(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、上面がＸＹ平面に含まれる位置に配置された基板と、
前記基板の上方に位置し外部からの力を受けて変位する変位部と、前記基板に固定された固定部と、前記変位部と前記固定部とを接続する接続部と、を有し、前記基板上面に取り付けられた作用体と、
前記変位部の下面に形成され、弾性変形する性質をもった弾性変形体と、
前記弾性変形体の下面に形成されたスイッチ用変位電極と、
前記基板の前記スイッチ用変位電極に対向する位置に形成されたスイッチ用固定電極と、
前記変位部の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された容量素子と、
を備え、
前記接続部は可撓性を有しており、前記変位部に力が作用したときに、前記接続部が撓みを生じることにより、前記変位部が前記基板に対して変位を生じ、
前記変位部に力が作用していない場合には、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが非接触な状態を保ち、前記座標系におけるＺ軸方向成分を有する所定量の力が前記変位部に作用した場合には、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが接触状態となり、
前記Ｚ軸方向成分を有する更に大きな力が前記変位部に作用した場合には、前記弾性変形体が弾性変形を生じることにより、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが接触状態を維持したまま、前記容量素子の静電容量値が変化するように構成され、
前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とによりスイッチが構成されるようにし、前記容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、作用した力の所定方向成分の大きさを認識できるようにした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、
椀状形態部を有する作用体を用意し、椀が伏せられた状態になるように、この作用体を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分を変位部、椀の側部に相当する部分を接続部、椀の口部に相当する部分を固定部として用い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、
基板と作用体との間に中間変位板を配置し、この中間変位板の一部を変位板固定部として基板に固定し、この中間変位板の別な一部によって、変位部の変位もしくは接続部の変形によって変位が生じる変位板変位部を構成し、
基板上面に形成した容量素子用固定電極と、前記変位板変位部に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成したことを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の力検出装置において、
椀状形態部を有する可撓性板状部材によって中間変位板を構成し、椀が伏せられた状態になるように、この中間変位板を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分に弾性変形体を挿通するための開口窓を形成し、この開口窓の周囲の部分によって変位板変位部を構成し、椀の口部に相当する部分によって変位板固定部を構成し、変位部もしくは接続部の物理的な接触により変位板変位部が変位を生じるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力検出装置において、
中間変位板を金属材料によって構成し、この中間変位板自身を容量素子用変位電極として用いることを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項４に記載の力検出装置において、
中間変位板を合成樹脂材料によって構成し、その下面に形成した金属膜によって容量素子用変位電極を構成したことを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の力検出装置において、
中間変位板の上面に付加スイッチ用第１電極を形成し、変位部の下面の前記付加スイッチ用第１電極に対向する位置に付加スイッチ用第２電極を形成し、これら両電極により付加スイッチが構成されるようにし、両電極の接触状態を電気的に検出することにより、作用した力に関する付加的な情報を得る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８】
請求項７に記載の力検出装置において、
変位部の中心にＺ軸を定義したときに、正のＸ軸上方に位置する付加スイッチと、負のＸ軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のＸ軸方向成分に関する情報を得る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９】
請求項８に記載の力検出装置において、
更に、正のＹ軸上方に位置する付加スイッチと、負のＹ軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のＹ軸方向成分に関する情報を得る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１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の力検出装置において、
付加スイッチを構成する１組の対向電極のうち、一方の電極を単一の電極層により構成し、他方の電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、前記一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、前記対向電極の接触状態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１１】
請求項１または２に記載の力検出装置において、
基板上面に形成した容量素子用固定電極と、変位部の下面に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成したことを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力検出装置において、
容量素子用変位電極とスイッチ用変位電極とを導通させる配線を設けておき、
スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが接触状態となったときに、スイッチ用固定電極と容量素子用固定電極との間の静電容量値を測定することにより、容量素子の静電容量値の検出を行えるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の力検出装置において、
変位部の中心にＺ軸を定義したときに、正のＸ軸上方に位置する第１の容量素子と、負のＸ軸上方に位置する第２の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＸ軸方向成分の向きおよび大きさを求める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１４】
請求項１３に記載の力検出装置において、
更に、正のＹ軸上方に位置する第３の容量素子と、負のＹ軸上方に位置する第４の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＹ軸方向成分の向きおよび大きさを求める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１５】
請求項１１〜１４のいずれかに記載の力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸のいずれに関してもほぼ線対称となる形状をもった電極を有する容量素子を設け、この容量素子の静電容量値に基づいて、作用した力のＺ軸方向成分の大きさを求める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１６】
請求項１１に記載の力検出装置において、
信号入力用容量素子および信号出力用容量素子なる２組の容量素子を設け、これら容量素子の各固定電極をそれぞれ電気的に独立した別個の電極によって構成し、これら容量素子の各変位電極を互いに電気的に導通した単一の電極によって構成し、
前記信号入力用容量素子の固定電極に周期信号を供給する周期信号供給手段と、前記信号出力用容量素子の固定電極に誘起される周期信号を検出する周期信号検出手段と、を設け、前記周期信号供給手段によって所定の大きさをもった周期信号を供給した状態において、前記周期信号検出手段によって検出される周期信号の大きさに基づいて、前記２組の容量素子の静電容量値の変化を求めるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
容量素子用固定電極および容量素子用変位電極のいずれか一方または双方の表面に絶縁膜を形成したことを特徴とする力検出装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の力検出装置において、
スイッチ用変位電極を単一の電極層により構成し、スイッチ用固定電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、前記一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極との接触状態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１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の力検出装置において、
弾性変形部が、検出感度に応じた弾性係数をもつ材質から構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の力検出装置において、
弾性変形部に、検出感度に応じた溝が形成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体および弾性変形部を、ゴムによって一体形成した起歪体によって構成したことを特徴とする力検出装置。
【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に関し、特に、押しボタンスイッチとしての機能を併せもつ力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
押しボタンスイッチは、様々な電化製品において、ＯＮ／ＯＦＦ情報を入力する入力手段として利用されている。特に、種々のリモコン、携帯電話機、ゲーム機器などの操作ボタンとしては、シリコンゴムを用いた安価な押しボタンスイッチが普及している。通常、椀状形態を有するシリコンゴムを、電子基板上に伏せた状態で配置し、椀の底部を押し込むことにより基板上の電極パターンと接触させ、この接触状態を電気的に検出してＯＮ／ＯＦＦ状態を認識するタイプのものが用いられている。このようなタイプの押しボタンスイッチでは、椀状部分の高さに相当する大きなストロークが得られるとともに、椀状シリコンゴムの弾性変形に基づく特有のクリック感が得られる。このため、操作者は、ＯＮ状態にあるかＯＦＦ状態にあるかを、触覚を通じて直感的に認識しやすくなり、極めて良好な操作性が得られる。
