JP2013196326A - 静電容量センサのコントロール回路、それを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】近接センサとしても利用可能な相互キャパシタ方式の静電容量センサを提供する。
【解決手段】送信回路２０は、（１）複数の送信電極１０に順に送信信号を印加する第１モードと、（２）複数の送信電極１０をグループ化し、同じグループに属する複数の送信電極１０に対して同じ送信信号を印加する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。たとえば送信回路２０は、静電容量センサ４をタッチパネルとして動作させるときに第１モードに設定され、静電容量センサ４を近接センサとして動作させるときに第２モードに設定される。
【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、タブレットＰＣ（Personal Computer）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、などの電子機器は、指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（タッチパネル）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

携帯電話端末は、ユーザが通話時に端末を耳元に近づけたときに、頭部が意図せずにタッチパネルに接触して端末が誤動作するのを防止するために、タッチパネルのタッチ検出を停止する。また携帯電話端末は、ユーザが通話時に端末を耳元に近づけたときには、ディスプレイを消灯し省電力化を図る。このような端末では、通話時にユーザの頭部に対応する箇所に、光学式の近接センサが配置される。近接センサは、発光素子と、発光素子からの光が頭部などの検出対象物から反射した光を検出する受光素子のペアで構成される。

光学式の近接センサを設けると、部品点数およびコストが増加する。また筐体に光を通過するための開口が必要となるため、デザインの制約となる。

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、近接センサとしても利用可能な相互キャパシタ方式の静電容量センサの提供にある。

本発明のある態様は、静電容量センサのコントロール回路に関する。静電容量センサは、第１方向に並列に設けられた複数の送信電極と、複数の送信電極と間隙を隔てて第２方向に並列に設けられた複数の受信電極と、を有する。コントロール回路は、複数の送信電極それぞれに周期的な送信信号を印加する送信回路と、送信信号に応じて複数の受信電極それぞれに生ずる受信信号にもとづいて、複数の送信電極と複数の受信電極の交点ごとに形成される複数の静電容量の変化量を示す検出信号を生成する受信回路と、を備える。送信回路は、（１）複数の送信電極に順に送信信号を印加する第１モードと、（２）複数の送信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の送信電極に対して同じ送信信号を印加する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。

第２モードにおいて、同じグループに属する複数の送信電極は、面積の大きな単一の電極として動作する。その結果、容量変化の検出感度を高めることができ、パネルに物体が接触することなく近接した状態を検出することが可能となる。

送信回路は、静電容量センサをタッチパネルとして動作させるときに第１モードに設定され、静電容量センサを近接センサとして動作させるときに第２モードに設定されてもよい。

送信回路は、第２モードにおいて、グループの個数が変更可能に構成されてもよい。言い換えれば、ひとつのグループに属する電極の本数が変更可能であってもよい。
これにより、トレードオフの関係にある感度と第１方向の空間分解能を、段階的に変化させることができる。

ある態様のコントロール回路は、送信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備えてもよい。制御部は、送信回路を、第１モードに固定的に設定する第１状態と、送信回路を時分割で第１モードと第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえてもよい。
ユーザがパネルに接触する前段階では、第２状態に設定することで、近接および接触の両方を監視でき、接触が検出された後は第１状態に設定することで、接触した座標を項分解能で検出できる。

受信回路は、（１）複数の受信電極それぞれに発生する受信信号を順にモニタし、受信電極ごとに検出信号を生成する第１モードと、（２）複数の受信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の受信電極を共通に接続し、グループごとに検出信号を生成する第２モードと、が切りかえ可能に構成されてもよい。
第２モードにおいて、同じグループに属する複数の受信電極は、面積の大きな単一の電極として動作する。その結果、容量変化の検出感度を高めることができ、パネルに物体が接触することなく近接した状態を検出することが可能となる。さらに受信回路のモードと送信回路のモードを組み合わせることで、検出感度と空間分解能を切りかえることができる。

受信回路は、第２モードにおいて、グループの個数が変更可能に構成されてもよい。言い換えれば、ひとつのグループに属する電極の本数が変更可能であってもよい。
これにより、トレードオフの関係にある感度と第２方向の空間分解能を、段階的に変化させることができる。

ある態様のコントロール回路は、送信回路および受信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備えてもよい。制御部は、送信回路および受信回路を、第１モードに固定的に設定する第１状態と、送信回路および受信回路を、時分割で第１モードと第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえてもよい。

本発明の別の態様もまた、静電容量センサのコントロール回路に関する。コントロール回路は、複数の送信電極それぞれに周期的な送信信号を印加する送信回路と、送信信号に応じて複数の受信電極それぞれに生ずる受信信号にもとづいて、複数の送信電極と複数の受信電極の交点ごとに形成される複数の静電容量の変化量を示す検出信号を生成する受信回路と、を備える。受信回路は、（１）複数の受信電極それぞれに発生する受信信号を順にモニタし、受信電極ごとに検出信号を生成する第１モードと、（２）複数の受信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の受信電極を共通に接続し、グループごとに検出信号を生成する第２モードと、が切りかえ可能に構成される。

