(57)【要約】【課題】検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出する。【解決手段】変位電極１０４と容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２との間に容量素子が構成されている。外部から力が加えられると、変位電極１０４が変位して、接地電位に保持されているスイッチ用電極Ｅ３またはＥ４に接触し、その後、スイッチ用電極Ｅ３またはＥ４との接触状態を維持したまま変位する。変位電極１０４が変位して容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２との間隔が変化すると、容量素子の静電容量値が変化し、この変化に基づいて力が認識される。【選択図】図１
2008020256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板と離隔した状態で対向する第２の基板と、
外部からの力を受ける検知部材と、
前記第１の基板の内側面に形成された第１の容量素子用電極と、
前記第２の基板の内側面に形成された第２の容量素子用電極と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第１の導電性部材と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第２の導電性部材とを備えており、
前記検知部材が前記第１の基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、
前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
第１の基板と、
前記第１の基板と離隔した状態で対向する第２の基板と、
外部からの力を受ける検知部材と、
前記第１の基板の内側面に形成された第１の容量素子用電極と、
前記第２の基板の内側面に形成された第２の容量素子用電極と、
前記第１の基板の内側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第１のスイッチ用電極と、
前記第２の基板の内側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第２のスイッチ用電極と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に前記第１のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第１の導電性部材と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に前記第２のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第２の導電性部材とを備えており、
前記検知部材が前記第１の基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、且つ、前記第１の導電性部材と前記第１のスイッチ用電極とが接触する状態及び前記第２の導電性部材と前記第２のスイッチ用電極とが接触する状態のいずれかの状態を取り得るものであり、
前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】
前記第１の導電性部材と前記第２の導電性部材とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項４】
基板と、
外部からの力を受ける検知部材と、
前記基板の一側面に形成された第１の容量素子用電極と、
前記基板の他側面に形成された第２の容量素子用電極と、
前記基板の一側面側に配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第１の導電性部材と、
前記基板の他側面側に配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第２の導電性部材とを備えており、
前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、
前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項５】
基板と、
外部からの力を受ける検知部材と、
前記基板の一側面に形成された第１の容量素子用電極と、
前記基板の他側面に形成された第２の容量素子用電極と、
前記基板の一側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第１のスイッチ用電極と、
前記基板の他側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第２のスイッチ用電極と、
前記基板の一側面側に前記第１のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第１の導電性部材と、
前記基板の他側面側に前記第２のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第２の導電性部材とを備えており、
前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、且つ、前記第１の導電性部材と前記第１のスイッチ用電極とが接触する状態及び前記第２の導電性部材と前記第２のスイッチ用電極とが接触する状態のいずれかの状態を取り得るものであり、
前記前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項６】
前記第１の導電性部材と前記第２の導電性部材とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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及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】
静電容量型センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミ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、容量素子用電極と変位電極との２種類の対向した電極の間で容量素子を形成し、この容量素子の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】
かかる静電容量型センサでは、検知部材に作用した上下方向（基板と垂直なＺ軸方向）の力を検出するために、力のＺ軸方向成分を検出するための１つの容量素子用電極Ｅ５が基板上に形成されており、検知部材がＺ軸方向に変位したときの容量素子用電極Ｅ５と変位電極との間に構成される容量素子の静電容量値の変化に基づいて力のＺ軸方向成分が検出される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３５６１５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、検知部材が下方に押し下げられた場合（Ｚ軸負方向の力が作用した場合）には、容量素子用電極Ｅ５と変位電極との間隔は小さくなり、容量素子の静電容量値は大きくなる。一方、検知部材が上方に引き上げられた場合（Ｚ軸正方向の力が作用した場合）には、容量素子用電極Ｅ５と変位電極との間隔は大きくなり、容量素子の静電容量値は小さくなる。
ところで、図１４に示すように、容量素子用電極Ｅ５と変位電極との間の電極間隔と、それらの間の容量素子の静電容量値との間には反比例の関係があるので、電極間隔が同じ距離だけ変化したとしても、電極間隔が大きくなる場合の静電容量値の変化量は、電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量よりも小さくなる。そのため、検知部材が上方に引き上げられた場合の出力感度は、検知部材が下方に押し下げられた場合の出力感度よりが低下することになる。このように、かかる静電容量型センサでは、Ｚ軸正方向の力が検知部材に作用した場合とＺ軸負方向の力が検知部材に作用した場合とで感度差が生じてしまう。
また、検知部材を上方に引き上げる操作は、検知部材を下方に押し下げる操作に比べ、操作性が悪い。
【０００７】
本発明の主たる目的は、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出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。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量型センサは、第１の基板と、前記第１の基板と離隔した状態で対向する第２の基板と、外部からの力を受ける検知部材と、前記第１の基板の内側面に形成された第１の容量素子用電極と、前記第２の基板の内側面に形成された第２の容量素子用電極と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第１の導電性部材と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第２の導電性部材とを備えており、前記検知部材が前記第１の基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能である。
【０００９】
