JP2011089937A - 静電検出装置及びそれを用いた静電検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出電極に繰り返す充放電から得られる容量特性の許容量を大きくして信号変化の感度を上げる。
【解決手段】単数または複数の検出電極を有する検出パネル１と、検出パネルの各検出電極に充放電を繰り返し行う充放電手段２と、物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段３と、特性抽出手段３で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段４と、累積アナログデジタル変換手段４の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理手段５と、全体の状態及びシーケンスを管理する制御手段７とを有し、特性抽出手段３は充放電特性を値に変換するＱＶ変換手段と充放電手段に同期して反転させる反転手段から成り、ＱＶ変換手段の基準電位は、充放電に同期して複数の電位から選択し切り換える静電検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、単数あるいは複数の検出電極により人の指などの物体の接近や位置を静電結合の変化として捉える、静電結合方式のタッチセンサに関する。

人の指など浮遊容量を持つ物体が電極に接近すると、電極自体の見かけの静電容量や電極間の静電容量が変化することが知られている。これらの原理を応用して、物体の接近や位置などを検出する静電検出装置が実用化されている。

これらの静電検出装置では、図３に示すように、検出電極を有する検出パネル３１の各電極に充放電手段３２が繰り返し充電あるいは放電あるいは充放電（以下では、単に充放電と称す）を行い、特性抽出手段３３で物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出し、得られた特性を累積アナログデジタル変換手段３４で累積してアナログデジタル変換し、後処理手段３５で累積アナログデジタル変換手段３４の出力から物体の接近や位置を求めていた。ここで、制御手段３７は、全体の状態およびシーケンスを管理するためのものである。

ここで、繰り返される特性を累積して検出するのは、人などの接近による静電容量の変化が微弱なためであることと、ノイズの影響を減衰させるためである。

検出電極への充放電を繰り返して、電極電荷を電荷積分回路に蓄積して電圧へ変換する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。先行文献１では、充放電信号の１サイクルごとに蓄積電位を上昇させる例を示しているが、検出電極の容量値を電圧に変換するＱＶ変換においては、積分アンプ（以下、アンプの表記はＡＭＰとも表す。）を用いて充放電信号の立ち上がりと立下りの両方で電荷検出動作をする方が効率良い。その場合、充放電信号の立ち上がり時と立下がり時の積分極性が異なるので、極性を反転する手段が別途必要となる。

特許第４２７５８６５号公報

検出電極への充放電信号の立ち上がりと立下りを両方で電荷積分するとき、一般的には電荷積分アンプの基準電位を動作電圧範囲の中央電位（１／２＊ＶＤＤ＝Ｖｍ）に設定する。電荷積分アンプは、充放電信号の立ち上がりと立下りのそれぞれで、Ｖｍを中心とした出力を行う。立ち上がりと立下りによる電荷積分値を合算するために電荷積分アンプの出力を反転合成すると、積分電圧は動作電圧範囲の半分（１／２）となる。

以上に述べた電荷積分は、検出電極の容量値を電圧に変換するのが目的であり、積分電圧の最大が動作電圧範囲の半分だとすれば、持てる能力が半分しか使われていない事になる。もしも反転合成した積分電圧が動作電圧範囲の半分（１／２）から最大値（２／２）にできれば、検出電極（パネル）に人の指などが接近した時の容量変化は、積分電圧として２倍の振幅を得る事ができる。これは２倍の感度を得る事に相当する。

上記の課題を解決するために、以下の発明について記載する。
まず、手段としての発明を以下に示す。

第１の手段として、人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出装置において、単数または複数の検出電極を有する検出パネルと、検出パネルの各検出電極に充放電を繰り返し行う充放電手段と、物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段と、特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段と、累積アナログデジタル変換手段の出力から物体の接近や位置を求める後処理手段と、全体の状態及びシーケンスを管理する制御手段とを有し、特性抽出手段は充放電特性を値に変換するＱＶ変換手段と充放電手段に同期して反転させる反転手段から成り、ＱＶ変換手段の基準電位は、充放電に同期して複数の電位から選択し切り換える。

第２の手段として、上記第１の手段において、特性抽出手段は、充放電手段の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択手段がＱＶ変換手段に接続している。

第３の手段として、上記第１または２の手段において、ＱＶ変換手段と反転手段は、充放電特性を反転させながら検出する一体化したＱＶ反転変換手段である。
続いて、方法としての発明を以下に示す。

