(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変抵抗要素を利用して、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り、外力の作用に基づく弾性変形により前記基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
前記基板と前記弾性変形体との間に配置され、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
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、
前記可変抵抗要素の前記二点間の抵抗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、前記二点間の抵抗値を電気信号として出力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おり、
前記可変抵抗要素は、前記基板上に配置された４つの抵抗体と、前記弾性変形体の前記４つの抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの接触用導電体と、を有し、前記基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、前記弾性変形体の変形により各接触用導電体の対向する各抵抗体に対する接触状態が変化し、
前記接触用導電体は、弾性変形する材料から構成され、少なくとも前記抵抗体に対する接触面は導電性を有しており、かつ、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて前記抵抗体に対する接触面の面積が変化する形状を有しており、前記接触面の面積の変化に応じて、前記抵抗体上の「前記接触用導電体の接触位置」を挟む二点間の抵抗値が変化するように構成されており、
前記切替要素が、前記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、
前記一対の接触用電極は、前記ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、前記原点Ｏを中心として前記各抵抗体の外側位置に配置されており、
前記仲介電極は、前記弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、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、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は、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、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おり、
前記検出回路は、前記検出モードにおいて、前記各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、前記弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出装置において、
接触用導電体を、導電性ゴムによって構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項３】
可変抵抗要素を利用して、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り、外力の作用に基づく弾性変形により前記基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
前記基板と前記弾性変形体との間に配置され、前記弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
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、
前記可変抵抗要素の前記二点間の抵抗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、前記二点間の抵抗値を電気信号として出力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おり、
前記可変抵抗要素は、前記基板上に配置された４つの下方抵抗体と、前記弾性変形体の前記４つの下方抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの上方抵抗体と、を有し、前記基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の下方抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の下方抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の下方抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の下方抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、前記弾性変形体の変形により各上方抵抗体の対向する各下方抵抗体に対する接触状態が変化し、
前記下方抵抗体および前記上方抵抗体の少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、検出対象となる外力の作用によって加わる圧力に応じて前記下方抵抗体と前記上方抵抗体との接触面の面積が変化するように構成され、前記接触面の面積の変化に応じて、前記下方抵抗体側に接続された所定点と前記上方抵抗体側に接続された所定点との間の抵抗値が変化するように構成されており、
前記切替要素が、前記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、
前記一対の接触用電極は、前記ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、前記原点Ｏを中心として前記各下方抵抗体の外側位置に配置されており、
前記仲介電極は、前記弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、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、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は、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、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おり、
前記検出回路は、前記検出モードにおいて、４組の抵抗体対の所定点間の抵抗値に基づいて、前記弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の力検出装置において、
下方抵抗体および上方抵抗体を、感圧導電性インクによって構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか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可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか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の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可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項７】
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可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、抵抗体の二点間に電圧を印加することにより当該二点間の抵抗値を検出する回路を有し、検出モードにおいては前記電圧を印加し、待機モードにおいては前記電圧を印加しない制御が行われることを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項９】
請求項８に記載の力検出装置において、
切替要素を構成する一対の接触用電極の導通／絶縁状態をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体の二点間への電圧印加が行われるように構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の力検出装置において、
剛性材料からなる操作盤を弾性変形体に取り付け、この操作盤に加えられた操作入力に基づいて弾性変形体に変位が生じるようにしたことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０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可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１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可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
基板と弾性変形体との間に挿入され、基板上面の中心付近に伏せるように配置されたドーム状構造体を更に有することを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力検出装置において、
ドーム状構造体が、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、かつ、少なくとも下面から底周面にかけた部分が導電性接触面を構成しており、
基板上面の、前記ドーム状構造体が形状反転を起こした際に頂点付近の下面に接触可能な位置に配置された第１のクリック用電極と、
基板上面の、前記ドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置された第２のクリック用電極と、
を更に備え、
検出回路が、前記第１のクリック用電極と前記第２のクリック用電極との導通状態を電気的に検出することによりクリック入力の検出が行えるように構成したことを特徴とする可変抵抗要素を用いた力検出装置。
【請求項１５】
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１〜１４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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変抵抗要素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】
携帯電話やゲーム遊戯装置など、比較的安価な電子機器用の入力装置には、できるだけ単純な構造をもった安価な力検出装置を利用するのが望ましい。このような力検出装置として、特願２０００−１３２０１２号明細書には、可変抵抗要素を用いた力検出装置が開示されている。この装置では、加えられた圧力に応じて抵抗値が変化する可変抵抗要素が利用されており、この可変抵抗要素の抵抗値の変化を検出することにより、加えられた外力の検出を行うことができる。可変抵抗要素は、たとえば、平板状の抵抗体と、これに接触可能な接触用導電体と、によって構成することができる。加えられる外力の大きさにより、接触用導電体の抵抗体に対する接触面積が変化するような構成にしておけば、この接触面積の大小により、抵抗体の所定の２点間の電気抵抗が変化することになる。したがって、この電気抵抗の変化に基づいて、作用した外力の大きさを検出することが可能になる。抵抗体も接触用導電体も極めて単純な電気回路要素であるため、このような原理に基づく力検出装置では、構成が非常に単純になり、製造コストを低減できるというメリットが得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置では、作用した力の検出値を得るために、抵抗体の電気抵抗を測定することが不可欠である。しかしながら、抵抗体の電気抵抗を測定するためには、当該抵抗体に電流を流す必要があるため、測定時には、ある程度の電力消費は避けられない。このため、上述した可変抵抗要素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、上述した可変抵抗要素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、電力消費の大きな電気抵抗の測定回路を、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１／５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可変抵抗要素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、作用した外力の大きさを検出する機能をもった可変抵抗要素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り、外力の作用に基づく弾性変形により基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
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、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、
可変抵抗要素の二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路を、二点間の抵抗値を電気信号として出力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構成し、
可変抵抗要素が、基板上に配置された４つの抵抗体と、弾性変形体の４つの抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの接触用導電体と、を有し、基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、弾性変形体の変形により各接触用導電体の対向する各抵抗体に対する接触状態が変化するようにし、
接触用導電体が、弾性変形する材料によって構成され、少なくとも抵抗体に対する接触面は導電性を有しており、かつ、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて抵抗体に対する接触面の面積が変化する形状を有しており、接触面の面積の変化に応じて、抵抗体上の「接触用導電体の接触位置」を挟む二点間の抵抗値が変化するように構成されており、
切替要素が、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、によって構成され、
一対の接触用電極が、ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、原点Ｏを中心として各抵抗体の外側位置に配置されており、
仲介電極が、弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、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、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は、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、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おり、
検出回路が、検出モードにおいて、各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出す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の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
接触用導電体を、導電性ゴムによって構成したものである。
【００１０】
(3)   本発明の第３の態様は、作用した外力の大きさを検出する機能をもった可変抵抗要素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り、外力の作用に基づく弾性変形により基板に対して変位する構造をなす弾性変形体と、
基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素と、
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、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、
可変抵抗要素の二点間の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、
を設け、
検出回路を、二点間の抵抗値を電気信号として出力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構成し、
可変抵抗要素が、基板上に配置された４つの下方抵抗体と、弾性変形体の４つの下方抵抗体にそれぞれ対向する位置に配置された４つの上方抵抗体と、を有し、基板の上面の中心位置に原点ＯをとったＸＹ座標系を定義した場合に、第１の下方抵抗体はＸ軸正の領域に配置され、第２の下方抵抗体はＸ軸負の領域に配置され、第３の下方抵抗体はＹ軸正の領域に配置され、第４の下方抵抗体はＹ軸負の領域に配置されており、弾性変形体の変形により各上方抵抗体の対向する各下方抵抗体に対する接触状態が変化するようにし、
下方抵抗体および上方抵抗体の少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、検出対象となる外力の作用によって加わる圧力に応じて下方抵抗体と上方抵抗体との接触面の面積が変化するように構成され、接触面の面積の変化に応じて、下方抵抗体側に接続された所定点と上方抵抗体側に接続された所定点との間の抵抗値が変化するように構成されており、
切替要素が、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、によって構成され、
一対の接触用電極が、ＸＹ座標系におけるＸ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、Ｙ軸負の領域のすべてに配置され、かつ、原点Ｏを中心として各抵抗体の外側位置に配置されており、
仲介電極が、弾性変形体の変位が生じる位置に形成され、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、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は、この弾性変形体の変形により、Ｘ軸正の領域、Ｘ軸負の領域、Ｙ軸正の領域、もしくはＹ軸負の領域において、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おり、
検出回路が、検出モードにおいて、各抵抗体の二点間の抵抗値に基づいて、弾性変形体に加わった外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出す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の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
下方抵抗体および上方抵抗体を、感圧導電性インクによって構成したものである。
【００１２】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る可変抵抗要素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したものである。
【００１３】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る可変抵抗要素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の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の態様に係る可変抵抗要素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１〜第７の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
検出回路内に、抵抗体の二点間に電圧を印加することにより当該二点間の抵抗値を検出する回路を用意し、検出モードにおいては電圧を印加し、待機モードにおいては電圧を印加しない制御が行われ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８の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
切替要素を構成する一対の接触用電極の導通／絶縁状態をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体の二点間への電圧印加が行われるようにしたものである。
【００１７】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第１〜第９の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
剛性材料からなる操作盤を弾性変形体に取り付け、この操作盤に加えられた操作入力に基づいて弾性変形体に変位が生じるようにしたものである。
【００１８】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る可変抵抗要素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。
【００１９】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る可変抵抗要素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の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
