JP5083144B2 - 静電容量型センサーデバイスの容量変化検出回路、静電容量型センサーモジュール、静電容量型センサーデバイスの容量変化検出方法及び電子機器 - Google Patents
静電容量型センサーデバイスの容量変化検出回路、静電容量型センサーモジュール、静電容量型センサーデバイスの容量変化検出方法及び電子機器 Download PDFInfo
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ところが、この検出精度を一般的な同期式のクロックで実現するには、500MHzのクロックが必要になる。
(A)静電容量型センサーデバイスの容量変化検出回路
例えば静電容量型センサーデバイスの容量変化検出回路として、以下のデバイスを有するものを提案する。
(1)静電容量型のセンサーデバイスを構成する複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部
(2)容量素子を有し、第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持するピークホールド回路
(3)パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で容量素子の放電を開始する電流源
(4)容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータと、
(5)コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段
(6)複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部
(7)記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を単位遅延時間長の精度で検出する検出部
もっとも、前述した遅延回路段における遅延量の範囲は、検出信号の信号値に変化点が出現する可能性がある時間幅未満であり、測定対象とする時間量の検出は、記憶部に対する信号値の記憶動作と検出動作を複数時点について繰り返すことにより実行することが望ましい。
また、発明者らは、例えば静電容量型センサーモジュールとして、以下のデバイスを有するものを提案する。
(1)複数列の第1の電極パターンと、第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイス
(2)複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部
(3)容量素子を有し、複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持するピークホールド回路
(4)パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で容量素子の放電を開始する電流源
(5)容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータ
(6)コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段
(7)複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部
(8)記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を単位遅延時間長の精度で検出する検出部
(9)検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部
また、発明者らは、例えば静電容量型センサーデバイスの容量変化検出方法として、以下の処理を有するものを提案する。
(1)静電容量型センサーデバイスを構成する複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する処理
(2)第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンを通じて取り出される検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持する処理
(3)パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、静電容量型センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で容量素子の放電を開始する処理と、
(4)容量素子の電圧と基準値とを比較する処理と、
(5)比較処理によって得られる比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する処理
(6)複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶部に記憶する処理
(7)記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を単位遅延時間長の精度で検出する処理
また、発明者らは、例えば電子機器として、以下のデバイスを有するものを提案する。
(1)表示デバイス
