JP2006253764A - 容量電圧変換回路、それを用いた入力装置、電子機器、ならびに容量電圧変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小な静電容量変化を検出可能な容量電圧変換回路を提供する。
【解決手段】 第１キャパシタ３０ａと第２キャパシタ３０ｂの静電容量の差を電圧に変換する容量電圧変換回路１００ａにおいて、第１電圧印加部１０は、第１状態において電源電圧Ｖｄｄを、第２状態において接地電圧０Ｖを第１キャパシタ３０ａに印加する。第２電圧印加部１２は、第１状態において接地電圧０Ｖを、第２状態において電源電圧Ｖｄｄを第２キャパシタ３０ｂに印加する。第１サンプルホールド回路１４は、第１、第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンし、第１状態にて第１、第２キャパシタ３０ａ、３０ｂの平均電圧を第１検出電圧Ｖｄｅｔ１として保持する。同様に第２サンプルホールド回路１６は、第２状態にて第１、第２キャパシタ３０ａ、３０ｂの平均電圧を第２検出電圧Ｖｄｅｔ２として保持する。増幅部２０は、第１、第２検出電圧Ｖｄｅｔ１、Ｖｄｅｔ２を差動増幅する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、静電容量の測定に用いられる容量電圧変換回路に関する。

近年のコンピュータや携帯電話端末、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの電子機器は、指で圧力を加えることによって電子機器を操作するための入力装置を備えるものが主流となっている。こうした入力装置としては、ジョイスティック、タッチパッドなどが知られている。

こうした入力装置は、対向して設けられた２枚の電極が、押圧されることにより電極間距離が変化し、静電容量が変化することを利用して、ユーザからの入力を検知、解析する。たとえば、特許文献１にはこうした静電容量の変化を利用した入力装置が開示されている。

特開２００１−３２５８５８号公報

上述の静電容量の変化を利用した入力装置は、静電容量を電圧に変換して検出するための容量電圧変換回路を備える。ここで、２枚の電圧を押圧した際に発生する静電容量の変化は数ｐＦもしくはそれ以下と非常に微小であるため、容量電圧変換回路の検出感度は、入力装置の性能に大きく影響する。静電容量の変化量を大きくするためには、電極の面積を大きくする方法が考えられるが、電極の面積を大きくすれば、入力装置のサイズが大きくなってしまう。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微小な静電容量変化を検出可能な容量電圧変換回路の提供にある。

本発明のある態様は、容量電圧変換回路に関する。この容量電圧変換回路は、第１キャパシタと第２キャパシタの静電容量の差を電圧に変換する容量電圧変換回路であって、第１キャパシタに、第１状態において所定の第１固定電圧を印加し、第２状態において第１固定電圧より低い第２固定電圧を印加する第１電圧印加部と、第２キャパシタに、第１状態において第２固定電圧を印加し、第２状態において第１固定電圧を印加する第２電圧印加部と、第１状態にて第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第１検出電圧として保持する第１サンプルホールド回路と、第２状態にて第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し第２検出電圧として保持する第２サンプルホールド回路と、第１検出電圧と、第２検出電圧の電位差を増幅する増幅部と、を備える。

この態様によると、第１キャパシタと第２キャパシタを、第１状態と第２状態において、異なる電圧を印加し、それぞれの平均電圧の差を増幅することによって、２つのキャパシタの容量の差を増幅することができ、微小な静電容量の差を検出することができる。

増幅部は、第１検出電圧と、第２検出電圧が入力された差動増幅器であってもよい。第１検出電圧と第２検出電圧を差動増幅することによって、同相ノイズを除去することができ、好適に静電容量の差を検出することができる。

第１、第２サンプルホールド回路は、第１、第２キャパシタの一端同士を接続することにより、第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均してもよい。第１、第２キャパシタの一端同士を接続することにより、電荷の転送が起こり、２つのキャパシタに現れる電圧の平均値を得ることができる。

第２固定電圧は、接地電圧であってもよい。
容量電圧変換回路は、ひとつの半導体集積回路上に一体集積化されてもよい。

本発明の別の態様は、入力装置である。この入力装置は、対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する第１、第２の電極対と、第１、第２の電極対をそれぞれ第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する上述の容量電圧変換回路と、を備える。

