JP3999707B2

JP3999707B2 - Capacitive sensor

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Publication number: JP3999707B2
Application number: JP2003167808A
Authority: JP
Inventors: 森本　　英夫
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005003531A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力の検出を行う際に用いて好適な静電容量型センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量型センサは、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ことにより、力の検出を行う装置として一般に用いられ、特に加えられた力を方向成分毎に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利用されている。例えば、携帯電話の入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量型センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだものがある。
【０００３】
また、静電容量型センサには、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミクスレンジをもった操作量を入力することができる。かかる静電容量型センサには、２枚の平行に対向配置された電極によって静電容量素子を形成し、１方の電極をもう１方の電極に対して平行にスライドさせた際の、双方の電極の対向面積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ものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
図１７および図１８に示す静電容量型センサ４０１では、変位可能な容量素子用電極Ｅ４００と、固定された容量素子用電極Ｅ４０１〜Ｅ４０４との２種類の対向した電極それぞれの間で容量素子が構成されている。容量素子用電極Ｅ４００は、容量素子用電極Ｅ４０１〜Ｅ４０４に対して平行に変位する。ここで、容量素子用電極Ｅ４００は、円板状の基板４１１の下面上に原点Ｏを中心とする円形状に設けられている。また、基板４１１の上面には、人などにより操作されることによって外部から力が加えられる略円柱形状の検知スティック４２０が形成されている。一方、容量素子用電極Ｅ４０１〜Ｅ４０４は、円板状の基板４１２の上面に形成された凹部４１２ａの底部上にＺ軸を囲むように、それぞれ略扇形に設けられている。また、基板４１２の下面には、電子装置４８０が配設されている。なお、静電容量型センサ４０１は、外部から検知スティック４２０に力が作用しないときには、バネ等により、容量素子用電極Ｅ４００の中心位置が原点Ｏに一致する位置に復帰する構造となっている。
【０００５】
ここで、静電容量型センサ４０１による力の検出方法について説明する。先ず、検知スティック４２０が外部からＸＹ平面に平行な方向の力を受けると、検知スティック４２０と容量素子用電極Ｅ４００とを有する基板４１１がＸＹ平面に平行な方向に変位し、容量素子用電極Ｅ４００と容量素子用電極Ｅ４０１〜Ｅ４０４とのそれぞれの対向面積が変化する。そして、これらの電極間の対向面積の変化に伴って、各容量素子の静電容量値が変化する。ここで、この各静電容量値の変化を、電子装置４８０により電圧の変化に変換し、検知スティック４２０が外部から受けた力を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の成分毎に得るようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０６−３１４１６３号公報（第２頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
静電容量型センサ４０１では、検知スティック４２０に操作が行われていないときは、容量素子用電極Ｅ４００の位置が、所定位置に保持されるようになっているにも拘わらず、操作前後において容量素子用電極Ｅ４００の位置が若干ずれることがあり、このずれがセンサからの出力信号のヒステリシスとして現れるという問題がある。ここで、静電容量型センサ４０１では、検知スティック４２０に対する操作の有無に関わらず、容量素子用電極Ｅ４００と容量素子用電極Ｅ４０１〜Ｅ４０４との間に構成される容量素子に常に電圧がかかる。このため、容量素子に蓄えられる電荷量は、検知スティック４２０に対する操作が行われていないときでも無視できない程度の大きさになる。容量素子に蓄えられる電荷量は、検知スティック４２０に対して操作が行われることによって変化するが、操作前でも無視できない程大きいので、操作されていない状態から操作されている状態へと移る過程において急激には変化しない。このように、操作前後における電荷量の変化が僅かな場合、容量素子用電極Ｅ４００の位置ずれによる電極間対向面積の変化を無視することができず、出力信号のヒステリシスが大きくなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、出力信号のヒステリシスを低減することができる静電容量型センサを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電容量型センサは、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配置されており、接地電位あるいは接地電位とは異なる一定電位に保持されたスイッチ電極と、前記基板と前記スイッチ電極との間において前記スイッチ電極と離隔して配置されていると共に、前記検知部材が変位するのに伴って変位して前記スイッチ電極と接触可能であって、前記スイッチ電極と接触していないときに電気的にどこにも接続されずに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、前記導電性部材との間で容量素子を構成する容量素子用電極とを備え、前記スイッチ電極が開口を有しており、前記導電性部材の前記検知部材側の少なくとも一部が、前記開口に嵌挿されると共に前記検知部材と当接しており、前記導電性部材は、前記検知部材に前記基板と平行な力が加えられることにより前記基板に対して傾斜可能であり、前記容量素子用電極に対して入力される信号を利用して前記導電性部材と前記容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記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導電性部材に加えられた力を認識可能である。
【００１３】
この構成によると、検知部材を介して導電性部材に作用する力により、先ず導電性部材が変位してスイッチ電極に接触し、続いてこれらの接触状態を維持したまま導電性部材は更に変位する。導電性部材の変位によって導電性部材と容量素子用電極との間隔が変化すると、これらの間で構成される容量素子の静電容量値が変化し、この静電容量値の変化に基づいて、加えられた力が認識される。ここで、スイッチ電極は接地電位あるいは接地電位とは異なる電位に維持されていると共に、導電性部材とスイッチ電極とが接触していないとき、導電性部材は電気的にどこにも接続されずに絶縁状態に維持されているので、導電性部材と容量素子用電極との間に構成される容量素子には電圧がかからなくなる。従って、操作前後において導電性部材の位置が多少ずれた場合でも、導電性部材とスイッチ電極とが接触しない限り、静電容量型センサの容量素子に対応する（容量素子用電極からの）出力信号はほとんど同じになる。これにより、静電容量型センサの容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００１５】
また、検知部材に対して、基板に垂直な方向成分の力が加えられず、基板に平行な方向成分のみの力が加えられた場合でも、導電性部材が基板に対して傾斜するために、導電性部材と容量素子用電極との間隔が変化する。従って、これらの間で構成される容量素子の静電容量値が変化し、この静電容量値の変化に基づいて、検知部材に対して加えられた基板に平行な方向成分のみの力を認識することができる。
【００１６】
本発明の静電容量型センサでは、前記導電性部材の前記基板に対向する面の中心位置近傍には突起が設けられていると共に、前記基板の前記突起に対向する部分には孔が形成されており、前記突起の少なくとも一部が前記孔に差し込まれていることが好ましい。
【００１７】
この構成によると、導電性部材が突起を支点として基板に対して傾斜して変位するため、導電性部材の突起を挟む２つの部分が互いに反対方向に変位する。従って、導電性部材と容量素子用電極との間隔の、最も広い所と最も狭い所との差が大きくなる。その結果、例えば、導電性部材の突起を挟む２つの部分のそれぞれとの間で、容量素子を構成する１対の容量素子用電極を設けることによって、検知部材に加えられる力の、１対の容量素子用電極の配置方向の成分が検出しやすくなる。
【００１８】
本発明の静電容量型センサでは、前記導電性部材が、弾性を有する材質から成ることが好ましい。
【００１９】
この構成によると、検知部材に対して外部から力が加えられた後でその力が作用しなくなった場合に、導電性部材が、その弾性により外部から力が加えられる前の元の位置に戻り易くなる。したがって、操作前後における導電性部材の位置がほぼ同じとなり、操作後において、導電性部材とスイッチ電極とが接触しなくなる。これにより、静電容量型センサの容量素子に対応する出力信号のヒステリシスをより確実に低減することができる。
【００２０】
本発明の静電容量型センサでは、前記導電性部材が、ダイヤフラムを含んでいてもよい。
【００２１】
この構成によると、静電容量型センサの薄型化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
先ず、図１および図２を参照しつつ、本発明の第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１の構成について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１の横断面図である。静電容量型センサ１は、基板１０と、外部からの力を検出するための検知ボタン２０と、基板１０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５（図２参照）と、基板１０の上方に配置された変位電極３０および基準電極Ｅ０と、基板１０と基準電極Ｅ０との間に配置された台座５０と、これらの周囲を囲むカバー６０とを有する。
【００２５】
ここでは説明の便宜上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。図１においては、基板１０の中心位置が原点Ｏ、右水平方向がＸ軸、上垂直方向がＺ軸、紙面に垂直奥方向がＹ軸、とそれぞれ定義される。つまり、基板１０の表面はＸＹ平面を規定し、基板１０上の中心位置、検知ボタン２０および変位電極３０のそれぞれの中心位置にＺ軸が通ることになる。
【００２６】
基板１０は、略正方形の板状部材であって、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、本実施の形態ではガラスエポキシ基板が用いられる。なお、基板１０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。
【００２７】
図２は、基板１０上の電極の配置を示す図である。ここで、基板１０には、原点Ｏを中心とする孔１０ａが形成されている。また、基板１０上には、孔１０ａの外側に配置された環状の容量素子用電極Ｅ５と、容量素子用電極Ｅ５の外側に配置された略扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４とが設けられている。なお、基板１０の孔１０ａは、後述するように、変位電極３０の突起体３６の先端部近傍が差し込まれることによって、基板１０に対する変位電極３０の下段部３２の中心位置の相対位置がほぼ一定になるようにするために用いられる、
【００２８】
ここで、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。さらに、容量素子用電極Ｅ５は、原点Ｏの周りに環状に配置され、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
【００２９】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１〜Ｔ５（図３参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ１〜Ｔ５を通じて外部の電子回路に接続されるようになっている。
【００３０】
なお、本実施の形態では、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５の表面に図示しない絶縁膜（レジスト膜）を被覆されているので、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５が空気にさらされることがなく、それらの酸化が防止されるようになっている。
【００３１】
変位電極３０は、弾性体でありかつ導電性を有する材質から形成されており、基板１０の１辺の長さよりも小さな外径を有する円板状部材である。そして、変位電極３０は、小径の上段部３１と、上段部３１の下端部から外側に突出する大径の下段部３２と、下段部３２の周囲に設けられた環状の支持部３３とから構成されている。また、下段部３２の外縁部近傍には厚さの薄い肉薄部３５が形成されている。
【００３２】
ここで、支持部３３は、下段部３２の下面よりも下方に突出するように形成されている。そして、支持部３３の下面は基板１０上に当接しており、下段部３２の下面は基板１０の表面から所定距離だけ離隔している。従って、変位電極３０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間にそれぞれ容量素子が構成される。
【００３３】
また、変位電極３０の下段部３２の下面の中心位置（変位電極３０の中心位置）には略円柱形状の突起体３６が形成されている。ここで、突起体３６の径は、基板１０の孔１０ａの径よりもやや小さく、その長さは基板１０と変位電極３０の下段部３２と間の隙間よりも長い。そして、突起体３６の先端部近傍は基板１０の孔１０ａ内に差し込まれている。
【００３４】
また、変位電極３０の下段部３２の肉薄部３５と支持部３３との接続部分には環状の屈曲部３７が形成されている。屈曲部３７は、検知ボタン２０を介して変位電極３０の上段部３１に力が加わった時に、変位電極３０の下段部３２が垂直方向に変位しやすくするためのものである。そして、変位電極３０は弾性を有しているため、力が加えられることにより、屈曲部３７が弾性変形して下段部３２が垂直方向に変位した後で、その力が加えられなくなると、下段部３２は自動的に元の位置に戻る。
【００３５】
台座５０は、基板１０上において変位電極３０の支持部３３を覆うように配置されている。また、台座５０は、その上面が変位電極３０の下段部３２の上面よりも上方に配置されるような所定の厚さを有している。従って、台座５０は、基板１０と基準電極Ｅ０との間および変位電極３０と基準電極Ｅ０との間のスペーサ機能を有している。
【００３６】
基準電極Ｅ０は、例えば薄い金属又は導電性プラスティック等から形成されており、基板１０とほぼ同じの大きさである平板状部材である。そして、基準電極Ｅ０の中心位置には、変位電極３０の上段部３１の外径よりも大きい円形状の開口４０が形成されている。基準電極Ｅ０は台座５０上に配置されることによって、変位電極３０の下段部３２の上面の位置よりもやや高い位置に配置される。従って、基準電極Ｅ０と変位電極３０の下段部３２との間には、所定の間隔の空隙が形成される。なお、基準電極Ｅ０は端子Ｔ０を介して接地されている（図３参照）。
【００３７】
検知ボタン２０は、基準電極Ｅ０の一辺の長さよりも小さな外径を有する円板状部材であって、基準電極Ｅ０上に配置されている。検知ボタン２０は、受力部となる小径の上段部２１と、上段部２１の下端部から外側に突出する大径の下段部２２とから構成されている。また、検知ボタン２０の下面には、その中心位置を中心とする円形で下方に開いた大径凹部２３が形成されており、さらに、その大径凹部２３の底面には、検知ボタン２０の中心位置を中心とする円形で下方に開いた小径凹部２４が形成されている。
【００３８】
ここで、検知ボタン２０の小径凹部２４の内径は、変位電極３０の上段部３１の外径よりもやや大きい。そして、変位電極３０の上段部３１は、基準電極Ｅ０の開口４０内に嵌挿されると共に、検知ボタン２０の小径凹部２４に差し込まれている。このとき、変位電極３０の上段部３１の先端と検知ボタン２０の小径凹部２４の底部との間に所定の間隔の空隙が形成される。
【００３９】
カバー６０は、基板１０の大きさとほぼ等しい内法を有する略筒状部材であって、その下端部には基板１０がはめ込まれている。カバー６０の上端部近傍はその全周にわたって内側に折り曲げられており、その上面の中心部には開口６１が形成されている。開口６１は、検知ボタン２０の上段部２１の外径よりも大きく且つその下段部２２の外径よりも小さい内径の円形状を有している。従って、検知ボタン２０は、ＸＹ平面に平行にスライドさせた場合でも、カバー６０から飛び出すのが防止される。
【００４０】
次に、図３を参照しつつ、本実施の形態における静電容量型センサ１の回路構成について説明する。
【００４１】
本実施の形態に係る静電容量型センサ１において、図１に示した共通の電極である変位可能な変位電極３０（下段部３２）と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間には、変位電極３０の下段部３２の変位に起因して静電容量値が変化する可変な容量素子Ｃ１〜Ｃ５が構成されている。下段部３２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間隔は、検知ボタン２０に力が加わった場合に変化し、加えられた力が解除されると元に戻る。
【００４２】
また、基準電極Ｅ０は端子Ｔ０を介して接地されていると共に、検知ボタン２０に力が加えられていない状態においては、変位電極３０は電気的にどこにも接続されずに絶縁状態（浮いた状態）になっている。そして、基準電極Ｅ０は、変位電極３０と接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取り得ることから、基準電極Ｅ０と変位電極３０との間にはスイッチＳ１が形成される。
