静電容量式センサ
【課題】再現性を向上させると共に、誤動作が発生するのを抑制する。
【解決手段】容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、それらに対向する変位電極１２とを有するセンサユニット１０を基板２０上に配置する。そして、検知ボタン３０を、センサユニット１０の上方に配置されるように支持部材６０によって基板２０に対して支持する。このとき、検知ボタン３０を支持する支持部材６０と変位電極１２との間に所定の空隙が形成されるようにする。
【解決手段】容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、それらに対向する変位電極１２とを有するセンサユニット１０を基板２０上に配置する。そして、検知ボタン３０を、センサユニット１０の上方に配置されるように支持部材６０によって基板２０に対して支持する。このとき、検知ボタン３０を支持する支持部材６０と変位電極１２との間に所定の空隙が形成されるようにする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量式センサは、操作者によって加えられた力の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として一般的に利用されている。例えば、携帯電話の入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだ装置が利用されている。
【０００３】
静電容量式センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元または三次元のセンサとしても利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検出を行う静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコストダウンを図ることができるメリットがあるために、さまざまな分野で実用化されている。
【０００４】
ここで、例えば、本件出願人による２０００年１２月２７日付けの特許協力条約に基づく国際出願に係るＰＣＴ／ＪＰ００／０９３５５号明細書には、図１３に示すような静電容量式センサ５０１が記載されている。静電容量式センサ５０１は、基板５２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用部材である検知部材５３０と、導電性を有する変位電極５１２と、基板５２０上に形成された容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極（共通電極）Ｅ５００と、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極Ｅ５００に密着して基板５２０上を覆うように形成された絶縁膜５１３と、検知部材５３０および変位電極５１２を基板５２０に対して支持固定する支持部材５６０とを有している。
【０００５】
基板５２０上には、図１４に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５０５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とする環状の基準電極Ｅ５００とが形成されている。なお、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間には、容量素子が構成されている。
【０００６】
ここで、静電容量式センサ５０１では、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に対して、クロック信号などの信号が入力される。そして、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に信号が入力されている状態で、検知部材５３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極５１２がＺ軸方向に変位する。すると、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間に構成された容量素子の電極間隔が変化することにより、これらの容量素子のそれぞれの静電容量値が変化して、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に入力された信号の位相にずれが生じる。このように、入力された信号に生じる位相のずれを利用して、検知部材５３０の変位、つまり、検知部材５３０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を知ることが可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静電容量式センサ５０１では、検知部材５３０と変位電極５１２とは接触している（一体に構成されている）ため、検知部材５３０が変位する場合には、必ず変位電極５１２も同様に変位する。従って、検知部材５３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合には、変位電極５１２の復帰位置も元の位置からずれてしまうので、検知部材５３０に対する操作前および操作後における静電容量式センサ５０１からの出力信号が同じにならなくなってしまう。これにより、静電容量式センサ５０１の出力信号のヒステリシスが大きくなって、センサとしての再現性が低下してしまう。また、オペレータの意志とは関係なく、検知部材５３０が少しでも変位すると、変位電極５１２も変位してしまうので、センサの誤動作（誤操作）が生じやすい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、再現性を向上させ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。
【０００９】
また、本発明のさらなる目的は、誤動作が発生するのを抑制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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の静電容量式センサは、検知部材と、前記検知部材と対向している第１の電極と、前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極とを備え、前記第２の電極は、前記検知部材との間に所定の空隙が設けられることによって、前記検知部材が前記所定の空隙分だけ変位するまでは変位しないようになっており、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１によると、検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられることによって、検知部材が所定の空隙分だけ変位するまでは、第２の電極が変位することはない。従って、検知部材の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知部材に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサの出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知部材が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、第２の電極は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００１２】
なお、「検知部材の変位を認識可能である」とは、「検知部材に外部から加えられる力を認識可能である」ということとほぼ同じ意味である。また、「検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられる」とは、両者の間のどこかに空隙が形成されていればよく、検知部材と第２の電極との間に他の部材が配置されることなく、検知部材と第２の電極との間に空隙が形成される場合の他、例えば検知部材を支持する支持部材が検知部材と第２の電極との間に配置されており、当該支持部材と第２の電極との間に空隙が形成される場合であってもよい。
【００１３】
請求項２の静電容量式センサは、前記所定の空隙内に配置された先細状の押圧部材が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２によると、検知部材に対する操作が行われた場合に、第２の電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能となって、第１の電極と第２の電極との間の間隔を効率よく変化させることができる。
【００１５】
請求項３の静電容量式センサは、前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの基板をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３によると、第１および第２の電極が１つの基板上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００１７】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
まず、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサ１の構成について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
【００２０】
静電容量式センサ１は、センサユニット１０と、基板２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用の検知ボタン３０と、検知ボタン３０を基板２０に対して支持固定する支持部材６０と、検知ボタン３０と支持部材６０との間に配置された樹脂シート７０と、カバーケース８０とを有している。
【００２１】
また、センサユニット１０は、フレキシブル・プリント・サーキット基板（ＦＰＣ）１１と、変位電極１２と、ＦＰＣ１１上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４（図１ではＥ１およびＥ２のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｅ１１〜Ｅ１３と、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に密着してＦＰＣ１１を覆うように配置された絶縁膜（レジスト膜）１３と、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２に密着してＦＰＣ１１を覆うように配置された樹脂シート（カバー層）９０とを有している。
【００２２】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、センサユニット１０のＦＰＣ１１上の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。従って、ＦＰＣ１１の表面は、ＸＹ平面を規定し、ＦＰＣ１１上の決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および検知ボタン３０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【００２３】
基板２０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。なお、本実施の形態では、基板２０上には、後述するセンサ回路（電子回路）が設けられており、その裏面にはセンサ回路部品５０が配置されている。
【００２４】
支持部材６０は、平板状の部材であって、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料により形成されている。また、支持部材６０の下面には、センサユニット１０よりも大きい略矩形の下方に開いた凹部６０ａが形成されており、支持部材６０の下面の凹部６０ａ以外の部分が基板２０に接触するように配置されている。
【００２５】
また、支持部材６０の凹部６０ａの底面には、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する位置には先細状の突起体６１が形成されており、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応する位置にはそれぞれ先細状の突起体６２が形成されている。なお、検知ボタン３０に対する操作が行われていない場合には、突起体６１、６２の先端部と変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０との間には所定の空隙が形成されている。カバーケース８０は、例えば樹脂により形成された部材であって、樹脂シート７０の上面において検知ボタン３０の周囲を覆うように配置されている。
【００２６】
ここで、本実施の形態では、支持部材６０に突起体６１、６２が形成されているため、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および変位電極１２のそれぞれの特定の部分を効率よく変位させることができる。なお、突起体６１、６２は、必ずしも形成されていなくてもよい。
【００２７】
検知ボタン３０は、Ｚ軸を中心とする円形の中央ボタン３１と、中央ボタン３１の外側に配置された環状の方向ボタン３２とから構成されている。ここで、中央ボタン３１の径は、基準電極Ｅ１３の外径よりも若干大きい。また、方向ボタン３２は、図２に示すように、受力部となる小径の上段部３２ａと、上段部３２ａの下端部から外側に突出する大径の下段部３２ｂとから構成されている。上段部３２ａの外径は、基準電極Ｅ１２の外径とほぼ同じであって、下段部３２ｂの外径は、それよりも大きくなっている。なお、中央ボタン３１および方向ボタン３２は別部材である方が好ましいが、同一部材であってもよい。
【００２８】
ここで、中央ボタン３１は、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および基準電極Ｅ１３に対応するように、支持部材６０上の樹脂シート７０の上面に接着固定されている。また、方向ボタン３２は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、その下段部３２ｂがカバーケース８０の一部である止め部８０ａにより押止され、樹脂シート７０の上面において抜け止め構造により配置されている。このように、方向ボタン３２の外径は、カバーケース８０の止め部８０ａの先端部によって形成される円の径よりも大きくなっているため、カバーケース８０から飛び出ることはない。なお、方向ボタン３２は樹脂シート７０の上面に接着固定されていてもよい。また、中央ボタン３１と樹脂シート７０とは、一体成型されていてもよい。
