JP2009037774A - 回転入力装置、及び回転角測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量式の回転入力装置において、電極保持部の支持体構造のガタツキによって生じる静電容量の変化の度合いが電極の位置によらず等しい回転入力装置を実現する。
【解決手段】円板形状の等間隔電極保持部１１０と、等間隔電極保持部１１０の表面の円周に沿って配置されるＮ個の第１等間隔電極１１３と、等間隔電極保持部１１０の裏面に第１等間隔電極１１３と表裏対称に配置されるＮ個の第２等間隔電極１１４と、前記等間隔電極保持部の表面と平行に対向する第１対向面１２１と裏面と平行に対向する第２対向面１２２を有する相電極保持部１２０と、第１対向面１２１上に第１等間隔電極１１３と対向して配置されるα個の第１ａ相電極１２５及びβ個の第１ｂ相電極１２６と、第２対向面１２２上に第２等間隔電極１１４と対向して配置されるα個の第２ａ相電極１２７及びβ個の第２ｂ相電極１２８とを備え、同種の電極同士は電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転式の入力装置に係わり、特に回転情報を入力できる回転入力装置、及び回転角測定装置に関する。

図１８（Ａ）は従来の回転入力装置２の分解斜視図であり、図１８（Ｂ）はｃ−ｃ’線で切った断面図である。円盤状の回転体７はスムーズに回転可能であり、利用者の部位である指３で回転体７の上面を軽く押さえ、指３で回転体７を回転させる。回転入力装置２では、この回転させた角度を検出することが出来る。

図１８（Ｂ）に示す筐体４の一部に、回転体７と垂直な方向であり筐体４の方向（以下ｚ方向という）に陥没する操作領域２Ａが設けられている。操作領域２Ａには、例えば８箇所の位置に凹部８ａがそれぞれ形成されている。この操作領域２Ａの８箇所の位置に凹部８ａがそれぞれ形成されている。個々の凹部８ａ内には８つの電極６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・６ｈがそれぞれ収納されている。各凹部８ａ内の電極６ａ〜６ｈの表面には、絶縁シート５が積層されており、絶縁シート５によって操作領域２Ａの全体が覆われている。

操作領域２Ａの中心に形成された軸受け部１４に回転軸１６が固定され、この回転軸１６に回転体７が回転自在に設けられている。回転体７は、その板厚寸法が１ｍｍ以下と薄く、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）など比較的硬質な樹脂シートで形成されている。

回転体７の直径は操作領域２Ａよりも小さく、回転体７は操作領域２Ａ内において、絶縁シート５の表面を摺動しながら回転することが可能とされている。なお、絶縁シート５と回転体７との間の摩擦抵抗は小さく、回転体７はスムーズに回転することが可能とされている。

回転入力装置２では、図１８に示すように、指３を回転体７の表面に軽く押さえた状態で指３を周回させると、指３とともに回転体７が回転させられる。よって、利用者は回転体７を操作する限りにおいては、指３が操作領域２Ａから大きく外れることを防止することができる。また機械的に回転する部材を操作することができるため、利用者に回転入力装置２を実際に操作しているという感覚（操作感、または操作による安心感）を与えることができる。

次に指３による回転角度の検出方法について説明する。指３を回転体７の表面に接近または接触させると、指３と電極６との間に静電容量Ｃが形成される。この従来技術では、指３と対向する電極６との間で静電容量Ｃが形成される。平行平板コンデンサの静電容量Ｃは以下の式で表すことができる。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ （１）
ここで、εは電極６と指３との誘電率、Ｓは電極６と指３との間の対向面積、ｄは電極６と指３との間の距離である。

指３を回転運動により、例えば電極６ａに接近させると、指３と電極６ａとの距離ｄが小さくなり、かつ対向面積Ｓは大きくなる。このため、上記式（１）より、静電容量Ｃの値は大きくなる。
逆に、指３を電極６ａから遠ざけると、距離ｄは大きくなり、対向面積Ｓは小さくなる。このため、静電容量Ｃの値は小さくなる。

このような静電容量Ｃの値の変化により、回転入力装置２は回転角度を検出することが出来る。この回転入力装置２の詳細については特許文献１に記載されている。また、この回転入力装置２に類似する技術が特許文献２に記載されている。
特開２００４−３１１１９６号公報 特開２００５−１４９８５６号公報

上述の背景技術に関し、以下の課題が挙げられる。
従来の回転入力装置２は、上述の通り、利用者の部位、例えば利用者の指３と電極６との間の静電容量の変化を認識して回転角度を検出するものである。しかし、利用者の指３を回転体７に押さえつける強度によって対向面積Ｓが変化し、正確な静電容量Ｃを測定することができないという問題がある。また、利用者の指３の温度変化から誘電率が変化して正確な測定ができなくなる可能性もある。

この課題を解決するため、回転体７側にも複数の電極を付け、正確な静電容量を測定する方法も考えられる。しかし、この方法では、回転方向が分からないという問題がある。
出願者は未公開の特願２００７−１１０４１０において、上述の課題を解決する回転入力装置２０を提示している。以下、その概要を説明する。

