タッチセンサ
【課題】 集積回路化が容易なタッチセンサを提供する。
【解決手段】タッチセンサ１００Ａは、センサパッド２２が接続されるタッチ線２８と、基準容量２０が接続された基準線２９と、クロック信号に応じてタッチ線２８を充電又は放電するインバータ１３と、クロック信号に応じて、基準線２９を充電及び放電するインバータ１４と、タッチ線２８の電圧と基準線２９の電圧を比較する比較器２３と、基準線２９の充電又は放電の開始から基準線２９の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスＬＰを生成するラッチパルス生成回路と、ラッチパルスＬＰに応じて比較器２３の比較出力をラッチするラッチ回路２４を備える。
【解決手段】タッチセンサ１００Ａは、センサパッド２２が接続されるタッチ線２８と、基準容量２０が接続された基準線２９と、クロック信号に応じてタッチ線２８を充電又は放電するインバータ１３と、クロック信号に応じて、基準線２９を充電及び放電するインバータ１４と、タッチ線２８の電圧と基準線２９の電圧を比較する比較器２３と、基準線２９の充電又は放電の開始から基準線２９の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスＬＰを生成するラッチパルス生成回路と、ラッチパルスＬＰに応じて比較器２３の比較出力をラッチするラッチ回路２４を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサパッドに人の指等が接触したことを検知するタッチセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルや、遊技機の操作ハンドル等に人の指等が接触したことを検出するタッチセンサとしては、ＬＣ発振回路を用いたものが知られている。このタッチセンサは、ＬＣ発振を行うＬＣ発振回路、そのＬＣ発振回路の出力を検波する検波回路、その検波された電圧を検知する電圧検知回路、検波回路の入力部に接続されたセンサプレートと、を有し、センサプレートに指が触れることによる等価インピーダンスの低下を電圧検知回路が電圧変化として検知することによって、指がセンサプレートに接触したことを検出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のタッチセンサでは、ＬＣ発振回路はコイルを有しているため、集積回路に内蔵化することが難しい。また、ＬＣ発振回路を構成するコイルや容量等の部品を集積回路の外部に設けると、部品数、コストが増加するとともに、小型化が難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、集積回路化が容易なタッチセンサ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】
【０００６】
本発明のタッチセンサは、センサパッドが接続されるタッチ線と、基準容量が接続された基準線と、ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号に応じて、前記タッチ線を充電し及び放電する第１の充放電回路と、前記クロック信号に応じて、前記基準線を充電し及び放電する第２の充放電回路と、前記タッチ線の電圧と前記基準線の電圧を比較する比較器と、前記基準線の充電又は放電の開始から前記基準線の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスを生成するラッチパルス生成回路と、前記ラッチパルスに応じて前記比較器の比較出力をラッチするラッチ回路とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、集積回路化が容易なタッチセンサを提供することができる。また、本発明のタッチセンサは、センサ感度が集積回路のプロセスや、電源電圧等の影響をほとんど受けないという利点も有している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図２】比較器の回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの第１の動作波形図である。（人の指がセンサパッドに接触している場合）
【図４】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの第２の動作波形図である。（人の指がセンサパッドに接触していない場合）
【図５】本発明の第２の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの第１の動作波形図である。
【図８】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの第２の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。タッチセンサ１００Ａは、リングオシレータ１０、インバータ１１〜１７，３３、ＮＡＮＤ回路１８、調整容量１９、基準容量２０、センサパッド２２、比較器２３、ラッチ回路２４，２５、静電破壊保護回路２６、ダミー静電破壊保護回路２７、タッチ線２８、基準線２９を含んで構成される。センサパッド２２以外の構成要素は、１チップの集積回路の中に内蔵することができる。
【００１０】
リングオシレータ１０は、奇数個（例えば、３個）のインバータを直列に接続し、最終段のインバータの出力端を初段のインバータの入力端に帰還入力して構成される。リングオシレータ１０はＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号を生成する。Ｈレベルは電源電圧Ｖｃｃのレベルであり、Ｌレベルは接地電圧Ｖｓｓのレベルである。リングオシレータ１０の周波数は、インバータに供給される電源電圧Ｖｄｄに依存し、例えば数１０ＫＨｚ〜数ＭＨｚ（Ｖｄｄ＝３〜７Ｖ）である。リングオシレータ１０は簡単な構成でクロック信号を生成することができるが、その代わりに、ＲＣ発振回路などを用いることもできる。
【００１１】
インバータ１１，１２は、リングオシレータ１０により生成されたクロック信号の波形を整形するためのインバータであり、リングオシレータ１０の出力端に直列に接続されている。インバータ１３，１４はそれぞれ第１及び第２の充放電回路を構成し、それぞれの入力端にインバータ１２により整形されたクロック信号ＲＯが印加される。即ち、インバータ１３，１４は、クロック信号ＲＯがＬレベルの時はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９をＨレベルに充電し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９をＬレベルに放電する。
【００１２】
タッチ線２８は、インバータ１３の出力端に接続された配線である。センサパッド２２は、人の指が触れる電極であって、容量値Ｃ１を有する調整容量１９を介してタッチ線２８に接続されている。接触容量２１は、センサパッド２２と接地の間に形成される一種の可変容量と考えることができる。人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、接触容量２１の容量値はＣｘ、人の指がセンサパッド２２に接触していない場合にはその容量値は０である。
【００１３】
この場合、タッチ線２８に接続される接触容量２１と調整容量１９の合計容量の容量値Ｃ２は、Ｃ２＝Ｃ１・Ｃｘ／（Ｃ１＋Ｃｘ）である。人の指がセンサパッド２２に触れていない場合には、Ｃｘ＝０なので、Ｃ２＝０である。人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、Ｃｘは４５〜８０ｐＦであり、Ｃ１を例えば１００ｐＦとすると、Ｃ２＝３０〜４５ｐＦである。
【００１４】
このように、調整容量１９を設けることにより、タッチ線２８に接続される接触容量２１の容量値Ｃｘを見かけ上ある程度小さくなるように調整することができるが、調整容量１９を設けず、センサパッド２２をタッチ線２８に直接接続することもできる。
【００１５】
基準線２９は、インバータ１４の出力端に接続された配線である。基準容量２０は基準線２９に接続されている。基準容量２０の容量値をＣ３とすると、０＜Ｃ３＜Ｃ２、となるように選ばれる。Ｃ２は、人の指がセンサパッド２２に接触している場合の容量値である。基準容量２０は可変容量であることが好ましい。容量値Ｃ３を可変することにより、タッチセンサ１００Ａの感度を調整することができるからである。
【００１６】
