KR100541009B1

KR100541009B1 - 정전용량식 센서

Info

Publication number: KR100541009B1
Application number: KR1020037007308A
Authority: KR
Inventors: 모리모토히데오
Original assignee: 니타 가부시키가이샤
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2006-01-10
Also published as: CN1479858A; JP4136655B2; HK1062041A1; JPWO2002044649A1; CN1266449C; WO2002044649A1; US20040104735A1; EP1347263A1; EP1347263A4; US6989677B2; TW509784B; KR20030051892A

Abstract

기판(20) 위에 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 접지된 기준 전극(E0)이 형성되어 있다. 이들 전극(E0 ∼ E5)에 대향하는 위치에는, 외부로부터 조작되는 검지 부재(30)가 Z축 방향으로 이동하는 것에 따라 Z축 방향으로 변위하는 변위 전극(40)이 배치되어 있다. 변위 전극(40)은 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0) 간에 용량 소자(C0 ∼ C5)를 각각 구성하고 있다. 각 용량 소자(C1 ∼ C5)는 외부로부터 입력된 신호에 대해 각각 용량 소자(C0)와 직렬로 접속된 관계가 되어, 검지 부재(30)가 이동했을 때의 용량 소자(C1 ∼ C5)의 정전용량치의 변화가 검출됨으로써, 검지 부재(30)의 변위가 인식된다.

Description

정전용량식 센서{CAPACITIVE SENSOR}

본 발명은, 다차원 방향의 조작 입력을 행하기 위해 사용하기에 바람직한 정전용량식 센서에 관한 것으로, 특히 내전압 특성이 좋고, 또한 제조 공정을 간략화할 수 있는 정전용량식 센서에 관한 것이다.

정전용량식 센서는, 조작자가 가한 힘의 크기 및 방향을 전기 신호로 변환하는 장치로서 이용되고 있다. 예를 들면, 게임 기기의 입력 장치로서, 다차원 방향의 조작 입력을 행하기 위한 정전용량식 역각(力覺) 센서(소위 조이스틱)를 장착한 장치가 이용되고 있다.

정전용량식 센서에서는, 조작자로부터 전해진 힘의 크기로서, 소정의 다이나믹 레인지를 갖는 조작량을 입력할 수 있다. 또, 가해진 힘을 각 방향 성분별로 나누어 검출하는 것이 가능한 이차원 또는 삼차원 역각 센서로서도 이용되고 있다. 특히, 2장의 전극에 의해 정전용량 소자를 형성하여, 전극 간격의 변화에 기인하는 정전용량치의 변화에 기초하여 힘의 검출을 행하는 정전용량식 역각 센서는, 구조를 단순화하여 비용 저감을 도모할 수 있는 장점이 있기 때문에, 여러가지 분야에서 실용화되어 있다.

예를 들면, 일본국 특개평 7(1995)-200164호 공보에는, 도 36에 나타낸 것 같은 정전용량식 역각 센서가 개시되어 있다. 역각 센서(510)는, 기판(520)과, 기판(520) 위에 설치된 탄성 고무판(530)과, 탄성 고무판(530)의 하면에 설치된 전극부(540)와, 기판(520)의 상면에 설치된 전극부(500 ∼ 504)(도 37 참조)와, 탄성 고무판(530)을 기판(520)에 대해 지지 고정하는 누름판(560)과, 기판(520)의 하면에 설치된 전자 장치(580)로 구성되어 있다. 또, 전극부(500 ∼ 504)는, 도 37에 나타낸 바와 같이, 원점에 대해 대칭으로 배치된 4개의 전극부(501 ∼ 504)와, 이들의 외측에 배치된 원환 형상의 전극부(500)에 의해 구성되어 있다. 또, 전극부(540)의 외주 부분은, 접지되어 있는 전극부(500)와 접촉하고 있고, 전극부(500)를 통하여 접지되어 있다.

조작자가 탄성 고무판(530)을 누르면, 전극부(540)가 하방으로 변위하여, 이것과 4개의 전극부(501 ∼504) 사이의 거리가 변화한다. 그러면 4개의 전극부(501 ∼ 504)의 각각과 전극부(540) 간에 구성된 용량 소자의 정전용량치가 변화한다. 따라서, 이 정전용량치의 변화를 검출함으로써, 조작자가 가한 힘의 크기 및 방향을 아는 것이 가능해져 있다.

또, 일본국 특허 제3020736호 공보에는, 도 38에 나타낸 것과 같은 정전용량식 가속도 센서가 개시되어 있다. 가속도 센서(610)는, 고정 기판(620)과, 가요 기판(621)과, 고정 기판(620) 위에 설치된 고정 전극(600)과, 가요 기판(621) 위에 설치된 변위 전극(641 ∼ 645)(도 39 참조)과, 작용체(630)와, 장치 본체(660)로 구성되어 있다. 또, 변위 전극(641 ∼ 645)은, 도 39에 나타낸 바와 같이, Z축에 대해 대칭으로 배치된 4개의 전극부(641 ∼ 644)와, 이들의 내측에 배치된 원반 형 상의 전극부(645)에 의해 구성되어 있다. 또, 고정 전극(600)은 도시 생략한 배선에 의해 접지되어 있다.

여기서, 작용점 P에 힘이 작용하면, 가요 기판(621)에 휨이 발생함으로써, 변위 전극(641 ∼ 645)이 위쪽으로 변위하여, 이들과 고정전극(600) 간의 거리가 변화한다. 그러면 5개의 변위 전극(641 ∼ 645)의 각각과 고정 전극(600) 간에 구성된 용량 소자의 정전용량치가 변화한다. 따라서, 이 정전용량치의 변화를 검출함으로써, 작용점 P에 작용한 힘의 크기 및 방향을 아는 것이 가능해져 있다.

상술한 바와 같이, 도 36에 나타낸 역각 센서(510)에서는, 전극부(540)의 외주부분을 전극부(500)와 접촉시키는 것에 의해 접지할 수 있기 때문에, 전극부(540)를 접지하기 위한 배선을 필요로 하지 않는다. 그러나, 이 역각 센서(510)는, 전극부(540)와 전극부(500)가 전기적으로 직접 접속되어 있기 때문에, 전극부(540)에 큰 전압이 가해지면 전극부(500)를 지지하는 기판(520)에 스파이크 전류가 흘러, 역각 센서(510)가 고장 또는 파손되어 버릴 가능성이 있어, 내전압 특성이라는 점에서 뒤떨어져 있다. 또, 전극부(540)와 전극부(500)의 전기적 접속이 경년 변화 등에 의해 불량해지면, 정확한 센서 출력이 얻어지지 않게 되어 버린다. 이렇게, 도 36에 나타낸 역각 센서(510)는, 신뢰성이라는 점에서 만족할만한 것은 아니다.

한편, 도 38에 나타낸 가속도 센서(610)는, 신뢰성면에서는 뛰어나지만, 각 용량 소자가, 말하자면 병렬 관계로 되어있기 때문에, 고정 전극(600)을 접지하기 위한 배선을 고정 기판(620)에 대해 설치할 필요가 있는 동시에, 외부로부터의 신 호를 변위 전극(641 ∼ 645)에 공급하기 위해서 이들 전극을 지지하는 가요 기판(621)에도 배선을 설치할 필요가 있다. 그러나, 고정 기판(620) 및 가요 기판(621)의 양쪽에 배선을 설치하는 것은, 이러한 종류의 가속도 센서의 구조 및 제조 공정을 복잡하게 만들어 버린다.

그래서, 본 발명의 주된 목적은, 신뢰성이 높고, 또한 제조 공정 및 구조가 간단한 정전용량식 센서를 제공하는 것이다.

한 관점에서는, 본 발명의 정전용량식 센서는, XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 도전성 부재와, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극과, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극과, Z축 방향으로 이동하는 것에 따라 상기 도전성 부재 또는 상기 1쌍의 용량 소자용 전극을 Z축 방향으로 변위시키는 것이 가능한 검지 부재를 구비하고, 상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 한 것이다.

다른 관점에서는, 본 발명의 정전용량식 센서는, XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판과, 상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재와, 상기 기판과 상기 검지 부재 간에 위치하며, 상기 검지 부재가 Z축 방향으로 변위하는 것에 따라 Z축 방향으로 변위하는 도전성 부재와, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극과, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극을 구비하고, 상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 한 것이다.

또, 다른 관점에서는, 본 발명의 정전용량식 센서는, XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 도전성 부재와, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극과, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극과, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에 위치하는 절연성 부재와, XY 평면을 따라 이동하는 것에 따라 상기 절연성 부재 또는 상기 도전성 부재 및 상기 1쌍의 용량용 소자를 XY 평면을 따라 변위시키는 것이 가능한 검지 부재를 구비하고, 상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에서의 상기 절연성 부재의 XY 평면에 대한 단부 위치의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하고 있다.

또, 또 다른 관점에서는, 본 발명의 정전용량식 센서는, XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판과, 상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재와, 상기 기판과 대향하고 있는 도전성 부재와, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극과, 상기 기판 위에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극과, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에 위치하며, 상기 검지 부재가 XY 평면을 따라 변위하는 것에 따라 상기 기판에 대해 평행 이동 가능하게 배치된 절연성 부재를 구비하고, 상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에서의 상기 절연성 부재의 XY 평면에 대한 단부 위치의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 한 것이다.

이러한 구성으로 함으로써, 제1 및 제2 용량 소자를 구성하기 위해 공통으로 사용되는 도전성 부재가, 직접 접촉함으로써가 아니라, 용량 결합에 의해 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극과 전기적으로 결합된다. 그 때문에, 센서의 내전압 특성이 향상하여, 스파크 전류가 흐름으로써 센서가 파손되는 경우가 거의 없게 되는 동시에, 접속 불량 등의 문제를 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 정전용량식 센서를 얻을 수 있다. 이와 함께, 제1 및 제2 용량 소자가 직렬로 접속된 관계가 되므로, 용량 소자용 전극 및 기준 전극을 지지하는 기판 등의 부재만큼만 배선을 설치하면, 도전성 부재를 접지 또는 일정한 전위로 유지하기 위한 배선을 별도로 설치할 필요가 없다. 그 때문에, 구조가 간단한 정전 용량식 센서를 적은 제조 공정 수로 제조하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서에서는, 1개의 기준 전극이 형성되어 있어도 된다. 이에 의하면, 기준 전극의 제조가 용이해진다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서에서는, 다수의 기준 전극이 형성되어 있어도 된다. 이에 의하면, 예를 들면 기준 전극에 둘러싸이도록 용량 소자용 전극이 배치되어 있는 경우라도, 기준 전극끼리의 간극을 통해 용량 소자용 전극의 배선을 용이하게 설치할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서에는, 다수의 1쌍의 용량 소자용 전극이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 각 용량 소자용 전극을 다른 방향의 힘을 인식하기 위해 사용함으로써 다차원적인 힘의 인식이 가능해진다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 회로 및 다른 쪽을 포함하는 회로에, 서로 위상이 다른 신호가 공급되는 것이어도 된다. 이에 의해, 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 회로 및 다른 쪽을 포함하는 회로의 시정수가 같은 것인지 여부에 관계없이, 검지 부재의 변위를 인식할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 CR 회로와 다른 쪽을 포함하는 CR회로의 시정수가 다른 것이어도 된다. 이러한 구성에 의하면, 회로를 통과하는 것에 의한 신호의 위상의 어긋남을 크게 할 수 있으므로, 검지 부재의 변위 인식의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호가, 하이 레벨과 로우 레벨을 주기적으로 반복하는 신호로서, 이 신호가 로우 레벨일 때 제1 용량소자를 방전시키는 기능을 갖는 제어 소자(오픈 컬렉터형의 인버터 소자 등)가 구비되어 있는 것이어도 된다. 이에 의하면, 용량 소자에 유지된 전하가 순간적으로 방전되므로, 효율적으로 충전할 수 있는 동시에, 신호의 파형의 밀도를 증가시킬 수 있어, 신호 처리 회로의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 회로 및 다른 쪽을 포함하는 회로에 각각 입력된 신호의 출력 신호가 배타적 논리합 연산, 논리합 연산 또는 논리곱 연산을 행하는 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로에 의해 검출되는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 출력 신호를 정밀도 높게 검출할 수 있고, 또한 필요에 따라 검출 정밀도를 조정할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 1쌍의 용량 소자용 전극 및 기준 전극에 밀착하여, 기판을 덮도록 형성된 절연막을 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 여기서, 절연막으로서는, 박막 형상의 수지 필름, 레지스트막 등이 사용된다. 이에 의하면, 용량 소자용 전극에 밀착하여, 기판 위를 덮도록 절연막이 형성되기 때문에, 용량 소자용 전극이 공기에 노출되어 전극 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 정전용량식 센서는, XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판과, 상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재와, 상기 기판과 상기 검지 부재 간에 위치하고, 상기 검지 부재가 Z축 방향으로 변위하는 것에 따라 Z축 방향으로 변위하는 도전성 부재와, 상기 기판 상에서 Y축에 대해 선 대칭으로 형성되고, 상기 도전성 부재 간에서 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 제1 용량 소자용 전극과, 상기 기판 위에서 X축에 대해 선 대칭으로 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 각각 제2 용량 소자를 구성하는 1쌍의 제2 용량 소자용 전극과, 상기 기판 위에서 원점 근방에 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 제3 용량 소자를 구성하는 제3 용량 소자용 전극과, 상기 기판 위에 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 제4 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극을 구비하고, 상기 제1 용량 소자, 상기 제2 용량 소자 및 상기 제3 용량 소자와 상기 제4 용량 소자가, 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 한 것이다. 이에 의하면, 검지 부재가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 방향 성분을 각각 따로따로 인식할 수 있다. 또한, 제3 용량 소자용 전극은, Z축 방향의 성분을 인식하기 위해 사용하지 않고, 입력의 결정 조작에 사용해도 된다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 도전성 부재의 제3 용량 소자용 전극과 대향하는 위치에 돌기체가 형성되어 있는 것이어도 된다. 이에 의하면, 도전성 부재가 돌기체를 지점으로 하여 기울어져 변위하므로, X축 방향 또는 Y축 방향의 성분을 용이하게 검출할 수 있게 된다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 검지 부재가, 제1 용량 소자용 전극, 제2 용량 소자용 전극 및 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되어 있거나, 또는 검지 부재가, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극과, 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 외부로부터의 힘의 X축 방향, Y축 방향 또는 Z축 방향의 각 성분이 명확히 분리되므로, 다른 방향의 성분이 서로 간섭하는 것을 경감할 수 있어, 오조작을 감소시킬 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 도전성 부재의 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극과 대향하는 면의 적어도 일부가, 요철면으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 도전성 부재의 요철면과, 용량 소자용 전극이 대향하여 용량 소자를 구성하므로, 이 용량 소자의 정전용량이 보다 세밀하게 변화하여, 외부로부터 받은 힘의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 도전성 부재가, 검지 부재가 외부로부터의 힘을 받아 변위하는 것에 따라 변위하는 변위부와, 기판에 고정된 고정부와, 변위부와 고정부를 접속하는 접속부를 갖고, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극이, 제3 용량 소자용 전극의 외측에 형성되고, 기준 전극이, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극의 외측에 형성된 것이어도 된다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 기준 전극이, 각각 접지 또는 일정한 전위로 유지된 제1 기준 전극 및 제2 기준 전극을 갖고, 도전성 부재가, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극과, 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되고, 제1 기준 전극이, 제3 용량 소자용 전극의 외측에 형성되고, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극이, 제1 기준 전극의 외측에 형성되며, 제2 기준 전극이, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극의 외측에 형성된 것이어도 된다. 이러한 구성에 의하면, 검지 부재가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 3방향의 성분을 인식할 수 있으므로, 다른 3방향의 조작을 행할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 기준 전극이, 제3 용량 소자용 전극의 외측에 형성되고, 제1 용량 소자용 전극 및 제2 용량 소자용 전극이, 기준 전극의 외측에 형성되며, 기준 전극에 접촉하고, 또한 제3 용량 소자용 전극을 덮도록 배치된 제4 용량 소자용 전극을 더 구비하며, 검지 부재가 외부로부터의 힘을 받아 변위하는 것에 따라, 도전성 부재가 변위함으로써, 제3 용량 소자용 전극과 제4 용량 소자용 전극이 접촉하는 구성이어도 된다. 이러한 구성에 의하면, 검지 부재가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향 및 Y축 방향의 2방향의 성분을 인식할 수 있으므로, 다른 2방향의 조작을 행할 수 있다. 또한, 제4 용량 소자용 전극을 구비함으로써 입력의 결정 조작을 할 수 있는 동시에, 결정 조작을 했을 때 명확한 조작 촉감을 얻을 수 있으므로, 오조작을 방지할 수 있다.

