JP7011159B2 - 容量検出回路及び静電容量センサ装置 - Google Patents

Description

本開示は、容量検出回路及び静電容量センサ装置に関する。

近年、スマートフォンやタブレット端末の普及にともなって、タッチパネルが操作性の良いユーザーインターフェースとして広く認知されてきている。タッチパネルは、様々な電子機器の表示部に搭載されるようになっている。

例えば、特許文献１が開示するタッチセンサは、検知回路と、変換回路と、検知回路及び変換回路の間の接続ノードと、を有する。検知回路は、接続ノードの電位を変動させる機能を有し、変換回路は、接続ノードにおいて生じる電流を検出する機能を有する。変換回路は、ＤＣ成分を除去するキャパシタを含む。

また、タッチパネルの表面に静電気力によりテクスチャ感を提示する技術が開発されている。例えば、特許文献２は、タッチパネルの表面にテクスチャ感を提示する触覚提示装置を開示している。特許文献２に記載の触覚提示装置では、平面状に複数の電極を配置しており、ある期間には、接触位置を検出するための電圧を複数の電極へ供給し、他の期間には、テクスチャ感を提示するための電圧を複数の電極へ供給する。

特開２０１５－２１３２７３号公報 国際公開第２０１４／００２４０５号

投影型静電容量方式のタッチパネル装置のタッチ検出回路は、タッチパネル上の指示体（例えば指）のタッチ位置を、タッチパネルに配列されている検出電極それぞれの電流信号を測定することによって、特定する。検出電極の電流信号にノイズが存在すると、タッチ検出回路は、正確にタッチ位置を特定できない。

検出電極の電流信号に含まれるノイズは、タッチパネル装置と異なる種類の静電容量センサ装置、例えば、タッチスイッチ、タッチパッド、静電容量式の人体近接センサ、静電容量式の液体検出センサ等の容量検出回路においても、問題となる。したがって、検出電極の電流信号に含まれ得るノイズを効果的に低減することができる技術が望まれる。

本開示の一態様は、検出電極の自己容量を測定するために、前記検出電極からの電流を測定する、容量検出回路であって、前記検出電極を駆動する交流駆動電圧を与える、励振信号源と、前記検出電極から入力された電流信号を、前記励振信号源の周波数よりも低い所定周波数領域で減衰させて出力する、ハイパスフィルタと、前記ハイパスフィルタと前記励振信号源との間に接続され、前記ハイパスフィルタからの電流信号を測定する、電流信号測定回路と、を含み、前記ハイパスフィルタは、前記検出電極と前記電流信号測定回路との間に直列に接続されている第１受動回路素子と、前記検出電極と前記第１受動回路素との間のノードと、前記励起信号源との間において、直列に接続されている第２受動回路素子と、を含む。

本開示の一態様によれば、検出電極の電流信号に含まれ得るノイズを効果的に低減することができる。

本開示の表示装置の構成例を模式的に示す。 表示装置に含まれる触覚提示タッチパネル装置の論理構成例を模式的に示す。 触覚提示タッチパネルを模式的に示す平面図である。 タッチパネル駆動部の論理構成の一部の例を示す。 検出電極の電流信号の測定に関する、触覚提示タッチパネル装置の一部構成を模式的に示す。 図５に示す構成の等価回路を示す。 図５の構成からハイパスフィルタを省略した構成（比較例１）の等価回路を示す。 図６及び図７に示す等価回路における、ノイズ源からのノイズ信号とノイズ電流との間の関係の解析結果を示すグラフである。 比較例２の回路構成を示す。 比較例２のフィルタと図５に示す本開示のハイパスフィルタの、特性を比較するグラフである。 比較例３の回路構成を示す。 比較例３のフィルタと図５に示す本開示のハイパスフィルタの、特性を比較するグラフである。 三つの等価回路における電流検出回路で測定されるオフセット電流のシミュレーション結果を示す。 三つの等価回路における電流検出回路で測定されるタッチ時と無タッチ時の間の電流差のシミュレーション結果を示す。 本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。 本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。 本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。

以下、添付図面を参照して実施形態を説明する。実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。説明をわかりやすくするため、図示した物の寸法、形状については、誇張して記載している場合もある。

図１は、本開示の表示装置の構成例を模式的に示す。表示装置１０は、画像を表示する表示パネル２００と、表示パネル２００の前側（ユーザ側）に配置されている触覚提示タッチパネル１００と、表示パネル２００及び触覚提示タッチパネル１００に接続され、それらを制御する表示装置制御部３００と、を含む。

触覚提示タッチパネル１００は、タッチ面のタッチ位置を検出するタッチパネルと、タッチ面に接触している指にテクスチャ感を提示する触覚提示パネルとの、双方の役割を有する。触覚提示タッチパネル１００は、Ｘ電極とＹ電極との間で生成される所定周波数で振動する静電気力によって、指にテクスチャ感を与える。Ｘ電極及びＹ電極には、タッチポイントの検出と共に、テクスチャ感を与えるためにも使用される。

表示パネル２００は、例えば、液晶表示パネル、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）表示パネル、その他種々の方式の表示パネルを用いることができる。表示装置制御部３００は、外部から入力された画像データに基づいて、表示パネル２００に画像を表示させる。表示装置制御部３００は、タッチパネル１００を制御して、触覚提示タッチパネル１００における指のタッチ面でのタッチ位置を検出し、さらに、特定対象領域においてテクスチャ感を提示する。

図２は、表示装置１０に含まれる触覚提示タッチパネル装置１５の論理構成例を模式的に示す。触覚提示タッチパネル装置１５は、触覚提示タッチパネル１００及び当該触覚提示タッチパネル１００を制御する触覚提示タッチパネル制御部３５０を含む。触覚提示タッチパネル制御部３５０は、表示装置制御部３００の一部である。

