JP2020118999A - 静電容量式センサ装置、及び静電容量式センサ装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチパネルが大型化してもノイズを平均化し低減してＳ／Ｎ比を高めることのできる静電容量式センサ装置を提供する。【解決手段】第１方向に形成された複数の駆動電極と、前記第１方向と交差する第２方向に形成された複数の検出電極との各交点の静電容量を検出する静電容量式センサ装置において、前記駆動電極の全部またはいくつかを同時に駆動するマルチ駆動部と、前記検出電極の少なくともひとつから検出値を得る検出部と、前記マルチ駆動部に駆動信号を出力する制御部と、を有し、前記駆動電極と前記検出電極を有する電極領域は、電気的性質の類似性に基づいて複数のブロックに分けられており、前記制御部は、前記ブロックごとに、当該ブロックに含まれるブロック内駆動電極を同時に駆動する駆動パターンを前記マルチ駆動部に出力し、前記駆動パターンに基づく駆動行列の逆行列である復号行列を用いて前記検出値に対して復号処理する。【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量式センサ装置、及び静電容量式センサ装置の制御方法に関する。

タッチパネルを含む静電容量式センサ装置は、相互容量式と自己容量式が知られている。 例えば、相互容量式では、列方向に形成された複数の駆動電極と、行方向に延びる複数の検出電極が異なる層に配置され、駆動電極と検出電極の間は絶縁されている。駆動電極と検出電極の交差位置に静電容量が形成され、容量結合状態になっている。指、スタイラスペン等の操作体でタッチパネルに触れると、接触位置付近の静電容量が変化するので、各交点の静電容量値を読み出せば接触位置がわかる。
相互容量式センサの従来の駆動方式は「１ｈｏｔ駆動方式」と呼ばれており、複数の駆動電極に順番に駆動信号を与え、駆動信号が与えられたときにそれぞれの検出電極の検出値から、駆動電極と検出電極との交点における静電容量値を求める。しかし、１ｈｏｔ駆動方式では、駆動電極に駆動信号が与えられたときに１つの検出電極から１つの交点の静電容量に関する情報だけを得ているため、ノイズの影響が大きくなり、検出すべき静電容量のＳ／Ｎ比が小さくなる。
これに対して、複数の駆動電極に同時に駆動信号を与えるマルチ駆動方式では、１つの検出電極から、その検出電極と複数の駆動電極との間の複数の交点の数に応じた検出値が得られる。そのため個々の交差部の静電容量を求める際に発生するランダムなノイズが平均化されて低減され、Ｓ／Ｎ比が改善されて相対的に高感度となる。

一方、タッチパネルは、スマートフォンやタブレットのような携帯端末の他、大画面の表示装置への適用が進んでいる。タッチパネルが大型化すると、電極長が増大し、駆動信号の出力から電極交点を経て検出信号の受信に至る信号伝搬経路長に差が生じる。信号伝搬経路長が大きくなるのに応じて、駆動電極に印加する駆動信号の電流が大きくなるように制御する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この手法では、分割領域ごとに駆動信号の電流の大きさを制御し、受信グループごとに駆動信号の周波数を制御している。

特開２０１３−２０４７９号公報

信号伝搬経路長の増大に応じて駆動信号の電流を大きくする方法では、タッチパネルが大型化すればするほど、信号伝搬経路長が大きくなる分割領域でタッチ検出のための消費電力が大きくなる。また、信号伝搬経路長が長くなると、抵抗成分が同一配線上でばらつき、ノイズを十分に平均化し低減することが困難になる。

本発明は、タッチパネルが大型化してもノイズを平均化し低減してＳ／Ｎ比を高めることのできる静電容量式センサ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、電気的性質が類似する電極領域をひとつのブロックにまとめ、比較的小さい直交行列を用いて一括駆動及び検出を行う。電気的な性質が類似する分割領域ごとにマルチ駆動を適応し、得られた検出値を逆演算して信号成分を取り出すことでＳ／Ｎ比を高める。

具体的には、第１方向に形成された複数の駆動電極と、前記第１方向と交差する第２方向に形成された複数の検出電極との各交点の静電容量を検出する静電容量式センサ装置において、
前記駆動電極の全部またはいくつかを同時に駆動するマルチ駆動部と、
前記検出電極の少なくともひとつから検出値を得る検出部と、
前記マルチ駆動部に駆動信号を出力する制御部と、
を有し、
前記駆動電極と前記検出電極を有する電極領域は、電気的性質の類似性に基づいて複数のブロックに分けられており、
前記制御部は、前記ブロックごとに、当該ブロックに含まれるブロック内駆動電極を同時に駆動する駆動パターンを前記マルチ駆動部に出力し、前記駆動パターンに基づく駆動行列の逆行列である復号行列を用いて前記検出値に対して復号処理する。

タッチパネルが大型化しても、ノイズを平均化し低減してＳ／Ｎ比を高めることができる。電気的な性質が類似する分割領域をマルチ駆動して得られたれた検出値に対して復号処理することで、容量オフセット等も一括して相殺することができ、信号のＳ／Ｎ比が向上する。

実施形態の静電容量式のセンサ装置の概略図である。 マルチ駆動の原理を説明する図である。 図２の行列の解算出を説明する図である。 電極配置の一例を示す図である。 図４の電極及び配線構成で生じる電気的性質の変動を説明する図である。 電極領域の分割例を示す図である。 電極領域の分割例を示す図である。 電極領域の分割例を示す図である。 電極領域の分割例を示す図である。 電極領域の分割例を示す図である。 別の電極配置例を示す図である。 図１１の電極配置での分割例を示す図である。 実施形態の静電容量検出の全体フローを示す図である。 図１３のブロック容量検出（Ｓ１）の処理フローを示す。 図１４の列容量検出（Ｓ１２）のフローチャートである。 図１５の処理をより詳しく説明する図である。 １１本の検出電極と１１本の駆動電極の交点で得られる容量行列の例を示す図である。 １１行×１１列のアダマール行列と、このアダマール行列の逆行列を示す図である。 図１７の電極構造に図１８のアダマール行列と拡張逆行列を適用したときの容量行列の生成フローを示す。

