入力装置
【課題】 固定された操作体または移動範囲が限られた操作体の操作面に指を触れて、指を操作面に沿って移動させたときに、操作面が指の移動に追従して移動しているように感じさせることができる入力装置を提供する。
【解決手段】 半球面の操作面３を有する操作体２が、わずかな角度αだけ傾くことができるように支持されている。加振装置により操作体２に対して振幅Ｆが上下に向く連続震動が与えられる。操作面３に指３０が触れると、連続振動によって、指３０の接触部Ｔに、接線Ｓに向く振幅成分Ｆｓが発生するため、指３０を移動させるときに、操作面３が指３０の移動に追従してあたかも回転しているかのような感触を得ることができる。
【解決手段】 半球面の操作面３を有する操作体２が、わずかな角度αだけ傾くことができるように支持されている。加振装置により操作体２に対して振幅Ｆが上下に向く連続震動が与えられる。操作面３に指３０が触れると、連続振動によって、指３０の接触部Ｔに、接線Ｓに向く振幅成分Ｆｓが発生するため、指３０を移動させるときに、操作面３が指３０の移動に追従してあたかも回転しているかのような感触を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定されまたは限られた距離しか動かないように規制された操作体を有し、その操作体の表面の操作面に指を摺動させて入力操作を行う入力装置に係るものであり、特に、操作面に沿って指を摺動させたときに、操作面が動いているかのような感触を指に与えることができる入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
指で操作する操作体と、この操作体に衝撃力や振動を与える加振装置とを備えた入力装置が、以下の特許文献１と特許文献２に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたトラックボール装置は、多方向へ自由に回転するボールと、ボールの回転方向と回転距離を検知するエンコーダと、ボールに力を与えるソレノイドとを有している。ボールを操作しているときにソレノイドからボールに対して、不定期（非周期的）に力が与えられ、ボールを操作している指でソレノイドの力を感じることができるようになっている。
【０００４】
特許文献１に記載されているトラックボール装置は、指でボールを回転させることで、画面に表示された項目を選択したり、画面に表示されているスクロールバーを移動させることができる。そして、選択された前記項目が移り変わるときに、ソレノイドからボールに一瞬の力が与えられ、またはスクロールバーがその移動終端に至ると、ソレノイドからボールに一瞬の力が与えられる。
【０００５】
特許文献２に記載されている入力装置は、輪形状や直線形状の凹部と、容量結合された電極が設けられている。指を凹部に触れた状態で凹部に沿って移動させると、指の位置と指の移動が前記電極で検知される。すなわち、操作体である凹部そのものが動くことはなく、指を凹部に触れて摺動させることで、入力操作が行われる。
【０００６】
この入力装置に振動子が設けられており、凹部に触れた指が一定距離だけ移動すると、振動子にパルスが与えられて振動子が一時的に振動し、凹部に一時的な振動が与えられる。これにより、凹部に触れた指にクリック感が与えられ、指が一定距離動いたことを操作者が感知できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３０５９３８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたトラックボール装置は、指でボールを回転させる方式であるため、ボールを回転自在に支持するための機構が必要となり、構造が複雑である。また、トラックボール装置は、ボールの直径を超える高さ寸法が必要であるため、薄型の機器に搭載することができない。また、ボール表面に付着したゴミや埃が、ボールの回転に伴って装置の内部に巻き込まれやすい欠点を有している。
【０００９】
特許文献２に記載された入力装置は、輪形状や直線形状の凹部に指を触れてその表面を摺動させる方式あるため、回転支持機構が不要であり、全体を薄型に構成しやすい。しかし、指を凹部に触れて摺動させるときに指に摩擦反力が作用するため、実際にボールが回転するものなどに比べて操作感触が悪くなる。また、指を平面的に摺動させて操作するのみであって、指を立体的に移動させる操作を行うことができず、操作入力の多様性に対応しにくい。
【００１０】
特許文献１のトラックボール装置には、ボールに力を与えるソレノイドが設けられ、特許文献２の入力装置には、凹部に振動を与える振動子が設けられている。しかし、前記ソレノイドは、画面に表示された項目が移り変わるときなどに不定期に力を発揮するものである。また、前記振動子は、指が一定量移動したときに一瞬の振動を与えるものであり、凹部を摺動させる指の移動速度に応じて振動が発生する間隔が変化するものであって、やはり不定期の振動しか発生することができない。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、指で操作面を操作したときに、動くことができない、あるいは限られた距離しか動くことができない操作体を備えた入力装置において、指を操作面に摺動させているときに、あたかも操作面が動いているかのような感触を与えることができる入力装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、指が触れる操作面を有する操作体と、前記操作面に対する指による操作状態を検知する検出部材とを有する入力装置において、
前記操作体は、前記操作面に触れた指が前記操作面に沿って移動したときに動かないように固定され、または指が前記操作面に沿って移動する移動距離よりも短い距離だけしか動かないようにその動きが規制されており、
少なくとも指が前記操作面に触れている間に、前記操作体に対して予め決められた周波数の連続振動を与え続ける振動付与機構が設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の入力装置は、固定されたまたは動き量が規制された操作体の表面の操作面に指を摺動させたときに、操作体が予め決められた周波数の連続振動を発生する。そのため、操作面と指との間の摩擦力が低減されて、操作面に指を摺動させるときに指に感じる抵抗力を低下させることができる。これにより、あたかも指とともの操作面が動いているかのような感覚を得ることができ、操作性を高めることができる。
【００１４】
また、操作体は固定状態または動きが規制された状態であるため、操作体を移動させる支持機構が不要であり、従来のトラックボール装置のように、ボールに付着したゴミや埃が、装置内に巻き込まれるという問題が生じない。
【００１５】
本発明は、前記操作面は、指が対向する方向へ向けて突出する突形状であり、例えば、前記操作面は球面の一部である。
【００１６】
または、前記操作面は、指が対向する方向と逆向きに向けて窪む凹形状であってもよいし、前記操作面は、ほぼ平面形状であってもよい。
