JP2013088382A - 静電容量検出回路、およびタッチセンサの信号処理回路 - Google Patents

Abstract

【課題】オフセット調整用キャパシタのダイナミックレンジを拡大することができる静電容量検出回路の提供。
【解決手段】この発明は、駆動回路１と、オフセット調整用キャパシタＣｃと、容量電圧変換回路２とを備えている。駆動回路１は、可変電圧源１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂを含んでいる。オフセット調整用キャパシタＣｃは、駆動回路１の出力端子１４と容量電圧変換回路２の入力端子１との間に接続されている。被測定キャパシタＣｓは、駆動回路１の出力端子１３と容量電圧変換回路２の入力端子１との間に接続される。容量電圧変換回路２は、被測定キャパシタＣｓの静電容量と、オフセット調整用キャパシタＣｃの静電容量との差に応じた電圧を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定キャパシタの静電容量を検出する静電容量検出回路などに関するものである。

従来、この種の静電容量検出回路としては、例えば特許文献１に記載される発明が知られている。
この特許文献１には、基準容量（オフセット調整用キャパシタ）と、差動増幅器とを備え、被測定キャパシタの容量値とオフセット調整用キャパシタの容量値に応じた電圧を出力する静電容量検出回路が記載されている。

特許文献１の発明では、被測定キャパシタは、タッチパネル上の２つの駆動ラインと２つの検出ラインとの間の各交差部に形成される２つの静電容量の容量値Ａ１、Ａ２である。そして、静電容量検出回路は、２つの被測定キャパシタの容量値Ａ１、Ａ２と、２つのオフセット調整用キャパシタ容量値Ｂ１、Ｂ２との差に応じた出力電圧を出力する。

特開２０１１−１１３１８６号公報

しかし、特許文献１に記載の従来の回路では、基準容量であるオフセット調整用キャパシタの実効容量を変化することができない。
このため、従来の回路では、オフセット調整用キャパシタのダイナミックレンジを拡大することができないという課題がある。
そこで、本発明の目的は、オフセット調整用キャパシタのダイナミックレンジを拡大することができる静電容量検出回路を提供することにある。

上記の課題を解決して本発明の目的を達成するために、本発明は、以下のように構成される。
本発明は、第１の電圧源、第２の電圧源、第１の出力端子、および前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とのどちらかを選択して前記第１の出力端子に出力する第１の選択回路を含む第１の駆動回路と、第３の電圧源、第４の電圧源、第２の出力端子、および前記第３の電圧源と前記第４の電圧源のどちらかを選択して前記第２の出力端子に出力する第２の選択回路を含む第２の駆動回路と、予め定めた静電容量を有するオフセット調整用キャパシタと、入力端子と出力端子とを有し、前記第２の出力端子と前記入力端子との間には前記オフセット調整用キャパシタが接続されており、前記第１の出力端子と前記入力端子との間に接続される被測定キャパシタの静電容量と、前記オフセット調整用キャパシタの静電容量との差に応じた所定の信号を出力する容量測定回路と、を備え、前記第１の駆動回路に属する前記第１および第２の電圧源と、前記第２の駆動回路に属する前記第３および第４の電圧源とのうち、少なくとも一方の駆動回路に属する２つの電圧源のそれぞれは、電圧が可変にできるように構成されている。

このような構成の本発明によれば、第１の駆動回路と第２の駆動回路のうちの少なくとも一方の駆動回路が電圧を可変できる電圧源を含むようにしたので、オフセット調整用キャパシタの実効容量を変化することができ、オフセット調整用キャパシタのダイナミックレンジを拡大できる。

本発明の実施形態構成を示す図である。 図１の駆動回路の具体的な構成を示す回路図である。 図２の可変電圧源の選択入力コードとスイッチのオンオフ状態との関係を示す図である。 駆動回路の出力電圧例を示す波形図である。 可変電源の電圧調整方法の手順の一例を示すフロートチャートである。 選択入力コードとＡＤＣコードと関係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を参照して説明する。
（実施形態の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る静電容量検出回路の構成を示すブロック図である。
この実施形態に係る静電容量検出回路は、図１に示すように、駆動回路１と、オフセット調整用キャパシタＣｃと、容量電圧変換回路２と、ＡＤ変換回路３と、を備えている。また、この実施形態では、駆動回路１の出力端子１３と検出回路２の入力端子２１と間に、被測定キャパシタ（被測定容量）Ｃｓを予め接続させておき、あるいは測定時に被測定キャパシタＣｓを接続させる。
ここで、被測定キャパシタＣｃは特に限定されないが、静電容量が変化するものであれば良く、例えば、タッチセンサのタッチパネル上の駆動ラインと検出ラインとの間の交差部に形成される静電容量がある。
駆動回路１は、第１駆動回路１１と、第２駆動回路１２と、２つの出力端子１３、１４とを備えている。