또, 이들 구성의 정전용량식 센서는, PC, 휴대전화, 게임 등의 입력 장치로서 이용되는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서에서는, 검지 부재와 도전성 부재가 일체로 형성되어 있어도 된다. 이러한 구성에서는, 검지 부재 및 도전성 부재가 일체로 되어있기 때문에, 제조하기 쉽고, 또한 제조 비용을 저감할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서에서는, 도전성 부재가 탄성체에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 검지 부재가 외부로부터 받은 힘의 도전성 부재에 대한 전달성이 좋아져, 조작성을 향상시킬 수 있다. 또, 외부로부터 받는 힘의 충격을 완화함으로써, 정전용량식 센서의 손상을 경감할 수 있다.

또, 본 발명의 정전용량식 센서는, 도전성 부재를 지지하기 위한 지지 부재를 더 구비하며, 지지 부재가 탄성체에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 지지 부재가 탄성체에 의해 형성되어 있으므로, 외부로부터 받는 힘의 충격을 완화함으로써, 정전용량식 센서의 손상을 경감할 수 있다. 또한, 지 지 부재와 커버 케이스 간에서의 방수성 및 방진(防塵)성을 효과적으로 얻을 수 있다. 또, 지지 부재의 탄성 복귀력에 의해, 힘이 해제되면 자동적으로 도전성 부재를 원래의 위치로 되돌릴 수 있다.

본 발명에 있어서, 도전성 부재로는, 예를 들면 도전성 고무, 도전성 잉크, 도전성 열가소성 수지(PPT, 엘라스토머)가 사용된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 2는 도 1의 정전용량식 센서의 검지 부재의 상면도,

도 3은 도 1의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 4는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도,

도 5는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도,

도 6은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우의 측면의 모식적인 단면도,

도 7은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 Z축 방향으로의 조작이 행해진 경우의 측면의 모식적인 단면도,

도 8은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 9는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 10은 도 1에 나타낸 신호 처리 회로의 각 단자 및 각 절점에서의 주기 신호의 파형을 나타낸 도면,

도 11은 도 1의 정전용량식 센서의 제1 변형예의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 12는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제1 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 13은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제2 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 14는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제3 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 15는 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제4 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 16은 도 1에 나타낸 신호 처리 회로 및 도 15에 나타낸 신호 처리 회로의 단자 및 각 절점에서의 주기 신호의 파형을 나타낸 도면,

도 17은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제5 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 18은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 제6 변형예의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도,

도 19는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 20은 도 19의 정전용량식 센서의 검지용 버튼의 상면도,

도 21은 도 19의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 22는 도 19에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도,

도 23은 도 19에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도,

도 24는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 25는 도 24의 정전용량식 센서의 검지용 버튼의 상면도,

도 26은 도 24의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 27은 도 24에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도,

도 28은 도 24에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도,

도 29는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 30은 도 29의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 31은 도 29의 정전용량식 센서의 지지 부재의 하면에 형성되어 있는 도전성 부재의 형상을 나타낸 도면,

도 32는 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도,

도 33은 도 29에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도,

도 34는 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 조작이 행해지고 있지 않은 경우의 용량 소자용 부재와 절연성 부재의 위치 관계를 나타낸 도면,

도 35는 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우의 용량 소자용 부재와 절연성 부재의 위치 관계를 나타낸 도면,

도 36은 종래의 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 37은 도 36의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면,

도 38은 종래의 정전용량식 센서의 모식적인 단면도,

도 39는 도 38의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관해, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시형태는 본 발명의 정전용량식 센서를 역각 센서로서 사용한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 모식적인 단면도이다. 도 2는 도 1의 정전용량식 센서의 검지 부재의 상면도이다. 도 3은 도 1의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

정전용량식 센서(10)는, 기판(20)과, 사람 등에 의해 조작됨으로써 외부로부터 힘이 가해지는 조작용 부재인 검지 부재(30)와, 변위 전극(40)과, 기판(20) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(공통 전극)(E0)과, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준전극(E0)에 밀착하여 기판(20) 위를 덮도록 형성된 절연막(50)과, 검지 부재(30) 및 변위 전극(40)을 기판(20)에 대해 지지 고정하는 지지 부재(60)를 갖고 있다.

여기서는, 설명의 편의상 도시한 바와 같이 XYZ 삼차원 좌표계를 정의하여, 이 좌표계를 참조하면서 각 부품에 배치 설명을 행하도록 한다. 즉, 도 1에서는, 기판(20) 위의 변위 전극(40)의 중심 위치에 대향하는 위치에 원점 O가 정의되고, 우측 수평 방향에 X축이 정의되고, 상측 수직 방향에 Z축이 정의되고, 지면에 수직인 안쪽 길이 방향에 Y축이 정의되어 있다. 여기서, 기판(20)의 표면은, XY 평면을 규정하여, 기판(20) 위의 용량 소자용 전극(E5), 검지 부재(30) 및 변위 전극(40)의 각각의 중심 위치를 Z축이 통과하게 된다.

기판(20)은, 일반적인 전자 회로용 프린트 회로 기판이며, 이 예에서는 유리에폭시 기판이 사용되고 있다. 또, 기판(20)으로서, 폴리이미드 필름 등의 필름 형상의 기판을 사용해도 되나, 필름 형상의 기판의 경우는 가요성을 갖고 있으므로, 충분한 강성을 갖는 지지 기판 상에 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.

검지 부재(30)는, 수력부(受力部)가 되는 소 직경의 상단부(上段部)(31)와, 상단부(31)의 아래쪽 단부(端部)에 이어지는 대 직경의 하단부(下段部)(32)로 구성되고, 전체적으로 원반 형상으로 형성되어 있다. 여기서, 상단부(31)의 직경은, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4)의 각각의 외측의 곡선을 연결하여 생기는 원의 직경과 거의 같거나, 이 보다 약간 작고, 하단부(32)의 직경은, 기준 전극(E0)의 외경과 거의 같다. 또한, 조작성을 향상시키기 위해서, 검지 부재(30)에 수지제의 캡을 씌워도 된다.

또, 검지 부재(30)의 상단부(31)의 상면에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, X축 및 Y축의 각각의 양의 방향 및 음의 방향에 대응하도록, 즉 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4)에 대응하도록, 조작 방향(커서의 이동 방향)에 대응한 화살표가 형성되어 있다.

변위 전극(40)은, 도전성을 갖는 고무로 형성되고, 검지 부재(30)의 하단부(32)와 동일 직경을 갖는 원반 형상이며, 검지 부재(30)의 하면에 부착되어 있다. 또, 변위 전극(40)의 하면에는, 변위 전극(40)의 중심 위치를 중심으로하는 원형이며 하방으로 열린 오목부가 형성되어 있다. 또한, 그 오목부의 바닥부에는, 변위 전극(40)의 중심 위치를 중심으로 하는 원형이며 하방으로 돌출한 볼록부가 형성되고, 그 볼록부의 중심 위치(변위 전극(40)의 중심 위치)에는 돌기체(45)가 형성되어 있다. 이렇게, 변위 전극(40)은, 검지 부재(30)의 변위에 따라 변위하는 변위부(41)(변위 전극(40)의 하면에 형성된 오목부 바닥부의 볼록부)와, 최외주로부터의 고정부(43)(변위 전극(40)의 하면에 형성된 오목부 이외의 부분)와, 변위부(41)와 고정부(43)를 접속하는 접속부(42)(변위 전극(40)의 하면에 형성된 오목부 바닥부의 볼록부 이외의 부분)에 의해 형성되어 있다. 또한, 돌기체(45)는 없어도 되고, 변위 전극(40)은, 도전성을 갖는 금속에 의해 형성해도 된다.

이렇게, 변위 전극(40)의 중심 위치에 돌기체(45)가 형성되어 있으므로, 검지 부재(30)에 힘이 작용했을 때 변위 전극(40)이 돌기체(45)를 지점으로 하여 기울어질 수 있도록 되어 있다. 또, 변위 전극(40)은, 고정부(43)의 하면 및 돌기체(45)의 하면이 기판(20) 위에 형성된 절연막(50)에 밀착하도록, 지지 부재(60)에 의해, 검지 부재(30)와 함께 지지 고정되어 있다.

또, 기판(20) 상에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 원점 O를 중심으로 하는 원형의 용량 소자용 전극(E5)과, 그 외측에 부채형의 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4)과, 또한 그 외측에 원점 O를 중심으로 하는 링 형상의 기준 전극(E0)이 형성되어 있다. 1쌍의 용량 소자용 전극(E1 및 E2)은, X축 방향으로 이격하여 Y축에 대해 선대칭으로 배치되어 있다. 또, 1쌍의 용량 소자용 전극(E3 및 E4)은, Y축 방향으로 이격하여 X축에 대해 선대칭으로 배치되어 있다. 또한, 기준 전극(E0)은, 용량 소자용 전극(E5)과 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4) 간에 형성되어도 된다. 또, 용량 소자용 전극(E5)을 없애고, 원점 O를 중심으로 하는 원형의 기준 전극(E0)을 형성해도 된다. 단, 이 경우에는, Z축 방향 성분은 검출할 수 없게 된다.

여기서는, 용량 소자용 전극(E1)은 X축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E2)은 X축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또, 용량 소자용 전극(E3)은 Y축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E4)은 Y축의 음의 방향에 대응하도록 배치되며, 외부로부터의 힘의 Y축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또한, 용량 소자용 전극(E5)은, 원점 O 상에 배치되어 있으며, 외부로부터의 힘의 Z축 방향 성분의 검출에 이용된다.

또, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)은, 관통 구멍 등을 이용하여 단자(T0 ∼ T5)(도 4 참조)에 각각 접속되어 있으며, 단자(T0 ∼ T5)를 통해 외부의 전자 회로에 접속되도록 되어 있다. 또한, 여기서는 기준 전극(E0)은 단자(T0)를 통하여 접지되어 있다.

또, 절연막(50)이, 기판(20) 위의 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)에 밀착하여, 기판(20) 위를 덮도록 형성되어 있다. 이 때문에, 구리 등으로 형성된 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)이 공기에 노출되지 않아, 이들이 산화되는 것을 방지하는 기능을 갖고 있다. 또, 절연막(50)이 형성되어 있으므로, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)과, 변위 전극(40)이 직접 접촉하는 경우는 없다.

따라서, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)은, 각각 변위 전극(40) 간에 용량 소자를 구성한다. 또한, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)은, 변위 전극(40)의 변위부(41) 간에 각각 용량 소자(C1 ∼ C5)를 구성하며, 또한 기준 전극(E0)은, 변위 전극(40)의 고정부(43) 간에 용량 소자(C0)를 구성한다.

다음에, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시형태에 따른 정전용량식 센서(10)의 동작에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 4는, 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도이다. 도 5는, 도 1에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도 6은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우의 측면의 모식적인 단면도이다. 도 7은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 Z축 방향으로의 조작이 행해진 경우의 측면의 모식적인 단면도이다.

먼저, 정전용량식 센서(10)의 구성과 등가인 회로 구성에 대해, 도 4를 참조하여 설명한다. 기판(20) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)은, 변위 전극(40)과 대향하고 있으며, 공통의 전극인 변위 가능한 변위 전극(40)과, 고정된 개별의 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0) 간에 용량 소자(C0 ∼ C5)를 형성하고 있다. 용량 소자(C1 ∼ C5)는, 각각 변위 전극(40)의 변위에 기인하여 정전용량치가 변화하도록 구성된 가변 용량 소자라고 말할 수 있다.

용량 소자(C0 ∼ C5)의 각각의 정전용량치는, 변위 전극(40)과, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)의 각각에 접속된 단자(T0 ∼ T5) 간에 정전 용량치로서, 각각 독립적으로 측정할 수 있다. 여기서, 기준 전극(E0)은, 단자(T0)를 통하여 접지되어 있고, 용량 소자(C1 ∼ C5)에서의 공통의 전극인 변위 전극(40)은, 용량 소자(C0) 및 단자(T0)를 통하여 접지되어 있다고 생각된다. 즉, 용량 소자(C0)는, 변위 전극(40)과 단자(T0)를 용량 결합하고 있다.

다음으로, 용량 소자(C1 ∼ C5)의 각각의 정전용량치의 변화로부터, 검지 부재(30)로의 외부로부터의 힘의 크기 및 방향을 나타내는 출력 신호의 도출 방법에 대해, 도 5를 참조하여 설명한다. 여기서, 출력 신호(Vx, Vy, Vz)는, 각각 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분, Y축 방향 성분 및 Z축 방향 성분의 크기 및 방향을 나타낸다.

또한, 도 5에 나타낸 용량 소자(C6)는, 항상 일정한 정전용량치를 유지하도록 기판(20)의 하면에 형성되어 있고, 용량 소자(C6)를 구성하는 한 쪽 전극은 출력 신호 (Vz)를 도출하는 C/V 변환 회로에 접속되어 있고, 다른 쪽 전극은 접지되어 있다. 이 용량 소자(C6)는, 용량 소자(C5)와 함께, 외부로부터의 힘의 Z축 방향 성분의 출력 신호(Vz)를 도출하기 위해 사용된다.

여기서, 출력 신호(Vx, Vy, Vz)를 도출하기 위해, 단자(T1 ∼ T6)에 대해, 항상 클록 신호 등의 주기 신호가 입력된다. 예를 들면, 단자(T1)에 입력된 주기 신호에 대해, 2개의 용량 소자(C1 및 C0)는 직렬로 접속된 관계로 되어 있다. 마찬가지로, 2개의 용량 소자(C2 및 C0)는 단자(T2)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C3 및 C0)는 단자(T3)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C4 및 C0)는 단자(T4)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량소자(C5 및 C0)는 단자(T5)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있다.