回転入力装置２０の例を示す断面図を図１９に示す。回転入力装置２０は、等間隔電極保持部２１、Ｎ個の等間隔電極２５（ただし、Ｎは２以上の整数）、相電極保持部３１、α個のａ相電極３５（ただし、αは１以上の整数）、及びβ個のｂ相電極３６（ただし、αは１以上の整数）から構成される。等間隔電極保持部２１は平面である第１対向面２２を、また相電極保持部３１は平面である第２対向面３２を有し、各対向面は平行に向かい合っている。図２０に示すように、等間隔電極保持部２１の第１対向面２２上に任意に定められた、それぞれ半径が異なる同心円である第１同心円２３と第２同心円２４との間に、Ｎ個の等間隔電極２５が円周に沿って等間隔に配置される。なお、Ｎ個の等間隔電極２５同士は電気的に接続されている。一方、図２１に示すように、相電極保持部３１の第２対向面３２上に、第１同心円２３及び第２同心円２４の中心から立てた法線（以下、中心軸３７という）との交点を中心とし、第１同心円２３と第２同心円２４のそれぞれと半径を同じくする第３同心円３３と第４同心円３４とが定められ、これらの間にα個のａ相電極３５とβ個のｂ相電極３６とが円周に沿って等間隔電極２５と対向して配置される。α個のａ相電極３５同士は電気的に接続され、β個のｂ相電極３６同士も電気的に接続される。等間隔電極保持部２１と相電極保持部３１とは前記中心軸３７を軸として、対向する等間隔電極と各相電極とが互いに接触することなく回転自在となっている。αが２以上の場合には、任意の２つのa相電極３５は、前記第３、第４同心円の中心から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置され、βが２以上の場合には、任意の２つの前記ｂ相電極３６は、前記第３、第４同心円の中心から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置される。また、ａ相電極３５とｂ相電極３６は、ある位置を基準として各電極保持部を互いに回転させたとき、等間隔電極２５とａ相電極３５との対向面積が最も大きくなる回転角度と、等間隔電極２５とｂ相電極３６との対向面積が最も大きくなる回転角度との差が、π／Ｎの整数倍にならないようにそれぞれ配置される。

次に回転入力装置２０の動作原理を説明する。図２２は回転入力装置２０を用いた回転角測定装置６０の構成例を示す図である。回転角測定装置６０は、回転入力装置２０、静電容量測定部６１、角度計算部６２、及び表示部６３から構成される。なお、図２２では回転入力装置２０について相電極保持部３１と各相電極のみを図示しているが、実際はこれらと対向する形で等間隔電極２５を備えた等間隔電極保持部２１が存在する。

静電容量測定部６１は、対向する全ての等間隔電極２５とａ相電極３５との間の総静電容量（以下、ａ相静電容量またはＣ_ａという）、及び、対向する全ての等間隔電極２５とｂ相電極３６との間の総静電容量（以下、ｂ相静電容量またはＣ_ｂという）を測定する。

図２３は等間隔電極２５とａ相電極３５との対向状態の変化を示す平面図である。網目模様の部分が等間隔電極２５とａ相電極３５とが対向している部分（以下、対向領域という）である。相電極保持部３１を固定し、等間隔電極保持部２１を前記中心軸を中心として回転させた場合、図２３（ａ）の状態を初期状態とした時、時計回りに回転させると図２３（ｂ）のように対向領域が大きくなり、反時計回りに回転させると図２３（ｃ）のように対向領域が小さくなる。

ある等間隔電極２５とあるａ相電極３５との間に生じる静電容量Ｃ_ａ´は、次式により求めることができる。なお、εは電極間の誘電率、Ｓ_ａは対向領域の面積、ｄは電極間の距離である。
Ｃ_ａ´＝ε・Ｓ_ａ／ｄ （２）
また、図２３に示すように、対向領域が形成する弧がなす対向領域の角度をθ_ａとすると、Ｓ_ａは次式により求めることができる。なお、Ｒは第２同心円２４の半径、ｒは第１同心円２３の半径である。
Ｓ_ａ＝（πＲ^２−πｒ^２）・θ_ａ／２π＝θ_ａ・（Ｒ^２−ｒ^２）／２ （３）
つまり、θ_ａが大きいほど対向領域の面積Ｓ_ａは大きくなる。

次に、式（３）を式（２）に代入すると、静電容量Ｃ_a´は式（４）で表すことができる。
Ｃ_a´＝θ_ａ・ε・（Ｒ^２−ｒ^２）／２ｄ （４）
なお、式（４）のε、Ｒ、ｒは一定であり、またｄについても第１対向面２２と第２対向面３２との平行性が保たれている限り一定である。

そして、静電容量Ｃ_a´はａ相電極の数だけ生じ、かつ、それぞれのＣ_a´は並列接続の関係にあることから、例えばａ相電極の数αが６である場合、対向する全ての等間隔電極２５とａ相電極３５との間に生じるａ相静電容量Ｃ_aは６Ｃ_a´となる。
Ｃ_a＝６Ｃ_a´＝３θ_ａ・ε・（Ｒ^２−ｒ^２）／ｄ （５）
つまり、ａ相静電容量Ｃ_aはθ_ａに比例する。同様に、等間隔電極２５とｂ相電極３６との間に生じるｂ相静電容量Ｃ_bについても、例えばｂ相電極の数βが６で対向領域の角度がθ_ｂである場合、式（６）から求められる。
Ｃ_b＝６Ｃ_b´＝３θ_ｂ・ε・（Ｒ^２−ｒ^２）／ｄ （６）
つまり、ｂ相静電容量Ｃ_ｂはθ_ｂに比例する。

