JP2019211898A - タッチ検出回路、入力装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ検出回路の回路面積および／または消費電力を削減する。【解決手段】第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２にはそれぞれ、第１電極１３２、第２電極１３４が接続される。容量検出回路２１０は第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を変化させ、第１端子Ｐ１に生ずる電荷の移動にもとづいて第１電極１３２の静電容量Ｃｓを検出する。キャンセル回路２４０は、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１に追従させる。バッファ２４２は、その入力に第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を受け、その出力が第２端子Ｐ２と接続される。駆動補助回路２４４は、その出力が第２端子Ｐ２と接続され、バッファ２４２より高い駆動能力を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量の検出回路に関する。

近年のコンピュータやスマートホン、タブレット端末、ポータブルオーディオ機器などの電子機器には、ユーザインタフェースとして、タッチ式の入力装置が搭載される。タッチ式の入力装置としては、タッチパッド、ポインティングデバイスなどが知られており、指やスタイラスを接触あるいは近接することにより様々な入力が可能となっている。

タッチ式入力装置は大きく、抵抗膜方式と静電容量方式に分類される。静電容量方式は、ユーザ入力に応じて、複数のセンサ電極が形成する静電容量（以下、単に容量ともいう）の変化を電気信号に変換することにより、ユーザ入力の有無、座標を検出する。

静電容量検出方法は大きく、自己容量（Self Capacitance）方式と、相互容量(Mutual Capacitance)方式に分けられる。自己容量方式は非常に高感度であり、タッチのみでなく指の近接を検出可能であるが、水滴の付着をタッチと区別できず、また２点タッチを検出できないという問題がある。一方、相互容量方式は、２点タッチ（あるいはそれ以上のマルチタッチ）を検出可能であり、水滴の影響を受けにくいという利点がある。したがって、用途によって、自己容量方式と相互容量方式が選択され、あるいは両方式が併用される。

図１は、自己容量方式のタッチ式入力装置１００Ｒのブロック図である。タッチ式入力装置１００Ｒは、タッチパネル（またはタッチスイッチ）１１０とタッチ検出回路２００Ｒを備える。タッチパネル１１０は、センス電極１１２およびシールド１１４を備える。シールド１１４は接地され、センス電極１１２はタッチ検出回路２００Ｒのセンス（ＳＮＳ）端子と接続される。ユーザの指あるいはスタイラスがセンス電極１１２に近接あるいは接触すると、センス電極１１２が形成する静電容量Ｃｓが増加する。タッチ検出回路２００Ｒは、静電容量Ｃｓの変化にもとづいて、タッチの有無や座標を検出する。

タッチ検出回路２００Ｒは、容量検出回路２１０およびＡ／Ｄコンバータ２３０を備える。容量検出回路２１０は、ＳＮＳ端子の電圧を変化させ、静電容量Ｃｓを充電あるいは放電する。このときＳＮＳ端子の電圧変化に応じて、電荷の移動が発生する。容量検出回路２１０は、移動した電荷量に応じた検出信号Ｖ_Ｓを生成する。Ａ／Ｄコンバータ２３０は、検出信号ＶＳをデジタル値に変換する。デジタル値は図示しないマイコンなどのプロセッサに入力され、タッチの有無や座標の判定に利用される。

センス電極１１２とシールド１１４の間には、寄生容量Ｃｐが存在する。タッチ検出回路２００Ｒが測定する静電容量は、静電容量Ｃｓと寄生容量Ｃｐの合成容量である。寄生容量Ｃｐは、タッチ検出回路２００Ｒにおいて測定可能な静電容量Ｃｓのダイナミックレンジを狭めるため、寄生容量Ｃｐの影響を低減することが要求される。シールド１１４の面積を小さくすれば、寄生容量Ｃｐを減らすことができるが、シールド１１４は、タッチパネル１１０の下部に位置する電子回路からのノイズを遮蔽する機能を有するため、完全に取り除くことは難しい。

図２は、自己容量方式のタッチ式入力装置１００Ｓのブロック図である。タッチ検出回路２００Ｓは、シールド１１４と接続される端子ＳＬＤをさらに備え、ＳＬＤ端子の電位を、ＳＮＳ端子の電位と連動させる。具体的にはバッファ２２０は、その入力にＳＮＳ端子の電位を受け、その出力に、ＳＮＳ端子の電位を発生させる。これにより、センス電極１１２とシールド１１４の間の電位差が一定に保たれるため、寄生容量Ｃｐからの電荷の移動は発生しない。したがって寄生容量Ｃｐの影響をキャンセルすることができ、タッチに起因する静電容量Ｃｓのみを検出することが可能となる。

特開２００１−３２５８５８号公報 特開２０１２−１８２７８１号公報

本発明者は、図２のタッチ式入力装置１００Ｓについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。容量検出回路２１０はパルス制御信号にもとづいてＳＮＳ端子の電位を急峻に変化させる。したがってバッファ２２０には、非常に高いスルーレートが要求されることとなり、回路面積が大きく、また消費電力も大きくなる。

本発明は係る課題に鑑み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、回路面積および／または消費電力が削減されたタッチ検出回路の提供にある。