外部からの押圧によって、第１、第２の電極対の少なくとも一方の静電容量が変化すると、２つの電極対の静電容量の差が増幅される。その結果、いずれの電極対が、どの程度の圧力で押圧されたかを高感度に検出することができる入力装置を提供することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、入力装置である。この入力装置は、対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する第１、第２、第３、第４の電極対と、第１、第２の電極対をそれぞれ第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する上述の第１の容量電圧変換回路と、第３、第４の電極対をそれぞれ第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する上述の第２の容量電圧変換回路と、第１から第４電極対を覆うように設けられ、外部から押圧可能に構成されたカバーと、を備える。第１から第４の電極対は、それぞれ上下左右に対応した４個所に配置される。

この態様によると、ユーザがカバーのいずれかの個所を押圧することによって、第１から第４の電極対のいずれかの静電容量の変化が発生する。第１、第２の電極対の静電容量の変化を検出することによって、上下方向の押圧を検出することができ、第３、第４の電極対の静電容量の変化を検出することによって、左右方向の押圧を検出することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、入力装置である。この入力装置は、対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する複数の電極対と、複数の電極対ごとに設けられ、静電容量が固定された複数の参照キャパシタと、互いに対応付けられた電極対と参照キャパシタを含むキャパシタ対ごとに設けられ、電極対および参照キャパシタをそれぞれ第１、第２キャパシタとして、２つの静電容量の差を電圧に変換する複数の上述の容量電圧変換回路と、を備える。

この態様によると、各電極対ごとに静電容量の固定された参照キャパシタを設け、参照キャパシタとの容量の差を検出することによって、いずれの電極対がどの程度の圧力で押圧されたかを高感度にて検出することができる。

電極対と参照キャパシタを含むキャパシタ対は４対設けられ、上下左右に対応した４個所に配置されてもよい。入力装置は、４対のキャパシタ対を覆うように設けられ、外部から押圧可能に構成されたカバーを更に備えてもよい。この入力装置によれば、上下左右の４方向のいずれが、どの程度の圧力で押圧されたかを高感度に検出することができる。

電極対と参照キャパシタを含むキャパシタ対は、マトリクス状に配置されてもよい。入力装置は、複数のキャパシタ対を覆うように設けれられ、外部から押圧可能に構成されたカバーを更に備えてもよい。
キャパシタ対をマトリクス状に配置することによって、タッチパッド方式の入力装置を提供することができる。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、上述の入力装置を備える。

本発明のさらに別の態様は、容量電圧変換方法である。この方法は、第１キャパシタを第１固定電圧で充電し、第２キャパシタを第２固定電圧で充電する第１ステップと、第１ステップにおいて、第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第１検出電圧としてホールドするステップと、第１キャパシタを第２固定電圧で充電し、第２キャパシタを第１固定電圧で充電する第２ステップと、第２ステップにおいて、第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第２検出電圧としてホールドするステップと、第１検出電圧と第２検出電圧の差を増幅するステップと、を備える。

この態様によれば、第１キャパシタと第２キャパシタを、第１状態と第２状態において、異なる電圧を印加し、それぞれの平均電圧の差を増幅することによって、２つのキャパシタの容量の差を増幅することができ、微小な静電容量の差を検出することができる。

第１、第２キャパシタに現れる電圧の平均は、２つの検出キャパシタに充電された電荷を平均することにより行ってもよい。また、第２固定電圧は、接地電圧であってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、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。

本発明に係る容量電圧変換回路によれば、微小な静電容量変化を検出することができ、高感度な入力装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る入力装置が搭載される携帯電話端末を示す図である。携帯電話端末２００は、ディスプレイ２１０、入力装置２２０、操作ボタン２３０を備える。
ディスプレイ２１０は、ユーザに対して必要なさまざまな情報を表示する。入力装置２２０は、ユーザが指によって操作するジョイスティック型の入力装置であって、上、左、下、右の各方向に圧力を加えることにより、ディスプレイ２１０上に表示された項目、オブジェクトを選択し、あるいは文字入力を補助するために設けられる。
操作ボタン２３０は、発呼時に電話番号を入力したり、文章を入力するために設けられた入力装置である。

