入力インターフェイス装置
【課題】簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置を提供する。
【解決手段】入力インターフェイス装置は、表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層２０、２１が表裏方向に積層されてなる弾性部２を備え、表側から加わる荷重Ｆの変化による弾性部２の全体の表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能とする。
【解決手段】入力インターフェイス装置は、表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層２０、２１が表裏方向に積層されてなる弾性部２を備え、表側から加わる荷重Ｆの変化による弾性部２の全体の表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ナビゲーションシステムやエアコンディショナーやゲームや携帯機器などの外部機器の操作に用いられる、入力インターフェイス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、静電容量型の入力インターフェイス装置が開示されている。同文献記載の入力インターフェイス装置は、表裏一対の電極と、誘電層と、を備えている。誘電層は、表裏一対の電極間に介装されている。
【０００３】
電極面積をＳ、電極間距離をｄ、真空中の誘電率をε０、誘電層の比誘電率をεｒとすると、静電容量Ｃは、以下の式（１）により算出される。
Ｃ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄ ・・・ 式（１）
操作者が入力インターフェイス装置の表面の任意の座標を押圧すると、操作者が加えた荷重により、誘電層は弾性的に圧縮される。誘電層が圧縮されると、その分、式（１）の電極間距離ｄが短くなる。このため、静電容量Ｃが大きくなる。同文献記載の入力インターフェイス装置によると、当該静電容量Ｃの変化を基に、操作者が荷重を入力した座標（面方向位置）を特定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１７０５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の静電容量型の入力インターフェイス装置の場合、荷重が加わっている状態、荷重が加わっていない状態という二つの状態を基に、オン−オフの２値を出力できるにすぎない。つまり、入力インターフェイス装置により外部機器を操作する場合、二つの指示しか出すことができない。
【０００６】
ここで、荷重の大きさに応じて、言い換えると式（１）の電極間距離ｄ、つまり誘電層の表裏方向厚さに応じて、複数のレベルの信号を切り替えて出力できれば、指示のバリエーションを増やすことができる。
【０００７】
しかしながら、誘電層の表裏方向厚さの変化を、操作者が認識することは困難である。例えば、操作者は、自身の出している信号のレベルをディスプレイなどで逐一確認しながらでなければ、複数のレベルの信号を使い分けることができない。また、操作者が、所望のレベルの信号を継続的に出し続けるには、誘電層の表裏方向厚さ、つまり操作者の押圧ストロークを一定に保つ必要がある。このように、従来の入力インターフェイス装置の場合、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力するのが困難である。
【０００８】
本発明の入力インターフェイス装置は、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するため、本発明の入力インターフェイス装置は、表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層が該表裏方向に積層されてなる弾性部を備え、表側から加わる荷重の変化による該弾性部の全体の該表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能なことを特徴とする。
【００１０】
ここで、「積層」には、複数の弾性層が連続して積層されている場合は勿論、複数の弾性層が他の層を介して積層されている場合も含まれる。また、弾性層の「ばね定数」とは、弾性層の圧縮荷重−変位特性の２５％圧縮歪みまでの傾きの平均値をいう。
【００１１】
また、弾性部の「圧縮荷重−変位特性が非線形」とは、圧縮荷重−変位特性が全体的に曲線状である場合は勿論、部分的に直線区間を有する場合や、複数の直線区間が折れ線状に連なっている場合も含まれる。
【００１２】
本発明の入力インターフェイス装置の弾性部は、複数の弾性層を備えている。複数の弾性層の表裏方向のばね定数（以下、適宜、「ばね定数」と略称する。）は、各々異なっている。
【００１３】
ここで、一例として、４つの弾性層Ａ１〜Ａ４が表裏方向に積層されている場合を想定する。なお、ばね定数は、弾性層Ａ１＜弾性層Ａ２＜弾性層Ａ３＜弾性層Ａ４の順である。
【００１４】
表側から加わる荷重が大きくなると、まず、最もばね定数が小さい弾性層Ａ１が主として圧縮される。なお、弾性層Ａ１以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して圧縮される。さらに荷重が大きくなると、二番目にばね定数が小さい弾性層Ａ２が主として圧縮される。なお、弾性層Ａ２以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して圧縮される。このように、荷重が大きくなるのに従って、主として圧縮する弾性層は変化する。
【００１５】
一方、全ての弾性層が圧縮しきった状態で、表側から加わる荷重が小さくなると、まず、主として最もばね定数が大きい弾性層Ａ４が、自身の有する弾性復元力により、伸張する。なお、弾性層Ａ４以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して伸張する。さらに荷重が小さくなると、二番目にばね定数が大きい弾性層Ａ３が主として伸張する。なお、弾性層Ａ３以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して伸張する。このように、荷重が小さくなるのに従って、主として復元する弾性層は変化する。
【００１６】
このため、変形する弾性層に応じて、弾性部の全体の圧縮荷重−変位特性に変曲点（本明細書においては、「変曲点」とは、傾きが変わるところをいう。）が現れ、非線形の圧縮荷重−変位特性を示す。本発明の入力インターフェイス装置は、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００１７】
以上説明したように、本発明の入力インターフェイス装置によると、変形可能な弾性層の数により信号のレベルを切り替えることができる。このため、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００１８】
（１−１）好ましくは、上記（１）の構成において、前記弾性層の前記表裏方向の前記ばね定数とは、該弾性層が発泡体製の場合は、ＪＩＳ Ｋ ６７６７における２５％圧縮荷重である構成とする方がよい。
【００１９】
ＪＩＳ Ｋ ６７６７における２５％圧縮荷重（以下、適宜、「２５％圧縮荷重」と略称する。）が大きいほど、弾性層が硬くなる。反対に、２５％圧縮荷重が小さいほど、弾性層が軟らかくなる。本構成によると、２５％圧縮荷重の異なる複数の弾性層を組み合わせることにより、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００２０】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記弾性部は、変形可能な前記弾性層の数が変わる際の反力の変化により、前記荷重を加える操作者に、前記信号の前記レベルを認識させる構成とする方がよい。
【００２１】
変形する弾性層が変わる際、入力インターフェイス装置から操作者が受ける反力は、段階的に変化する。本構成によると、当該反力の変化から、操作者は、信号のレベルを認識することができる。また、本構成によると、信号のレベルを認識する際に、フォースフィードバックのような機械的要素、電気的要素が不要である。このため、構造が簡単である。
【００２２】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を有する構成とする方がよい。
【００２３】
本構成によると、少なくとも一つの弾性層が、圧縮荷重−変位特性に、二階微分が負の区間（傾き（＝荷重／変位）が徐々に小さくなる区間）を有している。このため、変形可能な弾性層の数が増減する際の反力の変化を大きくすることができる。したがって、荷重を加える操作者に、明確に信号のレベルを認識させることができる。
【００２４】
（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記弾性部の裏側に配置され、該弾性部の全体の前記表裏方向の前記圧縮荷重−変位特性の傾きの変化に応じて、検出信号を出力する感圧センサと、該検出信号に応じて、前記外部機器に対して、複数の前記レベルの前記信号を任意に出力する制御装置と、を備える構成とする方がよい。
【００２５】
本構成によると、弾性部の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化と、感圧センサの検出信号と、が対応している。このため、感圧センサの検出信号に応じて出力する信号のレベルを切り替えることにより、実質的に、弾性部の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化に応じて出力する信号のレベルを切り替えることができる。
【００２６】
（５）好ましくは、上記（４）の構成において、前記感圧センサは、誘電層を有する誘電部と、該誘電部の表側に配置される表側電極と、該誘電部の裏側に配置される裏側電極と、を有する静電容量型の感圧センサであって、該誘電部の該誘電層は、前記弾性部の複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層を兼ねる構成とする方がよい。本構成によると、誘電層と弾性層とが互いに独立している場合と比較して、層数が少なくなる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の斜視図である。
【図２】同入力インターフェイス素子の分解斜視図である。
【図３】同入力インターフェイス素子の上下方向断面図である。
【図４】同入力インターフェイス装置のブロック図である。
【図５】（ａ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第一段階における上下方向断面図である。（ｂ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図である。（ｃ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図である。（ｄ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図である。
【図６】同入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性である。
【図７】第二実施形態の入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性である。
【図８】第三実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の上下方向断面図である。
