JP5919169B2 - 静電容量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、タッチパッド、タッチセンサ等に設けられる静電容量型センサの静電容量の変化を検出する静電容量検出装置に関する。

静電容量検出技術を利用した入力デバイスとして、タッチスイッチ、タッチパッド、タッチパネル等が挙げられる。例えば、タッチスイッチは、１つの単電極をセンサのセンス電極として用い、センス電極と周囲との間の静電容量結合（自己容量）を検出する自己容量型の静電容量検出回路が採用される（例えば、特許文献１参照）。また、タッチパッド及びタッチパネルは、ドライブ電極とセンス電極とを交差させて構成したセンサにおいて、主にドライブ電極とセンサ電極との間の静電容量結合（相互容量）を検出する静電容量検出回路が採用される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１５１２４号公報 特開２０１１−１９１１８３号公報 特表２００２−５３０６８０号公報 特許第４５６６０３０号公報

ところで、静電容量検出技術を利用した入力デバイスは、接触、近接、ジェスチャー検出等の用途の多様化に対応して複合化されていくことが予想される。複合化された入力デバイスを１つのＩＣ又は回路で実現する為には、静電容量検出回路は様々なセンサ構造に対応できるセンサ駆動方式、入力構造を持つことが望まれる。

しかしながら、１つの単電極をセンス電極として、センス電極と周囲との間の静電容量結合を検出する自己容量検出型の静電容量検出回路と、複数のドライブ電極とセンス電極とからなるセンサにおいて主にドライブ電極とセンス電極との間の静電容量結合を検出する相互容量検出型の静電容量検出回路とでは回路構成が異なる。また、新規の入力デバイスの開発には、新たなセンサ（電極構造、配置）と駆動方法に対応可能な回路構成が必要になる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、自己容量検出型及び相互容量検出型を含む複数のセンサモデルに対して共通の回路構成で対応可能な汎用性に優れた静電容量検出装置を提供することを目的とする。

本発明の静電容量検出装置は、センサを構成する複数の電極が各接続される複数の端子を有する端子部と、前記センサの電極のうち駆動側のドライブ電極に印加する駆動信号を出力する駆動回路と、前記端子部の各端子の接続先回路を切り替えるマルチプレクサと、前記駆動回路と共に前記マルチプレクサによる接続先回路の１つとなるＣ−Ｖ変換回路と、を備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記センサの容量に応じた電荷をサンプルホールド容量に蓄積し、当該サンプルホールド容量に生じた電位差を後段回路へ出力するサンプルホールド部と、前記センサの電極のうち検出電位が現れるセンス電極が接続された前記端子と前記サンプルホールド容量の両端子との間を接続可能な２つの入力ラインと、前記入力ラインにリセット電圧を印加するリセットスイッチと、一端が対応する前記入力ラインに接続され、他端に駆動信号が印加される可変容量と、前記可変容量に印加する駆動信号を出力する可変容量駆動回路と、を有し、前記マルチプレクサは、前記ドライブ電極と前記駆動回路との接続と切断とを切替可能とすることで、前記ドライブ電極と前記センス電極の静電容量結合を検出する相互容量検出と、前記センス電極とその周囲の静電容量結合を検出する自己容量検出とを切替可能とし、前記サンプルホールド部は、相互容量検出の場合、各サンプリングの前に前記リセットスイッチによって、固定電位で前記センス電極のリセットを実施すると共に、前記センス電極の信号を前記ドライブ電極駆動信号の立上り及び立下りの両エッジでサンプリングし、サンプリングされた信号を偶数回と奇数回とで極性を反転して後段回路へ転送するチョッピング回路を形成することを特徴とする。

本発明の静電容量検出装置によれば、共通の回路構成（端子部、サンプルホールド部、入力ライン、リセットスイッチ、可変容量、駆動回路、マルチプレクサ）から相互容量検出に対応した回路構成と自己容量検出に対応した回路構成とを差動入力とシングルエンド入力の検出回路構成と、差動出力とシングルエンド出力の駆動回路構成との組み合わせで構築できるので、自己容量検出型及び相互容量検出型を含む複数のセンサモデルに対して共通の回路構成で対応できる。

