JP6287482B2

JP6287482B2 - 操作入力装置

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Publication number: JP6287482B2
Application number: JP2014070020A
Authority: JP
Inventors: 俊輔柴田; 三摩　紀雄; 紀雄三摩; 整伊口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN104943549A; US20150276514A1; JP2015191582A

Description

本発明は、例えば、車両用ナビゲーション装置、空調装置、あるいはオーディオ機器等に対する作動用の入力操作を行うための操作入力装置に関するものである。

従来の操作入力装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の操作入力装置では、タッチ操作により入力を行うための操作面として形成されるパネルと、パネルの四隅に配置されてパネルに対して垂直方向に作用する荷重を検出する歪ゲージ式センサと、歪ゲージ式センサによって検出された荷重に基づいて荷重が作用する位置、方向を演算する演算回路とを備えている。そして、パネルには、パネルに対して荷重を作用させることが可能な突状のスティックが一体的に設けられている。

特許文献１の操作入力装置では、パネル上での指操作（タッチ、ドラッグ等）時のパネル上での指の位置を検出し、指の接触位置、あるいは動く方向に応じた入力が可能となっている。加えて、スティックに対する引き上げ、押し下げ、および傾動等の操作に伴う入力を可能としている。

特開２０１０−８６０７６号公報

しかしながら、上記特許文献１では、パネルに対して斜め方向に力を作用させると、斜め方向における力は、パネル面に対して垂直方向の力成分と、水平方向の力成分とを有しており、水平方向の力成分によって、正確な操作位置を検出することができない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、斜め方向に力が作用する場合でも正確な操作位置を検出することのできる操作入力装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

本発明では、操作者が指操作する操作板（１１０）と、
一端側が開口する箱状に形成され、操作板（１１０）が開口に配置されて、操作板（１１０）に沿う任意方向、操作板（１１０）に垂直な方向、および操作板（１１０）に垂直な軸周りの回転方向に移動可能に設けられた操作部（１２０）と、
操作板（１１０）および操作部（１２０）に加えられた力により弾性変形する起歪体（１４０）と、
操作板（１１０）および操作部（１２０）と、起歪体（１４０）とを連結し、操作板（１１０）および操作部（１２０）に加えられた力により、少なくとも一部が変形する連結体（１３０）と、
連結体（１３０）の変形に伴う起歪体（１４０）の変形を検出する少なくとも４つの歪検出部（１５０）と、
歪検出部（１５０）のそれぞれの歪検出結果に基づいて、操作板（１１０）に作用する力の位置および大きさを操作位置および操作力として算出すると共に、操作部（１２０）に作用する力および垂直な軸周りのモーメントを操作力として算出する操作位置算出部（１７０）と、
連結体（１３０）を固定する固定部（１６０）と、を備える操作入力装置において、
連結体（１３０）は、操作板（１１０）に対して所定の角度を成して山状となる２つの斜面（１３０ａ）を有し、起歪体（１４０）がぞれぞれの斜面（１３０ａ）に配置されて、山状の斜面（１３０ａ）の頂点部（１３０ｂ）は、操作板（１１０）の外側面（１１１）の位置から所定の距離以内に配置されており、
起歪体（１４０）、連結体（１３０）、および歪検出部（１５０）は、箱状の操作部（１２０）の内部に配置されていることを特徴としている。

この発明によれば、操作板（１１０）の外側面（１１１）に対して、斜め方向の操作力（Ｆ）が加えられたときの水平方向の分力（Ｆｘ）は、連結体（１３０）の頂点部（１３０ｂ）から、起歪体（１４０）に伝達される。伝達された力は、斜面（１３０ａ）に沿う力と、斜面（１３０ａ）に対して垂直方向となる力（Ｆ１）とに分解できる。起歪体（１４０）は、斜面（１３０ａ）に沿う方向に剛性が高いため、斜面（１３０ａ）に沿う力に対しては感度を持たないものとなる。

一方、水平方向の分力（Ｆｘ）に伴うモーメントにより、起歪体（１４０）には、力（Ｆ１）とは反対側に向かう力（Ｆ２）が作用することになる。力（Ｆ１）と力（Ｆ２）は、後述するように、同等の大きさとなることから、両者は相殺される形となる。

