JPWO2006100724A1 - 静電容量式センサ - Google Patents

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Abstract

操作性がよく、誤操作の少ない静電容量式センサを提供する。変位電極４０と、所定電位に保持されたスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及び接地されたスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が形成されている。また、変位電極４０との間で容量素子を構成する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５がそれぞれ接続されている。判定回路では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態が判定される。スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオフ状態である場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対応した容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４にだけ周期信号が入力され、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオン状態である場合には、Ｚ軸方向に対応した容量素子用電極Ｅ５にだけ周期信号が入力される。

Description

本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関するものである。
静電容量式センサは、操作者によって加えられた力の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として一般的に利用されている。例えば、コンピュータの入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだ装置が利用されている。
静電容量式センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元または三次元のセンサとしても利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検出を行う静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコストダウンを図ることができるメリットがあるために、さまざまな分野で実用化されている。
ここで、静電容量式センサには、Ｘ軸上の固定電極、Ｙ軸上の固定電極及びこれらに囲まれたＺ軸上の固定電極と可動電極板部との間で、可変容量素子が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この静電容量式センサでは、例えば、操作部にＸ軸方向の力Ｆｘが加えられると、Ｘ軸上の固定電極と可動電極板部との間の間隔が小さくなり、これらで構成される容量素子の静電容量値が大きくなる。そのため、この容量素子の静電容量値の変化を検出することによって、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力を出力することができる。
特開２００１−９１３８２号公報
しかしながら、この静電容量式センサでは、どのような力が操作部に区あえられている場合でも、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力、Ｙ軸方向の力Ｆｙに対応したＹ軸出力及びＺ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力が常に出力されている。従って、Ｘ軸出力またはＹ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｚ軸出力が変化してしまう場合がある。一方、Ｚ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｘ軸出力またはＹ軸出力が変化してしまう場合がある。
例えば、この静電容量式センサがＸ軸出力及びＹ軸出力に基づいてカーソルを移動させると共に、Ｚ軸出力に基づいてクリック等の所定操作が行われるジョイステックに応用された場合には、Ｘ軸出力及びＹ軸出力を変化させることによってカーソルの位置を所定位置（例えばアイコン上）に移動させた後で、Ｚ軸出力を変化させることによって所定操作が行われる。ここで、カーソルを移動させる力が加えられた場合に、Ｘ軸出力及びＹ軸出力だけでなく、Ｚ軸出力も変化することによって、所定操作が誤って行われる場合がある。一方、所定操作を行う力が加えられた場合に、Ｚ軸出力だけでなく、Ｘ軸出力及びＹ軸出力も変化することによって、カーソルが移動してしまうため、カーソルの位置を所定位置から移動させないで、所定操作を行うのが難しい場合がある。
そこで、本発明の目的は、操作性がよく、誤操作の少ない静電容量式センサを提供することである。
 課題を解決するための手段および発明の効果
本発明の静電容量式センサは、基板と、前記基板と対向している検知部材と、前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第１の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第２の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、第１の容量素子用電極に基づく出力と、第２の容量素子用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記第１の容量素子用電極及び前記第２の容量素子用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていてもよい。
この構成によると、複数対の第１及び第２のスイッチ用電極で構成されるスイッチの位置が操作方向と一致するので、さらに操作性が向上する。
本発明の静電容量式センサは、ＸＹ平面を規定する基板と、前記基板と対向している検知部材と、前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位が認識され、Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、Ｘ軸用電極及びＹ軸用電極に基づく出力と、Ｚ軸用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していてもよい。
この構成によると、Ｘ軸方向の力及びＹ軸方向の力を精度よく検出することができる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記Ｘ軸用電極及び前記Ｙ軸用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていてもよい。
この構成によると、複数対の第１及び第２のスイッチ用電極で構成されるスイッチの位置が操作方向と一致するので、さらに操作性が向上する。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は本発明の静電容量式センサを、コンピュータの表示画面に表示されたカーソルを移動させ、カーソルを利用した操作を行うジョイスティック（ポインティングデバイス）に応用したものである。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図１の静電容量式センサの変位電極の上面からの透視図である。図３は、図１の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
静電容量式センサ１０は、基板２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用の検知部材３０と、変位電極４０と、基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５（図１ではＥ１、Ｅ２、Ｅ５のみを示す）と、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８（図１ではＥ１１、Ｅ１２のみを示す）と、複数の電極に密着して基板２０上を覆うように形成された絶縁膜５０と、検知部材３０及び変位電極４０を基板２０に対して支持する支持部材６０と、支持部材６０の周囲を覆うように配置され支持部材６０を基板２０に対して固定する固定部材７０とを有している。
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、基板２０上の容量素子用電極Ｅ５の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。従って、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２０上の容量素子用電極Ｅ５、検知部材３０および変位電極４０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
基板２０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。
検知部材３０は、支持部材６０の上面に固定されている。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であり、下段部３２の径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径より大きい。また、検知部材３０の上段部３１の上面には、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。
変位電極４０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同じ径を有する円盤状である。また、変位電極４０の下面には、５つの円形の突起部４１〜４５が形成されている。４つの突起部４１〜４４は、変位電極４０の下面の外周部近傍において、Ｘ軸正方向及びＸ軸負方向、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向にそれぞれ対応した位置に形成されている。また、４つの突起部４１〜４４は、一対のスイッチ用電極（図３参照）と同一の径の円形である。つまり、例えば突起部４１は、スイッチ用電極Ｅ１１、Ｅ１５のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円と同一の径である。１つの突起部４５は、変位電極４０の下面の中心位置に配置されており、容量素子用電極Ｅ５と同一の径の円形である。ここで、突起部４５の表面は、小さな起伏のある凹凸面になっている。そして、変位電極４０は、導電性を有するシリコンゴムで形成され、弾性を有するシリコンゴムで形成された支持部材６０の下面に付着されている。従って、検知部材３０にＺ軸負方向の力が加えられた場合には、変位電極４０は検知部材３０と共にＺ軸負方向に変位する。
また、基板２０上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に略扇形であり、それぞれの外周部近傍に略円形の切り欠きＨ１〜Ｈ４を有する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、切り欠きＨ１〜Ｈ４の内側で、切り欠きＨ１〜Ｈ４の径よりも小さい径を有する半円形のスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８とが形成されている。容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５及びスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１８（図４参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子は電子回路に接続可能になっている。
一対の容量素子用電極Ｅ１およびＥ２は、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３およびＥ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。ここでは、容量素子用電極Ｅ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、一方、容量素子用電極Ｅ２はＸ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｅ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、一方、容量素子用電極Ｅ４はＹ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。
スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、接地電位とは異なる所定電位に保持されており、スイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は接地されている。そして、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は、それぞれ対を形成するように配置されている。例えば、スイッチ用電極Ｅ１１とスイッチ用電極Ｅ１５とは、一対になっており、Ｘ軸正方向においてＸ軸に対して対称に配置されている。なお、その他のスイッチ用電極についても同様である。
