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WO2002073147A1 - Electrical capacitance sensor - Google Patents

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Info

Publication number
WO2002073147A1
WO2002073147A1 PCT/JP2001/004098 JP0104098W WO02073147A1 WO 2002073147 A1 WO2002073147 A1 WO 2002073147A1 JP 0104098 W JP0104098 W JP 0104098W WO 02073147 A1 WO02073147 A1 WO 02073147A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
capacitance
signal
electrodes
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/JP2001/004098
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hideo Morimoto
Original Assignee
Nitta Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nitta Corporation filed Critical Nitta Corporation
Priority to EP01932101A priority Critical patent/EP1378736B1/en
Priority to DE60131782T priority patent/DE60131782T2/de
Priority to US10/471,445 priority patent/US6933732B2/en
Publication of WO2002073147A1 publication Critical patent/WO2002073147A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0338—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of limited linear or angular displacement of an operating part of the device from a neutral position, e.g. isotonic or isometric joysticks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/965—Switches controlled by moving an element forming part of the switch
    • H03K17/975—Switches controlled by moving an element forming part of the switch using a capacitive movable element
    • H03K17/98—Switches controlled by moving an element forming part of the switch using a capacitive movable element having a plurality of control members, e.g. keyboard

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive sensor suitable for performing an operation input in a multidimensional direction, and more particularly to a capacitive sensor capable of performing an operation while feeling a click feeling.
  • the capacitance type sensor is used as a device for converting the magnitude and direction of the force applied by an operator into an electric signal.
  • a device incorporated as a capacitance type haptic sensor (so-called joystick) for performing a multidimensional operation input is used as an input device of a game device.
  • a capacitance type haptic sensor so-called joystick
  • an operation amount having a predetermined dynamic range can be input as the magnitude of the force transmitted from the operator.
  • a capacitance-type force sensor that forms a capacitance element with two electrodes and detects a force based on a change in the capacitance value caused by a change in the electrode interval has a structure. Because of the advantages of simplifying and reducing costs, they have been put to practical use in various fields.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. Hei 7 (19995) -2,001,644 discloses a capacitive force sensor as shown in FIG.
  • the camera sensor 5 10 includes a substrate 5 20 and an elastic rubber plate 5 3 provided on the substrate 5 2 0. And an electrode portion 540 provided on the lower surface of the raw rubber plate 530, and an electrode portion 504 to 504 provided on the upper surface of the substrate 520 (see FIG. 23). It comprises a pressing plate 560 for supporting and fixing the elastic rubber plate 530 to the substrate 520, and an electronic device 580 provided on the lower surface of the substrate 520. Further, as shown in FIG.
  • the electrode portions 500 to 504 are provided with four electrode portions 501 to 504 symmetrically arranged with respect to the origin, and are arranged on these tags. Ring 4 dog electrode ⁇ ! 550. Further, the outer peripheral portion of the electrode section 540 is in contact with the grounded electrode section 500 and is grounded via the electrode section 500.
  • the electrode portion 540 When the operator presses the elastic rubber plate 530, the electrode portion 540 is displaced downward with the pressing force, and the distance between the electrode portion and the four electrode portions 501 to 504 is reduced. Change. Then, the capacitance value of the capacitance element formed between each of the four electrode portions 501 to 504 and the electrode portion 540 changes. Therefore, by detecting the change in the capacitance value, it is possible to know the magnitude and direction of the force applied by the operator.
  • the electrode portion 5400 is displaced with the pressing force.
  • the displacement amount often changes almost in proportion to the pressing force, and the operator rarely feels a clear operational feeling. Therefore, the operator performs an operation without intuitively grasping that the operation is being performed, and performs the operation unless the operation of the operation target of the visual sensor 5100 is visually confirmed. Cannot be easily grasped.
  • an object of the present invention is to provide a capacitive sensor that can easily and intuitively grasp that an operation is being performed. Disclosure of the invention
  • the capacitance type sensor of the present invention can be used when defining an XYZ three-dimensional coordinate system.
  • z A conductive member displaced in the axial direction, a reference electrode formed on the substrate, electrically connected to the conductive member, and grounded or held at a constant potential; and a reference electrode formed on the substrate.
  • a third electrode that is arranged so as to be separated from the first electrode and that can be elastically deformed while being accompanied by a clicking sensation as the conductive member is displaced and that can contact the first electrode.
  • the capacitance sensor according to claim 1 wherein the first electrode and the third electrode are in contact with each other using a signal input to the first electrode when the third electrode is in contact with the third electrode.
  • the displacement of the detecting member can be recognized based on detecting a change in the capacitance value of the first capacitive element due to a change in the distance between the conductive member and the second electrode. It is characterized by
  • the third electrode is elastically deformed with a click feeling and can be brought into contact with the first electrode
  • the third electrode is applied to the i-th electrode when a certain external force or more is applied.
  • the third electrode may include a dome dog, and the first electrode may be disposed inside the dome. According to this, when the force acting from the conductive member reaches a predetermined value, the vicinity of the top of the dome-shaped third electrode is suddenly displaced to be in a concave state and comes into contact with the first electrode. Therefore, it is possible to give the operator a clear click feeling.
  • a second capacitive element may be provided between the reference electrode and the conductive member.
  • the conductive member is electrically coupled to the ground or the reference electrode held at a constant potential by capacitive coupling, not by direct contact.
  • the withstand voltage characteristics of the sensor are improved, the sensor is hardly damaged by the flow of spark current, and defects such as poor connection can be prevented.
  • a type sensor can be obtained.
  • a plurality of sets of the first electrode, the second electrode, and the third electrode may be formed. By this By using each set to recognize forces in different directions, multidimensional force recognition becomes possible.
  • the capacitance-type sensor of the present invention has two sets of the first electrode, the second electrode, and the third electrode, and includes one of these two sets [U path and Signals having different phases may be supplied to a circuit including the other. According to this, regardless of whether the time constants of the circuit including one of the two sets and the circuit including the other are the same, the displacement of the detection member can be recognized.
  • the capacitance type sensor of the present invention has two sets of the first electrode, the tiff self second electrode and the third electrode, and a CR circuit including one of these two sets.
  • the time constant may be different from the CR circuit including the other. According to such a configuration, the phase shift of the signal caused by passing through the circuit can be increased, so that the accuracy of the displacement recognition of the detection member can be improved. Further, the range in which the detection member can detect the displacement can be increased.
  • the capacitance-type sensor of the present invention has two sets of the first electrode, the second electrode, and the third electrode, and includes a circuit including one of these two sets, and
  • the output signal of the signal input to each of the circuits including the other is detected by a signal processing circuit using a logic element that performs one of an exclusive OR operation, an OR operation, a logical operation, a logical operation, and a negation operation It is preferred that this be done. According to this, the output signal can be detected with high accuracy, and the detection accuracy can be adjusted as needed.
  • the second electrode is symmetrically disposed with respect to the X axis and a pair of fourth electrodes symmetrically disposed with respect to the Y axis. It may include a pair of fifth electrodes. According to this, the direction of the force applied from the outside to the detecting member in the X-axis direction and the Y-axis direction The minutes can be recognized separately.
  • the detection member is divided corresponding to each of the fourth electrode and the fifth electrode. According to such a configuration, the components of the external force in the X-axis direction or the Y-axis direction are clearly separated, so that components in different directions can be reduced from interfering with each other, thereby reducing erroneous operations. be able to.
  • the capacitance type sensor of the present invention is arranged so that the sixth electrode formed on the substrate is in contact with the reference electrode and is separated from the sixth electrode,
  • the semiconductor device may further include a seventh electrode capable of elastically deforming as the conductive member is displaced and contacting the sixth electrode. According to such a configuration, in addition to the above-described effects, the sixth electrode and the seventh electrode that can be brought into contact with each other by operating the detection member are provided. It is possible to attach a switch that can be used when performing
  • the detection member is divided corresponding to the second electrode and the sixth electrode. According to such a configuration, since the external force corresponding to the operation direction and the external force corresponding to the determination operation are clearly separated, it is possible to reduce interference between these forces. In addition, erroneous operations can be reduced. Further, in the capacitive sensor according to the present invention, the conductive member may be formed of a conductive ink applied to an elastic body. According to such a configuration, the conductive member can be easily manufactured, and the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a capacitance type sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of a detection member of the capacitance type sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on a substrate of the capacitive sensor of FIG.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram for the configuration of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a side surface when an operation in the positive X-axis direction is performed on a detection member of the capacitance-type sensor shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a method of deriving an output signal from a periodic signal input to the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a signal processing circuit of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of the capacitive sensor shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a waveform of a periodic signal at each terminal and each node of the signal processing circuit shown in FIG.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing a signal processing circuit including a circuit for converting an output signal with respect to the X-axis direction component of the capacitive sensor shown in FIG. 1 into an analog voltage.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a first modified example of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a pressing force acting on a detecting member and an output analog voltage.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a second modification of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a third modification of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a fourth modification of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a fifth modification of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 17 is a schematic sectional view of a capacitance type sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a top view of a detection member of the capacitance-type sensor of FIG. 17.
  • FIG. 19 is a diagram showing a plurality of capacitance members formed on the substrate of the capacitance-type sensor of FIG. 17. It is a figure showing arrangement of an electrode.
  • FIG. 20 is an equivalent circuit diagram for the configuration of the capacitance type sensor shown in FIG. '
  • FIG. 21 is an explanatory diagram for explaining a method of deriving an output signal from a periodic signal input to the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 22 is a schematic sectional view of a conventional capacitance type sensor.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on a substrate of the capacitance type sensor of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the capacitance type sensor of the present invention is used as a force sensor.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a capacitance type sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the detection member of the capacitance type sensor of FIG. It is a top view.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of a plurality of electrodes formed on a substrate of the capacitive sensor of FIG.
  • the capacitance type sensor 10 includes a substrate 20, an operation detecting member 30 to which a force is applied from the outside by being operated by a person or the like, a displacement electrode 40, and a substrate 20.
  • a three-dimensional coordinate system is defined. Then, the layout will be described for each component with reference to this coordinate system. That is, in Fig.
  • the origin 0 is defined at the center position of the reference electrode ⁇ 0 on the substrate 20, the X axis is in the right horizontal direction, the ⁇ axis is in the vertical direction, and the 0 axis is in the depth direction perpendicular to the paper.
  • ⁇ Each axis is defined.
  • the surface of the substrate 20 defines an X ⁇ plane, and the ⁇ axis passes through the respective center positions of the reference electrode ⁇ 0, the detection member 30 and the displacement electrode 40 on the substrate 20.
  • the substrate 20 is a general printed circuit board for an electronic circuit, and in this example, a glass epoxy substrate is used. Further, a film-shaped inversion such as a polyimide film may be used as the substrate 20. However, a film-shaped substrate is flexible and therefore has a sufficiently rigid supporting base. It is preferable to use it by arranging it on a plate.
  • the detecting member 30 has a small-diameter upper portion 31 serving as a receiving portion and a lower portion 31 below the upper portion 31. It is composed of a large-diameter lower portion 32 extending to the end, and is formed in a disk shape as a whole.
  • the diameter of the upper part 31 is smaller than the diameter of a circle formed by connecting the respective outer curves of the capacitance element electrodes E1 to E4, and the diameter of the lower part 32 is smaller than the capacitance element electrode E1. It is almost the same as the diameter of the circle formed by connecting the outer curves of E4 to E4.
  • the detection member 30 may be covered with a resin cap. 'In addition, as shown in FIG.
  • the upper surface of the upper part 31 of the detection member 30 is provided with a capacitive element corresponding to the positive direction and the negative direction of the X axis and the Y axis, respectively.
  • Arrows are formed corresponding to the operation directions (moving directions of the force cursor) so as to correspond to the electrodes E 1 to E 4.
  • the displacement electrode 40 is formed of conductive silicon rubber and has a diameter substantially equal to the diameter of a circle formed by connecting the outer curves of the capacitance element electrodes E1 to E4. It is attached to the lower surface of a support member 60 made of elastic silicon rubber. Further, on the lower surface of the displacement electrode 40, a convex portion 41 protruding downward with a circle having the same diameter as the reference electrode E0 is formed around the center position of the displacement electrode 40. The protrusion 41 has a height such that the lower surface thereof can contact the reference electrode E0. As described above, since the convex portion 41 is formed at the center position of the displacement electrode 40, the detecting member
  • the displacement electrode 40 When a force is applied to 30, the displacement electrode 40 can tilt with the convex portion 41 as a fulcrum. Further, four projections 42 are formed at positions facing the fixed electrodes for switching E11 to E14, respectively.
  • a conductive ink for example, a conductive ink, a conductive thermoplastic resin (PPT, elastomer), a conductive plastic, or a metal-deposited film may be used in addition to the silicon rubber.
  • PPT conductive thermoplastic resin
  • a conductive plastic elastomer
  • metal-deposited film e.g., the protrusion of the displacement electrode 40
  • a circular reference electrode E 0 centered at the origin 0 is formed on the substrate 20, and a circular sector H 1 is formed on the outside of the substrate 20.
  • a fixed electrode E 1 for a circular switch having a small diameter inside the holes H 1 to H 4 and having a small diameter of the holes H 1 to H 4. 1 to E 14 are formed.
  • the area of the fixed electrodes E11 to E14 for the switch is preferably as small as possible as compared with the areas of the electrodes 1 to E4 for the capacitor.
  • the pair of capacitive element electrodes E1 and E2 are spaced apart from each other in the X-axis direction and arranged in an enlarged manner with respect to the Y-axis.
  • the pair of capacitive element electrodes E3 and E4 are spaced apart in the Y-axis direction and arranged symmetrically with respect to the X-axis.
  • the reference electrode E0 may be formed outside the capacitance element electrodes E1 to E4.
  • the convex portions 41 of the displacement electrodes 40 are also formed outside the capacitance element electrodes E1 to E4.
  • the capacitive element electrode E 1 is arranged so as to correspond to the positive direction of the X-axis, while the capacitive element lightning pole E 2 is arranged so as to correspond to the negative direction of the X-axis. It is used to detect the X-axis direction component of.
