静电容式传感器的制作方法

专利名称：静电容式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合用于进行多维方向的操作输入的静电容式传感器，特别是涉及一种耐压特性好，且能够简化制造工艺的静电容式传感器。
静电容式传感器中，可从操作者传递的力的大小，输入持有预定的动力范围(dynamic range)的操作量。并且，也可以作为能够按施加力的各方向分量检测的二维或三维力传感器使用。特别是，通过两片电极来形成静电容元件，通过改变电极间隔而产生的静电容量值的变化来进行力的检测的静电容元件式力传感器，由于具有能够使结构简单且谋求低成本的优点，被用于各式各样的领域。
例如，在日本专利申请特开平7(1995)-200164号公报中，公开了如图36所示的静电容元件式力传感器。力传感器510由基板520、设于基板520上的弹性橡胶片530、设于弹性橡胶片530下面的电极部分540、设于基板520上面的电极部分500～504(请参照图37)、将弹性橡胶片530相对基板520支持固定的按压片560以及设于基板520下面的电子装置580构成。并且，电极部分500～504，如图37所示，由对原点对称布置的四个电极部分501～504和布置在这些电极外侧的圆环形电极部分500来构成。并且，电极部分540的外围部分与接地的电极部分500相接触，经由电极部分500接地。
操作者按下弹性橡胶片530时，电极部分540向下位移，改变与四个电极部分501～504之间的距离。于是，改变四个电极部分501～504各电极部分和电极部分540之间形成的电容元件的静电容量值。因此，通过检测该静电容量值的变化，便可获知操作者加力的大小与方向。
并且，在日本专利特许第3020736号公报中，公开了如图38所示的静电容元件式加速度传感器。加速度传感器610是由固定基板620、柔性基板621、设于固定基板620上的固定电极600、设于柔性基板621上的位移电极641～645(请参照图39)、作用体630、装置框架660来构成。并且，位移电极641～645，如图39所示，由相对Z轴对称布置四个电极部分641～644和设置在这些电极部分内侧的圆盘形电极部分645构成。而且，固定电极600通过布线(未图示)接地。
这里，当力作用在作用点P时，由于柔性基板621上发生的弯曲，位移电极641～645向上位移，改变这些电极和固定电极600之间的距离。于是，五个位移电极641～645和固定电极600之间分别形成的电容元件的静电容量值会发生变化。因此，通过检测该静电容量值的变化，就能知道作用在作用点P上的力的大小与方向。
如上所述，图36所示的力传感器510中，由于能够通过使电极部分540的外围部分和电极部分500接触来接地，将不需要用以将电极部分540接地的布线。但是，这种力传感器510，由于电极部分540和电极部分500直接电连接，当电极部分540上施加较大的电压时支持电极部分500的基板520上流过尖脉冲电流，可能使力传感器510故障或损坏，且在耐压特性方面很差。并且，电极部分540和电极部分500的电连接随着老化等而变差时，将不能得到正确的传感器输出。这样，图36所示的力传感器510在可靠性方面有所不足。
另一方面，图38所示的加速度传感器610，虽然在可靠性方面良好，但各电容元件可以说是构成并联关系，因此，不仅需要对固定基板620设置用以将固定电极600接地的布线，同时为了将来自外部的信号供给位移电极641～645，还需要在支持这些电极的柔性基板621上设置布线。但是，在固定基板620与柔性基板621的两边上设置布线，会使这种加速度传感器的结构与制造工艺复杂化。
因此，本发明的主要目的在于提供一种可靠性高，且制造工艺与结构简单的静电容式传感器。
依据本发明的第二方面，本发明的静电容式传感器的特征在于，其中设有定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的基板，与所述基板相对的检测构件，位于所述基板和所述检测构件之间、随着所述检测构件沿Z轴方向的位移而沿Z轴方向位移的所述导电构件，在所述基板上形成的、与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，以及在所述基板上形成的、与所述导电构件之间形成第二电容元件的、接地或保持一定电位的基准电极；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极的信号构成串联连接关系，通过检测由所述导电构件和所述电容元件用电极之间的间隔变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
并且，依据本发明的第三方面，本发明的静电容式传感器的特征在于其中设有定义XYZ三维坐标系时规定XY平面导电构件，与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，与所述导电构件之间形成第二电容元件的、接地或保持一定电位的基准电极，位于所述导电构件和所述电容元件用电极之间的绝缘构件，以及能随着沿XY平面的移动使所述绝缘构件或所述导电构件与所述电容元件用电极沿XY平面位移的检测构件；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极的信号构成串联连接关系，通过检测在所述导电构件和所述电容元件用电极之间因所述绝缘构件相对XY平面的端部位置的变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
并且，依据本发明的第四方面，本发明的静电容式传感器的特征在于其中设有当定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的基板，与所述基板相对的检测构件，与所述基板相对的导电构件，形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成第二电容元件的、接地或保持一定电位的基准电极，以及位于所述导电构件和所述电容元件用电极之间、设置得能随着所述检测构件沿XY平面的位移而相对所述基板平行移动的绝缘构件；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极的信号构成串联连接的关系，通过检测在所述导电构件和所述电容元件用电极之间因所述绝缘构件对XY平面的端部位置变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
通过这样的结构，为形成第一与第二电容元件而被共同使用的导电构件，不是以直接接触，而是以电容元件耦合来与接地或保持一定电位的基准电极电连接。因此，改善传感器的耐压特性，大致不会有因流过尖脉冲电流而损坏传感器的情形，同时可防止连接不良等不良情形，因此，能够得到可靠性高的静电容式传感器。与此同时，由于第一与第二电容元件成为串联连接，仅在支持电容元件用电极与基准电极的基板等部件上设置布线时，将不需要另外设置用以将导电构件接地或保持一定电位的布线。因此，能够以较少的制造工序制造结构简单的静电容式传感器。
并且，本发明的静电容式传感器中，可以形成一个基准电极。从而，使得基准电极的制造容易。
并且，本发明的静电容式传感器中，可以形成多个基准电极。从而，例如，即使在包围基准电极而设置电容元件用电极的场合，也能够通过基准电极间的间隙容易地设置电容元件用电极的布线。
并且，本发明的静电容式传感器中，最好形成多个所述电容元件用电极。由此，能够通过用各电容元件用电极获知不同方向的力来获知多维的力。
并且，本发明的静电容式传感器中有成对的两个所述电容元件用电极，可以向含有该对电容元件用电极中一方的电路与含有另一方的电路供给相互不同相位的信号。由此，不管含有一对电容元件用电极中一方的电路与含有另一方的电路的时间常数是否相同，都能够获知检测构件的位移。
并且，本发明的静电容式传感器中有成对的两个所述电容元件用电极，含有该对电容元件用电极中的一个电极的CR电路和含有另一个电极的CR电路之间的时间常数可以不同。依据这样的结构，由于能够使得通过电路导致的信号的相位偏移较大，能够提高检测构件的位移获知精度。
并且，本发明的静电容式传感器，可以设有对电容元件用电极输入的信号为周期性地重复高电平和低电平的信号时，具有当该信号为低电平时使第一电容元件放电的功能的控制元件(集电极开路型的反相器等)。从而，由于保存在电容元件的电荷被瞬间放电，能够高效率地充电，同时可以增加信号波形的密度，能够提高信号处理电路的精度。
并且，本发明的静电容式传感器有成对的两个所述电容元件用电极，分别向含有该对电容元件用电极中一个电极的电路与含有另一个电极的电路输入的信号的输出信号，最好用设有“异”运算、“或”运算或者“与”运算逻辑元件的信号处理电路加以检测。从而，能够高精度检测输出信号，而且根据需要能够调整检测精度。
并且，本发明的静电容式传感器，最好还包括贴紧电容元件用电极与基准电极且将基板覆盖地形成的绝缘膜。这里，绝缘膜可采用薄膜状的树脂薄膜，光刻胶膜等。从而，由于贴紧电容元件用电极，且可覆盖基板上而形成绝缘膜，可防止电容元件用电极暴露在空气而使电极表面被氧化的情形。
另外，本发明的静电容式传感器中，电容元件用电极可以包括相对Y轴对称配置的一对第一电容元件用电极、相对X轴对称配置的一对第二电容元件用电极以及在原点近旁配置的第三电容元件用电极。由此，检测构件能够分别获知从外部来的力的X轴方向、Y轴方向与Z轴方向的方向分量。再有，第三电容元件用电极也可以不用来获知Z轴方向分量，而用于确定输入的操作。
并且，本发明的静电容式传感器中，可以在导电构件上与第三电容元件用电极相对的位置处形成突起。这样，由于导电构件以突起为支点倾斜、位移，能够容易地检测X轴方向或Y轴方向分量。
并且，本发明的静电容式传感器中，检测构件最好加以分割，以分别对应于第一电容元件用电极、第二电容元件用电极与第三电容元件，或者分别对应于第一与第二电容元件用电极和第三电容元件；依据这样的结构，能够将来自外部的力的X轴方向、Y轴方向或Z轴方向的各分量加以明确分离，因此能够减轻不同方向分量的相互干扰，使误操作得以减少。
并且，本发明的静电容式传感器，最好使得与导电构件的电容元件用电极相对的面成为凹凸面。从而，由于导电构件的凹凸面和电容元件用电极相对而形成电容元件，使该电容元件的静电容元件量的变化更细微，能够提高对所受来自外部的力的检测精度。
并且，本发明的静电容式传感器，其导电构件可以设有随着检测构件受来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连接位移部分和固定部分的连接部分，第一电容元件用电极与第二电容元件用电极可以形成于第三电容元件用电极的外侧，而基准电极可以形成于第一电容元件用电极与第二电容元件用电极的外侧。
并且，本发明的静电容式传感器，其基准电极可以设有分别接地或保持一定电位的第一基准电极与第二基准电极，导电构件可以分别对应于第一电容元件用电极与第二电容元件元件用电极部分和第三电容元件用电极而被分割，第一基准电极可以形成于第三电容元件用电极的外侧，第一电容元件用电极与第二电容元件元件用电极可以形成于第一基准电极的外侧，第二基准电极可以形成于第一电容元件用电极与第二电容元件元件用电极的外侧。依据这样的结构，由于检测构件能够获知所受来自外部的力沿X轴、Y轴以及Z轴三个方向的分量，能够进行三个不同方向的操作。
并且，本发明的静电容式传感器可以这样构成其基准电极形成于第三电容元件用电极的外侧，第一电容元件用电极与第二电容元件元件用电极形成于基准电极的外侧，还设有与基准电极相接触且覆盖第三电容元件用电极而配置的第四电容元件用电极，通过导电构件随着检测构件受来自外部的力位移而位移，使得第三电容元件用电极和第四电容元件用电极相接触。依据这样的结构，由于检测构件能够获知所受的来自外部的力沿X轴与Y轴两个方向的分量，能够进行两个不同方向的操作。而且，由于设有第四电容元件用电极，能够进行输入的确定操作，同时由于进行确定操作时可得到明确的操作触感，可防止误操作。
