JP2012230086A - 操作入力装置及び操作入力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能を単純な構成で実現できる、操作入力装置の提供。
【解決手段】コイル１１と、操作入力の作用によりコイル１１の軸方向に変位する操作部１２と、操作部１２の変位により、コイル１１との位置関係が変化するコア１３と、コイル１１の外側に配置されたヨーク１４と、コア１３とヨーク１４に流れる磁束を発生させるマグネット１５とを有し、コイル１１は、操作部１２の変位量に応じた信号を出力し、操作部１２は、コイル１１に流れる電流とマグネット１５の磁束によって可動する、ことを特徴とする、操作入力装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作入力が作用する操作部を備える操作入力装置及び操作入力検出装置に関し、より詳細には、操作部に振動を与えることが可能なものに関する。

従来、抵抗膜方式のタッチパネルを用いて使用者の指の押圧時の入力位置及び押圧力を検知するとともに、タッチパネルに振動を与える入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この入力装置では、電圧測定回路によって入力位置及び押圧力を検知する一方で、振動モータなどによって使用者に対して振動を与えている。

特開２００５−２７５６３２号公報

しかしながら、上述の従来技術では、操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能を別々の独立した構成で実現しているため、入力装置が大型化しやすい。また、振動を与える機能を実現するための構成も複雑である。

そこで、本発明は、操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能を単純な構成で実現できる、操作入力装置及び操作入力検出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、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位する操作部と、
前記操作部の変位により、前記コイルとの位置関係が変化するコアと、
前記コイルの外側に配置されたヨークと、
前記コアと前記ヨークに流れる磁束を発生させるマグネットとを備え、
前記コイルは、前記操作部の変位量に応じた信号を出力し、
前記操作部は、前記コイルに流れる電流と前記マグネットの磁束によって可動する、ことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位する操作部と、
前記操作部の変位により、前記コイルとの位置関係が変化するコア及びヨークと、
前記コアと前記ヨークとの間に配置されたマグネットとを有し、
前記コイルは、前記操作部の変位量に応じた信号を出力し、
前記操作部は、前記コイルに流れる電流と前記マグネットの磁束によって可動する、ことを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力検出装置は、
本発明に係る操作入力装置と、
前記コイルのインダクタンスの変化を検出する検出手段と、
前記コイルに電流を流すことによって、前記操作部を可動させる制御手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能を単純な構成で実現できる。

本発明の第１の実施形態である操作入力装置１の斜視断面図である。 操作入力装置１の正面視断面図である。 操作入力が付与されていない初期位置状態の断面図である。 操作入力が付与されている押し込み位置状態の断面図である。 磁気回路の説明図である。 本発明の第２の実施形態である操作入力装置２の斜視断面図である。 操作入力装置２の正面視断面図である。 操作入力装置２の一部分の正面視断面図である。 フランジ部２４ｃ，２４ｄを示した斜視図である。 本発明の第３の実施形態である操作入力装置３の斜視断面図である。 操作入力装置３の正面視断面図である。 本発明の第４の実施形態である操作入力装置４の斜視断面図である。 操作入力装置４の正面視断面図である。 本発明の第５の実施形態である操作入力装置５の斜視断面図である。 操作入力装置５の正面視断面図である。 本発明の第６の実施形態である操作入力装置６の斜視断面図である。 操作入力装置６の正面視断面図である。 インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第１例のブロック図である。 図１８の各点における波形を示した図である。 インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第２例のブロック図である。 図２０の各点における波形を示した図である。 インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第３例のブロック図である。 操作入力装置を動作させたときの波形図である。

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及び操作入力検出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。操作入力検出装置は、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。

また、操作入力検出装置は、コイルの周囲に磁界を発生させる電流をそのコイルに流す。このように発生した磁界によって、操作者の刺激となる動きを、操作者の力が作用しうる操作部に生じさせるものである。

図１は、本発明の第１の実施形態である操作入力装置１の断面斜視図である。図２は、操作入力装置１の断面図である。図１，２は、操作入力が操作部１２に作用していない非操作状態を示している。操作入力装置１の構造は、図示の断面に対して略対称であるため、全体図については省略する。後述の他の操作入力装置についても同様である。

操作入力装置１は、コイル１１と、操作部１２と、コア１３と、ヨーク１４と、マグネット１５とを備えている。コイル１１は、線材（導線）が筒状に巻かれて形成されている。操作部１２は、操作入力の作用によりコイル１１の軸方向（図の場合、上下方向）に変位する部位である。コア１３は、操作部１２の変位により、コイル１１との位置関係が変化する磁性体である。ヨーク１４は、コイル１１の外側に配置された磁性体である。マグネット１５は、コア１３とヨーク１４に流れる磁束の発生源である。

操作部１２の変位によりコイル１１とコア１３との位置関係が変化すると、コイル１１周辺の透磁率が変化するため、コイル１１の自己インダクタンスが変化する。コイル１１は、そのインダクタンスの変化に応じて、操作部１２の変位量に応じた信号波形を出力する。したがって、その信号波形を検出することによって、操作部１２の変位量（操作量）を算出できる。

また、コイル１１に電流を流すと、コイル１１に流れる電流に応じて発生する磁束とマグネット１５から発生する磁束によってコア１３に力が働くため、コア１３に働く力に応じて変位する操作部１２を動かすことができる。

したがって、このような構成を有する操作入力装置１によれば、操作部１２の変位量を検出可能にするコイルに電流を流すだけで、操作部１２に一又は二往復以上の振動を与えることができるので、操作部１２に作用する操作入力を検出する機能と操作部１２に振動を与える機能を単純な構成で実現できる。