図１は、実施形態の静電容量式のセンサ装置１の概略図である。以下の説明では、電荷の蓄積を指すときは「静電容量」と言い、静電容量値の検出、復号など静電容量の値が意義を持つ場合を「静電容量値」と呼んで区別する。センサ装置１は、複数の駆動電極を一括して駆動するマルチ駆動方式を採用し、かつタッチセンサの電極領域を電気的性質の類似性に基づいて複数のブロックに分割してブロック単位で駆動及び検出を行う。電気的性質には、配線抵抗、寄生容量、温度変化による容量オフセット、配線の引き出し方向、引き出し配線の平形成位置等が含まれる。

センサ装置１は、タッチセンサ１０と、タッチセンサ１０を駆動するマルチ駆動部４０と、タッチセンサ１０の検出値を取得する検出部３０と、制御部２０を有する。制御部２０は、プロセッサ２０１とメモリ２０２を含み、センサ装置１の動作全体を制御する。プロセッサ２０１は、タッチセンサ１０を駆動する駆動パターンを出力する符号出力部２２と、タッチセンサ１０の検出値に対して復号処理する復号部２１を有する。メモリ２０２は、センサ装置１の動作に必要な情報を記憶する他、容量行列保存部２０３と、対応テーブル２０４を有する。対応テーブル２０４には、タッチセンサ１０の各分割領域（ブロック）に適用する駆動行列と復号行列が記述されている。容量行列保存部２０３は、一回の駆動及び検出動作ごとにタッチセンサ１０の検出値から復号処理された容量行列を保存する。

タッチセンサ１０は、複数の駆動電極１２−０、１２−１、１２−２、…（以下、適宜「駆動電極１２」と総称する）と、複数の検出電極１１−０、１１−１、１１−２、…１１−ｎ（以下、適宜「検出電極１１」と総称する）が交差して配置された容量性タッチセンサである。タッチセンサ１０の電極領域は、複数のブロックＢ１〜Ｂｍに分割され、各ブロックに含まれる複数の駆動電極１２は、マルチ駆動部４０によって一括駆動される。詳細は後述するが、ブロック内の複数の駆動電極１２に、そのブロックに含まれる駆動電極１２の数と同数の互いに異なる駆動パターンが時系列で順次印加される。一例として、あるブロックで駆動すべき駆動電極１２の数をＭとすると、Ｍ通りの駆動パターンが印加される。Ｍ通りの駆動パターンは、符号出力部２２から所定のタイミングでマルチ駆動部４０に出力される。ある時刻ｔ１に駆動パターン１がブロック内のすべての駆動電極１２に一度に印加され、次の時刻ｔ２に別の駆動パターン２がブロック内のすべての駆動電極１２に印加される。

検出部３０は、駆動パターンの印加タイミングに対応する検出タイミングで、検出電極１１から検出値を順次読み出す。駆動パターンごとに各検出電極１１で検出される検出値には、その検出電極１１とブロック内の複数（Ｍ個）の駆動電極１２との交点における静電容量値が重畳されている。Ｍ個の駆動パターンのそれぞれについて検出値の読み出しが終わると、そのブロックで１回の駆動及び検出動作が完了する。Ｍ通りの駆動パターンの印加により、各検出電極１１でＭ個の検出値が得られ、Ｍ個の未知数を含むＭ個の連立方程式が成立する。連立方程式の解が、着目している検出電極１１と複数の駆動電極１２の交点の静電容量値に比例した量である。

復号部２１は、検出部３０で得られた検出値に対して所定の復号行列を適用して、各交点の静電容量値を復号処理する。より具体的には、各検出電極１１から得られた検出値の行列に、駆動パターンの行列の逆行列を掛けることで復号値を得る。得られた復号値は容量行列として容量行列保存部２０３に保存される。着目しているブロックで駆動、検出及び復号処理が終了すると、次のブロックの処理が行われる。すべてのブロックで駆動、検出及び復号処理が完了すると、画面全体について１回の動作が完了する。センサ装置１の動作中、上述した駆動、検出及び復号処理が繰り返される。

復号処理された容量行列は、タッチセンサ１０における静電容量の分布を表わす。ブロックごとに、各検出電極１１から、その検出電極１１と複数の駆動電極１２との間の交点の数に等しい数の検出値が得られる。個別駆動方式と異なり、各交点の静電容量値を求めるときに発生するランダムなノイズが平均化され、低減されている。その結果、Ｓ／Ｎ比が改善されて相対的に高感度となる。

図２は、実施形態のセンサ装置１の動作の前提となるマルチ駆動をより詳細に説明する図である。説明を簡単にするために、検出電極１１−ｋが４つの駆動電極１２−０〜１２−３と交差する例を用いる。駆動電極１２−０〜１２−３に駆動パターンを印加することで、各交点に静電容量Ｃ_０〜Ｃ_３が形成される。駆動パターンは、「１」と「−１」の配列で特定される。たとえば、正位相の電圧パルスを印加する電極を「１」、逆位相の電圧パルスを印加する電極を「−１」と表現して行列にする。行列中の各行で特定される駆動パターンごとに、駆動電極１２−０〜１２−３は同時に駆動される。行ごとに用いられる駆動パターンはすべて異なる。