【００１７】
本発明は、前記操作面が、指の移動距離よりも短い距離だけ動けるように、前記操作体が弾性体で支持されているものとして構成できる。
【００１８】
本発明は、前記振動付与機構を制御して、前記振動付与機構で前記連続振動を発生させるとともに、指による所定の操作が行われたときに、前記振動付与機構から前記操作体に対して不定期な振動を与える制御部が設けられているものとして構成できる。
【００１９】
本発明は、好ましくは前記振動付与機構から前記操作体に対して、前記操作面での指の移動方向に沿う振幅成分を含んだ連続振動が与えられるものである。
【００２０】
例えば、前記操作面は、前記振動付与機構から前記操作体に与えられる連続振動の振幅方向に対して傾斜する傾斜面を少なくとも一部に有しているものである。
【００２１】
前記検出部材は、前記操作面が指で押されたのを検知する圧力センサである。あるいは、前記検出部材は、指の接近と移動を検出する静電センサである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の入力装置は、操作体が自由に移動できる構造ではなくても、操作体の表面の操作面に指を摺動させたときの抵抗力を小さくして、あたかも操作面が指に追従しているかのような操作感触を得ることができる。
【００２３】
また、操作体を自由に回転できるように支持する支持機構が不要であるため構造を簡単にでき、また薄型化も実現しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態の入力装置を示す斜視図、
【図２】図１に示す入力装置の縦断面図、
【図３】図１に示す入力装置に設けられた静電センサの平面図、
【図４】図１に示す入力装置の動作説明図、
【図５】入力装置の回路構成図、
【図６】本発明の第２の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【図７】本発明の第３の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【図８】本発明の第４の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１と図２に示す入力装置１は操作体２を有している。操作体２は、合成樹脂製または金属製である。操作体２はその表面形状が球面の一部となる突形状の操作面３を有している。操作面３は、球体の表面の全周の角度である３６０度より浅い角度で形成されており、図２に示す例では、操作面３が、球体の表面のほぼ半分の面積を有している。操作面３はその表面に細かな凹凸面３ａを有しており。指３０を触れたときの摩擦係数を小さくできるようになっている。
【００２６】
操作体２は動くことができないように固定されていてもよいが、実施の形態の入力装置１では、図４に示すように、全ての方向へ角度αだけ傾くことができるようになっている。操作体２が傾くことができる角度αは、図２に示す操作面３の指３０で操作可能な角度範囲βよりも十分に小さい値である。前記角度αは、５度以下が好ましく、３度以下がさらに好ましい。
【００２７】
操作体２は、フランジ部４を有している。図２には、操作面３を構成する球面の曲率中心Ｏを通って垂直に延びる中心線ＣＬが示されているが、前記フランジ部４は、中心線ＣＬに対して垂直な向きで、中心線ＣＬの回りの３６０度の全周にわたって連続して形成されている。
【００２８】
入力装置１の基台７に、弾性部材６が固定されて、その表面に第１の検出部材である圧力センサ５が固定されており、操作体２のフランジ部４の下面４ａが圧力センサ５の上に設置されている。弾性部材６は合成ゴムシートや発泡樹脂材料のシートである。圧力センサ５は、ＭＥＭＳセンサであり、基板の上に微小な空隙を介して対向する作用板が設けられ、フランジ部４で作用板が押されたときの作用板の撓みが圧電素子などで検出されるものである。
【００２９】
図１に示すように、弾性部材６と圧力センサ５は、フランジ部４の円周方向に沿って９０度間隔で４組配置されている。前記弾性部材６が設けられていることで、図４に示すように、操作体２がその中心線ＣＬをどの方向へでも角度αだけ倒すことができるように傾斜自在に支持されている。また、操作体２に対して中心線ＣＬが倒れる向きに与えられた力の向きとその大きさが４個の圧力センサ５のいずれかによって検知できるようになっている。また、操作体２が真下に向けて押されたときは、４個の押圧センサ５で、その押圧力を検知することができる。
【００３０】
図１と図２に示すように、操作体２の周囲にカバー部材８が設けられている。カバー部材８は合成樹脂材料で形成されている。カバー部材８の中心部に穴８ａが形成されている。カバー部材８は、中心線ＣＬから離れた位置に外周表面８ｃを有しており、外周表面８ｃは、中心線ＣＬと垂直な平面である。カバー部材８の表面には、外周表面８ｃから穴８ａに向かって凹曲面８ｂが形成されている。凹曲面８ｂは、操作面３の球面よりも大きな曲率の凹球面の一部である。カバー部材８の表面は、外周表面８ｃが最も指３０による操作側に出ており、穴８ａが外周表面８ｃよりも非操作側に退行した位置にある。
【００３１】
操作体２の操作面３はカバー部材８の穴８ａの内部に位置しており、操作面３の球面の頂部３ｂが、穴８ａよりも操作側へ突出した位置にある。また前記凹曲面８ｂは、穴８ａから突出している操作面３の周囲を囲むように位置しており、操作体２の操作面３が指３０で操作されるときに、その指３０が凹曲面８ｂに接近し、または凹曲面８ｂに接触できる。
【００３２】
図２に示すように、カバー部材８の前記凹曲面８ｂと逆側の裏面８ｄに第２の検出部材である静電センサ９が設けられている。図３の平面図に示すように、静電センサ９は複数設けられており、中心線ＣＬに近い位置で中心線ＣＬを囲むように配置された複数の内周側静電センサ９ａと、中心線ＣＬから離れた位置で中心線ＣＬを囲むように配置された複数の外周側静電センサ９ｂとを有している。内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂは、それぞれ円周方向へ等ピッチで８個ずつ配置されている。
【００３３】
内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂは、互いに独立した導電体層を有している。図３は、それぞれの静電センサ９に設けられた導電体層の配置を示している。図５に示すように、それぞれの静電センサ９の導電体層に静電検出回路２１が接続されている。この静電検出回路２１から静電センサ９の導電体層へパルス状の駆動電流が与えられる。指３０が導電体層に接近していると、導電体層と指３０との間に容量が結合され、この結合容量と抵抗器とで遅延回路が形成されて、前記パルス状の駆動電流によって導電体層から導き出される検出電流の立ち上がり時間が遅延する。この検出電流の立ち上がり時間は、内周側静電センサ９ａまたは外周側静電センサ９ｂの導電体層に対する指３０の接近距離に応じて変化する。
