JP2011039663A - Signal processing circuit for capacitance type touch sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】ノイズ耐性を向上させると共に、指先等のタッチ位置の検出を高精度に行うことができる静電容量型タッチセンサの信号処理回路を提供する。
【解決手段】信号処理回路は第1の調整容量CA1、第2の調整容量CA2、電荷増幅器12、AD変換器13を含んで構成される。第1の調整容量CA1は、第1の出力端子CO1を介して第1の容量C1と直列に接続される。第2の調整容量CA2は、第2の出力端子CO2を介して第2の容量C2と直列に接続される。電荷増幅器12は、第1の容量C1と第1の調整容量CA1とを合成してなる第1の合成容量Ctot1と、第2の容量C2と第2の調整容量CA2とを合成してなる第2の合成容量Ctot2との容量差ΔCに応じた出力電圧Voutを出力する。
【選択図】図1A signal processing circuit for a capacitive touch sensor capable of improving noise resistance and detecting a touch position of a fingertip or the like with high accuracy is provided.
A signal processing circuit includes a first adjustment capacitor CA1, a second adjustment capacitor CA2, a charge amplifier 12, and an AD converter 13. The first adjustment capacitor CA1 is connected in series with the first capacitor C1 via the first output terminal CO1. The second adjustment capacitor CA2 is connected in series with the second capacitor C2 via the second output terminal CO2. The charge amplifier 12 combines a first capacitor Ctot1 formed by combining the first capacitor C1 and the first adjustment capacitor CA1, and a second capacitor C2 combined with the second adjustment capacitor CA2. 2 outputs an output voltage Vout corresponding to a capacitance difference ΔC with respect to the combined capacitance Ctot2.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、静電容量型タッチセンサの信号処理回路に関し、特に静電容量の変化を利用して人の指先やペン先等のタッチ位置を検出する静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路に関する。 The present invention relates to a signal processing circuit for a capacitive touch sensor, and more particularly to a signal processing circuit for a capacitive touch sensor that detects a touch position of a human fingertip or a pen tip by utilizing a change in capacitance. About.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a capacitive touch sensor is known as a data input device for various electronic devices such as a mobile phone, a mobile audio device, a mobile game device, a television, and a personal computer.
従来の静電容量型タッチセンサ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、PCB基板60上にタッチパッド61が形成されており、タッチパッド61とPCB基板60との間に静電容量62(容量値C)が形成されている。そして、コンパレータ63の非反転入力端子(+)に配線64を介してタッチパッド61が接続される。コンパレータ63の反転入力端子(−)には基準電圧Vrefが印加される。また、タッチパッド61とコンパレータ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。
A signal processing circuit of a conventional capacitive touch sensor will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 10, a
この静電容量型タッチセンサ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がタッチパッド61から遠く離れている場合は、タッチパッド61における容量値はCである。この場合、タッチパッド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、タッチパッド61の電圧はリセット状態の0Vから増加し、基準電圧Vrefに到達するとコンパレータ63の出力電圧は反転する。このリセットからコンパレータ63が反転するまでの時間をt1とする。
The operation of the signal processing circuit of this capacitive touch sensor will be described with reference to FIG. First, when the
一方、人間の指先66をタッチパッド61に近づけると、タッチパッド61における容量値はC+C’に増加、または減少する。この変化分C’は人間の指とタッチパッド61の間に形成される容量値である。すると、タッチパッド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、リセットからコンパレータ63が反転するまでの時間の差(t2−t1)に基づいて、人間の指先66がタッチパッド61にタッチしたか否かを検出することができる。換言すれば、タッチパッド61は、データ入力用のON/OFFスイッチとして機能することができる。
On the other hand, when the
しかしながら、従来の静電容量型タッチセンサの信号処理回路においては、タッチパッド61にノイズが印加されると、タッチパッド61の電圧が変化して回路の誤動作が生じるという問題があった。また、タッチパッド61はON/OFFという2状態スイッチとして機能する場合は、データ入力量が限られていた。
However, in the signal processing circuit of the conventional capacitive touch sensor, there is a problem that when noise is applied to the
本発明のタッチセンサ用の信号処理回路は、第1のタッチパッドと共通電位線との間に形成される第1の容量と、前記第1のタッチパッドに隣接して配置された第2のタッチパッドと前記共通電位線との間に形成される第2の容量の容量差に基づいてタッチ位置を検出する静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路であって、
前記第1の容量と直列に接続された第1の調整容量と、前記第2の容量と直列に接続された第2の調整容量と、前記第1の容量と前記第1の調整容量とを合成してなる第1の合成容量と、前記第2の容量と前記第2の調整容量とを合成してなる第2の合成容量との容量差に応じた出力電圧を出力する電荷増幅器と、を備えることを特徴とする。
The signal processing circuit for a touch sensor according to the present invention includes a first capacitor formed between the first touch pad and the common potential line, and a second capacitor disposed adjacent to the first touch pad. A signal processing circuit for a capacitive touch sensor that detects a touch position based on a capacitance difference of a second capacitor formed between a touch pad and the common potential line,
A first adjustment capacitor connected in series with the first capacitor; a second adjustment capacitor connected in series with the second capacitor; the first capacitor; and the first adjustment capacitor. A charge amplifier that outputs an output voltage corresponding to a capacitance difference between a first combined capacitor formed by combining the second combined capacitor formed by combining the second capacitor and the second adjustment capacitor; It is characterized by providing.
本発明の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路によれば、差動容量検出方式を採用したことにより、ノイズ耐性を向上させることができる。また、本発明の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路によれば、指先等のタッチ位置を高精度に検出し、データ入力量を増加させることができる。 According to the signal processing circuit for the capacitive touch sensor of the present invention, noise tolerance can be improved by adopting the differential capacitance detection method. Further, according to the signal processing circuit for the capacitive touch sensor of the present invention, the touch position of the fingertip or the like can be detected with high accuracy, and the data input amount can be increased.