図２は、図１の入力装置２２０のＡ−Ａ’線断面図を示す。入力装置２２０は可変容量素子３０と総称される４つの可変容量素子３０ａ〜３０ｄ、容量電圧変換回路１００ａ、１００ｂ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１１０を備える。本実施の形態において、容量電圧変換回路１００ａ、１００ｂは、ひとつの半導体集積回路に集積化されている。
可変容量素子３０ａ〜３０ｄは、それぞれ入力装置２２０の上下左右に対応する４個所に設けられる。図２には左右に対応する２つの可変容量素子３０ａ、３０ｂが示される。カバー５０は、たとえばゴムやプラスチックなどの絶縁体であって、可変容量素子３０ａ〜３０ｄを覆うようにして設けられる。ユーザが指によりカバー５０を押圧すると、カバー５０の押圧された個所の下に設置された可変容量素子３０に圧力が加えられる。

可変容量素子３０は、対向して設けられた２枚の電極を備えた電極対である。この電極対は、キャパシタ構造を有しており、電極対の面積および電極間距離に応じた静電容量を有している。この可変容量素子３０は、上方から押圧されることにより２枚の電極間の間隙が変化し、静電容量の値が変化する。

いま、ユーザが右方向にカバー５０を押圧すると、可変容量素子３０ｂの静電容量が増加する。一方、押圧された方向と逆側の可変容量素子３０ａの静電容量は変化しない。
容量電圧変換回路１００ａは、互いに逆方向に配置された可変容量素子３０ａ、３０ｂの静電容量の差を検出することによって、左右いずれの方向に押圧されたかを検出する。容量電圧変換回路１００ａは、左右いずれの方向にどの程度の強さで押圧されたかをデジタルデータＤｘとして後段のＤＳＰ１１０へ出力する。ＤＳＰ１１０は、携帯電話端末２００全体を統括的に制御するデジタル回路である。
同様にして、容量電圧変換回路１００ｂは、可変容量素子３０ｃ、３０ｄを一組のキャパシタ対として、２つの静電容量の差を検出することによって、上下いずれの方向にどの程度の強さで押圧されたかを検出し、デジタルデータＤｙとしてＤＳＰ１１０へと出力する。
ＤＳＰ１１０は、容量電圧変換回路１００ａ、１００ｂから出力されるデジタルデータＤｘ、Ｄｙを合成し、ユーザが３６０度のどの方向に押圧したかを計算する。

容量電圧変換回路１００ａ、１００ｂは同様の構成となっているため、以下、容量電圧変換回路１００ａを例に説明する。
図３は、本実施の形態に係る容量電圧変換回路１００ａの構成を示す回路図である。
容量電圧変換回路１００ａは、入出力端子として第１検出端子１０２、第２検出端子１０４、出力端子１０６を備える。容量電圧変換回路１００ａは、第１検出端子１０２に接続される第１キャパシタと、第２検出端子１０４に接続される第２キャパシタの静電容量の差を電圧に変換し、出力端子１０６からＤＳＰ１１０へと出力する。
本実施の形態においては、第１キャパシタ、第２キャパシタとして、可変容量素子３０ａ、３０ｂが接続されている。

容量電圧変換回路１００ａは、第１電圧印加部１０、第２電圧印加部１２、第１サンプルホールド回路１４、第２サンプルホールド回路１６、増幅部２０、処理部２２、キャパシタＣ１２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を備える。本実施の形態において、第１スイッチＳＷ１から第６スイッチＳＷ６は、トランジスタを用いたトランスファーゲートにより構成される。

この容量電圧変換回路１００ａは、後述するように第１状態と第２状態を繰り返しながら、第１キャパシタ、第２キャパシタの静電容量の差を電圧に変換する。
第１電圧印加部１０は、第１キャパシタとして接続された可変容量素子３０ａに、所定の電圧を印加する回路であり、第１制御信号ＳＩＧ１がハイレベルの間、入力された第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１を出力し、第１制御信号ＳＩＧ１がローレベルの間、出力端子をハイインピーダンスとする。第１駆動電圧Ｖｄｒｖは、第１状態において、所定の第１固定電圧となり、第２状態においては、第１固定電圧より低い第２固定電圧に切り替わる。本実施の形態において、第１固定電圧は、電源電圧Ｖｄｄに、第２固定電圧は接地電圧０Ｖに設定される。