【００３４】
図５に示すように、１つの静電検出回路２１から、複数の内周側静電センサ９ａおよび複数の外周側静電センサ９ｂの導電体層に対してパルス電流が順番に与えられ、それぞれの導電体層から検出電流が時分割で前記静電検出回路２１で検出される。これにより、指３０が操作面３の表面のどの位置に触れているかを検知することができる。
【００３５】
図２に示すように、入力装置１に、操作体２に振動を与える加振装置１５が設けられている。加振装置１５は、操作体２の背部に埋設された磁性体のヨーク１６とその背部に固定された磁石１７と、入力装置１の基台７に固定された非磁性のボビン１８と、ボビン１８に巻かれたコイル１９とを有している。前記磁石１７は、ボビン１８の中心穴の内部に位置しており、上面１７ａと下面１７ｂが異なる磁極に着磁されている。この加振装置１５は、コイル１９に所定周期の交流電流が与えられると、操作体２に対して振幅Ｆの向きが中心線ＣＬに沿う方向となる振動が与えられる。
【００３６】
図５に、入力装置１に設けられる検出・駆動回路２０が示されている。前述のように、複数の静電センサ９には静電検出回路２１が接続されている。また、４箇所に設けられた圧力センサ５に圧力検出回路２２が接続されている。この圧力検出回路２２は、４つの圧力センサ５のそれぞれから時分割で検知出力を得るようになっている。
【００３７】
静電検出回路２１で得られた検知出力は、Ａ／Ｄ変換部２３を経て制御部２５に与えられ、圧力検出回路２２で得られた検知出力は、Ａ／Ｄ変換部２４を経て制御部２５に与えられる。制御部２５はマイクロコンピュータのＣＰＵとメモリとで構成されている。制御部２５では、静電検出回路２１で得られた検知出力から、操作体２の操作面３に触れている指３０がどの方向へどの距離だけ移動しているかが演算され、また、圧力検出回路２２で得られた検知出力から、指３０によって操作体２がどの向きに押されているかが演算されて、その演算出力２６が、この入力装置１を搭載した電子機器の主制御部に与えられる。そして、電子機器に設けられた画面の表示内容が、前記演算出力２６によって制御される。
【００３８】
図５に示す検出・駆動回路２０では、制御部２５から振動駆動回路２７にパルス状の駆動指令が与えられて、加振装置１５のコイル１９に交流の駆動電流が与えられる。制御部２５のいずれかのメモリ内に振動パターンデータベース２８が格納されている。この振動パターンデータベース２８には、種々の振動パターンに対応するパルス波形が格納されている。
【００３９】
次に、前記入力装置１の動作を説明する。
指３０が、操作体２に操作面３に接近すると、複数の静電センサ９のいずれかがこれを検知し制御部２５がその接近を知ることができる。または、指３０が操作面３に接触し操作体２が軽く押されると、複数の圧力センサ５のいずれかがこれを検知し、制御部２５において、指３０が操作面３に触れていることを知ることができる。
【００４０】
制御部２５では、指が操作面３に接近しまたは接触したと判断すると、振動駆動回路２７に指令が出され、振動駆動回路２７からコイル１９に駆動電流が与えられて、操作体２に振動が与えられる。このとき、制御部２５により振動パターンデータベース２８から連続振動のパルスパターンが呼び出されて振動駆動回路２７に与えられ、操作体２に対し、振幅Ｆが中心線ＣＬに沿う向きの連続振動が与えられる。すなわち、振動パターンデータベース２８に格納されている予め決められた周波数の連続パルスが振動駆動回路２７に与えられて、コイル１９に連続する交流駆動電流が与えられ、操作体２が連続振動する。ここでの連続振動とは、操作面３に触れている指３０に振動が途切れる感覚を与えることなく、または間欠的な衝撃を感じさせることなく、連続する振動を感じさせることができる状態を意味している。
【００４１】
基本的な振動パターンとしては、一定の周波数のパルスが途切れることなく振動駆動回路２７に与えられる。このときのパルス周波数は、５０〜１００Ｈｚ程度が好ましい。操作体２に一定の周期の連続振動が与えられていると、操作面３に触れた指を各方向へ向けて摺動させるときに、操作面３が指３０の移動方向へ追従してあたかも回転しているように、指３０に感じさせることができる。すなわち、操作面３が指３０に感じる周波数で連続振動していると、操作面３と指３０との間の摩擦抵抗力が低下し、指３０を操作面３に沿って摺動させたときに、指３０と操作面３との接触部に大きな抵抗力が作用しなくなり、その結果、指３０と共に操作面３が球体として回転しているかのような感触を得ることができる。
【００４２】
特に、図２に示すように、操作面３に凹凸面３ａを形成しておくと、操作面３が振動したときに、さらに操作面３と指３０との間の摩擦力が低下し、指３０の移動に追従して操作面３が回転しているような感覚を得やすくなる。前記凹凸面３ａは、操作面３が鏡面状態ではなく、指３０と操作面３とを密着しにくくするためのものであり、中心線平均粗さは例えば１０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００４３】
操作体２に与えられる振動は、操作面３のどの位置に指３０が触れていようと途切れることがなく、操作面３に触れた指３０がどの方向へどの速度でどれだけの距離を移動していようと一定の周波数で連続して与えられる。すなわち、操作面３に対する指３０の操作位置や摺動速度とは無関係に、操作体２に対して、振動パターンデータベース２８に格納された予め決められた一定の周波数の振動が連続して与えられる。
【００４４】
一方、前記特許文献１や特許文献２に記載された入力装置は、画面の項目が切り換わったり、指が一定の距離だけ動く度に、一瞬の衝撃的な力や振動が指に与えられて指にクリック感触を与えるものである。このクリック感触のための振動は、あくまでも不定期に、入力装置に対する操作状態や画面の状態に合わせて与えられるものであり、実施の形態の入力装置１のように、操作面３に触れている指３０の移動状態に拘束されることなく、操作体２に予め決められた周波数の振動が連続的に与えられ続けることと、全く相違している。
【００４５】
指３０が操作面３に触れているときに、操作体２に与えられる連続振動は、前記のように一定の周波数の連続振動であることが基本であるが、さらに操作面３において指３０が触れている位置に応じて振動の周波数を可変することも可能である。例えば、図１に示すように、指３０が操作面３の頂部３ｂに触れまたは頂部３ｂに近い場所（ｉ）に触れているときから、指３０が操作面３の裾部に近い位置（ｉｉ）へ移動させたときに、その移動に伴って、振動の周波数を変えてもよい。または、図１に示すように、操作面３に触れた指３０を、頂部３ｂに近い軌跡（ｉｉｉ）で周回させているときと、裾部に近い軌跡（ｉｖ）で周回させているときとで、振動の周波数を変えることも可能である。
【００４６】
ただし、指３０が操作面３に触れているときに、振動の周波数を可変させる制御を行う場合に、指３０に対して振動が途切れる感触を与えないように、連続振動の中で、周波数を変化させることが必要である。この場合の振動周波数は、前述のように５０〜１００Ｈｚの範囲の連続振動であることが好ましい。
