JP2013058871A - 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 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図２

Description

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。

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）。

国際公開第０９／０７８９４４号パンフレット

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 変形例に係る容量検出回路の構成を示す回路図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

送信電極１０と、複数の受信電極１２_１〜１２_ｍ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_Ｍを含む容量センサ５_１〜５_ｍ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５_１〜ｍそれぞれの相互キャパシタンスＣ_Ｍの変化を順にセンシングする。

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_ｉ端子は、対応する受信電極１２_ｉと接続される。

送信回路２０は、１回のセンシングごとに送信電極１０_ｉ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。

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５_１〜ｍの相互キャパシタンスＣ_Ｍ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Ｃ_ＦＢ、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。

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Ｖ_ＲＥＦが印加される。フィードバックキャパシタＣ_ＦＢ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。

複数の第１スイッチＳＷ１_１〜ｍはそれぞれ、受信電極１２_１〜ｍごとに設けられる。第１スイッチＳＷ１_ｉは、対応する受信電極１２_ｉ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_ｉ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。

複数の第３スイッチＳＷ３_１〜ｍもそれぞれ、受信電極１２_１〜ｍごとに設けられる。第３スイッチＳＷ３_１〜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。

複数の第１スイッチＳＷ１_１〜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。

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Ｖ_ＲＥＦ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Ｃ_ＦＢと並列に設けられたフィードバック抵抗Ｒ_ＦＢを含む。

送信信号Ｓ１が印加されると、相互キャパシタンスＣ_Ｍ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_Ｍに蓄えられた電荷が充放電され、電流Ｉ_ＲＸが発生する。増幅回路３０は、この電流Ｉ_ＲＸに応じた検出電圧Ｖｓを生成する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｍを検出する動作を説明する。

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Ｒ_ＦＢの帰還により基準電圧Ｖ_ＲＥＦ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Ｖ_ＲＥＦ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Ｖ_ＲＥＦに初期化される。

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_１〜Ｐ_Ｎを含む。第１スイッチＳＷ１は、Ｎ個のパルス信号Ｐ_１〜Ｐ_Ｎが発生する期間、オンを維持する。パルス信号Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ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Ｉ_ＲＸが流れる。相互キャパシタンスＣ_Ｍが大きいとき、電流Ｉ_ＲＸ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Ｉ_ＲＸの振幅は小さくなる。電流Ｉ_ＲＸ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。

パルス信号Ｐ_１〜Ｐ_Ｎのポジティブエッジに応答して電流Ｉ_ＲＸが第１の向きに流れるとき、フィードバックキャパシタＣ_ＦＢが充電され、検出電圧Ｖｓは上昇する。パルス信号Ｐ_１〜Ｐ_Ｎのネガティブエッジに応答して電流Ｉ_ＲＸが第２の向きに流れるとき、フィードバックキャパシタＣ_ＦＢが放電され、検出電圧Ｖｓは低下する。上述のように、電流Ｉ_ＲＸの大きさは相互キャパシタンスＣ_Ｍに応じているため、検出電圧Ｖｓは、相互キャパシタンスＣ_Ｍに応じた振幅を有する。

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_１〜Ｐ_Ｎごとに、ポジティブエッジに応じた電流Ｉ_ＲＸ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_１〜Ｐ_Ｎごとに、ネガティブエッジに応じた電流Ｉ_ＲＸ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。

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。

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Ｖ_ＲＸの振幅、すなわち相互キャパシタンスＣ_Ｍの容量値を示す。したがって、差分（ＤＲｉ−ＤＦｉ）を積算した値Σ_{ｉ＝１：Ｎ}（ＤＲｉ−ＤＦｉ）は、相互キャパシタンスＣ_Ｍの容量値に応じたデータとなる。

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。

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_Ｍ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。

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。

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ＳＷ２_１〜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。

第２スイッチＳＷ２_１〜ｍは、受信電極１２_１〜ｍごとに設けられる。第２スイッチＳＷ２_ｉは、対応する受信電極１２_ｉ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_ｉはセンシングに先立ち、オンする。

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ＳＷ２_１〜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。

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。

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、Ｃ_ＦＢ…フィードバックキャパシタ、Ｒ_ＦＢ…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_Ｍ…相互キャパシタンス、Ｓ１…送信信号。

Claims (7)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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