(2)表示デバイスの表面に配置される静電容量型のセンサーデバイスであって、複数列の第1の電極パターンと、第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイス
(3)複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部
(4)容量素子を有し、複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持するピークホールド回路
(5)パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で容量素子の放電を開始する電流源
(6)容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータ
(7)コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段
(8)複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部
(9)記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を単位遅延時間長の精度で検出する検出部
(10)検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部
(11)システム全体の動作を制御するシステム制御部
また、発明者らは、例えば電子機器として、以下のデバイスを有するものを提案する。
(1)複数列の第1の電極パターンと、第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイス
(2)複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部
(3)容量素子を有し、複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持するピークホールド回路
(4)パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で容量素子の放電を開始する電流源
(5)容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータ
(6)コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段
(7)複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部
(8)記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を単位遅延時間長の精度で検出する検出部
(9)検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部
(10)システム全体の動作を制御するシステム制御部
(A)静電容量型センサーモジュールの外観構成
(B)静電容量型センサーモジュールの機能構成
(C)形態例1:ピークホールド後の経過時間計測型(単発ストローブ型)
(D)形態例2:ピークホールド後の経過時間計測型(連続ストローブ型)
(E)形態例3:立ち上がり時間計測型
(F)形態例4:パルス幅相当の経過時間計測型
(G)他の形態例
図3に、静電容量型センサーモジュールの外観構成例を示す。静電容量型センサーモジュール21は、静電容量型センサーデバイス23と、その引出し配線であるFPC(フレキシブルプリント配線基板)25と、容量変化測定回路27で構成される。
図4に、静電容量型センサーモジュールの機能面における構成例を示す。なお、図4のうち図3と対応する機能ブロックには同一符号を付して示す。
機能面から見た静電容量型センサーモジュール21も、静電容量型センサーデバイス23と、容量変化測定回路27で構成される。
図4の場合、容量変化測定回路27は、前処理部31、容量変化検出回路33、判定部35を基本構成とする。
容量変化検出回路33は、測定対象となる閉回路の容量成分に生じた変化を、検出信号の波形変化として検出する回路デバイスである。なお、容量変化検出回路33は、検出信号の波形変化を、検出信号と基準値との比較結果に現われる変化点によって規定される測定量として検出する。具体的な検出方法については、後述する各形態例において説明する。
(C−1)検出手法
この形態例では、入力パルス信号に対する応答波形の正極ピークレベルに着目する。図5に、ある測定点(閉回路)に着目した応答波形の波形変化を示す。図中横軸は、入力パルス信号の立ち下がりタイミングからの経過時間であり、図中縦軸は応答波形に対応する電流量である。
そこで、この形態例では、応答波形のピークレベルをピークホールド回路に保存して定電流源で引き出し、ピークホールド電圧が基準値以下になるまでの時間を計測することでピークレベルの振幅変化を検出する。
このことは、計測開始時刻にずれがあることを意味し、測定結果に誤差が含まれることを意味する。従って、この誤差を排除し、検出精度を高める仕組みが必要となる。
そこで、この形態例の場合には、ピークホールド電圧の引出しを開始する時刻を揃える仕組みを採用する。
