JP6337395B2 - 入出力操作装置 - Google Patents

Description

本願は、手動で操作される操作部をＸ軸方向およびＹ軸方向に傾け、かつ、操作部の中心軸であるＺ軸に対して回転（ローリング）させることが可能であり、さらに操作部を介して触力覚を出力制御する入出力操作装置に関する。

近年、自動車に搭載される電子機器は、安全、安心、快適性を高める目的のため、より高機能化、多機能化が進んでいる。このため、運転者が行うべき操作手順が非常に複雑になってきている。複雑な操作を簡単にするという観点から、例えば、ナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作に、操作者の感覚とよく一致し、操作性が高いＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ−Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が求められている。

親和性のあるＨＭＩのとしては、３軸操作が可能な入力装置やフォースフィードバック機能を有したハプティックデバイスが提案されている。

たとえば、特許文献１は、操作部をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向にのみ移動可能なように、操作部の移動方向を規制し、かつ、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における操作部の位置検出を行う３軸の入力操作装置を開示している。

特許文献２は、操作部を３軸回りに回転可能なように保持し、かつ、回転角の検出が可能な入力操作装置を開示している。

また、特許文献３は、操作部をＸ、Ｙ軸回りに回転し、軸回りの相対変位量を検出し、それぞれの回転機構に搭載されたモータにより操作部に力覚を付与するハプティックデバイスを開示している。

昭５８−１７２７３９号公報 特開平５−５７６４５号公報 特開２００５−３３２０３９号公報

従来の入力装置やハプティックデバイスには、より、操作性の高いＨＭＩが求められていた。本願の限定的ではない例示的な実施形態は、より操作性の高い入出力操作装置およびハプティックデバイスを提供する。

本開示の入出力操作装置は、入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、前記操作部と少なくとも１つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、少なくとも１つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも１つの吸着用磁石と前記少なくとも１つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るＸ軸を中心に回転させる第１の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記Ｘ軸を含む平面内で前記Ｘ軸に直交するＹ軸を中心に回転させる第２の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に直交し前記操作部の中心軸であるＺ軸を中心に回転させる第３の駆動部と、前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Ｘ軸回りの第１の回転角度および前記Ｙ軸回りの第２の回転角度を検出する検出器とを備え、前記凸状球面の前記球心が、前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点に設けられたアクチュエータ、前記第１および前記第２の回転角度から第１および第２の回転角度信号を生成する検出回路部、前記第１および第２の回転角度信号に基づき、第１および第２の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、前記第１および第２の目標回転角度信号を受け取り、前記第１および第２の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部を備える。

本開示の入出力操作装置によれば、手指に接触する表面を有する操作部の中心軸の延長上に、固定部に設けた球状の突起部の球心と突起部に接触するように可動部に設けられた円錐状の凹状接触面の中心軸を配し、かつ２つに分割された可動部を球状の突起部を中心に包み込むように接合させる可動部構成をとることにより、操作部を搭載する可動部の重心支持を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。

その結果、操作部のＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸マルチ高速操作を実現できるとともに、従来にない新しい触力覚を操作者に感じさせることができる入出力操作装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０におけるアクチュエータ１６５の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の可動部１８０の詳細構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の可動部１８０の磁気バックヨーク６７０を上方から見た斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の可動部１８０の磁気バックヨーク６７０をＺ軸１０方向上方から見た平面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５を上方から見た斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５を上方から見た脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た脱落防止部材２０１の斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０方向から見た上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の直線１３方向から見た平面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た操作部８５０と上部可動部１５０を排除したアクチュエータ１６５の斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た固定ユニットの斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットに搭載される一つの駆動手段の構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の上Ｚ軸１０と回転軸１１を含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０と回転軸１２を含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０と直線１３含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における上方から見た脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における本発明のＺ軸１０から見た脱落防止部材２０１を排除した上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における脱落防止部材２０１を排除したＺ軸１０と直線１３を含む平面での断面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットの上面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットのＺ軸１０とＹ軸方向回転軸１１を含む平面での断面図である。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータ１６５のセンサー基板５０２をＺ軸１０の上方から見た上面図である。 本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０の全体を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第３の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第４の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第５の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第６の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 本発明の第６の実施形態の入出力操作装置７５０の入力検出信号を示す図である。

例えば、車載用の操作者の操作を受け付ける入力装置においては、安全、安心の観点から、ドライバーに優しい直感的な操作や、操作部を見ないブラインド操作、さらには快適な運転環境を支える品位ある操作感が求められる。

一般に多軸の入力装置の多くは、組合せ構成が比較的安易であることから、軸周りに回転可能な回転機構を複数組み合わせることにより実現されている。また、それぞれの回転機構は、ギア等（ラック＆ピニオン、ウォームホイール＆ウォームギア）の伝達機構を介して駆動モータに結合され、操作部はそれぞれの回転軸を中心に回転駆動するように構成されている。また、駆動モータの駆動軸にエンコーダ等が設けられ、操作部の相対的な位置変位量が検出される。

しかしながら、この構成を用いる場合、可動する操作部の重量が増加し、入力装置全体が大型化しやすい。また、回転機構の軸受けには、軸受けギャップによるラトルノイズや軸方向の遊びが発生し、異音発生や機械的、構造的な不良を誘発する原因となりえる。

また、可動部と駆動モータに介在するギア等の伝達機構においては、バックラッシュを設ける必要がある。このため、磨耗等により隙間が増大し、操作部の位置精度の低下、機械振動や騒音の発生および装置の寿命を低下させる原因となりえる。

また、エンコーダ等によって、操作部の相対位置を検出する場合、絶対位置は、始終端スイッチで検出する原点検出後でなければわからない。このため、絶対位置をカウント数に変換する必要であり、リセット時は始終端へ復帰させることも必要となる。

特許文献１から３に開示された技術にはこのような課題が存在得る。本願発明者はこのような課題に鑑み、新規な入力装置を想到した。

本開示の入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、前記操作部と少なくとも１つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、少なくとも１つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも１つの吸着用磁石と前記少なくとも１つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るＸ軸を中心に回転させる第１の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記Ｘ軸を含む平面内で前記Ｘ軸に直交するＹ軸を中心に回転させる第２の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に直交し前記操作部の中心軸であるＺ軸を中心に回転させる第３の駆動部と、前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Ｘ軸回りの第１の回転角度および前記Ｙ軸回りの第２の回転角度を検出する検出器とを備え、前記凸状球面の前記球心が、前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の原点に設けられたアクチュエータ、前記第１および前記第２の回転角度から第１および第２の回転角度信号を生成する検出回路部、前記第１および第２の回転角度信号に基づき、第１および第２の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、前記第１および第２の目標回転角度信号を受け取り、前記第１および第２の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部を備える。

ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記第１、第２の回転角度信号に基づき前記操作部の可動範囲領域に相当する２次元座標系における前記操作部の現位置座標を生成し、目標位置座標と前記現位置座標の差分を用いた位置フィードバック制御に基づく前記第１、第２の目標回転角度信号を生成する。

ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記２次元座標系において、前記目標位置座標を含み、目標となる識別座標エリアを設定し、前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第１の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記２次元座標系において、目標となる複数の識別座標エリアを設定し、前記操作部の前記現位置座標または、外部からの信号に応じて、前記複数の識別座標エリアから選ばれる１つの識別座標エリア内に前記目標位置座標を設定し、前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第１の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する。

ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、所定の駆動波形パターンを有する駆動信号を生成し、前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第３を駆動する信号を生成し、前記第３の駆動部により可動ユニットは前記Ｚ軸回りの方向へ振動駆動する。

ある好ましい実施形態において、前記所定の駆動波形パターンは、可聴領域の周波数成分を有する振動波形を含む。

ある好ましい実施形態において、検出器は、固定ユニットに対する操作部のＸ軸、Ｙ軸回りの回転角度を検出する第１の検出部と、固定ユニットに対する操作部のＺ軸回りの回転角度を検出する第２の検出部と含む。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットの凹部が凸状球面で、固定ユニットの凸状球面が凹部である。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットの凹部は円錐状の表面を有する。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、凸状球面を固定するホルダーバーが挿入される開口部を有し、開口部とホルダーバーとが接触することにより、可動ユニットの回転角度が制限される。

ある好ましい実施形態において、固定ユニットに設けられ、可動ユニットが固定ユニットから脱落しないように可動ユニットの移動を制限する規制面を有する脱落防止部材をさらに備え、規制面は、球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有する。

ある好ましい実施形態において、第１の駆動部は、可動ユニットにおいて、Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第１の駆動磁石と、１対の第１の駆動磁石に対向するよう固定ユニットにそれぞれ配置された１対の第１の磁気ヨークと、１対の第１の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第１の駆動コイルとを含み、第２の駆動部は、可動ユニットにおいて、Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第２の駆動磁石と、１対の第２の駆動磁石に対向するよう固定ユニットにそれぞれ配置された１対の第２の磁気ヨークと、１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第２の駆動コイルとを含み、１対の第１の駆動磁石および１対の第１の駆動コイルは、凸状球面の球心を通る直線上に設けられ、１対の第２の駆動磁石および第２の駆動コイルは、凸状球面の球心を通り、直線と直交する他の直線上に設けられ、各第１の駆動磁石、第１の駆動コイル、第２の駆動磁石および第２の駆動コイルのＺ軸方向における中心の位置は、凸状球面部の球心の位置とほぼ一致している。