触覚提示タッチパネル制御部３５０は、タッチパネル駆動部３５１（タッチ検出回路）を含む。タッチパネル駆動部３５１は、タッチ面１０５への物体の接触を検出すべくＸ電極Ｘ０～Ｘｍ、及び、Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎの動作を制御する。ｍ、ｎは自然数である。タッチパネル駆動部３５１は、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０～Ｙｎを利用してタッチ面１０５への指示体のタッチを検出するタッチパネルの機能を実現するための回路である。

触覚提示タッチパネル制御部３５０は、タッチ面１０５にテクスチャ感を提示させるべくＸ電極Ｘ０～Ｘｍの動作を制御するためのＸ電極駆動部３５２と、タッチ面１０５上にテクスチャ感を提示させるべくＹ電極Ｙ０～Ｙｎの動作を制御するためのＹ電極駆動部３５３とを含む。

Ｘ電極駆動部３５２及びＹ電極駆動部３５３は、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０～Ｙｎを利用してタッチ面１０５上にテクスチャ感を提示するための回路である。このように、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０～Ｙｎは、タッチ位置を検出するための検出電極であると共に、触覚提示のための触覚提示電極でもある。

触覚提示タッチパネル制御部３５０は、複数のＸ電極Ｘ０～Ｘｍに接続されたスイッチ（ＳＷ）３５４と、複数のＹ電極Ｙ０～Ｙｎに接続されたスイッチ３５５とを含む。スイッチ３５４は、一部のＸ電極をタッチパネル駆動部３５１へ接続し、他のＸ電極をＸ電極駆動部３５２へ接続し、各Ｘ電極の接続を一方から他方へ切り替えることができるように構成されている。スイッチ３５５は、一部のＹ電極をタッチパネル駆動部３５１へ接続し、他のＹ電極をＹ電極駆動部３５３へ接続し、各Ｙ電極の接続を一方から他方へ切り替えることができるように構成されている。

触覚提示タッチパネル制御部３５０は、主制御部３５６を含む。主制御部３５６は、タッチパネル駆動部３５１、Ｘ電極駆動部３５２、Ｙ電極駆動部３５３、スイッチ３５４及びスイッチ３５５に接続されている。主制御部３５６は、触覚提示タッチパネル制御部３５０の外部からの制御信号を受信し、触覚提示タッチパネル制御部３５０内の他の構成要素を制御する。

触覚提示タッチパネル装置１５は、Ｘ電極駆動部３５２及びＹ電極駆動部３５３の動作により、タッチ面１０５にテクスチャ感を提示する。ユーザがタッチ面１０５に指を接触させた場合、指は、絶縁体を挟んでＸ電極又はＹ電極と対向してグラウンドに接続された電極と等価である。Ｘ電極又はＹ電極に電圧が印加された場合は、Ｘ電極又はＹ電極と指との間に静電気による引力（静電気力）が発生する。

交流電圧が印加された場合は、静電気力が周期的に変化する。静電気力が変化することにより、タッチ面１０５と指との間の摩擦力が周期的に変化する。ユーザが指でタッチ面１０５をなぞったとき、指で感じられる摩擦力が周期的に変化し、ユーザはテクスチャ感を知覚する。交流電圧の周波数が５Ｈｚを超過し５００Ｈｚ未満である場合に、触覚が知覚され、周波数がこの範囲内にない場合には触覚が知覚されない。

また、Ｘ電極に第１周波数ｆ１の交流電圧が印加され、Ｙ電極に第２周波数ｆ２の交流電圧が印加された場合は、静電気力は第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２で変化する。更に、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との差の周波数で静電気力が変化するうなりが発生する。うなりの周波数が１０Ｈｚを超過し１０００Ｈｚ未満である場合にうなりによるテクスチャ感が知覚され、うなりの周波数がこの範囲内にない場合にはうなりによるテクスチャ感が知覚されない。

一例において、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２が共に５００Ｈｚ以上であり、第１周波数ｆ１と第２周波数ｆ２との差の絶対値が１０Ｈｚを超過し１０００Ｈｚ未満となるように、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２が定められている。例えば、第１周波数ｆ１＝１０００Ｈｚ、第２周波数ｆ２＝１２４０Ｈｚである。

Ｘ電極駆動部３５２は、主制御部３５６の制御により、Ｘ電極駆動部３５２に接続されたＸ電極の内、一部のＸ電極に第１交流電圧を与え、他のＸ電極をグラウンドに接続する。Ｙ電極駆動部３５３は、Ｙ電極駆動部３５３に接続されたＹ電極の内、主制御部３５６の制御により、一部のＹ電極に第２交流電圧を与え、他のＹ電極をグラウンドに接続する。

例えば、タッチパネル１００が５本のＸ電極Ｘ０～Ｘ４及び６本のＹ電極Ｙ０～Ｙ５を備え、Ｘ電極Ｘ１に第１交流電圧が与えられ、Ｙ電極Ｙ１に第２交流電圧が与えられ、Ｘ電極Ｘ０、Ｘ２～Ｘ４及びＹ電極Ｙ０、Ｙ２～Ｙ５がグラウンドに接続されるとする。このとき、タッチ面１０５のＸ電極Ｘ１及びＹ電極Ｙ１が交差している部分では、２４０Ｈｚのうなりが発生し、ユーザは指でテクスチャ感を知覚することができる。Ｘ電極Ｘ１及びＹ電極Ｙ０、Ｙ２～Ｙ５が交差している部分では、１０００Ｈｚで静電気力が変化するものの、テクスチャ感は知覚されない。

Ｙ電極Ｙ１及びＸ電極Ｘ０、Ｘ２～Ｘ４が交差している部分では、１２４０Ｈｚで静電気力が変化するものの、テクスチャ感は知覚されない。他の部分では、静電気力は変化せず、テクスチャ感は知覚されない。このようにして、触覚提示タッチパネル装置１５は、タッチ面１０５の任意の位置にテクスチャ感を提示することができる。なお、Ｘ電極駆動部３５２及びＹ電極駆動部３５３は、Ｘ電極及びＹ電極をグラウンドではなく所定の直流電源に接続してもよい。

