KR20220061222A - 정전 용량 검출 장치 및 정전 용량 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

검출 감도가 높은 정전 용량 검출 장치를 제공한다. 정전 용량 검출 장치는, 검출 전극에 근접하는 검출 대상물과 상기 검출 전극 사이의 정전 용량을 검출하는 정전 용량 검출 장치로서, 상기 검출 전극에 근접하여 배치된 실드 전극에 공급되는 제 1 교류 전압을 출력하는 제 1 전압 출력 회로와, 상기 제 1 교류 전압의 주파수와 대략 동등한 주파수의 제 2 교류 전압을 출력하는 제 2 전압 출력 회로와, 상기 검출 전극에 접속되는 반전 입력 단자와 상기 제 2 교류 전압이 인가되는 비반전 입력 단자의 전압 차를 증폭하여 출력하는 연산 증폭기를 갖고, 상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압의 진폭이 상기 제 1 교류 전압의 진폭보다 작아지도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

정전 용량 검출 장치 및 정전 용량 검출 방법
본 발명은, 정전 용량 검출 장치 및 정전 용량 검출 방법에 관한 것이다.
손가락 등의 검출 대상물의 근접을 정전 용량에 기초하여 검출하는 터치 센서나 터치 패드 등의 입력 장치가 알려져 있다. 입력 장치에 사용되는 정전 용량의 검출 방식에는, 일반적으로, 상호 용량식과 자기 용량식이 있다. 상호 용량식에서는, 교차하여 배치된 2 개의 전극간의 정전 용량이 검출되고, 자기 용량식에서는, 그라운드에 대한 검출 전극의 정전 용량이 검출된다.
자기 용량식은, 상호 용량식에 비하여 정전 용량의 검출 감도가 높다는 이점을 갖는다. 그러나, 그라운드와 검출 전극 사이에 큰 기생 용량이 존재하면, 검출 결과의 신호에 기생 용량의 성분이 큰 비율을 차지하게 되어, 검출 대상물의 용량 성분의 다이나믹 레인지가 작아지기 때문에, 검출 감도가 저하된다. 또한, 기생 용량의 용량 변동이 노이즈가 되어, 정전 용량의 검출 정밀도가 저하된다.
종래, 이와 같은 기생 용량의 영향을 경감시키기 위해서, 검출 전극과 동전위로 구동된 실드 전극 (액티브 실드라고도 불린다) 이 검출 전극의 주위에 배치되어 있다 (예를 들어, 하기의 특허문헌 1 을 참조). 액티브 실드를 형성함으로써, 검출 전극이 주위의 도체와 정전 결합을 잘 일으키지 않게 되기 때문에, 기생 용량이 감소한다. 또한, 액티브 실드를 검출 전극과 동전위로 하면, 액티브 실드와 검출 전극 사이의 정전 용량은 검출 결과에 영향을 주지 않는다.
일본 특허 제4198306호 국제 공개 제2018/116706호
액티브 실드에 의해 기생 용량은 감소하기는 하지만, 모두를 제거할 수는 없다. 그 때문에, 보다 높은 검출 감도를 얻고자 해도, 잔류하는 기생 용량의 영향에 의해 높은 검출 감도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 또한, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 정전 용량형 센서에서는, 실제로 출력되는 출력 전압이 포화하여, 충분한 높은 검출 감도를 얻을 수 없는 경우가 있다.
이 때문에, 높은 검출 감도를 얻을 수 있는 정전 용량 검출 장치가 요구되고 있다.
본 실시형태의 1 관점에 의하면, 검출 전극에 근접하는 검출 대상물과 상기 검출 전극 사이의 정전 용량을 검출하는 정전 용량 검출 장치로서, 상기 검출 전극에 근접하여 배치된 실드 전극에 공급되는 제 1 교류 전압을 출력하는 제 1 전압 출력 회로와, 상기 제 1 교류 전압의 주파수와 대략 동등한 주파수의 제 2 교류 전압을 출력하는 제 2 전압 출력 회로와, 상기 검출 전극에 접속되는 반전 입력 단자와 상기 제 2 교류 전압이 인가되는 비반전 입력 단자의 전압 차를 증폭하여 출력하는 연산 증폭기를 갖고, 상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압의 진폭이 상기 제 1 교류 전압의 진폭보다 작아지도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
개시된 정전 용량 검출 장치에 의하면, 높은 검출 감도를 얻을 수 있다.