第２モードにおいて、同じグループに属する複数の受信電極は、面積の大きな単一の電極として動作する。その結果、容量変化の検出感度を高めることができ、パネルに物体が接触することなく近接した状態を検出することが可能となる。

受信回路は、静電容量センサをタッチパネルとして動作させるときに第１モードに設定され、静電容量センサを近接センサとして動作させるときに第２モードに設定されてもよい。

受信回路は、第２モードにおいて、グループの個数が変更可能に構成されてもよい。

ある態様のコントロール回路は、受信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備えてもよい。制御部は、受信回路を第１モードに固定的に設定する第１状態と、受信回路を時分割で第１モードと第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえてもよい。

本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、筐体と、筐体の一面に設けられたディスプレイパネルと、筐体内のディスプレイパネルとオーバーラップする箇所に設けられ、第１方向に並列に設けられた複数の送信電極と、複数の送信電極と間隙を隔てて第２方向に並列に設けられた複数の受信電極と、を有する静電容量センサと、筐体の内部に設けられ、静電容量センサの容量変化を検出する上述のいずれかのコントロール回路と、コントロール回路の受信回路からの検出信号に応じたデジタル値を受け、デジタル値に応じてユーザの操作状態を検出するプロセッサと、を備える。

電子機器は、携帯電話端末であってもよい。電子機器は、通話状態においてユーザの耳と近接する箇所に設けられた通話用スピーカをさらに備えてもよい。プロセッサは、第２モードにおいて取得されるデジタル値を参照し、通話用スピーカの近傍に配置される電極が形成する容量の変化が大きいとき、ユーザが通話を目的として筐体を頭部に近接させたものと判定してもよい。
この態様によれば、光学式の近接センサを用いることなく、タッチパネル用の静電容量センサで頭部の近接を検出できる。

プロセッサは、第２モードにおいて取得されるデジタル値を参照し、筐体をユーザが握ったときに親指が近接する一端側の電極の容量変化と、そのほかの指が近接する他端側の電極の容量変化が大きいとき、ユーザが筐体を握ったものと判定してもよい。

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静電容量センサを、近接センサとしても利用することができる。

第１の実施の形態に係るタッチパネル入力装置（単に入力装置という）２を備える電子機器の構成を示す回路図である。 実施の形態に係るコントロール回路を有する入力装置の構成を示す回路図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１モードおよび第２モードの送信回路の動作波形図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、グループ数が１〜３における送信回路の動作波形図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、図２の送信回路の構成例を示す回路図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、各モードにおける入力装置の利用形態を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第１状態、第２状態それぞれの動作波形図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るコントロール回路の受信回路の構成例を示す回路図である。 コントロール回路を備える電子機器の一例である携帯電話端末を示す斜視図である。 図１０（ａ）は、側頭部近接状態を示す図であり、図１０（ｂ）はそのときの静電容量センサの出力を示す図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、側頭部近接状態を説明する図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、ユーザが静電容量センサの通話用スピーカ付近をタッチした状態を説明する図である。 図１３（ａ）は、グリップ状態を示す図であり、図１３（ｂ）はそのときの静電容量センサの出力を示す図である。

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。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るタッチパネル入力装置（単に入力装置という）２を備える電子機器１の構成を示す回路図である。入力装置２は、たとえばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）８の表層に配置され、タッチパネルとして機能する。入力装置２は、ユーザが指やペンなど（以下、指６）でタッチしたポイント（点）のＸ座標およびＹ座標を判定する。

入力装置２は、静電容量センサ４およびコントロール回路（容量検出回路）１００、プロセッサ３を備える。静電容量センサ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、第１方向に並列に設けられた複数Ｍ本（Ｍは２以上の整数）の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}と、マトリクスの列ごとに、第２方向に並列に設けられた複数Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}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は高さ方向に離間して配置される。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。つまり静電容量センサ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。ｉ行ｊ列目の（ｉ、ｊは自然数）容量センサを５_{［ｉ，ｊ］}と表記する。ユーザの指やペンなどの物体が、ある容量センサ５_{［ｉ，ｊ］}に接触あるいは近接すると、その容量センサ５_{［ｉ，ｊ］}が形成する相互キャパシタンスＣ_{Ｍ［ｉ，ｊ］}が変化する。

コントロール回路１００は、静電容量センサ４の各座標の容量センサ５の相互キャパシタンスＣ_Ｍの変化を検出する。具体的にはコントロール回路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。コントロール回路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センサ５の静電容量の変化を検出する。選択された送信電極１０が列座標、容量変化が発生した受信電極１２が行座標に対応する。容量変化を示すデータは、プロセッサ３に送信される。プロセッサ３は、各座標の容量変化にもとづき、ユーザが接触した座標を判定する。

以上が電子機器１の概略である。以下、第１の実施の形態に係るコントロール回路１００について詳細に説明する。

図２は、実施の形態に係るコントロール回路１００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_［ｉ］に関連する部分のみを示す。

送信電極１０_［ｉ］と、複数の受信電極１２_［１］〜１２_［Ｎ］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_{［ｉ，１］}〜５_{［ｉ，Ｎ］}が形成される。Ｒｓは、送信電極１０、受信電極１２の抵抗成分を、Ｃｓはそれらの容量成分を示す。図示しないその他の送信電極１０と、受信電極１２_［１］〜１２_［Ｎ］の間にも同様に容量センサ（不図示）が形成される。

