(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に作用した外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分またはこの外力と同等の押圧力を検出する力検出装置であって、
前記座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する主基板と、
前記主基板の上面のほぼ中心位置に前記座標系の原点を定義したときに、この主基板上の前記原点を中心とする位置に伏せるように配置されたドーム状構造体と、
ほぼ平面状の下面を有し前記ドーム状構造体の上方に配置された作用部と、前記主基板に固定された固定部と、前記作用部と前記固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位生成体と、
前記主基板側に形成された固定電極および前記作用部側に形成された変位電極によって構成される容量素子を有し、この容量素子の静電容量値に基づいて、前記作用部の下面と前記主基板の上面との距離を、Ｘ軸正領域の上方、Ｘ軸負領域の上方、Ｙ軸正領域の上方、Ｙ軸負領域の上方の各位置において検出し、この検出結果に基づいて、前記作用部に作用した外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出する変位検出部と、
を備え、
前記可撓部は、前記作用部に外力が作用していない状態において、前記作用部が前記ドーム状構造体の上方に浮いた位置に配置されるように、前記作用部を支持する脚部として機能し、
前記ドーム状構造体は、頂点付近に対して所定の大きさをもった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、少なくとも前記頂点付近の下面が導電性接触面を構成しており、
前記主基板の上面の前記原点近傍に、前記ドーム状構造体が形状反転を起こした際に前記導電性接触面に接触可能な接触用固定電極が形成されており、
前記作用部に対して、第１の大きさをもった下方への外力が作用したときに、前記可撓部が撓みを生じることにより、前記作用部の下面が前記ドーム状構造体の上面に形状反転を起こさせない状態で接触し、前記作用部の下面が形状反転を起こしていない前記ドーム状構造体によって支持されつつ、前記主基板の上面に対して変位を生じる第１の検出状態となり、
前記作用部に対して、前記第１の大きさよりも大きな第２の大きさをもった下方への外力が作用したときに、前記可撓部が撓みを生じるとともに、前記ドーム状構造体が形状反転を起こすことにより、前記導電性接触面と前記接触用固定電極とが接触し、前記作用部の下面が形状反転を起こした前記ドーム状構造体によって支持されつつ、前記主基板の上面に対して変位を生じる第２の検出状態となり、
前記第１の検出状態および前記第２の検出状態のいずれの場合も、前記固定電極と前記変位電極との間に所定の距離が確保され、前記容量素子の静電容量値に基づく力の検出が行えるようにし、
前記変位検出部は、前記作用部の下面と前記ドーム状構造体の上面との接触状態および前記導電性接触面と前記接触用固定電極との接触状態を、それぞれ電気的に検出することにより、装置が前記第１の検出状態もしくは前記第２の検出状態にあることを認識し、前記第１の検出状態における力の検出値と、前記第２の検出状態における力の検出値と、を区別して出力することを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出装置において、
変位検出部が、Ｘ軸正領域上もしくはその上方において主基板に固定された第１の固定電極と、Ｘ軸負領域上もしくはその上方において主基板に固定された第２の固定電極と、Ｙ軸正領域上もしくはその上方において主基板に固定された第３の固定電極と、Ｙ軸負領域上もしくはその上方において主基板に固定された第４の固定電極と、作用部の下面の前記第１の固定電極に対向する位置に形成された第１の変位電極と、作用部の下面の前記第２の固定電極に対向する位置に形成された第２の変位電極と、作用部の下面の前記第３の固定電極に対向する位置に形成された第３の変位電極と、作用部の下面の前記第４の固定電極に対向する位置に形成された第４の変位電極と、を有し、前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とによって形成される第１の容量素子の静電容量値と前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とによって形成される第２の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＸ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出し、前記第３の固定電極と前記第３の変位電極とによって形成される第３の容量素子の静電容量値と前記第４の固定電極と前記第４の変位電極とによって形成される第４の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＹ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出する機能を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力検出装置において、
変位検出部が、主基板側に固定された第５の固定電極と、作用部の下面の前記第５の固定電極に対向する位置に形成された第５の変位電極と、を更に有し、前記第５の固定電極と前記第５の変位電極とによって形成される第５の容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出する機能を更に有することを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の力検出装置において、
作用部の下面に形成される各変位電極が、物理的に単一の共通変位電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【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、
ドーム状構造体が、作用部に加えられる力に基づいて撓みを生じる材質から構成され、
主基板の上面に、前記ドーム状構造体の底周囲部を、前記撓みによる変位を許容しうるように保持する補助基板が設けられていることを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の力検出装置において、
接触用固定電極が、物理的に分離された一対の電極から構成され、
変位検出部が、これら一対の電極間の導通状態を電気的に検出することにより、導電性接触面と接触用固定電極との接触状態の検出を行うことができるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力検出装置において、
ドーム状構造体の下面の導電性接触面と主基板の上面に形成された接触用固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出する機能を更に有することを特徴とする力検出装置。
【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、
作用部の上面に操作桿を設け、この操作桿の上端の作用点に与えられた外力によって作用部の下面が主基板の上面に対して変位を生じるように構成し、与えられた外力の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力検出装置において、
作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられた押圧力によって作用部の下面が主基板の上面に対して変位を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出できるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力検出装置において、
作用部を、弾性材料からなる本体部と、この本体部の上面に形成された剛性材料からなる操作盤とによって構成したことを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の力検出装置において、
本体部の中心部分に剛性材料からなる心棒を埋込み、この心棒の上端を操作盤の下面に接続したことを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の力検出装置を含み、
変位検出部から出力された第１の検出状態における力の検出値をＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向の４方向についての第１の操作量として検出し、
変位検出部から出力された第２の検出状態における力の検出値をＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向の４方向についての第２の操作量として検出する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】
本発明は力検出装置および操作量検出装置に関し、特に、コンピュータゲームや小型電子機器用の入力装置などに用いるのに適した力検出装置および操作量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な力検出装置としては、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などを利用した種々のタイプのものが普及している。これらの力検出装置は、マン・マシンインターフェイスとして、様々な装置に対する操作量検出装置としても利用することが可能である。たとえば、コンピュータゲーム用の入力装置や、携帯電話などの小型電子機器用の入力装置としては、種々の力検出装置や操作量検出装置が利用されている。このような検出装置では、通常、平面上で互いに直交する４方向についての操作量とともに、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とが検出される。たとえば、マウスなどを用いて、ディスプレイ画面上でカーソルを所定の目的物の位置まで移動させ、この目的物上でマウスなどのボタンをクリックする、という操作は、コンピュータゲームや種々の電子機器に対する操作として頻繁に行われる操作である。この操作を、マウスの代わりに力検出装置を用いて行うためには、カーソルを上下左右に移動させるために、上下左右の４方向についての操作量の検出と、マウスボタンのクリック操作に相当するＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作の検出とを行う必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の力検出装置あるいは操作量検出装置には、良好な操作感を得ることができないという問題があった。たとえば、上下左右の４方向について、確実に操作量を入力するためには、操作部の円滑な動きを確保することが不可欠である。また、確実なＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作を行うためには、スイッチがＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わったことが、触覚を通じて認識できるようにする必要がある。ところが、従来の装置で提供される操作感は、確実な操作入力を行う上では必ずしも十分とは言えない。
【０００４】
そこで本発明は、良好な操作感を得ることができる力検出装置または操作量検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に作用した外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分またはこの外力と同等の押圧力を検出する力検出装置において、
座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する主基板と、
この主基板の上面のほぼ中心位置に座標系の原点を定義したときに、この主基板上の原点を中心とする位置に伏せるように配置されたドーム状構造体と、
ほぼ平面状の下面を有しドーム状構造体の上方に配置された作用部と、主基板に固定された固定部と、作用部と固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位生成体と、