時刻ｔ０で「１，１，１，１」という駆動パターンが印加され、時刻ｔ１で「１，−１，１，−１」という駆動パターンが印加され、時刻ｔ２で「１，１，−１，−１」という駆動パターンが印加され、時刻ｔ３で「１，−１，−１，１」という駆動パターンが印加される。これらの駆動パターンは互いに重複しない。「１」と「−１」で表現される駆動パターンを用いたマルチ駆動を「符号化駆動」と呼んでもよい。一度の駆動動作で時系列に印加される複数の駆動パターンの行列を「駆動行列」と呼ぶ。

検出電極１１−ｋは、４つの駆動パターンに対応して、４つの検出値ＡＤ_０、ＡＤ_１、ＡＤ_２、ＡＤ_３を順次出力する。検出電極１１−ｋの出力ＡＤｋに中には、時系列で読み出されるＡＤ_０、ＡＤ_１、ＡＤ_２、ＡＤ_３が含まれている。ＡＤ_０、ＡＤ_１、ＡＤ_２、ＡＤ_３の各々には、印加される駆動パターンによって交点に形成される静電容量値Ｃ_０、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３が重畳されている。

交点の静電容量値Ｃｘと、検出されるＡＤ値（デジタル変換値）は、図２の行列式で表される関係となる。すべての検出電極１１で、その検出電極が交差する駆動電極１２との交点で、図２と同じ関係の検出値ＡＤ_０〜ＡＤ_３が得られる。

図３において、図２の行列式の両辺に駆動行列の逆行列を掛け合わせて、Ｃｘについて解く。この逆行列は、復号行列として分割領域と対応付けられて制御部２０の対応テーブル２０４に記憶されている。逆行列を掛けあわせた式を展開すると、
４ＡＣ_０＝ＡＤ_０＋ＡＤ_１＋ＡＤ_２＋ＡＤ_３
４ＡＣ_１＝ＡＤ_０−ＡＤ_１＋ＡＤ_２−ＡＤ_３
４ＡＣ_２＝ＡＤ_０＋ＡＤ_１−ＡＤ_２−ＡＤ_３
４ＡＣ_３＝ＡＤ_０−ＡＤ_１−ＡＤ_２＋ＡＤ_３
という４つの解が得られる。この例で用いられている行列はアダマール行列といわれるもので、逆行列は元の行列の転置行列の整数倍と等しくなる。

１つの検出電極１１から得られたＭ個（この例では４個）のＡＤ値を加算または減算するだけで目的の静電容量値が算出される。上記の計算では４倍のＣｘが計算されるが、ＡＤｋに含まれているノイズはランダムなので、４つの検出値を足し合わせてもノイズは４倍にはならず、実際は少量増えるだけである。４Ｃｘを４で割って１倍相当の値にすれば、相対的にノイズは低減され、Ｓ／Ｎ比が良くなる。一般に、同時に駆動する駆動電極１２の数をｎとすると、ノイズは１／√ｎに低減される。すなわち、同時に駆動する電極数が多いほどノイズ低減効果が大きい。

Ｓ／Ｎ比向上の目的で行列数を増やすことが考えられる。これは、タッチパネルの大型化の要請にも一致する。ただし、この場合、各交点での個々の検出値（静電容量の分布）がゼロを中心とした狭い範囲に分布している必要がある。しかし、電極の長さや配線長が大きくなると、配線抵抗、寄生容量、容量オフセット等のばらつきが大きくなる。センシングのゲインを上げると検出値の分布範囲も拡大するので、ゲインを上げることができず、信号の大きさを十分にとることができないという新たな問題が発生する。

そのため、実施形態では、タッチセンサ１０の電極領域で電気的性質の似た部分をひとつのブロックにまとめて、複数の領域に分割する。各領域に比較的小さな直交行列（駆動行列及び復号行列）を適用することで、Ｓ／Ｎ比を向上する。

図４は、電極配置の一例を示す図である。図４（Ａ）は、タッチセンサ１０の基板面と垂直な方向で下側の層に配置される駆動電極１２と、駆動電極１２に接続される配線１２１を示す。図４（Ｂ）は、タッチセンサ１０の基板面と垂直な方向で上側の層に配置される検出電極１１、検出電極１１に接続される配線１１１を示す。図４（Ｃ）は、駆動電極１２の上に絶縁層を介して検出電極１１を重ねた状態を示す。図４で、タッチセンサ１０の電極領域の電気的な性質は、電極の長さ、幅、配置形状の他に、配線１１１、１２１の引き出し方によっても変化する。

相互容量検出では高感度の検出のために、(1)指などの操作体の作用をいかに大きくするか、(2)いかに遠くから検出するか、(3)いかにリニアに動作させるか、(4)いかにノイズを低減するか、などの諸事情を勘案して、電極のパターンが決定される。指でタッチパネルを操作する場合、パネル表面への接触時の直径が数ミリ程度であるため、電極のピッチは４〜６ｍｍ程度に設計されている。

図５は、図４の電極及び配線構成で生じる電気的性質の変動を説明する図である。図５（Ａ）は検出電極１１と配線１１１の配置関係を示し、図５（Ｂ）は駆動電極１２と配線１２１の配置関係を示す。図５（Ｂ）において、駆動電極１２は、一面の透明導電物質を短冊状に切って形成されており、長手方向の両端から配線１２１が引き出されている。駆動電極１２が、タッチパネルのほぼ全領域を覆う構成とすることで、タッチパネル表面からのノイズをカットすることができる。

図５（Ａ）において、検出電極１１の長さ方向で、配線領域までの距離によって抵抗値が異なる。検出電極１１の配線１１１に近いか遠いかによって、抵抗値が変化し、ゲイン及び／または容量オフセットが変わってくる。検出電極１１の配列方向では、配列方向の検出電極１１の幅、隣接電極までの距離等によって寄生容量が変化する。検出値への影響は、主として検出電極１１の配線抵抗と寄生容量によるものである。検出電極１１側の配線抵抗と寄生容量の影響により、静電容量の検出信号の大きさと容量オフセットが変化する。