【０００３】
一方、力検出装置も、操作者の操作入力を電気信号に変換する装置として利用されている。上述の押しボタンスイッチでは、ＯＮ／ＯＦＦ情報しか入力できないのに対し、力検出装置では、操作者から加えられた力の大きさとして、所定のダイナミックレンジをもった操作量を入力することができる。また、加えられた力を各方向成分ごとに分けて検出することが可能な二次元あるいは三次元力検出装置も利用されている。特に、２枚の電極によって静電容量素子を形成し、電極間隔の変化に起因する静電容量値の変化に基づいて力の検出を行う容量型力検出装置は、構造を単純化しコストダウンを図るメリットが得られるため、種々の分野で実用化されている。たとえば、特開平４−１４８８３３号公報、特開平４−２４９７２６号公報、特開平４−２９９２２７号公報、特開平４−３３７４３１号公報などには、容量型の多次元力検出装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、押しボタンスイッチと力検出装置とは、これまで別々の用途に利用されてきていたが、近年、これら両方の機能を有する装置の需要が見込まれている。たとえば、ゲーム機器の入力装置としては、ＯＮ／ＯＦＦ情報の入力を行うための押しボタンスイッチと、多次元方向の操作入力を行うための力検出装置（いわゆるジョイスティック）とのそれぞれを別個独立して組み込んだ装置が利用されている。しかしながら、操作性を向上させるためには、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力とともに、加えられた力の大きさを、単一の装置で検出できた方が好ましい。
【０００５】
そこで本発明は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての機能を備えつつ、加えられた力の所定方向成分の大きさを認識することが可能な力検出装置を提供することを目的とする。特に、本発明は、押しボタンスイッチとしては、十分なストロークおよび良好なクリック感が得られ、かつ、コストダウンを図ることができる力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、力検出装置において、
ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、上面がＸＹ平面に含まれる位置に配置された基板と、
この基板の上方に位置し外部からの力を受けて変位する変位部と、基板に固定された固定部と、変位部と固定部とを接続する接続部と、を有し、基板上面に取り付けられた作用体と、
変位部の下面に形成され、弾性変形する性質をもった弾性変形体と、
弾性変形体の下面に形成されたスイッチ用変位電極と、
基板のスイッチ用変位電極に対向する位置に形成されたスイッチ用固定電極と、
変位部の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された容量素子と、
を設け、
接続部に可撓性をもたせ、変位部に力が作用したときに、接続部が撓みを生じることにより、変位部が基板に対して変位を生じるようにし、
変位部に力が作用していない場合には、スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが非接触な状態を保ち、Ｚ軸方向成分を有する所定量の力が変位部に作用した場合には、スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが接触状態となり、
Ｚ軸方向成分を有する更に大きな力が変位部に作用した場合には、弾性変形体が弾性変形を生じることにより、スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが接触状態を維持したまま、容量素子の静電容量値が変化するように構成し、
スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とによりスイッチが構成されるようにし、容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、作用した力の所定方向成分の大きさを認識でき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、椀状形態部を有する作用体を用意し、椀が伏せられた状態になるように、この作用体を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分を変位部、椀の側部に相当する部分を接続部、椀の口部に相当する部分を固定部として用い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、
基板と作用体との間に中間変位板を配置し、この中間変位板の一部を変位板固定部として基板に固定し、この中間変位板の別な一部によって、変位部の変位もしくは接続部の変形によって変位が生じる変位板変位部を構成し、
基板上面に形成した容量素子用固定電極と、変位板変位部に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成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の態様に係る力検出装置において、
椀状形態部を有する可撓性板状部材によって中間変位板を構成し、椀が伏せられた状態になるように、この中間変位板を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分に弾性変形体を挿通するための開口窓を形成し、この開口窓の周囲の部分によって変位板変位部を構成し、椀の口部に相当する部分によって変位板固定部を構成し、変位部もしくは接続部の物理的な接触により変位板変位部が変位を生じ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の態様に係る力検出装置において、
中間変位板を金属材料によって構成し、この中間変位板自身を容量素子用変位電極として用いるようにしたものである。
【００１１】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第４の態様に係る力検出装置において、
中間変位板を合成樹脂材料によって構成し、その下面に形成した金属膜によって容量素子用変位電極を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の態様に係る力検出装置において、
中間変位板の上面に付加スイッチ用第１電極を形成し、変位部の下面の付加スイッチ用第１電極に対向する位置に付加スイッチ用第２電極を形成し、これら両電極により付加スイッチが構成されるようにし、両電極の接触状態を電気的に検出することにより、作用した力に関する付加的な情報を得ることができ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７の態様に係る力検出装置において、
変位部の中心にＺ軸を定義したときに、正のＸ軸上方に位置する付加スイッチと、負のＸ軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のＸ軸方向成分に関する情報を得ることができ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８の態様に係る力検出装置において、
更に、正のＹ軸上方に位置する付加スイッチと、負のＹ軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のＹ軸方向成分に関する情報を得ることが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７〜第９の態様に係る力検出装置において、
付加スイッチを構成する１組の対向電極のうち、一方の電極を単一の電極層により構成し、他方の電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、この一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、対向電極の接触状態を検出できるようにしたものである。
【００１６】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力検出装置において、
基板上面に形成した容量素子用固定電極と、変位部の下面に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成するようにしたものである。
【００１７】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る力検出装置において、
容量素子用変位電極とスイッチ用変位電極とを導通させる配線を設けておき、スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが接触状態となったときに、スイッチ用固定電極と容量素子用固定電極との間の静電容量値を測定することにより、容量素子の静電容量値の検出を行え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１１または第１２の態様に係る力検出装置において、
変位部の中心にＺ軸を定義したときに、正のＸ軸上方に位置する第１の容量素子と、負のＸ軸上方に位置する第２の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＸ軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができ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の態様に係る力検出装置において、
更に、正のＹ軸上方に位置する第３の容量素子と、負のＹ軸上方に位置する第４の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＹ軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができ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１１〜第１４の態様に係る力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸のいずれに関してもほぼ線対称となる形状をもった電極を有する容量素子を設け、この容量素子の静電容量値に基づいて、作用した力のＺ軸方向成分の大きさを求めることができるようにしたものである。
【００２１】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述の第１１の態様に係る力検出装置において、
信号入力用容量素子および信号出力用容量素子なる２組の容量素子を設け、これら容量素子の各固定電極をそれぞれ電気的に独立した別個の電極によって構成し、これら容量素子の各変位電極を互いに電気的に導通した単一の電極によって構成し、
信号入力用容量素子の固定電極に周期信号を供給する周期信号供給手段と、信号出力用容量素子の固定電極に誘起される周期信号を検出する周期信号検出手段と、を設け、周期信号供給手段によって所定の大きさをもった周期信号を供給した状態において、周期信号検出手段によって検出される周期信号の大きさに基づいて、２組の容量素子の静電容量値の変化を求めるようにしたものである。
