專利名稱：靜電電容式傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適合用于檢測從外部所施加的力的靜電電容式傳感器。
在靜電電容式傳感器中，可輸入具有規(guī)定動態(tài)范圍的操作量來作為由操作者所施加的力的大小。尤其是，由兩個電極形成靜電電容元件，根據因電極間隔的變化引起的靜電容量值的變化進行力的檢測的靜電電容式感力傳感器可實現構造簡單且成本低的優(yōu)點，所以在各個領域內被實用化。
例如，在特開平7-200164號公報中公開了如圖21所示的靜電電容式傳感器。靜電電容式傳感器510由襯底520、設置在襯底520上的彈性橡膠板530、設置在彈性橡膠板530下面的電極部540、設置在襯底520上面的電極部500～504(參照圖22)、將彈性橡膠板530支撐固定到襯底520的壓板560、設置在襯底520下面的電子裝置580構成。另外，如圖22所示，電極部500～504由相對于Y軸線對稱配置的電極部501、502，相對于X軸線對稱配置的電極部503、504，和配置在這些電極外側的圓環(huán)狀的電極部500構成。另外，電極部540的外圍部分與接地的電極部500接觸，經電極部500接地。
當操作者按下彈性橡膠板530時，隨著該按下力電極部540位移到下方，其與四個電極部501～504之間的距離發(fā)生變化。這樣，分別在四個電極部501～504與電極部540之間構成的電容元件的靜電容量值發(fā)生變化。因此，通過檢測該靜電容量值的變化，可得知操作者所施加的力的大小和方向。
但是，雖然靜電電容式傳感器510適合用作可識別操作者按下彈性橡膠板530時的力的大小的裝置(感力傳感器)，但是不適合用作具有切換不同的兩個狀態(tài)(例如，ON狀態(tài)或OFF狀態(tài))的開關功能的裝置。因此，在將靜電電容式傳感器510組裝到作為具有向各方向的開關功能的裝置的設備情況下，很難原樣利用靜電電容式傳感器510，需要另外設有對應于各個方向的開關功能。
根據本發(fā)明的第1方面，提供了一種靜電電容式傳感器，包括檢測部件；與所述檢測部件相對的第1電極；在所述檢測部件和所述第1電極之間，于所述第1電極之間構成電容元件且隨著所述檢測部件發(fā)生位移，可與此沿同方向位移的第2電極；與所述檢測部件相對的一個或多個第1開關用電極；在所述檢測部件與所述第1開關用電極之間，相對于所述第1開關用電極且與所述第1開關用電極相隔離地設置的同時，隨著所述檢測部件發(fā)生位移，可與所述第1開關用電極接觸的一個或多個第2開關用電極；配置所述第1和所述第2開關用電極，使其在所述檢測部件的位移方向上重疊所述第1和所述第2電極，利用輸入到所述第1電極的信號，根據檢測出因所述第1電極和所述第2電極的間隔變化而引起的所述電容元件的靜電容量值的變化，可識別所述檢測部件的位移。
根據這樣的構成，由于通過檢測出因第1電極和第2電極的間隔變化而引起的電容元件的靜電容量值的變化，可識別檢測部件的位移，所以可識別從外部施加到檢測部件的力的大小。另外，因為可識別第1開關用電極和第2開關用電極有無接觸，所以可將此作為開關功能來利用。因此，本發(fā)明的靜電電容式傳感器可用作具有將檢測部件的位移(從外部施加到檢測部件的力的大小)作為信號(模擬信號)輸出功能的裝置或/和具有開關功能的裝置。由此，該靜電電容式傳感器具有可用作上述其中一個裝置的復合設備的功能，故不需要合并所述兩個用途重新制造。
另外，配置第1和第2開關用電極與第1和第2電極，使之在檢測部件的位移方向上重疊(例如，在上下方向上為兩層)。因此，通過將第1和第2開關用電極配置到第1或第2電極的內側，使第1和第2開關用電極實質上與第1和第2電極設置在同一面上的情況下，第1或第2電極的有效面積變小，幾乎不會顯著降低靜電電容式傳感器的靈敏度。另外，由于通過將第1和第2開關用電極配置到第1或第2電極的外側，設置在該傳感器中所包含的各電極，所以幾乎不會使所需的面積變得較大，使該傳感器大型化。
所謂“可識別檢測部件的位移”與“可識別從外部施加到檢測部件的力”具有大致相同的意思。
另外，本發(fā)明的靜電電容式傳感器也可還包括第1襯底，相對于所述第1電極配置到與所述第2電極相反一側，在其表面上設有所述第1電極；第2襯底，相對于所述第2電極配置到與所述第1電極相反一側，在其表面上設有所述第2電極；第1開關用襯底，相對于所述第1開關用電極配置到與所述第2開關用電極相反一側，在其表面上設有所述第1開關用電極；第2開關用襯底，相對于所述第2開關用電極配置到與所述第1開關用電極相反一側，在其表面上設有所述第2開關用電極。根據這樣的構成，由于第1和第2電極以及第1和第2開關用電極被設置在襯底上，所以可將這些電極容易地配置到合適的位置上，來簡化傳感器的制造工序。
另外，本發(fā)明的靜電電容式傳感器可以是這樣，所述第1襯底、所述第2襯底、所述第1開關用襯底和所述第2開關用襯底是一個具有撓性的公共襯底。根據這樣的構成，在將各電極設置到一個公共襯底上后，通過適當彎曲該公共襯底來制造傳感器。因此，簡化了傳感器的制造工序。另外，由于一體構成(單元化)本發(fā)明的傳感器的傳感器部，所以即使變更傳感器的外觀或檢測部，也可得到可共用的傳感器部。進一步，在該情況下，由于可被安裝到例如形成電路圖案(布線)的電路襯底上，所以不會減小該電路襯底的有效布線面積。
另外，本發(fā)明的靜電電容式傳感器也可以是這樣，所述第1電極、所述第2電極、所述第1開關用電極和所述第2開關用電極都被設置到所述公共襯底的一個面上。根據這樣的構成，由于各電極都被設置到一個公共襯底的一個面上，所以可進一步簡化傳感器的制造工序，降低制造成本。
另外，本發(fā)明的靜電電容式傳感器也可以是這樣，配置所述第1和所述第2開關用電極，使之比所述第1和所述第2電極電極還接近于所述檢測部件。根據這樣的構成，在第1電極和第2電極之間的間隔發(fā)生變化之前，可容易改變第1開關用電極和第2開關用電極的間隔，在優(yōu)先利用第1和第2開關用電極間的開關功能的情況下最好。
另外，本發(fā)明的靜電電容式傳感器也可以是這樣，設有多個所述第1和所述第2電極，或者，所述第1和所述第2開關用電極組。根據這樣的構成，通過將各組用于識別不同方向的力，可用作具有識別多維力功能的裝置和/或具有開關功能的裝置。


圖12是根據本發(fā)明第2實施例的靜電電容式傳感器的模式截面圖；圖13是表示包含在圖12的靜電電容式傳感器中的多個電極的配置的截面圖；圖14是對于圖12所示的靜電電容式傳感器的構成的等效電路圖；圖15是根據本發(fā)明第2實施例變形例的靜電電容式傳感器的模式截面圖；圖16是表示包含在圖15的靜電電容式傳感器中的多個電極配置的截面圖；圖17是表示包含在圖15的靜電電容式傳感器中的焊盤的簡略構成；圖18是對于圖15所示的靜電電容式傳感器的構成的等效電路圖；圖19是說明圖15所示的靜電電容式傳感器的模式切換用的圖；圖20是根據本發(fā)明的第1實施例的變形例的靜電電容式傳感器的模式截面圖；圖21是現有的靜電電容式傳感器的模式截面圖；圖22是表示形成在圖21的靜電電容式傳感器襯底上的多個電極的配置圖。
首先，參照圖1～圖5，說明根據本發(fā)明的第1實施例的靜電電容式傳感器1的構成。圖1是根據本發(fā)明的第1實施例的靜電電容式傳感器的模式截面圖。圖2是表示包含在圖1的靜電電容式傳感器中的多個電極配置的截面圖。圖3是表示包含在圖1的靜電電容式傳感器中的電容元件用電極的簡略構成圖。圖4是表示包含在圖1的靜電電容式傳感器中的位移電極的簡略構成圖。圖5是包含在圖1的靜電電容式傳感器中的觸點電極的簡略構成圖。