  • the capacitor element electrode E 3 is arranged so as to correspond to the positive direction of the Y axis, while the capacitor element electrode E 4 is arranged so as to correspond to the negative direction of the Y axis. It is used to detect the Y-axis direction component of
  • the reference electrode E 0 and the switch fixed electrodes E 11 to E 14 are connected to terminals TO to T 5 (see FIG. 4) using through holes or the like, respectively. ⁇ Connects to external electronic circuits through 5. Here, the reference electrode # 0 is grounded via the terminal T O.
  • the movable electrodes E 21 to E 24 for the switches are respectively in contact with the electrodes E 1 to E 4 for the capacitance element and are separated from the fixed electrodes E 11 to E 14 for the switch so as to cover them. Are located. Therefore, for switches
  • the movable electrodes E21 to E24 are dome-shaped members having a larger diameter than the holes H1 to H4.
  • the insulating film 50 is in close contact with a part of the capacitor electrodes E1 to E4 and the movable electrodes for switches E21 to E24 on the substrate 20 so as to cover the substrate 20. Is formed. For this reason, the portions of the electrodes E1 to E4 for capacitive elements and the movable electrodes E21 to E24 for switches formed of copper or the like, which are covered with the insulating film 50, are not exposed to air. Have a function of preventing them from being oxidized.
  • the electrodes E1 to E4 for the capacitive element and the movable electrodes E21 to E24 for the switch may be provided with anti-oxidation measures such as formation of gold plating on their surfaces. Good.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit diagram for the configuration of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a side surface when the detection member of the capacitance-type sensor shown in FIG. 1 is operated in the positive X-axis direction.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a method of deriving an output signal from a periodic signal input to the capacitance type sensor shown in FIG.
  • the capacitance element electrodes E1 to E4 formed on the substrate 20 face the displacement electrodes 40.
  • the movable electrodes for switches E 21 to E 24 connected to the electrodes for capacitive elements E 1 to E 4 correspond to positions where they contact or do not contact the fixed electrodes for switches E 11 to E 14.
  • the switch S 1 to S 4 has a function of connecting or not connecting the terminals T 1 to T 4 and the electrodes ⁇ 1 to ⁇ 4 for the capacitor by being selectively available. ing.
  • Switch movable electrodes E 21 1 to E 24 are not in contact with switch fixed electrodes E 11 1 to E 14 (switch is OFF) Jf ⁇ has switch fixed electrodes E 1 1 to E 14
  • the area of the switch electrodes is very small compared to the area of the capacitive element electrodes E1 to E4, and the fact that the switch movable electrodes E21 to E24 are a kind of electrostatic shield makes the switch between the movable electrodes E21 to E24 and the fixed electrodes for switches E11 to E14, almost no capacitance is generated.
  • the capacitive element electrodes E 1 to: E 4 are connected to the fixed electrodes E11 to E14 for the switch, the electrodes E1 to E4 for the capacitance elements and the displacement electrodes 40 face each other, and are displaceable displacement electrodes 4 that are common electrodes.
  • Capacitance elements C1 to C4 are formed between 0 and fixed individual capacitance element electrodes E1 to E4. Each of the capacitance elements C1 to C4 can be said to be a variable capacitance element configured to change the capacitance value due to the displacement of the displacement electrode 0.
  • each of the capacitance elements C1 to C4 is determined by the capacitance between the displacement electrode 40 and the terminals T1 to T4 connected to the capacitance element electrodes E1 to E4, respectively. Each can be measured independently as a capacitance value.
  • the reference electrode ⁇ 0 is sealed via the terminal ⁇ 0, it is considered that the displacement electrode 40, which is a common electrode in the capacitive elements C1 to C4, is grounded.
  • the capacitance value of the capacitive element C1 also changes accordingly. Change.
  • the capacitance value of the capacitance element is inversely proportional to the distance between the electrodes forming the capacitance element. Therefore, the capacitance value of the capacitance element C1 increases because the electrode constituting the capacitance element C1 decreases.
  • the X-axis negative direction portion of the displacement electrode 0 hardly displaces.
  • the positive portion of the displacement electrode 40 in the Y-axis direction and the negative portion of the displacement electrode 40 in the Y-axis direction hardly displace.
  • the X-axis negative direction portion, the Y-axis positive direction portion, and the Y-axis negative direction portion of the displacement electrode 40 are respectively downward.
  • the switch movable electrodes E 22 to E 24 corresponding to each direction
  • the switches S2 to S4 keep the OFF state unless the respective parts of the displacement electrode 40 are displaced until the fixed electrodes E2 to E14 are brought into contact with the fixed electrodes E2 to E14. There is almost no capacitance between E24 and fixed electrodes E12 to E14, and their displacement does not affect the output.
  • the capacitive element A method of deriving an output signal indicating the magnitude and direction of an external force applied to the detection member 30 from the changes in the capacitance values of C1 to C4 will be described with reference to FIG.
  • the output signals Vx and Vy indicate the magnitude and direction of the X-axis component and the Y-axis component of the external force, respectively.
  • a periodic signal such as a clock signal is always input to the terminals T1 to T4.
  • the detection member 30 is displaced by receiving an external force while the periodic signals are being input to the terminals ⁇ 1 to ⁇ 4
  • the displacement electrode 40 is displaced in the ⁇ -axis direction accordingly.
  • the force acting on the switch movable electrode ⁇ 21 to ⁇ 24 from the displacement electrode 40 reaches a predetermined value
  • the central part of the switch movable electrode ⁇ 21 to ⁇ 24 elastically deforms with buckling.
  • the switches S1 to S4 are turned on by coming into contact with the fixed electrodes ⁇ 11 to ⁇ 14 for the switch.
  • the displacement electrodes 40 are further displaced while the switches S1 to S4 are kept in the ON state, and the capacitance elements C1 to C4 are displaced.
  • the capacitance of each of the capacitance elements C1 to C changes as the electrode interval changes.
  • the phase of the periodic signal input to the terminals T1 to T is shifted.
  • the displacement of the detection member 30, that is, the magnitude and direction of the external force applied to the detection member 30 in the X-axis direction and the ⁇ -axis direction are determined by using the phase shift generated in the periodic signal. More specifically, when a periodic signal is input to terminals T1 to T4, a periodic signal A is input to terminal TT3.
  • a periodic signal B having the same period as the periodic signal ⁇ and having a different phase from the periodic signal A is input to the terminals T 2 and ⁇ 4.
  • the detecting member 30 receives an external force and the capacitance values of the capacitance elements C1 to C4 change, the periodic signals input to the terminals T1 to T4 respectively.
  • ⁇ or the phase of the periodic signal B is shifted by different amounts.
  • the capacitance value of the capacitor C1 changes, and the phase of the periodic signal A input to the terminal T1 shifts.
  • the capacitance value of the capacitive element C2 changes, and the phase of the periodic signal B input to the terminal T2 shifts.
  • the amount of change in the capacitance value of each of the capacitive elements C 1 and C 2 corresponds to the magnitude of the X-axis positive component and the X-axis negative component of the external force, respectively.
  • the output signal Vx is derived by reading the phase shift between the periodic signal A and the periodic signal B input to the terminal T1 and the terminal T2, respectively, using the exclusive-sum circuit.
  • the sign of this output signal Vx indicates whether the X-axis component of the external force is in the positive or negative direction, and its absolute value indicates the magnitude of the X-axis component.
  • the capacitance value of the capacitive element C 3 changes, and the phase of the periodic signal A input to the terminal T 3 is shifted. This occurs.
  • the capacitance value of the capacitive element C4 changes, and the phase of the periodic signal ⁇ ⁇ input to the terminal ⁇ 4 also shifts.
  • the amount of change in the capacitance value of each of the capacitive elements C 3 and C 4 corresponds to the magnitude of the ⁇ -axis positive component and the ⁇ -axis negative component of the external force, respectively.
  • the output signal Vy is derived by reading the phase shift of the periodic signal ⁇ and the periodic signal B input to the terminal # 3 and the terminal # 4, respectively, by the exclusive-sum circuit.
  • the sign of this output signal Vy indicates whether the Y-axis component of the external force is in the positive or negative direction, and its ⁇ f value indicates the magnitude of the Y-axis component.
  • both the positive component of the X-axis and the negative component of the X-axis, or the component of both the positive component of the Y-axis and the negative component of the Y-axis are used. May be included.
  • the value of the output signal Vx when the magnitude of each of the X-axis positive direction component and the X-axis negative direction component is the same is calculated by adding the external force to the X-axis direction component. Is almost the same as the value of the output signal Vx in the case where is not included (details are described later).
  • the phase shift amounts of the periodic signals A and B input to the terminals T 1 and T 2 are different, respectively.
  • the output signal Vx is derived by reading the phase shift with an exclusive-sum circuit. The same can be said for the derivation of the output signal Vy in the Y-axis direction.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a signal processing circuit of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • terminals T1 to T4 are A periodic signal of a predetermined frequency is input from an AC signal oscillator that is not used.
  • Resistance elements R1 to R4 are connected to these terminals T1 to T4, respectively.
  • the output terminals of the resistance elements Rl and R2 and the output terminals of the resistance elements R3 and R4 are connected to the EX-OR element 81, which is a logic element of the exclusive OR circuit, respectively.
  • the output terminals are connected to terminals T 11 to T 12. Further, the output terminals of the resistance elements R 1 to R 4 are connected to a fixed electrode E for a switch.
  • Switch S1 to S4 are connected to input terminals of switches S1 to S4 formed by 11 to E14 and switch movable electrodes E21 to E24, respectively.
  • the output terminals of 1 to S 4 are respectively connected to the capacitor electrodes E 1 to E 4 and the displacement electrodes 4
  • the displacement electrode 40 which is one electrode of each of the capacitance elements C1 to C4, is grounded.
  • FIG. 8 is a circuit diagram (part of FIG. 7) showing a signal processing circuit for the X-axis direction component of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • the capacitance element C1 and the resistance element; R1, and the capacitance element C and the resistance element R2 each form a CR delay circuit.
  • the periodic signals (squares, signals) input to the terminal TT 2 are each given a predetermined delay by the CR delay circuit and merge at the EX-OR element 81.
  • an inverter element is inserted between the first and second elements.
  • the impeller element is an element that generates a horsepower sufficient to drive the CR delay circuit, and is a logically meaningless element. Also By using the same element as the inverter element, signals on different paths can be compared under the same condition.
  • FIG. 9 is a diagram showing a waveform of a periodic signal at each terminal and each node of the signal processing circuit shown in FIG.
  • the peripheral signals input to the terminals T1 and T2 respectively undergo predetermined delays by passing through a CR delay circuit, and each of the EX-OR elements Entered into 1. More specifically, a periodic signal f ( ⁇ ) (corresponding to the above-described periodic signal A, hereinafter referred to as a periodic signal A) is input to a terminal T 1, and f ( ⁇ ) is input to a terminal T 2.
  • a periodic signal f ( ⁇ + ⁇ ) (corresponding to the above-described periodic signal B and hereinafter referred to as a periodic signal B) having the same period as the above and having a phase shifted by 0 is input.
  • the duty ratio D 0 of the periodic signal A is 50% and the phase of the periodic signal A is advanced by / of the period of the periodic signal A will be described.
  • the periodic signals A and B of different phases input to the terminals T 1 and T 2 respectively divide the periodic signal output from one AC signal oscillator into two paths, and This is generated by providing a CR delay circuit and delaying the phase of a periodic signal passing through the CR delay circuit.
  • the method of shifting the phase of the periodic signal is not limited to the method using the CR delay circuit, but may be any other method, or using two AC signal oscillators having different phases.
  • the periodic signal A and the periodic signal B can be generated and input to each of the terminals Tl and ⁇ 2. (A) and (b) in FIG. 9 are input to the terminals T1 and T2.
  • the waveforms of the periodic signal A and the periodic signal B are shown.
  • FIG. 9 (d) shows the potential change at the node X1 of the signal processing circuit shown in FIG. 8 when the periodic signal A is input to the terminal T1 ,.
  • the waveform of the potential at the node X1 is converted into a rectangular wave (pulse waveform) through a comparator (not shown) having a predetermined threshold value.
  • a comparator (not shown) having a predetermined threshold value.
  • a "Hi" signal is output, and if it is smaller than the threshold value, a "Lo" signal is output to form a rectangular wave.
  • the EX-OR element 81 is a C-MOS type logic element, if the power supply voltage is Vcc, it is preferable to set the threshold voltage of the comparator to Vcc / 2. In this way, the waveform of the potential at the node X1 is converted into a rectangular wave having a duty ratio D2 as shown in FIG. 9 (e) by passing through the comparator.
  • the switch S2 Since the switch S2 is in the OFF state at this time, the capacitive element C2 and the resistive element R2 do not form a delay circuit, and the waveform of the periodic signal reaching the point X2 is the periodic signal ⁇ (the ninth This is the same as the signal shown in Fig. (B).
  • a signal having the same waveform as the periodic signal at the nodes X 1 and X 2 (signals having the waveforms shown in FIGS. 9 (b) and 9 (e)) is input to the EX-OR element 81.
  • An exclusive logical operation is performed between these signals, and the result is output to the terminal T11.
  • the output signal Vx output to the terminal T11 is a rectangular wave signal having a duty ratio D3 as shown in FIG. 9 ( ⁇ ).
  • the distance between the displacement electrode 40 and the capacitance element electrode E 1 becomes smaller, and accordingly, the capacitance value of the capacitance element C 1 is reduced. Becomes larger.
  • the phase shift (the amount of delay) due to the periodic signal A passing through the delay circuit increases, and the duty ratio D3 of the output signal Vx output to the terminal T11 also increases.
  • FIG. 9 (g) shows a potential change at the node X2 of the signal processing circuit shown in FIG. 8 when the periodic signal B is input to the terminal T2.
  • the potential waveform at the node X2 is converted into a rectangular wave (pulse waveform) through a comparator (not shown) having a predetermined threshold value.