【００２２】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述の第１１〜第１６の態様に係る力検出装置において、
容量素子用固定電極および容量素子用変位電極のいずれか一方または双方の表面に絶縁膜を形成するようにしたものである。
【００２３】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述の第１〜第１７の態様に係る力検出装置において、
スイッチ用変位電極を単一の電極層により構成し、スイッチ用固定電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、この一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極との接触状態を検出できるようにしたものである。
【００２４】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述の第１〜第１８の態様に係る力検出装置において、
弾性変形部を、必要な検出感度に応じた弾性係数をもつ材質によって構成し、所望の検出感度をもった力検出装置を構成できるようにしたものである。
【００２５】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述の第１〜第１９の態様に係る力検出装置において、
弾性変形部に、必要な検出感度に応じた溝を形成するようにし、所望の検出感度をもった力検出装置を構成できるようにしたものである。
【００２６】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第２０の態様に係る力検出装置において、
作用体および弾性変形部を、ゴムによって一体形成した起歪体によって構成す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。
§１．第１の実施形態の構成
図１は、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の構造を示す側断面図である。この力検出装置の主たる構成要素は、基板１１０と、中間変位板１２０と、起歪体１３０と、取付具１４０と、である。ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この座標系を参照しながら各部品の配置説明を行うことにする。すなわち、図１では、基板１１０の上面中央部に原点Ｏが定義され、図の右水平方向にＸ軸が、図の上垂直方向にＺ軸が、紙面に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ定義されている。ここで、基板１１０の上面は、ＸＹ平面に含まれる面になり、基板１１０、中間変位板１２０、起歪体１３０の中心にＺ軸が通ることになる。
【００２８】
基板１１０は、一般的な電子回路用のプリント回路基板であり、この例ではガラスエポキシ基板が用いられている。もちろん、ポリイミドフィルムなどのフィルム状の基板を基板１１０として用いてもかまわないが、フィルム状の基板の場合は可撓性を有しているため、十分な剛性をもった何らかの支持基板上に配置して用いるのが好ましい。図２は、基板１１０の上面図である。図１の側断面図との位置関係については、各座標軸を参照してほしい。図２の上面図に示す基板１１０をＸ軸に沿って切断した断面が、図１の側断面図に示されていることになる。なお、便宜上、図２の上面図では、基板１１０の周囲の一部分の図示が省略されている。図２の円形破線は、中間変位板１２０（図３に上面図、図４に側断面図が示されている）の配置位置を示しており、図２の矩形破線は、起歪体１３０（図５に上面図が示されている）の配置位置を示している。
【００２９】
図２に示されているように、基板１１０の上面には、回路パターンが印刷されている。すなわち、原点Ｏの直近には一対の電極Ｅ１，Ｅ２が形成されており、その外側には、４組の扇形の電極Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６が形成されており、これらの中間部分には、ほぼ環状の電極Ｅ７が形成されている。後述するように、電極Ｅ１，Ｅ２は、この装置のスイッチとしての動作に利用される電極であり、以下、スイッチ用固定電極と呼ぶことにする。また、電極Ｅ３〜Ｅ７は、容量素子を構成することにより力検出の動作に利用される電極であり、以下、容量素子用固定電極と呼ぶことにする。より具体的には、Ｘ軸上に配置された容量素子用固定電極Ｅ３，Ｅ４は、作用した力のＸ軸方向成分の検出に利用され、Ｙ軸上に配置された容量素子用固定電極Ｅ５，Ｅ６は、作用した力のＹ軸方向成分の検出に利用され、ほぼ環状の容量素子用固定電極Ｅ７は、作用した力のＺ軸方向成分の検出に利用される。配線層Ｌ１〜Ｌ７は、これら各電極Ｅ１〜Ｅ７を、各端子Ｔ１〜Ｔ７へと電気的に接続するための導電層であり、各端子Ｔ１〜Ｔ７は、外部の電子回路へと接続されることになる。各電極Ｅ１〜Ｅ７，各配線層Ｌ１〜Ｌ７，各端子Ｔ１〜Ｔ７は、いずれも基板１１０上に形成された導電性のパターンであり、この基板１１０は、従来の一般的なプリント基板形成技術を用いて量産することができる。なお、図１の側断面図では、図が繁雑になるのを避けるため、配線層Ｌ１〜Ｌ７および端子Ｔ１〜Ｔ７についての図示を省略してある。
【００３０】
中間変位板１２０は、図３の上面図に示されているように、ほぼ円形の金属板から構成される。ただ、図４の側断面図に示されているように、その中央部分は、椀を伏せたようなドーム状の形態をなしている。ここでは、この中間変位板１２０の椀の口の部分およびその周囲の平板部分を変位板固定部１２１と呼び、ドーム状に盛り上がった椀状形態部分を変位板変位部１２２と呼ぶことにする。この中間変位板１２０の４か所には、変位板取付爪１２３が形成されている。この変位板取付爪１２３は、円形の金属板の一部を切り欠いて下方に折り曲げることにより形成されている。図２に示すように、基板１１０の上面には、この４組の変位板取付爪１２３を挿通するためのスリット状の変位板取付穴Ｈ１が設けられており、この変位板取付穴Ｈ１に変位板取付爪１２３を挿通することにより、中間変位板１２０を基板１１０上に取り付けることができる。なお、変位板取付穴Ｈ１の外側に設けられている円形の穴は、後述するように、起歪体取付穴Ｈ２である。中間変位板１２０を基板１１０に固定する場合には、基板１１０の下面側において、変位板取付爪１２３を折り曲げるようにすればよい。
【００３１】
このように、中間変位板１２０は、基板１１０の上面に、椀を伏せたような形態で取り付けられることになる。ここで、椀の底部に相当する部分には、円形の開口窓Ｈ３が形成されている。基板１１０に対しては、変位板固定部１２１によって固定された状態となっているものの、この中間変位板１２０は、可撓性板状部材（この例の場合、金属板）から構成されているため、変位板変位部１２２に物理的な力が作用すると、部分的な撓みが生じ、変位が生じることになる。特に、開口窓Ｈ３の周囲の部分は自由端を構成しているため、十分な変位を生じさせることができる。このような形態をもった中間変位板１２０は、１枚の金属板に対するプレス加工により、容易に量産可能である。
【００３２】
一方、起歪体１３０の構造を図５の上面図に示す。この例に示す起歪体１３０は、固定部１３１，接続部１３２，変位部１３３，弾性変形部１３４から構成されており、シリコンゴムの一体成型品として供給することができるため、やはり量産に適している。固定部１３１は、基板１１０の上面に固定される部分であり、その下面からは、４本の起歪体取付ピン１３５が突出している。図２に示すように、基板１１０には、４つの起歪体取付穴Ｈ２が設けられており、４本の起歪体取付ピン１３５をこの起歪体取付穴Ｈ２に挿入することにより、起歪体１３０を基板１１０の上面に固定することができる。変位部１３３は、この起歪体１３０の中央に位置する部分であり、図１に示すように、基板１１０の中心部に定義された原点Ｏの直上に配置され、外部からの力を受けて変位を生じる部分である。固定部１３１と変位部１３３とは、接続部１３２によって接続されている。接続部１３２は可撓性を有しており、変位部１３３に力が作用したときに、この接続部１３２が撓みを生じることにより、変位部１３３が基板１１０に対して変位することになる。
【００３３】
この例では、固定部１３１，接続部１３２，変位部１３３，弾性変形部１３４は、いずれもシリコンゴムから構成されているため、いずれの部分も撓みおよび弾性変形を生じる性質を有しているが、特に、接続部１３２はその肉厚が薄くなっているため、弾性変形を生じやすく、最も撓みやすい部分となっている。なお、本願では、「可撓性」なる語と「弾性変形性」なる語とは、ほぼ同義語として用いており、撓みの性質に着目するか、弾性変形の性質に着目するか、によってこれらの語を適宜使い分けることにする。ここで、接続部１３２に要求される「可撓性」とは、操作者の操作によって、変位部１３３が押しボタンスイッチとしての動作に十分な変位を生じる程度の撓み易さということになる。一方、弾性変形部１３４は、図５に破線で示されているように、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の構成要素であり、変位部１３３の下面に形成されている。弾性変形部１３４は、弾性変形する性質を有している必要がある。ここで、弾性変形部１３４に要求される「弾性変形性」とは、操作者の操作によって、力検出装置としての動作に十分な変形を生じる程度の変形性ということになる。
【００３４】
この弾性変形部１３４の底面には、図１に示すように、電極Ｆ０が形成されている。この電極Ｆ０は、基板１１０の上面側に形成されたスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２に対向する電極であり、変位部１３３の変位とともに変位を生じる電極であるため、ここでは、スイッチ用変位電極と呼ぶことにする。このスイッチ用変位電極Ｆ０は、この例では、導電性ゴムによって構成されているが、導電性インクの層によって構成すれば、より製造コストを低減させることができる。
【００３５】
なお、ここに示す例では、起歪体１３０全体をシリコンゴムの一体成型品として用意しているが、機能的には、この起歪体１３０のうちの固定部１３１，接続部１３２，変位部１３３の３つの部分が変位を生成させる作用を果たしているため、この３つの部分の総称として、「作用体」という言葉を用いることにする。すなわち、作用体は、固定部１３１，接続部１３２，変位部１３３の３つの部分から構成されており、この作用体と弾性変形部１３４とによって、起歪体１３０が構成されることになる。
【００３６】
図１に示すように、この第１の実施形態に係る力検出装置では、基板１１０上に中間変位板１２０が配置され、更にその上に起歪体１３０が配置され、最終的に取付具１４０によって、これらが基板１１０上に取り付けられている。別言すれば、椀状形態部を有する作用体を用意し、椀が伏せられた状態になるように、この作用体を基板１１０の上面に取り付け、椀の底部に相当する部分を変位部１３３、椀の側部に相当する部分を接続部１３２、椀の口部およびその周囲の部分を固定部１３１として用いていることになる。また、弾性変形部１３４は、ちょうど中間変位板１２０に設けられた開口窓Ｈ３に挿通する位置に配置されており、要するに、弾性変形部１３４の変位を妨げない程度の大きさの開口窓Ｈ３が形成されていることになる。
【００３７】
§２．第１の実施形態の動作