この構成によると、検知部材が受けた外部からの力により、第１及び第２の導電性部材が変位することで、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔及び第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔はいずれか一方が大きくなると共に他方が小さくなる。つまり、所定方向（第１の基板に垂直な方向）の力が検知部材に作用した場合には、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔が小さくなるので、第１の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出可能であり、所定方向と反対方向の力が検知部材に作用した場合には、第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔が小さくなるので、第２の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出可能である。
そのため、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出することができる。
また、第１の容量素子の静電容量値の変化量及び第２の容量素子の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材の変位を検出することが可能であり、この場合は、検知部材の変位を検出する場合の感度をさらに向上させることができる。
また、検知部材に対する上記の所定方向及びそれと反対方向のいずれの操作も、検知部材を押すことで行えるので、どちらの方向に関しても操作性がよい。
【００１０】
本発明の静電容量型センサは、第１の基板と、前記第１の基板と離隔した状態で対向する第２の基板と、外部からの力を受ける検知部材と、前記第１の基板の内側面に形成された第１の容量素子用電極と、前記第２の基板の内側面に形成された第２の容量素子用電極と、前記第１の基板の内側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第１のスイッチ用電極と、前記第２の基板の内側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第２のスイッチ用電極と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に前記第１のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第１の導電性部材と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に前記第２のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第２の導電性部材とを備えており、前記検知部材が前記第１の基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、且つ、前記第１の導電性部材と前記第１のスイッチ用電極とが接触する状態及び前記第２の導電性部材と前記第２のスイッチ用電極とが接触する状態のいずれかの状態を取り得るものであり、前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能である。
【００１１】
この構成によると、検知部材が受けた外部からの力により、第１及び第２の導電性部材が変位することで、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔及び第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔はいずれか一方が大きくなると共に他方が小さくなる。つまり、所定方向（第１の基板に垂直な方向）の力が検知部材に作用した場合には、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔が小さくなることで、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極とが接触し、第１の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位が検出可能であり、所定方向と反対方向の力が検知部材に作用した場合には、第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔が小さくなることで、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触し、第２の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位が検出可能である。
そのため、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出することができる。
また、検知部材に対する上記の所定方向及びそれと反対方向のいずれの操作も、検知部材を押すことで行えるので、どちらの方向に関しても操作性がよい。
【００１２】
また、第１及び第２の導電性部材は、第１及び第２のスイッチ用電極とそれぞれ接触していないときは電気的にどこにも接続されずに絶縁状態に維持されるので、第１及び第２の容量素子には電圧がかからなくなる。従って、操作前後において第１及び第２の導電性部材の位置が多少ずれた場合でも、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極、もしくは、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触しない限り、静電容量型センサの第１もしくは第２の容量素子に対応する（第１もしくは第２の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第１及び第２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。
【００１３】
本発明の静電容量型センサでは、前記第１の導電性部材と前記第２の導電性部材とは電気的に接続されていてもよい。
【００１４】
この構成によると、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極とが接触した場合、及び、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触した場合のいずれにおいても、第１の容量素子の静電容量値の変化量及び第２の容量素子の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材の変位を検出する場合の感度をさらに向上させることができる。
【００１５】
本発明の静電容量型センサは、基板と、外部からの力を受ける検知部材と、前記基板の一側面に形成された第１の容量素子用電極と、前記基板の他側面に形成された第２の容量素子用電極と、前記基板の一側面側に配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第１の導電性部材と、前記基板の他側面側に配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する接地または一定の電位に保持された第２の導電性部材とを備えており、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能である。
【００１６】
この構成によると、検知部材が受けた外部からの力により、第１及び第２の導電性部材が変位することで、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔及び第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔はいずれか一方が大きくなると共に他方が小さくなる。つまり、所定方向（基板に垂直な方向）の力が検知部材に作用した場合には、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔が小さくなるので、第１の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出可能であり、所定方向と反対方向の力が検知部材に作用した場合には、第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔が小さくなるので、第２の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出可能である。
そのため、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出することができる。
また、第１の容量素子の静電容量値の変化量及び第２の容量素子の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材の変位を検出することが可能であり、この場合は、検知部材の変位を検出する場合の感度をさらに向上させることができる。
また、検知部材に対する上記の所定方向及びそれと反対方向のいずれの操作も、検知部材を押すことで行えるので、どちらの方向に関しても操作性がよい。
【００１７】
本発明の静電容量型センサは、基板と、外部からの力を受ける検知部材と、前記基板の一側面に形成された第１の容量素子用電極と、前記基板の他側面に形成された第２の容量素子用電極と、前記基板の一側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第１のスイッチ用電極と、前記基板の他側面に形成され、接地または一定の電位に保持された第２のスイッチ用電極と、前記基板の一側面側に前記第１のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第１の容量素子用電極との間で第１の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第１の導電性部材と、前記基板の他側面側に前記第２のスイッチ用電極と離隔して配置され、前記第２の容量素子用電極との間で第２の容量素子を構成する絶縁状態に維持された第２の導電性部材とを備えており、前記検知部材が前記基板と垂直な方向に変位するのに伴って、前記第１の容量素子用電極と前記第１の導電性部材との間隔及び前記第２の容量素子用電極と前記第２の導電性部材との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなり、且つ、前記第１の導電性部材と前記第１のスイッチ用電極とが接触する状態及び前記第２の導電性部材と前記第２のスイッチ用電極とが接触する状態のいずれかの状態を取り得るものであり、前記前記第１及び第２の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第１及び第２の容量素子の少なくとも一方の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能である。