단자(T1 ∼ T6)에 주기 신호가 입력되어 있는 상태로 검지 부재(30)가 외부로부터의 힘을 받아 변위하면, 이에 따라 변위 전극(40)이 Z축 방향으로 변위하여, 용량 소자(C1 ∼ C5)의 전극 간격이 변화하여, 용량 소자(C1 ∼ C5)의 각각의 정전 용량치가 변화한다. 그러면, 단자(T1 ∼ T6)에 입력된 주기 신호의 위상에 어긋남이 발생한다. 이렇게, 주기 신호에 발생하는 위상의 어긋남을 이용하여, 검지 부재(30)의 변위, 즉 검지 부재(30)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 크기와 방향을 나타내는 출력 신호(Vx, Vy, Vz)를 얻을 수 있다.

더욱 상세히 설명하면, 단자(T1 ∼ T6)에 대해 주기 신호를 입력할 때, 단자(T1, T3, T5)에 대해서는 주기 신호(A)가 입력되고, 한편, 단자(T2, T4, T6)에 대해서는 주기 신호(A)와 동일 주기이며, 또한 주기 신호(A)의 위상과는 다른 주기 신호(B)가 입력된다. 그 때, 검지 부재(30)가 외부로부터 힘을 받아, 용량 소자(C1 ∼ C5)의 정전용량치가 각각 변화하면, 단자(T1 ∼ T5)에 각각 입력된 주기 신호(A) 또는 주기 신호(B)의 위상에 각각 다른 양의 어긋남이 발생한다. 또한, 용량 소자(C6)의 정전용량치는 변화하지 않기 때문에, 단자(T6)에 입력된 주기 신호(B)의 위상에는 어긋남은 발생하지 않는다.

즉, 외부로부터의 힘에 X축 방향 성분이 포함되는 경우는, 용량 소자(C1)의 정전용량치가 변화하여, 단자(T1)에 입력된 주기 신호(A)의 위상에 어긋남이 발생하는 동시에, 용량 소자(C2)의 정전용량치가 변화하여, 단자(T2)에 입력된 주기 신호(B)의 위상에도 어긋남이 발생한다. 여기서, 용량소자(C1, C2)의 정전용량치의 변화는, 각각 외부로부터의 힘의 X축 양의 방향 성분, X축 음의 방향 성분에 대응하고 있다. 따라서, 단자(T1)에 입력된 주기 신호(A)의 위상의 어긋남과, 단자(T2)에 입력된 주기 신호(B)의 위상의 어긋남은, 서로 역방향의 위상의 어긋남이다. 이렇게, 단자(T1) 및 단자(T2)에 각각 입력된 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상의 어긋남을 배타 합 회로로 읽어냄으로써, 출력 신호(Vx)가 도출된다. 이 출력 신호(Vx)의 부호가, 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분이 양의 방향 또는 음의 방향의 방향인지를 나타내고, 그 절대치가 X축 방향 성분의 크기를 나타낸다.

또, 외부로부터의 힘에 Y축 방향 성분이 포함되는 경우는, 용량 소자(C3)의 정전용량치가 변화하여, 단자(T3)에 입력된 주기 신호(A)의 위상에 어긋남이 발생하는 동시에, 용량 소자(C4)의 정전용량치가 변화하여, 단자(T4)에 입력된 주기 신호(B)의 위상에도 어긋남이 발생한다. 여기서, 용량 소자(C3, C4)의 정전용량치의 변화는, 각각 외부로부터의 힘의 Y축 양의 방향 성분, Y축 음의 방향 성분에 대응하고 있다. 따라서, 단자(T3)에 입력된 주기 신호(A)의 위상의 어긋남과, 단자(T4)에 입력된 주기 신호(B)의 위상의 어긋남은, 서로 역방향의 위상의 어긋남이다. 이렇게, 단자(T3) 및 단자(T4)에 각각 입력된 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상의 어긋남을 배타 합 회로로 읽어냄으로써, 출력 신호(Vy)가 도출된다. 이 출력신호(Vy)의 부호가, 외부로부터의 힘의 Y축 방향 성분이 양의 방향 또는 음의 방향의 방향인지를 나타내고, 그 절대치가 Y축 방향 성분의 크기를 나타낸다.

또한, 외부로부터의 힘에 Z축 방향 성분이 포함되는 경우는, 용량 소자(C5)의 정전용량치가 변화하여, 단자(T5)에 입력된 주기 신호(A)의 위상에 어긋남이 발생한다. 또, 용량소자(C6)의 정전용량치는 일정하게 유지되어 있으므로, 단자(T6)에 입력된 주기 신호(B)의 위상에는 어긋남이 발생하지 않는다. 따라서, 단자(T5) 에 입력된 주기 신호(A)에만 위상의 어긋남이 발생하여, 이 주기 신호(A)의 위상의 어긋남을 배타 합 회로로 읽어냄으로써, 출력 신호(Vz)가 도출된다. 이 출력 신호(Vz)의 부호가, 외부로부터의 힘의 Z축 방향 성분이 양의 방향 또는 음의 방향의 방향인지를 나타내고, 그 절대치가 Z축 방향 성분의 크기를 나타낸다.

또한, 외부로부터의 힘에 X축 방향 성분 또는 Y축 방향 성분이 포함되는 경우에 있어서, 검지 부재(30)에 대한 힘이 가해지는 방식에 따라서는, 다음과 같은 경우를 생각할 수 있다. 예를 들면, X축 방향에 대해 생각하면, 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분과 X축 음의 방향 부분이, 돌기체(45)를 지점으로 하여 서로 상하 반대 방향으로 변위하지 않고, X축 양의 방향 부분 및 X축 음의 방향 부분이 모두 아래쪽으로 변위하고, 또한 그 때의 각각의 변위량이 다른 경우가 있다. 이 경우에는, 단자(T1 및 T2)에 입력된 각각의 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상에는, 같은 방향의 어긋남이 발생하게 되나, 상술한 경우와 같이, 그 위상의 어긋남을 배타 합 회로로 읽어냄으로써, 출력신호(Vx)가 도출된다. 또, 이것은 Y축 방향에 대한 출력 신호(Vy)의 도출에 대해서도 동일하다고 할 수 있다.

다음으로 도 1에 나타낸 검지 부재(30)에 힘이 작용하지 않고 있을 때의 상태에 있어서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 검지 부재(30)에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우, 즉 검지 부재(30)의 상단부(31)에 형성된 X축 양의 방향에 대응하도록 형성된 화살표를 기판(20)측으로 누르는 힘(Z축 음의 방향으로의 힘)을 가한 경우를 생각한다.

검지 부재(30)의 X축 양의 방향에 대응하는 부분이 눌러짐으로써, 변위 전극(40)의 접속부(42)가 탄성 변형을 일으켜 휘어지고, 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분은 아래쪽으로 변위하여, 이윽고 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분의 하면이 절연막(50)에 접촉하는 위치까지 변위한다. 또, 이 때 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분과 X축 음의 방향 부분은, 돌기체(45)를 지점으로 하여 서로 상하 반대 방향으로 변위하도록 되어 있다. 따라서, 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분이 아래쪽으로 변위했을 때는, 변위부(41)의 X축 음의 방향 부분은 돌기체(45)를 지점으로 하여 위쪽으로 변위한다.

또, 변위부(41)의 Y축 양의 방향 부분의 X축 양의 방향측은 아래쪽으로 약간 변위하고, X축 음의 방향측은 위쪽으로 약간 변위한다. 마찬가지로, Y축 음의 방향 부분의 X축 양의 방향측은 아래쪽으로 약간 변위하고, X축 음의 방향측은 위쪽으로 약간 변위한다. 또, 이 때 변위부(41)의 중심 위치(Z축 위)에 형성된 돌기체(45)는, 찌그러져 탄성 변형한다.

따라서, 변위부(41)의 X축 양의 방향 부분과 용량 소자용 전극(E1)의 간격은 작아지고, 한편 변위부(41)의 X축 음의 방향 부분과 용량 소자용 전극(E2)의 간격은 커진다. 또, 변위부(41)의 Y축 양의 방향 부분과 용량 소자용 전극(E3)의 간격, 및 변위부(41)의 Y축 음의 방향 부분과 용량 소자용 전극(E4)의 간격은 변화하지 않는다고 생각된다. 실제로는, 상술한 바와 같이 변위부(41)의 Y축 양의 방향 부분 및 Y축 음의 방향 부분의 각각 X축 양의 방향측은 아래쪽으로 약간 변위하고, X축 음의 방향측은 위쪽으로 약간 변위하나, 변위부(41)의 Y축 양의 방향 부분 및 Y축 음의 방향 부분 전체로서의 용량 소자용 전극(E3 및 E4)의 간격은 변화하지 않 는다고 생각된다. 또, 변위부(41)의 중심 위치와 용량 소자용 전극(E5)의 간격은 작아진다.

그리고, 용량 소자(C1 ∼ C5) 중에서, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)과 변위 전극(40) 간의 간격에 변화가 있었던 용량 소자(C1, C2, C5)의 정전용량치만이 변화한다. 여기서, 일반적으로 용량 소자의 정전용량치는, 용량 소자를 구성하는 전극의 간격에 반비례하므로, 용량소자(C1)의 정전용량치는 커지고, 용량소자(C2)의 정전용량치는 작아진다. 즉, 용량 소자(C1 ∼ C4)의 각각의 정전용량치의 대소 관계는, 이하와 같이 된다.

C2 < C3 = C4 < C1

또한, 용량소자(C5)의 정전용량치는, 원래의 값보다 커진다.

이 때, 단자(T1 및 T2)에 입력된 각각의 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상에 어긋남이 발생하여, 그 위상의 어긋남을 읽어냄으로써 출력 신호(Vx)가 도출된다. 마찬가지로, 단자(T5)에 입력된 주기 신호(A)의 위상에 어긋남이 발생하여, 그 위상의 어긋남(실제로는, 단자(T6)에 입력된 주기 신호(B)의 위상과 함께)을 읽어냄으로써 출력 신호(Vz)가 도출된다.

다음으로, 도 1에 나타낸 검지 부재(30)에 힘이 작용하지 않고 있을 때의 상태에서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 검지 부재(30)에 Z축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우, 즉 검지 부재(30)의 상단부(31)에 형성된 4개의 화살표의 중앙 부분을 기판(20)측으로 누르는 힘(Z축 음의 방향으로의 힘)을 가한 경우를 생각한다.

검지 부재(30)의 중앙 부분이 눌러짐으로써, 변위 전극(40)의 접속부(42)가 탄성 변형을 일으켜 휘어지고, 변위부(41)는 Z축 방향으로 변위하여, 변위부(41)의 중심 위치(Z축 위)에 형성된 돌기체(45)가 찌그러져 탄성 변형한다.

따라서, 변위부(41)는 수평을 유지한 상태로 아래쪽으로 변위하고, 즉 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)과 변위부(41)의 각각의 간격은 같은 간격을 유지한 채로 변위하여, 각각의 간격이 한결같이 작아진다. 따라서, 용량 소자(C1 ∼ C5)의 모든 정전용량치가 커진다. 여기서, 각각의 용량 소자(C1 ∼ C4)의 정전용량치의 대소 관계는, 이하와 같이 된다.

C1 = C2 = C3 = C4

또한, 용량 소자(C5)의 정전용량치는, 원래의 값보다 커진다. 단, 그 변화량은, 검지 부재(30)의 중앙 부분을 누른 경우(도 7에 나타낸 경우)는, 검지 부재(30)에 대한 누름량이 그대로 변위 전극(40)과 용량 소자용 전극(E5)의 간격의 변화가 되므로, X축 양의 방향의 조작이 행해진 경우(도 6에 나타낸 경우)보다도 커진다.

이 때, 단자(T1 ∼ T5)에 입력된 각각의 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상에 어긋남이 발생하여, 그 위상의 어긋남을 읽어냄으로써 출력 신호(Vx, Vy, Vz)가 도출된다.

다음으로, 단자(T1 ∼ T6)에 입력된 주기 신호(A, B)에 의한 출력신호(Vx, Vy, Vz)를 도출하기 위한 신호 처리 회로에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 8은 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다.

상술한 바와 같이, 단자(T1 ∼ T6)에는, 도시 생략한 교류 신호 발진기로부 터 소정 주파수의 주기 신호가 입력된다. 이들 단자(T1 ∼ T6)에는, 인버터 소자(I1 ∼ I6) 및 저항 소자(R1 ∼ R6)가 접속되고, 단자(T1 ∼ T6)측으로부터 인버터 소자(I1 ∼ I6), 저항 소자(R1 ∼ R6)의 순으로 각각 접속되어 있다. 또, 저항 소자(R1, R2)의 출력단, 저항소자(R3, R4)의 출력단 및 저항 소자(R5, R6)의 출력단에는, 각각 배타 합 회로의 논리 소자인 EX-OR 소자(81 ∼ 83)가 접속되어 있고, 그 출력단은 단자(T11 ∼ T13)에 접속되어 있다. 또, 저항 소자(R1 ∼ R5)의 출력단은, 각각 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)에 접속되어, 각각 변위 전극(40) 간에 용량 소자(C1 ∼ C5)를 구성하고 있다. 또, 변위 전극(40)은, 용량 소자(C0)를 통하여 접지되어 있다.

여기에서, 예로서 X축 방향 성분의 출력 신호(Vx)의 도출 방법에 대해, 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9(a) 및 도 9(b)는, 도 1에 나타낸 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도(도 8의 일부분)이다. 이 신호 처리 회로에서, 용량 소자(C1)와 저항소자(R1) 및 용량 소자(C2)와 저항 소자(R2)는 각각 CR 지연 회로를 형성하고 있다. 단자(T1, T2)에 입력된 주기 신호(구형파(矩形波) 신호)는, 각각 CR 지연 회로에 의해 소정의 지연이 발생하여, EX-OR 소자(81)에서 합류한다. 또, 인버터 소자(I1, I2)로서, 동일한 소자를 사용하고 있으므로, 다른 경로의 신호를 같은 조건에서 비교하는 것이 가능하다. 여기서, 인버터 소자(I1, I2)는, CR 지연 회로를 구동하기 위해 충분한 구동 전력을 발생시키는 소자이며, 논리적으로는 의미가 없는 소자이다. 따라서, 단자(T1, T2)에 대해 충분한 구동 능력을 갖는 신호를 공급하는 것이 가능하면, 이들 인버터 소자(I1, I2)는 없어도 된다. 따라서, 도 9(b)는 도 9(a)의 신호 처리 회로에 포함되는 인버터 소자(I1, I2)를 생략한 것이므로, 회로로서는 도 9(a)와 완전히 등가의 것이라고 생각할 수 있다.

다음으로 도 9의 회로의 동작에 대해, 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 도 9에 나타낸 신호 처리 회로의 각 단자 및 각 절점에서의 주기 신호의 파형을 나타낸 도면이다. 또한, 도 10은 인버터 소자(I1, I2)의 영향을 무시하고 도시되어 있다.