タッチパネル駆動部３５１は、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０～Ｙｎを順次選択し、選択した検出電極に駆動信号（交流電圧信号）を与え、さらに、その検出電極における電流信号を測定する。タッチパネル駆動部３５１は、検出電極の自己容量（寄生容量）に応じた交流電流を検出する。タッチ面１０５上で、検出電極に対向する部分にユーザの指が接触した場合、検出電極の自己容量は変化（増加）する。これに伴い、検出電極の信号電流（交流電流）が変化（増加）する。

主制御部３５６は、タッチパネル駆動部３５１に、駆動信号を与え、信号電流を測定する、検出電極を指定する。主制御部３５６は、タッチパネル駆動部３５１が測定する信号電流と所定の閾値とを比較して、タッチパネル駆動部３５１に接続している検出電極の自己容量が増加したことを検出する。

主制御部３５６は、静電容量が増加した場合に、タッチパネル駆動部３５１に接続している検出電極を特定することにより、ユーザの指が接触している位置を特定する。つまり、主制御部３５６は、静電容量が変化したＸ電極及びＹ電極を特定することにより、ユーザの指が接触している位置を特定する。タッチ位置は、タッチ面１０５上で、静電容量が変化したＸ電極及びＹ電極が交差している部分に対向する位置である。このように、触覚提示タッチパネル装置は、自己容量方式により、タッチ面上のタッチ位置の検出を行う。なお、主制御部３５６は、複数の検出電極に同時、駆動信号を与え、電流信号を測定してよい。

次に、触覚提示タッチパネル装置１５がタッチポイントの検出とテクスチャ感の提示とを両立させる処理を説明する。主制御部３５６は、スイッチ３５４が各Ｘ電極をタッチパネル駆動部３５１及びＸ電極駆動部３５２のどちらへ接続するのかを制御する。同様に、主制御部３５６は、スイッチ３５５が各Ｙ電極をタッチパネル駆動部３５１及びＹ電極駆動部３５３のどちらへ接続するのかを制御する。

主制御部３５６は、スイッチ３５４に、タッチパネル駆動部３５１へ接続するＸ電極を順次変更させる。タッチパネル駆動部３５１へ接続するＸ電極を変更する際には、スイッチ３５４は、これまでタッチパネル駆動部３５１へ接続していたＸ電極をＸ電極駆動部３５２へ接続し、これまでＸ電極駆動部３５２へ接続していた複数のＸ電極の内の一部のＸ電極をタッチパネル駆動部３５１へ接続する。

例えば、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍの内、Ｘ電極Ｘ０がタッチパネル駆動部３５１へ接続され、Ｘ電極Ｘ１～ＸｍがＸ電極駆動部３５２へ接続された状態から、Ｘ電極Ｘ１がタッチパネル駆動部３５１へ接続され、Ｘ電極Ｘ０、Ｘ２～ＸｍがＸ電極駆動部３５２へ接続された状態へ変更される。同様に、タッチパネル駆動部３５１へ接続されるＸ電極が順次的に変更される。

主制御部３５６は、スイッチ３５５に、タッチパネル駆動部３５１へ接続するＹ電極を順次変更させる。タッチパネル駆動部３５１へ接続するＹ電極を変更する際には、スイッチ３５５は、これまでタッチパネル駆動部３５１へ接続していたＹ電極をＹ電極駆動部３５３へ接続し、これまでＹ電極駆動部３５３へ接続していた複数のＹ電極の内の一部のＹ電極をタッチパネル駆動部３５１へ接続する。

例えば、Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎの内、Ｙ電極Ｙ０がタッチパネル駆動部３５１へ接続され、Ｙ電極Ｙ１～ＹｎがＹ電極駆動部３５３へ接続された状態から、Ｙ電極Ｙ１がタッチパネル駆動部３５１へ接続され、Ｙ電極Ｙ０、Ｙ２～ＹｎがＹ電極駆動部３５３へ接続された状態へ変更され、同様に、タッチパネル駆動部３５１へ接続されるＹ電極が順次変更される。

主制御部３５６は、Ｘ電極駆動部３５２を制御して、テクスチャ感を提示させるべき領域に対応するＸ電極に第１交流電圧を与えさせ、他のＸ電極をグラウンドへ接続させる。主制御部３５６は、Ｙ電極駆動部３５３を制御して、テクスチャ感を提示させるべき領域に対応するＹ電極に第２交流電圧を与えさせ、他のＹ電極をグラウンドへ接続させる。

主制御部３５６は、Ｘ電極及びＹ電極を、順次的にタッチパネル駆動部３５１に接続し、タッチ面１０５へのタッチを検出するために順次的に制御する。タッチポイントの検出のために、タッチ面１０５の走査が行われる。タッチ面１０５全体の走査が終了した後は、主制御部３５６は、夫々のＸ電極及びＹ電極を順次的にタッチパネル駆動部３５１へ接続させる処理を繰り返す。これにより、走査が繰り返され、使用者がタッチ面１０５の任意の位置に接触した場合に接触位置が検出される。

タッチパネル駆動部３５１に接続されている期間以外の期間では、特定の１又は連続する複数のＸ電極は第１交流電圧が与えられ、特定の１又は連続する複数のＹ電極は第２交流電圧が与えられる。他のＸ電極及びＹ電極はグラウンドに接続される。この結果、タッチ面１０５内の特定の対象領域にテクスチャ感が提示される。