【００４３】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値の変化から、検知ボタン２０への外部からの力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法について、図４を参照して説明する。ここで、Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００４４】
なお、図４に示す容量素子Ｃ６は、常に一定の静電容量値を保つように基板１０の下面に形成されており、容量素子Ｃ６を構成する一方の電極は端子Ｔ６に接続されており、他方の電極は接地されている。この容量素子Ｃ６は、容量素子Ｃ５とともに、外部からの力のＺ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するために用いられる。
【００４５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１〜Ｔ６に対して、クロック信号などの周期信号が入力される。このとき、例えば検知ボタン２０に水平方向の力が加わると、変位電極３０の突起体３６が孔１０ａに差し込まれた状態で、変位電極３０の上段部３１が検知ボタン２０によりその力の方向に押圧されることによって、変位電極３０の下段部３２は傾けられる。このとき、変位電極３０の下段部３２の力方向下流側の部分は下方に変位し、変位電極３０の下段部３２の力方向上流側の部分は上方に変位する。そして、検知ボタン２０に加えられる水平方向の力が所定値に達した時点で、変位電極３０の下段部３２の力方向上流側の部分が基準電極Ｅ０とが接触する。
【００４６】
このように、変位電極３０と基準電極Ｅ０とが接触した後、さらに変位電極３０が傾けられることで、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ１〜Ｔ６に入力された周期信号の位相にずれが生じる。そして、周期信号に生じる位相のずれを利用して、検知ボタン２０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを得ることができる。
【００４７】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１〜Ｔ６に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５に対しては同一の位相を有する周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６に対しては周期信号Ａと同一の周期を有し、位相は異なる周期信号Ｂが入力される。このとき、検知ボタン２０に力が加えられて、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１〜Ｔ５にそれぞれ入力された周期信号Ａまたは周期信号Ｂの位相にそれぞれ異なった量のずれが生じる。なお、容量素子Ｃ６の静電容量値は変化しないため、端子６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれは生じない。
【００４８】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるとともに、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にもずれが生じる。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、それぞれ外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分に対応している。したがって、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相のずれとは、互いに逆方向の位相のずれである。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。この出力信号Ｖｘの変化量の符号が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｘの変化量の絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。なお、外部からの力にＹ軸方向成分およびＺ軸方向成分が含まれている場合についても、Ｘ軸方向成分の力が含まれている場合と同様である。
【００４９】
次に、図５および図６を参照しつつ、静電容量型センサ１の動作について説明する。図５は、図１に示す静電容量型センサ１の検知ボタン２０に対して、Ｘ軸正方向の力が加えられた状態を示す横断面図である。図６は、図１に示す静電容量型センサ１の検知ボタン２０に対して、Ｚ軸負方向の力が加えられた状態を示す横断面図である。
【００５０】
先ず、図５に示すように、検知ボタン２０に対して、Ｘ軸正方向の力が加えられた場合について考える。このとき、検知ボタン２０は、Ｘ軸正方向に向かってＸＹ平面に平行にスライドする。すると、変位電極３０の上段部３１の先端部近傍が、検知ボタン２０の下面に形成された小径凹部２４に差し込まれているために、変位電極３０の上段部３１は、検知ボタン２０とともに、Ｘ軸正方向に変位する。一方、変位電極３０の下段部３２の突起体３６は、基板１０の孔１０ａに差し込まれているので、変位電極３０の下段部３２の下面の中心位置は、水平方向にはほとんど動かない。したがって、変位電極３０の下段部３２のＸ軸正方向部分にはＺ軸負方向の力が働き、変位電極３０の下段部３２のＸ軸負方向部分にはＺ軸正方向の力が作用する。
【００５１】
この力によって、変位電極３０の下段部３２のＸ軸正方向部分はＺ軸負方向に、そのＸ軸負方向部分はＺ軸正方向にそれぞれ変位する。すなわち、変位電極３０の下段部３２のＸ軸正方向部分とＸ軸負方向部分とが、突起体３６を支点として互いに上下反対方向に変位する。この変位にともなって、変位電極３０の下段部３２のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１との間隔は小さくなり、変位電極３０の下段部３２のＸ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ２との間隔は大きくなる。そして、力が所定の大きさ以上になると、絶縁状態に維持されている変位電極３０の下段部３２のＸ軸負方向部分が、接地されている基準電極Ｅ０と接触し、スイッチＳ１がオフからオンに切り替わる。したがって、変位電極３０は接地電位となる。
【００５２】
なお、容量素子の静電容量値は、容量素子を構成する電極の間隔に反比例することが一般的に知られている。したがって、以上のような操作によりスイッチＳ１がオンになり、変位電極３０のＸ軸正方向部分の下段部３２と容量素子用電極Ｅ１との間隔が小さくなり、かつ、変位電極３０の下段部３２のＸ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ２との間隔が大きくなると、変位電極３０の下段部３２のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１の間に構成される容量素子Ｃ１の静電容量値は、変位電極３０の下段部３２のＸ軸負方向部分と容量素子用電極Ｅ２の間に構成される容量素子Ｃ２の静電容量値に比べて大きくなる。なお、このとき変位電極３０の下段部３２と容量素子用電極Ｅ３、Ｅ４のそれぞれとの間隔は平均するとほとんど変化しないと考えられる。
【００５３】
また、検知ボタン２０に対して、Ｙ軸方向の力が加えられた場合の静電容量型センサ１の動作ついても、Ｘ軸方向の力が加えられた場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００５４】
次に、図６に示すように、検知ボタン２０に対して、Ｚ軸負方向の力が加えられた場合について考える。このとき、検知ボタン２０は、Ｚ軸負方向に向かって変位し、検知ボタン２０の下側に配置された基準電極Ｅ０の開口４０の縁近傍を下方に押圧する。すると、基準電極Ｅ０の開口４０の縁近傍がＺ軸負方向に変位する。ここで、変位電極３０の上段部３１の先端と検知ボタン２０の小径凹部２４の底部との間には所定の間隔の空隙が形成されているので、検知ボタン２０に所定以上の力が加えられるまでは、検知ボタン２０は変位電極３０の上段部３１の先端を押圧しないので、変位電極３０が変位することはない。そして、検知ボタン２０に加えられる力が所定以上になると、Ｚ軸負方向に変位する接地された基準電極Ｅ０の開口４０の縁が、絶縁された変位電極３０と接触し、スイッチＳ１がオフからオンになるとともに、このとき変位電極３０は接地電位となる。
【００５５】
その後、変位電極３０と基準電極Ｅ０とが接触した状態で、基準電極Ｅ０の開口４０の縁と変位電極３０との接触部分にＺ軸負方向への力が作用する。この力によって、変位電極３０は基板１０と平行を保った状態でＺ軸負方向に変位する。すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５と変位電極３０の下段部３２とのそれぞれの間隔は一様に小さくなる。したがって、容量素子Ｃ１〜Ｃ５のすべての静電容量値が一様に大きくなる。
【００５６】
次に、端子Ｔ１〜Ｔ６に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するための信号処理回路について、図面を参照しながら説明する。図７は、図１に示す静電容量型センサ１の信号処理回路を示す回路図である。
【００５７】
上述のように、端子Ｔ１〜Ｔ６には、図示されていない周期信号発振器から、それぞれ所定周波数の周期信号が入力される。これらの端子Ｔ１〜Ｔ６には、インバータ素子Ｉ１〜Ｉ６および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６が、端子Ｔ１〜Ｔ６側からインバータ素子Ｉ１〜Ｉ６、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６の順にそれぞれ接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端および抵抗素子Ｒ５、Ｒ６の出力端には、それぞれ排他和回路の理論素子であるＥＸ−ＯＲ素子７１〜７３が接続されており、その出力端は端子Ｔ１１〜Ｔ１３に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ５の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５に接続され、それぞれ変位電極３０の下段部３２との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成している。また変位電極３０は、スイッチＳ１がオフのときには電気的にどこにも接続されずに絶縁状態（浮いた状態）になっており、スイッチＳ１がオンのときには接地電位となる。
【００５８】
ここから、例として、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図８を参照して説明する。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図１に示す静電容量型センサ１のＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図７の一部分）である。この信号処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１および容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２はそれぞれＣＲ遅延回路を形成している。端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号（矩形波信号）は、それぞれＣＲ遅延回路によって所定の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子７１において合流する。また、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として、同一の素子を用いるため、異なる回路の信号を同じ条件で比較することが可能である。ここで、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２は、ＣＲ遅延回路を駆動するために十分な駆動電力を発生させる素子であり、理論的には意味のない素子である。したがって、端子Ｔ１、Ｔ２に対して十分な駆動能力を持った信号を供給することが可能であれば、これらのインバータ素子Ｉ１、Ｉ２はなくてもよい。したがって、図８（ｂ）は、図８（ａ）の信号処理回路に含まれるインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を省いたものであるため、回路としては図８（ａ）と全く等価なものであると考えられる。
【００５９】
次に、図８の回路の動作について、図９を参照して説明する。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。なお、図９は、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２の影響を無視して描かれている。
【００６０】
図８の信号処理回路において、スイッチＳ１がオンであるとき、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号はＣＲ遅延回路を通過することにより、それぞれ所定の遅延を生じて、それぞれＥＸ−ＯＲ素子７１に入力される。詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相θだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図９に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じる。
【００６１】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合には、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００６２】
なお、厳密には、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力された周期信号には、信号処理回路にインバータ素子Ｉ１、Ｉ２が含まれる場合は、それぞれインバータ素子Ｉ１、Ｉ２を通過することによっても、所定の遅延を生じると考えられる。しかし、上述のとおり、インバータ素子Ｉ１、Ｉ２として同一の素子を用いているため、２つの経路におけるインバータ素子に起因する遅延時間は同一であると考えられ、ＥＸ−ＯＲ素子７１に入力されるときに互いに打ち消されるので、ここではインバータ素子に起因する遅延時間の説明は省略している。
【００６３】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子７１には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的理論演算が行われ、その結果が端子Ｔ１１に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１に対して出力される信号は、所定のデューティ比を持った矩形波信号である（図９参照）。
【００６４】
ここで、上述した検知ボタン２０に対して、所定の大きさのＸ軸正方向の力が加えられ、スイッチＳ１がオン状態になった後に、さらにＸ軸正方向に力が働いた場合（図５参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２と変位電極３０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、検知ボタン２０にＸ軸正方向の所定の力が加えられ、スイッチＳ１がオンになった場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１１と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１１’とする（図８参照）。
【００６５】
このとき、図８の信号処理回路において、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、また、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１’と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１’に到達する。このとき、節点Ｘ１’における周期信号には、図９に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２’と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２’に到達する。このとき、節点Ｘ２’における周期信号には、時間ｂ−Δｂの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ２’の静電容量値が容量素子Ｃ２よりも小さくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が小さくなったためである。
【００６６】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子７１には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的理論演算が行われ、その結果を端子Ｔ１１’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１１’に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、図９に示すように、端子Ｔ１１’に出力された信号は、検知ボタン２０に対して、それよりも小さな力（スイッチＳ１が少なくともオン状態になる力）が加えられる場合において、端子Ｔ１１に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００６７】
ここで、静電容量型センサ１では、上述のように、変位電極３０には突起体３６が形成されており、変位電極３０が突起体３６を支点として変位するため、容量素子Ｃ１’、Ｃ２’の静電容量値は、一方が大きくなると他方が小さくなるというように、大小反対に変化することが多い。これにより、それぞれの容量素子Ｃ１’、Ｃ２’が構成するＣＲ遅延回路の時定数も同様に変化し、出力される矩形波信号のデューティ比の変化が著しくなるため、検知ボタン２０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００６８】
なお、Ｚ軸方向成分の出力信号Ｖｚを導出するための信号処理回路（図７参照）は、端子Ｔ５に入力された信号のみＣＲ遅延回路を通過することにより所定の遅延を生じるが、端子Ｔ６に入力された信号はＣＲ遅延回路を通過しないためＣＲ遅延回路による遅延は生じない。このように、一方の信号のみに遅延が生じる回路においても、上述と同様にして、検知ボタン２０に作用した力の検出を容易に行うことができる。