本発明は、センサを構成する複数の電極が各接続される複数の端子を有する端子部と、前記センサの電極のうち駆動側のドライブ電極に印加する駆動信号を出力する駆動回路と、前記端子部の各端子の接続先回路を切り替えるマルチプレクサと、前記駆動回路と共に前記マルチプレクサによる接続先回路の１つとなるＣ−Ｖ変換回路と、を備え、前記Ｃ−Ｖ変換回路は、前記センサの容量に応じた電荷をサンプルホールド容量に蓄積し、当該サンプルホールド容量に生じた電位差を後段回路へ出力するサンプルホールド部と、前記センサの電極のうち検出電位が現れるセンス電極が接続された前記端子と前記サンプルホールド容量の両端子との間を接続可能な２つの入力ラインと、前記入力ラインにリセット電圧を印加するリセットスイッチと、一端が対応する前記入力ラインに接続され、他端に駆動信号が印加される可変容量と、前記可変容量に印加する駆動信号を出力する可変容量駆動回路と、を有し、前記マルチプレクサは、前記ドライブ電極と前記駆動回路との接続と切断とを切替可能とすることで、前記ドライブ電極と前記センス電極の静電容量結合を検出する相互容量検出と、前記センス電極とその周囲の静電容量結合を検出する自己容量検出とを切替可能とし、前記サンプルホールド部は、自己容量検出の場合、各サンプリングの前に前記リセットスイッチによって、固定電位で前記センス電極のリセットを実施すると共に、前記センス電極の信号を前記可変容量の一端に印加される駆動信号の立上り及び立下りの両エッジでサンプリングし、サンプリングされた信号を偶数回と奇数回とで極性を反転して後段回路へ転送するチョッピング回路を形成することを特徴とする。

これにより、前記サンプルホールド部が相互容量検出の場合と自己容量検出の場合でチョッピング回路を形成するので、センス電極から入力してくる低周波のシングルエンドモードノイズがキャンセルできて信号成分のみを後段回路に出力することができ、ノイズ耐性を改善できる。また、サンプルホールド部はサンプルホールド容量の両端子間に生じる電位差を後段回路へ出力する。この電位差は、一般的な増幅回路およびフィルタ回路への入力が可能であり、ΔΣ型ＡＤ変換器等、ノイズ抑制に有効な回路との接続を可能とし、高感度化を容易に図ることができる。

上記静電容量検出装置において、前記センサの２つのセンス電極を２つの入力ライン経由でサンプルホールド容量の両端に接続して信号を取り込む差動入力と、前記センサの１つのセンス電極を１つの入力ライン経由でサンプルホールド容量の一方の電極に接続して信号を取り込むシングル入力とを切替可能に構成されている。

これにより、共通の回路構成（端子部、サンプルホールド部、入力ライン、リセットスイッチ、可変容量、駆動回路、マルチプレクサ）によって、相互容量検出に対応した回路構成と自己容量検出に対応した回路構成とを差動入力とシングルエンド入力の検出回路構成と、差動出力とシングルエンド出力の駆動回路構成との組み合わせで構築できるので、自己容量検出型及び相互容量検出型を含む複数のセンサモデルに対して共通の回路構成で対応できる。

上記静電容量検出装置において、前記サンプルホールド部は、サンプルホールド容量がＭ行Ｎ列のマトリクス構成を有し、サンプリングされた信号を同一列のＭ個のサンプルホールド容量に蓄積し、Ｎ回のサンプリングが終了するまでサンプリング毎に列を変えながら列単位での蓄積を繰り返し、行単位でＮ個のサンプルホールド容量に蓄積された合計電荷量に応じた電位差を後段回路へ出力する。

これにより、前記サンプルホールド部が、（Ｎ−１）回前から直前のサンプリングまでの各センサ出力を合計して後段回路に出力する移動平均フィルタを形成するので、ノイズ耐性を改善できる。

本発明によれば、自己容量検出型及び相互容量検出型を含む複数のセンサモデルに対して共通の回路構成で対応可能で汎用性に優れた静電容量検出装置を提供できる。

実施の形態に係る静電容量検出回路の概略的な全体構成図である。 モデル１（相互容量検出／差動ドライブ／差動入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 モデル２（相互容量検出／差動ドライブ／シングル入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 モデル３（相互容量検出／シングルドライブ／差動入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 モデル４（相互容量検出／シングルドライブ／シングル入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 モデル５（自己容量検出／差動入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 モデル６（自己容量検出／シングル入力）に対応した静電容量検出回路の回路構成図である。 サンプルホールド回路を示す図である。 モデル１−４の動作説明のためのタイミングチャートを示す図である。 モデル５、６の動作説明のためのタイミングチャートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１に静電容量検出回路の概略的な全体構成が示されている。静電容量検出回路１０は、センサ１を構成する電極を接続可能な端子部１１と、相互容量検出のための駆動信号を出力する駆動回路１２と、端子部１１に接続された電極のうち駆動回路１２に接続する電極（ドライブ電極として機能）と検出回路側に接続する電極（センス電極として機能）とを選択するマルチプレクサ１３と、電荷量を電圧情報に変換するＣ-Ｖ変換回路１４と、電圧値を増幅すると共にアナログフィルタリングするアナログ処理回路１５と、ＡＤ変換及びディジタルフィルタリングするディジタル処理回路１６とを備えている。

駆動回路１２は、相互容量検出時にドライブ電極に印加する駆動信号を生成する。差動ドライブ時には極性の異なる駆動信号を出力し、シングルドライブ時には一方の極性の駆動信号を出力する。