等間隔電極保持部２１と相電極保持部３１について、等間隔電極保持部２１を回転させたことによる４つの対向状態（Ａ）〜（Ｄ）をそれぞれ図２４（Ａ）〜（Ｄ）に示す。また、図２４（Ｅ）は４つの対向状態（Ａ）〜（Ｄ）におけるａ相静電容量Ｃ_a、ｂ相静電容量Ｃ_bの変化を示す図である。横軸のＡ〜Ｄはそれぞれ図２４（Ａ）〜（Ｄ）の対向状態に対応している。なお、図２４は等間隔電極２５とａ相電極３５（又はｂ相電極３６）とが完全に対向している状態において図２３に示すθ_ａ（又はθ_ｂ）がπ／１２である場合の例であり、図２４（Ｅ）のＣ_ｍａｘは等間隔電極といずれかの相電極とが完全に対向している状態における静電容量である。図２４においては、対向状態（Ａ）の時がａ相電極が完全に対向している状態であり、対向状態（Ｂ）の時がｂ相電極が完全に対向している状態である。

角度計算部６２は、等間隔電極保持部２１を回転させたことによるＣ_a、Ｃ_bの測定値の変化から回転角度を計算するとともに、回転方向を検知する。なお、回転方向を検知できるためには、構成の説明にて上述したように、任意の２つのa相電極３５、及び、任意の２つのｂ相電極３６が、前記中心軸から見てそれぞれ２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、かつ、ある位置を基準として等間隔電極保持部を回転させたとき、等間隔電極２５とａ相電極３５との総対向領域面積が最大となる回転角度と、等間隔電極２５とｂ相電極３６との総対向領域面積が最大となる回転角度との差がπ／Ｎの整数倍にならない位置関係でａ相電極３５とｂ相電極３６とがそれぞれ配置されている必要がある。つまり、ａ相電極の個数αとｂ相電極の個数βは合わせて最大でＮ個となる。各相電極をこのような位置関係で配置することにより、検知時におけるＣ_a、Ｃ_bの大小関係とＣ_a、Ｃ_bの傾きの正負とから一義的に回転方向を決定することができる。

表示部６３は、角度計算部６２で計算・検知された回転角度と回転方向とを表示する。

以上の構成により、上述の課題については解決することができる。

しかしながら、回転入力装置２０の構成においては等間隔電極保持部２１又は相電極保持部３１のいずれかを装置上で回転可能に固定する際、支持体構造にガタツキがあると、電極の位置により等間隔電極と相電極との間の距離に違いが生じる。ａ相電極とｂ相電極が各１個ずつである場合を例にとると、図２５（ａ）に示すようにガタツキのない通常の状態においては等間隔電極２５とａ相電極３５及びｂ相電極３６との間の距離ｄは等しい。このとき、等間隔電極２５とａ相電極３５との間に生じる静電容量Ｃ_ａは、Ｃ_ａ＝ε・Ｓ_ａ／ｄと求められ、等間隔電極２５とｂ相電極３６との間に生じる静電容量Ｃ_ｂはＣ_ｂ＝ε・Ｓ_ｂ／ｄと求められる。一方、等間隔電極保持部２１にガタツキが生じ、例えば、図２５（ｂ）に示すように等間隔電極２５とａ相電極３５との間の距離が２ｄ／３となり、等間隔電極２５とｂ相電極３６との間の距離が４ｄ／３となった場合、等間隔電極２５とａ相電極３５との間に生じる静電容量Ｃ_ａ”は、Ｃ_ａ”＝ε・３Ｓ_ａ／２ｄとなり、一方、等間隔電極２５とｂ相電極３６との間に生じる静電容量Ｃ_ｂ”は、Ｃ_ｂ”＝ε・３Ｓ_ｂ／４ｄとなる。つまり、ガタツキによりＣ_ａが３／２倍になり、Ｃ_ｂが３／４倍となる。このようにガタツキが生じると静電容量が変化し、更にその変化の度合いは電極の位置により異なる。回転入力装置２０は等間隔電極と各相電極との間の距離が一定であることを前提としている装置であるため、ガタツキが発生することでａ相静電容量Ｃ_a及びｂ相静電容量Ｃ_bの測定誤差が生じ、よって検知される回転角度にも誤差が生じる。

ガタツキを小さくするために等間隔電極と相電極とを密着させるという方法も考えられるが、各部品間の摩擦が大きくなり、回転に必要な力の増加や、耐摩耗性の低下が懸念される。また、ガタツキにより生じる電極間の静電容量の変化自体を抑制することも容易ではない。

しかし、ガタツキにより静電容量が変化しても、その変化の度合いを電極の位置によらず等しくすることができれば、例えば係数の乗算などにより容易に測定誤差を補正することができる。そこで本発明は、支持体構造のガタツキによって生じる電極間の静電容量の変化の度合いを、電極の位置によらず等しくすることができる回転入力装置を実現することを目的とする。

本発明の回転入力装置は、等間隔電極保持部、第１等間隔電極、第２等間隔電極、相電極保持部、第１ａ相電極、第１ｂ相電極、第２ａ相電極、及び第２ｂ相電極から構成される。

