JP2011133964A - 容量判別回路、容量判別回路を備えたタッチスイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量方式のタッチスイッチにおいて、電極に接続されたコンデンサの容量変化の判別における外部ノイズの影響を抑える。
【解決手段】第１コンデンサ及び第２コンデンサが接続される容量判別器において、前記第１コンデンサの第１電圧と前記第２コンデンサの第２電圧とを比較する比較器と、前記比較器からの比較結果を受け、カウントするカウンタ回路と、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサに、電荷をチャージするチャージ回路と、前記比較器からの比較結果を受け、前記第１コンデンサか、前記第２コンデンサのいずれか一方のみに、前記電荷をチャージする様に前記チャージ回路を制御する制御回路と、を備え、前記カウンタ回路のカウント値に応じて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量の判別を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、端子に付加された容量を判別する容量判別回路の構成に関する。

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、タッチスイッチ（タッチセンサ）などと称される静電容量の変化により、タッチされた否かを判別するものが知られている。この種の入力装置については、例えば特許文献１に記載されている。

従来、静電容量を用いたタッチススイッチでは、端子（電極）に付加されたコンデンサの電圧を測定することで、タッチスイッチ（タッチパネル上の電極スイッチ）を触っている、触っていないを判別していた。

例えば、図５は、タッチスイッチの操作例を示す図である。タッチパネル上の２つの電極１ａ、１ｂがあり、その電極を触ったことを検知することが出来る。この時、人の指が電極１ｂを触った場合、人の指にも容量があり、電極１ｂには、人の指の容量（Ｃ２‘）が追加される。すると、人の指が触っていない電極１ａと比較して、電極１ｂの容量の方が大きくなる。

図６は、容量の差がある場合の電圧の上昇の変化を示した図である。コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧の上昇速度は異なり、Ｖｒｅｆ（基準電圧）に到達するまでに、必要な時間に差がある事から、容量の違いを判別することが出来る。この時、設計上、コンデンサＣ１とＣ２の容量がほぼ等しい条件であれば、見かけ上のＣ２の容量が大きくなっており、人の指が触れていると、判別することが出来る。これを利用することで、タッチスイッチとして利用することが出来る。

特開２０００−６５５１４号公報

しかし、上記の様に、従来技術の静電容量を用いたタッチスイッチでは、Ｖｒｅｆに到達するまでの時間を、単に計測している為、外部ノイズなどの影響を受け易いことが問題となっている。

例えば、外部ノイズの影響を受けると、人の指が触っていない場合でも、電圧の上がりが鈍い場合があり、この時、人の指が触ったために、電圧の上昇が遅くなったと認識して、誤判別することがある。

図７は、ノイズの影響が有る、無い場合の電圧の変化を示した図である。ノイズの影響が無い場合は、実線で示した様に、電荷を少しずつ加えて行くと、滑らかに電圧は上昇する。ノイズの影響が有る場合は、破線で示した様に、電荷を少しずつ加えても、電圧が滑らかに上昇せず、不安定な動きとなり、誤判別の原因となっている。本考案では外部ノイズの影響を最小限に抑え、容量変化をより正確に計測する手法を提供する。

本発明は、第１コンデンサ及び第２コンデンサが接続される容量判別器において、前記第１コンデンサの第１電圧と前記第２コンデンサの第２電圧とを比較する比較器と、前記比較器からの比較結果を受け、カウントするカウンタ回路と、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサに、電荷をチャージするチャージ回路と、前記比較器からの比較結果を受け、前記第１コンデンサか、前記第２コンデンサのいずれか一方のみに、前記電荷をチャージする様に前記チャージ回路を制御する制御回路と、を備え、前記カウンタ回路のカウント値に応じて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量の判別を行うことを特徴とする容量判別回路を提供する。