【図９】（ａ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図である。（ｂ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図である。（ｃ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階の上下方向断面図である。
【図１０】第四実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の分解斜視図である。
【図１１】第五実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の感圧センサの分解斜視図である。
【図１２】同感圧センサの透過上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の入力インターフェイス装置の実施の形態について説明する。
【００３０】
＜第一実施形態＞
［入力インターフェイス装置の構成］
まず、本実施形態の入力インターフェイス装置の構成について説明する。図１に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の斜視図を示す。図２に、同入力インターフェイス素子の分解斜視図を示す。図３に、同入力インターフェイス素子の上下方向断面図を示す。図４に、同入力インターフェイス装置のブロック図を示す。なお、以下の図において、上下方向は、本発明の「表裏方向」に対応する。また、「上」は本発明の「表」に、「下」は本発明の「裏」に、各々対応する。
【００３１】
図１〜図４に示すように、入力インターフェイス装置１は、入力インターフェイス素子５と、制御装置４と、を備えている。入力インターフェイス素子５は、弾性部２と、感圧センサ３と、を備えている。
【００３２】
（弾性部２）
弾性部２は、第一弾性層２０と、第二弾性層２１と、第一荷重分散板２２と、第二荷重分散板２３と、第三荷重分散板２４と、を備えている。第一弾性層２０、第二弾性層２１は、各々、本発明の「弾性層」の概念に含まれる。
【００３３】
第三荷重分散板２４は、後述する感圧センサ３の上方に配置されている。第三荷重分散板２４は、プラスチック製であって、円板状を呈している。第二弾性層２１は、第三荷重分散板２４の上方に配置されている。第二弾性層２１は、発泡ウレタン製であって、円柱状を呈している。
【００３４】
第二荷重分散板２３は、第二弾性層２１の上方に配置されている。第二荷重分散板２３は、プラスチック製であって、円板状を呈している。第一弾性層２０は、第二荷重分散板２３の上方に配置されている。第一弾性層２０は、発泡ウレタン製であって、円柱状を呈している。第一弾性層２０は、第二弾性層２１よりも、上下方向のばね定数が小さい。つまり、上方から押圧された場合、第一弾性層２０は、第二弾性層２１よりも、圧縮されやすい。
【００３５】
第一荷重分散板２２は、第一弾性層２０の上方に配置されている。後述するように、操作者は、第一荷重分散板２２の上方から、入力インターフェイス装置１に荷重を入力する。
【００３６】
以上説明したように、弾性部２には、下から上に向かって、第三荷重分散板２４、第二弾性層２１、第二荷重分散板２３、第一弾性層２０、第一荷重分散板２２が、この順に積層されている。
【００３７】
（感圧センサ３）
感圧センサ３は、いわゆる静電容量型センサである。感圧センサ（具体的には、図４に示すセンサ素子）３は、表側基材３０と、裏側基材３１と、表側電極３２と、裏側電極３３と、誘電部３４と、を備えている。表側基材３０は、第三荷重分散板２４の下方に配置されている。表側基材３０は、ポリウレタン製であって、円板状を呈している。表側電極３２は、表側基材３０の下方に配置されている。表側電極３２は、銀ペースト製であって、円膜状を呈している。
【００３８】
誘電部３４は、表側電極３２の下方に配置されている。誘電部３４は、誘電層３４０を備えている。誘電層３４０は、発泡ゴム製であって、円板状を呈している。誘電層３４０は、本発明の「弾性層」を兼ねている。誘電層３４０は、第一弾性層２０および第二弾性層２１よりも、上下方向のばね定数が大きい。つまり、上方から押圧された場合、誘電層３４０は、第一弾性層２０および第二弾性層２１よりも、圧縮されにくい。
【００３９】
裏側電極３３は、誘電部３４の下方に配置されている。裏側電極３３は、銀ペースト製であって、円膜状を呈している。裏側基材３１は、裏側電極３３の下方に配置されている。裏側基材３１は、ポリウレタン製であって、円板状を呈している。
【００４０】
以上説明したように、感圧センサ３は、弾性部２の下方に配置されている。感圧センサ３には、下から上に向かって、裏側基材３１、裏側電極３３、誘電部３４（誘電層３４０）、表側電極３２、表側基材３０が、この順に積層されている。
【００４１】
（制御装置４）
図４に示すように、制御装置４は、入出力インターフェイス４０と、演算部４１と、記憶部４２と、を備えている。感圧センサ３は、入出力インターフェイス４０に電気的に接続されている。制御装置４には、感圧センサ３から、検出信号が伝送される。
【００４２】
外部機器９０は、３つの駆動回路４３α〜４３γと、３つのモータ９００α〜９００γと、を備えている。３つのモータ９００α〜９００γは、駆動回路４３α〜４３γを介して、入出力インターフェイス４０に電気的に接続されている。制御装置４は、３つのモータ９００α〜９００γに、出力レベルα〜γの信号を出力可能である。出力レベルα〜γは、各々、本発明の信号の「レベル」の概念に含まれる。
【００４３】
［入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の荷重入力時の動き］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の荷重入力時の動きについて説明する。図５（ａ）に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の、荷重入力第一段階における上下方向断面図を示す。図５（ｂ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図を示す。図５（ｃ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図を示す。図５（ｄ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図を示す。図６に、同入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性を示す。
【００４４】
図６の点Ａは図５（ａ）の荷重入力第一段階に、点Ｂは図５（ｂ）の荷重入力第二段階に、点Ｃは図５（ｃ）の荷重入力第三段階に、点Ｄは図５（ｄ）の荷重入力第四段階に、各々対応している。
【００４５】
（荷重入力第一段階）
図５（ａ）、図６に示すように、荷重入力第一段階においては、操作者９１（詳しくは、操作者９１の指）から入力インターフェイス装置１（具体的には、入力インターフェイス素子５）に荷重が入力されていない。このため、第一弾性層２０の上下方向厚さｄ１、第二弾性層２１の上下方向厚さｄ２、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は変化しない。
【００４６】
（荷重入力第一段階→荷重入力第二段階）
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６に示すように、操作者９１から入力インターフェイス装置１に荷重Ｆが入力されると、ばね定数に対応して、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０が、各々圧縮される。すなわち、圧縮量が大きい順に、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０となる。
【００４７】
図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００４８】
また、図６の区間ＡＢに示すように、圧縮荷重−変位特性は直線状を呈している（直線区間）。ここで、第一弾性層２０は、第二弾性層２１および誘電層３４０よりも、極めてばね定数が小さい。このため、区間ＡＢには、主に第一弾性層２０の特性が反映されている。第一弾性層２０ばね定数（正確には、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０の合成のばね定数（荷重／変位））は、略一定である。
【００４９】
（荷重入力第二段階）
図５（ｂ）、図６に示すように、荷重入力第二段階においては、第一弾性層２０が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０には、圧縮代が残っていない。一方、第二弾性層２１、誘電層３４０は未だ潰れきっていない。すなわち、第二弾性層２１、誘電層３４０には、圧縮代が残っている。
【００５０】
感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００５１】
（荷重入力第二段階→荷重入力第三段階）
図５（ｂ）、図５（ｃ）、図６に示すように、操作者９１からの荷重Ｆが大きくなると、ばね定数に対応して、第二弾性層２１、誘電層３４０が、各々圧縮される。すなわち、圧縮量が大きい順に、第二弾性層２１、誘電層３４０となる。
【００５２】
図５（ｂ）と図５（ｃ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００５３】
また、図６の区間ＢＣに示すように、圧縮荷重−変位特性は、第一直線区間ＢＥ、曲線区間ＥＦ、第二直線区間ＦＣを備えている。ここで、第二弾性層２１は、誘電層３４０よりも、極めてばね定数が小さい。このため、区間ＢＣには、主に第二弾性層２１の特性が反映されている。曲線区間ＥＦにおいては、傾きが徐々に小さくなっている。つまり、曲線区間ＥＦの二階微分は負となる。曲線区間ＥＦは、本発明の「二階微分が負の区間」の概念に含まれる。
【００５４】
（荷重入力第三段階）
図５（ｃ）、図６に示すように、荷重入力第三段階においては、第一弾性層２０、第二弾性層２１が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０、第二弾性層２１には、圧縮代が残っていない。一方、誘電層３４０は未だ潰れきっていない。すなわち、誘電層３４０には、圧縮代が残っている。
【００５５】
感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００５６】
（荷重入力第三段階→荷重入力第四段階）
図５（ｃ）、図５（ｄ）、図６に示すように、操作者９１からの荷重Ｆが大きくなると、誘電層３４０が圧縮される。
【００５７】
図５（ｃ）と図５（ｄ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００５８】
また、図６の区間ＣＤに示すように、圧縮荷重−変位特性は直線状を呈している（直線区間）。区間ＣＤには、誘電層３４０の特性が反映されている。誘電層３４０のばね定数は、略一定である。
【００５９】
（荷重入力第四段階）
図５（ｄ）、図６に示すように、荷重入力第四段階においては、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０には、圧縮代が残っていない。感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００６０】
