JP4591941B2 - 容量素子を用いた力検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量素子を用いた力検出装置に関し、特に、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定の操作量を示す操作入力を行うための入力装置などへの利用に適した力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、利用者による所定の操作入力を受け付け、この操作入力に基づいてプログラムが進行する。通常、この種の操作入力は、ディスプレイ画面上に表示されるカーソルやその他の指標を見ながら行うことが多く、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向の方向を示す入力が求められるのが一般的である。このような方向性をもった入力を行うために、いわゆるジョイスティックと呼ばれているタイプの装置が利用されている。この種の装置は、通常、二次元力検出装置を内蔵しており、加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分をそれぞれ別個に検出することにより、加えられた操作入力の方向と操作量とを検出することになる。たとえば、Ｘ軸方向成分が＋５であるような操作入力は、右方向に５という操作量を示し、Ｙ軸方向成分が−８であるような操作入力は、下方向に８という操作量を示すことになる。もちろん、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを合成する演算を行うことにより、斜め方向に加えられた操作入力の検出も可能である。
【０００３】
また、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、上述したような方向性をもった操作入力とともに、クリック入力が要求される。このクリック入力は、基本的には、ＯＮ／ＯＦＦの二値状態を示す入力であるが、操作者に対してクリック操作を行ったという感触（いわゆるクリック感）を与えることが重要であり、ある程度のストロークを確保するとともに指先から加えられる押圧力に対する反力を作用させる必要がある。このようなクリック感をもったＯＮ／ＯＦＦ入力を行うのに適したスイッチとして、ゴムや金属などの弾性材料の弾力性を利用したスイッチが一般的に用いられており、クリック入力とともに所定方向への操作入力を行う機能をもった力検出装置が実用されている。
【０００４】
比較的安価な電子機器用の入力装置としては、容量素子を用いた力検出装置が利用されることが多い。容量素子を利用した力検出装置は、一対の電極の間隔が外力の作用により変化するような構造を採り、この電極間隔を容量素子の静電容量値として電気的に検出することにより作用した外力を求めることができる。このように、容量素子を用いた力検出装置の基本的な構成要素は一対の電極であり、構造が単純で部品コストが安いというメリットが得られる。このため、容量素子を用いた力検出装置は、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器用入力装置として広く利用されるに至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
容量素子の静電容量値Ｃを電気的に検出する方法としては、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するためのＣ／Ｖ変換回路を用いる方法や、静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するためのＣ／ｆ変換回路を用いる方法などが知られている。しかしながら、一般的なＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路は、内部に発振回路を有しており、動作中の消費電力が比較的大きくなるという問題がある。このため、従来の容量素子を用いた力検出装置を種々の電子機器に組み込むと、全体的に電力消費が増大するという問題が生じていた。特に、内蔵電池で動作する携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、電池の消耗をできるかぎり抑えるような設計が望まれており、容量素子を用いた力検出装置は、コストの点では大きなメリットがあるものの、消費電力の点では大きなデメリットを抱えていた。
【０００６】
もちろん、電力消費の大きなＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路を、間欠的に動作させることにより、全体的な消費電力を低減させるという手法を採ることは可能である。たとえば、２０ｍｓｅｃだけ回路を動作させたら、次の１８０ｍｓｅｃは回路を停止させる、という２００ｍｓｅｃ周期の間欠動作を行えば、１秒間に５回の測定が可能になり、かつ、消費電力を１／１０程度に減少させることができる。しかしながら、このような手法を採っても、電力の無駄な消費を完全に抑制することはできない。実際の携帯電話などの利用形態を考慮すると、カーソル移動などのための入力操作が行われている時間はごく限られており、操作者が全く操作入力を行っていない間に、消費電力の大きな回路を動作させることは効率的ではない。
【０００７】
そこで本発明は、電力消費を効率的に抑制させることが可能な容量素子を用いた力検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、容量素子を利用して、作用した外力の大きさを検出する機能をもった容量素子を用いた力検出装置において、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなる弾性変形体と、
外力の作用に基づき弾性変形体に弾性変形を起こさせ、弾性変形体の一部を基板に対して変位させる作用体と、
基板上に形成された検出用固定電極と、
弾性変形体の「検出用固定電極に対向し、かつ、変位が生じる位置」に形成された検出用変位電極と、
一対の接触用電極を有し、通常は一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
検出用固定電極と検出用変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路が、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成し、一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるようにしたものである。
【０００９】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
切替要素に含まれる一対の接触用電極を、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって構成し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、弾性変形体の変形により、接触用変位電極が接触用固定電極に物理的に接触するようにしたものである。
【００１０】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
切替要素を、基板上に形成された一対の接触用電極と、一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成し、
仲介電極が、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
仲介電極を、弾性変形体の変位が生じる位置に形成するようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
一対の接触用電極を、環状の第１電極と、この第１電極の外側に隣接配置された環状の第２電極と、によって構成し、
仲介電極を、第１電極と第２電極との双方に、いずれかの箇所で同時に接触可能な位置に形成するようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に第１グループに所属する複数Ｎ個の電極と第２グループに所属する複数Ｎ個の電極とを配置し、第１グループに所属する第ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の電極と第２グループに所属する第ｉ番目の電極とがそれぞれ隣接するようにし、互いに隣接して配置された第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とによって一対の接触用電極が構成されるようにし、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極を形成するようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に定義された円周に沿って、第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とを交互に配置し、
仲介電極を、弾性変形体側の「上記円周に対向する円周」に沿って形成するようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第３〜第７の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
仲介電極と検出用変位電極とを導通させ、検出回路が、検出モード時に、仲介電極に対して接触状態にある接触用電極と、検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出することができるようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に形成された一対の接触用電極の近傍に伏せるように配置され、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有し、導電性接触面を有しているドーム状構造体を設け、導電性接触面を仲介電極として利用し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、弾性変形体の変形により、ドーム状構造体に形状反転が生じ、導電性接触面が一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
ドーム状構造体の頂点付近の下面から底周面にかけて形成された導電性接触面により仲介電極を構成し、一対の接触用電極のうちの一方をドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置し、他方をドーム状構造体の中心位置に配置し、仲介電極が、通常は一方の接触用電極にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体の形状反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
一対の接触用電極を、ドーム状構造体の底周面に囲まれた領域に形成し、ドーム状構造体の頂点付近の下面に形成された導電性接触面からなる仲介電極が、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していない状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第９〜第１１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
少なくとも頂点付近の上面および下面が互いに導通した導電性材料により構成されたドーム状構造体を用意し、弾性変形体のドーム状構造体の頂点付近に対する接触部分に、検出用変位電極と電気的に接続された仲介導電層を形成し、
検出回路が、検出モード時に、ドーム状構造体を介して仲介導電層と電気的に接触状態にある接触用電極と、検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出することができるようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
検出用固定電極および検出用変位電極の少なくとも一方の表面に、両者の電気的接触を阻むための絶縁膜を形成するようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１〜第１３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
容量素子の静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するＣ／Ｖ変換回路を有する検出回路を用い、検出モードにおいてはこのＣ／Ｖ変換回路を動作させ、待機モードにおいてはこのＣ／Ｖ変換回路を動作させない制御を行うようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
Ｃ／Ｖ変換回路内に、容量素子を構成する一方の電極に対して交流信号を供給する発振回路と、検出モードでは発振回路を発振させ、待機モードでは発振回路の発振を停止させるスイッチ回路と、を設けるようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１〜第１３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
容量素子の静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するＣ／ｆ変換回路を有する検出回路を用い、検出モードにおいてはこのＣ／ｆ変換回路を動作させ、待機モードにおいてはこのＣ／ｆ変換回路を動作させない制御を行うようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
作用体を剛性材料からなる操作盤によって構成し、この操作盤に加えられた操作入力を外力として検出できるようにしたものである。
【００２５】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１〜第１７の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、基板上面に対してほぼ平行になるように配置された膜状部と、この膜状部の周囲を基板上面に固定するための側壁部と、膜状部の下面の所定の複数箇所から下方に伸びた柱状突起と、によって構成し、少なくとも膜状部の一部および柱状突起を弾性材料によって構成するようにしたものである。
【００２６】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、一体成型されたゴムによって構成するようにしたものである。
【００２７】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
検出用変位電極を、一体成型されたゴムの表面に塗布した導電性塗料からなる層によって構成するようにしたものである。
【００２８】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第２０の態様に係る容量素子を用いた力検出装置を利用して、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定方向への操作量を示す操作入力を行うための電子機器用入力装置を構成し、力検出装置によって検出された外力を操作量として取り扱うことができるようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。本発明は、容量素子を用いた力検出装置に係るものであり、産業上、様々な装置に組み込んで利用することができる。そこで、ここでは、本発明に係る力検出装置を、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器用入力機器として利用した例を述べることにする。
【００３０】
§１．本発明に係る電子機器用入力装置の基本構造
はじめに、本発明の基本的な実施形態に係る電子機器用入力装置の基本構造を説明する。図１は、この電子機器用入力装置を分解して各構成要素を示した分解側断面図である。図示のとおり、この電子機器用入力装置は、操作盤１０、弾性変形体２０、ドーム状構造体３０、基板４０によって構成されている。実際には、この入力装置は、基板４０の上にドーム状構造体３０を配置し、その上を弾性変形体２０によって覆い、更にその上に操作盤１０を取り付けることにより構成されることになる。この入力装置は、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器用の入力装置として利用するのに適しており、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力および所定方向への操作量を示す操作入力を行うことができる。
【００３１】
操作盤１０は、弾性変形体２０の上面に配置され、操作者の動作に基づいて加えられた力を弾性変形体２０へと伝達し、弾性変形体２０に弾性変形を起こさせる機能を有している。この入力装置を力検出装置として捉えた場合、操作者の操作盤１０への操作入力は、この力検出装置の検出対象となる外力に相当する。したがって、操作盤１０は、この外力の作用に基づき、弾性変形体２０に弾性変形を起こさせ、弾性変形体２０の一部を基板４０に対して変位させる作用体としての機能を果たすことになる。
【００３２】
図２は、この操作盤１０の上面図、図３は、この操作盤１０の下面図である。
図示のとおり、操作盤１０は全体として円盤状をしており、この実施形態の場合、プラスチックなどの樹脂で構成されている。上述したように、操作盤１０は、弾性変形体２０に対して力を伝達させる機能を果たすことができれば、どのような形状のものでもかまわないが、種々の方向に関する操作量を入力するには、円盤状のものが適している。また、操作者の操作を確実に弾性変形体２０に伝達するためには、樹脂や金属などの剛性材料によって構成するのが好ましい。図示の実施形態の場合、操作盤１０は、図２に示すように、操作部分１１、土手部分１２、外周部分１３の３つの部分から構成されており、その下面には、図３に示すように円柱状の押圧棒１４が突き出している。操作部分１１は、操作者の指にフィットするように、土手部分１２の内側に形成された滑らかな窪み部分であり、外周部分１３は、土手部分１２の外側に形成されたテーパ部である。また、押圧棒１４は、後述するように、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力を効果的に行うためのものであり、ドーム状構造体３０の頂点付近に対して、操作者からの垂直下方に向けた力を効果的に伝達させる機能を果たす。
【００３３】
弾性変形体２０は、この実施形態の場合、一体成型されたシリコンゴムによって構成されている。図４は、この弾性変形体２０の上面図、図５は、この弾性変形体２０の下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２０は平面的にはほぼ正方形状をしている。その基本構成要素は、図１の側断面図に示されているように、内側膜状部２１、円環状隆起部２２、外側膜状部２３、側壁部２４、固定脚部２５、柱状突起Ｐ１〜Ｐ３である。図４に示すように、内側膜状部２１と外側膜状部２３とは、この弾性変形体２０の正方形状の上面全体を形成する膜状の構造体であるが、ここでは、説明の便宜上、円環状隆起部２２の内側部分を内側膜状部２１と呼び、外側部分を外側膜状部２３と呼ぶことにする。この膜状部２１，２３は、基板４０の上面に対して、ドーム状構造体３０を挟んでほぼ平行になるように配置されることになる。円環状隆起部２２は、この膜状部の上面に形成された円環状の隆起部分であり、内側膜状部２１の上面部分は、周囲をこの円環状隆起部２２によって囲まれた状態になる。この実施形態では、円環状隆起部２２は、断面が矩形のいわばワッシャ状の構造体となっているが、これは、その上面に配置される操作盤１０からの力を効率よく受けることができるようにするための配慮である。
【００３４】
一方、側壁部２４は、外側膜状部２３の周囲を、基板４０の上面に固定する機能を果たしている。正方形状をした膜状部２１，２３は、その四辺を側壁部２４によって支持され、基板４０の上面に対してほぼ平行な状態を保つことになる。
図５の下面図に示されているとおり、弾性変形体２０の下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２５は、基板４０の上面の４か所に形成された固定孔部４１（図１参照）に挿入される。かくして、弾性変形体２０は、基板４０上の所定位置に固定される。
【００３５】
また、図５に示されているように、膜状部２１，２３の下面には、下方へと伸びる多数の柱状突起Ｐ１〜Ｐ３が形成されている。図６は、これら柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の位置を明確にするために、図５の下面図に一点鎖線による同心円を描き加えたものである。図示のとおり、弾性変形体２０の中心点の周囲に、３通りの同心円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を定義すれば、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、いずれかの同心円の円周上に配置されていることがわかる。すなわち、柱状突起Ｐ１は内側同心円Ｃ１の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されており、柱状突起Ｐ２は基準同心円Ｃ２の円周上に円周角２２．５°おきに合計１６個配置されており、柱状突起Ｐ３は外側同心円Ｃ３の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されている。
【００３６】
各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の側面形状は、図１の側断面図に明瞭に示されている。なお、図１の側断面図では、図が繁雑になるのを避けるため、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３については、切断面に位置するものだけを描いているが、実際には図５，図６の下面図に示されているとおり、より多数の柱状突起が膜状部の下面から下方に伸びていることになる。ここで、図１に示されているとおり、柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さに比べると、柱状突起Ｐ２の長さが短く設定されているが、これは、柱状突起Ｐ１，Ｐ３と柱状突起Ｐ２とでは、その主たる機能に違いがあるためである。すなわち、柱状突起Ｐ１，Ｐ３の主たる機能は、操作盤１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、内側膜状部２１および外側膜状部２３を、基板４０上面に対して支持する機能であり、これら柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さは、このような支持機能を果たすのに適した長さに設定されている（図示の例では、柱状突起Ｐ１の長さが柱状突起Ｐ３の長さに比べて若干短くなっているが、これは後述するように、基板４０上に形成された電極の厚みを考慮したためである。）。このような機能に着目し、ここでは、柱状突起Ｐ１，Ｐ３を「支持用柱状突起」と呼ぶことにする。
【００３７】
これに対して、柱状突起Ｐ２の主たる機能は、後述するように、基板４０の上面側に形成された電極に接触することにより、電気的な導電状態に変化を生じさせる仲介電極としての機能を補助する機能である。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ２を「電極用柱状突起」と呼ぶことにする。電極用柱状突起Ｐ２の長さを、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さよりも短く設定したのは、操作盤１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、電極用柱状突起Ｐ２の下端が宙吊り状態となるようにし、基板４０の上面に形成されている電極と物理的に接触しない状態に維持するためである。
【００３８】
また、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３と電極用柱状突起Ｐ２とは、長さだけでなく、その側面形状も異なっている。すなわち、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、下端部が若干丸くなっているのに対し、電極用柱状突起Ｐ２は、下端が平面をなす円盤状の突起となっている。このような形状の相違も、上述した機能の相違に基づくものであり、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３の下端部は基板４０の上面に接触して支持するのに適した形状となっており、電極用柱状突起Ｐ２の下端部は基板４０の上面に形成された電極に接触して、電気的な導通状態を確保するのに適した形状となっている。
【００３９】
ここに示す実施形態のように、操作盤１０を円盤状の剛性部材によって構成した場合、操作者から加えられる力は、操作盤１０の中心軸を中心とした同心円に沿って伝達すると考えられるので、図５，図６に示すように、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３もそれぞれ所定の円周に沿って配置するのが好ましい。特に、図示の実施形態の場合、操作盤１０に対して所定方向を示す操作入力が加えられた場合、加えられた力は、操作盤１０の周囲部分から、円環状隆起部２２へと伝達される。そこで、ここでは、図６に示す基準同心円Ｃ２を、ちょうど円環状隆起部２２の中心位置に相当する円とし、電極用柱状突起Ｐ２が、円環状隆起部２２の真下の所定位置（１６か所）に配置されるようにし、更に、基準同心円Ｃ２の内側に内側同心円Ｃ１を定義してその円周上に支持用柱状突起Ｐ１を配置し、基準同心円Ｃ２の外側に外側同心円Ｃ３を定義してその円周上に支持用柱状突起Ｐ３を配置している。
【００４０】
また、電子機器によっては、上下左右の４方向に加え、斜め方向をも含めた合計８方向の操作入力を要求する場合も少なくないので、このような８方向への操作入力が加えられることを想定して、各円周上に配置される柱状突起を、円周角４５°おきに配置される少なくとも８個の柱状突起によって構成するのが好ましい。図示の実施形態の場合、内側同心円Ｃ１および外側同心円Ｃ３上に配置される支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３については、円周角４５°おきに合計８個ずつを配置しているが、基準同心円Ｃ２上に配置される電極用柱状突起Ｐ２については、基板４０側の電極に対する確実な接触を確保するために、更に数を増やし、円周角２２．５°おきに合計１６個を配置している。
【００４１】
この弾性変形体２０の構成要素として、もうひとつ重要な構成要素は、膜状部下面の所定領域に形成された変位導電層２６である。図７は、この変位導電層２６の形成領域を示すための弾性変形体２０の下面図である。図においてハッチングを施して示した円内の領域に、変位導電層２６が形成されている（図７におけるハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すためのものである）。上述したように、弾性変形体２０の下面には、多数の柱状突起が形成されているが、この変位導電層２６は、これら柱状突起の表面も含めた弾性変形体２０の下面に形成されている。したがって、図７にハッチングで施した領域に位置する支持用柱状突起Ｐ１および電極用柱状突起Ｐ２の表面部分にも、変位導電層２６が形成されていることになる。具体的には、この変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面に塗布した導電性材料からなる層によって構成することができる。上述したように、この実施形態では、弾性変形体２０は一体成型されたシリコンゴムによって構成されているので、柱状突起を含めた図示のような構造体をシリコンゴムによって一体成型した後、その下面の一部の領域（図７にハッチングを施した円内の領域）に、導電性塗料を塗布して乾燥させれば、変位導電層２６を形成することができる。なお、この変位導電層２６の厚みは、弾性変形体２０の各部の厚みに比較して小さいため、側断面図においては、変位導電層２６は示されていない。
【００４２】
一方、ドーム状構造体３０は、図１の側断面図にも示されているとおり、伏せたカップの形状をした構造体であり、基板４０の上面の中心付近に伏せるように配置される。図８は、このドーム状構造体３０の上面図である。ドーム状構造体３０の形状は特に限定されるものではないが、図示のように平面形状が円形であるドーム状構造体３０を用いるようにすれば、各方向への操作入力をスムースに行うことができるので好ましい。また、このドーム状構造体３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、その頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有している。図９は、このような形状反転の状態を示す側断面図である。図９(a) は、何ら外力が加わっていない状態を示し、図９(b) は、頂点付近に対して下方への押圧力Ｆが加わり、頂点付近が弾性変形して下に凸となるような形状反転を起こした状態を示す。もちろん、この形状反転は弾性変形であるから、押圧力Ｆがなくなれば、ドーム状構造体３０は元通り、図９(a) に示す状態に戻ることになる。
【００４３】
このドーム状構造体３０の形状反転は、操作者によるスイッチ入力に利用される。このため、ドーム状構造体３０の少なくとも下面部分は、導電性接触面３１を構成している必要がある。すなわち、図９(b) に示すように、頂点付近が形状反転を起こしたときに、導電性接触面３１が基板４０側に設けられた電極と接触することにより、スイッチ入力の検出が行われるようになる。本実施形態では、金属製のドームをドーム状構造体３０として用いている。一般に、金属材料によりドーム状の構造体を構成すれば、上述したような形状反転が生じ、導電性接触面３１を有するドームを実現することができるが、ドーム状構造体３０は必ずしも金属製にする必要はない。たとえば、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その下面に導電性材料膜を形成することにより、導電性接触面３１を実現するようにしてもかまわない。
【００４４】
続いて、基板４０の構成を説明する。基板４０の基本的な機能は、前述した各構成要素を載せてこれを支持する機能と、各電極を形成するための基準面を提供する機能である。図１０に、基板４０の上面図を示す。図に示されている４つの固定孔部４１は、前述したように、弾性変形体２０の固定脚部２５を挿入するために、基板４０の上面に掘られた穴である。
【００４５】
基板４０の上面には、図示のような電極Ｅ１１〜Ｅ１８が形成されている。ここでは、各電極が配置された位置に基づいて、４枚の扇形をした電極Ｅ１１〜Ｅ１４を中間電極と呼び、その外側に配置された２本の円環状の電極Ｅ１５，Ｅ１６を外側電極と呼び、内側に配置された円形電極Ｅ１７および円環状電極Ｅ１８を内側電極と呼ぶことにする。図１０では、各電極の形状を明瞭に示すために、個々の電極にハッチングを施して示すことにした。したがって、図１０におけるハッチングは、断面を示すものではない。また、図では、２通りのハッチングパターンを用いているが、これは一部の電極の表面が絶縁膜によって覆われていることを示すためである。具体的には、４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、容量素子を構成するための検出用固定電極として機能するため、その表面が絶縁膜によって覆われているが、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６および内側電極Ｅ１７，Ｅ１８は、電気的な接触の有無を判定するための接触用電極として機能するため、導電面が露出したままの状態となっている。２通りのハッチングパターンは、絶縁膜で覆われた電極と、導電面が露出した電極との区別を示している。
【００４６】
