JP4136655B2 - 静電容量式センサ - Google Patents
静電容量式センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4136655B2 JP4136655B2 JP2002546152A JP2002546152A JP4136655B2 JP 4136655 B2 JP4136655 B2 JP 4136655B2 JP 2002546152 A JP2002546152 A JP 2002546152A JP 2002546152 A JP2002546152 A JP 2002546152A JP 4136655 B2 JP4136655 B2 JP 4136655B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- capacitive
- capacitive element
- conductive member
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
- G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
- G06F3/0338—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of limited linear or angular displacement of an operating part of the device from a neutral position, e.g. isotonic or isometric joysticks
Description
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、耐電圧特性がよく、かつ、製造工程を簡略化することができる静電容量式センサに関する。
背景技術
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
例えば、日本国特開平７（１９９５）−２００１６４号公報には、第３６図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５２０上に設けられた弾性ゴム板５３０と、弾性ゴム板５３０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（第３７図参照）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、第３７図に示すように、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。
【０００４】
操作者が弾性ゴム板５３０を押下すると、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。
【０００５】
また、日本国特許第３０２０７３６号公報には、第３８図に示すような静電容量式加速度センサが開示されている。加速度センサ６１０は、固定基板６２０と、可撓基板６２１と、固定基板６２０上に設けられた固定電極６００と、可撓基板６２１上に設けられた変位電極６４１〜６４５（第３９図参照）と、作用体６３０と、装置筐体６６０とから構成されている。また、変位電極６４１〜６４５は、第３９図に示すように、Ｚ軸について対称に配置された４つの電極部６４１〜６４４と、これらの内側に配置された円盤状の電極部６４５とにより構成されている。また、固定電極６００は図示しない配線により接地されている。
【０００６】
ここで、作用点Ｐに力が作用すると、可撓基板６２１に撓みが生じることにより、変位電極６４１〜６４５が上方に変位して、これらと固定電極６００との間の距離が変化する。すると、５つの変位電極６４１〜６４５のそれぞれと固定電極６００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、作用点Ｐに作用し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。
【０００７】
上述のように、第３６図に示した力覚センサ５１０では、電極部５４０の外周部分を電極部５００と接触させることにより接地することができるため、電極部５４０を接地するための配線を必要としない。しかしながら、この力覚センサ５１０は、電極部５４０と電極部５００とが電気的に直接接続されているために、電極部５４０に大きな電圧が加わると電極部５００を支持する基板５２０にスパイク電流が流れ、力覚センサ５１０が故障或いは破損してしまう可能性があり、耐電圧特性という点で劣っている。また、電極部５４０と電極部５００との電気的接続が経年変化などによって不良になると、正確なセンサ出力が得られなくなってしまう。このように、第３６図に示した力覚センサ５１０は、信頼性という点で満足のいくものではない。
【０００８】
一方、第３８図に示した加速度センサ６１０は、信頼性の点では優れているものの、各容量素子がいわば並列関係となっているので、固定電極６００を接地するための配線を固定基板６２０に対して設ける必要があるとともに、外部からの信号を変位電極６４１〜６４５に供給するためにこれら電極を支持する可撓基板６２１にも配線を設ける必要がある。しかしながら、固定基板６２０および可撓基板６２１の両方に配線を設けることは、この種の加速度センサの構造および製造工程を複雑なものとしてしまう。
【０００９】
そこで、本発明の主な目的は、信頼性が高く、かつ、製造工程および構造が簡単な静電容量式センサを提供することである。
発明の開示
【００１０】
１つの観点では、本発明の静電容量式センサは、導電性部材と、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部 材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に移動するのにともなって前記導電性部材または前記一対の容量素子用電極を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１１】
さらなる観点では、本発明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ともなって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、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１２】
また、別の観点では、本発明の静電容量式センサは、導電性部材と、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置する絶縁性部材と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に移動するのにともなって前記絶縁性部材または前記導電性部材および前記一対の容量用素子を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材の前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に関する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としている。
【００１３】
また、さらに別の観点では、本発明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、前記基板と対向している導電性部材と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置し、前記検知部材がＸＹ平面に沿って変位するのにともなって前記基板に対して平行移動が可能に配置された絶縁性部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材のＸＹ平面に対する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１４】
このような構成にすることにより、第１および第２の容量素子を構成するために共通に用いられる導電性部材が、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。それとともに、第１および第２の容量素子が直列に接続された関係となるので、容量素子用電極および基準電極を支持する基板などの部材だけに配線を設ければ、導電性部材を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の静電容量式センサでは、１つの基準電極が形成されていてよい。これによると、基準電極の製造が容易になる。
【００１６】
また、本発明の静電容量式センサでは、複数の基準電極が形成されていてよい。これによると、例えば、基準電極に囲まれるように容量素子用電極が配置されている場合でも、基準電極どうしの間隙を通して容量素子用電極の配線を容易に設けることができる。
【００１７】
また、本発明の静電容量式センサには、複数の一対の容量素子用電極が形成されていることが好ましい。これによると、各容量素子用電極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。
【００１８】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極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ものであってよい。これにより、一対の容量素子用電極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。
【００１９】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極の一方を含むＣＲ回路と他方を含むＣＲ回路との時定数が異なるものであってよい。このような構成によると、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。
【００２０】
また、本発明の静電容量式センサは、容量素子用電極に対して入力される信号が、ハイレベルとローレベルとを周期的に繰り返す信号であって、この信号がローレベルである時に第１の容量素子を放電させる機能を有する制御素子（オープンコレクタ型のインバータ素子など）が備えられているものであってよい。これによると、容量素子に保持された電荷が瞬時に放電されるため、効率よく充電ができるとともに、信号の波形の密度を増加させることができ、信号処理回路の精度を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極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、論理和演算または論理積演算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が好ましい。これによると、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。
【００２２】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極および基準電極に密着して、基板を覆うように形成された絶縁膜をさらに備えていることが好ましい。ここで、絶縁膜としては、薄膜状の樹脂フィルム、レジスト膜などが用いられる。これによると、容量素子用電極に密着して、基板上を覆うように絶縁膜が形成されるため、容量素子用電極が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【００２３】
また、本発明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ともなってＺ軸方向に変位する導電性部材と、前記基板上においてＹ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の第１の容量素子用電極と、前記基板上においてＸ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第２の容量素子を構成する一対の第２の容量素子用電極と、前記基板上において原点近傍に形成され、前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成する第３の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第４の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、前記第１の容量素子、前記第２の容量素子および前記第３の容量素子と前記第４の容量素子とが、前記第１〜第３の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記第１〜第３の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１〜第３の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。これによると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。なお、第３の容量素子用電極は、Ｚ軸方向の成分を認識するために使用しないで、入力の決定操作に使用してもよい。
【００２４】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材の第３の容量素子用電極と対向する位置に突起体が形成されているものであってよい。これによると、導電性部材が突起体を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分が容易に検出できるようになる。
【００２５】
また、本発明の静電容量式センサは、検知部材が、第１の容量素子用電極、第２の容量素子用電極および第３の容量素子用電極のそれぞれに対応して分割されているか、または、検知部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、第３の容量素子用電極とのそれぞれに対応して分割されていることが好ましい。このような構成によると、外部からの力のＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ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。
【００２６】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材の前記第１〜第３の容量素子用電極と対向する面の少なくとも一部が、凹凸面となっていることが好ましい。これによると、導電性部材の凹凸面と、容量素子用電極とが対向して容量素子を構成するため、この容量素子の静電容量がより細かく変化し、外部から受けた力の検出精度を向上させることができる。また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材が、検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって変位する変位部と、基板に固定された固定部と、変位部と固定部とを接続する接続部とを有し、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、基準電極が、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極の外側に形成されたものであってよい。
【００２７】
また、本発明の静電容量式センサは、基準電極が、それぞれ接地または一定の電位に保持された第１の基準電極および第２の基準電極を有し、導電性部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、第３の容量素子用電極とのそれぞれに対応して分割され、第１の基準電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、第１の基準電極の外側に形成され、第２の基準電極が、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極の外側に形成されたものであってよい。このような構成によると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３方向の成分を認識できるため、異なる３方向の操作を行うことができる。
【００２８】
また、本発明の静電容量式センサは、基準電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、基準電極の外側に形成され、基準電極に接触し、かつ、第３の容量素子用電極を覆うように配置された第４の容量素子用電極をさらに備え、検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって、導電性部材が変位することにより、第３の容量素子用電極と第４の容量素子用電極とが接触するような構成であってもよい。このような構成によると、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２方向の成分を認識できるため、異なる２方向の操作を行うことができる。さらに、第４の容量素子用電極を備えていることで入力の決定操作をすることができるとともに、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。
【００２９】
なお、これら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。
【００３０】
また、本発明の静電容量式センサでは、検知部材と導電性部材とが一体に形成されていてよい。このような構成では、検知部材および導電性部材が一体となっているため、製造しやすく、さらに、製造コストを低減することができる。
【００３１】
また、本発明の静電容量式センサでは、導電性部材が、弾性体により形成されていることが好ましい。このような構成によると、検知部材が外部から受けた力の導電性部材に対する伝達性がよくなり、操作性を向上させることができる。また、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【００３２】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材を支持するための支持部材をさらに備え、支持部材が、弾性体により形成されていることが好ましい。このような構成では、支持部材が弾性体により形成されているため、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。さらに、支持部材とカバーケースとの間における防水性および防塵性を効果的に得ることができる。また、支持部材の弾性復帰力によって、力が解除されると自動的に導電性部材を元の位置に戻すことができる。
【００３３】
本発明において、導電性部材としては、例えば、導電性ゴム、導電性インク、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）が用いられる。
発明を実施するための最良の形態
【００３４】
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。
【００３５】
第１図は、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。第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。第３図は、第１図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。
【００３６】
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部材である検知部材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および基準電極（共通電極）Ｅ０と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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６０とを有している。
【００３７】
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、第１図では、基板２０上の変位電極４０の中心位置に対向する位置に原点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。
【００３８】
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。
【００３９】
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とほぼ同じか、それより若干小さく、下段部３２の径は、基準電極Ｅ０の外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。
【００４０】
また、検知部材３０の上段部３１の上面には、第２図に示すように、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。
【００４１】
変位電極４０は、導電性を有するゴムで形成され、検知部材３０の下段部３２と同一の径を有する円盤状であり、検知部材３０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する円形で下方に開いた凹部が形成されている。さらに、その凹部の底部には、変位電極４０の中心位置を中心とする円形で下方に突出した凸部が形成され、その凸部の中心位置（変位電極４０の中心位置）には突起体４５が形成されている。このように、変位電極４０は、検知部材３０の変位にともなって変位する変位部４１（変位電極４０の下面に形成された凹部底部の凸部）と、最も外周よりの固定部４３（変位電極４０の下面に形成された凹部以外の部分）と、変位部４１と固定部４３とを接続する接続部４２（変位電極４０の下面に形成された凹部底部の凸部以外の部分）とにより形成されている。なお、突起体４５は無くてもよいし、変位電極４０は、導電性を有する金属によって形成してもよい。
【００４２】
このように、変位電極４０の中心位置に突起体４５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が突起体４５を支点として傾くことができるようになっている。また、変位電極４０は、固定部４３の下面および突起体４５の下面が基板２０上に形成された絶縁膜５０に密着するように、支持部材６０によって、検知部材３０とともに支持固定されている。
【００４３】
また、基板２０上には、第３図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ０とが形成されている。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。なお、基準電極Ｅ０は、容量素子用電極Ｅ５と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間に形成されてもよい。また、容量素子用電極Ｅ５を無くし、原点Ｏを中心とする円形の基準電極Ｅ０を形成してもよい。ただし、この場合には、Ｚ軸方向成分は検出できなくなる。
【００４４】
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、各量素子用電極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。さらに、容量素子用電極Ｅ５は、原点Ｏ上に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【００４５】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０〜Ｔ５（第４図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ０〜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。
【００４６】
また、絶縁膜５０が、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０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５０が形成されているため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０と、変位電極４０とが直接接触することはない。
【００４７】
したがって、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、それぞれ変位電極４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５は、変位電極４０の変位部４１との間でそれぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成し、また、基準電極Ｅ０は、変位電極４０の固定部４３との間で容量素子Ｃ０を構成する。
【００４８】
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。第４図は、第１図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。第５図は、第１図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。第６図は、第１図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。第７図は、第１図に示す静電容量式センサの検知部材にＺ軸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。
【００４９】
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、第４図を参照して説明する。基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、変位電極４０と対向しており、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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０との間で容量素子Ｃ０〜Ｃ５を形成している。容量素子Ｃ１〜Ｃ５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。
【００５０】
容量素子Ｃ０〜Ｃ５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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０のそれぞれに接続された端子Ｔ０〜Ｔ５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おり、容量素子Ｃ１〜Ｃ５における共通の電極である変位電極４０は、容量素子Ｃ０および端子Ｔ０を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ０は、変位電極４０と端子Ｔ０とを容量結合している。
【００５１】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ５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、第５図を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００５２】
なお、第５図に示す容量素子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おり、容量素子Ｃ６を構成する一方の電極は出力信号Ｖｚを導出するＣ／Ｖ変換回路に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ６は、容量素子Ｃ５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。
【００５３】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１〜Ｔ６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。例えば、端子Ｔ１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１とＣ０は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ２とＣ０は端子Ｔ２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３とＣ０は端子Ｔ３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ４とＣ０は端子Ｔ４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ５とＣ０は端子Ｔ５に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【００５４】
端子Ｔ１〜Ｔ６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、これにともなって変位電極４０がＺ軸方向に変位し、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１〜Ｔ６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、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。
【００５５】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１〜Ｔ６に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５に対しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６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〜Ｃ５の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１〜Ｔ５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。なお、容量素子Ｃ６の静電容量値は変化しないため、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれは生じない。
【００５６】
すなわち、外部からの力にＸ軸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とともに、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軸負方向成分に対応している。したがって、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれである。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。
【００５７】
また、外部からの力にＹ軸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とともに、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軸負方向成分に対応している。したがって、端子Ｔ３に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ４に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれである。このように、端子Ｔ３および端子Ｔ４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。
【００５８】
さらに、外部からの力にＺ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ５の静電容量値が変化し、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。また、容量素子Ｃ６の静電容量値は一定に保たれているため、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれが生じない。したがって、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａにのみ位相のずれが生じ、この周期信号Ａ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Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚの符号が、外部からの力のＺ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Ｚ軸方向成分の大きさを示す。
【００５９】
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、検知部材３０に対する力の加わり方によっては、次のような場合が考えられる。例えば、Ｘ軸方向について考えると、変位部４１のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とが、突起体４５を支点として互いに上下反対方向に変位することなく、Ｘ軸正方向部分およびＸ軸負方向部分がともに下方へと変位し、かつ、そのときのそれぞれの変位量が異なる場合がある。この場合には、端子Ｔ１および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の位相には、同じ方向のずれが生じることとなるが、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。
【００６０】
次に、第１図に示す検知部材３０に力が作用していないときの状態において、第６図に示すように、検知部材３０にＸ軸正方向への操作が施された場合、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。
【００６１】
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の接続部４２が弾性変形を生じてたわみ、変位部４１のＸ軸正方向部分は下方へと変位し、やがて変位部４１のＸ軸正方向部分の下面が絶縁膜５０に接触する位置まで変位する。また、このとき、変位部４１のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とは、突起体４５を支点として互いに上下反対方向に変位するようになっている。したがって、変位部４１のＸ軸正方向部分が下方へと変位したときには、変位部４１のＸ軸負方向部分は、突起体４５を支点として、上方へと変位する。
【００６２】
また、変位部４１のＹ軸正方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。同様に、Ｙ軸負方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。また、このとき、変位部４１の中心位置（Ｚ軸上）に形成された突起体４５は、押しつぶされて弾性変形する。
【００６３】