なお、操作者９１からの荷重Ｆが小さくなる場合は、荷重入力第四段階（図５（ｄ））→荷重入力第三段階（図５（ｃ））→荷重入力第二段階（図５（ｂ））→荷重入力第一段階（図５（ａ））というように、上記過程を逆方向に辿ることになる。
【００６１】
［入力インターフェイス装置の信号出力時の動き］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の信号出力時の動きについて説明する。図４に示す制御装置４の記憶部４２には、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に応じて、第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγが格納されている。
【００６２】
（第一出力レベル区間Ｒα）
第一出力レベル区間Ｒαの大部分は、荷重入力第一段階から荷重入力第二段階までの過程に対応している。つまり、主に第一弾性層２０が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６３】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、前出式（１）の電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、感圧センサ３の検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第一出力レベル区間Ｒαに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３αに、出力レベルαの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３αを介して、外部機器９０のモータ９００αを駆動する。
【００６４】
図６に示すように、第一出力レベル区間Ｒαは、区間ＡＢに対して、高変位側（高荷重側）にずれている。第一出力レベル区間Ｒαの低変位端が点Ａからずれているのは、操作者９１が、第一荷重分散板２２に触れただけで、出力レベルαの信号が伝送され、モータ９００αが作動してしまうのを防ぐためである。一方、第一出力レベル区間Ｒαの高変位端が点Ｂからずれているのは、操作者９１が、意に反して第一荷重分散板２２を過剰に押圧した場合に、信号の出力レベルが切り替わる（α→β）のを抑制するためである。
【００６５】
（第二出力レベル区間Ｒβ）
第二出力レベル区間Ｒβの大部分は、荷重入力第二段階から荷重入力第三段階までの過程に対応している。つまり、主に第二弾性層２１が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６６】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第二出力レベル区間Ｒβに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３βに、出力レベルβの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３βを介して、外部機器９０のモータ９００βを駆動する。
【００６７】
図６に示すように、第二出力レベル区間Ｒβは、区間ＢＣに対して、高変位側（高荷重側）にずれている。第二出力レベル区間Ｒβの高変位端が点Ｃからずれているのは、操作者９１が、意に反して第一荷重分散板２２を過剰に押圧した場合に、信号の出力レベルが切り替わる（β→γ）のを抑制するためである。
【００６８】
（第三出力レベル区間Ｒγ）
第三出力レベル区間Ｒγは、荷重入力第三段階から荷重入力第四段階までの過程に対応している。つまり、主に誘電層３４０が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６９】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、感圧センサ３の検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第三出力レベル区間Ｒγに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３βに、出力レベルγの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３γを介して、外部機器９０のモータ９００γを駆動する。
【００７０】
［作用効果］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の作用効果について説明する。本実施形態の入力インターフェイス装置１の弾性部２は、第一弾性層２０と第二弾性層２１とを備えている。また、感圧センサ３は、弾性層兼用の誘電層３４０を備えている。第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０のばね定数は、各々異なっている。
【００７１】
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、荷重Ｆが大きくなるのに従って、まず第一弾性層２０が、次に第二弾性層２１、最後に誘電層３４０が圧縮される。反対に、荷重Ｆが小さくなるのに従って、まず誘電層３４０が、次に第二弾性層２１が、最後に第一弾性層２０が伸張する。
【００７２】
このように、表側から加わる荷重Ｆの変化に応じて、変形（圧縮、伸張）する弾性層（第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０）が変化する。このため、変形する弾性層が変化することに対応して、弾性部２の全体の圧縮荷重−変位特性に変曲点が現れ、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となる。本実施形態の入力インターフェイス装置１は、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となることを利用して、外部機器９０に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、変形する弾性層の種類により信号の出力レベルα〜γを切り替えることができる。このため、簡単に、外部機器９０に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００７４】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、図５（ｂ）図５（ｃ）、図６の点Ｂ、点Ｃに示すように、変形する弾性層が変わる際、入力インターフェイス装置１から操作者９１が受ける反力（荷重Ｆによる反力）は、段階的に変化する。具体的には、点Ｂを境に、圧縮荷重−変位特性の傾きが急激に大きくなる。また、点Ｃを境に、圧縮荷重−変位特性の傾きが急激に大きくなる。このため、当該反力の変化から、操作者９１は、自身が出している信号が出力レベルα〜γのどれであるかを認識することができる。言い換えると、出力レベルα〜γを触感により認識することができる。
【００７５】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、出力レベルα〜γを認識する際に、フォースフィードバックのような機械的要素、電気的要素が不要である。このため、構造が簡単である。
【００７６】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、図６に示すように、第二弾性層２１は、圧縮荷重−変位特性に曲線区間ＥＦを備えている。つまり、第二弾性層２１は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を備えている。このため、図６の区間ＢＣに、細線で示すような直線区間Ｌ１が設定されている場合と比較して、点Ｂにおける圧縮荷重−変位特性の傾きの変化の程度が大きくなる。同様に、点Ｃにおける圧縮荷重−変位特性の傾きの変化の程度が大きくなる。すなわち、主として変形する弾性層が変化する際の反力の変化を大きくすることができる。したがって、荷重Ｆを加える操作者９１に、明確に出力レベルα〜γを認識させることができる。
【００７７】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、弾性部２の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化と、感圧センサ３の検出信号と、が対応している。このため、感圧センサ３の検出信号に応じて、信号の出力レベルα〜γを切り替えることにより、実質的に、弾性部２の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化に応じて信号の出力レベルα〜γを切り替えることができる。
【００７８】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、誘電部３４の誘電層３４０が、弾性部２の弾性層を兼ねている。このため、誘電層３４０と弾性層とが互いに独立している場合と比較して、層数が少なくなる。
【００７９】
＜第二実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、圧縮荷重−変位特性の形状だけである。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００８０】
図７に、本実施形態の入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性を示す。なお、図６と対応する部位については、同じ符号で示す。図７に点Ａで示すように、前出図５（ａ）に示す荷重入力第一段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ１だけ変化している。同様に、図７に点Ｂで示すように、前出図５（ｂ）に示す荷重入力第二段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ２だけ変化している。同様に、図７に点Ｃで示すように、前出図５（ｃ）に示す荷重入力第三段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ３だけ変化している。このため、操作者は、より明確に反力の変化を認識することができる。
【００８１】
また、ΔＦ１の分だけ、操作者が触れただけでは弾性層が変形しにくい。また、ΔＦ２、ΔＦ３の分だけ、操作者が、意に反して第一荷重分散板を過剰に押圧しても、出力レベルα〜γが切り替わりにくい。このため、図７に示すように、区間ＡＢと第一出力レベル区間Ｒαとは一致している。また、区間ＢＣと第二出力レベル区間Ｒβとは一致している。また、区間ＣＤと第三出力レベル区間Ｒγとは一致している。
【００８２】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。
【００８３】
＜第三実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、誘電層が全ての弾性層を兼ねている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００８４】
図８に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の上下方向断面図を示す。なお、図３と対応する部位については同じ符号で示す。誘電部３４は、第一誘電層３４１と、第二誘電層３４２と、第三誘電層３４３と、を備えている。第一誘電層３４１、第二誘電層３４２、第三誘電層３４３は、各々、本発明の「誘電層」の概念に含まれる。ばね定数が最も小さいのは、第一誘電層３４１である。反対に、ばね定数が最も大きいのは、第三誘電層３４３である。