ある好ましい実施形態において、第３の駆動部は、１対の第１の磁気ヨークおよび１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第３の駆動コイルを含み、１対の第１の駆動磁石および１対の第２の駆動磁石を第３の駆動磁石として用いる。

ある好ましい実施形態において、少なくとも１つの磁性体は、１対の第１の磁気ヨークおよび１対の第２の磁気ヨークである。

ある好ましい実施形態において、少なくとも１つの吸着用磁石は、１対の第１の駆動磁石および１対の第２の駆動磁石である。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットが中立の位置にある状態において、１対の第１の駆動磁石および１対の第２の駆動磁石は、Ｚ軸に垂直である球心を通る水平面に対して下向きに、４５度以下の回転角度Ａをなすように配置されており、１対の第１の駆動磁石および１対の第２の駆動磁石に対向するように第１の駆動コイルと１対の第１の磁気ヨークおよび１対の第２の駆動コイルとに１対の第２の磁気ヨークを固定ユニットに回転して配置されている。

ある好ましい実施形態において、回転角度Ａが１５ないし２５度である。

ある好ましい実施形態において、１対の第１の駆動磁石、１対の第２の駆動磁石は、それぞれ、可動ユニットの内側に位置しており、可動ユニットの外形面において露出していない。

ある好ましい実施形態において、１対の第１の駆動コイル、１対の第２の駆動コイルおよび１対の第３の駆動コイルは、それぞれ、固定ユニットの内側に設けられ、固定ユニットの外形面において露出していない。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、樹脂材料によって構成されている。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、１対の第１の駆動磁石、１対の第２の駆動磁石とともに一体成型されている。

ある好ましい実施形態において、固定ユニットは、樹脂材料によって構成されている。

ある好ましい実施形態において、固定ユニットは、１対の第１の駆動コイル、１対の第２の駆動コイル、第３の駆動コイル、１対の第１の磁気ヨーク、１対の第２の磁気ヨークとともに一体成型されている。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットの重心は球心と一致している。

ある好ましい実施形態において、第１の検出部は、固定ユニットに固定された第１の磁気センサーと、可動ユニットに設けられた回転検出用磁石とを含み、第１の磁気センサーは、回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出し、Ｘ軸、Ｙ軸回りの２次元の回転角度を算出する。

ある好ましい実施形態において、第１の磁気センサーおよび回転検出用磁石は、Ｚ軸上に位置している。

ある好ましい実施形態において、第１の検出部は、固定ユニットに固定された光センサーと、可動ユニットの凸状球面部の一部に設けられた光検出パターンとを含み、光センサーは、光検出パターンの回転による光センサーに入射する光の変化を検出し、操作部のＸ軸、Ｙ軸回りの２次元の回転角度を算出する。

ある好ましい実施形態において、光センサーおよび光検出パターンは、Ｚ軸上に位置している。

ある好ましい実施形態において、可動ユニットが中立の位置にあるとき、Ｚ軸に直交する平面において、第１の磁気センサーは、それぞれ、１対の第１の駆動磁石を結ぶ直線および１対の第２の駆動磁石を結ぶ直線に対して４５度の角度をなす直線上に配置されている。

ある好ましい実施形態において、第２の検出部は、可動ユニットにおいてＺ軸に対して対称に配置された１対の回転検出用磁石と、固定ユニットに固定され、１対の回転検出用磁石のそれぞれに対して、対峙するように固定された１対の第２の磁気センサーとを含み、１対の第２の磁気センサーは、回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出して、操作部の回転角度を算出する。

ある好ましい実施形態において、１対の回転検出用磁石は、Ｚ軸に直交する平面において、球心を通る直線に平行であり互いに逆向き方向に２極分割着磁された磁石から構成されている。

ある好ましい実施形態において、脱落防止部材の規制面と可動ユニットの外形面との間に空隙が設けられており、可動ユニットの凹部が固定ユニットの凸状球面から離間しても、磁気吸引力によって、点または線接触の状態に復帰ように空隙は決定されている。

本開示の入出力操作装置によれば、手指に接触する表面を有する操作部の中心軸の延長上に、固定部に設けた球状の突起部の球心と突起部に接触するように可動部に設けられた円錐状の凹状接触面の中心軸を配し、かつ２つに分割された可動部を球状の突起部を中心に包み込むように接合させる可動部構成をとることにより、操作部を搭載する可動部の重心支持を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。

さらに回動角度に影響しない磁気吸引力で、固定部の突起部と可動部の凹状接触面とからなるピポッド構成において一定の垂直抗力を付加することにより、回動角度に対する摩擦負荷変動を低減し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。

さらに従来、磁気吸引力による支持構成で特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動部の脱落防止に関しては、可動部が回動可能な所定の空隙を介して固定部に脱落防止規制面を設けることにより装置の大型化を回避しながら確実に可動部の脱落防止を実現できる。

さらに凹状接触面を突起部より空隙の距離を係脱させた状態においても、磁気吸引力により凹状接触面が突起部に移動し接触復帰できる距離の空隙を設けることにより、たとえ可動部が瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて安全な入出力操作装置を提供できる。

さらにＸ軸、Ｙ軸回りの回転駆動手段およびＺ軸回りの回転駆動手段は、Ｚ軸を中心とする円周状に配置された互いに直交する２対の可動部に固定された駆動磁石と、駆動磁石に対向するよう固定部にそれぞれ配設された２対の駆動コイルと磁気ヨークからなり、かつＺ軸方向の配設される高さ位置は突起部の球心の高さ位置にほぼ等しくすることで可動部の重心駆動を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。

さらに駆動磁石に対向する磁気ヨークの投影面積をほぼ等しくすることで、可動部のＸ軸およびＹ軸回りの回転角度およびＺ軸回りの回転角度が０度の場合に、磁気ヨークと駆動磁石との磁気バネによる可動部の中立点を保持することができる。

さらに可動部を回転させた後には、中立点へこの磁気バネにより復帰させることができ、復帰動作に特別な構造や付加すべき駆動電流も必要としない。

また、車載用電子シフター等の操作入力装置においては、各設定されたシフトポジションへ入力後に中立点に自動的に復帰し保持されていることが必要条件とされるため、磁気バネによる可動部の中立点への復帰動作が可能な本発明の入出力操作装置で、電子シフター等への応用が実現しうる。

さらに良好な周波数応答特性と高い回転角度分解能を実現できるアクチュエータであることから、指先による可動ユニットの動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック操作入力やスワイプ操作入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。

さらに接触面である可動ユニットの凹部の円錐表面もしくは固定ユニットの凸状球面の表層部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性の優れた支持構成を実現できる。

円錐状の凹部の接触面と遊嵌する凹状部分球面とで構成されたピボット構成の空間に振動減衰用の粘性部材もしくは磁性流体を充填することにより、可動部に搭載される駆動磁石と固定部に設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力の磁気バネ効果による振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。

以上のように本発明は、Ｘ軸とＹ軸回りに±２５度以上の大きな回転駆動と±５度以上のＺ軸回りの回転駆動を可能とするピボット支持系を原点である球心に配置させることにより、２００Ｈｚ程度までの広帯域の周波数領域で操作部の良好な入出力制御を実現できる。

その結果、操作部のＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸マルチ高速操作を実現できるとともに、従来にない新しい触力覚を操作者に感じさせることができる入出力操作装置を提供する。

さらに、操作部をＺ軸中心に右もしくは左回りに回しながら、同時にＸ軸とＹ軸へ移動操作する３軸同時操作が可能なことから、操作者は、携帯端末でよく使用されているピンチ操作入力による画面の拡大縮小やスクロール操作入力の代替入力の検出も可能となりえる。

さらに堅牢な可動部の脱落防止構造を小型化で実現できるため、振動や落下衝撃等の外乱から完全に防御できる安全性の高い入出力操作装置を提供できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明による入出力操作装置の第１の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態である入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の第１の実施形態である可動ユニット１８０の分解斜視図である。図３Ａ、図３Ｂは、可動部１８０の磁気バックヨーク６７０を示す斜視図である。図４Ａは、アクチュエータ１６５を斜め上方から見た斜視図である。図４Ｂは、一部の構成要素である脱落防止部材２０１を取り除いた状態にあるアクチュエータ１６５を斜め上方から見た斜視図である。図４Ｃは、一部の構成要素である脱落防止部材２０１を斜め上方から見た斜視図である。図５Ａは、Ｚ軸１０方向から見た上面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す直線１３の方向から見た平面図である。図６は、操作部８５０と上部可動部１５０を排除したアクチュエータ１６５の斜視図である。図７は、上方から見た固定ユニットの斜視図である。図８Ａは、固定ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。図８Ｂは、固定ユニットに搭載される一つの駆動手段の構成を示す分解斜視図である。図９Ａ、図９Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と回転軸１１を含む平面での断面図である。図１０Ａ、図１０Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と回転軸１２を含む平面での断面図である。図１１Ａ、図１１Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と直線１３を含む平面での断面図である。図１２は、回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における上方から見た脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。図１３Ａ、図１３Ｂは、アクチュエータ１６５の脱落防止部材２０１を排除した上面図および回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における脱落防止部材２０１を排除したＺ軸１０と直線１４を含む平面での断面図である。図１４Ａ、図１４Ｂは、固定ユニットの上面図およびＺ軸１０と回転軸１１を含む平面での断面図である。図１５は、アクチュエータ１６５のセンサー基板５０２をＺ軸１０の上方から見た上面図である。図１６は、本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０の全体構成図である。図１７は、本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。これらの図を参照してアクチュエータ１６５と入出力操作装置７５０の主な構成を説明する。

