JP2002268817A - 静電容量式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作者が、操作を実行していることを感覚的
に容易に把握することができるようにする。 【解決手段】 基板２０上に形成された容量素子用電極
Ｅ１に接触するとともに、容量素子用電極Ｅ１の内側に
形成されたスイッチ用固定電極Ｅ１１と離隔しつつこれ
を覆うようにドーム形状を有するスイッチ用可動電極Ｅ
２１を配置する。検知部材３０に操作が施され、変位電
極４０からスイッチ用可動電極Ｅ２１に作用する力が所
定値に達したときに、スイッチ用可動電極Ｅ２１の頂部
近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形して凹んだ状態
となってスイッチ用固定電極Ｅ１１と接触する。これに
より、スイッチがＯＮ状態になる。このとき、操作者に
は、明瞭なクリック感が与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多次元方向の操作
入力を行うために用いて好適な静電容量式センサに関
し、特に、クリック感を感じつつ操作を行うことができ
る静電容量式センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電容量式センサは、操作者が加えた力
の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として利
用されている。例えば、ゲーム機器の入力装置として、
多次元方向の操作入力を行うための静電容量式力覚セン
サ（いわゆるジョイスティック）として組み込んだ装置
が利用されている。

【０００３】静電容量式センサでは、操作者から伝えら
れた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをも
った操作量を入力することができる。また、加えられた
力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次
元または三次元力覚センサとしても利用されている。特
に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間
隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検
出を行う静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコ
ストダウンを図ることができるメリットがあるために、
さまざまな分野で実用化されている。

【０００４】例えば、特開平７−２００１６４号公報に
は、図２２に示すような静電容量式力覚センサが開示さ
れている。力覚センサ５１０は、基板５２０と、基板５
２０上に設けられた弾性ゴム板５３０と、弾性ゴム板５
３０の下面に設けられた電極部５４０と、基板５２０の
上面に設けられた電極部５００〜５０４（図２３参照）
と、弾性ゴム板５３０を基板５２０に対して支持固定す
る押え板５６０と、基板５２０の下面に設けられた電子
装置５８０とから構成されている。また、電極部５００
〜５０４は、図２３に示すように、原点について対称に
配置された４つの電極部５０１〜５０４と、これらの外
側に配置された円環状の電極部５００とにより構成され
ている。また、電極部５４０の外周部分は、接地されて
いる電極部５００と接触しており、電極部５００を介し
て接地されている。

【０００５】操作者が弾性ゴム板５３０を押下すると、
その押下力に伴って電極部５４０が下方に変位して、こ
れと４つの電極部５０１〜５０４との間の距離が変化す
る。すると、４つの電極部５０１〜５０４のそれぞれと
電極部５４０との間で構成された容量素子の静電容量値
が変化する。従って、この静電容量値の変化を検出する
ことによって、操作者が加えた力の大きさおよび方向を
知ることが可能となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２２
および図２３に示した力覚センサ５１０では、操作者が
弾性ゴム板５３０を押下したとき、その押下する力に伴
って電極部５４０は変位するが、その変位量は押下力に
対してほぼ比例するように変化することが多く、操作者
は明確な操作感を感じることがほとんどない。したがっ
て、操作者は操作を実行していることを感覚的に把握す
ることなく操作を施すことになり、力覚センサ５１０の
操作対象の動作を視覚により確認しない限り操作を実行
していることを容易に把握することができない。

【０００７】そこで、本発明の目的は、操作を実行して
いることを感覚的に容易に把握することができる静電容
量式センサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の静電容量式センサは、ＸＹＺ三次元座標
系を定義したときに、ＸＹ平面を規定する基板と、前記
基板と対向している検知部材と、前記基板と前記検知部
材との間に位置し、前記検知部材がＺ軸方向に変位する
のに伴ってＺ軸方向に変位する導電性部材と、前記基板
上に形成され、前記導電性部材と電気的に接続されると
ともに、接地または一定の電位に保持された基準電極
と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記基板上
に形成され、前記導電性部材との間で第１の容量素子を
構成する第２の電極と、前記第２の電極に接触し且つ前
記第１の電極から離隔するように配置されていると共
に、前記導電性部材が変位するのに伴ってクリック感を
付随しつつ弾性変形して前記第１の電極と接触可能な第
３の電極とを備えている。そして、請求項１の静電容量
式センサは、前記第１の電極と前記第３の電極とが接触
しているときに、前記第１の電極に対して入力される信
号を利用して前記導電性部材と前記第２の電極との間隔
の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変
化を検出することに基づいて前記検知部材の変位を認識
可能である。

【０００９】請求項１において、第３の電極がクリック
感を付随しつつ弾性変形して第１の電極と接触可能とす
るために、第３の電極は、ある一定以上の外力を加える
と第１の電極の方向への変位速度が（好ましくは急激
に）大きくなる部材、つまり、加えられる外力が所定値
を超えると、外力が所定値よりも小さいとき（このとき
の変位速度はゼロでもよい）よりも第１の電極の方向へ
の変位速度が大きくなる部材で構成されている。

【００１０】請求項１によると、検知部材に対して操作
を施す場合には、操作方向に対応する第３の電極がクリ
ック感を付随しつつ弾性変形して第１の電極と接触した
ときに始めて検知部材の変位の認識が開始されるため、
操作者はクリック感を感じることで操作を実行している
ことを感覚的に容易に把握することができる。また、ク
リック感を生じさせるのに必要な所定の大きさの外力が
与えられて始めて検知部材の変位の認識が開始されるの
で、操作者が意識的に操作したのではないクリック感を
生じさせない範囲の小さな外力が検知部材に加えられた
ときには検知部材の変位が認識されない。従って、検知
部材が偶然に別部材に接触するなどの外乱を排して、操
作者の意識的な操作に基づく検知部材の変位だけを確実
に検出することが可能になる。

【００１１】請求項２の静電容量式センサは、前記第３
の電極がドーム形状を有しており、その内側に前記第１
の電極が配置されていることを特徴としている。

【００１２】請求項２によると、導電性部材から作用す
る力が所定値に達したときにドーム形状をした第３の電
極の頂部近傍が急激に変位して凹んだ状態となって第１
の電極に接触するため、操作者に明瞭なクリック感を与
えることが可能となる。

【００１３】請求項３の静電容量式センサは、前記基準
電極と前記導電性部材との間に、第２の容量素子が構成
されていることを特徴としている。請求項３によると、
導電性部材が直接接触することによってではなく、容量
結合によって接地または一定の電位に保持された基準電
極と電気的に結合される。そのため、センサの耐電圧特
性が向上し、スパーク電流が流れることによってセンサ
が破損することがほとんどなくなるとともに、接続不良
などの不具合を防止することができるため、信頼性の高
い静電容量式センサを得ることができる。また、基準電
極と導電性部材との間に絶縁膜を配置した場合において
も、絶縁膜の一部をカットして基準電極と導電性部材と
を接触させる必要がないため、組立および実装面でも有
利となる。

【００１４】請求項４の静電容量式センサは、前記第１
の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組が複
数形成されていることを特徴としている。請求項４によ
ると、各組を別方向の力を認識するために用いることに
よって多次元的な力の認識が可能になる。

【００１５】請求項５の静電容量式センサは、前記第１
の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２
つ有しており、これら二組の一方を含む回路および他方
を含む回路に、互いに位相が異なる信号が供給されるこ
とを特徴としている。請求項５によると、二組の一方を
含む回路および他方を含む回路の時定数が同じものであ
るかどうかにかかわらず、検知部材の変位を認識するこ
とができる。

【００１６】請求項６の静電容量式センサは、前記第１
の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２
つ有しており、これら二組の一方を含むＣＲ回路と他方
を含むＣＲ回路との時定数が異なることを特徴としてい
る。請求項６によると、回路を通過することによる信号
の位相のずれを大きくできるため、検知部材の変位認識
の精度を向上させることができる。また、検知部材の変
位検出可能範囲を大きくすることができる。

【００１７】請求項７〜１１の静電容量式センサは、前
記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の
組を２つ有しており、これら二組の一方を含む回路およ
び他方を含む回路にそれぞれ入力された信号の出力信号
が排他的論理和演算、論理和演算、論理積演算、論理積
演算および否定演算のいずれかを行う論理素子を利用し
た信号処理回路により検出されることを特徴としてい
る。請求項７〜１１によると、出力信号を精度よく検出
することができ、さらに必要に応じて検出精度を調整す
ることができる。

【００１８】請求項１２の静電容量式センサは、前記第
２の電極が、Ｙ軸に対して線対称に配置された一対の第
４の電極と、Ｘ軸に対して線対称に配置された一対の第
５の電極とを含んでいることを特徴としている。請求項
１２によると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向
およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識するこ
とができる。

【００１９】請求項１３の静電容量式センサは、前記検
知部材が、前記第４の電極および前記第５の電極のそれ
ぞれに対応して分割されていることを特徴としている。
請求項１３によると、外部からの力のＸ軸方向またはＹ
軸方向の各成分が明確に分離されるため、異なる方向の
成分が互いに干渉するのを軽減することができ、誤操作
を減少させることができる。

【００２０】請求項１４の静電容量式センサは、前記基
板上に形成された第６の電極と、前記基準電極に接触し
且つ前記第６の電極から離隔するように配置されている
と共に、前記導電性部材が変位するのに伴って弾性変形
して前記第６の電極と接触可能な第７の電極とをさらに
備えていることを特徴としている。

【００２１】請求項１４によると、上述した効果が得ら
れるほか、さらに、検知部材の操作によって互いに接触
可能な第６の電極および第７の電極を備えていること
で、入力の決定操作を行う際などに使用可能なスイッチ
を付加することができる。

