WO2019220749A1 - 入力装置 - Google Patents

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宏 涌田
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アルプスアルパイン株式会社
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    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means

Definitions

  • This disclosure relates to an input device.
  • An input device that can detect the pressure applied to the touchpad is known.
  • Patent Document 1 describes an input device in which a piezoelectric sensor that detects a force pressing the touch pad is provided at a corner of the touch pad, and pressure is calculated from a signal output from each piezoelectric sensor. Yes.
  • This disclosure aims to provide an input device that can detect the displacement of the operation position with high accuracy.
  • One aspect of the input device has an input operation surface, and is disposed in an operation panel member that detects the coordinates of the operation position in the input operation surface, and a reference surface that is separated from the operation panel member.
  • a first sensor, a second sensor, and a third sensor that detect a distance between the panel member, and the operation panel member, the first sensor, the second sensor, and the third sensor.
  • a signal processing device for processing a signal wherein the operation panel member is tiltable with respect to the reference surface in accordance with a load applied to the operation position, and the signal processing device
  • the operation panel unit at the operation position from the coordinates of the operation position within the input operation surface detected by the member and the respective distances detected by the first sensor, the second sensor, and the third sensor Operation to calculate the amount of displacement before and after.
  • the displacement amount of the operation position can be detected with high accuracy.
  • 2 is a diagram illustrating a configuration of a signal processing device 180.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the input device according to the embodiment
  • FIG. 2 is a top view showing the configuration of the input device according to the embodiment
  • FIG. 3 is the configuration of the input device according to the embodiment.
  • FIG. 3A corresponds to a cross-sectional view taken along line II in FIG. 2
  • FIG. 3B corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • the input device 100 includes a fixed base 110, a bezel 120 fixed on an edge of the fixed base 110, and a decorative panel 150 inside the bezel 120.
  • a touch pad 140 is provided on the fixed base 110 side of the decorative panel 150
  • a movable base 130 is provided on the fixed base 110 side of the touch pad 140.
  • the movable base 130 has a flat plate portion 131 wider than the touch pad 140 and the decorative panel 150 in a plan view, and a wall portion 132 that extends from the edge of the flat plate portion 131 toward the fixed base 110.
  • the fixed base 110 has a convex portion 111 at the center in plan view, and an actuator 160 is provided on the convex portion 111.
  • the actuator 160 contacts the convex portion 111 and the flat plate portion 131.
  • the touch pad 140 is an example of a touch pad unit
  • the movable base 130 is an example of a holding unit that holds the touch pad 140
  • the touch pad 140 and the movable base 130 are included in the operation panel member.
  • the fixed base 110 is an example of a support member.
  • a plurality of rubbers 192 that contact the wall portion 132 and the fixed base 110 are provided.
  • the rubber 192 is arranged to form at least one triangle in plan view.
  • the rubber 192 is disposed around the four corners of the touch pad 140 in plan view.
  • a plurality of rubbers 191 that contact the flat plate portion 131 and the bezel 120 are provided between the flat plate portion 131 and the bezel 120.
  • the rubber 191 is arranged so as to form at least one triangle in plan view.
  • the rubber 191 is disposed around the four corners of the touch pad 140 so as to overlap the rubber 192 in plan view.
  • the some rubber 193 which contacts the convex part 111 and the flat plate part 131 is provided.
  • the rubber 193 is disposed around the actuator 160 so as to form at least one triangle in plan view.
  • three rubbers 193 are arranged between each of the four sides of the touch pad 140 and the actuator 160 (in the plan view, on the center side of the touch pad 140 with respect to the rubber 191 and the rubber 192).
  • the rubber 193 is harder than the rubber 191 and the rubber 192, and the rubber 191 and the rubber 192 have the same hardness.
  • the rubber 191 and the rubber 192 are examples of a first elastic member, and the rubber 193 is an example of a second elastic member. Since the flat plate portion 131 is supported via the elastic member, the input operation surface of the touch pad 140 can be tilted.
  • a plurality of reflection type photo interrupters 171, 172, 173 and 174 are provided on the fixed base 110.
  • the photo interrupters 171 to 174 irradiate light to the points 171A to 174A of the flat plate portion 131 of the movable base 130 above the photo interrupters 171 to 174, receive the light reflected by the flat plate portion 131, and irradiate the light of the flat plate portion 131.
  • the distance to the part can be detected.
  • the photo interrupters 171 to 174 are arranged inside the four corners of the touch pad 140 in plan view. Accordingly, the photo interrupters 171 to 174 form at least one triangle in plan view.
  • the photo interrupters 171 to 174 are examples of first to fourth sensors (photo sensors), and the surface 112 on which the photo interrupters 171 to 174 of the fixed base 110 are provided is an example of a reference surface.
  • the reference plane is separated from the operation panel member (such as the movable base 130).
  • the reference plane is a reference plane including the X axis and the Y axis, and the direction perpendicular to the reference plane is the Z axis direction (first direction).
  • a signal processing device 180 is provided on the fixed base 110.
  • the signal processing device 180 drives the actuator 160 and performs tactile feedback to the user in accordance with the operation of the touch pad 140 by a process described later.
  • the signal processing device 180 is a semiconductor chip, for example.
  • the signal processing device 180 is provided on the fixed base 110, but the place where the signal processing device 180 is provided is not limited, and is provided, for example, between the touch pad 140 and the movable base 130. Also good.
