JP2006337070A - 静電容量式センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】
操作性がよく、誤操作の少ない静電容量式センサを提供する。
【解決手段】
変位電極と、基板上の４個のスイッチ用電極との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が形成されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮである場合には、Ｘ軸出力及びＹ軸出力は出力されないで、Ｚ軸出力だけが出力される。一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＦＦである場合には、Ｚ軸出力は出力されないで、Ｘ軸出力及びＹ軸出力だけが出力される。
【選択図】図６

Description

本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関するものである。
静電容量式センサは、操作者によって加えられ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一般的に利用されている。例えば、コンピュータの入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式センサを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。
静電容量式センサでは、操作者から加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の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。
ここで、静電容量式センサには、Ｘ軸上の固定電極、Ｙ軸上の固定電極及びこれらに囲まれたＺ軸上の固定電極と可動電極板部との間で、可変容量素子が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この静電容量式センサでは、例えば、操作部にＸ軸方向の力Ｆｘが加えられると、Ｘ軸上の固定電極と可動電極板部との間の間隔が小さくなり、これらで構成される容量素子の静電容量値が大きくなる。そのため、この容量素子の静電容量値の変化を検出することによって、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力を出力することができる。
特開２００１−９１３８２号公報
しかしながら、この静電容量式センサでは、どのような力が操作部に加えられている場合でも、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力、Ｙ軸方向の力Ｆｙに対応したＹ軸出力及びＺ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力が常に出力されている。従って、Ｘ軸出力またはＹ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｚ軸出力が変化してしまう場合がある。一方、Ｚ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｘ軸出力またはＹ軸出力が変化してしまう場合がある。
例えば、この静電容量式センサがＸ軸出力及びＹ軸出力に基づいてカーソルを移動させると共に、Ｚ軸出力に基づいてクリック等の所定操作が行われるジョイステックに応用された場合には、Ｘ軸出力及びＹ軸出力を変化させることによってカーソルの位置を所定位置（例えばアイコン上）に移動させた後で、Ｚ軸出力を変化させることによって所定操作が行われる。ここで、カーソルを移動させる力が加えられた場合に、Ｘ軸出力及びＹ軸出力だけでなく、Ｚ軸出力も変化することによって、所定操作が誤って行われる場合がある。一方、所定操作を行う力が加えられた場合に、Ｚ軸出力だけでなく、Ｘ軸出力及びＹ軸出力も変化することによって、カーソルが移動してしまうため、カーソルの位置を所定位置から移動させないで、所定操作を行うのが難しい場合がある。
そこで、本発明の目的は、操作性がよく、誤操作の少ない静電容量式センサを提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
本発明の静電容量式センサは、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、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用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が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第１の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第２の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、第１の容量素子用電極に基づく出力と、第２の容量素子用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサは、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、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１〜第３の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用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が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位が認識され、Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、Ｘ軸用電極及びＹ軸用電極に基づく出力と、Ｚ軸用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していてもよい。
この構成によると、Ｘ軸方向の力及びＹ軸方向の力を精度よく検出することができる。
本発明の静電容量式センサは、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、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用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が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第１の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第２の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、第１の容量素子用電極に基づく出力と、第２の容量素子用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサは、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、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１〜第３の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用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が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位が認識され、Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、Ｘ軸用電極及びＹ軸用電極に基づく出力と、Ｚ軸用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していてもよい。
この構成によると、Ｘ軸方向の力及びＹ軸方向の力を精度よく検出することができる。
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、パソコンやカーナビ等の表示装置に接続されたジョイスティック（ポインティングデバイス）に応用したものである。
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変位電極の上面からの透視図である。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。
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〜Ｅ５（図１ではＥ１、Ｅ２、Ｅ５のみを示す）と、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４（図３参照）と、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、変位電極４０の周囲を覆うように配置され変位電極４０を基板２０に対して支持する支持部材６０とを有している。
