(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の接触を検知する静電容量型タッチセンサ回路であって、人体の接触に応じた静電容量の変化が発生可能に構成されてなるセンサ本体部と、前記センサ本体部の静電容量の変化に基づいて前記センサ本体部への人体の接触が生じた際に所定の信号を出力可能に構成されてなる信号処理部とを有してなり、
前記センサ本体部は、基板と、前記基板上に形成された第一導電層と、前記基板に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜に積層された第二導電層からなるセンサ板とを有し、前記基板、前記絶縁膜、及び前記センサ板が樹脂パッケージにより被覆されてなり、前記基板には、電源電圧が印加されてなる一方、
前記信号処理部は、正弦波信号を生成、出力する正弦波発振回路が設けられ、当該正弦波発振回路の出力端子は、前記第一導電層へ直接接続されると共に、第１の抵抗器を介して前記センサ板に接続され、
前記第１の抵抗器の端子間電位差を増幅する計装アンプが設けられると共に、前記計装アンプの出力が人体の接触を検知し所定の閾値電圧を超える場合に所定の信号を出力する比較器が設けられてなることを特徴とする静電容量型タッチセンサ回路。
【請求項２】
前記センサ本体部は、前記基板と、前記基板上に形成された拡散層あるいは導電膜からなる前記第一導電層と、前記基板に積層された絶縁膜と、当該絶縁膜に積層された導電膜からなる前記第二導電層からなるセンサ板からなり、
前記基板、前記絶縁膜、及び前記センサ板が樹脂パッケージにより被覆されてなり、前記基板には、電源電圧が印加されてなることを特徴とする請求項１記載の静電容量型タッチセンサ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型タッチセンサ回路に係り、特に、半導体集積回路化における動作特性の向上等を図ったものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の回路としては、例えば、図７に示された構成を有するものなどが良く知られている。
以下、図７に示された従来回路について説明することとする。
この従来の静電容量型タッチセンサ回路は、信号処理回路（図７においては「ＳＩＧ」と表記）４１と、検出部４２とに大別されて構成されてなるものである。
特に、係る従来回路は、センサ板４３を除いた他の部分がチップ化され、センサ板４３は、チップの外部に作成された構成となっている。
なお、このような静電容量型タッチセンサ回路としては、例えば、特許文献１等に開示されたものがある。
【０００３】
信号処理回路４１は、センサ板４３への指（図示せず）の接触と離間による容量変化を検出し、その接触の際に所定の信号を外部へ出力するよう構成されてなると共に、検出部４２のスイッチＳ１〜Ｓ３の開閉成を制御するよう構成されたものである（詳細は後述）。
検出部４２は、センサ板４３への指の接触による容量変化が生ずるよう構成されてなるもので、スイッチＳ１〜Ｓ３、容量Ｃｓ、センサ板４３を主たる構成要素として構成されてなるものである。
なお、図７において、Ｃｘは、センサ板４３に指（図示せず）が接触することによって、センサ板４３とグランドとの間に生ずる容量（タッチ容量）を回路素子として等価的に示したもので、かかる容量はほぼ一定値となっている。
【０００４】
次に、かかる構成における動作について、図７乃至図９を参照しつつ説明する。
なお、図８は、スイッチＳ１〜Ｓ３の動きと、その機能を説明する説明図であり、図９は、容量Ｃｓの両端の電圧変化を示すと特性線図である。
まず、最初に、スイッチＳ１がオフとされる一方、スイッチＳ２，Ｓ３がオン（閉成）とされ、容量Ｃｓ、Ｃｘに蓄積された電荷の完全放電（図８においては「RESET ALL」と表記）が行われる（ステップ１）。次いで、スイッチＳ１がオンとされる一方、スイッチＳ２かＳ３がオフ（開成）とされることによって（ステップ２）、容量Ｃｓ、Ｃｘに電荷が蓄積される（図８において「CHARGE-TRANSFER」と表記）。次いで、スイッチＳ１，Ｓ３がオフとされる一方、スイッチＳ２がオンとされることによって（ステップ３）、容量Ｃｘの電荷が放電されることとなる（図８においては「HOLD」、「MEASURE」と表記）。
【０００５】
そして、上述のステップ２とステップ３が複数回繰り返されることによって、容量Ｃｓに蓄積される電荷量は、繰り返しの度毎に増加し、スイッチＳ２がオンの時のグランドを基準とすると、容量Ｃｓの端子電圧Ｖｃｓは、上述の繰り返しの度毎に上昇してゆく（図９参照）。なお、図９において、横軸はステップ２、ステップ３の繰り返し回数、縦軸は、電圧Ｖｃｓの大きさを、それぞれ表している。
【０００６】
