靜電容式傳感器的制作方法

專利名稱：靜電容式傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適合用于進行多維方向的操作輸入的靜電容式傳感器，特別是涉及一種耐壓特性好，且能夠簡化制造工藝的靜電容式傳感器。
靜電容式傳感器中，可從操作者傳遞的力的大小，輸入持有預定的動力范圍(dynamic range)的操作量。并且，也可以作為能夠按施加力的各方向分量檢測的二維或三維力傳感器使用。特別是，通過兩片電極來形成靜電容元件，通過改變電極間隔而產生的靜電容量值的變化來進行力的檢測的靜電容元件式力傳感器，由于具有能夠使結構簡單且謀求低成本的優點，被用于各式各樣的領域。
例如，在日本專利申請特開平7(1995)-200164號公報中，公開了如圖36所示的靜電容元件式力傳感器。力傳感器510由基板520、設于基板520上的彈性橡膠片530、設于彈性橡膠片530下面的電極部分540、設于基板520上面的電極部分500～504(請參照圖37)、將彈性橡膠片530相對基板520支持固定的按壓片560以及設于基板520下面的電子裝置580構成。并且，電極部分500～504，如圖37所示，由對原點對稱布置的四個電極部分501～504和布置在這些電極外側的圓環形電極部分500來構成。并且，電極部分540的外圍部分與接地的電極部分500相接觸，經由電極部分500接地。
操作者按下彈性橡膠片530時，電極部分540向下位移，改變與四個電極部分501～504之間的距離。于是，改變四個電極部分501～504各電極部分和電極部分540之間形成的電容元件的靜電容量值。因此，通過檢測該靜電容量值的變化，便可獲知操作者加力的大小與方向。
并且，在日本專利特許第3020736號公報中，公開了如圖38所示的靜電容元件式加速度傳感器。加速度傳感器610是由固定基板620、柔性基板621、設于固定基板620上的固定電極600、設于柔性基板621上的位移電極641～645(請參照圖39)、作用體630、裝置框架660來構成。并且，位移電極641～645，如圖39所示，由相對Z軸對稱布置四個電極部分641～644和設置在這些電極部分內側的圓盤形電極部分645構成。而且，固定電極600通過布線(未圖示)接地。
這里，當力作用在作用點P時，由于柔性基板621上發生的彎曲，位移電極641～645向上位移，改變這些電極和固定電極600之間的距離。于是，五個位移電極641～645和固定電極600之間分別形成的電容元件的靜電容量值會發生變化。因此，通過檢測該靜電容量值的變化，就能知道作用在作用點P上的力的大小與方向。
如上所述，圖36所示的力傳感器510中，由于能夠通過使電極部分540的外圍部分和電極部分500接觸來接地，將不需要用以將電極部分540接地的布線。但是，這種力傳感器510，由于電極部分540和電極部分500直接電連接，當電極部分540上施加較大的電壓時支持電極部分500的基板520上流過尖脈沖電流，可能使力傳感器510故障或損壞，且在耐壓特性方面很差。并且，電極部分540和電極部分500的電連接隨著老化等而變差時，將不能得到正確的傳感器輸出。這樣，圖36所示的力傳感器510在可靠性方面有所不足。
另一方面，圖38所示的加速度傳感器610，雖然在可靠性方面良好，但各電容元件可以說是構成并聯關系，因此，不僅需要對固定基板620設置用以將固定電極600接地的布線，同時為了將來自外部的信號供給位移電極641～645，還需要在支持這些電極的柔性基板621上設置布線。但是，在固定基板620與柔性基板621的兩邊上設置布線，會使這種加速度傳感器的結構與制造工藝復雜化。
因此，本發明的主要目的在于提供一種可靠性高，且制造工藝與結構簡單的靜電容式傳感器。
依據本發明的第二方面，本發明的靜電容式傳感器的特征在于，其中設有定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的基板，與所述基板相對的檢測構件，位于所述基板和所述檢測構件之間、隨著所述檢測構件沿Z軸方向的位移而沿Z軸方向位移的所述導電構件，在所述基板上形成的、與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，以及在所述基板上形成的、與所述導電構件之間形成第二電容元件的、接地或保持一定電位的基準電極；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極的信號構成串聯連接關系，通過檢測由所述導電構件和所述電容元件用電極之間的間隔變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
并且，依據本發明的第三方面，本發明的靜電容式傳感器的特征在于其中設有定義XYZ三維坐標系時規定XY平面導電構件，與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，與所述導電構件之間形成第二電容元件的、接地或保持一定電位的基準電極，位于所述導電構件和所述電容元件用電極之間的絕緣構件，以及能隨著沿XY平面的移動使所述絕緣構件或所述導電構件與所述電容元件用電極沿XY平面位移的檢測構件；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極的信號構成串聯連接關系，通過檢測在所述導電構件和所述電容元件用電極之間因所述絕緣構件相對XY平面的端部位置的變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
并且，依據本發明的第四方面，本發明的靜電容式傳感器的特征在于其中設有當定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的基板，與所述基板相對的檢測構件，與所述基板相對的導電構件，形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成第二電容元件的、接地或保持一定電位的基準電極，以及位于所述導電構件和所述電容元件用電極之間、設置得能隨著所述檢測構件沿XY平面的位移而相對所述基板平行移動的絕緣構件；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極的信號構成串聯連接的關系，通過檢測在所述導電構件和所述電容元件用電極之間因所述絕緣構件對XY平面的端部位置變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
通過這樣的結構，為形成第一與第二電容元件而被共同使用的導電構件，不是以直接接觸，而是以電容元件耦合來與接地或保持一定電位的基準電極電連接。因此，改善傳感器的耐壓特性，大致不會有因流過尖脈沖電流而損壞傳感器的情形，同時可防止連接不良等不良情形，因此，能夠得到可靠性高的靜電容式傳感器。與此同時，由于第一與第二電容元件成為串聯連接，僅在支持電容元件用電極與基準電極的基板等部件上設置布線時，將不需要另外設置用以將導電構件接地或保持一定電位的布線。因此，能夠以較少的制造工序制造結構簡單的靜電容式傳感器。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，可以形成一個基準電極。從而，使得基準電極的制造容易。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，可以形成多個基準電極。從而，例如，即使在包圍基準電極而設置電容元件用電極的場合，也能夠通過基準電極間的間隙容易地設置電容元件用電極的布線。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，最好形成多個所述電容元件用電極。由此，能夠通過用各電容元件用電極獲知不同方向的力來獲知多維的力。
并且，本發明的靜電容式傳感器中有成對的兩個所述電容元件用電極，可以向含有該對電容元件用電極中一方的電路與含有另一方的電路供給相互不同相位的信號。由此，不管含有一對電容元件用電極中一方的電路與含有另一方的電路的時間常數是否相同，都能夠獲知檢測構件的位移。
并且，本發明的靜電容式傳感器中有成對的兩個所述電容元件用電極，含有該對電容元件用電極中的一個電極的CR電路和含有另一個電極的CR電路之間的時間常數可以不同。依據這樣的結構，由于能夠使得通過電路導致的信號的相位偏移較大，能夠提高檢測構件的位移獲知精度。
并且，本發明的靜電容式傳感器，可以設有對電容元件用電極輸入的信號為周期性地重復高電平和低電平的信號時，具有當該信號為低電平時使第一電容元件放電的功能的控制元件(集電極開路型的反相器等)。從而，由于保存在電容元件的電荷被瞬間放電，能夠高效率地充電，同時可以增加信號波形的密度，能夠提高信號處理電路的精度。
并且，本發明的靜電容式傳感器有成對的兩個所述電容元件用電極，分別向含有該對電容元件用電極中一個電極的電路與含有另一個電極的電路輸入的信號的輸出信號，最好用設有“異”運算、“或”運算或者“與”運算邏輯元件的信號處理電路加以檢測。從而，能夠高精度檢測輸出信號，而且根據需要能夠調整檢測精度。
并且，本發明的靜電容式傳感器，最好還包括貼緊電容元件用電極與基準電極且將基板覆蓋地形成的絕緣膜。這里，絕緣膜可采用薄膜狀的樹脂薄膜，光刻膠膜等。從而，由于貼緊電容元件用電極，且可覆蓋基板上而形成絕緣膜，可防止電容元件用電極暴露在空氣而使電極表面被氧化的情形。
另外，本發明的靜電容式傳感器中，電容元件用電極可以包括相對Y軸對稱配置的一對第一電容元件用電極、相對X軸對稱配置的一對第二電容元件用電極以及在原點近旁配置的第三電容元件用電極。由此，檢測構件能夠分別獲知從外部來的力的X軸方向、Y軸方向與Z軸方向的方向分量。再有，第三電容元件用電極也可以不用來獲知Z軸方向分量，而用于確定輸入的操作。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，可以在導電構件上與第三電容元件用電極相對的位置處形成突起。這樣，由于導電構件以突起為支點傾斜、位移，能夠容易地檢測X軸方向或Y軸方向分量。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，檢測構件最好加以分割，以分別對應于第一電容元件用電極、第二電容元件用電極與第三電容元件，或者分別對應于第一與第二電容元件用電極和第三電容元件；依據這樣的結構，能夠將來自外部的力的X軸方向、Y軸方向或Z軸方向的各分量加以明確分離，因此能夠減輕不同方向分量的相互干擾，使誤操作得以減少。
并且，本發明的靜電容式傳感器，最好使得與導電構件的電容元件用電極相對的面成為凹凸面。從而，由于導電構件的凹凸面和電容元件用電極相對而形成電容元件，使該電容元件的靜電容元件量的變化更細微，能夠提高對所受來自外部的力的檢測精度。
并且，本發明的靜電容式傳感器，其導電構件可以設有隨著檢測構件受來自外部的力而位移的情形而位移的位移部分、固定于基板上的固定部分以及連接位移部分和固定部分的連接部分，第一電容元件用電極與第二電容元件用電極可以形成于第三電容元件用電極的外側，而基準電極可以形成于第一電容元件用電極與第二電容元件用電極的外側。
并且，本發明的靜電容式傳感器，其基準電極可以設有分別接地或保持一定電位的第一基準電極與第二基準電極，導電構件可以分別對應于第一電容元件用電極與第二電容元件元件用電極部分和第三電容元件用電極而被分割，第一基準電極可以形成于第三電容元件用電極的外側，第一電容元件用電極與第二電容元件元件用電極可以形成于第一基準電極的外側，第二基準電極可以形成于第一電容元件用電極與第二電容元件元件用電極的外側。依據這樣的結構，由于檢測構件能夠獲知所受來自外部的力沿X軸、Y軸以及Z軸三個方向的分量，能夠進行三個不同方向的操作。
并且，本發明的靜電容式傳感器可以這樣構成其基準電極形成于第三電容元件用電極的外側，第一電容元件用電極與第二電容元件元件用電極形成于基準電極的外側，還設有與基準電極相接觸且覆蓋第三電容元件用電極而配置的第四電容元件用電極，通過導電構件隨著檢測構件受來自外部的力位移而位移，使得第三電容元件用電極和第四電容元件用電極相接觸。依據這樣的結構，由于檢測構件能夠獲知所受的來自外部的力沿X軸與Y軸兩個方向的分量，能夠進行兩個不同方向的操作。而且，由于設有第四電容元件用電極，能夠進行輸入的確定操作，同時由于進行確定操作時可得到明確的操作觸感，可防止誤操作。