次に、操作入力装置の構成について更に詳細に説明する。

コイル１１は、円筒状に線材（導線）が巻かれて、基部に固定されたものである。コイル１１は、円筒状であるが、角筒状等の他の筒状の形状でもよい。図１，２には、コイル１１が、ボビン１８の円筒部の外側側面に巻き回されて固定されている構成が例示されている。コイル１１は、円柱状のコア１３の側面部と円筒状のヨーク１４の側面部１４ａとの間に位置する。

操作部１２は、その上側の操作面に作用する操作入力の入力量に応じて、ケース１７の開口部からケース１７の内方への変位量が連続的に変化するものである。操作部１２は、操作面に直接又は間接的に作用する操作入力により、コイル１１の軸方向延長上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増加させる変位部材である。操作部１２は、コイル１１に対して操作入力が入力されてくる側に設けられており、コイル１１の上端面に対向する下面と、操作者の力が直接又は間接的に作用する上面とを有している。

コア１３は、操作入力の作用によりコイル１１の中空部をコイル１１の軸方向に変位することによって、コイル１１のインダクタンスを変化させる変位部材である。コア１３は、コイル１１が円筒状であれば、円柱状の磁性体であることが好ましく、コイル１１が角筒状であれば、角柱状の磁性体であることが好ましい。

ヨーク１４は、コイル１１の上端面側に設けられ、操作部１２の変位によりコイル１１との位置関係が変化する。ヨークは、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。

マグネット１５は、コア１３とヨーク１４との間に配置され、コア１３の断面及びヨーク１４の断面を貫く磁束を発生させる。マグネット１５は、コア１３と外径が略等しい円柱状に形成されている。

操作入力装置１は、ヨーク１４と、ヨーク１４の変位と同一の移動を伴うマグネット１５と、軟磁性体のコア１３とによって構成された磁気回路が形成されている。マグネット１５は、この磁気回路に磁束を発生させる。図３に示されるように、その磁気回路中の空隙に発生する磁束Φがコイル１１の軸方向に対して直交するように、ヨーク１４とマグネット１５とコア１３とコイル１１が配置されている。操作入力の作用による操作部１２に変位により、コア１３がヨーク１４及びマグネット１５と共に変位する。図４に示されるように、コア１３がコイル１１に近づく方向に変位すると、コイル１１周辺の透磁率が増加することで、コイル１１の自己インダクタンスが増加する。そのインダクタンスの値を検出することにより、操作部１２の変位量を検出できる。さらに、コイル１１に印加された電流とマグネット１５の磁束とによりコア１３に働いた力によって、操作部１２を通して操作者に強制的なフィードバック力を与えることができる。この際、コイル１１に流れる電流の向きを切り替えることにより、コア１３に働く力の向きが切り替わるので、操作部１２の操作方向と同一又は逆方向の力を、操作部１２を通して操作者に与えることができる。

図５は、磁気回路の説明図である。マグネット１５は、コイル１１の内径よりも外径が小さく、操作部１２の操作方向と略同一の着磁方向Ｄ１に端面着磁されている。コア１３は、マグネット１５の下面１５ｂに配設され、コイル１１の内径よりも外径が小さい。ヨーク１４は、マグネット１５の上面１５ａに配設され、コイル１１の外径よりも内径が大きい円筒部が形成されたカップ型形状である。操作入力装置１は、操作部１２に作用する操作入力により、マグネット１５とコア１３とヨーク１４が下方へ同一の変位をする。マグネット１５とコア１３がコイル１１の内側空間をコイル１１の軸方向に移動し、円筒状のヨーク１４の側面部１４ａがコイル１１の外側空間をコイル１１の外側側面に沿って移動する。

コイル１１の一部は、操作部１２が操作されていない非操作状態（操作部１２の初期位置状態）において、図５に示されるように、コア１３とヨーク１４の側面部１４ａに重なっている（オーバーラップしている）。このようにオーバーラップして配置されていると、非操作状態からコイル１１の励振による力を発生することができる。図５の場合、コア１３の一部とヨーク１４の一部が、コイル１１の一部に重なっている。コア１３の下面１３ｂとヨーク１４の側面部１４ａの下端が、コイル１１の上端面よりも下方に位置する。

また、コア１３とヨーク１４は、非操作状態において、コイル１１の軸方向の端面よりも外側に位置する部分を有すると、操作部１２がインダクタンスを変化させられるストローク量を大きくできるので、操作部１２の操作量に対するインダクタンスの変化量を増加させ、検出感度を向上させることができる。図５の場合、コア１３の上面１３ａとヨーク１４の側面部１４ａの一部が、コイル１１の上端面よりも上方に位置している。つまり、コア１３とヨーク１４は、非操作状態において、コイル１１の軸方向の上端面よりも上方に位置する部分を有している。

ヨーク１４は、マグネット１５の上面１５ａに固定され、操作部１２は、ヨーク１４の上面１４ｂに面接触して固定されている。マグネット１５からの磁束は図２，５に示される領域Ｓ１，Ｓ２に集中するが、操作部１２がヨーク１４と同様にヨーク材（磁性体）であると、磁束が通るヨークの断面積が領域Ｓ２に示されるように大きくなるので、ヨーク１４の磁束飽和による漏れ現象を緩和できる。