続いて、この第１の実施形態に係る力検出装置の動作について述べる。この装置は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての動作と、加えられた力の各軸方向成分の大きさを認識することが可能な三次元力検出装置としての動作と、の２通りの動作を行うことが可能である。図１に示す構造は、変位部１３３に何ら力が作用していないときの状態を示している。この状態において、操作者が変位部１３３に対して基板１１０側へ押し下げるような力（−Ｚ軸方向への力）を加えた場合を考えると、図６の側断面図に示されているように、接続部１３２が弾性変形を生じて撓み、変位部１３３は弾性変形部１３４とともに下方へと変位し、やがて弾性変形部１３４の底面に形成されているスイッチ用変位電極Ｆ０が、基板１１０の上面に形成されている一対のスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２に接触することになる。ここで、操作者が変位部１３３を更に押し下げるような力（−Ｚ軸方向への力）を加えると、図７の側断面図に示されているように、今度は、弾性変形部１３４が弾性変形を生じて潰れた状態となる。これにより、変位部１３３は更に下方へと変位することになり、接続部１３２の変形部分（あるいは変位した変位部１３３の底面）が中間変位板１２０に物理的に接触し、変位板変位部１２２を下方へと変位させることになる。
【００３８】
ここで、接続部１３２の弾性変形性を、弾性変形部１３４の弾性変形性よりも高めておけば（具体的には、図示のように、接続部１３２の肉厚を薄くしておけばよい）、操作者にとって、上述の押圧操作は、２段階の操作として感じられることになる。すなわち、第１段階の操作は、従来の一般的な押しボタンスイッチをＯＮにする操作と同様に、変位部１３３を比較的軽い力で押し込む操作である。この操作は、比較的大きなストロークと、良好なクリック感を与えることになる。この第１段階の操作により、接続部１３２が撓みを生じ、装置の構造は、図１に示す状態から図６に示す状態に変化する。第２段階の操作は、この押しボタンスイッチをＯＮにした後、変位部１３３を更に強い力で押圧する操作に対応する。この操作のストロークは小さく、クリック感は生じない。この第２段階の操作により、弾性変形部１３４が弾性変形して潰れ、装置の構造は、図６に示す状態から図７に示す状態に変化する。
【００３９】
図８は、この第１の実施形態に係る力検出装置の等価回路を示す回路図である。図８(a) は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての動作に関与する部分の等価回路を示しており、上述の第１段階の操作により動作する。すなわち、スイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２は、図１に示す状態においては、互いに電気的に絶縁状態となっているため、端子Ｔ１，Ｔ２間は絶縁状態になっている。ところが、Ｚ軸方向（符号を考慮した場合は、−Ｚ軸方向）を向いた所定量の力が変位部１３３に作用すると、図６に示す状態（あるいは、図７に示す状態でも同様であるが）になり、スイッチ用変位電極Ｆ０がスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２に接触する。このため、スイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２間が短絡し、端子Ｔ１，Ｔ２間は導通状態になる。結局、変位部１３３の上下方向の変位は、図８(a) に示す回路におけるスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ動作に相当することになり、端子Ｔ１，Ｔ２間の導通状態を外部の回路によってモニタすることにより、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力の検出が可能になる。
【００４０】
一方、図８(b) は、変位部１３３に加えられた力の各軸方向成分の大きさを認識する三次元力検出装置としての動作に関与する部分の等価回路を示しており、主として、上述の第２段階の操作により動作する。図２に示すように、基板１１０上には、５枚の容量素子用固定電極Ｅ３〜Ｅ７が形成されており、金属板から構成される変位板変位部１２２が、これらの電極の上方位置において対向している。したがって、図８(b) の等価回路に示すように、５組の容量素子Ｃ３〜Ｃ７が形成されていることになる。ここで、変位板変位部１２２を、容量素子用変位電極と呼ぶことにすれば、これらの容量素子Ｃ３〜Ｃ７は、共通の容量素子用変位電極（変位板変位部１２２）と、個別の容量素子用固定電極Ｅ３〜Ｅ７とによって構成される容量素子ということになる。そして、各容量素子Ｃ３〜Ｃ７の静電容量値は、変位板取付爪１２３と、各端子Ｔ３〜Ｔ７との間の静電容量値として、それぞれ独立して測定することが可能である。
【００４１】
上述した第２段階の操作を行うと、図７に示すように、接続部１３２の変形によって（あるいは変位部１３３の変位によって）、変位板変位部１２２が下方に変位するため、容量素子Ｃ３〜Ｃ７の電極間隔が変化し、各静電容量値が変化することになる。このように、容量素子Ｃ３〜Ｃ７は、変位部１３３の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された容量素子ということになる。この第２段階の操作では、図８(a) に示す等価回路に関する変化は生じず、スイッチＳＷは閉じた状態（ＯＮ状態）のままであるが、図８(b) に示す等価回路に関しては、各容量素子Ｃ３〜Ｃ７の静電容量値に変化が生じることになり、この変化を検出することにより、作用した力の各軸方向成分（Ｘ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分）をそれぞれ独立して求めることができる。その原理は、前掲の各公報にも詳述されているが、次のとおりである。
【００４２】
まず、第２段階の操作において、Ｘ軸正方向の力Ｆｘが加えられた場合を考える。ここで、この第２段階の操作は、スイッチ用変位電極Ｆ０とスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２とが接触状態を維持したままになっているという前提の操作であり、当然、この第２段階の操作を行う際には、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚも作用した状態になっている。したがって、操作者の行う操作としては、押しボタンを押し込む操作（第１段階の操作）を行った上で、更にＸ軸正方向に力Ｆｘを加える操作ということになる（通常は、Ｚ軸負方向への力−Ｆｚを更に増大させる操作が伴う）。このように、Ｘ軸正方向の力Ｆｘが加わると、変位板変位部１２２のうち、Ｘ軸正方向の部分の下方への変位量が、Ｘ軸負方向の部分の下方への変位量よりも大きくなるので、容量素子Ｃ３の電極間隔は、容量素子Ｃ４の電極間隔よりも小さくなる。したがって、容量素子Ｃ３の静電容量値は、容量素子Ｃ４の静電容量値よりも大きくなる。そこで、各静電容量値を各容量素子と同じ符号を用いて示すことにすれば、「Ｃ３−Ｃ４」なる差分演算によりＸ軸正方向に作用した力の大きさを求めることができる。逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合には、静電容量値の大小関係が逆転することになるので、結局、「Ｃ３−Ｃ４」なる差分値は、その符号がＸ軸正方向または負方向のいずれの向きかを示し、その絶対値がＸ軸方向成分の力の大きさを示す値となる。
【００４３】
これは、Ｙ軸方向に関しても同様であり、容量素子Ｃ５，Ｃ６の静電容量値の差分値「Ｃ５−Ｃ６」により、Ｙ軸方向の力±Ｆｙの向きおよび大きさを求めることができる。要するに、正のＸ軸上方に位置する第１の容量素子Ｃ３と、負のＸ軸上方に位置する第２の容量素子Ｃ４とを設けておけば、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＸ軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができ、また、正のＹ軸上方に位置する第３の容量素子Ｃ５と、負のＹ軸上方に位置する第４の容量素子Ｃ６とを設けておけば、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のＹ軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができることになる。
【００４４】
一方、Ｚ軸負方向に加えられた力は、容量素子Ｃ７の静電容量値Ｃ７によって求めることができる。本発明に係る力検出装置の場合、操作者が変位部１３３に対して下方に押圧力を作用させて操作入力を行うことを前提としているため、Ｚ軸方向に加えられる力は必ず負方向の力−Ｆｚということになる。既に、第１段階の操作によって、ある程度の大きさの力−Ｆｚが加えられており、図６に示すように、スイッチ用変位電極Ｆ０はスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２に接触した状態になっている。しかしながら、容量素子Ｃ７によって求められるＺ軸方向の力は、この図６の状態から、更に加えられたＺ軸負方向の力ということになる。このようなＺ軸負方向への更なる力が加えられると、図７に示すように、変位板変位部１２２は均等に下方変位し、容量素子Ｃ７の電極間隔が小さくなり、静電容量値Ｃ７は増大することになる。よって、この静電容量値Ｃ７に基づいて、Ｚ軸負方向に作用した力の大きさを求めることができる。
【００４５】
結局、図８(b) に示す等価回路において、変位板取付爪１２３と、各端子Ｔ３〜Ｔ７との静電容量値を外部回路によってモニタすれば、ＸＹＺすべての軸方向の力成分の検出が可能になる。なお、検出結果に、他の軸方向成分の値が干渉しないようにするためには、各容量素子用固定電極Ｅ３〜Ｅ７の形状を次のような形状にしておくのが好ましい。まず、容量素子用固定電極Ｅ３，Ｅ４については、図２に示すように、Ｘ軸に関して線対称となる形状にするのが好ましい。そうすれば、Ｙ軸方向成分の力の影響は相殺されることになる（Ｚ軸方向成分の力の影響は、差分演算により相殺される）。同様に、容量素子用固定電極Ｅ５，Ｅ６については、図２に示すように、Ｙ軸に関して線対称となる形状にするのが好ましい。そうすれば、Ｘ軸方向成分の力の影響は相殺されることになる（Ｚ軸方向成分の力の影響は、差分演算により相殺される）。また、容量素子用固定電極Ｅ７については、図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸のいずれに関しても線対称となる形状にするのが好ましい。そうすれば、Ｘ軸方向成分の力の影響およびＹ軸方向成分の力の影響は相殺されることになる。もっとも、実用上は、配線層などを設ける必要があるため、完全な対称形にすることが困難な場合も少なくない。したがって、現実的には、できるだけ対称形となるような設計を行えば十分である。
【００４６】
以上述べたように、本実施形態に係る力検出装置では、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての機能を備えつつ、加えられた力のＸＹＺ三次元方向成分の向きおよび大きさを認識することが可能になる。すなわち、操作者が、第１段階の操作として、変位部１３３を下方に押し沈めるような操作を加えると、十分なストロークおよび良好なクリック感をもったＯＮ／ＯＦＦ操作入力を行うことができ、ＯＮ／ＯＦＦ状態は、図８(a) に示す等価回路における端子Ｔ１，Ｔ２間の導通状態として検出することができる。その状態から、操作者が、第２段階の操作として、変位部１３３に対して更に下方（Ｚ軸負方向）への押圧力を加えたり、それとともに横方向（Ｘ軸もしくはＹ軸方向）への押圧力を加えたりすれば、当該押圧力の各座標軸方向成分を、図８(b) に示す等価回路における各容量素子の静電容量値に基づいて検出することができる。
