静電容量型タッチセンサ
【課題】センサ回路の回路規模を抑えながら、複数の指のタッチ位置を検出することを可能にした静電容量型タッチセンサを提供する。
【解決手段】タッチホイール２０は、絶縁基板１０上に、円周Ｒに沿って配置された３６個のタッチパッド２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５を含んで構成される。タッチパッド２１は、中央電極０ｃ〜５ｃと、この中央電極０ｃ〜５ｃを囲んで配置された環状電極０ｓ〜５ｓを有している。センサ回路３０は、選択回路３１、電荷増幅器３２を含んで構成される。電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出する。
【解決手段】タッチホイール２０は、絶縁基板１０上に、円周Ｒに沿って配置された３６個のタッチパッド２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５を含んで構成される。タッチパッド２１は、中央電極０ｃ〜５ｃと、この中央電極０ｃ〜５ｃを囲んで配置された環状電極０ｓ〜５ｓを有している。センサ回路３０は、選択回路３１、電荷増幅器３２を含んで構成される。電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の変化を利用して人の指先やペン先等のタッチ位置を検出する静電容量型タッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、タッチセンサは優れた特長を有していることから、タッチセンサを使った入力装置が広く使われるようになってきた。人が指を円周に沿って回転させて使用するホイール型入力装置もその一つである。
【０００３】
特許文献１には、複数のタッチパッドを円周に沿って配置してなるタッチホイールを準備し、指がタッチパッドに触れた際に起こるタッチパッドに付随した静電容量の変化に基づいて、タッチホイール上で指が触れた位置を算出するようにした静電容量型タッチセンサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の静電容量型タッチセンサにおいては、１本の指の位置を検出するように構成されているので、複数の指でタッチホイールを触れると、誤った位置情報を出力する恐れがあった。例えば、複数の指でボリュームをつまんで回すような動きをこのタッチセンサで検出することは困難であった。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、円周上に多数のタッチパッドを配置し、タッチパッドとセンサ回路のチャンネルとを１：１で対応させることが考えられる。この場合、１つのチャンネルは、対応する１つのタッチパッドの静電容量の変化を検出する回路要素を含んでいる。しかしながら、この方法では、タッチパッドの数だけ、チャンネルの数が必要であり、タッチパッドの数の増加に伴って、センサ回路の規模が大きくなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の静電容量型タッチセンサは、基板と、前記基板上の閉曲線に沿って配置された複数のタッチパッドと、を備え、各タッチパッドは、中央電極と、この中央電極を囲んで配置された環状電極とを有し、前記複数のタッチパッドは、ｍ個（ｍは２以上の自然数）のタッチパッドから成るタッチパッド群をｎ個（ｎは２以上の自然数）配列して構成され、更に、各タッチパッド群に対応して設けられ、各タッチパッド群のｍ個の環状電極に接続されたｎ本の駆動線と、各タッチパッド群のｍ個の中央電極に対応して設けられ、対応する中央電極に接続されたｍ本のセンサ線と、前記ｎ本の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、前記ｎ本の駆動線の中、１本の駆動線にクロック信号が印加されている間に、前記ｍ本のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記中央電極と、前記環状電極との間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量型タッチセンサによれば、回路規模を抑えながら、複数の指のタッチ位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の静電容量型タッチセンサの構成を示す平面図である。
【図２】静電容量型タッチセンサのセンサ回路の回路図である。
【図３】本発明の実施形態の静電容量型タッチセンサの動作タイミング図である。
【図４】電荷増幅器の回路図である。
【図５】電荷増幅器の動作を説明する図である。
【図６】タッチパッド周辺の電界状態を示す模式図である。
【図７】タッチパッドの各種パターンを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態における静電容量型タッチセンサの構成を図面に基づいて説明する。静電容量型タッチセンサは、タッチホイール２０とセンサ回路３０で構成される。
【００１１】
＝タッチホイール２０の構成＝＝＝
先ず、タッチホイール２０の構成を図１に基づいて説明する。ＰＣＢ基板等の絶縁基板１０の表面上に、１つの円周Ｒに沿って３６個の同じ構成を有したタッチパッド２１が等間隔で配置されている。これらのタッチパッド２１は、それぞれ６個のタッチパッド２１を含む６個のタッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５に分類される。タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５のタッチパッド２１は、絶縁基板１０に垂直な方向から見て、円形状の中央電極０ｃ〜５ｃと、この中央電極０ｃ〜５ｃを囲んで配置された丸輪状の環状電極０ｓ〜５ｓとを有している。中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓとの間には誘電層が介在されており、両者は電気的に絶縁されている。
【００１２】
駆動線２２−０〜２２−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５に対応して設けられ、それぞれタッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の６個の環状電極０ｓ〜５ｓに電気的に接続されている。例えば、駆動線２２−０は、タッチパッド群ＧＲ０の６個の環状電極０ｓ〜５ｓに電気的に接続されている。つまり、ＧＲ０の環状電極０ｓ〜５ｓは相互に電気的に接続されており、他のタッチパッド群ＧＲ１〜ＧＲ５の環状電極０ｓ〜５ｓからは絶縁されている。
【００１３】
センサ線２３−０〜２３−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の中央電極０ｃ〜５ｃに対応して設けられている。すなわち、センサ線２３−０は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の中央電極０ｃに電気的に接続されている。センサ線２３−１は、タッチパッド群Ｇ０〜ＧＲ５の中央電極１ｃに電気的に接続されている。つまり、センサ線２３−０〜２３−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の対応する中央電極０ｃ〜５ｃに共通に接続されている。
【００１４】
センサ線２３−０〜２３−５と環状電極０ｓ〜５ｓとは電気的に絶縁されている。この場合、中央電極０ｃ〜５ｃ、環状電極０ｓ〜５ｓ及び駆動線２２−０〜２２−５は上層配線で形成され、センサ線２３−０〜２３−５は上層配線と絶縁された下層配線で形成される。もしくは、環状電極０ｓ〜５ｓ及び駆動線２２−０〜２２−５は下層配線で形成され、中央電極０ｃ〜５ｃ及びセンサ線２３−０〜２３−５は上層配線で形成される。
【００１５】