另外，这种结构的静电容式传感器，最好作为个人电脑、携带式电话、游戏机等的输入装置加以利用。
并且，本发明的静电容式传感器中，可以将检测构件和导电构件形成为一体。在这样的结构中，由于检测构件与导电构件成为一体，能够容易制造，而且，可降低制造成本。
并且，本发明的静电容式传感器中，导电构件最好由弹性材料形成。依据这样的结构，检测构件所受的来自外部的力对导电构件的传递性变好，能够改善操作性能。并且，通过缓冲所受来自外部的力的冲击，可减轻静电容式传感器的损坏。
并且，本发明的静电容式传感器，最好还设置用以支持导电构件的支持构件，支持构件最好由弹性材料形成。在这样的结构中，由于支持构件由弹性材料形成，通过缓冲所受来自外部的力的冲击，能够减轻静电容式传感器的损坏。再有，能够有效地获得支持构件和盖壳之间的防水性与防尘性。并且，凭借支持构件的弹性回复力，当解除力时，导电构件可自动回复到原来的位置。
本发明中，作为导电构件，例如可以采用导电橡胶、导电墨水、导电热可塑性树脂(PPT、合成橡胶)。
图2是

图1的静电容式传感器的检测构件的俯视图。
图3是形成于图1的静电容式传感器基板上的多个电极布置的示意图。
图4是对于图1所示的静电容式传感器结构的等效电路图。
图5是关于从输入图1所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
图6是图1所示的静电容式传感器的检测构件上进行沿X轴正方向操作时的侧剖面示意图。
图7是图1所示的静电容式传感器的检测构件上进行沿Z轴方向的操作时的侧剖面示意图。
图8是表示图1所示的静电容式传感器的信号处理电路的电路图。
图9是表示图1所示的静电容式传感器的对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图10是在图1所示的信号处理电路的各端子与各节点上的周期信号的波形图。
图11是形成于图1的静电容式传感器的变形例1的基板上的多个电极的配置图。
图12是表示图1所示的静电容式传感器的变形例1的、对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图13是表示图1所示的静电容式传感器的变形例2的、对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图14是表示图1所示的静电容式传感器的变形例3的、对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图15是表示图1所示的静电容式传感器的变形例4的、对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图16是在图1所示的信号处理电路与图15所示的信号处理电路的端子与各节点上的周期信号的波形图。
图17是表示图1所示的静电容式传感器的变形例5的、关于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图18是表示图1所示的静电容式传感器的变形例6的、关于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。
图19是与本发明的实施例2的静电容式传感器的剖面示意图。
图20是图19的静电容式传感器的检测用按钮的俯视图。
图21是形成于图19的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
图22是图19所示的静电容式传感器结构的等效电路图。
图23是关于从输入图19所示的静电容式传感器上的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
图24是本发明的实施例3的静电容式传感器的剖面示意图。
图25是图24的静电容式传感器的检测用按钮的俯视图。
图26是形成于图24的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
图27是图24所示的静电容式传感器结构的等效电路图。
图28是关于从输入图24所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
图29是本发明的实施例4的静电容式传感器的剖面示意图。
图30是形成于图29的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
图31是形成于图29的静电容式传感器的支持构件下面的导电构件形状的示图。
图32是图29所示的静电容式传感器结构的等效电路图。
图33是关于从输入图29所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
图34是关于图29所示的静电容式传感器的检测构件未进行操作时的电容元件部件和绝缘构件的位置关系的示图。
图35是关于图29所示的静电容式传感器的检测构件进行沿X轴正方向的操作时的电容元件部件和绝缘构件的位置关系的示图。
图36是传统的静电容式传感器的剖面示意图。
图37是形成于图36的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
图38是传统的静电容式传感器的剖面示意图。
图39是形成于图38的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
图1是本发明的实施例1的静电容式传感器的剖面示意图。图2是图1的静电容式传感器的检测构件的俯视图。图3是形成于图1的静电容式传感器基板上的多个电极的配置图。
静电容式传感器10中设有基板20，通过人的操作等施加来自外部的力的操作用部件即检测构件30，位移电极40，形成于基板20上的电容元件用电极E1～E5与基准电极(公共电极)E0，与电容元件用电极E1～E5与基准电极E0贴紧且覆盖基板20上而形成的绝缘膜50，以及将固定检测构件30与位移电极40支持固定在基板20上的支持构件60。
这里为了说明上的方便，如图所示，定义XYZ三维坐标系，参照该坐标系进行各部件配置的说明。就是说，在图1中，基板20上的位移电极40的中心位置相对的位置定义为原点O，其右水平方向定义为X轴，垂直上方定义为Z轴，垂直进入纸面的方向定义为Y轴。这里，基板20的表面规定XY平面，Z轴分别通过基板20上的电容元件用电极E5、检测构件30以及位移电极40的各中心位置。
基板20是一般电路用的印刷电路板，本例中使用玻璃环氧树脂(glass epoxy)基板。并且，作为基板20，可以使用聚酰亚胺薄膜等薄膜状基板，但由于薄膜状基板的场合具有柔软性，最好设置在具有足够的刚性的支持基板上而使用。
检测构件30是由作为受力部分的小直径的上部31和在上部31的下端延伸的大直径的下部32来构成，整体形成圆盘形。这里，上部31的直径大致等于或小于连接电容元件用电极E1～E4各外侧曲线连接而成的圆的直径，而下部32的直径大致与基准电极E0的外径相同。另外，为了改善操作性能，可以在检测构件30上遮盖树脂制盖壳。
并且，在检测构件30的上部31的上面，如图2所示，可分别对应于X轴与Y轴的正方向与负方向，即，对应于电容元件用电极E1～E4，形成对应于操作方向(光标移动方向)的箭头。
位移电极40用导电橡胶形成，它具有与检测构件30的下部32相同直径的圆盘形，贴在检测构件30的下面。并且，在位移电极40的下面，形成以位移电极40的中心位置为中心的圆形的向下开口的凹部。而且，在该凹部的底面，形成以位移电极40的中心位置为中心的圆形的向下伸出的凸部，该凸部的中心位置(位移电极40的中心位置)上形成凸起45。这样，位移电极40由随着检测构件30的位移而位移的位移部分41(在位移电极40的下面形成的凹部底面的凸部)、靠近最外围的固定部分43(位移电极40下面形成的凹部以外的部分)以及连接位移部分41和固定部分43的连接部分42(位移电极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也可以没有，位移电极40也可以由导电金属形成。
这样，由于位移电极40的中心位置上形成凸起45，检测构件30上有力作用时，位移电极40能够以凸起45为支点倾斜。并且，位移电极40，通过支持构件60与检测构件30一起被支持固定，使得固定部分43的下面与凸起45的下面贴紧基板20上形成的绝缘膜50。
并且，在基板20上，如图3所示，形成了以原点O为中心的圆形电容元件用电极E5、其外侧扇形的电容元件用电极E1～E4、再外侧是以原点O为中心的环形基准电极E0。电容元件用电极E1与E2，在X轴方向上隔离而相对Y轴对称布置。并且，电容元件用电极E3与E4，在Y轴方向上隔离而相对X轴对称布置。另外，基准电极E0，也可以形成在电容元件用电极E5和电容元件用电极E1～E4之间。并且，也可以省去电容元件用电极E5，而形成以原点O为中心的圆形基准电极E0。但是，这种情况下将不能检测Z轴方向分量。
在这里电容元件用电极E1对应于X轴的正方向设置，另一方面，电容元件用电极E2对应于X轴的负方向设置，用于检测来自外部的力的X轴方向分量。并且，电容元件用电极E3对应于Y轴的正方向设置，另一方面，电容元件用电极E4对应于Y轴的负方向设置，用于检测来自外部的力的Y轴方向分量。另外，电容元件用电极E5设置在原点O上，用于检测来自外部的力的Z轴方向分量。
并且，电容元件用电极E1～E5与基准电极E0，利用通孔等分别与端子T0～T5(请参照图4)连接，并通过端子T0～T5，与外部电路相连接。另外，本例中基准电极E0经由端子T0接地。
并且，绝缘膜50，与基板20上的电容元件用电极E1～E5与基准电极E0贴紧，且覆盖于基板20上而形成。因此，由铜等形成的电容元件用电极E1～E5与基准电极E0不会暴露在空气中，具有可防止这些电极被氧化的功能。并且，由于形成了绝缘膜50，电容元件用电极E1～E5与基准电极E0和位移电极40将不会直接接触。
因此，电容元件用电极E1～E5与基准电极E0，分别与位移电极40之间形成电容元件。另外，电容元件用电极E1～E5，与位移电极40的位移部分41之间分别形成电容元件C1～C5，又，基准电极E0与位移电极40的固定部分43之间形成电容元件C0。
接着，参照附图，对上述结构的与本实施例的静电容式传感器10的操作进行说明。图4是图1所示的静电容式传感器结构的等效电路图。图5是关于从输入图1所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。图6是对图1所示的静电容式传感器的检测构件进行沿X轴正方向的操作时的侧剖面示意图。图7是对图1所示的静电容式传感器的检测构件进行沿Z轴方向的操作时的侧剖面示意图。
首先，参照图4，对等效于静电容式传感器10的结构的电路结构进行说明。在基板20上形成的电容元件用电极E1～E5与基准电极E0，与位移电极40相对，在作为公共电极的可位移的位移电极40和被固定的单个的电容元件用电极E1～E5与基准电极E0之间形成电容元件C0～C5。各电容元件C1～C5可以是具有由位移电极40的位移而改变静电容量值的结构的可变电容元件。
电容元件C0～C5的各静电容量值，作为分别与位移电极40和电容元件用电极E1～E5与基准电极E0连接的端子T0～T5之间的静电容量值，能够分别独立测量。这里，可认为基准电极E0经由端子T0接地，在电容元件C1～C5上作为公共电极的位移电极40经由电容元件C0与端子T0来接地。就是说，电容元件C0将位移电极40和端子T0电容元件耦合。
接着，参照图5，就由电容元件C1～C5的各静电容量值的变化导出表示对检测构件30的来自外部的力大小与方向的输出信号的方法进行说明。这里，输出信号Vx、Vy、Vz分别表示来自外部的力的X轴、Y轴与Z轴方向分量的大小与方向。
