专利名称：旋转操作量输入装置及利用该装置的操作装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于输入旋转操作量的装置，尤其涉及适用于小型民用电子设备的批量生产型的输入装置及利用该装置的操作装置。
具有内置的二维力传感器的装置被广泛用作用于执行这种操作的输入装置。该二维力传感器能够分别检测出基于操作人员手指的操作的X轴方向的操作量和Y轴方向的操作量，能够分别独立识别有关各轴方向的操作量。优选地，将要内置于小型民用电子设备和其周边设备中的二维力传感器是小型的，且适于批量生产。在实际应用中，该二维力传感器采用诸如电容元件、压电电阻元件、以及压电元件等的各种检测元件。
如果用于电子设备的输入装置具有如上所示的输入在XY二维直角坐标系中的X轴方向上的操作量和Y轴方向上的操作量的功能和执行点击输入的功能，将有可能在该电子设备上执行几乎所有通用的应用软件。然而，如果可输入旋转操作量，则存在可更灵活地执行的相当多的应用软件程序。例如，在播放声音或活动图像的软件中，当调节音量或快进/倒退时，如果采用用旋转操作指示的方式，则将可能提供更直观的指示并得到优秀的操作能力。
通常，采用旋转式可变电阻器和可变电容器等的输入装置已经被使用以输入这样的旋转操作量。然而，这种输入设备难以实现小型化，未必适合内置在诸如便携式电话机、数码相机、电子游戏机、PDA设备等小型电子设备中。另外，为了移动光标和指针，这些小型电子设备中的每个都具有采用上述二维力传感器的内置输入装置，因此，为了输入旋转操作量，再在其中建立其它的输入装置则效率低下。
(1)在用于输入表示特定旋转角的操作量的旋转角操作量的输入装置中，本发明第一种形态包括二维力传感器，其把由操作者施加的操作力作为XY二维直角坐标系中的坐标值(x，y)按时序进行输入；极坐标转换部分，其将该以时序提供的坐标值(x，y)依次转换为极坐标系中的坐标值(r，θ)；以及操作量识别部分，其将以时序得到的坐标值(r，θ)中的θ值的变化识别为表示旋转角的操作量。
(2)根据上述第一种形态涉及的旋转操作量输入装置，本发明的第二种形态为操作量识别部分的作用是当坐标值(r，θ)中的值r比预置阈值rt大时，把该坐标值(r，θ)识别为有效坐标值，根据只考虑有效坐标值(r，θ)的值θ的变化，进行操作量的识别。
(3)根据上述第二种形态涉及的旋转操作量输入装置，本发明的第三种形态为操作量识别部分的作用是，当连续得到有效坐标值(r，θ)时，根据在该连续期间内值θ的变化，对操作量进行识别。
(4)根据上述第三种形态涉及的旋转操作量输入装置，本发明的第四形态为操作量识别部分的作用是，在连续得到有效坐标值(r，θ)期间内，值θ相对于其前一个值θbefore，产生超过特定的阈值θt的变化Δθ时，操作量识别部分将与该变化Δθ相对应的值作为操作量进行识别。
(5)根据上述第一种至第四种形态涉及的旋转操作量输入装置本发明的第五种形态为二维力传感器包括传感器主体；操作盘，其相对于该传感器主体在X轴方向和Y轴方向上可分别独立倾斜；以及检测装置，其根据该操作盘在X轴方向和Y轴方向上倾斜的程度，检测各自的坐标值x和坐标值y。
(6)根据上述第一种至第五种形态的包括旋转操作量输入装置的操作装置，本发明的第六种形态为图标显示装置，其在显示屏上呈环状排列显示多个图标；识别显示装置，用于显示指示器，通过接收指定多个图标中的一个的指令，以在显示屏上辨别特定的图像；初始图标指定装置，用于指定多个图标中的任一个，作为最初指定图标；以及指定图标改变装置，用于提供指令以将指定的图标改变成新的图标，其设置在具有与由输入装置的操作量识别部分识别的操作量对应的间隔的位置上。
(7)在包括上述第一至第五种形态涉及的旋转操作量输入装置的操作装置中，本发明的第七种形态还设置了旋转按钮显示装置，用于显示旋转按钮，用于在显示屏上，播放声音时进行音量控制或前进或后退控制；以及控制装置，用于确定相应于由输入装置的操作量识别部分识别的操作量的旋转按钮的旋转量，使旋转按钮显示装置相应于旋转量执行显示，同时，执行相应于旋转量的音量控制或前进/后退控制。
(8)在上述第一种至第五种形态的旋转操作量输入装置中，本发明的第八种形态还设置了旋转按钮显示装置，用于显示旋转按钮，其用于在显示屏幕上再现动画时执行帧进给(frame feed)操作；以及控制装置，用于确定多个将被进给的帧，相应于由输入装置的操作量识别部分识别的操作量，使旋转按钮显示装置执行指示相应于多个帧的旋转操作的显示。
图2是
图1所示的二维力传感器100的结构实施例的俯视图。
图3是图1所示的二维力传感器100的结构实施例的横截面图。
图4是图1所示的旋转操作量输入装置操作运转的一个实施例的流程图。
图5是示出根据本发明的旋转操作量输入装置被用于从环状设置在显示屏上的多个图标中进行选择操作的例子的屏幕视图。
图6是示出根据本发明的旋转操作量输入装置被用来调整旋转按钮以在播放声音或快进/后退操作中执行音量控制操作，同时在显示屏幕上显示旋转按钮的例子的屏幕视图。
图7是示出根据本发明的旋转操作量输入装置被用来调整旋转按钮以在重现移动图标时执行帧进给操作，同时在显示屏上显示旋转按钮。
图8是图1所示的二维力传感器100的具体结构实施例的分解横截面图。
图9是图8所示的操作盘10的俯视图。图8示出了将该操作盘10沿其中心剖开得到的横截面图。
图10是图8所示的操作盘10的仰视图。图8示出了将该操作盘10沿其中心剖开得到的横截面图。
图11是图8所示的弹性可变形体20的俯视图。图8示出了将该弹性可变形体20沿其中心剖开得到的横截面图。
图12是图8所示的弹性可变形体20的仰视图。图8示出了将该弹性可变形体20沿其中心剖开得到的横截面图。
图13是用于说明形成在图12所示的弹性可变形体20的下表面的各柱状突起的配置的仰视图。
图14是形成在图12所示的弹性可变形体20的下表面的移动导电层26的仰视图。
图15是图8所示的拱形结构30的俯视图。图8示出了将该拱形结构30沿其中心剖开得到的横截面图。
图16是说明图8所示的拱形结构30形状反向动作的横截面图。
图17是图8所示的基体40的俯视图。图8示出了将该基体40沿其中心(XZ平面)剖开得到的横截面图。
图18是在图17所示的基体40上配置拱形结构30的俯视图。
图19是通过将图8所示的各结构元件组装形成的二维力传感器的横截面图。应当注意，此处示出的拱形结构30的部分不是以截面图表示的，而是以侧视图表示的。而且，只绘出了各柱状突起P1至P3的横截面部分，图示中省略了各柱状突起部分的更内侧部分。
图20示出了在图19所示的二维力传感器中进行转换输入(点击输入)时的状态的横截面图。应当注意，此处示出的拱形结构30的部分不是以截面图表示，而是以侧视图表示。而且，只绘出了各柱状突起P1至P3的横截面部分，图示中省略了各柱状突起部分的更内侧部分。
图21示出了在图19所示的二维力传感器中进行X轴负方向上的操作输入时的第一状态的横截面图。应当注意，此处示出的拱形结构30的部分不是以截面图表示，而是以侧视图表示。而且，只绘出了各柱状突起P1至P3的横截面部分，图示中省略了各柱状突起部分的更内侧部分。
图22示出了在图19所示的二维力传感器中进行X轴负方向上的操作输入时的第二状态的横截面图。应当注意，此处示出的拱形结构30的部分不是以截面图表示，而是以侧视图表示。而且，只绘出了各柱状突起P1至P3的横截面部分，图示中省略了各柱状突起部分的更内侧部分。
图23示出了在图19所示的二维力传感器中进行X轴负方向上的操作输入时的第三状态的横截面图。应当注意，此处示出的拱形结构30的部分不是以截面图表示，而是以侧视图表示。而且，只绘出了各柱状突起P1至P3的横截面部分，图示中省略了各柱状突起部分的更内侧部分。
图24是图19所示的二维力传感器所采用的检测电路的一个实施例电路图。
具体实施例方式
以下，将根据附图所示的实施例对本发明进行说明。
§1.根据本发明的用于输入旋转操作量的输入装置的基本构造图1是表示根据本发明的用于输入旋转操作量的输入装置的基本结构的框图(图中右侧所示的坐标图是各构成元件的功能概念图)。该输入装置是用于输入表示特定旋转角的操作量的装置，如图所示，其基本构成元件是二维力传感器100、极坐标转换部分200、操作量识别部分300。
二维力传感器100具有将由操作者施加的操作力作为XY二维直角坐标系中的坐标值(x，y)以时序输入的功能。该二维力传感器100的具体构成例将在下面所述的§3中具体描述。简言之，任何二维力传感器均可被使用，只要在相互正交的X轴方向和Y轴方向施加操作力时，该二维力传感器100能基于该操作力检测X轴方向和Y轴方向的操作量。该图右侧的坐标图示出了输入XY二维直角坐标系中的任意点P(x，y)的状态。实际上，操作者执行在X轴方向和Y轴方向施加一定的力的操作，而非在二维平面上指定一个点的操作。成为操作量检测值的坐标值(x，y)可作为一串数据以时序获得，例如是坐标值(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)......。