第２電圧印加部１２は、第２キャパシタとして接続された可変容量素子３０ｂに、所定の電圧を印加する回路であり、第２制御信号ＳＩＧ２がハイレベルの間、入力された第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２を出力し、第２制御信号ＳＩＧ２がローレベルの間、出力端子をハイインピーダンスとする。第２駆動電圧Ｖｄｒｖは、第１状態において、第２固定電圧の接地電圧０Ｖとなり、第２状態においては、第１固定電圧の電源電圧Ｖｄｄとなる。

すなわち、可変容量素子３０ａには、第１電圧印加部１０によって、第１状態において、第１固定電圧が印加され、第２状態において第２固定電圧が印加される一方、可変容量素子３０ｂには、第２電圧印加部１２によって、第１状態において、第２固定電圧が印加され、第２状態において第１固定電圧が印加される。このように、第１検出端子１０２、第２検出端子１０４に接続される第１キャパシタ、第２キャパシタに相当する可変容量素子３０ａ、３０ｂには、第１、第２状態において高低が逆となる電圧が印加される。

可変容量素子３０ａ、３０ｂが接続される第１検出端子１０２、第２検出端子１０４間には、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２が設けられる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２がともにオンすると、第１、第２キャパシタの一端同士が互いに接続される。その結果、可変容量素子３０ａ、３０ｂに蓄えられた電荷が２つの容量間で転送され、第１、第２キャパシタに現れる電圧が平均される。

第１サンプルホールド回路１４は、第１状態において、第１、第２キャパシタである可変容量素子３０ａ、３０ｂそれぞれに現れる電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２を平均し、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１として保持する。
第１サンプルホールド回路１４は、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、キャパシタＣ１０を含み、第３スイッチＳＷ３がオンすると電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２の平均電圧が、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１としてサンプリングされ、第３スイッチＳＷ３がオフすると、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１が保持される。

また、第２サンプルホールド回路１６は、第２状態において、第１、第２キャパシタである可変容量素子３０ａ、３０ｂそれぞれに現れる電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２を平均し、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２として保持する。第２サンプルホールド回路１６の構成は第１サンプルホールド回路１４と同様である。

増幅部２０は、第１検出電圧Ｖｄｅｔ１と、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２が入力され、２つの電圧を差動増幅する差動増幅器である。増幅部２０の差動入力端子間には、キャパシタＣ１２が設けられている。増幅部２０により増幅された電圧は、処理部２２へと入力される。
処理部２２は、増幅部２０から出力された検出電圧Ｖｄｅｔをアナログデジタル変換し、所定の信号処理を行った後、デジタルデータＤｘとして出力端子１０６から出力する。

以上のように構成された容量電圧変換回路１００ａの動作について説明する。図４は、容量電圧変換回路１００ａの動作波形図である。図４の各波形図は、上から、第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２、第１制御信号ＳＩＧ１、第２制御信号ＳＩＧ２、第１スイッチＳＷ１から第６スイッチＳＷ６のオンオフ状態を示している。図４において、第１スイッチＳＷ１から第６スイッチＳＷ６は、ハイレベルがオンに、ローレベルがオフに対応する。図４において、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ２までが第１状態、時刻Ｔ２〜時刻Ｔ４までが第２状態を表す。

第１状態の時刻Ｔ０〜Ｔ２の期間、第１電圧印加部１０に入力される第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１は電源電圧Ｖｄｄであり、第２電圧印加部１２に入力される第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２は接地電圧０Ｖである。
時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の間、第１制御信号ＳＩＧ１、第２制御信号ＳＩＧ２はいずれもハイレベルとなる。その結果、可変容量素子３０ａは、第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１＝Ｖｄｄで充電され、可変容量素子３０ｂは、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２＝０Ｖで充電される。この充電の結果、可変容量素子３０ａ、３０ｂに現れる電圧はそれぞれＶｘ１＝Ｖｄｄ、Ｖｘ２＝０Ｖとなる。