マルチプレクサ１３は、ドライブ電極として機能させる電極が駆動回路１２の出力端子に接続されるように端子部１１の端子を選択し、センス電極として機能させる電極が検出回路側の入力ラインに接続されるように端子を選択する。

センサ１は、複数の電極からなる電極群で１つのセンサ機能を実現するが、さらに固定電位電極、ハイインピーダンスの浮遊電極を含んだ電極群で１つのセンサ機能を満たすこともできる。また、少なくとも１つのセンス電極があればセンサ機能を満たすことができる。Ｎ個のセンサを同時に接続する場合、各電極は共有して使用され、センサ毎に機能（ドライブ電極、センス電極）が変更されても良い。すなわち、あるタイミングでは一対のセンス電極のうち一方のセンス電極として使用された電極が、別のタイミングでは他方のセンス電極又はドライブ電極として使用されるようにしても良い。このように、電極群の中から任意の電極を接続先として選択し時間的に電極機能を切り替えるようにマルチプレクサ１３が電極と駆動回路１２、Ｃ-Ｖ変換回路１４との接続を切替制御する。例えば、相互容量検出／差動ドライブの場合は、一対のドライブ電極として機能させる２つの電極が駆動回路１２の出力端子に接続されるように端子を選択し、センス電極として機能させる２つの電極が検出回路側の入力ラインに接続されるように端子を選択する。なお、図１ではマルチプレクサ１３に対して複数の検出系統（Ｃ-Ｖ変換回路１４、アナログ処理回路１５、ディジタル処理回路１６）が並列接続された構成が例示されているが、少なくとも１つの検出系統があれば良い。また、アナログ処理回路１５及びディジタル処理回路１６は、必ずしも静電容量検出回路１０とともに１つのＩＣパッケージに含まれなくても良い。センサ１は、後述する相互容量型センサと自己容量型センサとがある。例えば、図２から図５に例示している相互容量型のセンサ１は、差動ドライブ／差動入力型（図２）、差動ドライブ／シングル入力型（図３）、シングルドライブ／差動入力型（図４）、シングルドライブ／シングル入力型（図５）である。また、図６、７に例示している自己容量型のセンサ１は、差動入力型（図６）、シングル入力型（図７）である。静電容量検出回路１０は、上記のように容量タイプ、駆動方式、入力構成の異なる各種センサ１に対して共通の回路構成で容量検出を実現している。

（モデル１）
図２に、容量タイプが相互容量であり差動ドライブ／差動入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。先ず、相互容量／差動ドライブ／差動入力型のセンサ１について説明する。図２に示すように、モデル１におけるセンサ１は、電極Ｅ１、Ｅ２がセンス電極を構成し、電極Ｅ３、Ｅ４がドライブ電極を構成するように端子部１１の対応端子に接続されている。被検出体は記号Ｓｕｂで示されている。一方のセンス電極Ｅ１は、マルチプレクサ１３によって、静電容量検出回路１０の差動入力の一方に対応した端子Ｐ１に接続され、他方のセンス電極Ｅ２は静電容量検出回路１０の差動入力の他方に対応した端子Ｐ２に接続される。また、一方のドライブ電極Ｅ３はドライブ回路１２から第１の極性の駆動パルスが印加される端子Ｐ３が接続され、他方のドライブ電極Ｅ４はドライブ回路１２から第１の極性とは逆極性の駆動パルスが印加される端子Ｐ４が接続される。センス電極Ｅ１、Ｅ２と被検出体Ｓｕｂとの間に容量Ｃｓ１、Ｃｓ２が形成され、センス電極Ｅ１、Ｅ２と例えばＧＮＤとの間に容量Ｃ０１、Ｃ０２が形成されている。センス電極Ｅ１、Ｅ２間には容量Ｃ１２が形成される。一方のセンス電極Ｅ１と一方のドライブ電極Ｅ３との間には容量Ｃ３１が形成され、他方のセンス電極Ｅ２と一方のドライブ電極Ｅ３との間には容量Ｃ３２が形成される。そして、一方のセンス電極Ｅ１と他方のドライブ電極Ｅ４との間には容量Ｃ４１が形成され、他方のセンス電極Ｅ２と他方のドライブ電極Ｅ４との間には容量Ｃ４２が形成される。

次に静電容量検出回路１０の回路構成について説明する。図２に示すように、静電容量検出回路１０は、差動入力となる端子Ｐ１、Ｐ２に対して差動入力ラインＬ１、Ｌ２を介して接続されたサンプルホールド部２１と、差動入力ラインＬ１、Ｌ２に接続されたセンサリセット用の第１のリセットスイッチＳＷ１及び第２のリセットスイッチＳＷ２と、センス電極へ駆動信号を印加する自己容量駆動部２２とを備える。サンプルホールド部２１、第１、第２のリセットスイッチＳＷ１、ＳＷ２、自己容量駆動部２２によって図１に示すＣ-Ｖ変換回路１４が構成される。なお、第２のリセットスイッチＳＷ２が無くても同様の機能を実現できる。