【００８５】
図９（ａ）に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図を示す。図９（ｂ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図を示す。図９（ｃ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図を示す。なお、図５（ａ）〜図５（ｄ）と対応する部位については、同じ符号で示す。また、図９（ａ）〜図９（ｃ）と、図５（ａ）〜図５（ｄ）と、は荷重入力段階が対応している。
【００８６】
表側基材３０、表側電極３２、裏側基材３１、裏側電極３３は、各々、柔軟である。このため、操作者９１からの荷重Ｆは、集中した状態（例えば荷重分散板などにより分散されない状態）で、入力インターフェイス装置１に入力される。
【００８７】
図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、荷重Ｆが大きくなるのに従って、まず第一誘電層３４１が、次に第二誘電層３４２が、最後に第三誘電層３４３が、各々優先的に圧縮される。
【００８８】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１のように、弾性部２と感圧センサ３とを一体化してもよい。こうすると、部品点数が少なくなる。また、入力インターフェイス装置１の上下方向厚さが小さくなる。
【００８９】
＜第四実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、感圧センサが複数の検出点を備えている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００９０】
図１０に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の分解斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００９１】
図１０に示すように、弾性部２は、各々２５％圧縮荷重が異なる３つの弾性層２５〜２７を備えている。感圧センサ３の表側基材３０の下面には、８本の帯状の表側電極３２が配置されている。表側電極３２は、前後方向に延在している。８本の表側電極３２は、左右方向に並んでいる。一方、裏側基材３１の上面には、８本の帯状の裏側電極３３が配置されている。裏側電極３３は、左右方向に延在している。８本の裏側電極３３は、前後方向に並んでいる。表側基材３０、裏側基材３１、表側電極３２、裏側電極３３は、各々、柔軟である。上方または下方から見て、８本の表側電極３２と８本の裏側電極３３とは、格子状に直交している。８本の表側電極３２と８本の裏側電極３３との６４個（＝８本×８本）の交差点には、検出点が設定されている。
【００９２】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、検出点ごとに、外部機器に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００９３】
＜第五実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、感圧センサの構成のみである。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００９４】
図１１に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の感圧センサの分解斜視図を示す。図１２に同感圧センサの透過上面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００９５】
図１１に示すように、本実施形態の入力インターフェイス装置の感圧センサ３は、単一の表側電極３２と、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒを備えている。単一の表側電極３２と、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒと、の間には、誘電層３４０が介装されている。図１２に示すように、上方から見て、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒは、表側電極３２に重複して配置されている。
【００９６】
図１２に示すように、上方から左前下向きの荷重ＦＬｆが入力されると、誘電層３４０のうち、表側電極と裏側電極３３Ｌｆとの間に介在する部分が、集中的に圧縮される。このため、表側電極と裏側電極３３Ｌｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９７】
同様に、上方から右前下向きの荷重ＦＲｆが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から左後下向きの荷重ＦＬｒが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から右後下向きの荷重ＦＲｒが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９８】
また、上方から左下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｌｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から右下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｆ、３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から前下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から後下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｒ、３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９９】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、荷重ＦＬｆ、ＦＲｆ、ＦＬｒ、ＦＲｒの方向を検出することができる。なお、本実施形態の感圧センサ３は、本発明の入力インターフェイス装置から独立して使用することができる。
【０１００】
＜その他＞
以上、本発明の入力インターフェイス装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【０１０１】
弾性層の積層順序は特に限定しない。表から裏に向かって、ばね定数が小さい順に積層しても、ばね定数が大きい順に積層してもよい。また、ランダムに積層してもよい。また、弾性層の材質は特に限定しない。エラストマ（ゴムを含む）製、エラストマや樹脂の発泡体製、布製であってもよい。
【０１０２】
また、ばね定数の異なる弾性層を、同一の材料製としてもよい。この場合、充填材の量、形状、発泡率などにより、ばね定数を調整してもよい。また、弾性層を、多数の突起を並べることにより、形成してもよい。また、単一の弾性層を、並置された複数の弾性体により、構成してもよい。この場合、複数の弾性体の合成のばね定数が、当該弾性層のばね定数となる。また、弾性層を、ばねにより形成してもよい。例えば、金属製の板ばね、皿ばね、コイルばねなどにより、弾性層を形成してもよい。また、誘電層の材質は特に限定しない。エラストマ（ゴムを含む）製、エラストマや樹脂の発泡体製、布製であってもよい。
【０１０３】
第一荷重分散板、第二荷重分散板、第三荷重分散板の材質は特に限定しない。弾性層よりも上下方向および水平方向のばね定数が高ければよい。例えば、ヤング率が高ければよい。第一荷重分散板、第二荷重分散板、第三荷重分散板は、例えば、エラストマ（ゴムを含む）製、樹脂製、金属製などとしてもよい。
【０１０４】
また、表側基材、裏側基材の材質も特に限定しない。例えば、エラストマ（ゴムを含む）製、樹脂製などとしてもよい。表側電極、裏側電極の材料も特に限定しない。金属箔製、導電性エラストマ製などとしてもよい。表側基材に対する表側電極の配置方法、裏側基材に対する裏側電極の配置方法も特に限定しない。スクリーン印刷などを用いてもよい。
【０１０５】
入力インターフェイス装置が信号を出力する外部機器の種類は特に限定しない。ナビゲーションシステム、エアコンディショナー、ゲーム、携帯機器、パーソナルコンピューターなどであってもよい。また、入力インターフェイス装置の駆動対象となるアクチュエータも特に限定しない。モータの他、流体圧（空気圧、油圧など）シリンダ、ソレノイドなどであってもよい。また、信号の内容も特に限定しない。アクチュエータ駆動指示信号の他、照明の制御指示信号、警報発令指示信号、ディスプレイの表示変更指示信号などであってもよい。入力インターフェイス装置の感圧センサの種類も特に限定しない。歪みゲージなどであってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１：入力インターフェイス装置、２：弾性部、３：感圧センサ、４：制御装置、５：入力インターフェイス素子。
２０：第一弾性層（弾性層）、２１：第二弾性層（弾性層）、２２：第一荷重分散板、２３：第二荷重分散板、２４：第三荷重分散板、２５〜２７：弾性層、３０：表側基材、３１：裏側基材、３２：表側電極、３３：裏側電極、３３Ｌｆ：裏側電極、３３Ｌｒ：裏側電極、３３Ｒｆ：裏側電極、３３Ｒｒ：裏側電極、３４：誘電部、４０：入出力インターフェイス、４１：演算部、４２：記憶部、４３α〜４３γ：駆動回路、９０：外部機器、９１：操作者。
３４０：誘電層、３４１：第一誘電層（誘電層）、３４２：第二誘電層（誘電層）、３４３：第三誘電層（誘電層）、９００α〜９００γ：モータ。
ＥＦ：曲線区間（二階微分が負の区間）、ＦＬｆ：荷重、ＦＬｒ：荷重、ＦＲｆ：荷重、ＦＲｒ：荷重、Ｒα：第一出力レベル区間、Ｒβ：第二出力レベル区間、Ｒγ：第三出力レベル区間。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ナビゲーションシステムやエアコンディショナーやゲームや携帯機器などの外部機器の操作に用いられる、入力インターフェイス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、静電容量型の入力インターフェイス装置が開示されている。同文献記載の入力インターフェイス装置は、表裏一対の電極と、誘電層と、を備えている。誘電層は、表裏一対の電極間に介装されている。
【０００３】
電極面積をＳ、電極間距離をｄ、真空中の誘電率をε０、誘電層の比誘電率をεｒとすると、静電容量Ｃは、以下の式（１）により算出される。
Ｃ＝ε０・εｒ・Ｓ／ｄ ・・・ 式（１）
操作者が入力インターフェイス装置の表面の任意の座標を押圧すると、操作者が加えた荷重により、誘電層は弾性的に圧縮される。誘電層が圧縮されると、その分、式（１）の電極間距離ｄが短くなる。このため、静電容量Ｃが大きくなる。同文献記載の入力インターフェイス装置によると、当該静電容量Ｃの変化を基に、操作者が荷重を入力した座標（面方向位置）を特定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１７０５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の静電容量型の入力インターフェイス装置の場合、荷重が加わっている状態、荷重が加わっていない状態という二つの状態を基に、オン−オフの２値を出力できるにすぎない。つまり、入力インターフェイス装置により外部機器を操作する場合、二つの指示しか出すことができない。
