(57)【要約】【課題】検知対象物の位置推定の解像度の向上およびセンサから検知対象物までの検知可能範囲の拡大を図る。【解決手段】入力装置（１）は、主電極（Ｄ）と、主電極（Ｄ）の対向する両辺側に配置された１対の副電極（Ｓ１）および副電極（Ｓ２）を備える。また、入力装置（１）は、主電極（Ｄ）と副電極（Ｓ１）との間の静電容量（Ｃ１）と主電極（Ｄ）と副電極（Ｓ２）との間の静電容量（Ｃ１）との容量比（Ｃ２／Ｃ１）を検出する容量比検出回路（１１）と、検知対象物と副電極（Ｓ１）の中心との間の距離と、検知対象物と副電極（Ｓ２）の中心との間の距離との距離比（Ｌ２／Ｌ１）、および容量比（Ｃ２／Ｃ１）の予め推定された関係に基づいて、検出された容量比（Ｃ２／Ｃ１）から距離比（Ｌ２／Ｌ１）を推定する距離比推定部（１２）を備えている。【選択図】図１
2014191654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電極と、
前記主電極の対向する両辺側に配置された１対の第１副電極および第２副電極と、
前記主電極と前記第１副電極との間の第１静電容量と前記主電極と前記第２副電極との間の第２静電容量との第１容量比を検出する容量比検出手段と、
検知対象物と前記第１副電極の中心との間の距離と、前記検知対象物と前記第２副電極の中心との間の距離との第１距離比、および前記第１容量比の予め推定された関係に基づいて、検出された前記第１容量比から前記第１距離比を推定する距離比推定手段とを備えていることを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記第１副電極および前記第２副電極が配置されていない前記主電極の対向する両辺側に配置された１対の第３副電極および第４副電極を備え、
前記容量比検出手段は、前記主電極と前記第３副電極との間の第３静電容量と前記主電極と前記第４副電極との間の第４静電容量との第２容量比をさらに検出し、
前記距離比推定手段は、検知対象物と前記第３副電極の中心との間の距離と、前記検知対象物と前記第４副電極の中心との間の距離との第２距離比、および前記第２容量比の予め推定された関係に基づいて、検出された前記第２容量比から前記第２距離比をさらに推定することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【請求項３】
互いに交差するように配置された複数の第１線状電極および複数の第２線状電極が形成されたタッチパネルシートを備え、
前記主電極は、前記第１線状電極および前記第２線状電極のうちの一方が互いに接続されて構成され、
前記第１副電極および第２副電極は、前記第１線状電極および前記第２線状電極のうちの他方が、前記タッチパネルシートの対向する両辺側で互いに任意の数だけ接続されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
【請求項４】
互いに交差するように配置された複数の第１線状電極および複数の第２線状電極が形成されたタッチパネルシートと、
前記主電極を構成するように前記第１線状電極を互いに接続するとともに、前記第１副電極および前記第２副電極を構成するように前記タッチパネルシートの対向する両辺側における任意の数の前記第２線状電極を互いに接続する一方、前記主電極を構成するように前記第２線状電極を互いに接続するとともに、前記第１副電極および前記第２副電極を構成するように前記タッチパネルシートの対向する他方の両辺側における任意の数の前記第１線状電極を互いに接続する電極接続手段とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
【請求項５】
前記容量比検出手段は、前記第１静電容量から第１固定容量を減じた値と、前記第２静電容量から第２固定容量値を減じた値との第３容量比を検出することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の入力装置。
【請求項６】
前記第１距離比、前記第２距離比、および前記第１静電容量と前記第２静電容量との容量和に基づいて、前記主電極と前記検知対象物との間の垂直距離を推定する垂直距離推定手段を備えていることを特徴とする請求項２または４に記載の入力装置。
【請求項７】
前記容量比検出手段は、前記容量和と既知の基準静電容量との比を検出することを特徴とする請求項６に記載の入力装置。
【請求項８】
前記第１線状電極および前記第２線状電極から引き出された引出線を前記タッチパネルシート上で遮蔽するシールドを備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の入力装置。
【請求項９】
前記検知対象物の位置を繰り返し推定することにより、前記検知対象物の動きを推定する移動推定手段を備えていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の入力装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の入力装置を備えていることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象物の空間位置または動きを静電容量を用いて推定することにより電子機器への入力操作を受け付ける入力装置および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
指や手などの動きを入力操作として受け付ける入力装置としては、光学装置を用いたものが良く知られている。このような光学装置は、光を通すための窓を設ける必要であるため、装置の小型化が制限されたり、デザイン上で制約を受けたりするといった問題がある。このような問題を解消する入力装置としては、静電容量を用いたセンサが挙げられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、センサパッド上にマトリックス状に形成された静電容量センサアレイを用いて、検知対象物の位置に応じた電気信号を生成する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８０５４３００号明細書（２０１１年１１月８日発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、センサマトリックスの各ノードのキャパシタンスの変化を求めることで検知対象物の位置を推定するため、その解像度はマトリックスの格子サイズに制約される。さらに、格子サイズを小さくするとセンサアレイを形成する電極が相対的に小さくなるため、センサパッドから検知対象物までの垂直方向の検知可能距離が小さくなるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検知対象物の位置推定の解像度の向上およびセンサから検知対象物までの検知可能範囲の拡大を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る入力装置は、主電極と、前記主電極の対向する両辺側に配置された１対の第１副電極および第２副電極と、前記主電極と前記第１副電極との間の第１静電容量と前記主電極と前記第２副電極との間の第２静電容量との第１容量比を検出する容量比検出手段と、検知対象物と前記第１副電極の中心との間の距離と、前記検知対象物と前記第２副電極の中心との間の距離との第１距離比、および前記第１容量比の予め推定された関係に基づいて、検出された前記容量比から前記第１距離比を推定する距離比推定手段とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、したがって、検知対象物の位置推定の解像度の向上およびセンサから検知対象物までの検知可能範囲の拡大を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態１および５に係る入力装置の構成を示す図であり、（ｂ）は当該入力装置における電極の構成を示す平面図である。
【図２】上記入力装置で用いる２つの静電容量の比と、上記入力装置で用いる２つの電極と検知対象物との距離の比との関係の一例を示すグラフである。
【図３】上記入力装置によって位置が推定される検知対象物と２つの電極との距離の関係を示す図である。
【図４】上記入力装置における容量比検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】上記容量比検出回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】（ａ）は本発明の実施形態１に係る変形例の入力装置の構成を示す図であり、（ｂ）は当該入力装置における電極の構成を示す平面図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る入力装置の構成を示す図である。
【図８】図７の入力装置によって推定される検知対象物の位置を示す図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る変形例の入力装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る入力装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態４に係る入力装置の構成を示す図である。
【図１２】（ａ）は図１１の入力装置による電極の駆動状態（第１フェーズ）を示す図であり、（ｂ）は図１１の入力装置による電極の他の駆動状態（第２フェーズ）を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態５に係る入力装置で用いる２つの静電容量の関係を示すグラフである。
【図１４】上記２つの静電容量とそれぞれの静電容量の最小値との差の比と、実施形態５に係る入力装置の２つの電極と検知対象物との距離の比との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態５に係る入力装置における容量比検出回路の構成を示す回路図である。
【図１６】本発明の実施形態６に係る入力装置の構成を示す回路図である。
【図１７】図１６の入力装置によって推定される検知対象物の位置を示す図である。
【図１８】（ａ）は図１６の入力装置の上記２つの静電容量の比を推定する場合の動作状態を示す回路図であり、（ｂ）は図１６の入力装置の上記２つの静電容量の和と基準容量との比を推定する場合の動作状態を示す回路図である。
【図１９】上記２つの静電容量と電極から検知対象物までの距離との関係を示すグラフである。
【図２０】本発明の実施形態７に係る入力装置の構成を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態８に係る入力装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】（ａ）および（ｂ）は図２１の入力装置によって検知される検知対象物としての指の動きを示す図である。
【図２３】本発明の実施形態９に係るスマートフォンの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施形態１］
本発明に係る実施形態１について、図１〜図６を参照して以下に説明する。
【００１１】
図１の（ａ）は本発明の実施形態１に係る入力装置１の構成を示す図であり、図１の（ｂ）は入力装置１における電極Ｄ，Ｓ１，Ｓ２の構成を示す平面図である。図２は、入力装置１で用いる２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の比と、入力装置１で用いる２つの副電極Ｓ１，Ｓ２と検知対象物との距離の比との関係の一例を示すグラフである。図３は、入力装置１によって位置が推定される検知対象物と副電極Ｓ１，Ｓ２との距離の関係を示す図である。図４は、入力装置１における容量比検出回路１１の構成を示す回路図である。図５は、容量比検出回路１１の動作を示すタイミングチャートである。