【００２９】
また、方向ボタン３２の上段部３２ａの上面には、図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。
【００３０】
なお、基板２０、支持部材６０、樹脂シート７０およびカバーケース８０は、それぞれに形成された貫通孔（図示しない）に嵌挿された固定ネジ（図示しない）がそれに対応するナット（図示しない）に螺締されることによって、各部品が互いに離れないように固定されている。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る静電容量式センサ１に含まれるセンサユニット１０の構成について、図面を参照しつつ説明する。図３は、図１の静電容量式センサのＦＰＣ上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。図４は、基板上にＦＰＣが配置される様子を示す図である。図５は、変位電極の概略構成を示す図である。
【００３２】
センサユニット１０は、図１および図３に示すように、略矩形のＦＰＣ１１の上面に対して、例えば容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極１２などの多数の電極が一体に（ユニットとして）設けられたものである。そして、センサユニット１０は、ＦＰＣ１１の下面が基板２０上に接触するとともに、支持部材６０の凹部６０ａ内に配置されるように、接着剤によって接着されている。ここで、ＦＰＣ１１は、可撓性を有しているため、センサユニット１０の取り扱いが容易である。なお、センサユニット１０のＦＰＣ１１は、可撓性を有していない薄い基板に置き換えられてもよい。
【００３３】
ＦＰＣ１１上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１３と、基準電極Ｅ１３の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１１と、基準電極Ｅ１１の外側に略扇形である容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１２とが設けられている。
【００３４】
ここで、容量素子用電極Ｅ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｅ２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｅ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｅ４はＹ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。また、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、原点Ｏ上に配置されており、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２とともに、入力などの決定操作に利用される。
【００３５】
なお、一対の容量素子用電極Ｅ１および容量素子用電極Ｅ２とは、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３および容量素子用電極Ｅ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。
【００３６】
そして、ＦＰＣ１１の上方には、図５に示すような変位電極１２が配置されている。なお、図５では、図１に示される変位電極１２が上下に反転される（裏返される）ことによって、その裏面の構成が分かり易く図示されている。変位電極１２は、基準電極Ｅ１２の外径とほぼ同じ外径の円盤形状を有する金属製の部材である。変位電極１２の中心位置には、基準電極Ｅ１１の内径とほぼ同じ外径を有する貫通孔１２ａが形成されている。また、変位電極１２の裏面（図５では上面）には、基準電極Ｅ１１の外径とほぼ同じ内径を有し且つ基準電極Ｅ１２の内径とほぼ同じ外径を有する環状の溝部１２ｂが形成されている。
【００３７】
なお、変位電極１２としては、金属製のものの他、例えば導電性プラスチック、シリコンゴムなどの導電性ゴム、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）などで形成されたものであってもよい。ここで、本実施の形態では、変位電極１２の貫通孔１２ａおよび溝部１２ｂは、１枚の金属板などに対してエッチング加工が施されることにより形成されている。なお、変位電極１２の貫通孔１２ａおよび溝部１２ｂは、複数の環状の金属板などが重ね合わされて形成されてもよい。また、変位電極１２は、薄い金属板などをドーム状にプレス加工されることによって形成されてもよい。また、変位電極１２は、可撓性を有するＦＰＣで形成することも可能である。
【００３８】
ここで、変位電極１２が、その貫通孔１２ａの中心位置がＺ軸に対応し且つその裏面がＦＰＣ１１側になるように密着して配置されると、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂよりも内側の部分が基準電極Ｅ１１に接触するとともに、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂよりも外側の部分が基準電極Ｅ１２に接触する。
【００３９】
そして、ＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂの底面との間には、溝部１２ｂの深さとほぼ同じ間隔の空隙が形成される。なお、本実施の形態では、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４上に絶縁膜１３が配置されるため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と溝部１２ｂの底面との間の空隙は、溝部１２ｂの深さよりも若干狭くなる。
【００４０】
従って、後述するように、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間には、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されることになる。また、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間の間隔は、方向ボタン３２に対する操作が行われた場合には狭くなって、その加えられた力が解除されると元の間隔に戻ることが可能であるため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４はいずれも可変容量素子であると考えられる。
【００４１】
また、ＦＰＣ１１の中心位置近傍の上方には、基準電極Ｅ１３に接触するとともに、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と離隔しつつ、これを覆うようにドーム状の決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が配置されている。ここで、中央ボタン３１に対する操作が行われた場合に、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に下方へ向かう力が加えられると、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２がクリック感を付随しつつ弾性変形して決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に接触するようになっている。その結果、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と基準電極Ｅ１３とが、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２を介して電気的に接続されるので、両者の間の電気的な接続の有無が検出されることによって、スイッチとして利用することが可能となる。
【００４２】
ここで、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が上述のように配置された後、変位電極１２の上面全体および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面全体に密着するように配置された略円形の薄い樹脂シート９０によって、ＦＰＣ１１上に対して固定される。なお、樹脂シート９０には、接着剤が塗布されており、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２をＦＰＣ１１に対して押圧しつつ固定することができる。
【００４３】
本実施の形態では、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２は、接着剤の塗布された樹脂シート９０によってＦＰＣ１１に対して固定されているが、導電性接着剤によって固定されてもよい。
【００４４】
また、ＦＰＣ１１のＸ軸正方向およびＸ軸負方向の端部近傍には複数の切り欠きが形成されており、これらの切り欠き近傍には電極から構成される端子群が設けられている。本実施の形態では、この端子群として、６つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１が含まれており、図３にはこれらだけが図示されている。これらの端子はいずれも接続用ランドとして用いられる。ここで、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、リード線（図示しない）によって、端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１のいずれかにそれぞれ接続されている（図６参照）。
【００４５】
一方、基板２０上のセンサユニット１０が配置される領域の外縁近傍には、図４に示すように、ＦＰＣ１１上の各端子に対応するように配置された複数の接続用電極が設けられている。これらの接続用電極はいずれも接続用ランドとして用いられる。なお、図４では、複数の接続用電極のうち端子Ｔ１および端子Ｔ１１に対応するものだけが、接続用電極Ｌ１、Ｌ１１として図示されている。
【００４６】
従って、基板２０上にセンサユニット１０が配置された後で、図４に示すように、端子Ｔ１と接続用電極Ｌ１との間および端子Ｔ１１と接続用電極Ｌ１１との間に導電性を有するハンダ１８が配置されると、両者が電気的に且つ機械的に接続されることになる。なお、ＦＰＣ１１上のその他の端子も、端子Ｔ１、Ｔ１１と同様に、それぞれに対応するように設けられた接続用電極との間にハンダが配置されることによって、電気的に且つ機械的に接続されている。なお、ＦＰＣ１１上の各端子と基板２０上の各接続用電極とを接続するための部材としては、ハンダの他に、例えば導電性接着剤などがある。
【００４７】
そして、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、それぞれ端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１を通じて、後述するように、基板２０上に設けられたセンサ回路などに接続される。ここで、本実施の形態では、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３は、端子Ｔ１１〜Ｔ１３を介してそれぞれ接地されている。
【００４８】
なお、絶縁膜１３が、上述したように、ＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に密着して覆うように配置されているため、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４が空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対して、その表面への金メッキの形成などの酸化防止対策を施しておいてもよい。また、絶縁膜１３が配置されることによって、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極１２とが直接接触して誤作動することはない。
【００４９】
また、本実施の形態のように、変位電極１２として、可撓性および弾性に富んだ金属製の部材が用いられている場合には、検知ボタン３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、変位電極１２の復帰位置が元の位置からずれてるのが効果的に抑制される。従って、変位電極１２は、位置再現性を考慮して選択された材料により形成されるのが好ましく、この場合には、変位電極１２の復帰位置の元の位置からのずれは、実用上問題が生じないようにすることが容易に可能となる。
【００５０】
なお、検知ボタン３０は、デザイン的な制限や製品としての質感を高くするために、その材料、取り付け方法および固定方法に様々な制約があり、位置再現性を優先して、設計するのが困難である。ここで、本発明の静電容量式センサ１では、センサとしてのセンサ部および操作ボタンを分離することができ、センサ本来の性能を十分に引き出すことができるようになる。
【００５１】
次に、静電容量式センサ１の回路構成について、図６を参照して説明する。図６は、図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【００５２】
静電容量式センサ１では、変位電極１２とＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間には、共通の電極である変位可能な変位電極１２と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４で形成される容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されている。ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ変位電極１２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。
【００５３】
また、決定スイッチＳ１が、基準電極Ｅ１３と決定スイッチ用固定電極Ｅ２１との間に形成されている。つまり、基準電極Ｅ１３に接触している決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触する状態（オン状態）および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触しない状態（オフ状態）のいずれかの状態を取り得るようになっている。
【００５４】