【００４７】
図４に示すように、操作面３は球面の一部であるため、頂部３ｂを除く広い範囲で、その表面は、連続振動の振幅Ｆの向きに対して傾く傾斜面（傾斜突面）となっている。この傾斜面に触れた指３０を移動させると、操作面３が指３０に追従して回転しているかのように感じる度合いがさらに大きくなる。
【００４８】
図４に示すように、指３０が操作面３の頂部３ｂ以外の場所で接触している接触面積の中心を接触部Ｔとする。接触部Ｔにおいて操作面３に与えられている連続振動の振幅Ｆの向きは、上下方向すなわち中心線ＣＬと平行な方向である。図４には、接触部Ｔを通過する法線Ｒと、接触部Ｔを通過する接線Ｓが示されているが、接触部Ｔにおいては操作面３の傾斜方向が接線Ｓの方向である。よって、接触部Ｔには、連続振動の振幅Ｆの分力である振幅成分Ｆｓが接線Ｓの向きに沿って与え続けられている。
【００４９】
接触部Ｔにおいて操作面３から指３０に与えられる振幅Ｆ方向である上下方向の力は＋ｆと−ｆであり、その絶対値「ｆ」は同じである。指３０に与えられている力が＋ｆのとき、接触部Ｔでは指３０に対して力＋ｆの接線Ｓ方向の分力＋ｓが作用し、指３０に与えられている力が−ｆのとき、接触部Ｔでは指３０に対して接線Ｓ方向の分力−ｓが作用する。
【００５０】
指３０を頂部３ｂからフランジ部４に向けて摺動させるときは、指３０から操作面３に下向きの力Ｗが与えられ、指３０から操作面３に対して、接線Ｓの方向に向く分力Ｗｓが与えられる。前記分力−ｓが指３０の摺動力の分力Ｗｓと同じ向きに作用しているため、接触部Ｔに触れた指３０をフランジ部４に向けて摺動させているときに、操作面３が指３０の摺動に追従してあたかも摺動方向へ回転しているような感触を得やすくなる。
【００５１】
逆に、操作面３に触れている指３０を、フランジ部４に近い裾部側から頂部３ｂに向けて摺動させているときも、その摺動力の接線Ｓに沿う分力と、連続振動の振幅Ｆによって接線Ｓに沿う向きに生じる前記分力＋ｓとが同じ向きであるため、やはり、指３０の移動に追従して操作面３が回転しているかのような感触を得やすくなる。
【００５２】
さらに、操作体２は弾性部材６によって支持されており、図４に示すように、操作体２が小さな角度αだけ傾くことができる。操作面３に触れた指３０を頂部３ｂから裾部に向けて摺動させ、または裾部から頂部３ｂに向けて摺動させるときに、操作面３に作用する力によって、操作面３が摺動方向へ角度αに相当する限られた短い距離だけ移動する。この操作面３の移動と、接線Ｓに沿う振幅成分Ｆｓの双方の作用によって、さらに、操作面３が回転しているかのような感触を指３０に与えやすくなる。
【００５３】
このときの角度αは、操作体２の傾き方向の動きを指３０がわずかに感じる程度であり、前述のように、前記角度αは、５度以下が好ましく、３度以下がさらに好ましい。
【００５４】
図１に示すように、操作面３に触れた指３０を頂部３ｂから裾部に向けて摺動させ、または裾部から頂部３ｂに向けて摺動させ、あるいは軌跡（ｉｉｉ）または軌跡（ｉｖ）に沿って摺動させると、図３のパターンで配列した内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂのそれぞれのセンサからの検知出力が変化し、この検知出力の変化によって、トラックボール装置においてボールを回転させているのと同じような入力を行うことができる。
【００５５】
また、指３０が操作面３を摺動するときに、操作体２に作用する力の向きとその大きさが圧力センサ５で検知される。この検知出力によっても、指３０の摺動方向とそのときに操作面３に与えられている力を検知することができる。
【００５６】
さらに、操作面３の頂部３ｂに触れた指３０によって、操作体２の全体を下向きに押圧するスイッチ動作を行うことが可能である。この場合には、４個の圧力センサ５の全てが所定の圧力を検知したときに、制御部２５においてスイッチ操作が行われたと判断する。このとき、制御部２５は、振動パターンデータベース２８からスイッチ操作のクリック感触を設定するパターンの振動パルスを呼び出して振動駆動回路２７に与え、振動駆動回路２７からコイル１９に駆動電流が与えられる。このとき、連続するパルスが短時間だけ振動駆動回路２７に与えられ、操作体２に対して一瞬の衝撃的な振動が与えられる。これにより、指３０がスイッチ操作の反力を受けたような衝撃を感じることができる。
【００５７】
このスイッチ反力を生じさせる振動は、操作体２によってスイッチ操作が行われたときに不定期に発生するものであり、操作面３があたかも回転するように感じさせる連続振動とは異なるものである。操作体２に対しては、回転を感じさせる連続振動に、スイッチ反力のための不定期な振動が重畳されて与えられる。
【００５８】
さらに、振動パターンデータベース２８に格納されている振動パターンによって、特許文献１に記載されているように、電子機器の画面に表示されたメニューなどの項目が切換えられたときに、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよいし、画面のスクロールバーがその終点位置に移動したときに、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよい。または、特許文献２に記載されているように、操作面３に触れた指が操作面３に沿って一定の距離だけ移動する度に、すなわち操作面３があたかも一定の距離だけ回転したと感じられる度に、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよい。これらのケースでは、それぞれの衝撃的な振動は、操作面３があたかも回転するように感じさせる連続振動に重畳されて操作体２に与えられる。
【００５９】
図６に示す第２の実施の形態の入力装置１０１は、操作体１０２の表面にシート状の静電センサ１０３が取り付けられ、その表面が球面形状に突出する操作面１０３ａとなっている。操作面１０３ａは、カバー部材１０８の穴１０８ａから上方へ突出している。静電センサ１０３は、複数のＸ電極と複数のＹ電極が、誘電体を挟んで互いに直交して配置されて、さらに表面が絶縁層で覆われている。それぞれの電極に選択的にパルス状の駆動電圧が与えられ、操作面１０３ａに接地電位に近い電位の指が触れると、指に近い電極から指に瞬間的に電流が逃げる。どの電極に駆動電圧を与えたときに電流が変化したかを検知することで、操作面１０３ａのどの位置に指が接触しているのかを認識することができる。
【００６０】
カバー部材１０８の裏面には、図３に示したのと同じ静電センサ９が設けられている。操作面１０３ａを構成する静電センサ１０３と、カバー部材１０８に設けられた静電センサ９とで、操作面１０３ａのどの位置に指が触れているか、ならびに操作面１０３ａに沿ってどの向きに指が摺動しているかを検知することができる。
【００６１】
