专利名称：力检测器的制作方法
技术领域：
本发明与使用电容元件或可变电阻元件的力检测器有关，更具体地说，与应用于输入装置中的力检测器有关，在诸如便携电话，游戏机，或此类根据预置程序执行预置处理的电子设备中的这些输入装置可以得到表示预置操作量的操作输入。
背景技术：
在诸如便携电话，游戏机的此类电子设备中，用户的预置操作输入被接收，并根据这个操作输入执行程序。通常，在用户观看显示屏上显示的光标或其他物体时，接收操作输入，而且通常还需要一个表示上，下，左，右四方向之一的输入或表示包括对角方向在内的八个方向之一的输入。一种被称为操纵杆的装置用于执行这种带有方向的输入。此类装置通常包括一个内置的2维力检测器，其通过独立地检测X轴方向和Y轴方向的向量分量，来检测所应用的操作输入的方向和操作量。例如，X轴方向的向量分量为+5的操作输入表示一个向右的大小为5的操作量，Y轴方向的向量分量为-8的操作输入表示一个向下的大小为8的操作量。当然，对倾斜(对角线方向)施加的操作输入的检测可以通过将X轴方向的向量分量和Y轴方向的向量分量进行合成，以此类推。
在诸如便携电话，游戏机的此类电子设备中，除了上述的带有方向的操作输入，还需要提供点击输入。点击输入主要是表示ON/OFF二元状态的输入，而且通过输入给操作者提供一个点击感也是重要的。因此，当操作者的手指按压到一定程度时，必须有一个反作用力与这个按压力相对应。为了使适合这个ON/OFF输入的开关具有点击感，开关通常使用诸如橡胶，金属等具有弹性的材料，这样力检测器就可以生成预置方向上的操作输入和点击输入。
在用于电子设备的相对廉价的输入装置中，力检测器经常使用电容元件。在使用电容元件的力检测器中，采用这样一种结构，通过施加外力改变电极对之间的距离，并通过电子地检测电极对之间的距离测出电容元件的电阻值，就可以确定所施加外力的大小。使用电容元件的力检测器的基本部分就是一对电极，结构简单而且部件的费用低。因此，使用电容的力检测器在诸如便携电话，游戏机的电子设备的输入装置中被广泛使用。
众所周知，可以采用C/V转换器电路将电容值C转换为电压值V，或采用C/f转换器电路将电容值C转换为频率值f，以之作为电子地检测出电容元件的电容值C的方法。然而，通用的C/V转换器电路和C/f转换器电路内置有振荡电路，因此运行过程中的能量消耗相对较大。因此，如果将使用这种电容元件的传统力检测器安装到各种电子设备中，总的能量消耗将增加。特别是在诸如便携电话和游戏机这类依靠内置电池运行，并设计为尽可能减小电池消耗的电子设备中，这种情况就尤为突出。因此，虽然使用电容元件的力检测器在制造费用上具有优势，但在能量消耗上就显得不足了。
当然，也可以采用间歇地运行消耗能量较大的C/V转换器电路或C/f转换器电路的方法减少总体的能量消耗。例如，采用200毫秒的间歇运行周期，其中20毫秒运行电路，余下180毫秒停止，一秒钟可以进行5次操作，能量消耗减少为1/10。然而，采用这种方法，并不能完全抑制能量的浪费。考虑到便携电话之类设备的实际使用情况，光标移动之类的输入操作的周期非常的短，因此，在操作者不执行操作输入的时候，运行这种具有大能量消耗的电路是完全无效的。
而且，在日本专利申请号2000-132012中，提出了使用可变电阻的力检测器。在这种检测器中，使用了一种可变的电阻元件，其阻值随所施加的压力改变，通过检测这个可变的电阻元件的阻值变化就可以检测出所施加的外力的大小。
在这种使用可变电阻元件的力检测器中，为了得到所施加外力的检测值，需要对电阻的阻值进行测量。然而，为了测量电阻的阻值，需要使电阻中生成电流，在这个测量过程中就不可避免地要消耗能量。如果在各种电子设备中安装了上述使用可变电阻元件的力检测器，总体的能量消耗将会增加。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种使用电容元件或可变电阻元件的力检测器，其中能量消耗可以有效地得到抑制。
(1)本发明的第一个特征是具有检测所施加外力功能的力检测器，包括基体；位于与基体相对位置的弹性可变形体，该弹性可变形体的至少一部分由可弹性变形的材料制成，由于所施加外力引起的弹性变形，该弹性可变形体相对基体移动；位于该基体和该弹性可变形体之间的力检测元件，由于该弹性可变形体的移动，力检测元件按照预置电特性变化；包括一对接触电极并执行转换功能的转换元件，正常的情况下，该接触电极对保持电绝缘状态，当向该弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于该弹性可变形体的变形，该接触电极对得到电导通状态；和检测电路，用于将该力检测元件的该电特性变化检测为电信号；其中，检测电路可以选择在检测模式或待机模式这两种模式下运行，当该检测电路在该检测模式下运行时，执行检测功能，用于将电特性的变化输出为电信号，当该检测电路在该待机模式下运行时，保持待机状态，不执行检测功能，等待向该检测模式转换，该待机模式下的能量消耗要比该检测模式下的能量消耗要小；并且其中，当该接触电极对之间的电状态为绝缘时，选择该待机模式，当该接触电极对之间的电状态为导通时，选择该检测模式。
(2)本发明的第二个特征是具有第一个特征的力检测器其中，转换元件中的接触电极对包括位于基体上的接触固定电极和位于弹性可变形体上的接触移动电极，当向弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于弹性可变形体的变形，该接触移动电极和该接触固定电极发生物理接触。
(3)本发明的第三个特征是具有第一个特征的力检测器其中，转换元件包括基体上的一对接触电极和中介电极，中介电极与该接触电极对中的两个电极同时接触，用以得到该接触电极对的电导通状态，并且该中介电极与该接触电极对中的两个电极都不接触，当向弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于弹性可变形体的变形，该中介电极与该接触电极对中的两个电极同时接触。
(4)本发明的第四个特征是具有第三个特征的力检测器其中，中介电极位于弹性可变形体发生变形的位置。
(5)本发明的第五个特征是具有第四个特征的力检测器其中，接触电极对由第一个环状电极和紧邻第一个环状电极外面并位于其外侧的第二个环状电极组成，并且中介电极位于可以在任何位置与该第一个环状电极和第二个环状电极同时接触的位置上。
(6)本发明的第六个特征是具有第四个特征的力检测器其中，接触电极对包括位于基体上的属于第一组的N个电极和属于第二组的N个电极，第一组的第i个(1≤i≤N)电极和第二组的第i个电极彼此相邻，一个电极对由第一组的一个电极和第二组中与它相邻的电极组成，一共有N个接触电极对。
(7)本发明的第七个特征是具有第六个特征的力检测器其中，属于第一组的电极和属于第二组的电极在基体的圆周上交替放置，并且中介电极放置在弹性可变形体的圆周上，与该基体的圆周相对。
(8)本发明的第八个特征是具有第三个特征的力检测器其中，提供了半球形结构并被向下放置于基体上的接触电极对附近，该半球形结构具有这样的性质当施加在该顶点附近的向下的压力超过预置强度时，顶点附近产生弹性变形并向下凸出，这个结构还具有一个用作中介电极的导电接触面，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，该半球形结构形状翻转，该导电接触面同时与接触电极对的两个电极相接触。
(9)本发明的第九个特征是具有第八个特征的力检测器其中，中介电极包括从半球形结构顶点下表面至半球形结构圆周底面的导电接触面组成的，接触电极对的第一个电极位于与半球形圆周该底面接触的位置上，接触电极对的第二个电极放置在半球形结构的中心，并且正常的情况下，该中介电极只与该第一个电极相接触，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于该半球形结构的形状发生翻转，该中介电极同时与该第一个电极和第二个电极发生接触。
(10)本发明的第十个特征是具有第八个特征的力检测器其中，接触电极对放置在被半球形结构圆周底面包围的区域内，正常的情况下，由半球形结构顶点下表面上的导电接触面组成的中介电极与接触电极对中的两个电极都不接触，当施加到弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，中介电极同时与接触电极中的两个电极发生接触。
(11)本发明的第十一个特征是具有第一至第十个特征之一的力检测器其中，使用电容元件作为力检测元件，并且检测电路将该电容元件的电容值检测为电信号，该电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与该检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，该检测移动电极在此位置发生移动。
(12)本发明的第十二个特征是具有第三个特征的力检测器其中，电容元件用作力检测元件，并且检测电路将该电容元件的电容值检测为电信号，该电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，检测移动电极在此位置发生移动，当检测移动电极在此位置发生移动时，中介电极和该检测移动电极可产生电连接，检测电路具有将与中介电极接触的接触电极和该检测固定电极之间的电容值检测为检测模式下的电容元件的电容值的功能。
(13)本发明的第十三个特征是具有第三个特征的力检测器其中，电容元件用作力检测元件，并且检测电路将该电容元件的电容值检测为电信号，该电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，检测移动电极在此位置发生移动，其中，提供了半球形结构并被向下放置于基体上的接触电极对附近，该半球形结构具有这样的性质当施加在该顶点附近的向下的按压力超过预置强度时，顶点附近产生弹性变形并向下凸出，这个结构还具有一个用作中介电极的导电的接触面，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，该半球形结构形状翻转，该导电接触面同时与接触电极对的两个电极相接触，而且其中，至少该半球形结构顶点附近部分的上表面和下表面是由导电材料制成的，并且彼此电导通，与该检测移动电极电导通的中介导电层位于弹性可变形体上，并与半球形结构顶点的邻近区域相接触，检测电路具有将该接触电极对中通过半球形结构与该中介导电层相接触的电极和该检测固定电极之间的电容值检测为检测模式下的电容元件的电容值的功能。
(14)本发明的第十四个特征是具有第十一个至第十三个特征之一的力检测器其中，在检测固定电极和检测移动电极的至少一个表面上具有绝缘薄膜，用以防止该检测固定电极和该检测移动电极间的电接触。
(15)本发明的第十五个特征是具有第十一个至第十四个特征之一的力检测器其中，检测电路具有一个将电容元件的电容值C转换为电压值V的C/V转换器电路，实施控制使C/V转换器电路在检测模式下运行，而不在待机模式下运行。
(16)本发明的第十六个特征是具有第十五个特征的力检测器其中，C/V转换器电路由一个用以将AC信号提供给包括电容元件的一个电极的振荡电路，和一个转换电路组成，转换电路在检测模式下引起该振荡电路振荡，在待机模式下使该振荡电路停止振荡。
(17)本发明的第十七个特征是具有第十一个至第十四个特征之一的力检测器其中，检测电路具有一个将电容元件的电容值C转换为频率值f的C/f转换器电路，实施控制使C/f转换器电路在检测模式下运行，而不在待机模式下运行。
(18)本发明的第十八个特征是具有第十一个至第十七个特征之一的力检测器其中，移动接触电极由整体成形橡胶上的导电层组成。
(19)本发明的第十九个特征是具有第一个至第十个特征之一的力检测器其中，使用可变电阻元件作为力检测元件，其两个预置点之间的阻值可随所施加力变化，检测电路将所述可变电阻元件所述两点间的电阻值检测为电信号。
(20)本发明的第二十个特征是具有第十九个特征的力检测器其中，可变电阻元件具有第一个电阻和位于与之相对位置的第二个电阻，这两个电阻的至少一个与另一个电阻相对的面具有可弹性变形的凹凸结构，第一个电阻和第二个电阻的接触表面积随所检测的外力值的变化而变化，因此，与第一个电阻连接的预置点和与第二个电阻连接的预置点之间的电阻值随所述接触表面积的变化而变化。
(21)本发明的第二十一个特征是具有第二十个特征的力检测器其中，第一个电阻和第二个电阻由压敏导电油墨制成。
(22)本发明的第二十二个特征是具有第二十个或第二十一个特征的力检测器其中，检测电路具有一个通过在电阻两点间施加电压，来检测这两点间的电阻的电路，实施控制使得在检测模式下施加电压，而在待机模式下不施加电压。
(23)本发明的第二十三个特征是具有第二十二个特征的力检测器其中，使用组成转换元件的接触电极对之间的导通/绝缘状态作为ON/OFF开关，用以在电阻的两点间施加电压。
