WO2020110545A1

WO2020110545A1 - 入力装置

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Publication number: WO2020110545A1
Application number: PCT/JP2019/041977
Authority: WO
Inventors: 宏涌田
Original assignee: アルプスアルパイン株式会社
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN112823330B; US11379052B2; JP7047129B2; DE112019005973T5; US20210247853A1; JPWO2020110545A1; CN112823330A

Abstract

入力装置は、土台と、前記土台から見て第１の方向に位置し、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、前記土台に固定され、前記操作パネル部材を振動させるアクチュエータと、前記第１の方向から見たときに、前記アクチュエータを取り囲むＮ角形（Ｎは３以上の整数）の頂点の位置に配置され、前記操作パネル部材を前記土台に弾性的に支持するＮ個の弾性支持部材と、前記アクチュエータと前記操作パネル部材との間に設けられた弾性緩衝部材と、を有する。前記アクチュエータと前記弾性緩衝部材とを直列結合した合成ばねのばね定数は、前記Ｎ個の弾性支持部材のばね定数に揃っている。

Description

入力装置

　本開示は、入力装置に関する。

　近年、タッチパッドのように入力操作面に触れることで入力操作が行うことができる入力装置が普及している。このような入力装置を操作したとき、操作者はスイッチ装置や可変抵抗器などを操作したときのような操作感触が得られない。そこで、操作されたときに入力操作面に振動を加えることで擬似的な操作感触が感じられる振動フィードバックを行うことができる入力装置が提案されている。

　例えば、操作面の押し下げ幅に制限がある場合であっても押し下げ操作時にクリック感を呈示することを目的として、タッチセンサとアクチュエータとの間の弾性部を設け、所定値以上の力で押し下げ操作された場合に弾性部を座屈させる入力装置が提案されている。

特開２０１６－１５１７７７号公報特開２００３－１７７８５７号公報特開２００８－１２３４２９号公報

　しかしながら、従来の入力装置では、入力操作面内でのストローク感にばらつきが生じてしまう。

　本開示は、入力操作面内でのストローク感のばらつきを抑制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。

　本開示によれば、土台と、前記土台から見て第１の方向に位置し、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、前記土台に固定され、前記操作パネル部材を振動させるアクチュエータと、前記第１の方向から見たときに、前記アクチュエータを取り囲むＮ角形（Ｎは３以上の整数）の頂点の位置に配置され、前記操作パネル部材を前記土台に弾性的に支持するＮ個の弾性支持部材と、前記アクチュエータと前記操作パネル部材との間に設けられた弾性緩衝部材と、を有し、前記アクチュエータと前記弾性緩衝部材とを直列結合した合成ばねのばね定数は、前記Ｎ個の弾性支持部材のばね定数に揃っている入力装置が提供される。

　本開示によれば、入力操作面内でのストローク感のばらつきを抑制することができる。

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る。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る。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４は、実施形態に係る入力装置における操作パネル部材の運動モデルを示す図である。図５は、任意のＸＹＺ座標系を示す図である。図６は、ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。図７Ａ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。図７Ｂ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。図８は、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。図９Ａは、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。図９Ｂは、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。図９Ｃは、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。図１０は、信号処理装置の構成を示す図である。図１１は、信号処理装置による処理の概要を示すフローチャートである。

　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。

　本実施形態は、アクチュエータとして圧電アクチュエータを備えた入力装置に関する。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は図２中のＩ－Ｉ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と、固定ベース１１０の縁上に固定されたベゼル１２０と、ベゼル１２０の内側の化粧パネル１５０とを有する。化粧パネル１５０の固定ベース１１０側にタッチセンサ１４０が設けられており、タッチセンサ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、タッチセンサ１４０及び化粧パネル１５０と平行に配置された平板部１３１と、平板部１３１の縁に設けられ、ベゼル１２０の内側面に沿うようにして設けられた壁部１３２とを有する。壁部１３２とベゼル１２０との間にはスライドガイド１９０が設けられている。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が固定されている。アクチュエータ１６０は、例えば圧電アクチュエータである。タッチセンサ１４０はタッチパッド部の一例であり、可動ベース１３０はタッチセンサ１４０を保持する保持部の一例であり、可動ベース１３０、タッチセンサ１４０及び化粧パネル１５０が操作パネル部材１４５に含まれる。固定ベース１１０は土台の一例である。アクチュエータ１６０は操作パネル部材１４５を振動させる。