コントロール回路１００は、送信回路２０、受信回路２６および制御部５０を備える。

コントロール回路１００は、送信端子（ＴＸ端子ＴＸ_{［１〜Ｍ］}）と、受信電極１２ごとに設けられた受信端子（ＲＸ_{［１〜Ｎ］}）を有する。コントロール回路１００の送信端子ＴＸ_［ｉ］は対応する送信電極１０_［ｉ］と接続され、コントロール回路１００の各受信端子ＲＸ_［ｊ］は、対応する受信電極１２_［ｊ］と接続される。

送信回路２０は、周期的な送信信号Ｓ１を発生し、送信電極１０_{［ｉ〜Ｍ］}に印加する。送信回路２０は、送信電極１０ごとに設けられた信号発生器２２およびドライバ２４を有する。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。

静電容量センサ４をタッチパネルとして利用する際には、送信回路２０は複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}を時分割で選択し（スキャン）、選択した送信電極１０に送信信号Ｓ１を印加する。選択されないその他の送信電極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。

受信回路２６は、送信信号Ｓ１に応答して複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}それぞれに生ずる受信信号Ｉ_ＲＸにもとづいて、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}と複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}の交点ごとに形成される複数の容量センサの相互キャパシタンスＣ_{Ｍ［１，１］}〜Ｃ_{Ｍ［Ｍ，Ｎ］}の変化量を示す検出信号Ｖｓを生成する。

受信回路２６は、積分回路３０、サンプルホールド回路４０、増幅器４２、Ａ／Ｄコンバータ４４、を含む。受信回路２６の一部または全部は、受信電極１２ごとに設けられてもよい。あるいは受信回路２６の一部または全部は、いくつかの受信電極１２ごとに設けられ、いくつかの受信電極１２によって時分割で共有されてもよい。

ｊ番目の受信電極１２_［ｊ］に割り当てられた積分回路３０は、受信信号Ｉ_{ＲＸ［ｊ］}にもとづいて、受信電極１２_［ｊ］が形成する容量センサ５_{［１，ｊ］}〜５_{［Ｍ，ｊ］}の相互キャパシタンスＣ_{Ｍ［１，ｊ］}〜Ｃ_{Ｍ［Ｍ，ｊ］}の変化量を検出し、容量変化に応じたレベルを有する検出電圧Ｖｓを生成する。具体的には、受信信号Ｉ_ＲＸは電流信号であり、積分回路３０は、電流Ｉ_ＲＸを積分し、容量変化に応じた検出電圧Ｖｓを生成する。積分回路３０は、公知の回路、あるいは後述する回路を用いればよく、その構成、方式は特に限定されない。

サンプルホールド回路４０は、積分回路３０からの検出電圧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。

制御部５０は、送信回路２０および受信回路２６の動作シーケンスを制御する。さらに制御部５０は、後述する送信回路２０の動作モードを制御する。

第１の実施の形態において、送信回路２０は、第１モードと第２モードが切りかえ可能に構成される。
第１モードにおいて送信回路２０は、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}に順に送信信号Ｓ１を印加する。第２モードにおいて送信回路２０は、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}を少なくともひとつのグループに仮想的に分割し、同じグループに属する複数の送信電極１０に対して同じ送信信号Ｓ１を同時に印加する。

図３（ａ）、（ｂ）は、第１モードおよび第２モードの送信回路２０の動作波形図である。図３（ａ）に示すように、第１モードにおいては、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}が順にスキャンされ、選択された送信電極に時分割で送信信号Ｓ１が印加される。図３（ｂ）の第２モードでは、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}は単一のグループに属する。そしてすべての送信電極１０_{［１〜Ｍ］}に対して共通の送信信号Ｓ１が印加される。

第２モードにおいて、グループ数はひとつには限定されず、複数であってもよい。より好ましくは、グループ数、言い換えればひとつのグループに属する送信電極１０の本数は、切りかえ可能であることが好ましい。
図４（ａ）〜（ｃ）は、グループ数が１〜３における送信回路２０の動作波形図である。ここではＭ＝１２について例示する。図４（ａ）では、単一のグループＧ１が形成され、それに属するすべての送信電極１０_{［１〜Ｍ］}に同じ送信信号Ｓ１が印加される。図４（ｂ）では、２つのグループＧ１、Ｇ２が形成され、２つのグループが順に走査される。グループＧ１が選択される期間、それに属する送信電極１０［_１〜６］に送信信号Ｓ１が印加され、グループＧ２が選択される期間、それに属する送信電極１０_{［７〜１２］}に送信信号Ｓ１が印加される。図４（ｃ）では３つのグループが形成される場合が示される。当然のことながら４個、６個のグループを形成することも可能である。