(24)本发明的第二十四个特征是具有第一个至第二十三个特征之一的力检测器其中，由刚性材料制成的操作面板与弹性可变形体相连接，弹性可变形体根据作用于操作面板上的操作输入产生变形。
(25)本发明的第二十五个特征是具有第一个到第二十四个特征之一的力检测器其中，弹性可变形体包括与基体上表面近乎平行放置的薄膜体，用于将薄膜体的周边固定到基体的上表面的侧壁体，从薄膜体下表面多个位置向下伸出的柱状突起，薄膜体和柱状突起中的至少一部分是由弹性材料制成的。
(26)本发明的第二十六个特征是具有第二十五个特征的力检测器其中，弹性可变形体由整体成形橡胶制成。
(27)本发明的第二十七个特征是一个用于电子设备的输入装置，用于向该电子设备提供表示一个预置方向上的操作量的操作输入，并基于预置程序执行特定处理，其中，输入装置包括一个具有第一个至第二十六个特征的力检测器，并将力检测器检测到的外力处理为一操作量。
图1是涉及本发明的一个基本实施例，用于电子设备的输入装置的侧截面分解图；图2是操作面板10的俯视图，图1中已经表示了沿其中心的侧截面；图3是操作面板10的仰视图，图1中已经表示了沿其中心的侧截面；图4是弹性可变形体20的俯视图，图1中已经表示了沿其中心的侧截面；
图5是弹性可变形体20的仰视图，图1中已经表示了沿其中心的侧截面；图6是用于解释图5中弹性可变形体20下表面上的每个柱状突起的位置的仰视图；图7是用于表示图5中弹性可变形体20下表面上的导电移动层26的仰视图；图8是图1中所示的半球形结构30的俯视图，图1中已经表示了沿其中心的侧截面；图9A和图9B是用于解释图1中所示的半球形结构30的形状翻转操作的侧截面图；图10是基体40的俯视图，图1中已经表示了沿其中心(XZ平面)的侧截面；图11是用于表示半球形结构30放置在图10的基体40上的俯视图；图12是将图1中的部件装配起来，用于电子设备的输入装置的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出了其侧视图，只画出柱状突起P1到P3的截面图，省略了对更深部分的说明；图13是表示当用于图12电子设备的输入装置中产生转换输入(点击输入)时的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出其侧视图，只画出柱状突起P1到P3的截面图，省略了对更深部分的说明；
图14是表示当用于图12电子设备的输入装置中产生一个X轴负方向的操作输入时，处于第一个状态下的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出其侧视图，只画出柱状突起P1到P3的截面图，省略了对更深部分的说明；图15是表示当用于图12电子设备的输入装置中产生一个X轴负方向的操作输入时，处于第二个状态下的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出其侧视图，只画出柱状突起P1到P3的截面图，省略了对更深部分的说明；图16是表示用于图12电子设备的输入装置中产生一个X轴负方向的操作输入时，处于第三个状态下的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出其侧视图，只画出柱状突起P1到P3的截面图，省略了对更深部分的说明；图17是电路图，用于表示用作图12所示电子设备的输入装置的检测电路的一个实例；图18是电路图，用于表示用作图12所示电子设备的输入装置的检测电路的另一个实例；图19是表示图17或图18电路图中C/V转换器电路细节的电路图；图20是表示图10中所示的接触电极对的修改实例的俯视图；图21是表示图10中所示的接触电极对的另一个修改实例的俯视图；图22是用作电子设备的只有一维操作输入功能的输入装置中的基体40A的俯视图；
图23是用作电子设备的具有三维操作输入功能和点击功能的输入装置中的基体40B的俯视图；图24是用作电子设备的具有三维操作输入功能的输入装置中的基体40C的俯视图；图25是用于电子设备的，使用了多个半球形结构的输入装置的侧截面分解图；图26是弹性可变形体20D的仰视图，图25中已经表示了沿其中心的侧截面；图27是用于表示图25中弹性可变形体20D下表面上的导电移动层26的仰视图；图28是基体40D的俯视图，图25中已经表示了沿其中心(XZ平面)的侧截面；图29是用于表示5个半球形结构30放置在图28中的基体40D上的俯视图；图30是将图25中的部件装配起来，用于电子设备的输入装置的侧截面图；图31是表示图17所示检测电路的另一个修改实例的电路图；图32是一个实例的侧截面图，其中可变电阻元件RR由表面波状凹凸不平的电阻对73和83组成；图33是表示当压力-Fz施加到图32所示可变电阻元件RR上时的变形状态的侧截面图；
图34是基体40E的俯视图，基体40E由可变电阻元件RR11至RR44组成，以代替图10所示基体40上的电极E11至E44；图35是适用于使用图34所示的基体40E的弹性可变形体20E的仰视图；图36是包括图34中基体40E和图35中弹性可变形体20E的力检测器的侧截面图，其中没有画出半球形结构30的截面图，但画出其侧视图；以及图37是图36中力检测器使用的检测电路的一个实例的电路图。
具体实施例方式
下文中，将基于所阐述的实施例解释本发明。与本发明相关的力检测器可以被安装在各种设备上，并用于工业用途。此处，将解释一个实例，其中与本发明相关的力检测器用作诸如便携电话，游戏机等电子设备的输入装置。《第一部分》与本发明相关的用于电子设备的输入装置的基本结构首先，将解释一个与本发明一基本实施例相关的，用于电子设备的输入装置的基本结构。图1是将此用于电子设备的输入装置分解，用以观察其组件的侧截面分解图。如图所示，这个用于电子设备的输入装置由操作面板10，弹性可变形体20，半球形结构30，和基体40组成。实际上，半球形结构30放置在基体40上，弹性可变形体20盖在上面，上面还有操作面板10。这个输入装置可以用作诸如便携式电话，游戏机等基于预置程序执行预置处理的电子设备的输入装置，可以执行表示ON/OFF状态的转换输入和表示预置方向上操作量的操作输入。
操作面板10放在弹性可变形体20的上表面上，并具有响应操作者的动作，将力传递到弹性可变形体20上的功能，并使弹性可变形体20发生弹性变形。如果将输入装置视为力检测器，操作者输入到操作面板10中的操作输入等同于力检测器检测到的外力。因此，操作面板10执行操作体的功能，使弹性可变形体20的一部分根据外力动作相对基体40发生弹性变形。
图2是此操作面板10的俯视图，图3是此操作面板10的仰视图。如图所示，操作面板10总的来说呈盘状，而且在本实施例中，由塑料等树脂材料制成。如上所述，如果操作面板10可以完成将力传递到弹性可变形体20上的功能的话，就不必讨论其成形的问题了，但是盘状适于输入具有各种方向的操作量。为了保证将操作者的操作传递到弹性可变形体20上，较好的情况下，面板应由诸如树脂或金属的刚性材料制成。在所阐述的实施例中，如图2所示，操作面板10由操作体11，堤状体12，外圆周体13三部分组成，还有如图3所示的从下表面伸出的柱状压杆突起14。操作体11是堤状体12中的光滑的下凹部分，用于适应操作者的手指，外圆周体13是堤状体12外面的尖端部分。压杆14用于如前所述有效地执行表示ON/OFF状态的转换输入，并有效地将来自操作者的垂直向下的力传递到半球形结构30的顶点。
在本实施例中，弹性可变形体20由整体成形的硅橡胶制成。图4是此弹性可变形体20的俯视图，图5是其仰视图。如图所示，平面图中此弹性可变形体20的形状近似正方形。如图1中侧截面图所示，其中的基本元件有，内部薄膜体21，环状突起22，外部薄膜体23，侧壁体24，固定脚25，柱状突起P1至P3。如图4所示，内部薄膜体21和外部薄膜体23是形成此弹性可变形体20整个上表面的薄膜状结构。此处，为了描述方便，环状突起22内部的部分称为内部薄膜体21，外部部分称为外部薄膜体23。当在中间放置半球形结构30时，薄膜体21和23与基体40的上表面近乎平行放置。环状突起22处在薄膜体的上表面，并且内部薄膜体21上表面的圆周被环状突起22包围。在本实施例中，环状突起22是所谓的带有矩形部分的垫圈状结构，用于有效地接收来自施加在操作面板10的力。
另一方面，侧壁体24具有将外部薄膜体23的圆周固定到基体40上表面的功能，薄膜体21和23呈正方形，四边由侧壁体24支撑，并与基体40保持近乎平行的关系。如图5的仰视图所示，柱状固定脚25分别从弹性可变形体20下表面的四角处向下伸出，将这四个脚插入基体40上表面四个位置上的固定孔41(见图1)中。这样，弹性可变形体20就可以按照预置位置安装到基体40上了。
如图5所示，几个柱状突起P1至P3从薄膜体21和23的下表面向下伸出。图6通过在图5中添加长短相间的虚线组成的同心圆，清楚地表示了柱状突起P1至P3的位置关系。如图所示，如果三个同心圆C1，C2，C3定义在弹性可变形体20的中心点的周围，那么柱状突起P1至P1的每一个都位于同心圆的圆周上。也就是说，共计8个柱状突起P1沿内同心圆C1的圆周分布，每45°一个，16个柱状突起P2沿参考同心圆C2的圆周分布，每22.5°一个，8个柱状突起P3沿外同心圆C3的圆周分布，每45°一个。
图1中的侧截面图清楚地表示了柱状突起P1至P3的侧面形状。为了避免复杂，在图1的侧截面图中，只画出了位于截面处的柱状突起P1至P3，但实际上，如图5和图6的仰视图所示，有更多的柱状突起从薄膜体的下表面向下伸出。此处，如图1所示，柱状突起P2的长度要比柱状突起P1和P3的短，这是因为柱状突起P1和P3与柱状突起P2的主要功能不同。也就是说，柱状突起P1和P3主要用于在操作者没有输入的状态下，将内部薄膜体21和外部薄膜体23支撑在基体40上。柱状突起P1和P3的长度被设置为适于完成这种支撑功能。在所阐述的实例中，柱状突起P1略短于柱状突起P3，这是由于考虑了基体40上的电极的厚度。针对这一功能，此处将P1和P3称作支撑柱状突起。
同时，如下文将要讲到的，柱状突起P2的主要功能是通过与基体40上表面的电极发生接触，起到中介电极的作用使之转变为电导通状态。因此，此处将柱状突起P2称为用于电极的柱状突起。将柱状突起P2做得比柱状突起P1和P3短，这样当操作者没有向操作面板10施加输入时，柱状突起P2的末端悬空，与基体40上表面的电极保持物理非接触状态。
支撑柱状突起P1和P3与用于电极的柱状突起P2不仅在长度上彼此不同，而且在侧面形状上也不相同。也就是说，支撑柱状突起P1和P3的下段略呈圆形，而用于电极的柱状突起P2是盘状突起，下表面是平的。这种形状差异也是由于上述功能的差异造成的，支撑柱状突起P1和P3制成这种形状，适于当其与基体40的上表面发生接触时，用于支撑，而用于电极的柱状突起P2制成这种形状，适于当其与基体40的上表面发生接触时，用于保证电导通状态。
如果此处所描述的实施例中的操作面板10由一个盘状刚体组成，是考虑到操作者施加的力沿操作面板的中心线上的同心圆传递，因此，优选支撑柱状突起P1到P3应沿预置圆周布置。尤其是，在所述实施例中，如果将表示预置方向的操作输入输入到操作面板10中，那么所施加的力就从操作面板10的边缘传递到环状突起22。此处，图6中所示的参考同心圆C2定义为与环状突起22的中心位置相对应的圆，用于电极的柱状突起P2位于环状突起22的正下方(16个位置)。而且，内部同心圆C1定义为位于参考同心圆C2的里面，支撑柱状突起P1沿同心圆C1的圆周分布，外部同心圆C3定义为位于参考同心圆C2的外面，支撑柱状突起P3沿同心圆C3的圆周分布。
在一些电子设备中，许多情况下包括8个方向的操作输入除了包括上，下，左，右四个方向外，还包括对角线方向。因此，设想这样的具有8个方向的操作输入，优选沿圆周分布的柱状突起应包括沿圆周每45°一个分布的至少8个柱状突起。在所述实施例中，内部同心圆C1和外部同心圆C3上分别每隔45°共分布8个支撑柱状突起P1和P3，同时，为了保证与基体40侧电极的接触，参考圆C2上的用于电极的柱状突起P2增加到16个，在圆周上每隔22.5°一个。
作为此弹性可变形体20的元件，另一个重要元件是位于薄膜体下表面预置区域的移动导电层26。图7是弹性可变形体20的仰视图，用以显示此移动导电层26的形成区域。在此图中，带有阴影的圆形部分表示有移动导电层26(图7中的阴影不表示截面而表示区域)。如上所述，弹性可变形体20的下表面上有多个柱状突起，弹性可变形体20包括这些柱状突起，移动导电层26形成在弹性可变形体20的下表面。因此，这表明在阴影区域7中的支撑柱状突起P1和用于电极的柱状突起P2表面也有移动导电层26。具体地，这种移动导电层26可以在弹性可变形体20的下表面涂上由导电材料制成的导电层得到。如上所述，在本实施例中，由于弹性可变形体20是由整体成形的硅橡胶制成的，在包括柱状突起的所述结构由硅橡胶整体成形后，在该结构下表面的一部分(图7中的阴影部分)涂上导电层并烘干，就形成了导电层26。此移动导电层26的厚度比弹性可变形体20每一部分中的厚度都要小，因此在侧截面图中没有画出移动导电层26。