主基板側に形成された固定電極および作用部側に形成された変位電極によって構成される容量素子を有し、この容量素子の静電容量値に基づいて、作用部の下面と主基板の上面との距離を、Ｘ軸正領域の上方、Ｘ軸負領域の上方、Ｙ軸正領域の上方、Ｙ軸負領域の上方の各位置において検出し、この検出結果に基づいて、作用部に作用した外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出する変位検出部と、
を設け、
可撓部は、作用部に外力が作用していない状態において、作用部がドーム状構造体の上方に浮いた位置に配置されるように、作用部を支持する脚部として機能し、
ドーム状構造体は、頂点付近に対して所定の大きさをもった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、少なくとも頂点付近の下面が導電性接触面を構成しており、
主基板の上面の原点近傍に、ドーム状構造体が形状反転を起こした際に導電性接触面に接触可能な接触用固定電極が形成されており、
作用部に対して、第１の大きさをもった下方への外力が作用したときに、可撓部が撓みを生じることにより、作用部の下面がドーム状構造体の上面に形状反転を起こさせない状態で接触し、作用部の下面が形状反転を起こしていないドーム状構造体によって支持されつつ、主基板の上面に対して変位を生じる第１の検出状態となり、
作用部に対して、第１の大きさよりも大きな第２の大きさをもった下方への外力が作用したときに、可撓部が撓みを生じるとともに、ドーム状構造体が形状反転を起こすことにより、導電性接触面と接触用固定電極とが接触し、作用部の下面が形状反転を起こしたドーム状構造体によって支持されつつ、主基板の上面に対して変位を生じる第２の検出状態となり、
第１の検出状態および第２の検出状態のいずれの場合も、固定電極と変位電極との間に所定の距離が確保され、容量素子の静電容量値に基づく力の検出が行えるようにし、
変位検出部は、作用部の下面とドーム状構造体の上面との接触状態および導電性接触面と接触用固定電極との接触状態を、それぞれ電気的に検出することにより、装置が第１の検出状態もしくは第２の検出状態にあることを認識し、第１の検出状態における力の検出値と、第２の検出状態における力の検出値と、を区別して出力するようにしたものである。
【０００７】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
変位検出部が、Ｘ軸正領域上もしくはその上方において主基板に固定された第１の固定電極と、Ｘ軸負領域上もしくはその上方において主基板に固定された第２の固定電極と、Ｙ軸正領域上もしくはその上方において主基板に固定された第３の固定電極と、Ｙ軸負領域上もしくはその上方において主基板に固定された第４の固定電極と、作用部の下面の第１の固定電極に対向する位置に形成された第１の変位電極と、作用部の下面の第２の固定電極に対向する位置に形成された第２の変位電極と、作用部の下面の第３の固定電極に対向する位置に形成された第３の変位電極と、作用部の下面の第４の固定電極に対向する位置に形成された第４の変位電極と、を有し、第１の固定電極と第１の変位電極とによって形成される第１の容量素子の静電容量値と第２の固定電極と第２の変位電極とによって形成される第２の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＸ軸方向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出し、第３の固定電極と第３の変位電極とによって形成される第３の容量素子の静電容量値と第４の固定電極と第４の変位電極とによって形成される第４の容量素子の静電容量値との差に基づいて、作用した外力のＹ軸方向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出でき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２の態様に係る力検出装置において、
変位検出部が、主基板側に固定された第５の固定電極と、作用部の下面の第５の固定電極に対向する位置に形成された第５の変位電極と、を更に有し、第５の固定電極と第５の変位電極とによって形成される第５の容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出でき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２または第３の態様に係る力検出装置において、
作用部の下面に形成される各変位電極を、物理的に単一の共通変位電極によって構成す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１〜第４の態様に係る力検出装置において、
ドーム状構造体を、作用部に加えられる力に基づいて撓みを生じる材質によって構成し、
主基板の上面に、ドーム状構造体の底周囲部を、生じた撓みによる変位を許容しうるように保持する補助基板を設けたものである。
【００１２】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る力検出装置において、
接触用固定電極を、物理的に分離された一対の電極によって構成し、
変位検出部が、これら一対の電極間の導通状態を電気的に検出することにより、導電性接触面と接触用固定電極との接触状態の検出を行うことができるようにしたものである。
【００１３】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る力検出装置において、
ドーム状構造体の下面の導電性接触面と主基板の上面に形成された接触用固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を検出する機能を更に設けたものである。
【００１５】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る力検出装置において、
作用部の上面に操作桿を設け、この操作桿の上端の作用点に与えられた外力によって作用部の下面が主基板の上面に対して変位を生じるように構成し、与えられた外力の検出ができるようにしたものである。
【００１６】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る力検出装置において、
作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられた押圧力によって作用部の下面が主基板の上面に対して変位を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出でき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９の態様に係る力検出装置において、
作用部を、弾性材料からなる本体部と、この本体部の上面に形成された剛性材料からなる操作盤とによって構成したものである。
【００１８】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力検出装置において、
本体部の中心部分に剛性材料からなる心棒を埋込み、この心棒の上端を操作盤の下面に接続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１〜第１１の態様に係る力検出装置を用いて操作量検出装置を構成し、
変位検出部から出力された第１の検出状態における力の検出値をＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向の４方向についての第１の操作量として検出し、
変位検出部から出力された第２の検出状態における力の検出値をＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向の４方向についての第２の操作量として検出するようにしたものである。
【００２５】
【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．第１の実施形態の構造
図１は、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この装置の主要な構成要素は、主基板１１０、ドーム状構造体１２０、補助基板１３０、変位生成体１４０、固定部材１５０である。ここでは、説明の便宜上、図示のように、主基板１１０の上面の中央位置に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に対して垂直方向にＹ軸をそれぞれとることにより、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。
【００２６】
主基板１１０は、ＸＹ平面に沿った上面を有する基板である。この主基板１１０は、上面に電極などが形成されるため、絶縁性材料によって構成するのが好ましい。もちろん、金属板などの導電性材料によって主基板１１０を構成することも可能であるが、その場合には、上面などの必要な箇所に絶縁層を形成するようにする。実用上は、たとえば、セラミック基板、ガラスエポキシ基板、ガラス基板などによって主基板１１０を構成するのが好ましい。あるいは、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の素材で主基板１１０を構成することもできる（本発明における「基板」とは、このようなフィルムまでも含む広い概念で用いている。）。図２に、この主基板１１０の上面図を示す。図示のように、この実施形態では、正方形状の基板からなり、中央部分に円盤状の接触用固定電極Ｅ０が形成されている。後述するように、この接触用固定電極Ｅ０は、ドーム状構造体１２０が反転状態となったときに、頂点付近の下面に接触する電極として機能する。
【００２７】
主基板１１０には、図示の位置に配線用の貫通孔１１１が形成されている。この貫通孔１１１は、ドーム状構造体１２０に接続された配線部１２１を挿通するためのものである。図２に破線で示した円は、ドーム状構造体１２０の底周囲部の位置を示すものである。ドーム状構造体１２０は、金属板からなる円形のドーム状（椀状）をした構造体であり、主基板１１０上の原点Ｏを中心とする位置に伏せるように配置される。配線部１２１は、このドーム状構造体１２０の底周囲部の１か所から下方に導出された導電線であり、その先端は貫通孔１１１を通って主基板１１０の下面側へと導出される。図２に示すように、ドーム状構造体１２０の底周囲部の直径は、接触用固定電極Ｅ０の直径よりも大きく、両者は接触することのないように同心円状に配置される。ドーム状構造体１２０は、必ずしも金属によって構成する必要はないが、本実施形態の作用効果を得るためには、上方からの押圧力が作用すると、弾性変形による撓みを生じる機能を有し、少なくとも頂点付近の下面（接触用固定電極Ｅ０に対向した面）には導電性接触面が形成されている必要がある。したがって、実用上は、金属板をドーム状に加工することによって、ドーム状構造体１２０を構成するのが好ましい。
【００２８】
一方、補助基板１３０の上面図を図３に示す。この補助基板１３０は主基板１１０と同じ正方形状をした基板であり、その役割は、ドーム状構造体１２０を所定位置に保持するとともに、固定電極Ｅ１〜Ｅ４の形成面を提供することにある。すなわち、この補助基板１３０の中央部分には、ドーム状構造体１２０の直径よりも若干小さな直径をもった円形ホールＨが形成されており、この円形ホールＨからドーム状構造体１２０の主要部分が上方へ露出することになる。この円形ホールＨの外周に沿った下面部分には、環状溝１３１が形成されている。この環状溝１３１は、ドーム状構造体１２０の底周囲部を保持するためのものである。上述したように、ドーム状構造体１２０は可撓性をもった金属板から構成されているため、撓みが生じると径が変化したり周辺部が上下に変位したりし、底周囲部に変位が生じることになる。環状溝１３１は、このような変位を許容した状態でドーム状構造体１２０を主基板１１０上に保持する機能を有する。
【００２９】
