タッチパネルの容量検出回路、容量検出方法、およびそれを用いたタッチパネル入力装置、電子機器
【課題】容量検出回路のノイズ耐性を改善する。
【解決手段】送信回路２０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれの送信電極１０に周期的な送信信号を印加する。受信回路２６は、各容量センサ５１〜ｍの容量変化を示すデジタル値Ｄｓ１〜ｍを、対応する受信電極１２１〜ｍに発生する受信信号ＩＲＸにもとづいて生成する。制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍに対応して生成された複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍに応じて、ノイズの影響の有無を判定する。
【解決手段】送信回路２０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれの送信電極１０に周期的な送信信号を印加する。受信回路２６は、各容量センサ５１〜ｍの容量変化を示すデジタル値Ｄｓ１〜ｍを、対応する受信電極１２１〜ｍに発生する受信信号ＩＲＸにもとづいて生成する。制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍに対応して生成された複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍに応じて、ノイズの影響の有無を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互キャパシタンス方式のタッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータや携帯電話端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの電子機器は、指で接触することによって電子機器を操作するための入力装置を備えるものが主流となっている。こうした入力装置として、相互キャパシタンス（Mutual Capacitance）方式のタッチセンサ（タッチパネルともいう）が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０９／０７８９４４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
相互キャパシタンス方式の装置は、互いに容量的に結合された送信電極と受信電極のペアおよび送信電極と受信電極を駆動する制御回路を有する。制御回路が、送信電極から矩形パルスの送信信号を送信すると、受信電極には電極間の容量に応じた波形が現れる。制御回路は、受信電極に入力される信号の波形にもとづいて容量値の変化を検出する。
【０００５】
受信電極に入力される受信信号は微弱であるため、制御回路の入力感度は高く設計される。したがって、送信信号の周波数と同じ周波数帯域のノイズの影響を受けやすく、誤検出、誤動作の要因となる。
【０００６】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ノイズ耐性の強い相互キャパシタ方式の容量センサの容量検出回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、複数の容量センサの容量検出回路に関する。各容量センサは、互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される。容量検出回路は、複数の容量センサそれぞれの送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、ノイズの影響の有無を判定する制御部と、を備える。
【０００８】
容量センサに送信信号の周波数（送信周波数）に近い周波数のノイズが混入すると、受信信号にノイズが重畳される。ノイズの大きさは、同一フレーム内の複数の容量センサごとにばらつく。したがって、各容量センサの容量変化を示すデジタル値は、ノイズの影響によりばらつくことになる。あるいは、ノイズの影響を受ける場合と受けない場合では、複数のデジタル値は、異なる振る舞いを見せる。
したがって、この態様によると、同一フレーム内の複数の容量センサそれぞれのデジタル値を監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。
【０００９】
制御部は、同一フレーム内の複数のデジタル値を統計処理することにより、ノイズの影響の有無を判定してもよい。
【００１０】
制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサに接触もしくは近接（以下、単に接触という）しなければ、容量変化が発生する容量センサの個数はゼロであり、接触した場合であっても、有意な容量変化が発生する容量センサの個数は、所定の個数以下となる確率が高い。なぜなら、通常の使用に際して、ユーザが接触する容量センサの個数は、指の大きさやその本数に応じて定まり、ある個数以下と想定されるからである。
つまり、ノイズの影響を受けない状況においては、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多くなる確率はきわめて低い。したがって判定部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多い場合に、ノイズの影響を受けていると推定することができる。
【００１１】
制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサに接触しなければ、デジタル値の分散は実質的にゼロであり、接触した場合であっても、デジタル値の分散は所定値より小さい確率が高い。したがって判定部は、デジタル値の分散にもとづいて、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００１２】
制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。あるいは制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、デジタル値の合計は、所定値より低くなる確率が高い。またノイズの影響を受けない状況において、各デジタル値と基準値の差分の合計は、ある値より低くなる確率が高い。
これらの判定条件によっても、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００１３】
制御部は、ノイズの影響があるものと判定されたとき、送信信号の周波数を切りかえてもよい。
送信周波数を切りかえることにより、ノイズの周波数と、送信周波数をずらすことができ、ノイズの影響を低減することができる。
【００１４】
制御部は、ノイズの影響が検出されると周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、送信信号の周波数を切りかえながら、各周波数においてノイズの判定処理を行ってもよい。制御部は、通常モードにおける送信信号の周波数を、判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定してもよい。
【００１５】
複数のデジタル値の分散、合計、所定の条件を満たすデジタル値の個数をはじめとするパラメータは、ノイズの影響の大小を示す。したがって、送信信号の周波数をスイープさせることにより、ノイズの影響の小さな送信周波数を探索することができる。
【００１６】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のある態様によれば、相互キャパシタ方式の容量センサを高精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】タッチパネル入力装置を備える電子機器の構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態に係る容量検出回路を有する入力装置の構成を示す回路図である。
【図３】実施の形態に係る容量検出回路の動作を示すタイムチャートである。
【図４】図４は、比較技術に係るセンシング方法を示すタイムチャートである。
【図５】容量検出回路の受信回路の第１の構成例を示す回路図である。
【図６】図５の容量検出回路の第１モードの動作を示すタイムチャートである。
【図７】図５の容量検出回路の第２モードの動作を示すタイムチャートである。
【図８】容量検出回路の受信回路の第２の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２０】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００２１】
図１は、実施の形態に係るタッチパネル入力装置（単に入力装置という）２を備える電子機器１の構成を示す回路図である。入力装置２は、たとえばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）８の表層に配置され、タッチパネルとして機能する。入力装置２は、ユーザが指やペンなど（以下、指６）でタッチしたポイント（点）のＸ座標およびＹ座標を判定する。
【００２２】
入力装置２は、タッチパネル４および制御回路（容量検出回路）１００、マイコン３を備える。タッチパネル４は相互キャパシタンス方式のマトリクス型タッチパネルであり、マトリクスの列ごとに設けられた複数の送信電極１０と、マトリクスの列ごとに設けられた複数の受信電極１２を備える。行と列の割り当ては逆でもよい。送信電極１０と受信電極１２の各交点において、２つの電極は互いに容量的に結合される（Capacitively coupled）。各交点の送信電極１０と受信電極１２のペアは、ひとつの容量センサ（Capacitive sensor）５を形成する。つまりタッチパネル４は、マトリクス状に配置された複数の容量センサ５を含む。ユーザの指やペンなどの物体が、ある容量センサ５に接触あるいは近接（以下、単に接触という）すると、その容量センサ５が形成する相互キャパシタンスが変化する。
【００２３】
容量検出回路１００は、複数の送信電極１０に対して、順にサイクリックに送信信号を印加し、容量検出の対象となる列を選択する。容量検出回路１００は、選択された送信電極１０が、複数の受信電極１２それぞれとの間で形成する容量の変化を検出する。選択された送信電極１０が列座標、容量変化が発生した受信電極１２が行座標に対応する。容量変化を示すデータは、マイコン３に送信される。マイコン３は、各座標の容量変化にもとづき、ユーザが接触した座標を判定する。
【００２４】
図１の電子機器１において、タッチパネル４はさまざまなノイズの影響を受ける。具体的には、ＬＣＤ８からのノイズ、電子機器１に搭載されるスイッチング電源のノイズ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインタフェースからのノイズ、電子機器１の外部から入力されるノイズが例示される。
【００２５】
図２は、実施の形態に係る容量検出回路１００を有する入力装置２の構成を示す回路図である。図２には、ひとつの送信電極１０と、それと直交する複数の受信電極１２１〜ｍを有するタッチパネル４が示されるが、送信電極１０は複数設けられてもよい。
【００２６】
送信電極１０と、複数の受信電極１２１〜１２ｍはそれぞれ容量的に結合され、それらの間には、相互キャパシタンスＣＭを含む容量センサ５１〜５ｍが形成される。容量検出回路１００は、主として送信回路２０、受信回路２６および制御部５０を備える。容量検出回路１００は、複数の容量センサ５それぞれの相互キャパシタンスＣＭの変化を、順に検出する。
【００２７】
容量検出回路１００は、送信端子（ＴＸ端子）と、受信電極１２ごとに設けられた受信端子（ＲＸ端子）を有する。容量検出回路１００のＴＸ端子は送信電極１０と接続され、容量検出回路１００の各ＲＸｉ端子は、対応する受信電極１２ｉと接続される。
【００２８】
送信回路２０は、所定の送信周波数ｆＴＸを有する周期的な送信信号Ｓ１を発生し、送信電極１０に印加する。信号発生器２２は、周期的なクロック信号を発生する。ドライバ２４は、クロック信号を受け、それと同期した送信信号Ｓ１を送信電極１０に出力する。送信信号Ｓ１は、第１電圧レベル（たとえば電源電圧Ｖｄｄ）と、第２電圧レベル（たとえば接地電圧Ｖｓｓ）を交互に繰り返す周期信号である。複数の送信電極１０が設けられるタッチパネル４においては、選択される送信電極１０に送信信号Ｓ１が印加され、その他の送信電極１０には、固定的な電圧レベル、たとえば接地電圧Ｖｓｓが印加される。