另一方面，如图1的侧截面图所示，半球形结构30为倒置的杯子形状，它位于基体40上表面的中心附近，以便向下放置。图8是半球形结构30的俯视图。该半球形结构的形式并不只限于此，但优选推荐使用这种图中所示其平面为圆形的半球形结构30，因为它使各种方向上的操作输入都很光滑。当在其顶点施加一个向下的超过预置强度的压力时，半球形结构30的顶点附近区域发生弹性变形并向下翻转。图9A和图9B是表示这种翻转形状的侧截面图。图9A是没有施加外力的状态，图9B是在顶点处施加了向下的外力F，顶点发生弹性变形并向下翻转的状态。显而易见，这种形状翻转是弹性变形，因此当压力F消失后，半球向结构30恢复图9A中的初始状态。
半球形结构30的形状翻转用于操作者的转换输入。因此，至少半球形结构30的下表面必须包括导电接触面31。也就是说，如图9B所示，当顶点附近的形状发生翻转时，导电接触面31和基体40上的电极发生接触，检测到转换输入。在本实施例中，使用金属半球作为半球形结构30。通常，如果半球形结构是由金属制成的，可以发生上述形状翻转，并可形成具有导电接触面31的半球形，但半球形结构30并不一定要用金属制成。例如，可用树脂制成半球形结构，并在其下表面形成导电材料薄膜，从而形成导电接触面31。
然后，将解释基体40的构造。基体40的基本功能是放置并支撑上述元件并提供形成电极的参考面。图10是基体40的俯视图。图中所示的4个固定孔41位于基体40的上表面，用于插入上文所述的弹性可变形体20的固定脚25。
在基体40的上表面上，有所述电极E11至E18。此处，根据电极所处的位置，4个扇形电极E11至E14称为中间电极，中间电极外面的两个环形电极E15和E16称作外部电极，中间电极里面的圆形电极E17和环形电极E18称作内部电极。图10中，为了清楚地表示电极的形状，每个电极上都画上了阴影。因此，图10中阴影并不表示截面。图中，使用了两种阴影面，这表示电极表面的一部分是否覆盖有绝缘薄膜。具体地，由于将四个中间电极E11和E14用作检测固定电极，用于组成电容元件，所以其表面覆盖有绝缘薄膜。而由于将外部电极E15和E16与内部电极E17和E18用作接触电极，用于判断电接触状态，所以导电面被暴露在外面。这两种阴影类型用于区别被绝缘薄膜覆盖的电极和具有暴露导电面的电极。
位于最外边的环形外部电极E15处于与操作面板10外圆周相对的外部圆周相对部分(基体40上表面的一部分，操作面板10的外部轮廓线投影到基体上)。在本实施例中，由于操作面板10呈盘状，所以与外圆周相对的外部圆周相对部分也是圆的，并如图所示，外部电极E15是位于与操作面板10外圆周相对位置的环状(垫圈状)电极。外部电极E16是位于外部电极E15里面的环状(垫圈状)电极。更准确地描述其位置，外部电极E15和外部电极E16之间的边界位于与图6所示参考圆C2相对的圆周上，而且外部电极E15的外轮廓到外部电极E16的内轮廓的距离与用于电极的柱状突起P2的直径大致相等。因此，外部电极E15和E16都可看作位于用于电极的柱状突起P2的正下方。
外部电极E15和E16的作用是当操作者向操作面板10施加输入，弹性可变形体20产生变形时，通过与用于电极的柱状突起P2下表面的移动导电层26的接触，检测预置方向上的操作输入是否达到或超过预置的强度。也就是说，当弹性可变形体20响应操作者的操作输入发生变形，用于电极的柱状突起P2中任意一个的下表面的移动导电层26与外部电极E15和E16同时发生接触时，外部电极E15和E16通过接触移动导电层26发生电导通。因此，可以通过电子地检测外部电极E15和E16的电导通状态，识别一个操作输入是否达到或超过预置的强度。基于此功能，将外部电极E15和E16称作接触电极对，将用于电极的柱状突起P2下表面的移动导电层26称作中介电极。相应地，转换元件由基体40上的接触电极对和弹性可变形体20上的中介电极组成。通常状态下(除非在操作面板10上施加了一个达到或超过预置强度的力)，组成此转换元件的接触电极对保持电绝缘状态，当施加在操作面板10上的力达到或超过了预置强度，由于弹性可变形体20的变形，中介电极同时与外部电极E15和E16发生接触，从而形成电导通状态。
四个扇形中间电极E11至E14放置在适于检测操作者施加的具有方向的操作输入的位置上。也就是说，图10中，当以基体40上表面的中心为原点O，图中右方向为X轴，图中上方向为Y轴定义XYZ三维坐标系时，中间电极E11位于X轴正方向，中间电极E12位于X轴负方向，中间电极E13位于Y轴正方向，中间电极E14位于Y轴负方向。这些中间电极E11和E14和位于上侧的移动导电层26一起形成电容元件。也就是说，如图7的阴影所示，移动导电层26作为薄膜形成在弹性可变形体20的下表面，中间电极E11至E14和与其相对的移动导电层26构成全部4个电容元件。具体地，第一个电容元件C11是由位于X轴正方向的中间电极E11和移动导电层26中与该电极相对的部分组成的。第二个电容元件C12是由位于X轴负方向的中间电极E12和移动导电层26中与该电极相对的部分组成的。第三个电容元件C13是由位于Y轴正方向的中间电极E13和移动导电层26中与该电极相对的部分组成的。第四个电容元件C14是由位于Y轴负方向的中间电极E14和移动导电层26中与该电极相对的部分组成的。
如此形成的四个电容元件C11至C14由固定在基体40上的检测固定电极(也就是中间电极E11至E14)和弹性可变形体20上与检测固定电极相对位置上的，发生弹性变形的检测移动电极(也就是，移动导电层26)组成。如上所述，用作检测固定电极的四个中间电极E11至E14的上表面被绝缘薄膜覆盖，用以防止其与用作检测移动电极的移动导电层26之间的电接触。如下文中将要讲的，当产生操作输入时，由于弹性可变形体20的变形，移动导电层26靠近基体40，然而，由于绝缘薄膜的存在，移动导电层26与中间电极E11至E14并没有发生电接触。因此，电容元件C11至C14总可以起到电容的作用。另外，可以把绝缘薄膜放在检测移动电极侧(也就是说，在移动导电层26的下表面)，而不放在检测固定电极侧，或同时放在两侧。然而，在此处所示的实施例中，由于将移动导电层26作为导电涂层放在弹性可变形体20的下表面，所以在实际使用中，优选将绝缘薄膜放在检测固定电极侧，也就是说，放在中间电极E11至E14侧。
如图10所示，在中间电极E11至E14的内侧，也就是在基体40的中心附近，还有两个内部电极E17和E18。内部电极对E17和E18用于检测操作者施加到操作面板10上的转换输入，也就是说，检测垂直向下的压力。内部电极E17是位于基体中心的盘状电极，其直径小于包含半球形结构30底部圆周面(底部的边缘)的圆的直径。另一方面，内部电极E18是垫圈状电极，其外径与包含半球形结构30底部圆周面的圆的直径大致相等，半球形结构30放置在垫圈状内部电极E18上。图11是表示将图8中半球形结构30放置到图10中基体40的上表面中心的情况的俯视图。实际上，半球形结构30是通过黏合剂或胶粘带固定到基体40的上表面上的。
如图9B所述，当在半球形结构30顶点附近区域施加一个垂直向下的压力F时，半球形结构30的形状发生翻转。此时，内部电极E17的形状适于与半球形结构30下表面的导电接触面31发生接触。在本实施例中，由于整个半球形结构30是由金属制成的，尽管在图9A所示状态下，半球形结构30仅与垫圈状内部电极E18发生接触，但在图9B所示状态下，翻转顶点的附近区域同样也会与内部电极E17发生接触，使内部电极E17和E18之间发生电接触。就是说尽管内部电极E17和E18之是物理上彼此分离的电极对，然而当由金属制成的半球形结构30翻转时，该半球形结构30的底部与内部电极E18接触，顶点附近的下表面与内部电极E17接触，因此，由导电材料制成的半球形结构30与两个电极E17和E18接触。从而，两个电极之间发生电短路。结果，通过电子地检测内部电极对E17和E18之间的电状态，就可以检测出与操作者的操作输入相对应的ON/OFF状态。整个半球形结构30不一定都用导电材料制成，只要至少内表面(被倒置时的下表面)到底面圆周面是导电接触面，就可以得到内部电极E17和E18之间的电导通状态。
如上所述，在基体40上表面上有三类电极，也就是，外部电极对E15和E16(接触电极)，四个中间电极E11至E14(检测固定电极)，和内部电极对E17和E18(接触电极)。考虑到电极的功能，电极处于如下位置上。首先，内部电极E18放置在如上所述的与半球形结构30的底面圆周面接触的位置上，内部电极E17放置在与导电接触面31接触的位置上，当半球形结构30发生形状翻转时，导电接触面31等同于半球形结构30顶点附近区域的下表面。外部电极对E15和E16放置在基体40上与操作面板10的外圆周部分相对的外部圆周相对位置上(与图6的同心圆C2相对的部分)。另一方面，中间电极E11至E14位于基体40上表面上半球形结构30所处区域以外，外部圆周相对位置以内的中间区域。在本实施例中，基体40由用于安装电子线路的印刷电路板组成，电极由此印刷电路板上的铜之类的印刷图案组成。通过印刷图案，可以将各种线路印刷到基体40上，因此由用于电子线路的印刷电路板组成的基体40便于实际应用。
图7所示的阴影部分的移动导电层26是弹性可变形体29下表面上的单层导电层，其通过与上述基体40上的电极共同作用，实现重要功能。也就是说，在用于电极的柱状突起P2下表面上形成的移动导电层26的一部分同时与外部电极对E15和E16发生接触，用作中介电极，使外部电极对E15和E16(接触电极)发生电接触。同时，移动导电层26上与中间电极E11至E14相对的部分用作检测移动电极，与中间电极E11至E14(检测固定电极)一起构成电容元件。考虑到将在第2部分讲述的操作的方便，虽然中介电极和检测移动电极的功能彼此不同，但其最好彼此是电导通的。因此，如图7中阴影所示，为了实际的使用，优选移动导电层26由带有外伸部分的单层导电层组成，外伸部分放置有用于电极的柱状突起P2，并且移动导电层26用作中介电极的部分(位于用于电极的柱状突起P2的下表面的部分)，和移动导电层26用作检测移动电极的部分(与中间电极E11至E14相对的部分)。
上文详细解释了图1所示元件结构的细节。用于电子设备的实际的输入装置是通过将这些元件装配在一起得到的。也就是说，将半球形结构30放在基体40的中心，将弹性可变形体20放在半球形结构上面盖上它(将固定脚25插入固定孔41中固定)，并将操作面板10粘在上面，从而组装成如图12侧截面图所示的用于电子设备的输入装置(没有画出半球形结构30的截面图，只画出了其侧视图)。《第二部分》与本发明相关的用于电子设备的输入装置的基本操作下面，将解释图12所示的用于电子设备的输入装置的基本操作。此处，为了描述的方便，将原点O取在基体40上表面的中心点，X轴为图中右方向，Y轴为图中上方向定义XYZ三维坐标系，这样基体的上表面被包含在XY平面内，并基于此给出下面的解释。图12中，X轴定义为图中向右的方向，Z轴定义为图中向上的方向，Y轴定义为图纸平面的垂直方向。
如上所述，本发明的输入装置具有在任意电子设备中产生表示ON/OFF状态的转换输入(所谓点击输入)和表示预置方向上的操作量的操作输入的功能。此处，操作者在操作面板10上发出这些输入，基本地，当发出转换输入时，操作者将手指放在操作面板10的中心并向下按压(沿Z轴负方向)，当发出预置方向上的操作输入时，操作者向斜下方向按压操作面板10。
图13是当操作者执行转换输入时，表示每部分变形状态的侧截面图(半球形结构30以侧视图形式表示)。当将图中所示向下的力(称为Fz，表示力沿Z轴的负方向)施加到操作面板10上时，压杆14响应此压力Fz向下移动，通过内部薄膜体21将向下的力作用于半球形结构30的顶点。当施加在顶点的力达到或超过预置强度时，半球形结构30顶点附近的区域会由于弹性变形而发生形状翻转，向下凸出。因此，如果压力Fz超过预置临界强度时，如所示，半球形结构顶点附近的区域发生形状翻转。也就是说，当操作者逐渐增加向下的压力Fz，半球形结构30会突然塌陷，变成所示的状态，并将点击感传至操作者的指端。同时，由金属制成的支撑柱状突起P1至P3发生弹性变形，并在垂直方向略微塌陷。然而，用于电极的柱状突起P2仍是悬空的。
这样，当半球形结构30的形状发生翻转时，半球形结构30下表面的导电接触面31和图10的内部电极E17相接触，形成电导通状态，使内部电极E17和E18发生电连接。当操作者停止按压操作时，半球形结构30恢复初始的状态，装置恢复图12中的状态。在这种状态下，内部电极E17和E18彼此绝缘。结果，通过检测内部电极E17和E18之间的电连接状态，使对转换输入的检测成为可能，也就是使对所谓点击输入的检测成为可能。