最も外側に形成された円環状の外側電極Ｅ１５は、操作盤１０の外周部分に対向する外周対向部（操作盤１０の外側輪郭線を基板４０上に投影した基板上面の部分）に形成されている。この実施形態の場合、操作盤１０は円盤状をしているので、その外周円に対向する外周対向部も円形部分となり、図示のとおり、外側電極Ｅ１５は、操作盤１０の外周円に対向する位置に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。また、外側電極Ｅ１６は、外側電極Ｅ１５の若干内側に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。より正確な位置について言及すれば、外側電極Ｅ１５と外側電極Ｅ１６との間の境界部分は、図６に示す基準同心円Ｃ２に対向する円周上に位置することになり、外側電極Ｅ１５の外側輪郭と外側電極Ｅ１６の内側輪郭との間の距離は、電極用柱状突起Ｐ２の直径にほぼ等しくなるように設計されている。したがって、２本の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、各電極用柱状突起Ｐ２の真下に配置されていることになる。
【００４７】
この外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の役割は、操作者から操作盤１０に対して所定方向に関する操作入力が加えられ、弾性変形体２０が変形を生じたときに、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６と接触することにより、加えられた操作入力が所定の大きさ以上であることを検知することにある。すなわち、操作者の操作入力により、弾性変形体２０が変形を生じ、いずれか１つの電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に同時に接触した状態になると、接触した変位導電層２６を仲介して、外側電極Ｅ１５とＥ１６とが導通状態になる。したがって、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６間の導通状態を電気的に検出すれば、所定の大きさ以上の操作入力が加えられたか否かを認識することができる。このような機能に着目して、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を一対の接触用電極と呼び、各電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６を仲介電極と呼べば、基板４０側に形成された一対の接触用電極と、弾性変形体２０側に形成された仲介電極と、によって、切替要素が構成されていることになる。この切替要素を構成する一対の接触用電極は、通常は（操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わらないうちは）、電気的に絶縁状態を維持しているが、操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わったときには、弾性変形体２０の変形により仲介電極が同時に接触することになり、電気的に導通状態となる。
【００４８】
扇形をした４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、操作者から加えられた方向性をもった操作入力を検出するのに適した位置に配置されている。すなわち、図１０に示す基板４０の上面中心位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、Ｘ軸正の領域に中間電極Ｅ１１、Ｘ軸負の領域に中間電極Ｅ１２、Ｙ軸正の領域に中間電極Ｅ１３、Ｙ軸負の領域に中間電極Ｅ１４が形成されていることになる。これら各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の役割は、その上方に位置する変位導電層２６とによって、容量素子を形成することにある。すなわち、図７にハッチングを施して示すように、弾性変形体２０の膜状部の下面には、変位導電層２６が形成されており、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、これに対向する変位導電層２６の各部分と、によって、合計４組の容量素子が形成されることになる。具体的には、Ｘ軸正の領域に配置された中間電極Ｅ１１とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第１の容量素子Ｃ１１が形成され、Ｘ軸負の領域に配置された中間電極Ｅ１２とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第２の容量素子Ｃ１２が形成され、Ｙ軸正の領域に配置された中間電極Ｅ１３とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第３の容量素子Ｃ１３が形成され、Ｙ軸負の領域に配置された中間電極Ｅ１４とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第４の容量素子Ｃ１４が形成される。
【００４９】
こうして形成された４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、いずれも、基板４０上に固定された検出用固定電極（すなわち、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４）と、弾性変形体２０の「検出用固定電極に対向し、かつ、変位が生じる位置」に形成された検出用変位電極（すなわち、変位導電層２６）と、によって構成されていることになる。前述したように、検出用固定電極として機能する４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の上面は絶縁膜によって覆われており、検出用変位電極として機能する変位導電層２６に対して電気的な接触が生じることを阻んでいる。後述するように、操作入力が加えられると、弾性変形体２０の変形により、変位導電層２６は基板４０へと近接することになるが、絶縁膜が形成されているため、変位導電層２６と中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４とが電気的に接触することはない。したがって、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、常に容量素子としての機能を保つことになる。なお、絶縁膜は、検出用固定電極側ではなく、検出用変位電極側（すなわち、変位導電層２６の下面）に形成してもよいし、両方に形成してもかまわない。ただ、ここに示す実施形態の場合、変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面に塗布した導電性塗料として形成されているので、実用上は、検出用固定電極側、すなわち、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４側に絶縁膜を形成するのが好ましい。
【００５０】
図１０に示すように、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の更に内側、すなわち、基板４０の中心近傍には、２枚の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が形成されている。これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８の役割は、操作者が操作盤１０に対して加えたスイッチ入力、すなわち、垂直下方への押圧力を検出することにある。内側電極Ｅ１７は基板の中央に配置された円盤状の電極であり、その直径はドーム状構造体３０の底周面（底部の縁の部分）を構成する円に比べて小さく設定されている。一方、内側電極Ｅ１８は、ワッシャ状の電極であり、その外径は、ドーム状構造体３０の底周面を構成する円の直径にほぼ等しく設定されており、ドーム状構造体３０は、このワッシャ状の内側電極Ｅ１８の上に載置される。図１１は、図１０に示す基板４０の上面の中央部に、図８に示すドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。実際には、ドーム状構造体３０は、基板４０の上面に接着剤や接着テープなどを利用して固定される。
【００５１】
図９(b) に示すように、ドーム状構造体３０の頂点付近に対して垂直下方への押圧力Ｆが加わると、ドーム状構造体３０は形状反転することになるが、内側電極Ｅ１７は、このとき、ドーム状構造体３０の下面の導電性接触面３１に接触するのに適した形状をしている。この実施形態では、ドーム状構造体３０は、全体が金属から構成されているため、図９(a) に示す状態では、ドーム状構造体３０は、ワッシャー状の内側電極Ｅ１８に対してのみ接触した状態になっているが、図９(b) に示す状態では、反転した頂点付近が内側電極Ｅ１７にも接触するようになり、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を互いに導通させる機能を果たす。すなわち、内側電極Ｅ１７，Ｅ１８は、物理的に分離された一対の電極から構成されているが、金属製のドーム状構造体３０が反転すると、このドーム状構造体３０の底周面は内側電極Ｅ１８に接触し、その頂点付近の下面は内側電極Ｅ１７に接触した状態になり、導電性材料から構成されたドーム状構造体３０が両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８に同時に接触することにより、両者は互いに導通状態になる。結局、これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８間の導通状態を電気的に検出することにより、操作者のスイッチ入力に関するＯＮ／ＯＦＦ状態を検出できる。なお、ドーム状構造体３０は、必ずしも全体を導電性材料で構成する必要はなく、少なくとも内側面（伏せて配置した状態における下面）から底周面にかけた部分が導電性接触面を形成していれば、両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を電気的に導通状態にさせることができる。
【００５２】
以上のとおり、基板４０の上面には、一対の外側電極Ｅ１５、Ｅ１６（接触用電極）、４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（検出用固定電極）、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８（接触用電極）の３通りの電極が形成されているが、各電極はそれぞれの機能を考慮して、次のような位置に配置されていることになる。まず、内側電極Ｅ１８は、前述したように、ドーム状構造体３０の底周面に接触する位置に配置されており、内側電極Ｅ１７は、ドーム状構造体３０が形状反転を起こした際に、その頂点付近の下面に相当する導電性接触面３１に接触可能な位置に配置されている。また、一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、操作盤１０の外周部分に対向する基板４０上の外周対向部（図６の基準同心円Ｃ２に対向する部分）に配置されている。一方、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、基板４０の上面の「ドーム状構造体３０の配置領域より外側、かつ、上記外周対向部より内側に位置する中間領域部」の所定箇所に配置されている。本実施形態では、基板４０を電子回路実装用のプリント基板によって構成し、各電極を、このプリント基板上に形成した銅などのプリントパターンによって構成している。このように、基板４０を回路用プリント基板で構成すれば、プリントパターンによって基板４０上に種々の配線を施すことができるので、実用上は便利である。
【００５３】
図７にハッチングを施して示した変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面側に形成された単一の導電層であるが、上述した基板４０上の各電極と協働して重要な機能を果たすことになる。すなわち、変位導電層２６のうちの電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された部分は、仲介電極として、基板４０側の一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方と同時に接触することにより、この一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（接触用電極）を導通させる機能を果たし、変位導電層２６のうちの各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４に対向した部分は、検出用変位電極として、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（検出用固定電極）とともに容量素子を構成する機能を果たす。このようにそれぞれ機能は異なるが、§２で述べる動作上の便宜を考慮すると、仲介電極と検出用変位電極とは導通状態としておくことが好ましいので、実用上は、図７にハッチングを施して示したように、電極用柱状突起Ｐ２の配置箇所を外延部とする物理的に単一の導電層によって変位導電層２６を構成し、この変位導電層２６の一部分（電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された部分）を仲介電極として機能させ、別な一部分（各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４に対向した部分）を検出用変位電極として機能させるのが好ましい。
【００５４】
以上、図１に示す各構成要素の構造の詳細を述べたが、実際の電子機器用入力装置は、これら各構成要素を積み重ねることにより構成される。すなわち、基板４０の中央部にドーム状構造体３０を載置し、これを覆うように弾性変形体２０を載せ（固定脚部２５を固定孔部４１に挿入して固定する）、その上に操作盤１０を接着することにより、図１２の側断面図（ドーム状構造体３０については断面ではなく側面が示されている）に示すような電子機器用入力装置が形成される。
【００５５】
§２．本発明に係る電子機器用入力装置の基本動作
続いて、図１２に示す電子機器用入力装置の基本動作を説明する。ここでは便宜上、基板４０の上面中心位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。図１２では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に垂直方向にＹ軸が定義される。
【００５６】
既に述べたように、本発明に係る入力装置は、任意の電子機器に対して、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（いわゆるクリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、を行う機能をもった装置である。ここで、操作者は、これらの入力を操作盤１０に対して行うことになるが、基本的には、スイッチ入力を行う場合には、操作盤１０の中央部分に指を当てて下方（Ｚ軸負方向）へと押し込む動作を行い、所定方向への操作入力を行う場合には、操作盤１０を斜め下方へと押し込む動作を行うことになる。
【００５７】
図１３は、操作者がスイッチ入力を行ったときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体３０については側面図）である。操作盤１０に対して図の下方への押圧力（Ｚ軸負方向への力という意味でＦｚ−と呼ぶ）が加わると、この押圧力Ｆｚ−によって、押圧棒１４が下方へと変位し、内側膜状部２１ごしにドーム状構造体３０の頂点部分に下方への力が加わることになる。ドーム状構造体３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力が加わると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有しているので、押圧力Ｆｚ−の大きさが所定の臨界値を超えると、図示のとおり、ドーム状構造体３０の頂点付近が形状反転を起こすことになる。すなわち、操作者が下方への押圧力Ｆｚ−を徐々に強めてゆくと、ドーム状構造体３０が急に潰れて図示の状態になり、操作者の指先にはクリック感が伝わる。このとき、弾性材料から構成されている支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に若干潰れることになる。ただし、電極用柱状突起Ｐ２は宙吊りの状態のままである。
【００５８】
こうして、ドーム状構造体３０が形状反転を起こすと、図１０に示されている内側電極Ｅ１７に、ドーム状構造体３０の下面の導電性接触面３１が接触した状態になるので、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とが導通状態になる。操作者が、押圧動作を中止すると、ドーム状構造体３０がもとの状態に復帰し、装置は図１２の状態に戻ることになる。この状態では、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とは絶縁されている。結局、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８との間の電気的な接続状態を検出することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力の検出が可能になり、いわゆるクリック入力の検出が可能になる。
【００５９】
続いて、操作者が所定方向への操作量を示す操作入力を行った場合を考えてみる。このような操作入力は、通常、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向への操作量を示す入力として与えられる。ここに示す実施形態では、図１０に示す４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（上面は絶縁層で覆われている）と、これに対向する変位導電層２６とによって、合計４組の容量素子が形成されており、これら４組の容量素子の静電容量値に基づいて、各方向への操作量を検出することができる。
【００６０】
たとえば、操作者が、操作盤１０に対して、Ｘ軸負方向への力を含む斜め下方への力を加える操作を行ったとしよう。ここでは、このような操作により加えられる力をＦｘ−と呼ぶことにする。図１４は、操作者がこのような操作力Ｆｘ−（必ずしも操作盤１０の中心位置に加える必要はなく、実際には図示のようにやや左へ変位した部分に加えられることが多い）を加えたときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体３０については側面図）である。操作力Ｆｘ−は、斜め下方への力成分であるため、図の下方への力成分（Ｚ軸負方向成分）も含んでいることになるが、この下方への力成分は、前述したクリック操作による押圧力Ｆｚ−に比べて小さいため、ドーム状構造体３０には形状反転させるだけの十分な力は加わらない。このため、操作盤１０は、図１４において、左側が下がり右側が上がるように傾斜する。別言すれば、ドーム状構造体３０としては、スイッチ入力として加えられた垂直下方への押圧力に対しては形状反転を起こし、所定方向への操作入力として加えられた斜め下方への押圧力に対しては形状反転を起こさないような変形特性を有する構造体を用いるようにすればよい。なお、図１４に示す斜め下方への操作力Ｆｘ−の代わりに、操作盤１０の図の左端近傍位置に垂直下方への操作力ＦＦｘ−を加えた場合にも同じような現象が起こる。本実施形態において、「Ｘ軸負方向への操作量を示す操作入力」と言った場合、操作力Ｆｘ−のように、斜め下方への操作入力だけでなく、操作力ＦＦｘ−のように、Ｘ軸負方向に変位した位置を垂直下方に押し込むような操作入力も含んでおり、操作力ＦＦｘ−は操作力Ｆｘ−と等価な操作入力である。
【００６１】
さて、図１４に示すように、操作盤１０を左側へと傾斜させる操作力Ｆｘ−（またはＦＦｘ−、以下同様）が加わると、図の左半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に潰れることになる。一方、図の右半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、図示のとおり、基板４０の上面から浮き上がった状態になる。結局、ある程度以上の大きさの操作力Ｆｘ−が加わると、図１４に示すように、図の左端にある電極用柱状突起Ｐ２の下端面（仲介電極として機能する変位導電層）が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触した状態になり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通するとともに、変位導電層２６全体が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と同電位になる。この状態から、更に操作力Ｆｘ−を強くしてゆけば、図１５に示すように、図の左半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、更に潰れるように弾性変形し、電極用柱状突起Ｐ２も若干弾性変形して潰れた状態になる。そして、最後には、図１６に示すように、図の左側の支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３および電極用柱状突起Ｐ２は完全に潰れた状態になる。既に述べたように、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、いずれも表面が絶縁層によって覆われているため、図１６に示すように、変位導電層２６が中間電極Ｅ１２側に密着した状態になっても、両電極間には絶縁層が介在するため、依然として容量素子として機能する。
【００６２】
ここで、図１２に示す状態から、図１４、図１５、図１６に示す状態へと変遷する際に、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、これに対向する変位導電層２６とによって構成される容量素子の静電容量値がどのように変化するかを検討すると、図の左側に示された中間電極Ｅ１２とこれに対向する変位導電層２６とによって構成される第２の容量素子Ｃ１２では、電極間隔が徐々に減少してゆくため、静電容量値が徐々に増加することになるのに対し、図の右側に示された中間電極Ｅ１１とこれに対向する変位導電層２６とによって構成される第１の容量素子Ｃ１１では、電極間隔が徐々に増加してゆくため、静電容量値が徐々に減少することがわかる。したがって、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値との差を求めれば、この差は操作力Ｆｘ−の大きさを示すことになる。逆に、Ｘ軸正方向への操作力Ｆｘ＋が加わった場合は、操作盤１０は右側へと傾斜することになるので、電極間隔の増減の関係が逆転することになり、やはり第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値との差により、操作力Ｆｘ＋の大きさが示されることになる。要するに、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１１（中間電極Ｅ１１と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２（中間電極Ｅ１２と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値との差の絶対値は、Ｘ軸方向の操作力Ｆｘ−，Ｆｘ＋として加えられた操作量の大きさを示し、その符号は、加えられた操作量の向き（Ｘ軸正方向か負方向か）を示すことになる。
【００６３】
全く同様の原理により、Ｙ軸上に配置された第３の容量素子Ｃ１３（中間電極Ｅ１３と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値と第４の容量素子Ｃ１４（中間電極Ｅ１４と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値との差を求めれば、この差の絶対値は、Ｙ軸方向の操作力Ｆｙ−，Ｆｙ＋として加えられた操作量の大きさを示し、その符号は、加えられた操作量の向き（Ｙ軸正方向か負方向か）を示すことになる。
【００６４】
なお、Ｘ軸方向に関する操作力のみが加えられた場合、操作盤１０はＸ軸方向に関してのみ傾斜し、Ｙ軸方向に関しては傾斜しない。したがって、Ｙ軸上に配置された第３の容量素子Ｃ１３および第４の容量素子の電極間隔は、一部分は増加し、一部分は減少することになり、容量素子全体についての静電容量値は変化しない。同様に、Ｙ軸方向に関する操作力のみが加えられた場合、操作盤１０はＹ軸方向に関してのみ傾斜し、Ｘ軸方向に関しては傾斜しない。したがって、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子および第２の容量素子の電極間隔は、一部分は増加し、一部分は減少することになり、容量素子全体についての静電容量値は変化しない。結局、第１の容量素子および第２の容量素子によって、Ｘ軸方向に関する操作量のみを検出することができ、第３の容量素子および第４の容量素子によって、Ｙ軸方向に関する操作量のみを検出することができ、各軸方向の操作量成分をそれぞれ別個独立して検出することができる。
【００６５】
このようなＸ軸方向あるいはＹ軸方向に関する操作量は、操作者が操作盤１０を上下左右の４方向に傾斜させることにより入力可能な操作量であるが、所定の演算処理を行うことにより、より多数の方向に関する操作量検出も可能である。たとえば、斜め４５°方向も含めた合計８方向に関する操作量は、Ｘ軸方向の操作量とＹ軸方向の操作量との合成成分として求めることができる。具体的には、たとえば、Ｘ軸方向の操作量ｘと、Ｙ軸方向の操作量ｙとが求まった場合、ルート（ｘ２＋ｙ２）なる大きさをもった操作量が、斜め４５°方向（いずれの方向かは、操作量ｘ，ｙの符号の組み合わせによって判断できる）に作用したものとして取り扱うことができる。
【００６６】
このように、４組の容量素子の静電容量値を測定することにより、原理的には、任意方向について入力された操作量の検出が可能になるが、この実施形態に係る装置では、このような操作量の検出値が不用意に出力されないような工夫が施されている。弾性変形体２０を利用した入力装置の場合、操作盤１０にわずかな力が加わっても、弾性変形体２０に弾性変形が生じ、各容量素子の静電容量値に変化が生じることになる。たとえば、図１３には、操作者がクリック操作を行うために、図の下方に向けて押圧力Ｆｚ−を作用させた状態が示されている。このように正確に下方に向けた押圧力Ｆｚ−だけが作用した場合、４組の容量素子の静電容量値は等しく変化するため、上述したような差分検出を行えば、所定方向への操作量の検出値は０になる。しかしながら、実際には、操作盤１０を操作するのは人間であり、下方へのクリック操作のつもりで力を加えたとしても、加えられた押圧力には、Ｚ軸負方向成分だけではなく、Ｘ軸あるいはＹ軸方向成分も含まれていることになる。したがって、４組の容量素子を用いた差分検出を行った場合、操作者がクリック操作を行っただけでも、いずれかの方向に関する操作量が検出されてしまうことになる。
【００６７】
一般に、電子機器用入力装置としては、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（クリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、がそれぞれ別個独立して検出でき、相互の干渉がないことが好ましい。別言すれば、操作者がクリック操作を行うつもりで操作盤１０を垂直下方へと押し込んだ場合には、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へと遷移するスイッチ入力だけが検出され、所定方向への操作量を示す操作入力は一切検出されないようにし、逆に、操作者が所定方向への操作量を示す操作入力を行うつもりで操作盤１０を斜め下方へと押し込んだ場合には、スイッチ入力は一切検出されず、操作量のみが検出されるようにするのが好ましい。本実施形態に係る電子機器用入力装置では、このような２系統の入力をそれぞれ別個独立して検出することが可能であり、両者の干渉は極力避けられることになる。
【００６８】
まず、スイッチ入力に関しては、ドーム状構造体３０の頂点付近を形状反転させるのに十分な垂直下方への押圧力Ｆｚ−が加わったときにのみＯＮ状態の検出が行われるため、操作者が、所定方向への操作量を示す操作入力を与えようとしたのに、誤ってスイッチ入力のＯＮ状態が検出されてしまうような事態を避けることができる。たとえば、図１４〜図１６に示すような斜め下方への操作入力が加えられても、ドーム状構造体３０の頂点付近に加わる垂直下方への押圧力は、形状反転を起こすには不十分であるため、スイッチ入力に関してＯＮ状態の検出が行われることはない（もちろん、操作者が意図的にクリック操作と所定方向への操作入力とを兼ねるような押圧操作を行った場合は、２系統の入力がともに検出される。）。
【００６９】
一方、所定方向への操作量を示す操作入力に関しては、上述したように、４組の容量素子の静電容量値自身は変動するものの、この静電容量値の変動がそのまま検出値としては出力されないような工夫が施されている。この工夫を利用して検出値の出力を得るためには、各容量素子の静電容量値の測定を、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を利用して行うようにすればよい。たとえば、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値は、本来であれば、中間電極Ｅ１２と変位導電層２６との間の静電容量値を電気的な方法で測定することになるが、その代わりに、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量値を電気的な方法で測定するのである。要するに、図１０に示す各電極について、中間電極Ｅ１１と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１３と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第３の容量素子Ｃ１３の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１４と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第４の容量素子Ｃ１４の静電容量値の検出値として利用すればよい。
【００７０】
このような検出方法を採れば、各容量素子の実際の静電容量の検出値は、変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５またはＥ１６に対して電気的に接触していることを条件として出力されることになる。たとえば、図１２に示す状態や、図１３に示す状態では、変位導電層２６は外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触していないため、前述した一対の容量素子の差分検出値は０を維持したままになる。したがって、操作者がスイッチ入力操作を行った場合に、所定方向への操作量が誤検出されることはない。前述した一対の容量素子の差分検出により、所定方向への操作量が検出値として出力されるのは、図１４に示すように、ある程度の大きさの操作量が加わり、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５またはＥ１６に接触した状態になってからであり、両者が接触するに至るまでは、いわば不感帯となり、出力される差分検出値は０を維持したままである。ここに示す実施形態の場合、図６に示すように、基準同心円Ｃ２の円周上に合計１６個の電極用柱状突起Ｐ２が形成されており、これら各電極用柱状突起Ｐ２の下面には変位導電層が形成されている。したがって、この１６個の電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層のいずれかが外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と接触した状態になれば、有意な差分検出値の出力が行われることになる。
【００７１】