【００２９】
受信回路２６は、各容量センサ５ｉ（１≦ｉ≦ｍ）の容量変化を示すデジタル値Ｄｓを、対応する受信電極１２ｉに発生する受信信号ＩＲＸにもとづいて生成する。受信回路２６は、マルチプレクサＭＵＸ、積分回路３０、サンプルホールド回路４０、増幅器４２、Ａ／Ｄコンバータ４４、を含む。
【００３０】
マルチプレクサＭＵＸは、検出対象の受信電極１２を選択するためのセレクタである。マルチプレクサＭＵＸは、複数の受信電極１２１〜ｍそれぞれに発生する受信信号ＩＲＸを順に選択する。
【００３１】
積分回路３０は、マルチプレクサＭＵＸにより選択された受信信号ＩＲＸにもとづいて、各受信電極１２１〜ｍが形成する容量センサ５１〜ｍの相互キャパシタンスＣＭの変化量を検出し、容量変化に応じたレベルを有する検出電圧Ｖｓを生成する。具体的には、受信信号ＩＲＸは電流信号であり、積分回路３０は、電流ＩＲＸを積分し、容量変化に応じた検出電圧Ｖｓを生成する。積分回路３０は、公知の回路、あるいは後述する回路を用いればよく、その構成、方式は特に限定されない。
【００３２】
サンプルホールド回路４０は、積分回路３０からの検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする。増幅器４２は、必要に応じてサンプルホールドされた検出電圧Ｖｓを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ４４は、増幅された検出電圧Ｖｓをデジタル値Ｄｓに変換する。このデジタル値Ｄｓは、各容量センサ５の容量変化を示す。
【００３３】
制御部５０は、送信回路２０および受信回路２６の動作シーケンスを制御する。また制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍごとに生成された複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍに応じて、容量検出に対するノイズの影響の有無を判定する。
【００３４】
制御部５０によるノイズの影響の有無の判定原理を説明する。
容量センサ５１〜ｍすなわちタッチパネル４に、送信信号Ｓ１の周波数（送信周波数ｆＴＸ）に近い周波数のノイズが混入すると、受信信号ＩＲＸにノイズが重畳される。一般に、ノイズの大きさは、複数の容量センサ５１〜ｍの位置（座標）に応じてばらつく。したがって、各容量センサ５１〜ｍの容量変化を示すデジタル値Ｄｓ１〜ｍは、ノイズの影響によってばらつきうる。また、ノイズの大きさは時間的にランダムに変動するため、時分割によって複数の容量センサ５１〜ｍの容量変化を検出する場合、検出の時刻に応じてデジタル値Ｄｓがばらつきうる。つまり、ノイズの影響を受ける場合と受けない場合では、複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍは、異なる振る舞いを見せるといえる。
【００３５】
したがって、制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍごとに生成される複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍを監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。なお、制御部５０は、すべての容量センサ５１〜ｍのデジタル値Ｄｓ１〜ｍを参照する必要はなく、その一部にもとづいて、ノイズの有無を判定してもよい。
【００３６】
制御部５０は、いくつかの判定条件にもとづいて、ノイズの影響の有無を判定することができる。以下、具体的な判定条件を説明する。
【００３７】
（第１の判定条件）
制御部５０は、各デジタル値Ｄｓ１〜ｍを、所定のしきい値ＤＴＨ１と比較する。そして、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数が、所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定する。
【００３８】
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサ５に接触しなければ、容量変化が発生する容量センサ５の個数は原理的にゼロであり、接触した場合であっても、有意な容量変化が発生する容量センサの個数は、所定数以下となる確率が高い。なぜなら、通常の使用に際して、ユーザが接触する容量センサの個数は、指の大きさやその本数に応じて定まり、ある個数以下と想定されるからである。
【００３９】
つまり、ノイズの影響を受けない状況においては、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数ｘが所定数Ｋより多くなる確率はきわめて低いといえる。したがって判定部５０は、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数ｘが所定数Ｋより多い場合に、ノイズの影響を受けていると推定することができる。
【００４０】
（第２の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５それぞれのデジタル値Ｄｓの分散σを計算する。そして、分散σが、所定のしきい値ＤＴＨ２より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
【００４１】
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサ５に接触しなければ、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σは実質的にゼロであり、接触した場合であっても、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σは所定値より小さい確率が高い。したがって判定部５０は、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σにもとづいて、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００４２】
（第３の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれのデジタル値Ｄｓ１〜ｍの合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉを計算する。そして、合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉが、所定のしきい値ＤＴＨ３より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
【００４３】
ノイズの影響を受けない状況において、各デジタル値Ｄｓｉの合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉは、ある値ＤＴＨ３より低くなる確率が高い。反対にノイズの影響を受けると、ノイズに起因する受信信号ＩＲＸにより、デジタル値Ｄｓ１〜ｍが底上げされ、合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉは、ノイズの影響が小さい場合に比べて大きくなる。
したがって、合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉをしきい値ＤＴＨ３と比較することにより、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００４４】
（第４の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれのデジタル値Ｄｓ１〜ｍと所定の基準値ＤＲＥＦの差分（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）の合計値Σｉ＝１〜ｍ（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）が、所定のしきい値ＤＴＨ３より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。この処理は、実質的に第３の方法と同等である。
【００４５】
以上が判定条件の例である。上の条件は任意のものを組み合わせてもよく、複数の条件が同時に満たされるときに、ノイズの影響があるものと判定してもよい。また、当業者であれば、第１から第４の条件以外にも、それから導かれる原理を同じくする別の条件が存在することが理解される。
【００４６】
ノイズの影響の有無の判定結果は、送信信号Ｓ１の送信周波数ｆＴＸに反映される。すなわち制御部５０は、ノイズの影響があるものと判定されたとき、制御信号Ｓ２によって、送信信号Ｓ１の周波数ｆＴＸを別の値に切りかえる。これにより、送信周波数ｆＴＸがノイズの周波数とは異なる値にシフトされるため、容量検出に対するノイズの影響を低減することができる。
【００４７】
容量検出回路１００は、通常モードと周波数探索モードが切りかえ可能に構成される。
制御部５０は、通常モードにおいてノイズの影響が検出されると周波数探索モードに移行する。周波数探索モードにおいて、送信信号Ｓ１の周波数ｆＴＸを複数の値で切りかえながら、各周波数においてノイズの判定処理を行ってもよい。制御部５０は、通常モードにおける送信信号Ｓ１の周波数を、判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定する。
【００４８】
ここで、第１から第４条件においては、所定の条件を満たすデジタル値Ｄｓの個数ｘ、複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σ、それらの合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉ、Σｉ＝１〜ｍ（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）をはじめとするパラメータが計算される。そしてこれらのパラメータは、ノイズの影響の大小を示す。したがって周波数探索モードにおいて、送信信号ｆＴＸの周波数をスイープさせることにより、ノイズの影響の小さな送信周波数を探索することができる。
【００４９】
以上が容量検出回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、実施の形態に係る容量検出回路１００の動作を示すタイムチャートである。時刻ｔ０において、容量検出回路１００は通常モードで動作しており、送信周波数ｆＴＸは、ある値ｆ３に設定されている。図３において、ＦＤ１、ＦＤ２…はそれぞれ、容量センサ５１〜ｍのデジタル値を含む１フレーム分のデータを示す。
【００５０】
フレームデータＦＤ１〜ＦＤ５においては、各フレーム内の容量センサ５のデジタル値Ｄｓにもとづき、ノイズの影響が小さいものと判定される。フレームデータＦＤ６において、ノイズの影響が大きいと判定されると、周波数探索モードに設定される。
【００５１】
時刻ｔ１以降、送信周波数ｆＴＸをｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５とスイープしながら、各送信周波数ｆＴＸについて、フレームデータＦＤ７、ＦＤ８、ＦＤ９、ＦＤ１０、ＦＤ１１が取得される。そして、各フレームデータＦＤ７〜ＦＤ１１それぞれについて、ノイズの影響の有無が判定される。
【００５２】
そして、ノイズの影響の最も小さな送信周波数ｆＴＸがｆ５であった場合、時刻ｔ２以降の通常モードの送信周波数が、ｆ５に設定される。
【００５３】
以上が容量検出回路１００の動作である。
容量検出回路１００によれば、複数の容量センサごとに生成される複数のデジタル値を監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。
【００５４】