本発明のある態様は自己容量方式のタッチ検出回路に関する。タッチ検出回路は、第１電極と接続される第１端子と、第２電極と接続される第２端子と、第１端子の電圧を変化させ、第１端子に生ずる電荷の移動にもとづいて第１電極の静電容量を検出する容量検出回路と、第２端子の電圧を、第１端子の電圧に追従させるキャンセル回路と、を備える。キャンセル回路は、その入力に第１端子の電圧を受け、その出力が第２端子と接続されるバッファと、その出力が第２端子と接続され、バッファより高い駆動能力を有する駆動補助回路と、を備える。

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。

本発明に係るタッチ検出回路は、回路面積および／または消費電力を削減できる。

自己容量方式のタッチ式入力装置のブロック図である。 自己容量方式のタッチ式入力装置のブロック図である。 実施の形態に係るタッチ検出回路を備えるタッチ式入力装置のブロック図である。 第１実施例に係るタッチ検出回路の具体的な回路図である。 図４の容量検出回路の動作波形図である。 タッチ検出回路の動作波形図である。 第１変形例に係るタッチ検出回路の動作波形図である。 第２変形例に係るタッチ検出回路の回路図である。 図８のタッチ検出回路の動作波形図である。 第３変形例に係るタッチ検出回路の回路図である。 第４変形例に係るタッチ検出回路の回路図である。 第２実施例に係るタッチ検出回路の回路図である。 図１２の容量検出回路の動作波形図である。 図１２のタッチ検出回路の動作波形図である。 第３実施例に係るタッチ検出回路の回路図である。 入力装置を備える電子機器のブロック図である。

（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、自己容量方式のタッチ検出回路に関する。タッチ検出回路は、第１電極と接続される第１端子と、第２電極と接続される第２端子と、第１端子の電圧を変化させ、第１端子に生ずる電荷の移動にもとづいて第１電極の静電容量を検出する容量検出回路と、第２端子の電圧を、第１端子の電圧に追従させるキャンセル回路と、を備える。キャンセル回路は、その入力に第１端子の電圧を受け、その出力が第２端子と接続されるバッファと、その出力が第２端子と接続され、バッファより高い駆動能力を有する駆動補助回路と、を備える。

駆動補助回路によって、バッファによる第２電極の駆動を補助することにより、バッファの負荷が軽減される。したがってバッファの回路面積を小さくでき、および／または消費電力を削減できる。

駆動補助回路は、第２端子と電源ラインの間に設けられる第１スイッチを含んでもよい。第１スイッチをオンすることで、第２端子の電圧を瞬時に電源電圧まで上昇させることができる。

駆動補助回路は、第２端子と接地ラインの間に設けられる第２スイッチを含んでもよい。第２スイッチをオンすることで、第２端子の電圧を瞬時に接地電圧まで低下させることができる。

キャンセル回路は、バッファの出力と第２端子の間に設けられ、駆動補助回路がオンであるときにオフとなる第３スイッチをさらに備えてもよい。第２端子が駆動補助回路によって駆動されている間は、バッファの出力を第２端子から切り離すことができる。

キャンセル回路は、駆動補助回路がオフであるときに、バッファの入力にバイアス電圧を供給するバイアス回路をさらに備えてもよい。これにより、バッファの出力電圧の変動範囲を狭めることができる。

バイアス回路は、バッファの入力と第１端子の間に設けられ、駆動補助回路がオフであるときにオンとなる第４スイッチと、バイアス電圧を生成する電圧源と、バッファの入力と電圧源の間に設けられる第５スイッチと、を含んでもよい。

バイアス回路は、第１端子の電圧をバイアス電圧としてサンプルホールドするサンプルホールド回路を含んでもよい。

駆動補助回路は、第２端子と電源ラインの間に設けられる第１スイッチと、第２端子と接地ラインの間に設けられる第２スイッチと、を含み、第１スイッチと第２スイッチのいずれか一方がオンであるオン状態から、両方がオフであるオフ状態に遷移するときに、第１スイッチと第２スイッチが同時にオンである状態を経由してもよい。これにより、第２端子に、電源電圧に第１スイッチと第２スイッチそれぞれのオン抵抗で決まる分圧比を乗じた電圧を印加することができる。

タッチ検出回路は、第１端子と第２端子を入れ替えて、第２電極の静電容量を検出可能に構成されてもよい。

容量検出回路は、基準容量を含み、（i）駆動期間において、第１端子と基準容量を切り離した状態で、第１端子に電源電圧と接地電圧の一方を印加し、基準容量に電源電圧と接地電圧の他方を印加し（ii）センス期間において、第１端子と基準容量を接続し、安定化後の基準容量に発生する電圧に応じた検出電圧を出力する。

容量検出回路は、第１端子と接地ラインの間に設けられるリセットスイッチと、入力が第１端子と接続されるカレントミラー回路と、カレントミラー回路の出力に流れる電流を積分した検出電圧を出力する積分器と、を含んでもよい。

（実施の形態）
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や、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。