図２の静電容量値Ｃ_０〜Ｃ_３の各々をＣｘと表し、Ｃｘ＝Ｃ'ｘ＋Ｃｘofstとしたときに、検出電極１１の長さ方向の位置によってＣｘofstが異なると、復号行列で復号処理されたときに駆動符号（正または負）によって打ち消されるはずのオフセット容量が残り、残存するオフセット容量の和がばらつく。ばらつきの影響は画面が大きくなるほど顕著になる。そこで、配線抵抗、寄生容量などの電気的性質が似た領域に比較的小さな駆動行列と復号行列が適用されるように、電極領域を複数のブロックに分割する。

図６〜図１０は、電極領域の分割例を示す。電極領域の電気的な性質は配線の引き出し方によっても変化する。図６では、電極領域は、検出電極１１の長さ方向と直交する境界Ｌで分割されて、ブロックＢ１〜Ｂ３が形成されている。分割されるブロックの大きさは必ずしも同じでなくてもよく、含まれる交点の数もブロックごとに異なってもよい。たとえば、ブロックＢ１とＢ２が第１のサイズまたは形状（境界Ｌで区画されるブロックの面積と形）を有し、ブロックＢ３が第１のサイズまたは形状と異なる第２のサイズまたは形状を有していてもよい。図６の例では、ブロックＢ１とＢ２は、ブロック内に含まれる３つの駆動電極１２と１１本の検出電極１１で決まるサイズと形状（交点数が３×１１の長方形）を有する。ブロックＢ１、Ｂ２のサイズと形状を第１のサイズまたは第１の形状とすると、ブロックＢ３は、ブロックＢ１、Ｂ２のサイズまたは形状と異なり、４つの駆動電極１２と１１本の検出電極１１で決まるサイズと形状（交点数が４×１１の長方形）を有する。ブロックＢ３のサイズまたは形状を第２のサイズまたは第２の形状とする。

検出電極１１用の配線１３０Ｓと、駆動電極１２用の配線１３０Ｄは、検出電極１１の長さ方向に引き出されている。検出電極１１の長さ方向で分割するのは、検出電極１１の長さ方向の位置によって、すなわち配線１３０Ｓまでの距離によって配線抵抗がばらつきやすいからである。配線１３０Ｓから最も遠いブロックＢ１内では、その電気的性質が比較的似ている。配線１３０Ｓの近くに位置するブロックＢ３も電気的性質は似ているが、ブロックＢ１と電気的性質が異なる。ブロックＢ１とＢ３の間に位置するブロックＢ２のその内部の電気的性質は似ているが、ブロックＢ１、Ｂ３とは異なる。ブロックＢ３がブロックＢ１，Ｂ２よりも広く設定されているのは、配線１３０Ｓと配線１３０Ｄの引き出し方向に近く、配線の影響を受ける範囲がやや広いからである。

ブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３ごとに、駆動及び検出の動作が行われる。ブロックＢ１とＢ２では、１回の駆動動作で、３つの異なる駆動パターンが時系列でブロック内の３本の駆動電極１２に印加される。３×３の駆動行列が用いられ、各駆動パターンは、３本の駆動電極１２に一度に印加される。検出動作では、３つの駆動パターンに対応して、各検出電極１１から３つの検出値が順次読み出される。検出値には、そのブロック内の駆動電極１２との交点における静電容量情報が重畳されており、駆動行列の逆行列を用いて各静電容量値が復号処理される。

ブロックＢ３では、１回の駆動動作で、４つの異なる駆動パターンが時系列でブロック内の駆動電極１２に印加され、各検出電極１１から４つの検出値が順次読み出される。検出値は、駆動行列の逆行列を用いて復号処理される。駆動行列と復号行列は、分割領域の設定時にブロックＢ１〜Ｂ３の各々について個別に設定されてもよいし、画面全体の駆動行列と復号行列のうち、ブロックＢ１〜Ｂ３に対応する部分を選択して用いてもよい。

図７は、分割パターンの別の例を示す。図７では、検出電極１１の長さ方向の両端に配線１３０Ｓ_１と１３０Ｓ_２が配置され、検出電極１１は１本置きに配線１３０Ｓ_１と配線１３０Ｓ_２のどちらかに接続されている。駆動電極１２の配線１３０Ｄは、電極領域の片側に配置されている。配線１３０Ｓ_１と配線１３０Ｓ_２を検出電極１１の長さ方向の両側に配置したことで、配線１３０Ｓ_１と配線１３０Ｓ_２のそれぞれを配置するための配線領域の幅を低減することができる。

配線１３０Ｓ_１と１３０Ｓ_２、及び配線１３０Ｄは、駆動電極１２の長さ方向に引き出されている。図６と同様に、検出電極１１の長さ方向での抵抗ばらつきを低減するために、検出電極１１と直交する方向に境界Ｌが配置されている。図６と異なる点は、配線１３０Ｓに近い両側のブロックＢ１とＢ３が同じサイズに設定され、中央のブロックＢ２がブロックＢ１、Ｂ３よりも広く設定されている。この例では、たとえばブロックＢ１とＢ３が第１のサイズまたは第１の形状を有し、ブロックＢ２が第１のサイズまたは第１の形状と異なる第２のサイズまたは第２の形状を有する。これは、ブロックＢ１とブロックＢ３は、それぞれ対応する配線１３０Ｓ_１と配線１３０Ｓ_２の影響を受け、互いに領域内の電気的性質が似ているが、ブロックＢ２では両側の配線１３０Ｓ_１と配線１３０Ｓ_２の影響がブロックＢ１、Ｂ３と比較して小さく電気的な性質が均一化しているからである。なお、電気的性質の類似性に基づいて分割したブロックのサイズと形状が同じになった場合も本発明の範囲内であることは言うまでもない。