図５（ａ）〜（ｃ）は、図２の送信回路２０の構成例を示す回路図である。図５（ａ）、（ｂ）の送信回路２０ａ、２０ｂは、送信電極１０_{［１〜Ｍ］}ごとに設けられたドライバ２４_{［１〜Ｍ］}と、信号発生器２２と、デマルチプレクサ２３、デコーダ２５を備える。信号発生器２２は、各モードにおいて送信電極１０に印加すべき周期信号（クロック信号）を生成する。デマルチプレクサ２３は、信号発生器２２からの周期信号を受け、それをドライバ２４_{［１〜Ｍ］}のうち、選択された任意のいくつかに分配する。第１モードにおいてデマルチプレクサ２３は、複数のドライバ２４_{［１〜Ｍ］}を順に選択し、選択されるドライバ２４_［ｉ］に対して周期信号を出力する。

図５（ａ）のデマルチプレクサ２３は、複数のセレクタＳＥＬ_［１］〜ＳＥＬ_［Ｍ］を含む。ｉ番目のセレクタＳＥＬ_［ｉ］に対する制御信号ＣＮＴが１のとき、そのセレクタＳＥＬ_［ｉ］の出力は信号発生器２２からの周期信号となり、対応する送信電極１０_［ｉ］が選択された状態となる。反対にｉ番目のセレクタＳＥＬ_［ｉ］に対する制御信号が０のとき、そのセレクタＳＥＬ_［ｉ］の出力は０となり、対応する送信電極１０_［ｉ］は非選択となる。デコーダ２５は、モードおよびグループ数に応じた制御信号を生成する。

図５（ｂ）のデマルチプレクサ２３は、図５（ａ）のセレクタＳＥＬに代えて論理ゲート（ＡＮＤゲート）を含む。ｉ番目のＡＮＤゲートＡＮＤ_［ｉ］に対する制御信号ＣＮＴが１のとき、そのＡＮＤゲートＡＮＤ_［ｉ］の出力は信号発生器２２からの周期信号となり、対応する送信電極１０_［ｉ］が選択された状態となる。反対にｉ番目のＡＮＤゲートＡＮＤ_［ｉ］に対する制御信号が０のとき、そのＡＮＤゲートＡＮＤ_［ｉ］の出力は０となり、対応する送信電極１０_［ｉ］は非選択となる。ＡＮＤゲートに代えてＯＲゲートを用いてもよく、この場合、制御信号の論理を反転すればよい。

図５（ｃ）の送信回路２０ｃは、複数のドライバ２４_{［１〜Ｍ］}と信号発生器２２ｃを備える。信号発生器２２ｃは、モードおよびグループ数に応じた周期信号を、複数のドライバ２４_{［１〜Ｍ］}に出力する。

以上がコントロール回路１００の構成である。続いてその動作を、モードごとに説明する。

（第１モード）
第１モードでは、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}が順に走査される。したがって送信電極１０_{［１〜Ｍ］}が配置される第１方向に対する空間分解能が最大となり、通常のタッチパネルセンサとして使用することができる。

（第２モード）
第２モードでは、複数の送信電極１０_{［１〜Ｍ］}がグループ化される。たとえばすべての送信電極１０_{［１〜Ｍ］}がひとつにグループ化される場合、見かけ上の送信電極１０の面積が、第１モードのそれに比べて実質的にＭ倍となる。その結果、第１方向に対する空間分解能は失われるが、感度を飛躍的に高めることができる。これにより、検出対象物である指や頭、スタイラスなどがパネルに接触することなく近接した状態の検出が可能となる。

このように実施の形態に係るコントロール回路１００を第２モードに設定することにより、静電容量センサ４を近接センサとして動作させることができる。

さらに第２モードにおいて、グループの数、すなわち同時選択する送信電極１０の本数を変化させることにより、トレードオフの関係にある空間分解能と検出感度を制御することができる。図６（ａ）〜（ｃ）は、各モードにおける入力装置２の利用形態を示す図である。各図には、対象物６の検出可能範囲ＲＮＧが示される。図６（ａ）は、第２モードでグループ数が最小の場合を示す。この場合、検出可能範囲ＲＮＧが最大となり、近接センサとして利用できる。

図６（ｂ）は、第２モードでグループ数を増加させた場合を示す。この場合、検出可能範囲ＲＮＧが小さくなり、対象物６が静電容量センサ４とは接しないものの、ある程度距離が近いときに、指６の座標を荒い精度で検出することができる。この使用形態は、ホバリングと称されるパネルから離れた位置での操作入力の検出に好適である。

あるいは第２モードにおいて、グループ数を増加させた形態は、ユーザが手袋をして電子機器１を操作する状況に役に立つ。手袋をした状態では、しない状態に比べて相互キャパシタンスの変化量が小さくなる。一方、手袋をした状態では、高い空間分解能は必要とされない。したがって、このような状況では、第２モードにおいてグループ数を適切に設定することで、快適な操作入力が可能となる。

続いて、モード制御について説明する。制御部５０は、送信回路２０の動作モードを制御する。送信回路２０が第２モードに設定され、入力装置２が近接センサとして動作するとき、第１方向の空間分解能が低下しているため、通常のタッチセンサとしては機能しない。そこで制御部５０は、（i）送信回路２０を、第１モードに固定的に設定する第１状態と、（ii）送信回路２０を時分割で第１モードと第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえてもよい。