【００１２】
〔入力装置の構成〕
図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、入力装置１は、主電極Ｄ、副電極Ｓ１，Ｓ２、容量比検出回路１１および距離比推定部１２を備えている。
【００１３】
〈電極の構成〉
図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、主電極Ｄ（主電極）は、長方形の広い面積を有する平面状の電極である。１対の副電極Ｓ１，Ｓ２は、主電極Ｄよりも小さい面積を有し、細長い長方形に形成されている。副電極Ｓ１（第１副電極）は、主電極Ｄが配置される平面と同一平面上における主電極Ｄの側方かつ主電極Ｄの短辺の近傍に、当該短辺と間隔をおくが近接して配置されている。また、副電極Ｓ２（第２副電極）は、副電極Ｓ１が配置される側と反対側、すなわち、主電極Ｄが配置される平面と同一平面上における主電極Ｄの側方かつ主電極Ｄの他の短辺の近傍に、当該短辺と間隔をおくが近接して配置されている。
【００１４】
〈検知対象物の位置推定の原理〉
主電極Ｄには、ドライブ信号Ｖｄｒｉが印加されている。これにより、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間に電気力線が生じる。指Ｆなどの検知対象物を主電極Ｄに近づけると、主電極Ｄと指Ｆとの間にも電気力線が生じるので、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間の電気力線が、その影響を受けて変化する。したがって、主電極Ｄと副電極Ｓ１との間の静電容量Ｃ１（第１静電容量）、および主電極Ｄと副電極Ｓ２との間の静電容量Ｃ２（第２静電容量）が、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間の電気力線の変化に応じて変化する。よって、静電容量Ｃ１，Ｃ２の比（Ｃ２／Ｃ１）に基づけば、指Ｆの位置を推定することができる。
【００１５】
ここで、指Ｆと副電極Ｓ１の中心との間の距離Ｌ１と、指Ｆと副電極Ｓ２の中心との間の距離Ｌ２との距離比Ｌ２／Ｌ１は、図２に示すように、Ｃ２／Ｃ１の関数で表される。図２において、距離Ｌ１，Ｌ２が等しいとき、幾何学的対称性により、静電容量Ｃ１，Ｃ２も等しくなる（距離比Ｌ２／Ｌ１および容量比Ｃ２／Ｃ１がともに１となる）。ただし、実際には、副電極Ｓ１，Ｓ２や周囲環境の非対称性により、距離Ｌ１，Ｌ２が等しいときに、静電容量Ｃ１，Ｃ２が等しくならないこともある。
【００１６】
上記のように、距離比Ｌ２／Ｌ１が容量比Ｃ２／Ｃ１から推定できるので、図３に示すように、指Ｆと副電極Ｓ１の中心との間の距離を１とすると、指Ｆと副電極Ｓ２の中心との間の距離Ａは距離比Ｌ２／Ｌ１となる。したがって、指Ｆは、副電極Ｓ１，Ｓ２の中心からの距離の比が１：Ａとなる関係を満たす球面上に位置することが推定できる。
【００１７】
なお、上記の球面上においても、主電極Ｄの上方から外れる外側の範囲では、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間の電気力線に影響を与えにくいため、指Ｆの位置を推定することが難しい。
【００１８】
〈容量比検出回路の構成〉
容量比検出回路１１は、上記の容量比Ｃ２／Ｃ１を検出するための回路である。図４に示すように、この容量比検出回路１１は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、差動積分回路１１１、量子化器１１２、演算部１１３および切替制御回路１１４を有している。
【００１９】
（差動積分回路）
差動積分回路１１１は、静電容量Ｃ１，Ｃ２に蓄えられた電荷の変化量を積分して電圧へと変換する回路であり、差動増幅器１１１ａおよび２つの積分容量Ｃｆ１，Ｃｆ２を有している。
【００２０】
差動増幅器１１１ａは、２つの入力端子として正極性の入力端子Ｉｎｐおよび負極性の入力端子Ｉｎｎを有し、２つの出力端子として正極性の出力端子および負極性の出力端子を有している。正極性の出力端子は負極性の入力端子Ｉｎｎに対応し、負極性の出力端子は正極性の入力端子Ｉｎｐに対応している。差動増幅器１１１ａの正極性の出力端子からは、正極性のアナログ出力電圧Ｖｏ＋が出力され、負極性の出力端子からは、負極性のアナログ出力電圧Ｖｏ−が出力される。
【００２１】
差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｐは、スイッチＳＷ１と接続されるとともに、積分容量Ｃｆ１を介して負極性の出力端子と接続されている。また、差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｎは、スイッチＳＷ２と接続されるとともに、積分容量Ｃｆ２を介して、正極性の出力端子と接続されている。
【００２２】
また、差動増幅器１１１ａの正極性の出力端子および負極性の出力端子は、量子化器１１２の入力端子に接続されている。
【００２３】
積分容量Ｃｆ１は、静電容量Ｃ１に蓄えられた電荷の変化量を積分するためのキャパシタンスであり、一端がスイッチＳＷ１および入力端子Ｉｎｐに接続され、他端が差動増幅器１１１ａの負極性の出力端子に接続されている。積分容量Ｃｆ２は、静電容量Ｃ２に蓄えられた電荷の変化量を積分するためのキャパシタンスであり、一端がスイッチＳＷ２および入力端子Ｉｎｎに接続され、他端が差動増幅器１１１ａの正極性の出力端子に接続されている。
【００２４】
（量子化器）
量子化器１１２は、差動積分回路１１１から入力されたアナログ信号としての差動出力電圧Ｖｏを量子化（デジタル化）し、デジタル信号としての量子化信号Ｄｏを出力する。具体的には、量子化器１１２は、差動積分回路１１１の正極性のアナログ出力電圧Ｖｏ＋と負極性のアナログ出力電圧Ｖｏ−との差、すなわち、Ｖｏ＝（Ｖｏ＋）−（Ｖｏ−）によって定められる、差動信号としての差動出力電圧Ｖｏの値を、閾値電圧Ｖｔｈと比較することにより、量子化信号Ｄｏの値を決定する。この量子化器１１２は、ＡＤ（Analog-Digital）変換器であり、公知のコンパレータ回路によって実現可能である。
【００２５】
量子化器１１２は、容量比検出回路１１に与えられるクロック信号Ｃｌｋの立ち下がりのタイミングにおいて、差動出力電圧Ｖｏと所定の閾値電圧Ｖｔｈとを比較する。クロック信号Ｃｌｋの立ち下がりのタイミングにおいて、差動出力電圧Ｖｏの値が閾値電圧Ｖｔｈ以下であるとき、量子化器１１２は、クロック信号Ｃｌｋの立ち下がりのタイミングにおいて、量子化信号Ｄｏの値として、Ｄｏ＝０を出力する（後述の図５を参照）。
【００２６】
他方、クロック信号Ｃｌｋの立ち下がりのタイミングにおいて、差動出力電圧Ｖｏの値が閾値電圧Ｖｔｈを超えているとき、量子化器１１２は、クロック信号Ｃｌｋの立ち下がりのタイミングにおいて、量子化信号Ｄｏの値として、Ｄｏ＝１を出力する（図５を参照）。
【００２７】
（スイッチおよび切替制御回路）
スイッチＳＷ１は、副電極Ｓ１をコモンモード端子ＣＯＭと差動積分回路１１１とに選択的に接続する切替回路である。また、スイッチＳＷ２は、副電極Ｓ２をコモンモード端子ＣＯＭと差動積分回路１１１とに選択的に接続する切替回路である。コモンモード端子ＣＯＭは、コモンモード電圧Ｖｃが印加されている。
【００２８】
具体的には、スイッチＳＷ１の固定端子は副電極Ｓ１と接続され、スイッチＳＷ１の一方の切替端子は差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｐと接続され、スイッチＳＷ１の他方の切替端子はコモンモード端子ＣＯＭと接続されている。また、スイッチＳＷ２の固定端子は副電極Ｓ２と接続され、スイッチＳＷ２の一方の切替端子は差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｎと接続され、スイッチＳＷ２の他方の切替端子はコモンモード端子ＣＯＭと接続されている。
【００２９】
スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、クロック信号ＣｌｋがＬｏｗ値であるときに、副電極Ｓ１，Ｓ２をコモンモード端子ＣＯＭに接続する。また、スイッチＳＷ１は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であり、かつ量子化器１１２から出力される量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であるときに、副電極Ｓ１を差動積分回路１１１に接続する。さらに、スイッチＳＷ２は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であり、かつ量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であるときに、副電極Ｓ１を差動積分回路１１１に接続する。
【００３０】
切替制御回路１１４は、図５に示すように、クロック信号ＣｌｋがＬｏｗ値であるときに、Ｌｏｗ値の切替制御信号Ｃｌｋ×ＤｏをスイッチＳＷ１に与えるとともに、Ｌｏｗ値の切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂをスイッチＳＷ２に与える。スイッチＳＷ１は、上記の制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏを受けて副電極Ｓ１をコモンモード端子ＣＯＭに接続する。また、スイッチＳＷ２は、上記の切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂを受けて副電極Ｓ２をコモンモード端子ＣＯＭに接続する。
【００３１】
切替制御回路１１４は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であるときに、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であれば、Ｈｉｇｈ値の切替制御信号Ｃｌｋ×ＤｏをスイッチＳＷ１に与えるとともに、Ｌｏｗ値の切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂをスイッチＳＷ２に与える。スイッチＳＷ１は、上記の制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏを受けて副電極Ｓ１を差動積分回路１１１に接続する。また、スイッチＳＷ２は、上記の制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂを受けて副電極Ｓ２をコモンモード端子ＣＯＭに接続した状態を維持する。
【００３２】
切替制御回路１１４は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であるときに、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であれば、Ｌｏｗ値の切替制御信号Ｃｌｋ×ＤｏをスイッチＳＷ１に与えるとともに、Ｈｉｇｈ値の切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂをスイッチＳＷ２に与える。スイッチＳＷ１は、上記の制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏを受けて副電極Ｓ１をコモンモード端子ＣＯＭに接続した状態を維持する。また、スイッチＳＷ２は、上記の制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂを受けて副電極Ｓ２を差動積分回路１１１に接続する。
【００３３】
このように、切替制御回路１１４は、２値のクロック信号Ｃｌｋおよび量子化信号Ｄｏに基づいて、切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ，Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂを出力することから、論理回路によって構成することができる。