  • the actuator 160 vibrates in a direction perpendicular to the input operation surface of the touch pad 140 according to the operation position and the operation load.
  • a user can recognize how an operation performed on the input device 100 is reflected without visually recognizing a display device provided in the input device 100 or the like by feeling vibration on the input operation surface.
  • the driver recognizes how the operation performed by the driver is reflected on the input device 100 without moving the line of sight from the vibration of the actuator 160. can do.
  • the actuator 160 is not limited to the above example, and may be configured to generate vibrations in an arbitrary direction.
  • the plane equation for the flat plate portion 131 is calculated from the distance to the flat plate portion 131 detected by the photo interrupters 171 to 174 and the coordinates of the operation position detected by the touch pad 140, that is, the points 171A to 174A are included. The plane equation is obtained, and the displacement amount at the operation position is obtained.
  • FIG. 4 is a diagram showing an arbitrary XYZ coordinate system. It is assumed that there are three points a (x a , y a , z a ), point b (x b , y b , z b ), and point c (x c , y c , z c ) in the XYZ coordinate system.
  • the components (x 1 , y 1 , z 1 ) of the vector ac (hereinafter sometimes referred to as “V ac ”) are (x c ⁇ x a , y c ⁇ y a , z c ⁇ z).
  • V ab the component (x 2 , y 2 , z 2 ) of the vector ab (hereinafter sometimes referred to as “V ab ”) is (x b ⁇ x a , y b ⁇ y a , z b). -Z a ). Therefore, these outer products (V ac ⁇ V ab ) are (y 1 z 2 ⁇ z 1 y 2 , z 1 x 2 ⁇ x 1 z 2 , x 1 y 2 ⁇ y 1 x 2 ). This outer product corresponds to a normal vector of a plane including points a, b, and c.
  • Expression (1) is a general expression, but can be simplified by using an orthogonal coordinate system in which the X coordinate and the Y coordinate of the point a are 0 as the XYZ coordinate system.
  • FIG. 5 is a diagram showing a positional relationship in the XYZ orthogonal coordinate system. As shown in FIG. 5, in this XYZ orthogonal coordinate system, three points a (0, 0, z a ), point b (x b , 0, z b ), point c (0, y c , z c ) and point d (x b , y c , z d ). The following relationship holds for these coordinates.
  • the Z coordinate of three points in an arbitrary plane 200 can be specified by the first sensor, the second sensor, and the third sensor, and the X coordinate and the Y coordinate of the operation position in the plane 200 can be specified by the touch pad.
  • the Z coordinate of the operation position can be specified.
  • the displacement amount in the Z-axis direction at the operation position can be acquired from the change in the Z coordinate before and after the operation.
  • the X and Y coordinates of the operation position of the touch pad 140 can be detected by the touch pad 140. Therefore, when the point e in FIG. 5 is touched, the X coordinate (x) and Y coordinate (y) of the point e can be obtained from the output of the touch pad 140. Further, as the first sensor, the second sensor, and the third sensor, photo interrupters are arranged so as to correspond to the points a, b, and c, and the X coordinate (x b ) of the point b and the Y of the point c are arranged.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relationship between the applied load and the amount of displacement in the Z-axis direction.
  • FIG. 6A nine measurement points 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, and 209 arranged in a lattice pattern are shown in FIG. 6B.
  • an operation with a load of 0 gf (0 N), 100 gf (0.98 N), 458 gf (4.5 N), and 858 gf (8.4 N) is performed.
  • 458 gf (4.5 N) is set as a reference value, and tactile feedback is performed when a load exceeding 458 gf (4.5 N) is applied. Since the actuator 160 and the like are provided below the movable base 130, the amount of displacement differs depending on the measurement point.
  • the measurement points 201 to 209 When the measurement points 201 to 209 are operated, it can be determined from the relationship shown in FIG. 6 whether or not the load exceeds the reference value. That is, if the displacement amount in the Z-axis direction calculated from Expression (3) exceeds the displacement amount of 458 gf (4.5 N) in FIG. 6B, it can be determined that the load exceeds the reference value. For example, when the measurement point 201 is operated, 0.15 mm is the displacement threshold, and if the displacement exceeds 0.15 mm, it is determined that the load has reached a reference value that causes tactile feedback. Can do.
  • FIG. 7 and 8 are diagrams illustrating an example of a load determination method. As shown in FIG. 7, it is assumed here that a point 210 inside a quadrangle formed by the measurement points 201, 202, 204, and 205 is operated. In this case, as shown in FIG. 8A, the displacement threshold value at the point 225 having the same Y coordinate as the point 210 is measured between the two measurement points 202 and 205 arranged in the X-axis direction. It calculates by linear interpolation from each threshold value in 202 and the measurement point 205.
  • the displacement threshold value at the point 214 having the same Y coordinate between the two measurement points 201 and 204 arranged in the X-axis direction is set as the measurement point. It calculates by linear interpolation from each threshold value in 201 and the measurement point 204. Then, as shown in FIG. 8C, the threshold value at point 210 is calculated from the threshold values at point 225 and point 214 by linear interpolation. On the other hand, the amount of displacement in the Z-axis direction at the point 210 can be calculated from the above equation (3). Therefore, by comparing these, it can be determined whether or not the load applied to the point 210 at a position shifted from the measurement points 201 to 209 has reached the reference value.