靜電電容式傳感器1具有傳感器單元10、例如便攜電話的信息設備的襯底等的固定板20、操作部30，包含通過由人等操作而從外部施加力的操作用的操作按鈕31、將操作板30支撐固定到固定板20的支撐部件40。這里，傳感器單元10經粘合劑50將其下面粘接到固定板20的表面。
另外，傳感器單元10具有撓性印刷電路板(FPC)11、在FPC11上形成的電容元件用電極D1～D4(在圖1中只示出了D1和D2)、位移電極D0、開關用的觸點電極D11～D14、D21～D24(在圖1中只示出了D11、D12和D21、D22)、配置在FPC11上的開關用電極D31～D34(在圖1中只示出了D31和D32)、隔板61、62和傳感器電路部件70。
這里，為便于說明，如圖所示，定義XYZ三維坐標系，參照該坐標系的同時說明各部件的配置。即，在圖1中，將原點O定義為粘接在固定板20上的FPC11上的電容元件用電極D1～D4的中心位置(參照圖3)，分別將X軸定義為右水平方向，將Y軸定義為垂直于紙面向里的方向，將Z軸定義為上垂直方向。因此，將形成FPC11的電容元件用電極D1～D4區(qū)域附近的表面(詳細為后述的第1面11a)規(guī)定為XY平面，傳感器單元10和操作按鈕31的各自的大致中心位置通過Z軸。
首先，說明傳感器單元10的簡略構成和制造方法。如圖2所示，FPC11是大致矩形的平板狀部件，由例如PET薄膜等的具有撓性(柔軟性)的材料形成。并且，FPC11被分割為第1面11a和第2面11b。這里，第1面11a和第2面11b通過由圖2中的雙點劃線表示的邊界線B12被隔開。并且，第1面11a的面積比第2面11b的面積還大。而且，如后所述，邊界線B12是彎曲FPC11時的折疊線。
如上所述，原點O被定義在FPC11上的第1面11a的表面(在圖2中是上面)上。這里，如圖1所示，在彎曲FPC11而完成傳感器單元10的情況下，Z軸通過第2面11b的中心位置附近。因此，這里，如圖2所示，在第2面11b的表面(在圖2中是上面，在圖1中是下面)和第2面11b的里面(在圖2中是下面，在圖1中是上面)的各自中心位置附近，設為存在對應于原點O的點O’、O”來進行說明。
如圖2和圖3所示，在第1面的表面上，通過將銀或碳等作為原料的導電性油墨的絲網印刷形成大致扇形的電容元件用電極D1～D4，電極D1～D4在分別對應于X軸和Y軸正方向和負方向的同時，相對于原點O對稱地配置。這里，在第1面上，配置薄的樹脂薄片(覆蓋層)90，使之密合于電容元件用電極D1～D4的整個上面，覆蓋FPC11。
另外，在配置在第1面11a上的樹脂薄片90上，設有配置在電容元件用電極D1～D4外側的環(huán)狀隔板61，和配置在這些隔板內側的圓形隔板62。隔板61、62具有固定彎曲FPC11的部分(第2面11b)的功能，和在不對操作按鈕31進行操作的情況下，將構成電容元件的電容元件用電極D1～D4與位移電極D0之間的間隔維持為定值的功能。這里，如圖2所示，隔板61、62的高度(厚度)比電容元件用電極D1～D4的厚度、樹脂薄片90的厚度、位移電極D0的厚度的總和還大。
而且，隔板61、62可以是粘接薄的薄膜等形成的，也可以是通過印刷形成導電性或非導電性的壓膜層形成的，也可以是彎曲并固定FPC11時的粘合劑層。
如圖2和圖4所示，在第2面11b的表面上，通過由銀或碳等作為原料的導電性油墨的絲網印刷形成將點O’作為中心的環(huán)狀位移電極D0。這里，位移電極D0的外徑與可聯結各個電容元件用電極D1～D4的外側曲線的圓的直徑具有大致相同的直徑，其內徑與可聯結各個電容元件用電極D1～D4的內側曲線的圓的直徑具有大致相同的直徑。如后所述，在彎曲FPC11而完成傳感器單元10的情況下，位移電極D0相對于電容元件用電極D1～D4的其中一個，在兩者之間構成電容元件。另外，位移電極D0可不一定為環(huán)狀，也可為圓形，但在本實施例中，由于要使隔板61、62的高度一致，所以形成為環(huán)狀。
另外，如圖2和圖5所示，在第2面11b的里面，通過由銀或碳等作為原料的導電性油墨的絲網印刷分別形成觸點電極D11～D14、D21～D24。這里，觸點電極D11～D14是圓狀的，觸點電極D21～D24是環(huán)狀的。并且，這些電極分別構成對，在觸點電極D21～D24的內側分別配置觸點電極D11～D14。
并且，如圖2所示，在一對觸點電極D11～D14、D21～D24的下方，分別配置作為圓頂狀的金屬圓頂的開關用電極D31～D34，使之接觸到觸點電極D21～D24并且與觸點電極D11～D14隔離。這樣，配置分別由開關用電極D31～D34和觸點電極D11～D14、D21～D24構成的4個圓頂型開關DS1～DS4(參照圖6)，使之分別對應于X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、Y軸負方向。這里，在第1面的里面和第2面的里面配置薄的樹脂薄片(覆蓋層)91，使之密合于4個圓頂型開關DS1～DS4的整個上面，覆蓋FPC11。
而且，在彎曲FPC11而完成傳感器單元10的情況下(參照圖1)，包含開關用電極D31的圓頂型開關DS1對應于X軸正方向，包含開關用電極D32的圓頂型開關DS2對應于X軸負方向。因此，在圖2中，配置圓頂型開關DS1，使之對應于X軸負方向，配置圓頂型開關DS2，使之對應于X軸正方向。
另外，在本實施例中，雖然由樹脂薄片91固定開關用電極D31～D34，但是也可用例如其他的專用部件固定。進一步，作為圓頂型開關DS1～DS4，也可安裝單元化并市售了的器件。
這里，例如，在圓頂型開關DS1中，在對操作按鈕31進行操作的情況下，將力施加到開關用電極D31的頂部附近時，開關用電極D31的該部分隨著點擊感覺彈性變形，而與觸點電極D11接觸。這樣，在開關用電極D31是金屬圓頂的情況下，在進行將圓頂型開關DS1從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)的操作的情況下，可對操作者提供輕的點擊感覺。因此，在不需要上述的點擊感覺的情況下，也可不一定需要將開關用電極D31設為圓頂狀。圓頂型開關DS2～DS4也同樣。
另外，在與第1面11a上的第2面11b相反一側的端部附近配置傳感器電路部件70和連接端子80。傳感器電路部件70由多個電子部件等構成。連接端子80具有分別與形成在FPC11上的電容元件用電極D1～D4、觸點電極D11～D14、D21～D24等連接的連接端子。并且，連接端子80在將上述各電極與作為外部電路的微控制器等的外圍電路電連接情況下利用。而且，在FPC11上，除上述各電極之外，也形成電路圖案(布線)等，但是省略了圖示。
這里，如圖2所示，在制造傳感器單元10的情況下，在FPC11的第1面11a、第2面11b上配置各個電極等后，沿位于第1面11a和第2面11b之間的邊界線B12折疊第2面11b，使其表面與第1面11a的表面相對。由此，以該狀態(tài)粘接第2面11b上的位移電極D0的外側或內側的區(qū)域，使之對接到設置在第1面11a上的隔板61、62的上端部。這時，由于隔板61、62具有所述的高度，所以在不對操作按鈕31進行操作的狀態(tài)下，在第1面11a上的各個電容元件用電極D1～D4的上面與第2面11b上的位移電極D0的下面(在折疊FPC11之前的圖2的狀態(tài)下，對應于各個電極的上面)之間存在規(guī)定的空隙。
這樣，通過沿邊界線B12彎曲FPC11，而完成圖1這樣的傳感器單元10。因此，在靜電電容式傳感器1中，在電容元件用電極D1～D4和位移電極D0之間構成對應于X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向和Y軸負方向的四個可變電容元件C1～C4，對應于上述四個方向的四個圓頂型開關DS1～DS4在上下方向(操作按鈕31的位移方向)上構成為兩層。
