(57)【要約】【課題】検知ボタンの形状が変更された場合でもセンサ特性が大きく変化しないと共に、センサユニット単体でセンサ特性を確認できるようにする。【解決手段】ＦＰＣ１１の第１面１１ａ上に容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４を形成すると共に、第２面１１ｂ上に変位電極Ｅ０を形成する。そして、第１面１１ａと第２面１１ｂとが対向するように、ＦＰＣ１１を連結部１１ｃにおいて折り曲げることによって、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極Ｅ０との間に容量素子を構成する。【選択図】　　　　図３
2004045173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知部材と、
前記検知部材と対向している第１の電極と、
前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの可撓性を有する基板とを備え、
前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の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検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれもが前記基板の一方の面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記検知部材および前記基板をそれぞれ別々に支持する支持部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量式センサは、操作者によって加えられた力の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として一般的に利用されている。例えば、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式センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだ装置が利用されている。
【０００３】
静電容量式センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元または三次元のセンサとしても利用されている。
【０００４】
ここで、例えば、本件出願人による２０００年１２月２７日付けの特許協力条約に基づく国際出願に係るＰＣＴ／ＪＰ００／０９３５５号明細書には、図１１に示すような静電容量式センサ５０１が記載されている。静電容量式センサ５０１は、基板５２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用部材である検知部材５３０と、導電性を有する変位電極５１２と、基板５２０上に形成された容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極（共通電極）Ｅ５００と、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極Ｅ５００に密着して基板５２０上を覆うように形成された絶縁膜５１３と、検知部材５３０および変位電極５１２を基板５２０に対して支持固定する支持部材５６０とを有している。
【０００５】
基板５２０上には、図１２に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５０５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とする環状の基準電極Ｅ５００とが形成されている。なお、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間には、容量素子が構成されている。
【０００６】
ここで、静電容量式センサ５０１では、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に対して、クロック信号などの信号が入力される。そして、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に信号が入力されている状態で、検知部材５３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極５１２がＺ軸方向に変位する。すると、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間に構成された容量素子の電極間隔が変化することにより、これらの容量素子のそれぞれの静電容量値が変化して、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に入力された信号の位相にずれが生じる。このように、入力された信号に生じる位相のずれを利用して、検知部材５３０の変位、つまり、検知部材５３０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知ることが可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
静電容量式センサ５０１では、検知部材５３０の形状が変更されると、検知部材５３０への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化して、静電容量式センサ５０１のジョイスティクとしての操作性が変わってしまう。そのため、静電容量式センサ５０１が、例えば携帯電話、携帯情報端末（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ：ＰＤＡ）などの機器に搭載される場合には、その機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整しなければならなくなる。
【０００８】
また、静電容量式センサ５０１では、変位電極５１２と、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５が形成された基板５２０とがそれぞれ別々に製作された後で、両者が組み立てられる。従って、静電容量式センサ５０１の組み立てが完了するまでは、当該センサはジョイスティクとして機能することができないため、その性能を確認することができない。
【０００９】
そこで、本発明の主な目的は、検知部材の形状などが変更された場合でも、センサ部の特性が大きく変化しない静電容量式センサを提供することである。
【００１０】
また、本発明のその他の目的は、すべての組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその特性を確認することができる静電容量式センサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の静電容量式センサは、検知部材と、前記検知部材と対向している第１の電極と、前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの可撓性を有する基板とを備え、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の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検知部材の変位を認識可能であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１によると、第１および第２の電極が設けられた１つの基板が適正に折り曲げられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００１３】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００１４】
なお、「検知部材の変位を認識可能である」とは、「検知部材に外部から加えられる力を認識可能である」ということとほぼ同じ意味である。