また、絶縁膜（絶縁性のレジスト膜）５０は、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に密着して、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５を覆うように形成されている。このため、銅箔などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５は空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。また、絶縁膜５０が形成されているので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とが直接接触することはない。なお、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、錆や酸化防止対策として、その表面へ金メッキが形成されてもよいし、ハンダなどの導電性膜で覆われていてもよい。
なお、静電容量式センサ１０をジョイステックに応用した場合には、変位電極４０の大きさ、材質、硬度や、検知部材３０の形状や、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５の大きさは、操作感に影響を与えるので、最適な条件に設定するのがよい。
次に、上述のように構成された本実施の形態に係る静電容量式センサ１０の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、図１に示す静電容量式センサの回路構成を示す図である。図４では、上述した構成に対応した部分が破線で囲まれており、破線の外側の部分が電子回路に対応している。ここで、端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１８は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５及びスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８にスルーホールなどを利用して接続された端子である。
変位電極４０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とほぼ平行に対向しつつ離隔した状態で保持されるので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に容量素子Ｃ１〜Ｃ５を形成される。容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、変位電極４０の変位に起因して静電容量値がそれぞれ変化するように構成された可変容量素子である。
また、変位電極４０は、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得る。従って、変位電極４０とスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がそれぞれ形成される。ここで、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、プルアップ抵抗素子Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃに保持されると共に、判定回路の入力端子に接続されている。スイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は、接地されている。変位電極４０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態に応じて、絶縁された状態と絶縁されていない状態とに切り換えられる。
従って、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触している場合（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオン状態である場合）には、変位電極４０がグランド電位になり、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に電位差が生じ、容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電位差に応じた電荷が蓄積される。一方、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触していない場合（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオフ状態である場合）には、変位電極４０は絶縁された状態であるので、容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電荷は蓄積されない。
なお、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４だけに接触すると、変位電極４０は電源電圧の電位になるが、変位電極４０が導電性シリコンゴムを材料とした柔らかい弾性体であることや変位電極４０の形状を考慮すると、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８に接触しないでスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４だけに接触することは考え難い。従って、変位電極４０は、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８とほぼ同時に接触するので、変位電極４０はグランド電位になると考えられる。
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に接続された端子Ｔ１〜Ｔ５には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５がそれぞれ接続されている。そして、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１３、ＳＷ１５の一方の端子（端子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５から離れた側の端子）は、端子Ｔ１００に接続されており、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１４の一方の端子（端子Ｔ２、Ｔ４から離れた側の端子）は、端子Ｔ１０１に接続されている。従って、周期信号Ｓ１が端子Ｔ１００に入力されている場合に、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１３、ＳＷ１５がオン状態になったときに、周期信号Ｓ１が容量素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５を構成する容量素子用電極Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５にそれぞれ入力される。また、周期信号Ｓ２が端子Ｔ１０１に入力されている場合に、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１４がオン状態になったときに、周期信号Ｓ２が容量素子Ｃ２、Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ２、Ｅ４にそれぞれ入力される。
判定回路は、図５に示す構成になっており、否定回路（反転回路）を通過した後で、論理積（ＡＮＤ）演算が行われ、その結果に基づいて、２つの出力端子ＳＬ１、ＳＬ２から出力信号が出力される。ここで、判定回路では、全ての否定回路の入力がＬｏの場合に、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ１からは、出力端子ＳＬ２から出力されるＨｉの信号の反転信号であるＬｏの信号が出力される。
つまり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオン状態である場合には、出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力される。一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオフ状態である場合には、出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力される。
そして、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の状態は、判定回路から出力される信号に基づいて、ほぼ同時に制御される。スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、出力端子ＳＬ１から出力される信号に基づいて制御され、出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力されている場合にはオフ状態となり、出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力されている場合にはオン状態となる。また、スイッチＳＷ１５は、出力端子ＳＬ２から出力される信号に基づいて制御され、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力されている場合にはオン状態となり、出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力されている場合にはオフ状態となる。
このように、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、同じ状態になるように制御される。また、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４とスイッチＳＷ１５とは互いに反対の状態になるように制御される。つまり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の全てがオン状態である場合には、スイッチＳＷ１５はオフ状態となり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の全てがオフ状態である場合には、スイッチＳＷ１５はオン状態となる。従って、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の全てが同時にオン状態になることはない。
次に、検知部材３０のＸ軸正方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合を考える。図６は、図１に示す静電容量式センサの検知部材のＸ軸正方向の部分に力が加えられた場合の断面図である。
図６に示すように、検知部材３０のＸ軸正方向に対応した部分が押し下げられた場合には、変位電極４０のＸ軸正方向に対応した突起部４１が下方へと変位し、突起部４１がスイッチ用電極Ｅ１１、Ｅ１５と接触する。これにより、スイッチＳＷ１がオン状態になり、変位電極４０はグランド電位になる。このとき、スイッチＳＷ３はオフ状態に維持されるので、判定回路の出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力され、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がオン状態になり、判定回路の出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１５がオフ状態になる。従って、周期信号Ｓ１、Ｓ２が容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に入力され、容量素子Ｃ１〜Ｃ４に電荷が蓄積される。
ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極の間隔が変化すると、それに伴って容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値も変化する。ここで、一般的に、容量素子の静電容量値は、容量素子の電極の間隔に反比例する。検知部材３０のＸ軸正方向に対応した部分が押し下げられた場合には、容量素子Ｃ１を構成する容量素子用電極Ｅ１と変位電極４０との間隔が最も小さくなり、容量素子Ｃ２を構成する容量素子用電極Ｅ２と変位電極４０との間隔が最も大きくなる。また、容量素子Ｃ３を構成する容量素子用電極Ｅ３と変位電極４０との間隔及び容量素子Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ４と変位電極４０との間隔は、その中間くらいになる。従って、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、次式のような関係になる。
Ｃ２＜Ｃ３≒Ｃ４＜Ｃ１
一方、上述したように、判定回路の出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１５はオフ状態である。従って、容量素子用電極Ｅ５は、絶縁された状態となり、容量素子Ｃ５の静電容量値は浮遊容量だけの小さなものとなる。
ここで、実際には、変位電極４０のＸ軸正方向に力が加えられた場合でも、検知部材３０に対する力の加わり方や力の強さ、変位電極４０の大きさや硬度などの条件によっては、変位電極４０のＹ軸正方向及びＹ軸負方向に対応した突起部４３、４４が下方へと変位し、スイッチ用電極Ｅ１３、Ｅ１７及びスイッチ用電極Ｅ１４、Ｅ１８と接触し、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオン状態になることがあるが、動作原理上の問題はない。なお、検知部材３０のＸ軸負方向、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合も、検知部材３０のＸ軸正方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合と同様であるので説明は省略する。
次に、検知部材３０の中央部分を押し下げるような力が加えられた場合を考える。図７は、図１に示す静電容量式センサの検知部材の中央部分に力が加えられた場合の断面図である。
