JP5411670B2 - 静電容量型タッチパネルの信号処理回路 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型タッチパネルの信号処理回路に関する。

従来、携帯電話、携帯音響機器、携帯ゲーム機器、テレビジョン、パーソナルコンピュータ等の各種電子機器のデータ入力装置として、静電容量型タッチセンサが知られている。

従来の静電容量型タッチパネルの信号処理回路を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０に示すように、タッチパネル６０上にセンス線６１（タッチパッド）が配置され、このセンス線６１は、容量値Ｃを有する静電容量６２を有している。

そして、差動増幅器６３（コンパレータ）の非反転入力端子（＋）に配線６４を介してセンス線６１が接続される。差動増幅器６３の反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。また、センス線６１と差動増幅器６３の非反転入力端子（＋）とを接続する配線６４には定電流源６５が接続されている。

この静電容量型タッチパネルの信号処理回路の動作を図１１に基づいて説明する。先ず、人間の指６６がセンス線６１から遠く離れている場合は、センス線６１における容量値はＣである。この場合、センス線６１の静電容量６２は、定電流源６５からの定電流により充電されることにより、センス線６１の電圧はリセット状態の０Ｖから増加し、基準電圧Ｖｒｅｆに到達すると差動増幅器６３の出力電圧は反転する。このリセットから差動増幅器６３が反転するまでの時間をｔ１とする。

一方、人間の指６６をセンス線６１に近づけると、センス線６１における容量値はＣ＋Ｃ’に増加する。この増加分Ｃ’は人間の指とセンス線６１の間に形成される容量値である。すると、センス線６１の電圧が０Ｖから基準電圧Ｖｒｅｆに到達するまでの時間はｔ２（ｔ２＞ｔ１）である。つまり、リセットから差動増幅器６３が反転するまでの時間の差（ｔ２−ｔ１）に基づいて、人間の指６６がセンス線６１にタッチしたか否かを検出することができる。

特開２００５−１９００５０号公報

しかしながら、上述した信号処理回路は、差動増幅器６３に１つのセンス線６１からの信号が入力されたシングル入力型であり、センス線６１にノイズが印加されると、センス線６１の電圧が変化して誤動作が生じるという問題がある。

一方、２つのセンス線における容量の差を電荷増幅器で検出する差動入力型の信号処理回路は、ノイズに強く、高感度のタッチセンサを構成することができる。このような差動入力型の信号処理回路は、センス線を１つだけタッチするシングルタッチに適しており、２つのセンス線を同時にタッチするマルチタッチの場合、タッチ位置を検出することができないことがあるという問題がある。これは、２つのセンス線の容量の差がなくなるからである。

本発明の静電容量型タッチパネルの信号処理回路は、複数のセンス線と、交流駆動信号が印加される駆動線と、を備えた静電容量型タッチパネルの信号処理回路であって、
前記複数のセンス線の中から第１及び第２のセンス線を選択し、前記第１のセンス線と前記駆動線との間に形成される第１の静電容量の容量値と前記第２のセンス線と前記駆動線との間に形成される第２の静電容量の容量値との差を検出する差動入力型の第１のセンサ回路と、前記複数のセンス線から前記第１のセンス線を選択し、前記第１のセンス線と前記駆動線との間に形成される前記第１の静電容量の容量値の変化を検出するシングル入力型の第２のセンサ回路と、前記第１のセンサ回路の出力電圧のオフセットを調整するためのキャリブレーション用の第１及び第２の可変容量と、前記第１及び第２のセンサ回路のいずれかを動作させるように切換制御する切換制御回路と、を備え、前記切換制御回路は、前記第２のセンサ回路を動作させる時に、前記キャリブレーション用の第１及び第２の可変容量を互いに並列接続するように制御を行うことを特徴とする。

本発明の静電容量型タッチパネルの信号処理回路によれば、差動入力モードとシングル入力モードの切り換えが可能なので、シングルタッチ、マルチタッチという異なったタッチ方法にそれぞれ対応することができる。例えば、通常は、差動入力モードの高感度、高耐ノイズ性を生かしてシングルタッチを使用し、マルチタッチを使用したい時は、シングルモードに切り換える。

また、本発明の静電容量型タッチパネルの信号処理回路によれば、第２のセンサ回路を動作させる時に、前記キャリブレーション用の第１及び第２の可変容量を互いに並列接続しているので、可変容量の容量変化の幅を大きくして、オフセット調整の幅を大きくすることができる。これにより、大型のタッチパネルにおいてもオフセット調整をすることができる。

静電容量型タッチパネル及び信号処理回路を含むタッチセンサの構成を示す図である。 本発明の静電容量型タッチパネルの信号処理回路の構成を示す図である。 差動入力型の第１のセンサ回路の構成を示す図である。 シングル入力型の第２のセンサ回路の構成を示す図である。 可変容量の構成を示す図である。 差動入力型の第１のセンサ回路の動作を説明する図である。 差動入力型の第１のセンサ回路の出力波形を示す図である。 本発明の静電容量型タッチパネルの信号処理回路の動作タイミング図である。 シングル入力型の第２のセンサ回路の動作を説明する図である。 従来の静電容量型タッチパネルの信号処理回路の構成を示す図である。 従来の静電容量型タッチパネルの信号処理回路の動作を説明する図である。 シングル入力型の第２のセンサ回路の構成を示す図である。 シングル入力型の第２のセンサ回路の構成を示す図である。 差動入力型の第１のセンサ回路の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、静電容量型タッチセンサ１００は、タッチパネル１と、信号処理回路２Ｘ，２Ｙと、マイクロコンピュータ３を含んで構成される。また、この信号処理回路２Ｘ，２Ｙを１チップで実現することも可能である。

