JP2017072468A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな回路やノイズ除去手段を追加して設けることなく、オフセットを抑えた検出信号を提供できる入力装置を提供する。【解決手段】基台と、基台に設けられた固定電極と、回転軸の周りを回転自在となるように基台に保持された回転操作部と、回転操作部に設けられた第１可動電極及び第２可動電極とを備える入力装置であり、回転操作部が基準位置から所定角度だけ回転する間に、第１可動電極と固定電極との間に形成される第１キャパシタの静電容量が周期的変化を生じるとともに、第２固定電極と固定電極との間に形成される第２キャパシタの静電容量が、第１キャパシタの静電容量の周期的変化とは逆位相となる周期的変化を生じる。入力装置は、さらに、第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量に応じた検出信号を生成する検出信号生成部と、検出信号に基づいて、基準位置からの回転操作部の回転角度を算出する角度算出部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、回転操作に応じた入力信号を検出する入力装置に関する。

従来より、回転操作を検出可能な入力装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、回転電極を介して固定検出電極と固定接地電極との間に形成されるキャパシタの静電容量の変化に基づいて、回転操作に応じた入力信号を得る回転式入力装置が開示されている。

特開２０１４−２０８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転式入力装置においては、検出信号にオフセットが発生しており、検出限界値との関係からダイナミックレンジが実質的に狭くなっているため、検出感度を高めることが困難であった。また、オフセットを除去して検出感度を向上させるためには、キャリブレーション回路や差動演算回路などの新たな回路を追加する必要があった。さらに、ノイズが発生した場合にはオフセットが変動するため、キャリブレーションが困難となり、ノイズを除去する手段を加える必要もあった。

そこで本発明は、新たな回路やノイズ除去手段を追加して設けることなく、オフセットを抑えた検出信号を提供することのできる入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の入力装置は、基台と、基台に設けられた固定電極と、回転軸の周りを回転自在となるように基台に保持された回転操作部と、回転操作部に設けられた第１可動電極及び第２可動電極とを備える入力装置であって、回転操作部が基準位置から所定角度だけ回転する間に、第１可動電極と固定電極との間に形成される第１キャパシタの静電容量が周期的変化を生じるとともに、第２固定電極と固定電極との間に形成される第２キャパシタの静電容量が、第１キャパシタの静電容量の周期的変化とは逆位相となる周期的変化を生じ、入力装置は、さらに、第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量に応じた検出信号を生成する検出信号生成部と、検出信号に基づいて、基準位置からの回転操作部の回転角度を算出する角度算出部とを備えることを特徴としている。

この構成においては、互いに逆位相となる第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量に基づいて検出信号を生成するため、この検出信号においてオフセットを抑えることが可能となり、これによって検出感度のダイナミックレンジを広く確保できることから、キャリブレーション回路などの新たな回路やノイズを除去する手段を追加することなく、検出感度を高めることができる。

本発明の入力装置においては、基台において、回転操作部の回転軸を中心として円環形状に形成された第１駆動電極と、第１駆動電極より回転軸の近くに位置し、回転軸を中心とした円上に等角度間隔に並んだＮ組の固定電極群と、固定電極群より回転軸の近くに位置し、回転軸を中心として円環形状に形成された第２駆動電極とが設けられ、入力装置は、第１駆動電極に第１駆動電圧を供給する第１駆動部と、第２駆動電極に、第１駆動電圧とは逆位相の第２駆動電圧を供給する第２駆動部とを備え、第１可動電極は、第１駆動電極に対向するとともに、固定電極群に対しては、第１キャパシタの静電容量の周期的変化に応じた対向関係となるように配置され、第２可動電極は、第１可動電極より回転軸の近くに位置し、第２駆動電極に対向するとともに、固定電極群に対しては、第２キャパシタの静電容量の周期的変化に応じた対向関係となるように配置されることが好ましい。
これにより、第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量の周期的変化を逆位相とするための構成を小さな平面積の中で実現することが可能となる。

本発明の入力装置において、第１可動電極は、回転操作部の回転軸を中心とした円に沿った形状を備え、第２可動電極は、第１可動電極より回転軸の近くに位置し、回転操作部の回転軸を中心とした円に沿った形状を備えることが好ましい。
これにより、第１可動電極と第２可動電極が占める平面積を小さく抑えることができる。

本発明の入力装置において、第１可動電極は、第１キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した形状を有する内縁部を備え、第２可動電極は、第２キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した形状を有する外縁部を備え、内縁部と外縁部は、所定の間隔を開けて互いに対向していることが好ましい。
これにより、第１可動電極と第２可動電極を回転操作部に対して効率的に配置することができる。

本発明の入力装置において、第１キャパシタ及び第２キャパシタの静電容量の周期的変化は正弦波状の変化であり、第１可動電極の内縁部及び第２可動電極の外縁部の平面形状は、第１キャパシタ及び第２キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した正弦波状であることが好ましい。
これにより、第１キャパシタ及び第２キャパシタの静電容量の変化が正弦波状となるため、検出信号の生成や回転操作部の回転角度の算出を容易に行うことができる。

本発明の入力装置において、固定電極群は４つの固定電極からなり、第１可動電極の内縁部及び第２可動電極の外縁部の正弦波状の平面形状は、その正弦波の一周期が固定電極群を構成する４つの固定電極が並んだ幅に対応することが好ましい。
これにより、簡単な構成でありながら、一定の精度で回転角度の算出を行うことが可能となる。

