(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向への操作量を示すＸ軸操作入力を検出するための操作量検出装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、この上面の中心部に座標系の原点がくるように配置された基板と、
前記基板上方のＺ軸を中心とした位置に配置された作用部と、この作用部を周囲から支持し可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲部分を前記基板に固定する固定部と、を有し、前記作用部に前記Ｘ軸操作入力が加えられたときに前記作用部がＸ軸に対して傾斜するような変位を生じる起歪体と、
前記基板上面のＸ軸正方向位置に配置された第１の内側電極と、
前記基板上面のＸ軸負方向位置に配置された第２の内側電極と、
前記基板上面のＸ軸正方向位置の前記第１の内側電極より外側に配置された第１の外側電極と、
前記基板上面のＸ軸負方向位置の前記第２の内側電極より外側に配置された第２の外側電極と、
前記第１の内側電極、前記第１の外側電極、前記第２の内側電極、前記第２の外側電極のそれぞれに対向するように、前記起歪体下面の変位を生じる位置に形成され、前記作用部がＸ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第１の外側電極に接触し、前記作用部がＸ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第２の外側電極に接触するように構成された変位電極と、
前記変位電極がいずれかの外側電極と接触したときに、前記第１の内側電極と前記変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量を示す第１の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第１の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第２の内側電極と前記変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量を示す第２の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第２の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第１の静電容量値と前記第２の静電容量値との差に基づいて前記Ｘ軸操作入力についての検出値を出力する検出回路と、
を備えることを特徴とする操作量検出装置。
【請求項２】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向への操作量を示すＸ軸操作入力とＹ軸方向への操作量を示すＹ軸操作入力とを検出するための操作量検出装置であって、
上面がＸＹ平面に含まれ、この上面の中心部に座標系の原点がくるように配置された基板と、
前記基板上方のＺ軸を中心とした位置に配置された作用部と、この作用部を周囲から支持し可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲部分を前記基板に固定する固定部と、を有し、前記作用部に前記Ｘ軸操作入力が加えられたときに前記作用部がＸ軸に対して傾斜するような変位を生じ、前記作用部に前記Ｙ軸操作入力が加えられたときに前記作用部がＹ軸に対して傾斜するような変位を生じる起歪体と、
前記基板上面のＸ軸正方向位置に配置された第１の内側電極と、
前記基板上面のＸ軸負方向位置に配置された第２の内側電極と、
前記基板上面のＹ軸正方向位置に配置された第３の内側電極と、
前記基板上面のＹ軸負方向位置に配置された第４の内側電極と、
前記基板上面のＸ軸正方向位置の前記第１の内側電極より外側に配置された第１の外側電極と、
前記基板上面のＸ軸負方向位置の前記第２の内側電極より外側に配置された第２の外側電極と、
前記基板上面のＹ軸正方向位置の前記第３の内側電極より外側に配置された第３の外側電極と、
前記基板上面のＹ軸負方向位置の前記第４の内側電極より外側に配置された第４の外側電極と、
前記第１の内側電極、前記第１の外側電極、前記第２の内側電極、前記第２の外側電極、前記第３の内側電極、前記第３の外側電極、前記第４の内側電極、前記第４の外側電極のそれぞれに対向するように、前記起歪体下面の変位を生じる位置に形成され、前記作用部がＸ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第１の外側電極に接触し、前記作用部がＸ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第２の外側電極に接触し、前記作用部がＹ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第３の外側電極に接触し、前記作用部がＹ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が前記第４の外側電極に接触するように構成された変位電極と、
前記変位電極がいずれかの外側電極と接触したときに、前記第１の内側電極と前記変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量を示す第１の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第１の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第２の内側電極と前記変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量を示す第２の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第２の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第３の内側電極と前記変位電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量を示す第３の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第３の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第４の内側電極と前記変位電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量を示す第４の静電容量値を、前記変位電極に接触している外側電極と前記第４の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、前記第１の静電容量値と前記第２の静電容量値との差に基づいて前記Ｘ軸操作入力についての検出値を出力し、前記第３の静電容量値と前記第４の静電容量値との差に基づいて前記Ｙ軸操作入力についての検出値を出力する検出回路と、
を備えることを特徴とする操作量検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の操作量検出装置において、
基板上の原点近傍位置に、Ｚ軸方向成分を有する押圧力に基づいて動作するスイッチを更に設け、前記押圧力からなるスイッチ入力が作用部に加えられたときに、この作用部の変位に基づいて前記スイッチが動作するようにしたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の操作量検出装置において、
作用部から下方に突出する押圧棒を設け、この押圧棒を介して伝達される押圧力に基づいてスイッチを動作させるようにしたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の操作量検出装置において、
作用部にＸ軸操作入力もしくはＹ軸操作入力が加えられたときに、基板上のスイッチに接触した押圧棒の先端部を支点として、作用部のＸ軸もしくはＹ軸に対する傾斜が生じるように構成されていることを特徴とする操作量検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の操作量検出装置において、
基板上面に、物理的に単一の共通外側電極を配置し、すべての外側電極を、それぞれ前記共通外側電極の一部によって構成したことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の操作量検出装置において、
すべての内側電極の周囲を取り囲むように配置された単一の環状電極によって共通外側電極を構成したことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の操作量検出装置において、
内側電極と変位電極とが電気的に接触しないように、すべての内側電極の上面に絶縁膜を形成したことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の操作量検出装置において、
起歪体を弾性材料によって構成し、作用部の上面に剛性材料からなる操作体を配置し、この操作体に加えられた力を作用部を介して可撓部へ伝達できるようにしたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の操作量検出装置において、
可撓部の厚みを作用部の厚みに比べて薄くすることにより、可撓部に可撓性をもたせる構造としたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載の操作量検出装置において、