這里，本實施例的靜電電容式傳感器1的制造上的特征是立體構造的同時，可將一個FPC11作為基底適當地配置電路或部件來制造的。因此，在可省略組裝工序數的同時，還可以以低成本來制造。另外，由于在靜電電容式傳感器1中，作為具有傳感器部功能的傳感器單元10一體(單元化)構成，所以即使為進行產品更新等，例如變更操作部30的外觀設計(例如操作按鈕31的形狀等)，也可原樣利用傳感器單元10。因此，每當進行產品更新時，不需要重新制造傳感器部，可大幅度降低產品更新的成本。
而且，在本實施例中，如上所述，對于傳感器單元10，配置到其第1面11a里面的樹脂薄片91經粘合劑50固定到固定板20上。而且，傳感器單元10也可適當地固定到例如固定板20等上，而不一定必須通過粘合劑50固定，也可用其他方法固定。
這里，在靜電電容式傳感器1中，配置電容元件用電極D1和圓頂型開關DS1，使之對應于X軸正方向，另一方面，配置電容元件用電極D2和圓頂型開關DS2，使之對應于X軸負方向，而用于檢測來自外部的力的X軸方向分量和X軸方向的開關。另外，配置電容元件用電極D3和圓頂型開關DS3，使之對應于Y軸正方向，另一方面，配置電容元件用電極D4和圓頂型開關DS4，使之對應于Y軸負方向，而用于檢測來自外部的力的Y軸方向分量和Y軸方向的開關。
而且，FPC11也可由例如聚酰亞胺等的樹脂形成。另外，也可通過在聚酰亞胺等的樹脂面上的銅箔或焊錫層來構成電容元件用電極D1～D4、觸點電極D11～D14、D21～D24、位移電極D0和電路圖案。
但是，如圖1所示，操作部30具有配置在傳感器單元10上方的操作按鈕31、經支撐部件40將操作按鈕31支撐到固定板20的鍵盤基層材料32。而且，操作部30由例如硅橡膠等的具有彈性的材料形成。
操作按鈕31是具有規(guī)定厚度的大致圓盤狀的部件。這里，操作按鈕31的直徑與可聯結FPC11上的各個電容元件用電極D1～D4的外側的曲線的圓的直徑大致相同。另外，在操作按鈕31上面形成對應于操作方向(光標的移動方向)的箭頭(圖中未示出)，使其分別對應于X軸和Y軸的正方向和負方向，即，使其對應于電容元件用電極D1～D4。
在鍵盤基層材料32的下面，在對應于電容元件用電極D1～D4和圓頂型開關DS1～DS4的位置上形成四個突起部32a。因此，在對操作按鈕31進行操作的情況下，可適當地按壓圓頂型開關DS1～DS4的各自的開關用電極D31～D34的頂部附近。
另外，支撐部件40是配置在固定板20上的平板狀部件。并且，在支撐部件40上在對應于固定板20上的傳感器單元10的位置上形成比傳感器單元10還大的開口40a。而且，由于固定板20用于支撐傳感器單元10和操作部30，所以最好具有充分的剛性。
而且，在本實施例中，配置到FPC11上的樹脂薄片90、91具有保護且加固由形成在FPC11上的各電極和銅箔等構成的電路圖案的功能。這里，雖然在電容元件用電極D1～D4和位移電極D0上不需要特別配置樹脂薄片，但是由于在對操作按鈕31施加力的情況下，兩電極接觸時，不能構成電容元件，因此最好在至少一個電極的表面上設有利用樹脂薄片等的絕緣層。并且，沒有由樹脂薄片等覆蓋的電極，為了防止氧化，最好在其表面上鍍金、鍍銀或者焊錫。另外，也可用在硬質印刷板等上使用的保護膜來代替配置在FPC11上的樹脂薄片。
另外，雖然在本實施例中，在具有撓性的FPC11上，全部設有各電極和傳感器電路部件，但是也可只將例如安裝有電容元件用電極和傳感器電路部件的部分部分地置換到硬質印刷板上。
另外，在本實施例中，FPC11包含樹脂薄片90、91，為0.1～0.2mm左右，非常薄，構成傳感器部件70的電子部件也為0.5～0.8mm左右，更薄形化。因此，傳感器單元10作為整體，可是0.6～1mm左右的極薄形。其結果，在將傳感器單元10被采用到重視設備的薄型化的便攜電話等情況下，可容易地安裝在固定板20和操作部30(鍵盤基層材料32)之間。
下面，參照圖6，說明靜電電容式傳感器1的電路結構。圖6是對于圖1所示的靜電電容式傳感器1的構成的等效電路圖。
在靜電電容式傳感器1中，在位移電極D0和FPC11上的電容元件用電極D1～D4之間，構成由作為公共電極的可位移的位移電極D0、和由固定的分立電容元件用電極D1～D4形成的電容元件C1～C4。這里，電容元件C1～C4可是所謂的可變電容元件，構成為分別因各個位移電極D0的位移而引起靜電容量值變化。而且，電容元件用電極D1～D4被連接到端子T1、T2，同時經端子T0將位移電極D0接地。
另外，構成包含上述的電容元件C1～C4，與檢測施加到操作部30的力的力傳感器電路相獨立，包含四個圓頂型開關DS1～DS4的開關電路。因此，彼此之間的操作不會對其他方面造成電影響。因此，可根據裝載靜電電容式傳感器1的設備的使用狀況，靈活運用力傳感器電路的輸出和開關電路的輸出。而且，觸點電極D11～D14分別被連接到端子TS1～TS4，觸點電極D21～D24都被連接到端子TS0。并且，觸點電極D21～D24經端子TS0被接地。
下面，參照圖7說明根據所上述這樣構成的本實施例的靜電電容式傳感器1的操作。圖7是向圖1所示的靜電電容式傳感器1的操作按鈕進行向X軸正方向的操作情況下的側面模式截面圖。
首先，如圖7所示，在不對圖1所示的檢測按鈕31作用力時的狀態(tài)中，考慮對操作按鈕31進行向X軸正方向的操作的情況，即，對操作按鈕31施加對應于形成在操作按鈕31上的X軸正方向的箭頭的力(向Z軸負方向的力)的情況。
通過按下對應于操作按鈕31的X軸正方向的部分，鍵盤基層材料32產生彈性變形而彎曲，對應于鍵盤基層材料32的X軸正方向的突起部32a向下方位移。由此，該突起部32a的前端部對接到配置到FPC11的第2面里面的樹脂薄片91。
并且，當進一步按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，對圓頂型開關DS1的開關用電極D31的頂部附近作用向下方向的力。并且，當該力不滿足規(guī)定值時開關用電極D31幾乎不發(fā)生位移，但是當該力達到規(guī)定值時，隨著開關用電極D31的頂部附近部分壓屈而急劇彈性變形，變成凹狀態(tài)，從而與觸點電極D11接觸。由此，圓頂型開關DS1變?yōu)殚_狀態(tài)。這時，對操作者提供清晰的點擊感覺。
其后，當繼續(xù)按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，圓頂型開關DS1保持開狀態(tài)，且FPC11彎曲，位移電極D0的X軸正方向部分位移到下方。其結果，位移電極D0和電容元件用電極D1之間的間隔發(fā)生變化。即當對操作按鈕31進行向X軸正方向的操作時，在電容元件C1～C4中，只改變位移電極D0和電容元件用電極D1～D4之間的間隔有變化的電容元件C1的靜電容量值。并且，這時，如后所詳述的，輸入到連接在電容元件用電極D1的端子T1的周期信號通過包含電容元件C1的延遲電路而在相位上生成偏差，通過讀取該相位的偏差而導出輸出信號Vx。
另外，這時，位移電極D0和各電容元件用電極D2～D4的間隔幾乎不發(fā)生變化。因此，電容元件C2～C4的靜電容量值不發(fā)生變化，周期信號通過分別包含電容元件C2～C4的延遲電路，而在相位上不生成偏差。另外，在對操作按鈕31進行向X軸正方向的操作的情況下，雖然也存在電容元件C2～C4的靜電容量值的變化，但是這些變化量與電容元件C1的靜電容量值的變化量相比很小。
下面，參照圖8～圖11，說明從各電容元件C1～C4的靜電容量值的變化，導出表示施加到操作按鈕31的力的大小和方向的輸出信號的方法。圖8是說明從輸入到圖1所示的靜電電容式傳感器的周期信號中導出輸出信號的方法用的說明圖。這里，輸出信號Vx、Vy的變化分別表示來自外部的力的X軸方向分量和Y軸方向分量的大小和方向。
