画素、白画素のうちの１画素を除く他の３画素は外光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタで構成され、
前記各グループのうちの前記１画素は、前記画素面側からの光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタと、第１の薄膜トランジスタに直列接続されて前記外光の照射を受ける第２の薄膜トランジスタとで構成され、
前記第１の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたゲート線と、
前記第２の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたセンサ制御線と、
前記第１の薄膜トランジスタのドレイン電極又はソース電極に接続されたデータ線と、
前記３画素を構成する前記第１の薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極に一方の電極が接続された保持容量、および該保持容量と並列に接続される画素の一方の電極が接続された画素電極とを有し、
前記画素による画像表示期間とは異なる期間に、前記センサ制御線から印加されるセンス期間選択信号で前記第２の薄膜トランジスタをオンとし、該第２の薄膜トランジスタが感光したことによる光電流を電荷として前記保持容量に蓄積し、
前記蓄積電荷を前記第１の薄膜トランジスタを通して光電流として前記データ線に読み出し、電圧変換してタッチ操作の検知信号とすることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記保持容量の他方の電極を接続するストレージ線を具備することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１１】
請求項９において、
前記画素領域の外に、前記タッチ操作の検知信号に基いてタッチ操作の有無を判定する判定信号を生成するセンサ信号処理回路を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記判定信号が２値信号であり、前記画像表示装置の上位制御回路に送られ、タッチされた画素領域の座標に設定されたインストラクションを実行することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１３】
請求項９において、
前記１画素を構成する前記第１の薄膜トランジスタに接続する前記データ線に、表示信号とタッチ操作の検知信号の切り替えを行う切り替えスイッチを有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１４】
請求項９において、
前記センサ制御線が前記ゲート線の配列方向に隣接する２画素で共用されることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１５】
請求項９において、
前記センサ制御線を前記ストレージ線で代用されることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１６】
請求項９において、
前記画像表示期間とは異なる期間は、１フレーム期間内のブランキング期間であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１７】
請求項９において、
前記３画素は赤画素、緑画素、青画素であり、前記１画素は白画素であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１８】
請求項１又は９において、
前記絶縁基板の主面に主面を対向させた貼り合わせた他の絶縁基板を有し、当該他の絶縁基板と前記絶縁基板の間に液晶が封入されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記他の絶縁基板の主面に前記画素電極との間に電界を生成する対向電極を有し、
前記画素電極と前記対向電極の間に液晶が封入されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項２０】
請求項１又は９において、
前記複数の画素の画素電極を一方の電極として、該一方の電極それぞれの上層に、有機ＥＬ発光層を有し、これらの有機ＥＬ発光層を覆って形成された他方の電極を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記有機ＥＬ発光層は、前記複数の画素ごとに発光色が異なることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示パネル内に光学センサを内蔵した画像表示装置に係り、特に画素の開口率を下げることなく直接画面入力を可能とした画面入力機能付き画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画面に使用者の指などをタッチ操作（以下、単にタッチとも称する）して上方を入力するが画面入力機能を備えた画像表示装置は、ＰＤＡなどのタッチセンサ付き携帯端末、無人受付機等の据置型顧客案内端末に用いられている。このような画面タッチ入力機能を備えた画像表示装置では、タッチで押圧された部分の抵抗値変化、あるいは容量変化を検出する方式、タッチにより遮蔽された部分の光量変化を検出する方式などが知られている。