駆動線２２−０〜２２−５は、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１（それぞれ、クロック出力端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５に相当する）に接続される。センサ回路３０は、端子Ｐ６〜Ｐ１１にクロック信号ＣＬｄｒｖをシーケンス的に出力する。センサ線２３−０〜２３−５は、センサ回路３０の端子Ｐ０〜Ｐ５に接続される。端子Ｐ０〜Ｐ５は対応するタッチパッド１１の静電容量の変化を検出する回路要素である、チャンネルｃｈ０〜ｃｈ５に対応している。
【００１６】
タッチパッド２１の中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓの間には静電容量が形成され、人の指等がタッチパッド２１に近接することにより、静電容量の容量値Ｃ１が変化する。後述するように、センサ回路３０はこの容量値Ｃ１の変化ΔＣを電圧に変換する回路を含んでいる。タッチパッド２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５等が形成された絶縁基板１０上には接合材を介してアクリル材等の誘電体材料から成る保護板が貼り付けられることが好ましい。
【００１７】
＝＝＝センサ回路３０の構成＝＝＝
次に、センサ回路３０の構成を図２に基づいて説明する。センサ回路３０は、端子Ｐ０〜Ｐ１１、選択回路３１、電荷増幅器３２（本発明の「検出回路」の一例）、ＡＤ変換器３３、制御回路３４、クロック源３５、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６及びクロック配線３７を含んで構成される。制御回路３４は、センサ回路３０の全体、即ち、選択回路３１、電荷増幅器３２、ＡＤ変換器３３、クロック源３５及びＩ２Ｃバスインターフェース回路３６等の動作を制御する回路である。センサ回路３０は、１チップのＩＣ（半導体集積回路）で形成することができる。
【００１８】
端子Ｐ０〜Ｐ１１は、センサ信号が入力される入力端子、又はクロック信号ＣＬｄｒｖが出力される出力端子として用いることができる。クロック信号ＣＬｄｒｖはＨレベルとＬレベルを繰り返す信号である。本実施形態の静電容量型タッチセンサの場合は、端子Ｐ６〜Ｐ１１はクロック信号ＣＬｄｒｖの出力端子として用いられる。
【００１９】
即ち、制御回路３４のクロック源３５のクロック出力端子は、１２本のクロック配線３７を介して対応する端子Ｐ０〜Ｐ１１に接続されている。この場合、制御回路３４は、クロック信号ＣＬｄｒｖを対応するクロック配線３７を介して端子Ｐ６〜Ｐ１１（クロック出力端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５）にシーケンス的に出力するように制御する。
【００２０】
駆動線２２−０〜２２−５は、前述のように、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１に接続されているので、クロック信号ＣＬｄｒｖは駆動線２２−０〜２２−５にシーケンス的に印加されることになる。クロック信号ＣＬｄｒｖは、ある期間は駆動線２２−０にのみ印加され、次の期間に駆動線２２−１にのみ印加される。（以下、同様にクロック信号ＣＬｄｒｖの印加が行われる。）これにより、クロック信号ＣＬｄｒｖは、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の環状電極０ｓ〜５ｓにシーケンス的に印加されることになる。
【００２１】
センサ回路３０において、端子Ｐ０〜Ｐ５は、センサ信号が入力される入力端子として用いられる。すなわち、タッチホイール２０のセンサ線２３−０〜２３−５は、センサ回路３０の端子Ｐ０〜Ｐ５に接続される。
【００２２】
選択回路３１は、駆動線２２−０〜２２−５のいずれかにクロック信号ＣＬｄｒｖが印
加されている期間に、センサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。即ち、クロック信号ＣＬｄｒｖが印加されている期間の中のある期間にセンサ線２３−０が選択され、次の期間にセンサ線２３−１が選択される。（以下、同様に選択が行われる。）
電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓの間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。電荷増幅器３２は、センサ線２３−０〜２３−５がシーケンス的に選択されている期間に対応して、出力電圧Ｖｏｕｔをシーケンス的に出力することになる。電荷増幅器３２の具体的な構成例については後述する。
【００２３】
ＡＤ変換器３３は、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル信号に変換する回路であり、例えば１６ビットのデルタ・シグマ型のＡＤ変換器で構成されることが好ましい
。ＡＤ変換器３３から出力されるデジタル信号は、制御回路３４により一時的に記憶され、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６を介して、外部のＣＰＵ、例えば、マイクロコンピュータに送信される。
【００２４】
この場合、デジタル信号は、シリアルデータ端子ＳＤＡから、シリアルクロック端子ＳＣＬにマイクロコンピュータ側から印加されるシリアルクロックに同期してシリアル出力される。マイクロコンピュータは、送信されたデジタル信号に基づいてどのタッチパッド２１が押されたかを判断する。この場合、マイクロコンピュータは、例えば当該デジタルデータが所定の閾値より大きい時に、タッチパッド２１が押されたと判断する。
【００２５】
＝＝＝静電容量型タッチセンサの動作＝＝＝
次に、静電容量型タッチセンサの動作を図３の動作タイミング図に基づいて説明する。先ず、センサ回路３０のクロック出力端子Ｐ６クロック出力端子Ｃｄｒｖ０から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−０を介して、タッチパッド群ＧＲ０の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。
【００２６】
すなわち、先ず、センサ線２３−０（チャンネルＣｈ０）が選択される。これにより、
タッチパッド群ＧＲ０の１番目のタッチパッド２１（中央電極０ｃ）が選択される。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００２７】
その後、センサ線２３−１（チャンネルＣｈ１）が選択される。これにより、タッチパッド群ＧＲ０の２番目のタッチパッド２１（中央電極１ｃ）が選択される。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−１が接続された、２番目のタッチパッド２１の中央電極１ｃと環状電極１ｓの間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００２８】
このように、タッチパッド群ＧＲ０の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。タッチパッド群ＧＲ０の６個のタッチパッド２１の検出が全て終了すると、制御回路３４により一時的に記憶されたデジタル信号は、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６とシリアルデータ端子ＳＤＡを介して、外部のマイクロコンピュータに送信される。
【００２９】
次に、クロック出力端子Ｐ７クロック出力端子Ｃｄｒｖ１から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−１を介して、次のタッチパッド群ＧＲ１の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。そして、同様に、タッチパッド群ＧＲ１の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３０】
次に、クロック出力端子Ｐ８クロック出力端子Ｃｄｒｖ２から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−２を介して、次のタッチパッド群ＧＲ２の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。そして、同様に、タッチパッド群ＧＲ２の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３１】