静電破壊保護回路２６は、人の指がセンサパッド２２に接触した時のサージ電圧によりインバータ１３、次段の比較器２３等が破壊されるのを防止するための回路である。静電破壊保護回路２６は、タッチ線２８からサージ電圧を抜くために、タッチ線２８と電源電圧Ｖｃｃを供給する電源線の間に接続された第１のダイオードと、タッチ線２８と接地線と間に接続された第２のダイオードからなる。
【００１７】
静電破壊保護回路２６はこれに限らず、トランジスタ等の他の素子を用いて構成することもできる。この静電破壊保護回路２６は、容量値Ｃ４（例えば、１０ｐＦ）を持っており、この容量値Ｃ４がタッチ線２８に付加されることになる。そこで、静電破壊保護回路２６の持っている容量値Ｃ４のタッチ線２８への影響をキャンセルするために、基準線２９に静電破壊保護回路２６と同じ容量値Ｃ４を持ったダミー静電破壊保護回路２７が接続されている。
【００１８】
そうすると、人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、タッチ線２８に接続された容量の合計容量値はＣ２＋Ｃ４であり、基準線２９に接続された容量の合計容量値はＣ３＋Ｃ４である。また、前述のようにＣ２＞Ｃ３である。したがって、この場合、タッチ線２８は基準線２９より大きな容量を持っている。一方、人の指がセンサパッド２２に触れていない場合には、タッチ線２８に接続された容量の合計容量値はＣ４であり、基準線２９に接続された容量の合計容量値Ｃ３＋Ｃ４であるから、この場合、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っていることになる。
【００１９】
インバータ１７，３３、ＮＡＮＤ回路１８はラッチパルス生成回路を構成する。インバータ３３には、第２の充放電回路であるインバータ１４の出力が入力される。ＮＡＮＤ回路１８にはインバータ３３の出力及びインバータ１１の出力が印加される。ＮＡＮＤ回路１８の出力は、インバータ１７に印加される。そして、インバータ１７の出力端からラッチパルス生成回路のラッチパルスＬＰが得られる。
【００２０】
即ち、ラッチパルス生成回路の出力（ラッチパルスＬＰ）は、インバータ１１の出力がＬレベルからＨレベルに立ち上がると、Ｈレベルに立ち上がり、インバータ１４の出力がＬレベルから所定の電圧（例えば、１／２Ｖｃｃ）に立ち上がると、Ｌレベルに立ち下がる。つまり、ラッチパルスＬＰは、第２の充放電回路であるインバータ１４により、基準線２９の充電が開始された時点でＨレベルに立ち上がり、その後、基準線２９が所定の電圧に到達するとＬレベルに立ち下がる。
【００２１】
比較器２３は、タッチ線２８と基準線２９の電圧を比較する回路であり、正入力端子（＋）にタッチ線２８が接続され、負入力端子（−）に基準線２９が接続されている。比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、タッチ線２８の電圧が基準線２９の電圧より高い場合には、Ｈレベルであり、逆に、タッチ線２８の電圧が基準線２９の電圧より低い場合にはＬレベルである。比較器２３は動作を安定化させるために、正入力端子（＋）と負入力端子（−）の電圧がほぼＨレベルの時は、出力信号ＣＯＵＴはＨレベルにリセットされるように構成されている。また、比較器２３は、低消費電力化のために、前記ラッチパルス生成回路のラッチパルスＬＰが発生している期間のみ動作するように構成されている。
【００２２】
比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、波形整形用のインバータ１５，１６を通して、ラッチ回路２４のデータ入力端子Ｄに印加される。また、ラッチパルスＬＰは、ラッチ回路２４のクロック入力端子に印加される。ラッチ回路２４の出力は、次段のラッチ回路２５のデータ入力端子Ｄに印加される。インバータ１１の出力はラッチ回路２５のデータ入力端子Ｄに印加される。
【００２３】
これにより、基準線２９の電圧が所定の電圧に到達した時点における比較器２３の出力信号ＣＯＵＴがラッチ回路２４に取り込まれ、かつ保持される。ラッチ回路２４に保持された比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、インバータ１１の出力に応じて、次段のラッチ回路２５に転送され保持されるようになっている。そして、ラッチ回路２５の出力端Ｑから判定出力信号ＯＵＴが得られる。
【００２４】
図２は比較器２３の構成例を示す回路図である。比較器２３は、カレントミラー回路を構成するＰチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２、このカレントミラー回路に直列に接続され、一対の差動トランジスタを構成するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４、及び動作スイッチを構成するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５を含んで構成されている。
【００２５】
Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３のゲートは比較器２３の正入力端子（＋）に相当し、タッチ線２８が接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートは比較器２３の負入力端子（−）に相当し、基準線２９が接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４の共通ソースと接地線との間に接続され、そのゲートにラッチパルスＬＰが印加される。
【００２６】
したがって、ラッチパルスＬＰがＨレベルの時にはチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５
はオンし、比較器２３は動作状態となり、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ２とＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４との接続点から比較器２３の出力信号ＣＯＵＴが得られる。
【００２７】
ラッチパルスＬＰがＬレベルの時にはＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５はオフし、比較器２３は動作停止状態となる。図２では、Ｎチャネル入力型のカレントミラーを例にとって説明したが、比較器２３の回路構成はこれに限定されるものではなく、Ｐチャネル入力型のカレントミラーであっても良い。また、カスコード型やプッシュプル型などの別の構成であっても良い。
【００２８】
次に、タッチセンサ１００Ａの動作例を説明する。図３は、人の指がセンサパッド２２に接触している場合の動作波形図である。この場合、ラッチパルス生成回路のインバータ３３のしきい値は１／２Ｖｃｃに設定されており、ラッチパルスＬＰは基準線２９の電圧が１／２Ｖｃｃに到達した時に、Ｌレベルに立ち下がるとする。
【００２９】
インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。タッチ線２８は基準線２９より大きい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち上がりは、基準線２９に比べてゆっくりである。そのため、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯは、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦより低くなる。（図４において、タッチ電圧ＶＴＯの曲線は実線で、基準電圧ＶＲＥＦの曲線は一点鎖線で示されている）すると、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、ＨレベルからＬレベルに変化する。
【００３０】
その後、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦが１／２Ｖｃｃに到達すると、ラッチパルスＬＰはＬレベルに立ち下がり、その時点での比較器２３の出力信号ＣＯＵＴ（Ｌレベル）がラッチ回路２４にラッチされる。クロック信号ＲＯがＬレベルの間は、タッチ線２８及び基準線２９の充電は継続され、基準電圧ＶＲＥＦはＨレベル（＝Ｖｃｃ）に到達し、タッチ電圧ＶＴＯはそれより遅れて、ほぼＨレベルに到達する。この時、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴはＨレベルにリセットされる。
【００３１】
