JP2013008286A - 操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作部材の操作変位を圧力センサの作動ストロークより大きくすることができ、操作者が操作感を認識できる操作装置を提供する。
【解決手段】操作装置１には、３個以上の圧力センサ４〜６が設けられ、これら圧力センサ４〜６の上部に、これら圧力センサ４〜６の全部にわたるように平板状の押圧板１３が配置されている。操作ノブ１４は、周辺部において下方向への操作力が作用するように操作される被操作部１５を有し、この被操作部１５の下部にほぼ球面状をなす湾曲面部１７を有し、押圧板１３上面に湾曲面部１７のほぼ中心部が当接するように配置されている。前記操作ノブ１４に対する操作者の操作に基づく前記圧力センサ４〜６の検出信号に基づいて操作ノブ１４に対する操作位置を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサを利用して操作位置の検出を行う操作装置に関する。

例えば、自動車に設けられるステアリングスイッチやナビ用の遠隔操作装置等に用いられる操作装置として、操作用部材の押圧操作位置（操作用部材の中心に対する円周の位置あるいは方向）を、圧力センサを用いて検出するようにした信号入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このものでは、正方形板状の操作用部材を、前後左右の４方向（対角線方向）に傾動操作可能に設け、その操作用部材の裏面側に、前後左右（４つの頂角の近傍）に位置して４個の圧力センサを設け、それら圧力センサから出力される圧力検出信号をもって、移動量を含む方向性信号を入力できるようにしている。

また、同様に圧力センサを用いた操作装置として、矩形の面板上の裏面側に、３つの支点に生ずる分力を検出する３個の力検出器を設け、それらの検出（荷重バランス）に基づいて押圧力を印加した点の座標を求めるようにした荷重検知型座標入力装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１０４９１３号公報 特開昭５６−２９７７７号公報

ところで、上記のような複数の圧力センサを用いて操作ノブの操作位置を検出するようにした操作装置において、操作ノブ及び圧力センサ部分を概略的に示すと、図２３のようになる。この図２３において、操作者（ユーザー）が操作ノブ６１の周辺部位Ｐを押し操作すると、例えば３個の圧力センサ６２が検出する荷重（圧力）の分布が変化し、その分布パターンをもって、操作者の操作位置（操作ノブ６１の中心からの操作方向）を検出し、操作位置検出信号を出力する。

ところがこの場合、圧力センサ６２自体の変位量が極めて僅かであることから、操作ノブ６１が下方向（操作者の押圧方向）へほとんど変位せず、操作者が操作感（操作方向）を認識できないという問題があった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力センサを用いた操作装置において、操作部材の操作ストロークを圧力センサの作動ストロークより大きくすることができ、操作者が操作感を認識できる操作装置を提供することにある。

本発明の操作装置は、ケースと、このケースに対して軸方向に押圧操作可能に支持された操作部材と、前記ケース内に前記操作部材の外周部に対応して円周方向に並んで複数個が設けられた圧力センサと、これら圧力センサの全部と前記操作部材との間に配置され、前記操作部材の押圧操作により前記圧力センサを押圧可能な平板状の押圧板とを備え、
前記操作部材を、周辺部において前記軸方向への操作力が作用するように押圧操作される被操作部を有すると共に、この被操作部における前記押圧板側の部分にほぼ球面状をなす湾曲面部を有する構成とし、且つ、当該湾曲面部のほぼ中心部が前記押圧板に当接するように配置し、前記操作部材に対する操作者の操作に基づく前記圧力センサの検出信号に基づいて前記操作部材に対する操作位置を検出するようにしてなる。

