JP6001764B2 - タッチ検出モジュールおよび該タッチ検出モジュールにおける接触体のタッチ検出方法 - Google Patents

タッチ検出モジュールおよび該タッチ検出モジュールにおける接触体のタッチ検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、タッチ検出モジュールに関し、特に、ユーザの指やタッチペンなどの接触体の接触の検出に関する。
近年、ディスプレイを備えた様々な機器の入力デバイスとしてタッチパネルが多く用いられている。タッチパネルは、ディスプレイの表面に重ねられて設置され、ディスプレイ上でのユーザの指やタッチペンなどといった接触体の接触を検出することによる簡易な入力操作が可能であるからである。タッチパネルには、検出方式により、抵抗膜方式や静電容量式などに分けられる。中でも、静電容量式、特に投影型静電容量式のタッチパネルは、多点検出が可能であり、さまざまな操作を利用した直感的な入力を実現できることなどの理由から、タブレット型の携帯端末に多く用いられている。
一般的な投影型静電容量式のタッチパネルは、ｘ方向に並んで配置された複数のｘ電極と、これらｘ電極が配置された領域上にｘ電極と絶縁されてｙ方向に並んで配置された複数のｙ電極とを有している。タッチパネルは、ｘ電極およびｙ電極と静電結合可能な接触体がこれらｘ電極およびｙ電極が配置された領域のどの領域に接触しているかを検出する検出回路と組み合わされて、タッチパネルモジュールを構成する。
以下、この種の静電容量式のタッチパネルモジュールにおける接触体の接触位置の検出方法の一例として、特許文献１に開示された方法を例に挙げて説明する。
（自己容量方式）
図１２に、自己容量方式による検出の場合の模擬的な回路構成を示す。図１２では、タッチパネルが４つのｘ電極Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３および４つのｙ電極Ｙ０、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３を有する場合の回路構成を示している。この場合において、ｘ電極Ｘ０〜Ｘ３およびｙ電極Ｙ０〜Ｙ３は、適宜のスイッチング回路（不図示）を介して、コンパレータ（不図示）への入力として任意に切り替え可能に接続できるように構成されている。ここでは、複数のｘ電極Ｘ０〜Ｘ３のうちｙ方向に隣り合う二つの電極が、それぞれコンパレータへ入力される検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに接続され、一方、複数のｙ電極Ｙ０〜Ｙ３についてはすべてが電源電圧（ＶＤＤ）が印加される分極経路Ｐに接続されるものとして説明する。検出動作においては、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒとしてコンパレータに接続されるｘ電極がスイッチング回路によって順次切り替えられ、それ以外のｘ電極は電気的にフローティングとされる。
このとき、図１２に示すように、ｘ電極Ｘ０〜Ｘ３とｙ電極Ｙ０〜Ｙ３とが交差する箇所、隣り合うｘ電極間、隣り合うｙ電極間、およびこのタッチパネルの下に置かれる物質（図ではＧＮＤとして表している）との間で静電容量が発生する。この回路構成を、Ｐ、Ｓ、Ｒに着目した等価回路で表したのが図１３である。
自己容量方式による検出では、検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧をコンパレータで比較するので、コンパレータに接続されていないｙ電極に発生している静電容量ＣＰｆおよびＣＧｆは無視することができる。また、検出経路Ｓに接続される静電容量ＣＳｆ、ＣＧｆと、基準経路Ｒに接続される静電容量ＣＲＦ、ＣＧｆとは、電極の幅および間隔が等しければ同じ容量値である。同様の理由で、検出経路Ｓに接続される静電容量ＣＧＳおよびＣＧＲも同じ容量値である。よって、上記ＣＳｆ、ＣＧｆをＣＧＳに統合し、ＣＲｆ、ＣＧｆをＣＧＲに統合すると、図１４に示す等価回路が得られる。
図１４に示す等価回路において、前述と同様にＣＰＳとＣＰＲも同じ容量値を持つとすると、検出経路Ｓの電圧ＶＳと基準経路Ｒの電圧ＶＲは等しい。
この状態において、検出経路Ｓとなるｙ電極上で、接地されている接触体をタッチパネルに接触させると、図１５に示すように、検出経路Ｓと接触体との間に静電容量ＣＦが発生する。これによって、ＶＳとＶＲとの間に電位差が生じ、ＶＳ＜ＶＲとなる。検出回路は、スイッチング回路とコンパレータとの間に可変移送キャパシタンスを備えており、コンパレータによってこの差が検出されると、検出回路は、検出経路Ｓ側に可変移送キャパシタンス内のキャパシタＣＶを付加し、ＶＳとＶＲが等しくなるように調整する。検出回路は、付加したキャパシタＣＶを数値化し、これを測定結果とする。
検出回路は、検出経路Ｓに接続されるｘ電極および基準経路Ｒに接続されるｘ電極を順番に切り替えていき、どの電極がどの経路に接続されたときにどのような測定結果が得られたかに応じて、タッチパネル上のどの位置に接触体が接触しているかを検出する。
（相互容量方式）