なお、本実施の形態では、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２は、接地されているとともに、変位電極１２と接触している。従って、変位電極１２は、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２および端子Ｔ２１、Ｔ２２を介して接地されていることになる。
【００５５】
次に、上述のように構成された本実施の形態に係る静電容量式センサ１の動作について、図面を参照して説明する。図７は、図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。図８は、図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【００５６】
まず、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図７に示すように、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合、すなわち、方向ボタン３２の上段部３２ａに形成されたＸ軸正方向に対応するように矢印を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００５７】
方向ボタン３２のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０のＸ軸正方向に対応する突起部６２が下方へと変位する。そして、突起部６２が所定高さだけ押し下げられると、突起部６２の先端部が、変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するようになって、変位電極１２の突起部６２に対応する部分近傍に対して下方向への力が作用する。このように、方向ボタン３２に対する操作が行われる場合には、突起部６２が所定高さだけ押し下げられて、その先端部が変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するまでの間は、変位電極１２は変位しないようになっている。
【００５８】
その後、引き続き、方向ボタン３２が押し下げられると、支持部材６０、樹脂シート７０および変位電極１２がさらに弾性変形を生じてたわみ、変位電極１２の当該部分が下方に変位する。従って、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１と間の間隔が小さくなる。なお、一般的に、容量素子の静電容量値は、容量素子を構成する電極の間隔に反比例することより、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなる。
【００５９】
従って、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のなかで、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１の静電容量値のみが変化する。そして、このとき、後で詳述するように、端子Ｔ１に入力される周期信号Ａは、容量素子Ｃ１を含む遅延回路を通過することによって位相にずれが生じ、その位相のずれが読み取られることによって出力信号Ｖｘが導出される。
【００６０】
また、このとき、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ２〜Ｅ４とのそれぞれの間隔はほとんど変化しない。そのため、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値は変化せず、容量素子Ｃ２〜Ｃ４をそれぞれ含む遅延回路を通過することによっては、位相にずれは生じない。なお、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合に、方向ボタン３２と支持部材６０の突起体６２との位置関係によって、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値が変化することもあるが、それらの変化量は、容量素子Ｃ１の静電容量値の変化量と比較して小さい。
【００６１】
次に、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図８に示すように、中央ボタン３１に操作が行われた場合、すなわち、中央ボタン３１を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００６２】
中央ボタン３１が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する突起部６１が下方へと変位する。そして、突起部６１が所定高さだけ押し下げられると、突起部６１の先端部が、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するようになって、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に対して下方向への力が作用する。このように、中央ボタン３１に対する操作が行われる場合には、突起部６１が所定高さだけ押し下げられて、その先端部が決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するまでの間は、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２は変位しないようになっている。
【００６３】
そして、その力が所定値に満たないときには決定スイッチ用可動電極Ｅ２２はほとんど変位しないが、その力が所定値に達したときには、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形して凹んだ状態となって決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触するようになる。これにより、決定スイッチＳ２がオフ状態からオン状態に切り換えられる。このとき、操作者には、明瞭なクリック感が与えられることになる。
【００６４】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化から、検知ボタン３０の方向ボタン３２への外部からの力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法について、図９〜図１２を参照して説明する。図９は、図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙの変化は、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００６５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ１、Ｔ２に対して、クロック信号などの周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１、Ｔ２に周期信号が入力されている状態で方向ボタン３２が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極１２がＺ軸負方向に変位し、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号の位相にずれが生じる。このように、周期信号に生じる位相のずれを利用して、方向ボタン３２の変位、つまり、方向ボタン３２が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙを得ることができる。
【００６６】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１に対して周期信号Ａが入力されるとき、端子Ｔ２に対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、方向ボタン３２が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの少なくともいずれかの位相にずれが生じる。つまり、容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値が変化すると、端子Ｔ１にそれぞれ入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、一方、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じる。
【００６７】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。この出力信号Ｖｘの変化量の符号が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｘの変化量の絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。
【００６８】
また、外部からの力にＹ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化は、外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｙが導出される。この出力信号Ｖｙの変化量の符号が、外部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｙの絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。
【００６９】
次に、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するための信号処理回路について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【００７０】
端子Ｔ１には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３が接続されており、端子Ｔ２には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４が接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端および抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に接続されている。そして、端子Ｔ１２０、Ｔ１２１には、ローパスフィルター（平滑回路）１１０、１１１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に接続され、それぞれ変位電極１２との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成している。また、変位電極１２は、端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して接地されている。
【００７１】
ここで、ローパスフィルター１１０、１１１は、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から出力される出力信号Ｖｘをアナログ電圧Ｖｘ’に変換するためのものである。つまり、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化が、ローパスフィルター１１０、１１１に入力される前の出力信号Ｖｘの波形のデューティ比の変化として検出され、この信号をローパスフィルター１１０、１１１を通過させて平滑することにより、このデューティ比を電圧値に変換して利用することができる。ローパスフィルター１１０、１１１は、抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１および容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１でそれぞれ構成されている。なお、容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１の２つの電極のなかで抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１に接続されていない方の電極は接地されている。
【００７２】
従って、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に対して出力される出力信号Ｖｘは、ローパスフィルター１１０、１１１を通過することにより平滑され、端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に対してアナログ電圧Ｖｘ’として出力される。このアナログ電圧Ｖｘ’の値は、出力信号Ｖｘのデューティ比に比例して変化する。したがって、出力信号Ｖｘのデューティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も大きくなり、一方、出力信号Ｖｘのデューティ比が小さくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も小さくなる。また、出力信号Ｖｘのデューティ比がほとんど変化しないときはアナログ電圧Ｖｘ’の値もほとんど変化しない。
【００７３】
ここから、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図１０の一部分）である。図１２は、図１１に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。なお、Ｙ軸方向成分の出力信号Ｖｙの導出方法については、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７４】
図１１の信号処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１および容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２はそれぞれＣＲ遅延回路を形成している。従って、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号（矩形波信号）は、それぞれＣＲ遅延回路によって所定の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子１００に入力される。