另外，這種結構的靜電容式傳感器，最好作為個人電腦、攜帶式電話、游戲機等的輸入裝置加以利用。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，可以將檢測構件和導電構件形成為一體。在這樣的結構中，由于檢測構件與導電構件成為一體，能夠容易制造，而且，可降低制造成本。
并且，本發明的靜電容式傳感器中，導電構件最好由彈性材料形成。依據這樣的結構，檢測構件所受的來自外部的力對導電構件的傳遞性變好，能夠改善操作性能。并且，通過緩沖所受來自外部的力的沖擊，可減輕靜電容式傳感器的損壞。
并且，本發明的靜電容式傳感器，最好還設置用以支持導電構件的支持構件，支持構件最好由彈性材料形成。在這樣的結構中，由于支持構件由彈性材料形成，通過緩沖所受來自外部的力的沖擊，能夠減輕靜電容式傳感器的損壞。再有，能夠有效地獲得支持構件和蓋殼之間的防水性與防塵性。并且，憑借支持構件的彈性回復力，當解除力時，導電構件可自動回復到原來的位置。
本發明中，作為導電構件，例如可以采用導電橡膠、導電墨水、導電熱可塑性樹脂(PPT、合成橡膠)。
圖2是

圖1的靜電容式傳感器的檢測構件的俯視圖。
圖3是形成于圖1的靜電容式傳感器基板上的多個電極布置的示意圖。
圖4是對于圖1所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。
圖5是關于從輸入圖1所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
圖6是圖1所示的靜電容式傳感器的檢測構件上進行沿X軸正方向操作時的側剖面示意圖。
圖7是圖1所示的靜電容式傳感器的檢測構件上進行沿Z軸方向的操作時的側剖面示意圖。
圖8是表示圖1所示的靜電容式傳感器的信號處理電路的電路圖。
圖9是表示圖1所示的靜電容式傳感器的對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖10是在圖1所示的信號處理電路的各端子與各節點上的周期信號的波形圖。
圖11是形成于圖1的靜電容式傳感器的變形例1的基板上的多個電極的配置圖。
圖12是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例1的、對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖13是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例2的、對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖14是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例3的、對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖15是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例4的、對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖16是在圖1所示的信號處理電路與圖15所示的信號處理電路的端子與各節點上的周期信號的波形圖。
圖17是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例5的、關于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖18是表示圖1所示的靜電容式傳感器的變形例6的、關于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。
圖19是與本發明的實施例2的靜電容式傳感器的剖面示意圖。
圖20是圖19的靜電容式傳感器的檢測用按鈕的俯視圖。
圖21是形成于圖19的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
圖22是圖19所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。
圖23是關于從輸入圖19所示的靜電容式傳感器上的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
圖24是本發明的實施例3的靜電容式傳感器的剖面示意圖。
圖25是圖24的靜電容式傳感器的檢測用按鈕的俯視圖。
圖26是形成于圖24的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
圖27是圖24所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。
圖28是關于從輸入圖24所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
圖29是本發明的實施例4的靜電容式傳感器的剖面示意圖。
圖30是形成于圖29的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
圖31是形成于圖29的靜電容式傳感器的支持構件下面的導電構件形狀的示圖。
圖32是圖29所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。
圖33是關于從輸入圖29所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
圖34是關于圖29所示的靜電容式傳感器的檢測構件未進行操作時的電容元件部件和絕緣構件的位置關系的示圖。
圖35是關于圖29所示的靜電容式傳感器的檢測構件進行沿X軸正方向的操作時的電容元件部件和絕緣構件的位置關系的示圖。
圖36是傳統的靜電容式傳感器的剖面示意圖。
圖37是形成于圖36的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
圖38是傳統的靜電容式傳感器的剖面示意圖。
圖39是形成于圖38的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
圖1是本發明的實施例1的靜電容式傳感器的剖面示意圖。圖2是圖1的靜電容式傳感器的檢測構件的俯視圖。圖3是形成于圖1的靜電容式傳感器基板上的多個電極的配置圖。
靜電容式傳感器10中設有基板20，通過人的操作等施加來自外部的力的操作用部件即檢測構件30，位移電極40，形成于基板20上的電容元件用電極E1～E5與基準電極(公共電極)E0，與電容元件用電極E1～E5與基準電極E0貼緊且覆蓋基板20上而形成的絕緣膜50，以及將固定檢測構件30與位移電極40支持固定在基板20上的支持構件60。
這里為了說明上的方便，如圖所示，定義XYZ三維坐標系，參照該坐標系進行各部件配置的說明。就是說，在圖1中，基板20上的位移電極40的中心位置相對的位置定義為原點O，其右水平方向定義為X軸，垂直上方定義為Z軸，垂直進入紙面的方向定義為Y軸。這里，基板20的表面規定XY平面，Z軸分別通過基板20上的電容元件用電極E5、檢測構件30以及位移電極40的各中心位置。
基板20是一般電路用的印刷電路板，本例中使用玻璃環氧樹脂(glass epoxy)基板。并且，作為基板20，可以使用聚酰亞胺薄膜等薄膜狀基板，但由于薄膜狀基板的場合具有柔軟性，最好設置在具有足夠的剛性的支持基板上而使用。
檢測構件30是由作為受力部分的小直徑的上部31和在上部31的下端延伸的大直徑的下部32來構成，整體形成圓盤形。這里，上部31的直徑大致等于或小于連接電容元件用電極E1～E4各外側曲線連接而成的圓的直徑，而下部32的直徑大致與基準電極E0的外徑相同。另外，為了改善操作性能，可以在檢測構件30上遮蓋樹脂制蓋殼。
并且，在檢測構件30的上部31的上面，如圖2所示，可分別對應于X軸與Y軸的正方向與負方向，即，對應于電容元件用電極E1～E4，形成對應于操作方向(光標移動方向)的箭頭。
位移電極40用導電橡膠形成，它具有與檢測構件30的下部32相同直徑的圓盤形，貼在檢測構件30的下面。并且，在位移電極40的下面，形成以位移電極40的中心位置為中心的圓形的向下開口的凹部。而且，在該凹部的底面，形成以位移電極40的中心位置為中心的圓形的向下伸出的凸部，該凸部的中心位置(位移電極40的中心位置)上形成凸起45。這樣，位移電極40由隨著檢測構件30的位移而位移的位移部分41(在位移電極40的下面形成的凹部底面的凸部)、靠近最外圍的固定部分43(位移電極40下面形成的凹部以外的部分)以及連接位移部分41和固定部分43的連接部分42(位移電極40的下面形成的凹部中的凸部以外的部分)形成。另外，凸起45也可以沒有，位移電極40也可以由導電金屬形成。
這樣，由于位移電極40的中心位置上形成凸起45，檢測構件30上有力作用時，位移電極40能夠以凸起45為支點傾斜。并且，位移電極40，通過支持構件60與檢測構件30一起被支持固定，使得固定部分43的下面與凸起45的下面貼緊基板20上形成的絕緣膜50。
并且，在基板20上，如圖3所示，形成了以原點O為中心的圓形電容元件用電極E5、其外側扇形的電容元件用電極E1～E4、再外側是以原點O為中心的環形基準電極E0。電容元件用電極E1與E2，在X軸方向上隔離而相對Y軸對稱布置。并且，電容元件用電極E3與E4，在Y軸方向上隔離而相對X軸對稱布置。另外，基準電極E0，也可以形成在電容元件用電極E5和電容元件用電極E1～E4之間。并且，也可以省去電容元件用電極E5，而形成以原點O為中心的圓形基準電極E0。但是，這種情況下將不能檢測Z軸方向分量。
在這里電容元件用電極E1對應于X軸的正方向設置，另一方面，電容元件用電極E2對應于X軸的負方向設置，用于檢測來自外部的力的X軸方向分量。并且，電容元件用電極E3對應于Y軸的正方向設置，另一方面，電容元件用電極E4對應于Y軸的負方向設置，用于檢測來自外部的力的Y軸方向分量。另外，電容元件用電極E5設置在原點O上，用于檢測來自外部的力的Z軸方向分量。
并且，電容元件用電極E1～E5與基準電極E0，利用通孔等分別與端子T0～T5(請參照圖4)連接，并通過端子T0～T5，與外部電路相連接。另外，本例中基準電極E0經由端子T0接地。
并且，絕緣膜50，與基板20上的電容元件用電極E1～E5與基準電極E0貼緊，且覆蓋于基板20上而形成。因此，由銅等形成的電容元件用電極E1～E5與基準電極E0不會暴露在空氣中，具有可防止這些電極被氧化的功能。并且，由于形成了絕緣膜50，電容元件用電極E1～E5與基準電極E0和位移電極40將不會直接接觸。
因此，電容元件用電極E1～E5與基準電極E0，分別與位移電極40之間形成電容元件。另外，電容元件用電極E1～E5，與位移電極40的位移部分41之間分別形成電容元件C1～C5，又，基準電極E0與位移電極40的固定部分43之間形成電容元件C0。
接著，參照附圖，對上述結構的與本實施例的靜電容式傳感器10的操作進行說明。圖4是圖1所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。圖5是關于從輸入圖1所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。圖6是對圖1所示的靜電容式傳感器的檢測構件進行沿X軸正方向的操作時的側剖面示意圖。圖7是對圖1所示的靜電容式傳感器的檢測構件進行沿Z軸方向的操作時的側剖面示意圖。
首先，參照圖4，對等效于靜電容式傳感器10的結構的電路結構進行說明。在基板20上形成的電容元件用電極E1～E5與基準電極E0，與位移電極40相對，在作為公共電極的可位移的位移電極40和被固定的單個的電容元件用電極E1～E5與基準電極E0之間形成電容元件C0～C5。各電容元件C1～C5可以是具有由位移電極40的位移而改變靜電容量值的結構的可變電容元件。
