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タッチパネルコントローラおよびそれを用いた入力装置、電子機器
説明

タッチパネルコントローラおよびそれを用いた入力装置、電子機器

【課題】相互キャパシタ方式の入力装置の検出感度を改善し、または、センシング時間を短縮する。
【解決手段】送信回路20は、1回のセンシングごとに送信電極10に複数のパルス信号を含む送信信号S1を印加する。A/Dコンバータ44は、各パルス信号のポジティブエッジごとに、演算増幅器32の出力電圧に応じた検出電圧Vsをデジタル値に変換することにより第1データ系列DRを生成するとともに、各パルス信号のネガティブエッジごとに、検出電圧Vsをデジタル値に変換することにより第2データ系列DFを生成する。DSP102は、第1データ系列DRと第2データ系列DFそれぞれに含まれる、互いに対応するデジタル値の差分を算出し、各デジタル値の差分を積分する。

【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)、タブレット端末、デジタルカメラなどの電子機器は、指やペン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】
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、相互キャパシタ方式の入力装置の検出感度の改善、または、センシング時間の短縮にある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明のある態様は、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む容量センサの容量変化を検出するタッチパネルコントローラに関する。タッチパネルコントローラは、1回のセンシングごとに送信電極に複数のパルス信号を含む送信信号を印加する送信回路と、その第1入力端子に所定の基準電圧が印加された演算増幅器と、演算増幅器の出力端子とその第2入力端子の間に設けられたフィードバックキャパシタと、受信電極と演算増幅器の第2入力端子の間に設けられ、複数のパルス信号が生成される期間、オン状態となる第1スイッチと、各パルス信号のポジティブエッジごとに、演算増幅器の出力電圧に応じた検出電圧をデジタル値に変換することにより第1データ系列を生成するとともに、各パルス信号のネガティブエッジごとに、前記検出電圧をデジタル値に変換することにより第2データ系列を生成するA/Dコンバータと、を備える。
【0006】
この態様によると、各パルスのポジティブエッジに対応して第1データ系列が生成され、各パルスのネガティブエッジに対応して第2データ系列が生成されるため、2つのデータ系列を利用することにより、ポジティブエッジのみ、あるいはネガティブエッジのみを取得する場合に比べて情報量が2倍となる。したがって一方のエッジのみを利用する場合に比べて、センシング時間を短縮し、あるいは同じセンシング時間での感度を向上することができる。
【0007】
ある態様のタッチパネルコントローラは、第1データ系列と第2データ系列それぞれに含まれる互いに対応するデジタル値の差分を算出し、各デジタル値の差分を積分する演算処理部をさらに備えてもよい。
第1データ系列と第2データ系列の差分を演算することにより、第1データ系列と第2データ系列に重畳する低周波数の同相ノイズを除去することができる。
【0008】
ある態様のタッチパネルコントローラは、演算増幅器の出力電圧を受け、所定のカットオフ周波数より高い周波数を除去するフィルタをさらに備えてもよい。
【0009】
本発明の別の態様は、入力装置に関する。入力装置は、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む容量センサと、容量センサの容量変化を検出する上述のタッチパネルコントローラと、を備える。
【0010】
本発明のさらに別の態様は、電子機器に関する。この電子機器は、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む容量センサと、容量センサの容量変化を検出する上述のタッチパネルコントローラと、を備える。
【0011】
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】
【0012】
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の検出感度を改善でき、または、センシング時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施の形態に係るタッチ式の入力装置を備える電子機器の構成を示すブロック図である。
【図2】実施の形態に係るタッチパネルコントローラを有する入力装置の構成を示す回路図である。
【図3】実施の形態に係るタッチパネルコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図4】外来ノイズが混入したときの、タッチパネルコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図5】変形例に係る容量検出回路の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
図1は、実施の形態に係るタッチ式の入力装置2を備える電子機器1の構成を示すブロック図である。電子機器1は、コンピュータや携帯電話端末、PDA(Personal Digital Assistant)、タブレット端末、デジタルカメラである。入力装置(タッチ式入力装置)2は、たとえばLCD(Liquid Crystal Display)8とオーバーラップする位置、つまりLCD8の表層に配置され、タッチパネルとして機能する。あるいは、LCD8とは別の箇所に配置されたトラックパッドのような入力デバイスであってもよい。
【0017】
入力装置2は、タッチパネル(センサ部)4と、タッチパネルコントローラ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6が、ある容量センサ5に接触あるいは近接すると、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。
【0018】
タッチパネルコントローラ3は、容量検出回路100およびDSP(Digital Signal Processor)102を備える。
【0019】
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。
【0020】
図2は、実施の形態に係るタッチパネルコントローラ3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12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。
【0021】
送信電極10と、複数の受信電極12〜12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Cを含む容量センサ5〜5が形成される。容量検出回路100は、送信回路20、初期化回路33、増幅回路30、フィルタ36、サンプルホールド回路40、増幅器42、A/Dコンバータ44、制御部50を含む。容量検出回路100は、複数の容量センサ51〜mそれぞれの相互キャパシタンスCの変化を順にセンシングする。
【0022】
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RX端子は、対応する受信電極12と接続される。
【0023】
送信回路20は、1回のセンシングごとに送信電極10に複数のパルス信号を含む送信信号S1を印加する。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。
【0024】
増幅回路30は、複数の受信電極12それぞれが形成する容量センサ51〜mの相互キャパシタンスCの変化量を検出する。増幅回路30は、演算増幅器32、フィードバックキャパシタCFB、駆動バッファ34、第1スイッチSW1、第3スイッチSW3を備える。
【0025】
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。フィードバックキャパシタCFB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。
【0026】
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SW1は、対応する受信電極12と演算増幅器32の反転入力端子の間に設けられる。各第1スイッチSW1は、対応する容量センサ5がセンシングの対象であるときに、送信信号S1の複数のパルス信号が生成される期間、オン状態となる。
【0027】
複数の第3スイッチSW31〜mもそれぞれ、受信電極121〜mごとに設けられる。第3スイッチSW31〜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。
【0028】
複数の第1スイッチSW11〜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。
【0029】
初期化回路33は、センシングに先立ち、受信電極12の電位を基準電圧VREFに初期化する。初期化回路33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、フィードバックキャパシタCFBと並列に設けられたフィードバック抵抗RFBを含む。
【0030】
送信信号S1が印加されると、相互キャパシタンスC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Cに蓄えられた電荷が充放電され、電流IRXが発生する。増幅回路30は、この電流IRXに応じた検出電圧Vsを生成する。
【0031】
ローパスフィルタ46は、演算増幅器32からの検出電圧Vsをフィルタリングする。ローパスフィルタ46のカットオフ周波数は、送信回路20の送信周波数より高く設定され、検出電圧Vsに含まれる高周波ノイズを除去する。
【0032】
サンプルホールド回路40は、ローパスフィルタ46を通過した検出電圧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】
サンプルホールド回路40は、送信信号S1の各パルス信号のポジティブエッジ(ライジングエッジ、リーディングエッジともいう)ごとに、演算増幅器32の出力電圧に応じた検出電圧Vsをサンプルホールドし、A/Dコンバータ44は、サンプルホールドされた検出電圧Vsをデジタル値Dsに変換することにより第1データ系列DRを生成する。またサンプルホールド回路40は、送信信号S1の各パルス信号のネガティブエッジ(フォーリングエッジ、トレイリングエッジともいう)ごとに、検出電圧Vsをサンプルホールドし、A/Dコンバータ44は、サンプルホールドされた検出電圧Vsをデジタル値Dsに変換することにより第2データ系列DFを生成する。サンプルホールド回路40によるサンプルホールドのタイミングは、ポジティブエッジおよびネガティブエッジよりも所定時間後ろに設定される。A/Dコンバータ44がサンプルホールド機能を有する場合には、サンプルホールド回路40は省略してもよい。
【0034】
制御部50は、送信回路20、第1スイッチSW1、第3スイッチSW3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、A/Dコンバータ44の変換動作をシーケンス制御する。
【0035】
容量検出回路100により生成される第1データ系列DR、第2データ系列DFは、後段のDSP102に入力される。DSP102は、第1データ系列DR、第2データ系列DFを備える。
【0036】
DSP102は、第1データ系列DRと第2データ系列DFそれぞれに含まれる、互いに対応するデジタル値の差分を算出して差分データ系列DDを生成する。DSP102は、各デジタル値の差分である差分データ系列DDの要素を積分(積算)する。
【0037】
以上がタッチパネルコントローラ3の構成である。続いてその動作を説明する。図3は、実施の形態に係るタッチパネルコントローラ3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。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Cを検出する動作を説明する。
【0038】
第1スイッチSW1は、時刻t0にオンとなる。第1スイッチSW1がオンする直前、演算増幅器32の反転入力端子(−)の電位は、フィードバック抵抗RFBの帰還により基準電圧VREFと等しくなっている。また、演算増幅器32の出力電圧Vsも、基準電圧VREFと等しくなっている。この状態で第1スイッチSW1がオンすると、受信電極12の電圧が、基準電圧VREFに初期化される。
【0039】
1回のセンシングの間、送信信号S1はN個のパルス信号P〜Pを含む。第1スイッチSW1は、N個のパルス信号P〜Pが発生する期間、オンを維持する。パルス信号P〜Pそれぞれのポジティブエッジ、ネガティブエッジに応じて、受信電極12からRX端子を介して電流IRXが流れる。相互キャパシタンスCが大きいとき、電流IRXの振幅は大きくなり、相互キャパシタンスCMが小さいとき、電流IRXの振幅は小さくなる。電流IRXの向きは、送信信号S1のポジティブエッジとネガティブエッジで反対向きとなる。
【0040】
パルス信号P〜Pのポジティブエッジに応答して電流IRXが第1の向きに流れるとき、フィードバックキャパシタCFBが充電され、検出電圧Vsは上昇する。パルス信号P〜Pのネガティブエッジに応答して電流IRXが第2の向きに流れるとき、フィードバックキャパシタCFBが放電され、検出電圧Vsは低下する。上述のように、電流IRXの大きさは相互キャパシタンスCに応じているため、検出電圧Vsは、相互キャパシタンスCに応じた振幅を有する。
【0041】
サンプルホールド回路40およびA/Dコンバータ44は、パルス信号P〜Pごとに、ポジティブエッジに応じた電流IRXによって変動した後の検出電圧Vsをデジタル値に変換し、第1データ系列DRを生成する。またサンプルホールド回路40およびA/Dコンバータ44は、パルス信号P〜Pごとに、ネガティブエッジに応じた電流IRXによって変動した後の検出電圧Vsをデジタル値に変換し、第2データ系列DFを生成する。
【0042】
以上が容量検出回路100の動作である。
この容量検出回路100によれば、各パルスのポジティブエッジに対応して第1データ系列DRが生成され、各パルスのネガティブエッジに対応して第2データ系列DFが生成されるため、2つのデータ系列DR、DFを利用することにより、ポジティブエッジのみ、あるいはネガティブエッジのみを取得する場合に比べて情報量が2倍となる。したがって一方のエッジのみを利用する場合に比べて、センシング時間を短縮し、あるいは同じセンシング時間での感度を向上することができる。
【0043】
DSP102は、第1データ系列DRと第2データ系列DFの差分を算出し、差分データ系列DDを生成し、差分データ系列DDの各データを積算する。
第1データ系列DRと第2データ系列DFの互いに対応するデジタル値DRiとDFiの差分(DRi−DFi)は、受信電極12の電圧VRXの振幅、すなわち相互キャパシタンスCの容量値を示す。したがって、差分(DRi−DFi)を積算した値Σi=1:N(DRi−DFi)は、相互キャパシタンスCの容量値に応じたデータとなる。
【0044】
DSP102の上述の処理により、受信電極12に混入する低周波数のノイズの影響を低減することができる。いま受信電極12に対して、パルス信号に加えて、送信周波数より低い周波数の外来ノイズが重畳する状況を考える。図4は、外来ノイズが混入したときの、タッチパネルコントローラ3の動作を示すタイムチャートである。
【0045】