另外，图5所示的电容元件C6，通常为了保持一定静电容量值而形成于基板20的下面，构成电容元件C6一方的电极与导出输出信号Vz的C/V变换电路相连接，而另一方的电极接地。该电容元件C6与电容元件C5共同导出来自外部的力的Z轴方向分量的输出信号Vz。
这里，为了导出输出信号Vx、Vy、Vz，始终对端子T1～T6输入时钟信号等周期信号。例如，两个电容元件C1和C0对于端子T1上输入的周期信号成串联连接关系。同样，两个电容元件C2和C0相对于端子T2上输入的周期信号成串联连接关系，两个电容元件C3和C0对于端子T3上输入的周期信号成串联连接关系，两个电容元件C4和C0对于端子T4上输入的周期信号构成串联连接的关系，两个电容元件C5和C0对于端子T5上输入的周期信号构成串联连接的关系。
在端子T1～T6上输入周期信号的状态下，检测构件30受来自外部的力而位移时，随之，位移电极40沿Z轴方向位移，电容元件C1～C5的电极间隔发生变化，使得电容元件C1～C5的各静电容量值发生变化。这样，端子T1～T6上输入的周期信号相位上发生偏移。如此，利用周期信号中产生的相位偏移，可得到检测构件30的位移，即表示检测构件30所受来自外部的力的X轴、Y轴与Z轴方向的大小与方向的输出信号Vx、Vy、Vz。
更详细地说，向端子T1～T6输入周期信号时，给端子T1、T3、T5输入周期信号A，另一方面，给端子T2、T4、T6输入与周期信号A周期相同但相位不同的周期信号B。此时，检测构件30受到来自外部的力，使电容元件C1～C5的静电容量值各自发生变化时，对端子T1～T5上分别输入的周期信号A或周期信号B的相位上产生不同的偏移。另外，由于电容元件C6的静电容量值保持不变，端子T6上输入的周期信号B的相位上将不会产生偏移。
就是说，所受来自外部的力中含有X轴方向分量时，电容元件C1的静电容量值发生变化，端子T1上输入的周期信号A的相位上发生偏移，同时电容元件C2的静电容量值发生变化，端子T2上输入的周期信号B的相位上也发生偏移。这里，电容元件C1、C2的静电容量值的变化分别对应于来自外部的力的X轴正方向分量和X轴负方向分量。因此，端子T1上输入的周期信号A的相位偏移和端子T2上输入的周期信号B的相位偏移是相互反向的相位偏移。这样，通过异电路读取端子T1与端子T2上分别输入的周期信号A与周期信号B的相位偏移来导出输出信号Vx。该输出信号Vx的符号表示所受来自外部的力的X轴方向分量是向正方向还是向负方向，其绝对值表示X轴方向分量的大小。
并且，所受来自外部的力中含有Y轴方向分量时，电容元件C3的静电容量值发生变化，端子T3上输入的周期信号A的相位发生偏移，同时电容元件C4的静电容量值发生变化，端子T4上输入的周期信号B的相位也发生偏移。这里，电容元件C3、C4的静电容量值变化分别对应于所受来自外部的力的Y轴正方向分量和Y轴负方向分量。因此，端子T3上输入的周期信号A的相位偏移和端子T4上输入的周期信号B的相位偏移是相互反向的相位偏移。这样，通过异电路读取端子T3与端子T4上分别输入的周期信号A与周期信号B的相位偏移来导出输出信号Vy。该输出信号Vy的符号表示所受来自外部的力的Y轴方向分量是向正方向还是向负方向，其绝对值表示Y轴方向分量的大小。
再有，所受来自外部的力中含有Z轴方向分量时，电容元件C5的静电容量值发生变化，端子T5上输入的周期信号A的相位发生偏移。并且，由于电容元件C6的静电容量值保持一定，端子T6上输入的周期信号B的相位将不会发生偏移。因此，仅在端子T5上输入的周期信号A的相位上发生偏移，通过异电路读取这种周期信号A的相位偏移来导出输出信号Vz。该输出信号Vz的符号表示所受来自外部的力的Z轴方向分量是向正方向还是向负方向，其绝对值表示Z轴方向分量的大小。
另外，所受来自外部的力中含有X轴方向分量或Y轴方向分量时，对检测构件30的力的施加方法，可考虑以下各种情况。例如，考虑X轴方向的情况，位移部分41的X轴正方向部分和X轴负方向部分，不会以凸起45为支点相互在上下反方向上位移，而是使X轴正方向部分与X轴负方向部分一起向下面位移，且，此时各自的位移量会有不同。这时候，端子T1与T2上输入的各自的周期信号A与周期信号B的相位上会发生同方向的偏移，但与上述的情形一样，通过异电路读取该相位偏移来导出输出信号Vx。并且，对于Y轴方向的输出信号Vy的导出，情况也一样。
接着考虑如下情况在图1所示的检测构件30上无力作用时的状态下，进行如图6所示的在检测构件30上进行向X轴正方向部分的操作时，就是说，施加能够将检测构件30的上部31上形成的对应于X轴正方向形成的箭头向基板20侧下压的力(沿Z轴负方向的力)。
由于对应于检测构件30的X轴正方向的部分被压下，位移电极40的连接部分42因弹性变形而弯曲，位移部分41的X轴正方向部分向下面位移，几乎移至能够使位移部分41的X轴正方向部分的下面与绝缘膜50相接触的位置。并且，此时，位移部分41的X轴正方向部分和X轴负方向部分以凸起45为支点相互在上下反方向上位移。因此，位移部分41的X轴正方向部分向下位移时，位移部分41的X轴负方向部分以凸起45为支点向上位移。
并且，位移部分41的Y轴正方向部分的X轴正方向侧略向下位移，X轴负方向侧略向上位移。同样，Y轴负方向部分的X轴正方向侧略向下位移，X轴负方向侧略向上位移。并且，此时，位移部分41的中心位置(Z轴上)上形成的凸起45被压而弹性变形。
因此，位移部分41的X轴正方向部分和电容元件用电极E1之间的间隔变小，另一方面，位移部分41的X轴负方向部分和电容元件用电极E2之间的间隔变大。并且，位移部分41的Y轴正方向部分和电容元件用电极E3之间的间隔，以及位移部分41的Y轴负方向部分和电容元件用电极E4之间的间隔可认为无变化。如上所述，实际上，位移部分41的Y轴正方向部分与Y轴负方向部分的各X轴正方向侧略向下位移，X轴负方向侧略向上位移，但作为位移部分41的Y轴正方向部分与Y轴负方向部分的整体，与电容元件用电极E3与E4之间的间隔可认为无变化。并且，位移部分41的中心位置和电容元件用电极E5之间的间隔变小。
而且，在电容元件C1～C5中，仅在电容元件用电极E1～E5和位移电极40之间有间隔变化的电容元件C1、C2、C5上静电容量值才发生变化。这里，电容元件的静电容量值一般与构成电容元件的电极间隔成反比，从而使得电容元件C1的静电容量值变大，电容元件C2的静电容量值变小。就是说，电容元件C1～C4的各静电容量值的大小关系如下。
C2＜C3＝C4＜C1另外，电容元件C5的静电容量值变得比原来的值大。
此时，端子T1与T2上输入的各周期信号A与周期信号B的相位上发生偏移，通过读取该相位偏移来导出输出信号Vx。同样，端子T5上输入的周期信号A的相位上发生偏移，通过读取该相位偏移(实际上，与端子T6上输入的周期信号B的相位一起读取)来导出输出信号Vz。
接着，考虑在图1所示的检测构件30上无力的作用时的状态下，进行如图7所示的在检测构件30上在Z轴正方向的操作，即施加能够使检测构件30的上部31上形成的四个箭头的中央部分向基板20侧压下的力(沿Z轴负方向的力)的情况。
随着检测构件30的中央部分被压下，位移电极40的连接部分42发生弹性变形而弯曲，位移部分41向Z轴负方向位移，而在位移部分41的中心位置(Z轴上)上形成的凸起45，被压而弹性变形。
因此，位移部分41以保持水平的状态向下位移，就是说，电容元件用电极E1～E5和位移部分41的各间隔保持同样的间隔而位移，各间隔同样地变小。因此，电容元件C1～C5的全部的静电容量值变大。这里，电容元件C1～C4的各静电容量值的大小关系如下。
C1＝C2＝C3＝C4另外，电容元件C5的静电容量值变得比原来的值大。但是，由于在下压检测构件30的中央部分时(图7所示的情形)相对于检测构件30的压入量直接成为位移电极40和电容元件用电极E5之间的间隔的变化，该变化量比进行X轴正方向的操作时(图6所示的场合)更大。
此时，端子T1～T5上输入的各周期信号A与周期信号B的相位上发生偏移，通过读取该相位偏移来导出输出信号Vx、Vy、Vz。
接着，参照附图，对由输入到端子T1～T6的周期信号A、B导出输出信号Vx、Vy、Vz的信号处理电路加以说明。图8是表示图1所示的静电容式传感器的信号处理电路的电路图。
如上所述，端子T1～T6上，由未图示的交流信号振荡器输入预定频率的周期信号。这些端子T1～T6上连接反相器I1～I6与电阻R1～R6，从端子T1～T6侧开始依次分别连接反相器I1～I6、电阻R1～R6。并且，电阻R1、R2的输出端、电阻R3、R4的输出端以及电阻R5、R6的输出端上，分别连接异电路的逻辑元件”异”元件81～83，其输出端与端子T11～T13连接。并且，电阻R1～R5输出端分别与电容元件用电极E1～E5连接，分别与位移电极40之间构成电容元件C1～C5。并且，位移电极40经由电容元件C0接地。
在此作为一例，参照图9，对X轴方向分量的输出信号Vx的导出方法进行说明。图9(a)与图9(b)是表示图1所示的静电容式传感器的X轴方向分量的信号处理电路的电路图(是图8的一部分)。在该信号处理电路中，电容元件C1和电阻R1与电容元件C2和电阻R2分别形成CR延迟电路。端子T1、T2上输入的周期信号(矩形波信号)，依据各CR延迟电路发生预定的延迟，然后汇合到“异”元件81中。并且，作为反相器I1、I2，由于使用相同元件，能够将不同通路的信号在相同条件下进行比较。这里，反相器I1、I2使驱动CR延迟电路的足够驱动电力得以产生，没有逻辑上的意义。因此，如果能够对端子T1、T2供给具有足够驱动能力的信号，就可以不需要这些反相器I1、I2。因此，图9(b)是从图9(a)的信号处理电路中省去反相器I1、I2的电路，可认为完全与图9(a)等效。
接着，参照图10，对图9的电路动作进行说明。图10是图9所示的信号处理电路的各端子与各节点上的周期信号的波形图。图10忽略了反相器I1、I2的影响。
在图9的信号处理电路中，分别输入端子T1、T2上的周期信号，通过CR延迟电路分别产生预定的延迟，并分别被输入到”异”元件81。详细说就是端子T1上输入周期信号f(Φ)(对应于上述的周期信号A)，并且，端子T2上输入与f(Φ)周期相同、相位相差θ的周期信号f(Φ+θ)(对应于上述的周期信号B)。端子T1上输入的周期信号f(Φ)通过由电容元件C1和电阻R1构成的CR延迟电路，到达节点X1。此时，节点X1上的周期信号上，如图10所示，产生时间a的延迟。同样，端子T2上输入的周期信号f(Φ+θ)通过由电容元件C2和电阻R2构成的CR延迟电路，到达节点X2。此时，节点X2上的周期信号上产生时间b的延迟。
这里，时间a、b分别对应于CR延迟电路中的延迟时间，由各CR的时间常数来确定。因此，电阻R1、R2的电阻值相同时，时间a，b的值可对应于电容元件C1、C2的静电容量值。就是说，电容元件C1、C2的静电容量值变大时，时间a、b的值也变大，电容元件C1、C2的静电容量值变小时，时间a、b的值也变小。
另外，严格地说，端子T1、T2上分别输入的周期信号中，当信号处理电路中含有反相器I1、I2时，可认为分别通过反相器I1、I2也能产生预定的延迟。但是，如上所述，由于使用相同元件的反相器I1、I2，可认为在两个通路上因反相器产生的延迟时间相同，且输入”异”元件81上时相互抵消，因此，在这里省略了因反相器导致的延迟时间的说明。
这样，在“异”元件81上，输入与节点X1、X2中的周期信号相同波形的信号，在这些信号之间进行逻辑异运算，将其结果对端子T11输出。这里，对端子T11输出的信号是具有预定占空率的矩形波信号(请参照图10)。
这里，考虑所述的检测构件30上进行在X轴正方向位置的操作时(请参照图6)的各端子与各节点上的周期信号的波形。另外，将此时的信号处理电路中的电容元件用电极E1、E2和位移电极40之间构成的电容元件设为C1’、C2’，将检测构件30上无操作时跟信号处理电路的节点X1、X2与端子T11同位置上的各节点与端子设为节点X1’、X2’与端子T11’(请参照图9)。