図７（ａ）、（ｂ）は、第１状態、第２状態それぞれの動作波形図である。多くの場合、タッチ入力中は近接センサとしての機能は要求されない。この場合には第１状態とすることで、空間分解能を最大としてユーザのタッチ入力座標を検出する。図中のＡは、第１モードによって１フレームをスキャンする期間を、Ｂは、第２モードによって１フレームをスキャンする期間を示す。図７（ａ）に示すように、第１状態では、細かいタッチ入力を高速に検出するために、繰り返し周期Ｔｐは短く、時間分解能は高く設定される。たとえばＴｐ＝１０ｍｓ程度であってもよい。

一方、タッチ入力していない場合には、第２状態に設定し、第１モードと第２モードを時分割で交互に繰り返すことにより、近接センサとして近接を監視しながら、タッチ入力を検出することができる。これにより、従来のタッチセンサと光学式の近接センサが併用される場合と同様の操作感を提供できる。なお図７（ｂ）に示すように、第２状態における繰り返し周期Ｔｐは、第１状態のそれよりも長くすることが望ましく、たとえば１００ｍｓ程度であってもよい。これにより第２状態における消費電力の増大を抑制できる。第２状態においてタッチ入力が検出されると、直ちに第１状態に遷移することで、その後のタッチ入力を高速に検出できる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、送信回路２０がモード切りかえ可能に構成された。これに対して第２の実施の形態では、受信回路２６をモード切りかえ可能に構成することで、感度を制御する。以下、第１の実施の形態と共通する部分については、それを援用し、重複した説明は省略する。

受信回路２６は、第１モードと第２モードが切りかえ可能に構成される。第１モードにおいて受信回路２６は、複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}それぞれに発生する受信信号Ｉ_{ＲＸ［１］}〜Ｉ_{ＲＸ［Ｎ］}を順にモニタし、受信電極１２ごとに検出信号Ｖｓを生成する。

第２モードにおいて受信回路２６は、複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}をグループ化し、同じグループに属する複数の受信電極１２を共通に接続し、グループごとに検出信号を生成する。さらに受信回路２６は、第２モードにおいて、グループの個数、言い換えれば共通化される受信電極１２の本数が変更可能に構成される。

制御部５０は、受信回路２６を第１モードに固定的に設定する第１状態と、時分割で第１モードと第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえる。切りかえ動作については第１の実施の形態と同様である。

図８（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るコントロール回路の受信回路２６の構成例を示す回路図である。図８（ａ）の受信回路２６ａは、受信電極１２_{［１〜Ｎ］}ごとに設けられた積分回路３０_{［１〜Ｎ］}、複数の第１アナログスイッチＳＷ１_{［１〜Ｎ］}、複数の第２アナログスイッチＳＷ２_{［１〜Ｎ−１］}、デコーダ２７を備える。

ｊ番目の第１アナログスイッチＳＷ１_［ｊ］は、対応する受信端子ＲＸ_［ｊ］と対応する積分回路３０_［ｊ］の入力端子の間に設けられる。ｊ番目の第２アナログスイッチＳＷ２_［ｊ］は、対応する積分回路３０_［ｊ］の入力端子と、隣の積分回路３０_{［ｊ＋１］}の間に設けられる。デコーダ２７ａは、モードに応じてアナログスイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。具体的には第１モードでは、すべての第１アナログスイッチＳＷ１_{［１〜Ｎ］}をオンし、第２アナログスイッチＳＷ２_{［１〜Ｎ−１］}をオフする。

第２モードでは、グループごとにひとつの積分回路３０が割り当てられる。あるグループに積分回路３０_［ｊ］が割り当てられるとき、そのグループに属するすべての受信電極１２と積分回路３０［ｊ］の間のスイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンされる。

図８（ｂ）の受信回路２６ｂは、複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}に対して、それより少ない積分回路３０が共有される。積分回路３０は１個、２個、４個であってもよい。ｊ番目の第３アナログスイッチＳＷ３_[ｊ]は、対応する受信端子ＲＸ_［ｊ］と積分回路３０の入力端子の間に設けられる。デコーダ２７ｂは、第３アナログスイッチＳＷ３_[１〜Ｎ]を制御する。

第１モードでは、Ｎ個の第３アナログスイッチＳＷ３_{［１〜Ｎ］}が順にオンする。第２モードにおいて、グループ数が１である場合、すべてのＮ個の第３アナログスイッチＳＷ３_{［１〜Ｎ］}が同時にオンされる。第２モードにおいて、グループ数が複数である場合、複数のグループが時分割で処理される。ｊ番目のグループを処理する期間、そのグループに属する複数の受信電極１２と積分回路３０の間の第３アナログスイッチＳＷ３がオンされる。

以上が第２の実施の形態に係るコントロール回路の構成である。続いてその動作を、モードごとに説明する。

（第１モード）
第１モードでは、複数の受信電極１２_{［１〜Ｍ］}で生成される受信信号Ｉ_{ＲＸ［１〜Ｎ］}が個別に積分され、検出電圧Ｖｓ_{［１〜Ｎ］}が生成される。したがって受信電極１２_{［１〜Ｎ］}が配置される第２方向に対する空間分解能が最大となり、通常のタッチパネルセンサとして使用することができる。