以上のようにＸ電極及びＹ電極が制御される結果、タッチ面１０５は、一部分がタッチ検出のために用いられ、他の部分はテクスチャ感を提示させるために用いられ、タッチ検出のために用いられる部分の位置が順次変更される。タッチ面１０５上の各部分は、特定のタイミングでタッチ検出のために用いられ、他の期間においてテクスチャ感提示のために用いられる。

図３は、触覚提示タッチパネル１００を模式的に示す平面図である。触覚提示タッチパネル１００は、支持基板１０１、支持基板１０１上に配置されている、複数のＸ電極Ｘ０～Ｘｍ及び複数のＹ電極Ｙ０～Ｙｎを含む。支持基板１０１は絶縁性の基板であって、典型的には、樹脂、ガラス等の透明絶縁材料で形成されている。支持基板１０１は可撓性の基板であっても不撓性の基板であってもよい。

Ｘ電極及びＹ電極それぞれの数は、タッチパネル１００の設計に依存する。Ｘ電極及びＹ電極は、典型的には透明導体で形成されており、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯで形成されている。

複数のＸ電極Ｘ０～Ｘｍは、矩形状の支持基板１０１の一辺に平行に延在し、互いに離間して並列に配置されている。複数のＹ電極Ｙ０～Ｙｎは、支持基板１０１の他辺に平行に延在し、互いに離間して並列に配置されている。Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍと複数のＹ電極Ｙ０～Ｙｎとは、互いに交差している。Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎは、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍと交差部で絶縁膜を介して絶縁されている。

図３の例において、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍは、図の左右方向に延在している。Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎは、図の上下方向に延在している。各Ｘ電極と各Ｙ電極とは直交している。Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍは、互いに平行でなくてもよく、支持基板１０１の一辺に平行でなくてもよい。Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎは互いに平行でなくてもよく、支持基板１０１の一辺に平行でなくてもよい。各Ｘ電極と各Ｙ電極とは直交していなくてもよい。

図３に示す例において、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍは、複数の菱形の部分が接続部を介して数珠状に連結された形状を有する。即ち、一つのＸ電極は、左右に隣り合う菱形の部分を、接続部を介して電気的に接続し形成され、左右方向に延在する。Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎも、同様に、複数の菱形の部分が接続部を介して数珠状に連結された形状を有する。一つのＹ電極は、上下に隣り合う菱形の部分を接続部を介して電気的に接続し形成され、上下方向に延在する。図３の例においては、各Ｘ電極及び各Ｙ電極の両端は、三角形部分である。

Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０～Ｙｎは、支持基板１０１の主面に対して垂直に見た時に（平面視において）、菱形部分の接続部同士が絶縁膜を介して重なりあうように形成されている。Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍの菱形部分とＹ電極Ｙ０～Ｙｎの菱形部分とは重ならないように形成されている。つまりＸ電極Ｘ０～Ｘｍの菱形部分とＹ電極Ｙ０～Ｙｎの菱形部分とは、同一面上に配置される。

各Ｘ電極の菱形部分は、隣接する二つのＹ電極の間に存在し、各Ｘ電極の菱型部分のピッチは、Ｙ電極Ｙ０～Ｙｎのピッチに一致している。各Ｙ電極の菱形部分は、隣接する二つのＸ電極の間に存在し、各Ｙ電極の菱型部分のピッチは、Ｘ電極Ｘ０～Ｘｍのピッチに一致している。

支持基板１０１の形状は設計により決定され、矩形でなくてもよく、例えば、５角以上の多角形でもよく、曲線の辺を有していてもよい。Ｘ電極、Ｙ電極の形状は設計により決定される。図３の例において、例えば、帯状（矩形状）であってもよく、又は、複数の所定形状（図３の例で菱形）の幅広の部分を幅狭の接続部により数珠状に連結して構成されてもよい。

本開示の一つの特徴は、タッチパネル駆動部３５１にある。以下において、タッチパネル駆動部３５１の構成及び動作を説明する。図４は、タッチパネル駆動部３５１の論理構成の一部の例を示す。タッチパネル駆動部３５１は、ハイパスフィルタ４０２、電流電圧変換回路（Ｉ－Ｖ変換回路）４０３、減算器４０４、ハイパスフィルタ４０５、前処理回路４０６、Ａ／Ｄ変換回路４０７、及び振幅抽出演算回路４０８を含む。

ハイパスフィルタ４０２は、検出電極４０１からの電流信号を受ける。Ｉ－Ｖ変換回路４０３は、ハイパスフィルタ４０２からの出力を受ける。ハイパスフィルタ４０２は、本開示の一つの特徴であり、その構成及び動作の詳細は後述する。

自己容量の測定のために検出電極４０１に与える励振信号が、励振信号源４５１からハイパスフィルタ４０２及びＩ－Ｖ変換回路４０３に与えられている。後述するように、ハイパスフィルタ４０２は、タッチ検出のための励振信号を基準電位として使用する。Ｉ－Ｖ変換回路４０３は、励振信号源４５１から励振信号を、検出電極４０１に与える。

減算器４０４は、Ｉ－Ｖ変換回路４０３から出力された電圧信号を受け、その出力電圧信号から励振信号を減算する。ハイパスフィルタ４０５は、一般的なフィルタであって、減算器４０４からの出力信号のノイズを除去する。前処理回路４０６は、ゲイン・オフセット調整回路及びアンチエイリアスフィルタ回路を含む。

Ａ／Ｄ変換回路４０７は、前処理回路４０６からのアナログ信号を、所定ビット数、例えば、１４ｂｉｔのデジタル信号に変換する。振幅抽出演算回路４０８は、特定期間（具体的には、１検出電極あたり４５０μｓ）の信号値から、その期間の平均の振幅を計算し出力する。主制御部３５６は、振幅抽出演算回路４０８の出力が示す振幅と閾値とを比較して、検出電極４０１近傍のタッチの有無を判定する。