此时，在图9的信号处理电路中，端子T1上输入周期信号f(Φ)，并且，端子T2上输入与f(Φ)周期相同但相位仅差θ的周期信号f(Φ+θ)。端子T1上输入的周期信号f(Φ)，通过由电容元件C1’和电阻R1所构成的CR延迟电路，到达节点X1’。此时，在节点X1’中的周期信号上，如图10所示，发生时间a+Δa的延迟。这是由于电容元件C1’的静电容量值比电容元件C1更大，使得CR延迟电路的时间常数变大。同样，端子T2上输入的周期信号f(Φ+θ)，通过由电容元件C2’和电阻R2所构成的CR延迟电路，到达节点X2’。此时，节点X2’中的周期信号上，发生时间b-Δb的延迟。这是由于电容元件C2’的静电容量值比电容元件C2更小，使得CR延迟电路的时间常数变小。
这样，在“异”元件81上，输入与节点X1’、X2’中的周期信号相同波形的信号，在这些信号之间进行逻辑异运算，将其结果对端子T11’输出。这里，对于端子T11’输出的信号是具有预定占空率的矩形波信号，如图10所示，它是比检测构件30上无操作时端子T11输出的矩形波信号占空率更小的矩形波信号。
这里，静电容式传感器10中，如上所述，在位移电极40的中心位置上形成凸起45，由于位移电极40以凸起45为支点发生位移，多数情况使得电容元件C1’、C2’的静电容量值一方增大时另一方减小的大小相反变化。从而，各电容元件C1’、C2’构成的CR延迟电路的时间常数也同样变化，由于输出的矩形波信号的占空率的改变更为明显，能够容易地进行作用于检测构件30上的力的检测。
另外，用以导出Z轴方向分量的输出信号Vz的信号处理电路(参照图8)，仅对端子T5上输入的信号通过CR延迟电路而产生预定的延迟，但由于端子T6上输入的信号不通过CR延迟电路，将不会因CR延迟电路而发生延迟。这样，仅对一方的信号产生延迟的电路中，如上述，也容易进行作用于检测构件30的力的检测。
如上所述，电容元件C1、C2的各静电容量值的变化，可由端子T11上的波形的占空率变化来检测，使该信号通过整流电路整流，从而可将该占空率变换为电压值来利用。并且，将T11上的信号的高电平(Hi)或低电平(Lo)的时间，由频率更高的时钟信号来计数，也可以将占空率变换为数字计数值来利用。
这里，端子T1、T2上分别输入的不同相位的周期信号f(Φ)、f(Φ+θ)是这样使它们发生的由一个交流信号振荡器输出的周期信号分为两个通路，在其中一个通路上设置CR延迟电路(未作图示)，从而使通过CR延迟电路的周期信号的相位发生延迟。另外，使周期信号的相位偏移的方法并不限于采用CR延迟电路的方法，其它任何方法都可以，并且，可以使用两个交流信号振荡器，发生各自不同相位的周期信号f(Φ)、f(Φ+θ)，分别对端子T1、T2输入。
接着，对本实施例的静电容式传感器10的制造方法进行说明。制造静电容式传感器10，首先，在基板20上形成基准电极E0与电容元件用电极E1～E5以及导电布线(电路)的图案。然后，与基准电极E0与电容元件用电极E1～E5贴紧，形成绝缘膜50的图案，以覆盖基板20。
接着，在绝缘膜50上配置位移电极40，进而在位移电极40上配置检测构件30。之后，通过在基板20上设置固定沿着位移电极40与检测构件30的外围具有圆筒形状的、上端向内侧突出的支持构件60来防止位移电极40与检测构件30从绝缘膜50偏移的情形。然后，通过实施必要的电气布线完成本实施例的静电容式传感器10制造。
如上所述，本实施例的静电容式传感器10，被公用来构成多个电容元件C0～C5的位移电极40，经由与接地或保持一定电位的基准电极E0的电容元件耦合来电连接，因此，不需要通过直接与基准电极E0接触来电连接。从而，可以改善传感器的耐压特性，且大致不会发生由尖脉冲电流流过而导致的损坏，同时由于可防止连接不良等不良情况，能够得到可靠性高的静电容式传感器。并且，由于对于周期信号，电容元件C1、C0；C2、C0；…；C5、C0分别构成串联连接，因此，如在支持电容元件用电极与基准电极的基板20上设置布线，就无需为位移电极40的接地或保持一定电位而设置布线。因此，能够以较少的制造工序来制造结构简单的静电容式传感器。
并且，可形成多个电容元件用电极E1～E5，能够分别获知检测构件30所受来自外部的力的X轴、Y轴以及Z轴方向的分量。再有，由于位移电极40以凸起45为支点可倾斜地位移，能够容易检测X轴或Y轴方向的分量。
这里，由于向成对的电容元件用电极(E1与E2、E3与E4)供给相互不同相位的信号，能够使通过电路导致的信号的相位偏移变大，而且，由于使用利用逻辑元件的信号处理电路，能够高精度检测该信号。
并且，由于贴紧电容元件用电极E1～E5以及基准电极E0形成覆盖基板20上的绝缘膜50，能够防止电容元件用电极E1～E5与基准电极E0暴露于空气而电极表面被氧化的情形。
并且，由于位移电极40与支持构件60由弹性材料来形成，检测构件30所受的来自外部的力对位移电极40的传递性良好，从而不仅改善操作性能，同时通过缓冲来自外部的力的冲击可减轻静电容式传感器的损坏。
接着，参照附图，对本发明的实施例1的变形例1进行说明。图11是变形例1的静电容式传感器的基板上形成的多个电极的配置图。
变形例1的静电容式传感器变更了图1所示的静电容式传感器中的基板20上的基准电极E0结构，如图11所示，形成了基准电极E01～E04。另外，其它结构与图1的静电容式传感器相同，因此用相同符号表示并省略其说明。
如图11所示，基板20上形成以原点O为中心的圆形电容元件用电极E5、其外侧的扇形电容元件用电极E1～E4以及再外侧的扇形基准电极E01～E04。这里，电容元件用电极E1和基准电极E01、电容元件用电极E2和基准电极E02、电容元件用电极E3和基准电极E03以及电容元件用电极E4和基准电极E04的各扇形的中心角相同，且各中心位置形成得相互一致。
图12是表示变形例1的静电容式传感器的对X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图12的信号处理电路与图1所示的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于基板20上，相对电容元件用电极E1、E2分割而形成各基准电极E01、E02。因此，位移电极40经由各电容元件C01、C02分别接地。再有，在Y轴方向分量的检测方面情况也一样。
这样，将基准电极E01～E04分为多个电极形成时，即使有被基准电极E01～E04包围而配置的电容元件用电极E1～E4，也能容易地穿过基准电极E01～E04的元件间隙设置电容元件用电极的布线。另外，本变形例中，基准电极被分为四个，但基准电极的分割数量、形状以及布置可以为任意，可考虑到基板上的布线配置适当变更。
接着，参照附图，对本发明实施例1的变形例2进行说明。图13是表示变形例2的静电容式传感器的对X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图13的信号处理电路与图1所示的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于对于端子T1、T2相位不偏移，将相同相位的周期信号分别输入到端子上。其它的结构与图1的静电容式传感器相同，因此，用相同符号表示并省略其说明。
这里，对端子T1、T2输入相同相位的周期信号时，电阻R1、R2最好使用电阻值各不同的电阻。这样，通过使用不同电阻值的电阻R1、R2，在“异”元件81中容易被检测。另外，电阻R1、R2也可以使用电阻值相同的电阻。
采用这样的电路，将不需要对周期信号发生相位差的结构，能够简化信号处理电路的结构。
接着，参照附图，对本发明的实施例1的变形例3进行说明。图14是表示变形例3的静电容式传感器对X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图14的信号处理电路与图1的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于作为产生对应于端子T1、T2输入的周期信号的相位差的结构，将由一个交流信号振荡器输出的周期信号分别输入两个通路，在该两个通路上设置CR延迟电路。另外，其它的结构与图1的静电容式传感器相同，因此，用相同符号表示并省略其说明。
产生周期信号的相位差的结构中，包括交流信号振荡器90、电阻R11、R12以及电容元件C11、C12；由电阻R11与电容元件C11来构成CR延迟电路，并由电阻R12与电容元件C12来构成CR延迟电路。从交流信号振荡器90输出的周期信号被分入两个通路，通过各自不同的CR延迟电路，在周期信号上产生不同相位的延迟。
这样，在两个通路上均设置CR延迟电路时，最好使用构成两个CR延迟电路的电阻或电容元件中的一方或两方均不相同的器件。按照所述的结构，使通过两个CR延迟电路的周期信号上产生不同相位的延迟，其结果，不同相位的周期信号分别被输入端子T1、T2。
这里，由于构成CR延迟电路的电阻易受温度的影响，在所述的两个通路之一上设置CR延迟电路的场合，仅在该通路上受到温度的影响，会使信号处理电路温度特性变坏，但通过在两个通路上均设置CR延迟电路可抵消在两个通路上温度的影响，从而能够改善信号处理电路的温度特性。
接着，参照附图，对本发明的实施例1的变形例4进行说明。图15是表示变形例4的静电容式传感器对于X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图15的信号处理电路与图1所示的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于在端子T1和电阻R1与电容元件C1之间设置集电极开路型反相器91，同样在端子T2和电阻R2与电容元件C2之间设置集电极开路型反相器92，而且，电阻R1、R2的与连接端子T1、T2侧相反的一侧的电位被保持于固定电位Vcc。另外，其它的结构与图1的静电容式传感器相同，因此用相同符号表示并省略其说明。集电极开路型反相器91、92是具有如下功能的控制元件在向电容元件用电极输入的、高电平与低电平周期性重复的信号为高电平时，不影响“异”元件的输入端的状态，该信号为低电平时使第一电容元件放电。
这里，参照图16，对于当端子T1、T2上输入周期信号时图9所示的信号处理电路的节点X1、X2与图15所示的信号处理电路的节点X11、X12中的电位变化进行说明。另外，在此仅对节点X1和节点X11的电位变化进行说明。
如图16所示，考虑重复Hi或Lo信号的周期信号向端子T1输入的情形，将会重复进行如下的变化Hi信号的输入开始时，构成CR延迟电路的电容元件C1上逐渐蓄积电荷，从而节点X1上的电位逐渐增加；Lo信号的输入开始时，构成CR延迟电路的电容元件C1的电荷逐渐被放电，从而节点X1上的电位逐渐变小。另一方面，在节点X11上的电位将会重复进行如下的变化Hi信号的输入开始时，构成CR延迟电路的电容元件C1上逐渐蓄积电荷而逐渐增加；Lo信号的输入开始时，构成CR延迟电路的电容元件C1的电荷就经由集电极开路型反相器91瞬间放电而瞬间减少。
另外，实际在节点X1、X11的各电位的波形，经由有预定阈值的比较器(未图示)来变换成矩形波(脉冲波形)。在这种比较器中，通过比设定阈值大时输出Hi信号，比该阈值小时输出Lo信号来形成矩形波。这里，比较器的阈值最好设定为Vcc/2。这样，节点X1、X11的电位的波形通过比较器，如图16所示，可变换成具有相互不同占空率的矩形波X1a、X11a。
依据这样的结构，由于能够瞬间放电保存在各电容元件上的电荷，可进行高效率地充电，同时图16的信号处理电路比图9的信号处理电路更能增加周期信号的波形密度，能够提高信号处理电路的精度。