図７に示すように、検知部材３０の中央部分が押し下げられた場合には、変位電極４０の突起部４１〜４４の全てが下方へと変位し、突起部４１〜４４がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４、Ｅ１５〜Ｅ１８とそれぞれ接触する。これにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオン状態になり、変位電極４０はグランド電位になる。このとき、判定回路の出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がオフ状態になり、判定回路の出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力され、スイッチＳＷ１５がオン状態になる。従って、周期信号Ｓ１が容量素子Ｃ５を構成する容量素子用電極Ｅ５に入力され、容量素子Ｃ５に電荷が蓄積される。このとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は浮遊容量だけで小さいものとなる。
また、変位電極４０の中央の突起部４５も下方へと変位し、その先端が容量素子用電極Ｅ５上の絶縁膜５０に接触する。ここで、変位電極４０の突起部４５の表面は凹凸状になっているので、検知部材３０を押す力の強さに応じて、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ５との間の接触面積が変化する。その結果、容量素子Ｃ５の静電容量値の大きさは、検知部材３０を押す力の強さに応じて変化する。
このように、検知部材３０を押し下げるような力が加えられた場合のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態、判定回路の出力端子ＳＬ１、ＳＬ２から出力される信号、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の状態、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の大きさをまとめると、表１のようになる。なお、検知部材３０のＸ軸負方向及びＹ軸負方向の部分に力が加えられた場合は、検知部材３０のＸ軸正方向及びＹ軸正方向の部分に力が加えられた場合と同様に考えられるので省略する。
Figure 2006100724
ここで、表１のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の欄では、○印はオン状態を示し、×印はオフ状態を示している。また、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の欄では、静電容量値の大きさは、◎印が最も大きく、○印、△印の順に小さくなり、−印はほとんど変化しないことを示す。
そして、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値に基づいて、検知部材３０に加えられた力を検知可能である。つまり、Ｘ軸方向の力（Ｘ軸出力を変化させようとする力）Ｆｘは、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力Ｖｘは、次式によって算出される。
Ｖｘ＝ｆ（Ｃ１、Ｃ２）＝ｋｘ（Ｃ１−Ｃ２）（但し、ｋｘは定数）
また、Ｙ軸方向の力（Ｙ軸出力を変化させようとする力）Ｆｙは、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＹ軸出力Ｖｙは、次式によって算出される。
Ｖｙ＝ｆ（Ｃ３、Ｃ４）＝ｋｙ（Ｃ３−Ｃ４）（但し、ｋｙは定数）
また、Ｚ軸方向の力（Ｚ軸出力を変化させようとする力）Ｆｚは、容量素子Ｃ５の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５）＝ｋｚ（Ｃ５）（但し、ｋｚは定数）
ここで、Ｚ軸出力Ｖｚを算出する場合に、固定容量素子Ｃ６が用いられる場合には、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５、Ｃ６）＝ｋｚ’（Ｃ５−Ｃ６）（但し、ｋｚ’は定数）
また、変位電極４０に対して容量素子用電極Ｅ５と反対側に、固定電極を設け、スイッチＳＷ１５と同期して制御されるスイッチＳＷ１７に接続し、他方のスイッチ端子を端子Ｔ１０１に接続して、変位電極４０と固定電極との間に可変容量素子Ｃ７を構成した場合には、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５、Ｃ７）＝ｋｚ’’（Ｃ５−Ｃ７）（但し、ｋｚ’’は定数）
次に、Ｘ軸出力Ｖｘ、Ｙ軸出力Ｖｙ及びＺ軸出力Ｖｚを導出するための信号処理回路について、図８を参照しながら説明する。図８は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。図８では、固定容量素子Ｃ６が設けられ、Ｚ軸出力Ｖｚが容量素子Ｃ５、Ｃ６の静電容量値に基づいて検知される場合を図示している。また、図８では、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６は次式の関係を有している。
Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ４、Ｒ５＝Ｒ６
図８に示す信号処理回路において、端子Ｔ１００、Ｔ１０１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Ｓ１、Ｓ２が入力される。端子Ｔ１００には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５が接続されており、端子Ｔ１０１には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６が接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端及び抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子８１、８２、８３がそれぞれ接続されており、その出力端はローパスフィルタＬＦ１〜ＬＦ３を介して端子Ｔ９１〜Ｔ９３に接続されている。さらに、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の出力端は、スイッチＳ１１〜Ｓ１６の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳ１１〜Ｓ１６の出力端は、容量素子Ｃ１〜Ｃ６にそれぞれ接続されている。図８では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は接地されている状態が図示されている。
従って、図８の信号処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２、容量素子Ｃ３と抵抗素子Ｒ３、容量素子Ｃ４と抵抗素子Ｒ４、容量素子Ｃ５と抵抗素子Ｒ５、容量素子Ｃ６と抵抗素子Ｒ６は、それぞれＣＲ遅延回路を形成することができる。ここで、例えばＸ軸出力が出力される信号処理回路では、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２がオン状態である場合には、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力された周期信号Ｓ１、Ｓ２は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１で構成されるＣＲ遅延回路または容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２で構成されるＣＲ遅延回路によって、それぞれ所定の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子８１において合流する。なお、Ｙ軸出力Ｖｙ及びＺ軸出力Ｖｚが出力される信号処理回路についても同様である。
ここで、図８の信号処理回路では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６に接続されたスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６がオン状態からオフ状態にまたはオフ状態からオン状態に変化した場合でも、対となる容量素子の静電容量値の大きさが同じであれば、アナログ電圧に変換された出力に大きな変化がない。
以下、この理由について詳細に説明する。ここでは、Ｘ軸出力Ｖｘについてだけ説明する。図９は、図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
図９（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形を示している。ここでは、端子Ｔ１００に入力される周期信号Ｓ１は、デューティ比Ｄ０が５０％の周期信号であり、端子Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ２は、周期信号Ｓ１と同一の周期で、かつ、位相が１／４周期だけずれている周期信号である。
Ｚ軸出力Ｖｚを利用している場合は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２はオフ状態である。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２はほとんど遅延することなくＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。従って、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号の波形は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形（図９（ａ）、（ｂ）参照）と同じである。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果が節点Ｘ３に出力される。図９（ｃ）は、節点Ｘ３における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図９（ｄ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
その後、Ｚ軸出力Ｖｚを利用しなくなると、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２はオン状態になる。そのため、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に応じて、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号の波形は、図９（ｅ）及び図９（ｆ）に示す遅延波形となる。このとき、Ｘ軸方向の力が加えられていない場合には、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値とは、ほぼ同じであり、遅延時間もほぼ同じになる。これらの遅延波形の周期信号がＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果が節点Ｘ３に出力される。図９（ｇ）は、節点Ｘ３における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図９（ｈ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
このように、Ｘ軸方向の力を加えないで、単にＺ軸方向の操作を行う前後では、Ｘ軸出力Ｖｘはほとんど変化しない。これは、Ｙ軸出力及びＺ軸出力についても同様である。従って、本実施の形態の静電容量式センサ１０をジョイステックに応用した場合には、出力信号の連続性が確保され、Ｚ軸出力を利用した操作を行う前後で、カーソルの位置が変化しないことになり、確実な操作が可能となり、信頼性の高いジョイステックを得ることができる。
以上説明したように、本実施の形態の静電容量式センサ１０をジョイステック（ポインティングデバイス）に応用した場合には、カーソルを移動させる向きに検知部材３０が傾くように検知部材３０を押し込むと、押し込む力の強さと向きに応じてＸ軸出力及びＹ軸出力が変化し、カーソルが移動する。このとき、Ｚ軸出力はほとんど変化しないので、Ｚ軸出力を利用したクリック等の操作はできなくなる。一方、検知部材３０をＺ軸方向に押し込むと、Ｚ軸出力を利用したクリック等の操作が可能になる。このとき、Ｘ軸出力及びＹ軸出力はほとんど変化しないので、カーソルは移動しない。このように、カーソルの移動とＺ軸出力を利用した操作とは、排他的な動作となっており、これらは同時に行うことはできない。従って、カーソルの移動とＺ軸出力を利用した操作とが確実に分離されるので、誤操作が防止される。また、検知部材３０の径を指の大きさ位にすると、指を検知部材３０から離さずに、指の傾きや押す力を変化させるだけで、カーソルの移動及びＺ軸出力を利用した操作が確実にできるので、操作性の優れたジョイステックを得ることができる。
また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態を検出することによって、検知部材３０に対する操作が行われているか否かを判別することができる。従って、検知部材３０に対する操作が行われていない場合には、マイクロコンピュータなどを利用し、システムを省電力モードで待機させ、検知部材３０に対する操作が行われた場合に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオフ状態からオン状態に切り換わると、この信号変化をマイクロコンピュータなどで検知し、システムを通常の使用状態に戻す（ウェイクアップ）などの制御が可能になる。そのため、静電容量式センサ１０を用いたシステムにおいて、検知ボタン３０に対する操作が長時間にわたって行われない場合には、スリープモードに切り換えることによって、消費電力を低減することができる。