タッチパネル１は、ガラス基板２００上のＸ方向に延びたＸセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４、Ｘ駆動線ＤＲＸＬを有している。Ｘ駆動線ＤＲＸＬは、各Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４の両側に隣接して配置される。タッチパネル１は、更に、ガラス基板２００上のＹ方向に延び、Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４と交差したＹセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４、Ｙ駆動線ＤＲＹＬを有している。Ｙ駆動線ＤＲＹＬは、各Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４の両側に隣接して配置される。Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４、Ｘ駆動線ＤＲＸＬ、Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４、Ｙ駆動線ＤＲＹＬの間は誘電層等により互いに電気的に絶縁されている。

信号処理回路２Ｘ，２Ｙは、ガラス基板２００上にタッチパネル１に隣接して配置されている。信号処理回路２Ｘ，２ＹはＬＳＩチップで形成されるか、又はガラス基板２００
上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）プロセスを用いて形成されることが好ましい。

信号処理回路２Ｘは、第１乃至第４の入力端子ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４、交流駆動信号ＳＣＤＲＶを出力する駆動端子ＣＤＲＶを有しており、第１の入力端子ＣＩＮ１はＸセンス線ＸＬ１に接続され、第２の入力端子ＣＩＮ２はＸセンス線ＸＬ３に接続され、第３の入力端子ＣＩＮ３はＸセンス線ＸＬ２に接続され、第４の入力端子ＣＩＮ４はＸセンス線ＸＬ４に接続される。駆動端子ＣＤＲＶは、Ｘ駆動線ＤＲＸＬに接続される。

同様に、信号処理回路２Ｙは、第１乃至第４の入力端子ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４、交流駆動信号（振幅電圧Ｖｒｅｆ）を出力する駆動端子ＣＤＲＶを有しており、第１の入力端子ＣＩＮ１はＹセンス線ＹＬ１に接続され、第２の入力端子ＣＩＮ２はＹセンス線ＹＬ３に接続され、第３の入力端子ＣＩＮ３はＹセンス線ＹＬ２に接続され、第４の入力端子ＣＩＮ４はＹセンス線ＹＬ４に接続される。駆動端子ＣＤＲＶは、Ｙ駆動線ＤＲＹＬに接続される。

さらに、信号処理回路２Ｘ，２Ｙは、それぞれシリアルクロック端子ＳＣＬ、シリアルデータ端子ＳＤＡを有している。シリアルクロック端子ＳＣＬは、シリアルクロック線４に共通接続され、シリアルデータ端子ＳＤＡは、シリアルデータ線５に共通接続されている。この場合、シリアルクロック線４、シリアルデータ線５はＩ^２Ｃバスを形成する。

ガラス基板２００の外部のＰＣＢ基板（不図示）上には、マスターデバイスであるマイクロコンピュータ３が設けられる。シリアルクロック線４、シリアルデータ線５は、ＦＰＣ等を介してマイクロコンピュータ３に接続されている。これにより、マイクロコンピュータ３と信号処理回路２Ｘ，２Ｙとの間でデータ通信が可能に構成されている。なお、この例では、マスターデバイスとして、マイコンを用いているが、マイコン以外でも、例えば、ＤＳＰやロジック回路を用いても良い。また、シリアル通信もＩ^２Ｃを例に用いているが、ＳＰＩ，ＵＡＲＴ等他のシリアル通信でも良い。

なお、Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４、Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４の本数は各４本ずつで、これがタッチパネル１の最小単位であるが、その本数は必要に応じて増加させることができる。その場合には、信号処理回路２Ｘ，２Ｙをそれぞれ増設することになる。また、１チップで実現する場合にはセンス線の本数を増やすことになる。

［信号処理回路の詳細な構成］
以下で、静電容量型タッチパネルの信号処理回路２Ｘ，２Ｙの詳細な構成を図２に基づいて説明する。この場合、信号処理回路２Ｘ，２Ｙは同じ構成を有しているので、信号処理回路２Ｙについて説明する。

図示のように、信号処理回路２Ｙは、選択回路１０、切換制御回路１１、交流駆動信号ＳＣＤＲＶを発生する駆動回路１２、インバータ１３、第３の静電容量Ｃ３、第４の静電容量Ｃ４、差動増幅器１４、第１のフィードバック容量１５、第２のフィードバック容量１６、ＡＤ変換器１７、Ｉ^２Ｃバスインターフェース回路１８、キャリブレーション回路１９、ＥＥＰＲＯＭ２０、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６、交流駆動信号の振幅電圧の半分の基準電圧１／２Ｖｒｅｆを発生する基準電圧源２１を含んで構成される。

［差動入力モードとシングル入力モードの切り換えの構成］
信号処理回路２Ｙは、差動入力モードとシングル入力モードを有している。差動入力モードとシングル入力モードの切り換えは、切換制御回路１１により、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフと、選択回路１０の選択動作を切り変えることにより行われる。