　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、平面視でタッチセンサ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、第１～第４のセンサ（フォトセンサ）は検知部の一例であり、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１４５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。

　平面視で平板部１３１の固定ベース１１０側の面にラバー１１、１２、１３、１４が設けられている。また、平面視で平板部１３１の化粧パネル１５０側の面にラバー２１、２２、２３、２４が設けられている。例えば、ラバー１１及び２１は、フォトインタラプタ１７１が設けられた隅に設けられ、ラバー１２及び２２は、フォトインタラプタ１７２が設けられた隅に設けられている。例えば、ラバー１３及び２３は、フォトインタラプタ１７３が設けられた隅に設けられ、ラバー１４及び２４は、フォトインタラプタ１７４が設けられた隅に設けられている。

　ラバー１１～１４と固定ベース１１０との間にラバー支持部材１５が設けられている。ラバー支持部材１５は固定ベース１１０に固定されている。ラバー１１～１４は、ラバー支持部材１５と平板部１３１との間に圧縮されて挟み込まれている。従って、ラバー１１～１４は可動ベース１３０を固定ベース１１０から離間する方向に付勢する。

　支柱２５ａと、支柱２５ａの上端に設けられ、平板部１３１との間でラバー２１～２４を圧縮して挟み込む支持部２５ｂとを含むラバー支持部材２５が設けられている。支柱２５ａは固定ベース１１０に固定されている。従って、ラバー２１～２４は可動ベース１３０を固定ベース１１０に近づく方向に付勢する。

　例えば、ラバー１１～１４は互いに同じ材料から構成され、互いに同じ形状を有し、ラバー２１～２４は互いに同じ材料から構成され、互いに同じ形状を有している。従って、ラバー１１及び２１を直列結合した合成ばねのばね定数ｋ_３１と、ラバー１２及び２２を直列結合した合成ばねのばね定数ｋ_３２と、ラバー１３及び２３を直列結合した合成ばねのばね定数ｋ_３３と、ラバー１４及び２４を直列結合した合成ばねのばね定数ｋ_３４とは互いに等しい。これら４つの合成ばねを並列結合した合成ばねのばね定数の合計をｋ_３とすると、下記の式（１）、（２）の関係が成り立つ。

　ｋ_３１＝ｋ_３２＝ｋ_３３＝ｋ_３４　・・・（１）
　ｋ_３＝ｋ_３１＋ｋ_３２＋ｋ_３３＋ｋ_３４　・・・（２）

　ラバー１１及び２１を直列結合した合成ばね、ラバー１２及び２２を直列結合した合成ばね、ラバー１３及び２３を直列結合した合成ばね、ラバー１４及び２４を直列結合した合成ばねは、いずれも、弾性支持部材の一例である。つまり、本実施形態は４個の弾性支持部材を含む。これら４個の弾性支持部材は、Ｚ軸方向（第１の方向）から見たときに、アクチュエータ１６０を取り囲む四角形の頂点位置に配置されている。

　平板部１３１のアクチュエータ１６０に対向する部分にラバー３１が設けられており、ラバー３１とアクチュエータ１６０との間に剛性板３２が設けられている。剛性板３２は、アクチュエータ１６０のラバー３１側の面に固定されており、剛性板３２の弾性変形の量は、アクチュエータ１６０及びラバー３１の弾性変形の量に対して無視し得る程度である。従って、アクチュエータ１６０の厚さ方向のばね定数をｋ_１、ラバー３１の厚さ方向のばね定数をｋ_２とすると、平板部１３１と凸部１１１との間の、アクチュエータ１６０及びラバー３１を直列結合した合成ばねのばね定数ｋ_ｓは、（ｋ_１×ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）である。このため、この合成ばねのばね定数ｋ_ｓは、アクチュエータ１６０のばね定数ｋ_１より小さくなる。ラバー３１は、弾性緩衝部材の一例である。