【０００６】
ここで、荷重の大きさに応じて、言い換えると式（１）の電極間距離ｄ、つまり誘電層の表裏方向厚さに応じて、複数のレベルの信号を切り替えて出力できれば、指示のバリエーションを増やすことができる。
【０００７】
しかしながら、誘電層の表裏方向厚さの変化を、操作者が認識することは困難である。例えば、操作者は、自身の出している信号のレベルをディスプレイなどで逐一確認しながらでなければ、複数のレベルの信号を使い分けることができない。また、操作者が、所望のレベルの信号を継続的に出し続けるには、誘電層の表裏方向厚さ、つまり操作者の押圧ストロークを一定に保つ必要がある。このように、従来の入力インターフェイス装置の場合、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力するのが困難である。
【０００８】
本発明の入力インターフェイス装置は、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記課題を解決するため、本発明の入力インターフェイス装置は、表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層が該表裏方向に積層されてなる弾性部を備え、表側から加わる荷重の変化による該弾性部の全体の該表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能なことを特徴とする。
【００１０】
ここで、「積層」には、複数の弾性層が連続して積層されている場合は勿論、複数の弾性層が他の層を介して積層されている場合も含まれる。また、弾性層の「ばね定数」とは、弾性層の圧縮荷重−変位特性の２５％圧縮歪みまでの傾きの平均値をいう。
【００１１】
また、弾性部の「圧縮荷重−変位特性が非線形」とは、圧縮荷重−変位特性が全体的に曲線状である場合は勿論、部分的に直線区間を有する場合や、複数の直線区間が折れ線状に連なっている場合も含まれる。
【００１２】
本発明の入力インターフェイス装置の弾性部は、複数の弾性層を備えている。複数の弾性層の表裏方向のばね定数（以下、適宜、「ばね定数」と略称する。）は、各々異なっている。
【００１３】
ここで、一例として、４つの弾性層Ａ１〜Ａ４が表裏方向に積層されている場合を想定する。なお、ばね定数は、弾性層Ａ１＜弾性層Ａ２＜弾性層Ａ３＜弾性層Ａ４の順である。
【００１４】
表側から加わる荷重が大きくなると、まず、最もばね定数が小さい弾性層Ａ１が主として圧縮される。なお、弾性層Ａ１以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して圧縮される。さらに荷重が大きくなると、二番目にばね定数が小さい弾性層Ａ２が主として圧縮される。なお、弾性層Ａ２以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して圧縮される。このように、荷重が大きくなるのに従って、主として圧縮する弾性層は変化する。
【００１５】
一方、全ての弾性層が圧縮しきった状態で、表側から加わる荷重が小さくなると、まず、主として最もばね定数が大きい弾性層Ａ４が、自身の有する弾性復元力により、伸張する。なお、弾性層Ａ４以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して伸張する。さらに荷重が小さくなると、二番目にばね定数が大きい弾性層Ａ３が主として伸張する。なお、弾性層Ａ３以外の弾性層も、各々のばね定数に対応して伸張する。このように、荷重が小さくなるのに従って、主として復元する弾性層は変化する。
【００１６】
このため、変形する弾性層に応じて、弾性部の全体の圧縮荷重−変位特性に変曲点（本明細書においては、「変曲点」とは、傾きが変わるところをいう。）が現れ、非線形の圧縮荷重−変位特性を示す。本発明の入力インターフェイス装置は、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００１７】
以上説明したように、本発明の入力インターフェイス装置によると、変形可能な弾性層の数により信号のレベルを切り替えることができる。このため、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００１８】
（１−１）好ましくは、上記（１）の構成において、前記弾性層の前記表裏方向の前記ばね定数とは、該弾性層が発泡体製の場合は、ＪＩＳ Ｋ ６７６７における２５％圧縮荷重である構成とする方がよい。
【００１９】
ＪＩＳ Ｋ ６７６７における２５％圧縮荷重（以下、適宜、「２５％圧縮荷重」と略称する。）が大きいほど、弾性層が硬くなる。反対に、２５％圧縮荷重が小さいほど、弾性層が軟らかくなる。本構成によると、２５％圧縮荷重の異なる複数の弾性層を組み合わせることにより、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力することができる。
【００２０】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記弾性部は、変形可能な前記弾性層の数が変わる際の反力の変化により、前記荷重を加える操作者に、前記信号の前記レベルを認識させる構成とする方がよい。
【００２１】
変形する弾性層が変わる際、入力インターフェイス装置から操作者が受ける反力は、段階的に変化する。本構成によると、当該反力の変化から、操作者は、信号のレベルを認識することができる。また、本構成によると、信号のレベルを認識する際に、フォースフィードバックのような機械的要素、電気的要素が不要である。このため、構造が簡単である。
【００２２】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を有する構成とする方がよい。
【００２３】
本構成によると、少なくとも一つの弾性層が、圧縮荷重−変位特性に、二階微分が負の区間（傾き（＝荷重／変位）が徐々に小さくなる区間）を有している。このため、変形可能な弾性層の数が増減する際の反力の変化を大きくすることができる。したがって、荷重を加える操作者に、明確に信号のレベルを認識させることができる。
【００２４】
（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記弾性部の裏側に配置され、該弾性部の全体の前記表裏方向の前記圧縮荷重−変位特性の傾きの変化に応じて、検出信号を出力する感圧センサと、該検出信号に応じて、前記外部機器に対して、複数の前記レベルの前記信号を任意に出力する制御装置と、を備える構成とする方がよい。
【００２５】
本構成によると、弾性部の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化と、感圧センサの検出信号と、が対応している。このため、感圧センサの検出信号に応じて出力する信号のレベルを切り替えることにより、実質的に、弾性部の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化に応じて出力する信号のレベルを切り替えることができる。
【００２６】
（５）好ましくは、上記（４）の構成において、前記感圧センサは、誘電層を有する誘電部と、該誘電部の表側に配置される表側電極と、該誘電部の裏側に配置される裏側電極と、を有する静電容量型の感圧センサであって、該誘電部の該誘電層は、前記弾性部の複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層を兼ねる構成とする方がよい。本構成によると、誘電層と弾性層とが互いに独立している場合と比較して、層数が少なくなる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、簡単に、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の斜視図である。
【図２】同入力インターフェイス素子の分解斜視図である。
【図３】同入力インターフェイス素子の上下方向断面図である。
【図４】同入力インターフェイス装置のブロック図である。
【図５】（ａ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第一段階における上下方向断面図である。（ｂ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図である。（ｃ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図である。（ｄ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図である。
【図６】同入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性である。
【図７】第二実施形態の入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性である。
【図８】第三実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の上下方向断面図である。
【図９】（ａ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図である。（ｂ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図である。（ｃ）は、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階の上下方向断面図である。
【図１０】第四実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の分解斜視図である。
【図１１】第五実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の感圧センサの分解斜視図である。
【図１２】同感圧センサの透過上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の入力インターフェイス装置の実施の形態について説明する。
【００３０】
＜第一実施形態＞
［入力インターフェイス装置の構成］
まず、本実施形態の入力インターフェイス装置の構成について説明する。図１に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の斜視図を示す。図２に、同入力インターフェイス素子の分解斜視図を示す。図３に、同入力インターフェイス素子の上下方向断面図を示す。図４に、同入力インターフェイス装置のブロック図を示す。なお、以下の図において、上下方向は、本発明の「表裏方向」に対応する。また、「上」は本発明の「表」に、「下」は本発明の「裏」に、各々対応する。
【００３１】
図１〜図４に示すように、入力インターフェイス装置１は、入力インターフェイス素子５と、制御装置４と、を備えている。入力インターフェイス素子５は、弾性部２と、感圧センサ３と、を備えている。
【００３２】
（弾性部２）
弾性部２は、第一弾性層２０と、第二弾性層２１と、第一荷重分散板２２と、第二荷重分散板２３と、第三荷重分散板２４と、を備えている。第一弾性層２０、第二弾性層２１は、各々、本発明の「弾性層」の概念に含まれる。
【００３３】
第三荷重分散板２４は、後述する感圧センサ３の上方に配置されている。第三荷重分散板２４は、プラスチック製であって、円板状を呈している。第二弾性層２１は、第三荷重分散板２４の上方に配置されている。第二弾性層２１は、発泡ウレタン製であって、円柱状を呈している。
【００３４】
