JP2011022744A - 静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ耐性を向上させると共に、少ないタッチパッド数でより多くのポイントを検出することができる静電容量型タッチセンサの信号処理回路を提供する。
【解決手段】選択回路３３は、タッチパネルの第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２を介して出力される第１及び第２のタッチパッド１，２のペアと、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４を介して出力される第３及び第４のタッチパッド３，４のペアのいずれかを選択する。電荷増幅器３４は選択されたペアからの信号に基づき、タッチパネルの容量差に応じた第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２を出力する。デルタシグマ型ＡＤ変換器３５は、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をアナログ信号に変換する。
【選択図】図６

Description

本発明は、静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路に関する。

従来、携帯電話、携帯音響機器、携帯ゲーム機器、テレビジョン、パーソナルコンピュータ等の各種電子機器の入力装置として、静電容量型タッチセンサが知られている。

従来の静電容量型タッチセンサを図１４及び図１５に基づいて説明する。図１４に示すように、ＰＣＢ基板６０上にタッチパッド６１が形成されており、タッチパッド６１とＰＣＢ基板６０との間に静電容量６２（容量値Ｃ）が形成されている。そして、コンパレータ６３の非反転入力端子（＋）に配線６４を介してタッチパッド６１が接続される。コンパレータ６３の反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、タッチパッド６１とコンパレータ６３の非反転入力端子（＋）とを接続する配線６４には定電流源６５が接続されている。

この静電容量型タッチセンサの動作を図１５に基づいて説明する。先ず、人間の指６６がタッチパッド６１から遠く離れている場合は、タッチパッド６１における容量値はＣである。この場合、タッチパッド６１の静電容量６２は定電流源６５からの定電流により充電されることにより、タッチパッド６１の電圧はリセット状態の０Ｖから増加し、基準電圧Ｖｒｅｆに到達するとコンパレータ６３の出力電圧は反転する。このリセットからコンパレータ６３が反転するまでの時間をｔ１とする。

一方、人間の指６６をタッチパッド６１に近づけると、タッチパッド６１における容量値はＣ＋Ｃ’に増加、または減少する。この変化分Ｃ’は人間の指とタッチパッド６１の間に形成される容量値である。すると、タッチパッド６１の電圧が０Ｖから基準電圧Ｖｒｅｆに到達するまでの時間はｔ２（ｔ２＞ｔ１）である。つまり、リセットからコンパレータ６３が反転するまでの時間の差（ｔ２−ｔ１）に基づいて、人間の指６６がタッチパッド６１にタッチしたか否かを検出することができる。換言すれば、タッチパッド６１は、データ入力用のＯＮ／ＯＦＦスイッチとして機能させることができる。

特開２００５−１９００５０号公報

しかしながら、従来のタッチセンサにおいては、タッチパッド６１にノイズが印加されると、タッチパッド６１の電圧が変化して誤動作が生じるという問題があった。

また、タッチパッド６１はＯＮ／ＯＦＦという２状態スイッチとして機能する場合には、タッチ位置検出のデータ量が限られていた。

本発明の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路は、第１乃至第４のタッチパッドの中から選ばれた１種類又は２種類のタッチパッドを含んで形成された複数の組み合わせタッチパッドと、前記各組み合わせタッチパッドの間に配置された励起パッドから信号を受けて信号処理を行う静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路であって、前記励起パッドに交流電圧を印加する交流電源と、前記第１及び第２のタッチパッドの第１のペアと、前記第３及び第４のタッチパッドの第２のペアのいずれかのペアを選択する選択回路と、前記選択回路により前記第１のペアが選択された時、前記第１のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値と前記第２のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値との差に応じた第１の出力電圧を生成し、前記選択回路により前記第２のペアが選択された時、前記第３のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値と前記第４のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値との差に応じた第２の出力電圧を生成する、スイッチト・キャパシタ回路から構成された電荷増幅器と、前記電荷増幅器により生成された前記第１及び第２の出力電圧をそれぞれデジタル値に変換するデルタシグマ型ＡＤ変換器と、を備え、前記デルタシグマ型ＡＤ変換器から出力された前記デジタル値に基づいて、タッチ位置を求めることを特徴とする。

本発明の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路によれば、差動容量検出方式を採用したことにより、ノイズ耐性を向上させることができる。また、電荷増幅器の出力電圧に基づいてタッチ位置を検出することにより、少ないタッチパッド数でより多くのポイントを検出し、タッチ位置のデータ量を飛躍的に増加させることができる。

さらに、電荷増幅器の出力をアナログ値からデジタル値に変換することにより、デジタル演算処理が可能になり、特に、デルタシグマ型ＡＤ変換器を採用したことにより、電荷増幅器と共に、スイッチト・キャパシタ回路を用いて構成することができ、回路形式の統一化による設計効率の向上、回路規模の削減等の効果を得ることができる。

