JP6184317B2 - 入力装置 - Google Patents
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しかしながら、検出電極と励起電極との間の相互容量は通常数pFと小さな値であり、指の近接による相互容量の変化量は更に小さく数100fF以下である。従って、相互容量検出タイプのセンサは、一般に検出感度が低いという問題がある。
しかしながら、一般的な自己容量検出タイプのセンサでは、検出電極と接地(グランド)との間に寄生容量が存在し、この寄生容量によって指の近接による自己容量の変化が相対的に小さくなるため、検出感度を高め難いという問題がある。
また、1つの検出電極上における物体の近接位置は、自己容量の変化によって見分けることができないため、複数の位置の検出を行うためには、その各位置に検出電極を設ける必要がある。従って、自己容量検出タイプのセンサは、複数の位置での検出を行う場合に、電極配線や検出回路が多くなるという問題がある。
好適に、上記入力装置は、前記検出電極と前記シールド電極との間の電圧が一定となるように前記検出電極へ電荷を供給し、当該供給した電荷の積分値に応じた検出信号を出力する電荷積分回路を備えてよい。
前記検出電極に指等が近接すると、前記検出電極と指等との間で大きな静電容量(自己容量)が形成されて、前記電荷積分回路から自己容量への電荷の供給が生じる。そのため、前記検出電極に指等が近接していない場合に比べて、前記電荷積分回路により生成される前記検出信号が大きく変化する。これにより、前記検出電極における指等の近接の有無を、前記検出信号に基づいて感度良く識別することが可能となる。
また、前記シールド電極の第1駆動電圧に対して同相の第2駆動電圧が印加される駆動電極と前記検出電極との間の静電容量形成部分に指等が近接することでその静電容量(相互容量)が変化する場合と、前記シールド電極の第1駆動電圧に対して逆相の第2駆動電圧が印加される駆動電極と前記検出電極との間の静電容量形成部分に指等が近接することでその静電容量(相互容量)が変化する場合とでは、前記電荷積分回路から相互容量へ供給される電荷量が異なる。そのため、前記検出電極に指等が近接している場合において、その近接位置を前記検出信号に基づいて的確に識別することが可能となる。
更に、前記シールド電極と前記検出電極との間の電圧が一定となるように制御されることによって、前記検出電極とグランド電位との間の浮遊容量の影響が低減されるため、自己容量の検出感度が向上する。
また、前記シールド電極の第1駆動電圧に対して逆相の第2駆動電圧が印加される駆動電極と前記検出電極との静電容量形成部分に指等が近接する場合、その静電容量(相互容量)には、前記第1駆動電圧と前記第2駆動電圧とが加算された大きな電圧の変化が生じる。これにより、前記電荷積分回路から相互容量へ供給される電荷が増え、前記電荷積分回路における電荷の積分値が大きくなるため、相互容量の検出感度が向上する。
前記制御回路は、前記第1駆動電圧が上昇するときに前記アンプ回路から前記キャパシタへ流れる電流の極性と、前記第1駆動電圧が下降するときに前記アンプ回路から前記キャパシタへ流れる電流の極性とが同一となるように前記スイッチ回路を制御してよい。
これにより、前記コンパレータの出力信号は、前記検出電極に形成された静電容量の大きさに応じて反転を生じる期間が変化する信号となるため、前記信号処理回路において、この出力信号に基づいて、前記検出信号に応じたデジタル信号を生成することが可能となる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る入力装置について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る入力装置の構成の一例を示す図である。図1に示す入力装置は、指やペンなどの物体を近づけて操作するための操作面を有するセンサ部10と、センサ部10の操作面に指などの物体が近接することによる静電容量の変化を検出する静電容量検出回路20を有する。
本実施形態に係る入力装置は、容量センサが設けられた操作面に指やペンなどの物体を近接させることにより生じる静電容量の変化に基づいて、操作面における物体の近接位置に関する情報を入力する装置である。なお、本明細書における「近接」とは、接触した状態で近くにあることと、接触しない状態で近くにあることを両方含む。