【００１８】
この構成によると、検知部材が受けた外部からの力により、第１及び第２の導電性部材が変位することで、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔及び第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔はいずれか一方が大きくなると共に他方が小さくなる。つまり、所定方向（基板に垂直な方向）の力が検知部材に作用した場合には、第１の導電性部材と第１の容量素子用電極との間隔が小さくなることで、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極とが接触し、第１の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位が検出可能であり、所定方向と反対方向の力が検知部材に作用した場合には、第２の導電性部材と第２の容量素子用電極との間隔が小さくなることで、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触し、第２の容量素子の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位が検出可能である。
そのため、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出することができる。
また、検知部材に対する上記の所定方向及びそれと反対方向のいずれの操作も、検知部材を押すことで行えるので、どちらの方向に関しても操作性がよい。
【００１９】
また、第１及び第２の導電性部材は、第１及び第２のスイッチ用電極とそれぞれ接触していないときは電気的にどこにも接続されずに絶縁状態に維持されるので、第１及び第２の容量素子には電圧がかからなくなる。従って、操作前後において第１及び第２の導電性部材の位置が多少ずれた場合でも、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極、もしくは、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触しない限り、静電容量型センサの第１もしくは第２の容量素子に対応する（第１もしくは第２の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第１及び第２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。
【００２０】
本発明の静電容量型センサでは、前記第１の導電性部材と前記第２の導電性部材とは電気的に接続されていてもよい。
【００２１】
この構成によると、第１の導電性部材と第１のスイッチ用電極とが接触した場合、及び、第２の導電性部材と第２のスイッチ用電極とが接触した場合のいずれにおいても、第１の容量素子の静電容量値の変化量及び第２の容量素子の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材の変位を検出することができる。従って、検知部材の変位を検出する場合の感度をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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】
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る静電容量型センサ１０の構成について説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る静電容量型センサ１０の横断面図である。図２は、静電容量型センサ１０の基板１０１、２０１上の電極の配置を示す図である。
【００２５】
図１に示すように、静電容量型センサ１０は、基板１０１と、基板１０１と対向する基板２０１と、外部からの力を検出するための検知部材１０５と、検知部材１０５と嵌合された外部からの力を検出するための検知部材２０５と、基板１０１の上面に配置された容量素子用電極Ｅ１及びスイッチ用電極Ｅ３と、基板２０１の下面に配置された容量素子用電極Ｅ２及びスイッチ用電極Ｅ４と、検知部材１０５、２０５を基板１０１、２０１の間に支持する変位電極１０４と、基板１０１の下面及び基板２０２の上面をそれぞれ覆うカバー１０６、２０６とを有する。
【００２６】
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、静電容量型センサ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。
【００２７】
基板１０１は、基板２０１と対向して配置されている。基板１０１、２０１は、一般的な電子回路用のプリント基板であり、本実施形態ではガラスエポキシ基板が用いられる。なお、基板１０１、２０１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。
【００２８】
図１及び図２に示すように、基板１０１、２０１には、Ｚ軸を中心とする孔１０１ａ、２０１ａがそれぞれ形成されている。また、基板１０１の上面及び２０１の下面には、孔１０１ａ、２０１ａの外側に配置された環状のスイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４と、スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４の外側に配置された環状の容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２とがそれぞれ設けられている。そして、容量素子用電極Ｅ１及びスイッチ用電極Ｅ３と、容量素子用電極Ｅ２及びスイッチ用電極Ｅ４とは互いに対向した位置に設けられている。
【００２９】
ここで、容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２は、Ｚ軸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。また、容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１、Ｔ２（図３参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ１、Ｔ２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、本実施形態では、容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２の表面には図示しない絶縁膜（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、Ｅ２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】
スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４は、Ｚ軸の周りに環状に配置され、外部からの力の検出用スイッチとして利用される。また、スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０（図３参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ０を通じて接地されている。
【００３２】
図１に戻って、変位電極１０４は、弾性体であり且つ導電性を有する材質（例えば、導電性Ｓｉゴム）から形成されており、基板１０１の一辺の長さよりも小さな外形を有する環状部材である。そして、変位電極１０４は、大径で環状の中段部１０７と、中段部１０７の下端部に突出した小径で環状の下段部１０８と、中段部１０７の上端部に突出した小径で環状の上段部２０８と、中段部１０７の周囲に設けられた大径で環状の支持部１１０、２１０とから構成されている。また、中段部１０７の外縁部近傍には厚さの薄い肉薄部１０９、２０９が形成されている。中段部１０７と支持部１１０とは肉薄部１０９により接続されており、中段部１０７と支持部２１０とは肉薄部２０９により接続されている。中段部１０７には、後述する検知部材２０５の下段部２０５ｄと嵌合される円形状の空洞部１０７ａが形成されている。また、上段部２０８、中段部１０７及び下段部１０８には、Ｚ軸を中心とする孔１０７ｂが形成されている。
【００３３】
ここで、支持部１１０は、中段部１０７よりも下方に形成されている。そして、支持部１１０の下面は基板１０１の上面に当接しており、中段部１０７の下面は基板１０１の表面から所定距離だけ隔離している。従って、変位電極１０４の中段部１０７の下面と容量素子用電極Ｅ１との間に容量素子Ｃ１が構成される。さらに、変位電極１０４の下段部１０８の下面とスイッチ用電極Ｅ３との間には、所定の間隔の空隙が形成される。また、支持部２１０は、中段部１０７よりも上方に形成されている。そして、支持部２１０の上面は基板２０１の下面に当接しており、中段部１０７の上面は基板２０１の表面から所定距離だけ隔離している。従って、変位電極１０４の中段部１０７の上面と容量素子用電極Ｅ２との間に容量素子Ｃ２が構成される。さらに、変位電極１０４の上段部２０８の上面とスイッチ用電極Ｅ４との間には、所定の間隔の空隙が形成される。