したがって、変位部４１のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１との間隔は小さくなり、一方、変位部４１のＸ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ２との間隔は大きくなる。また、変位部４１のＹ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ３との間隔、および、変位部４１のＹ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ４との間隔は変化しないと考えられる。実際には、上述のように、変位部４１のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分のそれぞれＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位するが、変位部４１のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分全体としての容量素子用電極Ｅ３およびＥ４との間隔は変化しないと考えられる。また、変位部４１の中心位置と容量素子用電極Ｅ５との間隔は小さくなる。
【００６４】
そして、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のなかで、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５と変位電極４０との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５の静電容量値のみが変化する。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ことより、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は小さくなる。すなわち、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【００６５】
Ｃ２＜Ｃ３＝Ｃ４＜Ｃ１
【００６６】
なお、容量素子Ｃ５の静電容量値は、元の値より大きくなる。
【００６７】
このとき、端子Ｔ１および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の位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘが導出される。同様に、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、その位相のずれ（実際には、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相とともに）を読み取ることによって出力信号Ｖｚが導出される。
【００６８】
次に、第１図に示す検知部材３０に力が作用していないときの状態において、第７図に示すように、検知部材３０にＺ軸正方向への操作が施された場合、すなわち、検知部材３０の上段部３１に形成された４つの矢印の中央部分を基板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。
【００６９】
検知部材３０の中央部分が押し下げられることにより、変位電極４０の接続部４２が弾性変形を生じてたわみ、変位部４１はＺ軸負方向へと変位し、変位部４１の中心位置（Ｚ軸上）に形成された突起体４５が、押しつぶされて弾性変形する。
【００７０】
したがって、変位部４１は水平を保った状態で下方へと変位し、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５と変位部４１とのそれぞれの間隔は同じ間隔を保ったまま変位し、それぞれの間隔が一様に小さくなる。したがって、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のすべての静電容量値が大きくなる。ここで、それぞれの容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【００７１】
Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４
【００７２】
なお、容量素子Ｃ５の静電容量値は、元の値より大きくなる。ただし、その変化量は、検知部材３０の中央部分を押し下げた場合（第７図に示す場合）は、検知部材３０に対する押し込み量がそのまま変位電極４０と容量素子用電極Ｅ５との間隔の変化となるため、Ｘ軸正方向の操作が施された場合（第６図に示す場合）よりも大きくなる。
【００７３】
このとき、端子Ｔ１〜Ｔ５に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚが導出される。
【００７４】
次に、端子Ｔ１〜Ｔ６に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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。第８図は、第１図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。
【００７５】
上述のように、端子Ｔ１〜Ｔ６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〜Ｔ６には、インバータ素子Ｉ１〜Ｉ６および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６が、端子Ｔ１〜Ｔ６側からインバータ素子Ｉ１〜Ｉ６、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の順にそれぞれ接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端および抵抗素子Ｒ５、Ｒ６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８１〜８３が接続されており、その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１３に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に接続され、それぞれ変位電極４０との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成している。また、変位電極４０は、容量素子Ｃ０を介して接地されている。
【００７６】
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、第９図を参照して説明する。第９図（ａ）および第９図（ｂ）は、第１図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（第８図の一部分）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。また、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として、同一の素子を用いているため、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。ここで、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２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。したがって、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可能であればこれらのインバータ素子Ｉ１、Ｉ２はなくてもよい。したがって、第９図（ｂ）は、第９図（ａ）の信号処理回路に含まれるインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を省いたものであるため、回路としては第９図（ａ）と全く等価なものであると考えられる。
【００７７】
次に、第９図の回路の動作について、第１０図を参照して説明する。第１０図は、第９図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。なお、第１０図は、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２の影響を無視して描かれている。
【００７８】
第９図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に対応している）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に対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）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、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）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Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００７９】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００８０】
なお、厳密には、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号には、信号処理回路にインバータ素子Ｉ１、Ｉ２が含まれる場合は、それぞれインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を通過することによっても、所定の遅延を生じると考えられる。しかし、上述のとおり、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として同一の素子を用いているため、２つの経路におけるインバータ素子に起因する遅延時間は同一であると考えられ、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されるときに互いに打ち消されるので、ここではインバータ素子に起因する遅延時間の説明は省略している。
【００８１】
このように、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信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（第１０図参照）。
【００８２】
ここで、上述した検知部材３０にＸ軸正方向への操作が施された場合（第６図参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２と変位電極４０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、検知部材３０に操作が施されていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１１と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１１’とする（第９図参照）。
【００８３】
このとき、第９画の信号処理回路において、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、また、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）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、第１０図に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）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Ｘ２’における周期信号には、時間ｂ−Δｂの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ２’の静電容量値が容量素子Ｃ２よりも小さくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が小さくなったためである。
【００８４】
このように、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信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、第１０図に示すように、検知部材３０に操作が施されていない場合において、端子Ｔ１１に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００８５】
ここで、静電容量式センサ１０では、上述のように、変位電極４０の中心位置に突起体４５が形成され、変位電極４０が、突起体４５を支点として変位するため、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は、一方が大きくなると他方が小さくなるというように、大小反対に変化することが多い。これにより、それぞれの容量素子Ｃ１’、Ｃ２’が構成するＣＲ遅延回路の時定数も同様に変化し、出力される矩形波信号のデューティ比の変化が著しくなるため、検知部材３０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００８６】
なお、Ｚ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するための信号処理回路（第８図参照）は、端子Ｔ５に入力された信号にのみＣＲ遅延回路を通過することにより所定の遅延を生じるが、端子Ｔ６に入力された信号はＣＲ遅延回路を通過しないためＣＲ遅延回路による遅延は生じない。このように、一方の信号にのみ遅延が生じる回路においても、上述と同様にして、検知部材３０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００８７】
以上のように、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化が、端子Ｔ１１における波形のデューティ比の変化として検出され、この信号を整流回路を通過させて整流することにより、このデューティ比を電圧値に変換して利用することができる。また、Ｔ１１における信号のハイレベル（Ｈｉ）またはローレベル（Ｌｏ）の時間を、より周波数の高いクロック信号でカウントすれば、デューティ比をデジタルカウント値に変換して利用することもできる。
【００８８】
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ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）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ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００８９】
次に、本実施の形態の静電容量式センサ１０の製造方法について説明する。静電容量式センサ１０を製造するには、まず、基板２０上に基準電極Ｅ０および容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および導電性の配線（回路）をパターン形成する。しかる後、基準電極Ｅ０および容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に密着して、基板２０上を覆うように絶縁膜５０をパターン形成する。
【００９０】
次に、絶縁膜５０上に変位電極４０を配置し、さらに変位電極４０上に検知部材３０を配置する。その後、変位電極４０および検知部材３０の外周に沿った円筒形状を有し上端部が内側に突出した支持部材６０を基板２０に固定配置することによって、変位電極４０および検知部材３０が絶縁膜５０からずれるのを防止する。しかる後、必要な電気配線を施すことによって、本実施の形態の静電容量式センサ１０の製造が完了する。
【００９１】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１０は、複数の容量素子Ｃ０〜Ｃ５を構成するために共通に用いられる変位電極４０が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ０と容量結合を介して電気的に結合されるため、直接基準電極Ｅ０と接触することによって電気的に接続される必要がなくなる。これにより、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、周期信号に対して容量素子Ｃ１、Ｃ０；Ｃ２、Ｃ０；…；Ｃ５、Ｃ０がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極および基準電極を支持する基板２０だけに配線を設ければ、変位電極４０を接地または一定の電位に保持するために配線を設ける必要がなくなる。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【００９２】
また、複数の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５が形成され、検知部材３０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。さらに、変位電極４０が突起体４５を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分を容易に検出することができる。
【００９３】
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。
【００９４】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０に密着して、基板２０上を覆うように絶縁膜５０が形成されるため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【００９５】
また、変位電極４０および支持部材６０が弾性体により形成されているため、検知部材３０が外部から受けた力の変位電極４０に対する伝達性がよくなることで、操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【００９６】
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。第１１図は、第１の変形例に係る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。
【００９７】
第１の変形例に係る静電容量式センサは、第１図の静電容量式センサにおける基板２０上の基準電極Ｅ０の構成を変更し、第１１図に示すように、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４が形成されたものである。なお、その他の構成は、第１図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。
【００９８】
基板２０上には、第１１図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、さらにその外側に扇形の基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４とが形成されている。ここで、容量素子用電極Ｅ１と基準電極Ｅ０１、容量素子用電極Ｅ２と基準電極Ｅ０２、容量素子用電極Ｅ３と基準電極Ｅ０３および容量素子用電極Ｅ４と基準電極Ｅ０４のそれぞれの扇形の中心角は同一であり、それぞれの中心位置が一致するように形成されている。
【００９９】
第１２図は、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。第１２図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、基板２０上の基準電極Ｅ０１、Ｅ０２が、容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２のそれぞれに対して別々に分割されて形成されている点である。このため、変位電極４０は容量素子Ｃ０１、Ｃ０２を介してそれぞれ別々接地されている。なお、このことはＹ軸方向成分の検出に関しても同様である。
【０１００】
このように、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４を複数の分割して形成すると、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４に囲まれるように配置された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４がある場合でも、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４どうしの間隙を通して容量素子用電極の配線を容易に設けることができる。なお、この変形例では、基準電極が４つに分割されているが、基準電極の分割数量、形状および配置はどのようなものであってもよく、基板上の配線の配置を考慮して適宜変更することが可能である。
【０１０１】
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。第１３図は、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。第１３図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１、２に対して、位相をずらすことなく、同一の位相の周期信号をそれぞれの端子に入力している点である。なお、その他の構成は、第１図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。
【０１０２】
ここで、端子Ｔ１、２に対して同一の位相の周期信号を入力する場合には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として、それぞれの抵抗値が異なるものを用いるのが好ましい。このように、抵抗値の異なる抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を用いることにより、ＥＸ−ＯＲ素子８１において容易に検出できるようになる。なお、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として、それぞれの抵抗値が同一のものを用いてもよい。
【０１０３】
このような回路を用いると、周期信号に対して位相差を発生させる構成が不必要になり、信号処理回路の構成を簡略化することができる。
【０１０４】
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。第１４図は、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。第１４図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１、Ｔ２に対して入力する周期信号の位相差を発生する構成として、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、その両方の経路にＣＲ遅延回路を設けている点である。なお、その他の構成は、第１図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】
周期信号の位相差を発生する構成は、交流信号発振器９０と、抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２と、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２とを有し、抵抗素子Ｒ１１および容量素子Ｃ１１によってＣＲ遅延回路を構成され、また抵抗素子Ｒ１２および容量素子Ｃ１２によってＣＲ遅延回路がそれぞれ構成されている。交流信号発振器９０から出力された周期信号は２つの経路に分けられ、それぞれ異なるＣＲ遅延回路を通ることにより、周期信号には異なる位相の遅延が生じる。
【０１０６】
このように、両方の経路にＣＲ遅延回路を設ける場合には、２つのＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子または容量素子のいずれか、または、両方の値が異なるものを用いられるのが好ましい。上記のような構成にすると、２つのＣＲ遅延回路を通過する周期信号に異なる位相の遅延を生じさせ、その結果、異なる位相の周期信号が、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力される。
【０１０７】
ここで、ＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子は温度の影響を受けやすいため、上述の２つの経路の片方の経路にＣＲ遅延回路を設けた場合には、片方の経路のみ温度の影響を受け、信号処理回路の温度特性が悪くなるが、両方の経路にＣＲ遅延回路を設けることにより、２つの経路において温度の影響を打ち消しあうことができ、信号処理回路の温度特性をが向上させることができる。
【０１０８】
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。第１５図は、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。第１５図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１と抵抗素子Ｒ１および容量素子Ｃ１との間にオープンコレクタ型のインバータ素子９１が配置され、同様に端子Ｔ２と抵抗素子Ｒ２および容量素子Ｃ２との間にオープンコレクタ型のインバータ素子９２が配置されており、また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の端子Ｔ１、Ｔ２に接続されている方と反対側の電位が一定の電位Ｖｃｃに保持されている点である。なお、その他の構成は、第１図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。オープンコレクタ型のインバータ素子９１、９２は、容量素子用電極に対して入力されるハイレベルとローレベルとを周期的に繰り返す信号がハイレベルであるときにはＥＸ−ＯＲ素子の入力端の状態に影響を与えないが、ローレベルである時には第１の容量素子を放電させる機能を有する制御素子である。
【０１０９】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２に、周期信号を入力した場合の第９図に示す信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および第１５図に示す信号処理回路の節点Ｘ１１、Ｘ１２における電位の変化について、第１６図を参照して説明する。なお、ここでは、節点Ｘ１と節点Ｘ１１における電位の変化についてのみ説明する。
【０１１０】
第１６図に示すように、「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号を繰り返す周期信号が端子Ｔ１に入力された場合を考えると、「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。一方、節点Ｘ１１における電位は、「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の電荷がオープンコレクタ型のインバータ素子９１を介して瞬時に放電されることにより瞬時に減少するという変化を繰り返す。
【０１１１】
なお、実際には、節点Ｘ１、Ｘ１１のそれぞれの電位の波形は、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、コンパレータのしきい値としては、Ｖｃｃ／２に設定するのが好ましい。このように、節点Ｘ１、Ｘ１１の電位の波形は、コンパレータを介することにより、第１６図に示すように、互いに異なるデューティ比を有する矩形波Ｘ１ａ、Ｘ１１ａに変換される。
【０１１２】
このような構成によると、各容量素子に保持された電荷が瞬時に放電されるため、効率よく充電ができるとともに、第１６図の信号処理回路の方が第９図の信号処理回路よりも周期信号の波形の密度を増加させることができ、信号処理回路の精度を向上させることができる。
【０１１３】
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。第１７図は、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。第１７図の信号処理回路が、第１図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、第１図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。
【０１１４】
第１７図において、端子Ｔ１に入力された周期信号ｆ（φ）には、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、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力された周期信号ｆ（φ＋θ）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、時間ｂの遅延が生じている。したがって、第９図と同様に、ＯＲ素子８４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Ｔ１１ａに対して出力される。ここで、端子１１ａ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。
【０１１５】
ここで、端子１１ａ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大きくなり、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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
次に、本発明の第１の実施の形態の第６の変形例について、図面を参照しつつ説明する。第１８図は、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。第１８図の信号処理回路が、第１図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、第１図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。
【０１１８】
第１８図において、節点Ｘ１における周期信号は、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じる。同様に、端子Ｔ２に入力された周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過することにより、節点２における周期信号は、時間ｂの遅延が生じる。したがって、第９図と同様に、ＡＮＤ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積演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１ｂに対して出力される。ここで、端子１１ｂ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。
【０１１９】
ここで、端子１１ｂ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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
第１９図は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの側面の模式的な断面図である。第２０図は、第１９図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。第２１図は、第１９図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。
【０１２３】
静電容量式センサ１１０は、基板１２０と、検知用ボタン１３０と、変位電極１４０と、基板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂと、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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、検知用ボタン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１６０と、検知用ボタン１３０の間を仕切るように配置されたカバーケース１７０とを有している。
【０１２４】
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、第１９図では、基板１２０上の変位電極１４１の中心位置に対向する位置に原点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上の容量素子用電極Ｅ１０５、検知用ボタン１３１および変位電極１４１のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
検知用ボタン１３０は、原点を中心とする円形のボタン１３１と、ボタン１３１の外側に配置されたリング状のボタン１３２とから構成されている。ここで、ボタン１３１の径は、基準電極Ｅ１００ａの外径とほぼ同じか、それより若干小さく、ボタン１３２の外径は、基準電極Ｅ１００ｂの外径とほぼ同じである。
【０１２７】
また、検知部材１３２の上面には、第２０図に示すように、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。
【０１２８】
変位電極１４０は、導電性を有するゴムで形成されており、原点を中心とする円形の変位電極１４１と、変位電極１４１の外側に配置されたリング状の変位電極１４２とから構成されている。ここで、変位電極１４１の径は、基準電極Ｅ１００ａの外径とほぼ同じであり、変位電極１４２の外径は、基準電極Ｅ１００ｂの外径とほぼ同じである。また、変位電極１４１の容量素子用電極Ｅ１０５と対向する面は、凹凸面となっている。
【０１２９】
また、支持部材１６０の一方の面には、変位電極１４１よりも若干大きいＺ軸を中心とする円形で下方に開いた凹部と、変位電極１４２の幅よりも若干大きいＺ軸を中心とするリング状で下方に開いた凹部とが形成されている。そして、これらの凹部の底部に変位電極１４１および変位電極１４２がそれぞれ付着している。そして、変位電極１４１と変位電極１４２との間は、隔壁１６１によって仕切られている。なお、隔壁１６１が形成されているために、ボタン１３１およびボタン１３２の操作が相互に干渉するのを軽減することができる。また、支持部材１６０の他面には、変位電極１４１に対応する位置にボタン１３１が付着され、変位電極１４２に対応する位置にボタン１３２が付着されている。さらに、支持部材１６０の上面において、ボタン１３１とボタン１３２との間を仕切るようにカバーケース１７０が配置されている。
【０１３０】
また、基板１２０上には、第２１図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ１０５と、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ１００ａと、さらに、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、さらに、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ１００ｂとが形成されている。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。
【０１３１】
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、容量素子用電極Ｅ１０５は、原点Ｏ上に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【０１３２】