這里，為導出輸出信號Vx、Vy，將時鐘信號等的周期信號輸入到端子T1、T2。并且，當將周期信號輸入到端子T1、T2的狀態(tài)下，操作按鈕31接受來自外部的力而位移時，隨之，圓頂型開關DS1～DS4從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)后，位移電極D0沿Z軸負方向位移，電容元件C1～C4的電極間隔變化，各個電容元件C1～C4的靜電容量值變化。這樣一來，在輸入到端子T1、T2的周期信號的相位上產生偏差。這樣，利用在周期信號上所產生的相位偏差，可得到操作按鈕31的位移，即，可得到表示操作按鈕31從外部所接受到的力的X軸方向和Y軸方向的大小和方向的輸出信號Vx、Vy。
進一步詳細地說明，當將周期信號A輸入到端子T1時，將與周期信號A有相同周期，且與周期信號A的相位不同的周期信號B輸入到端子T2上。這時，操作按鈕31從外部接受力，而分別改變電容元件C1～C4的靜電容量值時，在分別輸入到端子T1、T2的周期信號A和周期信號B的至少一個的相位上生成偏差。即，當電容元件C1、C3的靜電容量值變化時，在分別輸入到端子T1的周期信號A的相位上產生偏差，另一方面，當電容元件C2、C4的靜電容量值變化時，在分別輸入到端子T2的周期信號B的相位上產生偏差。
即，在來自外部的力上包含X軸方向分量的情況下，發(fā)生下述中的一個或兩個情況，電容元件C1的靜電容量值變化，在輸入到端子T1的周期信號A的相位上產生偏差，或者，電容元件C2的靜電容量值變化，在輸入到端子T2的周期信號B的相位上產生偏差。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、X軸負方向分量。這樣，通過由例如異或電路等讀取分別輸入到端子T1和端子T2的周期信號A和周期信號B的相位偏差，導出輸出信號Vx。該輸出信號Vx的變化量的符號表示來自外部的力的X軸方向分量是正方向或負方向的方向，輸出信號Vx的變化量的絕對值表示X軸方向分量的大小。
另外，在來自外部的力上包含Y軸方向分量的情況下，發(fā)生下述中的一個或兩個情況，電容元件C3的靜電容量值變化，在輸入到端子T1的周期信號A的相位上產生偏差，或者，電容元件C4的靜電容量值變化，在輸入到端子T2的周期信號B的相位上產生偏差。這里，電容元件C3、C4的靜電容量值的變化分別對應于來自外部的力的Y軸正方向分量、Y軸負方向分量。這樣，通過由例如異或電路等讀取分別輸入到端子T1和端子T2的周期信號A和周期信號B的相位偏差，導出輸出信號Vy。該輸出信號Vy的變化量的符號表示來自外部的力的Y軸方向分量是正方向或負方向的方向，輸出信號Vy的變化量的絕對值表示Y軸方向分量的大小。
下面，參照圖9，同時說明由輸入到端子T1、T2的周期信號A、B導出輸出信號Vx、Vy用的信號處理電路。圖9是表示圖1所示的靜電電容式傳感器的信號處理電路的電路圖。
將電阻元件R1、R3連接到端子T1上，將電阻元件R2、R4連接到端子T2上。將作為異或電路邏輯元件的EX-OR元件100、101分別連接到電阻元件R1、R2的輸出端和電阻元件R3、R4的輸出端，其輸出端連接到端子T120、T121。并且，將低通濾波器(平滑電路)110、111連接到端子T120、T121上，其輸出端被連接到端子T130、T131上。另外，電阻元件R1～R4的輸出端被分別連接到電容元件用電極D1～D4上，分別與位移電極D0之間構成電容元件C1～C4。另外，如上所述，將位移電極D0接地。
這里，低通濾波器110、111將從EX-OR元件100、101輸出的輸出信號Vx變換為模擬電壓Vx’。即，各個電容元件C1～C4的靜電容量值的變化作為輸入到低通濾波器110、111之前的輸出信號Vx的波形的占空比的變化而檢測出，使該信號通過低通濾波器110、111而變平滑，可將該占空比變換為電壓值來利用。分別由電阻元件R110、R111和電容元件C110、C111構成低通濾波器110、111。而且，在電容元件C110、C111的兩個電極中，未連接到電阻元件R110、R111的一方的電極接地。
因此，從EX-OR元件100、101輸出到端子T120、T121的輸出信號Vx通過低通濾波器110、111而被平滑，作為模擬電壓Vx’輸出到端子T130、T131上。該模擬電壓Vx’的值與輸出信號Vx的占空比成比例地變化。因此，當輸出信號Vx的占空比變大時，隨之模擬電壓Vx’的值也變大。另一方面，當輸出信號Vx的占空比變小時，隨之模擬電壓Vx’的值也變小。另外，當輸出信號Vx的占空比幾乎不發(fā)生變化時，模擬電壓Vx’的值也幾乎不變。
由此，參照圖10和圖11，詳細說明X軸方向分量的輸出信號Vx的導出方法。圖10是表示對于圖1所示的靜電電容式傳感器的X軸方向分量的信號處理電路的電路圖(圖9的一部分)。圖11是表示圖10所示的信號處理電路的各端子和各節(jié)點的周期信號的波形圖。而且，由于Y軸方向分量的輸出信號Vy的導出方法與X軸方向分量的輸出信號Vx的導出方法一樣，故省略詳細說明。
在圖10的信號處理電路中，電容元件C1與電阻元件R1以及電容元件C2與電阻元件R2分別形成CR延遲電路。因此，輸入到端子T1、T2的周期信號(矩形波信號)由各CR延遲電路生成規(guī)定的延遲后，被輸入到EX-OR元件100上。
進一步詳細地說明，對端子T1輸入周期信號f(φ)(對應于上述的周期信號A)，另外，對端子T2輸入與f(φ)具有相同周期，且相位偏差θ的周期信號f(φ+θ)(對應于上述的周期信號B)。輸入到端子T1的周期信號f(φ)通過由電容元件C1和電阻元件R1構成的CR延遲電路，到達節(jié)點X1。這時，如圖11所示，在節(jié)點X1的周期信號上生成時間a的延遲。同樣，輸入到端子T2的周期信號f(φ+θ)通過由電容元件C2和電阻元件R2構成的CR延遲電路，到達節(jié)點X2。這時，在節(jié)點X2的周期信號上生成時間b的延遲。
這里，分別輸入到端子T1、T2的不同相位的周期信號f(φ)、f(φ+θ)是通過將從一個周期信號振蕩器輸出的周期信號分為兩個路徑，對其中一個路徑設有圖中未示出的CR延遲電路，使通過CR延遲電路的周期信號的相位延遲而產生的。而且，使周期信號的相位偏移的方法，并不限于使用CR延遲電路的方法，也可為其他的任何方法，另外，也可使用兩個周期信號振蕩器，分別產生不同相位的周期信號f(φ)、f(φ+θ)，而分別輸入到端子T1、T2上。
這里，時間a、b對應于各個CR延遲電路的延遲時間，由各CR的時間常數決定。因此，在電阻元件R1、R2的電阻值相同的情況下，時間a、b的值對應于電容元件C1、C2的靜電容量值。即，當電容元件C1、C2的靜電容量值變大時，時間a、b的值也變大，當電容元件C1、C2的靜電容量值變小時，時間a、b的值也變小。
這樣，對EX-OR元件100輸入與節(jié)點X1、X2的周期信號同樣波形的信號，在這些信號之間進行異或邏輯運算，將其結果輸出到端子T120。這里，輸出到端子T120的信號，是具有規(guī)定占空比的矩形信號(參照圖11)。
這里，考慮對操作按鈕31的X軸正方向部分進行操作時(參照圖7)的各端子和各節(jié)點的周期信號的波形。而且，將該情況下的信號處理電路的電容元件用電極D1、D2和位移電極D0之間構成的電容元件設為C1’、C2’，將與不對操作按鈕31進行操作時的信號處理電路的節(jié)點X1、X2和端子T120處于同一位置的各節(jié)點和端子設為節(jié)點X1’、X2’和端子T120’(參照圖10)。