  • the signal processing device 180 determines whether or not the load applied to the operation position of the touch pad 140 has reached a reference value that causes tactile feedback, and the actuator 160 is turned on according to the result. Drive to produce haptic feedback.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the signal processing device 180.
  • the signal processing device 180 includes a CPU (Central Processing Unit) 181, a ROM (Read Only Memory) 182, a RAM (Random Access Memory) 183, and an auxiliary storage unit 184.
  • the CPU 181, ROM 182, RAM 183, and auxiliary storage unit 184 constitute a so-called computer.
  • Each part of the signal processing device 180 is connected to each other via a bus 185.
  • the CPU 181 executes various programs (for example, a load determination program) stored in the auxiliary storage unit 184.
  • ROM 182 is a nonvolatile main storage device.
  • the ROM 182 stores various programs, data, and the like necessary for the CPU 181 to execute various programs stored in the auxiliary storage unit 184.
  • the ROM 182 stores a boot program such as BIOS (Basic Input / Output System) or EFI (Extensible Firmware Interface).
  • the RAM 183 is a volatile main storage device such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Random Access Memory).
  • the RAM 183 functions as a work area that is expanded when various programs stored in the auxiliary storage unit 184 are executed by the CPU 181.
  • the auxiliary storage unit 184 is an auxiliary storage device that stores various programs executed by the CPU 181 and various data generated by the CPU 181 executing the various programs.
  • the signal processing device 180 has such a hardware configuration and performs the following processing.
  • FIG. 10 is a flowchart showing the contents of processing by the signal processing device 180.
  • the signal processing device 180 detects the touch pad 140 (step S1). Then, it is determined whether or not the finger touches the touch pad 140 (step S2). If the finger does not touch, the drift of the photo interrupters 171 to 174 is canceled (step S3).
  • a detection signal is acquired from each of the photo interrupters 171 to 174 (step S4).
  • the output signals of the photo interrupters 171 to 174 are analog signals, a signal after conversion into a digital signal is acquired.
  • displacement amounts Z 1 to Z 4 in the Z-axis direction at the detection positions of the flat plate portion 131 are calculated from the detection signals of the photo interrupters 171 to 174 (step S5).
  • one triangle is determined as a representative triangle among a plurality of triangles formed by three of the four photo interrupters 171 to 174 (step S6).
  • the representative triangle it is preferable to use a triangle including the operation position of the touch pad 140 on the inside. That is, if the point e is touched in FIG. 5, it is preferable to use a triangle acd or a triangle acb. This is because as the distance between the operation position and the photo interrupters 171 to 174 is smaller, higher accuracy is obtained.
  • a displacement amount Z in the Z-axis direction at the operation position of the touch pad 140 is calculated (step S7). That is, using equation (3), the amount of displacement in the Z-axis direction calculated from the detection signals of the three photointerrupters forming the representative triangle determined in step S6, the X coordinate of the operation position detected by the touch pad 140, and A displacement amount Z in the Z-axis direction at the operation position is calculated from the Y coordinate.
  • the relationship between the applied load and the displacement amount in the Z-axis direction is obtained in advance, stored in the ROM 182, read out, and read in the Z-axis direction at the operation position.
  • the threshold value (ON threshold value) Zth is calculated (step S8).
  • step S9 it is determined whether the displacement amount Z exceeds the on-threshold value Zth. If the on-threshold value Zth is exceeded, it is determined that the applied load exceeds the reference value, and the actuator 160 is driven to perform tactile feedback. (Step S10).
  • the input device 100 performs tactile feedback in this way.
  • the photo interrupters 171 to 174 can detect the Z coordinates of the points 171A to 174A of the flat plate portion 131 with high accuracy, and the touch pad 140 can detect the X coordinate and Y coordinate of the operation position with high accuracy. Therefore, according to the above processing, the Z coordinate of the operation position can also be detected with high accuracy. Therefore, for example, even when the on threshold value Zth is set to a small value of about several tens of ⁇ m, it is possible to determine the on / off of the tactile feedback with high accuracy.
  • the rubber 193 provided around the actuator 160 is preferably harder than the rubber 191 and the rubber 192 provided in the vicinity of the edge of the movable base 130.
  • the rubber 191 and the rubber 192 support the movable base 130 between the fixed base 110 and the bezel 120 to such an extent that the movable base 130 can vibrate by driving the actuator 160. If the rubber 191 and the rubber 192 are too hard, it is difficult to transmit vibration to the user even if the actuator 160 is driven.
  • the movable base 130 is more easily tilted in accordance with the operation, the displacement amounts Z 1 to Z 4 in the Z-axis direction by the photo interrupters 171 to 174 are likely to increase and errors are likely to be reduced.
  • the harder the rubber 303 the greater the repulsive force to the user. Therefore, the rubber 193 is preferably harder than the rubber 191 and the rubber 192.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the inclination of the movable base.
  • a rubber 303 corresponding to the rubber 191 and the rubber 192 is arranged at the edge of the operation panel member 302 including the movable base 130 and the touch pad 140, and a rubber 304 corresponding to the rubber 193 is arranged at the center.
  • the rubber 303 in the vicinity thereof is greatly compressed, while the rubber 304 is hardly compressed.
  • the operation panel member 302 is lifted upward from the rubber 303. Therefore, the displacement amount of the operation panel member 302 is large in the vicinity of both rubbers 303.