【００２２】請求項１５の静電容量式センサは、前記検
知部材が、前記第２の電極および前記第６の電極に対応
して分割されていることを特徴としている。請求項１５
によると、操作方向に対応する外部からの力と決定操作
に対応する外部からの力とが明確に分離されるため、こ
れらの力が互いに干渉するのを軽減することができ、誤
操作を減少させることができる。

【００２３】請求項１６の静電容量式センサは、前記導
電性部材が、弾性体に塗布された導電性インクにより形
成されていることを特徴としている。請求項１６による
と、導電性部材が製造しやすく、製造コストを低減する
ことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説
明する実施の形態は本発明の静電容量式センサを力覚セ
ンサとして用いたものである。

【００２５】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図
１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。図３
は、図１の静電容量式センサの基板上に形成されている
複数の電極の配置を示す図である。

【００２６】静電容量式センサ１０は、基板２０と、人
などによって操作されることによって外部から力が加え
られる操作用の検知部材３０と、変位電極４０と、基板
２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、ドー
ム形状を有するスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４（図
１ではＥ２１およびＥ２２のみを示す）と、その内側に
配置されたスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４（図１で
はＥ１１およびＥ１２のみを示す）と、基準電極（共通
電極）Ｅ０と、複数の電極に密着して基板２０上を覆う
ように形成された絶縁膜５０と、検知部材３０および変
位電極４０を基板２０に対して支持固定する支持部材６
０と、支持部材６０および検知用部材３０の周囲を覆う
ように配置されたカバーケース７０とを有している。

【００２７】ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、
ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しなが
ら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１
では、基板２０上の基準電極Ｅ０の中心位置に原点Ｏが
定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、
紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。
ここで、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２
０上の基準電極Ｅ０、検知部材３０および変位電極４０
のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。

【００２８】基板２０は、一般的な電子回路用のプリン
ト回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用
いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィ
ルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィル
ム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛
性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。

【００２９】検知部材３０は、受力部となる小径の上段
部３１と、上段部３１の下端部に伸延する大径の下段部
３２とから構成され、全体として円盤状に形成されてい
る。ここで、上段部３１の径は、容量素子用電極Ｅ１〜
Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径より
小さく、下段部３２の径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４
のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同
じである。なお、操作性を向上させるために、検知部材
３０に樹脂製のキャップをかぶせてもよい。

【００３０】また、検知部材３０の上段部３１の上面に
は、図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正
方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素
子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カー
ソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。

【００３１】変位電極４０は、導電性を有するシリコン
ゴムで形成され、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれ
の外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同一の径を有
する円盤状であり、弾性を有するシリコンゴムで形成さ
れた支持部材６０の下面に付着されている。また、変位
電極４０の下面には、変位電極４０の中心位置を中心と
し、基準電極Ｅ０と同一の径の円形で下方に突出した凸
部４１が形成されている。凸部４１は、その下面が基準
電極Ｅ０と接触することができる高さを有している。こ
のように、変位電極４０の中心位置に凸部４１が形成さ
れているため、検知部材３０に力が作用したときに変位
電極４０が凸部４１を支点として傾くことができるよう
になっている。また、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１
４にそれぞれ対向する位置には、４つの突起体４２が形
成されている。

【００３２】なお、変位電極４０としては、シリコンゴ
ムの他、例えば、導電性インク、導電性熱可塑性樹脂
（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチック、金属
蒸着フィルムを用いてもよい。また、変位電極４０の突
起体４２は無くてもよい。

【００３３】また、基板２０上には、図３に示すよう
に、原点Ｏを中心とする円形の基準電極Ｅ０と、その外
側に扇形であり、それぞれのほぼ中央部に円形の孔Ｈ１
〜Ｈ４を有する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、孔Ｈ１〜
Ｈ４の内側で、孔Ｈ１〜Ｈ４の径よりも小さい径を有す
る円形のスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とが形成さ
れている。ここで、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４
の面積は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の面積に比べて極
力小さい方が好ましい。一対の容量素子用電極Ｅ１およ
びＥ２は、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配
置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３および
Ｅ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置
されている。なお、基準電極Ｅ０は、容量素子用電極Ｅ
１〜Ｅ４の外側に形成されてもよい。この場合には、変
位電極４０の凸部４１も容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の外
側に形成される。

【００３４】ここでは、容量素子用電極Ｅ１はＸ軸の正
方向に対応するように配置され、一方、容量素子用電極
Ｅ２はＸ軸の負方向に対応するように配置され、外部か
らの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量
素子用電極Ｅ３はＹ軸の正方向に対応するように配置さ
れ、一方、容量素子用電極Ｅ４はＹ軸の負方向に対応す
るように配置され、外部からの力のＹ軸方向成分の検出
に利用される。

【００３５】基準電極Ｅ０およびスイッチ用固定電極Ｅ
１１〜Ｅ１４は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０
〜Ｔ５（図４参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ
０〜Ｔ５を通じて外部の電子回路に接続されるようにな
っている。なお、ここでは、基準電極Ｅ０は、端子Ｔ０
を介して接地されている。

【００３６】また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４にそれぞ
れ接触するとともに、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１
４と離隔しつつこれを覆うようにスイッチ用可動電極Ｅ
２１〜Ｅ２４が配置されている。したがって、スイッチ
用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４は孔Ｈ１〜Ｈ４よりも大きい
径を有するドーム状の部材である。

【００３７】また、絶縁膜５０は、基板２０上の容量素
子用電極Ｅ１〜Ｅ４の一部およびスイッチ用可動電極Ｅ
２１〜Ｅ２４に密着して、基板２０上を覆うように形成
されている。このため、銅などで形成された容量素子用
電極Ｅ１〜Ｅ４およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２
４の絶縁膜５０で覆われている部分は空気にさらされる
ことがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有
している。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４およびスイ
ッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４に対して、その表面への
金メッキの形成などの酸化防止対策を施しておいてもよ
い。また、絶縁膜５０が形成されているため、容量素子
用電極Ｅ１〜Ｅ４およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ
２４と、変位電極４０とが直接接触することはない。

【００３８】次に、上述のように構成された本実施の形
態に係る静電容量式センサ１０の動作について、図面を
参照して説明する。図４は、図１に示す静電容量式セン
サの構成に対する等価回路図である。図５は、図１に示
す静電容量式センサの検知部材にＸ軸正方向への操作が
施された場合の側面の模式的な断面図である。図６は、
図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から
出力信号を導出する方法を説明するための説明図であ
る。

【００３９】まず、静電容量式センサ１０の構成と等価
な回路構成について、図４を参照して説明する。基板２
０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４は、変位電
極４０と対向している。ここで、容量素子用電極Ｅ１〜
Ｅ４に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４
は、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触する位置
または接触しない位置を選択的にとり得ることにより、
端子Ｔ１〜Ｔ４と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４とを接続さ
せるまたは接続させないスイッチＳ１〜Ｓ４としての機
能を有している。

【００４０】スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４がスイ
ッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触していない（スイ
ッチがＯＦＦ状態）場合には、スイッチ用固定電極Ｅ１
１〜Ｅ１４の面積が容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の面積に
比べて非常に小さく、または、スイッチ用可動電極Ｅ２
１〜Ｅ２４が一種の静電シールドとなることにより、ス
イッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４とスイッチ用固定電極
Ｅ１１〜Ｅ１４との間には、静電容量がほとんど発生し
ない。

【００４１】一方、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４
がスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触している
（スイッチがＯＮ状態）場合には、容量素子用電極Ｅ１
〜Ｅ４がスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接続さ
れ、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極４０とが対向
して、共通の電極である変位可能な変位電極４０と、固
定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間で容量
素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する。容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、そ
れぞれ変位電極４０の変位に起因して静電容量値が変化
するように構成された可変容量素子であるということが
できる。

【００４２】容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量
値は、変位電極４０と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそ
れぞれに接続された端子Ｔ１〜Ｔ４との間の静電容量値
として、それぞれ独立して測定することができる。ここ
で、基準電極Ｅ０は、端子Ｔ０を介して接地されている
ため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４における共通の電極である変
位電極４０は接地されていると考えられる。

【００４３】次に、図１に示す検知部材３０に力が作用
していないときの状態において、図５に示すように、検
知部材３０にＸ軸正方向への操作のみが施された場合、
すなわち、検知部材３０の上段部３１に形成されたＸ軸
正方向に対応するように形成された矢印を基板２０側に
押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）を加えた場合
を考える。

【００４４】検知部材３０のＸ軸正方向に対応する部分
が押し下げられることにより、変位電極４０に形成され
たＸ軸正方向に対応する突起体４２が下方へと変位す
る。すると、突起体４２から絶縁膜５０を介してスイッ
チ用可動電極Ｅ２１の中央部に対して下方向への力が作
用する。そして、その力が所定値に満たないときにはス
イッチ用可動電極Ｅ２１はほとんど変位しないが、その
力が所定値に達したときには、スイッチ用可動電極Ｅ２
１の頂部近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形して凹
んだ状態となってスイッチ用固定電極Ｅ１１と接触す
る。これにより、スイッチＳ１がＯＮ状態になる。この
とき、操作者には、明瞭なクリック感が与えられること
になる。その後、引き続き検知部材３０が変位すると、
スイッチＳ１がＯＮ状態を保持しつつ変位電極４０がさ
らに変位することにより、変位電極４０のＸ軸正方向部
分と容量素子用電極Ｅ１との間隔が変化する。

【００４５】このように、容量素子Ｃ１を構成する電極
（変位電極４０のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ
１）の間隔が変化すると、それに伴って容量素子Ｃ１の
静電容量値も変化する。ここで、一般的に、容量素子の
静電容量値は、容量素子を構成する電極の間隔に反比例
する。したがって、容量素子Ｃ１を構成する電極が小さ
くなることから容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくな
る。