【００６９】
上述のように、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化が、端子Ｔ１１における波形のデューティ比の変化として検出され、この信号を整流回路を通過させて整流することにより、このデューティ比を電圧値に変換して利用することができる。また、Ｔ１１における信号のハイレベル（Ｈｉ）またはローレベル（Ｌｏ）の時間を、より周波数の高いクロック信号でカウントすれば、デューティ比をデジタルカウント値に変換して利用することもできる。
【００７０】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力される異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）は、１つの周期信号発振器から出力された周期信号を２つの回路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの交流信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００７１】
以上のように、本実施の形態の静電容量型センサ１は、スイッチＳ１がオフのとき、即ち基準電極Ｅ０と変位電極３０が接触していないとき、変位電極３０は電気的にどこにも接続されずに絶縁状態（浮いた状態）に維持され、変位電極３０の下段部３２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間に構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ５には電圧がかからない。したがって、このとき容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられる電荷量は無視できる程に小さく、出力信号は一定の大きさで安定する。
【００７２】
一方、検知ボタン２０に対する操作が行われ、スイッチＳ１がオン、即ち基準電極Ｅ０と変位電極３０が接触すると、変位電極３０が接地電位とされ、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に電圧がかかるようになる。したがって、基準電極Ｅ０が変位電極３０と接触していない状態から接触する状態へと移る過程において、容量素子Ｃ１〜Ｃ５に蓄えられる電荷量は急激に変化することになり、これに伴って出力信号も大きく変化する。従って、振動等によって検知ボタン２０が変位しても、基準電極Ｅ０と変位電極３０とが接触しない限り、静電容量型センサ１の出力信号は変化せず、不要な動作を防止でき、明示的な操作が可能である。
【００７３】
操作前後において変位電極３０の位置が多少ずれた場合でも、基準電極Ｅ０と変位電極３０とが接触しない限り、静電容量型センサ１の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号はほとんど同じになる。これにより、静電容量型センサ１の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【００７４】
また、変位電極３０が弾性を有する材質で構成されているため、検知ボタン２０への操作が止められた場合に、変位電極３０が弾性により元の位置にもどる。これにより、静電容量型センサ１の容量素子Ｃ１〜Ｃ５に対応する出力信号のヒステリシスを一層低減することができる。
【００７５】
次いで、図１０および図１１を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量型センサ１０１の構成について説明する。
【００７６】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る静電容量型センサの横断面図であり、図１に示した第１の実施の形態と対応したものである。本実施の形態に係る静電容量型センサ１０１の構成が、図１に示した第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１の構成と主に異なる点は、第１の実施の形態の容量素子用電極Ｅ５が無く、決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６および決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７を備えている点である。なお、その他の構成については、図１に示した第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７７】
静電容量型センサ１０１では、変位電極１３０の突起体１３６は、検知ボタン２０に力が加えられていないときに、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６の上方に配置された、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７に接触しないような長さになっている。また、変位電極３０の上段部３１の先端と検知ボタン２０の小径凹部２４の底部との間に空隙が形成されないように、変位電極３０の上段部３１の先端部近傍が検知ボタン２０の小径凹部２４に差し込まれている。
【００７８】
図１１は基板１１０の電極の位置示す図である。基板１１０の表面には、原点Ｏを中心とした円形の決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６が配置されている。また、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６の外側には、環状の決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５が配置されている。さらに、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６と離隔しつつ決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５に接触するように、ドーム状の決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７（図１０参照）が配置されている。さらに、決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５の周囲の基板表面から決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７の上面全体に亘って密着するように、略円形の薄膜部材である樹脂シート１７０が配置されている。
【００７９】
ここで、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６は、端子Ｔ１０６を通じて外部の電子回路に接続されており、接地電位とは異なる電位に保持されている。また、決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５は接地されている。さらに、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７は決定スイッチ用基準電極Ｅ１０５と接触しているので、接地電位に保持されている（図１２参照）。
【００８０】
次に図１２を参照しつつ、本実施の形態における静電容量型センサ１０１の回路構成について説明する。
【００８１】
静電容量型センサ１０１においても、図３に示した第１の実施の形態と同様に、変位電極１３０（下段部１３２）と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間には、共通の電極である変位可能な変位電極１３０の下段部１３２と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４とでそれぞれ形成された容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されている。また、基準電極Ｅ０は、第１の実施の形態と同様に、接地されると共に、変位電極１３０との間にスイッチＳ１を形成している。
【００８２】
また、接地電位に維持されている決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７が、接地電位とは異なる電位に保持されている決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６と、接触する状態および接触しない状態のいずれかの状態を取りえることから、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６と決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７との間には、スイッチＳ２が形成される。
【００８３】
次に、図１３を参照しつつ、本実施の形態に係る静電容量型センサ１０１の動作について説明する。図１３は、図１０の静電容量型センサ１０１の検知ボタン２０に、Ｚ軸負方向の力が加えられた状態を示す横断面図であり、第１の実施の形態における図６と対応したものである。なお、Ｘ方向およびＹ方向の力が加えられた場合の動作については、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは省略する。
【００８４】
検知ボタン２０に対して、Ｚ軸負方向の力が加えられた場合、検知ボタン２０はＺ軸負方向に向かって変位し、それに伴って、検知ボタン２０の下側に配置された基準電極Ｅ０の縁近傍および変位電極１３０もまたＺ軸負方向に変位する。そして、変位電極１３０の突起体１３６の先端が、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７上の樹脂シート１７０に当接すると、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７の頂部近傍にＺ軸負方向への力が作用する。
【００８５】
このＺ軸負方向への力が所定値に満たないときには、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７はほとんど変位しないが、力が所定値に達すると、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７の頂頭部近傍部分は、座屈を伴って急激に弾性変形する。そして、接地電位に保持されている決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７は、凹んだ状態となって、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６と接触し、スイッチＳ２がオフからオンに切り換えられる。このとき操作者には、明瞭なクリック感が与えられることになる。
【００８６】
また、本実施の形態において、スイッチＳ２をオフからオンにする動作においては、スイッチＳ２がオンになる前に基準電極Ｅ０が変位電極１３０に接触してもよいし、スイッチＳ２がオンになると同時に基準電極Ｅ０が変位電極１３０に接触してもよいし、スイッチＳ２がオンになった後に基準電極Ｅ０が変位電極１３０に接触してもよいし、基準電極Ｅ０が変位電極１３０と接触しなくてもよい。
【００８７】
以上のように、本実施の形態の静電容量型センサ１０１によると、第１の実施の形態の静電容量型センサ１と同様の効果を得ることができる。また、検知ボタン２０に対してＺ軸負方向の力が加えられた場合に、検知ボタン２０が変位するのに伴って、変位電極１３０の突起体１３６が変位して、樹脂シート１７０に当接し、樹脂シート１７０を介して決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７にＺ軸負方向への力を加える。その結果、決定スイッチ用可動電極Ｅ１０７が弾性変形し、決定スイッチ用固定電極Ｅ１０６と接触し、スイッチＳ２が閉となる接点出力が出る。
【００８８】
次いで、図１４および図１５を参照しつつ、本発明の第３の実施の形態に係る静電容量型センサ２０１の構成について説明する。
【００８９】
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る静電容量型センサの横断面図であり、図１に示した第１の実施の形態と対応したものである。本実施の形態に係る静電容量型センサ２０１の構成が図１に示した第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１の構成と主に異なる点は、第１の実施の形態においては、弾性体である変位電極３０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されているのに対して、本実施の形態においては、金属であるダイヤフラム２３１と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４およびＥ２０５との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ４およびＣ２０５が形成されている点である。なお、その他の構成については、図１に示した第１の実施の形態に係る静電容量型センサ１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００９０】
ダイヤフラム２３１は、後述する基板２１０とほぼ同じ大きさの略正方形の薄板状部材であり、その上面の中心部分には略円柱形状のスティック２３２が溶接によって接合されている。また、ダイヤフラム２３１は、その下面と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４およびＥ２０５との間におけるスペーサ機能を果たす台座２５１上にある。したがって、ダイヤフラム２３１と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４およびＥ２０５との間には、所定の間隔の空隙が形成されている。
【００９１】
また、ダイヤフラム２３１には、図１５で示すように、同心円に沿って形成された同じ形状の４本の円弧状スリット２３３が形成されている。ここで、４本の円弧状スリットは、円弧状スリット２３３ａおよび円弧状スリット２３３ｂからそれぞれ形成されている。内側の円弧状スリット２３３ａと外側の円弧状スリット２３３ｂは、それぞれ同心円上にあり、各円弧状スリット２３３ａの右側の端部は、右隣の円弧状スリット２３３ｂの左側の端部とそれぞれ接続されており、円弧状スリット２３３ａの内の１つとそれに接続された円弧状スリット２３３ｂとで、１つの円弧状スリット２３３を形成している。このように、ダイヤフラム２３１には、４本の円弧状スリット２３３が形成されているために、スティック２３２を介してダイヤフラム２３１に対して力が加えられた際に、弾性変形し易くなっている。
【００９２】
また、図１６は本実施の形態に係る基板２１０の電極の配置を示す図である。基板２１０上には、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ２０５と、容量素子用電極Ｅ２０５の外側に配置された略扇形の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４が設けられている。
【００９３】
基準電極Ｅ２００の中心位置には、スティック２３２の径よりも大きな径の円形状の開口２４０が形成されており、スティック２３２は開口２４０内に嵌挿されている。また、基準電極Ｅ２００は、その下面とダイヤフラム２３１との間におけるスペーサ機能を果たす台座２５２上にあり、基準電極Ｅ２００とダイヤフラム２３１との間に所定の間隔の空隙が形成されている。
【００９４】
本実施の形態の検知ボタン２２０にはスティック２３２の径よりも大きな径の小径凹部２２４が形成されている。そして、スティック２３２は、その先端と検知ボタン２２０の小径凹部２２４の底部との間に所定の間隔の空隙が形成されるように小径凹部２２４内に差し込まれている。
【００９５】
本実施の形態における静電容量型センサ２０１の回路構成および動作については、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは省略する。
【００９６】
以上のように、本実施の形態の静電容量型センサ２０１によると、第１の実施の形態の静電容量型センサ１と同様の効果を得ることができる。また、薄い金属板であるダイヤフラム２３１を用いて、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４およびＥ２０５との間で容量素子を構成している。従って、静電容量型サンサ２０１の薄型化をはかることができる。
【００９７】
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、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、上述の第１〜第３の実施の形態では、基板と基準電極との間に変位電極またはダイヤフラムが配置されている場合について説明しているが、変位電極またはダイヤフラムが変位することによって基準電極に接触可能な構成であれば、それらの配置は変更することができる。従って、基板と変位電極またはダイヤフラムとの間に基準電極が配置されていてもよい。なお、この場合には、基準電極が基板と変位電極等との間に配置されることによって、基板上の容量素子用電極と変位電極等との間において容量素子が構成されるのが妨げられないように、基準電極は、容量素子用電極と変位電極等との間の一部分だけに配置されるのが好ましい。
【００９８】
また、上述の第１および第２の実施の形態では、変位電極が弾性を有する材質で形成されているが、必ずしも弾性を有する材質で形成されている必要はない。
【００９９】
また、上述の第１および第３の実施の形態では、検知ボタンに対して外部から加えられた力のＸ軸成分方向、Ｙ軸成分方向およびＺ軸成分方向の３つの成分を、第２の実施の形態では、検知ボタンに対して外部から加えられた力のＸ軸成分方向およびＹ軸成分方向の２つの成分をそれぞれ検出可能な静電容量型センサについて説明しているが、これに限らず、上述の３つあるいは２つの方向成分のうち必要な少なくとも１成分だけを検出可能なものであってもよい。
【０１００】
また、上述の第１の実施の形態では、変位電極に対して検知ボタンを介してＸＹ平面に水平の方向に力が加えられた場合に、変位電極の下段部を垂直方向に変形しやすくするための、屈曲部が変位電極の下段部に形成されている場合について説明しているが、この屈曲部は形成されていなくてもよい。
【０１０１】
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、基準電極は接地電位に保持されている場合について説明しているが、これに限らず、基準電極はある一定の電位に保持されていればよい。
【０１０２】