【０００３】
特に、近年は、画面を構成する画素構造に外光の光量変化を検知してタッチ部分の座標を検出する方式が開発されている。例えば、液晶表示装置を構成する液晶表示パネルの画素単位に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で光感知素子（光センサ）を形成したものが特許文献１に開示されている。
【０００４】
図２０は、画素単位に光センサを形成した一般的な液晶表示パネルの従来例の画素構成を説明する等価回路図で、上記特許文献１に開示されたものである。この液晶表示パネルは、複数のゲートライン（ＧＬ）、複数のデータライン（ＤＬ）、ゲートライン（ＧＬ）とデータライン（ＤＬ）に電気的に連結された第１スイッチング素子（Ｑ１）、第１スイッチング素子（Ｑ１）に連結された液晶キャパシタ（ＣＬＣ）及び第１ストレージキャパシタ（ＣＳＴ１）を含む。また、第１電圧ライン（ＶＬ１）、第２電圧ライン（ＶＬ２）、外部光の強さを検出して電流に変換させる第２スイッチング素子（ＴＳ１）、第２スイッチング素子（ＴＳ１）から提供された電流によって形成された電荷を保存する第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）、第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）に保存された電荷を出力する第３スイッチング素子（ＴＳ２）及び読み出しライン（ＲＯＬ）を含む。前記第２スイッチング素子（ＴＳ１）、第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）及び第３スイッチング素子（ＴＳ２）は一種の光感知部を形成する。
【特許文献１】特開２００５−１２９９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された光センサ構造は、画素毎に多くの薄膜トランジスタを含めた素子数を必要とするため、表示のための画素の開口率が低くなり、また素子数増加で消費電力が増大する。開口率の低下は画面の明るさを劣化させ、消費電力の増大は特に携帯型端末では稼動時間の短縮をもたらす。
【０００６】
本発明の目的は、画素の開口率を下げることなく直接画面入力を可能とした画面入力機能付き画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の代表的構成と動作を液晶表示装置を例として開示すると、以下のとおりである。本発明の画面入力機能付き画像表示装置は、ガラス基板等の絶縁基板上における画素領域に、薄膜トランジスタからなる光センサを次のような構造と動作を行うように形成する。
（１）画面の表示面側から入力した光からは遮光されるスイッチ用の薄膜トランジスタ（スイッチＴＦＴ）のドレイン電極又はソース電極（ここでは、ドレイン電極）に画面の表示面側から入力した光を受ける光センサ用の薄膜トランジスタ（光検出ＴＦＴ）のソース電極又はドレイン電極（ここでは、ソース電極）を接続して両ＴＦＴを直列接続する。
（２）光検出ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極に補助容量および画素電極を接続する。
（３）光検出ＴＦＴのゲート電極にセンサ制御線を接続し、スイッチＴＦＴのゲート電極に画素選択用のゲート線を接続する。
（４）スイッチＴＦＴのドレイン電極又はソース電極（ここでは、ソース電極）にデータ線を接続する。
（５）光検出ＴＦＴのドレイン電極又はソース電極（ここでは、ドレイン電極）に保持容量の一方の電極と画素電極を並列に接続する。
（６）前記保持容量の他方の電極をストレージ線に接続する。
（７）タッチ期間（センス期間）では、センサ制御線から印加されるセンス期間選択信号で光検出ＴＦＴがオンとなり、光検出ＴＦＴが感光した光電流が電荷として保持容量に蓄積される。
（８）この蓄積電荷をスイッチＴＦＴを通して光電流としてデータ線に読み出し、電圧変換された信号を画素領域の外に設けたセンサ信号処理回路に伝送する。
（９）センサ信号処理回路は、伝送された電圧信号を基にタッチの有無を判定する２値等の判定信号を生成する。
（１０）タッチの有無を示す判定信号は画像表示装置の上位制御回路に送られ、タッチされた画素領域の座標（タッチボタンの位置など）に設定されたインストラクションを実行する。
【０００８】
なお、薄膜トランジスタＴＦＴのソース電極とドレイン電極は、表示パネルの動作中に入れ替わるが、説明の都合上、上記のようにソース電極とドレイン電極は固定して説明する。
【０００９】
本発明は、アクティブ駆動の液晶表示装置に好適であるが、同じくアクティブ駆動の有機ＥＬ表示装置や他の同様の画像表示装置、光センサ応用機器にも適用できる。本発明の特徴的構成例を記述すると、以下のとおりである。
【００１０】
本発明は、絶縁基板の画素領域に対するタッチ操作で情報を入力する画面入力機能付き画像表示装置であって、
前記絶縁基板の主面で、前記画面を構成する複数の画素からなる画素領域における当該各画素のそれぞれに、外光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタと、第１の薄膜トランジスタに直列接続されて前記外光の照射を受ける第２の薄膜トランジスタとを備え、