도 9의 신호 처리 회로에서, 단자(T1, T2)의 각각에 입력된 주기 신호는, CR 지연 회로를 통과함으로써, 각각 소정의 지연을 발생시켜, 각각 EX-OR 소자(81)에 입력된다. 상세하게 설명하면, 단자(T1)에는 주기 신호 f(ø)(상술한 주기 신호(A)에 대응하고 있다)가 입력되고, 또 단자(T2)에는 f(ø)와 동일한 주기이며, 또한 위상이 θ만큼 어긋나 있는 주기 신호 f(ø+θ)(상술한 주기 신호(B)에 대응하고 있다)가 입력된다. 단자(T1)에 입력되는 주기 신호 f(ø)는, 용량 소자(C1)와 저항 소자(R1)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여 절점(X1)에 도달한다. 이 때, 절점(X1)에 있어서의 주기 신호에는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 시간 a의 지연이 발생하고 있다. 마찬가지로, 단자(T2)에 입력되는 주기 신호 f(ø+θ)는, 용량 소자(C2)와 저항 소자(R2)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여, 절점(X2)에 도달한다. 이 때, 절점(X2)에 있어서의 주기 신호에는, 시간(b)의 지연이 발생하고 있다.

여기서, 시간(a, b)은, 각각 CR 지연 회로에서의 지연 시간에 대응하며, 각 각의 CR의 시정수에 의해 결정된다. 따라서, 저항 소자(R1, R2)의 저항치가 동일한 경우는, 시간(a, b)의 값은 용량 소자(C1, C2)의 정전용량치에 대응하게 된다. 즉, 용량 소자(C1, C2)의 정전용량치가 커지면, 시간(a, b)의 값도 커지고, 용량 소자(C1, C2)의 정전용량치가 작아지면, 시간(a, b)의 값도 작아진다.

또한, 엄밀하게는 단자(T1, T2)의 각각에 입력된 주기 신호에는, 신호 처리 회로에 인버터 소자(I1, I2)가 포함되는 경우, 각각 인버터 소자(I1, I2)를 통과함으로써도, 소정의 지연이 발생한다고 생각된다. 그러나, 상술한 바와 같이, 인버터 소자(I1, I2)로서 동일한 소자를 사용하고 있으므로, 2개의 경로에서의 인버터 소자에 기인하는 지연 시간은 동일하다고 생각되고, EX-OR 소자(81)에 입력될 때 서로 소거되므로, 여기서는 인버터 소자에 기인하는 지연 시간의 설명은 생략하고 있다.

이렇게, EX-OR 소자(81)에는, 절점(X1, X2)에서의 주기 신호와 동일한 파형의 신호가 입력되어, 이들 신호 간에 배타적 논리 연산이 행해져, 그 결과가 단자(T11)에 대해 출력된다. 여기서, 단자(T11)에 대해 출력되는 신호는, 소정의 듀티비를 갖는 구형파 신호이다(도 10 참조).

여기서, 상술한 검지 부재(30)에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우(도 6 참조)의 각 단자 및 각 절점에서의 주기 신호의 파형을 생각하기로 한다. 또한, 이 경우의 신호 처리 회로에서의 용량 소자용 전극(E1, E2)과 변위 전극(40) 간에 구성되는 용량 소자를 Cl', C2'로 하고, 검지 부재(30)에 조작이 행해져 있지 않은 경우의 신호 처리 회로의 절점(X1, X2) 및 단자(T11)와 동일 위치에서의 각 절점 및 단자를 절점(X1', X2') 및 단자(T11')로 한다(도 9 참조).

이 때, 도 9의 신호 처리 회로에서, 단자(T1)에는 주기 신호(fø)가 입력되고, 또 단자(T2)에는, f(ø)과 동일한 주기로 위상이 θ만큼 어긋나 있는 주기 신호 f(ø+θ)가 입력된다. 단자(T1)에 입력되는 주기 신호 f(ø)는, 용량 소자(C1')와 저항 소자(R1)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여, 절점(X1')에 도달한다. 이 때, 절점(X1')에서의 주기 신호에는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 시간 a+△a의 지연이 발생하고 있다. 이것은, 용량 소자(C1')의 정전용량치가 용량 소자(C1)보다도 커진 것에 의해, CR 지연 회로의 시정수가 커졌기 때문이다. 마찬가지로, 단자(T2)에 입력되는 주기 신호 f(ø+θ)는, 용량 소자(C2')와 저항 소자(R2)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여, 절점(X2')에 도달한다. 이 때, 절점(X2')에 있어서의 주기 신호에는, 시간 b-△b의 지연이 발생하고 있다. 이것은, 용량 소자(C2')의 정전용량치가 용량소자(C2)보다도 작아진 것에 의해, CR 지연 회로의 시정수가 작아졌기 때문이다.

이렇게 EX-OR 소자(81)에는, 절점(X1', X2')에서의 주기 신호와 동일한 파형의 신호가 입력되어, 이들 신호 간에 배타적 논리 연산이 행해져, 그 결과가 단자(T11')에 대해 출력된다. 여기서 단자(T11')에 대해 출력되는 신호는, 소정의 듀티비를 갖는 구형파 신호이고, 도 10에 나타낸 바와 같이, 검지 부재(30)에 조작이 행해져 있지 않은 경우에서, 단자(T11)에 출력된 구형파 신호보다도, 듀티비가 작은 구형파 신호이다.

여기서, 정전용량식 센서(10)에서는, 상술한 바와 같이, 변위 전극(40)의 중 심 위치에 돌기체(45)가 형성되고, 변위 전극(40)이, 돌기체(45)를 지점으로 하여 변위하기 때문에, 용량 소자(C1', C2')의 정전용량치는, 한 쪽이 커지면 다른 쪽이 작아지는 식으로, 대소 반대로 변화하는 경우가 많다. 이에 의해, 각각의 용량 소자(C1', C2')가 구성하는 CR 지연 회로의 시정수도 동일하게 변화하여, 출력되는 구형파 신호의 듀티비의 변화가 현저해지므로, 검지 부재(30)에 작용한 힘의 검출을 용이하게 행할 수 있다.

또, Z축 방향 성분의 출력 신호(Vz)를 도출하기 위한 신호 처리 회로(도 8 참조)는, 단자(T5)에 입력된 신호에만 CR 지연 회로를 통과하는 것에 의해 소정의 지연이 발생하나, 단자(T6)에 입력된 신호는 CR 지연 회로를 통과하지 않기 때문에 CR 지연 회로에 의한 지연은 발생하지 않는다. 이렇게, 한 쪽 신호에만 지연이 발생하는 회로에서도, 상술한 것과 동일하게 하여, 검지 부재(30)에 작용한 힘의 검출을 용이하게 행할 수 있다.

이상과 같이, 용량소자(C1, C2)의 각각의 정전용량치의 변화가, 단자(T11)에 서의 파형의 듀티비의 변화로서 검출되어, 이 신호를 정류 회로를 통과시켜 정류함으로써, 이 듀티비를 전압치로 변환하여 이용할 수 있다. 또, T11에서의 신호의 하이 레벨(Hi) 또는 로우 레벨(Lo)의 시간을, 보다 주파수가 높은 클록 신호로 카운트하면, 듀티비를 디지털 카운트치로 변환하여 이용할 수도 있다.

여기서, 단자(T1, T2)에 각각 입력되는 다른 위상의 주기 신호 f(ø), f(ø+θ)는, 하나의 교류 신호 발진기로부터 출력된 주기 신호를 2개의 경로로 나누어, 그 한 쪽 경로에 도시 생략한 CR 지연 회로를 설치하고, CR 지연 회로를 통과하는 주기 신호의 위상을 지연시킴으로써 발생된다. 또, 주기 신호의 위상을 어긋나게 하는 방법은, CR 지연 회로를 사용하는 방법에 한정되지 않고, 다른 어떠한 방법이어도 되고, 또 2개의 교류 신호 발진기를 사용하여, 각각 다른 위상의 주기신호 f(ø), f(ø+θ)를 발생시켜, 단자(T1, T2)의 각각에 입력해도 된다.

다음으로, 본 실시형태의 정전용량식 센서(10)의 제조방법에 대해 설명한다. 정전용량식 센서(10)를 제조하기 위해서는, 먼저 기판(20) 위에 기준 전극(E0) 및 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 도전성의 배선(회로)을 패턴 형성한다. 그런 후, 기준전극(E0) 및 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)에 밀착하여, 기판(20) 위를 덮도록 절연막(50)을 패턴 형성한다.

다음으로, 절연막(50) 상에 변위 전극(40)을 배치하고, 변위 전극(40) 위에 검지 부재(30)를 더 배치한다. 그 후, 변위 전극(40) 및 검지 부재(30)의 외주를 따른 원통 형상을 갖고 상단부가 내측으로 돌출한 지지 부재(60)를 기판(20)에 고정 배치함으로써, 변위 전극(40) 및 검지 부재(30)가 절연막(50)으로부터 어긋나는 것을 방지한다. 그런 후, 필요한 전기 배선을 설치함으로써, 본 실시형태의 정전용량식 센서(10)의 제조가 완료된다.

이상과 같이, 본 실시형태의 정전용량식 센서(10)는, 다수의 용량 소자(C0 ∼C5)를 구성하기 위해 공통으로 사용되는 변위 전극(40)이, 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극(E0)과 용량 결합을 통해 전기적으로 결합되므로, 직접 기준 전극(E0)과 접촉함으로써 전기적으로 접속될 필요가 없어진다. 이에 의해, 센서의 내전압 특성이 향상되어, 스파크 전류가 흐름으로써 파손하는 경우가 거의 없어지 는 동시에, 접속 불량 등의 문제를 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 정전용량식 센서를 얻을 수 있다. 또, 주기 신호에 대해 용량 소자(C1, C0 ; C2, C0 ; … ; C5, C0)가 각각 직렬로 접속된 관계로 되어 있기 때문에, 용량 소자용 전극 및 기준 전극을 지지하는 기판(20)만큼만 배선을 설치하면, 변위 전극(40)을 접지 또는 일정한 전위로 유지하기 위해 배선을 설치할 필요가 없어진다. 그 때문에, 구조가 간단한 정전용량식 센서를 적은 제조 공정 수로 제조하는 것이 가능해진다.

또, 다수의 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5)이 형성되어, 검지 부재(30)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 방향 성분을 각각 따로따로 인식할 수 있다. 또한, 변위 전극(40)이 돌기체(45)를 지점으로 하여 기울어져 변위하므로, X축 방향 또는 Y축 방향의 성분을 용이하게 검출할 수 있다.

여기서, 쌍이 되는 용량 소자용 전극(E1 및 E2, E3 및 E4)에 대해, 서로 위상이 다른 신호가 공급되므로, 회로를 통과하는 것에 의한 신호의 위상의 어긋남을 크게 할 수 있고, 또한 그 신호를 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로를 사용하므로, 정밀도 높게 검출할 수 있다.

또, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)에 밀착하여, 기판(20) 위를 덮도록 절연막(50)이 형성되므로, 용량 소자용 전극(E1 ∼ E5) 및 기준 전극(E0)이 공기에 노출되어 전극 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다.

또, 변위 전극(40) 및 지지 부재(60)가 탄성체에 의해 형성되어 있으므로, 검지 부재(30)가 외부로부터 받은 힘의 변위 전극(40)에 대한 전달성이 좋아짐으로써, 조작성이 향상하는 동시에, 외부로부터 받는 힘의 충격을 완화함으로써, 정전 용량식 센서의 손상을 경감할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제1 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 11은 제1 변형예에 따른 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

제1 변형예에 따른 정전용량식 센서는, 도 1의 정전용량식 센서에서의 기판(20) 위의 기준 전극(E0)의 구성을 변경하여, 도 11에 나타낸 바와 같이, 기준 전극(E01 ∼ E04)이 형성된 것이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전용량식 센서와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

기판(20) 위에는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 원점 O를 중심으로 하는 원형의 용량 소자용 전극(E5)과, 그 외측에 부채형의 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4)과, 또한 그 외측에 부채형의 기준 전극(E01 ∼ E04)이 형성되어 있다. 여기서, 용량 소자용 전극(E1)과 기준 전극(E01), 용량 소자용 전극(E2)와 기준 전극(E02), 용량 소자용 전극(E3)와 기준 전극(E03) 및 용량 소자용 전극(E4)와 기준 전극(E04)의 각각의 부채형의 중심각은 동일하며, 각각의 중심 위치가 일치하도록 형성되어 있다.

도 12는, 제1 변형예에 따른 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 12의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 기판(20) 위의 기준 전극(E01, E02)이, 용량 소자용 전극(E1, E2)의 각각에 대해 따로따로 분할되어 형성되어 있는 점이다. 이 때문에, 변위 전극(40)은 용량 소자(C01, C02)를 통하여 각각 따로따로 접지되어 있다. 또한, 이것은 Y축 방향 성분의 검출에 대해서도 동일하다.

이렇게, 기준 전극(E01 ∼ E04)을 다수 분할하여 형성하면, 기준 전극(E01 ∼ E04)에 둘러싸이도록 배치된 용량 소자용 전극(E1 ∼ E4)이 있는 경우라도, 기준 전극(E01 ∼ E04)들의 간극을 통해 용량 소자용 전극의 배선을 용이하게 설치할 수 있다. 또한, 이 변형예에서는, 기준 전극이 4개로 분할되어 있으나, 기준 전극의 분할 수량, 형상 및 배치는 어떠한 것이라도 되고, 기판 상의 배선의 배치를 고려하여 적절하게 변경하는 것이 가능하다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제2 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 13은 제2 변형예에 따른 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 13의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 단자(T1, T2)에 대해 위상을 어긋나게 하지 않고, 동일한 위상의 주기 신호를 각각의 단자에 입력하고 있는 점이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전 용량식 센서와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

여기서, 단자(T1, T2)에 대해 동일한 위상의 주기 신호를 입력하는 경우에는, 저항 소자(R1, R2)로서, 각각의 저항치가 다른 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 저항치가 다른 저항 소자(R1, R2)를 사용함으로써, EX-OR 소자(81)에서 용이하게 검출할 수 있게 된다. 또한, 저항 소자(R1, R2)로서, 각각의 저항치가 동일한 것을 사용해도 된다.

이러한 회로를 사용하면, 주기 신호에 대해 위상차를 발생시키는 구성이 불 필요해져, 신호 처리 회로의 구성을 간략화할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제3 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 14는 제3 변형예에 따른 정전 용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 14의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 단자(T1, T2)에 대해 입력하는 주기 신호의 위상차를 발생시키는 구성으로서, 하나의 교류 신호 발진기로부터 출력된 주기 신호를 2개의 경로로 나누어, 그 양쪽 경로에 CR 지연 회로를 설치하고 있는 점이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전용량식 센서와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

주기 신호의 위상차를 발생시키는 구성은, 교류 신호 발진기(90)와, 저항 소자(R11, R12)와, 용량 소자(C11, C12)를 갖고, 저항 소자(R11) 및 용량 소자(C11)에 의해 CR 지연 회로를 구성하고, 또 저항 소자(R12) 및 용량 소자(C12)에 의해 CR 지연 회로가 각각 구성되어 있다. 교류 신호 발진기(90)로부터 출력된 주기 신호는 2개의 경로로 나뉘어, 각각 다른 CR 지연 회로를 통과함으로써 주기 신호에는 다른 위상의 지연이 발생한다.

이렇게, 양쪽 경로에 CR 지연 회로를 설치하는 경우에는, 2개의 CR 지연 회로를 구성하는 저항 소자 또는 용량 소자의 어느 한 쪽, 또는 양 쪽의 값이 다른 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 구성으로 하면, 2개의 CR 지연 회로를 통과하는 주기 신호에 다른 위상의 지연을 발생시켜, 그 결과 다른 위상의 주기 신호가, 단자(Tl, T2)의 각각에 입력된다.