可撓部に溝を形成することにより可撓性をもたせる構造としたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の操作量検出装置において、
変位電極の変位の自由度が作用部もしくは操作体によって制限を受けないように、加えられた力を可撓部へと伝達する機能を果たす部分の外周にくびれ部を形成したことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の操作量検出装置において、
変位電極を弾性材料によって構成し、外側電極もしくは内側電極上の絶縁膜との接触により弾性変形が生じるようにしたことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の操作量検出装置において、
変位電極を導電性ゴムまたは導電性エラストマによって構成したことを特徴とする操作量検出装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の操作量検出装置において、
変位電極を非導電性ゴムまたは非導電性エラストマに導電性インクまたは導電性塗料を塗布してなる構造体によって構成したことを特徴とする操作量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は操作量検出装置に関し、特に、ゲーム用コントローラや小型電子機器の操作入力を検出するのに適した操作量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲーム用コントローラや小型電子機器の操作入力を検出し、これを電気信号として出力する操作量検出装置として、これまでに種々の原理に基づくものが利用されている。これらの操作量検出装置の中でも、静電容量素子型の力検出装置を利用したタイプのものは、製造コストが低く、大量生産に向くという利点を有するため、今後も様々な機器に組み込まれてゆくものと予想される。静電容量型の力検出装置の原型は、たとえば、特開平５−３４６３５６号公報にその基本構造が開示されており、特開平１０−１３２６６８号公報には量産に適した製造プロセスが示されている。また、特開２０００−１４６７２９号公報にはテスト機能を付加した力検出装置の構成が示されており、特開２０００−２４９６０９号公報には、他軸干渉を排除した多次元力検出装置が開示されている。いずれの力検出装置も、作用した外力によって容量素子を構成する一対の電極間隔を変化させ、容量素子の静電容量値の変化を電気信号として取り出すことにより、外力の向きと大きさを検出するという基本原理に基づいている。実用上は、温度などの環境要素の影響を排除するために、ある特定方向の力が作用したときに、一方の電極間隔は広がり、他方の電極間隔は狭くなるような互いに逆の動作を行う２組の容量素子を用意し、両容量素子の静電容量値の差分に基づいて検出値を得るタイプのものが広く普及している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、静電容量型の力検出装置は、容量素子の静電容量値に基づいて電気信号を得る構造を有するため、容量素子を構成する一対の電極の間隔に変化が生じると、何らかの検出信号が得られることになる。このため、予期せぬ機械的な変位要素に基づいて誤検出信号が出力される可能性がある。たとえば、個々のロットごとの個体差によって、各容量素子の電極間隔の厳密な寸法は異なるため、零点調節が不十分であると、検出対象となる力が全く作用していないにもかかわらず、わずかな検出信号が出力されてしまうことになる。あるいは、出荷当初は零点調節されていても、経年変化により零点に狂いが生じる可能性もある。また、機械的構造部分にゴムなどの弾性部材を利用していると、この弾性部材の有する機械的ヒステリシス特性により、検出対象となる力が無くなったにもかかわらず、しばらくの間、検出信号が出力されてしまうような現象も起こり得る。
【０００４】
このような現象は、力検出装置を純然たる測定装置として利用する場合には、測定値の解析時に何らかの対応が可能である。しかしながら、ゲーム用コントローラや小型電子機器などの操作入力を検出する操作量検出装置の用途に利用する場合、操作者の意図どおりの操作量検出を行うことができなくなるため、良好な操作性、応答性を確保することができなくなる。すなわち、操作者が何ら操作入力を行っていないにもかかわらず、誤った操作入力が検出されてしまったり、あるいは、操作者が何らかの操作入力を行った後、既に指を離しているにもかかわらず、操作入力が継続したままの状態になったりする現象が生じるため、入力装置としての操作性や応答性が低下することになる。また、操作入力を検出する装置としては、本来、不感帯領域（いわゆる「遊び」の領域）を設定しておき、所定のしきい値以下の操作量に対しては、検出信号が出力されないようにするのが好ましい。しかしながら、従来の静電容量型の力検出装置では、このような不感帯領域を設定することが困難である。もちろん、出力信号に対して何らかの演算処理を施すことにより、柔軟な操作量検出が可能になるようにすることも可能ではあるが、そのような演算処理回路を付加することは、コストの増加を招くことになり、低コストで量産が可能であるという静電容量型の力検出装置のメリットを損なうことになる。
【０００５】
そこで本発明は、操作入力の検出に適した低コストの静電容量型の操作量検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向への操作量を示すＸ軸操作入力を検出するための操作量検出装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、この上面の中心部に座標系の原点がくるように配置された基板と、
この基板上方のＺ軸を中心とした位置に配置された作用部と、この作用部を周囲から支持し可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲部分を基板に固定する固定部と、を有し、作用部にＸ軸操作入力が加えられたときに作用部がＸ軸に対して傾斜するような変位を生じる起歪体と、
基板上面のＸ軸正方向位置に配置された第１の内側電極と、
基板上面のＸ軸負方向位置に配置された第２の内側電極と、
基板上面のＸ軸正方向位置の第１の内側電極より外側に配置された第１の外側電極と、
基板上面のＸ軸負方向位置の第２の内側電極より外側に配置された第２の外側電極と、
第１の内側電極、第１の外側電極、第２の内側電極、第２の外側電極のそれぞれに対向するように、起歪体下面の変位を生じる位置に形成され、作用部がＸ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第１の外側電極に接触し、作用部がＸ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第２の外側電極に接触するように構成された変位電極と、
この変位電極がいずれかの外側電極と接触したときに、第１の内側電極と変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量を示す第１の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第１の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第２の内側電極と変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量を示す第２の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第２の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第１の静電容量値と第２の静電容量値との差に基づいてＸ軸操作入力についての検出値を出力する検出回路と、
を設け、変位電極がいずれの外側電極とも接触するに至らない程度の小さな操作入力に対しては、検出信号が出力されない不感帯が設定されるようにしたものである。
【０００７】
(2)   本発明の第２の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向への操作量を示すＸ軸操作入力とＹ軸方向への操作量を示すＹ軸操作入力とを検出するための操作量検出装置において、
上面がＸＹ平面に含まれ、この上面の中心部に座標系の原点がくるように配置された基板と、
この基板上方のＺ軸を中心とした位置に配置された作用部と、この作用部を周囲から支持し可撓性をもった可撓部と、この可撓部の周囲部分を基板に固定する固定部と、を有し、作用部にＸ軸操作入力が加えられたときに作用部がＸ軸に対して傾斜するような変位を生じ、作用部にＹ軸操作入力が加えられたときに作用部がＹ軸に対して傾斜するような変位を生じる起歪体と、
基板上面のＸ軸正方向位置に配置された第１の内側電極と、
基板上面のＸ軸負方向位置に配置された第２の内側電極と、
基板上面のＹ軸正方向位置に配置された第３の内側電極と、
基板上面のＹ軸負方向位置に配置された第４の内側電極と、
基板上面のＸ軸正方向位置の第１の内側電極より外側に配置された第１の外側電極と、
基板上面のＸ軸負方向位置の第２の内側電極より外側に配置された第２の外側電極と、
基板上面のＹ軸正方向位置の第３の内側電極より外側に配置された第３の外側電極と、
基板上面のＹ軸負方向位置の第４の内側電極より外側に配置された第４の外側電極と、