第１の方法として、人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出方法において、検出パネルの各検出電極に充放電を繰り返し行う充放電工程と、物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出工程と、特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換工程と、累積アナログデジタル変換手段の出力から物体の接近や位置を求める後処理工程と、全体の状態及びシーケンスを管理する制御工程とにより構成され、特性抽出工程は充放電特性を値に変換するＱＶ変換工程と充放電工程に同期して反転させる反転工程から成り、ＱＶ変換工程の基準電位は、充放電工程に同期して複数の電位から選択し切り換えること。

第２の方法として、上記第１の方法において、特性抽出工程は、充放電工程の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択工程がＱＶ変換工程に接続している。

第３の方法として、上記第１または２の方法において、ＱＶ変換工程と反転工程は、充放電特性を反転させながら検出する一体化したＱＶ反転変換工程である。

本発明によれば、比較的簡単な手段あるいは方法で２倍の容量感度を有する静電検出装置、およびその方法を実現することが可能となる。

本発明に係る静電検出装置の実施例を示すブロック図である。 本発明に係る検出パネルの一例を示す構造図である。 従来の静電検出装置のブロック図である。 従来の特性抽出手段の例を示す回路図である。 従来の特性抽出手段の動作を示すタイミング図である。 本発明に係る特性抽出手段の例を示す回路図である。 本発明に係るＶｒｅｆ選択手段の例を示す回路図である。 本発明に係る特性抽出手段の動作を示すタイミング図である。 本発明に係る特性抽出手段の他の例を示すブロック図である。 従来の特性抽出手段の例を示す回路図である。 従来の特性抽出手段の動作を示すタイミング図である。 本発明に係る特性抽出手段の例を示す回路図である。 本発明に係る特性抽出手段の動作を示すタイミング図である。 本発明に係る静電検出方法の実施例を示すフローチャートである。 本発明を適応した情報機器の構成例

以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

本発明による静電検出装置は、検出電極２２を有する検出パネル１と、検出パネル１の各検出電極２２あるいはそれらの交点に繰り返し充放電を行う充放電手段２と、物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段３と、特性抽出手段３で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段４と、累積アナログデジタル変換手段４の出力から物体の接近や位置を求める後処理手段５と、全体の状態とシーケンスを管理する制御手段７とにより構成した。

ここで、特性抽出手段３は、充放電手段２からの充放電特性を値に変換するＱＶ変換手段と、ＱＶ変換手段の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を充放電手段２の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択手段６、およびＱＶ変換手段の出力を充放電手段２の動作と同期して反転させる反転手段と、により構成した。

また、本発明による静電検出方法は、検出電極２２を有する検出パネル１の各検出電極２２に繰り返し充放電を行う充放電工程５２と、物体の接近により変化する充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出工程５３と、特性抽出工程５３で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換工程５７と、累積アナログデジタル変換工程５７の出力から物体の接近や位置を求める後処理工程６０と、全体の状態とシーケンスを管理する制御工程５１とにより実現した。ここで、特性抽出工程５３は、充放電工程５２での充放電特性を値に変換するＱＶ変換工程５５と、ＱＶ変換手段の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を充放電工程５２の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択工程５４、ＱＶ変換工程５５の出力を充放電工程５２の動作と同期して反転させる反転工程５６と、により実現した。また、累積アナログデジタル変換工程５７は、特性抽出工程５３で繰り返し抽出した特性を累積する累積工程５８と、アナログ信号をデジタルに変換するアナログデジタル変換工程５９により実現した。
これより、図１に基づいて、詳細に説明する。

ここで、検出パネル１は、図２の例に示すように、支持基板２１上に配置された検出電極２２からなり物体の接近を検出することができる。検出電極２２はＸ方向とＹ方向に互いに導通しないように異なる層において交差して配置される。また検出電極２２は、Ｘ方向がａ，ｂ，ｃ，ｄ、Ｙ方向がｐ，ｑ，ｒ，ｓで示すように複数の電極から構成され、複数の電極が互いに交差する部分にはそれぞれ静電容量が存在する。このような検出パネル１に物体が接近すると、交点の静電容量が変化する。検出電極２２は、一般的には検出する位置座標に対応して複数本の電極に分かれて２次元的に配置され、物体の接近及び位置を検出するが、配置される検出電極２２が単数の場合には物体の接近のみを検出することが可能となる。充放電手段２または充放電工程５２では、検出電極２２に繰り返し充放電を行う。特性抽出手段３または特性抽出工程５３は、充放電の特性を抽出して、物体の接近の影響を抽出する。

