JP2019191688A - 操作入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子で通常の押下検出と長い時間押下した場合の長押し操作の検出が可能な操作入力装置を提供する。【解決手段】押圧操作される操作部としての操作パネル１０と、操作パネル１０への押圧操作により荷重を受け、この荷重により発生電力を発生すると共に、駆動電力が印加されると変位する圧電素子２０と、発生電力に基づいて操作パネル１０への操作状態を検出する操作検出部３２を備えた制御部３０と、を有し、操作検出部３２は、コンデンサを回路要素として備えた発振回路としての弛張発振回路３３を有し、弛張発振回路３３は、押圧操作により操作パネル１０を介して容量値が変化する圧電素子２０をコンデンサの一部として、操作入力装置１を構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、操作入力装置に関する。

従来、圧電素子へ荷重を加えることによってスイッチをオンし、圧電素子に荷重が加えられたことによって発生する電力を、遅延させて圧電素子に加えることによって触覚を付与する操作入力装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この操作入力装置は、触覚応答を提供する圧電キースイッチが、縁部で固定された圧電素子と、固定された縁部から離間して圧電素子に取り付けられたキーパッドを含み、キーパッドの押下によって素子がたわみ、接地された金属円盤と電極との間に電圧信号が発生する。電極からの電圧信号はワイヤに送られる。この電圧信号に応答して、駆動回路が、駆動信号を提供して圧電素子をたわませ、キーパッドに上向きの触覚フィードバックを呈示する。

特開平１０−３０７６６１号公報

しかし、従来技術において、圧電素子へ荷重を加えることによってスイッチをオンする通常の入力検出はできるが、長い時間押下した長押し操作の場合の判定ができない。そのため、長押し操作の状態を検出するためには、静電電極や荷重センサ等の入力状態検出手段を別途設ける必要があるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、圧電素子で通常の押下検出と長い時間押下した場合の長押し操作の検出が可能な操作入力装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、押圧操作される操作部と、前記操作部への押圧操作により荷重を受け、前記荷重により発生電力を発生すると共に、駆動電力が印加されると変位する圧電素子と、前記発生電力に基づいて前記操作部への操作状態を検出する操作検出部を備えた制御部と、を有し、前記操作検出部は、コンデンサを回路要素として備えた発振回路を有し、前記発振回路は、前記押圧操作により前記操作部を介して容量値が変化する前記圧電素子を前記コンデンサの一部として構成されている、操作入力装置を提供する。
［２］前記発振回路は、前記コンデンサの容量値に応じて発振周波数が変化する弛張発振回路である、上記［１］に記載の操作入力装置であってもよい。
［３］また、前記圧電素子は、前記コンデンサと並列に接続されている、上記［１］又は［２］に記載の操作入力装置であってもよい。
［４］また、前記制御部は、前記発振周波数の変化により、前記操作部への押圧操作が長押し操作かどうかを判定する、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の操作入力装置であってもよい。
［５］また、前記制御部は、前記発生電力に基づいて前記操作部への押圧操作又は長押し操作の検出をすると共に、前記押圧操作又は前記長押し操作に対応して前記駆動電力を制御することにより前記圧電素子を振動させて前記操作部に振動呈示を行なう、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の操作入力装置であってもよい。

本発明の操作入力装置によれば、圧電素子で通常の押下検出と長い時間押下した場合の長押し操作の検出が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置の概略構成を示すブロック構成図である。 図３は、操作検出部の回路構成と圧電素子との接続を示す回路構成図である。 図４（ａ）は、操作パネルを押下してない場合の、操作検出部のＰ_１点における電圧波形Ｖａ、図４（ｂ）は、Ｐ_２点における電圧波形Ｖｂ、図４（ｃ）は、Ｐ_３点における電圧波形Ｖｃの電圧波形図である。 図５（ａ）は、操作パネルを押下している場合の、操作検出部のＰ_１点における電圧波形Ｖa、図５（ｂ）は、Ｐ_２点における電圧波形Ｖｂ、図５（ｃ）は、Ｐ_３点における電圧波形Ｖｃの電圧波形図である。 図６（ａ）は、操作パネルを押下してない場合の、操作検出部のＰ_４点における電圧波形Ｖｄ、図６（ｂ）は、操作パネルを押下している場合の、操作検出部のＰ_４点における電圧波形Ｖｄの電圧波形図である。 図７は、操作検出部の出力部における出力波形図である。