本発明の静電容量型タッチセンサの原理を示す第１図である。 電荷増幅器の回路図である。 電荷増幅器の動作を説明する図である。 電荷増幅器の入出力特性を示す図である。 本発明の静電容量型タッチセンサの原理を示す第２図である。 第１の実施形態による静電容量型タッチセンサとその信号処理回路を示す図である。 静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路の出力波形である。 電荷増幅器の出力電圧とタッチ位置角度θの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態による静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路を示す図である。 電圧増幅器の構成を示す回路図である。 電荷増幅器と電圧増幅器の出力波形を示す図である。 本発明の第２の実施形態による静電容量型タッチセンサとその信号処理回路を示す図である。 静電容量型タッチセンサと信号処理回路のシステム構成を示す図である。 従来の静電容量型タッチセンサを示す図である。 従来の静電容量型タッチセンサの動作を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。先ず、本発明の基本原理を図１乃至５に基づいて説明する。

［本発明の基本原理］
図１に示すように、ＰＣＢ基板などの基板１１上に、励起パッド１２と、この励起パッド１２を間に挟んで第１のタッチパッド１３と第２のタッチパッド１４とが配置されている。第１及び第２のタッチパッド１３，１４と励起パッド１２の間には不図示の誘電体層が形成されている。

つまり、第１のタッチパッド１３と励起パッド１２により第１の静電容量Ｃ１が形成される。同様に、第２のタッチパッド１４と励起パッド１２により第２の静電容量Ｃ２が形成される。第１の静電容量Ｃ１の容量値をＣ１、第２の静電容量Ｃ２の容量値をＣ２とする。第１及び第２のタッチパッド１３，１４と励起パッド１２は電極であるので、これらの電極の表面はプラスチック、セラミック等の誘電体か、木、ゴム等の絶縁体で覆われていることが好ましい。

一方、信号処理回路（ＩＣ）側においては、励起パッド１２に配線１５を介して交流電圧を印加する交流電源１６が設けられている。この交流電圧の振幅電圧を励起電圧Ｖｒｅｆとする。また、電荷増幅器１７が設けられ、この電荷増幅器１７の非反転入力端子（＋）に配線１８を介して第１のタッチパッド１３が接続され、電荷増幅器１７の反転入力端子（−）に配線１９を介して第２のタッチパッド１４が接続されている。

電荷増幅器１７は、第１のタッチパッド１３と励起パッド１２の間の容量値Ｃ１と第２のタッチパッド１４と励起パッド１２の間の容量値Ｃ２の差に応じた電圧を生成する回路である。

以下、電荷増幅器１７の具体的な構成例について、図２及び図３に基づいて説明する。図２に示すように、破線で囲まれた部分が基板１１であり、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２が形成される。基板１１以外の構成部分が信号処理回路である。

交流電源１６は、交互にスイッチングするスイッチＳＷ１，ＳＷ２で形成される。交流電源１６は、スイッチＳＷ１が閉じスイッチＳＷ２が開くと接地電圧（０Ｖ）を出力し、スイッチＳＷ１が開きスイッチＳＷ２が閉じると、励起電圧Ｖｒｅｆ（プラス電圧）を出力する。この場合、交流電源１６の交流電圧は励起電圧Ｖｒｅｆ（Ｈレベル）と０Ｖ（Ｌレベル）を交互に繰り返すクロック信号電圧である。

また、第１の静電容量Ｃ１に直列に第３の静電容量Ｃ３が接続され、第２の静電容量Ｃ２に直列に第４の静電容量Ｃ４が接続される。ここで、Ｃ３，Ｃ４の容量値は、等しく設定され、Ｃ１，Ｃ２と同程度であることが好ましい。

第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４の共通接続点には、交流電源１６と同様の交流電源２１が接続される。交流電源２１は、交互にスイッチングするスイッチＳＷ３，ＳＷ４で形成される。交流電源２１は、スイッチＳＷ３が閉じスイッチＳＷ４が開くと接地電圧（０Ｖ）を出力し、スイッチＳＷ３が開きスイッチＳＷ４が閉じると、励起電圧Ｖｒｅｆ（プラス電圧）を出力する。そして、交流電源１６と交流電源２１は互いに逆相のクロック信号電圧を出力するように構成されている。

２２は一般的な差動増幅器であり、その非反転入力端子（＋）に第１及び第３の静電容量Ｃ１，Ｃ３の接続点からの引き出された配線が接続され、その反転入力端子（−）に第２及び第４の静電容量Ｃ２，Ｃ４の接続点からの引き出された配線が接続される。

また、差動増幅器２２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間にフィードバック容量Ｃｆが接続され、差動増幅器２２の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間に同じフィードバック容量Ｃｆが接続される。フィードバック容量Ｃｆの容量値をＣｆとする。