  • a rectangular wave is formed by outputting a “Hi” signal when the threshold value is larger than the set threshold value and outputting a “Lo” signal when the threshold value is smaller than the set threshold value.
  • the threshold voltage of the comparator is preferably set to about Vcc / 2.
  • the waveform of the potential at the node X2 is converted into a rectangular wave having a duty ratio D4 as shown in FIG. 9 (h) by passing through the comparator.
  • the switch S1 since the switch S1 is in the OFF state, the capacitive element C1 and the resistive element R1 do not constitute a delay circuit, and the waveform of the periodic signal reaching the node X1 is the periodic signal A. (A signal with the waveform shown in (a)).
  • the EX-OR element 81 has a period at nodes XI and X2.
  • a signal with the same waveform as the signal (the signal with the waveform shown in Fig. 9 (a) and Fig. 9 (h)) is input, exclusive logical operation is performed between these signals, and the result is output to the terminal.
  • the output signal Vx output to the terminal T11 is a rectangular wave signal having a duty ratio D5 as shown in FIG. 9 (i).
  • the distance between the displacement electrode 40 and the capacitance element electrode E 2 decreases, and accordingly, the capacitance value of the capacitance element C 2 increases.
  • the phase shift (the amount of delay) due to the passage of the periodic signal B through the delay circuit increases, and the duty ratio D3 of the output signal Vx output to the terminal T11 decreases.
  • the duty ratio D5 of the output signal Vx output to the terminal Tl1 when the detection member 30 is operated only in the negative direction of the X-axis Is smaller than the duty ratio D 2 of the output signal Vx output to the terminal T 11 when the detection member 30 is operated only in the positive X-axis direction (see FIG. 9 (e)). It is getting smaller.
  • the periodic signal A and the periodic signal B input to the terminal TT 2 become the capacitive element C. 1 and the resistance element R1, and reach the nodes XI and X2 through the delay circuit composed of the capacitance element C2 and the resistance element R2, respectively. Therefore, the potential changes at the nodes XI and X2 at this time are as shown in FIGS. 9 (d) and 9 (g).
  • the EX-OR element 81 digitizes the potential change at the Si points XI and X2 (the waveforms shown in Fig. 9 (d) and Fig. 9 (g)) with a predetermined threshold value.
  • Signals (signals with waveforms shown in FIGS. 9 (e) and 9 (h)) are input, exclusive logical operation is performed between these signals, and Is output to the terminal Tl1.
  • the output signal Vx output to the terminal T11 is a rectangular wave signal having a duty ratio D6 as shown in FIG. 9 (j).
  • the duty ratio D6 of the output signal Vx output to the terminal T1-1 is obtained.
  • FIG. 9 (j) shows that the detection member 30 is not operated; the duty ratio D 1 of the output signal Vx output to the terminal T 11 at I ⁇ (see FIG. 9 (j)). c)). However, the phases of both signals are shifted.
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing a signal processing circuit including a circuit for converting an output signal for an X-axis direction component of the capacitive sensor shown in FIG. 1 into an analog voltage.
  • the output signal Vx output to the terminal Tl1 is passed through a low-pass filter 50 composed of a resistor R50 and a capacitor C50. It is smoothed and output to terminal 50 as analog voltage Vx '.
  • the value of the analog voltage Vx ' changes in proportion to the duty ratio of the output signal VX. Therefore, as the duty ratio of the output signal Vx increases, the value of the analog voltage V also increases.
  • the duty ratio of the output signal Vx decreases, the value of the analog voltage Vx 'also decreases.
  • the output signal Vx duty ratio hardly changes, the value of the analog voltage Vx, hardly changes. .
  • the capacitance-type sensor 10 of the present embodiment when operating the switch movable electrodes E 21 to E 24 corresponding to the operation direction. But with a click feeling, the bow is transformed into a solid for the switch.
  • the contact with the constant electrodes E11 to E14 starts to detect and recognize the displacement of the detection member 30 for the first time, the operator feels a click and feels that the operation is being performed. It can be easily grasped.
  • the recognition of the displacement of the detection member 30 is started only when an external force of a predetermined magnitude necessary for generating a click feeling is applied, the click feeling that the operator did not intentionally operate is performed.
  • a plurality of capacitive element electrodes E1 to E4 are formed, and the direction components in the X-axis direction and the Y-axis direction of the force externally received by the detection member 30 can be separately recognized.
  • signals having different phases are supplied to the pair of capacitive element electrodes (E 1 and E, E 3 and E 4), the phase shift of the signal due to passing through the circuit is obtained.
  • the signal can be detected with high accuracy because a signal processing circuit using a logic element is used for the signal.
  • the capacitance type sensor having this configuration is preferable to be used as an input device for a personal computer, a mobile phone, a game, and the like.
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a capacitive sensor according to a first modification.
  • FIG. I2 is a diagram showing a relationship between a pressing force acting on a detecting member and an analog voltage output.
  • the difference between the signal processing HI path of Fig. 11 and the signal processing circuit of the capacitive sensor of Fig. 1 is that the circuit between the mouth-pass filter 150 and the terminal 11 of Fig. 10 is different.
  • 60 is a connected point.
  • Other configurations Are the same as those of the capacitance type sensor of FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the circuit 60 has comparators 63 and 64, variable resistors 65 and 66, and terminals 6 and 62, and a circuit between the one-pass filter 50 and the terminal 11 Connected to node X60.
  • the variable resistor 65 is connected to one input terminal of the comparator 63, and the other input terminal is connected to the node X60.
  • the output terminal of the comparator 63 is connected to the terminal 61.
  • one input terminal of the comparator 64 is connected to the variable resistor 66, and the other input terminal is connected to the node X 60.
  • the output terminal of the comparator 64 is connected to the terminal 62.
  • a predetermined voltage is applied to the variable resistors 65 and 66 by a power supply (not shown), and the respective resistance values are changed. By doing this, the values input to the comparators 63 and 64 (hereinafter referred to as comparative values) can be changed.
  • the relationship between the pressing forces Fx1, Fx2 acting on the detecting member 30 and the output analog voltage Vx ' will be described with reference to FIG.
  • the pressing force F X1 and the pressing force F X2 indicate the forces acting on the detection member 30 in the X-axis positive direction and the X-axis negative direction, respectively.
  • the value of the analog voltage Vx 'when the pressing force Fx1 and the pressing force Fx2 are not acting together is the voltage value a.
  • the pressing force Fx1 reaches the pressing force Fx10, the value of the analog voltage Vx 'remains unchanged at the voltage value a.
  • the pressing force F xi reaches the pressing force F xi 0, the value of the analog voltage V instantaneously increases to the voltage value b.
  • the pressing force Fx10 is the force (predetermined value) when the displacement suddenly increases due to the buckling of the central part of the switch movable electrode E21 in the description of the first embodiment. Yes, it is.
  • the pressing force F x 1 increases, Accordingly, the value of the analog voltage Vx 'increases in proportion.
  • the pressing force Fx20 corresponds to the force (predetermined value) when the displacement rapidly increases due to buckling of the central portion of the movable electrode E22 for the switch and the sochi. ing. Further, as the pressing force Fx2 increases, the value of the analog voltage Vx 'decreases proportionally.
  • the ON state or the OFF state is applied to the terminal 61.
  • the signal shown can be output. That is, a signal indicating the OFF state can be output until the pressing force Fx1 reaches the pressing force Fx10 until the pressing force Fx1 reaches the pressing force Fx10. See figure).
  • the terminal 62 is brought into the 0 N state or the 0 FF state.
  • a signal indicating either can be output. That is, a signal indicating the ⁇ FF state is displayed until the pressing force Fx2 reaches the pressing force Fx20, and a signal indicating the ON state can be output when the pressing force Fx2 reaches the pressing force Fx20 (see FIG. 12).
  • the capacitance type sensor 10 can be used as an analog voltage controller having a switch function. That is, the switches S i and S 2 are used as switches for starting the recognition and recognition of the component in the X-axis direction of the external force, and the N state and the ⁇ of other connected circuits or devices are used. It can be used as another switch to selectively switch between the FF state.
  • the functions of the circuit 60 can be executed by software such as a program using a microcomputer having an A / D conversion port.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a capacitive sensor according to a second modification.
  • the difference between the signal processing circuit of FIG. 13 and the signal processing circuit of the capacitive sensor of FIG. 1 is that a capacitive element C 0 is formed between the displacement electrode 40 and the reference electrode E 0. It is a point.
  • Other configurations are the same as those of the capacitance type sensor of FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the insulating film 50 is placed on the substrate 20 so as to be in close contact with the electrodes E1 to E4 for capacitive elements, the movable electrodes E21 to E24 for switches, and the reference electrode E0 so as to cover the substrate 20. Formed. Thus, by disposing the fiber film 50 between the displacement electrode 40 and the reference electrode E 0, the capacitance element CO is formed between the displacement electrode 40 and the reference electrode E 0.
  • the displacement electrode 40. is electrically coupled to the reference electrode E0, not by direct contact but by capacitive coupling by the capacitive element CO (having a function as a coupling capacitor). Is done. Therefore, the withstand voltage characteristic of the capacitance type sensor 10 is improved, and the sensor is hardly damaged by the flow of the spark current, and the failure such as poor connection can be prevented. A highly reliable capacitive sensor can be obtained. Also, the »electrode E 0 is not exposed to air, so that they can be prevented from being oxidized.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a capacitive sensor according to a third modification.
  • This signal processing circuit differs from the signal processing circuit of the capacitive sensor of FIG. 1 in that an OR element is used instead of an EX-OR element as a logic element. Since the other configuration is the same as that of the capacitance type sensor of FIG. 1, the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the switch S 1 when the X-axis positive direction portion of the detecting member 30 is pressed, the switch S 1 is turned on, and when the X-axis positive direction portion of the detecting member 30 is further pressed, the terminal T 1 is pressed.
  • the periodic signal A input to the node passes through the CR delay circuit composed of the capacitance element C1 and the resistance element R1, and reaches the node X1. At this time, the periodic signal at the node X1 has a predetermined delay as shown in FIG. 9 (e).
  • the switch S2 is turned on, and when the X-axis negative direction portion of the detection member 30 is further pressed, the cycle input to the terminal T2 is performed.
  • the signal B reaches the node X2 through the CR delay circuit composed of the capacitive element C2 and the resistive element R2. At this time, the periodic signal at point 15
  • a predetermined delay occurs as shown in (h).
  • a signal having the same waveform as the periodic signal at the nodes XI and X2 is input to the OR element 83, and a logical OR operation is performed between these signals.
  • the result is output to terminal T11.
  • the signal output to the terminal 11 is a rectangular signal having a predetermined duty ratio.
  • the EX-OR element When the EX-OR element is used, the amount of change in the duty ratio between the square wave signal and the square wave signal is smaller than that of the square wave signal output to the terminal 51. It is considered that the sensitivity as a capacitive sensor decreases. Therefore, when each member of the capacitive sensor is made of a material having extremely high sensitivity, the sensitivity of the capacitive sensor is adjusted by the configuration of the signal processing circuit (here, the sensitivity is reduced). It is preferred to use for
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a capacitance type sensor according to a fourth modification.
  • the signal processing circuit of Fig. 15 differs from the signal processing circuit of the capacitive sensor of Fig. 1 in that an AND element is used as a logic element instead of an EX-OR element. It is.
  • Other configurations are the same as those of the capacitance type sensor of FIG. 1, and therefore, the same reference numerals are given and the description is omitted.
  • the switch S 1 when the X-axis positive direction portion of the detection member 30 is pressed, the switch S 1 is in the 0 N state, and when the X-axis positive direction portion of the detection member 30 is further pressed, the terminal T is pressed.
  • the periodic signal A input to 1 passes through the CR delay circuit composed of the capacitance element C1 and the resistance element R1, and reaches the node X1. At this time, the periodic signal at the node X1 has a predetermined delay as shown in FIG. 9 (e).
  • the switch S 2 is set to the 0 N state, and when the X-axis negative direction portion of the detection member 30 is further pressed, the signal is input to the terminal T 2.
  • the periodic signal B passes through a CR delay circuit composed of a capacitance element C2 and a resistance element R2, and reaches an ST point X2. At this time, the periodic signal at the node 2 has a predetermined delay as shown in FIG. 9 (h).
  • a signal having the same waveform as the periodic signal at nodes XI and X2 is input to the AND element 84, and a logical OR operation is performed between these signals. Is output to the terminal T 11.
  • the signal output to terminal 11 has a predetermined duty ratio. This is a square wave signal.
  • the change in the duty ratio with the square wave signal is smaller than that of the square wave signal output to the terminal 51 when the EX-OR element is used. It is thought that the sensitivity as a capacitive sensor is reduced.
  • the sensitivity of the capacitance-type sensor is adjusted by the configuration of the signal processing circuit. (Here, the sensitivity is reduced).
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing a signal processing circuit for an X-axis direction component of a capacitive sensor according to a fifth modification.
  • the signal processing circuit of FIG. 16 differs from the signal processing circuit of the capacitance type sensor of FIG. 1 in that a NAND element is used instead of an EX-OR element as a logic element. .
  • the other configuration is the same as that of the capacitive sensor shown in FIG. 1, and therefore, the same symbols are attached and the description is omitted.
  • a signal having the same waveform as the periodic signal at the nodes XI and X2 is input to the NAND element 85, and a logical OR operation is performed between these signals. Subsequently, a negation operation is performed, and the result is output to terminal T11.
  • the signal output to the terminal 11 is a rectangular wave signal having a predetermined duty ratio.
  • the square wave signal output to the terminal 1 i has an average duty ratio value compared to the square wave signal output to the terminal 11 when the EX-OR element is used. It is thought that the sensitivity as a capacitive sensor decreases.
  • the sensitivity of the capacitance-type sensor is adjusted by the configuration of the signal processing circuit. (Here, the sensitivity is reduced).