サンプルホールド部２１は、サンプルホールド容量Ｃｓｈと、サンプルホールド容量Ｃｓｈとセンサ１との接続をオン／オフするスイッチＳＷ３と、サンプルホールド容量Ｃｓｈと後段回路（アナログ処理回路１５）との接続をオン／オフするスイッチＳＷ４とを備える。図８にサンプルホールド部２１をＭ行Ｎ列のサンプルホールド回路で構成した回路構成が示されている。サンプルホールド容量Ｃｓｈは、Ｍ行Ｎ列のマトリクス構成を有している。具体的には、サンプルホールド容量Ｃｓｈは、２行２列のマトリクスを構成する容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２１、Ｃｓｈ２２で構成されている。スイッチＳＷ３は、容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２１、Ｃｓｈ２２に対する入力端子Ｐ５，６(差動入力ラインＬ１、Ｌ２)の接続をオン／オフするスイッチＳＷ３−１，ＳＷ３−２で構成される。スイッチＳＷ４は、容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２１、Ｃｓｈ２２に対する出力端子Ｐ７，８（後段回路）との接続をオン／オフするスイッチＳＷ４−１，ＳＷ４−２で構成される。また、第１のリセットスイッチＳＷ１は、差動入力ラインＬ１及びＬ２を個別に基準電圧Ｖｒｅｆ（または電源電圧Ｖｄ）に接続可能に構成され、第２のリセットスイッチＳＷ２は、差動入力ラインＬ１及びＬ２を個別に固定電位（例えばＧＮＤ）に接続可能に構成されている。自己容量駆動部２２は、一方の差動入力ラインＬ１に装荷される可変容量Ｃｘ１と他方の差動入力ラインＬ２に装荷される可変容量Ｃｘ２とを備える。可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２は駆動信号ｓｉｇ１によって駆動されて対応する差動入力ラインＬ１、Ｌ２に任意の電荷量を注入する。

（モデル２）
図３に、容量タイプが相互容量であり差動ドライブ／シングル入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。図２に示すモデル１と同一部分には同一符号を付している。図３に示すように、モデル２におけるセンサ１は、モデル１からセンス電極Ｅ２を除いた構成を有しており、一方のセンス電極Ｅ１と一方のドライブ電極Ｅ３との間に形成される容量Ｃ３１、一方のセンス電極Ｅ１と他方のドライブ電極Ｅ４との間に形成される容量Ｃ４１、センス電極Ｅ１と被検出体Ｓｕｂとの間に形成される容量Ｃｓ１、センス電極Ｅ１とＧＮＤとの間に形成される容量Ｃ０１が検出対象となる。マルチプレクサ１３は、センス電極Ｅ１が接続された端子Ｐ１を入力ラインＬ１に接続するように、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４が接続された端子Ｐ３、Ｐ４を駆動回路１２に接続するように選択する。モデル２におけるセンサ１は、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４を異なる極性の駆動パルスで駆動する差動ドライブであるが、相互容量検出は一方のセンス電極Ｅ１からのみ行われるシングル入力となる。センス電極Ｅ１は入力ラインＬ１を介してサンプルホールド部２１に接続される。

（モデル３）
図４に、容量タイプが相互容量でありシングルドライブ／差動入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。図２に示すモデル１と同一部分には同一符号を付している。図４に示すように、モデル３におけるセンサ１は、モデル１から他方のドライブ電極Ｅ４を除いた構成を有している。一方のドライブ電極Ｅ３が接続された端子Ｐ３に対して駆動パルスが印加される。マルチプレクサ１３は、センス電極Ｅ１が接続された端子Ｐ１とセンス電極Ｅ２が接続された端子Ｐ２の双方と、ドライブ電極Ｅ３が接続された端子Ｐ３を選択する。

（モデル４）
図５に、容量タイプが相互容量でありシングルドライブ／シングル入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。図２に示すモデル１と同一部分には同一符号を付している。図５に示すように、モデル４におけるセンサ１は、モデル１から他方のセンス電極Ｅ２と、他方のドライブ電極Ｅ４とが取り除かれた構成を有している。一方のドライブ電極Ｅ３が接続された端子Ｐ３に対して駆動パルスが印加される。マルチプレクサ１３は、センス電極Ｅ１が接続された端子Ｐ１と、ドライブ電極Ｅ３が接続された端子Ｐ３を選択する。相互容量検出は一方のセンス電極Ｅ１からのみ行われるシングル入力となる。センス電極Ｅ１は入力ラインＬ１を介してサンプルホールド部２１に接続される。モデル４のセンサ１は、主にタッチパッドやタッチパネルに使用される。