電容元件C0～C5的各靜電容量值，作為分別與位移電極40和電容元件用電極E1～E5與基準電極E0連接的端子T0～T5之間的靜電容量值，能夠分別獨立測量。這里，可認為基準電極E0經由端子T0接地，在電容元件C1～C5上作為公共電極的位移電極40經由電容元件C0與端子T0來接地。就是說，電容元件C0將位移電極40和端子T0電容元件耦合。
接著，參照圖5，就由電容元件C1～C5的各靜電容量值的變化導出表示對檢測構件30的來自外部的力大小與方向的輸出信號的方法進行說明。這里，輸出信號Vx、Vy、Vz分別表示來自外部的力的X軸、Y軸與Z軸方向分量的大小與方向。
另外，圖5所示的電容元件C6，通常為了保持一定靜電容量值而形成于基板20的下面，構成電容元件C6一方的電極與導出輸出信號Vz的C/V變換電路相連接，而另一方的電極接地。該電容元件C6與電容元件C5共同導出來自外部的力的Z軸方向分量的輸出信號Vz。
這里，為了導出輸出信號Vx、Vy、Vz，始終對端子T1～T6輸入時鐘信號等周期信號。例如，兩個電容元件C1和C0對于端子T1上輸入的周期信號成串聯連接關系。同樣，兩個電容元件C2和C0相對于端子T2上輸入的周期信號成串聯連接關系，兩個電容元件C3和C0對于端子T3上輸入的周期信號成串聯連接關系，兩個電容元件C4和C0對于端子T4上輸入的周期信號構成串聯連接的關系，兩個電容元件C5和C0對于端子T5上輸入的周期信號構成串聯連接的關系。
在端子T1～T6上輸入周期信號的狀態下，檢測構件30受來自外部的力而位移時，隨之，位移電極40沿Z軸方向位移，電容元件C1～C5的電極間隔發生變化，使得電容元件C1～C5的各靜電容量值發生變化。這樣，端子T1～T6上輸入的周期信號相位上發生偏移。如此，利用周期信號中產生的相位偏移，可得到檢測構件30的位移，即表示檢測構件30所受來自外部的力的X軸、Y軸與Z軸方向的大小與方向的輸出信號Vx、Vy、Vz。
更詳細地說，向端子T1～T6輸入周期信號時，給端子T1、T3、T5輸入周期信號A，另一方面，給端子T2、T4、T6輸入與周期信號A周期相同但相位不同的周期信號B。此時，檢測構件30受到來自外部的力，使電容元件C1～C5的靜電容量值各自發生變化時，對端子T1～T5上分別輸入的周期信號A或周期信號B的相位上產生不同的偏移。另外，由于電容元件C6的靜電容量值保持不變，端子T6上輸入的周期信號B的相位上將不會產生偏移。
就是說，所受來自外部的力中含有X軸方向分量時，電容元件C1的靜電容量值發生變化，端子T1上輸入的周期信號A的相位上發生偏移，同時電容元件C2的靜電容量值發生變化，端子T2上輸入的周期信號B的相位上也發生偏移。這里，電容元件C1、C2的靜電容量值的變化分別對應于來自外部的力的X軸正方向分量和X軸負方向分量。因此，端子T1上輸入的周期信號A的相位偏移和端子T2上輸入的周期信號B的相位偏移是相互反向的相位偏移。這樣，通過異電路讀取端子T1與端子T2上分別輸入的周期信號A與周期信號B的相位偏移來導出輸出信號Vx。該輸出信號Vx的符號表示所受來自外部的力的X軸方向分量是向正方向還是向負方向，其絕對值表示X軸方向分量的大小。
并且，所受來自外部的力中含有Y軸方向分量時，電容元件C3的靜電容量值發生變化，端子T3上輸入的周期信號A的相位發生偏移，同時電容元件C4的靜電容量值發生變化，端子T4上輸入的周期信號B的相位也發生偏移。這里，電容元件C3、C4的靜電容量值變化分別對應于所受來自外部的力的Y軸正方向分量和Y軸負方向分量。因此，端子T3上輸入的周期信號A的相位偏移和端子T4上輸入的周期信號B的相位偏移是相互反向的相位偏移。這樣，通過異電路讀取端子T3與端子T4上分別輸入的周期信號A與周期信號B的相位偏移來導出輸出信號Vy。該輸出信號Vy的符號表示所受來自外部的力的Y軸方向分量是向正方向還是向負方向，其絕對值表示Y軸方向分量的大小。
再有，所受來自外部的力中含有Z軸方向分量時，電容元件C5的靜電容量值發生變化，端子T5上輸入的周期信號A的相位發生偏移。并且，由于電容元件C6的靜電容量值保持一定，端子T6上輸入的周期信號B的相位將不會發生偏移。因此，僅在端子T5上輸入的周期信號A的相位上發生偏移，通過異電路讀取這種周期信號A的相位偏移來導出輸出信號Vz。該輸出信號Vz的符號表示所受來自外部的力的Z軸方向分量是向正方向還是向負方向，其絕對值表示Z軸方向分量的大小。
另外，所受來自外部的力中含有X軸方向分量或Y軸方向分量時，對檢測構件30的力的施加方法，可考慮以下各種情況。例如，考慮X軸方向的情況，位移部分41的X軸正方向部分和X軸負方向部分，不會以凸起45為支點相互在上下反方向上位移，而是使X軸正方向部分與X軸負方向部分一起向下面位移，且，此時各自的位移量會有不同。這時候，端子T1與T2上輸入的各自的周期信號A與周期信號B的相位上會發生同方向的偏移，但與上述的情形一樣，通過異電路讀取該相位偏移來導出輸出信號Vx。并且，對于Y軸方向的輸出信號Vy的導出，情況也一樣。
接著考慮如下情況在圖1所示的檢測構件30上無力作用時的狀態下，進行如圖6所示的在檢測構件30上進行向X軸正方向部分的操作時，就是說，施加能夠將檢測構件30的上部31上形成的對應于X軸正方向形成的箭頭向基板20側下壓的力(沿Z軸負方向的力)。
由于對應于檢測構件30的X軸正方向的部分被壓下，位移電極40的連接部分42因彈性變形而彎曲，位移部分41的X軸正方向部分向下面位移，幾乎移至能夠使位移部分41的X軸正方向部分的下面與絕緣膜50相接觸的位置。并且，此時，位移部分41的X軸正方向部分和X軸負方向部分以凸起45為支點相互在上下反方向上位移。因此，位移部分41的X軸正方向部分向下位移時，位移部分41的X軸負方向部分以凸起45為支點向上位移。
并且，位移部分41的Y軸正方向部分的X軸正方向側略向下位移，X軸負方向側略向上位移。同樣，Y軸負方向部分的X軸正方向側略向下位移，X軸負方向側略向上位移。并且，此時，位移部分41的中心位置(Z軸上)上形成的凸起45被壓而彈性變形。
因此，位移部分41的X軸正方向部分和電容元件用電極E1之間的間隔變小，另一方面，位移部分41的X軸負方向部分和電容元件用電極E2之間的間隔變大。并且，位移部分41的Y軸正方向部分和電容元件用電極E3之間的間隔，以及位移部分41的Y軸負方向部分和電容元件用電極E4之間的間隔可認為無變化。如上所述，實際上，位移部分41的Y軸正方向部分與Y軸負方向部分的各X軸正方向側略向下位移，X軸負方向側略向上位移，但作為位移部分41的Y軸正方向部分與Y軸負方向部分的整體，與電容元件用電極E3與E4之間的間隔可認為無變化。并且，位移部分41的中心位置和電容元件用電極E5之間的間隔變小。
而且，在電容元件C1～C5中，僅在電容元件用電極E1～E5和位移電極40之間有間隔變化的電容元件C1、C2、C5上靜電容量值才發生變化。這里，電容元件的靜電容量值一般與構成電容元件的電極間隔成反比，從而使得電容元件C1的靜電容量值變大，電容元件C2的靜電容量值變小。就是說，電容元件C1～C4的各靜電容量值的大小關系如下。
C2＜C3＝C4＜C1另外，電容元件C5的靜電容量值變得比原來的值大。
此時，端子T1與T2上輸入的各周期信號A與周期信號B的相位上發生偏移，通過讀取該相位偏移來導出輸出信號Vx。同樣，端子T5上輸入的周期信號A的相位上發生偏移，通過讀取該相位偏移(實際上，與端子T6上輸入的周期信號B的相位一起讀取)來導出輸出信號Vz。
接著，考慮在圖1所示的檢測構件30上無力的作用時的狀態下，進行如圖7所示的在檢測構件30上在Z軸正方向的操作，即施加能夠使檢測構件30的上部31上形成的四個箭頭的中央部分向基板20側壓下的力(沿Z軸負方向的力)的情況。
隨著檢測構件30的中央部分被壓下，位移電極40的連接部分42發生彈性變形而彎曲，位移部分41向Z軸負方向位移，而在位移部分41的中心位置(Z軸上)上形成的凸起45，被壓而彈性變形。
因此，位移部分41以保持水平的狀態向下位移，就是說，電容元件用電極E1～E5和位移部分41的各間隔保持同樣的間隔而位移，各間隔同樣地變小。因此，電容元件C1～C5的全部的靜電容量值變大。這里，電容元件C1～C4的各靜電容量值的大小關系如下。
C1＝C2＝C3＝C4另外，電容元件C5的靜電容量值變得比原來的值大。但是，由于在下壓檢測構件30的中央部分時(圖7所示的情形)相對于檢測構件30的壓入量直接成為位移電極40和電容元件用電極E5之間的間隔的變化，該變化量比進行X軸正方向的操作時(圖6所示的場合)更大。
此時，端子T1～T5上輸入的各周期信號A與周期信號B的相位上發生偏移，通過讀取該相位偏移來導出輸出信號Vx、Vy、Vz。
接著，參照附圖，對由輸入到端子T1～T6的周期信號A、B導出輸出信號Vx、Vy、Vz的信號處理電路加以說明。圖8是表示圖1所示的靜電容式傳感器的信號處理電路的電路圖。
如上所述，端子T1～T6上，由未圖示的交流信號振蕩器輸入預定頻率的周期信號。這些端子T1～T6上連接反相器I1～I6與電阻R1～R6，從端子T1～T6側開始依次分別連接反相器I1～I6、電阻R1～R6。并且，電阻R1、R2的輸出端、電阻R3、R4的輸出端以及電阻R5、R6的輸出端上，分別連接異電路的邏輯元件”異”元件81～83，其輸出端與端子T11～T13連接。并且，電阻R1～R5輸出端分別與電容元件用電極E1～E5連接，分別與位移電極40之間構成電容元件C1～C5。并且，位移電極40經由電容元件C0接地。
在此作為一例，參照圖9，對X軸方向分量的輸出信號Vx的導出方法進行說明。圖9(a)與圖9(b)是表示圖1所示的靜電容式傳感器的X軸方向分量的信號處理電路的電路圖(是圖8的一部分)。在該信號處理電路中，電容元件C1和電阻R1與電容元件C2和電阻R2分別形成CR延遲電路。端子T1、T2上輸入的周期信號(矩形波信號)，依據各CR延遲電路發生預定的延遲，然后匯合到“異”元件81中。并且，作為反相器I1、I2，由于使用相同元件，能夠將不同通路的信號在相同條件下進行比較。這里，反相器I1、I2使驅動CR延遲電路的足夠驅動電力得以產生，沒有邏輯上的意義。因此，如果能夠對端子T1、T2供給具有足夠驅動能力的信號，就可以不需要這些反相器I1、I2。因此，圖9(b)是從圖9(a)的信號處理電路中省去反相器I1、I2的電路，可認為完全與圖9(a)等效。
接著，參照圖10，對圖9的電路動作進行說明。圖10是圖9所示的信號處理電路的各端子與各節點上的周期信號的波形圖。圖10忽略了反相器I1、I2的影響。
在圖9的信號處理電路中，分別輸入端子T1、T2上的周期信號，通過CR延遲電路分別產生預定的延遲，并分別被輸入到”異”元件81。詳細說就是端子T1上輸入周期信號f(Φ)(對應于上述的周期信號A)，并且，端子T2上輸入與f(Φ)周期相同、相位相差θ的周期信號f(Φ+θ)(對應于上述的周期信號B)。端子T1上輸入的周期信號f(Φ)通過由電容元件C1和電阻R1構成的CR延遲電路，到達節點X1。此時，節點X1上的周期信號上，如圖10所示，產生時間a的延遲。同樣，端子T2上輸入的周期信號f(Φ+θ)通過由電容元件C2和電阻R2構成的CR延遲電路，到達節點X2。此時，節點X2上的周期信號上產生時間b的延遲。
這里，時間a、b分別對應于CR延遲電路中的延遲時間，由各CR的時間常數來確定。因此，電阻R1、R2的電阻值相同時，時間a，b的值可對應于電容元件C1、C2的靜電容量值。就是說，電容元件C1、C2的靜電容量值變大時，時間a、b的值也變大，電容元件C1、C2的靜電容量值變小時，時間a、b的值也變小。
另外，嚴格地說，端子T1、T2上分別輸入的周期信號中，當信號處理電路中含有反相器I1、I2時，可認為分別通過反相器I1、I2也能產生預定的延遲。但是，如上所述，由于使用相同元件的反相器I1、I2，可認為在兩個通路上因反相器產生的延遲時間相同，且輸入”異”元件81上時相互抵消，因此，在這里省略了因反相器導致的延遲時間的說明。