前記第１の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたゲート線と、
前記第２の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたセンサ制御線と、
前記第１の薄膜トランジスタのドレイン電極又はソース電極に接続されたデータ線と、
前記第２の薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極に一方の電極が接続された補助容量、および該補助容量と並列に接続される画素の一方の電極が接続された画素電極とを有し、
前記画素による画像表示期間とは異なる期間に、前記センサ制御線から印加されるセンス期間選択信号で前記第２の薄膜トランジスタをオンとし、該第２の薄膜トランジスタが感光したことによる光電流を電荷として前記保持容量に蓄積し、
前記蓄積電荷を前記第１の薄膜トランジスタを通して光電流として前記データ線に読み出し、電圧変換してタッチ信号とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、前記保持容量の他方の電極を接続するストレージ線を具備すること、前記画素領域の外に、前記タッチ信号に基いてタッチの有無を判定する判定信号を生成するセンサ信号処理回路を有すること、前記判定信号が２値信号であり、前記画像表示装置の上位制御回路に送られ、タッチされた画素領域の座標に設定されたインストラクションを実行することを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前記データ線に表示信号とタッチ信号の切り替えを行う切り替えスイッチを有すること、前記センサ制御線が前記ゲート線の配列方向に隣接する２画素で共用されること、前記センサ制御線を前記ストレージ線で代用されること、前記画像表示期間とは異なる期間が、１フレーム期間内のブランキング期間であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記絶縁基板の主面で、前記画面に赤画素、緑画素、青画素、白画素を１グループとした複数グループからなる画素領域が構成され、
前記各グループを構成する赤画素、緑画素、青画素、白画素のうちの１画素を除く他の３画素は外光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタで構成され、
前記各グループのうちの前記１画素は、外光の照射から遮蔽される第１の薄膜トランジスタと、第１の薄膜トランジスタに直列接続されて前記外光の照射を受ける第２の薄膜トランジスタとで構成され、
前記第１の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたゲート線と、
前記第２の薄膜トランジスタのゲート電極に接続されたセンサ制御線と、
前記第１の薄膜トランジスタのドレイン電極又はソース電極に接続されたデータ線と、
前記３画素を構成する前記第１の薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極に一方の電極が接続された補助容量、および該補助容量と並列に接続される画素の一方の電極が接続された画素電極とを有し、
前記１画素を構成する前記第２の薄膜トランジスタのソース電極又はドレイン電極に一方の電極が接続された補助容量、および該補助容量と並列に接続される画素の一方の電極が接続された画素電極とを有し、
前記画素による画像表示期間とは異なる期間に、前記センサ制御線から印加されるセンス期間選択信号で前記第２の薄膜トランジスタをオンとし、該第２の薄膜トランジスタが感光したことによる光電流を電荷として前記保持容量に蓄積し、
前記蓄積電荷を前記第１の薄膜トランジスタを通して光電流として前記データ線に読み出し、電圧変換してタッチ信号とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記保持容量の他方の電極を接続するストレージ線を具備すること、前記画素領域の外に、前記タッチ信号に基いてタッチの有無を判定する判定信号を生成するセンサ信号処理回路を有すること、前記判定信号が２値信号であり、前記画像表示装置の上位制御回路に送られ、タッチされた画素領域の座標に設定されたインストラクションを実行することを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記１画素を構成する前記第１の薄膜トランジスタに接続する前記データ線に、表示信号とタッチ信号の切り替えを行う切り替えスイッチを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記センサ制御線が前記ゲート線の配列方向に隣接する２画素で共用されること、前記センサ制御線を前記ストレージ線で代用されることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記画像表示期間とは異なる期間は、１フレーム期間内のブランキング期間であることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