JP2004078613A - タッチパネル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】タッチパネルとフロントライトとを組み合わせても、輝度の低下を抑えて、良好な視認性を実現できるフロントライト一体型のタッチパネル装置を提供する。
【解決手段】ガラス製の基板１は、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを兼ねており、接触位置を検出するための弾性表面波を伝播する機能と、光源２からの光を伝播して反射型の液晶ディスプレイ３側へ導出する機能とを併せて持っている。外光により液晶ディスプレイ３の画像を視認する場合には（太実線矢印）、基板１を透過した外光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が再び基板１を透過して前面に出射される。フロントライト機能を利用する場合には（細実線矢印）、光源２から基板１へ入射された光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が基板１を透過して前面に出射される。
【選択図】 図３
【解決手段】ガラス製の基板１は、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを兼ねており、接触位置を検出するための弾性表面波を伝播する機能と、光源２からの光を伝播して反射型の液晶ディスプレイ３側へ導出する機能とを併せて持っている。外光により液晶ディスプレイ３の画像を視認する場合には（太実線矢印）、基板１を透過した外光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が再び基板１を透過して前面に出射される。フロントライト機能を利用する場合には（細実線矢印）、光源２から基板１へ入射された光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が基板１を透過して前面に出射される。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、指，ペンなどの物体が接触した位置を検出するタッチパネル装置に関し、特に、反射型の液晶ディスプレイに使用されるフロントライトを一体に備えるタッチパネル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主としてパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムの普及に伴って、コンピュータシステムにより情報が表示される液晶ディスプレイの表示画面上を指またはペンなどの物体で指示することにより、新たな情報を入力したり、コンピュータシステムに対して種々の指示を与えたりするタッチパネル装置が利用されている。
【０００３】
液晶ディスプレイは、大別すると透過型と反射型とに分類される。透過型の液晶ディスプレイは、液晶パネルの背面に備えられた光源（バックライト）からの透過光で画像を視認させる構成である。透過型の液晶ディスプレイを備えるタッチパネル装置は、バックライトの使用が必須であるため、バックライトにより消費電力が大きくなってバッテリ電源の駆動時間が短くなり、携帯電話機，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの携帯型の電子機器には不向きである。
【０００４】
そこで、消費電力を下げるために、バックライトを必要としない反射型の液晶ディスプレイが使用される。この反射型の液晶ディスプレイは、液晶パネルの前面から入射した光を液晶パネルの背面で反射させてその反射光で画像を視認させる構成である。反射型の液晶ディスプレイを備えるタッチパネル装置は、バックライトを使用しないので消費電力が少なくて済む点に加えて、屋外での使用において外光下での視認性に優れる点でも、携帯型の電子機器に適している。
【０００５】
反射型の液晶ディスプレイを備えるこのようなタッチパネル装置にあっては、外光から十分な光量が得られない場合、及び、夜間時においても使用できるように、反射型の液晶ディスプレイを液晶パネルの前面から照明するための光源（フロントライト）を備え、外光とフロントライトからの光とを共用するようにした構成が一般的である。
【０００６】
図８は、従来のタッチパネル装置の構成を示す断面図である。このタッチパネル装置は、タッチパネル５１とフロントライト５２と反射型の液晶ディスプレイ５３とを組合わせて構成される。タッチパネル５１は、超音波を発信する複数の発信素子と超音波を受信する複数の受信素子とをガラス基板５１ａに形成して構成されており、発信素子と受信素子との間でガラス板５１ａに超音波を伝播させ、ガラス板５１ａに指またはペンなどの物体が接触することによって生じる超音波の減衰を検知して、物体の接触位置を検出する。タッチパネル５１と液晶ディスプレイ５３との間に介在されるフロントライト５２は、光を発する長尺状の光源５２ａと、光源５２ａからの光を面状の光に変換して出射する面状導光体５２ｂとを有する。
【０００７】
図９は、従来のタッチパネル装置における光路を示す図である。外光により液晶ディスプレイ５３の画像を視認する場合には、図９の太実線矢印に示すように、タッチパネル５１（ガラス板５１ａ）及びフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）を透過した外光が液晶ディスプレイ５３で反射され、その反射光が再びフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）及びタッチパネル５１（ガラス板５１ａ）を透過して前面（図９の上面）に出射される。また、フロントライト５２を用いる場合には、図９の細実線矢印に示すように、光源５２ａから面状導光体５２ｂへ導入された光が液晶ディスプレイ５３で反射され、その反射光がフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）及びタッチパネル５１（ガラス板５１ａ）を透過して前面（図９の上面）に出射される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような光路においては、４箇所の光学的界面（ガラス板５１ａの前面（図９の上面）及び背面（図９の下面）並びに面状導光体５２ｂの前面（図９の上面）及び背面（図９の下面））が存在するので、夫々の光学的界面において、図９の破線に示すように、入射光が反射する。これらの破線で示す反射光は液晶ディスプレイ５３の画像視認には寄与しないため、必要な光量が減少して視認性が悪いという問題がある。
【０００９】