その後、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルからＨレベルに立ち上がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の放電を行う。この場合も、タッチ線２８は基準線２９より大きい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち下がりは、基準線２９に比べてゆっくりである。
【００３２】
そして、再び、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。以下、同じ動作が繰り返される。この結果、ラッチ回路２５から判定出力信号ＯＵＴ（Ｌレベル）が得られる。
【００３３】
図４は、人の指がセンサパッド２２に接触していない場合の動作波形図である。この場合についても、ラッチパルス発生回路のインバータ３３のしきい値は１／２Ｖｃｃに設定されており、ラッチパルスＬＰは基準線２９の電圧が１／２Ｖｃｃに到達した時に、Ｌレベルに立ち下がるとする。
【００３４】
インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。この場合は、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち上がりは、基準線２９に比べて急である。そのため、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯは、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦより高くなる。したがって、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、Ｈレベルである。
【００３５】
その後、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦが１／２Ｖｃｃに到達すると、ラッチパルスＬＰはＬレベルに立ち下がり、その時点での比較器２３の出力信号ＣＯＵＴ（Ｈレベル）がラッチ回路２４にラッチされる。クロック信号ＲＯがＬレベルの間は、タッチ線２８及び基準線２９の充電は継続され、タッチ電圧ＶＴＯはＨレベルに到達し、基準電圧ＶＲＥＦはそれより遅れてＨレベルに到達する。
【００３６】
その後、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルからＨレベルに立ち上がると、インバータ１３，１４は、それぞれタッチ線２８及び基準線２９の放電を行う。この場合も、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち下がりは、基準線２９に比べて急である。
【００３７】
そして、再び、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。以下、同じ動作が繰り返される。この結果、判定出力信号ＯＵＴ（Ｈレベル）が得られる。
【００３８】
このように、タッチセンサ１００Ａによれば、タッチ線２８と基準線２９の充電速度の違いを利用して、基準線２９が所定の電圧に到達した時点での両者の電圧を比較器２３により比較することにより、センサパッド２２に人の指が接触したことを検知している。また、このタッチセンサ１００Ａは、負荷容量だけが違う、全く同じ構成の２系統の充放電回路の出力電圧値の差分を比較する構成のため、ロバスト性能が良く、集積回路に内蔵するのが容易である。つまり、たとえ検出回路自体の特性変化があっても、２系統の出力電圧値の差分をとるため、２系統で同様に生じる特性変化の影響はキャンセルされ、検出すべき負荷容量の違いだけを良好に検出できる特長を持っている。実際、回路シミュレーションでも、センサ感度が集積回路のプロセスや電源電圧（Ｖｃｃ＝３Ｖ〜７Ｖ）等の影響をほとんど受けないことが確認されている。
【００３９】
また、タッチ線２８と基準線２９の充電速度の代わりに、タッチ線２８と基準線２９の放電速度の違いを利用して、基準線２９が所定の電圧に到達した時点での両者の電圧を比較器２３により比較することにより、センサパッド２２に人の指が接触したことを検知することができる。この場合は、ラッチパルス生成回路は、タッチ線２８及び基準線２９の充電時ではなく、放電時にラッチパルスＬＰを生成するように変更される。即ち、ラッチパルスＬＰは、第２の充放電回路であるインバータ１４により、基準線２９の放電が開始された時点でＨレベルに立ち上がり、その後、基準線２９が所定の電圧に到達するとＬレベルに立ち下がる。
【００４０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、タッチセンサ１００Ｂの回路図である。タッチセンサ１００Ｂにおいては、第１の実施形態のタッチセンサ１００Ａのインバータ１３，１４の代わりに、定電流源３０，３１を用いている。その他の構成は、第１の実施形態のタッチセンサ１００Ａと同じである。
【００４１】
即ち、定電流源３０は、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルの時に、タッチ線２８に充電電流を供給し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時に、タッチ線２８に放電電流を供給する。また、定電流源３１は、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルの時に、基準線２９に充電電流を供給し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時に、基準線２９に放電電流を供給する。充電電流と放電電流は定電流であることから、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯと基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦは、それぞれリニアに変化する。これにより、比較器２３によるタッチ電圧ＶＴＯと基準電圧ＶＲＥＦとの比較の精度を向上することができる。
【００４２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、タッチセンサ１００Ｃの回路図である。タッチセンサ１００Ｃは、クロック信号ＣＬＫを生成する発振器４０、Ｄ型フリップフロップ（遅延型フリップフロップ）４１，４２，４３、インバータ４５〜５０、ＮＡＮＤ回路５１，５２、遅延回路５３，５４，５５、静電破壊保護回路５６，ダミー静電破壊保護回路５７、センサパッド５８、タッチ線５９、基準線６０を含んで構成される。センサパッド５８以外の構成要素は、１チップの集積回路の中に内蔵することができる。
【００４３】
第１及び第２の実施形態のタッチセンサ１００Ａ，１００Ｂは、タッチ線２８と基準線２９の電圧を充電時又は放電時のある時点で比較器２３により比較することにより、人の指がセンサパッド２２に接触したことを検知している。本実施形態では、一対の相補クロック信号を作成し、人の指がセンサパッド５８に接触した場合に一方の相補クロック信号の遅延時間が長くなるように回路を構成し、他方の相補クロック信号のレベルが変化した時点で、遅延された相補クロック信号のレベルをＤ型フリップフロップ４３に取り込むことで人の指がセンサパッド２２に接触したことを検知するものである。
【００４４】
発振器４０は、ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号を生成する回路であり、第１の実施形態のリングオシレータ１０と同じ回路を用いることができる。Ｄ型フリップフロップ４１，４２及びインバータ４５，４６は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、一対の相補クロック信号を生成する相補クロック生成回路を構成する。
【００４５】
クロック信号ＣＬＫはＤ型フリップフロップ４１，４２のクロック入力端子ＣＫに入力される。Ｄ型フリップフロップ４１の出力端子Ｑからの出力は、Ｄ型フリップフロップ４２のデータ入力端子Ｄに入力される。また、Ｄ型フリップフロップ４１の出力端子Ｑの出力はインバータ４５によって反転されて、Ｄ型フリップフロップ４１のデータ入力端子Ｄに入力される。Ｄ型フリップフロップ４２の出力端子Ｑは、ダミーのインバータ４６の入力端子に接続されている。これは、Ｄ型フリップフロップ４１，４２のそれぞれの出力端子の負荷容量を同じにするためである。
【００４６】
これにより、Ｄ型フリップフロップ４１，４２のそれぞれの出力端子からは、互いにレベルが反転された一対の相補クロック信号が得られる。
【００４７】