操作部１２は、図２に示されるように、複数の円筒部が形成された多段カップ形状である。図２の場合、操作部１２は、内側円筒部と外側円筒部の２つの円筒部が形成されている。操作部１２の内側円筒部の側面部１２ａが操作入力装置１のケース１７の上面開口部に嵌合し、操作部１２の外側円筒部の側面部１２ｂが円筒状のケース１７の内側側面に嵌合する。外側円筒部の側面部１２ｂがケース１７の内側側面にスライド可能に嵌合することで、操作部１２をコイル１１の軸方向に安定的にガイドできる。ケース１７は、操作部１２を収容する筐体である。

リターンバネ１６は、操作部１２をコイル１１に近づく方向に変位可能に弾性的に支持する支持部材である。リターンバネ１６は、操作部１２がコイル１１から離れる方向に向かう力を操作部１２に常時付与するコイルバネであって、ケース１７の上面内側に操作部１２の外側円筒部を当接させた状態でケース１７内に取り付けられたものである。

リターンバネ１６は、ヨーク１４の側面部１４ａと操作部１２の側面部１２ｂによって構成される円筒型環状空間に配設される。リターンバネ１６は、ボビン１８の下側フランジの上面と操作部１２のバネ受け部１２ｃに初期力を伴って操作部１２をその初期位置に復帰させる。ボビン１８の下側フランジの上面には、リターンバネ１６の下端を位置決めする溝状のバネ受け部１８ａが形成されている。バネ受け部１２ｃは、操作部１２の外側円筒部の底部に相当する。

図６は、本発明の第２の実施形態である操作入力装置２の斜視断面図である。図７は、操作入力装置２の正面視断面図である。上述の実施形態と同様の構成や効果については、その説明を省略する。

操作入力装置２は、マグネット１５の下面に固定されたコア２３をカップ型としたものである。コア２３は、プレス成形加工などで作成可能であり、コイル１１に対向する側の端面に凹部２３ｃが形成されている。これにより、コスト低減と重量低減が可能である。

マグネット１５の磁束密度は、マグネット１５の中心軸からその外周端に向かうにつれて高くなる。また、図８のように凹部２３ｃを設けたとしても、コア２３の側面部とヨーク２４の側面部２４ａとの間のギャップ長は変わらない。そのため、コア２３をカップ状にしても、磁気回路の効率と操作部１２に振動を与えるフィードバック力を維持できる。また、可動部であるコア２３の重量を低減できるので、操作部２４ｂを有するヨーク２４の応答性を上げることができる。結果として、部品コスト低減と操作感（フィードバック触感）が向上する。

ヨーク２４は、プレス加工等で製作できる。ヨーク２４の側面部２４ａに１個以上の外側へ突出したフランジ部が形成されている。図９には、２つのフランジ部２４ｃ，２４ｄが示されている。図６，７に示されるように、フランジ部２４ｃ等がケース１７に設けた溝２７ａ，２７ｂ等に嵌合することにより、操作面２４ｂを有するヨーク２４がコイル１１の軸方向周りに回転することを止めることができる。すなわち、溝２７ａ等は、ヨーク２４の回転止めとして機能する。

操作入力装置２は、コイル１１の内部に配置され、コア２３よりも小径なリターンバネ２６を有する。リターンバネ２６は、コア２３の下面とボビン２８の中空部の底部上面に固定され、初期力を伴ってヨーク２４をその初期位置に復帰させる。リターンバネ２６の下端は、ボビン２８の中空部の底部上面に形成された溝状のバネ受け部２８ａで位置決めされ、リターンバネ２６の上端は、コア２３の凹部２３ｃに嵌合して位置決めされる。コア２３の凹部２３ｃを利用することで、リターンバネ２４のバネ長を長くできるため、耐久性向上やバネレート低減等のバネの諸特性を向上させることができる。

図１０は、本発明の第３の実施形態である操作入力装置３の斜視断面図である。図１１は、操作入力装置３の正面視断面図である。上述の実施形態と同様の構成や効果については、その説明を省略する。

操作入力装置３は、コイル１１の外側に設けられたヨーク３４の位置が固定されたものである。ヨーク３４は、ヨーク材である操作部３２の外径よりも内径の大きい円筒部が形成された円筒状部材である。ヨーク３４の円筒部の高さは、コイル１１の下端１１ｂから操作部３２の上端３２ａまであり、ケース３７Ａによって固定されている。ヨーク３４はケース３７とボビン２８に囲まれて固定されたまま可動しないので、操作入力により変位する可動部の重量を低減できるので、フィードバック力を付与する時の応答性を向上できる。

マグネット１５は、コイル１１の内径よりも外径が小さく、操作部３２の操作方向と略同一の着磁方向Ｄ１に端面着磁されている。コア２３は、マグネット１５の下面１５ｂに固定され、コイル１１の内径よりも小さい。操作部３２は、マグネット１５の上面１５ａに固定され、操作入力が作用する上面３２ａを有する円盤状部材である。ケース３７Ｂは、操作部３２の抜け止めである。操作入力装置２は、操作部３２に作用する操作入力により、マグネット１５とコア２３が下方へ同一の変位をする。マグネット１５とコア２３がコイル１１の内側空間をコイル１１の軸方向に移動し、操作部３２が変位しても、円筒状のヨーク３４は可動しない。

図１２は、本発明の第４の実施形態である操作入力装置４の斜視断面図である。図１３は、操作入力装置４の正面視断面図である。上述の実施形態と同様の構成や効果については、その説明を省略する。