この場合、スイッチＳＷ１は、選択回路１０の第１の出力と差動増幅器の非反転入力端子（＋）とを接続する配線２２と第４の静電容量Ｃ４の間に接続されている。スイッチＳＷ２は、選択回路１０の第２の出力と差動増幅器の反転入力端子（−）とを接続する配線２３と第４の静電容量Ｃ４の間に接続されている。

スイッチＳＷ３は、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４を並列に接続するために、第３の静電容量Ｃ３の一方の端子と第４の静電容量Ｃ４の一方の端子の間に接続されている。スイッチＳＷ４は、差動増幅器の反転入力端子（−）に基準電圧１／２Ｖｒｅｆを選択的に印加するために、基準電圧源２１と差動増幅器の反転入力端子（−）の間に接続されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ＣＭＯＳのアナログスイッチで形成されることが好ましい。

差動入力モード、シングル入力モードとスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフの関係を表１に示す。

（ａ）差動入力モードの場合、スイッチＳＷ１はオフ、スイッチＳＷ２はオン、スイッチＳＷ３はオフ、スイッチＳＷ４はオフに設定される。そして、選択回路１０は、第１相と第２相を有し、第１相においては第１の入力端子ＣＩＮ１、第２の入力端子ＣＩＮ２からの信号を選択する。つまり、第１の入力端子ＣＩＮ１は配線２２を介して差動増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続され、第２の入力端子ＣＩＮ２は、配線２３を介して差動増幅器１４の反転入力端子（−）に接続される。

選択回路１０は、第２相においては、第３の入力端子ＣＩＮ３、第４の入力端子ＣＩＮ４からの信号を選択する。つまり、第３の入力端子ＣＩＮ３は配線２２を介して差動増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続され、第４の入力端子ＣＩＮ４は、配線２３を介して差動増幅器１４の反転入力端子（−）に接続される。

これにより、図３に示すように、差動入力型の第１のセンサ回路が形成される。図３は、選択回路１０が第１の入力端子ＣＩＮ１、第２の入力端子ＣＩＮ２からの信号を選択した場合（第１相）の構成を示している。この場合、図１に示すように、第１の入力端子ＣＩＮ１に接続されたＹセンス線ＹＬ１とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間に第１の静電容量Ｃ１が形成され、第２の入力端子ＣＩＮ２に接続されたＹセンス線ＹＬ３とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間に第２の静電容量Ｃ２が形成される。

すると、図３に示すように、第１の静電容量Ｃ１は第３の静電容量Ｃ３に直列に接続され、第２の静電容量Ｃ２は第４の静電容量Ｃ４に直列に接続される。第１の静電容量Ｃ１の共通接続ノード、つまり、Ｙ駆動線ＤＲＹＬには、駆動回路１２からの交流駆動信号ＳＣＤＲＶが印加される。また、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４の共通接続ノードには、駆動回路１２からの交流駆動信号がインバータ１３によって反転された反転交流駆動信号＊ＳＣＤＲＶが印加される。

そして、第１の静電容量Ｃ１は第３の静電容量Ｃ３との接続ノードＮ２は、差動増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続される。第２の静電容量Ｃ２は第４の静電容量Ｃ４との接続ノードＮ１は、差動増幅器１４の反転入力端子（−）に接続される。

差動増幅器１４の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間に第１のフィードバック容量１５、スイッチＳＷ５が接続され、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間に第２のフィードバック容量１６、スイッチＳＷ６が接続される。

スイッチＳＷ５，ＳＷ６は、信号伝達特性の線形性を良くするために、ＣＭＯＳのアナログスイッチであることが好ましい。また、第１及び第２のフィードバック容量１５，１６の容量値は同じＣｆであることが好ましい。

この差動入力型の第１のセンサ回路は、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２の容量値Ｃ２との差に応じた出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。その詳しい動作については、後述する。

（ｂ）シングル入力モードの場合、スイッチＳＷ１はオン、スイッチＳＷ２はオフ、スイッチＳＷ３はオン又はオフ、スイッチＳＷ４はオンに設定される。そして、選択回路１０は、第１の入力端子ＣＩＮ１、第３の入力端子ＣＩＮ３、第２の入力端子ＣＩＮ２、第４の入力端子ＣＩＮ４からの信号を１つずつ順番に選択し、選択された信号を第１の出力として、配線２２を介して、差動増幅器１４の非反転入力端子（＋）に印加する。

これにより、図４に示すように、シングル入力型の第２のセンサ回路が形成される。図４は、選択回路１０が第１の入力端子ＣＩＮ１からの信号を選択した場合の構成を示している。この場合、図１に示すように、第１の入力端子ＣＩＮ１に接続されたＹセンス線ＹＬ１とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間に第１の静電容量Ｃ１が形成されている。

すると、図４に示すように、第１の静電容量Ｃ１は第３の静電容量Ｃ３に直列に接続される。スイッチＳＷ３がオフの場合、第４の静電容量Ｃ４は、第１の静電容量Ｃ１に直列接続されないが、スイッチＳＷ３がオンの場合には、第４の静電容量Ｃ４は、第１の静電容量Ｃ１に直列接続される。つまり、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４とは並列接続され、これらの合成静電容量Ｃ５が第１の静電容量Ｃ１に直列接続されることになる。