図３は、実施の形態に係るタッチ検出回路２００を備えるタッチ式入力装置１００のブロック図である。タッチ式入力装置１００は、タッチパネル１３０およびタッチ検出回路２００を備える。タッチパネル１３０は、第１電極１３２と第２電極１３４を含む。第２電極１３４は、第１電極１３２とオーバーラップして設けられるシールドであってもよいし、第１電極１３２と同一平面に設けられてもよい。

タッチ検出回路２００は、第１電極１３２が指（あるいはスタイラス）との間に形成する静電容量Ｃｓを検出する。タッチ検出回路２００は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２を有する。第１端子Ｐ１は、センス電極１３２と接続され、第２端子Ｐ２は、第２電極１３４と接続される。

タッチ検出回路２００は、容量検出回路２１０、Ａ／Ｄコンバータ２３０、キャンセル回路２４０を備え、ひとつの半導体基板（ダイ）に集積化されたＩＣ（Integrated Circuit）である。容量検出回路２１０は、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を変化させ、第１端子Ｐ１に生ずる電荷の移動にもとづいて第１電極１３２の静電容量Ｃｓを検出する。

キャンセル回路２４０は、第２端子Ｐ２の電圧を、第１端子Ｐ１の電圧に追従させる。
キャンセル回路２４０は、主としてバッファ２４２、駆動補助回路２４４を備える。バッファ２４２は、その入力に第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を受け、その出力が第２端子Ｐ２と接続される。

駆動補助回路２４４は、バッファより高い駆動能力を有し、言い換えればバッファより低い出力インピーダンスを有し、その出力が第２端子Ｐ２と接続される。駆動補助回路２４４は、容量検出回路２１０が第１端子Ｐ１に発生させる電圧Ｖ１に応じた電圧変化を、第２端子Ｐ２に発生させるように構成される。すなわち駆動補助回路２４４は、容量検出回路２１０の回路構成や検出方式に応じて設計すればよい。この点は後述するいくつかの実施例に関する説明から明らかになる。

第３スイッチＳＷ１３は、バッファ２４２の出力と第２端子Ｐ２の間に設けられ、駆動補助回路２４４がオフ（ディセーブル、すなわち出力がハイインピーダンス）であるときにオンとなる。

コントローラ２５０は、容量検出回路２１０、Ａ／Ｄコンバータ２３０、およびキャンセル回路２４０を同期制御する。

図３のタッチ検出回路２００によれば、第２端子Ｐ２に接続される第２電極１３４は、バッファ２４２と駆動補助回路２４４によって駆動される。駆動補助回路２４４の駆動能力はバッファ２４２のそれより高いため、バッファ２４２単体の場合に比べて、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を高速に遷移させることが可能となる。言い換えれば、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を同じスルーレートで変化させるために必要はバッファ２４２の駆動能力を下げることができ、バッファ２４２の回路面積を削減し、あるいは消費電力を低減できる。

本発明は、図３のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

＜第１実施例＞

図４は、第１実施例に係るタッチ検出回路２００Ａの具体的な回路図である。容量検出回路２１０Ａは、複数のスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２６、オペアンプ２１２、基準容量Ｃｒｅｆ、帰還容量Ｃｆｂを含む。基準容量Ｃｒｅｆは一端が接地される。基準容量Ｃｒｅｆの他端は電荷転送スイッチＳＷ２５を介して第１端子Ｐ１と接続され、増幅用スイッチＳＷ２６を介してオペアンプ２１２の反転入力端子（−）と接続される。

スイッチＳＷ２５、ＳＷ２６、基準容量Ｃｒｅｆ、帰還容量Ｃｆｂおよびオペアンプ２１２は、スイッチドキャパシタを用いた積分器２１８を形成する。オペアンプ２１２の非反転入力端子（＋）には基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、オペアンプ２１２の出力と反転入力端子の間には帰還容量Ｃｆｂが設けられる。

上側スイッチＳＷ２１と下側スイッチＳＷ２２のペアは、第１駆動部２１４を形成しており、第１端子Ｐ１の電圧を、電源電圧Ｖｄｄと接地電圧０Ｖの２値で変化させる。

上側スイッチＳＷ２３と下側スイッチＳＷ２４のペアは、第２駆動部２１６を形成しており、基準容量Ｃｒｅｆの電圧Ｖｉを、電源電圧Ｖｄｄと接地電圧０Ｖの２値で変化させる。

スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２６はコントローラ２５０によって制御される。Ｖｒｅｆ＝Ｖｄｄ／２とすることが好ましい。帰還容量Ｃｆｂと並列に、図示しない初期化スイッチを設けてもよい。

容量検出回路２１０は、（i）駆動期間において、電荷転送スイッチＳＷ２５をオフし、第１端子Ｐ１と基準容量Ｃｒｅｆを切り離した状態で、第１端子Ｐ１に電源電圧Ｖｄｄと接地電圧０Ｖの一方を印加し、基準容量Ｃｒｅｆに電源電圧Ｖｄｄと接地電圧０Ｖの他方を印加する。

