JP2016063078A - 可変容量素子、圧力検知素子、筆圧センサ及び位置指示器 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子を提供する。【解決手段】対向する２つの主面を有する誘電体層と、弾性変形可能な金属板からなり、誘電体層の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、を有する可変容量素子であって、第１面は、凹形状又は凸形状であり、第１電極を押圧して変形させることにより第１面と誘電体層の一方の主面との接触面積を変化させる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、可変容量素子、圧力検知素子、筆圧センサ及び位置指示器に関する。

近年、パーソナルコンピュータ等の入力デバイスとして、例えば、特許文献１に示されているように、文字及び図等の入力を行う入力装置が用いられるようになってきている。この特許文献１の入力装置は、図１０（ａ）に示すように、位置検出装置１０１と、この位置検出装置１０１に情報を入力する位置指示器１０２とから構成されている。この位置検出装置１０１は、ケーブル１０８を介してパーソナルコンピュータやＰＤＡ（Personal Digital Assistant）等の外部装置に接続される。位置検出装置１０１は、位置指示器１０２で示された位置を検出する検出部１０４と、筐体１０５とから構成されている。

また、位置指示器１０２は、電磁誘導方式により位置検出装置１０１によってその位置が検出されるものであり、位置検出装置１０１から送信される特定周波数の電磁波に対して共振する共振回路を有している。特許文献１の位置指示器１０２は、図１０（ｂ）に示すように、ペン形状のケース１１１の中に、芯体１１２と、位置指示コイル１１３と、可変容量コンデンサ１１５と、フェライトコア１１６と、プリント基板１１７とを備えている。

フェライトコア１１６は、例えば円筒形をなしており、その筒孔１１６ａに芯体１１２の軸部１１２ｂが挿通されている。そして、フェライトコア１１６の軸方向の一端側から芯体１１２の指示部１１２ａが突出し、フェライトコア１１６の外周には、共振回路を構成する位置指示コイル１１３が巻回して装着されている。位置指示コイル１１３の両端には、共振回路を構成する電子部品が接続されている。

また、指示部１１２ａとは反対側に位置する軸部１１２ｂの他端には、筆圧検出部である可変容量コンデンサ１１５が取り付けられている。可変容量コンデンサ１１５は、加えられた圧力に対応して容量値を変化し、この容量値の変化に基づいて芯体１１２に加わる筆圧を検出する。特許文献１において、可変容量コンデンサ１１５は、図１０（ｃ）に示すように、ホルダ１２１と、誘電体１２２と、この誘電体１２２を付勢する端子部材１２３と、保持部材１２４と、導電部材１２６と、弾性部材１２７とを備える。特許文献１において、この導電部材１２６は、砲弾型形状を有し、導電性を有すると共に弾性変形可能な部材により構成されている。このような導電性を有し弾性変形可能な部材として、シリコン導電ゴムや加圧導電ゴムなどが例示されている。

以上のように構成された可変容量コンデンサ１１５において、芯体１１２の指示部１１２ａに圧力（筆圧）がかかると、芯体１１２により保持部材１２４が押圧される。これにより、導電部材１２６は、誘電体１２２に押圧されて変形（扁平化）する。その結果、導電部材１２６と誘電体１２２の接触面積が変化して、誘電体１２２の容量値が変化する。この容量値の変化は、端子部材１２３と弾性部材１２７とによって検出され、容量値の変化に基づいて指示部１１２ａにかかる圧力が検出される。

また、特許文献２には、砲弾型形状の導電部材に代えて、７５μｍのポリイミドフィルム上に１０００オングストロームの厚さにニクロム形成した円盤状の電極を用いて構成した可変容量コンデンサ及びこれを使用した位置指示器が開示されている。

特開２０１０−１２９９２０号公報 特開平０４−９６２１２号公報

しかしながら、従来の位置指示器の圧力検知素子又は筆圧センサとして用いられている可変容量素子は、弾性率の大きい、導電ゴム又は樹脂をベースとした電極を用いて構成されていることから、必要な容量変化を得るために大きなストロークが必要になり、また、軸方向に直交する横方向の軸ぶれも大きいという問題があった。
その結果、従来の位置指示器は、例えば、筆圧に応じて線幅を変化させて描画するような繊細な描画を必要とする用途に用いるためには、ペン先のがたつきが大きかったり、筆圧に対する軸方向のストロークが大きすぎるという問題があり、繊細な描画ができないという問題があった。