また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１０１〜Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂ（第２２図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂを通じて外部の電子回路へと接続されるようになっている。なお、ここでは、基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、端子Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂを介してそれぞれ接地されている。
【０１３３】
また、絶縁膜１５０が、基板１２０上の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂと、変位電極１４０とが直接接触することはない。
【０１３４】
したがって、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、それぞれ変位電極１４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａは、変位電極１４１との間でそれぞれ容量素子を構成し、また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１００ｂは、変位電極１４２との間で容量素子を構成する。
【０１３５】
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。第２２図は、第１９図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。第２３図は、第１９図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。
【０１３６】
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、第２２図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Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａは、変位電極１４１と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極１４１と固定された個別の容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａとの間でそれぞれ容量素子Ｃ１０５、Ｃ１００ａを形成している。また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４およびＥ１００ｂは、変位電極１４２と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極１４２と固定された個別の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４およびＥ１００ｂとの間で、それぞれ容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４およびＣ１００ｂを形成している。したがって、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂは、変位電極１４１または変位電極１４２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。
【０１３７】
容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂのそれぞれの静電容量値は、変位電極１４１と、容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａのそれぞれに接続された端子Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、または、変位電極１４２と、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１００ｂのそれぞれに接続された端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４、Ｔ１００ｂ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。
【０１３８】
ここで、基準電極Ｅ１００ａは、端子Ｔ１００ａを介して接地されているため、容量素子Ｃ１０５、Ｃ１００ａにおける共通の電極である変位電極１４１は、容量素子Ｃ１００ａおよび端子Ｔ１００ａを介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ１００ａは、変位電極１４１と端子Ｔ１００ａとを容量結合している。同様に、基準電極Ｅ１００ｂは、端子Ｔ１００ｂを介して接地されているため、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４、Ｃ１００ｂにおける共通の電極である変位電極１４２は、容量素子Ｃ１００ｂおよび端子Ｔ１００ｂを介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ１００ｂは、変位電極１４２と端子Ｔ１００ｂとを容量結合している。
【０１３９】
次に、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂのそれぞれの静電容量値の変化から、ボタン１３０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、第２３図を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【０１４０】
なお、第２３図に示す容量素子Ｃ１０６は、常に一定の静電容量値を保つように基板１２０の下面に形成されており、容量素子Ｃ１０６を構成する一方の電極は端子Ｔ１０６に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ１０６は、容量素子Ｃ１０５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、第５図で説明したのと同様にして、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６に対して、常にブロック信号などの周期信号が入力される。例えば、端子Ｔ１０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１０１とＣ１００ｂは直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ１０２とＣ１００ｂは端子Ｔ１０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０３とＣ１００ｂは端子Ｔ１０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０４とＣ１００ｂは端子Ｔ１０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０５とＣ１００ａは端子Ｔ１０５に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１４１】
端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６に周期信号が入力されている状態で検知用ボタン１３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極１４１または変位電極１４２が変位する。すると、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５を構成する電極の間隔が変化して、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５のそれぞれの静電容量値が変化する。これにより、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６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、ボタン１３１またはボタン１３２が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。なお、導出方法の詳細については、第１図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。
【０１４２】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１１０は、複数の容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａおよびＣ１００ｂを構成するために用いられる変位電極１４１、１４２が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂと容量結合されているため、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１１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ１０１、Ｃ１００ｂ；Ｃ１０２、Ｃ１００ｂ；…；Ｃ１０５、Ｃ１００ａがそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂを支持する基板１２０だけに配線を設ければ、変位電極１４１、１４２を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０１４３】
また、複数の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５が形成され、検知部材１３１、１３２が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。また、変位電極１４１の容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａと対向する面が凹凸面となっており、容量素子用電極Ｅ１０５と対向して容量素子Ｃ１０５を構成するため、この容量素子Ｃ１０５の静電容量がより細かく変化し、外部から受けた力の検出精度が向上させることができる。
【０１４４】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ１０１およびＥ１０２、Ｅ１０３およびＥ１０４）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。
【０１４５】
また、検知部材１３０が、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、容量素子用電極Ｅ１０５とのそれぞれに対応して分割されているため、外部からの力のＸ軸方向およびＹ軸方向とＺ軸方向と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】
また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂに密着して、基板１２０上を覆うように絶縁膜１５０が形成されるため、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂが空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【０１４７】
また、変位電極１４０および支持部材１６０が弾性体により形成されているため、検知部材１３０が外部から受けた力の変位電極１４０に対する伝達性がよくなり操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【０１４８】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０１４９】
第２４図は、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。第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。第２６図は、第２４図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。
【０１５０】
静電容量式センサ２１０は、基板２２０と、検知用ボタン２３０と、変位電極２４０と、基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と、スイッチ用固定電極Ｅ２０５と、スイッチ用可動電極Ｅ２０８と、基準電極Ｅ２００と、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４に密着して基板２２０上を覆うように形成された絶縁膜２５０と、スイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して絶縁膜２５０上を覆うように形成された絶縁膜２５１と、検知用ボタン２３０および変位電極２４０を基板２２０に対して支持固定する支持部材２６０と、検知用ボタン２３０の間を仕切るように配置されたカバーケース２７０とを有している。
【０１５１】
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、第２４図では、基板２２０上の変位電極２４０の中心位置に対向する位置に原点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２２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２２０上のスイッチ用固定電極Ｅ２０５、検知用ボタン２３１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。
【０１５２】
基板２２０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２２０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。
【０１５３】
検知用ボタン２３０は、原点を中心とする円形のボタン２３１と、ボタン２３１の外側に配置された原点を中心とするリング上のボタン２３２とから構成されている。なお、検知用ボタン２３０は、第８図に示す検知用ボタン１３０と同一形状のものである。ここで、ボタン２３１の径は、基準電極Ｅ２００の外径とほぼ同じか、それより若干小さく、ボタン２３２の外径は、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４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。
【０１５４】
また、ボタン２３２の上面には、第２５図に示すように、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Ｅ２０１〜Ｅ２０４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。
【０１５５】
変位電極２４０は、導電性を有するゴムで形成されており、ボタン２３２の外径と同一の径を有する円盤状であり、ボタン２３２の変位にともなって変位する変位部２４１と、変位電極２４０の下面に、スイッチ用可動電極Ｅ２０８と対向するように形成された凸部２４５とにより形成されている。
【０１５６】
支持部材２６０の下面には、Ｚ軸を中心とする円形で下方に開いた凹部が形成されている。ここで、凹部の径は、変位電極２４０の径よりも若干大きく、凹部の底部には変位電極２４０が付着している。また、支持部材２６０の上面には、変位電極２４１に対応する位置に検知用ボタン２３２が付着し、凸部２４５に対応する位置にボタン２３１が付着している。さらに、支持部材２６０の上面において、ボタン２３１とボタン２３２との間を仕切るようにカバーケース２７０が配置されている。
【０１５７】
また、基板２２０上には、第２６図に示すように、原点Ｏを中心とする円形のスイッチ用固定電極Ｅ２０５と、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ２００と、さらにその外側に扇形の容量素子用電極Ｅ２０１、Ｅ２０２、Ｅ２０３、Ｅ２０４とが形成されている。一対の容量素子用電極Ｅ２０１およびＥ２０２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Ｅ２０３およびＥ２０４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。
【０１５８】
ここでは、容量素子用電極Ｅ２０１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Ｅ２０２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Ｅ２０３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Ｅ２０４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、スイッチ用固定電極Ｅ２０５は、原点Ｏ上に配置されており、スイッチ用可動電極Ｅ２０８とともに、入力などの決定操作に利用される。
また、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４、スイッチ用固定電極Ｅ２０５および基準電極Ｅ２００は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ２００〜Ｔ２０５（第２７図参照）にそれぞれ接続されており、各端子Ｔ２００〜Ｔ２０５を通じて外部の電子回路へと接続されるようになっている。なお、ここでは、基準電極Ｅ２００は、端子Ｔ２００を介して接地されている。
【０１５９】
また、絶縁膜２５０が、基板２２０上の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４に密着して、基板２２０上のスイッチ用可動電極Ｅ２０８を除いた部分を覆うように形成され、さらに、絶縁膜２５１は、スイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して、絶縁膜２５０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Ｅ２０１〜Ｅ２０４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２５０および絶縁膜２５１が形成されているため、基準電極Ｅ２００およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８と、変位電極２４０とが直接接触することはない。
【０１６０】
したがって、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２００（基準電極Ｅ２０８）は、それぞれ変位電極２４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４は、変位電極２４０の変位部２４１との間でそれぞれ容量素子を構成し、また、スイッチ用可動電極Ｅ２０８は、変位電極２４０の凸部２４５との間で容量素子を構成する。
【０１６１】
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２１０の動作について、図面を参照して説明する。第２７図は、第２４図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。第２８図は、第２４図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。
【０１６２】
まず、静電容量式センサ２１０の構成と等価な回路構成について、第２７図を参照して説明する。基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４および基準電極Ｅ２００（スイッチ用可動電極Ｅ２００）は、変位電極２４０と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極２４０と固定された個別の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびＥ２００との間で、それぞれ容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４を形成している。容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４は、変位電極２４０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。また、基準電極Ｅ２００に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２０８と、スイッチ用固定電極Ｅ２０５との間には、ボタン２３１の押圧にともなって開閉するスイッチが構成されている。
【０１６３】
容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値は、変位電極２４０と、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｃ２０４および基準電極Ｅ２００のそれぞれに接続された端子Ｔ２００〜Ｔ２０４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Ｅ２００は、端子Ｔ２００を介して接地されているため、容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４おける共通の電極である変位電極２４０は、容量素子Ｃ２００および端子Ｔ２００を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ２００は、変位電極２４０を端子Ｔ２００に電気的に結合する機能を有している。
【０１６４】
次に、容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値の変化から、ボタン２３２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、第２８図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。
【０１６５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、第５図で説明したのと同様にして、端子Ｔ２０１〜Ｔ１０４に対して、常にブロック信号などの周期信号が入力される。例えば、端子Ｔ２０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ２０１とＣ２００は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ２０２とＣ２００は端子Ｔ２０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ２０３とＣ２００は端子Ｔ２０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ２０４とＣ２００は端子Ｔ２０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１６６】
端子Ｔ２０１〜Ｔ２０４に周期信号が入力されている状態でボタン２３２が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって、変位電極２４０の変位部２４１が変位し、容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４を構成する電極の間隔が変化する。すると、容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ２０１〜Ｔ２０４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、ボタン２３２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、第１図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。
【０１６７】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ２１０は、複数の容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４を構成するために用いられる変位電極２４０が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ２００と容量結合されているため、センサ２１０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２１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ２０１、Ｃ２００；Ｃ２０２、Ｃ２００；…；Ｃ２０４、Ｃ２００がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４および基準電極Ｅ２００を支持する基板２２０だけに配線を設ければ、変位電極２４０を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０１６８】
また、複数の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４が形成され、検知部材２３１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。さらに、変位電極２４０が突起体２４５を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分を容易に検出することができる。また、決定操作用のスイッチ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。
【０１６９】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ２０１およびＥ２０２、Ｅ２０３およびＥ２０４）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。
【０１７０】
また、検知部材２３０が、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と、Ｅ２０５とのそれぞれに対応して分割されているため、外部からの力のＸ軸方向およびＹ軸方向とＺ軸方向と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。
【０１７１】
また、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して、基板２２０上を覆うように絶縁膜２５０、２５１が形成されるため、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。また、絶縁膜２５０、２５１を利用することにより、スイッチ用可動電極Ｅ２０８を基準電極Ｅ２００に容易に固定することができる。
【０１７２】
また、変位電極２４０および支持部材２６０が弾性体により形成されているため、検知部材２３０が外部から受けた力の変位電極２４０に対する伝達性がよくなり操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【０１７３】
次に、本発明の第４の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０１７４】
第２９図は、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。第３０図は、第２９図の静電容量式センサの基板と平行に配置された電極の配置を示す図である。第３１図は、第２９図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。
【０１７５】
静電容量式センサ３１０は、基板３２０と、検知部材３３０と、導電性部材３４０と、基板３２０上に形成された容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００と、導電性部材３４０を基板３２０に対して支持固定する支持機構３６０と、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に密着して基板３２０上を覆うように形成された絶縁膜３５０と、導電性部材３４０に密着して支持機構３６０の一部品である支持部材３６１上を覆うように形成された絶縁膜３５１と、導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間に配置された絶縁性部材３８０とを有している。なお、支持機構３６０は、貫通孔３６２を有する支持部材３６１と、スペーサ３６３と、ネジ３６４とを有しており、スペーサ３６３は基準電極Ｅ３００の外径よりも大きな径を有するリング状の部材で、その高さは、絶縁性部材３８０および絶縁膜３５０、３５１の厚さの合計とほぼ同じである。
【０１７６】
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、第２９図では、基板３２０上に原点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３２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板３２０上の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４、基準電極Ｅ３００、検知部材３３０（外部から力が作用していない状態）、導電性部材３４０および貫通孔３６２のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【０１７７】
基板３２０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３２０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。
【０１７８】
検知部材３３０は、受力部となる円筒形状に形成されており、支持部材３６１の貫通孔３６２の範囲内において、基板３２０に対して平行移動が可能となっている。なお、操作性を向上させるために、検知部材３３０の形状は適宜変更してもよい。
【０１７９】
また、基板３２０上には、第３０図に示すように、原点Ｏを中心とする扇形の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ３００とが形成されている。一対の容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２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、一対の各量素子用電極Ｅ３０３およびＥ３０４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Ｅ３００は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４に内部に形成されてもよい。
【０１８０】
導電性部材３４０は、Ｚ軸を中心とするリング状の電極で、その内径は容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４の内径と同一であり、その外形は基準電極Ｅ３００の外径と同一であり、支持部材３６１の下面に容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に対向するように付着されている。絶縁膜３５０が、基板３２０上の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に密着して、基板３２０上を覆うように形成されている。また、絶縁膜３５１が、導電性部材３４０に密着して、支持部材３６１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導電性部材３４０、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００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。
【０１８１】
絶縁性部材３８０は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４の外径よりも小さい外径を有する円盤状の部材で、絶縁膜３５０と絶縁膜３５１とに挟まれ、絶縁膜３５０、３５１に接するように配置されている。また、絶縁性部材３８０の上面の中心位置には、検知部材３３０が付着されている。ここで、絶縁性部材３８０は、合成樹脂を一体成形したものであり、この合成樹脂としてはその表面の摩擦係数が小さいものを使用するのが好ましい。なお、絶縁性部材３８０の形状は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００の形状および配置を考慮して適宜変更してもよい。
【０１８２】
ここでは、容量素子用電極Ｅ３０１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Ｅ３０２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Ｅ３０３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Ｅ３０４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。
【０１８３】
また、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ３００〜Ｔ３０４（第３２図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ３００〜Ｔ３０４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Ｅ３００は、端子Ｔ３００を介して接地されている。
【０１８４】
このように、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、それぞれ導電性部材３４０との間で容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を構成する。なお、導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３０との間の誘電率は、それぞれの電極間を絶縁性部材３８０が変位することにより変化し、それにともなって容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値も変化するようになっている。
【０１８５】
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３１０の動作について、図面を参照して説明する。第３２図は、第２９図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。第３３図は、第２９図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。第３４図は、第２９図に示す静電容量式センサの検知部材に外部からの操作が施されていない場合の容量素子用電極と絶縁性部材の位置関係を示す図である。第３５図は、第２９図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容量素子用電極と絶縁性部材の位置関係を示す図である。
【０１８６】