入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５は、操作部８５０と、操作部８５０を搭載する可動ユニット１８０と、可動ユニット１８０を支持する固定ユニットとを備える。

可動ユニット１８０は、固定ユニットに対して、Ｚ軸１０を中心に回転する回転方向２２、Ｚ軸１０に直交し、球心７０を通る回転軸（Ｘ軸）１１を中心に回転する回転方向２１およびＺ軸１０に直交し球心７０を通る回転軸（Ｙ軸）１２を中心に回転する回転方向２０に自在に回転する。回転軸１１と回転軸１２とは互いに直交している。このために、アクチュエータ１６５は、可動ユニット１８０を回転方向２０および回転方向２１へ回転（傾斜）させるための第１の駆動部および第２の駆動部と、固定ユニットに対して操作部８５０を回転方向２２に回転させる第３の駆動部とを備える。各駆動部は、駆動磁石と、駆動コイルおよび磁気ヨークとの組み合わせを含む。例えば。駆動磁石は可動ユニット１８０に設けられ、駆動コイルおよび磁気ヨークは固定ユニットに設けられる。

第１の駆動部は、１対の駆動磁石４０１と、１対の駆動コイル３０１と、磁性体からなる１対の磁気ヨーク２０３とを含む。さらに１対の駆動コイル３０１の内側には、後述するＺ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動する第３の駆動部である１対の駆動コイル３０３が巻回されている。駆動磁石４０１と磁気ヨーク２０３は、球心７０を中心とする円周曲面を２側面に有した部分的な円管形状を有する。

第２の駆動部は、１対の駆動磁石４０２と、１対の駆動コイル３０２と、磁性体からなる１対の磁気ヨーク２０４とを含む。さらに１対の駆動コイル３０２の内側には、後述するＺ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動する第３の駆動部である１対の駆動コイル３０３が巻回されている。駆動磁石４０２と磁気ヨーク２０４も、球心７０を中心とする円周曲面を２側面に有した部分的な円管形状である。

第１、第２および第３の駆動部による可動ユニット１８０の駆動については以下において詳細に説明する。

アクチュエータ１６５は、操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０の、固定ユニットに対する回転角度およびのＺ軸１０回りの回転角度を検出するための検出器を備える。具体的には、可動ユニット１８０の２次元の回転（傾斜）角度、つまり、回転方向２０および回転方向２１の回転角度を検出するための第１の検出部と、回転方向２２の傾斜角度を検出するための第２の検出部とを備える。第２の検出部は図示しないが、Ｚ軸１０に直交する平面内で球心７０を中心に可動部１８０の両端に配置された１対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース２００に配置された一対の磁気センサーから構成される。しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第１の検出部においても十分検出が可能となり、第２の検出部は不要となる。

第１の検出器は、可動部１８０の底部に搭載された回転検出用磁石４０６と、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で回転軸１１、１２と直交する直線１３に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０１ａと５０１ｂと、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で直線１３に直交する直線１４に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０３ａと５０３ｂとから構成される。磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと５０３ａ、５０３ｂは、センサー基板５０２に搭載され、回転検出用磁石４０６と所定の空隙を隔ててコイルバネ６００を介しベース２００に固定されている。検出器については、以下において詳細に説明する。

固定ユニットはベース２００を含む。ベース２００は、可動ユニット１８０の少なくとも一部が遊嵌する凹部を有する。本実施形態では、凹部の内側面は凹状球面２００Ａによって構成されている。ベース２００は、さらに開口部２００Ｐ、２００Ｔと、接触面２００Ｂとを有する。

図１に示すように、アクチュエータ１６５は、可動ユニット１８０を回転方向２２に回転させるため、１対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４と、それらを巻回する４個の駆動コイル３０３と、１対の駆動磁石４０１および１対の駆動磁石４０２を用いる。

図１、図８Ａおよび図８Ｂに示すように駆動コイル３０３は、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４にそれぞれ駆動コイル３０１および駆動コイル３０２のコイル巻回方向に対して直交するように内側に積層され巻回された十字巻き構成を有し、それぞれベース２００の開口部２００Ｐ、２００Ｔに挿入固定される。具体的には、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４に駆動コイル３０３を巻回した後、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４の両側面に磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒを固定し、その後に一対の駆動コイル３０１および３０２を全体に巻回する。さらに磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの底部をベース２００の取付け面２００Ｓに固定することで固定ユニットに駆動部が装着される。

好ましくは、ベース２００を含む固定ユニットは樹脂によって構成されている。さらに好ましくは、ベース２００を含む固定ユニットは、１対の磁気ヨーク２０３に巻回された駆動コイル３０１と駆動コイル３０３、１対の磁気ヨーク２０４に巻回された駆動コイル３０２と駆動コイル３０３とで一体成型されている。また、これらの磁気ヨークに巻回された駆動コイルは、ベース２００の内側面、つまり、凹状球面２００Ａにおいて露出していないことが好ましい。

可動ユニット１８０は上部可動部１５０と下部可動部１０２とを含む。操作部８５０を内蔵する上部可動部１５０は下部可動部１０２に固定される。操作部８５０は、可動ユニット１８０において、Ｚ軸１０上に位置している。操作部８５０は概ね凸形状を有し、凸形状の中心（もっとも突出している部分）はＺ軸１０と一致している。可動ユニット１８０には、カメラや発光素子などは設けられていない。

下部可動部１０２は、一対の開口部１０２Ｗを有する壺形状を備える。下部可動部１０２は、球心７０を球心とする凸状球面１０２Ｒを外形に有する。

凸状球面１０２Ｒは、下部可動部１０２の外側全体を覆っている。より具体的には、下部可動部１０２は、後述する球心７０を球心とする凸状球面部６５１をベース２００に連結固定する連結棒６５０を挿入可能な一対の開口部１０２Ｗを有している。開口部１０２Ｗは、可動ユニット１８０が、Ｚ軸１０、回転軸１１および回転軸１２周りに、あらかじめ設定された角度範囲で回転した場合に連結棒６５０が下部可動部１０２に接触することがないような位置および大きさで下部可動部１０２に設けられている。さらに、開口部１０２Ｗは、可動ユニット１８０の回転方向２２のストッパーとして用いられる。したがって、開口部１０２Ｗ以外の部分の表面が凸状球面１０２Ｒを構成している。

凸状球面部６５１と凸状球面１０２Ｒの球心７０は、下部可動部１０２の中心に位置しており、操作部８５０の下部に位置している。

可動ユニット１８０には、回転検出用磁石４０６と１対の駆動磁石４０１と、１対の駆動磁石４０２とが設けられる。凸状球面１０２Ｒに露出することがないよう、搭載する検出用磁石や駆動磁石は開口部１０２Ｈから下部可動部１０２の内側に配置されることが好ましい。下部可動部１０２は、好ましくは樹脂によって構成され、下部可動部１０２と回転検出用磁石４０６と１対の駆動磁石４０１と１対の駆動磁石４０２とが一体的に成型されている。

図９Ｂ、図１０Ｂに示すように、ベース２００の内側に設けられている磁気ヨーク２０３および磁気ヨーク２０４は磁性体からなる。このため、それぞれに対向するように下部可動部１０２の内側に設けられた駆動磁石４０１および駆動磁石４０２は吸着用磁石として機能し、磁気ヨークと駆動磁石との間にそれぞれ磁気吸引力が発生する。具体的には、磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１とに磁気吸引力Ｆ１が、磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２とに磁気吸引力Ｆ１が発生する。実際には磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１の中心線１８および磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２の中心線１９は、それぞれ直線１１、直線１２に対して下向きの傾斜角度θｄで構成されている。傾斜角度θｄは１５度〜２５度程度が好ましい。 上部可動部１０５は、下部可動部１０２の壺形状の開口と対応する開口を有する壺形状を備える。下部可動部１０２は、球心７０を球心とする凸状球面１０５Ｒを外形に有する。また、上部可動部１５０の壺形状の内部に、凹状円錐面８６０ａを含む凹状円錐部材８６０が設けられている。凹状円錐面８６０ａは、下部可動部１０２に対向しており、は固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａに接触する。これにより、可動ユニット１８０は固定ユニットに対して遊嵌される。

図９Ｂに示すように、磁気吸引力Ｆ１は、固定ユニットの凸状球面部６５１の凹状円錐部材８６０に対する垂直抗力となる。また、磁気吸引力Ｆ１は、Ｚ軸１０方向の合成ベクトルである磁気吸引力Ｆ２となる。この力のバランスは、いわゆる『ヤジロベエ』の力学構成に良く似ている。このため、可動ユニット１８０は、非常に安定して３軸方向に回転し得る。具体的には、可動ユニット１８０は球心７０近傍において固定ユニットにピボット支持される。この支持は、極めて安定であり、摩擦抵抗が小さい。よって、極めて優れた動特性を実現できる。つまり、Ｚ軸１０、回転軸１１、回転軸１２を中心とする、可動ユニット１８０の回転方向２２、２１、２０への回転が可能となる。