操作入力装置４は、操作部４８の変位により、コア１３とヨーク１４とマグネット１５から構成される磁気回路部分は変位せずに、コイル１１が変位するものである。鉄を主成分とするコアやヨークやマグネットを可動部とせずに固定部とすることで、フィードバック力を付与する時の応答性を向上できる。操作部４８は、コイル１１のボビンとしても機能する。この構成は、例えば本願の他の操作入力装置にも応用できる。

図１４は、本発明の第５の実施形態である操作入力装置５の斜視断面図である。図１５は、操作入力装置５の正面視断面図である。上述の実施形態と同様の構成や効果については、その説明を省略する。

操作入力装置５は、コイル１１の内径よりも小さい外径を有する円筒部が形成された円筒状マグネット５５が、磁気回路に磁束を発生させるものである。マグネット５５の円筒部は、操作部１２の操作方向（コイル１１の軸方向）に対して略直角な着磁方向Ｄ２に端面着磁されている。コア５３は、円柱状に形成され、マグネット５５の円筒部の内側に嵌合して固定されている。操作入力装置５は、操作部１２に作用する操作入力により、マグネット５５とコア５３とヨーク１４が下方へ同一の変位をする。マグネット５５とコア５３がコイル１１の内側空間をコイル１１の軸方向に移動し、円筒状のヨーク１４の側面部１４ａがコイル１１の外側空間をコイル１１の外側側面に沿って移動する。

図１６は、本発明の第６の実施形態である操作入力装置６の斜視断面図である。図１７は、操作入力装置６の正面視断面図である。上述の実施形態と同様の構成や効果については、その説明を省略する。

操作入力装置６は、コイル１１の外径よりも大きい内径を有する円筒部が形成された円筒状マグネット６５が、磁気回路に磁束を発生させるものである。マグネット６５の円筒部は、操作部１２の操作方向（コイル１１の軸方向）に対して略直角な着磁方向Ｄ２に端面着磁されている。円筒状のマグネット６５は、カップ状のヨーク１４の側面部の内側に嵌合して固定されている。コア６３は、円柱状に形成され、ヨーク１４の下面に固定され、ボビン１８の円筒部の内側にスライド可能に嵌合している。ヨーク１４は、コイル１１の外径よりも大きく且つ円筒状マグネット６５の外径よりも大きい内径を有する円筒状部材である。操作入力装置６は、操作部１２に作用する操作入力により、マグネット６５とコア６３とヨーク１４が下方へ同一の変位をする。コア５３がコイル１１の内側空間をコイル１１の軸方向に移動し、マグネット６５の円筒部と円筒状のヨーク１４の側面部１４ａがコイル１１の外側空間をコイル１１の外側側面に沿って移動する。円筒状のマグネット６５は、数個に分割されたものでもよい。

次に、コイル１１のインダクタンスの変化を検出する検出部と、コイル１１に電流を流すことによって、操作部１２を可動させる制御部について説明する。

検出部は、コイルのインダクタンスの変化を電気的に検出することで、操作部の連続的に変化するアナログ変位量に応じた検出信号を出力する検出手段である。検出部は、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、検出部は、コイル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操作部の変位量に等価な値として出力する。また、検出部は、コイル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操作部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操作部の変位量を演算し、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、検出部は、パルス信号をコイルに供給することによって、コイル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に発生させ、その信号波形に基づいてコイル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、コイルの上端面の上方領域における操作部の下方への変位量が増加するにつれて、コイル周辺の透磁率が増加し、コイルのインダクタンスが増加する。コイル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操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その振幅の検出値からコイル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操作部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操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その傾きの検出値からコイル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操作部の変位量に等価な値として出力することもできる。

検出部は、例えば、コイルに第１のパルス信号を供給することによってコイルのインダクタンスの変化を検出する検出手段である。検出部は、コイルに第１のパルス信号に対応するパルス電流（第１のパルス電流）を供給することによってコイルの両端に発生するパルス電圧（第１のパルス電圧）に基づいて、コイルのインダクタンスの変化を検出する。コイルのインダクタンスの変化の検出結果に応じて、操作部の変位量を算出することができる。

一方、制御部は、例えば、コイルに第１のパルス信号に対して位相が異なる第２のパルス信号を供給することによって操作部を可動させる磁界を発生させる制御手段である。コイルに第２のパルス信号に対応するパルス電流（第２のパルス電流）が流れることによって生ずる磁界によって、操作部をコアと共にコイルに引き寄せたり引き離したりする力が発生する。コイルに第２のパルス信号が供給されることによって生ずる力の大きさ変動によって、操作部を振動させる。すなわち、第２のパルス信号は、一時的に振幅が変化する信号であるので、操作部に与える力の大きさに変動を与えることができる。

第１のパルス信号及び第２のパルス信号は、矩形波でもよいし、三角波でもよいし、ノコギリ波でもよい。

図１８は、インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第１例のブロック図である。制御回路は、コイルＬのインダクタンスの変化を検出する算出手段である。制御回路は、ＣＰＵ等の演算回路７０と、演算回路７０の第１の出力ポート７１に接続された駆動回路７６と、演算回路７０の第２の出力ポート７２とＡＤポート７３とに接続された受信回路７７とを備える。コイルＬは、受信回路７７及び駆動回路７６を介して、演算回路６０に接続される。