図6に示すように、この形態例では、ピークホールド電圧の引出し開始時刻を、ピークレベルが出現する可能性のある時間位置よりも後方の時点T0に設定する。
以下、この検出手法を採用する静電容量型センサーデバイス23の一例を説明する。
(1)全体構成
図7に、この形態例に係る静電容量型センサーモジュール41のシステム構成例を示す。なお、静電容量型センサーモジュール41では、静電容量型センサーデバイス43を簡略化して表している。
静電容量型センサーモジュール41は、静電容量型センサーデバイス43と、容量変化測定回路45で構成される。
発振器51は、予め設定された固定周波数の矩形形状の入力パルス信号を発生する回路である。
もっとも、入力パルス信号の波形は矩形波に限らず、正弦波や三角波その他の形状でも良い。この形態例の場合、発振器51は、500kHzの周波数で入力パルス信号を発生する。
デマルチプレクサ53は、シーケンサ57が指示する順番に入力パルス信号の供給先を切り替える回路である。入力パルス信号の供給先は、複数本の電極パターン5のうちいずれか1つである。
(4)マルチプレクサ
マルチプレクサ55は、シーケンサ57が指示する順番に応答波形を取り出す電極パターン7を切り替える回路である。
シーケンサ57は、入力パルス信号を供給する電極パターン5への接続順序と応答波形の取り出し元となる電極パターン7への接続順序を座標情報(X,Y)として出力する回路である。この形態例の場合、シーケンサ57は、入力パルス信号の立ち下がりエッジに同期して制御タイミングを管理する。
また例えばシーケンサ57は、測定点に対する操作入力の有無を判定する判定部73に対して供給する。
電流入力電圧出力型アンプ59は、静電容量型センサーデバイス43から取り出される応答波形を増幅する回路である。この電流入力電圧出力型アンプ59において、応答波形の信号形式が電流形式から電圧形式に変換される。
ピークホールド回路61は、検出信号の正極側のピークレベルを検出する回路である。図7に示すように、ピークホールド回路61は、ダイオードDと容量Cとで構成される。ダイオードDは、整流機能により検出信号の正極部分だけを取り出すのに用いられる。また、容量Cは、検出信号のピークレベルに対応する電位を格納するのに用いられる。
可変電流源63は電流値の可変が可能な定電流回路であり、ピークホールド回路61を構成する容量Cの電荷を放電するのに用いられる。なお、可変電流源63の電流値は、電流値テーブル65に指示に従い、可変的に指定される。なお、いずれの電流値の場合にも、容量Cの電荷を入力パルス信号の印加開始から1周期以内に判定動作を終了できるように設定される。具体的には、次の入力パルス信号が供給されるまでの間に、測定対象である容量Cの電位が基準電位Vref 以下に放電されるように設定する。この明細書では、この放電動作を「初期化動作」と呼ぶことにする。
電流値テーブル65は、測定点の座標と、可変電流源63に指示する電流値とを対応づけて保存する記憶領域である。測定点に応じて電流値を可変するのは、容量Cの保持電圧の低下速度を調整するためである。具体的には、容量Cの電荷が基準電位Vref 以下に低下するタイミングの出現範囲を、測定部71の測定範囲に収めるためである。
以下では、電流値の可変制御が必要な理由を詳細に説明する。
ところで、図8に示すように、計8本の電極パターンには、それぞれフレキシブルプリント配線基板25の導電線(例えばカーボン導電線)81が接続されている。
以下では、操作面の4隅に位置する各測定点にI からIVの数字を割り当てることにより、対応する伝搬経路の特性の違いを説明する。
また、図11に、これら4つの測定点I〜IVに対応する検出信号の波形を示す。なお、図11に示す4つのグラフの縦軸は電流値μAであり、横軸は時間[ns]である。図11からも、操作面に指が接していない場合のピークレベルが最大であり、操作面と指との間に形成される容量成分が最大(20pF)のときピークレベルが最小になる関係が分かる。
そこで、この4つのグラフのスケールの違いが分かるように図12を示す。図12は、同じスケール上に4つの検出信号の波形をマッピングして表した図である。ただし、図12においては、非接触の場合(0pF)に対応する4つの検出信号のみを表している。
図13に、前図の縦軸をピークホールド電圧[mV]に変更し、かつ、横軸の時間スケールを8倍にした図を示す。また、図13は、コンパレータ69が参照する基準電圧Vref が0(ゼロ)Vであり、可変電流源63の電流値が操作面上の全ての領域について固定である場合を示す。
また、図13では、入力パルス信号の立ち上がりエッジから0.2μs後に、可変電流源63による容量Cの放電動作を開始する場合を表している。
なお、測定点の座標情報は、シーケンサ57から与えられる。
放電制御スイッチ67は、ピークホールド回路61の容量Cに保存された電荷の放電開始を主に制御するスイッチ素子である。この形態例の場合、図13や図14に示したように、放電の開始は、シーケンサ57によって入力パルス信号の立ち下がりタイミングから基準経過時間T0後に設定されている。
コンパレータ69は、容量Cの保持電位と基準電位Vref とを比較し、比較結果を比較出力信号として常時出力する回路デバイスである。なお、コンパレータ69の論理出力レベルは、ピークホールド電位が基準電位Vref を交差するタイミングで変化する。この交差タイミングが、測定部71が検出対象とする変化点である。