特に、可動ユニット１８０が、上部可動部１５０および下部可動部１０２からなる球体形状を備えているため、球心７０を、可動ユニット１８０中心かつ重心の位置と一致させることができる。このため、可動ユニット１８０は、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に、いずれもほぼ等しいモーメントで回転し得る。その結果、可動ユニット１８０が、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２にどのように回転した状態であっても、常にほぼ同じ駆動力でさらに回転させることが可能であり、可動ユニット１８０を常に高い精度で駆動させることが可能となる。

また、球心７０、つまり、可動ユニット１８０の回転中心と、可動ユニット１８０の重心とが一致するため、可動ユニット１８０が回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に回転するモーメントは非常に小さい。このため、小さな駆動力で可動ユニット１８０を中立状態に維持したり、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に回転させたりすることができる。よって、入出力操作装置７５０におけるアクチュエータ１６５の消費電力を低減させることができる。特に可動ユニット１８０を中立状態で維持するための必要な駆動電流をほとんどゼロにすることも可能である。

このように、本実施形態によれば、操作部８５０を搭載する可動ユニット１８０は、重心位置である球心７０において集中的に支持される。従って、摩擦による負荷の低減や駆動周波数領域においる機械的共振を大幅に抑圧することができる。

また、駆動磁石４０１および駆動磁石４０２は、部分円周曲面を有するため、回転角度の大小に影響されることなく、一定の磁気吸引力Ｆ２を発生させることができ、固定ユニットの凸状球面部６５１と凹状円錐部材８６０との垂直抗力も一定となる。その結果、回転角度による摩擦負荷の変動を抑制し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。

また凸状球面部６５１もしくは凹状円錐部材８６０を摺動性が優れた樹脂部材により構成すれば、接触する凹状円錐面８６０ａと凸状球面６５１ａの摩擦をさらに低減させることが可能であり、耐摩耗性に優れた支持構造を実現できる。

アクチュエータ１６５は、好ましくは、可動ユニット１８０が固定ユニットから脱落しないように可動ユニット１８０の移動を制限する脱落防止部材２０１を含む（図１、図４Ａ、図４Ｃ）。脱落防止部材２０１は、脱落防止用規制面２０１Ａを有し、可動ユニット１８０が固定ユニットから離れるように移動した場合、可動ユニット１８０の上部可動部１５０と脱落防止用規制面２０１Ａとが当接することによって可動ユニット１８０の移動を制限する（図４Ａ）。

上部可動部１５０が球心７０に対して全可動範囲で自在に回動可能になるように、所定の空隙（図示せず）が上部可動部１５０の凸状球面１５０Ｒと脱落防止部材２０１の脱落防止用規制面２０１Ａとの間に設けられている。

好ましくは、脱落防止用規制面２０１Ａは、球心７０と一致した中心を有する凹状部分球面を有する。脱落防止部材２０１はベース２００の接触面２００Ｂに固定されている。凸状球面１５０Ｒと脱落防止用規制面２０１Ａとの間には、凹状円錐部材８６０の凹状円錐面８６０ａが固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａに接触した状態で空隙を設けている。この空隙は、凹状円錐面８６０ａが凸状球面６５１ａから離間しても、磁気吸引力Ｆ１により凹状円錐面８６０ａと凸状球面６５１ａが接触する状態へ戻ることが可能な距離に設定されている。つまり、可動ユニット１８０が上方へ空隙に等しい距離だけ移動し、脱落防止用規制面２０１Ａと凸状球面１５０Ｒとが接触した状態においても、磁気吸引力Ｆ１により可動ユニット１８０は、凹状円錐面８６０ａと凸状球面６５１ａが接触する元の状態へ戻ることができる。このため、本実施形態によれば、たとえ可動ユニット１８０が瞬間的に所定の位置から脱落した場合においても磁気吸引力Ｆ１により、即座に元の良好な支持状態に復帰することのできる耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。

次に、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０を駆動するための構造を詳細に説明する。

図２に示すように、下部可動部１０２には、可動ユニット１８０を回転方向２０に回転駆動するために、１対の駆動磁石４０１がＺ軸１０に対して対称に配置され、可動ユニット１８０を回転方向２１に回転駆動するために、１対の駆動磁石４０２がＺ軸１０に対して対称に配置されている。固定ユニットに設けられる構成要素について、『Ｚ軸１０に対して対称』とは、可動ユニット１８０が中立状態、つまり可動ユニット１８０が固定ユニットに対して回転してない状態におけるＺ軸１０を基準としている。

駆動磁石４０１は、回転軸１１の方向に磁束を有するように１極に着磁されており、同様に駆動磁石４０２は、回転軸１２の方向に磁束を有するように１極に着磁されている。

図１、図９Ｂ、図１０Ｂに示し、上述したように、１対の磁気ヨーク２０３および磁気ヨーク２０４が、１対の駆動磁石４０１および１対の駆動磁石４０２にそれぞれ対向するように、Ｚ軸１０を中心としたベース２００の円周上にそれぞれ設けられている。

図１、図８Ａに示すように、回転軸１１の方向にベース２００に配置された１対の磁気ヨーク２０３のそれぞれには、磁気ヨーク２０３を巻回する駆動コイル３０３が設けられ、さらに駆動コイル３０３の外側に駆動コイル３０３の巻回方向と直交するように４分割された駆動コイル３０１が設けられている。駆動コイル３０１が４分割されているのは、磁気ヨーク２０３が円周曲面を有することに起因する。

同様に回転軸１１に直交する回転軸１２方向に配置された１対の磁気ヨーク２０４のそれぞれには、磁気ヨーク２０４を巻回する駆動コイル３０３と駆動コイル３０３の外側に駆動コイル３０３の巻回方向と直交するように駆動コイル３０２が設けられている。

言い換えれば、Ｚ軸１０を中心とする円周上に、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２の駆動部がそれぞれ独立に分散して配置されている。

このような構造によれば、図９Ｂ、図１０Ｂに示すように磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１との間の磁気ギャップ、磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２との間の磁気ギャップを均等に設けることができる。このため、それぞれの磁束密度を均等に向上させることができ、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２への駆動効率が大幅に改善される。

次に、各駆動部のＺ軸１０方向の高さ位置を説明する。

図１４Ｂに示すように、直線３６、３７は、ベース２００に固定される磁気ヨーク２０３の球心７０を通る円周曲面の中心軸（図示せず）と垂直である。また、直線３６、３７は、中立状態にある可動ユニットの駆動磁石４０１の球心７０を通る円周曲面の中心軸（図示せず）と垂直である。直線３６、３７は、直線１１に対して、下方に４５度以下の傾斜角度θｐをなしている。図示しないが、ベース２００に固定される磁気ヨーク２０４、駆動磁石４０２も同様の構成である。このように、一対の駆動磁石４０１、４０２と一対の磁気ヨーク２０３、２０４は、球心７０を含む水平面に対して下向きに４５度以下の傾斜角度θｐを傾斜したＺ軸１０を中心とした４枚の花びらのような構成をなしている。具体的には、図１４Ａ、図１４Ｂに示したように、一対の磁気ヨーク２０３のそれぞれは、両側面において磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒに挟まれており、磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒの底部がベース２００の開口部２００Ｐに挿入される。これによって、磁気ヨーク２０３が、取付け面２００Ｓに固定される。

同様に一対の磁気ヨーク２０４のそれぞれは、両側面において、磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒに挟まれており、磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの底部がベース２００の開口部２００Ｔに挿入される、これにより、磁気ヨーク２０４が、取付け面２００Ｓに固定される。

上述したように、傾斜角度θｐを４５度以下に設定することにより、固定ユニットの高さを小さくし、装置の省スペースと低背化を実現できる。好ましくは、回転傾斜角度θｐおよび回転傾斜角度θｒ、は１５度から２５度程度であり、より好ましくは、例えば、２０度である。

１対の駆動コイル３０１に通電することにより、１対の駆動磁石４０１は偶力の電磁力を受け、下部可動部１０２、つまり可動ユニット１８０は、Ｘ軸方向回転軸１２を中心に回転方向２０に回転駆動される。同様に、１対の駆動コイル３０２に通電することにより、１対の駆動磁石４０２は偶力の電磁力を受け、可動ユニット１８０は、Ｙ軸方向回転軸１１を中心に回転方向２１に回転駆動される。

さらに駆動コイル３０１および駆動コイル３０２に同時に通電することにより、操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０を２次元的に回転させることができる。
図１２および図１３Ａ、図１３Ｂは、駆動コイル３０１および駆動コイル３０２に同時に同等の電流を通電することにより、回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転し、結果として回転方向２０と回転方向２１と４５度をなす直線１３方向に合成角度θｘｙに回転した状態を示したものである。

また４つの駆動コイル３０３に通電することにより、可動ユニット１８０は同回転方向の電磁力を受け、可動ユニット１８０は、Ｚ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動される。

さらに合成角度θｘｙに回転した状態において、４つの駆動コイル３０３に通電すれば、可動ユニット１８０は直線３２を中心に回転方向２３に回転駆動される。

このように、本実施形態は、可動ユニット１８０に駆動磁石４０１、駆動磁石４０２を設けたムービングマグネット駆動方式を採用している。この構成では、一般的に可動ユニット１８０の重量が増大するという問題が考えられる。しかし、この構成によれば、可動ユニット１８０への駆動用配線の懸架は不必要となる。

また、可動ユニット１８０の重心と可動ユニット１８０の回動中心点が球心７０に一致しているため、駆動磁石を搭載することにより重量が増大しても、可動ユニット１８０の回転モーメントは、大きく増大しない。このため、本実施形態によれば、重量の増大による課題を抑制しつつ、ムービングマグネット駆動方式による利点を享受できる。