そこで、本発明は、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子とそれを用いた圧力検知素子、筆圧センサを提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、繊細な描画が可能な位置指示器を提供することを第２の目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る可変容量素子は、
対向する２つの主面を有する誘電体層と、
弾性変形可能な金属板からなり、前記誘電体層の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、
前記誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、
を有する可変容量素子であって、
前記第１面は、凹形状又は凸形状であり、前記第１電極を押圧して変形させることにより前記第１面と前記誘電体層の一方の主面との接触面積を変化させる。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は凹形状である。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は凸形状である。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面は、錐形状である。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極は、切り欠き部を有する。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極は、交差する２つのスリットを含む開口部を有する。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面に、前記金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる膜が形成されている。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１電極の外周部の厚さを、前記第１電極の中央部より薄くしている。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記第１面が粗面である。

本発明に係る可変容量素子のある形態では、前記誘電体層を含む誘電体を有し、前記第２電極が前記誘電体の内部に形成されている。

本発明に係る圧力検知素子は、前記可変容量素子を備えている。

本発明に係る筆圧センサは、前記可変容量素子を備えている。

本発明に係る位置指示器は、前記筆圧センサを備えている。

以上のように構成された本発明に係る可変容量素子、圧力検知素子及び筆圧センサによれば、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、かつ横方向の軸ぶれの少ない可変容量素子とそれを用いた圧力検知素子、筆圧センサを提供することができる。
また、以上のように構成された本発明に係る位置指示器によれば、繊細な描画が可能な位置指示器を提供することができる。

本発明に係る実施形態１の可変容量素子の構成を示す断面図である。 図１の可変容量素子の構成を分解して示す断面図である。 本発明に係る実施形態２の可変容量素子における一部の構成を分解して示す断面図である。 実施形態２の可変容量素子において、無荷重のときの第１電極の接触状態を示す断面図である。 実施形態２の可変容量素子において、低荷重で押圧したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。 実施形態２の可変容量素子において、中荷重で押圧したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。 実施形態２の可変容量素子において、高荷重で押圧したときの第１電極の接触状態を示す断面図である。 本発明に係る実施形態３の可変容量素子において、第１電極が誘電体層３１に接触する前の状態を示す断面図である。 実施形態３の可変容量素子において、第１電極が誘電体層３１に接触し始めたときの状態を示す断面図である。 実施形態３の可変容量素子において、第１電極と誘電体層３１の接触面積が増加したときの状態を示す断面図である。 実施形態３のある変形例に係る可変容量素子において、第１電極が実質的に平坦になったときの状態を示す断面図である。 図４Ａの一部を拡大して示す断面図である。 図４Ｂの状態から荷重を増加させたときの状態を示す断面図である。 実施形態３の他の変形例に係る可変容量素子において、第１電極が誘電体層３１に接触する前の状態を示す断面図である。 実施形態３の他の変形例に係る可変容量素子において、第１電極が誘電体層３１に接触し始めたときの状態を示す断面図である。 実施形態３の他の変形例に係る可変容量素子において、第１電極と誘電体層３１の接触面積が増加したときの状態を示す断面図である。 実施形態３のさらに異なる変形例に係る可変容量素子において、第１電極が実質的に平坦になったときの状態を示す断面図である。 実施形態３のさらに異なる変形例に係る可変容量素子において、図６Ａの状態から荷重を増加させたときの状態を示す断面図である。 （ａ）は、実施形態１の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 （ａ）は、第１変形例の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 （ａ）は、第２変形例の第１電極の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。 第３変形例の第１電極の平面図である。 第４変形例の第１電極の平面図である。 第５変形例の第１電極の平面図である。 本発明に係る実施形態４の可変容量素子の第１電極の断面図である。 実施形態４の可変容量素子において、第１電極が誘電体に接触する前の状態を示す断面図である。 実施形態４の可変容量素子において、第１電極が誘電体に接触し始めたときの状態を示す断面図である。 実施形態４の可変容量素子において、第１電極と誘電体の接触面積が増加したときの状態を示す断面図である。 実施形態４の変形例に係る可変容量素子において、第１電極が誘電体に接触する前の状態を示す断面図である。 実施形態４の変形例に係る可変容量素子において、第１電極と誘電体の接触面積が増加したときの状態を示す断面図である。 （ａ）は、特許文献１に示された入力装置の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、その入力装置の位置指示器の断面図であり、（ｃ）は、その位置指示器において、筆圧センサとして使用された可変容量コンデンサの構成を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の可変容量素子について説明する。
実施形態１．
実施形態１の可変容量素子は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、
（ａ）基体部３３と基体部３３上に形成された誘電体層３１とを含む誘電体３０と、
（ｂ）弾性変形可能な金属板からなり、誘電体層３１の一方の主面に対向する第１電極１１と、
（ｃ）基体部３３と誘電体層３１の間に誘電体層３１の他方の主面に接するように埋設された第２電極２１と、
（ｄ）バネ電極（第１電極）１１を誘電体層３１に押圧してバネ電極１１を変形させる押圧部材１３と、
（ｅ）バネ電極１１の外周部を誘電体層３１との間に挟んでバネ電極１１を支持しかつ押圧部材１３を押圧方向に移動可能に支持する固定部材１５と、
（ｆ）誘電体３０上で、バネ電極１１と、押圧部材１３と、固定部材１５とを覆うカバー１７と、
を備える。