도 1 은, 실드 전극을 갖는 정전 용량 검출 장치의 구성도이다.
도 2 는, 실드 전극을 갖는 정전 용량 검출 장치의 설명도이다.
도 3 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 구성도이다.
도 4 는, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (1) 이다.
도 5 는, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (2) 이다.
도 6 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (3) 이다.
도 7 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (4) 이다.
도 8 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (5) 이다.
도 9 는, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (6) 이다.
도 10 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (7) 이다.
도 11 은, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 설명도 (8) 이다.
도 12 는, 제 1 실시형태에 있어서의 입력 장치의 구성도이다.
도 13 은, 제 2 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치를 포함하는 입력 장치의 구성도이다.
실시하기 위한 형태에 대하여, 이하에 설명한다. 또한, 동일한 부재 등에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고 설명을 생략한다.
먼저, 실드 전극이 형성된 정전 용량 검출 장치에 대하여 설명한다. 도 1 에 나타나는 정전 용량 검출 장치는, 검출 전극 (10), 실드 전극 (20), 연산 증폭기 (30), 귀환 저항 (40), 귀환 캐패시터 (50), 교류 전원인 교류 전압 출력 회로 (60) 등을 가지고 있다.
검출 전극 (10) 은, 연산 증폭기 (30) 의 반전 입력 단자 (-) 에 접속되어 있고, 실드 전극 (20) 은, 연산 증폭기 (30) 의 비반전 입력 단자 (＋) 에 접속되어 있고, 연산 증폭기 (30) 의 출력 단자와 반전 입력 단자 (-) 사이에는, 귀환 저항 (40) 및 귀환 캐패시터 (50) 가 병렬로 접속되어 있고, 부 (負) 귀환이 가해져 있다. 또한, 실드 전극 (20) 에는, 교류 전압 출력 회로 (60) 가 접속되어 있고, 전압 (Vas) 의 교류 전압이 인가되어 있다. 귀환 저항 (40) 은 저항치를 가변할 수 있고, 귀환 캐패시터 (50) 는 정전 용량치를 가변할 수 있다.
도 1 에 나타나는 정전 용량 검출 장치에서는, 검출 전극 (10) 과 실드 전극 (20) 사이에는, 정전 용량 (Crs) 이 형성되고, 검출 전극 (10) 과 GND 사이에는, 기생 용량 (Crgl) 이 형성된다. 검출 전극 (10) 과 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 사이에는, 정전 용량 (Crg) 이 형성되고, 검출 전극 (10) 에 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 가까워진 경우에는, 정전 용량 (Crg) 의 용량이 증가하여, 연산 증폭기 (30) 로부터 출력되는 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 커진다.
여기서, 검출 전극 (10) 에 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 가까워졌을 경우에 있어서의 검출 감도를 높게 하는 방법으로는, 교류 전압 출력 회로 (60) 로부터 출력되어 실드 전극 (20) 에 인가되는 인가 전압 (Vas) 의 진폭을 크게 하는 것이 유효하지만, 인가 전압 (Vas) 의 진폭을 크게 했을 경우, 연산 증폭기 (30) 로부터 출력되는 출력 전압 (Vo) 의 진폭은, 인가 전압 (Vas) 의 진폭보다 커진다.
그러나, 정전 용량 검출 장치에 있어서는, 전원 전압의 제약에 의해, 전원 전압 (VDD) 이 상한이 되기 때문에, 도 2 에 나타나는 바와 같이, 출력 전압 (Vo) 은, 전원 전압 (VDD) 보다 높은 전압이나, 접지 전위 (GND) 보다 낮은 전압은 출력되지 않고, 출력 전압 (Vo) 의 파형은 상하에 있어서 포화한 파형이 된다. 이 때문에, 검출 감도를 충분히 높일 수 없다.
〔제 1 실시형태〕
다음으로, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치는, 검출 전극 (10) 에 의해 검출되는 검출 신호의 다이나믹 레인지를 넓게 하는 것이다. 구체적으로는, 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 근접하고 있지 않은 상태에 있어서의 출력을 작게 함으로써, 검출 감도를 향상시키는 것이다.