以上、述べたように、本実施形態に係る電子機器用入力装置では、操作盤１０、弾性変形体２０、ドーム状構造体３０、基板４０という基本要素を用いた比較的単純な構造により、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（いわゆるクリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、の双方の入力機能が実現できる。特に、弾性変形体２０をシリコンゴムなどの弾性材料を一体成型することにより構成し、その下面の変位導電層２６を、導電性塗料の塗布層により構成し、基板４０を回路実装用プリント基板により構成し、その上面の各電極をプリントパターン層により構成し、電極を覆う絶縁層をレジスト層により構成すれば、量産化に適した電子機器用入力装置を実現することができる。
【００７２】
結局、本実施形態に係る電子機器用入力装置では、操作盤１０に対して下方へのスイッチ入力が加えられた場合には、ドーム状構造体３０が形状反転を起こすことにより、導電性接触面３１と内側電極Ｅ１７とが接触し、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通することになる。そして、この導通状態を電気的に検出することによりＯＮ／ＯＦＦ状態の検出が行われる。また、操作盤１０に対して所定方向への操作量を示す所定の大きさ以上の操作入力が加えられた場合には、外側電極Ｅ１５またはＥ１６と各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間の電気的特性に基づいて、各容量素子の静電容量値を求めることにより、加えられた操作量の検出が行われることになる。
【００７３】
このような検出動作において重要な機能を果たしている構成要素が、弾性変形体２０の膜状部を支持する支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３および外側電極Ｅ１５，Ｅ１６との接触部を形成する電極用柱状突起Ｐ２である。これらの柱状突起はいずれも弾性材料によって構成されているため、操作盤１０に加えられた力の作用により弾性変形し、その変形量は加えられた力に応じて変化する。このような柱状突起の変形により、膜状部の特定部分と基板４０の上面との距離が接近し、加えられた力の大きさが所定のしきい値を超えたときに、変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触した状態となり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間の電気的特性として、各容量素子の静電容量値が測定され、有意な検出値として出力されることになる。しかも、加えられた操作量の大きさに応じて、容量素子の電極間隔が変化するため、操作量の大きさに応じた検出値を出力することが可能になる。
【００７４】
本実施形態の１つの特徴は、弾性変形体２０の膜状部を支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３によって支持する構造としたため、装置全体の薄型化に大いに寄与することができる点である。すなわち、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３による支持機能により、操作盤１０に対して所定の大きさ以上の力が加わらない限り、膜状部の変位が抑制される。このため、弾性変形体２０全体をかなり薄く設定しても、膜状部の自重や本来の操作入力以外の力の作用によって、変位導電層２６と外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とが誤って接触してしまうことを防ぐことができる。
【００７５】
§３．本発明に係る力検出装置の切替要素の機能
以上、§１において本発明に係る力検出装置を利用した電子機器用入力装置の構成を述べ、§２においてこの装置の動作を述べた。本発明の目的は、このような容量素子を用いた力検出装置において、電力消費を効率的に抑制させることにある。既に述べたように、§１，§２で述べたような容量素子を用いた力検出装置には、容量素子の静電容量値Ｃを電気的に検出するために、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するためのＣ／Ｖ変換回路や、静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するためのＣ／ｆ変換回路が必要になるが、一般的なＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路は、内部に発振回路を有しており、動作中の消費電力が比較的大きくなるという問題がある。本発明の基本思想は、外力の大きさを検出する必要がないときには、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出回路の機能を休止させ、消費電力の節約を図るという点にある。具体的には、検出回路に組み込まれているＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路などの消費電力の大きい回路を、検出出力が必要なときにだけ動作させるようにすればよい。
【００７６】
§１，§２で述べた装置では、Ｘ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２と、Ｙ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１３，Ｃ１４と、の合計４組の容量素子が用いられており、これらの容量素子によって、操作盤１０に加えられた４方向への操作入力の検出が行われる。すなわち、Ｘ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の静電容量値の差によって、Ｘ軸正または負方向への操作入力が検出され、Ｙ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１３，Ｃ１４の静電容量値の差によって、Ｙ軸正または負方向への操作入力が検出される。
【００７７】
図１７は、このような４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値に基づいて、４方向への操作入力を検出する検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路の基本的な構成要素は、Ｃ／Ｖ変換回路５０と信号処理回路６０である。いずれの回路にも、電源Ｖｃｃを供給するための端子と、接地のための端子とが備わっている。Ｃ／Ｖ変換回路５０は、４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値をそれぞれアナログ電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４に変換して出力する機能を有し、信号処理回路６０は、これらのアナログ電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４をデジタル値に変換した後、電圧値Ｖ１１とＶ１２との差をＸ軸正または負方向への操作入力値とし、電圧値Ｖ１３とＶ１４との差をＹ軸正または負方向への操作入力値とし、これらの操作入力値をそのままデジタル出力として出力するか、これら操作入力値に基づく所定の演算処理を行ってその結果をデジタル出力として出力する。どのような演算処理を行うかは、この入力装置を利用する電子機器に応じてそれぞれ異なる。もちろん、アナログ電圧値の状態のまま差動増幅器などを利用してアナログ信号として差を求め、これをデジタル信号に変換するような構成でもかまわない。
【００７８】
この基本的な実施形態に利用されている力検出装置には、§２で述べたように、不感帯が設けられており、操作盤１０に加えられる操作入力が所定の大きさ以上にならないと、静電容量値の変動がそのまま検出値としては出力されないような工夫が施されている。たとえば、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値は、本来であれば、中間電極Ｅ１２と変位導電層２６との間の静電容量値を電気的な方法で測定することになるが、その代わりに、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５（またはＥ１６）との間の静電容量値を電気的に測定する方法が採られている。すなわち、Ｘ軸負方向への操作入力が有効な入力として検出されるためには、図１４に示すように、ある程度の大きさの操作量が加わり、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になってからであり、両者が接触するに至るまでは不感帯となる。
【００７９】
図１７の左上には、基板４０上に形成された一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（接触用電極）と、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６（仲介電極）の一部と、が模式的に示されている。この例では、最も外側に位置する外側電極Ｅ１５を接地し、その内側に配置された外側電極Ｅ１６を抵抗Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃに接続している。一方、変位導電層２６は、図７にハッチングを施した領域に形成された単一の導電層を構成しているが、他の部分への配線は行われておらず、電気的には孤立した状態となっている。図１７の回路図において、Ｃ／Ｖ変換回路５０の入力段に接続された容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する一方の電極（変位導電層２６）がすべて接地された状態で描かれているのは、この力検出装置では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の検出は、図１４に示すように、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になっていることが前提であり、この時点では、変位導電層２６の電位は外側電極Ｅ１５を介して接地レベルとなっているためである。別言すれば、変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になるまでは、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の一方の電極である変位導電層２６は、電気的な浮遊状態となり、図示の検出回路では静電容量値を検出することができないことになる。
【００８０】
そうすると、Ｃ／Ｖ変換回路５０を常に動作状態にしておくことは、電力の無駄ということになる。変位導電層２６が外側電極Ｅ１５を介して接地レベルに接続されていなければ、図１７に示す検出回路は、本来の機能を果たすことができないので、Ｃ／Ｖ変換回路５０を動作状態にする意味はない。そこで、Ｃ／Ｖ変換回路５０を必要なときにのみ動作させることができるように、切替要素を設けているのである。この実施形態の場合、切替要素は、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）と、変位導電層２６（仲介電極）と、によって構成されている。操作者が操作盤１０に操作入力を行っていない通常の状態（図１２に示す状態）では、変位導電層２６と外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とは非接触の状態にある。この非接触状態では、外側電極Ｅ１６の電位は、抵抗Ｒを介して接続された電源電圧Ｖｃｃと等しくなる。ところが、操作者が操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力を加えると、たとえば、図１４に示すように、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方と同時に接触した状態になる。この接触状態では、外側電極Ｅ１６の電位は、外側電極Ｅ１５と導通するために接地レベルに落ちることになる。結局、外側電極Ｅ１６の電位に基づいて、一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６が絶縁状態（変位導電層２６が非接触状態）にあるのか、導通状態（変位導電層２６が接触状態）にあるのかを認識することができる。
【００８１】
図１７に示す検出回路（Ｃ／Ｖ変換回路５０および信号処理回路６０）には、２つのモードが用意されている。第１のモードは、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードであり、第２のモードは、そのような検出機能を果たすことはできないが、検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードである。そして、この２つのモードは、切替要素を構成する一対の接触用電極（外側電極Ｅ１５，Ｅ１６）間の電気的な状態に基づいて選択される。すなわち、一対の接触用電極間の電気的な状態が絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるように構成されている。具体的には、図１７に示す検出回路のうち、Ｃ／Ｖ変換回路５０が２つのモードで動作する機能を有し、いずれのモードで動作するかは、制御端子Ｔ２０へ与えられる制御信号で制御される。この制御信号は、信号処理回路６０によって生成される。信号処理回路６０の端子Ｔ５には、外側電極Ｅ１６の電位が入力されており、信号処理回路６０は、この電位に基づいて所定の制御信号を端子Ｔ６から出力し、Ｃ／Ｖ変換回路５０の制御端子Ｔ２０に与える機能を有している。すなわち、信号処理回路６０は、外側電極Ｅ１６の電位が電源電圧Ｖｃｃであった場合には、端子Ｔ６から待機モードを指定する制御信号を出力し、外側電極Ｅ１６の電位が接地レベルであった場合には、端子Ｔ６から検出モードを指定する制御信号を出力する。
【００８２】
結局、Ｃ／Ｖ変換回路５０は、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触するまでは、消費電力の少ない待機モードで動作することになり、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触している間だけ、検出モードで動作することになる。別言すれば、操作者が意図的にある程度以上の大きさのＸ軸もしくはＹ軸方向への操作入力を加えたときにのみ、Ｃ／Ｖ変換回路５０から有意な電圧出力Ｖ１１〜Ｖ１４が出力されることになり、信号処理回路６０から有意なデジタル出力が得られることになる。このように、消費電力の大きなＣ／Ｖ変換回路５０を必要な期間だけ選択的に動作させるようにすれば、全体として消費電力を大きく節減することができる。特に、携帯電話などの携帯型電子機器に本発明に係る力検出装置を用いれば、内蔵電池の消耗を低減させる上で大きな効果が期待できる。
【００８３】
図１８は、図１７に示す検出回路の変形例を示す回路図である。図１７に示す例では、切替要素からの信号（すなわち、外側電極Ｅ１６の電位）を信号処理回路６０の端子Ｔ５に与え、信号処理回路６０内でモード切替のための制御信号を発生させていたが、この図１８に示す変形例では、切替要素からの信号を直接Ｃ／Ｖ変換回路５０の制御端子に与えるようにしており、信号処理回路６０は、モード切替処理には関与しない構成となっている。図１８に示す方式では、信号処理回路６０の処理負担は軽減することになるが、信号処理回路６０側では、Ｃ／Ｖ変換回路５０が現在どちらのモードで動作中かを把握することはできない。逆に、図１７に示す方式では、信号処理回路６０の処理負担は増加することになるが、Ｃ／Ｖ変換回路５０が現在どちらのモードで動作中かを把握することができる。実用上は、この入力装置の適用対象となる電子機器に応じて、より好ましい方式を採用すればよい。
【００８４】
図１９は、Ｃ／Ｖ変換回路５０の内部構成の一例を示す回路図である。ここでは、便宜上、容量素子Ｃ１１についてのＣ／Ｖ変換に関与する部分のみを図示してある。既に述べたように、この検出回路が有意な動作を行うためには、容量素子Ｃ１１の一方の電極である変位導電層２６は、外側電極Ｅ１５を介して接地されているのが前提となっているため、図示のとおり、変位導電層２６は接地状態となっている。そして、この容量素子Ｃ１１のもう一方の電極である中間電極Ｅ１１は、Ｃ／Ｖ変換回路５０の端子Ｔ１１に接続されている。
【００８５】
Ｃ／Ｖ変換回路５０内には、スイッチ回路５１、発振回路５２、整流回路５３が設けられている。スイッチ回路５１は、制御端子Ｔ２０に与えられた制御信号に基づいて、発振回路５２内のスイッチ素子ＳをＯＮ／ＯＦＦ制御する機能を有している。実際には、このスイッチ回路５１やスイッチ素子Ｓは、種々の論理素子によって構成することができる。発振回路５２は、直列３段に接続されたインバータ素子Ｉ０１，Ｉ０２，Ｉ０３と、抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２，Ｒ０３と、コンデンサＣ０１と、スイッチ素子Ｓと、によって構成されている。スイッチ素子Ｓは、スイッチ回路５１から与えられる信号によって回路を開閉する機能をもった素子であり、このスイッチ素子ＳによるスイッチをＯＮ状態にすると、この発振回路５２が発振を開始し、抵抗Ｒ０１を介して端子Ｔ１１に交流信号が供給されることになる。端子Ｔ１１は、容量素子Ｃ１１を介して接地されていることになるので、端子Ｔ１１に供給される交流信号の振幅は、容量素子Ｃ１１の静電容量値（すなわち、電極Ｅ１１と変位導電層２６との間隔）に応じて変化する。この発振回路５２の発振は、スイッチ素子ＳによるスイッチをＯＦＦ状態にすると停止する。一方、整流回路５３は、抵抗素子Ｒ０４，Ｒ０５，Ｒ０６，Ｒ０７と、コンデンサＣ０２，Ｃ０３と、ダイオードＤ０１と、によって構成されており、端子Ｔ１１に供給される交流信号を平滑整流し、直流電圧として出力する機能を果たしている。すなわち、端子Ｔ１１の交流信号の振幅が大きければ大きいほど、端子Ｔ２１に出力される電圧Ｖ１１は大きくなる。
【００８６】
結局、制御端子Ｔ２０からの制御信号が、待機モードを示す信号であった場合には、スイッチ回路５１により発振回路５２内のスイッチ素子ＳがＯＦＦ状態になるように制御され、発振回路５２は発振を停止した状態となる。このため、端子Ｔ１１には交流信号は供給されず、端子Ｔ２１から出力される電圧は０Ｖ（接地レベル）になる。これが、このＣ／Ｖ変換回路５０の待機モードにおける動作である。一方、制御端子Ｔ２０からの制御信号が、検出モードを示す信号であった場合には、スイッチ回路５１により発振回路５２内のスイッチ素子ＳがＯＮ状態になるように制御され、発振回路５２は発振を開始する。このため、端子Ｔ１１には交流信号が供給され、端子Ｔ２１には、容量素子Ｃ１１の静電容量値に応じた直流電圧Ｖ１１が出力される。これが、このＣ／Ｖ変換回路５０の検出モードにおける動作である。
【００８７】
なお、図１９に示すＣ／Ｖ変換回路５０は、一般的なＣ／Ｖ変換回路を一例として示したものであり、本発明を実施する上では、この他にも種々のＣ／Ｖ変換回路を用いて検出回路を構成することができる。また、容量素子の静電容量値を検出する回路としては、Ｃ／Ｖ変換回路の他にも、Ｃ／ｆ変換回路（静電容量値Ｃを周波数ｆに変換する回路）を用いることができる。このＣ／ｆ変換回路にも、比較的大きな電力を消費する発振回路が含まれており、この発振回路の発振を停止させることにより待機モードを実現することができる。もちろん、Ｃ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路以外の回路を用いて、静電容量値を電気信号として検出する検出回路を構成してもかまわない。要するに、本発明では、静電容量値を電気信号として検出することができる何らかの検出回路に、正常に検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モード（電源供給を完全に遮断した停止状態も含む）と、が用意されており、一対の接触用電極間の電気的な状態（絶縁状態か接触状態か）に基づいて、いずれか一方のモードが選択されるような構成が得られれば、具体的には、どのような検出回路を用いてもかまわない。
【００８８】
§４．本発明に係る電子機器用入力装置の別な実施形態
以上、本発明に係る力検出装置を、電子機器用入力装置に利用した基本的な実施形態を述べたが、ここでは、いくつかの別な実施形態を述べておく。
【００８９】
(1) 接触用電極の形態の変形例
前述した基本的な実施形態では、一対の円環状の接触用電極（すなわち、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６）と、電極用柱状突起Ｐ２の底面に形成された変位導電層２６と、によって切替要素が構成されていたが、切替要素として用いる一対の接触用電極は、必ずしも円環状にする必要はない。たとえば、図２０に一部を示す一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａは、図１０に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に形成された環状電極であるが、それぞれ歯状の突起部分が形成されており、これらが噛み合うような形態をなす（図２０のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。仲介電極として機能する変位導電層２６は、一対の接触用電極の双方に同時に接触する必要があるが、図２０に示すような一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａを用いれば、このような同時接触がより容易になる。
【００９０】
また、図２１（ハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）に一部を示す接触用電極群Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ｂは、第１グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１５Ｂと、第２グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１６Ｂとを、基板４０上に定義された円周に沿って交互に配置したものである（図１０に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に配置されている）。これにより、第１グループに所属する電極Ｅ１５Ｂと第２グループに所属する電極Ｅ１６Ｂとがそれぞれ隣接して配置されることになり、互いに隣接して配置された電極Ｅ１５Ｂと電極Ｅ１６Ｂとによって一対の接触用電極が構成されており、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極が形成されている。図１０に示す実施形態では、一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６が１組だけしか設けられていなかったが、図２１に示す例は、一対の接触用電極を複数組設けた変形例ということになる。この変形例では、Ｎ枚の電極Ｅ１５ＢおよびＮ枚の電極Ｅ１６Ｂのそれぞれに対して配線を行う必要があり、実用上は、配線が複雑になる。
【００９１】
(2) 一次元の操作量入力のみをもつ電子機器用入力装置への適用例
前述した基本的な実施形態では、操作盤１０に対して、クリック入力（押圧力Ｆｚ−）と、二次元の操作量入力（操作力Ｆｘ＋，Ｆｘ−，Ｆｙ＋，Ｆｙ−）と、の双方の検出を行う機能をもった力検出装置が利用されていた。しかしながら、本発明は、一次元の操作量入力機能しかもたない力検出装置にも同様に利用可能である。たとえば、図１に示す構成要素における基板４０を、図２２に上面図を示すような基板４０Ａに交換し、ドーム状構造体３０を除外して組み立てれば、一次元（Ｚ軸方向）の操作量のみをもつ電子機器用入力装置が実現できる。この場合、図２２に示す半円状の電極Ｅ２１，Ｅ２２は、導電面が露出した一対の接触用電極となり、ワッシャー状の電極Ｅ２３は、表面が絶縁膜によって覆われた検出用固定電極となる（図２２のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。容量素子は、ワッシャー状の電極Ｅ２３（検出用固定電極）と、これに対向する変位導電層２６の一部分（検出用変位電極）とによって構成されることになる。
【００９２】
操作者が操作盤１０を下方にある程度の力で押し込む操作を行うと（所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加えられると）、仲介電極として機能する変位導電層２６の中央部分が、一対の接触用電極Ｅ２１，Ｅ２２の双方に接触することになり、それ以上の押圧力で押し込む操作を行う限り、容量素子の静電容量値に関する有意な出力が得られるようになる。前述した基本的な実施形態では、操作盤１０に対するＺ軸方向への押圧力Ｆｚ−に関しては、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチ入力としての検出しか行えなかったが、ここに示す実施形態では、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−を操作量として検出することができ、力の大きさに応じた検出値が得られるようになる。すなわち、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−が大きくなればなるほど、変位導電層２６は電極Ｅ２３に接近し、静電容量値が増加することを利用し、押圧力Ｆｚ−の検出が可能になる。
【００９３】
もちろん、押圧力Ｆｚ−が所定の大きさになるまでは、検出回路は待機モードで動作するため、検出値の出力は行われず、無駄な電力が消費されることもない。具体的には、たとえば、電極Ｅ２１を接地し、電極Ｅ２２を抵抗を介して電源電圧Ｖｃｃに接続し、変位導電層２６には配線を施さずに浮遊状態の孤立した電極となるようにしておけば、図１７に示す電極Ｅ１５，Ｅ１６，変位導電層２６によって構成される切替要素と全く同様に、電極Ｅ２１，Ｅ２２，変位導電層２６によって切替要素を構成することができる。したがって、電極Ｅ２２の電位が電源電圧Ｖｃｃに等しい場合には、検出回路を待機モードとし、電極Ｅ２２の電位が接地レベルに落ちた場合には、検出回路を検出モードとする制御を行うようにすればよい。
【００９４】
(3) 三次元の操作量入力とクリック入力とをもつ電子機器用入力装置への適用例
図１に示す構成要素における基板４０を、図２３に上面図を示すような基板４０Ｂに交換すると、三次元の操作量入力とクリック入力とをもつ電子機器用入力装置が実現できる（図２３のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。図２３に示す基板４０Ｂは、図１０に示す基板４０に、更に、ワッシャー状の電極Ｅ１９を付加したものである。電極Ｅ１９を付加するために、扇形の電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、若干、幅が狭い電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂに置き換えられているが、その機能については変わりない。新たに追加した電極Ｅ１９は、表面が絶縁膜で覆われた検出用固定電極である。
【００９５】
結局、この実施形態では、合計５枚の検出用固定電極Ｅ１１Ｂ，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４Ｂ，Ｅ１９が形成されており、これらに対向する変位導電層２６の一部分を検出用変位電極として、合計５組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１９が形成されることになる。ここで、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２がＸ軸方向の操作入力の検出に用いられ、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４がＹ軸方向の操作入力の検出に用いられる点は、前述した基本的な実施形態と同様である。ここに示す実施形態では、更に、容量素子Ｃ１９によって、Ｚ軸方向の操作入力の検出が可能になる。すなわち、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−が大きくなればなるほど、変位導電層２６は電極Ｅ１９に接近し、静電容量値が増加することを利用し、押圧力Ｆｚ−の検出が可能になる。
【００９６】
このＺ軸方向の操作量を検出する際には、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を用いて構成される切替要素を利用することはできない。なぜなら、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−を加えた場合、図１３に示す例と同様に、ドーム状構造体３０が反転することになり、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通した状態になるものの、電極用柱状突起Ｐ２の底面に形成された変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触するには至らないからである。この状態では、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を用いて構成される切替要素は、依然として待機モードを示していることになる。
【００９７】
そこで、ここに示す実施形態では、電極Ｅ１７，Ｅ１８およびドーム状構造体３０を、第２の切替要素として利用するようにしている。ドーム状構造体３０は、全体が導電性材料（金属）で構成されており、電極Ｅ１７，Ｅ１８は、本来、ドーム状構造体３０の反転によるクリック入力（ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力）を検出するためのものである。このため、電極Ｅ１７，Ｅ１８は、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加わるまでは絶縁状態にあり、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加わると、ドーム状構造体３０の反転によって導通状態になるという性質を有している。そこで、この性質を利用して、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になった場合には、検出回路を検出モードとするような制御を加えるようにすればよい。すなわち、この装置の総合的な動作としては、電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になるか、あるいは、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になるか、そのいずれかが生じたときには、検出回路を検出モードとし、そのいずれもが生じていない間は、検出回路を待機モードとすればよい。電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の有意な操作入力が加えられているときであり、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｚ軸方向の有意な操作入力が加えられているときである。したがって、いずれの場合にも、検出回路を検出モードとして、容量素子の静電容量値を検出する処理を行うようにすればよい。なお、実用上は、電極Ｅ１７またはＥ１８は、接地レベルに接続しておくようにし、この接地電極と電極Ｅ１９との間の静電容量値を検出回路で検出できるようにするのが好ましい。
【００９８】
これまで述べてきた実施形態における切替要素は、一対の接触用電極と、この一対の接触用電極の双方に同時に接触可能な仲介電極と、によって構成されていた。§１で述べた基本的な実施形態の場合、弾性変形体２０の下面に形成された変位導電層２６の一部を仲介電極として用いていたが、この仲介電極は、必ずしも弾性変形体２０側に形成する必要はない。ここに示す実施形態では、弾性変形体２０と基板４０との間に配置されたドーム状構造体３０が仲介電極として利用されている。変位導電層２６を仲介電極として利用した場合、この仲介電極は、通常（有意な操作入力が加えられていないとき）は、一対の接触用電極のいずれにも接触しない状態となっており、所定の大きさ以上の外力が作用したとき（有意な操作入力が加えられたとき）には、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態になる。これに対し、ここで示した実施形態のように、電極Ｅ１８上に配置されたドーム状構造体３０を仲介電極として利用した場合、この仲介電極は、通常は、一対の接触用電極の一方（電極Ｅ１８）にのみ接触した状態となっており、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、一対の接触用電極の双方（電極Ｅ１７，Ｅ１８）に同時に接触した状態になる。