第二荷重分散板２３は、第二弾性層２１の上方に配置されている。第二荷重分散板２３は、プラスチック製であって、円板状を呈している。第一弾性層２０は、第二荷重分散板２３の上方に配置されている。第一弾性層２０は、発泡ウレタン製であって、円柱状を呈している。第一弾性層２０は、第二弾性層２１よりも、上下方向のばね定数が小さい。つまり、上方から押圧された場合、第一弾性層２０は、第二弾性層２１よりも、圧縮されやすい。
【００３５】
第一荷重分散板２２は、第一弾性層２０の上方に配置されている。後述するように、操作者は、第一荷重分散板２２の上方から、入力インターフェイス装置１に荷重を入力する。
【００３６】
以上説明したように、弾性部２には、下から上に向かって、第三荷重分散板２４、第二弾性層２１、第二荷重分散板２３、第一弾性層２０、第一荷重分散板２２が、この順に積層されている。
【００３７】
（感圧センサ３）
感圧センサ３は、いわゆる静電容量型センサである。感圧センサ（具体的には、図４に示すセンサ素子）３は、表側基材３０と、裏側基材３１と、表側電極３２と、裏側電極３３と、誘電部３４と、を備えている。表側基材３０は、第三荷重分散板２４の下方に配置されている。表側基材３０は、ポリウレタン製であって、円板状を呈している。表側電極３２は、表側基材３０の下方に配置されている。表側電極３２は、銀ペースト製であって、円膜状を呈している。
【００３８】
誘電部３４は、表側電極３２の下方に配置されている。誘電部３４は、誘電層３４０を備えている。誘電層３４０は、発泡ゴム製であって、円板状を呈している。誘電層３４０は、本発明の「弾性層」を兼ねている。誘電層３４０は、第一弾性層２０および第二弾性層２１よりも、上下方向のばね定数が大きい。つまり、上方から押圧された場合、誘電層３４０は、第一弾性層２０および第二弾性層２１よりも、圧縮されにくい。
【００３９】
裏側電極３３は、誘電部３４の下方に配置されている。裏側電極３３は、銀ペースト製であって、円膜状を呈している。裏側基材３１は、裏側電極３３の下方に配置されている。裏側基材３１は、ポリウレタン製であって、円板状を呈している。
【００４０】
以上説明したように、感圧センサ３は、弾性部２の下方に配置されている。感圧センサ３には、下から上に向かって、裏側基材３１、裏側電極３３、誘電部３４（誘電層３４０）、表側電極３２、表側基材３０が、この順に積層されている。
【００４１】
（制御装置４）
図４に示すように、制御装置４は、入出力インターフェイス４０と、演算部４１と、記憶部４２と、を備えている。感圧センサ３は、入出力インターフェイス４０に電気的に接続されている。制御装置４には、感圧センサ３から、検出信号が伝送される。
【００４２】
外部機器９０は、３つの駆動回路４３α〜４３γと、３つのモータ９００α〜９００γと、を備えている。３つのモータ９００α〜９００γは、駆動回路４３α〜４３γを介して、入出力インターフェイス４０に電気的に接続されている。制御装置４は、３つのモータ９００α〜９００γに、出力レベルα〜γの信号を出力可能である。出力レベルα〜γは、各々、本発明の信号の「レベル」の概念に含まれる。
【００４３】
［入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の荷重入力時の動き］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の荷重入力時の動きについて説明する。図５（ａ）に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の、荷重入力第一段階における上下方向断面図を示す。図５（ｂ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図を示す。図５（ｃ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図を示す。図５（ｄ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図を示す。図６に、同入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性を示す。
【００４４】
図６の点Ａは図５（ａ）の荷重入力第一段階に、点Ｂは図５（ｂ）の荷重入力第二段階に、点Ｃは図５（ｃ）の荷重入力第三段階に、点Ｄは図５（ｄ）の荷重入力第四段階に、各々対応している。
【００４５】
（荷重入力第一段階）
図５（ａ）、図６に示すように、荷重入力第一段階においては、操作者９１（詳しくは、操作者９１の指）から入力インターフェイス装置１（具体的には、入力インターフェイス素子５）に荷重が入力されていない。このため、第一弾性層２０の上下方向厚さｄ１、第二弾性層２１の上下方向厚さｄ２、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は変化しない。
【００４６】
（荷重入力第一段階→荷重入力第二段階）
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６に示すように、操作者９１から入力インターフェイス装置１に荷重Ｆが入力されると、ばね定数に対応して、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０が、各々圧縮される。すなわち、圧縮量が大きい順に、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０となる。
【００４７】
図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００４８】
また、図６の区間ＡＢに示すように、圧縮荷重−変位特性は直線状を呈している（直線区間）。ここで、第一弾性層２０は、第二弾性層２１および誘電層３４０よりも、極めてばね定数が小さい。このため、区間ＡＢには、主に第一弾性層２０の特性が反映されている。第一弾性層２０ばね定数（正確には、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０の合成のばね定数（荷重／変位））は、略一定である。
【００４９】
（荷重入力第二段階）
図５（ｂ）、図６に示すように、荷重入力第二段階においては、第一弾性層２０が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０には、圧縮代が残っていない。一方、第二弾性層２１、誘電層３４０は未だ潰れきっていない。すなわち、第二弾性層２１、誘電層３４０には、圧縮代が残っている。
【００５０】
感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００５１】
（荷重入力第二段階→荷重入力第三段階）
図５（ｂ）、図５（ｃ）、図６に示すように、操作者９１からの荷重Ｆが大きくなると、ばね定数に対応して、第二弾性層２１、誘電層３４０が、各々圧縮される。すなわち、圧縮量が大きい順に、第二弾性層２１、誘電層３４０となる。
【００５２】
図５（ｂ）と図５（ｃ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００５３】
また、図６の区間ＢＣに示すように、圧縮荷重−変位特性は、第一直線区間ＢＥ、曲線区間ＥＦ、第二直線区間ＦＣを備えている。ここで、第二弾性層２１は、誘電層３４０よりも、極めてばね定数が小さい。このため、区間ＢＣには、主に第二弾性層２１の特性が反映されている。曲線区間ＥＦにおいては、傾きが徐々に小さくなっている。つまり、曲線区間ＥＦの二階微分は負となる。曲線区間ＥＦは、本発明の「二階微分が負の区間」の概念に含まれる。
【００５４】
（荷重入力第三段階）
図５（ｃ）、図６に示すように、荷重入力第三段階においては、第一弾性層２０、第二弾性層２１が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０、第二弾性層２１には、圧縮代が残っていない。一方、誘電層３４０は未だ潰れきっていない。すなわち、誘電層３４０には、圧縮代が残っている。
【００５５】
感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００５６】
（荷重入力第三段階→荷重入力第四段階）
図５（ｃ）、図５（ｄ）、図６に示すように、操作者９１からの荷重Ｆが大きくなると、誘電層３４０が圧縮される。
【００５７】
図５（ｃ）と図５（ｄ）とを比較すると判るように、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３は小さくなる。すなわち、前出式（１）の電極間距離ｄは短くなる。このため、図４に示すように、感圧センサ３から制御装置４に、検出信号が伝送される。
【００５８】
また、図６の区間ＣＤに示すように、圧縮荷重−変位特性は直線状を呈している（直線区間）。区間ＣＤには、誘電層３４０の特性が反映されている。誘電層３４０のばね定数は、略一定である。
【００５９】
（荷重入力第四段階）
図５（ｄ）、図６に示すように、荷重入力第四段階においては、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０が潰れきっている。すなわち、第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０には、圧縮代が残っていない。感圧センサ３から制御装置４には、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）、つまり静電容量Ｃに応じた検出信号が伝送される。
【００６０】
なお、操作者９１からの荷重Ｆが小さくなる場合は、荷重入力第四段階（図５（ｄ））→荷重入力第三段階（図５（ｃ））→荷重入力第二段階（図５（ｂ））→荷重入力第一段階（図５（ａ））というように、上記過程を逆方向に辿ることになる。
【００６１】
［入力インターフェイス装置の信号出力時の動き］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の信号出力時の動きについて説明する。図４に示す制御装置４の記憶部４２には、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示す誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に応じて、第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγが格納されている。
【００６２】
（第一出力レベル区間Ｒα）
第一出力レベル区間Ｒαの大部分は、荷重入力第一段階から荷重入力第二段階までの過程に対応している。つまり、主に第一弾性層２０が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６３】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、前出式（１）の電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、感圧センサ３の検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第一出力レベル区間Ｒαに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３αに、出力レベルαの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３αを介して、外部機器９０のモータ９００αを駆動する。
【００６４】