（モデル５）
図６に、容量タイプが自己容量であり差動入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。図２に示すモデル１と同一部分には同一符号を付している。図６に示すように、モデル５におけるセンサ１は、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４が取り除かれていて、センス電極Ｅ１、Ｅ２で構成されている。マルチプレクサ１３は、センス電極Ｅ１が接続された端子Ｐ１とセンス電極Ｅ２が接続された端子Ｐ２を差動入力ラインＬ１、Ｌ２に接続するように選択する。

（モデル６）
図７に、容量タイプが自己容量でありシングル入力型のセンサを対象センサ１とした場合の静電容量検出回路１０の回路構成が示されている。図２に示すモデル１と同一部分には同一符号を付している。図７に示すように、モデル６におけるセンサ１は、他方のセンス電極Ｅ２、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４が取り除かれている。マルチプレクサ１３は、センス電極Ｅ１が接続された端子Ｐ１を選択する。センス電極Ｅ１は入力ラインＬ１を介してサンプルホールド部２１に接続される。モデル６のセンサ１は、主にタッチスイッチに使用される。

本実施の形態に係る静電容量検出回路１０は、モデル１からモデル６の態様に対応して動作内容をそれぞれ切り替えることで、全モデルに対して共通の回路構成で相互容量及び自己容量検出が可能となる。

次に、上記モデル１-６に対応した具体的な動作について説明する。
先ず、相互容量検出型のモデル１−４の動作について説明する。
図９は相互容量検出型のモデル１−４に対応したタイミングチャートである。以下、モデル１の動作を例に説明するが、各モデル２−４のセンサ構成では、削除された電極が形成する静電容量を無視することでモデル１と同様の動作になる。

センサリセット開始位置（Ｔ１）において、第１のリセットスイッチＳＷ１をオン（閉じる）すると共に、サンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−１をオンする。これにより、センサ１の容量（Ｃ１２等）とサンプルホールド部２１のサンプルホールド容量Ｃｓｈ（Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１）が基準電圧Ｖｒｅｆで初期化される。センサリセット終了位置（Ｔ２）において、第１のリセットスイッチＳＷ１をオフ（開く）して、センサ１及びサンプルホールド容量Ｃｓｈの初期化を終了する。

フェーズ１の開始位置（Ｔ３）において、駆動回路１２からセンサ１のドライブ電極Ｅ３、Ｅ４に極性の異なる駆動信号を印加してドライブ電極Ｅ３、Ｅ４を駆動する。図９に示す例では、駆動信号の立ち上がりによってドライブ電極Ｅ３、Ｅ４が駆動される。ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４に極性の異なる駆動信号を印加することにより、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４とセンス電極Ｅ１、Ｅ２との間に形成される静電容量に対応した電位差がセンス電極Ｅ１、Ｅ２側に発生する。このとき、センス電極Ｅ１、Ｅ２から見たセンサ１の合成容量に差が発生していれば、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１の両端に電位差が発生し電荷が充電される。その後、センサ切断位置（Ｔ４）でサンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−１をオフする。これにより、センサ１とサンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１を切断する。さらに、後段回路に接続開始位置（Ｔ５）でスイッチＳＷ４−１をオンすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１に充電された電荷（電位差）を後段回路に転送する。フェーズ１の終了位置（Ｔ６）において、スイッチＳＷ４−１をオフすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１と後段回路を切断する。ここまでがフェーズ１となる。

次に、センサリセット開始位置開始位置（Ｔ７）において、フェーズ１のリセット開始位置（Ｔ１）と同様に、第１のリセットスイッチＳＷ１をオンすると共に、サンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−２をオンする。これにより、センサ１の容量とサンプルホールド部２１のサンプルホールド容量Ｃｓｈ（Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２）が基準電圧Ｖｒｅｆで初期化される。センサリセット終了位置（Ｔ８）において、第１のリセットスイッチＳＷ１をオフして、センサ１及びサンプルホールド容量Ｃｓｈの初期化を終了する。

フェーズ２の開始位置（Ｔ９）において、駆動回路１２からフェーズ１とは逆極性となる駆動信号を印加してドライブ電極Ｅ３、Ｅ４を駆動する。よって、フェーズ２では、フェーズ１とは逆極性の電位差（電荷）が発生する。図９に示す例では、駆動信号の立ち下がりによってドライブ電極Ｅ３、Ｅ４が駆動される。ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４に極性の異なる駆動信号を印加することにより、ドライブ電極Ｅ３、Ｅ４とセンス電極Ｅ１、Ｅ２との間に形成される静電容量に対応した電位差がセンス電極Ｅ１、Ｅ２側に発生する。このとき、センス電極Ｅ１、Ｅ２から見たセンサ１の合成容量に差が発生していれば、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２の両端に電位差が発生し電荷が充電される。その後、センサ切断位置（Ｔ１０）でサンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−２をオフする。センサ１とサンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２を切断した後、後段回路に接続開始値（Ｔ１１）でスイッチＳＷ４−２をオンすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２に充電された電荷（電位差）を後段回路に転送する。フェーズ２の終了位置（Ｔ１２）において、スイッチＳＷ４−２をオフすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２と後段回路を切断する。ここまでがフェーズ２となる。フェーズ１に戻って同様の処理を繰り返す。以上の結果、ドライブ電極とセンス電極との間に形成される相互容量が検出されることになる。

