JP5860225B2

JP5860225B2 - 入力装置

Info

Publication number: JP5860225B2
Application number: JP2011122269A
Authority: JP
Inventors: 徹荒井
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012252378A

Description

本願発明は、操作者が任意の方向に操作することで入力が行われる入力装置に関し、特にマンマシンインタフェースに好適な入力装置に関する。

マンマシンインタフェースとしては、代表的には、ゲーム機の画面上に登場するゲーム対象物を操作するために、コントローラ等の操作部として用いられているジョイスティックが知られている。

携帯型ゲーム機や家庭用のテレビゲーム機のコントローラに使用されているジョイスティックには、操作者が、このジョイスティックを操作したとき、ゲーム対象物が、この操作の方向および強さを認識して移動することができるように２軸力センサが用いられている。この２軸力センサが、電気抵抗値の変化に基づく信号を検出し、所定の演算を行うことにより、力の方向および強さが検出されることになる。しかしながら、従来のジョイスティック構造は、操作したときに下方向の変位がないため、押したという感覚を操作者に伝える操作感を感知することができない。

係る観点から、操作部材の自由端よりも、さらに突出させ、弾性的に変形可能な状態で操作部材にコイルばねを取り付け、このコイルばねを介して、操作力を与えることにより、操作時に良好な操作感を感知することができるような構造を採用しているものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００４−１２７１５１号公報

しかしながら、上述の特許文献１においては、以下に示す問題がある。

操作部材の自由端よりも、さらに突出させた状態でコイルばねを取り付けているため装置の全長が高くなってしまい、更なる薄型化・小型化が要求されている携帯型ゲーム機やテレビゲーム機のコントローラなどに搭載させるのには適さない。

そこで、本願発明の目的は、携帯型ゲーム機、テレビゲーム機などの各種ゲーム機やノート型パーソナルコンピュータなどの各種装置の低背化に適し、入力装置を操作することによる操作感を感知することができる入力装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本願発明の請求項１に係る入力装置は、操作者により加えられた力の方向および強さを、それぞれ検出する多軸力センサと、前記力を受ける荷重受け部と、任意の方向に操作を行うことが可能な操作部と、から構成されている入力装置において、前記操作部と前記多軸力センサを接続する渦巻ばねを設けることにより、操作感を向上させ、さらに前記荷重受け部の上端面に設けた溝部の深さを前記渦巻ばねの高さよりも浅くしたことを特徴としている。

請求項１に係る本願発明によると、上述のように、操作部と多軸力センサを接続する渦巻ばねが設けられているため、操作部を任意の方向に操作させて渦巻ばねを変位させると、渦巻ばねの反発力により、この反発力に相応する操作感を得ることができる。また、渦巻ばねが荷重受け部の上端面よりも突出しているので、操作者による操作部の操作に連動して渦巻ばねが変位可能となり、この変位状態と同様の操作力が荷重受け部に的確に伝達できる。さらに、扁平状の渦巻ばねを採用しているため、入力装置の高さを低くでき、各種ゲーム機、各種装置などに搭載したときに、これらの装置全体の低背化にも優れるという利点を有する。

また、後述する多軸力センサが備えられているため、本願発明に係る入力装置を操作者が任意の方向に操作すると、このときに加えられた操作による力の方向および強さの軸方向の分力を、この多軸力センサが、それぞれ検出することになる。このため、操作者による操作力に応じて移動オブジェクト（例えば、ゲーム対象物）を任意の方向に移動させることができる。

また、本願発明の請求項２に係る入力装置は、請求項１に記載の入力装置において前記渦巻ばねは、前記荷重受け部の上端面に設けた溝部へ接着剤により固定されていることを特徴としている。

請求項２に係る本願発明によると、上述のように、渦巻ばねが荷重受け部の上端面に設けた溝部へ接着剤により固定されているため、渦巻ばねの変位を的確に荷重受け部に伝達することを実現させることができる。