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a side surface of a capacitance type sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 ⁇ is a top view of a detecting member of the capacitance type sensor of FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing the arrangement of a plurality of electrodes formed on the top of the capacitance type sensor of FIG.
  • the capacitance-type sensor 110 includes a substrate 120, an operation detecting member 130 to which an external force is applied by being operated by a person or the like, a displacement electrode 140, and a substrate 1.
  • an insulating film 150 formed so as to cover the substrate 120 in close contact with a plurality of electrodes, a sensing member 130 and a displacement electrode 140 are attached to the substrate 120. It has a support member 160 for supporting and fixing the same, and a cover 170 arranged so as to cover the periphery of the support member 160 and the detection member 130.
  • an XYZ Z-dimensional coordinate system is defined as shown in the figure, and the layout is described for each component with reference to this coordinate system. That is, in FIG. 17, the origin 0 is defined at the center position of the button fixed electrode E 115 on the substrate 120, and the X axis is in the right horizontal direction and the Z axis is in the upper vertical direction. The Y axis is defined in the depth direction perpendicular to the paper.
  • the surface of the substrate 120 defines an XY plane, and the center position of each of the fixed electrode E 1 15 for the button, the detection member 130 and the displacement electrode i 40 on the substrate 120 is Z. The axis will pass.
  • the board 120 is a general printed circuit board for electronic circuits, like the board 20, and in this example, a glass epoxy board is used.
  • a film-like substrate such as polyimide film may be used as the substrate 120, but a film-like substrate is operable and therefore has sufficient rigidity. It is preferable to use it by arranging it on a substrate.
  • the detection member 130 is composed of a circular center button 131, centered on the origin, and a ring-shaped side button 132 disposed outside the center button 131.
  • the diameter of the center button 13 1 is almost the same as or slightly smaller than the outer diameter of the reference electrode E 100, The diameter is substantially the same as the diameter of a circle formed by connecting the outer curves of the capacitance element electrodes E101 to E104.
  • a projection 13a is formed on the lower surface of the center button 13 1 at a position facing the fixed electrode E11 for the button, and the lower surface of the side button 13 2 is fixed for the switch.
  • Four protrusions 132a are formed at positions facing the electrodes E111 to E114, respectively. :
  • through holes 16a and 16b are formed in the support member 16 made of silicone rubber having elasticity at positions corresponding to the protrusion 13a and the protrusion 13a.
  • the center button 13 1 has a projection 13 1 a inserted into the through hole 16 a and adhered to the upper surface of the support member 16.
  • four protrusions 132a are respectively fitted into the through holes 160b, and are disposed on the upper surface of the support member 160 by a retaining structure. Note that the side buttons 1332 may be bonded to the upper surface of the support member 160.
  • the upper surface of the side button 13 2 corresponds to the positive and negative directions of the X axis and the Y axis, that is, the capacitive element electrode E 10.
  • Arrows corresponding to the operation directions (movement directions of the force sol) are formed so as to correspond to 1 to E104.
  • the displacement electrode 140 is made of conductive silicon rubber and has a diameter substantially equal to the diameter of a circle formed by connecting the outer curves of the capacitor element electrodes E 101 to E 104. And is attached to the lower surface of the support member 160.
  • the displacement electrode 40 for example, a conductive ink, a conductive plastic resin (PPT, elastomer), a conductive plastic, or a metal-deposited film may be used in addition to the silicon rubber.
  • a conductive ink for example, a conductive ink, a conductive plastic resin (PPT, elastomer), a conductive plastic, or a metal-deposited film may be used in addition to the silicon rubber.
  • PPT conductive plastic resin
  • a conductive plastic elastomer
  • a circular fixed electrode E 115 centered on the origin 0 and a ring-shaped reference electrode E formed outside the substrate 120 are provided on the substrate 120. Electrodes for capacitive elements E 101 to E 104, each of which has a fan-shaped outer surface and a circular hole H 101 to H 104 at the approximate center thereof. Inside of 101 to H104, circular fixed electrodes E11 to Ei1 having a diameter smaller than that of holes H101 to H104 are formed. .
  • the area of the fixed electrodes E1111 to E114 for the switch be as small as possible as compared with the area of the electrodes E101 to E104 for the capacitive element.
  • the pair of capacitive element electrodes E 101 and E 102 are spaced from each other in the X-axis direction and are arranged line-symmetrically with respect to the Y-axis.
  • the pair of capacitive element electrodes E103 and E104 are spaced apart in the Y-axis direction and arranged in the H-direction with respect to the X-axis.
  • the capacitive element electrode E 101 is arranged so as to correspond to the positive direction of the X axis, while the capacitive element electrode E 102 is arranged so as to correspond to the negative direction of the X axis. It is used to detect the X-axis component of the force from.
  • the capacitive element electrode E 103 is arranged so as to correspond to the positive direction of the Y axis, while the capacitive element electrode E 104 is arranged so as to correspond to the negative direction of the Y axis. Used to detect the Y-axis component of the force from.
  • the fixed electrode E115 for the button is arranged on the origin 0, and is used together with the movable electrode E125 for the button for determining operations such as input.
  • the reference electrode E 100, the fixed electrode for the switch E 11 1 to E 11 4 and the fixed electrode for the button E 115 are terminals T 100 to T 104 using a through hole or the like. And terminal ⁇ 115 (see Fig. 20), respectively, and are connected to external electronic circuits through terminal ⁇ 100 to ⁇ 104 and terminal ⁇ 115. .
  • the reference electrode ⁇ 10 0 is grounded via terminal T 100.
  • the electrode for the capacitor element 1 101 to ⁇ 104 is in contact with the fixed electrode for the switch ⁇ 111 to ⁇ 114, and the movable electrode for the switch ⁇ 1 is separated from and covers the electrode. 2 1 to ⁇ 1 2 4 are arranged.
  • the switch movable electrodes ⁇ 121 to ⁇ 124 are dome-shaped members having a diameter larger than the holes ⁇ 101 to ⁇ 104.
  • a dome-shaped movable electrode for button ⁇ 125 is disposed so as to be in contact with the reference electrode ⁇ 100 and to be separated from and cover the fixed electrode EU5 for button. Therefore, the movable electrode for button 125 has a diameter larger than the inner diameter of the reference electrode E L00.
  • the insulating film 150 is formed of a capacitor element electrode ⁇ ⁇ 101 to ⁇ 104 on the substrate 10, a part of the reference electrode ⁇ 100, a switch movable electrode ⁇ 21 ⁇ ⁇ It is formed so as to be in close contact with 24 and the movable electrode for button, and to cover the substrate 120.
  • electrodes for capacitive elements formed of copper or the like ⁇ 101 to ⁇ 104, reference electrodes ⁇ 100, movable electrodes for switches ⁇ 21 to ⁇ 24, and movable electrodes for buttons ⁇ 1 2 The portion covered with the fibrous membrane 150 ′ is not exposed to air, and has a function of preventing acid exposure.
  • the movable electrode for switch ⁇ 21 to ⁇ 24 and the movable electrode for button ⁇ 125 are not in direct contact with the displacement electrode 140. .
  • FIG. 20 is an equivalent circuit diagram for the configuration of the capacitance type sensor shown in FIG.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram for explaining a method of deriving an output signal from a periodic signal input to the capacitance type sensor shown in FIG.
  • Electrodes E 101 to E 104 formed on the substrate 110 face the displacement electrode 40.
  • the movable electrodes E 121 to E 124 connected to the electrodes E 101 to E 104 for the capacitor element are fixed electrodes E 111 to E 114 for the switch.
  • a switch S that connects or does not connect the terminals T 101 to T 104 and the electrodes E 101 to E 104 to the terminals T 101 to T 104 by selectively taking the contact position or the non-contact position. It has a function as 101 to S104.
  • a capacitive element C 100 is formed between the reference electrode E 100 (the movable electrode E 125 for the button) and the fixed electrode E 115 for the button. Further, a switch that opens and closes when the central button 13 1 is pressed is provided between the movable electrode E 125 for the button connected to the reference electrode E 100 and the fixed electrode E 115 for the button. S 105 is configured.
  • the fixed electrode for switch E1 1 When the movable electrode for switch E1 2 1 to E1 2 4 is not in contact with the fixed electrode for switch E1 1 1 to E1 14 (when the switch is OFF), the fixed electrode for switch E1 1
  • the area of 1 to E114 is always smaller than the area of the capacitor electrode E101 to E104, or the switch movable electrode E122 to E124 is of a different type. Due to the electrostatic shield, almost no capacitance is generated between the switch movable electrodes E 121 to E 124 and the switch fixed electrodes E 111 to E 114.
  • the electrode for capacitive element E 1 0 1 to E 104 are connected to the fixed electrodes E 1 11 to E 11 for the switch, and the electrodes E 10 1 to E 10 for the capacitive element and the displacement electrode 14
  • Capacitance elements C 101 to C 104 are formed between a displaceable displacement electrode 140 that is an electrode and fixed individual capacitance element electrodes E 101 to E 104.
  • the capacitive elements C 101 to C 104 are respectively It can be said that the variable capacitance element is configured so that the capacitance value changes due to the displacement of the displacement electrode 140.
  • the capacitance value of each of the capacitive elements C 101 to (: 104 is determined by the displacement electrode 140 and the terminal T connected to each of the capacitive electrodes E 101 to E 104. It can be measured independently as the capacitance value between 101 and T 104.
  • the 'reference electrode ⁇ 100 is connected to the terminal ⁇ 100 via the terminal ⁇ 100.
  • the displacement electrode 10 which is a common electrode in the capacitive elements C101 to C104 is connected through the capacitive element C100 and the terminal T100.
  • the switch movable electrodes E 121 to E 124 and the switch fixed electrodes E 111 to E 114 are in contact with each other (the switches S 101 to S 104 are in the ON state).
  • the output signals Vx and Vy indicate the magnitudes and directions of the X-axis component and the Y-axis component of the force from the outer surface 5, respectively.
  • a periodic signal such as a clock signal is always input to the terminals T 101 to T 104.
  • the displacement electrode 140 moves along the ⁇ -axis direction. Is displaced.
  • the movable electrode for the switch ⁇ 121 to ⁇ 124 When the force is less than a predetermined value, the movable electrode for the switch ⁇ 121 to ⁇ 124 is hardly displaced, but when the force reaches the predetermined value, the movable electrode for the switch ⁇ 121 to The portion near the top of ⁇ 124 is suddenly elastically deformed with g) to be in a concave state, and comes into contact with the fixed electrodes for switch El11 to ⁇ 114. As a result, the switches S101 to S104 are turned on. At this time, the operator has a clear Click feeling will be given. Thereafter, when the side buttons 1332 continue to be displaced, the switches S100i to S104 are kept in the ON state, and the displacement electrodes 140 are further displaced.
  • the electrode spacing of 104 changes, and the capacitance value of each of the capacitance elements C 101 to C 104 changes. Then, the phase of the periodic signal input to the terminals T101 to T104 shifts. In this way, the displacement of the side buttons 13 2, that is, the side buttons
  • the external force received by the unit 132 in the X-axis direction can be obtained.
  • Output signals Vx and Vy indicating the magnitude and direction in the axial direction can be obtained.
  • the details of the derivation method are the same as those described for the signal processing circuit in the capacitive sensor of FIG.
  • the switch movable electrodes E122 when the capacitance sensor 110 of the present embodiment is operated with respect to the side panel 133, the switch movable electrodes E122 to switch corresponding to the operation direction.
  • the switch fixed electrodes E1 1 1 to E1 1 4 and E1 2 4 elastically deforms with a click feeling, it starts to recognize the position of the side button 13 2 for the first time.
  • the user can easily and intuitively grasp that the operation is being performed by feeling the click.
  • the recognition of the displacement of the side buttons 13 and 2 starts only when an external force of a predetermined magnitude necessary to generate a click feeling is applied, the click feeling that the operator did not intentionally operate is clicked.
  • a plurality of capacitive element electrodes E 101 to E 104 are formed, and the side buttons 1332 separately recognize the X-axis direction component and the Y-axis direction component of the force received from outside 5. be able to.
  • signals having phases different from each other are supplied to the pair of capacitive element electrodes (E101 and E102, E103 and E104), so that the signals pass through the circuit.
  • the phase shift of the signal can be increased, and the signal can be detected with high accuracy because a signal processing circuit using a logic element is used.
  • the capacitance type sensor having this configuration is preferable to be used as an input device of a personal computer, a mobile phone, a game, or the like.
  • the displacement electrode 10 is not formed by direct contact, but by a reference electrode E 100 sealed by capacitive coupling by a capacitive element C 100 (having a function as a coupling capacitor).
  • the sensor is electrically coupled to the sensor, improving the withstand voltage characteristics of the capacitive sensor 110, preventing the sensor from being damaged due to the flow of spark current, and preventing problems such as poor connection. Therefore, a highly reliable capacitive sensor can be obtained.
  • an insulating film 150 is disposed between the reference electrode ⁇ 100 and the displacement electrode 140, but a part of the fibrous film 150 is forcibly applied to the reference electrode ⁇ 100. 0 and the displacement electrode 14 Since it is unnecessary, it is advantageous in terms of assembly and mounting.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made within the scope of the claims. Things.
  • the reference electrode formed inside the capacitor electrode and the protrusion formed at the center of the lower surface of the displacement electrode are in contact with each other.
  • the reference electrode formed outside the electrode and the projection formed on the outer edge of the lower surface of the displacement electrode may be in contact with each other. Therefore, any configuration may be used as long as the reference electrode and the displacement electrode are electrically connected.
  • an electrode having a dome ⁇ ⁇ is used as the movable electrode for the switch.
  • the displacement electrode is displaced, it is elastically deformed while accompanied by a click feeling. Any electrode of a dog can be used as long as it can be brought into contact with the switch fixed electrode.
  • the switch fixed electrode is formed inside the capacitor element electrode.
  • the switch fixed electrode is formed adjacent to the capacitor element electrode. May be.
  • the detection member is formed integrally with the capacitance element electrodes corresponding to the X-axis direction and the Y-axis direction. It may be divided corresponding to each of the capacitive element electrodes corresponding to the Y-axis direction.