ＮＡＮＤ回路５１，５２及び遅延回路５３，５４は、Ｄ型フリップフロップ４１，４２から出力された一対の相補クロック信号に基づき、Ｈレベルが互いに重畳しない、一対の非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢを生成する非重畳相補クロック生成回路を構成する。
ＮＡＮＤ回路５１の出力は遅延回路５３を通してＮＡＮＤ回路５２の入力端に入力され、ＮＡＮＤ回路５２の出力は遅延回路５４を通してＮＡＮＤ回路５１の入力端に入力される。
【００４８】
すると、遅延回路５３の出力端から非重畳相補クロック信号ＶＡが得られ、遅延回路５４の出力端から非重畳相補クロック信号ＶＢが得られる。遅延回路５３，５４は、複数のインバータを直列接続して形成することができる。この時、非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢのレベル変化のタイミングは、遅延回路５３，５４による遅延時間ｔｄだけずれることになる。非重畳相補クロック信号ＶＡは、インバータ４８の入力端子に入力され、非重畳相補クロック信号ＶＢは、インバータ４７の入力端子に入力される。タッチ線５９は、インバータ４８の出力端子に接続され、基準線６０は、インバータ４７の出力端子に接続されている。
【００４９】
センサパッド５８は、人の指が触れる電極であって、タッチ線５９に接続されている。接触容量６１は、センサパッド５８と接地の間に形成される一種の可変容量と考えることができる。人の指がセンサパッド５８に接触している場合には、接触容量６１は０ではない容量値Ｃ１０を持つが、人の指がセンサパッド５８に接触していない場合にはその容量値は０である。
【００５０】
静電破壊保護回路５６は、人の指がセンサパッド５８に接触した時のサージ電圧によりインバータ４８や次段のインバータ４９が破壊されるのを防止するための回路である。静電破壊保護回路５６は、タッチ線５９からサージ電圧を抜くために、タッチ線５９と電源電圧Ｖｃｃを供給する電源線の間に接続された第１のダイオードと、タッチ線５９と接地線と間に接続された第２のダイオードからなる。
【００５１】
静電破壊保護回路５６はこれに限らず、トランジスタ等の他の素子を用いて構成することもできる。この静電破壊保護回路５６は、容量値Ｃ１１（例えば、１０ｐＦ）を持っており、この容量値Ｃ１１がタッチ線５９に付加されることになる。そこで、静電破壊保護回路５６の持っている容量値Ｃ１１のタッチ線５９への影響をキャンセルするために、基準線６０に静電破壊保護回路５６と同じ容量値Ｃ１１を持ったダミー静電破壊保護回路５７が接続されている。
【００５２】
人の指がセンサパッド５８に接触している場合には、タッチ線５９に接続された容量の合計容量値はＣ１０＋Ｃ１１であり、基準線６０に接続された容量の合計容量値はＣ１０である。したがって、この場合、タッチ線５９は基準線６０より大きな容量を持っている。一方、人の指がセンサパッド５８に触れていない場合には、タッチ線５９と基準線６０は同じ容量値Ｃ１１を持っていることになる。
【００５３】
そして、インバータ４８の出力は、波形整形用のインバータ４９，５０を通してＤ型フリップフロップ４３のデータ入力端子Ｄに入力される。インバータ４７の出力は、遅延回路５５を通して、Ｄ型フリップフロップ４３のクロック入力端子ＣＫに入力される。遅延回路５５は、遅延回路５３，５４と同様に、複数のインバータを直列接続して形成することができる。
【００５４】
インバータ５０の出力信号が遅延クロック信号ＶＡ’であり、遅延回路５５の出力信号が遅延クロック信号ＶＢ’である。即ち、遅延クロック信号ＶＡ’は、遅延クロック信号ＶＢ’の立ち上がりのタイミングで、Ｄ型フリップフロップ４３に取り込まれ、かつ保持される。そして、Ｄ型フリップフロップ４３の出力から判定出力信号Ｖｏｕｔが得られる。
【００５５】
次に、タッチセンサ１００Ｃの動作例を図７、図８に基づいて説明する。
【００５６】
＜遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’＝０の場合＞
遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’＝０、つまり、遅延回路５５を設けない場合の動作例を図７に基づいて説明する。人の指がセンサパッド５８に触れていない状態では、遅延クロック信号ＶＡ’，ＶＢ’の位相関係は、非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢの位相関係と同じであり、レベル変化のタイミングは遅延時間ｔｄだけずれている。
【００５７】
したがって、遅延クロック信号ＶＢ’がＬレベルからＨレベルに立ち上がる時点で、遅延クロック信号ＶＡ’のレベルはＬレベルである。したがって、Ｌレベルの信号がＤ型フリップフロップ４３に取り込まれ、判定出力信号Ｖｏｕｔ（Ｌレベル）が出力される。
【００５８】
これに対して、人の指がセンサパッド５８に触れている状態では、タッチ線５９の容量値が増加し、遅延時間が長くなるので、遅延クロック信号ＶＡ’はその分だけ遅延される。図７において、人の指がセンサパッド５８に触れている期間をＶＡ’（接触）のクロック波形の上に図示している。遅延クロック信号ＶＡ’の遅延量が遅延時間ｔｄ以上であると、遅延クロック信号ＶＢ’がＬレベルからＨレベルに立ち上がる時点で、遅延クロック信号ＶＡ’のレベルはＨレベルである。したがって、Ｈレベルの信号がＤ型フリップフロップ４３に取り込まれ、判定出力信号Ｖｏｕｔ（Ｈレベル）が出力される。即ち、遅延時間ｔｄが接触判定の閾値となる。
【００５９】
＜遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’≠０の場合＞
遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’≠０、つまり、遅延回路５５を設ける場合の動作例を図８に基づいて説明する。図８においても、人の指がセンサパッド５８に触れている期間をＶＡ’（接触）のクロック波形の上に図示している。遅延回路５５を設けることにより、その遅延時間ｔｄ’が遅延クロック信号ＶＢ’の遅延時間ｔｄに加算される。
【００６０】
この場合、接触判定の閾値は（ｔｄ＋ｔｄ’）となる。即ち、遅延回路５５の遅延時間ｔｄ’を制御することで、接触判定の閾値を制御することができる。図８の例の場合には、接触判定の閾値（ｔｄ＋ｔｄ’）は、人の指がセンサパッド５８に触れている状態における遅延クロック信号ＶＡ’の遅延量より大きいので判定出力信号ＶｏｕｔはＬレベルになっている。
【符号の説明】
【００６１】
１０ リングオシレータ １１〜１７，３３ インバータ
１８ ＮＡＮＤ回路 １９ 調整容量
２０ 基準容量 ２１ 接触容量 ２２ センサパッド
２３ 比較器 ２４，２５ ラッチ回路
２６ 静電破壊保護回路 ２７ ダミー静電破壊保護回路
２８ タッチ線 ２９ 基準線
３０，３１ 定電流源
４０ 発振器 ４１，４２，４３ Ｄ型フリップフロップ
４５〜５０ インバータ ５１，５２ ＮＡＮＤ回路
５３，５４，５５ 遅延回路
５６ 静電破壊保護回路 ５７ ダミー静電破壊保護回路
５８ センサパッド ５９ タッチ線
６０ 基準線 ６１ 接触容量
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ タッチセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサパッドに人の指等が接触したことを検知するタッチセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルや、遊技機の操作ハンドル等に人の指等が接触したことを検出するタッチセンサとしては、ＬＣ発振回路を用いたものが知られている。このタッチセンサは、ＬＣ発振を行うＬＣ発振回路、そのＬＣ発振回路の出力を検波する検波回路、その検波された電圧を検知する電圧検知回路、検波回路の入力部に接続されたセンサプレートと、を有し、センサプレートに指が触れることによる等価インピーダンスの低下を電圧検知回路が電圧変化として検知することによって、指がセンサプレートに接触したことを検出するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１４１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のタッチセンサでは、ＬＣ発振回路はコイルを有しているため、集積回路に内蔵化することが難しい。また、ＬＣ発振回路を構成するコイルや容量等の部品を集積回路の外部に設けると、部品数、コストが増加するとともに、小型化が難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、集積回路化が容易なタッチセンサ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】