본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치는, 도 3 에 나타나는 바와 같이, 검출 전극 (10), 실드 전극 (20), 연산 증폭기 (30), 귀환 저항 (40), 귀환 캐패시터 (50), 제 1 전압 출력 회로 (160), 제 2 전압 출력 회로 (170) 등을 가지고 있고, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 과 검출 전극 (10) 사이의 정전 용량을 검출한다. 검출 전극 (10) 과 실드 전극 (20) 은, 근접하여 배치되어 있다.
검출 전극 (10) 은, 연산 증폭기 (30) 의 반전 입력 단자 (-) 에 접속되어 있고, 실드 전극 (20) 은, 제 1 전압 출력 회로 (160) 에 접속되어 있다. 제 1 전압 출력 회로 (160) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하여 배치된 실드 전극 (20) 에 공급되는 제 1 교류 전압 (Vas) 을 출력한다. 연산 증폭기 (30) 의 비반전 입력 단자 (＋) 에는, 제 2 전압 출력 회로 (170) 가 접속되어 있다. 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, 제 1 교류 전압 (Vas) 의 주파수와 대략 동등한 주파수의 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력한다. 연산 증폭기 (30) 의 출력 단자와 반전 입력 단자 (-) 사이에는, 귀환 저항 (40) 및 귀환 캐패시터 (50) 가 병렬로 접속되어 있고, 부귀환이 가해지고 있다. 또한, 귀환 캐패시터 (50) 는, 정전 용량치의 조정이 가능하다. 연산 증폭기 (30) 는, 검출 전극 (10) 에 접속되는 반전 입력 단자 (-) 와 제 2 교류 전압 (Vp) 이 인가되는 비반전 입력 단자 (＋) 의 전압 차를 증폭하여 출력한다. 또한, 제 1 전압 출력 회로 (160) 로부터 출력되는 제 1 교류 전압 (Vas) 의 위상과, 제 2 전압 출력 회로 (170) 로부터 출력되는 제 2 교류 전압 (Vp) 의 위상은 대략 동등하다.
본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치에서는, 검출 전극 (10) 과 실드 전극 (20) 사이에는, 정전 용량 (Crs) 이 형성되고, 검출 전극 (10) 과 GND 사이에는, 기생 용량 (Crgl) 이 형성된다. 검출 전극 (10) 과 검출 대상물이 되는 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 사이에는, 정전 용량 (Crg) 이 형성되고, 검출 전극 (10) 에 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 가까워진 경우에는, 정전 용량 (Crg) 의 용량이 증가하고, 연산 증폭기 (30) 로부터 출력되는 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 커진다.
본 실시형태에 있어서는, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭보다 작아지도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력한다. 다시 말하면, 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이, 검출 전극 (10) 의 근처에 존재하고 있지 않아, 검출 대상물 (100) 을 인식하고 있지 않은 상태에 있어서, 출력 전압 (Vo) 의 진폭, 및, 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭이, Vas ＞ Vo 가 되도록, 제 2 전압 출력 회로 (170) 로부터 출력되는 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 설정한다. 이 상태를 도 4 에 나타낸다. 또한, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, Vas ＞ Vo 의 관계가 만족되는 한, 어떠한 방법을 사용하여 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 조정해도 된다. 예를 들어, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, Vas 의 진폭치와 Vo 의 진폭치를 모니터하여, 자동적으로 Vas ＞ Vo 의 관계가 만족되도록 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 조정해도 되고, Vas ＞ Vo 의 관계가 만족되도록 수동에 의해 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 조정해도 된다. 또한 후술하는 제 2 실시형태와 같이, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, 제 1 교류 전압 (Vas) 을 감쇠시킨 전압을 제 2 교류 전압 (Vp) 으로서 출력해도 된다.
이로써, 제 1 전압 출력 회로 (160) 로부터 출력되는 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭이, 가장 큰 전압의 진폭이 되기 때문에, 다이나믹 레인지를 최대한 확대할 수 있고, 검출 감도를 높일 수 있다. 또한, 본원에 있어서는, 부등식 등에 있어서의 Vas, Vp, Vo 라는 기재는, 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭, 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 의미하는 것으로 한다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, Vp ＜ Crs × Vas/(Crs ＋ Crgl), 또는, Vo ＜ Vp ＜ Vas 가 되도록, 제 2 전압 출력 회로 (170) 로부터 출력되는 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 설정해도 된다. 이 상태를 도 5 에 나타낸다.