第１の静電容量Ｃ１の一方の端子、つまり、この場合、Ｙ駆動線ＤＲＹＬには駆動回路１２からの交流駆動信号ＳＣＤＲＶが印加される。また、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４の共通接続ノードには、駆動回路１２からの交流駆動信号ＳＣＤＲＶがインバータ１３によって反転された反転交流駆動信号＊ＳＣＤＲＶが印加される。

そして、第１の静電容量Ｃ１は第３の静電容量Ｃ３との接続ノードＮ２は、差動増幅器１４の非反転入力端子（＋）に接続される。差動増幅器１４の反転入力端子（−）には、
基準電圧源２１からの基準電圧１／２Ｖｒｅｆが印加される。

このシングル入力型の第２のセンサ回路は、スイッチＳＷ３がオフの場合、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１と第３の静電容量Ｃ３の容量値Ｃ３との差に応じた出力電圧Ｖｏｕｔを出力し、スイッチＳＷ３がオンの場合は、合成静電容量値Ｃ５との差に応じた出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。その詳しい動作については、後述する。

シングル入力型の第２のセンサ回路では、差動入力型の第１のセンサ回路の第３の静電容量Ｃ３、もしくは第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４の両方をリファレンス容量として用いているので、シングル入力型と差動入力型を切り換える場合に、容量素子数の増加を抑えることができる。

上述した第１及び第２のセンサ回路の出力電圧Ｖｏｕｔはアナログ信号であるため、このままではデジタル信号処理ができない。そこで、ＡＤ変換器１７は、出力電圧Ｖｏｕｔをデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１７の出力は、Ｉ^２Ｃバスインターフェース回路１８により、所定のフォーマットのシリアルデータに変換され、シリアルクロック端子ＳＣＬ、シリアルデータ端子ＳＤＡを介して、マイクロコンピュータ３に送信される。マイクロコンピュータ３は、受信したシリアルデータを演算処理して、タッチパネル１上のタッチ位置を決定する。

［キャリブレーションの構成］
上述した第１及び第２のセンサ回路のキャリブレーションの構成について、図２及び図５に基づいて説明する。

差動入力型の第１のセンサ回路は、初期状態（人の指等が検出されない程度にタッチパネル１から遠く離れている状態）における第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２の容量値Ｃ１、Ｃ２のアンバランス、つまり、両者の容量値に差があると、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが生じる。オフセットが生じると、タッチセンサの検出精度が劣化してしまう。そこで、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４を可変容量で構成し、オフセットを調整できるように構成することができる。

すなわち、図２に示すように、キャリブレーション回路１９は、初期状態における第１及び第２のセンサ回路の出力電圧Ｖｏｕｔ（好ましくは、ＡＤ変換後のデジタル値）に基づき、そのオフセットが所望の値、好ましくは最小値になるように、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４の容量値を調整する。

差動入力型の第１のセンサ回路図３参照のキャリブレーションについては、初期状態において、第１乃至第４の静電容量Ｃ１〜Ｃ４の容量値は、互いに等しいことが好ましい（Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ）。しかし、例えば、タッチパネル１の製造上のばらつき等により、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１が第２の静電容量Ｃ２の容量値Ｃ２よりΔＣだけ大きい場合（Ｃ２＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃ１＝Ｃ）には出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが生じる。そこで、第３の静電容量Ｃ３の容量値Ｃ３は、第４の静電容量Ｃ４の容量値Ｃ４よりΔＣだけ大きくなるように調整することにより、オフセットを最小値（ゼロ）にすることができる。（Ｃ４＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃ３＝Ｃ）

逆に、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１が第２の静電容量Ｃ２の容量値Ｃ２よりΔＣだけ小さい場合（Ｃ２＝Ｃ−ΔＣ、Ｃ１＝Ｃ）には第３の静電容量Ｃ３の容量値Ｃ３は、第４の静電容量Ｃ４の容量値Ｃ４よりΔＣだけ小さくなるように調整する。（Ｃ４＝Ｃ−ΔＣ、Ｃ３＝Ｃ）

この場合、第３の静電容量Ｃ３の構成例として、図５に示すように、第３の静電容量Ｃ３は、ｍ個の静電容量Ｃ３１〜Ｃ３ｍとスイッチＳ３１〜Ｓ３ｍを含んで構成される。静電容量Ｃ３１〜Ｃ３ｍの容量値は、第３の静電容量Ｃ３の容量値を細かく変化させるために、重み付けがされていることが好ましい。例えば、Ｃ３１の容量値をＣ０とすると、Ｃ３２＝１／２・Ｃ０、Ｃ３３＝１／４・Ｃ０、Ｃ３４＝１／８・Ｃ０、・・・Ｃ３ｍ＝１／２^ｍ−１・Ｃ０である。そして、各スイッチＳ３１〜Ｓ３ｍは、キャリブレーション回路１９からの対応するｍビットの調整信号により、オンオフが制御されるようになっている。第４の静電容量Ｃ４も同様である。

このような構成によれば、キャリブレーション回路１９からの対応する２ｍビットのデジタル調整信号により、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４の容量値を調整することができる。そして、キャリブレーション回路１９は、出力電圧Ｖｏｕｔに基づき、そのオフセットが所望の値、好ましくは最小値となるような２ｍビットの調整信号を決定することができる。決定された調整信号は、電気的に書き込み及び消去可能な不揮発性メモリ、例えば、ＥＥＰＲＯＭ２０に書き込まれ、かつ保持される。