【００４６】一方、このとき変位電極４０のＸ軸負方向
部分はほとんど変位しない。また、変位電極４０のＹ軸
正方向部分および変位電極４０のＹ軸負方向部分もほと
んど変位しない。ここで、実際には、検知部材３０に対
する力の加わり方によっては、変位電極４０のＸ軸負方
向部分、Ｙ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分が、それ
ぞれ下方に若干変位する場合もあるが、それぞれの方向
に対応するスイッチ用可動電極Ｅ２２〜Ｅ２４とスイッ
チ用固定電極Ｅ１２〜Ｅ１４とを接触させるまで変位電
極４０のそれぞれの部分が変位しない限り、スイッチＳ
２〜Ｓ４はＯＦＦ状態を保持するため、スイッチ用可動
電極Ｅ２２〜Ｅ２４とスイッチ用固定電極Ｅ１２〜Ｅ１
４との間には静電容量がほとんど発生せず、それらの変
位は出力に影響を与えない。

【００４７】以上のように、検知部材３０にＸ軸正方向
への操作のみが施された場合は、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の
なかで、スイッチＳ１〜Ｓ４がＯＮ状態を保持しつつ容
量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極４０との間の間隔に
変化があった容量素子Ｃ１の静電容量値のみが変化す
る。

【００４８】次に、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４
とスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とが接触している
（スイッチＳ１〜Ｓ４がＯＮ状態）場合において、容量
素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化から検知
部材３０への外部からの力の大きさおよび方向を示す出
力信号の導出方法について、図６を参照して説明する。
ここで、出力信号Ｖx 、Ｖy は、それぞれ外部からの力
のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の大きさおよび方向
を示す。

【００４９】ここで、出力信号Ｖx 、Ｖy を導出するた
めに、端子Ｔ１〜Ｔ４に対して、常にクロック信号など
の周期信号が入力される。端子Ｔ１〜Ｔ４に周期信号が
入力されている状態で、検知部材３０が外部からの力を
受けて変位すると、これに伴って変位電極４０がＺ軸方
向に変位する。そして、変位電極４０からスイッチ用可
動電極Ｅ２１〜Ｅ２４に作用する力が所定値に達する
と、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４の中央部が座屈
をともない弾性変形することにより、スイッチ用固定電
極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触してスイッチＳ１〜Ｓ４がＯＮ
状態になる。その後、引き続き検知部材３０が変位する
と、スイッチＳ１〜Ｓ４がＯＮ状態を保持しつつ変位電
極４０がさらに変位することにより、容量素子Ｃ１〜Ｃ
４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞ
れの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１〜Ｔ４に
入力された周期信号の位相にずれが生じる。このよう
に、周期信号に生じる位相のずれを利用して、検知部材
３０の変位、つまり検知部材３０が外部から受けた力の
Ｘ軸方向およびＹ軸方向の大きさと方向を示す出力信号
Ｖx 、Ｖy を得ることができる。

【００５０】さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１〜Ｔ４
に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１、Ｔ３に対
しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２、Ｔ４に
対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａ
の位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、
検知部材３０が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ
４の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１〜Ｔ４
にそれぞれ入力された周期信号Ａまたは周期信号Ｂの位
相にそれぞれ異なった量のずれが生じる。

【００５１】すなわち、外部からの力にＸ軸正方向成分
が含まれる場合は、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化
し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生
じる。また、外部からの力にＸ軸負方向成分が含まれる
場合は、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化し、端子Ｔ２
に入力された周期信号Ｂの位相にもずれが生じる。ここ
で、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化量は、それ
ぞれ外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分の
大きさに対応している。このように、端子Ｔ１および端
子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号
Ｂの位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、
出力信号Ｖx が導出される。この出力信号Ｖx の符号
が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向
の向きかを示し、その絶対値がＸ軸方向成分の大きさを
示す。

【００５２】また、外部からの力にＹ軸正方向成分が含
まれる場合は、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化し、端
子Ｔ３に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。
また、外部からの力にＹ軸負方向成分が含まれる場合
は、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化し、端子Ｔ４に入
力された周期信号Ｂの位相にもずれが生じる。ここで、
容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化量は、それぞれ
外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分の大き
さに対応している。このように、端子Ｔ３および端子Ｔ
４にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの
位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力
信号Ｖy が導出される。この出力信号Ｖyの符号が、外
部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向き
かを示し、その絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。

【００５３】なお、外部からの力にＸ軸方向成分または
Ｙ軸方向成分が含まれる場合において、Ｘ軸正方向およ
びＸ軸負方向の両方の成分またはＹ軸正方向およびＹ軸
負方向の両方の成分を含む場合がある。ここで、例えば
Ｘ軸方向について考えると、Ｘ軸正方向成分およびＸ軸
負方向成分のそれぞれの大きさが同じ場合の出力信号Ｖ
x の値は、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれない場
合の出力信号Ｖx の値とほとんど同じである（詳細は、
後述する）。一方、Ｘ軸正方向成分とＸ軸負方向成分と
が異なる場合には、端子Ｔ１、Ｔ２に入力されたそれぞ
れの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれる量がそ
れぞれ異なり、上述した場合と同様に、その位相のずれ
を排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖx が
導出される。また、このことは、Ｙ軸方向についての出
力信号Ｖy の導出に対しても同様のことがいえる。

【００５４】次に、端子Ｔ１〜Ｔ４に入力された周期信
号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖx 、Ｖyを導出するための信
号処理回路について、図面を参照しながら説明する。図
７は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示
す回路図である。

【００５５】図７に示す信号処理回路において、端子Ｔ
１〜Ｔ４には、図示されていない交流信号発振器から所
定周波数の周期信号が入力される。これらの端子Ｔ１〜
Ｔ４には、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ接続されてい
る。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端および抵抗素子
Ｒ３、Ｒ４の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素
子であるＥＸ−ＯＲ素子８１、８２が接続されており、
その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１２に接続されている。さ
らに、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の出力端は、スイッチ用固定
電極Ｅ１１〜Ｅ１４およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜
Ｅ２４により構成されるスイッチＳ１〜Ｓ４の入力端に
それぞれ接続されている。スイッチＳ１〜Ｓ４の出力端
は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極４０
との間で構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ４に接続されてい
る。また、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの一方の電極
である変位電極４０は接地されている。

【００５６】ここから、例として、Ｘ軸方向成分の出力
信号Ｖx の導出方法について、図８を参照して説明す
る。なお、Ｙ軸方向成分の出力信号Ｖy の導出方法につ
いても同様であるので説明を省略する。図８は、図１に
示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処
理回路を示す回路図（図７の一部分）である。この信号
処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１および
容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２はそれぞれＣＲ遅延回路を
形成している。端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号
（矩形波信号）は、それぞれＣＲ遅延回路によって所定
の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子８１において合流する。

【００５７】なお、端子Ｔ１、Ｔ２に対して十分な駆動
能力を持った信号を供給することが出来ない場合には、
端子Ｔ１と抵抗素子Ｒ１との間および端子Ｔ２と抵抗素
子Ｒ２との間にインバータ素子を挿入するのが好まし
い。ここで、インバータ素子は、ＣＲ遅延回路を駆動す
るために十分な駆動電力を発生させる素子であり、論理
的には意味のない素子である。また、インバータ素子と
して、同一の素子を用いることにより、異なる経路の信
号を同じ条件で比較することが可能である。

【００５８】次に、図８の回路の動作について、図９を
参照して説明する。図９は、図８に示す信号処理回路の
各端子および各節点における周期信号の波形を示す図で
ある。

【００５９】図８の信号処理回路において、端子Ｔ１、
Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号は、ＣＲ遅延回路
を通過することにより、それぞれ所定の遅延を生じて、
それぞれＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。詳細に説明
すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信
号Ａに対応しており、以下周期信号Ａと称する）が入力
され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、か
つ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上
述の周期信号Ｂに対応しており、以下周期信号Ｂと称す
る）が入力される。ここでは、周期信号Ａのデューティ
比Ｄ０は５０％であり、周期信号Ｂは周期信号Ａの位相
が周期信号Ａの周期の１／４だけ進んでいる場合につい
て説明する。

【００６０】ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力さ
れる異なる位相の周期信号Ａおよび周期信号Ｂは、１つ
の交流信号発振器から出力された周期信号を２つの経路
に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設
け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させ
ることによって発生させられる。なお、周期信号の位相
をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限ら
ず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つ
の交流信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期
信号Ａおよび周期信号Ｂを発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２の
それぞれに入力してもよい。

【００６１】図９の（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１、Ｔ２
に入力される周期信号Ａおよび周期信号Ｂの波形を示し
ている。ここで、検知部材３０に外部から力が作用して
いない（操作が施されない）状態では、図８の信号処理
回路のスイッチＳ１、Ｓ２はＯＦＦ状態であるため、容
量素子Ｃ１、Ｃ２は無視できる位に十分小さく、周期信
号Ａおよび周期信号Ｂはほとんど遅延することなくＥＸ
−ＯＲ素子８１に入力される。したがって、ＥＸ−ＯＲ
素子８１には、端子Ｔ１、Ｔ２における周期信号と同一
の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論
理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力さ
れる。ここで、端子Ｔ１１に対して出力される出力信号
Ｖx は、図９の（ｃ）に示すように、デューティ比Ｄ１
を有する矩形波信号である。