【００７５】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図１２に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００７６】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力される異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）は、１つの周期信号発振器から出力された周期信号を２つの経路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの周期信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００７７】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００７８】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（図１２参照）。
【００７９】
ここで、方向ボタン３２のＸ軸正方向部分に対する操作が行われた場合（図７参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２と変位電極１２との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１２０と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１２０’とする（図１３参照）。
【００８０】
このとき、上述と同様に、図１１の信号処理回路において、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、また、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力されている。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１’と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１’に到達する。このとき、節点Ｘ１’における周期信号には、図１２に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。一方、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２’と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２’に到達する。このとき、方向ボタン３２のＸ軸負方向部分には力が加えられていないため、節点Ｘ２’における周期信号は、節点Ｘ２における周期信号と同じ波形を有している。
【００８１】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０’に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、図１２に示すように、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合において、端子Ｔ１２０に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００８２】
ここで、実際には、上述したように、端子Ｔ１２０および端子Ｔ１２０’に対して出力される信号は、いずれもローパスフィルター１１０によって平滑された後で出力される。
【００８３】
なお、本実施の形態の静電容量式センサ１は、力覚センサとして用いられており、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、パソコン、ゲームなどの入力装置（ジョイスティック）として利用されるのに好ましい。また、本実施の形態の静電容量式センサ１は、力覚センサとして用いられる場合に限らず、例えば加速度センサなど、その他のセンサとして用いられる場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
以上のように、本実施の形態に係る静電容量式センサ１においては、検知ボタン３０を支持する支持部材６０と、変位電極１２との間に所定の空隙が設けられることによって、検知ボタン３０が所定の空隙分だけ変位するまでは、変位電極１２が変位することはない。従って、検知ボタン３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、変位電極１２の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知ボタン３０に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサ１の出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知ボタン３０が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、変位電極１２は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００８５】
また、検知ボタン３０を支持する支持部材６０には、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように配置された突起体６２が形成されているため、変位電極１２の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する部分を効率よく変位させることができる。
【００８６】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極１２が１つのＦＰＣ１１上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知ボタン３０とが組み立てられる。従って、検知ボタン３０の形状または大きさが変更された場合でも、検知ボタン３０への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサ１が例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観または検知ボタン３０の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００８７】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００８８】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、センサユニット１０として、ＦＰＣ１１の上面に対して、例えば容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極１２が一体に設けられている場合について説明しているが、これに限らず、これらは必ずしも一体に設けられていなくてもよい。従って、容量素子用電極および変位電極が、基板に対してそれぞれ別々に支持されており、さらに変位電極との間に所定の空隙が形成されるように配置された検知ボタンが支持部材によって支持されたものであってもよい。
【００８９】
また、上述の実施の形態では、押圧部材として機能する先細状の突起体６２が、支持部材６０の変位電極１２と対向する面上において変位電極１２に向かって突出するように形成されている場合について説明しているが、これに限らず、突起体の形状は任意に変更することができるし、突起体が変位電極の支持部材（検知ボタン）と対向する面上において支持部材に向かって突出するように形成されていてもよい。このように、方向ボタンに対する操作が行われた場合に、方向ボタンを支持する支持部材と変位電極との間の空隙内において、変位電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能であれば、突起体の構成は任意に変更することができる。なお、押圧部材としては、支持部材または変位電極のいずれかから他方に突出するように形成された突起部の他、支持部材および変位電極とは異なる部材が配置されていてもよい。
【００９０】
また、上述の実施の形態では、変位電極１２を接地するためにＦＰＣ１１上に２つの基準電極Ｅ１１、Ｅ１２が設けられている場合について説明しているが、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２のいずれか一方だけが設けられていてもよい。
【００９１】
また、上述の実施の形態では、決定スイッチＳ１が設けられている場合について説明しているが、決定スイッチは必ずしも設けられていなくてもよい。この場合には、中央ボタン３１、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および基準電極Ｅ１３は無くてもよい。
【００９２】
また、上述の実施の形態では、方向ボタン３２に対して外部から加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の２つの成分を検出可能な静電容量式センサ１について説明しているが、これに限らず、上述の２つのうち必要な１成分だけを検出可能なものであってもよい。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられることによって、検知部材が所定の空隙分だけ変位するまでは、第２の電極が変位することはない。従って、検知部材の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知部材に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサの出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知部材が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、第２の電極は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００９４】
請求項２によると、検知部材に対する操作が行われた場合に、第２の電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能となって、第１の電極と第２の電極との間の間隔を効率よく変化させることができる。
【００９５】
請求項３によると、第１および第２の電極が１つの基板上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００９６】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図２】図１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
【図３】図１の静電容量式センサのＦＰＣ上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図４】基板上にＦＰＣが配置される様子を示す図である。
【図５】変位電極の概略構成を示す図である。
【図６】図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【図７】図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図８】図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図９】図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図１０】図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【図１１】図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図である。
【図１２】図１１に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【図１３】従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図１４】図１３の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 静電容量式センサ
１１ ＦＰＣ（基板）
１２ 変位電極（第２の電極）
３０ 検知ボタン（検知部材）
６１、６１ 突起体（押圧部材）
Ｅ１〜Ｅ４ 容量素子用電極（第１の電極）
Ｃ１〜Ｃ４ 容量素子
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加えられる力の検出を行うために用いて好適な静電容量式センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量式センサは、操作者によって加えられた力の大きさおよび方向を電気信号に変換する装置として一般的に利用されている。例えば、携帯電話の入力装置として、多次元方向の操作入力を行うための静電容量式センサをいわゆるジョイスティックとして組み込んだ装置が利用されている。
【０００３】
静電容量式センサでは、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元または三次元のセンサとしても利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検出を行う静電容量式力覚センサは、構造を単純化してコストダウンを図ることができるメリットがあるために、さまざまな分野で実用化されている。
【０００４】
ここで、例えば、本件出願人による２０００年１２月２７日付けの特許協力条約に基づく国際出願に係るＰＣＴ／ＪＰ００／０９３５５号明細書には、図１３に示すような静電容量式センサ５０１が記載されている。静電容量式センサ５０１は、基板５２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用部材である検知部材５３０と、導電性を有する変位電極５１２と、基板５２０上に形成された容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極（共通電極）Ｅ５００と、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５および基準電極Ｅ５００に密着して基板５２０上を覆うように形成された絶縁膜５１３と、検知部材５３０および変位電極５１２を基板５２０に対して支持固定する支持部材５６０とを有している。
【０００５】
基板５２０上には、図１４に示すように、原点Ｏを中心とする円形の容量素子用電極Ｅ５０５と、その外側に扇形の容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０４と、さらにその外側に原点Ｏを中心とする環状の基準電極Ｅ５００とが形成されている。なお、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間には、容量素子が構成されている。
【０００６】
