CN1221788C - 静电电容式传感器 - Google Patents

Abstract

具有电容元件用电极、相对于这些电极的位移电极的传感器部配置在衬底上。而且，通过在传感器部上方配置的支持部件支持检测按钮到衬底。此时，在支持检测按钮的支持部件和位移电极之间形成规定的空隙。

Description

静电电容式传感器

技术领域

本发明涉及一种适合用于进行检测从外部施加的力的静电电容式传感器。

背景技术

静电电容式传感器是一般利用为把由操作者施加的力的大小和方向变换成电信号的装置。例如，作为便携式电话的输入装置，利用组装装置，该组装装置是把用于进行多维方向操作输入的静电电容式传感器作为所谓的操纵杆。

静电电容式传感器能够输入具有规定的动态范围的操作量来作为从操作者施加的力的大小。另外，也可用作二维或者三维传感器，其能将施加的力分为各个方向分量来检测。特别的，由2个电极形成静电电容元件，根据由于电极间隔的变化导致的静电容量值的变化，进行力的检测的静电电容式测力传感器，由于具有能简化结构、谋求降低成本的优点，故在各个领域被实用。

在这里，例如，由本申请人于2000年12月27日基于专利合作条约提交的PCT/JP00/09355号说明书中，记载了如图13所示的静电电容式传感器501。静电电容式传感器501包括：衬底520；检测部件530，其是用于利用由人等的操作从外部施加力的操作用部件；具有导电性的位移电极512；在衬底520上形成的电容元件用电极E501～E505和基准电极(公用电极)E500；绝缘膜513，其紧贴着电容元件用电极E501～E505和基准电极E500，覆盖在衬底520上而形成的；支持部件560，支持固定检测部件530和位移电极512到衬底520。

如图14所示，在衬底520上形成：以原点O为中心的圆形电容元件用电极E505；在其外侧呈扇形的电容元件用电极E501～E504；在更外侧的以原点O为中心的环状的基准电极E500。而且，在位移电极512和电容元件用电极E501～E505的每一个之间，构成电容元件。

在这里，静电电容式传感器501对电容元件用电极E501～E505，输入时钟信号等的信号。然后，在向电容元件用电极E501～E505输入信号的状态下，如果检测部件530接收到来自外部的力而位移时，随之位移电极512沿Z轴方向而位移。于是，通过在位移电极512和电容元件用电极E501～E505的每一个之间构成的电容元件的电极间隔的变化，这些电容元件的每个静电容量值变化，在输入到电容元件用电极E501～E505的信号的相位上产生差值。这样，利用由输入的信号产生的相位差，可以知道，检测部件530的位移，即检测部件530的X轴方向、Y轴方向和Z轴方向从外部接收到的力的大小和方向。

但是，在静电电容式传感器501中，由于检测部件530和位移电极512接触(一体构成)，所以在检测部件530位移的情况下，位移电极512必然同样地位移。因此，在检测部件530操作前的位置与操作后的位置不同的情况下，因为位移电极512的回复位置与原始位置也产生了差值，所以在对于检测部件530进行操作的操作前和操作后的来自静电电容式传感器501的输出信号同样变得不同。这样，静电电容式传感器501的输出信号的滞后(hysteresis)变大，降低了作为传感器的重复性。另外，尽管检测部件530有很少的位移，位移电极512也位移，而与操作者的意志无关系，所以容易产生传感器的误动作(误操作)。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能提高重复性的静电电容式传感器。

本发明的另外一个目的是提供一种能抑制产生误动作的静电电容式传感器。

按照本发明的第一方面，提供一种静电电容式传感器，包括：检测部件；与所述检测部件相对的第1电极；第2电极，其在所述检测部件与所述第1电极之间，与所述第1电极之间构成电容元件，且随着所述检测部件的位移，可以与其同方向位移。所述第2电极利用在与所述检测部件之间设置规定的空隙，直到所述检测部件仅在所述规定的空隙部分位移，所述第2电极不位移。

基于检测的所述电容元件的静电容量值的变化，该变化是利用对于所述第1电极输入的信号由所述第1电极和所述第2电极间的间隔变化引起的，可以识别所述检测部件的位移。

如按这种构成，通过在检测部件和第2电极之间设置规定的空隙，一直到检测部件位移规定的空隙部分之前，第2电极不位移。因此，由于即使在检测部件操作前的位置和操作后的位置不同的情况下，第2电极的回复位置离原始位置的差值受到抑制，所以对于检测部件进行操作的操作前和操作后的来自静电电容式传感器的输出信号大致相同。这样，静电电容式传感器的输出信号的滞后变得比较小，提高了传感器的重复性。另外，基于操作者的意志，当检测部件未被按下规定的空隙部分时(没有位移)，由于第2电极没有位移，难以产生传感器的误动作(误操作)。

而且，所谓的“可以识别检测部件的位移”和“可以识别从外部施加到检测部件的力”是大致相同的意思。另外，所谓的“在检测部件和第2电极之间设置规定的空隙”，也可以是这样的情况：可以在两者之间的任何位置形成空隙，除在检测部件和第2电极之间不配置其它的部件，在检测部件和第2电极之间形成空隙的情况之外，也可在检测部件和第2电极之间配置例如支持检测部件的支持部件，在该支持部件和第2电极之间形成空隙的情况。