まず、静電容量式センサ３１０の構成と等価な回路構成について、第３２図を参照して説明する。基板３２０上に形成された容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、導電性部材３４０と対向しており、共通の電極である固定された導電性部材３４０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間で容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を形成している。容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４は、それぞれ導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間における絶縁性部材３８０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。
【０１８７】
容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値は、導電性部材３４０と、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００のそれぞれに接続された端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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Ｅ３００は、端子Ｔ３００を介して接地されており、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４における共通の電極である導電性部材３４０は、容量素子Ｃ３００および端子Ｔ３００を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ３００は、導電性部材３４０を端子Ｔ３００に電気的に結合する機能を有している。
【０１８８】
次に、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値の変化から、検知部材３３０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、第３３図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。
【０１８９】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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。例えば、端子Ｔ３０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ３０１とＣ３００は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ３０２とＣ３００は端子Ｔ３０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３０３とＣ３００は端子Ｔ３０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３０４とＣ３００は端子Ｔ３０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１９０】
端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４に周期信号が入力されている状態で検知部材３３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって、絶縁性部材３８０がＸＹ平面内において移動する。すると、絶縁性部材３８０の端部位置に応じて容量素子用電極と導電性部材３４０との間の合成誘電率が変化して、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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３３０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、第１図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。
【０１９１】
次に、第２９図に示す検知部材３３０に力が作用していないときの状態において、検知部材３３０にＸ軸正方向への操作が施された場合を考える。
【０１９２】
まず、検知部材３０に操作が施されていない場合の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０の位置関係は、第３４図に示すように、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４のそれぞれの内径側から外径側に向かう幅のおよそ半分までの範囲（図中の斜線部分）が重なり合っている。
【０１９３】
第３４図において、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積をＳ１、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合わない部分の面積をＳ２とすると、各容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４の静電容量値はすべて等しい値となり、次のようになる。
【０１９４】
【０１９５】
ここで、各容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４の電極間の間隔をｄ、空気中の誘電率をε、絶縁性部材３８０の誘電率をε１とする。なお、絶縁膜３５０、３５１の厚さは、ｄに比べて十分小さく、各電極間に均一に形成されているため、ここでは簡単のため無視することにする。
【０１９６】
次に、検知部材３３０にＸ軸正方向への操作が施された場合を考える。このとき、検知部材３３０がＸ軸正方向に操作されることにより、絶縁性部材３８０はＸ軸正方向に変位する。このときの容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０の位置関係は、第３５図に示すように、Ｘ軸正方向に対応するＥ３０１と導電性部材３８０とが重なり合う部分の面積が増加し、一方、Ｘ軸負方向に対応するＥ３０２と導電性部材３８０とが重なり合う部分の面積が減少する。また、このとき、Ｙ軸正方向に対応するＥ３０３およびＹ軸負方向に対応するＥ３０４と導電性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積はほとんど変化しないと考えられる。
【０１９７】
第３５図において、容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積をそれぞれＳ３、Ｓ５とし、容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合わない部分の面積をそれぞれＳ４、Ｓ６とすると、各容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値は、異なる値となり、次のようになる。
【０１９８】
【０１９９】
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の誘電率および電極の面積に比例する。したがって、絶縁性部材３８０の誘電率ε１が空気中の誘電率εよりも小さい場合の容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【０２００】
Ｃ３０１＜Ｃ３０２
【０２０１】
一方、絶縁性部材３８０の誘電率ε１が空気中の誘電率εよりも大きい場合の容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【０２０２】
Ｃ３０２＜Ｃ３０１
【０２０３】
なお、一般的には、絶縁性部材３８０の誘電率ε１は空気中の誘電率εより大きいことが多い。
【０２０４】
このとき、端子Ｔ３０１およびＴ３０２に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘが導出される。
【０２０５】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ３１０は、複数の容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を構成するために共通に用いられる導電性部材３４０が、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Ｅ３００と電気的に結合されるため、センサ３１０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３１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ３０１、Ｃ３００；Ｃ３０２、Ｃ３００；…；Ｃ３０４、Ｃ３００がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００を支持する基板３２０だけに配線を設ければ、導電性部材３４０を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０２０６】
また、複数の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４が形成され、検知部材３３０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。
【０２０７】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ３０１およびＥ３０２、Ｅ３０３およびＥ３０４）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。
【０２０８】
また、容量素子用電極Ｅ３００〜Ｅ３０４および導電性部材３４０に密着して、基板３２０または支持部材３６１上を覆うように絶縁膜３５０、３５１が形成されるため、容量素子用電極Ｅ３００〜Ｅ３０４および導電性部材３４０が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【０２０９】
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、上述の実施の形態では、検知部材と導電性部材とは、別体の部品として形成されているが、これらを一体に形成してもよい。したがって、検知部材および導電性部材が両方とも、導電性を有する部材で形成されていてもよい。
【０２１０】
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、検知部材がＺ軸方向に移動することによって変位電極（導電性部材）をＺ軸方向に変位させていたが、可撓性のある基板の裏側（基準電極とは反対側）に配置された検知部材が移動することによって容量素子用電極をＺ軸方向に変位させてもよい。
【０２１１】
また、上述の第４の実施の形態では、容量素子用電極および導電性部材を固定して、検知部材がＸＹ平面内で移動することによって絶縁性部材をＸＹ平面内で変位させていたが、これとは逆に、絶縁性部材を固定して、検知部材が移動することによって容量素子用電極および導電性部材をＸＹ平面内で変位させてもよい。なお、絶縁性部材を単一の部材によって形成することなく、例えば、同心円状の異なる誘電率を有する複数の部材を接合して形成するなど、絶縁性部材の構成を変更した場合でも同様の効果を得ることができる。
【０２１２】
また、上述の実施の形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のうちの少なくとも２方向に対応する容量素子用電極が形成されているが、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。
【０２１３】
また、上述の実施の形態では、静電容量式センサの検知部材に対して人の手によって直接的に作用した力を検出する力覚センサとして用いられているが、検知部材に対して他の部材を介して作用した力を検出するために用いることができる。したがって、例えば、検知部材に連結部材の一端が接続され、その他端に接続された位置検出の対象物の位置を検出するための位置センサとしても利用することもできる。また、この場合には、連結部材がなく、位置検出の対象物に検知部材を付着してもよいし、さらに、位置検出の対象物に直接導電性部材または絶縁性部材を付着してもよい。
【０２１４】
産業上の利用の可能性
本発明は、耐電圧特性が優れ、製造工程を簡略化でき、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として用いることができる静電容量式センサとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
第１図は、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。
第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
第３図は、第１図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。
第４図は、第１図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。
第５図は、第１図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。
第６図は、第１図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。
第７図は、第１図に示す静電容量式センサの検知部材にＺ軸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。
第８図は、第１図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。
第９図は、第１図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。
第１０図は、第１図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。
第１１図は、第１図の静電容量式センサの第１の変形例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。
第１２図は、第１図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。
第１３図は、第１図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。
第１４図は、第１図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。
第１５図は、第１図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。
第１６図は、第１図に示す信号処理回路および第１５図に示す信号処理回路の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。
第１７図は、第１図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。
第１８図は、第１図に示す静電容量式センサの第６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。
第１９図は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。
第２０図は、第１９図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。
第２１図は、第１９図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。
第２２図は、第１９図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。
第２３図は、第１９図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。
第２４図は、本発明の第３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。
第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。
第２６図は、第２４図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。
第２７図は、第２４図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。
第２８図は、第２４図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。
第２９図は、本発明の第４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。
第３０図は、第２９図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。
第３１図は、第２９図の静電容量式センサの支持部材の下面に形成されている導電性部材の形状を示す図である。
第３２図は、第２９図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。
第３３図は、第２９図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。
第３４図は、第２９図に示す静電容量式センサの検知部材に操作が施されていない場合の容量素子用部材と絶縁性部材との位置関係を示す図である。
第３５図は、第２９図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容量素子用部材と絶縁性部材との位置関係を示す図である。
第３６図は、従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
第３７図は、第３６図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。
第３８図は、従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
第３９図は、第３８図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。
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、耐電圧特性がよく、かつ、製造工程を簡略化することができる静電容量式センサに関する。
背景技術
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
例えば、日本国特開平７（１９９５）−２００１６４号公報には、第３６図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５２０上に設けられた弾性ゴム板５３０と、弾性ゴム板５３０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（第３７図参照）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、第３７図に示すように、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。
【０００４】
操作者が弾性ゴム板５３０を押下すると、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。
【０００５】
また、日本国特許第３０２０７３６号公報には、第３８図に示すような静電容量式加速度センサが開示されている。加速度センサ６１０は、固定基板６２０と、可撓基板６２１と、固定基板６２０上に設けられた固定電極６００と、可撓基板６２１上に設けられた変位電極６４１〜６４５（第３９図参照）と、作用体６３０と、装置筐体６６０とから構成されている。また、変位電極６４１〜６４５は、第３９図に示すように、Ｚ軸について対称に配置された４つの電極部６４１〜６４４と、これらの内側に配置された円盤状の電極部６４５とにより構成されている。また、固定電極６００は図示しない配線により接地されている。
【０００６】
ここで、作用点Ｐに力が作用すると、可撓基板６２１に撓みが生じることにより、変位電極６４１〜６４５が上方に変位して、これらと固定電極６００との間の距離が変化する。すると、５つの変位電極６４１〜６４５のそれぞれと固定電極６００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、作用点Ｐに作用し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。
【０００７】
上述のように、第３６図に示した力覚センサ５１０では、電極部５４０の外周部分を電極部５００と接触させることにより接地することができるため、電極部５４０を接地するための配線を必要としない。しかしながら、この力覚センサ５１０は、電極部５４０と電極部５００とが電気的に直接接続されているために、電極部５４０に大きな電圧が加わると電極部５００を支持する基板５２０にスパイク電流が流れ、力覚センサ５１０が故障或いは破損してしまう可能性があり、耐電圧特性という点で劣っている。また、電極部５４０と電極部５００との電気的接続が経年変化などによって不良になると、正確なセンサ出力が得られなくなってしまう。このように、第３６図に示した力覚センサ５１０は、信頼性という点で満足のいくものではない。
【０００８】
一方、第３８図に示した加速度センサ６１０は、信頼性の点では優れているものの、各容量素子がいわば並列関係となっているので、固定電極６００を接地するための配線を固定基板６２０に対して設ける必要があるとともに、外部からの信号を変位電極６４１〜６４５に供給するためにこれら電極を支持する可撓基板６２１にも配線を設ける必要がある。しかしながら、固定基板６２０および可撓基板６２１の両方に配線を設けることは、この種の加速度センサの構造および製造工程を複雑なものとしてしまう。
【０００９】
そこで、本発明の主な目的は、信頼性が高く、かつ、製造工程および構造が簡単な静電容量式センサを提供することである。
発明の開示
【００１０】
１つの観点では、本発明の静電容量式センサは、導電性部材と、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部 材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に移動するのにともなって前記導電性部材または前記一対の容量素子用電極を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１１】
さらなる観点では、本発明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ともなって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、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１２】
また、別の観点では、本発明の静電容量式センサは、導電性部材と、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置する絶縁性部材と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に移動するのにともなって前記絶縁性部材または前記導電性部材および前記一対の容量用素子を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材の前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に関する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としている。
【００１３】
また、さらに別の観点では、本発明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、前記基板と対向している導電性部材と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置し、前記検知部材がＸＹ平面に沿って変位するのにともなって前記基板に対して平行移動が可能に配置された絶縁性部材とを備え、前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材のＸＹ平面に対する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。
【００１４】
このような構成にすることにより、第１および第２の容量素子を構成するために共通に用いられる導電性部材が、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。それとともに、第１および第２の容量素子が直列に接続された関係となるので、容量素子用電極および基準電極を支持する基板などの部材だけに配線を設ければ、導電性部材を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の静電容量式センサでは、１つの基準電極が形成されていてよい。これによると、基準電極の製造が容易になる。
【００１６】
また、本発明の静電容量式センサでは、複数の基準電極が形成されていてよい。これによると、例えば、基準電極に囲まれるように容量素子用電極が配置されている場合でも、基準電極どうしの間隙を通して容量素子用電極の配線を容易に設けることができる。
【００１７】
また、本発明の静電容量式センサには、複数の一対の容量素子用電極が形成されていることが好ましい。これによると、各容量素子用電極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。
【００１８】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極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ものであってよい。これにより、一対の容量素子用電極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。
【００１９】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極の一方を含むＣＲ回路と他方を含むＣＲ回路との時定数が異なるものであってよい。このような構成によると、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。
【００２０】
また、本発明の静電容量式センサは、容量素子用電極に対して入力される信号が、ハイレベルとローレベルとを周期的に繰り返す信号であって、この信号がローレベルである時に第１の容量素子を放電させる機能を有する制御素子（オープンコレクタ型のインバータ素子など）が備えられているものであってよい。これによると、容量素子に保持された電荷が瞬時に放電されるため、効率よく充電ができるとともに、信号の波形の密度を増加させることができ、信号処理回路の精度を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極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、論理和演算または論理積演算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が好ましい。これによると、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。
【００２２】
また、本発明の静電容量式センサは、一対の容量素子用電極および基準電極に密着して、基板を覆うように形成された絶縁膜をさらに備えていることが好ましい。ここで、絶縁膜としては、薄膜状の樹脂フィルム、レジスト膜などが用いられる。これによると、容量素子用電極に密着して、基板上を覆うように絶縁膜が形成されるため、容量素子用電極が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【００２３】
また、本発明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ともなってＺ軸方向に変位する導電性部材と、前記基板上においてＹ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の第１の容量素子用電極と、前記基板上においてＸ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第２の容量素子を構成する一対の第２の容量素子用電極と、前記基板上において原点近傍に形成され、前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成する第３の容量素子用電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第４の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、前記第１の容量素子、前記第２の容量素子および前記第３の容量素子と前記第４の容量素子とが、前記第１〜第３の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記第１〜第３の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１〜第３の容量素子のそれぞれ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変位を認識可能であることを特徴としたものである。これによると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。なお、第３の容量素子用電極は、Ｚ軸方向の成分を認識するために使用しないで、入力の決定操作に使用してもよい。
【００２４】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材の第３の容量素子用電極と対向する位置に突起体が形成されているものであってよい。これによると、導電性部材が突起体を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分が容易に検出できるようになる。
【００２５】
また、本発明の静電容量式センサは、検知部材が、第１の容量素子用電極、第２の容量素子用電極および第３の容量素子用電極のそれぞれに対応して分割されているか、または、検知部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、第３の容量素子用電極とのそれぞれに対応して分割されていることが好ましい。このような構成によると、外部からの力のＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ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。
【００２６】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材の前記第１〜第３の容量素子用電極と対向する面の少なくとも一部が、凹凸面となっていることが好ましい。これによると、導電性部材の凹凸面と、容量素子用電極とが対向して容量素子を構成するため、この容量素子の静電容量がより細かく変化し、外部から受けた力の検出精度を向上させることができる。また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材が、検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって変位する変位部と、基板に固定された固定部と、変位部と固定部とを接続する接続部とを有し、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、基準電極が、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極の外側に形成されたものであってよい。
【００２７】
また、本発明の静電容量式センサは、基準電極が、それぞれ接地または一定の電位に保持された第１の基準電極および第２の基準電極を有し、導電性部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、第３の容量素子用電極とのそれぞれに対応して分割され、第１の基準電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、第１の基準電極の外側に形成され、第２の基準電極が、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極の外側に形成されたものであってよい。このような構成によると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３方向の成分を認識できるため、異なる３方向の操作を行うことができる。
【００２８】
また、本発明の静電容量式センサは、基準電極が、第３の容量素子用電極の外側に形成され、第１の容量素子用電極および第２の容量素子用電極が、基準電極の外側に形成され、基準電極に接触し、かつ、第３の容量素子用電極を覆うように配置された第４の容量素子用電極をさらに備え、検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって、導電性部材が変位することにより、第３の容量素子用電極と第４の容量素子用電極とが接触するような構成であってもよい。このような構成によると、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２方向の成分を認識できるため、異なる２方向の操作を行うことができる。さらに、第４の容量素子用電極を備えていることで入力の決定操作をすることができるとともに、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。
【００２９】
なお、これら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。
【００３０】
また、本発明の静電容量式センサでは、検知部材と導電性部材とが一体に形成されていてよい。このような構成では、検知部材および導電性部材が一体となっているため、製造しやすく、さらに、製造コストを低減することができる。
【００３１】
また、本発明の静電容量式センサでは、導電性部材が、弾性体により形成されていることが好ましい。このような構成によると、検知部材が外部から受けた力の導電性部材に対する伝達性がよくなり、操作性を向上させることができる。また、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【００３２】
また、本発明の静電容量式センサは、導電性部材を支持するための支持部材をさらに備え、支持部材が、弾性体により形成されていることが好ましい。このような構成では、支持部材が弾性体により形成されているため、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。さらに、支持部材とカバーケースとの間における防水性および防塵性を効果的に得ることができる。また、支持部材の弾性復帰力によって、力が解除されると自動的に導電性部材を元の位置に戻すことができる。
【００３３】
本発明において、導電性部材としては、例えば、導電性ゴム、導電性インク、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）が用いられる。
発明を実施するための最良の形態
【００３４】
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。
【００３５】
第１図は、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。第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。第３図は、第１図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。