等間隔電極保持部は円板形状で、その表面に、中心が前記表面の中心と一致し半径がそれぞれ異なる同心円である第１同心円と第２同心円とが定められる。そして、定められた第１同心円と第２同心円との間にＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第１等間隔電極が円周に沿って等間隔に配置される。また、裏面には第１等間隔電極と表裏対称にＮ個の第２等間隔電極が配置される。相電極保持部は、等間隔電極保持部の表面と平行に対向する平面である第１対向面と、等間隔電極保持部の裏面と平行に対向する平面である第２対向面とを有する。第１対向面には、中心が等間隔電極保持部の中心軸との交点であり半径が第１同心円と第２同心円のそれぞれと等しい同心円である第３同心円と第４同心円とが定められる。そして、定められた第３同心円と第４同心円との間にα個（ただし、αは１以上の整数）の第１ａ相電極とβ個（ただし、βは１以上の整数）の第１ｂ相電極とが第１等間隔電極と対向して配置される。第２対向面には、第２ａ相電極α個と第２ｂ相電極β個とが、等間隔電極保持部を挟んでそれぞれ第１ａ相電極、第１ｂ相電極と対称な位置に、第２等間隔電極と対向して配置される。各等間隔電極同士は電気的に接続され、各ａ相電極同士は電気的に接続され、各ｂ相電極同士は電気的に接続される。等間隔電極保持部と相電極保持部とは等間隔電極保持部の中心軸を軸として、対向する各等間隔電極と各相電極とが互いに接触することなく回転自在である。αが２以上の場合には、任意の２つのa相電極は、中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、βが２以上の場合には、任意の２つのｂ相電極は、中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、また、ある位置を基準として各電極保持部を互いに回転させたとき、各等間隔電極とａ相電極との対向面積が最大となる回転角度と、各等間隔電極とｂ相電極との対向面積が最大となる回転角度との差が、π／Ｎの整数倍ではない。

本発明によれば、支持体構造のガタツキにより等間隔電極と各相電極との間の静電容量が変化しても、その変化の度合いが電極の位置によらず等しい回転入力装置を実現することができる。これにより、測定値を一括で容易に補正することができるため、ガタツキが生じても正しい回転角度と回転方向を検知することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の回転入力装置１００の構成例を示す断面図であり、図２は斜視図である。

回転入力装置１００は、等間隔電極保持部１１０、第１等間隔電極１１３、第２等間隔電極１１４、相電極保持部１２０、第１ａ相電極１２５、第１ｂ相電極１２６、第２ａ相電極１２７、第２ｂ相電極１２８から構成される。

図３は等間隔電極保持部１１０の平面図（表裏共通）である。等間隔電極保持部１１０は円板形状であり、表面にはＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第１等間隔電極１１３が配置される。これらの第１等間隔電極１１３は、等間隔電極保持部１１０の表面の中心１３１をその中心とし、半径がそれぞれ異なる同心円である第１同心円１１１と第２同心円１１２との間に、円周に沿って等間隔に配置される。等間隔電極保持部１１０の裏面には、Ｎ個の第２等間隔電極１１４が第１等間隔電極１１３と表裏対称に配置される。図３の平面図は、Ｎ＝１２としてπ／６間隔で配置された例である。なお、第１、第２等間隔電極は電気的に接続される。

相電極保持部１２０は、等間隔電極保持部１１０の表面と平行に対向する平面である第１対向面１２１と、等間隔電極保持部１１０の裏面と平行に対向する平面である第２対向面１２２とをその構成部分として有する。図４は第１対向面１２１の平面図である。第１対向面１２１には、α個（ただし、αは１以上の整数）の第１ａ相電極１２５とβ個（ただし、βは１以上の整数）の第１ｂ相電極１２６とが第１等間隔電極１１３と対向して配置される。これらの第１各相電極は、等間隔電極保持部１１０の中心軸１３２と第１対向面１２１との交点を共にその中心とする一方、互いに半径を異にする同心円である第３同心円１２３と第４同心円１２４との間に、円周に沿って配置される。各ａ相電極同士、各ｂ相電極同士はそれぞれ電気的に接続される。等間隔電極保持部１１０と相電極保持部１２０とは前記中心軸１３２を軸として、対向する各等間隔電極と各相電極とが互いに接触することなく回転自在となっている。なお、回転方向を検知可能とするため、前述のとおりαが２以上の場合には任意の２つのa相電極は中心軸２３２から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置され、βが２以上の場合には任意の２つの前記ｂ相電極は中心軸２３２から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置される。また、ａ相電極とｂ相電極は、ある位置を基準として各電極保持部を互いに回転させたとき、等間隔電極とａ相電極との対向面積が最も大きくなる角度と、等間隔電極とｂ相電極との対向面積が最も大きくなる角度との差が、π／Ｎの整数倍にならないようにそれぞれ配置される。ａ相電極とｂ相電極の位置関係、数量については、上記の条件が満たされていれば、例えば、ａ相電極とｂ相電極を交互に配置しても、それぞれの個数が異なっていても構わない。図４、図５の平面図はＮ＝１２、α＝β＝Ｎ／２＝６の場合である。図５は第２対向面１２２の平面図である。第２対向面１２２には、等間隔電極保持部１１０を挟んで第１ａ相電極１２５及び第１ｂ相電極１２６と対称な位置に、第２等間隔電極１１４と対向して、第２ａ相電極１２７及び第２ｂ相電極１２８がそれぞれ配置される。以上のことから、相電極保持部１２０の形状は第１対向面１２１と第２対向面１２２を有し、かつ等間隔電極保持部１１０と相対的に回転自在になっていれば、いかなる形状でも構わない。