這時，與上述一樣，在圖10的信號處理電路中，對端子T1輸入周期信號f(φ)，另外，對端子T2輸入與f(φ)具有相同周期，相位偏差θ的周期信號f(φ+θ)。輸入到端子T1的周期信號f(φ)通過由電容元件C1’和電阻元件R1構成的CR延遲電路，到達節(jié)點X1’。這時，如圖11所示，在節(jié)點X1’的周期信號上生成時間a+Δa的延遲。這是因為，電容元件C1’的靜電容量值比電容元件C1還大，所以CR延遲電路的時間常數變大。另一方面，輸入到端子T2的周期信號f(φ+θ)通過由電容元件C2’和電阻元件R2構成的CR延遲電路，到達節(jié)點X2’。這時，由于對操作按鈕31的X軸負方向部分不施加力，所以節(jié)點X2’的周期信號與節(jié)點X2的周期信號具有相同波形。
這樣，對EX-OR元件100輸入與節(jié)點X1’、X2’的周期信號相同波形的信號，在這些信號之間進行異或邏輯運算，并將其結果輸出到端子T120’上。這里，輸出到端子T120’的信號是具有規(guī)定占空比的矩形信號，如圖11所示，在不對操作按鈕31進行操作的情況下，是占空比比輸出到端子T120的矩形波信號還小的矩形波信號。
這里，實際上，如上所述，輸出到端子T120和端子T120’的信號都通過低通濾波器110平滑后輸出。
而且，本實施例的靜電電容式傳感器1被用作感力傳感器，最好用作便攜電話、便攜信息終端(PDA)、個人計算機、游戲機等的輸入裝置(操縱桿)。另外，本實施例的靜電電容式傳感器1，并不限于用作感力傳感器，在用作例如加速度傳感器等的其他傳感器情況下，也可得到與本實施例相同的效果。
如上所述，在根據本實施例的靜電電容式傳感器1中，由于通過檢測出因電容元件用電極D1～D4和位移電極D0的間隔變化而引起的電容元件C1～C4的靜電容量值的變化，可識別操作按鈕31的位移，所以可識別從外部施加到操作按鈕31上的力的大小。另外，由于可識別圓頂型開關DS1～DS4的開關用電極D31～D34與觸點電極D11～D14有無接觸，所以可將此作為開關功能來利用。因此，本發(fā)明的靜電電容式傳感器1可用作具有將操作按鈕31的位移(從外部施加到操作按鈕31的力的大小)作為信號(模擬信號)輸出功能的裝置和/或具有開關功能的裝置。由此，該靜電電容式傳感器1具有作為可用作上述任一種裝置的復合設備的功能，所以不需要根據上述兩種用途重新制造。
另外，因為四個圓頂型開關DS1～DS4、和由位移電極D0和電容元件用電極D1～D4構成的電容元件C1～C4在操作按鈕31的位移方向上重疊，而在上下方向上配置為兩層，所以設置圓頂型開關DS1～DS4，幾乎不會減小電容元件用電極D1～D4或位移電極D0的有效面積。另外，由于設置包含在該傳感器上的各個電極，所以使需要的面積變得較小。因此，在本發(fā)明的傳感器中，通過添加開關功能，可抑制該傳感器靈敏度的下降，或該傳感器的大型化。
另外，在將電容元件用電極D1～D4、位移電極D0、觸點電極D11～D14、D21～D24、開關用電極D31～D34形成在一個具有撓性的FPC11上后，通過彎曲FPC11，使電容元件用電極D1～D4與位移電極D0相對，來制造靜電電容式傳感器1。因此，在可容易地將這些電極配置到適當的位置的同時，可簡化傳感器的制造工序，降低制造成本。
另外，由于圓頂型開關DS1～DS4比電容元件C1～C4還接近于操作按鈕31地配置，所以在構成電容元件C1～C4的電容元件用電極D1～D4與位移電極D0之間的間隔發(fā)生變化之前，可容易地切換圓頂型開關DS1～DS4的狀態(tài)(開狀態(tài)或關狀態(tài))，在優(yōu)先利用開關功能的情況下最好。
另外，由于設置電容元件C1～C4和圓頂型開關DS1～DS4，使其對應于X軸方向和Y軸方向的各自的正方向和反方向，所以可用作具有通過用來識別上述的四個方向的力而識別多維的力的功能的裝置和/或具有開關功能的裝置。
下面，參照圖12～14，說明本發(fā)明的第2實施例。圖12是根據本發(fā)明第2實施例的靜電電容式傳感器的模式截面圖。圖13是表示包含在圖12的靜電電容式傳感器中的多個電極的配置的截面圖。圖14是與圖12所示的靜電電容式傳感器的構成的等效電路圖。
這里，參照圖12和圖13說明根據第2實施例的靜電電容式傳感器101的詳細構造。圖12的靜電電容式傳感器101與圖1的靜電電容式傳感器1的不同點是，在靜電電容式傳感器1中，四個電容元件C1～C4和四個圓頂型開關DS1～DS4在上下方向上構成為兩層，相反，在靜電電容式傳感器101中，在四個電容元件C1～C4和四個圓頂型開關DS1～DS4之間添加連接開關S1，作為整體構成為三層。而且，由于其他構成與圖1的靜電電容式傳感器1相同，所以賦予相同符號而省略說明。
包含在靜電電容式傳感器101中的傳感器單元110包括具有撓性的FPC111。如圖13所示，FPC111被分割為第1面111a、第2面111b和第3面111c。這里，第1面111a和第2面111b通過由圖13中雙點劃線表示的邊界線B112隔開，第2面111b和第3面111c通過邊界線B123隔開。而且，邊界線B112、B123是彎曲FPC111時的折疊線。
在FPC111上，與第1實施例一樣，在第1面111a的表面(在圖13中的上面)上設有電容元件用電極D1～D4，隔板61、62，傳感器電路部件70，連接端子80和樹脂薄片90、91。在第2面111b的表面上形成將點O’作為中心的環(huán)狀位移電極D0。
在第2面111b的里面形成將點O”作為中心的環(huán)狀位移電極D100。配置位移電極D100，使其與位移電極D0具有相同形狀，并對應于位移電極D0。并且，位移電極D0和位移電極D100通過圖中未示出的布線電連接。另外，在第2面111b的里面設有配置到位移電極D100外側的環(huán)狀隔板161和配置到其內側的圓形隔板162。
在第3面111c的里面形成將點O””作為中心的環(huán)狀位移電極D101。位移電極D101與位移電極D0(位移電極D100)具有相同形狀。并且，在第3面111c的表面上，與第1實施例的形態(tài)相同，設有將點O””作為中心的四個圓頂型開關DS101～DS104。這里，圓頂型開關DS101～DS104由觸點電極D111～D114、D121～D124和開關用電極D131～D134構成。另外，在第3面111c的表面上，配置薄的樹脂薄片(覆蓋層)190，使之密合于四個圓頂型開關DS101～DS104的整個上面，覆蓋FPC111。
這里，在制造傳感器單元110的情況下，在FPC111的第1面111a～第3面111c上形成各個電極等后，首先，最初沿位于第1面111a和第2面111b之間的邊界線B112折疊第2面111b～第3面111c，而使得第1面111a的表面和第2面111b的表面相對。由此，在該狀態(tài)下粘接第2面111b上的位移電極D0的外側區(qū)域，而使之對接于設置在第1面111a上的隔板61、62的上端部。
其后，沿位于第2面111b和第3面111c之間的邊界線B123折疊第3面111c，而使得第2面111b的里面和第3面111c的里面相對。由此，在該狀態(tài)下粘接第3面111c上的位移電極D101的外側區(qū)域，而使之對接于設置在第2面111b上的隔板161、162的上端部。這樣一來，就完成了圖12所示的傳感器單元110。
因此，在靜電電容式傳感器101中，在電容元件用電極D1～D4和位移電極D0之間構成的對應于X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向和Y軸負方向的四個電容元件C1～C4，連接開關S1和對應于上述四個方向的四個圓頂型開關DS101～DS104在上下方向(操作按鈕31的位移方向)上構成為三層。