另外，本发明的静电电容式传感器，也可以设有在所述规定的空隙内配置的前端尖细状的按压部件。如果按照这种构成，在对于检测部件进行操作的情况下，可以使第2电极的特定部分集中地位移，能够使第1电极和第2电极之间的间隔更高效率地变化。

另外，本发明的静电电容式传感器，也可以还包括设有所述第1电极和所述第2电极两者的一个衬底。如按照这种构成，通过把第1和第2电极设置在1个衬底上，传感器部一体地构成(单元化)后，组合该传感器部和检测部件。因此，即使在检测部件(键盘)的形状或者大小变化的情况下，对于对检测部件的操作力，电容元件的静电容量值的变化特性大体上没有变化。为此，在把静电电容式传感器装载在例如便携式电话等设备上的情况下，即使该传感器的外观(图案)或者检测部件的形状等发生了改变，由于单元化的传感器部能公用地使用，所以每当模块更新该设备的时候，由于掌握了作为该模块中操纵杆的操作性，就不必调整控制电路和软件。

另外，由于传感器部一体地构成，即使没有完成与其它部件的组装，在传感器单体下也能确认其性能。因此，通过单元单位事先检查传感器部中电容元件的静电容量值的大小等，可以仅选出具有规定范围内的静电容量值的传感器部(合格品)，能抑制产生传感器的不合格品，提高了传感器的成品率。

发明还包括一种静电电容式传感器，其特征在于，包括：

检测部件(30)；

与所述检测部件(30)相对的电容元件用电极(E1-E4)；

位移电极(12)，其在所述检测部件(30)与所述电容元件用电极(E1-E4)之间，与所述电容元件用电极(E1-E4)间构成电容元件，且随着所述检测部件(30)的位移，可以与其同方向位移；

所述位移电极(12)利用在与所述检测部件(30)之间设置规定的空隙，直到所述检测部件(30)仅在所述规定的空隙部分位移，所述位移电极(12)不位移；

根据利用向所述电容元件用电极(E1-E4)输入的信号检测所述电容元件用电极(E1-E4)和所述位移电极(12)间隔变化引起的所述电容元件的静电容量值的变化，可识别所述检测部件(30)的位移。

附图说明

从下面结合附图的描述中，本发明的其它和进一步的目的、特征和优点将更全面地呈现，其中：

图1是本发明的实施形式的静电电容式传感器的模式的剖面图。

图2是图1的静电电容式传感器的检测部件的顶视图。

图3是表示在图1的静电电容式传感器的FPC上形成的多个电极的配置的图。

图4是表示在衬底上配置FPC的状态的图。

图5是表示位移电极的概略构成的图。

图6是对于图1所示的静电电容式传感器的构成的等效电路图。

图7是对图1所示的静电电容式传感器的方向按钮向X轴正方向进行操作的情况下，其侧面的模式的剖面图。

图8是对图1所示的静电电容式传感器的中央按钮进行操作的情况下，其侧面的模式的剖面图。

图9是为了说明从向图1所示的静电电容式传感器输入的周期信号中导出输出信号的方法的说明图。

图10是表示图1所示的静电电容式传感器的信号处理电路的电路图。

图11是表示对图1所示的静电电容式传感器的X轴方向分量的信号处理电路的电路图。

图12是表示在图11所示的信号处理电路的各端子和各节点的周期信号的波形的图。

图13是已有的静电电容式传感器的模式的剖面图。

图14是表示在图13的静电电容式传感器的衬底上形成的多个电极的配置的图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的最佳实施形式。

首先，参照附图说明本发明实施形式的静电电容式传感器1的构成。图1是本发明实施形式的静电电容式传感器的模式的剖面图。图2是图1的静电电容式传感器的检测部件的顶视图。

静电电容式传感器1，包括：传感器部10；衬底20；检测按钮30，用于基于由人等操作而从外部施加力的操作；支持部件60，支持固定检测按钮30到衬底20；树脂片70，配置在检测按钮30和支持部件60之间；盖体80。

另外，传感器部10包括：柔性印刷电路衬底(FPC)11；位移电极12；在FPC11上形成的电容元件用电极E1～E4(在图1中仅示出了E1和E2)；基准电极(公用电极)E11～E13；判定开关用固定电极E21；判定开关用可动电极E22；绝缘膜(阻挡膜)13，其配置为紧贴电容元件用电极E1～E4、覆盖FPC11；树脂片(覆盖层)90，其配置为紧贴位移电极12和用于判定开关可动电极E22、覆盖FPC11。

在这里，为了方便说明，按照图示，定义XYZ三维坐标系，参照该坐标系进行说明各部件的配置。即，在图1中，把传感器部10的FPC11上判定开关用固定电极E21的中心位置定义为原点O，分别把向右水平方向定义为X轴，把向上垂直方向定义为Z轴，把与垂直纸面向里方向定义为Y轴。因此，FPC11的表面规定为XY平面，Z轴穿过FPC上的判定开关用可动电极E22和检测按钮30的各自的中心位置。