図５は、検出電極４０１の電流信号の測定に関する、触覚提示タッチパネル装置１５の一部構成を模式的に示す。図５は、簡略化した触覚提示タッチパネル１００を示す。図５において、一つのＸ電極が検出電極４０１として選択されている。図５において、検出電極４０１以外の全てのＸ電極及びＹ電極に、触覚提示のための駆動信号（触覚信号）が与えられているが、選択された一部のＸ電極及びＹ電極のみ触覚信号が与えられてもよい。

タッチパネル駆動部３５１は、タッチ検出のため、選択した検出電極４０１を励振信号源４５１からの励振信号によって駆動し、検出電極４０１を流れる電流信号の振幅を測定する。また、上述のように、本開示の触覚提示タッチパネル装置１５は、タッチ検出と共に、テクスチャ感を提示する。

図５の例において、Ｘ触覚信号源５０１からのＸ触覚信号が、Ｘ電極に与えられる。Ｘ触覚信号は、例えば、１７５Ｖの振幅及び１０００Ｈｚの周波数を有する。Ｙ触覚信号源５０２からのＹ触覚信号が、Ｙ電極に与えられる。Ｙ触覚信号は、例えば、１７５Ｖの振幅及び１２４０Ｈｚの周波数を有する。２４０Ｈｚの周波数差により、指に対して適切なテクスチャ感を与えることができる。

触覚提示タッチパネル制御部３５０は、検出電極４０１での電流信号の測定を行いながら、他の電極に対して触覚提示のための駆動信号を与える。このように、タッチ位置の検出のための検出電極４０１の駆動と触覚提示のための他の電極の駆動を同時に行うと、検出電極４０１と他の電極との間の容量結合により、触覚信号成分の電流がノイズとして、検出電極４０１からの電流信号に重畳する。

図５の例において、検出電極４０１と、当該検出電極４０１と交差するＹ電極それぞれとの間の結合容量が存在する。また、図示していないが、検出電極４０１と当該検出電極４０１に隣接するＸ電極との間にも結合容量が存在する。このため、検出電極４０１と交差するＹ電極及び当該検出電極４０１に隣接するＸ電極に触覚信号が与えられると、これらの結合容量を介して本来は不要な電流が検出電極４０１に流れる。この電流はノイズとして検出電極４０１からの電流信号に重畳し、検出電極４０１からの電流信号のＳＮＲを低下させる。また、商用電源などに由来する電源ノイズも、検出電極４０１に流れ、検出電極４０１からの電流信号に重畳して悪影響を与える恐れがある。

本開示のタッチパネル駆動部３５１は、検出電極４０１とＩ－Ｖ変換回路４０３の間に挿入されたハイパスフィルタ４０２を含む。ハイパスフィルタ４０２は、検出電極４０１からの電流信号に重畳しているノイズ成分を効果的に除去することができる。

図５の例において、ハイパスフィルタ４０２は、容量素子（キャパシタ）４２１と抵抗素子４２２とで構成されている（ＣＲハイパスフィルタ）。容量素子４２１の容量値はＣ１、抵抗素子４２２の抵抗値はＲである。容量素子４２１は、検出電極４０１とＩ－Ｖ変換回路４０３との間において、検出電極４０１及びＩ－Ｖ変換回路４０３に直列に接続されている。

抵抗素子４２２は、検出電極４０１と容量素子４２１との間ノードと励振信号源４５１との間において、当該ノード及び励振信号源４５１に直列に接続されている。つまり、グランドではなく、励振信号源４５１が、ハイパスフィルタ４０２の基準電位ノードに接続されている。励振信号源４５１からの励振信号が、ハイパスフィルタ４０２の基準電位である。なお、励振信号源４５１は電圧源であり、例えば振幅１Ｖ、周波数１００ｋＨｚの交流電圧を出力する。

図５の例において、Ｉ－Ｖ変換回路４０３は、オペアンプ４３１を使用する電流電圧変換回路である。オペアンプ４３１の反転入力と出力との間に、抵抗素子と容量素子が並列に接続されている。オペアンプ４３１の非反転入力に励振信号源４５１が接続されている。また、ハイパスフィルタ４０２の容量素子４２１は、オペアンプ４３１の反転入力と検出電極との間に接続されている。

非反転入力での電圧は、励振信号源４５１の出力電圧（励振信号）である。イマジナリショートにより、オペアンプ４３１の反転入力の電圧は、励振信号源４５１の電圧信号に一致する。検出電極４０１は、ハイパスフィルタ４０２を介して、オペアンプ４３１の反転入力に接続されており、励振信号源４５１からの励振信号は、ハイパスフィルタ４０２を介して、検出電極４０１に与えられる。

なお、図５はＩ－Ｖ変換回路４０３の回路構成の一例を示すに過ぎず、Ｉ－Ｖ変換回路４０３はどのような回路構成を有してもよい。タッチパネル駆動部３５１は、例えば、複数のＸ電極及び複数のＹ電極の各電極に、個別の、ハイパスフィルタ、励振信号源及びＩ－Ｖ変換回路からなる駆動検出回路を含んでもよく、スイッチによって、一つの駆動検出回路に接続する電極を切り替えてもよい。一つの励振信号源が、ハイパスフィルタとＩ－Ｖ変換回路の複数のペアに共有されてもよい。

図６は、図５に示す構成の等価回路を示す。図７は、図５の構成からハイパスフィルタ４０２を省略した構成（比較例１）の等価回路を示す。図６に示すように、検出電極４０１は、寄生容量５０３を介して、ノイズ源５０５からのノイズを受ける。寄生容量５０３の容量値はＣＰで表わされている。寄生容量５０３は、検出電極４０１と、周囲の電極との間の結合容量を含む。ノイズ源５０５の信号は、Ｘ電極及びＹ電極に当たられる触覚信号を含む。ここでは、ノイズ源５０５の信号は、振幅Ｅの交流電圧とする。