時刻Ｔ１に第１制御信号ＳＩＧ１、第２制御信号ＳＩＧ２がローレベルとなると、可変容量素子３０ａ、３０ｂへの電圧印加が停止される。この状態において、可変容量素子３０ａの静電容量をＣｘ１、可変容量素子３０ｂの静電容量をＣｘ２とすると、それぞれの可変容量素子３０には、Ｑ１＝Ｃｘ１×Ｖｄｄ、Ｑ２＝Ｃｘ２×０の電荷が蓄えられている。

次に、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２がオンし、可変容量素子３０ａ、可変容量素子３０ｂ間で蓄えられた電荷が転送され、各可変容量素子３０に現れる電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２が平均化される。その結果、平均化された電圧Ｖｘは、Ｖｘ＝（Ｑ１＋Ｑ２）／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）＝Ｃｘ１×Ｖｄｄ／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）となる。
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２と同時に第３スイッチＳＷ３がオンとなり、第１サンプルホールド回路１４は、平均化された電圧Ｖｘを第１検出電圧Ｖｄｅｔ１としてサンプルホールドする。

時刻Ｔ２に第２状態に遷移する。第２状態の時刻Ｔ２〜Ｔ４の期間、第１電圧印加部１０に入力される第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１は接地電圧０Ｖであり、第２電圧印加部１２に入力される第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２は電源電圧Ｖｄｄである。
時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３の間、第１制御信号ＳＩＧ１、第２制御信号ＳＩＧ２は再びハイレベルとなる。その結果、可変容量素子３０ａは、第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１＝０Ｖで充電され、可変容量素子３０ｂは、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２＝Ｖｄｄで充電される。この充電の結果、可変容量素子３０ａ、３０ｂに現れる電圧はそれぞれＶｘ１＝０、Ｖｘ２＝Ｖｄｄとなる。

時刻Ｔ３に第１制御信号ＳＩＧ１、第２制御信号ＳＩＧ２がローレベルとなると、可変容量素子３０ａ、３０ｂへの電圧印加が停止される。この状態において、それぞれの可変容量素子３０には、Ｑ１＝Ｃｘ１×０Ｖ、Ｑ２＝Ｃｘ２×Ｖｄｄの電荷が蓄えられている。

次に、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２がオンし、可変容量素子３０ａ、可変容量素子３０ｂ間で、蓄えられた電荷が転送され、各可変容量素子３０に現れる電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２が平均化される。その結果、平均化された電圧Ｖｘは、Ｖｘ＝（Ｑ１＋Ｑ２）／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）＝Ｃｘ２×Ｖｄｄ／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）となる。
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２と同時に第５スイッチＳＷ５がオンとなり、第２サンプルホールド回路１６は、平均化された電圧Ｖｘを第２検出電圧Ｖｄｅｔ２としてサンプルホールドする。

時刻Ｔ４に、第４スイッチＳＷ４、第６スイッチＳＷ６がオンすると、第１サンプルホールド回路１４、第２サンプルホールド回路１６はそれぞれサンプルホールドした第１検出電圧Ｖｄｅｔ１、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２を増幅部２０へと出力する。
この第１検出電圧Ｖｄｅｔ１、第２検出電圧Ｖｄｅｔ２は、増幅部２０によって差動増幅される。増幅部２０の差動増幅利得をＡｖとすると、増幅部２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ａｖ×（Ｖｄｅｔ１−Ｖｄｅｔ２）＝Ａｖ・Ｖｄｄ・（Ｃｘ１−Ｃｘ２）／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）となる。
時刻Ｔ５に再び第１状態へ戻り、同様の動作によって再度、容量電圧変換を行う。

増幅部２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、第１検出端子１０２、第２検出端子１０４に接続された第１、第２キャパシタの静電容量の差を増幅したものとなっている。このように、本実施の形態に係る容量電圧変換回路１００ａによれば、２つの静電容量の差を増幅して検出することができる。
いま、可変容量素子３０ａ、３０ｂの押圧される前の静電容量をＣｘとする。ユーザが、カバー５０を左方向に押圧した場合、可変容量素子３０ｂが初期値のまま可変容量素子３０ａの静電容量のみ増加する。可変容量素子３０ａの静電容量の変化分をΔＣｘと書くと、Ｃｘ１＝Ｃｘ＋ΔＣｘで与えられる。

