(57)【要約】基板（２０）上に変位電極（４０）と対向するように、容量素子用電極（Ｅ１）および基準電極（Ｅ３１）を形成し、基準電極（Ｅ３１）に接触するとともに、基準電極（Ｅ３１）の内側に形成されたスイッチ用固定電極（Ｅ１１）と離隔しつつこれを覆うようにドーム形状を有するスイッチ用可動電極（Ｅ２１）を配置する。検知部材（３０）に操作が施され、スイッチ用可動電極（Ｅ２１）の頂部近傍が変位して、スイッチ用固定電極（Ｅ１１）と接触すると、スイッチがＯＮ状態になる。また、変位電極（４０）と容量素子用電極（Ｅ１）との間に構成される容量素子（Ｃ１）の静電容量値の変化から検知部材（３０）への力の大きさを認識できる。
2002073148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面を規定する基板と、
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位置し、前記検知部材がＺ軸方向に変位するのにともなってＺ軸方向に変位する導電性部材と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材と電気的に接続されるとともに、接地または一定の電位に保持された基準電極と、
前記基板上に形成された第１の電極と、
前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第２の電極と、
前記第１の電極から離隔するように配置されていると共に、前記導電性部材が変位するのに伴って、前記第１の電極と接触可能な第３の電極とを備えており、
前記第２の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第２の電極との間隔の変化に起因する前記第１の容量素子の静電容量値の変化を検出することに基づく前記検知部材の変位、および、前記第１の電極と前記第３の電極との接触の有無の少なくとも１つ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３の電極は、前記基準電極に接触し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】
前記第３の電極は、前記導電性部材が変位するのに伴ってクリック感を付随しつつ弾性変形す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。
【請求項４】
前記基準電極と前記導電性部材との間に、第２の容量素子が構成されてい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式センサ。
【請求項５】
前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組が複数形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項６】
前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含む回路および他方を含む回路に、互いに位相が異なる信号が供給され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式センサ。
【請求項７】
前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含むＣＲ回路と他方を含むＣＲ回路との時定数が異なることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項８】
前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含む回路および他方を含む回路にそれぞれ入力された信号の出力信号が論理素子を利用した信号処理回路により検出されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項９】
前記論理素子が、排他的論理和演算を行うことを特徴とする請求項８に記載の静電容量式センサ。
【請求項１０】
前記論理素子が、論理和演算を行うことを特徴とする請求項８に記載の静電容量式センサ。
【請求項１１】
前記論理素子が、論理積演算を行うことを特徴とする請求項８に記載の静電容量式センサ。
【請求項１２】
前記論理素子が、論理積演算および否定演算を行うことを特徴とする請求項８に記載の静電容量式センサ。
【請求項１３】
前記検知部材が、前記基準電極、前記第１の電極および前記第３の電極と、前記第２の電極とのそれぞれに対応して分割されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項１４】
前記第２の電極が、Ｙ軸に対して線対称に配置された一対の第４の電極と、Ｘ軸に対して線対称に配置された一対の第５の電極とを含んでいることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項１５】
前記検知部材が、前記第４の電極および前記第５の電極のそれぞれに対応して分割されていることを特徴とする請求項１４に記載の静電容量式センサ。
【請求項１６】
前記基板上に形成された第６の電極と、
前記第６の電極から離隔するように配置されていると共に、前記導電性部材が変位するのに伴って弾性変形して前記第６の電極と接触可能な第７の電極とをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項１７】
前記検知部材が、前記第２の電極および前記第６の電極に対応して分割されていることを特徴とする請求項１６に記載の静電容量式センサ。
【請求項１８】
前記検知部材は、絶縁性を有する部材で覆われていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項１９】
前記基板上に配置された光源と、
透光領域および非透光領域を有する膜状部材とをさらに備えているとともに、前記検知部材は、透光性を有していることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【請求項２０】
前記導電性部材は、透光性を有していることを特徴とする請求項１８に記載の静電容量式センサ。
【請求項２１】
有色で透光性を有しており、前記光源と前記検知部材との間に配置された着色部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載の静電容量式センサ。
【請求項２２】
前記検知部材は、透光性および絶縁性を有する部材で覆われていることを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、静電容量式センサに関し、特に、多次元方向の操作入力を行うために用いて好適であると共にスイッチ機能を有する装置としても利用できる静電容量式センサに関する。
背景技術
静電容量式センサは、操作者が加え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、ゲーム機器の入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式力覚センサ（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。
静電容量式センサでは、操作者から伝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力覚センサとしても利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔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静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコストダウンを図ることができるメリットがあるために、さまざまな分野で実用化されている。
例えば、日本国特開平７（１９９５）−２００１６４号公報には、第３０図に示すような静電容量式センサが開示されている。静電容量式センサ５１０は、基板５２０と、基板５２０上に設けられた弾性ゴム板５３０と、弾性ゴム板５３０の下面に設けられた電極部５４０と、基板５２０の上面に設けられた電極部５００〜５０４（第３１図参照）と、弾性ゴム板５３０を基板５２０に対して支持固定する押え板５６０と、基板５２０の下面に設けられた電子装置５８０とから構成されている。また、電極部５００〜５０４は、第３１図に示すように、Ｙ軸に対して線対称に配置された電極部５０１、５０２と、Ｘ軸に対して線対称に配置された電極部５０３、５０４と、これらの外側に配置された円環状の電極部５００とにより構成されている。また、電極部５４０の外周部分は、接地されている電極部５００と接触しており、電極部５００を介して接地されている。
操作者が弾性ゴム板５３０を押下すると、その押下力に伴って電極部５４０が下方に変位して、これと４つの電極部５０１〜５０４との間の距離が変化する。すると、４つの電極部５０１〜５０４のそれぞれと電極部５４０との間で構成された容量素子の静電容量値が変化する。従って、この静電容量値の変化を検出することによって、操作者が加えた力の大きさおよび方向を知ることが可能となっている。
しかしながら、第３０図および第３１図に示した静電容量式センサ５１０は、操作者が弾性ゴム板５３０を押下したときの力の大きさを認識することができる装置（力覚センサ）として利用するためには適しているが、異なる２つの状態（例えば、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態）を切り替えるスイッチ機能を有する装置として利用するためには適していない。したがって、静電容量式センサ５１０を各方向へのスイッチ機能を有する装置として機器に組み込む場合には、静電容量式センサ５１０をそのまま利用することは難しく、各方向に対応するスイッチ機能を別に設ける必要がある。
そこで、本発明の目的は、各方向の力の大きさを認識する装置およびスイッチ機能を有する装置のいずれにも利用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。
発明の開示
本発明の静電容量式センサは、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、ＸＹ平面を規定する基板と、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位置し、前記検知部材がＺ軸方向に変位するのにともなってＺ軸方向に変位する導電性部材と、前記基板上に形成され、前記導電性部材と電気的に接続されるとともに、接地または一定の電位に保持された基準電極と、前記基板上に形成された第１の電極と、前記基板上に形成され、前記導電性部材との間で第１の容量素子を構成する第２の電極と、前記基準電極に接触し且つ前記第１の電極から離隔するように配置されていると共に、前記導電性部材が変位するのに伴って、前記第１の電極と接触可能な第３の電極とを備えており、前記第２の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第２の電極との間隔の変化に起因する前記第２の容量素子の静電容量値の変化を検出することに基づく前記検知部材の変位および前記第１の電極と前記第３の電極との接触の有無の少なくとも１つを認識可能であることを特徴としている。
このような構成にすることにより、導電性部材と第２の電極との間隔の変化に起因する第１の容量素子の静電容量値の変化を検出することによって、検知部材の変位を認識することができるため、検知部材に外部から加えられた力の大きさを認識可能である。また、第１の電極と第３の電極との接触の有無を認識することができるため、これをスイッチ機能として利用することができる。したがって、本発明の静電容量式センサは、検知部材の変位（検知部材に外部から加えられた力の大きさ）を信号（アナログ信号）として出力する機能を有する装置または／およびスイッチ機能を有する装置として利用することが可能である。これにより、この静電容量式センサは上記のいずれの装置としても利用できる複合デバイスとしての機能を有し、上記両用途に合わせて製造し直す必要がなくなる。
また、本発明の静電容量式センサでは、前記第３の電極は、前記基準電極に接触していてよい。これによると、第３の電極に対する配線を別途設ける必要がない。
また、本発明の静電容量式センサでは、前記導電性部材が変位するのに伴ってクリック感を付随しつつ弾性変形する前記第３の電極を備えていてよい。
ここで、第３の電極がクリック感を付随しつつ弾性変形して第１の電極と接触可能とするために、第３の電極は、ある一定以上の外力を加えると第１の電極の方向への変位速度が（好ましくは急激に）大きくなる部材、つまり、加えられる外力が所定値を超えると、外力が所定値よりも小さいとき（このときの変位速度はゼロでもよい）よりも第１の電極の方向への変位速度が大きくなる部材で構成されている。
このような構成によると、本発明の静電容量式センサをスイッチ機能を有する装置として利用した場合に、検知部材に対して操作を施したとき、操作方向に対応する第３の電極がクリック感を付随しつつ弾性変形して第１の電極と接触するため、操作者はクリック感を感じつつ操作を行うことができ、操作を実行したことを感覚的に容易に把握することができる。特に、第３の電極がドーム形状を有しており、その内側に第１の電極が配置されている場合には、導電性部材から作用する力が所定値に達したときにドーム形状をした第３の電極の頂部近傍が急激に変位して凹んだ状態となって第１の電極に接触するため、操作者に明瞭なクリック感を与えることが可能となる。
また、本発明の静電容量式センサでは、前記基準電極と前記導電性部材との間に、第２の容量素子が構成されていてよい。このような構成によると、導電性部材が直接接触することによってではなく、容量結合によって接地または一定の電位に保持された基準電極と電気的に結合される。そのため、センサの耐電圧特性が向上し、スパーク電流が流れることによってセンサが破損することがほとんどなくなるとともに、接続不良などの不具合を防止することができるため、信頼性の高い静電容量式センサを得ることができる。また、基準電極と導電性部材との間に絶縁膜を配置した場合においても、絶縁膜の一部をカットして基準電極と導電性部材とを接触させる必要がないため、組立および実装面でも有利となる。
また、本発明の静電容量式センサでは、前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組が複数形成されていることが好ましい。これによると、各組を別方向の力を認識するために用いることによって多次元的な力の認識が可能になる。また、異なる方向に対応するスイッチ機能を有する装置として利用することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含む回路および他方を含む回路に、互いに位相が異なる信号が供給されるものであってよい。これによると、二組の一方を含む回路および他方を含む回路の時定数が同じものであるかどうかにかかわらず、検知部材の変位を認識することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含むＣＲ回路と他方を含むＣＲ回路との時定数が異なるものであってよい。これによると、回路を通過することによる信号の位相のずれを大きくできるため、検知部材の変位認識の精度を向上させることができる。また、検知部材の変位検出可能範囲を大きくすることができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記基準電極、前記第１の電極、前記第２の電極および前記第３の電極の組を２つ有しており、これら二組の一方を含む回路および他方を含む回路にそれぞれ入力された信号の出力信号が排他的論理和演算、論理和演算、論理積演算、論理積演算および否定演算のいずれかを行う論理素子を利用した信号処理回路により検出されることが好ましい。これによると、出力信号を精度よく検出することができ、さらに必要に応じて検出精度を調整することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記検知部材が、前記基準電極、前記第１の電極および前記第３の電極と、前記第２の電極とのそれぞれに対応して分割されていることが好ましい。このような構成によると、操作方向に対応する外部から力とスイッチに対応する外部からの力とが明確に分離されるため、互いに干渉するのを軽減することができ、誤操作を減少させることができる。