【００３４】
肉薄部１０９、２０９は、検知部材１０５または検知部材２０５を介して変位電極１０４に力が加わった時に、変位電極１０４の上段部２０８、中段部１０７及び下段部１０８がＺ軸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１０４は弾性を有しているため、力が加えられることにより、肉薄部１０９、２０９が弾性変形して上段部２０８、中段部１０７及び下段部１０８がＺ軸方向に変位した後で、その力が加えられなくなると、上段部２０８、中段部１０７及び下段部１０８は自動的に元の位置に戻る。
【００３５】
検知部材１０５は、基板１０１の孔１０１ａの径よりも小さな径を有する円柱状部材である。下方からの力の受力部となる小径の下段部１０５ａと、下段部１０５ａの上端部に伸延する孔１０７ｂの径と同等の径を有する上段部１０５ｂとから構成されている。また、検知部材１０５の上面には、その中心位置を中心とする円形で上方に突出した小径の凸部１０５ｃが形成されている。
【００３６】
検知部材２０５は、検知部材１０５と同等の小さな径を有する円柱状部材である。上方からの力の受力部となる小径の上段部２０５ａと、上段部２０５ａの下端部に伸延する孔１０７ｂの径と同等の径を有する中段部２０５ｂと、中段部２０５ｂの下端部に伸延する大径の下段部２０５ｄとから構成されている。また、検知部材２０５の下面には、その中心位置を中心とする円形で上方に開いた小径の凹部２０５ｃが形成されている。そして、検知部材１０５の凸部１０５ｃと検知部材２０５の凹部２０５ｃとは嵌合されている。また、検知部材２０５の下段部２０５ｄは、変位電極１０４の中段部１０７の空洞部１０７ａに嵌合されている。これにより、検知部材１０５、２０５及び変位電極１０４は一体的に動作する。
【００３７】
ここで、検知部材１０５の下段部１０５ａの径は、基板１０１の孔１０１ａの径より若干小さく、下段部１０５ａの先端は孔１０１ａから下方に突出している。検知部材２０５の上段部２０５ａの径は、基板２０１の孔２０１ａの径より若干小さく、上段部２０５ａの先端は孔２０１ａから上方に突出している。
【００３８】
カバー１０６は、基板１０１の孔１０１ａの外周にわたって内側に折り曲げられて基板１０１の下面に固定され、検知部材１０５を外部から操作しやすいように露出させるとともに基板１０１の下面を覆っている。カバー２０６は、基板２０１の孔２０１ａの外周にわたって内側に折り曲げられて基板２０１の上面に固定され、検知部材２０５を外部から操作しやすいように露出させるとともに基板２０１の上面を覆っている。
【００３９】
次に、図３を参照しつつ、本実施形態における静電容量型センサ１０の回路構成について説明する。図３は、図１に示す静電容量型センサ１０の構成に対する等価回路図である。
【００４０】
本実施形態に係る静電容量型センサ１０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１０４（中段部１０７）と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２との間には、変位電極１０４の中段部１０７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、Ｃ２が構成されている。中段部１０７と容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２との間隔は、検知部材１０５または検知部材２０５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。
【００４１】
また、スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４は、端子Ｔ０を介して接地されていると共に、検知部材１０５または検知部材２０５に力が加えられていない状態においては、変位電極１０４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、スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４は、変位電極１０４と接触する状態及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、スイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４と変位電極１０４との間にはスイッチＳＷ３、ＳＷ４が形成される。
【００４２】
次に、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値の変化から、検知部材１０５または検知部材２０５への外部からの力の大きさ及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。図４は、図１に示す静電容量型センサ１０に入力される同期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。Ｖｚは、外部からの力のＺ軸方向成分の大きさ及び方向を示す。
【００４３】
ここで、出力信号Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１、Ｔ２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、例えば検知部材１０５にＺ軸正方向の力が加わると、変位電極１０４が検知部材１０５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１０４は変位する。そして、検知部材１０５に加えられるＺ軸正方向の力が所定値に達した時点で、変位電極１０４の上段部２０８の上面とスイッチ用電極Ｅ４とが接触する。
【００４４】
このように、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ４とが接触した後、さらに変位電極１０４が変位されることで、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ１、Ｔ２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、検知部材１０５が外部から受けた力のＺ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｚを得ることができる。
【００４５】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１、Ｔ２に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１に対しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２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、検知部材１０５または検知部材２０５に力が加えられて、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１、Ｔ２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。
【００４６】
すなわち、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、一方が大きくなると、他方が小さくなる。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の位相のずれを差動原理を利用して読み取ることによって、出力信号Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚの変化量の符号が、外部からの力のＺ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｚの変化量の絶対値がＺ軸方向成分の大きさを示す。
【００４７】
次に、図５及び図６を参照しつつ、静電容量型センサ１０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１０の検知部材１０５に対して、Ｚ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、Ｚ軸正方向の力が加えられたときの容量素子の静電容量値の変化を示す図である。
【００４８】
まず、図５に示すように、検知部材１０５に対して、Ｚ軸正方向の力が加えられる。このとき、検知部材１０５は、Ｚ軸正方向に向かって変位する。すると、変位電極１０４の中段部１０７は、検知部材１０５とともに、Ｚ軸正方向に変位する。したがって、変位電極１０４にはＺ軸正方向の力が作用する。
【００４９】
この力によって、変位電極１０４の中段部１０７はＺ軸正方向に変位する。この変位にともなって、変位電極１０４の中段部１０７の上面と容量素子用電極Ｅ２との間隔は小さくなり、変位電極１０４の中段部１０７の下面と容量素子用電極Ｅ１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１０４の上段部２０８の上面が、接地されているスイッチ用電極Ｅ４と接触し、スイッチＳＷ４がオフからオンに切り替わる。したがって、変位電極１０４は接地電位となる。
【００５０】
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ＳＷ４がオンになり、変位電極１０４の中段部１０７の上面と容量素子用電極Ｅ２との間隔が小さくなり、且つ、変位電極１０４の中段部１０７の下面と容量素子用電極Ｅ１との間隔が大きくなると、図６に示すように、変位電極１０４の中段部１０７の上面と容量素子用電極Ｅ２との間に構成される容量素子Ｃ２の静電容量値は大きくなる。そして、変位電極１０４の中段部１０７の下面と容量素子用電極Ｅ１との間に構成される容量素子Ｃ１の静電容量値は小さくなる。そして、これら容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の差動原理を利用して出力信号Ｖｚが導出される。