本発明によると、検出信号においてオフセットを抑えることが可能となり、これによって検出感度のダイナミックレンジを広く確保でき、これによって、キャリブレーション回路などの新たな回路やノイズを除去する手段を追加することなく、検出感度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る入力装置の表面の外観を示す図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の裏面の外観を示す図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の分解斜視図である。 図４Ａは、図１の４Ａ−４Ａ線における断面図であり、図４Ｂは図４Ａの４Ｂ部分の拡大図である。 回転操作部の一部の拡大斜視図である。 回転操作部、可動電極、及びスペーサシートを裏面側から観た斜視図である。 固定電極群、第１駆動電極、及び、第２駆動電極の構成を示す平面図である。 固定電極群と、第１可動電極及び第２可動電極との平面視における重なりを説明するための図である。 本発明の実施形態に係る入力装置の全体的な構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る入力装置における回転操作の検出原理の説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る入力装置について説明する。各図には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ−Ｙ面は外観パネル３、基板４などと平行な面であって、Ｚ方向は、基板４から外観パネル３までが順に配置される方向である。以下の説明において、Ｚ方向から見た状態を平面視ということがある。

図１は本発明の実施形態に係る入力装置１の表面の外観を示す図であり、図２は入力装置１の裏面の外観を示す図である。図１及び図２に示すように、入力装置１の外観は、平面視で略長方形状を呈している。入力装置１の表面側（Ｚ方向上側）には外観パネル３が設けられ、裏面側（Ｚ方向下側）には基板４が設けられている。外観パネル３には、例えば、円形の開口部３ａ（図３参照）が形成されている。この開口部３ａからは、回転操作部２０のダイヤル部２２（図５参照）が回転自在な状態で露出している。

図３は、本実施形態に係る入力装置１の分解斜視図である。図４Ａは、図１の４Ａ−４Ａ線における断面図であり、図４Ｂは図４Ａの４Ｂ部分の拡大図である。ここで、図３においては固定電極群５０を、図４Ａ、４Ｂにおいては可動電極３０を、それぞれ簡略化して表示している。

図３に示すように、外観パネル３と基板４との間には、外観パネル３側から基板４側へ順に、スペーサフレーム１１と、フレーム１０と、回転操作部２０と、可動電極３０と、スペーサシート４０と、スペーサフレーム４１との各構成要素が設けられている。外観パネル３とフレーム１０は、スペーサフレーム１１によってそのＺ方向における間隔が保持され、フレーム１０と基板４は、スペーサフレーム４１によってＺ方向における間隔が保持される。また、基板４には、後述する固定電極群５０、第１駆動電極９１、及び、第２駆動電極９２（図７）が形成されており、これらの電極が絶縁性材料からなるスペーサシート４０を介して可動電極３０と対向する。以下、各構成要素について順に説明する。

図３に示すように、フレーム１０は、平面視で概ね長方形状の板部材である。フレーム１０は、スペーサフレーム１１及びスペーサシート４１とともに、外観パネル３と基板４との間隔を一定に保持する部材である。フレーム１０には、外観パネル３の開口部３ａよりも開口径の大きな円形の開口部１０ａが形成される。フレーム１０は、開口部１０ａの中心が、ＸＹ平面において、外観パネル３の開口部３ａの中心と一致するように配置され、開口部１０ａ内には、回転操作部２０が回転自在に収容される。ここで、外観パネル３と基板４とフレーム１０は、入力装置１の基台５を構成している。回転操作部２０は、基台５に対して、Ｚ方向に沿って延びる回転軸２１の周りを回転自在に保持される。

図５は、回転操作部２０の一部の拡大斜視図である。図３及び図５に示すように、回転操作部２０は、概ね円盤状の部材であり、手指で回転操作するためのダイヤル部２２と、ダイヤル部２２の周囲に拡径され、複数の円弧部が連なるように形成されたフランジ部２４とを有する。ダイヤル部２２には、手指の掛かりを良くするために複数の溝部２３が形成されている。

図６は、回転操作部２０、可動電極３０、及びスペーサシート４０を裏面側から観た斜視図である。
図４及び図６に示すように、回転操作部２０の裏面には、回転軸２１に対して垂直な平面部２５が形成されており、この平面部２５に可動電極３０が取り付けられる。

図６に示すように、可動電極３０は、第１可動電極３１と第２可動電極３２からなる。第１可動電極３１と第２可動電極３２はそれぞれ、平面視において、回転軸２１を中心とする略リング状に形成された導体の板である。第１可動電極３１は、回転軸２１を中心として円環状をなす基部３１ａと、この基部３１ａの内側、すなわち回転軸２１側において、回転軸２１への距離が正弦波状に変化する凹凸が形成された内縁部３１ｂとを備える。また、第２可動電極３２は、回転軸２１を中心として第１可動電極３１の基部３１ａよりも小さな半径の円環状をなす基部３２ａと、この基部３２ａの外側において、第１可動電極３１の内縁部３１ｂに対応する形状の正弦波状の凹凸が形成された外縁部３２ｂとを備える。第１可動電極３１と第２可動電極３２は、回転軸２１を中心とする径方向Ｒ（図６）において互いに対向し、ＸＹ平面において第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２可動電極３２の外縁部３２ｂが所定の間隔Ｄをおくように、回転操作部２０の平面部２５に取り付けられる。これにより、回転操作部２０を回転軸２１を中心として回転させると、第１可動電極３１と第２可動電極３２が、所定の間隔Ｄを維持して対向した状態で共に回転する。ここで、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２可動電極３２の外縁部３２ｂは互いに離間しているため、絶縁されているが、この間に絶縁体を配置すると絶縁性が確保されるため好ましい。