記３画素は赤画素、緑画素、青画素であり、前記１画素は白画素であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記絶縁基板の主面に主面を対向させて貼り合わせた他の絶縁基板を有し、当該他の絶縁基板と前記絶縁基板の間に液晶が封入されていること、前記他の絶縁基板の主面に前記画素電極との間に電界を生成する対向電極を有し、前記画素電極と前記対向電極の間に液晶が封入されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記複数の画素の画素電極を一方の電極として、該一方の電極それぞれの上層に、有機ＥＬ発光層を有し、これらの有機ＥＬ発光層を覆って形成された他方の電極を有すること、前記有機ＥＬ発光層は、前記複数の画素ごとに発光色が異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
画像の表示に必要とするスイッチＴＦＴ、補助容量、データ線、ゲート線、ストレージ線に加えて、一個の光検出ＴＦＴと一本のセンサ制御線のみを追加するのみであるため、光センサの画素領域への内蔵化に伴う画素の開口率の低下が抑制される。また、素子の増加による消費電力（液晶表示パネルではバックライトの電力も）の増大も回避される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の最良の実施形態につき、添付図面を参照した実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１を説明する画面入力機能付き液晶表示装置の展開斜視図である。図１において、第１の絶縁基板（ＴＦＴ基板）である下ガラス基板２７の主面（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を形成する内面）に複数の画素（画素電極４８で示す）をマトリクス配列してなる表示領域（画素領域）１６を有する。この画素は表示用の画素機能ＰＩＸと光検知機能ＳＥＮを有する。また、このガラス基板２７の主面上で画素領域１６の外側には画素を構成するスイッチＴＦＴ（後述）のゲート電極に選択信号を印加するゲートドライバ１２、光検出ＴＦＴ（後述）にセンサ制御信号を印加するセンサドライバ１４、スイッチＴＦＴのソース電極又はドレイン電極（ここではソース電極）に接続するデータドライバ１１、タッチの有無を判定する判定信号を生成するセンサ信号処理回路１３を有する。
【００２４】
ゲートドライバ１２、センサドライバ１４、データドライバ１１、センサ信号処理回路１３と外部に配置した上位情報処理回路（ホストコンピュータとの間は基板２７にパターニングされた配線１８とフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１７で接続される。なお、
【００２５】
第２の絶縁基板である上ガラス基板２１の主面には、ガラス基板２７の主面上に形成された各画素に対応して複数のカラーフィルタ（画素の開口５０で示す）が遮光膜（ブラックマトリクス）２４で区画されて形成されている。また、この上に対向電極２２がべた形成されている。この第２の絶縁基板の主面と第１の絶縁基板の主面の対向間隙に液晶２５が封入されている。画素電極４８および対向で２２と液晶２５との界面には液晶配向制御能を付与した配向膜が形成されているが、図示は省略してある。これは、図２以下においても同様である。
【００２６】
上ガラス基板２１の表面（観察面）には上偏光板２０Ａが貼付され、下ガラス基板２７の表面（背面）には下偏光板２０Ｂが貼付されて液晶表示パネルを構成している。通常、上偏光板２０Ａの光吸収軸と下偏光板２０Ｂの光吸収軸とはクロスニコル配置される。この液晶表示パネルを構成する下ガラス基板２７の裏面にバックライト２９が設置されている。
【００２７】
なお、図１は上ガラス基板２１の主面に対向電極２２を有する形式の液晶表示パネルを用いた液晶表示装置であるが、対向電極２２を下ガラス基板２７の主面に設けた形式の液晶表示パネルの場合でも、電極配置・電極形状をのぞいて、光検出ＴＦＴとスイッチＴＦＴからなる画素回路は同様の構成となる。
【００２８】
図２は、本発明の実施例１を説明する図１に示した画面入力機能付き液晶表示装置の１画素の断面図である。画面入力機能付き液晶表示装置は画面入力機能として光センサ（光検出手段）を備える。この光センサは、下ガラス基板２７の主面に形成され、光検出薄膜トランジスタ（光検出ＴＦＴ）６１とスイッチＴＦＴ６０との組み合わせによって構成される。なお、光検出ＴＦＴ６１とスイッチＴＦＴ６０は画素の表示も制御する。
【００２９】
図２では、この画素に操作者（利用者）の指５１等（以下、指）がタッチされたときの上体を示している。下ガラス基板２７の主面に形成される光検出ＴＦＴ６１は、上ガラス基板２１の主面に形成されるカラーフィルタ２３の下方に配置されている。バックライト２９からの光ＬＢＬは指５１で反射して反射光ＬＲＥＦとして上ガラス基板２１側からカラーフィルタ２３を透過し、光検出ＴＦＴ６１に入射する。なお、バックライト２９からの光ＬＢＬの一部も光検出ＴＦＴの下側から入射する。
【００３０】
