JP2012221839A - 操作入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヨークの変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる、操作入力装置の提供。
【解決手段】下ヨーク４と、下ヨーク４の上に固定された基板３と、基板３の上に固定されたコイル２と、コイル２の上方で操作入力の作用により下方に変位することによって、コイル２のインダクタンスを変化させる上ヨーク６とを備え、上ヨーク６の変位量に応じた信号を出力する操作入力装置であって、基板３は、コイル２の中空部２ａに通ずる開口部３ａを有し、下ヨーク４は、開口部３ａに挿入された段差部４ａを有する、ことを特徴とする、操作入力装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作入力の作用により変位するヨークを備え、その変位量に応じた信号を出力する操作入力装置に関する。

近年、操作入力によるヨークの変位によってコイルのインダクタンスが変化することを利用して、そのヨークの変位量（言い換えれば、操作入力量）を得ることが可能な操作入力装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−３５３６号公報

上述のような操作入力装置の場合、コイル自体の特性を変更せずにヨークの変位量を精度良く検出するためには、コイル周囲の透磁率を上げてコイルのインダクタンスを大きくすることが望ましい。しかしながら、従来の操作入力装置では十分な大きさのインダクタンスを生じさせることができなかった。

そこで、本発明は、ヨークの変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる、操作入力装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
第１のヨークと、
前記第１のヨークの上に固定された基板と、
前記基板の上に固定されたコイルと、
操作入力の作用により下方に変位することによって、前記コイルのインダクタンスを変化させる第２のヨークとを備え、
前記第２のヨークの変位量に応じた信号を出力する操作入力装置であって、
前記基板は、前記コイルの中空部に通ずる開口部を有し、
前記第１のヨークは、前記開口部に挿入された段差部を有する、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、ヨークの変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる。

本発明の操作入力装置の構成を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態である操作入力装置１の分解斜視図である。 下ヨーク８０と、基板５０と、コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａとを組み合わせた斜視図である。 操作入力装置１を斜め上方から見た図である。 操作入力装置１を斜め下方から見た図である。 操作入力装置１の平面図である。 図６のＡ−Ａにおける操作入力装置１の断面図である。 半抜き部８１が下ヨーク８０に形成されている場合の斜視図である。 図８Ａの断面図である。 半抜き部が下ヨーク８０に形成されていない場合の斜視図である。 図９Ａの断面図である。 ヨークのストローク量とコイル７１のインダクタンスとの関係を測定したグラフである。 ブラケット８５を示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。本発明の一実施形態である操作入力装置は、操作者の手指等による力を受けて、その受けた力に応じて変化する出力信号を出力する操作インターフェイスである。その出力信号に基づいて操作者による操作入力が検出される。操作入力の検出によって、その検出された操作入力に対応する操作内容をコンピュータに把握させることができる。

例えば、ゲーム機、テレビ等の操作用リモートコントローラ、携帯電話や音楽プレーヤーなどの携帯端末、パーソナルコンピュータ、電化製品などの電子機器において、そのような電子機器に備えられるディスプレイの画面上の表示物（例えば、カーソルやポインタなどの指示表示や、キャラクターなど）を、操作者が意図した操作内容に従って、移動させることができる。また、操作者が所定の操作入力を与えることにより、その操作入力に対応する電子機器の所望の機能を発揮させることができる。

一方、通常、コイル（巻線）等のインダクタのインダクタンスＬは、係数をＫ、透磁率をμ、コイルの巻数をｎ、断面積をＳ、磁路長をｄとした場合、
Ｌ＝Ｋμｎ^２Ｓ／ｄ
という関係式が成り立つ。この関係式から明らかなように、コイルの巻数や断面積といった形状に依存するパラメータを固定した場合、周囲の透磁率と磁路長の少なくともいずれかを変化させるかによって、インダクタンスが変化する。

このインダクタンスの変化を利用する操作入力装置の実施例について以下説明する。この操作入力装置は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸によって定まる直交座標系において、正のＺ座標の方向から入力される操作者の力を受け付けるものである。操作入力装置は、操作入力の作用によりコイルとの位置関係が変化することによって、そのコイルのインダクタンスを変化させる変位部材を備えている。操作入力装置は、そのインダクタンスの大きさに応じて変化する所定の信号に基づいて、操作者の操作入力により変位する変位部材の動きを検知することにより、その操作入力を検出することができる。