可動ユニット１８０のＺ軸１０を中心とする回転方向２２の回転角度は、下部可動部１０２に設けられた一対の開口部１０２Ｗとベース２００に固定された連結棒６５０との接触によって制限される。一対の開口部１０２Ｗに連結棒６５０が挿入されているため、開口部１０２Ｗが規定する開口の範囲で、連結棒６５０が開口部１０２Ｗを規定する壁と接触することなく可動ユニット１８０がＺ軸１０を中心として回転する。開口の範囲を超えて、可動ユニット１８０が回転しようとすると、連結棒６５０と一対の開口部１０２Ｗを規定する壁が接触するため、それ以上可動ユニット１８０は回転できない。

ムービングマグネット駆動方式においては、駆動コイル３０１、駆動コイル３０２、駆動コイル３０３の発熱を磁気ヨーク２０３と磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨーク２０４と磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒを介してベース２００によって冷却できるという大きな利点がある。さらに、回転方向２０および回転方向２１への回転角度を２０度以上に設計する上では、可動ユニット１８０を小型化、軽量化できる点で有利である。一方、ムービングコイル駆動方式では駆動コイルがあまりにも肥大化し、可動ユニット１８０の重量が増加する可能性がある。

このように、本実施形態によれば、可動ユニット１８０の操作部８５０、上部可動部１５０、下部可動部１０２、下部可動部１０２、回転検出用磁石４０６と固定ユニットに設けられたれた脱落防止用規制面２０１Ａ、ベース２００に設けられた２対の回転用駆動部の中心軸が、すべて支持中心であり駆動中心でもある球心７０を通るように構成されている。

従って、可動ユニット１８０の重心が球心７０と一致し、可動ユニット１８０を重心で支持するとともに、重心を通り互いに直交する３軸回りの回転駆動を実現することができる。また、可動ユニット１８０の脱落を防止することができる。

入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５は、可動ユニット１８０の振幅増大係数（Ｑ値）を低減するため、粘性部材（図示せず）を備えていてもよい。この場合、図９Ｂ、図１０Ｂに示すように、上部可動部１５０に搭載している凹状円錐部材８６０の凹状円錐面８６０ａと固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａとの間に粘性部材を設ける。これにより、可動ユニット１８０に設けられる駆動磁石４０１、駆動磁石４０２とベース２００に設けられた磁気ヨーク２０３、磁気ヨーク２０４との間において回転方向２１、２２の回転角度および回転方向２２の回転角度に対して発生する磁気吸引力変動の磁気バネ効果による振動の振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。

次に可動ユニット１８０の回転角度（傾き）の検出について説明する。図１、図２、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１５に示すように、アクチュエータ１６５は、固定ユニットに対する操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０の回転角度およびのＺ軸１０回りの回転角度を検出するための検出器を備える。

具体的には、可動ユニット１８０の２次元の回転角度、つまり、回転方向２０および回転方向２１の回転角度を検出するための第１の検出部と、回転方向２２の回転角度を検出するための第２の検出部とを備える。

第２の検出部は図示しないが、Ｚ軸１０に直交する平面内で球心７０を中心に可動部１８０の両端に配置された１対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース２００に配置された一対の磁気センサーから構成される。

しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第１の検出部においても十分検出が可能となり、第２の検出部は不要となる。

第１の検出器は、可動部１８０の底部に搭載された回転検出用磁石４０６と、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で回転軸１１、１２と直交する直線１３に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０１ａと５０１ｂと、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で直線１３に直交する直線１４に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０３ａと５０３ｂとから構成される。

磁気センサー５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂは、センサー基板５０２に搭載され、回転検出用磁石４０６と所定の空隙を隔ててコイルバネ６００を介しベース２００の底部に固定されている。

まず、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における可動ユニット１８０の回転角度の検出について詳細に説明する。

センサー基板５０２は、３箇所でコイルバネ６００を介してベース２００に調節ネジ（図示せず）６０１で固定されており、３つの調節ネジ６０１をそれぞれ回転させることにより、回転検出用磁石４０６と磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと５０３ａ、５０３ｂとの相対的な傾きと距離を変化させる。これにより、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂの傾き出力信号を最適に調整することが可能となる。

図１１Ｂおよび図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、駆動コイル３０１および駆動コイル３０２の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにするため、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂは直線１３に平行に配置され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂは直線１４に平行に配置されている。直線１３に平行に配置されている磁気センサー５０１ａ、５０１ｂは、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における回転動作によって生じる回転検出用磁石４０６の磁力変化を２軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー５０１ａと５０１ｂの検出出力を差動検出することで検出信号のＳ／Ｎを向上している。

また直線１４に平行に配置されている磁気センサー５０３ａ、５０３ｂは、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における回転動作によって生じる回転検出用磁石４０６の磁力変化を２軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー５０３ａと５０３ｂの検出出力を差動検出することで検出信号のＳ／Ｎを向上している。

さらに本実施形態のように入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、磁気センサー５０１ａと５０３ｂとの差動検出と磁気センサー５０１ｂと５０３ａとの差動検出により、回転方向２２の回転方向の正逆検知が可能となる。

このように、本実施形態によれば、回転検出用磁石４０６と球心７０との間隔を短くすることで、回転角度に対して回転検出用磁石４０６の移動を小さくできる。よって磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂの配置投影面積を小さくすることができる。

なお、本実施形態では、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂと回転検出用磁石４０６とを含んでいたが、他の構成によって検出器を構成してもよい。例えば、Ｚ軸１０上において、固定ユニットに設けられた光センサーと、可動ユニット１８０に設けられた光検出パターンとを含んでいてもよい。可動ユニットが回転することにより、光検出パターンが回転するため、光センサーに入射する光が変化する。光センサーがこの光の変化を検出することにより２次元の回転角度を算出することも可能である。

このように、本実施形態の入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５によれば、操作部のＺ軸上に、可動ユニットを球心にてピボット支持する構造を配置し、さらにＺ軸に垂直で球心を通る平面において球心を中心に２対の駆動部を円周状に配置する、これにより、可動ユニットの回動角度に影響を受けにくい磁気吸引力によって、一定の垂直抗力を付加することができ、回転角度による摩擦負荷変動を低減し、かつ可動ユニットを重心支持・重心駆動する構成が実現し、駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑制することができる。

また、従来、磁気吸引力による支持構造に特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動ユニット１８０の脱落を防止するため、固定ユニットに設けられた脱落防止部材に回動可能な所定の空隙を介して脱落防止規制面を設けている。このため装置の大型化を回避しながら確実に可動ユニットの脱落防止を実現できる。

また、可動ユニットの凸状球面が固定ユニットの脱落防止規制面に当接する状態まで可動ユニットが脱落した場合でも、磁気吸引力によって、固定ユニットの凸状球面部と可動部の凹状円錐部材とが再び点接触することができるように脱落防止規制面の位置が決定されている。このため、たとえ可動ユニットが瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。

また駆動部が配置されるＺ軸方向の高さ位置は、球心を含む水平面より下方に回転した高さ位置に配置される。このため可動ユニットの重心を球心中心で駆動することができ、かつ低背化が可能となる。

また、可動部とベースを樹脂材料にするかもしくは固定ユニットの凸状球面部と凹状円錐部材の表面部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性に優れた支持構造が実現する。

また、上部可動部の凹状円錐面と固定ユニットの凸状球面で形成れる空隙に粘性部材を充填することにより、可動ユニットに設けられた駆動磁石と固定ユニットに設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力変動に起因する磁気バネ効果による振動の振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減することができ、良好な制御特性を得ることができる。

従って、本実施形態の入出力操作装置のアクチュエータによれば、例えば、直交するＸ軸、Ｙ軸があって、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りに±２０度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させ、また、Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸回りに±５度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させることができる。また、２００Ｈｚ程度までの広帯域の周波数領域で良好な振れ補正制御を実現できる。その結果、操作部のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸回りの回転動作を実現するとともに、小型で堅牢な脱落防止構造を備えるため、振動や落下衝撃等の外部からの衝撃に対する耐衝撃性の強い入出力操作装置のアクチュエータが実現する。

次に、図１６、図１７を用いて、このアクチュエータ１６５を有する第１の実施形態の入出力操作装置７５０の動作を説明する。

図１６に示すように、本発明の第１の実施形態の入出力操作装置７５０は、アクチュエータ１６５と、駆動回路部３５０と、検出回路部３６０と、制御演算処理部９４とを備える。入出力操作装置７５０は、さらにアクチュエータ１６５の目標位置座標を表示する表示演算処理部７００を備えていてもよい。

表示演算処理部７００に表示された目標位置座標９２０に対して入出力操作装置７５０におけるアクチュエータ１６５の手指に触れている操作部８５０を位置追従させることができる。図１７は、入出力操作装置７５０の制御を示す詳細なブロック図である。

図１７に示すように、駆動回路部３５０は、駆動回路９６ａ、９６ｂ、９６ｒを含む。検出回路部３６０は、可動ユニット１８０の増幅回路９８ｘ、９８ｙを含む。

表示演算処理部７００に表示された目標の位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１は、具体的には、それぞれ、可動ユニット１８０の回転方向２０、回転方向２１の目標回転角度に対応する。