【００９９】
(4) 三次元の操作量入力をもつ電子機器用入力装置への適用例
図１に示す構成要素における基板４０を、図２４に上面図を示すような基板４０Ｃに交換し、ドーム状構造体３０を除外すると、三次元の操作量入力をもつ電子機器用入力装置が実現できる（図２４のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。この実施形態は、図２３に示す基板４０Ｂを用いた実施形態から、クリック入力の機能を取り去ったものに相当する。
【０１００】
この実施形態では、合計５枚の検出用固定電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｅ２５（いずれも、表面に絶縁膜が形成されている）が形成されており、これらに対向する変位導電層２６の一部分を検出用変位電極として、合計５組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ２５が形成されることになる。ここで、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２がＸ軸方向の操作入力の検出に用いられ、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４がＹ軸方向の操作入力の検出に用いられる点は、前述した基本的な実施形態と同様である。また、容量素子Ｃ２５によって、Ｚ軸方向の操作入力の検出が可能になる点は、図２３に示す基板４０Ｂを用いた実施形態と同様である。ただ、この実施形態では、ドーム状構造体３０は用いられておらず、クリック入力の検出機能はない。基板４０Ｃの中央に設けられた半円状の電極Ｅ２６，Ｅ２７は、一対の接触用電極であり、これに対向する変位導電層２６の一部分が仲介電極として機能することになる。
【０１０１】
この実施形態でも、電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になるか、あるいは、電極Ｅ２６，Ｅ２７が導通状態になるか、そのいずれかが生じたときには、検出回路を検出モードとし、そのいずれもが生じていない間は、検出回路を待機モードとすればよい。電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の有意な操作入力が加えられているときであり、電極Ｅ２６，Ｅ２７が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｚ軸方向の有意な操作入力が加えられているときである。したがって、いずれの場合にも、検出回路を検出モードとして、容量素子の静電容量値を検出する処理を行うようにすればよい。なお、実用上は、電極Ｅ２６またはＥ２７は、接地レベルに接続しておくようにし、この接地した電極と電極Ｅ２５との間の静電容量値を検出回路で検出できるようにするのが好ましい。
【０１０２】
(5) 複数のドーム状構造体を利用した電子機器用入力装置への適用例
ここでは、本発明の更に別な実施形態に係る電子機器用入力装置を説明する。図２５は、この電子機器用入力装置を分解して各構成要素を示した分解側断面図である。図示のとおり、この電子機器用入力装置は、操作盤１０、弾性変形体２０Ｄ、ドーム状構造体３０、基板４０Ｄを用いて構成される。実際には、この入力装置は、基板４０Ｄの上にドーム状構造体３０を５組配置し（配置場所については後述）、その上を弾性変形体２０Ｄによって覆い、更にその上に操作盤１０を取り付けることにより構成されることになる。この入力装置も、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力および所定方向への操作量を示す操作入力を行うことができる。
【０１０３】
図１に示す基本的な実施形態と比べると、操作盤１０およびドーム状構造体３０は全く同じである（ただし、ドーム状構造体３０は５組用いられている）。図２５に示す弾性変形体２０Ｄは、図１に示す弾性変形体２０と若干形状が異なっているが、その機能はほぼ同じである。この弾性変形体２０Ｄの上面は、図１に示す弾性変形体２０の上面と全く同じであり、図４に示す上面図に示されているとおりである。一方、図２６は、この弾性変形体２０Ｄの下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２０Ｄは平面的にはほぼ正方形状をしている。その基本構成要素は、図２５の側断面図に示されているように、内側膜状部２１、円環状隆起部２２、外側膜状部２３、側壁部２４、固定脚部２５、柱状突起Ｐ４，Ｐ５である。図２６の下面図に示されているとおり、弾性変形体２０Ｄの下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２５は、基板４０Ｄの上面の４か所に形成された固定孔部４１（図２５参照）に挿入され、弾性変形体２０Ｄは、基板４０Ｄ上の所定位置に固定される。
【０１０４】
図２６に示されているように、膜状部２１，２３の下面には、下方へと伸びる円柱状の柱状突起Ｐ４，Ｐ５が形成されている。中央に形成された中央部柱状突起Ｐ４は、基板４０Ｄの中央部に配置されるドーム状構造体３０の頂点付近を押圧するためのものであり、周囲の４か所に形成された周囲部柱状突起Ｐ５は、基板４０の周囲部に配置される４組のドーム状構造体３０の頂点付近を押圧するためのものである。各柱状突起Ｐ４，Ｐ５の側面形状は、図２５の側断面図に明瞭に示されている。この図２５の側断面図に示されているとおり、周囲部柱状突起Ｐ５は、円環状隆起部２２の真下の位置に形成されている。
【０１０５】
この弾性変形体２０Ｄの下面にも、検出用変位電極として機能する変位導電層２６が、導電性塗料によって形成されている。図２７は、この変位導電層２６の形成領域を示すための弾性変形体２０Ｄの下面図である。図においてハッチングを施して示した領域に、変位導電層２６が形成されている（図２７におけるハッチングは、断面を示すものではない）。上述したように、弾性変形体２０Ｄの下面には、柱状突起Ｐ４，Ｐ５が形成されているが、中央部柱状突起Ｐ４の底面および側面には、変位導電層２６が形成されておらず、４か所に設けられた周囲部柱状突起Ｐ５の底面および側面には、変位導電層２６が形成されている。
【０１０６】
続いて、基板４０Ｄの構成を、図２８の上面図を参照して説明する（図２８のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。４隅に設けられた固定孔部４１は、弾性変形体２０Ｄの固定脚部２５を挿入するために、基板４０Ｄの上面に掘られた穴である。基板４０Ｄの上面には、図示のように、上面が絶縁膜によって覆われた４枚の検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４と、導電面が露出した５組の接触用電極対Ｅ４０〜Ｅ４９が形成されている。中央に配置された接触用電極対Ｅ４０，Ｅ４９は、クリック入力を検出するために利用される電極である。一方、各検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４の外側に配置された４組の接触用電極対Ｅ４１〜Ｅ４８は、切替要素として機能する電極である。
【０１０７】
５組のドーム状構造体３０は、基板４０Ｄの上面の電極Ｅ４５〜Ｅ４９の上に伏せるようにして配置される。図２９は、図２８に示す基板４０Ｄの上面の所定箇所に、ドーム状構造体３０を５組配置した状態を示す上面図である。実際には、各ドーム状構造体３０は、基板４０Ｄの上面に接着剤や接着テープなどを利用して固定される。図示のとおり、合計５組のドーム状構造体３０のうち、１組は基板４０Ｄの中央部に配置され、残りの４組は基板４０Ｄの周囲部に配置される。ここでは便宜上、図示のとおり、基板４０Ｄの中央部に配置されたものを中央部ドーム状構造体３０−０、周囲部のＸ軸正領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−１、周囲部のＸ軸負領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−２、周囲部のＹ軸正領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−３、周囲部のＹ軸負領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−４と呼ぶことにする。中心部ドーム状構造体３０−０は、Ｚ軸が中心軸となるように、電極Ｅ４９の上に配置される。一方、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４は、それぞれ電極Ｅ４５〜Ｅ４８の上に配置される。
【０１０８】
図３０は、こうして組み立てられた電子機器用入力装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。４枚の検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４と、これに対向する変位導電層２６の一部（検出用変位電極）と、によって４組の容量素子が形成され、Ｘ軸およびＹ軸方向の操作入力の検出が行われる点は、前述した基本的実施形態と同様である。ただ、ここに示す実施形態では、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４およびその下に形成された接触用電極対によって、合計４組の切替要素が構成されている。たとえば、周囲部ドーム状構造体３０−１と、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５とによって、１組の切替要素が構成されている。この切替要素を構成する一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５は、通常は絶縁状態にあるが、操作盤１０に対して所定の大きさ以上のＸ軸正方向の操作入力Ｆｘ＋が加えられると、仲介電極として機能する周囲部ドーム状構造体３０−１の反転により、導通状態に転じることになる。
【０１０９】
結局、ここに示す実施形態では、Ｘ軸正または負方向あるいはＹ軸正または負方向の所定の大きさ以上の操作入力が加わると、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４のいずれかが反転状態となり、頂点付近の下面が接触用電極Ｅ４１〜Ｅ４４に接触することになり、４組の接触用電極対のいずれかの組が導通状態になる。そこで、検出回路としては、４組の切替要素の接触用電極対のうちのいずれかが導通状態になった場合には、検出モードによる動作を行い、いずれもが絶縁状態である場合には、待機モードによる動作を行うようにすればよい。
【０１１０】
なお、この実施形態では、中心部ドーム状構造体３０−０は、クリック入力の検出にのみ用いられ、切替要素としては機能しない。したがって、中心部ドーム状構造体３０−０が反転状態となり、電極Ｅ４０，Ｅ４９が導通状態となっても、クリック入力があった旨の検出がなされるだけであり、検出回路は待機状態を維持することになる。
【０１１１】
(6) ドーム状構造体の構成
上述したいくつかの実施形態では、ドーム状構造体３０が用いられている。これらの実施形態では、このドーム状構造体３０として、金属製のドームを用いている。金属製のドームであれば、すべての面が導電性接触面３１として機能することになり便利である。もっとも、ドーム状構造体３０は必ずしも金属製にする必要はない。たとえば、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その表面の必要な箇所に導電性材料膜を付着させることにより、導電性接触面を形成するようにしてもかまわない。
【０１１２】
ドーム状構造体３０の表面に導電性接触面を形成する第１の理由は、一対の接触用電極の間を導通させる役割を果たす仲介電極として機能させるためである。たとえば、図２９に示す５組のドーム状構造体３０−０〜３０−４は、いずれもその下方に位置する一対の接触用電極（ワッシャー状の電極と、その内側に配置された円形の電極）を導通させるための仲介電極として機能し、外力の作用によって反転を生じたときに、一対の接触用電極を導通状態にすることができる。このような仲介電極としての機能を果たすためには、このドーム状構造体３０の少なくとも頂点付近の下面（円形の接触用電極に接する部分）から底周面（ワッシャー状の接触用電極に接する部分）にかけて導電性接触面３１が形成されている必要がある。このようなドーム状構造体３０を仲介電極として用いれば、この仲介電極は、通常は一方の接触用電極にのみ接触している状態を維持し、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体３０の反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となる。
【０１１３】
もっとも、一対の接触用電極が、図２４に示す接触用電極Ｅ２６，Ｅ２７のような電極であった場合は、ドーム状構造体３０の少なくとも頂点付近の下面（接触用電極Ｅ２６，Ｅ２７に接する部分）に、導電性接触面３１が形成されていれば足りる。このようなドーム状構造体３０を仲介電極として用いれば、この仲介電極は、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していない状態を維持し、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体３０の反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となる。
【０１１４】
ドーム状構造体３０の表面に導電性接触面を形成する第２の理由は、弾性変形体側に形成されている変位導電層２６（その一部は検出用変位電極として機能する）と、基板側に形成されている接触用電極とを導通させることにより、容量素子に対する配線機能を果たすためである。弾性変形体２０は弾性変形を生じる構成要素であるため、この弾性変形体２０側に配線を施すことは好ましいことではない。このため、弾性変形体側に形成された変位導電層には、外部からの配線を接続することは好ましくない。そこで、これまで述べてきた実施形態では、変位導電層２６には何ら配線を施すことなく、電気的に浮遊状態にしている。しかしながら、変位導電層２６は、容量素子の一方の電極を構成する要素であるため、静電容量値を検出する際には、検出系に対して何らかの配線を行う必要がある。ドーム状構造体３０には、この配線の役割を果たさせることができる。たとえば、図３０に示す装置において、操作盤１０に対して所定の大きさ以上のＸ軸正方向の操作入力Ｆｘ＋が加えられると、仲介電極として機能する周囲部ドーム状構造体３０−１の反転により、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５が導通状態となる。このとき、ドーム状構造体３０−１が金属製であれば、このドーム状構造体３０−１を介して、周囲部柱状突起Ｐ５の底面に形成されている変位導電層２６が、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５と導通状態となるので、変位導電層２６に対する配線が確保されたことになる。実際には、たとえば、接触用電極Ｅ４５を接地レベルに接続しておけば、変位導電層２６を接地レベルに固定することができるので、接地レベルと各検出用固定電極との間の静電容量値を検出すればよい。
【０１１５】
ドーム状構造体３０にこのような配線機能を果たすことができるようにするためには、全体を金属製で構成するのが最も簡単であるが、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その表面の必要な箇所に導電性材料膜を付着させる場合であれば、少なくとも頂点付近の上面および下面が互いに導通した導電性材料から構成されるようにする必要がある。
【０１１６】
(7) 一対の接触用電極の変形例
これまで述べた実施形態では、切替要素に含まれる一対の接触用電極を、いずれも基板上に形成し、この一対の接触用電極の双方に仲介電極を同時に接触させることにより、一対の接触用電極を導通させるという手法を採ってきたが、本発明を実施する上では、一対の接触用電極を必ずしも基板側に設ける必要はなく、また、必ずしも仲介電極を用いる必要もない。たとえば、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって一対の接触用電極を構成するようにし、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、この弾性変形体の変形により、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触するような構成を採ってもかまわない。
【０１１７】
しかしながら、このように、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触したか否かを電気的に検出するためには、各電極にそれぞれ配線を施す必要がある。そして、実用上、弾性変形体側に配線を施すことは好ましいことではない。したがって、実用上は、これまでに述べてきた実施形態のように、基板上に一対の接触用電極を設け、仲介電極を利用して両電極を導通させる手法を採るのが好ましい。このような手法を採れば、仲介電極側には配線は不要であるため、基板側にだけ配線を行えば、弾性変形体側に配線を施す必要ななくなる。
【０１１８】
(8) その他の変形例
上述した実施形態では、検出回路として、Ｃ／Ｖ変換回路あるいはＣ／ｆ変換回路を用いた例を述べたが、本発明を実施する上で用いる検出回路は、これらの回路を用いたものに限定されるものではなく、基板側に形成された検出用固定電極と弾性変形体側に形成された検出用変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値を電気信号として検出する機能を有する検出回路であれば、どのような回路を用いてもかまわない。また、上述の実施形態では、Ｃ／Ｖ変換回路５０に検出モードと待機モードとを設けたが、２通りのモードで動作する部分は、検出回路のどの部分であってもかまわない。要するに、検出回路全体として捉えたときに、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードと、このような検出機能を果たすことはできないが、検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２通りの動作が可能になっていればよい。ここで、待機モードは、必ずしも回路が何らかの動作を行っている必要はなく、切替要素の状態遷移に基づいて、検出モードへの移行が可能な状態であれば、回路が完全に停止した状態であってもかまわない。たとえば、検出回路への電源供給を全く停止した状態を待機モードとし、切替要素の状態遷移が生じたときに電源供給を開始して検出モードに移行するような方法を採ってもよい。また、本発明における切替要素は、上述した待機モードから検出モードへの切替あるいは検出モードから待機モードへの切替を行うために、一対の接触用電極間の導通状態を変化させることができる構成要素であれば、どのような構成のものであってもかまわない。
【０１１９】
図３１は、図１７に示す検出回路の更に別な変形例を示す回路図である。この変形例の回路の基本構成要素は、図１７の回路と同様に、Ｃ／Ｖ変換回路５０と信号処理回路６０であり、これらの基本動作は、図１７の回路と同様である。ただ、図１７に示す回路では、信号処理回路６０の端子Ｔ６からの制御信号をＣ／Ｖ変換回路５０の制御端子Ｔ２０に与えることにより、Ｃ／Ｖ変換回路５０のモードを切り替えていたが、図３１に示す回路では、Ｃ／Ｖ変換回路５０への電源供給を、切替要素を構成する一対の接触用電極、すなわち、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の電気的な接触状態に基づいて直接制御する方式を採っている。具体的には、図示のとおり、外側電極Ｅ１６には電源Ｖｃｃが接続され、外側電極Ｅ１５はＣ／Ｖ変換回路５０の電源供給用端子Ｔｖに接続されている。このような構成にしておけば、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触するまでは、外側電極Ｅ１５には、電源電圧Ｖｃｃが供給されないので、Ｃ／Ｖ変換回路５０にも電源電圧Ｖｃｃの供給が行われないことになる。すなわち、この状態（待機モード）では、Ｃ／Ｖ変換回路５０には、全く電源供給が行われないことになり、本来出力されるべき有意な電圧出力Ｖ１１〜Ｖ１４は出力されない。当然、Ｃ／Ｖ変換回路５０は電力消費を行わないので、検出回路全体の消費電力を大幅に節約することができる。ところが、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触すると、外側電極Ｅ１５を介して電源電圧Ｖｃｃが、Ｃ／Ｖ変換回路５０の電源供給用端子Ｔｖに供給されることになり、Ｃ／Ｖ変換回路５０が本来の動作を開始する（検出モード）。
【０１２０】
なお、上述の実施形態では、本発明に係る力検出装置を電子機器用入力装置として利用した例を述べたが、本発明に係る力検出装置の用途は、このような入力装置のみに限定されるものではなく、ロボットや産業機械などの制御に用いる検出装置などにも勿論利用可能である。また、作用体の部分が重錘体として機能するようにすれば、加速度に基づいて重錘体に作用した力を検出することにより加速度検出装置として利用することも可能である。この場合、所定の大きさ以上の加速度が加わらない限り、検出回路は待機モードとなるので、消費電力の節約が可能になる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、電力消費を効率的に抑制させることが可能な容量素子を用いた力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る電子機器用入力装置の分解側断面図である。
【図２】図１に示す操作盤１０の上面図である。この操作盤１０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図３】図１に示す操作盤１０の下面図である。この操作盤１０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図４】図１に示す弾性変形体２０の上面図である。この弾性変形体２０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図５】図１に示す弾性変形体２０の下面図である。この弾性変形体２０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図６】図５に示す弾性変形体２０の下面に形成されている各柱状突起の配置を説明するための下面図である。
【図７】図５に示す弾性変形体２０の下面に形成されている変位導電層２６を示す下面図である。
【図８】図１に示すドーム状構造体３０の上面図である。このドーム状構造体３０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図９】図１に示すドーム状構造体３０の形状反転動作を説明する側断面図である。
【図１０】図１に示す基板４０の上面図である。この基板４０を中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図１に示されている。
【図１１】図１０に示す基板４０の上に、ドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。
【図１２】図１に示す各構成要素を組み立てることにより構成された電子機器用入力装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１３】図１２に示す電子機器用入力装置においてスイッチ入力（クリック入力）が行われたときの状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１４】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第１の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１５】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第２の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１６】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第３の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１７】図１２に示す電子機器用入力装置に利用される検出回路の一例を示す回路図である。
【図１８】図１２に示す電子機器用入力装置に利用される検出回路の別な一例を示す回路図である。
【図１９】図１７または図１８に示す回路図におけるＣ／Ｖ変換回路の詳細を示す回路図である。
【図２０】図１０に示す一対の接触用電極の変形例を示す上面図である。
【図２１】図１０に示す一対の接触用電極の別な変形例を示す上面図である。
【図２２】一次元の操作入力機能のみを有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ａの上面図である。
【図２３】三次元の操作入力機能とクリック機能とを有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ｂの上面図である。
【図２４】三次元の操作入力機能を有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ｃの上面図である。
【図２５】複数のドーム状構造体を利用した電子機器用入力装置の分解側断面図である。
【図２６】図２５に示す弾性変形体２０Ｄの下面図である。この弾性変形体２０Ｄを中心で切断した側断面が図２５に示されている。
【図２７】図２６に示す弾性変形体２０Ｄの下面に形成されている変位導電層２６を示す下面図である。
【図２８】図２５に示す基板４０Ｄの上面図である。この基板４０Ｄを中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図２５に示されている。
【図２９】図２８に示す基板４０Ｄの上に、５組のドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。
【図３０】図２５に示す各構成要素を組み立てることにより構成された電子機器用入力装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。
【図３１】図１７に示す検出回路の更に別な変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…操作盤
１１…操作部分
１２…土手部分
１３…外周部分
１４…押圧棒
２０，２０Ｄ…弾性変形体
２１…内側膜状部
２２…円環状隆起部
２３…外側膜状部
２４…側壁部
２５…固定脚部
２６…変位導電層
３０…ドーム状構造体
３１…導電性接触面
４０，４０Ｄ…基板
４１…固定孔部
５０…Ｃ／Ｖ変換回路
５１…スイッチ回路
５２…発振回路
５３…整流回路
６０…信号処理回路
Ｃ１…内側同心円
Ｃ２…基準同心円
Ｃ３…外側同心円
Ｃ１１〜Ｃ１４…容量素子
Ｃ０１〜Ｃ０３…コンデンサ
Ｄ０１…ダイオード
Ｅ１０〜Ｅ４９…電極
Ｆ…押圧力
Ｆｘ−，ＦＦｘ−…Ｘ軸負方向成分を含む操作力
Ｆｚ−…Ｚ軸負方向への押圧力
ＧＮＤ…接地レベル
Ｉ０１〜Ｉ０３…インバータ素子
Ｐ１…支持用柱状突起
Ｐ２…電極用柱状突起
Ｐ３…支持用柱状突起
Ｐ４…中央部柱状突起
Ｐ５…周囲部柱状突起
Ｒ，Ｒ０１〜Ｒ０７…抵抗素子
Ｓ…スイッチ素子
Ｔ１〜Ｔ２１，Ｔｖ…端子
Ｖ１１〜Ｖ１４…電圧値
Ｖｃｃ…電源電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量素子を用いた力検出装置に関し、特に、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定の操作量を示す操作入力を行うための入力装置などへの利用に適した力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、利用者による所定の操作入力を受け付け、この操作入力に基づいてプログラムが進行する。通常、この種の操作入力は、ディスプレイ画面上に表示されるカーソルやその他の指標を見ながら行うことが多く、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向の方向を示す入力が求められるのが一般的である。このような方向性をもった入力を行うために、いわゆるジョイスティックと呼ばれているタイプの装置が利用されている。この種の装置は、通常、二次元力検出装置を内蔵しており、加えられた力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分をそれぞれ別個に検出することにより、加えられた操作入力の方向と操作量とを検出することになる。たとえば、Ｘ軸方向成分が＋５であるような操作入力は、右方向に５という操作量を示し、Ｙ軸方向成分が−８であるような操作入力は、下方向に８という操作量を示すことになる。もちろん、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを合成する演算を行うことにより、斜め方向に加えられた操作入力の検出も可能である。
【０００３】
また、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、上述したような方向性をもった操作入力とともに、クリック入力が要求される。このクリック入力は、基本的には、ＯＮ／ＯＦＦの二値状態を示す入力であるが、操作者に対してクリック操作を行ったという感触（いわゆるクリック感）を与えることが重要であり、ある程度のストロークを確保するとともに指先から加えられる押圧力に対する反力を作用させる必要がある。このようなクリック感をもったＯＮ／ＯＦＦ入力を行うのに適したスイッチとして、ゴムや金属などの弾性材料の弾力性を利用したスイッチが一般的に用いられており、クリック入力とともに所定方向への操作入力を行う機能をもった力検出装置が実用されている。
【０００４】
比較的安価な電子機器用の入力装置としては、容量素子を用いた力検出装置が利用されることが多い。容量素子を利用した力検出装置は、一対の電極の間隔が外力の作用により変化するような構造を採り、この電極間隔を容量素子の静電容量値として電気的に検出することにより作用した外力を求めることができる。このように、容量素子を用いた力検出装置の基本的な構成要素は一対の電極であり、構造が単純で部品コストが安いというメリットが得られる。このため、容量素子を用いた力検出装置は、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器用入力装置として広く利用されるに至っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
容量素子の静電容量値Ｃを電気的に検出する方法としては、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するためのＣ／Ｖ変換回路を用いる方法や、静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するためのＣ／ｆ変換回路を用いる方法などが知られている。しかしながら、一般的なＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路は、内部に発振回路を有しており、動作中の消費電力が比較的大きくなるという問題がある。このため、従来の容量素子を用いた力検出装置を種々の電子機器に組み込むと、全体的に電力消費が増大するという問題が生じていた。特に、内蔵電池で動作する携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器では、電池の消耗をできるかぎり抑えるような設計が望まれており、容量素子を用いた力検出装置は、コストの点では大きなメリットがあるものの、消費電力の点では大きなデメリットを抱えていた。
【０００６】
