(57)【要約】【課題】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。【解決手段】変位電極３０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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３０が変位して、接地電位に保持されている基準電極Ｅ０に接触し、その後、基準電極Ｅ０との接触状態を維持したまま変位する。変位電極３０が変位して容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ５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。ここで、変位電極３０は絶縁状態に維持されており、変位電極３０が基準電極Ｅ０と接触していない時には、容量素子には電圧はかからない。従って、容量素子に蓄えられる電荷量は無視できる程度に小さく、出力信号は一定の大きさで安定する。【選択図】        図１
2005003531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ電極と、
前記スイッチ電極と離隔して配置されており、力が加えられることにより変位して前記スイッチ電極と接触可能な導電性部材と、
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ており、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。
【請求項２】
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な導電性部材と、
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ており、
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。
【請求項３】
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、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ており、
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。
【請求項４】
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ることを特徴とする請求項２または３に記載の静電容量型センサ。
【請求項５】
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４に記載の静電容量型センサ。
【請求項６】
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１〜５のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。
【請求項７】
前記導電性部材が、ダイヤフラムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００９】
【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、スイッチ電極と、前記スイッチ電極と離隔して配置されており、力が加えられることにより変位して前記スイッチ電極と接触可能な導電性部材と、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ており、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。
【００１０】
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な導電性部材と、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ており、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。
【００１１】
これらの構成によると、外部からの力により、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、スイッチ電極を接地電位あるいは接地電位とは異なる電位に維持すると共に、導電性部材とスイッチ電極とが接触していないとき、導電性部材が電気的にどこにも接続されずに絶縁状態に維持される構成をとることにより、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。
【００１２】
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、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ており、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。
【００１４】
本発明の静電容量型センサでは、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ってもよい。
【００１５】
この構成によると、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、ダイヤフラムであってもよい。
【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
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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