一方、センサ板４３に指が接触されていない場合、先のステップ２の状態にあっては、容量Ｃｓは、開放状態と等価となり、電荷の蓄積は行われず、そのため、電圧Ｖｃｓは低電位のままである。
しかして、信号処理回路４１においては、かかる電圧変化が検出され、センサ板４３へ対する指の接触に対応する所定の信号が出力されるようになっている。
【０００７】
ところで、上述の従来回路において、チップ外部に取着されたセンサ板４３を、チップ内部に設けるための構成としては、例えば、図１０に示されたような構成を採ることができる。
すなわち、図１０に示された構成は、シリコン基板４５の一面に絶縁膜４６を形成すると共に、この絶縁膜４６の一面に適宜な大きさの導電膜によるセンサ板４３を形成し、樹脂パッケージ４７内に密閉したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６４６６０３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述の構成においては、導電膜を用いたセンサ板４３とシリコン基板４５との間に、寄生容量Ｃｐが発生するが、この寄生容量Ｃｐを分離することができないため、図７の回路におけるスイッチＳ１に相当する機能を有するスイッチを回路中に接続することができないという問題がある。
また、例えば、図１１に示されたようにタッチ容量Ｃｘに対してスイッチＳを接続する構成が考えられるが、この場合、タッチ容量Ｃｘに対して上述の寄生容量Ｃｐが並列接続された状態となる。図１０に示された構成において、シリコン基板４５上に形成される絶縁膜４６の膜厚は、通常、パッケージ厚よりも薄いため、タッチ容量値と導電膜寄生容量値との差は、２桁程度、寄生容量値の方が大きくなる。そのため、回路動作に対してタッチ容量Ｃｘよりも寄生容量Ｃｐが支配的となり、タッチ容量Ｃｘの変化による指の接触を検出することが難しくなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、基板上に導電膜によりセンサ板を設ける構造において、人体の接触を確実に検知可能とする静電容量型タッチセンサ回路を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る静電容量型タッチセンサ回路は、
人体の接触を検知する静電容量型タッチセンサ回路であって、人体の接触に応じた静電容量の変化が発生可能に構成されてなるセンサ本体部と、前記センサ本体部の静電容量の変化に基づいて前記センサ本体部への人体の接触が生じた際に所定の信号を出力可能に構成されてなる信号処理部とを有してなり、
前記センサ本体部は、基板と、前記基板上に形成された第一導電層と、前記基板に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜に積層された第二導電層からなるセンサ板とを有し、前記基板、前記絶縁膜、及び前記センサ板が樹脂パッケージにより被覆されてなり、前記基板には、電源電圧が印加されてなる一方、
前記信号処理部は、正弦波信号を生成、出力する正弦波発振回路が設けられ、当該正弦波発振回路の出力端子は、前記第一導電層へ直接接続されると共に、第１の抵抗器を介して前記センサ板に接続され、
前記第１の抵抗器の端子間電位差を増幅する計装アンプが設けられると共に、前記計装アンプの出力が人体の接触を検知し所定の閾値電圧を超える場合に所定の信号を出力する比較器が設けられてなるものである。
かかる構成において、前記センサ本体部は、前記基板と、前記基板上に形成された拡散層あるいは導電膜からなる前記第一導電層と、前記基板に積層された絶縁膜と、当該絶縁膜に積層された導電膜からなる前記第二導電層からなるセンサ板からなり、
前記基板、前記絶縁膜、及び前記センサ板が樹脂パッケージにより被覆されてなり、前記基板には、電源電圧が印加されてなるものとしても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、人体の接触により生ずるタッチ容量に対する、センサ板をパッケージ内に配設した際に生ずる寄生容量の影響が抑圧されるよう構成したので、従来と異なり、タッチ容量の確実な変化を発生させ、それによって、人体の接触を確実に検出することができ、より信頼性の高い静電容量型タッチセンサ回路を提供することができるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態の静電容量型タッチセンサ回路の第１の構成例における回路構成をセンサ本体部の構造と共に示した構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の静電容量型タッチセンサ回路の第２の構成例の回路構成をセンサ本体部の構造と共に示した構成図である。
【図３】図１に示された第１の構成例における静電容量型タッチセンサ回路の回路構成を、センサ本体部の等価回路と共に示した回路図である。