【０００６】
本発明のタッチセンサは、センサパッドが接続されるタッチ線と、基準容量が接続された基準線と、ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号に応じて、前記タッチ線を充電し及び放電する第１の充放電回路と、前記クロック信号に応じて、前記基準線を充電し及び放電する第２の充放電回路と、前記タッチ線の電圧と前記基準線の電圧を比較する比較器と、前記基準線の充電又は放電の開始から前記基準線の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスを生成するラッチパルス生成回路と、前記ラッチパルスに応じて前記比較器の比較出力をラッチするラッチ回路とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、集積回路化が容易なタッチセンサを提供することができる。また、本発明のタッチセンサは、センサ感度が集積回路のプロセスや、電源電圧等の影響をほとんど受けないという利点も有している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図２】比較器の回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの第１の動作波形図である。（人の指がセンサパッドに接触している場合）
【図４】本発明の第１の実施形態のタッチセンサの第２の動作波形図である。（人の指がセンサパッドに接触していない場合）
【図５】本発明の第２の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの第１の動作波形図である。
【図８】本発明の第３の実施形態のタッチセンサの第２の動作波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。タッチセンサ１００Ａは、リングオシレータ１０、インバータ１１〜１７，３３、ＮＡＮＤ回路１８、調整容量１９、基準容量２０、センサパッド２２、比較器２３、ラッチ回路２４，２５、静電破壊保護回路２６、ダミー静電破壊保護回路２７、タッチ線２８、基準線２９を含んで構成される。センサパッド２２以外の構成要素は、１チップの集積回路の中に内蔵することができる。
【００１０】
リングオシレータ１０は、奇数個（例えば、３個）のインバータを直列に接続し、最終段のインバータの出力端を初段のインバータの入力端に帰還入力して構成される。リングオシレータ１０はＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号を生成する。Ｈレベルは電源電圧Ｖｃｃのレベルであり、Ｌレベルは接地電圧Ｖｓｓのレベルである。リングオシレータ１０の周波数は、インバータに供給される電源電圧Ｖｄｄに依存し、例えば数１０ＫＨｚ〜数ＭＨｚ（Ｖｄｄ＝３〜７Ｖ）である。リングオシレータ１０は簡単な構成でクロック信号を生成することができるが、その代わりに、ＲＣ発振回路などを用いることもできる。
【００１１】
インバータ１１，１２は、リングオシレータ１０により生成されたクロック信号の波形を整形するためのインバータであり、リングオシレータ１０の出力端に直列に接続されている。インバータ１３，１４はそれぞれ第１及び第２の充放電回路を構成し、それぞれの入力端にインバータ１２により整形されたクロック信号ＲＯが印加される。即ち、インバータ１３，１４は、クロック信号ＲＯがＬレベルの時はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９をＨレベルに充電し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９をＬレベルに放電する。
【００１２】
タッチ線２８は、インバータ１３の出力端に接続された配線である。センサパッド２２は、人の指が触れる電極であって、容量値Ｃ１を有する調整容量１９を介してタッチ線２８に接続されている。接触容量２１は、センサパッド２２と接地の間に形成される一種の可変容量と考えることができる。人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、接触容量２１の容量値はＣｘ、人の指がセンサパッド２２に接触していない場合にはその容量値は０である。
【００１３】
この場合、タッチ線２８に接続される接触容量２１と調整容量１９の合計容量の容量値Ｃ２は、Ｃ２＝Ｃ１・Ｃｘ／（Ｃ１＋Ｃｘ）である。人の指がセンサパッド２２に触れていない場合には、Ｃｘ＝０なので、Ｃ２＝０である。人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、Ｃｘは４５〜８０ｐＦであり、Ｃ１を例えば１００ｐＦとすると、Ｃ２＝３０〜４５ｐＦである。
【００１４】
このように、調整容量１９を設けることにより、タッチ線２８に接続される接触容量２１の容量値Ｃｘを見かけ上ある程度小さくなるように調整することができるが、調整容量１９を設けず、センサパッド２２をタッチ線２８に直接接続することもできる。
【００１５】
基準線２９は、インバータ１４の出力端に接続された配線である。基準容量２０は基準線２９に接続されている。基準容量２０の容量値をＣ３とすると、０＜Ｃ３＜Ｃ２、となるように選ばれる。Ｃ２は、人の指がセンサパッド２２に接触している場合の容量値である。基準容量２０は可変容量であることが好ましい。容量値Ｃ３を可変することにより、タッチセンサ１００Ａの感度を調整することができるからである。
【００１６】
静電破壊保護回路２６は、人の指がセンサパッド２２に接触した時のサージ電圧によりインバータ１３、次段の比較器２３等が破壊されるのを防止するための回路である。静電破壊保護回路２６は、タッチ線２８からサージ電圧を抜くために、タッチ線２８と電源電圧Ｖｃｃを供給する電源線の間に接続された第１のダイオードと、タッチ線２８と接地線と間に接続された第２のダイオードからなる。
【００１７】
静電破壊保護回路２６はこれに限らず、トランジスタ等の他の素子を用いて構成することもできる。この静電破壊保護回路２６は、容量値Ｃ４（例えば、１０ｐＦ）を持っており、この容量値Ｃ４がタッチ線２８に付加されることになる。そこで、静電破壊保護回路２６の持っている容量値Ｃ４のタッチ線２８への影響をキャンセルするために、基準線２９に静電破壊保護回路２６と同じ容量値Ｃ４を持ったダミー静電破壊保護回路２７が接続されている。
【００１８】
そうすると、人の指がセンサパッド２２に接触している場合には、タッチ線２８に接続された容量の合計容量値はＣ２＋Ｃ４であり、基準線２９に接続された容量の合計容量値はＣ３＋Ｃ４である。また、前述のようにＣ２＞Ｃ３である。したがって、この場合、タッチ線２８は基準線２９より大きな容量を持っている。一方、人の指がセンサパッド２２に触れていない場合には、タッチ線２８に接続された容量の合計容量値はＣ４であり、基準線２９に接続された容量の合計容量値Ｃ３＋Ｃ４であるから、この場合、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っていることになる。
【００１９】
インバータ１７，３３、ＮＡＮＤ回路１８はラッチパルス生成回路を構成する。インバータ３３には、第２の充放電回路であるインバータ１４の出力が入力される。ＮＡＮＤ回路１８にはインバータ３３の出力及びインバータ１１の出力が印加される。ＮＡＮＤ回路１８の出力は、インバータ１７に印加される。そして、インバータ１７の出力端からラッチパルス生成回路のラッチパルスＬＰが得られる。
【００２０】
即ち、ラッチパルス生成回路の出力（ラッチパルスＬＰ）は、インバータ１１の出力がＬレベルからＨレベルに立ち上がると、Ｈレベルに立ち上がり、インバータ１４の出力がＬレベルから所定の電圧（例えば、１／２Ｖｃｃ）に立ち上がると、Ｌレベルに立ち下がる。つまり、ラッチパルスＬＰは、第２の充放電回路であるインバータ１４により、基準線２９の充電が開始された時点でＨレベルに立ち上がり、その後、基準線２９が所定の電圧に到達するとＬレベルに立ち下がる。
【００２１】
比較器２３は、タッチ線２８と基準線２９の電圧を比較する回路であり、正入力端子（＋）にタッチ線２８が接続され、負入力端子（−）に基準線２９が接続されている。比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、タッチ線２８の電圧が基準線２９の電圧より高い場合には、Ｈレベルであり、逆に、タッチ線２８の電圧が基準線２９の電圧より低い場合にはＬレベルである。比較器２３は動作を安定化させるために、正入力端子（＋）と負入力端子（−）の電圧がほぼＨレベルの時は、出力信号ＣＯＵＴはＨレベルにリセットされるように構成されている。また、比較器２３は、低消費電力化のために、前記ラッチパルス生成回路のラッチパルスＬＰが発生している期間のみ動作するように構成されている。