ここで、繰り返される複数サイクルの充放電の特性を累積するのは、人の指などの接近による検出電極２２あるいは検出電極２２がＸ方向とＹ方向で交差する交点の静電容量の変化が微弱なためであり、ノイズの影響を減衰させる必要があるためである。

これらの検出パネル１と充放電手段２と特性抽出手段３あるいは充放電工程５２と特性抽出工程５３の具体的な構成または手順には、様々なものが考えられるが、以下ではシャント方式と呼ばれる、検出パネル１の２次元的に配列された検出電極２２の交点などの電極間の静電容量の変化を用いる手段や方法について説明する。この場合には、通常２次元的に配列された検出電極２２のＸ方向の検出電極２２を送信電極として所定の電圧波形を印加して、もう一方のＹ方向の検出電極２２を低インピーダンスにした受信電極として流れ込む電荷を測定する。

このように特性抽出手段３あるいは特性抽出工程５３で抽出された静電容量に対応する特性は、累積アナログデジタル変換手段４または累積アナログデジタル変換工程５７において、複数回の充放電に対応する特性が累積されて、デシタル値に変換される。このため、累積アナログデジタル変換手段４あるいは累積アナログデジタル変換工程５７は、累積手段８とアナログデジタル変換手段９あるいは累積工程５８とアナログデジタル変換工程５９とにより実現している。累積手段８または累積工程５８は、ノイズを除去するために複数回の充放電に対応する特性を累積するためのもので、通常コンデンサに蓄積する。ここで演算増幅器などを用いて累積精度を向上させることが出来ることは言うまでもない。累積されたコンデンサの電圧は、アナログデジタル変換手段９であるアナログデジタル変換器によりデジタル値に変換される。

さらに、例えばデルタシグマ型のアナログデジタル変換器などにより累積しながらデジタル値に変換することにより、累積手段８とアナログデジタル変換手段９あるいは累積工程５８とアナログデジタル変換工程５９をまとめて実現することも可能である。

後処理手段５または後処理工程６０では、累積アナログデジタル変換手段４または累積アナログデジタル変換工程５７からのデジタル値により検出パネル１への物体の接近や位置を求める。例えば、後処理手段５または後処理工程６０では、まず必要に応じて、フィルタ処理等による更なるノイズの除去や、物体が接近していない場合の値をオフセットとして差し引くことにより物体の接近による静電容量の変化に対応した値に変換する。次に、この変化がある値より大きい場合に物体の接近として判定して、接近物体の位置を求めるようにしても良い。

接近物体の位置を求めるには、例えば静電容量の変化が最も大きい検出電極２２の交点の近くに物体が接近しているものとする。さらに、周囲にある交点の静電容量の変化を併用して、加重平均などにより位置精度を向上させることができる。

以上に説明した検出パネル１と充放電手段２と特性抽出手段３と累積アナログデジタル変換手段４と後処理手段５と制御手段７、あるいは充放電工程５２と特性抽出工程５３と累積アナログデジタル変換工程５７と後処理工程６０と制御工程５１は、従来の静電検出装置あるいはその方法とほぼ同様のものである。

これより、本発明の特徴を中心に詳細に説明する。従来の静電検出装置及びそれを用いた静電検出方法と異なるのは、ＱＶ変換手段の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を切り替える手段を設けたことである。ＱＶ変換手段の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を切り替える手段を設けることの効果を説明する為に、まず一般的なＱＶ変換手段の動作を説明する。

図３はＱＶ変換手段の基準電圧を固定した従来の静電検出装置のブロック図である。特性抽出手段３３の構成の中に図１のＶｒｅｆ選択手段６は含まれていない。

図４は従来の一般的なＱＶ変換回路とその極性を切り替える反転手段を実現する回路の例である。

静電容量Ｃｘは検出電極２２間の静電容量に対応しており、一方から充放電波形が印加され、他方は初段ＡＭＰ４１のマイナス入力端子に接続される。初段ＡＭＰ４１の出力端子とマイナス入力端子の間には帰還容量ＣｉとＳＷＣ信号で開閉するスイッチが接続される。この場合、初段ＡＭＰ４１は静電容量Ｃｘに印加される充放電信号による電荷の移動量を電圧に変換するための積分回路（ＱＶ変換手段）として機能する。初段ＡＭＰ４１の出力端子は、抵抗Ｒ１を経由して２段目のＡＭＰ４２のマイナス入力端子に接続される。さらにＡＭＰ４２の出力端子とマイナス入力端子の間は抵抗Ｒ１で接続される。初段ＡＭＰ４１のプラス入力端子と２段目のＡＭＰ４２のプラス入力端子は、いずれもＶｍレベル（＝１／２ＶＤＤ）に接続され、２段目のＡＭＰ４２は、初段ＡＭＰ４１の出力信号Ｖ１を極性反転してＶ２を生成する反転回路（反転手段）として機能する。選択回路４３は、初段ＡＭＰ４１の出力信号Ｖ１と極性反転したＶ２信号をＳｅｌ信号によって選択する事ができる。