図６と図７では、矩形の電極領域を矩形のブロックに分割したが、ブロック内の電気的性質が似ていれば良いので、ブロックの形状は必ずしも矩形でなくてもよい。

図８は、矩形以外の分割パターンの例を示す。図８（Ａ）の例では、ブロックＢ１〜Ｂ３はミアンダパターンの境界Ｌで仕切られている。検出電極１１は、１本おきに配線１３０Ｓ_１と１３０Ｓ_２のいずれかに接続されており、配線１３０Ｓに接続されている側の端部で、配線１３０Ｓの影響が大きくなる。たとえば、ブロックＢ１で、３本の駆動電極１２を３つの異なるパターンで３回駆動（１回ごとに３本の駆動電極を一括駆動）して、図８（Ａ）の奇数本目の検出電極１１で３つの交点の静電容量値を検出する。次に、４本の駆動電極１２を４つの異なるパターンで４回駆動（１回ごとに４本の駆動電極を一括駆動）して、偶数本目の検出電極１１で４つの交点の静電容量値を検出する。センス回路が複数設けられている場合は、奇数本目の検出電極１１による検出動作、及び／または偶数本目の検出電極１１による検出動作を並列で行うことができる。

たとえば、ブロックＢ１で３つの駆動電極の一括駆動（すなわち３回の駆動／検出動作）を行い、６つのセンス回路を用いて並列検出することで、６×３＝１８の交点の静電容量値を検出する。同様に、４つの駆動電極の一括駆動（すなわち４回の駆動／検出動作）を行い、５つのセンス回路を用いて並列検出することで、５×４＝２０の交点の静電容量値を検出することができる。

この分割例では、検出電極１１の長さ方向に分割された領域ごとに各交点の静電容量が確定されるので、比較的近い時刻での容量分布が近傍エリアで得られるという効果を有する。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の変形例を示す。図８（Ｂ）で境界Ｌの位置は図８（Ａ）と同じであるが、電極のグループ分けが図８（Ａ）と異なる。図８（Ｂ）で、同じグループに分けられる電極は同じ模様で示されている。たとえば、２つのミアンダパターンの境界Ｌの間に挟まれる領域は、一括して駆動される駆動電極１２の数が同じであり、検出電極１１の長さ方向の中央部に位置して電気抵抗が類似しているので、ブロックＢ２とする。検出電極１１の長さ方向の両側で、３本の駆動電極１２が同時に駆動される領域をブロックＢ１とし、４本の駆動電極１２が同時に駆動される領域をブロックＢ３とする。

説明の便宜上、検出電極１１に１〜１１の番号を付け、駆動電極１２に１〜１０の番号を付ける。たとえばブロックＢ１において、２番目の検出電極１１と、１〜３番目の駆動電極１２との交点を２−１、２−２、２−３と表す。

１〜３番目の駆動電極１２を駆動して、２、４、６、８、１０番目の検出電極１１で検出動作を行った後、８〜１０番目の駆動電極１２を駆動して、１、３、５、７、９、１１番目の検出電極１１で検出動作を行って、ブロックＢ１の処理を完了してもよい。この場合、同じ駆動パターンを使いまわすことができる。

図９は、さらに別の分割パターンの例を示す。携帯端末１００の表示／操作画面１０１は、タッチセンサ１０と液晶パネル等の表示装置を組み合わせたタッチパネルで形成されている。表示／操作画面１０１の一部に透過の必要のない不透過領域１０２が設けられている場合は、図９のように、不透過領域１０２に配置されている電極部分を、ひとつのブロックＢ４にまとめる。不透過領域１０２にもアイコンが配置されて操作に用いられるが、操作に応じた画像表示は行われない。不透過領域１０２には、一般に金属配線が配置可能であり、操作画面１０１に対応する電極より低い配線抵抗であるため、不透過領域１０２に対応する電極領域でひとつのブロックＢ４を形成する。

図１０は、別の電極配置例を示す。図１０（Ａ）では、検出電極１１が検出電極１１_１と検出電極１１_２に分割され、駆動電極１２が駆動電極１２_１と駆動電極１２_２に分割されている。検出電極１１と駆動電極１２の長さを短くすることで、電極の長さ方向での電気的性質のばらつきを低減している。この構成は、大面積のタッチパネルのときに有効である。

図１０（Ａ）のように検出電極１１と駆動電極１２をそれぞれ２つに分割する場合、４方向に配線が配置される。配線１３０Ｓ_１は検出電極１１_１に接続される。配線１３０Ｓ_２は検出電極１１_２に接続される。配線１３０Ｄ_１は駆動電極１２_１に接続される。配線１３０Ｄ_２は駆動電極１２_２に接続される。４つの配線１３０Ｓ_１、１３０Ｓ_２、１３０Ｄ_１、１３０Ｄ_２は、すべて駆動電極１２_１の長さ方向に引き出されている。

図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の電極構成を採用したときの分割例を示す。検出電極１１_１及び１１_２の長さ方向での電気的性質のばらつきが顕著であるため、検出電極１１_１と直交する境界Ｌ_１と、検出電極１１_２と直交する境界Ｌ_２によって、３つのブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３に分割される。

たとえば、ブロックＢ１で駆動及び検出を行う場合、配線１３０Ｄ_１からブロックＢ１内の３本の駆動電極１２_１に３通りの駆動パターンが時系列で順次印加され、同時に、配線１３０Ｄ_２からブロックＢ１内の３本の駆動電極１２_２に３通りの駆動パターンが時系列で順次印加され、３本の駆動電極１２_１と３本の駆動電極１２_２を一括駆動する。配線１３０Ｄ_１に接続される駆動電極１２_１と、配線１３０Ｄ_２に接続される駆動電極１２_２に別々の駆動パターンが印加されるが、ブロックＢ１全体の電気的性質が均一な場合は、同じ駆動パターンを用いてもよい。ブロックＢ１〜Ｂ３で、配線１３０Ｄ_１に接続される電極領域と、配線１３０Ｄ_２に接続される電極領域との間で電気的性質の差が大きいときは、６つのブロックとして処理してもよい。検出電極１１_１及び１１_２の数が奇数の場合、中央に位置する検出電極１１_１Ｃと１１_２Ｃをブロック内のいずれかの電極領域に含めて静電容量検出に用いてもよい。検出電極１１_１Ｃと１１_２Ｃは駆動電極１２_１、１２_２と交差していないが、電気力線を捕捉することができるので静電容量値の検出に使用可能である。