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、容量素子用電極と変位電極またはダイヤフラムとの直接接触による誤作動を防止するため、容量素子用電極の表面を絶縁膜（レジスト膜）で被覆しているが、絶縁膜の代わりに金メッキなどを施してもよい。
【０１０３】
また、上述の第１〜第３の実施の形態に係る静電容量型センサは、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、パソコン、ゲームなどの入力装置（ジョイスティック）として利用されて好適なものであるが、力覚センサとして用いられる場合に限らず、例えば加速度センサなど、その他のセンサとして用いられてもよい。この場合でも、上述と同様の効果を得ることができる。
【０１０４】
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、ＥＸ−ＯＲ素子が含まれる信号処理回路が用いられる場合について説明しているが、これに限らず、信号処理回路の構成は任意に変更することができる。したがって、排他的理論和演算を行うＥＸ−ＯＲ素子の代わりに、理論和演算を行うＯＲ素子、理論積演算を行うＡＮＤ素子、理論積演算および否定演算を行うＮＡＮＤ素子のいずれかが含まれる信号処理回路が用いられてもよい。この場合には、静電容量型センサの各部材が感度が非常によくなる材料で製作された場合に、信号処理回路の構成によって、静電容量型センサの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ことができる。
【０１０５】
また、異なる位相の周期信号を発生させる方法は、第１〜第３の実施の形態において説明したＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、２つの周期信号発振器を用いるなど、その他のどのような方法であってもよい。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明の静電容量型センサでは、静電容量型センサの容量素子に対応する出力信号のヒステリシスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る静電容量型センサの横断面図である。
【図２】図１の静電容量型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３】図１の静電容量型センサに関する等価回路を示す回路図である。
【図４】図１の静電容量型センサにおける出力信号の導出方法の一例を示す説明図である。
【図５】図１の静電容量型センサの検知ボタンに対してＸ軸正方向の力が加えられた状態を示す横断面図である。
【図６】図１の静電容量型センサの検知ボタンに対してＹ軸負方向の力が加えられた状態を示す横断面図である。
【図７】図１の静電容量型センサにおける信号処理回路を示す回路図である。
【図８】図７におけるＸ軸方向成分の信号処理回路を部分的に示す回路図である。
【図９】図８の信号処理回路の各端子および各接点における周期信号の波形を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る静電容量型センサを示す横断面図である。
【図１１】図１０の静電容量型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１２】図１０の静電容量型センサに関する等価回路を示す回路図である。
【図１３】図１０の静電容量型センサの検知ボタンに対してＸ軸正方向の力が加えられた状態を示す横断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る静電容量型センサを示す横断面図である。
【図１５】図１４の静電容量型センサにおけるダイヤフラムを示す概略構成図である。
【図１６】図１４の静電容量型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１７】従来の静電容量型センサを示す横断面図である。
【図１８】図１７の静電容量型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。
【符号の説明】
１、１０１、２０１、４０１静電容量型センサ
１０、１１０、２１０、４１１、４１２基板
２０、２２０検知ボタン
３０、１３０変位電極
２３１ダイヤフラム
４２０検知スティック
Ｅ０、Ｅ２００基準電極
Ｅ１〜Ｅ５、Ｅ２０５、Ｅ４００〜Ｅ４０４容量素子用電極
Ｅ１０５決定スイッチ用基準電極
Ｅ１０６決定スイッチ用固定電極
Ｅ１０７決定スイッチ用可動電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitive sensor suitable for use in detecting force.
[0002]
[Prior art]
Capacitive sensors are generally used as devices that detect force by converting the magnitude and direction of the force applied by an operator into an electrical signal, especially detecting the applied force for each direction component. It is used as a two-dimensional or three-dimensional sensor that can be used. For example, there is an input device of a mobile phone in which a capacitive sensor for performing operation input in a multidimensional direction is incorporated as a so-called joystick.
[0003]
In addition, an operation amount having a predetermined dynamic range can be input to the capacitance type sensor as the magnitude of the force applied by the operator. In such a capacitive sensor, a capacitive element is formed by two parallelly opposed electrodes, and one electrode is slid parallel to the other electrode. Some of them detect force based on a change in capacitance value resulting from a change in the facing area of the electrodes (see Patent Document 1).
[0004]
In the capacitive sensor 401 shown in FIG. 17 and FIG. 18, a capacitive element is provided between each of two types of opposed electrodes, a displaceable capacitive element electrode E400 and fixed capacitive element electrodes E401 to E404. It is configured. The capacitive element electrode E400 is displaced in parallel to the capacitive element electrodes E401 to E404. Here, the capacitor element electrode E 400 is provided in a circular shape with the origin O as the center on the lower surface of the disk-shaped substrate 411. Further, on the upper surface of the substrate 411, a substantially cylindrical detection stick 420 to which a force is applied from the outside by being operated by a person or the like is formed. On the other hand, each of the capacitive element electrodes E401 to E404 is provided in a substantially fan shape so as to surround the Z-axis on the bottom of the recess 412a formed on the upper surface of the disk-shaped substrate 412. An electronic device 480 is disposed on the lower surface of the substrate 412. Note that the capacitive sensor 401 has a structure in which the center position of the capacitive element electrode E400 is returned to a position that coincides with the origin O by a spring or the like when no force is applied to the detection stick 420 from the outside.
[0005]
Here, a method of detecting the force by the capacitive sensor 401 will be described. First, when the detection stick 420 receives a force in the direction parallel to the XY plane from the outside, the substrate 411 having the detection stick 420 and the capacitor element electrode E400 is displaced in a direction parallel to the XY plane, and the capacitor element electrode E400. And the respective facing areas of the capacitive element electrodes E401 to E404 change. And the capacitance value of each capacitive element changes with the change of the opposing area between these electrodes. Here, each change in capacitance value is converted into a change in voltage by the electronic device 480, and the force received by the detection stick 420 from the outside is obtained for each component in the X-axis direction and the Y-axis direction. ing.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-314163 (second page, FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the capacitive sensor 401, when the detection stick 420 is not operated, the capacitance before and after the operation is maintained even though the position of the capacitive element electrode E400 is held at a predetermined position. There is a problem that the position of the element electrode E400 may slightly shift, and this shift appears as hysteresis of the output signal from the sensor. Here, in the capacitive sensor 401, voltage is always applied to the capacitive element formed between the capacitive element electrode E400 and the capacitive element electrodes E401 to E404 regardless of whether or not the detection stick 420 is operated. For this reason, the amount of electric charge stored in the capacitive element becomes a magnitude that cannot be ignored even when the detection stick 420 is not operated. The amount of charge stored in the capacitive element changes as a result of the operation performed on the detection stick 420, but is so large that it cannot be ignored even before the operation, so in the process of shifting from an unoperated state to an operated state. Does not change suddenly. As described above, when the change in the amount of charge before and after the operation is slight, the change in the facing area between the electrodes due to the displacement of the capacitive element electrode E400 cannot be ignored, and the hysteresis of the output signal increases.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a capacitance type sensor that can reduce the hysteresis of an output signal.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
 The capacitance type sensor of the present invention is disposed between a substrate, a detection member facing the substrate, and the substrate and the detection member, and has a ground potential or a constant potential different from the ground potential. The switch electrode is held, and is disposed apart from the switch electrode between the substrate and the switch electrode, and can be displaced as the detection member is displaced and contact the switch electrode. There,When not in contact with the switch electrode, it is not electrically connected anywhereA conductive member maintained in an insulating state; and a capacitor element electrode formed on the substrate and constituting a capacitive element with the conductive member.The switch electrode has an opening, and at least a part of the conductive member on the detection member side is fitted into the opening and is in contact with the detection member. The detection member can be inclined with respect to the substrate by applying a force parallel to the substrate,A change in the capacitance value of the capacitive element caused by a change in the distance between the conductive member and the capacitive element electrode is detected using a signal input to the capacitive element electrode. Based on this, it is possible to recognize the force applied to the conductive member.