なお、本発明の静電容量式センサ１０は、本実施の形態のように、３６０度の方向にカーソルを移動させるジョイステックに応用できる他、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がＸ軸及びＹ軸上に配置されているので、特にＸ軸方向及びＹ軸方向にカーソルなどを移動させる用途に適している。従って、例えばアイコン、メニュー、文字などの選択対象が縦方向及び横方向に並べられている場合に、希望の選択対象を指示する用途に最適である。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第２の実施の形態に係る静電容量式センサが、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、信号処理回路の構成である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。
図１０に示す信号処理回路において、端子Ｔ１００、Ｔ１０１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Ｓ１、Ｓ２が入力される。端子Ｔ１００には、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２５の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２５の出力端は、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５にそれぞれ接続されている。また、端子Ｔ１０１には、スイッチＳＷ２２、ＳＷ２４、ＳＷ２６の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ２２、ＳＷ２４、ＳＷ２６の出力端は、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６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の出力端及び抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子８１、８２、８３がそれぞれ接続されており、その出力端はローパスフィルタＬＦ１〜ＬＦ３を介して端子Ｔ９１〜Ｔ９３に接続されている。さらに、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の出力端は、容量素子Ｃ１〜Ｃ６にそれぞれ接続されている。図１０では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は接地されている状態が図示されている。
スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４は、第１の実施の形態のスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と同様に、判定回路の出力端子ＳＬ１から出力される信号に基づいて制御され、スイッチＳＷ２５、ＳＷ２６は、スイッチＳＷ１５、ＳＷ１６と同様に、判定回路の出力端子ＳＬ２から出力される信号に基づいて制御される。
従って、本実施の形態では、利用しない出力軸のＥＸ−ＯＲ素子８１〜８３に対する周期信号の供給が停止される。つまり、Ｘ軸出力Ｖｘ及びＹ軸出力Ｖｙが利用される場合には、ＥＸ−ＯＲ素子８３に対する周期信号の供給が停止され、Ｚ軸出力Ｖｚが利用される場合には、ＥＸ−ＯＲ素子８１、８２に対する周期信号の供給が停止される。
ここでは、Ｘ軸出力Ｖｘについてだけ説明する。図１１は、図１０に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形を示している。Ｚ軸出力Ｖｚを利用している場合は、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２はオフ状態である。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２は、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されない。従って、節点Ｘ４、Ｘ５における周期信号の波形は、電源の０Ｖに近いＬｏの信号である。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、電源の０Ｖに近いＬｏレベル電圧が節点Ｘ６に出力される。図１１（ｃ）は、節点Ｘ６における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図１１（ｄ）に示すように、電源の０Ｖに近い電圧となる。
その後、Ｚ軸出力Ｖｚを利用しなくなると、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４はオン状態になる。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２は、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されるようになる。このとき、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に応じて、節点Ｘ４、Ｘ５における周期信号の波形は、図１１（ｅ）及び図１１（ｆ）に示す遅延波形となる。このとき、Ｘ軸方向の力が加えられていない場合には、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値とは、ほぼ同じであり、遅延時間もほぼ同じになる。そして、これらの遅延波形の周期信号がＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果が節点Ｘ６に出力される。図１１（ｇ）は、節点Ｘ６における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図１１（ｈ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
このように、本実施の形態では、操作状態に応じて出力が大きく変化する。Ｘ軸方向の力を加えないで、単にＺ軸方向の操作を行う前後では、Ｘ軸出力Ｖｘはほとんど変化しない。これは、Ｙ軸出力及びＺ軸出力についても同様である。
次に、本発明の第３の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第３の実施の形態に係る静電容量式センサ１１０が、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、検知部材の形状である。なお、静電容量式センサ１１０の構成で静電容量式センサ１０の構成と同じ部分は同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。
検知部材１３０は、受力部となる小径の上段部１３１と、上段部１３１の下端部に伸延する大径の下段部１３２とから構成され、全体として円盤状に形成されている。また、上段部１３１には、棒状の突起体１３３が形成されている。
本実施の形態では、検知部材１３０の突起体１３３がＺ軸方向に長いので、Ｘ軸出力Ｖｘ及びＹ軸出力Ｖｙを変化させたい場合に、検知部材１３０の突起体１３３を水平方向に（基板２０に平行な方向に）力を加えることによって操作可能である。
次に、本発明の第４の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第４の実施の形態に係る静電容量式センサ２１０が、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、変位電極の形状である。なお、静電容量式センサ２１０の構成で静電容量式センサ１０の構成と同じ部分は同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。
変位電極１４０の下面には、Ｘ軸正方向及びＸ軸負方向、Ｚ軸方向にそれぞれ対応した位置に、円形の突起部１４１、１４２、１４５が形成されている。なお、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向にそれぞれ対応した位置には、図示しない円形の突起部が形成されている。また、突起部１４５の中央には、突起１４５ａが設けられている。突起１４５ａは、他の突起部より基板に近いので、これを支点として、支持部材６０が変形し、変位電極１４０が変位する。操作者は、検知部材３０による操作感の中心を感触として与えることができる。なお、突起部１４５を他の突起部よりも高くすることによっても、同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、Ｘ軸出力、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の３軸出力が出力されているが、Ｘ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよいし、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよい。
また、上述の実施の形態では、変位電極４０と支持部材６０とは別部材であるが、一体に形成されていてもよい。また、変位電極４０としては、シリコンゴムの他、例えば、非導電性シリコンゴムに導電性インクや導電性塗料を塗布してもよいし、非導電性シリコンゴムに導電性の金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成してもよいし、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチックを用いてもよい。つまり、変位電極４０は、柔軟性のある導電性部材または非導電性で柔軟性のある部材に導電性部材を付けたものであればよい。また、支持部材６０は、シリコンゴムでなく、樹脂フィルムや薄い金属であってもよい。
また、上述の実施の形態では、変位電極４０の突起部４１〜４５は同じ高さであるが、必要に応じて、各突起部４１〜４５の高さを変えてもよいし、各突起部４１〜４５はなくてもよい。
また、上述の実施の形態では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力は、本発明の静電容量式センサの制御だけに使用されているが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力を他の制御のために使用してもよい。
本発明の第１の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。 図１の静電容量式センサの変位電極の上面からの透視図である。 図１の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの構成を示す図である。 判定回路の構成を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの検知部材のＸ軸正方向の部分に力が加えられた場合の断面図である。 図１に示す静電容量式センサの検知部材の中央部分に力が加えられた場合の断面図である。 図１に示す静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。 図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。 図１０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。 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。 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。
符号の説明
１０、１１０、２１０ 静電容量式センサ
２０ 基板
３０、１３０ 検知部材
４０、１４０ 変位電極（導電性部材）
Ｅ１、Ｅ２ 容量素子用電極（Ｘ軸用電極）
Ｅ３、Ｅ４ 容量素子用電極（Ｙ軸用電極）
Ｅ５ 容量素子用電極（Ｚ軸用電極）
Ｅ１１〜Ｅ１４ スイッチ用電極（第２のスイッチ用電極）
Ｅ１５〜Ｅ１８ スイッチ用電極（第１のスイッチ用電極）






本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関するものである。
静電容量式センサは、操作者によって加えられた力の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として一般的に利用されている。例えば、コンピュータの入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだ装置が利用されている。
静電容量式センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元または三次元のセンサとしても利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検出を行う静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコストダウンを図ることができるメリットがあるために、さまざまな分野で実用化されている。
ここで、静電容量式センサには、Ｘ軸上の固定電極、Ｙ軸上の固定電極及びこれらに囲まれたＺ軸上の固定電極と可動電極板部との間で、可変容量素子が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この静電容量式センサでは、例えば、操作部にＸ軸方向の力Ｆｘが加えられると、Ｘ軸上の固定電極と可動電極板部との間の間隔が小さくなり、これらで構成される容量素子の静電容量値が大きくなる。そのため、この容量素子の静電容量値の変化を検出することによって、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力を出力することができる。
特開２００１−９１３８２号公報
しかしながら、この静電容量式センサでは、どのような力が操作部に加えられている場合でも、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力、Ｙ軸方向の力Ｆｙに対応したＹ軸出力及びＺ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力が常に出力されている。従って、Ｘ軸出力またはＹ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｚ軸出力が変化してしまう場合がある。一方、Ｚ軸出力だけを変化させたい場合でも、Ｘ軸出力またはＹ軸出力が変化してしまう場合がある。