一方、同様に、下ガラス基板２７の主面に形成されるスイッチＴＦＴ６０は、上ガラス基板２１の主面に形成されるブラックマトリクス２４の下方に配置されている。スイッチＴＦＴ６０では、指５１で反射したバックライト２９からの光ＬＢＬの反射光ＬＲＥＦはブラックマトリクス２４により遮光されるため、スイッチＴＦＴ６０に入射するのは背面からのバックライトから到来する光ＬＢＬだけとなる。
【００３１】
図３は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を照射する光の照度とドレイン電流の関係を説明する図である。図３の（ａ）は、ＴＦＴに光が照射されたときの光量に対するドレイン電流の依存性を示している。横軸はＴＦＴを照射する光Ｌの照度Ｅｖ、縦軸はＴＦＴのドレイン電流Ｉである。図３（ｂ）はＴＦＴにおける光照射とドレイン電流の模式図である。図３（ｂ）に示すように、ＴＦＴのドレインに高電位ＶＨ、ソースに低電位ＶＬを印加して、ゲートとソースをダイオード接続させることで、暗電流に起因したドレイン電流Ｉｏｆｆが生じる。また、光Ｌを照射した時の光のエネルギにより，ＴＦＴのチャネル中の電子が価電子帯から伝導帯に直接励起されて、光量Ｌに依存したドレイン電流Ｉが流れる。
【００３２】
ＴＦＴに光が照射されないときの照度を０とし、ＴＦＴに照射する光Ｌの照度がＥＶ１、ＥＶ２、ＥＶ３と高くなっていくにつれ、光Ｌの照度に比例してドレイン電流ＩがＩｏｆｆ、ＩＥＶ１、ＩＥＶ２、ＩＥＶ３と増加する。本実施例の画像表示装置は、ＴＦＴに光の光量に依存した電流が流れる特性を利用し、ＴＦＴをガラス基板上に作製することによって、タッチパネル機能などの入力機能が可能となる。
【００３３】
図４は、本発明の実施例１の画素構成を説明する等価回路図である。この画素は、液晶表示パネルの画面上（上ガラス基板の表面側）から入射した光を受ける光検出ＴＦＴ６１と、ブラックマトリクスなどで遮光され、液晶表示パネルの画面上から入射した光を受けないスイッチＴＦＴ６０を直列接続して構成される。光検出ＴＦＴ６１のソース電極に、保持容量ＣSTおよび液晶素子の画素電極（ＩＴＯ）を接続する。液晶素子は容量ＣLCで表記されている。光検出ＴＦＴ６１のゲート電極にはセンサ制御線１４０が、スイッチＴＦＴ６０のゲート電極にはゲート線１２０が接続されている。
【００３４】
スイッチＴＦＴ６０のドレイン電極にデータ線１１０が接続され、保持容量ＣSTの一端にストレージ線１５０が接続され、画像信号が液晶素子（ＣLC）の画素電極（ＩＴＯ）に供給される。また、光検出ＴＦＴ６１は、感光して生じた光電流Ｉｓｉｇをデータ線１１０を通じてセンサ信号処理回路（図１参照）に伝送する。画像信号の表示に必要となるスイッチＴＦＴ６０と、保持容量ＣST、データ線１１０、ゲート線１２０、ストレージ線１５０に加えて、光検出ＴＦＴ６１の素子を１個とセンサ制御線１４０を1本追加することによって、光検出ＴＦＴ６１の光検出信号をセンサ信号処理回路に伝送する構成であるため、画素構造が単純化され、画像表示装置への光センサ内蔵化に伴う画素開口率の低下を抑制して明るい表示画像を維持することができる。
【００３５】
図５は、図４で説明した画素回路をマトリクス状に配置した実施例１の部分等価回路図である。ここでは説明の関係上、３×２画素をマトリクス配置したものを示す。図５において、図４に示した構成の画素回路をマトリクス状に配置し、データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）に切り替えスイッチ８０（ｎ）、８０（ｎ＋１）、８０（ｎ＋２）を接続する。これらの切り替えスイッチ８０（ｎ）、８０（ｎ＋１）、８０（ｎ＋２）のオン・オフによって、後述するゲートドライバおよびデータドライバから供給される駆動信号および画像信号の伝送と、後述するセンサ信号処理回路への光電流Ｉsigの伝送を切り替える。
【００３６】
図６は、本発明の実施例１の画素回路の駆動タイミング図である。ここでは、説明の関係上、解像度がＱＶＧＡ（２４０：Ｒ，Ｇ，Ｂ×垂直）とする。画像表示装置は、通常６０Ｈｚの１フレーム期間１Ｆ内に、１画面分の画像信号が出力される。１フレーム期間は、ゲート線１２０（１）〜１２０（３２０）にＶＧ（１）からＶＧ（３２０）の制御信号（走査信号）が印加され、データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）に画像信号ＶＤ(ｎ)、ＶＤ(ｎ＋１)、ＶＤ(ｎ＋２)が入力される表示期間ＴDと、画像表示せずに３２０画素から１画素に帰線するブランキング期間ＴBとからなる。ここで、実施例１の光検出動作（光センス動作）は、ブランキング期間ＴB内で行われる。
【００３７】
ブランキング期間ＴBは、光検出ＴＦＴ６１と保持容量ＣST間の電位を初期化するプリチャージ期間ＴPと、光検出ＴＦＴ６１の光電流Ｉsigの発生と、光検出信号処理回路へ伝送する光センス期間ＴSに分かれる。まず、表示期間ＴDについて説明する。
【００３８】
ゲート信号に印加される走査信号ＶＧ(１)〜ＶＧ(３２０)が、それぞれローレベルからハイレベルになって、ゲート線１２０（１）に属する画素（第１ラインの画素）からゲート線１２０（３２０）に属する画素（第３２０ラインの画素）までを順に走査する。このときセンサ制御線１４０に印加される電位ＶＳは常にハイレベル（Ｈ）であり、光検出ＴＦＴ６１はオン状態にある。
【００３９】
データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）にはデータドライバから画像信号ＶＤ(ｎ)、ＶＤ(ｎ＋１)、ＶＤ(ｎ＋２)が供給されており、画面にはこの画像信号に基く画像が表示される。
【００４０】
次に、プリチャージ期間ＴPについて説明する。表示期間ＴDに続くプリチャージ期間ＴPでは、ゲート１２０（１）〜１２０（３２０）に印加される走査信号ＶＧ(１)〜ＶＧ(３２０)、およびセンサ制御線１４０に印加される電圧ＶＳが常にハイレベル（Ｈ）の状態を保つ。データドライバから全てのデータ線に画像信号ＶＤ(ｎ)、ＶＤ(ｎ＋１)、ＶＤ(ｎ＋２)に代えてハイレベル（Ｈ）を入力することで、補助容量間の電位差を初期化する。次に、センサ制御線１４０に印加される電圧ＶＳと、データ線に印加する電圧ＶＤ(ｎ)、ＶＤ(ｎ＋１)、ＶＤ(ｎ＋２)をローレベル（Ｌ）とすることで、光検出ＴＦＴ６１のドレインにロー（Ｌ）電位が印加され、受光した光量に応じたドレイン電流が流れる状態となり、プリチャージ期間は終了する。
【００４１】
次に、光検出（センス）期間について説明する。センサ制御線１４０に印加される電圧ＶＳはローレベル（Ｌ）保ち、切り替えスイッチ８０（ｎ）、８０（ｎ＋１）、８０（ｎ＋２）の切り替え信号ＳＷがハイレベル（Ｈ）からローベル（Ｌ）になることで、データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）は、データドライバから分離され、センサ信号処理回路と導通する。ゲート線１２０（１）〜１２０（３２０）の電位ＶＧ(１)〜ＶＧ(３２０)がローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）になることで、この間に光検出ＴＦＴ６１が感光して生じたドレイン電流が、データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）上の信号ＶＤ(ｎ)、ＶＤ(ｎ＋１)、ＶＤ(ｎ＋２)として読み出されて、電圧変換された電位差ΔＶＳとしてセンサ信号処理回路に伝送される。
【００４２】
また、データ線１１０（ｎ）、１１０（ｎ＋１）、１１０（ｎ＋２）上の信号ＶＧ（１）〜ＶＧ（３２０）は、１番目の画素から３２０番目の画素まで走査する。ここで、光検出ＴＦＴに入射する光の強度が強いほど、電位差ΔＶＳは大きくなる。図９で後述するセンサ信号処理回路で、画面を指で触れたかを、この電位差ΔＶＳによって判断する。
【００４３】
図７は、本発明の画像表示装置の全体の回路構成を説明する図である。ＴＦＴ基板であるガラス基板上に、ゲートドライバ１２と、データドライバ１１と、センサドライバ１４と、センサ信号処理回路１３が形成される。画素領域（表示領域）１６には、データドライバ１１から複数のデータ線１１０（１）、１１０（２）が図７の紙面の垂直方向に配線され、切り替えスイッチ８０を介してデータドライバ１１に接続される。ゲートドライバ１２から複数のゲート線１２０、およびセンサドライバ１４から複数のセンサ制御線１４０が紙面の水平方向に配線される。図７は、表示領域１６に所定の画像が表示されている状態を示しており、“＃１”、“＃２”、“＃３”、“＃４”の４個のタッチボタンの表示が配置されている。４個のタッチボタンの中心にあたる画素部に、図４に示した画素構成が内蔵されている。表示領域１６内に形成されている光センサの信号電圧をセンサ信号処理回路１３に伝送する。
【００４４】
図８は、本発明の実施例１のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を示す図である。各ＴＦＴのソース、ドレインは、図２に示したように、ポリシリコン層によって形成されている。また、データ線１１０（１）、１１０（２）、センサ制御線１４０（１）、１４０（２）、容量線（ストレージ線）１５０（１）、１５０（２）、および各ＴＦＴのゲート電極は、ゲートメタル層で形成されている。また、データ線１１０（１）、１１０（２）は、金属配線層で形成されている。図８中、ＰＩＸ１、ＰＩＸ２、ＰＩＸ３、・・・は１画素の領域を示す。
【００４５】
表示電極４８（ＩＴＯ）は、画素領域（例えば、ＰＩＸ２で）の大部分を占め、コンタクトホール４９を通して光検出ＴＦＴ６１のソース・ドレイン電極を構成する金属配線層に接続されている。光検出ＴＦＴ６１とスイッチＴＦＴ６０は、ソース・ドレイン電極の一方同士が直列接続されるため、両者の接続点Ａにはコンタクトホールを形成する必要がなく、レイアウト面積の縮小が可能である。
【００４６】
スイッチＴＦＴ６０上のカラーフィルタ基板には、ブラックマトリクス２４が位置している。さらに、データ線１１０（１）、１１０（２）の金属配線層の下には、ゲートメタル層と、光検出ＴＦＴ６１の半導体膜（ポリシリコン層）で保持容量ＣST７１が形成される。
【００４７】
図９は、本発明の実施例１におけるセンサ信号処理回路の構成例を説明する図である。センサ信号処理回路１３は比較回路を構成している。データ線１１０（１）、１１０（２）に接続された端子ＳＳ１、ＳＳ２は、選択スイッチ７４及び選択スイッチ７５を介して、サンプルホールド回路７１に接続され、端子ＳＷ１、ＳＷ２はそれぞれ選択スイッチ７４、選択スイッチ７５を構成するＴＦＴのゲート電極と接続され、センサドライバから信号が供給され、選択スイッチ７４と選択スイッチ７５を制御して、サンプルホールド回路７１に入力されるデータ線１１０（１）と１１０（２）を選択する。