特に、本発明の静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路によれば、調整容量を設けているので、タッチセンサ側からの信号を減衰させることにより、電荷増幅器のダイナミックレンジに適合させ、電荷増幅器を適切に動作させることができる。 In particular, according to the signal processing circuit for the capacitive touch sensor of the present invention, since the adjustment capacitor is provided, the signal from the touch sensor side is attenuated so as to be adapted to the dynamic range of the charge amplifier. The amplifier can be operated appropriately.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路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側(タッチパネル)は、PCB基板等の絶縁基板10上に配置され、導電材料からなる第1及び第2のタッチパッド1,2、共通電位線6を含んで構成される。共通電位線6は第1及び第2のタッチパッド1,2に隣接するか、それらを囲んで形成される。そして、共通電位線6には、交流電源7から発生される交流の共通電位が印加されるようになっている。
[First Embodiment]
A signal processing circuit for a capacitive touch sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the capacitive touch sensor side (touch panel) is disposed on an
第1及び第2のタッチパッド1,2と共通電位線6との間に、それぞれ第1及び第2の容量C1,C2が形成される。第1及び第2のタッチパッド1,2はそれぞれ第1及び第2の出力端子CO1,CO2に接続されている。人間の指先等が第1のタッチパッド1に近くと、人の指先等は電極として機能することから、第1の容量C1の容量値は第2の容量C2の容量値に対して変化する。したがって、この容量変化を検出することにより、人の指先等のタッチ位置を検出することができる。
Between the first and
そのような検出を可能にするため、信号処理回路は第1の調整容量CA1、第2の調整容量CA2、電荷増幅器12、AD変換器13を含んで構成される。第1の調整容量CA1は、第1の出力端子CO1を介して第1の容量C1と直列に接続される。第2の調整容量CA2は、第2の出力端子CO2を介して第2の容量C2と直列に接続される。この場合、第1の調整容量CA1の一端は第1のタッチパッド1に接続され、その他端は電荷増幅器12の非反転入力端子(+)に接続される。また、第2の調整容量CA2の一端は第2のタッチパッド2に接続され、その他端は電荷増幅器12の反転入力端子(−)に接続される。
In order to enable such detection, the signal processing circuit includes a first adjustment capacitor CA1, a second adjustment capacitor CA2, a
電荷増幅器12は、第1の容量C1と第1の調整容量CA1とを合成してなる第1の合成容量Ctot1と、第2の容量C2と第2の調整容量CA2とを合成してなる第2の合成容量Ctot2との容量差ΔCに応じた出力電圧Voutを出力する。
The
すると、第1の合成容量Ctot1=C1・CA1/(C1+CA1)、第2の合成容量Ctot2=C2・CA2/(C2+CA2)である。つまり、第1の調整容量CA1を設けることで、第1の合成容量Ctot1は、静電容量型タッチセンサ側の第1の容量C1よりもCA1/(C1+CA1)という係数分だけ小さくなるように調整される。第2の調整容量CA2についても同様である。 Then, the first combined capacitance Ctot1 = C1 · CA1 / (C1 + CA1) and the second combined capacitance Ctot2 = C2 / CA2 / (C2 + CA2). That is, by providing the first adjustment capacitor CA1, the first combined capacitor Ctot1 is adjusted to be smaller than the first capacitor C1 on the capacitive touch sensor side by a factor of CA1 / (C1 + CA1). Is done. The same applies to the second adjustment capacitor CA2.
これにより、電荷増幅器12の出力電圧Voutが減衰されるので、電荷増幅器12
を正常に動作させることが可能になる。即ち、第1及び第2の調整容量CA1,CA2を設けない場合は、出力電圧Voutが電荷増幅器12の出力ダイナミックレンジを超えて電荷増幅器12の出力電圧Voutがクリップされる等の不具合が生じるおそれがあるが、本実施形態によればそのような不具合を解消できる。これにより、電荷増幅器12の出力電圧Voutは容量差ΔCに追従して滑らかに変化し(つまり、線形性の向上)、タッチ位置の検出精度が向上する。
As a result, the output voltage Vout of the
Can be operated normally. That is, when the first and second adjustment capacitors CA1 and CA2 are not provided, there is a risk that the output voltage Vout exceeds the output dynamic range of the
なお、AD変換器13は、電荷増幅器12のアナログ値である出力電圧Voutをデジタル値に変換するために設けられている。これにより、デジタル演算によりタッチ位置を求めることができる。
The
[信号処理回路の具体的な構成例]
次に、信号処理回路の具体的な構成例と動作を図2、図3に基づいて説明する。図2に示すように、図2に示すように、破線で囲まれた部分が絶縁基板10であり、上述の第1の容量C1と第2の容量C2が形成される。
[Specific configuration example of signal processing circuit]
Next, a specific configuration example and operation of the signal processing circuit will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, as shown in FIG. 2, a portion surrounded by a broken line is an insulating
交流電源7は、交互にスイッチングするスイッチSW1,SW2で形成される。交流電源7は、スイッチSW1が閉じスイッチSW2が開くと接地電圧(0V)を出力し、スイッチSW1が開きスイッチSW2が閉じると、基準電圧Vref(プラス電圧)を出力する。この場合、交流電源7の交流電圧は基準電圧Vref(Hレベル)と0V(Lレベル)を交互に繰り返すクロック信号電圧である。 The AC power supply 7 is formed of switches SW1 and SW2 that are alternately switched. The AC power supply 7 outputs a ground voltage (0 V) when the switch SW1 is closed and the switch SW2 is opened, and outputs a reference voltage Vref (plus voltage) when the switch SW1 is opened and the switch SW2 is closed. In this case, the AC voltage of the AC power supply 7 is a clock signal voltage that alternately repeats the reference voltage Vref (H level) and 0 V (L level).
また、第1の調整容量CA1に直列に第1の基準容量CX1が接続され、第2の容量C2に直列に第2の基準容量CX2が接続される。ここで、CX1,CX2の容量値は初期状態では等しく設定され、C1+CA1,C2+CA2の容量値と同程度であることが好ましい。 A first reference capacitor CX1 is connected in series to the first adjustment capacitor CA1, and a second reference capacitor CX2 is connected in series to the second capacitor C2. Here, the capacitance values of CX1 and CX2 are set to be equal in the initial state, and are preferably approximately the same as the capacitance values of C1 + CA1 and C2 + CA2.