より詳細に説明すると、まず静電容量Ｃｘの一方（例えば図２のＸ方向の検出電極２２）から充放電波形が印加されると、Ｃｘの他方（例えば図２のＹ方向の検出電極２２）に電圧が誘導され、図４のＱＶ変換回路の初段ＡＭＰ４１のマイナス入力端子へ電荷が流入、あるいは流出する。帰還容量Ｃｉをスイッチでショートした後で初段ＡＭＰ４１のマイナス入力端子へ電荷が流入すると、初段ＡＭＰ４１の出力は基準電位Ｖｍから下降する。逆に初期化後の初段ＡＭＰ４１のマイナス入力端子から電荷が流出すると、初段ＡＭＰ４１の出力は基準電位Ｖｍから上昇する。その積分動作を図５のタイムチャートで説明する。

まずｔ１の区間において充放電波形がＨｉｇｈ（ａの区間）とＬｏｗ（ｂの区間）に変化する前にＳＷＣ信号を一時的にＨｉｇｈにし、ＡＭＰ４１の帰還容量Ｃｉをショートして初期化する。ＡＭＰ４１が初期化されるとＡＭＰ４１の出力Ｖ１は、プラス入力端子に接続された基準電位Ｖｍと同じ電位となる。その後充放電波形がＬｏｗからＨｉｇｈに変化すると、ＡＭＰ４１のマイナス入力端子に電荷が流れ込み、ａの区間の開始時においてＡＭＰ出力Ｖ１はＶｍレベルから下降する。その後再びＡＭＰ４１を初期化してＡＭＰ出力Ｖ１をＶｍに戻した後、充放電波形がＨｉｇｈからＬｏｗに変化すると、ＡＭＰ４１のマイナス入力端子から電荷が流れ出し、ｂの区間の開始時においてＡＭＰ出力Ｖ１はＶｍレベルから上昇する。このような充放電サイクルが、ｔ１、ｔ２、ｔ３、と繰り返される。ＡＭＰ出力Ｖ１の電位変化量は、ＡＭＰ４１のマイナス入力端子に流入あるいは流出した電荷の量に比例するので、電位の変化を測定する事で検出電極２２の静電容量値を測る事が出来る。

ＡＭＰ出力Ｖ１の電位が、Ｖｍレベルを基準にして下降したり上昇したりするので、電位変化量を求める際には極性を合わせる必要があり、図４の回路に於いて２段目のＡＭＰ４２でＡＭＰ４１の出力Ｖ１を反転させる。ＡＭＰ４２に接続される２つの抵抗Ｒ１は共に同じ値なので増幅はせず、単にＡＭＰ４１の出力を反転する事ができる。ＡＭＰ４１の出力Ｖ１が下降するときにはＶ１レベルを反転させ、ＡＭＰ４１の出力Ｖ１が上昇するときにはＶ１レベルをそのまま使う事で極性を合わせる。この反転を制御する信号がＳｅｌである。図４においてＳｅｌ信号でＡＭＰ４１の出力Ｖ１とＡＭＰ４２の出力Ｖ２を選択する事により、基準電圧Ｖｍよりも高い電位の同じ極性の容量特性信号が得られる。容量特性信号は、充放電信号がＨｉｇｈ（ａの区間）、Ｌｏｗ（ｂの区間）と変化する毎に容量特性を示すので、その都度（ａとｂの区間それぞれで）累積信号を発生し、図３の累積アナログデジタル変換手段３４へと容量特性値を伝達する。

このようなＱＶ変換手段の基準電圧を固定した従来の静電検出装置においては、検出電極への充放電信号の立ち上がりと立下りを両方で電荷積分するとき、積分電位はそれぞれ異なる極性で変化するので、基準電位は動作電圧範囲の中央付近Ｖｍ（１／２＊ＶＤＤ）に設定するのが一般的である。しかし極性を合わせると、容量特性を示す電圧振幅が基準電圧Ｖｍよりも高い電位の範囲に現れる。つまり容量特性を示す電圧振幅は動作電圧範囲の半分になってしまう。

