(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量を測定する容量測定回路であって、
前記静電容量と固定電圧端子の間に設けられた第１トランジスタと、
前記第１トランジスタによる前記静電容量の充電動作のオン、オフを切りかえるためのセンススイッチと、
補正用キャパシタと、
前記補正用キャパシタを充電する補正用充電回路と、
前記第１トランジスタに流れる第１充電電流に応じた検出電流と、前記補正用充電回路から前記補正用キャパシタに流れる第２充電電流に応じた補正電流を合成し、合成電流を生成する電流合成回路と、
を備え、前記合成電流にもとづいて前記静電容量を検出することを特徴とする容量測定回路。
【請求項２】
前記第１充電電流は、前記静電容量の電圧を、所定電圧幅変化させるときに流れる電流であり、
前記第２充電電流は、前記補正用キャパシタの電圧を、前記所定電圧幅変化させるときに流れる電流であることを特徴とする請求項１に記載の容量測定回路。
【請求項３】
前記第１トランジスタを含み前記静電容量を充電する回路と、前記補正用充電回路は同じ構成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の容量測定回路。
【請求項４】
前記センススイッチは、前記静電容量と前記固定電圧端子の間に、前記第１トランジスタと直列に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項５】
前記第１トランジスタが入力となる第１カレントミラー回路を形成するように前記第１トランジスタと接続される第２トランジスタをさらに備え、
前記第２トランジスタに流れる電流が前記検出電流であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項６】
前記補正用充電回路は、
前記補正用キャパシタと前記固定電圧端子の間に設けられた第３トランジスタと、
前記第３トランジスタによる前記補正用キャパシタの充電動作のオン、オフを切りかえるための補正スイッチと、
前記第３トランジスタが入力となる第２カレントミラー回路を形成するように前記第３トランジスタと接続される第４トランジスタと、
を備え、前記第４トランジスタに流れる電流が前記補正電流であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項７】
前記第２カレントミラー回路のミラー比は可変であることを特徴とする請求項６に記載の容量測定回路。
【請求項８】
前記補正スイッチは前記センススイッチと同期制御されることを特徴とする請求項７に記載の容量測定回路。
【請求項９】
前記合成電流により充放電される積分用キャパシタをさらに備え、
前記積分用キャパシタの電圧が、前記静電容量に応じた検出電圧であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項１０】
前記静電容量の電荷を初期化する第１リセットスイッチと、
前記補正用キャパシタの電荷を初期化する第２リセットスイッチと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項１１】
前記補正用キャパシタは可変容量であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項１２】
複数の静電容量それぞれを測定する容量測定回路であって、
前記複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが対応する静電容量に応じた検出電流を生成する複数の容量電流変換回路と、
前記複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが補正電流を生成する複数の補正電流生成回路と、
前記複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが対応する検出電流と対応する補正電流を合成し、合成電流を生成する複数の電流合成回路と、
を備え、
前記複数の補正電流生成回路はそれぞれ、
補正用キャパシタと、
前記補正用キャパシタを充電する補正用充電回路と、
を備え、前記補正電流は、前記補正用充電回路から前記補正用キャパシタへ流れる第２充電電流に応じていることを特徴とする容量測定回路。
【請求項１３】
前記容量電流変換回路と前記補正用充電回路は同じ構成を有することを特徴とする請求項１２に記載の容量測定回路。
【請求項１４】
前記複数の容量電流変換回路はそれぞれ、
前記静電容量と固定電圧端子の間に設けられた第１トランジスタと、
前記第１トランジスタによる前記静電容量の充電動作のオン、オフを切りかえるためのセンススイッチと、
前記第１トランジスタが入力となる第１カレントミラー回路を形成するように前記第１トランジスタと接続される第２トランジスタと、
を含み、前記第２トランジスタに流れる電流が前記検出電流であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の容量測定回路。
【請求項１５】
前記補正用充電回路は、
前記補正用キャパシタと前記固定電圧端子の間に設けられた第３トランジスタと、
前記第３トランジスタによる前記補正用キャパシタの充電動作のオン、オフを切りかえるための補正スイッチと、
前記第３トランジスタが入力となる第２カレントミラー回路を形成するように前記第３トランジスタと接続される第４トランジスタと、
を備え、前記第４トランジスタに流れる電流が前記補正電流であることを特徴とする請求項１４に記載の容量測定回路。