図2の例において、センサ部10は7つの層(L1〜L7)を有しており、白塗りの部分は絶縁体を表す。物体の接触を考慮して、操作面となる最上層L1は絶縁体で覆われる。駆動電極X3,検出電極Y4及びシールド電極ASは、この順番で上層から下層に向かって配置される。駆動電極X3,検出電極Y4及びシールド電極ASの層間には、各電極が電気的に独立の電位を取り得るように、絶縁体の層が設けられている。なお、図1の例において、駆動電極X3は検出電極Y4より上層(操作面に近い側)に配置されているが、逆の配置でもよい。また、図1の例では、操作面の全面において駆動電極(X1〜X5)が検出電極(Y1〜Y4)より上層に配置されているが、これらの電極の上下関係は部分的に入れ替わってもよい。いずれの場合においても、シールド電極ASは検出電極(Y1〜Y4)及び駆動電極(X1〜X5)より下層(操作面から離れた側)に配置される。
例えば、第2駆動回路25は、複数の駆動電極Xにそれぞれ1つずつ設けられる。静電容量検出回路20は、複数の検出電極Yにそれぞれ1つずつ設けられてもよいし、切り替え回路を用いて複数の検出電極Yを1つの静電容量検出回路20に接続してもよい。静電容量検出回路20が複数の場合、アナログ−デジタル変換回路23は、複数の静電容量検出回路20の後段に1つずつ設けられてもよいし、切り替え回路を用いて複数の静電容量検出回路20を1つのアナログ−デジタル変換回路23に接続してもよい。
駆動電圧(第1駆動電圧,第2駆動電圧)のレベルが周期的に変化すると、その1サイクルの期間においてアンプ回路221から検出電極Yへ供給される正電荷と負電荷はほぼ等しくなる。そのため、アンプ回路221から検出電極Yへ供給される電荷と同じ(若しくは比例した)電荷をそのままキャパシタCintに蓄積すると、正電荷と負電荷が相殺してしまい、キャパシタCintには殆ど電荷が蓄積しない。そこで、制御回路21は、アンプ回路221から検出電極Yへ正電荷が供給されるときにアンプ回路221からキャパシタCintへ流れる電流の極性と、アンプ回路221から検出電極Yへ負電荷が供給されるときにアンプ回路221からキャパシタCintへ流れる電流の極性とが同一となるようにスイッチ回路222を制御する。
スイッチSWf2は、スイッチSWr1が接続されたキャパシタCintの他端(A’)とグランドGNDとの間に設けられる。
スイッチSWrstは、キャパシタCintの他端(A’)と基準電圧VR1との間に設けられる。
以上が電荷積分回路22の説明である。
アナログ−デジタル変換回路23は、電荷積分回路22から出力される検出信号Aoutを、基準電圧VR1(又は、単一ないしは複数の基準電圧VR2)に基づいて、単一ないしは複数ビットのデジタル信号Doutに変換する。アナログ−デジタル変換回路23は、例えば、制御回路21から供給されるタイミング信号AQに同期したタイミングでアナログ−デジタル変換を行う。
具体的には、制御回路21は、複数の駆動電極Xの中から操作面での配列の順番に従って駆動電極Xを1ずつ選択する。そして、制御回路21は、選択した駆動電極X(若しくは、選択した駆動電極を含む一群の隣接した駆動電極X)に第1駆動電圧と同相の第2駆動電圧を印加し、残りの駆動電極Xには第1駆動電圧と逆相の第2駆動電圧を印加するように複数の第2駆動回路25を制御する。すなわち、制御回路21は、複数の駆動電極Xの中から第1駆動電圧と同相の第2駆動電圧を印加する駆動電極Xを順番に切り換える。
この図では簡単化のため、電荷積分回路22以降を省略して図示している。基本的に、人体は、センサに近接したときのセンサとの静電容量より大きい容量でグランドGNDと結合していることから、人体や指は実質的にグランドGNDとみなせる。そのため、検出電極Yに指が近接すると、指の自己容量CfsがグランドGNDと検出電極Yとの間に形成されることになる。指の自己容量Cfsの大きさは、指が検出電極Yに近接するときの距離によって変化し、距離が短いほど指の自己容量Cfsは大きくなる。
この場合も、検出電極Y1上に指が近接することによって、その場所における相互容量が減少する。ただし、図8の場合と異なり、駆動電極X1とは別の駆動電極X2に指が近接するため、駆動電極X2〜Xnと検出電極Y1との間に形成される相互容量Crxyが「Cp」だけ減少する。駆動電極X1、X2〜Xn及びシールド電極ASに図示するような振幅VDDの矩形波を印加する場合、矢印で示す1つのエッジのタイミングにおいて検出電極Y1から電荷積分回路22に矢印の方向を正として流れ込む電荷を「Qy1’’」とすると、この電荷Qy1’’は次の式で表される。