（第２モード）
第２モードでは、複数の受信電極１２_{［１〜Ｎ］}がグループ化される。たとえばすべての受信電極１２_{［１〜Ｎ］}がひとつにグループ化される場合、見かけ上の受信電極１２の面積が、第２モードのそれに比べて実質的にＮ倍となる。その結果、第２方向に対する空間分解能は失われるが、感度を飛躍的に高めることができる。これにより、検出対象物である指や頭、スタイラスなどがパネルに接触することなく近接した状態の検出が可能となる。

このように実施の形態に係るコントロール回路１００を第２モードに設定することにより、静電容量センサ４を近接センサとして動作させることができる。

さらに第２モードにおいて、グループの数、すなわち共通に接続する受信電極１２の本数を変化させることにより、トレードオフの関係にある空間分解能と検出感度を制御することができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、第１と第２の実施の形態の組み合わせであり、送信回路２０および受信回路２６の両方が、独立して第１モード、第２モードに切りかえ可能に構成される。

送信回路２０および受信回路２６の両方を第１モードに設定すると、第１方向、第２方向の分解能が最大となり、通常のタッチパネルとして利用できる。
送信回路２０を第１モード、受信回路２６を第２モードとすれば、第１方向の分解能が高い状態で感度を高めることができる。
送信回路２０を第２モード、受信回路２６を第１モードとすれば、第２方向の分解能が高い状態で感度を高めることができる。
送信回路２０および受信回路２６の両方を第２モードとすれば、さらに感度を高めることができる。

このように第３の実施の形態によれば、送信回路２０と受信回路２６のモードの組み合わせを制御することにより、第１、第２の実施の形態に比べてさらに柔軟に、感度と空間分解能を制御できる。

以上、第１から第３の実施の形態に係るコントロール回路１００について説明した。続いて、その用途を説明する。

図９は、コントロール回路１００を備える電子機器１の一例である携帯電話端末７００を示す斜視図である。携帯電話端末７００は、筐体７０２、通話用スピーカ７０４、通話用マイク７０６、保護ガラス７０８、操作ボタン７１０、静電容量センサ４、コントロール回路１００を備える。通話用スピーカ７０４は、通話時に通話相手の音声を出力する。通話用マイク７０６は、通話時に携帯電話端末７００のユーザの声を集音する。静電容量センサ４は、図示しないディスプレイパネルの上面に配置される。静電容量センサ４の表面は保護ガラス７０８で覆われている。操作ボタン７１０は、ユーザが携帯電話端末７００を操作するための入力装置である。コントロール回路１００は、図示しない配線を介して送信電極１０および受信電極１２と接続されている。図９では、筐体７０２の短辺と平行（ｘ軸方向）に送信電極１０が伸びており、長辺と平行（ｙ軸方向）に受信電極１２が伸びているが、それらは入れ替えてもよい。

以上が携帯電話端末７００の構成である。この携帯電話端末７００によれば、モードを切りかえることにより、静電容量センサ４をタッチパネルとして動作させたり、近接センサとして動作させることが可能となるため、発光素子などを用いた専用の近接センサが不要となる。これにより携帯電話端末７００のコストを下げ、あるいは近接センサの制約を受けずに筐体７０２をデザインすることができる。

続いて、携帯電話端末７００あるいはそれに類似する電子機器に特有の、近接検出について説明する。

（側頭部近接検出）
上述のように、実施の形態に係る入力装置２を用いることにより、静電容量センサ４を近接センサとして利用できるが、図９の携帯電話端末７００では、ユーザが筐体７０２を側頭部に近づけたことを検出する機能が求められる。この場合、通話時にユーザが筐体７０２を側頭部に近づけた状態（側頭部近接状態という）と、その他の状態を区別する必要がある。その他の状態とは、たとえば、入力装置２を保護ガラス７０８の表面に付近に手をかざしたり、ユーザが筐体７０２をグリップした状態である。以下では、側頭部近接状態を検出するための技術を説明する。

図１０（ａ）は、側頭部近接状態を示す図であり、図１０（ｂ）はそのときの静電容量センサ４の出力を示す図である。図１０（ａ）に示すように、通話時の側頭部近接状態では、通話用スピーカ７０４側が耳に近づく。したがって図１０（ｂ）に示すように通話用スピーカ７０４付近での容量変化が大きくなり、通話用マイク７０６側の容量変化は小さくなる。

そこで側頭部近接状態を検出する際には、筐体７０２の長辺方向（ｙ軸方向）に空間分解能を有するように、コントロール回路１００の送信回路２０、受信回路２６の少なくとも一方を、第２モードに設定する。図１０（ｂ）の例では、受信回路２６が第２モードに設定され、すべての受信電極１２が同じグループに配置される。一方、送信回路２０は、第１モードに設定され、ｙ軸方向の空間分解能が提供される。

送信電極１０と受信電極１２と配置が逆の場合、送信回路２０を第２モードに、受信回路２６を第１モードに設定してもよい。

コントロール回路１００の制御部５０、あるいはコントロール回路１００の出力を受けるプロセッサ３は、センサ出力に応じたデジタル値Ｄｓにもとづいて、側頭部近接状態を検出する。具体的には、耳が近接するｙ軸方向の通話用スピーカ７０４付近の容量変化が大きく、通話用マイク７０６側の容量変化が小さい場合、側頭部近接状態と判定する。この判定は、ｙ軸方向の空間分解能を有するデジタル値Ｄｓと所定のパターンと比較して行ってもよい。