サンプルホールド部２１は、サンプリングされた信号を偶数回と奇数回とで極性を反転して効率よく後段回路へ転送するチョッピング回路を形成する。また、フェーズ１によるセンサ出力はサンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１に保持され、フェーズ２によるセンサ出力はサンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２に保持されるが、フェーズ１で後段回路に出力されるのはサンプルホールド容量Ｃｓｈ１１とサンプルホールド容量Ｃｓｈ１２の電位差であり、フェーズ２で後段回路に出力されるのはサンプルホールド容量Ｃｓｈ２１とサンプルホールド容量Ｃｓｈ２２の電位差となる。つまり、１つ前のフェーズのセンサ出力と現在のフェーズのセンサ出力を同時に後段回路に転送することになる。図８に示す２行２列のマトリクス構成の場合、１つ前から現在までのフェーズのセンサ出力を後段回路に一度に出力する移動平均効果が期待できる。例えば、４行４列構成の場合であれば、３つ前から現在までのフェーズのセンサ出力を後段回路に出力する移動平均効果が期待できる。

次に、自己容量検出型のモデル５、６の動作について説明する。
自己容量検出型のモデル５、６の場合、ドライブ電極が存在しないので、相互容量の代わりに内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２に駆動信号Ｓｉｇ１を印加して入力ラインＬ１、Ｌ２に電荷量を注入する。また、センス電極のリセット電圧に極性を持たせ、第１のリセットスイッチＳＷ１によるリセットは電源電圧Ｖｄ（第１の固定電圧）、第２のリセットスイッチＳＷ２によるリセットはＧＮＤ（第２の固定電圧）とするが、相互容量検出時と同様にＳＷ２は使用せず、ＳＷ１によるリセットを基準電圧Ｖｒｅｆのみで実施することでも可能となる。

図１０は自己容量検出型のモデル５、６に対応したタイミングチャートである。以下、モデル５の動作を例に説明するが、モデル５のセンサ構成では、削除された電極が形成する静電容量を無視することでモデル５と同様の動作になる。

センサリセット開始位置（Ｔ１）において、第１のリセットスイッチＳＷ１をオンすると共にサンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−１をオンする。このとき、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の一方の電極には差動入力ラインＬ１、Ｌ２から電源電圧Ｖｄが印加されていて、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の他方の電極にはハイレベルの駆動信号ｓｉｇ１によって例えば電源電圧Ｖｄと同一電圧に維持される。これにより、センサ１の容量Ｃ１２とサンプルホールド部２１のサンプルホールド容量Ｃｓｈ（Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１）が電源電圧Ｖｄで初期化され、両端に電源電圧Ｖｄが印加される内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２には電荷は蓄積されない。センサリセット終了位置（Ｔ２）において、第１のリセットスイッチＳＷ１をオフして、センサ１及びサンプルホールド容量Ｃｓｈの初期化を終了する。

フェーズ１の開始位置（Ｔ３）において、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の他方の電極に印加している駆動信号Ｓｉｇ１をローレベルに遷移させて電源電圧ＶｄからＧＮＤに変化させる。内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の他方の電極をＧＮＤにすることで電位差が生じ、電源電圧Ｖｄで充電されていたセンサ１の合成容量の電荷が内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２へ転送される。例えば、被検出体Ｓｕｂがいずれか一方の電極Ｅ１またはＥ２に接していれば内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２に電圧差が生じてサンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１に電位差に応じた電荷が蓄積される。その後、センサ切断位置（Ｔ４）でサンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−１をオフし、さらに、後段回路の接続開始位置（Ｔ５）でスイッチＳＷ４−１をオンすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１に充電された電荷（電位差）を後段回路に転送する。フェーズ１の終了位置（Ｔ６）において、スイッチＳＷ４−１をオフすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１１、Ｃｓｈ２１と後段回路を切断する。ここまでがフェーズ１となる。

次に、センサリセット開始位置（Ｔ７）において、第２のリセットスイッチＳＷ２をオンすると共に、サンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−２をオンする。これにより、センサ１の容量Ｃ１２とサンプルホールド部２１のサンプルホールド容量Ｃｓｈ（Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２）がＧＮＤで初期化される。センサリセット終了位置（Ｔ８）において、第２のリセットスイッチＳＷ２をオフして、センサ１及びサンプルホールド容量Ｃｓｈの初期化を終了する。