そこで本発明を用いると、容量特性を示す電圧振幅が動作電圧範囲の全体にまで広げられ、検出電極（パネル）に人の指などが接近した時の容量変化は、積分電圧として２倍の振幅を得る事ができるようになる。これは２倍の感度が得られる事に相当する。

図６が本発明を実現する回路の例であり、図７が基準電圧Ｖｒｅｆを生成し選択する回路の例である。図６に示すように、初段の電荷積分のためのＡＭＰ６１の基準電圧はＶｒｅｆであり、図７に示す回路でＶｒｅｆ電位を切り替える。Ｖｍ電位は動作電圧範囲の中央付近で（１／２＊ＶＤＤ）とし、ＶｂＨ電位は動作電圧範囲の上限（ＶＤＤの近く）とし、ＶｂＬ電位は動作電圧範囲の下限（ＶＳＳの近く）とする。図７のＶｒｅｆ選択信号によって、ＶｂＨ，Ｖｍ，ＶｂＬのいずれかをスイッチによって選択したＶｒｅｆ信号を、図６や図１２の本発明の回路へ接続して基準電位として供給する。図６の回路と図８のタイムチャートを用いて動作を説明すると、
まず図５で説明したのと同様に、充放電波形がＨｉｇｈとＬｏｗに変化する前にＳＷＣ信号を一時的にＨｉｇｈにし、ＡＭＰ４１の帰還容量Ｃｉをショートして初期化する。そして図８においては、ａの区間が始まる前にＶｒｅｆ電位をＶｂＨレベルに切り替える。すると初段ＡＭＰ６１の出力Ｖ３はＶｂＨレベル（ＶＤＤの近く）となる。その後、充放電波形がＬｏｗからＨｉｇｈに変化すると、ａの区間の開始時において初段ＡＭＰ６１のマイナス入力端子に電荷が流れ込み、ＡＭＰ６１の出力Ｖ３はＶｂＨレベルから下降する。起点がＶｂＨレベル（ＶＤＤの近く）なので、その変化量は電源電圧範囲いっぱいまで許容でき、電源電圧の中間電位Ｖｍを起点とする従来の方法に比べて約２倍の変化まで許容できる。

ａの区間の終わりにおいて、初段ＡＭＰ６１をＳＷＣ信号によって初期化すると、ＡＭＰ６１の出力Ｖ３はＶｂＨに戻る。さらに、Ｖｒｅｆ電位をＶｂＬレベルに切り替えると、初段ＡＭＰ６１の出力Ｖ３はＶｂＬレベルになる。そこで充放電波形がＨｉｇｈからＬｏｗに変化するｂの区間の開始時には、初段ＡＭＰ６１のマイナス入力端子から電荷が流れ出し、ＡＭＰ６１の出力Ｖ３はＶｂＬレベルから上昇する。起点がＶｂＬレベル（ＶＳＳの近く）なので、その変化量は電源電圧範囲いっぱいまで許容でき、電源電圧の中間電位Ｖｍを起点とする従来の方法に比べて約２倍の変化まで許容できる。

２段目のＡＭＰ６２は１段目のＡＭＰ６１の出力信号を反転させるためにある。２段目のＡＭＰ６２のプラス入力端子はＶｍ（１／２＊ＶＤＤ）に接続されており、また２つの抵抗Ｒ１は共に同じ値なので、ＡＭＰ６２はＡＭＰ６１の信号を同じ振幅で極性反転して出力する。ＡＭＰ６１の出力が動作電圧範囲の中央付近（Ｖｍレベル）を横切って変化すると、ＡＭＰ６２はＡＭＰ６１の信号を同じ振幅で極性反転して出力する。図６の選択回路６３は、充放電波形に同期したＳｅｌ信号でＡＭＰ６１の出力Ｖ３とＡＭＰ６２の出力Ｖ４を切り換える。Ｓｅｌ信号がＨｉｇｈの時（ａの区間）にＶ４を選択してＡＭＰ６１の出力極性を反転させ、Ｓｅｌ信号がＬｏｗの時（ｂの区間）にＶ３を選択してＡＭＰ６１の出力をそのまま通過させる事により、図８に示すような容量特性波形が得られる。容量特性波形は、充放電波形の立ち上がり時も立ち下がり時も同じ極性の振幅波形となり、その都度（ａ，ｂの区間それぞれで）累積信号を発生し、図１の累積アナログデジタル変換手段４へと容量特性を伝達する。伝達される容量特性の可変範囲は、動作電圧範囲の下限（ＶＳＳ付近）から上限（ＶＤＤ）まであり、従来の容量特性の可変範囲が動作電圧範囲の半分であったのに比べると、約２倍の可変範囲を許容できる事になる。