補助基板１３０の上面には、４枚の扇形状の固定電極Ｅ１〜Ｅ４が形成されている。すなわち、図３に示すように、Ｘ軸正領域の上方位置には第１の固定電極Ｅ１が配置され、Ｘ軸負領域の上方位置には第２の固定電極Ｅ２が配置され、Ｙ軸正領域の上方位置には第３の固定電極Ｅ３が配置され、Ｙ軸負領域の上方位置には第４の固定電極Ｅ４が配置されている。これら４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、いずれも同一形状、同一サイズの電極であり、Ｘ軸またはＹ軸に関して線対称の形状をもち、線対称となる位置に配置されている。図１は、この力検出装置をＸ軸に沿って切断した側断面図であるため、Ｘ軸上方に配置された第１の固定電極Ｅ１および第２の固定電極Ｅ２しか示されていないが、紙面裏側に第３の固定電極Ｅ３、紙面手前側に第４の固定電極Ｅ４が配置されていることになる。
【００３０】
図４は、主基板１１０の上面にドーム状構造体１２０を配置し、更に、その上に補助基板１３０を載せた状態を示す上面図である。図に破線で示す円は、内側から順に、それぞれ接触用固定電極Ｅ０の位置、ドーム状構造体１２０の外周位置、環状溝１３１の外周位置を示している。ドーム状構造体１２０の主要部分は、補助基板１３０の円形ホールＨから上方へと露出した状態となる。各固定電極の平面的な配置に着目すると、中央領域に接触用固定電極Ｅ０が位置し、これを取り囲む周辺領域に第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４が位置している。これらの各電極は、導体であればどのような材料で構成してもかまわないが、本実施形態の場合、各基板上にプリント配線の技術を利用して形成した銅のパターンによって各電極を構成している。また、ここでは図が繁雑になるために図示を省略してあるが、実際には、各基板上には個々の電極に対する配線層が形成されている。これらの配線層も、プリント配線の技術を利用した銅などの金属パターンによって構成するのが好ましい。
【００３１】
図５は、変位生成体１４０の上面図である。この変位生成体１４０は、図１の側断面図に示されているように、円盤状の作用部１４１と、その周囲の肉薄部分である可撓部１４２と、更にその周囲の固定部１４３と、作用部１４１の上面中央部分に取り付けられた操作桿１４４と、この操作桿１４４の上面に形成された突起部１４５と、によって構成されている。本実施形態の場合、変位生成体１４０は、絶縁性のシリコンゴムを一体成型してなり、全体的にある程度の弾力性を有している。ここで、作用部１４１および操作桿１４４は肉厚が大きい塊状体となっているのに対し、可撓部１４２および固定部１４３は肉厚の小さな層状体となっており、十分な可撓性を有している。ただし、固定部１４３は、固定部材１５０によって固定されているため、実際に十分な可撓性を有する部分は、可撓部１４２の部分ということになる。本発明に係る力検出装置を構成する上では、変位生成体１４０のうち、少なくとも可撓部１４２の部分が可撓性を有していれば十分である。ただ、製造コストを低減するためには、この実施形態のように、変位生成体１４０全体をシリコンゴムのような弾性材料で一体成型するのが好ましい。
【００３２】
図５の上面図における破線の円は、固定部材１５０の上面開口部を示している。固定部材１５０は、図１の側断面図に示されているように、主基板１１０、補助基板１３０、変位生成体１４０の３層からなる積層体の外周部分を固定する機能を有しており、上面層および下面層には、それぞれ円形の開口部が形成されている。図５に示す破線の円の外側部分が、固定部材１５０の上面層によって覆われて固定されてしまう固定部１４３ということになる。円盤状の作用部１４１は、その周囲にある円環状の可撓部１４２によって周囲から支持された状態となっている。
【００３３】
操作桿１４４は、円柱状の形態をなし、操作者が指で操作する対象物である。その上面中央部には、突起部１４５が形成されている。実用上は、必要に応じて、この操作桿１４４の外側にプラスチックや金属などの筒状カバーを被せて利用するようにする。
【００３４】
図６は、変位生成体１４０の下面図である。図示のとおり、変位生成体１４０は平面状の下面を有しており、ここに円盤状の共通変位電極Ｅｃが形成されている。この共通変位電極Ｅｃの円周は、図４に示す第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４の外周に対応しており、共通変位電極Ｅｃは、第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４のすべてに対する共通の対向電極として機能することになる。原理的には、第１の固定電極Ｅ１に対向する第１の変位電極と、第２の固定電極Ｅ２に対向する第２の変位電極と、第３の固定電極Ｅ３に対向する第３の変位電極と、第４の固定電極Ｅ４に対向する第４の変位電極と、をそれぞれ変位生成体１４０の下面に独立して形成すればよいが、実用上は、４枚の変位電極を別個独立して形成するよりも、１枚の共通変位電極Ｅｃを形成した方が構造が単純になる。ここでは、導電性ゴムによって共通変位電極Ｅｃを構成している。
【００３５】
図１に示すように、作用部１４１はドーム状構造体１２０の上方に配置される。このとき、作用部１４１の下面に形成された共通変位電極Ｅｃが、ドーム状構造体１２０に接触した状態となり、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面とが平行な状態を維持するように配置する。したがって、操作桿１４４に何ら外力が作用していない状態では、接触用固定電極Ｅ０および第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、共通変位電極Ｅｃとは平行な状態を維持することになる。
【００３６】
§２．第１の実施形態の動作
続いて、§１で構造を述べた力検出装置の動作を説明する。この装置は、２とおりの機能を有している。第１の機能は、操作桿１４４に加えられた外力のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分の検出機能であり、第２の機能は、操作桿１４４を下方に押し込むことによるスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作の検出機能である。
【００３７】
まず、ここでは、第１の機能について述べことにし、便宜上、突起部１４５の中心位置に作用点を定義し、この作用点に外力が作用したものとして、以下の説明を行うことにする。いま、操作桿１４４の上端の作用点に外力が作用したとすると、この外力は作用部１４１へと伝わり、可撓部１４２に撓みを生じさせる。その結果、作用部１４１は変位することになる。すなわち、何ら外力が作用していない状態においては、図１に示すように、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面とは平行を維持しているが、突起部１４５にＸ軸方向成分またはＹ軸方向成分を含む外力が作用すると、作用部１４１の下面が主基板１１０の上面に対して傾き、変位を生じるようになる。
【００３８】
たとえば、突起部１４５にＸ軸正方向への外力＋Ｆｘが加えられたとすると、作用部１４１（および操作桿１４４）は、図７の側断面図に示すように変位することになる。すなわち、図の右側（Ｘ軸正領域）では、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面との距離が狭くなり、図の左側（Ｘ軸負領域）では、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面との距離が広くなる。これに対して、突起部１４５にＸ軸負方向への外力−Ｆｘが加えられたとすると、図の状態とは左右逆の変位が生じることになり、図の右側（Ｘ軸正領域）では、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面との距離が広くなり、図の左側（Ｘ軸負領域）では、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面との距離が狭くなる。このような関係は、突起部１４５にＹ軸正方向の外力＋Ｆｙが加えられた場合や、Ｙ軸負方向の外力−Ｆｙが加えられた場合も同様である。
【００３９】
本発明に係る力検出装置のひとつの特徴は、主基板１１０の上面にドーム状構造体１２０が配置されているため、操作桿１４４に外力が作用した場合、作用部１４１の下面がドーム状構造体１２０によって支持されつつ、主基板１１０に対して変位を生じる点にある。ドーム状構造体１２０の上面は、たとえば、球面あるいは楕円体面の一部（Ｚ軸を中心軸とした回転体の形状をもつ）から構成され、非常になだらかな曲面となっている。作用部１４１は、このなだらかな曲面に接触しながら変位することができるため、操作者の指先になだらかな触覚が伝わることになり、良好な操作感を得ることができるようになる。
【００４０】
なお、上述したように、本実施形態では、可撓性をもった金属板からなるドーム状構造体１２０を用いているため、操作桿１４４に作用する外力のＺ軸負方向成分−Ｆｚ（突起部１４５を下方へ押し込む成分）が所定のしきい値（ドーム状構造体１２０に弾性変形を誘発させるために必要な力）よりも小さいうちは、図７の側断面図に示すように、ドーム状構造体１２０自体は変形せず、作用部１４１の下面がこのドーム状構造体１２０の上面に沿って変位することになるが、−Ｆｚがこのしきい値を越えると、図８の側断面図に示すように、ドーム状構造体１２０が弾性変形を生じることになる。すなわち、ドーム状構造体１２０は若干潰れて偏平形状となり、その底周囲部の径はやや広がることになる。
【００４１】
図７の状態および図８の状態のいずれの場合でも、作用部１４１の下面と主基板１１０の上面との距離を、Ｘ軸正領域の上方、Ｘ軸負領域の上方、Ｙ軸正領域の上方、Ｙ軸負領域の上方の各位置において検出する機能をもった変位検出部を用意しておけば、各距離に基づいて作用部１４１の変位を検出することができ、突起部１４５に与えられた外力の検出を行うことができる。ここに示す実施形態では、主基板１１０側に形成された第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、作用部側に形成された共通変位電極Ｅｃとによって４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を形成し、これらの容量素子の静電容量値に基づいて各距離の検出を行うようにしている。
【００４２】
図９は、このようにして形成された各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の等価回路である。第１の容量素子Ｃ１は、Ｘ軸正領域の上方に配置された第１の固定電極Ｅ１と、これに対向する第１の変位電極（共通変位電極Ｅｃの一部分）とによって構成され、第２の容量素子Ｃ２は、Ｘ軸負領域の上方に配置された第２の固定電極Ｅ２と、これに対向する第２の変位電極（共通変位電極Ｅｃの一部分）とによって構成され、第３の容量素子Ｃ３は、Ｙ軸正領域の上方に配置された第３の固定電極Ｅ３と、これに対向する第３の変位電極（共通変位電極Ｅｃの一部分）とによって構成され、第４の容量素子Ｃ４は、Ｙ軸負領域の上方に配置された第４の固定電極Ｅ４と、これに対向する第４の変位電極（共通変位電極Ｅｃの一部分）とによって構成される。本実施形態の場合、第１〜第４の変位電極は、物理的に単一の共通変位電極Ｅｃによって構成されているため、図９の回路図における各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の上側の変位電極Ｅｃは電気的に接続された状態となっているが、下側の各固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれ電気的に独立しており、外部端子Ｔ１〜Ｔ４に接続されている。なお、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４から外部端子Ｔ１〜Ｔ４への具体的な配線層は、本願図面には示されていない。
【００４３】
図９の回路図に示されている容量素子Ｃ０は、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体１２０（変位電極Ｅｄとして機能する）とによって構成される付加的な容量素子である。上述したように、本実施形態では、ドーム状構造体１２０として金属板からなる構造体を用いているため、ドーム状構造体１２０自身が、変位電極Ｅｄとして機能する。しかも、ドーム状構造体１２０の上面のいずれかの箇所と共通変位電極Ｅｃとは接触状態を維持しているため、図９の回路図では、変位電極Ｅｄは共通変位電極Ｅｃに電気的に接続された状態となっている。図１に示されているように、ドーム状構造体１２０には、配線部１２１が接続されており、この配線部１２１は、貫通孔１１１を通って主基板１１０の下面側へと導かれている。図９の回路図における外部端子Ｔｄは、この配線部１２１の下端に設けられた端子である。また、接触用固定電極Ｅ０は、図示されていない配線により、外部端子Ｔ０に接続されている。