図１は、本発明の操作入力装置の構成を説明するための模式図であって、操作入力が上ヨーク６の上面６ｂに作用していない初期位置状態において、その構成を断面図で表したものである。

操作入力装置は、下ヨーク４と、基板３と、コイル２と、上ヨーク６と、検出部１６０とを備えている。以下、各部について説明する。

下ヨーク４は、板状の磁性体である。下ヨーク４は、基板３に形成された開口部３ａに挿入されるように形成された段差部４ａを有している。

基板３は、下ヨーク４の上に固定された板状部材である。基板３の上面には、コイル２が配置される。基板３は、コイル２の中空部２ａに通ずるように開口部３ａが形成されている。基板３が、コイル２を構成する線材の両端と導通可能に接続されるランドパターンを有すると、コイル２の基板３への実装性を高めることができる。

コイル２は、基板３の上面に固定され、円筒状に線材（導線）が巻かれたものである。コイル２の形状は、円筒状が好ましいが、筒状であればよく、例えば角筒状でもよい。コイル２は、上ヨーク６との距離に応じてインダクタンスが変化し、その変化に基づいて、上ヨーク６の変位量に応じた信号波形を出力する。

上ヨーク６は、上面６ｂに直接又は間接的に作用する操作入力により、コイル２の上方空間において下方に変位することによって、コイル２のインダクタンスを変化させる変位部材である。上ヨーク６は、コイル２に対して操作者の力が入力されてくる側に設けられており、コイル２の上端面に対向する下面６ａと、操作者の力が直接又は間接的に作用する上面６ｂとを有している。上ヨーク６は、コイル２の中空部２ａの中心軸Ｃの軸線方向に、コイル２の上端面の上方領域において変位する板状の磁性体である。

上ヨーク６は、下面６ｂとコイル２の上端面との距離が中心軸Ｃの軸線方向で弾性的に変化可能なように、支持部材５ａ，５ｂによって支持される。支持部材５ａ，５ｂは、例えば、バネ部材でもよいし、ゴム部材でもよいし、スポンジ部材でもよいし、空気や油が充填されたシリンダーでもよい。例えば、バネ部材を採用することによって、軽量化や構造の単純化を図ることができ、ゴム部材を採用することによって、絶縁性を図ることができる。また、支持部材５ａ，５ｂは、粘性を有する粘性部材であってもよい。

上ヨーク６及び下ヨーク４は、比透磁率が１よりも高い材質であればよい。例えば、比透磁率は１．００１以上であると好適であり、具体的には、鋼板（比透磁率５０００）などが好ましい。

検出部１６０は、コイル２のインダクタンスの変化を電気的に検出することで、上ヨーク６の連続的に変化するアナログ変位量（言い換えれば、上ヨーク６の変位量（操作入力量））に応じた検出信号を出力する検出手段である。検出部１６０は、基板３又は不図示の基板に実装される検出回路によって構成されるとよい。

例えば、検出部１６０は、コイル２のインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出し、その物理量の検出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力する。また、検出部１６０は、コイル２のインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出することによりコイル２のインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力するものでもよい。また、検出部１６０は、その物理量の検出値又はそのインダクタンスの算出値から上ヨーク６の変位量を演算し、その変位量の演算値を出力するものでもよい。

具体的には、検出部１６０は、パルス信号をコイル２に供給することによって、コイル２のインダクタンスの大きさに対応して変化する信号波形をコイル２に発生させ、その信号波形に基づいてコイル２のインダクタンスの変化を電気的に検出するとよい。

例えば、コイル２の上端面の上方領域における上ヨーク６の下方への変位量が増加するにつれて、コイル２周辺の透磁率が増加し、コイル２のインダクタンスが増加する。コイル２のインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイル２の両端に発生するパルス電圧波形の振幅も大きくなる。そこで、その振幅をコイル２のインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部１６０は、その振幅を検出することによって、その振幅の検出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部１６０は、その振幅の検出値からコイル２のインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力することもできる。

また、コイル２のインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイル２に流れるパルス電流波形の傾きが緩やかになる。そこで、その傾きをコイル２のインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部１６０は、その傾きを検出することによって、その傾きの検出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部１６０は、その傾きの検出値からコイル２のインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を上ヨーク６の変位量に等価な値として出力することもできる。

このように、図１の構成は、コイル２の中空部２ａに通ずる開口部３ａが基板３に形成され、開口部３ａに挿入された突起状の段差部４ａが下ヨーク４に形成されている。この構成によれば、コイル２の周囲の透磁率が磁性体の段差部４ａによって上昇するので、段差部４ａが無い場合に比べて、上ヨーク６の変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる。