第1及び第2の基準容量CX1,CX2の共通接続点には、交流電源7と同様の交流電源15が接続される。交流電源15は、交互にスイッチングするスイッチSW3,SW4で形成される。交流電源15は、スイッチSW3が閉じスイッチSW4が開くと接地電圧(0V)を出力し、スイッチSW3が開きスイッチSW4が閉じると、基準電圧Vref(プラス電圧)を出力する。そして、交流電源7と交流電源15は互いに逆相のクロック信号電圧を出力するように構成されている。
An
16は一般的な差動増幅器であり、その非反転入力端子(+)に第1の調整容量CA1と第1の基準容量CX1の接続点から引き出された配線が接続され、その反転入力端子(−)に第2の調整容量CA2と第2の基準容量CX2の接続点から引き出された配線が接続される。
また、差動増幅器16の反転出力端子(−)と非反転入力端子(+)の間にフィードバック容量Cfが接続され、差動増幅器16の非反転出力端子(+)と反転入力端子(−)の間に同じフィードバック容量Cfが接続される。フィードバック容量Cfの容量値をCfとする。
Further, a feedback capacitor Cf is connected between the inverting output terminal (−) and the non-inverting input terminal (+) of the
さらに、スイッチSW5が差動増幅器16の反転出力端子(−)と非反転入力端子(+)の間に接続され、スイッチSW6が差動増幅器16の非反転出力端子(+)と反転入力端子(−)の間に接続される。スイッチSW5,SW6は同時にスイッチングする。つまり、スイッチSW5,SW6が閉じると、差動増幅器16の反転出力端子(−)と非反転入力端子(+)とが短絡されると共に、差動増幅器16の非反転出力端子(+)と反転入力端子(−)とが短絡される。
Further, the switch SW5 is connected between the inverting output terminal (−) and the non-inverting input terminal (+) of the
差動増幅器16の反転出力端子(−)からの出力電圧をVomとし、差動増幅器16の非反転出力端子(+)からの出力電圧をVopとし、両者の差電圧をVout(=Vop−Vom)とする。
The output voltage from the inverting output terminal (−) of the
次に、上記構成の回路の動作を図3に基づき説明する。この回路は第1相(電荷蓄積モード)と第2相(電荷転送モード)という2つの相(phase)を有しており、この2つの相が交互に多数回繰り返される。 Next, the operation of the circuit having the above configuration will be described with reference to FIG. This circuit has two phases, a first phase (charge accumulation mode) and a second phase (charge transfer mode), and these two phases are alternately repeated many times.
先ず、図3(a)の第1相の場合、交流電源7のSW1が開き、SW2が閉じることにより、第1及び第2の容量C1,C2に基準電圧Vrefが印加される。また、交流電源15のSW4が開き、SW3が閉じることにより、第1及び第2の基準容量CX1,CX2に接地電圧(0V)が印加される。
First, in the case of the first phase in FIG. 3A, the reference voltage Vref is applied to the first and second capacitors C1 and C2 by opening SW1 of the AC power supply 7 and closing SW2. Further, when SW4 of the
また、SW5及びSW6が閉じる。これにより、差動増幅器16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1/2・Vrefになる。ただし、差動増幅器16のコモンモード電圧を基準電圧の1/2である1/2・Vrefとする。
Further, SW5 and SW6 are closed. Thereby, the inverting output terminal (−) and the non-inverting input terminal (+) of the
次に、図3(b)の第2相の場合、交流電源7のSW1が閉じ、SW2が開くことにより、第1及び第2の容量C1,C2に接地電圧(0V)が印加される。また、交流電源15のSW4が閉じ、SW3が開くことにより、第1及び第2の基準容量CX1,CX2に基準電圧Vrefが印加される。また、SW5及びSW6が開く。
Next, in the case of the second phase in FIG. 3B, the ground voltage (0 V) is applied to the first and second capacitors C1 and C2 by closing SW1 of the AC power supply 7 and opening SW2. Further, when SW4 of
その後、図3(a)の第1相の状態に戻り、また第2相に移る。この場合、CX1=CX2=Cであり、C1,C2の初期状態の容量値をCとする。また、第1及び第2の調整容量CA1,CA2の容量値をCAとする。さらにまた、人間の指先等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。
つまり、CA1=CA2=CA、C1−C2=ΔCである。
そうすると、C1=C+1/2・ΔC、C2=C−1/2・ΔCが成り立つ。
Then, it returns to the state of the 1st phase of Drawing 3 (a), and shifts to the 2nd phase. In this case, CX1 = CX2 = C, and C is the initial capacitance value of C1 and C2. The capacitance values of the first and second adjustment capacitors CA1 and CA2 are CA. Furthermore, ΔC is a capacity difference between C1 and C2 when a human fingertip or the like approaches the touch pad.
That is, CA1 = CA2 = CA and C1-C2 = ΔC.
Then, C1 = C + 1/2 · ΔC and C2 = C−1 / 2 · ΔC are established.
また、第1の合成容量Ctot1=C1・CA/(C1+CA)=α・(C+1/2・ΔC)
ここで、αは、以下の式で表される。
α=CA/(CA+C1)=CA/(CA+C+1/2・ΔC)
第2の合成容量Ctot2=C2・CA/(C2+CA)=β・(C−1/2・ΔC)
ここで、βは、以下の式で表される。
β=CA/(CA+C2)=CA/(CA+C−1/2・ΔC)
Further, the first combined capacitance Ctot1 = C1 · CA / (C1 + CA) = α · (C + 1/2 · ΔC)
Here, α is expressed by the following equation.
α = CA / (CA + C1) = CA / (CA + C + 1/2 · ΔC)
Second combined capacitance Ctot2 = C2 · CA / (C2 + CA) = β · (C−1 / 2 · ΔC)
Here, β is expressed by the following equation.