【００６２】次に、検知部材３０にＸ軸正方向への操作
のみが施された場合（図５参照）には、スイッチＳ１が
ＯＮ状態となり、容量素子Ｃ１が抵抗素子Ｒ１に接続さ
れることにより遅延回路が構成される。端子Ｔ１に入力
される周期信号Ａは、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１
で構成する遅延回路を通過することにより遅延して節点
Ｘ１に到達する。ここで、図９（ｄ）は、端子Ｔ１に周
期信号Ａを入力した場合の図８に示す信号処理回路の節
点Ｘ１における電位の変化を示している。

【００６３】端子Ｔ１に「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号
を繰り返す周期信号が入力された場合には、図９（ｄ）
に示すように、「Ｈｉ」の信号の入力が開始するとＣＲ
遅延回路を構成する容量素子Ｃ１に次第に電荷が蓄えら
れることにより、節点Ｘ１における電位は次第に増加
し、また、「Ｌｏ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延
回路を構成する容量素子Ｃ１の電荷が次第に放電される
ことにより節点Ｘ１における電位は次第に減少するとい
う変化を繰り返す。

【００６４】なお、実際には、節点Ｘ１の電位の波形
は、所定のしきい値を有するコンパレータ（図示しな
い）を介することによって矩形波（パルス波形）に変換
されるようになっている。このコンパレータでは、設定
されたしきい値よりも大きい場合は「Ｈｉ」の信号を出
力し、小さい場合は「Ｌｏ」の信号を出力することによ
り矩形波を形成する。ここで、ＥＸ−ＯＲ素子８１がＣ
−ＭＯＳ型の論理素子の場合には、電源電圧がＶccであ
れば、コンパレータのしきい値電圧をＶcc／２程度とし
ておくことが好ましい。このように、節点Ｘ１の電位の
波形は、コンパレータを介することにより、図９（ｅ）
に示すように、デューティ比Ｄ２を有する矩形波に変換
される。

【００６５】また、このときスイッチＳ２はＯＦＦ状態
であるから、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２は遅延回
路を構成しないため、節点Ｘ２に到達する周期信号の波
形は周期信号Ｂ（図９（ｂ）に示す波形の信号）と同一
である。

【００６６】したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節
点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号（図
９（ｂ）および図９（ｅ）に示す波形の信号）が入力さ
れ、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その
結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子Ｔ
１１に対して出力される出力信号Ｖx は、図９（ｆ）に
示すようにデューティ比Ｄ３を有する矩形波信号であ
る。

【００６７】なお、検知部材３０のＸ軸正方向部分がさ
らに押下されると、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１
との間隔が小さくなり、それに伴って容量素子Ｃ１の静
電容量値が大きくなる。このとき、周期信号Ａが遅延回
路を通過することによる位相のずれ（遅延する量）はお
おきくなり、端子Ｔ１１に対して出力される出力信号Ｖ
x のデューティ比Ｄ３も大きくなる。

【００６８】次に、検知部材３０にＸ軸負方向への操作
のみが施された場合には、スイッチＳ２がＯＮ状態とな
り、容量素子Ｃ２が抵抗素子Ｒ２に接続されることによ
り遅延回路が構成される。端子Ｔ２に入力される周期信
号Ｂは、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２で構成する遅
延回路を通過することにより遅延して節点Ｘ２に到達す
る。ここで、図９（ｇ）は、端子Ｔ２に周期信号Ｂを入
力した場合の図８に示す信号処理回路の節点Ｘ２におけ
る電位の変化を示している。

【００６９】端子Ｔ２に「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号
を繰り返す周期信号が入力された場合には、図９（ｇ）
に示すように、「Ｈｉ」の信号の入力が開始するとＣＲ
遅延回路を構成する容量素子Ｃ２に次第に電荷が蓄えら
れることにより、節点Ｘ２における電位は次第に増加
し、また、「Ｌｏ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延
回路を構成する容量素子Ｃ２の電荷が次第に放電される
ことにより節点Ｘ２における電位は次第に減少するとい
う変化を繰り返す。

【００７０】なお、実際には、節点Ｘ２の電位の波形
は、所定のしきい値を有するコンパレータ（図示しな
い）を介することによって矩形波（パルス波形）に変換
されるようになっている。このコンパレータでは、設定
されたしきい値よりも大きい場合は「Ｈｉ」の信号を出
力し、小さい場合は「Ｌｏ」の信号を出力することによ
り矩形波を形成する。ここで、ＥＸ−ＯＲ素子８１がＣ
−ＭＯＳ型の論理素子の場合には、電源電圧がＶccであ
れば、コンパレータのしきい値電圧をＶcc／２程度とし
ておくことが好ましい。このように、節点Ｘ２の電位の
波形は、コンパレータを介することにより、図９（ｈ）
に示すように、デューティ比Ｄ４を有する矩形波に変換
される。

【００７１】また、このときスイッチＳ１はＯＦＦ状態
であるから、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１は遅延回
路を構成しないため、節点Ｘ１に到達する周期信号の波
形は周期信号Ａ（図９（ａ）に示す波形の信号）と同一
である。

【００７２】したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節
点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号（図
９（ａ）および図９（ｈ）に示す波形の信号）が入力さ
れ、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その
結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子Ｔ
１１に対して出力される出力信号Ｖx は、図９（ｉ）に
示すようにデューティ比Ｄ５を有する矩形波信号であ
る。

【００７３】検知部材３０のＸ軸負方向部分がさらに押
下されると、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ２との間
隔が小さくなり、それに伴って容量素子Ｃ２の静電容量
値が大きくなる。このとき、周期信号Ｂが遅延回路を通
過することによる位相のずれ（遅延する量）はおおきく
なり、端子Ｔ１１に対して出力される出力信号Ｖx のデ
ューティ比Ｄ３は小さくなる。

【００７４】このように、検知部材３０にＸ軸負方向へ
の操作のみが施された場合に端子Ｔ１１に対して出力さ
れる出力信号Ｖx のデューティ比Ｄ５（図９（ｉ）参
照）は、検知部材３０にＸ軸正方向への操作のみが施さ
れた場合に端子Ｔ１１に対して出力される出力信号Ｖx
のデューティ比Ｄ２（図９（ｅ）参照）よりも小さくな
っている。

【００７５】ここで、検知部材３０にＸ軸正方向および
Ｘ軸負方向への操作が同時に施された場合には、端子Ｔ
１、Ｔ２に入力される周期信号Ａおよび周期信号Ｂは、
容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１で構成する遅延回路お
よび容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２で構成する遅延回
路をそれぞれ通過して節点Ｘ１、Ｘ２に到達する。した
がって、このときの節点Ｘ１、Ｘ２における電位の変化
は図９（ｄ）および図９（ｇ）に示すようになる。

【００７６】したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節
点Ｘ１、Ｘ２における電位の変化（図９（ｄ）および図
９（ｇ）に示す波形）を所定のしきい値でデジタル化し
た信号（図９（ｅ）および図９（ｈ）に示す波形の信
号）が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が
行われ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力される。こ
こで、端子Ｔ１１に対して出力される出力信号Ｖx は、
図９（ｊ）に示すようにデューティ比Ｄ６を有する矩形
波信号である。

【００７７】このように、検知部材３０にＸ軸正方向お
よびＸ軸負方向への操作が同時に施された場合に端子Ｔ
１１に対して出力される出力信号Ｖx のデューティ比Ｄ
６（図９（ｊ）参照）は、検知部材３０に操作が施され
ない場合に端子Ｔ１１に対して出力される出力信号Ｖx
のデューティ比Ｄ１（図９（ｃ）参照）とほとんど同じ
である。但し、両者の信号の位相はずれている。

【００７８】また、端子Ｔ１１に対して出力される出力
信号Ｖx は、アナログ電圧Ｖx ’に変換して利用するこ
とができる。図１０は、図１に示す静電容量式センサの
Ｘ軸方向成分についての出力信号をアナログ電圧に変換
する回路を含む信号処理回路を示す回路図である。

【００７９】図１０に示すように、端子Ｔ１１に対して
出力される出力信号Ｖx は、抵抗素子Ｒ５０および容量
素子Ｃ５０で構成されるローパスフィルター５０を通過
することにより平滑され、端子５０に対してアナログ電
圧Ｖx ’として出力される。このアナログ電圧Ｖx ’の
値は、出力信号Ｖx のデューティ比に比例して変化す
る。したがって、出力信号Ｖx のデューティ比が大きく
なるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖx ’の値も大きくな
り、一方、出力信号Ｖx のデューティ比が小さくなると
それに伴ってアナログ電圧Ｖx ’の値も小さくなる。ま
た、出力信号Ｖxデューティ比がほとんど変化しないと
きはアナログ電圧Ｖx ’の値もほとんど変化しない。

【００８０】以上のように、本実施の形態の静電容量式
センサ１０は、検知部材３０に対して操作を施す場合に
は、操作方向に対応するスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ
２４がクリック感を付随しつつ弾性変形してスイッチ用
固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触したときにはじめて検知
部材３０の変位の認識を開始するため、操作者はクリッ
ク感を感じることで操作を実行していることを感覚的に
容易に把握することができる。また、クリック感を生じ
させるのに必要な所定の大きさの外力が与えられて始め
て検知部材３０の変位の認識が開始されるので、操作者
が意識的に操作したのではないクリック感を生じさせな
い範囲の小さな外力が検知部材３０に加えられたときに
は検知部材３０の変位が認識されない。従って、検知部
材３０が偶然に別部材に接触するなどの外乱を排して、
操作者の意識的な操作に基づく検知部材３０の変位だけ
を確実に検出することが可能になる。

【００８１】また、複数の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４が
形成され、検知部材３０が外部から受けた力のＸ軸方向
およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識するこ
とができる。ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ１お
よびＥ２、Ｅ３およびＥ４）に対して、互いに位相が異
なる信号が供給されるため、回路を通過することによる
信号の位相のずれを大きくでき、さらに、その信号を論
理素子を利用した信号処理回路を用いるため、精度よく
検出することができる。なお、この構成の静電容量式セ
ンサは、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置と
して利用されるのに好ましい。