【００２２】
比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、波形整形用のインバータ１５，１６を通して、ラッチ回路２４のデータ入力端子Ｄに印加される。また、ラッチパルスＬＰは、ラッチ回路２４のクロック入力端子に印加される。ラッチ回路２４の出力は、次段のラッチ回路２５のデータ入力端子Ｄに印加される。インバータ１１の出力はラッチ回路２５のデータ入力端子Ｄに印加される。
【００２３】
これにより、基準線２９の電圧が所定の電圧に到達した時点における比較器２３の出力信号ＣＯＵＴがラッチ回路２４に取り込まれ、かつ保持される。ラッチ回路２４に保持された比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、インバータ１１の出力に応じて、次段のラッチ回路２５に転送され保持されるようになっている。そして、ラッチ回路２５の出力端Ｑから判定出力信号ＯＵＴが得られる。
【００２４】
図２は比較器２３の構成例を示す回路図である。比較器２３は、カレントミラー回路を構成するＰチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２、このカレントミラー回路に直列に接続され、一対の差動トランジスタを構成するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４、及び動作スイッチを構成するＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５を含んで構成されている。
【００２５】
Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３のゲートは比較器２３の正入力端子（＋）に相当し、タッチ線２８が接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートは比較器２３の負入力端子（−）に相当し、基準線２９が接続されている。Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ４の共通ソースと接地線との間に接続され、そのゲートにラッチパルスＬＰが印加される。
【００２６】
したがって、ラッチパルスＬＰがＨレベルの時にはチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５
はオンし、比較器２３は動作状態となり、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ２とＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ４との接続点から比較器２３の出力信号ＣＯＵＴが得られる。
【００２７】
ラッチパルスＬＰがＬレベルの時にはＮチャネル型ＭＯＳトランジスタＭ５はオフし、比較器２３は動作停止状態となる。図２では、Ｎチャネル入力型のカレントミラーを例にとって説明したが、比較器２３の回路構成はこれに限定されるものではなく、Ｐチャネル入力型のカレントミラーであっても良い。また、カスコード型やプッシュプル型などの別の構成であっても良い。
【００２８】
次に、タッチセンサ１００Ａの動作例を説明する。図３は、人の指がセンサパッド２２に接触している場合の動作波形図である。この場合、ラッチパルス生成回路のインバータ３３のしきい値は１／２Ｖｃｃに設定されており、ラッチパルスＬＰは基準線２９の電圧が１／２Ｖｃｃに到達した時に、Ｌレベルに立ち下がるとする。
【００２９】
インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。タッチ線２８は基準線２９より大きい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち上がりは、基準線２９に比べてゆっくりである。そのため、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯは、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦより低くなる。（図４において、タッチ電圧ＶＴＯの曲線は実線で、基準電圧ＶＲＥＦの曲線は一点鎖線で示されている）すると、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、ＨレベルからＬレベルに変化する。
【００３０】
その後、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦが１／２Ｖｃｃに到達すると、ラッチパルスＬＰはＬレベルに立ち下がり、その時点での比較器２３の出力信号ＣＯＵＴ（Ｌレベル）がラッチ回路２４にラッチされる。クロック信号ＲＯがＬレベルの間は、タッチ線２８及び基準線２９の充電は継続され、基準電圧ＶＲＥＦはＨレベル（＝Ｖｃｃ）に到達し、タッチ電圧ＶＴＯはそれより遅れて、ほぼＨレベルに到達する。この時、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴはＨレベルにリセットされる。
【００３１】
その後、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルからＨレベルに立ち上がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の放電を行う。この場合も、タッチ線２８は基準線２９より大きい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち下がりは、基準線２９に比べてゆっくりである。
【００３２】
そして、再び、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。以下、同じ動作が繰り返される。この結果、ラッチ回路２５から判定出力信号ＯＵＴ（Ｌレベル）が得られる。
【００３３】
図４は、人の指がセンサパッド２２に接触していない場合の動作波形図である。この場合についても、ラッチパルス発生回路のインバータ３３のしきい値は１／２Ｖｃｃに設定されており、ラッチパルスＬＰは基準線２９の電圧が１／２Ｖｃｃに到達した時に、Ｌレベルに立ち下がるとする。
【００３４】
インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。この場合は、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち上がりは、基準線２９に比べて急である。そのため、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯは、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦより高くなる。したがって、比較器２３の出力信号ＣＯＵＴは、Ｈレベルである。
【００３５】
その後、基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦが１／２Ｖｃｃに到達すると、ラッチパルスＬＰはＬレベルに立ち下がり、その時点での比較器２３の出力信号ＣＯＵＴ（Ｈレベル）がラッチ回路２４にラッチされる。クロック信号ＲＯがＬレベルの間は、タッチ線２８及び基準線２９の充電は継続され、タッチ電圧ＶＴＯはＨレベルに到達し、基準電圧ＶＲＥＦはそれより遅れてＨレベルに到達する。
【００３６】
その後、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルからＨレベルに立ち上がると、インバータ１３，１４は、それぞれタッチ線２８及び基準線２９の放電を行う。この場合も、タッチ線２８は基準線２９より小さい容量を持っているので、タッチ線２８の電圧の立ち下がりは、基準線２９に比べて急である。
【００３７】
そして、再び、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＨレベルからＬレベルに立ち下がると、インバータ１３，１４はそれぞれタッチ線２８及び基準線２９の充電を行う。以下、同じ動作が繰り返される。この結果、判定出力信号ＯＵＴ（Ｈレベル）が得られる。
【００３８】