よって、連結体（１３０）に斜面（１３０ａ）を設け、この斜面（１３０ａ）に起歪体（１４０）を配置することで、操作板（１１０）の外側面（１１１）に対して斜め方向の力らが加えられて、分力（Ｆｘ）が発生しても、起歪体（１４０）には、その影響を受けないものとすることができる。したがって、斜め方向に力が作用する場合でも正確な操作位置を検出することができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態におけるナビゲーション装置と操作入力装置とを示すブロック図である。第１実施形態における操作入力装置を示す分解斜視図である。第１実施形態の操作入力装置を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。起歪体にｚ軸方向の力が作用した場合の荷重のかかり方を示すモデル図である。起歪体にｙ軸方向の力が作用した場合の荷重のかかり方を示すモデル図である。（ａ）は図４の各歪検出素子における抵抗値の変化の一例を示す表、（ｂ）は各歪検出素子によって形成されるブリッジ回路を示す回路図である。操作板に垂直方向の力が作用した場合の座標位置を求めるための説明図である。操作部の各軸方向に力が作用した場合、およびｚ軸周りにモーメントが作用した場合をそれぞれ検出するための説明図である。操作板に斜め方向の力が作用した場合の荷重のかかり方を示す説明図である。第２実施形態における連結体を示す断面図である。その他の実施形態における連結体を示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における操作入力装置１００の構成ついて、図１〜図６を用いて説明する。図１に示すように、操作入力装置１００は、例えば、車両用のナビゲーション装置１０に対する操作用の入力を行う装置となっている。操作入力装置１００の対象機器としては、上記ナビゲーション装置１０の他にも、空調装置、オーディオ機器等、種々の機器に対応することが可能である。

図２、図３に示すように、操作入力装置１００は、操作板１１０、操作部１２０、連結体１３０、起歪体１４０、歪検出部１５０、固定台１６０、および信号処理部１７０等を備えている。そして、連結体１３０、起歪体１４０、および歪検出部１５０は、操作部１２０の内部に配置されている。

操作板１１０は、円形の板状部材となっている。操作板１１０は、操作者が、指操作（タッチ、ドラッグ等）するための、いわゆるタッチパッドとなっている。操作板１１０は、後述する操作部１２０の一端側の円形開口部に配置されて、固定されている。操作板１１０の操作部１２０に対する外側の面（図２、図３の上側の面）は、上面１１１となっている。

操作板１１０には、操作板１１０の中心を原点として操作板１１０の板面方向に沿うｘ軸とｙ軸、および原点を通り操作板１１０に垂直方向となるｚ軸とが定義されている。本実施形態では、例えば、車両において、ｘ軸方向は左右方向、ｙ軸方向は前後方向、ｚ軸方向は上下方向にそれぞれ対応するようになっている。

操作部１２０は、扁平な円筒状部材である。操作部１２０は、操作者が主に外周部を指で摘まんで操作することで、ｘ、ｙ、ｚ軸方向への移動、およびｚ軸周りの回転が可能となる入力用のダイアル部材となっている。操作部１２０の外周部は側壁１２１となっており、指の滑りを防止するための複数の突部が格子状に配置されている。また、操作部１２０の操作板１１０が配置される側とは反対側の開口部には、ｘ軸方向に延びて側壁１２１に接続される板状の連結体支持部１２２が設けられている。操作部１２０は、本発明の一端側が開口し、箱状に形成された部材となっている。

連結体１３０は、操作板１１０および操作部１２０と、後述する起歪体１４０とを連結すると共に、操作板１１０および操作部１２０に加えられた力により、少なくとも一部が変形する連結部材となっている。連結体１３０は、第１連結体１３１、第２連結体１３２、第３連結体１３３、および押え板１３４を備えている。

第１連結体１３１は、例えば板状部材の曲げ加工によって形成されている。第１連結体１３１は、連結体支持部１２２に固定される固定部１３１ａと、固定部１３１ａから操作板１１０側に突出する２つの突部１３１ｂと、２つの突部１３１ｂのそれぞれの突出端部から、操作板１１０とは反対側に向けて傾斜して延びる２つの傾斜部１３１ｃとを有している。２つの傾斜部１３１ｃの延設される方向は、例えばｘ軸方向となっている。傾斜部１３１ｃには、後述する起歪体１４０（１４０ａ、１４０ｂ）を固定するためのネジ孔が形成されている。