さらに、本発明の静電容量式センサは、前記第２の電極が、Ｙ軸に対して線対称に配置された一対の第４の電極と、Ｘ軸に対して線対称に配置された一対の第５の電極とを含んでいるものであってよい。これによると、検知部材が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記検知部材が、前記第４の電極および前記第５の電極のそれぞれに対応して分割されていることが好ましい。このような構成によると、外部からの力のＸ軸方向またはＹ軸方向の各成分が明確に分離されるため、異なる方向の成分が互いに干渉するのを軽減することができ、誤操作を減少させることができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記基板上に形成された第６の電極と、前記基準電極に接触し且つ前記第６の電極から離隔するように配置されていると共に、前記導電性部材が変位するのに伴って弾性変形して前記第６の電極と接触可能な第７の電極とをさらに備えているものであってよい。このような構成によると、上述した効果が得られるほか、さらに、検知部材の操作によって互いに接触可能な第６の電極および第７の電極を備えていることで、入力の決定操作を行う際などに使用可能なスイッチを付加することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記検知部材が、前記第２の電極および前記第６の電極に対応して分割されていることが好ましい。このような構成によると、操作方向に対応する外部からの力と決定操作に対応する外部からの力とが明確に分離されるため、これらの力が互いに干渉するのを軽減することができ、誤操作を減少させることができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記検知部材が、絶縁性を有する部材で覆われていることが好ましい。このような構成によると、検知部材が金属により形成されている場合に、検知部材の表面が空気にさらされて酸化するのを防止することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記基板上に配置された光源と、透光領域および非透光領域を有する膜状部材とをさらに備えているとともに、前記検知部材は、透光性を有しているものであってよい。このような構成によると、光源から出射された光は、膜状部材に形成された所定形状の透光部に対応する部分を通過して検知部材に達するため、検知部材を外部から見たとき、透光部の所定形状の部分のみを照らし出すようにすることができる。したがって、検知部材の位置および操作方向を容易に把握することができるようになり、特に静電容量式センサを備えた機器を暗い場所で使用する場合でも検知部材に対する操作を適切に施すことができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記導電性部材が、透光性を有していることが好ましい。このような構成によると、光源から出射された光が検知部材に導かれ易くなるため、検知部材を外部から見たとき、膜状部材に形成された透光領域の所定形状の部分を十分な明るさで照らし出すようにすることができる。
また、本発明の静電容量式センサは、有色で透光性を有しており、前記光源と前記検知部材との間に配置された着色部材をさらに備えていてよい。これによると、検知部材を外部から見たときに、透光部の所定形状の部分のみが照らし出される光の色を変更することができる。
また、本発明の静電容量式センサは、前記検知部材が、透光性および絶縁性を有する部材で覆われていることが好ましい。このような構成によると、検知部材が金属により形成されている場合に、検知部材の表面が空気にさらされて酸化するのを防止することができる。さらに、光源から出射された光は、絶縁性を有する部材を通過して外部に導かれるため、検知部材を外部から見たとき、透光領域の所定形状の部分のみを照らし出すようにすることができる。
発明を実施するための最良の形態
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。
第１図は、本発明の第１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。第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。第３図は、第１図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。
静電容量式センサ１０は、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部材３０と、変位電極４０と、基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、ドーム形状を有するスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４（第１図ではＥ２１およびＥ２２のみを示す）と、その内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４（第１図ではＥ１１およびＥ１２のみを示す）と、ドーム形状を有するボタン用可動電極Ｅ２５と、その内側に配置されたボタン用固定電極Ｅ１５と、基準電極（共通電極）Ｅ３１〜３５と、複数の電極に密着して基板２０上を覆うように形成された絶縁膜５０と、検知部材３０および変位電極４０を基板２０に対して支持固定する支持部材６０と、支持部材６０および検知用部材３０の周囲を覆うように配置されたカバーケース７０とを有している。
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、第１図では、基板２０上のボタン用固定電極Ｅ１５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。ここで、基板２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２０上のボタン用固定電極Ｅ１５、検知部材３０および変位電極４０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
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。
検知部材３０は、原点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リング状のサイドボタン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Ｅ３５の外径とほぼ同じである。また、サイドボタン３２は、受力部となる小径の上段部３２ａと上段部３２ａの下端部に伸延する大径の下段部３２ｂから構成されており、上段部３２ａの径は、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り、下段部３２ｂの径は、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大きくなっている。なお、中央ボタン３１およびサイドボタン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。
中央ボタン３１は、ボタン用可動電極Ｅ２５、ボタン用固定電極Ｅ１５および基準電極Ｅ３５に対応するように支持部材６０の上面に接着されている。また、サイドボタン３２は、その下段部３２ｂがカバーケース７０の一部である止め部７０ａにより押止され、支持部材６０の上面に抜け止め構造により配置されている。なお、サイドボタン３２は支持部材６０の上面に接着されていてもよい。
また、サイドボタン３２の上段部３２ａの上面には、第２図に示すように、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。
支持部材６０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大きい径を有する円盤状の部材であり、弾性を有するシリコンゴムにより形成されている。また、支持部材６０の下面には、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大きい径を有する円形で下方に開いた凹部６０ａが形成されており、支持部材６０の下面の凹部６０ａ以外の部分が基盤２０に接触するように配置されている。
変位電極４０は、導電性を有するシリコンゴムで形成され、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一の径を有する円盤状であり、支持部材６０の下面の凹部６０ａ内に付着されている。また、変位電極４０の下面のボタン用固定電極Ｅ１５に対向する位置には突起体４１が形成されており、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４にそれぞれ対向する位置には、４つの突起体４２が形成されている。
なお、変位電極４０としては、シリコンゴムの他、例えば、導電性インク、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）、導電性プラスチック、金属蒸着フィルムを用いてもよい。また、変位電極４０の突起体４１、４２は無くてもよい。
また、基板２０上には、第３図に示すように、原点Ｏを中心とする円形のボタン用固定電極Ｅ１５と、ボタン用固定電極Ｅ１５の外側に配置されたリング状の基準電極Ｅ３５と、その外側に扇形であり、それぞれのほぼ中央部に円形の孔Ｈ１〜Ｈ４を有する容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、孔Ｈ１〜Ｈ４の内側で、孔Ｈ１〜Ｈ４の径よりも小さい外径を有するリング状の基準電極Ｅ３１〜Ｅ３４と、基準電極Ｅ３１〜Ｅ３４の内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とが形成されている。
一対の容量素子用電極Ｅ１およびＥ２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。ここでは、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。
容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４、ボタン用固定電極Ｅ１５および基準電極Ｅ３１〜３５は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１〜Ｔ４、Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ１５およびＴ３１〜Ｔ３５（第４図参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子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。なお、ここでは、基準電極Ｅ３１〜３５は、端子Ｔ３１〜Ｔ３５を介して接地されている。
また、基準電極Ｅ３１〜３４にそれぞれ接触するとともに、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と離隔しつつこれを覆うようにドーム状のスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４が配置されている。したがって、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４は孔Ｈ１〜Ｈ４よりも大きい径を有している。同様に、基準電極Ｅ３５に接触するとともに、ボタン用固定電極Ｅ１５と離隔しつつこれを覆うようにドーム状のボタン用可動電極Ｅ２５が配置されている。したがって、ボタン用可動電極Ｅ２５は基準電極Ｅ３５の内径よりも大きい径を有している。
また、絶縁膜５０は、基板２０上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ３１〜３５の一部およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２５に密着して、基板２０上を覆うように形成されている。このため、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ３１〜３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２５の絶縁膜５０で覆われている部分は空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ３１〜３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２５に対して、その表面への金メッキの形成などの酸化防止対策を施しておいてもよい。また、絶縁膜５０が形成されているため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ３１〜３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４と、変位電極４０とが直接接触することはない。
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１０の構成について、図面を参照して説明する。第４図は、第１図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。
静電容量式センサ１０の構成と等価な回路構成について、第４図を参照して説明する。基板２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および基準電極Ｅ３１〜Ｅ３５は、変位電極４０と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極４０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および基準電極Ｅ３１〜Ｅ３５との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ４および容量素子Ｃ３１〜３５を形成している。容量素子Ｃ１〜Ｃ４および容量素子Ｃ３１〜３５は、それぞれ変位電極４０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。
容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値は、変位電極４０と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれに接続された端子Ｔ１〜Ｔ４との間の静電容量値として、それぞれ独立して測定することができる。ここで、基準電極Ｅ３１〜Ｅ３５は、それぞれ端子Ｔ３１〜Ｔ３５を介して接地されており、容量素子Ｃ１〜Ｃ４における共通の電極である変位電極４０は、容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５および端子Ｔ３１〜Ｔ３５を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５は、変位電極４０と端子Ｔ３１〜Ｔ３５とを容量結合している。
また、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基準電極Ｅ３１〜Ｅ３４に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４は、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得ることにより、基準電極Ｅ３１〜Ｅ３４と端子Ｔ１１〜Ｔ１４とを接続させるまたは接続させないスイッチＳ１〜Ｓ４としての機能を有している。さらに、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向の４方向に対応するスイッチＳ１〜Ｓ４とは別に、基準電極Ｅ３５に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２５は、スイッチ用固定電極Ｅ１５と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得ることにより、基準電極Ｅ３５と端子Ｔ１５とを接続させるまたは接続させないスイッチＳ５としての機能を有している。ここで、スイッチＳ１〜Ｓ５の状態に対応するスイッチ信号は、端子Ｔ１１〜Ｔ１４からそれぞれ出力される。
次に、静電容量式センサ１０が検知部材３０への力の大きさを検出する装置（力覚センサ）として利用される場合の動作について説明する。
まず、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化から検知部材３０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、図面を参照して説明する。第５図は、第１図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。なお、第５図では出力信号を導出する方法の説明に必要な部分のみを示している。また、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ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。
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ１〜Ｔ４に対して、常にクロック信号などの周期信号が入力される。端子Ｔ１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１とＣ３１は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ２とＣ３２は端子Ｔ２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ３とＣ３３は端子Ｔ３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ４とＣ３４は端子Ｔ４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