另外，在本實施例的傳感器電路中，如圖14所示，通過將連接開關S1切換到開狀態(tài)和關狀態(tài)的其中一個，位移電極D0取得接地狀態(tài)和未接地(被絕緣)狀態(tài)的其中之一。而且，電容元件用電極D1～D4被連接到端子T1、T2。另外，位移電極D0和位移電極D100電連接，經端子T101把位移電極D101接地。
即，在連接開關S1為開狀態(tài)的情況下，位移電極D0接地，可在電容元件C1～C4上積聚電荷。因此，靜電電容式傳感器101的力傳感器電路發(fā)生作用，可輸出對應于施加到操作按鈕31的力的方向和該大小的模擬電壓。另一方面，在連接開關S1為關狀態(tài)的情況下，位移電極D0變?yōu)槲唇拥氐母∑?被絕緣)狀態(tài)。因此，不可在電容元件C1～C4上積聚電荷，靜電電容式傳感器101的力傳感器電路不發(fā)生作用。
另外，實際上，雖然在電容元件用電極D1～D4，位移電極D0、D100、D101和電路圖案的周邊存在雜散電容，但是由于與電容元件C1～C4本來的靜電容量值相比，非常小而到可忽略的程度，所以這里忽略雜散電容來進行說明。
另外，與第1實施例相同，構成包含上述的電容元件C1～C4，與檢測施加到操作部30的力的力傳感器電路相獨立，包含四個圓頂型開關DS101～DS104的開關電路。因此，彼此之間的操作不會對其他方面造成電影響。因此，配合裝載靜電電容式傳感器101的設備的使用狀況，分配力傳感器電路的輸出和開關電路的輸出。而且，觸點電極D111～D114分別被連接到端子TS101～TS104，觸點電極D121～D124都被連接到端子TS100。并且，觸點電極D121～D124經端子TS100被接地。
這里，在靜電電容式傳感器101中，在對操作按鈕31進行向X軸正方向的操作的情況下，通過向下方按下操作按鈕31的X軸正方向的部分，鍵盤基層材料32產生彈性變形而彎曲，對應于鍵盤基層材料32的X軸正方向的突起部32a向下方位移。由此，該突起部32a的前端部對接到配置在FPC111的第3面111c上的樹脂薄片190。
并且，當進一步按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，對圓頂型開關DS101的開關用電極D131的頂部附近作用向下方向的力。并且，當該力不滿足規(guī)定值時開關用電極D131幾乎不發(fā)生位移，但是當該力達到規(guī)定值時，隨著開關用電極D131的頂部附近部分壓屈而急劇彈性變形，變成凹狀態(tài)，從而與觸點電極D111接觸。由此，圓頂型開關DS101變?yōu)殚_狀態(tài)。這時，對操作者提供清晰的點擊感覺。
其后，當繼續(xù)按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，圓頂型開關DS101保持開狀態(tài)，FPC111彎曲，位移電極D101的X軸正方向部分向下方按下。并且，當位移電極D101的該部分附近僅按下規(guī)定高度時，位移電極D101和位移電極D100接觸。由此，連接開關S1從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)。
其后，當繼續(xù)按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，連接開關S1保持開狀態(tài)，FPC111彎曲，位移電極D0向下方位移。因此，位移電極D0和電容元件用電極D1之間的間隔變小。
而且，當除去施加到操作按鈕31上的力時，由于FPC111的彈性，位移電極D0、D100、D101返回到原始位置，所以靜電電容式傳感器101返回到進行操作前的狀態(tài)。
這里，在本實施例中，在向操作按鈕31操作的操作前和操作后，雖然電容元件C1～C4的靜電容量值小到了可忽略的程度，但是在對操作按鈕31進行操作期間，位移電極D100和位移電極D101接觸(連接開關S1變?yōu)殚_狀態(tài))，電容元件C1～C4變?yōu)榭沙潆姾头烹姟Ｒ虼?，在向操作按鈕31操作的操作前和操作后，在位移電極D100和位移電極D101不接觸，位移電極D0不接地的情況下，即使各個位移電極D0、D100、D101的位置在操作前后發(fā)生變化，不變?yōu)榭珊雎赃@時的電容元件C1～C4的靜電容量值。即，即使FPC111在變形或位移時具有箝位特性而不能馬上回到原始位置，或者，在永久不能返回到原始位置的情況下，如果可確保位移電極D100和位移電極D101之間的接觸型或隔離性，可減小靜電電容式傳感器101的滯后，提高重復性。
如上所述，在根據本實施例的靜電電容式傳感器101中，可得到與第1實施例的形式相同的效果。
下面，參照圖15～圖19說明本發(fā)明的第2實施例的變形例。圖15是根據本發(fā)明第2實施例的變形例的靜電電容式傳感器的模式截面圖。圖16是表示配置包含在圖15的靜電電容式傳感器中的多個電極的截面圖。圖17是表示包含在圖15的靜電電容式傳感器中的焊盤的簡略構成圖。圖18是對于圖15所示的靜電電容式傳感器的構成的等效電路圖。
這里，參照圖15和圖16，說明根據本變形例的靜電電容式傳感器201的詳細構造。圖15的靜電電容式傳感器201與圖12的靜電電容式傳感器101的不同點是，在靜電電容式傳感器101中，通過導電性油墨形成構成電容元件C1～C4的位移電極D0，通過兩個位移電極D100、D101構成連接開關S1，相反，在靜電電容式傳感器201中，構成電容元件C1～C4的位移電極D200是金屬板，由位移電極D200和兩個焊盤D201、D202構成復原(喚醒(wake up))開關S2。而且，由于其他構成與圖12的靜電電容式傳感器101相同，所以被賦予相同符號而省略說明。
包含在靜電電容式傳感器201中的傳感器單元210具有具有撓性的FPC211a、211b和作為金屬制的薄板狀部件的具有撓性的位移電極D200。并且，如圖16所示，經位移電極D200連結FPC211a、211b。這里，在FPC211a和位移電極D200的連結部附近，位移電極D200和FPC211b的連結部附近，由圖16中的雙點劃線表示的邊界線B212、B223分開。而且，邊界線B212、B223是彎曲FPC211a、211b時的折疊線。
另外，在FPC211b的里面形成具有開關觸點功能的焊盤D201、D202。如圖17所示，以原點O””為中心大致環(huán)狀地形成焊盤D201，在焊盤D201的外側大致環(huán)狀地形成焊盤D202。焊盤D201具有圓周部201a和從圓周部201a向外側突出的多個突出部201b，焊盤D202具有圓周部202a和從圓周部202a向內側突出的多個突出部202b。而且，設置焊盤D201、D202，使之對應于圓頂型開關DS101～DS104，在按壓圓頂型開關DS101～DS104時，可容易地位移焊盤D201、D202。
這里，圓周部201a和圓周部202a整周都有相同的幅度。另外，突出部201b和突出部202b都與圓周部201a和圓周部202a有大致相同的幅度的同時，是長度比圓周部201a和圓周部202a的隔離間隔還短的大致矩形。另外，突出部201b和突出部202b沿圓周方向交叉配置。在焊盤D201的外周部和焊盤D202的內周部都形成梳狀。而且，可任意配置突出部201b和突出部202b的數目和形狀，最好在兩者不接觸的范圍內可盡可能無間隙地配置。另外，焊盤D201、D202可以不一定需要形成為梳狀，如果是可檢測與位移電極D200接觸的形狀，其形狀可任意變更。
并且，與第2實施例一樣，通過沿邊界線B212、B223彎曲FPC211a、211b，則可完成如圖15的傳感器單元210。
因此，在靜電電容式傳感器201中也與靜電電容式傳感器101一樣，在電容元件用電極D1～D4和位移電極D200之間對應于X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向和Y軸負方向地構成的四個電容元件C1～C4，復原開關S2和對應于上述四個方向的四個圓頂型開關DS101～DS104在上下方向(操作按鈕31的位移方向)上構成為三層。