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上の容量素子用電極Ｅ５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。従って、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２０上の容量素子用電極Ｅ５、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。
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。
検知部材３０は、変位電極４０の上面に固定されている。検知部材３０は、全体として円盤状に形成されている。ここで、検知部材３０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。また、検知部材３０の上面には、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。
変位電極４０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径を有する円盤状の変位部４０ａと、変位部４０ａを基板２０に対して支持し且つ変位部４０ａと共通電極Ｅ０とを電気的に接続する固定部４０ｂとを有している。ここで、共通電極Ｅ０はＧＮＤ電位に保持されているので、変位電極４０もＧＮＤ電位に保持される。そのため、装置全体をＧＮＤ電位で覆うことになり外来ノイズによる誤動作を防止するシールド効果がある。なお、共通電極Ｅ０はＧＮＤ電位ではなく、ＧＮＤ電位以外の一定の電位に保持されてもよい。
また、変位電極４０の変位部４０ａの下面には、図２に示すように、５つの円形の突起部４１〜４４が形成されている。突起部４１は、変位電極４０の変位部４０ａの下面において、Ｘ軸正方向及びＹ軸正方向から４５度の位置に形成されている。また、突起部４２は、Ｙ軸正方向に対して突起部４１と線対称の位置に形成され、突起部４３は、原点に対して突起部４１と対称の位置に形成され、突起部４４は、Ｘ軸正方向に対して突起部４１と線対称の位置に形成されている。そして、変位電極４０は、導電性を有するシリコンゴムで形成されており、弾性を有するので、検知部材３０にＺ軸負方向の力が加えられた場合には、変位部４０ａは検知部材３０と共にＺ軸負方向に変位する。なお、変位電極４０の突起部４１〜４４はなくてもよい。
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容量素子用電極Ｅ５と、その外側に配置された略扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４及び略長方形のスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、その外側に配置された環状の共通電極Ｅ０とが形成されている。容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及び共通電極Ｅ０は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ０（図４参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子は電子回路に接続可能になっている。
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。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。
スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の間にそれぞれ配置されている。スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、接地電位とは異なる所定電位に保持されている。そして、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、変位電極４０の突起部４１〜４４にそれぞれ対向している。
また、絶縁膜（絶縁性のレジスト膜）５０は、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に密着して、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５を覆うように形成されている。このため、銅箔などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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。また、絶縁膜５０が形成されているので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とが直接接触することはない。なお、共通電極Ｅ０及びスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、錆や酸化防止対策として、その表面へ金メッキが形成されてもよいし、ハンダなどの導電性膜で覆われていてもよい。
なお、静電容量式センサ１０をジョイステックに応用した場合には、変位電極４０の大きさ、材質、硬度や、検知部材３０の形状や、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５の大きさは、操作感に影響を与えるので、最適な条件に設定するのがよい。
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の回路構成について、図４及び図５を参照して説明する。図４及び図５は、図１に示す静電容量式センサの回路構成を示す図である。図５では、上述した構成に対応した部分が破線で囲まれており、破線の外側の部分が電子回路に対応している。ここで、端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及び共通電極Ｅ０にスルーホールなどを利用して接続された端子である。
変位電極４０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とほぼ平行に対向しつつ離隔した状態で保持されるので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に容量素子Ｃ１〜Ｃ５を形成される。容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、変位電極４０の変位に起因して静電容量値がそれぞれ変化するように構成された可変容量素子である。また、変位電極４０は、共通電極Ｅ０に接続されており、共通電極Ｅ０は端子Ｔ０を介して接地されている。従って、端子Ｔ１〜Ｔ５に周期信号を印加すれば、５個の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電荷を蓄積することができる。
そして、容量素子Ｃ１、Ｃ２に接続されたＣ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ１、Ｖ２を例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力Ｖｘが導出される。同様に、容量素子Ｃ３、Ｃ４に接続されたＣ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ３、Ｖ４を例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力Ｖｙが導出され、容量素子Ｃ５、Ｃ６に接続されたＣ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ５、Ｖ６を例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力Ｖｚが導出される。なお、図５に示す容量素子Ｃ６は、常に一定の静電容量値を保つように基板２０の下面に形成されている。このようにして導出された出力Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚが信号処理回路８０のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ（Ｘ）、Ａ／Ｄ（Ｙ）、Ａ／Ｄ（Ｚ）に入力され、検知部材３０に加えられた力の方向および大きさに応じて変化する容量素子Ｃ１〜Ｃ６の静電容量値に基づいて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対応する出力（アナログ電圧）を得ることができる。なお、信号処理回路８０は、マイクロコンピュータシステムまたはコンピュータシステムで構成されている。
また、変位電極４０の突起部４１〜４４は、スイッチ用電極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。従って、変位電極４０とスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がそれぞれ形成される。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦ信号が信号処理回路８０に入力され、４個のスイッチ信号を出力することができる。そして、信号処理回路８０は、静電容量式センサ１０が接続された表示装置９０に対して、カーソル移動信号等の信号を出力する。