操作体１０２のフランジ部１０４は、合成ゴムや発泡樹脂材料の弾性部材１０６を介して、可動基台１０９に設置されている。可動基台１０９の右端部は、固定基台１０７に軸１０９ａを介して回動自在に支持されている。可動基台１０９の左端部と固定基台１０７との間に押圧スイッチ１１０が設けられている。押圧スイッチ１１０は機械式であり、上部にアクチュエータ１１０ａが進退自在に取り付けられ、内蔵されたばね部材でアクチュエータ１１０ａが突出方向へ付勢されている。また、押圧スイッチ１１０の内部に、アクチュエータ１１０ａが押されたときに接触する接点が設けられている。
【００６２】
また、固定基台１０７と操作体１０２との間に、図２に示したのと同じ構造の加振装置１５が設けられている。
【００６３】
この入力装置１０１は、静電センサ１０３および静電センサ９で指が接近したことが検知されると、加振装置１５が始動し、操作体１０２に連続する振動が与えられる。そのため、指を操作面１０３ａに沿って摺動させたときに、操作面１０３ａが指の移動に追従して回転しているかのように感じることができる。また、静電センサ１０３および静電センサ９で指の移動位置を知ることができ、指の移動に応じて、電子機器の画面でカーソルを移動させたり、画面を変化させることができる。
【００６４】
また、操作体１０２が押されると、押圧スイッチ１１０が動作し、スイッチ入力が行われるとともに、押圧スイッチ１１０に内蔵されたばねにより、操作面１０３ａを押す指に、機械的なスイッチ反力の感触（クリック感触）を与えることができる。
【００６５】
なお、図６に示す入力装置１０１に、図２に示す圧力センサ５を装備させて、操作面１０３ａが軽い力で押されたときは、圧力センサ５でこれを検知し、加振装置１５から操作体１０２に与えられる瞬間的な振動で指にスイッチ反力を感じさせ、操作面１０３ａがさらに強い力で押されると、押圧スイッチ１１０が動作して、指で機械的なスイッチ反力を感じることができるようにしてもよい。
【００６６】
図１ないし図４に示した第１の実施の形態の入力装置１と図６に示した第２の実施の形態の入力装置１０１は、突形状の操作面３，１０３ａが球面の一部を構成しているが、突形状の操作面は、球面に限られるものではなく、突曲面形状であればよい。さらに操作面が円筒面の一部で、例えば円筒面の１８０度の角度部分で構成してもよい。この場合、操作体に連続振動を与えて、指を操作面に沿って移動させると、指において、操作面がローラの一部のように回転しているかのような感覚を得ることが可能である。
【００６７】
図７に示す第３の実施の形態の入力装置２０１は、操作体２０２の表面の操作面２０３が凹曲面であり、凹球面の一部、すなわちほぼ半球の凹面となっている。操作面２０３にシート状の静電センサが凹曲面に沿って取り付けられている。この静電センサの検知方式は、図６に示した静電センサ１０３と同種のものである。操作体２０２のフランジ部２０４は、弾性部材２０６を介して基台２０７に支持されている。
【００６８】
操作体２０２と基台２０７との間に加振装置１５が設けられており、指３０が操作面２０３に接触しているときに、操作体２０２に対して振幅Ｆが垂直方向に向けられた連続振動が与えられる。よって、凹曲面の操作面２０３に指３０を触れて摺動させると、指３０の移動に追従して半球の凹曲面が回転しているかのような感触を得ることができる。
【００６９】
図８に示す第４の実施の形態の入力装置３０１は、操作体３０２が細長形状であり、その表面の操作面３０３がほぼ平面形状である。操作体３０２の背面に、静電センサ３０４が取り付けられている。この静電センサ３０４は、図６に示す静電センサ１０３と同種のものであり、操作面３０３に指３０が接触している位置およびその移動方向を検知することができる。
【００７０】
操作体３０２は、基台３０７に弾性部材３０６を介して支持されている。操作体３０２と基台３０７との間に加振装置３１５が設けられている。この加振装置３１５によって、操作体３０２に連続信号が与えられる。この連続振動の振幅方向は、操作面３０３に垂直なＦｙ方向および操作面３０３に平行なＦｘ方向である。Ｆｙ方向の振幅の振動とＦｘ方向の振幅の振動は連続的に与えられ、その合成振動の振幅方向は、操作面３０３に対して斜めに与えられる。すなわち、操作面３０３は、加振装置３１５から与えられる振動の振幅方向に対して傾斜した傾斜面となっている。
【００７１】
したがって、操作面３０３に触れた指３０を、操作面３０３に沿ってＷｘ方向へ移動させるときに、操作面３０３がＷｘ方向に沿う振幅成分を有しているため、あたかも操作面３０３が指３０に追従してＷｘ方向へ動いているかのような感触を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 入力装置
２ 操作体
３ 操作面
３ｂ 頂部
４ フランジ部
５ 圧力センサ
６ 弾性部材
８ カバー部材
９ 静電センサ
１５ 加振装置
３０ 指
１０１ 入力装置
１０２ 操作体
１０３ 静電センサ
１０３ａ 操作面
１１０ 押圧スイッチ
２０１ 入力装置
２０２ 操作体
２０３ 操作面
３０１ 入力装置
３０２ 操作体
３０３ 操作面
３０４ 静電センサ
３１５ 加振装置
Ｆ 振幅
Ｆｓ 振幅成分
Ｔ 接触部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定されまたは限られた距離しか動かないように規制された操作体を有し、その操作体の表面の操作面に指を摺動させて入力操作を行う入力装置に係るものであり、特に、操作面に沿って指を摺動させたときに、操作面が動いているかのような感触を指に与えることができる入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
指で操作する操作体と、この操作体に衝撃力や振動を与える加振装置とを備えた入力装置が、以下の特許文献１と特許文献２に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたトラックボール装置は、多方向へ自由に回転するボールと、ボールの回転方向と回転距離を検知するエンコーダと、ボールに力を与えるソレノイドとを有している。ボールを操作しているときにソレノイドからボールに対して、不定期（非周期的）に力が与えられ、ボールを操作している指でソレノイドの力を感じることができるようになっている。
【０００４】
特許文献１に記載されているトラックボール装置は、指でボールを回転させることで、画面に表示された項目を選択したり、画面に表示されているスクロールバーを移動させることができる。そして、選択された前記項目が移り変わるときに、ソレノイドからボールに一瞬の力が与えられ、またはスクロールバーがその移動終端に至ると、ソレノイドからボールに一瞬の力が与えられる。
【０００５】
特許文献２に記載されている入力装置は、輪形状や直線形状の凹部と、容量結合された電極が設けられている。指を凹部に触れた状態で凹部に沿って移動させると、指の位置と指の移動が前記電極で検知される。すなわち、操作体である凹部そのものが動くことはなく、指を凹部に触れて摺動させることで、入力操作が行われる。