然后，将考虑操作者执行一个表示预置方向上的预置操作量的操作输入。这种操作输入表示一个在上，下，左，右四个方向上的，或包括对角线在内的八个方向上的操作量的输入。在此处所示的实施例中，图19所示的4个中间电极E11至E14和与这些电极相对的移动导电层26组成总共4个电容元件。根据这些电容元件的电容值，就可以检测出各个方向上的操作量。
例如，假设操作者向操作面板10施加了一个包含X轴负向力的斜向下的力。此处，所施加的与此操作相对应的力称为Fx-。图14是当操作者施加这样的压力Fx-时，表示每个部分变形状态的侧截面图(力不一定总是施加到操作面板10的中心，实际上，如图所示，力通常被施加到略靠左的位置上)。操作力Fx-是斜向下力的分力，所以如图所示它还应包括一个向下的力分量(Z轴负方向的分量)。然而，与上述的点击操作对应，由于向下的力的分量小于压力Fz-，因此这个力不足以使半球形结构30发生形状翻转。因此，图14中的操作面板倾斜，左侧降低而右侧升高。换言之，对于半球形结构30，可以使用这样的结构，其形状会因为转换输入施加的垂直向下的力发生翻转，但不会因为预置方向上的操作输入施加的斜向下的力发生翻转。而且，当用施加到操作面板10左端附近区域的垂直向下的压力FFx-代替图14所示的斜向下的操作力Fx-时，也会发生同样的现象。在本实施例中，“表示X轴负向操作量的操作输入”不仅包括诸如操作力Fx-的斜向下的操作输入，还包括诸如操作力FFx-的在X轴负向垂直按压的操作输入。操作力FFx-是和操作力Fx-等价的操作输入。
如图14所示，当施加了使操作面板10左倾的操作力Fx-(或FFx-，依此类推)时，图中左半侧的柱状突起P1和P3发生弹性变形并垂直塌陷。另一方面，图中右半侧的支撑柱状突起P1和P3如所示处于与基体40上表面的电浮置状态。结果，当施加了达到或超过预置强度的操作力Fx-时，如图14所示，图中左侧的用于电极的柱状突起P2的下端面(移动导电层作为中介电极)同时与外部电极E15和E16接触，使外部电极E15和E16导通，整个移动导电层26和外部电极E15和E16电势相等。当在此状态下增加操作力Fx-时，如图15所示，图中左侧的支撑柱状突起P1和P3进一步弹性变形并塌陷，用于电极的柱状突起P2也发生轻微弹性变形并塌陷。最后，如图16所示，图中左侧的支撑柱状突起P1和P3与用于电极的柱状突起P2完全塌陷。如上所述，中间电极E11至E14的表面覆盖有绝缘层。因此，即使如图16所示，移动导电层26与中间电极E12紧密接触，由于电极中间隔有绝缘层，电极还是可以作为电容元件。
此处，当图12中的状态变为图14，图15，图16中的状态时，如果考虑由中间电极E11至E14和与电极相对放置的移动导电层26组成的电容的电容值的变化的话，在由图中左侧中间电极E12和与其相对放置的移动导电层26组成的第二个电容C12中，由于电容距离的逐渐减小，电容值逐渐增加。另一方面，在由图中右侧中间电极E11和与其相对放置的移动导电层26组成的第一个电容中，由于电容距离的逐渐增加，电容值逐渐减小。因此，计算沿X轴放置的第一个电容元件C11的电容值和第二个电容元件C12的电容值的差别，这个差别就表示操作力Fx-的值。相反地，当在X轴正向施加操作力Fx+，操作面板10右倾，因此电极距离的增减关系相反。还是这种情况，第一个电容元件C11的电容值和第二个电容元件C12的电容值的差别表示操作力Fx+。简言之，沿X轴放置的第一个电容元件C11(由中间电极E11和移动导电层26组成的电容元件)的电容值和第二个电容元件C12(由中间电极E12和移动导电层26组成的电容元件)的电容值的差别的绝对值表示输入的操作力X轴方向Fx-或Fx+的操作量，值的符号表示所输入操作量的方向(X轴负向或X轴正向)。
按照同样的规则，计算沿Y轴放置的第三个电容元件C13(由中间电极E13和移动导电层26组成的电容元件)的电容值和第四个电容元件C14(由中间电极E14和移动导电层26组成的电容元件)的电容值的差别，差别的绝对值表示输入的操作力Y轴方向Fy-或Fy+的操作量，值的符号表示所输入操作量的方向(Y轴负向或Y轴正向)。
当仅施加了X轴方向的操作力时，操作面板10仅在X轴方向上发生倾斜，而不在Y轴方向上发生倾斜。因此，沿Y轴放置的第三个电容元件C13和第四个电容元件C14的电极距离部分变长，部分变短，电容元件总的电容值不变。同样，当仅施加了Y轴方向的操作力时，操作面板仅在Y轴方向上发生倾斜，而不在X轴方向上发生倾斜。因此，沿X轴放置的第一个和第二个电容元件的电极距离部分变长，部分变短，电容元件总的电容值不变。结果，第一个和第二个电容元件只能检测X轴方向上的操作量，第三个和第四个电容元件只能检测Y轴方向上的操作量。因此，可以分别检测各个轴向的操作量的分量。
当操作者在上、下、左、右四个方向上使操作面板10倾斜时可以输入这种X轴和Y轴方向上的操作量，而且如果执行预置的操作处理，也可以检测更多方向上的操作量。例如，可以将与包括45°方向的总共8个方向相关的操作量计算为X轴方向上操作量和Y轴方向上操作量的合成向量。具体地说，如果计算X轴方向的操作量x和Y轴方向的操作量y，可以看作是作用在对角线45°方向上的操作量 (方向可由操作量x和y的符号的组合来确定)。
这样，通过计算四个电容元件的电容值，原则上就可以计算出所输入的任意方向上的操作量。然而，在与本实施例对应的装置中，必须采取措施避免输出不希望的操作量检测值。在使用弹性可变形体20的输入装置时，即使所施加的力很小，弹性可变形体20也会发生弹性变形，电容元件的电容值也会改变。例如，图13中，当操作者执行一个点击操作，向下施加压力Fz-时，四个电容元件的电容值等值变化，所以如果执行上述的差别检测，预置方向上操作量的检测值为0。然而，实际上，操作面板的操作者是人，即使他/她施加一个向下的点击操作，所施加的操作压力将不仅包括Z轴负向的一个分量，还将包括X轴或Y轴方向的分量。因此，如果执行使用四个电容元件的差别检测，当操作者仅执行了一个点击操作时，会检测出一个与各个方向相关的操作量。
通常，作为用于电子设备的输入装置，最好表示ON/OFF状态的转换输入(点击操作)和表示预置方向上的操作量的操作输入可以被独立地检测，并且这些输入间没有彼此干扰。换言之，最好当操作者执行点击操作，垂直向下按压操作面板10的时候，仅会检测出一个转换输入，将OFF状态转换为ON状态，而不会检测出一个表示预置方向上操作量的操作输入，相反，当操作者执行表示预置方向上操作量的操作输入，斜向下按压操作面板10的时候，仅会检测出操作输入，而不会检测出转换输入。在与本实施例对应的用于电子设备的输入装置中，这两类输入可被独立地检测出来，它们之间的干扰被尽可能地减小。
首先，关于转换输入，仅当施加了一个垂直向下的压力Fz-，足以使半球形结构30顶点附近的区域发生形状翻转时，才执行对ON状态的检测。这样就可以避免当操作者想输入一个表示预置方向上的操作量的操作输入时，将其错误地检测为转换输入的ON状态的问题。例如，即使施加一个如图14至16的斜向下的操作输入时，施加到半球形结构30顶点附近的垂直向下的压力也不足以使结构的形状发生翻转，不会执行与转换输入相关的对ON状态的检测。(当然，如果操作者想执行一个包括点击操作和预置方向上操作输入的按压动作，这两个输入都将会被检测到。)另一方面，关于表示预置方向上操作量的操作输入，如上所述，虽然四个电容元件自身的电容值发生变化，但采取了措施防止将电容值的变化输出。为了使用这种方法得到检测值，使用外部电极E15和E16测量电容元件的电容值。例如，原来是通过使用电子方法测量中间电极E12和移动导电层26之间的电容值得到电容元件C12的电容值的，但是，用使用电子方法测量中间电极E12和外部电极E15和E16之间的电容值的方法来代替这种方法。总之，图10的电极中，中间电极E11和外部电极E15和E16之间的测量电容值作为第一个电容元件C11的测量电容值，中间电极E12和外部电极E15和E16之间的测量电容值作为第二个电容元件C12的测量电容值，中间电极E13和外部电极E15和E16之间的测量电容值作为第三个电容元件C13的测量电容值，中间电极E14和外部电极E15和E16之间的测量电容值作为第四个电容元件C14的测量电容值。
通过使用这样的检测方法，在移动导电层26与外部电极E15和E16发生电接触的状态下，输出每个电容元件的实际检测电容值。例如，在图12或图13的状态下，移动导电层26与外部电极E15和E16不发生接触。这样上述电容元件对的差别检测值保持为0。因此，当操作者执行一个转换输入操作时，可以避免对预置方向上操作量的错误检测。如图14所示，当输入了某种程度的操作量，用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26的一部分与外部电极E15或E16发生接触后，将响应上述电容元件对的检测差别，把预置方向上的操作量输出为检测值。因此，如果这部分不与电极发生接触，这部分就是所谓不敏感区，所输出的差别检测值保持为0。此处所示的实施例中，如图6所示，在参考圆C2的圆周上总共有16个用于电极的柱状突起P2，这16个用于电极的柱状突起P2的下表面上有移动导电层。因此，如果这16个用于电极的柱状突起P2的下表面上的移动导电层的任一部分与外部电极E15或E16发生接触，都会得到差别检测值的一个刻意输出。
如上所述，与本实施例相关的用于电子设备的输入装置可以实现两种输入，即使用由操作面板10，弹性可变形体20，半球形结构30，和基体40等基本元件组成的相对简单的结构，实现表示ON/OFF状态的转换输入(所谓点击输入)和表示预置方向上预置量的操作输入。尤其是，如果弹性可变形体20可以通过诸如硅橡胶等物整体成形得到的话，就可以实现这种用于电子设备的输入装置的大规模生产，移动导电层26是由涂在弹性可变形体下表面上的导电涂层形成的，基体40是用于装配电路的印刷电路板，基体上表面的电极是印刷层图案组成的，电极上覆盖的绝缘层是保护层(resist layer)形成的。
结果，在与本实施例相关的用于电子设备的输入装置中，当向操作面板10发出一个向下的转换输入时，半球形结构30发生形状翻转，导电接触面31和内部电极E17彼此接触，使内部电极对E17和E18发生电连接。然后，通过对这种导电状态的电子检测，检测到ON/OFF状态。当作用于操作面板10上的表示预置方向上预置量的操作输入达到或超过预置强度时，根据外部电极E15或E16与中间电极E11至E14之间的电特性计算出电容元件的电容值，从而检测出所输入的操作量。
在此检测操作中，用于支撑弹性可变形体20薄膜体的支撑柱状突起P1和P3，和用于形成接触部分与外部电极E15与E16发生接触的用于电极的柱状突起P2都是执行重要功能的元件。这些柱状突起是由弹性材料制成的，因此会响应施加到操作面板10上的力发生弹性变形，变形量随所施加的力的大小变化。由于柱状突起的这种变形，薄膜体的特定部分和基体40上表面之间的距离变窄，而且当所施加的力超过预置阈值时，移动导电层26的一部分与外部电极E15和E16发生接触，并测量外部电极E15和E16与中间电极E11至E14之间的电特性作为电容元件的电容值，将其作为刻意的检测值输出。而且，电容元件之间的电极距离根据输入操作量而变化，因此可以输出与操作量相对应的检测值。
本实施例的一个优点是结构中弹性可变形体20的薄膜体由支撑柱状突起P1和P3支撑，这种结构可以减小整个装置的厚度。也就是说，通过支撑柱状突起P1和P3的支撑功能，在操作面板10上没有施加达到或超过预置强度的力时，薄膜体不会移动。因此，即使弹性可变形体20非常薄，移动导电层26也不会与外部电极E15和E16由于薄膜体的自重和原始操作输入之外的力而错误地彼此接触。《第三部分》本发明力检测器转换元件的功能在上面的第一部分中提到了使用本发明力检测器的用于电子设备的输入装置的构造，在第二部分中提到了这种装置的操作。本发明的目的是有效地避免使用这种电容元件的力检测器的能量消耗。如前所述，在第一和第二部分提到的使用电容元件的力检测器中，为了电子地检测出电容元件的电容值C，必须要有用于将电容值C转换为电压值V的C/V转换器电路和将电容值C转换为频率值f的C/f转换器电路，但是，通常C/V转换器电路和C/f转换器电路带有内置振荡电路，因此操作中的能量消耗相对较大。本发明的基本思想是在不需对外力进行检测时，将用于把电容元件的电容值检测为电信号的检测电路停止，用以减少能量消耗。具体地说，仅在需要检测输出的情况下运行安装在检测电路中消耗能量较大的诸如C/V转换器电路和C/f转换器电路的电路。