  • the capacitance element electrodes corresponding to the four directions of the positive direction and the negative direction of the X-axis and the Y-axis are formed.
  • the electrode for the capacitive element may be formed so that only the component can be detected.

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Description

明 細 書 静電容量式センサ 技術分野
本発明は、 多次元方向の操作入力を行うために用 、て好適な静電容量 式センサに関し、特に、 クリック感を感じつつ操作を行うことができる 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カ覚センサ （ 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つた操作量を入力することができる。 また
、加えられたカを各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二 または三次元カ覚センサとしても利用されている。 特に、 2枚の電極に よつて静電容量素子を形成し、電極間隔の変ィヒ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カ覚センサは、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卜があるために、 さまざま な分野で実用化されている。
例えば、 曰本国特開平 7 ( 1 9 9 5 ) — 2 0 0 1 6 4号公報には、第 2 2図に示すような静電容量式カ覚センサが開示されている。 カ覚セン サ 5 1 0は、基板 5 2 0と、基板 5 2 0上に設けられた弾性ゴム板 5 3 0と、弾'【生ゴム板 5 3 0の下面に設けられた電極部 5 4 0と、基板 5 2 0の上面に設けられた電極部 5 0 0〜5 0 4 (図 2 3参照） と、弾性ゴ ム板 5 3 0を基板 5 2 0に対して支持固定する押え板 5 6 0と、基板 5 2 0の下面に設けられた電子装置 5 8 0とから構成されている。 また、 電極部 5 0 0〜5 0 4は、 図 2 3に示すように、原点について対称に配 置された 4つの電極部 5 0 1 ~ 5 0 4と、 これらのタ MMに配置された円 環 4犬の電極咅！ 5 5 0 0とにより構成されている。 また、 電極部 5 4 0の外 周部分は、接地されている電極部 5 0 0と接触しており、電極部 5 0 0 を介して接地されている。
操作者が弾性ゴム板 5 3 0を押下すると、 その押下力に伴って電極部 5 4 0が下方に変位して、 これと 4つの電極部 5 0 1〜 5 0 4との間の 距離が変化する。 すると、 4つの電極部 5 0 1〜5 0 4のそれぞれと電 極部 5 4 0との間で構成された容量素子の静電容量値が変化する。 従つ 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 2 2図および図 2 3に示したカ覚センサ 5 1 0では 、操作者が弾性ゴム板 5 3 0を押下したとき、 その押下する力に伴って 電極部 5 4 0は変位するが、その変位量は押下力に対してほぼ比例する ように変化することが多く、操作者は明確な操作感を感じることがほと んどない。 したがって、 .操作者は操作を実行していることを感覚的に把 握することなく操作を施すことになり、カ覚センサ 5 1 0の操作対象の 動作を視覚により確認しない限り操作を実行していることを容易に把握 することができない。
そこで、本発明の目的は、操作を実行していることを感覚的に容易に 把握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、 X Y Z三次元座標系を定義したときに
、 χγ平面を規定する基板と、前 ie¾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 するのに伴つて 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 2の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 つてクリック感を付随しつつ弾性変形して前記第 1の電極と接触可能な 第 3の電極とを備えている。 そして、請求項 1の静電容量式センサは、 前記第 1の電極と前記第 3の電極とが接触しているときに、 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 l己第 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 徴としたものである。
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 iの電極の方向への変ィ¾1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。
このような構成にすることにより、検知部材に対して操作を施す場合 には、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の電極と接触したときに始めて検知部材の変位の認識が開始 されるため、操作者はクリック感を感じることで操作を実行しているこ とを感覚的に容易に把握することができる。 また、 クリック感を生じさ せるのに必要な所定の大きさの外力が与えられて始めて検知部材の変位 の認識が開始されるので、操作者が意識的に操作したのではないクリッ ク感を生じさせない範囲の小さな外力が検知部材に加えられたときには 検知部材の変位が認識されない。 従って、検知部材が偶然に別部材に接 触するなどの外乱を排して、操作者の意識的な操作に基づく検知部材の 変位だけを確実に検出することが可能になる。
また、 本発明の静電容量式センサでは、 前記第 3の電極がドーム? ^犬 を有しており、 その内側に前記第 1の電極が配置されていてよい。 これ によると、 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ツク感を与えることが可 宫 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。 これによると、導 電性部材が直接接触することによってではなく、容量結合によつて接地 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^ f膜を配置し た場合においても、絶縁膜の一部をカツ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、 組立およぴ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、 tiff己第 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てよい。 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つて多次元的な 力の認識が可能になる。
また、本発明の静電容量式センサでは、 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 [U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ょぴ他方 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では、前記第 1の電極、 tiff己第 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 C R回路と他方を含む C R回路との時定数が異なるものであってよ い。 このような構成によると、 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 演算、論理糠寅算および否定演算 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。
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 ¾称に配置された一対の第 4の電極と、 X軸に対して 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たものであ つてよい。 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つ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 スィッチを付カ卩することができる。
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、前記導電性部材が、弾性体に塗 布された導電性ィンクにより形成されていてよい。 このよう 'な構成によ ると、導電性部材が製造しやすく、製造コストを低減することができる
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の検知部材に X軸正方向へ の操作が施された場合の側面の模式的な断面図である。
第 6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 7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 8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 9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 1 0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 1 1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 1 2図は、 検知部材に作用する押下力と出力されるアナログ電圧と の関係を示す図である。
第 1 3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 1 4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 1 5図は、第 1図に示す静電容量式センサの第 4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 1 6図は、第 1図に示す静電容量式センサの第 5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 1 7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 1 8図は、 第 1 7図の静電容量式センサの検知部材の上面図である 第 1 9図は、第 1 7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 2 0図は、 第 1 7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 2 1図は、 第 1 7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 2 2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 3図は、第 2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。 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。 なお、以下で説明する実施の形態は本発明の静電容量式センサを力 覚センサとして用いたものである。
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 1 0は、基板 2 0と、 人などによって操作されるこ とによつて外部から力が加えられる操作用の検知部材 3 0と、変位電極 4 0と、基板 2 0上に形成された容量素子用電極 E 1〜E 4と、 ドーム 制犬を有するスィツチ用可動電極 E 2 】〜E 2 4 (第 1図では E 2 1お よび E 2 2のみを示す） と、 その内側に配置されたスィッチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4 (第 1図では E 1 1および E 1 2のみを示す） と、 β 電極 （共通電極） Ε 0と、 複数の電極に密着して基板 2 0上を覆うよう に形成された絶縁膜 5 0と、検知部材 3 0および変位電極 4 0を基板 2 0に対して支持固定する支持部材 6 0と、草持部材 6 0および検知用部 材 3 0の周囲を覆うように配置されたカバ一ケース 7 0とを有している ここでは、説明の便宜上、 図示のとおり、 Χ Υ Ζ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 2 0上の基準電極 Ε 0の中心位置に原点 0が 定義され、右水平方向に X軸が、 上垂直方向に Ζ軸が、紙面に垂直奥行 方向に Υ軸がそれぞれ定義されている。 ここで、基板 2 0の表面は、 X Υ平面を規定し、基板 2 0上の基準電極 Ε 0、検知部材 3 0および変位 電極 4 0のそれぞれの中心位置を Ζ軸が通ることになる。
基板 2 0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 2 0として、 ポ リイミ ドフィルムなどのフィルム状の凝反を用いてもよいが、 フィルム 状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもつた支持基 板上に配置して用いるのが好ましい。
検知部材 3 0は、受カ部となる小径の上段部 3 1と、 上段部 3 1の下 端部に伸延する大径の下段部 3 2とから構成され、全体として円盤状に 形成されている。 ここで、上段部 3 1の径は、容量素子用電極 E 1〜E 4のそれぞれの外側の曲線を結んでできる円の径より小さく、下段部 3 2の径は、容量素子用電極 E 1〜E 4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。 なお、操作性を向上させるために、検 知部材 3 0に樹脂製のキャップをかぶせてもよい。 ' また、 検知部材 3 0の上段部 3 1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 E 1 ~ E 4に対応するように、操作方向 （力一 ソルの移動方向） に対応した矢印が形成されている。
変位電極 4 0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 E 1〜E 4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、弾性を有するシリコンゴムで形成され た支持部材 6 0の下面に付着されている。 また、 変位電極 4 0の下面に は、 変位電極 4 0の中心位置を中心とし、基準電極 E 0と同一の径の円 形で下方に突出した凸部 4 1が形成されている。 凸部 4 1は、 その下面 が基準電極 E 0と接触することができる高さを有している。 このように 、変位電極 4 0の中心位置に凸部 4 1が形成されているため、検知部材
3 0に力が作用したときに変位電極 4 0が凸部 4 1を支点として傾くこ とができるようになつている。 また、 スィッチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4にそれぞれ対向する位置には、 4つの突起体 4 2が形成されている。 なお、 変位電極 4 0としては、 シリコンゴムの他、例えば、導電性ィ ンク、導電性熱可塑性樹脂 （P P T、 エラストマ一） 、導電性プラスチ ヅク、金属蒸着フィルムを用いてもよい。 また、 変位電極 4 0の突起体
4 2は無くてもよい。 また、基板 2 0上には、第 3図に示すように、 原点 0を中心とする円 形の基準電極 E 0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 H 1〜H 4を有する容量素子用電極 E 1〜E 4と、 孔 H 1〜H 4の内側で、孔 H 1〜H 4の径ょりも小さぃ径を有する円形のスィツチ 用固定電極 E 1 1〜E 1 4とが形成されている。 ここで、 スィッチ用固 定電極 E 1 1〜E 1 4の面積は、 容量素子用電極 1〜E 4の面積に比 ベて極力小さい方が好ましい。 一対の容量素子用電極 E 1および E 2は 、 X軸方向に離隔して Y軸に対して膨寸称に配置されている。 また、一 対の容量素子用電極 E 3および E 4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。 なお、基準電極 E 0は、 容量素子用電極 E 1〜 E 4の外側に形成されてもよい。 この場合には、 変位電極 4 0の凸 部 4 1も容量素子用電極 E 1〜E 4の外側に形成される。
ここでは、容量素子用電極 E 1は X軸の正方向に対応するように配置 され、一方、容量素子用雷極 E 2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 E 3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 E 4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。
基準電極 E 0およびスィッチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4は、 スル一ホ —ルなどを利用して端子 T O〜T 5 (第 4図参照） にそれぞれ接続され ており、端子 Τ 0〜Τ 5を通じて外部の電子回路に接続されるようにな つている。 なお、 ここでは、基準電極 Ε 0は、端子 T Oを介して接地さ れている。
また、容量素子用電極 E 1〜E 4にそれぞれ接触するとともに、 スィ ツチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4と離隔しつっこれを覆うようにスィッチ 用可動電極 E 2 1 ~ E 2 4が配置されている。 したがって、 ズィツチ用 可動電極 E 2 1〜E 2 4は孔 H 1〜H 4よりも大きい径を有するドーム 状の部材である。
また、絶縁膜 5 0は、基板 2 0上の容量素子用電極 E 1〜E 4の一部 およびスイッチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4に密着して、基板 2 0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 E 1〜E 4およびスィッチ用可動電極 E 2 1 ~ E 2 4の絶縁膜 5 0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 E 1〜E 4およ びスィツチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4に対して、 その表面への金メツキ の形成などの酸ィ匕防止対策を施しておいてもよい。 また、騰膜 5 0が 形成されているため、容量素子用電極 E 1〜E 4およぴスィツチ用可動 電極 E 2 1〜E 2 4と、変位電極 4 0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 1 0の動作について、 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。 第 5図は、 第 1 図に示す静電容量式センサの検知部材に X軸正方向への操作が施された 場合の側面の模式的な断面図である。 第 6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。
まず、静電容量式センサ 1 0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 2 0上に形成された容量素子用電極 E 1〜 E 4は、変位電極 4 0と対向している。 ここで、容量素子用電極 E 1〜 E 4に接続されたスィヅチ用可動電極 E 2 1 ~ E 2 4は、 スィヅチ用固 定電極 E 1 1〜E 1 4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、端子 T 1〜T 4と容量素子用電極 Ε 1〜Ε 4とを 接続させるまたは接続させないスィツチ S 1〜S 4としての機能を有し ている。
スィツチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4がスィツチ用固定電極 E 1 1 ~E 1 4と接触していない （スィッチが O F F状態） Jf^には、 スィッチ用 固定電極 E 1 1 ~ E 1 4の面積が容量素子用電極 E 1〜E 4の面積に比 ベて非常に小さく、 孝たは、 スィツチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4がー種 の静電シールドとなることにより、 スィッチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4 とスィッチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4との間には、静電容量がほとんど 発生しない。