本発明の容量判別回路によれば、ノイズの耐性を向上させることができる。ノイズによる影響が少なくなり、より正確な容量判別が可能になる。

本実施形態に係る容量判別回路の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る容量判別回路のタイミングチャートを示す図である。 本実施形態に係る容量判別回路のタイミングチャートを示す図である。 第２の実施形態に係る容量判別回路の構成を示すブロック図である。 タッチスイッチの操作例を示す図である。 容量の差がある場合の電圧の上昇の変化を示した図である。 ノイズの影響が有る、無い場合の電圧の変化を示した図である。

以下、本発明の実施の形態に係る容量判別回路に関し、図面を参照して説明する。図１は、容量判別回路のブロック図を示している。タッチパネル上には電極１ａ、１ｂがあり、電極１ａ、１ｂの一方の先には、コンデンサＣ１、Ｃ２が接続され、更にその先は接地されている。また、電極１ａ、１ｂの他方の先には、ＬＳＩ端子の２ａ、２ｂが接続されており、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧をＬＳＩ内部に取り込む事が出来る構成となっている。

ＬＳＩ内部には、比較器３があり、コンデンサＣ１、Ｃ２からの信号が比較器３の非反転端子、反転端子にそれぞれ接続されている。上記の構成により、比較器３は、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧を比較する事が出来る。比較器３の比較結果は、制御回路４へ出力される。制御回路４では、クロックの到来に応じて、比較結果をサインプリングする。そのサンプリングに応じて、コンデンサＣ１の電圧が低いのであれば、カウンタ回路５の第１カウンタ５ａをカウントアップし、逆に、コンデンサＣ１の方が高い（Ｃ２の電圧が低い）のであれば、カウンタ回路５の第２カウンタ５ｂをカウントアップする。更に、カウンタ回路５は、第３カウント５ｃを備えており、第３カウンタ５ｃは、予め定められた時間を計測することが出来る。第３カウンタ５ｃは、制御回路４からのスタート信号を受けると、カウント動作を開始し、カウンタがオーバーフローすると、終了フラグ信号を制御回路４に返す。制御回路４は、この終了フラグ信号を受け、予め設定された時間が経過したことを知り、第１カウンタ５ｃと第２カウンタ５ｂのカウント値を比較することが出来る。

また、制御回路４は、チャージ信号、第１スイッチ信号、第２スイッチ信号を出力する。チャージ（充電）回路６は、チャージ信号を受けると、チャージ回路内にあるコンデンサＣ３、Ｃ４に一定の電荷を蓄える。ここで、コンデンサＣ３、Ｃ４は、ＬＳＩ外部にあっても良いが、コンデンサＣ１、Ｃ２と比べて、少量の電荷を蓄えることが出来れば良いので、ＬＳＩに内蔵すると、外付け部品を削減で、コストを安価に抑えることが出来る。

チャージ信号により、コンデンサＣ３、Ｃ４に電荷が蓄えられた状態で、第１スイッチ信号がアクティブになると、ＭＯＳトランジスタ（ＳＷ１）がオンして、コンデンサＣ３に蓄えられた電荷がコンデンサＣ１へ、チャージされる。同様に、第２スイッチ信号がアクティブになると、ＭＯＳトランジスタ（ＳＷ２）がオンして、コンデンサＣ４に蓄えられた電荷がコンデンサＣ２へ、チャージされる。
。

図２は、上記の動作をタイミングチャートに示したものである。コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧を比較し、高い方には電荷をチャージせず、低い方のみに、一定の電荷をチャージする。具体的に、最初の比較では、コンデンサＣ２の電圧が低いので、第２カウンタ５ｂがカウントアップし、コンデンサＣ２のみに電荷を供給する。２回目の比較では、コンデンサＣ１の電圧が低くなり、第１カウンタ５ａがカウントアップし、コンデンサＣ１のみに電荷を供給する。上記の動作を繰り返すと、６回目の比較が終わった時点では、第２カウンタ５ｂのカウント値が「４」で、第１カウンタ５ａのカウント値が「２」となり、カウント値が大きいコンデンサＣ２の電位が上がり難い事が分かる。つまり、コンデンサＣ２の容量が大きく、付加的な容量である人の指が触れていると判別することが出来る。