极坐标转换部分200具有将按时序的坐标值(x，y)依次转换为极坐标系中的坐标值(r，θ)的功能。例如，以时序得到的作为一串数据的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、......被顺序转换为坐标值(r1，θ1)、(r2，θ2)、(r3，θ3)、......。这种转换处理可以将XY二维直角坐标系中的任意一点P的坐标值P(x，y)转换为极坐标系中的坐标值P(r，θ)，这可通过将坐标值(x，y)作为数字数据然后解方程r=x2+y2,]]>以及θ＝arctan(y/x)来实现。
操作量识别部分300起到将以时间序列得到的坐标值(r，θ)中的值θ的改变作为代表旋转角的操作量进行识别的作用。例如，如图1下右方的坐标图所示，若设接着点P(rP，θP)给出点Q(rq，θq)时，则值θ的变化量为Δθ＝θq-θp，被识别为表示旋转角的操作量。当为图示的例子时，该旋转角操作量Δθ则表示用于给出以逆时针角Δθ旋转的指示的操作量。
在图1中，为了说明上的方便，将以功能模块100、200和300表示各构成元件，实际中，二维力传感器100由特定的物理结构体构成，由将检测值(x，y)作为电信号输出的装置组成，极坐标转换部分200和操作量识别部分300采集从该二维力传感器100输出的作为数字数据的电信号，由执行规定的运算处理功能的微处理器或微型计算机构成。
图2表示的是二维力传感器100的结构实施例的俯视图，图3表示的是该二维力传感器100的横截面图。该二维力传感器100包括传感器主体110，其具有与XY平面平行的上表面；操作盘120，其相对于该传感器主体110，在X轴方向和Y轴方向可分别独立倾斜；以及检测装置(未示出)，其根据该操作盘120在X轴方向和Y轴方向上的倾斜程度，分别检测出坐标值x和坐标值y。此外，图3的横截面图表示的是对该二维力传感器100进行操作输入的状态概念图，传感器主体110以一个单独的块示出。实际上，传感器主体110具有用以支撑操作盘120的内建的物理结构和检测该操作盘120的倾斜的机构组成，这里为了方便起见，省略这些结构和机构的图示(详细的结构实施例将在§3中描述)。
正如图2的俯视图所示，操作盘120是圆盘状构件，相对于图中的X轴方向(左右方向)和Y轴方向(上下方向)，可以各自独立倾斜。操作者将传感器主体110拿在手里的同时，将手指放在操作盘120上面，通过向希望的方向上施加操作力，可以使操作盘120在X轴方向和Y轴方向上分别独立倾斜，而且通过调节操作力的大小，可以调节各轴方向的倾斜度。图3示出了操作盘120相对于传感器主体110，在X轴负方向上倾斜的状态。为了倾斜成这种状态，操作者可以把手指放在操作盘120上表面的中心部位，向图中箭头Fx-所示的斜下方施加压力，或者可以把手指对准操作盘120上表面的端部(图3的左端)，向图中箭头FFx-所示的垂直下方施加压力。任一种操作都可向X轴负方向施加操作力。当然，也可以同样向X轴正方向施加操作力，也可以同样向Y轴正方向或负方向施加操作力。因为操作盘120X轴方向和Y轴方向的倾斜操作可独立进行，结果，在该操作盘120上施加的操作，可以成为提供XY二维直角坐标系中任意的坐标值(x，y)的操作。
如上所述，这样给出的坐标值(x，y)，在极坐标转换部分200中，被转换成坐标值(r，θ)，根据按时序得到的坐标值(r，θ)，操作量识别部分300识别旋转操作量Δθ。例如，操作者将手指放在图2所示的操作盘120的边缘部分，向下(图2中是相对于纸面的垂直方向)施加压力，以这样的按压状态不变，使手指沿着操作盘120的边缘，以使其顺时针或逆时针旋转的方式滑动，则操作盘120进行所谓的旋进(进动)运动，呈倾斜方向旋转移动。因此，按时序给出的坐标值(x，y)中的值θ连续变化，根据该变化，可对旋转操作量进行识别。如果能将按时序得到的坐标值(r，θ)中的值θ的变化作为表示旋转角的操作量进行识别，那么，在该操作量识别部分300中的旋转操作量的识别处理根本不局限于特定的方法，实际应用中，优选根据以下的方针，进行操作量的识别。
优选地，首先，当坐标值(r，θ)中的值r比预置阈值rt大时，操作量识别部分300把该坐标值(r，θ)识别为有效坐标值，基于仅考虑有效坐标值(r，θ)的值θ的变化，对操作量进行识别。这仅限于能够判断为操作者有意图地进行旋转操作输入的场合，进行旋转操作量的识别。例如，假设操作者将手指放在了图2所示的二维力传感器100的操作盘120的上表面部分。此时，即使操作者不进行任何有意图的操作输入，通常，也会因手指的微小的晃动，不断地对操作盘120施加微小操作力，所以以时序检测出的任意坐标值(x，y)，都可对操作量识别部分300按时序提供任意的坐标值(r，θ)。
这样，不提倡虽然操作者没有进行任何有意地操作输入，但还是对操作量进行了识别的做法。所以，如果提前设定阈值rt，只要提供到操作量识别部分300的坐标值(r，θ)中的值r比该阈值rt大，就将该坐标值(r，θ)作为有效坐标值识别，那么，即使提供了在阈值rt以下的值r的坐标值(r，θ)，也可以将其忽略不计。通常，在操作者仅仅将手指放在操作盘120上的状态时，操作盘120没有多大程度的倾斜，所以坐标值(r，θ)中的值r也不是太大的值。因此，在这种状态下给予的坐标值(r，θ)，不被作为有效坐标识别，忽略不计，从而不识别旋转操作量。
一方面，当操作者提供有意地旋转操作输入时，因为使操作盘120加大倾斜至某种程度时，所以，坐标值(r，θ)中的值r也变的比特定的阈值rt大，其坐标值(r，θ)被识别为有效值。这样，如果仅考虑了有效坐标值(r，θ)，根据其中值θ的变化，对操作量进行识别的话，则变成仅在操作者有意地进行操作输入时，才能对操作量进行识别。
实际应用中，当有效坐标值(r，θ)能连续得到时，可根据在该连续期间内值θ的变化，对操作量进行识别。例如，给出一系列坐标值(r1，θ1)、(r2，θ2)、(r3，θ3)、(r4，θ4)、(r5，θ5)、(r6，θ6)、(r7，θ7)、(r8，θ8)和(r9，θ9)，其中，当r4和r9在阈值rt以下时，有效坐标值被连续得到期间是第一期间(r1，θ1)至(r3，θ3)，以及第二期间(r5，θ5)至(r8，θ8)。所以，首先根据第一期间(r1，θ1)至(r3，θ3)中的值θ的变化，对基于θ1→θ2变化的操作量和基于θ2→θ3变化的操作量进行识别。接着，根据第二期间(r5，θ5)至(r8，θ8)中的值θ的变化，对基于θ5→θ6变化的操作量、基于θ6→θ7变化的操作量、以及基于θ7→θ8变化的操作量进行识别。
如果采用这种识别方法，即使当操作者把手指放到操作盘120一点时，进行沿倾斜方向转动的操作(第一期间)，即使手指临时离开后，重新用手指接触其它点进行同样的操作时(第二期间)，也可以作为旋转操作量，输入操作者有意图的操作量。也就是说，在手指临时离开期间内得到的坐标值(r4，θ4)，因为不是有效坐标值而被忽略，而且，在其前后得到的坐标值(r3，θ3)和坐标值(r5，θ5)因为是不同连续期间中的坐标值，所以对基于θ3→θ5变化的操作量不进行识别。因此，操作者在旋转操作中，即使手指从操作盘120的第一处离开一次之后，手指再接触另外的第二处，继续旋转操作时，从第一处到第二处的手指移动操作也不作为旋转操作量识别。这种处理，符合操作者的操作感觉，易操作。
另一方面，当值r比预置阈值rt大但值θ的变化小时，则有操作者没有进行有意图地操作的输入的可能性。例如，假设操作者把手指放在图2所示的二维力传感器100上的操作盘120的上表面左端部分，施加某种程度的压力。此时，操作盘120正如图3所示的倾斜状态，得到的坐标值(r，θ)中的值r变为一定程度的较大值。不过，实际上，操作者在这种状态下，放手时，实际上，没有施加有意图的旋转操作。可是，即使这种情况也会由于手指微小的晃动，对操作盘120，不断作用微小变化因素，所以，坐标值(r，θ)的r值及值θ的也同时产生微小变化。在这种情况下，不需要对操作量进行识别。
所以，优选地，预先设定预置阈值θt，在操作量识别部分300连续得到有效坐标值(r，θ)的连续期间内，值θ相对于其前一个值θbefore，产生超过特定的阈值θt的变化Δθ时，可将与该变化Δθ相对应的值作为操作量进行识别。例如阈值θt＝5°时，对前一个所给予的有效坐标值(r，θ)，仅在产生超越θ值为5°的时候，将该变化Δθ作为旋转操作量识别。因此，如上所述，操作者在手指放在操作盘120边缘不动的情况下，不进行旋转操作量的识别。