이로써, 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 검출되어 있지 않은 상태에 있어서의 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 더욱 작게 할 수 있고, 출력 전압 (Vo) 이 잘 포화하지 않고, 귀환 캐패시터 (50) 에 의해 정해지는 전압 게인을 크게 하는 것이 가능해져, 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
즉, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압을 Vo 라고 하고, 제 1 교류 전압을 Vas 라고 하고, 제 2 교류 전압을 Vp 라고 했을 경우에, 진폭의 관계가 Vo ＜ Vp ＜ Vas 를 만족하도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력해도 된다.
혹은, 제 2 전압 출력 회로 (170) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 제 1 교류 전압을 Vas 라고 하고, 제 2 교류 전압을 Vp 라고 하고, 검출 전극 (10) 과 실드 전극 (20) 사이의 정전 용량을 Crs 라고 하고, 검출 전극 (10) 과 검출 대상물 이외의 그라운드 (GND) 사이의 기생 용량을 Crgl 이라고 했을 경우에, Vp ＜ Crs × Vas/(Crs ＋ Crgl) 를 만족하도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력해도 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 방법에서는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 과 검출 전극 (10) 사이의 정전 용량을 검출하는 정전 용량 검출 방법으로서, 검출 전극 (10) 에 근접하여 배치된 실드 전극 (20) 에 공급되는 제 1 교류 전압 (Vas) 을 출력하는 제 1 전압 출력 스텝과, 주파수와 위상이 제 1 교류 전압 (Vas) 과 대략 동등한 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력하는 제 2 전압 출력 스텝과, 검출 전극 (10) 에 접속되는 반전 입력 단자 (-) 와 제 2 교류 전압 (Vp) 이 인가되는 비반전 입력 단자 (＋) 의 전압 차를 연산 증폭기 (30) 에 있어서 증폭하여 출력하는 연산 증폭 스텝을 갖고, 제 2 전압 출력 스텝은, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭보다 작아지도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력하는 것이다.
본 실시형태에 있어서는, 제 1 전압 출력 회로 (160) 로부터 출력되는 제 1 교류 전압 (Vas) 과, 제 2 전압 출력 회로 (170) 로부터 출력되는 제 2 교류 전압 (Vp) 을 나눔으로써, 전압의 진폭의 관계를 용이하게 Vas ＞ Vp 로 할 수 있고, 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 작게 할 수 있다.
도 6 은, 검출 전극 (10) 의 근방에 검출 대상물 (100) 이 존재하고 있지 않은 상태에 있어서의 검출 전극 (10) 부분의 등가 회로를 나타낸다. Vn0 은, 연산 증폭기 (30) 가 접속되어 있지 않은 상태에 있어서의 검출 전극 (10) 부분의 노드의 전압을 의미한다. 여기서, 도 7 에 나타나는 바와 같이, 검출 전극 (10) 이 연산 증폭기 (30) 의 반전 입력 단자 (-) 에 접속되었을 경우, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭이 크면, 파선 화살표로 나타나는 바와 같이, 기생 용량 (Crgl) 으로의 전류 유입량이 증가한다. 따라서, 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭을 가능한 한 크게 해도, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 작게 함으로써, 검출 전극 (10) 의 근방에 검출 대상물 (100) 이 존재하고 있지 않은 상태에 있어서의 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 작게 할 수 있다.
또한, 도 6 에 나타나는 등가 회로로부터, 도 8 에 나타나는 바와 같이 전압 Vn0 을 산출하면, Vn0 = Crs × Vas/(Crs ＋ Crgl) 이 된다. 이 Vn0 의 값은, 정전 용량 (Crs) 과 기생 용량 (Crgl) 에 의해 정해지는 비율 (Crs/(Crs ＋ Crgl)) 에, 제 1 교류 전압 (Vas) 을 곱셈한 값이다. 검출 전극 (10) 에 연산 증폭기 (30) 가 접속되어 있지 않은 상태에서는, 정전 용량 (Crs) 을 흐르는 전류 (irs) 와, 기생 용량 (Crgl) 을 흐르는 전류 (irgl) 는 동일한 값이다. 도 8 내지 도 11 에 있어서 화살표의 방향은 어느 시간의 전류의 방향을 나타내고 있고 제 1 교류 전압 (Vas) 의 전압의 변화의 극성에 따라 방향은 바뀐다.