このように、タッチセンサ１００Ａによれば、タッチ線２８と基準線２９の充電速度の違いを利用して、基準線２９が所定の電圧に到達した時点での両者の電圧を比較器２３により比較することにより、センサパッド２２に人の指が接触したことを検知している。また、このタッチセンサ１００Ａは、負荷容量だけが違う、全く同じ構成の２系統の充放電回路の出力電圧値の差分を比較する構成のため、ロバスト性能が良く、集積回路に内蔵するのが容易である。つまり、たとえ検出回路自体の特性変化があっても、２系統の出力電圧値の差分をとるため、２系統で同様に生じる特性変化の影響はキャンセルされ、検出すべき負荷容量の違いだけを良好に検出できる特長を持っている。実際、回路シミュレーションでも、センサ感度が集積回路のプロセスや電源電圧（Ｖｃｃ＝３Ｖ〜７Ｖ）等の影響をほとんど受けないことが確認されている。
【００３９】
また、タッチ線２８と基準線２９の充電速度の代わりに、タッチ線２８と基準線２９の放電速度の違いを利用して、基準線２９が所定の電圧に到達した時点での両者の電圧を比較器２３により比較することにより、センサパッド２２に人の指が接触したことを検知することができる。この場合は、ラッチパルス生成回路は、タッチ線２８及び基準線２９の充電時ではなく、放電時にラッチパルスＬＰを生成するように変更される。即ち、ラッチパルスＬＰは、第２の充放電回路であるインバータ１４により、基準線２９の放電が開始された時点でＨレベルに立ち上がり、その後、基準線２９が所定の電圧に到達するとＬレベルに立ち下がる。
【００４０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、タッチセンサ１００Ｂの回路図である。タッチセンサ１００Ｂにおいては、第１の実施形態のタッチセンサ１００Ａのインバータ１３，１４の代わりに、定電流源３０，３１を用いている。その他の構成は、第１の実施形態のタッチセンサ１００Ａと同じである。
【００４１】
即ち、定電流源３０は、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルの時に、タッチ線２８に充電電流を供給し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時に、タッチ線２８に放電電流を供給する。また、定電流源３１は、インバータ１２のクロック信号ＲＯがＬレベルの時に、基準線２９に充電電流を供給し、クロック信号ＲＯがＨレベルの時に、基準線２９に放電電流を供給する。充電電流と放電電流は定電流であることから、タッチ線２８のタッチ電圧ＶＴＯと基準線２９の基準電圧ＶＲＥＦは、それぞれリニアに変化する。これにより、比較器２３によるタッチ電圧ＶＴＯと基準電圧ＶＲＥＦとの比較の精度を向上することができる。
【００４２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、タッチセンサ１００Ｃの回路図である。タッチセンサ１００Ｃは、クロック信号ＣＬＫを生成する発振器４０、Ｄ型フリップフロップ（遅延型フリップフロップ）４１，４２，４３、インバータ４５〜５０、ＮＡＮＤ回路５１，５２、遅延回路５３，５４，５５、静電破壊保護回路５６，ダミー静電破壊保護回路５７、センサパッド５８、タッチ線５９、基準線６０を含んで構成される。センサパッド５８以外の構成要素は、１チップの集積回路の中に内蔵することができる。
【００４３】
第１及び第２の実施形態のタッチセンサ１００Ａ，１００Ｂは、タッチ線２８と基準線２９の電圧を充電時又は放電時のある時点で比較器２３により比較することにより、人の指がセンサパッド２２に接触したことを検知している。本実施形態では、一対の相補クロック信号を作成し、人の指がセンサパッド５８に接触した場合に一方の相補クロック信号の遅延時間が長くなるように回路を構成し、他方の相補クロック信号のレベルが変化した時点で、遅延された相補クロック信号のレベルをＤ型フリップフロップ４３に取り込むことで人の指がセンサパッド２２に接触したことを検知するものである。
【００４４】
発振器４０は、ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号を生成する回路であり、第１の実施形態のリングオシレータ１０と同じ回路を用いることができる。Ｄ型フリップフロップ４１，４２及びインバータ４５，４６は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、一対の相補クロック信号を生成する相補クロック生成回路を構成する。
【００４５】
クロック信号ＣＬＫはＤ型フリップフロップ４１，４２のクロック入力端子ＣＫに入力される。Ｄ型フリップフロップ４１の出力端子Ｑからの出力は、Ｄ型フリップフロップ４２のデータ入力端子Ｄに入力される。また、Ｄ型フリップフロップ４１の出力端子Ｑの出力はインバータ４５によって反転されて、Ｄ型フリップフロップ４１のデータ入力端子Ｄに入力される。Ｄ型フリップフロップ４２の出力端子Ｑは、ダミーのインバータ４６の入力端子に接続されている。これは、Ｄ型フリップフロップ４１，４２のそれぞれの出力端子の負荷容量を同じにするためである。
【００４６】
これにより、Ｄ型フリップフロップ４１，４２のそれぞれの出力端子からは、互いにレベルが反転された一対の相補クロック信号が得られる。
【００４７】
ＮＡＮＤ回路５１，５２及び遅延回路５３，５４は、Ｄ型フリップフロップ４１，４２から出力された一対の相補クロック信号に基づき、Ｈレベルが互いに重畳しない、一対の非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢを生成する非重畳相補クロック生成回路を構成する。
ＮＡＮＤ回路５１の出力は遅延回路５３を通してＮＡＮＤ回路５２の入力端に入力され、ＮＡＮＤ回路５２の出力は遅延回路５４を通してＮＡＮＤ回路５１の入力端に入力される。
【００４８】
すると、遅延回路５３の出力端から非重畳相補クロック信号ＶＡが得られ、遅延回路５４の出力端から非重畳相補クロック信号ＶＢが得られる。遅延回路５３，５４は、複数のインバータを直列接続して形成することができる。この時、非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢのレベル変化のタイミングは、遅延回路５３，５４による遅延時間ｔｄだけずれることになる。非重畳相補クロック信号ＶＡは、インバータ４８の入力端子に入力され、非重畳相補クロック信号ＶＢは、インバータ４７の入力端子に入力される。タッチ線５９は、インバータ４８の出力端子に接続され、基準線６０は、インバータ４７の出力端子に接続されている。
【００４９】
センサパッド５８は、人の指が触れる電極であって、タッチ線５９に接続されている。接触容量６１は、センサパッド５８と接地の間に形成される一種の可変容量と考えることができる。人の指がセンサパッド５８に接触している場合には、接触容量６１は０ではない容量値Ｃ１０を持つが、人の指がセンサパッド５８に接触していない場合にはその容量値は０である。
【００５０】
静電破壊保護回路５６は、人の指がセンサパッド５８に接触した時のサージ電圧によりインバータ４８や次段のインバータ４９が破壊されるのを防止するための回路である。静電破壊保護回路５６は、タッチ線５９からサージ電圧を抜くために、タッチ線５９と電源電圧Ｖｃｃを供給する電源線の間に接続された第１のダイオードと、タッチ線５９と接地線と間に接続された第２のダイオードからなる。
【００５１】
静電破壊保護回路５６はこれに限らず、トランジスタ等の他の素子を用いて構成することもできる。この静電破壊保護回路５６は、容量値Ｃ１１（例えば、１０ｐＦ）を持っており、この容量値Ｃ１１がタッチ線５９に付加されることになる。そこで、静電破壊保護回路５６の持っている容量値Ｃ１１のタッチ線５９への影響をキャンセルするために、基準線６０に静電破壊保護回路５６と同じ容量値Ｃ１１を持ったダミー静電破壊保護回路５７が接続されている。
【００５２】
人の指がセンサパッド５８に接触している場合には、タッチ線５９に接続された容量の合計容量値はＣ１０＋Ｃ１１であり、基準線６０に接続された容量の合計容量値はＣ１０である。したがって、この場合、タッチ線５９は基準線６０より大きな容量を持っている。一方、人の指がセンサパッド５８に触れていない場合には、タッチ線５９と基準線６０は同じ容量値Ｃ１１を持っていることになる。
【００５３】
そして、インバータ４８の出力は、波形整形用のインバータ４９，５０を通してＤ型フリップフロップ４３のデータ入力端子Ｄに入力される。インバータ４７の出力は、遅延回路５５を通して、Ｄ型フリップフロップ４３のクロック入力端子ＣＫに入力される。遅延回路５５は、遅延回路５３，５４と同様に、複数のインバータを直列接続して形成することができる。