端子Ｔ１〜Ｔ４に周期信号が入力されている状態で検知部材３０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４０がＺ軸方向に変位し、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〜Ｔ４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、検知部材３０の変位、つまり検知部材３０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。
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１〜Ｔ４に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ１、Ｔ３に対しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２、Ｔ４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、検知部材３０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〜Ｔ４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。
すなわち、外部からの力にＸ軸正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。また、外部からの力にＸ軸負方向成分が含まれる場合は、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量は、それぞれ外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分の大きさに対応している。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の位相のずれを排他和回路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、その絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。
また、外部からの力にＹ軸正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Ｔ３に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。また、外部からの力にＹ軸負方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化し、端子Ｔ４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Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化量は、それぞれ外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分の大きさに対応している。このように、端子Ｔ３および端子Ｔ４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、その絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。
なお、外部からの力にＸ軸方向成分またはＹ軸方向成分が含まれる場合において、Ｘ軸正方向およびＸ軸負方向の両方の成分またはＹ軸正方向およびＹ軸負方向の両方の成分を含む場合がある。ここで、例えばＸ軸方向について考えると、Ｘ軸正方向成分およびＸ軸負方向成分のそれぞれの大きさが同じ場合の出力信号Ｖｘの値は、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれない場合の出力信号Ｖｘの値とほとんど同じである（詳細は、後述する）。一方、Ｘ軸正方向成分とＸ軸負方向成分とが異なる場合には、端子Ｔ１、Ｔ２に入力されたそれぞれの周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれる量がそれぞれ異なり、上述した場合と同様に、その位相のずれを排他和回路で読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。また、このことは、Ｙ軸方向についての出力信号Ｖｙの導出に対しても同様のことがいえる。
次に、端子Ｔ１〜Ｔ４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、図面を参照しながら説明する。第６図は、第１図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。なお、第６図では信号処理回路の説明に必要な部分のみを示している。
第６図に示す信号処理回路において、端子Ｔ１〜Ｔ４には、図示されていない交流信号発振器から所定周波数の周期信号が入力される。これらの端子Ｔ１〜Ｔ４には、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ接続されている。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８１、８２が接続されており、その出力端は端子Ｔ５１、Ｔ５２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と変位電極４０との間で構成する容量素子Ｃ１〜Ｃ４に接続されている。また、容量素子Ｃ１、Ｃ２のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は、変位電極４０と基準電極Ｅ３１との間で構成される容量素子Ｃ３１を介して接地されている。同様に、容量素子Ｃ３、Ｃ４のそれぞれの一方の電極である変位電極４０は、変位電極４０と基準電極Ｅ３３との間で構成される容量素子Ｃ３３を介して接地されている。なお、変位電極４０と基準電極Ｅ３１〜Ｅ３５との間で構成される容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５は、いずれも同様に変位電極４０を接地させる機能を有している。
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、第７図を参照して説明する。なお、Ｙ軸方向成分の出力信号Ｖｙの導出方法についても同様であるので説明を省略する。第７図は、第１図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（第６図の一部分）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８１において合流する。
なお、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出来ない場合には、端子Ｔ１と抵抗素子Ｒ１との間および端子Ｔ２と抵抗素子Ｒ２との間にインバータ素子を挿入するのが好ましい。ここで、インバータ素子は、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、論理的には意味のない素子である。また、インバータ素子として、同一の素子を用いることにより、異なる経路の信号を同じ条件で比較することが可能である。
次に、第７図の回路の動作について、第８図を参照して説明する。第８図は、第７図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。
第７図の信号処理回路において、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８１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に対応しており、以下周期信号Ａと称する）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に対応しており、以下周期信号Ｂと称する）が入力される。ここでは、周期信号Ａのデューティ比Ｄ０は５０％であり、周期信号Ｂは周期信号Ａの位相が周期信号Ａの周期の１／４だけ進んでいる場合について説明する。
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Ａおよび周期信号Ｂは、１つの交流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Ａおよび周期信号Ｂを発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
第８図の（ａ）、（ｂ）は、端子Ｔ１、Ｔ２に入力される周期信号Ａおよび周期信号Ｂの波形を示している。ここで、検知部材３０に外部から力が作用していない（操作が施されない）状態では、端子Ｔ１、Ｔ２に入力される周期信号Ａおよび周期信号Ｂはほとんど遅延することなくＥＸ−ＯＲ素子８１に入力される。したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、端子Ｔ１、Ｔ２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Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、第８図の（ｃ）に示すように、デューティ比Ｄ１を有する矩形波信号である。
次に、検知部材３０にＸ軸正方向への操作のみが施された場合には、端子Ｔ１に入力される周期信号Ａは、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１で構成する遅延回路を通過することにより遅延して節点Ｘ１に到達する。ここで、第８図（ｄ）は、端子Ｔ１に周期信号Ａを入力した場合の第７図に示す信号処理回路の節点Ｘ１における電位の変化を示している。
端子Ｔ１に「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号を繰り返す周期信号が入力された場合には、第８図（ｄ）に示すように、「Ｈｉ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延回路を構成する容量素子Ｃ１に次第に電荷が蓄えられることにより、節点Ｘ１における電位は次第に増加し、また、「Ｌｏ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延回路を構成する容量素子Ｃ１の電荷が次第に放電されることにより節点Ｘ１における電位は次第に減少するという変化を繰り返す。
なお、実際には、節点Ｘ１の電位の波形は、所定のしきい値を有するコンパレータ（図示しない）を介することによって矩形波（パルス波形）に変換されるようになっている。このコンパレータでは、設定されたしきい値よりも大きい場合は「Ｈｉ」の信号を出力し、小さい場合は「Ｌｏ」の信号を出力することにより矩形波を形成する。ここで、ＥＸ−ＯＲ素子８１がＣ−ＭＯＳ型の論理素子の場合には、電源電圧がＶｃｃであれば、コンパレータのしきい値電圧をＶｃｃ／２程度としておくことが好ましい。このように、節点Ｘ１の電位の波形は、コンパレータを介することにより、第８図（ｅ）に示すように、デューティ比Ｄ２を有する矩形波に変換される。
また、このとき、端子Ｔ２に入力される周期信号Ｂはほとんど遅延することがないため、節点Ｘ２に到達する周期信号の波形は周期信号Ｂ（第８図（ｂ）に示す波形の信号）と同一である。
したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号（第８図（ｂ）および第８図（ｅ）に示す波形の信号）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Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、第８図（ｆ）に示すようにデューティ比Ｄ３を有する矩形波信号である。
なお、検知部材３０のＸ軸正方向部分がさらに押下されると、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１との間隔が小さくなり、それに伴って容量素子Ｃ１の静電容量値が大きくなる。このとき、周期信号Ａが遅延回路を通過することによる位相のずれ（遅延する量）はおおきくなり、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ３も大きくなる。
次に、検知部材３０にＸ軸負方向への操作のみが施された場合には、端子Ｔ２に入力される周期信号Ｂは、容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２で構成する遅延回路を通過することにより遅延して節点Ｘ２に到達する。ここで、第８図（ｇ）は、端子Ｔ２に周期信号Ｂを入力した場合の第７図に示す信号処理回路の節点Ｘ２における電位の変化を示している。
端子Ｔ２に「Ｈｉ」または「Ｌｏ」の信号を繰り返す周期信号が入力された場合には、第９図（ｇ）に示すように、「Ｈｉ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延回路を構成する容量素子Ｃ２に次第に電荷が蓄えられることにより、節点Ｘ２における電位は次第に増加し、また、「Ｌｏ」の信号の入力が開始するとＣＲ遅延回路を構成する容量素子Ｃ２の電荷が次第に放電されることにより節点Ｘ２における電位は次第に減少するという変化を繰り返す。
なお、実際には、節点Ｘ２の電位の波形は、所定のしきい値を有するコンパレータ（図示しない）を介することによって矩形波（パルス波形）に変換されるようになっている。このコンパレータでは、設定されたしきい値よりも大きい場合は「Ｈｉ」の信号を出力し、小さい場合は「Ｌｏ」の信号を出力することにより矩形波を形成する。ここで、ＥＸ−ＯＲ素子８１がＣ−ＭＯＳ型の論理素子の場合には、電源電圧がＶｃｃであれば、コンパレータのしきい値電圧をＶｃｃ／２程度としておくことが好ましい。このように、節点Ｘ２の電位の波形は、コンパレータを介することにより、第８図（ｈ）に示すように、デューティ比Ｄ４を有する矩形波に変換される。
また、このとき、端子Ｔ１に入力される周期信号Ａはほとんど遅延することがないため、節点Ｘ１に到達する周期信号の波形は周期信号Ａ（第８図（ａ）に示す波形の信号）と同一である。
したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号（第８図（ａ）および第８図（ｈ）に示す波形の信号）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Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、第８図（ｉ）に示すようにデューティ比Ｄ５を有する矩形波信号である。
検知部材３０のＸ軸負方向部分がさらに押下されると、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ２との間隔が小さくなり、それに伴って容量素子Ｃ２の静電容量値が大きくなる。このとき、周期信号Ｂが遅延回路を通過することによる位相のずれ（遅延する量）はおおきくなり、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ３は小さくなる。
このように、検知部材３０にＸ軸負方向への操作のみが施された場合に端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ５（第８図（ｉ）参照）は、検知部材３０にＸ軸正方向への操作のみが施された場合に端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ２（第８図（ｅ）参照）よりも小さくなっている。
ここで、検知部材３０にＸ軸正方向およびＸ軸負方向への操作が同時に施された場合には、端子Ｔ１、Ｔ２に入力される周期信号Ａおよび周期信号Ｂは、容量素子Ｃ１および抵抗素子Ｒ１で構成する遅延回路および容量素子Ｃ２および抵抗素子Ｒ２で構成する遅延回路をそれぞれ通過して節点Ｘ１、Ｘ２に到達する。したがって、このときの節点Ｘ１、Ｘ２における電位の変化は第８図（ｄ）および第８図（ｇ）に示すようになる。
したがって、ＥＸ−ＯＲ素子８１には、節点Ｘ１、Ｘ２における電位の変化（第８図（ｄ）および第８図（ｇ）に示す波形）を所定のしきい値でデジタル化した信号（第８図（ｅ）および第８図（ｈ）に示す波形の信号）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Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、第８図（ｊ）に示すようにデューティ比Ｄ６を有する矩形波信号である。
このように、検知部材３０にＸ軸正方向およびＸ軸負方向への操作が同時に施された場合に端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ６（第８図（ｊ）参照）は、検知部材３０に操作が施されない場合に端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘのデューティ比Ｄ１（第９図（ｃ）参照）とほとんど同じである。但し、両者の信号の位相はずれている。
また、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、アナログ電圧Ｖｘ’に変換して利用することができる。第９図は、第１図に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての出力信号をアナログ電圧に変換する回路を含む信号処理回路を示す回路図である。