여기서, CR 지연 회로를 구성하는 저항 소자는 온도의 영향을 받기 쉽기 때문에, 상술한 2개의 경로의 한 쪽 경로에 CR 지연 회로를 설치한 경우에는, 한 쪽 경로만 온도의 영향을 받아, 신호 처리 회로의 온도 특성이 나빠지나, 양쪽 경로에 CR 지연 회로를 설치함으로써, 2개의 경로에서 온도의 영향을 서로 소거할 수 있어, 신호 처리 회로의 온도 특성을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제4 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 15는, 제4 변형예에 따른 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 15의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 단자(T1)와 저항 소자(R1) 및 용량 소자(C1) 간에 오픈 컬렉터형의 인버터 소자(91)가 배치되고, 마찬가지로 단자(T2)와 저항 소자(R2) 및 용량 소자(C2) 간에 오픈 컬렉터형의 인버터 소자(92)가 배치되어 있고, 또 저항 소자(R1, R2)의 단자(T1, T2)에 접속되어 있는 쪽과 반대측의 전위가 일정한 전위 Vcc로 유지되어 있는 점이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전용량식 센서와 동일하기 때문에, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다. 오픈 컬렉터형의 인버터 소자(91, 92)는, 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 하이 레벨과 로우 레벨을 주기적으로 반복하는 신호가 하이 레벨일 때는 EX-OR 소자의 입력단의 상태에 영향을 주지 않으나, 로우 레벨일 때는 제1 용량 소자를 방전시키는 기능을 갖는 제어소자이다.

여기서, 단자(T1, T2)에 주기 신호를 입력한 경우의 도 9에 나타낸 신호 처리 회로의 절점(X1, X2) 및 도 15에 나타낸 신호 처리 회로의 절점(X11, X12)에서 의 전위의 변화에 대해, 도 16을 참조하여 설명한다. 또한, 여기서는 절점(X1)과 절점(X11)에서의 전위의 변화에 대해서만 설명한다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 「Hi」또는「Lo」의 신호를 반복하는 주기 신호가 단자 T1에 입력된 경우를 생각하면, 「Hi」의 신호의 입력이 개시되면 CR 지연회로를 구성하는 용량 소자(C1)에 차례로 전하가 축적됨으로써, 절점(X1)에 있어서의 전위는 점차 증가하고, 또 「Lo」의 신호의 입력이 개시되면 CR 지연 회로를 구성하는 용량 소자(C1)의 전하가 점차 방전됨으로써 절점(X1)에 있어서의 전위는 점차 감소하는 변화를 반복한다. 한편, 절점(X11)에 있어서의 전위는,「Hi」의 신호의 입력이 개시되면 CR 지연 회로를 구성하는 용량 소자(C1)에 점차 전하가 축적됨으로써 점차 증가하고, 또 「Lo」의 신호의 입력이 개시되면 CR 지연 회로를 구성하는 용량 소자(C1)의 전하가 오픈 컬렉터형의 인버터 소자(91)를 통해 순간적으로 방전됨으로써 순간적으로 감소하는 변화를 반복한다.

또한, 실제로는, 절점(X1, X11)의 각각의 전위의 파형은, 소정의 임계치를 갖는 비교기(도시 생략)를 통함으로써 구형파(펄스 파형)로 변환되도록 되어 있다. 이 비교기에서는, 설정된 임계치보다도 큰 경우는「Hi」의 신호를 출력하고, 작은 경우는「Lo」의 신호를 출력함으로써 구형파를 형성한다. 여기서, 비교기의 임계치로는, Vcc/2로 설정하는 것이 바람직하다. 이렇게, 절점(X1, X11)의 전위의 파형은, 비교기를 통함으로써, 도 16에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 듀티비를 갖는 구형파(X1a, X11a)로 변환된다.

이러한 구성에 의하면, 각 용량 소자에 유지된 전하가 순간적으로 방전되기 때문에, 효율적으로 충전을 행할 수 있는 동시에, 도 16의 신호 처리 회로의 쪽이 도 9의 신호 처리 회로보다도 주기 신호의 파형의 밀도를 증가시킬 수 있어, 신호 처리 회로의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제5 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 17은 제4 변형예에 따른 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 17의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 논리 소자로서, EX-OR 소자 대신에 OR 소자가 사용되고 있는 점이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전용량식 센서와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 17에서, 단자(T1)에 입력된 주기 신호 f(ø)에는, 용량 소자(C1)과 저항 소자(R1)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여, 절점(X1)에 도달한다. 이 때, 절점(X1)에서의 주기 신호에는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 시간(a)의 지연이 발생하고 있다. 마찬가지로, 단자(T2)에 입력된 주기 신호 f(ø+θ)는, 용량 소자(C2)와 저항 소자(R2)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과하여, 절점(X2)에 도달한다. 이 때, 절점 2에서의 주기 신호에는, 시간(b)의 지연이 발생하고 있다. 따라서, 도 9와 같이, OR 소자(84)에는, 절점(X1, X2)에서의 주기 신호와 동일한 파형의 신호가 입력되어, 이들 신호 간에 논리합 연산이 행해져, 그 결과를 단자(T11a)에 대해 출력한다. 여기서, 단자(11a)에 대해 출력되는 신호는, 소정의 듀티비를 갖는 구형파 신호이다.

여기서, 단자(11a)에 대해 출력되는 구형파 신호는, EX-OR 소자가 사용된 경 우에 단자(11)에 대해 출력되는 구형파 신호와 비교하여, 듀티비의 값이 평균적으로 커져, 이 때문에 정전용량식 센서로서의 감도가 저감한다고 생각된다.

따라서, 정전용량식 센서의 각 부재가 감도가 대단히 좋아지는 재료로 제작된 경우에, 신호 처리 회로의 구성에 의해, 정전용량식 센서의 감도를 조절하기(여기서는, 감도를 저하시키기)위해 사용하기에 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시형태의 제6 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 18은 제5 변형예에 따른 정전용량식 센서의 X축 방향 성분에 대한 신호 처리 회로를 나타낸 회로도이다. 도 18의 신호 처리 회로가, 도 1의 정전용량식 센서의 신호 처리 회로와 다른 점은, 논리 소자로서, EX-OR 소자 대신에 AND 소자가 사용되고 있는 점이다. 또한, 기타 구성은, 도 1의 정전용량식 센서와 동일하므로, 동일 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 18도에 있어서, 절점(X1)에 있어서의 주기 신호는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 시간(a)의 지연이 발생한다. 마찬가지로, 단자(T2)에 입력된 주기 신호 f(ø+θ)는, 용량 소자(C2)와 저항 소자(R2)에 의해 구성되는 CR 지연 회로를 통과함으로써, 절점(2)에서의 주기 신호는 시간(b)의 지연이 발생한다. 따라서, 도 9와 동일하게, AND 소자(85)에는, 절점(X1, X2)에서의 주기 신호와 동일한 파형의 신호가 입력되어, 이들 신호 간에 논리곱 연산이 행해져, 그 결과를 단자(T11b)에 대해 출력한다. 여기서, 단자(11b)에 대해 출력되는 신호는, 소정의 듀티비를 갖은 구형파 신호이다.

여기서, 단자(11b)에 대해 출력되는 구형파 신호는, EX-OR 소자가 사용된 경 우에 단자(11)에 대해 출력되는 구형파 신호와 비교하여, 듀티비의 값이 평균적으로 작아져, 이 때문에 정전용량식 센서로서의 감도가 저감한다고 생각된다.

따라서, 정전용량식 센서의 각 부재가, 정전 용량식 센서로 했을 때의 감도가 대단히 좋아지는 재료로 제작된 경우에, 신호 처리 회로의 구성에 의해, 정전용량식 센서의 감도를 조절하기(여기서는, 감도를 저하시키기) 위해 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 19는 본 발명의 제2 실시형태의 정전용량식 센서의 측면의 모식적인 단면도이다. 도 20은 도 19의 정전용량식 센서의 검지용 버튼의 상면도이다. 도 21은 도 19의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

정전용량식 센서(110)는, 기판(120)과, 검지용 버튼(130)과, 변위 전극(140)과, 기판(120) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)과, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)에 밀착하여 기판(120) 위를 덮도록 형성된 절연막(150)과, 검지용 버튼(130) 및 변위 전극(140)을 기판(120)에 대해 지지 고정하는 지지 부재(160)와, 검지용 버튼(130) 사이를 칸막이하도록 배치된 커버 케이스(170)를 갖고 있다.

여기서는, 설명의 편의상, 도시한 바와 같이 XYZ 삼차원 좌표계를 정의하여, 이 좌표계를 참조하면서 각 부품에 배치 설명을 행하도록 한다. 즉, 도 19에서는, 기판(120) 위의 변위 전극(141)의 중심 위치에 대향하는 위치에 원점 O가 정의되 고, 우측 수평 방향에 X축이 정의되고, 상측 수직 방향에 Z축이 정의되고, 지면에 수직인 안쪽 길이 방향에 Y축이 각각 정의되어 있다. 여기서, 기판(120)의 표면은, XY 평면을 규정하여, 기판(120) 위의 용량 소자용 전극(E105), 검지용 버튼(131) 및 변위 전극(141)의 각각의 중심 위치를 Z축이 통과하게 된다.

기판(120)은, 기판(20)과 동일하게, 일반적인 전자 회로용 프린트 회로 기판이며, 이 예에서는 유리 에폭시 기판이 사용되고 있다. 또, 기판(120)으로서, 폴리이미드 필름 등의 필름 형상의 기판을 사용해도 되나, 필름 형상의 기판의 경우는 가요성을 갖고 있으므로, 충분한 강성을 갖는 지지 기판 위에 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.

검지용 버튼(130)은, 원점을 중심으로 하는 원형의 버튼(131)과, 버튼(131)의 외측에 배치된 링 형상의 버튼(132)으로 구성되어 있다. 여기서, 버튼(131)의 직경은, 기준 전극(E100a)의 외경과 거의 같거나, 그것보다 약간 작고, 버튼(132)의 외경은, 기준 전극(E100b)의 외경과 거의 같다.

또, 검지 부재(132)의 상면에는, 도 20에 나타낸 바와 같이, X축 및 Y축의 각각의 양의 방향 및 음의 방향에 대응하도록, 즉 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104)에 대응하도록 조작 방향(커서의 이동 방향)에 대응한 화살표가 형성되어 있다.

변위 전극(140)은, 도전성을 갖는 고무로 형성되어 있고, 원점을 중심으로 하는 원형의 변위 전극(141)과, 변위 전극(141)의 외측에 배치된 링 형상의 변위 전극(142)으로 구성되어 있다. 여기서, 변위 전극 141의 직경은, 기준 전극(E100a)의 외경과 거의 같고, 변위 전극(142)의 외경은, 기준 전극(E100b)의 외경과 거의 같다. 또, 변위 전극(141)의 용량 소자용 전극(E105)과 대향하는 면은, 요철면으로 되어 있다.

또, 지지 부재(160)의 한쪽 면에는, 변위 전극(141)보다도 약간 큰 Z축을 중심으로 하는 원형이며 아래쪽으로 열린 오목부와, 변위 전극(142)의 폭보다도 약간 큰 Z축을 중심으로 하는 링 형상이며 아래쪽으로 열린 오목부가 형성되어 있다. 그리고, 이들 오목부의 바닥부에 변위 전극(141) 및 변위 전극(142)이 각각 부착되어 있다. 그리고, 변위 전극(141)과 변위 전극(142) 간은, 격벽(161)에 의해서 칸막이되어 있다. 또한, 격벽(161)이 형성되어 있으므로, 버튼(131) 및 버튼(132)의 조작이 서로 간섭하는 것을 경감할 수 있다. 또, 지지 부재(160)의 다른 면에는, 변위 전극(141)에 대응하는 위치에 버튼(131)이 부착되고, 변위 전극(142)에 대응하는 위치에 버튼(132)이 부착되어 있다. 또한, 지지 부재(160)의 상면에는, 버튼(131)과 버튼(132) 사이를 칸막이하도록 커버 케이스(170)가 배치되어 있다.

또, 기판(120) 상에는, 도 21에 나타낸 바와 같이, 원점 O를 중심으로 하는 원형의 용량 소자용 전극(E105)과, 그 외측에 원점 O를 중심으로 하는 링 형상의 기준전극(E100a)과, 또한 그 외측에 부채형의 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104)과, 또한 그 외측에 원점 O를 중심으로 하는 링 형상의 기준 전극(E100b)이 형성되어 있다. 1쌍의 용량 소자용 전극(E101 및 E102)은, X축 방향으로 이격하여 Y축에 대해 선대칭으로 배치되어 있다. 또, 1쌍의 용량 소자용 전극(E103 및 E104)은, Y축 방향으로 이격하여 X축에 대해 선대칭으로 배치되어 있다.

여기서는, 용량 소자용 전극(E101)은 X축의 양의 방향에 대응하도록 배치되 고, 한편 용량 소자용 전극(E102)은 X축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또, 용량 소자용 전극(E103)은 Y축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E104)은 Y축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 Y축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또한, 용량 소자용 전극(E105)은 원점 O 위에 배치되어 있으며, 외부로부터의 힘의 Z축 방향 성분의 검출에 이용된다.

또, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)은, 관통구멍 등을 이용하여 단자(T101 ∼ T105, T100a, T100b)(도 22 참조)에 각각 접속되어 있으며, 단자(T101 ∼ T105, T100a, T100b)를 통해 외부의 전자 회로로 접속되게 되어 있다. 또한, 여기서는, 기준 전극(E100a, E100b)은, 단자(T100a, T100b)를 통하여 각각 접지되어 있다.

또, 절연막(150)이, 기판(120) 위의 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)에 밀착하여, 기판(120) 위를 덮도록 형성되어 있다. 이 때문에, 구리 등으로 형성된 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)이 공기에 노출되지 않아, 이들이 산화되는 것을 방지하는 기능을 갖고 있다. 또, 절연막(150)이 형성되어 있으므로, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극 (E100a, E100b)과, 변위 전극(140)이 직접 접촉하는 경우는 없다.

따라서, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)은 각각 변위 전극(140) 간에 용량 소자를 구성한다. 또, 용량 소자용 전극(E105) 및 기준 전극(E100a)은, 변위 전극(141) 간에 각각 용량 소자를 구성하고, 또 용량 소 자용 전극(E101 ∼ E104) 및 기준 전극(E100b)은 변위 전극(142) 간에 용량 소자를 구성한다.

다음에, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시형태에 따른 정전용량식 센서(110)의 동작에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 22는 도 19에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도이다. 도 23은 도 19에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

먼저, 정전용량식 센서(110)의 구성과 등가인 회로 구성에 대해, 도 22를 참조하여 설명한다. 기판(120) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E105) 및 기준 전극(E100a)은, 변위 전극(141)과 대향하고 있으며, 공통의 전극인 변위 가능한 변위 전극(141)과 고정된 개별의 용량 소자용 전극(E105) 및 기준 전극(E100a) 간에 각각 용량 소자(C105, C100a)를 형성하고 있다. 또, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104 및 E100b)은, 변위 전극(142)과 대향하고 있으며, 공통의 전극인 변위 가능한 변위 전극(142)과 고정된 개별의 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104 및 E100b) 간에, 각각 용량 소자(C101 ∼ C104 및 C100b)를 형성하고 있다. 따라서, 용량 소자(C101 ∼ C105, C100a, C100b)는, 변위 전극(141) 또는 변위 전극(142)의 변위에 기인하여 정전용량치가 변화하도록 구성된 가변 용량 소자라고 말할 수 있다.