本発明の操作装置によれば、操作部材の湾曲面部と押圧板とはほぼ点接触で当接しており、その点接触部分の周囲部分である球面状の湾曲面部と平板状の押圧板との間には、操作部材の傾きを許容する空間部が存在する。そして、操作者が、操作部材における被操作部における周辺部の任意の部分を下方向へ操作すると、操作部材が、前記操作された部分が下方へ移動するように傾斜する。つまり、操作部材が操作により傾動変位する。すなわち、圧力センサの作動ストロークより大きくなる。この操作部材の傾動により、押圧板に対する湾曲面部の接触点が前記操作された任意の部分方向へ移動する。これにより、押圧板に対する操作力の作用箇所が変更され、前記圧力センサに対する荷重バランスが変化し、夫々の検知圧力の分布パターンにより操作部材の傾斜方向すなわち操作部材に対する操作位置（操作方向）を特定することが可能となる。このように、操作部材が操作位置に応じた方向へ傾動するから、その操作位置で操作ストロークが発生し、操作者にとって操作した位置で操作変位を認識でき、操作感を認識できる。

第１実施形態による操作装置の縦断側面図 作用説明のための操作装置の縦断側面図 操作装置の平面図 圧力センサの内部構造の斜視図 電気的構成を概略的に示す図 第２実施形態による図１相当図 図６の切断線Ｘ７−Ｘ７による断面図 ガイド部部分の縦断正面図 図７の切断線Ｘ９−Ｘ９による断面図 第３実施形態による図９相当図 第４実施形態による図８相当図 第５実施形態による図８相当図 第６実施形態による図１相当図 図７相当図 第７実施形態による図１相当図 第８実施形態による図７相当図 第９実施形態による図１相当図 図８相当図 操作ストロークと節度感の関係を示す図 第１０実施形態による図８相当図 図１９相当図 第１１実施形態による湾曲面部部分の縦断面図 従来構成を示す操作装置の縦断面図 参考例を示す図１相当図

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。本実施形態では、操作装置１は、例えば、自動車のステアリングホイール部分に組込まれ、カーナビゲーション装置やカーオーディオ装置、車載電話機等の車載機器の操作用として設けられている。以下、本実施形態に係る操作装置１の構成について述べる。尚、図面においては、便宜上、操作装置１を、操作ノブの表面側を上方に向けた状態で示しており、以下の説明で、上下や前後左右といった方向をいう場合には、図１等の状態を基準とし、操作ノブの押圧操作方向（軸方向）を上下方向として説明する。

操作装置１は、図１に示すように、合成樹脂製の矩形箱状のケース２を備え、そのケース２の上面部にカバー３を有している。カバー３には、円形の開口部３ａが形成されている。
このケース２の内部底部には、基板７が配置さえており、この基板７には任意の中心部である仮想中心点Ｃｐを中心とした円周方向に複数個例えば３個の圧力センサ４、５、６を取り付けている（実装している）。この場合、これら圧力センサ４〜６は円周方向にほぼ均等配置（前記仮想中心点Ｃｐを中心としたほぼ点対称配置）としている。これら圧力センサ４、５、６はいずれも同じ構成であるので、圧力センサ４を代表して図３を参照して述べる。

圧力センサ４は、図４にその一部を示すように、半導体圧力センサチップ１０と、その上面に配置されたスチールボール１１と、それらを収容するパッケージ１２（図１参照）とを備えて構成される。前記半導体圧力センサチップ１０は、例えば単結晶シリコン基板の中央部裏面側をエッチングして薄肉なダイヤフラム部１０ａを形成すると共に、そのダイヤフラム部１０ａの表面部に検知回路等を形成して構成されている。周知のように、前記検知回路は、４個のピエゾ抵抗素子１０ｂをブリッジ接続して構成され、２個の入力端子間に一定の直流電圧が印加される。そして、ダイヤフラム部１０ａに作用する圧力によって該ダイヤフラム１０ａが歪み変形し、ピエゾ抵抗素子１０ｂの抵抗値が変化することに応じて、２個の出力端子間の電圧が変動するように構成されている。

前記スチールボール１１は、ダイヤフラム部１０ａ上に載置された状態とされ、このとき、スチールボール１１の上端の一部が、パッケージ１２の上面の円形孔から上方に露出（突出）している。これにて、圧力センサ９は、スチールボール１１に上方から荷重（圧力）が作用すると、その荷重に応じた（比例した）電圧値の検出信号を出力するようになっている。