【請求項１６】
前記第２カレントミラー回路のミラー比は可変であることを特徴とする請求項１５に記載の容量測定回路。
【請求項１７】
前記補正スイッチは、前記センススイッチと同期制御されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の容量測定回路。
【請求項１８】
前記複数の補正電流生成回路それぞれの出力ノードは、対応する容量電流変換回路の出力ノードと接続されることを特徴とする請求項１２から１７のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項１９】
前記複数の容量電流変換回路により生成される複数の検出電流の平均電流、または複数の合成電流の平均電流を生成する電流平均化回路をさらに備え、
前記複数の電流合成回路はそれぞれ、対応する検出電流、対応する補正電流に加えて、平均電流を合成することを特徴とする請求項１２から１８のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項２０】
前記電流平均化回路は、
前記複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応する検出電流に比例したコピー電流を生成するよう接続される、複数の第５トランジスタと、
前記複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応するコピー電流の経路上に設けられ、それぞれの制御端子が共通に接続されている、複数の第６トランジスタと、
前記複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応する第６トランジスタが入力となる第３カレントミラー回路を形成するように対応する第６トランジスタと接続された、複数の第７トランジスタと、
を含み、前記複数の第７トランジスタに流れる電流が前記平均電流であることを特徴とする請求項１９に記載の容量測定回路。
【請求項２１】
前記複数の補正電流生成回路それぞれの出力ノードは、対応する前記第５トランジスタと対応する第６トランジスタの接続ノードと接続されることを特徴とする請求項２０に記載の容量測定回路。
【請求項２２】
前記複数の静電容量に対応し、それぞれが対応する合成電流により充放電される複数の積分用キャパシタをさらに備え、前記積分用キャパシタの電圧が、前記静電容量に応じた検出電圧であることを特徴とする請求項１２から２１のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項２３】
前記補正用キャパシタは可変容量であることを特徴とする請求項１２から２２のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項２４】
ひとつの半導体集積回路上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載の容量測定回路。
【請求項２５】
複数のセンサ電極を含み、ユーザの接触した座標近傍のセンサ電極の静電容量が変化するタッチパネルと、
請求項１２から２３のいずれかに記載の容量測定回路と、
を備えることを特徴とする入力装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の入力装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項２７】
静電容量の測定方法であって、
前記静電容量と固定電圧端子の間に順に直列に設けられた、センススイッチおよび第１トランジスタによって、センススイッチをオンした状態で前記静電容量を充電するステップと、
前記第１トランジスタを入力とする第１カレントミラー回路によって前記静電容量への充電電流をコピーするステップと、
前記センススイッチと同期して、補正用キャパシタを充電するステップと、
前記静電容量への充電電流と、前記補正用キャパシタへの充電電流を合成し、合成後の充電電流にもとづいて前記静電容量の容量値を検出するステップと、
を備えることを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータやスマートホン、タブレット端末、ポータブルオーディオ機器などの電子機器には、ユーザインタフェースとして、タッチ式の入力装置が搭載される。タッチ式の入力装置としては、タッチパッド、ポインティングデバイスなどが知られており、指やスタイラスを接触あるいは近接することにより様々な入力が可能となっている。
【０００３】
タッチ式入力装置は大きく、抵抗膜方式と静電容量方式に分類される。静電容量方式は、ユーザ入力に応じて、複数のセンサ電極が形成する静電容量（以下、単に容量ともいう）の変化を電気信号に変換することにより、ユーザ入力の有無、座標を検出する。
【０００４】
静電容量測定には、自己容量（Self Capacitance）方式と、相互容量(Mutual Capacitance)方式がある。特許文献２には、自己容量方式の容量測定回路が開示される。図１は、従来の自己容量方式の容量測定回路１００ｒの基本構成を示す回路図である。容量測定回路１００ｒは、Ｃ／Ｖ（容量／電圧）変換回路であり、検出対象の静電容量ＣＳに応じた検出電圧ＶＳを生成する。
【０００５】