而且，位移電極D200除金屬板之外，也可變更為例如導電性塑料等的其他導電性部件。另外，也可將FPC211a和FPC211b作為一個FPC，在相當于該FPC的位移電極D200的位置的兩個面上形成導電性焊盤。這里，如本變形例這樣，在使用一個金屬板的位移電極來代替在第2實施例中形成在FPC111的兩個面上的位移電極D100、D101的情況下，在容易彈性變形、降低傳感器輸出的滯后和傳感器的耐久性這些方面更佳。
另外，在本變形例的傳感器電路中，如圖18所示，在位移電極D200和焊盤D201、D202之間形成復原開關S2。即，復原開關S2取得位移電極D200與焊盤D201、D202接觸的狀態(tài)(開狀態(tài))和與焊盤D201、D202不接觸的狀態(tài)(關狀態(tài))中的其中一個狀態(tài)。而且，經端子T201接地焊盤D201，經端子T202和上拉(pull up)電阻元件R5將焊盤D202保持在具有規(guī)定電壓值的電源電壓Vcc。另外，經端子T202將焊盤D202連接到作為外部電路的微控制器5的輸入端口I。
因此，由于在不對操作按鈕31進行操作的情況下，位移電極D200和焊盤D201、D202不接觸，所以復原開關S2為關狀態(tài)。這時，由于上拉焊盤D202，連接到焊盤D202的微控制器5的輸入端口I保持在電源電壓Vcc，則輸入變?yōu)閿底帧癏i”。另外，這時，位移電極D200變?yōu)槠顟B(tài)(被絕緣狀態(tài))。
并且，由于在對操作按鈕31進行操作的情況下(電容元件C1～C4的靜電容量值發(fā)生變化的情況)，位移電極D200和焊盤D201、D202接觸，所以經位移電極D200短路焊盤D201、D202，復原開關S2變?yōu)殚_狀態(tài)。這時，微控制器5的輸入端口I變?yōu)榻拥仉妷?，輸入變?yōu)閿底帧癓o”。
這樣，在復原開關S2變?yōu)殚_狀態(tài)的情況下，接地位移電極D200，可在電容元件C1～C4上積聚電荷。因此，靜電電容式傳感器201的力傳感器電路發(fā)生作用，可輸出對應于施加到操作按鈕31上的力的方向和該大小的模擬電壓。另一方面，在復原開關S2是關狀態(tài)的情況下，變?yōu)椴唤拥匚灰齐姌OD200的漂浮(被絕緣)狀態(tài)。因此，不能在電容元件C1～C4上積聚電荷，靜電電容式傳感器201的力傳感器電路不發(fā)生作用。
這里，在靜電電容式傳感器201中，向操作按鈕31進行向X軸正方向的操作的情況下，通過向下方按下操作按鈕31的X軸正方向部分，鍵盤基層材料32發(fā)生彈性變形而彎曲，對應于鍵盤基層材料32的X軸正方向的突起部32a位移到下方。由此，該突起部32a的前端部對接到FPC211b上的樹脂薄片190上。
并且，進一步按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，對圓頂型開關DS101的開關用電極D131的頂部附近作用向下方向的力。并且，在該力不滿足規(guī)定值的情況下，開關用電極D131幾乎不發(fā)生位移，但是當該力達到規(guī)定值時，隨著開關用電極D131的頂部附近部分壓屈而急劇彈性變形，變?yōu)榘紶顟B(tài)，而與觸點電極D111接觸。由此，圓頂型開關DS101變?yōu)殚_狀態(tài)。這時，對操作者提供清晰的點擊感覺。
其后，繼續(xù)按下操作按鈕31的X軸正方向部分時，圓頂型開關DS101保持開狀態(tài)，且FPC111彎曲，將焊盤D201、D202向下方按下。并且，當將焊盤D201、D202的該部分附近按下規(guī)定高度時，位移電極D200幾乎同時與焊盤D201、D202接觸。由此，復原開關S2從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)。
其后，繼續(xù)按下操作按鈕31的X軸方向部分時，復原開關S2保持開狀態(tài)，FPC111彎曲，位移電極D200位移到下方。因此，位移電極D200和電容元件用電極D1之間的間隔變小。
而且，在除去施加到操作按鈕31的力的情況下，由于FPC111具有彈性，位移電極D200、D201、D102返回到原始位置，所以靜電電容式傳感器201返回到進行操作前的狀態(tài)。
這樣，在本變形例的靜電電容式傳感器201中，通過監(jiān)視微控制器5的輸入端口I的輸出，可確實地檢測出對于傳感器進行的操作，所以可確實解除睡眠模式。由此，即使在靜電電容式傳感器201長時間的不對操作按鈕31進行操作時，可通過切換到睡眠模式，而可降低功率消耗。
這里，在與微控制器控制系統(tǒng)一起使用靜電電容式傳感器201的情況下，靜電電容式傳感器201可選擇性地取得可檢測出施加到操作按鈕31的力模式(下面，稱為“通常模式”)和將消耗功率抑制到極小的模式(下面，稱為“睡眠模式”)的其中之一。并且，在通常模式中，在經過了規(guī)定時間還不對操作按鈕31進行操作的情況下，自動從通常模式切換到睡眠模式。另一方面，在睡眠模式中，在對操作按鈕31進行操作的情況下，解除睡眠模式，自動從睡眠模式復原到通常模式。
如上所示，在通常模式中，將周期信號輸入到連接到電容元件用電極D1～D4的端子T1、T2上。并且，通過利用這些周期信號，檢測出在位移電極D0和電容元件用電極D1～D4之間構成的電容元件C1～C4的靜電容量值，檢測出對操作按鈕31所施加的力的方向和大小。
相反，在睡眠模式中，將周期信號輸入到連接到電容元件用電極D1～D4的端子T1、T2上。因此，在不對操作按鈕31進行操作的狀態(tài)下(等待狀態(tài))，可抑制功率消耗的浪費。
另外，在作為連接焊盤D202的外部電路的微控制器5上，設置有在通常模式中， 從前一對操作按鈕31進行操作終止時間開始的測量所經過時間用的計時器(圖中未示出)。另外，在通常模式中，在不對操作按鈕31進行操作的情況下，預先設定到自動切換到睡眠模式之前的時間(規(guī)定時間)。
這里，參照圖19說明靜電電容式傳感器201中的模式切換。圖19是說明圖15所示的靜電電容式傳感器中的模式切換用的圖。而且，在圖19中，描述了彼此對應于對于經過時間的通常模式、睡眠模式和復位開關的各個狀態(tài)(開狀態(tài)和關狀態(tài))。
首先，在圖19的時刻t1上，對操作按鈕31進行操作。因此，由于對操作按鈕31進行操作，所以復原開關S2變?yōu)殚_狀態(tài)，同時，靜電電容式傳感器201的模式變?yōu)橥ǔＤＪ?通常模式變?yōu)殚_狀態(tài)，同時睡眠模式變?yōu)殛P狀態(tài))。
繼續(xù)，到達圖19的時刻t2之前，繼續(xù)對操作按鈕31進行操作。并且，在時刻t2上不對操作按鈕31進行操作時，復原開關S2從開狀態(tài)切換到關狀態(tài)。幾乎與此同時，開始微控制器5的計時器的操作。
其后，在通常模式中，從對操作按鈕31不進行操作的時刻t2開始到經過規(guī)定時間t0的時刻t3之前維持不對操作按鈕31進行操作的狀態(tài)。并且，在本實施例中，在通常模式中，在不對操作按鈕31進行操作的狀態(tài)繼續(xù)了規(guī)定時間t0的情況下，設定從通常模式自動切換到睡眠模式。
因此，在到達圖19的時刻t3時，從通常模式切換到睡眠模式。即，在通常模式從開狀態(tài)切換到關狀態(tài)的同時，睡眠模式從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)。并且，在再次對操作按鈕31進行操作之前的期間，睡眠模式維持在開狀態(tài)。