  • the actuator 160 can also function as a tilt fulcrum as part of the rubber 304 in FIG.
  • one representative triangle is specified, the amount of displacement at the operation position is calculated, and the determination based on this amount of displacement is performed.
  • two or more representative triangles are specified, and each representative triangle is determined.
  • a displacement amount (a first displacement amount, a second displacement amount, etc.) may be calculated for, an average value of these displacement amounts may be obtained, and a determination based on the average value may be performed. According to such processing, more accurate determination can be made.
  • a non-contact position detection sensor such as an electrostatic sensor may be used instead of the photo interrupters 171 to 174.
  • the input device of the present disclosure is particularly suitable for an input device provided in a center console of an automobile. Since the center console is provided between the driver's seat and the passenger seat, the planar shape of the input device provided in the center console may be complicated. In the input device of the present disclosure, since the positions where the three sensors are arranged are arbitrary, even when the planar shape of the operation panel member is complicated, the displacement amount of the operation panel member is appropriately detected with high accuracy. be able to.

Abstract

入力装置は、入力操作面を有し、入力操作面内の操作位置の座標を検出する操作パネル部材と、操作パネル部材から離間した基準面内に配置され、それぞれが操作パネル部材との間の距離を検出する第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサと、操作パネル部材及び第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサからの信号を処理する信号処理装置と、を有し、操作パネル部材は、操作位置に加えられた荷重に応じて基準面に対して傾斜可能であり、信号処理装置は、操作パネル部材が検出した入力操作面内の操作位置の座標並びに第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサが検出したそれぞれの距離から操作位置における操作パネル部材の操作前後での変位量を算出する。

Description

入力装置
　本開示は、入力装置に関する。
　タッチパッドに加えられた圧力を検出できる入力装置が知られている。
　例えば、下記特許文献１には、タッチパッドを押圧している力を検出する圧電センサをタッチパッドの隅部に設け、各圧電センサから出力された信号から圧力を算出する入力装置が記載されている。
特許第５６５５０８９号公報
　しかしながら、押圧に対して沈み込みが許容され、押し込み量に応じた操作方法、操作触感を提供するようなタッチパッドにおいて、特許文献１に記載の入力装置では、操作位置の押し込み量、つまり変位量を高精度で検出することができない。
　本開示は、操作位置の変位量を高精度で検出することができる入力装置を提供することを目的とする
　入力装置の一態様は、入力操作面を有し、当該入力操作面内の操作位置の座標を検出する操作パネル部材と、前記操作パネル部材から離間した基準面内に配置され、それぞれが前記操作パネル部材との間の距離を検出する第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサと、前記操作パネル部材及び前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサからの信号を処理する信号処理装置と、を有し、前記操作パネル部材は、前記操作位置に加えられた荷重に応じて前記基準面に対して傾斜可能であり、前記信号処理装置は、前記操作パネル部材が検出した前記入力操作面内の前記操作位置の座標並びに前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサが検出したそれぞれの距離から前記操作位置における前記操作パネル部材の操作前後での変位量を算出する。
　本開示によれば、操作位置の変位量を高精度で検出することができる。
実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図である。 実施形態に係る入力装置の構成を示す上面図である。 実施形態に係る入力装置の構成を示す断面図である。 任意のＸＹＺ座標系を示す図である。 ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。 加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係の一例を示す図である。 荷重の判断方法の一例における位置関係を示す図である。 荷重の判断方法の一例における線形補間を示す図である。 信号処理装置１８０の構成を示す図である。 信号処理装置１８０による処理の内容を示すフローチャートである。 可動ベースの傾斜を示す模式図である。