在第一部分和第二部分描述的装置中，共使用了四个电容元件，即沿X轴放置的两个电容元件C11，C12和沿Y轴放置的两个电容元件C13，C14，并通过这些电容元件，检测出输入至操作面板10中的四个方向的操作输入。也就是说，根据沿X轴放置的两个电容元件C11和C12的电容值的差别检测出X轴正向或负向的操作输入，根据沿Y轴放置的两个电容元件C13，C14检测出Y轴正向或负向的操作输入。
图17是表示检测电路一个实例的电路图，用于根据这四个电容元件C11至C14的电容值检测四个方向的操作输入。检测电路的基本元件为C/V转换器电路50和信号处理电路60。两个电路都有用于接电源Vcc和接地的接线端。C/V转换器电路50用于将四个电容元件C11至C14的电容值转换为模拟电压值V1至V4并输出。信号处理电路60将这些模拟电压值V1至V4转换为数字值，然后将电压值V11和V12之间的差别定义为一个X轴正向或负向的操作输入值，将电压值V13和V14之间的差别定义为一个Y轴正向或负向的操作输入值，并将这些操作输入值输出为数字输出，或根据这些操作输入值执行预置的操作处理，并将操作的结果输出为数字输出。操作处理随输入装置所在的电子设备的不同而不同。当然，也可以使用这样一种结构，其中使用差分放大器之类的设备，将差别计算为模拟信号，并将其转换为数字信号。
在本基本实施例所使用的力检测器中，如第二部分所述，不敏感区用于当没有在操作面板10上施加达到或超过预置强度的力时，避免将电容值的变化输出为检测值。例如，第二个电容元件C12原先是通过电子地测量中间电极E12和移动导电层26之间的电容值得到的。但是这种方法被电子地测量中间电极E12和外部电极E15(或E16)之间的电容值的方法所取代。也就是说，当输入了某种程度的操作量，用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26的一部分与外部电极E15或E16发生如图14的接触后，就可以将X轴负向的操作输入检测为有效输入，并且将响应上述电容元件对的检测差别，把预置方向上的操作量输出为检测值，而且在这部分没有与电极发生接触时，它是不敏感区。
在图17的左上方，示意性地画出了基体40上的外部电极对E15和E16(接触电极)和用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26(中介电极)的一部分。在此例中，位于最外端的外部电极E15接地，E15内侧的外部电极E16通过电阻R与电源Vcc相连。另一方面，移动导电层26由图7中阴影所示区域中的单层导电层组成，但是，由于没有和其他部分相连的接线，因此这个层处于电绝缘状态。在图17中电路图中，组成电容元件C11至C14的所有由移动导电层26构成的电极都如图所示接地(这些电容元件都连接至C/V转换器电路50一侧的输入级)。这是因为，如图14所示，假设力检测器中用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26的一部分与外部电极对E15和E16发生接触，将检测电容元件C11至C14的电容值，此时移动导电层26通过与外部电极对E15发生接触与地等势。换言之，在移动导电层26通过与外部电极对E15和E16发生接触之前，每个电容元件C11至C14一侧的移动导电层26为电浮置，因此不能通过图示的检测电路检测电容值。
如果这样的话，总是操作C/V转换器电路50会导致能量浪费。如果移动导电层26没有通过外部电极E15接地，图17中的检测电路就不能完成原先的功能，因此保持C/V转换器电路50的操作状态就没有意义了。因此，为了使C/V转换器电路50只在必要情况下运行，提供了一个转换元件。在本实施例中，转换元件由外部电极E15和E16(接触电极对)与移动导电层26(中介电极)组成。在正常状态下，操作者没有向操作面板执行输入(图12所示状态)，移动导电层26和外部电极E15和E16彼此不接触。在这种非接触状态下，通过电阻R相连的外部电极E16和电源Vcc等势。但是，如果操作者向操作面板输入了一个达到或超过预置强度的操作输入，例如图14中所示，移动导电层26将和外部电极E15和E16同时发生接触。在这种接触状态下，由于电极与外部电极E15产生电连接，外部电极E16与地等势。结果，根据外部电极E16的电势，可将接触电极对E15和E16之间的状态识别为绝缘状态(未接触移动导电层26)或电连接状态(接触移动导电层26)。
图17所示的检测电路(C/V转换器电路50和数字处理电路60)有两种模式。第一种模式是检测模式，在其中可以执行将电容元件C11至C14的电容值检测为电信号的功能。第二种模式是待机模式，这种模式没有检测功能，可以在转换到检测模式之前，以比检测模式下更小的能量消耗保持待机状态。根据组成转换元件的接触电极对(外部电极E15和E16)之间的电状态选择这两种模式。也就是说，当接触电极对之间的电状态为绝缘状态时，选择待机模式，当为电连接状态时，选择检测模式。具体地，在图17所示的检测电路中，C/V转换器电路50可以在两种状态下执行，向控制端T20提供的控制信号控制运行的模式。该控制信号由信号处理电路产生。外部电极E16的电势输入至信号处理电路60的T5端，信号处理电路60根据这个电势从T6端输出一个预置控制信号，并将此信号提供给C/V转换器电路50的控制端T20。也就是说，当外部电极E16的电势为电源电压Vcc时，信号处理电路60从T6端输出一个用于指定待机模式的控制信号，当外部电极E16的电势与地等势时，信号处理电路60从T6端输出一个用于指定检测模式的控制信号。
结果，当移动导电层26没有与外部电极E15和E16同时接触时，C/V转换器电路50在能量消耗较小的待机模式下运行，仅当移动导电层26同时与外部电极E15和E16同时接触时，C/V转换器电路50在检测模式下运行。换言之，仅当操作者刻意地在X轴方向或Y轴方向上施加了一个达到或超过预置强度的操作输入时，才会从C/V转换器电路50中输出刻意电压输出V11至V14，并从信号处理电路60得到刻意的数字输出。这样，如果消耗能量较大的C/V转换器电路50仅在必要时运行，就可以显著地降低总的能量消耗。尤其是，如果本发明的力检测器用于诸如便携电话之类的便携式电子设备，降低内置电池消耗的作用将会很大。
图18是表示图17中检测电路的一个修改实例的电路图。在图17的实例中，将来自转换元件的信号(即外部电极E16的电势)提供给信号处理电路60的T5端，信号处理电路60中产生一个用于转换模式的控制信号。但是，在图18所示的修改实例中，来自转换元件的信号直接提供给C/V转换器电路50的控制端，信号处理电路60与模式转换处理无关。在图18所示系统中，减小了信号处理电路60的处理负担，但是信号处理电路60不能识别C/V转换器电路50在何种模式下运行。相反地，在图17所示系统中，增加了信号处理电路60的处理负担，但是信号处理电路60可以识别C/V转换器电路50在何种模式下运行。在实际使用中，根据输入装置所在的电子设备，选择较合适的系统。
图19是表示C/V转换器电路50内部结构的一个实例的电路图。此处，为了描述的方便，只画出了与电容元件C11的C/V转换相关的部分。如上所述，对于这种执行刻意操作的检测电路，假设电容元件一端的电极——移动导电层26通过外部电极E15接地。因此，如图所示，移动导电层26接地。电容元件另一端的电极——中间电极E11与C/V转换器电路50的T11端相连。
C/V转换器电路50中有转换电路51，振荡电路52，和整流电路53。转换电路51用于根据提供给控制端T20的控制信号，控制振荡电路52中转换元件S的ON/OFF状态。实际上，转换电路51和转换元件S可以包括各种逻辑元件。振荡电路52包括三级串联的反相元件I01，I02，I03，电阻元件R01，R02，R03，电容元件C01和转换元件S。转换元件的功能是可以根据来自转换电路51的信号使电路开闭，如果转换元件S的开关是ON，振荡电路52启动振荡，通过电阻R01将AC信号提供给T11端。T11端通过电容元件C11接地，这样提供给T11端的AC信号的振幅随电容元件C11的电容值(即电极E11和移动导电层26之间的距离)变化。当转换元件S的开关变为OFF时，振荡电路52的振荡停止。另一方面，整流电路53由电阻元件R04，R05，R06，R07，电容C02和C03，和二极管D01组成，用于将提供给T11端的AC信号平滑整流并作为DC电压输出。也就是说，T11端的AC信号的幅值越大，输出给T21端的电压V11就越高。
结果，当来自T20端的控制信号表示待机状态的信号时，通过转换电路51控制振荡电路52中的转换元件S并转至OFF，振荡电路52停止振荡。因此，不向T11端提供AC信号，T21端输出的电压为0V(接地)。这就是C/V转换器电路50在待机状态下的运行。另一方面，当来自T20端的控制信号是表示检测状态的信号时，通过转换电路51控制振荡电路52中的转换元件S并转至ON，振荡电路52开始振荡。因此，向T11端提供AC信号，在T21端输出与电容元件C11电容值相应的DC电压。这就是C/V转换器电路50在检测状态下的运行。
图19所示的C/V转换器电路50是通用C/V转换器电路的一个实例，本发明的检测电路也可使用其他各种C/V转换器电路。而且，还可以使用C/f转换器电路(用于将电容值C转换为频率f的电路)而非C/V转换器电路，用以检测电容元件的电容值。C/f转换器电路也包括消耗较多能量的振荡电路，也可通过停止振荡电路的振荡实现待机状态。当然，用于将电容值检测为电信号的检测电路还包括除C/V转换器电路和C/f转换器电路之外的电路。总之，具体地，满足下述要求构造的任何电路都可用作检测电路可以将电容值检测为电信号，在检测模式下可以执行正常的检测功能，而且在变为检测模式之前为待机状态(包括完全无能量消耗的停止状态)，虽然不能执行检测功能，但可以保持较小的能量消耗，并准备进入检测模式，根据接触电极对的电状态(绝缘状态或导通状态)选择两个模式之一。《第四部分》与本发明相关的用于电子设备的输入装置的其他实施例这样，上面讲述了与本发明相关的用于电子设备的输入装置的力检测器一个基本实施例，但此处还要讲述几个其他的实施例。(1)接触电极的修改实施例在上述基本实施例中，转换元件由一个环状接触电极对(即，外部电极E15和E16)和用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26组成。但是，转换元件使用的接触电极对不一定总要用环状。例如，图20中部分显示的接触电极对E15A和E16A位于与图10中外部电极E15和E16几乎相同的位置上，但是，它们有互相啮合的齿状突起。(图20中的阴影不表示截面图，只为了清楚地表示电极的形状。)用作中介电极的移动导电层26需要和接触电极对的两个电极同时发生接触，但是由于使用了图20所示的接触电极对E15A和E16A，就使得这种同时接触变得简单了。图21中部分显示的(阴影不表示截面图，只为了清楚地表示电极的形状)接触电极组E15B和E16B由沿基体40的圆周交替放置的属于第一组的N个电极E15B和第二组的N个电极E16B(放置在与图10中的外部电极E15和E16几乎相同的位置上)组成。彼此相邻放置的属于第一组的N个电极E15B和第二组的N个电极E16B组成一个接触电极对。总共有N对接触电极对。在图10所示的实施例中只有一对接触电极对E15和E16，但是图21所示的修改实例中却有很多对接触电极对。在此修改实例中，必须为N个电极E15B和N个电极E16B接线，因此在实际使用中接线工作变得很复杂。(2)用于电子设备的只有一维操作量输入的输入装置的应用实例在上述基本实施例中，力检测器用于使用操作面板10，检测点击输入(压力Fz-)和两维操作量输入(操作力Fx+，Fx-，Fy+，Fy-)。但是，本发明也可以用于仅有一维操作输入的力检测器中。例如，如果用图22中显示其俯视图的基体40A代替图1所示的基体40，并将半球形结构30去除后装配起来，就可以实现仅有一维(Z轴方向)操作量输入功能的用于电子设备的输入装置。在这种情况下，图22所示的半圆形电极对E21和E22是导电面暴露的接触电极对，垫圈状电极E23是表面覆盖有绝缘薄膜的检测固定电极(图22中的阴影不表示截面图，而是为了清楚地表示电极的形状)。电容元件由垫圈状电极E23(检测固定电极)和移动导电层26与电极相对的部分(检测移动电极)组成。
当操作者执行操作，以某种程度的力向下按压操作面板10时(当施加了达到或超过了预置强度的力Fz-时)，作为中介电极的移动导电层26的中心部分同时与接触电极对E21和E22发生接触，而且只要操作者以更大的力按压操作面板，就可以得到电容元件电容值的刻意输出。在上述基本实施例中，仅将施加到操作面板10上的Z轴方向上的压力Fz-检测为ON/OFF转换输入，但是在此处所示的实施例中，可以将Z轴方向上的压力Fz-检测为操作量，这样就可以根据力的大小得到一个检测值。也就是说，在Z轴方向上施加的力Fz-越大，移动导电层26和电容E23的距离就越近，电容值就越高，通过这个现象，就可以检测出压力Fz-。