第２連結体１３２は、Ｈ字状に形成されたブロック部材であり、操作部１２０の円筒軸方向に延びる２本の柱部１３２ａと、両柱部１３２ａ同士を中間部で接続する接続部１３２ｂとを有している。各柱部１３２ａの操作板１１０側の端部面は、傾斜部１３２ｃとなっている。傾斜部１３２ｃは、上記第１連結体１３１の傾斜部１３１ｃと同様の傾斜面となっている。即ち、傾斜部１３２ｃは、接続部１３２ｂの長手方向の中心側から、接続部１３２ｂの長手方向の両外側、且つ操作板１１０とは反対側に向けてそれぞれ傾斜する面となっている。接続部１３２ｂ、および傾斜部１３２ｃには、後述する押え板１３４を固定するためのネジ孔が形成されている。

第３連結体１３３は、上記第２連結体１３２と同様の構成となっており、柱部１３３ａ、接続部１３３ｂ、および傾斜部１３３ｃを有している。接続部１３３ｂ、および傾斜部１３３ｃには、後述する押え板１３４を固定するためのネジ孔が形成されている。

第２連結体１３２、および第３連結体１３３は、第１連結体１３１を挟むように配置されており、各柱部１３２ａ、１３３ａの操作板１１０とは反対側の端部は、操作部１２０における連結体支持部１２２の形成されない開口部を通過して、後述する固定台１６０に固定されている。よって、操作部１２０の操作板１１０とは反対側の端部は、固定部１６０に対して、所定の隙間をもって配置されている。

上記第１〜第３連結体１３１〜１３３の各傾斜部１３１ｃ〜１３３ｃの操作板１１０側の部位は、操作板１１０の裏側の面に接続されている。ここで、第１〜第３連結体１３１〜１３３の各傾斜部１３１ｃ〜１３３ｃは、２つの仮想面にそれぞれ含まれる位置関係となっており、２つの仮想面は、操作板１１０に対して所定の角度（図３中のθ）を成して山状となる２つの斜面１３０ａとなっている。つまり、各傾斜部１３１ｃ〜１３３ｃは、２つの斜面１３０ａを形成している。

更に、２つの斜面１３０ａが操作板１１０側に向けて交差する山状の頂点部１３０ｂ（図３（ｂ））の位置は、操作板１１０の上面１１１位置から連結体支持部１２２側に向けて、所定の距離以内となるように配置されている。所定の距離は、例えば、操作板１１０の最大長さ（ここでは直径）の２０分の１程度の距離、あるいは、２ｍｍ程度の距離とするのがよい。２ｍｍという距離は、操作板１１０の板厚に相当する距離である。更に、所定の距離としては、ほぼ０として、頂点部１３０ｂが、上面１１１の位置に一致するようにするのが望ましい。

押え板１３４は、例えば板状部材の曲げ加工によって形成されており、第２連結体１３２および第３連結体１３３に対応するように２つ設けられている。押え板１３４は、第２、第３連結体１３２、１３３の接続部１３２ｂ、１３３ｂ、および傾斜部１３２ｃ、１３３ｃの形状に沿うように曲げ形成されており、本体部１３４ａおよび押え部１３４ｂを有している。本体部１３４ａおよび押え部１３４ｂには、第２、第３連結体１３２、１３３への固定用のネジ孔が形成されている。

押え部１３４ｂは、後述する起歪体１４０（１４０ａ、１４０ｂ）の端部側固定部１４２、１４３を、第２、第３連結体１３２、１３３の傾斜部１３２ｃ、１３３ｃとの間で挟み込んで、強固に固定する部位となっている。

起歪体１４０は、連結体１３０に接続されて、操作板１１０および操作部１２０に加えられた操作力によって、弾性変形するＩ字状の板状部材となっている。起歪体１４０は２つ設けられている。１つは第１起歪体１４０ａであり、もう一つは第２起歪体１４０ｂとなっている。両起歪体１４０ａ、１４０ｂは、同一の構成となっている。両起歪体１４０ａ、１４０ｂは、中央固定部１４１、端部側固定部１４２、１４３、素子設定部１４４を有している。