【００８２】次に、本発明の第１の実施の形態の第１の
変形例について、図面を参照しつつ説明する。図１１
は、第１の変形例に係る静電容量式センサのＸ軸方向成
分についての信号処理回路を示す回路図である。図１２
は、検知部材に作用する押下力と出力されるアナログ電
圧との関係を示す図である。図１１の信号処理回路が、
図１の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、
図１０のローパスフィルター５０と端子１１との間に回
路６０が接続されている点である。なお、その他の構成
は、図１の静電容量式センサと同一であるので、同一符
号を付して説明を省略する。

【００８３】回路６０は、コンパレータ６３、６４と、
可変抵抗器６５、６６と、端子６１、６２とを有してお
り、ローパスフィルター５０と端子１１との間の節点Ｘ
６０に接続されている。コンパレータ６３の一方の入力
端子には可変抵抗器６５が接続されており、他方の入力
端子は節点Ｘ６０に接続されている。また、コンパレー
タ６３の出力端子は端子６１に接続されている。同様
に、コンパレータ６４の一方の入力端子には可変抵抗器
６６が接続されており、他方の入力端子は節点Ｘ６０に
接続されている。また、コンパレータ６４の出力端子は
端子６２に接続されている。ここで、可変抵抗器６５、
６６には図示しない電源によって所定の電圧が印可され
ており、それぞれの抵抗値を変化させることによりコン
パレータ６３、６４に入力される値（以下、比較値と称
する）を変更することができる。

【００８４】ここで、検知部材３０に作用する押下力Ｆ
x １、Ｆx ２と出力されるアナログ電圧Ｖx ’との関係
を図１２を参照して説明する。なお、押下力Ｆx １およ
び押下力Ｆx ２は、それぞれ検知部材３０のＸ軸正方向
およびＸ軸負方向に作用する力を示している。押下力Ｆ
x １および押下力Ｆx ２がともに作用していないときの
アナログ電圧Ｖx ’の値は電圧値ａである。

【００８５】押下力Ｆx １が押下力Ｆx １０に達するま
ではアナログ電圧Ｖx ’の値は電圧値ａのままで変化し
ない。そして、押下力Ｆx １が押下力Ｆx １０に達する
と、アナログ電圧Ｖx ’の値は電圧値ｂに瞬時に増加す
る。なお、押下力Ｆx １０は、第１の実施の形態で説明
において、スイッチ用可動電極Ｅ２１の中央部が座屈を
伴うことで変位が急増するときの力（所定値）に対応し
ている。さらに、押下力Ｆx １が増加すると、それに伴
ってアナログ電圧Ｖx ’の値は比例するように増加す
る。

【００８６】同様に、押下力Ｆx ２が押下力Ｆx ２０に
達するまではアナログ電圧Ｖx ’の値は電圧値ａのまま
で変化しない。そして、押下力Ｆx ２が押下力Ｆx ２０
に達すると、アナログ電圧Ｖx ’の値は電圧値ｃに瞬時
に減少する。なお、押下力Ｆx ２０は、第１の実施の形
態で説明において、スイッチ用可動電極Ｅ２２の中央部
が座屈を伴うことで変位が急増するときの力（所定値）
に対応している。さらに、押下力Ｆx ２が増加すると、
それに伴ってアナログ電圧Ｖx ’の値は比例するように
減少する。

【００８７】したがって、可変抵抗器６５の抵抗値を変
化させてコンパレータ６３の比較値を電圧値ａと電圧値
ｂとの間に設定することにより、端子６１に対してＯＮ
状態またはＯＦＦ状態のいずれかを示す信号を出力する
ことが出来る。すなわち、押下力Ｆx １が押下力Ｆx １
０に達するまではＯＦＦ状態を示し、押下力Ｆx １が押
下力Ｆx １０に達するとＯＮ状態を示す信号を出力する
ことが出来る（図１２参照）。

【００８８】また同様に、可変抵抗器６６の抵抗値を変
化させてコンパレータ６４の比較値を電圧値ａと電圧値
ｃとの間に設定することにより、端子６２に対してＯＮ
状態またはＯＦＦ状態のいずれかを示す信号を出力する
ことが出来る。すなわち、押下力Ｆx ２が押下力Ｆx ２
０に達するまではＯＦＦ状態を示し、押下力Ｆx ２が押
下力Ｆx ２０に達するとＯＮ状態を示す信号を出力する
ことが出来る（図１２参照）。

【００８９】以上のように、回路６０を含む信号処理回
路を用いると、静電容量式センサ１０をスイッチ機能を
有するアナログ電圧制御装置として利用することができ
る。すなわち、スイッチＳ１、Ｓ２を外部からの力のＸ
軸方向の成分の認識を開始するためのスイッチとして用
いるとともに、その他の接続された回路または機器のＯ
Ｎ状態とＯＦＦ状態とを選択的に切り替える別のスイッ
チとして用いることができる。

【００９０】なお、回路６０の機能は、Ａ／Ｄ変換ポー
ト付きのマイコンを用いてプログラムなどのソフトウェ
アにより実行することが可能である。

【００９１】次に、本発明の第１の実施の形態の第２の
変形例について、図面を参照しつつ説明する。図１３
は、第２の変形例に係る静電容量式センサのＸ軸方向成
分についての信号処理回路を示す回路図である。図１３
の信号処理回路が、図１の静電容量式センサの信号処理
回路と異なる点は、変位電極４０と基準電極Ｅ０との間
に容量素子Ｃ０が構成されている点である。なお、その
他の構成は、図１の静電容量式センサと同一であるの
で、同一符号を付して説明を省略する。

【００９２】絶縁膜５０を基板２０上に容量素子用電極
Ｅ１〜Ｅ４、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４および
基準電極Ｅ０に密着して、基板２０上を覆うように形成
する。このように、変位電極４０と基準電極Ｅ０との間
に絶縁膜５０を配置することにより、変位電極４０と基
準電極Ｅ０との間に容量素子Ｃ０を構成する。

【００９３】したがって、変位電極４０は、直接接触す
ることによってではなく、容量素子Ｃ０（カップリング
コンデンサとしての機能を有している）による容量結合
によって接地された基準電極Ｅ０と電気的に結合され
る。したがって、静電容量式センサ１０の耐電圧特性が
向上し、スパーク電流が流れることによってセンサが破
損することがほとんどなくなるとともに、接続不良など
の不具合を防止することができるため、信頼性の高い静
電容量式センサを得ることができる。また、基準電極Ｅ
０が空気にさらされることがなく、それらが酸化される
のを防止することができる。

【００９４】次に、本発明の第１の実施の形態の第３の
変形例について、図面を参照しつつ説明する。図１４
は、第３の変形例に係る静電容量式センサのＸ軸方向成
分についての信号処理回路を示す回路図である。図１４
の信号処理回路が、図１の静電容量式センサの信号処理
回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の
代わりにＯＲ素子が用いられている点である。なお、そ
の他の構成は、図１の静電容量式センサと同一であるの
で、同一符号を付して説明を省略する。

【００９５】図１４において、検知部材３０のＸ軸正方
向部分が押下され、スイッチＳ１がＯＮ状態となり、さ
らに検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端
子Ｔ１に入力された周期信号Ａは、容量素子Ｃ１と抵抗
素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節
点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信
号には、図９（ｅ）に示すように所定の遅延が生じてい
る。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下さ
れ、スイッチＳ２がＯＮ状態となり、さらに検知部材３
０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力さ
れた周期信号Ｂは、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により
構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達す
る。このとき、節点２における周期信号には、図９
（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。

【００９６】したがって、図８と同様に、ＯＲ素子８３
には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の
信号が入力され、これらの信号の間で論理和演算が行わ
れ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここ
で、端子１１に対して出力される信号は、所定のデュー
ティ比をもった矩形波信号である。

【００９７】ここで、ＯＲ素子８３が用いられた場合に
端子５１に対して出力される矩形波信号と検知部材３０
に操作が施されていないときに端子５１に対して出力さ
れる矩形波信号との間のデューティ比の変化量は、ＥＸ
−ＯＲ素子が用いられた場合に端子５１に対して出力さ
れる矩形波信号のそれと比較して小さくなり、このた
め、静電容量式センサとしての感度が低減すると考えら
れる。

【００９８】したがって、静電容量式センサの各部材が
感度が非常によくなる材料で製作された場合に、信号処
理回路の構成によって、静電容量式センサの感度を調節
する（ここでは、感度を低下させる）ために用いるのに
好ましい。

【００９９】次に、本発明の第１の実施の形態の第４の
変形例について、図面を参照しつつ説明する。図１５
は、第４の変形例に係る静電容量式センサのＸ軸方向成
分についての信号処理回路を示す回路図である。図１５
の信号処理回路が、図１の静電容量式センサの信号処理
回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の
代わりにＡＮＤ素子が用いられている点である。なお、
その他の構成は、図１の静電容量式センサと同一である
ので、同一符号を付して説明を省略する。

【０１００】図１５において、検知部材３０のＸ軸正方
向部分が押下され、スイッチＳ１がＯＮ状態となり、さ
らに検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端
子Ｔ１に入力された周期信号Ａは、容量素子Ｃ１と抵抗
素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節
点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信
号には、図９（ｅ）に示すように所定の遅延が生じてい
る。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下さ
れ、スイッチＳ２がＯＮ状態となり、さらに検知部材３
０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力さ
れた周期信号Ｂは、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により
構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達す
る。このとき、節点２における周期信号には、図９
（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。