また図１６に示したように、表示演算処理部７００における水平基準ＨＳに対してアクチュエータ１６５の回転軸１１と回転軸１２は４５度傾斜している。これは前述したようにＺ軸方向から見た投影面において、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが、駆動コイル３０１と磁気ヨーク２０３と磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒならびに駆動コイル３０２と磁気ヨーク２０４と磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの投影領域以外に設置させる（本実施形態では４５度ずらして設置）ことで、駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにしているからである。従って、表示演算処理部７００における水平基準ＨＳ方向である直線１４方向に回転する場合、駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の両方に通電して直線１４方向（表示演算処理部７００のＸ軸方向に相当）への駆動が可能となる。また、水平基準ＨＳに垂直な方向である直線１３方向に回転駆動する場合においても駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の両方に通電して直線１３方向（表示演算処理部７００のＹ軸方向に相当）への駆動が可能となる。

その結果、図１６に示した表示演算処理部７００においてθｇ＝４５°の位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１に対して、４５度回転している駆動コイル３０１と駆動コイル３０２を駆動する場合、回転軸１２と回転軸１１回りの可動ユニット１８０の回転角度は、１／√２倍の回転角度となる。

次に図１７を参照しながら、表示演算処理部７００から制御演算処理部９４を介してアクチュエータ１６５へ出力される可動ユニット１８０の位置制御駆動の動作を説明する。

図１７に示したように表示演算処理部７００における目標の位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１は、それぞれ、デジタル化された目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙとして出力され、制御演算処理部９４に入力される。

制御演算処理部９４は、表示演算処理部７００から受け取る目標位置座信号８０ｘ、８０ｙと、検出回路部３６０から受け取る回転角度信号８８ｘ、８８ｙに基づき、目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを生成することにより、回転軸１１、１２周りの角度についてフィードバック制御を行う。具体的には、まず制御演算処理部９４は、目標位置座標をアクチュエータ１６５の回転角度に変換する処理を行う。この際に前述した磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが、駆動コイル３０１ならびに駆動コイル３０２と投影面上４５度ずれていることによる補正も行う。これによりｘ座標９００とｙ座標９０１に相当する回転方向２０、回転方向２１への目標回転角度を逐次算出する。

また、制御演算処理部９４で行われる目標位置に対する位置ずれ補正処理は、表示演算処理部７００から出力されたｘ座標９００とｙ座標９０１の目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙに応じて位置誤差を抑制するようにアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０を駆動する位置クローズド制御である。従って制御演算処理部９４は、アクチュエータ１６５の周波数応答特性と位相補償およびゲイン補正等を含めた最適なデジタルの振れ補正量として逐次目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを出力する。

目標回転角度信号８４ａ、８４ｂはＤＡ変換器９５ａ、９５ｂによりアナログ化され、アナログの目標回転角度信号８５ａ、８５ｂとして回転軸１１回りの駆動回路９６ａ、回転軸１２回りの駆動回路９６ｂに入力される。

一方、アクチュエータ１６５においては、可動ユニット１８０のベース２００に対する回転角度を検出する磁気センサー５０１ａ、５０１ｂとから回転方向２０、すなわち表示演算処理部７００のＨＳに垂直なｙ軸方向に相当する回転角度信号８６ｙが出力され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂとから回転方向２１、すなわち表示演算処理部７００のＨＳ方向に相当する回転角度信号８６ｘが出力される。回転角度信号８６ｘ、８６ｙは、アナログ回路９７ｘ、９７ｙによってノイズ成分やＤＣドリフト成分が除去され、回転角度信号８７ｘ、８７ｙとなる。さらに増幅回路９８ｘ、９８ｙにより増幅され、適切な大きさの振幅を有する回転角度信号８８ｘ、８８ｙが得られ、ＡＤ変換器９９ｘ、９９ｙを介してデジタル化された回転角度信号８９ｘ、８９ｙが制御演算処理部９４に逐次入力される。

前述した位置クローズド制御は、制御演算処理部９４において目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙによる目標位置座標９２０と、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙによる現位置座標との差分（位置誤差）を算出し、改めて位置誤差に基づいた目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを逐次出力することで行われる。

また制御演算処理部９４において、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙは、表示演算処理部７００に表示される位置座標系に逆変換演算され、帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙとして表示演算処理部７００に出力される。

駆動回路９６ａ、９６ｂは、目標の角度信号８５ａ、８５ｂに対して回転角度信号８９ｘ、８９ｙを帰還するフィードバック系で制御される。従って、可動ユニット１８０に手指による外部からの力が作用しない場合は、所定の回転角度位置となるように可動ユニット１８０の回転方向２０、回転方向２１の角度を一定にするように制御している。

したがって、表示演算処理部７００の目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙと目標の回転角度信号８５ａ、８５ｂおよび可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙに基づき、駆動コイル３０１、駆動コイル３０２を駆動する駆動信号が駆動回路９６ａ、９６ｂに出力される。これにより入出力操作装置７５０において、目標位置座標９２０に対する角度位置のフィードバック制御が実行され、帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙが目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙに等しくなるようにアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０が駆動される。この一連の駆動制御により、可動ユニット１８０の操作部８５０の位置追従制御が実施され、良好な触力覚操作が実現可能となる。

次に図１７を参照しながら、表示演算処理部７００からアクチュエータ１６５へ出力される回転方向２２回りの駆動制御動作について説明する。

可動ユニット１８０はＺ軸１０周りの回転方向２２にも駆動される。この動作は、正弦波・矩形波・パルス波・三角波等の駆動信号による可動ユニット１８０の振動を主とする。本実施形態においてはこの動作は、オープン制御に基づく。

制御演算処理部９４は、表示演算処理部７００から受け取る選択信号８０ｒに基づく所定の駆動波形パターンを有する駆動信号８４ｒを生成し、可動ユニット１８０をＺ軸１０周りに振動駆動する。このために、制御演算処理部９４は、所定の振動モードを与える様々な駆動波形パターンを記憶している。駆動波形パターンは、触覚操作機能の提示に適していると考えられ、スティック＆スリップ感、クリック感として表現される、高い周波数特性を有する駆動波形パターンを含む。

表示演算処理部７００は制御演算処理部９４へ駆動波形パターンを選択する選択信号８０ｒを出力する。制御演算処理部９４は、選択信号８０ｒに基づき所定の駆動波形パターンを選択し、デジタル化された駆動信号８４ｒをＤＡ変換器９５ｒに出力する。アナログ化された駆動信号８５ｒは回転方向２２の駆動回路９６ｒに入力される。これにより可動ユニット１８０は、回転方向２２へ振動駆動され、操作部８５０を介して操作者の指先にバイブレーション感や指先内部にあるパチニ小体を刺激する触角感を与えることが可能となる。

可動ユニット１８０の回転方向２２への振動は、可動ユニット１８０を上から見た場合、例えば、Ｚ軸１０周りに所定の角度で右方向に回転し、反転して左方向に所定の角度で回転する運動の繰り返しによって構成される。

また、可動ユニット１８０は、振動駆動以外に可聴領域の周波数成分を有する駆動信号によって回転方向２２に駆動してもよい。これにより、可動ユニット１８０が可聴領域の周波数で振動し、アクチュエータ１６５から音声を出力することも可能である。

このように、可動ユニット１８０の操作部８５０が回転軸１１、１２回りの角度について２次元で制御され、かつ回転方向２２に振動駆動されることによって、様々な分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス（ＨＭＩ）として、本実施形態の入出力操作装置を用いることができる。

次に図１７を参照しながら、アクチュエータ１６５から制御演算処理部９４を介して表示演算処理部７００に出力される可動ユニット１８０の回転角度の検出動作について説明する。

アクチュエータ１６５は、その構成から指先にて操作部８５０を介して可動ユニット１８０を回転軸１１、１２回りの２次元に回転させた場合、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが可動ユニット１８０の回転軸１１、１２回りの回転角度を検出するセンサーとして機能する。

さらに良好な周波数応答特性と高い回転角度分解能を有するアクチュエータ１６５であることから、手指による可動ユニット１８０の動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック入力やスワイプ入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。

磁気センサー５０１ａ、５０１ｂとから回転方向２０、すなわち表示演算処理部７００のＨＳに垂直なｙ軸方向に相当する回転角度信号８６ｙが出力され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂとから回転方向２１、すなわち表示演算処理部７００の水平方向であるＨＳ方向に相当する回転角度信号８６ｘが出力される。

回転角度信号８６ｘ、８６ｙは、アナログ回路９７ｘ、９７ｙによってノイズ成分やＤＣドリフト成分が除去され、回転角度信号８７ｘ、８７ｙとなる。さらに増幅回路９８ｘ、９８ｙにより適切な出力値の回転角度信号８８ｘ、８８ｙが得られ、ＡＤ変換器９９ｘ、９９ｙを介してデジタル化された回転角度信号８９ｘ、８９ｙが制御演算処理部９４に逐次入力される。制御演算処理部９４は、フリック入力やスワイプ入力などの特殊な入力パターンモードを含めた様々な入力検出波形パターンを記憶しており、入力波形である回転角度信号８９ｘ、８９ｙがどの入力パターンモードかを比較検知して選択を行い、表示演算処理部７００へ選択信号８２ｓとして出力する。

次に可動ユニット１８０の回転方向２２の回転検出の動作について説明する。本実施形態では、回転検出専用の磁気センサーを設けていないが、前述したように可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１への回転に加え、回転方向２２の回転が行われた場合、回転角度信号８９ｘ、８９ｙの相対的な出力差から、可動ユニット１８０が回転方向２２において右回りに操作されたか、左回りに操作されたかを検出することが可能である。