例えば、この静電容量式センサがＸ軸出力及びＹ軸出力に基づいてカーソルを移動させると共に、Ｚ軸出力に基づいてクリック等の所定操作が行われるジョイステックに応用された場合には、Ｘ軸出力及びＹ軸出力を変化させることによってカーソルの位置を所定位置（例えばアイコン上）に移動させた後で、Ｚ軸出力を変化させることによって所定操作が行われる。ここで、カーソルを移動させる力が加えられた場合に、Ｘ軸出力及びＹ軸出力だけでなく、Ｚ軸出力も変化することによって、所定操作が誤って行われる場合がある。一方、所定操作を行う力が加えられた場合に、Ｚ軸出力だけでなく、Ｘ軸出力及びＹ軸出力も変化することによって、カーソルが移動してしまうため、カーソルの位置を所定位置から移動させないで、所定操作を行うのが難しい場合がある。
そこで、本発明の目的は、操作性がよく、誤操作の少ない静電容量式センサを提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
本発明の静電容量式センサは、基板と、前記基板と対向している検知部材と、前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第１の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材の第２の容量素子用電極に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、第１の容量素子用電極に基づく出力と、第２の容量素子用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記第１の容量素子用電極及び前記第２の容量素子用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていてもよい。
この構成によると、複数対の第１及び第２のスイッチ用電極で構成されるスイッチの位置が操作方向と一致するので、さらに操作性が向上する。
本発明の静電容量式センサは、ＸＹ平面を規定する基板と、前記基板と対向している検知部材と、前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記Ｘ軸用電極、前記Ｙ軸用電極及び前記Ｚ軸用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位を認識可能である。
この構成によると、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位が認識され、Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位が認識されるのに対し、導電性部材が複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位が認識される。つまり、導電性部材と複数対の第１及び第２のスイッチ用電極との接触状態に応じて、検知部材の異なる部分の変位が認識される。従って、Ｘ軸用電極及びＹ軸用電極に基づく出力と、Ｚ軸用電極に基づく出力とが排他的に出力されるようになる。その結果、操作性が向上すると共に、誤操作が少なくなる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していてもよい。
この構成によると、Ｘ軸方向の力及びＹ軸方向の力を精度よく検出することができる。
本発明の静電容量式センサにおいて、前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記Ｘ軸用電極及び前記Ｙ軸用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていてもよい。
この構成によると、複数対の第１及び第２のスイッチ用電極で構成されるスイッチの位置が操作方向と一致するので、さらに操作性が向上する。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は本発明の静電容量式センサを、コンピュータの表示画面に表示されたカーソルを移動させ、カーソルを利用した操作を行うジョイスティック（ポインティングデバイス）に応用したものである。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図１の静電容量式センサの変位電極の上面からの透視図である。図３は、図１の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
静電容量式センサ１０は、基板２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用の検知部材３０と、変位電極４０と、基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５（図１ではＥ１、Ｅ２、Ｅ５のみを示す）と、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８（図１ではＥ１１、Ｅ１２のみを示す）と、複数の電極に密着して基板２０上を覆うように形成された絶縁膜５０と、検知部材３０及び変位電極４０を基板２０に対して支持する支持部材６０と、支持部材６０の周囲を覆うように配置され支持部材６０を基板２０に対して固定する固定部材７０とを有している。
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、基板２０上の容量素子用電極Ｅ５の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。従って、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２０上の容量素子用電極Ｅ５、検知部材３０および変位電極４０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
基板２０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。
検知部材３０は、支持部材６０の上面に固定されている。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であり、下段部３２の径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径より大きい。また、検知部材３０の上段部３１の上面には、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。
変位電極４０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同じ径を有する円盤状である。また、変位電極４０の下面には、５つの円形の突起部４１〜４５が形成されている。４つの突起部４１〜４４は、変位電極４０の下面の外周部近傍において、Ｘ軸正方向及びＸ軸負方向、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向にそれぞれ対応した位置に形成されている。また、４つの突起部４１〜４４は、一対のスイッチ用電極（図３参照）と同一の径の円形である。つまり、例えば突起部４１は、スイッチ用電極Ｅ１１、Ｅ１５のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円と同一の径である。１つの突起部４５は、変位電極４０の下面の中心位置に配置されており、容量素子用電極Ｅ５と同一の径の円形である。ここで、突起部４５の表面は、小さな起伏のある凹凸面になっている。そして、変位電極４０は、導電性を有するシリコンゴムで形成され、弾性を有するシリコンゴムで形成された支持部材６０の下面に付着されている。従って、検知部材３０にＺ軸負方向の力が加えられた場合には、変位電極４０は検知部材３０と共にＺ軸負方向に変位する。
また、基板２０上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５と、その外側に略扇形であり、それぞれの外周部近傍に略円形の切り欠きＨ１〜Ｈ４を有する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、切り欠きＨ１〜Ｈ４の内側で、切り欠きＨ１〜Ｈ４の径よりも小さい径を有する半円形のスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８とが形成されている。容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５及びスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１８（図４参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子は電子回路に接続可能になっている。
一対の容量素子用電極Ｅ１およびＥ２は、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３およびＥ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。ここでは、容量素子用電極Ｅ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、一方、容量素子用電極Ｅ２はＸ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｅ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、一方、容量素子用電極Ｅ４はＹ軸の負方向に対応するように配置され、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。
スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、接地電位とは異なる所定電位に保持されており、スイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は接地されている。そして、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は、それぞれ対を形成するように配置されている。例えば、スイッチ用電極Ｅ１１とスイッチ用電極Ｅ１５とは、一対になっており、Ｘ軸正方向においてＸ軸に対して対称に配置されている。なお、その他のスイッチ用電極についても同様である。
また、絶縁膜（絶縁性のレジスト膜）５０は、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に密着して、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５を覆うように形成されている。このため、銅箔などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５は空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。また、絶縁膜５０が形成されているので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とが直接接触することはない。なお、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、錆や酸化防止対策として、その表面へ金メッキが形成されてもよいし、ハンダなどの導電性膜で覆われていてもよい。
なお、静電容量式センサ１０をジョイステックに応用した場合には、変位電極４０の大きさ、材質、硬度や、検知部材３０の形状や、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５の大きさは、操作感に影響を与えるので、最適な条件に設定するのがよい。
次に、上述のように構成された本実施の形態に係る静電容量式センサ１０の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、図１に示す静電容量式センサの回路構成を示す図である。図４では、上述した構成に対応した部分が破線で囲まれており、破線の外側の部分が電子回路に対応している。ここで、端子Ｔ１〜Ｔ５、Ｔ１１〜Ｔ１８は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５及びスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１８にスルーホールなどを利用して接続された端子である。
変位電極４０は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５とほぼ平行に対向しつつ離隔した状態で保持されるので、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に容量素子Ｃ１〜Ｃ５を形成される。容量素子Ｃ１〜Ｃ５は、変位電極４０の変位に起因して静電容量値がそれぞれ変化するように構成された可変容量素子である。
また、変位電極４０は、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得る。従って、変位電極４０とスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８との間には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がそれぞれ形成される。ここで、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、プルアップ抵抗素子Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃに保持されると共に、判定回路の入力端子に接続されている。スイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８は、接地されている。変位電極４０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態に応じて、絶縁された状態と絶縁されていない状態とに切り換えられる。