図１６に、相互容量方式による検出の場合の模擬的な回路構成を示す。図１６でも、図１４と同様、タッチパネルが４つのｘ電極Ｘ０〜Ｘ３および４つのｙ電極Ｙ０〜Ｙ３を有する場合を例に説明する。相互容量方式では、ｘ電極Ｘ０〜Ｘ３のうち隣り合う二つの電極が、異なる電圧が印加される第１分極経路Ｐ＋および第２分極経路Ｐ−に接続される。通常は、一方が電源電圧ＶＤＤ（ハイ）であり、他方がＧＮＤ（ロー）である。また、ｙ電極のうち一つが検出経路Ｓに接続される。それ以外のｘ電極およびｙ電極は接地されている。第１分極経路Ｐ＋、第２分極経路Ｐ−に接続されるｘ電極および検出経路Ｓに接続されるｙ電極は、スイッチング回路（不図示）によって切り替えられ、検出経路Ｓと基準電位が両者の電圧の比較のためにコンパレータ（不図示）に接続される。
このとき、ｘ電極Ｘ０〜Ｘ３とｙ電極Ｙ０〜Ｙ３とが交差する箇所、隣り合うｘ電極間、隣り合うｙ電極間およびこのタッチパネルの下に置かれる物質（図ではＧＮＤとして表している）との間で静電容量が発生する。この回路構成を、Ｐ＋、Ｐ−、Ｓに着目した等価回路で表したのが図１７である。
相互容量方式では、検出経路Ｓの電圧に着目すると、静電容量ＣＰ＋Ｇ、ＣＰ−Ｇ、ＣＰ＋Ｐ−は無視できる。また、ＣＰ＋Ｓ、ＣＰ−Ｓの容量値は、電極の幅および間隔が同じであれば同じであり、検出経路Ｓの電圧は、第１分極経路Ｐ＋および第２分極経路Ｐ−の電圧が切り替わってもＣＳＧの容量値に関わらず一定となる。よって、ＣＧＳも無視することができる。以上により簡略化された等価回路を図１８に示す。第１分極経路Ｐ＋および第２分極経路Ｐ−には、図１９に示すように、一定の周期でハイとローが切り替わる電圧が印加されるが、上述したように検出経路Ｓは一定の電圧を保っている。
ここで、検出経路Ｓに接続するｘ電極と第１分極経路Ｐ＋に接続するｙ電極とが交差する箇所（図１６において丸印で囲んだ部分）で接触体を接触させたときを考える。このときの等価回路は図２０に示すとおりであり、検出経路Ｓと第１分極経路Ｐ＋との間の静電容量の一部が接触体と結合し、これによって、検出経路Ｓと第１分極経路Ｐ＋との間にある容量値がＣＰ−Ｓよりも小さくなる。
そのため、図２１に示すように、検出経路Ｓの電圧は、第１分極経路Ｐ＋および第２分極経路Ｐ−の電圧の切り替えに伴って周期的に変化する。相互容量方式では、検出経路Ｓの電圧の変化を、コンパレータで検出経路Ｓの電圧と基準電位の電圧との差として検出する。コンパレータで電圧差が検出されると、検出回路は、自己容量方式の場合と同様、図２２に示すように、可変移送キャパシタンス内のキャパシタＣＶを付加し、検出経路Ｓの電圧が一定になるように調整する。検出回路は、付加したキャパシタＣＶを数値化し、これを測定結果とする。
検出回路は、検出経路Ｓに接続されるｙ電極、第１分極経路Ｐ＋に接続されるｘ電極、および第２分極経路Ｐ−に接続されるｘ電極を順番に切り替えていき、どの電極がどの経路に接続されたときにどのような測定結果が得られたかに応じて、タッチパネル上のどの位置に接触体が接触しているかを検出する。
特表２０１１−５１０３７５号公報
しかしながら、自己容量方式は、ＧＮＤに対する寄生容量の変化を利用しており、ｘ電極とｙ電極とが交差する箇所に発生する静電容量が、タッチパネルに接触体を接触させたときに電極と接触体との間に発生する静電容量と比べて格段に大きい。そのため、同じ検出経路Ｓに接続される電極上であっても、ｘ電極とｙ電極とが交差する箇所に接触体を接触させたときと、それ以外の箇所に接触させたときとで、検出結果に大きな違いが見られず、結果的に、接触体の容量によっては、検出経路Ｓと接続されている電極上のどの位置に接触体が接触しているかを検出するのが困難な場合があった。
一方、相互容量方式では、検出経路に接続されている電極と第１分極経路に接続されている電極との交差する箇所での相互容量性カップリングによる静電容量の変化を利用しているため、電極の交差する箇所での接触体の接触をより確実に検出することができる。しかし、コンパレータが比較する２つの電圧のうち、タッチパネルの下に配置される表示デバイスの駆動時に発生するノイズの影響を受けるのは検出経路に接続されている電極のみであり、基準電位はノイズの影響を受けにくい（図２３参照）。そのため、図２４に示すように、ノイズによる検出経路の電圧の変動分が基準電位の電圧との差として生じ、これを接触体の接触による変動であると誤検出してしまうおそれがあった。
本発明の目的は、接触体の接触の検出感度が高く、かつノイズの影響を受けにくい、タッチ検出モジュールおよびそのタッチ検出モジュールでの接触体のタッチ検出方法を提供することである。
上記目的を達成するため本発明のタッチ検出モジュールは、互いに絶縁されて配置された少なくとも１つの第１電極および少なくとも２つの第２電極を備えた電極ユニットと、静電容量の変化を利用して、前記電極ユニット上に接触体が接触したことを検出する検出回路と、複数の付加キャパシタと、を有するタッチ検出モジュールであって、
前記検出回路は、
前記第１電極と接続される、電源電圧が印加される分極経路と、
前記第２電極とそれぞれ接続される、検出経路および基準経路と、
前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータからの出力結果に応じて、前記コンパレータに入力される前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧とが等しくなるように、接触前の静電容量に対する接触後の静電容量の比率分の値の前記付加キャパシタを前記検出経路または前記基準経路に付加させ、付加した前記付加キャパシタの値を検出値とする制御ユニットと、
を有する。