　以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
　図１は、実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る入力装置の構成を示す上面図であり、図３は、実施形態に係る入力装置の構成を示す断面図である。図３（ａ）は図２中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当し、図３（ｂ）は図２中のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図に相当する。
　図１～図３に示すように、実施形態に係る入力装置１００は、固定ベース１１０、固定ベース１１０の縁上に固定されたベゼル１２０、及びベゼル１２０の内側の化粧パネル１５０を有する。化粧パネル１５０の固定ベース１１０側にタッチパッド１４０が設けられており、タッチパッド１４０の固定ベース１１０側に可動ベース１３０が設けられている。可動ベース１３０は、平面視でタッチパッド１４０及び化粧パネル１５０より広い平板部１３１、及び平板部１３１の縁から固定ベース１１０に向かって延びる壁部１３２を有する。固定ベース１１０は、平面視で中央に凸部１１１を有し、凸部１１１上にアクチュエータ１６０が設けられている。アクチュエータ１６０は凸部１１１及び平板部１３１に接触する。タッチパッド１４０はタッチパッド部の一例であり、可動ベース１３０はタッチパッド１４０を保持する保持部の一例であり、タッチパッド１４０及び可動ベース１３０が操作パネル部材に含まれる。固定ベース１１０は支持部材の一例である。
　壁部１３２と固定ベース１１０との間に、壁部１３２及び固定ベース１１０に接触する複数のラバー１９２が設けられている。ラバー１９２は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するように配置されている。例えば、ラバー１９２は、平面視でタッチパッド１４０の四隅の周囲に配置されている。
　平板部１３１とベゼル１２０との間に、平板部１３１及びベゼル１２０に接触する複数のラバー１９１が設けられている。ラバー１９１は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するように配置されている。例えば、ラバー１９１は、平面視でラバー１９２と重なるようにして、タッチパッド１４０の四隅の周囲に配置されている。
　凸部１１１と平板部１３１との間に、凸部１１１及び平板部１３１に接触する複数のラバー１９３が設けられている。ラバー１９３は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するようにアクチュエータ１６０の周囲に配置されている。例えば、ラバー１９３は、タッチパッド１４０の四辺の各々とアクチュエータ１６０との間（平面視でラバー１９１及びラバー１９２よりもタッチパッド１４０の中央側）に３か所ずつ配置されている。
　例えば、ラバー１９３はラバー１９１及びラバー１９２よりも硬く、ラバー１９１及びラバー１９２は互いに同程度の硬さを有する。ラバー１９１及びラバー１９２は第１の弾性部材の一例であり、ラバー１９３は第２の弾性部材の一例である。弾性部材を介して平板部１３１が支持されるので、タッチパッド１４０の入力操作面は傾斜可能である。
　また、固定ベース１１０上に複数の反射型のフォトインタラプタ１７１、１７２、１７３及び１７４が設けられている。フォトインタラプタ１７１～１７４は、その上方にある可動ベース１３０の平板部１３１の点１７１Ａ～１７４Ａに光を照射し、平板部１３１により反射された光を受光して、平板部１３１の光が照射された部分までの距離を検出することができる。例えば、フォトインタラプタ１７１～１７４は、平面視でタッチパッド１４０の四隅の内側に配置されている。従って、フォトインタラプタ１７１～１７４は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成する。フォトインタラプタ１７１～１７４は第１～第４のセンサ（フォトセンサ）の一例であり、固定ベース１１０のフォトインタラプタ１７１～１７４が設けられた面１１２は基準面の一例である。基準面は操作パネル部材（可動ベース１３０等）から離間している。本実施形態では、基準面をＸ軸及びＹ軸を含む基準平面、基準面に垂直な方向をＺ軸方向（第１の方向）とする。
　更に、固定ベース１１０上に信号処理装置１８０が設けられている。信号処理装置１８０は、後述の処理により、タッチパッド１４０の操作に応じて、アクチュエータ１６０を駆動させてユーザへの触覚フィードバックを行う。信号処理装置１８０は、例えば半導体チップである。本実施形態では信号処理装置１８０が固定ベース１１０上に設けられているが、信号処理装置１８０が設けられる場所は限定されず、例えばタッチパッド１４０と可動ベース１３０との間等に設けられていてもよい。
　このように構成された入力装置１００の動作の一例では、タッチパッド１４０が操作されると、その操作位置及び操作荷重に応じてアクチュエータ１６０がタッチパッド１４０の入力操作面に垂直の方向に振動する。ユーザは、入力操作面に振動を感じることで、入力装置１００等に設けられる表示装置を視認せずとも、入力装置１００に対して行った操作がどのように反映されたかを認識することができる。例えば、入力装置１００が自動車の各種スイッチ用にセンターコンソールに設けられる場合、運転手は入力装置１００に視線を移さずとも自身が行った操作がどのように反映されたかをアクチュエータ１６０の振動から認識することができる。なお、アクチュエータ１６０は、上記の例に限らず、任意の方向の振動を発生させる構成であってもよい。
　ここで、本実施形態における処理の基本的原理について説明する。本実施形態では、各フォトインタラプタ１７１～１７４により検出される平板部１３１までの距離及びタッチパッド１４０により検出される操作位置の座標から平板部１３１についての平面の方程式、つまり点１７１Ａ～１７４Ａを含む平面の方程式を求め、操作位置での変位量を求める。
　ここで、平面の方程式について説明する。図４は、任意のＸＹＺ座標系を示す図である。ＸＹＺ座標系に３つの点ａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）、点ｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）、点ｃ（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）があるとする。この場合、ベクトルａｃ（以下、「Ｖａｃ」と表記することがある。）の成分（ｘ１，ｙ１，ｚ１）は（ｘｃ－ｘａ，ｙｃ－ｙａ，ｚｃ－ｚａ）であり、ベクトルａｂ（以下、「Ｖａｂ」と表記することがある。）の成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は（ｘｂ－ｘａ，ｙｂ－ｙａ，ｚｂ－ｚａ）である。従って、これらの外積（Ｖａｃ×Ｖａｂ）は（ｙ１ｚ２－ｚ１ｙ２，ｚ１ｘ２－ｘ１ｚ２，ｘ１ｙ２－ｙ１ｘ２）である。この外積は点ａ、点ｂ及び点ｃを含む平面の法線ベクトルに相当する。このため、（ｙ１ｚ２－ｚ１ｙ２，ｚ１ｘ２－ｘ１ｚ２，ｘ１ｙ２－ｙ１ｘ２）を（ｐ，ｑ，ｒ）と表すと、点ａ、点ｂ及び点ｃを含む平面の方程式は、次の式（１）で表される。