—方、 スィツチ用可動電極 E 2 1 ~ E 2 がスィツチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4と接触している （スィッチが O N状態）場合には、容量素子 用電極 E 1〜： E 4がスィツチ用固定電極 E 1 1〜E 1 4と接続され、容- 量素子用電極 E 1〜E 4と変位電極 4 0とが対向して、共通の電極であ る変位可能な変位電極 4 0と 固定された個別の容量素子用電極 E 1〜 E 4との間で容量素子 C 1〜C 4を構成する。 容量素子 C 1〜C 4は、 それぞれ変位電極 0の変位に起因して静電容量値が変ィ匕するように構 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 C 1〜C 4のそれぞれの静電容量値は、変位電極 4 0と、容 量素子用電極 E 1〜E 4のそれぞれに接続された端子 T 1〜T 4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 Ε 0は、 端子 Τ 0を介して封也されているため、 容量素子 C 1 ~ C 4における共通の電極である変位電極 4 0は接地されていると考 えられる。
次に、 第 1図に示す検知部材 3 0に力が作用していないときの状態に おいて、 第 5図に示すように、 検知部材 3 0に X軸正方向への操作のみ が施された 、 すなわち、検知部材 3 0の上段部 3 1に形成された X 軸正方向に対応するように形成された矢印を基板 2 0側に押し下げるよ うな力 （Z軸負方向への力） を加えた 1½を考える。
検知部材 3 0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、変位電極 4 0に形成された X軸正方向に対応する突起体 4 2が下方 へと変位する。 すると、突起体 4 2から絶縁膜 5 0を介してスィッチ用 可動電極 E 2 1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ィ、ソチ用可動電極 E 2 1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、 スィッチ用可動電極 E 2 1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 なってスィッチ用固定電極 E 1 1 と接触する。 これにより、 スィッチ S 1が 犬態、になる。 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。 その後、 引き続き検知部材 3 0が変位すると、 スィ ツチ S 1が O N状態を保持しつつ変位電極 4 0がさらに変位することに より、変位電極 4 0の X軸正方向部分と容量素子用電極 E 1 との間隔が 変化する。
このように、容量素子 C 1を構成する電極 （変位電極 4 0の X軸正方 向部分と容量素子用電極 E 1 ) の間隔が変化すると、 それに伴って容量 素子 C 1の静電容量値も変化する。 ここで、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。 したがって、 容量素子 C 1を構成する電極が小さくなることから容量素子 C 1の静電 容量値は大きくなる。
一方、 このとき変位電極 0の X軸負方向部分はほとんど変位しない 。 また、変位電極 4 0の Y軸正方向部分および変位電極 4 0の Y軸負方 向部分もほとんど変位しない。 ここで、実際には、検知部材 3 0に対す る力の加わり方によっては、 変位電極 4 0の X軸負方向部分、 Y軸正方 向部分およぴ Y軸負方向部分が、 それぞれ下方に若干変位する場合もあ るが、 それぞれの方向に対応するスィツチ用可動電極 E 2 2 ~E 2 4と スィッチ用固定電極 Eレ 2〜E 1 4とを接触させるまで変位電極 4 0の それぞれの部分が変位しない限り、 スィッチ S 2〜S 4は O F F状態を 保持するため、 スィッチ用可動電極 E 2 2〜E 2 4とスィッチ用固定電 極 E 1 2〜E 1 4との間には静電容量がほとんど発生せず、 それらの変 位は出力に影響を与えない。
以上のように、検知部材 3 0に X軸正方向への操作のみが施された場 合は、容量素子 C 1〜C 4のなかで、 スィッチ S 1〜S 4が O N状態を 保持しつつ容量素子用電極 E 1〜E 4と変位電極 4 0との間の間隔に変 化があった容量素子 C 1の静電容量値のみが変化する。
次に、 スィッチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4とスィッチ用固定電極 E 1 1 ~ E 1 4とが接触している （スィッチ S 1〜S 4が O N状態） 場合に おいて、 容量素子 C 1〜C 4のそれぞれの静電容量値の変化から検知部 材 3 0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、 第 6図を参照して説明する。 ここで、 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 ぴ方向を示す。
ここで、 出力信号 Vx、 Vyを導出するために、 端子 T 1〜T 4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 Τ 1 ~Τ 4に 周期信号が入力されている状態で、検知部材 3 0が外部からの力を受け て変位すると、 これに伴って変位電極 4 0が Ζ軸方向に変位する。 そし て、変位電極 4 0からスィッチ用可動電極 Ε 2 1〜Ε 2 4に作用する力 が所定値に達すると、 スィッチ用可動電極 Ε 2 1〜Ε 2 4の中央部が座 屈をともない弾性変形することにより、 スィッチ用固定電極 Ε 1 1〜Ε 1 4と接触してス'イッチ S 1〜S 4が O N状態になる。 その後、 引き続 き検知部材 3 0が変位すると、 スィッチ S 1〜S 4が O N状態を保持し つつ変位電極 4 0がさらに変位することにより、容量素子 C 1〜 C 4の 電極間隔が変化して、容量素子 C 1〜C のそれぞれの静電容量値が変 化する。 すると、 端子 T 1〜T 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 3 0の変位、 つまり検知部材 3 0が外部から受けた力の X軸方向およ び Υ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 T 1〜丁 4に対して周期信号を入力す るとき、端子 T T 3に対しそは周期信号 Aが入力され、 '一方、 端子 T 2、 Τ 4に対しては周期信号 Α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 3 0が外 部から力を受けて、容量素子 C 1〜C 4の静電容量値がそれぞれ変ィ匕す ると、端子 T 1〜T 4にそれぞれ入力された周期信号 Αまたは周期信号 Bの位相にそれぞれ異なつ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 C 1の静電容量値が変化し、 端子 T 1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 1¾ は、 容量素子 C 2の静電容量値が変化し、端子 T 2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 C 1、 C 2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 T 1および端子 T 2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 C 3の静電容量値が変ィ匕し、端子 T 3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 C 4の静電容量値が変化し、端子 Τ 4に入力された周期信号 Β の位相にもずれが生じる。 ここで、容量素子 C 3、 C 4の静電容量値の 変化量は、それぞれ外部からの力の Υ軸正方向成分、 Υ軸負方向成分の 大きさに対応している。 このように、 端子 Τ 3および端子 Τ 4にそれぞ れ入力された周期信号 Αおよぴ周期信号 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 ½¾f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、 ί«する） 。 一方、 X軸正方向成分と X軸負方向成分とが異なる ii^には、端子 T 1、 T 2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 T 1 ~T 4に入力された周期信号 Α、 Βによる出力信号 V x、 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 7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図に示す信号処理回路において、端子 T 1〜T 4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 T 1〜T 4には、 抵抗素子 R 1〜R 4がそれぞれ接続されてい る。 また、抵抗素子 R l、 R 2の出力端および抵抗素子 R 3、 R 4の出 力端には、 それぞれ排他和回路の論理素子である E X— O R素子 8 1、
8 2が接続されており、 その出力端は端子 T 1 1 ~T 1 2に接続されて いる。 さらに、抵抗素子 R 1〜R 4の出力端は、 スィッチ用固定電極 E
1 1〜E 1 4およびスィッチ用可動電極 E 2 1〜E 2 4により構成され るスィッチ S 1〜S 4の入力端にそれぞれ接続されている。 スィッチ S
1〜S 4の出力端は、それぞれ容量素子用電極 E 1〜E 4と変位電極 4
0との間で構成される容量素子 C 1〜C 4に接続されている。 また、容 量素子 C 1〜C 4のそれぞれの一方の電極である変位電極 4 0は接地さ れている。
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 8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 8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 7図の一部分） である。 この信号処理回路において、容量素 子 C 1と抵抗素子; R 1および容量素子 C と抵抗素子 R 2はそれぞれ C R遅延回路を形成している。 端子 T T 2に入力された周期信号 （矩 ,信号） は、 それぞれ C R遅延回路によって所定の遅延が生じ、 E X 一 O R素子 8 1において合流する。
なお、端子 T 1、 T 2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 T 1と抵抗素子 R 1との間および端子 T 2と抵抗素子 R 2との間にィンバ一タ素子を揷入するのが好ましい。 ここで、 インパ一タ素子は、 C R遅延回路を駆動するために十分な馬区動 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 8図の回路の動作について、第 9図を参照して説明する。 第 9図は、 第 8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 8図の信号処理回路において、端子 T 1、 T 2のそれぞれに入力さ れた周斯信号は、 C R遅延回路を@ することにより、 それぞれ所定の 遅延を生じて、 それぞれ E X— O R素子 8 1に入力される。 詳細に説明 すると、 端子 T 1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 T 2には f ( Φ ) と同一の周期で、 かつ、位相が 0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 D 0は 5 0 %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 T 1、 T 2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 C R遅延回路を設け 、 C R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、 C R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 T l、 Τ 2のそれぞれに入力してもよい 第 9図の （a )、 ( b ) は、端子 T 1、 T 2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 3 0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、第 8図の信号処 理回路のスィッチ S 1、 S 2は O F F状態であるため、 容量素子 C 1、 C 2は無視できる位に十分小さく、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 E X— O R素子 8 1に入力される。 したがって、 E X— O R素子 δ 1には、 端子 Τ 1、 ' Τ 2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 Τ 1 1に対して出力される。 ここで、端子 Τ 1 1に対して 出力される出力信号 Vxは、 第 9図の （c ) に示すように、 デュ一ティ 比 D 1を有する矩形波信号である。
次に、検知部材 3 0に X軸正方向への操作のみが施された^^ (図 5 参照） には、 スィッチ S 1が O N状態となり、容量素子 C 1が抵抗素子 R 1に接続されることにより遅延回路が構成される。 端子 T 1に入力さ れる周期信号 Aは、 容量素子 C 1および抵抗素子 R 1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 X 1に到達する。 ここで、第 9図 ( d ) は、端子 T 1に周期信号 Aを入力した場合の第 8図に示す信号処 理回路の節点 X 1における電位の変ィ匕を示している,。
端子 T 1に 「H i」 または 「L o」 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 （ d ) に示すように、 「H i」 の信号の入力が 開始すると C R遅延回路を構成する容量素子 C 1に次第に電荷が蓄えら れることにより、節点 X 1における電位は次第に増加し、 また、 「L o 」 の信号の入力が開始すると' C R遅延回路を構成する容量素子 C 1の電 荷が次第に放電されることにより ii点 X 1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 X 1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、 ^された しきい値よりも大きい場合は 「H i」 の信号を出力し、小さい場合は 「 L o」 の信号を出力することにより矩开波を形成する。 ここで、 E X— O R素子 8 1が C— M O S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禾 としておくことが 好ましい。 このように、節点 X 1の電位の波形は、 コンパレ一タを介す ることにより、 第 9図 （e ) に示すように、 デューティ比 D 2を有する 矩形波に変換される。
また、 このときスィ、ソチ S 2は O F F状態であるから、容量素子 C 2 および抵抗素子 R 2は遅延回路を構成しないため、 点 X 2に到達する 周期信号の波形は周期信号 Β (第 9図 （b ) に示す波形の信号） と同一 である。
したがって、 E X— O R素子 8 1には、節点 X 1、 X 2における周期 信号と同一の波形の信号（第 9図 （b ) および第 9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 T 1 1に対して出力される。 ここで、端子 T 1 1に対して 出力される出力信号 Vxは、 第 9図 （Γ) に示すようにデューティ比 D 3を有する矩形波信号である。
なお、 検知部材 3 0の X軸正方向部分がさらに押下されると、変位電 極 4 0と容量素子用電極 E 1との間隔が小さくなり、 それに伴って容量 素子 C 1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 T 1 1に対して出力される出力信号 Vxのデューティ比 D 3も大きくな る。
次に、 検知部材 3 0に X軸負方向への操作のみが施された場合には、 スィッチ S 2が O N状態となり、 容量素子 C 2が抵抗素子 R 2に接続さ れることにより遅延回路が構成される。 端子 T 2に入力される周期信号 Bは、容量素子 C 2および抵抗素子 R 2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 X 2に到達する。 ここで、第 9図 （g ) は、 端 子 T 2に周期信号 Bを入力した場合の第 8図に示す信号処理回路の節点 X 2における電位の変化を示している。
端子 T 2に 「H i」 または 「L o」 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、 「H i」 の信号の入力が 開始すると C R遅延回路を構成する容量素子 C 2に次第に電荷が蓄えら れることにより、節点 X 2における電位は次第に増加し、 また、 「L 0 」 の信号の入力が開始すると C R遅延回路を構成する容量素子 C 2の電 荷が次第に放電されることにより節点 X 2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 X 2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。 このコンパレ一夕では、設定された しきい値よりも大きい は 「H i」 の信号を出力し、 小さい場合は 「 L o」 の信号を出力することにより矩形波を形成する。 ここで、 E X— ◦ R素子 8 1が C— M O S型の論理素子の場合には、電源電圧が Vccで あれば、 コンパレ一夕のしきい値電圧を Vcc/ 2程度としておくことが 好ましい。 このように、節点 X 2の電位の波形ば、 コンパレー夕を介す ることにより、 第 9図 （h ) に示すように、 デューティ比 D 4を有する 矩形波に変換される。
また、 このときスィッチ S 1は O F F状態であるから、容量素子 C 1 および抵抗素子 R 1は遅延回路を構成しないため、節点 X 1に到達する 周期信号の波形は周期信号 A. (第 9図 （a ) に示す波形の信号） と同一 である。
したがって、 E X— O R素子 8 1には、節点 X I、 X 2における周期 信号と同一の波形の信号（第 9図 （a ) および第 9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 T 1 1に対して出力される。 ここで、端子 T 1 1に対して 出力される出力信号 Vxは、第 9図 （ i ) に示すようにデューティ比 D 5を有する矩形波信号である。
検知部材 3 0の X軸負方向部分がさらに押下されると、変位電極 4 0 と容量素子用電極 E 2との間隔が小さくなり、 それに伴って容量素子 C 2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 T 1 1 に対して出力される出力信号 Vxのデュ一ティ比 D 3は小さくなる。 このように、検知部材 3 0に X軸負方向への操作のみが施された ί に端子 T l 1に対して出力される出力信号 Vxのデューティ比 D 5 (第 9図 （ i ) 参照） は、検知部材 3 0に X軸正方向への操作のみが施され た場合に端子 T 1 1に対して出力される出力信号 Vxのデューティ比 D 2 (第 9図 （e )参照） よりも小さくなつている。
ここで、 検知部材 3 0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 T T 2に入力される周期信号 Aおよび周 期信号 Bは、 容量素子 C 1および抵抗素子 R 1で構成する遅延回路およ び容量素子 C 2および抵抗素子 R 2で構成する遅延回路をそれぞれ通過 して節点 X I、 X 2に到達する。 したがって、 このときの節点 X I、 X 2における電位の変化は第 9図 （d ) および第 9図 （g ) に示すように なる。
したがって、 E X— O R素子 8 1には、 Si点 X I、 X 2における電位 の変ィヒ （第 9図 （d ) および第 9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 9図 （e ) および第 9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 T l 1に対して出力される。 ここで、端子 T 1 1に対して 出力される出力信号 Vxは、第 9図 （j ) に示すようにデューティ比 D 6を有する矩形波信号である。
このように、検知部材 3 0に X軸正方向おょぴ X軸負方向への操作が 同時に施された場合に端子 T 1 -1に対して出力される出力信号 Vxのデ ユーティ比 D 6 (第 9図 （j ) 参照） は、 検知部材 3 0に操作が施され ない; I ^に端子 T 1 1に対して出力される出力信号 Vxのデュ一ティ比 D 1 (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 T 1 1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 1 0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 1 0図に示すように、端子 T l 1に対して出力される出力信号 Vx は、抵抗素子 R 5 0および容量素子 C 5 0で構成されるローパスフィル タ一 5 0を通過することにより平滑され、端子 5 0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' め値は、 出力信号 V Xのデューティ比に比例して変ィヒする。 したがって、 出力信号 Vxのデュ —ティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧 V 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 がほとんど変ィヒしないときはアナ口グ電圧 Vx， の値もほとんど変化し ない。 .