また、下ヨーク４に段差部４ａが形成されているため、上ヨーク６の変位に伴いコイル２の中空部２ａに進入可能なコアを下面６ａに形成しなくても、上ヨーク６の変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる。すなわち、変位部材である上ヨーク６の重量がコアの追加により増えることによって、操作性が低下するおそれがあるが、コイル２に対して位置が固定された下ヨーク４に段差部４ａが形成されているため、操作性が低下することなく、上ヨーク６の変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる。

ここで、段差部４ａは、開口部３ａを貫通していなくてもよいが、開口部３ａを貫通していると、上ヨーク６の変位量に対して大きなインダクタンスを生じさせる点で有利である。また、段差部４ａの上面４ｂが、コイル２の上端面よりも下方に位置するように形成されていると、上ヨーク６の下方に変位可能なストローク量を確保しつつ、上ヨーク６の変位量に対して大きなインダクタンスを容易に生じさせることができる。

次に、本発明の操作入力装置の具体的な構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である操作入力装置１の分解斜視図である。操作入力装置１は、図１と同様に、基板５０と、コイルと、上ヨーク７５と、下ヨーク８０と、検出部１６０とを備えている。図２の場合、複数のコイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａが、基板５０の上に固定されている。基板５０は、コイル７１ａの中空部に通ずる開口部５１ａと、コイル７２ａの中空部に通ずる開口部５１ｂと、コイル７３ａの中空部に通ずる開口部５１ｃと、コイル７４ａの中空部に通ずる開口部５１ｄとを有している。開口部５１ａ〜５１ｄは、基板５０に形成された貫通穴である。

図３は、下ヨーク８０と、基板５０と、コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａとを組み合わせた斜視図である。コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａは、基板５０の上面に固定され、基板５０は、下ヨーク８０の上面に固定されている。基板５０上には導線やランド等のパターンが形成されている。コイル７１ａは、一方の端子がランドパターン５８ａに接続され、他方の端子がランドパターン５８ｂに接続される。コイル７２ａ，７３ａ，７４ａについても同様である。各コイルと基板５０上の各ランドパターンとの接続は、例えば、半田付け、溶接、導電性接着剤などによって固定される。また、基板５０は、例えば、粘着テープ、接着剤などによって下ヨーク８０に固定される。

図４は、操作入力装置１を斜め上方から見た図である。図５は、操作入力装置１を斜め下方から見た図である。下ヨーク８０は、図２，５に示されるように、基板５０の開口部５１ａ〜５１ｄに挿入されるように形成された段差部として、半抜き加工して形成された半抜き部を有する。操作入力装置１には、この半抜き部として、開口部５１ａに挿入される半抜き部８１ａと、開口部５１ｂに挿入される半抜き部８１ｂと、開口部５１ｃに挿入される半抜き部８１ｃと、開口部５１ｄに挿入される半抜き部８１ｄとが形成されている。各半抜き部は、下ヨーク８０の下面に対する凹部として形成され、且つ下ヨーク８０の上面に対する凸部として形成される。基板５０の開口部５１ａ等に挿入される段差部を半抜き加工で形成することにより、切削加工で形成する場合に比べて、加工時間を短縮できる。

図６は、操作入力装置１の平面図である。図７は、図６のＡ−Ａにおける操作入力装置１の断面図である。上ヨーク７５は、方向キー１０の操作面１３に作用する操作入力によって、コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａの上方空間において下方に変位することにより、コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａのインダクタンスを変化させる。

方向キー１０は、操作面１３を有し、操作面１３に作用する操作入力によって下方に傾倒可能に変位する操作部材である。上ヨーク７５は、方向キー１０の下面１４に設けられ、方向キー１０の変位に連動して変位する。図示の形態では、方向キー１０の下面１４に形成された突起状の４つのボス（図７には、１７ａ，１７ｃが表示）が、上ヨーク７５の四隅に形成された取り付け孔７８ａ〜７８ｄ（図２参照）に挿入されることによって、上ヨーク７５は方向キー１０の下面１４に位置決めされている。コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａのそれぞれは、上ヨーク７５によって方向キー１０の位置を非接触で検出し、方向キー１０の下方への変位量に応じた信号を出力する。