具体的には、表面コーティングによる無反射処理（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ 処理：ＡＲ処理）を行わない場合の各光学的界面での反射率は４％程度、ＡＲ処理を行った場合の各光学的界面での反射率は１％程度であるので、外光利用の場合には、８箇所の光学的界面を光が通るので、ＡＲ処理がなされていないときには３２％、ＡＲ処理がなされているときでも８％の光量が減衰して表示輝度が低下する。また、フロントライト５２を用いる場合には、４箇所の光学的界面を光が通るので、ＡＲ処理がなされていないときには１６％、ＡＲ処理がなされているときでも４％だけ表示輝度が低下する。
【００１０】
このようにタッチパネルとフロントライトと反射型の液晶ディスプレイとを組み合わせた従来のタッチパネル装置では、タッチパネル及びフロントライトにおける反射光によって、表示輝度が低下して視認性が悪いという問題がある。
【００１１】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、タッチパネルとフロントライトとを組み合わせても、輝度の低下を抑えて、良好な視認性を実現できるフロントライト一体型のタッチパネル装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るタッチパネル装置は、基板に超音波を伝播させ、前記基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、前記基板は透光性を有しており、前記基板に入射される光を発する光源と、該光源から前記基板に入射された光を外部へ導出する光導出手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
第１発明のタッチパネル装置にあっては、物体の接触位置を検出するために超音波を伝播する機能と、光源からの光を伝播して外部に出射する機能とを、１つの基板に併せて持たせ、つまり、タッチパネルにおける基板とフロントライトにおける基板とを共用化する。よって、従来例と比べて、光学的界面の数が半減するので、反射光による輝度の低下も半減して、視認性は向上する。
【００１４】
請求項２に係るタッチパネル装置は、請求項１において、前記光導出手段は、前記光源から前記基板に入射された光を、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面から外部へ導出すべくなしてあることを特徴とする。
【００１５】
第２発明のタッチパネル装置にあっては、光源から基板に入射された光を、接触位置検出面とは反対側の面から外部（反射型の液晶ディスプレイ）へ導出する。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００１６】
請求項３に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段の光屈折率は、前記基板の光屈折率より大きいことを特徴とする。
【００１７】
第３発明のタッチパネル装置にあっては、基板より大きい光屈折率を有する部分を基板に設けておくことにより、基板内を伝播する光の全反射条件を崩して、基板の表面から外部へ光を出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００１８】
請求項４に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数の溝であることを特徴とする。
【００１９】
第４発明のタッチパネル装置にあっては、基板の面に複数の溝を設けておくことにより、基板内を伝播した光を溝により反射させて外部へ出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００２０】
請求項５に係るタッチパネル装置は、請求項４において、前記溝の形成方向が、前記基板の前記反対側の面の法線方向に対して３５〜５５°の角度をなすことを特徴とする。
【００２１】
第５発明のタッチパネル装置にあっては、溝の形成方向を基板の面の法線方向に対して３５〜５５°の角度にしている。よって、溝による反射光を基板の面に略垂直に出射させる。よって、効率良く反射型の液晶ディスプレイへ光が照射される。
【００２２】
請求項６に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数のプリズムであることを特徴とする。
【００２３】
第６発明のタッチパネル装置にあっては、基板の面に複数のプリズムを設けておくことにより、基板内を伝播した光をプリズムを介して外部へ出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００２４】
請求項７に係るタッチパネル装置は、第１基板に超音波を伝播させ、前記第１基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、光を発する光源と、該光源からの光が入射され、入射された光を外部へ導出する光導出手段を有する第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板を接着させる接着剤層とを備えることを特徴とする。
【００２５】
第７発明のタッチパネル装置にあっては、タッチパネル用の第１基板とフロントライト用の第２基板とを接着剤にて接着させている。よって、光学的界面における反射光は従来例と比べて少なくなるため、反射光による輝度の低下も少なくなって、視認性は向上する。また、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを夫々に作製して接着させるため、第１発明のように一体的に製造するよりも、その製造工程は容易である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
（第１実施の形態）
図１，図２は、本発明の第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図，平面図である。図１，図２において、１は、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを兼ねるガラス製の基板である。この基板１は、接触位置を検出するための弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ ：ＳＡＷ） を伝播する機能と、線状の光源２からの光を伝播して反射型の液晶ディスプレイ３へ出射する機能とを併せて持っている。
【００２７】