其后，在圖19的時刻t4，在再次對操作按鈕31進行操作時，與復原開關S2從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)幾乎同時，從睡眠模式切換到通常模式。即，睡眠模式從開狀態(tài)切換到關狀態(tài)的同時，通常模式從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)。
這里，當復原開關S2從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)時，焊盤D202的電壓一定在超過作為電源電壓的大約一半的閾值電壓上變化。因此，在微控制器5中，如果監(jiān)視連接到焊盤D202的輸入端口I的電壓變化，則可確實檢測出對于操作按鈕31進行的操作。
另外，在再次對操作按鈕31進行操作的時間點上，在停止微控制器5的計時器的同時，復位該計時器。并且，在圖19的時刻t4，在開始不對操作按鈕31進行操作時，開始計時器的操作。
而且，在本實施例中，焊盤D201的觸點輸出用為解除接觸睡眠模式用的復原開關來利用，但是也可用作其他的開關。
如上所述，在根據本變形例的靜電電容式傳感器202中，可得到與第2實施例的形式相同的效果。
雖然結合上述描繪的特定實施例描述了本發(fā)明，很明顯，本領域的普通技術人員可明顯得知本發(fā)明的許多替換、修改和變更。因此，上述提出的本發(fā)明的較佳實施例僅僅是舉例，而不限于此。本發(fā)明可在不脫離如下述權利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出各種改變。
例如，在上述第1實施例和第2實施例中，雖然說明了傳感器單元具有在一個FPC上形成的多個電極等的情況，但并不限于此，可任意地變更傳感器單元的構成。因此，上述多個電極等，不一定需要形成在襯底上。另外，即使在將這些電極形成在襯底上的情況下，也可不將這些電極全部形成在一個襯底上。另外，雖然在第1實施例中，在將各個電極等設置到FPC的兩個面上后，彎曲傳感器單元，但是如圖20所示，也可將各個電極等只設置到FPC的一個面上后彎曲。而且，可以將除FPC之外的不具有撓性(硬質的)襯底來作為襯底，為了提高剛性，也可在FPC上安裝樹脂或金屬等的加固板。
另外，在上述的第1和第2實施例中，雖然對傳感器單元，說明了電容元件、一個或兩個開關(圓頂型開關、連接開關或復原開關)在上下方向上構成為兩層或三層的情況，但不限于此，傳感器單元可具有電容元件和三層以上的開關，構成為四層以上。
另外，雖然在上述第1和第2實施例中，在傳感器單元由多層構成的情況下，說明了將電容元件配置在最下層，配置開關，而使其比電容元件還接近操作按鈕的情況，但并不限于此，也可不一定需要將電容元件配置到最下層，而可以將電容元件和開關的各自的配置相反。因此，可以將開關配置到最下層，配置電容元件，使其比該開關還接近操作按鈕。
另外，雖然在上述第1實施例中，說明了在對操作按鈕進行操作的情況下，圓頂型開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)后，電容元件的靜電容量值發(fā)生變化的情況，但不限于此，也可變更兩者順序。因此，也可在電容元件的靜電容量值發(fā)生變化后，圓頂型開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)，也可與圓頂型開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)幾乎同時，電容元件的靜電容量值發(fā)生變化。而且，這些順序可通過調整FPC、開關用電極等的強度(剛性)等來適當改變。
同樣，在上述第2實施例中圓頂型開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)的時間、連接開關或復原開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)的時間，和電容元件的靜電容量值發(fā)生變化的時間中，無論哪個在先都可以，也可分別幾乎同時。但是對于連接開關或復原開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)的時間和電容元件的靜電容量值發(fā)生變化的時間，最好在連接開關或復原開關從關狀態(tài)切換到開狀態(tài)后，改變電容元件的靜電容量值。
另外，雖然在上述第1和第2實施例中，說明了將連接端子設置在FPC上來作為與外部連接的接口的情況，但是不限于此，也可將帶焊錫的焊盤設置在FPC上。
另外，雖然在上述第2實施例的變形例中，說明了在FPC上形成兩個焊盤的情況，但并不限于此，可任意變更在FPC上形成的焊盤的數目和焊盤的形狀。
另外，雖然在上述第1和第2實施例中，說明了可檢測出從外部施加的力的X軸方向分量和Y軸方向分量這兩個分量的靜電電容式傳感器，但并不限于此，也可以是只能檢測出上述兩個中的所需的一個分量的靜電電容式傳感器。
權利要求
1.一種靜電電容式傳感器，其特征在于，包括檢測部件；第1電極，與所述檢測部件相對；第2電極，在所述檢測部件和所述第1電極之間，與所述第1電極之間構成電容元件且隨著所述檢測部件發(fā)生位移，可沿與其相同的方向位移；一個或多個第1開關用電極，與所述檢測部件相對；一個或多個第2開關用電極，在所述檢測部件和所述第1開關用電極之間，相對于所述第1開關用電極且與所述第1開關用電極相隔離地設置，同時，隨著所述檢測部件發(fā)生位移，可與所述第1開關用電極接觸；配置所述第1和第2開關用電極，使在所述檢測部件的位移方向上重疊所述第1和所述第2電極；利用輸入到所述第1電極的信號，通過檢測因所述第1電極和所述第2電極的間隔變化引起的所述電容元件的靜電容量值的變化，可識別所述檢測部件的位移。
2.根據權利要求1所述的靜電電容式傳感器，其特征在于，還包括第1襯底，相對于所述第1電極被配置到所述第2電極的相反側，在其表面上設有所述第1電極；第2襯底，相對于所述第2電極被配置到所述第1電極的相反側，在其表面上設有所述第2電極；第1開關用襯底，相對于所述第1開關用電極被配置到所述第2開關用電極的相反側，在其表面上設有所述第1開關用電極；第2開關用襯底，相對于所述第2開關用電極被配置到所述第1開關用電極的相反側，在其表面上設有所述第2開關用電極。
3.根據權利要求1或2所述的靜電電容式傳感器，其特征在于所述第1襯底、所述第2襯底、所述第1開關用襯底和所述第2開關用襯底是一個具有撓性的公共襯底。
4.根據權利要求3所述的靜電電容式傳感器，其特征在于所述第1電極、所述第2電極、所述第1開關用電極和所述第2開關用電極都被設置到所述公共襯底的一個面上。
5.根據權利要求1～4的其中之一所述的靜電電容式傳感器，其特征在于配置所述第1和所述第2開關用電極，使其比所述第1和所述第2電極還接近于所述檢測部件。
6.根據權利要求1～5的其中之一所述的靜電電容式傳感器，其特征在于設置有多個所述第1和所述第2電極、或者所述第1和所述第2開關用電極組。
全文摘要
本發(fā)明的靜電電容式傳感器通過在操作按鈕的位移方向上重疊地設置由電容元件用電極和與此相對的位移電極構成的電容元件，由觸點電極和與此相隔離地配置的開關用電極構成的圓頂型開關，將傳感器單元構成為兩層結構。
文檔編號G01L5/16GK1472521SQ03147538
公開日2004年2月4日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權日2002年7月12日
發(fā)明者森本英夫 申請人:新田株式會社