【００４４】
かくして、図１に示す力検出装置には、５組の容量素子Ｃ０〜Ｃ４が形成されていることになり、これらの容量素子の一方の電極はいずれも変位電極となっているため、静電容量値が変化することになる。これら静電容量値に基づいて、操作桿１４４に作用した外力の各座標軸方向成分を、次のようにして検出することができる。
【００４５】
まず、外力のＸ軸方向成分±Ｆｘは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差を求めることによって検出することができる。図７または図８に示すように、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、第１の容量素子Ｃ１の電極間隔は狭くなるためその静電容量値は増加するのに対し、第２の容量素子Ｃ２の電極間隔は広くなるためその静電容量値は減少する。よって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値から第２の容量素子Ｃ２の静電容量値を減じる演算を行えば、その差は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを示す値となる。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、増減の関係が逆転するため、その差の符号が逆転することになる。結局、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値から第２の容量素子Ｃ２の静電容量値を減じる演算結果が得られれば、その符号がＸ軸正方向か負方向かの向きを示し、その絶対値が作用した力の大きさを示すことになる。全く同様にして、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値から第４の容量素子Ｃ４の静電容量値を減じる演算結果により、作用した外力のＹ軸方向成分の向きと大きさを得ることができる。
【００４６】
一方、容量素子Ｃ０の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸負方向成分−Ｆｚを検出することができる。図８に示すように、操作桿１４４を下方へと押圧する力−Ｆｚが所定のしきい値を越えると、ドーム状構造体１２０が弾性変形を生じ偏平する。これにより、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体１２０（変位電極Ｅｄ）との距離が狭くなるため、容量素子Ｃ０の静電容量値は増加することになる。よって、容量素子Ｃ０の静電容量値の変化を電気的に検出すれば、作用した外力のＺ軸負方向成分−Ｆｚを検出することができる。もっとも、この実施形態の場合、Ｚ軸正方向成分＋Ｆｚ（操作桿１４４を図の上方へと持ち上げる力）を検出することはできない。このような力が加わると、作用部１４１の下面がドーム状構造体１２０の上面から離れてしまい、ドーム状構造体１２０に何ら変位が生じないからである。また、Ｚ軸負方向成分−Ｆｚを検出するにしても、精度の高い検出値は得ることができない。ドーム状構造体１２０は、もともとクリック感を有するスイッチ用に設計されているため、力−Ｆｚの大きさと容量素子Ｃ０の電極間距離との間に線形性が得られない。したがって、この容量素子Ｃ０に基づくＺ軸負方向成分−Ｆｚの検出機能は、大まかな値を求める場合に利用される補助的な機能というべきものになる。Ｚ軸方向成分についてより精度の高い検出を行う方法は、後の§３で説明する。
【００４７】
なお、これまで述べてきた各容量素子の静電容量値に基づく検出は、図９に示す外部端子Ｔ０〜Ｔ４，Ｔｄに所定の検出用回路を接続することによって行われることになる。このような検出回路は、既に種々のものが公知であるため、ここでは説明を省略する。
【００４８】
続いて、この実施形態に係る力検出装置の第２の機能、すなわち、操作桿１４４を下方に押し込むことによるスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作の検出機能について述べる。この機能は、操作桿１４４に対して作用した下方への力を検出するという点においては、上述した容量素子Ｃ０に基づいてＺ軸負方向成分−Ｆｚを検出する補助的な機能と類似する。しかしながら、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作は、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの状態間の遷移操作であり、かつ、操作者にＯＮ状態にあるのかＯＦＦ状態にあるのかを明確に認識させる必要がある操作である。本発明に係る力検出装置では、操作時にクリック感をもたせることにより、触覚を通じていずれの状態にあるかを明確に認識させるようにしている。
【００４９】
これまで、図１，図７，図８に、この力検出装置の種々の状態を示したが、これらの状態はいずれもスイッチＯＦＦの状態を示している。この力検出装置において、スイッチＯＮの状態とは、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体１２０とが接触した状態を言う。図１０は、この力検出装置がスイッチＯＮの状態となったときを示す側断面図である。スイッチＯＮの状態の特徴は、ドーム状構造体１２０の形状にある。すなわち、図１，図７，図８に示す例では、いずれの場合もドーム状構造体１２０は、上に凸となる状態を維持しているが、図１０では、ドーム状構造体１２０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している。その結果、頂点付近の下面が接触用固定電極Ｅ０の上面に接触した状態となっている。したがって、ドーム状構造体１２０と接触用固定電極Ｅ０とが電気的に導通状態となる。図９の回路図では、外部端子Ｔ０とＴｄとの間が導通することになり、この両端子がスイッチ端子として用いられることになる。
【００５０】
本実施形態の場合、ドーム状構造体１２０は金属板から形成されており、このような金属板から形成されたドーム状構造体では、板厚を適当な寸法に設定すれば、頂点付近に対して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もたせることができる。もっとも、このようにドーム状構造体１２０に形状反転を起こさせるためには、操作桿１４４にかなり大きな押圧力を加える必要がある。図１に示す状態において、操作者が操作桿１４４を下方に押し込むような力を加えてゆくと、この力が所定の臨界値を越えた時点で、ドーム状構造体１２０が急激に形状反転して図１０に示す状態に至ることになる。このため、操作者は、図１に示す状態から図１０に示す状態に遷移したことを、触覚を通じて認識することができ、いわゆる「クリック感」が得られることになる。操作者が力を緩めると、弾性変形していたドーム状構造体１２０が元の状態に復帰し、再び図１に示す状態に遷移する。このときの状態遷移も、操作者は、触覚を通じて認識することができる。このように、操作桿１４４を押しボタンとするスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を、触覚を通じて明確に認識することができるので、良好な操作感が得られることになる。
【００５１】
結局、ここで述べた実施形態に係る力検出装置は、操作桿１４４に与えられたＸ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向の４方向の力を検出する第１の機能と、操作桿１４４を押しボタンとするスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を検出する第２の機能と、更に、操作桿１４４に与えられたＺ軸負方向の力を大まかに検出する付加機能とを有していることになる。このうち、第１の機能および第２の機能は、コンピュータや小型電子機器用の入力装置としての利用価値が高い。たとえば、カーソルを上下左右に移動させる操作と、マウスクリックに対応する操作とを、この力検出装置で行うようにするのであれば、４方向の力の検出値に応じてカーソルを上下左右に移動させ、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作をマウスクリックに対応する操作として取り扱うようにすればよい。
【００５２】
なお、図１０に示す例では、第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４が、共通変位電極Ｅｃに接触し、図９の回路図における容量素子Ｃ１〜Ｃ４の両電極が短絡した状態となってしまう。検出回路として、このような容量素子の短絡が生じると不都合である場合には、第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４の上面に絶縁膜を形成しておくようにすればよい。
【００５３】
§３．第１の実施形態の変形例
続いて、§１および§２で述べた力検出装置の変形例を説明する。
【００５４】
はじめに、操作桿１４４に作用した力のＺ軸方向成分についても、より精度の高い検出が可能な変形例を述べる。この変形例では、図３に示す補助基板１３０の代わりに、図１１に示す補助基板１３０を用いるようにする。この図１１の補助基板１３０では、固定電極の構成が若干異なっている。すなわち、第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４に加えて、更に、第５の固定電極Ｅ５が付加されている。第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、幅がやや狭くなっているものの前述した力検出装置における機能と全く同一の機能を果たす。これに対して、第５の固定電極Ｅ５は、円形ホールＨの外周に沿って配置された円環状の電極であり、Ｚ軸方向成分の検出に寄与する。すなわち、作用部１４１の下面側に、この第５の固定電極Ｅ５に対向する第５の変位電極を設けておけば、これら一対の対向電極によって第５の容量素子Ｃ５を形成することができ、この第５の容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分を検出することができる。
【００５５】
前述した実施形態の場合、作用部１４１の下面には、図６に示すような共通変位電極Ｅｃが形成されており、この共通変位電極Ｅｃの一部が、第５の変位電極として機能するので、変位生成体１４０側は§１で述べた実施形態と全く同様の構成でかまわない。操作桿１４４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが加えられると、共通変位電極Ｅｃと第５の固定電極との距離が狭くなり、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値は増大し、逆に、操作桿１４４にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが加えられると、共通変位電極Ｅｃと第５の固定電極との距離が広くなり、容量素子Ｃ５の静電容量値は減少する。したがって、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値に基づいて、作用した外力のＺ軸方向成分を検出することができる。
【００５６】
§２で述べたように、外力のＺ軸方向成分は、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体１２０とによって構成される容量素子の静電容量値に基づいても検出することが可能であるが、この場合、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚについての検出を行うことはできない。上述した第５の容量素子Ｃ５を用いる方法では、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚについての検出が可能になり、また、線形出力を得やすいというメリットがある。
【００５７】