図６に示すように、第一出力レベル区間Ｒαは、区間ＡＢに対して、高変位側（高荷重側）にずれている。第一出力レベル区間Ｒαの低変位端が点Ａからずれているのは、操作者９１が、第一荷重分散板２２に触れただけで、出力レベルαの信号が伝送され、モータ９００αが作動してしまうのを防ぐためである。一方、第一出力レベル区間Ｒαの高変位端が点Ｂからずれているのは、操作者９１が、意に反して第一荷重分散板２２を過剰に押圧した場合に、信号の出力レベルが切り替わる（α→β）のを抑制するためである。
【００６５】
（第二出力レベル区間Ｒβ）
第二出力レベル区間Ｒβの大部分は、荷重入力第二段階から荷重入力第三段階までの過程に対応している。つまり、主に第二弾性層２１が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６６】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第二出力レベル区間Ｒβに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３βに、出力レベルβの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３βを介して、外部機器９０のモータ９００βを駆動する。
【００６７】
図６に示すように、第二出力レベル区間Ｒβは、区間ＢＣに対して、高変位側（高荷重側）にずれている。第二出力レベル区間Ｒβの高変位端が点Ｃからずれているのは、操作者９１が、意に反して第一荷重分散板２２を過剰に押圧した場合に、信号の出力レベルが切り替わる（β→γ）のを抑制するためである。
【００６８】
（第三出力レベル区間Ｒγ）
第三出力レベル区間Ｒγは、荷重入力第三段階から荷重入力第四段階までの過程に対応している。つまり、主に誘電層３４０が圧縮される場合の、誘電層３４０の上下方向厚さｄ３に対応している。
【００６９】
図４に示す制御装置４には、感圧センサ３から、電極間距離ｄ（誘電層３４０の上下方向厚さｄ３）に応じた検出信号が伝送される。演算部４１は、感圧センサ３の検出信号から、電極間距離ｄを算出する。また、電極間距離ｄから、誘電層３４０の上下方向の変位量を算出する。そして、当該変位量と、記憶部４２に格納されている第一出力レベル区間Ｒα、第二出力レベル区間Ｒβ、第三出力レベル区間Ｒγと、を比較する。比較の結果、変位量が第三出力レベル区間Ｒγに含まれる場合、演算部４１は、駆動回路４３βに、出力レベルγの信号を伝送する。すなわち、演算部４１は、駆動回路４３γを介して、外部機器９０のモータ９００γを駆動する。
【００７０】
［作用効果］
次に、本実施形態の入力インターフェイス装置の作用効果について説明する。本実施形態の入力インターフェイス装置１の弾性部２は、第一弾性層２０と第二弾性層２１とを備えている。また、感圧センサ３は、弾性層兼用の誘電層３４０を備えている。第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０のばね定数は、各々異なっている。
【００７１】
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示すように、荷重Ｆが大きくなるのに従って、まず第一弾性層２０が、次に第二弾性層２１、最後に誘電層３４０が圧縮される。反対に、荷重Ｆが小さくなるのに従って、まず誘電層３４０が、次に第二弾性層２１が、最後に第一弾性層２０が伸張する。
【００７２】
このように、表側から加わる荷重Ｆの変化に応じて、変形（圧縮、伸張）する弾性層（第一弾性層２０、第二弾性層２１、誘電層３４０）が変化する。このため、変形する弾性層が変化することに対応して、弾性部２の全体の圧縮荷重−変位特性に変曲点が現れ、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となる。本実施形態の入力インターフェイス装置１は、当該圧縮荷重−変位特性が非線形となることを利用して、外部機器９０に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、変形する弾性層の種類により信号の出力レベルα〜γを切り替えることができる。このため、簡単に、外部機器９０に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００７４】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、図５（ｂ）図５（ｃ）、図６の点Ｂ、点Ｃに示すように、変形する弾性層が変わる際、入力インターフェイス装置１から操作者９１が受ける反力（荷重Ｆによる反力）は、段階的に変化する。具体的には、点Ｂを境に、圧縮荷重−変位特性の傾きが急激に大きくなる。また、点Ｃを境に、圧縮荷重−変位特性の傾きが急激に大きくなる。このため、当該反力の変化から、操作者９１は、自身が出している信号が出力レベルα〜γのどれであるかを認識することができる。言い換えると、出力レベルα〜γを触感により認識することができる。
【００７５】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、出力レベルα〜γを認識する際に、フォースフィードバックのような機械的要素、電気的要素が不要である。このため、構造が簡単である。
【００７６】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、図６に示すように、第二弾性層２１は、圧縮荷重−変位特性に曲線区間ＥＦを備えている。つまり、第二弾性層２１は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を備えている。このため、図６の区間ＢＣに、細線で示すような直線区間Ｌ１が設定されている場合と比較して、点Ｂにおける圧縮荷重−変位特性の傾きの変化の程度が大きくなる。同様に、点Ｃにおける圧縮荷重−変位特性の傾きの変化の程度が大きくなる。すなわち、主として変形する弾性層が変化する際の反力の変化を大きくすることができる。したがって、荷重Ｆを加える操作者９１に、明確に出力レベルα〜γを認識させることができる。
【００７７】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、弾性部２の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化と、感圧センサ３の検出信号と、が対応している。このため、感圧センサ３の検出信号に応じて、信号の出力レベルα〜γを切り替えることにより、実質的に、弾性部２の全体の圧縮荷重-変位特性の傾きの変化に応じて信号の出力レベルα〜γを切り替えることができる。
【００７８】
また、本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、誘電部３４の誘電層３４０が、弾性部２の弾性層を兼ねている。このため、誘電層３４０と弾性層とが互いに独立している場合と比較して、層数が少なくなる。
【００７９】
＜第二実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、圧縮荷重−変位特性の形状だけである。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００８０】
図７に、本実施形態の入力インターフェイス装置の圧縮荷重−変位特性を示す。なお、図６と対応する部位については、同じ符号で示す。図７に点Ａで示すように、前出図５（ａ）に示す荷重入力第一段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ１だけ変化している。同様に、図７に点Ｂで示すように、前出図５（ｂ）に示す荷重入力第二段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ２だけ変化している。同様に、図７に点Ｃで示すように、前出図５（ｃ）に示す荷重入力第三段階においては、変位せずに荷重だけがΔＦ３だけ変化している。このため、操作者は、より明確に反力の変化を認識することができる。
【００８１】
また、ΔＦ１の分だけ、操作者が触れただけでは弾性層が変形しにくい。また、ΔＦ２、ΔＦ３の分だけ、操作者が、意に反して第一荷重分散板を過剰に押圧しても、出力レベルα〜γが切り替わりにくい。このため、図７に示すように、区間ＡＢと第一出力レベル区間Ｒαとは一致している。また、区間ＢＣと第二出力レベル区間Ｒβとは一致している。また、区間ＣＤと第三出力レベル区間Ｒγとは一致している。
【００８２】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。
【００８３】
＜第三実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、誘電層が全ての弾性層を兼ねている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００８４】
図８に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の上下方向断面図を示す。なお、図３と対応する部位については同じ符号で示す。誘電部３４は、第一誘電層３４１と、第二誘電層３４２と、第三誘電層３４３と、を備えている。第一誘電層３４１、第二誘電層３４２、第三誘電層３４３は、各々、本発明の「誘電層」の概念に含まれる。ばね定数が最も小さいのは、第一誘電層３４１である。反対に、ばね定数が最も大きいのは、第三誘電層３４３である。
【００８５】
図９（ａ）に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の、荷重入力第二段階における上下方向断面図を示す。図９（ｂ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第三段階における上下方向断面図を示す。図９（ｃ）に、同入力インターフェイス素子の、荷重入力第四段階における上下方向断面図を示す。なお、図５（ａ）〜図５（ｄ）と対応する部位については、同じ符号で示す。また、図９（ａ）〜図９（ｃ）と、図５（ａ）〜図５（ｄ）と、は荷重入力段階が対応している。
【００８６】
表側基材３０、表側電極３２、裏側基材３１、裏側電極３３は、各々、柔軟である。このため、操作者９１からの荷重Ｆは、集中した状態（例えば荷重分散板などにより分散されない状態）で、入力インターフェイス装置１に入力される。
【００８７】
図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、荷重Ｆが大きくなるのに従って、まず第一誘電層３４１が、次に第二誘電層３４２が、最後に第三誘電層３４３が、各々優先的に圧縮される。
【００８８】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１のように、弾性部２と感圧センサ３とを一体化してもよい。こうすると、部品点数が少なくなる。また、入力インターフェイス装置１の上下方向厚さが小さくなる。
【００８９】
＜第四実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、感圧センサが複数の検出点を備えている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００９０】
図１０に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の分解斜視図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００９１】