また、本発明のタッチ検出方法は、互いに絶縁されて配置された少なくとも１つの第１電極および少なくとも２つの第２電極を備えた電極ユニットと、静電容量の変化を利用して、前記電極ユニット上に接触体が接触したことを検出する検出回路と、複数の付加キャパシタと、を有するタッチ検出モジュールにおける接触体のタッチ検出方法であって、
前記第１電極を電源電圧が印加される分極経路に接続し、前記第２電極をそれぞれ検出経路および基準経路に接続する第１ステップと、
前記第２電極が接続された、前記検出経路の電圧および前記基準経路の電圧を比較する第２ステップと、
前記電圧の比較の結果、前記検出経路の電圧を前記基準経路の電圧が等しくなるように、接触体の接触前の静電容量に対する接触後の静電容量の比率分の値の付加キャパシタを前記検出経路または前記基準経路に付加し、付加したキャパシタの容量値を検出値とする第３ステップとを有する。
本発明によれば、検出経路に接続される電極と分極経路に接続される電極との交差部で極めて高い検出値を得ることができるため、接触体の接触を高感度で検出することができる。しかも、タッチパネル外部からのノイズは検出経路および基準経路に同様に作用し、これらの電圧の比較結果には殆ど影響を与えないので、ノイズの影響を受けにくい安定した検出が可能となる。
本発明の一実施形態によるタッチパネルモジュールのブロック図である。 図１に示すタッチパネルの電極配置と、その配置によって生じる静電容量を示す模擬的な回路図である。 図２に示す模擬的な回路図の、簡略化された等価回路図である。 図２に示す領域Ａ上で接触体がタッチパネルに接触したときの、図３に対応する簡略化された等価回路図である。 図２に示す領域Ｂ上で接触体がタッチパネルに接触したときの、図３に対応する簡略化された等価回路図である。 図２に示す領域Ｃ上で接触体がタッチパネルに接触したときの、図３に対応する簡略化された等価回路図である。 図１に示すタッチパネルをディスプレイ上に置いたときの、図３に対応する簡略化された等価回路図である。 図７に示す等価回路において、パルス状のノイズが発生したときの、Ｐ、ＳおよびＲの電圧の変化を示す図である。 本発明の他の実施形態によるタッチパネルモジュールのブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態によるタッチスイッチモジュールの模式的回路図である。 図１０に示すタッチスイッチモジュールの等価回路図である。 従来のタッチパネルの、自己容量方式による位置検出を説明するための、静電容量を考慮した模擬的な回路構成を示す図である。 図１２に示す回路構成をＰ、Ｓ、Ｒに着目して表した等価回路である。 図１３に示す等価回路を簡略化した図である。 図１４に示す等価回路において、Ｓ上に被検出物を置いたときの検出手順を説明する図である。 従来のタッチパネルの、相互容量方式による位置検出を説明するための、静電容量を考慮した模擬的な回路構成を示す図である。 図１６に示す回路構成をＳ、Ｐ＋、Ｐ−に着目して表した等価回路である。 図１７に示す等価回路を簡略化した図である。 図１８に示す等価回路において、周期的に変化する電圧をＰ＋およびＰ−に印加したときに、Ｓの電圧が一定であることを示す図である。 図１８に示す等価回路において、Ｐ＋とＳが交差する箇所に被検出物を置いたときの等価回路である。 図２０に示す等価回路におけるＳの電圧変化を示す図である。 図２０に示す等価回路において、キャパシタＣＶの付加によってＳの電圧を一定とした状態を示す等価回路図である。 一般的な相互容量方式による検出におけるノイズの影響を説明する等価回路図である。 図２３に示す等価回路において、パルス状のノイズが発生したときの、Ｐ＋、Ｐ−、Ｓおよび基準電位の電圧の変化を示す図である。
図１を参照すると、タッチパネル１０と検出回路２０とを有する、本発明の一実施形態による投影型静電容量式のタッチパネルモジュール１が示される。
タッチパネル１０は、ｘ方向に並んで配置された複数のｘ電極Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２・・・Ｘｎと、ｘ方向と交差する方向であるｙ方向に並んで配置された複数のｙ電極Ｙ０、Ｙ１、Ｙ２・・・Ｙｍとを有する。ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよびｙ電極Ｙ０〜Ｙｍは、それぞれ等間隔で配置されることが好ましい。また、隣り合うｘ電極Ｘ０〜Ｘｎ間のギャップおよび隣り合うｙ電極Ｙ０〜Ｙｍ間のギャップは狭く（数ｍｍ程度）、タッチパネル１０の面内方向ほぼ全領域がｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよびｙ電極Ｙ０〜Ｙｍで占められている。
ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎとｙ電極Ｙ０〜Ｙｍとは互いに絶縁されている。ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎとｙ電極Ｙ０〜Ｙｍとを絶縁するために、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎとｙ電極Ｙ０〜Ｙｍとは、絶縁層を介して積層された構成とすることができる。あるいは、例えばｘ電極Ｘ０〜Ｘｎを互いに間隔をあけて配置するとともに、もう一方の電極であるｙ電極Ｙ０〜Ｙｍを、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎの間に複数のセグメントに分割して配置し、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎを間において隣接するセグメント同士を、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎとは絶縁されて形成されたジャンパーで接続した構成とすることもできる。