以下、同様に、タッチパッド群ＧＲ３〜ＧＲ５のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。このように、この静電容量型タッチセンサによれば、３６個のタッチパッド２１の容量変化をシーケンス的に検出するようにしたので、センサ回路３０の回路規模を抑えながら、複数の指のタッチ位置を検出することが可能になる。
【００３２】
なお、タッチホイール１０上のタッチパッド２１の個数は自由に適宜変更することができ、それに対応してセンサ回路３０の構成も変更することができる。ただし、タッチパッド２１の個数は４個以上とし、タッチパッド群の個数ｎは２以上の自然数であり、各タッチパッド群を構成するタッチパッド２１の個数ｍは２以上の自然数とする。また、タッチパッド２１は、円周Ｒに沿って配置されているが、それに限らず、楕円等の任意の閉曲線に沿って配置されていても良い。
【００３３】
また、中央電極０ｃ〜５ｃの形状は円形であり、環状電極０ｓ〜５ｓの形状は丸輪状であることがパターンレイアウト上好ましいが、図７に示すように、（ａ）丸輪状の他に、（ｂ）楕円状、（ｃ）四角状、（ｄ）ひし型状、（ｅ）三角状、などの形状であっても良い。図７においては、（ａ）〜（ｄ）の各パターン上を人の指等１００が通過する場合の電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔの波形が示されている。
【００３４】
（ａ）丸輪状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔのピークは、円形の中央電極０ｃ〜５ｃの中央部にある。つまり、静電容量型タッチセンサのセンサ感度は中央電極０ｃ〜５ｃの中央部で最大になる。したがって、タッチ位置検出の分解能を上げたい場合に有効である。
【００３５】
（ｂ）楕円状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは（ａ）の丸輪状のパターンよりも広い範囲に広がる。このため、センサ感度も広い範囲で高くなるので、タッチパッド２１の個数が少ない場合に有効である。
【００３６】
（ｃ）四角状のパターンにおいても、センサ感度も広い範囲で高くなるが、（ｂ）楕円状のパターンよりも高いセンサ感度が得られる。このため、人の指等１００の高い近接感度が求められる場合に有効である。
【００３７】
（ｄ）ひし型状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは、その周辺から中央電極０ｃ〜５ｃに向かって緩やかに上昇する。つまり、センサ感度に適当な勾配があるので、これを利用して、タッチパッド２１をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用する以外に、タッチ位置座標の検出に利用する場合に有効である。
【００３８】
（ｅ）三角状のパターンにおいても、ひし型状のパターンと同様に、センサ感度に適当な勾配があるので、これを利用して、タッチパッド２１をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用する以外に、タッチ位置座標の検出に利用する場合に有効である。
【００３９】
また、絶縁基板１０は、ＰＣＢ基板に限定されることはなく、ガラス基板、湾曲可能なフィルムであっても良い。絶縁基板１０としてガラス基板を採用する場合、ガラス基板上にタッチパッド２１や、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５等を透明電極材料であるＩＴＯで形成し、タッチパッド２１をＬＣＤや表示デバイスの上部に配置することで、映像と直結した入力インターフェイスを実現できる。またＬＥＤにより照らされた文字上部に、タッチパッド２１を配置し、操作スイッチとして機能するタッチパッド２１をより使い易いものにすることも可能である。
【００４０】
絶縁基板１０として湾曲可能なフィルムを採用する場合、タッチパッド２１が形成されたフィルムを湾曲した筐体に貼り付けることにより、平面以外の丸みや突起のあるデザイン性に優れた静電容量型タッチセンサを実現することができる。
【００４１】
＝＝＝電荷増幅器３２の構成例と動作＝＝＝
先ず、電荷増幅器３２の構成例を図４に基づいて説明する。電荷増幅器３２は、基準静電容量５１、差動増幅器５２、第１のフィードバック容量５３、第２のフィードバック容量５４、基準電圧源５５、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を含んで構成される。
【００４２】
いま、タッチパッド群ＧＲ０の１番目のタッチパッド２１の中央電極０ｃに対応するセンサ線２３−０が選択回路３１により選択されているとする。また、そのタッチパッド２１に対応する環状電極０ｓにクロック信号ＣＬｄｒｖが印加されているとする。タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓとの間には容量値Ｃ１を有する静電容量が形成される。
【００４３】
基準静電容量５１は、第１及び第２の端子を有し、第１の端子が選択回路３１により選択されたセンサ線２３−０に接続され、第２の端子にクロック信号Ｃｄｒｖの反転信号＊Ｃｄｒｖが印加される。基準静電容量５１の容量値をＣｒｅｆとする。
【００４４】
選択回路３１により選択されたセンサ線２３−０は、差動増幅器５２の非反転入力端子（＋）に接続される。基準電圧源５５は、クロック信号ＣＬｄｒｖのＨレベルとＬレベルの差、つまり振幅Ｖｄｒｖの１／２の電圧である、基準電圧１／２Ｖｄｒｖを発生する。
【００４５】
この基準電圧１／２Ｖｄｒｖは、差動増幅器５２の反転入力端（−）に印加される。
第１のスイッチＳＷ１及び第１のフィードバック容量５３は、差動増幅器５２の非反転入力端（＋）と反転出力端子（−）の間に並列に接続されている。第２のスイッチＳＷ２及び第２のフィードバック容量５４は、差動増幅器５２の反転入力端子（−）と非反転出力端子（＋）の間に並列に接続されている。第１及び第２のフィードバック容量５３，５４の容量値をＣｆとする。
【００４６】
次に、電荷増幅器３２の動作を図５に基づいて説明する。電荷増幅器３２はクロック信号ＣｄｒｖのＨレベル、Ｌレベルに応じて、電荷蓄積モード、電荷転送モードという２つの動作モードを有しており、これらの２つの動作モードが交互に繰り返される。ＨレベルをＶｄｒｖ、Ｌレベルを接地電圧０Ｖとする。
【００４７】
差動増幅器５２の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとすると、両者の差電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）である。
【００４８】
先ず、図５（ａ）の電荷蓄積モードの時は、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｈレベル（＝Ｖｄｒｖ）である。すると、タッチパッド２１の静電容量の環状電極０ｓにＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。また、基準静電容量５１の第２の端子にＬレベル（＝０Ｖ）が印加される。また、このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオンする。これにより、差動増幅器５２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とがそれぞれ短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線上のノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線上のノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｄｒｖに設定される。
【００４９】