衬底20是用于普通电子电路的印刷电路板，在该例中使用环氧玻璃衬底。另外，对于衬底20，虽然也可以使用聚酰亚胺膜等膜状衬底，但由于在膜状衬底的情况下具有挠性，为此，最好配置在具有足够刚性的支持衬底上使用。而且，在本实施形式中，在衬底20上，设置后面所述的传感器电路(电子电路)，在其里面配置传感器电路部件50。

支持部件60是平板状的部件，由例如硅橡胶等具有弹性的材料形成。另外，在支持部件60的下面，形成比传感器部10还大的大致呈矩形的向下敞开的凹部60a，配置为使得支持部件60的下面除了凹部60a以外的部分与衬底20接触。

另外，在支持部件60的凹部60a的底面上，在对应于判定开关用固定电极E21的位置上形成尖细状的突起体61，在对应于电容元件用电极E1～E4的位置上分别形成尖细状的突起体62。而且，在不对检测按钮30进行操作的情况下，在突起体61、62的前端部与配置在位移电极12上面的树脂片90之间形成规定的空隙。盖体80是由例如树脂形成的部件，配置为使得在树脂片70的上面覆盖在检测按钮30的周围。

在这里，在本实施形式中，由于在支持部件60上形成突起体61、62，所以能够使判定开关用可动电极E22和位移电极12的各个特定部分有效地位移。而且，突起体61、62也不是必须形成的。

检测按钮30由以Z轴为中心的圆形中央按钮31，和在中央按钮31的外侧配置的环形的方向按钮32构成。在这里，中央按钮31的直径比基准电极E13的外径稍大。另外，如图2所示，方向按钮32由为受力部的小径的上分阶部32a、和从上分阶部32a的下端部向外侧突出的大径的下分阶部32b构成。上分阶部32a的外径与基准电极E12的外径基本上相同，下分阶部32b的外径也比其大。而且，中央按钮31和方向按钮32最好是不同的部件，但也可以是相同的部件。

在这里，中央按钮31为了与判定开关用固定电极E21、判定开关用可动电极E22和基准电极E13相对应，而被粘接固定在支持部件60上的树脂片70的上面。另外，方向按钮32，为了与电容元件用电极E1～E4相对应，其下分阶部32b通过为盖体80的一部分的阻挡部80a被阻挡，而在树脂片70的上面通过止脱构造配置。这样，方向按钮32的外径，比由盖体80的阻挡部80a的前端部形成的圆的直径还大，所以不会从盖体80中飞出。而且，方向按钮31也可以被粘接固定在树脂片70的上面。另外，中央按钮31与树脂片70也可以一体形成。

另外，如图2所示，在方向按钮32的上分阶部32a的上面，为了与X轴和Y轴的各个正方向和负方向相对应，即为了与电容元件用电极E1～E4相对应，形成与操作方向(光标的移动方向)相对应的箭头。

而且，衬底20、支持部件60、树脂片70和盖体80，通过把插在分别形成的通孔(未图示)中的固定螺栓(未图示)和与其对应的螺母(未图示)螺接，使得各部件互相不分离地被固定。

下面，参照附图说明本实施形式的静电电容式传感器1中包括的传感器部10的构成。图3是表示在图1的静电电容式传感器的FPC上形成的多个电极的配置的图。图4是表示在衬底上配置FPC的形态的图。图5是表示位移电极的概略构成的图。

如图1和图3所示，传感器部10，在大致矩形的FPC11的上面，一体地(作为单元)设置例如电容元件用电极E1～E4、位移电极12等多个电极。然后，传感器部10通过粘接剂被粘接，从而FPC11的下面接触到衬底20的上面的同时，又配置在支持部件60的凹部60a内。在这里，由于FPC11具有挠性，所以容易处理传感器部10。而且，传感器部10的FPC11也可以更换为不具有挠性的薄板。

如图3所示，在FPC11上，设有：以原点O为中心的圆形的判定开关用固定电极E21；在判定开关用固定电极E21的外侧配置的环状的基准电极E13；在基准电极E13的外侧配置的环状的基准电极E11；在基准电极E11的外侧大致呈扇形的电容元件用电极E1～E4；配置在电容元件用电极E1～E4的外侧的环状的基准电极E12。

在这里，电容元件用电极E1配置为与X轴的正方向相对应，电容元件用电极E2配置为与X轴的负方向相对应，而用于检测来自外部的力的X轴方向分量。另外，电容元件用电极E3配置为与Y轴的正方向相对应，电容元件用电极E4配置为与Y轴的负方向相对应，用于检测来自外部的力的Y轴方向分量。另外，判定开关用固定电极E21设置在原点O上，与判定开关用可动电极E22一起，用于输入等的判定操作。

而且，一对电容元件用电极E1和电容元件用电极E2，在X轴方向隔开并关于Y轴线对称地配置。另外，一对电容元件用电极E3和电容元件用电极E4，在Y轴方向隔开并关于X轴线对称地配置。