なお、部品点数削減のため図６のように、第１ａ相電極１２５と等間隔電極保持部１１０を挟んで対称な位置に配置される第２ａ相電極１２７とを一体化してａ相電極１２９とし、第１ｂ相電極１２６と等間隔電極保持部１１０を挟んで対称な位置に配置される第２ｂ相電極１２８とを一体化してｂ相電極１３０として構成しても構わない。

次に、図７を用いて具体的な動作原理を説明する。なお、各相電極は複数個ずつの場合もあるが、動作原理は１個ずつの場合と同様であるため、ここでは各１個ずつの場合を例にとって説明する。

本発明の構成において等間隔電極とａ相電極との間に生じる静電容量Ｃ_ａは、図７（ａ）のように通常の状態の各電極間の距離がｄ／２である場合、第１等間隔電極１１３と第１ａ相電極１２５との間に生じる静電容量Ｃ_a1と、第２等間隔電極１１４と第２ａ相電極１２７との間に生じる静電容量Ｃ_a2とが並列接続の関係にあるため、両者の和として式（７）により求められる。なお、εは電極間の誘電率、Ｓ_a1は第１等間隔電極と第１ａ相電極との対向領域の面積、Ｓ_a2は第２等間隔電極と第２ａ相電極との対向領域の面積である。

Ｃ_ａ＝Ｃ_a1＋Ｃ_a2＝２ε・Ｓ_a1／ｄ＋２ε・Ｓ_a2／ｄ
＝２ε・（Ｓ_a1＋Ｓ_a2）／ｄ （７）
ここで、第１等間隔電極１１３と第２等間隔電極１１４とは表裏対称な位置にあり、第１ａ相電極と第２ａ相電極とは等間隔電極保持部１１０を挟んで対称な位置にある。従って、Ｓ_a1＝Ｓ_a2であることから、式（７）は式（８）のように変形できる。

Ｃ_ａ＝４ε・Ｓ_a1／ｄ （８）
また、等間隔電極とｂ相電極との間に生じる静電容量Ｃ_ｂについても、各電極間の距離がｄ／２である場合、第１等間隔電極１１３と第１ｂ相電極１２６との間に生じる静電容量Ｃ_b1と、第２等間隔電極１１４と第２ｂ相電極１２８との間に生じる静電容量Ｃ_b2とが並列接続の関係にあるため、両者の和として式（９）により求められる。なお、Ｓ_b1は第１等間隔電極と第１ｂ相電極との対向領域の面積、Ｓ_b2は第２等間隔電極と第２ｂ相電極との対向領域の面積である。

Ｃ_ｂ＝Ｃ_b1＋Ｃ_b2＝２ε・Ｓ_b1／ｄ＋２ε・Ｓ_b2／ｄ
＝２ε・（Ｓ_b1＋Ｓ_b2）／ｄ （９）
ここで、第１等間隔電極１１３と第２等間隔電極１１４とは表裏対称な位置にあり、第１ｂ相電極と第２ｂ相電極とは等間隔電極保持部１１０を挟んで対称な位置にある。従って、Ｓ_b1＝Ｓ_b2であることから、式（９）は式（１０）のように変形できる。

Ｃ_ａ＝４ε・Ｓ_b1／ｄ （１０）
一方、ガタツキが生じ、第１等間隔電極１１３と第１ａ相電極１２５との間の距離が２ｄ／３となり、第２等間隔電極１１４と第２ａ相電極１２７との間の距離がｄ／３になった場合に等間隔電極とａ相電極との間に生じる静電容量Ｃ_ａ”は式（１０）により求められる。

Ｃ_ａ”＝Ｃ_a1”＋Ｃ_a2”＝３ε・Ｓ_a1／２ｄ＋３ε・Ｓ_a2／ｄ
＝９ε・Ｓ_a1／２ｄ＝９Ｃ_ａ／８ （１０）
また、第１等間隔電極１１３と第１ｂ相電極１２６との間の距離がｄ／３となり、第２等間隔電極１１４と第２ｂ相電極１２８との間の距離が２ｄ／３になった場合に等間隔電極とｂ相電極との間に生じる静電容量Ｃ_ｂ”は式（１１）により求められる。

Ｃ_ｂ”＝Ｃ_b1”＋Ｃ_b2”＝３ε・Ｓ_b1／ｄ＋３ε・Ｓ_b2／２ｄ
＝９ε・Ｓ_b1／２ｄ＝９Ｃ_ｂ／８ （１１）
式（１０）（１１）からわかるように、ａ相電極についてもｂ相電極についても、共に通常の状態の９／８倍になっている。従って、Ｃ_ａ”とＣ_ｂ”を一括して８／９倍するだけで容易に補正することが可能である。