图4是示出分别将预置阈值rt和θt设定为值r和值θ的操作量进行识别时的具体操作运转的一个实施例的流程图。首先，在步骤S1中，输入二维力传感器100的检测值(x，y)，在接着的步骤S2中，将该检测值(x，y)转换为极坐标中的坐标值(r，θ)。在步骤S1和步骤S2的处理是在极坐标转换部分200中执行的工艺，在步骤S3的处理是在操作量识别部分300中执行的工艺。
在步骤S3中，对得到的坐标值(r，θ)中的值r是否超过阈值rt进行判断。如果值r小于等于阈值rt时，程序进行至步骤S4，标记F设定为0。这意味着给出的坐标值(r，θ)不是有效坐标值。标记F表示的是有效坐标值(值r超过阈值rt的坐标值)的连续状态，当F＝1时，表示的是有效坐标值连续到来的状态，当F＝0时，表示的是连续状态中断的情况。在步骤S3中，当作出r≤rt的判断时，为连续状态中断，在步骤S4中，设定标记F＝0。另一方面，在步骤S3中，若作出r＞rt的判断，在在步骤S5中，判断是否标记F＝1。这相当于是对有效坐标值是否已经进入连续状态的判断，在步骤S5中，如果F＝0，则等于在此之前，有效坐标值的连续状态已经中断。所以，此时进入步骤S6，将标记F设定为1，记录有效坐标值的连续状态已经开始。
另一方面，在步骤S5中，当F＝1时，因为至少上次的坐标值是有效坐标值，所以对这次得到的有效坐标值和上次的坐标值，进行求证值θ的变化量Δθ的处理。即，在步骤7中，进行工式Δθ＝θbefore-θ的数学运算。在此，θbefore是上次的坐标值(r，θ)中的值θ。接着，在步骤S8中，判断值Δθ的绝对值是否超过阈值θt，在步骤S9中，仅当Δθ的绝对值超过阈值θt时，作为旋转操作量输出Δθ。Δθ的绝对值在阈值θt以下时，判断操作者不进行有意地输入旋转操作量，在步骤S9不输出旋转操作量。
接着在步骤S10中，将当前坐标值(r，θ)中的值θ代入θbefore。经过步骤S11重复执行这样的程序，直到指示处理结束为止。而且，实际中，将该步骤S1至S11的程序的反复循环设定为预定周期，以使其可能平稳地输入旋转操作量。该设定周期相当于在操作量识别部分300上作为时序数据得到的坐标值(r，θ)的周期，成为影响输入装置操作性的因素。如上所述，对二维力传感器100的操作力由操作者的指尖施加，所以，作为上述周期，即使设定与操作者手指的运动速度相比非常小的周期也是没有意义的。例如，即使设定为1ms左右的周期，但操作者的手指动作通常不能达到1000Hz的振动频率，所以这种设定也就没什么意义。一般情况下，周期设定在10至100ms左右也就够了。
其结果是，按照图4的步骤，只有在坐标值(r，θ)中的值r比阈值rt大时，将该坐标值(r，θ)作为有效坐标值识别(步骤S3)，而且，当连续得到这样的有效坐标值(r，θ)时(在步骤S5中，判断标记F＝1时)，而且当相对于前面的值θbefore，产生超过预置阈值θt的变化Δθ时(即，在步骤S8中，判断值Δθ的绝对值超过阈值θt时)，将与变化Δθ相对应的值作为旋转操作量识别和输出。(步骤S9)。
§2.根据本发明的旋转操作量输入装置的应用实施例接着，对前面所述的旋转操作量输入装置的具体应用实施例进行说明。
图5是使用根据本发明的旋转操作量输入装置以在环状配置在显示屏上的多个图标中选择的例子的屏幕图。在该例中，在个人计算机等的显示器画面410上显示了代表12种应用软件的12个图标411。各图标411环状排列配置，表示通过光标412指定12个图标411中的任一个的状态。图中所示的例子表示出了配置在时针3点位置上的关于“邮件”应用软件的图标，被光标412指定的状态。这样，光标412具有识别显示功能，用于识别多个图标中任一个指定图标。
根据本发明的旋转操作量输入装置可被用于对这种环状配置的图标指定状态进行变更输入。在图示的例子中，在初期状态，虽然“邮件”的图标是指定的图标，但使用本发明的旋转操作量输入装置，可以通过输入特定的旋转操作量，顺时针旋转或逆时针旋转改变指定图标。例如，可进行如下控制在图示的状态中，当给与Δθ＝+15°至+44°旋转操作量时，光标412可逆时针转动30°，以使通过一个图标移动至邻近的“打印”图标，当设定约Δθ＝+45°至+74°的旋转操作量时，光标412可逆时针转动60°，通过两个图标移动至邻近的“日程”图标，当设定Δθ＝+75°至+104°的旋转操作量时，光标412可逆时针转动90°，以使通过三个图标移动至邻近的“时钟”图标。当然，也可以设定具有负角度的旋转操作量，例如给出Δθ＝-15°至-44°旋转操作量时，光标412可顺时针转动30°，以使通过一个图标移动至邻近的“文字处理”图标。
实际上，图5所示的操作装置包括图标显示装置，用于在显示屏410上环状排列并显示多个图标；识别显示装置，用于识别显示指示器(光标412)，以通过接收指令以指定多个图标中的任一个来从图标中辨别出指定的图标，作为在显示屏410上指出的图标；初始图标指定装置，用于指定多个图标中任何一个为最初指定图标；在§1中描述的旋转操作量输入装置；以及指定图标改变装置，用于给出指令以将指定的图标改变为新图标，其被设置在相应于由包括在输入装置中的操作量识别部分300识别的操作量的间隔的位置上。
图6是使用根据本发明的旋转操作量输入装置的实例的示意图，以在显示屏上显示用于执行声音信息播放的音量控制操作或者前进/后退操作的旋转按钮，并操纵该旋转按钮。在该例中，在例如个人计算机等的显示屏420上设置了显示窗421，用于显示待播放的声音信息，进而，显示音量调节旋转按钮422，其用于该声音信息播放中的音量调节操作，以及显示用于前进后退控制的旋转按钮423。更进一步说，旋转按钮422和423始终是在显示屏420上显示的虚拟按钮，实际的旋转操作是对图2所示的二维力传感器100的操作盘120进行的。例如，进行了表示旋转按钮422操作输入意图的任何操作后，当设定Δθ＝20°旋转操作量时，向二维力传感器100提供旋转按钮422只转动20°的操作输入。
总之，该图6所示的操作装置包括旋转按钮显示装置，用于在显示屏420上显示播放声音信息时执行音量控制操作或快进/后退控制操作的旋转按钮422和423；在§1中描述的旋转操作量输入装置；以及控制装置，用于根据由包括在输入装置中的操作量识别部分300识别的操作量确定该旋转按钮422和423的旋转量，再根据该旋转量进行音量控制调节或者前进/后退调节，同时，控制该旋转按钮显示装置并使其进行相应于该旋转量的显示。
图7是使用根据本发明的旋转操作量输入装置的实例的示意图，以在显示屏上显示用于执行声音信息播放的音量控制操作或者前进/后退操作的旋转按钮，并操纵该旋转按钮。在该例中，在例如个人计算机等的显示屏430上设置了动画显示窗431，用于对被播放的动画进行显示，在其下面设置帧数显示栏432，对显示中的动画帧数进行显示。而且，在其下侧设置动画选择栏433，用于选择作为待播放的动画，在其右侧设置用于执行帧进给操作的按钮434。该例中，旋转按钮434始终是显示在显示屏430上的虚拟按钮，实际的旋转操作是对图2所示的二维力传感器100上的操作盘120进行的。例如，进行指定旋转按钮434的任何输入操作后，当对二维力传感器100提供旋转按钮422提供Δθ＝20°旋转操作量时，可进行只将旋转按钮422转动20°的操作输入。在此，例如，旋转按钮434的旋转角度10°，相当于动画进给一个帧进给(向动画前进方向进给和反向方向进给)的设定，转动20°，进给两个帧，在动画显示窗431上，显示与该帧对应的图像。
总之，该图7所示的操作装置包括旋转按钮显示装置，用于在显示屏430上显示旋转按钮434，其用于执行播放动画信息的帧进给操作；在§1中描述的旋转操作量输入装置；以及控制装置，用于根据由包括在输入装置中的操作量识别部分300识别的操作量确定的待进给的帧的数量，同时，控制该旋转按钮显示装置并使其进行相应于帧的数量的旋转操作。
以上对本发明的旋转操作量输入装置的应用实施例进行了描述，但本发明的旋转操作量输入装置的应用形态并不局限于这些实施例。
§3.二维力传感器的具体结构实施例最后对本发明的旋转操作量输入装置中采用的二维力传感器的具体结构实施例进行描述。该结构实施例，是使用日本专利申请号2001-299540中所公开的电容元件的力检测器，它具有较简单的结构、适于批量生产，并具有可抑制功耗的特征。这里所示的结构实施例是表示本发明中可使用的二维力传感器的一种形态，当然在实施本发明时，不一定必须使用这里所示的二维力传感器。
首先说明该二维力传感器的基本构造。图8是表示该二维力传感器分解后的各结构要素的分解横截面图。如图所示，该二维力传感器由操作盘10，弹性可变形体20，拱形结构体30，和基体40构成。实际上，该输入装置的构成为拱形结构体30配置在基体40上，其上面覆盖弹性可变形体20，其上面又安装操作盘10。该二维力传感器不仅可进行表示向X轴或Y轴方向的操作量的操作输入，还具备表示ON/OFF状态的转换输入的附加功能。