ここで、静電容量式センサ５０１では、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に対して、クロック信号などの信号が入力される。そして、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に信号が入力されている状態で、検知部材５３０が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極５１２がＺ軸方向に変位する。すると、変位電極５１２と容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５とのそれぞれの間に構成された容量素子の電極間隔が変化することにより、これらの容量素子のそれぞれの静電容量値が変化して、容量素子用電極Ｅ５０１〜Ｅ５０５に入力された信号の位相にずれが生じる。このように、入力された信号に生じる位相のずれを利用して、検知部材５３０の変位、つまり、検知部材５３０が外部から受けた力のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の大きさと方向を知ることが可能となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静電容量式センサ５０１では、検知部材５３０と変位電極５１２とは接触している（一体に構成されている）ため、検知部材５３０が変位する場合には、必ず変位電極５１２も同様に変位する。従って、検知部材５３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合には、変位電極５１２の復帰位置も元の位置からずれてしまうので、検知部材５３０に対する操作前および操作後における静電容量式センサ５０１からの出力信号が同じにならなくなってしまう。これにより、静電容量式センサ５０１の出力信号のヒステリシスが大きくなって、センサとしての再現性が低下してしまう。また、オペレータの意志とは関係なく、検知部材５３０が少しでも変位すると、変位電極５１２も変位してしまうので、センサの誤動作（誤操作）が生じやすい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、再現性を向上させ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。
【０００９】
また、本発明のさらなる目的は、誤動作が発生するのを抑制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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の静電容量式センサは、検知部材と、前記検知部材と対向している第１の電極と、前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極とを備え、前記第２の電極は、前記検知部材との間に所定の空隙が設けられることによって、前記検知部材が前記所定の空隙分だけ変位するまでは変位しないようになっており、前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１によると、検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられることによって、検知部材が所定の空隙分だけ変位するまでは、第２の電極が変位することはない。従って、検知部材の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知部材に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサの出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知部材が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、第２の電極は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００１２】
なお、「検知部材の変位を認識可能である」とは、「検知部材に外部から加えられる力を認識可能である」ということとほぼ同じ意味である。また、「検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられる」とは、両者の間のどこかに空隙が形成されていればよく、検知部材と第２の電極との間に他の部材が配置されることなく、検知部材と第２の電極との間に空隙が形成される場合の他、例えば検知部材を支持する支持部材が検知部材と第２の電極との間に配置されており、当該支持部材と第２の電極との間に空隙が形成される場合であってもよい。
【００１３】
請求項２の静電容量式センサは、前記所定の空隙内に配置された先細状の押圧部材が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２によると、検知部材に対する操作が行われた場合に、第２の電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能となって、第１の電極と第２の電極との間の間隔を効率よく変化させることができる。
【００１５】
請求項３の静電容量式センサは、前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの基板をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３によると、第１および第２の電極が１つの基板上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００１７】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
まず、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサ１の構成について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。図２は、図１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
【００２０】
静電容量式センサ１は、センサユニット１０と、基板２０と、人などによって操作されることによって外部から力が加えられる操作用の検知ボタン３０と、検知ボタン３０を基板２０に対して支持固定する支持部材６０と、検知ボタン３０と支持部材６０との間に配置された樹脂シート７０と、カバーケース８０とを有している。
【００２１】
また、センサユニット１０は、フレキシブル・プリント・サーキット基板（ＦＰＣ）１１と、変位電極１２と、ＦＰＣ１１上に形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４（図１ではＥ１およびＥ２のみを示す）と、基準電極（共通電極）Ｅ１１〜Ｅ１３と、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に密着してＦＰＣ１１を覆うように配置された絶縁膜（レジスト膜）１３と、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２に密着してＦＰＣ１１を覆うように配置された樹脂シート（カバー層）９０とを有している。
【００２２】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品に配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、センサユニット１０のＦＰＣ１１上の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の中心位置に原点Ｏが定義され、右水平方向にＸ軸が、上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直奥行方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。従って、ＦＰＣ１１の表面は、ＸＹ平面を規定し、ＦＰＣ１１上の決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および検知ボタン３０のそれぞれの中心位置をＺ軸が通ることになる。
【００２３】
基板２０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。また、基板２０として、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を用いてもよいが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった支持基板上に配置して用いるのが好ましい。なお、本実施の形態では、基板２０上には、後述するセンサ回路（電子回路）が設けられており、その裏面にはセンサ回路部品５０が配置されている。
【００２４】
支持部材６０は、平板状の部材であって、例えばシリコンゴムなどの弾性を有する材料により形成されている。また、支持部材６０の下面には、センサユニット１０よりも大きい略矩形の下方に開いた凹部６０ａが形成されており、支持部材６０の下面の凹部６０ａ以外の部分が基板２０に接触するように配置されている。
【００２５】
また、支持部材６０の凹部６０ａの底面には、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する位置には先細状の突起体６１が形成されており、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応する位置にはそれぞれ先細状の突起体６２が形成されている。なお、検知ボタン３０に対する操作が行われていない場合には、突起体６１、６２の先端部と変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０との間には所定の空隙が形成されている。カバーケース８０は、例えば樹脂により形成された部材であって、樹脂シート７０の上面において検知ボタン３０の周囲を覆うように配置されている。
【００２６】
ここで、本実施の形態では、支持部材６０に突起体６１、６２が形成されているため、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および変位電極１２のそれぞれの特定の部分を効率よく変位させることができる。なお、突起体６１、６２は、必ずしも形成されていなくてもよい。
【００２７】
検知ボタン３０は、Ｚ軸を中心とする円形の中央ボタン３１と、中央ボタン３１の外側に配置された環状の方向ボタン３２とから構成されている。ここで、中央ボタン３１の径は、基準電極Ｅ１３の外径よりも若干大きい。また、方向ボタン３２は、図２に示すように、受力部となる小径の上段部３２ａと、上段部３２ａの下端部から外側に突出する大径の下段部３２ｂとから構成されている。上段部３２ａの外径は、基準電極Ｅ１２の外径とほぼ同じであって、下段部３２ｂの外径は、それよりも大きくなっている。なお、中央ボタン３１および方向ボタン３２は別部材である方が好ましいが、同一部材であってもよい。
【００２８】
ここで、中央ボタン３１は、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および基準電極Ｅ１３に対応するように、支持部材６０上の樹脂シート７０の上面に接着固定されている。また、方向ボタン３２は、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、その下段部３２ｂがカバーケース８０の一部である止め部８０ａにより押止され、樹脂シート７０の上面において抜け止め構造により配置されている。このように、方向ボタン３２の外径は、カバーケース８０の止め部８０ａの先端部によって形成される円の径よりも大きくなっているため、カバーケース８０から飛び出ることはない。なお、方向ボタン３２は樹脂シート７０の上面に接着固定されていてもよい。また、中央ボタン３１と樹脂シート７０とは、一体成型されていてもよい。
【００２９】
また、方向ボタン３２の上段部３２ａの上面には、図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれの正方向および負方向に対応するように、すなわち、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように、操作方向（カーソルの移動方向）に対応した矢印が形成されている。
【００３０】
なお、基板２０、支持部材６０、樹脂シート７０およびカバーケース８０は、それぞれに形成された貫通孔（図示しない）に嵌挿された固定ネジ（図示しない）がそれに対応するナット（図示しない）に螺締されることによって、各部品が互いに離れないように固定されている。
【００３１】
次に、本実施の形態に係る静電容量式センサ１に含まれるセンサユニット１０の構成について、図面を参照しつつ説明する。図３は、図１の静電容量式センサのＦＰＣ上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。図４は、基板上にＦＰＣが配置される様子を示す図である。図５は、変位電極の概略構成を示す図である。
【００３２】
センサユニット１０は、図１および図３に示すように、略矩形のＦＰＣ１１の上面に対して、例えば容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、変位電極１２などの多数の電極が一体に（ユニットとして）設けられたものである。そして、センサユニット１０は、ＦＰＣ１１の下面が基板２０上に接触するとともに、支持部材６０の凹部６０ａ内に配置されるように、接着剤によって接着されている。ここで、ＦＰＣ１１は、可撓性を有しているため、センサユニット１０の取り扱いが容易である。なお、センサユニット１０のＦＰＣ１１は、可撓性を有していない薄い基板に置き換えられてもよい。
【００３３】
ＦＰＣ１１上には、図３に示すように、原点Ｏを中心とする円形の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１３と、基準電極Ｅ１３の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１１と、基準電極Ｅ１１の外側に略扇形である容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４の外側に配置された環状の基準電極Ｅ１２とが設けられている。
【００３４】