【００５１】
以上のように、本実施形態の静電容量型センサ１０は、検知部材１０５、２０５が受けた外部からの力により、変位電極１０４が変位することで、変位電極１０４と容量素子用電極Ｅ１との間隔及び変位電極１０４と容量素子用電極Ｅ２との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなる。つまり、Ｚ軸正方向の力が検知部材１０５に作用した場合には、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ４とが接触し、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化量に基づいて検知部材１０５の変位が検出可能であり、Ｚ軸負方向の力が検知部材２０５に作用した場合には、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ３とが接触し、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化量に基づいて検知部材２０５の変位が検出可能である。
【００５２】
そのため、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ３とが接触した場合、及び、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ４とが接触した場合のいずれにおいても、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材１０５、２０５の変位を検出することができる。これにより、検知部材１０５、２０５の変位を検出する場合の感度を向上させることができる。
【００５３】
また、Ｚ軸正方向の力の操作においては検知部材１０５を押すことで行うことができ、Ｚ軸負方向の力の操作においては検知部材２０５を押すことで行うことができるので、Ｚ軸正負どちらの方向に関しても操作性がよい。
【００５４】
また、操作前後において変位電極１０４の位置が多少ずれた場合でも、変位電極１０４とスイッチ用電極Ｅ３もしくはスイッチ用電極Ｅ４とが接触しない限り、静電容量型センサ１０の容量素子Ｃ１、Ｃ２に対応する出力信号Ｖｚはほとんど同じになる。これにより、静電容量型センサ１０の容量素子Ｃ１、Ｃ２に対応する出力信号Ｖｚのヒステリシスを低減することができる。
【００５５】
次いで、図７及び図８を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る静電容量型センサの構成について説明する。図７は、静電容量型センサの基板１２１、２２１上の電極の配置を示す図である。図８は、図７に示した第２実施形態に係る静電容量型センサの構成に対する等価回路図である。
【００５６】
本実施形態に係る静電容量型センサの構成が、図１に示した第１実施形態に係る静電容量型センサ１０と主に異なる点は、第１実施形態の基板１０１、２０１上に設けられていたスイッチ用電極Ｅ３、Ｅ４が分割されて、スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６及び制御用電極Ｅ７、Ｅ８が設けられた点である。なお、その他の構成については、図１に示した第１実施形態に係る静電容量型センサ１０とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５７】
図７に示すように、基板１２１、２２１には、Ｚ軸を中心とする孔１２１ａ、２２１ａがそれぞれ形成されている。また、基板１２１の上面及び２２１の下面には、孔１２１ａ、２２１ａの外側に配置され複数に分割された、環状のスイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６と制御用電極Ｅ７、Ｅ８とがそれぞれ設けられている。さらに、基板１２１の上面及び２２１の下面には、スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６及び制御用電極Ｅ７、Ｅ８の外側に配置された環状の容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２が設けられている。スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６及び制御用電極Ｅ７、Ｅ８は、複数に分割され、交互に配置されている。
【００５８】
スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６は、Ｚ軸の周りに複数に分割されて環状に配置され、外部からの力の検出用スイッチとして利用される。また、複数に分割されたスイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０（図８参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ０を通じて接地されている。
【００５９】
制御用電極Ｅ７、Ｅ８は、Ｚ軸の周りに複数に分割されて環状に配置され、外部からの力を検出したときに制御を行う制御用スイッチとして利用される。また、複数に分割された制御用電極Ｅ７、Ｅ８は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ７、Ｔ８（図８参照）にそれぞれ接続されている。
【００６０】
次に、本実施形態における静電容量型センサの回路構成について説明する。図８に示すように、スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６は、端子Ｔ０を介して接地されていると共に、検知部材１０５または検知部材２０５に力が加えられていない状態においては、変位電極１０４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、スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６は、変位電極１０４と接触する状態及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、スイッチ用電極Ｅ５、Ｅ６と変位電極１０４との間にはスイッチＳＷ５、ＳＷ６が形成される。
【００６１】
また、制御用電極Ｅ７、Ｅ８は、検知部材１０５または検知部材２０５に力が加えられていない状態においては、変位電極１０４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、制御用電極Ｅ７、Ｅ８は、変位電極１０４と接触する状態及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、制御用電極Ｅ７、Ｅ８と変位電極１０４との間にはスイッチＳＷ７、ＳＷ８が形成される。
【００６２】
外部からの力の検出は第１実施形態と同様であるが、Ｚ軸正方向の力が作用すると、変位電極１０４の中段部１０７はＺ軸正方向に変位する。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１０４の上段部２０８の上面が、接地されているスイッチ用電極Ｅ６及び制御用電極Ｅ８と接触し、スイッチＳＷ６、ＳＷ８がオフからオンに切り替わる。このとき、スイッチＳＷ６とほぼ同時にスイッチＳＷ８はオフからオンに切り替わっている。
【００６３】
また、Ｚ軸負方向の力が作用した場合についても、Ｚ軸正方向の力が作用した場合と同様であるので、ここでは省略する。
【００６４】
これにより、外部からの力を検出して、スイッチＳＷ７またはスイッチＳＷ８がオフからオンに切り替わったときに出力信号を端子Ｔ７、Ｔ８から取り出して、さまざまな制御に利用可能となる。
【００６５】
次いで、図９を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る静電容量型センサ３０の構成について説明する。図９は、本発明の第３実施形態に係る静電容量型センサ３０の横断面図であり、図１に示した第１実施形態と対応したものである。
【００６６】
本実施形態に係る静電容量型センサ３０の構成が異なる点は、第１実施形態においては、検知部材１０５、２０５が直接外部から力を受ける構成である点に対して、本実施形態においては、検知部材１０５、２０５にＳｉゴムからなるキャップ１３０、２３０を装着して間接的に力を受ける構成である点である。また、変位電極１０４に、肉薄部１０９、２０９及び支持部１１０、２１０が形成されずに、変位電極１３４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実施形態に係る静電容量型センサ１０とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６７】
キャップ１３０、２３０は、弾性体であり且つ絶縁性を有する物質（例えば、絶縁性Ｓｉゴム）から形成されており、基板１０１の一辺の長さよりも小さな外形を有する円板状部材である。そして、キャップ１３０、２３０は、基板１０１の孔１０１ａとほぼ同等の径を有する小径のキャップ部１３０ａ、２３０ａと、キャップ部１３０ａ、２３０ａの周囲に設けられた環状の支持部１３０ｃ、２３０ｃとから構成されている。また、キャップ部１３０ａ、２３０ａの外縁部近傍には厚さの薄い肉薄部１３０ｂ、２３０ｂがそれぞれ形成されている。キャップ部１３０ａ、２３０ａと支持部１３０ｃ、２３０ｃとは肉薄部１３０ｂ、２３０ｂにより接続されている。
【００６８】