容量検出回路２１０は続くセンス期間において、電荷転送スイッチＳＷ２５のみがオンとなり、第１端子Ｐ１と基準容量Ｃｒｅｆが接続される。その結果、静電容量Ｃｓと基準容量Ｃｒｅｆの間で電荷の移動が発生する。直前の駆動期間において第１端子Ｐ１に電源電圧Ｖｄｄを、基準容量Ｃｒｅｆに接地電圧０Ｖを印加したとすると、電荷保存の法則から、以下の式が成り立つ。
Ｃｓ×Ｖｄｄ＝Ｖｉ×（Ｃｓ＋Ｃｒｅｆ） …（１）
Ｖｉ＝Ｖｄｄ×Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｒｅｆ） …（２）
Ｖｉは、電荷移動完了後の基準容量Ｃｒｅｆの電圧を表す。もしＣｓ＝Ｃｒｅｆであれば、Ｖｉ＝Ｖｄｄ／２となる。

続く増幅期間において、増幅用スイッチＳＷ２６がオンされる。その結果、オペアンプ２１２の反転入力端子の電圧がＶｒｅｆとなるように帰還容量Ｃｆｂが充電され、以下の検出電圧Ｖｓが得られる。
Ｖｓ＝Ｖｒｅｆ−Ｃｒｅｆ／Ｃｆｂ×（Ｖｉ−Ｖｒｅｆ） …（３）

式（２）および（３）から、検出電圧Ｖｓは、静電容量Ｃｓに依存することが分かる。

図４に戻る。キャンセル回路２４０Ａの駆動補助回路２４４は、第１スイッチＳＷ１１および第２スイッチＳＷ１２を含む。第１スイッチＳＷ１１は、第２端子Ｐ２と電源ラインの間に設けられ、第２スイッチＳＷ１２は、第２端子Ｐ２と接地ラインの間に設けられる。第１スイッチＳＷ１１は第１駆動部２１４の上側スイッチＳＷ２１と連動してオンとなり、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を、電源電圧Ｖｄｄにプルアップする。また第２スイッチＳＷ１２は第１駆動部２１４の下側スイッチＳＷ２２と連動してオンとなり、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を接地電圧０Ｖにプルダウンする。

図５は、図４の容量検出回路２１０Ａの動作波形図である。駆動期間Ｔ１において、上側スイッチＳＷ２１，下側スイッチＳＷ２４がオンとなり、第１端子Ｐ１に電源電圧Ｖｄｄが印加され、基準容量Ｃｒｅｆに接地電圧０Ｖが印加される。続く転送期間Ｔ２において、電荷転送スイッチＳＷ２５がオンとなり、静電容量Ｃｓと基準容量Ｃｒｅｆの電荷が平均化される。基準容量Ｃｒｅｆの電圧Ｖｉは、以下の式で表される。
Ｖｉ＝Ｖｄｄ×Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｒｅｆ）

続く増幅期間Ｔ３において、電荷転送スイッチＳＷ２５がオフとなり、電圧Ｖｉがホールドされる。増幅スイッチＳＷ２６がオンとなることで、検出電圧Ｖｓが生成される。

続く駆動期間Ｔ４において、下側スイッチＳＷ２２，上側スイッチＳＷ２４がオンとなり、第１端子Ｐ１に接地電圧０Ｖが印加され、基準容量Ｃｒｅｆに電源電圧Ｖｄｄが印加される。続く転送期間Ｔ５において、電荷転送スイッチＳＷ２５がオンとなり、静電容量Ｃｓと基準容量Ｃｒｅｆの電荷が平均化される。
Ｖｉ＝Ｖｄｄ×Ｃｒｅｆ／（Ｃｓ＋Ｃｒｅｆ）

続く増幅期間Ｔ６において、電荷転送スイッチＳＷ２５がオフとなり、電圧Ｖｉがホールドされる。増幅スイッチＳＷ２６がオンとなることで、検出電圧Ｖｓが生成される。

図６は、タッチ検出回路２００の動作波形図である。駆動期間Ｔ１において、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１は、電源電圧Ｖｄｄに上昇する。これにあわせて、第１スイッチＳＷ１１がオンすることで、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１に追従して電源電圧Ｖｄｄに上昇する。

転送期間Ｔ２および増幅期間Ｔ３の間は、第３スイッチＳＷ１３がオンとなり、第２端子Ｐ２はバッファ２４２の出力と接続される。その結果、バッファ２４２によって、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１と等しくされる。

駆動期間Ｔ４において、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１は、接地電圧０Ｖに低下する。これにあわせて、第２スイッチＳＷ１２がオンすることで、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１に追従して接地電圧０Ｖに低下する。

転送期間Ｔ５および増幅期間Ｔ６の間は、第３スイッチＳＷ１３がオンとなり、第２端子Ｐ２はバッファ２４２の出力と接続される。その結果、バッファ２４２によって、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１と等しくされる。

以上がタッチ検出回路２００Ａの動作である。このタッチ検出回路２００Ａによれば、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を、高速に第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１に追従させることができ、第１電極１３２と第２電極１３４の間の寄生容量Ｃｐの影響をキャンセルできる。