第１駆動回路１１は、２つの可変電圧源１５ａ、１５ｂと、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、備えている。可変電圧源１５ａ、１５ｂのそれぞれは、電圧が可変できるとともに、可変電圧源１５ａは高電位側の電圧ＶＨ１を出力し、可変電圧源１５ｂは低電位側の電圧ＶＬ１を出力する。スイッチＳＷ１は、その高電位側の電圧ＶＨ１を出力端子１３に出力するようになっている。スイッチＳＷ２は、その低電位側の電圧ＶＬ１を出力端子１３に出力するようになっている。

第２駆動回路１２は、２つの可変電圧源１６ａ、１６ｂと、２つのスイッチＳＷ３、ＳＷ４と、備えている。可変電圧源１６ａ、１６ｂのそれぞれは、電圧が可変できるとともに、可変電圧源１６ａは高電位側の電圧ＶＨ２を出力し、可変電圧源１６ｂは低電位側の電圧ＶＬ２を出力する。スイッチＳＷ３は、その高電位側の電圧ＶＨ２を出力端子１４に出力するようになっている。スイッチＳＷ４は、その低電位側の電圧ＶＬ２を出力端子１３に出力するようになっている。
オフセット調整用キャパシタＣｃは、予め定めた静電容量を有する。また、オフセット調整用キャパシタＣｃは、図１に示すように駆動回路１の出力端子１４と容量電圧変換回路２の入力端子２１との間に接続されている。
容量電圧変換回路２は、図１に示すように、オペアンプＯＰ１と、積分コンデンサＣｆと、スイッチＳＷ５と、を備えている。

オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）には入力電圧が入力され、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）は基準電圧ＶＣＯＭ（例えば０．５ＶＤＤ）が印加される。また、オペアンプＯＰ１の反転入力端子と出力端子との間には、積分コンデンサＣｆとスイッチＳＷ５との並列回路が接続されている。
ＡＤ変換回路３は、容量電圧変換回路２の出力電圧ＶｏｕｔをＡＤ変換し、そのＡＤ変換した値を出力する。

次に、図１の第１駆動回路１１と第２駆動回路１２の具体的な構成について、図２を参照して説明する。第１駆動回路１１と第２駆動回路１２は同様に構成できるので、ここでは、第２駆動回路１２の構成について図２を参照して説明する。
第２駆動回路１２は、図２に示すように、分圧回路１６１と、２つのスイッチ部１６２、１６３と、デコーダ１６４と、２つのボルテージホロワ１６５、１６６と、を備えている。

分圧回路１６１は、所定の電圧を分圧抵抗により分圧するものであり、複数の中間タップが設けられている。分圧回路１６１の中間タップ間の抵抗値は同じである。また、分圧回路１６１の一端には所定の電圧として電源電圧ＶＤＤが印加され、その他端には電圧ＶＳＳ（０Ｖ）が印加される。
スイッチ部１６２は、分圧回路１６１の高電位側の分圧電圧を選択的に出力するものであり、スイッチＳＷ１−０〜ＳＷ１−２５５を備えている。スイッチＳＷ１−１〜ＳＷ１−２５５の各一端は分圧回路１６１の対応する中間タップに接続されている。また、スイッチＳＷ１−０〜ＳＷ１−２５５の各他端は共通接続され、その共通接続部がボルテージホロワ１６５の入力端子に接続されている。

スイッチ部１６３は、分圧回路１６１の低電位側の分圧電圧を選択的に出力するものであり、スイッチＳＷ２−０〜ＳＷ２−２５５を備えている。スイッチＳＷ２−０〜ＳＷ２−２５５の各一端は分圧回路１６１の対応する中間タップに接続されている。また、スイッチＳＷ２−０〜ＳＷ２−２５５の各他端は共通接続され、その共通接続部がボルテージホロワ１６６の入力端子に接続されている。

デコーダ１６４は、選択データが入力されたときに、この選択データに応じてスイッチＳＷ１−０〜ＳＷ１−２５５のうちの１つのスイッチをオンし、スイッチＳＷ２−０〜ＳＷ２−２５５のうちの１つのスイッチをオンする。
図３は、デコーダ１６４に入力される選択データと、スイッチＳＷ１−０〜ＳＷ１−２５５およびＳＷ２−０〜ＳＷ２−２５５の状態との関係を示す。

（実施形態の動作）
次に、この実施形態の検出動作について、図１および図４を参照して説明する。
この動作例では、第１駆動回路１１の出力端子１３からは図４（Ａ）に示すような電圧が出力されるものとする。そして、この状態で、後述のように第２駆動回路１２の可変電圧源１６ａ、１６ｂの電圧を調整し、この調整後には、第２駆動回路１２の出力端子１４からは図４（Ｂ）に示すような出力電圧が得られるものとする。
この実施形態が検出動作を開始すると、図１に示す駆動回路１および容量電圧変換回路２は、「状態１」の動作と「状態２」の動作とを行う。