光源２は、例えば長尺円柱状の蛍光管にて構成され、基板１の一端面に長軸面を対向させており、光源２と基板１とは光学的に結合されている。基板１に光源２から入射した拡散光は、基板１中を伝播してその表面に達する。一般的に、基板１中を伝播してその表面に達する光の角度は全反射角度以上であるので、そのまま全反射して、外部へ出射されることがない。そこで、この第１実施の形態では、基板１の接触位置検出面とは反対側の面（液晶ディスプレイ３に対向する側の面）には、フロントライト機能（内部を伝播された光を背面側（図１の下面側）の液晶ディスプレイ３へ出射させる機能）を果たすための階段状加工が施されている。この結果、光源２から発せられた光は、基板１内に入射されて、基板１内を伝播し、背面側（図１の下面側から）外部に出射されて液晶ディスプレイ３へ照射される。このように、本発明の基板１は、面状導光体として機能する。
【００２８】
図２を参照して、本発明のタッチパネル装置における接触位置の検出機能について説明する。基板１のＸ方向，Ｙ方向夫々の一端部には、弾性表面波を励振する複数の励振素子１１が、一列状に配置して設けられている。また、基板１のＸ方向，Ｙ方向夫々の他端部には、各励振素子１１に対向させた態様で、弾性表面波を受信する複数の受信素子１２が、一列状に配置して設けられている。励振素子１１及び受信素子１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）の薄膜でパターン形成した櫛形電極（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）１３と、これに積層させた例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電薄膜１４とから構成されている。
【００２９】
そして、各励振素子１１に周期信号を入力して弾性表面波を励振させて、基板１を伝播させ、伝播した弾性表面波を対向する受信素子１２で受信させる。基板１上の弾性表面波の伝播路に物体（指またはペンなど）が接触した場合に、弾性表面波は減衰する。よって、受信素子１２の受信信号のレベル減衰の有無を検知することによって、物体の接触の有無及びその接触位置を検出することが可能である。
【００３０】
図３は、本発明のタッチパネル装置における光路を示す図である。外光により液晶ディスプレイ３の画像を視認する場合には、図３の太実線矢印に示すように、基板１を透過した外光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が再び基板１を透過して前面（図３の上面）に出射される。また、フロントライト機能を利用する場合には、図３の細実線矢印に示すように、光源２から基板１へ入射された光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が基板１を透過して前面（図３の上面）に出射される。
【００３１】
このような光路においては、２箇所の光学的界面（基板１の前面（図３の上面）及び背面（図３の下面））が存在するので、夫々の光学的界面において、図３の破線に示すように、入射光が反射する。しかし、この光学的界面は２箇所しかなく、前述した従来例（４箇所：図９参照）に比べて、反射光による光量減衰は少ない。具体的には、表示輝度の低下が、従来例と比較して、外光利用の場合に、ＡＲ処理を行わないときで３２％から１６％に、ＡＲ処理を行ったときで８％から４％に改善され、フロントライト機能を利用する場合に、ＡＲ処理を行わないときで１６％から８％に、ＡＲ処理を行ったときで４％から２％に改善される。この結果、本発明のタッチパネル装置では、従来例と比較して、視認性が大幅に向上する。
【００３２】
次に、基板１内を伝播した光を反射型の液晶ディスプレイ３側へ確実に導出できるようにした実施の形態（第２〜第４実施の形態）について説明する。
【００３３】
（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図４において、図１と同一部分には同一番号を付している。第２実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）の複数箇所に、基板１（ガラス）よりも光屈折率が大きい透光性の樹脂からなる高屈折率部分４が設けられている。この高屈折率部分４は、光屈折率が大きい樹脂材料を基板１に印刷法により付着させて形成することができる。
【００３４】
この第２実施の形態では、高屈折率部分４を設けることにより、導光体となる基板１内を伝播する光の全反射条件を崩して、光を液晶ディスプレイ３側へ導出させる。具体的には、図４の拡大図の細実線矢印で示すように、基板１の背面に全反射角度で達した光は、透光性の高屈折率部分４に進み、その高屈折率部分４から液晶ディスプレイ３側へ出射する。
【００３５】
高屈折率部分４の形成ピッチが一定である場合には、高屈折率部分４の面積を光源２から遠くになるにつれて大きくする、または、高屈折率部分４の面積が一定である場合には、高屈折率部分４の形成ピッチを光源２から遠くになるにつれて短くすることにより、基板１から出射する光の輝度を基板１の背面全体にわたって均一にできる。
【００３６】
なお、第２実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００３７】
（第３実施の形態）
図５は、本発明の第３実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図５において、図１と同一部分には同一番号を付している。第３実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）の複数箇所に、所定ピッチで微小な溝５が設けられている。溝５の形成方向は、図５の拡大図に示すように、基板１の背面の法線方向に対して３５°〜５５°の角度をなしている。この溝５は、レジスト膜をパターニングした後、ウエットエッチングまたはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ），ミリングなどのドライエッチングにより加工形成することができる。
【００３８】
この第３実施の形態では、図５の拡大図の細実線矢印で示すように、導光体となる基板１内を伝播する光が溝５にて背面側（図５の下面側）に反射して、その反射光が液晶ディスプレイ３側へ導出される。ここで、溝５の形成方向を基板１の背面の法線方向から３５°〜５５°好ましくは４５°とすることにより、略垂直に光を出射することができて、反射型の液晶ディスプレイ３を効率良く照射することができる。
【００３９】
なお、第３実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００４０】
（第４実施の形態）
図６は、本発明の第４実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図６において、図１と同一部分には同一番号を付している。第４実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）に、０．１ｍｍ程度の細かいピッチにてプリズム６が形成されている。このプリズム６は、基板１の背面を切削加工して形成することができる。