【図４】図２に示された第２の構成例における静電容量型タッチセンサ回路の回路構成を、センサ本体部の等価回路と共に示した回路図である。
【図５】本発明の実施の形態の静電容量型タッチセンサ回路における計装アンプの出力特性を示す特性線図である。
【図６】本発明の実施の形態の静電容量型タッチセンサ回路における比較器の出力波形を示す波形図であり、図６（Ａ）は、指の接触がある場合の比較器の出力波形を示す波形図、図６（Ｂ）は、指の接触が無い場合の比較器の出力波形を示す波形図である。
【図７】従来回路の一回路構成例を示す回路図である。
【図８】図７に示された従来回路の動作を説明する説明図である。
【図９】図７に示された従来回路の容量Ｃｓの電圧変化を示す特性線図である。
【図１０】センサ板をチップ内部に設けた静電容量型タッチセンサ回路の構成例を示す構成図である。
【図１１】図１０に示された構成の静電容量型タッチセンサの回路接続例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図６を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態の静電容量型タッチセンサ回路の第１の構成例について、図１及び図３を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における静電容量型タッチセンサ回路は、センサ本体部１０１と、計装アンプ１０２と、比較器（図１、図３においては「COMP1」と表記）１５と、正弦波発振回路（図１、図３においては「ＶＳＩＮ」と表記）１４とを主たる構成要素として構成されたものとなっている。
なお、図１は、第１の構成例における静電容量型タッチセンサ回路の回路構成を、センサ本体部１０１の構成と共に示したもので、図３は、センサ本体部１０１を等価回路とした回路図で、、回路図としては、実質的に同一のものである。
【００１５】
まず、センサ本体部１０１は、絶縁性部材からなり、全体形状が矩形状に形成された絶縁部材からなる基部１の一面側に適宜な大きさでシリコンが積層されシリコン基板２が形成されると共に、このシリコン基板２の上面（基部１と反対側に位置する面）側には拡散層３が形成されたものとなっている。さらに、シリコン基板２には、絶縁膜４が積層され、この絶縁膜４上にほぼ同じ大きさのセンサ板５が導電膜の形成により設けられている。
【００１６】
そして、シリコン基板２、絶縁膜４及びセンサ板５と共に、これらが設けられた基部１の一面側が樹脂を用いた樹脂パッケージ６によって覆われた構造となっている。
本発明の実施の形態におけるシリコン基板２には、ｎ型基板が用いられており、電源電圧Ｖｃｃが印加されたものとなっている。
かかるセンサ本体部１０１において、樹脂パッケージ６の外部に人体、例えば、指が接触されることによって、センサ板５とグランドとの間には、タッチ容量Ｃｘが、拡散層３とシリコン基板２との間には、寄生容量としての拡散層・シリコン基板間寄生容量Ｃ１が、センサ板５と拡散層３との間には、寄生容量としてのセンサ板・拡散層間寄生容量Ｃ２が、それぞれ生ずることとなる。
【００１７】
一方、計装アンプ１０２は、第１乃至第３の演算増幅器（図１、図３においては、それぞれ「AMP1」、「AMP2」、「AMP3」と表記）１１〜１３を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
【００１８】
以下、具体的な回路接続について説明すれば、まず、第１の演算増幅器１１の非反転入力端子は、正弦波発振回路１４の出力端子と共に、拡散層３に接続されている（図１参照）。換言すれば、第１の演算増幅器１１の非反転入力端子は、正弦波発振回路１４の出力端子と共に、拡散層・シリコン基板間寄生容量Ｃ１とセンサ板・拡散層間寄生容量Ｃ２との節点に接続されたものとなっている（図３参照）。
【００１９】
また、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ１」と表記）２１を介して第２の演算増幅器１２の非反転入力端子に接続されると共に、センサ板５に接続されている。すなわち、換言すれば、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の抵抗器２１を介してセンサ板・拡散層間寄生容量Ｃ２とタッチ容量Ｃｘの節点に接続されたものとなっている。
なお、正弦波発振回路１４は、Ｖ・ｓｉｎωｔで表されるいわゆる正弦波を発振、出力するよう構成された公知・周知の回路である。
【００２０】