操作盘10被配置在弹性可变形体20的上面，具有的功能为根据操作者的动作，将作用的力向弹性可变形体20传递，并使弹性可变形体20发生弹性变形。如§1中所描述的那样，基于操作者的操作，操作盘10相对于基体40倾斜，具有的功能为使弹性可变形体20发生弹性变形，使弹性可变形体20的一部分相对基体40发生变位。
图9是该操作面盘10的俯视图，图10是该操作盘10的仰视图。如图所示，操作盘10整体上呈圆盘状，在本实施方式的情形，是由塑料等树脂材料制成。如上所述，只要操作盘10能够做到将力传递给弹性可变形体20，那么无论怎样的形状都可以，但是圆盘形状适于输入旋转操作量。为了保证将操作者的操作准确地传递给弹性可变形体20，操作盘优选由诸如树脂或金属等刚性材料制成。在图示的实施方式中，如图9所示，操作盘10由操作部11，堤状部12，外围部13三部分构成，柱状压杆14从如图10所示底面伸出。操作部11具有在堤状部12内侧形成的平滑的下凹部分，用于适应操作者的手指操作，外围部13具有在堤状部12外侧形成的锥形部分。如后面所述，压杆14的作用是为了有效进行表示ON/OFF状态的转换输入，并将操作者的垂直向下的力有效地传递到拱形结构30的顶点附近。
在本实施方式中，弹性可变形体20由整体成形硅橡胶制成。图11是该弹性可变形体20的俯视图，图12是该弹性可变形体20的仰视图。如图所示，平面图中该弹性可变形体20的形状基本呈正方形。如图8的横截面图所示，其中的基本结构元件是内侧薄膜部21，环状凸起部22，外侧薄膜部23，侧壁部24，固定脚部25，以及柱状凸起P1至P3。如图11所示，所说的内侧薄膜部分21和外侧薄膜部分23，是在该弹性可变形体20正方形的上表面整个形成薄膜状的结构体，此处，为了描述方便，将环状凸起22的内侧部分称为内侧薄膜部分21，将其外侧部分称为外侧薄膜部分23。该薄膜部分21和23被配置以基本上与基体40的表面平行，中间隔着拱形结构体30。环状凸起22是在该薄膜部分的上表面形成的环状凸起部分，内侧薄膜部分21的上表面部分的四周为环状凸起22。在本实施方式中，环状凸起22具有其截面是矩形的所谓垫圈状的结构体，这是出于为了能够有效地接收来自配置在其上表面的操作盘10的操作力的考虑。
另一方面，侧壁部分24具有将外部薄膜部分23的四周固定到基体40上表面的功能。呈正方形的薄膜部分21和23的四边由侧壁部分24支撑，薄膜部分21和23与基体40的上表面大致保持平行状态。如图12的仰视图所示，在弹性可变形体20下表面的四个角处，分别向下伸出柱状固定脚部25，这四个固定脚部25可以插入基体40上表面形成的四个固定孔41(参照图8)中。这样，弹性可变形体20就可以固定到基体40上的预定位置处。
另外，如图12所示，在薄膜部分21和23的下表面，形成了有多个向下伸出的柱状凸起P1至P3。在图13中，为了清楚地表示柱状凸起P1至P3的位置，在图12的仰视图中以交替的长短虚线标出同心圆。如图所示，如果在弹性可变形体20的中心点的周围定义三种同心圆C1、C2和C3，那么，各柱形凸起P1～P3便可配置在任一个同心圆的圆周上。也就是说，柱状凸起P1，沿内同心圆C1的圆周分布，每隔45°配置一个，共配置8个，柱状凸起P2沿基准同心圆C2的圆周分布，每隔22.5°配置一个，共配置16个，柱状凸起P3沿外同心圆C3的圆周分布，每隔45°配置一个，共配置8个。
图8的横截面图清楚地表示了各柱形凸起P1至P3的侧面形状。在图8的横截面图中，为了避免图形变得复杂，只给出了柱状凸起P1至P3的截面，但实际上，如图12和图13的仰视图所示，有更多的柱状凸起从薄膜部分的下表面向下伸出。此处，如图8所示，柱状凸起P2的长度的设定比柱状凸起P1和P3短，这是因为柱状凸起P1和P3与柱状凸起P2的主要功能不同的缘故。也就是说，柱状凸起P1和P3的主要功能是当操作者的输入对于操作盘10未起到任何作用的状态下，起到相对于基体40的上表面支撑内侧薄膜部分21和外侧薄膜部分23的作用，这些柱形凸起P1和P3长度的设定，适于这种支撑功能(在所阐述的示例中，柱状凸起P1略短于柱状凸起P3，如后面所述，这是由于考虑了形成在基体40上的电极的厚度的缘故)。针对这一功能，此处，将柱形凸起P1和P3称作“支撑用的柱状凸起”。
相反，柱形凸起P2的主要功能是如下文将要讲到的，通过与在基体40表面上形成的电极发生接触，起到使电导通状态发生变化的介质电极功能的辅助功能作用。因此，此处，将柱状凸起P2称为“电极用柱状凸起”。用于电极的柱状凸起P2的长度的设定比用于支撑的柱状凸起P1和P3短，这是因为在操作者对操作盘10的输入未起任何作用的状态下，使电极的柱状凸起P2的下端为悬空状态，保持不与基体40表面上形成的电极进行物理接触。
另外，用于支撑的柱状凸起P1和P3与用于电极的柱状凸起P2不仅在长度上不同，而且在侧面形状上也不相同。也就是说，用于支撑的柱状凸起P1和P3的下端略呈圆形，而用于电极的柱状凸起P2的下端则是平面的圆盘形凸起。这种形状差异也是由于上述功能的差异而产生的，用于支撑的柱状凸起P1和P3的下端制成这种形状，与基体40的上表面接触，适于支撑，而用于电极的柱状凸起P2制成这种形状，则适于其与基体40的上表面形成的电极接触，保证电导通状态。
像这里所描述的实施方式，当操作盘10由一个盘状的刚性构件组成时，此时，操作者施加的力，沿着以操作盘10的中心轴为中心的同心圆进行传递，因此，如图12和图13所示，各柱状凸起P1至P3优选分别沿着规定的圆周进行布置。尤其是在附图示出的实施方式中，当将表示预置方向的操作输入应力作用到操作盘10上时，所作用的应力从操作盘10的四周向环状凸起22传递。所以，在这里，将图13所示的基准同心圆C2看成是正好相当于环状凸起22中心位置的圆，将电极柱状凸起P2配置在环状凸起22的正下方的预置位置(16处)上，而且，在基准同心圆C2的内侧，定义内侧同心圆C1后，在其圆周上配置支撑用的柱状凸起P1，在基准同心圆C2的外侧，定义外侧同心圆C3后，在其圆周上配置支撑用的柱状凸起P3。
此外，当作为本发明的旋转操作量的输入装置利用时，由于操作盘10向任意方向倾斜，所以如该实施例所示，在各圆周上配置的柱状凸起最好每隔45°配置一个，至少由8个柱状凸起构成。在图示的实施方式中，在内侧同心圆C1和外侧同心圆C3上己置的支撑用的柱状凸起P1和P3，是在圆周角每隔45°各自共配置8个但是，在基准同心圆C2上配置的电极柱状凸起P2，为了保证它与基体40一侧的电极准确接触，而增加了数量，在圆周上每隔22.5°配置一个总计16个。
作为该弹性可变形体20的构成元件，另一个重要元件是在薄膜部分下表面预置区域形成的移动导电层26。图14是该弹性可变形体20的仰视图，用来表示该移动导电层26的形成区域。在此图中，移动导电层26在剖面线所示的圆的区域内形成(图14中的剖面线不是表示截面而是表示区域)。如上所述，在弹性可变形体20的下表面上有多个柱状凸起，在也包括这些柱形凸起表面的弹性可变形体20的下表面形成了该移动导电层26。因此，图14中剖面线区域的支撑用柱状凸起P1和电极用柱状凸起P2的表面部分也形成了移动导电层26。具体地说，可以通过在弹性可变形体20的下表面涂敷导电材料导电层来形成移动导电层26。如上所述，在本实施方式中，由于弹性可变形体20是由整体成形硅橡胶制成的，所以将包括柱状凸起的图示的结构体由硅橡胶整体成形后，在其下表面的一部分区域(图14中的剖面线表示的圆内区域)涂上导电涂料并烘干，就可形成移动导电层26。而且，该移动导电层26的厚度比弹性可变形体20每一部分的厚度都要小，因此在横截面图中没有画出移动导电层26。
另一方面，如图8的横截面图所示，拱形结构体30为倒置的杯子形状，它位于基体40上表面的中心附近，向下配置。图15是该拱形结构体30的俯视图。拱形结构30的形状并不只限于这种形状，但是最好是这种形状，因为使用图示的这种平面为圆形的拱形结构体30，可以向各种方向平稳地进行操作输入。而且，该拱形结构30具有如下特性当在其顶点附近向下施加的压力超过预置的压力时，其顶点附近发生弹性变形并翻转向下凸起。图16是表示这种翻转形状状态的横截面图。图16(a)是表示没有施加任何外力的状态，图16(b)是在顶点附近向下方施加压力F，顶点发生弹性变形并翻转向下呈凸形的状态。显而易见，这种形状翻转是弹性变形，因此当压力F消失后，拱形结构体30便复原，恢复到图16(a)所示的初始状态。
拱形结构体30的形状翻转用于操作者的转换输入(与本发明的旋转操作量的输入没有直接关系)。因此，至少拱形结构体30的下表面需要是导电性接触面31。也就是说，如图16(b)所示，当顶点附近的形状发生翻转时，通过导电性接触面31和设置在基体40一侧的电极发生接触，而对转换输入进行检测。在本实施方式中，拱形结构体30使用的是金属制的。通常，如果是利用金属材料形成拱形结构体，便可实现产生上述形状翻转，并具有导电接触面31，但拱形结构30不一定要用金属制成。例如，还可以用树脂等制成拱形结构体，并在其下表面形成导电材料薄膜，从而实现导电接触面31。