駆動回路７６は、演算回路７０の出力ポート７１からの出力信号に応じて定電流源７６ａの出力電流をコントロールすることによって、コイルＬに電流を流す。受信回路７７は、コイルＬに電流を流すことに伴い発生する電圧を、アンプ７７ａを通してピークホールド回路７７ｂに入力する（ボトムホールド回路に入力されてもよい）。ピークホールド回路７７ｂによってピークホールドされたピーク値（アナログ値）は、ＡＤポート７３に入力されて、ＡＤコンバータによって、デジタル値に変換される。

図１９は、図１８の各点における波形を示した図である。演算回路７０の出力ポート７１から矩形波の電圧波形が出力される。この電圧によって、定電流回路７６ａは、コイルに一定の電流を流す。これにより、コイルは微分波形の電圧Ｖ２を発生させる。電圧波形Ｖ２として、電圧波形Ｖ１の立ち上がりに同期した波形２−１が得られるとともに、電圧波形Ｖ１の立下りに同期した波形２−２が得られる。波形２−２は、波形２−１に対して正負が逆側の波形である。アンプ７７ａは、電圧波形Ｖ２を、ＡＤコンバータのダイナミックレンジに適した大きさに増幅する。電圧波形Ｖ２をピークホールドするか又はボトムホールドするかによって、そのホールドした値がＡＤコンバータ（ＡＤポート７３）に取り込まれる。波形２−１，２−２の振幅値は、各コイルのインダクタンスの大きさに比例して大きくなるため、この振幅値を検出することによって、各コイルのインダクタンスの大きさを評価できる。

図２０は、インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第２例のブロック図である。

駆動回路８６は、演算回路７０の出力ポート７１からの出力信号に応じてトランジスタ８６ａをコントロールすることによって、定電圧出力をコイルＬに印加する。操作検出用のコイルＬとグランドとの間には抵抗Ｒ１が接続され、コイルＬと抵抗Ｒ１によるローパスフィルタが形成されている。コイルＬと抵抗Ｒ１の間に発生する電圧Ｖ４（抵抗Ｒ１の両端電圧）を、アンプ７７ａを介してピークホールド回路７７ｂに入力する。ピークホールド回路７７ｂによってピークホールドされたピーク値（アナログ値）は、ＡＤポート７３に入力されて、ＡＤコンバータによって、デジタル値に変換される。

抵抗Ｒ１と並列に接続されているスイッチ素子８８は、操作部の変位量を検出するためのパルスを印加する時はオフである。一方、操作部に振動を与えるためのフィードバックパルスを印加する時にコイルＬを励起する際、抵抗Ｒ１でインピーダンスが高くなり、印加電流が必要分流れないことを回避する必要がある。そのため、スイッチ素子８８は、演算回路７０の出力ポート７４からの出力信号に応じて、フィードバックパルス印加時に同期してオンする。

図２１は、図２０の各点における波形を示した図である。演算回路７０の出力ポート７１から矩形波の電圧波形が出力される。この電圧によって、駆動回路８６は、コイルＬに一定の電圧を印加する。コイルＬと抵抗Ｒ１との時定数を矩形波パルスの幅以上に設定することにより、図示のような電圧波形Ｖ４が発生する。アンプ７７ａは、このような電圧波形Ｖ４を、ＡＤコンバータのダイナミックレンジに適した大きさに増幅する。電圧波形Ｖ４をピークホールドすることによって、そのホールドした値がＡＤコンバータ（ＡＤポート７３）に取り込まれる。電圧波形Ｖ３の振幅値は、コイルＬにインダクタンスの大きさに反比例して低くなるため、この振幅値を検出することによって、コイルのインダクタンスの大きさを評価できる。

図２２は、インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の第３例のブロック図である。

図２２に制御回路において、抵抗Ｒ１は、コイルＬの内部抵抗（抵抗分）に比べて、温度に対する抵抗値の変動誤差が小さいものに設定されている。このように設定された場合、フィードバック力を継続的に出力することによりコイルＬの内部抵抗の温度上昇による抵抗値の増加を、矩形波をコイルＬに印加したときの電圧波形Ｖ４を評価することにより、検知できる。

例えば、コイルＬのインダクタンスを操作部が初期位置の場合で０．６ｍＨ、最大に押し下げた場合で１．０ｍＨとする。この場合、出力ポート７１から出力される矩形波の制御パルスを２μｓｅｃの幅に設定し、抵抗Ｒ１を４７０Ωとすると、コイルＬと抵抗Ｒ１で構成されるフィルターの時定数は１．２８μｓｅｃである。駆動回路８６から出力される印加電圧Ｖ５を３Ｖとし、コイルＬの内部抵抗を１５Ωに設定すると、操作部の初期位置での電圧波形Ｖ３は約２．３３Ｖになり、操作部の最大変位時の電圧波形Ｖ３は約１．７７Ｖになる。このように、操作部の変位量に応じて電圧波形Ｖ３が変化することから、電圧波形Ｖ３を検出することで、操作部の押し込み量を検出できる。

ここで、制御パルスの幅をコイルＬと抵抗Ｒ１による時定数よりも十分大きい幅にし（又は、制御パルスを直流信号にし）、コイルＬに電圧を印加すると、コイルＬの内部抵抗と抵抗Ｒ１の分圧比に基づいて、電圧波形Ｖ３は、２．９１Ｖ（＝３Ｖ×４７０Ω／（４７０＋１５）Ω）になる。この２．９１Ｖを、常温２３度のときの電圧Ｖ３の電圧値とする。

コイルに使用される巻線は一般的に０．４％／℃の温度特性を有している一方、抵抗素子は温度特性を大きく持つものから小さく持つものまで存在し、少ないものでは０．０１％／℃程度のものも容易に入手可能である。