図６の回路において、Ｉ－Ｖ変換回路４０３は、信号電流ｉを測定する電流検出回路４３５に置き換えられている。上述のように、Ｉ－Ｖ変換回路４０３は、検出電極４０１の信号電流を測定することができれば、どのような回路構成を有してもよい。図６に示すように、励振信号源４５１からの励振信号は、検出電極４０１を駆動するために使用されるとともに、ハイパスフィルタ４０２の基準電位としても使用される。

図８は、図６及び図７に示す等価回路における、ノイズ源５０５のノイズ信号とノイズ電流との間の関係の解析結果を示すグラフである。図８のグラフの横軸はノイズ源５０５の周波数を示し、縦軸は電流検出回路４３５で測定されるノイズ電流の大きさを示す。図８が示す関係は、図６及び図７に示す等価回路の各励振信号源４５１をそれぞれ短絡した回路における、ノイズ源５０５の周波数と電流検出回路４３５による測定電流の関係を表す。

図８のグラフにおいて、実線は、ハイパスフィルタ４０２を含む図６の回路におけるノイズ周波数とノイズ電流との関係を示す。破線は、ハイパスフィルタ４０２を含まない図７の回路におけるノイズ周波数とノイズ電流との関係を示す。解析においては、ノイズ源５０５からのノイズを、１７５Ｖの交流信号と仮定している。

図８に示すように、ハイパスフィルタ４０２を含む回路は、特定の周波数ｆ０より低い周波数のノイズ電流を大きく低減させる。周波数ｆ０は、寄生容量の容量値ＣＰ、並びに、ハイパスフィルタ４０２の容量素子４２１の容量値Ｃ１及び抵抗素子４２２の抵抗値Ｒで決まり、具体的には、１／２πＲ（Ｃ１＋ＣＰ）である。

図８に示すノイズ電流（実線）は、切片がＥＣ１ＣＰ／（Ｃ１＋ＣＰ）で傾きが２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ（周波数が１０倍になる毎に電流が１０倍増加する）の直線（破線の直線）と、切片が、ＥＲＣ１ＣＰで傾きが４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの直線（一点鎖線の直線）とを、周波数ｆ０の点で滑らかにつなぐ線で近似できる。切片がＥＣ１ＣＰ／（Ｃ１＋ＣＰ）である直線は、ハイパスフィルタ４０２を含まない回路におけるノイズ周波数とノイズ電流との関係の破線に一致する。

ハイパスフィルタ４０２の設計は、周波数ｆ０が、励振信号源４５１の周波数（例えば１００ｋＨｚ）と、主なノイズである触覚信号のより高い周波数（例えば１２４０Ｈｚ）との間になるように、ハイパスフィルタ４０２の容量値Ｃ１及び抵抗値Ｒを決定する。図８は、このように容量値Ｃ１及び抵抗値Ｒが設定された例を示す。

このように、ハイパスフィルタ４０２は、検出電極４０１の電流信号における触覚信号成分を、タッチ検出のための電流信号に対して大きく低下させることができる。図８の例において、１２４０Ｈｚのノイズは、ハイパスフィルタ４０２によって、２７５μＡから２６μＡに大きく低下している。

以下において、いくつかのハイパスフィルタ４０２の比較例を説明する。以下に説明する比較例のハイパスフィルタは、本開示のハイパスフィルタ４０２のように、検出電極での電流信号に含まれるノイズ成分の所望の減衰特性を示すことができない。

図９は、比較例２の回路構成を示す。図５に示す本開示の回路と比較して、ハイパスフィルタ４０２がフィルタ４２７に置き換えられている。他の構成は、同様である。フィルタ４２７は、容量素子４２３及び抵抗素子４２４を含む。抵抗素子４２４の接続ノードが、本開示のハイパスフィルタ４０２と異なる。

具体的には、本開示のハイパスフィルタ４０２の抵抗素子４２２は、検出電極４０１と容量素子４２１との間のノードと励振信号源４５１との間に接続されている。一方、比較例２の抵抗素子４２４は、容量素子４２３とＩ－Ｖ変換回路４０３との間のノードと励振信号源４５１との間に接続されている。

図１０は、比較例２のフィルタ４２７と図５に示す本開示のハイパスフィルタ４０２の、特性を比較するグラフである。図１０は、図８と同様に、ノイズ源５０５からのノイズ信号とノイズ電流との間の関係の解析結果を示すグラフである。横軸はノイズ源５０５の周波数を示し、縦軸は電流検出回路４３５で測定されるノイズ電流の大きさを示す。

図１０において、実線は本開示のハイパスフィルタ４０２の特性を示し、破線は比較例２のフィルタ４２７の特性を示す。図１０に示すように、比較例２のフィルタ４２７は、タッチ検出のための励振信号に対して、より低い触覚信号の周波数成分を大きく減衰させる特性を示さない。

次に、他の比較例のハイパスフィルタを説明する。図１１は、比較例３の回路構成を示す。図５に示す本開示の回路と比較して、ハイパスフィルタ４０２がフィルタ４２８に置き換えられている。他の構成は、同様である。フィルタ４２８は、容量素子４２５及び抵抗素子４２６を含む。

容量素子４２５及び抵抗素子４２６の接続構成が、本開示のハイパスフィルタ４０２と異なる。具体的には、比較例３のフィルタ４２８において、容量素子４２５及び抵抗素子４２６は、検出電極４０１とＩ－Ｖ変換回路４０３との間において直列に接続されている。

図１２は、比較例３のフィルタ４２８と図５に示す本開示のハイパスフィルタ４０２の、特性を比較するグラフである。図１２は、図８と同様に、ノイズ源５０５からのノイズ信号とノイズ電流との間の関係の解析結果を示すグラフである。横軸はノイズ源５０５の周波数を示し、縦軸は電流検出回路４３５で測定されるノイズ電流の大きさを示す。