容量測定回路１００ｒは主として、Ｃ／Ｉ（容量／電流）変換回路１０ｒおよびＩ／Ｖ（電流／電圧変換回路）２０ｒを含む。Ｃ／Ｉ変換回路１０ｒは、静電容量ＣＳに応じた検出電流ＩＳを生成する。Ｃ／Ｉ変換回路１０ｒは、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、リセットスイッチＳＷ１、センススイッチＳＷ２を含む。リセットスイッチＳＷ１は、静電容量ＣＳの電荷を初期化する。第１トランジスタＭ１およびセンススイッチＳＷ２は、電源ラインＶＤＤと静電容量ＣＳの間に直列に設けられる。第１トランジスタＭ１および第２トランジスタＭ２はカレントミラー回路を形成している。
【０００６】
Ｉ／Ｖ変換回路２０ｒは、第２トランジスタＭ２に流れる検出電流ＩＳを検出電圧ＶＳに変換する。たとえばＩ／Ｖ変換回路２０ｒは、検出電流ＩＳに応じて充放電される積分用キャパシタＣＩＮＴを含む。
【０００７】
静電容量測定の動作を説明する。はじめに、リセットスイッチＳＷ１がオンとなり、静電容量ＣＳの電荷がゼロリセットされ、その後オフとなる。続いてセンススイッチＳＷ２がオンとなる。このとき第１トランジスタＭ１を介して静電容量ＣＳに対して、充電電流ＩＣＨＧ１が流れ、第１トランジスタＭ１が飽和するまで、静電容量ＣＳの電圧が上昇する。このときに流れる充電電流ＩＣＨＧ１は、静電容量ＣＳに応じた電流量となる。第２トランジスタＭ２によって充電電流ＩＣＨＧ１がコピーされ、検出電流ＩＳが生成される。Ｉ／Ｖ変換回路２０ｒの出力ＶＳは、静電容量ＣＳを示す電圧となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３２５８５８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８２７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
多くのアプリケーションにおいて、容量測定回路１００ｒと静電容量ＣＳの間には、配線やパッドが存在し、それらには寄生容量ＣＰが付随する。したがって静電容量ＣＳと寄生容量ＣＰの合成容量が容量測定回路１００ｒの検出対象となる。
【００１０】
タッチパネルのように複数チャンネルの静電容量ＣＳの相対的な変化量を検出する用途では、無入力状態つまり容量変化量がゼロのときの複数の静電容量ＣＳの測定値が均一である必要がある。しかしながら寄生容量ＣＰのばらつきは測定値の均一性を妨げる一因となり、検出感度を低下させる。
【００１１】
そこで容量測定回路１００ｒには、チャンネルごとに寄生容量ＣＰのばらつきの影響を低減することが求められ、そのためにオフセットキャンセル回路６０ｒが設けられる。オフセットキャンセル回路６０ｒは、実質的に一定量のオフセット電流ＩＯＦＳにより静電容量ＣＳを充電する。
【００１２】
図２は、図１の容量測定回路１００ｒの動作波形図である。はじめにリセットスイッチＳＷ１がオンし、静電容量ＣＳが放電される。続いてセンススイッチＳＷ２がオンすると、充電電流ＩＣＨＧ１が流れ始める。また直流のオフセット電流ＩＯＦＳにより静電容量ＣＳが充電される。
【００１３】
容量測定回路１００ｒにおける検出電圧ＶＳは（iii）で示され、充電電流ＩＣＨＧ１に応じた成分（i）とオフセット電流ＩＯＦＳに応じた成分（ii）に分解される。これに対して寄生容量ＣＰのばらつきの影響が完全にキャンセルされたときの理想的な検出電圧ＶＳ＿ＲＥＦは（iv）で示される。
【００１４】
この回路では、オフセット電流ＩＯＦＳが過剰に静電容量ＣＳに流れ込むことにより、ダイナミックレンジを狭める要因となる。また直流のオフセット電流ＩＯＦＳによる補正では、寄生容量ＣＰの影響を完全に補正することができない。
【００１５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ダイナミックレンジおよび／または感度が改善された容量測定回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のある態様は静電容量を測定する容量測定回路に関する。容量測定回路は、静電容量と固定電圧端子の間に設けられた第１トランジスタと、第１トランジスタによる静電容量の充電動作のオン、オフを切りかえるためのセンススイッチと、補正用キャパシタと、補正用キャパシタを充電する補正用充電回路と、第１トランジスタに流れる第１充電電流に応じた検出電流と、補正用充電回路から補正用キャパシタに流れる第２充電電流に応じた補正電流を合成し、合成電流を生成する電流合成回路と、を備え、合成電流にもとづいて静電容量を検出する。
【００１７】
補正電流は静電容量に流れ込まないため、オフセット電流を静電容量に供給した場合に比べてダイナミックレンジを改善できる。
【００１８】
第２充電電流は第１充電電流と実質的に同一波形を有してもよい。
この第２充電電流もとづく補正電流を検出電流と合成することで、寄生容量の影響を精度よく補正することが可能となる。
【００１９】
センススイッチは、静電容量と固定電圧端子の間に、第１トランジスタと直列に設けられてもよい。これによりセンススイッチのオン、オフに応じて、第１トランジスタによる充電動作のオン、オフを制御できる。
【００２０】
容量測定回路は、第１トランジスタが入力となる第１カレントミラー回路を形成するように第１トランジスタと接続される第２トランジスタをさらに備えてもよい。第２トランジスタに流れる電流が検出電流であってもよい。
【００２１】
補正用充電回路は、補正用キャパシタと固定電圧端子の間に設けられた第３トランジスタと、第３トランジスタによる補正用キャパシタの充電動作のオン、オフを切りかえるための補正スイッチと、第３トランジスタが入力となる第２カレントミラー回路を形成するように第３トランジスタと接続される第４トランジスタと、を備え、第４トランジスタに流れる電流が補正電流であってもよい。