方向キー１０（上ヨーク７５）の下方への変位量が大きくなるにつれて、コイルのインダクタンスは増加する。次に、半抜き部の有無によるコイルのインダクタンスの違いについて説明する。

図８Ａは、半抜き部８１が下ヨーク８０に形成されている場合の斜視図である。図８Ｂは、図８Ａの断面図である。半抜き部８１は、基板５０の開口部に挿入可能な位置に形成され、基板５０の開口部はコイル７１の中空部に通ずるように形成されている。図９Ａは、半抜き部が下ヨーク８０に形成されていない場合の斜視図である。図９Ｂは、図９Ａの断面図である。これらの２種類の形態について、ヨークをコイル７１に上方から近づくようにストロークさせたときの、コイル７１のインダクタンスの違いを測定した。

図１０は、ヨークのストローク量とコイル７１のインダクタンスとの関係を測定したグラフである。横軸のストローク量は、ヨークの下方への変位量を表す。ストローク量が０ｍｍとは、ヨークとコイル７１との距離が最大のときを表す。ストローク量が０ｍｍのとき、半抜き部８１が有る場合、コイル７１のインダクタンスは０．１０６ｍＨであるのに対し、半抜き部８１が無い場合、コイル７１のインダクタンスは０．０９７ｍＨであった（増加率８．９％）。また、ストローク量が０．３ｍｍのとき、半抜き部８１が有る場合、コイル７１のインダクタンスは０．１３２ｍＨであるのに対し、半抜き部８１が無い場合、コイル７１のインダクタンスは０．１１９ｍＨであった（増加率１１．２％）。このように、コイル７１の内周部のヨークに半抜き部を設けることで、インダクタンスが全体的に１割程度増加する。

ここで、基板５０上の各コイルが、それぞれに対応する段差部（半抜き部）によって位置決めされることにより、コイルの基板５０への組み付け誤差を抑えることができる。この組み付け誤差が抑えられることにより、個々の操作入力装置の間において、インダクタンスが設計値に対してばらつくことを抑制できる。

ところで、図２，３に示されるように、基板５０は、操作入力装置１の外側に突出する接続部５５を有する。接続部５５は、上ヨーク７５の変位量に応じた信号を出力する配線パターンを有する。基板５０の一部を延伸させた接続部５５を有することにより、操作入力装置１の基板５０と操作入力装置１の外部装置の回路（例えば、検出部１６０）との接続が容易になる。外部装置の具体例として、操作入力装置１が搭載されるゲーム機等の電子機器本体が挙げられる。

基板５０は、可撓性を有するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）であると好適である。ＦＰＣの可撓性によって、操作入力装置１の外部装置への取り付け自由度が増す。例えば、操作入力装置１の製品本体への取り付け高さを変更しても、ＦＰＣが撓むことによって、製品高さの制限を受けない。なお、基板５０は、ＦＰＣに限らず、ＦＲ−４基板等の他の樹脂製基板でもよい。

また、基板５０には、クリックバネ７０の周縁部が導通可能に半田等で接続される周囲電極５７と、クリックバネ７０の変形時にその頂点部が接する中央電極５６とが形成されている。クリックバネ７０は、方向キー１０の中央部に設けられたセンターキー２０によって変形する。センターキー２０は、方向キー１０の操作面１３に露出した面をＺ軸上に有する押下部である。センターキー２０の周縁部には、方向キー１０の中央部に形成された開口部１１に嵌合した状態で位置決めされるように、フランジ１２が形成されている。センターキー２０は、上方から押されることにより、基板５０上に配置されたクリックバネ７０をその頂点部から下方に変形させる。

また、基板５０には、図３，４に示されるように、静電気シールドとして機能するカバー６５を接地するためのシールドランド５４ａ〜５４ｈが形成されている。カバー６５の周囲に形成されたピン６７ａ〜６７ｈが、シールドランド５４ａ〜５４ｈに半田または導通接着剤等によって接続される。これにより、シールドランド５４ａ〜５４ｈに静電気を逃がすことができる。また、カバー６５を基板５０に固定できる。

５４ａ〜５４ｈ，５８ａ〜５８ｈ，５６，５７等の基板５０に形成された一部又は全部のランドパターンは、接続部５５に接続される外部装置に電気的に接続される。

また、基板５０には、下ハードストップ部３０を固定するための貫通穴８３ａ〜８３ｄが形成されている。下ハードストップ部３０は、方向キー１０の下方に配置された係止部である。下ハードストップ部３０は、方向キー１０が操作面１３の外縁部１８の直下で下ハードストップ部３０の当接面３２（３２ａ〜３２ｄ）に当接してから、当接面３２の位置よりも方向キー１０が下方に変位しないように規制するものである。言い換えれば、方向キー１０は、当接面３２に当接するまで下方に変位可能である。