ここで、容量素子用電極Ｅ１はＸ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｅ２はＸ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＸ軸方向成分の検出に利用される。また、容量素子用電極Ｅ３はＹ軸の正方向に対応するように配置され、容量素子用電極Ｅ４はＹ軸の負方向に対応するように配置されており、外部からの力のＹ軸方向成分の検出に利用される。また、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、原点Ｏ上に配置されており、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２とともに、入力などの決定操作に利用される。
【００３５】
なお、一対の容量素子用電極Ｅ１および容量素子用電極Ｅ２とは、Ｘ軸方向に離隔してＹ軸に対して線対称に配置されている。また、一対の容量素子用電極Ｅ３および容量素子用電極Ｅ４は、Ｙ軸方向に離隔してＸ軸に対して線対称に配置されている。
【００３６】
そして、ＦＰＣ１１の上方には、図５に示すような変位電極１２が配置されている。なお、図５では、図１に示される変位電極１２が上下に反転される（裏返される）ことによって、その裏面の構成が分かり易く図示されている。変位電極１２は、基準電極Ｅ１２の外径とほぼ同じ外径の円盤形状を有する金属製の部材である。変位電極１２の中心位置には、基準電極Ｅ１１の内径とほぼ同じ外径を有する貫通孔１２ａが形成されている。また、変位電極１２の裏面（図５では上面）には、基準電極Ｅ１１の外径とほぼ同じ内径を有し且つ基準電極Ｅ１２の内径とほぼ同じ外径を有する環状の溝部１２ｂが形成されている。
【００３７】
なお、変位電極１２としては、金属製のものの他、例えば導電性プラスチック、シリコンゴムなどの導電性ゴム、導電性熱可塑性樹脂（ＰＰＴ、エラストマー）などで形成されたものであってもよい。ここで、本実施の形態では、変位電極１２の貫通孔１２ａおよび溝部１２ｂは、１枚の金属板などに対してエッチング加工が施されることにより形成されている。なお、変位電極１２の貫通孔１２ａおよび溝部１２ｂは、複数の環状の金属板などが重ね合わされて形成されてもよい。また、変位電極１２は、薄い金属板などをドーム状にプレス加工されることによって形成されてもよい。また、変位電極１２は、可撓性を有するＦＰＣで形成することも可能である。
【００３８】
ここで、変位電極１２が、その貫通孔１２ａの中心位置がＺ軸に対応し且つその裏面がＦＰＣ１１側になるように密着して配置されると、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂよりも内側の部分が基準電極Ｅ１１に接触するとともに、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂよりも外側の部分が基準電極Ｅ１２に接触する。
【００３９】
そして、ＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と、変位電極１２の裏面の溝部１２ｂの底面との間には、溝部１２ｂの深さとほぼ同じ間隔の空隙が形成される。なお、本実施の形態では、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４上に絶縁膜１３が配置されるため、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と溝部１２ｂの底面との間の空隙は、溝部１２ｂの深さよりも若干狭くなる。
【００４０】
従って、後述するように、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間には、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されることになる。また、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間の間隔は、方向ボタン３２に対する操作が行われた場合には狭くなって、その加えられた力が解除されると元の間隔に戻ることが可能であるため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４はいずれも可変容量素子であると考えられる。
【００４１】
また、ＦＰＣ１１の中心位置近傍の上方には、基準電極Ｅ１３に接触するとともに、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と離隔しつつ、これを覆うようにドーム状の決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が配置されている。ここで、中央ボタン３１に対する操作が行われた場合に、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に下方へ向かう力が加えられると、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２がクリック感を付随しつつ弾性変形して決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に接触するようになっている。その結果、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と基準電極Ｅ１３とが、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２を介して電気的に接続されるので、両者の間の電気的な接続の有無が検出されることによって、スイッチとして利用することが可能となる。
【００４２】
ここで、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が上述のように配置された後、変位電極１２の上面全体および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面全体に密着するように配置された略円形の薄い樹脂シート９０によって、ＦＰＣ１１上に対して固定される。なお、樹脂シート９０には、接着剤が塗布されており、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２をＦＰＣ１１に対して押圧しつつ固定することができる。
【００４３】
本実施の形態では、変位電極１２および決定スイッチ用可動電極Ｅ２２は、接着剤の塗布された樹脂シート９０によってＦＰＣ１１に対して固定されているが、導電性接着剤によって固定されてもよい。
【００４４】
また、ＦＰＣ１１のＸ軸正方向およびＸ軸負方向の端部近傍には複数の切り欠きが形成されており、これらの切り欠き近傍には電極から構成される端子群が設けられている。本実施の形態では、この端子群として、６つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１が含まれており、図３にはこれらだけが図示されている。これらの端子はいずれも接続用ランドとして用いられる。ここで、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、リード線（図示しない）によって、端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１のいずれかにそれぞれ接続されている（図６参照）。
【００４５】
一方、基板２０上のセンサユニット１０が配置される領域の外縁近傍には、図４に示すように、ＦＰＣ１１上の各端子に対応するように配置された複数の接続用電極が設けられている。これらの接続用電極はいずれも接続用ランドとして用いられる。なお、図４では、複数の接続用電極のうち端子Ｔ１および端子Ｔ１１に対応するものだけが、接続用電極Ｌ１、Ｌ１１として図示されている。
【００４６】
従って、基板２０上にセンサユニット１０が配置された後で、図４に示すように、端子Ｔ１と接続用電極Ｌ１との間および端子Ｔ１１と接続用電極Ｌ１１との間に導電性を有するハンダ１８が配置されると、両者が電気的に且つ機械的に接続されることになる。なお、ＦＰＣ１１上のその他の端子も、端子Ｔ１、Ｔ１１と同様に、それぞれに対応するように設けられた接続用電極との間にハンダが配置されることによって、電気的に且つ機械的に接続されている。なお、ＦＰＣ１１上の各端子と基板２０上の各接続用電極とを接続するための部材としては、ハンダの他に、例えば導電性接着剤などがある。
【００４７】
そして、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１は、それぞれ端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１１〜Ｔ１３、Ｔ２１を通じて、後述するように、基板２０上に設けられたセンサ回路などに接続される。ここで、本実施の形態では、基準電極Ｅ１１〜Ｅ１３は、端子Ｔ１１〜Ｔ１３を介してそれぞれ接地されている。
【００４８】
なお、絶縁膜１３が、上述したように、ＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に密着して覆うように配置されているため、銅などで形成された容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４が空気にさらされることがなく、それらが酸化されるのを防止する機能を有している。なお、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対して、その表面への金メッキの形成などの酸化防止対策を施しておいてもよい。また、絶縁膜１３が配置されることによって、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４と変位電極１２とが直接接触して誤作動することはない。
【００４９】
また、本実施の形態のように、変位電極１２として、可撓性および弾性に富んだ金属製の部材が用いられている場合には、検知ボタン３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、変位電極１２の復帰位置が元の位置からずれてるのが効果的に抑制される。従って、変位電極１２は、位置再現性を考慮して選択された材料により形成されるのが好ましく、この場合には、変位電極１２の復帰位置の元の位置からのずれは、実用上問題が生じないようにすることが容易に可能となる。
【００５０】
なお、検知ボタン３０は、デザイン的な制限や製品としての質感を高くするために、その材料、取り付け方法および固定方法に様々な制約があり、位置再現性を優先して、設計するのが困難である。ここで、本発明の静電容量式センサ１では、センサとしてのセンサ部および操作ボタンを分離することができ、センサ本来の性能を十分に引き出すことができるようになる。
【００５１】
次に、静電容量式センサ１の回路構成について、図６を参照して説明する。図６は、図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【００５２】
静電容量式センサ１では、変位電極１２とＦＰＣ１１上の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間には、共通の電極である変位可能な変位電極１２と、固定された個別の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４で形成される容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成されている。ここで、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれ変位電極１２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。
【００５３】
また、決定スイッチＳ１が、基準電極Ｅ１３と決定スイッチ用固定電極Ｅ２１との間に形成されている。つまり、基準電極Ｅ１３に接触している決定スイッチ用可動電極Ｅ２２が、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触する状態（オン状態）および決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触しない状態（オフ状態）のいずれかの状態を取り得るようになっている。
【００５４】
なお、本実施の形態では、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２は、接地されているとともに、変位電極１２と接触している。従って、変位電極１２は、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２および端子Ｔ２１、Ｔ２２を介して接地されていることになる。
【００５５】
次に、上述のように構成された本実施の形態に係る静電容量式センサ１の動作について、図面を参照して説明する。図７は、図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。図８は、図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【００５６】
まず、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図７に示すように、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合、すなわち、方向ボタン３２の上段部３２ａに形成されたＸ軸正方向に対応するように矢印を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００５７】
方向ボタン３２のＸ軸正方向に対応する部分が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０のＸ軸正方向に対応する突起部６２が下方へと変位する。そして、突起部６２が所定高さだけ押し下げられると、突起部６２の先端部が、変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するようになって、変位電極１２の突起部６２に対応する部分近傍に対して下方向への力が作用する。このように、方向ボタン３２に対する操作が行われる場合には、突起部６２が所定高さだけ押し下げられて、その先端部が変位電極１２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するまでの間は、変位電極１２は変位しないようになっている。
【００５８】
その後、引き続き、方向ボタン３２が押し下げられると、支持部材６０、樹脂シート７０および変位電極１２がさらに弾性変形を生じてたわみ、変位電極１２の当該部分が下方に変位する。従って、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１と間の間隔が小さくなる。なお、一般的に、容量素子の静電容量値は、容量素子を構成する電極の間隔に反比例することより、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きくなる。