通常モードにおいては、送信周波数を、ノイズの影響が小さな単一の周波数に固定して、各フレームのデータを取得することができる。この利点は、図４の比較技術との対比により明確となる。図４は、比較技術に係るセンシング方法を示すタイムチャートである。比較技術においては、３つの送信周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３それぞれについて、フレームデータＦＤ１１、ＦＤ１２、ＦＤ１３を取得する。ノイズの周波数が、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のうちひとつ（たとえばｆ１）と重なっている場合、フレームデータＦＤ１１はノイズの影響を受け、ＦＤ１２、ＦＤ１３はその影響を受けない。比較技術では、フレームデータＦＤ１１、ＦＤ１２、ＦＤ１３の多数決を採り、ノイズの影響を低減する。
【００５５】
この比較技術では、１つのフレームデータを取得するために、３つの周波数でセンシングする必要があるため、１フレームのデータを取得するのに必要なセンシング時間が長くなる。これに対して、実施の形態に係る容量検出回路１００では、１フレームのデータを、単一の周波数で１回センシングすればよいため、センシング時間を短縮できる。
【００５６】
実施の形態では、容量検出回路１００の内部の制御部５０が、ノイズの有無の判定処理を行う場合を説明したが、本発明はそれに限定されず、制御部５０は容量検出回路１００とは別のＤＳＰ（Digital Signal Processor）として構成されてもよい。具体的にはマイコン３が、制御部５０として動作し、ノイズの有無を判定してもよい。この場合、容量検出回路１００は、マイコン３からの制御信号に応じて、モードが切りかえられ、また送信周波数ｆＴＸも、マイコン３により制御される。この場合、容量検出回路１００およびマイコン３を含めた全体が、特許請求の範囲における容量検出回路に対応する。
【００５７】
続いて、受信回路２６の具体的な構成例を説明する。
【００５８】
（第１の構成例）
図５は、容量検出回路１００の受信回路２６の第１の構成を示す回路図である。
【００５９】
積分回路３０は、演算増幅器３２、積分キャパシタＣＩＮＴ、駆動バッファ３４、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、オフセット用キャパシタＣＯＦＳ、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５を備える。
【００６０】
演算増幅器３２の第１入力端子（非反転入力端子）には、所定の基準電圧ＶＲＥＦが印加される。積分キャパシタＣＩＮＴは、演算増幅器３２の出力端子とその第２入力端子（反転入力端子）の間に設けられる。駆動バッファ３４は、演算増幅器３２の反転入力端子の電位を受ける。たとえば駆動バッファ３４はボルテージフォロア回路である。
【００６１】
複数の第１スイッチＳＷ１１〜ｍはそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第１スイッチＳＷ１ｉは、駆動バッファ３４の出力端子と、対応する受信電極１２ｉの間に設けられる。複数の第２スイッチＳＷ２１〜ｍもそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第２スイッチＳＷ２ｉは、対応する受信電極１２ｉと演算増幅器３２の反転入力端子の間に設けられる。
【００６２】
複数の第５スイッチＳＷ５１〜ｍもそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第５スイッチＳＷ５１〜ｍは、容量検出回路１００の非動作状態においてオンとなり、それぞれが接続されるラインの電位を固定するために設けられる。
【００６３】
複数の第１スイッチＳＷ１１〜ｍおよび複数の第２スイッチＳＷ２１〜ｍは、検出対象の受信電極１２を選択するためのセレクタ（マルチプレクサ）ＭＵＸとして把握することもできる。
【００６４】
オフセット用キャパシタＣＯＦＳの第１端子は接地され、その電位が固定される。第３スイッチＳＷ３は、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの第２端子と演算増幅器３２の反転入力端子の間に設けられる。第４スイッチＳＷ４は、オフセット用キャパシタＣＯＦＳと並列に設けられる。第４スイッチＳＷ４がオンすると、オフセット用キャパシタＣＯＦＳに蓄えられた電荷が放電する。オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電荷が放電された状態で、第３スイッチＳＷ３がオンすると、積分キャパシタＣＩＮＴとオフセット用キャパシタＣＯＦＳとの間で電荷移動が起こり、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓが所定幅ＶＯＦＳだけシフトする。
【００６５】
第３スイッチＳＷ３のオンによる電荷移動の前後で、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電圧変化はＶＲＥＦであり、積分キャパシタＣＩＮＴの電圧変化量はＶＯＦＳである。したがって電荷保存則から以下の関係式が成り立つ。
ＣＯＦＳ×ＶＲＥＦ＝ＣＩＮＴ×ＶＯＦＳ
【００６６】
たとえばＶＲＥＦ＝２Ｖ、２つの容量の比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴ＝１／１０とするとき、第３スイッチＳＷ３を１回オンするごとに、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓは、シフト量ＶＯＦＳ＝０．２Ｖだけシフトする。言い換えれば、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの容量値に応じて、シフト量を調節できる。
【００６７】
送信信号Ｓ１が印加されると、相互キャパシタンスＣＭが充電され、その容量値に応じた電荷が蓄えられる。そして送信信号Ｓ１の電圧レベルが変化すると、相互キャパシタンスＣＭに蓄えられた電荷が充放電され、電流ＩＲＸが発生する。積分回路３０は、この電流ＩＲＸを積分し、容量変化に応じた検出電圧Ｖｓを生成する。
【００６８】
サンプルホールド回路４０は、検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする。増幅器４２は、必要に応じてサンプルホールドされた検出電圧Ｖｓを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ４４は、増幅された検出電圧Ｖｓをデジタル値に変換する。このデジタル値は、各容量センサ５の容量変化を示す。
【００６９】
制御部５０は、送信回路２０、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン、オフ状態、サンプルホールド回路４０のサンプルホールド動作をシーケンス制御する。制御部５０は、第１モードと第２モードで切りかえ可能に構成される。
【００７０】
１． 第１モード
このモードにおいて制御部５０は、積分回路（演算増幅器３２）３０による１回の積分動作（センシング）ごとに、第３スイッチＳＷ３をオンすることにより、前もって電荷が放電されたオフセット用キャパシタＣＯＦＳを演算増幅器３２の反転入力端子に接続する。
【００７１】
２． 第２モード
このモードにおいて制御部５０は、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓが所定のしきい値電圧ＶＴＨに達するたびに、第３スイッチＳＷ３をオンする。コンパレータ４６は、検出電圧Ｖｓとしきい値電圧ＶＴＨを比較し、第２モードにおいて第３スイッチＳＷ３をオンするタイミングを検出する。制御部５０は、コンパレータ４６の検出結果にもとづき第３スイッチＳＷ３をオンする。
【００７２】
以上が容量検出回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。図６は、図２の容量検出回路１００の第１モードの動作を示すタイムチャートである。スイッチの状態は、ハイレベルがオンを、ローレベルがオフを示す。
【００７３】
ここでは説明の簡潔化、理解の容易化のために、ひとつの受信電極１２に着目し、それが形成する相互キャパシタンスＣＭを検出する動作を説明する。
【００７４】
送信信号Ｓ１が第１電圧レベルＶｄｄから第２電圧レベルＶｓｓに変化し、あるいは第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化すると、受信電極１２からＲＸ端子を介して、相互キャパシタンスＣＭに応じた電流ＩＲＸが流れる。容量検出回路１００は、第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化することにより生ずる電流ＩＲＸのみを検出する（整流動作）。
【００７５】
演算増幅器３２の反転入力端子と非反転入力端子の電圧は等しくなるため、駆動バッファ３４の入力電圧は、基準電圧ＶＲＥＦと等しくなる。送信信号Ｓ１が第２電圧レベルＶｓｓの期間に、第１スイッチＳＷ１がオンする。これにより駆動バッファ３４の出力が受信電極１２と接続され、受信電極１２の電位が基準電圧ＶＲＥＦに初期化される。
【００７６】
続いて第１スイッチＳＷ１がオフし、第３スイッチＳＷ３がオンする。第３スイッチＳＷ３のオンに先立ち、第４スイッチＳＷ４をオンすることにより（不図示）、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電荷はゼロに放電されている。第３スイッチＳＷ３をオンすると、オフセット用キャパシタＣＯＦＳが積分キャパシタＣＩＮＴと接続される。これにより、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓは、所定のオフセット電圧ＶＯＦＳだけ高電位側にシフトする。
【００７７】
第３スイッチＳＷ３をオフし、オフセット用キャパシタＣＯＦＳが積分キャパシタＣＩＮＴと切り離された状態で、第２スイッチＳＷ２がオンとなる。第２スイッチＳＷ２がオンの期間に、送信信号Ｓ１が第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化すると、第２スイッチＳＷ２を経由して、相互キャパシタンスＣＭの容量値に応じた電流ＩＲＸが、積分キャパシタＣＩＮＴに流れ、積分処理が行われる。サンプルホールド回路４０は、積分キャパシタＣＩＮＴの充放電が終了したタイミングにおける検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする（Ｓ／Ｈ）。
【００７８】
以上が第１モードの動作である。
【００７９】
このように、オフセット用キャパシタＣＯＦＳを設け、それを積分処理ごとに積分キャパシタＣＩＮＴと接続することにより、検出電圧Ｖｓを毎サイクル、オフセットさせることができる。容量検出回路１００が検出すべきは、接触により生ずる相互キャパシタンスＣＭの変化であるため、接触の有無にかかわらず存在する定常的な容量の影響はキャンセルして構わない。容量検出回路１００によれば、オフセットによってこのような定常的な容量の影響をキャンセルすることができる。
【００８０】
検出電圧Ｖｓが取り得る電圧範囲は限定されている。検出電圧Ｖｓのオフセットにより、１回のセンシングで発生する検出電圧Ｖｓの変化を小さくできるため、同じ電圧範囲内での回数を、オフセットを行わない場合に比べて増やすことができる。あるいは、１回のセンシングにおける積分する電圧値を大きくすることができるため、検出精度を高めることができ、あるいはノイズに対する耐性を高めることができる。
【００８１】
ここで比較のために、オフセット用キャパシタＣＯＦＳではなく、演算増幅器３２の反転入力端子に接続される電流源を設け、電流を流し込むことによりオフセットを行う場合について考察する。この比較技術では、オフセット量ＶＯＦＳは、電流を供給する時間と、電流量の積で定まる。ここで容量検出回路１００は、低消費電力モードにおいて、センシング周波数を落とす場合がある。この場合、積分回路３０のセンシング周波数が変化するとそれによって電流源がオンする時間が変化し、オフセット量が変化するという問題が生ずる。
【００８２】
これに対して実施の形態に係る容量検出回路１００では、オフセット用キャパシタＣＯＦＳと積分キャパシタＣＩＮＴの間の電荷の移動が瞬時に起こるため、オフセット量ＶＯＦＳが第３スイッチＳＷ３のオン時間の影響を受けにくいという利点を有する。