【００４１】
この第４実施の形態では、プリズム６を設けることにより、導光体となる基板１内を伝播する光の全反射条件を崩して、光を液晶ディスプレイ３側へ導出させる。具体的には、図６の拡大図の細実線矢印で示すように、光源２から入射されて基板１を伝播した光は、プリズム６を介して液晶ディスプレイ３側へ出射する。
【００４２】
なお、上記例では、基板１の背面にプリズム６を直接形成するようにしたが、多数のプリズムを形成したシートで基板１の背面を被うようにしても、同様の効果を奏する。
【００４３】
なお、第４実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００４４】
（第５実施の形態）
図７は、本発明の第５実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。第５実施の形態のタッチパネル装置では、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とが接着剤にて貼り合わされている。
【００４５】
タッチパネル２１は、例えばガラス製の第１基板２４に、櫛形電極１３及び圧電薄膜１４からなる第１〜第４実施の形態と同様の図２に示すような励振素子１１及び受信素子１２を設けて構成されている。また、フロントライト２３は、面状導光板としての樹脂製の第２基板２５を有する。そして、タッチパネル２１の第１基板２４の背面と、フロントライト２３の第２基板２５の前面とが、透光性の接着剤層２３を介して接着されている。
【００４６】
第２基板２５の背面（タッチパネル２１とは反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）には、第１実施の形態の基板１と同様に、階段状加工が施されており、光源２から発せられた光は、第１基板２４及び第２基板２５に入射されて、それらの内部を伝播し、背面側（図７の下面側）外部に出射されて液晶ディスプレイ３へ照射される。
【００４７】
第１基板２４，第２基板２５，接着剤層２３の光屈折率を夫々ｎ１ ，ｎ２ ，ｎ３ とした場合に、それらの光屈折率ｎ１ ，ｎ２ ，ｎ３ は下記の条件を満たしている。
ｎ１ ≦ｎ３ ≦ｎ２
【００４８】
このような光屈折率の条件を満たすことにより、従来例と比べて光学的界面の数を実質的に少なくして無駄な反射光の影響を低減することができ、実施の形態１〜４に準じた高い光透過率及び良好な視認性を実現できる。
【００４９】
なお、このような構成のタッチパネル装置は、第１基板２４に励振素子１１及び受信素子１２を形成し、第２基板２５に階段状加工を形成した後、両基板２４，２５を接着させて作製しても良いし、まず第１基板２４及び第２基板２５を接着させ、その接着体に対して励振素子１１及び受信素子１２の形成、階段状加工の形成を行って作製しても良い。
【００５０】
また、第１基板２４と第２基板２５とを接着剤にて接着させるように構成したが、第１基板２４と第２基板２５とを直接接合させて、タッチパネル装置を構成するようにしても良い。また、第２基板２５に階段状加工を施すように構成したが、第４実施の形態の基板１と同様にプリズム加工を施すようにしても良い。
【００５１】
なお、上述した各実施の形態では、光源２として蛍光管などの線状光源を用いるようにしたが、ＬＥＤ（Ｌａｓｅｒ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とＬＥＤから導入される光を線状の光に変換して出力する線状導光体とを組み合わせて光源２を構成するようにしても良い。
【００５２】
また、上述した各実施の形態では、弾性表面波を伝播させて物体の接触位置を検出するようにしたが、他の種類の超音波を利用しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明のタッチパネル装置では、タッチパネルにおける基板とフロントライトにおける基板とを共用化するようにして基板の枚数を減らすようにしたので、従来例と比べて、光学的界面の数を低減できて、反射光による輝度の低下を抑えて、良好な視認性を実現することができる。
【００５４】
また、本発明のタッチパネル装置では、光源から基板に入射された光を、接触位置検出面とは反対側の面から外部（反射型の液晶ディスプレイ）へ導出するようにしたので、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光を照射することができる。
【００５５】
また、本発明のタッチパネル装置では、基板の光屈折率より大きい光屈折率を有する部分を基板の背面に設ける、基板の背面に複数の溝を設ける、または、基板の背面に複数のプリズムを設けるようにしたので、基板の背面から外部へ光を容易に導出でき、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光を照射することができる。基板の背面に設ける複数の溝の形成方向を、基板の背面の法線方向に対して３５〜５５°の角度にするようにしたので、効率良く略垂直に反射型の液晶ディスプレイへ光を照射することができる。
【００５６】
更に、本発明のタッチパネル装置では、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを接着剤にて接着一体化させるようにしたので、従来例と比べて、光学的界面における反射光を少なくでき、反射光による輝度の低下も少なくなって、視認性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図２】第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す平面図である。
【図３】本発明のタッチパネル装置における光路を示す図である。
【図４】第２実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図５】第３実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図６】第４実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図７】第５実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図８】従来のタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図９】従来のタッチパネル装置における光路を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光源
３ 液晶ディスプレイ
４ 高屈折率部分
５ 溝
６ プリズム
１１ 励振素子
１２ 受信素子
１３ 櫛形電極
１４ 圧電薄膜