然后，如图5所示的位移电极12被配置在FPC11的上方。而且，在图5中，通过把图1所示的位移电极12上下反转(翻转)，其里面的构成被容易理解地图示。位移电极12是具有外径与基准电极E12的外径基本相同的圆盘状的金属制成的部件。在位移电极12的中心位置，形成具有外径与基准电极E11的内径基本上相同的通孔12a。另外，在位移电极12的里面(图5中的上面)，形成环状的沟部12b，其具有与基准电极E11的外径基本相同的内径，并且具有与基准电极E12的内径基本相同的外径。

而且，对于位移电极12，除了由金属制成之外，也可以由例如导电性塑料、硅氧橡胶等导电橡胶、导电性热可塑性树脂(PPT、合成橡胶)等形成。这里，在本实施形式中，位移电极12的通孔12a和沟部12b通过对1块金属板等进行蚀刻加工而形成。而且，位移电极12的通孔12a和沟部12b也可以通过重叠几个环状的金属板而形成。另外，位移电极12也可以通过把薄金属板等冲压加工成穹顶状而形成。另外，位移电极12也可以通过具有挠性的FPC形成。

在这里，如果位移电极12是这样配置的，其通孔12a的中心位置与Z轴对应，并且其里面紧贴于FPC11侧，比位移电极12的里面的沟部12b更内侧的部分与基准电极E11接触，同时比位移电极12的里面的沟部12b还外侧的部分与基准电极E12接触。

然后，在FPC11上的电容元件用电极E1～E4与位移电极12的里面的沟部12b的底面之间，形成间隔与沟部12b的深度大体相同的空隙。而且，在本实施方式中，因为绝缘膜13配置在电容元件用电极E1～E4上，所以电容元件用电极E1～E4与沟部12b的底面之间的空隙，比沟部12b的深度还狭窄一些。

因此，如后面所述，在位移电极12和电容元件用电极E1～E4之间，构成电容元件C1～C4。另外，位移电极12和电容元件用电极E1～E4之间的间隔，在对方向按钮32进行操作的情况下变狭窄，如果解除施加的力，可恢复到原来的间隔，所以考虑电容元件C1～C4全部是可变电容元件。

另外，在FPC11的中心位置附近的上方，配置穹顶状的判定开关用可动电极E22，使其与基准电极E13接触，同时与判定开关用固定电极E21隔离且覆盖电极E21。这里，在对中央按钮31进行操作的情况下，如果在判定开关用可动电极E22的顶部附近向下施加力，判定开关用可动电极E22随着咔哒感觉而发生弹性变形，从而与判定开关用固定电极E21相接触。结果，判定开关用固定电极E21和基准电极E13通过判定开关用可动电极E22被电连接，所以通过检测两者之间是否电连接，能够用作开关。

这里，在位移电极12和判定开关用可动电极E22按上述配置后，通过大致圆形的薄树脂片90，固定到FPC11上面，该树脂片配置为使其紧贴在位移电极12的全部上表面上和判定开关用可动电极E22的全部上表面上。而且，在树脂片90上涂覆粘接剂，能相对FPC11边按压边固定位移电极12和判定开关用可动电极E22。

在本实施形式中，位移电极12和判定开关用可动电极E22，通过被涂覆粘接剂的树脂片90相对FPC11而被固定，但也可以通过导电粘接剂被固定。

另外，在FPC11的X轴正方向和X轴负方向的端部附近形成多个切口，在这些切口附近设置由电极构成的端子群。在本实施形式中，作为这些端子群，包含6个端子T1、T2、T11～T13、T21，在图3中仅图示了这些。这些端子都用作用于连接的焊盘(land)。在这里，电容元件用电极E1～E4、基准电极E11～E13和判定开关用固定电极E21，通过导线(未图示)分别与端子T1、T2、T11～T13、T21中的其中每一个连接(参照图6)。

另一方面，如图4所示，在衬底20上配置传感器部10的区域的外缘附近，设有多个连接用电极，其被配置为与FPC11上的各个端子相对应。这些连接用电极都用作连接用焊盘。而且，在图4中，多个连接用电极中仅仅与端子T1和端子T11对应的电极作为连接用电极L1、L11被图示。

因此，如图4所示，在衬底20上配置传感器部10后，如果在端子T1和连接用电极L1之间与端子T11和连接用电极L11之间，配置具有导电性的焊锡18，这两者就被电和机械连接。而且，FPC11上其它端子也与端子T1、T11一样，在与分别对应地设置的连接用电极之间配置焊锡，通过这样进行电和机械连接。而且，作为用于连接FPC11上各端子和衬底20上各连接用电极的部件，除了焊锡之外，可以是例如导电性粘接剂等。

然后，电容元件用电极E1～E4、基准电极E11～E13和判定开关用固定电极E21，通过各个端子T1、T2、T11～T13、T21，如后面所述，与设置在衬底20上的传感器电路等连接。在这里，在本实施例中，基准电极E11～E13通过端子T11～T13分别接地。

而且，如上述，配置绝缘膜13，使得紧贴地覆盖在FPC11上的电容元件用电极E1～E4上，所以由铜等形成的电容元件用电极E1～E4不暴露在空气中，具有防止被氧化的功能。而且，对于电容元件用电极E1～E4，也可以施加向其表面镀金形成的防止氧化对策。另外，通过配置绝缘膜13，不会发生由电容元件用电极E1～E4与位移电极12直接接触产生的误动作。