図１０に示すように、弾性部２は、各々２５％圧縮荷重が異なる３つの弾性層２５〜２７を備えている。感圧センサ３の表側基材３０の下面には、８本の帯状の表側電極３２が配置されている。表側電極３２は、前後方向に延在している。８本の表側電極３２は、左右方向に並んでいる。一方、裏側基材３１の上面には、８本の帯状の裏側電極３３が配置されている。裏側電極３３は、左右方向に延在している。８本の裏側電極３３は、前後方向に並んでいる。表側基材３０、裏側基材３１、表側電極３２、裏側電極３３は、各々、柔軟である。上方または下方から見て、８本の表側電極３２と８本の裏側電極３３とは、格子状に直交している。８本の表側電極３２と８本の裏側電極３３との６４個（＝８本×８本）の交差点には、検出点が設定されている。
【００９２】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、検出点ごとに、外部機器に対して、複数の出力レベルα〜γの信号を切り替えて出力することができる。
【００９３】
＜第五実施形態＞
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置との相違点は、感圧センサの構成のみである。ここでは、相違点についてのみ説明する。
【００９４】
図１１に、本実施形態の入力インターフェイス装置の入力インターフェイス素子の感圧センサの分解斜視図を示す。図１２に同感圧センサの透過上面図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。
【００９５】
図１１に示すように、本実施形態の入力インターフェイス装置の感圧センサ３は、単一の表側電極３２と、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒを備えている。単一の表側電極３２と、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒと、の間には、誘電層３４０が介装されている。図１２に示すように、上方から見て、４つの裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆ、３３Ｌｒ、３３Ｒｒは、表側電極３２に重複して配置されている。
【００９６】
図１２に示すように、上方から左前下向きの荷重ＦＬｆが入力されると、誘電層３４０のうち、表側電極と裏側電極３３Ｌｆとの間に介在する部分が、集中的に圧縮される。このため、表側電極と裏側電極３３Ｌｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９７】
同様に、上方から右前下向きの荷重ＦＲｆが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から左後下向きの荷重ＦＬｒが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から右後下向きの荷重ＦＲｒが入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９８】
また、上方から左下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｌｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から右下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｒｆ、３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から前下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｆ、３３Ｒｆとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。上方から後下向きの荷重が入力されると、表側電極と裏側電極３３Ｌｒ、３３Ｒｒとの間の、前出式（１）における電極間距離ｄが短くなる。
【００９９】
本実施形態の入力インターフェイス装置と、第一実施形態の入力インターフェイス装置とは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の入力インターフェイス装置１によると、荷重ＦＬｆ、ＦＲｆ、ＦＬｒ、ＦＲｒの方向を検出することができる。なお、本実施形態の感圧センサ３は、本発明の入力インターフェイス装置から独立して使用することができる。
【０１００】
＜その他＞
以上、本発明の入力インターフェイス装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【０１０１】
弾性層の積層順序は特に限定しない。表から裏に向かって、ばね定数が小さい順に積層しても、ばね定数が大きい順に積層してもよい。また、ランダムに積層してもよい。また、弾性層の材質は特に限定しない。エラストマ（ゴムを含む）製、エラストマや樹脂の発泡体製、布製であってもよい。
【０１０２】
また、ばね定数の異なる弾性層を、同一の材料製としてもよい。この場合、充填材の量、形状、発泡率などにより、ばね定数を調整してもよい。また、弾性層を、多数の突起を並べることにより、形成してもよい。また、単一の弾性層を、並置された複数の弾性体により、構成してもよい。この場合、複数の弾性体の合成のばね定数が、当該弾性層のばね定数となる。また、弾性層を、ばねにより形成してもよい。例えば、金属製の板ばね、皿ばね、コイルばねなどにより、弾性層を形成してもよい。また、誘電層の材質は特に限定しない。エラストマ（ゴムを含む）製、エラストマや樹脂の発泡体製、布製であってもよい。
【０１０３】
第一荷重分散板、第二荷重分散板、第三荷重分散板の材質は特に限定しない。弾性層よりも上下方向および水平方向のばね定数が高ければよい。例えば、ヤング率が高ければよい。第一荷重分散板、第二荷重分散板、第三荷重分散板は、例えば、エラストマ（ゴムを含む）製、樹脂製、金属製などとしてもよい。
【０１０４】
また、表側基材、裏側基材の材質も特に限定しない。例えば、エラストマ（ゴムを含む）製、樹脂製などとしてもよい。表側電極、裏側電極の材料も特に限定しない。金属箔製、導電性エラストマ製などとしてもよい。表側基材に対する表側電極の配置方法、裏側基材に対する裏側電極の配置方法も特に限定しない。スクリーン印刷などを用いてもよい。
【０１０５】
入力インターフェイス装置が信号を出力する外部機器の種類は特に限定しない。ナビゲーションシステム、エアコンディショナー、ゲーム、携帯機器、パーソナルコンピューターなどであってもよい。また、入力インターフェイス装置の駆動対象となるアクチュエータも特に限定しない。モータの他、流体圧（空気圧、油圧など）シリンダ、ソレノイドなどであってもよい。また、信号の内容も特に限定しない。アクチュエータ駆動指示信号の他、照明の制御指示信号、警報発令指示信号、ディスプレイの表示変更指示信号などであってもよい。入力インターフェイス装置の感圧センサの種類も特に限定しない。歪みゲージなどであってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１：入力インターフェイス装置、２：弾性部、３：感圧センサ、４：制御装置、５：入力インターフェイス素子。
２０：第一弾性層（弾性層）、２１：第二弾性層（弾性層）、２２：第一荷重分散板、２３：第二荷重分散板、２４：第三荷重分散板、２５〜２７：弾性層、３０：表側基材、３１：裏側基材、３２：表側電極、３３：裏側電極、３３Ｌｆ：裏側電極、３３Ｌｒ：裏側電極、３３Ｒｆ：裏側電極、３３Ｒｒ：裏側電極、３４：誘電部、４０：入出力インターフェイス、４１：演算部、４２：記憶部、４３α〜４３γ：駆動回路、９０：外部機器、９１：操作者。
３４０：誘電層、３４１：第一誘電層（誘電層）、３４２：第二誘電層（誘電層）、３４３：第三誘電層（誘電層）、９００α〜９００γ：モータ。
ＥＦ：曲線区間（二階微分が負の区間）、ＦＬｆ：荷重、ＦＬｒ：荷重、ＦＲｆ：荷重、ＦＲｒ：荷重、Ｒα：第一出力レベル区間、Ｒβ：第二出力レベル区間、Ｒγ：第三出力レベル区間。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層が該表裏方向に積層されてなる弾性部を備え、
表側から加わる荷重の変化による該弾性部の全体の該表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置。
【請求項２】
前記弾性部は、変形可能な前記弾性層の数が変わる際の反力の変化により、前記荷重を加える操作者に、前記信号の前記レベルを認識させる請求項１に記載の入力インターフェイス装置。
【請求項３】
複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を有する請求項１または請求項２に記載の入力インターフェイス装置。
【請求項４】
前記弾性部の裏側に配置され、該弾性部の全体の前記表裏方向の前記圧縮荷重−変位特性の傾きの変化に応じて、検出信号を出力する感圧センサと、
該検出信号に応じて、前記外部機器に対して、複数の前記レベルの前記信号を任意に出力する制御装置と、
を備える請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の入力インターフェイス装置。
【請求項５】
前記感圧センサは、誘電層を有する誘電部と、該誘電部の表側に配置される表側電極と、該誘電部の裏側に配置される裏側電極と、を有する静電容量型の感圧センサであって、
該誘電部の該誘電層は、前記弾性部の複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層を兼ねる請求項４に記載の入力インターフェイス装置。
【請求項１】
表裏方向のばね定数が異なる複数の弾性層が該表裏方向に積層されてなる弾性部を備え、
表側から加わる荷重の変化による該弾性部の全体の該表裏方向の圧縮荷重−変位特性が非線形であることを利用して、外部機器に対して、複数のレベルの信号を任意に出力可能な入力インターフェイス装置。
【請求項２】
前記弾性部は、変形可能な前記弾性層の数が変わる際の反力の変化により、前記荷重を加える操作者に、前記信号の前記レベルを認識させる請求項１に記載の入力インターフェイス装置。
【請求項３】
複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層は、圧縮荷重−変位特性に二階微分が負の区間を有する請求項１または請求項２に記載の入力インターフェイス装置。
【請求項４】
前記弾性部の裏側に配置され、該弾性部の全体の前記表裏方向の前記圧縮荷重−変位特性の傾きの変化に応じて、検出信号を出力する感圧センサと、
該検出信号に応じて、前記外部機器に対して、複数の前記レベルの前記信号を任意に出力する制御装置と、
を備える請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の入力インターフェイス装置。
【請求項５】
前記感圧センサは、誘電層を有する誘電部と、該誘電部の表側に配置される表側電極と、該誘電部の裏側に配置される裏側電極と、を有する静電容量型の感圧センサであって、
該誘電部の該誘電層は、前記弾性部の複数の前記弾性層のうち、少なくとも一つの該弾性層を兼ねる請求項４に記載の入力インターフェイス装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８４１１８（Ｐ２０１３−８４１１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３４９７（Ｐ２０１１−２２３４９７）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００２１９６０２）東海ゴム工業株式会社 (1,983)
【Ｆターム（参考）】
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