２１ タッチパネル
２２ フロントライト
２３ 接着剤層
２４ 第１基板
２５ 第２基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、指，ペンなどの物体が接触した位置を検出するタッチパネル装置に関し、特に、反射型の液晶ディスプレイに使用されるフロントライトを一体に備えるタッチパネル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主としてパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムの普及に伴って、コンピュータシステムにより情報が表示される液晶ディスプレイの表示画面上を指またはペンなどの物体で指示することにより、新たな情報を入力したり、コンピュータシステムに対して種々の指示を与えたりするタッチパネル装置が利用されている。
【０００３】
液晶ディスプレイは、大別すると透過型と反射型とに分類される。透過型の液晶ディスプレイは、液晶パネルの背面に備えられた光源（バックライト）からの透過光で画像を視認させる構成である。透過型の液晶ディスプレイを備えるタッチパネル装置は、バックライトの使用が必須であるため、バックライトにより消費電力が大きくなってバッテリ電源の駆動時間が短くなり、携帯電話機，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの携帯型の電子機器には不向きである。
【０００４】
そこで、消費電力を下げるために、バックライトを必要としない反射型の液晶ディスプレイが使用される。この反射型の液晶ディスプレイは、液晶パネルの前面から入射した光を液晶パネルの背面で反射させてその反射光で画像を視認させる構成である。反射型の液晶ディスプレイを備えるタッチパネル装置は、バックライトを使用しないので消費電力が少なくて済む点に加えて、屋外での使用において外光下での視認性に優れる点でも、携帯型の電子機器に適している。
【０００５】
反射型の液晶ディスプレイを備えるこのようなタッチパネル装置にあっては、外光から十分な光量が得られない場合、及び、夜間時においても使用できるように、反射型の液晶ディスプレイを液晶パネルの前面から照明するための光源（フロントライト）を備え、外光とフロントライトからの光とを共用するようにした構成が一般的である。
【０００６】
図８は、従来のタッチパネル装置の構成を示す断面図である。このタッチパネル装置は、タッチパネル５１とフロントライト５２と反射型の液晶ディスプレイ５３とを組合わせて構成される。タッチパネル５１は、超音波を発信する複数の発信素子と超音波を受信する複数の受信素子とをガラス基板５１ａに形成して構成されており、発信素子と受信素子との間でガラス板５１ａに超音波を伝播させ、ガラス板５１ａに指またはペンなどの物体が接触することによって生じる超音波の減衰を検知して、物体の接触位置を検出する。タッチパネル５１と液晶ディスプレイ５３との間に介在されるフロントライト５２は、光を発する長尺状の光源５２ａと、光源５２ａからの光を面状の光に変換して出射する面状導光体５２ｂとを有する。
【０００７】
図９は、従来のタッチパネル装置における光路を示す図である。外光により液晶ディスプレイ５３の画像を視認する場合には、図９の太実線矢印に示すように、タッチパネル５１（ガラス板５１ａ）及びフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）を透過した外光が液晶ディスプレイ５３で反射され、その反射光が再びフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）及びタッチパネル５１（ガラス板５１ａ）を透過して前面（図９の上面）に出射される。また、フロントライト５２を用いる場合には、図９の細実線矢印に示すように、光源５２ａから面状導光体５２ｂへ導入された光が液晶ディスプレイ５３で反射され、その反射光がフロントライト５２（面状導光体５２ｂ）及びタッチパネル５１（ガラス板５１ａ）を透過して前面（図９の上面）に出射される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような光路においては、４箇所の光学的界面（ガラス板５１ａの前面（図９の上面）及び背面（図９の下面）並びに面状導光体５２ｂの前面（図９の上面）及び背面（図９の下面））が存在するので、夫々の光学的界面において、図９の破線に示すように、入射光が反射する。これらの破線で示す反射光は液晶ディスプレイ５３の画像視認には寄与しないため、必要な光量が減少して視認性が悪いという問題がある。
【０００９】
具体的には、表面コーティングによる無反射処理（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ 処理：ＡＲ処理）を行わない場合の各光学的界面での反射率は４％程度、ＡＲ処理を行った場合の各光学的界面での反射率は１％程度であるので、外光利用の場合には、８箇所の光学的界面を光が通るので、ＡＲ処理がなされていないときには３２％、ＡＲ処理がなされているときでも８％の光量が減衰して表示輝度が低下する。また、フロントライト５２を用いる場合には、４箇所の光学的界面を光が通るので、ＡＲ処理がなされていないときには１６％、ＡＲ処理がなされているときでも４％だけ表示輝度が低下する。
【００１０】
このようにタッチパネルとフロントライトと反射型の液晶ディスプレイとを組み合わせた従来のタッチパネル装置では、タッチパネル及びフロントライトにおける反射光によって、表示輝度が低下して視認性が悪いという問題がある。
【００１１】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、タッチパネルとフロントライトとを組み合わせても、輝度の低下を抑えて、良好な視認性を実現できるフロントライト一体型のタッチパネル装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るタッチパネル装置は、基板に超音波を伝播させ、前記基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、前記基板は透光性を有しており、前記基板に入射される光を発する光源と、該光源から前記基板に入射された光を外部へ導出する光導出手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
第１発明のタッチパネル装置にあっては、物体の接触位置を検出するために超音波を伝播する機能と、光源からの光を伝播して外部に出射する機能とを、１つの基板に併せて持たせ、つまり、タッチパネルにおける基板とフロントライトにおける基板とを共用化する。よって、従来例と比べて、光学的界面の数が半減するので、反射光による輝度の低下も半減して、視認性は向上する。