【００５４】
インバータ５０の出力信号が遅延クロック信号ＶＡ’であり、遅延回路５５の出力信号が遅延クロック信号ＶＢ’である。即ち、遅延クロック信号ＶＡ’は、遅延クロック信号ＶＢ’の立ち上がりのタイミングで、Ｄ型フリップフロップ４３に取り込まれ、かつ保持される。そして、Ｄ型フリップフロップ４３の出力から判定出力信号Ｖｏｕｔが得られる。
【００５５】
次に、タッチセンサ１００Ｃの動作例を図７、図８に基づいて説明する。
【００５６】
＜遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’＝０の場合＞
遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’＝０、つまり、遅延回路５５を設けない場合の動作例を図７に基づいて説明する。人の指がセンサパッド５８に触れていない状態では、遅延クロック信号ＶＡ’，ＶＢ’の位相関係は、非重畳相補クロック信号ＶＡ，ＶＢの位相関係と同じであり、レベル変化のタイミングは遅延時間ｔｄだけずれている。
【００５７】
したがって、遅延クロック信号ＶＢ’がＬレベルからＨレベルに立ち上がる時点で、遅延クロック信号ＶＡ’のレベルはＬレベルである。したがって、Ｌレベルの信号がＤ型フリップフロップ４３に取り込まれ、判定出力信号Ｖｏｕｔ（Ｌレベル）が出力される。
【００５８】
これに対して、人の指がセンサパッド５８に触れている状態では、タッチ線５９の容量値が増加し、遅延時間が長くなるので、遅延クロック信号ＶＡ’はその分だけ遅延される。図７において、人の指がセンサパッド５８に触れている期間をＶＡ’（接触）のクロック波形の上に図示している。遅延クロック信号ＶＡ’の遅延量が遅延時間ｔｄ以上であると、遅延クロック信号ＶＢ’がＬレベルからＨレベルに立ち上がる時点で、遅延クロック信号ＶＡ’のレベルはＨレベルである。したがって、Ｈレベルの信号がＤ型フリップフロップ４３に取り込まれ、判定出力信号Ｖｏｕｔ（Ｈレベル）が出力される。即ち、遅延時間ｔｄが接触判定の閾値となる。
【００５９】
＜遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’≠０の場合＞
遅延回路５５による遅延時間ｔｄ’≠０、つまり、遅延回路５５を設ける場合の動作例を図８に基づいて説明する。図８においても、人の指がセンサパッド５８に触れている期間をＶＡ’（接触）のクロック波形の上に図示している。遅延回路５５を設けることにより、その遅延時間ｔｄ’が遅延クロック信号ＶＢ’の遅延時間ｔｄに加算される。
【００６０】
この場合、接触判定の閾値は（ｔｄ＋ｔｄ’）となる。即ち、遅延回路５５の遅延時間ｔｄ’を制御することで、接触判定の閾値を制御することができる。図８の例の場合には、接触判定の閾値（ｔｄ＋ｔｄ’）は、人の指がセンサパッド５８に触れている状態における遅延クロック信号ＶＡ’の遅延量より大きいので判定出力信号ＶｏｕｔはＬレベルになっている。
【符号の説明】
【００６１】
１０ リングオシレータ １１〜１７，３３ インバータ
１８ ＮＡＮＤ回路 １９ 調整容量
２０ 基準容量 ２１ 接触容量 ２２ センサパッド
２３ 比較器 ２４，２５ ラッチ回路
２６ 静電破壊保護回路 ２７ ダミー静電破壊保護回路
２８ タッチ線 ２９ 基準線
３０，３１ 定電流源
４０ 発振器 ４１，４２，４３ Ｄ型フリップフロップ
４５〜５０ インバータ ５１，５２ ＮＡＮＤ回路
５３，５４，５５ 遅延回路
５６ 静電破壊保護回路 ５７ ダミー静電破壊保護回路
５８ センサパッド ５９ タッチ線
６０ 基準線 ６１ 接触容量
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ タッチセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサパッドが接続されるタッチ線と、
基準容量が接続された基準線と、
ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号に応じて、前記タッチ線を充電し及び放電する第１の充放電回路と、
前記クロック信号に応じて、前記基準線を充電し及び放電する第２の充放電回路と、
前記タッチ線の電圧と前記基準線の電圧を比較する比較器と、
前記基準線の充電又は放電の開始から前記基準線の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスを生成するラッチパルス生成回路と、
前記ラッチパルスに応じて前記比較器の比較出力をラッチするラッチ回路とを備えることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項２】
前記第１及び第２の充放電回路は、前記クロック信号が入力されたインバータからなることを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の充放電回路は、前記クロック信号に応じて一定の充電電流又は放電電流を供給する定電流回路からなることを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項４】
前記比較器は、前記ラッチパルスの発生期間のみ動作するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項５】
前記タッチ線に接続された静電破壊保護回路と、前記基準線に接続されたダミー静電破壊保護回路とを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項６】
前記タッチ線と前記タッチパッドの間に接続され、前記タッチ線に人の指が接触した時に付加される容量値を調整するための調整容量を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項１】
センサパッドが接続されるタッチ線と、
基準容量が接続された基準線と、
ＨレベルとＬレベルを交互に繰り返すクロック信号に応じて、前記タッチ線を充電し及び放電する第１の充放電回路と、
前記クロック信号に応じて、前記基準線を充電し及び放電する第２の充放電回路と、
前記タッチ線の電圧と前記基準線の電圧を比較する比較器と、
前記基準線の充電又は放電の開始から前記基準線の電圧が所定の電圧に到達するまでの期間にラッチパルスを生成するラッチパルス生成回路と、
前記ラッチパルスに応じて前記比較器の比較出力をラッチするラッチ回路とを備えることを特徴とするタッチセンサ。
【請求項２】
前記第１及び第２の充放電回路は、前記クロック信号が入力されたインバータからなることを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の充放電回路は、前記クロック信号に応じて一定の充電電流又は放電電流を供給する定電流回路からなることを特徴とする請求項１に記載のタッチセンサ。
【請求項４】
前記比較器は、前記ラッチパルスの発生期間のみ動作するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項５】
前記タッチ線に接続された静電破壊保護回路と、前記基準線に接続されたダミー静電破壊保護回路とを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタッチセンサ。
【請求項６】
前記タッチ線と前記タッチパッドの間に接続され、前記タッチ線に人の指が接触した時に付加される容量値を調整するための調整容量を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のタッチセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４４３７０（Ｐ２０１１−２４４３７０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６９０４（Ｐ２０１０−１１６９０４）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３１１００３７４３）オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド (166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３１１００３７４３）オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド (166)
【Ｆターム（参考）】
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