なお、上述の圧力センサ４、５、６は、一般的に、スチールボール１１に荷重が作用しても、さほど大きくは変位しない。
前記圧力センサ４、５、６の上方部には、これら圧力センサ４、５、６全体にわたるように平板状の押圧板１３が配置されている。この押圧板１３は次に述べる操作ノブ１４により押圧可能である。

さらに、この押圧板１３の上方部には操作部材としての操作ノブ１４が配置されている。この操作ノブ１４は、上部に被操作部１５を有すると共に、中間部にばね受け用のフランジ部１６を有し、さらに下部に湾曲面部１７を有する構成である。上記被操作部１５は、平面形状が円形をなすと共に上面が円弧面をなしている。この被操作部１５は前記カバー３の開口部３ａから外方に露出している。又前記フランジ部１６は円板状をなしており、前記カバー３の裏面側まで延びている。そして、このフランジ部１６と前記カバー３裏面との間には、夫々圧縮コイルばねからなる複数この場合３個の予圧ばね１８がほぼ円周均等配置形態に設けられている。

又、前記湾曲面部１７はほぼ球面状をなしており、操作ノブ１４は、この湾曲面部１７のほぼ中心部が前記押圧板１３上面（湾曲面部１７との当接面）に接触（当接）する形態でケース２内部に配設されている。この接触点を初期接触点１３ｐという。この初期接触点１３ｐと前記圧力センサ４〜６の仮想中心点Ｃｐは、上方からみて同じ点であると良いが、ずれていても良い。

前記予圧ばね１８は、操作ノブ１４を下方に押し、さらにこの操作ノブ１４が押圧板１３を下方に押し、これにより、前記圧力センサ４、５、６に予め圧力をかけている（予圧している）。従って、圧力センサ４、５、６は初期荷重を受けている。又、この予圧ばね１８は操作ノブ１４がケース２内でがたつくのを防止している。
なお、前記ケース２内面下部には、前記操作ノブ１４のフランジ部１６が当接するストッパ部２ａが形成されている。このストッパ部２ａにより操作ノブ１４の過度な傾動を阻止している。

図１には操作装置１の組み立て状態を示しており、この図１から判るように、操作部材としての操作ノブ１４はケース２に対して軸方向（上下方向）に押圧操作可能に支持されており、前記圧力センサ４〜６は、このケース２内に前記操作ノブ１４の外周部に対応して円周方向に並んで設けられている。さらに、平板状の押圧板１３が、これら圧力センサ４〜６の全部と前記操作ノブ１４との間に配置され、前記操作ノブ１４の押圧操作により前記圧力センサ４〜６を押圧可能な構成である。

さらに前記操作ノブ１４を、周辺部において前記軸方向への操作力が作用するように押圧操作される被操作部１５を有すると共に、この被操作部１５における前記押圧板１３側の部分にほぼ球面状をなす湾曲面部１７を有する構成とし、且つ、当該湾曲面部１７のほぼ中心部が前記押圧板１３に当接するように配置している。

ここで、図５に示すように、上記操作装置１の３個の圧力センサ４、５、６の検出信号は、Ａ／Ｄ変換回路１９を介して、車載機器の制御用のコンピュータ（ＣＰＵ）２０に入力される。
前記コンピュータ２０は、各圧力センサ４、５、６のからの入力信号に基き、そられ３個の圧力センサ４、５、６に作用した荷重バランスから、操作ノブ１４の押圧操作位置（円周上の位置及び操作方向を含む）を検出（算出）する。コンピュータ２０は、操作ノブ１４の押圧操作位置の検出に基づいて、車載機器（例えば、カーナビゲーション装置の表示装置の表示画面）を制御するようになっている。