なお、これまで述べてきた実施形態では、ドーム状構造体１２０を、補助基板１３０によって保持するようにしているが、別な部材によってドーム状構造体１２０を保持することができれば、補助基板１３０は必ずしも用いる必要はない。補助基板１３０を用いない場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ５は主基板１１０上に直接形成することができる。ただし、実用上は、容量素子による検出感度を高めるために、固定電極Ｅ１〜Ｅ５と共通変位電極Ｅｃとの間隔はできるだけ小さく設定するのが好ましい。したがって、これまで述べてきた例のように、補助基板１３０によってドーム状構造体１２０を保持するようにし、固定電極Ｅ１〜Ｅ５を補助基板１３０の上面に形成する形態を採るのが実用的である。また、図１２では、各基板が板状のものとして示されているが、主基板１１０と補助基板１３０とは、ポリイミドフィルムやＰＥＴフィルムなどのフィルム材料で構成してもよい。この場合、ドーム状構造体１２０は、２枚のフィルムの間に挟み込まれるようにして接着され、固定されることになる。
【００５８】
図１２に側断面図を示す変形例は、図１に示す実施形態から操作桿１４４および突起部１４５を削除したものであり、作用部１４１以下の構成要素には何ら変更はない。図１に示す力検出装置の場合、操作者からの操作入力（外力の作用）は、操作桿１４４に対して行われたが、図１２に示す力検出装置の場合、操作者からの操作入力（外力の作用）は、作用部１４１の上面に対して直接行われることになる。このため、操作者の操作入力は、Ｘ軸方向への力あるいはＹ軸方向への力として与えられるのではなく、作用部１４１の上面の所定位置に対する押圧力として与えられることになる。
【００５９】
このため、作用部１４１の上面には複数の指標が配置されている。図１３は、図１２に示す変形例に用いられている変位生成体１４０の上面図である。円盤状の作用部１４１の上面は平面になっており、ここに５つの指標Ｍ１〜Ｍ５が描かれている。これらの指標Ｍ１〜Ｍ５は、操作者に対する押圧位置を示す目安として機能する。たとえば、指標Ｍ１の位置を指で押し込む操作を行うと、図１の実施形態に係る力検出装置における操作桿１４４にＸ軸正方向の力＋ＦｘおよびＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したのと同等の変位が、作用部１４１に生じることになる。力−Ｆｚが作用しているため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、いずれも電極間隔が狭くなる。しかしながら、力＋Ｆｘが作用したのと同等の変位が生じるため、容量素子Ｃ１の電極間隔の変化が最も顕著に現れる。たとえば、静電容量値の小さな増加を＋，顕著な増加を＋＋＋と表現すると、指標Ｍ１の位置を指で押し込む操作を行った場合の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化は、Ｃ１＋＋＋，Ｃ２＋，Ｃ３＋，Ｃ４＋となる。同様に、指標Ｍ２を押し込む操作を行った場合は、Ｃ１＋，Ｃ２＋＋＋，Ｃ３＋，Ｃ４＋となり、指標Ｍ３を押し込む操作を行った場合は、Ｃ１＋，Ｃ２＋，Ｃ３＋＋＋，Ｃ４＋となり、指標Ｍ４を押し込む操作を行った場合は、Ｃ１＋，Ｃ２＋，Ｃ３＋，Ｃ４＋＋＋となる。
【００６０】
このように、指標Ｍ１〜Ｍ４のうちのいずれかの位置が押圧された場合、４つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４のうちのいずれかの静電容量値が顕著に変化するので、各容量素子の静電容量値を測定できれば、どの指標位置にどれだけの押圧力が加えられたかを検出することができるようになる。実用上は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値をそれぞれＣ１〜Ｃ４としたときに、Ｃ１−Ｃ２およびＣ３−Ｃ４を求める回路を用意しておけばよい。Ｃ１−Ｃ２の値が正になれば、この値に応じた押圧力をもった操作が指標Ｍ１の位置に加えられたことになり、Ｃ１−Ｃ２の値が負になれば、この値に応じた押圧力をもった操作が指標Ｍ２の位置に加えられたことになる。同様に、Ｃ３−Ｃ４の値が正になれば、この値に応じた押圧力をもった操作が指標Ｍ３の位置に加えられたことになり、Ｃ３−Ｃ４の値が負になれば、この値に応じた押圧力をもった操作が指標Ｍ４の位置に加えられたことになる。
【００６１】
もちろん、この力検出装置は、指標位置に加えられた操作だけでなく、任意の位置に加えられた操作を検出することもできる。たとえば、図１３において、指標Ｍ１と指標Ｍ３との中間位置（Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°の方向）に対して、所定の押圧操作がなされた場合、Ｃ１−Ｃ２の値およびＣ３−Ｃ４の値の双方が正の値になるので、指標Ｍ１と指標Ｍ３との双方に所定の押圧力をもった操作が加えられたと判断することができる。この操作は、指標Ｍ１と指標Ｍ３との中間位置に対する押圧操作と等価である。
【００６２】
また、操作者が、指標Ｍ５を強く押し込む操作を行うと、ドーム状構造体１２０の頂点付近が形状反転を生じ、ドーム状構造体１２０と接触用固定電極Ｅ０とが接触することになり、スイッチＯＮ状態となる。このとき、十分なクリック感が得られるため、操作者は、スイッチＯＮ状態となったことを触覚を通じて認識できる。結局、図１２に示す力検出装置は、指標Ｍ１〜Ｍ４で示される４方向（Ｘ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向）についての操作量と、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とを検出することができる操作量検出装置として機能することになる。このような装置は、前述したように、カーソルの上下左右への移動操作と、マウスクリックに対応する操作とを行うための入力装置として応用性が非常に広い。
【００６３】
なお、図１２に示す装置では、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体１２０とによって容量素子Ｃ０が形成されているので、この容量素子Ｃ０の静電容量値に基づいて、指標Ｍ５の位置に加えられた押圧操作の操作量を検出することも可能である。
【００６４】
図１４は、図１２に示す力検出装置の更なる変形例を示す側断面図である。図１２に示す力検出装置との相違点は次の４点である。まず、第１の相違点は、作用部１４１（１４１Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃからなる部分）を支持する脚部として機能している可撓部１４２がより長くなっており、何ら外力（操作者の操作入力）が作用していない状態において、作用部１４１はドーム状構造体１２０の上方に浮いた位置に配置されている。このように、作用部１４１をドーム状構造体１２０から離した状態にしておくと、スイッチＯＮのための指標Ｍ５に対する押圧操作のストークをより長く確保することが可能になり、クリック感をより高めることができるようになる。
【００６５】
第２の相違点は、主基板１１０上に形成された接触用固定電極が、物理的に分離された一対の電極Ｅ０ＡとＥ０Ｂとによって構成されている点である。この変形例に用いられる主基板１１０の上面図を図１５に示す。図２に示す主基板１１０には、単一の接触用固定電極Ｅ０が形成されていたのに対し、図１５に示す主基板１１０には、一対の電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂが形成されている。このように、接触用固定電極を一対の電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂによって構成しておくと、これら一対の電極間の導通状態を電気的に検出することにより、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態の検出を行うことができるようになるため、ドーム状構造体１２０に対する配線部１２１が不要になるというメリットが得られる。実際、図１４に示す力検出装置には、配線部１２１は設けられていない。
【００６６】
図１に示す装置の場合、ドーム状構造体１２０と接触用固定電極Ｅ０との接触状態（スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態）を検出するために、ドーム状構造体１２０と接触用固定電極Ｅ０とのそれぞれから配線を引き出す必要がある。ところが、図１４に示す装置の場合、電極Ｅ０ＡとＥ０Ｂとのそれぞれから配線を引き出しておき、これら両電極間の導通状態を検出すればよいので、ドーム状構造体１２０に対する配線は不要になる。すなわち、図１６に示すように、ドーム状構造体１２０の頂点付近が形状反転を起こし、一対の電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂに接触した状態になると、一対の電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂは、このドーム状構造体１２０の接触面を介して導通状態になるので、電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂ間の導通状態さえ検出できれば、ドーム状構造体１２０に対する配線は必要ない。また、図１６に示すようにスイッチＯＮ状態となれば、電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂの一方を、共通変位電極Ｅｃへの配線として利用することもできる。したがって、次に第３の相違点として述べる機能により、スイッチＯＮ状態となった後の押圧力だけを検出できればよい場合は、共通変位電極Ｅｃおよびドーム状構造体１２０のいずれに対しても配線を行う必要がなくなる。
【００６７】
第３の相違点は、図１６に示すように、スイッチがＯＮ状態となったときにも、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４と共通変位電極Ｅｃとの間に所定の距離が確保されるようにし、スイッチがＯＮ状態となった後にも、作用部１４１に対して加えられた力の検出を行えるようにした点である。すなわち、図１０に示す力検出装置では、スイッチがＯＮ状態となったときに、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４が共通変位電極Ｅｃに接触した状態となっているが、図１６に示す力検出装置では、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４と共通変位電極Ｅｃとの間には、まだ所定の間隔が確保されている。もともとドーム状構造体１２０は、弾性変形をする材質から構成されているので、図１６に示すように、スイッチがＯＮ状態となった後に、更なる押圧力を作用させると、ドーム状構造体１２０は更に押し潰されるように変形し、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４と共通変位電極Ｅｃとの間隔に変化が生じることになる。その結果、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が変化するので、スイッチがＯＮ状態となった後に加えられた更なる押圧力の検出が可能になる。
【００６８】
このような構成にしておくと、操作者は、スイッチがＯＦＦ状態における指標Ｍ１〜Ｍ４の押圧操作と、スイッチがＯＮ状態における指標Ｍ１〜Ｍ４の押圧操作とを行うことが可能になる。具体的には、図１３に示す上面図において、指標Ｍ１〜Ｍ４のいずれかを軽く押し込む操作を行うと、スイッチがＯＦＦ状態における押圧操作を行うことができる。そして、指標Ｍ５を強く押し込むと、スイッチをＯＮ状態にもってゆくことができるが、指標Ｍ５を強く押し込んだ状態のまま、指を指標Ｍ１〜Ｍ４のいずれかの方向に移動させるようにして、更に押し込む操作を行えば、スイッチがＯＮ状態における押圧操作を行うことができるようになる。図１６に示すように、スイッチがＯＮ状態になると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔が非常に小さくなるので、より高い感度で押圧力の検出を行うことができるようになる。上述したように、指標Ｍ１〜Ｍ４の押圧操作を、スイッチＯＮ状態のときにのみ検出できればよい場合は、共通変位電極Ｅｃが必ず電極Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂに接触した状態での検出が行われることになるので、共通変位電極Ｅｃに対する配線は不要である。なお、スイッチＯＦＦ状態においても指標Ｍ１〜Ｍ４の押圧操作を検出したい場合には、ドーム状構造体１２０に対する配線（たとえば、図１に示す例における配線部１２１）を行っておけば実用上は十分であり、共通変位電極Ｅｃに対する配線は次の理由により不要である。いま、図１４において、共通変位電極Ｅｃがドーム状構造体１２０に接する状態になるまで（ドームは反転していない）軽く押し込む操作を第１クリック操作と呼び、更に、ドームを反転させて図１６の状態になるまで押し込む操作を第２クリック操作と呼ぶ。スイッチは第２クリック操作によりＯＮ状態になるが、第１クリック操作後は、共通変位電極Ｅｃはドーム状構造体１２０に接触した状態となるので、このドーム状構造体１２０に対して行われた配線を利用すれば、スイッチがＯＦＦ状態（第２クリック操作前）であっても各容量素子を利用した押圧操作検出が可能になる。結局、指標Ｍ１〜Ｍ４の押圧操作検出を、第１クリック操作後に限定すれば、共通変位電極Ｅｃに対する配線なしに、ドーム状構造体１２０を配線として利用した検出が可能になる。第１クリック操作前は、容量素子の電極間隔がかなり大きいため、検出感度はかなり低い。したがって、実用上は、第１クリック操作後の検出に限定しても問題はない。もちろん、第１クリック操作後であって第２クリック操作前の状態における検出感度は、第２クリック操作後の検出感度に比べれば低くなる。