これを上記出力電圧Ｖｏｕｔを与える式に代入すると、Ｖｏｕｔ＝Ａｖ・Ｖｄｄ・ΔＣｘ／（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）が得られる。この値は、可変容量素子３０ａの静電容量の変化ΔＣｘ、すなわち、電極間距離の変化量に比例しているため、ユーザによってカバー５０に、どの程度の圧力が印加されたかを検出することができる。
図２の容量電圧変換回路１００ｂは、同様にして、上下方向に配置された可変容量素子３０ｃ、３０ｄの静電容量の差を検出する。

このように、本実施の形態に係る容量電圧変換回路１００ａ、１００ｂを用いた入力装置２２０によれば、左右上下のいずれの方向に、どの程度の圧力で押圧されたかを高感度に検出することができ、操作性を高めた入力装置を提供することができる。また、増幅部２０の増幅率Ａｖを高く設定することにより、検出感度は増加するため、わずかな静電容量変化でも検出することが可能となる。その結果、可変容量素子３０ａ〜３０ｄの電極面積を小さくすることができ、携帯電話端末２００の小型化に資することになる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、４つの可変容量素子３０ａ〜３０ｄを上下方向と左右方向の２組に分け、それぞれのキャパシタ対の静電容量の差分を検出する場合について説明した。このような入力装置２２０においては、可変容量素子３０ａ〜３０ｄ全体を押圧した場合に、可変容量素子３０ａ、３０ｂ、あるいは可変容量素子３０ｃ、３０ｄの静電容量が同じように変化するため、各可変容量素子３０ごとの押圧状態を検出することができない。これに対し、第２の実施の形態では、可変容量素子３０ａ〜３０ｄの静電容量の変化を独立に検出可能な入力装置２２０について説明する。
図５は、第２の実施の形態に係る入力装置２２０の構成を示す。本実施の形態に係る入力装置２２０は、可変容量素子３０ａ〜３０ｄ、参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄ、容量電圧変換回路１００ａ〜１００ｄ、ＤＳＰ１１０を含む。
可変容量素子３０ａ〜３０ｄは、図２に示した第１の実施の形態に係る入力装置２２０と同様に、それぞれ入力装置２２０の上下左右に対応する４個所に設けられる。図５には左右に対応する２つの可変容量素子３０ａ、３０ｂが示される。

参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄは、各可変容量素子３０ａ〜３０ｄごとに設けられる。参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄは、静電容量が固定されており、カバー５０がいずれの方向に押圧されても、静電容量が変化しない構造となっている。参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄの静電容量は、可変容量素子３０ａ〜３０ｄの初期状態、すなわち押圧前における静電容量と等しく設定されている。
可変容量素子３０ａと参照キャパシタ３２ａは、キャパシタ対３００ａを構成する。容量電圧変換回路１００ａは、このキャパシタ対３００ａの静電容量の差を検出する。同様に、可変容量素子３０ｂと参照キャパシタ３２ｂはキャパシタ対３００ｂを、可変容量素子３０ｃと参照キャパシタ３２ｃはキャパシタ対３００ｃを、可変容量素子３０ｄと参照キャパシタ３２ｄはキャパシタ対３００ｄを構成し、容量電圧変換回路１００ｂ〜１００ｄは、それぞれ、キャパシタ対３００ｂ〜３００ｄの静電容量の差を検出する。

参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄの静電容量は固定され、参照キャパシタ３２と可変容量素子３０の初期状態の静電容量は等しいため、本実施の形態に係る容量電圧変換回路１００により検出された静電容量の差は、各可変容量素子３０ごとの静電容量の変位量、すなわちユーザによる押圧の程度を検出したものに他ならない。
容量電圧変換回路１００ａ〜１００ｄは、検出した静電容量の変位量をデジタルデータＤｘ１、Ｄｘ２、Ｄｙ１、Ｄｙ２としてＤＳＰ１１０へと出力する。
容量電圧変換回路１００ａ〜１００ｄの構成および動作は、第１の実施の形態に係る容量電圧変換回路１００と同様である。