そして、信号処理回路２Ｘ、２Ｙの電源投入時に、ＥＥＰＲＯＭ２０に書き込まれ、保持された調整信号は、ＥＥＰＲＯＭ２０から読み出される。キャリブレーション回路１９は、ＥＥＰＲＯＭ２０から読み出された調整信号に基づいて、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４の容量値を調整する。

一方、シングル入力型の第２のセンサ回路図４参照のキャリブレーションについては、初期状態において、第１の静電容量Ｃ１と第３の静電容量Ｃ３の容量値は、互いに等しいことが好ましい（Ｃ１＝Ｃ３＝Ｃ）。ただし、スイッチＳＷ３がオフの場合である。

しかし、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１が第３の静電容量Ｃ３の容量値Ｃ３よりΔＣだけ大きい場合（Ｃ１＝Ｃ３＋ΔＣ）には出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが生じる。そこで、第３の静電容量Ｃ３の容量値Ｃ３を、第１の静電容量Ｃ１の容量値Ｃ１に近づけるように調整することにより、オフセットを小さくすることができる。

シングル入力型の第２のセンサ回路において、スイッチＳＷ３がオンしている場合には、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４の合成静電容量Ｃ５の容量値が、オフセットを最小にするために同様に調整されることになる。この場合は、合成静電容量Ｃ５のため、容量値の可変幅が大きくとれるので、オフセット調整の幅が広がるという利点がある。

また、大型のタッチパネルでは、タッチパネル側の第１の静電容量Ｃ１が非常に大きくなるため、信号処理回路２Ｘ、２Ｙに内蔵された第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４だけでは、容量値が足りないことがある。そこで、図１２に示すように、シングル入力型の第２のセンサ回路において第３の静電容量Ｃ３及び第４の静電容量Ｃ４と並列に接続可能なように信号処理回路２Ｘ、２Ｙの外部に外付け容量Ｃ６を設けることが好ましい。

この場合、信号処理回路２Ｘ、２Ｙに専用端子３０、３１を設けて、専用端子３０、３１に外付け容量Ｃ６を接続する。そして、第４の静電容量Ｃ４の一方の端子と専用端子３０との間にスイッチＳＷ７を接続し、第４の静電容量Ｃ４の他方の端子と専用端子３１との間にスイッチＳＷ８を接続する。これにより、切換制御回路１１によりスイッチＳＷ７、ＳＷ８をオンさせることにより、外付け容量Ｃ６を付加して、容量値の不足を補うことができる。

また、専用端子３０、３１を設ける代わりに、信号処理回路２Ｘ、２Ｙの第１乃至第４の入力端子ＣＩＮ１〜ＣＩＮ４を用いることもできる。例えば、図１３に示すように、外付け容量Ｃ６は、第１の入力端子ＣＩＮ１と第２の入力端子ＣＩＮ２に接続される。これにより、端子数の増加を無くすことができる。この場合、図１４に示すように、差動入力型の第１のセンサ回路についても、第１の入力端子ＣＩＮ１と第２の入力端子ＣＩＮ２との間に外付け容量Ｃ６が接続されることになるが、第１のセンサ回路の動作に影響はない。

［差動入力型の第１のセンサ回路の動作］
次に、上述した差動入力型の第１のセンサ回路図３参照の動作を図６、７に基づいて説明する。この場合、交流駆動信号ＳＣＤＲＶは、ハイレベル（＝Ｖｒｅｆ）、ローレベル（接地電圧＝０Ｖ）を交互に繰り返すクロック信号であるとする。また、差動増幅器１４の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとし、両者の差電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）である。

第１のセンサ回路は、電荷蓄積モードと電荷転送モードという２つのモードを有しており、この２つのモードが交互に繰り返される。

先ず、図６（ａ）の電荷蓄積モードの時、第１及び第２の静電容量Ｃ１、Ｃ２にＶｒｅｆが印加される。また、第３及び第４の静電容量Ｃ３、Ｃ４に接地電圧（０Ｖ）が印加される。

また、スイッチＳＷ５及びＳＷ６はオンする。これにより、差動増幅器１４の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とが短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線ノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線ノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｒｅｆに設定される。この場合、差動増幅器２２のコモンモード電圧を１／２Ｖｒｅｆとする。

次に、図６（ｂ）の電荷転送モードの時、第１及び第２の静電容量Ｃ１，Ｃ２には、電荷蓄積モードの時とは逆に接地電圧（０Ｖ）が印加される。また、第３及び第４の静電容量Ｃ３，Ｃ４にはＶｒｅｆが印加される。スイッチＳＷ５及びＳＷ６はオフする。

そして、初期状態における各静電容量の容量値は、互いに等しいとする。（Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ）また、人間の指がタッチパッドに近づいた場合のＣ１，Ｃ２の容量差をΔＣとする。（Ｃ１−Ｃ２＝ΔＣ）この場合、Ｃ１＝Ｃ＋１／２ΔＣ、Ｃ２＝Ｃ−１／２ΔＣとする。

図６（ａ）の電荷蓄積モードの時、ノードＮ１の電荷量は次式で与えられる。

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量であり、Ｃ・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣ４の電荷量、Ｃｆ・０（＝０）はＣｆの電荷量である。