図１２において、実線は本開示のハイパスフィルタ４０２の特性を示し、破線は比較例３のフィルタ４２８の特性を示す。図１２に示すように、比較例３のフィルタ４２８は、タッチ検出のための励振信号に対して、より低い触覚信号の周波数成分を大きく減衰させる特性を示さない。

比較例２及び比較例３を参照して説明したように、検出電極４０１における電流信号のノイズをＣＲハイパスフィルタで低減するためには、抵抗素子と容量素子の接続関係が重要である。本開示のハイパスフィルタ４０２は、上記構成を有することで、検出電極４０１における電流信号のノイズを効果的に低減することができる。

上述のように、本開示のハイパスフィルタ４０２は、基準電位として励振信号源４５１の励振信号を与えられる。この構成により、Ｉ－Ｖ変換回路４０３で測定されるオフセット電流を低減し、より正確なタッチ検出を行うことができる。図１３は、三つの等価回路における電流検出回路４３５で測定されるオフセット電流のシミュレーション結果を示す。ここで、オフセット電流とは、タッチが無い時に電流検出回路４３５に流れる電流である。このオフセット電流は、ベースライン電流とも呼ばれる。

三つの等価回路は、図７に示すハイパスフィルタを含まない比較例１の回路と、図６に示す本開示の等価回路と、図６に示す本開示の等価回路においてハイパスフィルタ４０２に対してグランド電位を基準電位として与える回路である。

図１３において、棒１３１は、比較例１の回路のオフセット電流を示し、棒１３２は、ハイパスフィルタ４０２にグランド電位を基準電位として与える回路のオフセット電流を示す。棒１３３は、ハイパスフィルタ４０２に励振信号を基準電位として与える本開示の回路のオフセット電流を示す。なお、ハイパスフィルタ４０２の容量素子４２１の容量値Ｃ１は１０ｎＦ、抵抗素子４２２の抵抗値Ｒは１．５ｋΩである。

図１３のグラフから理解されるように、ハイパスフィルタ４０２に励振信号を基準電位として与えることで、Ｉ－Ｖ変換回路４０３で測定されるオフセット電流を大きく低減することができる。

さらに、同様の三つの回路における無タッチ時に電流検出回路４３５で測定される電流と、タッチ時に電流検出回路４３５で測定される電流との電流差のシミュレーションを行った。図１４は、そのシミュレーション結果を示す。

図１４において、棒１４１は、比較例１の回路の電流差を示し、棒１４２は、ハイパスフィルタ４０２にグランド電位を基準電位として与える回路の電流差を示す。棒１４３は、ハイパスフィルタ４０２に励振信号を基準電位として与える本開示の回路の電流差を示す。

図１４のグラフから理解されるように、ハイパスフィルタ４０２に励振信号を基準電位として与えることで、タッチ検出のための必要な電流差を得ることができると共に、グランド電位をハイパスフィルタ４０２に与える構成と比較して、より大きな電流差を得ることができる。

以下において、本開示のハイパスフィルタの他の構成例を説明する。以下に説明される例は、ハイパスフィルタ４０２のように、二種類の受動回路素子で構成されている。受動回路素子は、容量素子、抵抗素子、又はインダクタンス素子である。

図１５は、本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。ハイパスフィルタ４７１は、ハイパスフィルタ４０２の構成に加え、第２の容量素子４４２を含む。第２の容量素子４４２の容量値Ｃ２は、第１の容量素子４２１の容量値Ｃ１と同じ又は異なる。

第２の容量素子４４２は、抵抗素子４２２の接続ノードと検出電極４０１との間において、第１の容量素子４２１及び検出電極４０１と直列に接続されている。図１５に示すハイパスフィルタ４７１によっても、オフセット電流の増加を抑制しつつ励振信号の周波数よりも低い周波数のノイズ成分を効果的に低減することができる。

図１６は、本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。ハイパスフィルタ４７２は、インダクタンス素子（インダクタ）４４３と、抵抗素子４４４とで構成されている（ＬＲハイパスフィルタ）。インダクタンス素子４４３のインダクタンスはＬで表わされており、抵抗素子４４４の抵抗値はＲ１で表わされている。

抵抗素子４４４は、検出電極４０１とＩ－Ｖ変換回路４０３との間において、検出電極４０１及びＩ－Ｖ変換回路４０３に直列に接続されている。インダクタンス素子４４３は、検出電極４０１と抵抗素子４４４との間ノードと励振信号源４５１との間において、当該ノード及び励振信号源４５１に直列に接続されている。

図１６に示すハイパスフィルタ４７２によっても、オフセット電流の増加を抑制しつつ励振信号の周波数よりも低い周波数のノイズ成分を効果的に低減することができる。このように、ハイパスフィルタは、容量素子とインダクタンス素子のいずれのリアクタンス素子を使用することもできる。

図１７は、本開示の他の構成例のハイパスフィルタを示す。ハイパスフィルタ４７３は、ハイパスフィルタ４７２の構成に加え、第２の抵抗素子４４５を含む。第２の抵抗素子４４５の抵抗値Ｒ２は、第１の抵抗素子４４４の抵抗値Ｒ１と同じ又は異なる。

第２の抵抗素子４４５は、インダクタンス素子４４３の接続ノードと検出電極４０１との間において、第１の抵抗素子４４４及び検出電極４０１と直列に接続されている。図１７に示すハイパスフィルタ４７３によっても、オフセット電流の増加を抑制しつつ励振信号の周波数よりも低い周波数のノイズ成分を効果的に低減することができる。

なお、本開示の特徴の少なくとも一部は、テクスチャ感を提示することなくタッチ位置検出のみを行うタッチパネルの制御に適用できる。例えば、本開示のハイパスフィルタを含むタッチパネル駆動部３５１は、触覚提示機能を有していないタッチパネル装置にも適用可能である。