さて、操作者が操作する前の状態を示す図１において、操作ノブ１４の湾曲面部１７は、そのほぼ中心部が、押圧板１３における初期接触点１３ｐでほぼ点接触で当接しており、その点接触部分の周囲部分である球面状の湾曲面部１７と平板状の押圧板１３との間には、操作ノブ１４の傾きを許容する空間部が存在する。

そして、操作者が、操作ノブ１４における被操作部１５における周辺部の任意の部分（例えば図１のＦ部分）を下方向へ押し操作する（操作力を作用させる）と、操作ノブ１４が、前記操作されたＦ部分が下方へ移動するように傾斜する（図４参照）。つまり、操作ノブ１４が当該操作により傾動変位し、操作ストロークが発生する。この場合の操作ストロークは図２に示すように操作ストロークＳとなる。この操作ノブ１４の傾動により、押圧板１３に対する湾曲面部１７の接触点が初期接触点１３ｐから前記Ｆ部分方向へ移動する。

これにより、押圧板１３に対する操作力の作用箇所が変更され（その変更後の位置を符号１３ｐ´で示す）、圧力センサ４、５、６に対する荷重バランスが変化し、夫々の検知圧力の分布パターンにより操作ノブ１４の傾斜方向すなわち操作ノブ１４に対する操作位置（操作方向）を特定することが可能となる。

このように、本実施形態によれば、操作ノブ１４が操作位置に応じた方向へ傾動するから、操作ノブ１４の操作変位（操作ストロークＳ）を圧力センサ４〜６の作動ストロークより大きくすることができ、操作者が操作感を認識できる。又、操作者にとって操作した位置で操作変位（操作ストローク）を認識でき、操作感を認識できる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図６〜図９を参照して説明する。この第２実施形態においては、操作ノブ１４の操作領域を区分する区分手段２１を設けた点が第１実施形態と異なる。区分手段２１は、例えば押圧板１３に設けたガイド部２２Ａ〜２２Ｄから構成されている。これらガイド部２２Ａ〜２２Ｄは、押圧板１３の上面（湾曲面部１７との当接面）において前記湾曲面部１７の中心部に対応する部位である初期接触点１３ｐから、例えば４方向に放射状に延び、且つ湾曲面部１７側（上方）へ突出している。

このガイド部２２Ａ〜２２Ｄは、円周４等配（９０度ピッチ）の形態に設けられている。今、図７において、便宜上設けた基準線Ｋを角度０度とすると、ガイド部２２Ａは４５度の角度位置にあり、ガイド部２２Ｂは１３５度、ガイド部２２Ｃは２２５度、ガイド部２２Ｄは３１５度の角度位置にある。

そして、ガイド部２２Ｄと２２Ａとで３１５度〜４５度の操作領域Ｒ１が形成され、ガイド部２２Ａと２２Ｂとで４５度〜１３５度の操作領域Ｒ２が形成され、ガイド部２２Ｂと２２Ｃとで１３５度〜２２５度の操作領域Ｒ３が形成され、ガイド部２２ｃと２２Ｄとで２２５度〜３１５度の操作領域Ｒ４が形成されており、もってこれらガイド部２２Ａ〜２２Ｄに操作領域を操作領域Ｒ１〜Ｒ４に区分している。

この場合、各ガイド部２２Ａ〜２２Ｄにおける延び方向と直交する断面形状は、図９に示すように、ほぼ三角山形状をなす。
この第２実施形態においては、操作者が操作ノブ１４を操作するときに、その操作方向を明確に認識させることができる。すなわち、例えば、図７において、被操作部１５の任意の箇所例えばポイントＰａ（操作領域Ｒ１であるが操作領域Ｒ４に近いポイント）を押し操作した場合、ガイド部２２Ｄにより角度０度方向つまり操作領域Ｒ１中央方向へ操作ノブ１４が傾斜する。これによって、操作者が操作領域Ｒ１のどのポイントを押し操作しても操作ノブ１４が操作領域Ｒ１中央部分を押したとほぼ同じ操作となり、又、操作者が操作領域Ｒ１中央方向への操作感を感じるようになる。