なお、基準電位Vref は、操作面上の全ての測定点について想定されるピークレベルの最小値よりも小さい値に設定されている。
測定部71は、コンパレータ69から入力される比較出力信号に現れる論理出力レベルの変化点を検出する回路デバイスである。図17に、この形態例に係る測定部71の構成例を示す。測定部71は、遅延回路段91、記憶部93、イネーブル制御回路95、アンド回路97、変化点検出部99で構成される。
記憶部93は、遅延素子の各出力段に現れる遅延出力信号を対応する記憶領域に、ストローブパルスに同期して取り込む記憶デバイスで構成される。この形態例の場合、記憶部93は、遅延素子と同数のフリップフロップ回路で構成される。なお、フリップフロップ回路の入力端子は、それぞれ対応する遅延素子の出力端子に接続される。
判定部73は、変化点の検出位置情報(すなわち、変化点検出部99から出力されるカウント値)に基づいて、操作入力の有無を判定する回路デバイスである。判定部73は、測定点について検出されたカウント値が基準値に一致又は許容誤差の範囲内の場合には、測定点に対する操作入力は無かったものと判定する。一方、判定部73は、測定点について検出されたカウント値と基準値とが一致しない場合又は許容誤差の範囲を超えて異なる場合、測定点に対する操作入力が有ったものと判定する。
以下では、シーケンサ57の動作フロー(図20)に従って、静電容量型センサーモジュール41の処理動作を説明する。なお、図20は、上面側の電極パターン5と下面側の電極パターン7が共に4本の場合について表している。
ここで、基準時間T0の経過が検出されると、シーケンサ57は、放電制御スイッチ67をオン制御し、ピークホールド回路61に保持された電位の放電を指示する(S4)。なお、放電動作が開始されるまでには、可変電流源63の電流値は、電流値テーブル65の指示により測定点に応じた電流値に切り替えられている。従って、放電開始後は、各測定点に応じた電流値による放電が開始される。
そして、変化点検出部99において、比較出力信号に現れる変化点の検出動作が実行される。
シーケンサ57は、この変化点の検出処理が完了するのを待機する(S5)。
この後、シーケンサ57は、判定部73に割り込み要求を出力する(S6)。この割り込み要求が入力された判定部73は、検出されたカウント値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて測定点に対する操作入力の有無を判定する。
以上説明したように、形態例1に係る容量変化測定回路45の採用により、従来技術に比して圧倒的に高速の判定動作が可能になる。例えば10地点についての判定処理を実行する場合、従来技術では20msもの時間が必要とされたが、形態例の場合には20μsあれば済む。このため、従来技術では応用が難しかった高速入力への対応が可能になる。
また、電流入力電圧出力型アンプ59の入力段までは電流モードで動作するため、高いノイズ耐性が期待できる。すなわち、形態例に係る容量変化測定回路45は、検出精度についても実用上十分な精度が期待できる。
また、この形態例の場合、50MHz(20ns)の動作クロック信号を用いながら、500MHz(2ns)のクロック信号を用いる場合と同等の精度で変化点の出現位置を検出することができる。
Loop)回路等のクロック逓倍回路を無くすことが可能になる。その分、容量変化測定回路45の集積化が容易になる。
(D−1)
図21に、この形態例に係る静電容量型センサーモジュール101のシステム構成例を示す。なお、図21には、形態例1に係る図7との対応部分に同一符号を付して示す。
静電容量型センサーモジュール101は、静電容量型センサーデバイス43と、容量変化測定回路103とで構成される。
違いは、遅延回路段105を構成する遅延素子の段数である。この形態例の場合、遅延回路段105を構成する遅延素子の段数は、ストローブ信号の出力周期に対応する時間長に相当する段数だけあれば良い。
なお、イネーブル制御回路125は、不図示のキャリブレーション信号が入力されると、強制的にイネーブル信号を発生する。また、イネーブル制御回路125は、キャリブレーション信号が入力されると、マルチプレクサ129に、入力端子の切り替えを指示する制御信号を出力する。遅延回路段121に入力される信号をキャリブレーション用の信号に切り替えるためである。
図23に、ストローブ信号と他の信号との位相関係を示す。図23(A)は、入力パルス信号の波形である。図23(B)は、放電期間を制御する放電制御信号の波形である。図23(C)は、比較出力信号の波形である。ここでは、容量Cの保持電位が基準電位Vref より高い期間を「Hレベル」で示し、容量Cの保持電位が基準電位Vref より低い期間を「Lレベル」で示している。
変化点検出部131は、ストローブ信号が出力される度に記憶部123に取り込まれた複数時点の遅延出力信号を一組として、その都度、容量Cの保持電位が基準電位Vref 以下に低下するタイミングの有無を検出する。
出現位置=カウント値×A+B
ところで、出現位置の計算では、ストローブ信号が1発出力される間に、遅延出力信号が何段分の遅延素子を伝搬するかが位置関係を特定する上で非常に重要になる。