[0013]
According to this configuration, due to the force acting on the conductive member via the detection member, the conductive member is first displaced to contact the switch electrode, and then the conductive member is further displaced while maintaining the contact state. . When the interval between the conductive member and the capacitive element electrode changes due to the displacement of the conductive member, the capacitance value of the capacitive element formed between them changes, and based on the change in the capacitance value, The applied force is recognized. Here, the switch electrode is maintained at a ground potential or a potential different from the ground potential, and when the conductive member is not in contact with the switch electrode, the conductive member is not electrically connected anywhere and is insulated. Since the state is maintained, no voltage is applied to the capacitive element formed between the conductive member and the capacitive element electrode. Therefore, even when the position of the conductive member is slightly deviated before and after the operation, the output signal corresponding to the capacitive element of the capacitive sensor (from the capacitive element electrode) as long as the conductive member and the switch electrode do not contact each other. Are almost the same. Thereby, the hysteresis of the output signal corresponding to the capacitive element of the capacitive sensor can be reduced.
[0015]
 Also,Even when the force of the direction component perpendicular to the substrate is not applied to the detection member, and the force of only the direction component parallel to the substrate is applied, the conductive member is inclined with respect to the substrate. The distance between the member and the capacitor element electrode changes. Accordingly, the capacitance value of the capacitive element formed between them changes, and based on the change in the capacitance value, only the force in the direction component parallel to the substrate applied to the detection member is recognized. can do.
[0016]
In the capacitive sensor of the present invention, a protrusion is provided in the vicinity of the center position of the surface of the conductive member that faces the substrate, and a hole is formed in a portion of the substrate that faces the protrusion. It is preferable that at least a part of the protrusion is inserted into the hole.
[0017]
According to this configuration, since the conductive member is inclined and displaced with respect to the substrate using the protrusion as a fulcrum, the two portions sandwiching the protrusion of the conductive member are displaced in opposite directions. Therefore, the difference between the widest portion and the narrowest portion of the gap between the conductive member and the capacitor element electrode is increased. As a result, for example, by providing a pair of capacitive element electrodes constituting the capacitive element between each of the two portions sandwiching the protrusion of the conductive member, a pair of forces applied to the detection member It becomes easy to detect the component in the arrangement direction of the capacitive element electrode.
[0018]
In the capacitive sensor of the present invention, it is preferable that the conductive member is made of an elastic material.
[0019]
According to this configuration, when a force is not applied after an external force is applied to the detection member, the conductive member returns to its original position before the force is applied from the outside due to its elasticity. It becomes easy. Therefore, the position of the conductive member before and after the operation is almost the same, and the conductive member and the switch electrode do not contact after the operation. Thereby, the hysteresis of the output signal corresponding to the capacitive element of the capacitive sensor can be more reliably reduced.
[0020]
 In the capacitive sensor of the present invention, the conductive member is a diaphragm.May be included.
[0021]
According to this configuration, it is possible to reduce the thickness of the capacitive sensor.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
First, the configuration of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0024]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a capacitive sensor 1 according to a first embodiment of the present invention. The capacitive sensor 1 includes a substrate 10, a detection button 20 for detecting an external force, capacitive element electrodes E 1 to E 5 (see FIG. 2) formed on the substrate 10, It has a displacement electrode 30 and a reference electrode E0 disposed above, a pedestal 50 disposed between the substrate 10 and the reference electrode E0, and a cover 60 surrounding these.
[0025]
Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system is defined, and the arrangement of each component will be described with reference to this coordinate system. In FIG. 1, the center position of the substrate 10 is defined as the origin O, the right horizontal direction is defined as the X axis, the upper vertical direction is defined as the Z axis, and the vertical rear direction is defined as the Y axis. That is, the surface of the substrate 10 defines an XY plane, and the Z axis passes through the center position on the substrate 10 and the center positions of the detection button 20 and the displacement electrode 30.
[0026]
The substrate 10 is a substantially square plate-like member, and is a general printed circuit board for an electronic circuit. In this embodiment, a glass epoxy substrate is used. Note that a film-like substrate such as a polyimide film may be used as the substrate 10, but in the case of a film-like substrate, since it has flexibility, it is arranged on a support substrate having sufficient rigidity. It is preferable to use it.
[0027]
FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of the electrodes on the substrate 10. Here, the substrate 10 is formed with a hole 10a centered on the origin O. On the substrate 10, annular capacitive element electrodes E 5 disposed outside the holes 10 a and substantially fan-shaped capacitive element electrodes E 1 to E 4 disposed outside the capacitive element electrodes E 5 are provided. ing. As will be described later, the hole 10a of the substrate 10 is inserted in the vicinity of the tip of the protrusion 36 of the displacement electrode 30, so that the relative position of the center position of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 with respect to the substrate 10 is substantially constant. Used to be
[0028]
Here, the capacitive element electrode E1 is arranged so as to correspond to the positive direction of the X axis, while the capacitive element electrode E2 is arranged so as to correspond to the negative direction of the X axis, and the X axis of the force from the outside It is used for detecting the direction component. The capacitive element electrode E3 is arranged so as to correspond to the positive direction of the Y axis, while the capacitive element electrode E4 is arranged so as to correspond to the negative direction of the Y axis, and the Y force direction of the force from the outside Used for component detection. Furthermore, the capacitive element electrode E5 is annularly arranged around the origin O, and is used to detect a Z-axis direction component of an external force.
[0029]
The capacitive element electrodes E1 to E5 are connected to terminals T1 to T5 (see FIG. 3) using through holes or the like, and are connected to an external electronic circuit through the terminals T1 to T5. ing.
[0030]
In this embodiment, since the surfaces of the capacitive element electrodes E1 to E5 are covered with an insulating film (resist film) (not shown), the capacitive element electrodes E1 to E5 formed of copper or the like are exposed to the air. And their oxidation is prevented.
[0031]
The displacement electrode 30 is a disk-shaped member that is an elastic body and is made of a conductive material, and has an outer diameter smaller than the length of one side of the substrate 10. The displacement electrode 30 includes a small-diameter upper step portion 31, a large-diameter lower step portion 32 protruding outward from the lower end portion of the upper step portion 31, and an annular support portion 33 provided around the lower step portion 32. Has been. Further, a thin portion 35 having a small thickness is formed in the vicinity of the outer edge portion of the lower step portion 32.
[0032]
Here, the support portion 33 is formed so as to protrude downward from the lower surface of the lower step portion 32. The lower surface of the support portion 33 is in contact with the substrate 10, and the lower surface of the lower step portion 32 is separated from the surface of the substrate 10 by a predetermined distance. Accordingly, capacitive elements are formed between the displacement electrode 30 and the capacitive element electrodes E1 to E5, respectively.
[0033]
A substantially cylindrical projection 36 is formed at the center position of the lower surface of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 (center position of the displacement electrode 30). Here, the diameter of the protrusion 36 is slightly smaller than the diameter of the hole 10 a of the substrate 10, and the length thereof is longer than the gap between the substrate 10 and the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. The vicinity of the tip of the protrusion 36 is inserted into the hole 10 a of the substrate 10.
[0034]
An annular bent portion 37 is formed at the connecting portion between the thin portion 35 of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 and the support portion 33. The bent portion 37 is for facilitating displacement of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 in the vertical direction when a force is applied to the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 via the detection button 20. Since the displacement electrode 30 has elasticity, when a force is applied, the bent portion 37 is elastically deformed and the lower step portion 32 is displaced in the vertical direction. The unit 32 automatically returns to the original position.
[0035]
The base 50 is disposed on the substrate 10 so as to cover the support portion 33 of the displacement electrode 30. The pedestal 50 has a predetermined thickness such that the upper surface thereof is disposed above the upper surface of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. Therefore, the pedestal 50 has a spacer function between the substrate 10 and the reference electrode E0 and between the displacement electrode 30 and the reference electrode E0.
[0036]
The reference electrode E0 is a flat plate member that is formed of, for example, a thin metal or a conductive plastic, and has approximately the same size as the substrate 10. A circular opening 40 larger than the outer diameter of the upper portion 31 of the displacement electrode 30 is formed at the center position of the reference electrode E0. The reference electrode E0 is disposed on the pedestal 50, so that the reference electrode E0 is disposed at a position slightly higher than the position of the upper surface of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. Accordingly, a gap having a predetermined interval is formed between the reference electrode E0 and the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. The reference electrode E0 is grounded via the terminal T0 (see FIG. 3).
[0037]
The detection button 20 is a disk-shaped member having an outer diameter smaller than the length of one side of the reference electrode E0, and is disposed on the reference electrode E0. The detection button 20 includes a small-diameter upper step portion 21 serving as a force receiving portion and a large-diameter lower step portion 22 that protrudes outward from the lower end portion of the upper step portion 21. A large-diameter recess 23 that is circular and opens downward is formed on the lower surface of the detection button 20, and the center of the detection button 20 is formed on the bottom surface of the large-diameter recess 23. A small-diameter recess 24 that is circular and centered on the position is formed.
[0038]
Here, the inner diameter of the small-diameter concave portion 24 of the detection button 20 is slightly larger than the outer diameter of the upper stage portion 31 of the displacement electrode 30. The upper stage portion 31 of the displacement electrode 30 is inserted into the opening 40 of the reference electrode E0 and is inserted into the small-diameter concave portion 24 of the detection button 20. At this time, a gap with a predetermined interval is formed between the tip of the upper stage portion 31 of the displacement electrode 30 and the bottom portion of the small-diameter recess 24 of the detection button 20.
[0039]
The cover 60 is a substantially cylindrical member having an internal method that is substantially equal to the size of the substrate 10, and the substrate 10 is fitted to the lower end portion thereof. The vicinity of the upper end of the cover 60 is bent inward over the entire circumference, and an opening 61 is formed at the center of the upper surface. The opening 61 has a circular shape with an inner diameter that is larger than the outer diameter of the upper step portion 21 of the detection button 20 and smaller than the outer diameter of the lower step portion 22 thereof. Therefore, even when the detection button 20 is slid parallel to the XY plane, the detection button 20 is prevented from jumping out from the cover 60.
[0040]
Next, the circuit configuration of the capacitive sensor 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0041]
In the capacitive sensor 1 according to the present embodiment, the displaceable displacement electrode 30 (lower step 32), which is a common electrode shown in FIG. 1, and fixed individual capacitive element electrodes E1 to E5, In between, variable capacitance elements C 1 to C 5 whose capacitance values change due to the displacement of the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 are configured. The interval between the lower stage portion 32 and the capacitive element electrodes E1 to E5 changes when a force is applied to the detection button 20, and returns to the original state when the applied force is released.
[0042]
Further, the reference electrode E0 is grounded via the terminal T0, and in a state where no force is applied to the detection button 20, the displacement electrode 30 is not electrically connected anywhere and is in an insulated state (floating state). )It has become. Since the reference electrode E0 can be in either a state in contact with the displacement electrode 30 or a state in which it does not contact, the switch S1 is formed between the reference electrode E0 and the displacement electrode 30.