当然，当压力Fz-的值没有达到预置强度时，检测电路在待机模式下运行，因此就没有检测值的输出，相应地，也就没有能量消耗。具体地说，例如，如果将电极E21接地，电极E22通过电阻与电源Vcc相连，移动导电层26没有接线，因此这层为绝缘浮置电极，和图17所示转换元件由电极E15，E16和移动导电层26的组成方式完全相同，转换元件由电极E21，E22和移动导电层26组成。因此，执行控制使当电极E22与电源Vcc等势时，将检测电路转为待机状态，而当当电极E22接地时，将检测电路转为检测状态。(3)用于电子设备的具有三维操作量输入和点击输入的输入装置的应用实例如果用图23中显示其俯视图的基体40B代替图1所示的基体40，就可以实现具有三维操作量输入和点击输入功能的用于电子设备的输入装置(图23中的阴影不表示截面图，而是为了清楚地表示电极的形状)。通过把垫圈状电极E19添加到图10所示的基体40中，可以得到图23所示的基体40B。为了添加电极E19，用宽度略窄的电极E11B至E14B代替扇形电极E11至E14，但是功能不变。所添加的电极E19是表面覆盖有绝缘薄膜的检测固定电极。
结果，在本实施例中，总共有5个检测固定电极E11B，E12B，E13B，E14B和E19，移动导电层26中与这些电极相对的部分用作检测移动电极，从而有5个电容元件C11，C12，C13，C14和C19。此处，电容元件C11和C12用于检测X轴方向上的操作输入，电容元件C13和C14用于检测Y轴方向上的操作输入，这一点与上述基本实施例相同。在此处的实施例中，还可以通过电容元件C19检测Z轴方向上的操作输入。也就是说，在Z轴方向上施加的力Fz-越大，移动导电层26和电容E23的距离就越近，电容值就越高，通过这个现象，就可以检测出压力Fz-。
当检测Z轴方向上的操作量时，不能使用由外部电极E15和E16组成的转换元件。这是因为，当施加了达到或超过预置强度的压力Fz-时，如图13中所示的实例，半球形结构30发生翻转，电极E17和E18发生电连接，但是，用于电极的柱状突起P2下表面上的移动导电层26并没有与外部电极E15和E16发生接触。在这种状态下，由外部电极E15和E16组成的转换元件还将指示为待机模式。
因此，在此处所示的实施例中，使用电极E17和E18与半球形结构30作为第二个转换元件。半球形结构30完全由导电材料(金属)制成，电极E17和E18原来用于根据半球形结构30的翻转检测点击输入(ON/OFF转换输入)。因此，如果没有施加达到或超过预置强度的压力Fz-时，电极E17和E18保持绝缘状态，当施加达到或超过预置强度的压力Fz-时，电极可以随半球形结构30的翻转变为电导通状态。因此，通过运用这种性质，就可以实施控制，将检测电路变为检测模式。也就是说，作为对此装置的总体操作，不管是电极E15和E16之间得到电导通状态还是电极E17和E18之间得到电导通状态，都可以实施控制，将检测电路变为检测模式，当两者都不能得到时，将检测电路变为待机模式。当向操作面板10施加一个X轴方向上或Y轴方向上的刻意操作输入时，可以得到电极E15和E16之间的电导通状态，当向操作面板10施加一个Z轴方向上的刻意操作输入时，可以得到电极E17和E18之间的电导通状态。因此，两种情况下，通过将检测电路变为检测模式，都可以检测电容元件的电容值。另外，在实际使用中，优选电极E17和E18接地，这样检测电路就可以检测出接地电极和电极E19之间的电容值。
上述实施例中的转换元件由接触电极对和一个可以与电极对中的两个电极同时发生接触中介电极组成。在第一部分所述的基本实施例中，使用弹性可变形体20下表面上的移动导电层26的一部分作为中介电极，但是弹性可变形体20上面不一定总要有中介电极。在此处所示的实施例中，使用放置在弹性可变形体20和基体40之间的半球形结构30作为中介电极。当使用移动导电层26作为中介电极时，正常状态下(没有施加刻意的操作输入)中介电极与电极对中的两个电极都不发生接触，当施加了达到或超过预置强度的外力(施加了刻意的操作输入)时，中介电极与电极对中的两个电极同时发生接触。如此处所示的实施例，当使用放置在电极E18上的半球形结构30作为中介电极时，正常状态下中介电极只与电极对中的一个电极(电极E18)发生接触，当施加了达到或超过预置强度的外力时，中介电极与电极对中的两个电极(电极E17和E18)同时发生接触。(4)用于电子设备的三维操作量输入的输入装置的应用实例如果用图24中显示其俯视图的基体40C代替图1所示的基体40，并将半球形结构30去除的话，就可以实现具有三维操作量输入功能的用于电子设备的输入装置(图24中的阴影不表示截面图，而是为了清楚地表示电极的形状)。本实施例等同于使用图23所示的基体40B的实施例去掉点击操作功能的状态。
在本实施例中，总共有5个检测固定电极E11，E12，E13，E14和E25(所有面上都有绝缘薄膜)，移动导电层26与这些电极相对的部分作为检测移动电极。结果形成5个电容元件C11，C12，C13，C14和C25。此处，电容元件C11和C12用于检测X轴方向上的操作输入，电容元件C13和C14用于检测Y轴方向上的操作输入，这一点与上述基本实施例相同。通过电容元件C25，还可以对Z轴方向上的操作输入进行检测，这一点与使用图23所示基体40B的实施例是相同的。但是，在本实施例中，没有使用半球形结构30，因此没有检测点击输入的功能。基体40C中心处的半圆形电极对E26和E27是接触电极对，移动导电层26与电极相对的部分作为中介电极。
而且，在本实施例中，当电极E15和E16之间与电极E26和E27之间有一个得到电导通状态时，检测电路变为检测模式，电极E15和E16之间与电极E26和E27之间都没有得到电导通状态时，检测电路变为待机模式。当电极E15和E16之间得到电导通状态时，一个X轴方向或Y轴方向的刻意的操作输入施加到操作面板10上，当电极E26和E27之间得到电导通状态时，一个Z轴方向的刻意的操作输入施加到操作面板10上。因此，两种情况下，检测电路都变为检测状态，检测电容元件的电容值。在实际的使用中，最好电极E26和E27接地，这样就可以检测出接地电极和电极E25之间的电容值。(5)用于电子设备使用多个半球形结构的输入装置的应用实例此处，将解释与本发明另一个实施例相关的用于电子设备的输入装置。图25是将这个用于电子设备的输入装置分解得到的元件的分解侧截面图。如图所示，这个用于电子设备的输入装置由操作面板10，弹性可变形体20D，半球形结构30，和基体40组成。实际上，5个半球形结构30位于基体40上(下文中将讲述放置的位置)，再将弹性可变形体20D放在这里，然后将操作面板20粘上。这种输入装置也可以执行表示ON/OFF状态的转换输入和表示预置方向上操作量的操作输入。
与图1中基本实施例相比，操作面板10和半球形结构30完全相同(但半球形结构30的数目是5个)。图25所示的弹性可变形体20D和图1所示的弹性可变形体20的形状略有不同。弹性可变形体20D的上表面和图1所示的弹性可变形体20在图4中的俯视图完全相同。另一方面，图26是弹性可变形体20D的仰视图。如所示，弹性可变形体20D在平面图中近似正方形。其基本元件如图25侧截面图中所示有内部薄膜体21，环状突出部分22，外部薄膜体23，侧壁体24，固定脚25，柱状突起P4和P5。如图26仰视图所示，柱状固定脚25从弹性可变形体20D下表面的四个角向下伸出。这四个固定脚25插入基体40D上表面四个位置的固定孔41(见图25)中，从而将弹性可变形体20D按照预置的位置固定到基体40D上。
如图26所示，柱状突起P4和P5从薄膜体21和23的下表面向下伸出。位于中心的中心柱状突起P4用于按压位于基体40D中心的半球形结构30的顶点附近区域，位于周围的周围柱状突起P5用于按压位于基体40D周围的半球形结构30的顶点附近区域，图25的侧截面图清楚地显示了柱状突起P4和P5的形状。如图25侧截面图所示，周围柱状突起P5位于环状突出22的正下方。
移动导电层26也由导电涂层制成，用作弹性可变形体20D下表面上的检测移动电极。图27是弹性可变形体20D下表面的仰视图，用于表示移动导电层26形成的区域。图中，阴影区域为移动导电层26(图27中阴影不表示截面)。如上所述，虽然柱状突起P4和P5位于弹性可变形体20D的下表面，但移动导电层26并不在中央柱状突起P4的底面和侧面，在位于四个位置上的周围柱状突起P5的底面和侧面形成有移动导电层26。
然后，将参照图28的俯视图解释基体40D的构造(图28中的阴影不表示截面图，而是为了清楚地表示电极的形状)。基体40D上表面的四角有固定孔41，用于插入弹性可变形体20D的固定脚25。在基体40D的上表面，如图所示，有上表面覆盖有绝缘薄膜的四个检测固定电极E31至E34，和导电面暴露的5对接触电极E40至E49。位于中心的那对接触电极对E40和E49用于检测点击输入。另一方面，位于检测固定电极E31至E34外面的四对接触电极对E41至E48作为转换元件。
基体40D上表面电极E40至E49上放置有倒置的五个半球形结构30。图29是俯视图，表示五个半球形结构30放置在图28所示基体40D上表面预置位置上的状态。实际上，使用粘合剂或胶带将半球形结构30固定到基体40的上表面。如图所示，五个半球形结构30中的一个放置在基体40D的中心，其余四个放在基体40D的周围部分。此处，为了描述的方便，如图所示，位于基体40D中心的结构称作中心半球形结构30-0，位于周围部分X轴正向区域的结构称作周围半球形结构30-1，位于周围部分X轴负向区域的结构称作周围半球形结构30-2，位于周围部分Y轴正向区域的结构称作周围半球形结构30-3，位于周围部分Y轴负向区域的结构称作周围半球形结构30-4。中心半球形结构30-0放置在电极E49上，这样Z轴就是其中心轴。另一方面，四个周围半球形结构30-1至30-4分别放置在电极E45至E48上。
图30是用于电子设备的输入装置XZ面上的侧截面图。四个电容元件由四个检测固定电极E31至E34和移动导电层26与这些电极相对的部分(检测移动电极)组成，用于检测X轴方向和Y轴方向上的操作输入，这一点与上述基本实施例是相同的。但是，此处所示的实施例中，四个周围半球形结构30-1至30-4和其下面的接触电极对组成四个转换元件。例如，转换元件由周围半球形结构30-1与接触电极对E41和E45组成。组成转换元件的接触电极对E41和E45正常状态下处于绝缘状态，但是，当向操作面板10施加一个X轴正方向上的达到或超过预置强度的操作输入Fx+时，由于用作中介电极的周围半球形结构30-1的翻转，接触电极对变为电导通状态。
结果，在本实施例中，当施加了一个X轴正向或负向，或Y轴正向或负向的达到或超过预置强度的操作输入时，四个周围半球形结构30-1至30-4中的一个发生翻转，结构顶点附近区域的下表面与接触电极E41至E44发生接触，四个接触电极对中的一个变为电导通状态。因此，作为检测电路，当四个检测元件的接触电极对中的任一个变为电导通状态时，执行检测模式下的操作，当所有电极对都是绝缘状态时，执行待机模式下的操作。
在本实施例中，中心半球形结构30-0只用于检测点击输入，而不用作转换元件。因此，即使当中心半球形结构30-0发生翻转，电极E40和E49变为电导通状态时，也只检测点击输入，检测电路保持待机状态。(6)半球形结构的构造在上述的几个实施例中，使用半球形结构30。在这些实施例中，使用金属半球作为半球形结构30。由于所有面都可以用作导电接触面31，使用金属半球是方便的。当然，半球形结构30不一定总要用金属制成。例如，半球形结构也可以使用树脂之类的材料制成，将导电材料薄膜粘到结构表面的必要部分上，用以形成导电接触面。
在半球形结构30表面形成导电接触面的第一个原因是使该表面用作中介电极与接触电极对发生电连接，图29所示的所有5个半球形结构30-0至30-4都用作中介电极用以和位于下面的接触电极对(垫圈状电极和垫圈状电极内的环状电极)连接，从而当外力引起翻转时，接触电极对发生电连接。为了将其用作中介电极，至少必须在从半球形结构30顶点附近区域的下表面(与环状接触电极接触的部分)到底部圆周面(与垫圈状接触电极接触的部分)形成导电接触面31。如果将具有此结构的半球形结构30用作中介电极，正常的状态下，中介电极只与接触电极中的一个电极保持接触状态，并当施加了达到或超过预置强度的外力时，由于半球形结构30的翻转，结构同时与接触电极对中的两个电极发生接触。
不用说，当接触电极对与图24中所示的接触电极对E26和E27相类似时，仅在半球形结构30结构顶点附近下表面(与接触电极E26和E27接触的部分)处形成导电接触层31就足够了。如果将半球形结构30用作中介电极，正常的状态下中介电极与接触电极对中的两个都不发生接触，当施加了达到或超过预置强度的外力时，由于半球形结构30的翻转，结构同时与接触电极对中的两个发生接触。