【００１５】
請求項２の静電容量式センサは、前記第１の電極および前記第２の電極のいずれもが前記基板の一方の面上に設けられていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２によると、各電極のいずれもが１つの基板の一方の面上に設けられているため、センサの製造工程がさらに簡略化され、製造コストを低減できる。
【００１７】
請求項３の静電容量式センサは、前記検知部材および前記基板をそれぞれ別々に支持する支持部材をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項３によると、検知部材と、第１および第２の電極が設けられた基板とが、それぞれ別々に支持されているため、両者のいずれか一方だけを容易に交換することができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサ１の構成について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図１の静電容量式センサの検知ボタンの上面図である。
【００２１】
静電容量式センサ１は、センサユニット１０と、基板２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用の検知ボタン３０と、検知ボタン３０を基板２０に対して支持固定する支持部材６０と、検知ボタン３０と支持部材６０との間に配置された樹脂シート７０と、カバーケース８０とを有している。
【００２２】
また、センサユニット１０は、フレキシブル・プリント・サーキット基板（ＦＰＣ）１１と、ＦＰＣ１１上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４（図１ではＥ１およびＥ２のみを示す）、変位電極Ｅ０、基準電極（共通電極）Ｅ１１、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２などの複数の電極と、樹脂シート９０とを有している。
【００２３】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、センサユニット１０のＦＰＣ１１上の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。従って、ＦＰＣ１１の第１面１１ａ（図３参照）の表面は、ＸＹ平面を規定し、センサユニット１０の上方の検知ボタン３０の中心位置をＺ軸が通ることになる。
【００２４】
基板２０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。なお、本実施の形態では、基板２０上には、センサ回路（電子回路）が設けられている。
【００２５】
支持部材６０は、平板状の部材であって、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料により形成されている。また、支持部材６０の下面には、センサユニット１０よりも大きい略矩形の下方に開いた凹部６０ａが形成されており、支持部材６０の下面の凹部６０ａ以外の部分が基板２０に接触するように配置されている。
【００２６】
また、支持部材６０の凹部６０ａの底面には、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する位置には突起体６１が形成されており、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応する位置にはそれぞれ突起体６２が形成されている。カバーケース８０は、例えば樹脂により形成された部材であって、樹脂シート７０の上面において検知ボタン３０の周囲を覆うように配置されている。
【００２７】
ここで、本実施の形態では、支持部材６０に突起体６１、６２が形成されているため、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍および容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する変位電極Ｅ０のそれぞれの所定の部分を効率よく変位させることができる。なお、突起体６１、６２は、必ずしも形成されていなくてもよい。
【００２８】
検知ボタン３０は、Ｚ軸を中心とする円形の中央ボタン３１と、中央ボタン３１の外側に配置された環状の方向ボタン３２とから構成されている。ここで、中央ボタン３１の径は、基準電極Ｅ１１の外径よりも若干大きい。また、方向ボタン３２は、図２に示すように、受力部となる小径の上段部３２ａと、上段部３２ａの下端部から外側に突出する大径の下段部３２ｂとから構成されている。上段部３２ａの外径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも若干小さく、下段部３２ｂの外径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも若干大きい。なお、中央ボタン３１および方向ボタン３２は別部材である方が好ましいが、同一部材であってもよい。
【００２９】
ここで、中央ボタン３１は、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および基準電極Ｅ１１に対応するように、支持部材６０上の樹脂シート７０の上面に接着固定されている。また、方向ボタン３２は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、その下段部３２ｂがカバーケース８０の一部である止め部８０ａにより押止され、樹脂シート７０の上面において抜け止め構造により配置されている。このように、方向ボタン３２の外径は、カバーケース８０の止め部８０ａの先端部によって形成される円の径よりも大きくなっているため、カバーケース８０から飛び出ることはない。なお、方向ボタン３２は樹脂シート７０の上面に接着固定されていてもよい。また、中央ボタン３１と樹脂シート７０とは、一体成型されていてもよい。
【００３０】
また、方向ボタン３２の上段部３２ａの上面には、図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。
【００３１】
なお、基板２０、支持部材６０、樹脂シート７０およびカバーケース８０は、それぞれに形成された貫通孔（図示しない）に嵌挿された固定ネジ（図示しない）がそれに対応するナット（図示しない）に螺締されることによって、各部品が互いに離れないように固定されている。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る静電容量式センサ１に含まれるセンサユニット１０の構成について、図面を参照しつつ説明する。図３は、図１の静電容量式センサのセンサユニットの概略構成を示す図である。なお、図３では、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および樹脂シート９０の図示が省略されている。
【００３３】
センサユニット１０は、図３に示すように、２つの略矩形の第１面１１ａおよび第２面１１ｂと、両者を連結する連結部１１ｃとから構成されるＦＰＣ１１を有している。ここで、ＦＰＣ１１は、可撓性を有しており、連結部１１ｃにおいて折り曲げることによって、第１面１１ａと第２面１１ｂとを対向させることができる。
【００３４】
第１面１１ａ上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１１と、基準電極Ｅ１１の外側に配置された略扇形である容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、接続端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ０、Ｔ１１、Ｔ２１などを含む接続端子群が、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。
【００３５】