　図４は、入力装置１００における操作パネル部材１４５の運動モデルを示す図である。この運動モデルでは、ラバー１１～１４を並列結合した合成ばね１０と、ラバー２１～２４を並列結合した合成ばね２０とを直列結合して合成ばね４０が構成されている。合成ばね４０のばね定数は、ばね定数ｋ_３１～ｋ_３４を足し合わせたばね定数ｋ_３である。

　本実施形態では、ラバー３１が設けられているため、アクチュエータ１６０とラバー３１とを直列結合した合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓがアクチュエータ１６０のばね定数ｋ_１未満である。合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓがアクチュエータ１６０のばね定数ｋ_１未満であるため、ラバー３１が介在していない場合と比べて、アクチュエータ１６０の近傍にて操作パネル部材１４５が固定ベース１１０側に移動しやすい。

　また、本実施形態では、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓがばね定数ｋ_３１、ｋ_３２、ｋ_３３及びｋ_３４と揃っている。ただし、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓがばね定数ｋ_３１、ｋ_３２、ｋ_３３及びｋ_３４と完全に一致している必要はなく、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓがばね定数ｋ_３１、ｋ_３２、ｋ_３３及びｋ_３４と概ね一致していればよい。例えば、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓは、ばね定数ｋ_３１、ｋ_３２、ｋ_３３及びｋ_３４の平均値ｋ_３／４以上であることが好ましい。つまり、次の式（３）が成り立つことが好ましい。

　ｋ_３／４≦ｋ_ｓ＝（ｋ_１×ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）　・・・（３）

　ばね定数ｋ_ｓが低すぎる場合、アクチュエータ１６０が発生した振動が、ラバー３１によって吸収されて、操作パネル部材１４５に伝達しにくくなる。ばね定数ｋ_ｓが平均値ｋ_３／４以上であれば、アクチュエータ１６０が発生した振動を操作パネル部材１４５に適切に伝達することができる。

　また、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓは合成ばね４０のばね定数ｋ_３以下であることが好ましい。つまり、次の式（４）が成り立つことが好ましい。

　ｋ_ｓ＝（ｋ_１×ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）≦ｋ_３　・・・（４）

　合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓが合成ばね４０のばね定数ｋ_３超であると、アクチュエータ１６０の近傍にて操作パネル部材１４５が固定ベース１１０側に移動しにくく、ストローク感にばらつきが生じやすい。このようなストローク感のばらつきをより抑制するために、より好ましくは、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓは合成ばね４０のばね定数ｋ_３の１／２以下である。

　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、タッチセンサ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。つまり、アクチュエータ１６０が、可動ベース１３０、タッチセンサ１４０及び化粧パネル１５０を含む操作パネル部材１４５を振動させ、操作パネル部材１４５を通じたユーザへの触覚フィードバックが行われる。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、例えばタッチセンサ１４０と可動ベース１３０との間等に設けられていてもよい。信号処理装置１８０は制御部の一例である。

　このように構成された入力装置１００の動作の一例では、タッチセンサ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がタッチセンサ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。

　次に、本実施形態における、タッチセンサ１４０に加えられた荷重の検出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センサ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５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（ｘ_ａ，ｙ_ａ，ｚ_ａ）、点ｂ（ｘ_ｂ，ｙ_ｂ，ｚ_ｂ）、点ｃ（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）があるとする。この場合、ベクトルａｃ（以下、「Ｖ_ａｃ」と表記することがある。）の成分（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）は（ｘ_ｃ－ｘ_ａ，ｙ_ｃ－ｙ_ａ，ｚ_ｃ－ｚ_ａ）であり、ベクトルａｂ（以下、「Ｖ_ａｂ」と表記することがある。）の成分（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）は（ｘ_ｂ－ｘ_ａ，ｙ_ｂ－ｙ_ａ，ｚ_ｂ－ｚ_ａ）である。従って、これらの外積（Ｖ_ａｃ×Ｖ_ａｂ）は（ｙ_１ｚ_２－ｚ_１ｙ_２，ｚ_１ｘ_２－ｘ_１ｚ_２，ｘ_１ｙ_２－ｙ_１ｘ_２）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、（ｙ_１ｚ_２－ｚ_１ｙ_２，ｚ_１ｘ_２－ｘ_１ｚ_２，ｘ_１ｙ_２－ｙ_１ｘ_２）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（５）で表される。