第９図に示すように、端子Ｔ５１に対して出力される出力信号Ｖｘは、抵抗素子Ｒ７０および容量素子Ｃ７０で構成されるローパスフィルター７０を通過することにより平滑され、端子７０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。
次に、静電容量式センサ１０がスイッチ機能を有する装置（スイッチ信号出力装置）として利用される場合の動作について説明する。ここでは、検知部材３０のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作についてのみ説明する。なお、検知部材３０のＸ軸負方向、Ｙ軸正方向またはＹ軸負方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作は、Ｘ軸正方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作と同様であるため、その説明は省略する。
検知部材３０に操作が施されていない場合には、スイッチ用可動電極Ｅ２１とスイッチ用固定電極Ｅ１１とは離隔しているため、スイッチＳ１はＯＦＦ状態であり、端子１１からはＯＦＦ状態を示すスイッチ信号が出力されている。そして、検知部材３０のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられると、変位電極４０に形成されたＸ軸正方向に対応する突起体４２が下方へと変位する。すると、突起体４２から絶縁膜５０を介してスイッチ用可動電極Ｅ２１の中央部に対して下方向への力が作用する。そして、その力が所定値に満たないときにはスイッチ用可動電極Ｅ２１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、スイッチ用可動電極Ｅ２１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スイッチ用固定電極Ｅ１１と接触する。これにより、スイッチＳ１がＯＮ状態になって、操作者には、明瞭なクリック感が与えられることになる。また、このとき、端子１１から出力されるスイッチ信号は、ＯＦＦ状態を示す信号からＯＮ状態を示す信号に切り替わる。
このように、操作者は検知部材３０のＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向に対応する部分を押下することにより、それぞれの方向に対応した４つの独立したスイッチ信号を出力することができる。
なお、静電容量式センサ１０が検知部材３０への力の大きさを検出する装置およびスイッチ機能を有する装置として利用される場合のいずれにおいても、中央ボタン３１を押下して、ボタン用可動電極Ｅ２５とボタン用固定電極Ｅ１５とで構成されるスイッチＳ５を切り替えることにより、独立したスイッチ信号を端子１５から出力することができる。したがって、これを決定操作用のスイッチとして利用することができる。
また、静電容量式センサ１０が、検知部材３０への力の大きさを検出する装置およびスイッチ機能を有する装置のいずれにも併用されている場合も考えられる。このときには、検知部材３０のＸ軸正方向に対応する部分が（スイッチ用可動電極Ｅ２１とスイッチ用固定電極Ｅ１１とが離隔している状態を保持する程度の力で）押し下げられると、スイッチＳ１がＯＦＦ状態において、変位電極４０のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１との間隔が変化し、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化する。この静電容量値の変化から検知部材３０のＸ軸正方向に加えられた力の大きさが認識される。そして、その力が所定値に達したときには、スイッチ用可動電極Ｅ２１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スイッチ用固定電極Ｅ１１と接触して、スイッチＳ１がＯＮ状態になる。その後、引き続き検知部材３０が変位すると、スイッチＳ１がＯＮ状態を保持しつつ変位電極４０がさらに変位することにより、変位電極４０のＸ軸正方向部分と容量素子用電極Ｅ１との間隔が変化し、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化する。この静電容量値の変化から検知部材３０のＸ軸正方向に加えられた力の大きさを認識する。
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１０は、変位電極４０と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間隔の変化に起因する容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を検出することによって、検知部材３０のサイドボタン３２の変位を認識することができるため、検知部材３０のサイドボタン３２に外部から加えられた力の大きさを認識可能である。また、スイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４との接触の有無を認識することができるため、これをスイッチ機能として利用することができる。したがって、静電容量式センサ１０は、検知部材３０のサイドボタン３１の変位を信号（アナログ信号）として出力する機能を有する装置または／およびスイッチ機能を有する装置として利用することが可能である。これにより、この静電容量式センサ１０は上記のいずれの装置としても利用できる複合デバイスとしての機能を有し、上記両用途に合わせて製造し直す必要がなくなる。
また、スイッチ機能を有する装置として利用した場合に、検知部材３０のサイドボタン３２に対して操作を施したとき、操作方向に対応するドーム形状をしたスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４がクリック感を付随しつつ弾性変形してスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と接触するため、操作者はクリック感を感じつつ操作を行うことができ、操作を実行したことを感覚的に容易に把握することができる。また、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４およびボタン用可動電極Ｅ２５が基準電極Ｅ３１〜３５に接触するように配置されているため、スイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４およびボタン用可動電極Ｅ２５に対する配線を別途設ける必要がない。
また、複数の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４が形成され、検知部材３０のサイドボタン３２が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識することができる。ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ１およびＥ２、Ｅ３およびＥ４）に対して、互いに位相が異なる信号が供給されるため、回路を通過することによる信号の位相のずれを大きくでき、さらに、その信号を論理素子を利用した信号処理回路を用いるため、精度よく検出することができる。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対応するように複数のスイッチ用可動電極Ｅ２１〜Ｅ２４およびスイッチ用固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４が形成されており、異なる方向に対応するスイッチとして利用することができる。
また、変位電極４０は、直接接触することによってではなく、容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５（カップリングコンデンサとしての機能を有している）による容量結合によって接地された基準電極Ｅ３１〜Ｅ３５と電気的に結合されるため、静電容量式センサ１０の耐電圧特性が向上し、スパーク電流が流れることによってセンサが破損することがほとんどなくなるとともに、接続不良などの不具合を防止することができるため、信頼性の高い静電容量式センサを得ることができる。また、基準電極Ｅ３１〜３５と変位電極４０との間に絶縁膜５０が配置されているが、絶縁膜５０の一部をカットして基準電極Ｅ３１〜３５と変位電極４０とを接触させる必要がないため、組立および実装面でも有利となる。
また、決定操作用のスイッチ（中央ボタン３１）の付いた入力装置を作成することができ、決定操作をしたときに、明確な操作触感が得られるため、誤操作を防止することができる。また、検知部材１３０が中央ボタン１３１とサイドボタン１３２とに分割されているため、サイドボタン１３２に作用する操作方向に対応する外部からの力と中央ボタン１３１に作用する決定操作に対応する外部からの力とが明確に分離されるため、これらの力が互いに干渉するのを軽減することができ、誤操作を減少させることができる。なお、この構成の静電容量式センサは、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として利用されるのに好ましい。
次に、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例について、図面を参照しつつ説明する。第１０図は、第１の変形例に係る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。第１０図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の代わりにＯＲ素子が用いられている点である。なお、その他の構成は、第１図の静電容量式センサと同一であるので、同一符号を付して説明を省略する。
第１０図において、検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａ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、第８図（ｅ）に示すように所定の遅延が生じている。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂ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２における周期信号には、第８図（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。
したがって、第７図と同様に、ＯＲ素子８３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論理和演算が行われ、その結果を端子Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子５１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。
ここで、ＯＲ素子８３が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号と検知部材３０に操作が施されていないときに端子５１に対して出力される矩形波信号との間のデューティ比の変化量は、ＥＸ−ＯＲ素子が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号のそれと比較して小さくなり、このため、静電容量式センサとしての感度が低減すると考えられる。
したがって、静電容量式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、静電容量式センサの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ために用いるのに好ましい。
次に、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例について、図面を参照しつつ説明する。第１１図は、第２の変形例に係る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。第１１図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の代わりにＡＮＤ素子が用いられている点である。なお、その他の構成は、第１図の静電容量式センサと同一であるので、同一符号を付して説明を省略する。
第１１図において、検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａ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、第８図（ｅ）に示すように所定の遅延が生じている。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂ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２における周期信号には、第８図（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。
したがって、第７図と同様に、ＡＮＤ素子８４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論理和演算が行われ、その結果を端子Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子５１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。
ここで、ＡＮＤ素子８４が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号と検知部材３０に操作が施されていないときに端子５１に対して出力される矩形波信号との間のデューティ比の変化量は、ＥＸ−ＯＲ素子が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号のそれと比較して小さくなり、このため、静電容量式センサとしての感度が低減すると考えられる。
したがって、静電容量式センサの各部材が、静電容量式センサとしたときの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、静電容量式センサの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ために用いるのが好ましい。
次に、本発明の第１の実施の形態の第３の変形例について、図面を参照しつつ説明する。第１２図は、第３の変形例に係る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。第１２図の信号処理回路が、第１図の静電容量式センサの信号処理回路と異なる点は、論理素子として、ＥＸ−ＯＲ素子の代わりにＮＡＮＤ素子が用いられている点である。なお、その他の構成は、第１図の静電容量式センサと同一であるので、同一符号を付して説明を省略する。
第１２図において、検知部材３０のＸ軸正方向部分が押下されると、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａ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、第８図（ｅ）に示すように所定の遅延が生じている。同様に、検知部材３０のＸ軸負方向部分が押下されると、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂ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２における周期信号には、第８図（ｈ）に示すように所定の遅延が生じている。
したがって、第７図と同様に、ＮＡＮＤ素子８５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論理和演算が行われた後、引き続き否定演算が行われ、その結果を端子Ｔ５１に対して出力される。ここで、端子５１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。
ここで、ＮＡＮＤ素子８５が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号と検知部材３０に操作が施されていないときに端子５１に対して出力される矩形波信号との間のデューティ比の変化量は、ＥＸ−ＯＲ素子が用いられた場合に端子５１に対して出力される矩形波信号のそれと比較して小さくなり、このため、静電容量式センサとしての感度が低減すると考えられる。
したがって、静電容量式センサの各部材が、静電容量式センサとしたときの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、静電容量式センサの感度を調節する（ここでは、感度を低下させる）ために用いるのが好ましい。
次に、本発明の第２の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
第１３図は、本発明の他の実施の形態に係る静電容量式センサの側面の模式的な断面図である。第１４図は、第１３図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。第１５図は、第１３図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。第１６図は、第１３図の静電容量式センサの文字印刷部材の上面図である。