また、第１面１１ａの中心位置近傍の上方には、図１に示すように、基準電極Ｅ１１に接触するとともに、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と離隔しつつ、これを覆うようにドーム状の決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が配置されている。ここで、中央ボタン３１に対する操作が行われた場合に、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に下方へ向かう力が加えられると、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２がクリック感を付随しつつ弾性変形して決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に接触するようになっている。その結果、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と基準電極Ｅ１１とが、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２を介して電気的に接続されるので、両者の間の電気的な接続の有無が検出されることによって、スイッチとして利用することが可能となる。
【００３６】
そして、第２面上には、環状の変位電極Ｅ０が、銀やカーボンなどを原料とする導電性インクによるスクリーン印刷によって形成されている。変位電極Ｅ０の外径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同じであって、その内径は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの内側の曲線を結んでできる円の径とほぼ同じである。なお、第２面１１ｂの中心位置近傍には、開口１１ｄが形成されており、その径は、変位電極Ｅ０の内径とほぼ同じである。
【００３７】
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、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ており、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、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ており、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。また、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、原点Ｏ上に配置されており、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２（図１参照）とともに、入力などの決定操作に利用される。
【００３８】
なお、一対の容量素子用電極Ｅ１および容量素子用電極Ｅ２とは、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３および容量素子用電極Ｅ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。
【００３９】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極Ｅ０などの各電極としては、導電性インクの印刷層の他、例えば金属製の板、導電性プラスチック、シリコンゴムなどの導電性ゴム、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）などで形成されたものであってもよい。さらに、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極Ｅ０などの各電極および配線は、ポリミイドなどの樹脂フィルム上に銅箔などの金属箔で形成してもよい。この場合、露出する銅箔部は、ハンダ、金または銀などでメッキして酸化防止策を講じるのが好ましい。
【００４０】
ここで、ＦＰＣ１１の表面には、図１に示すように、第１面１１ａ上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの外縁近傍および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の全面、並びに、第２面１１ｂの変位電極Ｅ０の全面に密着して、ＦＰＣ１１を覆うように薄い樹脂シート９０が配置されている。つまり、樹脂シート９０は、ＦＰＣ１１の表面において、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの中央部近傍および開口１１ｄに対応する部分を除く領域に配置されている。
【００４１】
従って、ＦＰＣ１１上に容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極Ｅ０などの各電極が設けられた後で、ＦＰＣ１１が、第１面１１ａと第２面１１ｂとが対向するように連結部１１ｃで折り曲げられると、第１面１１ａ上の樹脂シート９０と第２面１１ｂ上の樹脂シート９０とが当接するようになる。このとき、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれの中央部近傍に対応する部分には樹脂シート９０が配置されていないため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の上面と、変位電極Ｅ０を覆う樹脂シート９０の下面との間には所定高さ（樹脂シート９０の厚さをほぼ同じ高さ）の空隙が形成される。このようにして、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極Ｅ０との間に容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成される。なお、ＦＰＣ１１が、上述のように、折り曲げられた後で、第１面１１ａおよび第２面１１ｂ上の樹脂シート９０同士が、接着剤などによって接着される。
【００４２】
また、本実施の形態では、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極Ｅ０、基準電極Ｅ１１および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、リード線（図示しない）によって、接続端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ０、Ｔ１１、Ｔ２１にそれぞれ接続されており、これらの接続端子を介して、基板２０上に設けられたセンサ回路などに接続される。
【００４３】
次に、静電容量式センサ１の回路構成について、図４を参照して説明する。図４は、図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【００４４】
静電容量式センサ１では、ＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極Ｅ０との間には、共通の電極である変位可能な変位電極Ｅ０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４で形成される容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されている。ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ変位電極Ｅ０の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された可変容量素子であるということができる。
【００４５】