基板と弾性変形体との間に挿入され、基板上面の中心付近に伏せるように配置されたドーム状構造体を更に設けたものである。
【００２１】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置において、
ドーム状構造体が、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、かつ、少なくとも下面から底周面にかけた部分が導電性接触面を構成しており、
基板上面の、ドーム状構造体が形状反転を起こした際に頂点付近の下面に接触可能な位置に配置された第１のクリック用電極と、
基板上面の、ドーム状構造体の底周面に接触する位置に配置された第２のクリック用電極と、
を更に設け、
検出回路が、第１のクリック用電極と第２のクリック用電極との導通状態を電気的に検出することによりクリック入力の検出が行えるように構成したものである。
【００２６】
(15)  本発明の第１５の態様は、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において、上述の第１〜第１４の態様に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置を組み込み、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ができるようにしたものである。
【００２７】
【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。
【００２８】
§１．可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本構造
本発明は、可変抵抗要素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新規な手法を提供するものである。そこで、ここでは、本発明の適用対象となる可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本構造を、一例を提示しながら説明しておくことにする。ここで述べる例は、前掲の特願２０００−１３２０１２号明細書に基本的な実施形態として開示された力検出装置である。
【００２９】
図１は、この可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
この力検出装置は、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力のＸ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向の各成分をそれぞれ独立して検出する機能を有しており、主たる構成要素は、図示のとおり、基板１１０、弾性変形体１２０、固定部材１３０である。ここでは、説明の便宜上、基板１１０の上面のほぼ中心位置に、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを定義し、基板１１０の上面がＸＹ平面に沿って配置されているものとする。図１に示す座標系では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、紙面に垂直下方にＹ軸が定義されている。
【００３０】
基板１１０は、上述のとおり、ＸＹ平面に沿った上面を有する平板状の剛体からなる基板であり、この力検出装置では、ガラスエポキシ基板が用いられている。もちろん、基板１１０の材質は特に限定されるものではなく、後述する力の作用を受けても変形しないだけの十分な剛性を有する基板であれば、どのようなものを用いてもかまわない。ただし、上面には互いに電気的に独立した複数の抵抗体を形成する必要があるため、少なくとも抵抗体の形成面には絶縁性をもたせておく必要がある。したがって、実用上は、絶縁性材料からなるガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、ガラス基板などを用いるのが好ましい。もちろん、金属板を基板１１０として用いることも可能であるが、この場合、少なくとも上面の抵抗体形成部分には、絶縁膜を形成する必要がある。
【００３１】
図２は、この基板１１０の上面図であり、一点鎖線の矩形は、この上に配置される弾性変形体１２０の位置を示している。図１に示されている基板１１０の断面は、図２に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面である。基板１１０の上面は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面に含まれ、その中心に原点Ｏが定義されている。図示の通り、この基板１１０の上面には、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が形成されている。これらの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６は、この力検出装置の場合、いずれも平板状のカーボンからなる抵抗体である。本発明に用いる抵抗体は、後述する測定に適した抵抗値を有する材質であれば、どのような材質のものを用いてもよく、また、どのような形状のものを用いてもよいが、実用上は、カーボンなどの材料を用いて、基板１１０の上面に印刷により形成することができる平板状の抵抗体を用いるのが好ましい。
【００３２】
ここで、重要な点は、これら抵抗体Ｒ１〜Ｒ６の配置である。図示のとおり、第１の抵抗体Ｒ１は基板１１０の上面のＸ軸正領域に配置されており、第２の抵抗体Ｒ２は基板１１０の上面のＸ軸負領域に配置されており、第３の抵抗体Ｒ３は基板１１０の上面のＹ軸正領域に配置されており、第４の抵抗体Ｒ４は基板１１０の上面のＹ軸負領域に配置されている。これら４枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも同一の大きさをもった長方形状をしており、Ｘ軸もしくはＹ軸に関して線対称となるように配置されている。また、原点Ｏと各抵抗体Ｒ１〜Ｒ４との距離も同一となるように配置されている。後述するように、第１の抵抗体Ｒ１および第２の抵抗体Ｒ２は、作用した外力のＸ軸方向成分の検出に用いられ、第３の抵抗体Ｒ３および第４の抵抗体Ｒ４は、作用した外力のＹ軸方向成分の検出に用いられる。
【００３３】
一方、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、互いに同一の大きさをもった正方形状をした平板状抵抗体である。ここで、第５の抵抗体Ｒ５は、その中心点が原点Ｏの位置にくるように配置されているのに対して、第６の抵抗体Ｒ６は、これら抵抗体群の右下あたりに配置されている。後述するように、第５の抵抗体Ｒ５および第６の抵抗体Ｒ６は、作用した外力のＺ軸方向成分の検出に用いられる。ただし、Ｚ軸方向成分の本来の検出値は第５の抵抗体Ｒ５から得られ、第６の抵抗体Ｒ６は、標準となる抵抗値の参照用として用いられるにすぎない。したがって、ここでは、第５の抵抗体Ｒ５を「Ｚ軸用抵抗体」と呼び、第６の抵抗体Ｒ６を「参照用抵抗体」と呼ぶことにする。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、原理的には、基板１１０の上面のどの位置に配置してもかまわないが、検出感度を高める上では、原点Ｏの位置（Ｚ軸に交差する位置）に配置するのが好ましい。これは、この力検出装置に係る弾性変形体１２０の構造上、その中心部分（Ｚ軸に交差する部分）における変位が最も大きくなるためである。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６は、単に抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるので、基板１１０上の任意の位置に配置してかまわない。
【００３４】
一方、弾性変形体１２０は、この基板１１０の上面に配置される部材である。この弾性変形体１２０の上面図を図３に、下面図を図４にそれぞれ示す。図３および図４に示す弾性変形体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が、図１に示されていることになる。図１に示されているように、弾性変形体１２０は、内側に位置する円盤状の作用部１２１と、その周囲の可撓部１２２と、外側の固定部１２３と、を有し、更に、作用部１２１の上面中央部には、Ｚ軸を中心軸とした円柱状の操作桿１２５が形成されている。図１の側断面図に示されているように、弾性変形体１２０の上面には、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３による段差構造が形成されており、下面には、空洞部Ｖが形成されている。弾性変形体１２０の上面は必ずしもこのような段差構造にする必要はないが、図示の例の場合、作用部１２１と可撓部１２２との間の段差構造は、可撓部１２２の肉厚を薄くするために貢献している。すなわち、作用部１２１の肉厚に対して、可撓部１２２の肉厚を薄く設定することにより、可撓部１２２に可撓性をもたせている。また、可撓部１２２と固定部１２３との間の段差構造は、固定部１２３を固定部材１３０によって固定するための便宜である。
【００３５】
この力検出装置における弾性変形体１２０には、このように、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３の３つの部分が設けられている。ここで、作用部１２１は、基板１１０の上方に配置され、外力の作用により変位を生じるような構造をもっていれば、基本的にはどのような形態のものでもかまわないが、後述するように、その下面には複数の接触用導電体を所定位置（各抵抗体に対向する位置）に取り付ける必要があるので、この接触用導電体の取り付けに適した下面を有する盤状形態とするのが好ましい。作用部１２１は完全な剛体である必要はないが、可撓部１２２に比べれば、ある程度の剛性を有するのが好ましく、この力検出装置では、可撓部１２２の肉厚に比べて、作用部１２１の肉厚を厚くすることによりある程度の剛性をもたせるようにしている。
【００３６】
固定部１２３は、弾性変形体１２０を基板１１０に固定するための部分であり、図示の例では、固定部１２３の下面が基板１１０の上面に直接接触した状態となっている。固定部材１３０は、固定部１２３を基板１１０に固定する機能を果たす部材であり、基板１１０および弾性変形体１２０をその外周部分から取り巻く構造を有し、固定部１２３の上面と基板１１０の下面とを挟持した状態を保つ。なお、固定部１２３は、必ずしも基板１１０に直接固定する必要はなく、固定部１２３と基板１１０との間に、何らかの中間部材を介して間接的に固定するようにしてもかまわない。
【００３７】
可撓部１２２は、作用部１２１と固定部１２３との間に形成され、可撓性をもった部分である。この可撓部１２２が可撓性を有しているため、作用部１２１に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１が基板１１０に対して変位を生じることになる。外力は、実際には操作桿１２５に対して与えられる。たとえば、この力検出装置をコンピュータゲーム用のジョイスティックの部品として利用するのであれば、操作者が操作桿１２５を操作することにより与えられる外力は、操作桿１２５から作用部１２１を介して可撓部１２２へと伝達され、可撓部１２２がこの外力に応じた撓みを生じ、作用部１２１が変位することになる。可撓部１２２の可撓性の程度は、操作者の加える力の大きさと作用部１２１に生じる変位の大きさとの関係を定めるパラメータとなる。なお、図示の例では、空洞部Ｖの外形を矩形にしているが、空洞部Ｖの外形を円形にしてもよい。この場合、可撓部１２２は円環状（ドーナツ状）になる。
【００３８】
この力検出装置では、絶縁性シリコンゴムを一体成型することにより、弾性変形体１２０の全体を構成しており、作用部１２１、可撓部１２２、固定部１２３、操作桿１２５はいずれも絶縁性シリコンゴムから構成されている。もちろん、この力検出装置における弾性変形体１２０は、少なくとも可撓部１２２が可撓性をもっていればよいので、弾性変形体１２０の各部をそれぞれ異なる材質で構成することも可能である。ただし、製造コストを低減する上では、弾性変形体１２０の全体を絶縁性シリコンゴムなどの同一材料による一体成型品で構成するのが好ましい。
【００３９】
図３の上面図に破線で示す部分は、弾性変形体１２０の下面に形成された空洞部Ｖである。図４の下面図に示すように、この空洞部Ｖの内側には、５つの接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が収容されている。接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも椀状（より正確に言えば、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ４は半球状、接触用導電体Ｃ５は半楕円体状）をしており、弾性変形する導電性材料によって構成されている。ここでは、弾性変形する導電性材料として、導電性シリコンゴムを用いており、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、いずれも導電性シリコンゴムを椀状に成型し、弾性変形体１２０の下面に接着したものである。ここで、これら接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５の配置は重要である。すなわち、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、それぞれ抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対向する位置に配置されている。また、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は、弾性変形する材料から構成され、少なくとも抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対する接触面が導電性を有しており、かつ、弾性変形体１２０の変位によって加わる圧力に応じて、抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に対する接触面の面積が変化する形状を有している必要がある。図１の側断面図には、接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５が、それぞれ抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５に対向する位置に配置されている様子が明瞭に示されている。この力検出装置では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。なお、参照用抵抗体Ｒ６に対向する位置には、何ら接触用導電体は設けられていない。これは、前述したように、参照用抵抗体Ｒ６が抵抗値を参照するために利用される抵抗体であるためである。
【００４０】
上述したように、操作桿１２５に外力が作用すると、可撓部１２２に撓みが生じ、作用部１２１の下面が基板１１０の上面に対して変位を生じることになる。このような変位が生じると、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触状態が変化する。より具体的には、各接触用導電体の各抵抗体に対する接触面の面積が変化することになる。本発明に係る力検出装置の基本原理は、このような接触面の面積を抵抗体の抵抗値の変化として検出し、作用した外力の大きさを求めようとする点にある。以下、作用した外力の各座標軸方向成分を検出する基本原理を述べる。
【００４１】
§２．可変抵抗要素を用いた力検出装置の動作原理
いま、図５(a) の側断面図に示されているように、基板１１０の上面に１枚の抵抗体Ｒが形成され、作用部１２１の下面に半球状の接触用導電体Ｃが形成されているものとしよう。このとき、接触用導電体Ｃは、その下端点において、抵抗体Ｒの中心にほぼ点接触している状態であるとする。図５(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、中心位置に示す黒丸Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。このように、接触用導電体Ｃの下端点が抵抗体Ｒの表面にほぼ点接触している状態では、接触面Ｓは点に近い微小円となる。
【００４２】
さて、ここで、図５(b) に示すように、抵抗体Ｒの左右両端から配線を引き出し、これらの配線の端部に端子Ｔ１，Ｔ２を接続し、この両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値を測定してみたとする。別言すれば、抵抗体Ｒ上の「接触用導電体Ｃの接触位置（接触面Ｓ）」を挟む２点間の抵抗値が測定されることになる。この場合、接触面Ｓは点に近い微小円であるため、測定される抵抗値に、接触用導電体Ｃはほとんど影響を及ぼすことはなく、測定により得られる抵抗値は、抵抗体Ｒがもっている本来の抵抗値に近い値ということになる。図５(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた矢印は抵抗体Ｒの中央の点に接触しているだけであり、両端子Ｔ１，Ｔ２間には、抵抗体Ｒの本来の抵抗値が現れるだけである。
【００４３】
これに対して、図６(a) の側断面図に示されているように、作用部１２１に対して、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向への力）が加わった場合を考えてみる。この場合、作用部１２１の下面が下方へ変位することになり、接触用導電体Ｃに対して、−Ｚ軸方向の押圧力が加わる。接触用導電体Ｃは、弾性変形する導電性材質（この例の場合、導電性シリコンゴム）から構成されているため、この押圧力により図のように押し潰された状態となり、抵抗体Ｒに対する接触状態が変化する。接触用導電体Ｃの形状は、このような接触状態の変化に基づいて接触面の面積が変化する形状（この例では、半球状）となっているため、図示のように、接触用導電体Ｃが上下方向に潰れた状態になると、接触面の面積が増加する。図６(b) は、このときの抵抗体Ｒの上面図であり、円Ｓは、接触用導電体Ｃの接触面を示している。なお、この円Ｓの内部に描かれている同心円は、抵抗体Ｒの表面に加わる圧力分布を示す等圧線である。すなわち、接触圧は円Ｓの中心ほど大きくなる。
【００４４】
このように接触用導電体Ｃの接触面が大きくなると、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値に変化が生じることになる。すなわち、接触用導電体Ｃは導電体であり、抵抗体Ｒよりもはるかに電流を流しやすい性質をもっているため、両端子Ｔ１，Ｔ２間を流れる電流は、円Ｓで示される接触面の部分においては、抵抗体Ｒ内を通らずに、接触用導電体Ｃ内を迂回してしまうことになる。図６(c) は、このような測定系の等価回路である。接触用導電体Ｃから下方に伸びた２本の矢印は抵抗体Ｒの２か所に接触しており、この２か所において電流は接触用導電体Ｃ側へと迂回することになる。２本の矢印の間隔は、接触用導電体Ｃの接触面の大きさに応じて広くなる。結局、接触用導電体Ｃの抵抗体Ｒに対する接触面の面積が大きくなればなるほど、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は減少することになる。
【００４５】
このようにして、作用部１２１に作用した外力−Ｆｚが大きくなればなるほど、接触用導電体Ｃの接触面の面積は大きくなり、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は小さくなる。作用した外力と両端子間の抵抗値との間には、必ずしも線形関係は成り立たないが、両者間には一価の関数関係が成り立ち、両端子間の抵抗値を測定することができれば、作用した外力の大きさを求めることができる。これが、可変抵抗要素を用いた力検出装置における力検出の基本原理である。
【００４６】
続いて、§１で述べた力検出装置により、作用した外力のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出できる理由を説明する。まず、図１に示す力検出装置における操作桿１２５に対して、斜め右下方向への外力Ｆが作用した場合を考える。この力検出装置がジョイスティックとして用いられている場合、操作者が操作桿１２５を斜め右方向に傾ける操作を行うと、このような外力Ｆが作用することになる。図７の側断面図は、このような外力Ｆが作用したときの作用部１２１の変位状態を示している。外力Ｆが加わると、可撓性をもった可撓部１２２が撓みを生じることになるが、外力Ｆが斜め右下方向への力であるため、図示のように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。外力Ｆを各座標軸方向の力成分に分解すると、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の右方への力＋Ｆｘ（＋Ｘ軸方向の力）とに分けることができる。ここでは、これらの各成分のうち、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを検出する原理を述べることにする。
【００４７】
なお、外力Ｆを座標系の原点Ｏに作用する力としてとらえると、実際には、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、Ｙ軸まわりのモーメントということになるが、操作者が操作桿１２５に与える力としてとらえれば、＋Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘは、あくまでも＋Ｘ軸方向を向いた力である。このように、力とモーメントとは、実質的には同じ物理量を示すものであり、本明細書では、以下、力というとらえ方に統一した説明を行うことにする。
【００４８】
さて、＋Ｘ軸方向の成分＋Ｆｘを含む外力Ｆが加わると、図７に示されているように、円盤状の作用部１２１は右下方向に傾斜するように変位する。したがって、Ｘ軸上に配置された接触用導電体Ｃ１とＣ２とについての潰れ具合を比較すると、Ｃ２に比べてＣ１の方の潰れ具合の方が大きくなる。このため、Ｃ１のＲ１に対する接触面積は、Ｃ２のＲ２に対する接触面積よりも大きくなる。そこで、たとえば、図７における抵抗体Ｒ１，Ｒ２のそれぞれ両端位置の抵抗値を測定したとすれば、抵抗体Ｒ１についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ２についての抵抗値よりも小さくなる。両抵抗値の差が大きければ大きいほど、作用した外力のＸ軸方向成分は大きいことになる。