静電容量式センサ１１０は、基板１２０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部材１３０と、変位電極１４０と、基板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、ドーム形状を有するスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４（第１３図ではＥ１２１およびＥ１２２のみを示す）と、その内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と、基準電極（共通電極）Ｅ１３１〜Ｅ１３４と、複数の電極に密着して基板１２０上を覆うように形成された樹脂フィルム１５０と、変位電極１４０を基板１２０に対して支持固定する支持部材１６０と、検知部材１３０と支持部材１６０との間に配置された文字印刷部材１８０および有色印刷部材１９０と、支持部材１６０内部に配置された発光ダイオード２００と、支持部材１６０の周囲を覆うように配置されたカバーケース１７０とを有している。
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、基板１２０上の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４の中心位置（第１３図では、容量素子用電極Ｅ１０１、Ｅ１０２の間の中心位置）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。ここで、基板１２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板１２０上の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４の中心位置、検知部材１３０、文字印刷部材１８０、有色印刷部材１９０および変位電極１４０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
基板１２０は、基板２０と同様に、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１２０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。
検知部材１３０は、受力部となる小径の上段部１３１と、上段部１３１の下端部に伸延する大径の下段部１３２とから構成され、全体として円盤状の透光性を有するポリカーボネイト、アクリルなどにより形成されている。ここで、上段部１３１の径は、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り、下段部１３２の径は、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大きい。なお、操作性を向上させるために、検知部材３０に樹脂製のキャップをかぶせてもよい。
支持部材１６０は、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも大きい径を有する円盤状の弾性および透光性を有するシリコンゴムにより形成されている。なお、支持部材１６０を形成する材料としては、シリコンゴムの他、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、ポリエステル系またはポリイミド系などの熱可塑性樹脂などが使用される。
また、支持部材１６０の下面には、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも大きい径を有する円形で下方に開いた凹部１６０ａと、凹部１６０ｃとが形成されており、支持部材１６０の下面の凹部１６０ａおよび凹部１６０ｃ以外の部分が基盤１２０に接触するように配置されている。さらに、支持部材１６０の下面の凹部１６０ａ内部には、凹部１６０ａの中央を中心とする突起部１６０ｂが形成されている。また、基板１２０上の支持部材１６０の凹部１６０ｃに対応する位置には、発光ダイオード２００が配置されている。
変位電極１４０は、導電性および透明な（透光性を有する）シリコンゴムにより形成され、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４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一の径を有する円盤状の膜状部材であり、支持部材１６０の下面の突起部１６０ｂに付着されている。なお、変位電極１４０は、シリコンゴムで形成されたもの他、ウレタン、エチレンプロピレンゴム、透明な樹脂の中に酸化イレジウム、酸化スズなどの金属粒子または繊維状の金属などを分散混入したフィルムまたは膜状部材が形成されたものであってもよい。ここで、支持部材１６０の下面に平板状に（面一に）形成されるため、変位電極１４０はスクリーン印刷により透明導電性インクを塗布することによって形成することも可能である。
また、基板１２０上には、第１５図に示すように、原点Ｏを中心とする扇形であり、それぞれのほぼ中央部に円形の孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４を有する容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４と、孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４の内側で、孔Ｈ１０１〜Ｈ１０４の径よりも小さい外径を有するリング状の基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４と、基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４の内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４とが形成されている。一対の容量素子用電極Ｅ１０１およびＥ１０２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Ｅ１０３およびＥ１０４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。
ここでは、容量素子用電極Ｅ１０１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Ｅ１０２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Ｅ１０３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Ｅ１０４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。
容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４、スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４および基準電極Ｅ１３１〜１３４は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４、Ｔ１１１〜Ｔ１１４およびＴ１３１〜Ｔ１３４（第１６図参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子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。なお、ここでは、基準電極Ｅ１３１〜１３４は、端子Ｔ１３１〜Ｔ１３４を介して接地されている。
また、基準電極Ｅ１３１〜１３４にそれぞれ接触するとともに、スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と離隔しつつこれを覆うようにドーム状のスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４が配置されている。したがって、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４は孔Ｈ１〜Ｈ４よりも大きい径を有している。ここで、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４は、透明な樹脂フィルムにより形成されており、その材料としてはポリエステル、ポリカーボネイトなどが使用される。
また、樹脂フィルム１５０は、絶縁性を有した透明な部材であり、基板１２０上の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４、基準電極Ｅ１３１〜１３４の一部およびスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４に密着して、基板１２０上を覆うように接着剤により接着固定されている。このため、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４、基準電極Ｅ１３１〜１３４およびスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４の樹脂フィルム１５０で覆われている部分は空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。また、樹脂フィルム１５０が形成されているため、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４、基準電極Ｅ１３１〜１３４およびスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４と、変位電極１４０とが直接接触することはない。
また、支持部材１６０の上面には、検知部材１３０と同じ径を有する円盤状の有色印刷部材１９０、検知部材１３０と同じ径を有する円盤状の文字印刷部材１８０および検知部材１３０がそれぞれの中心位置が一致して重なるように配置されている。支持部材１６０、有色印刷部材１９０、文字印刷部材１８０および検知部材１３０は、それぞれ溶着、接着または印刷により固定されている。
文字印刷部材１８０は、透光性を有さない部材であり、第１６図に示すように、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、スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）を示す矢印の形状の貫通孔１８０ａが形成されている。ここでは、貫通孔１８０ａは、スイッチ用可動電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４、スイッチ用固定電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４および基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４にそれぞれ対応する位置に形成されている。なお、文字印刷部材１８０に形成される貫通孔１８０ａの形状は、数字、文字、記号など必要に応じて適宜変更してもよい。
文字印刷部材１８０は、貫通孔１８０ａの部分のみ光を通過させ、貫通孔１８０ａ以外の部分は光を通過させないようになっている。これにより、支持部材１６０の内部に配置された発光ダイオード２００から出射された光は、支持部材１６０、有色印刷部材１９０、文字印刷部材１８０の貫通孔１８０ａ、検知部材１３０の順に検知部材１３０の上方に向かって通過する。したがって、検知部材１３０を上方から見ると、操作方向を示す矢印（文字印刷部材１８０に形成された貫通孔１８０ａの部分）が発光ダイオード２００の光により照らし出されて見える。これにより、検知部材１３０の位置および操作方向を容易に把握することができ、特に静電容量式センサ１１０を備えた機器を暗い場所で使用するときでも、検知部材１３０に対する操作を適切に施すことができる。
また、有色印刷部材１９０は、透光性を有し、所定の色に全面が着色された部材である。有色印刷部材１９０を文字印刷部材１８０の下方に配置することにより、検知部材１３０を上方から見たときの操作方向を示す矢印の色を有色印刷部材１９０が着色された色に見えるようにすることができる。なお、有色印刷部材１９０は、文字印刷部材１８０の貫通孔１８０ａに対応する部分のみが着色されたものであってもよいし、複数の色で着色されたものであってもよい。また、有色印刷部材１９０は、文字印刷部材１８０の上方に配置されていてもよいし、無くてもよい。
なお、変位電極１４０および樹脂フィルム１５０は、発光ダイオード２００から出射された光を透過および散乱させるため、検知部材１３０全体に光を行き渡らせることができ、文字印刷部材１８０に形成された貫通孔１８０ａの部分を効率よく照らし出すことができる。これにより、発光ダイオード２００の消費電力の低減させることが可能である。
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１１０の動作について、図面を参照して説明する。第１７図は、第１３図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。
まず、静電容量式センサ１１０の構成と等価な回路構成について、第１７図を参照して説明する。基板１２０上に形成された容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４は、変位電極１４０と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極１４０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４および基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４との間で容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４および容量素子Ｃ１３１〜Ｃ１３４を形成している。容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４および容量素子Ｃ１３１〜Ｃ１３４は、それぞれ変位電極１４０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。
容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４のそれぞれの静電容量値は、変位電極１４０と、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４のそれぞれに接続された端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４との間の静電容量値として、それぞれ独立して測定することができる。ここで、基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４は、それぞれ端子Ｔ１３１〜Ｔ１３４を介して接地されており、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４における共通の電極である変位電極１４０は、容量素子Ｃ１３１〜Ｃ１３４および端子Ｔ１３１〜Ｔ１３４を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ１３１〜Ｃ１３４は、変位電極１４０と端子Ｔ１３１〜Ｔ１３４とを容量結合している。
また、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基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４は、スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得ることにより、基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４と端子Ｔ１１１〜Ｔ１１４とを接続させるまたは接続させないスイッチＳ１０１〜Ｓ１０４としての機能を有している。ここで、スイッチＳ１０１〜Ｓ１０４の状態に対応するスイッチ信号は、端子Ｔ１１１〜Ｔ１１４からそれぞれ出力される。
次に、静電容量式センサ１１０が検知部材１３０への力の大きさを検出する装置（力覚センサ）として利用される場合の動作について説明する。
まず、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４のそれぞれの静電容量値の変化から検知部材１３０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、図面を参照して説明する。第１８図は、第１３図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。なお、第１８図では出力信号を導出する方法の説明に必要な部分のみを示している。また、出力信号Ｖｘ、Ｖｙ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。
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４に対して、常にクロック信号などの周期信号が入力される。端子Ｔ１０１に入力された周期信号に対して、２つの容量素子Ｃ１０１とＣ１３１は直列に接続された関係となっている。同様に、２つの容量素子Ｃ１０２とＣ１３２は端子Ｔ１０２に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０３とＣ１３３は端子Ｔ１０３に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっており、２つの容量素子Ｃ１０４とＣ１３４は端子Ｔ１０４に入力された周期信号に対して直列に接続された関係となっている。