以下では、シーケンサ57の動作フローに従って、静電容量型センサーモジュール101の処理動作を説明する。なお、シーケンサ57の動作フローは、形態例1と同じである。従って、シーケンサ57は、図20に示す手順により処理動作を進行する。なお、処理動作の実行前には、前述したキャリブレーション動作を実行しているものとする。
ここで、基準時間T0の経過が検出されると、シーケンサ57は、放電制御スイッチ67をオン制御し、ピークホールド回路61に保持された電位の放電を指示する(S4)。なお、放電動作が開始されるまでには、可変電流源63の電流値は、電流値テーブル65の指示により測定点に応じた電流値に切り替えられている。従って、放電開始後は、各測定点に応じた電流値による放電が開始される。
さて、容量Cの放電動作が開始されると、遅延回路段91では、比較出力信号が2nsずつ遅延され、遅延出力信号として次段へと転送される。この形態例の場合、ストローブ信号は、クロック信号の入力周期で繰り返し発生される。
この後、シーケンサ57は、判定部73に割り込み要求を出力する(S6)。この割り込み要求が入力された判定部73は、検出されたカウント値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて測定点に対する操作入力の有無を判定する。
以上説明したように、形態例2に係る容量変化測定回路103を採用する場合には、遅延回路段121や記憶部123に必要な素子数を削減でき、形態例1に比して回路面積を小さくすることができる。
(E−1)検出原理
この形態例では、入力パルス信号に対する検出信号の立ち上がり速度の違いに着目する。図27に、測定点(閉回路)に着目した応答波形と測定する時間長ΔTとの関係を示す。図では、操作入力がない場合の検出信号を実線で示し、操作入力がある場合の検出信号を破線で示している。
なお、図中の横軸は、入力パルス信号の立ち下がりタイミングからの経過時間であり、図中の縦軸は応答波形に対応する電流量である。
図28に、この形態例に係る静電容量型センサーモジュール141のシステム構成例を示す。なお、図28には、形態例1に係る図7との対応部分に同一符号を付して示している。
静電容量型センサーモジュール141は、静電容量型センサーデバイス43と、容量変化測定回路143とで構成される。
この形態例の場合、電流入力電圧出力型アンプ59から出力される検出信号の立ち上がり速度を計測するため、形態例1のようなピークホールド回路やその放電回路は不要である。
以下では、この形態例に新規な構成部分についてのみ説明する。
シーケンサ145は、入力パルス信号を供給する電極パターン5への接続順序と応答信号の取り出し元となる電極パターン7への接続順序を座標情報(X,Y)として出力する回路である。この形態例の場合、シーケンサ145は、入力パルス信号の立ち下がりエッジに基づいて、制御タイミングを管理する。この機能は、形態例1と同じである。
基準値テーブル147は、測定点の座標と基準値Vrefとを対応づけて保存する記憶領域である。測定点に応じて基準電位Vref を可変するのは、図12に示すように、測定点に応じて検出信号の振幅や波形が大きく変化するためである。また、この形態例の場合、検出信号が基準電位Vref を越えるタイミングの出現範囲を、測定部149の測定範囲に収めるためである。
測定部149は、コンパレータ69から入力される比較出力信号に現れる論理出力レベルの変化点を検出する回路デバイスである。図29に、この形態例に係る測定部149の構成例を示す。なお、図29には、図17との対応部分に同一符号を付して示す。
測定部149は、遅延回路段91、記憶部93、イネーブル制御回路151、アンド回路97、変化点検出部153で構成される。
より小さい期間には「0」が連続し、検出信号が基準電位Vref より大きい期間には「1」が連続する。この形態例の場合、変化点検出部153は、「1」が検出されるまでに出現した「0」の数をカウントとし、カウント値を変化点の情報として出力する。
以下では、シーケンサ145の動作フロー(図31)に従って、静電容量型センサーモジュール141の処理動作を説明する。
このとき、遅延回路段91では、2nsずつ時間差を有する遅延出力信号が発生され、ストローブ信号の入力時に存在する遅延出力信号が記憶部93に一斉に取り込まれる。
シーケンサ145は、この変化点の検出処理が完了するのを待機する(S13)。
次に、シーケンサ145は、判定部73に割り込み要求を出力する(S14)。この割り込み要求が入力された判定部73は、検出されたカウント値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて測定点に対する操作入力の有無を判定する。
以上説明したように、検出信号が基準電位Vref を越えるまでの時間長を検出して操作入力の有無を判定する場合にも、従来技術に比して圧倒的に高速の判定動作が可能になる。例えば10地点についての判定処理を実行する場合、従来技術では20msもの時間が必要とされたが、形態例の場合には20μsあれば済む。このため、従来技術では応用が難しかった高速入力への対応が可能になる。
また、電流入力電圧出力型アンプ59の入力段までは電流モードで動作するため、高いノイズ耐性が期待できる。すなわち、形態例に係る容量変化測定回路143は、検出精度についても実用上十分な精度が期待できる。