接触体がタッチパネル１０に接触したときにｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよびｙ電極Ｙ０〜Ｙｍと接触体とのギャップを確保するため、タッチパネル１０の上面全体が誘電体部材で覆われる。誘電体部材としては、フィルム、合成樹脂シートおよびガラス板など、電極を投影し得る誘電体部材であれば任意の部材を用いることができる。
タッチパネル１０は、ＬＣＤパネルなどの表示デバイス上に重ねて配置され、表示デバイスに表示された画像はタッチパネル１０を通して視認することができるようになっている。よって、タッチパネル１０を構成する部材はすべて、表示デバイスから発せられる可視光に対して透明な材料で作られている。以上説明したタッチパネル１０の構造は、公知の構造であってよい。
検出回路２０は、制御ユニット２１、スイッチング回路２２、可変移送キャパシタンス２３およびコンパレータ２４を有する。これらは１つの基板上に個別に構成することもできるし、１つの半導体チップの中に適宜の回路の組み合わせとして組み込むこともできる。
スイッチング回路２２は、タッチパネル１０の各ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよび各ｙ電極Ｙ０〜Ｙｍを、電源に接続される分極経路Ｐ、接地電位（ＧＮＤ）、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒの何れか一つに接続するように切り替える回路である。
コンパレータ２４は、スイッチング回路２２で切り替えられた検出経路Ｓおよび基準経路Ｒの電圧が等しいかどうかを比較する。可変移送キャパシタンス２３は、それぞれ容量値が異なり、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに任意に接続可能に設けられた複数のキャパシタ（キャパシタアレイ）を内蔵しており、これらのキャパシタの１つまたは複数を適宜組み合わせた所定の容量値のキャパシタを検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加することができる。
制御ユニット２１は、スイッチング回路２２の動作を制御するとともに、コンパレータ２４からの出力に応じて、コンパレータ２４に入力される検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧が等しくなるように、可変移送キャパシタンス２３が検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加するキャパシタの容量値を制御する。スイッチング回路２２の動作の制御について、より詳しくは、制御ユニット２１は、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎのうち一つが順番に分極経路Ｐとして電源に接続され、一方、ｙ電極Ｙ０〜Ｙｍについては、隣り合う二つが組となって順番に検出経路Ｓおよび基準経路Ｒとしてコンパレータ２４に入力され、残りの電極は接地電位（ＧＮＤ）となるように、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよびｙ電極Ｙ０〜Ｙｍの接続を切り替える。
上記のとおり構成されたタッチパネル１０においては、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎとｙ電極Ｙ０〜Ｙｍとが交差する箇所、隣り合うｘ電極間、隣り合うｙ電極間、およびＧＮＤとの間に静電容量が発生する。この静電容量を考慮した模擬的な回路構成を図２に示す。なお、図２では、説明の簡略化のため、図１に示したタッチパネル１０のうち４つのｘ電極Ｘ０〜Ｘ３および４つのｙ電極Ｙ０〜Ｙ３についてのみ示している。
図２から分かるように、本実施形態の回路構成は、図１３等を用いて説明した自己容量方式をベースとしている。本実施形態による回路構成が従来の自己容量方式による回路構成と異なっている点は、以下の点である。
（１）電源電圧が印加される分極経路Ｐに接続されるのは、１つまたは２つのｘ電極のみである（図２では、ｘ電極Ｘ１が、分極経路Ｐに接続されている）。これは、相互容量方式と同様に、電極の交点でセンシングを行うためである。
（２）分極経路Ｐに接続される電極以外のすべての電極が接地される。
図２に示した回路構成を簡略化した等価回路を図３に示す。図３に示す等価回路は、自己容量方式による検出の場合の等価回路と同じである。