もちろん、電力消費の大きなＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路を、間欠的に動作させることにより、全体的な消費電力を低減させるという手法を採ることは可能である。たとえば、２０ｍｓｅｃだけ回路を動作させたら、次の１８０ｍｓｅｃは回路を停止させる、という２００ｍｓｅｃ周期の間欠動作を行えば、１秒間に５回の測定が可能になり、かつ、消費電力を１／１０程度に減少させることができる。しかしながら、このような手法を採っても、電力の無駄な消費を完全に抑制することはできない。実際の携帯電話などの利用形態を考慮すると、カーソル移動などのための入力操作が行われている時間はごく限られており、操作者が全く操作入力を行っていない間に、消費電力の大きな回路を動作させることは効率的ではない。
【０００７】
そこで本発明は、電力消費を効率的に抑制させることが可能な容量素子を用いた力検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、容量素子を利用して、作用した外力の大きさを検出する機能をもった容量素子を用いた力検出装置において、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなる弾性変形体と、
外力の作用に基づき弾性変形体に弾性変形を起こさせ、弾性変形体の一部を基板に対して変位させる作用体と、
基板上に形成された検出用固定電極と、
弾性変形体の「検出用固定電極に対向し、かつ、変位が生じる位置」に形成された検出用変位電極と、
一対の接触用電極を有し、通常は一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
検出用固定電極と検出用変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路が、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成し、一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるようにしたものである。
【０００９】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
切替要素に含まれる一対の接触用電極を、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって構成し、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、弾性変形体の変形により、接触用変位電極が接触用固定電極に物理的に接触するようにしたものである。
【００１０】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
切替要素を、基板上に形成された一対の接触用電極と、一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成し、
仲介電極が、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
仲介電極を、弾性変形体の変位が生じる位置に形成するようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
一対の接触用電極を、環状の第１電極と、この第１電極の外側に隣接配置された環状の第２電極と、によって構成し、
仲介電極を、第１電極と第２電極との双方に、いずれかの箇所で同時に接触可能な位置に形成するようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に第１グループに所属する複数Ｎ個の電極と第２グループに所属する複数Ｎ個の電極とを配置し、第１グループに所属する第ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の電極と第２グループに所属する第ｉ番目の電極とがそれぞれ隣接するようにし、互いに隣接して配置された第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とによって一対の接触用電極が構成されるようにし、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極を形成するようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に定義された円周に沿って、第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とを交互に配置し、
仲介電極を、弾性変形体側の「上記円周に対向する円周」に沿って形成するようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第３〜第７の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
仲介電極と検出用変位電極とを導通させ、検出回路が、検出モード時に、仲介電極に対して接触状態にある接触用電極と、検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出することができるようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
基板上に形成された一対の接触用電極の近傍に伏せるように配置され、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有し、導電性接触面を有しているドーム状構造体を設け、導電性接触面を仲介電極として利用し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、弾性変形体の変形により、ドーム状構造体に形状反転が生じ、導電性接触面が一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
ドーム状構造体の頂点付近の下面から底周面にかけて形成された導電性接触面により仲介電極を構成し、一対の接触用電極のうちの一方をドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置し、他方をドーム状構造体の中心位置に配置し、仲介電極が、通常は一方の接触用電極にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体の形状反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
一対の接触用電極を、ドーム状構造体の底周面に囲まれた領域に形成し、ドーム状構造体の頂点付近の下面に形成された導電性接触面からなる仲介電極が、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していない状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第９〜第１１の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
少なくとも頂点付近の上面および下面が互いに導通した導電性材料により構成されたドーム状構造体を用意し、弾性変形体のドーム状構造体の頂点付近に対する接触部分に、検出用変位電極と電気的に接続された仲介導電層を形成し、
検出回路が、検出モード時に、ドーム状構造体を介して仲介導電層と電気的に接触状態にある接触用電極と、検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出することができるようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
検出用固定電極および検出用変位電極の少なくとも一方の表面に、両者の電気的接触を阻むための絶縁膜を形成するようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１〜第１３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
容量素子の静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するＣ／Ｖ変換回路を有する検出回路を用い、検出モードにおいてはこのＣ／Ｖ変換回路を動作させ、待機モードにおいてはこのＣ／Ｖ変換回路を動作させない制御を行うようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
Ｃ／Ｖ変換回路内に、容量素子を構成する一方の電極に対して交流信号を供給する発振回路と、検出モードでは発振回路を発振させ、待機モードでは発振回路の発振を停止させるスイッチ回路と、を設けるようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１〜第１３の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
容量素子の静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するＣ／ｆ変換回路を有する検出回路を用い、検出モードにおいてはこのＣ／ｆ変換回路を動作させ、待機モードにおいてはこのＣ／ｆ変換回路を動作させない制御を行うようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１６の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
作用体を剛性材料からなる操作盤によって構成し、この操作盤に加えられた操作入力を外力として検出できるようにしたものである。
【００２５】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１〜第１７の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、基板上面に対してほぼ平行になるように配置された膜状部と、この膜状部の周囲を基板上面に固定するための側壁部と、膜状部の下面の所定の複数箇所から下方に伸びた柱状突起と、によって構成し、少なくとも膜状部の一部および柱状突起を弾性材料によって構成するようにしたものである。
【００２６】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
弾性変形体を、一体成型されたゴムによって構成するようにしたものである。
【００２７】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る容量素子を用いた力検出装置において、
検出用変位電極を、一体成型されたゴムの表面に塗布した導電性塗料からなる層によって構成するようにしたものである。
【００２８】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第２０の態様に係る容量素子を用いた力検出装置を利用して、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定方向への操作量を示す操作入力を行うための電子機器用入力装置を構成し、力検出装置によって検出された外力を操作量として取り扱うことができるようにしたものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。本発明は、容量素子を用いた力検出装置に係るものであり、産業上、様々な装置に組み込んで利用することができる。そこで、ここでは、本発明に係る力検出装置を、携帯電話やゲーム遊戯装置などの電子機器用入力機器として利用した例を述べることにする。
【００３０】
§１．本発明に係る電子機器用入力装置の基本構造
はじめに、本発明の基本的な実施形態に係る電子機器用入力装置の基本構造を説明する。図１は、この電子機器用入力装置を分解して各構成要素を示した分解側断面図である。図示のとおり、この電子機器用入力装置は、操作盤１０、弾性変形体２０、ドーム状構造体３０、基板４０によって構成されている。実際には、この入力装置は、基板４０の上にドーム状構造体３０を配置し、その上を弾性変形体２０によって覆い、更にその上に操作盤１０を取り付けることにより構成されることになる。この入力装置は、携帯電話やゲーム遊戯装置など、所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器用の入力装置として利用するのに適しており、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力および所定方向への操作量を示す操作入力を行うことができる。
【００３１】
操作盤１０は、弾性変形体２０の上面に配置され、操作者の動作に基づいて加えられた力を弾性変形体２０へと伝達し、弾性変形体２０に弾性変形を起こさせる機能を有している。この入力装置を力検出装置として捉えた場合、操作者の操作盤１０への操作入力は、この力検出装置の検出対象となる外力に相当する。したがって、操作盤１０は、この外力の作用に基づき、弾性変形体２０に弾性変形を起こさせ、弾性変形体２０の一部を基板４０に対して変位させる作用体としての機能を果たすことになる。
【００３２】
図２は、この操作盤１０の上面図、図３は、この操作盤１０の下面図である。
図示のとおり、操作盤１０は全体として円盤状をしており、この実施形態の場合、プラスチックなどの樹脂で構成されている。上述したように、操作盤１０は、弾性変形体２０に対して力を伝達させる機能を果たすことができれば、どのような形状のものでもかまわないが、種々の方向に関する操作量を入力するには、円盤状のものが適している。また、操作者の操作を確実に弾性変形体２０に伝達するためには、樹脂や金属などの剛性材料によって構成するのが好ましい。図示の実施形態の場合、操作盤１０は、図２に示すように、操作部分１１、土手部分１２、外周部分１３の３つの部分から構成されており、その下面には、図３に示すように円柱状の押圧棒１４が突き出している。操作部分１１は、操作者の指にフィットするように、土手部分１２の内側に形成された滑らかな窪み部分であり、外周部分１３は、土手部分１２の外側に形成されたテーパ部である。また、押圧棒１４は、後述するように、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力を効果的に行うためのものであり、ドーム状構造体３０の頂点付近に対して、操作者からの垂直下方に向けた力を効果的に伝達させる機能を果たす。
【００３３】
弾性変形体２０は、この実施形態の場合、一体成型されたシリコンゴムによって構成されている。図４は、この弾性変形体２０の上面図、図５は、この弾性変形体２０の下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２０は平面的にはほぼ正方形状をしている。その基本構成要素は、図１の側断面図に示されているように、内側膜状部２１、円環状隆起部２２、外側膜状部２３、側壁部２４、固定脚部２５、柱状突起Ｐ１〜Ｐ３である。図４に示すように、内側膜状部２１と外側膜状部２３とは、この弾性変形体２０の正方形状の上面全体を形成する膜状の構造体であるが、ここでは、説明の便宜上、円環状隆起部２２の内側部分を内側膜状部２１と呼び、外側部分を外側膜状部２３と呼ぶことにする。この膜状部２１，２３は、基板４０の上面に対して、ドーム状構造体３０を挟んでほぼ平行になるように配置されることになる。円環状隆起部２２は、この膜状部の上面に形成された円環状の隆起部分であり、内側膜状部２１の上面部分は、周囲をこの円環状隆起部２２によって囲まれた状態になる。この実施形態では、円環状隆起部２２は、断面が矩形のいわばワッシャ状の構造体となっているが、これは、その上面に配置される操作盤１０からの力を効率よく受けることができるようにするための配慮である。
【００３４】
一方、側壁部２４は、外側膜状部２３の周囲を、基板４０の上面に固定する機能を果たしている。正方形状をした膜状部２１，２３は、その四辺を側壁部２４によって支持され、基板４０の上面に対してほぼ平行な状態を保つことになる。
図５の下面図に示されているとおり、弾性変形体２０の下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２５は、基板４０の上面の４か所に形成された固定孔部４１（図１参照）に挿入される。かくして、弾性変形体２０は、基板４０上の所定位置に固定される。
【００３５】
また、図５に示されているように、膜状部２１，２３の下面には、下方へと伸びる多数の柱状突起Ｐ１〜Ｐ３が形成されている。図６は、これら柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の位置を明確にするために、図５の下面図に一点鎖線による同心円を描き加えたものである。図示のとおり、弾性変形体２０の中心点の周囲に、３通りの同心円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を定義すれば、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、いずれかの同心円の円周上に配置されていることがわかる。すなわち、柱状突起Ｐ１は内側同心円Ｃ１の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されており、柱状突起Ｐ２は基準同心円Ｃ２の円周上に円周角２２．５°おきに合計１６個配置されており、柱状突起Ｐ３は外側同心円Ｃ３の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されている。
【００３６】
各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の側面形状は、図１の側断面図に明瞭に示されている。なお、図１の側断面図では、図が繁雑になるのを避けるため、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３については、切断面に位置するものだけを描いているが、実際には図５，図６の下面図に示されているとおり、より多数の柱状突起が膜状部の下面から下方に伸びていることになる。ここで、図１に示されているとおり、柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さに比べると、柱状突起Ｐ２の長さが短く設定されているが、これは、柱状突起Ｐ１，Ｐ３と柱状突起Ｐ２とでは、その主たる機能に違いがあるためである。すなわち、柱状突起Ｐ１，Ｐ３の主たる機能は、操作盤１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、内側膜状部２１および外側膜状部２３を、基板４０上面に対して支持する機能であり、これら柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さは、このような支持機能を果たすのに適した長さに設定されている（図示の例では、柱状突起Ｐ１の長さが柱状突起Ｐ３の長さに比べて若干短くなっているが、これは後述するように、基板４０上に形成された電極の厚みを考慮したためである。）。このような機能に着目し、ここでは、柱状突起Ｐ１，Ｐ３を「支持用柱状突起」と呼ぶことにする。
【００３７】
これに対して、柱状突起Ｐ２の主たる機能は、後述するように、基板４０の上面側に形成された電極に接触することにより、電気的な導電状態に変化を生じさせる仲介電極としての機能を補助する機能である。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ２を「電極用柱状突起」と呼ぶことにする。電極用柱状突起Ｐ２の長さを、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３の長さよりも短く設定したのは、操作盤１０に対して、操作者からの入力が何ら作用していない状態において、電極用柱状突起Ｐ２の下端が宙吊り状態となるようにし、基板４０の上面に形成されている電極と物理的に接触しない状態に維持するためである。
【００３８】
また、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３と電極用柱状突起Ｐ２とは、長さだけでなく、その側面形状も異なっている。すなわち、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、下端部が若干丸くなっているのに対し、電極用柱状突起Ｐ２は、下端が平面をなす円盤状の突起となっている。このような形状の相違も、上述した機能の相違に基づくものであり、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３の下端部は基板４０の上面に接触して支持するのに適した形状となっており、電極用柱状突起Ｐ２の下端部は基板４０の上面に形成された電極に接触して、電気的な導通状態を確保するのに適した形状となっている。
【００３９】
ここに示す実施形態のように、操作盤１０を円盤状の剛性部材によって構成した場合、操作者から加えられる力は、操作盤１０の中心軸を中心とした同心円に沿って伝達すると考えられるので、図５，図６に示すように、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３もそれぞれ所定の円周に沿って配置するのが好ましい。特に、図示の実施形態の場合、操作盤１０に対して所定方向を示す操作入力が加えられた場合、加えられた力は、操作盤１０の周囲部分から、円環状隆起部２２へと伝達される。そこで、ここでは、図６に示す基準同心円Ｃ２を、ちょうど円環状隆起部２２の中心位置に相当する円とし、電極用柱状突起Ｐ２が、円環状隆起部２２の真下の所定位置（１６か所）に配置されるようにし、更に、基準同心円Ｃ２の内側に内側同心円Ｃ１を定義してその円周上に支持用柱状突起Ｐ１を配置し、基準同心円Ｃ２の外側に外側同心円Ｃ３を定義してその円周上に支持用柱状突起Ｐ３を配置している。
【００４０】
また、電子機器によっては、上下左右の４方向に加え、斜め方向をも含めた合計８方向の操作入力を要求する場合も少なくないので、このような８方向への操作入力が加えられることを想定して、各円周上に配置される柱状突起を、円周角４５°おきに配置される少なくとも８個の柱状突起によって構成するのが好ましい。図示の実施形態の場合、内側同心円Ｃ１および外側同心円Ｃ３上に配置される支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３については、円周角４５°おきに合計８個ずつを配置しているが、基準同心円Ｃ２上に配置される電極用柱状突起Ｐ２については、基板４０側の電極に対する確実な接触を確保するために、更に数を増やし、円周角２２．５°おきに合計１６個を配置している。
【００４１】
この弾性変形体２０の構成要素として、もうひとつ重要な構成要素は、膜状部下面の所定領域に形成された変位導電層２６である。図７は、この変位導電層２６の形成領域を示すための弾性変形体２０の下面図である。図においてハッチングを施して示した円内の領域に、変位導電層２６が形成されている（図７におけるハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すためのものである）。上述したように、弾性変形体２０の下面には、多数の柱状突起が形成されているが、この変位導電層２６は、これら柱状突起の表面も含めた弾性変形体２０の下面に形成されている。したがって、図７にハッチングで施した領域に位置する支持用柱状突起Ｐ１および電極用柱状突起Ｐ２の表面部分にも、変位導電層２６が形成されていることになる。具体的には、この変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面に塗布した導電性材料からなる層によって構成することができる。上述したように、この実施形態では、弾性変形体２０は一体成型されたシリコンゴムによって構成されているので、柱状突起を含めた図示のような構造体をシリコンゴムによって一体成型した後、その下面の一部の領域（図７にハッチングを施した円内の領域）に、導電性塗料を塗布して乾燥させれば、変位導電層２６を形成することができる。なお、この変位導電層２６の厚みは、弾性変形体２０の各部の厚みに比較して小さいため、側断面図においては、変位導電層２６は示されていない。
【００４２】
一方、ドーム状構造体３０は、図１の側断面図にも示されているとおり、伏せたカップの形状をした構造体であり、基板４０の上面の中心付近に伏せるように配置される。図８は、このドーム状構造体３０の上面図である。ドーム状構造体３０の形状は特に限定されるものではないが、図示のように平面形状が円形であるドーム状構造体３０を用いるようにすれば、各方向への操作入力をスムースに行うことができるので好ましい。また、このドーム状構造体３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、その頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有している。図９は、このような形状反転の状態を示す側断面図である。図９(a) は、何ら外力が加わっていない状態を示し、図９(b) は、頂点付近に対して下方への押圧力Ｆが加わり、頂点付近が弾性変形して下に凸となるような形状反転を起こした状態を示す。もちろん、この形状反転は弾性変形であるから、押圧力Ｆがなくなれば、ドーム状構造体３０は元通り、図９(a) に示す状態に戻ることになる。
【００４３】
このドーム状構造体３０の形状反転は、操作者によるスイッチ入力に利用される。このため、ドーム状構造体３０の少なくとも下面部分は、導電性接触面３１を構成している必要がある。すなわち、図９(b) に示すように、頂点付近が形状反転を起こしたときに、導電性接触面３１が基板４０側に設けられた電極と接触することにより、スイッチ入力の検出が行われるようになる。本実施形態では、金属製のドームをドーム状構造体３０として用いている。一般に、金属材料によりドーム状の構造体を構成すれば、上述したような形状反転が生じ、導電性接触面３１を有するドームを実現することができるが、ドーム状構造体３０は必ずしも金属製にする必要はない。たとえば、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その下面に導電性材料膜を形成することにより、導電性接触面３１を実現するようにしてもかまわない。
【００４４】
続いて、基板４０の構成を説明する。基板４０の基本的な機能は、前述した各構成要素を載せてこれを支持する機能と、各電極を形成するための基準面を提供する機能である。図１０に、基板４０の上面図を示す。図に示されている４つの固定孔部４１は、前述したように、弾性変形体２０の固定脚部２５を挿入するために、基板４０の上面に掘られた穴である。
【００４５】
基板４０の上面には、図示のような電極Ｅ１１〜Ｅ１８が形成されている。ここでは、各電極が配置された位置に基づいて、４枚の扇形をした電極Ｅ１１〜Ｅ１４を中間電極と呼び、その外側に配置された２本の円環状の電極Ｅ１５，Ｅ１６を外側電極と呼び、内側に配置された円形電極Ｅ１７および円環状電極Ｅ１８を内側電極と呼ぶことにする。図１０では、各電極の形状を明瞭に示すために、個々の電極にハッチングを施して示すことにした。したがって、図１０におけるハッチングは、断面を示すものではない。また、図では、２通りのハッチングパターンを用いているが、これは一部の電極の表面が絶縁膜によって覆われていることを示すためである。具体的には、４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、容量素子を構成するための検出用固定電極として機能するため、その表面が絶縁膜によって覆われているが、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６および内側電極Ｅ１７，Ｅ１８は、電気的な接触の有無を判定するための接触用電極として機能するため、導電面が露出したままの状態となっている。２通りのハッチングパターンは、絶縁膜で覆われた電極と、導電面が露出した電極との区別を示している。
【００４６】
最も外側に形成された円環状の外側電極Ｅ１５は、操作盤１０の外周部分に対向する外周対向部（操作盤１０の外側輪郭線を基板４０上に投影した基板上面の部分）に形成されている。この実施形態の場合、操作盤１０は円盤状をしているので、その外周円に対向する外周対向部も円形部分となり、図示のとおり、外側電極Ｅ１５は、操作盤１０の外周円に対向する位置に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。また、外側電極Ｅ１６は、外側電極Ｅ１５の若干内側に配置された円環状（ワッシャ状）の電極となっている。より正確な位置について言及すれば、外側電極Ｅ１５と外側電極Ｅ１６との間の境界部分は、図６に示す基準同心円Ｃ２に対向する円周上に位置することになり、外側電極Ｅ１５の外側輪郭と外側電極Ｅ１６の内側輪郭との間の距離は、電極用柱状突起Ｐ２の直径にほぼ等しくなるように設計されている。したがって、２本の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、各電極用柱状突起Ｐ２の真下に配置されていることになる。
【００４７】
この外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の役割は、操作者から操作盤１０に対して所定方向に関する操作入力が加えられ、弾性変形体２０が変形を生じたときに、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６と接触することにより、加えられた操作入力が所定の大きさ以上であることを検知することにある。すなわち、操作者の操作入力により、弾性変形体２０が変形を生じ、いずれか１つの電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に同時に接触した状態になると、接触した変位導電層２６を仲介して、外側電極Ｅ１５とＥ１６とが導通状態になる。したがって、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６間の導通状態を電気的に検出すれば、所定の大きさ以上の操作入力が加えられたか否かを認識することができる。このような機能に着目して、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を一対の接触用電極と呼び、各電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６を仲介電極と呼べば、基板４０側に形成された一対の接触用電極と、弾性変形体２０側に形成された仲介電極と、によって、切替要素が構成されていることになる。この切替要素を構成する一対の接触用電極は、通常は（操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わらないうちは）、電気的に絶縁状態を維持しているが、操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力が加わったときには、弾性変形体２０の変形により仲介電極が同時に接触することになり、電気的に導通状態となる。
【００４８】
扇形をした４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、操作者から加えられた方向性をもった操作入力を検出するのに適した位置に配置されている。すなわち、図１０に示す基板４０の上面中心位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、Ｘ軸正の領域に中間電極Ｅ１１、Ｘ軸負の領域に中間電極Ｅ１２、Ｙ軸正の領域に中間電極Ｅ１３、Ｙ軸負の領域に中間電極Ｅ１４が形成されていることになる。これら各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の役割は、その上方に位置する変位導電層２６とによって、容量素子を形成することにある。すなわち、図７にハッチングを施して示すように、弾性変形体２０の膜状部の下面には、変位導電層２６が形成されており、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、これに対向する変位導電層２６の各部分と、によって、合計４組の容量素子が形成されることになる。具体的には、Ｘ軸正の領域に配置された中間電極Ｅ１１とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第１の容量素子Ｃ１１が形成され、Ｘ軸負の領域に配置された中間電極Ｅ１２とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第２の容量素子Ｃ１２が形成され、Ｙ軸正の領域に配置された中間電極Ｅ１３とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第３の容量素子Ｃ１３が形成され、Ｙ軸負の領域に配置された中間電極Ｅ１４とこれに対向する変位導電層２６の一部とによって第４の容量素子Ｃ１４が形成される。