（本発明の実施の形態に係る操作入力装置）
本発明の実施の形態に係る操作入力装置１は、押圧操作される操作部としての操作パネル１０と、操作パネル１０への押圧操作により荷重を受け、この荷重により発生電力（発生電圧）を発生すると共に、駆動電力（駆動電圧）が印加されると変位する圧電素子２０と、発生電力に基づいて操作パネル１０への操作状態を検出する操作検出部３２を備えた制御部３０と、を有し、操作検出部３２は、コンデンサを回路要素として備えた発振回路としての弛張発振回路３３を有し、弛張発振回路３３は、押圧操作により操作パネル１０を介して容量値が変化する圧電素子２０をコンデンサの一部として構成されている。なお、以下の説明では、発生電力を発生電圧、駆動電力を駆動電圧として説明する。

（操作パネル１０）
操作パネル１０は、例えば、アクリル等の樹脂により形成されている。操作パネル１０は、図１に示すように、ベース５０に縁部１０ａが支持されている。操作パネル１０は、図１に示すように、押下力Ｆで押されて撓むことができる。また、後述するように、圧電素子２０の上方向又は下方向への変形により、上方向又は下方向へ撓むことができる。

操作パネル１０は、所定の誘電率εを持つ誘電体であって、後述するように、圧電素子２０との間で所定の静電容量を備えたコンデンサを形成することができる。

（圧電素子２０）
圧電素子２０は、圧電素子材料の両面に電極（図示省略）が取り付けられ、圧電素子材料の径よりも大きな金属シムに貼り合わせ固定されている、例えば、ユニモルフ型である。電極に駆動電圧を印加することにより、圧電素子材料は伸び縮みするため、金属シムに反りが生じて圧電素子材料と金属シムの全体が撓む。本実施の形態では、金属シムと圧電素子材料が貼り合わせ固定され、電極が取り付けられたユニットを圧電素子２０とする。

圧電素子２０は、図１に示すように、ベース５０に縁部２０ａが支持されている。圧電素子２０は、平面視では例えば、円形の形状を有している。ベース５０には凹部５０ａが形成され、圧電素子２０は、凹部５０ａの方向に変形可能に支持されている。また、圧電素子２０の上側は、操作パネル１０と接するように取り付けられている。これにより、図１に示すように、押下力Ｆで押されて撓むとこれに応じて圧電素子２０も変形する。また、圧電素子２０が上側又は下方向に変形すると操作パネル１０も上側又は下方向に変形することができる。

圧電素子２０は、例えば、板形状の圧電素子材料を有し、金属シムの上面に配置されている。この圧電素子材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電素子２０は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜により形成されている。

圧電素子２０は、図２に示すように、押下力Ｆで押されて撓むと、この変形に応じた発生電圧Ｖｓを出力する。また圧電素子２０は、電圧が印加されると駆動電圧Ｖ_Ｄに応じて伸縮して変形する。圧電素子２０は、例えば、図１に示すように、押下力Ｆに応じて出力した電圧を荷重信号Ｖｓとして制御部３０に出力する。

また、圧電素子２０は、制御部３０から出力された駆動電圧Ｖ_Ｄに応じて伸縮して金属シムと共に変形して撓むように構成されている。この変形、撓みは、操作パネル１０を変位させ、又は振動させる。これにより、操作パネル１０を介して操作者に対して振動呈示（振動フィードバック）を行なうことができる。

圧電素子２０は、図２に示すように、一端が例えばグランドＧＮＤに接続され、他端が制御部３０に接続され、コンデンサとして機能することができる。図１に示すように、誘電体である操作パネル１０を介して指１００と圧電素子２０でコンデンサを形成する。このコンデンサの静電容量Ｃ_Ｐは、指の接触面積Ｓ、操作パネル１０の厚みｄ、誘電率εとすると、Ｃ_Ｐ＝εＳ/ｄである。このコンデンサの静電容量Ｃ_Ｐは、指１００による操作パネル１０へのタッチの有無、タッチ状態により変化する。

圧電素子２０は、図２、図３に示すように、操作検出部（弛張発振回路３３）のコンデンサ３３０の一部として構成されている。圧電素子２０は、図３に示すように、操作検出部（発振回路）のコンデンサ３３０と並列に接続されて、操作検出部（弛張発振回路３３）のコンデンサを構成している。これにより、弛張発振回路３３は、コンデンサ３３０の静電容量Ｃ_０と、圧電素子２０の静電容量Ｃ_Ｐとの合成により、静電容量（Ｃ_０＋Ｃ_Ｐ）のコンデンサを備えたものとして構成されることになる。

（制御部３０）
制御部３０は、図２、図３に示すように、操作検出部３２、駆動部３７等を有して構成されている。操作検出部３２は、操作パネル１０への押下操作、長押し操作を検出するもので、駆動部３７は、これらの操作がされた場合等に圧電素子２０に駆動電圧を印加することにより操作パネル１０を介して操作者に対して振動呈示（振動フィードバック）を行なうものである。