용량 소자(C101 ∼ C105, C100a, C100b)의 각각의 정전용량치는, 변위 전극(141)과, 용량 소자용 전극(E105) 및 기준 전극(E100a)의 각각에 접속된 단자(T105, T100a), 또는 변위 전극(142)과, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104) 및 기준 전극 (E100b) 각각에 접속된 단자(T101 ∼T104, T100b) 간의 정전용량치로서, 각각 독립적으로 측정할 수 있다.

여기서, 기준 전극(E100a)은, 단자(T100a)를 통하여 접지되어 있으므로, 용량 소자(C105, C100a)에서의 공통의 전극인 변위 전극(141)은, 용량소자(C100a) 및 단자(T100a)를 통하여 접지되어 있다고 생각된다. 즉, 용량 소자(C100a)는, 변위 전극(141)과 단자(T100a)를 용량 결합하고 있다. 마찬가지로, 기준 전극(E100b)은, 단자(T100b)를 통하여 접지되어 있으므로, 용량 소자(C101 ∼ C104, C100b)에서의 공통의 전극인 변위 전극(142)은, 용량 소자(C100b) 및 단자(T100b)를 통하여 접지되어 있다고 생각된다. 즉, 용량 소자(C100b)는, 변위 전극(142)과 단자(T100b)를 용량 결합하고 있다.

다음으로, 용량 소자(C101 ∼ C105, C100a, C100b)의 각각의 정전용량치의 변화로부터, 버튼(130)으로의 외부로부터의 힘의 크기 및 방향을 나타내는 출력 신호의 도출 방법에 대해, 도 23을 참조하여 설명한다. 여기서, 출력 신호(Vx, Vy, Vz)는, 각각 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분, Y축 방향 성분 및 Z축 방향 성분의 크기 및 방향을 나타낸다.

또한, 도 23에 나타낸 용량 소자(C106)는, 항상 일정한 정전용량치를 유지하 도록 기판(120)의 하면에 형성되어 있고, 용량 소자(C106)를 구성하는 한 쪽 전극은 단자(T106)에 접속되어 있으며, 다른 쪽 전극은 접지되어 있다. 이 용량소자(C106)는, 용량 소자(C105)와 함께, 외부로부터의 힘의 Z축 방향 성분의 출력 신호(Vz)를 도출하기 위해 사용된다. 여기서, 출력 신호(Vx, Vy, Vz)를 도출 하기 위해, 도 5에서 설명한 것과 동일하게 하여, 단자(T101 ∼ T106)에 대해, 항상 블록 신호 등의 주기 신호가 입력된다. 예를 들면, 단자(T101)에 입력된 주기 신호에 대해, 2개의 용량 소자(C101 및 C100b)는 직렬로 접속된 관계로 되어 있다. 마찬가지로, 2개의 용량 소자(C102 및 C100b)는 단자(T102)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계가 되어 있고, 2개의 용량 소자(C103 및 C100b)는 단자(T103)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계가 되어 있고, 2개의 용량 소자(C104 및 C100b)는 단자(T104)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계가 되어 있고, 2개의 용량 소자(C105 및 C100a)는 단자(T105)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계가 되어 있다.

단자(T101 ∼ T106)에 주기 신호가 입력되어 있는 상태로 검지용 버튼(130)이 외부로부터의 힘을 받아 변위하면, 이에 따라 변위 전극(141) 또는 변위 전극(142)이 변위한다. 그러면, 용량 소자(C101 ∼ C105)를 구성하는 전극의 간격이 변화하여, 용량소자(C101 ∼ C105)의 각각의 정전용량치가 변화한다. 이에 의해, 단자 (T101 ∼ T106)에 입력된 주기 신호의 위상에 어긋남이 발생한다. 이렇게, 주기 신호에 생기는 위상의 어긋남을 이용하여, 버튼(131) 또는 버튼(132)이 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 크기와 방향을 나타내는 출력 신호(Vx, Vy, Vz)를 얻을 수 있다. 또한, 도출 방법의 상세한 것에 관해서는, 도 1의 정전용량식 센서에서의 신호 처리 회로에 대해 설명한 것과 동일하므로 생략한다.

이상과 같이, 본 실시형태의 정전용량식 센서(110)는, 다수의 용량 소자(C101 ∼ C105, C100a 및 C100b)를 구성하기 위해 사용되는 변위 전극(141, 142)이, 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극(E100a, 100b)과 용량 결합되어 있으므로, 센서(110)의 내전압 특성이 향상하여, 스파크 전류가 흐름에 따라 센서가 파손하는 경우가 거의 없어지는 동시에, 접속 불량 등의 문제를 방지할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 정전용량식 센서(110)를 얻을 수 있다. 또, 주기 신호에 대해 용량 소자 (C101, C100b ; C102, C100b ; … ; C105, C100a)가 각각 직렬로 접속된 관계로 되어 있기 때문에, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, E100b)을 지지하는 기판(120)만큼만 배선을 설치하면, 변위 전극(141, 142)을 접지 또는 일정한 전위로 유지하기 위한 배선을 별도로 설치할 필요가 없다. 그 때문에, 구조가 간단한 정전용량식 센서를 적은 제조 공정 수로 제조하는 것이 가능해진다.

또, 다수의 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105)이 형성되어, 검지 부재(131, 132)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향의 방향 성분을 각각 따로따로 인식할 수 있다. 또, 변위 전극(141)의 용량 소자용 전극(E105) 및 기준 전극(E100a)과 대향하는 면이 요철면으로 되어 있고, 용량 소자용 전극(E105)과 대향하여 용량 소자(C105)를 구성하므로, 이 용량 소자(C105)의 정전용량이 보다 세밀하게 변화하여, 외부로부터 받은 힘의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

여기서, 쌍이 되는 용량 소자용 전극(E101 및 E102, E103 및 E104)에 대해, 서로 위상이 다른 신호가 공급되므로, 회로를 통과하는 것에 의한 신호의 위상의 어긋남을 크게 할 수 있고, 또한 그 신호를 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로를 사용하므로, 정밀도 높게 검출할 수 있다.

또, 검지 부재(130)가, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E104)과, 용량 소자용 전극 (E05)의 각각에 대응하여 분할되어 있으므로, 외부로부터의 힘의 X축 방향 및 Y축 방향과 Z축 방향의 각 성분이 명확히 분리되므로, 다른 방향의 성분이 서로 간섭하는 것을 경감할 수 있어, 오조작을 감소시킬 수 있다.

또, 용량 소자용 전극(E101 ∼ E105) 및 기준 전극(E100a, 100b)에 밀착하여, 기판(120) 위를 덮도록 절연막(150)이 형성되므로, 용량 소자용 전극(E101 ∼E105)및 기준 전극(E100a, 100b)이 공기에 노출되어 전극 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다.

또, 변위 전극(140) 및 지지 부재(160)가 탄성체에 의해 형성되어 있으므로, 검지 부재(130)가 외부로부터 받은 힘의 변위 전극(140)에 대한 전달성이 좋아져 조작성이 향상하는 동시에, 외부로부터 받는 힘의 충격을 완화함으로써, 정전용량식 센서의 손상을 경감할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 24는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 측면의 모식적인 단면도이다. 도 25는 도 24의 정전용량식 센서의 검지용 버튼의 상면도이다. 도 26은 도 24의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성되어 있는 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

정전용량식 센서(210)는, 기판(220)과, 검지용 버튼(230)과, 변위 전극(240)과, 기판(220) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)과, 스위치용 고정 전 극(E 205)과, 스위치용 가동 전극(E208)과, 기준 전극(E200)과, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)에 밀착하여 기판(220) 위를 덮도록 형성된 절연막(250)과, 스위치용 가동 전극 (E208)에 밀착하여 절연막(250) 위를 덮도록 형성된 절연막(251)과, 검지용 버튼(230) 및 변위 전극(240)을 기판(220)에 대해 지지 고정하는 지지 부재(260)와, 검지용 버튼(230) 간을 칸막이하도록 배치된 커버 케이스(270)를 갖고 있다.

여기서는 설명의 편의상, 도시한 바와 같이, XYZ 삼차원 좌표계를 정의하여, 이 좌표계를 참조하면서 각 부품에 배치 설명을 행하도록 한다. 즉, 도 24에서는, 기판(220) 위의 변위 전극(240)의 중심 위치에 대향하는 위치에 원점 O가 정의되고, 우측 수평 방향에 X축이 정의되고, 상측 수직 방향에 Z축이 정의되고, 지면에 수직인 길이 안쪽 방향에 Y축이 정의되어 있다. 여기서, 기판(220)의 표면은, XY 평면을 규정하여, 기판(220) 위의 스위치용 고정 전극(E205), 검지용 버튼(231) 및 변위 전극(140)의 각각의 중심 위치를 Z축이 통과하게 된다.

기판(220)은, 기판(20)과 마찬가지로, 일반적인 전자 회로용의 프린트 회로 기판이며, 이 예에서는 유리 에폭시 기판이 사용되고 있다. 또, 기판(220)으로서, 폴리이미드 필름 등의 필름 형상의 기판을 사용해도 되나, 필름 형상의 기판의 경우는 가요성을 갖고 있기 때문에, 충분한 강성을 갖는 지지 기판 위에 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.

검지용 버튼(230)은, 원점을 중심으로 하는 원형의 버튼(231)과, 버튼(231)의 외측에 배치된 원점을 중심으로 하는 링 형상의 버튼(232)으로 구성되어 있다. 또, 검지용 버튼(230)은, 도 8에 나타낸 검지용 버튼(130)과 동일 형상의 것이다. 여기서, 버튼(231)의 직경은 기준 전극(E200)의 외경과 거의 같거나, 그것보다 약간 작고, 버튼(232)의 외경은 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)의 각각의 외측의 곡선을 연결하여 생기는 원의 직경과 거의 같다.

또, 버튼(232)의 상면에는, 도 25에 나타낸 바와 같이, X축 및 Y축의 각각의 양의 방향 및 음의 방향에 대응하도록, 즉 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)에 대응하도록, 조작 방향(커서의 이동 방향)에 대응한 화살표가 형성되어 있다.

변위 전극(240)은, 도전성을 갖는 고무로 형성되어 있고, 버튼(232)의 외경과 동일 직경을 갖는 원반 형상이며, 버튼(232)의 변위와 함께 변위하는 변위부(241)와, 변위 전극(240)의 하면에, 스위치용 가동 전극(E208)과 대향하도록 형성된 볼록부(245)에 의해 형성되어 있다.

지지 부재(260)의 하면에는, Z축을 중심으로 하는 원형이며 아래쪽으로 열린 오목부가 형성되어 있다. 여기서, 오목부의 직경은, 변위 전극(240)의 직경보다도 약간 크고, 오목부의 바닥부에는 변위 전극(240)이 부착되어 있다. 또, 지지 부재(260)의 상면에는, 변위 전극(241)에 대응하는 위치에 검지용 버튼(232)이 부착되고, 볼록부(245)에 대응하는 위치에 버튼(231)이 부착되어 있다. 또한, 지지 부재(260)의 상면에서, 버튼(231)과 버튼(232) 간을 칸막이하도록 커버 케이스(270)가 배치되어 있다.

또, 기판(220) 상에는, 도 26에 나타낸 바와 같이, 원점 O를 중심으로 하는 원형의 스위치용 고정 전극(E205)과, 그 외측에 원점 O를 중심으로 하는 링 형상의 기준 전극(E200)과, 또한 그 외측에 부채형의 용량 소자용 전극(E201, E202, E203, E204)이 형성되어 있다. 1쌍의 용량 소자용 전극(E201 및 E202)은, X축 방향으로 이격하여 Y축에 대해 선 대칭으로 배치되어 있다. 또, 1쌍의 용량 소자용 전극 (E203 및 E204)은, Y축 방향으로 이격하여 X축에 대해 선 대칭으로 배치되어 있다.

여기서는, 용량 소자용 전극(E201)은 X축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E202)는 X축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또, 용량 소자용 전극(E203)은 Y축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E204)는 Y축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 Y축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또한, 스위치용 고정 전극(E205)는, 원점 O 위에 배치되어 있고, 스위치용 가동 전극(E208)과 함께, 입력 등의 결정 조작에 이용된다.

또, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204), 스위치용 고정 전극(E205) 및 기준 전극(E200)은, 관통 구멍 등을 이용하여 단자(T200 ∼ T205)(도 27 참조)에 각각 접속되어 있고, 각 단자(T200 ∼T205)를 통해 외부의 전자 회로로 접속되도록 되어 있다. 또한, 여기서는, 기준 전극(E200)은, 단자(T200)를 통하여 접지되어 있다.

또, 절연막(250)이, 기판(220) 위의 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)에 밀착하여, 기판(220) 위의 스위치용 가동 전극(E208)을 제외한 부분을 덮도록 형성되고, 또한 절연막(251)은 스위치용 가동 전극(E208)에 밀착하여, 절연막(250) 위를 덮도록 형성되어 있다. 이 때문에, 구리 등으로 형성된 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)이 공기에 노출되지 않아 이들이 산화되는 것을 방지하는 기능을 갖고 있다. 또, 절연막(250) 및 절연막(251)이 형성되어 있으므로, 기준 전극(E200) 및 스위치용 가동 전극(E208)과, 변위 전극(240)이 직접 접촉하는 경우는 없다.

따라서, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204) 및 스위치용 가동 전극(E200)(기준전극(E208)은, 각각 변위 전극(240) 간에 용량 소자를 구성한다. 또한, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)은, 변위 전극(240)의 변위부(241) 간에서 각각 용량 소자를 구성하고, 또 스위치용 가동 전극(E208)은, 변위 전극(240)의 볼록부(245) 간에 용량 소자를 구성한다.

다음으로, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시형태에 따른 정전용량식 센서(210)의 동작에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 27은 도 24에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도이다. 도 28은 도 24에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다.

먼저, 정전용량식 센서(210)의 구성과 등가인 회로 구성에 대해, 도 27을 참조하여 설명한다. 기판(220) 상에 형성된 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204) 및 기준 전극(E200)(스위치용 가동 전극 E200)은, 변위 전극(240)과 대향하고 있으며, 공통의 전극인 변위 가능한 변위 전극(240)과 고정된 개별의 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204 및 E200) 간에서, 각각 용량 소자(C200 ∼ C204)를 형성하고 있다. 용량소자(C201 ∼ C204)는, 변위 전극(240)의 변위에 기인하여 정전용량치가 변화하도록 구성된 가변 용량 소자라고 말할 수 있다. 또, 기준 전극(E200)에 접속된 스위치용 가동 전극(E208)과, 스위치용 고정 전극(E205) 간에는, 버튼(231)의 누름에 따라 개폐하는 스위치가 구성되어 있다.