誘電体３０は、例えば、基体部３３と誘電体層３１とが同じ誘電体材料で構成され、基体部３３を構成する誘電体材料と誘電体層３１を構成する誘電体材料とが第２電極となる電極ペースト層を挟んで、一体的に積層されて同時に焼成されて一体化されてなる。以上の構成では、第２電極２１は基体部３３と誘電体層３１の間に埋設された内部電極からなる。基体部３３と誘電体層３１とは異なる材料により構成されていてもよい。基体部３３及び誘電体層３１を構成する誘電体材料としては、例えば、CaZrO₃（ジルコン酸カルシウム）などを誘電体とする低誘電率系 と、チタン酸バリウム（BaTiO₃）などを誘電体とする高誘電率系．が挙げられ、発振回路などで安定した特性を得るために、好ましくは、環境温度による静電容量の変化率が小さい低誘電率系の誘電体材料を用いて、少なくとも誘電体層３１を構成する。

第１電極１１は、例えば、円形の金属板からなる板バネ電極であり、誘電体層３１に対向する第１面１１ａが湾曲した凹形状となっている。以上のように構成された第１電極１１は、第１面１１ａの反対側の面の頂部から押圧することで、少なくとも凹形状の第１面１１ａが平坦になるまで弾性変形する。すなわち、第１電極１１は、荷重がかかっていない初期状態の形状から第１面１１ａ全体が誘電体層３１の表面に接触した時の形状に変化するまで、弾性変形可能な状態が維持されるように、第１電極を構成する金属材料の特性を考慮して初期状態の形状が設定される。また、例えば、筆圧センサとして用いる可変容量素子は、第１電極を構成する金属材料の弾性率等の弾性特性、降伏特性等を考慮して、弾性変形可能な状態が維持されかつ要求される荷重の範囲及びストロークで初期状態の形状から第１面１１ａ全体が誘電体層３１の表面に接触するまで変形するように、第１電極１１の形状は設定される。このような、第１電極１１を構成するために、使用される金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、銅系合金であるリン青銅、黄銅、洋白、ベリリウム銅、チタン銅合金などが挙げられ、その中で、特に、電気伝導性、耐食性、加工性に優れる銅系合金であり、バネ用途に特化したバネ用リン青銅・バネ用洋白などを用いることが好ましい。