【００８３】
また比較技術では、サンプルホールドのタイミングによって、検出電圧Ｖｓのレベルが変化するため、検出電圧Ｖｓがジッタの影響を受けやすい。これに対して容量検出回路１００によれば、サンプルホールドのタイミングがジッタの影響を受けても、それより前に検出電圧Ｖｓのレベルが安定化しているため、ジッタの影響を受けにくいという利点を有する。
【００８４】
また比較技術ではプロセスばらつきや温度変動によって、電流源が生成する電流値が変動すると、オフセット量ＶＯＦＳが変動してしまう。これに対して容量検出回路１００では、オフセット電圧ＶＯＦＳは、積分キャパシタＣＩＮＴとオフセット用キャパシタＣＯＦＳの容量の比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴで定まるところ、それらが同じＩＣチップに集積化される場合、容量比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴの変動は小さいため、オフセット電圧ＶＯＦＳの変動を小さくできる。
【００８５】
続いて第２モード（折り返しモード）の動作を説明する。
図７は、図２の容量検出回路１００の第２モードの動作を示すタイムチャートである。第２モードでは、センシングごとに検出電圧Ｖｓをオフセットするのではなく、検出電圧Ｖｓがしきい値電圧ＶＴＨに達するたびに第３スイッチＳＷ３をオンし、検出電圧Ｖｓをオフセットさせる。第２モードでは、検出電圧Ｖｓが折り返されることから、折り返しモードともいう。
【００８６】
なお第３スイッチＳＷ３を１回オンさせることにより得られるオフセット量が小さい場合、第３スイッチＳＷ３を複数回オンさせることにより、必要なオフセット量ＶＯＦＳを実現してもよい。
【００８７】
第２モードによれば、Ａ／Ｄコンバータ４４による変換回数を増やすことなく、積分回数もしくは積分量を大きくすることができる。
【００８８】
（第２の構成例）
図８は、容量検出回路の受信回路の第２の構成例を示す回路図である。
【００８９】
タッチパネル４の構成は図１と同様である。容量検出回路１００ａは、２つの積分回路３０ａ、３０ｂを備える。
積分回路３０ａおよび３０ｂは、図１の積分回路３０と同様に構成される。ＲＸ１〜ｍ端子ごとに、マルチプレクサＭＵＸ１〜ｍが設けられる。マルチプレクサＭＵＸｉの第１スイッチＳＷ１ａは、受信電極１２ｉと第１積分回路３０ａの駆動バッファ３４の出力との間に設けられ、第１スイッチＳＷ１ｂは、受信電極１２ｉと第２積分回路３０ｂの駆動バッファ３４の出力との間に設けられる。第２スイッチＳＷ２ａは、受信電極１２ｉと第１積分回路３０ａの演算増幅器３２との間に設けられ、第２スイッチＳＷ２ｂは、受信電極１２ｉと第２積分回路３０ｂの演算増幅器３２との間に設けられる。各マルチプレクサＭＵＸｉによって、対応する受信電極１２ｉを、積分回路３０ａ、３０ｂのいずれか一方に選択的に割り当て可能となっている。
【００９０】
第１積分回路３０ａは、それに割り当てられたひとつの受信電極１２ｊに応じた容量変化を検出する。第２積分回路３０ｂは、それに割り当てられたひとつの受信電極１２ｋに応じた容量変化を検出する。サンプルホールド回路４０ａ、４０ｂはそれぞれ、積分回路３０ａ、３０ｂの出力電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを、サンプルホールドする。
【００９１】
コンパレータ４６ａ、４６ｂはそれぞれ、積分回路３０ａ、３０ｂそれぞれの出力電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを、所定のしきい値電圧ＶＴＨと比較する。比較結果は、上述した折り返しモードに利用される。
【００９２】
容量検出回路１００ａは、差動モードとシングルエンドモードとが切りかえ可能に構成される。
【００９３】
１． 差動モード
このモードでは、第７スイッチＳＷ７がオン、第６スイッチＳＷ６ａ、ＳＷ６ｂ、第８スイッチＳＷ８がオフである。差動増幅器４３は、サンプルホールドされた第１積分回路３０ａの出力電圧Ｖｓａと、サンプルホールドされた第２積分回路３０ｂの出力電圧Ｖｓｂの差分を増幅する。差動増幅器４３の出力は、第７スイッチＳＷ７を介してＡ／Ｄコンバータ４４に入力される。
【００９４】
２． シングルエンドモード
このモードでは、第７スイッチＳＷ７がオフ、第８スイッチＳＷ８がオンである。第６スイッチＳＷ６ａ、ＳＷ６ｂは、サンプルホールド回路４０ａ、４０ｂの出力の一方を選択する。増幅器４２は、選択された一方の検出電圧Ｖｓを増幅し、第８スイッチＳＷ８を介してＡ／Ｄコンバータ４４に入力する。
【００９５】
以上が容量検出回路１００ａの構成である。続いてその動作を説明する。
【００９６】
１． シングルエンドモード
シングルエンドモードの動作は、基本的に第１の構成例と同様である。このモードにおいては、積分回路３０ａ、３０ｂの一方のみをアクティブとし、アクティブな積分回路３０を利用して、複数の受信電極１２１〜ｍそれぞれの容量変化を検出できる。
あるいは、積分回路３０ａ、３０ｂの両方を並列的に動作させ、２つの受信電極１２の容量変化を同時に検出してもよい。２つの受信電極１２の容量変化に応じた検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂをサンプルホールドした後、Ａ／Ｄコンバータ４４によって２つの検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを時分割でデジタル値に変換すればよい。
【００９７】
２． 差動モード
差動モードでは、２つの積分回路３０ａ、３０ｂの両方が並列的に動作し、それぞれに割り当てられた２つの受信電極１２ｊ、１２ｋの容量を同時に検出する。そして２つの受信電極１２ｊ、１２ｋの容量変化に応じた検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂをサンプルホールドした後、差動増幅器４３によって差分を増幅し、Ａ／Ｄコンバータ４４により増幅結果をデジタル値に変換する。
【００９８】
たとえば差動モードのひとつの動作例では、ｋ＝ｊ＋１とし、隣接する２つの受信電極１２が、第１積分回路３０ａ、第２積分回路３０ｂに割り当てられる。そして、変数ｊをひとつずつインクリメントすることにより、すべての受信電極１２１〜ｍの容量変化を検出する。
なお受信電極１２ｍの容量変化を検出する場合、受信電極１２ｍを積分回路３０ａに、受信電極１２１、あるいは別に設けられた基準となる電極（不図示）を積分回路３０ｂに割り当ててもよい。基準となる電極は、いずれかのＲＸ端子と接続される。
【００９９】
第１の構成例、あるいは第２の構成例のシングルエンドモード動作では、タッチパネル４にノイズが混入すると、そのノイズが容量変化として検出され、ユーザによる接触が誤検出される場合がある。
ここである受信電極１２ｊにノイズが混入するとき、それと隣接する受信電極１２ｊ＋１にも、受信電極１２ｉと同相のノイズが混入する確率は高くなる。このような場合に、差動モードで動作させると、積分回路３０ａ、３０ｂに割り当てられる２つの受信電極１２に同相で混入するコモンモードのノイズの影響を除去できるため、誤検出を防止できる。
【０１００】
差動モードの別の動作例では、第１積分回路３０ａに対して、受信電極１２１〜ｍを時分割で順に割り当て、第２積分回路３０ｂに対しては、受信電極１２１〜ｍとは別に設けられた基準電極（不図示）を割り当ててもよい。基準電極としてアンテナラインを用いてもよい。この場合でも、検出対象の受信電極１２ｊと基準電極とにコモンモードノイズが混入している場合、その影響を低減することができる。
【０１０１】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…電子機器、２…入力装置、４…タッチパネル、５…容量センサ、６…指、８…ＬＣＤ、１０…送信電極、１２…受信電極、２０…送信回路、２２…信号発生器、２４…ドライバ、２６…受信回路、３０…積分回路、３０ａ…第１積分回路、３０ｂ…第２積分回路、３２…演算増幅器、３４…駆動バッファ、ＣＩＮＴ…積分キャパシタ、ＣＯＦＳ…オフセット用キャパシタ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、４０…サンプルホールド回路、４２…増幅器、４３…差動増幅器、４４…Ａ／Ｄコンバータ、４６…コンパレータ、５０…制御部、１００…容量検出回路、ＣＭ…相互キャパシタンス、Ｓ１…送信信号。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互キャパシタンス方式のタッチパネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータや携帯電話端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの電子機器は、指で接触することによって電子機器を操作するための入力装置を備えるものが主流となっている。こうした入力装置として、相互キャパシタンス（Mutual Capacitance）方式のタッチセンサ（タッチパネルともいう）が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０９／０７８９４４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
相互キャパシタンス方式の装置は、互いに容量的に結合された送信電極と受信電極のペアおよび送信電極と受信電極を駆動する制御回路を有する。制御回路が、送信電極から矩形パルスの送信信号を送信すると、受信電極には電極間の容量に応じた波形が現れる。制御回路は、受信電極に入力される信号の波形にもとづいて容量値の変化を検出する。
【０００５】
受信電極に入力される受信信号は微弱であるため、制御回路の入力感度は高く設計される。したがって、送信信号の周波数と同じ周波数帯域のノイズの影響を受けやすく、誤検出、誤動作の要因となる。
【０００６】
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ノイズ耐性の強い相互キャパシタ方式の容量センサの容量検出回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、複数の容量センサの容量検出回路に関する。各容量センサは、互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される。容量検出回路は、複数の容量センサそれぞれの送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、ノイズの影響の有無を判定する制御部と、を備える。
【０００８】
容量センサに送信信号の周波数（送信周波数）に近い周波数のノイズが混入すると、受信信号にノイズが重畳される。ノイズの大きさは、同一フレーム内の複数の容量センサごとにばらつく。したがって、各容量センサの容量変化を示すデジタル値は、ノイズの影響によりばらつくことになる。あるいは、ノイズの影響を受ける場合と受けない場合では、複数のデジタル値は、異なる振る舞いを見せる。
したがって、この態様によると、同一フレーム内の複数の容量センサそれぞれのデジタル値を監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。
【０００９】
制御部は、同一フレーム内の複数のデジタル値を統計処理することにより、ノイズの影響の有無を判定してもよい。
【００１０】
制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサに接触もしくは近接（以下、単に接触という）しなければ、容量変化が発生する容量センサの個数はゼロであり、接触した場合であっても、有意な容量変化が発生する容量センサの個数は、所定の個数以下となる確率が高い。なぜなら、通常の使用に際して、ユーザが接触する容量センサの個数は、指の大きさやその本数に応じて定まり、ある個数以下と想定されるからである。
つまり、ノイズの影響を受けない状況においては、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多くなる確率はきわめて低い。したがって判定部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多い場合に、ノイズの影響を受けていると推定することができる。