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ 1 0は、検知部材 3 0に対して操作を施す場合には、操作方向に対応するスィツチ用可動電 極 E 2 1 〜E 2 4がクリック感を付随しつつ弓単性変形してスィッチ用固 定電極 E 1 1〜E 1 4と接触したときにはじめて検知部材 3 0の変位の 認、識を開始するため、操作者はクリック感を感じることで操作を実行し ていることを感覚的に容易に把握することができる。 また、 クリック感 を生じさせるのに必要な所定の大きさの外力が与えられて始めて検知部 材 3 0の変位の認識が開始されるので、操作者が意識的に操作したので はないクリック感を生じさせない範囲の小さな外力が検知部材 3 0に加 えられたときには検知部材 3 0の変位が認識されない。 従つて、検知部 材 3 0が偶然に別部材に接触するなどの外乱を排して、操作者の意識的 な操作に基づく検知部材 3 0の変位だけを確実に検出することが可能に なる。
また、複数の容量素子用電極 E 1〜E 4が形成され、検知部材 3 0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 ( E 1およ び E 、 E 3および E 4 ) 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。 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 1 1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 i 2図 は、 検知部材に作用する押下力と出力されるアナ口グ電圧との関係を示 す図である。 第 1 1図の信号処理 HI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、第 1 0図の口一パスフィルタ一 5 0と端子 1 1 との間に回路 6 0が接続されている点である。 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。
回路 6 0は、 コンパレータ 6 3、 6 4と、可変抵抗器 6 5、 6 6と、 端子 6 し 6 2とを有しており、 口一パスフィルタ一 5 0と端子 1 1と の間の節点 X 6 0に接続されている。 コンパレータ 6 3の一方の入力端 子には可変抵抗器 6 5が接続されており、 他方の入力端子は節点 X 6 0 に接続されている。 また、 コンパレータ 6 3の出力端子は端子 6 1に接 続されている。 同様に、 コンパレータ 6 4の一方の入力端子には可変抵 抗器 6 6が接続されており、他方の入力端子は節点 X 6 0に接続されて いる。 また、 コンパレータ 6 4の出力端子は端子 6 2に接続されている ここで、可変抵抗器 6 5、 6 6には図示しない電源によって所定の電 圧が印可されており、 それぞれの抵抗値を変ィ匕させるこ によりコンパ レー夕 6 3、 6 4に入力される値 （以下、 比較値と称する） を変更する ことができる。
ここで、 検知部材 3 0に作用する押下力 F x 1、 F x 2と出力されるァ ナログ電圧 Vx' との関係を第 1 2図を参照して説明する。 なお、押下 力 F X 1および押下力 F X 2は、 それぞれ検知部材 3 0の X軸正方向およ び X軸負方向に作用する力を示している。 押下力 Fx 1および押下力 F x 2がともに作用していないときのアナログ電圧 Vx' の値は電圧値 aで ある。
押下力 F x 1が押下力 F x 1 0に達するまではアナログ電圧 Vx' の値 は電圧値 aのままで変化しない。 そして、押下力 F x i [が押下力 F x i 0 に達すると、 アナログ電圧 V の値は電圧値 bに瞬時に増加する。 な お、押下力 F x 1 0は、第 1の実施の形態で説明において、 スィッチ用 可動電極 E 2 1の中央部が座屈を伴うことで変位が急増するときの力 （ 所定値） に対応している。 さらに、押下力 F x 1が増加すると、それに 伴つてアナログ電圧 Vx' の値は比例するように増加する。
同様に、押下力 Fx 2が甲下力 Fx 20に達するまではアナログ電圧 V X の値は電圧値 aのままで変ィ匕しない。 そして、押下力 F X 2が押下力 Fx20に達すると、 アナログ電圧 Vx' の値は電圧値 cに瞬時に減少す る。 なお、押下力 Fx 20は、第 1の実施の形態で説明において、 スィ 、ソチ用可動電極 E 22の中央部が座屈を伴うことで変位が急増するとき の力 （所定値） に対応している。 さらに、押下力 Fx 2が増加すると、 それに伴ってアナログ電圧 Vx' の値は比例するように減少する。
したがって、 可変抵抗器 65の抵抗値を変化させてコンパレータ 63 の比較値を電圧値 aと電圧値 bとの間に設定することにより、端子 6 1 に対して ON状態または OFF状態のいずれかを示す信号を出力するこ とが出来る。 すなわち、押下力 Fx 1が押下力 Fx 10に達するまでは 0 FF状態を示し、押下力 Fx 1が押下力 Fx 1 0に達すると ON状態を示 す信号を出力することが出来る （第 1 2図参照） 。
また同様に、可変抵抗器 66の抵抗値を変化させてコンパレータ 64 の比較値を電圧値 aと電圧値 cとの間に設定することにより、端子 62 に対して 0 N状態または 0 F F状態のいずれかを示す信号を出力するこ とが出来る。 すなわち、押下力 Fx2が押下力 Fx20に達するまでは〇 FF状態を示し、押下力 Fx2が押下力 Fx20に達すると ON状態を示 す信号を出力することが出来る （第 1 2図参照） 。
以上のように、 回路 60を含む信号処理回路を用いると、 静電容量式 センサ 1 0をスィツチ機能を有するアナログ電圧制御装置として利用す ることができる。 すなわち、 スィッチ S i、 S 2を外部からの力の X軸' 方向の成分の認、識を開始するためのスィツチとして用いるとともに、 そ の他の接続された回路または機器の◦ N状態と◦ F F状態とを選択的に 切り替える別のスィッチとして用いることができる。 なお、 回路 6 0の機能は、 A/ D変換ポート付きのマイコンを用いて プログラムなどのソフトウェアにより実行することが可能である。 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 1 3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 1 3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^と異なる 点は、変位電極 4 0と基準電極 E 0との間に容量素子 C 0が構成されて 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。
絶縁膜 5 0を基板 2 0上に容量素子用電極 E 1〜E 4、 スイツチ用可 動電極 E 2 1〜E 2 4および基準電極 E 0に密着して、基板 2 0上を覆 うように形成する。 このように、 変位電極 4 0と基準電極 E 0との間に 纖膜 5 0を配置することにより、変位電極 4 0と基準電極 E 0との間 に容量素子 C Oを構成する。
したがって、 変位電極 4 0.は、 直接接触することによってではなく、 容量素子 C O (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 »された基準電極 E 0と電気的に結合される。 したがって、静電容量式センサ 1 0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、 »電極 E 0が空気に さらされることがなく、 それらが酸ィ匕されるのを防止することができる 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 1 4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 1 4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、 E X— O R素子の代わりに O R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 1 4図において、検知部材 3 0の X軸正方向部分が押下され、 スィ ツチ S 1が O N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X軸正方向部分が押 下されると、端子 T 1に入力された周期信号 Aは、容量素子 C 1と抵抗 素子 R 1により構成される C R遅延回路を通過して、節点 X 1に到達す る。 このとき、節点 X 1における周期信号には、 第 9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 3 0の X軸負方向部 が押下され、 スィッチ S 2が O N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X 軸負方向部分が押下されると、端子 T 2に入力された周期信号 Bは、容 量素子. C 2と抵抗素子 R 2により構成される C R遅延回路を皿して、 節点 X 2に到達する。 このとき、 15点 2における周期信号には、第 9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 8図と同様に、 O R素子 8 3には、 節点 X I、 X 2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 T 1 1に対して出力される。 ここで 、端子 1 1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 开敲信号である。
ここで、 O R素子 8 3が用いられた^^に端子 5 1に対して出力され る矩形波信号と検知部材 3 0に操作が施されていないときに端子 5 1に 対して出力される矩形波信号との間のデュ一ティ比の変化量は、 E X— O R素子が用いられた場合に端子 5 1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 4の変形例について、 図面を参 照しつつ説明する。 第 1 5図は、 第 4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 1 5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、 E X— O R素子の代わりに AN D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 1 5図において、検知部材 3 0の X軸正方向部分が押下され、 スィ ツチ S 1が 0 N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X軸正方向部分が押 下されると、端子 T 1に入力された周期信号 Aは、容量素子 C 1と抵抗 素子 R 1により構成される C R遅延回路を通過して、 節点 X 1に到達す る。 このとき、節点 X 1における周期信号には、第 9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 3 0の X軸負方向部分 が押下され、 スィッチ S 2が 0 N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X 軸負方向部分が押下されると、 端子 T 2に入力された周期信号 Bは、容 量素子 C 2と抵抗素子 R 2により構成される C R遅延回路を通過して、 ST点 X 2に到達する。 このとき、 節点 2における周期信号には、第 9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 8図と同様に、 AN D素子 8 4には、 節点 X I、 X 2 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 T 1 1に対して出力される。 ここ で、端子 1 1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、 AN D素子 8 4が用いられた場合に端子 5 1に対して出力さ れる矩形波信号と検知部材 3 0に操作が施されていないときに端子 5 1 に対して出力される矩形波信号との間のデュ一ティ比の変化量は、 E X 一 O R素子が用いられた場合に端子 5 1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 5の変形例について、図面を参 照しつつ説明する。 第 1 6図は、第 5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 1 6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、 E X— O R素子の代わりに NAN D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 ザと同一であるので、 同一符夸を付して説明を省略する。
第 1 6図において、検知部材 3 0の X軸正方向部分が押下され、 スィ ツチ S 1が O N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X軸正方向部分が押 下されると、端子 T 1に入力された周期信号 Aは、容量素子 C 1と抵抗 素子 R 1により構成される C R遅延回路を通過して、節点 X 1に到達す る。 このとき、節点 X 1における周期信号には、第 9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 3 0の X軸負方向部分 が押下され、 スィッチ S 2が〇 N状態となり、 さらに検知部材 3 0の X 軸負方向部分が押下されると、端子 T 2に入力された周期信号 Bは、容 量素子 C 2と抵抗素子 R 2により構成される C R遅延回路を通過して、 節点 X 2に到達する。 このとき、節点 2における周期信号には、第 9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 8図と同様に、 NA N D素子 8 5には、節点 X I、 X 2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 T 1 1に対して出力される。 ここで、端子 1 1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、端子 1 iに対して出力される矩形波信号は、 E X— O R素子 が用いられた場合に端子 1 1に対して出力される矩形波信号と比較して 、 デューティ比の値が平均的に小さくなり、 このため、 静電容量式セン ザ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 1 7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 1 δ図は、第 1 7図の静電容量式センサの 検知部材の上面図である。 第 1 9図は、第 1 7図の静電容量式センサの 反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 1 1 0は、基板 1 2 0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 1 3 0と、変 位電極 1 4 0と、基板 1 2 0上に形成された容量素子用電極 Ε 1 0 1〜 Ε 1 0 4と、 ドーム形状を有するスィッチ用可動電極 E i 2 1〜Ε 1 2 4 (第 1 7図では E 1 2 1および E 1 2 2のみを示す） と、 その内側に 配置されたスィッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4 (第 1 7図では E 1 1 1および E 1 1 2のみを示す） と、 基準電極（共通電極） E 1 0 0と 、 ドーム制犬を有するボタン用可動電極 E 1 2 5と、 その内側に配置さ れたポタン用固定電極 E 1 1 5と、複数の電極に密着して基板 1 2 0上 を覆うように形成された絶縁膜 1 5 0と、検知部材 1 3 0および変位電 極 1 4 0を基板 1 2 0に対して支持固定する支持部材 1 6 0と、 支持部 材 1 6 0および検知部材 1 3 0の周囲を覆うように配置されたカバ一ケ —ス 1 7 0とを有している。
ここでは、説明の便宜上、 図示のとおり、 X Y Z兰次元座標系を定義 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 7図では、基板 1 2 0上のボタン用固定電極 E 1 1 5の中 心位置に原点 0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 1 2 0の表面は、 X Y平面を規定し、基板 1 2 0上のポタン用固定電極 E 1 1 5、検知部材 1 3 0および変位電極 i 4 0のそれぞれの中心位置 を Z軸が通ることになる。
基板 1 2 0は、基板 2 0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 1 2 0として、 ポリイミ ドフィルムなどのフ 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操性を有しているため、十 分な剛性をもつた支持基板上に配置して用いるのが好ましい。
検知部材 1 3 0は、原点を中心とする円形の中央ポタン 1 3 1と、 中 央ボタン 1 3 1の外側に配置されたリング状のサイドボタン 1 3 2 か ら構成されている。 ここで、 中央ボタン 1 3 1の径は、基準電極 E 1 0 0の外径とほぼ同じか、 それより若干小さく、 サイドポ夕ン 1 3 2の外 径は、容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4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。 また、 中央ボタン 1 3 1の下面の ボ夕ン用固定電極 E 1 1 5に対向する位置には突起体 1 3 1 aが形成さ れており、 サイドボタン 1 3 2の下面のスィッチ用固定電極 E 1 1 1〜 E 1 1 4にそれぞれ対向する位置には、 4つの突起体 1 3 2 aが形成さ れている。 ：
また、弾性を有するシリコンゴムで形成された支持部材 1 6 0には、 突起体 1 3 1 aおよび突起体 1 3 2 aに対応する位置に貫通孔 1 6 0 a および 1 6 0 bが形成されている。 中央ボタン 1 3 1は、突起体 1 3 1 aが貫通孔 1 6 0 aに嵌挿され、 支持部材 1 6 0の上面に接着されてい る。 サイドポタン 1 3 2は、 4つの突起体 1 3 2 aがそれぞれ貫通孔 1 6 0 bに嵌揷され、 支持部材 1 6 0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 1 3 2を支持部材 1 6 0の上面に接着し てもよい。
また、 サイドポタン 1 3 2の上面には、第 1 8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 E 1 0 1 ~E 1 0 4に対応するように、操作方向 （ 力一ソルの移動方向） に対応した矢印が形成されている。
変位電極 1 4 0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 E 1 0 1〜E 1 0 4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 1 6 0の下面に付 着されている。
なお、変位電極 4 0としては、 シリコンゴムの他、 例えば、導電性ィ ンク、導電'醜可塑性樹脂 （P P T、 エラストマ一） 、導電性プラスチ ヅク、金属蒸着フィルムを用いてもよい。 ここで、 支持部材 1 6 0の下 面に平板状に （面一に）形成されるため、変位電極 1 4 0をスクリーン 印刷により形成することが可能である。