【００３６】
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部材である検知部材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および基準電極（共通電極）Ｅ０と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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６０とを有している。
【００３７】
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、第１図では、基板２０上の変位電極４０の中心位置に対向する位置に原点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。
【００３８】
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。
【００３９】
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とほぼ同じか、それより若干小さく、下段部３２の径は、基準電極Ｅ０の外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。
【００４０】
また、検知部材３０の上段部３１の上面には、第２図に示すように、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。
【００４１】
変位電極４０は、導電性を有するゴムで形成され、検知部材３０の下段部３２と同一の径を有する円盤状であり、検知部材３０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する円形で下方に開いた凹部が形成されている。さらに、その凹部の底部には、変位電極４０の中心位置を中心とする円形で下方に突出した凸部が形成され、その凸部の中心位置（変位電極４０の中心位置）には突起体４５が形成されている。このように、変位電極４０は、検知部材３０の変位にともなって変位する変位部４１（変位電極４０の下面に形成された凹部底部の凸部）と、最も外周よりの固定部４３（変位電極４０の下面に形成された凹部以外の部分）と、変位部４１と固定部４３とを接続する接続部４２（変位電極４０の下面に形成された凹部底部の凸部以外の部分）とにより形成されている。なお、突起体４５は無くてもよいし、変位電極４０は、導電性を有する金属によって形成してもよい。
【００４２】
このように、変位電極４０の中心位置に突起体４５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が突起体４５を支点として傾くことができるようになっている。また、変位電極４０は、固定部４３の下面および突起体４５の下面が基板２０上に形成された絶縁膜５０に密着するように、支持部材６０によって、検知部材３０とともに支持固定されている。
【００４３】
また、基板２０上には、第３図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ０とが形成されている。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。なお、基準電極Ｅ０は、容量素子用電極Ｅ５と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間に形成されてもよい。また、容量素子用電極Ｅ５を無くし、原点Ｏを中心とする円形の基準電極Ｅ０を形成してもよい。ただし、この場合には、Ｚ軸方向成分は検出できなくなる。
【００４４】
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、各量素子用電極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。さらに、容量素子用電極Ｅ５は、原点Ｏ上に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【００４５】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０〜Ｔ５（第４図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ０〜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。
【００４６】
また、絶縁膜５０が、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０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５０が形成されているため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０と、変位電極４０とが直接接触することはない。
【００４７】
したがって、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、それぞれ変位電極４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５は、変位電極４０の変位部４１との間でそれぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成し、また、基準電極Ｅ０は、変位電極４０の固定部４３との間で容量素子Ｃ０を構成する。
【００４８】
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。第４図は、第１図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。第５図は、第１図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。第６図は、第１図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。第７図は、第１図に示す静電容量式センサの検知部材にＺ軸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。
【００４９】
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、第４図を参照して説明する。基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０は、変位電極４０と対向しており、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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０との間で容量素子Ｃ０〜Ｃ５を形成している。容量素子Ｃ１〜Ｃ５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。
【００５０】
容量素子Ｃ０〜Ｃ５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〜Ｅ５および基準電極Ｅ０のそれぞれに接続された端子Ｔ０〜Ｔ５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おり、容量素子Ｃ１〜Ｃ５における共通の電極である変位電極４０は、容量素子Ｃ０および端子Ｔ０を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ０は、変位電極４０と端子Ｔ０とを容量結合している。
【００５１】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ５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、第５図を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００５２】
なお、第５図に示す容量素子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おり、容量素子Ｃ６を構成する一方の電極は出力信号Ｖｚを導出するＣ／Ｖ変換回路に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ６は、容量素子Ｃ５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。
【００５３】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１〜Ｔ６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。例えば、端子Ｔ１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１とＣ０は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ２とＣ０は端子Ｔ２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３とＣ０は端子Ｔ３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ４とＣ０は端子Ｔ４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ５とＣ０は端子Ｔ５に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【００５４】
端子Ｔ１〜Ｔ６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、これにともなって変位電極４０がＺ軸方向に変位し、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１〜Ｔ６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、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。
【００５５】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１〜Ｔ６に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５に対しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６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〜Ｃ５の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１〜Ｔ５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。なお、容量素子Ｃ６の静電容量値は変化しないため、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれは生じない。
【００５６】
すなわち、外部からの力にＸ軸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とともに、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軸負方向成分に対応している。したがって、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれである。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。
【００５７】
また、外部からの力にＹ軸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とともに、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軸負方向成分に対応している。したがって、端子Ｔ３に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ４に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれである。このように、端子Ｔ３および端子Ｔ４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。
【００５８】
さらに、外部からの力にＺ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ５の静電容量値が変化し、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。また、容量素子Ｃ６の静電容量値は一定に保たれているため、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれが生じない。したがって、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａにのみ位相のずれが生じ、この周期信号Ａ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Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚの符号が、外部からの力のＺ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Ｚ軸方向成分の大きさを示す。
【００５９】
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、検知部材３０に対する力の加わり方によっては、次のような場合が考えられる。例えば、Ｘ軸方向について考えると、変位部４１のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とが、突起体４５を支点として互いに上下反対方向に変位することなく、Ｘ軸正方向部分およびＸ軸負方向部分がともに下方へと変位し、かつ、そのときのそれぞれの変位量が異なる場合がある。この場合には、端子Ｔ１および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の位相には、同じ方向のずれが生じることとなるが、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。
【００６０】
次に、第１図に示す検知部材３０に力が作用していないときの状態において、第６図に示すように、検知部材３０にＸ軸正方向への操作が施された場合、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。
【００６１】
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の接続部４２が弾性変形を生じてたわみ、変位部４１のＸ軸正方向部分は下方へと変位し、やがて変位部４１のＸ軸正方向部分の下面が絶縁膜５０に接触する位置まで変位する。また、このとき、変位部４１のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とは、突起体４５を支点として互いに上下反対方向に変位するようになっている。したがって、変位部４１のＸ軸正方向部分が下方へと変位したときには、変位部４１のＸ軸負方向部分は、突起体４５を支点として、上方へと変位する。
【００６２】
また、変位部４１のＹ軸正方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。同様に、Ｙ軸負方向部分のＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位する。また、このとき、変位部４１の中心位置（Ｚ軸上）に形成された突起体４５は、押しつぶされて弾性変形する。
【００６３】
したがって、変位部４１のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１との間隔は小さくなり、一方、変位部４１のＸ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ２との間隔は大きくなる。また、変位部４１のＹ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ３との間隔、および、変位部４１のＹ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ４との間隔は変化しないと考えられる。実際には、上述のように、変位部４１のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分のそれぞれＸ軸正方向側は下方に若干変位し、Ｘ軸負方向側は上方に若干変位するが、変位部４１のＹ軸正方向部分およびＹ軸負方向部分全体としての容量素子用電極Ｅ３およびＥ４との間隔は変化しないと考えられる。また、変位部４１の中心位置と容量素子用電極Ｅ５との間隔は小さくなる。
【００６４】
そして、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のなかで、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５と変位電極４０との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ５の静電容量値のみが変化する。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ことより、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２の静電容量値は小さくなる。すなわち、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【００６５】
Ｃ２＜Ｃ３＝Ｃ４＜Ｃ１
【００６６】
なお、容量素子Ｃ５の静電容量値は、元の値より大きくなる。
【００６７】
このとき、端子Ｔ１および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の位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘが導出される。同様に、端子Ｔ５に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、その位相のずれ（実際には、端子Ｔ６に入力された周期信号Ｂの位相とともに）を読み取ることによって出力信号Ｖｚが導出される。
【００６８】
次に、第１図に示す検知部材３０に力が作用していないときの状態において、第７図に示すように、検知部材３０にＺ軸正方向への操作が施された場合、すなわち、検知部材３０の上段部３１に形成された４つの矢印の中央部分を基板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。
【００６９】
検知部材３０の中央部分が押し下げられることにより、変位電極４０の接続部４２が弾性変形を生じてたわみ、変位部４１はＺ軸負方向へと変位し、変位部４１の中心位置（Ｚ軸上）に形成された突起体４５が、押しつぶされて弾性変形する。
【００７０】
したがって、変位部４１は水平を保った状態で下方へと変位し、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５と変位部４１とのそれぞれの間隔は同じ間隔を保ったまま変位し、それぞれの間隔が一様に小さくなる。したがって、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のすべての静電容量値が大きくなる。ここで、それぞれの容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【００７１】
Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４
【００７２】
なお、容量素子Ｃ５の静電容量値は、元の値より大きくなる。ただし、その変化量は、検知部材３０の中央部分を押し下げた場合（第７図に示す場合）は、検知部材３０に対する押し込み量がそのまま変位電極４０と容量素子用電極Ｅ５との間隔の変化となるため、Ｘ軸正方向の操作が施された場合（第６図に示す場合）よりも大きくなる。
【００７３】
このとき、端子Ｔ１〜Ｔ５に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚが導出される。
【００７４】
次に、端子Ｔ１〜Ｔ６に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ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。第８図は、第１図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。
【００７５】
上述のように、端子Ｔ１〜Ｔ６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〜Ｔ６には、インバータ素子Ｉ１〜Ｉ６および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６が、端子Ｔ１〜Ｔ６側からインバータ素子Ｉ１〜Ｉ６、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の順にそれぞれ接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端および抵抗素子Ｒ５、Ｒ６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８１〜８３が接続されており、その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１３に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に接続され、それぞれ変位電極４０との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成している。また、変位電極４０は、容量素子Ｃ０を介して接地されている。
【００７６】
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、第９図を参照して説明する。第９図（ａ）および第９図（ｂ）は、第１図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（第８図の一部分）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。また、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として、同一の素子を用いているため、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。ここで、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２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。したがって、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可能であればこれらのインバータ素子Ｉ１、Ｉ２はなくてもよい。したがって、第９図（ｂ）は、第９図（ａ）の信号処理回路に含まれるインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を省いたものであるため、回路としては第９図（ａ）と全く等価なものであると考えられる。
【００７７】
次に、第９図の回路の動作について、第１０図を参照して説明する。第１０図は、第９図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。なお、第１０図は、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２の影響を無視して描かれている。
【００７８】
第９図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に対応している）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に対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）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、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）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Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００７９】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００８０】
なお、厳密には、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号には、信号処理回路にインバータ素子Ｉ１、Ｉ２が含まれる場合は、それぞれインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を通過することによっても、所定の遅延を生じると考えられる。しかし、上述のとおり、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として同一の素子を用いているため、２つの経路におけるインバータ素子に起因する遅延時間は同一であると考えられ、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されるときに互いに打ち消されるので、ここではインバータ素子に起因する遅延時間の説明は省略している。
【００８１】
このように、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信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（第１０図参照）。
【００８２】
ここで、上述した検知部材３０にＸ軸正方向への操作が施された場合（第６図参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２と変位電極４０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、検知部材３０に操作が施されていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１１と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１１’とする（第９図参照）。
【００８３】
このとき、第９画の信号処理回路において、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、また、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）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、第１０図に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）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Ｘ２’における周期信号には、時間ｂ−Δｂの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ２’の静電容量値が容量素子Ｃ２よりも小さくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が小さくなったためである。
【００８４】
このように、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信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、第１０図に示すように、検知部材３０に操作が施されていない場合において、端子Ｔ１１に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００８５】
ここで、静電容量式センサ１０では、上述のように、変位電極４０の中心位置に突起体４５が形成され、変位電極４０が、突起体４５を支点として変位するため、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は、一方が大きくなると他方が小さくなるというように、大小反対に変化することが多い。これにより、それぞれの容量素子Ｃ１’、Ｃ２’が構成するＣＲ遅延回路の時定数も同様に変化し、出力される矩形波信号のデューティ比の変化が著しくなるため、検知部材３０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００８６】
なお、Ｚ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するための信号処理回路（第８図参照）は、端子Ｔ５に入力された信号にのみＣＲ遅延回路を通過することにより所定の遅延を生じるが、端子Ｔ６に入力された信号はＣＲ遅延回路を通過しないためＣＲ遅延回路による遅延は生じない。このように、一方の信号にのみ遅延が生じる回路においても、上述と同様にして、検知部材３０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００８７】
以上のように、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化が、端子Ｔ１１における波形のデューティ比の変化として検出され、この信号を整流回路を通過させて整流することにより、このデューティ比を電圧値に変換して利用することができる。また、Ｔ１１における信号のハイレベル（Ｈｉ）またはローレベル（Ｌｏ）の時間を、より周波数の高いクロック信号でカウントすれば、デューティ比をデジタルカウント値に変換して利用することもできる。
【００８８】
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ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）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ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００８９】
次に、本実施の形態の静電容量式センサ１０の製造方法について説明する。静電容量式センサ１０を製造するには、まず、基板２０上に基準電極Ｅ０および容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および導電性の配線（回路）をパターン形成する。しかる後、基準電極Ｅ０および容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に密着して、基板２０上を覆うように絶縁膜５０をパターン形成する。
【００９０】
次に、絶縁膜５０上に変位電極４０を配置し、さらに変位電極４０上に検知部材３０を配置する。その後、変位電極４０および検知部材３０の外周に沿った円筒形状を有し上端部が内側に突出した支持部材６０を基板２０に固定配置することによって、変位電極４０および検知部材３０が絶縁膜５０からずれるのを防止する。しかる後、必要な電気配線を施すことによって、本実施の形態の静電容量式センサ１０の製造が完了する。
【００９１】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１０は、複数の容量素子Ｃ０〜Ｃ５を構成するために共通に用いられる変位電極４０が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ０と容量結合を介して電気的に結合されるため、直接基準電極Ｅ０と接触することによって電気的に接続される必要がなくなる。これにより、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、周期信号に対して容量素子Ｃ１、Ｃ０；Ｃ２、Ｃ０；…；Ｃ５、Ｃ０がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極および基準電極を支持する基板２０だけに配線を設ければ、変位電極４０を接地または一定の電位に保持するために配線を設ける必要がなくなる。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【００９２】
また、複数の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５が形成され、検知部材３０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。さらに、変位電極４０が突起体４５を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分を容易に検出することができる。
【００９３】
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。
【００９４】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０に密着して、基板２０上を覆うように絶縁膜５０が形成されるため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５および基準電極Ｅ０が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【００９５】
また、変位電極４０および支持部材６０が弾性体により形成されているため、検知部材３０が外部から受けた力の変位電極４０に対する伝達性がよくなることで、操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【００９６】
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。第１１図は、第１の変形例に係る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。
【００９７】
第１の変形例に係る静電容量式センサは、第１図の静電容量式センサにおける基板２０上の基準電極Ｅ０の構成を変更し、第１１図に示すように、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４が形成されたものである。なお、その他の構成は、第１図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。
【００９８】
基板２０上には、第１１図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、さらにその外側に扇形の基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４とが形成されている。ここで、容量素子用電極Ｅ１と基準電極Ｅ０１、容量素子用電極Ｅ２と基準電極Ｅ０２、容量素子用電極Ｅ３と基準電極Ｅ０３および容量素子用電極Ｅ４と基準電極Ｅ０４のそれぞれの扇形の中心角は同一であり、それぞれの中心位置が一致するように形成されている。
【００９９】
第１２図は、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。第１２図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、基板２０上の基準電極Ｅ０１、Ｅ０２が、容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２のそれぞれに対して別々に分割されて形成されている点である。このため、変位電極４０は容量素子Ｃ０１、Ｃ０２を介してそれぞれ別々接地されている。なお、このことはＹ軸方向成分の検出に関しても同様である。