【００２２】
第２カレントミラー回路は、ミラー比が可変に構成されてもよい。
これによりミラー比に応じて補正ゲインを設定できる。また補正用キャパシタを可変容量とした場合に比べて回路面積を小さくできる。
【００２３】
補正スイッチはセンススイッチと同期制御されてもよい。これにより制御を簡素化できる。
【００２４】
容量測定回路は、合成電流により充放電される積分用キャパシタをさらに備えてもよい。積分用キャパシタの電圧が、静電容量に応じた検出電圧であってもよい。
【００２５】
容量測定回路は、静電容量の電荷を初期化する第１リセットスイッチと、補正用キャパシタの電荷を初期化する第２リセットスイッチと、をさらに備えてもよい。
【００２６】
容量測定回路は、補正用キャパシタは可変容量であってもよい。寄生容量に応じて補正用キャパシタの容量を微調節することで、寄生容量の影響をさらに低減できる。
【００２７】
本発明の別の態様は、複数の静電容量それぞれを測定する容量測定回路に関する。容量測定回路は、複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが対応する静電容量に応じた検出電流を生成する複数の容量電流変換回路と、複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが補正電流を生成する複数の補正電流生成回路と、複数の静電容量に対応づけられ、それぞれが対応する検出電流と対応する補正電流を合成し、合成電流を生成する複数の電流合成回路と、を備える。複数の補正電流生成回路はそれぞれ、補正用キャパシタと、補正用キャパシタを充電する補正用充電回路と、を備える。補正電流は、補正用充電回路から補正用キャパシタへ流れる第２充電電流に応じている。
【００２８】
この態様によると、複数の静電容量それぞれについて、寄生容量の影響を精度よく補正することが可能となる。
【００２９】
複数の容量電流変換回路はそれぞれ、静電容量と固定電圧端子の間に設けられた第１トランジスタと、第１トランジスタによる静電容量の充電動作のオン、オフを切りかえるためのセンススイッチと、第１トランジスタが入力となる第１カレントミラー回路を形成するように第１トランジスタと接続される第２トランジスタと、を含み、第２トランジスタに流れる電流が検出電流であってもよい。
【００３０】
補正用充電回路は、補正用キャパシタと固定電圧端子の間に設けられた第３トランジスタと、第３トランジスタによる補正用キャパシタの充電動作のオン、オフを切りかえるための補正スイッチと、第３トランジスタが入力となる第２カレントミラー回路を形成するように第３トランジスタと接続される第４トランジスタと、を備え、第４トランジスタに流れる電流が補正電流であってもよい。
【００３１】
第２カレントミラー回路は、ミラー比が可変に構成されてもよい。補正スイッチは、センススイッチと同期制御されてもよい。複数の補正電流生成回路それぞれの出力ノードは、対応する容量電流変換回路の出力ノードと接続されてもよい。
【００３２】
容量測定装置は、複数の容量電流変換回路により生成される複数の検出電流の平均電流、または複数の合成電流の平均電流を生成する電流平均化回路をさらに備えてもよい。複数の電流合成回路はそれぞれ、対応する検出電流、対応する補正電流に加えて、平均電流を合成してもよい。
【００３３】
電流平均化回路は、複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応する検出電流に比例したコピー電流を生成するよう接続される、複数の第５トランジスタと、複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応するコピー電流の経路上に設けられ、それぞれの制御端子が共通に接続されている、複数の第６トランジスタと、複数の静電容量に対応し、それぞれが、対応する第６トランジスタが入力となる第３カレントミラー回路を形成するように対応する第６トランジスタと接続された、複数の第７トランジスタと、を含み、複数の第７トランジスタに流れる電流が平均電流であってもよい。
【００３４】
複数の補正電流生成回路それぞれの出力ノードは、対応する第５トランジスタと対応する第６トランジスタの接続ノードと接続されてもよい。
【００３５】
容量測定装置は、複数の静電容量に対応し、それぞれが対応する合成電流により充放電される複数の積分用キャパシタをさらに備え、積分用キャパシタの電圧が、静電容量に応じた検出電圧であってもよい。
【００３６】
補正用キャパシタは可変容量であってもよい。
【００３７】
容量測定装置はひとつの半導体集積回路上に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
回路を１つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
【００３８】
本発明の別の態様は、入力装置に関する。入力装置は、複数のセンサ電極を含み、ユーザの接触した座標近傍のセンサ電極の静電容量が変化するタッチパネルと、上述のいずれかの容量測定回路と、を備える。
上述の容量測定回路をタッチパネル式の入力装置に利用することで感度を高めることができるため、微小な容量変化を伴う入力、たとえばホバリングなどを検出することが可能となる。
【００３９】
本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は上述の入力装置を備える。ホバリングなどの微小な容量変化を伴う入力が検出できるため、新規なユーザインタフェースを提供しうる。