另外，通过本实施形式，作为位移电极12，在使用富有挠性和弹性的金属制成的部件的情况，即使在检测按钮30操作前的位置和操作后的位置不同的情况下，位移电极12的回复位置与原始位置的偏差也可被有效地抑制。因此，位移电极12最好由考虑位置重复性而选择的材料形成，在这种情况下，位移电极12的回复位置与原始位置的偏差，能容易地不产生实用上的问题。

而且，由于检测按钮30，设计的限制和提高作为制品的质感，所以其材料、装配方法和固定方法具有种种限制，要优先考虑位置重复性，设计上有困难。在这里，在本发明的静电电容式传感器1中，作为传感器的传感器部和操作按钮能分离，能够充分地发挥传感器本来的性能。

下面，参照图6说明静电电容式传感器1的电路构成。图6是对于图1所示的静电电容式传感器的构成的等效电路图。

在静电电容式传感器1中，在位移电极12和FPC11上电容元件用电极E1～E4之间，由为公用电极的可位移的位移电极12、被固定的分立的电容元件用电极E1～E4构成形成的电容元件C1～C4。在这里，电容元件C1～C4是可变电容元件，其分别构成为由位移电极12的位移引起静电容量值变化。

另外，判定开关S1在基准电极E13和判定开关用固定电极E21之间形成。即，与基准电极E13接触的判定开关用可动电极E22，可取为与判定开关用固定电极E21相接触的状态(开状态)和与判定开关用固定电极E21不接触的状态(关状态)中的任一种状态。

而且，在本实施形式中，基准电极E11、E12既被接地又与位移电极12接触。因此，位移电极12通过基准电极E11、E12和端子T21、T22接地。

下面，参照附图说明如上述构成的本实施形式的静电电容式传感器1的动作。图7是对图1所示的静电电容式传感器的方向按钮向X轴正方向进行操作的情况下，其侧面模式的剖面图。图8是对图1所示的静电电容式传感器的中央按钮进行操作的情况下，其侧面模式的剖面图。

首先，如图7所示，在没有对图1所示的检测按钮30作用力时的情况下，考虑对方向按钮32进行向X轴正方向操作的情况，即，施加将箭头按到衬底20侧的力(向Z轴负方向的力)，该箭头与在方向按钮32的上分阶部32a上形成的X轴正方向相对应。

通过压下与方向按钮32的X轴正方向对应的部分，支持部件60和树脂片70产生弹性变形而弯曲，与支持部件60的X轴正方向相对应的突起体部62向下位移。然后，如果突起体62被压下规定的高度，突起体部62的前端部与配置在位移电极12上面的树脂片90对接，对位移电极12的与突起体部62对应部分附近作用向下方的力。这样，在对方向按钮32进行操作的情况下，一直到突起体部62被压下规定的高度，其前端部与在位移电极12上面配置的树脂片90对接期间，位移电极12不位移。

其后，如果继续压下方向按钮32，支持部件60、树脂片70和位移电极12产生进一步的弹性变形而弯曲，位移电极12的该部分向下方位移。因此，位移电极12和电容元件用电极E1之间的间隔变小。而且，由于通常电容元件的静电容量值与构成电容元件的电极的间隔成反比，所以电容元件C1的静电容量值变大。

因此，在对方向按钮32进行的向X轴正方向操作的情况下，在电容元件C1～C4中，仅仅位移电极12和电容元件用电极E1～E4之间的间隔有变化的电容元件C1的静电容量值变化。然后，此时，如后面详述，向端子T1输入的周期信号A，由于通过带有电容元件C1的延迟电路而产生相位差，通过读取该相位差导出输出信号Vx。

另外，此时，位移电极12与每个电容元件用电极E2～E4的间隔基本上不变化。为此，电容元件C2～C4的静电容量值不变化，通过带有电容元件C2～C4的每个的延迟电路，不产生相位差。而且，在对方向按钮32向X轴正方向进行操作的情况下，根据方向按钮32和支持部件60的突起体62的位置关系，虽然电容元件C2～C4的静电容量值也有变化，但这些变化量与电容元件C1的静电容量值的变化量相比较很小。

下面，如图8所示，在没有对图1所示的检测按钮30作用力时的状态下，考虑对中央按钮31进行操作的情况，即，施加把中央按钮31压到衬底20侧的力(向Z轴负方向的力)的情况。

通过压下中央按钮31，支持部件60和树脂片70产生弹性变形而弯曲，支持部件60的与判定开关用固定电极E21相对应的突起体部61向下位移。然后，当突起体部61被压下规定的高度时，突起体部61的前端部与配置在判定开关用可动电极E22的上面的树脂片90对接，对于判定开关用可动电极E22的顶部附近作用向下方的力。这样，在对中央按钮31进行操作的情况下，一直到突起体部61被压下规定的高度，其前端部与在判定开关用可动电极E22上面配置的树脂片90对接期间，判定开关用可动电极E22不位移。