[0043]
Next, a method for deriving an output signal indicating the magnitude and direction of the external force to the detection button 20 from the change in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5 will be described with reference to FIG. . Here, Vx, Vy, and Vz indicate the magnitude and direction of the X-axis direction component and Y-axis direction component of the external force, respectively.
[0044]
The capacitive element C6 shown in FIG. 4 is formed on the lower surface of the substrate 10 so as to always maintain a constant capacitance value, and one electrode constituting the capacitive element C6 is connected to the terminal T6. The other electrode is grounded. This capacitive element C6 is used together with the capacitive element C5 to derive an output signal Vz of the Z-axis direction component of the force from the outside.
[0045]
Here, in order to derive the output signals Vx, Vy, and Vz, a periodic signal such as a clock signal is input to the terminals T1 to T6. At this time, for example, when a horizontal force is applied to the detection button 20, the upper stage portion 31 of the displacement electrode 30 is moved in the direction of the force by the detection button 20 in a state where the protrusion 36 of the displacement electrode 30 is inserted into the hole 10 a. By being pressed, the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 is tilted. At this time, the portion on the downstream side in the force direction of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 is displaced downward, and the portion on the upstream side in the force direction of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 is displaced upward. When the horizontal force applied to the detection button 20 reaches a predetermined value, the upstream portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 contacts the reference electrode E0.
[0046]
As described above, after the displacement electrode 30 and the reference electrode E0 come into contact with each other, the displacement electrode 30 is further tilted, whereby the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5 change and are input to the terminals T1 to T6. The phase of the periodic signal is shifted. Then, using the phase shift generated in the periodic signal, output signals Vx, Vy, and Vz indicating the magnitude and direction of the force received by the detection button 20 from the outside in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are obtained. be able to.
[0047]
More specifically, when a periodic signal is input to the terminals T1 to T6, the periodic signal A having the same phase is input to the terminals T1, T3, and T5, while the terminals T2, T4, and T6 are input. Is inputted with a periodic signal B having the same period as the periodic signal A but having a different phase. At this time, when a force is applied to the detection button 20 and the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5 change, respectively, the phases of the periodic signal A or the periodic signal B input to the terminals T1 to T5 respectively differ. Deviations in quantity occur. Since the capacitance value of the capacitive element C6 does not change, there is no deviation in the phase of the periodic signal B input to the terminal 6.
[0048]
That is, when an external force includes an X-axis direction component, the capacitance value of the capacitive element C1 changes, a phase shift occurs in the periodic signal A input to the terminal T1, and the capacitive element C2 The capacitance value changes, and the phase of the periodic signal B input to the terminal T2 is also shifted. Here, changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 correspond to the X-axis positive direction component and the X-axis negative direction component of the external force, respectively. Therefore, the phase shift of the periodic signal A input to the terminal T1 and the phase shift of the periodic signal B input to the terminal T2 are phase shifts in opposite directions. In this way, the output signal Vx is derived by reading the phase shift between the periodic signal A and the periodic signal B input to the terminal T1 and the terminal T2, respectively, with an exclusive sum circuit or the like. The sign of the change amount of the output signal Vx indicates whether the X-axis direction component of the external force is a positive direction or a negative direction, and the absolute value of the change amount of the output signal Vx indicates the magnitude of the X-axis direction component. Show. The case where the external force includes the Y-axis direction component and the Z-axis direction component is the same as the case where the force of the X-axis direction component is included.
[0049]
Next, the operation of the capacitive sensor 1 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the positive direction of the X axis is applied to the detection button 20 of the capacitive sensor 1 shown in FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the negative Z-axis direction is applied to the detection button 20 of the capacitive sensor 1 shown in FIG.
[0050]
First, as shown in FIG. 5, consider a case where a force in the X-axis positive direction is applied to the detection button 20. At this time, the detection button 20 slides parallel to the XY plane in the positive direction of the X axis. Then, since the vicinity of the tip end portion of the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 is inserted into the small-diameter recess 24 formed on the lower surface of the detection button 20, the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 together with the detection button 20 Displacement in the axial positive direction. On the other hand, since the protrusion 36 of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 is inserted into the hole 10a of the substrate 10, the center position of the lower surface of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 hardly moves in the horizontal direction. Therefore, a Z-axis negative direction force acts on the X-axis positive direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30, and a Z-axis positive direction force acts on the X-axis negative direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. .
[0051]
By this force, the X-axis positive direction portion of the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 is displaced in the Z-axis negative direction, and the X-axis negative direction portion is displaced in the Z-axis positive direction. That is, the X-axis positive direction portion and the X-axis negative direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 are displaced in the opposite directions up and down with the protrusion 36 as a fulcrum. With this displacement, the distance between the X-axis positive direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrode E1 becomes smaller, and the X-axis negative direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrode. The distance from E2 increases. When the force exceeds a predetermined magnitude, the X-axis negative direction portion of the lower step portion 32 of the displacement electrode 30 maintained in an insulated state comes into contact with the grounded reference electrode E0, and the switch S1 is turned off. Switch on. Therefore, the displacement electrode 30 is at ground potential.
[0052]
It is generally known that the capacitance value of the capacitive element is inversely proportional to the distance between the electrodes constituting the capacitive element. Accordingly, the switch S1 is turned on by the operation as described above, the interval between the lower step portion 32 of the X-axis positive direction portion of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrode E1 is reduced, and the lower step portion 32 of the displacement electrode 30. When the distance between the X-axis negative direction portion and the capacitive element electrode E2 increases, the electrostatic capacitance of the capacitive element C1 configured between the X-axis positive direction portion of the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrode E1. The capacitance value is larger than the capacitance value of the capacitive element C2 configured between the X-axis negative direction portion of the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrode E2. At this time, it is considered that the distance between the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 and each of the capacitive element electrodes E3 and E4 hardly changes on average.
[0053]
The operation of the capacitive sensor 1 when a force in the Y-axis direction is applied to the detection button 20 is the same as that when a force in the X-axis direction is applied, and will be described here. Is omitted.
[0054]
Next, consider a case where a force in the negative Z-axis direction is applied to the detection button 20 as shown in FIG. At this time, the detection button 20 is displaced in the negative direction of the Z axis, and presses the vicinity of the edge of the opening 40 of the reference electrode E0 disposed below the detection button 20 downward. Then, the vicinity of the edge of the opening 40 of the reference electrode E0 is displaced in the Z-axis negative direction. Here, since a gap with a predetermined interval is formed between the tip of the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 and the bottom portion of the small-diameter recess 24 of the detection button 20, a predetermined force or more is applied to the detection button 20. Until then, since the detection button 20 does not press the tip of the upper stage portion 31 of the displacement electrode 30, the displacement electrode 30 is not displaced. When the force applied to the detection button 20 exceeds a predetermined value, the edge of the opening 40 of the grounded reference electrode E0 that is displaced in the negative direction of the Z axis comes into contact with the insulated displacement electrode 30, and the switch S1 is turned off. At the same time, the displacement electrode 30 becomes the ground potential.
[0055]
Thereafter, in the state where the displacement electrode 30 and the reference electrode E0 are in contact with each other, a force in the negative Z-axis direction acts on the contact portion between the edge of the opening 40 of the reference electrode E0 and the displacement electrode 30. By this force, the displacement electrode 30 is displaced in the negative Z-axis direction while being kept parallel to the substrate 10. That is, the intervals between the capacitive element electrodes E1 to E5 and the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 are uniformly reduced. Accordingly, all the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5 are uniformly increased.
[0056]
Next, a signal processing circuit for deriving output signals Vx, Vy, and Vz from the periodic signals A and B input to the terminals T1 to T6 will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a circuit diagram showing a signal processing circuit of the capacitive sensor 1 shown in FIG.
[0057]
As described above, a periodic signal having a predetermined frequency is input to the terminals T1 to T6 from a periodic signal oscillator (not shown). To these terminals T1 to T6, inverter elements I1 to I6 and resistance elements R1 to R6 are connected in order of the inverter elements I1 to I6 and resistance elements R1 to R6 from the terminals T1 to T6 side. Further, EX-OR elements 71 to 73, which are theoretical elements of an exclusive sum circuit, are connected to the output ends of the resistance elements R1 and R2, the output ends of the resistance elements R3 and R4, and the output ends of the resistance elements R5 and R6, respectively. The output terminal is connected to terminals T11 to T13. The output ends of the resistance elements R1 to R5 are connected to the capacitive element electrodes E1 to E5, respectively, and constitute capacitive elements C1 to C5 with the lower part 32 of the displacement electrode 30, respectively. The displacement electrode 30 is not electrically connected anywhere when the switch S1 is off and is in an insulated state (floating state), and is at the ground potential when the switch S1 is on.
[0058]
From here, as an example, a method of deriving the output signal Vx of the X-axis direction component will be described with reference to FIG. FIGS. 8A and 8B are circuit diagrams (a part of FIG. 7) showing a signal processing circuit for the X-axis direction component of the capacitive sensor 1 shown in FIG. In this signal processing circuit, the capacitive element C1 and the resistive element R1, and the capacitive element C2 and the resistive element R2 each form a CR delay circuit. The cyclic signals (rectangular wave signals) input to the terminals T1 and T2 are each delayed by a CR delay circuit and merged in the EX-OR element 71. Further, since the same element is used as the inverter elements I1 and I2, signals from different circuits can be compared under the same conditions. Here, the inverter elements I1 and I2 are elements that generate sufficient drive power to drive the CR delay circuit, and are theoretically meaningless elements. Therefore, as long as it is possible to supply a signal having sufficient driving capability to the terminals T1 and T2, the inverter elements I1 and I2 may be omitted. Accordingly, FIG. 8B is a circuit in which the inverter elements I1 and I2 included in the signal processing circuit of FIG. 8A are omitted, and the circuit is completely equivalent to FIG. 8A. Conceivable.
[0059]
Next, the operation of the circuit of FIG. 8 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing the waveform of the periodic signal at each terminal and each node of the signal processing circuit shown in FIG. In FIG. 9, the influence of the inverter elements I1 and I2 is ignored.
[0060]
In the signal processing circuit of FIG. 8, when the switch S1 is on, the periodic signals input to the terminals T1 and T2 pass through the CR delay circuit, respectively, thereby causing predetermined delays, respectively, and EX-OR. Input to the element 71. More specifically, the periodic signal f (φ) (corresponding to the periodic signal A described above) is input to the terminal T1, and the terminal 2 has the same period as f (φ) and the phase. A periodic signal f (φ + θ) (corresponding to the above-described periodic signal B) that is shifted by θ is input. The periodic signal f (φ) input to the terminal T1 passes through the CR delay circuit constituted by the capacitive element C1 and the resistive element R1, and reaches the node X1. At this time, the period signal at the node X1 has a delay of time a as shown in FIG. Similarly, the periodic signal f (φ + θ) input to the terminal T2 passes through the CR delay circuit composed of the capacitive element C2 and the resistive element R2, and reaches the node X2. At this time, a delay of time b occurs in the periodic signal at the node X2.
[0061]
Here, times a and b correspond to the delay time in the CR delay circuit, and are determined by the time constant of each CR. Therefore, when the resistance values of the resistance elements R1 and R2 are the same, the values of the times a and b correspond to the capacitance values of the capacitance elements C1 and C2. That is, when the capacitances of the capacitive elements C1 and C2 are increased, the values of the times a and b are also increased. When the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 are decreased, the values of the times a and b are also decreased.