肉薄部１３０ｂ、２３０ｂは、検知部材１３５または検知部材２３５を介して変位電極１３４に力が加わった時に、変位電極１３４がＺ軸方向に変位しやすくするためのものである。そして、力が加えられることにより、肉薄部１３０ｂ、２３０ｂが弾性変形して変位電極１３４がＺ軸方向に変位した後で、その力が加えられなくなると、変位電極１３４は自動的に元の位置に戻る。
【００６９】
ここで、キャップ部１３０ａ、２３０ａは、検知部材１３５、２３５を覆っている。支持部１３０ｃは、キャップ部１３０ａよりも上方に形成されており、支持部１３０ｃの上面は基板１０１の下面に当接している。支持部２３０ｃは、キャップ部２３０ａよりも下方に形成されており、支持部２３０ｃの下面は基板２０１の上面に当接している。また、キャップ１３０、２３０の支持部１３０ｃ、２３０ｃはカバー１３６、２３６によって押さえ込まれている。
【００７０】
これにより、キャップ１３０、２３０は、Ｓｉゴムで形成されており、カバー１３６、２３６によって押さえ込まれているので、パッキンの役目を果たし、防水、防塵の効果を有することができる。
【００７１】
次いで、図１０〜１３を参照しつつ、本発明の第４実施形態に係る静電容量型センサ４０の構成について説明する。図１０は、本発明の第４実施形態に係る静電容量型センサ４０の横断面図であり、図１に示した第１実施形態と対応したものである。図１１は、静電容量型センサ４０の基板１４１の下面及び上面の電極の配置を示す図である。
【００７２】
図１０に示すように、静電容量型センサ４０は、基板１４１と、外部からの力を検出するための検知部材１４５と、検知部材と嵌合された外部からの力を検出するための検知部材２４５と、基板１４１の下面に配置された容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１９〜Ｅ２２、スイッチ用電極Ｅ１５及び制御用電極Ｅ１７（図１１参照）と、基板１４１の上面に配置された容量素子用電極Ｅ１２、Ｅ２３〜Ｅ２６、スイッチ用電極Ｅ１６及び制御用電極Ｅ１８（図１１参照）と、基板１４１の下方に配置された変位電極１４４と、基板１４１の上方に配置された変位電極２４４と、これらの周囲を囲むカバー１４６、２４６とを有する。
【００７３】
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１０においては、静電容量型センサ４０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。
【００７４】
図１１に示すように、基板１４１には、Ｚ軸を中心とする孔１４１ａが形成されている。また、基板１４１の下面及び上面には、孔１４１ａの外側に配置された環状のスイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６と制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８とがそれぞれ設けられている。さらに、基板１４１の下面及び上面には、スイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６及び制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８の外側に配置された環状の容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２がそれぞれ設けられている。加えて、基板１４１の下面及び上面には、容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２の外側に配置された略扇形の容量素子用電極Ｅ１９〜Ｅ２２及びＥ２３〜Ｅ２６がそれぞれ設けられている。スイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６及び制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８は、複数に分割され、交互に配置されている。
【００７５】
ここで、容量素子用電極Ｅ１９、Ｅ２３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Ｅ２０、Ｅ２４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Ｅ２１、Ｅ２５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Ｅ２２、Ｅ２６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Ｅ１１、Ｅ１２は、Ｚ軸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。
【００７６】
また、容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２及びＥ１９〜Ｅ２６は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１１、Ｔ１２及びＴ１９〜Ｔ２６（図１２参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ１１、Ｔ１２及びＴ１９〜Ｔ２６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。
【００７７】
なお、本実施形態では、容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２及びＥ１９〜Ｅ２６の表面には図示しない絶縁膜（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Ｅ１１、Ｅ１２及びＥ１９〜Ｅ２６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。
【００７８】
スイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６は、Ｚ軸の周りに複数に分割されて環状に配置され、外部からの力の検出用スイッチとして利用される。また、複数に分割されたスイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ０（図１２参照）にそれぞれ接続されており、端子Ｔ０を通じて接地されている。
【００７９】
制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８は、Ｚ軸の周りに複数に分割されて環状に配置され、外部からの力を検出したときに制御を行う制御用スイッチとして利用される。また、複数に分割された制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１７、Ｔ１８（図１２参照）にそれぞれ接続されている。
【００８０】
図１０に戻って、変位電極１４４は、弾性体であり且つ導電性を有する材質（例えば、導電性Ｓｉゴム）から形成されており、基板１４１の一辺よりも小さな径を有する環状部材である。そして、変位電極１４４は、大径で環状の下段部１４７と、下段部１４７の上端部に突出した小径で環状の上段部１４８と、下段部１４７の周囲に設けられた大径で環状の支持部１５０とから構成されている。また、下段部１４７の外縁部近傍には厚さの薄い肉薄部１４９が形成されており、下段部１４７と支持部１５０とは肉薄部１４９により接続されている。また、下段部１４７及び上段部１４８には、Ｚ軸を中心とする孔１４７ａが形成されている。
【００８１】
ここで、支持部１５０は、下段部１４７よりも上方に形成されている。そして、支持部１５０の上面は基板１４１の下面に当接しており、下段部１４７の上面は基板１４１の表面から所定距離だけ隔離している。従って、変位電極１４４の下段部１４７の上面と容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１９〜２２との間に容量素子Ｃ１１、Ｃ１９〜２２がそれぞれ構成される。さらに、変位電極１４４の上段部１４８の上面とスイッチ用電極Ｅ１５及び制御用電極Ｅ１７との間には、所定の間隔の空隙が形成される。
【００８２】
基板１４１を挟んで対向して、変位電極２４４は、弾性体であり且つ導電性を有する材質（例えば、導電性Ｓｉゴム）から形成されており、基板１４１の一辺よりも小さな径を有する円板状部材である。そして、変位電極２４４は、大径で環状の上段部２４７と、上段部２４７の下端部に突出した小径で環状の下段部２４８と、上段部２４７の周囲に設けられた大径で環状の支持部２５０とから構成されている。また、上段部２４７の外縁部近傍には厚さの薄い肉薄部２４９が形成されており、上段部２４７と支持部２５０とは肉薄部２４９により接続されている。また、上段部２４７及び下段部２４８には、Ｚ軸を中心とする孔２４７ａが形成されている。
【００８３】
ここで、支持部２５０は、上段部２４７よりも下方に形成されている。そして、支持部２５０の下面は基板１４１の上面に当接しており、上段部２４７の下面は基板１４１の表面から所定距離だけ隔離している。従って、変位電極２４４の上段部２４７の下面と容量素子用電極Ｅ１２、Ｅ２３〜２６との間に容量素子Ｃ１２、Ｃ２３〜２６がそれぞれ構成される。さらに、変位電極２４４の下段部２４８の上面とスイッチ用電極Ｅ１６及び制御用電極Ｅ１８との間には、所定の間隔の空隙が形成される。
【００８４】
肉薄部１４９、２４９は、検知部材１４５または検知部材２４５を介して変位電極１４４、２４４に力が加わった時に、変位電極１４４の下段部１４７、上段部１４８及び変位電極２４４の上段部２４７、下段部２４８がＺ軸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１４４、２４４は弾性を有しているため、力が加えられることにより、肉薄部１４９、２４９が弾性変形して変位電極１４４の下段部１４７、上段部１４８及び変位電極２４４の上段部２４７、下段部２４８がＺ軸方向に変位した後で、その力が加えられなくなると、変位電極１４４の下段部１４７、上段部１４８及び変位電極２４４の上段部２４７、下段部２４８は自動的に元の位置に戻る。
【００８５】