在半球形结构30表面形成导电接触面的第二个原因是通过使弹性可变形体上的移动导电层26(用作检测移动电极的部分)和基体上的接触电极发生电接触，完成电容元件的接线功能。弹性可变形体20可以发生弹性变形，因此最好不在弹性可变形体20上接线。因此，最好不将外部接线连接到弹性可变形体20的移动导电层上。从而在上述实施例中，不接线到移动导电层26，此层是电浮置的。但是，移动导电层26是每个电容元件一侧的电极元件，因此当检测电容元件时，须对检测系统接线。半球形结构30可以执行接线功能。例如，在图30所示装置中，当向操作面板10施加了一个X轴正向的达到或超过预置强度的外力Fx+时，由于半球形结构30-1的翻转，接触电极对E41和E45发生电接触。同时，如果半球形结构30是由金属制成的，周围突起P5底面上的移动导电层26通过半球形结构30与接触电极对E41和E45发生电连接，从而保证了对移动导电层26的接线。实际上，例如，如果接触电极E45接地，移动导电层26与地等势，因此可以检测出检测固定电极与地之间的电容值。
为了使半球形结构30完成这样的接线功能，最简单的做法是用金属制成整个半球形结构。但是，当用树脂之类的材料制成半球形结构，其一部分必须是由诸如导电薄膜之类的导电材料制成的，因此至少此结构顶点附近区域的上下表面应为电导通状态。(7)接触电极对的修改实例在上述实施例中，在基体上有转换元件所包括的电极对中的两个电极，中介电极同时与接触电极对中的两个电极接触，接触电极对处于电连接状态。但是，为了执行本发明，不一定总要使用基体侧上的接触电极对并使用中介电极。例如，也可以使用由基体上的接触固定电极和弹性可变形体侧的接触移动电极组成的接触移动电极对，当向弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于半球形结构30-1的翻转，基体上的接触固定电极和弹性可变形体侧的接触移动电极彼此接触。
但是，为了检测基体上的接触固定电极和弹性可变形体侧的接触移动电极是否彼此接触，须向每个电极提供接线。为了实际的使用，最好不在弹性可变形体侧接线。因此，实际使用中，如上述实施例所述，最好在基体上有接触电极对，并通过中介电极彼此电连接，因此如果仅在基体侧连线的话，就不需在弹性可变形体侧接线了。(8)检测电路的修改实例在上述实施例中，使用C/V转换器电路或C/f转换器电路作为检测电路，但是用于执行本发明的检测电路并不仅限于使用这些电路的电路，任何由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上的检测移动电极组成的，可以将电容元件电容值检测为电信号的印刷电路都可以用作检测电路。虽然检测模式和待机模式是用于上述实施例的C/V转换器电路50的，检测电路的任何部分都可以在这两种模式下运行。检测电路总的来说可以在这两种模式下运行，在检测模式下将电容元件的电容值检测为电信号，在待机模式下虽然不能完成检测功能，但可以在转换为检测模式之前保持消耗能量较小的待机状态。此处，在待机模式下，不需执行任何操作，并可以根据转换元件的状态变为检测模式，电路完全停止的状态不会产生问题。例如，使用一种方法，将完全停止向检测电路提供能量的情况称作待机模式，当转换元件的状态发生转变时，启动能量供应并变为检测模式。本发明中的转换元件可以使用任何构造，其中转换元件可以改变接触电极对之间电导通状态，可以从待机模式变为检测模式，也可以从检测模式变为待机模式。
图31是表示图17所示检测电路的另一个修改实例的电路图，本修改实例电路的基本元件是C/V转换器电路50或信号处理电路60，其基本操作与图17电路相同。但是，虽然将来自信号处理电路60的T6端的控制信号提供给C/V转换器电路50的控制端T20，用于转换图17所示电路中C/V转换器电路50的模式，在图31所示电路中，使用一种方法，根据组成转换元件的接触电极对，即外部电极对E15和E16的电连接状态，直接控制C/V转换器电路50的电源。具体地说，如图所示，电源Vcc与外部电极E16直接相连，外部电极E15与C/V转换器电路50的电源端Tv相连接。通过这样的构造，当移动导电层26不同时与外部电极E15和E16发生接触时，不将电源电压Vcc提供给外部电极E15，因此电源电压Vcc也不提供给C/V转换器电路50。也就是说，在这种状态下(待机状态)，C/V转换器电路50根本没有能量提供，原先输出的刻意电压输出V11至V14也不输出了。因此，事实上，由于C/V转换器电路50不消耗能量，可以显著地降低整个检测系统的能量消耗。但是，当移动导电层26同时与外部电极E15和E16发生接触时，通过外部电极E15将电源电压提供给C/V转换器电路50的电源端Tv，从而C/V转换器电路50启动其原先的操作(检测模式)。(9)使用可变电阻元件的修改实例在所有上述实施例中，根据电容元件的电容值变化检测所施加的力，但是当使用可变电阻元件代替电容元件时，也可以实施本发明。此处，将解释本发明使用可变电阻元件的修改实例。
首先，解释本修改实例中使用的可变电阻元件的详细结构。图32是表示可变电阻元件RR构造的侧截面图。所示的可变电阻元件RR中第一个薄片70和第二个薄片80被压制成薄片，以便垂直对称。如图所示，第一个薄片70由第一个薄膜71，其上的第一个导电层72，和导电层72上的第一个电阻73组成。如图所示，第二个薄片80由第二个薄膜81，其上的第二个导电层82，和导电层82上的第二个电阻83组成。为了描述的方便，此处所加的限定词“第一个”和“第二个”用于区分这两个薄片，第一个薄片70和第二个薄片80的实际结构完全相同。因此，将两个相同薄片中的一个倒置并与另一个重叠，就可以得到可变电阻元件RR。在实际的使用中，优选采用某些方法将这两个薄片粘帖好使其不能移动。
第一个电阻73和第二个电阻83由可弹性变形的材料制成，并彼此相对。第一个电阻73的上表面和第二个电阻83的下表面凹凸不平，用以形成波状截面，第一个电阻73和第二个电阻83之间的接触面积随图中施加的垂直力而变化，如图32所示，电阻73和83的波状凹凸结构的顶点彼此接触，接触面的面积非常小。但是，例如，如图33所示，当向可变电阻元件RR施加向下的外力Fz-时，由于所示的压力，电阻73和83的波状凹凸部分发生变形，两者之间的接触面积增加。
由于第一个导电层72与第一个电阻73的下表面相连，第二个导电层82与第二个电阻83的上表面相连，与第一个导电层72相连的T31端和与第二个导电层82相连的T32端之间的电阻的电阻值随两者间接触面积的变化而变化。因此，根据这个电阻值，就可以检测出施加到可变电阻元件RR上的垂直外力。也就是说，用作可变电阻元件的两个薄片70和80两个预置点之间的电阻随所施加的压力发生变化。
实际使用中，例如，可使用下述方法制造第一个薄片70。首先，在FPC(可变形印刷电路板)上形成第一个薄膜71，在其上表面形成一层铜之类的物质构成第一个导电层72，随后，将压敏导电油墨加到第一个导电层72的上表面，并对压敏导电油墨表面进行处理，以形成具有波状截面的凹凸结构，从而可用这种压敏导电油墨制造出第一个电阻73。当然，第二个薄片80也用相同的方法制造。在所述的示例中，具有波状截面的凹凸结构形成于第一个电阻73的上表面和第二个电阻83的下表面，但两个电阻不一定都要有这样的凹凸结构，只要其中至少一个电阻具有这样结构的表面，就可以构成可变电阻元件。也就是说，第一个电阻73或第二个电阻83的至少一个与另一个电阻相对的表面具有可弹性变形的凹凸结构，电阻间接触面的面积就可以随所施加的压力而变化。
图32中所示的可变电阻元件可以代替诸如图1中力检测器中的电容元件。在这种情况下，可以用上述可变电阻元件RR取代图10所示基体40上的四个电极E11至E14，用以形成图34俯视图中所示的基体40E。具体地，与图10中电极E11至E14相同，四个可变电阻元件RR11至RR14的平面形式为扇形，其侧截面如图32所示，将其粘至基体40E的预置位置(第一个薄膜71的下表面粘到基体40E的上表面)上，从而四个可变电阻元件RR11至RR14就可以完成与电容元件C11至C14相同的功能了。但是根据图32中T31端和T32端之间的电阻值，可以检测出与所施加的可变电阻元件相关的外力。总之，使用对可变电阻的变化值的检测代替对电容元件的电容值的检测是可行的。
可变电阻元件RR11至RR14可以制造成非常薄的薄片，这样使用这四个可变电阻元件RR11至RR14代替四个电极E11至E14的力检测器与图12所示的力检测器是等价的。但是，在图12所示力检测器的情况中，虽然电容元件是由四个电极E11至E14和与这些电极相对的导电层(图7所示的移动导电层26)的组合组成的，图32所示的可变电阻元件自身就可以用作可变电阻元件，因此，在此处修改例所述的装置中，柱状突起P1仅用于施加压力，不需要在柱状突起P1的下表面提供移动导电层26。
当图5所示的柱状突起P1用于施加压力时，压力集中在图32所示可变电阻元件RR上表面中心附近，这样电阻73和83中心附近区域发生倾斜变形，不能得到有效的检测敏感度。因此，如图33所示，为了使电阻73和83在整个表面发生均匀变形，并提高变形敏感度，使用图35所示为其仰视图的弹性可变形体20E代替弹性可变形体20。在图35所示的弹性可变形体20E中，用四个平面突起P6代替图5所示弹性可变形体20中的八个柱状突起P1。与基体40E上的四个可变电阻元件RR11至RR14类似，平面突起P6的平面形式为扇形，并放置在这些可变电阻元件上。另外，每个平面突起P6的下表面不一定要有导电层。图36为表示修改例的侧截面图，其中用四个可变电阻元件RR11至RR14代替图12中所示力检测器中使用的四个电极E11至E14，用图35所示的弹性可变形体20E代替弹性可变形体20。所有可变电阻元件RR11至RR14的截面结构都与图32所示可变电阻元件RR的截面结构相同，当通过位于其上的平面突起P6可将压力施加到可变电阻元件的整个表面上。因此，得到更有效的检测敏感度。
图35所示为具有四个扇形平面突起P6的示例，这些突起可以彼此相连整体形成一个单层垫圈状平面突起。布置四个可变电阻元件RR11至RR14使薄膜71和薄膜81彼此连接，并在垫圈状单层薄膜上形成四个扇形导电层和电阻。而且，在上述的解释中，可变电阻元件RR固定在基体40E侧，但是在可变电阻元件RR中，第一个薄片70固定在基体40E侧(第一个薄膜71粘在基体40E的上表面)，第二个薄片80固定在平面突起P6侧(弹性可变形体20E侧/第二个薄膜81粘在平面突起P6的下表面)。
图37是表示用于图36所示力检测器的检测电路的一个示例的电路图。这个检测电路包括模拟信号输入端，可将所输入的模拟信号转为数字信号的信号处理电路90，并在其中执行与此数字信号相关的预置操作，从而得到数字信号输出。这个信号处理电路90也构造为单芯片集成电路，将与可变电阻元件R11至R14电阻值等价的模拟电压值输入至图中右边所示的模拟输入端。每个可变电阻元件R11至R14的下表面接地，上表面通过开关SW11至SW14和电阻R11至R14与电源Vcc连接。
当打开开关SW11至SW14时，电源Vcc向可变电阻元件R11至R14施加电压，由每个可变电阻元件R11至R14的阻值分别确定的电压施加到模拟输入端T11至T14，从而得到与电阻值相应的数字值。根据可变电阻元件R11至R12的阻值(或它们之间的阻值差别)确定X方向所输入的操作量，根据可变电阻元件R13至R14的阻值(或它们之间的阻值差别)确定Y方向所输入的操作量。
开关SW11至SW14是用于向可变电阻元件提供电压的开关，当所有开关SW11至SW14保持OFF状态时，不向可变电阻元件提供电源Vcc的电压，可变电阻元件中没有电流。这表示信号处理电路90处于待机状态。另一方面，当开关SW11至SW14种的任何一个变为ON状态时，向与变为ON的开关相连的可变电阻元件提供电源Vcc的电压，从而使可变电阻元件中产生电流。因此，如上所述，可以检测出与可变电阻元件的阻值对应的数字值。这表示信号处理电路90处于检测状态。
使用从控制端TT21至TT24输出的控制信号S21至S24对开关SW11至SW14进行ON/OFF控制。实际上，开关SW11至SW14由诸如逻辑元件之类的半导体开关组成，控制信号S21至S24变为数字逻辑信号。信号处理电路内置CPU和用于操作CPU的程序。由CPU的逻辑操作确定控制信号S21至S24的逻辑值。
根据开关SW1的ON/OFF状态，将电源Vcc或地电势施加给图37左边的输入端TT10。也就是说，当开关SW1是OFF状态时，通过电阻R10将电源电压Vcc施加给输入端TT10，而当开关SW1是ON状态时，输入端TT10变为地电势。因此，根据输入端TT10可以识别开关SW1的ON/OFF状态。