図１１は、さらに別の電極配置を示す携帯端末１００は、表示／操作画面１０１に隣接して透過領域１０３を有する。透過領域１０３には、表示を切り替えることで、ロータリースイッチと４方向スイッチが表示される。ロータリースイッチはジョグダイヤル形式でもよいし、上下ロータリースイッチの形式であってもよい。透過領域１０３へのタッチ操作を検出するために、駆動電極１２の一部に、他の駆動電極１２よりも短い駆動電極１２Ｔが含まれ、検出電極１１の一部に、他の検出電極１１よりも長い検出電極１１Ｔが含まれる。駆動電極１２Ｔと検出電極１１Ｔが交差する領域は、透過領域１０３の配置位置に対応する。

図１２は、図１１の電極配置での分割例を示す。図１２（Ａ）では、電極領域はＢ１〜Ｂ５のブロックに分割される。ブロックＢ５は透過領域１０３に対応する。ブロックＢ５では、検出電極１１Ｔが長くなり、駆動電極１２Ｔが短くなっている分、電気的性質が他の電極領域と異なりやすい。そこで、電極領域のうち、透過領域１０３に対応する部分の電極を、電気的性質が共通するブロックＢ５としてまとめる。検出電極１１Ｔと駆動電極１２Ｔの長さ変化の影響が大きくない場合は、図１２（Ｂ）に示すように、ブロックＢ１〜Ｂ４に分割することも可能である。

図１３は、実施形態の静電容量検出の全体フローを示す図である。静電容量式センサ装置１の起動中、タッチセンサ１０の電極領域の分割されたブロックごとに、静電容量値が検出される（Ｓ１）。ブロックごとの静電容量値の検出を便宜上「ブロック容量検出」と呼ぶ。タッチセンサ１０の電極領域のすべてのブロックで静電容量値の検出が終了したか否かが判断され（Ｓ２）、すべてのブロックで容量が検出されるまで、ステップＳ１とＳ２を繰り返す。すべてのブロックについて静電容量値が検出されたならば（Ｓ２で肯定判定Ｙ）、検知結果に所定の演算を適用して静電容量の分布を取得し、表示／操作画面１０１に対する接触操作の有無を検知する（Ｓ３）。この処理は、静電容量式センサ装置１の起動中、繰り返し行われる。

図１４は、図１３のブロック容量検出のステップＳ１のフローチャートである。ブロック容量検出が開始されると、行番号ｉを初期値に設定する（ｉ＝０）（Ｓ１１）。行番号ｉは、着目しているブロックに含まれる検出電極１１の番号である。最初の行の検出電極１１で検知された列容量を検出する（Ｓ１２）。列容量は、着目している検出電極１１とブロック内で交差する複数の駆動電極１２の交点における静電容量値であり、図２のＣ_０、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３に対応する。

最初の行の検出電極１１で列容量が検出されると、行番号ｉをインクリメントし（ｉ＝ｉ＋１）（Ｓ１３）、行番号ｉがそのブロック内の行数よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１４）。ブロック内の行数すなわち検出電極１１の数よりも小さい場合は（Ｓ１４で肯定判定Ｙ）、ステップＳ１２に戻って次の行で列容量を検出する。行番号がブロック内の行数に達するまで（Ｓ１４で否定判定Ｎ）、ステップＳ１２〜Ｓ１４を繰り返す。行番号がブロック内の行数に達すると（Ｓ１４で否定判定Ｎ）、このブロックでの処理を終了する。

図１５は、図１４の列容量検出のステップＳ１２のフローチャートである。着目している検出電極１１について列容量検出のステップＳ１２が始まると、列番号ｊを初期値に設定する（ｊ＝０）（Ｓ１２１）。列番号ｊは、駆動行列の行番号と一致する。駆動行列を駆動し、駆動行列の第１行目に相当する駆動パターンをブロック内の駆動電極１２に一括印加して、静電容量値を検出する（Ｓ１２２）。この検出値は図２のＡＤ_０に対応し、着目している検出電極１１とブロック内で交差する駆動電極１２の各交点での静電容量値が重畳されている。

最初の駆動パターンによる一括駆動と、それによる検出値ＡＤ_０が得られると、列番号ｊをインクリメントして（ｊ＝ｊ＋１）（Ｓ１２３）、列番号が列数すなわちブロック内で着目している検出電極１１と交差する駆動電極１２の数よりも小さいか否かが判断される（Ｓ１２４）。ブロック内の列数よりも小さい場合は（Ｓ１２４で肯定判定Ｙ）、ステップＳ１２２に戻って、駆動行列の次の駆動パターンをブロック内の駆動電極１２に一括して印加し、検出値ＡＤ_１を取得する。列番号がブロック内の列数に達するまで（Ｓ１２４で否定判定Ｎ）、ステップＳ１２２〜Ｓ１２４を繰り返す。列番号がブロック内の列数に達すると、駆動行列のすべての駆動パターンに対応する検出値、たとえばＡＤ_０〜ＡＤ_３が得られるので、得られた検出値に逆行列を適用して、着目している検出電極１１について、ブロック内の駆動電極１２との各交点の静電容量値（Ｃ_０〜Ｃ_３）を算出する。算出された静電容量値（Ｃ_０〜Ｃ_３）は、着目ブロックの容量分布を表わす容量行列の１行分である。容量行列の１行分を容量行列保存部２０３に保存して（Ｓ１２６）、着目している検出電極１１についてステップＳ１２の処理を終了する。