図３及び図４Ｂに示すように、回転操作部２０と基板４との間には、スペーサシート４０が配置されている。また、図４Ａ及び図６に示すように、回転操作部２０の裏面２０ａには、回転軸２１を中心とする４つの同心円を成して基板４側へ突出した４つの突起部２６、２７、２８、２９が形成される。これらの４つの突起部が描く同心円の径は、突起部２６が最も小さく、突起部２６、２７、２８、２９の順番で大きくなっている。可動電極３０が取り付けられる平面部２５は、突起部２８と突起部２９の間に位置する。

図７は、本実施形態における基板４に設けられた、固定電極群５０、第１駆動電極９１、及び、第２駆動電極９２の構成を示す平面図である。
基板４は概ね長方形の形状を持つ絶縁体の板であり、回転操作部２０と対向した表側の平面部に固定電極群５０、第１駆動電極９１、及び、第２駆動電極９２が設けられている。第１駆動電極９１は、平面視において回転操作部２０の回転軸２１を中心として円環形状に形成され、固定電極群５０は、第１駆動電極９１より回転軸２１の近くに位置し、回転軸２１を中心とした円上に等角度間隔に並んで１６組設けられる。第２駆動電極９２は、固定電極群５０より回転軸２１の近くに位置し、回転軸２１を中心として円環形状に形成される。ここで、１組の固定電極群５０は、１周の略１／１６の角度範囲を占める。固定電極群５０は、第１駆動電極９１及び第２駆動電極９２のそれぞれに対して、基板４の径方向に離間するように設けられている。

この構成においては、１６組の固定電極群５０と第１可動電極３１とが互いに対向して第１キャパシタを形成し、かつ、１６組の固定電極群５０と第２可動電極３２とが互いに対向して第２キャパシタを形成する。ここで、第１可動電極３１の内縁部３１ｂは１６組の固定電極群５０と対向しており、この内縁部３１ｂと固定電極群５０との間に形成されるキャパシタの静電容量は、回転操作部２０の回転にともなって変化する。また、第２キャパシタにおいては、第２可動電極３２の外縁部３２ｂが１６組の固定電極群５０と対向しており、この外縁部３２ｂと固定電極群５０との間に形成されるキャパシタの静電容量は、回転操作部２０の回転にともなって変化する。

ここで、第１可動電極３１においては、基部３１ａが第１駆動電極９１と対向しており、この基部３１ａと第１駆動電極９１との間に形成されるキャパシタの静電容量は、回転操作部２０の回転によらず一定である。また、第２可動電極３２においては、基部３２ａが第２駆動電極９２と対向しており、この基部３２ａと第２駆動電極９２との間に形成されるキャパシタの静電容量は、回転操作部２０の回転によらず一定である。なお、第１可動電極３１の基部３１ａと第２可動電極３２の基部３２ａは、固定電極群５０との間に形成されるキャパシタの静電容量が互いに等しくなるような平面積を有する。

固定電極群５０は、基板４の表面部において、電子回路、例えば、後述する検出信号生成部６０、処理部７０、記憶部８０、第１駆動部１０１、第２駆動部１０２などを接続するプリント配線とともに形成された導体の薄膜である。
個々の固定電極群５０は、回転操作部２０の回転軸２１を中心とする円周方向Ｃ（図６）において、円弧状に等角度間隔で並んだ４個の固定電極５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを有する。これらの固定電極５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、それぞれが略扇形状を呈しており、回転軸２１を中心とする１周の略１／６４の角度範囲を占める。

図８は、固定電極群５０と、第１可動電極３１及び第２可動電極３２との平面視における重なりを説明するための図である。図８では、理解を容易にするため、円弧状に曲ったそれぞれの電極の縁部を直線状に延ばした状態で表わしている。

図８に示すように、第１可動電極３１の内縁部３１ｂは、固定電極群５０の固定電極５０Ａ〜５０Ｄと平面視において重なりを有している。第１可動電極３１の内縁部３１ｂが示す正弦波形状の周期と、固定電極群５０が並ぶ周期とが一致しており、この内縁部３１ｂの正弦波形状の１周期は、回転軸２１に対する角度範囲として、１周の１／１６に対応する。例えば、第１可動電極３１と第１固定電極５０Ａとの間の静電容量の位相が最も進んでいる場合、この位相に対して、第１可動電極３１と３つの固定電極５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄのそれぞれとの間の静電容量の位相は、π／２［ｒａｄ］ずつ遅れる。固定電極５０Ａ〜５０Ｄと第１可動電極３１の内縁部３１ｂとの間に形成されるキャパシタの静電容量は、この平面視における重なりの面積に略比例する。回転操作部２０の回転操作に応じて第１可動電極３１が回転すると、その内縁部３１ｂの波形状の位置が固定電極５０Ａ〜５０Ｄに対して相対的に変化するため、固定電極５０Ａ〜５０Ｄと第１可動電極３１との重なりの面積が変化する。これにより、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと固定電極群５０との間の第１キャパシタの静電容量は正弦波状に変化する。本実施形態においては、１６組の固定電極群５０が設けられていることから、第１キャパシタの静電容量は、回転操作部２０が基準位置から１回転する間に、１６サイクルの周期的な変化を生じる。