駆動電圧の1回のエッジ(レベル変化)によって、キャパシタCintの端子間の電位差(Aout−A’)は「VR1+ΔA’」となる。その後、制御回路21は、スイッチSWr1、SWr2をオフにして、検出電極Yからの転送電荷に比例した電圧ΔA’だけ基準電圧VR1から変化したキャパシタCintの電圧が保持された状態にして、スイッチTXUをオフにする。
検出電極Yに指等が近接すると、検出電極Yと指等との間で大きな自己容量Csfが形成されて、電荷積分回路22から自己容量Csfへの電荷の供給が生じる。そのため、検出電極Yに指等が近接していない場合に比べて、電荷積分回路22により生成される検出信号Aoutが大きく変化する。これにより、検出電極Yにおける指等の近接の有無を、検出信号Aoutに基づいて感度良く識別することが可能である。
また、シールド電極ASの第1駆動電圧に対して同相の第2駆動電圧が印加される駆動電極Xと検出電極Yとの相互容量形成部分に指等が近接することでその相互容量が変化する場合と、シールド電極ASの第1駆動電圧に対して逆相の第2駆動電圧が印加される駆動電極Xと検出電極Yとの相互容量形成部分に指等が近接することでその相互容量が変化する場合とでは、電荷積分回路22から相互容量へ供給される電荷量が異なる。そのため、検出電極Yに指等が近接している場合において、その近接位置を検出信号Aoutに基づいて的確に識別することが可能である。
従って、操作面上の複数の位置における物体の近接を検出する場合に、従来の自己容量検出タイプのセンサに比べて電極数や回路規模の増大を抑制できるとともに、従来の相互容量検出タイプのセンサに比べて検出感度を高めることができる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上述した第1の実施形態に係る入力装置では、電荷積分回路22の後段にアナログ−デジタル変換回路23が設けられているが、本実施形態に係る入力装置では、電荷積分回路22の後段に設けたコンパレータの出力信号に応じて電荷積分回路22の入力に電荷を帰還させることにより、デルタシグマ型のアナログ−デジタル変換回路が構成される。
また、制御回路21Aは、電荷供給回路28による検出電極Yへの電荷の供給が停止した状態で、第1駆動電圧及び第2駆動電圧の少なくとも1サイクルの周期的変化を経てコンパレータ26の出力信号が反転した場合においても、上記と同様に、第1駆動電圧及び第2駆動電圧の少なくとも1サイクルの間において、第1駆動電圧及び第2駆動電圧のレベルが変化するときに、アンプ回路221から相互容量Cxy,自己容量Cfs等へ供給される電荷Qyとは逆極性の電荷を、電荷供給回路28から検出電極Yへ供給する。
これにより、コンパレータ26の出力信号は、検出電極Yに形成された静電容量(Cxy,Cfs等)の大きさに応じて反転を生じる期間が変化する信号となるため、信号処理回路27において、この出力信号に基づいて、検出信号Aoutに応じたデジタル信号Dout’を生成することができる。すなわち、上述した第1実施形態におけるアナログ−デジタル変換回路23よりも更に簡易な構成で、デルタシグマ型のアナログ−デジタル変換を実現できる。
また、上述した実施形態では、シールド電極ASに印加する第1駆動電圧と駆動電極Xに印加する第2駆動電圧の振幅が同じとなる例を挙げているが、本発明はこの例に限定されるものではなく、適切な検出感度が得られるように、それぞれの駆動電圧の振幅を独立に設定してもよい。
Claims (9)
- 操作面への物体の近接による静電容量の変化に応じた情報を入力する入力装置であって、
前記操作面に沿って配置された検出電極と、
前記検出電極と交差するように前記操作面に沿って配置され、前記検出電極との間でそれぞれ静電容量を形成する複数の駆動電極と、
前記検出電極及び前記複数の駆動電極と比べて前記操作面から離れた下層に配置されたシールド電極と、
周期的にレベルが変化する第1駆動電圧を前記シールド電極に印加する第1駆動回路と、
前記第1駆動電圧と同相又は逆相にレベルが変化する第2駆動電圧を前記複数の駆動電極に印加する複数の第2駆動回路と、
前記複数の駆動電極の中から少なくとも1つの駆動電極を選択し、当該選択した駆動電極に前記第1駆動電圧と同相の第2駆動電圧を印加し、残りの駆動電極に前記第1駆動電圧と逆相の第2駆動電圧を印加するように前記複数の第2駆動回路を制御し、前記第1駆動電圧と同相の第2駆動電圧を印加する前記駆動電極を切り換える制御回路と
を有し、
前記検出電極において検出される前記静電容量の変化に基づいて、前記操作面における物体の近接位置に関する情報を入力する