「状態１」の動作では、駆動回路１のスイッチＳＷ１、ＳＷ４がオン、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がオフとなり、容量電圧変換回路２のスイッチＳＷ５がオンになる。このため、「状態１」では、駆動回路１の出力端子１３、１４からは、図４（Ａ）（Ｂ）に示すような出力電圧が出力される。
また、「状態２」の動作では、駆動回路３のスイッチＳＷ１、ＳＷ４がオフ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がオンとなり、容量電圧変換回路２のスイッチＳＷ５がオフになる。このため、「状態２」では、駆動回路１の出力端子１３、１４からは、図４（Ａ）（Ｂ）に示すような出力電圧が出力される。

この結果、容量電圧変換回路２からは次式で示す出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。
Ｖｏｕｔ＝ＶＣＯＭ＋｛（Ｃｓ−（Ｃｃ／４））／Ｃｆ｝×ＶＤＤ・・・（１）
ここで、Ｃｓは被測定キャパシタＣｓの容量値であり、Ｃｃはオフセット調整用キャパシタＣｃの容量値である。
容量電圧変換回路２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔは、Ａ／Ｄ変換回路３でＡ／Ｄ変換されて出力される。

この動作例によれば、図４に示すように、駆動回路１の出力端子１４の出力電圧を、ＶＤＤ／２を中心に駆動回路１の出力端子１３の出力電圧に比べて１／４にするようにした。このため、オフセット調整用キャパシタＣｃの実効的な容量値を１／４に減らすことができ、オフセット調整用キャパシタＣｃのダイナミックレンジを拡大できる。

（可変電圧源の調整）
この実施形態では、図１に示す駆動回路１の可変電圧源１５ａ、１５ｂと可変電圧源１６ａ、１６ｂの出力電圧を調整し、この調整後に、被測定キャパシタＣｓの測定を行う。この調整は、この実施形態の出荷時、あるいは被測定キャパシタＣｓの測定に先立って自動的に行うことができるようになっている。
この調整例では、第１駆動回路１１の出力端子１３からは図４（Ａ）に示すような電圧が出力できるように、可変電圧源１５ａ、１５ｂの出力電圧ＶＨ１、ＶＬ１を調整しておく。そして、この条件の下で図５に示すような手順により可変電圧源１６ａ、１６ｂの出力電圧ＶＨ２、ＶＬ２の調整を行う。
また、この調整例では、可変電圧源１６ａ、１６ｂは図２に示すものであってデコーダ１６４の選択入力コードを８ビットとし、Ａ／Ｄ変換回路３のデジタル出力であるＡＤＣコードを１２ビットとして説明する（図６参照）。そして、この調整では、図６に示すように、ＡＤ変換回路３から出力されるＡＤＣコードがＡＤＣフルレンジの中心にするために行う。

図５において、ステップＳ１では、初期値として、デコーダ１６４の選択入力コードＣとしてＣ＝１２８を設定し、ステップ値（１回の動作に変化させる値）ＳとしてＳ＝６４を設定する（図６参照）。
ステップＳ２では、デコーダ１６４に入力する選択入力コードＣの値を設定する。このときには、Ｃ＝１２８を設定する。この設定された選択入力コードＣは、デコーダ１６４に入力される。

ステップＳ３では、ＡＤ変換回路３が出力するＡＤＣコードを取得する。このときには、ノイズを除去するために複数個のＡＤＣコードを取得し、これを平均したものをＡＤＣコードとして取得するものとする。
ステップＳ４では、その取得したＡＤＣコードが「２０４８」以上であるか否かを判定する。この判定の結果、ＡＤＣコードが「２０４８」以上である場合にはステップＳ５に進み、それ以外の場合にはステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、選択入力コードＣが小さいため、Ｃ＝Ｃ＋Ｓとする。また、ステップＳ６では、選択入力コードＣが大きいため、Ｃ＝Ｃ−Ｓとする。
ここで、上記のようにステップＳ２において、選択入力コードＣとしてＣ＝１２８が入力されたときには、ステップＳ４においてＡＤＣコードが「２０４８」以上ではないためにステップＳ６に進む（図６参照）。

ステップＳ７では、ステップＳ１で設定されているステップ値Ｓを１／２にするために、Ｓ＝Ｓ／２の演算をする。これは、１ビット右にシフトすることに相当する。
ステップＳ８では、ステップＳ７で求めたステップ値Ｓが「１」以上かを判定する。この判定の結果、そのステップ値Ｓが「１」以上の場合にはステップＳ２〜Ｓ７の操作を繰り返し、ステップ値Ｓが「１」以下になったらその処理を終了する。このような調整により、ＡＤ変換回路３から出力されるＡＤＣコードがＡＤＣフルレンジの中心にすることができる（図６参照）。