　ｐ（ｘ－ｘａ）＋ｑ（ｙ－ｙａ）＋ｒ（ｚ－ｚａ）＝０　・・・（１）
　式（１）は一般式であるが、ＸＹＺ座標系として点ａのＸ座標及びＹ座標が０の直交座標系を用いることで、簡略化することができる。図５は、ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。図５に示すように、このＸＹＺ直交座標系では、平面２００に３つの点ａ（０，０，ｚａ）、点ｂ（ｘｂ，０，ｚｂ）、点ｃ（０，ｙｃ，ｚｃ）、点ｄ（ｘｂ，ｙｃ，ｚｄ）があるとする。これらの座標について下記の関係が成り立つ。
　Ｖａｃ＝（０，ｙｃ，ｚｃ－ｚａ）＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）
　Ｖａｂ＝（ｘｂ，０，ｚｂ－ｚａ）＝（ｘ２，ｙ２，ｚ２）
　Ｖａｃ×Ｖａｂ＝（ｙｃ（ｚｂ－ｚａ），（ｚｃ－ｚａ）ｘｂ，－ｙｃｘｂ）＝（ｐ，ｑ，ｒ）
　このため、第１の点ａ、第２の点ｂ及び第３の点ｃを含む平面２００の方程式は、次の式（２）で表される。
　ｙｃ（ｚｂ－ｚａ）ｘ＋（ｚｃ－ｚａ）ｘｂｙ－ｙｃｘｂ（ｚ－ｚａ）＝０　・・・（２）
　そして、式（２）は次の式（３）のように表すことができる。
　ｚ＝（ｚｂ－ｚａ）ｘ／ｘｂ＋（ｚｃ－ｚａ）ｙ／ｙｃ＋ｚａ　・・・（３）
　従って、任意の平面２００内の３点のＺ座標を第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサによって特定し、平面２００内の操作位置のＸ座標及びＹ座標をタッチパッドで特定できれば、当該操作位置のＺ座標を特定することができる。そして、操作前後でのＺ座標の変化から当該操作位置でのＺ軸方向での変位量を取得することができる。
　本実施形態では、タッチパッド１４０の操作位置のＸ座標及びＹ座標はタッチパッド１４０により検出できる。従って、図５中の点ｅに接触があった場合、点ｅのＸ座標（ｘ）及びＹ座標（ｙ）はタッチパッド１４０の出力から取得することができる。また、第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサとして点ａ、点ｂ及び点ｃに対応するようにフォトインタラプタを配置し、点ｂのＸ座標（ｘｂ）及び点ｃのＹ座標（ｙｃ）を予め取得しておけば、フォトインタラプタの出力から平板部１３１までの距離を検出して各点のＺ座標（ｚａ、ｚｂ及びｚｃ）を取得し、式（３）から点ｅのＺ座標（ｚ）を取得することができる。
　すなわち、初期状態で、タッチパッド１４０の平面２００と、点ａ、点ｂ及び点ｃに対応するように配置された３個のフォトインタラプタを含む平面とが平行である場合に、タッチパッド１４０が押圧されて平板部１３１及びタッチパッド１４０が傾斜した後の点ｅの座標を取得することができる。従って、押圧前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を取得することができる。初期状態で平面２００と３個のフォトインタラプタを含む平面とが平行でない場合でも、同様の計算により押圧前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を取得することができる。
　更に、操作前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を用いることで、点ｅに加えられた荷重が所定の基準値超になっているか判断し、この判断結果に基づいて触覚フィードバックの制御を行うこともできる。すなわち、予め平面２００内の複数の位置にて加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係を求めておき、上記の方法で取得したＺ軸方向の変位量が、荷重の基準値に相当する閾値超になっているか判断し、触覚フィードバックの制御を行う。図６は、加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係の一例を示す図である。
　ここでは、図６（ａ）に示すように、格子状に配置された９個の測定点２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９で、図６（ｂ）に示すように、０ｇｆ（０Ｎ）、１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）、８５８ｇｆ（８．４Ｎ）の荷重での操作が行われるとする。また、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）を基準値とし、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）超の荷重が加えられたときに触覚フィードバックを行うこととする。なお、可動ベース１３０の下にアクチュエータ１６０等が設けられているため、測定点によって変位量が相違する。
　測定点２０１～２０９が操作された場合は、図６に示す関係から荷重が基準値超であるか否かを判断することができる。つまり、式（３）から算出されたＺ軸方向の変位量が、図６（ｂ）中の４５８ｇｆ（４．５Ｎ）の変位量超であれば、荷重が基準値超であると判断できる。例えば、測定点２０１が操作された場合は、０．１５ｍｍが変位量の閾値となり、変位量が０．１５ｍｍ超であれば、荷重が触覚フィードバックを生じさせる基準値に達していると判断することができる。
　また、測定点２０１～２０９からずれた位置が操作された場合は、その周辺の測定点における変位量の閾値を用いて、荷重が基準値に達しているかを判断することができる。図７及び図８は、荷重の判断方法の一例を示す図である。図７に示すように、ここでは、測定点２０１、２０２、２０４及び２０５がなす四角形の内側の点２１０が操作されたとする。この場合、図８（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ２つの測定点２０２及び測定点２０５の間で、点２１０とＹ座標が同一の点２２５における変位量の閾値を、測定点２０２及び測定点２０５における各閾値から線形補間により算出する。同様に、図８（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ２つの測定点２０１及び測定点２０４の間で、点２１０とＹ座標が同一の点２１４における変位量の閾値を、測定点２０１及び測定点２０４における各閾値から線形補間により算出する。そして、図８（ｃ）に示すように、点２２５及び点２１４の各閾値から点２１０における閾値を線形補間により算出する。その一方で、点２１０におけるＺ軸方向の変位量は、上記の式（３）から算出することができる。従って、これらを比較することで、測定点２０１～２０９からずれた位置の点２１０に加えられた荷重が基準値に達しているか否かを判断することができる。