여기서, 도 9 에 나타나는 바와 같이, Vas ＞ Vp ＞ Vn0 의 경우에는, 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 전류가 흘러, 정전 용량 (Crs) 에 흐르는 전류 (irs) 보다, 기생 용량 (Crgl) 에 흐르는 전류 (irgl) 가 많아져, 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭보다 커진다.
또한, 도 10 에 나타나는 바와 같이, Vas ＞ Vp = Vn0 의 경우에는, 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 전류가 흘러, 정전 용량 (Crs) 을 흐르는 전류 (irs) 와, 기생 용량 (Crgl) 을 흐르는 전류 (irgl) 는 동일해진다. 이로써, 출력 전압 (Vo) 의 진폭은, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭과 동일해진다.
또한, 도 11 에 나타나는 바와 같이, Vn0 ＞ Vp 의 경우에는, 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 전류가 흘러, 기생 용량 (Crgl) 에 흐르는 전류 (irgl) 보다, 정전 용량 (Crs) 에 흐르는 전류 (irs) 가 많아져, 출력 전압 (Vo) 의 진폭이, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭보다 작아진다. 따라서, 상기 서술한 Vp ＜ Crs × Vas/(Crs ＋ Crgl) 이라는 조건은, Vo ＜ Vp ＜ Vas 라는 조건과 동일한 의미이다.
따라서, 제 2 전압 출력 회로 (170) 로부터 출력되는 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭을 조정함으로써, 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 작게 할 수 있고, 연산 증폭기 (30) 로부터의 출력 전압 (Vo) 이 포화하기 어려워지기 때문에, 노이즈 등이 입력되었을 경우에도, 선형성을 유지하면서, 후단에서의 필터링 처리가 가능해진다.
따라서, 검출 전극 (10) 의 근방에 검출 대상물 (100) 이 존재하고 있지 않은 상태에 있어서, 출력 전압 (Vo) 과, 제 2 교류 전압 (Vp) 이 동일해지도록 조정한 경우에는, 출력 전압 (Vo) 의 진폭은, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭과 동일해질 때까지 밖에 낮출 수 없어, 검출 감도를 높게 하는 효과는 충분하지는 않다. 그러나, 본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치에서는, 출력 전압 (Vo) 의 진폭은, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 진폭보다 낮게 하는 것이 가능하고, 이로써, 높은 검출 감도와 노이즈 내성을 얻을 수 있다.
(입력 장치)
다음으로, 본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치를 사용한 입력 장치에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 있어서의 입력 장치는, 도 12 에 나타나는 바와 같이, 센서부 (110), 정전 용량 검출부 (120), 처리부 (130), 기억부 (140), 인터페이스 (I/F) 부 (150) 등을 갖는다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치는, 센서부 (110) 와, 정전 용량 검출부 (120) 의 일부에 의해 구성된다.
본 실시형태에 있어서의 입력 장치는, 손가락이나 펜 등의 검출 대상물 (100) 이 센서부 (110) 에 근접했을 경우에, 센서부 (110) 에 형성된 전극과 검출 대상물 (100) 사이의 정전 용량을 검출하고, 이 검출 결과에 기초하여, 검출 대상물 (100) 의 근접에 따른 정보가 입력된다. 예를 들어 입력 장치는, 센서부 (110) 에 대한 검출 대상물 (100) 의 근접의 유무나, 센서부 (110) 와 검출 대상물 (100) 의 거리 등의 정보를, 정전 용량의 검출 결과에 기초하여 취득한다. 입력 장치는, 예를 들어 터치 센서나 터치 패드 등의 유저 인터페이스 장치에 적용된다. 또한, 본 명세서에 있어서의 「근접」 이란, 2 개의 물건이 근처에 있는 것을 의미하고 있고, 2 개의 물건끼리가 접촉하고 있는 경우와 접촉하고 있지 않은 경우의 양방을 포함하는 의미이다.