本実施形態では、上記の回路構成に基づいて、コンパレータ２４からの出力結果に応じて、コンパレータ２４に入力される検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧が等しくなるように、接触体の接触前の静電容量に対する接触後の静電容量の比率分の値の付加キャパシタを検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加させ、付加した付加キャパシタを検出値とする。また、本実施形態では、上記の回路構成によって、図３に示す等価回路において、ＧＮＤと検出経路Ｓとの間の静電容量ＣＧＳが、検出経路Ｓと分極経路Ｐとの間の静電容量ＣＰＳよりも大きくなるように構成されている。同様に、ＧＮＤと基準経路Ｒとの間の静電容量ＣＧＲが、基準経路Ｒと分極経路Ｐとの間の静電容量ＣＰＲよりも大きくなるように構成されている。
図２に示す回路構成において、分極経路Ｐとなるｘ電極Ｘ１上で、かつ、検出経路Ｓとなるｙ電極Ｙ１にも基準経路Ｒとなるｙ電極Ｙ２にも重ならない位置（例えば、図中Ａで示す領域）に、ユーザの指あるいはタッチペンなどの接触体を接触させると、図４に示すように、分極経路Ｐと接触体との間に静電容量ＣＦが発生する。この静電容量ＣＦは、検出経路Ｓの電圧ＶＳと基準経路Ｒの電圧ＶＲ に影響を与えない。よって、制御ユニット２１は、可変移送キャパシタンス２３に対しては何もせず、測定結果（検出値）、すなわち検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに付加されるキャパシタの容量ＣＶ＝０である。
次に、図２に示す回路構成において、検出経路Ｓとなるｙ電極Ｙ１上で、かつ、分極経路Ｐとなるｘ電極Ｘ１と重ならない位置（例えば、図中Ｂで示す領域）に接触体を接触させた場合を考える。この場合は、図５に示すように、検出経路Ｓと接触体との間に静電容量ＣＦが発生する。このとき、ＣＧＳ＝ＣＧＲ、ＣＰＳ＝ＣＰＲとすると、接触体の接触によって、検出経路Ｓの電圧ＶＳは基準経路Ｒの電圧ＶＲよりも低くなる。検出経路Ｓの電圧ＶＳと基準経路Ｒの電圧ＶＲとがコンパレータ２４で比較され、その比較結果に基づいて、検出ユニット２１は、検出経路Ｓの電圧ＶＳを基準経路Ｒの電圧ＶＲと等しくするようなキャパシタＣＶが基準経路Ｒ側に付加されるように、可変移送キャパシタンス２３を制御する。付加されたキャパシタの容量ＣＶは、接触体の接触によるキャパシタの変化量（＝ＣＦ）と等しく、その値をそのまま測定結果（検出値）として用いることができる。
次に、図２に示す回路構成において、検出経路Ｓとなる電極Ｙ１と分極経路Ｐとが交差する位置（例えば、図中Ｃで示す領域）に接触体を接触させた場合を考える。この場合の等価回路を図６に示す。図６において、分極経路Ｐと検出経路Ｓとの間の静電容量ＣＰＳＦは、接触体が接触したことによって、接触体が接触する前の静電容量ＣＰＳから変化した静電容量である。ＣＰＳとＣＰＲとＣＰＳＦとの間には、
ＣＰＳ＝ＣＰＲ＞ＣＰＳＦ
なる関係がある。
ここで、通常の自己容量方式による検出と本実施形態による検出との違い、具体的には、付加される静電容量ＣＶの求め方の違いについて、より詳しく説明する。
まず、通常の自己容量方式による検出について説明する。通常の自己容量方式では、すべてのｘ電極が分極経路Ｐとして電源と接続され、電源電圧（ＶＤＤ）が印加されている。そのため、ＣＰＳおよびＣＰＲの容量値は大きくなると考えられ、その値を、例えば５０ｐＦとする。また、分極経路Ｐ、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒの何れにも接続されていない電極は電気的にフローティングとされているため、検出経路Ｓとなる電極および基準経路Ｒとなる電極のＧＮＤとの容量結合は、本実施形態による検出と比べて小さいと考えられる。そこで、ＣＧＦおよびＣＧＲの容量値を、例えば１０ｐＦとする。また、接触体の静電容量ＣＦを２ｐＦとし、検出経路Ｓと基準経路Ｒとの間の静電容量ＣＰＳは、接触体の接触により１ｐＦだけ減少する、すなわちＣＰＳＦ＝４９ｐＦであると仮定する。
このとき、コンパレータ２４に入力される、検出経路Ｓの電圧ＶＳと基準経路Ｒの電圧ＶＲが等しくなるためには、図６に示す等価回路において、ＣＳＲを無視すると、以下の式（１）に示す関係が成り立つということである。
Figure 0006001764
 式（１）を変形し、ＣＶについての式で表すと、以下の式（２）が得られる。
Figure 0006001764
 式（２）において、前述したとおり、ＣＦ＝２ｐＦ、ＣＧＳ＝ＣＧＲ＝１０ｐＦ、ＣＰＳＦ＝４９ｐＦ、およびＣＰＲ＝５０ｐＦを代入すると、検出値、すなわち可変移送キャパシタンス２３が付加するキャパシタの容量ＣＶ≒２．２４（ｐＦ）となる。
一方、図２に示す回路構成においてＢで示す領域上に接触体を接触させた場合は、図５において、ＣＦ＝２ｐＦ、ＣＰＳ＝ＣＰＲ＝５０ｐＦ、ＣＧＳ＝ＣＧＲ＝１０ｐＦであるから、検出値、すなわち付加するキャパシタの容量ＣＶ＝２ｐＦとなる。
つまり、通常の自己容量方式による検出では、図２に示す回路構成において、Ｂで示す領域上に接触体を接触させた場合と、Ｃで示す領域上に接触体を接触させた場合とでは、検出結果がほとんど同じになる。
ところが、本実施形態では、分極経路Ｐとして電源電圧（ＶＤＤ）が印加されるｘ電極は１つまたは２つなので、ＣＰＳおよびＣＰＲは通常の自己容量方式の場合と比べて小さくなり、例えば、それぞれ５ｐＦ程度であると仮定する。また、分極経路Ｐ、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒの何れとも接続されない電極はＧＮＤに接続されるため、ＣＧＳおよびＣＧＲは通常の自己容量方式の場合と比べて大きくなり、例えば、それぞれ５０ｐＦ程度であると仮定する。それ以外の条件は、通常の自己容量方式の場合と同じである。