さらに、スイッチＳＷ５が差動増幅器２２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間に接続され、スイッチＳＷ６が差動増幅器２２の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間に接続される。スイッチＳＷ５，ＳＷ６は同時にスイッチングする。つまり、スイッチＳＷ５，ＳＷ６が閉じると、差動増幅器２２の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡されると共に、差動増幅器２２の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とが短絡される。

差動増幅器２２の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器２２の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとし、両者の差電圧をＶｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）とする。このように、電荷増幅器１７は、差動増幅器とスイッチト・キャパシタ回路を含んで構成される。

次に、上記構成の回路の動作を図３に基づき説明する。この回路は第１相（電荷蓄積モード）と第２相（電荷転送モード）という２つの相（phase）を有しており、この２つの相が交互に多数回繰り返される。

先ず、図３（ａ）の第１相の場合、交流電源１６のＳＷ１が開き、ＳＷ２が閉じることにより、第１及び第２の静電容量Ｃ１，Ｃ２に励起電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、交流電源２１のＳＷ４が開き、ＳＷ３が閉じることにより、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４に接地電圧（０Ｖ）が印加される。

また、ＳＷ５及びＳＷ６が閉じる。これにより、差動増幅器２２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（−）に接続された配線ノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線ノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｒｅｆになる。ただし、差動増幅器２２のコモンモード電圧を励起電圧の１／２である１／２Ｖｒｅｆとする。

次に、図３（ｂ）の第２相の場合、交流電源１６のＳＷ１が閉じ、ＳＷ２が開くことにより、第１及び第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２に接地電圧（０Ｖ）が印加される。また、交流電源２１のＳＷ４が閉じ、ＳＷ３が開くことにより、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４に励起電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、ＳＷ５及びＳＷ６が開く。

その後、図３（ａ）の第１相の状態に戻り、また第２相に移る。

この場合、Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃであり、Ｃ１，Ｃ２の初期状態の容量値をＣとする。また、人間の指がタッチパッドに近づいた場合のＣ１，Ｃ２の容量差をΔＣとする。
つまり、Ｃ１−Ｃ２＝ΔＣである。
そうすると、Ｃ１＝Ｃ＋１／２ΔＣ、Ｃ２＝Ｃ−１／２ΔＣが成り立つ。

ノードＮ１について電荷保存則を適用すると、以下の通りである。
第１相において、

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量であり、Ｃ・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣ４の電荷量、Ｃｆ・０（＝０）はＣｆの電荷量である。

第２相において、

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量、Ｃ・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ４の電荷量、Ｃｆ・（Ｖｏｐ−１／２Ｖｒｅｆ）はＣｆの電荷量である。
第１相と第２相においてノードＮ１の電荷量は等しいから、数１＝数２である。

この方程式をＶｏｐについて解くと次式が得られる。

同様にして、ノードＮ２について電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｍについて解くと、次式が得られる。

数３、数４から、Ｖｏｕｔを求める。

即ち、図４に示すように電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔは、容量値Ｃ１，Ｃ２の容量差ΔＣに比例して変化することがわかる。

以下、図１に基づいてタッチセンサの動作原理について説明する。以下では、第１及び第２のタッチパッド１３，１４と励起パッド１２間の容量値は互いに等しく初期設定されており、人間の指２０がこれらのパッドから遠く離れている初期状態においては、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃであるとする。そして、人間の指２０は電気的に浮遊している誘電体であるとする、誘電体モデルに基づいて説明する。

先ず、図１（ａ）に示すように、人間の指２０を第１のタッチパッド１３に近づけると、第１のタッチパッド１３と励起パッド１２の間の電界が変化し、第１のタッチパッド１３と励起パッド１２の間の容量値Ｃ１が、第２のタッチパッド１４と励起パッド１２との間の容量値Ｃ２に比して大きくなる。（Ｃ１＞Ｃ２）
これは、人間の指２０が第１のタッチパッド１３に近づくことにより、励起パッド１２から出発して第１のタッチパッド１３に終端する電気力線の本数が増加するためである。この場合、電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔは数５に基づきプラス（＋）の電圧になる。なお、人間の指２０の代わりに、消しゴムのような誘電体を第１のタッチパッド１３に近づけても同じ結果が得られる。

また、図１（ｂ）に示すように、人間の指２０を励起パッド１２の直上に置いた場合は、容量値Ｃ１と容量値Ｃ２は等しくなる。（Ｃ１＝Ｃ２）この場合、電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔは０Ｖになる。

そして、図１（ｃ）に示すように、人間の指２０を第２のタッチパッド１４に近づけると、第２のタッチパッド１４と励起パッド１２の間の電界が変化し、第２のタッチパッド１４と励起パッド１２の間の容量値Ｃ２が容量値Ｃ１に比して大きくなる。（Ｃ２＞Ｃ１）この場合、電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔは数５に基づきマイナス（−）の電圧になる。