フェーズ２の開始位置（Ｔ９）において、フェーズ１とは逆極性となる駆動信号Ｓｉｇ１を印加して、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の他方の電極をＧＮＤから電源電圧Ｖｄに変化させる。これにより、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２が充電されて内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２の蓄積電荷に応じた電位差で差動入力ラインＬ１、Ｌ２が駆動される。このとき、センス電極Ｅ１、Ｅ２から見たセンサ１の合成容量に差が発生していれば、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２の両端に電位差が発生し電荷が充電される。その後、センサ切断位置（Ｔ１０）でサンプルホールド部２１におけるスイッチＳＷ３−２をオフする。センサ１とサンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２を切断した後、後段回路の接続開始位置（Ｔ１１）でスイッチＳＷ４−２をオンすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２に充電された電荷（電位差）を後段回路に転送する。フェーズ２の終了位置（Ｔ１２）において、スイッチＳＷ４−２をオフすることで、サンプルホールド容量Ｃｓｈ１２、Ｃｓｈ２２と後段回路を切断する。ここまでがフェーズ２となる。フェーズ１に戻って同様の処理を繰り返す。以上の結果、センス電極とＧＮＤ（又は他のセンス電極）との間に形成される自己容量が検出されることになる。

以上のような、本実施の形態に係るモデル１−６の静電容量検出回路１０によれば、次のような作用効果を奏することができる。

ノイズ耐性の点では、センサ１の出力段からサンプルホールド部２１の入力段までの間で差動入力構成を採るモデル１、３、５によれば、センサ１から入力されるコモンモードノイズのキャンセルが可能となる。その結果、センサ１の拾う外来ノイズや、温度変化等による外部環境起因のオフセット成分ドリフトに対しても、コモンモード化してノイズを抑制することができる。また、相互容量検出型の構成を採るモデル１−４によれば、ドライブ電極（Ｅ３、Ｅ４）を矩形波の駆動信号で駆動し、駆動信号の立上り及び立下りの両極性（エッジ）でサンプリングを実施する。これにより、同量、異符号の信号成分を奇数回、偶数回で得るチョッピング回路を実現している。あるノイズ電圧によってセンサ１に入力されたシングルエンドモードのノイズは奇数回、偶数回で同符号、同量とすると、チョッピング回路で信号を毎回反転させ後段回路に出力することでノイズがキャンセルできる。また、自己容量検出型の構成を採るモデル５、６では、回路内の可変容量Ｃｘをパルス駆動することで、モデル１−４（図２から図５）で示す構成と同様にチョッピング回路にて信号成分のみを後段回路に出力する。これにより、シングルエンドモードノイズを抑制することができる。

高感度化の点として、静電容量検出回路特有のＣ-Ｖ変換回路１４の後段を一般的な増幅回路やフィルタ回路にできるメリットがある。モデル１−７においてサンプルホールド容量Ｃｓｈにはサンプル毎にセンサ１の容量に応じた電荷（電位差）が蓄えられ、センサ１から切り離されると、電荷をホールドし、その電荷による電位差は後段の増幅回路へと入力される。この段階で、この電位差は、一般的な増幅回路およびフィルタ回路への入力が可能となり、ΔΣ型ＡＤ変換器等、ノイズ抑制に有効な回路との接続も可能となる。また、センサ１の出力からノイズ成分やオフセット成分をキャンセルし、回路の持つダイナミックレンジを有効に信号成分の増幅に割り当てられることが望ましい。この点で、差動入力構成を採るモデル１，３，５によれば、センサ１から差動入力構成となっており、対称形のセンサ１においてオフセットの成分はキャンセルされ理想ゼロとなる。このため、被検出体Ｓｕｂの近接、接触による容量の変化成分のみを後段回路に入力できるため、回路のダイナミックレンジを有効に増幅に使用することができる。また、シングル入力構成となるモデル２、４、６では、センサ１がシングルエンド構成のため、センサ１が持つ容量がオフセット成分となり、微小な容量変化の増幅には、同時に大きなオフセット成分の無駄な増幅が必要となる。これを回避する為、内部可変容量Ｃｘ１、Ｃｘ２をアンバランスに設定しパルス駆動することで、センサ１のオフセット成分をキャンセル可能とし、差動型センサと同様にダイナミックレンジを有効に増幅に使用することが出来る。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されているセンサ電極の大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

１ センサ
１０ 静電容量検出回路
１１ 端子部
１２ 駆動回路
１３ マルチプレクサ
１４ Ｃ-Ｖ変換回路
１５ アナログ処理回路
１６ ディジタル処理回路
２１ サンプルホールド部
２２ 自己容量駆動部
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 端子
Ｅ１，Ｅ２ センス電極
Ｅ３，Ｅ４ ドライブ電極
Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２ 相互容量
Ｃ０１、Ｃ０２、Ｃｓ１、Ｃｓ２ 自己容量
Ｓｕｂ 被検出体
ＳＷ１ 第１のリセットスイッチ
ＳＷ２ 第２のリセットスイッチ
ＳＷ３、ＳＷ３−１、ＳＷ３−２、ＳＷ４、ＳＷ４−１、ＳＷ４−２ サンプルホールドスイッチ
Ｃｘ１、Ｃｘ２ 内部可変容量
Ｃｓｈ サンプルホールド容量