然后，当该力不满足规定值时，判定开关用可动电极E22基本上不位移，但当该力达到规定值的时候，判定开关用可动电极E22的顶部附近部分随着纵弯曲急剧弹性变形变为凹下状态，从而与判定开关用固定电极E21接触。这样，判定开关S2从关闭状态切换到接通状态。此时，对操作者提供明确的咔哒感觉。

下面，参照图9～图12，说明从各电容元件C1～C4的静电容量值的变化，导出表示从外部施加到检测按钮30的方向按钮32的力的大小和方向的输出信号的方法。图9是说明从输入到图1所示的静电电容式传感器的周期信号中导出输出信号的方法用的说明图。这里，输出信号Vx、Vy的变化分别表示来自外部的力的X轴方向分量和Y轴方向分量的大小和方向。

这里，为导出输出信号Vx、Vy，将时钟信号等周期信号输入到端子T1、T2。并且，如果方向按钮32在将周期信号输入到端子T1、T2的状态下，接受来自外部的力而位移，随之，位移电极12沿Z轴负方向位移，电容元件C1～C4的电极间隔变化，各个电容元件C1～C4的静电容量值变化。这样一来，在输入到端子T1、T2的周期信号的相位上产生偏差。这样，利用在周期信号上所产生的相位偏差，可得到方向按钮32的位移，即，可得到表示方向按钮32从外部所接受到的力的X轴方向和Y轴方向的大小和方向的输出信号Vx、Vy。

进一步详细地说明，当将周期信号A输入到端子T1时，将与周期信号A有相同周期，且与周期信号A的相位不同的周期信号B输入到端子T2上。这时，方向按钮32从外部接受力，而分别改变电容元件C1～C4的静电容量值时，在分别输入到端子T1、T2的周期信号A和周期信号B的至少一个的相位上生成偏差。即，如果电容元件C1、C3的静电容量值变化，在分别输入到端子T1的周期信号A的相位上产生偏差，另一方面，如果电容元件C2、C4的静电容量值变化，在分别输入到端子T2的周期信号B的相位上产生偏差。

即，在来自外部的力上包含X轴方向分量的情况下，发生下述中的一个或两个情况，电容元件C1的静电容量值变化，在输入到端子T1的周期信号A的相位上产生偏差，或者，电容元件C2的静电容量值变化，在输入到端子T2的周期信号B的相位上产生偏差。这里，电容元件C1、C2的静电容量值的变化分别对应于来自外部的力的X轴正方向分量、X轴负方向分量。这样，通过由例如异或电路等读取分别输入到端子T1和端子T2的周期信号A和周期信号B的相位偏差，导出输出信号Vx。该输出信号Vx的变化量的符号表示来自外部的力的X轴方向分量是正方向或负方向的方向，输出信号Vx的变化量的绝对值表示X轴方向分量的大小。

另外，在来自外部的力上包含Y轴方向分量的情况下，发生下述中的一个或两个情况，电容元件C3的静电容量值变化，在输入到端子T1的周期信号A的相位上产生偏差，或者，电容元件C4的静电容量值变化，在输入到端子T2的周期信号B的相位上产生偏差。这里，电容元件C3、C4的静电容量值的变化分别对应于来自外部的力的Y轴正方向分量、Y轴负方向分量。这样，通过由例如异或电路等读取分别输入到端子T1和端子T2的周期信号A和周期信号B的相位偏差，导出输出信号Vy。该输出信号Vy的变化量的符号表示来自外部的力的Y轴方向分量是正方向或负方向的方向，输出信号Vy的变化量的绝对值表示Y轴方向分量的大小。

下面，参照图10，同时说明由输入到端子T1、T2的周期信号A、B导出输出信号Vx、Vy用的信号处理电路。图10是表示图1所示的静电电容式传感器的信号处理电路的电路图。

将电阻元件R1、R3连接到端子T1上，将电阻元件R2、R4连接到端子T2上。另外，将作为异或电路逻辑元件的EX-OR元件100、101分别连接到电阻元件R1、R2的输出端和电阻元件R3、R4的输出端，其输出端连接到端子T120、T121。并且，将低通滤波器(平滑电路)110、111连接到端子T120、T121上，其输出端被连接到端子T130、T131上。另外，电阻元件R1～R4的输出端被分别连接到电容元件用电极E1～E4上，分别与位移电极12之间构成电容元件C1～C4。另外，位移电极12通过端子T11、T12接地。

这里，低通滤波器110、111将从EX-OR元件100、101输出的输出信号Vx变换为模拟电压Vx’。即，各个电容元件C1～C4的静电容量值的变化作为输入到低通滤波器110、111之前的输出信号Vx的波形的占空比的变化而检测出，使该信号通过低通滤波器110、111而变平滑，可将该占空比变换为电压值来利用。分别由电阻元件R110、R111和电容元件C110、C111构成低通滤波器110、111。而且，在电容元件C110、C111的两个电极中，未连接到电阻元件R110、R111的一方的电极接地。