這樣，在“異”元件81上，輸入與節點X1、X2中的周期信號相同波形的信號，在這些信號之間進行邏輯異運算，將其結果對端子T11輸出。這里，對端子T11輸出的信號是具有預定占空率的矩形波信號(請參照圖10)。
這里，考慮所述的檢測構件30上進行在X軸正方向位置的操作時(請參照圖6)的各端子與各節點上的周期信號的波形。另外，將此時的信號處理電路中的電容元件用電極E1、E2和位移電極40之間構成的電容元件設為C1’、C2’，將檢測構件30上無操作時跟信號處理電路的節點X1、X2與端子T11同位置上的各節點與端子設為節點X1’、X2’與端子T11’(請參照圖9)。
此時，在圖9的信號處理電路中，端子T1上輸入周期信號f(Φ)，并且，端子T2上輸入與f(Φ)周期相同但相位僅差θ的周期信號f(Φ+θ)。端子T1上輸入的周期信號f(Φ)，通過由電容元件C1’和電阻R1所構成的CR延遲電路，到達節點X1’。此時，在節點X1’中的周期信號上，如圖10所示，發生時間a+Δa的延遲。這是由于電容元件C1’的靜電容量值比電容元件C1更大，使得CR延遲電路的時間常數變大。同樣，端子T2上輸入的周期信號f(Φ+θ)，通過由電容元件C2’和電阻R2所構成的CR延遲電路，到達節點X2’。此時，節點X2’中的周期信號上，發生時間b-Δb的延遲。這是由于電容元件C2’的靜電容量值比電容元件C2更小，使得CR延遲電路的時間常數變小。
這樣，在“異”元件81上，輸入與節點X1’、X2’中的周期信號相同波形的信號，在這些信號之間進行邏輯異運算，將其結果對端子T11’輸出。這里，對于端子T11’輸出的信號是具有預定占空率的矩形波信號，如圖10所示，它是比檢測構件30上無操作時端子T11輸出的矩形波信號占空率更小的矩形波信號。
這里，靜電容式傳感器10中，如上所述，在位移電極40的中心位置上形成凸起45，由于位移電極40以凸起45為支點發生位移，多數情況使得電容元件C1’、C2’的靜電容量值一方增大時另一方減小的大小相反變化。從而，各電容元件C1’、C2’構成的CR延遲電路的時間常數也同樣變化，由于輸出的矩形波信號的占空率的改變更為明顯，能夠容易地進行作用于檢測構件30上的力的檢測。
另外，用以導出Z軸方向分量的輸出信號Vz的信號處理電路(參照圖8)，僅對端子T5上輸入的信號通過CR延遲電路而產生預定的延遲，但由于端子T6上輸入的信號不通過CR延遲電路，將不會因CR延遲電路而發生延遲。這樣，僅對一方的信號產生延遲的電路中，如上述，也容易進行作用于檢測構件30的力的檢測。
如上所述，電容元件C1、C2的各靜電容量值的變化，可由端子T11上的波形的占空率變化來檢測，使該信號通過整流電路整流，從而可將該占空率變換為電壓值來利用。并且，將T11上的信號的高電平(Hi)或低電平(Lo)的時間，由頻率更高的時鐘信號來計數，也可以將占空率變換為數字計數值來利用。
這里，端子T1、T2上分別輸入的不同相位的周期信號f(Φ)、f(Φ+θ)是這樣使它們發生的由一個交流信號振蕩器輸出的周期信號分為兩個通路，在其中一個通路上設置CR延遲電路(未作圖示)，從而使通過CR延遲電路的周期信號的相位發生延遲。另外，使周期信號的相位偏移的方法并不限于采用CR延遲電路的方法，其它任何方法都可以，并且，可以使用兩個交流信號振蕩器，發生各自不同相位的周期信號f(Φ)、f(Φ+θ)，分別對端子T1、T2輸入。
接著，對本實施例的靜電容式傳感器10的制造方法進行說明。制造靜電容式傳感器10，首先，在基板20上形成基準電極E0與電容元件用電極E1～E5以及導電布線(電路)的圖案。然后，與基準電極E0與電容元件用電極E1～E5貼緊，形成絕緣膜50的圖案，以覆蓋基板20。
接著，在絕緣膜50上配置位移電極40，進而在位移電極40上配置檢測構件30。之后，通過在基板20上設置固定沿著位移電極40與檢測構件30的外圍具有圓筒形狀的、上端向內側突出的支持構件60來防止位移電極40與檢測構件30從絕緣膜50偏移的情形。然后，通過實施必要的電氣布線完成本實施例的靜電容式傳感器10制造。
如上所述，本實施例的靜電容式傳感器10，被公用來構成多個電容元件C0～C5的位移電極40，經由與接地或保持一定電位的基準電極E0的電容元件耦合來電連接，因此，不需要通過直接與基準電極E0接觸來電連接。從而，可以改善傳感器的耐壓特性，且大致不會發生由尖脈沖電流流過而導致的損壞，同時由于可防止連接不良等不良情況，能夠得到可靠性高的靜電容式傳感器。并且，由于對于周期信號，電容元件C1、C0；C2、C0；…；C5、C0分別構成串聯連接，因此，如在支持電容元件用電極與基準電極的基板20上設置布線，就無需為位移電極40的接地或保持一定電位而設置布線。因此，能夠以較少的制造工序來制造結構簡單的靜電容式傳感器。
并且，可形成多個電容元件用電極E1～E5，能夠分別獲知檢測構件30所受來自外部的力的X軸、Y軸以及Z軸方向的分量。再有，由于位移電極40以凸起45為支點可傾斜地位移，能夠容易檢測X軸或Y軸方向的分量。
這里，由于向成對的電容元件用電極(E1與E2、E3與E4)供給相互不同相位的信號，能夠使通過電路導致的信號的相位偏移變大，而且，由于使用利用邏輯元件的信號處理電路，能夠高精度檢測該信號。
并且，由于貼緊電容元件用電極E1～E5以及基準電極E0形成覆蓋基板20上的絕緣膜50，能夠防止電容元件用電極E1～E5與基準電極E0暴露于空氣而電極表面被氧化的情形。
并且，由于位移電極40與支持構件60由彈性材料來形成，檢測構件30所受的來自外部的力對位移電極40的傳遞性良好，從而不僅改善操作性能，同時通過緩沖來自外部的力的沖擊可減輕靜電容式傳感器的損壞。
接著，參照附圖，對本發明的實施例1的變形例1進行說明。圖11是變形例1的靜電容式傳感器的基板上形成的多個電極的配置圖。
變形例1的靜電容式傳感器變更了圖1所示的靜電容式傳感器中的基板20上的基準電極E0結構，如圖11所示，形成了基準電極E01～E04。另外，其它結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此用相同符號表示并省略其說明。
如圖11所示，基板20上形成以原點O為中心的圓形電容元件用電極E5、其外側的扇形電容元件用電極E1～E4以及再外側的扇形基準電極E01～E04。這里，電容元件用電極E1和基準電極E01、電容元件用電極E2和基準電極E02、電容元件用電極E3和基準電極E03以及電容元件用電極E4和基準電極E04的各扇形的中心角相同，且各中心位置形成得相互一致。
圖12是表示變形例1的靜電容式傳感器的對X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖12的信號處理電路與圖1所示的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于基板20上，相對電容元件用電極E1、E2分割而形成各基準電極E01、E02。因此，位移電極40經由各電容元件C01、C02分別接地。再有，在Y軸方向分量的檢測方面情況也一樣。
這樣，將基準電極E01～E04分為多個電極形成時，即使有被基準電極E01～E04包圍而配置的電容元件用電極E1～E4，也能容易地穿過基準電極E01～E04的元件間隙設置電容元件用電極的布線。另外，本變形例中，基準電極被分為四個，但基準電極的分割數量、形狀以及布置可以為任意，可考慮到基板上的布線配置適當變更。
接著，參照附圖，對本發明實施例1的變形例2進行說明。圖13是表示變形例2的靜電容式傳感器的對X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖13的信號處理電路與圖1所示的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于對于端子T1、T2相位不偏移，將相同相位的周期信號分別輸入到端子上。其它的結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此，用相同符號表示并省略其說明。
這里，對端子T1、T2輸入相同相位的周期信號時，電阻R1、R2最好使用電阻值各不同的電阻。這樣，通過使用不同電阻值的電阻R1、R2，在“異”元件81中容易被檢測。另外，電阻R1、R2也可以使用電阻值相同的電阻。
采用這樣的電路，將不需要對周期信號發生相位差的結構，能夠簡化信號處理電路的結構。
接著，參照附圖，對本發明的實施例1的變形例3進行說明。圖14是表示變形例3的靜電容式傳感器對X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖14的信號處理電路與圖1的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于作為產生對應于端子T1、T2輸入的周期信號的相位差的結構，將由一個交流信號振蕩器輸出的周期信號分別輸入兩個通路，在該兩個通路上設置CR延遲電路。另外，其它的結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此，用相同符號表示并省略其說明。
產生周期信號的相位差的結構中，包括交流信號振蕩器90、電阻R11、R12以及電容元件C11、C12；由電阻R11與電容元件C11來構成CR延遲電路，并由電阻R12與電容元件C12來構成CR延遲電路。從交流信號振蕩器90輸出的周期信號被分入兩個通路，通過各自不同的CR延遲電路，在周期信號上產生不同相位的延遲。
這樣，在兩個通路上均設置CR延遲電路時，最好使用構成兩個CR延遲電路的電阻或電容元件中的一方或兩方均不相同的器件。按照所述的結構，使通過兩個CR延遲電路的周期信號上產生不同相位的延遲，其結果，不同相位的周期信號分別被輸入端子T1、T2。
這里，由于構成CR延遲電路的電阻易受溫度的影響，在所述的兩個通路之一上設置CR延遲電路的場合，僅在該通路上受到溫度的影響，會使信號處理電路溫度特性變壞，但通過在兩個通路上均設置CR延遲電路可抵消在兩個通路上溫度的影響，從而能夠改善信號處理電路的溫度特性。
接著，參照附圖，對本發明的實施例1的變形例4進行說明。圖15是表示變形例4的靜電容式傳感器對于X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖15的信號處理電路與圖1所示的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于在端子T1和電阻R1與電容元件C1之間設置集電極開路型反相器91，同樣在端子T2和電阻R2與電容元件C2之間設置集電極開路型反相器92，而且，電阻R1、R2的與連接端子T1、T2側相反的一側的電位被保持于固定電位Vcc。另外，其它的結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此用相同符號表示并省略其說明。集電極開路型反相器91、92是具有如下功能的控制元件在向電容元件用電極輸入的、高電平與低電平周期性重復的信號為高電平時，不影響“異”元件的輸入端的狀態，該信號為低電平時使第一電容元件放電。
這里，參照圖16，對于當端子T1、T2上輸入周期信號時圖9所示的信號處理電路的節點X1、X2與圖15所示的信號處理電路的節點X11、X12中的電位變化進行說明。另外，在此僅對節點X1和節點X11的電位變化進行說明。
如圖16所示，考慮重復Hi或Lo信號的周期信號向端子T1輸入的情形，將會重復進行如下的變化Hi信號的輸入開始時，構成CR延遲電路的電容元件C1上逐漸蓄積電荷，從而節點X1上的電位逐漸增加；Lo信號的輸入開始時，構成CR延遲電路的電容元件C1的電荷逐漸被放電，從而節點X1上的電位逐漸變小。另一方面，在節點X11上的電位將會重復進行如下的變化Hi信號的輸入開始時，構成CR延遲電路的電容元件C1上逐漸蓄積電荷而逐漸增加；Lo信號的輸入開始時，構成CR延遲電路的電容元件C1的電荷就經由集電極開路型反相器91瞬間放電而瞬間減少。
另外，實際在節點X1、X11的各電位的波形，經由有預定閾值的比較器(未圖示)來變換成矩形波(脈沖波形)。在這種比較器中，通過比設定閾值大時輸出Hi信號，比該閾值小時輸出Lo信號來形成矩形波。這里，比較器的閾值最好設定為Vcc/2。這樣，節點X1、X11的電位的波形通過比較器，如圖16所示，可變換成具有相互不同占空率的矩形波X1a、X11a。