また、第２可動電極３２の外縁部３２ｂについても、図８に示すように、固定電極群５０の固定電極５０Ａ〜５０Ｄと平面視において重なりを有している。第２可動電極３２の外縁部３２ｂについても、その正弦波形状の周期と、固定電極群５０が並ぶ周期とが一致しており、この外縁部３２ｂの正弦波形状の１周期は、回転軸２１に対する角度範囲として、１周の１／１６に対応する。

ここで、第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状の周期と第１可動電極３１の内縁部３１ｂの正弦波形状の周期は一致し、かつ、第２可動電極３２の外縁部３２ｂは、第１可動電極３１の内縁部３１ｂに対して、径方向Ｒにおいて所定の間隔Ｄだけシフトした位置に配置されている。したがって、周方向Ｃにおいては、第１可動電極３１の内縁部３１ｂの正弦波形状の各ピーク位置と第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状の各ピーク位置がそれぞれ一致し、ピーク間の形状も互いに対応している。

より具体的には、図８に示すように、第１固定電極５０Ａ上に第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状のピーク位置があるとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂは第１固定電極５０Ａと重なっていないが、第２可動電極３２の外縁部３２ｂは第１固定電極５０Ａのほぼ全面に重なっている。このとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと固定電極群５０との間の静電容量はゼロとなる一方、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第１固定電極５０Ａとの間の静電容量は最大値となる。

一方、図８に示すように、第３固定電極５０Ｃ上に第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状のピーク位置があるとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂは第３固定電極５０Ｃのほぼ全面に重なっているが、第２可動電極３２の外縁部３２ｂは第３固定電極５０Ｃと重なっていない。このとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第３固定電極５０Ｃとの間の静電容量は最大値となるが、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第３固定電極５０Ｃとの間の静電容量はゼロとなる。

また、図８に示すように、第２固定電極５０Ｂ上の径方向の中央付近に第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状が位置しているとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第２固定電極５０Ｂとの重なり面積は、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第２固定電極５０Ｂとの重なり面積とほぼ同一である。このとき、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第３固定電極５０Ｃとの間の静電容量と第２可動電極３２の内縁部３１ｂと第３固定電極５０Ｃとの間の静電容量とはほぼ同一の値となる。

また、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと同様に、第２可動電極３２の外縁部３２ｂにおいても、固定電極５０Ａ〜５０Ｄと第２可動電極３２の外縁部３２ｂとの間に形成されるキャパシタの静電容量は、この平面視における重なりの面積に略比例する。回転操作部２０の回転操作に応じて第２可動電極３２が回転すると、その外縁部３２ｂの波形の位置が固定電極５０Ａ〜５０Ｄに対して相対的に変化するため、固定電極５０Ａ〜５０Ｄと第２可動電極３２との重なりの面積が変化する。これにより、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと固定電極群５０との間のキャパシタの静電容量は正弦波状に変化する。本実施形態においては、１６組の固定電極群５０が設けられていることから、第２キャパシタの静電容量は、回転操作部２０が基準位置から１回転する間に、１６サイクルの周期的な変化を生じる。

図９は、本実施形態に係る入力装置１の全体的な構成の一例を示す図である。
本実施形態に係る入力装置１は、上述した構成に加えて、検出信号生成部６０と、処理部７０と、記憶部８０と、第１駆動部１０１と、第２駆動部１０２とを有する。また、処理部７０は、回転操作の検出に関する処理を行う回転情報処理部７１と、押圧操作の検出に関する処理を行う押圧情報処理部７２を有する。

検出信号生成部６０は、（ａ）１６組の固定電極群５０と第１可動電極３１との間に形成される第１キャパシタの静電容量と、（ｂ）１６組の固定電極群５０と第２可動電極３２との間に形成される第２キャパシタの静電容量とに応じた一群の検出信号を生成する。検出信号生成部６０は、例えば、静電容量−電圧変換回路（ＣＶ変換回路）と、その出力電圧をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を含んで構成される。

第１駆動部１０１は第１駆動電極９１に所定の駆動電圧を供給し、第２駆動部１０２は、第２駆動電極９２に対して、第１駆動部１０１が第１駆動電極９１に供給する駆動電圧とは正負が逆となる駆動電圧を供給する。第１駆動部１０１が供給する駆動電圧と第２駆動部１０２が供給する駆動電圧は、処理部７０の制御によって互いに同期している。

上述のように第１可動電極３１の内縁部３１ｂの正弦波形状の周期と第２可動電極３２の外縁部３２ｂの正弦波形状の周期とが一致し、かつ、第１可動電極３１の内縁部３１ｂが第２可動電極３２の外縁部３２ｂに対して、径方向Ｒにおいて所定の間隔Ｄだけシフトした位置に配置されている構成をとっている。このため、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に正負が逆の駆動電極をそれぞれ供給した状態で回転操作部２０を回転させると、１６組の固定電極群５０と第１可動電極３１との間に形成される第１キャパシタの静電容量は、１６組の固定電極群５０と第２可動電極３２との間に形成される第２キャパシタの静電容量と逆位相となる周期的変化を生じる。