次に、図５（ｂ）の電荷転送モードの時、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｌレベル（＝０Ｖ）である。すると、タッチパッド２１の静電容量の環状電極０ｓには、電荷蓄積モードの時とは逆にＬレベル（０Ｖ）が印加される。また、基準静電容量５１の第２の端子にはＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオフする。
【００５０】
人の指等がタッチパッド２１から遠く離れて、タッチパッド２１に影響を及ばさない初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃに設定されているとする。そして、人の指等のタッチにより、静電容量の容量値Ｃ１がΔＣだけ変化したとする。つまり、Ｃ１＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃｒｅｆ＝Ｃである。
【００５１】
図５（ａ）の電荷蓄積モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００５２】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・０ ・・・（１）
図５（ｂ）の電荷転送モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００５３】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・（Ｖｃｏｍ−１／２Ｖｄｒｖ） ・・・（２）
電荷保存則により、電荷蓄積モードの時と電荷転送モードの時のノードＮ２の電荷量は互いに等しいから、数式（１）＝数式（２）である。この方程式をＶｏｍについて解くと次式が得られる。
【００５４】
Ｖｃｏｍ＝（１／２−ΔＣ／Ｃｆ）・Ｖｄｒｖ ・・・（３）
同様にして、ノードＮ１について、電荷蓄積モードと電荷転送モードの時の電荷量を求め、電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｐについて解くと、次式が得られる。
【００５５】
Ｖｏｐ＝１／２Ｖｄｒｖ ・・・（４）
数式（３）、数式（４）から、Ｖｏｕｔを求める。
【００５６】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ＝ΔＣ／Ｃｆ・Ｖｄｒｖ ・・・（５）
これにより、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは、タッチパッド２１の静電容量の変化量ΔＣに比例して変化することがわかる。上述の計算は、初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃであることを前提としているが、初期状態において、Ｃ１とＣｒｅｆに差がある場合には、キャリブレーション回路を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが所定
又は最少値になるようにＣｒｅｆを調整することができる。
【００５７】
なお、上述のセンサ回路３０においては、電荷増幅器３２は、基準静電容量５１を備え、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。つまり、シングル検出方式である。
【００５８】
これに対して、差動検出方式を用いることもできる。この場合、選択回路３１は、２本のセンサ線、例えば、隣接するセンサ線２３−０、２３−１を選択し、それぞれのセンサ線２３−０、２３−１に接続されたタッチパッド２１の静電容量の容量値の差を検出するように構成する。
【００５９】
なお、タッチパッド２１の静電容量の変化量ΔＣの符号は、電気的モデルにより異なる。電気的モデルについて、図６を参照して説明する。図６は、タッチパッド２１の断面図である。図６（ａ）の初期状態において、ΔＣ＝０である。図６（ｂ）は、人の指等１００を誘電体とする誘電体モデルであり、人の指等１００がタッチパッド２１に近接すると、中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に生じる電気力線は人の指等１００の中を通過することから、その本数は増加する。その結果、タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に形成される静電容量の容量値は増加することなる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＞０である。
【００６０】
一方、図６（ｃ）は、人の指等１００を接地された導体とする電界遮蔽モデルであり、人の指等１００がタッチパッド２１に近接すると、中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に生じる電気力線は、接地された人の指等１００による電界遮蔽効果により減少する。その結果、タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に形成される静電容量の容量値は減少することになる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＜０である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 絶縁基板
２０ タッチホイール
２１ タッチパッド
２２−０〜２２−５ 駆動線
２３−０〜２３−５ センサ線
３０ センサ回路
３１ 選択回路
３２ 電荷増幅器
３３ ＡＤ変換器
３４ 制御回路
３５ クロック源
３６ Ｉ２Ｃバスインターフェース回路
３７ クロック配線
５１ 基準静電容量
５２ 差動増幅器
５３ 第１のフィードバック容量
５４ 第２のフィードバック容量
５５ 基準電圧源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の変化を利用して人の指先やペン先等のタッチ位置を検出する静電容量型タッチセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、タッチセンサは優れた特長を有していることから、タッチセンサを使った入力装置が広く使われるようになってきた。人が指を円周に沿って回転させて使用するホイール型入力装置もその一つである。
【０００３】
特許文献１には、複数のタッチパッドを円周に沿って配置してなるタッチホイールを準備し、指がタッチパッドに触れた際に起こるタッチパッドに付随した静電容量の変化に基づいて、タッチホイール上で指が触れた位置を算出するようにした静電容量型タッチセンサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の静電容量型タッチセンサにおいては、１本の指の位置を検出するように構成されているので、複数の指でタッチホイールを触れると、誤った位置情報を出力する恐れがあった。例えば、複数の指でボリュームをつまんで回すような動きをこのタッチセンサで検出することは困難であった。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、円周上に多数のタッチパッドを配置し、タッチパッドとセンサ回路のチャンネルとを１：１で対応させることが考えられる。この場合、１つのチャンネルは、対応する１つのタッチパッドの静電容量の変化を検出する回路要素を含んでいる。しかしながら、この方法では、タッチパッドの数だけ、チャンネルの数が必要であり、タッチパッドの数の増加に伴って、センサ回路の規模が大きくなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の静電容量型タッチセンサは、基板と、前記基板上の閉曲線に沿って配置された複数のタッチパッドと、を備え、各タッチパッドは、中央電極と、この中央電極を囲んで配置された環状電極とを有し、前記複数のタッチパッドは、ｍ個（ｍは２以上の自然数）のタッチパッドから成るタッチパッド群をｎ個（ｎは２以上の自然数）配列して構成され、更に、各タッチパッド群に対応して設けられ、各タッチパッド群のｍ個の環状電極に接続されたｎ本の駆動線と、各タッチパッド群のｍ個の中央電極に対応して設けられ、対応する中央電極に接続されたｍ本のセンサ線と、前記ｎ本の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、前記ｎ本の駆動線の中、１本の駆動線にクロック信号が印加されている間に、前記ｍ本のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記中央電極と、前記環状電極との間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量型タッチセンサによれば、回路規模を抑えながら、複数の指のタッチ位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の静電容量型タッチセンサの構成を示す平面図である。