図６（ｂ）の電荷転送モードの時、ノードＮ１の電荷量は次式で与えられる。

ここで、（Ｃ−１／２ΔＣ）・（１／２Ｖｒｅｆ）はＣ２の電荷量、Ｃ・（−１／２Ｖｒｅｆ）はＣ４の電荷量、Ｃｆ・（Ｖｏｐ−１／２Ｖｒｅｆ）はＣｆの電荷量である。

電荷保存則により、電荷蓄積モードの時と電荷転送モードの時のノードＮ１の電荷量は互いに等しいから、数１＝数２である。

この方程式をＶｏｐについて解くと次式が得られる。

同様にして、ノードＮ２について、電荷蓄積モードと電荷転送モードの時の電荷量を求め、電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｍについて解くと、次式が得られる。

数３、数４から、Ｖｏｕｔを求める。

即ち、差動入力型の第１のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔは、第１の静電容量Ｃ１と第２の静電容量Ｃ２の容量値の差ΔＣに比例して変化することがわかる。

上述の計算は、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝Ｃ、であることを前提としているが、初期状態において、Ｃ１とＣ２に容量差がある場合には、Ｃ３とＣ４も同じ容量差を有するように、前述のキャリブレーション回路１９等を用いてＣ３、Ｃ４を調整することにより、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットを所定の値又は最小値にすることができる。

次に、第１のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔのタッチセンサ特性を表２、図７に基づいて説明する。前述のように、選択回路１０は、第１相と第２相を有し、第１相においては第１の入力端子ＣＩＮ１、第２の入力端子ＣＩＮ２からの信号を選択し、第２相においては、第３の入力端子ＣＩＮ３、第４の入力端子ＣＩＮ４からの信号を選択する。

第１相の場合の第１のセンス回路の出力電圧ＶｏｕｔをＶ１とし、第２相の場合の第２のセンス回路の出力電圧ＶｏｕｔをＶ２とする。この場合、出力電圧Ｖ１は、Ｙセンス線ＹＬ１とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量とＹセンス線ＹＬ３とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値の差に比例した電圧である。

また、出力電圧Ｖ２は、Ｙセンス線ＹＬ２とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量とＹセンス線ＹＬ４とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値の差に比例した電圧である。そして、人の指等がシングルタッチにてＹセンス線ＹＬ１からＹセンス線ＹＬ４の範囲でタッチパネル１にタッチしたとする。

先ず、人の指等がＹセンス線ＹＬ１にタッチした場合、第１相の第１の出力電圧Ｖ１は、プラス（＋）の値になる。これは、Ｙセンス線ＹＬ１とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値がＹセンス線ＹＬ３とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値より大きくなるからである。また、第２相の第２の出力電圧Ｖ２は０Ｖになる。これは、人の指等がＹセンス線ＹＬ１にだけタッチしているので、Ｙセンス線ＹＬ２，ＹＬ４に係る容量値の変化はないからである。

次に、人の指等がＹセンスＹＬ２にタッチした場合、第１相の第１の出力電圧Ｖ１は０Ｖになる。これは、Ｙセンス線ＹＬ１，ＹＬ３に係る容量値の変化はないからである。一方、第２相の第２の出力電圧Ｖ２はプラス（＋）の値になる。これは、Ｙセンス線ＹＬ２とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値がＹセンス線ＹＬ４とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値より大きくなるからである。

次に、人の指等がＹセンス線ＹＬ３にタッチした場合、第１相の第１の出力電圧Ｖ１はマイナス（−）の値になる。これは、Ｙセンス線ＹＬ３とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値がＹセンス線ＹＬ１とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値より大きくなるからである。一方、第２相の第２の出力電圧Ｖ２は０Ｖになる。これは、人の指等がＹセンス線ＹＬ３にだけタッチしているので、Ｙセンス線ＹＬ２，ＹＬ４に係る容量値の変化はないからである。

最後に、人の指等がＹセンス線ＹＬ４にタッチした場合、第１相の第１の出力電圧Ｖ１は０Ｖになる。これは、Ｙセンス線ＹＬ１，ＹＬ３の容量値に変化はないからである。一方、第２相の第２の出力電圧Ｖ２はマイナス（−）の値になる。これは、Ｙセンス線ＹＬ４とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値がＹセンス線ＹＬ２とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間の容量の容量値より大きくなるからである。表２、図７において、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の最大値の絶対値は「１」に規格化されている。

なお、上述の説明は、人の指等を誘電体とし、人の指がセンス線に近づいた場合に、そのセンス線に係る容量値が大きくなるという誘電体モデルに基づいている。これに対して、人の指等を接地された導体とする、電界遮蔽モデルに基づくと、人の指がセンス線に近づいた場合に、そのセンス線に係る容量値は逆に小さくなる。

図７に示すように、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、タッチ位置に応じて連続的に変化することがわかる。即ち、Ｙセンス線ＹＬ１上の点を原点とし、横軸をＸ座標軸とすると、第１の出力電圧Ｖ１は、Ｖ１＝ｃｏｓＸで近似され、第２の出力電圧Ｖ２は、Ｖ２＝ｓｉｎＸで近似される。従って、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２に基づいて、タッチ位置（Ｙ座標）を検出することが可能である。