接着，参照附图，对本发明的实施例1的变形例5进行说明。图17是表示变形例4的静电容式传感器对X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图17的信号处理电路与图1的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于作为逻辑元件，采用“或”元件来替代“异”元件。另外，其它的结构与图1的静电容式传感器相同，因此，用相同符号表示且省略说明。
在图17中，端子T1上输入的周期信号f(Φ)，通过由电容元件C1和电阻R1来构成的CR延迟电路，到达节点X1上。此时，在节点X1上的周期信号中，如图10所示，发生时间a的延迟。同样地，端子T2上输入的周期信号f(Φ+θ)，通过由电容元件C2和电阻R2来构成的CR延迟电路，到达节点X2。此时，在节点X2的周期信号上发生时间b的延迟。因此，与图9同样，在“或”元件84上输入与节点X1、X2上的周期信号相同波形的信号，在这些信号之间进行“或”运算，将其结果对端子T11a输出。这里，向端子T11a输出的信号是具有预定占空率的矩形波信号。
这里，向端子T11a输出的矩形波信号与向使用“异”元件时的端子T11输出的矩形波信号相比，占空率的值平均地变大，因此，可认为静电容式传感器的灵敏度降低。
因此，本例最好用于如下的场合当静电容式传感器的各部件由灵敏度非常高的材料制成时，通过信号处理电路的结构，调节静电容式传感器的灵敏度(此例中是使灵敏度下降)。
接着，参照附图，对本发明的实施例1的变形例6进行说明。图18是表示变形例5的静电容式传感器对X轴方向分量的信号处理电路的电路图。图18的信号处理电路与图1的静电容式传感器的信号处理电路的不同之处在于作为逻辑元件，采用“与”元件来替代“异”元件。另外，其它的结构与图1的静电容式传感器相同，因此用相同符号表示并省略说明。
在图18中，节点X1上的周期信号，如图10所示，发生时间a的延迟。同样，端子T2上输入的周期信号f(Φ+θ)，通过由电容元件C2和电阻R2来构成的CR延迟电路，使得在节点X2上的周期信号发生时间b的延迟。因此，与图9同样，在“与”元件85上输入与节点X1、X2的周期信号相同波形的信号，在这些信号之间进行“与”运算，将其结果对端子T11b输出。这里，对端子T11b输出的信号是具有预定占空率的矩形波信号。
这里，对端子T11b输出的矩形波信号，与采用“异”元件时对端子T11输出的矩形波信号相比较，占空率的值平均地变小，因此，可认为静电容式传感器的灵敏度降低。
因此，本例最好用于如下的场合当静电容式传感器的各部件由作为静电容式传感器时灵敏度非常高的材料制成时，通过信号处理电路的结构，调节静电容式传感器的灵敏度(此例中是使灵敏度下降)。
接着，参照附图，对本发明的实施例2进行说明。
图19是本发明的实施例2的静电容式传感器的侧剖面示意图。图20是图19的静电容式传感器的检测用按钮的俯视图。图21是形成于图19的静电容式传感器的基板上的多个电极的配置图。
静电容式传感器110设有基板120、检测用按钮130、位移电极140、基板120上形成的电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b、贴紧电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b且覆盖基板120上而形成的绝缘膜150、将检测用按钮130与位移电极140支持固定于基板120的支持构件160、为将检测用按钮130之间隔开而配置的盖壳170。
这里为了说明上的方便，如图所示，定义XYZ三维坐标系，参照该坐标系说明各部件的布置。即，在图19中，基板120上位移电极141的中心位置相对的位置定义为原点O，其右水平方向定义为X轴、垂直上方定义为Z轴、对纸面垂直进入的方向定义为Y轴。这里，基板120的表面规定XY平面，Z轴分别通过基板120上的电容元件用电极E105、检测用按钮131以及位移电极141的各中心位置。
基板120与基板20同样，是一般电路用的印刷电路板，本例中采用玻璃环氧树脂基板。另外，基板120还可以采用聚酰亚胺薄膜等薄膜状基板，由于薄膜状基板的场合具有柔软性，最好设置在具有足够刚性的支持基板上使用。
检测用按钮130由以原点为中心的圆形按钮131和布置在按钮131外侧的环形按钮132构成。这里，按钮131的直径小于或等于基准电极E100a的外径，按钮132外径大致与基准电极E100b的外径相同。
并且，在检测构件132的上面，如图20所示，分别对应于X轴与Y轴的正方向与负方向，就是说，对应于电容元件用电极E101～E104，形成对应于操作方向(光标移动方向)的箭头。
位移电极140用导电橡胶形成，由以原点为中心的圆形位移电极141和位移电极141外侧上布置的环形位移电极142构成。这里，位移电极141的直径与基准电极E100a的外径大致相同，位移电极142的外径与基准电极E100b的外径大致相同。并且，位移电极141上与电容元件用电极E105相对的面为凹凸面。
并且，支持构件160的一面，形成以Z轴为中心的、略大于位移电极141的、向下开口的圆形凹部和以Z轴为中心的、略大于位移电极142的宽度的、向下开口的环形凹部。然后，这些凹部的底面上分别粘附位移电极141或位移电极142。然后，在位移电极141和位移电极142之间，用间壁161隔开。另外，由于形成了间壁161，能够减少按钮131与按钮132的操作相互干涉的情形。并且，支持构件160的另一面上，对应于位移电极141的位置粘附按钮131，对应于位移电极142的位置上粘附按钮132。而且，在支持构件160的上面，设置盖壳170，以将按钮131和按钮132之间隔开。
并且，在基板120上，如图21所示，形成以原点O为中心的圆形电容元件用电极E105、其外侧上以原点O为中心的环形基准电极E100a、其再外侧上的扇形电容元件用电极E101～E104以及再外侧上以原点O为中心的环形基准电极E100b。电容元件用电极E101与E102，在X轴方向上隔离，相对于Y轴对称布置。并且，电容元件用电极E103与E104，在Y轴方向上隔离，相对于X轴对称布置。
这里，电容元件用电极E101对应于X轴正方向布置，另一方面，电容元件用电极E102对应于X轴负方向布置，它们用来检测所受来自外部的力的X轴方向分量。电容元件用电极E103对应于Y轴正方向布置，另一方面，电容元件用电极E104对应于Y轴负方向布置，它们用来检测所受来自外部的力的Y轴方向分量。再有，电容元件用电极E105设于原点O上，用来检测所受来自外部的力的Z轴方向分量。
并且，电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b，利用通孔等分别与端子T101～T105、T100a、T100b(参照图22)连接，并通过端子T101～T105、T100a、T100b与外部电路相连接。另外，这里基准电极E100a、E100b经由端子T100a、T100b分别接地。
并且，绝缘膜150贴紧基板120上的电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b，覆盖基板120上而形成。因此，由铜等形成的电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b不会暴露在空气中，具有防止这些电极被氧化的功能。并且，由于形成绝缘膜150，电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b将不会与位移电极140直接接触。
因此，电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b，各自与位移电极140之间形成电容元件。另外，电容元件用电极E105与基准电极E100a，各自与位移电极141之间形成电容元件，而且，电容元件用电极E101～E104与基准电极E100b，各自与位移电极142之间形成电容元件。
接着，参照附图，对如所述结构的本实施例的静电容式传感器110的动作进行说明。图22是图19所示的静电容式传感器结构的等效电路图。图23是关于从输入图19所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
首先，参照图22，对静电容式传感器110结构的等效电路结构进行说明。在基板120上形成的电容元件用电极E105与基准电极E100a，与位移电极141相对，在作为公共电极的可位移的位移电极141和固定的单个电容元件用电极E105以及基准电极E100a之间分别形成电容元件C105、C100a。并且，电容元件用电极E101～E104与E100b，与位移电极142相对，在作为公共电极的可位移的位移电极142和固定的单个电容元件用电极E101～E104以及E100b之间分别形成电容元件C101～C104以及C100b。因此，电容元件C101～C105、C100a、C100b可以是具有由位移电极141或位移电极142位移而产生静电容量值变化的结构的可变电容元件。
电容元件C101～C105、C100a、C100b的各静电容量值，作为位移电极141和分别与电容元件用电极E105与基准电极E100a连接的端子T105、T100a之间，或者作为位移电极142和分别与电容元件用电极E101～E104与基准电极E100b连接的端子T101～T104和T100b之间的静电容量值，能够分别独立测量。
这里，由于基准电极E100a经由端子T100a接地，作为电容元件C105、C100a上的公共电极的位移电极141，可认为经由电容元件C100a与端子T100a接地。就是说，电容元件C100a将位移电极141和端子T100a电容元件耦合。同样，由于基准电极E100b经由端子T100b接地，作为电容元件C101～C104、C100b上的公共电极的位移电极142，可认为经由电容元件C100b与端子T100b接地。就是说，电容元件C100b将位移电极142和端子T100b电容元件耦合。
接着，参照图23，对于从电容元件C101～C105、C100a、C100b的各静电容量值的变化导出表示对按钮130的来自外部的力大小与方向的输出信号的方法进行说明。这里，输出信号Vx、Vy、Vz分别表示所受来自外部的力的X轴、Y轴与Z轴方向分量的大小与方向。
另外，图23所示的电容元件C106，平时为保持一定的静电容量值而在基板120的下面形成，且构成电容元件C106的一方的电极与端子T106连接，另一方的电极接地。该电容元件C106，与电容元件C105共同用以导出所受来自外部的力的Z轴方向分量的输出信号Vz。这里，为了导出输出信号Vx、Vy、Vz，与图5中的说明一样，总是对端子T101～T106输入时钟信号等周期信号。例如，两个电容元件C101和C100b对端子T101上输入的周期信号构成串联连接关系。同样，两个电容元件C102和C100b对端子T102上输入的周期信号构成串联连接关系，两个电容元件C103和C100b对端子T103上输入的周期信号构成串联连接关系，两个电容元件C104和C100b对端子T104上输入的周期信号构成串联连接，两个电容元件C105和C100a对端子T105上输入的周期信号构成串联连接。
在端子T101～T106上输入周期信号的状态下检测用按钮130受来自外部的力而位移时，位移电极141或位移电极142随之发生位移。这样，构成电容元件C101～C105的电极间隔发生变化，改变电容元件C101～C105的各静电容量值。从而，端子T101～T106上输入的周期信号的相位上发生偏移。由此，利用周期信号上发生的相位偏移，可得到表示按钮131或按钮132所受来自外部的力的X轴、Y轴以及Z轴方向的大小与方向的输出信号Vx、Vy、Vz。另外，对于详细的导出方法，与图1的静电容式传感器的信号处理电路的说明相同，因此省略其说明。