因此，从EX-OR元件100、101输出到端子T120、T121的输出信号Vx通过低通滤波器110、111而被平滑，作为模拟电压Vx’输出到端子T130、T131上。该模拟电压Vx’的值与输出信号Vx的占空比成比例地变化。因此，当输出信号Vx的占空比变大时，随之模拟电压Vx’的值也变大。另一方面，当输出信号Vx的占空比变小时，随之模拟电压Vx’的值也变小。另外，当输出信号Vx的占空比几乎不发生变化时，模拟电压Vx’的值也几乎不变。

由此，参照图11和图12，说明X轴方向分量的输出信号Vx的导出方法。图11是表示对于图1所示的静电电容式传感器的X轴方向分量的信号处理电路的电路图(图10的一部分)。图12是表示图11所示的信号处理电路的各端子和各节点的周期信号的波形图。而且，由于Y轴方向分量的输出信号Vy的导出方法与X轴方向分量的输出信号Vx的导出方法一样，故省略详细说明。

在图11的信号处理电路中，电容元件C1与电阻元件R1以及电容元件C2与电阻元件R2分别形成CR延迟电路。因此，输入到端子T1、T2的周期信号(矩形波信号)由各CR延迟电路生成规定的延迟后，被输入到EX-OR元件100上。

进一步详细地说明，对端子T1输入周期信号f(φ)(对应于上述的周期信号A)，另外，对端子T2输入与f(φ)具有相同周期，且相位偏差θ的周期信号f(φ+θ)(对应于上述的周期信号B)。输入到端子T1的周期信号f(φ)通过由电容元件C1和电阻元件R1构成的CR延迟电路，到达节点X1。这时，如图12所示，在节点X1的周期信号上生成时间a的延迟。同样，输入到端子T2的周期信号f(φ+θ)通过由电容元件C2和电阻元件R2构成的CR延迟电路，到达节点X2。这时，在节点X2的周期信号上生成时间b的延迟。

这里，分别输入到端子T1、T2的不同相位的周期信号f(φ)、f(φ+θ)是将从一个周期信号振荡器输出的周期信号分为两个路径，对其中一个路径设有图中未示出的CR延迟电路，使通过CR延迟电路的周期信号的相位延迟而产生的。而且，使周期信号的相位偏移的方法，并不限于使用CR延迟电路的方法，也可为其他的任何方法，另外，也可使用2个周期信号振荡器，分别产生不同相位的周期信号f(φ)、f(φ+θ)，而分别输入到端子T1、T2上。

这里，时间a、b对应于各个CR延迟电路的延迟时间，由各CR的时间常数决定。因此，在电阻元件R1、R2的电阻值相同的情况下，时间a、b的值对应于电容元件C1、C2的静电容量值。即，如果电容元件C1、C2的静电容量值变大时，时间a、b的值也变大，如果电容元件C1、C2的静电容量值变小时，时间a、b的值也变小。

这样，对EX-OR元件100输入与节点X1、X2的周期信号同样波形的信号，在这些信号之间进行异或逻辑运算，将其结果输出到端子T120。这里，输出到端子T120的信号，是具有规定占空比的矩形信号(参照图12)。

这里，考虑对方向按钮32的X轴正方向部分进行操作时(参照图7)的各端子和各节点的周期信号的波形。而且，将该情况下的信号处理电路的电容元件用电极E1、E2和位移电极12之间构成的电容元件设为C1’、C2’，将与不对方向按钮32进行操作时的信号处理电路的节点X1、X2和端子T120处于同一位置的各节点和端子设为节点X1’、X2’和端子T120’(参照图13)。

这时，与上述一样，在图11的信号处理电路中，对端子T1输入周期信号f(φ)，另外，对端子T2输入与f(φ)具有相同周期，相位偏差为θ的周期信号f(φ+θ)。输入到端子T1的周期信号f(φ)通过由电容元件C1’和电阻元件R1构成的CR延迟电路，到达节点X1’。这时，如图12所示，在节点X1’的周期信号上生成时间a+Δa的延迟。这是因为，电容元件C1’的静电容量值比电容元件C1还大，所以CR延迟电路的时间常数变大。另一方面，输入到端子T2的周期信号f(φ+θ)通过由电容元件C2’和电阻元件R2构成的CR延迟电路，到达节点X2’。这时，由于对方向按钮32的X轴负方向部分不施加力，所以节点X2’的周期信号与节点X2的周期信号具有相同波形。

这样，对EX-OR元件100输入与节点X1’、X2’的周期信号相同波形的信号，在这些信号之间进行异或逻辑运算，并将其结果输出到端子T120’上。这里，输出到端子T120’的信号是具有规定占空比的矩形波信号，如图12所示，在不对方向按钮32进行操作的情况下，是占空比比输出到端子T120的矩形波信号还小的矩形波信号。

这里，实际上，如上所述，输出到端子T120和端子T120’的信号都通过低通滤波器110平滑后输出。

而且，本实施形式的静电电容式传感器1被用作感力传感器，最好用作便携电话、便携信息终端(PDA)、个人计算机、游戏机等的输入装置(操纵杆)。另外，本实施形式的静电电容式传感器1，并不限于用作感力传感器的情况，在用作例如加速度传感器等的其他传感器情况下，也可得到与本实施形态相同的效果。