従来は、端子に入るノイズの影響を受けるが、本発明の実施形態では、端子同士の電圧比較を行うため、双方に共通に入るコモンノイズの影響は無視できる。また、高性能のＡ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータも必要しないことから、比較的にシンプルな構成で、高い精度の容量判別が可能になる。 また、コンデンサＣ１、Ｃ２に電荷が残っているとすると、初めは電圧の低い方のみに電荷供給され続ける。しかし、電圧の低い方がいずれ逆転することになる。この逆転した時に、第１カウンタ５ａと第２カウンタ５ｂのカウント値をゼロにすることにより初期の電荷による測定誤差をキャンセルできる。この後、一定期間経過した時点で、第１カウンタ５ａと第２カウンタ５ｂのカウント値と比較すると、正しい容量判別ができる。

しかしながら、上記の手法では、電圧が逆転するまでの時間を無駄に過ごすことになるので、判別に時間がかかる。判別の時間を短くするには、ディスチャージ(放電)回路７を設けると良い。制御回路４は、ディスチャージ信号を出力する。ディスチャージ回路７は、ディスチャージ信号を受けると、内部のＭＯＳトランジスタのＳＷ３、ＳＷ４がオン状態となり、コンデンサＣ１，Ｃ２は共にディスチャージされる。

図３は、ディスチャージ信号により、ディスチャージした場合のタイミング図を示す。ディスチャージ信号により、電極１ａ、１ｂの電圧はディスチャージにより等しくなり、その後、クロックの到来に合わせて、比較器３の出力をサンプリングし、電圧の低い方だけ、第１スイッチ信号、第２スイッチ信号を用いて電荷をチャージする。上記の構成により、容量判別を開始する前には、このディスチャージ信号を発生することで、コンデンサＣ１、Ｃ２に電荷が残っている事を考慮せずに容量判別を行うことが出来ると言った利点がある。

また、上記の手法では、電圧上昇動作により、容量を判別する手法であるが、電圧下降動作でも、同様に容量判別を行うことが出来る。ここでは、図示しないが、コンデンサＣ１、Ｃ２に十分な電荷を供給しておき、それから、電圧の比較を行い、電圧の高い方から一定の電荷を引き抜き、電圧を下降させても、容量判別を行うことは可能である。

上記の説明では、電極は２個の場合を説明したが、電極の数は、３、４、５、６、・・・Ｎ個と増やしても良い。図４は、第２の実施形態に係る容量判別回路のブロック図を示す。図１と重なる部分については、説明を省略する。電極１ｃ、１ｄが更に増えて、電極の数は、４個の場合を示している。比較器３０は、４入力のうち、最も低い電圧のものを抽出することが出来る。比較器３０の出力は、制御回路４へ、出力される。カウンタ回路５は、電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが最も低かった時に、それぞれカウントする複数のカウンタを備えており、それぞれのカウンタのカウント値を比較することで、各電極の容量を判別することが出来る。電極の数がＮ個になっても、同様に判別する事が出来る。

以上発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば、上記の説明では、Ｃ１の電圧が低い場合にカウントする第１カウンタ５ａ、Ｃ２の電圧が低い場合にカウントする第２カウンタ５ｂを別々に設けたが、代わりにアップダウンカウンタを用いて、Ｃ１が低い時にカウントアップ、Ｃ２が低い時にカウントダウンするアップダウンカウンタを用いても、同様の効果を得ることが出来る。