制御部３０は、上記の操作検出部３２、駆動部３７等を制御するために、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータを備えている。すなわち、図２に示すように、制御部３０は、マイクロコンピュータ、操作検出部３２、駆動部３７等を備えて概略構成されている。

（操作検出部３２）
操作検出部３２は、図３に示すように、弛張発振回路３３、ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４、判定部３５から概略構成されている。

弛張発振回路３３は、図３に示すように、電源電圧Ｖccから定電流源３３１、３３２の間の接続部３３３の電圧Ｖａがオペアンプ３３４の非反転端子３３５に接続されている。オペアンプ３３４の反転端子３３６には、分圧抵抗３３９ａと３３９ｂにより所定の基準電圧Ｖrefが印加されている。なお、オペアンプ３３４はヒステリシス付きである。図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、オペアンプ３３４の非反転端子３３５に入力された信号は、基準電圧Ｖrefに達すると、出力端子３３７からスイッチング素子３３８に正帰還するように接続されている。接続部３３３と定電流源３３２の間にはスイッチング素子３３８が接続され、オペアンプ３３４の出力端子３３７の電圧により、スイッチング動作する。

接続部３３３には、静電容量Ｃ_０のコンデンサ３３０と静電容量Ｃ_Ｐの圧電素子２０が並列に接続されている。この合成された静電容量（Ｃ_０＋Ｃ_Ｐ）には、定電流源３３１から電荷が充電され、所定のスイッチング動作条件により、定電流源３３２を介して放電される。これは、弛張発振動作であり、静電容量（Ｃ_０＋Ｃ_Ｐ）と定電流源３３１の内部抵抗で規定されるＣＲにより変化する時定数に基づく発振周波数で動作する。

弛張発振回路３３の出力電圧Ｖｂは、インバータ３５０を介して、ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４に、電圧Ｖｃとして入力される。ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４は、抵抗３４１とコンデンサ３４２で構成されている。ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４は、入力された信号を平滑化して直流電圧に変換して出力する。

ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４の出力電圧Ｖｄは、判定部３５のコンパレータ非反転入力端子３５１に入力される。判定部３５のコンパレータ反転入力端子３５２には、分圧抵抗３５３ａと３５３ｂにより所定の電圧Ｖ_０が印加され、長押し判定の基準電圧Ｖ_０（閾値電圧）とされる。

上記のような構成の操作検出部３２において、操作パネルを押下してない場合には、非反転端子３３５での電圧Ｖａは、図４（ａ）で示すように、所定の周波数の発振波形となる。出力端子３３７における出力電圧Ｖｂは、図４（ｂ）で示すように、電圧Ｖａの周波数に対応するＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）のクロックである。インバータ３５０を介して、ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４に入力される電圧Ｖｃは、図４（ｃ）で示すように、電圧Ｖｂの反転信号となる。

一方、操作検出部３２において、操作パネルを長押し操作している場合には、コンデンサ３３０と静電容量Ｃ_Ｐが大きくなり、弛張発振回路３３の時定数が大きくなる。このため、非反転端子３３５での電圧Ｖａは、図５（ａ）で示すように、操作パネルを押下してない場合に比べて、低い周波数での発振波形となる。出力端子３３７における出力電圧Ｖｂは、図５（ｂ）で示すように、電圧Ｖａの周波数に対応するＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）のクロックである。インバータ３５０を介して、ローパスフィルター（ＬＰＦ）３４に入力される電圧Ｖｃは、図５（ｃ）で示すように、電圧Ｖｂの反転信号となる。

図６（ａ）は、操作パネルを押下してない場合の、操作検出部のＰ_４点における電圧波形Ｖｄ、図６（ａ）は、操作パネルを押下している場合の、操作検出部のＰ_４点における電圧波形Ｖｄの電圧波形図である。

操作パネル１０を押下してない場合の図４（ｃ）で示すＰＷＭ信号のデューティ比に対して、操作パネル１０を長押し（押下）操作をしている場合の図５（ｃ）で示すＰＷＭ信号のデューティ比は大である。したがって、図４（ｃ）で示すＰＷＭ信号をローパスフィルター（ＬＰＦ）３４で平滑化して直流電圧に変換した図６（ａ）で示す出力信号と、図５（ｃ）で示すＰＷＭ信号をローパスフィルター（ＬＰＦ）３４で平滑化して直流電圧に変換した図６（ｂ）で示す出力信号とは電圧レベルに差が生じる。この電圧の差は、操作パネル１０を押下してない場合と長押し（押下）操作をしている場合との差である。