接着，将描述基体40的构造。基体40的基本功能是装载并支撑上述各构成元件，并提供形成各电极的基准面。图17是基体40的俯视图。图中所示的4个固定孔部分41，如上所述，是为了插入弹性可变形体20的固定脚25，而在基体40的上表面开的孔。
如图所示，在基体40的上表面上设置有电极E11至E18。此处，根据各电极所处的位置，将4个扇形电极E11至E14称为中间电极，将中间电极外面的两个环形电极E15和E16称作外侧电极，将配置在内侧的圆形电极E17和环形电极E18称作内侧电极。在图17中，为了清楚地表示各电极的形状，每个电极上都画上了剖面线。因此，图17中剖面线并不表示截面。图中，使用了两种剖面线，这是为了表示一部分电极表面覆盖有绝缘薄膜。具体地说，由于将4个中间电极E11至E14作为用于检测的固定电极，用于组成电容元件，所以其表面覆盖有绝缘薄膜。而由于将外侧电极E15和E16与内侧电极E17和E18作为用于接触的电极，用于判断有无电接触，所以导电面被暴露在外面。这两种剖面线型用来区分以绝缘薄膜覆盖的电极和导电面暴露的电极。
在与操作盘10的外圆周相对的外侧圆周相对部分形成最外侧形成的环形外侧电极E15(将操作盘10的外侧轮廓线投影到基体40上的基体上表面的部分)形成的。在本实施方式中，由于操作盘10呈圆盘状，所以与外圆周相对的外侧圆周相对部分也是圆的，如图所示，外侧电极E15是配置在操作盘10外圆周相对位置的环状(垫圈状)电极。外侧电极E16是配置在外侧电极E15稍内侧的环状(垫圈状)电极。如果说更准确的位置，就是外侧电极E15和外侧电极E16之间的边界部分位于与图13所示的基准同心圆C2相对的圆周上，而且外侧电极E15的外轮廓与外侧电极E16的内轮廓之间的距离与电极用柱状凸起P2的直径大致相等。因此，两个外侧电极E15和E16都配置在各电极用柱状凸起P2的正下方。
该外侧电极E15和E16的作用在于，当操作者向操作盘10施加特定方向的操作输入，弹性可变形体20产生变形时，通过与用于电极的柱状凸起P2下表面的移动导电层26接触，来测出给予的操作输入超过预置的强度。也就是说，因操作者的操作输入至使弹性可变形体20发生变形，在任意一个电极用柱状凸起P2的下表面形成的移动导电层26同时与外侧电极E15和E16双方发生接触，则接触的移动导电层26为介质，外侧电极E15和E16变成导通状态。因此，如果电检测出外侧电极E15和E16之间的电导通状态，那么就可以识别施加的操作输入是否超过预置的强度。基于此功能，如果将外侧电极E15和E16称作接触用的电极对，将电极用的柱状凸起P2下表面形成的移动导电层26称作介质电极，那么，通过基体40上形成的接触用的电极对和在弹性可变形体20上形成的介质，便构成了转换元件。构成该转换元件的接触用的电极对，通常保持电绝缘状态(给予操作盘10的操作输入未超过预置强度的力)，但当对操作盘10的操作输入超过了预置强度时，由于弹性可变形体20变形，介质电极同时接触，而变成电导通状态。
四个扇形中间电极E11至E14配置在适于检测操作者施加的具有方向性的操作输入的位置上。也就是说，当以图17所示的基体40上表面的中心为原点O，图中向右为X轴，图中向上为Y轴，XYZ三维坐标系被定义以包括XY平面上的基体的上表面，则在X轴正方向形成中间电极E11，在X轴负方向形成中间电极E12，在Y轴正方向形成中间电极E13，在Y轴负方向形成中间电极E14。这些中间电极E11至E14的作用在于，和位于其上方的移动导电层26一起形成电容元件。也就是说，如图14的剖面线所示，在弹性可变形体20的薄膜的下表面形成移动导电层26，通过各中间电极E11至E14和与其相对的移动导电层26中的各部分形成总计四组电容元件。具体地说，第一个电容元件C11是由在X轴正方向配置的中间电极E11和移动导电层26中与其电极相对的部分形成的，第二个电容元件C12是由位于X轴负方向的中间电极E12和与其相对的移动导电层26中的部分形成的，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中与电极相对的部分组成的。
如此形成的四组电容元件C11至C14包括固定在基体40上的用于检测的固定电极(也就是中间电极E11至E14)；以及在弹性可变形体20“相对于检测用的固定电极且发生位移的位置”上形成的用于检测的移动电极(也就是移动导电层26)。如上所述，用于检测的固定电极的四个中间电极E11至E14的上表面被绝缘薄膜所覆盖，用以防止其与检测用的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，当施加操作输入时，由于弹性可变形体20的变形，移动导电层26向基体40靠近，然而，由于绝缘薄膜的存在，移动导电层26不会与中间电极E11至E14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，绝缘薄膜也可以形成在检测用的移动电极上(即移动导电层26的下面)，而不是形成在检测用的固定电极，或者在双方都形成绝缘薄膜也无妨。此处所示的实施方式中，仅在可变形体20的下表面涂敷导电涂层而形成移动导电层26，所以在实际使用中，绝缘薄膜优选形成在用于检测的固定电极上，也就是说，形成在中间电极E11至E14上。
如图17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，还有两个内侧电极E17和E18。内侧电极对E17和E18的作用在于检测操作者给予操作盘10的转换输入，也就是说，检测垂直向下的压力。内侧电极E17是配置在基体中心的圆盘状电极，其直径被设置为小于构成拱形结构体30的底部圆周面(底部的边缘部分)的圆。另外，内侧电极E18是垫圈形电极，其外径的设计与组成拱形结构30底部圆周面的圆的直径大致相等，拱形结构体30配置在垫圈状内侧电极E18上。图18是表示将图15所示的拱形结构体30配置到图17所示的基体40的上表面中央部位的俯视图。实际上，使用粘接剂或胶带等将拱形结构30固定到基体40的上表面。
如图16(b)所示，如果在拱形结构体30顶点附近区域垂直向下施加压力F，则拱形结构30的形状发生翻转。而内侧电极E17此时的形状适于与拱形结构30下表面的导电接触面31发生接触。在本实施方式中，由于整个拱形结构30是由金属制成的，所以在图16(a)所示状态下，拱形结构30仅与垫圈状内侧电极E18发生接触，在图16(b)所示状态下，翻转顶点的附近区域同样也会与内侧电极E17发生接触，使一对内侧电极E17和E18之间相互导通。也就是说，内侧电极E17和E18是由物理上彼此分离的一对电极构成，一旦金属制的拱形结构体30翻转，该拱形结构30的底面圆周面与内侧电极E18变成接触状态，其顶点附近的下表面与内侧电极E17为接触状态，由导电材料构成的拱形结构30同时与两个内侧电极E17和E18接触，二者相互导通。结果，通过电子检测内侧电极对E17和E18之间的导电状态，就可以检测出操作者的ON/OFF转换输入的状态。拱形结构体30不一定整个都用导电材料制成，但如果至少从内表面(倒置配置状态的下表面)到底面圆周面的部分形成导电接触面，就可以使两个内侧电极E17和E18变成电导通状态。
如上所述，在基体40上表面上有三类电极，也就是，外侧电极对E15和E16(用于接触的电极)，四个中间电极E11至E14(用于检测的固定电极)，和内侧电极对E17和E18(用于接触的电极)。考虑到各电极的各自功能，电极配置在如下位置上。首先，内侧电极E18如上所述配置在与拱形结构30的底面圆周面接触的位置上，内侧电极E17配置在能够接触到导电接触面31的位置上，即当拱形结构30发生形状翻转时，能够接触到相当于其顶点附近下面的导电接触面31的位置。外侧电极对E15和E16配置在基体40上与操作盘10的外围部分相对的外侧圆周相对位置上(与图13的基准同心圆C2相对的部分)。另一方面，中间电极E11至E14配置在基体40上表面“拱形结构体30的配置区的外侧，且位于上述外侧圆周相对部分的内侧的中间区域”的特定位置上。在本实施方式中，基体40由装配电子线路用的印刷电路板组成，各电极由印刷图案构成，诸如形成在该印刷电路板上铜。如果以这种方式采用线路用印刷基板构成基体40，则可通过印刷图案在基体40上施行各种布线，便于实际应用。