　信号処理装置１８０は、上記のような基本原理に基づいて、タッチパッド１４０の操作位置に加えられた荷重が触覚フィードバックを生じさせる基準値に達しているか判断し、その結果に応じてアクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを生じさせる。図９は、信号処理装置１８０の構成を示す図である。
　信号処理装置１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８３及び補助記憶部１８４を備える。ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３及び補助記憶部１８４は、いわゆるコンピュータを構成する。信号処理装置１８０の各部は、バス１８５を介して相互に接続されている。
　ＣＰＵ１８１は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラム（例えば、荷重判定プログラム）を実行する。
　ＲＯＭ１８２は不揮発性の主記憶デバイスである。ＲＯＭ１８２は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムを、ＣＰＵ１８１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する。具体的には、ＲＯＭ１８２は、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラムなどを格納する。
　ＲＡＭ１８３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性の主記憶デバイスである。ＲＡＭ１８３は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行される際に展開される作業領域として機能する。
　補助記憶部１８４は、ＣＰＵ１８１により実行される各種プログラム及び各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行されることで生成される各種データを格納する補助記憶デバイスである。
　信号処理装置１８０は、このようなハードウェア構成を備えており、次のような処理を行う。図１０は、信号処理装置１８０による処理の内容を示すフローチャートである。
　先ず、信号処理装置１８０はタッチパッド１４０を検出する（ステップＳ１）。そして、タッチパッド１４０に指が接触したか否かを判断し（ステップＳ２）、指が接触していない場合には、フォトインタラプタ１７１～１７４のドリフトをキャンセルする（ステップＳ３）。
　一方、タッチパッド１４０に指が接触したと判断した場合は、フォトインタラプタ１７１～１７４の各々から検出信号を取得する（ステップＳ４）。例えば、フォトインタラプタ１７１～１７４の出力信号がアナログ信号である場合、デジタル信号への変換後の信号を取得する。
　次いで、フォトインタラプタ１７１～１７４の各検出信号から、平板部１３１のこれらによる検出位置でのＺ軸方向の変位量Ｚ１～Ｚ４を計算する（ステップＳ５）。
　その後、４つのフォトインタラプタ１７１～１７４のうちの３つが構成する複数の三角形のうちから、１つの三角形を代表三角形として決定する（ステップＳ６）。例えば、代表三角形としては、タッチパッド１４０の操作位置を内側に含む三角形を用いることが好ましい。すなわち、図５において点ｅが触れられている場合であれば、三角形ａｃｄ又は三角形ａｃｂを用いることが好ましい。操作位置とフォトインタラプタ１７１～１７４との間の距離が小さいほど高い精度が得られるためである。
　続いて、タッチパッド１４０の操作位置におけるＺ軸方向の変位量Ｚを算出する（ステップＳ７）。すなわち、式（３）を用いて、ステップＳ６で決定した代表三角形をなす３つのフォトインタラプタの検出信号から計算したＺ軸方向の変位量、並びにタッチパッド１４０により検出された操作位置のＸ座標及びＹ座標から、操作位置でのＺ軸方向の変位量Ｚを算出する。
　また、図６に示す例のような、加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係を予め求め、これをＲＯＭ１８２に記憶させておき、これを読み出して、操作位置でのＺ軸方向の閾値（オン閾値）Ｚｔｈを算出する（ステップＳ８）。
　そして、変位量Ｚがオン閾値Ｚｔｈ超であるか判断し（ステップＳ９）、オン閾値Ｚｔｈ超であれば、加えられた荷重が基準値超であるとして、アクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを実施する（ステップＳ１０）。
　本実施形態に係る入力装置１００は、このようにして、触覚フィードバックを実施する。フォトインタラプタ１７１～１７４は平板部１３１の点１７１Ａ～１７４ＡのＺ座標を高精度で検出でき、また、タッチパッド１４０は操作位置のＸ座標及びＹ座標を高精度で検出することができる。従って、上記の処理によれば、操作位置のＺ座標も高精度で検出することができる。従って、例えばオン閾値Ｚｔｈを数十μｍ程度と小さな値としても、高精度で触覚フィードバックのオン／オフの判断を行うことができる。
　なお、アクチュエータ１６０の周辺に設けられるラバー１９３は、可動ベース１３０の縁の近傍に設けられるラバー１９１及びラバー１９２よりも硬いことが好ましい。ラバー１９１及びラバー１９２は、固定ベース１１０とベゼル１２０との間で可動ベース１３０を、アクチュエータ１６０の駆動により振動可能な程度に支持する。ラバー１９１及びラバー１９２の硬さが高すぎると、アクチュエータ１６０が駆動してもユーザに振動を伝えにくい。一方、操作に応じて可動ベース１３０が傾斜しやすいほどフォトインタラプタ１７１～１７４によるＺ軸方向の変位量Ｚ１～Ｚ４が大きくなりやすく、誤差が小さくなりやすい。また、ラバー３０３が硬いほど、ユーザへの反発力が大きくなる。従って、ラバー１９３はラバー１９１及びラバー１９２より硬いことが好ましい。
　図１１は、可動ベースの傾斜を示す模式図である。図１１に示すように、可動ベース１３０及びタッチパッド１４０を含む操作パネル部材３０２の縁部に、ラバー１９１及びラバー１９２に相当するラバー３０３が配置され、中心部にラバー１９３に相当するラバー３０４が配置されているとする。この場合、操作パネル部材３０２の縁部近傍が指３０１で押圧されると、その近傍のラバー３０３が大きく圧縮される一方で、ラバー３０４はほとんど圧縮されない。また、他方のラバー３０３については、操作パネル部材３０２がラバー３０３から上方に持ち上がる。従って、両ラバー３０３の近傍において操作パネル部材３０２の変位量が大きなものとなる。一方、ラバー３０４の硬さがラバー３０３の硬さと同程度であれば、すべてのラバー３０３及びラバー３０４が圧縮され、その差は小さなものとなる。従って、両ラバー３０３の近傍における操作パネル部材３０２の変位量は比較的小さなものとなる。なお、入力装置１００においては、アクチュエータ１６０も図１１中のラバー３０４の一部として傾斜の支点として機能し得る。