【００４０】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る容量測定回路によれば、感度および／またはダイナミックレンジを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の自己容量方式の容量測定回路の基本構成を示す回路図である。
【図２】図１の容量測定回路の動作波形図である。
【図３】実施の形態に係る容量測定回路の回路図である。
【図４】補正用充電回路の構成例を示す回路図である。
【図５】図３の容量測定回路の動作波形図である。
【図６】図２の容量測定回路を備える入力装置の回路図である。
【図７】変形例に係る入力装置の回路図である。
【図８】図７の制御ＩＣの具体例を示す回路図である。
【図９】入力装置を備える電子機器のブロック図である。
【図１０】第５変形例に係るＩ／Ｖ変換回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００４４】
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
【００４５】
図３は、実施の形態に係る容量測定回路１００の回路図である。容量測定回路１００は静電容量ＣＳを測定し、静電容量ＣＳを示す検出電圧ＶＳを生成する。容量測定回路１００は、Ｃ／Ｉ（容量／電流）変換回路１０、Ｉ／Ｖ（電流／電圧）変換回路２０、補正用キャパシタＣＣＯＭＰ、補正用充電回路３０、電流合成回路４０、を備える。
【００４６】
Ｃ／Ｉ変換回路１０は、静電容量ＣＳに応じた検出電流ＩＳを生成する。たとえばＣ／Ｉ変換回路１０は、リセットスイッチＳＷ１、第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、センススイッチＳＷ２を備える。
【００４７】
リセットスイッチＳＷ１は静電容量ＣＳと並列接続され、静電容量ＣＳの電荷を初期化するために設けられる。たとえばリセットスイッチＳＷ１はＭＯＳＦＥＴであり、そのゲートに入力されるリセット信号ＲＳＴ１により制御される。
【００４８】
第１トランジスタＭ１は、静電容量ＣＳと固定電圧端子（電源ライン１２）の間に設けられたＭＯＳＦＥＴである。センススイッチＳＷ２は、第１トランジスタＭ１による静電容量ＣＳの充電動作のオン、オフを切りかえるために設けられる。図３においてセンススイッチＳＷ２は電源ライン１２と静電容量ＣＳの間に、第１トランジスタＭ１と直列に挿入されるＭＯＳＦＥＴであり、そのゲートにはセンス信号ＥＶＡＬＢが入力される。なおセンススイッチＳＷ２の位置は図３のそれには限定されず、第１トランジスタＭ１とセンススイッチＳＷ２を入れかえてもよいし、センススイッチＳＷ２を第１トランジスタＭ１のゲートソース間に設けてもよい。第１トランジスタＭ１を介して静電容量ＣＳに流れる電流を、第１充電電流ＩＣＨＧ１と称する。
【００４９】
第２トランジスタＭ２は、第１トランジスタＭ１が入力となる第１カレントミラー回路１４を形成するように第１トランジスタＭ１と接続される。第２トランジスタＭ２には、第１充電電流ＩＣＨＧ１に比例した検出電流ＩＳが流れる。
【００５０】
補正用充電回路３０は、補正信号ＣＯＭＰに応じて補正用キャパシタＣＣＯＭＰを充電する。補正用充電回路３０からは、補正用充電回路３０から補正用キャパシタＣＣＯＭＰに流れる電流（第２充電電流ＩＣＨＧ２という）に応じた補正電流ＩＣＯＭＰが出力される。補正用充電回路３０は、第２充電電流ＩＣＨＧ２の波形が第１充電電流ＩＣＨＧ１の波形と相似となるよう構成される。好ましくは補正用キャパシタＣＣＯＭＰは可変容量であり、その容量値が微調節可能となっている。
【００５１】
電流合成回路４０は、第１トランジスタＭ１に流れる第１充電電流ＩＣＨＧ１に応じた検出電流ＩＳと、補正用充電回路３０から補正用キャパシタＣＣＯＭＰに流れる第２充電電流ＩＣＨＧ２に応じた補正電流ＩＣＯＭＰを合成し、合成電流ＩＤを生成する。容量測定回路１００は、この合成電流ＩＤにもとづいて静電容量ＣＳを検出する。電流の合成とは、電流の加算、減算、平均、加重平均などを含みうる。
【００５２】
電流合成回路４０の構成は特に限定されない。最も簡易には加算もしくは減算に関して、電流合成回路４０は、２つの電流ＩＳ、ＩＣＯＭＰが流れる経路を１つのノードに接続する配線により構成できる。また電流合成回路４０はカレントミラー回路などを組み合わせて構成することも可能である。
【００５３】
Ｉ／Ｖ変換回路２０は、合成電流ＩＤを検出電圧ＶＳに変換する。たとえばＩ／Ｖ変換回路２０は、合成電流ＩＤによって充電される積分用キャパシタＣＩＮＴを含む。Ｉ／Ｖ変換回路２０は、静電容量ＣＳに流れ込む電荷量を検出する積分器と把握することも可能である。
【００５４】
図４は、補正用充電回路３０の構成例を示す回路図である。補正用充電回路３０は、Ｃ／Ｉ変換回路１０と実質的に同一の構成とすることが望ましい。補正用充電回路３０は、第３トランジスタＭ３、第４トランジスタＭ４、リセットスイッチＳＷ３、補正スイッチＳＷ４を備える。
【００５５】
第３トランジスタＭ３は、補正用キャパシタＣＣＯＭＰと電源ライン１２の間に設けられたＭＯＳＦＥＴである。補正スイッチＳＷ４は、第３トランジスタＭ３による補正用キャパシタＣＣＯＭＰの充電動作のオン、オフを切りかえるために設けられる。ここでは補正スイッチＳＷ４は、補正用キャパシタＣＣＯＭＰと電源ライン１２の間に、第３トランジスタＭ３と直列に挿入されるＭＯＳＦＥＴであり、そのゲートには補正信号ＣＯＭＰが入力される。本実施の形態において、補正信号ＣＯＭＰは、センス信号ＥＶＡＬＢと共通化されてもよい。この場合、補正スイッチＳＷ４はセンススイッチＳＷ２と同期制御される。