また、決定スイッチＳ１が、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と決定スイッチ用可動電極Ｅ２２との間に形成されている。つまり、基準電極Ｅ１１に接触している決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触する状態（オン状態）および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触しない状態（オフ状態）のいずれかの状態を取り得るようになっている。
【００４６】
なお、本実施の形態では、変位電極Ｅ０および基準電極Ｅ１１は、接続端子Ｔ０、Ｔ１１を介してそれぞれ接地されている。
【００４７】
次に、上述のように構成された本実施の形態に係る静電容量式センサ１の動作について、図面を参照して説明する。図５は、図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。図６は、図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【００４８】
まず、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図５に示すように、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合、すなわち、方向ボタン３２の上段部３２ａに形成されたＸ軸正方向に対応するように矢印を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００４９】
方向ボタン３２のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０のＸ軸正方向に対応する突起部６２が下方へと変位する。すると、突起部６２の先端部は、ＦＰＣ１１の第２面１１ｂの裏面に当接するようになって、ＦＰＣ１１の第２面１１ｂの突起部６２が当接する部分近傍に対して下方向への力が作用する。
【００５０】
その後、引き続き、方向ボタン３２のＸ軸正方向部分が押し下げられると、支持部材６０、樹脂シート７０およびＦＰＣ１１がさらに弾性変形を生じてたわみ、変位電極Ｅ０が下方に変位する。従って、変位電極Ｅ０と容量素子用電極Ｅ１と間の間隔が小さくなる。なお、一般的に、容量素子の静電容量値は、容量素子を構成する電極の間隔に反比例することより、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなる。
【００５１】
従って、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のなかで、変位電極Ｅ０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１の静電容量値のみが変化する。そして、このとき、後で詳述するように、端子Ｔ１に入力される周期信号Ａは、容量素子Ｃ１を含む遅延回路を通過することによって位相にずれが生じ、その位相のずれが読み取られることによって出力信号Ｖｘが導出される。
【００５２】
また、このとき、変位電極Ｅ０と容量素子用電極Ｅ２〜Ｅ４とのそれぞれの間隔はほとんど変化しない。そのため、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値は変化せず、容量素子Ｃ２〜Ｃ４をそれぞれ含む遅延回路を通過することによっては、位相にずれは生じない。なお、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合に、方向ボタン３２と支持部材６０の突起体６２との位置関係によって、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値が変化することもあるが、それらの変化量は、容量素子Ｃ１の静電容量値の変化量と比較して小さい。
【００５３】
次に、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図６に示すように、中央ボタン３１に操作が行われた場合、すなわち、中央ボタン３１を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００５４】
中央ボタン３１が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する突起部６１が下方へと変位する。すると、突起部６１の先端部は、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２に当接するようになって、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に対して下方向への力が作用する。
【００５５】
そして、そ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Ｅ２２はほとんど変位しないが、その力が所定値に達したときには、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形して凹んだ状態となって決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触するようになる。これにより、決定スイッチＳ１がオフ状態からオン状態に切り換えられる。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。
【００５６】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化から、検知ボタン３０の方向ボタン３２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７〜図１０を参照して説明する。図７は、図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙの変化は、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００５７】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ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。そして、端子Ｔ１、Ｔ２に周期信号が入力されている状態で方向ボタン３２が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極Ｅ０がＺ軸負方向に変位し、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号の位相にずれが生じる。このように、周期信号に生じる位相のずれを利用して、方向ボタン３２の変位、つまり、方向ボタン３２が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙを得ることができる。
【００５８】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１に対して周期信号Ａが入力されるとき、端子Ｔ２に対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、方向ボタン３２が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ４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および周期信号Ｂの少なくともいずれかの位相にずれが生じる。つまり、容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値が変化すると、端子Ｔ１にそれぞれ入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、一方、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じる。
【００５９】