第１の内側電極、第１の外側電極、第２の内側電極、第２の外側電極、第３の内側電極、第３の外側電極、第４の内側電極、第４の外側電極のそれぞれに対向するように、起歪体下面の変位を生じる位置に形成され、作用部がＸ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第１の外側電極に接触し、作用部がＸ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第２の外側電極に接触し、作用部がＹ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第３の外側電極に接触し、作用部がＹ軸負方向に向けて所定量だけ傾斜したときに、その一部分が第４の外側電極に接触するように構成された変位電極と、
この変位電極がいずれかの外側電極と接触したときに、第１の内側電極と変位電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量を示す第１の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第１の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第２の内側電極と変位電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量を示す第２の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第２の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第３の内側電極と変位電極とによって構成される第３の容量素子の静電容量を示す第３の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第３の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第４の内側電極と変位電極とによって構成される第４の容量素子の静電容量を示す第４の静電容量値を、変位電極に接触している外側電極と第４の内側電極との間の電気的特性に基づいて測定し、第１の静電容量値と第２の静電容量値との差に基づいてＸ軸操作入力についての検出値を出力し、第３の静電容量値と第４の静電容量値との差に基づいてＹ軸操作入力についての検出値を出力する検出回路と、
を設け、変位電極がいずれの外側電極とも接触するに至らない程度の小さな操作入力に対しては、検出信号が出力されない不感帯が設定されるようにしたものである。
【０００８】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る操作量検出装置において、
基板上の原点近傍位置に、Ｚ軸方向成分を有する押圧力に基づいて動作するスイッチを更に設け、この押圧力からなるスイッチ入力が作用部に加えられたときに、この作用部の変位に基づいてスイッチが動作するようにしたものである。
【０００９】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る操作量検出装置において、
作用部から下方に突出する押圧棒を設け、この押圧棒を介して伝達される押圧力に基づいてスイッチを動作させるようにしたものである。
【００１０】
(5)   本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る操作量検出装置において、
作用部にＸ軸操作入力もしくはＹ軸操作入力が加えられたときに、基板上のスイッチに接触した押圧棒の先端部を支点として、作用部のＸ軸もしくはＹ軸に対する傾斜が生じるように構成したものである。
【００１１】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る操作量検出装置において、
基板上面に、物理的に単一の共通外側電極を配置し、すべての外側電極を、それぞれ共通外側電極の一部によって構成するようにしたものである。
【００１２】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る操作量検出装置において、
すべての内側電極の周囲を取り囲むように配置された単一の環状電極によって共通外側電極を構成するようにしたものである。
【００１３】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る操作量検出装置において、
内側電極と変位電極とが電気的に接触しないように、すべての内側電極の上面に絶縁膜を形成するようにしたものである。
【００１４】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る操作量検出装置において、
起歪体を弾性材料によって構成し、作用部の上面に剛性材料からなる操作体を配置し、この操作体に加えられた力を作用部を介して可撓部へ伝達できるようにしたものである。
【００１５】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第１〜第９の態様に係る操作量検出装置において、
可撓部の厚みを作用部の厚みに比べて薄くすることにより、可撓部に可撓性をもたせる構造にしたものである。
【００１６】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第９の態様に係る操作量検出装置において、
可撓部に溝を形成することにより可撓性をもたせる構造にしたものである。
【００１７】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１〜第１１の態様に係る操作量検出装置において、
変位電極の変位の自由度が作用部もしくは操作体によって制限を受けないように、加えられた力を可撓部へと伝達する機能を果たす部分の外周にくびれ部を形成するようにしたものである。
【００１８】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る操作量検出装置において、
変位電極を弾性材料によって構成し、外側電極もしくは内側電極上の絶縁膜との接触により弾性変形が生じるようにしたものである。
【００１９】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る操作量検出装置において、
変位電極を導電性ゴムまたは導電性エラストマによって構成するようにしたものである。
【００２０】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述の第１３の態様に係る操作量検出装置において、
変位電極を非導電性ゴムまたは非導電性エラストマに導電性インクまたは導電性塗料を塗布してなる構造体によって構成するようにしたものである。
【００２１】
【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。
§１．本発明の基本的な実施形態の構造
【００２２】
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る操作量検出装置の側断面図である。この操作量検出装置は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向への操作量を示すＸ軸操作入力と、Ｙ軸方向への操作量を示すＹ軸操作入力と、Ｚ軸方向成分を有する押圧力からなるスイッチ入力と、を検出する機能を有する。ここで、Ｘ軸操作入力は、Ｘ軸方向に関する符号と操作量とを示す操作入力であり、Ｘ軸負方向の最大値から０を経てＸ軸正方向の最大値までＸ軸に沿って変化する操作量を示す入力であり、Ｙ軸操作入力は、Ｙ軸方向に関する符号と操作量とを示す操作入力であり、Ｙ軸負方向の最大値から０を経てＹ軸正方向の最大値までＹ軸に沿って変化する操作量を示す入力である。実際には、操作者からの操作入力のＸ軸方向成分とＹ軸方向成分とが別個独立して検出されることになる。一方、スイッチ入力は、この実施形態の場合、ＯＮ／ＯＦＦのいずれかの状態を示す操作入力であり、図示の実施形態の場合、定常状態ではＯＦＦ状態を維持しているが、操作者がＺ軸負方向への押圧力を加えることによりＯＮ状態に切り替わる。
【００２３】
この操作量検出装置の基本的な構成要素は、基板１０および起歪体２０、ならびに複数の電極群である。この実施形態では、操作性を向上させるため、起歪体２０の上部にキャップ３０を被せるようにしている。また、起歪体２０の周囲部分は固定部材４０によって、基板１０に固定されている。
【００２４】
基板１０は、平板状の基本構成要素であり、この実施形態の場合、一般的な回路実装用のプリント回路基板を用いている。このように基板１０としてプリント回路基板を用いると、電極や配線を基板１０上に形成することが容易になり、量産に適した操作量検出装置を実現することができる。ここでは、説明の便宜上、この基板１０の上面の中心部に座標系の原点Ｏを定義し、図示のとおり、基板１０の上面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元座標系を定義する。図２は、この基板１０の上面図である。基板１０の中心、すなわち、原点Ｏの位置には、薄型スイッチＳＷが配置されている。この薄型スイッチＳＷは、上方から押し込むような力（Ｚ軸方向成分を有する押圧力）に基づいて動作するスイッチであり、定常状態ではＯＦＦ状態を維持しているが、押圧力が加わるとＯＮ状態に変化する。薄型スイッチＳＷの具体的な構造は、どのようなものを採用してもかまわないが、この実施形態では、金属ドーム５１の変形を利用して動作する機械式スイッチ（構造については後述する）を用いている。
【００２５】