これにより、可動ユニット１８０に搭載された操作部８５０を右もしくは左回りに回しながら、同時に回転方向２０、回転方向２１に回転移動が可能となることで、携帯端末でよく使用されているピンチ入力による画面の拡大縮小やスクロール入力の代替入力の検出も可能となりえる。例えば、制御演算処理部９４は、回転角度信号８９ｘ、８９ｙの差異を検出し、その結果を検出信号８２ｒとして表示演算処理部７００へ出力してもよい。

以上、表示演算処理部７００、制御演算処理部９４およびアクチュエータ１６５の入出力制御の動作について説明をしたが、たとえば図１６、図１７に示したように、表示演算処理部７００にアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０の移動可能な識別座標エリア７１０を設けてもよい。これにより、操作者は、識別座標エリア７１０の内部に相当する範囲においては、操作部８５０を移動負荷もなく自由に操作できるが、識別座標エリア７１０以外の領域に操作部８５０が移動した場合は、座標軸上で最も近い識別座標エリア７１０の内部へ戻るように可動ユニット１８０を駆動させることができる。すなわち、操作部８５０の範囲規制をさせることが可能となり、入出力操作装置７５０としての機能と応用分野が広がることになる。この場合、制御演算処理部９４は、例えば、識別座標エリア７１０の中心に目標位置座標を設定し、回転角度信号８９ｘ、８９ｙによる現位置座標が、識別座標エリア７１０の範囲内部にある場合は、上述のフィードバック制御を第１の利得に設定し、現位置座標が、識別座標エリア７１０の範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する。これにより、例えば、操作者が操作部８５０を手指で移動させる場合において、識別座標エリア７１０の周囲に規制する壁面が備えられたような触力覚を付与できる。さらに位相補償やゲイン補正等を含めた制御変数を変化させることで規制する壁を硬い材質感や柔らかい材質感に変更させることも可能である。

さらに識別座標エリアをソフト的に瞬時に変更させることにより、様々な範囲規制に即した入出力操作装置を作成することが可能となる。

（第２の実施形態）
図１８は、本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ１６５を有する第２の実施形態の入出力操作装置７５０の動作について、図１８を用いて説明する。第２の実施形態の入出力操作装置７５０の構成は、第１の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア７２０の形状を円環に変更したことにある。

第１の実施形態と同様、制御演算処理部９４は、例えば、識別座標エリア７２０の中心に目標位置座標を設定し、回転角度信号８９ｘ、８９ｙによる現位置座標が、識別座標エリア７１０の範囲内部にある場合は、上述のフィードバック制御を第１の利得に設定し、現位置座標が、識別座標エリア７１０の範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する。これにより、識別座標エリア７２０の内部に相当する範囲においては、操作者は、操作部８５０を移動負荷もなく自由に操作できる。しかし、識別座標エリア７２０以外の領域に操作部８５０を移動させた場合は、座標軸上で最も近い識別座標エリア７２０の内部へ戻るように制御される。すなわち、操作部８５０の円形状の軌道規制をさせることが可能となり、入出力操作装置７５０としての機能と応用分野が広がることになる。

このように第２の実施形態の入出力操作装置７５０においては、操作者が操作部８５０を目視することなく所定の目標軌道に一致するように手指を沿わせることが可能となりブラインドタッチ感のある操作を実現できる。

（第３の実施形態）
図１９は、本発明の第３の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ１６５を有する第３の実施形態の入出力操作装置７５０の動作について、図１９を用いて説明する。第３の実施形態の入出力操作装置７５０の構成は、第１の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリアが離散的に配置された識別座標エリア７３０に変更したことにある。

図１９に示したように、複数のエリアを円周状に分散配置した識別座標エリア７３０を目標とする。制御演算処理部９４は、可動ユニット１８０の操作部８５０の現位置座標９３０または、外部からの信号に応じて、複数のエリアから選ばれる１つのエリア内に目標位置座標を設定し、第１の実施形態で説明したようにフィードバック制御を行う。たとえば図１９においては太い破線で示すように、制御演算処理部９４は識別座標エリア７３０の複数のエリアに対応して扇形の領域を設定し、操作部８５０の現位置座標９３０が扇形の領域の１つ内にある場合、その扇形領域内の識別座標エリアの中心に目標位置座標を設定する。例えば、可動ユニット１８０が現位置座標９３０にあった場合において、位置的に近接する識別座標エリアは、エリア５３０である。制御演算処理部９４は、エリア５３０を識別座標エリアとして選択する。また、エリア５３０の中心に目標位置座標を設定する。これにより、可動ユニット１８０に搭載された操作部８５０は、フィードバック制御により、エリア５３０に位置するように、駆動される。

たとえばエリア５４０の内側に位置していた操作部８５０を操作者の手指の力によりエリア５４０の外側であるエリア５３０方向へ強制的に移動し、エリア５４０の扇形の領域に現位置座標９３０が移動した場合、制御演算処理部９４は、エリア５４０の中心に目標位置座標を設定する。これにより、操作部８５０は、フィードバック制御によってエリア５４０に移動する。

また、エリア５４０からエリア５３０へ遷移する場合、第１の実施形態で述べた硬い材質感の壁や柔らかい材質感の壁を自由に選択できることから、遷移する場合の操作感覚を鋭いクリック感や粘性が効いたダンピング感に自由に変化させることができる。

さらに、目標位置座標の決定は操作者の指令に基づいていてもよい。例えば、エリア５３０とエリア５４０の選択操作に関しては、どちらかのエリアに到達後に操作者が、操作部８５０を回転軸２２回りに回転すれば、制御演算処理部９４から検出信号８２ｒを出力することで選択判定することが可能である。

したがって第３の実施形態の入出力操作装置７５０においては、回転軸２２回りの検出信号８２ｒを選択スイッチとして利用が可能となり、選択スイッチを新たに別途設ける必要がない。

（第４の実施形態）
図２０は、本発明の第４の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ１６５を有する第４の実施形態の入出力操作装置７５０の動作について、図２０を用いて説明する。第４の実施形態の入出力操作装置７５０の構成は、第１の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア７４０が離散的に配置された複数のエリアを有し、かつ操作部８５０を回転軸２２回りに振動駆動することにある。

図２０に示したように、識別座標エリアを２個配置した識別座標エリア７４０を目標とする。複数のエリアへ操作部８５０をガイドするフィードバック制御は第３の実施形態で説明した通りである。たとえば図２０に示したように可動ユニット１８０がエリア５５０の内側である現位置座標９４０にあった場合において、位置的に近接する識別座標エリアは、エリア５６０が候補である。エリア５５０の内側に位置していた操作部８５０を操作者の手指の力によりエリア５４０の外側であるエリア５６０へ強制的に移動してエリア５６０に到達した場合、エリア５６０に到達と同時に操作部８５０を回転軸２２回りに振動駆動させる。

これにより、操作者は操作部８５０を目視することなく、振動駆動によりエリア５６０に到達したことを触力覚で感じ取ることが可能となる。振動駆動させる駆動信号８４ｒには、１０Ｈｚから指先のパチニ小体が受容できる２００Ｈｚまでの駆動周波数が好ましい。また音声信号を駆動信号８４ｒに使用することも可能である。

（第５の実施形態）
図２１は、本発明の第５の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ１６５を有する第５の実施形態の入出力操作装置７５０の動作について、図２１を用いて説明する。第５の実施形態の入出力操作装置７５０の構成は、第１の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア７６０が離散的に配置された複数のエリアを有し、かつ操作者が操作部８５０をエリア５７０からエリア５８０へ遷移させる遷移状態５９０を自在に変化させることにある。

図２１に示したように、表示演算処理部７００にエリア５７０および５８０を含む識別座標エリア７６０が設定される。たとえば図２１に示したように可動ユニット１８０がエリア５７０からエリア５８０へ遷移する途中である現位置座標９５０にあった場合において、位置的に最も近接する識別座標エリアは、エリア５７０である。エリア５７０、５８０へ操作部８５０をガイドするフィードバック制御は第３の実施形態で説明した通りである。

選択できるエリアはエリア５７０とエリア５８０の２個であり、現位置座標９５０は、エリア５８０よりもエリア５７０により近接している。操作部８５０が現位置座標９５０にある場合においても、回転角度信号８９ｘ、８９ｙは制御演算処理部９４に逐次入力される。したがってこの回転角度信号８９ｘ、８９ｙを用いて、遷移する位置座標に応じて段階的に操作部８５０に移動付加抵抗を与えることは可能である。たとえば、この付加抵抗を矩形波的に付加すれば操作部８５０を介して操作者の手指へ微小なクリック振動を感じさせることができる。また、操作部８５０の速度に依存した付加抵抗を与えることで操作者の手指へ粘性抵抗的なダンピング感を感じさせることができる。これにより、操作者は、操作部８５０を現位置座標９５０からエリア５８０へ移動させるよりもエリア５７０へ移動させる場合の方が、抵抗を感じる触覚を操作部８５０に与えられた振動から受ける。よって、例えば、操作部８５０の位置をエリア５７０からエリア５８０へ移動させる場合、操作者は、触覚に導かれ自然な感覚で操作部８５０を操作することができる。