このように、本発明により支持体構造のガタツキにより等間隔電極と相電極との間の静電容量が変化しても、その変化の度合いが電極の位置によらず等しい回転入力装置を実現することができる。また、円板の両側で静電容量を発生させる構造としたことで電極面積が拡大し、静電容量の絶対値が大きくなるため、静電容量の変化の検知性の向上も期待できる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態は、第１実施形態の等間隔電極保持部と相電極保持部との位置関係を逆にした構成であり、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
図８は、本発明の回転入力装置２００の構成例を示す断面図である。
回転入力装置２００は、相電極保持部２１０、第１ａ相電極２１３、第１ｂ相電極２１４、第２ａ相電極２１５、第２ｂ相電極２１６、等間隔電極保持部２２０、第１等間隔電極２２５、第２等間隔電極２２６から構成される。

図９は相電極保持部２１０の表面の平面図、図１０は裏面の平面図である。相電極保持部２１０は円板形状であり、表面には図９の平面図に示すように、α個（ただし、αは１以上の整数）の第１ａ相電極２１３とβ個（ただし、βは１以上の整数）の第１ｂ相電極２１４とが配置される。これらの相電極は、相電極保持部２１０の表面の中心２３１をその中心とし半径がそれぞれ異なる同心円である第１同心円２１１と第２同心円２１２との間に、円周に沿って配置される。相電極保持部２１０の裏面には、図１０の平面図に示すようにα個の第２ａ相電極２１５がα個の第１ａ相電極２１３と表裏対称に、また、β個の第２ｂ相電極２１６がβ個の第１ｂ相電極２１４と表裏対称にそれぞれ配置される。各ａ相電極同士、各ｂ相電極同士はそれぞれ電気的に接続される。相電極保持部２１０と等間隔電極保持部２２０とは相電極保持部２１０の中心軸２３２を軸として、対向する各相電極と各等間隔電極とが互いに接触することなく回転自在となっている。なお、回転方向を検知可能とするため、前述のとおりαが２以上の場合には任意の２つのa相電極は中心軸２３２から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置され、βが２以上の場合には任意の２つの前記ｂ相電極は中心軸２３２から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置に配置される。また、ａ相電極とｂ相電極は、ある位置を基準として各電極保持部を互いに回転させたとき、等間隔電極とａ相電極との対向面積が最も大きくなる角度と、等間隔電極とｂ相電極との対向面積が最も大きくなる角度との差が、π／Ｎの整数倍にならないようにそれぞれ配置される。ａ相電極とｂ相電極の位置関係、数量は上記の条件が満たされていれば、例えば、ａ相電極とｂ相電極を交互に配置しても、それぞれの個数が異なっていても構わない。図９、図１０の平面図はＮ＝１２、α＝β＝Ｎ／２＝６の場合である。

等間隔電極保持部２２０は、相電極保持部２１０の表面と平行に対向する平面である第３対向面２２１と、相電極保持部２１０の裏面と平行に対向する平面である第４対向面２２２とをその構成部分として有する。図１１は、第１対向面２２１と第２対向面２２２の共通の平面図である。第１対向面２２１には、Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第１等間隔電極２２５が第１ａ相電極２１３及び第１ｂ相電極２１４と対向して配置される。これらの第１等間隔電極２２５は、相間隔電極保持部２１０の中心軸２３２と第１対向面２２１との交点を共にその中心とする一方、互いに半径を異にする同心円である第３同心円２２３と第４同心円２２４との間に、円周に沿って等間隔に配置される。図１１の平面図は、Ｎ＝１２としてπ／６間隔で配置された例である。第２対向面２２２にはＮ個の第２等間隔電極２２６が、相電極保持部２１０を挟んで第１等間隔電極２２５と対称な位置に、第２ａ相電極２１５及び第２ｂ相電極２１６と対向して配置される。なお、第１、第２等間隔電極は電気的に接続される。以上のことから、等間隔電極保持部２２０の形状は第１対向面２２１と第２対向面２２２を有し、かつ相電極保持部２１０と相対的に回転自在になっていれば、いかなる形状でも構わない。

なお、部品点数削減のため図１２のように、第１等間隔電極２２５と、等間隔電極保持部２１０を挟んで対称な位置に配置される第２等間隔電極２２６とを一体化して等間隔電極２２７として構成しても構わない。

具体的動作原理は第１実施形態と同様である。従って第２実施形態においても、支持体構造のガタツキにより等間隔電極と相電極との間の静電容量が変化しても、その変化の度合いが電極の位置によらず等しい回転入力装置を実現することができる。また、円板の両側で静電容量を発生させる構造としたことで電極面積が拡大し、静電容量の絶対値が大きくなるため、静電容量の変化の検知性の向上も期待できる。

〔第３実施形態〕
本発明により、支持体構造にガタツキ等が生じても簡単な補正処理により回転入力装置の動作の安定化を図ることができるが、回転入力装置のレスポンスを高く保つ上では補正処理はできるだけ回避されることが望ましい。

そこで第３実施形態の回転入力装置３００では、図１３に示すように等間隔電極保持部と相電極保持部との間の空間にスペーサ３０１を介在させることにより、外部から衝撃が加わった場合などにおいてもガタツキの発生を極力抑制し、動作の安定性の向上を図る。スペーサ３０１は固定しても、いずれかの電極保持部に伴って回転させてもよい。なお、スペーサ３０１の代わりに、等間隔電極と相電極が配置されている面のうち少なくとも一方に絶縁シートを装着してもよい。スペーサや絶縁シートには、例えばカバーレイ、レジスト、フレキシブル基板などの素材を用いることが考えられる。
また、スペーサを厚くする、スペーサを２枚にする、又は等間隔電極保持部と相電極保持部との空間にグリスを充填・塗布するなどにより、動作の安定性の向上とともに電極の相互接触による磨耗を防ぎ、耐久性の向上を図ることができる。