従って、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触している場合（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオン状態である場合）には、変位電極４０がグランド電位になり、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に電位差が生じ、容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電位差に応じた電荷が蓄積される。一方、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８と接触していない場合（スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオフ状態である場合）には、変位電極４０は絶縁された状態であるので、容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電荷は蓄積されない。
なお、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４だけに接触すると、変位電極４０は電源電圧の電位になるが、変位電極４０が導電性シリコンゴムを材料とした柔らかい弾性体であることや変位電極４０の形状を考慮すると、変位電極４０がスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８に接触しないでスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４だけに接触することは考え難い。従って、変位電極４０は、スイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４及びスイッチ用電極Ｅ１５〜Ｅ１８とほぼ同時に接触するので、変位電極４０はグランド電位になると考えられる。
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に接続された端子Ｔ１〜Ｔ５には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５がそれぞれ接続されている。そして、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１３、ＳＷ１５の一方の端子（端子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５から離れた側の端子）は、端子Ｔ１００に接続されており、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１４の一方の端子（端子Ｔ２、Ｔ４から離れた側の端子）は、端子Ｔ１０１に接続されている。従って、周期信号Ｓ１が端子Ｔ１００に入力されている場合に、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１３、ＳＷ１５がオン状態になったときに、周期信号Ｓ１が容量素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５を構成する容量素子用電極Ｅ１、Ｅ３、Ｅ５にそれぞれ入力される。また、周期信号Ｓ２が端子Ｔ１０１に入力されている場合に、スイッチＳＷ１２、ＳＷ１４がオン状態になったときに、周期信号Ｓ２が容量素子Ｃ２、Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ２、Ｅ４にそれぞれ入力される。
判定回路は、図５に示す構成になっており、否定回路（反転回路）を通過した後で、論理積（ＡＮＤ）演算が行われ、その結果に基づいて、２つの出力端子ＳＬ１、ＳＬ２から出力信号が出力される。ここで、判定回路では、全ての否定回路の入力がＬｏの場合に、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ１からは、出力端子ＳＬ２から出力されるＨｉの信号の反転信号であるＬｏの信号が出力される。
つまり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオン状態である場合には、出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力される。一方、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオフ状態である場合には、出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力されると共に、出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力される。
そして、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の状態は、判定回路から出力される信号に基づいて、ほぼ同時に制御される。スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、出力端子ＳＬ１から出力される信号に基づいて制御され、出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力されている場合にはオフ状態となり、出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力されている場合にはオン状態となる。また、スイッチＳＷ１５は、出力端子ＳＬ２から出力される信号に基づいて制御され、出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力されている場合にはオン状態となり、出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力されている場合にはオフ状態となる。
このように、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、同じ状態になるように制御される。また、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４とスイッチＳＷ１５とは互いに反対の状態になるように制御される。つまり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の全てがオン状態である場合には、スイッチＳＷ１５はオフ状態となり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４の全てがオフ状態である場合には、スイッチＳＷ１５はオン状態となる。従って、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の全てが同時にオン状態になることはない。
次に、検知部材３０のＸ軸正方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合を考える。図６は、図１に示す静電容量式センサの検知部材のＸ軸正方向の部分に力が加えられた場合の断面図である。
図６に示すように、検知部材３０のＸ軸正方向に対応した部分が押し下げられた場合には、変位電極４０のＸ軸正方向に対応した突起部４１が下方へと変位し、突起部４１がスイッチ用電極Ｅ１１、Ｅ１５と接触する。これにより、スイッチＳＷ１がオン状態になり、変位電極４０はグランド電位になる。このとき、スイッチＳＷ３はオフ状態に維持されるので、判定回路の出力端子ＳＬ１からＨｉの信号が出力され、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がオン状態になり、判定回路の出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１５がオフ状態になる。従って、周期信号Ｓ１、Ｓ２が容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に入力され、容量素子Ｃ１〜Ｃ４に電荷が蓄積される。
ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極の間隔が変化すると、それに伴って容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値も変化する。ここで、一般的に、容量素子の静電容量値は、容量素子の電極の間隔に反比例する。検知部材３０のＸ軸正方向に対応した部分が押し下げられた場合には、容量素子Ｃ１を構成する容量素子用電極Ｅ１と変位電極４０との間隔が最も小さくなり、容量素子Ｃ２を構成する容量素子用電極Ｅ２と変位電極４０との間隔が最も大きくなる。また、容量素子Ｃ３を構成する容量素子用電極Ｅ３と変位電極４０との間隔及び容量素子Ｃ４を構成する容量素子用電極Ｅ４と変位電極４０との間隔は、その中間くらいになる。従って、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、次式のような関係になる。
Ｃ２＜Ｃ３≒Ｃ４＜Ｃ１
一方、上述したように、判定回路の出力端子ＳＬ２からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１５はオフ状態である。従って、容量素子用電極Ｅ５は、絶縁された状態となり、容量素子Ｃ５の静電容量値は浮遊容量だけの小さなものとなる。
ここで、実際には、変位電極４０のＸ軸正方向に力が加えられた場合でも、検知部材３０に対する力の加わり方や力の強さ、変位電極４０の大きさや硬度などの条件によっては、変位電極４０のＹ軸正方向及びＹ軸負方向に対応した突起部４３、４４が下方へと変位し、スイッチ用電極Ｅ１３、Ｅ１７及びスイッチ用電極Ｅ１４、Ｅ１８と接触し、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオン状態になることがあるが、動作原理上の問題はない。なお、検知部材３０のＸ軸負方向、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合も、検知部材３０のＸ軸正方向の部分を押し下げるような力が加えられた場合と同様であるので説明は省略する。
次に、検知部材３０の中央部分を押し下げるような力が加えられた場合を考える。図７は、図１に示す静電容量式センサの検知部材の中央部分に力が加えられた場合の断面図である。
図７に示すように、検知部材３０の中央部分が押し下げられた場合には、変位電極４０の突起部４１〜４４の全てが下方へと変位し、突起部４１〜４４がスイッチ用電極Ｅ１１〜Ｅ１４、Ｅ１５〜Ｅ１８とそれぞれ接触する。これにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の全てがオン状態になり、変位電極４０はグランド電位になる。このとき、判定回路の出力端子ＳＬ１からＬｏの信号が出力され、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がオフ状態になり、判定回路の出力端子ＳＬ２からＨｉの信号が出力され、スイッチＳＷ１５がオン状態になる。従って、周期信号Ｓ１が容量素子Ｃ５を構成する容量素子用電極Ｅ５に入力され、容量素子Ｃ５に電荷が蓄積される。このとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は浮遊容量だけで小さいものとなる。
また、変位電極４０の中央の突起部４５も下方へと変位し、その先端が容量素子用電極Ｅ５上の絶縁膜５０に接触する。ここで、変位電極４０の突起部４５の表面は凹凸状になっているので、検知部材３０を押す力の強さに応じて、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ５との間の接触面積が変化する。その結果、容量素子Ｃ５の静電容量値の大きさは、検知部材３０を押す力の強さに応じて変化する。
このように、検知部材３０を押し下げるような力が加えられた場合のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態、判定回路の出力端子ＳＬ１、ＳＬ２から出力される信号、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の状態、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の大きさをまとめると、表１のようになる。なお、検知部材３０のＸ軸負方向及びＹ軸負方向の部分に力が加えられた場合は、検知部材３０のＸ軸正方向及びＹ軸正方向の部分に力が加えられた場合と同様に考えられるので省略する。
Figure 2006100724
ここで、表１のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５の欄では、○印はオン状態を示し、×印はオフ状態を示している。また、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の欄では、静電容量値の大きさは、◎印が最も大きく、○印、△印の順に小さくなり、−印はほとんど変化しないことを示す。
そして、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値に基づいて、検知部材３０に加えられた力を検知可能である。つまり、Ｘ軸方向の力（Ｘ軸出力を変化させようとする力）Ｆｘは、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｘ軸方向の力Ｆｘに対応したＸ軸出力Ｖｘは、次式によって算出される。
Ｖｘ＝ｆ（Ｃ１、Ｃ２）＝ｋｘ（Ｃ１−Ｃ２）（但し、ｋｘは定数）