【０１０１】したがって、図８と同様に、ＡＮＤ素子８
４には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形
の信号が入力され、これらの信号の間で論理和演算が行
われ、その結果を端子Ｔ１１に対して出力される。ここ
で、端子１１に対して出力される信号は、所定のデュー
ティ比をもった矩形波信号である。

【０１０２】ここで、ＡＮＤ素子８４が用いられた場合
に端子５１に対して出力される矩形波信号と検知部材３
０に操作が施されていないときに端子５１に対して出力
される矩形波信号との間のデューティ比の変化量は、Ｅ
Ｘ−ＯＲ素子が用いられた場合に端子５１に対して出力
される矩形波信号のそれと比較して小さくなり、このた
め、静電容量式センサとしての感度が低減すると考えら
れる。

【０１０３】したがって、静電容量式センサの各部材
が、静電容量式センサとしたときの感度が非常によくな
る材料で製作された場合に、信号処理回路の構成によっ
て、静電容量式センサの感度を調節する（ここでは、感
度を低下させる）ために用いるのが好ましい。

【０１０４】次に、本発明の第１の実施の形態の第５の
変形例について、図面を参照しつつ説明する。図１６
は、第５の変形例に係る静電容量式センサのＸ軸方向成
分についての信号処理回路を示す回路図である。図１６
の信号処理回路が、図１の静電容量式センサの信号処理
回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の
代わりにＮＡＮＤ素子が用いられている点である。な
お、その他の構成は、図１の静電容量式センサと同一で
あるので、同一符号を付して説明を省略する。

【０１０５】図１６において、検知部材３０のＸ軸正方
向部分が押下され、スイッチＳ１がＯＮ状態となり、さ
らに検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端
子Ｔ１に入力された周期信号Ａは、容量素子Ｃ１と抵抗
素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節
点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信
号には、図９（ｅ）に示すように所定の遅延が生じてい
る。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下さ
れ、スイッチＳ２がＯＮ状態となり、さらに検知部材３
０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力さ
れた周期信号Ｂは、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により
構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達す
る。このとき、節点２における周期信号には、図９
（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。

【０１０６】したがって、図８と同様に、ＮＡＮＤ素子
８５には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波
形の信号が入力され、これらの信号の間で論理和演算が
行われた後、引き続き否定演算が行われ、その結果を端
子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子１１に対し
て出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形
波信号である。

【０１０７】ここで、端子１１に対して出力される矩形
波信号は、ＥＸ−ＯＲ素子が用いられた場合に端子１１
に対して出力される矩形波信号と比較して、デューティ
比の値が平均的に小さくなり、このため、静電容量式セ
ンサとしての感度が低減すると考えられる。

【０１０８】したがって、静電容量式センサの各部材
が、静電容量式センサとしたときの感度が非常によくな
る材料で製作された場合に、信号処理回路の構成によっ
て、静電容量式センサの感度を調節する（ここでは、感
度を低下させる）ために用いるのが好ましい。

【０１０９】次に、本発明の第２の実施の形態につい
て、図面を参照しつつ説明する。

【０１１０】図１７は、本発明の他の実施の形態に係る
静電容量式センサの側面の模式的な断面図である。図１
８は、図１７の静電容量式センサの検知部材の上面図で
ある。図１９は、図１７の静電容量式センサの基板上に
形成されている複数の電極の配置を示す図である。

【０１１１】静電容量式センサ１１０は、基板１２０
と、人などによって操作されることによって外部から力
が加えられる操作用の検知部材１３０と、変位電極１４
０と、基板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０
１〜Ｅ１０４と、ドーム形状を有するスイッチ用可動電
極Ｅ１２１〜Ｅ１２４（図１７ではＥ１２１およびＥ１
２２のみを示す）と、その内側に配置されたスイッチ用
固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４（図１７ではＥ１１１およ
びＥ１１２のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｅ１
００と、ドーム形状を有するボタン用可動電極Ｅ１２５
と、その内側に配置されたボタン用固定電極Ｅ１１５
と、複数の電極に密着して基板１２０上を覆うように形
成された絶縁膜１５０と、検知部材１３０および変位電
極１４０を基板１２０に対して支持固定する支持部材１
６０と、支持部材１６０および検知部材１３０の周囲を
覆うように配置されたカバーケース１７０とを有してい
る。

【０１１２】ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、
ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しなが
ら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１
７では、基板１２０上のボタン用固定電極Ｅ１１５の中
心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂
直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ
定義されている。ここで、基板１２０の表面は、ＸＹ平
面を規定し、基板１２０上のボタン用固定電極Ｅ１１
５、検知部材１３０および変位電極１４０のそれぞれの
中心位置をＺ軸が通ることになる。

【０１１３】基板１２０は、基板２０と同様に、一般的
な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガ
ラスエポキシ基板が用いられている。また、基板１２０
として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を
用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有
しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置し
て用いるのが好ましい。

【０１１４】検知部材１３０は、原点を中心とする円形
の中央ボタン１３１と、中央ボタン１３１の外側に配置
されたリング状のサイドボタン１３２とから構成されて
いる。ここで、中央ボタン１３１の径は、基準電極Ｅ１
００の外径とほぼ同じか、それより若干小さく、サイド
ボタン１３２の外径は、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１
０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほ
ぼ同じである。また、中央ボタン１３１の下面のボタン
用固定電極Ｅ１１５に対向する位置には突起体１３１ａ
が形成されており、サイドボタン１３２の下面のスイッ
チ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４にそれぞれ対向する位
置には、４つの突起体１３２ａが形成されている。

【０１１５】また、弾性を有するシリコンゴムで形成さ
れた支持部材１６０には、突起体１３１ａおよび突起体
１３２ａに対応する位置に貫通孔１６０ａおよび１６０
ｂが形成されている。中央ボタン１３１は、突起体１３
１ａが貫通孔１６０ａに嵌挿され、支持部材１６０の上
面に接着されている。サイドボタン１３２は、４つの突
起体１３２ａがそれぞれ貫通孔１６０ｂに嵌挿され、支
持部材１６０の上面に抜け止め構造により配置されてい
る。なお、サイドボタン１３２を支持部材１６０の上面
に接着してもよい。

【０１１６】また、サイドボタン１３２の上面には、図
１８に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向
および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用
電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４に対応するように、操作方向
（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されてい
る。

【０１１７】変位電極１４０は、導電性を有するシリコ
ンゴムで形成され、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４
のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同
一の径を有する円盤状であり、支持部材１６０の下面に
付着されている。

【０１１８】なお、変位電極４０としては、シリコンゴ
ムの他、例えば、導電性インク、導電性熱可塑性樹脂
（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチック、金属
蒸着フィルムを用いてもよい。ここで、支持部材１６０
の下面に平板状に（面一に）形成されるため、変位電極
１４０をスクリーン印刷により形成することが可能であ
る。

【０１１９】また、基板１２０上には、図１９に示すよ
うに、原点Ｏを中心とする円形のボタン用固定電極Ｅ１
１５と、その外側に形成されたリング状の基準電極Ｅ１
００と、さらにその外側に扇形であり、それぞれのほぼ
中央部に円形の孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４を有する容量素子
用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４の
内側で、孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４の径よりも小さい径を有
する円形のスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４とが
形成されている。ここで、スイッチ用固定電極Ｅ１１１
〜Ｅ１１４の面積は、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０
４の面積に比べて極力小さい方が好ましい。一対の容量
素子用電極Ｅ１０１およびＥ１０２は、Ｘ軸方向に離隔
してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対
の容量素子用電極Ｅ１０３およびＥ１０４は、Ｙ軸方向
に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。

【０１２０】ここでは、容量素子用電極Ｅ１０１はＸ軸
の正方向に対応するように配置され、一方、容量素子用
電極Ｅ１０２はＸ軸の負方向に対応するように配置さ
れ、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。
また、容量素子用電極Ｅ１０３はＹ軸の正方向に対応す
るように配置され、一方、容量素子用電極Ｅ１０４はＹ
軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力の
Ｙ軸方向成分の検出に利用される。さらに、ボタン用固
定電極Ｅ１１５は、原点Ｏ上に配置されており、ボタン
用可動電極Ｅ１２５とともに、入力などの決定操作に利
用される。

【０１２１】基準電極Ｅ１００、スイッチ用固定電極Ｅ
１１１〜Ｅ１１４およびボタン用固定電極Ｅ１１５は、
スルーホールなどを利用して端子Ｔ１００〜Ｔ１０４お
よび端子Ｔ１１５（図２０参照）にそれぞれ接続されて
おり、端子Ｔ１００〜Ｔ１０４および端子Ｔ１１５を通
じて外部の電子回路に接続されるようになっている。な
お、ここでは、基準電極Ｅ１００は、端子Ｔ１００を介
して接地されている。

【０１２２】また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４
にそれぞれ接触するとともに、スイッチ用固定電極Ｅ１
１１〜Ｅ１１４と離隔しつつこれを覆うようにスイッチ
用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４が配置されている。した
がって、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４は孔Ｈ
１０１〜Ｈ１０４よりも大きい径を有するドーム状の部
材である。同様に、基準電極Ｅ１００に接触するととも
に、ボタン用固定電極Ｅ１１５と離隔しつつこれを覆う
ようにドーム状のボタン用可動電極Ｅ１２５が配置され
ている。したがって、ボタン用可動電極Ｅ１２５は基準
電極Ｅ１００の内径よりも大きい径を有している。

【０１２３】また、絶縁膜１５０は、基板１２０上の容
量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４の一部、基準電極Ｅ１
００の一部、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４および
ボタン用可動電極Ｅ１２５に密着して、基板１２０上を
覆うように形成されている。このため、銅などで形成さ
れた容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４、基準電極Ｅ１
００、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４およびボタン
用可動電極Ｅ１２５の絶縁膜１５０で覆われた部分が空
気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防
止する機能を有している。また、絶縁膜１５０が形成さ
れているため、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４およ
びボタン用可動電極Ｅ１２５と、変位電極１４０とが直
接接触することはない。