この薄型スイッチＳＷの周囲には、４枚の内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４が形成されており、更にその外側には、円環状の単一の共通外側電極Ｅ１０が形成されている。ここで、第１の内側電極Ｅ１１はＸ軸正方向位置に配置され、第２の内側電極Ｅ１２はＸ軸負方向位置に配置され、第３の内側電極Ｅ１３はＹ軸正方向位置に配置され、第４の内側電極Ｅ１４はＹ軸負方向位置に配置されている。各内側電極はいずれも形状および大きさが同一となっており、原点Ｏから同一距離だけ離れた位置に、Ｘ軸もしくはＹ軸に関して対称となるように配置されている。これは、Ｘ軸操作入力とＹ軸操作入力との感度を等しくし、かつ、両者の干渉を避けるための配慮である。一方、共通外側電極Ｅ１０は、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４の周囲を取り囲むように配置された単一の円環状の電極であり、その中心は原点Ｏに一致する。この共通外側電極Ｅ１０の更に外側に破線で描かれた円は、図１に示されている起歪体２０の外周輪郭位置を示している。
【００２６】
もっとも、本発明の原理上は、共通外側電極Ｅ１０は必ずしも物理的に単一の環状電極によって構成する必要はない。すなわち、原理的には、第１の内側電極Ｅ１１より外側に配置された第１の外側電極と、第２の内側電極Ｅ１２より外側に配置された第２の外側電極と、第３の内側電極Ｅ１３より外側に配置された第３の外側電極と、第４の内側電極Ｅ１４より外側に配置された第４の外側電極と、を基板上に配置すればよい。ただ、後述するように、本発明に用いる検出回路では、これら各外側電極は電気的に等電位になるように接続されるので、実用上は、物理的に独立した４枚の外側電極をそれぞれ配置するよりも、図示のとおり、物理的に単一の共通外側電極Ｅ１０を配置するのが好ましい。
【００２７】
図１の側断面図は、この操作量検出装置をＸＺ平面で切断した断面図に相当する。ただ、図が繁雑になるのを避けるため、この図１（および後述する各側断面図）では、基板１０上に形成された各電極については、その断面部分のみを示し、断面より奥に見える部分についての図示は省略している。また、４枚の内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４の上面には、それぞれ絶縁膜Ｒが形成されている（図２の上面図においては、絶縁膜Ｒの図示は省略されている）。この絶縁膜Ｒは、ある程度の抵抗をもった一般的なレジスト層によって構成すればよい。
【００２８】
一方、起歪体２０にキャップ３０を被せてなる構造体の上面を図３に示し、下面を図４に示す。図３に示すように、この構造体は円形をなし、実際には、図２の破線位置に配置された状態において、固定部材４０によって基板１０側に固定される。図１に示されているとおり、起歪体２０は、中心に位置する作用部２１と、その周囲に位置する可撓部２２と、更にその周囲に位置する固定部２３と、によって構成されている。作用部２１は、基板１０の上方のＺ軸を中心とした位置に配置された円柱状の部分であり、この作用部２１の上面および側面にキャップ３０が嵌め込まれている。可撓部２２は、この作用部２１を周囲から支持する肉薄のワッシャ状の部分であり、十分な可撓性を有している。固定部２３は、この可撓部２２の周囲部分を基板１０に固定するためのものであり、円環状の形態をなす部分である。
【００２９】
図４の下面図に示されているとおり、起歪体２０の下面（作用部２１の外側部分および可撓部２２の内側部分）には、ワッシャ状の変位電極Ｅ２０が配置されている。この変位電極Ｅ２０は、図１の側断面図に示されているとおり、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、共通外側電極Ｅ１０とのそれぞれに対向するような形状および大きさを有しており、起歪体２０下面の変位を生じる位置に形成されている。その結果、第１の内側電極Ｅ１１と変位電極Ｅ２０の一部分とによって第１の容量素子Ｃ１１が形成され、第２の内側電極Ｅ１２と変位電極Ｅ２０の一部分とによって第２の容量素子Ｃ１２が形成され、第３の内側電極Ｅ１３と変位電極Ｅ２０の一部分とによって第３の容量素子Ｃ１３が形成され、第４の内側電極Ｅ１４と変位電極Ｅ２０の一部分とによって第４の容量素子Ｃ１４が形成されることになる。各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４の上面に形成された絶縁膜Ｒは、各内側電極と変位電極Ｅ２０とが電気的に接触しないようにする機能を果たしている。
【００３０】
キャップ３０は、その本体として機能する操作体３１と、この操作体３１の中心位置から下方へと伸びた押圧棒３２と、によって構成されており、作用部２１に接着されている。作用部２１の中心位置（Ｚ軸に沿った部分）には、押圧棒３２を挿通するための貫通孔が形成されており、押圧棒３２は作用部２１の下面から更に下方へと突出している。図４の下面図には、この押圧棒３２が、変位電極Ｅ２０の中心部を突き抜けている状態が明瞭に示されている。
【００３１】
この実施形態では、起歪体２０を弾性材料（具体的には、たとえば、ゴム）によって構成し、キャップ３０を剛性材料（具体的には、たとえば、プラスチック）によって構成している。起歪体２０は、少なくとも可撓部２２の部分が力検出に必要な可撓性を有していればよいので、全体を弾性材料で構成する必要はないが、製造コストを低減させる上では、この実施形態のように、起歪体２０全体をゴムなどの弾性材料で構成し、可撓部２２の部分の厚みを作用部２１の部分の厚みに比べて薄くすることにより、必要な可撓性を確保できるような構造にするのが好ましい。また、原理的には、剛性材料からなるキャップ３０は必ずしも必要ではないが、実用上は、起歪体２０を弾性材料によって構成した場合、剛性材料からなるキャップ３０を設けるのが好ましい。操作者は剛性材料からなる操作体３１の部分を指で操作することになるので、より確実な操作感が得られることになる。操作体３１に加えられた力は、作用部２１を介して可撓部２２へと伝達される。
【００３２】
図３におけるキャップ３０上に示されたＸ印のマークＰ０，Ｐ１１〜Ｐ１４は、操作者からの操作入力が加わる位置の一例を示したものである。操作者は、位置Ｐ０に指を置いて押し込むような操作を加えればスイッチ入力を行うことができ、位置Ｐ１１に指を置いて押し込むような操作を加えればＸ軸正方向への操作入力を行うことができ、位置Ｐ１２に指を置いて押し込むような操作を加えればＸ軸負方向への操作入力を行うことができ、位置Ｐ１３に指を置いて押し込むような操作を加えればＹ軸正方向への操作入力を行うことができ、位置Ｐ１４に指を置いて押し込むような操作を加えればＹ軸負方向への操作入力を行うことができる。ここで、位置Ｐ０に指を置いたスイッチ入力は、薄型スイッチＳＷをＯＮ状態とする入力になり（いわゆるクリック動作）、位置Ｐ１１〜Ｐ１４に指を置いた操作入力は、所定方向への所定の操作量の入力になる（より大きな力を加えれば、より大きな操作量が入力される）。もちろん、操作者が指で操作する位置は、図３のＸ印の位置に限定されるわけではなく、キャップ３０の任意の位置に操作力を加えることが可能である。たとえば、位置Ｐ１１と位置Ｐ１３との中間あたりに操作力を加えれば、Ｘ軸正方向の操作量とＹ軸正方向の操作量とを同時に入力したことになる。また、操作者は、キャップ３０全体を指で摘んで、上述した種々の操作入力と同等の操作入力を加えることも可能である。
【００３３】
この操作量検出装置の特徴は、作用部２１に対して、Ｘ軸正方向への操作入力（位置Ｐ１１を指で押したのと同等の操作入力）が加えられたときに、作用部２１がＸ軸正方向へ傾斜するような変位を生じ、Ｘ軸負方向への操作入力（位置Ｐ１２を指で押したのと同等の操作入力）が加えられたときに、作用部２１がＸ軸負方向へ傾斜するような変位を生じ、Ｙ軸正方向への操作入力（位置Ｐ１３を指で押したのと同等の操作入力）が加えられたときに、作用部２１がＹ軸正方向へ傾斜するような変位を生じ、Ｙ軸負方向への操作入力（位置Ｐ１４を指で押したのと同等の操作入力）が加えられたときに、作用部２１がＹ軸負方向へ傾斜するような変位を生じるようになっている点である。これは、可撓部２２が可撓性を有し、作用部２１が操作入力に応じて変位を生じるためである。
【００３４】
§２．本発明の基本的な実施形態の動作
続いて、§１で述べた操作量検出装置の動作を説明する。この操作量検出装置は、ＯＮ／ＯＦＦスイッチの状態を検出するスイッチとしての機能と、Ｘ軸およびＹ軸に関する操作入力を検出する二次元力センサとしての機能と、の双方を備えた装置である。
【００３５】
まず、スイッチとしての機能は、薄型スイッチＳＷの動作によって実現される。すなわち、図５の側断面図に示されているように、操作者がＺ軸負方向成分Ｆ０を含む押圧力を操作体３１に対して加えると、可撓部２２が撓むことにより、作用部２１が図の下方（Ｚ軸負方向）に変位することになる。すると、押圧棒３２の先端から薄型スイッチＳＷに対して押圧力が加わり、薄型スイッチＳＷがＯＮ状態に切り替わる。薄型スイッチＳＷとしては、どのような構造のスイッチを用いてもかまわないが、この実施形態では、図６(a) の側断面図に示すような構造をもった薄型スイッチＳＷを用いている。すなわち、薄型スイッチＳＷの筐体５０内には、椀を伏せた形状をした金属ドーム５１が配置されており、基板１０の上面側には、接触用電極５２が形成されている。スイッチの筐体５０の上面には、開口窓が形成されており、金属ドーム５１の一部が露出した状態となっている。図６には示されていないが、この金属ドーム５１の上方に押圧棒３２の先端部が位置することになる。押圧棒３２を介して、Ｚ軸負方向成分Ｆ０を含む押圧力が加えられると、図６(b) に示すように、金属ドーム５１の中心部分が反転し、接触用電極５２に接触した状態となる。したがって、金属ドーム５１と接触用電極５２との間の導通状態に基づいて、薄型スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態が検出できる。