また、下ヨーク８０は、基板５０と、コイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａと上ヨーク７５とを格納可能なケース６０を固定する位置決め部が形成されている。下ヨーク８０に位置決め部を形成することにより、ケース６０を固定するための別の位置決め部品が不要となる。図２，３，５には、下ヨーク８０に形成されたケース６０を固定する位置決め部として、ケース６０を溶着により固定するための貫通穴８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ、及び下ヨーク８０の下面側にこれらの各貫通穴周囲に形成された凹部８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，８４ｄが例示されている。ケース６０の下面に形成された突起部が、基板５０の四隅に形成された貫通穴５２ａ〜５２ｄ及び下ヨーク８０の四隅に形成された貫通穴８２ａ〜８２ｄに挿入されて、その突起部の先端が凹部８４ａ〜８４ｄに溶着される。

また、下ヨーク８０に、操作入力装置１を固定する位置決め部が形成されていると、操作入力装置１を固定するための別の位置決め部品が不要となる。図１１には、この位置決め部材として、下ヨーク８０の側面から延びたブラケット８５が例示されている。下ヨーク８０は、ガラスエポキシなどの基板材料よりも強度が高いため、破断、割れ、欠けなどが発生しにくい。そのため、このような高強度の下ヨーク８０を操作入力装置１の取り付け用ブラケットとして用いることができる。また、下ヨーク８０を操作入力装置１の外部フレームとして用いることで、製品全体の強度が向上する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。

例えば、方向キー１０を弾性的に支持する支持部材は、リターンバネ４０のような弾性部材に限らず、ゴム部材でもよいし、スポンジ部材でもよいし、空気や油が充填されたシリンダーでもよい。

また、本発明の操作入力装置は、手指に限らず、手のひらで操作するものあってもよい。また、足指や足の裏で操作するものであってもよい。また、操作者が触れる面は、平面でも、凹面でも、凸面でもよい。

１ 操作入力装置
２ コイル
２ａ コイル２の中空部
３ 基板
３ａ 開口部
４ 下ヨーク
４ａ 段差部
５ａ，５ｂ 支持部材
６ 上ヨーク
１０ 方向キー
２０ センターキー
５０ 基板
５１ａ〜５１ｄ 開口部
５４ａ〜５４ｈ シールドランド
５５ 接続部
５６ 中央電極
５７ 周囲電極
５８ａ〜５８ｈ ランドパターン
６０ ケース
６５ カバー
６７ａ〜６７ｈ ピン
７０ クリックバネ
７１，７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａ コイル
８０ 下ヨーク
８１，８１ａ〜８１ｄ 半抜き部
８２ａ〜８２ｄ，８３ａ〜８３ｄ 貫通穴
８４ａ〜８４ｄ 凹部
８５ ブラケット

Claims (7)

1. 第１のヨークと、
   前記第１のヨークの上に固定された基板と、
   前記基板の上に固定されたコイルと、
   前記コイルの上方で操作入力の作用により下方に変位することによって、前記コイルのインダクタンスを変化させる第２のヨークとを備え、
   前記第２のヨークの変位量に応じた信号を出力する操作入力装置であって、
   前記基板は、前記コイルの中空部に通ずる開口部を有し、
   前記第１のヨークは、前記開口部に挿入された段差部を有する、ことを特徴とする、操作入力装置。
2. 前記段差部は、前記第１のヨークを半抜き加工して形成された半抜き部である、請求項１に記載の操作入力装置。
3. 前記コイルは、前記段差部によって位置決めされる、請求項１又は２に記載の操作入力装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の操作入力装置であって、
   前記基板は、該操作入力装置の外側に突出する接続部を有し、
   前記接続部は、前記第２のヨークの変位量に応じた信号が通る配線を有する、操作入力装置。
5. 前記接続部は、可撓性を有する、請求項４に記載の操作入力装置。
6. 前記第１のヨークは、前記基板と前記コイルと前記第２のヨークとを格納可能なケースを固定する位置決め部が形成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の操作入力装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の操作入力装置であって、
   前記第１のヨークは、該操作入力装置を固定する位置決め部が形成された、操作入力装置。

Images