駆動期間Ｔ１の開始タイミングにおいて、バッファ２４２の代わりに、駆動補助回路２４４によって、電圧Ｖ２を急峻に上昇させることができる。また駆動期間Ｔ４の開始タイミングにおいて、バッファ２４２の代わりに駆動補助回路２４４によって、電圧Ｖ２を急峻に低下させることができる。これにより、バッファ２４２に要求される駆動能力は、図２のバッファ２２０の駆動能力より低くすることができる。

続いて第１実施例に関連する変形例を説明する。なおここに示すいくつかの変形例は、後述の第２実施例にも適用可能である。

（第１変形例）
図７は、第１変形例に係るタッチ検出回路２００の動作波形図である。この変形例において、駆動期間Ｔ１から転送期間Ｔ２に遷移した直後、第１スイッチＳＷ１１と第２スイッチＳＷ１２の同時オン期間が設けられる。第１スイッチＳＷ１１と第２スイッチＳＷ１２のオン抵抗が等しいとき、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、駆動補助回路２４４によってＶｄｄと０Ｖの中点電圧（すなわち基準電圧Ｖｒｅｆ）まで瞬時に低下する。そして第１スイッチＳＷ１１、第２スイッチＳＷ１２が両方オフとなると、バッファ２４２によって、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１と等しくされる。

同様に、駆動期間Ｔ４から転送期間Ｔ５に遷移した直後にも、第１スイッチＳＷ１１と第２スイッチＳＷ１２の同時オン期間が設けられる。これにより、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、駆動補助回路２４４によってＶｄｄと０Ｖの中点電圧（すなわち基準電圧Ｖｒｅｆ）まで瞬時に上昇する。そして第１スイッチＳＷ１１、第２スイッチＳＷ１２が両方オフとなると、バッファ２４２によって、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２は、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１と等しくされる。

この変形例によれば、駆動期間Ｔ１の終了タイミングにおいても、バッファ２４２ではなく駆動補助回路２４４によって、電圧Ｖ２を急峻に低下させることができる。また駆動期間Ｔ４の終了タイミングにおいても、バッファ２４２ではなく駆動補助回路２４４によって、電圧Ｖ２を急峻に上昇させることができる。これにより、バッファ２４２に要求される駆動能力をさらに低くすることができ、回路面積、消費電力を削減できる。

（第２変形例）
図８は、第２変形例に係るタッチ検出回路２００Ｂの回路図である。キャンセル回路２４０Ｂは、図４のキャンセル回路２４０Ａに加えて、バイアス回路２４６を備える。バイアス回路２４６は、駆動補助回路２４４のオフ状態（非アクティブ状態、すなわちＳＷ１１，ＳＷ１２が両方オフ）であるときに、バッファ２４２の入力にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを供給する。バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、基準電圧Ｖｒｅｆと等しいか、またはその近傍に設定することが望ましい。

バイアス回路２４６は、第４スイッチＳＷ１４、第５スイッチＳＷ１５、電圧源２４８を含む。たとえばＶｂｉａｓ＝Ｖｄｄ／２とするとき、電圧源２４８は、電源電圧Ｖｄｄを分圧比１／２で分圧する抵抗分圧回路で構成してもよい。第４スイッチＳＷ１４は、バッファ２４２の入力と第１端子Ｐ１の間に設けられる。また第５スイッチＳＷ１５は、バッファ２４２の入力と電圧源２４８の間に設けられる。

図９は、図８のタッチ検出回路２００Ｂの動作波形図である。図９には、バッファ２４２の出力電圧Ｖ３が示される。駆動期間Ｔ１、Ｔ４において、第４スイッチＳＷ１４がオフ、第５スイッチＳＷ１５がオンとなる。その結果、バッファ２４２の出力電圧Ｖ３は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓに維持される。転送期間Ｔ２、Ｔ５、増幅期間Ｔ３、Ｔ６において、第４スイッチＳＷ１４がオン、第５スイッチＳＷ１５がオフとなり、バッファ２４２の出力電圧Ｖ３は、電圧Ｖ１と等しくなる。

このように、第２変形例によれば、バッファ２４２の出力電圧Ｖ３の変動範囲を狭めることができる。これにより、バッファ２４２の駆動能力を下げることができ、回路面積、消費電力を一層削減できる。

（第３変形例）
図１０は、第３変形例に係るタッチ検出回路２００Ｃの回路図である。キャンセル回路２４０Ｃのバイアス回路２４６Ｃは、サンプルホールド回路２４７を含む。サンプルホールド回路２４７は、転送期間Ｔ２（Ｔ５）、増幅期間Ｔ３（Ｔ６）における第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１をサンプリングし、ホールドする。バイアス回路２４６Ｃは、駆動期間Ｔ１，Ｔ４の間、ホールドした電圧をバイアス電圧Ｖｂｉａｓとして出力し、転送期間Ｔ２（Ｔ５）、増幅期間Ｔ３（Ｔ６）の間、第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を出力する。