例えば、上記の説明では、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は等しい場合で説明したが、容量は異なっていても良い。同様に、チャージ回路のコンデンサＣ３、Ｃ４の容量は等しい場合で説明したが、コンデンサＣ３、Ｃ４の容量も異なっていても良い。仮に、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量が、Ｃ１＜Ｃ２であれば、Ｃ１の方が電圧の上昇し易くなるので、その分を考慮して、カウント値を判定すれば良いとう事になる。同様に、コンデンサＣ３、Ｃ４の容量も、仮に、Ｃ３の容量がＣ４の２倍であれば、Ｃ４は２回供給して、同量なるので、Ｃ３の電荷の供給を受けるＣ１の方が、２倍の電荷供給量になるので、その分を考慮して、カウント値を判定すれば、同様の効果を得ることが出来る。

１ａ 電極 １ｂ 電極
２ａ ＬＳＩ端子 ２ｂ ＬＳＩ端子
３ 比較器 ４ 制御回路 ５ カウンタ回路
６ チャージ回路 ７ ディスチャージ回路

Claims (6)

1. 第１コンデンサ及び第２コンデンサが接続される容量判別器において、
   前記第１コンデンサの第１電圧と前記第２コンデンサの第２電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器からの比較結果を受け、カウントするカウンタ回路と、
   前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサに、電荷をチャージするチャージ回路と、
   前記比較器からの比較結果を受け、前記第１コンデンサか、前記第２コンデンサのいずれか一方のみに、前記電荷をチャージする様に前記チャージ回路を制御する制御回路と、を備え、
   前記カウンタ回路のカウント値に応じて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量の判別を行うことを特徴とする容量判別回路。
2. 前記カウンタ回路は、
   前記比較器の比較結果が第一の値の場合にカウントする第１カウンタと、
   前記比較器の比較結果が第一の値でない場合にカウントする第２カウンタと、
   予め定められた一定の期間をカウントする第３カウンタと、有し、
   前記一定の期間経過した時に、前記第１カウンタと前記第２カウンタのカウント値に応じて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量の判別を行うことを特徴とする請求項１記載の容量判別回路。
3. 前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサに蓄えられた電荷をディスチャージするディスチャージ回路を備え、
   前記ディスチャージ回路は、前記制御回路からのディスチャージ信号により、前記第１コンデンサと前記前記第２コンデンサに蓄えられた電荷をディスチャージすることを特徴とする請求項１記載の容量判別回路。
4. 第１コンデンサ及び第２コンデンサが接続される容量判別器において、
   前記第１コンデンサの第１電圧と前記第２コンデンサの第２電圧とを比較する比較器と、
   前記比較器からの比較結果を受け、カウントするカウンタ回路と、
   前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサをチャージするチャージ回路と、
   前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサから、電荷を引き抜くディスチャージ回路と、
   前記比較器からの比較結果を受け、前記第１コンデンサか、前記第２コンデンサのいずれか一方のみから、前記電荷を引き抜く様に、前記ディスチャージ回路を制御する制御回路と、を備え、
   前記カウンタ回路のカウント値に応じて、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの容量の判別を行うことを特徴とする容量判別回路。
5. Ｎ個のコンデンサが接続される容量判別器において、
   前記Ｎ個のコンデンサ、それぞれの電圧を比較する比較器と、
   前記Ｎ個のコンデンサ、それぞれに対応するカウンタを有し、前記比較器からの比較結果を受けカウントするカウンタ回路と、
   前記Ｎ個のコンデンサに、電荷をチャージするチャージ回路と、
   前記比較器からの比較結果を受け、前記Ｎ個のコンデンサのうち、電圧の低いコンデンサにチャージする様に、前記チャージ回路を制御する制御回路と、を備え、
   前記カウンタ回路のカウント値に応じて、前記Ｎ個のコンデンサの容量の判別を行うことを特徴とする容量判別回路。
6. 前記容量判別回路の判別結果により、人の指が触っている、触っていないを判別することを特徴とする請求項１乃至５記載の前記容量判別回路を備えたタッチスイッチ。

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