端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４に周期信号が入力されている状態で検知部材１３０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１４０がＺ軸方向に変位し、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１０１〜Ｔ１０４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、検知部材１３０の変位、つまり検知部材１３０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。なお、導出方法の詳細については、図１の静電容量式センサにおける信号処理回路について説明したのと同様であるので省略する。
次に、静電容量式センサ１１０がスイッチ機能を有する装置（スイッチ信号出力装置）として利用される場合の動作について説明する。ここでは、検知部材１３０のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作についてのみ説明する。なお、検知部材１３０のＸ軸負方向、Ｙ軸正方向またはＹ軸負方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作は、Ｘ軸正方向に対応する部分が押し下げられた場合の動作と同様であるため、その説明は省略する。
検知部材１３０に操作が施されていない場合には、スイッチ用可動電極Ｅ１２１とスイッチ用固定電極Ｅ１１１とは離隔しているため、スイッチＳ１０１はＯＦＦ状態であり、端子１１１からはＯＦＦ状態を示すスイッチ信号が出力されている。そして、検知部材１３０のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられると、変位電極１４０のＸ軸正方向部分が下方へと変位する。すると、突起体４２から樹脂フィルム１５０を介してスイッチ用可動電極Ｅ１２１の中央部に対して下方向への力が作用する。そして、その力が所定値に満たないときにはスイッチ用可動電極Ｅ１２１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、スイッチ用可動電極Ｅ１２１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スイッチ用固定電極Ｅ１１１と接触する。これにより、スイッチＳ１０１がＯＮ状態になる。このとき、端子１１１から出力されるスイッチ信号は、ＯＦＦ状態を示す信号からＯＮ状態を示す信号に切り替わる。なお、操作者には、明瞭なクリック感が与えられることになる。
このように、操作者は検知部材１３０のＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向およびＹ軸負方向に対応する部分を押下することにより、それぞれの方向に対応した４つの独立したスイッチ信号を出力することができる。
次に、本実施の形態において用いることができる他の変位電極１４０の構成について、図面を参照して説明する。第１９図は、保持部材と蒸着膜または印刷層とにより構成された変位電極を示す図である。第２０図は、織布により構成された変位電極を示す図である。第２１図は、不織布により構成された変位電極を示す図である。第２２図は、フィルムにより構成された変位電極を示す図である。第２３図は、変位電極と弾性体とを複合させた場合の構造を示す図である。
変位電極１４０として、第１９図（ａ）、（ｂ）に示すように、透光性を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂（プラスチック）により形成された保持部材４００の表面に、透光性および導電性を有するＩＴＯ膜（スズ含有酸化インジウム）および金属薄膜などの蒸着膜４０１が全面に形成されたものを用いることができる。また、蒸着膜４０１は、第１９図（ｃ）に示すように網目状に形成されていてもよいし、第１９図（ｄ）に示すように抜きがら状に形成されていてもよい。なお、網目状に形成されている場合の網目の大きさ若しくは抜きがら状に形成されている場合の抜きがら（蒸着膜４０１が形成されていない部分）の大きさ、形状および配置は適宜変更してもよい。
また、変位電極１４０として、第１９図（ａ）、（ｂ）に示すように、透光性を有する保持部材４００の表面に、透光性を有する導電性インクおよび導電性塗料などを塗布した印刷層４０２が全面に形成されたものを用いることができる。また、印刷層４０２は、第１９図（ｃ）に示すように網目状に形成されていてもよいし、第１９図（ｄ）に示すように抜きがら状に形成されていてもよい。なお、網目状に形成されている場合の網目の大きさ若しくは抜きがら状に形成されている場合の抜きがら（印刷層４０２が形成されていない部分）の大きさ、形状および配置は適宜変更してもよい。なお、透光性を有していない導電性インクまたは導電性塗料を用いてもよい。また、支持部材１６０の下面に変位電極１４０を付着する代わりに、支持部材１６０の下面に印刷層４０２を直接形成することもできる。
また、変位電極１４０として、第２０図に示すように、導電性を有する繊維によって形成された織布４０３を用いることができる。なお、織布４０３を形成する導電性を有する繊維としては、ステンレス、銅などの金属繊維、カーボン繊維、導電性を有していない繊維に導電性を有する皮膜系繊維を織り込んだものなどがある。
また、変位電極１４０として、第２１図に示すように、導電性を有する繊維によって形成された不織布（不繊維）４０４を用いることができる。なお、不織布４０４を形成する導電性を有する繊維としては、ステンレス、銅などの金属繊維、カーボン繊維、導電性を有していない繊維に導電性を有する皮膜系繊維を織り込んだものなどがある。
ここで、織布４０３および不織布４０４では、導電性を有する繊維同士が互いに接触しているため、繊維の密度を小さくして薄く形成しても面として導電性を維持することができる。また、透光性を有し、導電性を有していない弾性体に導電性を有する繊維を混入したものを変位電極１４０として用いることもできるが、この場合には、大量の導電性を有する繊維を高密度に混入する必要があり、十分な透光性が確保出来るように注意しなければならない。
また、変位電極１４０として、第２２図に示すように、空孔を有する非透光性の材料で形成されたフィルム（シート）４０５を用いることができる。なお、フィルム４０５を形成する材料としては、金属、導電性プラスチック、導電性ゴム、導電性熱可塑性エラストマーなどがある。なお、空孔の大きさ、形状は適宜変更してもよいし、空孔の配置は規則的であってもよいし、不規則的であってもよい。ここで、空孔の面積のフィルム４０５全体の面積に対する割合（占有率）を大きくすると、フィルム４０５の透光性が向上する（光の透過率が大きくなる）ため、支持部材１６０の内部に配置された発光ダイオード２００から出射された光が検知部材１３０に導かれやすくなるが、容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０５と対向する面積が小さくなることによって、容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０５の静電容量が小さくなる。従って、空孔の大きさおよび配置を決定する際には、上述したことを考慮する必要がある。
ここで、上述のような変位電極１４０（蒸着膜４０１または印刷層４０２が形成された保持部材４００、織布４０３、不織布４０４、フィルム（シート）４０５）を単独で用いることもできるが、透光性を有する弾性体１４５と複合して用いることもできる。このように、変位電極１４０を弾性体１４５と複合することにより、変位電極１４０の取り扱いや実装が容易になるという効果がある。また、両者を複合させた場合の構造は、第２３図（ａ）に示すように変位電極１４０を弾性体１４５の内部に内包させたものであってもよいし、第２３図（ｂ）に示すように変位電極１４０を挟むように弾性体１４５を積層させたものであってもよいし、さらに第２３図（ｃ）に示すように変位電極１４０を弾性体１４５に接合させたものであってもよい。
なお、弾性体１４５を形成する材料としては、シリコンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン−プロピレンゴム）、ＮＲ（天然ゴム）、ＢＲ（ブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレン−ブタジエンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＩＩＲ（ブチルゴム）、ＣＲ（クロロプレンゴム）、ＣＳＭ（クロロスルホン化ポリエチレン）、ＡＣＭ（アクリルゴム）、ＡＮＭ（アクリルゴム）などの透光性を有するゴム配合品およびスチレン系、オレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリジエン系、フッ素系などの透光性を有する熱可塑性エラストマーなどがある。
また、変位電極１４０と弾性体１４５とを複合する方法には、変位電極１４０に液状の弾性体１４５の材料をコーティングした後で架橋する（熱を加える）、変位電極１４０を液状の弾性体１４５の材料に浸けてコーティングし、乾燥させて溶剤などを除去した後で架橋する、変位電極１４０とシート状の弾性体１４５を積層した後で架橋して接着するおよび変位電極１４０を金型に入れ、その上から弾性体１４５を入れた後で架橋して接着するなどがある。なお、上述の金型を用いる方法によると、例えば変位電極１４０の表面に突起体を形成するなど、変位電極１４０の３次元的な形状の加工を容易に行うことができる。
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ１１０は、変位電極１４０と容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４との間隔の変化に起因する容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０４の静電容量値の変化を検出することによって、検知部材１３０のの変位を認識することができるため、検知部材１３０に外部から加えられた力の大きさを認識可能である。また、スイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４とスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４との接触の有無を認識することができるため、これをスイッチとして利用することができる。したがって、静電容量式センサ１１０は、検知部材１３０の変位を信号（アナログ信号）として出力する機能を有する装置または／およびスイッチ機能を有する装置として利用することが可能である。これにより、この静電容量式センサ１１０は上記のいずれの装置としても利用できる複合デバイスとしての機能を有し、上記両用途に合わせて製造し直す必要がなくなる。
また、スイッチ機能を有する装置として利用した場合に、検知部材１３０に対して操作を施したとき、操作方向に対応するドーム形状をしたスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４がクリック感を付随しつつ弾性変形してスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４と接触するため、操作者はクリック感を感じつつ操作を行うことができ、操作を実行したことを感覚的に容易に把握することができる。また、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４が基準電極Ｅ１３１〜１３４に接触するように配置されているため、スイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４に対する配線を別途設ける必要がない。
また、複数の容量素子用電極Ｅ１０１〜Ｅ１０４が形成され、検知部材１３０が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識することができる。ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ１０１およびＥ１０２、Ｅ１０３およびＥ１０４）に対して、互いに位相が異なる信号が供給されるため、回路を通過することによる信号の位相のずれを大きくでき、さらに、その信号を論理素子を利用した信号処理回路を用いるため、精度よく検出することができる。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対応するように複数のスイッチ用可動電極Ｅ１２１〜Ｅ１２４およびスイッチ用固定電極Ｅ１１１〜Ｅ１１４が形成されており、異なる方向に対応するスイッチとして利用することができる。なお、この構成の静電容量式センサは、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として利用されるのに好ましい。
また、変位電極１４０は、直接接触することによってではなく、容量素子Ｃ１３１〜Ｃ１３４（カップリングコンデンサとしての機能を有している）による容量結合によって接地された基準電極Ｅ１３１〜Ｅ１３４と電気的に結合されるため、静電容量式センサ１１０の耐電圧特性が向上し、スパーク電流が流れることによってセンサが破損することがほとんどなくなるとともに、接続不良などの不具合を防止することができるため、信頼性の高い静電容量式センサを得ることができる。また、基準電極Ｅ１３１〜１３４と変位電極１４０との間に樹脂フィルム１５０が配置されているが、樹脂フィルム１５０の一部をカットして基準電極Ｅ１３１〜１３４と変位電極１４０とを接触させる必要がないため、組立および実装面でも有利となる。
また、発光ダイオード２００から出射された光が文字印刷部材１８０に形成された貫通孔１８０ａのみを通過して検知部材１３０に達するため、検知部材１３０を外部から見たとき、貫通孔１８０ａのみを照らし出すようにすることができる。したがって、検知部材１３０の位置および操作方向を容易に把握することができるようになり、特に静電容量式センサ１１０を備えた機器を暗い場所で使用する場合でも検知部材に対する操作を適切に施すことができる。さらに、検知部材１３０を外部から見たときに、貫通孔１８０ａが照らし出される光の色を変更することができる。
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
第２４図は、本発明の第３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。第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。第２６図は、第２４図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。第２７図は、第２４図の静電容量式センサの文字印刷部材の上面図である。
静電容量式センサ２１０は、基板２２０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中央ボタン２３１およびサイドボタン２３２で構成された検知部材２３０と、変位電極２４０と、基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５と、ドーム形状を有するスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４（第２４図ではＥ２２１およびＥ２２２のみを示す）と、その内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４（第２４図ではＥ２１１およびＥ２１２のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｅ２３１〜２３５と、複数の電極に密着して基板２２０上を覆うように配置された樹脂フィルム２５０と、検知部材２３０および変位電極２４０を基板２２０に対して支持固定する支持部材２６０と、支持部材２６０および中央ボタン２３１を覆うように配置された文字印刷フィルム２８０と、サイドボタン２３２と文字印刷フィルム２８０との間に配置された文字印刷部材２９０と、支持部材２６０内部に配置された２つの発光ダイオード３００と、支持部材２６０および検知用部材２３０の周囲を覆うように配置されたカバーケース２７０とを有している。
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、第２４図では、基板２２０上の容量素子用電極Ｅ２０５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。ここで、基板２２０の表面は、ＸＹ平面を規定し、基板２２０上の容量素子用電極Ｅ２０５、検知部材２３０および変位電極２４０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
基板２２０は、基板２０と同様に、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２２０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。