β = CA / (CA + C2) = CA / (CA + C−1 / 2 · ΔC)
ノードN1について電荷保存則を適用すると、以下の通りである。
第1相において、
In the first phase,
第2相において、
第1相と第2相においてノードN1の電荷量は等しいから、数1=数2である。
In the second phase,
Since the charge amount of the node N1 is the same in the first phase and the second phase,
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。
即ち、電荷増幅器12は、図3(b)の電荷転送モードにおいて出力電圧Voutが得られる。一方、第1及び第2の調整容量CA1,CA2を設けない場合は、α=β=1であるから、Vout=ΔC/Cf・Vrefである。したがって、第1及び第2の調整容量CA1,CA2を設けたことにより、(α+β)/2だけ、出力電圧Voutは減衰することになる。そして、図4に示すように電荷増幅器12の出力電圧Vout(=V1)は、第1及び第2の容量C1,C2の容量差ΔCに比例して変化することがわかる。
That is, the
即ち、第1及び第2の調整容量CA1,CA2を設けることにより、第1及び第2の合成容量Ctot1,Ctot2が減少するとともに、容量差ΔCも(α+β)/2の比率で減少すえことになる。そして、第1及び第2の合成容量Ctot1,Ctot2が減少した状態で、電荷蓄積モードで、前記ノードN1,N2が1/2・Vrefに固定される。その後、電荷転送モードに移行して、容量−電圧変換がなされるが、この時、容量差ΔCが小さくなっているので、出力電圧Voutも下がることになる。この場合、電荷増幅器12の入力ダイナミックレンジは例えば最大で400fFに設計されることから、容量差ΔCを400fFに抑える必要がある。第1及び第2の調整容量CA1,CA2は、容量差ΔCを400fFに抑えるように決定される。
That is, by providing the first and second adjustment capacitors CA1 and CA2, the first and second combined capacitors Ctot1 and Ctot2 are reduced, and the capacitance difference ΔC is also reduced at a ratio of (α + β) / 2. Become. The nodes N1 and N2 are fixed to ½ · Vref in the charge accumulation mode with the first and second combined capacitances Ctot1 and Ctot2 decreased. Thereafter, the mode shifts to the charge transfer mode, and capacitance-voltage conversion is performed. At this time, since the capacitance difference ΔC is small, the output voltage Vout also decreases. In this case, since the input dynamic range of the
[第2の実施形態]
第1の実施形態は静電容量型タッチセンサ側(タッチパネル)に第1及び第2のタッチパッド1,2があり、それらのタッチパッドからの信号を処理する信号処理回路を示した。本実施形態では、静電容量型タッチセンサ側(タッチパネル)に第1及び第2のタッチパッド1,2に加えて、第3及び第4のタッチパッド3,4がある場合に対応した信号処理回路である。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the first and
即ち、図5に示すように、静電容量型タッチセンサ側(タッチパネル)は、PCB基板等の絶縁基板10上に配置され、導電材料からなる第1〜第4のタッチパッド1〜4、共通電位線6を含んで構成される。共通電位線6は第1〜第4のタッチパッド1〜4に隣接するか、それらを囲んで形成される。
That is, as shown in FIG. 5, the capacitive touch sensor side (touch panel) is disposed on an insulating
第1のタッチパッド1と共通電位線6との間に第1の容量C1が形成され、第2のタッチパッド2と共通電位線6との間に第2の容量C2が形成される。同様に、第3のタッチパッド3と共通電位線6との間に第3の容量C3が形成され、第4のタッチパッド4と共通電位線6との間に第4の容量C4が形成される。つまり、第1〜第4のタッチパッド1〜4を用いて、第1の実施形態に比して広範囲のタッチ位置の検出を可能にしたものである。
A
そのような検出を可能にするため、信号処理回路は第1〜第4の調整容量CA1〜CA4、選択回路11、電荷増幅器12、AD変換器13を含んで構成される。第1〜第4の調整容量CA1〜CA4は、第1〜第4の出力端子CO1〜CO4を介して、それぞれ第1〜第4の容量C1〜C4と直列に接続される。
In order to enable such detection, the signal processing circuit includes first to fourth adjustment capacitors CA1 to CA4, a
選択回路11は、先ず、第1及び第2の出力端子CO1,CO2のペアを選択し、次に、第3及び第4の出力端子CO3,CO4のペアを選択する。選択されたペアは、それぞれ電荷増幅器12の非反転入力端子(+)、反転入力端子(−)にそれぞれ接続される。
The
つまり、第1及び第2の出力端子CO1,CO2のペアが選択されると、第1の出力端子CO1からの信号は、第1の調整容量CA1を介して、電荷増幅器12の非反転入力端子(+)に印加される。また、第2の出力端子CO2からの信号は、第2の調整容量CA2を介して電荷増幅器12の反転入力端子(−)に印加される。
That is, when a pair of the first and second output terminals CO1 and CO2 is selected, a signal from the first output terminal CO1 is transmitted to the non-inverting input terminal of the
すると、電荷増幅器12は、第1の実施形態と同様に、出力電圧Voutとして、第1の容量C1と第1の調整容量CA1とを合成してなる第1の合成容量Ct ot1と、前記第2の容量C2と第2の調整容量CA2とを合成してなる第2の合成容量Ctot2との容量差ΔCに応じた出力電圧V1を出力する。
Then, as in the first embodiment, the
次に、第3及び第4の出力端子CO3,CO4のペアが選択されると、第3の出力端子CO3からの信号は、第3の調整容量CA3を介して、電荷増幅器12の非反転入力端子(+)に印加される。また、第4の出力端子CO4からの信号は、第4の調整容量CA4を介して、電荷増幅器12の反転入力端子(−)に印加される。