上記タッチセンサによれば、人間の指２０が第１のタッチパッド１３に近づくと電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔがプラス（＋）の電圧になることから、ＯＮ／ＯＦＦスイッチとして用いることができる。また、電荷増幅器１７の出力電圧ＶｏｕｔはΔＣに対してリニアに変化する。つまり、人間の指２０が第１のタッチパッド１３に近づくほどプラス（＋）の値が大きくなり、逆に第２のタッチパッド１４に近づくほどマイナス（−）の値（絶対値）が大きくなる。したがって、この特性を利用して人間の指２０のタッチ位置をリニア検出（アナログ検出）することもできる。

また、上記タッチセンサによれば、差動容量検出方式を採用しているので、ノイズ耐性を向上させることができる。即ち、第１及び第２のタッチパッド１３，１４にノイズが印加された場合、ノイズは互いにキャンセルされ、ノイズの影響が電荷増幅器１７の出力電圧Ｖｏｕｔに出ることが抑制される。また、第１及び第２のタッチパッド１３，１４と配線１５，１８，１９の寄生容量の影響が無いため、これらのタッチパッド等のパターニングに制約を設ける必要が無く、任意のパターニングを可能にする。

上述の説明は、人間の指２０を誘電体とする誘電体モデルに基づいているが、人間の指２０が接地されている場合には電界遮蔽モデルが適用される。この場合は、人間の指２０は電界を遮断することになり、容量値Ｃ２が容量値Ｃ１の大小関係は逆になる。

即ち、電界遮蔽モデルにおいては、図５（ａ）に示すように、人間の指２０を第１のタッチパッド１３に近づけると、励起パッド１２からの電気力線の一部が人間の指２０に終端することから、励起パッド１２から出発して第１のタッチパッド１３に終端する電気力線の本数が減少する。これにより、容量値Ｃ１は容量値Ｃ２に比して小さくなる。（Ｃ１＜Ｃ２）

また、図５（ｂ）に示すように、人間の指２０を励起パッド１２の直上に置いた場合は、容量値Ｃ１と容量値Ｃ２は等しくなる。（Ｃ１＝Ｃ２）

そして、図５（ｃ）に示すように、人間の指２０を第２のタッチパッド１４に近づけると、励起パッド１２からの電気力線の一部が人間の指２０に終端することから、励起パッド１２から出発して第２のタッチパッド１４に終端する電気力線の本数が減少する。これにより、容量値Ｃ２は容量値Ｃ１に比して小さくなる。（Ｃ１＞Ｃ２）

誘電体モデルと電界遮蔽モデルのどちらが実際に適用されるかは、人間の指２０やその代替物（ペンや消しゴム等）の電気的状態に依存するが、電界遮蔽モデルが適用される場合においても、誘電体モデルとは容量値の大小関係が逆になるだけであり、容量変化に基づいてタッチ位置を検出することができる点には変わりがない。以下の各実施形態においては、誘電体モデルに基づいて説明する。

［第１の実施形態］
上述の基本原理を用いた本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、４個の入力でタッチパネル上の８個以上のポイントの位置検出を可能にしたタッチセンサである。

まず、タッチパネルの構成について図６に基づいて説明する。ＰＣＢ基板などの基板３０上に第１乃至第４のタッチパッド１〜４という４種類のタッチパッド（電極）が提供される。これらの第１乃至第４のタッチパッド１〜４の中から、選ばれた１種類又は２種類のタッチパッドで形成された組合せタッチパッドが１つの円周上に配列されている。

この例では、（１，１）、（１，３）、（３，３）、（３，２）、（２，２）、（２，４）、（４，４）、（４，１）という、第１乃至第８の組合せタッチパッドが右回りに配置される。ここで、（１，１）は、第１のタッチパッド１と第１のタッチパッド１の組合せ、（１，３）は、第１のタッチパッド１と第３のタッチパッド３との組合せを意味している。以下、同様である。これらの組合せパッドの中には、１種類のタッチパッドの組合せ、例えば（１，１）、（２，２）、（３，３）、（４，４）が含まれている。

図６の例では、これら同種のタッチパッドの組合せは、２種類のタッチパッドの組合せと同じ形態にするために、２つのタッチパッドに分けられている。しかし、これらは１つのタッチパッドに集約してもよい。例えば、第１の組合せパッド（１，１）は、１つの第１のタッチパッド１で構成してもよい。

上述の第１乃至第８の組合せパッドは、第１乃至第８のポイントＰ１〜Ｐ８に対応している。各組合せパッドの間には励起パッド３１（電極）が配置されている。そして、同種のタッチパッド群、例えば４個の第１のタッチパッド１は互いに配線によって接続され、対応する第１乃至第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４に接続される。また、励起パッド３１は配線によって、励起端子ＥＸＣに接続される。

次に、信号処理回路の構成について説明する。先ず、励起端子ＥＸＣに交流電源３２が接続され、励起パッド３１に交流電圧が供給される。第１乃至第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４は選択回路３３の４つの入力端にそれぞれ接続される。選択回路３３は、第１及び第２の出力端子ＣＯ１，ＣＯ２を介して出力される第１及び第２のタッチパッド１，２のペアからの信号と、第３及び第４の出力端子ＣＯ３，ＣＯ４を介して出力される第３及び第４のタッチパッド３，４のペアからの信号のいずれかを選択する回路である。