【００４９】
上述の例とは逆に、操作者が操作桿１２５を斜め左下方向に傾ける操作を行うと、図の下方への力−Ｆｚ（−Ｚ軸方向の力）と図の左方への力−Ｆｘ（−Ｘ軸方向の力）とを合成した外力Ｆが作用することになり、円盤状の作用部１２１は左下方向に傾斜するように変位する。このため、Ｃ２のＲ２に対する接触面積が、Ｃ１のＲ１に対する接触面積よりも大きくなる。その結果、抵抗体Ｒ２についての抵抗値の方が抵抗体Ｒ１についての抵抗値よりも小さくなる。結局、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１についての「第１の接触用導電体Ｃ１の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、Ｘ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２についての「第２の接触用導電体Ｃ２の接触位置」を挟む２点間の抵抗値と、を比較することにより、作用した外力のＸ軸方向成分を検出することが可能になる。すなわち、両抵抗値の大小関係により、力の向き（＋Ｘ軸方向か、−Ｘ軸方向か）を認識することができ、両抵抗値の差により、力の大きさを認識することができる。
【００５０】
作用した外力のＹ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分の検出原理と全く同じである。基板１１０上には、図２に示すように、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６が配置されている。Ｘ軸方向成分の検出には、上述したように、Ｘ軸正領域に配置された第１の抵抗体Ｒ１とＸ軸負領域に配置された第２の抵抗体Ｒ２と、これらに対向する位置に配置された第１の接触用導電体Ｃ１および第２の接触用導電体Ｃ２とを用いた。これに対して、Ｙ軸方向成分の検出には、Ｙ軸正領域に配置された第３の抵抗体Ｒ３とＹ軸負領域に配置された第４の抵抗体Ｒ４と、これらに対向する位置に配置された第３の接触用導電体Ｃ３および第４の接触用導電体Ｃ４とを用いればよい。
【００５１】
一方、作用した外力のＺ軸方向成分の検出原理は、上述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の検出原理とは若干異なる。Ｘ軸方向やＹ軸方向についての検出を行うには、原点Ｏの両側に配置された一対の抵抗体についての抵抗値を比較する必要があったのに対し、Ｚ軸方向についての検出は、単一の抵抗体についての抵抗値を測定するだけでも行うことが可能である。また、Ｚ軸方向の検出に用いる抵抗体の配置も、特定の位置に限定されるものではなく、基板１１０の上面の任意の位置に配置された抵抗体によって、作用した力のＺ軸方向成分を検出することができる。たとえば、図７では、外力ＦのＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出する原理を説明したが、この外力Ｆには、Ｚ軸方向成分−Ｆｚも含まれており、接触用導電体Ｃ１を上下方向に潰す力は、このＺ軸方向成分−Ｆｚの作用に他ならない。別言すれば、抵抗体Ｃ１についての抵抗値が減少した直接的な理由は、Ｚ軸方向成分−Ｆｚが作用したためであり、この抵抗体Ｃ１についての抵抗値の減少量は、第一義的には、抵抗体Ｃ１に作用したＺ軸方向成分の力の大きさを示していることになる。前述の原理でＸ軸方向成分＋Ｆｘを検出することができたのは、図の左右に配置された接触用導電体Ｃ１，Ｃ２に加わるＺ軸方向の力が、左右でアンバランスになることを利用したためである。
【００５２】
してみると、抵抗体Ｒ１についての抵抗値に基づいてＺ軸方向の力成分を検出することも可能である。同様に、抵抗体Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のいずれを用いても、Ｚ軸方向の力成分を検出することが可能である。ただ、実用上は、最も効率良い検出を行うことができる位置に、Ｚ軸方向の力成分を検出するための専用の抵抗体を配置するのが好ましい。そこで、この力検出装置では、図２の上面図に示されているように、原点Ｏ上に配置された第５の抵抗体Ｒ５を、Ｚ軸用抵抗体として用いるようにし、その上方にＺ軸用接触用導電体Ｃ５を配置するようにしている。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５およびＺ軸用接触用導電体Ｃ５は、いずれもＺ軸上に配置されることになる。図１において、操作桿１２５に−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加えられると、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５に点接触するように配置されていたＺ軸用接触用導電体Ｃ５は押し潰され、接触状態に変化が生じる。すなわち、図６(a) に示すように、接触面積が増加することになる。ここで、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５上の「Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置」を挟む２点間の抵抗値を測定すれば、測定される抵抗値は、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加すると減少する関係になるので、測定された抵抗値に基づいて、作用した−Ｚ軸方向の力−Ｆｚを求めることができる。
【００５３】
なお、この力検出装置をジョイスティックなどに利用する場合、操作者が操作桿１２５に加える操作により発生するＺ軸方向の力は、通常、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚ（図１における下方向への力）となるため、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚ（図１における上方向への力）を測定する必要はない。ただ、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わるような環境でこの力検出子を利用する場合は、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定できる構成にしておく必要がある。実は、図１に示す構成では、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚを測定することはできない。既に§１で述べたように、図１に示す力検出装置では、何ら外力が作用しない状態において、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がその下端点において、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面にほぼ点接触するような状態となるように、両者の距離が設定されている。このような構成において、操作桿１２５を上方へ引っ張り上げるような力が加わると、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５は各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面から浮き上がり、非接触の状態となってしまう。したがって、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用しても、各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５についての抵抗値には何ら変化は生じないことになる。
【００５４】
＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用した場合にも、これを検出することができるような構成にするためには、何ら外力が作用しない状態においても、各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５がある程度の押圧力をもって各抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の上面に面接触するような状態となるようにしておけばよい。このような構成にしておけば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用すると、抵抗体に対する接触面積の減少が生じることになり、抵抗体についての抵抗値の増加という形で作用した力を検出することができるようになる。
【００５５】
このように、Ｚ軸方向成分の検出は、単一のＺ軸用抵抗体Ｒ５のみを用いても行うことができるが、実用上は、参照用抵抗体Ｒ６を利用した検出を行うのが好ましい。その理由は、一般的な抵抗体は、種々の環境要素によって、それ自身の抵抗値が変化する性質をもっているためである。たとえば、経年変化により化学的な組成に変化が生じれば、抵抗値が変化することになる。実用上、最も大きな影響を与える環境要素は温度である。一般的な抵抗体の抵抗値は、温度に依存して変化する。したがって、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値のみに基づいて、作用した力のＺ軸方向成分の検出を行うと、検出値は温度の影響を多分に受けることになり、正確な検出結果を得ることができなくなる。前述したＸ軸方向成分やＹ軸方向成分の場合、一対の抵抗体についての抵抗値の差分に基づく検出が行われるため、このような温度による影響は相殺される。そこで、Ｚ軸方向成分の検出を行う際にも、参照用抵抗体Ｒ６の抵抗値を参照した検出を行うようにすれば、温度による影響を相殺することができる。
【００５６】
図２に示す例の場合、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とは、幾何学的に合同な形状をもった抵抗体であり、温度などの環境による抵抗値の変化は同等になる。両者の相違点は、外力の作用により抵抗値が変化するか否かという点だけである。すなわち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５は、所定の２点（Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟む２点）間の抵抗値が、外力の作用によって変化する抵抗体であるのに対し、参照用抵抗体Ｒ６は、所定の２点間の抵抗値は、外力の影響を受けずに一定（これは、外力の影響に関しては抵抗値が変化ないという意味であり、温度等の影響に関しては、当然、抵抗値は変化する。）となる抵抗体である。したがって、両者の抵抗値の差を検出するようにすれば、この差には、外力の作用に基づく因子のみが含まれることになり、温度などの環境因子を除外することができる。
【００５７】
以上、図１に示す力検出装置について、操作桿１２５に作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を検出する原理を説明した。このように、図１に示す力検出装置は、三次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる三次元力検出装置である。この三次元力検出装置では、図２に示す各抵抗体Ｒ１〜Ｒ６および図４に示す各接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が、それぞれ特定の座標軸方向成分の力検出を分担して受け持っている。すなわち、抵抗体Ｒ１，Ｒ２および接触用導電体Ｃ１，Ｃ２はＸ軸方向成分の検出を受け持ち、抵抗体Ｒ３，Ｒ４および接触用導電体Ｃ３，Ｃ４はＹ軸方向成分の検出を受け持ち、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５，参照用抵抗体Ｒ６，Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５は、Ｚ軸方向成分の検出を受け持っている。
【００５８】
したがって、二次元の各座標軸方向成分の力を検出することができる二次元力検出装置や、一次元の座標軸方向成分の力を検出することができる一次元力検出装置を構成するのであれば、上述した抵抗体や接触用導電体のうち、検出に必要なもののみを用いればよいことになる。たとえば、Ｘ軸方向成分の力を検出する一次元力検出装置を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２とを用いれば十分である。また、Ｘ軸方向成分とＹ軸方向成分とを検出する二次元力検出装置を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４とを用意すれば十分であり、Ｘ軸方向成分とＺ軸方向成分とを検出する二次元力検出装置を実現するには、抵抗体Ｒ１，Ｒ２，Ｒ５，Ｒ６と接触用導電体Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５とを用意すれば十分である。
【００５９】
§３．力検出装置として用いるための検出回路
これまで、可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本形態の構成および動作原理を述べた。このような力検出装置によって、実際に加えられた外力を電気信号として取り出すためには、所定の検出回路が必要になる。ここでは、このような検出回路の実用に適した例を述べることにする。図８(a) ，(b) ，(c) は、このような検出回路の一例を示す回路図である。
【００６０】
まず、図８(a) に示す回路は、抵抗体Ｒ１，Ｒ２を用いて力のＸ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｘに出力する検出回路である。この検出回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２とを、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおいて直列接続することによりＸ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、図５(b) に示すように、長方形状をした抵抗体の左右の両短辺上の中央点をとっており、電流が図の左右方向に流れるようにしている。もちろん、各抵抗体Ｒの両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわないので、たとえば、図５(b) において、長方形状をした抵抗体の上下の両長辺上の中央点をとり、電流が図の上下方向に流れるようにしてもよい。
【００６１】
図８(a) の回路では、第１の抵抗体Ｒ１と第２の抵抗体Ｒ２との直列接続によって構成されるＸ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｘに出力される電圧は、Ｘ軸検出用接続点Ｊｘにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値と第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが加わると、第２の抵抗体Ｒ２についての抵抗値に比べて、第１の抵抗体Ｒ１についての抵抗値が減少する。したがって、出力端子Ｔｘに出力される電圧は上昇することになる。逆に、−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが加わると、出力端子Ｔｘに出力される電圧は下降することになる。結局、何ら外力が作用していない状態で出力端子Ｔｘに出力される電圧値（理論的には、Ｖｃｃ／２になる）を基準として、この電圧値が上昇した場合には、この上昇幅に相当する大きさをもった＋Ｘ軸方向の力＋Ｆｘが作用したことになり、この電圧値が下降した場合には、この下降幅に相当する大きさをもった−Ｘ軸方向の力−Ｆｘが作用したことになる。このように、図８(a) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｘの出力電圧に基づいて、作用した外力のＸ軸方向成分の検出が可能になる。
【００６２】
次に、図８(b) に示す回路は、抵抗体Ｒ３，Ｒ４を用いて力のＹ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｙに出力する検出回路である。この検出回路では、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４とを、Ｙ軸検出用接続点Ｊｙにおいて直列接続することによりＹ軸検出用抵抗体が形成されている。第１の抵抗体Ｒ１あるいは第２の抵抗体Ｒ２の両端点としては、接触用導電体Ｃの接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。この図８(b) の回路においても、第３の抵抗体Ｒ３と第４の抵抗体Ｒ４との直列接続によって構成されるＹ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。この検出回路における出力端子Ｔｙの出力電圧に基づいて、作用した外力のＹ軸方向成分の検出が可能になる原理は、図８(a) の検出回路によるＸ軸方向成分の検出原理と同様である。
【００６３】
一方、図８(c) に示す回路は、抵抗体Ｒ５，Ｒ６を用いて力のＺ軸方向成分の検出値を出力端子Ｔｚに出力する検出回路である。この検出回路では、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６とを、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおいて直列接続することによりＺ軸検出用抵抗体が形成されている。Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点としては、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触位置を挟むような２点であれば、どのような端点をとってもかまわない。また、参照用抵抗体Ｒ６の両端点としては、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５の両端点と同等の位置をとればよい。
【００６４】
この図８(c) の回路においても、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５と参照用抵抗体Ｒ６との直列接続によって構成されるＺ軸検出用抵抗体は、上端が電源Ｖｃｃに接続され、下端が接地されており、両端に一定の電源電圧Ｖｃｃが印加された状態となっている。ここで、出力端子Ｔｚに出力される電圧は、Ｚ軸検出用接続点Ｊｚにおける電圧であり、電源電圧Ｖｃｃを、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値と参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値とで按分した値に相当する。§２で述べたように、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は、Ｚ軸方向の力の作用により増減する。これに対して、参照用抵抗体Ｒ６についての抵抗値は、力の作用とは無関係に一定である（もちろん、温度などの影響で変化するが、この変化はＺ軸用抵抗体Ｒ５についても同様であり相殺される）。たとえば、−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が増加し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は減少することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は上昇する。また、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚについても検出可能な構成をもった力検出子を利用すれば、＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが加わると、Ｚ軸用接触用導電体Ｃ５の接触面積が減少し、Ｚ軸用抵抗体Ｒ５についての抵抗値は増加することになる。その結果、出力端子Ｔｚの出力電圧は下降する。このように、図８(c) の検出回路を用いれば、出力端子Ｔｚの出力電圧に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分の検出が可能になる。
【００６５】
このように、§１で述べた三次元力検出装置に、図８(a) ，(b) ，(c) に示す検出回路を付加すれば、ＸＹＺ三次元座標系において作用した外力ＦのＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向成分を独立して検出する機能をもった三次元力センサを構成することができる。もちろん、一次元力センサあるいは二次元力センサを構成する場合には、図８に示す３つの検出回路の中から、検出成分に応じて必要な検出回路だけを用いればよい。
【００６６】
いずれにしても、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置では、作用した力の検出値を得るために、抵抗体の電気抵抗を測定することが不可欠である。しかしながら、抵抗体の電気抵抗を測定するためには、図８の検出回路に示されているとおり、当該抵抗体に電流を流す必要があり、測定時には、ある程度の電力消費は避けられない。実際、図８に示す回路を用いて、三次元の力を検出するためには、６つの抵抗体Ｒ１〜Ｒ６のすべてに電流を流す必要が生じる。このため、上述した可変抵抗要素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ることは既に述べたとおりである。これは、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に用いる場合には、大きなデメリットとなる。
【００６７】
本発明の目的は、上述した可変抵抗要素を用いた力検出装置の電力消費を効率的に抑制させることにある。その基本原理は、抵抗体の電気抵抗を測定する必要が生じたときにだけ、当該抵抗体に電流を流して測定を行うようにする、というものである。たとえば、図１の側断面図は、この力検出装置に、何ら外力が作用していないときの状態を示している。このような状態では、検出対象となる外力が存在していないので、実際に検出のための動作を行う必要はない。したがって、力検出装置が図１に示すような状態にあるときには、図８に示す検出回路において電源電圧Ｖｃｃを供給しないようにして、電力消費を抑えるようにすればよい。一方、図７の側断面図は、この力検出装置に、検出対象となる外力が作用したときの状態を示している。このような状態になれば、実際に検出のための動作を行う必要が生じるので、図８に示す検出回路において電源電圧Ｖｃｃを供給して、抵抗値の測定を行うことができるようにすればよい。