【図２】静電容量型タッチセンサのセンサ回路の回路図である。
【図３】本発明の実施形態の静電容量型タッチセンサの動作タイミング図である。
【図４】電荷増幅器の回路図である。
【図５】電荷増幅器の動作を説明する図である。
【図６】タッチパッド周辺の電界状態を示す模式図である。
【図７】タッチパッドの各種パターンを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態における静電容量型タッチセンサの構成を図面に基づいて説明する。静電容量型タッチセンサは、タッチホイール２０とセンサ回路３０で構成される。
【００１１】
＝タッチホイール２０の構成＝＝＝
先ず、タッチホイール２０の構成を図１に基づいて説明する。ＰＣＢ基板等の絶縁基板１０の表面上に、１つの円周Ｒに沿って３６個の同じ構成を有したタッチパッド２１が等間隔で配置されている。これらのタッチパッド２１は、それぞれ６個のタッチパッド２１を含む６個のタッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５に分類される。タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５のタッチパッド２１は、絶縁基板１０に垂直な方向から見て、円形状の中央電極０ｃ〜５ｃと、この中央電極０ｃ〜５ｃを囲んで配置された丸輪状の環状電極０ｓ〜５ｓとを有している。中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓとの間には誘電層が介在されており、両者は電気的に絶縁されている。
【００１２】
駆動線２２−０〜２２−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５に対応して設けられ、それぞれタッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の６個の環状電極０ｓ〜５ｓに電気的に接続されている。例えば、駆動線２２−０は、タッチパッド群ＧＲ０の６個の環状電極０ｓ〜５ｓに電気的に接続されている。つまり、ＧＲ０の環状電極０ｓ〜５ｓは相互に電気的に接続されており、他のタッチパッド群ＧＲ１〜ＧＲ５の環状電極０ｓ〜５ｓからは絶縁されている。
【００１３】
センサ線２３−０〜２３−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の中央電極０ｃ〜５ｃに対応して設けられている。すなわち、センサ線２３−０は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の中央電極０ｃに電気的に接続されている。センサ線２３−１は、タッチパッド群Ｇ０〜ＧＲ５の中央電極１ｃに電気的に接続されている。つまり、センサ線２３−０〜２３−５は、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の対応する中央電極０ｃ〜５ｃに共通に接続されている。
【００１４】
センサ線２３−０〜２３−５と環状電極０ｓ〜５ｓとは電気的に絶縁されている。この場合、中央電極０ｃ〜５ｃ、環状電極０ｓ〜５ｓ及び駆動線２２−０〜２２−５は上層配線で形成され、センサ線２３−０〜２３−５は上層配線と絶縁された下層配線で形成される。もしくは、環状電極０ｓ〜５ｓ及び駆動線２２−０〜２２−５は下層配線で形成され、中央電極０ｃ〜５ｃ及びセンサ線２３−０〜２３−５は上層配線で形成される。
【００１５】
駆動線２２−０〜２２−５は、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１（それぞれ、クロック出力端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５に相当する）に接続される。センサ回路３０は、端子Ｐ６〜Ｐ１１にクロック信号ＣＬｄｒｖをシーケンス的に出力する。センサ線２３−０〜２３−５は、センサ回路３０の端子Ｐ０〜Ｐ５に接続される。端子Ｐ０〜Ｐ５は対応するタッチパッド１１の静電容量の変化を検出する回路要素である、チャンネルｃｈ０〜ｃｈ５に対応している。
【００１６】
タッチパッド２１の中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓの間には静電容量が形成され、人の指等がタッチパッド２１に近接することにより、静電容量の容量値Ｃ１が変化する。後述するように、センサ回路３０はこの容量値Ｃ１の変化ΔＣを電圧に変換する回路を含んでいる。タッチパッド２１、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５等が形成された絶縁基板１０上には接合材を介してアクリル材等の誘電体材料から成る保護板が貼り付けられることが好ましい。
【００１７】
＝＝＝センサ回路３０の構成＝＝＝
次に、センサ回路３０の構成を図２に基づいて説明する。センサ回路３０は、端子Ｐ０〜Ｐ１１、選択回路３１、電荷増幅器３２（本発明の「検出回路」の一例）、ＡＤ変換器３３、制御回路３４、クロック源３５、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６及びクロック配線３７を含んで構成される。制御回路３４は、センサ回路３０の全体、即ち、選択回路３１、電荷増幅器３２、ＡＤ変換器３３、クロック源３５及びＩ２Ｃバスインターフェース回路３６等の動作を制御する回路である。センサ回路３０は、１チップのＩＣ（半導体集積回路）で形成することができる。
【００１８】
端子Ｐ０〜Ｐ１１は、センサ信号が入力される入力端子、又はクロック信号ＣＬｄｒｖが出力される出力端子として用いることができる。クロック信号ＣＬｄｒｖはＨレベルとＬレベルを繰り返す信号である。本実施形態の静電容量型タッチセンサの場合は、端子Ｐ６〜Ｐ１１はクロック信号ＣＬｄｒｖの出力端子として用いられる。
【００１９】
即ち、制御回路３４のクロック源３５のクロック出力端子は、１２本のクロック配線３７を介して対応する端子Ｐ０〜Ｐ１１に接続されている。この場合、制御回路３４は、クロック信号ＣＬｄｒｖを対応するクロック配線３７を介して端子Ｐ６〜Ｐ１１（クロック出力端子Ｃｄｒｖ０〜Ｃｄｒｖ５）にシーケンス的に出力するように制御する。
【００２０】
駆動線２２−０〜２２−５は、前述のように、センサ回路３０の端子Ｐ６〜Ｐ１１に接続されているので、クロック信号ＣＬｄｒｖは駆動線２２−０〜２２−５にシーケンス的に印加されることになる。クロック信号ＣＬｄｒｖは、ある期間は駆動線２２−０にのみ印加され、次の期間に駆動線２２−１にのみ印加される。（以下、同様にクロック信号ＣＬｄｒｖの印加が行われる。）これにより、クロック信号ＣＬｄｒｖは、タッチパッド群ＧＲ０〜ＧＲ５の環状電極０ｓ〜５ｓにシーケンス的に印加されることになる。
【００２１】
センサ回路３０において、端子Ｐ０〜Ｐ５は、センサ信号が入力される入力端子として用いられる。すなわち、タッチホイール２０のセンサ線２３−０〜２３−５は、センサ回路３０の端子Ｐ０〜Ｐ５に接続される。
【００２２】
選択回路３１は、駆動線２２−０〜２２−５のいずれかにクロック信号ＣＬｄｒｖが印
加されている期間に、センサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。即ち、クロック信号ＣＬｄｒｖが印加されている期間の中のある期間にセンサ線２３−０が選択され、次の期間にセンサ線２３−１が選択される。（以下、同様に選択が行われる。）