　ｐ（ｘ－ｘ_ａ）＋ｑ（ｙ－ｙ_ａ）＋ｒ（ｚ－ｚ_ａ）＝０　・・・（５）

　式（５）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６は、ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。図６に示すように、このＸＹＺ直交座標系では、平面２００に４つの点ａ（０，０，ｚ_ａ）、点ｂ（ｘ_ｂ，０，ｚ_ｂ）、点ｃ（０，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ）、点ｄ（ｘ_ｂ，ｙ_ｃ，ｚ_ｄ）があるとする。これらのうち、例えば、点ａ、点ｂ、点ｃの座標について下記の関係が成り立つ。

　Ｖ_ａｃ＝（０，ｙ_ｃ，ｚ_ｃ－ｚ_ａ）＝（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）
　Ｖ_ａｂ＝（ｘ_ｂ，０，ｚ_ｂ－ｚ_ａ）＝（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）
　Ｖ_ａｃ×Ｖ_ａｂ＝（ｙ_ｃ（ｚ_ｂ－ｚ_ａ），（ｚ_ｃ－ｚ_ａ）ｘ_ｂ，－ｙ_ｃｘ_ｂ）＝（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（６）で表される。

　ｙ_ｃ（ｚ_ｂ－ｚ_ａ）ｘ＋（ｚ_ｃ－ｚ_ａ）ｘ_ｂｙ－ｙ_ｃｘ_ｂ（ｚ－ｚ_ａ）＝０　・・・（６）

　そして、式（６）は次の式（７）のように表すことができる。

　ｚ＝（ｚ_ｂ－ｚ_ａ）ｘ／ｘ_ｂ＋（ｚ_ｃ－ｚ_ａ）ｙ／ｙ_ｃ＋ｚ_ａ　・・・（７）

　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、タッチセンサ１４０の操作位置のＸ座標及びＹ座標はタッチセンサ１４０により検出できる。従って、図６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）はタッチセンサ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（ｘ_ｂ）及び点ｃのＹ座標（ｙ_ｃ）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（ｚ_ａ、ｚ_ｂ及びｚ_ｃ）を取得し、式（７）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、タッチセンサ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、タッチセンサ１４０が押圧されて平板部１３１及びタッチセンサ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７Ａ及び図７Ｂ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。図７Ａは、９個の測定点の位置を示し、図７Ｂは、各測定点における変位量を示す。

　ここでは、図７Ａ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７Ｂ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７Ａ及び図７Ｂ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（７）から算出されたＺ軸方向の変位量が、図７Ｂ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８及び図９Ａ～図９Ｃは、荷重の判断方法の一例を示す図である。図８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９Ａ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９Ｂ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９Ｃ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（７）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、上記のような荷重の検出処理の基本的原理に基づいて、タッチセンサ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１０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１１は、信号処理装置１８０による処理の概要を示すフローチャートである。

　先ず、信号処理装置１８０はタッチセンサ１４０を検出する（ステップＳ１）。そして、タッチセンサ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、タッチセンサ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Ｚ_１～Ｚ_４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、タッチセンサ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６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、タッチセンサ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（７）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、並びにタッチセンサ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７Ａ及び図７Ｂ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、タッチセンサ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。

　本実施形態によれば、アクチュエータ１６０と可動ベース１３０との間にラバー３１が設けられ、合成ばね５０のばね定数ｋ_ｓが適切であるため、操作パネル部材１４５の入力操作面が押圧された時のストローク感のばらつきを抑制することができる。また、アクチュエータ１６０が発生した振動を可動ベース１３０に適切に伝達することもできる。