【００５９】
従って、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合には、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のなかで、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４との間の間隔に変化があった容量素子Ｃ１の静電容量値のみが変化する。そして、このとき、後で詳述するように、端子Ｔ１に入力される周期信号Ａは、容量素子Ｃ１を含む遅延回路を通過することによって位相にずれが生じ、その位相のずれが読み取られることによって出力信号Ｖｘが導出される。
【００６０】
また、このとき、変位電極１２と容量素子用電極Ｅ２〜Ｅ４とのそれぞれの間隔はほとんど変化しない。そのため、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値は変化せず、容量素子Ｃ２〜Ｃ４をそれぞれ含む遅延回路を通過することによっては、位相にずれは生じない。なお、方向ボタン３２にＸ軸正方向への操作が行われた場合に、方向ボタン３２と支持部材６０の突起体６２との位置関係によって、容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値が変化することもあるが、それらの変化量は、容量素子Ｃ１の静電容量値の変化量と比較して小さい。
【００６１】
次に、図１に示す検知ボタン３０に力が作用していないときの状態において、図８に示すように、中央ボタン３１に操作が行われた場合、すなわち、中央ボタン３１を基板２０側に押し下げるような力（Ｚ軸負方向への力）が加えられた場合を考える。
【００６２】
中央ボタン３１が押し下げられることにより、支持部材６０および樹脂シート７０が弾性変形を生じてたわみ、支持部材６０の決定スイッチ用固定電極Ｅ２１に対応する突起部６１が下方へと変位する。そして、突起部６１が所定高さだけ押し下げられると、突起部６１の先端部が、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するようになって、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍に対して下方向への力が作用する。このように、中央ボタン３１に対する操作が行われる場合には、突起部６１が所定高さだけ押し下げられて、その先端部が決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の上面に配置された樹脂シート９０に当接するまでの間は、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２は変位しないようになっている。
【００６３】
そして、その力が所定値に満たないときには決定スイッチ用可動電極Ｅ２２はほとんど変位しないが、その力が所定値に達したときには、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２の頂部近傍部分が座屈を伴って急激に弾性変形して凹んだ状態となって決定スイッチ用固定電極Ｅ２１と接触するようになる。これにより、決定スイッチＳ２がオフ状態からオン状態に切り換えられる。このとき、操作者には、明瞭なクリック感が与えられることになる。
【００６４】
次に、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化から、検知ボタン３０の方向ボタン３２への外部からの力の大きさおよび方向を示す出力信号の導出方法について、図９〜図１２を参照して説明する。図９は、図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙの変化は、それぞれ外部からの力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の大きさおよび方向を示す。
【００６５】
ここで、出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するために、端子Ｔ１、Ｔ２に対して、クロック信号などの周期信号が入力される。そして、端子Ｔ１、Ｔ２に周期信号が入力されている状態で方向ボタン３２が外部からの力を受けて変位すると、これにともなって変位電極１２がＺ軸負方向に変位し、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔が変化して、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値が変化する。すると、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号の位相にずれが生じる。このように、周期信号に生じる位相のずれを利用して、方向ボタン３２の変位、つまり、方向ボタン３２が外部から受けた力のＸ軸方向およびＹ軸方向の大きさと方向を示す出力信号Ｖｘ、Ｖｙを得ることができる。
【００６６】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１に対して周期信号Ａが入力されるとき、端子Ｔ２に対しては周期信号Ａと同一の周期で、かつ、周期信号Ａの位相とは異なる周期信号Ｂが入力される。そのとき、方向ボタン３２が外部から力を受けて、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値がそれぞれ変化すると、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの少なくともいずれかの位相にずれが生じる。つまり、容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値が変化すると、端子Ｔ１にそれぞれ入力された周期信号Ａの位相にずれが生じ、一方、容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値が変化すると、端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じる。
【００６７】
すなわち、外部からの力にＸ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ１の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ２の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変化は、外部からの力のＸ軸正方向成分、Ｘ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｘが導出される。この出力信号Ｖｘの変化量の符号が、外部からの力のＸ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｘの変化量の絶対値がＸ軸方向成分の大きさを示す。
【００６８】
また、外部からの力にＹ軸方向成分が含まれる場合は、容量素子Ｃ３の静電容量値が変化し、端子Ｔ１に入力された周期信号Ａの位相にずれが生じるか、或いは、容量素子Ｃ４の静電容量値が変化し、端子Ｔ２に入力された周期信号Ｂの位相にずれが生じるかのいずれか或いは両方である。ここで、容量素子Ｃ３、Ｃ４の静電容量値の変化は、外部からの力のＹ軸正方向成分、Ｙ軸負方向成分にそれぞれ対応している。このように、端子Ｔ１および端子Ｔ２にそれぞれ入力された周期信号Ａおよび周期信号Ｂの位相のずれを例えば排他和回路などで読み取ることによって、出力信号Ｖｙが導出される。この出力信号Ｖｙの変化量の符号が、外部からの力のＹ軸方向成分が正方向または負方向の向きかを示し、出力信号Ｖｙの絶対値がＹ軸方向成分の大きさを示す。
【００６９】
次に、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号Ａ、Ｂによる出力信号Ｖｘ、Ｖｙを導出するための信号処理回路について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【００７０】
端子Ｔ１には、抵抗素子Ｒ１、Ｒ３が接続されており、端子Ｔ２には、抵抗素子Ｒ２、Ｒ４が接続されている。また、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の出力端および抵抗素子Ｒ３、Ｒ４の出力端には、それぞれ排他和回路の論理素子であるＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に接続されている。そして、端子Ｔ１２０、Ｔ１２１には、ローパスフィルター（平滑回路）１１０、１１１が接続されており、その出力端は端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に接続されている。また、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の出力端は、それぞれ容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に接続され、それぞれ変位電極１２との間で容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成している。また、変位電極１２は、端子Ｔ１１、Ｔ１２を介して接地されている。
【００７１】
ここで、ローパスフィルター１１０、１１１は、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から出力される出力信号Ｖｘをアナログ電圧Ｖｘ’に変換するためのものである。つまり、容量素子Ｃ１〜Ｃ４のそれぞれの静電容量値の変化が、ローパスフィルター１１０、１１１に入力される前の出力信号Ｖｘの波形のデューティ比の変化として検出され、この信号をローパスフィルター１１０、１１１を通過させて平滑することにより、このデューティ比を電圧値に変換して利用することができる。ローパスフィルター１１０、１１１は、抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１および容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１でそれぞれ構成されている。なお、容量素子Ｃ１１０、Ｃ１１１の２つの電極のなかで抵抗素子Ｒ１１０、Ｒ１１１に接続されていない方の電極は接地されている。
【００７２】
従って、ＥＸ−ＯＲ素子１００、１０１から端子Ｔ１２０、Ｔ１２１に対して出力される出力信号Ｖｘは、ローパスフィルター１１０、１１１を通過することにより平滑され、端子Ｔ１３０、Ｔ１３１に対してアナログ電圧Ｖｘ’として出力される。このアナログ電圧Ｖｘ’の値は、出力信号Ｖｘのデューティ比に比例して変化する。したがって、出力信号Ｖｘのデューティ比が大きくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も大きくなり、一方、出力信号Ｖｘのデューティ比が小さくなるとそれに伴ってアナログ電圧Ｖｘ’の値も小さくなる。また、出力信号Ｖｘのデューティ比がほとんど変化しないときはアナログ電圧Ｖｘ’の値もほとんど変化しない。
【００７３】
ここから、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図（図１０の一部分）である。図１２は、図１１に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。なお、Ｙ軸方向成分の出力信号Ｖｙの導出方法については、Ｘ軸方向成分の出力信号Ｖｘの導出方法と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００７４】
図１１の信号処理回路において、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１および容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２はそれぞれＣＲ遅延回路を形成している。従って、端子Ｔ１、Ｔ２に入力された周期信号（矩形波信号）は、それぞれＣＲ遅延回路によって所定の遅延が生じ、ＥＸ−ＯＲ素子１００に入力される。
【００７５】
さらに詳細に説明すると、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）（上述の周期信号Ａに対応している）が入力され、また、端子Ｔ２にはｆ（φ）と同一の周期で、かつ、位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）（上述の周期信号Ｂに対応している）が入力される。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１に到達する。このとき、節点Ｘ１における周期信号には、図１２に示すように、時間ａの遅延が生じている。同様に、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２に到達する。このとき、節点Ｘ２における周期信号には、時間ｂの遅延が生じている。
【００７６】
ここで、端子Ｔ１、Ｔ２にそれぞれ入力される異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）は、１つの周期信号発振器から出力された周期信号を２つの経路に分け、その一方の経路に図示しないＣＲ遅延回路を設け、ＣＲ遅延回路を通過する周期信号の位相を遅延させることによって発生させられる。なお、周期信号の位相をずらせる方法は、ＣＲ遅延回路を用いる方法に限らず、他のどのような方法であってもよいし、また、２つの周期信号発振器を用いて、それぞれ異なる位相の周期信号ｆ（φ）、ｆ（φ＋θ）を発生させ、端子Ｔ１、Ｔ２のそれぞれに入力してもよい。
【００７７】
ここで、時間ａ、ｂは、それぞれＣＲ遅延回路における遅延時間に対応し、それぞれのＣＲの時定数により決定される。したがって、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が同一である場合は、時間ａ、ｂの値は容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応するようになる。すなわち、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が大きくなると、時間ａ、ｂの値も大きくなり、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が小さくなると、時間ａ、ｂの値も小さくなる。
【００７８】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１、Ｘ２における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号である（図１２参照）。