中央固定部１４１は、Ｉ字状の長手方向の中央部で幅寸法が大きく設定され、ネジ孔が設けられた部位となっている。また、端部側固定部１４２、１４３は、Ｉ字状の長手方向の両端部に対応する部位となっている。そして、中央固定部１４１は、第１連結体１３１の傾斜部１３１ｃに固定されている。端部側固定部１４２、１４３は、第２、第３連結体１３２、１３３の傾斜部１３２ｃ、１３３ｃに当接されている。端部側固定部１４２、１４３は、押え板１３４の押え部１３４ｂによって、傾斜部１３２ｃ、１３３ｃとの間に挟み込まれている。

素子設定部１４４は、中央固定部１４１と端部側固定部１４２、１４３との間に形成されて、後述する歪検出部１５０が配置される領域となっている。素子設定部１４４は、第１、第２起歪体１４０ａ、１４０ｂにおいて、それぞれ２箇所ずつ、合計４箇所設けられている。図３（ａ）に示すように、第１起歪体１４０ａの２つの素子設定部１４４に対応する領域を、以下、第１領域１４０１および第４領域１４０４と呼ぶことにする。同様に、第２起歪体１４０ｂの２つの素子設定部１４４に対応する領域を、以下、第２領域１４０２および第３領域１４０３と呼ぶことにする。

第１起歪体１４０ａおよび第２起歪体１４０ｂは、連結体１３０の２つの斜面１３０ａにそれぞれ固定されることから、図３（ｂ）に示すように、操作板１１０に対して所定角度θをもって、ハの字状に配置されたものとなっている。

歪検出部１５０は、起歪体１４０の素子設定部１４４に固定されて、操作板１１０あるいは操作部１２０に加えられる操作力による連結体１３０の変形に伴う起歪体１４０の変形を検出する検出部となっている。歪検出部１５０は、両起歪体１４０ａ、１４０ｂの４箇所の素子設定部１４４に対応するように、４つ設けられている。４つの歪検出部１５０は、第１歪検出部１５１、第２歪検出部１５２、第３歪検出部１５３、および第４歪検出部１５４である。

第１歪検出部１５１は、第１起歪体１４０ａの第１領域１４０１に配置されている。また、第２歪検出部１５２は、第２起歪体１４０ｂの第２領域１４０２に配置されている。また、第３歪検出部１５３は、第２起歪体１４０ｂの第３領域１４０３に配置されている。また、第４歪検出部１５４は、第１起歪体１４０ａの第４領域１４０４に配置されている。

更に、各歪検出部１５１〜１５４は、図３（ａ）、図４、図５に示すように、それぞれ４つの歪検出素子を有している。つまり、第１歪検出部１５１は、歪検出素子１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄを有している。同様に、第２歪検出部１５２は、歪検出素子１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１５２ｄを有している。同様に、第３歪検出部１５３は、歪検出素子１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、１５３ｄを有している。同様に、第４歪検出部１５４は、歪検出素子１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃ、１５４ｄを有している。

本実施形態では、各歪検出部１５１〜１５４の歪検出素子１５１ａ〜１５１ｄ、１５２ａ〜１５２ｄ、１５３ａ〜１５３ｄ、１５４ａ〜１５４ｄとしては、例えば、起歪体１４０（第１、第２起歪体１４０ａ、１４０ｂ）の変形に伴って自身の電気抵抗値が変化する歪検出素子（歪ゲージ）が使用されている。

各歪検出部１５１〜１５４においては、ぞれぞれ、４つの歪検出素子１５１ａ〜１５１ｄ、１５２ａ〜１５２ｄ、１５３ａ〜１５３ｄ、１５４ａ〜１５４ｄによって、図６（ｂ）に示すような、ブリッジ回路が形成されている。そして、各ブリッジ回路の中点の電圧（Ｖｏｕｔ）がそれぞれ後述する信号処理部１７０に出力されるようになっている。

固定台１６０は、連結体１３０を固定する固定部であり、例えば、板状部材から形成されている。固定台１６０には、第２、第３連結体１３２、１３３の各柱部１３２ａ、１３３ａにおける操作板１１０とは反対側の端部が固定されている。よって、連結体１３０を介して、操作部１２０および操作板１１０は、固定台１６０に固定されていることになる。