【００３６】
続いて、二次元力センサとしての機能を説明しよう。ここでは、図３に示す位置Ｐ１１を指で押し込むようなＸ軸正方向への操作入力が加えられた場合を例にとって説明を行うことにする。図７は、このようなＸ軸正方向への操作入力に相当する力Ｆ１１が加えられたときの起歪体２０の変形状態を示す側断面図である。図示のとおり、力Ｆ１１により可撓部２２が撓み、作用部２１がＸ軸正方向に向けて傾斜することになる。このとき、力Ｆ１１がある程度以上の大きさであれば、押圧棒３２の先端部が薄型スイッチＳＷに対して押圧力を加えて薄型スイッチＳＷがＯＮ状態となり、この押圧棒３２の先端部が支点として機能することにより、図示のとおり、第１の容量素子Ｃ１１（第１の内側電極Ｅ１１と変位電極Ｅ２０の対向部分とによって構成される容量素子）の電極間隔は狭くなり、逆に、第２の容量素子Ｃ１２（第２の内側電極Ｅ１２と変位電極Ｅ２０の対向部分とによって構成される容量素子）の電極間隔は広くなる。その結果、第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値Ｃ１１は増加し、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値Ｃ１２は減少する。したがって、静電容量値Ｃ１１，Ｃ１２の差をとれば、この差は、作用部２１のＸ軸方向への傾斜量を示すことになる。
【００３７】
逆に、図３に示す位置Ｐ１２を指で押し込むようなＸ軸負方向への操作入力が加えられた場合は、図７における左右を逆にした状態となり、第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値Ｃ１１は減少し、第２の容量素子Ｃ１２の静電容量値Ｃ１２は増加する。したがって、静電容量値Ｃ１１，Ｃ１２の差をとれば、この差の符号は逆転する。結局、静電容量値Ｃ１１，Ｃ１２の差の符号は、加えられたＸ軸操作入力の符号（Ｘ軸正方向への操作入力か、Ｘ軸負方向への操作入力か）を示し、差の絶対値は、加えられたＸ軸操作入力の操作量を示すことになる。同様に、Ｙ軸操作入力（図３に示す位置Ｐ１３あるいはＰ１４を指で押し込むような操作入力）の符号および操作量は、第３の容量素子Ｃ１３の静電容量値Ｃ１３と第４の容量素子Ｃ１４の静電容量値Ｃ１４との差によって検出することができる。
【００３８】
なお、ここでは、Ｘ軸操作入力あるいはＹ軸操作入力が与えられたときに、Ｘ軸上あるいはＹ軸上に配置された一対の容量素子の静電容量値の一方が増加し、他方が減少する、というケースを示したが、場合によっては、一対の容量素子の静電容量値が双方ともに増加する、というケースもありうる。たとえば、押圧棒３２が変形する材質から構成されており、力Ｆ１１を加えることにより長さ方向に収縮するような場合、力Ｆ１１の作用により全容量素子の電極間隔が狭くなり、全容量素子の静電容量値が増加する。あるいは、§３の変形例(5) で述べるように、押圧棒３２自身を省略した実施形態の場合も、力Ｆ１１の作用により全容量素子の静電容量値が増加することになる。ただ、このように全容量素子の静電容量値が増加するような場合であっても、Ｘ軸上あるいはＹ軸上に配置された一対の容量素子の静電容量値の差によって、Ｘ軸操作入力あるいはＹ軸操作入力を検出できる点については変わりはない。たとえば、図３に示す位置Ｐ１１を指で押し込むようなＸ軸正方向への操作入力が加えられ、全容量素子の電極間隔が狭くなったとしても、第１の容量素子Ｃ１１の電極間隔の変化は、第２の容量素子Ｃ１２の電極間隔の変化よりも大きくなるので、静電容量値Ｃ１１，Ｃ１２の双方が増加したとしても、静電容量値Ｃ１１の増加分は静電容量値Ｃ１２の増加分よりも大きくなる。したがって、Ｘ軸正方向への操作入力は、静電容量値の差（Ｃ１１−Ｃ１２）により検出することができる。
【００３９】
実際には、図８に示すような検出回路を用意しておき、Ｘ軸操作入力およびＹ軸操作入力の検出を行うようにすればよい。ここで、Ｃ／Ｖ変換回路６１〜６４は、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を電圧値Ｖ１１〜Ｖ１４に変換する回路であり、差分回路６５，６６は、各電圧値の差を出力する回路である。すなわち、差分回路６５が出力端子Ｔｘに出力する信号は、電圧値Ｖ１１とＶ１２との差であり、静電容量値Ｃ１１とＣ１２との差を示す信号ということになる。これは、Ｘ軸操作入力を示す信号である。同様に、差分回路６６が出力端子Ｔｙに出力する信号は、電圧値Ｖ１３とＶ１４との差であり、静電容量値Ｃ１３とＣ１４との差を示す信号ということになる。これは、Ｙ軸操作入力を示す信号である。
【００４０】
このように、２組の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力の方向および量を検出する手法は、既に従来の容量式力検出装置で利用されている技術である。本発明の特徴は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値の検出を行うために、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、これに対向する変位電極Ｅ２０との間の静電容量値を直接測定する代わりに、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、共通外側電極Ｅ１０との間の静電容量値を測定する点にある。たとえば、Ｘ軸正方向への操作入力の操作量がある程度大きい場合、図７に示すように、作用部２１がＸ軸正方向に向けて所定量だけ傾斜し、変位電極Ｅ２０の一部が共通外側電極Ｅ１０の一部に接触することになる。したがって、この状態では、共通外側電極Ｅ１０と変位電極Ｅ２０とが導通状態となっており、第１の内側電極Ｅ１１と共通外側電極Ｅ１０との間の静電容量は、第１の容量素子Ｃ１１の静電容量値Ｃ１１を示すことになる。結局、Ｘ軸正方向の操作入力、Ｘ軸負方向の操作入力、Ｙ軸正方向の操作入力、Ｙ軸負方向の操作入力のいずれの操作入力があったとしても、その操作量が所定のしきい値以上であれば、変位電極Ｅ２０と共通外側電極Ｅ１０とがいずれかの箇所で接触した状態になるので、共通外側電極Ｅ１０と各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間の電気的特性を測定することにより、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を求めることが可能になり、各操作入力の検出が可能になる。
【００４１】
別言すれば、図８に示す回路において、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４として描かれている一方の電極はそれぞれ内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４であるが、もう一方の電極は、本来、容量素子の対向電極となるべき変位電極Ｅ２０ではなく、基板１０側に形成された共通外側電極Ｅ１０ということになる。したがって、図８に示す検出回路が、本来の検出処理を実行するためには、変位電極Ｅ２０と共通外側電極Ｅ１０とがいずれかの箇所で接触し、電気的に導通状態となっていることが前提となる。一般的には、共通外側電極Ｅ１０を接地電位に接続しておくようにし、変位電極Ｅ２０と共通外側電極Ｅ１０とが接触した場合に、変位電極Ｅ２０が接地電位となるような構成にしておけばよい。
【００４２】
なお、ここに示す実施形態では、物理的に単一の共通外側電極Ｅ１０を設けるようにしているが、その代わりに、各内側電極の外側にそれぞれ別個独立した外側電極を設けた場合であれば、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、変位電極Ｅ２０に接触状態となったいずれかの外側電極と、の間の電気的特性を測定することにより、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の静電容量値を求めることが可能になり、各操作入力の検出が可能になる。この場合、一般的には、個々の外側電極をいずれも接地電位に接続しておくようにし、変位電極Ｅ２０がいずれかの外側電極と接触した場合に、変位電極Ｅ２０が接地電位となるような構成にしておけばよい。
【００４３】
このように、各容量素子を構成する対向電極間の電気的特性を直接測定する代わりに、基板１０側に設けられた内側電極と外側電極との間の電気的特性を測定するようにする１つのメリットは、電極に対する配線が基板１０側だけですむという点である。図示の実施形態の場合、各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と共通外側電極Ｅ１０とに対して、基板１０上で配線を行えば、変位電極Ｅ２０に対する配線は不用になる。基板１０をプリント基板によって構成しておけば、基板１０上における配線は非常に容易に行うことができ、量産を行う上では極めて実用的である。
【００４４】