そして、選択回路３３の次段には電荷増幅器３４が設けられる。電荷増幅器３４は電荷増幅器１７と同じ回路であり、差動増幅器とスイッチト・キャパシタ回路で構成される。
つまり、電荷増幅器３４は、選択回路３３によって選択された１つのペアの中、１つのタッチパッドと励起パッド３１の間に生じる第１の容量値と、選択回路３３によって選択されたもう１つのタッチパッドと励起パッド３１の間に生じる第２の容量値の差に応じた電圧（アナログ値）を生成する。（数５参照）

即ち、第１及び第２のタッチパッド１，２のペアが選択されたとすると、電荷増幅器３４は、第１のタッチパッド１と励起パッド３１の間に生じる第１の容量値と、第２のタッチパッド２と励起パッド３１の間に生じる第２の容量値の差に応じた第１の出力電圧Ｖ１を生成する。人間の指がこれらのパッドから遠く離れている初期状態においては、第１の容量値と第２の容量値は等しくなるように設定されている。

同様に、第３及び第４のタッチパッド３，４のペアが選択されたとすると、電荷増幅器３４は、第３のタッチパッド３と励起パッド３１の間に生じる第３の容量値と、第４のタッチパッド４と励起パッド３１の間に生じる第４の容量値の差に応じた第２の出力電圧Ｖ２を生成する。人間の指がこれらのパッドから遠く離れている初期状態においては、第３の容量値と第４の容量値は等しくなるように設定されている。そして、電荷増幅器３４の次段には、電荷増幅器３４の出力電圧をアナログ値からデジタル値に変換するデルタシグマ型ＡＤ変換器３５が設けられる。なお、選択回路３３を削除し、第１及び第２のタッチパッド１，２のペアと、第３及び第４のタッチパッド３，４のペアに対応して、２個の電荷増幅器１２を設けても良い。

上述のタッチセンサの動作について表１に基づいて説明する。

選択回路３３は、フェーズ１（phase1）で第１及び第２のタッチパッド１，２のペアを選択し、次のフェーズ２（phase2）で第３及び第４のタッチパッド３，４のペアを選択するように制御回路により制御される。今、人間の指が第１のポイントＰ１，即ち、第１の組合せタッチパッド（１，１）の中央にタッチすると、フェーズ１では、第１及び第２のタッチパッド１，２のペアが選択される。すると、前述の基本原理によれば、第１のタッチパッド１と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はプラス（＋）の電圧を出力する。

一方、フェーズ２では、第３及び第４のタッチパッド３，４のペアが選択される。この場合、電荷増幅器３４は０Ｖを出力する。これは、人間の指は第１の組合せタッチパッド（１，１）にタッチしているので、第３のタッチパッド３と励起パッド３１の間に生じる容量値と、第４のタッチパッド４と励起パッド３１の間に生じる容量値の差はないからである。したがって、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（＋，０）となる。

次に、人間の指が第２のポイントＰ２，即ち、第２の組合せタッチパッド（１，３）の中央にタッチすると、フェーズ１では第１のタッチパッド１と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はプラス（＋）の電圧を出力する。また、フェーズ２では第３のタッチパッド３と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はプラス（＋）の電圧を出力する。したがって、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（＋，＋）となる。

次に、人間の指が第３のポイントＰ３、即ち、第３の組合せタッチパッド（３，３）の中央にタッチすると、フェーズ１では容量値の差はないので、電荷増幅器３４は０Ｖを出力する。また、フェーズ２では第３のタッチパッド３と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はプラス（＋）の電圧を出力する。したがって、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（０，＋）となる。

人間の指が第４のポイントＰ４、即ち、第４の組合せタッチパッド（３，２）の中央にタッチすると、フェーズ１では、第２のタッチパッド２と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はマイナス（−）の電圧を出力する。第２フェーズでは第３のタッチパッド３と励起パッド３１の間の容量値が増加するので、電荷増幅器３４はプラス（＋）の電圧を出力する。したがって、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（−，＋）となる。

同様の考え方から、人間の指が第５のポイントＰ５、即ち、第５の組合せタッチパッド（２，２）の中央にタッチすると、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（−，０）となる。人間の指が第６のポイントＰ６、即ち、第５の組合せタッチパッド（２，４）の中央にタッチすると、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（−，−）となる。人間の指が第７のポイントＰ７、即ち、第７の組合せタッチパッド（４，４）の中央にタッチすると、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（０，−）となる。人間の指が第８のポイントＰ８、即ち、第８の組合せタッチパッド（４，１）の中央にタッチすると、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力は（＋，−）となる。