　また、上記の処理では、１つの代表三角形を特定し、操作位置での変位量を算出し、この変位量に基づく判断を行っているが、２つ以上の代表三角形を特定し、各代表三角形について変位量（第１変位量、第２変位量、等）を算出し、これら変位量の平均値を求め、この平均値に基づく判断を行ってもよい。このような処理によれば、より精度の高い判断を行うことができる。
　また、フォトインタラプタ１７１～１７４は平板部１３１に接触しないため、操作に伴うタッチパッド１４０の移動に影響を及ぼさない。フォトインタラプタ１７１～１７４に代えて静電センサ等の非接触の位置検出センサを用いてもよい。
　本開示の入力装置は、特に自動車のセンターコンソールに設けられる入力装置に好適である。センターコンソールは運転席及び助手席の間に設けられるため、センターコンソールに設けられる入力装置の平面形状は複雑なものになることがある。本開示の入力装置においては、３つのセンサを配置する位置は任意であるため、操作パネル部材の平面形状が複雑なものであっても、適切に操作パネル部材の変位量を高精度で検出することができる。
　以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
　本国際出願は、２０１８年５月１８日に出願した日本国特許出願第２０１８－０９６４８８号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。
　１００　入力装置
　１１０　固定ベース
　１２０　ベゼル
　１３０　可動ベース
　１４０　タッチパッド
　１５０　化粧パネル
　１６０　アクチュエータ
　１７１～１７４　フォトインタラプタ
　１８０　信号処理装置
　１９１～１９３　ラバー

Claims (10)

  1. 　入力操作面を有し、当該入力操作面内の操作位置の座標を検出する操作パネル部材と、
    　前記操作パネル部材から離間した基準面内に配置され、それぞれが前記操作パネル部材との間の距離を検出する第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサと、
    　前記操作パネル部材及び前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサからの信号を処理する信号処理装置と、
    　を有し、
    　前記操作パネル部材は、前記操作位置に加えられた荷重に応じて前記基準面に対して傾斜可能であり、
    　前記信号処理装置は、前記操作パネル部材が検出した前記入力操作面内の前記操作位置の座標並びに前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサが検出したそれぞれの距離から前記操作位置における前記操作パネル部材の操作前後での変位量を算出することを特徴とする入力装置。
  2. 　前記第１のセンサは前記操作パネル部材の第１の点との間の距離を検出し、
    　前記第２のセンサは前記操作パネル部材の第２の点との間の距離を検出し、
    　前記第３のセンサは前記操作パネル部材の第３の点との間の距離を検出し、
    　前記信号処理装置は、前記第１の点、前記第２の点及び前記第３の点を含む平面を特定し、前記操作パネル部材が検出した前記入力操作面内の前記操作位置の座標に対応する前記平面内の座標を特定することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
  3. 　前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサが検出する距離の方向は、前記基準面に垂直な第１の方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の入力装置。
  4. 　前記操作パネル部材は、
    　タッチパッド部と、
    　前記タッチパッド部を保持する保持部と、
    　を有し、
    　前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサは前記保持部との間の距離を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の入力装置。
  5. 　前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサはフォトセンサであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の入力装置。
  6. 　前記操作パネル部材の前記入力操作面に振動を発生させるアクチュエータを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の入力装置。
  7. 　前記アクチュエータは、前記操作パネル部材の前記基準面側に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の入力装置。
  8. 　前記基準面を備えた支持部材と、
    　前記支持部材に、前記操作パネル部材を振動可能に支持する第１の弾性部材を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の入力装置。
  9. 　前記第１の弾性部材よりも硬く、平面視で前記第１の弾性部材よりも前記操作パネル部材の中央側に設けられ、前記操作パネル部材を前記支持部材に支持する第２の弾性部材を有することを特徴とする請求項８に記載の入力装置。
  10. 　前記基準面内で前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサから離間して配置され、前記操作パネル部材との間の距離を検出する第４のセンサを有し、
    　前記信号処理装置は、
    　前記変位量を第１変位量として算出するとともに、
    　前記操作パネル部材が検出した前記操作位置の座標並びに前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサのうちの２つと前記第４のセンサとが検出したそれぞれの距離から前記操作位置における前記操作パネル部材の操作前後での変位量を第２変位量として算出し、
    　前記第１変位量と前記第２変位量との平均値を算出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の入力装置。
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