【００６９】
第４の相違点は、図１４あるいは図１６に示されているように、作用部１４１が、本体部１４１Ａ、操作盤１４１Ｂ、心棒１４１Ｃの３つの部分によって構成されている点である。本体部１４１Ａは、弾性材料からなる部分であり、この例の場合、絶縁性のシリコンゴムによって構成されている。一方、操作盤１４１Ｂは、本体部１４１Ａの上面に配置された剛性材料からなる部分であり、この例の場合、プラスチックによって構成されている。また、心棒１４１Ｃは、本体部１４１Ａの中心部分に埋め込まれた剛性材料からなる部分であり、この例の場合、操作盤１４１Ｂと同様にプラスチックによって構成されている。心棒１４１Ｃの上端は、操作盤１４１Ｂの下面に接続されている。実用上は、操作盤１４１Ｂと心棒１４１Ｃとを一体成型品として用意すればよい。
【００７０】
このように、作用部１４１を弾性材料からなる部分と剛性材料からなる部分とによって構成することは、良好な操作性を得る上で重要である。作用部１４１に力を加える場合、ある程度の弾性が得られた方が柔らかな操作性を得ることができて好ましい。しかしながら、指の力が直接加わる上面部分も弾性材料によって構成されていると、指が沈み込むようになり力が加わりにくくなる。そこで、上面には、剛性をもった操作盤１４１Ｂを被せるようにし、指に対して良好な接触感が得られるようにしている。また、心棒１４１Ｃを埋め込んでおくと、スイッチＯＮ操作を行う上で効果的である。スイッチＯＮ操作では、ドーム状構造体１２０の頂点付近を形状反転させる必要があるため、ある程度の強い押圧力が必要になる。中心部分に心棒１４１Ｃを埋め込んでおくと、操作盤１４１Ｂの中央部分に加えた押圧力をドーム状構造体１２０の頂点付近に効率的に伝達することができるようになる。
【００７１】
§４．第２の実施形態の構造および動作
続いて、本発明の第２の実施形態について述べる。この第２の実施形態は、実用上は操作量検出装置として利用するのが一般的であるので、ここでは、操作量検出装置と呼ぶことにする。図１７は、この第２の実施形態に係る操作量検出装置の構成を示す側断面図である。この装置は、平面上で互いに直交する４方向（具体的には、Ｘ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向）についての操作量とＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とを検出する機能を有している。
【００７２】
図１７に示す主基板２１０は、セラミック基板、ガラス基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミドフィルムなどの絶縁性の基板であり、図１８にその上面図を示す。図示のとおり、この主基板２１０も正方形状の基板である。ここでも、この主基板２１０の上面の中心部に原点Ｏを定義し、図示の方向にＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を定義することにする。主基板２１０の上面には、図１８に示すように、５枚の固定電極が形成されている。ここでは、中央の原点位置に配置された電極を接触用固定電極Ｅ０、Ｘ軸正領域に配置された電極を第１の固定電極Ｅ１、Ｘ軸負領域に配置された電極を第２の固定電極Ｅ２、Ｙ軸正領域に配置された電極を第３の固定電極Ｅ３、Ｙ軸負領域に配置された電極を第４の固定電極Ｅ４と呼ぶことにする。また、この主基板２１０上において、接触用固定電極Ｅ０が配置された原点Ｏの近傍部分を中央領域と呼び、第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４が配置された部分（中央領域を環状に取り囲む部分）を周辺領域と呼ぶことにする。
【００７３】
図１７の側断面図に示されているように、中央領域においては、接触用固定電極Ｅ０の位置に伏せるように、ドーム状構造体２２０が配置されており、このドーム状構造体２２０は、補助基板２３０によって主基板２１０上に保持されている。補助基板２３０の上面には円形開口部が形成されており、ドーム状構造体２２０の一部が露出した状態となっている。一方、周囲領域には、弾性変形する材質からなる弾性導電層２４０が配置されている。この弾性導電層２４０は、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４に沿って配置された平板円環状（ワッシャーのような形状）の導電層であり、その下面には、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４に接触しないように円環状の溝が形成されている。具体的には、この弾性導電層２４０は、導電性シリコンゴムあるいは導電性エラストマーなどの導電性弾性材料で構成しておけばよい。各固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、弾性導電層２４０のうちこれらの固定電極に対向する部分とによって、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されることになる。
【００７４】
弾性緩衝層２５０は、中央領域および周辺領域を覆うような円盤状のパッドであるが、表面に凹凸構造が形成されているため、図１７の側断面図においては、やや複雑な形状をしている。この例では、弾性緩衝層２５０は、絶縁性シリコンゴムによって構成されている。この弾性緩衝層２５０の上には、剛体材料（この例ではプラスチック）からなる円盤状の操作盤２６０が配置されている。操作盤２６０は、その中央部分においてのみ弾性緩衝層２５０の中心部分に接続されており、周囲部分は、弾性緩衝層２５０から浮いた状態となっている。これは、操作盤２６０の中央を押し込むことによるスイッチＯＮ操作と、周囲の所定位置を押し込むことによる４方向の操作量入力とが、互いに干渉しないようにするための配慮である。
【００７５】
主基板２１０、弾性導電層２４０、弾性緩衝層２５０の３層構造体は、その周囲部分で、固定部材２７０によって固定されている。図１９は、この操作量検出装置全体の上面図である。固定部材２７０は、この装置の筐体上面を構成する上面部（図１９に現れている部分）と、筐体下面を構成する下面部と、筐体側面を構成する側面部と、によって構成されており、固定部材として機能するものであれば、どのような材料を用いて構成してもかまわない。上面部には、図１９に示すように、円形の開口部が形成されており、この開口部から円盤状の操作盤２６０が露出している。固定部材２７０の下面部にも、同様に円形の開口部が形成されており、主基板２１０の下面の一部が露出している。この露出部分から、主基板２１０に対する配線を施すことができる。
【００７６】
操作盤２６０の上面には、図１９に示すように、５つの指標Ｍ１〜Ｍ５が描かれている。指標Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ４方向についての操作入力を行う際の押圧位置の目標を示しており、指標Ｍ５は、スイッチＯＮ操作を行う際の押圧位置の目標を示している。操作者が、指標Ｍ１〜Ｍ４のうちのいずれかの位置に対して押圧操作を行うと、操作盤２６０の押圧された箇所が下方へと変位する。たとえば、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作が行われると、図１７に示す操作盤２６０において、第１の固定電極Ｅ１の上方に相当する部分が下方へと変位し、弾性緩衝層２５０に接触することになる。弾性緩衝層２５０のこの部分は、操作盤２６０からの押圧力を受けて下方へと変位するため、その下に位置する弾性導電層２４０の一部分（溝が形成された部分）も下方へと変位することになる。その結果、第１の固定電極Ｅ１と、これに対向する弾性導電層２４０の一部分と、によって形成される第１の容量素子Ｃ１の電極間隔は狭くなり、静電容量値は増加する。結局、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作量は、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値の増加として検出される。同様に、指標Ｍ２〜Ｍ４の位置に対する押圧操作量は、第２〜第４の容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値の増加として検出される。実用上は、§２で述べたように、一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ１あるいはＭ２に対する押圧操作量を求め、一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ３あるいはＭ４に対する押圧操作量を求めるのが好ましい。
【００７７】
一方、指標Ｍ５の位置に対して、下方へ押し込むようなスイッチＯＮ操作が与えられた場合、この押圧力はドーム状構造体２２０へと伝達される。ドーム状構造体２２０は、このような下方への押圧操作が加えられると、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、かつ、少なくとも頂点付近の下面に導電性接触面が形成されている。したがって、指標Ｍ５の位置に対して、ある程度の押圧力が加えられると、頂点付近が形状反転を生じ、下面の導電性接触面が接触用固定電極Ｅ０に接触することになる。こうして、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体２２０との接触を電気的に検出することにより、スイッチのＯＮ状態を検出することができる。ドーム状構造体２２０の形状反転を利用しているため、スイッチＯＮ操作時には、十分なクリック感が得られることは、前述の実施形態と同様である。
【００７８】
かくして、図１７に示す操作量検出装置は、平面上で互いに直交する４方向についての操作量とＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とを検出することができる。このような機能は、第１の実施形態として示した図１，図１２，図１４に示す装置と同じである。なお、本願明細書では、便宜上、図１や図１２で示した装置を第１の実施形態と呼び、図１７以降に示す装置を第２の実施形態と呼ぶことにしているが、発明の基本思想という点では、いずれの実施形態もその本質的な部分は同じになる。
【００７９】
たとえば、図１７に示す装置において、弾性導電層２４０、弾性緩衝層２５０、操作盤２６０からなる部分（操作者の操作入力に基づいて変位を生じる部分）を操作部と呼ぶことにすると、この操作部は、主基板２１０上の中央領域および周辺領域を含む領域上に配置され、底面には、第１の固定電極Ｅ１に対向する第１の変位電極（弾性導電層２４０の一部）、第２の固定電極Ｅ２に対向する第２の変位電極（弾性導電層２４０の一部）、第３の固定電極に対向する第３の変位電極（弾性導電層２４０の一部）、第４の固定電極に対向する第４の変位電極（弾性導電層２４０の一部）が形成され、所定の押圧操作が加えられたときに弾性変形を生じることにより第１〜第４の変位電極に変位が生じるように構成されていることになる。このような構成は、図１に示す装置において、変位生成体１４０を操作部と呼んだ場合の構成と実質的に同一である。
【００８０】