용량 소자(C200 ∼ C204)의 각각의 정전용량치는, 변위 전극(240)과, 용량 소자용 전극(E201 ∼ C204) 및 기준 전극(E200)의 각각에 접속된 단자(T200 ∼ T204) 간의 정전용량치로서, 각각 독립적으로 측정할 수 있다. 여기서, 기준 전극 (E200)은, 단자(T200)를 통하여 접지되어 있으므로, 용량 소자(C200 ∼ C204)에서의 공통의 전극인 변위 전극(240)은, 용량 소자(C200) 및 단자(T200)를 통하여 접지되어 있다고 생각된다. 즉, 용량 소자(C200)는 변위 전극(240)을 단자(T200)에 전기적으로 결합하는 기능을 갖고 있다.

다음으로, 용량 소자(C200 ∼ C204)의 각각의 정전용량치의 변화로부터, 버튼(232)으로의 외부로부터의 힘의 크기 및 방향을 나타내는 출력 신호의 도출 방법에 대해, 도 28을 참조하여 설명한다. 여기서, 출력 신호(Vx, Vy)는 각각 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분 및 Y축 방향 성분의 크기 및 방향을 나타낸다.

여기서, 출력 신호(Vx, Vy)를 도출하기 위해, 도 5에서 설명한 것과 동일하게 하여, 단자(T201 ∼ T104)에 대해, 항상 블록 신호 등의 주기 신호가 입력된다. 예를 들면, 단자(T201)에 입력된 주기 신호에 대해, 2개의 용량 소자(C201 및 C200)는 직렬로 접속된 관계로 되어 있다. 마찬가지로, 2개의 용량 소자(C202 및 C200)는 단자(T202)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C203 및 C200)는 단자(T203)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C204 및 C200)는 단자(T204)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있다.

단자(T201 ∼ T204)에 주기 신호가 입력되어 있는 상태로 버튼(232)이 외부로부터의 힘을 받아 변위하면, 이에 따라 변위 전극(240)의 변위부(241)가 변위하여, 용량 소자(C201 ∼ C204)를 구성하는 전극의 간격이 변화한다. 그러면, 용량 소자 (C201 ∼ C204)의 각각의 정전용량치가 변화하여, 단자(T201 ∼ T204)에 입력된 주기 신호의 위상에 어긋남이 발생한다. 이렇게, 주기 신호에 발생하는 위상의 어긋남을 이용하여, 버튼(232)이 외부로부터 받은 힘의 X축 방향 및 Y축 방향의 크기와 방향을 나타내는 출력 신호(Vx, Vy)를 얻을 수 있다. 또한, 도출 방법의 상세한 것에 관해서는, 도 1의 정전용량식 센서에 있어서의 신호 처리 회로에 대해 설명한 것과 동일하므로 생략한다.

이상과 같이, 본 실시형태의 정전용량식 센서(210)는, 다수의 용량 소자(C200 ∼ C204)를 구성하기 위해 사용되는 변위 전극(240)이, 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극(E200)과 용량 결합되어 있으므로, 센서(210)의 내전압 특성이 향상하여, 스파크 전류가 흐르는 것에 의해 센서가 파손하는 경우가 거의 없어지는 동시에, 접속 불량 등의 문제를 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 정전용량식 센서(210)를 얻을 수 있다. 또, 주기 신호에 대해 용량 소자(C201, C200 ; C202, C200 ; … ; C204, C200)이 각각 직렬로 접속된 관계로 되어 있으므로, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204) 및 기준 전극(E200)을 지지하는 기판(220)만큼만 배선을 설치하면, 변위 전극(240)을 접지 또는 일정한 전위로 유지하기 위한 배선을 별도로 설치할 필요가 없다. 그 때문에, 구조가 간단한 정전용량식 센서를 적은 제조 공정 수로 제조하는 것이 가능해진다.

또, 다수의 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204)이 형성되어, 검지 부재(231)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향 및 Y축 방향의 방향 성분을 각각 따로따로 인식할 수 있다. 또한, 변위 전극(240)이 돌기체(245)를 지점으로 하여 기울어져 변위하므로, X축 방향 또는 Y축 방향의 성분을 용이하게 검출할 수 있다. 또, 결정 조작용의 스위치가 부착된 입력 장치를 제작할 수 있어, 결정 조작을 했을 때, 명확한 조작촉감이 얻어지므로, 오조작을 방지할 수 있다.

여기서, 쌍이 되는 용량 소자용 전극(E201 및 E202, E203 및 E204)에 대해, 서로 위상이 다른 신호가 공급되므로, 회로를 통과하는 것에 의한 신호의 위상의 어긋남을 크게 할 수 있고, 또한 그 신호를 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로를 사용하므로, 정밀도 높게 검출할 수 있다.

또, 검지 부재(230)가, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204 및 E205)의 각각에 대응하여 분할되어 있기 때문에, 외부로부터의 힘의 X축 방향 및 Y축 방향과 Z축 방향의 각 성분이 명확히 분리되므로, 다른 방향의 성분이 서로 간섭하는 것을 경감할 수 있어, 오조작을 감소시킬 수 있다.

또, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204) 및 스위치용 가동 전극(E208)에 밀착하여, 기판(220) 위를 덮도록 절연막(250, 251)이 형성되므로, 용량 소자용 전극(E201 ∼ E204) 및 스위치용 가동 전극(E208)이 공기에 노출되어 전극 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다. 또, 절연막(250, 251)을 이용하는 것에 의해, 스위치용 가동 전극(E208)을 기준 전극(E200)에 용이하게 고정할 수 있다.

또, 변위 전극(240) 및 지지 부재(260)가 탄성체에 의해 형성되어 있으므로, 검지 부재(230)가 외부로부터 받은 힘의 변위 전극(240)에 대한 전달성이 좋아져 조작성이 향상하는 동시에, 외부로부터 받는 힘의 충격을 완화함으로써, 정전용량식 센서의 손상을 경감할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제4 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 29는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 정전용량식 센서의 측면의 모식적인 단면도이다. 도 30은 도 29의 정전용량식 센서의 기판과 평행으로 배치된 전극의 배치를 나타낸 도면이다. 도 31은 도 29의 정전용량식 센서의 기판 위에 형성된 다수의 전극의 배치를 나타낸 도면이다.

정전용량식 센서(310)는, 기판(320)과, 검지 부재(330)와, 도전성 부재(340)와, 기판(320) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)과, 도전성 부재(340)를 기판(320)에 대해 지지 고정하는 지지 기구(360)와, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)에 밀착하여 기판(320) 위를 덮도록 형성된 절연막(350)과, 도전성 부재(340)에 밀착하여 지지 기구(360)의 일 부품인 지지 부재(361) 위를 덮도록 형성된 절연막(351)과, 도전성 부재(340)와 용량 소자용 전극(E 301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300) 간에 배치된 절연성 부재(380)를 갖고 있다. 또한, 지지 기구(360)는, 관통구멍(362)을 갖는 지지 부재(361)와, 스페이서(363)와, 나사(364)를 갖고 있으며, 스페이서(363)는 기준 전극(E300)의 외경보다도 큰 직경을 갖는 링 형상의 부재로, 그 높이는 절연성 부재(380) 및 절연막(350, 351)의 두께의 합계와 거의 같다.

여기서는, 설명의 편의상, 도시한 바와 같이, XYZ 삼차원 좌표계를 정의하 고, 이 좌표계를 참조하면서 각 부품에 배치 설명을 행하도록 한다. 즉, 도 29에서는, 기판(320) 위에 원점 O가 정의되고, 우측 수평 방향에 X축이 정의되고, 상측 수직 방향에 Z축이 정의되고, 지면에 수직인 안쪽 길이 방향에 Y축이 정의되어 있다. 여기서, 기판(320)의 표면은, XY 평면을 규정하고, 기판(320) 위의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304), 기준 전극(E300), 검지 부재(330)(외부로부터 힘이 작용하고 있지 않은 상태), 도전성 부재(340) 및 관통구멍(362)의 각각의 중심 위치를 Z축이 통과하게 된다.

기판(320)은, 일반적인 전자 회로용 프린트 회로 기판이며, 이 예에서는 유리에폭시 기판이 사용되고 있다. 또, 기판(320)으로서, 폴리이미드 필름 등의 필름 형상의 기판을 사용해도 되나, 필름 형상의 기판의 경우는 가요성을 갖고 있으므로, 충분한 강성을 갖는 지지 기판 위에 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.

검지 부재(330)는, 수력부가 되는 원통 형상으로 형성되어 있고, 지지 부재(361)의 관통 구멍(362)의 범위 내에서, 기판(320)에 대해 평행 이동이 가능하게 되어 있다. 또, 조작성을 향상시키기 위해, 검지 부재(330)의 형상은 적절히 변경해도 된다.

또, 기판(320) 위에는, 도 30에 나타낸 바와 같이, 원점 O를 중심으로 하는 부채형의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)과, 또한 그 외측에 원점 O를 중심으로 하는 링 형상의 기준 전극(E300)이 형성되어 있다. 1쌍의 용량 소자용 전극(E301 및 E302)은, X축 방향으로 이격하여 Y축에 대해 선 대칭으로 배치되어 있다. 또, 1쌍의 용량 소자용 전극(E303 및 E304)은, Y축 방향으로 이격하여 X축에 대해 선 대칭으로 배치되어 있다. 또한, 기준 전극(E300)은, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)의 내부에 형성되어도 된다.

도전성 부재(340)는, Z축을 중심으로 하는 링 형상의 전극이며, 그 내경은 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)의 내경과 동일하고, 그 외형은 기준 전극(E300)의 외경과 동일하고, 지지 부재(361)의 하면에 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)에 대향하도록 부착되어 있다.

절연막(350)이, 기판(320) 위의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)에 밀착하여, 기판(320) 위를 덮도록 형성되어 있다. 또, 절연막(351)이, 도전성 부재(340)에 밀착하여, 지지 부재(361) 위를 덮도록 형성되어 있다. 이 때문에, 구리 등으로 형성된 도전성 부재(340), 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)이 공기에 노출되지 않아, 그들이 산화되는 것을 방지하는 기능을 갖고 있다.

절연성 부재(380)는, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)의 외경보다도 작은 외경을 갖는 원반 형상의 부재이며, 절연막(350)과 절연막(351) 사이에 개재되며, 절연막(350, 351)에 접하도록 배치되어 있다. 또, 절연성 부재(380)의 상면의 중심 위치에는, 검지 부재(330)가 부착되어 있다. 여기서, 절연성 부재(380)는, 합성 수지를 일체 성형한 것이며, 이 합성 수지로는 그 표면의 마찰 계수가 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 절연성 부재(380)의 형상은 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)의 형상 및 배치를 고려하여 적절히 변경해도 된다.

여기서는, 용량 소자용 전극(E301)은 X축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E302)은 X축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분의 검출에 이용된다. 또, 용량 소자용 전극(E303)은 Y축의 양의 방향에 대응하도록 배치되고, 한편 용량 소자용 전극(E304)은 Y축의 음의 방향에 대응하도록 배치되어, 외부로부터의 힘의 Y축 방향 성분의 검출에 이용된다.

또, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)은, 관통 구멍 등을 이용하여 단자(T300 ∼ T304)(도 32 참조)에 각각 접속되어 있고, 단자(T300 ∼ T304)를 통해 외부의 전자 회로에 접속되도록 되어 있다. 또한, 여기서는 기준 전극(E300)은, 단자(T300)를 통하여 접지되어 있다.

이렇게, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)은, 각각 도전성 부재(340) 간에 용량 소자(C300 ∼ C304)를 구성한다. 또한, 도전성 부재(340)와 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E30) 간의 유전율은, 각각의 전극 사이를 절연성 부재(380)가 변위함으로써 변화하여, 그에 따라 용량 소자(C300 ∼ C304)의 각각의 정전용량치도 변화하도록 되어 있다.

다음으로, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시형태에 따른 정전용량식 센서(310)의 동작에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 도 32는, 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 구성에 대한 등가 회로도이다. 도 33은 도 29에 나타낸 정전용량식 센서에 입력되는 주기 신호로부터 출력 신호를 도출하는 방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도 34는 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 외부로부 터의 조작이 행해지고 있지 않은 경우의 용량 소자용 전극과 절연성 부재의 위치 관계를 나타낸 도면이다. 도 35는 도 29에 나타낸 정전용량식 센서의 검지 부재에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우의 용량 소자용 전극과 절연성 부재의 위치 관계를 나타낸 도면이다.

먼저, 정전용량식 센서(310)의 구성과 등가인 회로 구성에 대해, 도 32를 참조하여 설명한다. 기판(320) 위에 형성된 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)은 도전성 부재(340)와 대향하고 있으며, 공통의 전극인 고정된 도전성 부재(340)와, 고정된 개별의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300) 간에 용량소자(C300 ∼ C304)를 형성하고 있다. 용량소자(C300 ∼ C304)는, 각각 도전성 부재(340)와 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300) 간에서의 절연성 부재(380)의 변위에 기인하여 정전용량치가 변화하도록 구성된 가변 용량 소자라고 말할 수 있다.

용량 소자(C300 ∼ C304)의 각각의 정전용량치는, 도전성 부재(340)와, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)의 각각에 접속된 단자(T301 ∼ T304) 간의 정전용량치로서, 각각 독립적으로 측정할 수 있다. 여기서, 기준 전극(E300)은, 단자(T300)를 통하여 접지되어 있고, 용량 소자(C301 ∼ C304)에서의 공통의 전극인 도전성 부재(340)는, 용량 소자(C300) 및 단자(T300)를 통하여 접지되어 있다고 생각된다. 즉, 용량 소자(C300)는, 도전성 부재(340)를 단자 (T300)에 전기적으로 결합하는 기능을 갖고 있다.

다음으로, 용량소자(C301 ∼ C304)의 각각의 정전용량치의 변화로부터, 검지 부재(330)로의 외부로부터의 힘의 크기 및 방향을 나타내는 출력 신호의 도출 방법에 대해, 도 33을 참조하여 설명한다. 여기서, 출력 신호(Vx, Vy)는, 각각 외부로부터의 힘의 X축 방향 성분 및 Y축 방향 성분의 크기 및 방향을 나타낸다.

여기서, 출력 신호(Vx, Vy)를 도출하기 위해, 단자(T301 ∼ T304)에 대해, 항상 클록 신호 등의 주기 신호가 입력된다. 예를 들면, 단자 T301에 입력된 주기 신호에 대해, 2개의 용량 소자(C301과 C300)는 직렬로 접속된 관계로 되어 있다. 마찬가지로, 2개의 용량 소자(C302와 C300)는 단자(T302)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C303 및 C300)는 단자(T303)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있고, 2개의 용량 소자(C304 및 C300)는 단자(T304)에 입력된 주기 신호에 대해 직렬로 접속된 관계로 되어 있다.

단자(T301 ∼ T304)에 주기 신호가 입력되어 있는 상태로 검지 부재(330)가 외부로부터의 힘을 받아 변위하면, 이에 따라 절연성 부재(380)가 XY 평면 내에서 이동한다. 그러면, 절연성 부재(380)의 단부 위치에 따라 용량 소자용 전극과 도전성 부재(340) 간의 합성 유전율이 변화하여, 용량 소자(C301 ∼ C304)의 각각의 정전용량치가 변화하여, 단자(T301 ∼ T304)에 입력된 주기 신호의 위상에 어긋남이 발생한다. 이렇게, 주기 신호에 발생하는 위상의 어긋남을 이용하여, 검지 부재(330)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향 및 Y축 방향의 크기와 방향을 나타내는 출력 신호(Vx, Vy)를 얻을 수 있다. 또, 도출 방법의 상세한 것에 관해서는, 도 1의 정전용량식 센서에 있어서의 신호 처리 회로에 대해 설명한 것과 동일하므로 생 략한다.