图14剖面线所示的移动导电层26是在弹性可变形体20下表面上形成的单层导电层，通过与上述基体40上的各电极共同作用，实现重要功能。也就是说，在移动导电层26中的电极用柱状凸起P2下表面上形成的部分，作为介质电极，同时与基体40一侧的外侧电极对E15和E16双方接触，使该外侧电极对E15和E16(用于接触的电极)电导通。移动导电层26中的与各中间电极E11至E14相对的部分，作为检测用移动电极，与中间电极E11至E14(用于检测的固定电极)一起构成电容元件。像这样各自功能不同，但若考虑后述动作上的方便，优选使介质电极和用于检测的移动电极都为电导通状态，因此，在实际应用时，如图14中剖面线所示，移动导电层26优选由电极用柱形凸起P2的配置处的外延部分的物理性单一的导电层构成，使该移动导电层26的一部分(电极用的柱状凸起P2下表面形成的部分)发挥介质电极作用，使其他部分(与各中间电极E11至E14相对的部分)发挥检测用移动电极的功能。
上文详细描述了图8所示的元件结构。实际的二维力传感器是通过将这些各构成元件叠加在一起所构成的。也就是说，在基体40的中央部位装载拱形结构体30，将弹性可变形体20放在拱形结构上面使覆盖住其(将固定脚部分25插入固定孔部分41中进行固定)，并在其上面粘接操作盘10，从而获得了如图19(没有示出拱形结构30的截面图，只画出了其侧视图)的横截面图所示的二维力传感器。
下面，描述图19所示的二维力传感器的基本操作。此处，为了描述的方便，定义XYZ三维坐标系，将原点O取在基体40的中心点，X轴为图中向右方向，Y轴为图中向上方向，基体的上表面包含在XY面内。图19中，X轴定义为图中向右方向，Z轴定义为图中向上方向，Y轴定义为图中纸面的垂直方向。
如上所述，除了在X轴方向和Y轴方向施加表示的操作量的操作输入的功能外，该二维力传感器还具有表示ON/OFF状态的转换输入(所谓点击输入)功能。操作者在操作盘10上进行这些输入，基本上，在进行转换输入时，操作者将手指放在操作盘10的中心部位，进行向下按压(沿Z轴负方向)动作，在进行X轴方向和Y轴方向的操作输入(旋转操作量的输入)时，操作者向斜下方向按压操作盘10。
图20是表示当操作者执行转换输入时的每部分变形状态的横截面图(拱形结构30以侧视图形式表示)。如果向附图所示的下方对操作盘10施加压力(是指向Z轴负方向的力，称为Fz-)，压杆14响应此压力Fz-向下移动，通过内侧薄膜部分21将向下的力作用于拱形结构30的顶点部分。当施加在顶点的力超过预置强度时，拱形结构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-超过预置临界值时，如图所示，拱形结构30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-，拱形结构30会突然塌陷，变成图示的状态，并将点击感传至操作者的指端。此时，由弹性材料制成的用于支撑的柱状凸起P1和P3发生弹性变形，并向纵向略微塌陷。然而，用于电极的柱状凸起P2仍为悬空状态。
这样，拱形结构体30的形状一旦发生翻转，拱形结构30下表面的导电接触面31便接触到图17所示的内侧电极E17，因此内侧电极E17和E18变成电导通状态。操作者一旦停止按压操作，拱形结构30则恢复到初始状态，装置恢复到图19的状态。在这种状态下，内侧电极E17和内侧电极E18都是绝缘的。结果，通过检测内侧电极E17和E18之间的电连接状态，可对表示ON/OFF状态的转换输入进行检测，也就是可以检测所谓的点击输入。
接下来，试考虑操作者向X轴方向和Y轴方向进行表示操作量的操作输入的情形。在此实施方式中，是由图17所示的四个中间电极E11至E14(其上覆盖有绝缘层)和与这些电极相对的移动导电层26形成的共计四组电容元件。根据这四组电容元件的静电电容值，就可以检测出向各个方向的操作量。
例如，假设操作者对操作盘10施加了一个包含X轴负方向力的向斜下方的力。这里将以这种操作所施加的力称为Fx-。图21是当操作者施加这样的压力Fx-时(不一定对操作盘10的中心位置施压，实际上，如图所示，大多是稍微向左偏离的部位施压)，表示每个部位变形状态的横截面图(拱形结构体30为侧视图)。由于操作力Fx-是斜向下力的分力，所以如图所示它还应包括一个向图的下方的分力(Z轴负方向上的分力)。由于该向下的分力较上述的点击操作的压力Fz-小，因此这个力不足以使拱形结构30发生形状翻转。因此，图21中的操作盘10左侧向下右侧向上倾斜。换言之，作为拱形结构体30可以使用具有以下变形特性的结构体，即对于垂直向下方施加的转换输入的压力，产生形状翻转，而对于向斜下方、向预置方向施加操作输入的压力，则不产生形状翻转。而且，当在操作盘10的左端附近区域垂直向下施压FFx-，以此代替向图21所示的斜下方的操作力Fx-时，也会发生同样的现象。在本发明中，当说到“表示向X轴负方向的操作量的操作输入”时，不仅包括诸如操作力Fx-这样的斜向下的操作输入，还包括诸如操作力FFx-的在X轴负方向的垂直按压的操作输入。操作力FFx-的操作输入和操作力Fx-是等效的。
如图21所示，当使操作盘10向左倾施加操作力Fx-(或FFx-，下同)时，图的左半侧的用于支撑的柱状凸起P1和P3发生弹性变形并纵向塌陷。另一方面，图的右半侧的用于支撑的柱状凸起P1和P3如图所示从基体40的上表面浮起。结果，若施加的操作力Fx-超过某种程度，则所图21所示，位于图左侧的用于电极的柱状凸起P2的下端面(具有作为介质电极功能的移动导电层)接触到外侧电极E15和E16双方，使外侧电极E15和E16导通，同时，整个移动导电层26和外侧电极E15和E16电势相等。当在此状态下增加操作力Fx-时，如图22所示，图中左半部分的用于支撑的柱状凸起P1和P3进一步弹性变形并塌陷，用于电极的柱状凸起P2也发生轻微弹性变形并塌陷。最后，如图23所示，图中左侧的用于支撑的柱状凸起P1和P3与用于电极的柱状凸起P2完全塌陷。如上所述，中间电极E11至E14的任一个表面都为绝缘层所覆盖。因此，如图23所示，即使移动导电层26与中间电极E12一侧紧密接触，但由于两电极中间隔有绝缘层，依然可以发挥电容元件作用。
这里来研究一下，当由图19所示的状态向图21、图22、图23所示的状态变化时，各中间电极E11至E14和由与其相对的移动导电层26构成的电容元件的静电电容值是如何变化的。可知由图中左侧所示的中间电极E12和与其相对配置的移动导电层26组成的第二电容C12，由于电极的间距逐渐减小，所以电容值逐渐增加。相反，由图中右侧所示的中间电极E11和与其相对配置的移动导电层26构成的第一电容C11，由于电极的距离逐渐加大，而静电电容值则逐渐减小。因此，如果求出X轴上配置的第一电容元件C11的静电电容值和第二电容元件C12的静电电容值之差，那么这个差就表示操作力Fx-的值。反之，当向X轴正方向施加操作力Fx+时，操作盘10向右倾斜，因此电极间距的增减关系相反，依然利用第一电容元件C11的静电电容值和第二电容元件C12的静电电容值之差来表示操作力Fx+的大小。总之，在X轴上配置的第一电容元件C11(由中间电极E11和移动导电层26构成的电容元件)的静电电容值和第二电容元件C12(由中间电极E12和移动导电层26组成的电容元件)的静电电容值之差的绝对值，表示作为X轴方向的操作力Fx-或Fx+所施加的操作量的大小，其符号表示所输入操作量的方向(X轴正方向或X轴负方向)。
根据同样的原理，如果求出Y轴上配置的第三电容元件C13(由中间电极E13和移动导电层26组成的电容元件)的静电电容值和第四电容元件C14(由中间电极E14和移动导电层26组成的电容元件)的静电电容值之差，该差的绝对值表示输入的操作力Y轴方向Fy-或Fy+的操作量的大小，其符号表示所输入操作量的方向(Y轴正方向或Y轴负方向)。
当仅向X轴方向施加操作力时，操作盘10仅向X轴方向上发生倾斜，而不向Y轴方向发生倾斜。因此，沿Y轴配置的第三电容元件C13和第四电容元件的电极间距部分加大，部分减小，电容元件总的静电电容值不变。同样，当仅施加了Y轴方向的操作力时，操作盘仅在Y轴方向上发生倾斜，而不在Y轴方向上发生倾斜。因此，沿X轴配置的第一电容元件和第二电容元件的电极间距部分加大，部分减小，电容元件总的静电电容值不变。结果，根据第一和第二电容元件只能检测X轴方向上的操作量，根据第三和第四电容元件只能检测Y轴方向上的操作量，可以分别独立地检测出各个轴向的操作量的分量。
这样，通过以这种方式测量四组电容元件的电容值，就可以检测出所输入的操作量。然而，在本实施方式的装置中，采用了避免发生这样的因误操作输出的操作量检测值的设计。在使用弹性可变性体20的输入装置时，即使向操作盘10施加的力很小，弹性可变性体20也会发生弹性变形，各电容元件的静电电容值也会改变。例如，图20示出了操作者为执行一个点击操作，向图中下方施加压力Fz-时的状态。仅像这样准确的向下的压力Fz-起作用时，四组电容元件的静电电容值等值变化。所以如果进行上述的差分检测，则预置方向上操作量的检测值为0。然而，实际上是人在操纵操作盘10，即使是施加压力，企图向下方进行点击操作，但所施加的操作压力，不仅包括Z轴负方向的分量，还包括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分检测时，即使操作者仅执行了一个点击操作，也会检测出关于任一个方向的操作量。