如上所述，本实施例的静电容式传感器110，由于用以构成多个电容元件C101～C105、C100a与C100b的位移电极141、142，与接地或保持一定电位的基准电极E100a、E100b电容元件耦合，因此，改善了传感器110的耐压特性，几乎不发生因流过尖脉冲电流而传感器损坏的情形；同时由于能够防止连接不良等不良情况，可得到可靠性高的静电容式传感器110。并且，电容元件C101、C100b；C102、C100b；…；C105、C100a分别对周期信号构成串联连接关系，因此，只要在支持电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b的基板120上设置布线，将不需要另外设置用以将位移电极141、142接地或保持一定电位的布线。因此，能够以较少的制造工序制造结构简单的静电容式传感器。
并且，可形成多个电容元件用电极E101～E105，能够分别获知检测构件131、132所受来自外部的力的X轴、Y轴以及Z轴方向的各分量。并且，由于位移电极141的、与电容元件用电极E105和基准电极E100a相对的面形成为凹凸面，且与电容元件用电极E105相对而形成电容元件C105，使得该电容元件C105的静电容元件的变化更细小，能够提高对所受来自外部的力的检测精度。
这里，由于能够向成对的电容元件用电极(E101与E102、E103与R104)供给相互不同相位的信号，使通过电路导致的信号的相位偏移变大，而且，由于使用利用了逻辑元件的信号处理电路，能够高精度检测该信号。
并且，由于检测构件130分别对应于电容元件用电极E101～E104和电容元件用电极E105加以分割，能够明确地分离所受来自外部的力的X轴方向和Y轴方向以及Z轴方向的各分量，因此，能够减轻不同方向的分量相互干扰的情形，并可减少误操作。
并且，由于绝缘膜150贴紧电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b并覆盖于基板120上而形成，能够防止电容元件用电极E101～E105与基准电极E100a、E100b暴露于空气而使电极表面被氧化的情形。
并且，由于位移电极140与支持构件160由弹性材料形成，检测构件130所受的来自外部的力对位移电极140的传递性变好且改善操作性，同时通过缓冲所受来自外部的力的冲击，能够减轻静电容式传感器的损伤。
接着，参照附图，对本发明的实施例3进行说明。
图24是与本发明的其它实施例相关的静电容式传感器的侧剖面示意图。图25是图24的静电容式传感器的检测用按钮的俯视图。图26是图24的静电容式传感器基板上形成的多个电极的配置图。
静电容式传感器中210设有基板220、检测用按钮230、位移电极240、基板220上形成的电容元件用电极E201～E204、开关用固定电极E205、开关用可动电极E208、基准电极E200、贴紧电容元件用电极E201～E204且覆盖基板220而形成的绝缘膜250、贴紧开关用可动电极E208且覆盖绝缘膜250而形成的绝缘膜251、在基板220上支持固定检测用按钮230与位移电极240的支持构件260以及为将检测用按钮230之间隔开而设置的盖壳270。
这里为了方便说明，如图所示，定义XYZ三维坐标系，并参照该坐标系进行各部件布置的说明。即，在图24中，与基板220上的位移电极240的中心位置相对的位置定义为原点O，将其右水平方向定义为X轴，其垂直上方定义为Z轴，对纸面垂直进入的方向定义为Y轴。这里，基板220的表面规定XY平面，Z轴分别通过基板220上的电容元件用电极E205、检测用按钮231以及位移电极240的各中心位置。
基板220与基板20同样，是一般电路用的印刷电路板，本例中使用玻璃环氧树脂基板。并且，作为基板220，可以使用聚酰亚胺薄膜等薄膜状基板，但由于薄膜状的基板具有柔软性，最好设在具有足够刚性的支持基板上而使用。
检测用按钮230是由以原点为中心的圆形按钮231和在按钮231的外侧、以原点为中心的环上布置的按钮232构成。另外，检测用按钮230，与图8所示的检测用按钮130形状相同。这里，按钮231的直径大致等于或小于基准电极E200的外径，按钮232的外径跟连接电容元件用电极E201～E204的各外侧曲线连接而成的圆的直径大致相同。
并且，按钮232的上面，如图25所示，对应于X轴与Y轴的各正方向与负方向，即对应于电容元件用电极E201～E204，形成对应于操作方向(光标移动方向)的箭头。
位移电极240，由导电橡胶形成，它是其直径与按钮232的外径相同的圆盘形，由随着按钮232的位移而位移的位移部分241和在位移电极240的下面，与开关用可动电极E208相对而形成的凸部245构成。
支持构件260的下面，形成以Z轴为中心的向下开口的圆形凹部。凹部的直径略大于位移电极240的直径，在凹部的底面上粘附位移电极240。并且，支持构件260的上面，对应于位移电极241的位置上粘附检测用按钮232，对应于凸部245的位置上粘附按钮231。再有，在支持构件260的上面设有将按钮231和按钮232之间隔开的盖壳270。
并且，基板220上，如图26所示，形成以原点O为中心的圆形的电容元件用电极E205、在其外侧以原点O为中心的环形基准电极E200、再外侧上的扇形电容元件用电极E201、E202、E203、E204。电容元件用电极E201与E202，在X轴方向上隔离，相对Y轴对称布置。而且，电容元件用电极E203与E204，在Y轴方向上隔离，相对X轴对称布置。
这里，电容元件用电极E201对应于X轴的正方向布置，另一方面，电容元件用电极E202对应于X轴的负方向布置，用以检测所受来自外部的力的X轴方向分量。并且，电容元件用电极E203对应于Y轴的正方向布置，另一方面，电容元件用电极E204对应于Y轴的负方向布置，用以检测所受来自外部的力的Y轴方向分量。而且，开关用固定电极E205布置在原点O上，与开关用可动电极E208一起用于输入等的确定操作。
并且，电容元件用电极E201～E205与基准电极E200，利用通孔等分别与端子T200～T205(参照图27)连接，且可通过各端子T200～T205来与外部电路连接。另外，基准电极E200经由端子T200接地。
并且，绝缘膜250贴紧基板220上的电容元件用电极E201～E204，且覆盖除基板220上的开关用可动电极E208之外的部分而形成，再有，绝缘膜251贴紧开关用可动电极E208，且覆盖绝缘膜250上而形成。因此，由铜等形成的电容元件用电极E201～E204不会暴露在空气中，具有可防止这些电极被氧化的功能。并且，由于形成了绝缘膜250与绝缘膜251，将不会发生基准电极E200与开关用可动电极E208直接与位移电极240接触的情形。
因此，电容元件用电极E201～E204与开关用可动电极E208(基准电极E200)，分别与位移电极240之间形成电容元件。另外，电容元件用电极E201～E204，与位移电极240的位移部分241之间分别形成电容元件，而且，开关用可动电极E208，与位移电极240的凸部245之间形成电容元件。
接着，参照附图，对如上述构成的本实施例的静电容式传感器210的操作进行说明。图27是对图24所示的静电容式传感器结构的等效电路图。图28是关于从输入图24所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。
首先，参照图27，对等效于静电容式传感器210结构的电路结构进行说明。基板220上形成的电容元件用电极E201～E204与基准电极E200(开关用可动电极E208)，和位移电极240相对，在作为公共电极的可位移的位移电极240和固定的个别的电容元件用电极E201～E204与E200之间，分别形成电容元件C200～C204。电容元件C201～C204，可以为是由位移电极240的位移而改变静电容量值的结构的可变电容元件。并且，与基准电极E200连接的开关用可动电极E208和开关用固定电极E205之间，形成随着按压按钮231的动作而断开与闭合的开关。
电容元件C200～C204的各静电容量值可作为位移电极240和分别与电容元件用电极E201～E204与基准电极E200连接的端子T200～T204之间的静电容量值，能够分别独立测量。这里，由于基准电极E200通过端子T200接地，电容元件C200～C204上作为公共电极的位移电极240，可认为通过电容元件C200与端子T200接地。就是说，电容元件C200具有将位移电极240与端子T200电耦合的功能。
接着，参照图28，对于从电容元件C200～C204的各静电容量值变化，导出表示对按钮232所受的来自外部的力的大小与方向的输出信号的方法进行说明。这里，输出信号Vx、Vy分别表示所受来自外部的力的X轴方向分量与Y轴方向分量的大小与方向。
这里，为了导出输出信号Vx、Vy，与图5中的说明一样，对端子T201～T104，输入通常的时钟信号等周期信号。例如，两个电容元件C201和C200对于端子T201上输入的周期信号构成串联连接关系。同样，两个电容元件C202和C200对于端子T202上输入的周期信号构成串联连接关系，两个电容元件C203和C200对于端子T203上输入的周期信号构成串联连接关系，两个电容元件C204和C200对于端子T204上输入的周期信号构成串联连接关系。
在端子T201～T204上输入周期信号的状态下，按钮232受来自外部的力而位移时，位移电极240的位移部分241随之发生位移，改变构成电容元件C201～C204的电极之间的间隔。这样，电容元件C201～C204的各静电容量值发生变化，端子T201～T204上输入的周期信号的相位上发生偏移。如此，利用周期信号上产生的相位偏移，能够得到表示按钮232所受的外部的力的X轴方向与Y轴方向的大小与方向的输出信号Vx、Vy。另外，详细的导出方法与图1的静电容式传感器中的信号处理电路的说明相同，因此省略其说明。
如上所述，本实施例的静电容式传感器210，由于用以构成多个电容元件C00～C204的位移电极240，与接地或保持一定电位的基准电极E200的电容元件耦合，改善传感器210的耐压特性，基本不会发生因流过尖脉冲电流而传感器损坏的情形，同时由于可防止连接不良等不良情况，能够得到可靠性高的静电容式传感器210。并且，对于周期信号，电容元件C201、C200；C202、C200；…；C204、C200分别构成串联连接关系，因此，如果仅在支持电容元件用电极E201～E204与基准电极E200的基板220上设置布线，将不需要另设用以将位移电极240接地或保持一定电位的布线。因此，能够以较少的制造工序制造结构简单的静电容式传感器。
并且，形成多个电容元件用电极E201～E204，能够分别获知检测构件231所受的来自外部的力的X轴方向与Y轴方向的分量。再有，由于位移电极240以凸起245为支点倾斜位移，能够容易检测X轴或Y轴方向的分量。并且，能够制作装有确定操作用的开关的输入装置，当进行确定操作时，由于能够得到明确的操作触感，可防止误操作。
这里，由于能够向成对的电容元件用电极(E201与E202、E203与E204)供给相互不同相位的信号，使通过电路而产生的信号相位偏移变大，而且，由于使用采用了逻辑元件的信号处理电路，能够高精度检测该信号。
并且，由于检测构件230分别对应于电容元件用电极E201～E204和E205分割，能够明确地分离所受来自外部的力的X轴方向与Y轴方向和Z轴方向的各分量，因此能够减轻不同方向的成分相互干扰的情形，可减少误操作。
并且，由于贴紧电容元件用电极E201～E204与开关用可动电极E208，且覆盖基板220上而形成绝缘膜250、251，能够防止电容元件用电极E201～E204与开关用可动电极E208暴露于空气而使电极表面被氧化的情形。并且，可通过利用绝缘膜250、251在基准电极E200上容易地固定开关用可动电极E208。
并且，由于位移电极240与支持构件260由弹性材料形成，检测构件230所受的来自外部的力对位移电极240的传递性变好并改善其操作性，同时通过缓冲所受来自外部的力的冲击，能够减轻静电容式传感器的损坏可能。