【００１１】
制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサに接触しなければ、デジタル値の分散は実質的にゼロであり、接触した場合であっても、デジタル値の分散は所定値より小さい確率が高い。したがって判定部は、デジタル値の分散にもとづいて、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００１２】
制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。あるいは制御部は、複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
ノイズの影響を受けない状況において、デジタル値の合計は、所定値より低くなる確率が高い。またノイズの影響を受けない状況において、各デジタル値と基準値の差分の合計は、ある値より低くなる確率が高い。
これらの判定条件によっても、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００１３】
制御部は、ノイズの影響があるものと判定されたとき、送信信号の周波数を切りかえてもよい。
送信周波数を切りかえることにより、ノイズの周波数と、送信周波数をずらすことができ、ノイズの影響を低減することができる。
【００１４】
制御部は、ノイズの影響が検出されると周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、送信信号の周波数を切りかえながら、各周波数においてノイズの判定処理を行ってもよい。制御部は、通常モードにおける送信信号の周波数を、判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定してもよい。
【００１５】
複数のデジタル値の分散、合計、所定の条件を満たすデジタル値の個数をはじめとするパラメータは、ノイズの影響の大小を示す。したがって、送信信号の周波数をスイープさせることにより、ノイズの影響の小さな送信周波数を探索することができる。
【００１６】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のある態様によれば、相互キャパシタ方式の容量センサを高精度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】タッチパネル入力装置を備える電子機器の構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態に係る容量検出回路を有する入力装置の構成を示す回路図である。
【図３】実施の形態に係る容量検出回路の動作を示すタイムチャートである。
【図４】図４は、比較技術に係るセンシング方法を示すタイムチャートである。
【図５】容量検出回路の受信回路の第１の構成例を示す回路図である。
【図６】図５の容量検出回路の第１モードの動作を示すタイムチャートである。
【図７】図５の容量検出回路の第２モードの動作を示すタイムチャートである。
【図８】容量検出回路の受信回路の第２の構成例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２０】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００２１】
図１は、実施の形態に係るタッチパネル入力装置（単に入力装置という）２を備える電子機器１の構成を示す回路図である。入力装置２は、たとえばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）８の表層に配置され、タッチパネルとして機能する。入力装置２は、ユーザが指やペンなど（以下、指６）でタッチしたポイント（点）のＸ座標およびＹ座標を判定する。
【００２２】
入力装置２は、タッチパネル４および制御回路（容量検出回路）１００、マイコン３を備える。タッチパネル４は相互キャパシタンス方式のマトリクス型タッチパネルであり、マトリクスの列ごとに設けられた複数の送信電極１０と、マトリクスの列ごとに設けられた複数の受信電極１２を備える。行と列の割り当ては逆でもよい。送信電極１０と受信電極１２の各交点において、２つの電極は互いに容量的に結合される（Capacitively coupled）。各交点の送信電極１０と受信電極１２のペアは、ひとつの容量センサ（Capacitive sensor）５を形成する。つまりタッチパネル４は、マトリクス状に配置された複数の容量センサ５を含む。ユーザの指やペンなどの物体が、ある容量センサ５に接触あるいは近接（以下、単に接触という）すると、その容量センサ５が形成する相互キャパシタンスが変化する。
【００２３】
容量検出回路１００は、複数の送信電極１０に対して、順にサイクリックに送信信号を印加し、容量検出の対象となる列を選択する。容量検出回路１００は、選択された送信電極１０が、複数の受信電極１２それぞれとの間で形成する容量の変化を検出する。選択された送信電極１０が列座標、容量変化が発生した受信電極１２が行座標に対応する。容量変化を示すデータは、マイコン３に送信される。マイコン３は、各座標の容量変化にもとづき、ユーザが接触した座標を判定する。
【００２４】
図１の電子機器１において、タッチパネル４はさまざまなノイズの影響を受ける。具体的には、ＬＣＤ８からのノイズ、電子機器１に搭載されるスイッチング電源のノイズ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのインタフェースからのノイズ、電子機器１の外部から入力されるノイズが例示される。
【００２５】
図２は、実施の形態に係る容量検出回路１００を有する入力装置２の構成を示す回路図である。図２には、ひとつの送信電極１０と、それと直交する複数の受信電極１２１〜ｍを有するタッチパネル４が示されるが、送信電極１０は複数設けられてもよい。
【００２６】
送信電極１０と、複数の受信電極１２１〜１２ｍはそれぞれ容量的に結合され、それらの間には、相互キャパシタンスＣＭを含む容量センサ５１〜５ｍが形成される。容量検出回路１００は、主として送信回路２０、受信回路２６および制御部５０を備える。容量検出回路１００は、複数の容量センサ５それぞれの相互キャパシタンスＣＭの変化を、順に検出する。
【００２７】
容量検出回路１００は、送信端子（ＴＸ端子）と、受信電極１２ごとに設けられた受信端子（ＲＸ端子）を有する。容量検出回路１００のＴＸ端子は送信電極１０と接続され、容量検出回路１００の各ＲＸｉ端子は、対応する受信電極１２ｉと接続される。
【００２８】
送信回路２０は、所定の送信周波数ｆＴＸを有する周期的な送信信号Ｓ１を発生し、送信電極１０に印加する。信号発生器２２は、周期的なクロック信号を発生する。ドライバ２４は、クロック信号を受け、それと同期した送信信号Ｓ１を送信電極１０に出力する。送信信号Ｓ１は、第１電圧レベル（たとえば電源電圧Ｖｄｄ）と、第２電圧レベル（たとえば接地電圧Ｖｓｓ）を交互に繰り返す周期信号である。複数の送信電極１０が設けられるタッチパネル４においては、選択される送信電極１０に送信信号Ｓ１が印加され、その他の送信電極１０には、固定的な電圧レベル、たとえば接地電圧Ｖｓｓが印加される。
【００２９】
受信回路２６は、各容量センサ５ｉ（１≦ｉ≦ｍ）の容量変化を示すデジタル値Ｄｓを、対応する受信電極１２ｉに発生する受信信号ＩＲＸにもとづいて生成する。受信回路２６は、マルチプレクサＭＵＸ、積分回路３０、サンプルホールド回路４０、増幅器４２、Ａ／Ｄコンバータ４４、を含む。
【００３０】
マルチプレクサＭＵＸは、検出対象の受信電極１２を選択するためのセレクタである。マルチプレクサＭＵＸは、複数の受信電極１２１〜ｍそれぞれに発生する受信信号ＩＲＸを順に選択する。
【００３１】
積分回路３０は、マルチプレクサＭＵＸにより選択された受信信号ＩＲＸにもとづいて、各受信電極１２１〜ｍが形成する容量センサ５１〜ｍの相互キャパシタンスＣＭの変化量を検出し、容量変化に応じたレベルを有する検出電圧Ｖｓを生成する。具体的には、受信信号ＩＲＸは電流信号であり、積分回路３０は、電流ＩＲＸを積分し、容量変化に応じた検出電圧Ｖｓを生成する。積分回路３０は、公知の回路、あるいは後述する回路を用いればよく、その構成、方式は特に限定されない。
【００３２】
サンプルホールド回路４０は、積分回路３０からの検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする。増幅器４２は、必要に応じてサンプルホールドされた検出電圧Ｖｓを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ４４は、増幅された検出電圧Ｖｓをデジタル値Ｄｓに変換する。このデジタル値Ｄｓは、各容量センサ５の容量変化を示す。
【００３３】
制御部５０は、送信回路２０および受信回路２６の動作シーケンスを制御する。また制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍごとに生成された複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍに応じて、容量検出に対するノイズの影響の有無を判定する。
【００３４】
制御部５０によるノイズの影響の有無の判定原理を説明する。
容量センサ５１〜ｍすなわちタッチパネル４に、送信信号Ｓ１の周波数（送信周波数ｆＴＸ）に近い周波数のノイズが混入すると、受信信号ＩＲＸにノイズが重畳される。一般に、ノイズの大きさは、複数の容量センサ５１〜ｍの位置（座標）に応じてばらつく。したがって、各容量センサ５１〜ｍの容量変化を示すデジタル値Ｄｓ１〜ｍは、ノイズの影響によってばらつきうる。また、ノイズの大きさは時間的にランダムに変動するため、時分割によって複数の容量センサ５１〜ｍの容量変化を検出する場合、検出の時刻に応じてデジタル値Ｄｓがばらつきうる。つまり、ノイズの影響を受ける場合と受けない場合では、複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍは、異なる振る舞いを見せるといえる。
【００３５】
したがって、制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍごとに生成される複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍを監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。なお、制御部５０は、すべての容量センサ５１〜ｍのデジタル値Ｄｓ１〜ｍを参照する必要はなく、その一部にもとづいて、ノイズの有無を判定してもよい。
【００３６】
制御部５０は、いくつかの判定条件にもとづいて、ノイズの影響の有無を判定することができる。以下、具体的な判定条件を説明する。
【００３７】
（第１の判定条件）
制御部５０は、各デジタル値Ｄｓ１〜ｍを、所定のしきい値ＤＴＨ１と比較する。そして、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数が、所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定する。
【００３８】
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサ５に接触しなければ、容量変化が発生する容量センサ５の個数は原理的にゼロであり、接触した場合であっても、有意な容量変化が発生する容量センサの個数は、所定数以下となる確率が高い。なぜなら、通常の使用に際して、ユーザが接触する容量センサの個数は、指の大きさやその本数に応じて定まり、ある個数以下と想定されるからである。
【００３９】
つまり、ノイズの影響を受けない状況においては、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数ｘが所定数Ｋより多くなる確率はきわめて低いといえる。したがって判定部５０は、所定のしきい値ＤＴＨ１を超えるデジタル値Ｄｓの個数ｘが所定数Ｋより多い場合に、ノイズの影響を受けていると推定することができる。
【００４０】