ここで、第１可動電極３１の基部３１ａと第１駆動電極９１との間に形成されるキャパシタの静電容量と、第２可動電極３２の基部３２ａと第２駆動電極９２との間に形成されるキャパシタの静電容量とは同一の値であり、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に正負逆の駆動電極をそれぞれ供給しているため、これらの静電容量の和はゼロとなる。

また、回転操作部２０の操作中に生じたノイズについては、第１可動電極３１の基部３１ａと第１駆動電極９１との間に形成されるキャパシタの静電容量と、第２可動電極３２の基部３２ａと第２駆動電極９２との間に形成されるキャパシタの静電容量との両方にノイズ信号が重畳されたとしても、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に正負逆の駆動電極をそれぞれ供給しているため、検出値に含まれるノイズ成分は相殺されてゼロとなる。

処理部７０は、入力装置１の全体的な動作を制御や信号処理などを行う回路であり、例えば記憶部８０に格納されたプログラムに基づいて処理を実行するコンピュータを含んで構成される。処理部７０による処理の少なくとも一部は、専用のハードウェア（ＡＳＩＣ等）で行ってもよい。

図９に示すように、１６個の第ｉ固定電極（ｉは１から４までの整数を示す。）は、基板４に形成された配線パターンによって電気的に接続される。すなわち、１６組の固定電極群５０のそれぞれの第１固定電極５０Ａ、すなわち１６個の第１固定電極５０Ａが共通の配線によって検出信号生成部６０に接続されており、１６個の第２固定電極５０Ｂ、１６個の第３固定電極５０Ｃ、及び、１６個の第４固定電極５０Ｄについても、それぞれが共通配線によって検出信号生成部６０にそれぞれ接続されている。

第１駆動部１０１及び第２駆動部１０２によって第１駆動電極９１及び第２駆動電極９２にそれぞれ所定の駆動電圧が供給されると、１６個の第ｉ固定電極と、第１可動電極３１及び第２可動電極３２のそれぞれとの間に形成されるキャパシタには、重なった面積に対応する静電容量に応じた電荷がそれぞれ蓄積される。第１駆動電極９１と第２駆動電極９２には正負逆の駆動電圧が供給されるため、これらのうちの一方の駆動電極とこれに対応する可動電極が形成するキャパシタには正電荷が蓄積され、他方の駆動電極とこれに対応する可動電極が形成するキャパシタには負電荷が蓄積される。例えば、第１駆動電極９１に負の駆動電圧が供給され、第２駆動電極９２に正の駆動電圧が供給された場合、第１駆動電極９１に対応する第１可動電極３１が形成するキャパシタには負電荷が蓄積され、第２駆動電極９２に対応する第２可動電極３２が形成するキャパシタには正電荷が蓄積される。検出信号生成部６０は、１６個のキャパシタに蓄積される正電荷と負電荷の和に応じた信号を検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）として生成する。

図１０は、入力装置１における回転操作の検出原理の説明するための図である。図１０は、回転操作部２０を操作することにより第１可動電極３１と第２可動電極３２を回転させたときに、固定電極５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄから出力された信号に基づいて検出信号生成部６０においてそれぞれ生成された検出信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤの信号強度を、角度θに対してプロットしたグラフである。検出信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤは、固定電極５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄから出力された信号にそれぞれ対応しており、周期・振幅は互いに同一で、各信号はπ／２［ｒａｄ］ずつずれた波形となっている。

この波形について、第２駆動電極９２へ供給する駆動電圧が正であり、第１駆動電極９１へ供給する電圧が負である場合の検出信号ＳＡを例にとって説明する。これは、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に供給する駆動電圧の正負が逆である場合や、検出信号ＳＢ、ＳＣ、ＳＤについても同様に考えられる。

検出信号ＳＡは、角度θ＝０において正の値のピーク値となっている。このとき、第１固定電極５０Ａには第２可動電極３２の外縁部３２ｂが全体的に重なっており、第２駆動電極９２に対応する第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタには正電荷が蓄積される。一方、第１可動電極３１の内縁部３１ｂは第１固定電極５０Ａに重なっておらず、第１駆動電極９１に対応する内縁部３１ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタには電荷は蓄積されない。したがって、検出信号生成部６０において両方のキャパシタに蓄積された電荷の和をとると、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタで蓄積された正電荷と同一となり、検出信号生成部６０はこの和に応じた信号を生成する。

また、角度θ＝π／２においては、検出信号ＳＡの値はゼロとなっている。このとき、第１固定電極５０Ａには、内縁部３１ｂと外縁部３２ｂが同じ面積で重なっており、第２可動電極３２の外縁部３２ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタに蓄積される正電荷は、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタに蓄積される負電荷と絶対値が同一となっている。したがって、検出信号生成部６０において両方のキャパシタに蓄積された電荷の和をとるとゼロとなり、検出信号生成部６０はこの和に応じた信号を生成する。

さらにまた、角度θ＝πにおいては、検出信号ＳＡの値は負の値のボトム値となっている。
このとき、第１固定電極５０Ａには第１可動電極３１の内縁部３１ｂが全体的に重なっており、第１駆動電極９１に対応する第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタには負電荷が蓄積される。一方、第２可動電極３２の外縁部３２ｂは第１固定電極５０Ａに重なっておらず、第２駆動電極９２に対応する外縁部３２ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタには電荷は蓄積されない。したがって、検出信号生成部６０において両方のキャパシタに蓄積された電荷の和をとると、第１可動電極３１の内縁部３１ｂと第１固定電極５０Ａとが形成するキャパシタで蓄積された負電荷と同一となり、検出信号生成部６０はこの和に応じた信号を生成する。