従って、例えば検知部材３０のＸ軸正方向に対応した部分が上方から押された場合には、変位電極４０の突起部４１、４４が基板２０上のスイッチ用電極Ｅ１１、Ｅ１４に接触し、スイッチＳＷ１、ＳＷ４がＯＮになる。検知部材３０のＸ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向に対応した部分が上方から押された場合も同様である。このように、検知部材３０のＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向のいずれかに対応した部分が上方から押された場合には、変位電極４０が傾くことにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれかがＯＮになる。このとき、検知部材３０に加えられる力の方向や強さによっては、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の２個または３個がＯＮになる場合もあるが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮになることはほとんどない。これに対し、検知部材３０の中央に対応した部分が上方から押された場合（検知部材３０が水平に維持された状態で上方から押された場合）には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮになる。
次に、静電容量式センサ１０の信号処理回路８０における処理手順を、図６を参照して説明する。図６は、静電容量式センサの信号処理回路における処理手順を示すフローチャートである。
スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮであるか否かが判断される（ステップＳ１０１）。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮである場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ６に接続されたＣ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ１〜Ｖ６を用いて、次式の演算が行われる。
Ｖｘ＝Ｖ１−Ｖ２
Ｖｙ＝Ｖ３−Ｖ４
Ｖｚ＝Ｖ５−Ｖ６
なお、この演算は、ＡＤ変換器等でディジタル信号に変換した後、マイクロコンピュータ等を用いて行ってもよいし、ＯＰアンプを用いて行ってもよいし、ブリッジ回路を構成して直接出力してもよい。また、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、Ｃ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ１〜Ｖ６を信号処理回路８０のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ（Ｘ）、Ａ／Ｄ（Ｙ）、Ａ／Ｄ（Ｚ）に直接入力し演算によって求めてもよい。
その後、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮであるか否かが判断される（ステップＳ１０２）。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮである場合には、上述の演算で算出されたＶｚの信号を利用して、適当な出力信号Ｓｚに変換される（ステップＳ１０３）。この出力信号Ｓｚは、パソコンやカーナビ等の表示装置に出力され、Ｚ軸方向の力に応じた処理が行われる（ステップＳ１０４）。このとき、Ｖｘ、Ｖｙの信号を変換した出力信号Ｓｘ、Ｓｙは、「操作ボタン１０のＸ軸方向及びＹ軸方向への操作量なし」として出力されるので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力に応じた処理は行われない。
一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮでない場合には、上述の演算で算出されたＶｘ、Ｖｙの信号を利用して、適当な出力信号Ｓｘ、Ｓｙに変換される（ステップＳ１０５）。この出力信号Ｓｘ、Ｓｙは、パソコンやカーナビ等の表示装置に出力され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力に応じた処理が行われる（ステップＳ１０６）。このとき、Ｖｚの信号を変換した出力信号Ｓｚは、「操作ボタン１０のＺ軸方向への操作量なし」として出力されるので、Ｚ軸方向の力に応じた処理は行われない。
このように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮである場合には、出力信号Ｓｘ、Ｓｙに基づく処理は行われないで、出力信号Ｓｚに基づく処理だけが行われる。一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＮでない場合には、出力信号Ｓｚに基づく処理は行われないで、出力信号Ｓｘ、Ｓｙに基づく処理だけが行われる。
ところで、ステップＳ１０１で、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＦＦである場合には、一定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ１０７）。そして、一定時間が経過したと判断された場合には、スリープモードに切り換え、システムを省電力状態にする（ステップＳ１０８）。その後、操作によって、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮになるのを検知して、スリープモードから通常の動作モードに切り換える。
以上説明したように、本実施の形態の静電容量式センサ１０をジョイステック（ポインティングデバイス）に応用した場合には、例えばＸ、Ｙ出力を利用してカーナビの地図表示装置のカーソルを目的の位置まで移動させ、検知部材３０をＺ軸方向に押し込むことにより、Ｚ軸出力を利用してＺ軸出力の変化に応じて地図を拡大表示させ、Ｚ軸出力がある閾値を超えれば、Ｚ軸方向の押し込み操作を止めても拡大地図が固定されるようにできる。その後、もう一度、操作ボタン１０をＺ軸方向に押し込みＺ軸出力がある閾値を超えると、この縮尺固定がリセットされ、Ｚ軸出力に応じて拡大／縮小表示して、地図を再び元の縮尺に戻す等の制御が可能にできる。この際、Ｚ軸出力がある閾値を超える場合に、音などで操作者が確認できるようにしておくことが好ましい。このように、Ｘ、Ｙ出力によるカーソルの移動と、Ｚ軸出力による地図の拡大／縮小表示が排他的に行えるので、誤操作が起こらず使いやすいものとなる。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第２の実施の形態に係る静電容量式センサが、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、信号処理回路における処理手順である。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路における処理手順を示すフローチャートである。なお、静電容量式センサの構成は第１の実施の形態の静電容量式センサ１０の構成とほぼ同じであるので詳細な説明は省略する。
本実施の形態の静電容量式センサの信号処理回路における処理手順を、図７を参照して説明する。
スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮであるか否かが判断される（ステップＳ２０１）。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮである場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ６に接続されたＣ／Ｖ変換回路で変換された電圧信号Ｖ１〜Ｖ６を用いて、次式の演算が行われる。
Ｖｘ＝Ｖ１−Ｖ２
Ｖｙ＝Ｖ３−Ｖ４
Ｖｚ＝Ｖ５−Ｖ６
そして、上述の演算で算出されたＶｚの信号を利用して、適当な出力信号Ｓｚに変換される（ステップＳ２０２）。この出力信号Ｓｚは、パソコンやカーナビ等の表示装置に出力され、Ｚ軸方向の力に応じた処理が行われる（ステップＳ２０３）。このとき、Ｖｘ、Ｖｙの信号を変換した出力信号Ｓｘ、Ｓｙは、「操作ボタン１０のＸ軸方向及びＹ軸方向への操作量なし」として出力されるので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力に応じた処理は行われない。
一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがＯＮでない場合（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＦＦである場合）には、上述の演算で算出されたＶｘ、Ｖｙの信号を利用して、適当な出力信号Ｓｘ、Ｓｙに変換される（ステップＳ２０４）。この出力信号Ｓｘ、Ｓｙは、パソコンやカーナビ等の表示装置に出力され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の力に応じた処理が行われる（ステップＳ２０５）。このとき、Ｖｚの信号を変換した出力信号Ｓｚは、「操作ボタン１０のＺ軸方向への操作量なし」として出力されるので、Ｚ軸方向の力に応じた処理は行われない。