図２０に側断面図を示す操作量検出装置は、図１７に示す装置の変形例である。この装置も、平面上で互いに直交する４方向（Ｘ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向）についての操作量とＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とを検出する機能を有している。
【００８１】
図２０に示す主基板３１０は、図１８に示す主基板２１０と同様に、セラミック基板、ガラス基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミドフィルムなどの絶縁性の基板であり、その上面の中央領域には、接触用固定電極Ｅ０が形成され、周辺領域には第１〜第４の固定電極Ｅ１〜Ｅ４（配置は、図１８に示す固定電極Ｅ１〜Ｅ４と同じ）が形成されている。また、中央領域において、接触用固定電極Ｅ０の位置に伏せるように、ドーム状構造体３２０が配置されており、このドーム状構造体３２０は、補助基板３３０によって主基板３１０上に保持されている。この点も図１７に示す装置と同様である。
【００８２】
弾性導電層３４０は、中央部弾性導電層３４１と周辺部弾性導電層３４２とによって構成された円盤状のパッドであるが、表面に凹凸構造が形成されているため、図２０の側断面図においては、やや複雑な形状をしている。中央部弾性導電層３４１は、ドーム状構造体３２０の上方に位置し、その底面はドーム状構造体３２０の上面に接触している。周辺部弾性導電層３４２は、その周囲を取り囲むように、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４に沿って配置された平板円環状（ワッシャーのような形状）の部分であり、その下面には、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４に接触しないように円環状の溝が形成されている。具体的には、この弾性導電層３４０は、導電性シリコンゴムあるいは導電性エラストマーなどの導電性弾性材料で構成しておけばよい。各固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、中央部弾性導電層３４１のうちこれらの固定電極に対向する部分とによって、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されることになる。電気的には、ドーム状構造体３２０と弾性導電層３４０とは導通状態にあり、共通の電極として機能することになる。
【００８３】
中央部弾性緩衝層３５１は、中央部弾性導電層３４１の上に配置された円盤状のパッドであり、周辺部弾性緩衝層３５２は、周辺部弾性導電層３４２の上に配置された平板円環状（ワッシャーのような形状）のパッドである。これらのパッドは、いずれも絶縁性シリコンゴムによって構成されている。これらの上には、それぞれ、剛体材料（この例ではプラスチック）からなる円盤状の中央操作盤３６１および円環状の周辺操作盤３６２が被せられている。
【００８４】
主基板３１０、弾性導電層３４０、周辺部弾性緩衝層３５２の３層構造体は、その周囲部分で、固定部材３７０によって固定されている。図２１は、この操作量検出装置全体の上面図である。固定部材３７０は、この装置の筐体上面を構成する上面部（図２１に現れている部分）と、筐体下面を構成する下面部と、筐体側面を構成する側面部と、によって構成されており、固定部材として機能するものであれば、どのような材料を用いて構成してもかまわない。上面部には、図２１に示すように、円形の開口部が形成されており、この開口部から円盤状の中央操作盤３６１および円環状の周辺操作盤３６２が露出している。固定部材３７０の下面部にも、同様に円形の開口部が形成されており、主基板３１０の下面の一部が露出している。この露出部分から、主基板３１０に対する配線を施すことができる。
【００８５】
図２１に示すように、中央操作盤３６１には指標Ｍ５が描かれ、周辺操作盤３６２には４つの指標Ｍ１〜Ｍ４が描かれている。指標Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ４方向についての操作入力を行う際の押圧位置の目標を示しており、指標Ｍ５は、スイッチＯＮ操作を行う際の押圧位置の目標を示している。操作者が、指標Ｍ１〜Ｍ４のうちのいずれかの位置に対して押圧操作を行うと、周辺操作盤３６２の押圧された箇所が下方へと変位する。たとえば、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作が行われると、図２０に示す周辺操作盤３６２において、第１の固定電極Ｅ１の上方に相当する部分が下方へと変位し、周辺部弾性緩衝層３５２を介して、周辺部弾性導電層３４２を下方へと変位させる力が伝わることになる。その結果、第１の固定電極Ｅ１と、これに対向する周辺部弾性導電層３４２の一部分と、によって形成される第１の容量素子Ｃ１の電極間隔は狭くなり、静電容量値は増加する。結局、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作量は、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値の増加として検出される。同様に、指標Ｍ２〜Ｍ４の位置に対する押圧操作量は、第２〜第４の容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値の増加として検出される。実用上は、§２で述べたように、一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ１あるいはＭ２に対する押圧操作量を求め、一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ３あるいはＭ４に対する押圧操作量を求めるのが好ましい。
【００８６】
一方、指標Ｍ５の位置に対して、下方へ押し込むようなスイッチＯＮ操作が与えられた場合、この押圧力はドーム状構造体３２０へと伝達される。ドーム状構造体３２０は、このような下方への押圧操作が加えられると、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、かつ、少なくとも頂点付近の下面に導電性接触面が形成されている。したがって、指標Ｍ５の位置に対して、ある程度の押圧力が加えられると、頂点付近が形状反転を生じ、下面の導電性接触面が接触用固定電極Ｅ０に接触することになる。こうして、接触用固定電極Ｅ０とドーム状構造体３２０との接触を電気的に検出することにより、スイッチのＯＮ状態を検出することができる。ドーム状構造体３２０の形状反転を利用しているため、スイッチＯＮ操作時には、十分なクリック感が得られることは、前述の実施形態と同様である。
【００８７】
結局、この図２０に示す装置において、主基板３１０の中央領域上に配置された中央部弾性導電層３４１、中央部弾性緩衝層３５１、中央操作盤３６１の３層構造体を中央操作部と呼び、主基板３１０の周辺領域上に配置された周辺部弾性導電層３４２、周辺部弾性緩衝層３５２、周辺操作盤３６２の３層構造体を周辺操作部と呼べば、中央操作部によってスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を行うことができ、周辺操作部によって４方向についての操作量入力を行うことができることになる。中央操作部も周辺操作部も、弾性材料からなる部分を有するため、柔らかで良好な操作感が得られる。しかも、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作に関しては、ドーム状構造体３２０を用いているため、良好なクリック感が得られるようになる。図１７に示す装置の場合、すべての操作を操作盤２６０に対して行うことになるが、図２０に示す装置の場合、中央操作盤３６１と周辺操作盤３６２とに分けて操作入力を行うことができるため、より確実な操作入力が可能になる。
【００８８】
図２２に側断面図を示す操作量検出装置は、図１７に示す装置の更に別な変形例である。この装置では、平面上で互いに直交する４方向（Ｘ軸正方向、Ｘ軸負方向、Ｙ軸正方向、Ｙ軸負方向）および下方向（Ｚ軸負方向）についての操作量と、上記４方向に対応した４系統のＯＮ／ＯＦＦスイッチ操作とを検出する機能を有している。
【００８９】
図２２に示す主基板４１０は、図１８に示す主基板２１０と同様に、セラミック基板、ガラス基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミドフィルムなどの絶縁性の基板であるが、その上面の電極構成は若干異なっている。すなわち、原点Ｏを中心とする中央領域には、Ｘ軸正領域に配置された第１の固定電極Ｅ１と、Ｘ軸負領域に配置された第２の固定電極Ｅ２と、Ｙ軸正領域に配置された第３の固定電極Ｅ３と、Ｙ軸負領域に配置された第４の固定電極Ｅ４と、原点Ｏ上に配置された第５の固定電極Ｅ５と、が設けられている（図２２には、固定電極Ｅ３，Ｅ４は示されていないが、Ｘ軸上に配置された電極Ｅ１，Ｅ２と同様の位置関係となるようにＹ軸上に配置されている）。一方、中央領域の周辺に位置する周辺領域には、Ｘ軸正領域に配置された第１の接触用固定電極Ｅ０１と、Ｘ軸負領域に配置された第２の接触用固定電極Ｅ０２と、Ｙ軸正領域に配置された第３の接触用固定電極Ｅ０３と、Ｙ軸負領域に配置された第４の接触用固定電極Ｅ０４と、が設けられている（図２２には、固定電極Ｅ０３，Ｅ０４は示されていないが、Ｘ軸上に配置された電極Ｅ０１，Ｅ０２と同様の位置関係となるようにＹ軸上に配置されている）。
【００９０】
第１〜第４の接触用固定電極Ｅ０１〜Ｅ０４の各位置には、それぞれ第１〜第４のドーム状構造体４２１〜４２４（図２２には、第３および第４のドーム状構造体４２３，４２４は示されていない）が伏せるように配置されている。
【００９１】
弾性導電層４４０は、中央部弾性導電層４４１、周辺部弾性導電層４４２、周縁部弾性導電層４４３によって構成された円盤状のパッドであるが、表面に凹凸構造が形成されているため、図２２の側断面図においては、やや複雑な形状をしている。中央部弾性導電層４４１は、主基板４１０の中央領域上の各固定電極Ｅ１〜Ｅ５を覆うような円盤状の部分であるが、その底面には、各固定電極Ｅ１〜Ｅ５を収容するための空洞部が形成されている。周辺部弾性導電層４４２は、中央部弾性導電層４４１の周囲を取り囲むように、周辺領域上に配置された円環状の部分であり、Ｘ軸およびＹ軸と交差する４か所において、第１〜第４のドーム状構造体４２１〜４２４の上面と周辺部弾性導電層４４２の底面とが接触した状態となっている。周縁部弾性導電層４４３は、周辺部弾性導電層４４２の更に周囲に形成された円環状の部分であり、主基板４１０上に固定される。中央部弾性導電層４４１、周辺部弾性導電層４４２、周縁部弾性導電層４４３は、図示されているように、肉薄の可撓部によって連結されており、弾性導電層４４０は全体として、大きな円盤状のパッドを構成している。
【００９２】
具体的には、この弾性導電層４４０は、導電性シリコンゴムあるいは導電性エラストマーなどの導電性弾性材料で構成しておけばよい。各固定電極Ｅ１〜Ｅ５と、中央部弾性導電層４４１のうちこれらの固定電極に対向する部分とによって、容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されることになる。電気的には、４つのドーム状構造体４２１〜４２４と弾性導電層４４０とは導通状態にあり、共通の電極として機能することになる。
【００９３】
中央部弾性緩衝層４５１は、中央部弾性導電層４４１の上に配置されたほぼ円柱状の部材であり、絶縁性シリコンゴムによって構成されている。その上には、剛体材料（この例ではプラスチック）からなる円筒状の中央操作盤４６１が被せられている。また、周辺部弾性導電層４４２の上には、同じく剛体材料（この例ではプラスチック）からなる円環状の周辺操作盤４６２が被せられている。更に、中央操作盤４６１と周辺操作盤４６２との間には、同じく剛体材料（この例ではプラスチック）からなる環状壁部４６３が設けられている。この環状壁部４６３は、円筒状の構造体であり、中央部弾性緩衝層４５１の周縁上に接着されることにより、間接的に、主基板４１０上に固定される。
【００９４】