【００５６】
なおＣ／Ｉ変換回路１０においてセンススイッチＳＷ２が別の箇所に設けられる場合、補正スイッチＳＷ４も、センススイッチＳＷ２に対応する別の箇所に配置される。
【００５７】
第４トランジスタＭ４は、第３トランジスタＭ３が入力となる第２カレントミラー回路３４を形成するように第３トランジスタＭ３と接続される。第４トランジスタＭ４に流れる電流が補正電流ＩＣＯＭＰである。第２カレントミラー回路３４のミラー比に応じて、補正ゲインを設定可能である。
【００５８】
リセットスイッチＳＷ３は補正用キャパシタＣＣＯＭＰと並列接続され、補正用キャパシタＣＣＯＭＰの電荷を初期化するために設けられる。たとえばリセットスイッチＳＷ３はＭＯＳＦＥＴであり、そのゲートに入力されるリセット信号ＲＳＴ２により制御される。リセット信号ＲＳＴ２とＲＳＴ１は同一の信号であってもよい。
【００５９】
以上が容量測定回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。図５は、図３の容量測定回路１００の動作波形図である。
【００６０】
はじめにリセットスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンし、静電容量ＣＳ、補正用キャパシタＣＣＯＭＰが放電される。続いてある充電期間（センス期間）の間、センススイッチＳＷ２がオンとなり、静電容量ＣＳに第１充電電流ＩＣＨＧ１が流れ始め、静電容量ＣＳが充電される。静電容量ＣＳは、その電圧ＶＣＳが所定電圧レベルＶＴＨに達するまで充電される。
ＶＴＨ＝ＶＤＤ−２×ＶＤＳ
ＶＤＳは、第１トランジスタＭ１およびセンススイッチＳＷ２のドレインソース間電圧であり、充電完了時のＩＣＨＧ１＝０において実質的にゼロとみなせる。
【００６１】
この充電期間において、静電容量ＣＳに流れ込む電荷量Ｑ１は式（１）で与えられる。
Ｑ１＝ＶＴＨ×ＣＳ＝∫ＩＣＨＧ１ｄｔ      …（１）
【００６２】
充電期間において補正スイッチＳＷ４が同時にオンしており、補正用キャパシタＣＣＯＭＰに第２充電電流ＩＣＨＧ２が流れ、補正用キャパシタＣＣＯＭＰが充電される。このときの第２充電電流ＩＣＨＧ２の波形は、第１充電電流ＩＣＨＧ１の波形と実質的に同一（相似）と言え、補正用キャパシタＣＣＯＭＰは、その電圧ＶＣＯＭＰが所定電圧レベルＶＴＨに達するまで充電される。補正用キャパシタＣＣＯＭＰに流れ込む電荷量Ｑ２は式（２）で与えられる。
Ｑ２＝ＶＴＨ×ＣＣＯＭＰ＝∫ＩＣＨＧ２ｄｔ      …（２）
【００６３】
積分用キャパシタＣＩＮＴに供給される電荷量Ｑ３は、第１充電電流ＩＣＨＧ１に応じた検出電流ＩＳおよび第２充電電流ＩＣＨＧ２に応じた補正電流ＩＣＯＭＰによって充電され、したがって充電期間において供給される総電荷量Ｑ３は式（３）で与えられる。
Ｑ３＝ｋ１×Ｑ１＋ｋ２×Ｑ２      …（３）
ｋ１は、第１カレントミラー回路１４のミラー比に相当する定数である。ｋ２は補正ゲインであり、第２カレントミラー回路３４のミラー比に相当する。
【００６４】
式（１）、（２）を式（３）に代入すると、式（４）を得る。
Ｑ３＝ｋ１×ＶＴＨ×ＣＳ＋ｋ２×ＶＴＨ×ＣＣＯＭＰ
＝ＶＴＨ×（ｋ１×ＣＳ＋ｋ２×ＣＣＯＭＰ）      …（４）
【００６５】
したがって充電期間における積分用キャパシタＣＩＮＴの検出電圧ＶＳの変化量ΔＶＳは、式（５）で与えられる。
ΔＶＳ＝Ｑ３／ＣＩＮＴ＝ＶＴＨ×（ｋ１×ＣＳ＋ｋ２×ＣＣＯＭＰ）／ＣＩＮＴ      …（５）
検出電圧ＶＳの初期電圧をゼロとした場合、ΔＶＳ＝ＶＳとなる。
【００６６】
図５に示すように容量測定回路１００における検出電圧ＶＳは（iii）で示され、第１充電電流ＩＣＨＧ１すなわち検出電流ＩＳに応じた成分（i）と、第２充電電流ＩＣＨＧ２すなわち補正電流ＩＣＯＭＰに応じた成分（ii）に分解される。（iv）は理想的な検出電圧ＶＳ＿ＲＥＦを示す。
【００６７】
容量測定回路１００の第１の利点は、図１の容量測定回路１００ｒとの対比により明確となる。図１では、オフセット電流ＩＯＦＳが静電容量ＣＳに供給される。充電期間の長さとＴとすれば、オフセット電流ＩＯＦＳにより静電容量ＣＳに供給される電荷量はＩＯＦＳ×Ｔである。したがって図１では電圧幅Ｖ＝ＩＯＦＳ×Ｔ／ＣＳだけダイナミックレンジが狭まってしまう。これに対して実施の形態に係る容量測定回路１００によれば補正電流ＩＣＯＭＰが静電容量ＣＳに流れ込まない。これにより、ダイナミックレンジの低下を抑制できる。
【００６８】
加えて容量測定回路１００においては、補正電流ＩＣＯＭＰは一定電流ではなく、検出電流ＩＳと同一波形を有する。式（５）にもとづく検出電圧ＶＳを得ることができる。実施の形態に係る容量測定回路１００によれば、ｋ１、ｋ２、ＣＣＯＭＰの大きさを最適化することで検出電圧ＶＳを、理想的な検出電圧ＶＳ＿ＲＥＦに近づけることができる。これは検出対象の静電容量ＣＳと並列に、ｋ２／ｋ１×ＣＣＯＭＰの仮想的な容量を並列接続したことと等価である。このことは寄生容量の影響をキャンセルできることを意味し、したがって感度を高めることができる。
【００６９】
続いて容量測定回路１００の用途を説明する。容量測定回路１００は、タッチパネルを有する入力装置２に好適に利用可能である。図６は、図２の容量測定回路を備える入力装置２の回路図である。入力装置２は、タッチパネル３および制御ＩＣ（Integrated Circuit）４を備える。タッチパネル３は、複数のセンサ電極を含み、ユーザの接触した座標近傍のセンサ電極の静電容量ＣＳが変化する。