その一例を示すと、Ｖ２／Ｖ１＝ｔａｎＸが成り立つことから、Ｘ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖ２／Ｖ１）の関係式と、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２の極性（＋，−）を使ってタッチ位置のＸ座標を求めることができる。ａｒｃｔａｎはｔａｎの逆関数である。この場合、前述のように、ＡＤ変換器１７によって、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をデジタル値に変換し、Ｉ^２Ｃバスインターフェース回路１８を介してマイクロコンピュータ３に送信する。そして、マイクロコンピュータ３により、前述の演算を行い、タッチ位置のＸ座標を求めることができる。

同様に、信号処理回路２Ｘを動作させることにより、第１及び第２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２にも基づき、Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４上のタッチ位置のＹ座標の検出が可能である。この場合、図８に示すように、例えば、信号処理回路２Ｘ，２Ｙを時系列的に動作させることにより、タッチ位置のＸ、Ｙ座標を求めることができる。

特に、差動入力型の第１のセンス回路によれば、高感度であり、耐ノイズ性が高いという利点がある。一方、この第１のセンス回路ではマルチタッチを検出することができない場合がある。例えば、人の指等がＹセンス線ＹＬ１，ＹＬ３を同時にタッチした場合である。この場合は、Ｙセンス線ＹＬ１に係る容量とＹセンス線ＹＬ３に係る容量との容量差がなくなるため、第１の出力電圧Ｖ１はゼロになり、初期状態と区別がつかないためである。

［シングル入力型の第２のセンサ回路の動作］
次に、上述したシングル入力型の第２のセンサ回路図４参照の動作を図９に基づいて説明する。この場合、交流駆動信号は、ハイレベル（＝Ｖｒｅｆ）、ローレベル（接地電圧＝０Ｖ）を交互に繰り返すクロック信号であるとする。また、差動増幅器１４の反転出力端子（−）からの出力電圧をＶｏｍとし、差動増幅器１４の非反転出力端子（＋）からの出力電圧をＶｏｐとし、両者の差電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｍ）である。

また、スイッチＳＷ３はオンしており、第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４とは互いに並列接続され、かつ第１の静電容量Ｃ１に直列に接続されているとする。この場合の第３の静電容量Ｃ３と第４の静電容量Ｃ４の合成静電容量Ｃ５の容量値はＣ５である。（Ｃ５＝Ｃ３＋Ｃ４）
第２のセンサ回路は、電荷蓄積モードと電荷転送モードという２つのモードを有しており、この２つのモードが交互に繰り返される。

先ず、図９（ａ）の電荷蓄積モードの時、第１の静電容量Ｃ１にＶｒｅｆが印加される。また、合成静電容量Ｃ５に接地電圧（０Ｖ）が印加される。また、スイッチＳＷ５及びＳＷ６はオンする。これにより、差動増幅器１４の反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）とが短絡され、非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）とが短絡される。この結果、ノードＮ１（反転入力端子（−）に接続された配線ノード）、ノードＮ２（非反転入力端子（＋）に接続された配線ノード）、反転出力端子（−）、非反転出力端子（＋）の電圧はそれぞれ１／２Ｖｒｅｆに設定される。

次に、図９（ｂ）の電荷転送モードの時、第１の静電容量Ｃ１には、電荷蓄積モードの時とは逆に接地電圧（０Ｖ）が印加される。また、合成静電容量Ｃ５にはＶｒｅｆが印加される。スイッチＳＷ５及びＳＷ６はオフする。

初期状態において、Ｃ１＝Ｃ５＝Ｃに設定されているとする。そして、人の指等のタッチにより、第１の静電容量Ｃ１がΔＣだけ変化したとする。つまり、Ｃ１＝Ｃ＋ΔＣ、Ｃ５＝Ｃである。

図９（ａ）の電荷蓄積モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。

図９（ｂ）の電荷転送モードの時、ノードＮ２の電荷量は次式で与えられる。

電荷保存則により、電荷蓄積モードの時と電荷転送モードの時のノードＮ２の電荷量は互いに等しいから、数６＝数７である。

この方程式をＶｏｍについて解くと次式が得られる。

同様にして、ノードＮ１について、電荷蓄積モードと電荷転送モードの時の電荷量を求め、電荷保存則を適用し、その方程式をＶｏｐについて解くと、次式が得られる。

数３、数４から、Ｖｏｕｔを求める。

即ち、シングル入力型の第２のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔは、第１の静電容量Ｃ１と合成静電容量Ｃ５の容量値の差ΔＣに比例して変化することがわかる。

上述の計算は、初期状態において、Ｃ１＝Ｃ５＝Ｃであることを前提としているが、初期状態において、Ｃ１とＣ５に差がある場合には、前述のキャリブレーション回路１９等を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔのオフセットが所定値又は最少値になるようにＣ５を調整することができる。

次に、第２のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔのタッチセンサ特性について説明する。この場合、選択回路１０は、前述のように、第１の入力端子ＣＩＮ１、第３の入力端子ＣＩＮ３、第２の入力端子ＣＩＮ２、第４の入力端子ＣＩＮ４からの信号を順番に選択する。例えば、図１のＹセンス線ＹＬ１、Ｙセンス線ＹＬ２、Ｙセンス線ＹＬ３、Ｙセンス線ＹＬ４が順番に選択され、第２のセンス回路に接続される。

したがって、第２のセンス回路は、各Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４とＹ駆動線ＤＲＹＬとの間に形成される容量の変化に比例した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。したがって、第２のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、タッチ位置を検出することができる。例えば、人の指等がＹセンス線ＹＬ１にタッチした場合には、Ｙセンス線ＹＬ１が選択された場合の出力電圧Ｖｏｕｔの値が大きくなる。