以上のように、フェーズ１、２の電荷増幅器３４の出力により、８ポイントを検出することができる。つまり、４入力（ＣＯ１〜ＣＯ４）で８ポイントを検出することができる。このため、従来のタッチパネルに比べて入力端子数、配線数を大幅に削減することができる。なお、（１，２）、（３，４）という組合せタッチパッドを設けていないのは、この場合には、差動容量検出方式として機能せず、電荷増幅器３４の出力が不定になってしまうからである。

上述の８ポイント検出の場合、電荷増幅器３４の出力として、＋、０、−という３値を用いればよいが、電荷増幅器３４は、数５で表されるように、容量差ΔＣに応じたアナログ電圧を出力するため、そのアナログ電圧を用いてさらに多数のポイントを検出することが可能である。

以下、このような多数ポイントの検出について詳しく説明する。図６に示すように、第１の組合せタッチパッド（１，１）の中心と第５の組合せタッチパッド（２，２）の中心とを結ぶ線をｙ軸とする。そして、第３の組合せタッチパッド（３，３）の中心と第７の組合せタッチパッド（４，４）の中心とを結ぶ線をｘ軸とする。ｘ軸とｙ軸とは直交している。今、人間の指のタッチ位置とｙ軸のなす角度をθとする。ｙ軸に対して右回りがプラスの角度、軸に対して左回りがマイナスの角度となる。このように定義されたθをタッチ位置角度と呼ぶことにする。また、フェーズ１における電荷増幅器３４の第１の出力電圧をＶ１とし、フェーズ２における電荷増幅器３４の第２の出力電圧をＶ２とする。

すると、電荷増幅器３４の第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、図７、図８に示すようにθに対して連続的に変化する。この場合、第１の出力電圧Ｖ１はｃｏｓθで近似される。一方、第２の出力電圧Ｖ２は、ｓｉｎθで近似される。ここで、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の振幅（ｃｏｓθ、ｓｉｎθの係数）は「１」に規格化されている。

例えば、θ＝０°の場合は、第１のポイントＰ１に対応し、（Ｖ１，Ｖ２）＝（１，０）である。θ＝４５°の場合は、第２のポイントＰ２に対応し、（Ｖ１，Ｖ２）＝（１／√２，１／√２）である。θ＝４５°の場合は、第２のポイントＰ２に対応し、出力電圧（Ｖ１，Ｖ２）＝（１／√２，１／√２）である。θ＝９０°の場合は、第３のポイントＰ３に対応し、（Ｖ１，Ｖ２）＝（０，１）である。θ＝−４５°の場合は、第８のポイントＰ８に対応し、（Ｖ１，Ｖ２）＝（１／√２，−１／√２）である。

従って、このような関係により、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２からタッチ位置角度θを算出することができる。タッチ位置角度θの算出を効率的に行うためには、出力電圧Ｖ１，Ｖ２の比、Ｖ２／Ｖ１を用いることが好ましい。Ｖ２／Ｖ１はｔａｎθで近似される。即ち、Ｖ２／Ｖ１＝ｔａｎθである。ｔａｎの逆関数であるａｒｃｔａｎを用いると、タッチ位置角度θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）で表される。

この場合、図７から分かるように、Ｖ２／Ｖ１の値からタッチ位置角度θは一意的には決定することはできない。例えば、第２のポイントＰ２（θ＝４５°）と第６のポイントＰ６（θ＝−１３５°）におけるＶ１／Ｖ２＝ｔａｎθの値は、いずれも「１」である。しかしながら、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ）の極性（＋，−）を用いれば、タッチ位置角度θを一意的に決定することが可能である。例えば、第２のポイントＰ２では、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の極性は両方ともプラス（＋）である。一方、第６のポイントＰ６では、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の極性は両方ともマイナス（−）である。（図８参照）

即ち、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の極性から、タッチ位置角度θが、図８の４つの象限の中でどの象限にあるかを決定することができる。（Ｖ１，Ｖ２）＝（＋、＋）の場合は０°＜θ＜９０°、（Ｖ１，Ｖ２）＝（−、＋）の場合は９０°＜θ＜１８０°であり、（Ｖ１，Ｖ２）＝（＋、−）の場合は、−９０°＜θ＜０°、（Ｖ１，Ｖ２）＝（−、−）の場合は、−１８０°＜θ＜−９０°である。従って、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２に基づき、タッチ位置角度θの範囲が特定されれば、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）の関係からタッチ位置角度θを一意的に決定することができる。

上述のような、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）と、Ｖ１，Ｖ２の極性からθを算出するアルゴリズムは、電荷増幅器３４のアナログ値である出力電圧Ｖ１，Ｖ２をスイッチト・キャパシタ回路で構成されたデルタシグマ型ＡＤ変換器３５（例えば、１６ビットの変換器）により、アナログ値からデジタル値に変換し、マイクロコンピュータ等のデジタル演算回路を用いて実行する。この場合、タッチ位置角度θの検出精度は、デルタシグマ型ＡＤ変換器３５の分解能に依存することになる。