【００３４】
（演算部）
演算部１１３は、切替制御回路１１４が上記のようにスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り替えを制御することによって、クロック信号ＣｌｋのＮ周期の間に量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値になった周期の数Ｋに基づいて、容量比Ｃ２／Ｃ１を算出する。具体的には、ドライブ信号Ｖｄｒｉがクロック信号Ｃｌｋに同期して電圧Ｖｒとコモンモード電圧Ｖｃ（Ｖｒ＞Ｖｃ）とを交互に繰り返す信号であるとき、次式が成り立つ。
【００３５】
Ｃ１（Ｖｒ−Ｖｃ）×Ｋ＝Ｃ２（Ｖｒ−Ｖｃ）×（Ｎ−Ｋ）
量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であれば、Ｃ１（Ｖｒ−Ｖｃ）の電荷が積分容量Ｃｆ１によって積分されて、差動出力電圧ＶｏがＣ１（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ１減少する。一方、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であれば、Ｃ２（Ｖｒ−Ｖｃ）の電荷が積分容量Ｃｆ２によって積分されて、差動出力電圧ＶｏがＣ２（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ２増加する。これらの作用は差動出力電圧Ｖｏからの負帰還を形成する。したがって、差動出力電圧Ｖｏは後述する動作のように０Ｖの近傍に保持される。これは、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値となる回数が、クロック信号ＣｌｋのＮ周期の間にＫ回である場合、次式が近似的に成立することを意味している。
【００３６】
Ｃ１（Ｖｒ−Ｖｃ）×Ｋ／Ｃｆ１＝Ｃ２（Ｖｒ−Ｖｃ）×（Ｎ−Ｋ）／Ｃｆ２
ここで、Ｃｆ１＝Ｃｆ２であるので、前記の式が成立する。したがって、前記の式から次の式（１）に表されるように容量比が算出される。
【００３７】
Ｃ２／Ｃ１＝Ｋ／（Ｎ−Ｋ）          …（１）
演算部１１３は、クロック信号Ｃｌｋをカウントする第１カウンタと、第１カウンタがクロック信号Ｃｌｋをカウントする期間で量子化信号ＤｏのＨｉｇｈ値をカウントする第２カウンタを有している。また、演算部１１３は、第１カウンタのカウント値であるＮと、第２カウンタのカウント値であるＫとに基づいて、上記の式（１）を用いて容量比Ｃ２／Ｃ１を算出する。
【００３８】
〈距離比推定部〉
距離比推定部１２は、図２に示す前述の容量比Ｃ２／Ｃ１と距離比Ｌ２／Ｌ１との関係に基づいて、演算部１１３で算出された上記の容量比Ｃ２／Ｃ１から、距離比Ｌ２／Ｌ１を推定する。ここで、上記の容量比Ｃ２／Ｃ１と距離比Ｌ２／Ｌ１との関係は、測定やシミュレーションによって予め推定されている。例えば、距離比推定部１２は、上記の容量比Ｃ２／Ｃ１と距離比Ｌ２／Ｌ１との関係に基づいて、容量比Ｃ２／Ｃ１と距離比Ｌ２／Ｌ１とを対応付けたルックアップテーブルを有しており、当該ルックアップテーブルに入力される容量比Ｃ２／Ｃ１に対応した距離比Ｌ２／Ｌ１を出力する。
【００３９】
〔入力装置の動作〕
続いて、上記のように構成される入力装置１の動作について説明する。
【００４０】
まず、図４に示すように、主電極Ｄには、クロック信号Ｃｌｋと同期して変化するドライブ信号Ｖｄｒｉが入力されている。ドライブ信号Ｖｄｒｉは、クロック信号ＣｌｋがＬｏｗ値であるときに電圧Ｖｒとなり、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であるときにコモンモード電圧Ｖｃとなる。ここで、Ｖｒ＞Ｖｃの関係がある。
【００４１】
クロック信号Ｃｌｋの１周期における前半期間（Ｌｏｗ期間）において、主電極Ｄには電圧Ｖｒが印加され、副電極Ｓ１，Ｓ２は、それぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２によりコモンモード端子ＣＯＭに接続されて、コモンモード電圧Ｖｃが印加される。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２における差動積分回路１１１に接続される端子を基準として、静電容量Ｃ１にはＣ１（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられ、静電容量Ｃ２にはＣ２（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられる。
【００４２】
クロック信号Ｃｌｋの１周期における後半期間（Ｈｉｇｈ期間）において、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であれば、副電極Ｓ１がスイッチＳＷ１を介して差動積分回路１１１に接続される。このとき、静電容量Ｃ１に蓄えられた電荷は、Ｃ１（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化するので、クロック信号Ｃｌｋの前半期間からの電荷の変化量であるＣ１（Ｖｒ−Ｖｃ）が、入力端子Ｉｎｐを通して差動積分回路１１１に入力されると、積分容量Ｃｆ１で積分される。この積分動作による差動出力電圧Ｖｏ（アナログ出力電圧）は、次式に表されるように変化する。
【００４３】
Ｖｏ＝（Ｖｏ＋）−（Ｖｏ−）
＝−Ｃ１（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ１
このように、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値である場合は、差動出力電圧Ｖｏが減少する。
【００４４】
クロック信号Ｃｌｋの１周期における後半期間において、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であれば、副電極Ｓ２がスイッチＳＷ２を介して差動積分回路１１１に接続される。このとき、静電容量Ｃ２に蓄えられた電荷は、Ｃ２（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化するので、クロック信号Ｃｌｋの前半期間からの電荷の変化量であるＣ２（Ｖｒ−Ｖｃ）が、入力端子Ｉｎｎを通して差動積分回路１１１に入力されると、積分容量Ｃｆ２で積分される。この積分動作による差動出力電圧Ｖｏは、次式で表されるように変化する。
【００４５】
Ｖｏ＝（Ｖｏ＋）−（Ｖｏ−）
＝Ｃ２（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ２
このように、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値である場合は、差動出力電圧Ｖｏが増加する。
【００４６】
クロック信号Ｃｌｋの立ち下り時に差動出力電圧Ｖｏが正の値であれば、クロック信号Ｃｌｋの立ち下りから１周期の間に、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値となり、その周期の後半において差動出力電圧Ｖｏが減少する。一方、クロック信号Ｃｌｋの立ち下り時に差動出力電圧Ｖｏが負の値であれば、クロック信号Ｃｌｋの立ち下りから１周期の間に、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値になり、その周期の後半において差動出力電圧Ｖｏが増加する。
【００４７】
以上の動作により、図５に示すように、差動出力電圧Ｖｏはゼロの近くの値に保たれることがわかる。
【００４８】
ここで、演算部１１３において、クロック信号Ｃｌｋの周期数Ｎがカウントされるとともに、周期数Ｎがカウントされる期間に量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値となる数Ｋがカウントされ、これらのＮおよびＫを用いて前述の式（１）に基づき、容量比Ｃ２／Ｃ１が算出される。
【００４９】
さらに、距離比推定部１２において、上記のようにして算出された容量比Ｃ２／Ｃ１が入力されると、当該容量比Ｃ２／Ｃ１に対応する距離比Ｌ２／Ｌ１が出力される。
【００５０】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係る入力装置１は、主電極Ｄと、その両側に配置される副電極Ｓ１，Ｓ２とを備えている。これにより、主電極Ｄに近づく指Ｆ（検知対象物）によって、主電極Ｄと副電極Ｓ１との間の静電容量Ｃ１、および主電極Ｄと副電極Ｓ２との間の静電容量Ｃ２が変化する。入力装置１は、静電容量Ｃ１，Ｃ２の比である容量比Ｃ２／Ｃ１を容量比検出回路１１によって検出し、さらに、距離比推定部１２によって、検出された容量比Ｃ２／Ｃ１から距離比Ｌ２／Ｌ１を推定する。
【００５１】
これにより、図３に示すように、指Ｆが、副電極Ｓ１，Ｓ２の中心からの距離の比が１：Ａ（Ａ＝Ｌ２／Ｌ１）となる関係を満たす点の集合で形成される球面上に位置することが推定できる。距離比Ｌ２／Ｌ１に基づいて、指Ｆの位置を球面上に限定できれば、指Ｆが副電極Ｓ１，Ｓ２のどちらに近い位置にあるか（２つの領域のいずれにあるか）を区別できるので、指Ｆの位置を２値の情報として入力することができる。したがって、検知対象物の位置推定の解像度の向上およびセンサから検知対象物までの検知可能範囲の拡大を図ることが可能となる。
【００５２】
〔変形例〕
続いて、本実施形態における変形例について、図６を参照して以下に説明する。
【００５３】
図６の（ａ）は本実施形態に係る変形例の入力装置２の構成を示す図であり、図６の（ｂ）は入力装置２における電極の構成を示す平面図である。
【００５４】
図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、本変形例に係る入力装置２は、前述の入力装置１と同様、主電極Ｄ、副電極Ｓ１，Ｓ２、容量比検出回路１１および距離比推定部１２を備えている。
【００５５】
入力装置２における副電極Ｓ１，Ｓ２は、主電極Ｄの検出面上に重ねて配置されている。具体的には、副電極Ｓ１，Ｓ２は、主電極Ｄの両方の短辺の近傍に、当該短辺に沿うように、主電極Ｄの検出面上に主電極Ｄと絶縁が確保された状態で配置されている。
【００５６】
このように、入力装置２では、副電極Ｓ１，Ｓ２が主電極Ｄ上に配置されていても、入力装置１と同様、主電極Ｄと副電極Ｓ１との間の静電容量Ｃ１と、主電極Ｄと副電極Ｓ２との間の静電容量Ｃ２とが生じている。これにより、入力装置２は、入力装置１と同様、容量比検出回路１１によって容量比Ｃ２／Ｃ１を検出し、距離比推定部１２によって容量比Ｃ２／Ｃ１に基づいて距離比Ｌ２／Ｌ１を推定することにより、指Ｆの位置を球面上に推定することができる。
【００５７】
また、入力装置２では、副電極Ｓ１，Ｓ２が主電極Ｄ上に配置されているので、入力装置１における副電極Ｓ１，Ｓ２を配置する領域が不要となる。したがって、電極設置面積を小さくすることができる。
【００５８】
これに対し、入力装置１では、電極設置面積が大きくなるものの、同一の平面（層）上に主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２を配置するので、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２を形成するために多層基板を用いる必要がない。
【００５９】
［実施形態２］
本発明に係る実施形態２について、図７〜図９を参照して以下に説明する。
【００６０】
図７は、実施形態２に係る入力装置３の構成を示す図である。図８は、入力装置３によって推定される検知対象物の位置を示す図である。