[0062]
Strictly speaking, if the periodic signals input to the terminals T1 and T2 include the inverter elements I1 and I2 in the signal processing circuit, the periodic signals may also pass through the inverter elements I1 and I2, respectively. This is considered to cause a delay. However, as described above, since the same elements are used as the inverter elements I1 and I2, it is considered that the delay times caused by the inverter elements in the two paths are the same and are input to the EX-OR element 71. Therefore, the description of the delay time due to the inverter element is omitted here.
[0063]
Thus, the EX-OR element 71 receives a signal having the same waveform as the periodic signal at the nodes X1 and X2, and performs an exclusive theoretical operation between these signals, and the result is output to the terminal T11. Is output. Here, the signal output to the terminal T11 is a rectangular wave signal having a predetermined duty ratio (see FIG. 9).
[0064]
Here, when a predetermined amount of X-axis positive force is applied to the detection button 20 described above and the switch S1 is turned on, force is further applied in the X-axis positive direction (see FIG. 5), consider the waveform of the periodic signal at each terminal and each node. In this case, the capacitive elements configured between the capacitive element electrodes E1 and E2 and the displacement electrode 30 in the signal processing circuit are C1 ′ and C2 ′, and the detection button 20 has a predetermined force in the positive direction of the X axis. In addition, the nodes X1 and X2 and the terminal T11 ′ at the same positions as the nodes X1 and X2 and the terminal T11 of the signal processing circuit when the switch S1 is turned on are set as the nodes X1 ′ and X2 ′ and the terminal T11 ′ (see FIG. 8).
[0065]
At this time, in the signal processing circuit of FIG. 8, the periodic signal f (φ) is inputted to the terminal T1, and the periodic signal whose phase is shifted by θ at the same period as f (φ) is inputted to the terminal T2. f (φ + θ) is input. The periodic signal f (φ) input to the terminal T1 passes through the CR delay circuit composed of the capacitive element C1 'and the resistive element R1, and reaches the node X1'. At this time, the periodic signal at the node X1 'has a delay of time a + Δa as shown in FIG. This is because the time constant of the CR delay circuit is increased because the capacitance value of the capacitive element C1 'is larger than that of the capacitive element C1. Similarly, the periodic signal f (φ + θ) input to the terminal T2 passes through the CR delay circuit composed of the capacitive element C2 'and the resistive element R2, and reaches the node X2'. At this time, a delay of time b−Δb occurs in the periodic signal at the node X2 ′. This is because the time constant of the CR delay circuit is reduced because the capacitance value of the capacitive element C2 'is smaller than that of the capacitive element C2.
[0066]
In this manner, the EX-OR element 71 is input with signals having the same waveform as the periodic signals at the nodes X1 ′ and X2 ′, the exclusive theoretical operation is performed between these signals, and the result is output to the terminal T11. Is output for '. Here, the signal output to the terminal T11 ′ is a rectangular wave signal having a predetermined duty ratio, and the signal output to the terminal T11 ′ is to the detection button 20 as shown in FIG. Thus, when a smaller force (a force that at least turns on the switch S1) is applied, the rectangular wave signal has a smaller duty ratio than the rectangular wave signal output to the terminal T11.
[0067]
Here, in the capacitive sensor 1, as described above, the protrusion 36 is formed on the displacement electrode 30, and the displacement electrode 30 is displaced using the protrusion 36 as a fulcrum, so that the capacitive elements C 1 ′, C 2 The capacitance value of 'often changes in the opposite direction, such that when one increases, the other decreases. As a result, the time constant of the CR delay circuit formed by each of the capacitive elements C1 ′ and C2 ′ changes in the same manner, and the duty ratio of the output rectangular wave signal changes significantly. Can be easily detected.
[0068]
Note that the signal processing circuit (see FIG. 7) for deriving the Z-axis direction component output signal Vz causes a predetermined delay by passing only the signal input to the terminal T5 through the CR delay circuit, but the terminal T6. Since the signal input to the signal does not pass through the CR delay circuit, no delay is caused by the CR delay circuit. Thus, even in a circuit in which only one signal is delayed, the force acting on the detection button 20 can be easily detected in the same manner as described above.
[0069]
As described above, changes in the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 are detected as changes in the duty ratio of the waveform at the terminal T11, and this duty is rectified by passing this signal through the rectifier circuit. The ratio can be converted into a voltage value for use. Also, if the high level (Hi) or low level (Lo) time of the signal at T11 is counted with a clock signal having a higher frequency, the duty ratio can be converted into a digital count value and used.
[0070]
Here, the periodic signals f (φ) and f (φ + θ) having different phases input to the terminals T1 and T2, respectively, divide the periodic signal output from one periodic signal oscillator into two circuits, and one path thereof Is generated by delaying the phase of a periodic signal passing through the CR delay circuit. Note that the method for shifting the phase of the periodic signal is not limited to the method using the CR delay circuit, and any other method may be used, and two AC signal oscillators may be used for different phases. Periodic signals f (φ) and f (φ + θ) may be generated and input to terminals T1 and T2, respectively.
[0071]
As described above, in the capacitive sensor 1 of this embodiment, when the switch S1 is OFF, that is, when the reference electrode E0 and the displacement electrode 30 are not in contact, the displacement electrode 30 is electrically connected anywhere. Without being applied, no voltage is applied to the capacitive elements C 1 to C 5 that are maintained in an insulated state (floating state) and are configured between the lower stage portion 32 of the displacement electrode 30 and the capacitive element electrodes E 1 to E 5. Accordingly, the amount of charge stored in the capacitive elements C1 to C5 at this time is so small that it can be ignored, and the output signal is stabilized at a constant magnitude.
[0072]
On the other hand, when the operation on the detection button 20 is performed and the switch S1 is turned on, that is, when the reference electrode E0 and the displacement electrode 30 come into contact with each other, the displacement electrode 30 is set to the ground potential and voltage is applied to the capacitive elements C1 to C5. Therefore, in the process of moving from the state in which the reference electrode E0 is not in contact with the displacement electrode 30 to the state in which the reference electrode E0 is in contact, the amount of charge stored in the capacitive elements C1 to C5 changes abruptly. Also changes significantly. Therefore, even if the detection button 20 is displaced due to vibration or the like, the output signal of the capacitive sensor 1 does not change unless the reference electrode E0 and the displacement electrode 30 are in contact with each other. Operation is possible.
[0073]
Even when the position of the displacement electrode 30 slightly deviates before and after the operation, the output signals corresponding to the capacitive elements C1 to C5 of the capacitive sensor 1 are almost the same unless the reference electrode E0 and the displacement electrode 30 are in contact with each other. . Thereby, the hysteresis of the output signal corresponding to the capacitive elements C1 to C5 of the capacitive sensor 1 can be reduced.
[0074]
Further, since the displacement electrode 30 is made of an elastic material, when the operation on the detection button 20 is stopped, the displacement electrode 30 returns to its original position due to elasticity. Thereby, the hysteresis of the output signal corresponding to the capacitive elements C1 to C5 of the capacitive sensor 1 can be further reduced.
[0075]
Next, the configuration of the capacitive sensor 101 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
[0076]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a capacitive sensor according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to the first embodiment shown in FIG. The configuration of the capacitive sensor 101 according to the present embodiment is mainly different from the configuration of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 in the first embodiment. The capacitor element electrode E5 is not provided, and a decision switch reference electrode E105, a decision switch fixed electrode E106, and a decision switch movable electrode E107 are provided. Since other configurations are substantially the same as those of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1, detailed description thereof is omitted.
[0077]
In the capacitive sensor 101, the protrusion 136 of the displacement electrode 130 is placed on the decision switch movable electrode E107 disposed above the decision switch fixed electrode E106 when no force is applied to the detection button 20. The length is such that it does not touch. Further, the vicinity of the distal end portion of the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 is a small-diameter recess portion of the detection button 20 so that no gap is formed between the distal end of the upper step portion 31 of the displacement electrode 30 and the bottom portion of the small-diameter recess portion 24 of the detection button 20. 24.
[0078]
FIG. 11 is a diagram showing the positions of the electrodes on the substrate 110. On the surface of the substrate 110, a circular decision switch fixed electrode E106 centering on the origin O is disposed. An annular decision switch reference electrode E105 is disposed outside the decision switch fixed electrode E106. Further, a dome-shaped movable electrode for decision switch E107 (see FIG. 10) is arranged so as to be in contact with the decision switch reference electrode E105 while being separated from the decision switch fixed electrode E106. Furthermore, a resin sheet 170 that is a substantially circular thin film member is disposed so as to be in close contact with the entire upper surface of the decision switch movable electrode E107 from the substrate surface around the decision switch reference electrode E105.
[0079]
Here, the fixed electrode for decision switch E106 is connected to an external electronic circuit through the terminal T106, and is held at a potential different from the ground potential. The decision switch reference electrode E105 is grounded. Furthermore, since the decision switch movable electrode E107 is in contact with the decision switch reference electrode E105, it is held at the ground potential (see FIG. 12).
[0080]
Next, the circuit configuration of the capacitive sensor 101 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0081]
In the capacitive sensor 101 as well, as in the first embodiment shown in FIG. 3, a common electrode is provided between the displacement electrode 130 (lower stage 132) and the capacitive element electrodes E1 to E4. Capacitance elements C1 to C4 formed by a lower stage portion 132 of a certain displaceable displacement electrode 130 and fixed individual capacitance element electrodes E1 to E4 are configured. The reference electrode E0 is grounded and a switch S1 is formed between the reference electrode E0 and the displacement electrode 130, as in the first embodiment.
[0082]
Further, the decision switch movable electrode E107 maintained at the ground potential is in contact with the decision switch fixed electrode E106 held at a potential different from the ground potential, either in a contact state or in a non-contact state. Therefore, the switch S2 is formed between the decision switch fixed electrode E106 and the decision switch movable electrode E107.
[0083]
Next, the operation of the capacitive sensor 101 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the negative Z-axis direction is applied to the detection button 20 of the capacitive sensor 101 of FIG. 10, and corresponds to FIG. 6 in the first embodiment. Is. Note that the operation in the case where forces in the X direction and the Y direction are applied is the same as that in the first embodiment, and is therefore omitted here.
[0084]
When a force in the Z-axis negative direction is applied to the detection button 20, the detection button 20 is displaced in the Z-axis negative direction, and accordingly, the reference electrode E0 disposed below the detection button 20 The vicinity of the edge and the displacement electrode 130 are also displaced in the negative Z-axis direction. When the tip of the protrusion 136 of the displacement electrode 130 comes into contact with the resin sheet 170 on the decision switch movable electrode E107, a force in the Z-axis negative direction acts near the top of the decision switch movable electrode E107.
[0085]
When the force in the negative Z-axis direction is less than the predetermined value, the decision switch movable electrode E107 is hardly displaced. However, when the force reaches the predetermined value, the portion near the top of the decision switch movable electrode E107 It suddenly elastically deforms with bending. Then, the decision switch movable electrode E107 held at the ground potential is in a depressed state and comes into contact with the decision switch fixed electrode E106, so that the switch S2 is switched from OFF to ON. At this time, the operator is given a clear click feeling.
[0086]
In the present embodiment, in the operation of turning on the switch S2 from OFF, the reference electrode E0 may contact the displacement electrode 130 before the switch S2 is turned on, or at the same time as the switch S2 is turned on. The reference electrode E0 may contact the displacement electrode 130, the reference electrode E0 may contact the displacement electrode 130 after the switch S2 is turned on, or the reference electrode E0 does not contact the displacement electrode 130. Also good.