【０１００】
このように、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４を複数の分割して形成すると、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４に囲まれるように配置された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４がある場合でも、基準電極Ｅ０１〜Ｅ０４どうしの間隙を通して容量素子用電極の配線を容易に設けることができる。なお、この変形例では、基準電極が４つに分割されているが、基準電極の分割数量、形状および配置はどのようなものであってもよく、基板上の配線の配置を考慮して適宜変更することが可能である。
【０１０１】
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。第１３図は、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。第１３図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１、２に対して、位相をずらすことなく、同一の位相の周期信号をそれぞれの端子に入力している点である。なお、その他の構成は、第１図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。
【０１０２】
ここで、端子Ｔ１、２に対して同一の位相の周期信号を入力する場合には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として、それぞれの抵抗値が異なるものを用いるのが好ましい。このように、抵抗値の異なる抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を用いることにより、ＥＸ−ＯＲ素子８１において容易に検出できるようになる。なお、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として、それぞれの抵抗値が同一のものを用いてもよい。
【０１０３】
このような回路を用いると、周期信号に対して位相差を発生させる構成が不必要になり、信号処理回路の構成を簡略化することができる。
【０１０４】
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。第１４図は、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。第１４図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１、Ｔ２に対して入力する周期信号の位相差を発生する構成として、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、その両方の経路にＣＲ遅延回路を設けている点である。なお、その他の構成は、第１図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】
周期信号の位相差を発生する構成は、交流信号発振器９０と、抵抗素子Ｒ１１、Ｒ１２と、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２とを有し、抵抗素子Ｒ１１および容量素子Ｃ１１によってＣＲ遅延回路を構成され、また抵抗素子Ｒ１２および容量素子Ｃ１２によってＣＲ遅延回路がそれぞれ構成されている。交流信号発振器９０から出力された周期信号は２つの経路に分けられ、それぞれ異なるＣＲ遅延回路を通ることにより、周期信号には異なる位相の遅延が生じる。
【０１０６】
このように、両方の経路にＣＲ遅延回路を設ける場合には、２つのＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子または容量素子のいずれか、または、両方の値が異なるものを用いられるのが好ましい。上記のような構成にすると、２つのＣＲ遅延回路を通過する周期信号に異なる位相の遅延を生じさせ、その結果、異なる位相の周期信号が、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力される。
【０１０７】
ここで、ＣＲ遅延回路を構成する抵抗素子は温度の影響を受けやすいため、上述の２つの経路の片方の経路にＣＲ遅延回路を設けた場合には、片方の経路のみ温度の影響を受け、信号処理回路の温度特性が悪くなるが、両方の経路にＣＲ遅延回路を設けることにより、２つの経路において温度の影響を打ち消しあうことができ、信号処理回路の温度特性をが向上させることができる。
【０１０８】
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。第１５図は、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。第１５図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、端子Ｔ１と抵抗素子Ｒ１および容量素子Ｃ１との間にオープンコレクタ型のインバータ素子９１が配置され、同様に端子Ｔ２と抵抗素子Ｒ２および容量素子Ｃ２との間にオープンコレクタ型のインバータ素子９２が配置されており、また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の端子Ｔ１、Ｔ２に接続されている方と反対側の電位が一定の電位Ｖｃｃに保持されている点である。なお、その他の構成は、第１図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。オープンコレクタ型のインバータ素子９１、９２は、容量素子用電極に対して入力されるハイレベルとローレベルとを周期的に繰り返す信号がハイレベルであるときにはＥＸ−ＯＲ素子の入力端の状態に影響を与えないが、ローレベルである時には第１の容量素子を放電させる機能を有する制御素子である。
【０１０９】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２に、周期信号を入力した場合の第９図に示す信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および第１５図に示す信号処理回路の節点Ｘ１１、Ｘ１２における電位の変化について、第１６図を参照して説明する。なお、ここでは、節点Ｘ１と節点Ｘ１１における電位の変化についてのみ説明する。
【０１１０】
第１６図に示すように、「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号を繰り返す周期信号が端子Ｔ１に入力された場合を考えると、「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。一方、節点Ｘ１１における電位は、「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の電荷がオープンコレクタ型のインバータ素子９１を介して瞬時に放電されることにより瞬時に減少するという変化を繰り返す。
【０１１１】
なお、実際には、節点Ｘ１、Ｘ１１のそれぞれの電位の波形は、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、コンパレータのしきい値としては、Ｖｃｃ／２に設定するのが好ましい。このように、節点Ｘ１、Ｘ１１の電位の波形は、コンパレータを介することにより、第１６図に示すように、互いに異なるデューティ比を有する矩形波Ｘ１ａ、Ｘ１１ａに変換される。
【０１１２】
このような構成によると、各容量素子に保持された電荷が瞬時に放電されるため、効率よく充電ができるとともに、第１６図の信号処理回路の方が第９図の信号処理回路よりも周期信号の波形の密度を増加させることができ、信号処理回路の精度を向上させることができる。
【０１１３】
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。第１７図は、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。第１７図の信号処理回路が、第１図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、第１図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。
【０１１４】
第１７図において、端子Ｔ１に入力された周期信号ｆ（φ）には、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、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力された周期信号ｆ（φ＋θ）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、時間ｂの遅延が生じている。したがって、第９図と同様に、ＯＲ素子８４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Ｔ１１ａに対して出力される。ここで、端子１１ａ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。
【０１１５】
ここで、端子１１ａ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大きくなり、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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
次に、本発明の第１の実施の形態の第６の変形例について、図面を参照しつつ説明する。第１８図は、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。第１８図の信号処理回路が、第１図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、第１図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。
【０１１８】
第１８図において、節点Ｘ１における周期信号は、第１０図に示すように、時間ａの遅延が生じる。同様に、端子Ｔ２に入力された周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過することにより、節点２における周期信号は、時間ｂの遅延が生じる。したがって、第９図と同様に、ＡＮＤ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積演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１ｂに対して出力される。ここで、端子１１ｂ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。
【０１１９】
ここで、端子１１ｂ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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
第１９図は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの側面の模式的な断面図である。第２０図は、第１９図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。第２１図は、第１９図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。
【０１２３】
静電容量式センサ１１０は、基板１２０と、検知用ボタン１３０と、変位電極１４０と、基板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂと、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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、検知用ボタン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１６０と、検知用ボタン１３０の間を仕切るように配置されたカバーケース１７０とを有している。
【０１２４】
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、第１９図では、基板１２０上の変位電極１４１の中心位置に対向する位置に原点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上の容量素子用電極Ｅ１０５、検知用ボタン１３１および変位電極１４１のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
検知用ボタン１３０は、原点を中心とする円形のボタン１３１と、ボタン１３１の外側に配置されたリング状のボタン１３２とから構成されている。ここで、ボタン１３１の径は、基準電極Ｅ１００ａの外径とほぼ同じか、それより若干小さく、ボタン１３２の外径は、基準電極Ｅ１００ｂの外径とほぼ同じである。
【０１２７】
また、検知部材１３２の上面には、第２０図に示すように、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。
【０１２８】
変位電極１４０は、導電性を有するゴムで形成されており、原点を中心とする円形の変位電極１４１と、変位電極１４１の外側に配置されたリング状の変位電極１４２とから構成されている。ここで、変位電極１４１の径は、基準電極Ｅ１００ａの外径とほぼ同じであり、変位電極１４２の外径は、基準電極Ｅ１００ｂの外径とほぼ同じである。また、変位電極１４１の容量素子用電極Ｅ１０５と対向する面は、凹凸面となっている。
【０１２９】
また、支持部材１６０の一方の面には、変位電極１４１よりも若干大きいＺ軸を中心とする円形で下方に開いた凹部と、変位電極１４２の幅よりも若干大きいＺ軸を中心とするリング状で下方に開いた凹部とが形成されている。そして、これらの凹部の底部に変位電極１４１および変位電極１４２がそれぞれ付着している。そして、変位電極１４１と変位電極１４２との間は、隔壁１６１によって仕切られている。なお、隔壁１６１が形成されているために、ボタン１３１およびボタン１３２の操作が相互に干渉するのを軽減することができる。また、支持部材１６０の他面には、変位電極１４１に対応する位置にボタン１３１が付着され、変位電極１４２に対応する位置にボタン１３２が付着されている。さらに、支持部材１６０の上面において、ボタン１３１とボタン１３２との間を仕切るようにカバーケース１７０が配置されている。
【０１３０】
また、基板１２０上には、第２１図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ１０５と、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ１００ａと、さらに、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、さらに、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ１００ｂとが形成されている。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。
【０１３１】
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、容量素子用電極Ｅ１０５は、原点Ｏ上に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【０１３２】
また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１０１〜Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂ（第２２図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂを通じて外部の電子回路へと接続されるようになっている。なお、ここでは、基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、端子Ｔ１００ａ、Ｔ１００ｂを介してそれぞれ接地されている。
【０１３３】
また、絶縁膜１５０が、基板１２０上の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂ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、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂと、変位電極１４０とが直接接触することはない。
【０１３４】
したがって、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂは、それぞれ変位電極１４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａは、変位電極１４１との間でそれぞれ容量素子を構成し、また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１００ｂは、変位電極１４２との間で容量素子を構成する。
【０１３５】
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。第２２図は、第１９図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。第２３図は、第１９図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。
【０１３６】
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、第２２図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Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａは、変位電極１４１と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極１４１と固定された個別の容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａとの間でそれぞれ容量素子Ｃ１０５、Ｃ１００ａを形成している。また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４およびＥ１００ｂは、変位電極１４２と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極１４２と固定された個別の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４およびＥ１００ｂとの間で、それぞれ容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４およびＣ１００ｂを形成している。したがって、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂは、変位電極１４１または変位電極１４２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。
【０１３７】
容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂのそれぞれの静電容量値は、変位電極１４１と、容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａのそれぞれに接続された端子Ｔ１０５、Ｔ１００ａ、または、変位電極１４２と、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１００ｂのそれぞれに接続された端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４、Ｔ１００ｂ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。
【０１３８】
ここで、基準電極Ｅ１００ａは、端子Ｔ１００ａを介して接地されているため、容量素子Ｃ１０５、Ｃ１００ａにおける共通の電極である変位電極１４１は、容量素子Ｃ１００ａおよび端子Ｔ１００ａを介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ１００ａは、変位電極１４１と端子Ｔ１００ａとを容量結合している。同様に、基準電極Ｅ１００ｂは、端子Ｔ１００ｂを介して接地されているため、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４、Ｃ１００ｂにおける共通の電極である変位電極１４２は、容量素子Ｃ１００ｂおよび端子Ｔ１００ｂを介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ１００ｂは、変位電極１４２と端子Ｔ１００ｂとを容量結合している。
【０１３９】
次に、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａ、Ｃ１００ｂのそれぞれの静電容量値の変化から、ボタン１３０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、第２３図を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分およびＺ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【０１４０】
なお、第２３図に示す容量素子Ｃ１０６は、常に一定の静電容量値を保つように基板１２０の下面に形成されており、容量素子Ｃ１０６を構成する一方の電極は端子Ｔ１０６に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ１０６は、容量素子Ｃ１０５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、第５図で説明したのと同様にして、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６に対して、常にブロック信号などの周期信号が入力される。例えば、端子Ｔ１０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１０１とＣ１００ｂは直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ１０２とＣ１００ｂは端子Ｔ１０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０３とＣ１００ｂは端子Ｔ１０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０４とＣ１００ｂは端子Ｔ１０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０５とＣ１００ａは端子Ｔ１０５に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１４１】
端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６に周期信号が入力されている状態で検知用ボタン１３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極１４１または変位電極１４２が変位する。すると、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５を構成する電極の間隔が変化して、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５のそれぞれの静電容量値が変化する。これにより、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０６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、ボタン１３１またはボタン１３２が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。なお、導出方法の詳細については、第１図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。
【０１４２】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１１０は、複数の容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５、Ｃ１００ａおよびＣ１００ｂを構成するために用いられる変位電極１４１、１４２が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂと容量結合されているため、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１１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ１０１、Ｃ１００ｂ；Ｃ１０２、Ｃ１００ｂ；…；Ｃ１０５、Ｃ１００ａがそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、Ｅ１００ｂを支持する基板１２０だけに配線を設ければ、変位電極１４１、１４２を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０１４３】
また、複数の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５が形成され、検知部材１３１、１３２が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ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。また、変位電極１４１の容量素子用電極Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａと対向する面が凹凸面となっており、容量素子用電極Ｅ１０５と対向して容量素子Ｃ１０５を構成するため、この容量素子Ｃ１０５の静電容量がより細かく変化し、外部から受けた力の検出精度が向上させることができる。
【０１４４】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ１０１およびＥ１０２、Ｅ１０３およびＥ１０４）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。
【０１４５】
また、検知部材１３０が、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、容量素子用電極Ｅ１０５とのそれぞれに対応して分割されているため、外部からの力のＸ軸方向およびＹ軸方向とＺ軸方向と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】
また、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂに密着して、基板１２０上を覆うように絶縁膜１５０が形成されるため、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５および基準電極Ｅ１００ａ、１００ｂが空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【０１４７】
また、変位電極１４０および支持部材１６０が弾性体により形成されているため、検知部材１３０が外部から受けた力の変位電極１４０に対する伝達性がよくなり操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【０１４８】
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０１４９】
第２４図は、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。第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。第２６図は、第２４図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。
【０１５０】
静電容量式センサ２１０は、基板２２０と、検知用ボタン２３０と、変位電極２４０と、基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と、スイッチ用固定電極Ｅ２０５と、スイッチ用可動電極Ｅ２０８と、基準電極Ｅ２００と、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４に密着して基板２２０上を覆うように形成された絶縁膜２５０と、スイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して絶縁膜２５０上を覆うように形成された絶縁膜２５１と、検知用ボタン２３０および変位電極２４０を基板２２０に対して支持固定する支持部材２６０と、検知用ボタン２３０の間を仕切るように配置されたカバーケース２７０とを有している。
【０１５１】
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、第２４図では、基板２２０上の変位電極２４０の中心位置に対向する位置に原点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２２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２２０上のスイッチ用固定電極Ｅ２０５、検知用ボタン２３１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。
【０１５２】
基板２２０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２２０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。
【０１５３】
検知用ボタン２３０は、原点を中心とする円形のボタン２３１と、ボタン２３１の外側に配置された原点を中心とするリング上のボタン２３２とから構成されている。なお、検知用ボタン２３０は、第８図に示す検知用ボタン１３０と同一形状のものである。ここで、ボタン２３１の径は、基準電極Ｅ２００の外径とほぼ同じか、それより若干小さく、ボタン２３２の外径は、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４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。
【０１５４】
また、ボタン２３２の上面には、第２５図に示すように、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Ｅ２０１〜Ｅ２０４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。
【０１５５】
変位電極２４０は、導電性を有するゴムで形成されており、ボタン２３２の外径と同一の径を有する円盤状であり、ボタン２３２の変位にともなって変位する変位部２４１と、変位電極２４０の下面に、スイッチ用可動電極Ｅ２０８と対向するように形成された凸部２４５とにより形成されている。
【０１５６】
支持部材２６０の下面には、Ｚ軸を中心とする円形で下方に開いた凹部が形成されている。ここで、凹部の径は、変位電極２４０の径よりも若干大きく、凹部の底部には変位電極２４０が付着している。また、支持部材２６０の上面には、変位電極２４１に対応する位置に検知用ボタン２３２が付着し、凸部２４５に対応する位置にボタン２３１が付着している。さらに、支持部材２６０の上面において、ボタン２３１とボタン２３２との間を仕切るようにカバーケース２７０が配置されている。
【０１５７】
また、基板２２０上には、第２６図に示すように、原点Ｏを中心とする円形のスイッチ用固定電極Ｅ２０５と、その外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ２００と、さらにその外側に扇形の容量素子用電極Ｅ２０１、Ｅ２０２、Ｅ２０３、Ｅ２０４とが形成されている。一対の容量素子用電極Ｅ２０１およびＥ２０２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Ｅ２０３およびＥ２０４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。
【０１５８】
ここでは、容量素子用電極Ｅ２０１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Ｅ２０２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Ｅ２０３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Ｅ２０４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、スイッチ用固定電極Ｅ２０５は、原点Ｏ上に配置されており、スイッチ用可動電極Ｅ２０８とともに、入力などの決定操作に利用される。
また、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４、スイッチ用固定電極Ｅ２０５および基準電極Ｅ２００は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ２００〜Ｔ２０５（第２７図参照）にそれぞれ接続されており、各端子Ｔ２００〜Ｔ２０５を通じて外部の電子回路へと接続されるようになっている。なお、ここでは、基準電極Ｅ２００は、端子Ｔ２００を介して接地されている。
【０１５９】
また、絶縁膜２５０が、基板２２０上の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４に密着して、基板２２０上のスイッチ用可動電極Ｅ２０８を除いた部分を覆うように形成され、さらに、絶縁膜２５１は、スイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して、絶縁膜２５０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Ｅ２０１〜Ｅ２０４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２５０および絶縁膜２５１が形成されているため、基準電極Ｅ２００およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８と、変位電極２４０とが直接接触することはない。
【０１６０】
したがって、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２００（基準電極Ｅ２０８）は、それぞれ変位電極２４０との間で容量素子を構成する。なお、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４は、変位電極２４０の変位部２４１との間でそれぞれ容量素子を構成し、また、スイッチ用可動電極Ｅ２０８は、変位電極２４０の凸部２４５との間で容量素子を構成する。
【０１６１】
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２１０の動作について、図面を参照して説明する。第２７図は、第２４図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。第２８図は、第２４図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。