【００６１】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【００６２】
〔入力装置の構成〕
図７に示すように、入力装置３は、主電極Ｄ、副電極Ｓ１〜Ｓ４、容量比検出回路３１，３２、距離比推定部３３，３４および円弧算出部３５を備えている。
【００６３】
〈電極の構成〉
図７に示すように、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２の構成および配置は、前述の入力装置１における主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２と同様であるので、ここでは、その説明を省略する。副電極Ｓ３，Ｓ４は、主電極Ｄよりも小さい面積を有し、細長い長方形に形成されている。副電極Ｓ３（第３副電極）は、主電極Ｄが配置される平面と同一平面上における主電極Ｄの側方かつ主電極Ｄの長辺の近傍に、当該長辺と間隔をおくが近接して配置されている。また、副電極Ｓ４波（第４副電極）、副電極Ｓ３が配置される側と反対側、すなわち、主電極Ｄが配置される平面と同一平面上における主電極Ｄの側方かつ主電極Ｄの他の長辺の近傍に、当該長辺と間隔をおくが近接して配置されている。
【００６４】
〈検知対象物の位置推定の原理〉
主電極Ｄ１には、ドライブ信号Ｖｄｒｉが印加されている。これにより、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間だけでなく、主電極Ｄと副電極Ｓ３，Ｓ４との間にも電気力線が生じる。指Ｆなどの検知対象物を主電極Ｄに近づけると、主電極Ｄと指Ｆとの間にも電気力線が生じるので、主電極Ｄと副電極Ｓ３，Ｓ４との間の電気力線が、その影響を受けて変化する。したがって、主電極Ｄと副電極Ｓ３との間の静電容量Ｃ３、および主電極Ｄと副電極Ｓ４との間の静電容量Ｃ４が、主電極Ｄと副電極Ｓ３，Ｓ４との間の電気力線の変化に応じて変化する。よって、静電容量Ｃ３，Ｃ４の比（Ｃ４／Ｃ３）に基づけば、指Ｆの位置を推定することができる。
【００６５】
ここで、指Ｆと副電極Ｓ３の中心との間の距離Ｌ３と、指Ｆと副電極Ｓ４の中心との間の距離Ｌ４との距離比Ｌ４／Ｌ３も、図２に示すＣ２／Ｃ１の関数と同様、Ｃ４／Ｃ３の関数で表される。
【００６６】
上記のように、距離比Ｌ４／Ｌ３が容量比Ｃ４／Ｃ３から推定できるので、図３に示す副電極Ｓ１，Ｓ２と同様、指Ｆと副電極Ｓ３の中心との間の距離を１とすると、指Ｆと副電極Ｓ４の中心との間の距離Ｂは距離比Ｌ４／Ｌ３となる。したがって、指Ｆは、副電極Ｓ３，Ｓ４の中心からの距離の比が１：Ｂとなる関係を満たす球面上に位置することが推定できる。また、指Ｆは、実施形態１ですでに説明したように、副電極Ｓ１，Ｓ２の中心からの距離の比が１：Ａとなる関係を満たす球面上に位置することが推定できる。よって、図８に示すように、指Ｆは、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２の容量比Ｃ２／Ｃ１に基づいて推定される球面ＳＰ１と、主電極Ｄおよび副電極Ｓ３，Ｓ４の容量比Ｃ４／Ｃ３に基づいて推定される球面ＳＰ２とが交差する円弧ＡＲ上に位置することが推定できる。
【００６７】
なお、上記の球面ＳＰ１，ＳＰ２上においても、主電極Ｄの上方から外れる外側の範囲では、主電極Ｄと副電極Ｓ１〜Ｓ４との間の電気力線に影響を与えにくいため、指Ｆの位置を推定することが難しい。
【００６８】
〈容量比検出回路の構成〉
容量比検出回路３１は、上記の容量比Ｃ２／Ｃ１を検出するための回路であり、実施形態１の入力装置１における容量比検出回路１１と同様に構成されている。また、容量比検出回路３２は、上記の容量比Ｃ４／Ｃ３を検出するための回路であり、接続されるのが副電極Ｓ３，Ｓ４であることが異なるのみで容量比検出回路１１と同様に構成されている。
【００６９】
〈距離比推定部の構成〉
距離比推定部３３は、容量比検出回路３２で検出された上記の容量比Ｃ２／Ｃ１から、距離比Ｌ２／Ｌ１を推定し、距離比推定部３４は、容量比検出回路３３で検出された上記の容量比Ｃ４／Ｃ３から、距離比Ｌ４／Ｌ３を推定する。距離比推定部３３，３４は、ともに実施形態１の入力装置１における距離比推定部１２と同様に構成されている。
【００７０】
〈円弧算出部の構成〉
円弧算出部３５は、距離比推定部３３，３４によって推定された距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３に基づいて前述の円弧ＡＲを算出する。具体的には、円弧算出部３５は、距離比Ｌ２／Ｌ１と距離比Ｌ４／Ｌ３との一致を検出する一致検出コンパレータと、一致が検出された両者の値を出力する出力回路とを有している。
【００７１】
〔入力装置の動作〕
続いて、上記のように構成される入力装置３の動作について説明する。
【００７２】
主電極Ｄ１と副電極Ｓ１，Ｓ２との容量比Ｃ２／Ｃ１が容量比検出回路３１で検出されると、距離比Ｌ２／Ｌ１が、その容量比Ｃ２／Ｃ１に基づいて、距離比推定部３３によって推定される。一方、主電極Ｄ１と副電極Ｓ３，Ｓ４との容量比Ｃ４／Ｃ３が容量比検出回路３２で検出されると、距離比Ｌ４／Ｌ３が、その容量比Ｃ４／Ｃ３に基づいて、距離比推定部３４によって推定される。
【００７３】
そして、推定された距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４，Ｌ３に基づいて、円弧算出部３５によって球面ＳＰ１，ＳＰ２上で交差する円弧ＡＲが算出される。
【００７４】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係る入力装置３は、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２から得られる容量比Ｃ２／Ｃ１によって距離比Ｌ２／Ｌ１を推定するだけでなく、主電極Ｄおよび副電極Ｓ３，Ｓ４から得られる容量比Ｃ４／Ｃ３によって距離比Ｌ４／Ｌ３を推定している。これにより、副電極Ｓ１，Ｓ２が対向する方向と、副電極Ｓ３，Ｓ４が対向する方向との直交する２方向について、指Ｆの位置を推定することにより、上記の円弧ＡＲ上に指Ｆが位置することを推定することができる。
【００７５】
それゆえ、円弧ＡＲと主電極Ｄとの交点の位置により、多値の情報を入力することができる。また、円弧ＡＲと主電極Ｄとの交点の動きの方向により、情報を入力することもできる。
【００７６】
〔変形例〕
続いて、本実施形態における変形例について、図９を参照して以下に説明する。
【００７７】
図９は、本実施形態に係る変形例の入力装置４の構成を示す図である。
【００７８】
図９に示すように、本変形例に係る入力装置４は、前述の入力装置３と同様、主電極Ｄ、副電極Ｓ１〜Ｓ４、容量比検出回路３１，３２、距離比推定部３３，３４および円弧算出部３５を備えている。
【００７９】
入力装置４における副電極Ｓ１〜Ｓ４は、主電極Ｄの検出面上に重ねて配置されている。具体的には、副電極Ｓ１，Ｓ２は、主電極Ｄの両方の短辺の近傍に、当該短辺に沿うように、主電極Ｄの検出面上に主電極Ｄと絶縁が確保された状態で配置されている。また、副電極Ｓ３，Ｓ４は、主電極Ｄの両方の長辺の近傍に、当該長辺に沿うように、主電極Ｄの検出面上に主電極Ｄと絶縁が確保された状態で配置されている。
【００８０】
このように、入力装置４では、副電極Ｓ１〜Ｓ４が主電極Ｄ上に配置されていても、入力装置３と同様、主電極Ｄと副電極Ｓ１との間の静電容量Ｃ１と、主電極Ｄと副電極Ｓ２との間の静電容量Ｃ２と、主電極Ｄと副電極Ｓ３との間の静電容量Ｃ３と、主電極Ｄと副電極Ｓ４との間の静電容量Ｃ４とが生じている。これにより、入力装置４は、入力装置３と同様、容量比検出回路３１，３２によって容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３を検出し、距離比推定部３３，３４によって容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３に基づいて距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３を推定し、円弧算出部３５によって距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３に基づいて円弧ＡＲを算出している。これにより、指Ｆの位置を球面ＳＰ１,ＳＰ２上の円弧ＡＲに推定することができる。
【００８１】
また、入力装置４では、副電極Ｓ１〜Ｓ４が主電極Ｄ上に配置されているので、入力装置３における副電極Ｓ１〜Ｓ４を配置する領域が不要となる。したがって、電極設置面積を小さくすることができる。
【００８２】
これに対し、入力装置３では、電極設置面積が大きくなるものの、同一の平面（層）上に主電極Ｄおよび副電極Ｓ１〜Ｓ４を配置するので、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１〜Ｓ４を形成するために多層基板を用いる必要がない。
【００８３】
［実施形態３］
本発明に係る実施形態３について、図１０を参照して以下に説明する。
【００８４】
図１０は、実施形態３に係る入力装置５の構成を示す図である。
【００８５】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【００８６】
〔入力装置の構成〕
図１０に示すように、入力装置５は、電極モジュール５１、容量比検出回路５２および距離比推定部５３を備えている。
【００８７】
〈電極モジュールの構成〉
図１０に示すように、電極モジュール５１は、タッチパネルシート５１ａおよび複数の電極Ｘ，Ｙを有している。
【００８８】
タッチパネルシート５１ａは、長方形に形成された透明の基板であり、透光性を有するガラスやプラスチックなどの板状やフィルム状の材料からなる。タッチパネルシート５１ａの一方の面には、複数の透明な電極Ｘ（第１線状電極）が互いに平行に同一方向（タッチパネルシート５１ａの長手方向）へ伸びるように形成されている。一方、タッチパネルシート５１ａの他方の面には、複数の透明な電極Ｙ（第２線状電極）が互いに平行に同一方向（タッチパネルシート５１ａの長手方向に直交する方向）へ伸びるように形成されている。また、タッチパネルシート５１ａの電極Ｘ，Ｙが形成される面は、ハードコートによって保護されている。
【００８９】
電極Ｘは、その長手方向に、対向する２つの角が一直線上に並ぶように多数の方形が配された構成をなしている。同様に、電極Ｙも、その長手方向に、対向する２つの角が一直線上に並ぶように多数の方形が配された構成をなしている。
【００９０】
タッチパネルシート５１ａにおいては、電極Ｘおよび電極Ｙは、上記のように形成されることにより、互いに直交するように配置されている。具体的には、隣接する２つの電極Ｘの間に形成される６角形の領域に電極Ｙの方形の部分が配置され、隣接する２つの電極Ｙの間に形成される６角形の領域に電極Ｘの方形の部分が配置されている。また、電極Ｘ，Ｙは、隣接するもの同士で僅かな隙間を間においてタッチパネルシート５１ａを覆うように配置されている。
【００９１】
通常、電極Ｘおよび電極Ｙには、図示しないＩＣによって構成されるコントローラから駆動のための交流信号が供給される。これにより、マトリックス状に配置された電極Ｘ，Ｙを順次スキャンして静電容量の変化を検出することで、タッチパネルシート５１ａ上の検知対象物の位置を検知している。本実施形態の入力装置５では、このような通常の使用方法と異なり、電極Ｘ，Ｙを利用して、前述の主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２を構成している。
【００９２】
具体的には、主電極Ｄは、全ての電極Ｙの端部が互いに接続することにより構成されており、当該端部にドライブ信号Ｖｄｒｉが入力される。また、副電極Ｓ１，Ｓ２は、タッチパネルシート５１ａの両短辺側で、それぞれ３つの電極Ｘの端部が互いに接続することにより構成されている。
【００９３】
〈容量比検出回路および距離比推定部の構成〉