また、第１電極１１は、例えば、板厚が０．０５ｍｍから０．１０ｍｍ程度の薄板を、外径２．００ｍｍ、凹部の深さ（凸部全高）０．０５ｍｍになるように加工される。

押圧部材１３は、円柱形状の円柱下部１３ａと、円柱下部１３ａより径が小さい円柱上部１３ｂとを有し、円柱下部１３ａと円柱上部１３ｂとは軸が一致するように例えば、一体で構成される。

固定部材１５は、押圧部材１３の円柱下部１３ａより大きい内径を有する円形筒型の外周側壁１５ａと円盤形状の上板１５ｂとを有し、上板１５ｂの中央部に円柱下部１３ａより径が小さく円柱上部１３ｂより径が大きい円形の貫通孔１５ｃが形成されている。
外周側壁１５ａと上板１５ｂとは、外周側壁１５ａの外周と上板１５ｂの外周とが一致するように、例えば、一体で形成される。貫通孔１５ｃは、上板１５ｂの軸と一致するように形成されている。

カバー１７は、中央部に貫通孔１７ｃを有し、屈曲するように形成された上カバー１７ｂと誘電体３０の外周に嵌合する側面カバー１７ａとを有し、全体としてバネ弾性を有している。

以上のように構成された各構成部材は、以下のように組み合わされて本実施形態１の可変容量素子が構成される。
まず、第１電極１１は、湾曲した凹形状の第１面１１ａが誘電体層３１に対向するように載置され、その上に、円柱下部１３ａの下面が第１電極１１の上面の頂部に接するように押圧部材１３が載置される。
また、固定部材１５は、押圧部材１３の円柱上部１３ｂが貫通孔１５ｃ内に挿通されかつ第１電極１１の外周部分に接触するように載置される。
さらに、カバー１７がそのバネ弾性により所定の力で固定部材１５が固定されるように側面カバー１７ａが誘電体３０の外周に嵌合される。

以上のように構成された実施形態１の可変容量素子において、貫通孔１７ｃ及び貫通孔１５ｃを介して押圧部材１３に軸方向に荷重を加えると、第１電極１１の湾曲した凹形状の第１面１１ａが変形して、第１面１１ａと誘電体層３１との接触面積が変化して、第１電極１１と第２電極２１との間に形成される静電容量が変化する。

例えば、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧するように押圧部材１３に軸方向に荷重がかかると、湾曲した第１面１１ａの外周が拡がるように第１電極１１が弾性変形する。その際、固定部材１５の側壁１５ａの下端面と誘電体層３１とで挾まれた第１電極１１の外周部分は、誘電体層３１と密着した状態を維持したまま拡がる。荷重が大きくなると、第１面１１ａと誘電体層３１との接触面積は増加するとともに、固定部材１５の側壁１５ａの内側に位置する第１面１１ａが誘電体層３１と接触するようになる。これにより、押圧部材１３の軸方向にかかる外力に応じて、第１電極１１の第１面と誘電体層３１との接触面積は増加する。

また、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧する荷重が減少すると、湾曲した第１面１１ａの外周が収縮するように第１電極１１がそのバネ弾性により変形する。その際、固定部材１５の側壁１５ａの内側に位置する第１面が誘電体層３１と離間するようになると同時に固定部材１５の側壁１５ａの下端面と誘電体層３１とで挾まれた第１電極１１の外周部分と誘電体層３１との接触面積は減少する。このように、荷重の変化に応じて第１面１１ａと誘電体層３１との接触面積は変化する。以上のようなメカニズムで、実施形態１の可変容量素子は、荷重の変化に応じて第１電極１１と第２電極２１の間に構成される静電容量が変化する。

以上のように構成された実施形態１の可変容量素子は、弾性変形が可能な金属板からなる第１電極１１を用いて構成しているので、小さなストロークで大きな容量変化が得られる。具体的には、例えば、板厚が０．０５ｍｍの薄板を、凹部の深さが０．０５ｍｍになるように加工した第１電極を用いて可変容量素子を構成した場合、０．１ｍｍ程度のストロークで必要な容量変化が得られる。したがって、実施形態１の可変容量素子を用いて筆圧センサを作製すると、０．１ｍｍ程度のストロークで筆圧を検出でき、従来の０．２ｍｍ〜０．６ｍｍのストロークで筆圧を検出している従来の筆圧センサに比べて小さいストロークで筆圧を検出することが可能になる。
また、横方向にも変形する導電性弾性ゴムや導電性樹脂を用いて構成して従来の可変容量素子とは異なり、第１電極１１には、横方向の変形がほとんどないので、横方向に軸ぶれの少ない可変容量素子を構成することができる。