依據這樣的結構，由于能夠瞬間放電保存在各電容元件上的電荷，可進行高效率地充電，同時圖16的信號處理電路比圖9的信號處理電路更能增加周期信號的波形密度，能夠提高信號處理電路的精度。
接著，參照附圖，對本發明的實施例1的變形例5進行說明。圖17是表示變形例4的靜電容式傳感器對X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖17的信號處理電路與圖1的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于作為邏輯元件，采用“或”元件來替代“異”元件。另外，其它的結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此，用相同符號表示且省略說明。
在圖17中，端子T1上輸入的周期信號f(Φ)，通過由電容元件C1和電阻R1來構成的CR延遲電路，到達節點X1上。此時，在節點X1上的周期信號中，如圖10所示，發生時間a的延遲。同樣地，端子T2上輸入的周期信號f(Φ+θ)，通過由電容元件C2和電阻R2來構成的CR延遲電路，到達節點X2。此時，在節點X2的周期信號上發生時間b的延遲。因此，與圖9同樣，在“或”元件84上輸入與節點X1、X2上的周期信號相同波形的信號，在這些信號之間進行“或”運算，將其結果對端子T11a輸出。這里，向端子T11a輸出的信號是具有預定占空率的矩形波信號。
這里，向端子T11a輸出的矩形波信號與向使用“異”元件時的端子T11輸出的矩形波信號相比，占空率的值平均地變大，因此，可認為靜電容式傳感器的靈敏度降低。
因此，本例最好用于如下的場合當靜電容式傳感器的各部件由靈敏度非常高的材料制成時，通過信號處理電路的結構，調節靜電容式傳感器的靈敏度(此例中是使靈敏度下降)。
接著，參照附圖，對本發明的實施例1的變形例6進行說明。圖18是表示變形例5的靜電容式傳感器對X軸方向分量的信號處理電路的電路圖。圖18的信號處理電路與圖1的靜電容式傳感器的信號處理電路的不同之處在于作為邏輯元件，采用“與”元件來替代“異”元件。另外，其它的結構與圖1的靜電容式傳感器相同，因此用相同符號表示并省略說明。
在圖18中，節點X1上的周期信號，如圖10所示，發生時間a的延遲。同樣，端子T2上輸入的周期信號f(Φ+θ)，通過由電容元件C2和電阻R2來構成的CR延遲電路，使得在節點X2上的周期信號發生時間b的延遲。因此，與圖9同樣，在“與”元件85上輸入與節點X1、X2的周期信號相同波形的信號，在這些信號之間進行“與”運算，將其結果對端子T11b輸出。這里，對端子T11b輸出的信號是具有預定占空率的矩形波信號。
這里，對端子T11b輸出的矩形波信號，與采用“異”元件時對端子T11輸出的矩形波信號相比較，占空率的值平均地變小，因此，可認為靜電容式傳感器的靈敏度降低。
因此，本例最好用于如下的場合當靜電容式傳感器的各部件由作為靜電容式傳感器時靈敏度非常高的材料制成時，通過信號處理電路的結構，調節靜電容式傳感器的靈敏度(此例中是使靈敏度下降)。
接著，參照附圖，對本發明的實施例2進行說明。
圖19是本發明的實施例2的靜電容式傳感器的側剖面示意圖。圖20是圖19的靜電容式傳感器的檢測用按鈕的俯視圖。圖21是形成于圖19的靜電容式傳感器的基板上的多個電極的配置圖。
靜電容式傳感器110設有基板120、檢測用按鈕130、位移電極140、基板120上形成的電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b、貼緊電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b且覆蓋基板120上而形成的絕緣膜150、將檢測用按鈕130與位移電極140支持固定于基板120的支持構件160、為將檢測用按鈕130之間隔開而配置的蓋殼170。
這里為了說明上的方便，如圖所示，定義XYZ三維坐標系，參照該坐標系說明各部件的布置。即，在圖19中，基板120上位移電極141的中心位置相對的位置定義為原點O，其右水平方向定義為X軸、垂直上方定義為Z軸、對紙面垂直進入的方向定義為Y軸。這里，基板120的表面規定XY平面，Z軸分別通過基板120上的電容元件用電極E105、檢測用按鈕131以及位移電極141的各中心位置。
基板120與基板20同樣，是一般電路用的印刷電路板，本例中采用玻璃環氧樹脂基板。另外，基板120還可以采用聚酰亞胺薄膜等薄膜狀基板，由于薄膜狀基板的場合具有柔軟性，最好設置在具有足夠剛性的支持基板上使用。
檢測用按鈕130由以原點為中心的圓形按鈕131和布置在按鈕131外側的環形按鈕132構成。這里，按鈕131的直徑小于或等于基準電極E100a的外徑，按鈕132外徑大致與基準電極E100b的外徑相同。
并且，在檢測構件132的上面，如圖20所示，分別對應于X軸與Y軸的正方向與負方向，就是說，對應于電容元件用電極E101～E104，形成對應于操作方向(光標移動方向)的箭頭。
位移電極140用導電橡膠形成，由以原點為中心的圓形位移電極141和位移電極141外側上布置的環形位移電極142構成。這里，位移電極141的直徑與基準電極E100a的外徑大致相同，位移電極142的外徑與基準電極E100b的外徑大致相同。并且，位移電極141上與電容元件用電極E105相對的面為凹凸面。
并且，支持構件160的一面，形成以Z軸為中心的、略大于位移電極141的、向下開口的圓形凹部和以Z軸為中心的、略大于位移電極142的寬度的、向下開口的環形凹部。然后，這些凹部的底面上分別粘附位移電極141或位移電極142。然后，在位移電極141和位移電極142之間，用間壁161隔開。另外，由于形成了間壁161，能夠減少按鈕131與按鈕132的操作相互干涉的情形。并且，支持構件160的另一面上，對應于位移電極141的位置粘附按鈕131，對應于位移電極142的位置上粘附按鈕132。而且，在支持構件160的上面，設置蓋殼170，以將按鈕131和按鈕132之間隔開。
并且，在基板120上，如圖21所示，形成以原點O為中心的圓形電容元件用電極E105、其外側上以原點O為中心的環形基準電極E100a、其再外側上的扇形電容元件用電極E101～E104以及再外側上以原點O為中心的環形基準電極E100b。電容元件用電極E101與E102，在X軸方向上隔離，相對于Y軸對稱布置。并且，電容元件用電極E103與E104，在Y軸方向上隔離，相對于X軸對稱布置。
這里，電容元件用電極E101對應于X軸正方向布置，另一方面，電容元件用電極E102對應于X軸負方向布置，它們用來檢測所受來自外部的力的X軸方向分量。電容元件用電極E103對應于Y軸正方向布置，另一方面，電容元件用電極E104對應于Y軸負方向布置，它們用來檢測所受來自外部的力的Y軸方向分量。再有，電容元件用電極E105設于原點O上，用來檢測所受來自外部的力的Z軸方向分量。
并且，電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b，利用通孔等分別與端子T101～T105、T100a、T100b(參照圖22)連接，并通過端子T101～T105、T100a、T100b與外部電路相連接。另外，這里基準電極E100a、E100b經由端子T100a、T100b分別接地。
并且，絕緣膜150貼緊基板120上的電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b，覆蓋基板120上而形成。因此，由銅等形成的電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b不會暴露在空氣中，具有防止這些電極被氧化的功能。并且，由于形成絕緣膜150，電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b將不會與位移電極140直接接觸。
因此，電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b，各自與位移電極140之間形成電容元件。另外，電容元件用電極E105與基準電極E100a，各自與位移電極141之間形成電容元件，而且，電容元件用電極E101～E104與基準電極E100b，各自與位移電極142之間形成電容元件。
接著，參照附圖，對如所述結構的本實施例的靜電容式傳感器110的動作進行說明。圖22是圖19所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。圖23是關于從輸入圖19所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
首先，參照圖22，對靜電容式傳感器110結構的等效電路結構進行說明。在基板120上形成的電容元件用電極E105與基準電極E100a，與位移電極141相對，在作為公共電極的可位移的位移電極141和固定的單個電容元件用電極E105以及基準電極E100a之間分別形成電容元件C105、C100a。并且，電容元件用電極E101～E104與E100b，與位移電極142相對，在作為公共電極的可位移的位移電極142和固定的單個電容元件用電極E101～E104以及E100b之間分別形成電容元件C101～C104以及C100b。因此，電容元件C101～C105、C100a、C100b可以是具有由位移電極141或位移電極142位移而產生靜電容量值變化的結構的可變電容元件。
電容元件C101～C105、C100a、C100b的各靜電容量值，作為位移電極141和分別與電容元件用電極E105與基準電極E100a連接的端子T105、T100a之間，或者作為位移電極142和分別與電容元件用電極E101～E104與基準電極E100b連接的端子T101～T104和T100b之間的靜電容量值，能夠分別獨立測量。
這里，由于基準電極E100a經由端子T100a接地，作為電容元件C105、C100a上的公共電極的位移電極141，可認為經由電容元件C100a與端子T100a接地。就是說，電容元件C100a將位移電極141和端子T100a電容元件耦合。同樣，由于基準電極E100b經由端子T100b接地，作為電容元件C101～C104、C100b上的公共電極的位移電極142，可認為經由電容元件C100b與端子T100b接地。就是說，電容元件C100b將位移電極142和端子T100b電容元件耦合。
接著，參照圖23，對于從電容元件C101～C105、C100a、C100b的各靜電容量值的變化導出表示對按鈕130的來自外部的力大小與方向的輸出信號的方法進行說明。這里，輸出信號Vx、Vy、Vz分別表示所受來自外部的力的X軸、Y軸與Z軸方向分量的大小與方向。
另外，圖23所示的電容元件C106，平時為保持一定的靜電容量值而在基板120的下面形成，且構成電容元件C106的一方的電極與端子T106連接，另一方的電極接地。該電容元件C106，與電容元件C105共同用以導出所受來自外部的力的Z軸方向分量的輸出信號Vz。這里，為了導出輸出信號Vx、Vy、Vz，與圖5中的說明一樣，總是對端子T101～T106輸入時鐘信號等周期信號。例如，兩個電容元件C101和C100b對端子T101上輸入的周期信號構成串聯連接關系。同樣，兩個電容元件C102和C100b對端子T102上輸入的周期信號構成串聯連接關系，兩個電容元件C103和C100b對端子T103上輸入的周期信號構成串聯連接關系，兩個電容元件C104和C100b對端子T104上輸入的周期信號構成串聯連接，兩個電容元件C105和C100a對端子T105上輸入的周期信號構成串聯連接。
在端子T101～T106上輸入周期信號的狀態下檢測用按鈕130受來自外部的力而位移時，位移電極141或位移電極142隨之發生位移。這樣，構成電容元件C101～C105的電極間隔發生變化，改變電容元件C101～C105的各靜電容量值。從而，端子T101～T106上輸入的周期信號的相位上發生偏移。由此，利用周期信號上發生的相位偏移，可得到表示按鈕131或按鈕132所受來自外部的力的X軸、Y軸以及Z軸方向的大小與方向的輸出信號Vx、Vy、Vz。另外，對于詳細的導出方法，與圖1的靜電容式傳感器的信號處理電路的說明相同，因此省略其說明。