【０１２４】次に、上述のように構成された本実施の形
態に係る静電容量式センサ１１０の動作について、図面
を参照して説明する。図２０は、図１７に示す静電容量
式センサの構成に対する等価回路図である。図２１は、
図１７に示す静電容量式センサに入力される周期信号か
ら出力信号を導出する方法を説明するための説明図であ
る。

【０１２５】まず、静電容量式センサ１１０の構成と等
価な回路構成について、図２０を参照して説明する。基
板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１
０４は、変位電極４０と対向している。ここで、容量素
子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４に接続されたスイッチ用可
動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４は、スイッチ用固定電極Ｅ１
１１〜Ｅ１１４と接触する位置または接触しない位置を
選択的にとり得ることにより、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４
と容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４とを接続させるま
たは接続させないスイッチＳ１０１〜Ｓ１０４としての
機能を有している。また、基準電極Ｅ１００（ボタン用
可動電極Ｅ１２５）とボタン用固定電極Ｅ１１５との間
で、容量素子Ｃ１００を形成している。さらに、基準電
極Ｅ１００に接続されたボタン用可動電極Ｅ１２５と、
ボタン用固定電極Ｅ１１５との間には、中央ボタン１３
１の押圧に伴って開閉するスイッチＳ１０５が構成され
ている。

【０１２６】スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４が
スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と接触していな
い（スイッチがＯＦＦ状態）場合には、スイッチ用固定
電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４の面積が容量素子用電極Ｅ１０
１〜Ｅ１０４の面積に比べて非常に小さく、または、ス
イッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４が一種の静電シー
ルドとなることにより、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜
Ｅ１２４とスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４との
間には、静電容量がほとんど発生しない。

【０１２７】一方、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１
２４がスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と接触し
ている（スイッチがＯＮ状態）場合には、容量素子用電
極Ｅ１０１〜Ｅ１０４がスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜
Ｅ１１４と接続され、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０
４と変位電極１４０とが対向して、共通の電極である変
位可能な変位電極１４０と、固定された個別の容量素子
用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４との間で容量素子Ｃ１０１〜
Ｃ１０４を構成する。容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４は、
それぞれ変位電極１４０の変位に起因して静電容量値が
変化するように構成された可変容量素子であるというこ
とができる。

【０１２８】容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４のそれぞれの
静電容量値は、変位電極１４０と、容量素子用電極Ｅ１
０１〜Ｅ１０４のそれぞれに接続された端子Ｔ１０１〜
Ｔ１０４との間の静電容量値として、それぞれ独立して
測定することができる。ここで、基準電極Ｅ１００は、
端子Ｔ１００を介して接地されているため、容量素子Ｃ
１０１〜Ｃ１０４における共通の電極である変位電極１
４０は容量素子Ｃ１００および端子Ｔ１００を介して接
地されていると考えられる。

【０１２９】次に、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１
２４とスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４とが接触
している（スイッチＳ１０１〜Ｓ１０４がＯＮ状態）場
合において、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４のそれぞれの
静電容量値の変化からサイドボタン１３２への外部から
の力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法につ
いて、図２１を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖ
x 、Ｖy は、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分およ
びＹ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。

【０１３０】ここで、出力信号Ｖx 、Ｖy を導出するた
めに、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４に対して、常にクロック
信号などの周期信号が入力される。端子Ｔ１０１〜Ｔ１
０４に周期信号が入力されている状態で、サイドボタン
１３２が外部からの力を受けて変位すると、これに伴っ
て変位電極１４０がＺ軸方向に変位する。そして、その
力が所定値に満たないときにはスイッチ用可動電極Ｅ１
２１〜Ｅ１２４はほとんど変位しないが、その力が所定
値に達したときには、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ
１２４の頂部近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形し
て凹んだ状態となってスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ
１１４と接触する。これにより、スイッチＳ１０１〜Ｓ
１０４がＯＮ状態になる。このとき、操作者には、明瞭
なクリック感が与えられることになる。その後、引き続
きサイドボタン１３２が変位すると、スイッチＳ１０１
〜Ｓ１０４がＯＮ状態を保持しつつ変位電極１４０がさ
らにも変位することにより、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０
４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４
のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１
０１〜Ｔ１０４に入力された周期信号の位相にずれが生
じる。このように、周期信号に生じる位相のずれを利用
して、サイドボタン１３２の変位、つまりサイドボタン
１３２が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の
大きさと方向を示す出力信号Ｖx 、Ｖy を得ることがで
きる。なお、導出方法の詳細については、図１の静電容
量式センサにおける信号処理回路について説明したのと
同様であるので省略する。

【０１３１】以上のように、本実施の形態の静電容量式
センサ１１０は、サイドボタン１３２に対して操作を施
す場合には、操作方向に対応するスイッチ用可動電極Ｅ
１２１〜Ｅ１２４がクリック感を付随しつつ弾性変形し
てスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と接触したと
きにはじめてサイドボタン１３２の変位の認識を開始す
るため、操作者はクリック感を感じることで操作を実行
していることを感覚的に容易に把握することができる。
また、クリック感を生じさせるのに必要な所定の大きさ
の外力が与えられて始めてサイドボタン１３２の変位の
認識が開始されるので、操作者が意識的に操作したので
はないクリック感を生じさせない範囲の小さな外力がサ
イドボタン１３２に加えられたときにはサイドボタン１
３２の変位が認識されない。従って、サイドボタン１３
２が偶然に別部材に接触するなどの外乱を排して、操作
者の意識的な操作に基づくサイドボタン１３２の変位だ
けを確実に検出することが可能になる。また、本実施の
形態では、ボタン用可動電極Ｅ１２５とボタン用固定電
極Ｅ１１５とが接触する際にもクリック感が操作者に与
えられる。

【０１３２】また、複数の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ
１０４が形成され、サイドボタン１３２が外部から受け
た力のＸ軸方向およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別
々に認識することができる。ここで、対となる容量素子
用電極（Ｅ１０１およびＥ１０２、Ｅ１０３およびＥ１
０４）に対して、互いに位相が異なる信号が供給される
ため、回路を通過することによる信号の位相のずれを大
きくでき、さらに、その信号を論理素子を利用した信号
処理回路を用いるため、精度よく検出することができ
る。

【０１３３】また、決定操作用のスイッチ（中央ボタン
１３１）の付いた入力装置を作成することができ、決定
操作をしたときに、明確な操作触感が得られるため、誤
操作を防止することができる。また、検知部材１３０が
中央ボタン１３１とサイドボタン１３２とに分割されて
いるため、サイドボタン１３２に作用する操作方向に対
応する外部からの力と中央ボタン１３１に作用する決定
操作に対応する外部からの力とが明確に分離されるた
め、これらの力が互いに干渉するのを軽減することがで
き、誤操作を減少させることができる。なお、この構成
の静電容量式センサは、パソコン、携帯電話、ゲームな
どの入力装置として利用されるのに好ましい。

【０１３４】また、変位電極１４０は、直接接触するこ
とによってではなく、容量素子Ｃ１００（カップリング
コンデンサとしての機能を有している）による容量結合
によって接地された基準電極Ｅ１００と電気的に結合さ
れるため、静電容量式センサ１１０の耐電圧特性が向上
し、スパーク電流が流れることによってセンサが破損す
ることがほとんどなくなるとともに、接続不良などの不
具合を防止することができるため、信頼性の高い静電容
量式センサを得ることができる。また、基準電極Ｅ１０
０と変位電極１４０との間に絶縁膜１５０が配置されて
いるが、絶縁膜１５０の一部をカットして基準電極Ｅ１
００と変位電極１４０とを接触させる必要がないため、
組立および実装面でも有利となる。

【０１３５】なお、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるもの
ではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様
々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、
上述の第１の実施の形態では、容量素子用電極の内側に
形成された基準電極と変位電極の下面中央部に形成され
た凸部とが接触しているものについて説明しているが、
これに限らず、例えば、容量素子用電極の外側に形成さ
れた基準電極と変位電極の下面外縁部に形成された凸部
とが接触しているものなど、基準電極と変位電極とが電
気的に接続されておればどのような構成であってもよ
い。

【０１３６】また、上述の第１または第２の実施の形態
では、スイッチ用可動電極として、ドーム形状を有する
電極を用いたものについて説明しているが、これに限ら
ず、変位電極が変位するのに伴ってクリック感を付随し
つつ弾性変形してスイッチ用固定電極と接触可能な電極
であれば、どのような形状の電極を用いてもよい。

【０１３７】また、上述の第１または第２の実施の形態
では、スイッチ用固定電極が容量素子用電極の内側に形
成されたものについて説明しているが、これに限らず、
スイッチ用固定電極が容量素子用電極に隣接するように
形成されたものであってもよい。

【０１３８】また、上述の第１または第２の実施の形態
では、検知部材がＸ軸方向およびＹ軸方向に対応する容
量素子用電極に対して一体に形成されているものについ
て説明しているが、これに限らず、検知部材がＸ軸方向
およびＹ軸方向に対応する容量素子用電極のそれぞれに
対応して分割されているものであってもよい。

【０１３９】また、上述の第１または第２の実施の形態
では、Ｘ軸およびＹ軸の正方向および負方向の４方向に
対応する容量素子用電極が形成されているものについて
説明しているが、これに限らず、用途に合わせて必要な
方向の成分だけを検出できるように容量素子用電極を形
成してもよい。