また、この形態例の場合、50MHz(20ns)のクロック信号を用いながら、500MHz(2ns)のクロック信号を用いる場合と同等の精度で変化点の出現位置を検出することができる。
Loop)回路等のクロック逓倍回路を無くすことが可能になる。その分、容量変化測定回路143の集積化が容易になる。
(F−1)検出原理
この形態例では、入力パルス信号に対する検出信号のパルス幅の違いに着目する。図32に、測定点(閉回路)に着目した応答波形と測定するパルス幅ΔTとの関係を示す。図では、操作入力がない場合の検出信号を実線で示し、操作入力がある場合の検出信号を破線で示している。
なお、図中の横軸は、入力パルス信号の立ち下がりタイミングからの経過時間であり、図中の縦軸は応答波形に対応する電流量である。
図33に、この形態例に係る静電容量型センサーモジュール161のシステム構成例を示す。なお、図33には、形態例1に係る図7との対応部分に同一符号を付して示している。
静電容量型センサーモジュール161は、静電容量型センサーデバイス43と、容量変化測定回路163とで構成される。
この形態例の場合、電流入力電圧出力型アンプ59から出力される検出信号のパルス幅を計測するため、形態例1のようなピークホールド回路やその放電回路は不要である。
以下では、この形態例に新規な構成部分についてのみ説明する。
シーケンサ165は、入力パルス信号を供給する電極パターン5への接続順序と応答信号の取り出し元となる電極パターン7への接続順序を座標情報(X,Y)として出力する回路である。この形態例の場合、シーケンサ165は、入力パルス信号の立ち下がりエッジに基づいて、制御タイミングを管理する。この機能は、形態例1と同じである。
基準値テーブル167は、測定点の座標と基準値Vrefとを対応づけて保存する記憶領域である。測定点に応じて基準電位Vref を可変するのは、図12に示すように、操作点に応じて検出信号の振幅や波形が大きく変化するためである。そこで、この形態例の場合には、測定点毎に基準電位Vref を最適化し、操作入力の有無をパルス幅の変化として測定できるようにしている。
測定部169は、コンパレータ69から入力される比較出力信号に現れる論理出力レベルの変化点を検出する回路デバイスである。図34に、この形態例に係る測定部169の構成例を示す。なお、図34には、図29との対応部分に同一符号を付して示す。
測定部169は、遅延回路段91、記憶部93、イネーブル制御回路151、アンド回路97、変化点検出部171で構成される。
変化点検出部171は、ストローブ信号の出力時点に記憶部93に取り込まれた複数時点の遅延出力信号に基づいて、検出信号が基準電位Vref 以上である期間長を検出する回路デバイスである。変化点検出部171は、遅延出力信号として出現する「1」の数をカウントする。
因みに、図35(D1)は、検出信号のパルス幅が遅延素子の14個分で与えられる場合を示している。一方、図35(D2)は、検出信号のパルス幅が遅延素子の20個分で与えられる場合を示している。
以下では、シーケンサ165の動作フロー(図36)に従って、静電容量型センサーモジュール161の処理動作を説明する。
このとき、遅延回路段91では、2nsずつ時間差を有する遅延出力信号が発生され、ストローブ信号の入力時に存在する遅延出力信号が記憶部93に一斉に取り込まれる。
シーケンサ165は、測定点について想定される2回目の変化点の出現タイミングの経過を待つ(S23)。
次に、シーケンサ165は、判定部73に割り込み要求を出力する(S24)。この割り込み要求が入力された判定部73は、検出されたカウント値と基準値とを比較し、比較結果に基づいて測定点に対する操作入力の有無を判定する。
以上説明したように、検出信号が基準電位Vref より大きくなる期間の長さを検出することによって操作入力の有無を判定する場合にも、従来技術に比して圧倒的に高速の判定動作が可能になる。例えば10地点についての判定処理を実行する場合、従来技術では20msもの時間が必要とされたが、形態例の場合には20μsあれば済む。このため、従来技術では応用が難しかった高速入力への対応が可能になる。
また、電流入力電圧出力型アンプ59の入力段までは電流モードで動作するため、高いノイズ耐性が期待できる。すなわち、形態例に係る容量変化測定回路163は、検出精度についても実用上十分な精度が期待できる。
また、この形態例の場合、50MHz(20ns)のクロック信号を用いながら、500MHz(2ns)のクロック信号を用いる場合と同等の精度で変化点の出現位置を検出することができる。
Loop)回路等のクロック逓倍回路を無くすことが可能になる。更に、クロック逓倍回路が不要になることでコンデンサのチャージ動作が不要となり、その分、容量変化測定回路163の集積化が容易になる。また、外付けのコンデンサを用いる場合に比して、集積回路に必要なピン数を削減することができる。
(G−1)測定部の他の構成1
前述の形態例においては、いずれもイネーブル信号とクロック信号の論理積によりストローブ信号を生成する場合について説明した。
しかしながら、ストローブ信号を生成しない回路構成も考えられる。