【０００６】
この入力装置に振動子が設けられており、凹部に触れた指が一定距離だけ移動すると、振動子にパルスが与えられて振動子が一時的に振動し、凹部に一時的な振動が与えられる。これにより、凹部に触れた指にクリック感が与えられ、指が一定距離動いたことを操作者が感知できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３０５９３８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたトラックボール装置は、指でボールを回転させる方式であるため、ボールを回転自在に支持するための機構が必要となり、構造が複雑である。また、トラックボール装置は、ボールの直径を超える高さ寸法が必要であるため、薄型の機器に搭載することができない。また、ボール表面に付着したゴミや埃が、ボールの回転に伴って装置の内部に巻き込まれやすい欠点を有している。
【０００９】
特許文献２に記載された入力装置は、輪形状や直線形状の凹部に指を触れてその表面を摺動させる方式あるため、回転支持機構が不要であり、全体を薄型に構成しやすい。しかし、指を凹部に触れて摺動させるときに指に摩擦反力が作用するため、実際にボールが回転するものなどに比べて操作感触が悪くなる。また、指を平面的に摺動させて操作するのみであって、指を立体的に移動させる操作を行うことができず、操作入力の多様性に対応しにくい。
【００１０】
特許文献１のトラックボール装置には、ボールに力を与えるソレノイドが設けられ、特許文献２の入力装置には、凹部に振動を与える振動子が設けられている。しかし、前記ソレノイドは、画面に表示された項目が移り変わるときなどに不定期に力を発揮するものである。また、前記振動子は、指が一定量移動したときに一瞬の振動を与えるものであり、凹部を摺動させる指の移動速度に応じて振動が発生する間隔が変化するものであって、やはり不定期の振動しか発生することができない。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、指で操作面を操作したときに、動くことができない、あるいは限られた距離しか動くことができない操作体を備えた入力装置において、指を操作面に摺動させているときに、あたかも操作面が動いているかのような感触を与えることができる入力装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、指が触れる操作面を有する操作体と、前記操作面に対する指による操作状態を検知する検出部材とを有する入力装置において、
前記操作体は、前記操作面に触れた指が前記操作面に沿って移動したときに動かないように固定され、または指が前記操作面に沿って移動する移動距離よりも短い距離だけしか動かないようにその動きが規制されており、
少なくとも指が前記操作面に触れている間に、前記操作体に対して予め決められた周波数の連続振動を与え続ける振動付与機構が設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の入力装置は、固定されたまたは動き量が規制された操作体の表面の操作面に指を摺動させたときに、操作体が予め決められた周波数の連続振動を発生する。そのため、操作面と指との間の摩擦力が低減されて、操作面に指を摺動させるときに指に感じる抵抗力を低下させることができる。これにより、あたかも指とともの操作面が動いているかのような感覚を得ることができ、操作性を高めることができる。
【００１４】
また、操作体は固定状態または動きが規制された状態であるため、操作体を移動させる支持機構が不要であり、従来のトラックボール装置のように、ボールに付着したゴミや埃が、装置内に巻き込まれるという問題が生じない。
【００１５】
本発明は、前記操作面は、指が対向する方向へ向けて突出する突形状であり、例えば、前記操作面は球面の一部である。
【００１６】
または、前記操作面は、指が対向する方向と逆向きに向けて窪む凹形状であってもよいし、前記操作面は、ほぼ平面形状であってもよい。
【００１７】
本発明は、前記操作面が、指の移動距離よりも短い距離だけ動けるように、前記操作体が弾性体で支持されているものとして構成できる。
【００１８】
本発明は、前記振動付与機構を制御して、前記振動付与機構で前記連続振動を発生させるとともに、指による所定の操作が行われたときに、前記振動付与機構から前記操作体に対して不定期な振動を与える制御部が設けられているものとして構成できる。
【００１９】
本発明は、好ましくは前記振動付与機構から前記操作体に対して、前記操作面での指の移動方向に沿う振幅成分を含んだ連続振動が与えられるものである。
【００２０】
例えば、前記操作面は、前記振動付与機構から前記操作体に与えられる連続振動の振幅方向に対して傾斜する傾斜面を少なくとも一部に有しているものである。
【００２１】
前記検出部材は、前記操作面が指で押されたのを検知する圧力センサである。あるいは、前記検出部材は、指の接近と移動を検出する静電センサである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の入力装置は、操作体が自由に移動できる構造ではなくても、操作体の表面の操作面に指を摺動させたときの抵抗力を小さくして、あたかも操作面が指に追従しているかのような操作感触を得ることができる。
【００２３】
また、操作体を自由に回転できるように支持する支持機構が不要であるため構造を簡単にでき、また薄型化も実現しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態の入力装置を示す斜視図、
【図２】図１に示す入力装置の縦断面図、
【図３】図１に示す入力装置に設けられた静電センサの平面図、
【図４】図１に示す入力装置の動作説明図、
【図５】入力装置の回路構成図、
【図６】本発明の第２の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【図７】本発明の第３の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【図８】本発明の第４の実施の形態の入力装置を示す断面図、
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１と図２に示す入力装置１は操作体２を有している。操作体２は、合成樹脂製または金属製である。操作体２はその表面形状が球面の一部となる突形状の操作面３を有している。操作面３は、球体の表面の全周の角度である３６０度より浅い角度で形成されており、図２に示す例では、操作面３が、球体の表面のほぼ半分の面積を有している。操作面３はその表面に細かな凹凸面３ａを有しており。指３０を触れたときの摩擦係数を小さくできるようになっている。
【００２６】