このように、近接センサとして動作させる際に、筐体７０２の長辺方向に空間分解能をもたせることにより、側頭部近接状態を検出できる。

図１１（ａ）、（ｂ）は、側頭部近接状態を説明する図である。図１１（ａ）は、携帯電話端末７００の状態を示し、図１１（ｂ）はｙ軸方向に空間分解能を有する近接センサからのセンサ出力Ｄｓを示し、図１１（ｃ）は、タッチセンサからのセンサ出力Ｄｓを示す。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、ユーザが静電容量センサ４の通話用スピーカ７０４付近をタッチした状態を説明する図である。図１２（ａ）は、携帯電話端末７００の状態を示し、図１２（ｂ）はｙ軸方向に空間分解能を有する近接センサからのセンサ出力Ｄｓを示し、図１２（ｃ）は、タッチセンサからのセンサ出力Ｄｓを示す。

図１１（ｂ）と図１２（ｂ）に示すように、ｙ軸方向の空間分解能のみでは、図１１（ａ）と図１２（ａ）の２つの状態を区別できない場合がある。この場合には、図１２（ｃ）に示すように、ｘ軸方向およびｙ軸方向に空間分解能をもつように、静電容量センサ４をタッチセンサとして動作させることにより、２つの状態を区別できる。図７（ｂ）に示すように、第２状態で動作させた場合、静電容量センサ４は、ｙ軸方向に空間分解能を有する近接センサと、ｘ軸およびｙ軸方向に空間分解能を有するタッチセンサとして動作するため、図１１（ａ）と図１２（ａ）の状態を区別することができる。

（グリップ検出）
携帯電話端末７００をはじめとする電子機器では、ユーザが筐体をグリップした状態を検出したい場合がある。図１３（ａ）、（ｂ）は、
実施の形態に係る入力装置２は、グリップセンサとしても利用できる。図１３（ａ）は、グリップ状態を示す図であり、図１３（ｂ）はそのときの静電容量センサ４の出力を示す図である。図１３（ａ）に示すように、グリップ時には、親指が近接する一端側の受信電極１２と、その他の指が近接する他端側の受信電極１２の容量変化が大きくなり、ディスプレイ中央の受信電極１２の容量変化は小さくなる。

そこでグリップ状態を検出する際には、筐体７０２の短辺方向（ｘ軸方向）に空間分解能を有するように、コントロール回路１００の送信回路２０、受信回路２６の少なくとも一方を、第２モードに設定する。図１３（ｂ）の例では、送信回路２０が第２モードに設定され、すべての送信電極１０が同じグループに配置される。一方、受信回路２６は、第１モードに設定され、ｘ軸方向の空間分解能が提供される。

送信電極１０と受信電極１２と配置が逆の場合、受信回路２６を第２モードに、送信回路２０を第１モードに設定してもよい。

コントロール回路１００の制御部５０、あるいはコントロール回路１００の出力を受けるプロセッサ３は、センサ出力に応じたデジタル値Ｄｓにもとづいて、グリップ状態を検出する。具体的には、ｘ座標が最小付近および最大付近の両端において容量変化が大きい場合、グリップ状態と判定する。この判定は、ｘ軸方向の空間分解能を有するデジタル値Ｄｓを、所定のパターンと比較して行ってもよい。

このように、近接センサとして動作させる際に、筐体７０２の短辺方向に空間分解能をもたせることにより、グリップ状態を検出できる。

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。

実施の形態では、静電容量センサ４を近接センサとして利用する場合に、第２モードに設定する動作を説明したが本発明はそれには限定されない。
たとえば静電容量センサ４をタッチセンサとして利用する場合に、送信回路２０あるいは受信回路２６を第２モードに設定し、各グループに複数（たとえば２本）の送信電極１０あるいは受信電極１２を割り当ててもよい。この場合、受信信号Ｉ_ＲＸの振幅が大きくなるため積分回路３０における積分回数を減らすことができ、回路の消費電力を下げることができる。このときタッチセンサの空間分解能は低下するため、高い空間分解能が必要とされない状態、たとえばたとえば携帯電話端末７００のホーム画面において、アイコン選択を行う場合などに、この動作を行ってもよい。

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、３…プロセッサ、４…静電容量センサ、５…容量センサ、６…指、１０…送信電極、１２…受信電極、２０…送信回路、２２…信号発生器、２３…デマルチプレクサ、２４…ドライバ、２５…デコーダ、２６…受信回路、３０…積分回路、４０…サンプルホールド回路、４２…増幅器、４４…Ａ／Ｄコンバータ、５０…制御部、１００…コントロール回路、Ｃ_Ｍ…相互キャパシタンス、Ｓ１…送信信号、７００…携帯電話端末、７０２…筐体、７０４…通話用スピーカ、７０６…通話用マイク、７０８…保護ガラス、７１０…操作ボタン。

Claims (14)