ここで、マルチプレクサは、イネーブル信号が有効値である場合(前述した形態例のHレベルに対応する。)、対応する遅延素子から入力される遅延出力信号を選択するように動作する。一方、マルチプレクサは、イネーブル信号が無効値である場合(前述した形態例のLレベルに対応する。)、対応するフリップフロップの出力信号を選択するように動作する。
一方、記憶部185を構成するフリップフロップは、クロック信号が入力されるたびに、マルチプレクサの出力信号を取り込む動作を実行する。このように、入力選択部183と記憶部185とによって、前述した各形態例と同等の動作を実現する。
前述の形態例においては、いずれも遅延素子を直列に接続して遅延回路段を構成する場合について説明した。
しかしながら、単位遅延時間ずつ遅延量が異なる遅延出力信号は他の回路構成によっても実現できる。
図38に示すように、遅延回路段193は、遅延素子の段数が1段ずつ異なる並列回路で構成される。
前述した形態例1及び2の場合には、検出信号の正極周期のピークレベルを検出する場合について説明した。すなわち、検出信号の最大値を検出し、その放電に要する時間長を計測する場合について説明した。
しかしながら、前述した技術は、検出信号の負極周期のピークレベルを検出する場合にも適用できる。すなわち、検出信号の最小値を検出し、その充電に要する時間長を計測する場合にも適用できる。
静電容量型センサーモジュール201は、静電容量型センサーデバイス43と、容量変化測定回路203で構成される。
また、図39の場合、可変電流源207には充電型の電流源を使用する。また、図39の測定部209は、遅延出力信号の信号値が「1」に変化するまでに現われる「0」の数をカウントすることにより、容量Cの電位が基準電位Vref’を越えるまでの時間長を測定点毎に検出する手法を採用する。
(a)システム構成
前述の説明では、静電容量型センサーモジュールの構造と動作内容について説明した。しかし、前述した静電容量型センサーモジュールは、各種の電子機器に実装した商品形態でも流通される。以下、電子機器への実装例を示す。
図40に示す電子機器211は、表示デバイス213の表面に静電容量型センサーモジュール215を積層するタイプの電子機器を想定した機能構成である。なお、電子機器211には、システム全体を制御するシステム制御部217が搭載される。また、表示デバイス213には、例えば液晶パネル、有機ELディスプレイパネル、FEDパネル、プラズマパネルその他を使用する。
以下では、電子機器の具体的な外観例を示す。
図42に、テレビジョン受像機231の外観例を示す。テレビジョン受像機231は、筐体233の正面に表示画面235と、静電容量型センサーモジュール237を配置した構造を有している。ここでの静電容量型センサーモジュール237に、前述した各種の形態例を応用する。
デジタルカメラ241は、保護カバー243、撮像レンズ部245、表示画面247、静電容量型センサーモジュール249、コントロールスイッチ251及びシャッターボタン253で構成される。ここでの静電容量型センサーモジュール249に、前述した各種の形態例を応用する。
この他、この明細書における「電子機器」には、携帯型のオーディオ再生装置、ゲーム機、電子ブック、電子辞書、据え置き型家電機器、産業機械、事務機器等が含まれる。
前述した形態例には、発明の趣旨の範囲内で様々な変形例が考えられる。また、本明細書の記載に基づいて創作される又は組み合わせられる各種の変形例及び応用例も考えられる。
21 静電容量型センサーモジュール
23 静電容量型センサーデバイス
27 容量変化測定回路
33 容量変化検出回路
35 判定部
Claims (7)
- 静電容量型のセンサーデバイスを構成する複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部と、
容量素子を有し、前記第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を前記容量素子に保持するピークホールド回路と、
前記パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、前記センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で前記容量素子の放電を開始する電流源と、
前記容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段と、
前記複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を前記単位遅延時間長の精度で検出する検出部と
を備えた静電容量型のセンサーデバイスの容量変化検出回路。 - 前記遅延回路段における遅延量の範囲は、前記検出信号の信号値に変化点が出現する可能性がある時間幅以上である
請求項1に記載の容量変化検出回路。 - 前記遅延回路段における遅延量の範囲は、前記検出信号の信号値に変化点が出現する可能性がある時間幅未満であり、
前記測定対象とする時間量の検出は、前記記憶部に対する信号値の記憶動作と検出動作を複数時点について繰り返すことにより実行する
請求項1に記載の容量変化検出回路。 - 複数列の第1の電極パターンと、前記第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイスと、
前記複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部と、