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か、或いは、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の位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分にそれぞれ対応している。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の位相のずれを例えば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。
【００６０】
また、外部からの力にＹ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化は、外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分にそれぞれ対応している。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の位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｙが導出される。この出力信号Ｖｙの変化量の符号が、外部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｙの変化量の絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。
【００６１】
次に、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するための信号処理回路について、図８を参照しながら説明する。図８は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【００６２】
端子Ｔ１には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３が接続されており、端子Ｔ２には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４が接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端および抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に接続されている。そして、端子Ｔ１２０、Ｔ１２１には、ローパスフィルター（平滑回路）１１０、１１１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に接続され、それぞれ変位電極Ｅ０との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成している。また、変位電極Ｅ０は、上述したように、端子Ｔ１１を介して接地されている。
【００６３】
ここで、ローパスフィルター１１０、１１１は、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から出力される出力信号Ｖｘをアナログ電圧Ｖｘ’に変換するためのものである。つまり、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化が、ローパスフィルター１１０、１１１に入力される前の出力信号Ｖｘの波形のデューティ比の変化として検出され、この信号をローパスフィルター１１０、１１１を通過させて平滑することにより、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。ローパスフィルター１１０、１１１は、抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１および容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１でそれぞれ構成されている。なお、容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１の２つの電極のなかで抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１に接続されていない方の電極は接地されている。
【００６４】
従って、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に対して出力される出力信号Ｖｘは、ローパスフィルター１１０、１１１を通過することにより平滑され、端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に対してアナログ電圧Ｖｘ’として出力される。このアナログ電圧Ｖｘ’の値は、出力信号Ｖｘのデューティ比に比例して変化する。したがって、出力信号Ｖｘのデューティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も大きくなり、一方、出力信号Ｖｘのデューティ比が小さくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も小さくなる。また、出力信号Ｖｘのデューティ比がほとんど変化しないときはアナログ電圧Ｖｘ’の値もほとんど変化しない。
【００６５】
ここから、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図９および図１０を参照して説明する。図９は、図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図８の一部分）である。図１０は、図９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、Ｙ軸方向成分の出力信号Ｖｙの導出方法については、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６６】
図９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。従って、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１００に入力される。
【００６７】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図１０に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００６８】
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つの経路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの周期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。
【００６９】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００７０】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（図１０参照）。
【００７１】
ここで、方向ボタン３２のＸ軸正方向部分に対する操作が行われた場合（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Ｅ０との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１２０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Ｔ１２０’とする（図９参照）。
【００７２】
このとき、上述と同様に、図９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）が入力されている。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１０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。一方、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、方向ボタン３２のＸ軸負方向部分には力が加えられていないため、節点Ｘ２’における周期信号は、節点Ｘ２における周期信号と同じ波形を有している。