信号処理部１７０は、固定台１６０に設けられた操作位置算出部である。信号処理部１７０は、各歪検出部１５１〜１５４から出力される出力電圧を基に、操作板１１０に作用された操作力の大きさ、操作力の位置（操作位置）を算出する。また、信号処理部１７０は、操作部１２０に作用された操作力の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸方向）、大きさ、更にはｚ軸周りのモーメントの方向および大きさを算出する。そして、算出された結果に基づいて、ナビゲーション装置１０の表示作動が制御されるようになっている。例えば、メニューアイコンの選択、決定、地図上における自車位置の表示や目的地案内表示等の画面切替え、更には地図のスクロール表示等を可能とする。

次に、上記のように構成される操作入力装置１００の作動について、詳細に説明する。

図４、図５に示すように、操作者によって操作板１１０、あるいは操作部１２０が操作されると、操作力（ｆｚ、ｆｙ等）が連結体１３０を介して、起歪体１４０（１４０ａ、１４０ｂ）に伝達される。すると、加えられた力に応じて、起歪体１４０には、引張り、あるいは圧縮等の変形が発生する。引張り変形が発生する領域の歪検出素子（図４の１５１ａ、１５１ｂ）における抵抗値は、増加するように変化する。逆に、圧縮変形が発生する領域の歪検出素子（図４の１５１ｃ、１５１ｄ、図５の１５１ａ〜１５１ｄ）における抵抗値は、減少するように変化する。そして、ブリッジ回路において、各歪検出素子１５１ａ〜１５１ｄの抵抗値の変化によって、出力電圧値が変化する。

操作板１１０、あるいは操作部１２０へ加えられる操作力の位置、向き、および大きさに応じて、各歪検出部１５１〜１５４における出力電圧値がそれぞれ異なる。よって、信号処理部１７０は、各歪検出部１５１〜１５４における出力電圧値を確認することで、操作板１１０、あるいは操作部１２０へ加えられる操作力の位置、向き、および大きさを把握することができる。

以下、具体的な操作の違いに対する操作力の把握方法について、図７〜図９を加えて説明する。

１．操作板１１０に対してｚ軸方向に操作力が加えられる場合
図７に示すように、操作者の操作板１１０に対するタッチ操作（タップ）によって、座標位置ｘ１、ｙ１にｚ軸方向の操作力Ｆｚが加えられたとする。各歪検出部１５１〜１５４に伝達されるｚ軸方向の力は、ｆｚ１、ｆｚ２、ｆｚ３、ｆｚ４であり、
（数１）
Ｆｚ＝ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４
である。

また、原点から歪検出部１５１、１５４までのｘ軸方向の距離、および原点から歪検出部１５２、１５３までのｘ軸方向の距離をそれぞれｗとすると、操作力Ｆｘによるｙ軸周りのモーメントＦｘ・ｘ１は、
（数２）
Ｆｘ・ｘ１＝（ｆｚ１＋ｆｚ４）・ｗ−（ｆｚ２＋ｆｚ３）・ｗ
である。

また、力ｆｚ１と力ｆｚ４との差によってｘ軸周りに発生するモーメントをｍｚ１とし、力ｆｚ２と力ｆｚ３との差によってｘ軸周りに発生するモーメントをｍｚ２とすると、操作力Ｆｘによるｘ軸周りのモーメントＦｘ・ｙ１は、
（数３）
Ｆｘ・ｙ１＝ｍｚ１＋ｍｚ２
である。

よって、数式１と数式２より、
（数４）
ｘ１＝｛（ｆｚ１＋ｆｚ４）−（ｆｚ２＋ｆｚ３）｝・ｗ／（ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４）
と、算出することができる。

また、数式１と数式３より、
（数５）
ｙ１＝（ｍｚ１＋ｍｚ２）／（ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４）
と、算出することができる。

つまり、各歪検出部１５１〜１５４から得られる力ｆｚ１〜ｆｚ４、およびモーメントｍｚ１、ｍｚ２から、加えられた操作力の位置（ｘ、ｙ座標位置）を把握することができる。