そこで、内部抵抗の抵抗値の温度特性が０．４％／℃である素子をコイルＬとして使用し、抵抗値の温度特性が０．０１％／℃である素子を抵抗Ｒ１として使用すると、コイルＬの内部温度の加熱上限値１００℃のときの電圧Ｖ３の電圧値は、常温時の２．９１Ｖに対して２．８８Ｖまで低下する。この温度変化による電圧差３０ｍＶを制御回路後段のＡＤコンバータで検出した場合、コイルＬへのパルス信号の出力方法を変更又は停止する。これにより、コイルＬの内部温度が許容範囲を超える前に、コイルＬの破損等を未然に防ぐことができる。

また、インダクタンスの変化を検出するための抵抗Ｒ１とは別に、コイルＬの内部抵抗を測定するための抵抗Ｒ２を、スイッチ素子８８とグランドとの間に設けることにより、コイルＬの内部抵抗の温度変化を検出する感度を上げてもよい。スイッチ素子８８は、フィードバックパルス印加時にインピーダンスを下げて、コイルＬに流れる電流値を上げるための素子である。例えば、抵抗値が２Ωであり、その抵抗値の温度特性が０．０１％／℃である素子を抵抗Ｒ２として使用し、内部抵抗の抵抗値が１５Ωであり、その抵抗値の温度特性が０．４％／℃である素子をコイルＬとすると、常温２５℃のときの電圧Ｖ３と高温１００℃のときの電圧Ｖ３との電圧差は、抵抗Ｒ２を設けていない場合の電圧差３０ｍＶに対して、７４ｍＶに増大させることができるため、その電圧差の検知誤差を抑えることができる。

図２３は、操作入力装置を動作させたときの波形図である。

操作入力装置の動作制御方法は、コイルＬに第１のパルス信号を供給することによってコイルＬのインダクタンスの変化を検出するインダクタンス検出ステップを有する。イン演算回路７０は、そのインダクタンス検出ステップで、（ｂ）に示されるように、出力ポート７１から、矩形波の電圧波形Ｖ１として、コイルＬに供給される第１のパルス信号に対応するパルス波形ｐ（ｐ１〜ｐ９）を出力する。パルス波形ｐが出力ポート７１から間欠的にコイルＬに出力されることによって、第１のパルス信号がコイルＬに間欠的に供給される。また、インダクタンス検出ステップが一定の周期で繰り返されることによって、電圧波形Ｖ１の各パルス波形ｐ１〜ｐ９が一定の周期で出力される。パルス波形ｐは、コイルＬのインダクタンスの変化を検出するための駆動電圧である。

駆動電圧Ｖ１によって、（ａ）に示される操作部の押し下げ量Ｗに応じて、（ｃ）に示されるように、インダクタンスの増加に伴う検出電圧Ｖ３が発生する。押し下げ量Ｗが（ａ）に示されるように変化した場合、検出電圧Ｖ３の振幅も押し下げ量Ｗに比例して増加する。押し下げ量Ｗの増加に伴って検出電圧Ｖ３のパルス波形ｓ３，ｓ４，ｓ５の振幅が増加し、押し下げ量Ｗの減少に伴って検出電圧Ｖ３のパルス波形ｓ６，ｓ７の振幅が減少する。押し下げ量Ｗに変化が無い場合、検出電圧Ｖ３のパルス波形の振幅は同一である（ｓ１，ｓ２，ｓ８，ｓ９）。

また、操作入力装置の動作制御方法は、インダクタンス検出ステップで供給される第１のパルス信号に対して位相が異なる第２のパルス信号を、コイルＬに供給することによって、操作部をコアやヨークによって可動させる磁界Ｈを生成する磁界生成ステップを有する。演算回路７０は、その磁界生成ステップで、（ｂ）に示されるように、出力ポート７１から、矩形波の電圧波形Ｖ１として、コイルＬに供給される第２のパルス信号に対応するパルス波形ｑ（ｑ１〜ｑ５）を出力する。パルス波形ｑが出力ポート７１からコイルＬに出力されることによって、第２のパルス信号がコイルＬに供給される。パルス波形ｑが出力されることに伴って、（ｅ）に示されるように、操作部をコイルＬ側に吸引する力Ｆが発生する。

図２３は、インダクタンスの変化の検出結果である検出電圧Ｖ３の振幅に応じて、パルス波形ｑ１〜ｑ５を出力する制御方法を示している。すなわち、振幅が所定の閾値未満の検出電圧Ｖ３の場合、パルス波形ｑは出力されず、振幅が所定の閾値以上の検出電圧Ｖ３が発生した場合、該検出電圧Ｖ３の振幅に対応するパルス波形ｑが出力される。つまり、押し下げ量Ｗに応じて操作部の変位を発生させるパルス波形ｑが、検出電圧Ｖ３の振幅に比例した振幅で発生する。そして、パルス波形ｑの振幅に応じた大きさの吸引力Ｆが発生する。

インダクタンスの変化を検出するためのパルス波形ｐの振幅電圧、パルス幅及び出力周期は、インダクタンスの変化を検出電圧Ｖ３によって検出できる程度の大きさであればよく、操作者が感知できる操作部の変位を引き起こすことが可能な磁界Ｈを発生させない程度の大きさであればよい。これにより、インダクタンスの変化を検出するタイミングのたびに、操作者に操作部の変位を感じさせてしまうことを防止することができる。これに対し、パルス波形ｑに伴い発生する操作部の変位は操作者に確実に感知できるようにするため、パルス波形ｑの振幅電圧、パルス幅及び周期は、操作者が感知できる操作部の変位を引き起こすことが可能な磁界Ｈを発生させる程度の大きさであればよい。例えば、パルス波形ｑの振幅電圧とパルス幅の少なくともいずれか一方は、パルス波形ｐに比べて、大きくする。