図１６は、図１５の処理をより詳しく説明する図である。列容量の検出において（Ｓ１２）、ｊを初期値０に設定し（Ｓ１２１）、行列を駆動する（Ｓ１２２ａ）。ブロック内に含まれる駆動電極１２の数を４本とすると、４×４の駆動行列が使用される。４本の駆動電極１２に、行列の最初のパターン「１，１，１，１」が一度に印加される。容量検出（Ｓ１２２ｂ）により、最初の駆動パターンに対応する検出値ＡＤ_０が得られる。ｊの値をインクリメントし（Ｓ１２３）、他に適用すべき駆動パターンがある場合は（Ｓ１２４で肯定判定Ｙ）、行列を駆動して２つ目の駆動パターン「１，−１，１，−１」を４本の駆動電極１２に一度に印加する（Ｓ１２２ａ）。２つ目の駆動パターンに対応する検出値ＡＤ_１を取得し（Ｓ１２２ｂ）、すべての駆動パターンが印加されるまで、Ｓ１２２ａ、Ｓ１２２ｂ、Ｓ１２３、Ｓ１２４を繰り返す。

駆動電極１２に対して、駆動電極１２の数と等しい数の駆動パターンがすべて印加されたならば（Ｓ１２４で否定判定Ｎ）、検出値ＡＤ_０〜ＡＤ_３に逆行列を適用して各交点の静電容量値（Ｃ_０〜Ｃ_３）を求め（Ｓ１２５）、容量行列の１行分を保存する（Ｓ１２６）。各交点での静電容量値（Ｃ_０〜Ｃ_３）は、駆動パターンに対応して検出された検出値ＡＤ_０〜ＡＤ_３を加算または減算するだけで簡単に求められる。また、交点ごとに静電容量値を個別に求めるときに発生するランダムなノイズが平均化され低減されており、高いＳ／Ｎ比で静電容量値を検出することができる。

逆行列を適用して得られる４つの解４Ｃ_０〜４Ｃ_３の右辺の４つの項のうち、最初の項ＡＤ_０が列番号ｊ＝０に対応し、２番目の項ＡＤ_１が列番号ｊ＝１に対応し、３番目の項ＡＤ_２が列番号ｊ＝２に対応し、最後の項ＡＤ_３が列番号ｊ＝３に対応する。

図１７は、１１本の検出電極１１と、１１本の駆動電極１２の交点から得られる静電容量値Ｃx,yの容量行列の例を示す。最初の検出電極１１の出力チャネルＡＤ＿Ａで得られる１１個の静電容量値Ｃ_0,0〜Ｃ_0,10は、容量行列の第１行目に対応する。次の検出電極１１の出力チャネルＡＤ＿Ｂで得られる１１個の静電容量値Ｃ_1,0〜Ｃ_1,10は、容量行列の第２行目に対応する。同様に、１１番目の検出電極１１の出力チャネルＡＤ＿Ｋで得られる１１個の静電容量値Ｃ_10,0〜Ｃ_10,10は、容量行列の第１１行目に対応する。

図１８は、図１７の電極構成で駆動電極１２を駆動する１１行×１１列のアダマール行列と、各チャネルの出力値に適用されるアダマール行列の逆行列を示す図である。図１８（Ａ）に示すように、アダマール行列は１または−１の行列要素を有し、各行が互いに直交している。また、各行の符号の合計値が「−１」と小さく、かつ均一になっており、駆動電極１２を駆動するときの輻射ノイズを低減することができる。また、復号処理されたときに寄生容量またはオフセット容量をキャンセルしやすい。

電極領域を電気的性質の似た複数のブロックに分割するときは、電極領域に対応する箇所のアダマール行列の一部を用いてもよい。各ブロックと対応する行列部分はあらかじめ対応付けられている。たとえば、図１２（Ａ）の左端のブロックＢ１に含まれる駆動電極１２の数が８本のときは、図１８（Ａ）のアダマール行列の左上のコーナーから８×８の領域を駆動行列として用いてもよい。ノイズは、各交点で個別駆動するときと比較して、一括駆動する駆動電極の数の兵法近に反比例するので（Ｎ＝１／√ｎ）、８×８のアダマール行列で駆動するときは、個別駆動のときの１／３程度にまでノイズを低減することができる。同様に、図１２の（Ａ）右端のブロックＢ５に含まれる駆動電極１２の数が４本のときは、図１８（Ａ）のアダマール行列の対応する領域の４×４の駆動行列を用いて、ノイズを個別駆動のときに半分に低減することができる。

図１８（Ｂ）の逆行列は、正確には拡張逆行列であり、図１８（Ａ）の逆行列に含まれる行列要素「０」を「−１」に置き換えたものである。拡張逆行列も、電極領域の各ブロックに対応する一部分を用いて静電容量値を復号処理することが可能である。拡張逆行列の各部分はあらかじめ電極領域の分割ブロックと対応づけられている。

拡張逆行列を復号行列として用いると、「１」と「−１」でノイズが打ち消されて平均化される。拡張逆行列を適用して得られる復号値は、各交点での本来の静電容量値から所定量だけオフセットした値となる。そこで、図１３の検知演算Ｓ３のステップで、オフセット値を加算することで、画面全体にわたって目的とする復号値が得られる。

電極領域を、複数の駆動電極を含むブロックに分割することで、容量検出の信号範囲を小さくしつつノイズを低減することがで、さらにアダマール行列を用いた行列演算によっても効果的にノイズをキャンセルすることで、二重にＳ／Ｎ比を向上することができる。付随的な効果として、タッチセンサ１０の配線抵抗の抑制を緩和、あるいは配線抵抗のばらつきに対する許容度を高めることができ、配線材料のコストを低減することができる。