ことを特徴とする入力装置。 - 前記検出電極と前記シールド電極との間の電圧が一定となるように前記検出電極へ電荷を供給し、当該供給した電荷の積分値に応じた検出信号を出力する電荷積分回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載の入力装置。
- 前記電荷積分回路は、
キャパシタと、
前記検出電極と前記シールド電極との間の電圧に応じた電流を発生し、当該電流を前記キャパシタ及び前記検出電極に出力するアンプ回路と、
前記アンプ回路から前記キャパシタに流れる電流の経路を切り替えるスイッチ回路と
を含んでおり、前記キャパシタの電圧に応じた前記検出信号を出力し、
前記制御回路は、前記第1駆動電圧が上昇するときに前記アンプ回路から前記キャパシタへ流れる電流の極性と、前記第1駆動電圧が下降するときに前記アンプ回路から前記キャパシタへ流れる電流の極性とが同一となるように前記スイッチ回路を制御する
ことを特徴とする請求項2に記載の入力装置。 - 前記アンプ回路は、
前記検出電極と前記シールド電極との間の電圧を増幅する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路の出力電圧に応じた電流を前記検出電極に出力する第1電流出力回路と、
前記差動増幅回路の出力電圧に応じた電流を前記キャパシタに出力する第2電流出力回路とを含む
ことを特徴とする請求項3に記載の入力装置。 - 前記検出信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換回路を有し、
前記電荷積分回路は、前記キャパシタの電圧を初期化する初期化回路を含み、
前記制御回路は、前記初期化回路において前記キャパシタの電圧を初期化した後、前記第1駆動電圧及び前記第2駆動電圧の周期的変化が所定のサイクル数に達した場合に、前記アナログ-デジタル変換回路において前記検出信号をデジタル信号に変換する
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の入力装置。 - 前記検出信号と基準電圧を比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力信号に基づいて、前記検出信号に応じたデジタル信号を生成する信号処理回路と、
前記検出電極に電荷を供給する電荷供給回路と有し、
前記電荷積分回路は、前記キャパシタの電圧を初期化する初期化回路を含み、
前記制御回路は、前記初期化回路において前記キャパシタの電圧を初期化した場合、並びに、前記電荷供給回路による前記検出電極への電荷の供給を停止した状態で、前記第1駆動電圧及び前記第2駆動電圧の少なくとも1サイクルの周期的変化を経て前記コンパレータの出力信号が反転した場合において、前記第1駆動電圧及び前記第2駆動電圧の少なくとも1サイクルの間、前記第1駆動電圧及び前記第2駆動電圧のレベルが変化するときに、当該レベルの変化に応じて検出電極に形成された静電容量に前記アンプ回路から供給される電荷と逆極性の電荷を前記電荷供給回路から前記検出電極へ供給する
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の入力装置。 - 前記制御回路は、前記電荷供給回路による前記検出電極への電荷の供給を停止した状態で、前記第1駆動電圧及び前記第2駆動電圧の1サイクル毎に前記コンパレータの出力信号が反転したか否か判定し、当該判定の結果に応じて前記電荷供給回路から前記検出電極に前記逆極性の電荷を供給する
ことを特徴とする請求項6に記載の入力装置。 - 前記電荷供給回路は、
一端が前記検出電極に接続された電荷供給用キャパシタと、
前記電荷供給用キャパシタの他端に第3駆動電圧を印加する第3駆動回路とを含む
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の入力装置。 - 前記制御回路は、前記複数の駆動電極の中から前記操作面での配列の順番に従って前記駆動電極を1ずつ選択し、当該選択した駆動電極若しくは当該選択した駆動電極を含む一群の隣接した駆動電極に前記第1駆動電圧と同相の第2駆動電圧を印加し、残りの駆動電極に前記第1駆動電圧と逆相の第2駆動電圧を印加するように前記複数の第2駆動回路を制御する
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の入力装置。
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