デルタシグマ型ＡＤ変換器３５は、デルタシグマ・モデレータを用いた回路であるが、電荷増幅器３４と同様に、スイッチト・キャパシタ回路で構成することができ、スイッチの開閉を制御するクロック（サンプリングクロック等）の共通化、回路形式の統一化による設計効率の向上、回路規模の削減等の効果を得ることができる。

この場合、図９に示すように、電荷増幅器３４から出力された前記第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ増幅する電圧増幅器３４ａを備え、この電圧増幅器３４ａの出力電圧をデルタシグマ型ＡＤ変換器３５に入力することが好ましい。これは、電荷増幅器３４から出力された前記第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の信号レベルをデルタシグマ型ＡＤ変換器３５の入力ダイナミックレンジに適合させるためである。

電圧増幅器３４ａは、図９に示すような基本的には電荷増幅器３４と同じスイッチト・キャパシタ回路（スイッチＳＷ７、ＳＷ８、フィーバック容量Ｃｆ２等を含む）と、差動増幅器２３を含んで構成される。これにより、電荷増幅器３４、電圧増幅器３４ａ及びデルタシグマ型ＡＤ変換器３５をスイッチト・キャパシタ回路という同じ回路形式に統一化することができ、更なる設計効率の向上、回路規模の削減等の効果を得ることができる。

図１１は、電荷増幅器３４と電圧増幅器３４ａの出力波形を示す図である。電荷増幅器３４は前述のように、第１相（電荷蓄積モード）と第２相（電荷転送モード）という２つの相を有している。図１１（ａ）に示すように、電荷増幅器３４の出力電圧は、第１相では励起電圧Ｖｒｅｆの１／２の１／２Ｖｒｅｆになり、第２相では差動の出力電圧Ｖｏｐ、Ｖｏｍが出力される。そして、図１１（ｂ）に示すように、電圧増幅器３４ａの出力電圧は、第１相では１／２Ｖｒｅｆのままであるが、第２相ではそのゲインに応じて増幅される。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、組合せタッチパッド（１，１）、（１，３）、（３，３）、（３，２）、（２，２）、（２，４）、（４，４）、（４，１）を１つの円周上に配列したものであるが、本実施形態では、図１２に示すように同じ組合せタッチパッド（１，１）、（１，３）、（３，３）、（３，２）、（２，２）、（２，４）、（４，４）、（４，１）を同じ順番で直線上に配置したものである。その他の構成は、第１の実施形態と同じであり、その動作も全く同じである。

本実施形態においても、電荷増幅器３４の第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２からタッチ位置を求めることができる。即ち、第１の組合せパッド（１，１）の中央の第１のポイントＰ１を原点（ｚ＝０）とし、第１のポイントＰ１から第２のポイントＰ２の方向に向かう直線上のタッチ位置座標をｚとする。すると、第１の出力電圧Ｖ１はｃｏｓｚで近似される。一方、第２の出力電圧Ｖ２は、ｓｉｎｚで近似される。従って、同様に、ｚ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）と、（Ｖ１，Ｖ２）の極性からタッチ位置座標ｚを算出することができる。

［タッチセンサシステムの構成例］
タッチセンサシステムは、図１３に示すように、信号処理回路５０、タッチパネル５１、マイクロコンピュータ５２を含んで構成される。タッチパネル５１は、図５又は図８に示したタッチパネルである。信号処理回路５０は、選択回路３３、電荷増幅器３４、１６ビットのデルタシグマＡＤ変換器３５、駆動回路３６、制御回路３７、Ｉ^２Ｃインターフェース回路３８、基準電圧発生回路３９、パワーオンリセット回路４０、発振器４１、調整回路４２、ＥＥＰＲＯＭ４３、第１乃至第４の入力端子ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４、駆動端子ＣＤＲＶ、シリアルクロック端子ＳＣＬ、シリアルデータ端子ＳＤＡ、電源端子ＶＤＤ、接地端子ＶＳＳ、割り込み端子ＩＮＴを含んで構成される。

第１乃至第４の入力端子ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４には、それぞれタッチパネル５１の第１乃至第４の出力端子ＣＯ１〜ＣＯ４からの信号が入力される。選択回路３３は、第１及び第２の入力端子ＣＩＮ１，ＣＩＮ２と、第３及び第４の入力端子ＣＩＮ３，ＣＩＮ４のいずれかのペアを選択する。

選択回路３３の出力は電荷増幅器３４に入力される。電荷増幅器３４は、前述の第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２を出力する。デルタシグマ型ＡＤ変換器３５は、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をデジタル値に変換する。制御回路３７は、信号処理回路５０の全体を制御する回路である。デルタシグマ型ＡＤ変換器３５の出力は、制御回路３７、Ｉ^２Ｃインターフェース回路３８により、所定のフォーマットのシリアルデータに変換され、シリアルクロック端子ＳＣＬ、シリアルデータ端子ＳＤＡを介して、マイクロコンピュータ５２に転送される。