２．操作部１２０に対して、各軸方向、およびｚ軸周りに操作力が加えられる場合
（１）ｘ軸方向に力が加えられる場合
図８（ａ）に示すように、操作部１２０に対してｘ軸方向の操作力Ｆｘが加えられた場合、第１起歪体１４０ａの中央部（中央固定部１４１）には、ｚ軸のマイナス方向に力Ｆｘ１が作用する。これにより、第１歪検出部１５１および第４歪検出部１５４には、ｚ軸のマイナス方向にそれぞれ力ｆｚ１、ｆｚ４が作用する。

また、第２起歪体１４０ｂの中央部（中央固定部１４１）には、ｚ軸のプラス方向に力Ｆｘ２が作用する。これにより、第２歪検出部１５２および第３歪検出部１５３には、ｚ軸のプラス方向にそれぞれ力ｆｚ２、ｆｚ３が作用する。

（２）ｙ軸方向に力が加えられる場合
図８（ｂ）に示すように、操作部１２０に対してｙ軸方向の操作力Ｆｙが加えられた場合、第１起歪体１４０ａの中央部（中央固定部１４１）には、ｙ軸のマイナス方向に力Ｆｙ１が作用する。そして、力Ｆｙ１に基づくモーメントにより、第１歪検出部１５１にはｚ軸のプラス方向に力ｆｚ１が作用し、第４歪検出部１５４にはｚ軸のマイナス方向に力ｆｚ４が作用する。

また、第２起歪体１４０ｂの中央部（中央固定部１４１）には、ｙ軸のマイナス方向に力Ｆｙ２が作用する。そして、力Ｆｙ２に基づくモーメントにより、第２歪検出部１５２にはｚ軸のプラス方向に力ｆｚ２が作用し、第３歪検出部１５３には、ｚ軸のマイナス方向に力ｆｚ３が作用する。

（３）ｚ軸方向に力が加えられる場合
図８（ｃ）に示すように、操作部１２０に対してｚ軸方向（引き上げあるいは押し下げ方向）の操作力Ｆｚが加えられた場合、第１起歪体１４０ａの中央部（中央固定部１４１）には、ｚ軸のプラス方向に力Ｆｚ１が作用する。これにより、第１歪検出部１５１および第４歪検出部１５４には、ｚ軸のプラス方向にそれぞれ力ｆｚ１、ｆｚ４が作用する。

（４）ｙ軸方向に力が加えられる場合
図８（ｄ）に示すように、操作部１２０に対してｚ軸周りの操作力Ｍｚが加えられた場合、第１起歪体１４０ａの中央部（中央固定部１４１）には、ｙ軸のプラス方向に力Ｍｚ１が作用する。そして、力Ｍｚ１に基づくモーメントにより、第１歪検出部１５１にはｚ軸のマイナス方向に力ｆｚ１が作用し、第４歪検出部１５４にはｚ軸のプラス方向に力ｆｚ４が作用する。

また、第２起歪体１４０ｂの中央部（中央固定部１４１）には、ｙ軸のマイナス方向に力Ｍｚ２が作用する。そして、力Ｍｚ２に基づくモーメントにより、第２歪検出部１５２にはｚ軸のプラス方向に力ｆｚ２が作用し、第３歪検出部１５３にはｚ軸のマイナス方向に力ｆｚ３が作用する。

上記（１）〜（４）より、各操作力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚに応じて、各歪検出部１５１〜１５４に発生する力ｆｚ１〜ｆｚ４の向きの組み合わせがすべて異なるものとなる。よって、力ｆｚ１〜ｆｚ４の向きの組み合わせの違いから、操作部１２０に対するいずれの軸方向の操作であるか、あるいはｚ軸周りの回転操作であるかを検出することが可能となる。つまり、ｘ、ｙ、ｚ軸の３軸方向の操作力、およびｚ軸周りの回転操作力の検出が可能となる。