図１９は、図１７の電極構造に図１８のアダマール行列と拡張逆行列を適用したときの容量行列の生成フローを示す。最初の検出電極１１について、アダマール行列の各行で複数の駆動電極１２を一括駆動して、出力チャネルＡＤ＿Ａで検出値を得る（Ｓ２１）。アダマール行列は、静電容量式センサ装置１の制御部２０のメモリ２０２の一部であるＲＯＭに保存された対応テーブルに記述されている。

１１×１１のアダマール行列を用いる場合、駆動電極１２に１１通りの駆動パターンが印加され、出力チャネルＡＤ＿Ａで、ＡＤ＿Ａ（０）〜ＡＤ＿Ａ（１０）の１１個の検出値が得られる（Ｓ２２）。出力チャネルＡＤ＿Ａについての１１個の検出値は、メモリ２０２の一部であるＲＡＭに一時的に保存される。

出力チャネルＡＤ＿Ａで得られたデータ列に、アダマールの逆行列（より具体的には拡張逆行列）を乗算して各交点の静電容量値を復号処理し（Ｓ２３）、容量行列の１行分を生成する（Ｓ２４）。Ｓ２１〜Ｓ２５を、検出電極１１の各々に適用することで（Ｓ２５）、ブロック全体の容量行列が生成される（Ｓ２６）。図１９の処理をすべてのブロックについて行うことで、全画面についてノイズを平均化し低減することができる。その結果、タッチパネルが大型化した場合でも、容量検出のＳ／Ｎ比を向上することができる。

１ 静電容量式センサ装置
１０ タッチセンサ
１１、１１_１、１１_２ 検出電極
１２、１２_１、１２_２ 駆動電極
２０ 制御部
２１ 復号部
２２ 符号出力部２２
３０ 検出部
４０ マルチ駆動部
１００ 携帯端末
１０１ 表示／操作画面
１０２ 不透過領域
１０３ 透過領域
１１１，１３０Ｓ 配線（検出電極用の配線）
１２１、１３０Ｄ 配線（駆動電極用の配線）
Ｂ１〜Ｂｍ ブロック
２０１ プロセッサ
２０２ メモリ
２０３ 容量行列保存部
２０４ 対応テーブル

Claims (9)

1. 第１方向に形成された複数の駆動電極と、前記第１方向と交差する第２方向に形成された複数の検出電極との各交点の静電容量を検出する静電容量式センサ装置において、
   前記駆動電極の全部またはいくつかを同時に駆動するマルチ駆動部と、
   前記検出電極の少なくともひとつから検出値を得る検出部と、
   前記マルチ駆動部に駆動信号を出力する制御部と、
   を有し、
   前記駆動電極と前記検出電極を有する電極領域は、電気的性質の類似性に基づいて複数のブロックに分けられており、
   前記制御部は、前記ブロックごとに、当該ブロックに含まれるブロック内駆動電極を同時に駆動する駆動パターンを前記マルチ駆動部に出力し、前記駆動パターンに基づく駆動行列の逆行列である復号行列を用いて前記検出値に対して復号処理する
   ことを特徴とする静電容量式センサ装置。
2. 前記電気的性質は、配線抵抗、寄生容量、容量オフセット、配線の引き出し方向、引き出し配線の形成位置の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ装置。
3. 複数の前記ブロックは、第１のサイズまたは第１の形状の第１ブロックと、前記第１のサイズまたは前記第１の形状と異なる第２のサイズまたは第２の形状を有する第２ブロックを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ装置。
4. 複数の前記ブロックの各々に対応した前記駆動行列と前記復号行列を記憶するメモリ、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量式センサ装置。
5. 前記メモリは、前記電極領域の全体に適用される全体駆動行列を記憶し、
   前記制御部は、前記全体駆動行列のうち、前記ブロックの各々に対応する部分を前記駆動行列として用いることを特徴とする請求項４に記載の静電容量式センサ装置。
6. 前記制御部は、前記ブロック内駆動電極の数に等しい行数と列数を有する正方行列を前記駆動行列として用い、
   前記マルチ駆動部は、駆動対象の前記ブロックに、対応する前記駆動行列の各行で表される駆動パターンを時系列で適用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電容量式センサ装置。
7. 前記制御部は、前記復号行列として、前記駆動行列の逆行列の行列要素「０」を「−１」に置き換えた拡張逆行列を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電容量式センサ装置。
8. 前記制御部は、前記ブロックに含まれるブロック内検出電極の各々で得られる検出値に対して復号処理して前記ブロック内の容量分布を表わす容量行列を生成し、
   前記容量行列に所定のオフセット値を加算して各交点の静電容量値を決定することを特徴とする請求項７に記載の静電容量式センサ装置。
9. 第１方向に形成された複数の駆動電極と、前記第１方向と交差する第２方向に形成された複数の検出電極との各交点の静電容量を検出する静電容量式センサ装置の制御方法において、
   前記駆動電極と前記検出電極を有する電極領域を、電気的性質の類似性に基づいて複数のブロックに分割し、
   分割された前記ブロックごとに、当該ブロックに含まれるブロック内駆動電極の数に等しい数の行数と列数を有する駆動行列を適用し、
   前記駆動行列の各行で表される駆動パターンを前記ブロック内駆動電極に時系列で適用して、前記駆動パターンで前記ブロック内駆動電極を同時に駆動し、
   前記ブロックに含まれるブロック内検出電極の各々で、前記駆動パターンに対応する検出値を検出し、
   前記ブロック内検出電極で得られた検出値に、前記駆動行列の逆行列である復号行列を適用して前記検出値に対して復号処理する、
   ことを特徴とする静電容量式センサ装置の制御方法。