如上所述，本實施例的靜電容式傳感器110，由于用以構成多個電容元件C101～C105、C100a與C100b的位移電極141、142，與接地或保持一定電位的基準電極E100a、E100b電容元件耦合，因此，改善了傳感器110的耐壓特性，幾乎不發生因流過尖脈沖電流而傳感器損壞的情形；同時由于能夠防止連接不良等不良情況，可得到可靠性高的靜電容式傳感器110。并且，電容元件C101、C100b；C102、C100b；…；C105、C100a分別對周期信號構成串聯連接關系，因此，只要在支持電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b的基板120上設置布線，將不需要另外設置用以將位移電極141、142接地或保持一定電位的布線。因此，能夠以較少的制造工序制造結構簡單的靜電容式傳感器。
并且，可形成多個電容元件用電極E101～E105，能夠分別獲知檢測構件131、132所受來自外部的力的X軸、Y軸以及Z軸方向的各分量。并且，由于位移電極141的、與電容元件用電極E105和基準電極E100a相對的面形成為凹凸面，且與電容元件用電極E105相對而形成電容元件C105，使得該電容元件C105的靜電容元件的變化更細小，能夠提高對所受來自外部的力的檢測精度。
這里，由于能夠向成對的電容元件用電極(E101與E102、E103與R104)供給相互不同相位的信號，使通過電路導致的信號的相位偏移變大，而且，由于使用利用了邏輯元件的信號處理電路，能夠高精度檢測該信號。
并且，由于檢測構件130分別對應于電容元件用電極E101～E104和電容元件用電極E105加以分割，能夠明確地分離所受來自外部的力的X軸方向和Y軸方向以及Z軸方向的各分量，因此，能夠減輕不同方向的分量相互干擾的情形，并可減少誤操作。
并且，由于絕緣膜150貼緊電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b并覆蓋于基板120上而形成，能夠防止電容元件用電極E101～E105與基準電極E100a、E100b暴露于空氣而使電極表面被氧化的情形。
并且，由于位移電極140與支持構件160由彈性材料形成，檢測構件130所受的來自外部的力對位移電極140的傳遞性變好且改善操作性，同時通過緩沖所受來自外部的力的沖擊，能夠減輕靜電容式傳感器的損傷。
接著，參照附圖，對本發明的實施例3進行說明。
圖24是與本發明的其它實施例相關的靜電容式傳感器的側剖面示意圖。圖25是圖24的靜電容式傳感器的檢測用按鈕的俯視圖。圖26是圖24的靜電容式傳感器基板上形成的多個電極的配置圖。
靜電容式傳感器中210設有基板220、檢測用按鈕230、位移電極240、基板220上形成的電容元件用電極E201～E204、開關用固定電極E205、開關用可動電極E208、基準電極E200、貼緊電容元件用電極E201～E204且覆蓋基板220而形成的絕緣膜250、貼緊開關用可動電極E208且覆蓋絕緣膜250而形成的絕緣膜251、在基板220上支持固定檢測用按鈕230與位移電極240的支持構件260以及為將檢測用按鈕230之間隔開而設置的蓋殼270。
這里為了方便說明，如圖所示，定義XYZ三維坐標系，并參照該坐標系進行各部件布置的說明。即，在圖24中，與基板220上的位移電極240的中心位置相對的位置定義為原點O，將其右水平方向定義為X軸，其垂直上方定義為Z軸，對紙面垂直進入的方向定義為Y軸。這里，基板220的表面規定XY平面，Z軸分別通過基板220上的電容元件用電極E205、檢測用按鈕231以及位移電極240的各中心位置。
基板220與基板20同樣，是一般電路用的印刷電路板，本例中使用玻璃環氧樹脂基板。并且，作為基板220，可以使用聚酰亞胺薄膜等薄膜狀基板，但由于薄膜狀的基板具有柔軟性，最好設在具有足夠剛性的支持基板上而使用。
檢測用按鈕230是由以原點為中心的圓形按鈕231和在按鈕231的外側、以原點為中心的環上布置的按鈕232構成。另外，檢測用按鈕230，與圖8所示的檢測用按鈕130形狀相同。這里，按鈕231的直徑大致等于或小于基準電極E200的外徑，按鈕232的外徑跟連接電容元件用電極E201～E204的各外側曲線連接而成的圓的直徑大致相同。
并且，按鈕232的上面，如圖25所示，對應于X軸與Y軸的各正方向與負方向，即對應于電容元件用電極E201～E204，形成對應于操作方向(光標移動方向)的箭頭。
位移電極240，由導電橡膠形成，它是其直徑與按鈕232的外徑相同的圓盤形，由隨著按鈕232的位移而位移的位移部分241和在位移電極240的下面，與開關用可動電極E208相對而形成的凸部245構成。
支持構件260的下面，形成以Z軸為中心的向下開口的圓形凹部。凹部的直徑略大于位移電極240的直徑，在凹部的底面上粘附位移電極240。并且，支持構件260的上面，對應于位移電極241的位置上粘附檢測用按鈕232，對應于凸部245的位置上粘附按鈕231。再有，在支持構件260的上面設有將按鈕231和按鈕232之間隔開的蓋殼270。
并且，基板220上，如圖26所示，形成以原點O為中心的圓形的電容元件用電極E205、在其外側以原點O為中心的環形基準電極E200、再外側上的扇形電容元件用電極E201、E202、E203、E204。電容元件用電極E201與E202，在X軸方向上隔離，相對Y軸對稱布置。而且，電容元件用電極E203與E204，在Y軸方向上隔離，相對X軸對稱布置。
這里，電容元件用電極E201對應于X軸的正方向布置，另一方面，電容元件用電極E202對應于X軸的負方向布置，用以檢測所受來自外部的力的X軸方向分量。并且，電容元件用電極E203對應于Y軸的正方向布置，另一方面，電容元件用電極E204對應于Y軸的負方向布置，用以檢測所受來自外部的力的Y軸方向分量。而且，開關用固定電極E205布置在原點O上，與開關用可動電極E208一起用于輸入等的確定操作。
并且，電容元件用電極E201～E205與基準電極E200，利用通孔等分別與端子T200～T205(參照圖27)連接，且可通過各端子T200～T205來與外部電路連接。另外，基準電極E200經由端子T200接地。
并且，絕緣膜250貼緊基板220上的電容元件用電極E201～E204，且覆蓋除基板220上的開關用可動電極E208之外的部分而形成，再有，絕緣膜251貼緊開關用可動電極E208，且覆蓋絕緣膜250上而形成。因此，由銅等形成的電容元件用電極E201～E204不會暴露在空氣中，具有可防止這些電極被氧化的功能。并且，由于形成了絕緣膜250與絕緣膜251，將不會發生基準電極E200與開關用可動電極E208直接與位移電極240接觸的情形。
因此，電容元件用電極E201～E204與開關用可動電極E208(基準電極E200)，分別與位移電極240之間形成電容元件。另外，電容元件用電極E201～E204，與位移電極240的位移部分241之間分別形成電容元件，而且，開關用可動電極E208，與位移電極240的凸部245之間形成電容元件。
接著，參照附圖，對如上述構成的本實施例的靜電容式傳感器210的操作進行說明。圖27是對圖24所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。圖28是關于從輸入圖24所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。
首先，參照圖27，對等效于靜電容式傳感器210結構的電路結構進行說明。基板220上形成的電容元件用電極E201～E204與基準電極E200(開關用可動電極E208)，和位移電極240相對，在作為公共電極的可位移的位移電極240和固定的個別的電容元件用電極E201～E204與E200之間，分別形成電容元件C200～C204。電容元件C201～C204，可以為是由位移電極240的位移而改變靜電容量值的結構的可變電容元件。并且，與基準電極E200連接的開關用可動電極E208和開關用固定電極E205之間，形成隨著按壓按鈕231的動作而斷開與閉合的開關。
電容元件C200～C204的各靜電容量值可作為位移電極240和分別與電容元件用電極E201～E204與基準電極E200連接的端子T200～T204之間的靜電容量值，能夠分別獨立測量。這里，由于基準電極E200通過端子T200接地，電容元件C200～C204上作為公共電極的位移電極240，可認為通過電容元件C200與端子T200接地。就是說，電容元件C200具有將位移電極240與端子T200電耦合的功能。
接著，參照圖28，對于從電容元件C200～C204的各靜電容量值變化，導出表示對按鈕232所受的來自外部的力的大小與方向的輸出信號的方法進行說明。這里，輸出信號Vx、Vy分別表示所受來自外部的力的X軸方向分量與Y軸方向分量的大小與方向。
這里，為了導出輸出信號Vx、Vy，與圖5中的說明一樣，對端子T201～T104，輸入通常的時鐘信號等周期信號。例如，兩個電容元件C201和C200對于端子T201上輸入的周期信號構成串聯連接關系。同樣，兩個電容元件C202和C200對于端子T202上輸入的周期信號構成串聯連接關系，兩個電容元件C203和C200對于端子T203上輸入的周期信號構成串聯連接關系，兩個電容元件C204和C200對于端子T204上輸入的周期信號構成串聯連接關系。
在端子T201～T204上輸入周期信號的狀態下，按鈕232受來自外部的力而位移時，位移電極240的位移部分241隨之發生位移，改變構成電容元件C201～C204的電極之間的間隔。這樣，電容元件C201～C204的各靜電容量值發生變化，端子T201～T204上輸入的周期信號的相位上發生偏移。如此，利用周期信號上產生的相位偏移，能夠得到表示按鈕232所受的外部的力的X軸方向與Y軸方向的大小與方向的輸出信號Vx、Vy。另外，詳細的導出方法與圖1的靜電容式傳感器中的信號處理電路的說明相同，因此省略其說明。
如上所述，本實施例的靜電容式傳感器210，由于用以構成多個電容元件C00～C204的位移電極240，與接地或保持一定電位的基準電極E200的電容元件耦合，改善傳感器210的耐壓特性，基本不會發生因流過尖脈沖電流而傳感器損壞的情形，同時由于可防止連接不良等不良情況，能夠得到可靠性高的靜電容式傳感器210。并且，對于周期信號，電容元件C201、C200；C202、C200；…；C204、C200分別構成串聯連接關系，因此，如果僅在支持電容元件用電極E201～E204與基準電極E200的基板220上設置布線，將不需要另設用以將位移電極240接地或保持一定電位的布線。因此，能夠以較少的制造工序制造結構簡單的靜電容式傳感器。
并且，形成多個電容元件用電極E201～E204，能夠分別獲知檢測構件231所受的來自外部的力的X軸方向與Y軸方向的分量。再有，由于位移電極240以凸起245為支點傾斜位移，能夠容易檢測X軸或Y軸方向的分量。并且，能夠制作裝有確定操作用的開關的輸入裝置，當進行確定操作時，由于能夠得到明確的操作觸感，可防止誤操作。
這里，由于能夠向成對的電容元件用電極(E201與E202、E203與E204)供給相互不同相位的信號，使通過電路而產生的信號相位偏移變大，而且，由于使用采用了邏輯元件的信號處理電路，能夠高精度檢測該信號。
并且，由于檢測構件230分別對應于電容元件用電極E201～E204和E205分割，能夠明確地分離所受來自外部的力的X軸方向與Y軸方向和Z軸方向的各分量，因此能夠減輕不同方向的成分相互干擾的情形，可減少誤操作。
并且，由于貼緊電容元件用電極E201～E204與開關用可動電極E208，且覆蓋基板220上而形成絕緣膜250、251，能夠防止電容元件用電極E201～E204與開關用可動電極E208暴露于空氣而使電極表面被氧化的情形。并且，可通過利用絕緣膜250、251在基準電極E200上容易地固定開關用可動電極E208。