（第２の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５それぞれのデジタル値Ｄｓの分散σを計算する。そして、分散σが、所定のしきい値ＤＴＨ２より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
【００４１】
ノイズの影響を受けない状況において、ユーザが容量センサ５に接触しなければ、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σは実質的にゼロであり、接触した場合であっても、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σは所定値より小さい確率が高い。したがって判定部５０は、デジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σにもとづいて、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００４２】
（第３の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれのデジタル値Ｄｓ１〜ｍの合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉを計算する。そして、合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉが、所定のしきい値ＤＴＨ３より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。
【００４３】
ノイズの影響を受けない状況において、各デジタル値Ｄｓｉの合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉは、ある値ＤＴＨ３より低くなる確率が高い。反対にノイズの影響を受けると、ノイズに起因する受信信号ＩＲＸにより、デジタル値Ｄｓ１〜ｍが底上げされ、合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉは、ノイズの影響が小さい場合に比べて大きくなる。
したがって、合計値Σｉ＝１〜ｍＤｓｉをしきい値ＤＴＨ３と比較することにより、ノイズの影響の有無を判定できる。
【００４４】
（第４の判定条件）
制御部５０は、複数の容量センサ５１〜ｍそれぞれのデジタル値Ｄｓ１〜ｍと所定の基準値ＤＲＥＦの差分（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）の合計値Σｉ＝１〜ｍ（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）が、所定のしきい値ＤＴＨ３より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定してもよい。この処理は、実質的に第３の方法と同等である。
【００４５】
以上が判定条件の例である。上の条件は任意のものを組み合わせてもよく、複数の条件が同時に満たされるときに、ノイズの影響があるものと判定してもよい。また、当業者であれば、第１から第４の条件以外にも、それから導かれる原理を同じくする別の条件が存在することが理解される。
【００４６】
ノイズの影響の有無の判定結果は、送信信号Ｓ１の送信周波数ｆＴＸに反映される。すなわち制御部５０は、ノイズの影響があるものと判定されたとき、制御信号Ｓ２によって、送信信号Ｓ１の周波数ｆＴＸを別の値に切りかえる。これにより、送信周波数ｆＴＸがノイズの周波数とは異なる値にシフトされるため、容量検出に対するノイズの影響を低減することができる。
【００４７】
容量検出回路１００は、通常モードと周波数探索モードが切りかえ可能に構成される。
制御部５０は、通常モードにおいてノイズの影響が検出されると周波数探索モードに移行する。周波数探索モードにおいて、送信信号Ｓ１の周波数ｆＴＸを複数の値で切りかえながら、各周波数においてノイズの判定処理を行ってもよい。制御部５０は、通常モードにおける送信信号Ｓ１の周波数を、判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定する。
【００４８】
ここで、第１から第４条件においては、所定の条件を満たすデジタル値Ｄｓの個数ｘ、複数のデジタル値Ｄｓ１〜ｍの分散σ、それらの合計Σｉ＝１〜ｍＤｓｉ、Σｉ＝１〜ｍ（Ｄｓｉ−ＤＲＥＦ）をはじめとするパラメータが計算される。そしてこれらのパラメータは、ノイズの影響の大小を示す。したがって周波数探索モードにおいて、送信信号ｆＴＸの周波数をスイープさせることにより、ノイズの影響の小さな送信周波数を探索することができる。
【００４９】
以上が容量検出回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。
図３は、実施の形態に係る容量検出回路１００の動作を示すタイムチャートである。時刻ｔ０において、容量検出回路１００は通常モードで動作しており、送信周波数ｆＴＸは、ある値ｆ３に設定されている。図３において、ＦＤ１、ＦＤ２…はそれぞれ、容量センサ５１〜ｍのデジタル値を含む１フレーム分のデータを示す。
【００５０】
フレームデータＦＤ１〜ＦＤ５においては、各フレーム内の容量センサ５のデジタル値Ｄｓにもとづき、ノイズの影響が小さいものと判定される。フレームデータＦＤ６において、ノイズの影響が大きいと判定されると、周波数探索モードに設定される。
【００５１】
時刻ｔ１以降、送信周波数ｆＴＸをｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５とスイープしながら、各送信周波数ｆＴＸについて、フレームデータＦＤ７、ＦＤ８、ＦＤ９、ＦＤ１０、ＦＤ１１が取得される。そして、各フレームデータＦＤ７〜ＦＤ１１それぞれについて、ノイズの影響の有無が判定される。
【００５２】
そして、ノイズの影響の最も小さな送信周波数ｆＴＸがｆ５であった場合、時刻ｔ２以降の通常モードの送信周波数が、ｆ５に設定される。
【００５３】
以上が容量検出回路１００の動作である。
容量検出回路１００によれば、複数の容量センサごとに生成される複数のデジタル値を監視することにより、ノイズの有無を判定することができる。
【００５４】
通常モードにおいては、送信周波数を、ノイズの影響が小さな単一の周波数に固定して、各フレームのデータを取得することができる。この利点は、図４の比較技術との対比により明確となる。図４は、比較技術に係るセンシング方法を示すタイムチャートである。比較技術においては、３つの送信周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３それぞれについて、フレームデータＦＤ１１、ＦＤ１２、ＦＤ１３を取得する。ノイズの周波数が、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のうちひとつ（たとえばｆ１）と重なっている場合、フレームデータＦＤ１１はノイズの影響を受け、ＦＤ１２、ＦＤ１３はその影響を受けない。比較技術では、フレームデータＦＤ１１、ＦＤ１２、ＦＤ１３の多数決を採り、ノイズの影響を低減する。
【００５５】
この比較技術では、１つのフレームデータを取得するために、３つの周波数でセンシングする必要があるため、１フレームのデータを取得するのに必要なセンシング時間が長くなる。これに対して、実施の形態に係る容量検出回路１００では、１フレームのデータを、単一の周波数で１回センシングすればよいため、センシング時間を短縮できる。
【００５６】
実施の形態では、容量検出回路１００の内部の制御部５０が、ノイズの有無の判定処理を行う場合を説明したが、本発明はそれに限定されず、制御部５０は容量検出回路１００とは別のＤＳＰ（Digital Signal Processor）として構成されてもよい。具体的にはマイコン３が、制御部５０として動作し、ノイズの有無を判定してもよい。この場合、容量検出回路１００は、マイコン３からの制御信号に応じて、モードが切りかえられ、また送信周波数ｆＴＸも、マイコン３により制御される。この場合、容量検出回路１００およびマイコン３を含めた全体が、特許請求の範囲における容量検出回路に対応する。
【００５７】
続いて、受信回路２６の具体的な構成例を説明する。
【００５８】
（第１の構成例）
図５は、容量検出回路１００の受信回路２６の第１の構成を示す回路図である。
【００５９】
積分回路３０は、演算増幅器３２、積分キャパシタＣＩＮＴ、駆動バッファ３４、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、オフセット用キャパシタＣＯＦＳ、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５を備える。
【００６０】
演算増幅器３２の第１入力端子（非反転入力端子）には、所定の基準電圧ＶＲＥＦが印加される。積分キャパシタＣＩＮＴは、演算増幅器３２の出力端子とその第２入力端子（反転入力端子）の間に設けられる。駆動バッファ３４は、演算増幅器３２の反転入力端子の電位を受ける。たとえば駆動バッファ３４はボルテージフォロア回路である。
【００６１】
複数の第１スイッチＳＷ１１〜ｍはそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第１スイッチＳＷ１ｉは、駆動バッファ３４の出力端子と、対応する受信電極１２ｉの間に設けられる。複数の第２スイッチＳＷ２１〜ｍもそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第２スイッチＳＷ２ｉは、対応する受信電極１２ｉと演算増幅器３２の反転入力端子の間に設けられる。
【００６２】
複数の第５スイッチＳＷ５１〜ｍもそれぞれ、受信電極１２１〜ｍごとに設けられる。第５スイッチＳＷ５１〜ｍは、容量検出回路１００の非動作状態においてオンとなり、それぞれが接続されるラインの電位を固定するために設けられる。
【００６３】
複数の第１スイッチＳＷ１１〜ｍおよび複数の第２スイッチＳＷ２１〜ｍは、検出対象の受信電極１２を選択するためのセレクタ（マルチプレクサ）ＭＵＸとして把握することもできる。
【００６４】
オフセット用キャパシタＣＯＦＳの第１端子は接地され、その電位が固定される。第３スイッチＳＷ３は、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの第２端子と演算増幅器３２の反転入力端子の間に設けられる。第４スイッチＳＷ４は、オフセット用キャパシタＣＯＦＳと並列に設けられる。第４スイッチＳＷ４がオンすると、オフセット用キャパシタＣＯＦＳに蓄えられた電荷が放電する。オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電荷が放電された状態で、第３スイッチＳＷ３がオンすると、積分キャパシタＣＩＮＴとオフセット用キャパシタＣＯＦＳとの間で電荷移動が起こり、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓが所定幅ＶＯＦＳだけシフトする。
【００６５】
第３スイッチＳＷ３のオンによる電荷移動の前後で、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電圧変化はＶＲＥＦであり、積分キャパシタＣＩＮＴの電圧変化量はＶＯＦＳである。したがって電荷保存則から以下の関係式が成り立つ。
ＣＯＦＳ×ＶＲＥＦ＝ＣＩＮＴ×ＶＯＦＳ
【００６６】
たとえばＶＲＥＦ＝２Ｖ、２つの容量の比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴ＝１／１０とするとき、第３スイッチＳＷ３を１回オンするごとに、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓは、シフト量ＶＯＦＳ＝０．２Ｖだけシフトする。言い換えれば、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの容量値に応じて、シフト量を調節できる。
【００６７】
送信信号Ｓ１が印加されると、相互キャパシタンスＣＭが充電され、その容量値に応じた電荷が蓄えられる。そして送信信号Ｓ１の電圧レベルが変化すると、相互キャパシタンスＣＭに蓄えられた電荷が充放電され、電流ＩＲＸが発生する。積分回路３０は、この電流ＩＲＸを積分し、容量変化に応じた検出電圧Ｖｓを生成する。