【００１４】
請求項２に係るタッチパネル装置は、請求項１において、前記光導出手段は、前記光源から前記基板に入射された光を、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面から外部へ導出すべくなしてあることを特徴とする。
【００１５】
第２発明のタッチパネル装置にあっては、光源から基板に入射された光を、接触位置検出面とは反対側の面から外部（反射型の液晶ディスプレイ）へ導出する。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００１６】
請求項３に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段の光屈折率は、前記基板の光屈折率より大きいことを特徴とする。
【００１７】
第３発明のタッチパネル装置にあっては、基板より大きい光屈折率を有する部分を基板に設けておくことにより、基板内を伝播する光の全反射条件を崩して、基板の表面から外部へ光を出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００１８】
請求項４に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数の溝であることを特徴とする。
【００１９】
第４発明のタッチパネル装置にあっては、基板の面に複数の溝を設けておくことにより、基板内を伝播した光を溝により反射させて外部へ出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００２０】
請求項５に係るタッチパネル装置は、請求項４において、前記溝の形成方向が、前記基板の前記反対側の面の法線方向に対して３５〜５５°の角度をなすことを特徴とする。
【００２１】
第５発明のタッチパネル装置にあっては、溝の形成方向を基板の面の法線方向に対して３５〜５５°の角度にしている。よって、溝による反射光を基板の面に略垂直に出射させる。よって、効率良く反射型の液晶ディスプレイへ光が照射される。
【００２２】
請求項６に係るタッチパネル装置は、請求項１または２において、前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数のプリズムであることを特徴とする。
【００２３】
第６発明のタッチパネル装置にあっては、基板の面に複数のプリズムを設けておくことにより、基板内を伝播した光をプリズムを介して外部へ出射させる。よって、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光が照射される。
【００２４】
請求項７に係るタッチパネル装置は、第１基板に超音波を伝播させ、前記第１基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、光を発する光源と、該光源からの光が入射され、入射された光を外部へ導出する光導出手段を有する第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板を接着させる接着剤層とを備えることを特徴とする。
【００２５】
第７発明のタッチパネル装置にあっては、タッチパネル用の第１基板とフロントライト用の第２基板とを接着剤にて接着させている。よって、光学的界面における反射光は従来例と比べて少なくなるため、反射光による輝度の低下も少なくなって、視認性は向上する。また、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを夫々に作製して接着させるため、第１発明のように一体的に製造するよりも、その製造工程は容易である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
（第１実施の形態）
図１，図２は、本発明の第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図，平面図である。図１，図２において、１は、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを兼ねるガラス製の基板である。この基板１は、接触位置を検出するための弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ ：ＳＡＷ） を伝播する機能と、線状の光源２からの光を伝播して反射型の液晶ディスプレイ３へ出射する機能とを併せて持っている。
【００２７】
光源２は、例えば長尺円柱状の蛍光管にて構成され、基板１の一端面に長軸面を対向させており、光源２と基板１とは光学的に結合されている。基板１に光源２から入射した拡散光は、基板１中を伝播してその表面に達する。一般的に、基板１中を伝播してその表面に達する光の角度は全反射角度以上であるので、そのまま全反射して、外部へ出射されることがない。そこで、この第１実施の形態では、基板１の接触位置検出面とは反対側の面（液晶ディスプレイ３に対向する側の面）には、フロントライト機能（内部を伝播された光を背面側（図１の下面側）の液晶ディスプレイ３へ出射させる機能）を果たすための階段状加工が施されている。この結果、光源２から発せられた光は、基板１内に入射されて、基板１内を伝播し、背面側（図１の下面側から）外部に出射されて液晶ディスプレイ３へ照射される。このように、本発明の基板１は、面状導光体として機能する。
【００２８】
図２を参照して、本発明のタッチパネル装置における接触位置の検出機能について説明する。基板１のＸ方向，Ｙ方向夫々の一端部には、弾性表面波を励振する複数の励振素子１１が、一列状に配置して設けられている。また、基板１のＸ方向，Ｙ方向夫々の他端部には、各励振素子１１に対向させた態様で、弾性表面波を受信する複数の受信素子１２が、一列状に配置して設けられている。励振素子１１及び受信素子１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）の薄膜でパターン形成した櫛形電極（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）１３と、これに積層させた例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電薄膜１４とから構成されている。
【００２９】
そして、各励振素子１１に周期信号を入力して弾性表面波を励振させて、基板１を伝播させ、伝播した弾性表面波を対向する受信素子１２で受信させる。基板１上の弾性表面波の伝播路に物体（指またはペンなど）が接触した場合に、弾性表面波は減衰する。よって、受信素子１２の受信信号のレベル減衰の有無を検知することによって、物体の接触の有無及びその接触位置を検出することが可能である。
【００３０】