また、本願発明の請求項３に係る入力装置は、請求項１または２に記載の入力装置において前記渦巻ばねは、ぜんまいであることを特徴としている。

請求項３に係る本願発明によると、上述のように、渦巻ばねが薄板状の材料を平面内で巻いたぜんまいとされているため、特許文献１の所定高さの自由長を有するコイルばねを採用した場合と比較して、入力装置をさらに低く構成することができ、各種ゲーム機や各種装置などに搭載した場合に、装置全体としてより一層の低背化を実現させることができる。

また、本願発明の請求項４に係る入力装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の入力装置において前記多軸力センサは３軸力センサであることを特徴としている。

請求項４に係る本願発明によると、操作面に対して、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、下方向（Ｚ軸方向）の３軸の力の方向および強さを検出することができる３軸力センサを備えているので、例えば、２軸（Ｘ、Ｙ軸）力センサで、移動オブジェクトを移動させる場合と比較して、入力装置を操作の方向に応じて、より広範に移動させることが可能になると共に、この操作力に相応した操作感を感知することが可能になる。

本願発明によれば、携帯型ゲーム機、テレビゲーム機などの各種ゲーム機やノート型パーソナルコンピュータなどの各種装置の低背化に適し、入力装置を操作することによる操作感を感知することができる入力装置を提供することができる。

本願発明に係る入力装置に備えられている多軸力センサの概略図である。本願発明に係る入力装置の使用状態を示す概略図で、操作者が押圧した状態を示す概略図（図２（ａ））、渦巻ばねの接続状態を示す概略図（図２（ｂ））である。本願発明に係る入力装置に備えられている多軸力センサに貼着されているひずみゲージの位置関係を示す配置図の一例である。本願発明に係る入力装置を搭載した装置の外観を示す概略図の一例である。本願発明に係る入力装置を搭載した装置の外観を示す別の一例の概略図である。本願発明に係る入力装置を搭載した装置の外観を示す別の一例の概略図である。

以下、本願発明に係る入力装置１について、本願発明を具体化した実施の形態に基づき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

ここで、図４は、本願発明に係る入力装置を搭載した装置の外観を示す概略図の一例であり、また、図５および図６は、本願発明に係る入力装置を搭載した装置の外観を示す別の一例の概略図である。

本願発明に係る入力装置１は、図４に示す通り、ポータブルタイプの携帯型ゲーム機２０の操作部分（ジョイスティック）として使用することができる。ゲーム機本体２１には、画面２２と、該画面２２に表示された移動オブジェクト（例えば、ゲーム対象物）を操作するための操作部（入力装置１）が備え付けられている。

この入力装置１は、湾曲している操作部５（図２（ａ）参照）を、ゲーム機本体２１面に対して、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、下方向（Ｚ軸方向）の計３軸方向に操作をすることが可能なように構成されている。そして、これらの操作による操作力の方向および強さを検出するために３軸力センサ１０（図２（ａ）参照）が備えられており、検出された操作力の方向および強さに応じて移動オブジェクトを画面２２に対し任意の方向に移動させたり、方向転換等させて、臨場感のある動きを移動オブジェクトに与えている。また、操作部５を操作することにより、ゲーム機本体２１面に対して上述の、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、下方向（Ｚ軸方向）に加えて、斜め方向（Ｘ、Ｙ軸の合成成分方向）、斜め下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の合成成分方向）など任意の方向に荷重が加えられることになる。このときに加えられた荷重の反発力が操作者の指に伝わることにより、反発力に相応する操作感を感知することが可能になる。

なお、本願発明による入力装置１は、家庭用のテレビゲーム機３０の移動オブジェクトを操作するためのコントローラ３１の操作部（入力装置１）やノート型パーソナルコンピュータ４０の画面上に表示されたカーソルの操作を、マウスによらずに行えるポインティングスティック（入力装置１）など各軸の力の方向および強さを検出し、操作に応じて移動オブジェクトを移動させたい場合に、各種ゲーム機や各種装置などの操作部（マンマシンインタフェース）として、広く利用することができる。