【００６８】
サンプルホールド回路４０は、検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする。増幅器４２は、必要に応じてサンプルホールドされた検出電圧Ｖｓを増幅する。Ａ／Ｄコンバータ４４は、増幅された検出電圧Ｖｓをデジタル値に変換する。このデジタル値は、各容量センサ５の容量変化を示す。
【００６９】
制御部５０は、送信回路２０、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン、オフ状態、サンプルホールド回路４０のサンプルホールド動作をシーケンス制御する。制御部５０は、第１モードと第２モードで切りかえ可能に構成される。
【００７０】
１． 第１モード
このモードにおいて制御部５０は、積分回路（演算増幅器３２）３０による１回の積分動作（センシング）ごとに、第３スイッチＳＷ３をオンすることにより、前もって電荷が放電されたオフセット用キャパシタＣＯＦＳを演算増幅器３２の反転入力端子に接続する。
【００７１】
２． 第２モード
このモードにおいて制御部５０は、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓが所定のしきい値電圧ＶＴＨに達するたびに、第３スイッチＳＷ３をオンする。コンパレータ４６は、検出電圧Ｖｓとしきい値電圧ＶＴＨを比較し、第２モードにおいて第３スイッチＳＷ３をオンするタイミングを検出する。制御部５０は、コンパレータ４６の検出結果にもとづき第３スイッチＳＷ３をオンする。
【００７２】
以上が容量検出回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。図６は、図２の容量検出回路１００の第１モードの動作を示すタイムチャートである。スイッチの状態は、ハイレベルがオンを、ローレベルがオフを示す。
【００７３】
ここでは説明の簡潔化、理解の容易化のために、ひとつの受信電極１２に着目し、それが形成する相互キャパシタンスＣＭを検出する動作を説明する。
【００７４】
送信信号Ｓ１が第１電圧レベルＶｄｄから第２電圧レベルＶｓｓに変化し、あるいは第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化すると、受信電極１２からＲＸ端子を介して、相互キャパシタンスＣＭに応じた電流ＩＲＸが流れる。容量検出回路１００は、第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化することにより生ずる電流ＩＲＸのみを検出する（整流動作）。
【００７５】
演算増幅器３２の反転入力端子と非反転入力端子の電圧は等しくなるため、駆動バッファ３４の入力電圧は、基準電圧ＶＲＥＦと等しくなる。送信信号Ｓ１が第２電圧レベルＶｓｓの期間に、第１スイッチＳＷ１がオンする。これにより駆動バッファ３４の出力が受信電極１２と接続され、受信電極１２の電位が基準電圧ＶＲＥＦに初期化される。
【００７６】
続いて第１スイッチＳＷ１がオフし、第３スイッチＳＷ３がオンする。第３スイッチＳＷ３のオンに先立ち、第４スイッチＳＷ４をオンすることにより（不図示）、オフセット用キャパシタＣＯＦＳの電荷はゼロに放電されている。第３スイッチＳＷ３をオンすると、オフセット用キャパシタＣＯＦＳが積分キャパシタＣＩＮＴと接続される。これにより、演算増幅器３２の出力電圧Ｖｓは、所定のオフセット電圧ＶＯＦＳだけ高電位側にシフトする。
【００７７】
第３スイッチＳＷ３をオフし、オフセット用キャパシタＣＯＦＳが積分キャパシタＣＩＮＴと切り離された状態で、第２スイッチＳＷ２がオンとなる。第２スイッチＳＷ２がオンの期間に、送信信号Ｓ１が第２電圧レベルＶｓｓから第１電圧レベルＶｄｄに変化すると、第２スイッチＳＷ２を経由して、相互キャパシタンスＣＭの容量値に応じた電流ＩＲＸが、積分キャパシタＣＩＮＴに流れ、積分処理が行われる。サンプルホールド回路４０は、積分キャパシタＣＩＮＴの充放電が終了したタイミングにおける検出電圧Ｖｓをサンプルホールドする（Ｓ／Ｈ）。
【００７８】
以上が第１モードの動作である。
【００７９】
このように、オフセット用キャパシタＣＯＦＳを設け、それを積分処理ごとに積分キャパシタＣＩＮＴと接続することにより、検出電圧Ｖｓを毎サイクル、オフセットさせることができる。容量検出回路１００が検出すべきは、接触により生ずる相互キャパシタンスＣＭの変化であるため、接触の有無にかかわらず存在する定常的な容量の影響はキャンセルして構わない。容量検出回路１００によれば、オフセットによってこのような定常的な容量の影響をキャンセルすることができる。
【００８０】
検出電圧Ｖｓが取り得る電圧範囲は限定されている。検出電圧Ｖｓのオフセットにより、１回のセンシングで発生する検出電圧Ｖｓの変化を小さくできるため、同じ電圧範囲内での回数を、オフセットを行わない場合に比べて増やすことができる。あるいは、１回のセンシングにおける積分する電圧値を大きくすることができるため、検出精度を高めることができ、あるいはノイズに対する耐性を高めることができる。
【００８１】
ここで比較のために、オフセット用キャパシタＣＯＦＳではなく、演算増幅器３２の反転入力端子に接続される電流源を設け、電流を流し込むことによりオフセットを行う場合について考察する。この比較技術では、オフセット量ＶＯＦＳは、電流を供給する時間と、電流量の積で定まる。ここで容量検出回路１００は、低消費電力モードにおいて、センシング周波数を落とす場合がある。この場合、積分回路３０のセンシング周波数が変化するとそれによって電流源がオンする時間が変化し、オフセット量が変化するという問題が生ずる。
【００８２】
これに対して実施の形態に係る容量検出回路１００では、オフセット用キャパシタＣＯＦＳと積分キャパシタＣＩＮＴの間の電荷の移動が瞬時に起こるため、オフセット量ＶＯＦＳが第３スイッチＳＷ３のオン時間の影響を受けにくいという利点を有する。
【００８３】
また比較技術では、サンプルホールドのタイミングによって、検出電圧Ｖｓのレベルが変化するため、検出電圧Ｖｓがジッタの影響を受けやすい。これに対して容量検出回路１００によれば、サンプルホールドのタイミングがジッタの影響を受けても、それより前に検出電圧Ｖｓのレベルが安定化しているため、ジッタの影響を受けにくいという利点を有する。
【００８４】
また比較技術ではプロセスばらつきや温度変動によって、電流源が生成する電流値が変動すると、オフセット量ＶＯＦＳが変動してしまう。これに対して容量検出回路１００では、オフセット電圧ＶＯＦＳは、積分キャパシタＣＩＮＴとオフセット用キャパシタＣＯＦＳの容量の比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴで定まるところ、それらが同じＩＣチップに集積化される場合、容量比ＣＯＦＳ／ＣＩＮＴの変動は小さいため、オフセット電圧ＶＯＦＳの変動を小さくできる。
【００８５】
続いて第２モード（折り返しモード）の動作を説明する。
図７は、図２の容量検出回路１００の第２モードの動作を示すタイムチャートである。第２モードでは、センシングごとに検出電圧Ｖｓをオフセットするのではなく、検出電圧Ｖｓがしきい値電圧ＶＴＨに達するたびに第３スイッチＳＷ３をオンし、検出電圧Ｖｓをオフセットさせる。第２モードでは、検出電圧Ｖｓが折り返されることから、折り返しモードともいう。
【００８６】
なお第３スイッチＳＷ３を１回オンさせることにより得られるオフセット量が小さい場合、第３スイッチＳＷ３を複数回オンさせることにより、必要なオフセット量ＶＯＦＳを実現してもよい。
【００８７】
第２モードによれば、Ａ／Ｄコンバータ４４による変換回数を増やすことなく、積分回数もしくは積分量を大きくすることができる。
【００８８】
（第２の構成例）
図８は、容量検出回路の受信回路の第２の構成例を示す回路図である。
【００８９】
タッチパネル４の構成は図１と同様である。容量検出回路１００ａは、２つの積分回路３０ａ、３０ｂを備える。
積分回路３０ａおよび３０ｂは、図１の積分回路３０と同様に構成される。ＲＸ１〜ｍ端子ごとに、マルチプレクサＭＵＸ１〜ｍが設けられる。マルチプレクサＭＵＸｉの第１スイッチＳＷ１ａは、受信電極１２ｉと第１積分回路３０ａの駆動バッファ３４の出力との間に設けられ、第１スイッチＳＷ１ｂは、受信電極１２ｉと第２積分回路３０ｂの駆動バッファ３４の出力との間に設けられる。第２スイッチＳＷ２ａは、受信電極１２ｉと第１積分回路３０ａの演算増幅器３２との間に設けられ、第２スイッチＳＷ２ｂは、受信電極１２ｉと第２積分回路３０ｂの演算増幅器３２との間に設けられる。各マルチプレクサＭＵＸｉによって、対応する受信電極１２ｉを、積分回路３０ａ、３０ｂのいずれか一方に選択的に割り当て可能となっている。
【００９０】
第１積分回路３０ａは、それに割り当てられたひとつの受信電極１２ｊに応じた容量変化を検出する。第２積分回路３０ｂは、それに割り当てられたひとつの受信電極１２ｋに応じた容量変化を検出する。サンプルホールド回路４０ａ、４０ｂはそれぞれ、積分回路３０ａ、３０ｂの出力電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを、サンプルホールドする。
【００９１】
コンパレータ４６ａ、４６ｂはそれぞれ、積分回路３０ａ、３０ｂそれぞれの出力電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを、所定のしきい値電圧ＶＴＨと比較する。比較結果は、上述した折り返しモードに利用される。
【００９２】
容量検出回路１００ａは、差動モードとシングルエンドモードとが切りかえ可能に構成される。
【００９３】
１． 差動モード
このモードでは、第７スイッチＳＷ７がオン、第６スイッチＳＷ６ａ、ＳＷ６ｂ、第８スイッチＳＷ８がオフである。差動増幅器４３は、サンプルホールドされた第１積分回路３０ａの出力電圧Ｖｓａと、サンプルホールドされた第２積分回路３０ｂの出力電圧Ｖｓｂの差分を増幅する。差動増幅器４３の出力は、第７スイッチＳＷ７を介してＡ／Ｄコンバータ４４に入力される。
【００９４】
２． シングルエンドモード
このモードでは、第７スイッチＳＷ７がオフ、第８スイッチＳＷ８がオンである。第６スイッチＳＷ６ａ、ＳＷ６ｂは、サンプルホールド回路４０ａ、４０ｂの出力の一方を選択する。増幅器４２は、選択された一方の検出電圧Ｖｓを増幅し、第８スイッチＳＷ８を介してＡ／Ｄコンバータ４４に入力する。
【００９５】
以上が容量検出回路１００ａの構成である。続いてその動作を説明する。
【００９６】
１． シングルエンドモード
シングルエンドモードの動作は、基本的に第１の構成例と同様である。このモードにおいては、積分回路３０ａ、３０ｂの一方のみをアクティブとし、アクティブな積分回路３０を利用して、複数の受信電極１２１〜ｍそれぞれの容量変化を検出できる。
あるいは、積分回路３０ａ、３０ｂの両方を並列的に動作させ、２つの受信電極１２の容量変化を同時に検出してもよい。２つの受信電極１２の容量変化に応じた検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂをサンプルホールドした後、Ａ／Ｄコンバータ４４によって２つの検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂを時分割でデジタル値に変換すればよい。
【００９７】
２． 差動モード
差動モードでは、２つの積分回路３０ａ、３０ｂの両方が並列的に動作し、それぞれに割り当てられた２つの受信電極１２ｊ、１２ｋの容量を同時に検出する。そして２つの受信電極１２ｊ、１２ｋの容量変化に応じた検出電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂをサンプルホールドした後、差動増幅器４３によって差分を増幅し、Ａ／Ｄコンバータ４４により増幅結果をデジタル値に変換する。
【００９８】
たとえば差動モードのひとつの動作例では、ｋ＝ｊ＋１とし、隣接する２つの受信電極１２が、第１積分回路３０ａ、第２積分回路３０ｂに割り当てられる。そして、変数ｊをひとつずつインクリメントすることにより、すべての受信電極１２１〜ｍの容量変化を検出する。
なお受信電極１２ｍの容量変化を検出する場合、受信電極１２ｍを積分回路３０ａに、受信電極１２１、あるいは別に設けられた基準となる電極（不図示）を積分回路３０ｂに割り当ててもよい。基準となる電極は、いずれかのＲＸ端子と接続される。