容量比検出回路５２は、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１，Ｓ２によって得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の容量比Ｃ２／Ｃ１を検出するための回路であり、実施形態１の入力装置１における容量比検出回路１１と同様に構成されている。容量比検出回路５２の入力端子には、副電極Ｓ１，Ｓ２を構成する電極Ｘが互いに接続された端部が接続されている。
【００９４】
距離比推定部５３は、容量比検出回路５２で検出された上記の容量比Ｃ２／Ｃ１から、距離比Ｌ２／Ｌ１を推定し、入力装置１における距離比推定部１２と同様に構成されている。
【００９５】
〔入力装置の動作および効果〕
続いて、上記のように構成される入力装置３の動作について説明する。
【００９６】
主電極Ｄ１と副電極Ｓ１，Ｓ２との容量比Ｃ２／Ｃ１が容量比検出回路５２で検出されると、距離比Ｌ２／Ｌ１が、その容量比Ｃ２／Ｃ１に基づいて、距離比推定部５３によって推定される。これにより、検知対象物の位置は、入力装置１と同様に、Ｌ２／Ｌ１＝Ａで特定される点の集合で形成される球面上にあることが推定できる。
【００９７】
これにより、少ない検出回路を用いて検知対象物の位置を限定することができる。
【００９８】
なお、主電極Ｄを構成する電極Ｙの数や、副電極Ｓ１，Ｓ２を構成する電極Ｘの数は、上記の例に限定されることなく、適宜選択されてもよい。例えば、副電極Ｓ１，Ｓ２については、両短辺側に位置する電極Ｘで構成されるのではなく、短辺側から離れた位置にある電極Ｘで構成されてもよい。
【００９９】
［実施形態４］
本発明に係る実施形態４について、図１１および図１２を参照して以下に説明する。
【０１００】
図１１は、実施形態４に係る入力装置６の構成を示す図である。図１２の（ａ）は入力装置６による電極の駆動状態（第１フェーズ）を示す図であり、図１２の（ｂ）は入力装置６による電極の他の駆動状態（第２フェーズ）を示す図である。
【０１０１】
なお、本実施形態において、前述の実施形態２，３における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１０２】
〔入力装置の構成〕
図１１に示すように、入力装置６は、電極モジュール６１、スイッチマトリックス６２、容量比検出回路６３、容量比推定部６４、レジスタ６５および円弧算出部６６を備えている。
【０１０３】
〈電極モジュールの構成〉
図１１に示すように、電極モジュール６１は、タッチパネルシート６１ａおよび複数の電極Ｘ，Ｙを有している。
【０１０４】
タッチパネルシート６１ａは、実施形態３の入力装置５におけるタッチパネルシート５１ａと同様、長方形に形成された透明の基板であり、一方の面に、複数の電極Ｘが互いに平行に形成される一方、他方の面に、複数の電極Ｙが互いに平行に形成されている。電極Ｘ，Ｙは、互いに直交するように配置されている。
【０１０５】
タッチパネルシート６１ａにおける電極Ｘ，Ｙは、タッチパネルシート５１ａにおける電極Ｘ，Ｙと異なり、それぞれの一端が互いに接続されることなく、独立してスイッチマトリックス６２に接続されている。
【０１０６】
〈スイッチマトリックスの構成〉
スイッチマトリックス６２は、全ての電極Ｘ，Ｙについて１つずつ設けられたスイッチの集合体であり、各スイッチが各電極Ｘ，Ｙと、ドライブ信号Ｖｄｒｉ印加される駆動端子または容量比検出回路６３への出力端子とを選択的に切り替えて接続する。これにより、電極Ｘのうちの所定の数の電極Ｘおよび電極Ｙのうちの所定の数の電極Ｙを選択して、ドライブ信号Ｖｄｒｉを印加したり、容量比検出回路６３に接続したりすることができる。本実施形態では、スイッチマトリックス６２が次のように特定の電極Ｘ，Ｙを選択する。
【０１０７】
具体的には、スイッチマトリックス６２は、図１２の（ａ）に示すように、第１フェーズにおいて、全ての電極Ｙを選択することによって、前述の主電極Ｄに相当する主電極Ｄ１を構成し、選択した電極Ｙにドライブ信号Ｖｄｒｉを印加する。また、スイッチマトリックス６２は、第１フェーズにおいて、タッチパネルシート６１ａの両短辺側の３つの電極Ｘを選択することによって、それぞれ副電極Ｓ１，Ｓ２を構成し、選択した電極Ｘを容量比検出回路６３に接続する。
【０１０８】
一方、スイッチマトリックス６２は、図１２の（ｂ）に示すように、第２フェーズにおいて、全ての電極Ｘを選択することによって、前述の主電極Ｄに相当する主電極Ｄ２を構成し、選択した電極Ｘにドライブ信号Ｖｄｒｉを印加する。また、スイッチマトリックス６２は、第２フェーズにおいて、タッチパネルシート６１ａの両長辺側の２つの電極Ｙを選択することによって、それぞれ副電極Ｓ３，Ｓ４を構成し、選択した電極Ｙを容量比検出回路６３に接続する。
【０１０９】
〈容量比検出回路および距離比推定部の構成〉
容量比検出回路６３は、主電極Ｄ１および副電極Ｓ１，Ｓ２によって得られる静電容量Ｃ１，Ｃ２の容量比Ｃ２／Ｃ１、および主電極Ｄ２および副電極Ｓ３，Ｓ４によって得られる静電容量Ｃ３，Ｃ４の容量比Ｃ４／Ｃ３を検出するための回路である。この容量比検出回路６３は、実施形態１の入力装置１における容量比検出回路１１と同様に構成されている。容量比検出回路６３の入力端子には、スイッチマトリックス６２の出力端子が接続されている。
【０１１０】
距離比推定部６４は、容量比検出回路６３で検出された上記の容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３から、それぞれ距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３を推定する。この距離比推定部６４は、入力装置１における距離比推定部１２と同様に構成されている。
【０１１１】
〈レジスタの構成〉
レジスタ６５は、第１フェーズにおいて距離比推定部１２によって推定された距離比Ｌ２／Ｌ１と、第２フェーズにおいて距離比推定部１２によって推定された距離比Ｌ４／Ｌ３とを一時的に記憶するために設けられている。
【０１１２】
〈円弧算出部の構成〉
円弧算出部６６は、レジスタ６５に記憶されている距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３に基づいて前述の円弧ＡＲを算出する。この円弧算出部６６は、実施形態２に入力装置３における円弧算出部３５と同等に構成されている。
【０１１３】
〔入力装置の動作〕
続いて、上記のように構成される入力装置６の動作について説明する。
【０１１４】
まず、第１フェーズにおいて、スイッチマトリックス６２によって、図１２の（ａ）に示すように、全ての電極Ｙが選択されて主電極Ｄ１が構成されるとともに、両短辺側の３つの電極Ｘが選択されて副電極Ｓ１，Ｓ２が構成される。主電極Ｄ１にはドライブ信号Ｖｄｒｉが印加される一方、副電極Ｓ１，Ｓ２は容量比検出回路６３に接続される。この状態で、主電極Ｄ１と副電極Ｓ１，Ｓ２との間でそれぞれ発生する静電容量Ｃ１，Ｃ２の容量比Ｃ２／Ｃ１が容量比検出回路６３で検出される。そして、距離比Ｌ２／Ｌ１が、検出された容量比Ｃ２／Ｃ１に基づいて、距離比推定部６４によって推定されて、レジスタ６５に記憶される。
【０１１５】
続く第２フェーズにおいて、スイッチマトリックス６２によって、図１２の（ｂ）に示すように、全ての電極Ｘが選択されて主電極Ｄ２が構成されるとともに、両長辺側の２つの電極Ｙが選択されて副電極Ｓ３，Ｓ４が構成される。主電極Ｄ２にはドライブ信号Ｖｄｒｉが印加される一方、副電極Ｓ３，Ｓ４は容量比検出回路６３に接続される。この状態で、主電極Ｄ２と副電極Ｓ３，Ｓ４との間でそれぞれ発生する静電容量Ｃ３，Ｃ４の容量比Ｃ４／Ｃ３が容量比検出回路６３で検出される。そして、距離比Ｌ４／Ｌ３が、検出された容量比Ｃ４／Ｃ３に基づいて、距離比推定部６４によって推定されて、レジスタ６５に記憶される。
【０１１６】
そして、円弧算出部６６によって、レジスタ６５から読み出された容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３に基づいて、球面ＳＰ１，ＳＰ２上で交差する円弧ＡＲが算出される（図８を参照）。
【０１１７】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係る入力装置６は、主電極Ｄ１および副電極Ｓ１，Ｓ２から得られる容量比Ｃ２／Ｃ１によって距離比Ｌ２／Ｌ１を推定するだけでなく、主電極Ｄ２および副電極Ｓ３，Ｓ４から得られる容量比Ｃ４／Ｃ３によって距離比Ｌ４／Ｌ３を推定している。これにより、実施形態２の入力装置３と同様、副電極Ｓ１，Ｓ２が対向する方向と、副電極Ｓ３，Ｓ４が対向する方向との直交する２方向について、指Ｆの位置を推定することにより、上記の円弧ＡＲ上に指Ｆが位置することを推定することができる。
【０１１８】
それゆえ、円弧ＡＲと主電極Ｄ１，Ｄ２との交点の位置により、多値の情報を入力することができる。また、円弧ＡＲと主電極Ｄ１，Ｄ２との交点の動きの方向により、情報を入力することもできる。
【０１１９】
しかも、入力装置６は、一般の静電容量方式のタッチパネルで用いられるマトリックス状に配置された電極Ｘ，Ｙを、スイッチマトリックス６２を用いて主電極Ｄ１，Ｄ２および副電極Ｓ１，Ｓ２として利用することができる。これにより、タッチパネルを通常のタッチセンサとして利用したり、上記のように多値の情報を入力するセンサとして利用したりといったことが可能となる。
【０１２０】
［実施形態５］
本発明に係る実施形態５について、図１、図１３、図１４および図１５を参照して以下に説明する。
【０１２１】
図１３は、実施形態５に係る入力装置１で用いる２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の関係を示すグラフである。図１４は、静電容量Ｃ１，Ｃ２とそれぞれの静電容量Ｃ１，Ｃ２の最小値Ｃ１０，Ｃ２０との差の比と、入力装置１の副電極Ｓ１，Ｓ２と検知対象物との距離の比との関係を示すグラフである。図１５は、実施形態５に係る入力装置１における容量比検出回路１１Ａの構成を示す回路図である。
【０１２２】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１２３】
〔入力装置の構成〕
本実施形態では、実施形態１の入力装置１を用いて距離比Ｌ２／Ｌ１の推定精度を向上させることについて説明する。
【０１２４】
まず、静電容量Ｃ１，Ｃ２と距離比Ｌ２／Ｌ１との間には、図１３に示すような関係がある。具体的には、検知対象物が副電極Ｓ１に近い位置にあるとき、このときの距離比Ｌ２／Ｌ１に対する静電容量Ｃ１が大きくなり、静電容量Ｃ２小さくなる。逆に、検知対象物が副電極Ｓ２に近い位置にあるとき、このときの距離比Ｌ２／Ｌ１に対する静電容量Ｃ２が大きくなり、静電容量Ｃ１が小さくなる。副電極Ｓ１，Ｓ２が全く対称に形成されていれば、Ｌ２／Ｌ１＝１（Ｌ１＝Ｌ２）となるとき、Ｃ１＝Ｃ２となる。
【０１２５】
静電容量Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ最小値Ｃ１０，Ｃ２０を有している。最小値Ｃ１０は、主電極Ｄと副電極Ｓ１との直接対向する側面の領域の間で形成される静電容量である。最小値Ｃ２０は、主電極Ｄと副電極Ｓ２との直接対向する側面の領域の間で形成される静電容量である。ここでは、副電極Ｓ１，Ｓ２が全く対称に形成されているものとして、最小値Ｃ１０，Ｃ２０が等しい値であるとする。
【０１２６】
本実施形態では、実施形態１で距離比Ｌ２／Ｌ１の推定に用いていた容量比Ｃ２／Ｃ１に代えて、容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）を用いる。
【０１２７】
〈容量比検出回路の構成〉
ここで、入力装置１は、容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）を検出するために、前述の容量比検出回路１１に代えて、容量比検出回路１１Ａを備えている。