并且，由于位移電極240與支持構件260由彈性材料形成，檢測構件230所受的來自外部的力對位移電極240的傳遞性變好并改善其操作性，同時通過緩沖所受來自外部的力的沖擊，能夠減輕靜電容式傳感器的損壞可能。
接著，參照附圖，對本發明的實施例4進行說明。
圖29是與本發明另一實施例的靜電容式傳感器的側剖面示意圖。圖30是與圖29的靜電容式傳感器的基板平行布置的電極配置圖。圖31是圖29的靜電容式傳感器的基板上形成的多個電極的配置圖。
靜電容式傳感器310中設有基板320、檢測構件330、導電構件340、基板320上形成的電容元件用電極E301～E304與基準電極E300、將導電構件340支持固定在基板320上的支持機構360、貼緊電容元件用電極E301～E304與基準電極E800并覆蓋基板320上而形成的絕緣膜350、貼緊導電構件340并覆蓋作為支持機構360的一個部件的支持構件361上而形成的絕緣膜351、設置在導電構件340和電容元件用電極E301～E304與基準電極E300之間的絕緣構件380。另外，支持機構360中含有含通孔362的支持構件361、隔環363、螺釘364，隔環363是直徑比基準電極E300的外徑更大的環形部件，其高度大致與絕緣構件380和絕緣膜350、351的厚度之和相同。
為了說明上的方便，如圖所示，定義XYZ三維坐標系，參照該坐標系進行各部件的設置說明。即，在圖29中，在基板320上定義原點O，將其右水平方向定義為X軸，垂直上方定義為Z軸，對紙面垂直進入的方向定義為Y軸。這里，基板320的表面規定XY平面，Z軸分別通過基板320上的電容元件用電極E301～E304、基準電極E300、檢測構件330(無來自外部的力作用時的狀態)、導電構件340以及通孔362的各中心位置。
基板320是一般的電路用印刷電路板，本例中使用玻璃環氧樹脂基板。并且，作為基板320，可以使用聚酰亞胺薄膜等薄膜狀基板，但由于薄膜狀基板的場合具有柔軟性，最好設置在具有足夠剛性的支持基板上使用。
檢測構件330形成受力部分的圓筒形狀，可在支持構件361的通孔362的范圍內相對基板320平行移動。另外，為了改善操作性能，可以適當改變檢測構件330的形狀。
并且，在基板320上，如圖30所示，形成以原點O為中心的扇形電容元件用電極E301～E304和其再外側上以原點O為中心的環形基準電極E300。電容元件用電極E301與E302，在X軸方向上隔離，相對Y軸對稱布置。并且，電容元件用電極E303與E304，在Y軸方向上隔離，相對X軸對稱布置。另外，基準電極E300，也可以形成在電容元件用電極E301～E304的內部。
導電構件340是以Z軸為中心的環形電極，其內徑與電容元件用電極E301～E304的內徑相同，外徑與基準電極E300的外徑相同，在支持構件361的下面，可與電容元件用電極E301～E304與基準電極E300相對粘接。
絕緣膜350貼緊基板320上的電容元件用電極E301～E304與基準電極E300并覆蓋基板320上而形成。另外，絕緣膜351貼緊導電構件340并覆蓋支持構件361上而形成。因此，由銅等形成的導電構件340、電容元件用電極E301～E304以及基準電極E300，不會暴露在空氣中，具有防止這些電極被氧化的功能。
絕緣構件380是外徑比電容元件用電極E301～E304的外徑小的圓盤形部件，被絕緣膜350和絕緣膜351挾持，與絕緣膜350、351相接地設置。并且，在絕緣構件380上面的中心位置上，粘附檢測構件330。這里，絕緣構件380是用合成樹脂一體成形的部件，這種合成樹脂最好使用表面摩擦系數小的樹脂。另外，絕緣構件380的形狀，要考慮電容元件用電極E301～E304與基準電極E300的形狀與布置，也可以適當加以改變。
這里，電容元件用電極E301對應于X軸的正方向設置，另一方面，電容元件用電極E302對應于X軸的負方向設置，用于檢測所受來自外部的力的X軸方向分量。電容元件用電極E303對應于Y軸的正方向設置，另一方面，電容元件用電極E304對應于Y軸的負方向設置，用于檢測所受來自外部的力的Y軸方向分量。
并且，電容元件用電極E301～E304與基準電極E300利用通孔等，分別與端子T300～T304(參照圖32)連接，通過端子T300～T304可與外部電路連接。另外，基準電極E300通過端子T300接地。
這樣，電容元件用電極E301～E304與基準電極E300，分別與導電構件340之間形成電容元件C300～C304。另外，導電構件340和電容元件用電極E301～E304與基準電極E300之間的介電常數，隨著在各電極之間的絕緣構件380的位移而發生變化，電容元件C300～C304的各靜電容量值也隨之變化。
接著，參照附圖，對如所述結構的本實施例的靜電容式傳感器310的動作進行說明。圖32是對圖29所示的靜電容式傳感器結構的等效電路圖。圖33是關于從輸入圖29所示的靜電容式傳感器的周期信號導出輸出信號的方法的說明圖。圖34是對圖29所示的靜電容式傳感器的檢測構件沒有外部操作時的電容元件用電極和絕緣構件的位置關系的示意圖。圖35是對圖29所示的靜電容式傳感器的檢測構件進行沿X軸正方向的操作時的電容元件用電極和絕緣構件的位置關系的示意圖。
首先，參照圖32，對等效于靜電容式傳感器310結構的電路結構進行說明。基板320上形成的電容元件用電極E301～E304與基準電極E300與導電構件340相對，在作為公共電極的固定的導電構件340和固定的個別的電容元件用電極E301～E304與基準電極E300之間形成電容元件C300～C304。各電容元件C300～C304可以是具有由導電構件340和電容元件用電極E301～E304與基準電極E300之間的絕緣構件380的位移而改變靜電容量值的結構的可變電容元件。
作為導電構件340和分別與電容元件用電極E301～E304與基準電極E300連接的端子T301～T304之間的靜電容量值，電容元件C300～C304的各靜電容量值能夠分別獨立測量。這里，基準電極E300通過端子T300接地，可認為電容元件C301～C304上作為公共電極的導電構件340經由電容元件C300與端子T300接地。就是說，電容元件C300具有將導電構件340與端子T300電連接的功能。
接著，參照圖33，對于從電容元件C301～C304的各靜電容量值變化，導出表示檢測構件330所受的來自外部的力大小與方向的輸出信號的方法進行說明。這里，輸出信號Vx、Vy分別表示所受來自外部的力的X軸方向分量與Y軸方向分量的大小與方向。
這里，為了導出輸出信號Vx、Vy，對于端子T301～T304，輸入通常的時鐘信號等的周期信號。例如，兩個電容元件C301和C300對于端子T301上輸入的周期信號成為串聯連接。同樣，兩個電容元件C302和C300對于端子T302上輸入的周期信號成為串聯連接，兩個電容元件C303和C300對于端子T303上輸入的周期信號成為串聯連接，兩個電容元件C304和C300對于端子T304上輸入的周期信號構成串聯連接關系。
在端子T301～T304上輸入周期信號的狀態下，檢測構件330受來自外部的力而位移時，絕緣構件380隨之在XY平面內的移動。這樣，按照絕緣構件380的端部位置，電容元件用電極和導電構件340之間的合成介電常數發生變化，使得電容元件C301～C304的各靜電容量值發生變化，端子T301～T304上輸入的周期信號的相位上發生偏移。這樣，利用周期信號中產生的相位偏移，可得到表示檢測構件330所受的來自外部的力的X軸方向與Y軸方向的大小與方向的輸出信號Vx、Vy。另外，對于詳細的導出方法，與圖1的靜電容式傳感器中的信號處理電路的說明相同，因此省略其說明。
接著，考慮圖29所示的檢測構件330上無力的作用時的狀態下，在檢測構件330上進行向X軸正方向操作的情形。
首先，檢測構件330上無操作時的電容元件用電極E301～E304和絕緣構件380的位置關系，如圖34所示，電容元件用電極E301～E304的從各內徑側到外徑側的方向的寬度的約一半的范圍(圖中斜線部分)被重疊。
在圖34中，電容元件用電極E301～E304和絕緣構件380相互重疊的部分的面積設為S1，電容元件用電極E301～E304和絕緣構件380的不重疊的部分的面積設為S2時，各電容元件C301～C304的靜電容量值均為相同的值，如下所示。
C301＝C302＝C303＝C304＝ε1·S1/d+ε·S2/d這里，各電容元件C301～C304的電極間的間隔為d、空氣中的介電常數為ε、絕緣構件380的介電常數為ε1。另外，由于絕緣膜350、351的厚度與d相比非常小，且在各電極間均勻形成，這里為了簡化而將其忽略。
接著，考慮檢測構件330上進行沿X軸正方向的操作的場合。此時，隨著檢測構件330沿X軸正方向操作，絕緣構件380沿X軸正方向位移。此時的電容元件用電極E301～E304和絕緣構件380的位置關系，如圖35所示，對應于X軸正方向的電容元件用電極E301和絕緣構件380重疊部分的面積增加，另一方面，對應于X軸負方向的電容元件用電極E302和絕緣構件380的重疊部分的面積減少。并且，此時，對應于Y軸正方向的電容元件用電極E303與對應于Y軸負方向的電容元件用電極E304分別與絕緣構件380重疊的部分的面積可認為大致不變。
在圖35中，電容元件用電極E301與E302分別與絕緣構件380重疊的部分的面積分別設為S3、S5，電容元件用電極E301與E302和絕緣構件380的不重疊的各部分的面積分別設為S4、S6時，各電容元件C301與C302的靜電容量值成為不同的值，如下所示。
C301＝ε1·S3/d+ε·S4/dC302＝ε1·S5/d+ε·S6/d這里，電容元件的靜電容量值與構成電容元件的電極之間的介電常數和電極的面積一般成比例。因此，當絕緣構件380的介電常數ε1比空氣中的介電常數ε更小時的電容元件C301與C302的靜電容量值的大小關系，如下所示。
C301＜C302另一方面，當絕緣構件380的介電常數ε1比空氣中的介電常數ε更大時的電容元件C301與C302靜電容量值的大小關系，如下所示。
C302＜C301再有，絕緣構件380的介電常數ε1一般比空氣中的介電常數ε更大。
此時，端子T301與T302上輸入的各周期信號A與周期信號B的相位上發生偏移，通過讀取該相位偏移來導出輸出信號Vx。
如上述，本實施例的靜電容式傳感器310，由于為了構成多個電容元件C300～C304而共用的導電構件340，通過電容元件耦合來與接地或保持一定電位的基準電極E300電連接，改善傳感器310的耐壓特性，大致不會發生因流過尖脈沖電流而使傳感器損壞的情形，同時由于能夠防止連接不良等情況，能夠得到可靠性高的靜電容式傳感器310。并且，對于周期信號電容元件C301、C300；C302、C300；…；C304、C300分別構成串聯連接關系，因此，僅在支持電容元件用電極E301～E304與基準電極E300的基板320上設置布線時，將不需要另外設置用以將導電構件340接地或保持一定電位的布線。因此，能夠以較少的制造工序制造結構簡單的靜電容式傳感器。
并且，可形成多個電容元件用電極E301～E304，能夠分別獲知檢測構件330所受的來自外部的力的X軸方向與Y軸方向的各分量。
這里，由于能夠向成對的電容元件用電極(E301與E302、E303與E304)供給相互不同相位的信號，使通過電路導致的信號的相位偏移變大，而且，由于使用利用邏輯元件的信號處理電路，能夠高精度檢測該信號。
并且，由于貼緊電容元件用電極E300～E304與導電構件340，且可覆蓋基板320或支持構件361上而形成絕緣膜350，351，能夠防止電容元件用電極E300～E304與導電構件340暴露于空氣中，使電極表面被氧化的情形。
另外，以上對本發明的適當的實施例進行說明，但本發明并不限于所述的實施例，只要在權利要求的范圍內，可進行各種設計變更。例如，所述實施例中，檢測構件和導電構件是以個別的部件來形成，但可以將這些形成為一體。因此，檢測構件或導電構件均可以由導電構件來形成。
并且，所述實施例1至實施例3中，隨著檢測構件沿Z軸方向移動而使位移電極(導電構件)沿Z軸方向位移，但也可以通過移動具有柔軟性的基板的里側(與基準電極相反側)上設置的檢測構件來使電容元件用電極沿Z軸方向位移。