この場合、デルタシグマ型ＡＤ変換器３５の出力は、シリアルクロックに同期してマイクロコンピュータ５２にシリアル転送されることになる。マイクロコンピュータ５２のＲＯＭには、第１及び第２の実施形態で説明したタッチパネル５１上のタッチ位置角度θ、あるいはタッチ位置座標ｚを算出するアルゴリズムに対応したプログラムが格納されている。マイクロコンピュータ５２は、そのプログラムを実行することにより、タッチパネル５１上のタッチ位置角度θ、あるいはタッチ位置座標ｚを算出する。

駆動回路３６は、交流電源３２を含んで構成され、駆動端子ＣＤＲＶを介してタッチパネル５１の励起端子ＥＸＣに交流電圧を供給する。基準電圧発生回路３９は、駆動回路３６で用いられる励起電圧Ｖｒｅｆを発生する。

パワーオンリセット回路４０は、電源投入時にシステムをリセットする回路である。発振回路４１は、システムクロックを発生する回路である。調整回路４２は、電荷増幅器３４のオフセット量を調整する回路である。ＥＥＰＲＯＭ４３は、オフセット量を調整するための調整データを保存するメモリである。

１〜４ 第１乃至第４のタッチパッド
１１ 基板 １２ 励起パッド １３ 第１のタッチパッド
１４ 第２のタッチパッド １５ 配線 １６ 交流電源
１７ 電荷増幅器 １８、１９ 配線
３０ 基板 ３１、３１Ａ，３１Ｂ 励起パッド ３２ 交流電源
３３ 選択回路 ３４ 電荷増幅器 ３４ａ 電圧増幅器
３５ デルタシグ型マＡＤ変換器 ３６ 駆動回路 ３７ 制御回路
３８ Ｉ^２Ｃインターフェース回路 ３９ 基準電圧発生回路
４０ パワーオンリセット回路 ４１ 発振器 ４２ 調整回路
４３ ＥＥＰＲＯＭ ５０ 信号処理回路 ５１ タッチパネル
５２ マイクロコンピュータ ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４ 第１至第４の入力端子
ＣＤＲＶ 駆動端子

Claims (5)

1. 第１乃至第４のタッチパッドの中から選ばれた１種類又は２種類のタッチパッドを含んで形成された複数の組み合わせタッチパッドと、前記各組み合わせタッチパッドの間に配置された励起パッドから信号を受けて信号処理を行う静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路であって、
   前記励起パッドに交流電圧を印加する交流電源と、
   前記第１及び第２のタッチパッドの第１のペアと、前記第３及び第４のタッチパッドの第２のペアのいずれかのペアを選択する選択回路と、
   前記選択回路により前記第１のペアが選択された時、前記第１のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値と前記第２のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値との差に応じた第１の出力電圧を生成し、前記選択回路により前記第２のペアが選択された時、前記第３のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値と前記第４のタッチパッドと前記励起パッドの間に生じる容量値との差に応じた第２の出力電圧を生成する、スイッチト・キャパシタ回路から構成された電荷増幅器と、
   前記電荷増幅器により生成された前記第１及び第２の出力電圧をそれぞれデジタル値に変換するデルタシグマ型ＡＤ変換器と、を備え、
   前記デルタシグマ型ＡＤ変換器から出力された前記デジタル値に基づいて、タッチ位置を求めることを特徴とする静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。
2. 前記電荷増幅器から出力された前記第１及び第２の出力電圧をそれぞれ増幅する電圧増幅器を備え、前記電圧増幅器の出力電圧を前記デルタシグマ型ＡＤ変換器に入力す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用の信号処理回路。
3. 前記電圧増幅器及び前記デルタシグマ型ＡＤ変換器はスイッチト・キャパシタ回路を用いて構成されたことを特徴とする請求項２に記載の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。
4. 前記デルタシグマ型ＡＤ変換器によりデジタル値に変換された前記第１及び第２の出力電圧の比とタッチ位置との関係に基づいて、タッチ位置を求める演算処理を行う演算回路を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。
5. 前記複数の組み合わせタッチパッドは、第１のタッチパッドからなる第１の組み合わせタッチパッドと、前記第１及び第３のタッチパッドからなる第２の組み合わせタッチパッドと、前記第３のタッチパッドからなる第３の組み合わせタッチパッドと、前記第３及び第２のタッチパッドからなる第４の組み合わせタッチパッドと、前記第２のタッチパッドからなる第５の組み合わせタッチパッドと、前記第２及び第４のタッチパッドからなる第６の組み合わせタッチパッドと、前記第４のタッチパッドからなる第７の組み合わせタッチパッドと、前記第４及び第１のタッチパッドからなる第８の組み合わせタッチパッドを
   含んで構成され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静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。

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