【００４７】
§３．第１の実施形態の変形例
以下、上述した第１の実施形態に関するいくつかの変形例を示しておく。まず、上述の実施形態では、中間変位板１２０を金属材料によって構成し、この中間変位板１２０の一部（変位板変位部１２２）をそのまま容量素子用変位電極として用いていたが、中間変位板１２０は必ずしも金属板によって構成する必要はない。図９は、合成樹脂材料を用いて構成した中間変位板１２０Ａの一例を示す側断面図である。この例では、ＰＥＴあるいはポリイミドなどの合成樹脂材料によって、ベース構造体１２５Ａを構成し、その下面に金属膜１２４Ａを形成することにより、中間変位板１２０Ａとしたものである。ベース構造体１２５Ａ自身は絶縁体であるが、下面に形成された金属膜１２４Ａが容量素子用変位電極として機能する。ＰＥＴやポリイミドなどの合成樹脂材料はコストが低く、加工も容易であり、大量生産に向いている。金属膜１２４Ａは、アルミニウムなどの金属を蒸着することにより、容易に形成することができる。また、既に金属膜が蒸着された状態のＰＥＴフィルムも市販されているので、このような市販材料を用いれば、プレス加工を行うだけで図９に示すような構造をもった中間変位板１２０Ａを得ることができる。
【００４８】
図１０に示す中間変位板１２０Ｂは、やはりＰＥＴあるいはポリイミドなどの合成樹脂材料によって、ベース構造体１２５Ｂを構成し、その下面に金属膜１２４Ｂを形成して容量素子用変位電極として利用するとともに、その上面にも金属膜からなる電極群を形成したものである。図１１に、この中間変位板１２０Ｂの上面図を示す。図３に示す中間変位板１２０とほぼ同様に、周囲の変位板固定部１２１Ｂと、椀状の変位板変位部１２２Ｂと、を有し、変位板取付爪１２３Ｂによって基板に取り付けられる。また、両端には、配線部１２６Ｂが形成されており、端子Ｔ１１〜Ｔ１８が配置されている。椀状の変位板変位部１２２Ｂには、図示のとおり、８枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１８が形成されている。ここでは、これらの電極を、付加スイッチ用第１電極と呼ぶことにする。付加スイッチ用第１電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、配線層Ｌ１１〜Ｌ１８によって、端子Ｔ１１〜Ｔ１８に接続されている。これら各電極、配線層、端子は、いずれもベース構造体１２５Ｂ上へのスクリーン印刷の手法によって形成することが可能である。図１０に示す側断面図は、図１１に示す中間変位板１２０ＢをＸ軸に沿って切断した状態を示している。
【００４９】
このような中間変位板１２０Ｂを利用する場合には、これに応じた起歪体１３０Ｂを用いる必要がある。図１２は、この起歪体１３０Ｂの中心部分の下面図である（起歪体１３０Ｂは、図５に示す起歪体１３０とほぼ同様の形態を有するが、図示の便宜上、図１２には、接続部１３２Ｂよりも内側の部分のみを示す）。図１３は、図１０および図１１に示すような中間変位板１２０Ｂと、図１２に示すような起歪体１３０Ｂとを利用した力検出装置の側断面図である。起歪体１３０Ｂの全体構造は、この図１３に明瞭に示されているように、前述した起歪体１３０とほぼ同じである。すなわち、起歪体１３０Ｂの周囲の部分である固定部１３１Ｂは、基板１１０Ｂに固定されており、可撓性を有する接続部１３２Ｂによって、中央の変位部１３３Ｂが支持されている。この変位部１３３Ｂの下面には、円柱状の弾性変形部１３４Ｂが形成されており、更に、この弾性変形部１３４Ｂの下面にスイッチ用変位電極Ｆ０が形成されている。ただし、変位部１３３Ｂの下面には、段差および４枚の電極Ｆ１〜Ｆ４が形成されており、この点が、上述した起歪体１３０とは異なっている。４枚の電極Ｆ１〜Ｆ４の配置は、図１２の下面図に示すとおりである。ここでは、この４枚の電極Ｆ１〜Ｆ４を、付加スイッチ用第２電極と呼ぶことにする。この付加スイッチ用第２電極Ｆ１〜Ｆ４は、導電性材料であればどのようなもので構成してもよいが、実用上は、スイッチ用変位電極Ｆ０と同様に、導電性ゴムや導電性インクで形成すればよい。
【００５０】
一方、中間変位板１２０Ｂは、図１３の側断面図に示されているとおり、両端の配線部１２６Ｂの部分が折り曲げられた状態で基板１１０Ｂ上に配置されている。基板１１０Ｂ上には、端子Ｔ１１〜Ｔ１６と接触する位置に配線層ＬＬ１１〜ＬＬ１６が形成されている（図１３には、配線層ＬＬ１１，ＬＬ１３のみが示されている）。結局、図１１に示す８枚の付加スイッチ用第１電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、配線層Ｌ１１〜Ｌ１８および端子Ｔ１１〜Ｔ１８を介して、基板１１０Ｂの上面側に形成された配線層ＬＬ１１〜ＬＬ１８に接続されることになる。また、図１３には示されていないが、中間変位板１２０Ｂの下面に形成された金属膜１２４Ｂも、基板１１０Ｂの所定の配線層に接続されることになる。このように、基板１１０Ｂ上に中間変位板１２０Ｂを載置し、その上に起歪体１３０Ｂを載置した状態で、取付具１４０Ｂによる固定が行われている。
【００５１】
このような構成をもった力検出装置の基本動作は、図１に示す力検出装置と全く同様である。すなわち、基板１１０Ｂ上に形成されたスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２と、スイッチ用変位電極Ｆ０との接触状態により、ＯＮ／ＯＦＦ操作の検出が可能になり、基板１１０Ｂ上に形成された容量素子用固定電極Ｅ３〜Ｅ７と、容量素子用変位電極として機能する金属膜１２４Ｂとによって構成される容量素子Ｃ３〜Ｃ７により、力の各軸方向成分の検出が可能になる。
【００５２】
ただ、この変形例では、４つの付加的なスイッチが設けられているため、これら付加スイッチからの情報により、独立した操作入力を検出することが可能になる。すなわち、図１１に示す８枚の付加スイッチ用第１電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、図１２に示す４枚の付加スイッチ用第２電極Ｆ１〜Ｆ４とを対比すると、それぞれ互いに対向する組み合わせが形成されていることがわかる。これら対向する第１電極と第２電極との接触状態を電気的に検出すれば、変位部１３３Ｂに作用した力に関する付加的な情報を得ることが可能になる。具体的には、図１１におけるＸＹ両軸と、図１２におけるＸＹ両軸とを整合させた状態で、中間変位板１２０Ｂと起歪体１３０Ｂとを向かい合わせてみれば、一対の第１電極Ｅ１１，Ｅ１２については第２電極Ｆ１が対向しており、一対の第１電極Ｅ１３，Ｅ１４については第２電極Ｆ２が対向しており、一対の第１電極Ｅ１５，Ｅ１６については第２電極Ｆ３が対向しており、一対の第１電極Ｅ１７，Ｅ１８については第２電極Ｆ４が対向していることがわかる。これら各対向電極によってそれぞれ付加スイッチが形成されていることになる。
【００５３】
したがって、正のＸ軸上方に位置する付加スイッチ（電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｆ１からなるスイッチ）がＯＮ状態になれば（端子Ｔ１１，Ｔ１２間が導通すれば）、Ｘ軸正方向を向いた所定以上の大きさの力Ｆｘが作用したことを検知することができる。また、負のＸ軸上方に位置する付加スイッチ（電極Ｅ１３，Ｅ１４，Ｆ２からなるスイッチ）がＯＮ状態になれば（端子Ｔ１３，Ｔ１４間が導通すれば）、Ｘ軸負方向を向いた所定以上の大きさの力−Ｆｘが作用したことを検知することができる。同様に、正のＹ軸上方に位置する付加スイッチ（電極Ｅ１５，Ｅ１６，Ｆ３からなるスイッチ）がＯＮ状態になれば（端子Ｔ１５，Ｔ１６間が導通すれば）、Ｙ軸正方向を向いた所定以上の大きさの力Ｆｙが作用したことを検知することができ、負のＹ軸上方に位置する付加スイッチ（電極Ｅ１７，Ｅ１８，Ｆ４からなるスイッチ）がＯＮ状態になれば（端子Ｔ１７，Ｔ１８間が導通すれば）、Ｙ軸負方向を向いた所定以上の大きさの力−Ｆｙが作用したことを検知することができる。
【００５４】
なお、上述した付加スイッチでは、付加スイッチを構成する１組の対向電極のうち、一方の電極を単一の電極層により構成し、他方の電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、この一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、対向電極の接触状態を検出できるようにしている。たとえば、電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｆ１からなる付加スイッチの場合、一方の電極は単一の電極層Ｆ１から構成され、他方の電極は互いに電気的に独立した一対の電極層Ｅ１１，Ｅ１２から構成され、電極層Ｅ１１，Ｅ１２間の導通状態を電気的に検出することにより、対向電極の接触状態を検出している。これは、配線層を一方の側だけに設ければよいようにするための配慮である。すなわち、上述した付加スイッチの例の場合、配線は図１１に示す中間変位板１２０Ｂ側の電極Ｅ１１〜Ｅ１８についてのみ行えば足り、図１２に示す起歪体１３０Ｂ側の電極Ｆ１〜Ｆ４については何ら配線を行う必要はない。
【００５５】
これは、ＯＮ／ＯＦＦ操作を検知するためのスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２とスイッチ用変位電極Ｆ０との関係についても同様である。すなわち、ここで述べる実施形態では、いずれも、スイッチ用変位電極Ｆ０を単一の電極層によって構成し、スイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成してあるので、スイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２間の導通状態を電気的に検出することにより、スイッチ用変位電極Ｆ０とスイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２との接触状態が検出できる。したがって、配線は、スイッチ用固定電極Ｅ１，Ｅ２側（別言すれば、基板側）についてのみ行えば足り、スイッチ用変位電極Ｆ０側（別言すれば、起歪体側）については何ら配線を行う必要はない。
【００５６】
前述したように、基板側には、プリントパターンとして容易に配線を形成することができるのに対し、起歪体側は各部が変位したり変形したりするため、できるだけ配線を避けた方が好ましい。上述のような電極構成は、このような状況に非常に適したものとなっている。もちろん、上述のような電極構成は、本発明を実施する上で必須のものではないので、たとえば、スイッチ用固定電極として基板側に電極Ｅ１のみを設けておき、スイッチ用変位電極として起歪体側に電極Ｆ０のみを設けておき、両電極にそれぞれ配線を施すことにより、両電極の導通状態を直接観測するような手法を採ることは可能である。ただ、実用上は、上述のような電極構成を採り、起歪体側の配線を省略するのが好ましい。
【００５７】
§４．第２の実施形態の構成