図６（ａ）、（ｂ）で示すように、この差の中間あたりに判定部（コンパレータ）３５の基準電圧Ｖ_０（閾値電圧）を設定する。

このような基準電圧Ｖ_０（閾値電圧）により、操作パネル１０を押下してない場合は、図７に示すように、判定部（コンパレータ）３５の出力電圧Ｖeは、Ｌｏレベルである。図７に示すように、時間ｔ１以降に操作パネル１０を長押し（押下）操作をすると、判定部（コンパレータ）３５の出力電圧Ｖｅは、Ｈiレベルに変化する。

したがって、制御部３０は、判定部（コンパレータ）３５の出力電圧Ｖｅが、ＬｏレベルかＨiレベルかを判定し、Ｈiレベルの時間を計測することにより、操作パネル１０が単発の押下操作か、長押し操作されたかどうか、等の判定することが可能となる。

制御部３０は、長押し（押下）操作された場合には、例えば、駆動部３７を介して駆動電圧Ｖ_Ｄを圧電素子２０に印加することにより、操作パネル１０を変位、又は振動させることができる。これにより、操作パネル１０を介して操作者に対して振動呈示（振動フィードバック）を行なうことができる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る操作入力装置１は、押圧操作される操作部としての操作パネル１０と、操作パネル１０への押圧操作により荷重を受け、この荷重により発生電圧を発生すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子２０と、発生電圧に基づいて操作パネル１０への操作状態を検出する操作検出部３２を備えた制御部３０と、を有し、操作検出部３２は、コンデンサを回路要素として備えた発振回路としての弛張発振回路３３を有し、弛張発振回路３３は、押圧操作により操作パネル１０を介して容量値が変化する圧電素子２０をコンデンサの一部として構成されている。操作パネル１０への押下操作により弛張発振回路３３の時定数が変化して、発振周波数が変化する。これに基づいて、制御部３０は、判定部（コンパレータ）３５の出力電圧Ｖｅが、ＬｏレベルかＨiレベルかを判定し、Ｈiレベルの時間を計測することにより、操作パネル１０が単発の押下操作か、長押し操作されたかどうかの検出、判定をすることが可能となる。
（２）上記のような構成により、タッチ検出用の静電電極や荷重センサ（フォースセンサ）等による入力状態検出手段を別途設ける必要がなくなる。これにより、操作入力装置を簡単な構成にすることができ、また、コスト低減も可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。

本実施の形態では、発振回路として弛張発振回路３３を実施例としたが、コンデンサを含む構成の発振回路であれば適用可能である。例えば、無安定マルチバイブレータ等の発振回路も適用可能である。

また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…操作入力装置、１０…操作パネル、１０a…縁部、２０…圧電素子、２０a…縁部、３０…制御部、３２…操作検出部、３３…弛張発振回路、３５…判定部、３７…駆動部、５０…ベース、１００…指、３３０…コンデンサ、３３１、３３２…定電流源、３３３…接続部、３３４…オペアンプ、３３５…非反転端子、３３６…反転端子、３３７…出力端子、３３８…スイッチング素子、３３９ａ、３３９ｂ…分圧抵抗、３４１…抵抗、３４２…コンデンサ、３５０…インバータ、３５１…コンパレータ非反転入力端子、３５２…コンパレータ反転入力端子、３５３ａ、３５３ｂ…分圧抵抗、Ｃ_０…静電容量、Ｃ_Ｐ…静電容量、Ｆ…押下力、Ｓ…接触面積、ε…誘電率

Claims (5)

1. 押圧操作される操作部と、
   前記操作部への押圧操作により荷重を受け、前記荷重により発生電力を発生すると共に、駆動電力が印加されると変位する圧電素子と、
   前記発生電力に基づいて前記操作部への操作状態を検出する操作検出部を備えた制御部と、を有し、
   前記操作検出部は、コンデンサを回路要素として備えた発振回路を有し、前記発振回路は、前記押圧操作により前記操作部を介して容量値が変化する前記圧電素子を前記コンデンサの一部として構成されている、操作入力装置。
2. 前記発振回路は、前記コンデンサの容量値に応じて発振周波数が変化する弛張発振回路である、請求項１に記載の操作入力装置。
3. 前記圧電素子は、前記コンデンサと並列に接続されている、請求項１又は２に記載の操作入力装置。
4. 前記制御部は、前記発振周波数の変化により、前記操作部への押圧操作が長押し操作かどうかを判定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の操作入力装置。
5. 前記制御部は、前記発生電力に基づいて前記操作部への押圧操作又は長押し操作の検出をすると共に、前記押圧操作又は前記長押し操作に対応して前記駆動電力を制御することにより前記圧電素子を振動させて前記操作部に振動呈示を行なう、請求項１から４のいずれか１項に記載の操作入力装置。

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