【００６８】
実際には、検出回路に、抵抗体の所定の二点間の抵抗値を電気信号として出力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つのモードを選択できるように構成しておき、図１に示すように検出対象となる外力が加わっていない場合には待機モードが選択され、図７に示すように検出対象となる外力が加わった場合には検出モードが選択されるようにすればよい。本発明では、このようなモード切替を行うために、切替要素を付加している。この切替要素は、一対の接触用電極を有し、通常は、この一対の接触用電極間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体１２０に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体１２０の変形により、この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構成要素である（詳細な構成は、§４以降で説明する）。
そして、この切替要素を利用して、この切替要素を構成する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すればよい。
【００６９】
§４．本発明に係る力検出装置の基本的実施形態
図９は、本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の基本的な実施形態を示す側断面図である。この図９に示す実施形態は、図１に示す力検出装置に若干の変更を加えることにより実現することができる。
【００７０】
まず、第１の変更点は、図１における弾性変形体１２０の代わりに、図９に示す装置では、弾性変形体１２０Ａを用いている点である。弾性変形体１２０Ａは、基板１１０の上面に配置される部材であり、内側に位置する円盤状の作用部１２１と、その周囲の可撓部１２２と、外側の固定部１２３Ａと、円柱状の操作桿１２５と、によって形成された部材であり、図１の弾性変形体１２０と同等の機能を果たす部材である。また、材質も、弾性変形体１２０と同様に絶縁性シリコンゴムの一体成型によって構成されている。ただ、台座として機能する固定部１２３Ａの部分が、図１に示す固定部１２３よりも若干だけ高くなっている。このため、固定部材１３０Ａの形状も、図１に示す固定部材１３０とは若干異なっている。
【００７１】
このように、台座として機能する固定部１２３Ａの高さを高くしたのは、空洞部ＶＶをより高くとることにより、通常の状態（外力が作用していない状態）において、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５と抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５とが非接触の状態となるようにするためである。すなわち、図１に示す力検出装置では、外力が作用していない状態においても、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５の下端部が抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に点接触した状態になっていたが、図９に示す力検出装置では、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５と抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５との間には、間隙が形成され、非接触の状態となっている。
【００７２】
そして、第２の変更点は、図１の装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ６（図２に示す基板１１０の上面図参照）の代わりに、図９の装置では、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６が用いられている点である。この抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６の構造は、図１０に明瞭に示されている。この図１０は、図９に示す装置の基板１１０の上面図であり、一点鎖線の矩形は、この上に配置される弾性変形体１２０Ａの位置を示している。図９に示されている基板１１０の断面は、図１０に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面である。ここでも、基板１１０の上面にＸＹ平面をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義してある。図１０に示す抵抗体ＲＲ６は、図２に示す抵抗体Ｒ６と全く同一の構成要素であり、基板１１０上の配置位置も全く同一である（ここでは、説明の便宜上、異なる符号を用いている）。一方、図１０に示す抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５も、図２に示す抵抗体Ｒ１〜Ｒ５に近似した構成要素である。具体的には、図１０に示す抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の外側輪郭線は、図２に示す抵抗体Ｒ１〜Ｒ５の外側輪郭線と全く同じ矩形であり、全体的な形状も平板状をしており、基板１１０上の配置位置も全く同じである。ただ、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部には、それぞれ円形の空隙領域が形成され、この円形の空隙領域には、半円形をした一対の接触用電極が配置されている。
【００７３】
図１１(a) は、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の構造をより明確に示すための拡大上面図である（ハッチングは、平板状の構造物が存在する部分を示すためのものであり、断面を示すためのものではない）。この図１１(a) に示す抵抗体ＲＲは、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ４を代表する１つの抵抗体を示している。また、抵抗体ＲＲ５は、外形が正方形状となっているものの、基本構造は図１１(a) に示す抵抗体ＲＲと同様である。図示のとおり、抵抗体ＲＲは、中央部に円形の空隙領域を有する矩形状の平板抵抗体であり、この実施形態では、カーボンを材料として、基板１１０上に印刷の手法により形成されている。そして、この抵抗体ＲＲの中央に形成された円形の空隙領域内に、半円形をした一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２が配置されている。一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、抵抗体ＲＲと同じ高さをもった平板状の電極であり、この実施形態では、銅などの金属を材料として、基板１１０上に印刷の手法により形成されている。
【００７４】
図１１(a) では同一のハッチングを施して示してあるが、抵抗体ＲＲは電気抵抗をもった材料（この例ではカーボン）からなる構成要素であるのに対し、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２は導電材料（この例では銅）からなる構成要素であり、それぞれ物理的に離れた位置に配置されており、電気的にはそれぞれが隔絶された状態となっている。なお、図１０では、配線パターンの図示は省略されているが、実際には、抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対しては、それぞれ配線が施されている。図１１(a) に示す端子Ｔ１〜Ｔ４は、この配線によって各部に電気的に接続された端子である。抵抗体ＲＲの電気抵抗が、端子Ｔ１，Ｔ２間の電気抵抗として測定されることは、既に述べたとおりである。なお、図１１(a) に示す配線は、実際の配線路を示すものではない。実際の配線路は、基板１１０の上面、もしくは必要に応じて基板１１０に形成されたスルーホールを介して、基板１１０の下面を利用して形成される。たとえば、接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、その周囲を抵抗体ＲＲによって完全に包囲されてしまっているため、端子Ｔ３，Ｔ４との間の配線路は、基板１１０に形成されたスルーホールを利用して形成する必要がある。
【００７５】
図１１(b) は、基板１１０上に形成された抵抗体ＲＲの近傍の側断面図である（配線に関する図示は省略）。図１１(b) に示されている抵抗体ＲＲの側断面は、図１１(a) に示す抵抗体ＲＲを端子Ｔ１，Ｔ２を結ぶ線で切断した断面に相当する。上述したように、図９に示す力検出装置では、台座として機能する固定部１２３Ａの高さを高くしたため、外力が作用していない通常の状態では、作用部１２１の下面に形成された接触用導電体Ｃは、図１１(b) に示すように、抵抗体ＲＲや接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対して物理的に非接触の状態を維持している。ところが、Ｚ軸負方向の力成分−Ｆｚを含む外力（たとえば、図７に示す斜め方向の力Ｆ）が作用すると、図１２の側断面図に示すように、作用部１２１が下方へと変位し、接触用導電体Ｃの下端が接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触するようになる。外力の大きさが更に大きくなると、図１３に示すように、弾性変形する材料から構成された接触用導電体Ｃは、作用部１２１の下方への変位によって加わる圧力によって変形し、抵抗体ＲＲに対しても接触するようになる。
【００７６】
抵抗体ＲＲに対する接触用導電体Ｃの接触面の面積が、作用部１２１の変位によって加わる圧力、すなわち、加えられた外力の大きさに応じて変化することは、既に述べたとおりである。抵抗体ＲＲは、中央部に円形の空隙領域を有しているため、加える外力を徐々に大きくしていった場合、接触用導電体Ｃの接触面の面積変化は、図１に示す装置で用いられている矩形状の抵抗体についての面積変化とは、若干異なることになる。しかしながら、外力が大きくなればなるほど接触用導電体Ｃの接触面も増大する、という基本的な性質に変わりはなく、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値は、外力の大きさに依存して定まる量になる。したがって、図９に示す力検出装置は、図１に示す力検出装置と全く同様の原理により、ＸＹＺ三次元の力検出を行う機能を果たすことができる。しかも、図９に示す力検出装置には、切替要素として利用可能な一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２が設けられており、この接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出することにより、検出回路の２つのモード、すなわち、検出モードと待機モードとの切替処理を行うことが可能になる。
【００７７】
いま、接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって、ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷを構成した場合を考えてみる。この場合、図１１(a) に示す抵抗体ＲＲおよび一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の等価回路は、図１４に示すようになる。この図１４の各回路図における端子Ｔ１〜Ｔ４は、図１１(a) に示す端子Ｔ１〜Ｔ４に対応するものであり、スイッチＳＷは、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が非接触の場合にＯＦＦ、接触した場合にＯＮとなるスイッチである。また、図１４(a) は、図１１(b) の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２のいずれにも接触していない状態の等価回路であり、図１４(b) は、図１２の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触した状態の等価回路であり、図１４(c) は、図１３の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲおよび接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に接触した状態の等価回路である。
【００７８】
スイッチＳＷは、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触した時点からＯＮになるため、図１４(a) の等価回路ではＯＦＦ状態であるが、図１４(b) ，(c) の等価回路ではＯＮ状態になる。また、図１４(a) ，(b) の等価回路では、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲには接触していないため、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値に変化は生じていないが、図１４(c) の等価回路では、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲに接触しているため、両端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値は、接触面積に応じて（すなわち、作用した外力の大きさに応じて）変化することになる。結局、図１１(b) に示す構成では、接触用導電体Ｃは、抵抗体ＲＲの抵抗値を変化させる導電体としての機能を果たすとともに、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触することにより、これらを導通させることができる仲介電極としての機能も果たすことになる。このような接触用導電体Ｃの仲介電極としての機能に着目すれば、基板１１０上に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２と、仲介電極として機能する接触用導電体Ｃとによって、切替要素が構成されていることになる。この切替要素は、通常（検出対象となる外力が作用していない状態）では、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間が電気的に絶縁状態を維持し、弾性変形体１２０に所定の大きさ以上の外力が作用したときには、この弾性変形体１２０の変形により、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間が電気的導通状態となるような切替機能を果たす要素ということができる。
【００７９】
このような切替要素を構成する一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２をＯＮ／ＯＦＦスイッチとして利用し、抵抗体ＲＲの二点間への電圧印加を制御するようにすれば、電力消費を効率的に抑制させることが可能になる。すなわち、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通／絶縁状態によりＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳＷを構成し、スイッチＳＷがＯＦＦのときには、検出回路を待機モードとして抵抗体ＲＲの二点間には電圧を印加しないようにし、スイッチＳＷがＯＮのときには、検出回路を検出モードとして抵抗体ＲＲの二点間に電圧を印加するような制御を行うのである。このような制御を行えば、図１４(a) の等価回路では、スイッチＳＷがＯＦＦ状態となっているため、検出回路は待機モードになり、端子Ｔ１，Ｔ２間には電圧は印加されず、抵抗体ＲＲには電流が流れないため、電力消費を抑えることができる。ところが、図１４(b) ，(c) の等価回路では、スイッチＳＷがＯＮ状態となり、検出回路は検出モードになる。したがって、端子Ｔ１，Ｔ２間に電圧が印加され、抵抗体ＲＲに電流を流すことにより、端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が測定されることになる。別言すれば、図１１(b) のように、検出対象となる外力が作用していない状態では、抵抗体ＲＲには電流は流れずに無駄な消費電力が抑えられ、図１２，図１３のように、ある程度の大きさの外力が作用すると、抵抗体ＲＲに電流が流れ、作用した外力の検出が可能になる。このように、検出に必要なときにだけ、抵抗体ＲＲに電流を供給するようにすれば、全体的に大幅な電力節減を行うことができる。
【００８０】
なお、図９に示す実施形態では、外力が作用していない通常の状態において、すべての接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５（仲介電極）が、各接触用電極Ｓ１，Ｓ２と物理的に非接触の状態にあるが、外力が作用していない通常の状態において、仲介電極は、一対の接触用電極のいずれか一方にのみ接触している状態となっていてもかまわない。たとえば、図１１(b) において、接触用導電体Ｃが接触用電極Ｓ１のみ（あるいは接触用電極Ｓ２のみ）に接触した状態となっていても、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２間は絶縁状態が維持されることになる。したがって、たとえば、図１１(b) における抵抗体ＲＲおよび一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の位置を若干右へずらし、接触用導電体Ｃの中心部の直下に接触用電極Ｓ１が位置するようにしておき、外力が作用していない通常の状態において、接触用導電体Ｃの中心部が接触用電極Ｓ１にのみ点接触した状態になるようにしてもかまわない。要するに、仲介電極（接触用導電体Ｃ）は、通常は（検出対象となる外力が作用していないときは）、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２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、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Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触した状態となる機能を果たすことができればよい。
【００８１】
§５．本発明に係る力検出装置の具体的な検出回路
ここでは、図９に示す力検出装置に用いる具体的な検出回路をいくつか例示する。図１５は、このような検出回路の第１の例を示す回路図であり、前述した図８に示す検出回路とほぼ同等の機能を果たす。すなわち、ＲＲ１〜ＲＲ６は、それぞれ図１０に示された抵抗体であり、所定の二点間を両端とする抵抗素子として機能する。抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５には、それぞれ接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が接触し、その接触面積によって抵抗値が変化することになるので、図１５の回路図では、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５は可変抵抗素子として描かれている。一方、抵抗体ＲＲ６は、参照用抵抗素子として機能するため、図１５の回路図では、定抵抗素子として描かれている。５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部に形成された空隙領域内の一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチであり、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が絶縁状態であればＯＦＦ、導通状態であればＯＮとなる。
【００８２】
結局、この図１５に示す検出回路は、図８に示す検出回路における電源電圧Ｖｃｃの供給路に、並列接続された５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を挿入したものに他ならない。したがって、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のすべてがＯＦＦ状態であれば、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６には一切電流は流れないが、いずれか１つのスイッチがＯＮ状態になれば、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ６に、抵抗値検出用の電流が流されることになる。外力の各座標軸方向成分ごとの検出原理は、図８に示す検出回路における検出原理と全く同様である。
【００８３】
図１６は、図９に示す力検出装置に用いることができる検出回路の第２の例を示す回路図である。図１５に示す検出回路との相違点は、Ｘ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(a) ）、Ｙ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(b) ）、Ｚ軸方向に関する外力検出を行う回路（図１６(c) ）に対する電流供給の制御をそれぞれ別個に行うようにした点である。この検出回路では、Ｘ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ１（抵抗体ＲＲ１の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）あるいはスイッチＳＷ２（抵抗体ＲＲ２の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）のいずれかがＯＮになった場合には、Ｘ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ１，ＲＲ２に電流が流される。また、Ｙ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ３（抵抗体ＲＲ３の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）あるいはスイッチＳＷ４（抵抗体ＲＲ４の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）のいずれかがＯＮになった場合には、Ｙ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ３，ＲＲ４に電流が流される。更に、Ｚ軸方向成分を含む外力が加わり、スイッチＳＷ５（抵抗体ＲＲ５の空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２からなるスイッチ）がＯＮになった場合には、Ｚ軸方向成分の外力検出に必要な抵抗体ＲＲ５，ＲＲ６に電流が流される。このように、図１６に示す検出回路では、作用した外力の方向までも考慮したきめの細かな制御が可能になる。