Claims (4)

1. センサを構成する複数の電極が各接続される複数の端子を有する端子部と、
   前記センサの電極のうち駆動側のドライブ電極に印加する駆動信号を出力する駆動回路と、
   前記端子部の各端子の接続先回路を切り替えるマルチプレクサと、
   前記駆動回路と共に前記マルチプレクサによる接続先回路の１つとなるＣ−Ｖ変換回路と、を備え、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路は、
   前記センサの容量に応じた電荷をサンプルホールド容量に蓄積し、当該サンプルホールド容量に生じた電位差を後段回路へ出力するサンプルホールド部と、
   前記センサの電極のうち検出電位が現れるセンス電極が接続された前記端子と前記サンプルホールド容量の両端子との間を接続可能な２つの入力ラインと、
   前記入力ラインにリセット電圧を印加するリセットスイッチと、
   一端が対応する前記入力ラインに接続され、他端に駆動信号が印加される可変容量と、
   前記可変容量に印加する駆動信号を出力する可変容量駆動回路と、を有し、
   前記マルチプレクサは、前記ドライブ電極と前記駆動回路との接続と切断とを切替可能とすることで、前記ドライブ電極と前記センス電極の静電容量結合を検出する相互容量検出と、前記センス電極とその周囲の静電容量結合を検出する自己容量検出とを切替可能とし、
   前記サンプルホールド部は、相互容量検出の場合、各サンプリングの前に前記リセットスイッチによって、固定電位で前記センス電極のリセットを実施すると共に、前記センス電極の信号を前記ドライブ電極駆動信号の立上り及び立下りの両エッジでサンプリングし、サンプリングされた信号を偶数回と奇数回とで極性を反転して後段回路へ転送するチョッピング回路を形成する
   ことを特徴とする静電容量検出装置。
2. センサを構成する複数の電極が各接続される複数の端子を有する端子部と、
   前記センサの電極のうち駆動側のドライブ電極に印加する駆動信号を出力する駆動回路と、
   前記端子部の各端子の接続先回路を切り替えるマルチプレクサと、
   前記駆動回路と共に前記マルチプレクサによる接続先回路の１つとなるＣ−Ｖ変換回路と、を備え、
   前記Ｃ−Ｖ変換回路は、
   前記センサの容量に応じた電荷をサンプルホールド容量に蓄積し、当該サンプルホールド容量に生じた電位差を後段回路へ出力するサンプルホールド部と、
   前記センサの電極のうち検出電位が現れるセンス電極が接続された前記端子と前記サンプルホールド容量の両端子との間を接続可能な２つの入力ラインと、
   前記入力ラインにリセット電圧を印加するリセットスイッチと、
   一端が対応する前記入力ラインに接続され、他端に駆動信号が印加される可変容量と、
   前記可変容量に印加する駆動信号を出力する可変容量駆動回路と、を有し、
   前記マルチプレクサは、前記ドライブ電極と前記駆動回路との接続と切断とを切替可能とすることで、前記ドライブ電極と前記センス電極の静電容量結合を検出する相互容量検出と、前記センス電極とその周囲の静電容量結合を検出する自己容量検出とを切替可能とし、
   前記サンプルホールド部は、自己容量検出の場合、各サンプリングの前に前記リセットスイッチによって、固定電位で前記センス電極のリセットを実施すると共に、前記センス電極の信号を前記可変容量の一端に印加される駆動信号の立上り及び立下りの両エッジでサンプリングし、サンプリングされた信号を偶数回と奇数回とで極性を反転して後段回路へ転送するチョッピング回路を形成する
   ことを特徴とする静電容量検出装置。
3. 前記センサの２つのセンス電極を２つの入力ライン経由でサンプルホールド容量の両端に並列に接続して信号を取り込む差動入力と、前記センサの１つのセンス電極を１つの入力ライン経由でサンプルホールド容量の一方の電極に接続して信号を取り込むシングル入力とを切替可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電容量検出装置。
4. 前記サンプルホールド部は、サンプルホールド容量がＭ行Ｎ列のマトリクス構成を有し、サンプリングされた信号を同一列のＭ個のサンプルホールド容量に蓄積し、Ｎ回のサンプリングが終了するまでサンプリング毎に列を変えながら列単位での蓄積を繰り返し、行単位でＮ個のサンプルホールド容量に蓄積された合計電荷量に応じた電位差を後段回路へ出力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の静電容量検出装置。
   

Images