【０１２８】
容量比検出回路１１Ａは、入力装置１における容量比検出回路１１に、さらにスイッチＳＷ３，ＳＷ４および最小値Ｃ１０，Ｃ２０に相当する静電容量Ｃ１０，Ｃ２０を加えて構成される。
【０１２９】
静電容量Ｃ１０，Ｃ２０は、容量比検出回路１１Ａに形成されている。静電容量Ｃ１０，Ｃ２０の一方の電極は、ともに主電極Ｄに接続されている。
【０１３０】
スイッチＳＷ３は、静電容量Ｃ１０をコモンモード端子ＣＯＭと差動積分回路１１１とに選択的に接続する切替回路である。また、スイッチＳＷ４は、静電容量Ｃ２０をコモンモード端子ＣＯＭと差動積分回路１１１とに選択的に接続する切替回路である。
【０１３１】
具体的には、スイッチＳＷ３の固定端子は静電容量Ｃ１０の他方の電極と接続され、スイッチＳＷ３の一方の切替端子は差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｎと接続され、スイッチＳＷ３の他方の切替端子はコモンモード端子ＣＯＭと接続されている。また、スイッチＳＷ４の固定端子は静電容量Ｃ２０の他方の電極と接続され、スイッチＳＷ４の一方の切替端子は差動増幅器１１１ａの入力端子Ｉｎｐと接続され、スイッチＳＷ４の他方の切替端子はコモンモード端子ＣＯＭと接続されている。
【０１３２】
スイッチＳＷ３，ＳＷ４は、クロック信号ＣｌｋがＬｏｗ値であるときに、静電容量Ｃ１０，２０をコモンモード端子ＣＯＭに接続する。また、スイッチＳＷ３は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であり、かつ量子化器１１２から出力される量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であるときに、静電容量Ｃ１０を差動積分回路１１１に接続する。さらに、スイッチＳＷ４は、クロック信号ＣｌｋがＨｉｇｈ値であり、かつ量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であるときに、静電容量Ｃ１０を差動積分回路１１１に接続する。
【０１３３】
このため、切替制御回路１１４は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２だけでなく、スイッチＳＷ３，ＳＷ４に対しても、切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏおよび切替制御信号Ｃｌｋ×Ｄｏ＿ｂを与える。
【０１３４】
〔入力装置の動作〕
続いて、上記の容量比検出回路１１Ａを含む入力装置１の動作について説明する。
【０１３５】
まず、クロック信号Ｃｌｋの１周期における前半期間（Ｌｏｗ期間）において、主電極Ｄには電圧Ｖｒが印加され、副電極Ｓ１，Ｓ２および静電容量Ｃ１０，Ｃ２０は、それぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２およびスイッチＳＷ３，ＳＷ４によりコモンモード端子ＣＯＭに接続されて、コモンモード電圧Ｖｃが印加される。これにより、スイッチＳＷ１，ＳＷ２およびスイッチＳＷ３，ＳＷ４における差動積分回路１１１に接続される端子を基準として、静電容量Ｃ１にはＣ１（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられ、静電容量Ｃ２にはＣ２（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられ、静電容量Ｃ１０にはＣ１０（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられ、静電容量Ｃ２０にはＣ２０（Ｖｒ−Ｖｃ）なる電荷が蓄えられる。
【０１３６】
クロック信号Ｃｌｋの１周期における後半期間（Ｈｉｇｈ期間）において、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値であれば、副電極Ｓ１がスイッチＳＷ１を介して、また、静電容量Ｃ１０の主電極Ｄに接続されていない側の電極がスイッチＳＷ３を介して、それぞれ差動積分回路１１１に接続される。このとき、静電容量Ｃ１に蓄えられた電荷は、Ｃ１（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化し、静電容量Ｃ１０に蓄えられた電荷は、Ｃ１０（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化する。これにより、クロック信号Ｃｌｋの前半期間からの電荷の変化量であるＣ１（Ｖｒ−Ｖｃ）とＣ１０（Ｖｒ−Ｖｃ）とが、それぞれ、入力端子Ｉｎｐと入力端子Ｉｎｎとを通して差動積分回路１１１に入力されて、積分容量Ｃｆ１と積分容量Ｃｆ２とで積分される。この積分動作による差動出力電圧Ｖｏ（アナログ出力電圧）は、次式に表されるように変化する。ここで、Ｃｆ１＝Ｃｆ２＝Ｃｆとする。
【０１３７】
Ｖｏ＝（Ｖｏ＋）−（Ｖｏ−）
＝Ｃ１０（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ２−Ｃ１（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ１
＝−（Ｃ１−Ｃ１０）（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ
このように、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値である場合は、差動出力電圧Ｖｏが減少する。
【０１３８】
クロック信号Ｃｌｋの１周期における後半期間（Ｈｉｇｈ期間）において、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値であれば、副電極Ｓ２がスイッチＳＷ２を介して、また、静電容量Ｃ２０の電極Ｄに接続されていない側の電極がスイッチＳＷ４を介して、それぞれ差動積分回路１１１に接続される。このとき、静電容量Ｃ２に蓄えられた電荷は、Ｃ２（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化し、静電容量Ｃ２０に蓄えられた電荷は、Ｃ２０（Ｖｃ−Ｖｃ）＝０に変化する。これにより、クロック信号Ｃｌｋの前半期間からの電荷の変化量であるＣ２（Ｖｒ−Ｖｃ）とＣ２０（Ｖｒ−Ｖｃ）とが、それぞれ、入力端子Ｉｎｎと入力端子Ｉｎｐとを通して、差動積分回路１１１に入力され、積分容量Ｃｆ２と積分容量Ｃｆ１とで積分される。この積分動作による差動出力電圧Ｖｏ（アナログ出力電圧）は、次式に表されるように変化する。ここで、Ｃｆ１＝Ｃｆ２＝Ｃｆとする。
【０１３９】
Ｖｏ＝（Ｖｏ＋）−（Ｖｏ−）
＝Ｃ２（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ２−Ｃ２０（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ１
＝（Ｃ２−２０）（Ｖｒ−Ｖｃ）／Ｃｆ
このように、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値である場合は、差動出力電圧Ｖｏが増加する。
【０１４０】
クロック信号Ｃｌｋの立ち下り時に差動出力電圧Ｖｏが正の値であれば、クロック信号Ｃｌｋの立ち下りから１周期の間に、量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値となり、その周期の後半において差動出力電圧Ｖｏが減少する。一方、クロック信号Ｃｌｋの立ち下り時に差動出力電圧Ｖｏが負の値であれば、クロック信号Ｃｌｋの立ち下りから１周期の間に、量子化信号ＤｏがＬｏｗ値になり、その周期の後半において差動出力電圧Ｖｏが増加する。
【０１４１】
以上の動作により、図５に示すように、差動出力電圧Ｖｏはゼロの近くの値に保たれることがわかる。
【０１４２】
ここで、演算部１１３において、クロック信号Ｃｌｋの周期数Ｎがカウントされるとともに、周期数Ｎがカウントされる期間に量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値となる数Ｋがカウントされ、これらのＮおよびＫを用いて前述の式（１）に基づき、容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）が算出される。
【０１４３】
さらに、距離比推定部１２において、上記のようにして算出された容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）が入力されると、当該容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）に対応する距離比Ｌ２／Ｌ１が出力される。
【０１４４】
〔入力装置の効果〕
上記のように容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）を用いることにより、次の効果が得られる。
【０１４５】
静電容量Ｃ１の最大値をＣ１１とすると、Ｃ１０＜Ｃ１＜Ｃ１１の関係が成り立ち、静電容量Ｃ２の最大値をＣ２１とすると、Ｃ２０＜Ｃ２＜Ｃ２１が成り立つ。したがって、容量比Ｃ２／Ｃ１の変化については、Ｃ２０／Ｃ１１≦Ｃ２／Ｃ１≦Ｃ２１／Ｃ１０という関係が成り立つ。ここで、図１４に示すように、容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）の最小値は、静電容量Ｃ２が最小値Ｃ２０に近づくと０に近づくため、Ｃ２０／Ｃ１１より小さくなる。一方、容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）の最大値は、静電容量Ｃ１が最小値Ｃ１０に近づくと無限に大きくなるためＣ２１／Ｃ１０より大きくなる。
【０１４６】
これにより、図１４に示すように、距離比Ｌ２／Ｌ１に対する容量比（Ｃ２−Ｃ２０）／（Ｃ１−Ｃ１０）の変化が、図２に示す距離比Ｌ２／Ｌ１に対する容量比Ｃ２／Ｃ１の変化と比較して大きくなる。したがって、より精度良く距離比Ｌ２／Ｌ１を推定することが可能になる。
【０１４７】
［実施形態６］
本発明に係る実施形態６について、図１６〜図１９を参照して以下に説明する。
【０１４８】
図１６は、実施形態６に係る入力装置７の構成を示す回路図である。図１７は、入力装置７によって推定される検知対象物の位置を示す図である。図１８の（ａ）は入力装置７の静電容量Ｃ１，Ｃ２の比を推定する場合の動作状態を示す回路図であり、図１８の（ｂ）は入力装置７の静電容量Ｃ１，Ｃ２の和と基準容量Ｃｒとの比を推定する場合の動作状態を示す回路図である。図１９は、静電容量Ｃ１，Ｃ２と副電極Ｓ１，Ｓ２から検知対象物までの距離との関係を示すグラフである。
【０１４９】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１〜５における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１５０】
〔入力装置の構成〕
図１６に示すように、入力装置７は、実施形態２の入力装置３と同様、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１〜Ｓ４を備えている。また、入力装置７は、容量比・容量和検出回路７１および位置推定部７２を備えている。
【０１５１】
〈入力装置による検知対象物の位置の特定〉
実施形態２でも述べたように、主電極Ｄと副電極Ｓ１，Ｓ２との間の静電容量Ｃ１，Ｃ２で決まる容量比Ｃ２／Ｃ１と、主電極Ｄと副電極Ｓ３，Ｓ４との間の静電容量Ｃ３，Ｃ４で決まる容量比Ｃ４／Ｃ３とを用いて２つの球面ＳＰ１，ＳＰ２の交差する円弧ＡＲ上に検知対象物の位置を推定することができる（図８参照）。本実施形態では、図１７に示すように、円弧ＡＲの推定と併せて、主電極Ｄと検知対象物との間の距離Ｈ（垂直距離）を推定することにより、円弧ＡＲ上で距離Ｈの点Ｐを検知対象物の位置として特定する。