また、Ｙ軸方向の力（Ｙ軸出力を変化させようとする力）Ｆｙは、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｙ軸方向の力Ｆｙに対応したＹ軸出力Ｖｙは、次式によって算出される。
Ｖｙ＝ｆ（Ｃ３、Ｃ４）＝ｋｙ（Ｃ３−Ｃ４）（但し、ｋｙは定数）
また、Ｚ軸方向の力（Ｚ軸出力を変化させようとする力）Ｆｚは、容量素子Ｃ５の静電容量値に基づいて検知可能である。従って、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５）＝ｋｚ（Ｃ５）（但し、ｋｚは定数）
ここで、Ｚ軸出力Ｖｚを算出する場合に、固定容量素子Ｃ６が用いられる場合には、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５、Ｃ６）＝ｋｚ’（Ｃ５−Ｃ６）（但し、ｋｚ’は定数）
また、変位電極４０に対して容量素子用電極Ｅ５と反対側に、固定電極を設け、スイッチＳＷ１５と同期して制御されるスイッチＳＷ１７に接続し、他方のスイッチ端子を端子Ｔ１０１に接続して、変位電極４０と固定電極との間に可変容量素子Ｃ７を構成した場合には、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対応したＺ軸出力Ｖｚは、次式によって算出される。
Ｖｚ＝ｆ（Ｃ５、Ｃ７）＝ｋｚ’’（Ｃ５−Ｃ７）（但し、ｋｚ’’は定数）
次に、Ｘ軸出力Ｖｘ、Ｙ軸出力Ｖｙ及びＺ軸出力Ｖｚを導出するための信号処理回路について、図８を参照しながら説明する。図８は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。図８では、固定容量素子Ｃ６が設けられ、Ｚ軸出力Ｖｚが容量素子Ｃ５、Ｃ６の静電容量値に基づいて検知される場合を図示している。また、図８では、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６は次式の関係を有している。
Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ４、Ｒ５＝Ｒ６
図８に示す信号処理回路において、端子Ｔ１００、Ｔ１０１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Ｓ１、Ｓ２が入力される。端子Ｔ１００には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５が接続されており、端子Ｔ１０１には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６が接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端及び抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子８１、８２、８３がそれぞれ接続されており、その出力端はローパスフィルタＬＦ１〜ＬＦ３を介して端子Ｔ９１〜Ｔ９３に接続されている。さらに、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の出力端は、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６の出力端は、容量素子Ｃ１〜Ｃ６にそれぞれ接続されている。図８では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は接地されている状態が図示されている。
従って、図８の信号処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２、容量素子Ｃ３と抵抗素子Ｒ３、容量素子Ｃ４と抵抗素子Ｒ４、容量素子Ｃ５と抵抗素子Ｒ５、容量素子Ｃ６と抵抗素子Ｒ６は、それぞれＣＲ遅延回路を形成することができる。ここで、例えばＸ軸出力が出力される信号処理回路では、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２がオン状態である場合には、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力された周期信号Ｓ１、Ｓ２は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１で構成されるＣＲ遅延回路または容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２で構成されるＣＲ遅延回路によって、それぞれ所定の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子８１において合流する。なお、Ｙ軸出力Ｖｙ及びＺ軸出力Ｖｚが出力される信号処理回路についても同様である。
ここで、図８の信号処理回路では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６に接続されたスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６がオン状態からオフ状態にまたはオフ状態からオン状態に変化した場合でも、対となる容量素子の静電容量値の大きさが同じであれば、アナログ電圧に変換された出力に大きな変化がない。
以下、この理由について詳細に説明する。ここでは、Ｘ軸出力Ｖｘについてだけ説明する。図９は、図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
図９（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形を示している。ここでは、端子Ｔ１００に入力される周期信号Ｓ１は、デューティ比Ｄ０が５０％の周期信号であり、端子Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ２は、周期信号Ｓ１と同一の周期で、かつ、位相が１／４周期だけずれている周期信号である。
Ｚ軸出力Ｖｚを利用している場合は、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２はオフ状態である。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２はほとんど遅延することなくＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。従って、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号の波形は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形（図９（ａ）、（ｂ）参照）と同じである。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理和演算が行われ、その結果が節点Ｘ３に出力される。図９（ｃ）は、節点Ｘ３における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図９（ｄ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
その後、Ｚ軸出力Ｖｚを利用しなくなると、スイッチＳＷ１１、ＳＷ１２はオン状態になる。そのため、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に応じて、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号の波形は、図９（ｅ）及び図９（ｆ）に示す遅延波形となる。このとき、Ｘ軸方向の力が加えられていない場合には、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値とは、ほぼ同じであり、遅延時間もほぼ同じになる。これらの遅延波形の周期信号がＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理和演算が行われ、その結果が節点Ｘ３に出力される。図９（ｇ）は、節点Ｘ３における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図９（ｈ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
このように、Ｘ軸方向の力を加えないで、単にＺ軸方向の操作を行う前後では、Ｘ軸出力Ｖｘはほとんど変化しない。これは、Ｙ軸出力及びＺ軸出力についても同様である。従って、本実施の形態の静電容量式センサ１０をジョイステックに応用した場合には、出力信号の連続性が確保され、Ｚ軸出力を利用した操作を行う前後で、カーソルの位置が変化しないことになり、確実な操作が可能となり、信頼性の高いジョイステックを得ることができる。
以上説明したように、本実施の形態の静電容量式センサ１０をジョイステック（ポインティングデバイス）に応用した場合には、カーソルを移動させる向きに検知部材３０が傾くように検知部材３０を押し込むと、押し込む力の強さと向きに応じてＸ軸出力及びＹ軸出力が変化し、カーソルが移動する。このとき、Ｚ軸出力はほとんど変化しないので、Ｚ軸出力を利用したクリック等の操作はできなくなる。一方、検知部材３０をＺ軸方向に押し込むと、Ｚ軸出力を利用したクリック等の操作が可能になる。このとき、Ｘ軸出力及びＹ軸出力はほとんど変化しないので、カーソルは移動しない。このように、カーソルの移動とＺ軸出力を利用した操作とは、排他的な動作となっており、これらは同時に行うことはできない。従って、カーソルの移動とＺ軸出力を利用した操作とが確実に分離されるので、誤操作が防止される。また、検知部材３０の径を指の大きさ位にすると、指を検知部材３０から離さずに、指の傾きや押す力を変化させるだけで、カーソルの移動及びＺ軸出力を利用した操作が確実にできるので、操作性の優れたジョイステックを得ることができる。
また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態を検出することによって、検知部材３０に対する操作が行われているか否かを判別することができる。従って、検知部材３０に対する操作が行われていない場合には、マイクロコンピュータなどを利用し、システムを省電力モードで待機させ、検知部材３０に対する操作が行われた場合に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の少なくとも１つがオフ状態からオン状態に切り換わると、この信号変化をマイクロコンピュータなどで検知し、システムを通常の使用状態に戻す（ウェイクアップ）などの制御が可能になる。そのため、静電容量式センサ１０を用いたシステムにおいて、検知ボタン３０に対する操作が長時間にわたって行われない場合には、スリープモードに切り換えることによって、消費電力を低減することができる。
なお、本発明の静電容量式センサ１０は、本実施の形態のように、３６０度の方向にカーソルを移動させるジョイステックに応用できる他、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がＸ軸及びＹ軸上に配置されているので、特にＸ軸方向及びＹ軸方向にカーソルなどを移動させる用途に適している。従って、例えばアイコン、メニュー、文字などの選択対象が縦方向及び横方向に並べられている場合に、希望の選択対象を指示する用途に最適である。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第２の実施の形態に係る静電容量式センサが、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、信号処理回路の構成である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。
図１０に示す信号処理回路において、端子Ｔ１００、Ｔ１０１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Ｓ１、Ｓ２が入力される。端子Ｔ１００には、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２５の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ２１、ＳＷ２３、ＳＷ２５の出力端は、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５にそれぞれ接続されている。また、端子Ｔ１０１には、スイッチＳＷ２２、ＳＷ２４、ＳＷ２６の入力端にそれぞれ接続されている。スイッチＳＷ２２、ＳＷ２４、ＳＷ２６の出力端は、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６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の出力端及び抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子８１、８２、８３がそれぞれ接続されており、その出力端はローパスフィルタＬＦ１〜ＬＦ３を介して端子Ｔ９１〜Ｔ９３に接続されている。さらに、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の出力端は、容量素子Ｃ１〜Ｃ６にそれぞれ接続されている。図１０では、容量素子Ｃ１〜Ｃ６のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は接地されている状態が図示されている。
スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４は、第１の実施の形態のスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４と同様に、判定回路の出力端子ＳＬ１から出力される信号に基づいて制御され、スイッチＳＷ２５、ＳＷ２６は、スイッチＳＷ１５、ＳＷ１６と同様に、判定回路の出力端子ＳＬ２から出力される信号に基づいて制御される。
従って、本実施の形態では、利用しない出力軸のＥＸ−ＯＲ素子８１〜８３に対する周期信号の供給が停止される。つまり、Ｘ軸出力Ｖｘ及びＹ軸出力Ｖｙが利用される場合には、ＥＸ−ＯＲ素子８３に対する周期信号の供給が停止され、Ｚ軸出力Ｖｚが利用される場合には、ＥＸ−ＯＲ素子８１、８２に対する周期信号の供給が停止される。