如上述，在本实施形式的静电电容式传感器1中，通过在支持检测按钮30的支持部件60和位移电极12之间设置规定的空隙，一直到检测按钮30位移规定的空隙之前，位移电极12不位移。因此，即使在检测按钮30操作前的位置和操作后的位置不同的情况下，由于位移电极12的回复位置与原始位置的偏差被抑制，所以来自对检测按钮30进行操作的操作前和操作后的静电电容式传感器的输出信号基本相同。这样，静电电容式传感器1的输出信号的滞后作用变得比较小，提高了作为传感器的重复性。另外，基于操作者的意志，如果检测按钮30没有压下规定的空隙部分(没有位移)，由于位移电极12没有位移，所以难以产生传感器的误动作(误操作)。

另外，由于在支持检测按钮30的支持部件60上，形成对应于电容元件用电极E1～E4配置的突起体62，所以能使得相对于位移电极12的电容元件用电极E1～E4的部分更有效地位移。

另外，通过把电容元件用电极E1～E4和位移电极12设置在1个FPC11上，传感器部一体地构成(单元化)后，组装该传感器部和检测按钮30。因此，即使在检测按钮30的形状或者大小变化的情况下，对于对检测按钮30的操作力的电容元件的静电容量值的变化特性大体上没有变化。为此，在把静电电容式传感器1装载在例如便携式电话等设备上的情况下，即使该传感器的外观或者检测按钮30的形状等发生了改变，由于单元化的传感器部能公用地使用，所以每当模块更新该设备的时候，由于掌握了作为该产品中操纵杆的操作性，就不必调整控制电路和软件。

另外，由于传感器部一体地构成，即使没有完成与其它部件的组装，在传感器单体下也能确认其性能。因此，通过部单位事先检查传感器单元中电容元件的静电容量值的大小等，可以仅选出具有规定范围内的静电容量值的传感器部(合格品)，能抑制产生作为传感器的不合格品，提高了传感器的成品率。

虽然结合上述描绘的特定实施形式描述了本发明，很明显，本领域的普通技术人员可明显得知本发明的许多替换、修改和变更。因此，上述提出的本发明的较佳实施例仅仅是举例，而不限于此。本发明可在不脱离如下述权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。

例如，在上述实施形式中，虽然说明了传感器部10在FPC11上一体地设置例如电容元件用电极E1～E4和位移电极12的情况，但并不限于此，也可不必一体地设置它们。因此，也可以这样，电容元件用电极和位移电极相对衬底被分别独立地支持到衬底上，更进一步，配置成与位移电极之间形成规定空隙的检测按钮通过支持部件被支持。

另外，在上述实施形式中，尽管说明了形成作为按压部件功能的尖细状的突起体62，使其在与支持部件60的位移电极12相对的面上向位移电极12突出的情况，但是不限于此，突起体的形状可以任意变化，突起体也可以这样形成，使其在相对位移电极的支持部件(检测按钮)的面上向着支持部件突出。这样，在对方向按钮进行操作时，在支持方向按钮的支持部件和位移电极之间的空隙内，若位移电极的特定部分集中位移，则突起体的构成可以任意地变化。而且，作为按压部件，除从支持部件或位移电极的其中一个向另一个突出地形成的突起体之外，支持部件和位移电极也可以配置为不同的部件。

另外，虽然在上述实施形式中，说明了为了把位移电极12接地而把2个基准电极E11、E12设置在FPC11上的情况，但也可以仅把基准电极E11、E12中的任一个设置在FPC11上。

另外，虽然在上述实施形式中，说明了设置判定开关S1的情况，但也不必一定设置判定开关。在这种情况下，可以不设有中央按钮31、判定开关用固定电极E21、判定开关用可动电极E22和基准电极E13。

另外，虽然在上述实施形式中，说明了可检测出从方向按钮32的外部施加的力的X轴方向分量和Y轴方向分量这两个分量的静电电容式传感器1，但并不限于此，也可以是只能检测出上述两个中的所需的一个分量的静电电容式传感器。

Claims (3)

1.一种静电电容式传感器，其特征在于，包括：

检测部件(30)；

与所述检测部件(30)相对的电容元件用电极(E1-E4)；

位移电极(12)，其在所述检测部件(30)与所述电容元件用电极(E1-E4)之间，与所述电容元件用电极(E1-E4)间构成电容元件，且随着所述检测部件(30)的位移，可以与其同方向位移；

所述位移电极(12)利用在与所述检测部件(30)之间设置规定的空隙，直到所述检测部件(30)仅在所述规定的空隙部分位移，所述位移电极(12)不位移；

根据利用向所述电容元件用电极(E1-E4)输入的信号检测所述电容元件用电极(E1-E4)和所述位移电极(12)间隔变化引起的所述电容元件的静电容量值的变化，可识别所述检测部件(30)的位移。

2.根据权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于，设有在所述规定的空隙内配置的尖细状的按压部件(62)。

3.根据权利要求1或2所述的静电电容式传感器，其特征在于，还包括设有所述电容元件用电极(E1-E4)和所述位移电极(12)两者的一个柔性印刷电路衬底(11)。

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