Next, when the pair of the third and fourth output terminals CO3 and CO4 is selected, the signal from the third output terminal CO3 is input to the non-inverting input of the
すると、電荷増幅器12は、出力電圧Voutとして、第3の容量C3と第3の調整容量CA3とを合成してなる第3の合成容量Ctot3と、前記第4の容量C4と第4の調整容量CA4とを合成してなる第4の合成容量Ctot4との容量差ΔCに応じた出力電圧V2を出力する。
Then, the
電荷増幅器12の出力電圧V1,V2に基づいてタッチ位置の検出が可能であるが、デジタル演算によりタッチ位置を求めるために、出力電圧V1,V2をデジタル値に変換するAD変換器13が設けられている。
Although the touch position can be detected based on the output voltages V1 and V2 of the
なお、選択回路11を削除し、第1及び第2の出力端子CO1,CO2のペアと、第3及び第4の出力端子CO3,CO4のペアに対応して、2個の電荷増幅器12を設けても良い。
Note that the
[静電容量型タッチセンサの構成例1]
次に、静電容量型タッチセンサ側(タッチパネル)の構成例を説明する。図6は、この静電容量型タッチセンサの平面図である。図7は、図6の第1のタッチパッド1、第3のタッチパッド3の拡大図である。
[Configuration Example 1 of Capacitive Touch Sensor]
Next, a configuration example on the capacitive touch sensor side (touch panel) will be described. FIG. 6 is a plan view of this capacitive touch sensor. FIG. 7 is an enlarged view of the
この静電容量型タッチセンサ(タッチパネル)は、PCB基板等の絶縁基板10上に配置された第1〜第5のタッチパッド1〜5、共通電位線6、共通電位VCOMを発生する交流電源7を含んで構成される。
This capacitive touch sensor (touch panel) includes first to
図6において、一番左側の第1のタッチパッド1は、X方向に一列に配置された第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eからなり、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eは隣接配線により互いに電気的に接続されている。
In FIG. 6, the leftmost
共通電位線6は、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eをそれぞれ囲んで配置され、交流電源7からの交流の共通電位VCOMが印加されるようになっている。共通電位線6は、各サブタッチパッドを囲む菱形のセルを形成しており、セルの集合体は全体として見るとハニカム構造になっている。また、共通電位線6は、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eを連結している隣接配線と電気的に絶縁されている。第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eと共通電位線6との間には不図示の絶縁体が介在しており、これにより、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eは、共通電位線6と容量結合している。そして、第1のタッチパッド1は配線を介して第1の出力端子CO1に接続されている。
The common
この場合、サブタッチパッド1a〜1eの中で、中央に配置された第1のサブタッチパッド1aの面積S1が最も大きく、第1のサブタッチパッド1aの左隣に配置された第2のサブタッチパッド1bの面積S2は第1のサブタッチパッド1aの面積S1より小さい。また、第2のサブタッチパッド1bの左隣に配置された第3のサブタッチパッド1cの面積S3は第2のサブタッチパッド1bの面積S2より小さい。つまり、S1>S2>S3の大小関係を満たし、端部に近いサブタッチパッドほどその面積は小さくなっている。 In this case, among the sub touch pads 1a to 1e, the area S1 of the first sub touch pad 1a arranged in the center is the largest, and the second sub touch pad arranged on the left side of the first sub touch pad 1a. The area S2 of the touch pad 1b is smaller than the area S1 of the first sub touch pad 1a. The area S3 of the third sub touch pad 1c arranged on the left side of the second sub touch pad 1b is smaller than the area S2 of the second sub touch pad 1b. That is, the area of the sub-touch pad that satisfies the relationship of S1> S2> S3 and is closer to the end portion is smaller.
また、第4のサブタッチパッド1dは、第1のサブタッチパッド1aを中心として第2のサブタッチパッド1bと対称に配置されており、第5のサブタッチパッド1eは第1のサブタッチパッド1aを中心として第3のサブタッチパッド1cと対称に配置されている。
The fourth
具体的には、図7に示すように、第1のサブタッチパッド1aは菱形の形状を有している。第2のサブタッチパッド1bは、第1のサブタッチパッド1aの菱形の下半分を切り欠いて残った三角形の形状を有している。第3のサブタッチパッド1cは、第2のサブタッチパッド1bの三角形に切り欠き部Kを形成した形状を有している。 Specifically, as shown in FIG. 7, the first sub-touch pad 1a has a diamond shape. The second sub touch pad 1b has a triangular shape left by cutting out the lower half of the rhombus of the first sub touch pad 1a. The third sub touch pad 1c has a shape in which a notch K is formed in the triangle of the second sub touch pad 1b.