【０１６２】
まず、静電容量式センサ２１０の構成と等価な回路構成について、第２７図を参照して説明する。基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４および基準電極Ｅ２００（スイッチ用可動電極Ｅ２００）は、変位電極２４０と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極２４０と固定された個別の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびＥ２００との間で、それぞれ容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４を形成している。容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４は、変位電極２４０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。また、基準電極Ｅ２００に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２０８と、スイッチ用固定電極Ｅ２０５との間には、ボタン２３１の押圧にともなって開閉するスイッチが構成されている。
【０１６３】
容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値は、変位電極２４０と、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｃ２０４および基準電極Ｅ２００のそれぞれに接続された端子Ｔ２００〜Ｔ２０４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Ｅ２００は、端子Ｔ２００を介して接地されているため、容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４おける共通の電極である変位電極２４０は、容量素子Ｃ２００および端子Ｔ２００を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ２００は、変位電極２４０を端子Ｔ２００に電気的に結合する機能を有している。
【０１６４】
次に、容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値の変化から、ボタン２３２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、第２８図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。
【０１６５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、第５図で説明したのと同様にして、端子Ｔ２０１〜Ｔ１０４に対して、常にブロック信号などの周期信号が入力される。例えば、端子Ｔ２０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ２０１とＣ２００は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ２０２とＣ２００は端子Ｔ２０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ２０３とＣ２００は端子Ｔ２０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ２０４とＣ２００は端子Ｔ２０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１６６】
端子Ｔ２０１〜Ｔ２０４に周期信号が入力されている状態でボタン２３２が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって、変位電極２４０の変位部２４１が変位し、容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４を構成する電極の間隔が変化する。すると、容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０４のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ２０１〜Ｔ２０４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、ボタン２３２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、第１図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。
【０１６７】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ２１０は、複数の容量素子Ｃ２００〜Ｃ２０４を構成するために用いられる変位電極２４０が、接地または一定の電位に保持された基準電極Ｅ２００と容量結合されているため、センサ２１０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２１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ２０１、Ｃ２００；Ｃ２０２、Ｃ２００；…；Ｃ２０４、Ｃ２００がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４および基準電極Ｅ２００を支持する基板２２０だけに配線を設ければ、変位電極２４０を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０１６８】
また、複数の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４が形成され、検知部材２３１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。さらに、変位電極２４０が突起体２４５を支点として傾斜して変位するため、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の成分を容易に検出することができる。また、決定操作用のスイッチ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。
【０１６９】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ２０１およびＥ２０２、Ｅ２０３およびＥ２０４）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。
【０１７０】
また、検知部材２３０が、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と、Ｅ２０５とのそれぞれに対応して分割されているため、外部からの力のＸ軸方向およびＹ軸方向とＺ軸方向と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。
【０１７１】
また、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８に密着して、基板２２０上を覆うように絶縁膜２５０、２５１が形成されるため、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４およびスイッチ用可動電極Ｅ２０８が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。また、絶縁膜２５０、２５１を利用することにより、スイッチ用可動電極Ｅ２０８を基準電極Ｅ２００に容易に固定することができる。
【０１７２】
また、変位電極２４０および支持部材２６０が弾性体により形成されているため、検知部材２３０が外部から受けた力の変位電極２４０に対する伝達性がよくなり操作性が向上するとともに、外部から受ける力の衝撃を緩和することにより、静電容量式センサの損傷を軽減することができる。
【０１７３】
次に、本発明の第４の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０１７４】
第２９図は、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。第３０図は、第２９図の静電容量式センサの基板と平行に配置された電極の配置を示す図である。第３１図は、第２９図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。
【０１７５】
静電容量式センサ３１０は、基板３２０と、検知部材３３０と、導電性部材３４０と、基板３２０上に形成された容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００と、導電性部材３４０を基板３２０に対して支持固定する支持機構３６０と、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に密着して基板３２０上を覆うように形成された絶縁膜３５０と、導電性部材３４０に密着して支持機構３６０の一部品である支持部材３６１上を覆うように形成された絶縁膜３５１と、導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間に配置された絶縁性部材３８０とを有している。なお、支持機構３６０は、貫通孔３６２を有する支持部材３６１と、スペーサ３６３と、ネジ３６４とを有しており、スペーサ３６３は基準電極Ｅ３００の外径よりも大きな径を有するリング状の部材で、その高さは、絶縁性部材３８０および絶縁膜３５０、３５１の厚さの合計とほぼ同じである。
【０１７６】
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、第２９図では、基板３２０上に原点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３２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板３２０上の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４、基準電極Ｅ３００、検知部材３３０（外部から力が作用していない状態）、導電性部材３４０および貫通孔３６２のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【０１７７】
基板３２０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３２０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。
【０１７８】
検知部材３３０は、受力部となる円筒形状に形成されており、支持部材３６１の貫通孔３６２の範囲内において、基板３２０に対して平行移動が可能となっている。なお、操作性を向上させるために、検知部材３３０の形状は適宜変更してもよい。
【０１７９】
また、基板３２０上には、第３０図に示すように、原点Ｏを中心とする扇形の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とするリング状の基準電極Ｅ３００とが形成されている。一対の容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２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、一対の各量素子用電極Ｅ３０３およびＥ３０４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Ｅ３００は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４に内部に形成されてもよい。
【０１８０】
導電性部材３４０は、Ｚ軸を中心とするリング状の電極で、その内径は容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４の内径と同一であり、その外形は基準電極Ｅ３００の外径と同一であり、支持部材３６１の下面に容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に対向するように付着されている。絶縁膜３５０が、基板３２０上の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００に密着して、基板３２０上を覆うように形成されている。また、絶縁膜３５１が、導電性部材３４０に密着して、支持部材３６１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導電性部材３４０、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００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。
【０１８１】
絶縁性部材３８０は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４の外径よりも小さい外径を有する円盤状の部材で、絶縁膜３５０と絶縁膜３５１とに挟まれ、絶縁膜３５０、３５１に接するように配置されている。また、絶縁性部材３８０の上面の中心位置には、検知部材３３０が付着されている。ここで、絶縁性部材３８０は、合成樹脂を一体成形したものであり、この合成樹脂としてはその表面の摩擦係数が小さいものを使用するのが好ましい。なお、絶縁性部材３８０の形状は、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００の形状および配置を考慮して適宜変更してもよい。
【０１８２】
ここでは、容量素子用電極Ｅ３０１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Ｅ３０２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Ｅ３０３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Ｅ３０４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。
【０１８３】
また、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ３００〜Ｔ３０４（第３２図参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ３００〜Ｔ３０４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Ｅ３００は、端子Ｔ３００を介して接地されている。
【０１８４】
このように、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、それぞれ導電性部材３４０との間で容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を構成する。なお、導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３０との間の誘電率は、それぞれの電極間を絶縁性部材３８０が変位することにより変化し、それにともなって容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値も変化するようになっている。
【０１８５】
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３１０の動作について、図面を参照して説明する。第３２図は、第２９図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。第３３図は、第２９図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。第３４図は、第２９図に示す静電容量式センサの検知部材に外部からの操作が施されていない場合の容量素子用電極と絶縁性部材の位置関係を示す図である。第３５図は、第２９図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容量素子用電極と絶縁性部材の位置関係を示す図である。
【０１８６】
まず、静電容量式センサ３１０の構成と等価な回路構成について、第３２図を参照して説明する。基板３２０上に形成された容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００は、導電性部材３４０と対向しており、共通の電極である固定された導電性部材３４０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間で容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を形成している。容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４は、それぞれ導電性部材３４０と容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００との間における絶縁性部材３８０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。
【０１８７】
容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値は、導電性部材３４０と、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００のそれぞれに接続された端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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Ｅ３００は、端子Ｔ３００を介して接地されており、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４における共通の電極である導電性部材３４０は、容量素子Ｃ３００および端子Ｔ３００を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ３００は、導電性部材３４０を端子Ｔ３００に電気的に結合する機能を有している。
【０１８８】
次に、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値の変化から、検知部材３３０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、第３３図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。
【０１８９】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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。例えば、端子Ｔ３０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ３０１とＣ３００は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ３０２とＣ３００は端子Ｔ３０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３０３とＣ３００は端子Ｔ３０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３０４とＣ３００は端子Ｔ３０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
【０１９０】
端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４に周期信号が入力されている状態で検知部材３３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって、絶縁性部材３８０がＸＹ平面内において移動する。すると、絶縁性部材３８０の端部位置に応じて容量素子用電極と導電性部材３４０との間の合成誘電率が変化して、容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ３０１〜Ｔ３０４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３３０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、第１図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。
【０１９１】
次に、第２９図に示す検知部材３３０に力が作用していないときの状態において、検知部材３３０にＸ軸正方向への操作が施された場合を考える。
【０１９２】
まず、検知部材３０に操作が施されていない場合の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０の位置関係は、第３４図に示すように、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４のそれぞれの内径側から外径側に向かう幅のおよそ半分までの範囲（図中の斜線部分）が重なり合っている。
【０１９３】
第３４図において、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積をＳ１、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合わない部分の面積をＳ２とすると、各容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４の静電容量値はすべて等しい値となり、次のようになる。
【０１９４】
ここで、各容量素子Ｃ３０１〜Ｃ３０４の電極間の間隔をｄ、空気中の誘電率をε、絶縁性部材３８０の誘電率をε１とする。なお、絶縁膜３５０、３５１の厚さは、ｄに比べて十分小さく、各電極間に均一に形成されているため、ここでは簡単のため無視することにする。
【０１９６】
次に、検知部材３３０にＸ軸正方向への操作が施された場合を考える。このとき、検知部材３３０がＸ軸正方向に操作されることにより、絶縁性部材３８０はＸ軸正方向に変位する。このときの容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４と絶縁性部材３８０の位置関係は、第３５図に示すように、Ｘ軸正方向に対応するＥ３０１と導電性部材３８０とが重なり合う部分の面積が増加し、一方、Ｘ軸負方向に対応するＥ３０２と導電性部材３８０とが重なり合う部分の面積が減少する。また、このとき、Ｙ軸正方向に対応するＥ３０３およびＹ軸負方向に対応するＥ３０４と導電性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積はほとんど変化しないと考えられる。
【０１９７】
第３５図において、容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合う部分の面積をそれぞれＳ３、Ｓ５とし、容量素子用電極Ｅ３０１およびＥ３０２と絶縁性部材３８０とがそれぞれ重なり合わない部分の面積をそれぞれＳ４、Ｓ６とすると、各容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値は、異なる値となり、次のようになる。
【０１９８】
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の誘電率および電極の面積に比例する。したがって、絶縁性部材３８０の誘電率ε１が空気中の誘電率εよりも小さい場合の容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【０２００】
Ｃ３０１＜Ｃ３０２
【０２０１】
一方、絶縁性部材３８０の誘電率ε１が空気中の誘電率εよりも大きい場合の容量素子Ｃ３０１およびＣ３０２の静電容量値の大小関係は、以下のようになる。
【０２０２】
Ｃ３０２＜Ｃ３０１
【０２０３】
なお、一般的には、絶縁性部材３８０の誘電率ε１は空気中の誘電率εより大きいことが多い。
【０２０４】
このとき、端子Ｔ３０１およびＴ３０２に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相にずれが生じ、その位相のずれを読み取ることによって出力信号Ｖｘが導出される。
【０２０５】
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ３１０は、複数の容量素子Ｃ３００〜Ｃ３０４を構成するために共通に用いられる導電性部材３４０が、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Ｅ３００と電気的に結合されるため、センサ３１０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３１０を得ることができる。また、周期信号に対して容量素子Ｃ３０１、Ｃ３００；Ｃ３０２、Ｃ３００；…；Ｃ３０４、Ｃ３００がそれぞれ直列に接続された関係となっているので、容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４および基準電極Ｅ３００を支持する基板３２０だけに配線を設ければ、導電性部材３４０を接地または一定の電位に保持するための配線を別途設ける必要がない。そのため、構造が簡単な静電容量式センサを少ない製造工程数で製造することが可能となる。
【０２０６】
また、複数の容量素子用電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４が形成され、検知部材３３０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。
【０２０７】
ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ３０１およびＥ３０２、Ｅ３０３およびＥ３０４）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。
【０２０８】
また、容量素子用電極Ｅ３００〜Ｅ３０４および導電性部材３４０に密着して、基板３２０または支持部材３６１上を覆うように絶縁膜３５０、３５１が形成されるため、容量素子用電極Ｅ３００〜Ｅ３０４および導電性部材３４０が空気にさらされて電極表面が酸化するのを防止することができる。
【０２０９】
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、上述の実施の形態では、検知部材と導電性部材とは、別体の部品として形成されているが、これらを一体に形成してもよい。したがって、検知部材および導電性部材が両方とも、導電性を有する部材で形成されていてもよい。
【０２１０】
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、検知部材がＺ軸方向に移動することによって変位電極（導電性部材）をＺ軸方向に変位させていたが、可撓性のある基板の裏側（基準電極とは反対側）に配置された検知部材が移動することによって容量素子用電極をＺ軸方向に変位させてもよい。
【０２１１】
また、上述の第４の実施の形態では、容量素子用電極および導電性部材を固定して、検知部材がＸＹ平面内で移動することによって絶縁性部材をＸＹ平面内で変位させていたが、これとは逆に、絶縁性部材を固定して、検知部材が移動することによって容量素子用電極および導電性部材をＸＹ平面内で変位させてもよい。なお、絶縁性部材を単一の部材によって形成することなく、例えば、同心円状の異なる誘電率を有する複数の部材を接合して形成するなど、絶縁性部材の構成を変更した場合でも同様の効果を得ることができる。
【０２１２】
また、上述の実施の形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のうちの少なくとも２方向に対応する容量素子用電極が形成されているが、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。
【０２１３】
また、上述の実施の形態では、静電容量式センサの検知部材に対して人の手によって直接的に作用した力を検出する力覚センサとして用いられているが、検知部材に対して他の部材を介して作用した力を検出するために用いることができる。したがって、例えば、検知部材に連結部材の一端が接続され、その他端に接続された位置検出の対象物の位置を検出するための位置センサとしても利用することもできる。また、この場合には、連結部材がなく、位置検出の対象物に検知部材を付着してもよいし、さらに、位置検出の対象物に直接導電性部材または絶縁性部材を付着してもよい。
【０２１４】
産業上の利用の可能性
本発明は、耐電圧特性が優れ、製造工程を簡略化でき、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として用いることができる静電容量式センサとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
第１図は、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。
第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
第３図は、第１図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。
第４図は、第１図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。
第５図は、第１図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。
第６図は、第１図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。
第７図は、第１図に示す静電容量式センサの検知部材にＺ軸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。
第８図は、第１図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。
第９図は、第１図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。
第１０図は、第１図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。
第１１図は、第１図の静電容量式センサの第１の変形例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。
第１２図は、第１図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。
第１３図は、第１図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。
第１４図は、第１図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。
第１５図は、第１図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。
第１６図は、第１図に示す信号処理回路および第１５図に示す信号処理回路の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。
第１７図は、第１図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。
第１８図は、第１図に示す静電容量式センサの第６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。
第１９図は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。
第２０図は、第１９図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。
第２１図は、第１９図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。
第２２図は、第１９図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。
第２３図は、第１９図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。
第２４図は、本発明の第３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。
第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知用ボタンの上面図である。
第２６図は、第２４図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。
第２７図は、第２４図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。
第２８図は、第２４図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。
第２９図は、本発明の第４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。
第３０図は、第２９図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。
第３１図は、第２９図の静電容量式センサの支持部材の下面に形成されている導電性部材の形状を示す図である。
第３２図は、第２９図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。
第３３図は、第２９図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。
第３４図は、第２９図に示す静電容量式センサの検知部材に操作が施されていない場合の容量素子用部材と絶縁性部材との位置関係を示す図である。
第３５図は、第２９図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容量素子用部材と絶縁性部材との位置関係を示す図である。
第３６図は、従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
第３７図は、第３６図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。
第３８図は、従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
第３９図は、第３８図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。
Claims (27)
- 導電性部材と、
前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、
前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、
前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に移動するのにともなって前記導電性部材または前記一対の容量素子用電極を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化する方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、
前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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。 - ＸＹＺ三次元座標糸を定義したときに、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ともなって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、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、