接着，参照附图，对本发明的实施例4进行说明。
图29是与本发明另一实施例的静电容式传感器的侧剖面示意图。图30是与图29的静电容式传感器的基板平行布置的电极配置图。图31是图29的静电容式传感器的基板上形成的多个电极的配置图。
静电容式传感器310中设有基板320、检测构件330、导电构件340、基板320上形成的电容元件用电极E301～E304与基准电极E300、将导电构件340支持固定在基板320上的支持机构360、贴紧电容元件用电极E301～E304与基准电极E800并覆盖基板320上而形成的绝缘膜350、贴紧导电构件340并覆盖作为支持机构360的一个部件的支持构件361上而形成的绝缘膜351、设置在导电构件340和电容元件用电极E301～E304与基准电极E300之间的绝缘构件380。另外，支持机构360中含有含通孔362的支持构件361、隔环363、螺钉364，隔环363是直径比基准电极E300的外径更大的环形部件，其高度大致与绝缘构件380和绝缘膜350、351的厚度之和相同。
为了说明上的方便，如图所示，定义XYZ三维坐标系，参照该坐标系进行各部件的设置说明。即，在图29中，在基板320上定义原点O，将其右水平方向定义为X轴，垂直上方定义为Z轴，对纸面垂直进入的方向定义为Y轴。这里，基板320的表面规定XY平面，Z轴分别通过基板320上的电容元件用电极E301～E304、基准电极E300、检测构件330(无来自外部的力作用时的状态)、导电构件340以及通孔362的各中心位置。
基板320是一般的电路用印刷电路板，本例中使用玻璃环氧树脂基板。并且，作为基板320，可以使用聚酰亚胺薄膜等薄膜状基板，但由于薄膜状基板的场合具有柔软性，最好设置在具有足够刚性的支持基板上使用。
检测构件330形成受力部分的圆筒形状，可在支持构件361的通孔362的范围内相对基板320平行移动。另外，为了改善操作性能，可以适当改变检测构件330的形状。
并且，在基板320上，如图30所示，形成以原点O为中心的扇形电容元件用电极E301～E304和其再外侧上以原点O为中心的环形基准电极E300。电容元件用电极E301与E302，在X轴方向上隔离，相对Y轴对称布置。并且，电容元件用电极E303与E304，在Y轴方向上隔离，相对X轴对称布置。另外，基准电极E300，也可以形成在电容元件用电极E301～E304的内部。
导电构件340是以Z轴为中心的环形电极，其内径与电容元件用电极E301～E304的内径相同，外径与基准电极E300的外径相同，在支持构件361的下面，可与电容元件用电极E301～E304与基准电极E300相对粘接。
绝缘膜350贴紧基板320上的电容元件用电极E301～E304与基准电极E300并覆盖基板320上而形成。另外，绝缘膜351贴紧导电构件340并覆盖支持构件361上而形成。因此，由铜等形成的导电构件340、电容元件用电极E301～E304以及基准电极E300，不会暴露在空气中，具有防止这些电极被氧化的功能。
绝缘构件380是外径比电容元件用电极E301～E304的外径小的圆盘形部件，被绝缘膜350和绝缘膜351挟持，与绝缘膜350、351相接地设置。并且，在绝缘构件380上面的中心位置上，粘附检测构件330。这里，绝缘构件380是用合成树脂一体成形的部件，这种合成树脂最好使用表面摩擦系数小的树脂。另外，绝缘构件380的形状，要考虑电容元件用电极E301～E304与基准电极E300的形状与布置，也可以适当加以改变。
这里，电容元件用电极E301对应于X轴的正方向设置，另一方面，电容元件用电极E302对应于X轴的负方向设置，用于检测所受来自外部的力的X轴方向分量。电容元件用电极E303对应于Y轴的正方向设置，另一方面，电容元件用电极E304对应于Y轴的负方向设置，用于检测所受来自外部的力的Y轴方向分量。
并且，电容元件用电极E301～E304与基准电极E300利用通孔等，分别与端子T300～T304(参照图32)连接，通过端子T300～T304可与外部电路连接。另外，基准电极E300通过端子T300接地。
这样，电容元件用电极E301～E304与基准电极E300，分别与导电构件340之间形成电容元件C300～C304。另外，导电构件340和电容元件用电极E301～E304与基准电极E300之间的介电常数，随着在各电极之间的绝缘构件380的位移而发生变化，电容元件C300～C304的各静电容量值也随之变化。
接着，参照附图，对如所述结构的本实施例的静电容式传感器310的动作进行说明。图32是对图29所示的静电容式传感器结构的等效电路图。图33是关于从输入图29所示的静电容式传感器的周期信号导出输出信号的方法的说明图。图34是对图29所示的静电容式传感器的检测构件没有外部操作时的电容元件用电极和绝缘构件的位置关系的示意图。图35是对图29所示的静电容式传感器的检测构件进行沿X轴正方向的操作时的电容元件用电极和绝缘构件的位置关系的示意图。
首先，参照图32，对等效于静电容式传感器310结构的电路结构进行说明。基板320上形成的电容元件用电极E301～E304与基准电极E300与导电构件340相对，在作为公共电极的固定的导电构件340和固定的个别的电容元件用电极E301～E304与基准电极E300之间形成电容元件C300～C304。各电容元件C300～C304可以是具有由导电构件340和电容元件用电极E301～E304与基准电极E300之间的绝缘构件380的位移而改变静电容量值的结构的可变电容元件。
作为导电构件340和分别与电容元件用电极E301～E304与基准电极E300连接的端子T301～T304之间的静电容量值，电容元件C300～C304的各静电容量值能够分别独立测量。这里，基准电极E300通过端子T300接地，可认为电容元件C301～C304上作为公共电极的导电构件340经由电容元件C300与端子T300接地。就是说，电容元件C300具有将导电构件340与端子T300电连接的功能。
接着，参照图33，对于从电容元件C301～C304的各静电容量值变化，导出表示检测构件330所受的来自外部的力大小与方向的输出信号的方法进行说明。这里，输出信号Vx、Vy分别表示所受来自外部的力的X轴方向分量与Y轴方向分量的大小与方向。
这里，为了导出输出信号Vx、Vy，对于端子T301～T304，输入通常的时钟信号等的周期信号。例如，两个电容元件C301和C300对于端子T301上输入的周期信号成为串联连接。同样，两个电容元件C302和C300对于端子T302上输入的周期信号成为串联连接，两个电容元件C303和C300对于端子T303上输入的周期信号成为串联连接，两个电容元件C304和C300对于端子T304上输入的周期信号构成串联连接关系。
在端子T301～T304上输入周期信号的状态下，检测构件330受来自外部的力而位移时，绝缘构件380随之在XY平面内的移动。这样，按照绝缘构件380的端部位置，电容元件用电极和导电构件340之间的合成介电常数发生变化，使得电容元件C301～C304的各静电容量值发生变化，端子T301～T304上输入的周期信号的相位上发生偏移。这样，利用周期信号中产生的相位偏移，可得到表示检测构件330所受的来自外部的力的X轴方向与Y轴方向的大小与方向的输出信号Vx、Vy。另外，对于详细的导出方法，与图1的静电容式传感器中的信号处理电路的说明相同，因此省略其说明。
接着，考虑图29所示的检测构件330上无力的作用时的状态下，在检测构件330上进行向X轴正方向操作的情形。
首先，检测构件330上无操作时的电容元件用电极E301～E304和绝缘构件380的位置关系，如图34所示，电容元件用电极E301～E304的从各内径侧到外径侧的方向的宽度的约一半的范围(图中斜线部分)被重叠。
在图34中，电容元件用电极E301～E304和绝缘构件380相互重叠的部分的面积设为S1，电容元件用电极E301～E304和绝缘构件380的不重叠的部分的面积设为S2时，各电容元件C301～C304的静电容量值均为相同的值，如下所示。
C301＝C302＝C303＝C304＝ε1·S1/d+ε·S2/d这里，各电容元件C301～C304的电极间的间隔为d、空气中的介电常数为ε、绝缘构件380的介电常数为ε1。另外，由于绝缘膜350、351的厚度与d相比非常小，且在各电极间均匀形成，这里为了简化而将其忽略。
接着，考虑检测构件330上进行沿X轴正方向的操作的场合。此时，随着检测构件330沿X轴正方向操作，绝缘构件380沿X轴正方向位移。此时的电容元件用电极E301～E304和绝缘构件380的位置关系，如图35所示，对应于X轴正方向的电容元件用电极E301和绝缘构件380重叠部分的面积增加，另一方面，对应于X轴负方向的电容元件用电极E302和绝缘构件380的重叠部分的面积减少。并且，此时，对应于Y轴正方向的电容元件用电极E303与对应于Y轴负方向的电容元件用电极E304分别与绝缘构件380重叠的部分的面积可认为大致不变。
在图35中，电容元件用电极E301与E302分别与绝缘构件380重叠的部分的面积分别设为S3、S5，电容元件用电极E301与E302和绝缘构件380的不重叠的各部分的面积分别设为S4、S6时，各电容元件C301与C302的静电容量值成为不同的值，如下所示。
C301＝ε1·S3/d+ε·S4/dC302＝ε1·S5/d+ε·S6/d这里，电容元件的静电容量值与构成电容元件的电极之间的介电常数和电极的面积一般成比例。因此，当绝缘构件380的介电常数ε1比空气中的介电常数ε更小时的电容元件C301与C302的静电容量值的大小关系，如下所示。
C301＜C302另一方面，当绝缘构件380的介电常数ε1比空气中的介电常数ε更大时的电容元件C301与C302静电容量值的大小关系，如下所示。
C302＜C301再有，绝缘构件380的介电常数ε1一般比空气中的介电常数ε更大。
此时，端子T301与T302上输入的各周期信号A与周期信号B的相位上发生偏移，通过读取该相位偏移来导出输出信号Vx。
如上述，本实施例的静电容式传感器310，由于为了构成多个电容元件C300～C304而共用的导电构件340，通过电容元件耦合来与接地或保持一定电位的基准电极E300电连接，改善传感器310的耐压特性，大致不会发生因流过尖脉冲电流而使传感器损坏的情形，同时由于能够防止连接不良等情况，能够得到可靠性高的静电容式传感器310。并且，对于周期信号电容元件C301、C300；C302、C300；…；C304、C300分别构成串联连接关系，因此，仅在支持电容元件用电极E301～E304与基准电极E300的基板320上设置布线时，将不需要另外设置用以将导电构件340接地或保持一定电位的布线。因此，能够以较少的制造工序制造结构简单的静电容式传感器。
并且，可形成多个电容元件用电极E301～E304，能够分别获知检测构件330所受的来自外部的力的X轴方向与Y轴方向的各分量。
这里，由于能够向成对的电容元件用电极(E301与E302、E303与E304)供给相互不同相位的信号，使通过电路导致的信号的相位偏移变大，而且，由于使用利用逻辑元件的信号处理电路，能够高精度检测该信号。
并且，由于贴紧电容元件用电极E300～E304与导电构件340，且可覆盖基板320或支持构件361上而形成绝缘膜350，351，能够防止电容元件用电极E300～E304与导电构件340暴露于空气中，使电极表面被氧化的情形。
另外，以上对本发明的适当的实施例进行说明，但本发明并不限于所述的实施例，只要在权利要求的范围内，可进行各种设计变更。例如，所述实施例中，检测构件和导电构件是以个别的部件来形成，但可以将这些形成为一体。因此，检测构件或导电构件均可以由导电构件来形成。