図３は、本発明のタッチパネル装置における光路を示す図である。外光により液晶ディスプレイ３の画像を視認する場合には、図３の太実線矢印に示すように、基板１を透過した外光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が再び基板１を透過して前面（図３の上面）に出射される。また、フロントライト機能を利用する場合には、図３の細実線矢印に示すように、光源２から基板１へ入射された光が液晶ディスプレイ３で反射され、その反射光が基板１を透過して前面（図３の上面）に出射される。
【００３１】
このような光路においては、２箇所の光学的界面（基板１の前面（図３の上面）及び背面（図３の下面））が存在するので、夫々の光学的界面において、図３の破線に示すように、入射光が反射する。しかし、この光学的界面は２箇所しかなく、前述した従来例（４箇所：図９参照）に比べて、反射光による光量減衰は少ない。具体的には、表示輝度の低下が、従来例と比較して、外光利用の場合に、ＡＲ処理を行わないときで３２％から１６％に、ＡＲ処理を行ったときで８％から４％に改善され、フロントライト機能を利用する場合に、ＡＲ処理を行わないときで１６％から８％に、ＡＲ処理を行ったときで４％から２％に改善される。この結果、本発明のタッチパネル装置では、従来例と比較して、視認性が大幅に向上する。
【００３２】
次に、基板１内を伝播した光を反射型の液晶ディスプレイ３側へ確実に導出できるようにした実施の形態（第２〜第４実施の形態）について説明する。
【００３３】
（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図４において、図１と同一部分には同一番号を付している。第２実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）の複数箇所に、基板１（ガラス）よりも光屈折率が大きい透光性の樹脂からなる高屈折率部分４が設けられている。この高屈折率部分４は、光屈折率が大きい樹脂材料を基板１に印刷法により付着させて形成することができる。
【００３４】
この第２実施の形態では、高屈折率部分４を設けることにより、導光体となる基板１内を伝播する光の全反射条件を崩して、光を液晶ディスプレイ３側へ導出させる。具体的には、図４の拡大図の細実線矢印で示すように、基板１の背面に全反射角度で達した光は、透光性の高屈折率部分４に進み、その高屈折率部分４から液晶ディスプレイ３側へ出射する。
【００３５】
高屈折率部分４の形成ピッチが一定である場合には、高屈折率部分４の面積を光源２から遠くになるにつれて大きくする、または、高屈折率部分４の面積が一定である場合には、高屈折率部分４の形成ピッチを光源２から遠くになるにつれて短くすることにより、基板１から出射する光の輝度を基板１の背面全体にわたって均一にできる。
【００３６】
なお、第２実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００３７】
（第３実施の形態）
図５は、本発明の第３実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図５において、図１と同一部分には同一番号を付している。第３実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）の複数箇所に、所定ピッチで微小な溝５が設けられている。溝５の形成方向は、図５の拡大図に示すように、基板１の背面の法線方向に対して３５°〜５５°の角度をなしている。この溝５は、レジスト膜をパターニングした後、ウエットエッチングまたはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ），ミリングなどのドライエッチングにより加工形成することができる。
【００３８】
この第３実施の形態では、図５の拡大図の細実線矢印で示すように、導光体となる基板１内を伝播する光が溝５にて背面側（図５の下面側）に反射して、その反射光が液晶ディスプレイ３側へ導出される。ここで、溝５の形成方向を基板１の背面の法線方向から３５°〜５５°好ましくは４５°とすることにより、略垂直に光を出射することができて、反射型の液晶ディスプレイ３を効率良く照射することができる。
【００３９】
なお、第３実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００４０】
（第４実施の形態）
図６は、本発明の第４実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。図６において、図１と同一部分には同一番号を付している。第４実施の形態では、ガラス製の基板１の背面（接触位置検出面と反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）に、０．１ｍｍ程度の細かいピッチにてプリズム６が形成されている。このプリズム６は、基板１の背面を切削加工して形成することができる。
【００４１】
この第４実施の形態では、プリズム６を設けることにより、導光体となる基板１内を伝播する光の全反射条件を崩して、光を液晶ディスプレイ３側へ導出させる。具体的には、図６の拡大図の細実線矢印で示すように、光源２から入射されて基板１を伝播した光は、プリズム６を介して液晶ディスプレイ３側へ出射する。
【００４２】
なお、上記例では、基板１の背面にプリズム６を直接形成するようにしたが、多数のプリズムを形成したシートで基板１の背面を被うようにしても、同様の効果を奏する。
【００４３】
なお、第４実施の形態でもタッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを共用化しているため、従来例と比べて、光学的界面における反射光の影響を低減できて、視認性の向上を図れる点は、第１実施の形態と同様である。
【００４４】
（第５実施の形態）
図７は、本発明の第５実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。第５実施の形態のタッチパネル装置では、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とが接着剤にて貼り合わされている。
【００４５】
タッチパネル２１は、例えばガラス製の第１基板２４に、櫛形電極１３及び圧電薄膜１４からなる第１〜第４実施の形態と同様の図２に示すような励振素子１１及び受信素子１２を設けて構成されている。また、フロントライト２３は、面状導光板としての樹脂製の第２基板２５を有する。そして、タッチパネル２１の第１基板２４の背面と、フロントライト２３の第２基板２５の前面とが、透光性の接着剤層２３を介して接着されている。
【００４６】