【００４８】
サンプルホールド回路７１にデータ線１１０（１）と１１０（２）に生じる信号電圧ΔＶＳが入力されると、所定の期間中にサンプリングを行い、サンプリングデータを保持し、その間に増幅器７２がサンプリングデータと判定基準電圧ＶＲＥＦとの差ΔＶを増幅してラッチ回路７３に伝送する。ラッチ回路７３は、増幅回路７２から送られてくる信号を基に最終的に２値のデジタル判定信号ＶＯＵＴを出力する。
【００４９】
図１０は、本発明の実施例１におけるタッチ機能使用時の表示画面の説明図である。図１０は、表示領域１６に所定の画像が表示されている状態を示しており、“Select Ａ−Ｄ”の文字と供に、“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”と記載されたスイッチ状の表示１０がなされている。これは、ユーザによって、“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、または“Ｄ”のスイッチが選択的にタッチ入力されることを待っている状態である。ユーザにより画面上の“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”または、“Ｄ”と記載されたスイッチ状の表示がタッチされたことは、図４の画素回路内の光検出ＴＦＴ６１の信号電圧ΔＶＳをセンサ信号処理回路１３に伝送し、２値の判定信号ＶＯＵＴによってタッチの有無の判定が行われる。
【００５０】
図１１は、本発明に係る画像表示装置を適用したモバイル用電子機器の一例を示す図である。このモバイル用電子機器には表示画面３を構成する画像表示装置２が実装される他、操作部に十字キー４を装備している。このモバイル用電子機器に本発明に係る画面入力機能付き画像表示装置を適用することで、画像表示装置の表示画面上に表示されるアイコン表示などを指先でタッチすることで、従来のような専用のタッチパネルモジュールを表示画面に重ねて設置するが必要なく、軽量、薄型、明るい画面のモバイル用電子機器を得ることができる。なお、十字キー４などの操作キー（ボタン）を画面内に表示させることもできる。
【００５１】
図１２は、本発明の実施例２の画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。実施例２は、“ＲＥＤ”（赤）、“ＧＲＥＥＮ”（緑）、“ＢＬＵＥ”（青）、“ＷＨＩＴＥ”（白）の４画素で１カラー画素を構成した。この画像表示装置において、図４の画素回路を“ＷＨＩＴＥ”画素に内蔵させている。その他は、図５で説明した本発明の実施例１と同構成である。
【００５２】
図１３は、本発明の実施例２の画素回路の動作を説明する駆動タイミングである。“ＷＨＩＴＥ”画素は図６の駆動タイミングと同様に動作する。“ＲＥＤ”、“ＧＲＥＥＮ”、“ＢＬＵＥ”画素においては、通常の液晶表示装置の駆動と同様であるので、図１２と共に繰り返しの説明はしない。
【００５３】
図１４は、本発明の実施例のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。図１４では、“ＷＨＩＴＥ”画素のみが図８に示し他実施例１のレイアウト例と同構成である。
【００５４】
図１５は、本発明の実施例３の画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。図１５では、センサ線１４０（１）を画素ＰＩＸ１と画素ＰＩＸ２の２画素で共用していること以外は、図５の実施例１と同構成である。実施例１に対して、センサ線の共用化により、１画素あたりの配線数を削減することができ、光センサ内蔵画像表示装置の画素開口率のさらなる向上が可能となる。
【００５５】
図１６は、本発明の実施例３のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。実施例３では、画素ＰＩＸ１と画素ＰＩＸ２をデータ線の延在方向に沿った上下方向対称にレイアウトしている。この配置とすることによって、スイッチＴＦＴ６０のデータ線１１０とのンタクト部を共通化することができ、さらにスイッチ線１４０の共通化と合わせて、実施例１に対して、１画素あたりの配線数を削減することができ、光センサ内蔵画像表示装置の画素開口率の向上がさらに可能となる。
【００５６】
図１７は、本発明の画像表示装置の実施例４における画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。実施例１に対して、センサ線１５０（１）、１５０（２）、１５０（３）をストレージ線に代用し（又は、ストレージ線をセンサ線に代用し）、画素ＰＩＸ２の光検出ＴＦＴ６１のゲート電極に、データ線上の上流に位置するセンサ線１５０（２）を接続した構成としたこと以外は、図５の実施例１と同構成である。ストレージ線又はセンサ線の一方を要しないことによって、実施例２に比べ、１画素あたりの配線数を削減することができ、光センサ内蔵画像表示装置の画素開口率の向上がさらに可能となる。
【００５７】