検知部材２３０は、原点を中心とする円形の中央ボタン２３１と、中央ボタン２３１の外側に配置されたリング状のサイドボタン２３２とから構成されており、中央ボタン２３１およびサイドボタン２３２はいずれも透光性を有する部材により形成されている。このように、中央ボタン２３１とサイドボタン２３２とは別部材であるため、それぞれに対する操作（Ｚ軸方向の操作とＸ軸方向およびＹ軸方向の操作）が干渉することがほとんどない。ここで、中央ボタン２３１の径は、基準電極Ｅ２３５の外径とほぼ同じである。また、サイドボタン２３２は、受力部となる小径の上段部２３２ａと上段部２３２ａの下端部に伸延する大径の下段部２３２ｂから構成されており、上段部２３２ａの径は、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも小さく、下段部２３２ｂの径は、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４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る。
中央ボタン２３１は、文字印刷フィルム２８０と一体に成形されており、容量素子用電極Ｅ２０５および基準電極Ｅ２３５に対応するように支持部材２６０の上面に接着されている。また、中央ボタン２３１の上面には、第２５図に示すように、「＋」という記号が印刷されている。なお、中央ボタン２３１の上面に印刷する形状は、機能を示す数字、文字、記号など適宜変更してもよい。また、サイドボタン２３２は、その下段部２３２ｂがカバーケース２７０の一部である止め部２７０ａにより押止され、支持部材２６０の上面に抜け止め構造により配置されている。なお、サイドボタン２３２は支持部材２６０の上面に接着されていてもよい。
支持部材２６０は、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも大きい径を有する円盤状の弾性および透光性を有するシリコンゴムにより形成されている。なお、支持部材２６０を形成する材料としては、シリコンゴムの他、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、ポリエステル系またはポリイミド系などの熱可塑性樹脂などが使用される。
また、支持部材２６０の下面には、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径よりも大きい径を有する円形で下方に開いた凹部２６０ａと、２つの凹部２６０ｂとが形成されており、支持部材２６０の下面の凹部２６０ａおよび凹部２６０ｂ以外の部分が基盤２２０に接触するように配置されている。また、基板２２０上の支持部材２６０の２つの凹部２６０ｂに対応する位置には、それぞれ発光ダイオード３００が配置されている。
変位電極２４０は、導電性および透光性を有するシリコンゴムにより形成され、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４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一の径を有する円盤状の部材であり、支持部材２６０の下面の凹部２６０ａ内に付着されている。
また、基板２２０上には、第２６図に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ２０５と、容量素子用電極Ｅ２０５の外側に配置されたリング状の基準電極Ｅ２３５と、その外側に扇形であり、それぞれのほぼ中央部に円形の孔Ｈ２０１〜Ｈ２０４を有する容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と、孔Ｈ２０１〜Ｈ２０４の内側で、孔Ｈ２０１〜Ｈ２０４の径よりも小さい外径を有するリング状の基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４と、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４の内側に配置されたスイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４とが形成されている。
一対の容量素子用電極Ｅ２０１およびＥ２０２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Ｅ２０３およびＥ２０４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。ここでは、容量素子用電極Ｅ２０１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Ｅ２０２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Ｅ２０３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Ｅ２０４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。つまり、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４は、各電極を押す力の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｅ２０５は、上述したように原点上に配置されており、外部からの力のＺ軸方向成分の検出に利用される。
容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５、スイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４および基準電極Ｅ２３１〜２３５は、スルーホールなどを利用して端子Ｔ２０１〜Ｔ２０５、Ｔ２１１〜Ｔ２１４、Ｔ２３１〜Ｔ２３５（第２８図参照）にそれぞれ接続されており、これらの端子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。なお、ここでは、基準電極Ｅ２３１〜２３５は、端子Ｔ２３１〜Ｔ２３５を介して接地されている。
また、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４にそれぞれ接触するとともに、スイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４と離隔しつつこれを覆うようにドーム状のスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４が配置されている。したがって、スイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４は、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４の内径よりも大きい径を有している。
また、樹脂フィルム２５０は、絶縁性を有した部材であり、基板２２０上の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５、基準電極Ｅ２３１〜２３４の一部、基準電極Ｅ２３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４に密着して、基板２２０上を覆うように接着剤により接着固定されている。このため、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５、基準電極Ｅ２３１〜２３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４の絶縁膜２５０で覆われている部分は空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有しているとともに、スイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４を基準電極Ｅ２３１〜２３４に固定する機能を有している。なお、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５、基準電極Ｅ２３１〜２３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２５に対して、その表面への金メッキの形成などの酸化防止対策を施しておいてもよい。また、絶縁膜２５０が形成されているため、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３５およびスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４と、変位電極２４０とが直接接触することはない。
また、支持部材２６０の上面には、ほぼ全面を覆うように配置された文字印刷フィルム２８０と、サイドボタン２３２と同じ外径を有する円盤状の文字印刷部材２９０とがそれぞれの中心位置が一致するように配置されている。文字印刷フィルム２８０は、透光性および絶縁性を有する無色透明の部材である。また、上述したように、文字印刷フィルム２８０は、中央ボタン２３１と一体に成形されている。ここで、文字印刷フィルム２８０は、絶縁性を有しており、中央ボタン２３を覆うように形成されているため、中央ボタン２３が金属により形成されている場合に、中央ボタン２３の表面が空気にさらされて酸化するのを防止することができる。なお、文字印刷フィルム２８０は、透光性を有しない部材により形成されてもよいが、この場合には、発光ダイオード３００から出射された光は、中央ボタン２３の上方に向かって通過しなくなる。なお、文字印刷フィルム２８０は、全体的に薄く着色されていてもよい。また、中央ボタン２３１の上面に文字などが印刷され、中央ボタン２３１を覆うように文字印刷フィルム２８０が形成される代わりに、文字印刷フィルム２８０の中央ボタン２３１に対応する位置に文字などが印刷されて、文字印刷フィルム２８０が中央ボタン２３１と支持部材２６０との間に配置されていてもよい。
文字印刷部材２９０は、第２７図に示すように、その上面に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、スイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）を示す矢印が印刷された透光性を有する部材である。なお、文字印刷部材２９０の上面に印刷する形状は、機能を示す数字、文字、記号など必要に応じて適宜変更してもよい。なお、文字印刷部材２９０は、全体的に薄く着色されていてもよい。また、文字印刷部材２９０は、サイドボタン２３２の上方に配置されていてもよい。
このように、文字印刷フィルム２８０および文字印刷部材２９０が配置されていることにより、支持部材２６０の内部に配置された発光ダイオード３００から出射された光は、周囲の部材に透過または反射されて、中央ボタン２３１および文字印刷部材２９０に印刷された記号以外の部分を、支持部材２６０、文字印刷フィルム２８０、文字印刷部材２９０および検知部材２３０を検知部材２３０の上方に向かって通過する。したがって、中央ボタン２３１を上方から見たとき、中央ボタン２３１の上面に印刷された「＋」という記号が確認することができ、サイドボタン２３２を上方から見たとき、文字印刷部材２９０に印刷された操作方向を示す矢印を確認することができる。これにより、検知部材２３０の位置および操作方向を容易に把握することができ、特に静電容量式センサ２１０を備えた機器を暗い場所で使用するときでも、検知部材２３０に対する操作を適切に施すことができる。また、装飾の効果がある。
なお、中央ボタン２３１および文字印刷部材２９０に印刷された記号は、所定の色に着色されていてもよい。また、中央ボタン２３１および文字印刷部材２９０に印刷された記号以外の部分のみが、黒色または所定の色に着色されていてもよい。ここで、中央ボタン２３１および文字印刷フィルム２８０の位置関係とサイドボタン２３２および文字印刷部材２９０の位置関係とが反対になっている、すなわち、文字印刷フィルム２８０が中央ボタン２３１の上方にあるのに対して、文字印刷部材２９０はサイドボタン２３２の下方に配置されている。これにより、中央ボタン２３１およびサイドボタン２３２を上方から見たときの文字などの見え方が異なる、すなわち、サイドボタン２３２に対応する文字の方が中央ボタン２３１に対応する文字よりも奥行き感があるように見える。なお、中央ボタン２３１および文字印刷フィルム２８０の位置関係とサイドボタン２３２および文字印刷部材２９０の位置関係とは、必ずしも反対にする必要はない。
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２１０の構成について、図面を参照して説明する。第２８図は、第２４図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。
静電容量式センサ２１０の構成と等価な回路構成について、第２８図を参照して説明する。基板２２０上に形成された容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５および基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３５は、変位電極２４０と対向しており、共通の電極である変位可能な変位電極２４０と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５および基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３５との間で容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０５および容量素子Ｃ２３１〜Ｃ２３５を形成している。容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０５および容量素子Ｃ２３１〜Ｃ２３５は、それぞれ変位電極２４０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。
容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０５のそれぞれの静電容量値は、変位電極２４０と、容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５のそれぞれに接続された端子Ｔ２０１〜Ｔ２０５との間の静電容量値として、それぞれ独立して測定することができる。ここで、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３５は、それぞれ端子Ｔ２３１〜Ｔ２３５を介して接地されており、容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０５における共通の電極である変位電極２４０は、容量素子Ｃ２３１〜Ｃ２３５および端子Ｔ２３１〜Ｔ２３５を介して接地されていると考えられる。すなわち、容量素子Ｃ２３１〜Ｃ２３５は、変位電極２４０と端子Ｔ２３１〜Ｔ２３５とを容量結合している。
また、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基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４に接続されたスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４は、スイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４と接触する位置または接触しない位置を選択的にとり得ることにより、基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４と端子Ｔ２１１〜Ｔ２１４とを接続させるまたは接続させないスイッチＳ２０１〜Ｓ２０４としての機能を有している。ここで、スイッチＳ２０１〜Ｓ２０４の状態に対応するスイッチ信号は、端子Ｔ２１１〜Ｔ２１４からそれぞれ出力される。
次に、静電容量式センサ２１０が検知部材２３０への力の大きさを検出する装置（力覚センサ）として利用される場合の動作、および、静電容量式センサ２１０がスイッチ機能を有する装置（スイッチ信号出力装置）として利用される場合の動作について、図面を参照して説明する。第２９図は、第２４図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。なお、第２９図では出力信号を導出する方法の説明に必要な部分のみを示している。
ここで、静電容量式センサ２１０の動作が図１の静電容量式センサ１０と異なる点は、静電容量式センサ１０の中央ボタン３１が決定操作用のスイッチとして用いられるのに対して、静電容量式センサ２１０の中央ボタン２３１がＺ軸方向の力の大きさを検出するために用いられる点である。その他の動作は、図１の静電容量式センサ１０について説明したのと同様であるのでその説明は省略する。
容量素子Ｃ２０５の静電容量値の変化から中央ボタン２３１への外部からのＺ軸方向の力の大きさを示す出力信号の導出方法について、第２９図を参照して説明する。ここで、出力信号Ｖｚは、外部からの力のＺ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。なお、第２９図に示す容量素子Ｃ２０６は、常に一定の静電容量値を保つように基板２２０の下面に形成されており、容量素子Ｃ２０６を構成する一方の電極は端子Ｔ２０６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Ｃ２０６は、容量素子Ｃ２０５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。なお、容量素子Ｃ２０６は、回路パターンやＩＣなどの入力容量を利用して構成してもよい。