一方、第１の演算増幅器１１の反転入力端子と第２の演算増幅器１２の反転入力端子は、第２の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ２」と表記）２２を介して相互に接続されると共に、第１の演算増幅器１１の反転入力端子と出力端子は、第３の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ３」と表記）２３を介して相互に接続され、また、第２の演算増幅器１２の反転入力端子と出力端子は、第４の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ４」と表記）２４を介して相互に接続されたものとなっている。
【００２１】
そして、第１の演算増幅器１１の出力端子は、第５の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ５」と表記）２５を介して第３の演算増幅器１３の反転入力端子に接続される一方、第２の演算増幅器１２の出力端子は、第６の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ６」と表記）２６を介して第３の演算増幅器１３の非反転入力端子に接続されたものとなっている。
また、第３の演算増幅器１３の非反転入力端子には、第７の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ７」と表記）２７を介して、基準電源１６による基準電圧Ｖrefが印加されるようになっている。
【００２２】
さらに、第３の演算増幅器１３の反転入力端子と出力端子は、第８の抵抗器（図１、図３においては「Ｒ８」と表記）２８を介して相互に接続されると共に、出力端子は、比較器１５の非反転入力端子に接続されたものとなっている。
比較器１５の反転入力端子には、第９及び第１０の抵抗器（図１、図３においては、それぞれ「Ｒ９」、「Ｒ１０」と表記）２９，３０により電源電圧Ｖｃｃを抵抗分割した電圧が印加されるようになっている。すなわち、第９及び第１０の抵抗器２９，３０は、直列に接続され、第９の抵抗器２９の一端に電源電圧Ｖｃｃが印加される一方、第１０の抵抗器３０の一端がグランドに接続されており、第９及び第１０の抵抗器２９，３０の相互の接続点は、比較器１５の反転入力端子に接続されている。
【００２３】
次に、かかる構成における動作について図３を参照しつつ説明する。
正弦波発振回路１４からセンサ本体部１０１に印加される電圧をＶsinとし、このＶsin＝Ｖｓｉｎωｔが印加されると、センサ板・拡散層間寄生容量Ｃ２とタッチ容量Ｃｘの接続点における入力信号Ｖｘは、Ｖｘ＝｛（１＋ω×Ｃ２×Ｒ１）／（１＋ω×Ｃ２×Ｒ１＋ω×Ｃｘ×Ｒ１）｝×Ｖsinとなる。そして、この際、第１の抵抗器２１で発生する電位差は、Ｖsin−Ｖｘ＝｛（ω×Ｃｘ×Ｒ１）／（１＋ω×Ｃ２×Ｒ１＋ω×Ｃｘ×Ｒ１）｝×Ｖsinとなる。
【００２４】
この式は、指が樹脂パッケージ６の外部に接触した場合、第１の抵抗器２１で発生する電位差が大きくなる一方、指が樹脂パッケージ６に接触していない場合には、電位差が小さくなることを示している。
しかして、この第１の抵抗器２１における電位差は、計装アンプ１０２によって増幅され、増幅を受けた信号は、比較器１５に入力されることとなる。
【００２５】
指が樹脂パッケージ６の外部に接触している場合、計装アンプ１０２の出力振幅は増加し（図５参照）、比較器１５の反転入力端子に設定され閾値電圧を超えるため、比較器１５からは、論理値Ｈｉｇｈに相当するパルス信号ＶＯＵＴが出力されることとなる（図６（Ａ）参照）。
ここで、図５は、指が樹脂パッケージ６の外部に接触している場合と接触してない場合のそれぞれにおける計装アンプ１０２の出力振幅、すなわち、第３の演算増幅器１３の出力端子における電圧変化例を示しており、指が樹脂パッケージ６の外部に接触している場合には、計装アンプ１０２の出力振幅は、指が樹脂パッケージ６の外部に接触していない場合に比して、十分大きく正弦波状に変化していることが確認できる。
【００２６】
また、図６（Ａ）は、指が樹脂パッケージ６の外部に接触している場合における比較器１５の出力電圧変化例を示しており、上述の計装アンプ１０２の出力変化に同期してパルス信号が出力されることが確認できるものとなっている。
一方、指が樹脂パッケージ６に接触していない場合には、計装アンプ１０２の出力振幅は、比較器１５の閾値電圧を超えられないため（図５参照）、比較器１５の出力ＶＯＵＴは、論理値Ｌｏｗに相当するグランド電位となる（図６（Ｂ）参照）。
なお、ここで、図６（Ｂ）は、指が樹脂パッケージ６に接触していない場合における比較器１５の出力電圧の状態を示したものであり、零出力（グランド電位）状態であることが確認できるものとなっている。
【００２７】
このように、本発明の実施の形態においては、正弦波信号を、センサ板５には第１の抵抗器２１を介して、拡散層３には直接、それぞれ印加し、寄生容量Ｃ１，Ｃ２のそれぞれの両端の電位差の変動を抑制し、樹脂パッケージ６に対する指の接触を確実に検知できるようにしたものである。