【００８４】
図１７は、図９に示す力検出装置に用いることができる検出回路の第３の例を示す回路図である。この検出回路は、アナログ信号用の入力端子を備えた信号処理回路により構成されており、入力したアナログ信号はデジタル信号に変換され、内部でデジタル信号に対する所定の演算が行われ、デジタル信号としての出力が得られる。図１７に示す信号処理回路は、１チップの集積回路として構成されており、図の右側に示されたアナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に相当するアナログ電圧値が入力される。各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の一端（図の下端）は接地されており、もう一端（図の上端）は、各アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５に接続されるとともに、それぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５および参照用抵抗体ＲＲ６１〜ＲＲ６５を介して電源Ｖｃｃに接続されている。ここで、ＲＲ６１〜ＲＲ６５は、図１０に示すＲＲ６と同様に参照用抵抗体であり、この回路では、基板１１０上に、ＲＲ６に代えてＲＲ６１〜ＲＲ６５という５組の参照用抵抗体を形成して用いるようにしている。
【００８５】
各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５がＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃから、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５に電圧が印加され、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には、各抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に応じた分圧が加わることになる。たとえば、アナログ入力端子Ｔ１１には、電源Ｖｃｃの電圧を、抵抗体ＲＲ１（作用した外力の大きさに応じて抵抗値が変化する可変抵抗素子）の抵抗値と参照用抵抗体ＲＲ６１（定抵抗素子）の抵抗値とによって按分した分圧が加わることになる。このアナログ分圧値は、信号処理回路の内部でデジタル信号に変換され、抵抗体ＲＲ１の抵抗値に応じたデジタル値が得られる。同様に、抵抗体ＲＲ２〜ＲＲ５についての分圧がアナログ入力端子Ｔ１２〜Ｔ１５に加わり、信号処理回路の内部でデジタル化され、それぞれの抵抗値に応じたデジタル値が得られる。これらのデジタル値に基づいて、作用した外力の各座標軸方向成分が得られることは、既に述べたとおりである。すなわち、Ｘ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ１の抵抗値と抵抗体ＲＲ２の抵抗値との差として求めることができ、Ｙ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ３の抵抗値と抵抗体ＲＲ４の抵抗値との差として求めることができ、Ｚ軸方向成分は、抵抗体ＲＲ５の抵抗値として求めることができる。この図１７に示す信号処理回路を用いれば、作用した外力の各座標軸方向成分をデジタル信号として出力することができるので、携帯電話用入力装置やゲーム用入力装置などの電子機器に利用する場合には好都合である。
【００８６】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５は、各抵抗体への電圧供給を制御するためのスイッチである。すなわち、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のいずれもがＯＦＦ状態を維持していると、電源Ｖｃｃの電圧が各抵抗体へ印加されず、各抵抗体には電流は流れない。したがって、抵抗体による電力消費は生じないことになるが、当然、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１５には測定すべき分圧が加わらず、各抵抗体の抵抗値を検出することはできない。これは、信号処理回路が待機モード状態にあることを示している。一方、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のいずれかがＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃの電圧がＯＮ状態になったスイッチに接続された抵抗体へ印加され、当該抵抗体に電流が流れる。したがって、当該抵抗体による電力消費が生じることになり、前述したように、当該抵抗体の抵抗値に対応するデジタル値が検出されることになる。これは、信号処理回路が検出モード状態にあることを示している。
【００８７】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２５から出力される制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５によって行われる。実際には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５は、論理素子などの半導体スイッチによって構成されており、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５は、デジタル論理信号となる。信号処理回路はＣＰＵおよびこれを動作させるためのプログラムを内蔵しており、このＣＰＵの論理演算により、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２５の論理値が決定される。
【００８８】
図１７の左側に示された入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５がＯＦＦ状態の場合、各入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３には、抵抗素子Ｒ０１〜Ｒ０３を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ１およびＳＷ２の少なくとも一方がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０１は接地電位となり、スイッチＳＷ３およびＳＷ４の少なくとも一方がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０２は接地電位となり、スイッチＳＷ５がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０３は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ０１〜Ｔ０３の電位に基づいて、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。
【００８９】
このスイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、図１５の回路図および図１６の回路図に示されているスイッチＳＷ１〜ＳＷ５と同一のスイッチであり、それぞれ抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の中央部に形成された空隙領域内の一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチである。したがって、図９に示す力検出装置に対して、Ｘ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ１またはＳＷ２がＯＮ状態となり、Ｙ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ３またはＳＷ４がＯＮ状態となり、Ｚ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられると、スイッチＳＷ５がＯＮ状態となる。
【００９０】
そこで、この図１７に示す信号処理回路では、入力端子Ｔ０１の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ１およびＳＷ２がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１，Ｔ２２からは、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２１，Ｓ２２を出力し、入力端子Ｔ０１の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ１およびＳＷ２の少なくとも一方がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１，Ｔ２２からは、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２１，Ｓ２２を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｘ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ１，ＲＲ２に電流が流れ、外力のＸ軸方向成分の検出が可能になる。同様に、入力端子Ｔ０２の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ３およびＳＷ４がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２３，Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１３，ＳＷ１４をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２３，Ｓ２４を出力し、入力端子Ｔ０２の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ３およびＳＷ４の少なくとも一方がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２３，Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１３，ＳＷ１４をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２３，Ｓ２４を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｙ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ３，ＲＲ４に電流が流れ、外力のＹ軸方向成分の検出が可能になる。また、入力端子Ｔ０３の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ５がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２５からは、スイッチＳＷ１５をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２５を出力し、入力端子Ｔ０３の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ５がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２５からは、スイッチＳＷ１５をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２５を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｚ軸方向成分を含む所定の大きさの外力が加えられたときにのみ、抵抗体ＲＲ５に電流が流れ、外力のＺ軸方向成分の検出が可能になる。
【００９１】
もちろん、信号処理回路により、更に細かな制御を行うことも可能である。たとえば、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ状態をそれぞれ別個独立して検出するようにし、スイッチＳＷ１がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１１のみをＯＮとし、スイッチＳＷ２がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１２のみをＯＮとし、スイッチＳＷ３がＯＮ状態のときにはスイッチＳＷ１３のみをＯＮとし、…、というように、５系統をそれぞれ独立させた制御も可能である。逆に、より大まかな制御を行うことも可能である。たとえば、５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５をすべて並列接続し、いずれか１つのスイッチがＯＮになった場合に、５つのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１５のすべてをＯＮにする、というような包括的な制御を行ってもよい。
【００９２】
以上、図９に示す力検出装置に利用可能な検出回路をいくつか示したが、いずれも、結局、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかがＯＮ状態になるまでは、検出回路は本来の検出機能を果たすことができない待機モードを維持することになり、電力消費が抑制されることになる。別言すれば、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかをＯＮ状態とする程度の大きさの外力が加わらない限り、検出回路からは外力の検出出力が得られないことになり、検出感度に不感帯領域が設けられたことになる。そして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のいずれかがＯＮ状態となる程度の大きさの外力が加わった場合に、検出回路は検出モードへと移行し、本来の検出機能を果たすことになる。
【００９３】
以上、図９に示す力検出装置に用いる具体的な検出回路を３つの例について述べた。これらの検出回路の各回路図では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５と、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５とは、全く別個の回路要素として描かれており、回路図を見る限り、両者間には何ら干渉が生じないように見える。しかしながら、図９に示す力検出装置の場合、接触用導電体Ｃ１〜Ｃ５が、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５に接触して抵抗値を変化させる機能と、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２に接触する仲介電極としての機能と、の双方の機能を果たす構成要素となっているため、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５の動作は、抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ５の抵抗値に影響を与えることになる。
【００９４】
たとえば、図１８のような回路を考えてみる。この回路は、抵抗体ＲＲと、その中央部の空隙領域に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２に対して、所定の配線を施した状態を示すものである。接触用電極Ｓ１は端子Ｔ３を介して接地され、接触用電極Ｓ２は端子Ｔ４および抵抗素子Ｒ０１を介して電源Ｖｃｃに接続されている。このような構成にすれば、接触用導電体Ｃが非接触状態（スイッチＳＷがＯＦＦ状態）では、端子Ｔ４の電位は電源電圧Ｖｃｃとなるが、接触用導電体Ｃが一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の双方に同時に接触した状態（スイッチＳＷがＯＮ状態）になると、電極Ｓ１，Ｓ２間が導通し、端子Ｔ４の電位は接地電位となる。したがって、たとえば、端子Ｔ４を図１７に示す信号処理回路の入力端子Ｔ０１に接続すれば、信号処理回路内のＣＰＵは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の認識が可能になる。
【００９５】
ところが、図１３の側断面図に示されているように、接触用導電体Ｃが抵抗体ＲＲにも接触した状態になった場合を考えると、抵抗体ＲＲおよび電極Ｓ１，Ｓ２に対する接触用導電体Ｃの全体的な接触面は、図１８に破線で示すような接触面Ｓになる。すなわち、接触用導電体Ｃは、電極Ｓ１，Ｓ２の双方に接触するとともに、抵抗体ＲＲの中央部の円形空隙領域の周囲部分にも接触した状態になる。このような状態では、電極Ｓ１，Ｓ２とともに、接触用導電体Ｃも接地電位となるため、抵抗体ＲＲの接触面Ｓ内の部分も接地電位となる。したがって、このときの抵抗体ＲＲに関する等価回路は図１９に示すようになる。すなわち、抵抗体ＲＲを抵抗素子と考えた場合、その中央部分が接地されてしまうことになる。このため、端子Ｔ１，Ｔ２間に所定電圧を印加して抵抗体ＲＲの抵抗値を測定する際に、原理的には測定可能であるが、測定感度の低下を招くことになる。
【００９６】
このように、切替要素を構成する一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出する回路が、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値を検出する回路に干渉することを防ぐためには、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値に比べて十分大きな抵抗値をもった抵抗素子を用意し、この抵抗素子を用いて、両回路を隔絶するのが好ましい。図２０は、図１８に示す回路における接触用電極Ｓ１，Ｓ２の導通状態を検出する回路と、抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値を検出する回路とを、大きな抵抗値をもった抵抗素子で隔絶した例を示す回路図である。この例は、接触用導電体Ｃが接触していない状態における抵抗体ＲＲの左右の二点間の抵抗値（すなわち、端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値）が１０ｋΩである場合の回路構成例である。図示のとおり、接触用電極Ｓ２に接続された端子Ｔ４は、１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１を介して電源電圧Ｖｃｃに接続されており、接触用電極Ｓ１に接続された端子Ｔ３は、１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４を介して接地されている。したがって、スイッチＳＷを構成する接触用電極Ｓ１，Ｓ２は、電源系統に対して、１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１および１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４（いずれも抵抗体ＲＲの二点間の抵抗値１０ｋΩに比べて十分に大きな抵抗値をもった抵抗素子）によって隔絶された状態となっている。このため、抵抗体ＲＲの抵抗値を測定するために同じ電源系統から電流を供給しても、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ動作による抵抗体ＲＲの抵抗値への干渉はかなり抑制されることになる。
【００９７】
図２１は、図２０に示す回路において、スイッチＳＷがＯＮ状態となったときの等価回路である。抵抗体ＲＲを抵抗素子と考えた場合、その中央部分は接触用導電体Ｃに接触した状態になるが、この接触用導電体Ｃの電位は、図２１の回路図におけるノードＴＴの電位に相当する。ノードＴＴは、電源ラインＶｃｃに対しては１０ＭΩの抵抗素子Ｒ０１により隔絶されており、接地ラインＧｎｄに対しては１ＭΩの抵抗素子Ｒ０４によって隔絶されているため、ノードＴＴが抵抗体ＲＲの中心付近に接続された状態になったとしても、たかだか１０ｋΩ程度の抵抗値しかもたない抵抗体ＲＲの抵抗値測定には大きな影響を及ぼすことはない。なお、抵抗素子Ｒ０１を１０ＭΩ、抵抗素子Ｒ０４を１ＭΩとして、両抵抗素子の抵抗値を１０倍程度に設定しているのは、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を明確に検出するための配慮である。すなわち、図２０において、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が絶縁状態（スイッチＳＷがＯＦＦ状態）にあれば、端子Ｔ４は電源電圧Ｖｃｃとなり、接触用電極Ｓ１，Ｓ２が導通状態（スイッチＳＷがＯＮ状態）にあれば、端子Ｔ４はほぼ接地電圧（Ｖｃｃ×１／１１）となるので、端子Ｔ４の電位をデジタル値としてそのまま取り込むことにより、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態の検出が可能になる。
【００９８】
§６．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の別な実施形態
本発明は、板状の基板と、この基板に対向して配置された弾性変形体と、この基板と弾性変形体との間に配置され、加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する可変抵抗要素と、この可変抵抗要素の抵抗値を電気信号として検出する検出回路と、を有する力検出装置に広く適用可能であり、その適用対象は、§１で述べた力検出装置に限定されるものではない。そこで、ここでは、§１で述べた力検出装置とは別な力検出装置について、本発明を適用した実施形態を述べることにする。