この場合、切り欠き部Kは、第3のサブタッチパッド1cの共通電位線6に対向する辺に設けることがタッチ位置検出の精度向上の上で好ましい。これは、実験結果によれば、タッチ位置検出精度はサブタッチパッドの面積だけでなく、サブタッチパッドと共通電位線6との距離にも依存するからである。第2のサブタッチパッド1bと第4のサブタッチパッド1dの形状は同じであり、第3のサブタッチパッド1cと第5のサブタッチパッド1eの形状は同じである。
In this case, it is preferable to provide the notch K on the side of the third sub-touch pad 1c that faces the common
なお、図6においても第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eは示されているが、第3のサブタッチパッド1cと第5のサブタッチパッド1eの切り欠き部Kの図示は省略してある。また、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1eのX方向のピッチは等しくなっているが、2ピッチが人の指先の幅と同程度になるようにピッチが設定されることが好ましい。さらにまた、第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1e、共通電位線6は、ITO等の透明導電材料を用いて形成しても良いし、アルミニウム等の金属材料を用いて形成しても良い。
In FIG. 6, the first to fifth sub-touch pads 1a to 1e are shown, but the notch portions K of the third sub-touch pad 1c and the fifth sub-touch pad 1e are not shown. It is. Further, although the pitches in the X direction of the first to fifth sub-touch pads 1a to 1e are equal, the pitch is preferably set so that the two pitches are approximately the same as the width of the human fingertip. Furthermore, the first to fifth sub-touch pads 1a to 1e and the common
第2のタッチパッド2は、第1のタッチパッド1の右側に隣接して配置されており、第1のタッチパッド1と同じ構造を有している。即ち、第2のタッチパッド2は、X方向に一列に配置された第1〜第5のサブタッチパッド2a〜2eからなり、第1〜第5のサブタッチパッド2a〜2eは隣接配線により互いに電気的に接続されている。共通電位線6は、第1〜第5のサブタッチパッド2a〜2eをそれぞれ囲んで配置されている。そして、第2のタッチパッド2は配線を介して第2の出力端子CO2に接続されている。
The
上述の第1及び第2のタッチパッド1,2はペアを形成してタッチ位置の検出に寄与する。即ち、第1のタッチパッド1と共通電位線6の間に生じる第1の容量C1と第2のタッチパッド2と共通電位線6の間に生じる第2の容量C2との容量差に基づいて、人間の指先等のタッチ位置を検出する。この場合、人間の指先等が第1及び第2のタッチパッド1,2から遠く離れている初期状態においては、第1の容量C1と第2の容量C2の容量値は等しくなっている。
The first and
タッチ位置の検出をより広範囲において高精度に行うため、第1及び第2のタッチパッド1,2のペアに加えて、第3及び第4のタッチパッド3,4のペアが配置されている。
そして、第1及び第2のタッチパッド1、2のペアの容量差に加えて、第3のタッチパッド3と共通電位線6の間に生じる第3の容量C3と第4のタッチパッド4と共通電位線6の間に生じる第4の容量C4との容量差に基づいて、タッチ位置を検出する。この場合も、人間の指先等が第3及び第4のタッチパッド3,4から遠く離れている初期状態においては、第3の容量C3と第4の容量C4の容量値は等しくなっている。
In order to detect the touch position with high accuracy in a wider range, a pair of third and
In addition to the capacitance difference between the pair of the first and
第3及び第4のタッチパッド3,4は、第1及び第2のタッチパッド1,2と同じ構造を有している。即ち、第3のタッチパッド3は、第1のタッチパッド1と第2のタッチパッド2の間に一列に配置され、互いに電気的に接続された第1〜第5のサブタッチパッド3a〜3eで構成される。この場合、図7に示すように、第2のサブタッチパッド3bは逆三角形であり、第1のタッチパッド1の第5のサブタッチパッド1eと共に、共通電位線6の1つのセルの中に配置されている。同様に、第3のタッチパッド3cは切り欠き部Kを持った逆三角形であり、第1のタッチパッド1の第4のサブタッチパッド1dと共に、共通電位線6の別の1つのセルの中に配置されている。第3のタッチパッド3は配線を介して第3の出力端子CO3に接続されている。
The third and
第4のタッチパッド4は、第2のタッチパッド2の右側に隣接して配置され、互いに電気的に接続された第1〜第5のサブタッチパッド4a〜4eで構成される。この場合も、第2のサブタッチパッド4bは逆三角形であり、第2のタッチパッド2の第5のサブタッチパッド2eと共に、共通電位線6の1つのセルの中に配置されている。同様に、第3のサブタッチパッド4cは切り欠き部Kを持った逆三角形であり、第1のタッチパッド1の第4のサブタッチパッド2dと共に、共通電位線6の別の1つのセルの中に配置されている。第4のタッチパッド4は配線を介して第4の出力端子CO4に接続されている。
The
また、タッチ位置の検出の範囲を更に拡張するために、互いに電気的に接続された第1〜第5のサブタッチパッド5a〜5eからなる第5のタッチパッド5が配置される。この場合、第5のタッチパッド5の第1〜第3のサブタッチパッド5a〜5cについては、第4のタッチパッド4の第1のサブタッチパッド4aの右側に隣接して、X方向に一列に配置され、残りの第4及び第5のサブタッチパッド5d,5eについては、第1のタッチパッド1の第1のサブタッチパッド1aの左側に隣接して、X方向に一列に配置される。第5のタッチパッド5は配線を介して第1の出力端子CO1に接続されている。
In order to further expand the detection range of the touch position, the fifth touch pad 5 including the first to fifth
そして、図6に示すように、上述の第1〜第5のタッチパッド1〜5は、Y方向に繰り返して配列されている。そして、この例では第1のタッチパッド1の中央の第1のサブタッチパッド1aは、Y方向に15個配列されているが、これらは隣接配線により互いに電気的に接続されている。第2〜第5のタッチパッド2〜5の中央の第1のサブタッチパッド2a〜5aについても同様である。
And as shown in FIG. 6, the above-mentioned 1st-5th touchpads 1-5 are repeatedly arranged in the Y direction. In this example, 15 first sub-touch pads 1a at the center of the
図8は、上述の信号処理回路の特性図である。この場合、信号処理回路の電荷増幅器12の出力電圧V1は、第1のタッチパッド1と共通電位線6の間に生じる第1の容量C1と第2のタッチパッド2と共通電位線6の間に生じる第2の容量C2との容量差ΔC=C1−C2に比例するように構成されている。同様に、電荷増幅器12の出力電圧V2は、容量差ΔC=C3−C4に比例するように構成されている。
FIG. 8 is a characteristic diagram of the signal processing circuit described above. In this case, the output voltage V1 of the
図8の横軸は、図1のタッチパネルのX方向の座標に対応しており、P1〜P5はそれぞれ第1〜第5のタッチパッド1〜5の中央のサブタッチパッド1a〜5aの中心位置に対応している。そして、パラメータθをX座標に対応させると、θ=0°はP1に対応し、θ=90°はP3に対応し、θ=180°はP2に対応し、θ=270°はP4に対応し、θ=360°はP5に対応することになる。
The horizontal axis in FIG. 8 corresponds to the coordinates in the X direction of the touch panel in FIG. 1, and P1 to P5 are the center positions of the sub touchpads 1a to 5a at the center of the first to
そして、人の指先等を第1のタッチパッド1上から第5のタッチパッド5上にX方向に移動させていくと、電荷増幅器12の出力電圧V1は、V1=cosθで近似することができる。(V1の振幅の1/2を「1」に規格化した場合)
When the human fingertip or the like is moved in the X direction from the
これは、第1のタッチパッド1の第1〜第5のサブタッチパッド1a〜1e、第2のタッチパッド2の第1〜第5のサブタッチパッド2a〜2eの各面積を上述のように重み付けしているからであり、例えば、第1のサブタッチパッド1a、2aの面積を「2」とすると、第2,第4のサブタッチパッド1b,2b,1d,2dの面積は「1」、第3,第5のサブタッチパッド1c,2c,1e,2eの面積は「0.5」とすることにより、V1=cosθの波形に近づけることができることが実験的に確認されている。