操作体２は動くことができないように固定されていてもよいが、実施の形態の入力装置１では、図４に示すように、全ての方向へ角度αだけ傾くことができるようになっている。操作体２が傾くことができる角度αは、図２に示す操作面３の指３０で操作可能な角度範囲βよりも十分に小さい値である。前記角度αは、５度以下が好ましく、３度以下がさらに好ましい。
【００２７】
操作体２は、フランジ部４を有している。図２には、操作面３を構成する球面の曲率中心Ｏを通って垂直に延びる中心線ＣＬが示されているが、前記フランジ部４は、中心線ＣＬに対して垂直な向きで、中心線ＣＬの回りの３６０度の全周にわたって連続して形成されている。
【００２８】
入力装置１の基台７に、弾性部材６が固定されて、その表面に第１の検出部材である圧力センサ５が固定されており、操作体２のフランジ部４の下面４ａが圧力センサ５の上に設置されている。弾性部材６は合成ゴムシートや発泡樹脂材料のシートである。圧力センサ５は、ＭＥＭＳセンサであり、基板の上に微小な空隙を介して対向する作用板が設けられ、フランジ部４で作用板が押されたときの作用板の撓みが圧電素子などで検出されるものである。
【００２９】
図１に示すように、弾性部材６と圧力センサ５は、フランジ部４の円周方向に沿って９０度間隔で４組配置されている。前記弾性部材６が設けられていることで、図４に示すように、操作体２がその中心線ＣＬをどの方向へでも角度αだけ倒すことができるように傾斜自在に支持されている。また、操作体２に対して中心線ＣＬが倒れる向きに与えられた力の向きとその大きさが４個の圧力センサ５のいずれかによって検知できるようになっている。また、操作体２が真下に向けて押されたときは、４個の押圧センサ５で、その押圧力を検知することができる。
【００３０】
図１と図２に示すように、操作体２の周囲にカバー部材８が設けられている。カバー部材８は合成樹脂材料で形成されている。カバー部材８の中心部に穴８ａが形成されている。カバー部材８は、中心線ＣＬから離れた位置に外周表面８ｃを有しており、外周表面８ｃは、中心線ＣＬと垂直な平面である。カバー部材８の表面には、外周表面８ｃから穴８ａに向かって凹曲面８ｂが形成されている。凹曲面８ｂは、操作面３の球面よりも大きな曲率の凹球面の一部である。カバー部材８の表面は、外周表面８ｃが最も指３０による操作側に出ており、穴８ａが外周表面８ｃよりも非操作側に退行した位置にある。
【００３１】
操作体２の操作面３はカバー部材８の穴８ａの内部に位置しており、操作面３の球面の頂部３ｂが、穴８ａよりも操作側へ突出した位置にある。また前記凹曲面８ｂは、穴８ａから突出している操作面３の周囲を囲むように位置しており、操作体２の操作面３が指３０で操作されるときに、その指３０が凹曲面８ｂに接近し、または凹曲面８ｂに接触できる。
【００３２】
図２に示すように、カバー部材８の前記凹曲面８ｂと逆側の裏面８ｄに第２の検出部材である静電センサ９が設けられている。図３の平面図に示すように、静電センサ９は複数設けられており、中心線ＣＬに近い位置で中心線ＣＬを囲むように配置された複数の内周側静電センサ９ａと、中心線ＣＬから離れた位置で中心線ＣＬを囲むように配置された複数の外周側静電センサ９ｂとを有している。内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂは、それぞれ円周方向へ等ピッチで８個ずつ配置されている。
【００３３】
内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂは、互いに独立した導電体層を有している。図３は、それぞれの静電センサ９に設けられた導電体層の配置を示している。図５に示すように、それぞれの静電センサ９の導電体層に静電検出回路２１が接続されている。この静電検出回路２１から静電センサ９の導電体層へパルス状の駆動電流が与えられる。指３０が導電体層に接近していると、導電体層と指３０との間に容量が結合され、この結合容量と抵抗器とで遅延回路が形成されて、前記パルス状の駆動電流によって導電体層から導き出される検出電流の立ち上がり時間が遅延する。この検出電流の立ち上がり時間は、内周側静電センサ９ａまたは外周側静電センサ９ｂの導電体層に対する指３０の接近距離に応じて変化する。
【００３４】
図５に示すように、１つの静電検出回路２１から、複数の内周側静電センサ９ａおよび複数の外周側静電センサ９ｂの導電体層に対してパルス電流が順番に与えられ、それぞれの導電体層から検出電流が時分割で前記静電検出回路２１で検出される。これにより、指３０が操作面３の表面のどの位置に触れているかを検知することができる。
【００３５】
図２に示すように、入力装置１に、操作体２に振動を与える加振装置１５が設けられている。加振装置１５は、操作体２の背部に埋設された磁性体のヨーク１６とその背部に固定された磁石１７と、入力装置１の基台７に固定された非磁性のボビン１８と、ボビン１８に巻かれたコイル１９とを有している。前記磁石１７は、ボビン１８の中心穴の内部に位置しており、上面１７ａと下面１７ｂが異なる磁極に着磁されている。この加振装置１５は、コイル１９に所定周期の交流電流が与えられると、操作体２に対して振幅Ｆの向きが中心線ＣＬに沿う方向となる振動が与えられる。
【００３６】
図５に、入力装置１に設けられる検出・駆動回路２０が示されている。前述のように、複数の静電センサ９には静電検出回路２１が接続されている。また、４箇所に設けられた圧力センサ５に圧力検出回路２２が接続されている。この圧力検出回路２２は、４つの圧力センサ５のそれぞれから時分割で検知出力を得るようになっている。
【００３７】
静電検出回路２１で得られた検知出力は、Ａ／Ｄ変換部２３を経て制御部２５に与えられ、圧力検出回路２２で得られた検知出力は、Ａ／Ｄ変換部２４を経て制御部２５に与えられる。制御部２５はマイクロコンピュータのＣＰＵとメモリとで構成されている。制御部２５では、静電検出回路２１で得られた検知出力から、操作体２の操作面３に触れている指３０がどの方向へどの距離だけ移動しているかが演算され、また、圧力検出回路２２で得られた検知出力から、指３０によって操作体２がどの向きに押されているかが演算されて、その演算出力２６が、この入力装置１を搭載した電子機器の主制御部に与えられる。そして、電子機器に設けられた画面の表示内容が、前記演算出力２６によって制御される。
【００３８】
図５に示す検出・駆動回路２０では、制御部２５から振動駆動回路２７にパルス状の駆動指令が与えられて、加振装置１５のコイル１９に交流の駆動電流が与えられる。制御部２５のいずれかのメモリ内に振動パターンデータベース２８が格納されている。この振動パターンデータベース２８には、種々の振動パターンに対応するパルス波形が格納されている。
【００３９】
次に、前記入力装置１の動作を説明する。
指３０が、操作体２に操作面３に接近すると、複数の静電センサ９のいずれかがこれを検知し制御部２５がその接近を知ることができる。または、指３０が操作面３に接触し操作体２が軽く押されると、複数の圧力センサ５のいずれかがこれを検知し、制御部２５において、指３０が操作面３に触れていることを知ることができる。