以上のように、この実施形態では、駆動回路１が可変電圧源１５ａ、１５ｂおよび可変電圧源１６ａ、１６ｂを含むようにしたので、オフセット調整用キャパシタＣｃの実効的な容量値を減らすことができ、オフセット調整用キャパシタＣｃのダイナミックレンジを拡大することができる。
また、この実施形態では、オフセット調整用キャパシタＣｃとして静電容量値が小さく微調整ができない場合であっても、可変電圧源１６ａ、１６ｂの電圧を小さくすることによりその微調整ができる。

（実施形態の変形例）
上記の実施形態では、駆動回路１が可変電圧源１５ａ、１５ｂおよび可変電圧源１６ａ、１６ｂを含むが、本発明では少なくとも一方の可変電圧源を含めば良い。
例えば、可変電源１５ａ、１５ｂを省略する場合には、図１の駆動回路１１は、スイッチＳＷ１の一端に電圧ＶＨ１として例えば電源電圧ＶＤＤを印加し、スイッチＳＷ２の一端に電圧ＶＬ１として例えば電圧ＶＳＳ＝０を印加する。

（実施形態の適用例）
この実施形態は、測定対象となる被測定キャパシタＣｓは、特に問わないが、タッチセンサのタッチパネル上の駆動ラインと検出ラインとの間の交差部に形成される静電容量（容量結合）の測定に適用することができる。このため、この実施形態は、タッチセンサの信号処理回路に適用することができる。
この場合には、その容量結合が多い場合にはオフセット調整用キャパシタＣｃの静電容量が大きなものが必要になるが、その静電容量が小さなものを使用できる。

本発明の静電容量検出回路は、例えば、タッチセンサの信号処理回路に適用できる上に、そのタッチセンサを含む表示装置にも適用することができる。

Ｃｃ・・・オフセット調整用キャパシタＣｃ
Ｃｓ・・・被測定キャパシタ
１・・・駆動回路
２・・・容量電圧変換回路
３・・・ＡＤ変換回路
１１・・・第１駆動回路
１２・・・第２駆動回路
１３、１４・・・出力端子
１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ・・・可変電圧源
１６１・・・分圧回路
１６２、１６３・・・スイッチ部
１６４・・・デコーダ
１６５、１６６・・・ボルテージホロワ

Claims (4)

1. 第１の電圧源、第２の電圧源、第１の出力端子、および前記第１の電圧源と前記第２の電圧源とのどちらかを選択して前記第１の出力端子に出力する第１の選択回路を含む第１の駆動回路と、
   第３の電圧源、第４の電圧源、第２の出力端子、および前記第３の電圧源と前記第４の電圧源のどちらかを選択して前記第２の出力端子に出力する第２の選択回路を含む第２の駆動回路と、
   予め定めた静電容量を有するオフセット調整用キャパシタと、
   入力端子と出力端子とを有し、前記第２の出力端子と前記入力端子との間には前記オフセット調整用キャパシタが接続されており、前記第１の出力端子と前記入力端子との間に接続される被測定キャパシタの静電容量と、前記オフセット調整用キャパシタの静電容量との差に応じた所定の信号を出力する容量測定回路と、
   を備え、
   前記第１の駆動回路に属する前記第１および第２の電圧源と、前記第２の駆動回路に属する前記第３および第４の電圧源とのうち、少なくとも一方の駆動回路に属する２つの電圧源のそれぞれは、電圧が可変にできるように構成されていることを特徴とする静電容量検出回路。
2. 前記第１の駆動回路は、
   所定の電圧を分圧抵抗で分圧する第１の分圧回路と、
   前記第１の分圧回路の分圧電圧のうちの高電位側の電圧を選択的に出力する第１のスイッチと、
   前記第１の分圧回路の分圧電圧のうちの低電位側の電圧を選択的に出力する第２のスイッチと、を備え、
   前記第１のスイッチで選択された電圧を前記第１の電圧源として使用し、前記第２のスイッチで選択された電圧を前記第２の電圧源として使用することを特徴とする請求項１に記載の静電容量検出回路。
3. 前記第２の駆動回路は、
   所定の電圧を分圧抵抗で分圧する第２の分圧回路と、
   前記第２の分圧回路の分圧電圧のうちの高電位側の電圧を選択的に出力する第３のスイッチと、
   前記第２の分圧回路の分圧電圧のうちの低電位側の電圧を選択的に出力する第４のスイッチと、を備え、
   前記第３のスイッチで選択された電圧を前記第３の電圧源として使用し、前記第４のスイッチで選択された電圧を前記第４の電圧源として使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電容量検出回路。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の静電容量検出回路を備えることを特徴とするタッチセンサの信号処理回路。

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