【０１５２】
図１９に示すように、距離Ｈは、静電容量Ｃ１，Ｃ２の和（Ｃ１＋Ｃ２）と特定の関係を有するので、容量和Ｃ１＋Ｃ２を算出することにより、距離Ｈを推定することができる。
【０１５３】
なお、距離Ｈは、静電容量Ｃ３，Ｃ４の和（Ｃ３＋Ｃ４）とも特定の関係を有するので、容量和Ｃ３＋Ｃ４を算出することにより、距離Ｈを推定することができる。
【０１５４】
〈容量比・容量和検出回路の構成〉
容量比・容量和検出回路７１は、容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３を推定する第１モードと、距離Ｈを推定する第２モードとで動作する。この容量比・容量和検出回路７１は、実施形態１の入力装置１における容量比検出回路１１と同様、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、差動積分回路１１１および量子化器１１２を有している。また、容量比・容量和検出回路７１は、基準容量Ｃｒ、切替回路７１１、切替制御回路７１２、演算部７１３およびモード切替スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を有している。
【０１５５】
（基準容量）
基準容量Ｃｒは、一端が主電極Ｄに接続され、他端がモード切替スイッチＳＷ１２の入力端子に接続されている。この基準容量Ｃｒは、容量比・容量和検出回路７１を構成する集積回路の内部また容量比・容量和検出回路７１を構成する回路基板に形成されている。
【０１５６】
（切替回路）
切替回路７１１は、第１モードにおいて、副電極Ｓ１，Ｓ２および副電極Ｓ３，Ｓ４とスイッチＳＷ１，ＳＷ２との接続を選択的に切り替えるスイッチである。具体的には、切替回路７１１は、容量比Ｃ２／Ｃ１を検出するときに、副電極Ｓ１，Ｓ２とスイッチＳＷ１，ＳＷ２とを接続し、容量比Ｃ４／Ｃ３を検出するときに、副電極Ｓ３，Ｓ４とスイッチＳＷ１，ＳＷ２とを接続する。この切替回路７１１は、切替制御回路７１２から与えられる選択制御信号によって選択動作が制御される。
【０１５７】
（モード切替スイッチ）
モード切替スイッチＳＷ１１は、副電極Ｓ２，Ｓ４をスイッチＳＷ１，ＳＷ２とモードに応じて選択的に切り替えて接続するスイッチである。具体的には、モード切替スイッチＳＷ１１は、第１モードにおいて、切替回路７１１を介して副電極Ｓ２または副電極Ｓ４とスイッチＳＷ２の固定端子とを接続する。また、モード切替スイッチＳＷ１１は、第２モードにおいて、切替回路７１１を介して副電極Ｓ２または副電極Ｓ４とスイッチＳＷ１の固定端子とを接続する。
【０１５８】
モード切替スイッチＳＷ１２は、基準容量ＣｒとスイッチＳＷ２の固定端子との間を、第１モードにおいて開く一方、第２モードにおいて閉じるスイッチである。
【０１５９】
（切替制御回路）
切替制御回路７１２は、第１モードにおいて、実施形態１の入力装置１における切替制御回路１１４と同様、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の動作を制御する切替制御信号をスイッチＳＷ１，ＳＷ２に与える。また、切替制御回路７１２は、モードに応じて、モード切替スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２の動作を制御する制御信号をモード切替スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２に与える。さらに、切替制御回路７１２は、切替回路７１１に前述の選択制御信号を与える。
【０１６０】
（演算部）
演算部７１３は、第１モードにおいて、入力装置１における演算部１１３と同様、量子化器１１２から出力される量子化信号Ｄｏと、クロック信号ＣｌｋのＮ周期の間に量子化信号ＤｏがＨｉｇｈ値になった周期の数Ｋとに基づいて、容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３を算出する。また、演算部７１３は、第２モードにおいて、容量比Ｃ２／Ｃ１を算出する手順と同様の手順で、容量比Ｃｒ／（Ｃ１＋Ｃ２）を算出し、この容量比Ｃｒ／（Ｃ１＋Ｃ２）から基準容量Ｃｒの既知の容量値を用いて、容量和Ｃ１＋Ｃ２を算出する。
【０１６１】
〈距離比推定部〉
位置推定部７２は、実施形態２の入力装置３における距離比推定部３３，３４と同様、上記の容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３から距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３を推定する。位置推定部７２は、入力装置３における円弧算出部３５と同様、上記の距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３に基づいて前述の円弧ＡＲを算出する。
【０１６２】
また、位置推定部７２は、演算部７１３によって得られた上記の容量和Ｃ１＋Ｃ２に基づいて、距離Ｈを推定する。ここで、図１９に示す容量和Ｃ１＋Ｃ２と距離Ｈの関係は、測定やシミュレーションによって予め推定されている。例えば、位置推定部７２は、上記の容量和Ｃ１＋Ｃ２と距離Ｈとの関係に基づいて、容量和Ｃ１＋Ｃ２と距離Ｈとルックアップテーブルを有しており、当該ルックアップテーブルに入力される容量和Ｃ１＋Ｃ２に対応した距離Ｈを出力する。
【０１６３】
さらに、位置推定部７２は、円弧ＡＲおよび距離Ｈから、主電極Ｄからの距離が距離Ｈとなる円弧ＡＲ上の点を特定して検知対象物の位置を推定する。具体的には、位置推定部７２は、主電極Ｄから円弧ＡＲにおける各点の位置までの円弧距離を特定して、距離Ｈと一致する円弧距離で特定される円弧ＡＲにおける位置を検知対象物の位置と推定する。
【０１６４】
〔入力装置の動作〕
続いて、上記のように構成される入力装置１の動作について説明する。
【０１６５】
まず、図１８の（ａ）に示すように、第１モードにおいて、モード切替スイッチＳＷ１１が切替回路７１１を介して副電極Ｓ２または副電極Ｓ４とスイッチＳＷ２とを接続している（図中“mode1”側）。容量比Ｃ２／Ｃ１を検出する場合、切替回路７１１を介して、副電極Ｓ１とスイッチＳＷ１とが接続される一方、副電極Ｓ２とスイッチＳＷ２とが接続される。また、容量比Ｃ４／Ｃ３を検出する場合、切替回路７１１を介して、副電極Ｓ３とスイッチＳＷ１とが接続される一方、副電極Ｓ４とスイッチＳＷ２とが接続される。容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３の検出は、入力装置１の容量比検出回路１１によって行なわれる容量比Ｃ２／Ｃ１の検出と同様にして行なわれる。また、このとき、モード切替スイッチＳＷ１２は、開状態にある。
【０１６６】
次に、図１８の（ｂ）に示すように、第２モードにおいて、モード切替スイッチＳＷ１１が切替回路７１１を介して副電極Ｓ２とスイッチＳＷ１とを接続することにより（図中“mode2”側）、スイッチＳＷ１には副電極Ｓ１，Ｓ２が共に接続される。また、モード切替スイッチＳＷ１２が閉じることにより、基準容量ＣｒがスイッチＳＷ２に接続される。これにより、差動積分回路１１１、量子化器１１２、切替制御回路７１２および演算部７１３による容量比Ｃ２／Ｃ１の検出動作と同様の動作によって、容量比Ｃｒ／（Ｃ１＋Ｃ２）が検出される。
【０１６７】
演算部７１３によって、第１モードで検出された容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３から距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３が推定され、さらに距離比Ｌ２／Ｌ１，Ｌ４／Ｌ３から円弧ＡＲが推定される。また、演算部７１３によって、検出された容量比Ｃｒ／（Ｃ１＋Ｃ２）から既知の基準容量Ｃｒの容量値を用いて容量和Ｃ１＋Ｃ２が求められる。
【０１６８】
そして、位置推定部７２によって、上記の容量和Ｃ１＋Ｃ２に基づいて距離Ｈが推定され、この距離Ｈと上記の円弧ＡＲとから検知対象物の位置が推定される。
【０１６９】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係る入力装置７は、容量比・容量和検出回路７１および位置推定部７２を用いて距離Ｈを推定することにより、円弧ＡＲおよび容量和Ｃ１＋Ｃ２に基づいて、円弧ＡＲ上の主電極Ｄから距離Ｈとなる点を検知対象物の位置と推定することができる。これにより、検知対象物の位置をより正確に推定することができる。
【０１７０】
また、容量比・容量和検出回路７１は、モード切替スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を有することにより、容量比Ｃ２／Ｃ１，Ｃ４／Ｃ３および容量比Ｃｒ／（Ｃ１＋Ｃ２）を検出することができる。これにより、回路規模の拡大を最小限に抑えて、これらの容量比を検出することができる。
【０１７１】
［実施形態７］
本発明に係る実施形態７について、図２０を参照して以下に説明する。
【０１７２】
図２０は、実施形態７に係る入力装置８の構成を示す図である。
【０１７３】
なお、本実施形態において、前述の実施形態３における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１７４】
〔入力装置の構成〕
図２０に示すように、入力装置８は、電極モジュール８１、スイッチマトリックス８２および容量比・容量和検出回路８３などを備えている。スイッチマトリックス８２は、実施形態４の入力装置６におけるスイッチマトリックス６２と同等の機能を有する。容量比・容量和検出回路８３は、実施形態６の入力装置７における容量比・容量和検出回路７１と同等の機能を有する。
【０１７５】
〈電極モジュールの構成〉
図２０に示すように、電極モジュール８１は、タッチパネルシート８１ａを有しており、実施形態４の入力装置６におけるタッチパネルシート６１ａと同様に、複数の電極Ｘ，Ｙがマトリックス状に形成されている。また、タッチパネルシート８１ａには、各電極Ｘ，Ｙの一端から引き出された引出線Ｘａ，Ｙａが形成されている。さらに、タッチパネルシート８１ａには、引出線Ｘａ，Ｙａを遮蔽するシールド８１ｂが銅箔などによって形成されている。
【０１７６】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態に係る入力装置８は、電極モジュール８１が電極Ｘ，Ｙの引出線Ｘａ，Ｙａを遮蔽するシールド８１ｂを有している。
【０１７７】
タッチパネルシート８１ａの電極Ｘ，Ｙは、引出線Ｘａ，Ｙａを介して、スイッチマトリックス８２や容量比・容量和検出回路８３などを内蔵する集積回路に接続される。引出線Ｘａ，Ｙａが長くなると、引出線Ｘａ，Ｙａと電極Ｘ，Ｙとの間の静電容量や、引出線Ｘａ，Ｙａと検知対象物との間の静電容量が静電容量Ｃ１，Ｃ２の値に影響を与えるために、静電容量Ｃ１，Ｃ２の誤差が大きくなる。そこで、引出線Ｘａ，Ｙａの少なくとも検知対象物に向かう側をシールド８１ｂで遮蔽することで、静電容量の誤差を軽減することができる。
【０１７８】
［実施形態８］
本発明に係る実施形態８について、図２１および図２２を参照して以下に説明する。
【０１７９】
図２１は、実施形態８に係る入力装置９の構成を示すブロック図である。図２２の（ａ）および（ｂ）は入力装置９によって検知される検知対象物としての指Ｆの動きを示す図である。
【０１８０】
なお、本実施形態において、前述の実施形態２における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１８１】
〔入力装置の構成〕
図２１に示すように、入力装置９は、実施形態６の入力装置７と同様、主電極Ｄ、副電極Ｓ１〜Ｓ４、容量比・容量和検出回路７１および位置推定部７２を備えており、さらに移動方向推定部９１を備えている。
【０１８２】
〈移動方向推定部の構成〉