次に、本願発明に係る入力装置１に備えられている多軸力センサの詳細な構成について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本願発明に係る入力装置に備えられている多軸力センサの概略図である。

本願発明に係る入力装置１には、図１に示すように、３軸力センサ１０が備えられており、この３軸力センサ１０は荷重が加えられたときに、この荷重を受ける荷重受け部４と該荷重受け部４と一体化されており、この荷重受け部４が受けた荷重の方向および強さにしたがって撓む起歪部３と該起歪部３の荷重が加えられた各方向（例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）の撓み量による抵抗値の変化を読み取る複数のひずみゲージＳと、これらのひずみゲージＳの読み取り値を電気信号として取り出す基板６とから構成されている。

そして、図３に示すように、Ｘ、Ｙ軸方向の分力を検出するひずみゲージＳＸ１、ＳＸ２、ＳＹ１、ＳＹ２は、従来の２軸力センサの場合と同じ位置、すなわち、荷重点である荷重受け部４（図１参照）を中心として同心円上に、操作面に対して左右・前後方向の十字位置に配置し、Ｚ軸方向の分力を検出するひずみゲージＳＺ１〜ＳＺ４のうちの２枚のひずみゲージＳＺ２、ＳＺ３は、該同心円上の残りのスペースに配置し、該配置したひずみゲージＳＺ２、ＳＺ３の延長線上に４枚のひずみゲージが配置されるように残りの２枚のひずみゲージＳＺ１、ＳＺ４を配置する。

次に、本願発明に係る入力装置１の詳細な構成について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図２は、本願発明に係る入力装置の使用状態を示す概略図で、操作者が押圧した状態を示す概略図（図２（ａ））、渦巻ばねの接続状態を示す概略図（図２（ｂ））である。

本願発明に係る入力装置１は、図２（ａ）に示すように、上述の構成を有する３軸力センサ１０を備え、荷重受け部４の上方において、操作者により任意の方向に操作を行うことが可能な操作部５が配置されている。そして、この操作部５と３軸力センサ１０を接続するために渦巻ばね２が設けられており、操作者が操作をしたときに、この操作をしたことによる操作力に相応する操作感が感知できるように構成されている。

次に、本願発明に係る入力装置１の動作原理について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１および図２（ａ）に示すように、操作者が荷重点となる操作部５に力を加えて、操作面に対し、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、斜め方向（Ｘ、Ｙ軸の合成成分方向）、下方向（Ｚ軸方向）、斜め下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の合成成分方向）に操作させた場合には、これらの操作により加えられた力の方向にしたがって渦巻きばね２は変位し、この力が荷重受け部４に伝わる。これによって、荷重受け部４と一体化されている起歪部３が撓み起歪部３に貼着されている複数のひずみゲージＳの抵抗値が変化する。そして、荷重受け部４に加わる力の方向および強さを、各々のひずみゲージＳと電気的に接続されている基板６が、電気信号として取り出すことになる。

なお、渦巻ばね２と荷重受け部４の接続方法は、該渦巻ばね２の変位を的確に荷重受け部４に伝達できることが重要である。例えば、薄板状の材料を平面内で渦巻形に巻いて構成したぜんまい形状の渦巻ばね２の一端を荷重受け部４の上端面に設けた溝部７に嵌合させ、嵌合した周部を接着剤Ｂにより接着固定するとよい（図２（ｂ）参照）。このとき、荷重受け部４の上端面に設けた溝部の形状は、渦巻ばね２の板の厚みとほぼ同じ幅で、深さは渦巻ばね２の板の高さよりも若干浅めにしてある。その結果、渦巻ばね２が荷重受け部４の上端面よりも突出しているので、操作者による操作部５の操作に連動して渦巻ばね２が変位可能となり、この変位状態と同様の操作力が荷重受け部４に伝わることになる。

そして、渦巻ばね２と操作部５の接続方法は特に限定されず、操作部５の内周面への圧入による接続固定であってもよい。または、湾曲している操作部５の内周面に渦巻ばね２の外周部を係合させたうえで、操作部５の内周面と渦巻ばね２の外周部を接着剤により接着固定させてもよい。