このように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＦＦでない場合には、出力信号Ｓｘ、Ｓｙに基づく処理は行われないで、出力信号Ｓｚに基づく処理だけが行われる。一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがＯＦＦである場合には、出力信号Ｓｚに基づく処理は行われないで、出力信号Ｓｘ、Ｓｙに基づく処理だけが行われる。
従って、本実施の形態の静電容量式センサでは、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、第１の実施の形態と比較して、Ｚ軸方向の感度が大きくなる。特に、例えばセンサの機構の寸法的な関係や操作者の感性及び癖などの理由により、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てをＯＮにした状態で、Ｚ軸出力を調整することが難しい場合に有効である。
以上、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が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、Ｘ軸出力、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の３軸出力が出力されているが、Ｘ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよいし、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよい。
また、上述の実施の形態では、変位電極４０と支持部材６０とは別部材であるが、一体に形成されていてもよい。また、変位電極４０としては、シリコンゴムの他、例えば、非導電性シリコンゴムに導電性インクや導電性塗料を塗布してもよいし、非導電性シリコンゴムに導電性の金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成してもよいし、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を用いてもよい。つまり、変位電極４０は、柔軟性のある導電性部材または非導電性で柔軟性のある部材に導電性部材を付けたものであればよい。また、支持部材６０は、シリコンゴムでなく、樹脂フィルムや薄い金属であってもよい。
また、上述の実施の形態では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力は、本発明の静電容量式センサの制御だけに使用されているが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力を他の制御のために使用してもよい。
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１の静電容量式センサの変位電極の上面からの透視図である。 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１に示す静電容量式センサの回路構成を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの回路構成を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの信号処理回路における処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路における処理手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 静電容量式センサ
２０ 基板
３０ 検知部材
４０ 変位電極（導電性部材）
Ｅ０ 共通電極
Ｅ１、Ｅ２ 容量素子用電極（Ｘ軸用電極）
Ｅ３、Ｅ４ 容量素子用電極（Ｙ軸用電極）
Ｅ５ 容量素子用電極（Ｚ軸用電極）
Ｅ１１〜Ｅ１４ スイッチ用電極

Claims (6)

  1. 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、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用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が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分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. 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、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、
    前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、
    前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、
    前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１〜第３の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用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が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分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。
  3. 前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、
    前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していることを特徴とする請求項２に記載の静電容量式センサ。
  4. 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、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用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が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分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。
  5. 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、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能な導電性部材と、
    前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、
    前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、
    前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材と電気的に接続されており、接地または一定の電位に保持された共通電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１〜第３の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の全てと接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用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が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数のスイッチ用電極の少なくとも１つと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分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。
  6. 前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、
    前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していることを特徴とする請求項５に記載の静電容量式センサ。
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