ここでは、Ｘ軸出力Ｖｘについてだけ説明する。図１１は、図１０に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１００、Ｔ１０１に入力される周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２の波形を示している。Ｚ軸出力Ｖｚを利用している場合は、スイッチＳＷ２１、ＳＷ２２はオフ状態である。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２は、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されない。従って、節点Ｘ４、Ｘ５における周期信号の波形は、電源の０Ｖに近いＬｏの信号である。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理和演算が行われ、電源の０Ｖに近いＬｏレベル電圧が節点Ｘ６に出力される。図１１（ｃ）は、節点Ｘ６における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図１１（ｄ）に示すように、電源の０Ｖに近い電圧となる。
その後、Ｚ軸出力Ｖｚを利用しなくなると、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４はオン状態になる。そのため、周期信号Ｓ１および周期信号Ｓ２は、ＥＸ−ＯＲ素子８１に入力されるようになる。このとき、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に応じて、節点Ｘ４、Ｘ５における周期信号の波形は、図１１（ｅ）及び図１１（ｆ）に示す遅延波形となる。このとき、Ｘ軸方向の力が加えられていない場合には、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値とは、ほぼ同じであり、遅延時間もほぼ同じになる。そして、これらの遅延波形の周期信号がＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。
そして、ＥＸ−ＯＲ素子８１において、これらの信号の間で排他的論理和演算が行われ、その結果が節点Ｘ６に出力される。図１１（ｇ）は、節点Ｘ６における周期信号の波形を示している。この信号がローパスフィルタＬＦ１を通過することによって、アナログ電圧に変換され、端子Ｔ９１に対して出力される。ここで、端子Ｔ９１に対して出力されるＸ軸出力Ｖｘは、図１１（ｈ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃのほぼ１／２となる。
このように、本実施の形態では、操作状態に応じて出力が大きく変化する。Ｘ軸方向の力を加えないで、単にＺ軸方向の操作を行う前後では、Ｘ軸出力Ｖｘはほとんど変化しない。これは、Ｙ軸出力及びＺ軸出力についても同様である。
次に、本発明の第３の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第３の実施の形態に係る静電容量式センサ１１０が、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、検知部材の形状である。なお、静電容量式センサ１１０の構成で静電容量式センサ１０の構成と同じ部分は同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。
検知部材１３０は、受力部となる小径の上段部１３１と、上段部１３１の下端部に伸延する大径の下段部１３２とから構成され、全体として円盤状に形成されている。また、上段部１３１には、棒状の突起体１３３が形成されている。
本実施の形態では、検知部材１３０の突起体１３３がＺ軸方向に長いので、Ｘ軸出力Ｖｘ及びＹ軸出力Ｖｙを変化させたい場合に、検知部材１３０の突起体１３３を水平方向に（基板２０に平行な方向に）力を加えることによって操作可能である。
次に、本発明の第４の実施の形態に係る静電容量式センサについて説明する。第４の実施の形態に係る静電容量式センサ２１０が、第１の実施の形態に係る静電容量式センサ１０と異なる点は、変位電極の形状である。なお、静電容量式センサ２１０の構成で静電容量式センサ１０の構成と同じ部分は同一の符号を付けて詳細な説明は省略する。
変位電極１４０の下面には、Ｘ軸正方向及びＸ軸負方向、Ｚ軸方向にそれぞれ対応した位置に、円形の突起部１４１、１４２、１４５が形成されている。なお、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向にそれぞれ対応した位置には、図示しない円形の突起部が形成されている。また、突起部１４５の中央には、突起１４５ａが設けられている。突起１４５ａは、他の突起部より基板に近いので、これを支点として、支持部材６０が変形し、変位電極１４０が変位する。操作者は、検知部材３０による操作感の中心を感触として与えることができる。なお、突起部１４５を他の突起部よりも高くすることによっても、同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、Ｘ軸出力、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の３軸出力が出力されているが、Ｘ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよいし、Ｙ軸出力及びＺ軸出力の２軸出力だけが出力されてもよい。
また、上述の実施の形態では、変位電極４０と支持部材６０とは別部材であるが、一体に形成されていてもよい。また、変位電極４０としては、シリコンゴムの他、例えば、非導電性シリコンゴムに導電性インクや導電性塗料を塗布してもよいし、非導電性シリコンゴムに導電性の金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成してもよいし、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチックを用いてもよい。つまり、変位電極４０は、柔軟性のある導電性部材または非導電性で柔軟性のある部材に導電性部材を付けたものであればよい。また、支持部材６０は、シリコンゴムでなく、樹脂フィルムや薄い金属であってもよい。
また、上述の実施の形態では、変位電極４０の突起部４１〜４５は同じ高さであるが、必要に応じて、各突起部４１〜４５の高さを変えてもよいし、各突起部４１〜４５はなくてもよい。
また、上述の実施の形態では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力は、本発明の静電容量式センサの制御だけに使用されているが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチ出力を他の制御のために使用してもよい。
本発明の第１の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。 図１の静電容量式センサの変位電極の上面からの透視図である。 図１の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの構成を示す図である。 判定回路の構成を示す図である。 図１に示す静電容量式センサの検知部材のＸ軸正方向の部分に力が加えられた場合の断面図である。 図１に示す静電容量式センサの検知部材の中央部分に力が加えられた場合の断面図である。 図１に示す静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。 図８に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る静電容量式センサの信号処理回路の一例を示す回路図である。 図１０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。 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。 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。
符号の説明
１０、１１０、２１０ 静電容量式センサ
２０ 基板
３０、１３０ 検知部材
４０、１４０ 変位電極（導電性部材）
Ｅ１、Ｅ２ 容量素子用電極（Ｘ軸用電極）
Ｅ３、Ｅ４ 容量素子用電極（Ｙ軸用電極）
Ｅ５ 容量素子用電極（Ｚ軸用電極）
Ｅ１１〜Ｅ１４ スイッチ用電極（第２のスイッチ用電極）
Ｅ１５〜Ｅ１８ スイッチ用電極（第１のスイッチ用電極）

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板と対向している検知部材と、
    前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第１の容量素子用電極と、
    前記基板上に形成され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成する第２の容量素子用電極と、
    前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、
    前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記第１の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第１の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第１の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記第２の容量素子用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記第２の容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の前記第２の容量素子用電極に対応した部分の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量式センサ。
  2. 前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記第１の容量素子用電極及び前記第２の容量素子用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
  3. ＸＹ平面を規定する基板と、
    前記基板と対向している検知部材と、
    前記基板と前記検知部材との間に位置し、前記検知部材が前記基板と垂直なＺ軸方向に変位するのに伴ってそれと同じ方向に変位可能であって、絶縁状態に維持された導電性部材と、
    前記基板上におけるＸ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成するＸ軸用電極と、
    前記基板上におけるＹ軸上に配置され且つ前記導電性部材との間で第２の容量素子を構成するＹ軸用電極と、
    前記基板上における原点上に配置され且つ前記導電性部材との間で第３の容量素子を構成するＺ軸用電極と、
    前記導電性部材から離隔するように配置されており、接地された複数の第１のスイッチ用電極と、
    前記導電性部材から離隔し且つ前記第１のスイッチ用電極と対になるように配置されており、接地電位とは異なる電位に保持された複数の第２のスイッチ用電極とを備えており、
    前記導電性部材が、前記検知部材が変位するのに伴って、前記第１及び第２の容量素子用電極に向かう方向に変位し且つ前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極と接触可能であり、
    前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の少なくとも一対と接触していない場合には、前記Ｘ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｘ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＸ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であり、前記Ｙ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｙ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＹ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であると共に、
    前記導電性部材が前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極の全てと接触している場合には、前記Ｚ軸用電極に対して入力される信号だけを利用して前記導電性部材と前記Ｚ軸用電極との間隔の変化に起因する前記第３の容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材のＺ軸方向に対応した部分の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量式センサ。
  4. 前記Ｘ軸用電極は、Ｘ軸方向に離隔すると共にＹ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有しており、
    前記Ｙ軸用電極は、Ｙ軸方向に離隔すると共にＸ軸に対して線対称に配置された一対の電極を有していることを特徴とする請求項３に記載の静電容量式センサ。
  5. 前記複数対の第１及び第２のスイッチ用電極は、前記Ｘ軸用電極及び前記Ｙ軸用電極にそれぞれ対応した位置に設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の静電容量式センサ。


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