電荷増幅器３２は、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−ｋ（ｋ＝０〜５）が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃ〜５ｃと環状電極０ｓ〜５ｓの間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。電荷増幅器３２は、センサ線２３−０〜２３−５がシーケンス的に選択されている期間に対応して、出力電圧Ｖｏｕｔをシーケンス的に出力することになる。電荷増幅器３２の具体的な構成例については後述する。
【００２３】
ＡＤ変換器３３は、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル信号に変換する回路であり、例えば１６ビットのデルタ・シグマ型のＡＤ変換器で構成されることが好ましい
。ＡＤ変換器３３から出力されるデジタル信号は、制御回路３４により一時的に記憶され、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６を介して、外部のＣＰＵ、例えば、マイクロコンピュータに送信される。
【００２４】
この場合、デジタル信号は、シリアルデータ端子ＳＤＡから、シリアルクロック端子ＳＣＬにマイクロコンピュータ側から印加されるシリアルクロックに同期してシリアル出力される。マイクロコンピュータは、送信されたデジタル信号に基づいてどのタッチパッド２１が押されたかを判断する。この場合、マイクロコンピュータは、例えば当該デジタルデータが所定の閾値より大きい時に、タッチパッド２１が押されたと判断する。
【００２５】
＝＝＝静電容量型タッチセンサの動作＝＝＝
次に、静電容量型タッチセンサの動作を図３の動作タイミング図に基づいて説明する。先ず、センサ回路３０のクロック出力端子Ｐ６クロック出力端子Ｃｄｒｖ０から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−０を介して、タッチパッド群ＧＲ０の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。
【００２６】
すなわち、先ず、センサ線２３−０（チャンネルＣｈ０）が選択される。これにより、
タッチパッド群ＧＲ０の１番目のタッチパッド２１（中央電極０ｃ）が選択される。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００２７】
その後、センサ線２３−１（チャンネルＣｈ１）が選択される。これにより、タッチパッド群ＧＲ０の２番目のタッチパッド２１（中央電極１ｃ）が選択される。そして、電荷増幅器３２は、センサ線２３−１が接続された、２番目のタッチパッド２１の中央電極１ｃと環状電極１ｓの間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧ＶｏｕｔはＡＤ変換器３３によりデジタル信号に変換された後、制御回路３４により一時的に記憶される。
【００２８】
このように、タッチパッド群ＧＲ０の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。タッチパッド群ＧＲ０の６個のタッチパッド２１の検出が全て終了すると、制御回路３４により一時的に記憶されたデジタル信号は、Ｉ２Ｃバスインターフェース回路３６とシリアルデータ端子ＳＤＡを介して、外部のマイクロコンピュータに送信される。
【００２９】
次に、クロック出力端子Ｐ７クロック出力端子Ｃｄｒｖ１から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−１を介して、次のタッチパッド群ＧＲ１の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。そして、同様に、タッチパッド群ＧＲ１の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３０】
次に、クロック出力端子Ｐ８クロック出力端子Ｃｄｒｖ２から出力されるクロック信号ＣＬｄｒｖは、駆動線２２−２を介して、次のタッチパッド群ＧＲ２の環状電極０ｓ〜５ｓに一定期間印加される。すると、選択回路３１は、この一定の期間にセンサ線２３−０〜２３−５をシーケンス的に選択する。そして、同様に、タッチパッド群ＧＲ２の６個のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。
【００３１】
以下、同様に、タッチパッド群ＧＲ３〜ＧＲ５のタッチパッド２１が順番に選択され、かつ容量変化が検出される。このように、この静電容量型タッチセンサによれば、３６個のタッチパッド２１の容量変化をシーケンス的に検出するようにしたので、センサ回路３０の回路規模を抑えながら、複数の指のタッチ位置を検出することが可能になる。
【００３２】
なお、タッチホイール１０上のタッチパッド２１の個数は自由に適宜変更することができ、それに対応してセンサ回路３０の構成も変更することができる。ただし、タッチパッド２１の個数は４個以上とし、タッチパッド群の個数ｎは２以上の自然数であり、各タッチパッド群を構成するタッチパッド２１の個数ｍは２以上の自然数とする。また、タッチパッド２１は、円周Ｒに沿って配置されているが、それに限らず、楕円等の任意の閉曲線に沿って配置されていても良い。
【００３３】
また、中央電極０ｃ〜５ｃの形状は円形であり、環状電極０ｓ〜５ｓの形状は丸輪状であることがパターンレイアウト上好ましいが、図７に示すように、（ａ）丸輪状の他に、（ｂ）楕円状、（ｃ）四角状、（ｄ）ひし型状、（ｅ）三角状、などの形状であっても良い。図７においては、（ａ）〜（ｄ）の各パターン上を人の指等１００が通過する場合の電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔの波形が示されている。
【００３４】
（ａ）丸輪状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔのピークは、円形の中央電極０ｃ〜５ｃの中央部にある。つまり、静電容量型タッチセンサのセンサ感度は中央電極０ｃ〜５ｃの中央部で最大になる。したがって、タッチ位置検出の分解能を上げたい場合に有効である。
【００３５】
（ｂ）楕円状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは（ａ）の丸輪状のパターンよりも広い範囲に広がる。このため、センサ感度も広い範囲で高くなるので、タッチパッド２１の個数が少ない場合に有効である。
【００３６】
（ｃ）四角状のパターンにおいても、センサ感度も広い範囲で高くなるが、（ｂ）楕円状のパターンよりも高いセンサ感度が得られる。このため、人の指等１００の高い近接感度が求められる場合に有効である。
【００３７】
（ｄ）ひし型状のパターンにおいては、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは、その周辺から中央電極０ｃ〜５ｃに向かって緩やかに上昇する。つまり、センサ感度に適当な勾配があるので、これを利用して、タッチパッド２１をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用する以外に、タッチ位置座標の検出に利用する場合に有効である。
【００３８】
（ｅ）三角状のパターンにおいても、ひし型状のパターンと同様に、センサ感度に適当な勾配があるので、これを利用して、タッチパッド２１をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用する以外に、タッチ位置座標の検出に利用する場合に有効である。
【００３９】
また、絶縁基板１０は、ＰＣＢ基板に限定されることはなく、ガラス基板、湾曲可能なフィルムであっても良い。絶縁基板１０としてガラス基板を採用する場合、ガラス基板上にタッチパッド２１や、駆動線２２−０〜２２−５、センサ線２３−０〜２３−５等を透明電極材料であるＩＴＯで形成し、タッチパッド２１をＬＣＤや表示デバイスの上部に配置することで、映像と直結した入力インターフェイスを実現できる。またＬＥＤにより照らされた文字上部に、タッチパッド２１を配置し、操作スイッチとして機能するタッチパッド２１をより使い易いものにすることも可能である。