図１８は、本発明の実施例４の画素回路の動作を説明する駆動タイミングである。図１８に示した駆動タイミングは、ストレージ線１５０に印加される電圧ＶSTが、図６のセンサ制御線１４０への印加電圧ＶＳと同じ駆動タイミングになっていること以外は、図６の実施例１の駆動タイミングと同様である。
【００５８】
図１９は、本発明の実施例４のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。実施例４では、図１６の実施例３に対して、センサ制御線１４０への印加電圧ＶＳが削減されるため、実施例３に比べ、１画素あたりの配線数をさらに削減することができ、光センサ内蔵画像表示装置の画素開口率のさらなる向上が可能となる。
【００５９】
以上の各実施例は液晶表示装置に本発明を適用したものであるが、本発明は上記の各実施例で説明したＴＦＴ基板を用いた他の表示原理を用いた画像表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置にも同様に適用できる。有機ＥＬ表示装置の場合は、画素電極を一方の電極とし、画素の開口部を規定するバンクを形成する。バンクで囲まれる内側で、一方の電極の上層に有機ＥＬ発光層を積層し、さらにその上層を覆って他方の電極を成膜する。バンクは光吸収性絶縁材を用いてブラックマトリクス機能を持たせる。
【００６０】
この有機ＥＬ表示装置の場合、ＴＦＴ基板に有するスイッチＴＦＴおよび光検出ＴＦＴの直列回路において、スイッチＴＦＴはバンクで隠される領域に形成し、光検出ＴＦＴを画素の開口部に設けることで液晶表示と同様の動作を行わせる。タッチ操作の検知信号の生成、判定信号を生成するセンサ信号処理は実施例１〜４での説明と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１を説明する画面入力機能付き液晶表示装置の展開斜視図である。
【図２】本発明の実施例１を説明する図１に示した画面入力機能付き液晶表示装置の１画素の断面図である。
【図３】薄膜トランジスタを照射する光の照度とドレイン電流の関係を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１の画素構成を説明する等価回路図である。
【図５】図４で説明した画素回路をマトリクス状に配置した実施例１の部分等価回路図である。
【図６】本発明の実施例１の画素回路の駆動タイミング図である。
【図７】本発明の画像表示装置の全体の回路構成を説明する図である。
【図８】本発明の実施例１のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を示す図である。
【図９】本発明の実施例１におけるセンサ信号処理回路の構成例を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例１におけるタッチ機能使用時の表示画面の説明図である。
【図１１】本発明に係る画像表示装置を適用したモバイル用電子機器の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施例２の画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。
【図１３】本発明の実施例２の画素回路の動作を説明する駆動タイミングである。
【図１４】本発明の実施例のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。
【図１５】本発明の実施例３の画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。
【図１６】本発明の実施例３のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。
【図１７】本発明の画像表示装置の実施例４における画素回路をマトリクス状に配置した部分等価回路図である。
【図１８】本発明の実施例４の画素回路の動作を説明する駆動タイミングである。
【図１９】本発明の実施例４のＴＦＴ基板上でのレイアウトの一例を説明する図である。
【図２０】画素単位に光センサを形成した一般的な液晶表示パネルの従来例の画素構成を説明する等価回路図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１・・・データドライバ、１２・・・ゲートドライバ、１３・・・センサ信号処理回路、１４・・・センサドライバ、１６・・・表示領域（画素領域）、１７・・・フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）、１８・・・配線、２１・・・第２の絶縁基板である上ガラス基板、２２・・・対向電極、２４・・・遮光膜（ブラックマトリクス）、２５・・・液晶、２７・・・第１の絶縁基板（ＴＦＴ基板、下ガラス基板）、２９・・・バックライト、４８・・・画素電極、５０・・・画素の開口、６０・・・スイッチＴＦＴ、６１・・・光検出ＴＦＴ、７０・・・液晶容量、７１・・・保持容量、１１０・・・データ線、１２０・・・ゲート線、１４０・・・センサ制御線、１５０・・・ストレージ線。
【図１】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２】
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