【００９９】
図２２は、この別な実施形態に係る力検出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、この力検出装置は、操作盤２１０、弾性変形体２２０、ドーム状構造体２３０、基板２４０によって構成されている。実際には、この力検出装置は、基板２４０の上にドーム状構造体２３０を配置し、その上を弾性変形体２２０によって覆い、更にその上に操作盤２１０を取り付けることにより構成されることになる。この力検出装置は、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、所定方向への操作量を示す操作入力に加えて、ＯＮ／ＯＦＦ状態を示すスイッチ入力を行うことができる。ここでは、この力検出装置を、このような電子機器用の入力装置として利用することを前提として説明を行うことにする。
【０１００】
操作盤２１０は、弾性変形体２２０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２２０へと伝達し、弾性変形体２２０に弾性変形を起こさせる機能を有している。ここで、操作者の操作盤２１０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２１０は、この外力の作用に基づき、弾性変形体２２０に弾性変形を起こさせ、弾性変形体２２０の一部を基板２４０に対して変位させる機能を果たすことになる。
【０１０１】
図２３は、この操作盤２１０の上面図、図２４は、この操作盤２１０の下面図である。図示のとおり、操作盤２１０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２１０は、弾性変形体２２０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２２０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２１０は、図２３に示すように、操作部分２１１、土手部分２１２、外周部分２１３の３つの部分から構成されており、その下面には、図２４に示すように円柱状の押圧棒２１４が突き出している。操作部分２１１は、操作者の指にフィットするように、土手部分２１２の内側に形成された滑らかな窪み部分であり、外周部分２１３は、土手部分２１２の外側に形成されたテーパ部である。また、押圧棒２１４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２３０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。
【０１０２】
弾性変形体２２０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２５は、この弾性変形体２２０の上面図、図２６は、この弾性変形体２２０の下面図である。図示のとおり、この弾性変形体２２０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２２の側断面図に示されているように、内側膜状部２２１、円環状隆起部２２２、外側膜状部２２３、側壁部２２４、固定脚部２２５、柱状突起Ｐ１〜Ｐ３である。図２５に示すように、内側膜状部２２１と外側膜状部２２３とは、この弾性変形体２２０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２２２の内側部分を内側膜状部２２１と呼び、外側部分を外側膜状部２２３と呼ぶことにする。この膜状部２２１，２２３は、基板２４０の上面に対して、ドーム状構造体２３０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２２２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２２１の上面部分は、周囲をこの円環状隆起部２２２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２２２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２１０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。
【０１０３】
一方、側壁部２２４は、外側膜状部２２３の周囲を、基板２４０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２２１，２２３は、その四辺を側壁部２２４によって支持され、基板２４０の上面に対してほぼ平行な状態を保つことになる。図２６の下面図に示されているとおり、弾性変形体２２０の下面の４隅には、それぞれ円柱状の固定脚部２２５が下方へと伸びている。この４本の固定脚部２２５は、基板２４０の上面の４か所に形成された固定孔部２４１（図２２参照）に挿入される。かくして、弾性変形体２２０は、基板２４０上の所定位置に固定される。
【０１０４】
また、図２６に示されているように、膜状部２２１，２２３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２７は、これら柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の位置を明確にするために、図２６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２２０の中心点の周囲に、３通りの同心円Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３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Ｋ１の円周上に円周角９０°おきに合計４個配置されており、柱状突起Ｐ２は基準同心円Ｋ２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Ｋ３の円周上に円周角４５°おきに合計８個配置されている。
【０１０５】
各柱状突起Ｐ１〜Ｐ３の側面形状は、図２２の側断面図に明瞭に示されている。なお、図２２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２６，図２７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２２に示されている柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の長さや形状を比べると、それぞれが固有の長さや形状を有しているが、これは、各柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ごとに、それぞれその主たる機能が異なるためである。
【０１０６】
すなわち、柱状突起Ｐ１の主たる機能は、§１で述べた力検出装置における接触用導電体Ｃとしての機能であり、基板２４０上に形成された抵抗体の表面に接触することにより、この抵抗体の抵抗値を変化させる働きをする。したがって、柱状突起Ｐ１は、このような接触用導電体としての機能を果たすのに適した長さおよび形状を有している。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ１を、必要に応じて「柱状突起」と呼んだり、「接触用導電体」と呼んだりすることにする。
【０１０７】
一方、柱状突起Ｐ３の主たる機能は、操作盤２１０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２２１および外側膜状部２２３を、基板２４０上面に対して支持する機能であり、この柱状突起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。そこで、ここでは、この柱状突起Ｐ３を「支持用柱状突起」と呼ぶことにする。
【０１０８】
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２４０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機能である。そこで、ここでは、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や接触用導電体Ｐ３の長さよりも短く設定したのは、操作盤２１０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２４０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。
【０１０９】
また、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起Ｐ３と、電極用柱状突起Ｐ２とでは、長さだけでなく、その側面形状も異なっている。具体的には、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起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る。すなわち、接触用導電体Ｐ１や支持用柱状突起Ｐ３の下端部は基板２４０の上面に接触して、接触面を変化させたり、膜状部を支持したり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２４０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。
【０１１０】
ここに示す実施形態のように、操作盤２１０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２１０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２６，図２７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２１０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２１０の周囲部分から、円環状隆起部２２２へと伝達される。そこで、ここでは、図２７に示す基準同心円Ｋ２を、ちょうど円環状隆起部２２２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２２２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Ｋ２の内側に内側同心円Ｋ１を定義してその円周上に接触用導電体Ｐ１を配置し、基準同心円Ｋ２の外側に外側同心円Ｋ３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。
【０１１１】
この弾性変形体２２０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２２６である。図２８は、この変位導電層２２６の形成領域を示すための弾性変形体２２０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２２６が形成されている（図２８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２２０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２２６は、これら柱状突起の表面も含めた弾性変形体２２０の下面に形成されている。したがって、図２８にハッチングで施した領域に位置する柱状突起（接触用導電体）Ｐ１および電極用柱状突起Ｐ２の表面部分にも、変位導電層２２６が形成されていることになる。柱状突起Ｐ１は、抵抗体に対する接触用導電体として機能するため、少なくとも抵抗体に対する接触面の部分は導電性を有している必要がある。柱状突起Ｐ１の表面に形成された変位導電層２２６は、このような接触用導電体としての機能を果たすために必要なものになる。また、電極用柱状突起Ｐ２は、後述するように、基板２４０上に形成された一対の接触用電極に接触する仲介電極として機能するため、少なくともこの接触面となる部分は導電性を有している必要がある。電極用柱状突起Ｐ２の表面に形成された変位導電層２２６は、このような仲介電極としての機能を果たすために必要なものになる。一方、支持用柱状突起Ｐ３は、物理的な支持機能を果たすことができればよく、電気的な機能は要求されていないため、ここに示す実施形態では、その表面には変位導電層２２６は形成していない。
【０１１２】
なお、変位導電層２２６は、具体的には、弾性変形体２２０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２２０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２８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２２６を形成することができる。なお、この変位導電層２２６の厚みは、弾性変形体２２０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２２６は示されていない。
【０１１３】
一方、ドーム状構造体２３０は、図２２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２４０の上面の中心付近に伏せるように配置される。図２９は、このドーム状構造体２３０の上面図である。ドーム状構造体２３０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２３０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２３０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３０は、このような形状反転の状態を示す側断面図である。図３０(a) は、何ら外力が加わっていない状態を示し、図３０(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２３０は元通り、図３０(a) に示す状態に戻ることになる。
【０１１４】
このドーム状構造体２３０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２３０の少なくとも頂点付近の下面部分は、導電性接触面２３１を構成している必要がある。すなわち、図３０(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２３１が基板２４０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２３０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２３１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２３０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、その下面の中央付近に導電性材料膜を形成することにより、導電性接触面２３１を実現するようにしてもかまわない。
【０１１５】
続いて、基板２４０の構成を説明する。基板２４０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、各抵抗体および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３１に、基板２４０の上面図を示す。図に示されている４つの固定孔部２４１は、前述したように、弾性変形体２２０の固定脚部２２５を挿入するために、基板２４０の上面に掘られた穴である。
【０１１６】
基板２４０の上面には、図示のように、扇形をした４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、円もしくは円環状の４枚の電極Ｅ１５〜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枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４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３１では、各抵抗体および各電極の形状を明瞭に示すために、個々の抵抗体および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３１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、これは抵抗体と電極とを区別して示すためである。この実施形態の場合、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は平板状のカーボンから構成され、電極Ｅ１５〜Ｅ１８は銅などの金属から構成されている。いずれも、基板２４０上に所定パターンの印刷を行うことによって形成されている。
【０１１７】
最も外側に形成された円環状の外側電極Ｅ１５は、操作盤２１０の外周部分に対向する外周対向部（操作盤２１０の外側輪郭線を基板２４０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２１０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２１０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２７に示す基準同心円Ｋ２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。
【０１１８】
この外側電極Ｅ１５，Ｅ１６の役割は、操作者から操作盤２１０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２２０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２２６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２２０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２２６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２２６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。結局、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６は一対の接触用電極として機能し、各電極用柱状突起Ｐ２の下面に形成された変位導電層２２６は仲介電極として機能することになり、両者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Ｅ１５，Ｅ１６は、通常は（操作盤２１０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２１０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２２０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。
【０１１９】
扇形をした４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、§１で述べた力検出装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ４と同等の機能を果たし、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。§１で述べた力検出装置は、外力のＸＹＺ三軸方向成分を検出する機能を有していたため、基板上に５枚の抵抗体Ｒ１〜Ｒ５（他に参照用抵抗体Ｒ６）を形成していたが、ここに示す力検出装置は、操作量としてはＸＹ二軸方向成分のみを検出する機能を有しているだけであるので、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を形成するだけで十分である（Ｚ軸方向の外力は、後述するように、スイッチ入力として、ＯＮ／ＯＦＦの二値状態のみが検出される）。
【０１２０】
ここで、図３１に示す基板２４０の上面中心位置に原点Ｏ（図示省略）、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すれば、Ｘ軸正の領域に抵抗体Ｒ１１、Ｘ軸負の領域に抵抗体Ｒ１２、Ｙ軸正の領域に抵抗体Ｒ１３、Ｙ軸負の領域に抵抗体Ｒ１４が形成されていることになる。そして、これら４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の上方には、それぞれ接触用導電体として機能する柱状突起Ｐ１（下面に変位導電層２２６が形成されている）が配置されている。各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された接触用導電体Ｐ１とによって、可変抵抗要素が構成され、操作盤２１０に所定の大きさの操作入力が加えられると、弾性変形体２２０の変形により、接触用導電体Ｐ１が抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に接触し、このときの接触面積に応じて、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の所定の二点間の抵抗値に変化が生じる点は、すでに述べたとおりである。したがって、§１で述べた力検出装置における抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を用いた原理と同様の原理により、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を用いて、加えられた操作入力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出することが可能になる。
【０１２１】
図３１に示すように、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の内側、すなわち、基板２４０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２１０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２３０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２３０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２３０は、このワッシャ状の内側電極Ｅ１８の上に載置される。図３２は、図３１に示す基板２４０の上面の中央部に、図２９に示すドーム状構造体２３０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２３０は、基板２４０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。