【００４０】
絶縁基板１０として湾曲可能なフィルムを採用する場合、タッチパッド２１が形成されたフィルムを湾曲した筐体に貼り付けることにより、平面以外の丸みや突起のあるデザイン性に優れた静電容量型タッチセンサを実現することができる。
【００４１】
＝＝＝電荷増幅器３２の構成例と動作＝＝＝
先ず、電荷増幅器３２の構成例を図４に基づいて説明する。電荷増幅器３２は、基準静電容量５１、差動増幅器５２、第１のフィードバック容量５３、第２のフィードバック容量５４、基準電圧源５５、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を含んで構成される。
【００４２】
いま、タッチパッド群ＧＲ０の１番目のタッチパッド２１の中央電極０ｃに対応するセンサ線２３−０が選択回路３１により選択されているとする。また、そのタッチパッド２１に対応する環状電極０ｓにクロック信号ＣＬｄｒｖが印加されているとする。タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓとの間には容量値Ｃ１を有する静電容量が形成される。
【００４３】
基準静電容量５１は、第１及び第２の端子を有し、第１の端子が選択回路３１により選択されたセンサ線２３−０に接続され、第２の端子にクロック信号Ｃｄｒｖの反転信号＊Ｃｄｒｖが印加される。基準静電容量５１の容量値をＣｒｅｆとする。
【００４４】
選択回路３１により選択されたセンサ線２３−０は、差動増幅器５２の非反転入力端子（＋）に接続される。基準電圧源５５は、クロック信号ＣＬｄｒｖのＨレベルとＬレベルの差、つまり振幅Ｖｄｒｖの１／２の電圧である、基準電圧１／２Ｖｄｒｖを発生する。
【００４５】
この基準電圧１／２Ｖｄｒｖは、差動増幅器５２の反転入力端（−）に印加される。
第１のスイッチＳＷ１及び第１のフィードバック容量５３は、差動増幅器５２の非反転入力端（＋）と反転出力端子（−）の間に並列に接続されている。第２のスイッチＳＷ２及び第２のフィードバック容量５４は、差動増幅器５２の反転入力端子（−）と非反転出力端子（＋）の間に並列に接続されている。第１及び第２のフィードバック容量５３，５４の容量値をＣｆとする。
【００４６】
次に、電荷増幅器３２の動作を図５に基づいて説明する。電荷増幅器３２はクロック信号ＣｄｒｖのＨレベル、Ｌレベルに応じて、電荷蓄積モード、電荷転送モードという２つの動作モードを有しており、これらの２つの動作モードが交互に繰り返される。ＨレベルをＶｄｒｖ、Ｌレベルを接地電圧０Ｖとする。
【００４７】
差動増幅器５２の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとすると、両者の差電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）である。
【００４８】
先ず、図５（ａ）の電荷蓄積モードの時は、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｈレベル（＝Ｖｄｒｖ）である。すると、タッチパッド２１の静電容量の環状電極０ｓにＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。また、基準静電容量５１の第２の端子にＬレベル（＝０Ｖ）が印加される。また、このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオンする。これにより、差動増幅器５２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とがそれぞれ短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線上のノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線上のノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｄｒｖに設定される。
【００４９】
次に、図５（ｂ）の電荷転送モードの時、クロック信号ＣＬｄｒｖは、Ｌレベル（＝０Ｖ）である。すると、タッチパッド２１の静電容量の環状電極０ｓには、電荷蓄積モードの時とは逆にＬレベル（０Ｖ）が印加される。また、基準静電容量５１の第２の端子にはＨレベル（＝Ｖｄｒｖ）が印加される。このモードではスイッチＳＷ１及びＳＷ２はオフする。
【００５０】
人の指等がタッチパッド２１から遠く離れて、タッチパッド２１に影響を及ばさない初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃに設定されているとする。そして、人の指等のタッチにより、静電容量の容量値Ｃ１がΔＣだけ変化したとする。つまり、Ｃ１＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃｒｅｆ＝Ｃである。
【００５１】
図５（ａ）の電荷蓄積モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００５２】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・０ ・・・（１）
図５（ｂ）の電荷転送モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。
【００５３】
ノードＮ２の電荷量＝（Ｃ＋ΔＣ）・（１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃ・（−１／２Ｖｄｒｖ）＋Ｃｆ・（Ｖｃｏｍ−１／２Ｖｄｒｖ） ・・・（２）
電荷保存則により、電荷蓄積モードの時と電荷転送モードの時のノードＮ２の電荷量は互いに等しいから、数式（１）＝数式（２）である。この方程式をＶｏｍについて解くと次式が得られる。
【００５４】
Ｖｃｏｍ＝（１／２−ΔＣ／Ｃｆ）・Ｖｄｒｖ ・・・（３）
同様にして、ノードＮ１について、電荷蓄積モードと電荷転送モードの時の電荷量を求め、電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｐについて解くと、次式が得られる。
【００５５】
Ｖｏｐ＝１／２Ｖｄｒｖ ・・・（４）
数式（３）、数式（４）から、Ｖｏｕｔを求める。
【００５６】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ＝ΔＣ／Ｃｆ・Ｖｄｒｖ ・・・（５）
これにより、電荷増幅器３２の出力電圧Ｖｏｕｔは、タッチパッド２１の静電容量の変化量ΔＣに比例して変化することがわかる。上述の計算は、初期状態において、Ｃ１＝Ｃｒｅｆ＝Ｃであることを前提としているが、初期状態において、Ｃ１とＣｒｅｆに差がある場合には、キャリブレーション回路を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが所定
又は最少値になるようにＣｒｅｆを調整することができる。
【００５７】
なお、上述のセンサ回路３０においては、電荷増幅器３２は、基準静電容量５１を備え、選択回路３１により選択された１本のセンサ線２３−０が接続されたタッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの電極の間に形成される静電容量の容量値Ｃ１の変化量ΔＣを検出し、ΔＣに比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力するように構成されている。つまり、シングル検出方式である。
【００５８】
これに対して、差動検出方式を用いることもできる。この場合、選択回路３１は、２本のセンサ線、例えば、隣接するセンサ線２３−０、２３−１を選択し、それぞれのセンサ線２３−０、２３−１に接続されたタッチパッド２１の静電容量の容量値の差を検出するように構成する。
【００５９】