３．操作板１１０に対して斜め方向に操作力が加えられる場合
説明を簡単にするために、斜め方向の操作力Ｆが第１起歪体１４０ａに作用するモデルとして説明する。

図９に示すように、操作板１１０に対して斜め方向の操作力Ｆが加えられた場合、操作力Ｆのｘ軸方向の分力はＦｘとなる。この分力Ｆｘは連結体１３０の頂点部１３０ｂから、第１起歪体１４０ａに伝達される。伝達された力は、斜面１３０ａに沿う力と、斜面１３０ａに対して垂直方向となる力Ｆ１とに分解できる。第１起歪体１４０ａは、板状の部材であり、斜面１３０ａに沿う方向に剛性が高いため、斜面１３０ａに沿う力に対しては感度を持たないものとなる。また、力Ｆ１は、
（数６）
Ｆ１＝Ｆｘ・ｓｉｎθ
と表すことができる。

一方、操作板１１０の上面１１１とｘ軸との距離をｈとしたとき、分力Ｆｘにより、ｙ軸周りには、
（数７）
Ｍ＝Ｆｘ・ｈ
のモーメントが発生する。

このモーメントＭにより、第１起歪体１４０ａに対して、力Ｆ１とは反対向きとなる力Ｆ２が作用する。そして、力Ｆ２によるモーメントＭ２は、
（数８）
Ｍ２＝Ｆ２・ｗ／ｃｏｓθ
となる。

モーメントＭとモーメントＭ２は、等しいから数式７および数式８より、
（数９）
Ｆｘ・ｈ＝Ｆ２・ｗ／ｃｏｓθ
となる。

よって、数式９より、
（数１０）
Ｆ２＝Ｆｘ・ｈ・ｃｏｓθ／ｗ
となる。

ここで、ｈ／ｗ＝ｔａｎθであるので、数式１０は、
（数１１）
Ｆ２＝Ｆｘ・ｔａｎθ・ｃｏｓθ＝Ｆｘ・ｓｉｎθ
となる。

よって、数式６と数式１１とから
（数１２）
Ｆ１＝Ｆ２
となる。

つまり、第１起歪体１４０ａに作用する力Ｆ１と力Ｆ２とは同じ大きさで、向きが逆となっているので、両者の力は相殺されることになる。よって、操作板１１０に斜め方向の操作力Ｆが加えられて、分力Ｆｘが発生しても、第１起歪体１４０ａには、その影響を受けないものとすることができるので、斜め方向に力が作用する場合でも正確な操作位置を検出することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の操作入力装置１００Ａを図１０に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、連結体１３０の形状を変更して、連結体１３０Ａとしたものである。

連結体１３０Ａは、複数回折り返された単一の板バネによって形成されている。板バネは、例えばプレス加工によって形成される。連結体１３０Ａの一部は、細く形成されている。また、板バネの折り返し回数、板バネのｘ軸方向あるいはｙ軸方向の幅寸法、および、板バネのｚ軸方向の折り返す高さ等が所定の条件で設定されている。

連結体１３０Ａには、操作板１１０、操作部１２０、および起歪体１４０を固定する以外に、操作板１１０、操作部１２０に加えられた操作力を起歪体１４０に伝える働きをする。特に、ｚ軸周りのモーメントに対しては、連結体１３０Ａの一部を細くすることで、より起歪体１４０の変形を大きくする効果が得られる。この連結体１３０Ａに板バネを使用することで、上記連結体１３０Ａとしての作用に加えて、弾性体としての作用も兼ね備えるものとなる。弾性体があることで、操作力に対して操作板１１０、操作部１２０が変位し易くなり、操作者が操作力を加えたことが容易に分かるようになる。

また、板バネを、何回も折り返した構成とすることで、折り返しの回数や長さ等を調整することで、ｘ軸方向の力とｙ軸方向の力に対する操作部１２０の変位をほぼ等しくし、違和感のない操作フィーリングを実現できる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、連結体１３０における斜面１３０ａの角度θは、第１起歪体１４０ａ側、および第２起歪体１４０ｂ側、共に同一角度とした。しかしながら、これに限らず、図１１に示すように、第１起歪体１４０ａ側の斜面１３０ａ１の角度θ１と、第２起歪体１４０ｂ側の斜面１３０ａ２の角度θ２とが、異なる連結体１３０Ｂとしてもよい。２つの斜面１３０ａ１、１３０ａ２の角度θ１、θ２が異なることを許容することで、製造上のバラツキを吸収することが可能となる。