移動方向推定部９１は、位置推定部７２によって推定された検知対象物の複数の位置を記憶するメモリを有している。この移動方向推定部９１は、メモリに記憶された検知対象物の近接する２つの位置を順次比較して、その変化量から検知対象物の移動方向Ｍを高さおよび水平面の方向で推定する。
【０１８３】
〔入力装置による効果〕
以上のように、本実施形態の入力装置９は、移動方向推定部９１を備えることにより、検知対象物の移動方向Ｍを推定し、移動方向Ｍにより、機器の制御を行うことができる。例えば、図２２の（ａ）に示すように、検知対象物としての指Ｆが主電極Ｄの上を水平方向に移動しているときは、その高さと方向とが併せて推定される。また、図２２の（ｂ）に示すように、検知対象物としての指Ｆが主電極Ｄに近づくように移動しているときは、その変化する高さと方向とが併せて推定される。
【０１８４】
なお、位置推定部７２は、検知対象物の位置の推定を１０ｍｓｅｃ程度の周期で繰り返して行なう。これにより、検知対象物しての指Ｆの動きの方向を正確に捉えることができる。
【０１８５】
［実施形態９］
本発明に係る実施形態９について、図２３を参照して以下に説明する。
【０１８６】
なお、本実施形態において、前述の実施形態１〜８における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の符号を付記するとともに、その説明を省略する。
【０１８７】
図２３は、本発明の実施形態９に係るスマートフォン２０１の構成を示す平面図である。
【０１８８】
図２３に示すように、電子機器としてのスマートフォン２０１（電子機器）は、筐体２０２に液晶パネル２０３およびタッチパネル２０４が組み込まれることによって構成されている。このスマートフォン２０１において、液晶パネル２０３は、筐体２０２の操作面側に設けられている。また、タッチパネル２０４は、液晶パネル２０３の上に設けられている。
【０１８９】
スマートフォン２０１は、前述の入力装置１〜９のいずれか備えており、タッチパネル２０４として、主電極Ｄおよび副電極Ｓ１〜Ｓ４を含んでいる。
【０１９０】
これにより、スマートフォン２０１は、入力装置１〜９のそれぞれの優れた機能を利用することができる。
【０１９１】
〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係る入力装置（１〜９）は、主電極（Ｄ）と、前記主電極の対向する両辺側に配置された１対の第１副電極（Ｓ１）および第２副電極（Ｓ２）と、前記主電極と前記第１副電極との間の第１静電容量と前記主電極と前記第２副電極との間の第２静電容量との第１容量比を検出する容量比検出回路（１１）と、検知対象物（指Ｆ）と前記第１副電極の中心との間の距離と、前記検知対象物と前記第２副電極の中心との間の距離との第１距離比、および前記第１容量比の予め推定された関係に基づいて、検出された前記第１容量比から前記第１距離比を推定する距離比推定部（１２）を備えている。
【０１９２】
上記の構成では、主電極に近づく検知対象物によって、主電極と第１副電極との間の第１静電容量、および主電極と第２副電極との間の第２静電容量が変化する。第１および第２静電容量の第１容量比は、容量比検出手段によって検出され、さらに、距離比推定手段によって、検出された第１容量比から第１距離比が推定される。
【０１９３】
検知対象物が、第１および第２副電極の中心からの距離の比が１：Ａ（Ａ＝第１距離比）となる関係を満たす点の集合で形成される球面上に位置することが推定できる。第１距離比に基づいて、検知対象物の位置を球面上に限定できれば、検知対象物が第１および第２副電極のどちらに近い位置にあるか（２つの領域のいずれにあるか）を区別できるので、検知対象物の位置を２値の情報として入力することができる。
【０１９４】
第２の対応の入力装置は、第１の態様の入力装置において、前記第１副電極および前記第２副電極が配置されていない前記主電極の対向する両辺側に配置された１対の第３副電極（Ｓ３）および第４副電極（Ｓ４）を備え、前記容量比検出回路が、前記主電極と前記第３副電極との間の第３静電容量（Ｃ３）と前記主電極と前記第４副電極との間の第４静電容量（Ｃ４）との第２容量比（Ｃ４／Ｃ３）をさらに検出し、前記距離比推定部が、検知対象物と前記第３副電極の中心との間の距離と、前記検知対象物と前記第４副電極の中心との間の距離との第２距離比、および前記第２容量比の予め推定された関係に基づいて、検出された前記第２容量比から前記第２距離比をさらに推定することが好ましい。
【０１９５】
上記の構成では、主電極および第１および第２副電極から得られる第１容量比によって第１距離比を推定するだけでなく、主電極および第３および第４副電極から得られる第２容量比によって第２距離比を推定している。これにより、第１および第２副電極が対向する方向と、第３および第４副電極が対向する方向との直交する２方向について、検知対象物の位置を推定することができる。それゆえ、第１距離比で検知対象物の位置が推定できる球面と、第２距離比で検知対象物の位置が推定できる球面とが交差する円弧上に検知対象物が位置することを推定することができる。
【０１９６】
したがって、円弧と主電極との交点の位置により、多値の情報を入力することができる。また、円弧と主電極との交点の動きの方向により、情報を入力することもできる。
【０１９７】
第３の態様の入力装置は、第１の態様の入力装置において、互いに交差するように配置された複数の第１線状電極および複数の第２線状電極が形成されたタッチパネルシートを備え、前記主電極が、前記第１線状電極および前記第２線状電極のうちの一方が互いに接続されて構成され、前記第１副電極および第２副電極が、前記第１線状電極および前記第２線状電極のうちの他方が、前記タッチパネルシートの対向する両辺側で互いに任意の数だけ接続されて構成されていることが好ましい。
【０１９８】
上記の構成では、一般の静電容量方式のタッチパネルで用いられるマトリックス状に配置された第１および第２線状電極を、主電極、第１副電極および第２副電極として利用することができる。これにより、タッチパネルを通常のタッチセンサとして利用したり、上記のように多値の情報を入力するセンサとして利用したりといったことが可能となる。
【０１９９】
第４の態様の入力装置は、第２の態様の入力装置において、互いに交差するように配置された複数の第１線状電極および複数の第２線状電極が形成されたタッチパネルシートと、前記主電極を構成するように前記第１線状電極を互いに接続するとともに、前記第１副電極および前記第２副電極を構成するように前記タッチパネルシートの対向する両辺側における任意の数の前記第２線状電極を互いに接続する一方、前記主電極を構成するように前記第２線状電極を互いに接続するとともに、前記第１副電極および前記第２副電極を構成するように前記タッチパネルシートの対向する他方の両辺側における任意の数の前記第１線状電極を互いに接続する電極接続手段とを備えていることが好ましい。
【０２００】
上記の構成では、一般の静電容量方式のタッチパネルで用いられるマトリックス状に配置された第１および第２線状電極を、電極接続手段を用いて、主電極、第１副電極および第２副電極として利用することができる。これにより、タッチパネルを通常のタッチセンサとして利用したり、上記のように多値の情報を入力するセンサとして利用したりといったことが可能となる。
【０２０１】
前記各態様の入力装置において、前記容量比検出手段は、前記第１静電容量から第１固定容量を減じた値と、前記第２静電容量から第２固定容量値を減じた値との第３容量比を検出することが好ましい。
【０２０２】
上記の構成では、第１距離比に対する第３容量比の変化が、第１容量比の変化と比較して大きくなる。したがって、より精度良く第１距離比を推定することが可能になる。
【０２０３】
前記第２または第４の態様の入力装置において、前記第１距離比、前記第２距離比、および前記第１静電容量と前記第２静電容量との容量和に基づいて、前記主電極と前記検知対象物との間の垂直距離を推定する垂直距離推定手段を備えていることが好ましい。
【０２０４】
上記の構成では、垂直距離推定手段により、垂直距離を推定することにより、前述の円弧および容量和に基づいて、円弧上の主電極から垂直距離となる点を検知対象物の位置と推定することができる。これにより、検知対象物の位置をより正確に推定することができる。
【０２０５】
上記入力装置において、前記容量比検出手段は、前記容量和と既知の基準静電容量との比を検出することが好ましい。
【０２０６】
上記の構成では、容量和と基準静電容量との比を検出することにより、当該比と既知の基準静電容量とから容量和を検出することができる。また、容量比検出手段が、容量和と基準静電容量との比を検出するので、回路規模の拡大を最小限に抑えて、これらの容量比および容量和を検出することができる。
【０２０７】
第３または第４の態様の入力装置において、前記第１線状電極および前記第２線状電極から引き出された引出線を前記タッチパネルシート上で遮蔽するシールドを備えていることが好ましい。
【０２０８】
上記の構成では、引出線と線状電極との間の静電容量や、引出線と検知対象物との間の静電容量が第１ないし第４静電容量の値に影響を与えるために、第１ないし第４静電容量の誤差が大きくなる。そこで、引出線の少なくとも検知対象物に向かう側をシールドで遮蔽することで、静電容量の誤差を軽減することができる。
【０２０９】
前記入力装置において、前記検知対象物の位置を繰り返し推定することにより、前記検知対象物の動きを推定する移動推定手段を備えていることが好ましい。
【０２１０】
上記の構成により、検知対象物の移動方向を推定し、移動方向により、機器の制御を行うことができる。
【０２１１】
本発明の第１の態様の電子機器は、前記いずれかの入力装置を備えている。
【０２１２】
これにより、各入力装置のそれぞれの優れた機能を利用することができる。
【０２１３】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１４】
本発明は、反射型の光センサを用いた近接センサやジェスチャーセンサに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０２１５】
１〜９    入力装置
１１        容量比検出回路
１１Ａ      容量比検出回路
１２        距離比推定部
３１，３２  容量比検出回路
３３，３４  距離比推定部
３５        円弧算出部
５１        電極モジュール
５１ａ      タッチパネルシート
５２        容量比検出回路
５３        距離比推定部
６１        電極モジュール
６１ａ      タッチパネルシート
６２        スイッチマトリックス（電極接続手段）
６３        容量比検出回路
６４        距離比推定部
６５        レジスタ
６６        円弧算出部
７１        容量比・容量和検出回路
７２        位置推定部
８１        電極モジュール
８１ａ      タッチパネルシート
８１ｂ      シールド
８２        スイッチマトリックス
８３        容量比・容量和検出回路
９１        移動方向推定部
２０１        スマートフォン（電子機器）
２０４        タッチパネル
Ｃ１〜Ｃ４    静電容量
Ｃ２／Ｃ１    容量比
Ｃ４／Ｃ３    容量比
Ｃ１＋Ｃ２    容量和
Ｄ            主電極
Ｆ            指（検知対象物）
Ｓ１          副電極（第１副電極）
Ｓ２          副電極（第２副電極）
Ｓ３          副電極（第３副電極）
Ｓ４          副電極（第４副電極）
Ｘ，Ｙ        電極
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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