回転情報処理部７１は、検出信号生成部６０において生成される一群の検出信号（第１検出信号ＳＡ、第２検出信号ＳＢ、第３検出信号ＳＣ、第４検出信号ＳＤ）に基づいて、回転操作部２０の回転に係わる情報を取得する処理を行う。回転情報処理部７１は、角度算出部として、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に正負逆の駆動電圧をそれぞれ供給するように駆動部１０１と第２駆動部１０２をそれぞれ制御し、この駆動電圧の供給に伴って生成される第１検出信号ＳＡ、第２検出信号ＳＢ、第３検出信号ＳＣ、及び第４検出信号ＳＤに基づいて、回転操作部２０の回転に係わる情報（例えば回転角度）を取得する。

押圧情報処理部７２は、回転操作部２０が基板４に向かって押圧されることによる検出信号生成部６０の検出信号の変化に基づいて、回転操作部２０の押圧に係わる情報を取得する処理を行う。具体的には、押圧情報処理部７２は、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に正負逆の駆動電圧をそれぞれ供給するように第１駆動部１０１と第２駆動部１０２をそれぞれ制御し、この駆動電圧の供給に伴って生成される第１検出信号ＳＡ、第２検出信号ＳＢ、第３検出信号ＳＣ、及び第４検出信号ＳＤに基づいて、回転操作部２０の押圧に係わる情報を取得する。第１駆動電極９１と第２駆動電極９２へ駆動電圧を供給したことに伴って、検出信号生成部６０により一群の検出信号（第１検出信号ＳＡ、第２検出信号ＳＢ、第３検出信号ＳＣ、第４検出信号ＳＤ）が生成されると、押圧情報処理部７２は、これらの検出信号の和（ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ）を算出する。押圧情報処理部７２は、この算出した和に基づいて、４に対する回転操作部２０の押圧に係わる情報を取得する。例えば、押圧情報処理部７２は、一群の検出信号の和（ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ）と所定の閾値とを比較した結果に基づいて、回転操作部２０が基板４に対して押圧されたか否かを判定する。

また、押圧情報処理部７２は、押圧の開始を判定したときから押圧の終了を判定したときまでの押圧期間に回転情報処理部７１が取得した回転の情報に基づいて、押圧期間における回転操作部２０の回転角度の変化量を算出する。回転角度の変化量の算出は、回転情報処理部７１による算出と同様であって、駆動電圧の供給に伴って生成される第１検出信号ＳＡ、第２検出信号ＳＢ、第３検出信号ＳＣ、及び第４検出信号ＳＤに基づいて行う。算出した回転角度の変化量が所定の角度より小さい場合、押圧情報処理部７２は、回転操作部２０の回転が停止した状態で押圧操作がなされたと判定する。他方、算出した回転角度の変化量が所定の角度より大きい場合、押圧情報処理部７２は、回転操作部２０が回転した状態で押圧操作がなされたと判定する。例えば、処理部７０は、回転操作部２０の回転が停止した状態で押圧操作がなされたと判定した場合、正常な押圧操作がなされたとみなして、押圧操作に応じた処理を実行する。他方、処理部７０は、回転操作部２０が回転した状態で押圧操作がなされたと判定した場合、ユーザの意図しない押圧操作がなされたとみなして、この押圧操作に応じた処理を実行しない（押圧操作を無視する）。
これにより、回転操作部２０の回転が停止した状態での意図的な押圧操作であるか否かを的確に判別できる。

次に、上述した構成を有する第１の実施形態に係る入力装置１における回転操作の検出及び押圧操作の検出について説明する。
（回転操作の検出）
回転操作を検出する場合、第１駆動部１０１と第２駆動部１０２は、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に対して正負逆の駆動電圧をそれぞれ供給する。駆動電圧の供給に伴って検出信号生成部６０が生成する４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）は、固定電極群５０に含まれる４つの固定電極（５０Ａ〜５０Ｄ）と、第１可動電極３１及び第２可動電極３２のそれぞれとの間に形成されるキャパシタで蓄積される電荷の和に応じた信号となる。４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）の信号強度は、概ね次の式で表わされる。

ＳＡ＝Ｋ・ｃｏｓ（１６θ） （１）
ＳＢ＝Ｋ・ｓｉｎ（１６θ） （２）
ＳＣ＝−Ｋ・ｃｏｓ（１６θ） （３）
ＳＤ＝−Ｋ・ｓｉｎ（１６θ） （４）

ここで、「θ」は回転操作部２０の回転角度を示し、「Ｋ」は比例定数を示す。上式（１）〜（４）において「θ」に「１６」が乗ぜられていることから、回転操作部２０が１回転する間に、各検出信号（ＳＡ〜ＳＤ）には１６サイクルの変化が生じることが分かる。また、図１０に示すように、４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）は、互いの位相が９０°（π／２［ｒａｄ］）又は１８０°（π［ｒａｄ］）ずれており、それぞれ異なった値を持つ。