【０１２２】
図３０(b) に示すように、ドーム状構造体２３０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２３０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２３０の下面の導電性接触面２３１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２３０は、全体が金属から構成されているため、図３０(a) に示す状態では、ドーム状構造体２３０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３０(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２３０が反転すると、このドーム状構造体２３０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２３０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２３０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。
【０１２３】
以上のとおり、基板２４０の上面には、一対の外側電極Ｅ１５、Ｅ１６（接触用電極）、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４、一対の内側電極Ｅ１７，Ｅ１８（接触用電極）なる平板状の構成要素が形成されているが、各構成要素は、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２３０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２３０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２３１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２１０の外周部分に対向する基板２４０上の外周対向部（図２７の基準同心円Ｋ２に対向する部分）に配置されている。一方、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４は、基板２４０の上面の「ドーム状構造体２３０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２４０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、各抵抗体を、このプリント基板上に形成したカーボン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２４０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２４０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。
【０１２４】
以上、図２２に示す各構成要素の構造の詳細を述べたが、実際の力検出装置は、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２４０の中央部にドーム状構造体２３０を載置し、これを覆うように弾性変形体２２０を載せ（固定脚部２２５を固定孔部２４１に挿入して固定する）、その上に操作盤２１０を接着することにより、図３３の側断面図（ドーム状構造体２３０については断面ではなく側面が示されている）に示すような力検出装置が形成される。
【０１２５】
§７．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の別な実施形態の動作
続いて、図３３に示す力検出装置の動作を説明する。ここでは便宜上、図３１に示す基板２４０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３３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。
【０１２６】
既に述べたように、この力検出装置は、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２１０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２１０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２１０を斜め下方へと押し込む動作を行うことになる。
【０１２７】
図３４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２３０については側面図）である。操作盤２１０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２１４が下方へと変位し、内側膜状部２２１ごしにドーム状構造体２３０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２３０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２３０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２３０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。
【０１２８】
こうして、ドーム状構造体２３０が形状反転を起こすと、図３１に示されている内側電極Ｅ１７に、ドーム状構造体２３０の下面の導電性接触面２３１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２３０がもとの状態に復帰し、装置は図３３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。
【０１２９】
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３１に示す４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された接触用導電体（表面が変位導電層２２６によって覆われた柱状突起Ｐ１）と、によって合計４組の可変抵抗要素が形成されており、この４組の可変抵抗要素の抵抗値に基づいて、各方向への操作量を検出することができる。
【０１３０】
たとえば、操作者が、操作盤２１０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３５は、操作者がこのような操作力−Ｆｘ（必ずしも操作盤２１０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２３０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２１０は、図３５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２３０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３５に示す斜め下方への操作力−Ｆｘの代わりに、操作盤２１０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。
【０１３１】
さて、図３５に示すように、操作盤２１０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、図の右半分にある柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、図示のとおり、基板２４０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３５に示すように、図の左端にある柱状突起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２２６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３６に示すように、図の左半分にある柱状突起Ｐ１，Ｐ３は、更に潰れるように弾性変形し、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３７に示すように、図の左側の柱状突起Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３のすべてが完全に潰れた状態になる。
【０１３２】
ここで、図３３に示す状態から、図３５、図３６、図３７に示す状態へと変遷する際に、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の所定の二点間の抵抗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抵抗体Ｒ１２では、その上方に配置された柱状突起Ｐ１（接触用導電体）の接触面が徐々に増加してゆくので、抵抗体Ｒ１２の所定の二点間の抵抗値が徐々に減少してゆくのに対して、図の右側に示された抵抗体Ｒ１１には、柱状突起Ｐ２（接触用導電体）は接触していないため、抵抗値の変化は生じない。逆に、Ｘ軸正方向への操作力＋Ｆｘが加わった場合は、操作盤２１０は右側へと傾斜することになるので、上述した場合に比べて、左右の関係が逆転することになり、抵抗体Ｒ１１の所定の二点間の抵抗値が徐々に減少してゆくことになる。結局、抵抗体Ｒ１１およびＲ１２の抵抗値を測定することにより、Ｘ軸方向の操作力−Ｆｘ，＋Ｆｘとして加えられた操作量を検出することができる（たとえば、両抵抗値の差を求めればよい）。全く同様の原理により、Ｙ軸上に配置された抵抗体Ｒ１３およびＲ１４の抵抗値を測定することにより、Ｙ軸方向の操作力−Ｆｙ，＋Ｆｙとして加えられた操作量を検出することができる。
【０１３３】
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２１０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。もちろん、任意の方向の力も検出することができ、この場合、操作量の大きさは、ルート（ｘ２＋ｙ２）で求められ、方向は、ｔａｎ−１（ｙ／ｘ）で求められる。
【０１３４】
ところで、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値を測定するためには、各抵抗体の所定の二点間に電圧を印加して、抵抗体に電流を流す必要がある。本発明の目的は、このような可変抵抗要素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り、図３３に示す力検出装置にも、電力消費を効率的に抑制させる機能が備わっている。すなわち、操作盤２１０に加えられる操作入力が所定の大きさ以上になるまでは、検出回路を待機モードとして抵抗体に電流を流さない状態を維持し、所定の大きさ以上の操作入力が加わったときに、検出回路を検出モードとして抵抗体に電流を流して抵抗値を測定する処理が行われるようにすることができる。具体的には、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）と、その上方に配置された柱状突起Ｐ２およびその表面に形成された変位導電層２２６（仲介電極）と、によって切替要素が構成されており、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が電気的に絶縁状態にあるときには待機モードとし、導通状態にあるときには検出モードとする切替を行うことができる。
【０１３５】
図３８は、図３３に示す力検出装置に用いることができる検出回路の一例を示す回路図である。この検出回路は、図１７に示す検出回路と同様に、アナログ信号用の入力端子を備えた信号処理回路により構成されており、入力したアナログ信号はデジタル信号に変換され、内部でデジタル信号に対する所定の演算が行われ、デジタル信号としての出力が得られる。この図３８に示す信号処理回路も、１チップの集積回路として構成されており、図の右側に示されたアナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４には、それぞれ抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に相当するアナログ電圧値が入力される。各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の一端（図の下端）は接地されており、もう一端（図の上端）は、各アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４に接続されるとともに、それぞれスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４および抵抗素子Ｒ０５〜Ｒ０８を介して電源Ｖｃｃに接続されている。
【０１３６】
各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４がＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃから、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に電圧が印加され、アナログ入力端子Ｔ１１〜Ｔ１４には、各抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に応じた分圧が加わり、各抵抗値に応じたデジタル値が得られる点は、図１７に示す回路と同様である。加えられたＸ軸方向の操作量は、抵抗体Ｒ１１またはＲ１２の抵抗値（あるいは両者の差）に基づいて求めることができ、加えられたＹ軸方向の操作量は、抵抗体Ｒ１３またはＲ１４の抵抗値（あるいは両者の差）に基づいて求めることができる。
【０１３７】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、各抵抗体への電圧供給を制御するためのスイッチであり、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のいずれもがＯＦＦ状態を維持していると、電源Ｖｃｃの電圧が各抵抗体へ印加されず、各抵抗体には電流は流れない。これは、この信号処理回路が待機モード状態にあることを示している。一方、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のいずれかがＯＮ状態になると、電源Ｖｃｃの電圧がＯＮ状態になったスイッチに接続された抵抗体へ印加され、当該抵抗体に電流が流れる。したがって、前述したように、当該抵抗体の抵抗値に対応するデジタル値が検出されることになる。これは、この信号処理回路が検出モード状態にあることを示している。
【０１３８】
スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４から出力される制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４によって行われる。実際には、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４は、論理素子などの半導体スイッチによって構成されており、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４は、デジタル論理信号となる。信号処理回路はＣＰＵおよびこれを動作させるためのプログラムを内蔵しており、このＣＰＵの論理演算により、制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４の論理値が決定される。
【０１３９】
図３８の左側に示された入力端子Ｔ０１には、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態の場合、入力端子Ｔ０１には、抵抗素子Ｒ０１を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ０１は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ０１の電位に基づいて、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。
【０１４０】
このスイッチＳＷ１は、実は、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された外側電極Ｅ１５，Ｅ１６（一対の接触用電極）によって構成されるスイッチであり、外側電極Ｅ１５，Ｅ１６が絶縁状態にあるときにはＯＦＦ、導通状態にあるときにはＯＮになる。したがって、たとえば、図３３や図３４に示す状態（所定の大きさ以上のＸ軸方向操作量あるいはＹ軸方向操作量が加わっていない状態）では、スイッチＳＷ１はＯＦＦ状態となるが、図３５、図３６、図３７に示す状態（所定の大きさ以上のＸ軸方向操作量あるいはＹ軸方向操作量が加わった状態）では、スイッチＳＷ１はＯＮ状態となる。
【０１４１】
そこで、この図３８に示す信号処理回路では、入力端子Ｔ０１の電位が電源電圧Ｖｃｃの場合（スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４をＯＦＦ状態とする制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４を出力し、入力端子Ｔ０１の電位が接地電位の場合（スイッチＳＷ１がＯＮ状態の場合）には、制御端子Ｔ２１〜Ｔ２４からは、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１４をＯＮ状態とする制御信号Ｓ２１〜Ｓ２４を出力するような制御が行われるようにしている。これにより、Ｘ軸もしくはＹ軸方向成分を含む所定の大きさの操作量が加えられたときにのみ、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４に電流が流れて検出が可能になる。結局、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になるまでは、検出回路は本来の検出機能を果たすことができない待機モードを維持することになり、電力消費が抑制されることになる。
【０１４２】
一方、図３８の左側に示された入力端子Ｔ００には、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態により、電源電圧Ｖｃｃもしくは接地電圧が加えられる。すなわち、スイッチＳＷ０がＯＦＦ状態の場合、入力端子Ｔ００には、抵抗素子Ｒ００を介して電源電圧Ｖｃｃが加えられた状態になるが、スイッチＳＷ０がＯＮ状態になると、入力端子Ｔ００は接地電位となる。したがって、信号処理回路は、入力端子Ｔ００の電位に基づいて、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態を把握することができる。このスイッチＳＷ０は、実は、図３３に示す力検出装置において、基板２４０上に形成された内側電極Ｅ１７，Ｅ１８によって構成されるスイッチであり、内側電極Ｅ１７，Ｅ１８が絶縁状態にあるときにはＯＦＦ、導通状態にあるときにはＯＮになる。したがって、スイッチＳＷ０のＯＮ／ＯＦＦ状態は、操作者のスイッチ入力（ドーム状構造体２３０の形状反転によるクリック入力）を示すものとなる。
【０１４３】
なお、ここに示す実施形態では、図２８の下面図に示されているように、弾性変形体２２０の下面には、単一の変位導電層２２６（図のハッチング部分）が形成されており、各柱状突起Ｐ１（接触用導電体）の下面に形成された導電層（変位導電層２２６の一部）と、各柱状突起Ｐ２の下面に形成された導電層（変位導電層２２６の別な一部）とは、互いに導通しているので、図３８に示す検出回路を用いた場合、スイッチＳＷ１がＯＮ状態になると、変位導電層２２６全体が接地状態となり、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値測定に影響を及ぼすことになる。もちろん、このような影響があっても、抵抗値測定は可能であるが、より効率的な測定を行うためには、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値に比べて十分に大きな抵抗値をもった抵抗素子を用意し、接触用電極Ｅ１５，Ｅ１６の導通状態を検出する回路と、抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の抵抗値を検出する回路と、を用意した抵抗素子を用いて隔絶するようにすればよい。具体的には、図３８に示す検出回路において、抵抗素子Ｒ０１を１０ＭΩ程度の大きな抵抗値をもった抵抗素子により構成し、電極Ｅ１６と接地レベルＧｎｄとの間に、１ＭΩ程度の大きな抵抗値をもった抵抗素子を挿入すればよい。あるいは、変位導電層２２６を単一の導電層とする代わりに、個々の柱状突起Ｐ１の下面および個々の柱状突起Ｐ２の下面に、それぞれ電気的に孤立した島状の導電層を形成するようにしてもよい。
【０１４４】
§８．本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の変形例
以上、本発明に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置を、いくつかの実施形態について述べたが、ここでは、更にいくつかの変形例を述べる。
【０１４５】
(1)   接触用電極の形態の変形例
図３１に示す実施形態では、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２２６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３９に一部を示す一対の接触用電極Ｅ１５Ａ，Ｅ１６Ａは、図３１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３９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２２６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３９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。