実施形態２．
本発明に係る実施形態２の可変容量素子は、図２Ａに模式的に示すように、実施形態１の第１電極１１に代えて、中央部が厚く外周部の肉厚が薄くなった第１電極１２を用いて構成している。実施形態２の可変容量素子は、以上の点を除いて、実施形態１と同様に構成される。

以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、外周部の肉厚が薄くなっているので、低荷重領域において小さい荷重の変化により第１電極１２ａと誘電体層３１との接触面積を変化させることができる。

具体的には、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、低荷重領域においては、主として、肉厚が薄い外周部が変形して、外周部において接触面積が増加する。そして、さらに荷重が大きくなると、図２Ｄ及び図２Ｅに示すように、肉厚の厚い中央部が変形するようになり、当該中央部において、接触面積が増加するようになる。

以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、低荷重領域において、肉厚が薄い外周部の変形を利用しているのでわずかな荷重変化を検出することができる。
また、実施形態２の可変容量素子は、低荷重領域では、肉厚が薄い外周部の変形を利用して接触面積を増加させ、中荷重領域では、肉厚の厚い中央部の変形を利用して接触面積を増加させることができ、広範囲の荷重変化により接触面積を増加させることが可能になる。したがって、実施形態２の可変容量素子は、広範囲の荷重変化に対応して静電容量を変化させることができる。したがって、実施形態２の可変容量素子は、検出できる荷重領域の範囲を広くすることができる。

以上のように構成された実施形態２の可変容量素子は、実施形態１の可変容量素子と同様、弾性変形が可能な金属板からなる第１電極１２を用いて構成しているので、小さなストロークで大きな容量変化が得られ、横方向に軸ぶれの少ない可変容量素子を構成することができる。

また、実施形態２の可変容量素子は、外周部の肉厚が薄くなっており、低荷重領域において小さい荷重の変化により第１電極１２と誘電体層３１との接触面積を変化させることができので、実施形態１の可変容量素子に比較して、より小さな荷重変化により容量変化が得られる。したがって、実施形態２の可変容量素子を用いることで、微妙な筆圧の変化が検出可能な筆圧センサを構成することができる。

実施形態３．
実施形態３の可変容量素子は、図１に示す実施形態１の可変容量素子と同様の構成を有しているが、第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた後、さらに誘電体層３１の表面の面粗さ及び第１電極の第１面１１ａの面粗さを利用して静電容量を変化させている点が実施形態１とは異なっている。図３Ａには、誘電体層３１の表面に第１電極の第１面１１ａが密着する直前の様子を示しているが、この段階では、第１面１１ａと誘電体層３１の間隙３７は、容量形成には寄与するほど狭くない。
さらに荷重を高くすると、図３Ｂに示すような状態で第１電極１１の第１表面１１ａと誘電体層３１とが密着する。この段階になると、第１面１１ａと誘電体層３１との接触点が増加して接触面積が増加するとともに、第１面１１ａと誘電体層３１の間隙３７が容量形成には寄与する程度に狭くなる。すなわち、図３Ｂに示す状態では、第１電極と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１とによってそれぞれ構成された複数の容量素子（以下、分布容量素子Ａという。）と、第１電極と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３７によってそれぞれ構成された複数の容量素子（以下、分布容量素子Ｂという。）とが並列に接続された状態になっており、第１電極と第２電極間には、複数の分布容量素子Ａの容量値と複数の分布容量素子Ｂの容量値とを合計した静電容量が形成される。