本実施の形態に係る入力装置２２０によれば、可変容量素子３０ａ〜３０ｄと、参照キャパシタ３２ａ〜３２ｄとの静電容量の差を検出するため、左方向、右方向、上方向、下方向に対する押圧の程度を独立にデジタルデータＤｘ１、Ｄｘ２、Ｄｙ１、Ｄｙ２として取得することができる。その結果、たとえばユーザがカバー５０全体を押し下げ、可変容量素子３０ａ〜３０ｄが同時に変化した状態を検出することができる。

このように入力装置２２０を構成することにより、たとえばＤＳＰ１１０は、可変容量素子３０ａ〜３０ｄが同程度に押し下げられた場合、入力装置２２０による入力を確定するクリックに割り当てるなど、様々な処理を行うことができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る入力装置は、タッチパッド型の入力装置である。
図６は、第３の実施の形態に係る入力装置２２２のキャパシタ対の配置を示す図である。本実施の形態に係る入力装置２２２は、マトリクス状に配置された複数のキャパシタ対３００を含む。各キャパシタ対３００は、第２の実施の形態に係る入力装置２２０と同様に、可変容量素子３０と、参照キャパシタ３２を含んでいる。各キャパシタ対３００の上面には、図５の入力装置２２０と同様に図示しないカバー５０が設けられる。

各キャパシタ対３００には、図示しない複数の容量電圧変換回路１００が接続されている。各容量電圧変換回路１００は、接続されたキャパシタ対３００に含まれる可変容量素子３０と参照キャパシタ３２の静電容量の差を検出する。
ユーザの指が、カバー５０の何れかの個所に接触すると、その接触した個所のキャパシタ対３００に含まれる可変容量素子３０が押圧される。容量電圧変換回路１００は、キャパシタ対３００ごとの押圧の程度を検出する。

本実施の形態に係る入力装置２２２によれば、各可変容量素子３０の静電容量の変化を高感度で検出することができるため、ユーザによっていずれの可変容量素子３０が押圧されているかに加えて、どの程度の強さで押圧されているかも検出することができる。
また、本実施の形態に係る入力装置２２２では、容量電圧変換回路１００の静電容量の変化量の検出感度が高いため、各可変容量素子３０のサイズ、すなわち電極対の面積を小さくすることができる。

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合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。

実施の形態においては、容量電圧変換回路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、容量電圧変換回路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。
また、容量電圧変換回路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。

実施の形態においては、容量電圧変換回路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。

実施の形態に係る入力装置は、実施の形態で説明した携帯電話端末の他、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、デジタルスチルカメラ、ＣＤプレイヤなどのリモコンなど、さまざまな入力装置を備える電子機器に用いることができる。

第１の実施の形態に係る容量電圧変換回路が搭載される携帯電話端末を示す図である。 図１の入力装置のＡ−Ａ’線断面図を示す図である。 第１の実施の形態に係る容量電圧変換回路の構成を示す回路図である。 図３の容量電圧変換回路の動作波形図である。 第２の実施の形態に係る入力装置の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る入力装置のキャパシタ対の配置を示す図である。

符号の説明

１０ 第１電圧印加部、 １２ 第２電圧印加部、 １４ 第１サンプルホールド回路、 １６ 第２サンプルホールド回路、 ２０ 増幅部、 ２２ 処理部、 ３０ 可変容量素子、 ３２ 参照キャパシタ、 ３００ キャパシタ対、 ５０ カバー、 １００ 容量電圧変換回路、 １０２ 第１検出端子、 １０４ 第２検出端子、 １０６ 出力端子、 １１０ ＤＳＰ、 ２００ 携帯電話端末、 ２１０ ディスプレイ、 ２２０ 入力装置、 ２３０ 操作ボタン、 ＳＷ１ 第１スイッチ、 ＳＷ２ 第２スイッチ、 ＳＷ３ 第３スイッチ、 ＳＷ４ 第４スイッチ、 ＳＷ５ 第５スイッチ、 ＳＷ６ 第６スイッチ。

Claims (14)