【００７３】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０’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１０に示すように、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合において、端子Ｔ１２０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。
【００７４】
ここで、実際には、上述したように、端子Ｔ１２０および端子Ｔ１２０’に対して出力される信号は、いずれもローパスフィルター１１０によって平滑された後で出力される。
【００７５】
なお、本実施の形態の静電容量式センサ１は、力覚センサとして用いられており、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）として利用されるのに好ましい。また、本実施の形態の静電容量式センサ１は、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る場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
以上のように、本実施の形態に係る静電容量式センサ１においては、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極Ｅ０が設けられた１つのＦＰＣ１１が適正に折り曲げられることによって、センサユニット１０が一体に構成された後で、センサユニット１０が、基板２０と検知ボタン３０との間に組み込まれる。従って、検知ボタン３０の形状または大きさが変更された場合でも、検知ボタン３０への操作力に対する容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサ１が例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観または検知ボタン３０の形状が変更されても、ユニット化されたセンサユニット１０は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００７７】
また、センサユニット１０が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサユニット１０単体でその性能を確認することができる。従って、センサユニット１０における容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサユニット（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００７８】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極Ｅ０などの各電極のいずれもが１つのＦＰＣ１１の一方の面上に設けられているため、センサの製造工程がさらに簡略化され、製造コストを低減できる。
【００７９】
また、検知ボタン３０およびセンサユニット１０（ＦＰＣ１１）がそれぞれ別々に基板２０に対して固定されているため、検知ボタン３０およびセンサユニット１０のいずれか一方だけを容易に交換することができる。
【００８０】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極Ｅ０などの各電極が、基板２０上に直接設けられるのではなく、センサユニット１０に設けられる。そして、センサユニット１０は、例えば回路パターン（配線）が形成された基板２０の上に載置することが可能となるため、基板２０の有効配線面積を削減しなくてもよくなる。
【００８１】
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、上述の実施の形態では、センサユニットが、１つのＦＰＣの一方の面上に形成されている複数の電極などを有している場合について説明しているが、これに限らず、センサユニットの構成は任意に変更することができる。従って、上述の複数の電極などは、必ずしも基板の一方の面上に形成されている必要はなく、基板の両方の面上に形成されていてもよい。
【００８２】
また、上述の実施の形態では、基板として、ＦＰＣが用いられている場合について説明しているが、これに限らず、基板としては、ＦＰＣ以外の可撓性を有する基板であってもよいし、剛性を向上させるためにＦＰＣに、例えば薄い金属板、樹脂などの補強板が取り付けられたものであってもよい。ここで、ＦＰＣの裏面に薄い金属板が接着されている場合には、ＦＰＣの復元力が大きくなって、検知ボタンへの操作前および操作後における変位電極の位置ずれが比較的小さくなって、センサのヒステリシスが小さくなるという効果がある。
【００８３】
また、上述の実施の形態では、外部から加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の２つの成分を検出可能な静電容量式センサについて説明しているが、これに限らず、上述の２つのうち必要な１成分だけを検出可能なものであってもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、第１および第２の電極が設けられた１つの基板が適正に折り曲げられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００８５】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００８６】
請求項２によると、各電極のいずれもが１つの基板の一方の面上に設けられているため、センサの製造工程がさらに簡略化され、製造コストを低減できる。
【００８７】
請求項３によると、検知部材と、第１および第２の電極が設けられた基板とが、それぞれ別々に支持されているため、両者のいずれか一方だけを容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図２】図１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
【図３】図１の静電容量式センサのセンサユニットの概略構成を示す図である。
【図４】図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【図５】図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図６】図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図７】図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図８】図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【図９】図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図である。
【図１０】図９に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【図１１】従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図１２】図１１の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【符号の説明】
１　静電容量式センサ
１１　ＦＰＣ（基板）
２０　基板（支持部材）
３０　　操作ボタン（検知部材）
Ｅ０　変位電極（第２の電極）
Ｅ１〜Ｅ４　容量素子用電極（第１の電極）
Ｃ１〜Ｃ４　容量素子
【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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