位相が１８０°ずれた第１検出信号ＳＡと第３検出信号ＳＣとの差「ＳＡ−ＳＣ」、及び、位相が１８０°ずれた第２検出信号ＳＢと第４検出信号ＳＤとの差「ＳＢ−ＳＤ」は、それぞれ次の式で表わされる。
ＳＡ−ＳＣ＝２Ｋ・ｃｏｓ（１６θ） （５）
ＳＢ−ＳＤ＝２Ｋ・ｓｉｎ（１６θ） （６）
したがって、「ＳＡ−ＳＣ」、「ＳＢ−ＳＤ」の振幅は、それぞれ、元の検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）の略２倍となる。

また、式（５）、（６）から、「θ」は次の式で表わされる。
θ＝（１／１６）・Ａｔａｎ２｛（ＳＢ−ＳＤ），（ＳＡ−ＳＣ）｝ （７）

回転情報処理部７１は、式（５）で示される「ＳＡ−ＳＣ」と式（６）で示される「ＳＢ−ＳＤ」の極性や値の変化に基づいて、回転操作部２０の回転方向を判定する。
また、回転情報処理部７１は、起点となる位置からの回転操作によって検出信号の差「ＳＡ−ＳＣ」（若しくは「ＳＢ−ＳＤ」）に生じる周期的変化のサイクル数と、式（７）により計算した「θ」とに基づいて、当該起点となる位置からの回転操作部２０の回転角度を計算する。

ここで、各固定電極から同時に出力された信号を用いて検出信号生成部６０において検出信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤを生成し、これらの検出信号から、差「ＳＡ−ＳＣ」又は「ＳＢ−ＳＤ」を算出すると、同時計測データを用いて差分を求めることとなるため、ＩＣ電源ノイズやセンサ配線へのノイズを打ち消すことができる。

（押圧操作の検出）
次に、回転操作部２０に対する押圧操作の検出について説明する。
図４Ｂに示すように、可動電極３０と固定電極群５０との間には、隙間３５が形成されている。回転操作部２０のダイヤル部２２が基板４に向かって押圧されると、回転操作部２０に弾性変形が生じ、回転操作部２０と基板４との距離が短くなり、隙間３５が狭くなる。回転操作部２０への押圧が解除されると、弾性力によって回転操作部２０が元の位置へ移動し、上記距離が押圧前に戻る。このように回転操作部２０と基板４との距離が変化すると、固定電極群５０と、第１可動電極３１及び第２可動電極３２との距離が変化し、固定電極群５０と第１可動電極３１及び第２可動電極３２のそれぞれとの間に形成されるキャパシタの静電容量が変化するため、検出信号生成部６０が生成する４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）が変化する。すなわち、回転操作部２０への押圧操作に応じて、４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）が変化する。

可動電極３０と固定電極群５０との距離が比較的遠い場合には、この電極間に形成されるキャパシタの静電容量が比較的小さくなる。従って、検出信号生成部６０が生成する４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）の振幅は小さくなり、位相が１８０°ずれた２つの検出信号の差（ＳＡ−ＳＣ、ＳＢ−ＳＤ）の振幅も小さくなる。
これに対して、可動電極３０と固定電極群５０との距離が比較的近い場合には、この電極間に形成されるキャパシタの静電容量が比較的大きくなる。従って、４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）の振幅は大きくなり、位相が１８０°ずれた２つの検出信号の差（ＳＡ−ＳＣ、ＳＢ−ＳＤ）の振幅も大きくなる。
従って、検出信号生成部６０が生成する４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）の振幅に基づいて、回転操作部２０に押圧操作がなされたか否かを判定することが可能である。

押圧操作を検出する場合、第１駆動部１０１と第２駆動部１０２は、第１駆動電極９１と第２駆動電極９２に対して正負逆の駆動電圧をそれぞれ供給する。押圧情報処理部７２は、この駆動電圧の供給に伴って生成される４つの検出信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ）に基づいて、押圧操作の有無を判定する。例えば、押圧情報処理部７２は、４つの検出信号の和（ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ）が所定の閾値を超える場合押圧操作がなされたと判定する。

なお、回転操作部２０のダイヤル部２２を手指で操作する際の力の与え方は個人によってばらつきがあるため、上述した押圧判定の閾値が低い場合、回転操作を押圧操作と誤判定し易くなる可能性がある。そこで、押圧情報処理部７２は、押圧操作がなされたと判定した期間における回転操作部２０の回転角度に応じて、停止状態での押圧操作であるのか否かを判定することが好ましい。すなわち、押圧情報処理部７２は、押圧の開始を判定したときから押圧の終了を判定したときまでの押圧期間に回転情報処理部７１が取得した回転の情報に基づいて、押圧期間における回転操作部２０の回転角度の変化量を算出し、当該算出した回転角度の変化量が所定の角度より小さい場合、回転操作部２０の回転が停止した状態で押圧操作がなされたと判定する。これにより、回転操作部２０の回転が停止した状態での意図的な押圧操作とそれ以外の操作を判別できるため、回転操作を押圧操作と誤判定するケースを減らすことができる。

以下に変形例について説明する。
上記実施形態において例として挙げた、固定電極群の数や、固定電極群に含まれる固定電極の数は任意であり、各キャパシタの静電容量が周期的に変化すれば、１つの固定電極群に含まれる固定電極の数は、２つ、３つ、又は５つ以上であってもよい。