なお、タッチパッド２１の静電容量の変化量ΔＣの符号は、電気的モデルにより異なる。電気的モデルについて、図６を参照して説明する。図６は、タッチパッド２１の断面図である。図６（ａ）の初期状態において、ΔＣ＝０である。図６（ｂ）は、人の指等１００を誘電体とする誘電体モデルであり、人の指等１００がタッチパッド２１に近接すると、中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に生じる電気力線は人の指等１００の中を通過することから、その本数は増加する。その結果、タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に形成される静電容量の容量値は増加することなる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＞０である。
【００６０】
一方、図６（ｃ）は、人の指等１００を接地された導体とする電界遮蔽モデルであり、人の指等１００がタッチパッド２１に近接すると、中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に生じる電気力線は、接地された人の指等１００による電界遮蔽効果により減少する。その結果、タッチパッド２１の中央電極０ｃと環状電極０ｓの間に形成される静電容量の容量値は減少することになる。つまり、この誘電体モデルによれば、ΔＣ＜０である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 絶縁基板
２０ タッチホイール
２１ タッチパッド
２２−０〜２２−５ 駆動線
２３−０〜２３−５ センサ線
３０ センサ回路
３１ 選択回路
３２ 電荷増幅器
３３ ＡＤ変換器
３４ 制御回路
３５ クロック源
３６ Ｉ２Ｃバスインターフェース回路
３７ クロック配線
５１ 基準静電容量
５２ 差動増幅器
５３ 第１のフィードバック容量
５４ 第２のフィードバック容量
５５ 基準電圧源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の閉曲線に沿って配置された複数のタッチパッドと、を備え、
各タッチパッドは、中央電極と、この中央電極を囲んで配置された環状電極とを有し、前記複数のタッチパッドは、ｍ個（ｍは２以上の自然数）のタッチパッドから成るタッチパッド群をｎ個（ｎは２以上の自然数）配列して構成され、
更に、各タッチパッド群に対応して設けられ、各タッチパッド群のｍ個の環状電極に接続されたｎ本の駆動線と、
各タッチパッド群のｍ個の中央電極に対応して設けられ、対応する中央電極に接続されたｍ本のセンサ線と、
前記ｎ本の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、
前記ｎ本の駆動線の中、１本の駆動線にクロック信号が印加されている間に、前記ｍ本のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、
前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記中央電極と、前記環状電極との間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする静電容量型タッチセンサ。
【請求項２】
前記中央電極は円形状であり、前記環状電極は丸輪状であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型タッチセンサ。
【請求項３】
前記検出回路は、第１及び第２の端子を有し、前記第１の端子が前記選択回路により選択されたセンサ線に接続され、前記第２の端子に前記クロック信号の反転信号が印加された基準静電容量と、
前記選択回路により選択された前記センサ線が非反転入力端子に接続され、反転入力端子に前記クロック信号の第１のレベルと第２のレベルの差の１／２の電圧が印加された差動増幅器と、
前記差動増幅器の非反転入力端子と反転出力端子の間に並列に接続された、第１のスイッチ及び第１のフィードバック容量と、
前記差動増幅器の非反転入力端子と反転出力端子の間に並列に接続された、第２のスイッチ及び第２のフィードバック容量と、
前記クロック信号が第１のレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオンし、前記クロック信号が第２のレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオフするように制御する制御回路と、を備え、前記非反転出力端子及び前記反転出力端子から前記静電容量の変化に比例する出力電圧を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型タッチセンサ。
【請求項１】
基板と、
前記基板上の閉曲線に沿って配置された複数のタッチパッドと、を備え、
各タッチパッドは、中央電極と、この中央電極を囲んで配置された環状電極とを有し、前記複数のタッチパッドは、ｍ個（ｍは２以上の自然数）のタッチパッドから成るタッチパッド群をｎ個（ｎは２以上の自然数）配列して構成され、
更に、各タッチパッド群に対応して設けられ、各タッチパッド群のｍ個の環状電極に接続されたｎ本の駆動線と、
各タッチパッド群のｍ個の中央電極に対応して設けられ、対応する中央電極に接続されたｍ本のセンサ線と、
前記ｎ本の駆動線にシーケンス的にクロック信号を印加するクロック源と、
前記ｎ本の駆動線の中、１本の駆動線にクロック信号が印加されている間に、前記ｍ本のセンサ線をシーケンス的に選択する選択回路と、
前記選択回路により選択されたセンサ線が接続された前記中央電極と、前記環状電極との間に形成される静電容量の容量値の変化を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする静電容量型タッチセンサ。
【請求項２】
前記中央電極は円形状であり、前記環状電極は丸輪状であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型タッチセンサ。
【請求項３】
前記検出回路は、第１及び第２の端子を有し、前記第１の端子が前記選択回路により選択されたセンサ線に接続され、前記第２の端子に前記クロック信号の反転信号が印加された基準静電容量と、
前記選択回路により選択された前記センサ線が非反転入力端子に接続され、反転入力端子に前記クロック信号の第１のレベルと第２のレベルの差の１／２の電圧が印加された差動増幅器と、
前記差動増幅器の非反転入力端子と反転出力端子の間に並列に接続された、第１のスイッチ及び第１のフィードバック容量と、
前記差動増幅器の非反転入力端子と反転出力端子の間に並列に接続された、第２のスイッチ及び第２のフィードバック容量と、
前記クロック信号が第１のレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオンし、前記クロック信号が第２のレベルの期間に、前記第１及び第２のスイッチをオフするように制御する制御回路と、を備え、前記非反転出力端子及び前記反転出力端子から前記静電容量の変化に比例する出力電圧を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型タッチセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６４０８２（Ｐ２０１２−１６４０８２Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１８２（Ｐ２０１１−２３１８２）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（３０００５７２３０）セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー (119)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（３０００５７２３０）セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー (119)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]