通常，优选是输入装置检测表示ON/OFF状态的转换输入(点击输入)和表示预置方向上的操作量的操作输入，能够分别独立地检测，而不互相干扰。换言之，优选地，当操作者执行点击操作垂直向下按压操作盘10时，仅检测出由OFF状态转换为ON状态的转换输入，而不检测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向斜下方按压操作盘10时，优选不检测转换输入，只检测操作量。关于本实施方式的二维力传感器，这两类系统的输入可以分别独立地检测出来，尽量避免二者的干扰。
首先，关于转换输入，为了使拱形结构30顶点附近的区域发生形状翻转，而垂直充分地向下方施加压力Fz-，由于仅在此时才执行对ON状态的检测，所以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，就可以避免错误地检测出转换输入的ON状态的问题发生。例如，即使如图21至图23所示向向斜下方施行操作输入，但施加给拱形结构30顶点附近的垂直向下的压力不足以使结构的形状发生翻转，因此不执行与转换输入相关的对ON状态的检测(当然，在操作者有意地执行一个点击操作兼带向预置方向上进行操作输入的按压动作时，这两个系统的输入都会被检测到。)另一方面，关于表示预定方向上操作量的操作输入，如上所述，四组电容元件自身的静电电容值发生变化，但采取了措施，使该静电电容值的变化不作为检测值输出。要想利用这种方法得到检测值的输出，可以使用外侧电极E15和E16进行各电容元件的静电电容值的测量。例如，第二电容元件C12的静电电容值，原来是使用电子方法测量中间电极E12和移动导电层26之间的静电电容值的，但现在替代它的是，使用电子方法测量中间电极E12和外侧电极E15和E16之间的静电电容值。总之，关于图17所示的各电极，可以将中间电极E11和外侧电极E15或E16之间的静电电容的测量值作为第一电容元件C11的静电电容值的检测值；中间电极E12和外侧电极E15或E16之间的静电电容的测量值作为第二电容元件C12的静电电容值的测量值；中间电极E13和外侧电极E15或E16之间的静电电容测量值作为第三电容元件C13的静电电容值的测量值；中间电极E14和外侧电极E15或E16之间的静电电容测量值作为第四电容元件C14的静电电容值的测量值。
如果采用这样的检测方法，每个电容元件的实际静电电容的检测值在移动导电层26与外侧电极E15或E16发生电接触的条件下进行输出。例如，在图19和图20所示的状态下，移动导电层26与外侧电极E15和E16未发生接触，这样上述电容元件对的差分检测值仍保持为0。因此，当操作者执行一个转换输入操作时，不会误测出预置方向的操作量。利用上述的电容元件对的差分检测，预置方向上的操作量作为检测值输出，是因为如图21所示，当输入了某种程度的操作量，形成在电极用柱状凸起P2下表面上的移动导电层26的一部分与外侧电极E15或E16发生接触。直到二者接触前，存在着一种死区，所输出的差分检测值仍保持为0。此处所示的实施方式中，如图13所示，在基准同心圆C2的圆周上共有16个用于电极的柱状凸起P2，在这16个电极用柱状凸起P2的下表面上有移动导电层。因此，如果这16个电极用柱状凸起P2的下表面上形成的移动导电层的任一部分与外侧电极E15和E16发生接触，都会输出显著的差分检测值。
结果，关于本实施方式的二维力传感器，当给予操作盘10一个向下的转换输入时，拱形结构30发生形状翻转，因此导电接触面31和内侧电极E17接触，内侧电极对E17和E18接通。然后，通过对这种接通状态的电子检测，可检测到ON/OFF状态。当作用于操作盘10上的表示预置方向上预置量的操作输入超过预置强度时，根据外侧电极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静电电容值，从而检测出所输入的操作量。
在此检测操作中，发挥重要作用的构成元件有用于支撑弹性可变性体20薄膜部分的支撑用柱状凸起P1和P3以及形成外侧电极E15与E16的接触部分的电极用柱状凸起P2。这些柱状凸起都是由弹性材料制成的，因此会通过施加到操作盘10上的力的作用，而发生弹性变形，变形量随着施加力的大小变化。由于这种柱状凸起的变形，薄膜部分的特定部分和基体40上表面之间的距离变窄，而且当施加的力超过预置阈值时，移动导电层26的一部分与外侧电极E15和E16发生接触，各电容元件的静电电容值作为外侧电极E15和E16与中间电极E11至E14之间的电特性被测量，将其作为特定检测值输出。而且，电容元件之间的电极间距随着输入操作量而产生变化，因此可以输出与操作量相对应的检测值。
本实施方式的一个特征是弹性可变性体20的薄膜部分由支撑用柱状凸起P1和P3支撑，这种结构可以减小整个装置的厚度。也就是说，通过支撑用柱状凸起P1和P3的支撑功能，只要不在操作盘10上施加超过预置强度的力，薄膜部分就不会移动。因此，即使整个弹性可变性体20被设计的非常薄，也能够防止因薄膜部分的重力和非正常操作输入的力的作用使移动导电层26与外侧电极E15和E16产生误接触。
为了电子地检测出电容元件的静电电容值C，采用上述电容元件的力传感器被要求具有用于将静电电容值C转换为电压值V的C/V转换电路；或用于将静电电容值C转换为频率值f的C/f转换电路。但是，传统的C/V转换电路或C/f转换电路存在一个问题是，内部有振荡电路，工作中耗电较大。在具有上述构造的二维力传感器中，在不需对操作输入进行检测时，将电容元件的静电电容值作为电信号进行检测的检测电路停止工作，能够减少电能消耗。具体地说，仅在需要检测输出的情况下，运行诸如内建到检测电路中的C/V转换电路或C/f转换电路等耗电量大的电路。
上述的二维力传感器共使用了四组电容元件，即在X轴上配置的两组电容元件C11和C12和在Y轴上配置的两组电容元件C13和C14，通过这些电容元件，可进行给予操作盘10四个方向的操作输入的检测。也就是说，根据X轴上配置的两组电容元件C11和C12的静电电容值之差，可检测出向X轴正方向或负方向的操作输入，根据Y轴上配置的两组电容元件C13和C14的静电电容值之差，可检测出向Y轴正方向或负方向的操作输入。
图24是表示根据这样的四组电容元件C11至C14的静电电容值，检测四个方向的操作输入的一个检测电路的电路图。此检测电路的基本构成元件为C/V转换电路50和信号处理电路60。两个电路都有用于接电源Vcc的端子和接地的端子。C/V转换电路50具有的功能是，分别将四组电容元件C11至C14的静电电容值转换为模拟电压值V1至V4，并将它们输出。信号处理电路60将这些模拟电压值V1至V4转换为数字值后，将电压值V11和V12之差作为向X轴正方向或负方向的操作输入值，将电压值V13和V14之差作为向Y轴正方向或负方向的操作输入值。
如上所述，该二维力传感器设置有死区(不敏感区)，如果对操作盘10施加的操作输入未超过预置强度的力，那么静电电容值的变化不作为检测值原样进行输出。例如，第二个电容元件C12的静电电容值，原来是采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。但是这种方法被电子测量中间电极E12和外侧电极E15(或E16)之间的静电电容值的方法所取代。也就是说，如图21所示，不将X轴负方向的操作输入作为有效输入来检测，直至施加某种程度大小的操作量，在电极用的柱状凸起P2下表面上形成的移动导电层26的一部分接触到外侧电极E15和E16，在二者接触之前存在死区。
在图24的左上方，示意性地示出了基体40上形成的外侧电极对E15和E16(用于接触的电极)和用于电极的柱状凸起P2下表面上形成的移动导电层26(介质层)的一部分。在此例中，将位于最外侧的外侧电极E15接地，在E15内侧配置的外侧电极E16通过电阻R与电源电压Vcc连接。另一方面，移动导电层26由在图14中剖面线所示区域形成的单层导电层构成，它没有和其它部分进行导线连接，因此是电隔离的。在图24的电路图中，描述了构成由C/V转换电路50的输入级连接的电容元件C11至C14的全部为接地状态的单侧电极(移动导电层26)。原因是，在该力检测装置中，电容元件C11至C14的静电电容值的检测，如图21所示，电极用的柱形凸起P2下表面上形成的移动导电层26的一部分接触到外侧电极对E15和E16，此时移动导电层26的电位通过外侧电极E15，变为接地电平。换言之，移动导电层26的一部分在接触到外侧电极E15之前，每个电容元件C11至C14的单侧移动导电层26为电悬浮状态，使在图示的检测电路不能检测出静电电容值。