すなわち、正弦波発振回路１４によってタッチセンサ容量Ｃｘに印加される信号振幅は、寄生容量Ｃ１，Ｃ２のそれぞれの両端の電位差よりも十分に大きいため、タッチ容量Ｃｘに入出力する電流が、寄生容量Ｃ１，Ｃ２に入出力する電流よりも大きくなる。そして、タッチ容量Ｃｘに入出力する電流により第１の抵抗器２１に電位差が発生し、その電位差が計装アンプ１０２により増幅され、その増幅結果を比較器１５において閾値電圧と比較することで、従来と異なり、樹脂パッケージ６に対する指の接触が確実に検知されることとなるものである。
【００２８】
次に、第２の構成例について、図２及び図４を参照しつつ説明する。
なお、図１又は図３に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
まず、この第２の構成例の概略を述べれば、この第２の構成例は、センサ本体部１０１Ａの構成が先の第１の構成例と異なるもので（詳細は後述）、他の回路部分は、第１の構成例と基本的に同一である。
【００２９】
以下、具体的に説明すれば、まず、センサ本体部１０１Ａは、シリコン基板２上に絶縁膜４が適宜な層厚で積層形成され、その上に第２導電膜７が積層形成され、次いで、この第２導電膜７を覆うようにさらに絶縁膜４が積層形成されたものとなっている（図２参照）。
ここで、第２導電膜７は、例えば、一辺が数ｍｍの矩形状に形成されたものである。また、シリコン基板２は、図１に示された先の第１の構成例同様、ｎ型基板を用いたものとなっている。
【００３０】
さらに、絶縁膜４上には、適宜な大きさのセンサ板５が導電膜の形成により設けられている（図２参照）。
そして、図１に示された先の第１の構成例同様、シリコン基板２、絶縁膜４及びセンサ板５と共に、これらが設けられた基部１の一面側が樹脂を用いた樹脂パッケージ６によって覆われた構造となっている（図２参照）。
なお、シリコン基板２は、先の第１の構成例同様、電源電圧Ｖｃｃが印加されたものとなっている。
【００３１】
かかるセンサ本体部１０１Ａにおいて、樹脂パッケージ６の外部に指が接触されることによって、センサ板５とグランドとの間には、先の第１の構成例同様、タッチ容量Ｃｘが、第２導電膜７とシリコン基板２との間は寄生容量としての第２導電膜・シリコン基板間寄生容量Ｃ３が、第２導電膜７とセンサ板５との間には寄生容量としての第２導電膜・センサ板間寄生容量Ｃ４が、それぞれ生ずることとなる。
【００３２】
しかして、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の演算増幅器１１の非反転入力端子と共に、第２導電膜７に直接接続されている（図２参照）。すなわち、換言すれば、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の演算増幅器１１の非反転入力端子と共に、第２導電膜・シリコン基板間寄生容量Ｃ３と第２導電膜・センサ板間寄生容量Ｃ４の節点に接続されたものとなっている（図４参照）。
【００３３】
さらに、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の抵抗器２１を介して第２の演算増幅器１２の非反転入力端子と共に、センサ板５に接続されている（図２参照）。すなわち、換言すれば、正弦波発振回路１４の出力端子は、第１の抵抗器２１を介して第２導電膜・センサ板間寄生容量Ｃ４とタッチ容量Ｃｘとの節点に接続されたものとなっている（図４参照）。
なお、他の回路部分は、基本的に第１の構成例と同一であるので、ここでの再度の詳細な説明は省略することとする。
【００３４】
かかる構成においては、センサ板５に寄生する容量の影響を抑制することで、樹脂パッケージ６の外部に指が接触した際に発生するセンサ板５と指との間のタッチ容量Ｃｘが確実に検知されることとなり、その詳細な回路動作は、図１に示された第１の構成例と基本的に同様であるので、ここでの再度の説明は省略することとする。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
タッチ容量の変化を確実に検出できる構成としたので、指の接触を的確に検出することが求められるセンサ装置に適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
２…シリコン基板
３…拡散層
４…絶縁膜
５…センサ板
６…樹脂パッケージ
７…第２導電膜
１４…正弦波発振回路
１５…比較器
１０１…センサ本体部
１０２…計装アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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