検知部材１４５は、基板１４１の孔１４１ａの径よりも小さな径を有する円柱状部材である。下方からの力の受力部となる小径の下段部１４５ａと、下段部１４５ａの上端部に伸延する大径の上段部１４５ｂとから構成されている。また、検知部材１４５の上面には、その中心位置を中心とする円形で上方に突出した小径の凸部１４５ｃが形成されている。上段部１４５ｂの上面には、変位電極１４４の下段部１４７の下面が当接している。
【００８６】
検知部材２４５は、検知部材１４５と同等の小さな径を有する円柱状部材である。上方からの力の受力部となる小径の上段部２４５ａと、上段部２４５ａの中端部に伸延する大径の中段部２４５ｂと、上段部２４５ａと同等の径を有する下段部２４５ｄとから構成されている。また、検知部材２４５の下面には、その中心位置を中心とする円形で上方に開いた小径の凹部２４５ｃが形成されている。中段部２４５ｂの下面には、変位電極２４４の上段部２４７の上面が当接している。また、下段部２４５ｄは基板１４１の孔１４１ａを貫通しており、検知部材１４５の凸部１４５ｃと検知部材２４５の凹部２４５ｃとは嵌合されている。これにより、検知部材１４５、２４５及び変位電極１４４、２４４は一体的に動作する。
【００８７】
カバー１４６は、検知部材１４５の下段部１４５ａのその全周にわたって内側に折り曲げられ、下段部１４５ａの径より大きな開口を有しており、その開口から下端部１４５ａの先端が下方に突出したカバー部１４６ａを有している。カバー部１４６ａの上面には、変位電極１４４の支持部１５０に当接した円筒状の支持部１４６ｂが形成されている。これにより、検知部材１４５を外部から操作しやすいように露出させるとともに基板１４１の下面を覆っている。
【００８８】
カバー２４６は、検知部材２４５の上段部２４５ａのその全周にわたって内側に折り曲げられ、上段部２４５ａの径より大きな開口を有しており、その開口から上段部２４５ａの先端が上方に突出したカバー部２４６ａを有している。カバー部２４６ａの上面には、変位電極２４４の支持部２５０に当接した円筒状の支持部２４６ｂが形成されている。これにより、検知部材２４５を外部から操作しやすいように露出させるとともに基板１４１の上面を覆っている。
【００８９】
また、カバー１４６の支持部１４６ｂ及びカバー２４６の支持部２４６ｂにより、変位電極１４４の支持部１５０及び変位電極２４４の支持部２５０は、基板１４１に固定されている。
【００９０】
次に、図１２を参照しつつ、本実施形態における静電容量型センサ４０の回路構成について説明する。図１２は、図１０に示す静電容量型センサ４０の構成に対する等価回路図である。
【００９１】
本実施形態に係る静電容量型センサ４０において、図１０に示した共通の電極である変位可能な変位電極１４４（下段部１４７）と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１９〜Ｅ２２との間には、変位電極１４４の下段部１４７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Ｃ１１、Ｃ１９〜Ｃ２２が構成されている。下段部１４７と容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１９〜Ｅ２２との間隔は、検知部材１４５または検知部材２４５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。
【００９２】
また、図１０に示した共通の電極である変位可能な変位電極２４４（上段部２４７）と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１２、Ｅ２３〜Ｅ２６との間には、変位電極２４４の上段部２４７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Ｃ１２、Ｃ２３〜Ｃ２６が構成されている。上段部２４７と容量素子用電極Ｅ１２、Ｅ２３〜Ｅ２６との間隔は、検知部材１４５または検知部材２４５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。
【００９３】
また、スイッチ用電極Ｅ１５、Ｅ１６は、端子Ｔ０を介して接地されていると共に、検知部材１４５または検知部材２４５に力が加えられていない状態においては、変位電極１４４及び変位電極２４４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、スイッチ用電極Ｅ１５は、変位電極１４４と接触する状態及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、スイッチ用電極Ｅ１５と変位電極１４４との間にはスイッチＳＷ１５が形成される。スイッチ用電極Ｅ１６は、変位電極２４５と接触する状態及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、スイッチ用電極Ｅ１６と変位電極２４４との間にはスイッチＳＷ１６が形成される。
【００９４】
また、制御用電極Ｅ１７、Ｅ１８は、検知部材１４５または検知部材２４５に力が加えられていない状態においては、変位電極１４４及び変位電極２４４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、制御用電極Ｅ１７は、変位電極１４４と接触する状態及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、制御用電極Ｅ１７と変位電極１４４との間にはスイッチＳＷ１７が形成される。制御用電極Ｅ１８は、変位電極２４５と接触する状態及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、制御用電極Ｅ１８と変位電極２４４との間にはスイッチＳＷ１８が形成される。
【００９５】
次に、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２及びＣ１９〜Ｃ２６のそれぞれの静電容量値の変化から、検知部材１４５または検知部材２４５への外部からの力の大きさ及び方向を示す出力信号の導出方法について、図１３を参照して説明する。Ｖｘ、Ｖｙ及びＶｚは、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分及びＺ軸方向成分の大きさ及び方向を示す。
【００９６】
容量素子１９と容量素子２４、容量素子２０と容量素子２３、容量素子２１と容量素子２６、容量素子２２と容量素子２５は、並列に接続されている。
【００９７】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを導出するために、端子Ｔ１１、Ｔ１２及びＴ１９〜Ｔ２６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、例えば検知部材１４５にＸ軸正方向の力及びＺ軸正方向の力が加わると、変位電極１４４の下段部１４７が検知部材１４５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１４４の下段部１４７は傾けられる。このとき、変位電極１４４の下段部１４７の力方向下流側の部分は上方に変位し、変位電極１４４の下段部１４７の力方向上流側の部分は下方に変位する。そして、検知部材１４５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１４４の下段部１４７の力方向下流側の部分がスイッチ用電極Ｅ１５とが接触する。
【００９８】
このように、変位電極１４４とスイッチ用電極Ｅ１５とが接触した後、さらに変位電極１４４が傾けられることで、容量素子Ｃ１１、Ｃ１９〜Ｃ２２のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ１１、Ｔ１９〜Ｔ２２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、検知部材１４５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。
【００９９】
また、検知部材１４５へのＸ軸正方向の力及びＺ軸正方向の力の加わり方によっては、変位電極１４４の下段部１４７とスイッチ用電極Ｅ１５とが接触すると同時もしくはその後に、さらに検知部材１４５に水平方向の力が加わると、変位電極２４４の上段部２４７とスイッチ用電極Ｅ１６とが接触する。
【０１００】
このとき、変位電極１４４とスイッチ用電極Ｅ１５とが接触した後、さらに変位電極１４４が傾けられることで、容量素子Ｃ１１、Ｃ１９〜Ｃ２２のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ１１、Ｔ１９〜Ｔ２２に入力された周期信号の位相にずれが生じる。そして、変位電極２４４とスイッチ用電極Ｅ１６とが接触した後、さらに変位電極２４４が傾けられることで、容量素子Ｃ１２、Ｃ２３〜Ｃ２６のそれぞれの静電容量値が変化し、端子Ｔ１２、Ｔ２３〜Ｔ２６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、検知部材１４５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。
【０１０１】
また、検知部材２４５にＸ軸正方向の力及びＺ軸負方向の力が加わった場合の静電容量型センサ４０の動作についても、検知部材１４５にＸ軸正方向の力及びＺ軸正方向の力が加わった場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【０１０２】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１９〜Ｔ２６に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１１、Ｔ１９、Ｔ２１、Ｔ２４、Ｔ２６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Ｔ１２、Ｔ２０、Ｔ２２、Ｔ２３、Ｔ２５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、検知部材１４５または検知部材２４５に力が加えられて、容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１９〜Ｃ２６の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１９〜Ｔ２６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。