このとき、何ら手当てをしていない場合、操作部に変位を与えるためのパルス波形ｑが出力されることによって生成された検出電圧Ｖ３を、インダクタンスの変化を表す信号として、演算回路７０が誤検出することを防ぐため、例えば、（ｄ）に示されるように、パルス波形ｑが少なくとも発生している期間では、受信回路７７を動作させないようにするためのリセット信号ＶＲを発生させてもよい。これにより、パルス波形ｑが出力されている期間では、（ｃ）に示されるように、検出電圧Ｖ３が生成されないようにすることができる。また、パルス波形ｑは演算回路７０が自ら出力するものであるため、パルス波形ｑに伴い発生する検出電圧Ｖ３を、インダクタンスの変化を表す信号として、演算回路７０が評価しない（無視する）ようにしてもよい。

また、（ｂ）は、押し下げ量Ｗの大きさに応じた振幅のパルス波形ｑが出力される制御方法を示しているが、（ｆ）に示されるように、押し下げ量Ｗの大きさに応じたパルス幅のパルス波形ｑを出力して操作部を変位させる制御方法でもよい。押し下げ量Ｗが大きくなるほど、パルス波形ｑのパルス幅を広くする。

また、（ｇ）に示されるように、押し下げ量Ｗの大きさに応じた個数のパルス波形ｑを出力して操作部を変位させる制御方法でもよい。押し下げ量Ｗが大きくなるほど、パルス波形ｑの個数を増大させる。

また、（ｈ）に示されるように、本操作入力装置を使用するアプリケーション（例えば、操作者によって使用される電子機器、より具体的には、ゲーム機器や携帯電話など）によっては、パルス波形ｑはパルス波形ｐと必ずしも同期している必要はないため、複数のパルス波形ｐをまたいで、パルス波形ｑを発生させる時間間隔（パルス波形ｑの出力間隔）を変更してもよい。インダクタンスの変化を検出するためのパルス波形ｐは、インダクタンス変化の検出の時間的分解能（追従速度）に相当するため、短い時間間隔で出力されることが望ましい。一方、操作部に変位を付与するためのパルス波形ｑは、操作者に操作部の変位が生じたことを感じさせることが必要であるため、パルス波形ｐに比べて出力間隔を長くする。例えば、（ｈ）に示されるように、パルス波形ｐに重複しないように、パルス波形ｐが出力されていない任意の期間に、パルス波形ｑが出力されればよい。

また、パルス波形ｐの出力間隔が狭くなり、パルス波形ｑの出力タイミングを確保することができない場合には、パルス波形ｑをパルス波形ｐよりも優先させて、パルス波形ｑの出力期間ではパルス波形ｐの出力を停止させてもよい。

また、図２３の場合、押し下げ量Ｗに応じた操作部の変位を発生させているが、パルス波形ｑの供給態様を変化させることによって、コイルに流れる電流の流れ方が変化するので、操作者に与える振動の態様を変化させることができる。例えば、第２のパルス信号の供給態様を変化させることによりコイルに流す電流の流れ方を変化させることによって、操作者に与える振動の強さ、振動周波数、振動の回数を変化させることができる。また、操作部の変位の発生タイミングを、押し下げ量Ｗに応じて変化させることに限らず、操作部の押し下げ速度、操作部の操作によって動く対象物（例えば、ディスプレイ上のカーソル、ポインターなど）の移動位置、操作入力装置が使用されるアプリケーション上でのイベント発生に応じて、変化させてもよい。例えば、操作部の押し下げ量Ｗが所定の値に到達した時に、第２のパルス信号をコイルに供給することによって操作部を変位させる磁界を発生させる。このように操作部に発生させた変位によって、操作者にクリック感を感じさせることができる。

このように、上述の本発明の実施形態の場合、インダクタンスを検出するコイルに印加電圧をフィードバック用に加えるだけで振動を発生できる。例えば、インダクタンスを検出するための検出回路部の駆動回路から出力させる波形の周波数、電圧、間隔などを変化させるだけで、操作部の検出機能と振動の発生機能を実現できる。このように、極めて構成が単純であり、追加するアクチュエータも必要ない。

いわゆる、振動モータのような操作入力装置を含む製品全体（例えば、コントローラー）を振動させるような方法は、製品全体を振動させる強さと時間でしか変化がつけられない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部に力の変化を直接出力できる。そのため、例えば複数個の操作入力装置を搭載すれば、その操作部ごとにフィードバックを出力できる（振動させることができる）。また、コントローラーのような製品を持っている手に対してフィードバック振動が伝わることを抑制できるため、直接的な触感を与えることができる。

また、振動モータは振動の振幅を上げるために回転数を上げる必要があり、回転が上がるまでの時間がかかるため応答性が低く、振動周波数と振幅を個別に制御できない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部という重量の比較的軽い部位にのみ力を出力するため、出力されるパルスを変更することにより、１パルスでクリック感のような触感を出力することも、パルスを繰り返して振動のような触感を出力することもできる。また、振幅、周波数、パルス幅などを自在に変更できるため、必要に応じて触感を変化させることができる。

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。上述の実施例それぞれの各部の構成を組み合わせてもよい。