主基板４１０および周縁部弾性導電層４４３は、その周縁部分で、固定部材４７０によって固定されている。図２３は、この操作量検出装置全体の上面図である。固定部材４７０は、この装置の筐体上面を構成する上面部（図２３に現れている部分）と、筐体下面を構成する下面部と、筐体側面を構成する側面部と、によって構成されており、固定部材として機能するものであれば、どのような材料を用いて構成してもかまわない。上面部には、図２３に示すように、円形の開口部が形成されており、この開口部から円盤状の中央操作盤４６１、円環状の周辺操作盤４６２、円筒状の環状壁部４６３が露出している。固定部材４７０の下面部にも、同様に円形の開口部が形成されており、主基板４１０の下面の一部が露出している。この露出部分から、主基板４１０に対する配線を施すことができる。
【００９５】
図２３に示すように、中央操作盤４６１には４つの指標Ｍ１〜Ｍ４が描かれている。この４つの指標Ｍ１〜Ｍ４は、それぞれ４方向についての操作入力を行う際の押圧位置の目標を示している。操作者が、指標Ｍ１〜Ｍ４のうちのいずれかの位置に対して押圧操作を行うと、中央操作盤４６１の押圧された箇所が下方へと変位する。たとえば、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作が行われると、図２２に示す中央操作盤４６１において、第１の固定電極Ｅ１の上方に相当する部分が下方へと変位し、中央部弾性緩衝層４５１を介して、中央部弾性導電層４４１を下方へと変位させる力が伝わることになる。その結果、第１の固定電極Ｅ１と、これに対向する中央部弾性導電層４４１の一部分と、によって形成される第１の容量素子Ｃ１の電極間隔は狭くなり、静電容量値は増加する。結局、指標Ｍ１の位置に対する押圧操作量は、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値の増加として検出される。同様に、指標Ｍ２〜Ｍ４の位置に対する押圧操作量は、第２〜第４の容量素子Ｃ２〜Ｃ４の静電容量値の増加として検出される。同様に、中央操作盤４６１の中央の突起部の位置に対する押圧操作量は、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値の増加として検出される。実用上は、§２で述べたように、一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ１あるいはＭ２に対する押圧操作量を求め、一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差に基づいて指標Ｍ３あるいはＭ４に対する押圧操作量を求めるのが好ましい。
【００９６】
一方、周辺操作盤４６２にも４つの指標ＭＭ１〜ＭＭ４が描かれている。この４つの指標ＭＭ１〜ＭＭ４は、それぞれ４方向についてのスイッチＯＮ操作を行う際の押圧位置の目標を示している。これまで述べてきた装置は、いずれも、ＯＮ／ＯＦＦ操作の対象となるスイッチは１系統のみであったが、ここに示す変形例では、上下左右の４方向について合計４系統のスイッチが設けられている。たとえば、操作者が、指標ＭＭ１の位置に対して、下方へ押し込むようなスイッチＯＮ操作を与えた場合、この押圧力は第１のドーム状構造体４２１へと伝達される。第１のドーム状構造体４２１は、このような下方への押圧操作が加えられると、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、かつ、少なくとも頂点付近の下面に導電性接触面が形成されている。したがって、指標ＭＭ１の位置に対して、ある程度の押圧力が加えられると、第１のドーム状構造体４２１の頂点付近が形状反転を生じ、下面の導電性接触面が接触用固定電極Ｅ０１に接触することになる。こうして、接触用固定電極Ｅ０１と第１のドーム状構造体４２１との接触を電気的に検出することにより、指標ＭＭ１に対応するスイッチ（図２３における右方向についてのスイッチ）のＯＮ状態を検出することができる。ドーム状構造体の形状反転を利用しているため、スイッチＯＮ操作時には、十分なクリック感が得られることは、前述の実施形態と同様である。指標ＭＭ２〜ＭＭ４の位置に対して押圧力を加えた場合にも、同様に対応するスイッチのＯＮ操作を行うことができる。もちろん、各ドーム状構造体４２１〜４２４と各接触用固定電極Ｅ０１〜Ｅ０４とによって、それぞれ容量素子が形成されているので、これら容量素子の静電容量値に基づいて、各指標ＭＭ１〜ＭＭ４に加えられた押圧力を操作量として検出することも可能である。
【００９７】
結局、この図２２に示す装置において、主基板４１０の中央領域上に配置された中央部弾性導電層４４１、中央部弾性緩衝層４５１、中央操作盤４６１の３層構造体を中央操作部と呼び、主基板４１０の周辺領域上に配置された周辺部弾性導電層４４２および周辺操作盤４６２の２層構造体を周辺操作部と呼べば、中央操作部によって５方向についての操作量入力を行うことができ、周辺操作部によって４系統のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作を行うことができることになる。中央操作部も周辺操作部も、弾性材料からなる部分を有するため、柔らかで良好な操作感が得られる。しかも、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作に関しては、ドーム状構造体を用いているため、良好なクリック感が得られるようになる。また、図２３に示すように、中央操作盤４６１と周辺操作盤４６２との間には、環状壁部４６３が形成されているため、中央操作盤４６１に対する操作と周辺操作盤４６２に対する操作とを隔絶することができ、より確実な操作入力が可能になる。
【００９８】
なお、この§４において第２の実施形態として述べた操作量検出装置では、操作部、中央操作部、周辺操作部が、シリコンゴムなどの弾性材料からなる本体部と、この本体部の上面に形成されたプラスチックなどの剛性材料からなる操作盤とによって構成されているが、これは、押圧時に弾力ある操作感を確保するとともに、指に対する堅固な接触感を与えるためである。また、弾性材料からなる本体部を、導電性ゴムからなる弾性導電層と、絶縁性シリコンゴムなどからなる弾性緩衝層との２層構造にしている理由は、容量素子の電極として機能させるためには導電性の層を形成する必要があるものの、一般的な導電性ゴムは、絶縁性ゴムに比べて弾力性に劣るためである。導電性ゴムからなる弾性導電層を下層に配置し、絶縁性ゴムからなる弾性緩衝層を上層に配置した２層構造をとることにより、底面側の層が電極としての機能を果たしつつ、全体としては十分な弾力性を確保することができるようになる。
【００９９】
以上、本発明を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。特に、各部の材質や形状などは、同等の機能を果たすことができれば、どのように改変してもかまわない。たとえば、変位生成体および共通変位電極として、これまでの実施形態ではシリコンゴムおよび導電性シリコンゴムを用いた例を示したが、より弾性体としての性能に優れた高分子材料であるエラストマーおよび導電性エラストマーを用いてもかまわない。また、本願明細書では、力検出装置と操作量検出装置とを適宜使い分けているが、本発明の基本的な技術思想の上からは、両者は実質的には同一の装置であり、上述した各実施形態は、いずれも力検出装置として用いてもよいし、操作量検出装置として用いてもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、良好な操作感を得ることができる力検出装置または操作量検出装置を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２】図１に示す力検出装置における主基板１１０の上面図である。
【図３】図１に示す力検出装置における補助基板１３０の上面図である。
【図４】図１に示す力検出装置における主基板１１０の上面にドーム状構造体１２０を配置し、更に、その上に補助基板１３０を載せた状態を示す上面図である。
【図５】図１に示す力検出装置における変位生成体１４０の上面図である。
【図６】図１に示す力検出装置における変位生成体１４０の下面図である。
【図７】図１に示す力検出装置に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが与えられ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、Ｘ軸正方向の力＋ＦｘおよびＺ軸負方向の力−Ｆｚが与えられたときの状態を示す側断面図である。
【図９】図１に示す力検出装置の各電極に着目した等価回路を示す回路図である。
【図１０】図１に示す力検出装置に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを与えてスイッチＯＮとしたときの状態を示す側断面図である。
【図１１】図１に示す力検出装置の変形例に利用される補助基板１３０の上面図である。
【図１２】図１に示す力検出装置の別な変形例を示す側断面図である。
【図１３】図１２に示す変形例に係る力検出装置の変位生成体１４０の上面図である。
【図１４】図１に示す力検出装置の更に別な変形例を示す側断面図である。
【図１５】図１４に示す変形例に係る力検出装置の主基板１１０の上面図である。
【図１６】図１４に示す変形例に係る力検出装置に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを与えてスイッチＯＮとしたときの状態を示す側断面図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る操作量検出装置の側断面図である。
【図１８】図１７に示す操作量検出装置の主基板２１０の上面図である。
【図１９】図１７に示す操作量検出装置全体の上面図である。
【図２０】図１７に示す操作量検出装置の変形例の側断面図である。
【図２１】図２０に示す操作量検出装置全体の上面図である。
【図２２】図１７に示す操作量検出装置の別な変形例の側断面図である。
【図２３】図２２に示す操作量検出装置全体の上面図である。
【符号の説明】
１１０…主基板
１１１…貫通孔
１２０…ドーム状構造体
１２１…配線部
１３０…補助基板
１３１…環状溝
１４０…変位生成体
１４１…作用部
１４１Ａ…本体部
１４１Ｂ…操作盤
１４１Ｃ…心棒
１４２…可撓部
１４３…固定部
１４４…操作桿
１４５…突起部
１５０…固定部材
２１０…主基板
２２０…ドーム状構造体
２３０…補助基板
２４０…弾性導電層
２５０…弾性緩衝層
２６０…操作盤
２７０…固定部材
３１０…主基板
３２０…ドーム状構造体
３３０…補助基板
３４０…弾性導電層
３４１…中央部弾性導電層
３４２…周辺部弾性導電層
３５１…中央部弾性緩衝層
３５２…周辺部弾性緩衝層
３６１…中央操作盤
３６２…周辺操作盤
３７０…固定部材
４１０…主基板
４２１〜４２４…ドーム状構造体
４４０…弾性導電層
４４１…中央部弾性導電層
４４２…周辺部弾性導電層
４４３…周縁部弾性導電層
４５１…中央部弾性緩衝層
４６１…中央操作盤
４６２…周辺操作盤
４６３…環状壁部
４７０…固定部材
Ｃ０〜Ｃ５…容量素子
Ｅ０，Ｅ０Ａ，Ｅ０Ｂ，Ｅ０１〜Ｅ０４…接触用固定電極
Ｅ１〜Ｅ５…固定基板
Ｅｃ…共通変位電極
Ｅｄ…変位電極（ドーム状構造体１２０）
Ｈ…円形ホール
Ｍ１〜Ｍ５，ＭＭ１〜ＭＭ４…指標
Ｏ…座標系の原点
Ｔ０〜Ｔ４，Ｔｄ…外部端子
【図１】
0004429477.tif 000002
【図２】
0004429477.tif 000003
【図３】
0004429477.tif 000004
【図４】
0004429477.tif 000005
【図５】
0004429477.tif 000006
【図６】
0004429477.tif 000007
【図７】
0004429477.tif 000008
【図８】
0004429477.tif 000009
【図９】
0004429477.tif 000010
【図１０】
0004429477.tif 000011
【図１１】
0004429477.tif 000012
【図１２】
0004429477.tif 000013
【図１３】
0004429477.tif 000014
【図１４】
0004429477.tif 000015
【図１５】
0004429477.tif 000016
【図１６】
0004429477.tif 000017
【図１７】
0004429477.tif 000018
【図１８】
0004429477.tif 000019
【図１９】
0004429477.tif 000020
【図２０】
0004429477.tif 000021
【図２１】
0004429477.tif 000022
【図２２】
0004429477.tif 000023
【図２３】
0004429477.tif 000024