前記第１の容量素子と前記第２の各量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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。 - 導電性部材と、
前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、
前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、
前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置する絶縁性部材と、
前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に移動するのにともなって前記絶縁性部材または前記導電性部材および前記一対の容量用素子を前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に変位させることが可能な検知部材とを備え、
前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材の前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との距離が相対的に変化しない方向に関する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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。 - 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、
前記基板と対向している導電性部材と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の容量素子用電極と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極と、
前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間に位置し、前記検知部材がＸＹ平面に沿って変位するのにともなって前記基板に対して平行移動が可能に配置された絶縁性部材とを備え、
前記第１の容量素子と前記第２の容量素子とが前記一対の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記一対の容量素子用電極との間における前記絶縁性部材のＸＹ平面に対する端部位置の変化に起因する前記第１の容量素子のそれぞれ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。 - １つの前記基準電極が形成されてい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。
- 複数の前記基準電極が形成されてい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。
- 複数の前記一対の容量素子用電極が形成されてい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。
- 前記一対の容量素子用電極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１〜７のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記一対の容量素子用電極の一方を含む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１〜８のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記信号は、ハイレベルとローレベルとを周期的に繰り返す信号であって、前記信号がローレベルである時に前記第１の容量素子を放電させる機能を有する制御素子が備えられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記制御素子として、オープンコレクタ型のインバータ素子が用いられていることを特徴とする請求項１０に記載の静電容量式センサ。
- 前記一対の容量素子用電極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１〜１１のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 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１２に記載の静電容量式センサ。
- 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１２に記載の静電容量式センサ。
- 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１２に記載の静電容量式センサ。
- 前記一対の容量素子用電極および前記基準電極に密着して、これらを覆うように形成された絶縁膜をさらに備えた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。
- 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ともなってＺ軸方向に変位する導電性部材と、前記基板上においてＹ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第１の容量素子を構成する一対の第１の容量素子用電極と、
前記基板上においてＸ軸に対して線対称に形成され、前記導電性部材との間でそれぞれ第２の容量素子を構成する一対の第２の容量素子用電極と、
前記基板上において原点近傍に形成され、前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成する第３の容量素子用電極と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第４の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された基準電極とを備え、
前記第１の容量素子、前記第２の容量素子および前記第３の容量素子と前記第４の容量素子とが、前記第１〜第３の容量素子用電極に対して入力される信号に対してそれぞれ直列に接続された関係となり、前記導電性部材と前記第１〜第３の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１〜第３の容量素子のそれぞれ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。 - 前記導電性部材の前記第３の容量素子用電極と対向する位置に突起体が形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の静電容量式センサ。
- 前記検知部材が、前記第１の容量素子用電極、前記第２の容量素子用電極および前記第３の容量素子用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１７または１８に記載の静電容量式センサ。
- 前記検知部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、前記第３の容量素子用電極と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１７または１８に記載の静電容量式センサ。
- 前記導電性部材の前記第１〜第３の容量素子用電極と対向する面の少なくとも一部が、凹凸面となっていることを特徴とする請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記導電性部材が、前記検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって変位する変位部と、前記基板に固定された固定部と、前記変位部と前記固定部とを接続する接続部とを有し、
前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極が、前記第３の容量素子用電極の外側に形成され、
前記基準電極が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極の外側に形成されていることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。 - 前記基準電極が、それぞれ接地または一定の電位に保持された第１の基準電極および第２の基準電極を有し、
前記導電性部材が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極と、前記第３の容量素子用電極とのそれぞれに対応して分割され、
前記第１の基準電極が、前記第３の容量素子用電極の外側に形成され、
前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極が、前記第１の基準電極の外側に形成され、
前記第２の基準電極が、前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極の外側に形成されていることを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。 - 前記基準電極が、前記第３の容量素子用電極の外側に形成され、
前記第１の容量素子用電極および前記第２の容量素子用電極が、前記基準電極の外側に形成され、
前記基準電極に接触するとともに、前記第３の容量素子用電極と離隔しつつこれを覆うように配置されており、前記検知部材が外部からの力を受けて変位するのにともなって前記導電性部材が変位することにより、前記第３の容量素子用電極と接触する第４の容量素子用電極を備えたことを特徴とする請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。 - 前記検知部材と前記導電性部材とが、一体に形成されていることを特徴とする請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記導電性部材が、弾性体により形成されていることを特徴とする請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
- 前記導電性部材を支持するための支持部材をさらに備え、前記支持部材が弾性体により形成されていることを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000364730 | 2000-11-30 | ||
| JP2000364730 | 2000-11-30 | ||
| PCT/JP2000/009355 WO2002044649A1 (fr) | 2000-11-30 | 2000-12-27 | Capteur capacitif |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2002044649A1 JPWO2002044649A1 (ja) | 2004-04-02 |
| JP4136655B2 true JP4136655B2 (ja) | 2008-08-20 |
Family
ID=18835618
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002546152A Expired - Fee Related JP4136655B2 (ja) | 2000-11-30 | 2000-12-27 | 静電容量式センサ |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6989677B2 (ja) |
| EP (1) | EP1347263A4 (ja) |
| JP (1) | JP4136655B2 (ja) |
| KR (1) | KR100541009B1 (ja) |
| CN (1) | CN1266449C (ja) |
| HK (1) | HK1062041A1 (ja) |
| TW (1) | TW509784B (ja) |
| WO (1) | WO2002044649A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101950224A (zh) * | 2009-07-09 | 2011-01-19 | 索尼公司 | 力学量检测构件和力学量检测装置 |
Families Citing this family (50)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7906875B2 (en) | 1999-01-19 | 2011-03-15 | Touchsensor Technologies, Llc | Touch switches and practical applications therefor |
| JP3574951B2 (ja) * | 2001-12-19 | 2004-10-06 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 二脚歩行式移動装置及びその歩行制御装置及び歩行制御方法 |
| JP4090939B2 (ja) * | 2002-05-29 | 2008-05-28 | ニッタ株式会社 | 静電容量式センサおよびその製造方法 |
| JP2004037350A (ja) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Nitta Ind Corp | 抵抗型センサ |
| EP1589327A4 (en) * | 2003-01-06 | 2011-03-30 | Nitta Corp | CAPACITIVE SENSOR |
| JP4188785B2 (ja) * | 2003-09-12 | 2008-11-26 | アルプス電気株式会社 | 入力装置 |
| US7644628B2 (en) | 2005-12-16 | 2010-01-12 | Loadstar Sensors, Inc. | Resistive force sensing device and method with an advanced communication interface |
| JP4514509B2 (ja) * | 2004-05-14 | 2010-07-28 | アップサイド株式会社 | 力センサー、力検出システム及び力検出プログラム |
| US7159471B2 (en) * | 2005-03-02 | 2007-01-09 | Delphi Technologies, Inc. | Capacitive load cell apparatus having silicone-impregnated foam dielectric pads |
| CN101142470A (zh) * | 2005-03-18 | 2008-03-12 | 新田株式会社 | 静电电容式传感器 |
| CN101142469A (zh) * | 2005-03-18 | 2008-03-12 | 新田株式会社 | 静电电容式传感器 |
| US7656168B2 (en) * | 2005-11-28 | 2010-02-02 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Neutralizing electromagnetic noise for a capacitive input device |
| US7343814B2 (en) * | 2006-04-03 | 2008-03-18 | Loadstar Sensors, Inc. | Multi-zone capacitive force sensing device and methods |
| AU2007242027B2 (en) * | 2006-04-25 | 2012-04-12 | Xsensor Technology Corporation | Capacitive node measurement in a capacitive matrix pressure transducer |
| JP2008020256A (ja) * | 2006-07-11 | 2008-01-31 | Nitta Ind Corp | 静電容量型センサ |
| JP4554651B2 (ja) * | 2007-08-01 | 2010-09-29 | ホシデン株式会社 | タッチパネル入力装置 |
| US8232963B2 (en) | 2007-08-27 | 2012-07-31 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Control and data entry apparatus |
| US20090058802A1 (en) * | 2007-08-27 | 2009-03-05 | Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Input device |
| KR101643996B1 (ko) | 2008-01-15 | 2016-07-29 | 픽써 마이크로일렉트로닉스 씨오., 엘티디. | 전기 불균형의 수량화 장치 및 상기 장치를 포함하는 터치 검출 시스템 |
| JP2009181894A (ja) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Alps Electric Co Ltd | 押圧型入力装置 |
| US20110018561A1 (en) * | 2008-03-26 | 2011-01-27 | Hewlett-Packard Company | Capacitive sensor having cyclic and absolute electrode sets |
| JP5191769B2 (ja) * | 2008-03-27 | 2013-05-08 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 容量検出装置及び方法 |
| US7784366B2 (en) * | 2008-07-29 | 2010-08-31 | Motorola, Inc. | Single sided capacitive force sensor for electronic devices |
| JP4646340B2 (ja) * | 2008-09-03 | 2011-03-09 | 昌徳 水島 | 入力装置 |
| US8816967B2 (en) | 2008-09-25 | 2014-08-26 | Apple Inc. | Capacitive sensor having electrodes arranged on the substrate and the flex circuit |
| US8368654B2 (en) | 2008-09-30 | 2013-02-05 | Apple Inc. | Integrated touch sensor and solar assembly |
| CN102003974B (zh) * | 2009-08-28 | 2012-06-13 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 运动感测器 |
| TWI420109B (zh) * | 2009-09-01 | 2013-12-21 | Hon Hai Prec Ind Co Ltd | 運動感測器 |
| CN102004010B (zh) * | 2009-09-01 | 2014-02-26 | 广东乐心医疗电子股份有限公司 | 测力传感器以及包括该传感器的称重装置 |
| JP5526761B2 (ja) * | 2009-12-22 | 2014-06-18 | ソニー株式会社 | センサ装置及び情報処理装置 |
| JP2012059088A (ja) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Hosiden Corp | 多方向入力装置 |
| JP5603739B2 (ja) * | 2010-11-02 | 2014-10-08 | キヤノン株式会社 | 静電容量型電気機械変換装置 |
| CN102591485A (zh) * | 2011-01-17 | 2012-07-18 | 禾威科技股份有限公司 | 移动方向感测装置及指标控制装置 |
| JP5819096B2 (ja) * | 2011-04-28 | 2015-11-18 | 富士通コンポーネント株式会社 | 接触端子装置 |
| CN103703528A (zh) * | 2011-08-10 | 2014-04-02 | 富士通株式会社 | 具有可变电容元件的电子设备及其制造方法 |
| JP5834800B2 (ja) * | 2011-11-15 | 2015-12-24 | オムロン株式会社 | 表面電位センサ及び複写機 |
| DE102012207939A1 (de) * | 2012-05-11 | 2013-11-14 | Robert Bosch Gmbh | Federnder Anschlag für Beschleunigungssensor |
| CN103425307A (zh) * | 2012-05-18 | 2013-12-04 | 榕增光电科技有限公司 | 触控面板的感应电路结构 |
| NL2009949C2 (en) * | 2012-12-10 | 2014-06-11 | Stertil Bv | Lifting column for lifting a load, lifting system provided therewith and method for measuring a load. |
| CN103063867A (zh) * | 2012-12-20 | 2013-04-24 | 东南大学 | 一种电容式风速风向传感器 |
| US20140292354A1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Texas Instruments Incorporated | Capacitive sensor |
| JP5497969B1 (ja) * | 2013-07-17 | 2014-05-21 | 株式会社ワコー | 力覚センサ |
| KR101477120B1 (ko) * | 2014-04-14 | 2014-12-30 | 성균관대학교산학협력단 | 정전용량형 6축 힘/토크 센서 |
| JP6507347B2 (ja) * | 2014-07-30 | 2019-05-08 | 栃木県 | 静電容量式角度検出装置 |
| CN104236764B (zh) * | 2014-09-29 | 2016-05-11 | 合肥工业大学 | 一种电容式触滑觉传感器装置 |
| CN107766777A (zh) * | 2016-08-18 | 2018-03-06 | 北京小米移动软件有限公司 | 指纹识别组件、压力检测方法及指纹识别ic |
| JP6992386B2 (ja) * | 2017-10-04 | 2022-01-13 | Ｉ－Ｐｅｘ株式会社 | 力検出装置 |
| KR102183309B1 (ko) * | 2019-05-21 | 2020-11-26 | 성균관대학교산학협력단 | 다타입 압력 센서 |
| CN110132457A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 华中科技大学 | 一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法 |
| WO2022196131A1 (ja) * | 2021-03-17 | 2022-09-22 | 株式会社村田製作所 | 圧力センサ装置 |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4606132A (en) * | 1985-02-26 | 1986-08-19 | Sperry Corporation | Digital electronic inclination gauge |
| US5180986A (en) * | 1989-05-22 | 1993-01-19 | Schaevitz Sensing Systems, Inc. | Two axis capacitive inclination sensor |
| US5421213A (en) * | 1990-10-12 | 1995-06-06 | Okada; Kazuhiro | Multi-dimensional force detector |
| JP2878532B2 (ja) | 1992-10-21 | 1999-04-05 | アルプス電気株式会社 | 操縦杆式入力装置 |
| US6282956B1 (en) * | 1994-12-29 | 2001-09-04 | Kazuhiro Okada | Multi-axial angular velocity sensor |
| JP3579771B2 (ja) | 1993-05-13 | 2004-10-20 | ニッタ株式会社 | 操作装置 |
| JPH06323939A (ja) | 1993-05-17 | 1994-11-25 | Omron Corp | 静電容量式センサ |
| US5450594A (en) * | 1993-12-22 | 1995-09-12 | Tut Systems, Inc. | Enhanced collision detection for ethernet network |
| JP3549590B2 (ja) * | 1994-09-28 | 2004-08-04 | 和廣 岡田 | 加速度・角速度センサ |
| JPH08123613A (ja) | 1994-10-27 | 1996-05-17 | Nitta Ind Corp | 静電容量式センサー |
| US6003371A (en) * | 1995-02-21 | 1999-12-21 | Wacoh Corporation | Angular velocity sensor |
| JP4011626B2 (ja) * | 1996-07-10 | 2007-11-21 | 株式会社ワコー | 角速度センサ |
| JP3569772B2 (ja) | 1996-11-07 | 2004-09-29 | 日本航空電子工業株式会社 | 静電容量型トランスデューサ用信号処理回路 |
| JP4176849B2 (ja) * | 1997-05-08 | 2008-11-05 | 株式会社ワコー | センサの製造方法 |
| TW445426B (en) * | 1997-05-10 | 2001-07-11 | Acer Peripherals Inc | Capacitance sensing type pointing device |
| JPH112504A (ja) | 1997-06-11 | 1999-01-06 | Nitta Ind Corp | 静電容量式センサの検出回路 |
| JPH11132872A (ja) * | 1997-11-04 | 1999-05-21 | Nitta Ind Corp | 静電容量式力検出装置 |
| US6115030A (en) * | 1997-12-18 | 2000-09-05 | International Business Machines Corporation | Trackpoint device |
| JP3380996B2 (ja) * | 1999-02-02 | 2003-02-24 | ニッタ株式会社 | 静電容量式力覚センサ |
| JP2000249609A (ja) * | 1999-03-01 | 2000-09-14 | Wakoo:Kk | 静電容量式センサ |
| JP2001091993A (ja) * | 1999-09-24 | 2001-04-06 | Fuji Photo Optical Co Ltd | カメラ |
| JP4295883B2 (ja) * | 1999-12-13 | 2009-07-15 | 株式会社ワコー | 力検出装置 |
| JP2003028607A (ja) * | 2001-07-12 | 2003-01-29 | Sony Corp | 静電容量検出装置およびこれを用いた指紋照合装置 |
| US6910385B2 (en) * | 2002-03-01 | 2005-06-28 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Self-sensing solid-state sensor |
| US6867602B2 (en) * | 2002-07-09 | 2005-03-15 | Honeywell International Inc. | Methods and systems for capacitive balancing of relative humidity sensors having integrated signal conditioning |
| US6900644B2 (en) * | 2003-05-06 | 2005-05-31 | Ligh Tuning Tech. Inc. | Capacitive fingerprint sensor against ESD damage and contamination interference |
-
2000
- 2000-12-27 WO PCT/JP2000/009355 patent/WO2002044649A1/ja active IP Right Grant
- 2000-12-27 JP JP2002546152A patent/JP4136655B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2000-12-27 EP EP00987769A patent/EP1347263A4/en not_active Withdrawn
- 2000-12-27 US US10/432,939 patent/US6989677B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2000-12-27 KR KR1020037007308A patent/KR100541009B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2000-12-27 CN CNB008201285A patent/CN1266449C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2000-12-29 TW TW089128233A patent/TW509784B/zh not_active IP Right Cessation
-
2004
- 2004-07-09 HK HK04105019A patent/HK1062041A1/xx not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101950224A (zh) * | 2009-07-09 | 2011-01-19 | 索尼公司 | 力学量检测构件和力学量检测装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1347263A1 (en) | 2003-09-24 |
| JPWO2002044649A1 (ja) | 2004-04-02 |
| US6989677B2 (en) | 2006-01-24 |
| WO2002044649A1 (fr) | 2002-06-06 |
| TW509784B (en) | 2002-11-11 |
| CN1479858A (zh) | 2004-03-03 |
| KR100541009B1 (ko) | 2006-01-10 |
| HK1062041A1 (en) | 2004-10-15 |
| CN1266449C (zh) | 2006-07-26 |
| EP1347263A4 (en) | 2008-06-25 |
| KR20030051892A (ko) | 2003-06-25 |
| US20040104735A1 (en) | 2004-06-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4136655B2 (ja) | 静電容量式センサ | |
| JP3628972B2 (ja) | 静電容量式センサ | |
| US7119552B2 (en) | Capacitance type force sensors | |
| US8599144B2 (en) | Grounded button for capacitive sensor | |
| EP1378737B1 (en) | Electrical capacitance sensor | |
| US8121283B2 (en) | Tapered capacitive sensing structure | |
| JP3848901B2 (ja) | 静電容量式センサ | |
| US5374787A (en) | Object position detector | |
| US7710126B2 (en) | Capacitance type sensor | |
| US7705612B2 (en) | Capacitance type sensor | |
| US6894507B2 (en) | Capacitance type sensor | |
| US20080088594A1 (en) | Two-substrate layer touchpad capacitive sensing device | |
| US20080001925A1 (en) | Navigation panel | |
| JP2004117042A (ja) | センサシート | |
| JP2004045178A (ja) | 静電容量式センサ | |
| US20070296712A1 (en) | Multifunction slider | |
| JPH11132872A (ja) | 静電容量式力検出装置 | |
| US20080018347A1 (en) | Capacitance type sensor | |
| JP2004020210A (ja) | 静電容量式センサ | |
| JP2003035615A (ja) | 静電容量式センサ | |
| JP3999707B2 (ja) | 静電容量型センサ | |
| JP2003287468A (ja) | 静電容量式センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040804 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080219 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080410 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080603 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080603 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110613 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120613 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |