JP2018025958A - タッチ検出回路、タッチ検出プログラム及びタッチ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号を測定することによって、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ検出において、応答信号のＳ／Ｎ比を向上する。【解決手段】変換回路とタッチ判定回路に接続可能なタッチ検出回路であって、以下のように構成される。変換回路は、応答信号を周波数ドメインに変換することにより、検出信号の周波数における応答信号ベクトルを算出する。前記タッチ検出回路は、基準ベクトルを保持するための基準ベクトル管理回路とベクトル減算回路とを備え、変換回路から入力された応答信号ベクトルと前記基準ベクトルとの差分ベクトルを算出する。タッチ判定回路は、算出された差分ベクトルに基づいてセンサ容量への導電物体の接近を検知する。【選択図】図５

Description

本発明は、タッチ検出回路、タッチ検出プログラム及びタッチ検出方法に関し、特に印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号を測定することによって、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ検出に好適に利用できるものである。

容量方式のタッチ検出には、自己容量方式と相互容量方式があるが、いずれの方式においても、センサ容量に所定の検出信号を印加してセンサ容量及びタッチによって増減した容量成分を充放電し、それに応じて得られる応答信号を受信し、その大きさを測定することによって、タッチの有無を検出する。このとき、検出感度を向上する技術が種々、提案されている。

例えば特許文献１には、相互容量方式のタッチ検出回路が開示されている。検出信号を矩形波としてその立上りエッジに対応する応答信号と、立下りエッジに対応する応答信号を、互いに極性を反転した上で積分することによって、検出感度を向上している。

特開２０１４−１０６８６４号公報

特許文献１について本発明者が検討した結果、以下のような新たな課題があることがわかった。

特許文献１において、検出信号として矩形波を用いる場合には、応答信号の極性を反転させるタイミングに十分な余裕があるが、検出信号として正弦波や三角波などを用いる場合には、応答信号の極性を反転させるタイミングに十分な余裕がない。応答信号の極性を反転させるタイミングに十分な余裕がないと、本来正側の応答信号が負側の応答信号として積分され、または逆に本来負側の応答信号が正側の応答信号として積分され、その結果、検出精度を保つことができない場合がある。即ち、応答信号に重畳される位相ノイズ成分が検出精度を劣化させるという問題がある。

このような問題に対して一般的には、応答信号の位相変化が十分に小さく抑えられるように、検出信号の周波数を低くすることによって、応答信号の振幅成分に対する位相ノイズ成分の寄与を抑える、即ち、周波数領域を制約することによって必要なＳ／Ｎ（Signal / Noise）比を確保する設計が採用されている。

本願の発明者らは、応答信号をフーリエ変換等することによって、振幅成分を位相成分とは分離して取り出すことにより、Ｓ／Ｎ比を向上して検出感度を高める発明をし、本願に先立って特許出願した（特願２０１６−１０７２６３号；本願の出願時点で未公開）。

本願の発明者らは、この考え方をより深く検討し、以下のような新たな課題を見出した。

図１は、タッチ検出のための応答信号（Sensor response）を、周波数ドメインで表現したベクトル図である。タッチ検出のための応答信号に限らずあらゆる信号は、振幅（amplitude）と位相（phase）を（または実数軸と虚数軸を）直交する軸とした２次元の周波数ドメインにおいて、ベクトルで表現することができる。このとき、図示されるように、センサ容量へのタッチの有無に応じて、振幅が変化するとともに位相も変化する。

図２は、応答信号ベクトルとベクトル差分を示す、ベクトル図である。センサ容量へのタッチがある場合の応答信号ベクトルと、タッチがない場合の応答信号ベクトルとに位相変化がない場合には、振幅の差分がベクトル差分（A delta of vector）であり、タッチ検出の際の信号成分である。スカラのみで行うタッチ検出に相当する。位相変化がないことを前提とするため、位相変化を生じないか生じても無視できる程度に十分に小さくなるように、検出信号の周波数が制限される。なお、図２では、タッチがある場合の応答信号ベクトルとタッチがない場合の応答信号ベクトルとが重なることを明示し、２つのベクトルを区別するために、タッチがある場合の応答信号ベクトルを白抜きの幅の広い矢印に変更して表現した。

図３は、検出信号の周波数が低い場合の、応答信号ベクトルとベクトル差分を示す、ベクトル図である。検出信号の周波数が低い場合には、２つのベクトルの振幅の差分がそのままベクトル差分の大きさになる。したがって、タッチ検出には、振幅のみの差を利用すればよい。

図４は、検出信号の周波数が高い場合の、応答信号ベクトルとベクトル差分を示す、ベクトル図である。検出信号の周波数が高くなると、２つのベクトルの位相差も大きくなり、振幅成分の差分とベクトル差分の大きさとの間の差が大きくなることがわかった。

センサ容量へのタッチの有無に応じて、振幅が変化するとともに位相も変化するのであるから、ベクトル差分全体が信号成分であると考えるべきである。これに対して振幅成分のみを取り出してタッチの有無を検出しようとすると、位相成分の変化が無視されることにより、その分の信号成分が減少してＳ／Ｎ比が低下する。

本発明の目的は、応答信号のＳ／Ｎ比を向上することにある。

このような課題を解決するための手段を以下に説明するが、その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、下記の通りである。

すなわち、印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号を測定することによって、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するためのタッチ検出回路であって、変換回路とタッチ判定回路に接続可能であり、以下のように構成される。

変換回路は、応答信号を周波数ドメインに変換することにより、検出信号の周波数における応答信号ベクトルを算出する。前記タッチ検出回路は、基準ベクトルを保持するための基準ベクトル管理回路とベクトル減算回路とを備え、変換回路から入力された応答信号ベクトルと前記基準ベクトルとの差分ベクトルを算出する。タッチ判定回路は、算出された差分ベクトルに基づいてセンサ容量への導電物体の接近を検知する。

前記一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。

すなわち、応答信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。

図１は、タッチ検出のための応答信号を、周波数ドメインで表現したベクトル図である。 図２は、応答信号ベクトルとベクトル差分を示すベクトル図である。 図３は、検出信号の周波数が低い場合の、応答信号ベクトルとベクトル差分を示すベクトル図である。 図４は、検出信号の周波数が高い場合の、応答信号ベクトルとベクトル差分を示すベクトル図である。 図５は、本発明に係るタッチ検出回路の一構成例を示すブロック図である。 図６は、容量方式のタッチ検出の原理を簡単に示す説明図である。 図７は、本発明のタッチ検出回路において、検出信号の周波数を変えた場合の、タッチ検出回路の特性を示す特性図である。 図８は、本発明のタッチ検出回路において、検出信号の周波数を変えた場合の、応答信号の強度を示す特性図である。 図９は、本発明に係るタッチ検出回路の別の構成例を示すブロック図である。 図１０は、本発明に係るタッチ判定回路におけるタッチ判定アルゴリズムの原理を説明する上で、特に、真にタッチが存在する領域を示すための説明図である。 図１１は、本発明に係るタッチ判定回路におけるタッチ判定アルゴリズムの原理を説明する上で、特に、位相情報を無視して絶対値のみでタッチの有無を判定する場合のタッチ判定領域を示すための説明図である。 図１２は、本発明に係るタッチ判定回路におけるタッチ判定アルゴリズムの原理を説明する上で、特に、絶対値に位相情報を組み合わせてタッチの有無を判定する場合のタッチ判定領域を示すための説明図である。 図１３は、タッチ判定回路において、偏角マスクを定めるキャリブレーション処理の一例を示すフローチャートである。 図１４は、タッチ判定回路によって実行されるタッチ判定処理の一例を示すフローチャートである。 図１５は、偏角マスクを定めるキャリブレーション処理のための説明図である。 図１６は、タッチ判定処理の判定手順を説明するための説明図である。 図１７は、相互容量方式のタッチパネル及びタッチコントローラの構成例を模式的に示すブロック図である。 図１８は、自己容量方式のタッチパネル及びタッチコントローラの構成例を模式的に示すブロック図である。 図１９は、本発明に係るタッチ検出回路に搭載される変換回路（Touch AFE）１の基本的な動作を示す説明図である。

１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

〔１〕[Baseline Manager] + [ベクトル減算回路]
印加される検出信号（Sensing Wave）に応じてセンサ容量（ＣＢ）から得られる応答信号（Sensor Response）を測定することによって、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ検出回路であって、以下のように構成される。

タッチ検出回路は、変換回路（１）とタッチ判定回路（５）に接続可能である。

前記変換回路は、前記応答信号を周波数ドメインに変換することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）を算出可能である。

前記タッチ検出回路は、基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）を保持するための基準ベクトル管理回路（２）と、前記変換回路から入力された前記応答信号ベクトルと前記基準ベクトルとの差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）を算出するためのベクトル減算回路（３）とを備える。

前記タッチ判定回路は、前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する。

これにより、応答信号のＳ／Ｎ比を実質的に向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。

〔２〕：〔１〕+ [Demax]
〔１〕において、前記タッチ検出回路は、前記応答信号ベクトルと前記差分ベクトルのうちのいずれかを、前記タッチ判定回路に供給するためのデマルチプレクサ（４）をさらに備える。

これにより、基準ベクトルが生成される以前、または基準ベクトルが一時的に使用に適さなくなったときに、応答信号ベクトルを使ったタッチ検出に切り替えることができる。

〔３〕：〔１〕+ [応答信号ベクトル用絶対値回路] + [差分ベクトル用絶対値回路] + [Demax]
〔１〕において、前記タッチ検出回路は、前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出するための第１絶対値算出回路（６）と、前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出するための第２絶対値算出回路（７）と、前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定回路に供給するためのデマルチプレクサ（４）をさらに備える。

これにより、タッチ判定回路に供給するデータの量を減らすことができる。また、応答信号の位相成分を使わず振幅成分のみを使う、従来のタッチ判定回路にも接続することができる。このとき、タッチ判定回路が従来方式であっても、供給されるデータが差分信号のスカラ値であるから、応答信号の位相成分を既に織り込み済みであり、応答信号の振幅成分のみの場合よりも、Ｓ／Ｎ比が向上されている。

〔４〕：〔１〕+ [Touch Detection]
〔１〕において、前記タッチ判定回路は、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近したものと判定する。

これにより、タッチ判定を簡略な回路で実現することができる。

〔５〕タッチ判定領域
〔４〕において、タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される。

これにより、タッチ判定をさらに簡略な回路で実現することができる。

〔６〕検出信号の周波数を向上
〔１〕から〔５〕のうちのいずれか１項において、前記タッチ検出回路は、前記検出信号を供給する検出信号駆動回路（１０１）をさらに備え、前記検出信号の基本周波数（ｆｋ）は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数（１／（３×ＲＢ・ＣＢ））よりも高い。

これにより、Ｓ／Ｎ比をさらに向上することができる。環境から外来するノイズレベルが高い周波数領域よりも高い周波数領域に、検出信号の周波数を設定することができるので、ノイズレベルを抑えることができるからである。一方、検出信号の周波数を高くすると応答信号の位相成分が大きくなるが、振幅成分と位相成分の両方を含むベクトルを信号成分として利用するので、Ｓ／Ｎ比における信号成分は低下しない。よって、Ｓ／Ｎ比はより向上する。

〔７〕タッチコントローラＩＣ
〔１〕から〔６〕のうちのいずれか１項において、前記タッチ検出回路は、前記変換回路とともに、同一の半導体基板上に形成される。

これにより、タッチ検出感度の高いタッチコントローラＩＣを提供することができる。

〔８〕[Touch Detection]を含むタッチコントローラＩＣ
〔７〕において、前記半導体基板上には、さらに前記タッチ判定回路が形成される。

これにより、タッチ検出感度の高くかつ高集積のタッチコントローラＩＣを提供することができる。

〔９〕タッチ検出プログラム
印加される検出信号（Sensing Wave）に応じてセンサ容量（ＣＢ）から得られる応答信号（Sensor Response）に基づいて、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するために、プロセッサ（１１）で実行される、タッチ検出プログラムであって、以下の各ステップを含んで構成される。

前記応答信号を周波数ドメインに変換することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）が入力される入力ステップ。

前記応答信号ベクトルと基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）との間の減算（３）を行って差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）を算出する差分ベクトル算出ステップ。

前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ判定ステップ（５）。

これにより、応答信号のＳ／Ｎ比を実質的に向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。

〔１０〕：〔９〕+ [Demax]
〔９〕に記載されるタッチ検出プログラムにおいて、前記タッチ判定ステップは、前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するステップを実行可能とされ、前記差分ベクトルまたは前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する。

これにより、基準ベクトルが生成される以前、または基準ベクトルが一時的に使用に適さなくなったときに、応答信号ベクトルを使ったタッチ検出で代替させることができる。

〔１１〕：〔９〕+ [応答信号ベクトル用絶対値算出] + [差分ベクトル用絶対値算出] + [Demax]
〔９〕において、前記タッチ検出プログラムは、さらに以下の各ステップを含んで構成される。

前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出（６）する第１絶対値算出ステップ。

前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出（７）する第２絶対値算出ステップ。

前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定ステップに供給するための選択ステップ（４）。

このとき、前記タッチ判定ステップは、前記応答信号スカラ値または前記差分信号スカラ値に基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する。

これにより、タッチ判定ステップに供給するデータの量を減らすことができる。また、応答信号の位相成分を使わず振幅成分のみを使う、従来のタッチ判定プログラムを組み合わせることができる。このとき、タッチ判定プログラムが従来方式であっても、供給されるデータが差分ベクトルのスカラ値であるから、応答信号ベクトルの位相成分を既に織り込み済みであり、応答信号の振幅成分のみの場合よりも、Ｓ／Ｎ比が向上されている。

〔１２〕：〔９〕+ [Touch Detection]
〔９〕に記載されるタッチ検出プログラムにおいて、前記タッチ判定ステップは、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近したものと判定する。

これにより、タッチ判定を簡略なアルゴリズムで実現することができる。

〔１３〕：〔１２〕+ [Touch Detection]
〔１２〕に記載されるタッチ検出プログラムにおいて、タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される。

これにより、タッチ判定をさらに簡略なアルゴリズムで実現することができる。

〔１４〕検出信号の周波数を向上
〔９〕から〔１３〕のうちのいずれか１項に記載されるタッチ検出プログラムにおいて、前記検出信号の基本周波数は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数よりも高い。

これにより、Ｓ／Ｎ比をさらに向上することができる。環境から外来するノイズレベルが高い周波数領域よりも高い周波数領域に、検出信号の周波数を設定することができるので、ノイズレベルを抑えることができるからである。一方、検出信号の周波数を高くすると応答信号の位相成分が大きくなるが、振幅成分と位相成分の両方を含むベクトルを信号成分として利用するので、Ｓ／Ｎ比における信号成分は低下しない。よって、Ｓ／Ｎ比はより向上する。

〔１５〕タッチ検出方法＝[フーリエ変換] + [差分ベクトル算出] + [タッチ判定]
印加される検出信号（Sensing Wave）に応じてセンサ容量（ＣＢ）から得られる応答信号（Sensor Response）に基づいて、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するために、信号処理回路またはプログラムが実行可能なプロセッサ（１１）で実行される、タッチ検出方法であって、以下の各ステップを含んで構成される。

前記応答信号を周波数ドメインに変換（１）することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）を算出するフーリエ変換ステップ。

前記応答信号ベクトルと基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）との間の減算（３）を行って差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）を算出する差分ベクトル算出ステップ。

前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ判定ステップ（５）。

これにより、応答信号のＳ／Ｎ比を実質的に向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。

〔１６〕：〔１５〕+ [Demax]
〔１５〕に記載されるタッチ検出方法おいて、前記タッチ判定ステップは、前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するステップをさらに含む。

これにより、基準ベクトルが生成される以前、または基準ベクトルが一時的に使用に適さなくなったときに、応答信号ベクトルを使ったタッチ検出方法で代替させることができる。

〔１７〕：〔１５〕+ [応答信号ベクトル用絶対値算出] + [差分ベクトル用絶対値算出] + [Demax]
〔１５〕において、前記タッチ検出方法は、さらに以下の各ステップを含んで構成される。

前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出（６）する第１絶対値算出ステップ。

前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出（７）する第２絶対値算出ステップ。

前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定ステップに供給するための選択ステップ（４）。

これにより、タッチ判定ステップに供給するデータの量を減らすことができる。また、応答信号の位相成分を使わず振幅成分のみを使う、従来のタッチ判定プログラムを組み合わせることができる。このとき、タッチ判定プログラムが従来方式であっても、供給されるデータが差分ベクトルのスカラ値であるから、応答信号ベクトルの位相成分を既に織り込み済みであり、応答信号の振幅成分のみの場合よりも、Ｓ／Ｎ比が向上されている。

〔１８〕：〔１５〕+ [Touch Detection]
〔１５〕に記載されるタッチ検出方法おいて、前記タッチ判定ステップは、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近したものと判定する。

これにより、タッチ判定を簡略なアルゴリズムで実現することができる。

〔１９〕：〔１８〕+ [Touch Detection]
〔１８〕に記載されるタッチ検出方法おいて、前記タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される。

これにより、タッチ判定をさらに簡略なアルゴリズムで実現することができる。

〔２０〕検出信号の周波数を向上
〔１５〕から〔１９〕のうちのいずれか１項に記載されるタッチ検出方法において、前記検出信号の基本周波数は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数よりも高い。

これにより、Ｓ／Ｎ比をさらに向上することができる。環境から外来するノイズレベルが高い周波数領域よりも高い周波数領域に、検出信号の周波数を設定することができるので、ノイズレベルを抑えることができるからである。一方、検出信号の周波数を高くすると応答信号の位相成分が大きくなるが、振幅成分と位相成分の両方を含むベクトルを信号成分として利用するので、Ｓ／Ｎ比における信号成分は低下しない。よって、Ｓ／Ｎ比はより向上する。

２．実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。

〔実施形態１〕
図５は、本発明に係るタッチ検出回路の一構成例を示すブロック図である。本発明に係るタッチ検出回路は、印加される検出信号（Sensing Wave）に応じてセンサ容量（センサノードとも称す）ＣＢから得られる応答信号（Sensor Response）を測定することによって、センサ容量ＣＢへの導電物体の接近を検知する。タッチ検出回路は、基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２とベクトル減算回路３とデマルチプレクサ４とを備え、変換回路（Touch AFE: Touch Analog Front End）１とタッチ判定回路（Touch Detection）５に接続される。なお、図５に図示される信号は、１本または複数の配線からなる１〜多数ビットのディジタル信号であるが、バス表記は省略されている。この点は、本願で開示する他の実施形態、及び、引用する他のブロック図等についても同様である。

変換回路（Touch AFE）１は、応答信号（Sensor Response）を周波数ドメインに変換することにより、検出信号（Sensing Wave）の基本周波数における応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）を算出する。例えば、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換回路とフーリエ変換回路とによって構成することができる。

基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２は、基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）を保持する。基準ベクトル（Baseline Vector）とは、センサ容量ＣＢへ指などの導電物体が接近していない状態での、応答信号（Sensor Response）に対応する応答信号ベクトル（Sensed Vector）である。基準ベクトル（Baseline Vector）は、センサ容量ＣＢの容量値などのタッチパネルの電気的特性によって決まり、タッチパネルの製造ばらつきに依存し、電源電圧、温度などの環境の影響で変動するので、起動などの機会に初期化され、その後随時更新される。

ベクトル減算回路３は、応答信号ベクトル（Sensed Vector）と基準ベクトル（Baseline Vector）との差分である、差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）を算出する。

タッチ判定回路（Touch Detection）５は、基本的には、この差分ベクトル（Delta Vector）に基づいて、センサ容量ＣＢへ導電物体の接近を検知する。

これにより、応答信号（Sensor Response）の振幅成分のみに基づいたタッチ検出よりも、Ｓ／Ｎ比を実質的に向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。図３，４に示すように、応答信号ベクトル（Sensed Vector）と基準ベクトル（Baseline Vector）の振幅成分のみの差よりも、ベクトルとしての差分の方が、Ｓ／Ｎ比の信号成分Ｓが大きくなるからである。

図５に示すように、タッチ検出回路はデマルチプレクサ４をさらに備えると好適である。デマルチプレクサ４は、応答信号ベクトル（Sensed Vector）と差分ベクトル（Delta Vector）のうちのいずれかを、タッチ判定回路（Touch Detection）５に供給する。例えば、タッチ判定回路５が判定モード（Detection Mode）としてフルベクトル（Full vector）を指定したときには応答信号ベクトル（Sensed Vector）を選択し、差分ベクトル（Delta Vector）を指定したときには差分ベクトル（Delta Vector）を選択し、応答結果ベクトル（Sensed Result, R=(Rx0, Rx1)）として、タッチ判定回路５に供給する。

これにより、基準ベクトル（Baseline Vector）が生成される以前、または基準ベクトルが一時的に使用に適さなくなったときに、応答信号ベクトル（Sensed Vector）を使ったタッチ検出に切り替えることができる。

本発明によって奏される効果について、詳しく説明する。

タッチ検出回路において、センサ容量ＣＢへの導電物体の接近（即ち、タッチの有無）による応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）は、検出条件に応じた振幅（Amplitude）と偏角（Argument）を持つ。つまり、応答信号の差分ベクトルの偏角情報を用いることでホバーなどの振幅変化が少ない現象についてのノイズと真の信号との分離や、差分ベクトルの時間変化からホバーからタッチ着地への状態遷移の検出に利用することができる。

図６は、容量方式のタッチ検出の原理を簡単に示す説明図である。センサ容量ＣＢに検出信号（Sensing Wave）が印可され、その応答信号（Sensor Response）を測定することによって、センサ容量ＣＢへの導電物体の接近を検知する。抵抗ＲＢは、検出信号（Sensing Wave）から応答信号（Sensor Response）に至る信号伝搬経路に分散する抵抗成分を、集中定数の抵抗として等価的に表したものである。センサ容量ＣＢに指などの導電物体が接近すると、周囲の電界が影響を受けてセンサ容量ＣＢの値が変化する。図６では容量Ｃｆが並列接続されるように示したが、変化の方向は増加方向には限られない。ＣＢ、Ｃｆ、ＲＢの符号は、容量や抵抗といった素子を指し示すために付された符号として用いられるとともに、それぞれの値を表す。なお、図中では「Ｂ」、「ｆ」などは下付き文字で表記したが、明細書では標準位置に表記する。

検出信号（Sensing Wave）の波形は任意であるが、その基本周波数はｆｋ、角周波数はω＝２πｆｋとする。検出信号（Sensing Wave）から応答信号（Sensor Response）に至る信号伝搬経路は、センサ容量ＣＢの充放電時定数τＢ＝ＲＢ・ＣＢを持ち、導電物体の接近により時定数τＢ＝ＲＢ・（ＣＢ＋Ｃｆ）に変化する。

図７は、本発明のタッチ検出回路において、検出信号の周波数を変えた場合の、タッチ検出回路の特性を示す特性図である。

横軸は容量比（Capacitance Ratio）ａ＝Ｃｆ／ＣＢである。導電物体が全くない状態が容量比ａ＝０で、導電物体が近づくほどまた導電物体が大きいほど、容量比ａは大きくなる。容量比ａが小さい方から順に「領域１」、「領域２」、「領域３」と呼ぶことにする。上側のグラフの縦軸は、差分ベクトル（Delta Vector）の規格化された振幅（Normalized Amplitude）であり、下側のグラフの縦軸は、差分ベクトル（Delta Vector）の偏角（Argument）である。

検出信号（Sensing Wave）の角周波数ωと時定数τＢ＝ＲＢ・ＣＢとの積をパラメータとして、ωτＢ＝１／４、１／２、１、２の４通りの場合について示す。

導電物体が近づくことによる応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）の変化の特徴について説明する。

領域１に示すように、物体が小さいか遠く容量の変化が小さい場合は、検出信号の角周波数ωに応じた偏角をもち、容量比ａに振幅が比例して変化する。

導電物体がさらに近づき、乃至は接触し、容量比ａがある程度の大きさになった場合は、領域２に示すように、容量比ａに振幅が比例するだけでなく偏角も変化する。

さらに大きな物体が近づき、乃至は接触し、巨大な容量変化があって、容量比ａが非常に大きくなった場合には、領域３に示すように、容量比ａの増加に対して振幅が飽和し偏角のみが変化する。

このように、容量の変化量（容量比ａ）に応じた差分ベクトルの特徴から、導電物体との距離の変化を検出したり、遠い或いは小さい導電物体を検出したりすることが可能になる。

さらに、検出信号（Sensing Wave）の角周波数ωを従来よりも高い周波数に設定することにより、特に偏角の変化の寄与が大きい場合に、より効率よくタッチ有無による応答信号の変化を検出することができる。

図８は、本発明のタッチ検出回路において、検出信号の周波数を変えた場合の、応答信号の強度を示す特性図である。横軸は検出信号（Sensing Wave）の周波数ｆｋである。角周波数ωではなく周波数ｆｋとし、キロヘルツ（ｋＨｚ）単位の絶対値を示す。縦軸は、応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）による検出（Vector sensing）と振幅検出（Amplitude sensing）の検出信号の比である。応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）による検出（Vector sensing）の場合には、応答信号ベクトル（Sensed Vector）と基準ベクトル（Baseline Vector）とのベクトル空間内での差分である差分ベクトル（Delta Vector）を求めた上で、その絶対値が検出信号となる。一方、振幅検出（Amplitude sensing）では、応答信号ベクトル（Sensed Vector）と基準ベクトル（Baseline Vector）のそれぞれの絶対値の差が検出信号である。

１００ｋＨｚを超える高い周波数領域において、応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）による検出（Vector sensing）を行う方が、振幅検出（Amplitude sensing）よりも、大きな信号量を得ることができることがわかる。この例はτＢ＝１／５００ｋＨｚとしたもので、従来の振幅検出（Amplitude sensing）では、検出信号（Sensing Wave）の周波数ｆｋの上限は約１６０ｋＨｚである。一方、本発明では、それを超える周波数の検出信号（Sensing Wave）を採用することが可能で、それにより振幅検出（Amplitude sensing）の場合よりも、より大きな信号量を得ることができ、Ｓ／Ｎ比を実質的に向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。

本願の発明者らは、さらに、検出信号（Sensing Wave）の周波数ｆｋについて検討した。「発明が解決しようとする課題」で述べたような理由から、従来の検出信号の周波数は、位相ノイズを低減するために、比較的低い周波数に制限されている。例えば、検出信号駆動回路の出力抵抗または検出回路の入力抵抗とセンサ容量との積で与えられる検出対象が持つ時定数から算出されるカットオフ周波数は、５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚであるので、検出信号の周波数は約１６０ｋＨｚが上限であるといわれている。この上限の周波数は、時定数の約３倍の逆数に相当する。従来の検出回路は、周波数領域ではなく時間領域での検出原理に基づいているので、積分回路で構成されるものとして理解される。検出信号をステップ波形とし、そのときのステップ応答波形は、一般に、ｅ＝ｅ０（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））で表現される。即ち、時刻ｔ＝τに応答波形ｅはフル振幅ｅ０の６３．２％（１−ｅｘｐ（−１））に達し、時刻ｔ＝２τに８６．５％（１−ｅｘｐ（−２））に達し、時刻ｔ＝３τには９５．０％（１−ｅｘｐ（−３））に達する。積分回路における積分時間を時定数の３倍としたときに、フル振幅の９５．０％の振幅値が観測され、この時の誤差−５．０％が概ね許容可能な誤差の上限とされている。したがって、検出信号駆動回路の出力抵抗または検出回路の入力抵抗とセンサ容量との積で与えられる検出対象が持つ時定数から算出されるカットオフ周波数は、５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚであるので、検出信号の周波数は、その時定数の３倍の逆数として算出される、約１６０ｋＨｚが上限とされている。

これに対して、タッチセンサが置かれる環境においては、電源回路や充電器に搭載されるスイッチングレギュレータから発生される電源ノイズが５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚであるなど、タッチ操作を行うユーザなどの人体を経由するノイズの周波数のほとんどは１ＭＨｚ未満に集中している。

このため、検出信号（Sensing Wave）の周波数ｆｋを、１００ｋＨｚを超える高い周波数、特に、センサ容量ＣＢの充放電時定数τＢの３倍の逆数（１／（３×τＢ））を超える周波数、例えば１６０ｋＨｚを超える周波数とすることによって、１ＭＨｚ未満に集中している５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの電源ノイズが存在しないか極めてノイズレベルの小さい周波数領域とすることができる。これにより、Ｓ／Ｎ比のノイズ成分Ｎが小さくなり、Ｓ／Ｎ比をさらに向上し、タッチ検出の感度を高めることができる。

〔実施形態２〕
図９は、本発明に係るタッチ検出回路の別の構成例を示すブロック図である。図５に示したタッチ検出回路に加えて、応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）の絶対値｜Ｓ｜に対応する応答信号スカラ値を算出するための絶対値算出回路６と、差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）の絶対値｜Ｄ｜に対応する差分信号スカラ値を算出するための絶対値算出回路７とを備える。これに伴って、デマルチプレクサ４は、算出された応答信号スカラ値または差分信号スカラ値の何れかを、応答結果（Sensed Result, R）としてタッチ判定回路（Touch Detection）５に供給する。他の構成と動作は実施形態１で説明した通りであるので、説明を省略する。

なお、ベクトル（ｘ０，ｘ１）の絶対値は、数学的にはｘ０成分の自乗とｘ１成分の自乗の和の平方根で定義されるが、応答信号スカラ値や差分信号スカラ値は、必ずしもこの数学的な定義に厳密に従う必要はない。例えば、平方根を省略してもよいし、さらには自乗和に代えて単純な和を用いてもよい。これによって、絶対値算出回路６、７が簡略化され、回路規模を抑えることができる。ソフトウェアによって実装する場合にも、実行ステップ数を抑えることができる。ただし、平方根を省略する場合には、それに応じてタッチ検出アルゴリズムを若干調整すればよいが、自乗和に代えて単純な和を用いる場合にはこれに起因する誤差を評価したうえで採否を判断する必要がある。

これにより、タッチ判定回路に供給するデータの量を減らすことができる。また、応答信号の位相成分を使わず振幅成分のみを使う、従来のタッチ判定回路にも接続することができる。このとき、タッチ判定回路が従来方式であっても、供給されるデータが差分信号のスカラ値であるから、応答信号の位相成分を既に織り込み済みであり、応答信号の振幅成分のみの場合よりも、Ｓ／Ｎ比が向上されている。

〔実施形態３〕
タッチ判定回路（Touch Detection）５の動作について、さらに詳しく説明する。

図１０〜１２は、本発明に係るタッチ判定回路におけるタッチ判定アルゴリズムの原理を説明するための説明図である。すべて、検出信号（Sensing wave）の基本周波数ｆｋでの実数軸ｘ０と虚数軸ｘ１による２次元の周波数ドメインで表されている。タッチ判定回路（Touch Detection）５には、基本的には、応答信号の差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）が入力されるが、基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）との関係で示す。

図１０には、基準ベクトル領域（An area of baseline）１０と、真のタッチが存在する領域（An area of touch exists）１１と、真のタッチの位相反転現象が存在する領域（An area of invert-phase phenomena exists）１２とが示される。基準ベクトル領域１０は、原点から基準ベクトル（Baseline Vector, B=(Bx0, Bx1)）によって示される領域である。真のタッチが存在する領域１１と真のタッチの位相反転現象が存在する領域１２は、基準ベクトル領域１０から一定範囲の距離（絶対値）と一定範囲の偏角で規定される領域であるとすることができる。

図１１には、位相情報を無視して絶対値のみでタッチの有無を判定する場合の、タッチ判定領域（An area of touch may exists）２１と、位相反転現象についてのタッチ判定領域（An area of invert-phase phenomena may exists）２２とが示される。どちらも基準ベクトル領域１０を中心とする円の半径の範囲で規定され、ともにドーナツ状となって明確な境界は存在しない。タッチ判定領域２１と２２は、真のタッチが存在する領域１１と真のタッチの位相反転現象が存在する領域１２を包含するように設定される。

図１２には、絶対値に位相情報を組み合わせてタッチの有無を判定する場合の、タッチ判定領域（An area of touch may exists）３１と、位相反転現象についてのタッチ判定領域（An area of invert-phase phenomena may exists）３２とが示され、さらに、非タッチ判定領域（An area of touch never exists）３３が示される。タッチ判定領域３１とその位相反転現象についてのタッチ判定領域３２とは、どちらも基準ベクトル領域１０を中心とする円の半径の範囲と中心角の範囲とによって規定される。非タッチ判定領域３３は、タッチ判定領域３１、３２と同じ円の半径の範囲でタッチ判定領域３１、３２の中心角の範囲以外の中心角の範囲とによって規定される。即ち、基準ベクトル領域１０を中心とする円の半径の一定の範囲で規定されるドーナツ状の領域のうち、真のタッチが確実に存在しない領域を、非タッチ判定領域３３として除外することによって、タッチ判定領域３１、３２が規定される。このとき、タッチ判定領域３１と３２は、真のタッチが存在する領域１１と真のタッチの位相反転現象が存在する領域１２とを、それぞれ包含するように設定される。

図１１に示すようにタッチ判定領域２１と２２を設定してタッチ判定を行えば、図７，８を引用して説明したように、応答信号の差分ベクトル（Delta Vector）による検出（Vector sensing）を行った結果、振幅検出（Amplitude sensing）の場合よりもＳ／Ｎ比が向上するので、タッチ検出の感度を向上することができる。

さらに、図１２に示すように絶対値に位相情報を組み合わせてタッチの有無を判定すると、真のタッチが確実に存在しない領域３３を除外することができるので、タッチ検出の精度が向上する。これを「偏角マスク（argument-mask）による除外」と呼ぶことにする。例えば、ノイズに起因する差分ベクトル（Delta Vector）の絶対値が、タッチ判定領域３１、３２と同じ半径の範囲にあったとしても、中心角の範囲が異なれば、誤ってタッチと判定する誤検出を回避することができる。

図１１のタッチ判定アルゴリズムは、図５と図９に示したいずれのタッチ検出回路においても採用することができるが、図１２の偏角マスク３３による除外を行うためには、図５のタッチ検出回路を採用する必要がある。

タッチ判定回路（Touch Detection）５の実装例について説明する。上述したタッチ判定アルゴリズムは、例えば、ＣＰＵで実行されるプログラムによって実現される。タッチ判定を実行するためのプログラムは、偏角マスク３３を定めるキャリブレーションと、実際のタッチ判定処理に分けられる
図１３は、タッチ判定回路において、偏角マスク３３を定めるキャリブレーション処理の一例を示すフローチャートである。

まず、タッチ／非タッチのデータ収集を行う（Ｓ１）。（図では「collect touch and non-touch data」と英文で表記されている。）想定されうるすべての導電物体の接近状態を網羅するため、導電物体の大きさ、センサ容量ＣＢからの距離、温度、電源電圧、ノイズ環境等から、実験等によって予め必要な数の代表的なタッチサンプル、非タッチサンプルを、定めておくとよい。

次に、タッチデータが存在する偏角の範囲を決定する（Ｓ２）。（図では「To define an argument range of touch exits」と英文で表記されている。）
図１５は、偏角マスクを定めるキャリブレーション処理のための説明図である。第１ステップ（Ｓ１）で収集した、タッチサンプルに対応するデータと、非タッチサンプルに対応するデータとを、周波数ドメインにマッピングする。まず、非タッチサンプルに対応するデータに基づいて基準ベクトル領域１０を規定する。次に、基準ベクトル領域１０を通り、タッチサンプルに対応するデータの存在する領域４１とその位相反転現象によるデータが存在する領域４２の境界を規定する、２本の直線５１と５２を規定する。この２本の直線によって規定される偏角の範囲から、偏角マスク３３を規定する。偏角マスク３３は適切なマージンを含んで規定されるとよい。

図１４は、タッチ判定回路によって実行されるタッチ判定処理の一例を示すフローチャートである。入力された差分ベクトル（Delta Vector, D=(Dx0, Dx1)）について、以下の処理を実行する。

まず、差分ベクトルの振幅が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１）。（図では「amplitude is bigger than threshold?」と英文で表記されている。）ここで、所定の閾値は、基準ベクトル領域１０を中心とする円を仮定した場合のタッチ判定領域３１までの半径（図１２）に相当する値であり、例えば、図１３を引用して説明したキャリブレーション動作内で、第１ステップ（Ｓ１）で収集したデータに基づいて規定される。

その結果、差分ベクトルの振幅が閾値よりも大きくない場合には、応答信号ベクトルは非タッチであると判定して終了する（Ｓ１２）。（図では「sensed response may be not touch」と英文で表記されている。）
差分ベクトルの振幅が閾値よりも大きくない場合には、差分ベクトルの偏角が偏角マスク３３の範囲内か否かを判定する。（図では「argument is in range of mask?」と英文で表記されている。）偏角マスク３３の範囲内である場合には応答信号ベクトルは非タッチであると判定して終了し（Ｓ１２）、偏角マスク３３の範囲内ではない場合には、応答信号ベクトルはタッチであると判定して終了する（Ｓ１４）。（図では「sensed response may be touch」と英文で表記されている。）
図１６は、タッチ判定処理の判定手順を説明するための説明図である。図１５と同様の周波数ドメインで、基準ベクトル領域１０と、基準ベクトル領域１０を中心とし上記閾値を半径とする円５０と、偏角マスク３３を規定する２本の直線５１と５２と、３本の差分ベクトル６１，６２，６３が示されている。差分ベクトル６１，６２，６３のそれぞれについて、図１４に示したタッチ判定回路によって実行されるタッチ判定処理を行うと、以下のように判定される。

差分ベクトル６１については、円５０の内側にあって、その振幅が閾値よりも小さいことが分かるので、Ｓ１１で「差分ベクトルの振幅が閾値よりも大きくない」と判定され、Ｓ１２で応答信号ベクトルは非タッチであると判定されて終了する。

差分ベクトル６２については、終点が円５０の外側に達しており、その振幅が閾値よりも大きいことが分かるので、Ｓ１１で「差分ベクトルの振幅が閾値よりも大きい」と判定されるが、Ｓ１３で「偏角マスク３３の範囲内である」と判定されるので、Ｓ１２で応答信号ベクトルは非タッチであると判定されて終了する。

差分ベクトル６３については、終点が円５０の外側に達しており、その振幅が閾値よりも大きいことが分かるので、Ｓ１１で「差分ベクトルの振幅が閾値よりも大きい」と判定され、Ｓ１３で「偏角マスク３３の範囲内ではない」と判定されるので、Ｓ１４で応答信号ベクトルはタッチであると判定されて終了する。

〔実施形態４〕
本発明のタッチ検出回路は、相互容量方式と自己容量方式のタッチパネルとそのタッチコントローラのいずれにも適用することができる。

図１７は、相互容量方式のタッチパネルとタッチコントローラの構成例を模式的に示すブロック図である。

相互容量方式のタッチパネル３０１では、センサ容量ＣＢは、検出信号配線Ｇ１〜ＧＹと応答信号配線Ｓ１〜ＳＸとが交差する位置に、マトリックス状に配置される。タッチコントローラＩＣ（Integrated Circuit）２０１は、検出信号配線Ｇ１〜ＧＹを駆動する検出信号駆動回路（SD）１０１と、応答信号配線Ｓ１〜ＳＸにそれぞれ接続されるタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘと、インターフェース（I/F）１０２とを備える。インターフェース（I/F）１０２を介して接続されるマイクロコントローラ（MCU）４０１は、タッチコントローラＩＣ２０１を制御するとともに、タッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｘによって観測されるセンサ容量ＣＢの容量値の変化からタッチ座標を求める。相互容量方式では、検出信号配線Ｇ１〜ＧＹを順次駆動し、それに伴ってセンサ容量ＣＢの容量値に応じた充放電電流が応答信号配線Ｓ１〜ＳＸに現れるので、その電流値をタッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｘが測定する。応答信号の電流値は、センサ容量ＣＢの容量値の変化に対応して増減するので、ユーザの指などの導電物体が接近することによるセンサ容量ＣＢの容量値の減少を検知することができる。

図５と図９に示した検出信号（Sensing Wave）は、検出信号駆動回路（SD）１０１によって、順次検出信号配線Ｇ１〜ＧＹを介して、センサ容量ＣＢに印可される。検出信号配線Ｇ１〜ＧＹのうち、検出信号（Sensing Wave）が印可された検出信号配線に接続されている、センサ容量ＣＢがセンシングの対象である。タッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘには、それぞれ変換回路（Touch AFE）１と基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２とベクトル減算回路３とデマルチプレクサ４が実装される。図９に示した絶対値算出回路６と７も合わせて実装されてもよい。タッチ判定回路（Touch Detection）５は、マイクロコントローラ（MCU）４０１にソフトウェアとして実装される。実施形態１（図５）のタッチ検出回路を実装する場合にはベクトル情報である応答結果（Sensed Result）が、実施形態２（図９）のタッチ検出回路を実装する場合にはスカラ情報である応答結果（Sensed Result）が、インターフェース（I/F）１０２を介してマイクロコントローラ（MCU）４０１に伝送される。

タッチ判定回路（Touch Detection）５の一部またはすべての機能を、タッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘにハードウェアで実装してもよい。或いは、タッチコントローラＩＣ２０１内にタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘに共通の１個のハードウェアとして実装してもよい。また、タッチ判定回路（Touch Detection）５の一部の機能は、マイクロコントローラ（MCU）４０１と通信することができる他のプロセッサ、例えば、タッチパネル３０１とタッチコントローラＩＣ２とマイクロコントローラ（MCU）４０１等が搭載される装置のアプリケーションプロセッサで実行されるプログラムの機能の一部とされてもよい。

基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２の機能の一部は、タッチ判定回路（Touch Detection）５の機能とともに、マイクロコントローラ（MCU）４０１にソフトウェアとして実装されてもよいし、タッチコントローラＩＣ２０１内にタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘに共通の１個のハードウェアとして実装してもよい。

図１８は、自己容量方式のタッチパネルとタッチコントローラの構成例を模式的に示すブロック図である。

自己容量方式のタッチパネル３０２では、センサ容量ＣＢは検出信号（Sensing Wave）が印加され、応答信号（Sensor Response）が現れる配線Ｔ１〜ＴＺ毎に配置される。タッチコントローラＩＣ２０２は、配線Ｔ１〜ＴＺ毎に接続される検出信号駆動回路（SD）１０１＿１〜Ｚとタッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｚと、インターフェース（I/F）１０２とを備える。インターフェース（I/F）１０２を介して接続されるマイクロコントローラ（MCU）４０１は、タッチコントローラＩＣ２０２を制御するとともに、タッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｚによって観測されるセンサ容量ＣＢの容量値の変化からタッチ座標を求める。自己容量方式では、配線Ｔ１〜ＴＺを介して検出信号駆動回路（SD）１０１＿１〜Ｚによりセンサ容量ＣＢを充電し、それに伴ってセンサ容量ＣＢの容量値に応じた放電電流が同じ配線Ｔ１〜ＴＺに現れるので、その電流値をタッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｚが測定する。応答信号の電流値は、センサ容量ＣＢの容量値の変化に対応して増減するので、ユーザの指などの導電物体が接近することによるセンサ容量ＣＢの容量値の増加を検知することができる。

なお、説明を簡略化するために、センサ容量ＣＢとタッチ検出回路の数を同数として説明したが、マルチプレックスなどによって時分割で動作させてもよい。

図５と図９に示した検出信号（Sensing Wave）は、検出信号駆動回路（SD）１０１＿１〜Ｚによって、配線Ｔ１〜ＴＺを介して、センサ容量ＣＢに印可される。タッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｚには、それぞれ変換回路（Touch AFE）１と基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２とベクトル減算回路３とデマルチプレクサ４が実装される。図９に示した絶対値算出回路６と７も合わせて実装されてもよい。タッチ判定回路（Touch Detection）５は、マイクロコントローラ（MCU）４０１にソフトウェアとして実装される。実施形態１（図５）のタッチ検出回路を実装する場合にはベクトル情報である応答結果（Sensed Result）が、実施形態２（図９）のタッチ検出回路を実装する場合にはスカラ情報である応答結果（Sensed Result）が、インターフェース（I/F）１０２を介してマイクロコントローラ（MCU）４０１に伝送される。

タッチ判定回路（Touch Detection）５の一部またはすべての機能を、タッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｚにハードウェアで実装してもよい。或いは、タッチコントローラＩＣ２０２内にタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｚに共通の１個のハードウェアとして実装してもよい。また、タッチ判定回路（Touch Detection）５の一部の機能は、マイクロコントローラ（MCU）４０１と通信することができる他のプロセッサ、例えば、タッチパネル３０１とタッチコントローラＩＣ２とマイクロコントローラ（MCU）４０１等が搭載される装置のアプリケーションプロセッサで実行されるプログラムの機能の一部とされてもよい。

基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）２の機能の一部は、タッチ判定回路（Touch Detection）５の機能とともに、マイクロコントローラ（MCU）４０１にソフトウェアとして実装されてもよいし、タッチコントローラＩＣ２０１内にタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｚに共通の１個のハードウェアとして実装してもよい。

いずれの方式を採用しても、タッチ検出回路１００は、印加される検出信号（Sensing Wave）に応じてセンサ容量ＣＢから得られる応答信号（Sensor Response）を測定することによって、センサ容量ＣＢへのユーザの指などの導電物体の接近を検知することができる。

また、いずれの方式を採用しても、タッチコントローラＩＣ２０１、２０２は、特に制限されないが、例えば、公知のＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor）ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）の製造技術を用いて、シリコンなどの単一半導体基板上に形成される。表示ドライバ回路と同一の半導体チップに集積されても良い。表示タッチパネルのガラス基板上にフリップチップ実装されることにより、表示タッチパネルの実装・配線面積を低減して、狭額縁化に寄与することもできる。

図１９は、本発明に係るタッチ検出回路に搭載される変換回路（Touch AFE）１の基本的な動作を示す説明図である。検出信号（Sensing Wave）は図１７に示した相互容量方式の場合、検出信号配線Ｇ１〜ＧＹに順次印加されるので、検出信号Ｇ１についてみれば、図示されるように周期ｔ０即ち基本周波数ｆｋ＝１／ｔ０の信号が、所定周期Ｔの期間だけ印加される。図１９には、周期Ｔに４周期の正弦波が含まれる検出信号Ｇ１が示されているが、これは単なる一例である。即ち、周期Ｔに含まれる信号波形の繰り返しは任意の回数でよく、その波形も正弦波、余弦波ばかりではなく、台形波、矩形波、三角波等、如何なる波形でも良い。この例では応答信号（Sensor Response）も同じ基本周波数ｆｋを持つ信号となる。検出信号よりもむしろ応答信号が正弦波、余弦波となるように検出信号の波形を調整してもよい。

変換回路（Touch AFE）１は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路とフーリエ変換回路とによって構成され、Ａ／Ｄ変換回路を使って、アナログ信号として入力される応答信号（Sensor Response）をサンプリングしてディジタル値に変換し、時系列の応答データＲ（０）〜Ｒ（Ｎ）としてフーリエ変換回路に出力する。この例では周期Ｔの期間中にＮ＋１回のサンプリングを行うものとして説明する。Ｎ＋１個の時間ドメインの応答データＲ（０）〜Ｒ（Ｎ）が得られることとなる。これをフーリエ変換回路によって離散フーリエ変換して周波数ドメインに変換する。その結果、周波数ドメインの応答信号Ｆ（０）〜Ｆ（Ｎ）が得られる。

離散フーリエ変換の基本的な変換式を以下に示す。

式１は、周波数ドメインの信号Ｆ（０）〜Ｆ（Ｎ）と時間ドメインの信号Ｒ（０）〜Ｒ（Ｎ）の関係を示す変換式である。式２はこれを書き換えて、時間ドメインの信号Ｒ（０）〜Ｒ（Ｎ）から、周波数ドメインの信号Ｆ（０）〜Ｆ（Ｎ）を算出する形式に変形した変換式である。ここで図１４に例示するように、周期Ｔの期間に基本周波数ｆｋ＝１／ｔ０の信号が４周期分含まれると仮定すると、周波数ｆｋの周波数ドメインの信号成分Ｆ（ｆｋ）は、式３のように表される。このように、応答信号に含まれる全ての周波数成分ではなく、基本周波数ｆｋの成分の計算のみとすることにより、演算量は大幅に削減され、例えば高速フーリエ変換回路を搭載するよりも回路規模を抑えることができる。なお、基本周波数ｆｋのみに限定する必要はなく、２倍、３倍の高調波成分まで含めて良いし、他の特徴的な周波数成分のみを算出するように変更してもよい。

周波数ドメインの応答信号Ｆ（０）〜Ｆ（Ｎ）は式３に示す通り複素数で表現されるので、実数軸と虚数軸の２次元の複素周波数空間ではベクトル表示される。これが、応答信号ベクトル（Sensed Vector, S=(Sx0, Sx1)）である。

各実施形態では、いずれも離散フーリエ変換をハードウェアで実現するとして説明したが、ソフトウェアで実現してもよい。例えば、図１７に示したタッチ検出回路（TS）１００＿１〜１００＿Ｘや図１８に示したタッチ検出回路１００＿１〜１００＿Ｚは、単純なＡ／Ｄ変換のみとし、すべての時間ドメインの応答データＲ（０）〜Ｒ（Ｎ）をマイクロコントローラ（MCU）４０１に伝送し、或いは、マイクロコントローラ（MCU）４０１に代わるプロセッサをタッチコントローラＩＣ２０１または２０２に内蔵して、離散フーリエ変換を初めとするその後の信号処理をすべてソフトウェアで処理することもできる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、ブロック図に示したブロック分割は、単なる一例に過ぎず、１つのブロックの一部または全部の機能を他のブロックの機能と渾然一体に実現した別のブロックに変更して実現するなどの変更は、適宜任意に行うことができる。

ＣＢ センサ容量
１ 変換回路（Touch AFE）
２ 基準ベクトル管理回路（Baseline Manager）
３ ベクトル減算回路
４ デマルチプレクサ
５ タッチ判定回路（Touch Detection）
６、７ 絶対値算出回路
１０ 基準ベクトル領域（An area of baseline）
１１ 真のタッチが存在する領域（An area of touch exists）
１２ 真のタッチの位相反転現象が存在する領域（An area of invert-phase phenomena exists）
２１、３１、４１ タッチ判定領域（An area of touch may exists）
２２、３２、４２ 位相反転現象についてのタッチ判定領域（An area of invert-phase phenomena may exists）
３３ 偏角マスク（argument-mask）、非タッチ判定領域（An area of touch never exists）
５０ 閾値
５１，５２ タッチデータが存在する領域の境界を規定する直線
６１，６２，６３ 差分ベクトル
１００ タッチ検出回路（TS: Touch Sensor）
１０１ 検出信号駆動回路（SD: Sensing Wave Driver）
１０２ インターフェース（I/F）
２０１、２０２ タッチコントローラＩＣ
３０１ 相互容量方式タッチパネル
３０２ 自己容量方式タッチパネル
ＣＢ センサ容量
４０１ マイコン（MCU: Micro Controller Unit）

Claims (20)

1. 印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号を測定することによって、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するためのタッチ検出回路であって、
   変換回路とタッチ判定回路に接続可能であり、
   前記変換回路は、前記応答信号を周波数ドメインに変換することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトルを算出可能であり、
   前記タッチ検出回路は、基準ベクトルを保持するための基準ベクトル管理回路と、前記変換回路から入力された前記応答信号ベクトルと前記基準ベクトルとの差分ベクトルを算出するためのベクトル減算回路とを備え、
   前記タッチ判定回路は、前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する、
   タッチ検出回路。
2. 請求項１において、
   前記タッチ検出回路は、前記応答信号ベクトルと前記差分ベクトルのうちのいずれかを、前記タッチ判定回路に供給するためのデマルチプレクサをさらに備える、
   タッチ検出回路。
3. 請求項１において、
   前記タッチ検出回路は、前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出するための第１絶対値算出回路と、前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出するための第２絶対値算出回路と、前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定回路に供給するためのデマルチプレクサをさらに備える、
   タッチ検出回路。
4. 請求項１において、
   前記タッチ判定回路は、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近したものと判定する、
   タッチ検出回路。
5. 請求項４において、
   タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される、
   タッチ検出回路。
6. 請求項１において、
   前記タッチ検出回路は、前記検出信号を供給する検出信号駆動回路をさらに備え、
   前記検出信号の基本周波数は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数よりも高い、
   タッチ検出回路。
7. 請求項１において、
   前記変換回路と同一の半導体基板上に形成される、
   タッチ検出回路。
8. 請求項７において、
   前記タッチ判定回路が、前記半導体基板上にさらに形成される、
   タッチ検出回路。
9. 印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号に基づいて、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するために、プロセッサで実行される、タッチ検出プログラムであって、
   前記応答信号を周波数ドメインに変換することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトルが入力される入力ステップと、
   前記応答信号ベクトルと基準ベクトルとの間の減算を行って差分ベクトルを算出する差分ベクトル算出ステップと、
   前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ判定ステップと、を備える、
   タッチ検出プログラム。
10. 請求項９において、
    前記タッチ判定ステップは、前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するステップを実行可能とされ、前記差分ベクトルまたは前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する、
    タッチ検出プログラム。
11. 請求項９において、前記タッチ検出プログラムは、
    前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出する第１絶対値算出ステップと、
    前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出する第２絶対値算出ステップと、
    前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定ステップに供給するための選択ステップとをさらに備え、
    前記タッチ判定ステップは、前記応答信号スカラ値または前記差分信号スカラ値に基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知する、
    タッチ検出プログラム。
12. 請求項９において、
    前記タッチ判定ステップは、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近ものと検知する、
    タッチ検出プログラム。
13. 請求項１２において、
    タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される、
    タッチ検出プログラム。
14. 請求項９において、
    前記検出信号の基本周波数は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数よりも高い、
    タッチ検出プログラム。
15. 印加される検出信号に応じてセンサ容量から得られる応答信号に基づいて、前記センサ容量への導電物体の接近を検知するために、信号処理回路またはプログラムが実行可能なプロセッサで実行される、タッチ検出方法であって、
    前記応答信号を周波数ドメインに変換することにより、前記応答信号の前記検出信号の周波数における応答信号ベクトルを算出するフーリエ変換ステップと、
    前記応答信号ベクトルと基準ベクトルとの間の減算を行って差分ベクトルを算出する差分ベクトル算出ステップと、
    前記差分ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するタッチ判定ステップと、を備える、
    タッチ検出方法。
16. 請求項１５において、
    前記タッチ判定ステップは、前記応答信号ベクトルに基づいて前記センサ容量への導電物体の接近を検知するステップをさらに含む、
    タッチ検出方法。
17. 請求項１５において、前記タッチ検出方法は、
    前記応答信号ベクトルの絶対値に対応する応答信号スカラ値を算出する第１絶対値算出ステップと、
    前記差分ベクトルの絶対値に対応する差分信号スカラ値を算出する第２絶対値算出ステップと、
    前記応答信号スカラ値と前記差分信号スカラ値のうちのいずれかを、前記タッチ判定ステップに供給するための選択ステップとをさらに備える、
    タッチ検出方法。
18. 請求項１５において、前記タッチ検出方法は、
    前記タッチ判定ステップは、２次元の周波数ドメインにおける基準領域とタッチ判定領域とをそれぞれ示す基準領域データとタッチ判定領域データとを保持し、前記基準領域を始点としたときの前記差分ベクトルの終点が前記タッチ判定領域内にあるときに、前記センサ容量へ導電物体が接近したものと判定する、
    タッチ検出方法。
19. 請求項１８において、
    前記タッチ判定領域は、前記基準領域を中心とする円の径と中心角のそれぞれの範囲で規定される、
    タッチ検出方法。
20. 請求項１５において、
    前記検出信号の基本周波数は、前記センサ容量の充放電時定数の３倍の逆数よりも高い、
    タッチ検出方法。

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