上記の場合、図２に示す回路構成のＣで示す領域に接触体を接触させると、検出経路Ｓと基準経路Ｒとの間の静電容量ＣＰＳは接触体の接触により１ｐＦだけ減少し、図６におけるＣＰＳＦ＝４ｐＦとなる。式（２）に、ＣＦ＝２ｐＦ、ＣＧＳ＝ＳＧＲ＝５０ｐＦ、ＣＰＳＦ＝４ｐＦ、およびＣＰＲ＝５ｐＦを代入すると、検出値、すなわち可変移送キャパシタンス２３が付加するキャパシタの容量ＣＶ＝１５ｐＦとなる。
本実施形態によれば、検出経路Ｓに接続される電極と分極経路Ｐに接続される電極との交点で極めて高い検出値を得ることができる。その結果、接触体の容量ＣＦが小さかったり、あるいはタッチパネル１０上に設置される誘電体部材の厚みが厚く、電極と接触体との距離が離れたりして、結果的に接触体の接触によるキャパシタの変化量が小さい場合であっても、検出経路Ｓに接続される電極と分極経路Ｐに接続される電極との交点近傍において、接触体の接触を通常の自己容量方式と比べて高感度で検出することができる。
以上説明したとおり、本実施形態のタッチパネルモジュール１は、電極が交差する領域で接触体が接触したことを検出でき、この点については相互容量方式による検出と同様である。また、ｘ電極Ｘ０〜Ｘｎおよびｙ電極Ｙ０〜Ｙｍの各経路との接続を順番に切り替えていくことも相互容量方式による検出と同様である。したがって、得られた検出値をどのように用いて接触体の接触値を検出するかについては、相互容量方式と同様とすることができる。
例えば、まず、ｘ電極Ｘ０を分極経路Ｐに接続するとともに、ｙ電極Ｙ０およびＹ１をそれぞれ検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに接続した状態で検出値を求める。次いで、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒと接続されるｙ電極を一つずつずらしながら同様のことを最後のｙ電極Ｙｍまで繰り返す。以上のようにｘ電極Ｘ０のスキャンが終了した後、ｘ電極Ｘ１を分極経路Ｐに接続し、ｘ電極Ｘ１についても上記と同様にスキャンを実行する。これを残りのｘ電極Ｘ２〜Ｘｎについて順番に実行すると、すべての電極の交点についての検出値が得られる。得られた検出値のうち、高い検出値を示したときに分極経路Ｐに接続されたｘ電極と検出経路Ｓに接続されたｙ電極との交点が、接触体が接触している位置として検出される。
ところで、タッチパネルモジュール１の使用に際して、タッチパネル１０はＬＣＤパネルなどの表示デバイス上に設置される。そのため、表示デバイスの駆動に伴うパルス状のノイズがタッチパネル１０に入ってしまうことがある。一般的には、検出感度が高くなればなるほど、ノイズを拾いやすくなる傾向がある。しかし本実施形態のタッチパネルモジュール１においては、図７に示すように、ノイズは検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに同じように作用する。そのため、図８に示すように、検出経路Ｓおよび基準経路Ｒの電圧も同じように変化し、これらがコンパレータ２４に入力されてもコンパレータ２４からの出力に変化はない。つまり、本実施形態のタッチパネルモジュール１は、高感度でありながら、耐ノイズ性にも優れている。
上述した実施形態では、検出回路２０が、検出値を得るための付加キャパシタを可変移送キャパシタンス２３（キャパシタアレイ）として備えた例を説明した。この場合、例えば上述のように１５ｐＦという高い検出値をカバーできるようにするためには、可変移送キャパシタンス２３は、少なくとも０〜１５ｐＦの範囲の容量値から任意の容量値を選択できるように多数の付加キャパシタを備えている。例えば検出回路２０が１つの半導体チップに組み込まれた構成とした場合、チップサイズの制限等から、可変移送キャパシタンス２３が含むことのできる付加キャパシタの数および容量も制限され、必要とされるキャパシタの範囲をカバーできなくなることもある。
そこで、図９に示すように、検出回路２０とは別に、制御ユニット２１からの指令により検出経路Ｓおよび基準経路Ｒに付加される外部キャパシタ３０を追加し、可変移送キャパシタンス２３ではカバーできない容量値を外部キャパシタ３０で補うようにすることもできる。外部キャパシタ３０は、例えば、可変移送キャパシタンス２３内のすべての付加キャパシタを合計した容量よりも大きい容量を持つことができる。
制御ユニット２１は、可変移送キャパシタンス２３内の付加キャパシタをすべて検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加してもまだ両者の電圧が等しくならない場合、可変移送キャパシタンス２３が付加する付加キャパシタはリセット（＝０）し、代わりに、外部キャパシタ３０を検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加する。この段階で検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧が等しくなれば、制御ユニット２１は外部キャパシタ３０の容量値を検出値とする。両者の電圧が等しくなければ、制御ユニット２１は、外部キャパシタ３０を付加したままさらに可変移送キャパシタンス２３内の付加キャパシタを、容量値が次第に大きくなるように適宜組み合わせて、検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧が等しくなるように調整する。