1. 第１キャパシタと第２キャパシタの静電容量の差を電圧に変換する容量電圧変換回路であって、
   前記第１キャパシタに、第１状態において所定の第１固定電圧を印加し、第２状態において前記第１固定電圧より低い第２固定電圧を印加する第１電圧印加部と、
   前記第２キャパシタに、前記第１状態において前記第２固定電圧を印加し、第２状態において前記第１固定電圧を印加する第２電圧印加部と、
   前記第１状態にて前記第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第１検出電圧として保持する第１サンプルホールド回路と、
   前記第２状態にて前記第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第２検出電圧として保持する第２サンプルホールド回路と、
   前記第１検出電圧と、前記第２検出電圧の電位差を増幅する増幅部と、
   を備えることを特徴とする容量電圧変換回路。
2. 前記増幅部は、前記第１検出電圧と、前記第２検出電圧が入力された差動増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の容量電圧変換回路。
3. 前記第１、第２サンプルホールド回路は、前記第１、第２キャパシタの一端同士を接続することにより、前記第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均することを特徴とする請求項１に記載の容量電圧変換回路。
4. 前記第２固定電圧は、接地電圧であることを特徴とする請求項１に記載の容量電圧変換回路。
5. 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４のいずれかに記載の容量電圧変換回路。
6. 対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する第１、第２の電極対と、
   前記第１、第２の電極対をそれぞれ前記第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する請求項１から４のいずれかに記載の容量電圧変換回路と、を備えることを特徴とする入力装置。
7. 対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する第１、第２、第３、第４の電極対と、
   前記第１、第２の電極対をそれぞれ前記第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する請求項１から４のいずれかに記載の第１の容量電圧変換回路と、
   前記第３、第４の電極対をそれぞれ前記第１、第２キャパシタとして、静電容量の差を電圧に変換する請求項１から４のいずれかに記載の第２の容量電圧変換回路と、
   前記第１から第４の電極対を覆うように設けられ、外部から押圧可能に構成されたカバーと、を備え、
   前記第１から第４の電極対は、それぞれ上下左右に対応した４個所に配置したことを特徴とする入力装置。
8. 対向して設けられた２つの電極を含み、外部からの押圧によって２つの電極間距離が変化することにより静電容量が変化する複数の電極対と、
   前記複数の電極対ごとに設けられ、静電容量が固定された複数の参照キャパシタと、
   互いに対応付けられた前記電極対と前記参照キャパシタを含むキャパシタ対ごとに設けられ、前記電極対および前記参照キャパシタをそれぞれ前記第１、第２キャパシタとして、
   ２つの静電容量の差を電圧に変換する請求項１から４のいずれかに記載の複数の容量電圧変換回路と、
   を備えることを特徴とする入力装置。
9. 前記電極対と前記参照キャパシタを含むキャパシタ対は４対設けられ、それぞれのキャパシタ対は、上下左右に対応した４個所に配置され、
   前記４対のキャパシタ対を覆うように設けられ、外部から押圧可能に構成されたカバーを更に備えることを特徴とする請求項８に記載の入力装置。
10. 前記電極対と前記参照キャパシタを含むキャパシタ対は、マトリクス状に配置され、
    前記複数のキャパシタ対を覆うように設けれられ、外部から押圧可能に構成されたカバーを更に備えることを特徴とする請求項８に記載の入力装置。
11. 請求項８に記載の入力装置を備えることを特徴とする電子機器。
12. 第１キャパシタを第１固定電圧で充電し、第２キャパシタを第２固定電圧で充電する第１ステップと、
    前記第１ステップにおいて、前記第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第１検出電圧としてホールドするステップと、
    前記第１キャパシタを前記第２固定電圧で充電し、前記第２キャパシタを第１固定電圧で充電する第２ステップと、
    前記第２ステップにおいて、前記第１、第２キャパシタに現れる電圧を平均し、第２検出電圧としてホールドするステップと、
    前記第１検出電圧と前記第２検出電圧の差を増幅するステップと、
    を備えることを特徴とする容量電圧変換方法。
13. 前記第１、第２キャパシタに現れる電圧の平均は、２つのキャパシタに充電された電荷を平均することにより行うことを特徴とする請求項１２に記載の容量電圧変換方法。
14. 前記第２固定電圧は、接地電圧であることを特徴とする請求項１２に記載の容量電圧変換方法。

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