もっとも、本発明のより本質的かつ重大なメリットは、上述した配線を行う上のメリットではなく、ゲーム用コントローラや小型電子機器などの操作入力を検出する用途に利用する場合に、良好な操作性、応答性を確保できるという点にある。たとえば、図１に示す状態を考えてみよう。この状態は、操作者からの操作入力が全く行われていない状態である。この状態では、もちろん、薄型スイッチＳＷはＯＦＦ状態を維持している。しかも、この状態においては、図８の出力端子Ｔｘ，Ｔｙには、何ら有意な信号出力が現れない。なぜなら、この状態では、共通外側電極Ｅ１０と変位電極Ｅ２０とは接触していないため、図８の回路図は不完全な状態となり、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の容量値が各Ｃ／Ｖ変換回路６１〜６４において検出されないためである。もちろん、基板１０側に形成された各内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、共通外側電極Ｅ１０との間にも、微小な静電容量値が存在することになり、その他、基板１０上の配線による寄生容量なども存在するため、厳密に言えば、図１に示す状態においても、Ｃ／Ｖ変換回路６１〜６４からは、何らかの検出電圧が出力されることになるが、これらの検出電圧は本来の検出電圧に比べて微小なものであり実用上は無視できる。
【００４５】
このように、図１に示す状態において、「出力端子Ｔｘ，Ｔｙには有意な信号出力が現れない」ということは、「零点調節を行う必要がない」ということを意味する。通常、このような操作量検出装置を量産した場合、機械的な加工精度上の問題により、個々のロットごとに個体差が生じ、各容量素子の電極間隔の厳密な寸法は異なってしまう。このため、従来の容量式操作量検出装置のように、各容量素子を構成する対向電極間の電気的特性を直接測定する方法を採った場合は、何ら操作入力が加えられていない状態でも、個々の装置ごとに何らかの検出出力が出てしまう可能性があり、何らかの方法で零点調節を行う必要が生じる。本発明に係る操作量検出装置では、変位電極Ｅ２０に対する直接的な配線は行われていないため、図１に示す状態では、変位電極Ｅ２０は電気的な浮遊状態となり、静電容量値の有意な検出値は出力されない。このため、本発明に係る装置では、製品出荷時においても、また、経年変化が生じた場合にも、零点調節は不用になる（上述したように、実際には、配線などに基づく寄生容量が存在するため、厳密な意味では、機械的な要因に基づく零点調節は不用であるが、電気的な要因に基づく零点調節は必要である）。
【００４６】
また、図５に示す状態においても、共通外側電極Ｅ１０と変位電極Ｅ２０とは接触していないため、出力端子Ｔｘ，Ｔｙには有意な信号出力は現れない。この図５に示す状態は、操作者が図３の位置Ｐ０に指をおいて、操作体３１を基板１０側へと押し込むスイッチ入力（いわゆるクリック操作）を行ったときの状態である。この操作により、薄型スイッチＳＷがＯＮ状態となり、スイッチ入力は検出されるものの、Ｘ軸操作入力やＹ軸操作入力が検出されることはない。このような特性は、ゲーム用コントローラや小型電子機器などの操作入力を検出する用途に利用する場合に、非常に有利である。通常、操作者が位置Ｐ０に対して押圧操作を行った場合、加えられた押圧力の主要成分はＺ軸方向成分Ｆ０であったとしても、必ずＸ軸方向成分やＹ軸方向成分も含まれていることになる。人間の行う操作であるから、Ｚ軸方向成分Ｆ０のみしか含まないような押圧力を作用させることは実質的に不可能である。特に、いわゆる「ダブルクリック操作」のように、短時間に２回続けてスイッチ入力を行うような場合、必ずＸ軸方向成分やＹ軸方向成分も含まれてしまう。従来の容量式操作量検出装置では、各容量素子を構成する対向電極間の電気的特性が直接測定されるため、このようなクリック操作やダブルクリック操作に対しても、Ｘ軸操作入力やＹ軸操作入力が検出されてしまうことになる。これは、操作者がスイッチ入力（クリック操作）だけを行ったと意識しているにもかかわらず、Ｘ軸あるいはＹ軸への操作量が現れてしまう結果となり、操作者の立場からの操作性を低下させる要因になる。本発明に係る操作量検出装置では、このようなスイッチ入力に対しては、Ｘ軸あるいはＹ軸への有意な操作量が現れることはないため、操作者の立場からの操作性が向上することになる。
【００４７】
別言すれば、本発明に係る操作量検出装置では、Ｘ軸操作入力やＹ軸操作入力に関して不感帯が設けられていることになり、共通外側電極Ｅ１０と変位電極Ｅ２０とがいずれかの箇所で接触する程度の大きさの操作量が加えられない限り、有意な操作量出力は現れないことになる。これは、たとえば、本発明に係る操作量検出装置を、ゲームコントローラ用のジョイスティックとして利用した場合、操作体３１の操作に遊びが生まれることになり、操作性の向上を図ることが可能になる。従来の操作量検出装置の場合、このような遊び（不感帯）を設定するためには、出力信号に対して何らかの信号処理を施したり、ソフトウエア的に何らかの演算処理を施す必要があったが、本発明に係る操作量検出装置の場合、特別な信号処理や演算処理を施す必要はない。
【００４８】
また、本発明に係る操作量検出装置のもつ上述の特性は、機械的構造部分にゴムなどの弾性材料を利用していた場合の機械的ヒステリシス特性に基づく応答性の低下を防ぐ意味でも有用である。たとえば、上述の実施形態では、起歪体２０をゴムなどの弾性材料によって構成しているが、このような弾性材料には、機械的ヒステリシス特性が備わっており、外力が無くなった場合でも、直ちに元の状態に復帰することはない。たとえば、図７に示すように、Ｘ軸正方向への操作入力を加えた後、操作者が指を離したとすると、変形していた起歪体２０は元の状態へと復帰することになるが、図１に示すような元の状態にまで直ちに復帰できるわけではない。このため、従来の操作量検出装置では、操作者が指を離した後も、しばらく操作量が出力され続けることになり、操作者の立場からの応答性を低下させる要因になる。本発明に係る操作量検出装置では、共通外側電極Ｅ１０と変位電極Ｅ２０とが非接触状態になった時点で、有意な操作量出力は消滅することになるので、操作者の立場からの応答性が向上することになる。
【００４９】
§３．本発明の変形例に係る実施形態
続いて、本発明のいくつかの変形例を示す。
【００５０】
(1)   くびれ部を有する変形例
図９は、図１に示す操作量検出装置の変形例を示す側断面図である。この操作量検出装置は、基板１０Ａ、起歪体２０Ａ、キャップ３０Ａ、固定部材４０Ａから構成されている。基板１０Ａは、図１に示す基板１０と全く同様の構成要素であり、その上面には、絶縁膜Ｒで覆われた４枚の内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、共通外側電極Ｅ１０と、薄型スイッチＳＷとが配置されている。固定部材４０Ａも、図１に示す固定部材４０と全く同様の構成要素であり、起歪体２０Ａを基板１０Ａ上に固定する機能を果たす。また、起歪体２０Ａの下面に形成された変位電極Ｅ２０も、図１に示す変位電極Ｅ２０と全く同一のものである。
【００５１】
起歪体２０Ａおよびキャップ３０Ａは、図１に示す操作量検出装置の起歪体２０とほぼ同じ構成要素であるが、その外周部分にくびれ部Ｖが形成されている点だけが異なっている。すなわち、起歪体２０Ａは、作用部２１Ａ，可撓部２２Ａ，固定部２３Ａによって構成されているが、作用部２１Ａの下部にはくびれ部Ｖが形成されており、上半分の直径に比べて下半分の直径の方が小さくなっている。その結果、可撓部２２Ａ（肉厚の薄い部分）は、図１の可撓部２２に比べてより広い領域に跨がっている。キャップ３０Ａは、操作体３１Ａと押圧棒３２Ａによって構成されている。操作体３１Ａの側面部は、図１の操作体３１の側面部に比べて、くびれ部Ｖに相当する部分だけ短くなっている。
【００５２】
この変形例におけるくびれ部Ｖは、変位電極Ｅ２０の変位の自由度が作用部２１Ａもしくは操作体３１Ａによって制限を受けないようにする働きをする。たとえば、図１０に示すように、操作体３１Ａに対して、Ｘ軸正方向への操作入力に相当する力Ｆ１１が加えられると、図示のとおり、押圧棒３２Ａの先端を支点として作用部２１Ａが傾斜して、変位電極Ｅ２０の図の右端部分が共通外側電極Ｅ１０に接触した状態になる。このとき、第１の内側電極Ｅ１１と変位電極Ｅ２０との距離（容量素子Ｃ１１の電極間隔）は狭くなり、第２の内側電極Ｅ１２と変位電極Ｅ２０との距離（容量素子Ｃ１２の電極間隔）は広くなり、図８の検出回路における出力端子Ｔｘに電圧（Ｖ１１−Ｖ１２）に相当する検出信号が出力されることは、図１に示す操作量検出装置と同様である。
【００５３】
ところが、このくびれ部Ｖを有する実施形態の場合、図１１に示すように、操作体３１Ａに対して、更に強い力Ｆ１１＊が加えられると、図示のとおり、可撓部２２Ａの図の右側部分が更に変形し、この部分に関する変位電極Ｅ２０の基板１０Ａに対する密着度が更に高まっており（図示の例では、変位電極Ｅ２０の右側部分は、第１の内側電極Ｅ１１の上面に形成された絶縁膜Ｒに完全に密着した状態になっている）、容量素子Ｃ１１の電極間隔は更に狭い状態となっている。したがって、この実施形態の場合、図１０に示す状態から出力端子Ｔｘに有意な検出出力が得られ始め、力Ｆ１１を力Ｆ１１＊にまで強めてゆくと、図１１に示す状態になるまで容量素子Ｃ１１の電極間隔が徐々に狭くなってゆき、出力端子Ｔｘに得られる検出信号が増加しつづけることになる。もちろん、図１に示す実施形態の場合でも、力Ｆ１１を加えると図７に示す状態へと変化し、この状態から更に力Ｆ１１を強めてゆくと、容量素子Ｃ１１の電極間隔が更に狭くなってゆく、という点については同じである。しかしながら、図７に示すように、変位電極Ｅ２０の一部は作用部２１の領域に形成されており、変位電極Ｅ２０の変位の自由度は作用部２１もしくは操作体３１によって制限されてしまうため、変位電極Ｅ２０の基板１０に対する密着度は、図１１に示す実施形態ほどは高まらない。
【００５４】