This is because the areas of the first to fifth sub-touch pads 1a to 1e of the
この点を定性的に説明すると、人の指先が第1のタッチパッド1の第1のサブタッチパッド1a上(P1)にある場合は、人の指先が誘電体として働くモデルにおいては、電気力線の数が局所的に増加することから、第1の容量C1が第2の容量C2に比して増加する。そして、人の指先等が第1のサブタッチパッド1a→第4のサブタッチパッド1d→第5のサブタッチパッド1eへ移動すると、サブタッチパッドの面積の減少に伴い、人の指等とサブタッチパッドとの容量結合も小さくなることから、第1の容量C1も減少する。
To explain this point qualitatively, when the human fingertip is on the first sub-touchpad 1a (P1) of the
但し、人の指先が接地され電界を遮蔽する、電界遮蔽モデルのおいては、前記の容量変化は逆になる。この容量変化を反映して、出力電圧V1はP1上で最大値「1」になり、人の指先等が第1のサブタッチパッド1a→第4のサブタッチパッド1d→第5のサブタッチパッド1eへ移動するにつれて減少し、P3上で「0」になる。そして、人の指等がP3からP2に向かうと、出力電圧V1の極性は反転して、P2で最小値−1になる。その後、人の指等がP4からP5に向かうと、出力電圧V1は増加に転じ、P5において再び「0」になる。
However, in the electric field shielding model in which a human fingertip is grounded to shield the electric field, the capacitance change is reversed. Reflecting this capacitance change, the output voltage V1 becomes the maximum value “1” on P1, and the fingertip of the person is the first sub touch pad 1a → the fourth
同様に、人の指先等を第1のタッチパッド1上から第5のタッチパッド上にX方向に移動させていくと、電荷増幅器12の出力電圧V2は、V2=sinθで近似することができる。(V2の振幅の1/2を「1」に規格化した場合)これは、第3のタッチパッド3及び第4のタッチパッド4がそれぞれ第1のタッチパッド1及び第2のタッチパッド2に対してX方向にθ=90°だけ位相がずれて配置されているからである。
Similarly, when a human fingertip or the like is moved in the X direction from the
従って、出力電圧V1,V2からタッチ位置θを算出することができる。タッチ位置θの算出を効率的に行うためには、出力電圧V1,V2の比、V2/V1を用いることが好ましい。V2/V1はtanθで近似される。即ち、V2/V1=tanθである。tanの逆関数であるarctanを用いると、タッチ位置角度θは、θ=arctan(V2/V1)で表される。 Therefore, the touch position θ can be calculated from the output voltages V1 and V2. In order to efficiently calculate the touch position θ, it is preferable to use the ratio of the output voltages V1 and V2, V2 / V1. V2 / V1 is approximated by tan θ. That is, V2 / V1 = tan θ. When arctan, which is an inverse function of tan, is used, the touch position angle θ is expressed by θ = arctan (V2 / V1).
また、出力電圧V1(=cosθ)及びV2(=sinθ)から、ATAN2関数(ATAN関数の入力範囲を0〜360°に拡張した関数)を作成し、このATAN2を用いることでリニアな位置情報を得ることができる。つまり、θ=ATAN2(cosθ,sinθ)である。 In addition, an ATRAN2 function (a function obtained by extending the input range of the ATAN function to 0 to 360 °) is created from the output voltages V1 (= cos θ) and V2 (= sin θ), and linear position information can be obtained by using this ATAN2. Obtainable. That is, θ = ATAN2 (cos θ, sin θ).
上述のようなタッチ位置θを算出するアルゴリズムは、電荷増幅器12のアナログ値である出力電圧V1,V2をAD変換器13により、デジタル値に変換した後に、マイクロコンピュータ等の演算器を用いて実行することが好ましい。
The algorithm for calculating the touch position θ as described above is executed using an arithmetic unit such as a microcomputer after the output voltages V1 and V2 which are analog values of the
[静電容量型タッチセンサの構成例2]
静電容量型タッチセンサの構成例1を説明する。図9は、この静電容量型タッチセンサの平面図である。この静電容量型タッチセンサは、X方向及びY方向のタッチ位置(X、Y座標)の検出を可能としたものである。
[Configuration Example 2 of Capacitive Touch Sensor]
A configuration example 1 of the capacitive touch sensor will be described. FIG. 9 is a plan view of this capacitive touch sensor. This capacitive touch sensor enables detection of touch positions (X, Y coordinates) in the X direction and the Y direction.
即ち、X方向については、上述の構成例1と同様に、第1〜第5のタッチパッド1A〜5Aが絶縁基板10上に配置されており、第1及び第5のタッチパッド1A、5Aは、第1の出力端子CO1Aに接続され、第2〜第4のタッチパッド2A〜4Aは、それぞれ第2〜第4の出力端子CO2A〜CO4Aに接続されている。
That is, in the X direction, the first to fifth touch pads 1A to 5A are arranged on the insulating
一方、Y方向については、第1〜第5のタッチパッド1A〜5Aと同様の構成の第1〜第5のタッチパッド1B〜5Bが絶縁基板10上に配置されている。図9においては、第1〜第5のタッチパッド1B〜5Bは黒く塗りつぶして図示している。
On the other hand, in the Y direction, first to fifth touch pads 1B to 5B having the same configuration as the first to fifth touch pads 1A to 5A are arranged on the insulating
そして、第1〜第5のタッチパッド1B〜5Bは、X方向に繰り返して配列されている。そして、この例では第1のタッチパッド1Bの中央のサブタッチパッドは、X方向に14個配列されているが、これらは隣接配線により互いに電気的に接続されている。第2〜第5のタッチパッド2〜5の中央のサブタッチパッドについても同様である。
The first to fifth touch pads 1B to 5B are repeatedly arranged in the X direction. In this example, 14 sub-touch pads in the center of the first touch pad 1B are arranged in the X direction, and these are electrically connected to each other by adjacent wirings. The same applies to the sub touch pad at the center of the second to
第1及び第5のタッチパッド1B,5Bは、第1の出力端子CO1Bに接続され、第2〜第4のタッチパッド2B〜4Bは、それぞれ第2〜第4の出力端子CO2B〜CO4Bに接続されている。 The first and fifth touch pads 1B and 5B are connected to the first output terminal CO1B, and the second to fourth touch pads 2B to 4B are connected to the second to fourth output terminals CO2B to CO4B, respectively. Has been.