并且，所述實施例4中，固定電容元件用電極與導電構件，通過在XY平面內移動檢測構件來使絕緣構件在XY平面內位移，但也可以與之相反，固定絕緣構件，通過移動檢測構件來使電容元件用電極與導電構件在XY平面內位移。另外，絕緣構件可以不用單一部件來形成，例如，可以接合同心圓形的、不同介電常數的多個部件來形成等，改變了絕緣構件的結構的場合也可以得到同樣的效果。
并且，在所述實施例中，至少對應于X軸方向、Y軸方向、Z軸方向中的兩個方向來形成電容元件用電極，但也可只為了檢測用途所要求的方向分量來形成電容元件用電極。
并且，在所述實施例中，采用了在靜電容式傳感器的檢測構件上檢測通過手直接作用力的力傳感器，但可以采用檢測對檢測構件經由其它部件作用力的傳感器。因此，例如，也可以作為位置傳感器，其連接部件的一端連接在檢測構件上，用來檢測另一端上連接的位置檢測對象物的位置。而且，這時候，可以去除連接部件，可在位置檢測對象物上粘附檢測構件，也可以在位置檢測對象物上直接粘附導電構件或絕緣構件。
本發明耐壓特性好、制造工藝簡單，最合適作為個人電腦、攜帶電話、游戲機等的輸入裝置使用的靜電容式傳感器。
權利要求
1.一種靜電容式傳感器，其特征在于，設有定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的導電構件，與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，與所述導電構件之間形成第二電容元件的接地或保持一定電位的基準電極，以及能夠隨著沿Z軸方向的移動使所述導電構件或所述電容元件用電極沿Z軸方向位移的檢測構件；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極上的信號構成串聯連接關系，通過檢測因所述導電構件和所述電容元件用電極之間的間隔變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
2.一種靜電容式傳感器，其特征在于，設有定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的基板，與所述基板相對的檢測構件，位于所述基板和所述檢測構件之間，隨著所述檢測構件沿Z軸方向的位移而沿Z軸方向位移的導電構件，形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成電容元件的第一電容元件用電極，以及形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成第二電容元件的接地或保持一定電位的基準電極；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極上的信號構成串聯連接關系，通過檢測因所述導電構件和所述電容元件用電極之間的間隔變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
3.一種靜電容式傳感器，其特征在于，設有定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的導電構件，與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，與所述導電構件之間形成第二電容元件的接地或保持一定電位的基準電極，位于所述導電構件和所述電容元件用電極之間的絕緣構件，以及能夠隨著沿XY平面的移動使所述絕緣構件或所述導電構件與所述電容用元件沿XY平面位移的檢測構件；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極上的信號構成串聯連接關系，通過檢測在所述導電構件和所述電容元件用電極之間因所述絕緣構件相對XY平面的端部位置變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
4.一種靜電容式傳感器，其特征在于設有，定義XYZ三維坐標系時規定XY平面的基板，與所述基板相對的檢測構件，與所述基板相對的導電構件，形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成第一電容元件的電容元件用電極，形成于所述基板上的、與所述導電構件之間形成第二電容元件的接地或保持一定電位的基準電極，以及位于所述導電構件和所述電容元件用電極之間的、設置得能夠隨著所述檢測構件沿XY平面的位移相對于所述基板平行移動的絕緣構件；所述第一電容元件和所述第二電容元件對于輸入到所述電容元件用電極上的信號構成串聯連接關系，通過檢測在所述導電構件和所述電容元件用電極之間因所述絕緣構件相對于XY平面的端部位置變化而產生的所述第一電容元件的靜電容量值的變化，能夠獲知所述檢測構件的位移。
5.如權利要求1至4中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于形成一個所述基準電極。
6.如權利要求1至4中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于形成多個所述基準電極。
7.如權利要求1至6中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于形成多個所述電容元件用電極。
8.如權利要求1至7中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于設有成對的兩個所述電容元件用電極，含該對電容元件用電極中的一方的電路與含其中另一方的電路，被供給相位互不相同的信號。
9.如權利要求1至8中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于設有成對的兩個所述電容元件用電極，含有該對電容元件用電極中的一方的CR電路和含有其中另一方電極的CR電路之間的時間常數不同。
10.如權利要求1至9中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述信號是周期地重復高電平與低電平的信號，并設有控制元件，它具有當所述信號為低電平時使所述第一電容元件放電之功能。
11.如權利要求10所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述控制元件采用集電極開路型反相器元件。
12.如權利要求1至11中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于設有成對的兩個所述電容元件用電極，分別向包含該對電容元件用電極中的一方的電路與包含其中另一方的電路輸入的信號的輸出信號，由采用邏輯元件的信號處理電路加以檢測。
13.如權利要求12所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述邏輯元件進行“異”運算。
14.如權利要求12所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述邏輯元件進行“或”運算。
15.如權利要求12所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述邏輯元件進行“與”運算。
16.如權利要求1至15中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于還設有貼緊所述電容元件用電極與所述基準電極并將它們覆蓋而形成的絕緣膜。
17.如權利要求2所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述電容元件用電極包括相對Y軸對稱設置的一對第一電容元件用電極和相對X軸對稱設置的一對第二電容元件用電極，所述電容元件用電極還包括設置在原點旁的第三電容元件用電極。
18.如權利要求17所述的靜電容式傳感器，其特征在于在所述導電構件上與所述第三電容元件用電極相對的位置處形成凸起。
19.如權利要求17或18所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述檢測構件，分別對應于所述第一電容元件用電極、所述第二電容元件用電極與所述第三電容元件用電極加以分割。
20.如權利要求17或18所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述檢測構件，分別對應于所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極和所述第三電容元件用電極加以分割。
21.如權利要求17至20中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述導電構件上與所述電容元件用電極相對的面成為凹凸面。
22.如權利要求17至21中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述導電構件上含有，隨著所述檢測構件受外力位移而位移的位移部分、固定于所述基板上的固定部分以及連接所述位移部分和所述固定部分的連接部分；所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極，形成于所述第三電容元件用電極的外側；所述基準電極形成于所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極的外側。
23.如權利要求17至21中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述基準電極含有，分別接地或保持一定電位的第一基準電極與第二基準電極；所述導電構件，分別對應于所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極和所述第三電容元件用電極加以分割；所述第一基準電極，形成于所述第三電容元件用電極的外側；所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極，形成于所述第一基準電極的外側；所述第二基準電極，形成于所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極的外側。
24.如權利要求17至21中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述基準電極，形成于所述第三電容元件用電極的外側；所述第一電容元件用電極與所述第二電容元件用電極，形成于所述基準電極的外側；設有第四電容元件用電極，該電極與所述基準電極相接觸，與所述第三電容元件用電極隔離但將其覆蓋，通過所述導電構件隨所述檢測構件受外力位移而產生的位移與所述第三電容元件用電極相接觸。
25.如權利要求17至24中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述檢測構件和所述導電構件形成為一體。
26.如權利要求17至25中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于所述導電構件由彈性體形成。
27.如權利要求17至26中任一項所述的靜電容式傳感器，其特征在于還設有用以支持所述導電構件的支持構件，所述支持構件由彈性體形成。
全文摘要
在基板(20)上形成電容元件用電極(E1～E5)與接地的基準電極(E0)。在與這些電極(E0～E5)相對的位置上，設置隨著外部操作的檢測構件(30)沿Z軸方向移動而沿Z軸方向位移的位移電極(40)。位移電極(40)和電容元件用電極(E1～E5)與基準電極(E0)之間分別形成電容(C0～C5)。各電容元件(C1～C5)對于外部輸入的信號和電容元件(C0)構成串聯連接關系，通過檢測檢測構件(30)移動時的電容元件(C1～C5)的靜電容量值的變化來獲知檢測構件(30)的位移。
文檔編號G06F3/033GK1479858SQ00820128
公開日2004年3月3日 申請日期2000年12月27日 優先權日2000年11月30日
發明者森本英夫 申請人:新田株式會社