特に、シングル入力型の第２のセンス回路においては、Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４を１本ずつ選択して、容量変化を検出しているので、差動入力型の第１のセンス回路とは異なり、マルチタッチを安定して検出することができる。

したがって、通常は、差動入力型の第１のセンス回路を動作させ、高感度、高耐ノイズ性を生かして、シングルタッチを使用し、マルチタッチを使用したい時は、シングル入力型の第２のセンス回路を動作させるように切り換えることができる。

このようなシングル入力モードと差動入力モードの切り換えは、前述のように切換制御回路１１が行う。この場合、切換制御回路１１は、外部からのコマンド、例えば、シリアルクロック線４、シリアルデータ線５を介してマイクロコンピュータ３から転送されるコマンドを受けて、モード切り換えの動作を実行するように構成することができる。

また、切換制御回路１１は、センサ検出結果に基づいて、自動的にシングル入力モードと差動入力モードの切り換えを行うように構成することもできる。例えば、人の指等がタッチパネル１から比較的離れている場合には、高感度のセンシングが必要なため、差動入力型の第１のセンス回路を動作させる。そして、第１のセンス回路の出力電圧Ｖｏｕｔが所定のしきい値を超えると、人の指等がタッチパネル１に所定の距離まで近接し、あるいはタッチパネル１に直接タッチしたと判断して、シングル入力モードに切り換える。

なお、図１の構成において、Ｘ駆動線ＤＲＸＬ、Ｙ駆動線ＤＲＹＬを設け、信号処理回路２Ｘ，２Ｙの駆動端子ＣＤＲＶからＸ駆動線ＤＲＸＬ、Ｙ駆動線ＤＲＹＬに交流駆動信号を供給しているが、Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４、Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４を駆動線として利用することもできる。

この場合、信号処理回路２Ｙがタッチセンサの動作をしている時には、信号処理回路２Ｘから、各Ｘセンス線ＸＬ１〜ＸＬ４に交流駆動信号を供給する。一方、信号処理回路２Ｘがタッチセンサの動作をしている時には、信号処理回路２Ｙから、各Ｙセンス線ＹＬ１〜ＹＬ４に交流駆動信号を供給する。このような構成によれば、Ｘ駆動線ＤＲＸＬ、Ｙ駆動線ＤＲＹＬ等は不要になる。また、この信号処理回路２Ｘ，２Ｙを１チップで実現することも可能である。

１ タッチパネル ２Ｘ、２Ｙ 信号処理回路
３ マイクロコンピュータ ４ シリアルクロック線 ５ シリアルデータ線
１０ 選択回路 １１ 切換制御回路 １２ 駆動回路
１３ インバータ １４ 差動増幅器 １５ 第１のフィードバック容量
１６ 第２のフィードバック容量 １７ ＡＤ変換器
１８ Ｉ^２Ｃバスインターフェース回路 １９ キャリブレーション回路
２０ ＥＥＰＲＯＭ ２１ 基準電圧源
２２、２３ 配線 ３０、３１ 専用端子

Claims (6)

1. 複数のセンス線と、交流駆動信号が印加される駆動線と、を備えた静電容量型タッチパネルの信号処理回路であって、
   前記複数のセンス線の中から第１及び第２のセンス線を選択し、前記第１のセンス線と前記駆動線との間に形成される第１の静電容量の容量値と前記第２のセンス線と前記駆動線との間に形成される第２の静電容量の容量値との差を検出する差動入力型の第１のセンサ回路と、
   前記複数のセンス線から前記第１のセンス線を選択し、前記第１のセンス線と前記駆動線との間に形成される前記第１の静電容量の容量値の変化を検出するシングル入力型の第２のセンサ回路と、
   前記第１のセンサ回路の出力電圧のオフセットを調整するためのキャリブレーション用の第１及び第２の可変容量と、
   前記第１及び第２のセンサ回路のいずれかを動作させるように切換制御する切換制御回路と、を備え、前記切換制御回路は、前記第２のセンサ回路を動作させる時に、前記キャリブレーション用の第１及び第２の可変容量を互いに並列接続するように制御を行うことを特徴とする静電容量型タッチパネルの信号処理回路。
2. 前記切換制御回路は、前記第１のセンサ回路を動作させる時には、前記第１の静電容量に前記第１の可変容量を直列に接続し、前記第２の静電容量に前記第２の可変容量を直列に接続し、
   前記第２のセンサ回路を動作させる時には、前記第１の静電容量に前記並列接続された第１及び第２の可変容量を直列に接続することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型タッチパネルの信号処理回路。
3. 前記キャリブレーション用の可変容量に並列に外付け容量を接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型タッチパネルの信号処理回路。
4. 前記静電容量型タッチパネルからの一対の信号が入力される一対の端子を備え、
   前記外付け容量を前記一対の端子に接続したことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型タッチパネルの信号処理回路。
5. 前記第１又は第２のセンサ回路の出力電圧に基づいて、前記第１及び第２の可変容量の容量値を調整するための調整信号を出力するキャリブレーション回路を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静電容量型タッチパネルの信号処理回路。
6. 前記キャリブレーション回路の前記調整信号を保持する不揮発性メモリを備えることを
   特徴とする請求項５に記載の静電容量型タッチパネルの信号処理回路。

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