并且，所述实施例1至实施例3中，随着检测构件沿Z轴方向移动而使位移电极(导电构件)沿Z轴方向位移，但也可以通过移动具有柔软性的基板的里侧(与基准电极相反侧)上设置的检测构件来使电容元件用电极沿Z轴方向位移。
并且，所述实施例4中，固定电容元件用电极与导电构件，通过在XY平面内移动检测构件来使绝缘构件在XY平面内位移，但也可以与之相反，固定绝缘构件，通过移动检测构件来使电容元件用电极与导电构件在XY平面内位移。另外，绝缘构件可以不用单一部件来形成，例如，可以接合同心圆形的、不同介电常数的多个部件来形成等，改变了绝缘构件的结构的场合也可以得到同样的效果。
并且，在所述实施例中，至少对应于X轴方向、Y轴方向、Z轴方向中的两个方向来形成电容元件用电极，但也可只为了检测用途所要求的方向分量来形成电容元件用电极。
并且，在所述实施例中，采用了在静电容式传感器的检测构件上检测通过手直接作用力的力传感器，但可以采用检测对检测构件经由其它部件作用力的传感器。因此，例如，也可以作为位置传感器，其连接部件的一端连接在检测构件上，用来检测另一端上连接的位置检测对象物的位置。而且，这时候，可以去除连接部件，可在位置检测对象物上粘附检测构件，也可以在位置检测对象物上直接粘附导电构件或绝缘构件。
本发明耐压特性好、制造工艺简单，最合适作为个人电脑、携带电话、游戏机等的输入装置使用的静电容式传感器。
权利要求
1.一种静电容式传感器，其特征在于，设有定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的导电构件，与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，与所述导电构件之间形成第二电容元件的接地或保持一定电位的基准电极，以及能够随着沿Z轴方向的移动使所述导电构件或所述电容元件用电极沿Z轴方向位移的检测构件；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极上的信号构成串联连接关系，通过检测因所述导电构件和所述电容元件用电极之间的间隔变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
2.一种静电容式传感器，其特征在于，设有定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的基板，与所述基板相对的检测构件，位于所述基板和所述检测构件之间，随着所述检测构件沿Z轴方向的位移而沿Z轴方向位移的导电构件，形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成电容元件的第一电容元件用电极，以及形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成第二电容元件的接地或保持一定电位的基准电极；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极上的信号构成串联连接关系，通过检测因所述导电构件和所述电容元件用电极之间的间隔变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
3.一种静电容式传感器，其特征在于，设有定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的导电构件，与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，与所述导电构件之间形成第二电容元件的接地或保持一定电位的基准电极，位于所述导电构件和所述电容元件用电极之间的绝缘构件，以及能够随着沿XY平面的移动使所述绝缘构件或所述导电构件与所述电容用元件沿XY平面位移的检测构件；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极上的信号构成串联连接关系，通过检测在所述导电构件和所述电容元件用电极之间因所述绝缘构件相对XY平面的端部位置变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
4.一种静电容式传感器，其特征在于设有，定义XYZ三维坐标系时规定XY平面的基板，与所述基板相对的检测构件，与所述基板相对的导电构件，形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成第一电容元件的电容元件用电极，形成于所述基板上的、与所述导电构件之间形成第二电容元件的接地或保持一定电位的基准电极，以及位于所述导电构件和所述电容元件用电极之间的、设置得能够随着所述检测构件沿XY平面的位移相对于所述基板平行移动的绝缘构件；所述第一电容元件和所述第二电容元件对于输入到所述电容元件用电极上的信号构成串联连接关系，通过检测在所述导电构件和所述电容元件用电极之间因所述绝缘构件相对于XY平面的端部位置变化而产生的所述第一电容元件的静电容量值的变化，能够获知所述检测构件的位移。
5.如权利要求1至4中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于形成一个所述基准电极。
6.如权利要求1至4中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于形成多个所述基准电极。
7.如权利要求1至6中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于形成多个所述电容元件用电极。
8.如权利要求1至7中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于设有成对的两个所述电容元件用电极，含该对电容元件用电极中的一方的电路与含其中另一方的电路，被供给相位互不相同的信号。
9.如权利要求1至8中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于设有成对的两个所述电容元件用电极，含有该对电容元件用电极中的一方的CR电路和含有其中另一方电极的CR电路之间的时间常数不同。
10.如权利要求1至9中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述信号是周期地重复高电平与低电平的信号，并设有控制元件，它具有当所述信号为低电平时使所述第一电容元件放电之功能。
11.如权利要求10所述的静电容式传感器，其特征在于所述控制元件采用集电极开路型反相器元件。
12.如权利要求1至11中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于设有成对的两个所述电容元件用电极，分别向包含该对电容元件用电极中的一方的电路与包含其中另一方的电路输入的信号的输出信号，由采用逻辑元件的信号处理电路加以检测。
13.如权利要求12所述的静电容式传感器，其特征在于所述逻辑元件进行“异”运算。
14.如权利要求12所述的静电容式传感器，其特征在于所述逻辑元件进行“或”运算。
15.如权利要求12所述的静电容式传感器，其特征在于所述逻辑元件进行“与”运算。
16.如权利要求1至15中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于还设有贴紧所述电容元件用电极与所述基准电极并将它们覆盖而形成的绝缘膜。
17.如权利要求2所述的静电容式传感器，其特征在于所述电容元件用电极包括相对Y轴对称设置的一对第一电容元件用电极和相对X轴对称设置的一对第二电容元件用电极，所述电容元件用电极还包括设置在原点旁的第三电容元件用电极。
18.如权利要求17所述的静电容式传感器，其特征在于在所述导电构件上与所述第三电容元件用电极相对的位置处形成凸起。
19.如权利要求17或18所述的静电容式传感器，其特征在于所述检测构件，分别对应于所述第一电容元件用电极、所述第二电容元件用电极与所述第三电容元件用电极加以分割。
20.如权利要求17或18所述的静电容式传感器，其特征在于所述检测构件，分别对应于所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极和所述第三电容元件用电极加以分割。
21.如权利要求17至20中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述导电构件上与所述电容元件用电极相对的面成为凹凸面。
22.如权利要求17至21中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述导电构件上含有，随着所述检测构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连接所述位移部分和所述固定部分的连接部分；所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极，形成于所述第三电容元件用电极的外侧；所述基准电极形成于所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极的外侧。
23.如权利要求17至21中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述基准电极含有，分别接地或保持一定电位的第一基准电极与第二基准电极；所述导电构件，分别对应于所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极和所述第三电容元件用电极加以分割；所述第一基准电极，形成于所述第三电容元件用电极的外侧；所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极，形成于所述第一基准电极的外侧；所述第二基准电极，形成于所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极的外侧。
24.如权利要求17至21中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述基准电极，形成于所述第三电容元件用电极的外侧；所述第一电容元件用电极与所述第二电容元件用电极，形成于所述基准电极的外侧；设有第四电容元件用电极，该电极与所述基准电极相接触，与所述第三电容元件用电极隔离但将其覆盖，通过所述导电构件随所述检测构件受外力位移而产生的位移与所述第三电容元件用电极相接触。
25.如权利要求17至24中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述检测构件和所述导电构件形成为一体。
26.如权利要求17至25中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于所述导电构件由弹性体形成。
27.如权利要求17至26中任一项所述的静电容式传感器，其特征在于还设有用以支持所述导电构件的支持构件，所述支持构件由弹性体形成。
全文摘要
在基板(20)上形成电容元件用电极(E1～E5)与接地的基准电极(E0)。在与这些电极(E0～E5)相对的位置上，设置随着外部操作的检测构件(30)沿Z轴方向移动而沿Z轴方向位移的位移电极(40)。位移电极(40)和电容元件用电极(E1～E5)与基准电极(E0)之间分别形成电容(C0～C5)。各电容元件(C1～C5)对于外部输入的信号和电容元件(C0)构成串联连接关系，通过检测检测构件(30)移动时的电容元件(C1～C5)的静电容量值的变化来获知检测构件(30)的位移。
文档编号G06F3/033GK1479858SQ00820128
公开日2004年3月3日 申请日期2000年12月27日 优先权日2000年11月30日
发明者森本英夫 申请人:新田株式会社