（第６の実施形態）
図２２Ａは、本発明の第６の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。図２２Ｂは、本発明の第６の実施形態の入力操作装置７５０の入力検出信号を示す図である。アクチュエータ１６５を有する第６の実施形態の入出力操作装置７５０の動作について、図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。

図２２Ｂは、操作者が操作部８５０に対してフリック動作やスワイプ動作を与えた場合に、回転角度信号８９ｘ、８９ｙに検出される過渡応答的な信号である。第６の実施形態の入出力操作装置７５０の構成は、第１の実施形態と同じである。差異となる点は、この過渡応答的な信号パターンを制御演算処理部９４にてパターン認識させることにある。

一般に、携帯端末に使用されるタッチパネル上での操作方法として、指で画面を押さえてから、さっとはじくように動かすフリックと呼ばれる操作方法と、指を画面に押して一定の方向へ掃くように動かすスワイプと呼ばれる操作方法がある。これらは、タッチパネルならではの操作方法である。フリックでは同じキーを何度も押す必要もなく文字入力のスピード向上ができ、スワイプでは画面切り替えやページ送りをさせることが可能である。

しかしながら、機械的な構造を持つジョイスティック等の入出力操作装置においては、周波数応答特性の不足やセンシング分解能の課題の観点から上記のフリック動作による入力やスワイプ動作による入力を実現させることは困難であった。

本実施形態の入出力操作装置７５０では、上記課題に対して解決できる高い周波数応答特性と、高分解能の磁気センサーを有しており、図２２Ｂに示したような操作部８５０の過渡応答信号を十分検出することができる。したがって、操作部８５０の移動による、回転角度信号８９ｘ、８９ｙを制御演算処理部９４がパターン認識することより、操作部８５０のフリック動作やスワイプ動作を入力信号として検出することができる。

これによりタッチパネル操作では味わえないリアルな実動作を伴うフリック・スワイプを実現できる。具体的には操作部をフリック動作・スワイプ動作させることで図２２Ａに示したように表示方向８３０と８２０の２次元の操作が可能となる。

本発明の第１から第６の実施形態の入出力操作装置７５０では、位置信号を主とした位置制御系を示した。しかしＡＤ変換器を介してアクチュエータ１６５の磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂから回転角度信号８９ｘ、８９ｙを制御演算処理部９４に取り込み、微分演算処理を行うことにより、可動ユニット１８０の回転速度信号を検出することも可能である。これにより、制御演算処理部９４において、目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙの微分演算処理も行うことで可動ユニット１８０の回転速度信号を用いた速度フィードバック系をさらに構築することができ、より高速で位置制御を実施することができる。

本願に開示された入出力操作装置は、種々の分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス（ＨＭＩ）として好適に用いられ、例えば、自動車におけるナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作のための入出力操作装置として好適に用いられる。

１０ Ｚ軸
１１、１２ 回転軸
１３、１４ 直線
２０、２１、２２回転方向
９４ 制御演算処理部
７０ 球心
８５０ 操作部
１８０ 可動ユニット
１０２Ｗ 開口部
１０２Ｒ 凸状球面
１６５ アクチュエータ
２００ ベース
２００Ａ 凹状球面
２００Ｐ、２００Ｔ 開口部
２０１ 脱落防止部材
２０１Ａ 脱落防止規制面
２０３、２０４ 磁気ヨーク
３０１、３０２、３０３ 駆動コイル
３５０ 駆動回路部
３６０ 検出回路部
４０１、４０２ 駆動用磁石
４０６ 回転検出用磁石
５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂ 磁気センサー
６００ コイルバネ
６５０ 連結棒
６７０ 磁気バックヨーク
７００ 表示演算処理部
７５０ 入出力操作装置

Claims (20)

1. 操作表面を有する操作部と、
   前記操作部と少なくとも１つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、
   少なくとも１つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも１つの吸着用磁石と前記少なくとも１つの磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、
   前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るＸ軸を中心に回転させる第１の駆動部と、
   前記固定ユニットに対して前記操作部を前記Ｘ軸を含む平面内で前記Ｘ軸に直交するＹ軸を中心に回転させる第２の駆動部と、
   前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Ｘ軸周りの第１の回転角度および前記Ｙ軸周りの第２の回転角度を検出する検出器と
   を備え、前記凸状球面の前記球心が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の原点に設けられたアクチュエータ、および
   前記第１および前記第２の回転角度から第１および第２の回転角度信号を生成する検出回路部、
   を備えた入出力操作装置。
2. 前記第１および第２の回転角度信号に基づき、第１および第２の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、
   前記第１および第２の目標回転角度信号を受け取り、前記第１および第２の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部
   をさらに備えた請求項１に記載の入出力操作装置。
3. 前記制御演算処理部は、前記第１および第２の回転角度信号に基づき前記操作部の可動範囲領域に相当する２次元座標系における前記操作部の現位置座標を生成し、目標位置座標と前記現位置座標の差分を用いた位置フィードバック制御に基づく前記第１、第２の目標回転角度信号を生成する請求項２に記載の入出力操作装置。
4. 前記制御演算処理部は、前記２次元座標系において、前記目標位置座標を含み、目標となる識別座標エリアを設定し、前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第１の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する請求項３に記載の入出力操作装置。
5. 前記制御演算処理部は、
   前記２次元座標系において、前記目標となる識別座標エリアを複数設定し、
   前記操作部の前記現位置座標または、外部からの信号に応じて、前記複数の識別座標エリアから選ばれる１つの識別座標エリア内に前記目標位置座標を設定し、
   前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第１の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第１の利得よりも大きい利得を設定する請求項４に記載の入出力操作装置。
6. 前記アクチュエータは、前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に直交し前記操作部の中心軸であるＺ軸を中心に回転させる第３の駆動部をさらに含み、
   前記凸状球面の前記球心が、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸および前記Ｚ軸の原点に設けられている、請求項２から５のいずれかに記載の入出力操作装置。
7. 前記制御演算処理部は、所定の駆動波形パターンを有する駆動信号を生成し、
   前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第３の駆動部を駆動する信号を生成し、
   前記第３の駆動部により前記可動ユニットは前記Ｚ軸周りの方向へ振動駆動する請求項６のいずれかに記載の入出力操作装置。
8. 前記所定の駆動波形パターンは、可聴領域の周波数成分を有する振動波形を含む請求項７に記載の入出力操作装置。
9. 前記検出器は、前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Ｘ軸と前記Ｙ軸周りの回転角度を検出する第１の検出部と、
   前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Ｚ軸周りの回転角度を検出する第２の検出部と含む請求項１に記載の入出力操作装置。
10. 前記可動ユニットは前記凹部に替えて凸状球面を有し、前記固定ユニットは前記凸状球面に替えて凹部を有する請求項１に記載の入出力操作装置。
11. 前記可動ユニットの前記凹部は円錐状の表面を有する請求項１に記載の入出力操作装置。
12. 前記可動ユニットは、前記凸状球面を固定するホルダーバーが挿入される開口部を有し、前記開口部と前記ホルダーバーとが接触することにより、前記可動ユニットの回転角度が制限される請求項１に記載の入出力操作装置。
13. 前記固定ユニットに設けられ、前記可動ユニットが前記固定ユニットから脱落しないように前記可動ユニットの移動を制限する規制面を有する脱落防止部材をさらに備え、
    前記規制面は、前記球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有する請求項１に記載の入出力操作装置。
14. 前記第１の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第１の駆動磁石と、
    前記１対の第１の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットにそれぞれ配置された１対の第１の磁気ヨークと、
    前記１対の第１の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第１の駆動コイルとを含み、
    前記第２の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第２の駆動磁石と、
    前記１対の第２の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットにそれぞれ配置された１対の第２の磁気ヨークと、
    前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第２の駆動コイルとを含み、
    前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第１の駆動コイルは、前記凸状球面の前記球心を通る直線上に設けられ、
    前記１対の第２の駆動磁石および前記１対の第２の駆動コイルは、前記凸状球面の前記球心を通り、前記直線と直交する他の直線上に設けられ、
    各第１の駆動磁石、第１の駆動コイル、第２の駆動磁石および第２の駆動コイルの前記Ｚ軸方向における中心の位置は、前記凸状球面の前記球心の位置とほぼ一致している請求項６に記載の入出力操作装置。
15. 前記第３の駆動部は、
    前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第３の駆動コイルを含み、
    前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石を第３の駆動磁石として用いる請求項１４に記載の入出力操作装置。
16. 前記１対の第１の駆動磁石と前記１対の第２の駆動磁石のそれぞれを１対の磁気バックヨークで連結し、前記１対の磁気バックヨークは、前記可動ユニットの前記球心側に設けられる請求項１４に記載の入出力操作装置。
17. 前記少なくとも１つの磁性体は、前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の磁気ヨークである請求項１５に記載の入出力操作装置。
18. 前記少なくとも１つの吸着用磁石は、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石である請求項１４に記載の入出力操作装置。
19. 前記可動ユニットが中立の位置にある状態において、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石は、前記Ｚ軸に垂直である前記球心を通る水平面に対して下向きに、４５度以下の回転角度Ａをなすように配置されており、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石に対向するように前記第１の駆動コイルと前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の駆動コイルとに１対の第２の磁気ヨークを前記固定ユニットに回転して配置されている請求項１４に記載の入出力操作装置。
20. 前記可動ユニットの重心は前記球心と一致している請求項１に記載の入出力操作装置。

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