ハイパスフィルタのパラメータ値（容量値、抵抗値、インダクタンス値）は、装置の設計に依存する。上記例のように、触覚提示機能を有する装置においては、主なノイズである触覚信号の周波数の成分を遮断するように、ハイパスフィルタのパラメータが設定される。触覚提示機能を有していないタッチパネル装置においても、タッチ検出に悪影響を及ぼすノイズを遮断できるように、ハイパスフィルタのパラメータが設定される。

本開示の特徴は、タッチパネル以外の静電容量センサ装置に適用可能である。例えば、本開示の特徴は、タッチスイッチ、タッチパッド、静電容量式の人体近接センサ、静電容量式の液体検出センサ等、電極の自己容量を検出する様々な静電容量センサ装置の容量検出回路に適用可能である。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

１０ 表示装置、１５ 触覚提示タッチパネル装置、１００ 触覚提示タッチパネル、１０１ 接触面、１０１ 支持基板、１０５ タッチ面、２００ 表示パネル、３００ 表示装置制御部、３５０ 触覚提示タッチパネル制御部、３５１ タッチパネル駆動部、３５２ Ｘ電極駆動部、３５３ Ｙ電極駆動部、３５４、３５５ スイッチ、３５６ 主制御部、４０１ 検出電極、４０２ ハイパスフィルタ、４０３ Ｉ－Ｖ変換回路、４０４ 減算器、４０５ ハイパスフィルタ、４０６ 前処理回路、４０７ 変換回路、４０８ 振幅抽出演算回路、４２１ 容量素子、４２２ 抵抗素子、４２３ 容量素子、４２４ 抵抗素子、４２５ 容量素子、４２６ 抵抗素子、４２７ フィルタ、４２８ フィルタ、４３１ オペアンプ、４３５ 電流検出回路、４４２ 容量素子、４４３ インダクタンス素子、４４４ 抵抗素子、４４５ 抵抗素子、４５１ 励振信号源、４７１ ハイパスフィルタ、４７２ ハイパスフィルタ、４７３ ハイパスフィルタ、５０１ 触覚信号源、５０２ 触覚信号源、５０３ 寄生容量、５０５ ノイズ源

Claims (9)

1. 検出電極の自己容量を測定するために、前記検出電極からの電流を測定する、容量検出回路であって、
   前記検出電極を駆動する交流駆動電圧を与える、励振信号源と、
   前記検出電極から入力された電流信号を、前記励振信号源の周波数よりも低い所定周波数領域で減衰させて出力する、ハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタと前記励振信号源との間に接続され、前記ハイパスフィルタからの電流信号を測定する、電流信号測定回路と、を含み、
   前記ハイパスフィルタは、
   前記検出電極と前記電流信号測定回路との間に直列に接続されている第１受動回路素子と、
   前記検出電極と前記第１受動回路素子との間のノードと、前記励振信号源との間において、直列に接続されている第２受動回路素子と、
   を含む、容量検出回路。
2. 請求項１に記載の容量検出回路であって、
   前記第１受動回路素子は容量素子であり、
   前記第２受動回路素子は抵抗素子である、
   容量検出回路。
3. 請求項１に記載の容量検出回路であって、
   前記第１受動回路素子は抵抗素子であり、
   前記第２受動回路素子はインダクタンス素子である、
   容量検出回路。
4. 請求項２に記載の容量検出回路であって、
   前記電流信号測定回路は、オペアンプを含む電流電圧変換回路であり、
   前記オペアンプの反転入力と前記容量素子とが接続され、
   前記励振信号源と前記オペアンプの非反転入力とが接続され、
   前記オペアンプの反転入力と出力との間に第２抵抗素子が接続されている、
   容量検出回路。
5. 請求項１に記載の容量検出回路であって、
   前記容量検出回路は、タッチパネルの検出電極の自己容量を測定し、
   前記タッチパネルはタッチ位置を特定するための複数の検出電極を含み、
   前記容量検出回路は、前記複数の検出電極から選択された検出電極からの電流を測定し、
   前記容量検出回路により選択された前記検出電極と異なる検出電極に、触覚提示のための交流信号が入力されており、
   前記触覚提示のための交流信号の周波数は、前記所定周波数領域に含まれる、
   容量検出回路。
6. 検出電極と、
   前記検出電極の自己容量を測定するために、前記検出電極の電流を測定する、制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記検出電極を駆動する交流駆動電圧を与える、励振信号源と、
   前記検出電極から入力された電流信号を、前記励振信号源の周波数よりも低い所定周波数領域で減衰させて出力する、ハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタと前記励振信号源との間に接続され、前記ハイパスフィルタからの電流信号を測定する、電流信号測定回路と、を含み、
   前記ハイパスフィルタは、
   前記検出電極と前記電流信号測定回路との間に直列に接続されている第１受動回路素子と、
   前記検出電極と前記第１受動回路素子との間のノードと、前記励振信号源との間において、直列に接続されている第２受動回路素子と、
   を含む、静電容量センサ装置。
7. 請求項６に記載の静電容量センサ装置であって、
   前記第１受動回路素子は容量素子であり、
   前記第２受動回路素子は抵抗素子である、
   静電容量センサ装置。
8. 請求項６に記載の静電容量センサ装置であって、
   前記第１受動回路素子は抵抗素子であり、
   前記第２受動回路素子はインダクタンス素子である、
   静電容量センサ装置。
9. 請求項６に記載の静電容量センサ装置であって、
   前記検出電極を含む複数の検出電極を含むタッチパネルを含み、
   前記制御部は、
   前記複数の検出電極から順次選択された検出電極からの電流を測定し、
   電流測定のために選択された検出電極と異なる検出電極に、触覚提示のための交流信号を供給し、
   前記触覚提示のための交流信号の周波数は、前記所定周波数領域に含まれる、
   静電容量センサ装置。

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