센서부 (110) 는, 손가락이나 펜 등의 검출 대상물 (100) 의 근접을 검출하기 위한 검출 전극 (10) 과, 검출 전극 (10) 에 근접하여 배치된 실드 전극 (20) 을 갖는다. 검출 전극 (10) 은, 센서부 (110) 에 있어서 검출 대상물 (100) 이 근접하는 영역에 배치된다. 예를 들어, 검출 대상물 (100) 의 검출 영역의 표면이 절연성의 커버층으로 덮여 있고, 커버층보다 하층측에 검출 전극 (10) 이 배치된다. 실드 전극 (20) 은, 검출 대상물 (100) 이외의 도체와 검출 전극 (10) 의 정전 결합을 방지하거나 전자파 등의 외래 노이즈를 방지하기 위한 실드로서, 검출 대상물 (100) 의 검출 영역의 검출하는 표면에 대하여 검출 전극 (10) 을 사이에 두고 반대측에 배치된다.
정전 용량 검출부 (120) 는, 검출 대상물 (100) 과 검출 전극 (10) 사이에 형성되는 정전 용량 (Crg) 의 정전 용량치를 검출하고, 그 검출 결과를 나타내는 신호 (Ds) 를 출력한다.
처리부 (130) 는, 입력 장치의 전체적인 동작을 제어하는 회로로서, 예를 들어, 기억부 (140) 에 격납되는 프로그램의 명령 코드에 따라서 처리를 실행하는 컴퓨터나, 특정한 기능을 실현하는 로직 회로를 포함한다. 처리부 (130) 의 처리는, 컴퓨터에 있어서 프로그램에 기초하여 실현해도 되고, 적어도 일부를 전용의 로직 회로로 실현해도 된다.
처리부 (130) 는, 정전 용량 검출부 (120) 로부터 출력되는 검출 결과의 신호 (Ds) 에 기초하여, 검출 대상물 (100) 이 센서부 (110) 에 근접하고 있는지 여부의 판정이나, 검출 대상물 (100) 과 센서부 (110) 의 거리나, 검출 대상물 (100) 의 위치 좌표의 산출을 실시한다. 또한, 센서부 (110) 는 복수의 검출 전극 (10) 을 포함하고 있어도 되고, 정전 용량 검출부 (120) 는 복수의 검출 전극 (10) 의 각각에 대하여 정전 용량 (Crg) 의 정전 용량치의 검출을 실시해도 된다.
또한, 처리부 (130) 는, 외래 노이즈의 영향에 의한 정전 용량 검출부 (120) 의 검출 감도의 저하를 회피하기 위해서, 후술하는 정전 용량 검출부 (120) 의 제 1 교류 전압 (Vas) 의 주파수를 변경하는 처리도 실시한다.
기억부 (140) 는, 처리부 (130) 를 구성하는 컴퓨터의 프로그램이나, 처리부 (130) 에 있어서 처리에 사용되는 데이터, 처리의 과정에서 일시적으로 유지되는 데이터 등을 기억한다. 기억부 (140) 는, 예를 들어 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 이나 SRAM (Static Random Access Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 등, 임의의 기억 디바이스를 사용하여 구성된다.
인터페이스부 (150) 는, 입력 장치와 다른 장치 (예를 들어 입력 장치를 탑재하는 전자 기기의 호스트 컨트롤러 등) 사이에서 데이터를 주고 받기 위한 회로이다. 처리부 (130) 는, 정전 용량 검출부 (120) 의 검출 결과에 기초하여 얻어진 정보 (검출 대상물 (100) 의 유무, 검출 대상물 (100) 의 근접 위치, 검출 대상물 (100) 과의 거리, 검출 대상물 (100) 의 크기 등) 를, 인터페이스부 (150) 에 의해 도시되지 않은 상위 장치에 출력한다. 상위 장치에서는, 이들 정보를 사용하여, 예를 들어 포인팅 조작이나 제스처 조작 등을 인식하는 유저 인터페이스가 구축된다.
〔제 2 실시형태〕
다음으로, 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 도 13 에, 제 2 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치를 갖는 입력 장치를 나타낸다.