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る力検出装置の構造を示す側断面図である。この力検出装置の主たる構成要素は、基板２１０および起歪体２３０と、起歪体２３０を取り付けるための取付具２４０であり、これらの各構成要素は、図１に示す力検出装置における基板１１０、起歪体１３０、取付具１４０とほぼ同等の機能を果たす。ただし、図１に示す中間変位板１２０に相当する構成要素は存在せず、起歪体２３０の固定部２３１が基板２１０上に直接固定されている。椀状形態を有する接続部２３２によって、円柱状の変位部２３３が支持されている点および変位部２３３の下面に、円柱状の弾性変形部２３４が形成されている点は、図１の力検出装置と同様である。また、基板２１０の上面には、図２に示す電極パターンと同様の電極パターンが形成されており、スイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２（図２のＥ１，Ｅ２に対応）および容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７（図２のＥ３〜Ｅ７に対応）が配置されている。図１５には、これら電極のパターンのみを示す（パターンを認識しやすいように、電極部分にハッチングを施して示し、配線層については図示を省略する）。
【００５８】
一方、起歪体２３０側には、３種類の電極が形成されている。すなわち、円柱状の弾性変形部２３４の底面に形成されている円盤状の電極Ｆ２０と、変位部２３３の底面（弾性変形部２３４が形成された部分の周囲に相当する部分）に形成されているワッシャ状の電極Ｆ２８と、円柱状の弾性変形部２３４の側面に形成されている円筒状の電極Ｆ２９である。円盤状の電極Ｆ２０は、スイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２に対向する電極であり、スイッチ用変位電極として機能する電極である（図１の力検出装置における電極Ｆ０に相当）。ワッシャ状の電極Ｆ２８は、容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７に対向する電極であり、容量素子用変位電極として機能する電極である（図１の力検出装置における変位板変位部１２２に相当）。また、円筒状の電極Ｆ２９は、単なる配線層として機能する電極であり、電極Ｆ２０と電極Ｆ２８とを短絡する役目を果たす。なお、ここでは、説明の便宜上、電極Ｆ２０，Ｆ２８，Ｆ２９をそれぞれ別個の電極として説明したが、実際には、変位部２３３の下面ならびに弾性変形部２３４の側面および下面を覆う一体となった導電層によって、これら３種類の電極Ｆ２０，Ｆ２８，Ｆ２９が形成されていることになる。これらの電極は、導電性材料であれば、どのようなもので構成してもよいが、実用上は、導電性ゴムや導電性インクによって構成するのが好ましい。また、電極２９は、配線層として機能すればよいので、必ずしも弾性変形部２３４の側面全面を覆う必要はない。
【００５９】
この力検出装置におけるＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての動作は、前述した第１の実施形態に係る力検出装置の動作と全く同じである。すなわち、操作者が第１段階の操作として変位部２３３を下方へと押し込むと、接続部２３２が弾性変形し、スイッチ用変位電極Ｆ２０が、スイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２に接触することになり、電極Ｅ２１，Ｅ２２間が導通する。また、この力検出装置における第２段階の操作入力の検出も、その基本原理は前述した第１の実施形態の装置と同様である。すなわち、基板２１０側に形成された容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７と、起歪体２３０側に形成された容量素子用変位電極Ｆ２８とによって、５組の容量素子Ｃ２３〜Ｃ２７が形成されることになり、これら容量素子の静電容量値の変化に基づいて、第２段階の操作で作用した力の三次元方向成分の検出が可能になる（検出原理は、§２で述べたとおりである）。
【００６０】
図１６は、図１４に示す力検出装置の等価回路を示す回路図である。この回路図では、基板２１０上に形成された電極Ｅ２１〜Ｅ２７が、配線層によって端子Ｔ２１〜Ｔ２７に接続されている状態が示されている。電極Ｆ２０は、電極Ｅ２１，Ｅ２２に対する接触／非接触の状態を変えることにより、スイッチＳＷとして機能することになる。このスイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態は、端子Ｔ２１，Ｔ２２間の導通状態をモニタすることにより検出することができる。上述したように、電極Ｆ２０は、電極Ｆ２９を介して電極Ｆ２８に接続されており、電極Ｆ２８は、基板２１０側の容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７に対向する容量素子用変位電極として機能し、５組の容量素子Ｃ２３〜Ｃ２７が形成される。
【００６１】
ここに示す実施例の利点は、起歪体２３０側には何ら配線を施す必要がない点である。上述したように、起歪体２３０側には、３種類の電極Ｆ２０，Ｆ２８，Ｆ２９が形成されているが、これらの電極に対しては、外部への配線を行う必要はない。図１６の回路図において、各端子Ｔ２１〜Ｔ２７は外部の回路に接続されることになるが、電極Ｆ２０，Ｆ２８，Ｆ２９は、外部の回路には接続されず、浮いた状態となっている。ただ、電極Ｆ２０が電極Ｅ２１，Ｅ２２に接触した状態になれば、電極Ｆ２８は、端子Ｔ２１，Ｔ２２に接続された状態になる。たとえば、端子Ｔ２１を所定の電位Ｖに固定しておけば（Ｖ＝０として接地してもよい）、端子Ｔ２２が等電位Ｖになったか否かによって、スイッチＳＷのＯＮ／ＯＦＦ状態を認識することができる。そして、スイッチＳＷがＯＮ状態となれば、電極Ｆ２８も電圧Ｖに固定されることになり、もはや浮いた状態ではなくなる。既に§２で述べたように、本発明に係る力検出装置では、第２段階の操作は、既に第１段階の操作を行い、スイッチＳＷがＯＮ状態を維持していることが前提となっているため、第２段階の操作によって作用する力を、容量素子Ｃ２３〜Ｃ２７の静電容量値に基づいて検出する場合には、必ず、スイッチＳＷがＯＮ状態となっていることになる。したがって、電極Ｆ２８に対する外部への配線が全く行われていなかったとしても、各容量素子の静電容量値を検出する必要があるときには、必ず、電極Ｆ２８は端子Ｔ２１，Ｔ２２に接続された状態となっているため問題は生じない。別言すれば、各容量素子Ｃ２３〜Ｃ２７の静電容量値は、端子Ｔ２１（あるいはＴ２２：スイッチ用固定電極）と、端子Ｔ２３〜Ｔ２７（容量素子用固定電極）との間の静電容量値として検出されることになる。
【００６２】
もちろん、本発明は、起歪体２３０側に配線を設けない実施形態に限定されるものではなく、基板２１０側と起歪体２３０側との双方に配線を設けてもよい。図１７は、双方に配線を設けるようにした実施形態の側断面図である。図１４に示す実施形態との第１の相違点は、起歪体２３０側の電極Ｆ２８について、配線層Ｌ２８による配線が施されている点である。この例では、接続部２３２の下面に沿って配線層Ｌ２８が形成されており、基板２１０の上面には、この配線層Ｌ２８の端部に接触する別な配線層ＬＬ２８が形成されている。この基板２１０側の配線層ＬＬ２８は、図示されていない端子Ｔ２８に接続される。第２の相違点は、基板２１０上面に形成された電極パターンである。図１８に、この電極パターンを示す（パターンを認識しやすいように、電極部分にハッチングを施して示し、配線層については図示を省略する）。図１５に示すパターンにおけるスイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２が、図１８に示すパターンでは環状の電極Ｅ２０に置き換わっている。これは、起歪体２３０側に配線を施したため、基板側に形成するスイッチ用固定電極としては、単一の電極を設けておけば足りるためである。
【００６３】
図１９は、図１７に示す力検出装置の等価回路を示す回路図である。図１６の回路との第１の相違点は、電極Ｆ２８が、配線層Ｌ２８，ＬＬ２８を介して端子Ｔ２８に接続されている点であり、第２の相違点は、一対の電極Ｅ２１，Ｅ２２が単一の電極Ｅ２０に統合され、端子Ｔ２１，Ｔ２２も単一の端子Ｔ２０に統合された点である。ＯＮ／ＯＦＦの操作入力の検出は、端子Ｔ２０と端子Ｔ２８との間の導通状態をモニタすることにより行うことができる。また、各容量素子Ｃ２３〜Ｃ２７の静電容量値の検出は、端子Ｔ２８と、各端子Ｔ２３〜Ｔ２７との間の静電容量値を測定することにより行うことができる。
【００６４】
この第２の実施形態に係る力検出装置は、§１で述べた第１の実施形態に係る力検出装置において必要であった中間変位板が不用になるため、構造は更に単純になり、一層のコストダウンを図ることができる。実用的には、§１で述べた装置と同様に、基板２１０をプリント基板で構成し、起歪体２３０をシリコンゴムで構成すれば、量産に適した構造が得られる。この場合、基板２１０側の電極パターンは、プリント基板上の金属パターンとして形成すればよく、起歪体２３０側の電極パターンは、導電性ゴムや導電性インクで形成すればよい。この第２の実施形態に係る力検出装置においても、十分なストロークおよび良好なクリック感をもった押しボタンスイッチとしての機能が得られ、しかも三次元の各軸方向成分の力検出が可能になる。
【００６５】
なお、図１４あるいは図１７に示すように、変位部２３３に力が作用していない状態では、容量素子を構成する対向電極間の距離が比較的大きいため、この状態における静電容量値の実測値はほぼ零になる。したがって、起歪体２３０を構成するシリコンゴムの温度特性や変形時のヒステリシス特性によって、弾性変形部２３４の位置が多少変動したとしても、力が作用していない状態における出力は非常に安定したものとなる。
【００６６】
§５．第３の実施形態の構成
図２０は、本発明の第３の実施形態に係る力検出装置の構造を示す側断面図である。この力検出装置の主たる構成要素は、基板３１０および起歪体３３０と、起歪体３３０を取り付けるための取付具３４０であり、これらの各構成要素は、第２の実施形態として述べた図１４に示す力検出装置における基板２１０、起歪体２３０、取付具２４０とほぼ同等の機能を果たす。すなわち、起歪体３３０は、固定部３３１、接続部３３２、変位部３３３、その下面に配置された円柱状の弾性変形部３３４によって構成されている。固定部３３１は、下面に設けられた起歪体取付ピン３３５によって、基板３１０上に位置決めされ、取付具３４０によって固定されることになる。また、円柱状の変位部３３３は、椀状形態を有する接続部３３２によって支持されている。
【００６７】
この図２０に示す装置と図１４に示す装置との大きな相違は、その電極パターンにある。図２０に示す装置の基板３１０上に形成された電極パターンを図２１に示す（パターンを認識しやすいように、電極部分にハッチングを施して示し、配線層については図示を省略する）。図示のとおり、基板３１０上には、４枚の電極Ｅ３１〜Ｅ３４しか形成されていない。電極パターンがこのように単純な理由は、この装置は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとして機能する他は、専ら、Ｚ軸方向の力を検出する一次元力検出装置としての機能しか有していないためである。４枚の電極のうち、電極Ｅ３１，Ｅ３２はスイッチ用固定電極であり、電極Ｅ３３，Ｅ３４は容量素子用固定電極である。一方、起歪体３３０側には、図２０に示すように、２種類の電極が形成されている。すなわち、円柱状の弾性変形部３３４の底面に形成されている円盤状の電極Ｆ３０と、変位部３３３の底面（弾性変形部３３４が形成された部分の周囲に相当する部分）に形成されているワッシャ状の電極Ｆ３５である。円盤状の電極Ｆ３０は、スイッチ用固定電極Ｅ３１，Ｅ３２に対向する電極であり、スイッチ用変位電極として機能する電極である。ワッシャ状の電極Ｆ３５は、容量素子用固定電極Ｅ３３，Ｅ３４に対向する電極であり、容量素子用変位電極として機能する電極である。