实际上，如图36所示力检测器中的开关SW1包括基体40E上的外部电极E15和E16(接触电极对)，当外部电极E15和E16绝缘时，开关SW1关断，当电极导通时，开关SW1打开。因此，例如在图36所示状态下(没有在X方向上或Y方向上输入达到或超过预置强度的操作输入)，开关SW1关闭，但是，在用于电极的柱状突起P2下表面导电层与外部电极E15和E16发生接触的情况下，(在X方向上或Y方向上输入达到或超过预置强度的操作输入)，开关SW1打开。
这样，图37所示信号处理电路执行控制，当输入端TT10的电势为电源电压Vcc时(开关SW1为OFF状态)，从控制端TT21至TT24输出用于关断开关SW11至SW14的控制信号S21至S24，当输入端TT10的电势为地电势时(开关SW1为ON状态)，从控制端TT21至TT24输出用于打开开关SW11至SW14的控制信号S21至S24。因此，仅当在X方向上或Y方向上输入达到或超过预置强度的操作输入时，可变电阻元件R11至R14中才产生电流，从而进行检测。结果，当开关SW1没有打开时，检测电路保持待机状态，不能完成原先的检测功能，从而减少了能量的消耗。
另一方面，根据开关SW0的ON/OFF状态，将电源Vcc或地电势施加给图37左边的输入端TT00。也就是说，当开关SW0是OFF状态时，通过电阻R00将电源电压Vcc施加给输入端TT00，而当开关SW1是ON状态时，输入端TT00变为地电势。因此，根据输入端TT00可以识别开关SW0的ON/OFF状态。实际上，图36所示力检测器中的开关SW0包括基体40E上的内部电极E17和E18(见图34)，当内部电极E17和E18绝缘时，开关SW0关断，当电极导通时，开关SW0打开。因此表示转换输入(与半球形结构30形状翻转对应的点击输入)的开关SW0的ON/OFF状态由操作者确定。(10)其他修改例在上述实施例中，使用与本发明相关的力检测器作为用于电子设备的输入装置。但是，本发明的力检测器的目的并不限于这些输入装置，它们还可用作用于控制机器人和工业机器的检测器。如果使用重物代替操作面板，并根据加速度检测施加在重物上的力，这个力检测器就可以用作加速度检测器。在这种情况下，当加速度没有达到或超过预置值时，检测电路为待机状态，因此可以减少能量的消耗。
如上所述，按照本发明，可以实现一种可以有效降低能量消耗的力检测器。
权利要求
1.一种具有检测所施加外力强度的力检测器，包括基体；位于与基体相对位置的弹性可变形体，所述弹性可变形体的至少一部分由可弹性变形的材料制成，由于所施加外力引起的弹性变形，所述弹性可变形体相对基体移动；位于所述基体和所述弹性可变形体之间的力检测元件，由于所述弹性可变形体的移动，力检测元件按照预置电特性变化；包括一对接触电极并执行转换功能的转换元件，正常的情况下，所述接触电极对保持电绝缘状态，当向所述弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于所述弹性可变形体的变形，所述接触电极对得到电导通状态；和检测电路，用于将所述力检测元件的所述电特性变化检测为电信号；其中，检测电路可以选择在检测模式或待机模式这两种模式下运行，当所述检测电路在所述检测模式下运行时，执行检测功能，用于将电特性的变化输出为电信号，当所述检测电路在所述待机模式下运行时，保持待机状态，不执行检测功能，等待向所述检测模式转换，所述待机模式下的能量消耗要比所述检测模式下的能量消耗要小；并且其中，当所述接触电极对之间的电状态为绝缘时，选择所述待机模式，当所述接触电极对之间的电状态为导通时，选择所述检测模式。
2.根据权利要求1所述的力检测器其中，转换元件中的接触电极对包括位于基体上的接触固定电极和位于弹性可变形体上的接触移动电极，当向弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于弹性可变形体的变形，所述接触移动电极和所述接触固定电极发生物理接触。
3.根据权利要求1所述的力检测器其中，转换元件包括基体上的一对接触电极和中介电极，中介电极与所述接触电极对中的两个电极同时接触，用以得到所述接触电极对的电导通状态，并且其中，正常情况下，所述中介电极与所述接触电极对中的两个电极都不接触，当向弹性可变形体施加了达到或超过预置强度的外力时，由于弹性可变形体的变形，所述中介电极与所述接触电极对中的两个电极同时接触。
4.根据权利要求3所述的力检测器其中，中介电极位于弹性可变形体发生变形的位置。
5.根据权利要求4所述的力检测器其中，接触电极对由第一个环状电极和紧邻第一个环状电极外面并位于其外侧的第二个环状电极组成，并且中介电极位于可以在任何位置与所述第一个环状电极和第二个环状电极同时接触的位置上。
6.根据权利要求4所述的力检测器其中，接触电极对包括位于基体上的属于第一组的N个电极和属于第二组的N个电极，第一组的第i个(1≤i≤N)电极和第二组的第i个电极彼此相邻，一个电极对由第一组的一个电极和第二组中与它相邻的电极组成，一共有N个接触电极对。
7.根据权利要求6所述的力检测器其中，属于第一组的电极和属于第二组的电极在基体的圆周上交替放置，并且中介电极放置在弹性可变形体的圆周上，与所述基体的圆周相对。
8.根据权利要求3所述的力检测器其中，提供了半球形结构并被向下放置于基体上的接触电极对附近，所述半球形结构具有这样的性质当施加在所述顶点附近的向下的压力超过预置强度时，顶点附近产生弹性变形并向下凸出，这个结构还具有一个用作中介电极的导电接触面，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，所述半球形结构形状翻转，所述导电接触面同时与接触电极对的两个电极相接触。
9.根据权利要求8所述的力检测器其中，中介电极包括从半球形结构顶点下表面至半球形结构圆周底面的导电接触面组成的，接触电极对的第一个电极位于与半球形圆周所述底面接触的位置上，接触电极对的第二个电极放置在半球形结构的中心，并且正常的情况下，所述中介电极只与所述第一个电极相接触，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于所述半球形结构的形状发生翻转，所述中介电极同时与所述第一个电极和第二个电极发生接触。
10.根据权利要求8所述的力检测器其中，接触电极对放置在被半球形结构圆周底面包围的区域内，正常的情况下，由半球形结构顶点下表面上的导电接触面组成的中介电极与接触电极对中的两个电极都不接触，当施加到弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，中介电极同时与接触电极中的两个电极发生接触。
11.根据权利要求1至10中任何一项所述的力检测器其中，使用电容元件作为力检测元件，并且检测电路将所述电容元件的电容值检测为电信号，所述电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与所述检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，所述检测移动电极在此位置发生移动。
12.根据权利要求3所述的力检测器其中，电容元件用作力检测元件，并且检测电路将所述电容元件的电容值检测为电信号，所述电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，检测移动电极在此位置发生移动，当检测移动电极在此位置发生移动时，中介电极和所述检测移动电极可产生电连接，检测电路具有将与中介电极接触的接触电极和所述检测固定电极之间的电容值检测为检测模式下的电容元件的电容值的功能。
13.根据权利要求3所述的力检测器其中，电容元件用作力检测元件，并且检测电路将所述电容元件的电容值检测为电信号，所述电容元件由基体上的检测固定电极和弹性可变形体上与检测固定电极相对位置上的检测移动电极组成，检测移动电极在此位置发生移动，其中，提供了半球形结构并被向下放置于基体上的接触电极对附近，所述半球形结构具有这样的性质当施加在所述顶点附近的向下的按压力超过预置强度时，顶点附近产生弹性变形并向下凸出，这个结构还具有一个用作中介电极的导电的接触面，当施加在弹性可变形体上的外力超过预置强度时，由于弹性可变形体的变形，所述半球形结构形状翻转，所述导电接触面同时与接触电极对的两个电极相接触，而且其中，至少所述半球形结构顶点附近部分的上表面和下表面是由导电材料制成的，并且彼此电导通，与所述检测移动电极电导通的中介导电层位于弹性可变形体上，并与半球形结构顶点的邻近区域相接触，检测电路具有将所述接触电极对中通过半球形结构与所述中介导电层相接触的电极和所述检测固定电极之间的电容值检测为检测模式下的电容元件的电容值的功能。
14.根据权利要求11至13中任何一项所述的力检测器其中，在检测固定电极和检测移动电极的至少一个表面上具有绝缘薄膜，用以防止所述检测固定电极和所述检测移动电极间的电接触。
15.根据权利要求11至14中任何一项所述的力检测器其中，检测电路包括将电容元件的电容值C转换为电压值V的C/V转换器电路，实施控制使所述C/V转换器电路在检测模式下运行，而不在待机模式下运行。
16.根据权利要求15所述的力检测器其中，C/V转换器电路由一个用以将AC信号提供给包括电容元件的一个电极的振荡电路，和一个转换电路组成，转换电路在检测模式下引起所述振荡电路振荡，在待机模式下使所述振荡电路停止振荡。
17.根据权利要求11至14中任何一项所述的力检测器其中，检测电路具有将电容元件的电容值C转换为频率值f的C/f转换器电路，实施控制使所述C/f转换器电路在检测模式下运行，而不在待机模式下运行。
18.根据权利要求11至17中任何一项所述的力检测器其中，移动接触电极由整体成形橡胶上的导电层组成。
19.根据权利要求1至10中任何一项所述的力检测器其中，使用可变电阻元件作为力检测元件，其两个预置点之间的阻值可随所施加力变化，检测电路将所述可变电阻元件所述两点间的电阻值检测为电信号。
20.根据权利要求19所述的力检测器其中，可变电阻元件具有第一个电阻和位于与之相对位置的第二个电阻，这两个电阻的至少一个与另一个电阻相对的面具有可弹性变形的凹凸结构，第一个电阻和第二个电阻的接触表面积随所检测的外力值的变化而变化，因此，与第一个电阻连接的预置点和与第二个电阻连接的预置点之间的电阻值随所述接触表面积的变化而变化。
21.根据权利要求20所述的力检测器其中，第一个电阻和第二个电阻由压敏导电油墨制成。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的力检测器其中，检测电路具有一个通过在电阻两点间施加电压，来检测这两点间的电阻的电路，实施控制使得在检测模式下施加电压而在待机模式下不施加电压。
23.根据权利要求22所述的力检测器其中，使用组成转换元件的接触电极对之间的导通/绝缘状态作为ON/OFF开关，用以在电阻的两点间施加电压。
24.根据权利要求1至23中任何一项所述的力检测器其中，由刚性材料制成的操作面板与弹性可变形体相连接，弹性可变形体根据施加在操作面板上的操作输入产生变形。
25.根据权利要求1至24中任何一项所述的力检测器其中，弹性可变形体包括与基体上表面近乎平行放置的薄膜体，用于将薄膜体的周边固定到基体的上表面的侧壁部分，从薄膜体下表面多个位置向下伸出的柱状突起，所述薄膜体和所述柱状突起中的至少一部分是由弹性材料制成的。
26.根据权利要求25所述的力检测器其中，弹性可变形体由整体成形橡胶制成。
27.一种用于电子设备的输入装置，用于向该电子设备提供表示一个预置方向上的操作量的操作输入，并根据预置程序执行特定处理，其中，所述输入装置包括一个根据权利要求1至26中任何一项所述的力检测器，并将该力检测器检测到的外力处理为一操作量。
全文摘要
本发明提供了一种可以降低能量消耗的力检测器。四个电极E11至E14被放置在基体上，由橡胶薄膜制成的弹性可变形体放在上面。将导电涂层涂到弹性可变形体的下表面上，用以形成移动导电层26。四个电容元件C11至C14由电极E11至E14和与这些电极相对的导电层26组成。通过C/V转换器电路50将其电容值变为电压值V11至V14，并根据信号处理电路60的操作，检测出施加到弹性可变形体上的外力。一对接触电极对E15和E16位于基体上，当施加了达到或超过预置强度的外力时，弹性可变形体发生变形，移动导电层26与电极E15和E16同时接触。从T5端接收电极E16的电势，如果所述电势为Vcc，C/V转换器电路50在消耗能量较小的待机模式下运行，如果所述电势为GND，电路在正常模式下运行。
文档编号H03K17/975GK1405540SQ02106228
公开日2003年3月26日 申请日期2002年4月5日 优先权日2001年8月10日
发明者冈田和广, 谷口伸光 申请人:株式会社和广