제 2 실시형태에 있어서의 정전 용량 검출 장치의 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 예를 들어 감쇠기이며, 제 1 교류 전압 (Vas) 을 감쇠시킨 전압을 제 2 교류 전압 (Vp) 으로서 출력한다. 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 제 1 캐패시터 (Ca) 및 제 2 캐패시터 (Cb) 의 직렬 회로를 포함한다. 제 1 전압 출력 회로 (160) 는, 이 직렬 회로의 양단에 제 1 교류 전압 (Vas) 을 인가한다. 제 1 교류 전압 (Vas) 이 제 1 캐패시터 (Ca) 및 제 2 캐패시터 (Cb) 에 의해 분압됨으로써, 제 2 캐패시터 (Cb) 에 제 2 교류 전압 (Vp) 이 발생한다. 제 1 캐패시터 (Ca) 의 일방의 단자가 제 2 전압 출력 회로 (270) 의 출력에 접속되고, 제 1 캐패시터 (Ca) 의 타방의 단자가 제 2 캐패시터 (Cb) 의 일방의 단자에 접속되고, 제 2 캐패시터 (Cb) 의 타방의 단자가 그라운드에 접속된다.
따라서, 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 제 1 교류 전압 (Vas) 을 감쇠시킨 전압을 제 2 교류 전압 (Vp) 으로서 출력한다.
즉, 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 제 1 교류 전압 (Vas) 이 제 1 캐패시터 (Ca) 와 제 2 캐패시터 (Cb) 에 의해 분압된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 발생시킨다.
또한, 제 1 실시형태에 있어서의 정전 용량 장치의 경우와 마찬가지로, 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭보다 작아지도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력한다. 다시 말하면, 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압 (Vo) 의 진폭이 제 1 교류 전압 (Vas) 의 진폭보다 작아지는 제 2 교류 전압 (Vp) 을 발생시키도록 조정된 정전 용량비를 갖는 제 1 캐패시터 (Ca) 와 제 2 캐패시터 (Cb) 를 포함한다.
제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 정전 용량치가 가변인 제 2 캐패시터 (Cb) 를 갖는다.
본 실시형태에 의하면, 제 1 교류 전압 (Vas) 을 감쇠시킨 전압이 제 2 교류 전압 (Vp) 으로서 제 2 전압 출력 회로 (270) 로부터 출력된다. 트랜지스터 등의 능동 소자를 포함하지 않는 감쇠기를 사용하여 제 2 교류 전압 (Vp) 을 생성함으로써, 제 2 교류 전압 (Vp) 의 노이즈가 작아지기 때문에, 정전 용량 (Crg) 의 정전 용량치의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 제 1 캐패시터 (Ca) 와 제 2 캐패시터 (Cb) 의 직렬 회로에 제 1 교류 전압 (Vas) 이 인가되고, 제 1 교류 전압 (Vas) 에 따른 제 2 교류 전압 (Vp) 이 제 2 캐패시터 (Cb) 에 있어서 발생한다. 이로써, 저항에 의한 감쇠기를 사용하는 경우에 비하여 노이즈가 작아지기 때문에, 정전 용량 (Crg) 의 정전 용량치의 검출 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 상기 이외의 내용에 대해서는, 제 1 실시형태와 동일하다. 따라서, 제 1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 제 2 전압 출력 회로 (270) 는, 검출 전극 (10) 에 근접하는 검출 대상물 (100) 이 존재하지 않는 상태에 있어서, 연산 증폭기 (30) 의 출력 전압을 Vo 라고 하고, 제 1 교류 전압을 Vas 라고 하고, 제 2 교류 전압을 Vp 라고 했을 경우에, 진폭의 관계가 Vo ＜ Vp ＜ Vas 를 만족하도록 조정된 제 2 교류 전압 (Vp) 을 출력해도 된다. 이 경우에는, 손가락이나 손 등의 검출 대상물 (100) 이 검출되어 있지 않은 상태에 있어서의 출력 전압 (Vo) 의 진폭을 더욱 작게 할 수 있고, 출력 전압 (Vo) 이 포화하기 어렵고, 귀환 캐패시터 (50) 에 의해 정해지는 전압 게인을 크게 하는 것이 가능해져, 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
이상, 실시형태에 대하여 상세히 서술했지만, 특정한 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 특허 청구의 범위에 기재된 범위 내에 있어서, 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