さらに荷重を大きくすると、図３Ｃに示すように、さらに接触面積が増大するとともにさらに間隙３７が狭くなる。この段階では、接触面積の増大に伴い第１電極１１と誘電体層３１とが接触している部分に形成される分布容量素子Ａの割合が多くなるとともに、分布容量素子Ｂにおける間隙３７が狭くなって各分布容量素子Ｂの静電容量も大きくなる。したがって、実施形態３の可変容量素子では、比較的高い荷重領域において、第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた後さらに誘電体層３１の表面の面粗さ及び第１電極１１の第１面１１ａの面粗さを利用して静電容量を変化させることができる。これにより、実施形態３の可変容量素子は、検出できる荷重領域の範囲を広くすることができる。

以上の実施形態３の可変容量素子では、高荷重領域において、第１面１１ａの面粗さに加えてさらに第１面１１ａのうねり成分を利用して接触面積の増加幅をさらに大きくすることができる。
具体的には、図４Ｂに示すように、比較的低い荷重領域においては、第１電極１１の第１面１１ａのうねりに起因した凸部の先端が誘電体層３１の表面に接触するが、うねりに起因した凹部には誘電体層３１との間に凹部の深さに相当する間隔の隙間ができている。しかしながら、この段階では、第１面１１ａと誘電体層３１の表面との接触面積は小さいので、第１電極１１と誘電体層３１とが接触する部分に形成される分布容量素子Ａによる静電容量は小さい。また、第１表面１１ａのうねりに起因する凹部による間隙の比較的大きいので、分布容量素子Ｂによる静電容量も小さい。
この段階から徐々に荷重を増加させていくと、うねり成分が小さくなるように第１電極１１の第１面１１ａは弾性変形し、ある荷重（以下、第１荷重値という。）で図４Ｃに示すように、第１面１１ａのうねり成分が無くなる。この状態では、誘電体層３１との接触点が増加して接触面積が増加するとともに、第１面１１ａと誘電体層３１の間隙３７が容量形成には寄与する程度に狭くなる。したがって、第１電極１１と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１とによってそれぞれ構成された複数の分布容量素子Ａと、第１電極１１と第２電極とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３７によってそれぞれ構成された複数の分布容量素子Ｂとが並列に接続された状態になっており、第１電極と第２電極間には、複数の分布容量素子Ａの容量値と複数の分布容量素子Ｂの容量値とを合計した静電容量が形成される。
次に、第１荷重値よりさらに荷重を増加させていくと、凹形状の第１面１１ａが誘電体層３１表面の面粗さ成分に起因する凹凸に沿って弾性変形し、誘電体層３１との接触面積がさらに増加するとともに、さらに間隙３７が狭くなり、分布容量素子Ａの割合が多くなるとともに、各分布容量素子Ｂの静電容量も大きくなる。したがって、第１電極１１と第２電極２１間の静電容量も荷重の増加に伴い大きくなる。

以上のように構成された可変容量素子は、ある荷重領域においては、第１電極１１の第１面のうねり成分に起因した凹凸が弾性変形することにより、誘電体層３１と第１面との接触面積及び間隙３７が変化して、静電容量を変化させることができる。
また、荷重が大きくなるにつれて誘電体層３１の表面粗さに起因する凹凸に対応して第１電極１１の第１面１１ａが弾性変形することにより、誘電体層３１と第１面１２ａとの接触面積及び間隙が変化して、静電容量を変化させることができる。
したがって、広範囲の荷重変化に対応して静電容量を変化させることができる。

以上の実施形態３では、間隙３７をエアギャップにより構成した。しかしながら、本発明では、図５Ａ〜図５Ｃ、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、シリコンオイル等の液状誘電体を充填した間隙３５を用いてもよい。このようにすると、第１電極１１と第２電極２１とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３５によってそれぞれ構成される分布容量素子Ｂの荷重に対する容量変化量を大きくでき、可変容量素子全体として荷重に対する容量変化量を大きくできる。

第１電極の変形例
実施形態１の可変容量素子は、図７Ａに示す第１電極１１を用いて構成した。
また、実施形態２の可変容量素子では、中心に近い中央部に比較して外周部における板厚が薄くなった第１電極１２を用いて構成した。
しかしながら、本発明では、以下に示すように切り欠き又は開口部を形成して弾性変形を容易にした第１電極を用いると、低荷重領域において小さな荷重変化に対して、第１電極と誘電体３との接触面積の変化を大きくし、より検出される静電容量の変化量を大きくできる。