この結果、この第２実施形態によれば、操作者は、自身の操作方向が操作領域Ｒ１であることを認識できる。又、操作者が、仮に操作領域Ｒ４方向に操作する意志で前記ポイントＰａを押し操作したときには、操作者の操作が操作領域Ｒ１であることに明確に気付くので、操作間違いを認識することもできる。

なお、他の操作領域Ｒ２〜Ｒ４の任意のポイントを押圧しても上述と同様の作用効果が得られる。
＜その他の実施形態＞
図１０は第３実施形態を示し、各ガイド部２２Ａ〜２２Ｄの断面形状を円弧状に盛り上がって頂部も円弧状をなす形態に形成しており、これによっても第２実施形態と同様の効果を奏する。

図１１は第４実施形態を示し、前記ガイド部２２Ａ〜２２Ｄ（２２Ｂ、２２Ｃのみ図示）の突出高さが、前記押圧板１３上面における初期接触点１３ｐで低く該初期接触点１３ｐより遠くなるにつれて高くなっているところが第２実施形態（図８）と異なる。これによれば、操作ノブ１４の傾き度が大きいほど、大きな操作感が得られると共に、明確な操作領域Ｒ１〜Ｒ４の区分認識ができる。
図１２は第５実施形態を示し、前記ガイド部２２Ａ〜２２Ｄ（２２Ｂ、２２Ｃのみ図示）の突出高さが、滑らかに高くなっている（曲面的に高くなっている）ところが第４実施形態と異なる。

図１３及び図１４は第６実施形態を示し、この第６実施形態では、区分手段３１が、押圧板１３に設けた４つの磁石３２Ａ〜３２Ｄと、操作ノブ１４の湾曲面部１７に設けた４つの磁石３３Ａ〜３３Ｄ（そのうち３３Ｂと３３Ｃは図示するが３３Ａ、３３Ｄは図示しない）とから構成されているところが第２実施形態と異なる。すなわち、前記押圧板１３上面には、前記初期接触点１３ｐを中心として点対称配置形に前記磁石３２Ａ〜３２Ｄを、この押圧板１３と面一状態に埋設している。この磁石３２Ａ〜３２Ｄは上面側がＳ極を構成している。一方の４つの磁石３３Ａ〜３３Ｄは操作ノブ１４の湾曲面部１７に前記磁石３２Ａ〜３２Ｄと対向するように埋設されている。この磁石３３Ａ〜３３Ｄは下側（前記磁石３２Ａ〜３２Ｄと対向する側）が前記磁石３２Ａ〜３２Ｄと同じ磁極のＳ極を構成している。

この第６実施形態では、相互に反発する磁石３２Ａ〜３２Ｄと３３Ａ〜３３Ｄにより操作ノブ１４の操作領域が第２実施形態と同様に操作領域Ｒ１〜Ｒ４に区分されることになり、前記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、上述の磁極はＳ極同士でなくＮ極同士であっても良い。
図１５は第７実施形態を示し、４つのガイド部３５Ａ〜３５Ｄ（３５Ｂ、３５Ｃのみ図示）を操作ノブ１４の湾曲面部１７側に形成した点が第２実施形態と異なる。この第７実施形態においても第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１６は第８実施形態を示し、ガイド部の数を変更（例えば８個に変更）した点が第２実施形態と異なる。８個のガイド部３７Ａ〜３７Ｈを円周等配形態（４５度間隔）に押圧板１３に設けている。これによれば、操作領域をＲ１〜Ｒ８の８領域とすることができ、８個の操作位置を検出可能となる。

なお、ガイド部の数は９０度から時計回りでの２７０度までの数と２７０度から時計回りでの９０度（０度）までの数を異ならせても良い。
図１７〜図１９は第９実施形態を示しており、ガイド部３９Ａ〜３９Ｄ（３９Ｂと３９Ｃのみ図示）の突出高さ変化度合いが途中で変化している点が第４実施形態（図１１）と異なる。すなわち、ガイド部３９Ｂ、３９Ｃの途中（ポイントＰｓ、Ｐｔ）で、高さの変化度合が急に大きくなっている。