본 국제 출원은 2019년 11월 7일에 출원한 일본 특허출원 2019-202625호에 기초하는 우선권을 주장하는 것으로서, 일본 특허출원 2019-202625호의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
10 ; 검출 전극
20 ; 실드 전극
30 ; 연산 증폭기
40 ; 귀환 저항
50 ; 귀환 캐패시터
100 ; 검출 대상물
160 ; 제 1 전압 출력 회로
170 ; 제 2 전압 출력 회로

Claims (11)

  1. 검출 전극에 근접하는 검출 대상물과 상기 검출 전극 사이의 정전 용량을 검출하는 정전 용량 검출 장치로서,
    상기 검출 전극에 근접하여 배치된 실드 전극에 공급되는 제 1 교류 전압을 출력하는 제 1 전압 출력 회로와,
    상기 제 1 교류 전압의 주파수와 대략 동등한 주파수의 제 2 교류 전압을 출력하는 제 2 전압 출력 회로와,
    상기 검출 전극에 접속되는 반전 입력 단자와 상기 제 2 교류 전압이 인가되는 비반전 입력 단자의 전압차를 증폭하여 출력하는 연산 증폭기,
    를 갖고,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압의 진폭이 상기 제 1 교류 전압의 진폭보다 작아지도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 교류 전압의 위상과 상기 제 2 교류 전압의 위상은 대략 동등한 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연산 증폭기의 출력 단자와 상기 반전 입력 단자 사이에 형성된 귀환 캐패시터를 갖는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 귀환 캐패시터는 정전 용량치의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 제 1 교류 전압을 감쇠시킨 전압을 상기 제 2 교류 전압으로서 출력하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 제 1 캐패시터와 제 2 캐패시터의 직렬 회로를 구비하고,
    상기 제 1 전압 출력 회로는, 상기 직렬 회로의 양단에 상기 제 1 교류 전압을 인가하고,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 제 1 교류 전압이 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터에 의해 분압된 상기 제 2 교류 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압의 진폭이 상기 제 1 교류 전압의 진폭보다 작아지는 상기 제 2 교류 전압을 발생시키도록 조정된 정전 용량비를 갖는 상기 제 1 캐패시터와 상기 제 2 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 정전 용량치가 가변인 상기 제 2 캐패시터를 갖는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압을 Vo 라고 하고, 상기 제 1 교류 전압을 Vas 라고 하고, 상기 제 2 교류 전압을 Vp 라고 했을 경우에, 진폭의 관계가 Vo ＜ Vp ＜ Vas 를 만족하도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전압 출력 회로는, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 제 1 교류 전압을 Vas 라고 하고, 상기 제 2 교류 전압을 Vp 라고 하고, 상기 검출 전극과 상기 실드 전극 사이의 정전 용량을 Crs 라고 하고, 상기 검출 전극과 상기 검출 대상물 이외의 그라운드 사이의 기생 용량을 Crgl 이라고 했을 경우에, Vp ＜ Crs × Vas/(Crs ＋ Crgl) 을 만족하도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 장치.
  11. 검출 전극에 근접하는 검출 대상물과 상기 검출 전극 사이의 정전 용량을 검출하는 정전 용량 검출 방법으로서,
    상기 검출 전극에 근접하여 배치된 실드 전극에 공급되는 제 1 교류 전압을 출력하는 제 1 전압 출력 스텝과,
    주파수와 위상이 상기 제 1 교류 전압과 대략 동등한 제 2 교류 전압을 출력하는 제 2 전압 출력 스텝과,
    상기 검출 전극에 접속되는 반전 입력 단자와 상기 제 2 교류 전압이 인가되는 비반전 입력 단자의 전압차를 연산 증폭기에 있어서 증폭하여 출력하는 연산 증폭 스텝,
    을 갖고,
    상기 제 2 전압 출력 스텝은, 상기 검출 전극에 근접하는 상기 검출 대상물이 존재하지 않는 상태에 있어서, 상기 연산 증폭기의 출력 전압의 진폭이 상기 제 1 교류 전압의 진폭보다 작아지도록 조정된 상기 제 2 교류 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 방법.
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