于是，如果C/V转换电路50总是处于运行状态，导致电力的浪费。移动导电层26如果不是通过外侧电极E15与接地电平连接，那么图24所示的检测电路就不能实现原先的功能，因此使C/V转换电路50为运行状态就无意义了。因此，为了能够仅在需要时才使C/V转换电路50动作，而提供了一个转换元件。在本实施方式的情况，转换元件是由外侧电极E15和E16(接触用电极对)与移动导电层26(中间电极)构成。在操作者没有向操作盘10执行输入的正常状态下(图19所示状态)，移动导电层26和外侧电极E15和E16处于非接触状态。在非接触状态下，外侧电极E16的电位与介于电阻R相连的电源Vcc相等。但是，如果操作者给予操作盘10的操作输入超过预置强度，例如图21中所示，移动导电层26同时和外侧电极E15和E16双方发生接触。在这种接触状态下，外侧电极E16的电位，为了与外侧电极E15接通，而降至接地电平(level)。结果，根据外侧电极E16的电势，可以识别接触用的电极对E15和E16是处于绝缘状态(移动导电层26处于不接触状态)还是处于接通状态(移动导电层26处于接触状态)。
图24所示的检测电路(C/V转换电路50和信号处理电路60)提供了两种模式。第一种模式是检测模式，它具有的功能可以将电容元件C11至C14的静电电容值作为电信号测出。第二种模式是待机模式，这种模式没有检测功能，处于待机状态，以备转向检测模式，待机模式比检测模式耗电少。可以根据构成转换元件的接触用电极对(外侧电极E15和E16)之间的电状态来选择这两种模式中的任一种。也就是说，当用于接触的电极之间的电状态为绝缘状态时，可选择待机模式，当为接通状态时，可选择检测模式。具体地说，在图24所示的检测电路中，C/V转换电路50具有在两种方式下运行的功能，以哪种方式运行，由施加给控制端子T20的控制信号进行控制。该控制信号由信号处理电路60生成。将外侧电极E16的电势输入至信号处理电路60的T5端子。信号处理电路60根据这个电势，从T6端子输出一个预置的控制信号，并将其发送给C/V转换电路50的控制端子T20。也就是说，当外侧电极E16的电势为电源电压Vcc时，信号处理电路60从端子T6输出一个用于指定待机模式的控制信号。当外侧电极E16的电位是接地电平时，信号处理电路60从端子T6输出一个用于指定检测模式的控制信号。
结果，在移动导电层26与外侧电极E15和E16双方接触之前，C/V转换电路50以耗电较小的待机模式运行，仅在移动导电层26与外侧电极E15和E16均接触期间，才以检测模式运行。换言之，只是在操作者有意地向X轴方向或Y轴方向施加超过某种程度的操作输入时，C/V转换电路50才输出有效电压输出V11至V14，从信号处理电路60得到有效数字输出。这样，如果仅在必要时选择运行耗电较大的C/V转换电路50，就可以显著减少总电能消耗。
以上，描述了适于本发明的旋转操作量输入装置应用的二维力传感器的一个例子，本发明中可利用的二维力传感器的结构，不仅限于在此所示的例子，只要是能分别独立地检测出操作者在X轴方向的操作力和在Y轴方向的操作力的力传感器，使用什么样的传感器都无妨。例如，上述传感器是利用电容元件获得检测值的这种类型的力传感器，还可以采用压电元件和压电电阻元件等类型的传感器。而且，上述传感器被构造以使操作者的操作力作用在圆盘状操作盘10上，上述传感器可被构造以使棒状操作杆在Z轴方向延伸，施加使操作杆在X轴方向和Y轴方向仅倾斜特定量的操作力。
根据上述的本发明，可以实现一个适于内建在小型电子设备中的高效率旋转操作量输入装置。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同物由权利要求书的内容涵盖。
附图标记说明10 操作盘11 操作部分12 堤状部分13 外围部分14 压杆20 弹性可变形体21 内侧薄膜部分22 环状凸起部分23 外侧薄膜部分24 侧壁部分25 固定脚部分26 移动导电层30 拱形结构31 导电接触层40 基体41 固定孔部分50 C/V转换电路60 信号处理电路100 二维力传感器110 传感器主体120 操作盘200 极坐标转换部分300 操作量识别部分410 显示屏411 图标412 光标420 显示屏421 显示窗422 用于音量调节的旋转按钮423 用于前进后退控制的按钮430 显示屏431 动画显示窗432 帧数显示栏433 动画选择栏434 用于帧进给的按钮C1 内侧同心圆C2 基准同心圆C3 外侧同心圆C11～C14 电容元件E11～E18 电极F 压力/标记Fx-，FFx- 包含X轴负方向分量的操作力Fz-Z轴负方向上的压力GND接地电平P1 用于支撑的柱状凸起P2 用于电极的柱状凸起P3 用于支撑的柱状凸起P4 中央部柱状凸起P5 周围部柱状凸起P(x，y) 坐标值R 电阻元件r 极坐标系中的距离S1～S11 流程图中的各步骤T1～T20 端子V11～V14电压值Vcc 电源电压θ 极坐标系中的角度Δθ 角度的变化
权利要求
1.一种旋转操作量输入装置，用于输入表示预定旋转角的操作量，其特征在于包括二维力传感器，用于将操作者施加的操作力作为XY二维直角坐标系中的坐标值(x，y)按时序输入；极坐标转换部分，用于将以时序给出的所述直角坐标系中的坐标值(x，y)依次转换为极坐标系中的坐标值(r，θ)；以及操作量识别部分，用于将以时序得到的所述坐标值(r，θ)中的值θ的变化识别为表示旋转角的操作量。
2.根据权利要求1所述的旋转操作量输入装置，特征在于其中，当坐标值(r，θ)中的值r比预置阈值rt大时，所述操作量识别部分将该坐标值(r，θ)识别为有效坐标值，并根据仅考虑有效坐标值(r，θ)中的值θ的变化，进行操作量的识别。
3.根据权利要求2所述的旋转操作量输入装置，其特征在于其中，当连续得到有效坐标值(r，θ)时，所述操作量识别部分根据在所述连续期间内的值θ的变化进行操作量的识别。
4.根据权利要求3所述的旋转操作量输入装置，其特征在于其中，在连续得到有效坐标值(r，θ)的连续期间，当值θ相对于其前一个值“θbefore”产生超过预置阈值θt的变化Δθ时，所述操作量识别部分把与所述变化Δθ对应的值作为操作量进行识别。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转操作量输入装置，其特征在于，其中，所述二维力传感器包括传感器主体；操作盘，其相对于所述传感器主体在X轴方向和Y轴方向上可分别彼此独立地倾斜；以及检测装置，其用于根据所述操作盘在X轴方向和Y轴方向上的倾斜程度来检测坐标值x和坐标值y。
6.一种操作装置，其包括权利要求1至5中任一项所述的输入装置，具有指定图标的操作功能，其特征在于包括图标显示装置，用于在显示屏上环状地显示多个图标；识别显示装置，用于通过接收指定所述多个图标中的一个图标的指令，在显示屏上显示指示器以识别特定的图标；初始图标指定装置，用于将所述多个图标中的任一个指定为最初指定图标；以及指定图标改变装置，用于给出指令，以将所述指定图标改变为新图标，所述新图标被设置在具有与所述输入装置的操作量识别部分所识别的操作量相对应的间隔的位置上。
7.一种操作装置，其包括权利要求1至5中任一项所述的输入装置，用于播放声音时的音量控制或者前进/后退控制，其特征在于包括旋转按钮显示装置，用于在所述显示屏上显示旋转按钮，所述旋转按钮用于在播放声音时进行音量调节操作或前进/后退操作；以及控制装置，其根据所述输入装置的操作量识别部分所识别的操作量，确定所述旋转按钮的旋转量，在根据所述旋转量进行音量调节或者前进/后退控制的同时，使所述旋转按钮显示装置进行与所述旋转量相对应的显示。
8.一种操作装置，其包括权利要求1至5中任一项所述的输入装置，用于播放动画时的帧进给操作，其特征在于包括旋转按钮显示装置，用于在显示屏上显示旋转按钮，所述旋转按钮用于在播放动画时执行帧进给操作；以及控制装置，其根据所述输入装置的操作量识别部分所识别的操作量，确定待进给的帧数，同时使所述旋转按钮显示装置进行与所述帧数相对应的旋转操作的显示。
全文摘要
本发明提供了一种适于内建于小型电子设备中的高效率旋转操作量输入装置。该装置通过二维力传感器(100)，把操作者施加的操作力作为XY二维直角坐标系中的坐标值(x，y)，按时序输入，再通过极坐标转换部分(200)转换为坐标值(r，θ)。当以时序得到的坐标值(r，θ)中的值r比预置阈值rt大时，操作量识别部分(300)将该坐标值(r，θ)识别为有效坐标值，在连续得到有效坐标值(r，θ)期间内，值θ相对于其前一个值θbefore产生超过预置阈值θt的变化Δθ时，将与该变化Δθ相对应的值作为表示旋转的操作量进行识别。
文档编号G05G9/047GK1479195SQ0315033
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月24日 优先权日2002年8月26日
发明者高木茂王, 谷口伸光, 冈田和广, 光, 广 申请人:株式会社和广