以上、本発明について、複数のｘ電極および複数のｙ電極を備えたタッチパネルを有するタッチパネルモジュールを例に挙げて説明した。しかし、本発明は、第１電極および第２電極を備えたタッチスイッチモジュールに適用することもできる。
以下、図１０を参照して、本発明の他の実施形態によるタッチスイッチモジュールについて説明する。図１０に示すタッチスイッチモジュール１００は、隣接して配置された第１および第２の２つのスイッチ１１０、１２０を有する。第１スイッチ１１０は、分極経路Ｐに接続された第１電極１１１と、検出経路Ｓに接続された第２電極１１２と、ＧＮＤに接続されたグランド電極１１３とを有する。
図示した例では、第１スイッチ１１０において、第１電極１１１は、第１スイッチ１１０の上半分の領域を占めて形成されている。第２電極１１２は、第１スイッチ１１０の中央部分に配置され、グランド電極１１３は、第１電極１１１との間で第２電極１１２を取り囲むように配置されている。第２電極１１２とグランド電極１１３との境界は、両者のカップリングする面積を増やすためにジグザグ状に形成されることが好ましい。同様の理由で、検出経路ＳとＧＮＤとの間にコンデンサを設けることもできる。
また、第２スイッチ１２０は、分極経路Ｐに接続された第１電極１２１と、基準経路Ｒに接続された第２電極１２２と、ＧＮＤに接続されたグランド電極１２３とを有する。この第２スイッチ１２０は、第１スイッチ１１０の第２電極１１２を、検出経路Ｓではなく基準経路Ｒに接続しただけで、それ以外の構成は第１スイッチ１１０と同様に構成することができる。
なお、図示していないが、本形態のタッチスイッチモジュール１００も、前述したタッチパネルモジュールと同様、検出回路を有する。ただし、本形態では電極の切り替えは必要ないので、検出回路は、制御ユニット、複数の付加キャパシタおよびコンパレータを有する。コンパレータは、検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧とを比較する。制御ユニットは、コンパレータからの出力結果に応じて、コンパレータに入力される検出経路Ｓの電圧と基準経路Ｒの電圧とが等しくなるように、接触体の接触前の静電容量に対する接触後の静電容量の比率分の値の付加キャパシタを検出経路Ｓまたは基準経路Ｒに付加させ、付加した付加キャパシタの値を検出値とする。
図１１に、図１０に示した回路構成の等価回路を示す。図１１から明らかなように、本形態の等価回路も、図２に示した回路構成の等価回路と同様である。また、ＧＮＤと検出経路Ｓとの間の静電容量ＣＧＳが、検出経路Ｓと分極経路Ｐとの間の静電容量ＣＰＳよりも大きくなるように構成され、同様に、ＧＮＤと基準経路Ｒとの間の静電容量ＣＧＲが、基準経路Ｒと分極経路Ｐとの間の静電容量ＣＰＲよりも大きくなるように構成されている。
上記のように構成されたタッチスイッチモジュール１００の動作について、代表して第１スイッチ１１０の動作を以下に説明する。
ユーザの指やタッチペンなどの接触体が、第１スイッチ１１０の上半分、すなわち、第１電極１１１上のみの領域に接触した場合は、検出経路Ｓの自己容量に影響を及ぼさないため、コンパレータからの出力に変化はなく、測定結果（検出値）はゼロである。これは図２の回路構成においてＡで示す領域に接触した場合に相当する。
接触体が第１スイッチ１１０の下半分、すなわち、第２電極１１２上を含み、かつ、第１電極１１１上を含まない領域に接触した場合は、分極経路Ｐと検出経路Ｓとの間の相互容量が減少しないため、接触体の接触による第１電極の自己容量の変化分が、測定結果（検出値）として出力される。これは、図２の回路構成においてＢで示す領域に接触した場合に相当する。
接触体が第１スイッチ１１０の中央部分、すなわち、第１電極１１１と第２電極１１２の両方を含む領域に接触した場合は、第１電極１１１と第２電極１１２との間の相互容量が減少し、第２電極１１２の自己容量が増加するので、最も大きな測定結果（検出値）が出力される。これは、図２の回路構成においてＣで示す領域に接触した場合に相当する。
以上、第１スイッチ１１０の動作について説明したが、第２スイッチ１２０についても同様である。
本形態のタッチスイッチモジュール１００は、前述したタッチパネルモジュールと同様の原理を採用することにより、第１スイッチ１１０および第２スイッチ１２０への接触体の接触を、高感度で検出することができ、かつ、耐ノイズス性にも優れている。
１ タッチパネルモジュール
１０ タッチパネル
２０ 検出回路
２１ 制御ユニット
２２ スイッチング回路
２３ 可変移送キャパシタンス
２４ コンパレータ
３０ 外部キャパシタ
１００ タッチスイッチモジュール
１１０ 第１スイッチ
１２０ 第２スイッチ

Claims (6)

  1. 互いに絶縁されて配置された少なくとも１つの第１電極および少なくとも２つの第２電極を備えた電極ユニットと、静電容量の変化を利用して、前記電極ユニット上に接触体が接触したことを検出する検出回路と、複数の付加キャパシタと、を有するタッチ検出モジュールであって、
    前記検出回路は、
    前記第１電極と接続される、電源電圧が印加される分極経路と、
    前記第２電極とそれぞれ接続される、検出経路および基準経路と、