なお、図２（ａ）に示すように、本願発明に係る入力装置１の実施例において操作感を持たせるために備えている渦巻ばね２は、薄板状の材料を平面内で渦巻形に巻いて構成したぜんまいを示しているが、これに限定されない。渦巻ばね２は、外力を加えたときの反発力に相応する操作感が得られ、外力を加えたのち解除した時に元の位置に復帰できる構成であればよく、例えば、ピアノ線を平面内で渦巻形に巻いて構成してもよい。これによれば、入力装置１のさらなる低背化を実現することができる。

また、起歪部３は、薄い円形板状として形成され、この部分に複数のひずみゲージＳが貼着されているため、感度良く操作者の操作力を感知し、移動オブジェクトの円滑な移動を可能にさせることができる。

そして、上述のように、操作者が操作部５を操作することにより、渦巻ばね２が変位する構造を採用しているため、操作者が変位する力に相応した良好な操作感を感知することができる

そして、本願発明に係る入力装置１を構成する起歪部３の材質としては、アルミ合金、合金工具鋼、ステンレス鋼、セラミックなど種々の材料を適用するのが一般的である。しかし、左右・前後・下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）等の各分力を検出するのに、ひずみゲージＳを採用した場合は起歪部３に金属材料以外の樹脂やプラスティック等の材料を用いることが可能になる。その結果、大量生産に適し安価に製作することが可能になる。さらに、樹脂やプラスティック等の材料を用いることにより、起歪部３と荷重受け部４を射出成形などで一体成形することが可能になるため、より一層の低コスト化を実現することができる。

なお、ひずみゲージは外力（操作力）が加わったとき、その変形量が小さく、入力装置１の操作部５を操作したという操作感が一般的に得られにくいが、係る不都合を、渦巻ばね２が有する反発力を利用して、良好な操作感を感知することができるように構成することで解消している。

一方、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向などの各分力を検出するのには、ひずみゲージＳに限定されることなく、厚膜抵抗体、半導体型ひずみセンサなど種々の抵抗体や静電容量センサを採用することもできる。これらの抵抗体や静電容量センサを採用した場合には、ひずみゲージを用いた場合と比較して、出力を大きくすることができるという利点を有する。

そして、操作者が指を入力装置１が搭載されているゲーム機本体２１やコントローラ３１などに対し、下方向（Ｚ軸方向）に操作すれば、入力装置１の操作部５に組み込まれている平面内で渦巻状に巻かれた複数層の薄板状の材料からなる渦巻ばね２（ぜんまい）が、操作者の操作により平面外に押し下げられるため、この操作力による反発力が、操作者の指に伝わり、垂直方向である下方向（Ｚ軸方向）に操作したことによる良好な操作感を感知することができる。

また、操作者が指を入力装置１が搭載されているゲーム機本体２１やコントローラ３１などに対し、水平方向である左右・前後方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に操作すると、入力装置１の操作部５の移動に連動して、渦巻ばね２の一端が接続されている荷重受け部４（渦巻ばね２の中心位置）に対し、渦巻ばね２が左右・前後方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に引っ張られるため、この引張力による反発力が、操作者の指に伝わり、水平方向に対しても、良好な操作感を感知することが可能な構成となっている。

このときの操作により、３軸力センサ１０が、歪の変位による抵抗値の変化を読み取る。そして、このときの力の方向および強さに応じて、操作者が意図する任意の方向に移動オブジェクトを移動させることができる。そして、渦巻ばね２を採用することにより操作者が操作部５を操作したときに生ずる渦巻ばね２の反発力による操作感を感知することができる。

なお、本願発明に係る入力装置１は、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、下方向（Ｚ軸方向）の個別の方向にのみ操作をし、これらの操作方向に応じて移動オブジェクトを移動させることができるだけではなく、斜め方向（Ｘ、Ｙ軸の合成成分方向）、斜め下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の合成成分方向）に操作した場合にもＸ、Ｙ、Ｚ軸を個別に操作した場合と同様に良好な操作感を感知することができる。このため、Ｘ、Ｙ軸の２軸しか操作できない場合と比較して、移動オブジェクトを、より広範な方向に移動させることが可能になる。特に、立体視を目的とした３次元座標系において、２軸の操作では体感できない奥行き感を兼ね備えて、より現実に近い状態での操作を実現させたい場合には有効である。