第１変形例．
図７Ｂに示す第１電極１４ｂは、中央部から外周に至る切り欠き１９ｂを有している。この第１電極１４ｂにおいて、切り欠き１９ｂはほぼ均一の幅に形成されたスリットと、切り欠き１９ｂの中央部においてスリットの幅より大きい径で円形に拡がった円形端部とからなる。

第２変形例．
図７Ｃに示す第１電極１４ｃは、中央部から外周に至る切り欠き１９ｃを有している。この第１電極１４ｃにおいて、切り欠き１９ｃは中央部から外周に向かって徐々に幅が大きくなるように形成されたスリットと、切り欠き１９ｂの中央部において円形に拡がった円形端部とからなる。

以上のように構成された第１変形例の第１電極１４ｂ及び第２変形例の第１電極１４ｃはそれぞれ、中央部から外周に至る切り欠き１９ｂ、１９ｃを有しているので、小さい荷重により変形させることが可能になる。

第３変形例．
図７Ｄに示す第１電極１４ｄは、中央部から外周に至る４つの切り欠き１９ｄを有している。この第１電極１４ｄにおいて、４つの切り欠き１９ｄはそれぞれ、中央部の尖った先端から外周に向かって徐々に幅が広くなるようにかつ湾曲して形成されている。また、４つの切り欠き１９ｄは、等間隔に設けられている。

以上のように構成された第３変形例の第１電極１４ｄは、中央部から外周に至る４つ切り欠き１９ｄを有しているので、第１変形例の第１電極１４ｂ及び第２変形例の第１電極１４ｃに比較してより小さい荷重により変形させることが可能になる。

第４変形例．
図７Ｅに示す第１電極１４ｅは、２つのスリットが直交した十字型の開口部１９ｅを有している。開口部１９ｅは、外周側の先端がそれぞれ半円形となり、中央部が広くなっている以外はほぼ同一幅に形成されている。尚、開口部を構成するスリットの両端は第１電極の外周までは達していないことはいうまでもない。

第５変形例．
図７Ｆに示す第１電極１４ｆは、開口部１９ｅは、外周側の半円形の先端部と中央部を除いた部分の幅が、外周に向かって徐々に広くなっている以外は、が広くなっている以外は第５変形例の第１電極１４ｅと同様に形成されている。

以上のように構成された第４変形例の第１電極１４ｅと第５変形例の第１電極１４ｆは、外周部に比較して中央部の変形が容易になり、中央部における接触面積を容易に増加させることができる。

以上のように構成された第４変形例の第１電極１４ｅと第５変形例の第１電極１４ｆは、２つのスリットを直交するように設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも２つのスリットが交差するように設けられていればよい。
また、開口部を構成するスリットは、２つに限定されるものではなく、２以上のスリットを含む開口部であってもよい。

実施の形態４．
本発明に係る実施形態４の可変容量素子は、
図８Ａに示すように、
（ａ）実施形態１の第１電極１１の第１面１１ａに、金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる表面処理層１６を形成して、
（ｂ）第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた後、さらに第１電極の第１面１１ａの面粗さ及び誘電体層３１（誘電体層３１）の面粗さをさらに利用して静電容量を変化させている。
実施形態４の可変容量素子は、以上の（ａ）及び（ｂ）の２つの点を除いて、実施形態１と同様に構成される。
ここで、例えば、金属板を、ばね用リン青銅で構成した場合、例えば、ニッケル電解めっきを用いて表面処理層１６を形成する。

以上のように構成された実施形態４の可変容量素子においては、誘電体層３１の表面の凹凸に追従して変形しやすい軟質金属からなる表面処理層１６を形成しているので、図８Ｂ〜図８Ｄに示すように、荷重による密着性を向上させることができ、低荷重によってより効果的に接触面積を増加させることができる。
したがって、実施形態４の可変容量素子は、比較的低い荷重領域において、第１電極１１の第１面１１ａの全面を誘電体層３１に密着させた後さらに第１面１１ａの面粗さを利用して静電容量を変化させることができる。また、実施形態４の可変容量素子は、検出できる荷重領域の範囲を広くすることができる。