　なお、アクチュエータの周辺に設けられる弾性支持部材の数は３以上であれば、４に限定されない。つまり、Ｚ軸方向（第１の方向）から見たときに、アクチュエータを取り囲むように頂点に弾性支持部材が配置される多角形の頂点の数Ｎは３以上であれば、４に限定されない。また、Ｎ個の弾性支持部材の間でばね定数が一致している必要はない。例えば、入力装置が自動車のセンターコンソールに設けられる場合は、コンソールの形状に適した数の弾性支持部材を用いることができ、各弾性支持部材の形状及び材料は個別に選択することができる。弾性支持部材の数をＮ（Ｎは３以上の整数）としたとき、Ｎ個の弾性支持部材を並列結合した合成ばねのばね定数をｋ_Ｎとすると、次の式（８）が成り立つことが好ましく、式（９）が成り立つことがより好ましい。

　ｋ_Ｎ／Ｎ≦（ｋ_１×ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）≦ｋ_Ｎ　・・・（８）
　ｋ_Ｎ／Ｎ≦（ｋ_１×ｋ_２）／（ｋ_１＋ｋ_２）≦ｋ_Ｎ／２　・・・（９）

　アクチュエータは電歪効果を用いた圧電アクチュエータに限定されず、磁歪効果を用いた磁気アクチュエータであってもよい。

　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、操作に伴うタッチセンサ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。また、検知部として、接触型の感圧センサ等を用いてもよい。

　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。自動車の運転手は進行方向から視線を逸らすことなく、自身が行った入力操作がどのようなものであったかを入力装置からの触覚フィードバックにより確認することができる。

　以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の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、上述した実施の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１１月３０日に出願した日本国特許出願第２０１８－２２５７０３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。

　１０、２０、４０、５０　合成ばね
　１１～１４、２１～２４、３１　ラバー
　１５、２５　ラバー支持部材
　１００　入力装置
　１１０　固定ベース
　１２０　ベゼル
　１３０　可動ベース
　１３１　平板部
　１３２　壁部
　１４０　タッチセンサ
　１４５　操作パネル部材
　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

Claims

　土台と、
　前記土台から見て第１の方向に位置し、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、
　前記土台に固定され、前記操作パネル部材を振動させるアクチュエータと、
　前記第１の方向から見たときに、前記アクチュエータを取り囲むＮ角形（Ｎは３以上の整数）の頂点の位置に配置され、前記操作パネル部材を前記土台に弾性的に支持するＮ個の弾性支持部材と、
　前記アクチュエータと前記操作パネル部材との間に設けられた弾性緩衝部材と、
　を有し、
　前記アクチュエータと前記弾性緩衝部材とを直列結合した合成ばねのばね定数は、前記Ｎ個の弾性支持部材のばね定数に揃っていることを特徴とする入力装置。
　前記アクチュエータと前記弾性緩衝部材とを直列結合した合成ばねのばね定数をｋ_ｓとし、
　前記Ｎ個の弾性支持部材を並列結合した合成ばねのばね定数をｋ_Ｎとしたとき、
　「ｋ_Ｎ／Ｎ≦ｋ_ｓ≦ｋ_Ｎ」の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
　「ｋ_Ｎ／Ｎ≦ｋ_ｓ≦ｋ_Ｎ／２」の関係が成り立つことを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
　前記アクチュエータは、圧電アクチュエータ又は磁気アクチュエータであ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。
　前記操作パネル部材への押圧操作を検知する検知部と、
　前記検知部による押圧操作の検知に応答して、前記操作パネル部材を前記押圧操作の方向と実質的に平行な方向に前記操作パネル部材を振動させる駆動信号を前記アクチュエータに供給する制御部と、
　を有す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。
　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のセンサを有し、
　前記制御部は、前記操作パネル部材、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、
　前記制御部は、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請求項５に記載の入力装置。
　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、
　前記制御部は、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６に記載の入力装置。
　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、前記第１の方向であることを特徴とする請求項６又は７に記載の入力装置。
　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６乃至８のいずれか１項に記載の入力装置。
　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６乃至９のいずれか１項に記載の入力装置。