第２基板２５の背面（タッチパネル２１とは反対側の面、即ち、液晶ディスプレイ３に対向する側の面）には、第１実施の形態の基板１と同様に、階段状加工が施されており、光源２から発せられた光は、第１基板２４及び第２基板２５に入射されて、それらの内部を伝播し、背面側（図７の下面側）外部に出射されて液晶ディスプレイ３へ照射される。
【００４７】
第１基板２４，第２基板２５，接着剤層２３の光屈折率を夫々ｎ１ ，ｎ２ ，ｎ３ とした場合に、それらの光屈折率ｎ１ ，ｎ２ ，ｎ３ は下記の条件を満たしている。
ｎ１ ≦ｎ３ ≦ｎ２
【００４８】
このような光屈折率の条件を満たすことにより、従来例と比べて光学的界面の数を実質的に少なくして無駄な反射光の影響を低減することができ、実施の形態１〜４に準じた高い光透過率及び良好な視認性を実現できる。
【００４９】
なお、このような構成のタッチパネル装置は、第１基板２４に励振素子１１及び受信素子１２を形成し、第２基板２５に階段状加工を形成した後、両基板２４，２５を接着させて作製しても良いし、まず第１基板２４及び第２基板２５を接着させ、その接着体に対して励振素子１１及び受信素子１２の形成、階段状加工の形成を行って作製しても良い。
【００５０】
また、第１基板２４と第２基板２５とを接着剤にて接着させるように構成したが、第１基板２４と第２基板２５とを直接接合させて、タッチパネル装置を構成するようにしても良い。また、第２基板２５に階段状加工を施すように構成したが、第４実施の形態の基板１と同様にプリズム加工を施すようにしても良い。
【００５１】
なお、上述した各実施の形態では、光源２として蛍光管などの線状光源を用いるようにしたが、ＬＥＤ（Ｌａｓｅｒ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とＬＥＤから導入される光を線状の光に変換して出力する線状導光体とを組み合わせて光源２を構成するようにしても良い。
【００５２】
また、上述した各実施の形態では、弾性表面波を伝播させて物体の接触位置を検出するようにしたが、他の種類の超音波を利用しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明のタッチパネル装置では、タッチパネルにおける基板とフロントライトにおける基板とを共用化するようにして基板の枚数を減らすようにしたので、従来例と比べて、光学的界面の数を低減できて、反射光による輝度の低下を抑えて、良好な視認性を実現することができる。
【００５４】
また、本発明のタッチパネル装置では、光源から基板に入射された光を、接触位置検出面とは反対側の面から外部（反射型の液晶ディスプレイ）へ導出するようにしたので、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光を照射することができる。
【００５５】
また、本発明のタッチパネル装置では、基板の光屈折率より大きい光屈折率を有する部分を基板の背面に設ける、基板の背面に複数の溝を設ける、または、基板の背面に複数のプリズムを設けるようにしたので、基板の背面から外部へ光を容易に導出でき、反射型の液晶ディスプレイへ確実に光を照射することができる。基板の背面に設ける複数の溝の形成方向を、基板の背面の法線方向に対して３５〜５５°の角度にするようにしたので、効率良く略垂直に反射型の液晶ディスプレイへ光を照射することができる。
【００５６】
更に、本発明のタッチパネル装置では、タッチパネル用の基板とフロントライト用の基板とを接着剤にて接着一体化させるようにしたので、従来例と比べて、光学的界面における反射光を少なくでき、反射光による輝度の低下も少なくなって、視認性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図２】第１実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す平面図である。
【図３】本発明のタッチパネル装置における光路を示す図である。
【図４】第２実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図５】第３実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図６】第４実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図７】第５実施の形態に係るタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図８】従来のタッチパネル装置の構成を示す断面図である。
【図９】従来のタッチパネル装置における光路を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 光源
３ 液晶ディスプレイ
４ 高屈折率部分
５ 溝
６ プリズム
１１ 励振素子
１２ 受信素子
１３ 櫛形電極
１４ 圧電薄膜
２１ タッチパネル
２２ フロントライト
２３ 接着剤層
２４ 第１基板
２５ 第２基板
Claims (7)
- 基板に超音波を伝播させ、前記基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、前記基板は透光性を有しており、前記基板に入射される光を発する光源と、該光源から前記基板に入射された光を外部へ導出する光導出手段とを備えることを特徴とするタッチパネル装置。
- 前記光導出手段は、前記光源から前記基板に入射された光を、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面から外部へ導出すべくなしてあることを特徴とする請求項１記載のタッチパネル装置。
- 前記光導出手段の光屈折率は、前記基板の光屈折率より大きいことを特徴とする請求項１または２記載のタッチパネル装置。
- 前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数の溝であることを特徴とする請求項１または２記載のタッチパネル装置。
- 前記溝の形成方向が、前記基板の前記反対側の面の法線方向に対して３５〜５５°の角度をなすことを特徴とする請求項４記載のタッチパネル装置。
- 前記光導出手段は、前記基板の接触位置の検出面とは反対側の面に形成された複数のプリズムであることを特徴とする請求項１または２記載のタッチパネル装置。
- 第１基板に超音波を伝播させ、前記第１基板への物体の接触に基づく前記超音波の伝播状態の変化を検知して前記物体の接触位置を検出するタッチパネル装置において、光を発する光源と、該光源からの光が入射され、入射された光を外部へ導出する光導出手段を有する第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板を接着させる接着剤層とを備えることを特徴とするタッチパネル装置。
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