図９の破線枠９３ａと９３ｂは、いずれも本発明による特性抽出手段３を示している。（ａ）は特性抽出手段３がＱＶ変換手段と反転手段に分かれる構成例を示しているが、ＱＶ変換手段と反転手段を一緒にする事も可能である。（ｂ）はＱＶ変換手段と反転手段を一体化したＱＶ反転変換手段を用いて特性抽出手段３を構成した例を示している。

図１０は、ＱＶ変換手段と反転手段を一体化した一般的なＱＶ反転変換手段を示す回路の例である。ＡＭＰの帰還容量Ｃｉの極性を４個のスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより切り換える事ができる。例えば４個のスイッチのうちＳＷＦの２個をＯＮ、ＳＷＲの２個をＯＦＦにすると、図１０の帰還容量Ｃｉの下側はＡＭＰのマイナス入力端子に接続され、帰還容量Ｃｉの上側はＡＭＰの出力端子に接続される。逆にＳＷＦの２個をＯＦＦ、ＳＷＲの２個をＯＮにすると、図１０の帰還容量ＣｉとＡＭＰの接続関係は逆転する。図１１のタイムチャートでＱＶ変換の動作を説明すると、まず
充放電波形がＨｉｇｈとＬｏｗに変化する前に、図１０、図１１に示すＳＷＦとＳＷＲの信号を共にＨｉｇｈにして初期化する。この時４個のスイッチが全部ＯＮとなり、ＡＭＰの帰還容量Ｃｉがショートされ初期化される。ＡＭＰが初期化されるとＡＭＰの出力は、プラス入力端子に接続された基準電位Ｖｍと同じ電位となる。その後ＳＷＲのみをＬｏｗにし、充放電波形がＬｏｗからＨｉｇｈ（ａ区間）に変化すると、ＡＭＰのマイナス入力端子に電荷が流れ込み、ＡＭＰの出力Ｖ１はＶｍレベルから下降する。その後ＳＷＦをＬｏｗにしてからＳＷＲをＨｉｇｈにすると帰還容量ＣｉとＡＭＰの接続極性が反転するので、ＡＭＰの出力は、Ｖｍレベルから下降したのと同じ電位分だけＶｍレベルから上方に反転する。つまりＡＭＰの出力は、図１１のＡ点からＢ点へと変移する。

その後、充放電波形がＨｉｇｈ（ａ区間）からＬｏｗ（ｂ区間）に変化すると、初段ＡＭＰのマイナス入力端子から電荷が流れ出し、ＡＭＰの出力は図１１のＢ点電位からさらに上昇する。ＡＭＰ出力が最終的に行き着く電位Ｃ点は、充放電波形の立ち上がりと立下り両方で生じる電荷の移動量に比例するので、Ｃ点の電位を測定する事で検出電極の静電容量値を測る事が出来る。但し、この場合の容量特性を示す電圧振幅は動作電圧範囲の半分（ＶｍとＶＤＤ間）である。

このＱＶ反転変換手段の回路においても、本発明を用いる事で容量特性を示す電圧振幅が動作電圧範囲にまで広げられ、検出電極（パネル）に人の指などが接近した時の容量変化は、積分電圧として２倍の振幅を得る事ができるようになる。図１２が本発明を実現する回路の例であり、図７のＶｒｅｆ選択手段の回路と組み合わせる。