【００７９】
ここで、方向ボタン３２のＸ軸正方向部分に対する操作が行われた場合（図７参照）の各端子および各節点における周期信号の波形を考えることにする。なお、この場合の信号処理回路における容量素子用電極Ｅ１、Ｅ２と変位電極１２との間で構成される容量素子をＣ１’、Ｃ２’とし、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合の信号処理回路の節点Ｘ１、Ｘ２および端子Ｔ１２０と同位置における各節点および端子を節点Ｘ１’、Ｘ２’および端子Ｔ１２０’とする（図１３参照）。
【００８０】
このとき、上述と同様に、図１１の信号処理回路において、端子Ｔ１には周期信号ｆ（φ）が入力され、また、端子Ｔ２には、ｆ（φ）と同一の周期で位相がθだけずれている周期信号ｆ（φ＋θ）が入力されている。端子Ｔ１に入力される周期信号ｆ（φ）は、容量素子Ｃ１’と抵抗素子Ｒ１により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ１’に到達する。このとき、節点Ｘ１’における周期信号には、図１２に示すように、時間ａ＋Δａの遅延が生じている。これは、容量素子Ｃ１’の静電容量値が容量素子Ｃ１よりも大きくなったことにより、ＣＲ遅延回路の時定数が大きくなったためである。一方、端子Ｔ２に入力される周期信号ｆ（φ＋θ）は、容量素子Ｃ２’と抵抗素子Ｒ２により構成されるＣＲ遅延回路を通過して、節点Ｘ２’に到達する。このとき、方向ボタン３２のＸ軸負方向部分には力が加えられていないため、節点Ｘ２’における周期信号は、節点Ｘ２における周期信号と同じ波形を有している。
【００８１】
このように、ＥＸ−ＯＲ素子１００には、節点Ｘ１’、Ｘ２’における周期信号と同一の波形の信号が入力され、これらの信号の間で排他的論理演算が行われ、その結果を端子Ｔ１２０’に対して出力される。ここで、端子Ｔ１２０’に対して出力される信号は、所定のデューティ比をもった矩形波信号であり、図１２に示すように、方向ボタン３２に対する操作が行われていない場合において、端子Ｔ１２０に出力された矩形波信号よりも、デューティ比の小さい矩形波信号である。
【００８２】
ここで、実際には、上述したように、端子Ｔ１２０および端子Ｔ１２０’に対して出力される信号は、いずれもローパスフィルター１１０によって平滑された後で出力される。
【００８３】
なお、本実施の形態の静電容量式センサ１は、力覚センサとして用いられており、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、パソコン、ゲームなどの入力装置（ジョイスティック）として利用されるのに好ましい。また、本実施の形態の静電容量式センサ１は、力覚センサとして用いられる場合に限らず、例えば加速度センサなど、その他のセンサとして用いられる場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
以上のように、本実施の形態に係る静電容量式センサ１においては、検知ボタン３０を支持する支持部材６０と、変位電極１２との間に所定の空隙が設けられることによって、検知ボタン３０が所定の空隙分だけ変位するまでは、変位電極１２が変位することはない。従って、検知ボタン３０の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、変位電極１２の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知ボタン３０に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサ１の出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知ボタン３０が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、変位電極１２は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００８５】
また、検知ボタン３０を支持する支持部材６０には、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対応するように配置された突起体６２が形成されているため、変位電極１２の容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する部分を効率よく変位させることができる。
【００８６】
また、容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極１２が１つのＦＰＣ１１上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知ボタン３０とが組み立てられる。従って、検知ボタン３０の形状または大きさが変更された場合でも、検知ボタン３０への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサ１が例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観または検知ボタン３０の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００８７】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【００８８】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、センサユニット１０として、ＦＰＣ１１の上面に対して、例えば容量素子用電極Ｅ１〜Ｅ４および変位電極１２が一体に設けられている場合について説明しているが、これに限らず、これらは必ずしも一体に設けられていなくてもよい。従って、容量素子用電極および変位電極が、基板に対してそれぞれ別々に支持されており、さらに変位電極との間に所定の空隙が形成されるように配置された検知ボタンが支持部材によって支持されたものであってもよい。
【００８９】
また、上述の実施の形態では、押圧部材として機能する先細状の突起体６２が、支持部材６０の変位電極１２と対向する面上において変位電極１２に向かって突出するように形成されている場合について説明しているが、これに限らず、突起体の形状は任意に変更することができるし、突起体が変位電極の支持部材（検知ボタン）と対向する面上において支持部材に向かって突出するように形成されていてもよい。このように、方向ボタンに対する操作が行われた場合に、方向ボタンを支持する支持部材と変位電極との間の空隙内において、変位電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能であれば、突起体の構成は任意に変更することができる。なお、押圧部材としては、支持部材または変位電極のいずれかから他方に突出するように形成された突起部の他、支持部材および変位電極とは異なる部材が配置されていてもよい。
【００９０】
また、上述の実施の形態では、変位電極１２を接地するためにＦＰＣ１１上に２つの基準電極Ｅ１１、Ｅ１２が設けられている場合について説明しているが、基準電極Ｅ１１、Ｅ１２のいずれか一方だけが設けられていてもよい。
【００９１】
また、上述の実施の形態では、決定スイッチＳ１が設けられている場合について説明しているが、決定スイッチは必ずしも設けられていなくてもよい。この場合には、中央ボタン３１、決定スイッチ用固定電極Ｅ２１、決定スイッチ用可動電極Ｅ２２および基準電極Ｅ１３は無くてもよい。
【００９２】
また、上述の実施の形態では、方向ボタン３２に対して外部から加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の２つの成分を検出可能な静電容量式センサ１について説明しているが、これに限らず、上述の２つのうち必要な１成分だけを検出可能なものであってもよい。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、検知部材と第２の電極との間に所定の空隙が設けられることによって、検知部材が所定の空隙分だけ変位するまでは、第２の電極が変位することはない。従って、検知部材の操作前の位置と操作後の位置とが異なる場合であっても、第２の電極の復帰位置が元の位置からずれてしまうのが抑制されるので、検知部材に対する操作前および操作後における静電容量式センサからの出力信号がほぼ同じになる。これにより、静電容量式センサの出力信号のヒステリシスが比較的小さくなって、センサとしての再現性が向上する。また、オペレータの意志に基づいて、検知部材が所定の空隙分だけ押し込まれない（変位させられない）と、第２の電極は変位しないので、センサの誤動作（誤操作）が生じにくくなる。
【００９４】
請求項２によると、検知部材に対する操作が行われた場合に、第２の電極の特定の部分を集中的に変位させることが可能となって、第１の電極と第２の電極との間の間隔を効率よく変化させることができる。
【００９５】
請求項３によると、第１および第２の電極が１つの基板上に設けられることによって、センサ部が一体に構成（ユニット化）された後で、当該センサ部と検知部材とが組み立てられる。従って、検知部材（キーパッド）の形状または大きさが変更された場合でも、検知部材への操作力に対する容量素子の静電容量値の変化特性が変化することがほとんどない。そのため、静電容量式センサが例えば携帯電話などの機器に搭載される場合において、当該センサの外観（意匠）または検知部材の形状などが変更されても、ユニット化されたセンサ部は共通に利用できるので、当該機器がモデルチェンジされる度に、そのモデルにおけるジョイスティクとしての操作性を把握して、制御回路およびソフトウェアを調整する必要がなくなる。
【００９６】
また、センサ部が一体に構成されているため、その他の部品との組み立てが完了しないでも、センサ部単体でその性能を確認することができる。従って、センサ部における容量素子の静電容量値の大きさなどをユニット単位で事前にチェックしておいて、規定の範囲内の静電容量値を有するセンサ部（良品）だけを選別することが可能となって、センサとして不良品が発生するのを抑制することができ、センサの歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図２】図１の静電容量式センサの検知部材の上面図である。
【図３】図１の静電容量式センサのＦＰＣ上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【図４】基板上にＦＰＣが配置される様子を示す図である。
【図５】変位電極の概略構成を示す図である。
【図６】図１に示す静電容量式センサの構成に対する等価回路図である。
【図７】図１に示す静電容量式センサの方向ボタンにＸ軸正方向への操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図８】図１に示す静電容量式センサの中央ボタンに操作が行われた場合の側面の模式的な断面図である。
【図９】図１に示す静電容量式センサに入力される周期信号から出力信号を導出する方法を説明するための説明図である。
【図１０】図１に示す静電容量式センサの信号処理回路を示す回路図である。
【図１１】図１に示す静電容量式センサのＸ軸方向成分についての信号処理回路を示す回路図である。
【図１２】図１１に示す信号処理回路の各端子および各節点における周期信号の波形を示す図である。
【図１３】従来の静電容量式センサの模式的な断面図である。
【図１４】図１３の静電容量式センサの基板上に形成されている複数の電極の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 静電容量式センサ
１１ ＦＰＣ（基板）
１２ 変位電極（第２の電極）
３０ 検知ボタン（検知部材）
６１、６１ 突起体（押圧部材）
Ｅ１〜Ｅ４ 容量素子用電極（第１の電極）
Ｃ１〜Ｃ４ 容量素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知部材と、
前記検知部材と対向している第１の電極と、
前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極とを備え、
前記第２の電極は、前記検知部材との間に所定の空隙が設けられることによって、前記検知部材が前記所定の空隙分だけ変位するまでは変位しないようになっており、
前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記所定の空隙内に配置された先細状の押圧部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの基板をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
【請求項１】
検知部材と、
前記検知部材と対向している第１の電極と、
前記検知部材と前記第１の電極との間において、前記第１の電極との間で容量素子を構成し且つ前記検知部材が変位するのに伴って、それと同じ方向に変位可能な第２の電極とを備え、
前記第２の電極は、前記検知部材との間に所定の空隙が設けられることによって、前記検知部材が前記所定の空隙分だけ変位するまでは変位しないようになっており、
前記第１の電極に対して入力される信号を利用して前記第１の電極と前記第２の電極との間隔の変化に起因する前記容量素子の静電容量値の変化が検出されることに基づいて前記検知部材の変位を認識可能であることを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項２】
前記所定の空隙内に配置された先細状の押圧部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ。
【請求項３】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が設けられた１つの基板をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００４−４５１７８（Ｐ２００４−４５１７８Ａ）
【公開日】平成１６年２月１２日（２００４．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−２０２３８０（Ｐ２００２−２０２３８０）
【出願日】平成１４年７月１１日（２００２．７．１１）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１６年２月１２日（２００４．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年７月１１日（２００２．７．１１）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
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