（第４変形例）
図１１は、第４変形例に係るタッチ検出回路２００Ｄの回路図である。この変形例において第１電極１３２および第２電極１３４は同一平面に隣接して配置され、第１電極１３２とユーザの指の間には第１静電容量Ｃｓ１が形成され、第２電極１３４とユーザの指の間には第２静電容量Ｃｓ２が形成される。タッチ検出回路２００Ｄは、静電容量Ｃｓ１と静電容量Ｃｓ２を時分割で検出可能である。具体的には、第１端子Ｐ１に容量検出回路２１０（一部あるいは全部）が接続され、第２端子Ｐ２にキャンセル回路２４０（一部あるいは全部）が接続される第１状態φ１と、第２端子Ｐ２に容量検出回路２１０が接続され、第１端子Ｐ１にキャンセル回路２４０が接続される第２状態φ２と、が切りかえ可能に構成される。

タッチ検出回路２００Ｄは、経路切りかえ回路２６０、マルチプレクサＭＵＸ１をさらに備える。経路切りかえ回路２６０は、第１状態において、第２駆動部２１６および積分器２１８を含むセンシング部２１９の入力ノードを第１端子Ｐ１と接続し、バッファ２４２の出力ノードを第２端子Ｐ２と接続する。また経路切りかえ回路２６０は、第２状態において、センシング部２１９の入力ノードを第２端子Ｐ２と接続し、バッファ２４２の出力ノードを第１端子Ｐ１と接続する。経路切りかえ回路２６０は、複数のスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３４を備える。

マルチプレクサＭＵＸ１は、第１状態φ１において、バッファ２４２に第１端子Ｐ１の電圧Ｖ１を入力し、第２状態φ２において、バッファ２４２に第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を入力する。

図１１のタッチ検出回路２００Ｄにおいて、第１駆動部２１４と駆動補助回路２４４の一方を省略することも可能である。また経路切りかえ回路２６０を、第１駆動部２１４および駆動補助回路２４４よりも、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２側に設けてもよい。

（第５変形例）
第３スイッチＳＷ１３は省略してもよい。この場合、駆動期間において、第２端子Ｐ２は、バッファ２４２と駆動補助回路２４４の両方によって駆動されることとなるが、バッファ２４２の影響は無視できる。

＜第２実施例＞
図１２は、第２実施例に係るタッチ検出回路２００Ｅの回路図である。容量検出回路２７０の回路形式が図４の容量検出回路２１０Ａと異なっている。容量検出回路２７０は、リセットスイッチＳＷ４１、カレントミラー回路２７４、積分器２７６を備える。

リセットスイッチＳＷ４１は、第１端子Ｐ１と接地ラインの間に設けられる。カレントミラー回路２７４は、入力側のトランジスタＭ４１が第１端子Ｐ１と接続される。カレントミラー回路２７４は、センススイッチＳＷ４２を含んでもよい。積分器２７６は、カレントミラー回路２７４の出力側のトランジスタＭ４２に流れる電流Ｉｓを積分した検出電圧Ｖｓを出力する。

図１３は、図１２の容量検出回路２７０の動作波形図である。リセット区間Ｔ１１においてリセットスイッチＳＷ４１がオンし、第１端子Ｐ１に０Ｖが印加され、静電容量Ｃｓが放電される。続いて、センス区間Ｔ１２においてセンススイッチＳＷ４２がオンすると、カレントミラー回路２７４の入力側のトランジスタに充電電流Ｉ_ＣＨＧが流れ始め、静電容量Ｃｓが充電電流Ｉ_ＣＨＧによって充電される。そして電圧Ｖ１が電源電圧Ｖｄｄ近傍まで上昇すると、カレントミラー回路２７４の入力側のトランジスタＭ１がカットオフし、充電が停止する。電圧Ｖ１の変化幅ΔＶは、電源電圧Ｖｄｄとほぼ等しく、このときに静電容量Ｃｓに流れ込む総電荷Ｑは、
Ｑ＝Ｃｓ×ΔＶ＝Ｃｓ×Ｖｄｄ
となる。

充電電流Ｉ_ＣＨＧはカレントミラー回路２７４によってコピーされ、コピーされた電流Ｉｓが積分器２７６によって積算される。出力電圧Ｖｓには、電荷量Ｑに比例した、言い換えれば静電容量Ｃｓに比例した電圧変化が発生する。

図１２に戻る。キャンセル回路２４０Ｅは、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２を、図１３に示す電圧Ｖ１に追従して変化させる。リセットスイッチＳＷ４１がターンオンしたときに、電圧Ｖ１が急峻に変化する。この急峻な変化を、駆動補助回路２４４Ｅによって発生させ、センススイッチＳＷ４２がオンした後の電圧Ｖ１の緩やかな変化を、バッファ２４２によって発生させるとよい。この場合、駆動補助回路２４４Ｅは、第２端子Ｐ２と接地の間に設けられた第２スイッチＳＷ１２を含むことができる。

図１４は、図１２のタッチ検出回路２００Ｅの動作波形図である。リセット区間Ｔ１１においてリセットスイッチＳＷ４１がオンとなり、第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２が０Ｖにプルダウンされる。センス区間Ｔ１２に移行すると、第３スイッチＳＷ１３がオンとなり、バッファ２４２により第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２が、電圧Ｖ１と等しくなるように駆動される。

以上がタッチ検出回路２００Ｅの動作である。このタッチ検出回路２００Ｅによっても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