また、 基板 1 2 0上には、第 1 9図に示すように、 原点 0を中心とす る円形のボタン用固定電極 E 1 1 5と、 その外側に形成されたリング状 の基準電極 E 1 0 0と、 さらに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 H 1 0 1〜H 1 0 4を有する容量素子用電極 E 1 0 1 〜E 1 0 4と、孔 H 1 0 1〜H 1 0 4の内側で、孔 H 1 0 1〜H 1 0 4 の径よりも小さい径を有する円形のスィッチ用固定電極 E 1 1 l〜E i 1 とが形成されている。 ここで、 スィッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4の面積は、 容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4の面積に比べて極力 小さい方が好ましい。 一対の容量素子用電極 E 1 0 1および E 1 0 2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 E 1 0 3および E 1 0 4は、 Y軸方向に離隔して X 軸に対して H¾称に配置されている。
ここでは、容量素子用電極 E 1 0 1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 E 1 0 2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 E 1 0 3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 E 1 0 4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、 ボタン 用固定電極 E 1 1 5は、 原点 0上に配置されており、 ボタン用—可動電極 E 1 2 5とともに、 入力などの決定操作に利用される。
基準電極 E 1 0 0、 スイッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4およびボ タン用固定電極 E 1 1 5は、 スルーホ一ルなどを利用して端子 T 1 0 0 〜T 1 0 4および端子 Τ 1 1 5 (第 2 0図参照） にそれぞれ接続されて おり、端子 Τ 1 0 0〜Τ 1 0 4および端子 Τ 1 1 5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 Ε 1 0 0は.、端子 T 1 0 0を介して接地されている。 '
また、容量素子用電極 Ε 1 0 1〜Ε 1 0 4にそれぞれ接触するととも に、 スィツチ用固定電極 Ε 1 1 1〜Ε 1 1 4と離隔しつっこれを覆うよ うにスィッチ用可動電極 Ε 1 2 1〜Ε 1 2 4が配置されている。 したが つて、 スィツチ用可動電極 Ε 1 2 1〜Ε 1 2 4は孔 Η 1 0 1〜Η 1 0 4 よりも大きい径を有するドーム状の部材である。 同様に、基準電極 Ε 1 0 0に接角 ίするとともに、 ボタン用固定電極 E U 5と離隔しつっこれ を覆うようにドーム状のボタン用可動電極 Ε 1 2 5が配置されている。 したがって、 ボタン用可動電極 Ε 1 2 5は基準電極 E L 0 0の内径より も大きい径を有している。
また、絶縁膜 1 5 0は、基板 1 0上の容量素子用電極 Ε 1 0 1〜Ε 1 0 4の一部、基準電極 Ε 1 0 0の一部、 スイツチ用可動電極 Ε 2 1〜 Ε 2 4およびポタン用可動電極 Ε 1 2 5に密着して、基板 1 2 0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 Ε 1 0 1〜Ε 1 0 4、基準電極 Ε 1 0 0、 スィツチ用可動電極 Ε 2 1 〜Ε 2 4およびボタン用可動電極 Ε 1 2 5の糸觸膜 1 5 0'で覆われた部 分が空気にさらされることがなく、 それらが酸ィヒされるのを防止する機 能を有している。 また、絶縁膜 1 5 0が形成されているため、 スィッチ 用可動電極 Ε 2 1〜Ε 2 4およびボタン用可動電極 Ε 1 2 5と、変位電 極 1 4 0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 1 1 0の動作について、 図面を参照して説明する。 第 2 0図は、第 1 7 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 2 1図 は、第 1 7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。
まず、静電容量式センサ 1 1 0の構成と等価な回路構成について、第 2 0図を参照して説明する。 基板 1 1 0上に形成された容量素子用電極 E 1 0 1 ~ E 1 0 4は、変位電極 4 0と対向している。 ここで、容量素 子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4に接続されたスィッチ用可動電極 E 1 2 1 〜E 1 2 4は、 スィツチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4と接触する位置 または接触しな 位置を選択的にとり得ることにより、 端子 T 1 0 1〜 T 1 0 4と容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4とを接続させるまたは接 続させないスィツチ S 1 0 1〜S 1 0 4としての機能を有している。 ま た、基準電極 E 1 0 0 (ボタン用可動電極 E 1 2 5 ) とボタン用固定電 極 E 1 1 5との間で、容量素子 C 1 0 0を形成している。 さらに、 基準 電極 E 1 0 0に接続されたボタン用可動電極 E 1 2 5と、 ポタン用固定 電極 E 1 1 5との間には、 中央ポタン 1 3 1の押圧に伴って開閉するス イッチ S 1 0 5が構成されている。
スィッチ用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4がスィッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4と接触していない （スィッチが O F F状態）場合には、 ス イッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4の面積が容量素子用電極 E 1 0 1 〜E 1 0 4の面積に比べて ^常に小さく、 または、 スィッチ用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4がー種の静電シールドとなることにより、 スィツチ 用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4とスィッチ用固定電極 E 1 1 1 ~ E 1 1 4との間には、静電容量がほとんど発生しない。
一方、 スィッチ用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4がスィッチ用固定電極 E 1 I 1〜E 1 1 4と接触している （スィッチが 犬態） 場合には、 容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4がスィツチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 と接続され、 容量素子用電極 E 1 0 1 ~ E 1 0 と変位電極 1 4 0とが対向して、共通の電極である変位可能な変位電極 1 4 0と、 固定 された個別の容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4との間で容量素子 C 1 0 1〜C 1 0 4を構成する。 容量素子 C 1 0 1〜C 1 0 4は、それぞれ 変位電極 1 4 0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 C 1 0 1〜(： 1 0 4のそれぞれの静電容量値は、変位電極 1 4 0と、容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4のそれぞれに接続された端 子 T 1 0 1〜T 1 0 4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 Ε 1 0 0は、端子 Τ 1 0 0を.介 して接地されているため、容量素子 C 1 0 1〜C 1 0 4における共通の 電極である変位電極 1 0は容量素子 C 1 0 0および端子 T 1 0 0を介 して されていると考えられる。
次に、 スィツチ用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4とスィツチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4とが接触している （スィッチ S 1 0 1〜S 1 0 4が O N状態） 場合において、容量素子 C 1 0 1〜C 1 0 4のそれぞれの静 電容量値の変化からサイドボタン 1 3 2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、 第 2 1図を参照して説明す る。 ここで、 出力信号 Vx、 Vyは、 それぞれ外 ¾5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 T 1 0 1 ~T 1 0 4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 T. 1 0 1〜T 1 0 4に周期信号が入力されている状態で、 サイドポタン 1 3 2が外部からの力を受けて変位すると、 これに伴って変位電極 1 4 0が Ζ軸方向に変位する。 そして、 その力が所定値に満たないときにはスィ ツチ用可動電極 Ε 1 2 1〜Ε 1 2 4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 Ε 1 2 1〜Ε 1 2 4の頂 部近傍部分が座) gを伴つて急激に弾性変形して凹んだ状態となってスィ ツチ用固定電極 E l 1 1 ~ Ε 1 1 4と接触する。 これにより、 スィッチ S 1 0 1〜S 1 0 4が O N状態になる。 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。 その後、 引き続きサイドポタン 1 3 2が変位すると、 スィッチ S 1 0 i〜S 1 0 4が O N状態を保持しつ つ変位電極 1 4 0がさらにも変位することにより、容量素子 C 1 0 1〜 C 1 0 4の電極間隔が変ィヒして、容量素子 C 1 0 1〜C 1 0 4のそれぞ れの静電容量値が変化する。 すると、端子 T 1 0 1〜T 1 0 4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、 サイドボタン 1 3 2の変位、 つまりサイドボタン
1 3 2が外部から受けた力の X軸方向おょぴ Υ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、第 1図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。
以上のように、本実施の形態の静電容量式センサ 1 1 0は、 サイドボ 夕ン 1 3 2に対して操作を施す場合には、 操作方向に対応するスィッチ 用可動電極 E 1 2 1〜E 1 2 4がクリツク感を付随しつつ弾性変形して スイッチ用固定電極 E 1 1 1〜E 1 1 4と接触したときにはじめてサイ ドボタン 1 3 2の 位の認識を開始するため、操作者はクリック感を感 じることで操作を実行していることを感覚的に容易に把握することがで きる。 また、 クリック感を生じさせるのに必要な所定の大きさの外力が 与えられて始めてサイドボタン 1 3 2の変位の認識が開始されるので、 操作者が意識的に操作したのではないクリック感を生じさせない範囲の 小さな外力がサイドボ夕ン 1 3 2に加えられたときにはサイドボタン 1
3 2の変位が認識されない。 従って、 サイドボタン 1 3 2が偶然に別部 材に接触するなどの外乱を排して、操作者の意識的な操作に基づくサイ ドボタン 1 3 2の変位だけを確実に検出することが可能になる。 また、 · 本実施の形態では、 ポタン用可動電極 E 1 2 5とボタン用固定電極 E 1
1 5とが接触する際にもクリック感が操作者に与えられる。 W
また、複数の容量素子用電極 E 1 0 1〜E 1 0 4が形成され、サイド ポタン 1 3 2が外 ¾5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 ( E 1 0 1および E 1 0 2、 E 1 0 3および E 1 0 4 ) 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、決定操作用のスィッチ （中央ボタン 1 3 1 ) 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 1 3 0が中 央ボタン 1 3 1とサイドボタン 1 3 2とに分割されているため、 サイド ボタン 1 3 2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 1 3 1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 ヽ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、 ゲ一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 1 0は、 直接接触することによってではなく、 容量 素子 C 1 0 0 (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封也された基準電極 E 1 0 0と電気的に結合され るため、静電容量式センサ 1 1 0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ザ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 Ε 1 0 0と変位 電極 1 4 0との間に絶縁膜 1 5 0が配置されているが、 糸赚膜 1 5 0の 一部を力ットして基準電極 Ε 1 0 0と変位電極 1 4 0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。
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の実施の形態では、容量素子用電極の内側に形成された基準電 極と変位電極の下面中央部に形成された凸部とが接触しているが、容量 素子用電極の外側に形成された基準電極と変位電極の下面外縁部に形成 された凸部とが接触していてもよい。 従って、基準電極と変位電極とが 電気的に接続されておればどのような構成であってもよい。
また、 上述の第 1または第 2の実施の形態では、 スィッチ用可動電極 として、 ドーム开 を有する電極を用いているが、変位電極が変位する のに伴ってクリック感を付随しつつ弾性変形してスィツチ用固定電極と 接触可能な電極であれば、 どのような頻犬の電極を用いてもよい。 また、 上述の第 1または第 2の実施の形態では、 スィツチ用固定電極 が容量素子用電極の内側に形成されているが、 スィツチ用固定電極が容 量素子用電極に隣接するように形成されていてもよい。
また、上述の第 1または第 2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 るが、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てもよい。
また、 上述の第 1または第 2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 が、 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、操作を実行していることを感覚的に容易に把握することが 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。

Claims

請 求 の 範 囲 .
1 . XY Z三次元座標系を定義し ときに、 Χ Υ平面を規定する基板と 前記基板と対向し Τ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 Ζ軸方向に 変位するのに伴つて Ζ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、 ί 也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 の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クリック感を 付随しつつ弾性変形して前記第 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 1の電極と前記第 3の電極とが接触しているときに、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いて tiff己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。
2 . 前記第 3の電極がドーム开 犬を有しており、 その内側に前記第 1の 電極が配置さ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。
3 . 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または 1に記載の静電容量式センサ
4 , lilt己第 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〜 3のいずれか 1項に記載の 静電容量式センサ。
5 . 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 1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 1一 4のい ずれか 1項に記載の静電容量式センサ。
6 . 前記第 1の電極、 前記第 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 C R回路と他方を含む C R回路と の時定数が異な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。
7 . mB 1の電極、前記第 2の電極および前記第 3の電極の且を 1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 - 6のいずれか 1項に記載の静 電容量式センサ。
8 . 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 7に記載の静電容量式センサ。 .
9 . 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 7に記 載の静電容量式センサ。
1 0 . 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 7に 記載の静電容量式センサ。
1 1 . 赚己論理素子が、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 7に記載の静電容量式センサ。
1 2 . 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 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〜 1 1のいずれか 1項に記載の静電容 量式センサ。
1 3 . 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 1 2に記載の静電 容量式センサ。 ' .
1 4 . 前記基板上に形成された第 6の電極と、
前言 δ¾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。
1 5■ 前記検知部材が、前記第 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 1 4に記載の静電容量式セン サ。 ，
1 6 · 前記導電性部材が、弾性体に塗布された導電性インクにより形成 されていることを特徴とする請求項 1〜 1 5のいずれか 1項に記載の静 電容量式センサ。
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