[0087]
As described above, according to the capacitive sensor 101 of the present embodiment, the same effect as that of the capacitive sensor 1 of the first embodiment can be obtained. Further, when a force in the negative Z-axis direction is applied to the detection button 20, the protrusion 136 of the displacement electrode 130 is displaced and contacts the resin sheet 170 as the detection button 20 is displaced. Then, a force in the negative Z-axis direction is applied to the decision switch movable electrode E107 via the resin sheet 170. As a result, the movable electrode E107 for decision switch is elastically deformed and comes into contact with the fixed electrode for decision switch E106, and a contact output that closes the switch S2 is output.
[0088]
Next, the configuration of the capacitive sensor 201 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
[0089]
FIG. 14 is a cross-sectional view of a capacitive sensor according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to the first embodiment shown in FIG. The configuration of the capacitive sensor 201 according to the present embodiment is mainly different from the configuration of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 in the first embodiment. The capacitive elements C1 to C5 are formed between the displacement electrode 30 that is an elastic body and the capacitive element electrodes E1 to E5, whereas in the present embodiment, the diaphragm 231 that is a metal and the capacitive element Capacitance elements C1 to C4 and C205 are formed between the element electrodes E1 to E4 and E205. Since other configurations are substantially the same as those of the capacitive sensor 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1, detailed description thereof is omitted.
[0090]
Diaphragm 231 is a substantially square thin plate member having substantially the same size as substrate 210 to be described later, and a substantially cylindrical stick 232 is joined to the center portion of the upper surface thereof by welding. In addition, the diaphragm 231 is on a pedestal 251 that performs a spacer function between the lower surface thereof and the capacitive element electrodes E1 to E4 and E205. Therefore, a gap having a predetermined interval is formed between the diaphragm 231 and the capacitive element electrodes E1 to E4 and E205.
[0091]
Further, as shown in FIG. 15, the diaphragm 231 is formed with four arc-shaped slits 233 having the same shape and formed along concentric circles. Here, the four arc-shaped slits are each formed of an arc-shaped slit 233a and an arc-shaped slit 233b. The inner arc-shaped slit 233a and the outer arc-shaped slit 233b are concentric, and the right end of each arc-shaped slit 233a is connected to the left end of the adjacent arc-shaped slit 233b. One arcuate slit 233 is formed by one of the arcuate slits 233a and the arcuate slit 233b connected thereto. Thus, since the diaphragm 231 has four arc-shaped slits 233, the diaphragm 231 is easily elastically deformed when a force is applied to the diaphragm 231 via the stick 232.
[0092]
FIG. 16 is a diagram showing an arrangement of electrodes of the substrate 210 according to the present embodiment. On the substrate 210, a circular capacitive element electrode E205 centering on the origin O and substantially fan-shaped capacitive element electrodes E1 to E4 arranged outside the capacitive element electrode E205 are provided.
[0093]
A circular opening 240 having a diameter larger than the diameter of the stick 232 is formed at the center position of the reference electrode E200, and the stick 232 is inserted into the opening 240. The reference electrode E200 is on a pedestal 252 that performs a spacer function between the lower surface of the reference electrode E200 and the diaphragm 231, and a gap having a predetermined interval is formed between the reference electrode E200 and the diaphragm 231.
[0094]
In the detection button 220 of the present embodiment, a small-diameter recess 224 having a diameter larger than the diameter of the stick 232 is formed. The stick 232 is inserted into the small-diameter recess 224 so that a gap with a predetermined interval is formed between the tip of the stick 232 and the bottom of the small-diameter recess 224 of the detection button 220.
[0095]
Since the circuit configuration and operation of the capacitive sensor 201 in this embodiment are the same as those in the first embodiment, a description thereof is omitted here.
[0096]
As described above, according to the capacitive sensor 201 of the present embodiment, the same effect as that of the capacitive sensor 1 of the first embodiment can be obtained. Further, a capacitive element is formed between the capacitive element electrodes E1 to E4 and E205 by using a diaphragm 231 which is a thin metal plate. Therefore, the capacitance type sunsa 201 can be thinned.
[0097]
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made as long as they are described in the claims. Is. For example, in the first to third embodiments described above, the case where the displacement electrode or the diaphragm is arranged between the substrate and the reference electrode has been described. However, the reference is caused by the displacement of the displacement electrode or the diaphragm. The arrangement of the electrodes can be changed as long as they can contact the electrodes. Therefore, the reference electrode may be disposed between the substrate and the displacement electrode or the diaphragm. In this case, the reference electrode is disposed between the substrate and the displacement electrode, thereby preventing the capacitive element from being formed between the capacitive element electrode on the substrate and the displacement electrode. The reference electrode is preferably disposed only in a part between the capacitor element electrode and the displacement electrode or the like.
[0098]
Further, in the first and second embodiments described above, the displacement electrode is formed of a material having elasticity, but it is not necessarily formed of a material having elasticity.
[0099]
In the first and third embodiments described above, the three components of the X-axis component direction, the Y-axis component direction, and the Z-axis component direction of the force applied from the outside to the detection button are changed to the second component. In the embodiment, the capacitance type sensor that can detect two components of the X-axis component direction and the Y-axis component direction of the force applied from the outside to the detection button has been described. However, the present invention is not limited to this. Instead, it may be capable of detecting only at least one necessary component among the above-described three or two directional components.
[0100]
In the first embodiment described above, when a force is applied to the displacement electrode in the horizontal direction on the XY plane via the detection button, the lower step portion of the displacement electrode is easily deformed in the vertical direction. For this reason, the case where the bent portion is formed in the lower step portion of the displacement electrode is described, but the bent portion may not be formed.
[0101]
In the first to third embodiments described above, the case where the reference electrode is held at the ground potential has been described. However, the present invention is not limited to this, and the reference electrode may be held at a certain potential. That's fine.
[0102]
In the first to third embodiments described above, the surface of the capacitor element electrode is covered with an insulating film (resist film) in order to prevent malfunction due to direct contact between the capacitor element electrode and the displacement electrode or the diaphragm. Although covered, gold plating or the like may be applied instead of the insulating film.
[0103]
The capacitive sensors according to the first to third embodiments described above are suitable for use as input devices (joysticks) for mobile phones, personal digital assistants (PDAs), personal computers, games, and the like. However, the sensor is not limited to being used as a force sensor, and may be used as another sensor such as an acceleration sensor. Even in this case, the same effect as described above can be obtained.
[0104]
In the first to third embodiments described above, the case where the signal processing circuit including the EX-OR element is used has been described. However, the configuration of the signal processing circuit is arbitrarily changed without being limited thereto. can do. Therefore, instead of an EX-OR element that performs an exclusive theoretical sum operation, a signal that includes any one of an OR element that performs a theoretical sum operation, an AND element that performs a theoretical product operation, and a NAND element that performs a theoretical product operation and a negative operation A processing circuit may be used. In this case, when each member of the capacitive sensor is made of a material with extremely high sensitivity, the sensitivity of the capacitive sensor is adjusted by the configuration of the signal processing circuit (here, the sensitivity is adjusted). Can be reduced).
[0105]
Further, the method for generating the periodic signals having different phases is not limited to the method using the CR delay circuit described in the first to third embodiments, but any other method such as using two periodic signal oscillators. It may be.
[0106]
【The invention's effect】
In the capacitive sensor of the present invention, the hysteresis of the output signal corresponding to the capacitive element of the capacitive sensor can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a capacitive sensor according to a first embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on a substrate of the capacitive sensor of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit related to the capacitive sensor of FIG. 1;
4 is an explanatory diagram showing an example of a method for deriving an output signal in the capacitive sensor of FIG. 1; FIG.
5 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the positive direction of the X axis is applied to the detection button of the capacitance type sensor of FIG. 1. FIG.
6 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the negative Y-axis direction is applied to the detection button of the capacitance type sensor of FIG. 1;
7 is a circuit diagram showing a signal processing circuit in the capacitance type sensor of FIG. 1; FIG.
8 is a circuit diagram partially showing a signal processing circuit for an X-axis direction component in FIG. 7; FIG.
9 is an explanatory diagram showing a waveform of a periodic signal at each terminal and each contact of the signal processing circuit of FIG. 8. FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a capacitive sensor according to a second embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on the substrate of the capacitive sensor of FIG.
12 is a circuit diagram showing an equivalent circuit for the capacitive sensor of FIG.
13 is a cross-sectional view showing a state in which a force in the X-axis positive direction is applied to the detection button of the capacitive sensor of FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a capacitive sensor according to a third embodiment of the present invention.
15 is a schematic configuration diagram showing a diaphragm in the capacitance type sensor of FIG. 14;
16 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on the substrate of the capacitive sensor of FIG.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a conventional capacitive sensor.
18 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on the substrate of the capacitive sensor of FIG.
[Explanation of symbols]
1, 101, 201, 401 Capacitive sensor
10, 110, 210, 411, 412 substrate
20, 220 Detection button
30, 130 Displacement electrode
231 Diaphragm
420 Detection stick
E0, E200 Reference electrode
E1 to E5, E205, E400 to E404 Capacitor electrode
E105 Decision switch reference electrode
E106 Fixed electrode for decision switch
E107 Movable electrode for decision switch

Claims

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配置されており、接地電位あるいは接地電位とは異なる一定電位に保持されたスイッチ電極と、
前記基板と前記スイッチ電極との間において前記スイッチ電極と離隔して配置されていると共に、前記検知部材が変位するのに伴って変位して前記スイッチ電極と接触可能であって、前記スイッチ電極と接触していないときに電気的にどこにも接続されずに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、前記導電性部材との間で容量素子を構成する容量素子用電極とを備え、
前記スイッチ電極が開口を有しており、
前記導電性部材の前記検知部材側の少なくとも一部が、前記開口に嵌挿されると共に前記検知部材と当接しており、
前記導電性部材は、前記検知部材に前記基板と平行な力が加えられることにより前記基板に対して傾斜可能であり、
前記容量素子用電極に対して入力される信号を利用して前記導電性部材と前記容量素子用電極との間隔の変化に起因する前記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導電性部材に加えられた力を認識可能であることを特徴とする静電容量型センサ。A substrate,
A detection member facing the substrate;
A switch electrode disposed between the substrate and the detection member and held at a ground potential or a constant potential different from the ground potential;
The switch electrode is disposed apart from the switch electrode between the substrate and the switch electrode, and is displaced as the detection member is displaced so as to come into contact with the switch electrode. A conductive member that is maintained in an insulated state without being electrically connected anywhere when not in contact ;
A capacitor element electrode which is formed on the substrate and forms a capacitor element with the conductive member ;
The switch electrode has an opening;
At least a part of the conductive member on the detection member side is inserted into the opening and is in contact with the detection member;
The conductive member can be inclined with respect to the substrate by applying a force parallel to the substrate to the detection member;
A change in the capacitance value of the capacitive element caused by a change in the distance between the conductive member and the capacitive element electrode is detected using a signal input to the capacitive element electrode. An electrostatic capacity type sensor capable of recognizing a force applied to the conductive member based on the base.

前記導電性部材の前記基板に対向する面の中心位置近傍に突起が設けられていると共に、
前記基板の前記突起に対向する部分には孔が形成されており、
前記突起の少なくとも一部が前記孔に差し込まれていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型センサ。A protrusion is provided in the vicinity of the center position of the surface of the conductive member facing the substrate,
A hole is formed in a portion of the substrate facing the protrusion,
The capacitive sensor according to claim 1 , wherein at least a part of the protrusion is inserted into the hole.

前記導電性部材が、弾性を有する材質から成ることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型センサ。A capacitive sensor according to claim 1 or 2, wherein the conductive member may be a made of a material having elasticity.

前記導電性部材が、ダイヤフラムを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型センサ。A capacitive sensor according to claim 1 or 2, wherein the conductive member, characterized in that it contains a diaphragm.