さらに、現在は、携帯型ゲーム機やテレビゲーム機など各種ゲーム機において操作部であるジョイスティックをＸ、Ｙ軸の２軸方向にしか操作をすることができず、Ｚ軸方向に操作することができないため操作者がジョイスティックを押したという感覚を実質的に感知することができない。また、この２軸の力の方向および強さを検出するのに２軸力センサが採用されていたため移動オブジェクトの移動が制限されていた。これに対し、本願発明に係る入力装置１は、操作部５を下方向（Ｚ軸方向）や斜め下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の合成成分方向）にも操作することができる構成を採用しているため、操作者がジョイスティックを押したという感覚を確実に感知することができる。そして、これらの操作による力の方向および強さを検出できる３軸力センサ１０を採用することにより、移動オブジェクトを、画面２２やテレビ３２の画面などに対して上下・左右・斜め・垂直方向（奥行き方向）など任意の方向に移動させたり、方向転換させるなど移動状態に自由度を持たせることが可能となり、より広範な方向に移動オブジェクトを移動させることができる。さらに、立体視を加味した場合には、より現実に近い動作を移動オブジェクトに与えることが可能になる。

なお、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、斜め方向（Ｘ、Ｙ軸の合成成分方向）に操作した場合（Ｚ軸方向の変位がない場合）であっても、同様に良好な操作感を感知することができる。

また、本願発明に係る入力装置１に備えられている多軸力センサは、３軸力センサ１０を適用しているが、３軸力センサに代えて６軸力センサを適用してもよい。６軸力センサによれば、各軸まわりのモーメントを検出することができるので回転方向の操作も可能になり、より臨場感のある現実に近い広範な操作に対応することが可能になる。

本願発明に係る入力装置１が、以上のような構成を有することにより、各種ゲーム機、各種装置など装置全体の低背化を実現でき、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、斜め方向（Ｘ、Ｙ軸の合成成分方向）、下方向（Ｚ軸方向）、斜め下方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の合成成分方向）など任意の方向に操作をした場合に良好な操作感を感知することが可能になる。

なお、本願発明に係る入力装置１を搭載した実施例としては、携帯型ゲーム機、テレビゲーム機、ノート型パーソナルコンピュータを示したが、これに限定されず、ジョイスティックやポインティングスティックなどの構造からなるマンマシンインタフェースには、広く利用することができる。

本願発明は、操作者が傾倒あるいは押圧操作を行うことで入力が行われる入力装置に関し、特に、携帯型ゲーム機、テレビゲーム機などの各種ゲーム機やノート型パーソナルコンピュータなどの各種装置におけるジョイスティックやポインティングスティックなどの構造からなるマンマシンインタフェースに使用するのに好適な入力装置に利用することができる。

１：入力装置、２：渦巻ばね、３：起歪部、４：荷重受け部、５：操作部、６：基板、７：溝部、１０：３軸力センサ、Ｓ：ひずみゲージ、Ｂ：接着剤

Claims

操作者により加えられた力の方向および強さを、それぞれ検出する多軸力センサと、
前記力を受ける荷重受け部と、
任意の方向に操作を行うことが可能な操作部と、
から構成されている入力装置において、
前記操作部と前記多軸力センサを接続する渦巻ばねを設けることにより、操作感を向上させ、
さらに前記荷重受け部の上端面に設けた溝部の深さを前記渦巻ばねの高さよりも浅くしたことを特徴とする入力装置。
前記渦巻ばねは、前記荷重受け部の上端面に設けた溝部へ接着剤により固定されていることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
前記渦巻ばねは、ぜんまいであることを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
前記多軸力センサは３軸力センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の入力装置。