また、上記実施形態において例として挙げた固定電極、可動電極、及び駆動電極等の形状、配置は任意であり、各キャパシタの静電容量が周期的に変化すれば、可動電極の内縁部または外縁部の形状の周期や振幅は任意に設定できる。

上記実施形態においては、ダイヤル部２２を手指で回転操作することによって回転操作部２０を回転軸２１の周りを回転させていたが、これに代えて、モーター等の駆動機器によって回転操作部２０を回転軸２１の周りに回転させることもでき、これにより、入力装置１を回転エンコーダとして機能させることも可能である。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、互いに逆位相となる第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量に基づいて検出信号を生成するため、検出信号においてオフセットを抑えることが可能となる。このため、検出感度のダイナミックレンジを広く確保できるようになることから、キャリブレーション回路などの新たな回路やノイズを除去する手段を追加することなく、検出感度を高めることができる。これにより、回転操作部２０の回転角度の算出や押圧操作の検出を精度良く行うことができる。

また、回転操作部２０の回転軸２１を中心として、２つの駆動電極９１、９２と固定電極群５０を円環形状に形成するとともに、２つの駆動電極にそれぞれ対向するように２つの可動電極を配置することにより、第１キャパシタの静電容量と第２キャパシタの静電容量の周期的変化を逆位相とするための構成を小さな平面積の中で実現することが可能となる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る入力装置は、回転操作における回転角度の検出を精度良く行うことができる点で有用である。

１ 入力装置
３ 外観パネル
４ 基板
５ 基台
１０ フレーム
１１ スペーサフレーム
２０ 回転操作部
２１ 回転軸
２５ 平面部
３０ 可動電極
３１ 第１可動電極
３１ａ 基部
３１ｂ 内縁部
３２ 第２可動電極
３２ａ 基部
３２ｂ 外縁部
４０ スペーサシート
４１ スペーサフレーム
５０ 固定電極群
５０Ａ 第１固定電極
５０Ｂ 第２固定電極
５０Ｃ 第３固定電極
５０Ｄ 第４固定電極
６０ 検出信号生成部
７０ 処理部
７１ 回転情報処理部
７２ 押圧情報処理部
９１ 第１駆動電極
９２ 第２駆動電極
１０１ 第１駆動部
１０２ 第２駆動部

Claims (6)

1. 基台と、
   前記基台に設けられた固定電極と、
   回転軸の周りを回転自在となるように前記基台に保持された回転操作部と、
   前記回転操作部に設けられた第１可動電極及び第２可動電極とを備える入力装置であって、
   前記回転操作部が基準位置から所定角度だけ回転する間に、前記第１可動電極と前記固定電極との間に形成される第１キャパシタの静電容量が周期的変化を生じるとともに、前記第２固定電極と前記固定電極との間に形成される第２キャパシタの静電容量が、前記第１キャパシタの静電容量の周期的変化とは逆位相となる周期的変化を生じ、
   前記入力装置は、さらに、
   前記第１キャパシタの静電容量と前記第２キャパシタの静電容量に応じた検出信号を生成する検出信号生成部と、
   前記検出信号に基づいて、前記基準位置からの前記回転操作部の回転角度を算出する角度算出部とを備えることを特徴とする入力装置。
2. 前記基台において、
   前記回転操作部の回転軸を中心として円環形状に形成された第１駆動電極と、
   前記第１駆動電極より前記回転軸の近くに位置し、前記回転軸を中心とした円上に等角度間隔に並んだＮ組の固定電極群と、
   前記固定電極群より前記回転軸の近くに位置し、前記回転軸を中心として円環形状に形成された第２駆動電極とが設けられ、
   前記入力装置は、
   前記第１駆動電極に第１駆動電圧を供給する第１駆動部と、
   前記第２駆動電極に、前記第１駆動電圧とは逆位相の第２駆動電圧を供給する第２駆動部とを備え、
   前記第１可動電極は、前記第１駆動電極に対向するとともに、前記固定電極群に対しては、前記第１キャパシタの静電容量の周期的変化に応じた対向関係となるように配置され、
   前記第２可動電極は、前記第１可動電極より前記回転軸の近くに位置し、前記第２駆動電極に対向するとともに、前記固定電極群に対しては、前記第２キャパシタの静電容量の周期的変化に応じた対向関係となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記第１可動電極は、前記回転操作部の回転軸を中心とした円に沿った形状を備え、
   前記第２可動電極は、前記第１可動電極より前記回転軸の近くに位置し、前記回転操作部の回転軸を中心とした円に沿った形状を備えることを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
4. 前記第１可動電極は、前記第１キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した形状を有する内縁部を備え、前記第２可動電極は、前記第２キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した形状を有する外縁部を備え、前記内縁部と前記外縁部は、所定の間隔を開けて互いに対向していることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
5. 前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの静電容量の周期的変化は正弦波状の変化であり、
   前記第１可動電極の内縁部及び前記第２可動電極の外縁部の平面形状は、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの静電容量の周期的変化に対応した正弦波状であることを特徴とする請求項４に記載の入力装置。
6. 前記固定電極群は４つの固定電極からなり、前記第１可動電極の内縁部及び前記第２可動電極の外縁部の正弦波状の平面形状は、その正弦波の一周期が前記固定電極群を構成する前記４つの固定電極が並んだ幅に対応することを特徴とする請求項５に記載の入力装置。

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