【００４９】
こうして形成された４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、いずれも、基板４０上に固定された検出用固定電極（すなわち、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４）と、弾性変形体２０の「検出用固定電極に対向し、かつ、変位が生じる位置」に形成された検出用変位電極（すなわち、変位導電層２６）と、によって構成されていることになる。前述したように、検出用固定電極として機能する４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の上面は絶縁膜によって覆われており、検出用変位電極として機能する変位導電層２６に対して電気的な接触が生じることを阻んでいる。後述するように、操作入力が加えられると、弾性変形体２０の変形により、変位導電層２６は基板４０へと近接することになるが、絶縁膜が形成されているため、変位導電層２６と中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４とが電気的に接触することはない。したがって、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４は、常に容量素子としての機能を保つことになる。なお、絶縁膜は、検出用固定電極側ではなく、検出用変位電極側（すなわち、変位導電層２６の下面）に形成してもよいし、両方に形成してもかまわない。ただ、ここに示す実施形態の場合、変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面に塗布した導電性塗料として形成されているので、実用上は、検出用固定電極側、すなわち、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４側に絶縁膜を形成するのが好ましい。
【００５０】
図１０に示すように、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４の更に内側、すなわち、基板４０の中心近傍には、２枚の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が形成されている。これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８の役割は、操作者が操作盤１０に対して加えたスイッチ入力、すなわち、垂直下方への押圧力を検出することにある。内側電極Ｅ１７は基板の中央に配置された円盤状の電極であり、その直径はドーム状構造体３０の底周面（底部の縁の部分）を構成する円に比べて小さく設定されている。一方、内側電極Ｅ１８は、ワッシャ状の電極であり、その外径は、ドーム状構造体３０の底周面を構成する円の直径にほぼ等しく設定されており、ドーム状構造体３０は、このワッシャ状の内側電極Ｅ１８の上に載置される。図１１は、図１０に示す基板４０の上面の中央部に、図８に示すドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。実際には、ドーム状構造体３０は、基板４０の上面に接着剤や接着テープなどを利用して固定される。
【００５１】
図９(b) に示すように、ドーム状構造体３０の頂点付近に対して垂直下方への押圧力Ｆが加わると、ドーム状構造体３０は形状反転することになるが、内側電極Ｅ１７は、このとき、ドーム状構造体３０の下面の導電性接触面３１に接触するのに適した形状をしている。この実施形態では、ドーム状構造体３０は、全体が金属から構成されているため、図９(a) に示す状態では、ドーム状構造体３０は、ワッシャー状の内側電極Ｅ１８に対してのみ接触した状態になっているが、図９(b) に示す状態では、反転した頂点付近が内側電極Ｅ１７にも接触するようになり、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を互いに導通させる機能を果たす。すなわち、内側電極Ｅ１７，Ｅ１８は、物理的に分離された一対の電極から構成されているが、金属製のドーム状構造体３０が反転すると、このドーム状構造体３０の底周面は内側電極Ｅ１８に接触し、その頂点付近の下面は内側電極Ｅ１７に接触した状態になり、導電性材料から構成されたドーム状構造体３０が両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８に同時に接触することにより、両者は互いに導通状態になる。結局、これら一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８間の導通状態を電気的に検出することにより、操作者のスイッチ入力に関するＯＮ／ＯＦＦ状態を検出できる。なお、ドーム状構造体３０は、必ずしも全体を導電性材料で構成する必要はなく、少なくとも内側面（伏せて配置した状態における下面）から底周面にかけた部分が導電性接触面を形成していれば、両内側電極Ｅ１７，Ｅ１８を電気的に導通状態にさせることができる。
【００５２】
以上のとおり、基板４０の上面には、一対の外側電極Ｅ１５、Ｅ１６（接触用電極）、４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（検出用固定電極）、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８（接触用電極）の３通りの電極が形成されているが、各電極はそれぞれの機能を考慮して、次のような位置に配置されていることになる。まず、内側電極Ｅ１８は、前述したように、ドーム状構造体３０の底周面に接触する位置に配置されており、内側電極Ｅ１７は、ドーム状構造体３０が形状反転を起こした際に、その頂点付近の下面に相当する導電性接触面３１に接触可能な位置に配置されている。また、一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は、操作盤１０の外周部分に対向する基板４０上の外周対向部（図６の基準同心円Ｃ２に対向する部分）に配置されている。一方、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、基板４０の上面の「ドーム状構造体３０の配置領域より外側、かつ、上記外周対向部より内側に位置する中間領域部」の所定箇所に配置されている。本実施形態では、基板４０を電子回路実装用のプリント基板によって構成し、各電極を、このプリント基板上に形成した銅などのプリントパターンによって構成している。このように、基板４０を回路用プリント基板で構成すれば、プリントパターンによって基板４０上に種々の配線を施すことができるので、実用上は便利である。
【００５３】
図７にハッチングを施して示した変位導電層２６は、弾性変形体２０の下面側に形成された単一の導電層であるが、上述した基板４０上の各電極と協働して重要な機能を果たすことになる。すなわち、変位導電層２６のうちの電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された部分は、仲介電極として、基板４０側の一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方と同時に接触することにより、この一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（接触用電極）を導通させる機能を果たし、変位導電層２６のうちの各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４に対向した部分は、検出用変位電極として、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（検出用固定電極）とともに容量素子を構成する機能を果たす。このようにそれぞれ機能は異なるが、§２で述べる動作上の便宜を考慮すると、仲介電極と検出用変位電極とは導通状態としておくことが好ましいので、実用上は、図７にハッチングを施して示したように、電極用柱状突起Ｐ２の配置箇所を外延部とする物理的に単一の導電層によって変位導電層２６を構成し、この変位導電層２６の一部分（電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された部分）を仲介電極として機能させ、別な一部分（各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４に対向した部分）を検出用変位電極として機能させるのが好ましい。
【００５４】
以上、図１に示す各構成要素の構造の詳細を述べたが、実際の電子機器用入力装置は、これら各構成要素を積み重ねることにより構成される。すなわち、基板４０の中央部にドーム状構造体３０を載置し、これを覆うように弾性変形体２０を載せ（固定脚部２５を固定孔部４１に挿入して固定する）、その上に操作盤１０を接着することにより、図１２の側断面図（ドーム状構造体３０については断面ではなく側面が示されている）に示すような電子機器用入力装置が形成される。
【００５５】
§２．本発明に係る電子機器用入力装置の基本動作
続いて、図１２に示す電子機器用入力装置の基本動作を説明する。ここでは便宜上、基板４０の上面中心位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸をそれぞれとり、基板上面がＸＹ平面に含まれるようにＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。図１２では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に垂直方向にＹ軸が定義される。
【００５６】
既に述べたように、本発明に係る入力装置は、任意の電子機器に対して、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（いわゆるクリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、を行う機能をもった装置である。ここで、操作者は、これらの入力を操作盤１０に対して行うことになるが、基本的には、スイッチ入力を行う場合には、操作盤１０の中央部分に指を当てて下方（Ｚ軸負方向）へと押し込む動作を行い、所定方向への操作入力を行う場合には、操作盤１０を斜め下方へと押し込む動作を行うことになる。
【００５７】
図１３は、操作者がスイッチ入力を行ったときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体３０については側面図）である。操作盤１０に対して図の下方への押圧力（Ｚ軸負方向への力という意味でＦｚ−と呼ぶ）が加わると、この押圧力Ｆｚ−によって、押圧棒１４が下方へと変位し、内側膜状部２１ごしにドーム状構造体３０の頂点部分に下方への力が加わることになる。ドーム状構造体３０は、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力が加わると、頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有しているので、押圧力Ｆｚ−の大きさが所定の臨界値を超えると、図示のとおり、ドーム状構造体３０の頂点付近が形状反転を起こすことになる。すなわち、操作者が下方への押圧力Ｆｚ−を徐々に強めてゆくと、ドーム状構造体３０が急に潰れて図示の状態になり、操作者の指先にはクリック感が伝わる。このとき、弾性材料から構成されている支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に若干潰れることになる。ただし、電極用柱状突起Ｐ２は宙吊りの状態のままである。
【００５８】
こうして、ドーム状構造体３０が形状反転を起こすと、図１０に示されている内側電極Ｅ１７に、ドーム状構造体３０の下面の導電性接触面３１が接触した状態になるので、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とが導通状態になる。操作者が、押圧動作を中止すると、ドーム状構造体３０がもとの状態に復帰し、装置は図１２の状態に戻ることになる。この状態では、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８とは絶縁されている。結局、内側電極Ｅ１７と内側電極Ｅ１８との間の電気的な接続状態を検出することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力の検出が可能になり、いわゆるクリック入力の検出が可能になる。
【００５９】
続いて、操作者が所定方向への操作量を示す操作入力を行った場合を考えてみる。このような操作入力は、通常、上下左右の４方向あるいは斜めも含めた８方向への操作量を示す入力として与えられる。ここに示す実施形態では、図１０に示す４枚の中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４（上面は絶縁層で覆われている）と、これに対向する変位導電層２６とによって、合計４組の容量素子が形成されており、これら４組の容量素子の静電容量値に基づいて、各方向への操作量を検出することができる。
【００６０】
たとえば、操作者が、操作盤１０に対して、Ｘ軸負方向への力を含む斜め下方への力を加える操作を行ったとしよう。ここでは、このような操作により加えられる力をＦｘ−と呼ぶことにする。図１４は、操作者がこのような操作力Ｆｘ−（必ずしも操作盤１０の中心位置に加える必要はなく、実際には図示のようにやや左へ変位した部分に加えられることが多い）を加えたときの各部の変形状態を示す側断面図（ドーム状構造体３０については側面図）である。操作力Ｆｘ−は、斜め下方への力成分であるため、図の下方への力成分（Ｚ軸負方向成分）も含んでいることになるが、この下方への力成分は、前述したクリック操作による押圧力Ｆｚ−に比べて小さいため、ドーム状構造体３０には形状反転させるだけの十分な力は加わらない。このため、操作盤１０は、図１４において、左側が下がり右側が上がるように傾斜する。別言すれば、ドーム状構造体３０としては、スイッチ入力として加えられた垂直下方への押圧力に対しては形状反転を起こし、所定方向への操作入力として加えられた斜め下方への押圧力に対しては形状反転を起こさないような変形特性を有する構造体を用いるようにすればよい。なお、図１４に示す斜め下方への操作力Ｆｘ−の代わりに、操作盤１０の図の左端近傍位置に垂直下方への操作力ＦＦｘ−を加えた場合にも同じような現象が起こる。本実施形態において、「Ｘ軸負方向への操作量を示す操作入力」と言った場合、操作力Ｆｘ−のように、斜め下方への操作入力だけでなく、操作力ＦＦｘ−のように、Ｘ軸負方向に変位した位置を垂直下方に押し込むような操作入力も含んでおり、操作力ＦＦｘ−は操作力Ｆｘ−と等価な操作入力である。
【００６１】
さて、図１４に示すように、操作盤１０を左側へと傾斜させる操作力Ｆｘ−（またはＦＦｘ−、以下同様）が加わると、図の左半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、弾性変形して縦方向に潰れることになる。一方、図の右半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、図示のとおり、基板４０の上面から浮き上がった状態になる。結局、ある程度以上の大きさの操作力Ｆｘ−が加わると、図１４に示すように、図の左端にある電極用柱状突起Ｐ２の下端面（仲介電極として機能する変位導電層）が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触した状態になり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通するとともに、変位導電層２６全体が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と同電位になる。この状態から、更に操作力Ｆｘ−を強くしてゆけば、図１５に示すように、図の左半分にある支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、更に潰れるように弾性変形し、電極用柱状突起Ｐ２も若干弾性変形して潰れた状態になる。そして、最後には、図１６に示すように、図の左側の支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３および電極用柱状突起Ｐ２は完全に潰れた状態になる。既に述べたように、中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、いずれも表面が絶縁層によって覆われているため、図１６に示すように、変位導電層２６が中間電極Ｅ１２側に密着した状態になっても、両電極間には絶縁層が介在するため、依然として容量素子として機能する。
【００６２】
ここで、図１２に示す状態から、図１４、図１５、図１６に示す状態へと変遷する際に、各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、これに対向する変位導電層２６とによって構成される容量素子の静電容量値がどのように変化するかを検討すると、図の左側に示された中間電極Ｅ１２とこれに対向する変位導電層２６とによって構成される第２の容量素子Ｃ１２では、電極間隔が徐々に減少してゆくため、静電容量値が徐々に増加することになるのに対し、図の右側に示された中間電極Ｅ１１とこれに対向する変位導電層２６とによって構成される第１の容量素子Ｃ１１では、電極間隔が徐々に増加してゆくため、静電容量値が徐々に減少することがわかる。したがって、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値との差を求めれば、この差は操作力Ｆｘ−の大きさを示すことになる。逆に、Ｘ軸正方向への操作力Ｆｘ＋が加わった場合は、操作盤１０は右側へと傾斜することになるので、電極間隔の増減の関係が逆転することになり、やはり第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値との差により、操作力Ｆｘ＋の大きさが示されることになる。要するに、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子Ｃ１１（中間電極Ｅ１１と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値と第２の容量素子Ｃ１２（中間電極Ｅ１２と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値との差の絶対値は、Ｘ軸方向の操作力Ｆｘ−，Ｆｘ＋として加えられた操作量の大きさを示し、その符号は、加えられた操作量の向き（Ｘ軸正方向か負方向か）を示すことになる。
【００６３】
全く同様の原理により、Ｙ軸上に配置された第３の容量素子Ｃ１３（中間電極Ｅ１３と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値と第４の容量素子Ｃ１４（中間電極Ｅ１４と変位導電層２６とによって構成される容量素子）の静電容量値との差を求めれば、この差の絶対値は、Ｙ軸方向の操作力Ｆｙ−，Ｆｙ＋として加えられた操作量の大きさを示し、その符号は、加えられた操作量の向き（Ｙ軸正方向か負方向か）を示すことになる。
【００６４】
なお、Ｘ軸方向に関する操作力のみが加えられた場合、操作盤１０はＸ軸方向に関してのみ傾斜し、Ｙ軸方向に関しては傾斜しない。したがって、Ｙ軸上に配置された第３の容量素子Ｃ１３および第４の容量素子の電極間隔は、一部分は増加し、一部分は減少することになり、容量素子全体についての静電容量値は変化しない。同様に、Ｙ軸方向に関する操作力のみが加えられた場合、操作盤１０はＹ軸方向に関してのみ傾斜し、Ｘ軸方向に関しては傾斜しない。したがって、Ｘ軸上に配置された第１の容量素子および第２の容量素子の電極間隔は、一部分は増加し、一部分は減少することになり、容量素子全体についての静電容量値は変化しない。結局、第１の容量素子および第２の容量素子によって、Ｘ軸方向に関する操作量のみを検出することができ、第３の容量素子および第４の容量素子によって、Ｙ軸方向に関する操作量のみを検出することができ、各軸方向の操作量成分をそれぞれ別個独立して検出することができる。
【００６５】
このようなＸ軸方向あるいはＹ軸方向に関する操作量は、操作者が操作盤１０を上下左右の４方向に傾斜させることにより入力可能な操作量であるが、所定の演算処理を行うことにより、より多数の方向に関する操作量検出も可能である。たとえば、斜め４５°方向も含めた合計８方向に関する操作量は、Ｘ軸方向の操作量とＹ軸方向の操作量との合成成分として求めることができる。具体的には、たとえば、Ｘ軸方向の操作量ｘと、Ｙ軸方向の操作量ｙとが求まった場合、ルート（ｘ２＋ｙ２）なる大きさをもった操作量が、斜め４５°方向（いずれの方向かは、操作量ｘ，ｙの符号の組み合わせによって判断できる）に作用したものとして取り扱うことができる。
【００６６】
このように、４組の容量素子の静電容量値を測定することにより、原理的には、任意方向について入力された操作量の検出が可能になるが、この実施形態に係る装置では、このような操作量の検出値が不用意に出力されないような工夫が施されている。弾性変形体２０を利用した入力装置の場合、操作盤１０にわずかな力が加わっても、弾性変形体２０に弾性変形が生じ、各容量素子の静電容量値に変化が生じることになる。たとえば、図１３には、操作者がクリック操作を行うために、図の下方に向けて押圧力Ｆｚ−を作用させた状態が示されている。このように正確に下方に向けた押圧力Ｆｚ−だけが作用した場合、４組の容量素子の静電容量値は等しく変化するため、上述したような差分検出を行えば、所定方向への操作量の検出値は０になる。しかしながら、実際には、操作盤１０を操作するのは人間であり、下方へのクリック操作のつもりで力を加えたとしても、加えられた押圧力には、Ｚ軸負方向成分だけではなく、Ｘ軸あるいはＹ軸方向成分も含まれていることになる。したがって、４組の容量素子を用いた差分検出を行った場合、操作者がクリック操作を行っただけでも、いずれかの方向に関する操作量が検出されてしまうことになる。
【００６７】
一般に、電子機器用入力装置としては、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（クリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、がそれぞれ別個独立して検出でき、相互の干渉がないことが好ましい。別言すれば、操作者がクリック操作を行うつもりで操作盤１０を垂直下方へと押し込んだ場合には、ＯＦＦ状態からＯＮ状態へと遷移するスイッチ入力だけが検出され、所定方向への操作量を示す操作入力は一切検出されないようにし、逆に、操作者が所定方向への操作量を示す操作入力を行うつもりで操作盤１０を斜め下方へと押し込んだ場合には、スイッチ入力は一切検出されず、操作量のみが検出されるようにするのが好ましい。本実施形態に係る電子機器用入力装置では、このような２系統の入力をそれぞれ別個独立して検出することが可能であり、両者の干渉は極力避けられることになる。
【００６８】
まず、スイッチ入力に関しては、ドーム状構造体３０の頂点付近を形状反転させるのに十分な垂直下方への押圧力Ｆｚ−が加わったときにのみＯＮ状態の検出が行われるため、操作者が、所定方向への操作量を示す操作入力を与えようとしたのに、誤ってスイッチ入力のＯＮ状態が検出されてしまうような事態を避けることができる。たとえば、図１４〜図１６に示すような斜め下方への操作入力が加えられても、ドーム状構造体３０の頂点付近に加わる垂直下方への押圧力は、形状反転を起こすには不十分であるため、スイッチ入力に関してＯＮ状態の検出が行われることはない（もちろん、操作者が意図的にクリック操作と所定方向への操作入力とを兼ねるような押圧操作を行った場合は、２系統の入力がともに検出される。）。
【００６９】
一方、所定方向への操作量を示す操作入力に関しては、上述したように、４組の容量素子の静電容量値自身は変動するものの、この静電容量値の変動がそのまま検出値としては出力されないような工夫が施されている。この工夫を利用して検出値の出力を得るためには、各容量素子の静電容量値の測定を、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を利用して行うようにすればよい。たとえば、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値は、本来であれば、中間電極Ｅ１２と変位導電層２６との間の静電容量値を電気的な方法で測定することになるが、その代わりに、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量値を電気的な方法で測定するのである。要するに、図１０に示す各電極について、中間電極Ｅ１１と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１３と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第３の容量素子Ｃ１３の静電容量値の検出値として利用し、中間電極Ｅ１４と外側電極Ｅ１５またはＥ１６との間の静電容量測定値を第４の容量素子Ｃ１４の静電容量値の検出値として利用すればよい。
【００７０】
このような検出方法を採れば、各容量素子の実際の静電容量の検出値は、変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５またはＥ１６に対して電気的に接触していることを条件として出力されることになる。たとえば、図１２に示す状態や、図１３に示す状態では、変位導電層２６は外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触していないため、前述した一対の容量素子の差分検出値は０を維持したままになる。したがって、操作者がスイッチ入力操作を行った場合に、所定方向への操作量が誤検出されることはない。前述した一対の容量素子の差分検出により、所定方向への操作量が検出値として出力されるのは、図１４に示すように、ある程度の大きさの操作量が加わり、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５またはＥ１６に接触した状態になってからであり、両者が接触するに至るまでは、いわば不感帯となり、出力される差分検出値は０を維持したままである。ここに示す実施形態の場合、図６に示すように、基準同心円Ｃ２の円周上に合計１６個の電極用柱状突起Ｐ２が形成されており、これら各電極用柱状突起Ｐ２の下面には変位導電層が形成されている。したがって、この１６個の電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層のいずれかが外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と接触した状態になれば、有意な差分検出値の出力が行われることになる。
【００７１】
以上、述べたように、本実施形態に係る電子機器用入力装置では、操作盤１０、弾性変形体２０、ドーム状構造体３０、基板４０という基本要素を用いた比較的単純な構造により、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力（いわゆるクリック入力）と、所定方向への操作量を示す操作入力と、の双方の入力機能が実現できる。特に、弾性変形体２０をシリコンゴムなどの弾性材料を一体成型することにより構成し、その下面の変位導電層２６を、導電性塗料の塗布層により構成し、基板４０を回路実装用プリント基板により構成し、その上面の各電極をプリントパターン層により構成し、電極を覆う絶縁層をレジスト層により構成すれば、量産化に適した電子機器用入力装置を実現することができる。
【００７２】
結局、本実施形態に係る電子機器用入力装置では、操作盤１０に対して下方へのスイッチ入力が加えられた場合には、ドーム状構造体３０が形状反転を起こすことにより、導電性接触面３１と内側電極Ｅ１７とが接触し、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通することになる。そして、この導通状態を電気的に検出することによりＯＮ／ＯＦＦ状態の検出が行われる。また、操作盤１０に対して所定方向への操作量を示す所定の大きさ以上の操作入力が加えられた場合には、外側電極Ｅ１５またはＥ１６と各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間の電気的特性に基づいて、各容量素子の静電容量値を求めることにより、加えられた操作量の検出が行われることになる。
【００７３】
このような検出動作において重要な機能を果たしている構成要素が、弾性変形体２０の膜状部を支持する支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３および外側電極Ｅ１５，Ｅ１６との接触部を形成する電極用柱状突起Ｐ２である。これらの柱状突起はいずれも弾性材料によって構成されているため、操作盤１０に加えられた力の作用により弾性変形し、その変形量は加えられた力に応じて変化する。このような柱状突起の変形により、膜状部の特定部分と基板４０の上面との距離が接近し、加えられた力の大きさが所定のしきい値を超えたときに、変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触した状態となり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６と各中間電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間の電気的特性として、各容量素子の静電容量値が測定され、有意な検出値として出力されることになる。しかも、加えられた操作量の大きさに応じて、容量素子の電極間隔が変化するため、操作量の大きさに応じた検出値を出力することが可能になる。
【００７４】
本実施形態の１つの特徴は、弾性変形体２０の膜状部を支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３によって支持する構造としたため、装置全体の薄型化に大いに寄与することができる点である。すなわち、支持用柱状突起Ｐ１，Ｐ３による支持機能により、操作盤１０に対して所定の大きさ以上の力が加わらない限り、膜状部の変位が抑制される。このため、弾性変形体２０全体をかなり薄く設定しても、膜状部の自重や本来の操作入力以外の力の作用によって、変位導電層２６と外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とが誤って接触してしまうことを防ぐことができる。
【００７５】
§３．本発明に係る力検出装置の切替要素の機能
以上、§１において本発明に係る力検出装置を利用した電子機器用入力装置の構成を述べ、§２においてこの装置の動作を述べた。本発明の目的は、このような容量素子を用いた力検出装置において、電力消費を効率的に抑制させることにある。既に述べたように、§１，§２で述べたような容量素子を用いた力検出装置には、容量素子の静電容量値Ｃを電気的に検出するために、静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するためのＣ／Ｖ変換回路や、静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するためのＣ／ｆ変換回路が必要になるが、一般的なＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路は、内部に発振回路を有しており、動作中の消費電力が比較的大きくなるという問題がある。本発明の基本思想は、外力の大きさを検出する必要がないときには、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出回路の機能を休止させ、消費電力の節約を図るという点にある。具体的には、検出回路に組み込まれているＣ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路などの消費電力の大きい回路を、検出出力が必要なときにだけ動作させるようにすればよい。
【００７６】