【００７０】
制御ＩＣ４は、複数の静電容量ＣＳに対応する複数の容量測定回路１００１〜１００Ｎを備える。マルチプレクサ５０は、複数の容量測定回路１００１〜１００Ｎからの複数の検出電圧ＶＳ１〜ＶＳＮを、時分割で選択する。Ａ／Ｄコンバータ５２は、マルチプレクサ５０により選択される検出電圧ＶＳをデジタルの検出値ＤＳに変換する。なおＡ／Ｄコンバータ５２は、容量測定回路１００ごとに設けられてもよい。
【００７１】
以上が入力装置２の構成である。この入力装置２は、複数の静電容量ＣＳ１〜ＣＳＮの相対的な変化量にもとづいて、ユーザの指やスタイラスが接触（もしくは近接）した座標を検出する。
【００７２】
寄生容量ＣＰ１〜ＣＰＮはばらつきを有しており、このばらつきは検出感度を低下させ、またダイナミックレンジを悪化させる。図６の制御ＩＣ４においては、複数の補正用キャパシタＣＣＯＭＰ１〜ＣＣＯＭＰＮの容量値を最適化することにより、チャンネルごとの寄生容量ＣＰのばらつきをキャンセルすることができる。これにより検出感度が改善され、微小な容量変化を伴う入力、たとえばホバリングなどを検出することが可能となる。
【００７３】
図７は、変形例に係る入力装置２ａの回路図である。図７の制御ＩＣ４ａは、図６の制御ＩＣ４に加えて、電流平均化回路５４をさらに備える。電流平均化回路５４は、複数のＣ／Ｉ変換回路１０により生成される複数の検出電流ＩＳ１〜ＩＳＮの平均電流ＩＡＶＥを生成する。そして平均電流ＩＡＶＥ１〜ＩＡＶＥＮを複数の電流合成回路４０１〜４０Ｎに供給する。ＩＡＶＥ１＝ＩＡＶＥ２＝・・・ＩＡＶＥＮ＝ＩＡＶＥである。
【００７４】
ｉ番目（ｉ＝１，２…Ｎ）の電流合成回路４０ｉは、対応する検出電流ＩＳｉ、対応する補正電流ＩＣＯＭＰｉに加えて、平均電流ＩＡＶＥｉを合成する。具体的には、電流合成回路４０ｉは、検出電流ＩＳｉと平均電流ＩＡＶＥの差分電流Ｉｙに、補正電流ＩＣＯＭＰｉを合成する。
【００７５】
図８は、図７の制御ＩＣ４ａの具体例を示す回路図である。この例では、電流合成回路４０と電流平均化回路５４が一体に構成される。電流平均化回路５４は、複数の第５トランジスタＭ５、複数の第６トランジスタＭ６、複数の第７トランジスタＭ７を備える。複数の第５トランジスタＭ５は複数の静電容量ＣＳに対応し、それぞれが、対応する検出電流ＩＳに比例したコピー電流ＩＣを生成するよう接続される。
【００７６】
複数の第６トランジスタＭ６は、複数の静電容量ＣＳに対応し、それぞれが、対応するコピー電流ＩＣの経路上に設けられる。複数の第６トランジスタＭ６の制御端子（ゲート）は共通に接続される。
【００７７】
複数の第７トランジスタＭ７は、複数の静電容量ＣＳに対応し、それぞれが、対応する第６トランジスタＭ６が入力となる第３カレントミラー回路を形成するように、対応する第６トランジスタＭ６と接続される。第７トランジスタＭ７に流れる電流が平均電流ＩＡＶＥである。第２トランジスタＭ２と第７トランジスタＭ７は接続されており、これにより電流合成回路４０は、検出電流ＩＳと平均電流ＩＡＶＥの差分に相当する検出電流ＩＤ（＝ＩＳ−ＩＡＶＥ）を生成する。
【００７８】
補正用充電回路３０の出力ノードは、Ｃ／Ｉ変換回路１０の出力ノードＡ、すなわち第２トランジスタＭ２と第７トランジスタＭ７の接続ノードと接続されてもよい。この場合、チャンネルごとの個別補正が可能となる。あるいは補正用充電回路３０の出力ノードを、第５トランジスタＭ５と第６トランジスタＭ６の接続ノードＢと接続してもよい。以上が電流合成回路４０の構成例である。
【００７９】
図９は、図７の入力装置２を備える電子機器１のブロック図である。電子機器１は、携帯電話端末、パーソナルコンピュータ、タブレット端末、デジタルスチルカメラ、ポータブル音楽プレイヤ−、リモコンなど、が例示される。
【００８０】
電子機器１は、入力装置２に加えて、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）６およびＬＣＤ（Liquid Crystal Display）７を備える。入力装置２は、タッチパネル３および制御ＩＣ４を備える。タッチパネル３は、規則的に配置された複数のセンサ容量ＣＳ１〜ＣＳｎを含む。複数のセンサ容量ＣＳ１〜ＣＳＮは、実質的にマトリクス状に配置される。制御ＩＣ４は、複数のセンサ容量ＣＳ１〜ＣＳＮそれぞれと接続され、それぞれの容量値を検出し、それぞれの容量値を示すデータをＤＳＰ６に出力する。
【００８１】
電子機器１のユーザの指５あるいはペン（スタイラス）がタッチパネル３に接触し、あるいは近接すると、接触した座標のセンサ容量ＣＳの容量値が変化する。ＤＳＰ６は、複数のセンサ容量ＣＳの容量値にもとづき、ユーザが接触した座標を検出する。たとえばタッチパネル３は、ＬＣＤ７の表面に設けられてもよいし、別の箇所に設けられてもよい。制御ＩＣ４を高感度化することにより、新規なユーザインタフェースを提供しうる。
【００８２】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００８３】
（第１変形例）
図４の補正用充電回路３０において、第２カレントミラー回路３４は、そのミラー比が可変に構成されてもよい。これにより、補正用キャパシタＣＣＯＭＰを可変容量とする場合に比べて、より小さな回路面積で、補正ゲインを調節可能となる。
【００８４】
（第２変形例）