【００６８】
図２２は、起歪体３３０の中心部分の下面図である（接続部３３２よりも内側の部分のみが示されている）。この図２２では、電極Ｆ３０，Ｆ３５のパターンがはっきりするように、これらの電極部分にハッチングを施して示してある。この力検出装置におけるＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての動作は、前述した第１の実施形態あるいは第２の実施形態に係る力検出装置の動作と全く同じである。すなわち、操作者が第１段階の操作として変位部３３３を下方へと押し込むと、接続部３３２が弾性変形し、スイッチ用変位電極Ｆ３０が、スイッチ用固定電極Ｅ３１，Ｅ３２に接触することになり、電極Ｅ３１，Ｅ３２間が導通する。したがって、電極Ｅ３１，Ｅ３２間の導通状態をモニタしていれば、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力の検出が可能になる。
【００６９】
一方、この力検出装置における第２段階の操作入力を検出する原理は、これまで述べてきたものと若干異なっている。図２３は、図２０に示す力検出装置における容量素子に関連した部分の等価回路を示す回路図である。この回路図には、基板３１０上に形成された電極Ｅ３３，Ｅ３４が、配線層によって端子Ｔ３３，Ｔ３４に接続されている状態が示されており、更に、これらに対向する電極Ｆ３５の存在により、一対の容量素子Ｃ３３，Ｃ３４が構成された状態が示されている。ここでは、容量素子Ｃ３３を信号入力用容量素子と呼び、容量素子Ｃ３４を信号出力用容量素子と呼ぶことにする。これら２組の容量素子Ｃ３３，Ｃ３４は、結局、電気的に独立した固定電極Ｅ３３，Ｅ３４と、電気的に導通した単一の変位電極Ｆ３５とによって構成されていることになる。
【００７０】
図２３の回路図に示されているように、信号入力用容量素子Ｃ３３の固定電極Ｅ３３には、周期信号供給手段Ｍ１から端子Ｔ３３を介して所定の周期信号Ｓ３３（たとえば、正弦波）が供給される。この周期信号Ｓ３３は、容量素子Ｃ３３の容量結合を介して、変位電極Ｆ３５側へと伝播し、更に、容量素子Ｃ３４の容量結合を介して、信号出力用容量素子Ｃ３４の固定電極Ｅ３４へと伝播することになる。そこで、この固定電極Ｅ３４に誘起される周期信号Ｓ３４を、端子Ｔ３４を介して周期信号検出手段Ｍ２によって検出する。このような回路を用いれば、周期信号供給手段Ｍ１によって所定の大きさをもった周期信号Ｓ３３を供給した状態において、周期信号検出手段Ｍ２によって周期信号Ｓ３４を検出することができ、この周期信号Ｓ３４の大きさに基づいて、２組の容量素子Ｃ３３，Ｃ３４の静電容量値の変化を求めることが可能になる。なぜなら、容量素子Ｃ３３，Ｃ３４の静電容量値が大きければ大きいほど、容量結合の結合係数も大きくなり、誘起される周期信号Ｓ３４の振幅も大きくなるからである。
【００７１】
上述したように、この力検出装置は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての機能と、Ｚ軸方向の力を検出する一次元力検出装置としての機能しか有していない。すなわち、操作者が第１段階の操作入力により、変位部３３３を基板３１０へ向かって押し下げる力を作用させると、電極Ｆ３０が電極Ｅ３１，Ｅ３２に接触した状態になり、ＯＮ状態の操作入力が検出される。操作者が、そのまま第２段階の操作入力に入り、変位部３３３を基板３１０へと更に押し下げるようにすると、弾性変形部３３４が弾性変形して潰れ、容量素子Ｃ３３，Ｃ３４の電極間隔が狭くなる。ここで、容量素子Ｃ３３，Ｃ３４の電極間隔が狭くなればなるほど、これらの静電容量値は増加し、検出される周期信号Ｓ３４の振幅は増加することになる。結局、周期信号供給手段Ｍ１によって、一定の振幅をもった周期信号Ｓ３３を供給するようにしておけば、操作者の加えた力（Ｚ軸負方向の力）の大きさは、周期信号検出手段Ｍ２が検出する周期信号Ｓ３４の振幅値として検出されることになる。
【００７２】
ここに示す実施例の利点は、やはり起歪体３３０側には何ら配線を施す必要がない点である。図２２に示されているように、起歪体３３０の下面には、電極Ｆ３０およびＦ３５が形成されるが、これらの電極は導電性ゴムあるいは導電性インクで構成することができる。変位部３３３は、その周囲を可撓性をもった接続部３３２に囲まれているため、電極Ｆ３０やＦ３５について配線を施すためには、配線層を接続部３３２に沿って設ける必要がある。もちろん、図１７に示した実施例のように、接続部に沿って、このような配線層を形成することは可能であるが、接続部が常に撓みを生じる部分であることを考慮すると、接続部に沿った配線層は断線のおそれがある。したがって、実用上は、起歪体側に配線を施すことは、できるだけ避けるのが好ましい。ここに示す実施例では、容量素子の容量結合を利用した検出を行っているため、起歪体側の配線が不用になるという利点が得られることになる。
【００７３】
§６．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述べたが、ここでは、これらの実施形態のすべてにあるいはその一部について適用可能な変形例について述べることにする。
【００７４】
まず、弾性変形部についての変形例を述べておく。本発明に係る力検出装置の特徴は、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての機能と、この機能によりＯＮ状態となった後、更に加えられた力の所定方向成分の大きさを検出する本来の力検出装置としての機能とを備えている点にある。そして、この本来の力検出装置としての機能は、弾性変形部の弾性変形性と密接に関係している。すなわち、本来の力検出装置の機能として検出される力（容量素子を用いて検出される力）は、弾性変形部を弾性変形させるために加えられた力に他ならない。したがって、力検出装置の検出感度は、弾性変形部の弾性変形性に依存して定まることになる。すなわち、わずかな力で弾性変形を生じるような弾性変形部を用意しておけば、比較的小さな力の検出に適した力検出装置（感度の高い力検出装置）を構成することができるし、逆に、かなり強い力を加えないと弾性変形を生じないような弾性変形部を用意しておけば、比較的大きな力の検出に適した力検出装置（感度の低い力検出装置）を構成することができる。
【００７５】
弾性変形性を調節する１つの方法は、材質の選択である。すなわち、弾性変形部を、検出感度に応じた弾性係数をもつ材質から構成することにより、所望の検出感度をもった装置を実現できる。たとえば、図２４に側断面図を示す変形例は、弾性変形部４３４Ａの部分だけ異なる材質を用いた例である。この例は、基板４１０上に起歪体４３０Ａを、取付具４４０で取り付けた構造をもつ力検出装置についての例であり、§４あるいは§５で述べた実施形態に対応する例である。なお、基板４１０側に形成される各電極および起歪体４３０Ａ側に形成される各電極、ならびに配線層などについては、図示を省略してある。起歪体４３０Ａは、固定部４３１、接続部４３２、変位部４３３からなる作用体と、弾性変形部４３４Ａと、起歪体取付ピン４３５とによって構成されることになるが、これら各部のうち、弾性変形部４３４Ａのみが別な材質から構成されている。たとえば、シリコンゴムは、その成分を変えることにより硬さを調節することができる。したがって、弾性変形部４３４Ａを、柔らかい性質を呈する成分を含んだシリコンゴムで構成すれば検出感度を高めることができ、逆に、硬い性質を呈する成分を含んだシリコンゴムで構成すれば検出感度を低くすることができる。
【００７６】
弾性変形性を調節するもうひとつの方法は、形状の選択である。たとえば、弾性変形部に、検出感度に応じた溝を形成するようにすれば、所望の検出感度をもった装置を実現できる。たとえば、図２５に側断面図を示す変形例は、側面部分に溝Ｇ１を有する弾性変形部４３４Ｂを用いた例である。起歪体４３０Ｂは、固定部４３１、接続部４３２、変位部４３３からなる作用体と、弾性変形部４３４Ｂと、起歪体取付ピン４３５とによって構成され、これら各部はいずれも同一の材質、たとえば、シリコンゴムを用いて一体成型されている。しかしながら、弾性変形部４３４Ｂに形成された溝Ｇ１の大きさあるいは深さを調節することにより、弾性変形部４３４Ｂの弾性変形性を変えることができ、検出感度の調節を行うことができる。
【００７７】
図２６に側断面図を示す変形例は、力の特定の軸方向成分についての検出感度を調節する手法を示す例である。ここに示す起歪体４３０Ｃには、弾性変形部４３４Ｃが用いられている。この弾性変形部４３４Ｃは、作用体（固定部４３１、接続部４３２、変位部４３３）と同じ材質のもので構成してもよいし、異なる材質のもので構成してもよい。弾性変形部４３４Ｃの特徴は、底面に円環状の溝Ｇ２が形成されている点である。図２７(a) に、この弾性変形部４３４Ｃのみを抽出した側断面図を示し、図２７(b) にその底面図を示す。弾性変形部４３４Ｃは、中心部αと、肉薄部βと、周囲部γとによって構成されている。肉薄部βは、ちょうど円環状の溝Ｇ２が形成された領域に相当する。なお、基板４１０上に形成される容量素子用固定電極に対応する位置に溝Ｇ２を形成するようにすれば、弾性変形部４３４Ｃの底面が基板４１０の上面に接触した場合であっても、容量素子用固定電極に対しては直接接触することはないので、容量素子を構成する対向電極同士の短絡を防ぐことができる。
【００７８】
このような形状をもった弾性変形部４３４Ｃを用いると、Ｘ軸あるいはＹ軸方向に関する検出感度を高めることが可能になる。すなわち、Ｚ軸方向に関しては、ブロック状の中心部αを押し潰すのに十分な大きさの力が加わらないと、容量素子からは十分な検出出力が得られないが、Ｘ軸あるいはＹ軸方向に関しては、薄い壁状の周囲部γを押し潰すのに十分な大きさの力が加われば、容量素子から十分な検出出力が得られることになる。もちろん、周囲部γを構成する壁の厚みを、Ｘ軸上の部分とＹ軸上の部分とで変えるようにすれば、Ｘ軸方向の検出感度とＹ軸方向の検出感度とを変えることも可能である。
【００７９】
図２８に示す例は、溝の幅をより狭くした例である。すなわち、図２８に示す溝Ｇ３は、図２７に示す溝Ｇ２よりも幅が小さくなっている。このため、周囲部γを構成する壁の厚みが増えることになり、Ｘ軸あるいはＹ軸方向に力が作用しても、周囲部γを構成する壁が潰れにくくなり、Ｘ軸あるいはＹ軸方向に関する検出感度が若干低下することになる。図２９に示す例は、逆に溝の幅を広くした例である。すなわち、図２９に示す溝Ｇ４は、図２７に示す溝Ｇ２よりも幅が広くなっており、周囲部γを構成する壁が消滅してしまっている。このため、Ｘ軸あるいはＹ軸方向に関する検出感度はかなり向上することになる。
【００８０】
以上、弾性変形部４３４の弾性変形性を調節することにより、力の検出感度を調節する手法を述べたが、接続部４３２の弾性変形性を調節すれば、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチのクリック感の調節を行うことが可能になる。たとえば、接続部４３２の肉厚を薄くすれば、より軽いクリック感をもった押しボタンスイッチを構成することができるし、逆に、接続部４３２の肉厚を厚くすれば、より重いクリック感をもった押しボタンスイッチを構成することができる。実際には、接続部４３２の弾性変形性と、弾性変形部４３４の弾性変形性との双方を考慮して、ＯＮ／ＯＦＦのスイッチ動作および力の検出感度が最適になるように設計するのが好ましい。たとえば、まず、比較的弱い力で変位部４３３を基板４１０へ向かって押すことにより、押しボタンスイッチをＯＮ状態とし、そのまま、変位部４３３を前後左右方向（Ｘ軸またはＹ軸）あるいは下方向（Ｚ軸）へ動かす強い力を加えることにより、所望の方向へ所望の大きさの操作入力を与えることが可能になる。このような操作入力は、ゲーム機器や携帯電話などの入力作業に適している。