要するに、図９に示す実施形態は、図１に示す基本的な実施形態に係る操作量検出装置において、操作体３１に加えられた力を可撓部２２へと伝達する機能を果たす部分の外周にくびれ部Ｖを形成したものになる。このくびれ部Ｖの形成により、変位電極Ｅ２０の変位の自由度が作用部２１もしくは操作体３１によって制限を受けないようにすることができる。これにより、変位電極Ｅ２０の基板に対する密着度の範囲が広がり、結果的に、操作量を検出することが可能なダイナミックレンジを広げることが可能になる。
【００５５】
(2)   可撓部に溝を形成した変形例
図１２は、図１に示す操作量検出装置の別な変形例を示す側断面図である。この操作量検出装置は、基板１０Ｂ、起歪体２０Ｂ、キャップ３０Ｂ、固定部材４０Ｂから構成されている。基板１０Ｂは、図１に示す基板１０と全く同様の構成要素であり、その上面には、絶縁膜Ｒで覆われた４枚の内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、共通外側電極Ｅ１０と、薄型スイッチＳＷとが配置されている。固定部材４０Ｂも、図１に示す固定部材４０と全く同様の構成要素であり、起歪体２０Ｂを基板１０Ｂ上に固定する機能を果たす。また、起歪体２０Ｂの下面に形成された変位電極Ｅ２０も、図１に示す変位電極Ｅ２０と全く同一のものである。
【００５６】
起歪体２０Ｂおよびキャップ３０Ｂは、図１に示す操作量検出装置の起歪体２０とほぼ同じ構成要素であるが、キャップ３０Ｂの下側部分にはくびれ部Ｖが形成されている。また、起歪体２０Ｂは、作用部２１Ｂ，可撓部２２Ｂ，固定部２３Ｂによって構成されているが、可撓部２２Ｂの上面には溝Ｇが形成されている。図１に示す操作量検出装置の場合、可撓部２２は肉厚を薄くすることにより必要な可撓性を確保していたが、ここに示す操作量検出装置の場合、可撓部２２Ｂに溝Ｇを形成することにより可撓性をもたせる構造としている。キャップ３０Ｂは、操作体３１Ｂと、力伝達体３１ＢＢと、押圧棒３２Ｂと、によって構成されている。力伝達体３１ＢＢの径は、その周囲にくびれ部Ｖを形成するため、操作体３１Ｂの径よりも小さくなっている。このくびれ部Ｖの存在により、可撓部２２Ｂの変形の自由度、すなわち、変位電極Ｅ２０の変位の自由度が高まり、操作量を検出することが可能なダイナミックレンジが広がるメリットが得られる点は、前述の変形例(1) と同様である。
【００５７】
また、図１２に示す操作量検出装置では、操作体３１Ｂの上面がほぼ球面状となっており、操作者による操作入力の与え方が若干異なっている。すなわち、図１に示す基本的な実施形態では、操作者は図３に示すキャップ３０の上面の所望の位置に、押し込むような押圧力（ほぼ、Ｚ軸方向に沿った力）を加えるような操作入力を行うことになるが、図１２に示す実施形態では、操作者は、通常、操作体３１Ｂを斜めに倒すような力（Ｚ軸方向成分に、Ｘ軸あるいやＹ軸方向成分を合成した力）を加えるような操作入力を行うことになる。このように、本発明における操作入力とは、操作者が、ある特定の座標軸方向への操作量と認識しながら、操作体あるいは作用部に対して加える入力を指しており、操作者によって加えられる物理的な力そのものを指しているわけではない。たとえば、「Ｘ軸正方向への操作入力」と言った場合、図１に示す実施形態の場合であれば、図３に示されている位置Ｐ１１に対して下方への押圧力（−Ｚ方向の力）を加える操作になり、図１２に示す実施形態の場合であれば、操作体３１Ｂを図の斜め右下方向に倒すような力（−Ｚ方向の力と＋Ｘ方向の力との合成力）を加える操作になる。
【００５８】
(3)   一次元操作入力のみを検出する変形例
これまで述べてきた実施形態は、いずれも、薄型スイッチＳＷを利用したスイッチ入力と、４組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を利用したＸ軸およびＹ軸の二次元操作入力と、を検出する操作量検出装置であった。一般に、ゲームコントローラやパソコンなどの入力装置として利用する場合には、このような二次元操作入力機能をもった操作量検出装置が必要になるが、携帯電話や小型電子機器の入力装置として利用する場合には、一次元操作入力の機能があれば十分なことも少なくない。そのような場合には、薄型スイッチＳＷを利用したスイッチ入力と、２組の容量素子Ｃ１１，Ｃ１２を利用したＸ軸操作入力と、を検出する操作量検出装置を用いれば十分である。
【００５９】
図１３は、このような操作量検出装置の一例を示す側断面図である。この操作量検出装置は、基板１０Ｃ、起歪体２０Ｃ、キャップ３０Ｃ、固定部材４０Ｃから構成されている。基板１０Ｃは、図１に示す基板１０とほぼ同様の構成要素であるが、その上面の電極構成が若干異なっている。図１４は、この電極構成を示す平面図である。図示のとおり、原点Ｏの位置に薄型スイッチＳＷが配置されている点は、これまでの実施形態と同様であるが、電極構成は、Ｘ軸上に配置された４枚の電極ＥＥ１１〜ＥＥ１４のみである。ここで、第１の内側電極ＥＥ１１および第２の内側電極ＥＥ１２は、それぞれ容量素子Ｃ１１および容量素子Ｃ１２を形成するための一方の電極であり、実際には、その上面は絶縁膜Ｒによって覆われている（図１３の側断面図参照）。一方、第１の外側電極ＥＥ１３および第２の外側電極ＥＥ１４は、それぞれ第１の内側電極ＥＥ１１および第２の内側電極ＥＥ１２の外側位置に配置された電極であり、起歪体２０Ｃ側に形成された変位電極ＥＥ２０と電気的に接触をとるための電極である。これまで述べてきた実施形態では、４枚の内側電極Ｅ１１〜Ｅ１４のそれぞれについて別個の外側電極を設ける代わりに、円環状の共通外側電極Ｅ１０を１枚だけ配置するようにしていたが、一次元操作入力のみを検出する操作量検出装置の場合、電極はＸ軸上に配置するだけですむので、図１４に示す例のように、それぞれ別個の外側電極ＥＥ１３，ＥＥ１４を設けた方が、配置スペースを節約することができ、装置全体の小型化が図れる。
【００６０】
起歪体２０Ｃ，キャップ３０Ｃ，固定部材４０Ｃは、これまでの実施形態とほぼ同じである。起歪体２０Ｃは、作用部２１Ｃ，可撓部２２Ｃ，固定部２３Ｃによって構成されており、固定部材４０Ｃによって固定部２３Ｃが基板１０Ｃ上に固定されている。可撓部２２Ｃは、肉厚を薄くすることにより可撓性をもたせている。ただ、この操作量検出装置では、Ｙ軸方向に関する検出が不用なため、起歪体２０Ｃおよびキャップ３０Ｃは円形にする必要はなく、Ｘ軸方向に細長い形状のものを用いれば十分である。作用部２１Ｃの下面に形成された変位電極ＥＥ２０も、中央部に押圧棒３２Ｃを挿通するための開口部を有する矩形形状の電極を用意すれば足りる。あるいは、図１４において、右側の電極ＥＥ１１，ＥＥ１３の上方に位置する右側電極と、左側の電極ＥＥ１２，ＥＥ１４の上方に位置する左側電極と、を設け、この右側電極と左側電極とを配線で接続したものを、変位電極として用いてもかまわない。また、作用部２１Ｃの変位の自由度は、Ｘ軸方向に関して傾斜するだけで十分である。図示の例では、操作体３１Ｃの上面は、指で操作しやすいように、Ｘ軸に沿って湾曲した形状となっている。
【００６１】
この操作量検出装置の動作原理は、これまで述べた実施形態におけるＸ軸操作入力の検出原理と全く同様である。すなわち、操作体３１Ｃを真下に押し込むようなスイッチ入力は、薄型スイッチＳＷがＯＮ状態に切り替わることにより検出できる。また、操作体３１ＣをＸ軸方向に傾斜させるような操作入力は、第１の内側電極ＥＥ１１と変位電極ＥＥ２０とによって構成される第１の容量素子Ｃ１１と、第２の内側電極ＥＥ１２と変位電極ＥＥ２０とによって構成される第２の容量素子Ｃ１２と、の静電容量値を測定することにより検出できる（実際の測定は、変位電極ＥＥ２０の代わりに、いずれかの外側電極ＥＥ１３，ＥＥ１４が用いられる）。このような検出は、図８の上半分の検出回路（電極Ｅ１０の代わりに、電極ＥＥ１３，ＥＥ１４が用いられる）によって行われ、出力端子Ｔｘに検出信号が得られることになる（下半分の検出回路は不用）。第１の外側電極ＥＥ１３と第２の外側電極ＥＥ１４とは、物理的には別個独立した電極であるが、実際の検出回路上では、両者を同電位（たとえば、接地電位）に接続し、電気的に導通した状態とするのが好ましい。
【００６２】
ここで、図１５の側断面図に示されているように、操作体３１ＣをＸ軸正方向に傾斜させるような、ある程度の大きさの操作入力が与えられた場合を考えてみよう。この場合、第１の外側電極ＥＥ１３と変位電極ＥＥ２０とが接触し、第１の容量素子Ｃ１１の容量値と第２の容量素子Ｃ１２の容量値との差に相当する有意な検出信号が、出力端子Ｔｘに得られることになる。逆に、操作体３１ＣをＸ軸負方向に傾斜させるような、ある程度の大きさの操作入力が与えられると、第２の外側電極ＥＥ１４と変位電極ＥＥ２０とが接触し、やはり、第１の容量素子Ｃ１１の容量値と第２の容量素子Ｃ１２の容量値との差（符号は前述の場合と逆になる）に相当する有意な検出信号が、出力端子Ｔｘに得られる。
【００６３】
(4)   くびれ部を設けた一次元操作量検出装置
図１６に示す変形例は、上述した変形例(3) において、更にくびれ部Ｖを形成した実施形態である。変形例(3) との相違は、キャップ３０Ｃをキャップ３０Ｄに交換した点だけである。変形例(3) の場合も、図１３に示されているように、操作体３１Ｃと作用部２１Ｃとの接続部分には若干のくびれ部が形成されているが、図１６に示す例では、操作体３１Ｄと作用部２１Ｃとの間には、かなり大きなくびれ部Ｖが形成されており、操作体３１Ｄと作用部２１Ｃとは、力伝達体３１ＤＤの部分においてのみ接合されている。このように、操作体３１Ｄに加えられた力を可撓部２２Ｃへと伝達する機能を果たす部分（力伝達体３１ＤＤ）の外周にくびれ部Ｖを形成することにより、変位電極ＥＥ２０の変位の自由度が作用部２１Ｃもしくは操作体３１Ｄによって制限を受けないようにすることができ、上述したように、操作量検出のダイナミックレンジが広がるメリットが得られる。