図１２の回路と図１３のタイムチャートでＱＶ変換の動作を説明すると、まず、図１２、図１３に示すのＳＷＦとＳＷＲの信号を共にＨｉｇｈにしてＡＭＰの帰還容量Ｃｉをショートして初期化する。この時４個のスイッチが全部ＯＮとなり、ＡＭＰの帰還容量Ｃｉがショートされ初期化される。ＡＭＰが初期化されるとＡＭＰの出力は、プラス入力端子に接続された基準電位Ｖｒｅｆと同じ電位となる。このときのＶｒｅｆ電位は動作電源電圧の中間値Ｖｍ（１／２＊ＶＤＤ）とする。その後ＳＷＲのみをＬｏｗにし、充放電波形がＬｏｗからＨｉｇｈ（ａ区間）に変化すると、ＡＭＰのマイナス入力端子に電荷が流れ込み、ＡＭＰの出力Ｖ１はＶｍレベルから下降する。その後ＳＷＦをＬｏｗにしてからＳＷＲをＨｉｇｈにすると帰還容量ＣｉとＡＭＰの接続極性が反転するので、ＡＭＰの出力は、Ｖｍレベルから下降したのと同じ電位分だけＶｍレベルから上方に反転する。つまりＡＭＰの出力は、図１３のＡ点からＢ点へと変移する。さらにＡＭＰのプラス入力端子に接続されたＶｒｅｆの電位をＶｍからＶｂＬ（ＶＳＳの近く）に切り換えると、ＡＭＰの出力は図１３のＢ点からＤ点へと変移する。Ｄ点とＶｂＬ間の電圧は、充放電波形がＬｏｗからＨｉｇｈ（ａ区間）へ変化した事による電荷の移動量に比例する。

その後、充放電波形がＨｉｇｈ（ａ区間）からＬｏｗ（ｂ区間）へ変化すると、初段ＡＭＰのマイナス入力端子から電荷が流れ出し、ＡＭＰの出力電位は図１３のＤ点からさらに上昇しＣ点に行き着く。図１３のＤ点とＶｂＬ間の電圧がＬｏｗからＨｉｇｈ（ａ区間）へ変化する時の容量特性量であり、Ｄ点とＣ点の間の電圧がＨｉｇｈ（ａ区間）からＬｏｗ（ｂ区間）へ変化する時の容量特性量なので、累積信号が発生するＣ点においてはｔ１区間における充放電波形の立ち上がりと立下り両方で変化する容量特性量の和がＣ点とＶｂＬ間に現れる。図１１に示した容量特性に比べると約２倍の振幅が得られている。累積信号でＣ点の容量特性値を累積アナログデジタル変換手段４へ伝達したら、ＳＷＦ信号をＨｉｇｈにしてＡＭＰの帰還容量Ｃｉをショートして初期化する。するとＡＭＰの出力はその時のＶｒｅｆ電位であるＶｂＬレベルへ戻される。その後、ｂ区間の終わりにてＶｒｅｆ電位をＶｂＬ（ＶＳＳ付近）からＶｍ（１／２＊ＶＤＤ）へ切り換えるとＡＭＰの出力もＶｍへと切り替わり、充放電の１サイクルが終了する。

図１３のａ区間とｂ区間に示した容量特性波形において、破線で示した電位波形は、図１１に示す本発明を使わない場合のＡＭＰ出力最大振幅を表現している。本発明を用いると、ＡＭＰの出力振幅は破線で示した従来方式の電位振幅に対して約２倍の振幅を許容できる事がわかる。累積信号で伝達されるＣ点の容量特性の可変範囲は、動作電圧範囲の下限（ＶＳＳ付近）から上限（ＶＤＤ）まであり、従来の方法に比べて約２倍の範囲を有する。検出電極（パネル）に人の指などが接近した時の容量変化は、積分電圧として２倍の振幅を得る事ができる事となる。

以上説明したように、特性抽出手段３がＱＶ変換手段と反転手段とに分かれる図６のような回路の場合には、ＱＶ変換のための初段ＡＭＰ６１の基準電位をＶｂＬ（ＶＳＳの近く）とＶｂＨ（ＶＤＤの近く）を選択して切り換える事により、容量特性の可変範囲が動作電圧範囲の下限（ＶＳＳ付近）から上限（ＶＤＤ）となり、従来の方法に比べて約２倍の振幅が得られる。

また、ＱＶ変換の反転も同時に行う事のできるＱＶ反転変換手段を用いた図１２のような回路の場合には、ＱＶ変換のためのＡＭＰの基準電位をＶｍ（１／２＊ＶＤＤ）とＶｂＬ（ＶＳＳの近く）を選択して切り換える事により、容量特性の可変範囲が動作電圧範囲の下限（ＶＳＳ付近）から上限（ＶＤＤ）となり、これも従来の方法に比べて約２倍の振幅が得られる。

図６と図１２に示す本発明の回路を説明するために、充放電波形をｔ１、ｔ２、ｔ３の３サイクルのタイムチャートで示したが、このサイクル数は実施の例であり、３サイクルに限定するものではない。本発明によると、ＱＶ変換手段の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を充放電波形に同期して切り換える事によって、容量特性を示す電圧振幅が動作電圧範囲にまで広げられる。つまり検出電極（パネル）に人の指などが接近した時の容量変化は、積分電圧として２倍の振幅を得る事ができるようになる。つまり静電検出装置の検出電極感度を、簡単な操作で２倍に高められるという効果がある。