    前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧とを比較するコンパレータと、
    前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧との比較によって前記分極経路と前記検出経路または前記基準経路との間の静電容量の変化を測定し、前記コンパレータからの出力結果に応じて、前記接触体が前記電極ユニット上に接触した状態での、前記分極経路と前記検出経路との間の静電容量に対する前記検出経路と接地電位との間の静電容量の比が、前記分極経路と前記基準経路との間の静電容量に対する前記基準経路と前記接地電位との間の静電容量の比と同じになるように、前記検出経路または前記基準経路と接地電位との間に前記付加キャパシタを付加させ、付加した前記付加キャパシタの値を検出値とする制御ユニットと、
    を有し、
    前記接触体が前記第１電極と前記第２電極の両方を含む領域に接触したとき前記第１電極と前記第２電極との間の相互容量が減少するように構成され、かつ、前記接地電位と前記検出経路との間の静電容量が、前記検出経路と前記分極経路との間の静電容量よりも大きく、かつ、前記接地電位と前記基準経路との間の静電容量が、前記基準経路と前記分極経路との間の静電容量よりも大きくなるように構成されているタッチ検出モジュール。
  2. 複数の前記第１電極がｘ方向に並んで配置されるとともに、複数の前記第２電極が、前記ｘ方向と交差する方向に並んで配置され、
    前記分極経路と個々の前記第１電極との接続、前記検出経路と個々の前記第２電極との接続および前記基準経路と前記第２電極との接続を切り替え可能に構成されたスイッチング回路をさらに有し、
    前記制御ユニットは、前記分極経路に接続される１つまたは２つの前記第１電極、並びに前記検出経路および前記基準経路に接続される１つまたは２つの前記第２電極が順番に切り替えられるように前記スイッチング回路の動作を制御し、すべての第１電極と第２電極との組み合わせで前記検出値を取得し、取得した検出値に基づいて接触体の接触位置を検出する、請求項１に記載のタッチ検出モジュール。
  3. 複数の前記付加キャパシタの少なくとも一部が、キャパシタアレイとして前記検出回路内に組み込まれている、請求項１または２に記載のタッチパネルモジュール。
  4. 前記付加キャパシタの少なくとも一部が、前記検出回路とは別に構成された外部キャパシタとして前記検出経路および前記基準経路のいずれかに接続可能に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載のタッチパネルモジュール。
  5. 互いに絶縁されて配置された少なくとも１つの第１電極および少なくとも２つの第２電極を備えた電極ユニットと、静電容量の変化を利用して、前記電極ユニット上に接触体が接触したことを検出する検出回路と、複数の付加キャパシタと、を有するタッチ検出モジュールにおける接触体のタッチ検出方法であって、
    前記タッチ検出モジュールは、前記接触体が前記第１電極と前記第２電極の両方を含む領域に接触したとき前記第１電極と前記第２電極との間の相互容量が減少するように構成され、かつ、前記第１電極が、電源電圧が印加される分極経路に接続され、かつ、前記第２電極がそれぞれ検出経路および基準経路に接続された状態において、接地電位と前記検出経路との間の静電容量が、前記検出経路と前記分極経路との間の静電容量よりも大きく、かつ、前記接地電位と前記基準経路との間の静電容量が、前記基準経路と前記分極経路との間の静電容量よりも大きくなるように構成されており、
    前記第１電極を前記分極経路に接続し、前記第２電極をそれぞれ前記検出経路および前記基準経路に接続する第１ステップと、
    前記第２電極が接続された、前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧とを比較する第２ステップと、
    前記第２ステップでの前記検出経路の電圧と前記基準経路の電圧との比較によって前記分極経路と前記検出経路または前記基準経路との間の静電容量の変化を測定し、前記電圧の比較の結果、前記接触体が前記電極ユニット上に接触した状態での、前記分極経路と前記検出経路との間の静電容量に対する前記検出経路と接地電位との間の静電容量の比が、前記分極経路と前記基準経路との間の静電容量に対する前記基準経路と前記接地電位との間の静電容量の比と同じになるように、前記検出経路または前記基準経路と接地電位との間に前記付加キャパシタを付加し、付加したキャパシタの容量値を検出値とする第３ステップとを有するタッチ検出方法。
  6. 前記タッチ検出モジュールは、複数の前記第１電極がｘ方向に並んで配置されるとともに、複数の前記第２電極が、前記ｘ方向と交差する方向に並んで配置されており、
    前記分極経路に接続する第１電極、並びに前記検出経路に接続する第２電極および前記基準経路に接続する第２電極を順番に切り替えて前記第１ステップ、第２ステップおよび第３ステップをこの順番に実行することによってすべての第１電極と第２電極との組み合わせで前記検出値を取得し、取得した検出値に基づいて接触体の接触位置を検出することをさらに含む、請求項５に記載のタッチ検出方法。
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