다음으로, 도 29에 나타낸 검지 부재(330)에 힘이 작용하지 않고 있을 때의 상태에서, 검지 부재(330)에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우를 생각한다.

먼저, 검지 부재(30)에 조작이 행해지고 있지 않은 경우의 용량 소자용 전극 (E301 ∼ E304)과 절연성 부재(380)의 위치 관계는, 도 34에 나타낸 바와 같이, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)의 각각의 내경측에서 외경측으로 향하는 폭의 약 반까지의 범위(도면중의 사선 부분)가 겹쳐져 있다.

도 34에 있어서, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)과 절연성 부재(380)가 각각 겹쳐지는 부분의 면적을 S1, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)과 절연성 부재(380)가 각각 겹쳐지지 않는 부분의 면적을 S2로 하면, 각 용량 소자(C301 ∼ C304)의 정전용량치는 전부 같은 값이 되어, 다음과 같이 된다.

여기서, 각 용량 소자(C301 ∼ C304)의 전극 간의 간격을 d, 공기중의 유전율을 ε, 절연성 부재(380)의 유전율을 ε1으로 한다. 또, 절연막(350, 351)의 두께는 d에 비교하여 충분히 작고, 각 전극 간에 균일하게 형성되어 있으므로, 여기서는 간단하게 하기 위해 무시하는 것으로 한다.

다음으로, 검지 부재(330)에 X축 양의 방향으로의 조작이 행해진 경우를 생각한다. 이 때, 검지 부재(330)가 X축 양의 방향으로 조작되는 것에 의해, 절연성 부재(380)는 X축 양의 방향으로 변위한다. 이 때의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)과 절연성 부재(380)의 위치 관계는, 도 35에 나타내는 바와 같이, X축 양의 방향에 대응하는 E301과 도전성 부재(380)가 겹쳐지는 부분의 면적이 증가하고, 한편, X축 음의 방향에 대응하는 E302와 도전성 부재(380)가 겹쳐지는 부분의 면적이 감소한다. 또, 이 때, Y축 양의 방향에 대응하는 E303 및 Y축 음의 방향에 대응하는 E304와 도전성 부재(380)가 각각 겹쳐지는 부분의 면적은 거의 변화하지 않는다고 생각된다.

도 35에 있어서, 용량 소자용 전극(E301 및 E302)과 절연성 부재(380)가 각각 겹쳐지는 부분의 면적을 각각 S3, S5로 하고, 용량 소자용 전극(E301 및 E302)과 절연성 부재(380)가 각각 겹쳐지지 않는 부분의 면적을 각각 S4, S6으로 하면, 각 용량 소자(C301 및 C302)의 정전용량치는, 다른 값이 되어, 다음과 같이 된다.

여기서, 일반적으로 용량 소자의 정전용량치는, 용량 소자를 구성하는 전극 간의 유전율 및 전극의 면적에 비례한다. 따라서, 절연성 부재(380)의 유전율 ε1이 공기중의 유전율 ε보다도 작은 경우의 용량 소자(C301 및 C302)의 정전용량치의 대소 관계는, 이하와 같이 된다.

C301 < C302

한편, 절연성 부재(380)의 유전율 ε1이 공기중의 유전율 ε보다도 큰 경우 의 용량 소자(C301 및 C302)의 정전용량치의 대소 관계는, 이하와 같이 된다.

C302 < C301

또한, 일반적으로는 절연성 부재(380)의 유전율 ε1은 공기중의 유전율 ε보다 큰 경우가 많다.

이 때, 단자(T301 및 T302)에 입력된 각각의 주기 신호(A) 및 주기 신호(B)의 위상에 어긋남이 발생하여, 그 위상의 어긋남을 읽어냄으로써 출력 신호(Vx)가 도출된다.

이상과 같이, 본 실시형태의 정전용량식 센서(310)는, 다수의 용량 소자(C300 ∼ C304)를 구성하기 위해 공통으로 사용되는 도전성 부재(340)가, 용량 결합에 의해 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극(E300)과 전기적으로 결합되므로, 센서(310)의 내전압 특성이 향상하여, 스파크 전류가 흐르는 것에 의해 센서가 파손하는 것이 거의 없어지는 동시에, 접속 불량 등의 문제를 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 높은 정전용량식 센서(310)를 얻을 수 있다. 또, 주기 신호에 대해 용량 소자 (C301, C300 ; C302, C300 ; … ; C304, C300)가 각각 직렬로 접속된 관계로 되어 있으므로, 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304) 및 기준 전극(E300)을 지지하는 기판(320)만큼만 배선을 설치하면, 도전성 부재(340)를 접지 또는 일정한 전위로 유지하기 위한 배선을 별도로 설치할 필요가 없다. 그 때문에, 구조가 간단한 정전용량식 센서를 적은 제조 공정수로 제조하는 것이 가능해진다.

또, 다수의 용량 소자용 전극(E301 ∼ E304)이 형성되어, 검지 부재(330)가 외부로부터 받은 힘의 X축 방향 및 Y축 방향의 방향 성분을 각각 따로따로 인식할 수 있다.

여기서, 쌍이 되는 용량 소자용 전극(E301 및 E302, E303 및 E304)에 대해, 서로 위상이 다른 신호가 공급되므로, 회로를 통과하는 것에 의한 신호의 위상의 어긋남을 크게 할 수 있고, 또한 그 신호를 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로를 사용하므로 정밀도 높게 검출할 수 있다.

또, 용량 소자용 전극(E300 ∼ E304) 및 도전성 부재(340)에 밀착하여, 기판(320) 또는 지지 부재(361) 위를 덮도록 절연막(350, 351)이 형성되므로, 용량 소자용 전극(E300 ∼ E304) 및 도전성 부재(340)가 노출되어 전극 표면이 산화하는 것을 방지할 수 있다.

또, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 기재한 한도 내에서, 여러가지 설계 변경을 행하는 것이 가능한 것이다. 예를 들면, 상술한 실시형태에서는, 검지 부재와 도전성 부재는, 별체의 부품으로서 형성되어 있지만, 이들을 일체로 형성해도 된다. 따라서, 검지 부재 및 도전성 부재가 양쪽 모두, 도전성을 갖는 부재로 형성되어 있어도 된다.

또, 상술한 제1 ∼ 제3 실시형태에서는, 검지 부재가 Z축 방향으로 이동함으로써 변위 전극(도전성 부재)을 Z축 방향으로 변위시키고 있었지만, 가요성이 있는 기판 이면측(기준 전극과는 반대측)에 배치된 검지 부재가 이동함으로써 용량 소자용 전극을 Z축 방향으로 변위시켜도 된다.

또, 상술한 제4 실시형태에서는, 용량 소자용 전극 및 도전성 부재를 고정하 고, 검지 부재가 XY 평면 내에서 이동함으로써 절연성 부재를 XY 평면 내에서 변위시키고 있었지만, 이것과는 반대로, 절연성 부재를 고정하고, 검지 부재가 이동함으로써 용량 소자용 전극 및 도전성 부재를 XY 평면 내에서 변위시켜도 된다. 또한, 절연성 부재를 단일 부재에 의해 형성하지 않고, 예를 들면 동심원 형상이 다른 유전율을 갖는 다수의 부재를 접합하여 형성하는 등, 절연성 부재의 구성을 변경한 경우에도 같은 효과를 얻을 수 있다.

또, 상술한 실시형태에서는, X축 방향, Y축 방향, Z축 방향 중의 적어도 2방향에 대응하는 용량 소자용 전극이 형성되어 있지만, 용도에 따라 필요한 방향의 성분만을 검출할 수 있도록 용량 소자용 전극을 형성해도 된다.

또, 상술한 실시형태에서는, 정전용량식 센서의 검지 부재에 대해 사람의 손에 의해 직접적으로 작용한 힘을 검출하는 역각 센서로서 사용되고 있지만, 검지 부재에 대해 다른 부재를 통해 작용한 힘을 검출하기 위해 사용할 수 있다. 따라서, 예를 들면 검지 부재에 연결 부재의 일단이 접속되고, 그 타단에 접속된 위치 검출의 대상물의 위치를 검출하기 위한 위치 센서로서도 이용할 수도 있다. 또, 이 경우에는 연결 부재가 없고, 위치 검출의 대상물에 검지 부재를 부착해도 되고, 또한 위치 검출의 대상물에 직접 도전성 부재 또는 절연성 부재를 부착해도 된다.

본 발명은, 내전압 특성이 뛰어나고, 제조 공정을 간략화할 수 있어, PC, 휴대전화, 게임 등의 입력 장치로서 사용할 수 있는 정전용량식 센서로서 최적이다.

Claims

XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 도전성 부재;

상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극;

상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극; 및

Z축 방향으로 이동하는 것에 따라 상기 도전성 부재 또는 상기 1쌍의 용량 소자용 전극을 Z축 방향으로 변위시키는 것이 가능한 검지 부재를 구비하고,

상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극과의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판;

상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재;

상기 기판과 상기 검지 부재 간에 위치하며, 상기 검지 부재가 Z축 방향으로 변위하는 것에 따라 Z축 방향으로 변위하는 도전성 부재;

상기 기판 위에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극; 및

상기 기판 위에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극을 구비하고,

상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 용량 소자용 전극과의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 도전성 부재;

상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극;

상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극;

상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에 위치하는 절연성 부재; 및

XY 평면을 따라 이동하는 것에 따라 상기 절연성 부재 또는 상기 도전성 부재 및 상기 1쌍의 용량용 소자를 XY 평면을 따라 변위시키는 것이 가능한 검지 부재를 구비하고,

상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에서의 상기 절연성 부재의 XY 평면에 대한 단부 위치의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판;

상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재;

상기 기판과 대향하고 있는 도전성 부재;

상기 기판 위에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 용량 소자용 전극;

상기 기판 위에 형성되며, 상기 도전성 부재 간에 제2 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극; 및

상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에 위치하며, 상기 검지 부재가 XY 평면을 따라 변위하는 것에 따라 상기 기판에 대해 평행 이동 가능하게 배치된 절연성 부재를 구비하고,

상기 제1 용량 소자와 상기 제2 용량 소자가 상기 1쌍의 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 간에서의 상기 절연성 부재의 XY 평면에 대한 단부 위치의 변화에 기인하는 상기 제1 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 상기 기준 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 상기 기준 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 상기 1쌍의 용량 소자용 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 회로 및 다른 쪽을 포함하는 회로에, 서로 위상이 다른 신호가 공급되는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 CR 회로와 다른 쪽을 포함하는 CR 회로와의 시정수가 다른 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호는, 하이 레벨과 로우 레벨을 주기적으로 반복하는 신호로서, 상기 신호가 로우 레벨일 때 상기 제1 용량 소자를 방전시키는 기능을 갖는 제어 소자가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제10항에 있어서, 상기 제어 소자로서, 오픈 컬렉터형의 인버터 소자가 사용되고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1쌍의 용량 소자용 전극의 한 쪽을 포함하는 회로 및 다른 쪽을 포함하는 회로에 각각 입력된 신호의 출력 신호가 논리 소자를 이용한 신호 처리 회로에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제12항에 있어서, 상기 논리 소자가 배타적 논리합 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제12항에 있어서, 상기 논리 소자가 논리합 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제12항에 있어서, 상기 논리 소자가 논리곱 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1쌍의 용량 소자용 전극 및 상기 기준 전극에 밀착하여, 이들을 덮도록 형성된 절연막을 더 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
XYZ 삼차원 좌표계를 정의했을 때, XY 평면을 규정하는 기판;

상기 기판과 대향하고 있는 검지 부재;

상기 기판과 상기 검지 부재 간에 위치하고, 상기 검지 부재가 Z축 방향으로 변위하는 것에 따라 Z축 방향으로 변위하는 도전성 부재와, 상기 기판 위에서 Y축에 대해 선 대칭으로 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 각각 제1 용량 소자를 구성하는 1쌍의 제1 용량 소자용 전극;

상기 기판 위에서 X축에 대해 선 대칭으로 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 각각 제2 용량 소자를 구성하는 1쌍의 제2 용량 소자용 전극;

상기 기판 위에서 원점 근방에 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 제3 용량 소자를 구성하는 제3 용량 소자용 전극; 및

상기 기판 위에 형성되고, 상기 도전성 부재 간에 제4 용량 소자를 구성하는 접지 또는 일정한 전위로 유지된 기준 전극을 구비하고,

상기 제1 용량 소자, 상기 제2 용량 소자 및 상기 제3 용량 소자와 상기 제4 용량 소자가, 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극에 대해 입력되는 신호에 대해 각각 직렬로 접속된 관계가 되고, 상기 도전성 부재와 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극의 간격의 변화에 기인하는 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자의 각각의 정전용량치의 변화가 검출되는 것에 기초하여 상기 검지 부재의 변위를 인식 가능한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항에 있어서, 상기 도전성 부재의 상기 제3 용량 소자용 전극과 대향하는 위치에 돌기체가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 검지 부재가, 상기 제1 용량 소자용 전극, 상기 제2 용량 소자용 전극, 및 상기 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 검지 부재가, 상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극과, 상기 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 도전성 부재의 상기 제1 ∼ 제3 용량 소자용 전극과 대향하는 면의 적어도 일부가, 요철면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 도전성 부재가, 상기 검지부재가 외부로부터의 힘을 받아 변위하는 것에 따라 변위하는 변위부와, 상기 기판에 고정된 고정부와, 상기 변위부와 상기 고정부를 접속하는 접속부를 갖고,

상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극이 상기 제3 용량소자용 전극의 외측에 형성되고,

상기 기준 전극이 상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극의 외측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기준 전극이 각각 접지 또는 일정한 전위로 유지된 제1 기준 전극 및 제2 기준 전극을 갖고,

상기 도전성 부재가 상기 제1 용량 소자용 전극과 상기 제2 용량 소자용 전극과 상기 제3 용량 소자용 전극의 각각에 대응하여 분할되고,

상기 제1 기준 전극이, 상기 제3 용량 소자용 전극의 외측에 형성되고,

상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극이 상기 제1 기준 전극의 외측에 형성되고,

상기 제2 기준 전극이 상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극의 외측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 기준 전극이 상기 제3 용량 소자용 전극의 외측에 형성되고,

상기 제1 용량 소자용 전극 및 상기 제2 용량 소자용 전극이 상기 기준 전극의 외측에 형성되고,

상기 기준 전극에 접촉하는 동시에, 상기 제3 용량 소자용 전극과 이격하면서 이것을 덮도록 배치되어 있고, 상기 검지 부재가 외부로부터의 힘을 받아 변위하는 것에 따라 상기 도전성 부재가 변위함으로써, 상기 제3 용량 소자용 전극과 접촉하는 제4 용량 소자용 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 검지 부재와 상기 도전성 부재가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 도전성 부재가 탄성체에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 도전성 부재를 지지하기 위한 지지 부재를 더 구비하고, 상기 지지 부재가 탄성체에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량식 센서.