1. 第１方向に並列に設けられた複数の送信電極と、前記複数の送信電極と間隙を隔てて第２方向に並列に設けられた複数の受信電極と、を有する静電容量センサのコントロール回路であって、
   前記複数の送信電極それぞれに周期的な送信信号を印加する送信回路と、
   前記送信信号に応じて前記複数の受信電極それぞれに生ずる受信信号にもとづいて、前記複数の送信電極と前記複数の受信電極の交点ごとに形成される複数の静電容量の変化量を示す検出信号を生成する受信回路と、
   を備え、
   前記送信回路は、
   （１）前記複数の送信電極に順に送信信号を印加する第１モードと、
   （２）前記複数の送信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の送信電極に対して同じ送信信号を印加する第２モードと、が切りかえ可能に構成されることを特徴とするコントロール回路。
2. 前記送信回路は、前記静電容量センサをタッチパネルとして動作させるときに前記第１モードに設定され、前記静電容量センサを近接センサとして動作させるときに前記第２モードに設定されることを特徴とする請求項１に記載のコントロール回路。
3. 前記送信回路は、前記第２モードにおいて、前記グループの個数が変更可能に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のコントロール回路。
4. 前記送信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記送信回路を前記第１モードに固定的に設定する第１状態と、前記送信回路を時分割で前記第１モードと前記第２モードに交互に設定する第２状態と、を切りかえることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコントロール回路。
5. 前記受信回路は、
   （１）前記複数の受信電極それぞれに発生する前記受信信号を順にモニタし、前記受信電極ごとに前記検出信号を生成する第１モードと、
   （２）前記複数の受信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の受信電極を共通に接続し、グループごとに前記検出信号を生成する第２モードと、が切りかえ可能に構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のコントロール回路。
6. 前記受信回路は、前記第２モードにおいて、前記グループの個数が変更可能に構成されることを特徴とする請求項５に記載のコントロール回路。
7. 前記送信回路および前記受信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記送信回路および前記受信回路を前記第１モードに固定的に設定する第１状態と、前記送信回路および前記受信回路を、時分割で前記第１モードと前記第２モードに交互に設定する第２状態と、
   を切りかえることを特徴とする請求項５または６に記載のコントロール回路。
8. 第１方向に並列に設けられた複数の送信電極と、前記複数の送信電極と間隙を隔てて第２方向に並列に設けられた複数の受信電極と、を有する静電容量センサのコントロール回路であって、
   前記複数の送信電極それぞれに周期的な送信信号を印加する送信回路と、
   前記送信信号に応じて前記複数の受信電極それぞれに生ずる受信信号にもとづいて、前記複数の送信電極と前記複数の受信電極の交点ごとに形成される複数の静電容量の変化量を示す検出信号を生成する受信回路と、
   を備え、
   前記受信回路は、
   （１）前記複数の受信電極それぞれに発生する前記受信信号を順にモニタし、前記受信電極ごとに前記検出信号を生成する第１モードと、
   （２）前記複数の受信電極をグループ化し、同じグループに属する複数の受信電極を共通に接続し、グループごとに前記検出信号を生成する第２モードと、が切りかえ可能に構成されることを特徴とするコントロール回路。
9. 前記受信回路は、前記静電容量センサをタッチパネルとして動作させるときに前記第１モードに設定され、前記静電容量センサを近接センサとして動作させるときに前記第２モードに設定されることを特徴とする請求項８に記載のコントロール回路。
10. 前記受信回路は、前記第２モードにおいて、前記グループの個数が変更可能に構成されることを特徴とする請求項８または９に記載のコントロール回路。
11. 前記受信回路の動作モードを制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記受信回路を前記第１モードに固定的に設定する第１状態と、前記受信回路を時分割で前記第１モードと前記第２モードに交互に設定する第２状態と、
    を切りかえることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載のコントロール回路。
12. 筐体と、
    前記筐体の一面に設けられたディスプレイパネルと、
    前記筐体内の前記ディスプレイパネルとオーバーラップする箇所に設けられ、第１方向に並列に設けられた複数の送信電極と、前記複数の送信電極と間隙を隔てて第２方向に並列に設けられた複数の受信電極と、を有する静電容量センサと、
    前記筐体の内部に設けられ、前記静電容量センサの容量変化を検出する請求項１から１１のいずれかに記載のコントロール回路と、
    前記コントロール回路の前記受信回路からの検出信号に応じたデジタル値を受け、前記デジタル値に応じてユーザの操作状態を検出すプロセッサと、
    を備えることを特徴とする電子機器。
13. 前記電子機器は、携帯電話端末であり、
    通話状態においてユーザの耳と近接する箇所に設けられた通話用スピーカをさらに備え、
    前記プロセッサは、前記第２モードにおいて取得される前記デジタル値を参照し、前記通話用スピーカの近傍に配置される電極が形成する容量の変化が大きいとき、ユーザが通話を目的として前記筐体を頭部に近接させたものと判定することを特徴とする請求項１２に記載の電子機器。
14. 前記プロセッサは、前記第２モードにおいて取得される前記デジタル値を参照し、前記筐体を前記ユーザが握ったときに親指が近接する一端側の電極の容量変化と、そのほかの指が近接する他端側の電極の容量変化が大きいとき、ユーザが筐体を握ったものと判定することを特徴とする請求項１２に記載の電子機器。

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