〔第４実施形態〕
等間隔電極保持部と相電極保持部とを相互にスムーズに回転させ、また電極の磨耗を防ぐ上で、等間隔電極及び相電極のある部分と無い部分とで凹凸が無く面が平滑であることが望ましい。また、本発明は対向する等間隔電極と相電極との間に生じる静電容量の変化により回転角度を検知するため、対向していない部分での想定外の静電容量の発生を抑制することが検知精度の向上につながる。

そこで、第４実施形態の回転入力装置４００では、各等間隔電極の間に図１４に示すようにレジスト等の絶縁体を挿入し、また、各相電極の間に図１５に示すように銅箔パターン等で形成したダミー電極を挿入する。このように絶縁体やダミー電極を挿入することで面が平滑化されてスムーズな回転を確保することができる。また、ダミー電極に銅箔パターンを用いた場合には、ＧＮＤ電位にすることにより等間隔電極と相電極とが対向していない領域での想定外の静電容量の発生を抑制でき、検知精度の向上が期待できる。

〔第５実施形態〕
静電容量は、周辺の温度変化や人体の接近などの外部環境の変化により変化するため、この変化が検知精度を劣化させる恐れがある。もっとも、この外部環境の変化による静電容量への影響は、各相電極及び参照用電極に同程度に生じると考えられる。
そこで、第５実施形態の回転入力装置５００では、いずれかの電極保持部に参照用電極を設ける。図１６は第１実施形態の相電極保持部の第１対向面に参照用電極５０１を設けた例である。図１７に示すように各相電極に生じた静電容量から参照用電極に生じた静電容量を差し引くことで、外部環境の変化分をキャンセルすることができる。この補正処理は、静電容量測定部６１内でのソフト処理やその他の電子回路等により容易に実現することが可能である。

〔第６実施形態〕
図２２に示す回転角測定装置６０の構成要素である回転入力装置２０を、第１〜第５実施形態のいずれかの回転入力装置と置き換えることで、回転角測定装置６００を構成することができる。なお、静電容量測定部６１、角度計算部６２、及び表示部６３の機能は回転入力装置２０を用いる場合と同様である。

携帯電話、ディジタルカメラ、ＰＣ、ＰＤＡ等の電子機器に、長寿命・薄小型で、かつ誤動作が少ない入力デバイスを適用したい場合に有用である。

第１実施形態の回転入力装置の断面図。 第１実施形態の回転入力装置の斜視図。 第１実施形態の等間隔電極保持部の平面図。 第１実施形態の相電極保持部の第１対向面の平面図。 第１実施形態の相電極保持部の第２対向面の平面図。 第１実施形態の回転入力装置の別の断面図。 本発明の構成を適用した場合のガタツキ発生時の静電容量の変動態様を表す図。 第２実施形態の回転入力装置の断面図。 第２実施形態の相電極保持部表面の平面図。 第２実施形態の相電極保持部裏面の平面図。 第２実施形態の等間隔電極保持部の平面図。 第２実施形態の回転入力装置の別の断面図。 第３実施形態の回転入力装置の断面図。 第４実施形態の等間隔電極保持部の平面図。 第４実施形態の相電極保持部の平面図。 第５実施形態の回転入力装置の平面図。 参照用電極による補正のイメージを表す図。 従来の回転入力装置を表す図。 出願中の回転入力装置の断面図。 出願中の等間隔電極保持部の第１対向面の平面図。 出願中の等間隔電極保持部の第２対向面の平面図。 出願中の回転角測定装置の構成図。 等間隔電極と相電極との対向状態を表す図。 等間隔電極と相電極との対向状態と静電容量との関係を表す図。 出願中の発明の構成を適用した場合のガタツキ発生時の静電容量の変動態様を表す図。

Claims (12)