【０１４６】
また、図４０に一部を示す接触用電極群Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ｂは（図４０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）、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２４０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３１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３１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４０に示す例は、一対の接触用電極を複数組設けた変形例である。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。
【０１４７】
(2)   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、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
(3)   可変抵抗要素の変形例
これまで述べた実施形態では、基板上に配置された抵抗体と、この抵抗体に対向するように弾性変形体側に設けられた接触用導電体と、によって可変抵抗要素を構成していたが、本発明に用いる可変抵抗要素は、基板と弾性変形体との間に配置され、弾性変形体の変位によって加わる圧力に応じて所定の二点間の抵抗値が変化する性質をもった構成要素であれば、必ずしも抵抗体と接触用導電体との組み合わせによって構成する必要はない。
【０１５０】
図４１は、これまでの実施形態で用いられてきた可変抵抗要素とは異なる形態の可変抵抗要素３００の構成を示す側断面図である。ここに示す可変抵抗要素３００は、第１のシート３１０と第２のシート３２０とを上下対称となるように積層した構造を有する。第１のシート３１０は、図示のとおり、第１のフィルム３１１と、その上に形成された第１の導電層３１２と、その上に形成された第１の抵抗体３１３と、によって構成されており、第２のシート３２０は、図示のとおり、第２のフィルム３２１と、その下に形成された第２の導電層３２２と、その下に形成された第２の抵抗体３２３と、によって構成されている。もっとも、ここで、個々の構成要素に第１あるいは第２という修飾句を付して呼んでいるのは、便宜上、両者を区別するためであり、実際の構造物としては、第１のシート３１０と第２のシート３２０とは全く同一のシートであり、２枚の同一シートの一方を上下逆にして他方の上に重ねることにより、可変抵抗要素３００が得られることになる。実用上は、両シートがずれないように、両シートを何らかの方法で接着するのが好ましい。
【０１５１】
第１の抵抗体３１３および第２の抵抗体３２３は、いずれも弾性変形を生じる材質から構成されており、互いに対向する位置に配置されている。しかも第１の抵抗体３１３の上面および第２の抵抗体３２３の下面は、それぞれ断面波状の凹凸構造をなし、図の上下方向に加わる圧力に応じて、第１の抵抗体３１３と第２の抵抗体３２３との接触面の面積が変化するように構成されている。すなわち、この可変抵抗要素３００に上下方向の圧力が作用していない状態では、図４１に示すように、各抵抗体３１３，３２３の波形凹凸構造の頂点部分が点接触した状態であり、両者の接触面の面積は極めて小さい状態であるが、この可変抵抗要素３００に対して、たとえば図４２に示すような下方への外力−Ｆｚが作用すると、図示のとおり、各抵抗体３１３，３２３の波形凹凸構造部分が圧力によって変形し、両者の接触面積は増加する。
【０１５２】
第１の抵抗体３１３の下面には第１の導電層３１２が接続されており、第２の抵抗体３２３の上面には第２の導電層３２２が接続されているため、第１の導電層３１２に接続された端子Ｔ３１と、第２の導電層３２２に接続された端子Ｔ３２との間の抵抗値を測定すると、当該抵抗値は、両者の接触面積に応じて変化することになるので、この抵抗値に基づいて、可変抵抗要素３００に加えられた上下方向の外力を検出することが可能になる。すなわち、２枚のシート３１０，３２０は、加わる圧力に応じて所定の２点間の抵抗値が変化する性質をもつ可変抵抗要素３００として機能することになる。実用上、第１のシート３１０を作成するには、たとえば、次のような方法を採ればよい。まず、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）フィルムなどからなる第１のフィルム３１１を用意し、その上面に銅などの層を形成することにより第１の導電層３１２を形成する。続いて、この第１の導電層３１２の上面に感圧導電性インクを塗布し、この感圧導電性インクの表面を断面波状の凹凸構造に加工して第１の抵抗体３１３を作成すればよい。もちろん、第２のシート３２０も全く同様の方法で作成できる。なお、図示の例では、第１の抵抗体３１３の上面および第２の抵抗体３２３の下面のそれぞれに、断面波状の凹凸構造を形成しているが、このような凹凸構造は必ずしも両者にそれぞれ形成する必要はなく、少なくとも一方の表面部分に形成されていれば、可変抵抗要素を構成することができる。要するに、第１の抵抗体３１３と第２の抵抗体３２３との少なくとも一方の他方に対向する表面部分が、弾性変形を生じる凹凸構造をなし、両者間に加わる圧力に応じて、両者間の接触面の面積が変化するように構成されていればよい。
【０１５３】
この図４１に示す可変抵抗要素３００は、たとえば、図３３に示す力検出装置における「抵抗体と接触用導電体」によって構成されている可変抵抗要素に置き換えて用いることができる。この場合、基板２４０上に形成されている４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４の代わりに、それぞれ上述した可変抵抗要素３００を用いるようにすればよい。具体的には、平面形状が図３２の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４のような扇形をし、図４１に示すような側断面構造を有する４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４を用意し、それぞれを基板２４０上の所定位置、すなわち、図３２の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４が配置されている位置に接着するようにすれば（第１のフィルム３１１の下面を基板２４０の上面に接着すればよい）、４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４は、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と同等の機能を果たすことになる。ただし、作用した外力は、各可変抵抗要素３００のそれぞれについて、図４１に示す端子Ｔ３１，Ｔ３２間の抵抗値に基づいて検出されることになる。
【０１５４】
各可変抵抗要素３００は、実際には、非常に薄いシート状の部材として作成することができるので、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４に置き換えた力検出装置の側断面構造は、図３３に示す力検出装置とほぼ同じになる。ただ、図３３に示す力検出装置の場合、４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４と、その上方に配置された柱状突起Ｐ１およびその下面に形成された導電層（変位導電層２２６）と、の組み合わせによって可変抵抗要素が構成されていたのに対し、図４１に示す可変抵抗要素３００は、それ自身単独で可変抵抗要素として機能するため、ここで述べる変形例の装置では、柱状突起Ｐ１は圧力を加えるための突起としての働きを行うだけでよく、柱状突起Ｐ１の下面に変位導電層２２６を形成する必要はない。
【０１５５】
なお、図３３に示す柱状突起Ｐ１を圧力を加える突起として機能させた場合、図４１に示す可変抵抗要素３００の上面の中央部付近に圧力が集中することになるため、抵抗体３１３，３２３の変形が中央部付近に偏在し、効率的な検出感度を得ることはできなくなる。そこで、図４２に示すように、抵抗体３１３，３２３の変形を全面に均等に生じさせて、検出感度を向上させるには、図２６に示す弾性変形体２２０の代わりに、図４３に下面図を示すような弾性変形体２２０Ａを用いるようにすればよい。この図４３に示す弾性変形体２２０Ａは、図２６に示す弾性変形体２２０における４本の柱状突起Ｐ１を、４枚の板状突起Ｐ４に置き換えたものである。各板状突起Ｐ４の平面形状は、いずれも扇形をしており、基板２４０上に形成された４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４と同じ形状をしており、これらの真上の位置に配置されることになる。なお、各板状突起Ｐ４の下面には、導電層を形成する必要はない。図４４は、図３３に示す力検出装置における４枚の抵抗体Ｒ１１〜Ｒ１４を、４枚の可変抵抗要素３００−１〜３００−４に置き換えるとともに、弾性変形体２２０を図４３に示す弾性変形体２２０Ａに置き換えた変形例を示す側断面図である。各可変抵抗要素３００−１〜３００−４は、いずれも図４１に示す可変抵抗要素３００と同じ断面構造を有しており、その上方に配置された板状突起Ｐ４によって全面にわたって圧力が加わえられる。このため、より効率的な検出感度を得ることができる。
【０１５６】
なお、図４３では、４枚の扇形の板状突起Ｐ４を形成した例を示したが、これらを連結した構造とし、全体的にワッシャー状をした１枚の板状突起を形成するようにしてもかまわない。また、各可変抵抗要素３００−１〜３００−４も、たとえば、フィルム３１１あるいはフィルム３２１の部分を連結し、全体的にワッシャー状をした１枚のフィルム上に、それぞれ４組の扇形の導電層および抵抗体を形成した構造にしてもよい。更に、上述の説明では、可変抵抗要素３００全体を基板２４０側に固定しているが、可変抵抗要素３００のうち、第１のシート３１０を基板２４０側に固定（第１のフィルム３１１を基板２４０の上面に接着）し、第２のシート３２０を板状突起Ｐ４側（弾性変形体２２０Ａ側）に固定（第２のフィルム３２１を板状突起Ｐ４の下面に接着）するようにしてもよい。
【０１５７】
(4)   一次元力検出装置への利用
前述した図９に示す実施形態に係る力検出装置は、ＸＹＺ三次元の力方向成分を検出する機能をもった三次元力検出装置であるが、抵抗体Ｒ５，Ｒ６および接触用導電体Ｃ５を省けば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力成分を検出する機能をもった二次元力検出装置を構成することができる。また、抵抗体Ｒ１，Ｒ２および接触用導電体Ｃ１，Ｃ２だけを配置するようにすれば、Ｘ軸方向の力成分のみを検出する機能をもった一次元力検出装置を構成することができる。同様に、図３３に示す実施形態に係る力検出装置は、ＸＹ二次元の力方向成分（操作量）を検出する機能をもった二次元力検出装置であるが、抵抗体および接触用導電体を追加することにより三次元力検出装置として利用することもできるし、不要な抵抗体および接触用導電体を削除することにより一次元力検出装置として利用することもできる。このように、本発明は、一次元、二次元、三次元のいずれの力検出装置にも利用することが可能である。
【０１５８】
(5)   その他の変形例
上述した実施形態では、いくつかの検出回路の例を回路図を示して述べたが、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、可変抵抗要素の抵抗値を電気信号として出力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、本発明に用いる検出回路は、待機モードと検出モードとの２通りのモードで動作することになるが、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。
【０１５９】
なお、本発明に係る力検出装置の用途は、必ずしも電子機器用入力装置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、弾性変形体に重錘体を取り付け、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。
【０１６０】
【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可変抵抗要素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】本発明の適用対象となる可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置における基板１１０の上面図であり、この基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図３】図１に示す力検出装置における弾性変形体１２０の上面図であり、この弾性変形体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図４】図１に示す力検出装置における弾性変形体１２０の下面図であり、この弾性変形体１２０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図５】外力が作用していない状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図６】外力が作用している状態における抵抗体Ｒと接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図(a) 、平面図(b) 、等価回路図(c) である。
【図７】図１に示す力検出装置に、右斜め下方向の外力Ｆが作用したときの状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す力検出装置に用いる検出回路の一例を示す回路図である。
【図９】本発明の基本的な実施形態に係る可変抵抗要素を用いた力検出装置の構造を示す側断面図である。
【図１０】図９に示す力検出装置における基板１１０の上面図であり、この基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面が図９に示されている。
【図１１】図(a) は、図１０に示されている抵抗体ＲＲ１〜ＲＲ４の拡大図およびその配線図である。ハッチングは板状構造体の形状を明瞭にするためのものであり、断面を示すためのものではない。図(b) は、外力が作用していない状態における図(a) に示す抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの位置関係を示す側断面図である。
【図１２】外力−Ｆｚが作用した状態における抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。
【図１３】より大きな外力−Ｆｚが作用した状態における抵抗体ＲＲとその上方に配置された接触用導電体Ｃとの接触状態を示す側断面図である。
【図１４】図１１〜図１３に示す抵抗体ＲＲと、その上方に配置された接触用導電体Ｃと、一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２によって構成されるスイッチＳＷと、についての種々の状態における等価回路である。
【図１５】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第１の例を示す回路図である。
【図１６】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第２の例を示す回路図である。
【図１７】図９に示す力検出装置に用いる検出回路の第３の例を示す回路図である。
【図１８】抵抗体ＲＲの中央部空隙領域内に形成された一対の接触用電極Ｓ１，Ｓ２から構成されるスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検出するための回路を示す配線図である。
【図１９】図１８に示す配線についての等価回路図である。
【図２０】図１８に示す配線に、更に、抵抗素子を加えることにより、効率的な抵抗値測定を可能にするための配線図である。
【図２１】図２０に示す配線についての等価回路図である。
【図２２】本発明の別な実施形態に係る力検出装置の分解側断面図である。
【図２３】図２２に示す操作盤２１０の上面図である。この操作盤２１０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２４】図２２に示す操作盤２１０の下面図である。この操作盤２１０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２５】図２２に示す弾性変形体２２０の上面図である。この弾性変形体２２０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２６】図２２に示す弾性変形体２２０の下面図である。この弾性変形体２２０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図２７】図２６に示す弾性変形体２２０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２８】図２６に示す弾性変形体２２０の下面に形成されている変位導電層２２６を示す下面図である（ハッチングは、断面を示すものではない）。
【図２９】図２２に示すドーム状構造体２３０の上面図である。このドーム状構造体２３０を中心で切断した側断面が図２２に示されている。
【図３０】図２２に示すドーム状構造体２３０の形状反転動作を説明する側断面図である。
【図３１】図２２に示す基板２４０の上面図である。この基板２４０を中心（ＸＺ平面）で切断した側断面が図２２に示されている（ハッチングは、断面を示すものではない）。
【図３２】図３１に示す基板２４０の上に、ドーム状構造体２３０を配置した状態を示す上面図である。
【図３３】図２２に示す各構成要素を組み立てることにより構成された力検出装置の側断面図である。ただし、ドーム状構造体２３０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３４】図３３に示す力検出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２３０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３５】図３３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２３０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３６】図３３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２３０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３７】図３３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２３０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３８】図３３に示す力検出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３９】図３１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４０】図３１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４１】表面に波状凹凸構造を有する一対の抵抗体３１３，３２３を利用して可変抵抗要素３００を構成した例を示す側断面図である。
【図４２】図４１に示す可変抵抗要素３００に圧力−Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図である。
【図４３】図４１に示す可変抵抗要素３００を用いる場合に適した弾性変形体２２０Ａの下面図である。
【図４４】図４１に示す可変抵抗要素３００および図４３に示す弾性変形体２２０Ａを用いて構成された力検出装置の側断面図である。
【符号の説明】
１１０…基板
１２０，１２０Ａ…弾性変形体
１２１…作用部
１２２…可撓部
１２３，１２３Ａ…固定部
１２５…操作桿
１３０，１３０Ａ…固定部材
２１０…操作盤
２１１…操作部分
２１２…土手部分
２１３…外周部分
２１４…押圧棒
２２０，２２０Ａ…弾性変形体
２２１…内側膜状部
２２２…円環状隆起部
２２３…外側膜状部
２２４…側壁部
２２５…固定脚部
２２６…変位導電層
２３０…ドーム状構造体
２３１…導電性接触面
２４０…基板
２４１…固定孔部
３００…可変抵抗要素
３１０…第１のシート
３１１…第１のフィルム
３１２…第１の導電層
３１３…第１の抵抗体
３２０…第２のシート
３２１…第２のフィルム
３２２…第２の導電層
３２３…第２の抵抗体
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ５…接触用導電体
Ｅ１５〜Ｅ１８…電極
Ｅ１５Ａ，Ｅ１５Ｂ，Ｅ１６Ａ，Ｅ１６Ｂ…電極
Ｆ…外力
＋Ｆｘ…外力の＋Ｘ軸方向成分
−Ｆｘ，−ＦＦｘ…外力の−Ｘ軸方向成分
−Ｆｚ…外力の−Ｚ軸方向成分
Ｇｎｄ…接地点
Ｊｘ，Ｊｙ，Ｊｚ…接続点
Ｋ１…内側同心円
Ｋ２…基準同心円
Ｋ３…外側同心円
Ｏ…座標系の原点
Ｐ１〜Ｐ３…柱状突起
Ｐ４…板状突起
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ６，ＲＲ，ＲＲ１〜ＲＲ６，Ｒ１１〜Ｒ１４…抵抗体
Ｒ１００，Ｒ２００…抵抗体
Ｒ００〜Ｒ０８…抵抗素子
Ｓ…接触面
Ｓ１，Ｓ２…接触用電極
Ｓ２１〜Ｓ２５…制御信号
ＳＷ，ＳＷ０〜ＳＷ５…一対の接触用電極からなるスイッチ
ＳＷ１１〜ＳＷ１５…半導体スイッチ
Ｔ１〜Ｔ４，Ｔ００〜Ｔ０３，Ｔ１１〜Ｔ１５，Ｔ２１〜Ｔ２５，Ｔ３１，Ｔ３２…端子
ＴＴ…ノード
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…検出値の出力端子
Ｖ，ＶＶ…空洞部
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｘ，Ｙ，Ｚ…三次元座標系の各座標軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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