容量素子を有し、前記複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を前記容量素子に保持するピークホールド回路と、
前記パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、前記センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で前記容量素子の放電を開始する電流源と、
前記容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段と、
前記複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を前記単位遅延時間長の精度で検出する検出部と、
前記検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部と
を備えた静電容量型センサーモジュール。 - 静電容量型センサーデバイスを構成する複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する処理と、
前記第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンを通じて取り出される検出信号のピークレベルに対応する電圧を容量素子に保持する処理と、
前記パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、前記静電容量型センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で前記容量素子の放電を開始する処理と、
前記容量素子の電圧と基準値とを比較する処理と、
前記比較処理によって得られる比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する処理と、
前記複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶部に記憶する処理と、
前記記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を前記単位遅延時間長の精度で検出する処理と
を備えた静電容量型センサーデバイスの容量変化検出方法。 - 表示デバイスと、
前記表示デバイスの表面に配置される静電容量型のセンサーデバイスであって、複数列の第1の電極パターンと、前記第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイスと、
前記複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部と、
容量素子を有し、前記複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を前記容量素子に保持するピークホールド回路と、
前記パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、前記センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で前記容量素子の放電を開始する電流源と、
前記容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段と、
前記複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を前記単位遅延時間長の精度で検出する検出部と、
前記検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部と、
システム全体の動作を制御するシステム制御部と
を備えた電子機器。 - 複数列の第1の電極パターンと、前記第1の電極パターンと他層にて交差する複数列の第2の電極パターンとを有する静電容量型のセンサーデバイスと、
前記複数列の第1の電極パターンに、所定周期でパルス信号を線順次に入力する電極駆動部と、
容量素子を有し、前記複数列の第2の電極パターンを通じて取り出された検出信号のピークレベルに対応する電圧を前記容量素子に保持するピークホールド回路と、
前記パルス信号に同期した所定のタイミングにおいて、前記センサーデバイスにおける座標に応じた放電速度で前記容量素子の放電を開始する電流源と、
前記容量素子の電圧と基準値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較出力信号を順次遅延し、単位遅延時間長ずつ比較時点の異なる複数の遅延出力信号を生成する遅延回路段と、
前記複数の遅延出力信号に対応する信号値を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された複数の信号値に基づいて、測定対象とする時間量を前記単位遅延時間長の精度で検出する検出部と、
前記検出部で検出された時間量に基づいて、人体又は同等の電気的特性を有する物体による操作入力を判定する判定部と、
システム全体の動作を制御するシステム制御部と
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