【００８１】
図３０は、基板上に形成された容量素子用固定電極の表面に絶縁膜を形成した例を示す側断面図である。ここに示されている基板２１０は、図１４の装置に用いられていた基板２１０である。この基板２１０上には、スイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２と、容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７が形成されている。ここで、スイッチ用固定電極Ｅ２１，Ｅ２２は、スイッチ用変位電極Ｆ２０と電気的な接触をする必要があるので、そのまま露出状態にしておく必要がある。しかしながら、容量素子用固定電極Ｅ２３〜Ｅ２７は、容量素子を構成する電極であるから、図示のように、何らかの絶縁膜Ｊで表面を覆うようにした方が好ましい。もちろん、起歪体側に形成される容量素子用変位電極の表面を絶縁膜で覆うようにしてもよい。
【００８２】
図３１は、図３に示す中間変位板１２０の変形例を示す上面図、図３２はその側断面図である。図３に示す中間変位板１２０は、上面から見たときにほぼ円形をしていたが、図３１に示す中間変位板１２０Ｃは、上面から見たときにほぼ矩形をしている。すなわち、左右両端に変位板固定部１２１Ｃが形成され、中央部分に変位板変位部１２２Ｃが形成されている。この変位板変位部１２２Ｃは、図３２に示すように、凸状に盛り上がった構造を有し、中心には開口窓Ｈ３が形成されている。このような中間変位板１２０Ｃは、変位板取付爪１２３Ｃによって基板上に取り付けられることになる。このように、これまで述べてきた種々の実施形態に用いられている各構成要素の形状は、設計上、適宜変更できるものである。
【００８３】
また、これまで述べてきた実施形態では、容量素子を構成する際に、起歪体側あるいは中間変位板側に共通電極を設け、基板側に電気的に独立した個々の電極を設けるようにしていたが、逆に、起歪体側あるいは中間変位板側に電気的に独立した個々の電極を設け、基板側に共通電極を設けてもかまわない。あるいは、共通電極を設けずに、両側ともに、それぞれ電気的に独立した個々の電極を設けるようにしてもかまわない。しかしながら、実用上は、これまで述べてきた実施形態のように、複雑な配線パターンを形成することが容易な基板側に、電気的に独立した個々の電極を設け、起歪体側あるいは中間変位板側に共通電極を設けるようにした方が、配線を含めた全体構成を単純化することができるので好ましい。
【００８４】
また、これまでに述べてきた種々の実施形態の装置は、一部の例外（§５で述べた第３の実施形態）を除いて、いずれも三次元力検出装置として機能する装置であった。しかしながら、用途によっては、二次元力検出装置として機能すれば十分な場合もあるし、一次元力検出装置として機能すれば十分な場合もある。このような場合は、検出に必要な容量素子のみを設けるようにすれば足りる。たとえば、図２に示す例において、容量素子用固定電極として、電極Ｅ７のみを設けておけば、作用した力のＺ軸方向成分は検出することが可能なので、Ｚ軸方向に関する一次元力検出装置として利用することができる。あるいは、容量素子用固定電極として、電極Ｅ３，Ｅ４の２枚のみを設けておけば、Ｘ軸上に配置された２組の容量素子Ｃ３，Ｃ４を構成することができ、これら２組の容量素子の静電容量値の差に基づいて力のＸ軸方向成分を検出することができるので、Ｘ軸方向に関する一次元力検出装置として利用することができる。また、この後者の場合、２組の容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の和に基づいて、力のＺ軸方向成分を検出することも可能なので、Ｘ軸およびＺ軸に関する二次元力検出装置として利用することも可能である。
【００８５】
【発明の効果】
以上のとおり本発明に係る力検出装置によれば、ＯＮ／ＯＦＦの操作入力を検出する押しボタンスイッチとしての機能を備えつつ、加えられた力の所定方向成分の大きさを認識することが可能な力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】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の構造を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図２】図１に示されている力検出装置の基板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に示されている力検出装置の中間変位板１２０の上面図であり、この中間変位板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３に示されている中間変位板１２０をＸ軸に沿って切断した断面を示す側断面図である。
【図５】図１に示されている力検出装置の起歪体１３０の上面図であり、この起歪体１３０をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。
【図６】図１に示されている力検出装置の変位部１３３に対して、−Ｚ軸方向の力が加えられることにより、ＯＮ状態の操作入力が与えられた状態を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図７】図６に示されている状態から、更に強い−Ｚ軸方向の力が加えられることにより、弾性変形部１３４が弾性変形により潰れ、Ｚ軸方向に関する力検出が行われる状態を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図８】図１に示されている力検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図９】図４に示されている中間変位板１２０の変形例である中間変位板１２０Ａを示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図１０】図４に示されている中間変位板１２０の更に別な変形例である中間変位板１２０Ｂを示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図１１】図１０に示されている中間変位板１２０Ｂの上面図であり、この中間変位板１２０ＢをＸ軸に沿って切断した断面が図１０に示されている。
【図１２】図１０に示されている中間変位板１２０Ｂとともに用いる起歪体１３０Ｂの中心部分の下面図である。
【図１３】図１０に示されている中間変位板１２０Ｂおよび図１２に示されている起歪体１３０Ｂを用いた力検出装置の側断面図であり、それぞれをＸ軸に沿って切断した断面が示されている。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る力検出装置の構造を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図１５】図１４に示されている力検出装置の基板２１０の上面に形成されている電極パターンを示す上面図である。
【図１６】図１４に示されている力検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図１７】図１４に示されている力検出装置の変形例を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図１８】図１７に示されている力検出装置の基板２１０の上面に形成されている電極パターンを示す上面図である。
【図１９】図１７に示されている力検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係る力検出装置の構造を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図２１】図２０に示されている力検出装置の基板３１０の上面に形成されている電極パターンを示す上面図である。
【図２２】図２０に示されている力検出装置の起歪体３３０の中心部分の下面図である（電極Ｆ３０，Ｆ３５の部分にはハッチングを施して示してある）。
【図２３】図２０に示されている力検出装置の等価回路を示す回路図である。
【図２４】弾性変形部の材質を変えた変形例を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図２５】弾性変形部の側面に溝を形成した変形例を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図２６】弾性変形部の底面に溝を形成した変形例を示すＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【図２７】図２６に示す弾性変形部４３４Ｃの側断面図および底面図である。
【図２８】図２７に示す弾性変形部４３４Ｃの第１の変形例を示す側断面図および底面図である。
【図２９】図２７に示す弾性変形部４３４Ｃの第２の変形例を示す側断面図および底面図である。
【図３０】基板上に形成された容量素子用固定電極上に絶縁膜Ｊを形成した変形例を示す側断面図である。
【図３１】図３に示す中間変位板の変形例を示す上面図である。
【図３２】図３１に示す中間変位板１２０ＣのＸ軸に沿った位置における側断面図である。
【符号の説明】
１１０，１１０Ｂ…基板
１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ…中間変位板
１２１，１２１Ｂ，１２１Ｃ…変位板固定部
１２２，１２２Ｂ，１２２Ｃ…変位板変位部
１２３，１２３Ｂ，１２３Ｃ…変位板取付爪
１２４Ａ，１２４Ｂ…金属膜
１２５Ａ，１２５Ｂ…ベース構造体
１２６Ｂ…配線部
１３０…起歪体
１３１，１３１Ｂ…固定部
１３２，１３２Ｂ…接続部
１３３，１３３Ｂ…変位部
１３４，１３４Ｂ…弾性変形部
１３５…起歪体取付ピン
１４０，１４０Ｂ…取付具
２１０…基板
２３０…起歪体
２３１…固定部
２３２…接続部
２３３…変位部
２３４…弾性変形部
２４０…取付具
３１０…基板
３３０…起歪体
３３１…固定部
３３２…接続部
３３３…変位部
３３４…弾性変形部
３３５…起歪体取付ピン
３４０…取付具
４１０…基板
４３０Ａ，４３０Ｂ，４３０Ｃ…起歪体
４３１…固定部
４３２…接続部
４３３…変位部
４３４Ａ，４３４Ｂ，４３４Ｃ…弾性変形部
４３５…起歪体取付ピン
４４０…取付具
Ｃ１〜Ｃ３４…容量素子
Ｅ１〜Ｅ３４…電極
Ｆ０〜Ｆ３５…電極
Ｇ１〜Ｇ４…溝
Ｈ１…変位板取付穴
Ｈ２…起歪体取付穴
Ｈ３…開口窓
Ｊ…絶縁膜
Ｌ１〜Ｌ２８…配線層
ＬＬ１１，ＬＬ１３，ＬＬ２８…配線層
Ｍ１…周期信号供給手段
Ｍ２…周期信号検出手段
Ｏ…座標系の原点
Ｓ３３，Ｓ３４…周期信号
ＳＷ…スイッチ
Ｔ１〜Ｔ３４…端子
α…中心部
β…肉薄部
γ…周囲部
【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１３】
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【図２０】
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