第1データ系列DRの各データは、容量センサ5の相互キャパシタンスCの変化に応じた成分DRと、ノイズに応じた成分Dnoiseを含む。第2データ系列DFの各データも同様である。ここでノイズの周波数が低いとき、同じパルス信号のポジティブエッジとネガティブエッジのタイミングのノイズの大きさはほとんど等しく、同相ノイズとみなすことができる。したがって、第1データ系列DRと第2データ系列DFの差分を演算することにより、ノイズの影響を除去し、入力動作を正確に検出することが可能となる。
【0046】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【0047】
図5は、変形例に係る容量検出回路100aの構成を示す回路図である。容量検出回路100aの初期化回路33は、駆動バッファ34および第2スイッチSW21〜mを備える。
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。
【0048】
第2スイッチSW21〜mは、受信電極121〜mごとに設けられる。第2スイッチSW2は、対応する受信電極12と、駆動バッファ34の出力端子の間に設けられる。第2スイッチSW2はセンシングに先立ち、オンする。
【0049】
この構成によっても、図2の容量検出回路100と同様の効果を得ることができる。なお、図2の容量検出回路100は、駆動バッファ34および第2スイッチSW21〜mが不要であるため、図5よりも回路面積が小さくて済むという利点がある。
【0050】
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】
【0051】
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…ドライバ、30…増幅回路、32…演算増幅器、34…駆動バッファ、CFB…フィードバックキャパシタ、RFB…フィードバック抵抗、SW1…第1スイッチ、SW2…第2スイッチ、SW3…第3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、50…制御部、100…容量検出回路、102…DSP、C…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】
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容量センサの容量変化を検出するタッチパネルコントローラであって、
1回のセンシングごとに前記送信電極に複数のパルス信号を含む送信信号を印加する送信回路と、
その第1入力端子に所定の基準電圧が印加された演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力端子とその第2入力端子の間に設けられたフィードバックキャパシタと、
前記受信電極と前記演算増幅器の前記第2入力端子の間に設けられ、前記複数のパルス信号が生成される期間、オン状態となる第1スイッチと、
各パルス信号のポジティブエッジごとに、前記演算増幅器の出力電圧に応じた検出電圧をデジタル値に変換することにより第1データ系列を生成するとともに、各パルス信号のネガティブエッジごとに、前記検出電圧をデジタル値に変換することにより第2データ系列を生成するA/Dコンバータと、
前記第1データ系列と前記第2データ系列それぞれに含まれる、互いに対応するデジタル値の差分を算出し、各デジタル値の差分を積分する演算処理部と、
を備えることを特徴とするタッチパネルコントローラ。
【請求項2】
前記演算増幅器の出力電圧に含まれる高周波ノイズを除去するフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のタッチパネルコントローラ。
【請求項3】
前記センシングに先立ち、前記受信電極の電位を初期化する初期化回路をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載のタッチパネルコントローラ。
【請求項4】
前記初期化回路は、
前記演算増幅器の出力端子とその第2入力端子の間に、前記フィードバックキャパシタと並列に設けられたフィードバック抵抗を含むことを特徴とする請求項3に記載のタッチパネルコントローラ。
【請求項5】
前記初期化回路は、
前記演算増幅器の前記第2入力端子の電位を受ける駆動バッファと、
前記駆動バッファの出力端子と前記受信電極の間に設けられ、センシングに先立ちオンする第2スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載のタッチパネルコントローラ。
【請求項6】
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1から5のいずれかに記載のタッチパネルコントローラと、
を備えることを特徴とする入力装置。
【請求項7】
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1から5のいずれかに記載のタッチパネルコントローラと、
を備えることを特徴とする電子機器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−58871(P2013−58871A)
【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2011−195405(P2011−195405)
【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)】