実施の形態では、検出電流ＩＳに補正電流ＩＣＯＭＰを加算合成して補正電流ＩＤを生成したが、検出電流ＩＳから補正電流ＩＣＯＭＰを減算して補正電流ＩＤとしてもよい。この場合、補正電流ＩＣＯＭＰによって積分用キャパシタＣＩＮＴを放電するように電流合成回路４０を構成すればよい。この変形例では充電期間における検出電圧ＶＳの変化幅ΔＶＳは式（６）で与えられる。
ΔＶＳ＝Ｑ３／ＣＩＮＴ＝ＶＴＨ×（ｋ１×ＣＳ−ｋ２×ＣＣＯＭＰ）／ＣＩＮＴ      …（６）
【００８５】
また充電期間に先立って、積分用キャパシタＣＩＮＴを非ゼロの電圧に初期化する初期化回路を追加し、合成電流ＩＤによって積分用キャパシタＣＩＮＴを放電するように電流合成回路４０を構成してもよい。
【００８６】
（第３変形例）
図８において電流平均化回路５４は、複数の合成電流ＩＤの平均電流ＩＡＶＥを生成してもよい。
【００８７】
（第４変形例）
実施の形態では、Ｉ／Ｖ変換回路２０の積分用キャパシタＣＩＮＴを利用して合成電流ＩＤを積算することにより静電容量ＣＳを検出したが本発明はそれには限定されない。合成電流ＩＤをデジタル値に変換し、デジタル信号処理によって静電容量ＣＳを検出してもよい。
【００８８】
（第５変形例）
図１０は、第５変形例に係るＩ／Ｖ変換回路２０ａの回路図である。Ｉ／Ｖ変換回路２０ａは、積分用キャパシタＣＩＮＴに加えて、オペアンプ２２、フィードバック抵抗ＲＦＢ、リセットスイッチＳＷ５をさらに備える積分回路である。オペアンプ２２の非反転入力端子には基準電圧ＶＲＥＦが入力される。積分用キャパシタＣＩＮＴは、オペアンプ２２の出力端子と反転入力端子の間に設けられる。抵抗ＲＦＢ、リセットスイッチＳＷ５は、積分用キャパシタＣＩＮＴと並列に設けられる。
【００８９】
リセットスイッチＳＷ５がオンすると、検出電圧ＶＳは基準電圧ＶＲＥＦに初期化される。リセットスイッチＳＷ５がオフの状態で、合成電流ＩＤが入力されると、キャパシタＣＩＮＴが充電され、検出電圧ＶＳはΔＶＳ変化する。
ＶＳ＝ＶＲＥＦ＋ΔＶＳ
【００９０】
（第６変形例）
実施の形態では、補正用充電回路３０をＣ／Ｉ変換回路１０と同期制御したが、本発明はそれには限定されない。Ｃ／Ｉ変換回路１０を動作させて、Ｉ／Ｖ変換回路２０の積分用キャパシタＣＩＮＴに電荷を充電した後に、補正用充電回路３０を動作させて補正電流ＩＣＯＭＰによって積分用キャパシタＣＩＮＴを充電しあるいは放電してもよい。
【００９１】
（第７変形例）
実施の形態では、センサ容量ＣＳが実質的にマトリクス状に配置されるタッチパネル３を例に説明したが、容量測定回路１００の用途はそれに限定されない。たとえば容量測定回路１００は、Ｘ−Ｙ型のタッチパネルにも適用可能であり、この場合、複数の行センサ電極と、複数の列センサ電極の容量値を、同時に検出できる。
【００９２】
（第８変形例）
実施の形態で示される容量測定回路１００は、天地反転してもよい。当業者であれば、この際にＰチャンネルＭＯＳＦＥＴとＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを適宜置換すればよいことが理解できる。このときの充電と放電は逆となるが、本質的な動作は同じである。一部のトランジスタを、バイポーラトランジスタに置換してもよい。
【００９３】
（第９変形例）
実施の形態においては、容量測定回路１００を静電容量の変化を利用した入力装置に適用した場合について説明したが、容量測定回路１００の用途はこれに限定されるものではない。たとえば、キャパシタ型マイクロフォンなど、ダイアフラム電極とバックプレート電極によってキャパシタが形成され、音圧によりキャパシタの静電容量が変化するようなマイクロフォンに適用することができる。
【００９４】
（第１０変形例）
また、容量測定回路１００は非常に小さな静電容量の変化を増幅して検出することができるため、その他の様々なアプリケーションに用いることができる。
【００９５】
（第１１変形例）
実施の形態においては、容量測定回路１００はひとつの半導体集積回路上に一体集積化される場合について説明したがこれには限定されず、各回路ブロックをチップ部品やディスクリート素子を用いて構成してもよい。いずれのブロックを集積するかは、採用する半導体製造プロセスや要求されるコスト、特性などに応じて決定すればよい。
【符号の説明】
【００９６】
１…電子機器、２…入力装置、３…タッチパネル、４…制御ＩＣ、５…指、６…ＤＳＰ、７…ＬＣＤ、１００…容量測定回路、１０…Ｃ／Ｉ変換回路、１２…電源ライン、１４…第１カレントミラー回路、２０…Ｉ／Ｖ変換回路、３０…補正用充電回路、３４…第２カレントミラー回路、４０…電流合成回路、５０…マルチプレクサ、５２…Ａ／Ｄコンバータ、５４…電流平均化回路、６０…オフセットキャンセル回路、ＣＳ…静電容量、ＣＩＮＴ…積分用キャパシタ、ＣＣＯＭＰ…補正用キャパシタ、Ｍ１…第１トランジスタ、Ｍ２…第２トランジスタ、Ｍ３…第３トランジスタ、Ｍ４…第４トランジスタ、Ｍ５…第５トランジスタ、Ｍ６…第６トランジスタ、Ｍ７…第７トランジスタ、ＳＷ１…リセットスイッチ、ＳＷ２…センススイッチ、ＳＷ３…リセットスイッチ、ＳＷ４…補正スイッチ。
【図１】
0006576128.tif 000002
【図２】
0006576128.tif 000003
【図３】
0006576128.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006576128.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006576128.tif 000008
【図８】
0006576128.tif 000009
【図９】
0006576128.tif 000010
【図１０】
0006576128.tif 000011