この場合、図5の信号処理回路が第1〜第5のタッチパッド1A〜5A、第1〜第5のタッチパッド1B〜5Bに対応して2個設けられることになる。 In this case, two signal processing circuits in FIG. 5 are provided corresponding to the first to fifth touch pads 1A to 5A and the first to fifth touch pads 1B to 5B.
1〜5 第1〜第5のタッチパッド
1a〜1e 第1〜第5のサブタッチパッド 6 共通電位線
7 交流電源 10 絶縁基板 11 選択回路
12 電荷増幅器 13 AD変換器
15 交流電源 16 差動増幅器
K 切り欠き部 CO1〜CO4 第1〜第4の出力端子
CA1〜CA4 第1〜第4の調整容量
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-5 1st-5th touchpad 1a-1e 1st-
Claims (5)
前記第1の容量と直列に接続された第1の調整容量と、
前記第2の容量と直列に接続された第2の調整容量と、
前記第1の容量と前記第1の調整容量とを合成してなる第1の合成容量と、前記第2の容量と前記第2の調整容量とを合成してなる第2の合成容量との容量差に応じた出力電圧を出力する電荷増幅器と、を備えることを特徴とする静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。 A first capacitor formed between the first touch pad and the common potential line, and formed between the second touch pad arranged adjacent to the first touch pad and the common potential line. A signal processing circuit for a capacitive touch sensor that detects a touch position based on a difference in capacitance between the second capacitors,
A first adjustment capacitor connected in series with the first capacitor;
A second adjustment capacitor connected in series with the second capacitor;
A first combined capacitor formed by combining the first capacitor and the first adjusted capacitor; and a second combined capacitor formed by combining the second capacitor and the second adjusted capacitor. And a charge amplifier that outputs an output voltage corresponding to a capacitance difference. A signal processing circuit for a capacitive touch sensor.
前記第2の調整容量と直列接続された第2の基準容量と、
前記第1及び第2の基準容量に、前記共通電位線に印加される共通電位と逆相の交流電位を印加する交流電源と、
前記第1の調整容量と前記第1の基準容量との接続点に非反転入力端子が接続され、前記第2の調整容量と前記第2の基準容量との接続点に反転入力端子が接続された差動増幅器と、
前記差動増幅器の反転出力端子と非反転入力端子の間に接続された第1のフィードバック容量及び第1のスイッチと、
前記差動増幅器の非反転出力端子と反転入力端子の間に接続された第2のフィードバック容量及び第2のスイッチと、を備え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センサ用の信号処理回路。 The charge amplifier includes a first reference capacitor connected in series with the first adjustment capacitor;
A second reference capacitor connected in series with the second adjustment capacitor;
An AC power source that applies an AC potential opposite in phase to the common potential applied to the common potential line to the first and second reference capacitors;
A non-inverting input terminal is connected to a connection point between the first adjustment capacitor and the first reference capacitor, and an inverting input terminal is connected to a connection point between the second adjustment capacitor and the second reference capacitor. Differential amplifier,
A first feedback capacitor and a first switch connected between an inverting output terminal and a non-inverting input terminal of the differential amplifier;
The capacitive touch sensor according to claim 1, further comprising a second feedback capacitor and a second switch connected between a non-inverting output terminal and an inverting input terminal of the differential amplifier. Signal processing circuit.
前記第1の容量と直列に接続された第1の調整容量と、
前記第2の容量と直列に接続された第2の調整容量と、
前記第3の容量と直列に接続された第3の調整容量と、
前記第4の容量と直列に接続された第4の調整容量と、
前記第1の容量と前記第1の調整容量とを合成してなる第1の合成容量と、前記第2の容量と前記第2の調整容量とを合成してなる第2の合成容量との容量差に応じた第1の出力電圧を出力し、前記第3の容量と前記第3の調整容量とを合成してなる第3の合成容量と、前記第4の容量と前記第4の調整容量とを合成してなる第4の合成容量との容量差に応じた第2の出力電圧を出力する電荷増幅器と、を備えることを特徴とする静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路。 A first capacitor formed between the first touch pad and the common potential line, and formed between the second touch pad arranged adjacent to the first touch pad and the common potential line. A first capacitance difference between the second capacitance and a third capacitance formed between a third touch pad and the common potential line; and a third capacitance formed adjacent to the third touch pad. A signal processing circuit for a capacitive touch sensor that detects a touch position based on a second capacitance difference of a fourth capacitance formed between a fourth touch pad and the common potential line. And
A first adjustment capacitor connected in series with the first capacitor;
A second adjustment capacitor connected in series with the second capacitor;
A third adjustment capacitor connected in series with the third capacitor;
A fourth adjustment capacitor connected in series with the fourth capacitor;
A first combined capacitor formed by combining the first capacitor and the first adjusted capacitor; and a second combined capacitor formed by combining the second capacitor and the second adjusted capacitor. A third output capacitor that outputs a first output voltage corresponding to the capacitance difference, and that combines the third capacitor and the third adjustment capacitor; and the fourth capacitor and the fourth adjustment. A signal processing circuit for a capacitive touch sensor, comprising: a charge amplifier that outputs a second output voltage corresponding to a capacitance difference with a fourth combined capacitor formed by combining the capacitor.
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