続いて第２実施例に関連する変形例を説明する。図１２のタッチ検出回路２００Ｅにおいて、バッファ２４２の入力側に、バイアス回路２４６を追加することができる。

＜第３実施例＞
図１５は、第３実施例に係るタッチ検出回路２００Ｆの回路図である。タッチ検出回路２００Ｆのキャンセル回路２４０Ｆは、バッファ２４２を有さず、駆動補助回路２４４Ｅが、上側の第１スイッチＳＷ１１を備える。第１スイッチＳＷ１１のオン抵抗は、下側の第２スイッチＳＷ１２のオン抵抗より大きく設計される。第１スイッチＳＷ１１はセンス区間Ｔ１２においてオンされる。第１スイッチＳＷ１１のオン抵抗は、オンしたときの第２端子Ｐ２の電圧Ｖ２の時定数が、電圧Ｖ１の時定数に近くなるように定められる。

第３実施例によれば、バッファ２４２を省略できるため、回路面積をさらに小さくでき、また消費電力をさらに低減できる。

続いて第３実施例に関連する変形例を説明する。第１スイッチＳＷ１１のオン抵抗を最適化する代わりに、第２端子Ｐ２と電源ラインの間に、第１スイッチＳＷ１１と直列に抵抗を設け、抵抗によって時定数を最適化してもよい。

図１６は、入力装置１００を備える電子機器１のブロック図である。電子機器１は、携帯電話端末、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、デジタルスチルカメラ、ポータブル音楽プレイヤ−、リモコンなど、が例示される。

電子機器１は、入力装置２に加えて、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）６およびＬＣＤ（Liquid Crystal Display）７を備える。入力装置２は、タッチパネル３および制御ＩＣ４を備える。タッチパネル３は、上述のタッチパネル１３０に対応し、規則的に配置された複数のセンサ電極Ｃｓ_１〜Ｃｓ_ｎを含む。複数のセンサ電極Ｃｓ_１〜Ｃｓ_Ｎは、実質的にマトリクス状に配置される。制御ＩＣ４は、複数のタッチ検出回路２００を備える。各タッチ検出回路２００は、複数のセンサ電極Ｃｓ_１〜Ｃｓ_Ｎの対応するひとつと接続され、その容量値を検出し、容量値を示すデータをＤＳＰ６に出力する。

電子機器１のユーザの指５あるいはペン（スタイラス）がタッチパネル３に接触し、あるいは近接すると、接触した座標のセンサ電極Ｃｓの容量値が変化する。ＤＳＰ６は、複数のセンサ電極Ｃｓの容量変化にもとづき、ユーザが接触した座標を検出する。たとえばタッチパネル３は、ＬＣＤ７の表面に設けられてもよいし、別の箇所に設けられてもよい。

実施の形態においては、タッチ検出回路２００を静電容量の変化を利用した入力装置に適用した場合について説明したが、タッチ検出回路２００の用途はこれに限定されるものではない。たとえば、キャパシタ型マイクロフォンなど、ダイアフラム電極とバックプレート電極によってキャパシタが形成され、音圧によりキャパシタの静電容量が変化するようなマイクロフォンに適用することができる。

実施の形態においては、タッチ検出回路２００はひとつの半導体集積回路上に一体集積化される場合について説明したがこれには限定されず、各回路ブロックをチップ部品やディスクリート素子を用いて構成してもよい。いずれのブロックを集積するかは、採用する半導体製造プロセスや要求されるコスト、特性などに応じて決定すればよい。

１００ タッチ式入力装置
Ｐ１ 第１端子
Ｐ２ 第２端子
１３０ タッチパネル
１３２ 第１電極
１３４ 第２電極
２００ タッチ検出回路
２１０ 容量検出回路
２１２ オペアンプ
２１４ 第１駆動部
２１６ 第２駆動部
２１８ 積分器
２１９ センシング部
２３０ Ａ／Ｄコンバータ
２４０ キャンセル回路
２４２ バッファ
２４４ 駆動補助回路
２４６ バイアス回路
２５０ コントローラ
ＳＷ１１ 第１スイッチ
ＳＷ１２ 第２スイッチ
ＳＷ１３ 第３スイッチ
ＳＷ１４ 第４スイッチ
ＳＷ１５ 第５スイッチ
２６０ 経路切りかえ回路
２７０ 容量検出回路
ＳＷ４１ リセットスイッチ
ＳＷ４２ センススイッチ
２７４ カレントミラー回路
２７６ 積分器
Ｃｒｅｆ 基準容量
Ｃｆｂ 帰還容量
Ｃｓ 静電容量

Claims (17)