【０１４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１による
と、検知部材に対して操作を施す場合には、操作方向に
対応する第３の電極がクリック感を付随しつつ弾性変形
して第１の電極と接触したときに始めて検知部材の変位
の認識が開始されるため、操作者はクリック感を感じる
ことで操作を実行していることを感覚的に容易に把握す
ることができる。また、クリック感を生じさせるのに必
要な所定の大きさの外力が与えられて始めて検知部材の
変位の認識が開始されるので、操作者が意識的に操作し
たのではないクリック感を生じさせない範囲の小さな外
力が検知部材に加えられたときには検知部材の変位が認
識されない。従って、検知部材が偶然に別部材に接触す
るなどの外乱を排して、操作者の意識的な操作に基づく
検知部材の変位だけを確実に検出することが可能にな
る。

【０１４１】請求項２によると、導電性部材から作用す
る力が所定値に達したときにドーム形状をした第３の電
極の頂部近傍が急激に変位して凹んだ状態となって第１
の電極に接触するため、操作者に明瞭なクリック感を与
えることが可能となる。

【０１４２】請求項３によると、導電性部材が直接接触
することによってではなく、容量結合によって接地また
は一定の電位に保持された基準電極と電気的に結合され
る。そのため、センサの耐電圧特性が向上し、スパーク
電流が流れることによってセンサが破損することがほと
んどなくなるとともに、接続不良などの不具合を防止す
ることができるため、信頼性の高い静電容量式センサを
得ることができる。また、基準電極と導電性部材との間
に絶縁膜を配置した場合においても、絶縁膜の一部をカ
ットして基準電極と導電性部材とを接触させる必要がな
いため、組立および実装面でも有利となる。

【０１４３】請求項４によると、各組を別方向の力を認
識するために用いることによって多次元的な力の認識が
可能になる。請求項５によると、二組の一方を含む回路
および他方を含む回路の時定数が同じものであるかどう
かにかかわらず、検知部材の変位を認識することができ
る。

【０１４４】請求項６によると、回路を通過することに
よる信号の位相のずれを大きくできるため、検知部材の
変位認識の精度を向上させることができる。請求項７〜
１１によると、出力信号を精度よく検出することがで
き、さらに必要に応じて検出精度を調整することができ
る。また、検知部材の変位検出可能範囲を大きくするこ
とができる。

【０１４５】請求項１２によると、検知部材が外部から
受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の方向成分をそれぞ
れ別々に認識することができる。請求項１３によると、
外部からの力のＸ軸方向またはＹ軸方向の各成分が明確
に分離されるため、異なる方向の成分が互いに干渉する
のを軽減することができ、誤操作を減少させることがで
きる。

【０１４６】請求項１４によると、上述した効果が得ら
れるほか、さらに、検知部材の操作によって互いに接触
可能な第６の電極および第７の電極を備えていること
で、入力の決定操作を行う際などに使用可能なスイッチ
を付加することができる。請求項１５によると、操作方
向に対応する外部からの力と決定操作に対応する外部か
らの力とが明確に分離されるため、これらの力が互いに
干渉するのを軽減することができ、誤操作を減少させる
ことができる。請求項１６によると、導電性部材が製造
しやすく、製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る静電容量式セ
ンサの模式的な断面図である。

【図２】図１の静電容量式センサの検知部材の上面図で
ある。

【図３】図１の静電容量式センサの基板上に形成されて
いる複数の電極の配置を示す図である。

【図４】図１に示す静電容量式センサの構成に対する等
価回路図である。

【図５】図１に示す静電容量式センサの検知部材にＸ軸
正方向への操作が施された場合の側面の模式的な断面図
である。

【図６】図１に示す静電容量式センサに入力される周期
信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明
図である。

【図７】図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を
示す回路図である。

【図８】図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分に
ついての信号処理回路を示す回路図である。

【図９】図１に示す信号処理回路の各端子および各節点
における周期信号の波形を示す図である。

【図１０】図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分
についての出力信号をアナログ電圧に変換する回路を含
む信号処理回路を示す回路図である。

【図１１】図１に示す静電容量式センサの第１の変形例
のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図で
ある。

【図１２】検知部材に作用する押下力と出力されるアナ
ログ電圧との関係を示す図である。

【図１３】図１に示す静電容量式センサの第２の変形例
のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図で
ある。

【図１４】図１に示す静電容量式センサの第３の変形例
のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図で
ある。

【図１５】図１に示す静電容量式センサの第４の変形例
のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図で
ある。

【図１６】図１に示す静電容量式センサの第５の変形例
のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図で
ある。

【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式
センサの模式的な断面図である。

【図１８】図１９の静電容量式センサの検知部材の上面
図である。

【図１９】図１９の静電容量式センサの基板上に形成さ
れている複数の電極の配置を示す図である。

【図２０】図１９に示す静電容量式センサの構成に対す
る等価回路図である。

【図２１】図１９に示す静電容量式センサに入力される
周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための
説明図である。

【図２２】従来の静電容量式センサの模式的な断面図で
ある。

【図２３】図２２の静電容量式センサの基板上に形成さ
れている複数の電極の配置を示す図である。

【符号の説明】

１０、１１０ 静電容量式センサ ２０、１２０ 基板 ３０、１３０ 検知部材 ４０、１４０ 変位電極 ４２ 突起体 ５０、１５０ 絶縁膜 ６０、１６０ 支持部材 ７０、１７０ カバーケース １３１ 中央ボタン １３２ サイドボタン １３１ａ、１３２ａ 突起体 １６０ａ、１６０ｂ 貫通孔 Ｅ０、Ｅ１００ 基準電極 Ｅ１〜Ｅ４、Ｅ１０１〜Ｅ１０４ 容量素子用電極 Ｅ１１〜Ｅ１４、Ｅ１１１〜Ｅ１１４ スイッチ用固定
電極 Ｅ２１〜Ｅ２４、Ｅ１２１〜Ｅ１２４ スイッチ用可動
電極 Ｅ１１５ ボタン用固定電極 Ｅ１２５ ボタン用可動電極

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
   ＸＹ平面を規定する基板と、 前記基板と対向している検知部材と、 前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材
   がＺ軸方向に変位するのに伴ってＺ軸方向に変位する導
   電性部材と、 前記基板上に形成され、前記導電性部材と電気的に接続
   されるとともに、接地または一定の電位に保持された基
   準電極と、 前記基板上に形成された第１の電極と、 前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第１の
   容量素子を構成する第２の電極と、 前記第２の電極に接触し且つ前記第１の電極から離隔す
   るように配置されていると共に、前記導電性部材が変位
   するのに伴ってクリック感を付随しつつ弾性変形して前
   記第１の電極と接触可能な第３の電極とを備えており、 前記第１の電極と前記第３の電極とが接触しているとき
   に、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して
   前記導電性部材と前記第２の電極との間隔の変化に起因
   する前記第１の容量素子の静電容量値の変化を検出する
   ことに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であるこ
   とを特徴とする静電容量式センサ。
2. 【請求項２】 前記第３の電極がドーム形状を有してお
   り、その内側に前記第１の電極が配置されていることを
   特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
3. 【請求項３】 前記基準電極と前記導電性部材との間
   に、第２の容量素子が構成されていることを特徴とする
   請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
4. 【請求項４】 前記第１の電極、前記第２の電極および
   前記第３の電極の組が複数形成されていることを特徴と
   する請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量式セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記第１の電極、前記第２の電極および
   前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一
   方を含む回路および他方を含む回路に、互いに位相が異
   なる信号が供給されることを特徴とする請求項１〜４の
   いずれか１項に記載の静電容量式センサ。
6. 【請求項６】 前記第１の電極、前記第２の電極および
   前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一
   方を含むＣＲ回路と他方を含むＣＲ回路との時定数が異
   なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記
   載の静電容量式センサ。
7. 【請求項７】 前記第１の電極、前記第２の電極および
   前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一
   方を含む回路および他方を含む回路にそれぞれ入力され
   た信号の出力信号が論理素子を利用した信号処理回路に
   より検出されることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
   か１項に記載の静電容量式センサ。
8. 【請求項８】 前記論理素子が、排他的論理和演算を行
   うことを特徴とする請求項７に記載の静電容量式セン
   サ。
9. 【請求項９】 前記論理素子が、論理和演算を行うこと
   を特徴とする請求項７に記載の静電容量式センサ。
10. 【請求項１０】 前記論理素子が、論理積演算を行うこ
    とを特徴とする請求項７に記載の静電容量式センサ。
11. 【請求項１１】 前記論理素子が、論理積演算および否
    定演算を行うことを特徴とする請求項７に記載の静電容
    量式センサ。
12. 【請求項１２】 前記第２の電極が、Ｙ軸に対して線対
    称に配置された一対の第４の電極と、Ｘ軸に対して線対
    称に配置された一対の第５の電極とを含んでいることを
    特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電
    容量式センサ。
13. 【請求項１３】 前記検知部材が、前記第４の電極およ
    び前記第５の電極のそれぞれに対応して分割されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の静電容量式セン
    サ。
14. 【請求項１４】 前記基板上に形成された第６の電極
    と、 前記基準電極に接触し且つ前記第６の電極から離隔する
    ように配置されていると共に、前記導電性部材が変位す
    るのに伴って弾性変形して前記第６の電極と接触可能な
    第７の電極とをさらに備えていることを特徴とする請求
    項１〜１３のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
15. 【請求項１５】 前記検知部材が、前記第２の電極およ
    び前記第６の電極に対応して分割されていることを特徴
    とする請求項１４に記載の静電容量式センサ。
16. 【請求項１６】 前記導電性部材が、弾性体に塗布され
    た導電性インクにより形成されていることを特徴とする
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の静電容量式セン
    サ。