【００９９】
第１の構成例、あるいは第２の構成例のシングルエンドモード動作では、タッチパネル４にノイズが混入すると、そのノイズが容量変化として検出され、ユーザによる接触が誤検出される場合がある。
ここである受信電極１２ｊにノイズが混入するとき、それと隣接する受信電極１２ｊ＋１にも、受信電極１２ｉと同相のノイズが混入する確率は高くなる。このような場合に、差動モードで動作させると、積分回路３０ａ、３０ｂに割り当てられる２つの受信電極１２に同相で混入するコモンモードのノイズの影響を除去できるため、誤検出を防止できる。
【０１００】
差動モードの別の動作例では、第１積分回路３０ａに対して、受信電極１２１〜ｍを時分割で順に割り当て、第２積分回路３０ｂに対しては、受信電極１２１〜ｍとは別に設けられた基準電極（不図示）を割り当ててもよい。基準電極としてアンテナラインを用いてもよい。この場合でも、検出対象の受信電極１２ｊと基準電極とにコモンモードノイズが混入している場合、その影響を低減することができる。
【０１０１】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…電子機器、２…入力装置、４…タッチパネル、５…容量センサ、６…指、８…ＬＣＤ、１０…送信電極、１２…受信電極、２０…送信回路、２２…信号発生器、２４…ドライバ、２６…受信回路、３０…積分回路、３０ａ…第１積分回路、３０ｂ…第２積分回路、３２…演算増幅器、３４…駆動バッファ、ＣＩＮＴ…積分キャパシタ、ＣＯＦＳ…オフセット用キャパシタ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、４０…サンプルホールド回路、４２…増幅器、４３…差動増幅器、４４…Ａ／Ｄコンバータ、４６…コンパレータ、５０…制御部、１００…容量検出回路、ＣＭ…相互キャパシタンス、Ｓ１…送信信号。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する容量検出回路であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、現在の送信周波数におけるノイズの影響の有無を判定する制御部と、
を備えることを特徴とする容量検出回路。
【請求項２】
前記制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項５】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項６】
前記制御部は、前記ノイズの影響があるものと判定されたとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の容量検出回路。
【請求項７】
前記制御部は、前記ノイズの影響があるものと判定されると周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、前記送信信号の周波数を切りかえながら、各周波数において前記ノイズの判定処理を行い、
通常モードにおける前記送信信号の周波数を、前記判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定することを特徴とする請求項６に記載の容量検出回路。
【請求項８】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する容量検出回路であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値が所定の条件を満たすとき、前記送信信号の周波数を切りかえる制御部と、
を備えることを特徴とする容量検出回路。
【請求項９】
前記制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１０】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１１】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１２】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１３】
前記制御部は、前記複数のデジタル値が前記所定の条件を満たすとき、周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、前記送信信号の周波数を切りかえながら前記条件の判定を行い、続く通常モードにおける前記送信信号の周波数を、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定することを特徴とする請求項１２に記載の容量検出回路。
【請求項１４】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含む複数の容量センサと、
前記容量センサの容量変化を検出する請求項８から１３のいずれかに記載の容量検出回路と、
を備えることを特徴とする入力装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の入力装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１６】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する方法であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加するステップと、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成するステップと、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、ノイズの影響の有無を判定するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する方法であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加するステップと、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成するステップと、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値が所定の条件を満たすとき、前記送信信号の周波数を切りかえるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する容量検出回路であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、現在の送信周波数におけるノイズの影響の有無を判定する制御部と、
を備えることを特徴とする容量検出回路。
【請求項２】
前記制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項５】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、ノイズの影響があるものと判定することを特徴とする請求項１に記載の容量検出回路。
【請求項６】
前記制御部は、前記ノイズの影響があるものと判定されたとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の容量検出回路。
【請求項７】
前記制御部は、前記ノイズの影響があるものと判定されると周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、前記送信信号の周波数を切りかえながら、各周波数において前記ノイズの判定処理を行い、
通常モードにおける前記送信信号の周波数を、前記判定処理の結果、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定することを特徴とする請求項６に記載の容量検出回路。
【請求項８】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する容量検出回路であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加する送信回路と、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成する受信回路と、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値が所定の条件を満たすとき、前記送信信号の周波数を切りかえる制御部と、
を備えることを特徴とする容量検出回路。
【請求項９】
前記制御部は、所定のしきい値を超えるデジタル値の個数が所定数より多いとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１０】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の分散が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１１】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１２】
前記制御部は、前記複数の容量センサそれぞれのデジタル値と所定の基準値の差分の合計値が、所定のしきい値より大きいとき、前記送信信号の周波数を切りかえることを特徴とする請求項８に記載の容量検出回路。
【請求項１３】
前記制御部は、前記複数のデジタル値が前記所定の条件を満たすとき、周波数探索モードに移行し、当該周波数探索モードにおいて、前記送信信号の周波数を切りかえながら前記条件の判定を行い、続く通常モードにおける前記送信信号の周波数を、ノイズの影響が最も少ないと推定される周波数に設定することを特徴とする請求項１２に記載の容量検出回路。
【請求項１４】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含む複数の容量センサと、
前記容量センサの容量変化を検出する請求項８から１３のいずれかに記載の容量検出回路と、
を備えることを特徴とする入力装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の入力装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１６】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する方法であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加するステップと、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成するステップと、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値に応じて、ノイズの影響の有無を判定するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１７】
それぞれが互いに容量的に結合された送信電極および受信電極を含んで構成される複数の容量センサそれぞれの容量変化を検出する方法であって、
前記複数の容量センサそれぞれの前記送信電極に周期的な送信信号を印加するステップと、
各容量センサの容量変化を示すデジタル値を、対応する前記送信電極に印加される前記送信信号に応じて対応する前記受信電極に発生する受信信号にもとづいて生成するステップと、
前記複数の容量センサに対応して生成された複数のデジタル値が所定の条件を満たすとき、前記送信信号の周波数を切りかえるステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【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２０１３−５８０４５（Ｐ２０１３−５８０４５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５４０４（Ｐ２０１１−１９５４０４）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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