ここで、出力信号Ｖｚを導出するために、端子Ｔ２０５、Ｔ２０６に対して、常にクロック信号などの周期信号が入力される。そのとき、中央ボタン２３１が外部からＺ軸方向の力を受けて変位するのにともなって変位電極２４０が変位し、容量素子Ｃ２０５を構成する電極の間隔が変化して、容量素子Ｃ２０５の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２０５、Ｔ２０６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、中央ボタン２３１が外部から受けたＺ軸方向の力の大きさと方向を示す出力信号Ｖｚを得ることができる。
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ２０５、Ｔ２０６に対して周期信号を入力するとき、端子Ｔ２０５に対しては周期信号Ａが入力され、一方、端子Ｔ２０６に対しては周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、中央ボタン２３１が外部からＺ軸方向の力を受けて、容量素子Ｃ２０５の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２０５に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じる。なお、容量素子Ｃ２０６の静電容量値は変化しないため、端子Ｔ２０６に入力された周期信号Ｂの位相にはずれは生じない。従って、端子Ｔ２０５に入力された周期信号Ａにのみ位相のずれが生じ、この周期信号Ａ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Ｖｚが導出される。この出力信号Ｖｚ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、その絶対値がＺ軸方向成分の大きさを示す。
なお、第２の実施の形態と同様に、蒸着膜４０１または印刷層４０２が形成された保持部材４００、織布４０３、不織布４０４、フィルム（シート）４０５）を変位電極２４０として用いることができる。
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ２１０は、変位電極２４０と容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５との間隔の変化に起因する容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０５の静電容量値の変化を検出することによって、検知部材２３０のの変位を認識することができるため、検知部材２３０に外部から加えられた力の大きさを認識可能である。また、スイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４とスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４との接触の有無を認識することができるため、これをスイッチとして利用することができる。したがって、静電容量式センサ２１０は、検知部材２３０の変位を信号（アナログ信号）として出力する機能を有する装置または／およびスイッチ機能を有する装置として利用することが可能である。これにより、この静電容量式センサ２１０は上記のいずれの装置としても利用できる複合デバイスとしての機能を有し、上記両用途に合わせて製造し直す必要がなくなる。
また、スイッチ機能を有する装置として利用した場合に、検知部材２３０に対して操作を施したとき、操作方向に対応するドーム形状をしたスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４がクリック感を付随しつつ弾性変形してスイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４と接触するため、操作者はクリック感を感じつつ操作を行うことができ、操作を実行したことを感覚的に容易に把握することができる。また、スイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４が基準電極Ｅ２３１〜２３４に接触するように配置されているため、スイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４に対する配線を別途設ける必要がない。
また、複数の容量素子用電極Ｅ２０１〜Ｅ２０５が形成され、検知部材２３０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の方向成分をそれぞれ別々に認識することができる。ここで、対となる容量素子用電極（Ｅ２０１およびＥ２０２、Ｅ２０３およびＥ２０４）に対して、互いに位相が異なる信号が供給されるため、回路を通過することによる信号の位相のずれを大きくでき、さらに、その信号を論理素子を利用した信号処理回路を用いるため、精度よく検出することができる。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対応するように複数のスイッチ用可動電極Ｅ２２１〜Ｅ２２４およびスイッチ用固定電極Ｅ２１１〜Ｅ２１４が形成されており、異なる方向に対応するスイッチとして利用することができる。なお、この構成の静電容量式センサは、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として利用されるのに好ましい。特に、携帯電話などでは、各種の設定などを行う場合にスイッチ機能を利用できるようにし、ナビゲーションやゲームなどでは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力を検出する信号を利用するようにすれば非常に有用である。
また、変位電極２４０は、直接接触することによってではなく、容量素子Ｃ２３１〜２３４（カップリングコンデンサとしての機能を有している）による容量結合によって接地された基準電極Ｅ２３１〜Ｅ２３４と電気的に結合されるため、静電容量式センサ２１０の耐電圧特性が向上し、スパーク電流が流れることによってセンサが破損することがほとんどなくなるとともに、接続不良などの不具合を防止することができるため、信頼性の高い静電容量式センサを得ることができる。また、基準電極Ｅ２３１〜２３４と変位電極２４０との間に樹脂フィルム２５０が配置されているが、樹脂フィルム２５０の一部をカットして基準電極Ｅ２３１〜２３４と変位電極２４０とを接触させる必要がないため、組立および実装面でも有利となる。
また、発光ダイオード３００から出射された光が中央ボタン２３１および文字印刷部材２９０に印刷された記号以外の部分のみを通過して検知部材２３０に達するため、検知部材２３０を外部から見たとき、中央ボタン２３１および文字印刷部材２９０に印刷された記号を確認することができる。したがって、検知部材２３０の位置および操作方向を容易に把握することができるようになり、特に静電容量式センサ２１０を備えた機器を暗い場所で使用する場合でも検知部材に対する操作を適切に施すことができる。
なお、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、スイッチ用固定電極が容量素子用電極の内側に形成されたものについて説明しているが、これに限らず、スイッチ用固定電極が容量素子用電極に隣接するように形成されたものであってもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、スイッチ用可動電極が基準電極と接触するように配置されたものについて説明しているが、これに限らず、変位電極が変位するのに伴ってスイッチ用固定電極と接触可能な配置であれば、どのように配置されていてもよい。なお、この場合には、スイッチ用可動電極に対する配線を別途設ける必要がある。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、変位電極が、変位電極と基準電極との間に構成される容量素子を介して接地された基準電極と電気的に接続されているものについて説明しているが、これに限らず、例えば、絶縁膜または樹脂フィルムが基板上の容量素子用電極のみに密着して基板上を覆うように形成され、基準電極およびスイッチ用可動電極を覆うようには形成されていないものであり、変位電極がスイッチ用可動電極と直接接触して接地された基準電極と電気的に接続されているものなど、変位電極は基準電極と電気的に接続されていれば、どのような構成のものであってもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、スイッチ用可動電極として、ドーム形状を有する電極を用いたものについて説明しているが、これに限らず、変位電極が変位するのに伴ってスイッチ用固定電極と接触可能な電極であれば、どのような形状の電極を用いてもよい。
また、上述の第２の実施の形態では、文字印刷部材として、透光性を有さない部材に貫通孔（透光領域）が形成されているものについて説明しているが、これに限らず、透光性を有さない部材に透光性を有する部材により窓などの透光領域が形成されているものであってもよい。また、文字印刷部材として、透光性を有する部材に透光性を有さない非透光領域は形成されているものを用いてもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、検知部材が容量素子用電極と、基準電極、スイッチ用可動電極およびスイッチ用固定電極とに対して一体に形成されているものについて説明しているが、これに限らず、検知部材が容量素子用電極と、基準電極、スイッチ用可動電極およびスイッチ用固定電極とのそれぞれに対応して分割されているものであってもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、基板上の複数の電極に密着して基板上を覆うように絶縁膜または樹脂フィルムが形成されているものについて説明しているが、これに限らず、絶縁膜または樹脂フィルムが形成されていないものであってもよい。
また、上述の第２または第３の実施の形態では、変位電極が透光性を有しているものについて説明しているが、これに限らず、変位電極は必ずしも透光性を有していなくてもよい。ここで、変位電極が透光性を有していない場合には、発光ダイオードから出射された光の一部は、透光性を有する支持部材の内部を通過する（支持部材が導光板として働く）ことにより検知部材に導かれる。ただし、支持部材の厚さが薄く、検知部材の面積が大きい場合には、変位電極が透光性を有していることが好ましい。なお、変位電極が透光性を有する場合であっても、必ずしも全面的な（全方向の）透光性は必ずしも必要ではなく、少なくとも変位電極に垂直な方向（図中においてはＺ軸方向）の透光性を有していればよい。
また、上述の第２または第３の実施の形態では、光源として発光ダイオードを用いているが、これに限らず、どのような光源であってもよい。また、光源が支持部材内部に配置されたものについて説明しているが、これに限らず、基板と検知部材との間に配置され、検知部材に対して光を出射することが可能な位置であれば、光源はどこに配置されていてもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、検知部材がＸ軸方向およびＹ軸方向に対応する容量素子用電極に対して一体に形成されているものについて説明しているが、これに限らず、検知部材がＸ軸方向およびＹ軸方向に対応する容量素子用電極のそれぞれに対応して分割されているものであってもよい。
また、上述の第１〜第３の実施の形態では、Ｘ軸およびＹ軸の正方向および負方向の４方向に対応する容量素子用電極が形成されているものについて説明しているが、これに限らず、用途に合わせて必要な方向の成分だけを検出できるように容量素子用電極を形成してもよい。
産業上の利用の可能性
本発明は、各方向の力の大きさを認識する装置およびスイッチ機能を有する装置のいずれにも利用することができ、パソコン、携帯電話、ゲームなどの入力装置として用いることができる静電容量式センサとして最適である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１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。
第２図は、第１図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
第３図は、第１図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。
第４図は、第１図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。
第５図は、第１図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。
第６図は、第１図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。
第７図は、第１図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。
第８図は、第１図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。
第９図は、第１図に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての出力信号をアナログ電圧に変換する回路を含む信号処理回路を示す回路図である。
第１０図は、第１図に示す静電容量式センサの第１の変形例の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。
第１１図は、第１図に示す静電容量式センサの第２の変形例の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。
第１２図は、第１図に示す静電容量式センサの第３の変形例の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。
第１３図は、本発明の第２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。
第１４図は、第１３図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
第１５図は、第１３図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。
第１６図は、第１３図の静電容量式センサの文字印刷部材の上面図である。
第１７図は、第１３図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。
第１８図は、第１３図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。
第１９図は、保持部材と蒸着膜または印刷層とにより構成された変位電極を示す図である。
第２０図は、織布により構成された変位電極を示す図である。
第２１図は、不織布により構成された変位電極を示す図である。
第２２図は、フィルムにより構成された変位電極を示す図である。
第２３図は、変位電極と弾性体とを複合させた場合の構造を示す図である。
第２４図は、本発明の第３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。
第２５図は、第２４図の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
第２６図は、第２４図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。
第２７図は、第２４図の静電容量式センサの文字印刷部材の上面図である。
第２８図は、第２４図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。
第２９図は、第２４図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。
第３０図は、従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
第３１図は、第３０図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。
【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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【図１９（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図１９（ｃ）】
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【図１９（ｄ）】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３（ａ）】
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【図２３（ｂ）】
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【図２３（ｃ）】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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