【０１０３】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれており、スイッチ１５がオンに切り替わった場合は、容量素子Ｃ１９の静電容量値が変化し、端子Ｔ１９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Ｃ２０の静電容量値が変化し、端子Ｔ２０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Ｃ１９、Ｃ２０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Ｔ１９に入力された周期信号Ａの位相のずれと、端子Ｔ２０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Ｔ１９及び端子Ｔ２０にそれぞれ入力された周期信号Ａ及び周期信号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、スイッチ１６がオンに切り替わった場合についても、スイッチ１５がオンに切り替わった場合と同様である。また、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。
【０１０４】
以上のように、本実施形態の静電容量型センサ４０は、検知部材１４５、２４５が受けた外部からの力により、変位電極１４４、２４４が変位することで、変位電極１４４と容量素子用電極Ｅ１１との間隔及び変位電極２４４と容量素子用電極Ｅ１２との間隔はいずれか一方が大きくなると他方が小さくなる。つまり、Ｚ軸正方向の力が検知部材１４５に作用した場合には、変位電極１４４と容量素子用電極Ｅ１１との間隔が小さくなることで、変位電極１４４とスイッチ用電極１５とが接触し、容量素子Ｃ１１の静電容量値の変化量に基づいて検知部材１４５の変位が検出可能であり、Ｚ軸負方向の力が検知部材２４５に作用した場合には、変位電極２４４と容量素子用電極Ｅ１２との間隔が小さくなることで、変位電極２４４とスイッチ用電極Ｅ１６とが接触し、容量素子Ｃ１２の静電容量値の変化量に基づいて検知部材２４５の変位が検出可能である。
【０１０５】
そのため、Ｚ軸正負の力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材１４５、２４５の変位を検出することができる。従って、Ｚ軸正負の力の方向にかかわらず、検知部材１４５、２４５の変位を同じ感度で検出することができる。
【０１０６】
また、Ｚ軸正方向の力の操作においては検知部材１４５を押すことで行うことができ、Ｚ軸負方向の力の操作においては検知部材２４５を押すことで行うことができるので、Ｚ軸正負どちらの方向に関しても操作性がよい。
【０１０７】
また、操作前後において変位電極１４４、２４４の位置が多少ずれた場合でも、変位電極１４４とスイッチ用電極Ｅ１５、もしくは、変位電極２４４とスイッチ用電極Ｅ１６とが接触しない限り、静電容量型センサ４０の容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１９〜Ｃ２６に対応する出力信号はほとんど同じになる。これにより、静電容量型センサの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１９〜Ｃ２６に対応する出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚのヒステリシスを低減することができる。
【０１０８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の第１実施形態では、容量素子用電極Ｅ１との間に容量素子Ｃ１を構成する部材と、容量素子用電極Ｅ２との間に容量素子Ｃ２を構成する部材とは電気的に接続されていたが、容量素子用電極Ｅ１との間に容量素子Ｃ１を構成する部材と、容量素子用電極Ｅ２との間に容量素子Ｃ２を構成する部材とは別々の部材であり、電気的に接続されていなくてもよい。このとき、検知部材１０５、２０５に作用する力の方向にかかわらず、容量素子を構成する電極間隔が小さくなる場合の静電容量値の変化量に基づいて検知部材の変位を検出することによって、検知部材１０５、２０５に作用する力の方向にかかわらず、検知部材の変位を同じ感度で検出することができる。
【０１０９】
また、上述の第１実施形態では、変位電極１０４は電気的にどこにも接続されずに絶縁状態（浮いた状態）になっていたが、変位電極１０４は電気的に絶縁されていなくてもよい。同様に、上述の第４実施形態では、変位電極１４４及び変位電極２４４は電気的にどこにも接続されずに絶縁状態（浮いた状態）になっていたが、変位電極１４４及び変位電極２４４は電気的に絶縁されていなくてもよい。
【０１１０】
また、上述の第１実施形態では、Ｚ軸方向の力検出用の容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２のみ形成されており、Ｚ軸方向の力のみ検出可能であったが、上述の第４実施形態のようにＸ軸方向及びＹ軸方向の力検出用の容量素子用電極を形成して、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力を検出することも可能である。
【０１１１】
また、上述の第４実施形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の力検出用の容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１９〜Ｅ２６を形成して、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の力を検出可能であったが、Ｚ軸方向の力検出用の容量素子用電極のみ形成して、Ｚ軸方向の力のみ検出してもよい。
【０１１２】
また、上述の第４実施形態では、Ｚ軸方向の力検出用の容量素子用電極Ｅ１１、Ｅ１２の外側にＸ軸及びＹ軸方向の力検出用の容量素子用電極Ｅ１９〜Ｅ２６は形成されていたが、Ｘ軸及びＹ軸方向の力検出用の容量素子用電極が内側に形成され、その外側にＺ軸方向の力検出用の容量素子用電極が形成されてもよい。
【０１１３】
また、上述の第４実施形態では、変位電極１４４、２４４は分割されており、電気的に絶縁されていたが、変位電極１４４、２４４は分割されずに同部材で構成され、電気的に接続されていてもよい。この構成によると、変位電極とスイッチ用電極Ｅ１５とが接触した場合、変位電極とスイッチ用電極Ｅ１６とが接触した場合のいずれにおいても、容量素子Ｃ１１の静電容量値の変化量及び容量素子Ｃ１２の静電容量値の変化量の両方を用いた差動原理を利用して検知部材１４５、２４５の変位を検出することができる。従って、検知部材の変位を検出する場合の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る静電容量型センサ１０の横断面図である。
【図２】静電容量型センサ１０の基板１０１、２０１上の電極の配置を示す図である。
【図３】図１に示す静電容量型センサ１０の構成に対する等価回路図である。
【図４】図１に示す静電容量型センサ１０に入力される同期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図５】図１に示す静電容量型センサ１０の検知部材１０５に対して、Ｚ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】Ｚ軸正方向の力が加えられたときの容量素子の静電容量値の変化を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る静電容量型センサの基板１２１、２２１上の電極の配置を示す図である。
【図８】図７に示した第２実施形態に係る静電容量型センサの構成に対する等価回路図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る静電容量型センサ３０の横断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る静電容量型センサ４０の横断面図である。
【図１１】静電容量型センサ４０の基板１４１の下面及び上面の電極の配置を示す図である。
【図１２】図１０に示す静電容量型センサ４０の構成に対する等価回路図である。
【図１３】図１０に示す静電容量型センサ４０に入力される同期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図１４】Ｚ軸方向の力が加えられたときの容量素子の静電容量値の変化を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、４０  静電容量型センサ
１０１、１４１、２０１、２４１  基板
１０４、１４４、２４４  変位電極
１０５、１４５、２０５、２４５  検知部材
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｅ１９〜Ｅ２６  容量素子用電極
Ｅ３、Ｅ４、Ｅ１５、Ｅ１６  スイッチ用電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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