1. 自己容量方式のタッチ検出回路であって、
   第１電極と接続される第１端子と、
   第２電極と接続される第２端子と、
   前記第１端子の電圧を変化させ、前記第１端子に生ずる電荷の移動にもとづいて前記第１電極の静電容量を検出する容量検出回路と、
   前記第２端子の電圧を、前記第１端子の電圧に追従させるキャンセル回路と、
   を備え、
   前記キャンセル回路は、
   その入力に前記第１端子の電圧を受け、その出力が前記第２端子と接続されるバッファと、
   その出力が前記第２端子と接続され、前記バッファより高い駆動能力を有する駆動補助回路と、
   を備えることを特徴とするタッチ検出回路。
2. 前記駆動補助回路は、前記第２端子と電源ラインの間に設けられる第１スイッチを含むことを特徴とする請求項１に記載のタッチ検出回路。
3. 前記駆動補助回路は、前記第２端子と接地ラインの間に設けられる第２スイッチを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のタッチ検出回路。
4. 前記キャンセル回路は、前記バッファの出力と前記第２端子の間に設けられ、前記駆動補助回路がオフであるときにオンとなる第３スイッチをさらに備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タッチ検出回路。
5. 前記キャンセル回路は、前記駆動補助回路がオフであるときに、前記バッファの入力にバイアス電圧を供給するバイアス回路をさらに備え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タッチ検出回路。
6. 前記バイアス回路は、
   前記バッファの入力と前記第１端子の間に設けられる第４スイッチと、
   前記バイアス電圧を生成する電圧源と、
   前記バッファの入力と前記電圧源の間に設けられる第５スイッチと、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載のタッチ検出回路。
7. 前記バイアス回路は、前記第１端子の電圧を前記バイアス電圧としてサンプルホールドするサンプルホールド回路を含むことを特徴とする請求項５に記載のタッチ検出回路。
8. 前記駆動補助回路は、
   前記第２端子と電源ラインの間に設けられる第１スイッチと、
   前記第２端子と接地ラインの間に設けられる第２スイッチと、
   を含み、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチのいずれか一方がオンであるオン状態から、両方がオフであるオフ状態に遷移するときに、前記第１スイッチと前記第２スイッチが同時にオンとなる状態を経由することを特徴とする請求項１に記載のタッチ検出回路。
9. 前記第１端子と前記第２端子を入れ替えて、前記第２電極の静電容量を検出可能に構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のタッチ検出回路。
10. 前記容量検出回路は、基準容量を含み、（i）駆動期間において、前記第１端子と前記基準容量を切り離した状態で、前記第１端子および前記基準容量に、電源電圧と接地電圧の一方を印加し、（ii）センス期間において、前記第１端子と前記基準容量を接続し、安定化後の前記基準容量に発生する電圧に応じた検出電圧を出力することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のタッチ検出回路。
11. 前記容量検出回路は、
    前記第１端子と接地ラインの間に設けられるリセットスイッチと、
    入力が前記第１端子と接続されるカレントミラー回路と、
    前記カレントミラー回路の出力に流れる電流を積分した検出電圧を出力する積分器と、
    を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のタッチ検出回路。
12. 自己容量方式のタッチ検出回路であって、
    第１電極と接続される第１端子と、
    第２電極と接続される第２端子と、
    基準容量と、
    駆動期間において、前記第１端子に電源電圧または接地電圧を印加する第１駆動部と、
    前記駆動期間において、前記基準容量に前記電源電圧または前記接地電圧を印加する第２駆動部と、
    前記基準容量と前記第１端子の間に設けられる電荷転送スイッチと、
    非反転入力端子に基準電圧を受けるオペアンプと、
    前記オペアンプの出力と反転入力端子の間に設けられる帰還容量と、
    前記オペアンプの反転入力端子と前記基準容量の間に設けられる増幅用スイッチと、
    その入力に前記第１端子の電圧を受け、その出力が前記第２端子と接続されるバッファと、
    前記第２電極と電源ラインの間に設けられる第１スイッチと、
    前記第２電極と接地ラインの間に設けられる第２スイッチと、
    を備えることを特徴とするタッチ検出回路。
13. 自己容量方式のタッチ検出回路であって、
    第１電極と接続される第１端子と、
    第２電極と接続される第２端子と、
    前記第１端子と接地ラインの間に設けられるリセットスイッチと、
    入力が前記第１端子と接続されるカレントミラー回路と、
    前記カレントミラー回路の出力に流れる電流を積分し、検出電圧を出力する電流積分器と、
    その入力に前記第１端子の電圧を受け、その出力が前記第２端子と接続されるバッファと、
    前記第２電極と接地ラインの間に設けられる第２スイッチと、
    を備えることを特徴とするタッチ検出回路。
14. 自己容量方式のタッチ検出回路であって、
    第１電極と接続される第１端子と、
    第２電極と接続される第２端子と、
    前記第１端子と接地ラインの間に設けられるリセットスイッチと、
    入力が前記第１端子と接続されるカレントミラー回路と、
    前記カレントミラー回路の出力に流れる電流を積分した検出電圧を出力する積分器と、
    前記第２電極と電源ラインの間に設けられる第１スイッチと、
    前記第２電極と接地ラインの間に設けられ、前記第１スイッチよりインピーダンスが低い第２スイッチと、
    を備えることを特徴とするタッチ検出回路。
15. ひとつの半導体集積回路上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のタッチ検出回路。
16. 複数のセンサ電極を含み、ユーザの接触した座標近傍のセンサ電極の静電容量が変化するタッチパネルと、
    請求項１から１５のいずれかに記載のタッチ検出回路と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
17. 請求項１６に記載の入力装置を備えることを特徴とする電子機器。

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