1. 円板形状の等間隔電極保持部と、
   前記等間隔電極保持部の表面に定められる、中心が前記表面の中心と一致し半径がそれぞれ異なる同心円である第１同心円と第２同心円との間に、円周に沿って等間隔に配置されるＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第１等間隔電極と、
   前記等間隔電極保持部の裏面に、前記第１等間隔電極と表裏対称に配置されるＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第２等間隔電極と、
   前記等間隔電極保持部の表面と平行に対向する平面である第１対向面と、前記等間隔電極保持部の裏面と平行に対向する平面である第２対向面と、を有する相電極保持部と、
   前記第１対向面上に定められる、中心が前記等間隔電極保持部の中心軸との交点であり半径が前記第１同心円と前記第２同心円のそれぞれと等しい同心円である第３同心円と第４同心円との間に、円周に沿って前記第１等間隔電極と対向して配置されるα個（ただし、αは１以上の整数）の第１ａ相電極と、
   前記第３同心円と前記第４同心円との間に円周に沿って前記第１等間隔電極と対向して配置されるβ個（ただし、βは１以上の整数）の第１ｂ相電極と、
   前記第２対向面上の、前記等間隔電極保持部を挟んで前記第１ａ相電極と対称な位置に、前記第２等間隔電極と対向して配置されるα個（ただし、αは１以上の整数）の第２ａ相電極と、
   前記第２対向面上の、前記等間隔電極保持部を挟んで前記第１ｂ相電極と対称な位置に、前記第２等間隔電極と対向して配置されるβ個（ただし、βは１以上の整数）の第２ｂ相電極と、
   を備え、
   各等間隔電極同士は電気的に接続され、各ａ相電極同士は電気的に接続され、各ｂ相電極同士は電気的に接続され、
   前記等間隔電極保持部と前記相電極保持部とが前記中心軸を軸として、対向する前記各等間隔電極と前記各相電極とが互いに接触することなく回転自在であり、
   αが２以上の場合には、任意の２つの前記ａ相電極は、前記中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、
   βが２以上の場合には、任意の２つの前記ｂ相電極は、前記中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、
   ある位置を基準として前記各保持部を互いに回転させたとき、前記各等間隔電極と前記ａ相電極との対向面積が最大となる回転角度と、前記各等間隔電極と前記ｂ相電極との対向面積が最大となる回転角度との差が、π／Ｎの整数倍ではない
   ことを特徴とする回転入力装置。
2. 請求項１に記載の回転入力装置であって、
   前記等間隔電極保持部を挟んで対称な位置にある、各々の、前記第１ａ相電極と前記第２ａ相電極とが一体化され、かつ、前記等間隔電極保持部を挟んで対称な位置にある、各々の、前記第１ｂ相電極と前記第２ｂ相電極とが一体化されている
   ことを特徴とする回転入力装置。
3. 円板形状の相電極保持部と、
   前記相電極保持部の表面に定められる、中心が前記表面の中心に一致し半径がそれぞれ異なる同心円である第１同心円と第２同心円との間に、円周に沿って配置されるα個（ただし、αは１以上の整数）の第１ａ相電極と、
   前記第１同心円と前記第２同心円との間に、円周に沿って配置されるβ個（ただし、βは１以上の整数）の第１ｂ相電極と、
   前記相電極保持部の裏面に、前記第１ａ相電極と表裏対称に配置されるα個（ただし、αは１以上の整数）の第２ａ相電極と、
   前記相電極保持部の裏面に、前記第１ｂ相電極と表裏対称に配置されるβ個（ただし、βは１以上の整数）の第２ｂ相電極と、
   前記相電極保持部の表面と平行に対向する平面である第１対向面と、前記相電極保持部の裏面と平行に対向する平面である第２対向面と、を有する等間隔電極保持部と、
   前記第１対向面上に定められる、中心が前記相電極保持部の中心軸との交点であり半径が前記第１同心円と前記第２同心円のそれぞれと等しい同心円である第３同心円と第４同心円との間に、円周に沿って前記第１各相電極と対向して配置されるＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第１等間隔電極と、
   前記第２対向面上の、前記相電極保持部を挟んで前記第１等間隔電極と対称な位置に、前記第２各相電極と対向して配置されるＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）の第２等間隔電極と、
   を備え、
   各等間隔電極同士は電気的に接続され、各ａ相電極同士は電気的に接続され、各ｂ相電極同士は電気的に接続され、
   前記等間隔電極保持部と前記相電極保持部とが前記中心軸を軸として、対向する前記各等間隔電極と前記各相電極とが互いに接触することなく回転自在であり、
   αが２以上の場合には、任意の２つの前記a相電極は、前記中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、
   βが２以上の場合には、任意の２つの前記ｂ相電極は、前記中心軸から見て互いに２π／Ｎの整数倍の角度ずれた位置にあり、
   ある位置を基準として前記各保持部を互いに回転させたとき、前記各等間隔電極と前記ａ相電極との対向面積が最大となる回転角度と、前記各等間隔電極と前記ｂ相電極との対向面積が最大となる回転角度との差が、π／Ｎの整数倍ではない
   ことを特徴とする回転入力装置。
4. 請求項３に記載の回転入力装置であって、前記相電極保持部を挟んで対称な位置にある、各々の、前記第１等間隔電極と前記第２等間隔電極とが一体化されている
   ことを特徴とする回転入力装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の回転入力装置であって、
   Ｎは偶数であり、α＝β＝Ｎ／２であることを特徴とする回転入力装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の回転入力装置であって、
   前記各電極保持部間にスペーサを介在させていることを特徴とする回転入力装置。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の回転入力装置であって、
   前記各電極保持部間に絶縁シートが装着されていることを特徴とする回転入力装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の回転入力装置であって、
   前記各電極保持部間の空間がグリスオイルで満たされていることを特徴とする回転入力装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の回転入力装置であって、
   隣接する２つの前記ａ相電極の間、隣接する２つの前記ｂ相電極の間、隣接する前記ａ相電極と前記ｂ相電極の間にダミー電極が設けられていることを特徴とする回転入力装置。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の回転入力装置であって、
    隣接する前記等間隔電極の間に絶縁体が配置されていることを特徴とする回転入力装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の回転入力装置であって、
    いずれかの電極保持部に、周囲環境による静電容量の変動を補正するための参照用電極が配置されていることを特徴とする回転入力装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の回転入力装置と、
    等間隔電極とａ相電極との間の静電容量および、等間隔電極とｂ相電極との間の静電容量を測定する静電容量測定部と、
    等間隔電極とａ相電極との間の静電容量の変化と、等間隔電極とｂ相電極との間の静電容量の変化から、回転方向と回転角度とを求める角度計算部と
    を備えることを特徴とする回転角測定装置。