また、本発明を用いた座標入力装置及び座標入力方法により、図１５ａに示すような携帯電話や図１５ｂに示すようなマルチメデイアプレーヤーや図１５ｃに示すようなナビゲ―ションシステムや図１５ｄに示すようなコンピュータなどのディスプレイ装置上に透明な検出パネル１を重ねることにより、入力感度の高い、つまりノイズに強い安定したスムーズな操作を可能にした携帯機器やコンピュータなどの情報機器を構成することが出来る。

図１５（ａ）〜（ｄ）に示す情報機器の構成として、情報機器を保護するケース８２０と、情報を出力するディスプレイと、ディスプレイ上に設置された検出パネル１からの入力を受け付け物体の接近や位置を検出する本発明の静電検出手段を用いた座標特定装置、座標特定装置からの座標入力と、ディスプレイへの出力を制御するＣＰＵと、により成り立つ。また、図１５（ａ）、図１５（ｂ）や図１５（ｄ）に示されるようにキーボード８３０が情報機器に備え付けられていても良い。

１ 検出パネル
２ 充放電手段
３ 特性抽出手段
４ 累積アナログデジタル変換手段
５ 後処理手段
６ Ｖｒｅｆ選択手段
７ 制御手段
８ 累積手段
９ アナログデジタル変換手段
２１ 支持基板
２２ 検出電極
３１ 検出パネル
３２ 充放電手段
３３ 特性抽出手段
３４ 累積アナログデジタル変換手段
３５ 後処理手段
３７ 制御手段
４１ 初段ＡＭＰ
４２ ＡＭＰ
４３ 選択回路
５１ 制御工程
５２ 充放電工程
５３ 特性抽出工程
５４ Ｖｒｅｆ選択工程
５５ ＱＶ変換工程
５６ 反転工程
５７ 累積アナログデジタル変換工程
５８ 累積工程
５９ アナログデジタル変換工程
６０ 後処理工程
６１ 初段ＡＭＰ
６２ ＡＭＰ
６３ 選択回路
９３ａ 特性抽出手段
９３ｂ 特性抽出手段
８２０ ケース
８３０ キーボード

Claims (6)

1. 人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出装置において、
   単数または複数の検出電極を有する検出パネルと、
   前記検出パネルの各検出電極に充放電を繰り返し行う充放電手段と、
   前記物体の接近により変化する前記充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出手段と、
   前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換手段と、
   前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理手段と、
   全体の状態及びシーケンスを管理する制御手段とを有し、
   前記特性抽出手段は充放電特性を値に変換するＱＶ変換手段と前記充放電手段に同期して反転させる反転手段から成り、
   前記ＱＶ変換手段の基準電位は、前記充放電に同期して複数の電位から選択し切り換える静電検出装置。
2. 前記特性抽出手段において、前記充放電手段の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択手段がＱＶ変換手段に接続されている請求項１に記載の静電検出装置。
3. 前記ＱＶ変換手段と前記反転手段は、充放電特性を反転させながら検出する一体化したＱＶ反転変換手段である請求項１または２に記載の静電検出装置。
4. 人の指など物体の接近や位置を静電結合の変化により検出する静電検出方法において、
   検出パネルの各検出電極に充放電を繰り返し行う充放電工程と、
   前記物体の接近により変化する前記充放電の特性を繰り返し抽出する特性抽出工程と、
   前記特性抽出手段で繰り返し抽出した特性を累積してアナログデジタル変換する累積アナログデジタル変換工程と、
   前記累積アナログデジタル変換手段の出力から前記物体の接近や位置を求める後処理工程と、
   全体の状態及びシーケンスを管理する制御工程とにより構成され、
   前記特性抽出工程は充放電特性を値に変換するＱＶ変換工程と前記充放電工程に同期して反転させる反転工程から成り、
   前記ＱＶ変換工程の基準電位は、前記充放電工程に同期して複数の電位から選択し切り換える静電検出方法。
5. 前記特性抽出工程において、前記充放電工程の動作と同期して切り換えるＶｒｅｆ選択工程がＱＶ変換工程に接続されている請求項４に記載の静電検出方法。
6. 前記ＱＶ変換工程と前記反転工程は、充放電特性を反転させながら検出する一体化したＱＶ反転変換工程である請求項４または５に記載の静電検出方法。

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