§１，§２で述べた装置では、Ｘ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２と、Ｙ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１３，Ｃ１４と、の合計４組の容量素子が用いられており、これらの容量素子によって、操作盤１０に加えられた４方向への操作入力の検出が行われる。すなわち、Ｘ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２の静電容量値の差によって、Ｘ軸正または負方向への操作入力が検出され、Ｙ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ１３，Ｃ１４の静電容量値の差によって、Ｙ軸正または負方向への操作入力が検出される。
【００７７】
図１７は、このような４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値に基づいて、４方向への操作入力を検出する検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路の基本的な構成要素は、Ｃ／Ｖ変換回路５０と信号処理回路６０である。いずれの回路にも、電源Ｖｃｃを供給するための端子と、接地のための端子とが備わっている。Ｃ／Ｖ変換回路５０は、４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値をそれぞれアナログ電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４に変換して出力する機能を有し、信号処理回路６０は、これらのアナログ電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４をデジタル値に変換した後、電圧値Ｖ１１とＶ１２との差をＸ軸正または負方向への操作入力値とし、電圧値Ｖ１３とＶ１４との差をＹ軸正または負方向への操作入力値とし、これらの操作入力値をそのままデジタル出力として出力するか、これら操作入力値に基づく所定の演算処理を行ってその結果をデジタル出力として出力する。どのような演算処理を行うかは、この入力装置を利用する電子機器に応じてそれぞれ異なる。もちろん、アナログ電圧値の状態のまま差動増幅器などを利用してアナログ信号として差を求め、これをデジタル信号に変換するような構成でもかまわない。
【００７８】
この基本的な実施形態に利用されている力検出装置には、§２で述べたように、不感帯が設けられており、操作盤１０に加えられる操作入力が所定の大きさ以上にならないと、静電容量値の変動がそのまま検出値としては出力されないような工夫が施されている。たとえば、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値は、本来であれば、中間電極Ｅ１２と変位導電層２６との間の静電容量値を電気的な方法で測定することになるが、その代わりに、中間電極Ｅ１２と外側電極Ｅ１５（またはＥ１６）との間の静電容量値を電気的に測定する方法が採られている。すなわち、Ｘ軸負方向への操作入力が有効な入力として検出されるためには、図１４に示すように、ある程度の大きさの操作量が加わり、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になってからであり、両者が接触するに至るまでは不感帯となる。
【００７９】
図１７の左上には、基板４０上に形成された一対の外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（接触用電極）と、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６（仲介電極）の一部と、が模式的に示されている。この例では、最も外側に位置する外側電極Ｅ１５を接地し、その内側に配置された外側電極Ｅ１６を抵抗Ｒを介して電源電圧Ｖｃｃに接続している。一方、変位導電層２６は、図７にハッチングを施した領域に形成された単一の導電層を構成しているが、他の部分への配線は行われておらず、電気的には孤立した状態となっている。図１７の回路図において、Ｃ／Ｖ変換回路５０の入力段に接続された容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する一方の電極（変位導電層２６）がすべて接地された状態で描かれているのは、この力検出装置では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の検出は、図１４に示すように、電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になっていることが前提であり、この時点では、変位導電層２６の電位は外側電極Ｅ１５を介して接地レベルとなっているためである。別言すれば、変位導電層２６の一部が外側電極Ｅ１５およびＥ１６に接触した状態になるまでは、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の一方の電極である変位導電層２６は、電気的な浮遊状態となり、図示の検出回路では静電容量値を検出することができないことになる。
【００８０】
そうすると、Ｃ／Ｖ変換回路５０を常に動作状態にしておくことは、電力の無駄ということになる。変位導電層２６が外側電極Ｅ１５を介して接地レベルに接続されていなければ、図１７に示す検出回路は、本来の機能を果たすことができないので、Ｃ／Ｖ変換回路５０を動作状態にする意味はない。そこで、Ｃ／Ｖ変換回路５０を必要なときにのみ動作させることができるように、切替要素を設けているのである。この実施形態の場合、切替要素は、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）と、変位導電層２６（仲介電極）と、によって構成されている。操作者が操作盤１０に操作入力を行っていない通常の状態（図１２に示す状態）では、変位導電層２６と外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とは非接触の状態にある。この非接触状態では、外側電極Ｅ１６の電位は、抵抗Ｒを介して接続された電源電圧Ｖｃｃと等しくなる。ところが、操作者が操作盤１０に所定の大きさ以上の操作入力を加えると、たとえば、図１４に示すように、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方と同時に接触した状態になる。この接触状態では、外側電極Ｅ１６の電位は、外側電極Ｅ１５と導通するために接地レベルに落ちることになる。結局、外側電極Ｅ１６の電位に基づいて、一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６が絶縁状態（変位導電層２６が非接触状態）にあるのか、導通状態（変位導電層２６が接触状態）にあるのかを認識することができる。
【００８１】
図１７に示す検出回路（Ｃ／Ｖ変換回路５０および信号処理回路６０）には、２つのモードが用意されている。第１のモードは、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードであり、第２のモードは、そのような検出機能を果たすことはできないが、検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードである。そして、この２つのモードは、切替要素を構成する一対の接触用電極（外側電極Ｅ１５，Ｅ１６）間の電気的な状態に基づいて選択される。すなわち、一対の接触用電極間の電気的な状態が絶縁状態である場合には待機モードが選択され、導通状態である場合には検出モードが選択されるように構成されている。具体的には、図１７に示す検出回路のうち、Ｃ／Ｖ変換回路５０が２つのモードで動作する機能を有し、いずれのモードで動作するかは、制御端子Ｔ２０へ与えられる制御信号で制御される。この制御信号は、信号処理回路６０によって生成される。信号処理回路６０の端子Ｔ５には、外側電極Ｅ１６の電位が入力されており、信号処理回路６０は、この電位に基づいて所定の制御信号を端子Ｔ６から出力し、Ｃ／Ｖ変換回路５０の制御端子Ｔ２０に与える機能を有している。すなわち、信号処理回路６０は、外側電極Ｅ１６の電位が電源電圧Ｖｃｃであった場合には、端子Ｔ６から待機モードを指定する制御信号を出力し、外側電極Ｅ１６の電位が接地レベルであった場合には、端子Ｔ６から検出モードを指定する制御信号を出力する。
【００８２】
結局、Ｃ／Ｖ変換回路５０は、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触するまでは、消費電力の少ない待機モードで動作することになり、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触している間だけ、検出モードで動作することになる。別言すれば、操作者が意図的にある程度以上の大きさのＸ軸もしくはＹ軸方向への操作入力を加えたときにのみ、Ｃ／Ｖ変換回路５０から有意な電圧出力Ｖ１１〜Ｖ１４が出力されることになり、信号処理回路６０から有意なデジタル出力が得られることになる。このように、消費電力の大きなＣ／Ｖ変換回路５０を必要な期間だけ選択的に動作させるようにすれば、全体として消費電力を大きく節減することができる。特に、携帯電話などの携帯型電子機器に本発明に係る力検出装置を用いれば、内蔵電池の消耗を低減させる上で大きな効果が期待できる。
【００８３】
図１８は、図１７に示す検出回路の変形例を示す回路図である。図１７に示す例では、切替要素からの信号（すなわち、外側電極Ｅ１６の電位）を信号処理回路６０の端子Ｔ５に与え、信号処理回路６０内でモード切替のための制御信号を発生させていたが、この図１８に示す変形例では、切替要素からの信号を直接Ｃ／Ｖ変換回路５０の制御端子に与えるようにしており、信号処理回路６０は、モード切替処理には関与しない構成となっている。図１８に示す方式では、信号処理回路６０の処理負担は軽減することになるが、信号処理回路６０側では、Ｃ／Ｖ変換回路５０が現在どちらのモードで動作中かを把握することはできない。逆に、図１７に示す方式では、信号処理回路６０の処理負担は増加することになるが、Ｃ／Ｖ変換回路５０が現在どちらのモードで動作中かを把握することができる。実用上は、この入力装置の適用対象となる電子機器に応じて、より好ましい方式を採用すればよい。
【００８４】
図１９は、Ｃ／Ｖ変換回路５０の内部構成の一例を示す回路図である。ここでは、便宜上、容量素子Ｃ１１についてのＣ／Ｖ変換に関与する部分のみを図示してある。既に述べたように、この検出回路が有意な動作を行うためには、容量素子Ｃ１１の一方の電極である変位導電層２６は、外側電極Ｅ１５を介して接地されているのが前提となっているため、図示のとおり、変位導電層２６は接地状態となっている。そして、この容量素子Ｃ１１のもう一方の電極である中間電極Ｅ１１は、Ｃ／Ｖ変換回路５０の端子Ｔ１１に接続されている。
【００８５】
Ｃ／Ｖ変換回路５０内には、スイッチ回路５１、発振回路５２、整流回路５３が設けられている。スイッチ回路５１は、制御端子Ｔ２０に与えられた制御信号に基づいて、発振回路５２内のスイッチ素子ＳをＯＮ／ＯＦＦ制御する機能を有している。実際には、このスイッチ回路５１やスイッチ素子Ｓは、種々の論理素子によって構成することができる。発振回路５２は、直列３段に接続されたインバータ素子Ｉ０１，Ｉ０２，Ｉ０３と、抵抗素子Ｒ０１，Ｒ０２，Ｒ０３と、コンデンサＣ０１と、スイッチ素子Ｓと、によって構成されている。スイッチ素子Ｓは、スイッチ回路５１から与えられる信号によって回路を開閉する機能をもった素子であり、このスイッチ素子ＳによるスイッチをＯＮ状態にすると、この発振回路５２が発振を開始し、抵抗Ｒ０１を介して端子Ｔ１１に交流信号が供給されることになる。端子Ｔ１１は、容量素子Ｃ１１を介して接地されていることになるので、端子Ｔ１１に供給される交流信号の振幅は、容量素子Ｃ１１の静電容量値（すなわち、電極Ｅ１１と変位導電層２６との間隔）に応じて変化する。この発振回路５２の発振は、スイッチ素子ＳによるスイッチをＯＦＦ状態にすると停止する。一方、整流回路５３は、抵抗素子Ｒ０４，Ｒ０５，Ｒ０６，Ｒ０７と、コンデンサＣ０２，Ｃ０３と、ダイオードＤ０１と、によって構成されており、端子Ｔ１１に供給される交流信号を平滑整流し、直流電圧として出力する機能を果たしている。すなわち、端子Ｔ１１の交流信号の振幅が大きければ大きいほど、端子Ｔ２１に出力される電圧Ｖ１１は大きくなる。
【００８６】
結局、制御端子Ｔ２０からの制御信号が、待機モードを示す信号であった場合には、スイッチ回路５１により発振回路５２内のスイッチ素子ＳがＯＦＦ状態になるように制御され、発振回路５２は発振を停止した状態となる。このため、端子Ｔ１１には交流信号は供給されず、端子Ｔ２１から出力される電圧は０Ｖ（接地レベル）になる。これが、このＣ／Ｖ変換回路５０の待機モードにおける動作である。一方、制御端子Ｔ２０からの制御信号が、検出モードを示す信号であった場合には、スイッチ回路５１により発振回路５２内のスイッチ素子ＳがＯＮ状態になるように制御され、発振回路５２は発振を開始する。このため、端子Ｔ１１には交流信号が供給され、端子Ｔ２１には、容量素子Ｃ１１の静電容量値に応じた直流電圧Ｖ１１が出力される。これが、このＣ／Ｖ変換回路５０の検出モードにおける動作である。
【００８７】
なお、図１９に示すＣ／Ｖ変換回路５０は、一般的なＣ／Ｖ変換回路を一例として示したものであり、本発明を実施する上では、この他にも種々のＣ／Ｖ変換回路を用いて検出回路を構成することができる。また、容量素子の静電容量値を検出する回路としては、Ｃ／Ｖ変換回路の他にも、Ｃ／ｆ変換回路（静電容量値Ｃを周波数ｆに変換する回路）を用いることができる。このＣ／ｆ変換回路にも、比較的大きな電力を消費する発振回路が含まれており、この発振回路の発振を停止させることにより待機モードを実現することができる。もちろん、Ｃ／Ｖ変換回路やＣ／ｆ変換回路以外の回路を用いて、静電容量値を電気信号として検出する検出回路を構成してもかまわない。要するに、本発明では、静電容量値を電気信号として検出することができる何らかの検出回路に、正常に検出機能を果たすことができる検出モードと、検出機能を果たすことはできないが検出モードよりも少ない消費電力で検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モード（電源供給を完全に遮断した停止状態も含む）と、が用意されており、一対の接触用電極間の電気的な状態（絶縁状態か接触状態か）に基づいて、いずれか一方のモードが選択されるような構成が得られれば、具体的には、どのような検出回路を用いてもかまわない。
【００８８】
§４．本発明に係る電子機器用入力装置の別な実施形態
以上、本発明に係る力検出装置を、電子機器用入力装置に利用した基本的な実施形態を述べたが、ここでは、いくつかの別な実施形態を述べておく。
【００８９】
(1) 接触用電極の形態の変形例
前述した基本的な実施形態では、一対の円環状の接触用電極（すなわち、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６）と、電極用柱状突起Ｐ２の底面に形成された変位導電層２６と、によって切替要素が構成されていたが、切替要素として用いる一対の接触用電極は、必ずしも円環状にする必要はない。たとえば、図２０に一部を示す一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａは、図１０に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に形成された環状電極であるが、それぞれ歯状の突起部分が形成されており、これらが噛み合うような形態をなす（図２０のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。仲介電極として機能する変位導電層２６は、一対の接触用電極の双方に同時に接触する必要があるが、図２０に示すような一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａを用いれば、このような同時接触がより容易になる。
【００９０】
また、図２１（ハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）に一部を示す接触用電極群Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ｂは、第１グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１５Ｂと、第２グループに所属する複数Ｎ個の電極Ｅ１６Ｂとを、基板４０上に定義された円周に沿って交互に配置したものである（図１０に示す外側電極Ｅ１５，Ｅ１６とほぼ同じ位置に配置されている）。これにより、第１グループに所属する電極Ｅ１５Ｂと第２グループに所属する電極Ｅ１６Ｂとがそれぞれ隣接して配置されることになり、互いに隣接して配置された電極Ｅ１５Ｂと電極Ｅ１６Ｂとによって一対の接触用電極が構成されており、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極が形成されている。図１０に示す実施形態では、一対の接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６が１組だけしか設けられていなかったが、図２１に示す例は、一対の接触用電極を複数組設けた変形例ということになる。この変形例では、Ｎ枚の電極Ｅ１５ＢおよびＮ枚の電極Ｅ１６Ｂのそれぞれに対して配線を行う必要があり、実用上は、配線が複雑になる。
【００９１】
(2) 一次元の操作量入力のみをもつ電子機器用入力装置への適用例
前述した基本的な実施形態では、操作盤１０に対して、クリック入力（押圧力Ｆｚ−）と、二次元の操作量入力（操作力Ｆｘ＋，Ｆｘ−，Ｆｙ＋，Ｆｙ−）と、の双方の検出を行う機能をもった力検出装置が利用されていた。しかしながら、本発明は、一次元の操作量入力機能しかもたない力検出装置にも同様に利用可能である。たとえば、図１に示す構成要素における基板４０を、図２２に上面図を示すような基板４０Ａに交換し、ドーム状構造体３０を除外して組み立てれば、一次元（Ｚ軸方向）の操作量のみをもつ電子機器用入力装置が実現できる。この場合、図２２に示す半円状の電極Ｅ２１，Ｅ２２は、導電面が露出した一対の接触用電極となり、ワッシャー状の電極Ｅ２３は、表面が絶縁膜によって覆われた検出用固定電極となる（図２２のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。容量素子は、ワッシャー状の電極Ｅ２３（検出用固定電極）と、これに対向する変位導電層２６の一部分（検出用変位電極）とによって構成されることになる。
【００９２】
操作者が操作盤１０を下方にある程度の力で押し込む操作を行うと（所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加えられると）、仲介電極として機能する変位導電層２６の中央部分が、一対の接触用電極Ｅ２１，Ｅ２２の双方に接触することになり、それ以上の押圧力で押し込む操作を行う限り、容量素子の静電容量値に関する有意な出力が得られるようになる。前述した基本的な実施形態では、操作盤１０に対するＺ軸方向への押圧力Ｆｚ−に関しては、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチ入力としての検出しか行えなかったが、ここに示す実施形態では、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−を操作量として検出することができ、力の大きさに応じた検出値が得られるようになる。すなわち、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−が大きくなればなるほど、変位導電層２６は電極Ｅ２３に接近し、静電容量値が増加することを利用し、押圧力Ｆｚ−の検出が可能になる。
【００９３】
もちろん、押圧力Ｆｚ−が所定の大きさになるまでは、検出回路は待機モードで動作するため、検出値の出力は行われず、無駄な電力が消費されることもない。具体的には、たとえば、電極Ｅ２１を接地し、電極Ｅ２２を抵抗を介して電源電圧Ｖｃｃに接続し、変位導電層２６には配線を施さずに浮遊状態の孤立した電極となるようにしておけば、図１７に示す電極Ｅ１５，Ｅ１６，変位導電層２６によって構成される切替要素と全く同様に、電極Ｅ２１，Ｅ２２，変位導電層２６によって切替要素を構成することができる。したがって、電極Ｅ２２の電位が電源電圧Ｖｃｃに等しい場合には、検出回路を待機モードとし、電極Ｅ２２の電位が接地レベルに落ちた場合には、検出回路を検出モードとする制御を行うようにすればよい。
【００９４】
(3) 三次元の操作量入力とクリック入力とをもつ電子機器用入力装置への適用例
図１に示す構成要素における基板４０を、図２３に上面図を示すような基板４０Ｂに交換すると、三次元の操作量入力とクリック入力とをもつ電子機器用入力装置が実現できる（図２３のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。図２３に示す基板４０Ｂは、図１０に示す基板４０に、更に、ワッシャー状の電極Ｅ１９を付加したものである。電極Ｅ１９を付加するために、扇形の電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、若干、幅が狭い電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂに置き換えられているが、その機能については変わりない。新たに追加した電極Ｅ１９は、表面が絶縁膜で覆われた検出用固定電極である。
【００９５】
結局、この実施形態では、合計５枚の検出用固定電極Ｅ１１Ｂ，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４Ｂ，Ｅ１９が形成されており、これらに対向する変位導電層２６の一部分を検出用変位電極として、合計５組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１９が形成されることになる。ここで、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２がＸ軸方向の操作入力の検出に用いられ、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４がＹ軸方向の操作入力の検出に用いられる点は、前述した基本的な実施形態と同様である。ここに示す実施形態では、更に、容量素子Ｃ１９によって、Ｚ軸方向の操作入力の検出が可能になる。すなわち、Ｚ軸方向への押圧力Ｆｚ−が大きくなればなるほど、変位導電層２６は電極Ｅ１９に接近し、静電容量値が増加することを利用し、押圧力Ｆｚ−の検出が可能になる。
【００９６】
このＺ軸方向の操作量を検出する際には、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を用いて構成される切替要素を利用することはできない。なぜなら、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−を加えた場合、図１３に示す例と同様に、ドーム状構造体３０が反転することになり、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通した状態になるものの、電極用柱状突起Ｐ２の底面に形成された変位導電層２６が、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６に接触するには至らないからである。この状態では、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６を用いて構成される切替要素は、依然として待機モードを示していることになる。
【００９７】
そこで、ここに示す実施形態では、電極Ｅ１７，Ｅ１８およびドーム状構造体３０を、第２の切替要素として利用するようにしている。ドーム状構造体３０は、全体が導電性材料（金属）で構成されており、電極Ｅ１７，Ｅ１８は、本来、ドーム状構造体３０の反転によるクリック入力（ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力）を検出するためのものである。このため、電極Ｅ１７，Ｅ１８は、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加わるまでは絶縁状態にあり、所定の大きさ以上の押圧力Ｆｚ−が加わると、ドーム状構造体３０の反転によって導通状態になるという性質を有している。そこで、この性質を利用して、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になった場合には、検出回路を検出モードとするような制御を加えるようにすればよい。すなわち、この装置の総合的な動作としては、電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になるか、あるいは、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になるか、そのいずれかが生じたときには、検出回路を検出モードとし、そのいずれもが生じていない間は、検出回路を待機モードとすればよい。電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の有意な操作入力が加えられているときであり、電極Ｅ１７，Ｅ１８が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｚ軸方向の有意な操作入力が加えられているときである。したがって、いずれの場合にも、検出回路を検出モードとして、容量素子の静電容量値を検出する処理を行うようにすればよい。なお、実用上は、電極Ｅ１７またはＥ１８は、接地レベルに接続しておくようにし、この接地電極と電極Ｅ１９との間の静電容量値を検出回路で検出できるようにするのが好ましい。
【００９８】
これまで述べてきた実施形態における切替要素は、一対の接触用電極と、この一対の接触用電極の双方に同時に接触可能な仲介電極と、によって構成されていた。§１で述べた基本的な実施形態の場合、弾性変形体２０の下面に形成された変位導電層２６の一部を仲介電極として用いていたが、この仲介電極は、必ずしも弾性変形体２０側に形成する必要はない。ここに示す実施形態では、弾性変形体２０と基板４０との間に配置されたドーム状構造体３０が仲介電極として利用されている。変位導電層２６を仲介電極として利用した場合、この仲介電極は、通常（有意な操作入力が加えられていないとき）は、一対の接触用電極のいずれにも接触しない状態となっており、所定の大きさ以上の外力が作用したとき（有意な操作入力が加えられたとき）には、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態になる。これに対し、ここで示した実施形態のように、電極Ｅ１８上に配置されたドーム状構造体３０を仲介電極として利用した場合、この仲介電極は、通常は、一対の接触用電極の一方（電極Ｅ１８）にのみ接触した状態となっており、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、一対の接触用電極の双方（電極Ｅ１７，Ｅ１８）に同時に接触した状態になる。
【００９９】
(4) 三次元の操作量入力をもつ電子機器用入力装置への適用例
図１に示す構成要素における基板４０を、図２４に上面図を示すような基板４０Ｃに交換し、ドーム状構造体３０を除外すると、三次元の操作量入力をもつ電子機器用入力装置が実現できる（図２４のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。この実施形態は、図２３に示す基板４０Ｂを用いた実施形態から、クリック入力の機能を取り去ったものに相当する。
【０１００】
この実施形態では、合計５枚の検出用固定電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｅ２５（いずれも、表面に絶縁膜が形成されている）が形成されており、これらに対向する変位導電層２６の一部分を検出用変位電極として、合計５組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ２５が形成されることになる。ここで、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２がＸ軸方向の操作入力の検出に用いられ、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４がＹ軸方向の操作入力の検出に用いられる点は、前述した基本的な実施形態と同様である。また、容量素子Ｃ２５によって、Ｚ軸方向の操作入力の検出が可能になる点は、図２３に示す基板４０Ｂを用いた実施形態と同様である。ただ、この実施形態では、ドーム状構造体３０は用いられておらず、クリック入力の検出機能はない。基板４０Ｃの中央に設けられた半円状の電極Ｅ２６，Ｅ２７は、一対の接触用電極であり、これに対向する変位導電層２６の一部分が仲介電極として機能することになる。
【０１０１】
この実施形態でも、電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になるか、あるいは、電極Ｅ２６，Ｅ２７が導通状態になるか、そのいずれかが生じたときには、検出回路を検出モードとし、そのいずれもが生じていない間は、検出回路を待機モードとすればよい。電極Ｅ１５，Ｅ１６が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向の有意な操作入力が加えられているときであり、電極Ｅ２６，Ｅ２７が導通状態になった場合には、操作盤１０に対して、Ｚ軸方向の有意な操作入力が加えられているときである。したがって、いずれの場合にも、検出回路を検出モードとして、容量素子の静電容量値を検出する処理を行うようにすればよい。なお、実用上は、電極Ｅ２６またはＥ２７は、接地レベルに接続しておくようにし、この接地した電極と電極Ｅ２５との間の静電容量値を検出回路で検出できるようにするのが好ましい。
【０１０２】
(5) 複数のドーム状構造体を利用した電子機器用入力装置への適用例
ここでは、本発明の更に別な実施形態に係る電子機器用入力装置を説明する。図２５は、この電子機器用入力装置を分解して各構成要素を示した分解側断面図である。図示のとおり、この電子機器用入力装置は、操作盤１０、弾性変形体２０Ｄ、ドーム状構造体３０、基板４０Ｄを用いて構成される。実際には、この入力装置は、基板４０Ｄの上にドーム状構造体３０を５組配置し（配置場所については後述）、その上を弾性変形体２０Ｄによって覆い、更にその上に操作盤１０を取り付けることにより構成されることになる。この入力装置も、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力および所定方向への操作量を示す操作入力を行うことができる。
【０１０３】
図１に示す基本的な実施形態と比べると、操作盤１０およびドーム状構造体３０は全く同じである（ただし、ドーム状構造体３０は５組用いられている）。図２５に示す弾性変形体２０Ｄは、図１に示す弾性変形体２０と若干形状が異なっているが、その機能はほぼ同じである。この弾性変形体２０Ｄの上面は、図１に示す弾性変形体２０の上面と全く同じであり、図４に示す上面図に示されているとおりである。一方、図２６は、この弾性変形体２０Ｄの下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２０Ｄは平面的にはほぼ正方形状をしている。その基本構成要素は、図２５の側断面図に示されているように、内側膜状部２１、円環状隆起部２２、外側膜状部２３、側壁部２４、固定脚部２５、柱状突起Ｐ４，Ｐ５である。図２６の下面図に示されているとおり、弾性変形体２０Ｄの下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２５は、基板４０Ｄの上面の４か所に形成された固定孔部４１（図２５参照）に挿入され、弾性変形体２０Ｄは、基板４０Ｄ上の所定位置に固定される。
【０１０４】
図２６に示されているように、膜状部２１，２３の下面には、下方へと伸びる円柱状の柱状突起Ｐ４，Ｐ５が形成されている。中央に形成された中央部柱状突起Ｐ４は、基板４０Ｄの中央部に配置されるドーム状構造体３０の頂点付近を押圧するためのものであり、周囲の４か所に形成された周囲部柱状突起Ｐ５は、基板４０の周囲部に配置される４組のドーム状構造体３０の頂点付近を押圧するためのものである。各柱状突起Ｐ４，Ｐ５の側面形状は、図２５の側断面図に明瞭に示されている。この図２５の側断面図に示されているとおり、周囲部柱状突起Ｐ５は、円環状隆起部２２の真下の位置に形成されている。
【０１０５】