また、起歪体１４０を、Ｉ字状を成す第１起歪体１４０ａ、および第２起歪体１４０ｂとから形成するようにしたが、１枚の平板をＬ字状に折り曲げて１つの起歪体から構成するようにしてもよい。このとき、４つの歪検出部１５１〜１５４を一体的に構成して、１枚の起歪体に配置するようにしてもよい。あるいは、独立した各歪検出部１５１〜１５４をそれぞれ、１枚の起歪体に配置するようにしてもよい。

また、操作板１１０の上面１１１に、溝、凹部、凸部等を設けるようにしてもよい。溝は、例えば、ｘ軸方向に延びる溝として、指によるスライド操作を安定化させることができる。また、例えば、上面１１１の中心部に凹部、あるいは凸部を設けることで、操作者は、操作板１１０を直接見ることなく、手の感覚だけで基準位置を確認し、適切な操作を行うことが可能となる。

また、歪検出部１５０の各歪検出部１５１〜１５４は、それぞれ４つの歪検出素子１５１ａ〜１５１ｄ、１５２ａ〜１５２ｄ、１５３ａ〜１５３ｄ、１５４ａ〜１５４ｄから形成されるものとした。しかしながら、これに限らず、最小限、それぞれ１つの歪検出素子から形成されるものとしてもよい。つまり、歪検出部１５０は、少なくとも４つあればよい。

また、操作入力装置１００、１００Ａにおけるｘ軸の方向を左右方向、ｙ軸の方向を前後方向、ｚ軸の方向を上下方向と定義したが、これに限定されることはない。操作入力装置１００、１００Ａを取り付ける場所によっては、例えば、ｘ軸の方向を左右方向、ｙ軸の方向を上下方向、ｚ軸の方向を前後方向としてもよい。

また、操作部１２０（操作板１１０）の形状は、円筒状に限らず、多角形等としてもよい。

１００、１００Ａ操作入力装置
１１０操作板
１１１上面（外側面）
１２０操作部
１３０連結体
１３０ａ斜面
１３０ｂ頂点部
１４０起歪体
１５０歪検出部
１６０固定台（固定部）
１７０信号処理部（操作位置算出部）

Claims

操作者が指操作する操作板（１１０）と、
一端側が開口する箱状に形成され、前記操作板（１１０）が前記開口に配置されて、前記操作板（１１０）に沿う任意方向、前記操作板（１１０）に垂直な方向、および前記操作板（１１０）に垂直な軸周りの回転方向に移動可能に設けられた操作部（１２０）と、
前記操作板（１１０）および前記操作部（１２０）に加えられた力により弾性変形する起歪体（１４０）と、
前記操作板（１１０）および前記操作部（１２０）と、前記起歪体（１４０）とを連結し、前記操作板（１１０）および前記操作部（１２０）に加えられた力により、少なくとも一部が変形する連結体（１３０）と、
前記連結体（１３０）の変形に伴う前記起歪体（１４０）の変形を検出する少なくとも４つの歪検出部（１５０）と、
前記歪検出部（１５０）のそれぞれの歪検出結果に基づいて、前記操作板（１１０）に作用する力の位置および大きさを操作位置および操作力として算出すると共に、前記操作部（１２０）に作用する力および前記垂直な軸周りのモーメントを操作力として算出する操作位置算出部（１７０）と、
前記連結体（１３０）を固定する固定部（１６０）と、を備える操作入力装置において、
前記連結体（１３０）は、前記操作板（１１０）に対して所定の角度を成して山状となる２つの斜面（１３０ａ）を有し、前記起歪体（１４０）がぞれぞれの前記斜面（１３０ａ）に配置されて、前記山状の斜面（１３０ａ）の頂点部（１３０ｂ）は、前記操作板（１１０）の外側面（１１１）の位置から所定の距離以内に配置されており、
前記起歪体（１４０）、前記連結体（１３０）、および前記歪検出部（１５０）は、箱状の前記操作部（１２０）の内部に配置されていることを特徴とする操作入力装置。
前記操作部（１２０）は、前記垂直な軸の回りに回転操作可能とされるダイアル部材であることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
前記所定の距離は、前記操作板（１１０）の最大長さの２０分の１であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の操作入力装置。
前記所定の距離は、２ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の操作入力装置。