例えば、操作部を弾性的に支持する支持部材は、リターンバネ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。

１〜６ 操作入力装置
１１ コイル
１１ａ 上端
１１ｂ 下端
１２ 操作部（ヨーク）
１２ａ，１２ｂ 側面部
１２ｃ バネ受け部
１３ コア
１３ａ 上面
１３ｂ 下面
１４ ヨーク
１４ａ 側面部
１４ｂ 上面
１５ マグネット
１５ａ 上面
１５ｂ 下面
１６ リターンバネ
１７ ケース
１７ａ 溝
１８ ボビン
１８ａ バネ受け部
２３ コア
２３ｂ 下面
２３ｃ 凹部
２３ｄ バネ受け面
２４ ヨーク
２４ａ 側面部
２４ｂ 操作面（操作部）
２４ｃ，２４ｄ フランジ部
２６ リターンバネ
２７ ケース
２７ａ，２７ｂ 溝
２８ ボビン
２８ａ バネ受け部
３２ ヨーク（操作部）
３２ａ 上端
３４ ヨーク
３７Ａ，３７Ｂ ケース
４２ ヨーク
４７ ケース
４８ ボビン（操作部）
５３ コア
５５ マグネット
６３ コア
６５ マグネット
７０ 演算回路
７６ 駆動回路
７７ 受信回路
Ｄ１，Ｄ２ 着磁方向
Φ 磁束
Ｓ１，Ｓ２ 領域

Claims (26)

1. コイルと、
   操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位する操作部と、
   前記操作部の変位により、前記コイルとの位置関係が変化するコアと、
   前記コイルの外側に配置されたヨークと、
   前記コアと前記ヨークに流れる磁束を発生させるマグネットとを備え、
   前記コイルは、前記操作部の変位量に応じた信号を出力し、
   前記操作部は、前記コイルに流れる電流と前記マグネットの磁束によって可動する、操作入力装置。
2. 前記コイルが、前記コアと前記ヨークの間に位置する、請求項１に記載の操作入力装置。
3. 前記コイルと前記コアと前記ヨークは、前記コアと前記ヨークの間のギャップに発生する磁束が前記軸方向に対して直交するように配置される、請求項２に記載の操作入力装置。
4. 前記コイルが、前記操作部が操作されていない非操作状態において、前記コアと前記ヨークに重なっている、請求項１から３のいずれか一項に記載の操作入力装置。
5. 前記コアと前記ヨークは、前記操作部が操作されていない非操作状態において、前記軸方向における前記コイルの端面よりも外側に位置する部分を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の操作入力装置。
6. 前記ヨークは、前記操作部の変位により、前記コイルとの位置関係が変化する、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. 前記ヨークは、前記コイルの外径よりも大きい内径を有する円筒部が形成された、請求項１から６のいずれか一項に記載の操作入力装置。
8. 前記コアは、前記コイルに対向する側の端面に凹部を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
9. 前記ヨークに形成されたフランジが、前記ヨークを収容する筐体に形成された溝に嵌合する、請求項１から８のいずれか一項に記載の操作入力装置。
10. 前記操作部が操作されていない非操作状態の位置に前記操作部を復帰させる付勢部材を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の操作入力装置。
11. 前記付勢部材は、前記コイルの内部に配置された、請求項１０に記載の操作入力装置。
12. 前記付勢部材は、前記コアの前記コイルに対向する側の端面の凹部に嵌合する、請求項１１に記載の操作入力装置。
13. 前記操作部が、ヨーク材である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の操作入力装置。
14. 前記操作部と前記ヨークが面接触している、請求項１３に記載の操作入力装置。
15. 前記操作部が、前記操作部を収容する筐体の内面に嵌合する筒部を有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の操作入力装置。
16. 前記操作部が操作されていない非操作状態の位置に前記操作部を復帰させる付勢部材が、前記操作部の前記筒部に嵌合する、請求項１５に記載の操作入力装置。
17. 前記ヨークの位置が、固定された、請求項１から６のいずれか一項に記載の操作入力装置。
18. 前記マグネットは、前記コイルの内径よりも小さい外径を有する円筒部が形成された、請求項１から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
19. 前記コアは、前記マグネットの前記円筒部に嵌合する、請求項１８に記載の操作入力装置。
20. 前記マグネットは、前記コイルの外径よりも大きい内径を有する円筒部が形成された、請求項１から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
21. 前記ヨークは、前記コイルの外径よりも大きく且つ前記マグネットの前記円筒部の外径よりも大きい内径を有する円筒部が形成された、請求項２０に記載の操作入力装置。
22. 前記操作部の変位により、前記コイルが変位する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の操作入力装置。
23. 前記コアの位置が、固定された、請求項２２に記載の操作入力装置。
24. 前記マグネットの位置が、固定された、請求項２３に記載の操作入力装置。
25. コイルと、
    操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位する操作部と、
    前記操作部の変位により、前記コイルとの位置関係が変化するコア及びヨークと、
    前記コアと前記ヨークとの間に配置されたマグネットとを有し、
    前記コイルは、前記操作部の変位量に応じた信号を出力し、
    前記操作部は、前記コイルに流れる電流と前記マグネットの磁束によって可動する、操作入力装置。
26. 請求項１から２５のいずれか一項に記載の操作入力装置と、
    前記コイルのインダクタンスの変化を検出する検出手段と、
    前記コイルに電流を流すことによって、前記操作部を可動させる制御手段とを備える、操作入力検出装置。

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