この第９実施形態によれば、ガイド部３９Ａ〜３９Ｄを利用して図１９に示すような節度感（操作抵抗）を得ることができる。
この場合、第１０実施形態として示す図２０に示すようにポイントＰｓ、Ｐｔで曲率を変えることで高さ度合いを変化させるようにしても良い。この場合、図２１に示すような節度感を得ることができる。
又、この場合、第１１実施形態として示す図２２のように、前記ガイド部３９Ａ〜３９Ｄと同様の作用を発揮するガイド部３９Ａ´〜３９Ｄ´（３９Ｂ´、３９Ｃ´のみ図示）
を湾曲面部１７側に設けても良い。

前記ガイド部は、可動式としても良い。つまり、ガイド部を押圧板あるいは湾曲面部から突出可能に可動式としても良い。又、ガイド部のうちのどれかを選択的に可動式としてガイド部の使用個数を変更できるようにしても良い。又、可動式とすることでガイド部を使用する、使用しないを選択するようにしても良い。又、圧力センサは、３個以上であれば良い。

なお、前述した第１実施形態と同様の効果を期待できる構成として図２４（参考図）に示す構成が考えられる。すなわち、３つの各センサ６３に、ホルダ６４、ストローク用ばね６５及びプッシャ６６を備えたプッシャユニット６７を夫々設ける構成としている。しかし、この構成では、部品数が多く、組み立て性も悪く、又ストローク用ばね６５のばね力設定も難しいという問題がある。

これに対して第１実施形態では、部品数も少なく、組み立て性も良く、ストローク用ばねも要しないないなど、図２４の構成品に比して有利な効果を奏する。
上述した実施形態では、本発明の操作装置を、自動車のカーナビゲーション装置等の車載器の操作用に適用したが、それ以外にも各種の用途に適用することが可能である等、本発明は要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

図面中、１は操作装置、４、５、６は圧力センサ、１３は押圧板、１４は操作ノブ（操作部材）、１５は被操作部、１７は湾曲面部、２０はコンピュータ、２１は区分手段、２２Ａ〜２２Ｄはガイド部、３２Ａ〜３２Ｄは磁石、３３Ｂ、３３Ｃは磁石を示す。

Claims (5)

1. ケースと、
   このケースに対して軸方向に押圧操作可能に支持された操作部材と、
   このケース内に前記操作部材の外周部に対応して円周方向に並んで複数個が設けられた圧力センサと、
   これら圧力センサの全部と前記操作部材との間に配置され、前記操作部材の押圧操作により前記圧力センサを押圧可能な平板状の押圧板と
   を備え、
   前記操作部材を、周辺部において前記軸方向への操作力が作用するように押圧操作される被操作部を有すると共に、この被操作部における前記押圧板側の部分にほぼ球面状をなす湾曲面部を有する構成とし、且つ、当該湾曲面部のほぼ中心部が前記押圧板に当接するように配置し、
   前記操作部材に対する操作者の操作に基づく前記圧力センサの検出信号に基づいて前記操作部材に対する操作位置を検出するようにした操作装置。
2. 前記操作部材の操作領域を区分する区分手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
3. 前記区分手段は、前記操作部材の前記湾曲面部と、前記押圧板における当該湾曲面部との当接面とのうちの一方に、前記湾曲面部中心部に対応する部位から放射状に延び、且つ他方側へ突出するガイド部を形成した構成であることを特徴とする請求項２に記載の操作装置。
4. 前記ガイド部の突出高さは、前記押圧板の前記当接面における前記湾曲面部中心部に対応する部位で低く該配置中心部相当部位より遠くなるにつれて高くなっていることを特徴とする請求項３に記載の操作装置。
5. 前記ガイド部の突出高さ変化度合いが途中で変化していることを特徴とする請求項３又は４に記載の操作装置。
   

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