【００６４】
(5)   その他の変形例
以上、本発明をいくつかの実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可能である。たとえば、上述の実施形態では、いずれも基板上に薄型スイッチＳＷを配置し、ＯＮ／ＯＦＦ状態を切り替えるスイッチ入力（クリック操作）を検出できる機能を設けているが、このようなスイッチ入力の検出が不用な場合には、薄型スイッチＳＷを設ける必要はない。この場合、薄型スイッチＳＷに対して押圧力を伝達させる押圧棒も不用になる。もっとも、押圧棒は、その先端を支点として用いることにより、作用部の傾斜を効果的に行わせる作用も果たしているので、容量差（Ｃ１１−Ｃ１２）あるいは容量差（Ｃ１３−Ｃ１４）を顕著にする意味では、薄型スイッチＳＷを用いない場合であっても、支点として機能する押圧棒は設けておくようにするのが好ましい。
【００６５】
また、上述の実施形態では、内側電極の上面に絶縁膜Ｒを形成しているが、この絶縁膜Ｒは必ずしも必要なものではない。絶縁膜Ｒが形成されていなくても、内側電極に変位電極が接触しない限りは、両電極は容量素子としての機能を果たすことができるので、必要な検出出力を得ることができる。ただ、両者が一部分でも接触してしまうと、もはや容量素子として機能しなくなり、検出出力を得ることはできなくなる。したがって、実用上は、できるだけ広い検出ダイナミックレンジを確保するために、絶縁膜Ｒを形成しておくのが好ましい。
【００６６】
更に、上述の実施形態では、二次元力センサとしての機能は、薄型スイッチＳＷがＯＮ状態に切り替わっていることを前提として、静電容量値の測定を行うことにより実現されていたが、本発明は必ずしもそのような実施形態に限定されるものではなく、二次元力センサとしての機能が、薄型スイッチＳＷがＯＦＦ状態でも有効となるような設計も可能である。ここで述べた実施形態の場合、薄型スイッチＳＷは、図６に示すように、金属ドーム５１の変形に基づいて動作する。ここで、金属ドーム５１が比較的弱い力で変形するように構成しておけば（たとえば、厚みを小さくするとか、スリットや溝を形成するとか、可撓性の高い材料を用いるとかすればよい）、これまで述べてきた実施形態のとおり、薄型スイッチＳＷがＯＮ状態に切り替わっていることを前提として、静電容量値の測定が行われる装置が実現できる。この場合、操作者は、まず、操作体３１を押し込むような操作を行った後、Ｘ軸あるいはＹ軸方向への操作入力を与えることになる。これとは逆に、金属ドーム５１が比較的強い力を加えないと変形しないように構成しておけば（たとえば、厚みを大きくするとか、可撓性の低い材料を用いるとかすればよい）、薄型スイッチＳＷがＯＦＦ状態のままでも、静電容量値の測定が可能になる。図１７は、図１に示す操作量検出装置における金属ドーム５１が、上述したように変形しにくい構造を有している場合に、Ｘ軸正方向の操作入力が加えられたときの状態を示す側断面図である。図７に示す側断面図と図１７に示す側断面図との相違は、前者では、押圧棒３２の先端部が金属ドーム５１を変形させ、薄型スイッチＳＷ内にめり込むようになり、スイッチをＯＮ状態にしているのに対し、後者では、押圧棒３２の先端部が金属ドーム５１を変形させるまでには至らず、薄型スイッチＳＷは依然としてＯＦＦ状態となっている点だけである。後者の場合、操作者は、まず、操作体３１に対して、Ｘ軸あるいはＹ軸方向への操作入力を与えた後、操作体３１を更に押し込むような力を加えることにより、スイッチをＯＮ状態に切り替える操作を行うことができる。このような操作は、たとえば、「カーソルを所定の位置まで移動させてからクリックを行う」というような操作入力を行う場合に利用価値が高い。
【００６７】
(6)   各電極の材質
本発明に係る操作量検出装置の各部に配置される電極は、導電性をもった材料であれば、どのような材質のものを用いてもかまわない。ただ、各電極を弾性材料を用いて構成しておくと、電極間の接触あるいは電極と絶縁膜との接触が生じたときに、電極自身がある程度の弾性変形を生じることができ、接触時の密着性が向上する効果が期待できる。これは、検出ダイナミックレンジを広げる上で効果的である。
【００６８】
もっとも、実用上は、基板として回路用プリント基板を用いるのであれば、基板上に形成される内側電極および外側電極は、銅などの金属からなる配線パターンの一部によって構成するのが好ましい。これに対して、起歪体としてゴムなどの弾性材料を用いる場合、起歪体の下面側に形成される変位電極としては、弾性材料を用いるのが適している。変位電極に弾性材料を用いれば、上述したように、外側電極との接触、あるいは内側電極上の絶縁膜との接触により弾性変形が生じるようになるので、接触時の密着性が向上し、検出ダイナミックレンジを広げることができる。
【００６９】
具体的には、変位電極を導電性ゴムまたは導電性エラストマによって構成しておけば、ゴムからなる起歪体との接合性も良好になる。あるいは、変位電極を、非導電性ゴムまたは非導電性エラストマに導電性インクまたは導電性塗料を塗布してなる構造体によって構成してもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、操作入力の検出に適した低コストの静電容量型の操作量検出装置を提供することが可能になる。
【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操作量検出装置の側断面図である。
【図２】  図１に示す操作量検出装置における基板１０の上面図である。
【図３】  図１に示す操作量検出装置における起歪体２０にキャップ３０を被せてなる構造体の上面図である。
【図４】  図１に示す操作量検出装置における起歪体２０にキャップ３０を被せてなる構造体の下面図である。
【図５】  図１に示す操作量検出装置にスイッチ入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【図６】  図１に示す操作量検出装置の薄型スイッチＳＷの詳細な構造を示す側断面図である。
【図７】  図１に示す操作量検出装置にＸ軸操作入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【図８】  図１に示す操作量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９】  図１に示す操作量検出装置において、くびれ部Ｖを形成した変形例を示す側断面図である。
【図１０】  図９に示す操作量検出装置にＸ軸操作入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【図１１】  図１０に示す操作量検出装置に更に大きなＸ軸操作入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【図１２】  図１に示す操作量検出装置の別な変形例を示す側断面図である。
【図１３】  一次元操作入力の検出に適した操作量検出装置の側断面図である。
【図１４】  図１３に示す操作量検出装置の基板１０Ｃ上の電極配置を示す平面図である。
【図１５】  図１３に示す操作量検出装置にＸ軸操作入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【図１６】  図１３に示す操作量検出装置において、くびれ部Ｖを形成した変形例を示す側断面図である。
【図１７】  図１に示す操作量検出装置に、薄型スイッチＳＷをＯＦＦ状態に維持したまま、Ｘ軸操作入力を与えたときの状態を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…基板
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…起歪体
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…作用部
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…可撓部
２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…固定部
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ…キャップ
３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ…操作体
３１ＢＢ，３１ＤＤ…力伝達体
３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ…押圧棒
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ…固定部材
５０…スイッチの筐体
５１…金属ドーム
５２…接触用電極
６１〜６４…Ｃ／Ｖ変換回路
６５，６６…差分回路
Ｃ１１〜Ｃ１４…容量素子／静電容量値
Ｅ１０…共通外側電極
Ｅ１１〜Ｅ１４…内側電極
ＥＥ１１，ＥＥ１２…内側電極
ＥＥ１３，ＥＥ１４…外側電極
Ｅ２０，ＥＥ２０…変位電極
Ｆ０，Ｆ１１，Ｆ１１＊…力
Ｇ…溝
Ｏ…座標系の原点
Ｐ０，Ｐ１１〜Ｐ１４…キャップ上の位置
Ｒ…絶縁膜
ＳＷ…薄型スイッチ
Ｔｘ，Ｔｙ…出力端子
Ｖ…くびれ部
Ｖ１１〜Ｖ１４…静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１４に対応した電圧
【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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