以上の実施形態４では、間隙３７をエアギャップにより構成した。しかしながら、本発明では、図９Ａ〜図９Ｂに示すように、シリコンオイル等の液状誘電体を充填した間隙３５を用いてもよい。このようにすると、第１電極１１と第２電極１２とその両者に挟まれた誘電体層３１及び間隙３５によってそれぞれ構成される分布容量素子Ｂの荷重に対する容量変化量を大きくでき、可変容量素子全体として荷重に対する容量変化量を大きくできる。

変形例１．
以上の実施形態１〜４では、第１電極１１の誘電体層３１に対向する第１面１１ａを凹形状にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１面を凸形状にしてもよい。
第１面を凸形状にした場合、例えば、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧するように押圧部材１３に軸方向に荷重がかかりその荷重が増加すると、第１面１１ａの凸形状の先端部分から外周に向かって第１面と誘電体層３１との接触部分が広がり、最終的には第１面全体が誘電体層に接するまで第１電極１１が弾性変形する。
また、第１電極１１を誘電体層３１側に押圧する荷重が減少すると、第１面の外周部分から誘電体層と離間するようになり、第１電極と誘電体層３１との接触面積は減少する。
このように、第１面が凸形状であっても荷重の変化に応じて第１面と誘電体層との接触面積は変化し、荷重の変化に応じて第１電極と第２電極の間に構成される静電容量が変化する。

第１面を凸形状にした変形例１の可変容量素子では、外周部に比較して中央部の変形が容易になり、中央部における接触面積を容易に増加させることができる第４変形例の第１電極１４ｅ又は第５変形例の第１電極１４ｆを用いることが好ましい。

以上の実施形態１〜４及び変形例１では、第１電極の第１面を曲面にしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、錐形状であってもよい。

応用例
本発明に係る可変容量素子は、種々の用途に使用できる。
例えば、本発明に係る可変容量素子を用いて、圧力検知素子を構成することができる。
また、本発明に係る可変容量素子を用いて、筆圧センサを構成することができる。さらに、本発明に係る筆圧センサを用いて、位置指示器を構成することができる。

１ 可変容量素子
１１，１２，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ 第１電極
１１ａ，１２ａ 第１面
１３ 押圧部材
１５ 固定部材
１６ 表面処理層
１７ カバー
１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ 切り欠き
２１ 第２電極
３０ 誘電体
３１ 誘電体層
３３ 基体部
３５，３７ 間隙

Claims (13)

1. 対向する２つの主面を有する誘電体層と、
   弾性変形可能な金属板からなり、前記誘電体層の一方の主面に対向する第１面を有する第１電極と、
   前記誘電体層の他方の主面に対向して設けられた第２電極と、
   を有する可変容量素子であって、
   前記第１面は、凹形状又は凸形状であり、前記第１電極を押圧して変形させることにより前記第１面と前記誘電体層の一方の主面との接触面積を変化させる可変容量素子。
2. 前記第１面は凹形状である請求項１記載の可変容量素子。
3. 前記第１面は凸形状である請求項２記載の可変容量素子。
4. 前記第１面は、錐形状である請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
5. 前記第１電極は、切り欠き部を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
6. 前記第１電極は、交差する２つのスリットを含む開口部を有する請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
7. 前記第１面に、前記金属板を構成する金属材料より柔らかい軟質金属からなる膜が形成されている１〜６のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
8. 前記第１電極の外周部の厚さを、前記第１電極の中央部より薄くした請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
9. 前記第１面が粗面である請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
10. 前記誘電体層を含む誘電体を有し、前記第２電極が前記誘電体の内部に形成された請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の可変容量素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の可変容量素子を備えた圧力検知素子。
12. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の可変容量素子を備えた筆圧センサ。
13. 請求項１２に記載の筆圧センサを備えた位置指示器。

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