この弾性変形体２０Ｄの下面にも、検出用変位電極として機能する変位導電層２６が、導電性塗料によって形成されている。図２７は、この変位導電層２６の形成領域を示すための弾性変形体２０Ｄの下面図である。図においてハッチングを施して示した領域に、変位導電層２６が形成されている（図２７におけるハッチングは、断面を示すものではない）。上述したように、弾性変形体２０Ｄの下面には、柱状突起Ｐ４，Ｐ５が形成されているが、中央部柱状突起Ｐ４の底面および側面には、変位導電層２６が形成されておらず、４か所に設けられた周囲部柱状突起Ｐ５の底面および側面には、変位導電層２６が形成されている。
【０１０６】
続いて、基板４０Ｄの構成を、図２８の上面図を参照して説明する（図２８のハッチングは電極の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すものではない）。４隅に設けられた固定孔部４１は、弾性変形体２０Ｄの固定脚部２５を挿入するために、基板４０Ｄの上面に掘られた穴である。基板４０Ｄの上面には、図示のように、上面が絶縁膜によって覆われた４枚の検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４と、導電面が露出した５組の接触用電極対Ｅ４０〜Ｅ４９が形成されている。中央に配置された接触用電極対Ｅ４０，Ｅ４９は、クリック入力を検出するために利用される電極である。一方、各検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４の外側に配置された４組の接触用電極対Ｅ４１〜Ｅ４８は、切替要素として機能する電極である。
【０１０７】
５組のドーム状構造体３０は、基板４０Ｄの上面の電極Ｅ４５〜Ｅ４９の上に伏せるようにして配置される。図２９は、図２８に示す基板４０Ｄの上面の所定箇所に、ドーム状構造体３０を５組配置した状態を示す上面図である。実際には、各ドーム状構造体３０は、基板４０Ｄの上面に接着剤や接着テープなどを利用して固定される。図示のとおり、合計５組のドーム状構造体３０のうち、１組は基板４０Ｄの中央部に配置され、残りの４組は基板４０Ｄの周囲部に配置される。ここでは便宜上、図示のとおり、基板４０Ｄの中央部に配置されたものを中央部ドーム状構造体３０−０、周囲部のＸ軸正領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−１、周囲部のＸ軸負領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−２、周囲部のＹ軸正領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−３、周囲部のＹ軸負領域に配置されたものを周囲部ドーム状構造体３０−４と呼ぶことにする。中心部ドーム状構造体３０−０は、Ｚ軸が中心軸となるように、電極Ｅ４９の上に配置される。一方、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４は、それぞれ電極Ｅ４５〜Ｅ４８の上に配置される。
【０１０８】
図３０は、こうして組み立てられた電子機器用入力装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。４枚の検出用固定電極Ｅ３１〜Ｅ３４と、これに対向する変位導電層２６の一部（検出用変位電極）と、によって４組の容量素子が形成され、Ｘ軸およびＹ軸方向の操作入力の検出が行われる点は、前述した基本的実施形態と同様である。ただ、ここに示す実施形態では、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４およびその下に形成された接触用電極対によって、合計４組の切替要素が構成されている。たとえば、周囲部ドーム状構造体３０−１と、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５とによって、１組の切替要素が構成されている。この切替要素を構成する一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５は、通常は絶縁状態にあるが、操作盤１０に対して所定の大きさ以上のＸ軸正方向の操作入力Ｆｘ＋が加えられると、仲介電極として機能する周囲部ドーム状構造体３０−１の反転により、導通状態に転じることになる。
【０１０９】
結局、ここに示す実施形態では、Ｘ軸正または負方向あるいはＹ軸正または負方向の所定の大きさ以上の操作入力が加わると、４組の周囲部ドーム状構造体３０−１〜３０−４のいずれかが反転状態となり、頂点付近の下面が接触用電極Ｅ４１〜Ｅ４４に接触することになり、４組の接触用電極対のいずれかの組が導通状態になる。そこで、検出回路としては、４組の切替要素の接触用電極対のうちのいずれかが導通状態になった場合には、検出モードによる動作を行い、いずれもが絶縁状態である場合には、待機モードによる動作を行うようにすればよい。
【０１１０】
なお、この実施形態では、中心部ドーム状構造体３０−０は、クリック入力の検出にのみ用いられ、切替要素としては機能しない。したがって、中心部ドーム状構造体３０−０が反転状態となり、電極Ｅ４０，Ｅ４９が導通状態となっても、クリック入力があった旨の検出がなされるだけであり、検出回路は待機状態を維持することになる。
【０１１１】
(6) ドーム状構造体の構成
上述したいくつかの実施形態では、ドーム状構造体３０が用いられている。これらの実施形態では、このドーム状構造体３０として、金属製のドームを用いている。金属製のドームであれば、すべての面が導電性接触面３１として機能することになり便利である。もっとも、ドーム状構造体３０は必ずしも金属製にする必要はない。たとえば、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その表面の必要な箇所に導電性材料膜を付着させることにより、導電性接触面を形成するようにしてもかまわない。
【０１１２】
ドーム状構造体３０の表面に導電性接触面を形成する第１の理由は、一対の接触用電極の間を導通させる役割を果たす仲介電極として機能させるためである。たとえば、図２９に示す５組のドーム状構造体３０−０〜３０−４は、いずれもその下方に位置する一対の接触用電極（ワッシャー状の電極と、その内側に配置された円形の電極）を導通させるための仲介電極として機能し、外力の作用によって反転を生じたときに、一対の接触用電極を導通状態にすることができる。このような仲介電極としての機能を果たすためには、このドーム状構造体３０の少なくとも頂点付近の下面（円形の接触用電極に接する部分）から底周面（ワッシャー状の接触用電極に接する部分）にかけて導電性接触面３１が形成されている必要がある。このようなドーム状構造体３０を仲介電極として用いれば、この仲介電極は、通常は一方の接触用電極にのみ接触している状態を維持し、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体３０の反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となる。
【０１１３】
もっとも、一対の接触用電極が、図２４に示す接触用電極Ｅ２６，Ｅ２７のような電極であった場合は、ドーム状構造体３０の少なくとも頂点付近の下面（接触用電極Ｅ２６，Ｅ２７に接する部分）に、導電性接触面３１が形成されていれば足りる。このようなドーム状構造体３０を仲介電極として用いれば、この仲介電極は、通常は一対の接触用電極のいずれにも接触していない状態を維持し、所定の大きさ以上の外力が作用したときには、ドーム状構造体３０の反転により、一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となる。
【０１１４】
ドーム状構造体３０の表面に導電性接触面を形成する第２の理由は、弾性変形体側に形成されている変位導電層２６（その一部は検出用変位電極として機能する）と、基板側に形成されている接触用電極とを導通させることにより、容量素子に対する配線機能を果たすためである。弾性変形体２０は弾性変形を生じる構成要素であるため、この弾性変形体２０側に配線を施すことは好ましいことではない。このため、弾性変形体側に形成された変位導電層には、外部からの配線を接続することは好ましくない。そこで、これまで述べてきた実施形態では、変位導電層２６には何ら配線を施すことなく、電気的に浮遊状態にしている。しかしながら、変位導電層２６は、容量素子の一方の電極を構成する要素であるため、静電容量値を検出する際には、検出系に対して何らかの配線を行う必要がある。ドーム状構造体３０には、この配線の役割を果たさせることができる。たとえば、図３０に示す装置において、操作盤１０に対して所定の大きさ以上のＸ軸正方向の操作入力Ｆｘ＋が加えられると、仲介電極として機能する周囲部ドーム状構造体３０−１の反転により、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５が導通状態となる。このとき、ドーム状構造体３０−１が金属製であれば、このドーム状構造体３０−１を介して、周囲部柱状突起Ｐ５の底面に形成されている変位導電層２６が、一対の接触用電極Ｅ４１，Ｅ４５と導通状態となるので、変位導電層２６に対する配線が確保されたことになる。実際には、たとえば、接触用電極Ｅ４５を接地レベルに接続しておけば、変位導電層２６を接地レベルに固定することができるので、接地レベルと各検出用固定電極との間の静電容量値を検出すればよい。
【０１１５】
ドーム状構造体３０にこのような配線機能を果たすことができるようにするためには、全体を金属製で構成するのが最も簡単であるが、樹脂などによってドーム状構造体を作成し、その表面の必要な箇所に導電性材料膜を付着させる場合であれば、少なくとも頂点付近の上面および下面が互いに導通した導電性材料から構成されるようにする必要がある。
【０１１６】
(7) 一対の接触用電極の変形例
これまで述べた実施形態では、切替要素に含まれる一対の接触用電極を、いずれも基板上に形成し、この一対の接触用電極の双方に仲介電極を同時に接触させることにより、一対の接触用電極を導通させるという手法を採ってきたが、本発明を実施する上では、一対の接触用電極を必ずしも基板側に設ける必要はなく、また、必ずしも仲介電極を用いる必要もない。たとえば、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって一対の接触用電極を構成するようにし、弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、この弾性変形体の変形により、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触するような構成を採ってもかまわない。
【０１１７】
しかしながら、このように、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、が物理的に接触したか否かを電気的に検出するためには、各電極にそれぞれ配線を施す必要がある。そして、実用上、弾性変形体側に配線を施すことは好ましいことではない。したがって、実用上は、これまでに述べてきた実施形態のように、基板上に一対の接触用電極を設け、仲介電極を利用して両電極を導通させる手法を採るのが好ましい。このような手法を採れば、仲介電極側には配線は不要であるため、基板側にだけ配線を行えば、弾性変形体側に配線を施す必要ななくなる。
【０１１８】
(8) その他の変形例
上述した実施形態では、検出回路として、Ｃ／Ｖ変換回路あるいはＣ／ｆ変換回路を用いた例を述べたが、本発明を実施する上で用いる検出回路は、これらの回路を用いたものに限定されるものではなく、基板側に形成された検出用固定電極と弾性変形体側に形成された検出用変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値を電気信号として検出する機能を有する検出回路であれば、どのような回路を用いてもかまわない。また、上述の実施形態では、Ｃ／Ｖ変換回路５０に検出モードと待機モードとを設けたが、２通りのモードで動作する部分は、検出回路のどの部分であってもかまわない。要するに、検出回路全体として捉えたときに、容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードと、このような検出機能を果たすことはできないが、検出モードよりも少ない消費電力で、検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２通りの動作が可能になっていればよい。ここで、待機モードは、必ずしも回路が何らかの動作を行っている必要はなく、切替要素の状態遷移に基づいて、検出モードへの移行が可能な状態であれば、回路が完全に停止した状態であってもかまわない。たとえば、検出回路への電源供給を全く停止した状態を待機モードとし、切替要素の状態遷移が生じたときに電源供給を開始して検出モードに移行するような方法を採ってもよい。また、本発明における切替要素は、上述した待機モードから検出モードへの切替あるいは検出モードから待機モードへの切替を行うために、一対の接触用電極間の導通状態を変化させることができる構成要素であれば、どのような構成のものであってもかまわない。
【０１１９】
図３１は、図１７に示す検出回路の更に別な変形例を示す回路図である。この変形例の回路の基本構成要素は、図１７の回路と同様に、Ｃ／Ｖ変換回路５０と信号処理回路６０であり、これらの基本動作は、図１７の回路と同様である。ただ、図１７に示す回路では、信号処理回路６０の端子Ｔ６からの制御信号をＣ／Ｖ変換回路５０の制御端子Ｔ２０に与えることにより、Ｃ／Ｖ変換回路５０のモードを切り替えていたが、図３１に示す回路では、Ｃ／Ｖ変換回路５０への電源供給を、切替要素を構成する一対の接触用電極、すなわち、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の電気的な接触状態に基づいて直接制御する方式を採っている。具体的には、図示のとおり、外側電極Ｅ１６には電源Ｖｃｃが接続され、外側電極Ｅ１５はＣ／Ｖ変換回路５０の電源供給用端子Ｔｖに接続されている。このような構成にしておけば、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触するまでは、外側電極Ｅ１５には、電源電圧Ｖｃｃが供給されないので、Ｃ／Ｖ変換回路５０にも電源電圧Ｖｃｃの供給が行われないことになる。すなわち、この状態（待機モード）では、Ｃ／Ｖ変換回路５０には、全く電源供給が行われないことになり、本来出力されるべき有意な電圧出力Ｖ１１〜Ｖ１４は出力されない。当然、Ｃ／Ｖ変換回路５０は電力消費を行わないので、検出回路全体の消費電力を大幅に節約することができる。ところが、変位導電層２６が外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の双方に接触すると、外側電極Ｅ１５を介して電源電圧Ｖｃｃが、Ｃ／Ｖ変換回路５０の電源供給用端子Ｔｖに供給されることになり、Ｃ／Ｖ変換回路５０が本来の動作を開始する（検出モード）。
【０１２０】
なお、上述の実施形態では、本発明に係る力検出装置を電子機器用入力装置として利用した例を述べたが、本発明に係る力検出装置の用途は、このような入力装置のみに限定されるものではなく、ロボットや産業機械などの制御に用いる検出装置などにも勿論利用可能である。また、作用体の部分が重錘体として機能するようにすれば、加速度に基づいて重錘体に作用した力を検出することにより加速度検出装置として利用することも可能である。この場合、所定の大きさ以上の加速度が加わらない限り、検出回路は待機モードとなるので、消費電力の節約が可能になる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上のとおり本発明によれば、電力消費を効率的に抑制させることが可能な容量素子を用いた力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る電子機器用入力装置の分解側断面図である。
【図２】図１に示す操作盤１０の上面図である。この操作盤１０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図３】図１に示す操作盤１０の下面図である。この操作盤１０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図４】図１に示す弾性変形体２０の上面図である。この弾性変形体２０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図５】図１に示す弾性変形体２０の下面図である。この弾性変形体２０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図６】図５に示す弾性変形体２０の下面に形成されている各柱状突起の配置を説明するための下面図である。
【図７】図５に示す弾性変形体２０の下面に形成されている変位導電層２６を示す下面図である。
【図８】図１に示すドーム状構造体３０の上面図である。このドーム状構造体３０を中心で切断した側断面が図１に示されている。
【図９】図１に示すドーム状構造体３０の形状反転動作を説明する側断面図である。
【図１０】図１に示す基板４０の上面図である。この基板４０を中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図１に示されている。
【図１１】図１０に示す基板４０の上に、ドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。
【図１２】図１に示す各構成要素を組み立てることにより構成された電子機器用入力装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１３】図１２に示す電子機器用入力装置においてスイッチ入力（クリック入力）が行われたときの状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１４】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第１の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１５】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第２の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１６】図１２に示す電子機器用入力装置においてＸ軸負方向への操作入力が行われたときの第３の状態を示す側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。また、各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３は、断面部分のみが描かれており、奥に位置する各柱状突起は図示が省略されている。
【図１７】図１２に示す電子機器用入力装置に利用される検出回路の一例を示す回路図である。
【図１８】図１２に示す電子機器用入力装置に利用される検出回路の別な一例を示す回路図である。
【図１９】図１７または図１８に示す回路図におけるＣ／Ｖ変換回路の詳細を示す回路図である。
【図２０】図１０に示す一対の接触用電極の変形例を示す上面図である。
【図２１】図１０に示す一対の接触用電極の別な変形例を示す上面図である。
【図２２】一次元の操作入力機能のみを有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ａの上面図である。
【図２３】三次元の操作入力機能とクリック機能とを有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ｂの上面図である。
【図２４】三次元の操作入力機能を有する電子機器用入力装置に利用される基板４０Ｃの上面図である。
【図２５】複数のドーム状構造体を利用した電子機器用入力装置の分解側断面図である。
【図２６】図２５に示す弾性変形体２０Ｄの下面図である。この弾性変形体２０Ｄを中心で切断した側断面が図２５に示されている。
【図２７】図２６に示す弾性変形体２０Ｄの下面に形成されている変位導電層２６を示す下面図である。
【図２８】図２５に示す基板４０Ｄの上面図である。この基板４０Ｄを中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図２５に示されている。
【図２９】図２８に示す基板４０Ｄの上に、５組のドーム状構造体３０を配置した状態を示す上面図である。
【図３０】図２５に示す各構成要素を組み立てることにより構成された電子機器用入力装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体３０の部分は、断面ではなく側面が示されている。
【図３１】図１７に示す検出回路の更に別な変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０…操作盤
１１…操作部分
１２…土手部分
１３…外周部分
１４…押圧棒
２０，２０Ｄ…弾性変形体
２１…内側膜状部
２２…円環状隆起部
２３…外側膜状部
２４…側壁部
２５…固定脚部
２６…変位導電層
３０…ドーム状構造体
３１…導電性接触面
４０，４０Ｄ…基板
４１…固定孔部
５０…Ｃ／Ｖ変換回路
５１…スイッチ回路
５２…発振回路
５３…整流回路
６０…信号処理回路
Ｃ１…内側同心円
Ｃ２…基準同心円
Ｃ３…外側同心円
Ｃ１１〜Ｃ１４…容量素子
Ｃ０１〜Ｃ０３…コンデンサ
Ｄ０１…ダイオード
Ｅ１０〜Ｅ４９…電極
Ｆ…押圧力
Ｆｘ−，ＦＦｘ−…Ｘ軸負方向成分を含む操作力
Ｆｚ−…Ｚ軸負方向への押圧力
ＧＮＤ…接地レベル
Ｉ０１〜Ｉ０３…インバータ素子
Ｐ１…支持用柱状突起
Ｐ２…電極用柱状突起
Ｐ３…支持用柱状突起
Ｐ４…中央部柱状突起
Ｐ５…周囲部柱状突起
Ｒ，Ｒ０１〜Ｒ０７…抵抗素子
Ｓ…スイッチ素子
Ｔ１〜Ｔ２１，Ｔｖ…端子
Ｖ１１〜Ｖ１４…電圧値
Ｖｃｃ…電源電圧
Claims (21)
- 容量素子を利用して、作用した外力の大きさを検出する機能をもった力検出装置であって、
板状の基板と、
この基板に対向する位置に配置され、少なくとも一部分が弾性変形を生じる材料からなる弾性変形体と、
外力の作用に基づき前記弾性変形体に弾性変形を起こさせ、前記弾性変形体の一部を前記基板に対して変位させる作用体と、
前記基板上に形成された検出用固定電極と、
前記弾性変形体の「前記検出用固定電極に対向し、かつ、前記変位が生じる位置」に形成された検出用変位電極と、
一対の接触用電極を有し、通常は前記一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、前記作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、前記弾性変形体の変形により前記一対の接触用電極間が電気的に導通状態となるような切替機能を果たす切替要素と、
前記検出用固定電極と前記検出用変位電極とによって構成される容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出回路と、
を備え、
前記検出回路が、前記容量素子の静電容量値を電気信号として検出する検出機能を果たすことができる検出モードと、前記検出機能を果たすことはできないが前記検出モードよりも少ない消費電力で、前記検出モードへ移行するための待機状態を維持することができる待機モードと、の２つのモードを選択できるように構成され、前記一対の接触用電極間の電気的な状態が、絶縁状態である場合には前記待機モードが選択され、導通状態である場合には前記検出モードが選択されるように構成されていることを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１に記載の力検出装置において、
切替要素に含まれる一対の接触用電極が、基板上に形成された接触用固定電極と、弾性変形体側に形成された接触用変位電極と、によって構成され、前記弾性変形体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、前記弾性変形体の変形により、前記接触用変位電極が前記接触用固定電極に物理的に接触するように構成されていることを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１に記載の力検出装置において、
切替要素が、基板上に形成された一対の接触用電極と、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触することにより前記一対の接触用電極間を導通させることができる仲介電極と、によって構成され、
前記仲介電極は、通常は前記一対の接触用電極のいずれにも接触していないか、または、いずれか一方にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように配置されていることを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項３に記載の力検出装置において、
仲介電極を、弾性変形体の変位が生じる位置に形成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項４に記載の力検出装置において、
一対の接触用電極を、環状の第１電極と、この第１電極の外側に隣接配置された環状の第２電極と、によって構成し、
仲介電極を、前記第１電極と前記第２電極との双方に、いずれかの箇所で同時に接触可能な位置に形成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項４に記載の力検出装置において、
基板上に第１グループに所属する複数Ｎ個の電極と第２グループに所属する複数Ｎ個の電極とを配置し、前記第１グループに所属する第ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の電極と前記第２グループに所属する第ｉ番目の電極とがそれぞれ隣接するようにし、互いに隣接して配置された前記第１グループに所属する電極と前記第２グループに所属する電極とによって一対の接触用電極が構成されるようにし、合計Ｎ組からなる一対の接触用電極を形成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項６に記載の力検出装置において、
基板上に定義された円周に沿って、第１グループに所属する電極と第２グループに所属する電極とを交互に配置し、
仲介電極を、弾性変形体側の「前記円周に対向する円周」に沿って形成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項３〜７のいずれかに記載の力検出装置において、
仲介電極と検出用変位電極とが導通しており、検出回路が、検出モード時に、前記仲介電極に対して接触状態にある接触用電極と、前記検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出する機能を有することを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項３に記載の力検出装置において、
基板上に形成された一対の接触用電極の近傍に伏せるように配置され、頂点付近に対して所定の大きさ以上の下方への押圧力を加えると、前記頂点付近が弾性変形して下に凸となるように形状反転を起こす性質を有し、導電性接触面を有しているドーム状構造体を設け、前記導電性接触面を仲介電極として利用し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときに、弾性変形体の変形により、前記ドーム状構造体に形状反転が生じ、前記導電性接触面が前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項９に記載の力検出装置において、
ドーム状構造体の頂点付近の下面から底周面にかけて形成された導電性接触面により仲介電極を構成し、一対の接触用電極のうちの一方を前記ドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置し、他方を前記ドーム状構造体の中心位置に配置し、前記仲介電極が、通常は前記一方の接触用電極にのみ接触している状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、前記ドーム状構造体の形状反転により、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項９に記載の力検出装置において、
一対の接触用電極を、ドーム状構造体の底周面に囲まれた領域に形成し、前記ドーム状構造体の頂点付近の下面に形成された導電性接触面からなる仲介電極が、通常は前記一対の接触用電極のいずれにも接触していない状態を維持し、作用体に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、弾性変形体の変形により、前記一対の接触用電極の双方に同時に接触した状態となるように構成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項９〜１１のいずれかに記載の力検出装置において、
少なくとも頂点付近の上面および下面が互いに導通した導電性材料により構成されたドーム状構造体を有し、弾性変形体の前記ドーム状構造体の頂点付近に対する接触部分に、検出用変位電極と電気的に接続された仲介導電層が形成されており、
検出回路が、検出モード時に、前記ドーム状構造体を介して前記仲介導電層と電気的に接触状態にある接触用電極と、前記検出用変位電極に対向している検出用固定電極と、の間の静電容量値を、容量素子の静電容量値として検出する機能を有することを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
検出用固定電極および検出用変位電極の少なくとも一方の表面に、両者の電気的接触を阻むための絶縁膜を形成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１〜１３のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、容量素子の静電容量値Ｃを電圧値Ｖに変換するＣ／Ｖ変換回路を有し、検出モードにおいては前記Ｃ／Ｖ変換回路を動作させ、待機モードにおいては前記Ｃ／Ｖ変換回路を動作させない制御が行われるようにしたことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１４に記載の力検出装置において、
Ｃ／Ｖ変換回路が、容量素子を構成する一方の電極に対して交流信号を供給する発振回路と、検出モードでは前記発振回路を発振させ、待機モードでは前記発振回路の発振を停止させるスイッチ回路と、を有することを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１〜１３のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、容量素子の静電容量値Ｃを周波数ｆに変換するＣ／ｆ変換回路を有し、検出モードにおいては前記Ｃ／ｆ変換回路を動作させ、待機モードにおいては前記Ｃ／ｆ変換回路を動作させない制御が行われるようにしたことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体が剛性材料からなる操作盤によって構成され、この操作盤に加えられた操作入力を外力として検出することを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１〜１７のいずれかに記載の力検出装置において、
弾性変形体が、基板上面に対してほぼ平行になるように配置された膜状部と、この膜状部の周囲を前記基板上面に固定するための側壁部と、前記膜状部の下面の所定の複数箇所から下方に伸びた柱状突起と、を有し、少なくとも前記膜状部の一部および前記柱状突起が弾性材料によって構成されていることを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１８に記載の力検出装置において、
弾性変形体を、一体成型されたゴムによって構成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 請求項１９に記載の力検出装置において、
検出用変位電極を、一体成型されたゴムの表面に塗布した導電性塗料からなる層によって構成したことを特徴とする容量素子を用いた力検出装置。 - 所定のプログラムに基づいて所定の処理を実行する電子機器に対して、所定方向への操作量を示す操作入力を行うための電子機器用入力装置であって、請求項１〜２０のいずれかに記載の力検出装置を含み、この力検出装置によって検出された外力を操作量として取り扱うことを特徴とする電子機器用入力装置。
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