【００４０】
制御部２５では、指が操作面３に接近しまたは接触したと判断すると、振動駆動回路２７に指令が出され、振動駆動回路２７からコイル１９に駆動電流が与えられて、操作体２に振動が与えられる。このとき、制御部２５により振動パターンデータベース２８から連続振動のパルスパターンが呼び出されて振動駆動回路２７に与えられ、操作体２に対し、振幅Ｆが中心線ＣＬに沿う向きの連続振動が与えられる。すなわち、振動パターンデータベース２８に格納されている予め決められた周波数の連続パルスが振動駆動回路２７に与えられて、コイル１９に連続する交流駆動電流が与えられ、操作体２が連続振動する。ここでの連続振動とは、操作面３に触れている指３０に振動が途切れる感覚を与えることなく、または間欠的な衝撃を感じさせることなく、連続する振動を感じさせることができる状態を意味している。
【００４１】
基本的な振動パターンとしては、一定の周波数のパルスが途切れることなく振動駆動回路２７に与えられる。このときのパルス周波数は、５０〜１００Ｈｚ程度が好ましい。操作体２に一定の周期の連続振動が与えられていると、操作面３に触れた指を各方向へ向けて摺動させるときに、操作面３が指３０の移動方向へ追従してあたかも回転しているように、指３０に感じさせることができる。すなわち、操作面３が指３０に感じる周波数で連続振動していると、操作面３と指３０との間の摩擦抵抗力が低下し、指３０を操作面３に沿って摺動させたときに、指３０と操作面３との接触部に大きな抵抗力が作用しなくなり、その結果、指３０と共に操作面３が球体として回転しているかのような感触を得ることができる。
【００４２】
特に、図２に示すように、操作面３に凹凸面３ａを形成しておくと、操作面３が振動したときに、さらに操作面３と指３０との間の摩擦力が低下し、指３０の移動に追従して操作面３が回転しているような感覚を得やすくなる。前記凹凸面３ａは、操作面３が鏡面状態ではなく、指３０と操作面３とを密着しにくくするためのものであり、中心線平均粗さは例えば１０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００４３】
操作体２に与えられる振動は、操作面３のどの位置に指３０が触れていようと途切れることがなく、操作面３に触れた指３０がどの方向へどの速度でどれだけの距離を移動していようと一定の周波数で連続して与えられる。すなわち、操作面３に対する指３０の操作位置や摺動速度とは無関係に、操作体２に対して、振動パターンデータベース２８に格納された予め決められた一定の周波数の振動が連続して与えられる。
【００４４】
一方、前記特許文献１や特許文献２に記載された入力装置は、画面の項目が切り換わったり、指が一定の距離だけ動く度に、一瞬の衝撃的な力や振動が指に与えられて指にクリック感触を与えるものである。このクリック感触のための振動は、あくまでも不定期に、入力装置に対する操作状態や画面の状態に合わせて与えられるものであり、実施の形態の入力装置１のように、操作面３に触れている指３０の移動状態に拘束されることなく、操作体２に予め決められた周波数の振動が連続的に与えられ続けることと、全く相違している。
【００４５】
指３０が操作面３に触れているときに、操作体２に与えられる連続振動は、前記のように一定の周波数の連続振動であることが基本であるが、さらに操作面３において指３０が触れている位置に応じて振動の周波数を可変することも可能である。例えば、図１に示すように、指３０が操作面３の頂部３ｂに触れまたは頂部３ｂに近い場所（ｉ）に触れているときから、指３０が操作面３の裾部に近い位置（ｉｉ）へ移動させたときに、その移動に伴って、振動の周波数を変えてもよい。または、図１に示すように、操作面３に触れた指３０を、頂部３ｂに近い軌跡（ｉｉｉ）で周回させているときと、裾部に近い軌跡（ｉｖ）で周回させているときとで、振動の周波数を変えることも可能である。
【００４６】
ただし、指３０が操作面３に触れているときに、振動の周波数を可変させる制御を行う場合に、指３０に対して振動が途切れる感触を与えないように、連続振動の中で、周波数を変化させることが必要である。この場合の振動周波数は、前述のように５０〜１００Ｈｚの範囲の連続振動であることが好ましい。
【００４７】
図４に示すように、操作面３は球面の一部であるため、頂部３ｂを除く広い範囲で、その表面は、連続振動の振幅Ｆの向きに対して傾く傾斜面（傾斜突面）となっている。この傾斜面に触れた指３０を移動させると、操作面３が指３０に追従して回転しているかのように感じる度合いがさらに大きくなる。
【００４８】
図４に示すように、指３０が操作面３の頂部３ｂ以外の場所で接触している接触面積の中心を接触部Ｔとする。接触部Ｔにおいて操作面３に与えられている連続振動の振幅Ｆの向きは、上下方向すなわち中心線ＣＬと平行な方向である。図４には、接触部Ｔを通過する法線Ｒと、接触部Ｔを通過する接線Ｓが示されているが、接触部Ｔにおいては操作面３の傾斜方向が接線Ｓの方向である。よって、接触部Ｔには、連続振動の振幅Ｆの分力である振幅成分Ｆｓが接線Ｓの向きに沿って与え続けられている。
【００４９】
接触部Ｔにおいて操作面３から指３０に与えられる振幅Ｆ方向である上下方向の力は＋ｆと−ｆであり、その絶対値「ｆ」は同じである。指３０に与えられている力が＋ｆのとき、接触部Ｔでは指３０に対して力＋ｆの接線Ｓ方向の分力＋ｓが作用し、指３０に与えられている力が−ｆのとき、接触部Ｔでは指３０に対して接線Ｓ方向の分力−ｓが作用する。
【００５０】
指３０を頂部３ｂからフランジ部４に向けて摺動させるときは、指３０から操作面３に下向きの力Ｗが与えられ、指３０から操作面３に対して、接線Ｓの方向に向く分力Ｗｓが与えられる。前記分力−ｓが指３０の摺動力の分力Ｗｓと同じ向きに作用しているため、接触部Ｔに触れた指３０をフランジ部４に向けて摺動させているときに、操作面３が指３０の摺動に追従してあたかも摺動方向へ回転しているような感触を得やすくなる。
【００５１】
逆に、操作面３に触れている指３０を、フランジ部４に近い裾部側から頂部３ｂに向けて摺動させているときも、その摺動力の接線Ｓに沿う分力と、連続振動の振幅Ｆによって接線Ｓに沿う向きに生じる前記分力＋ｓとが同じ向きであるため、やはり、指３０の移動に追従して操作面３が回転しているかのような感触を得やすくなる。
【００５２】
さらに、操作体２は弾性部材６によって支持されており、図４に示すように、操作体２が小さな角度αだけ傾くことができる。操作面３に触れた指３０を頂部３ｂから裾部に向けて摺動させ、または裾部から頂部３ｂに向けて摺動させるときに、操作面３に作用する力によって、操作面３が摺動方向へ角度αに相当する限られた短い距離だけ移動する。この操作面３の移動と、接線Ｓに沿う振幅成分Ｆｓの双方の作用によって、さらに、操作面３が回転しているかのような感触を指３０に与えやすくなる。
【００５３】
このときの角度αは、操作体２の傾き方向の動きを指３０がわずかに感じる程度であり、前述のように、前記角度αは、５度以下が好ましく、３度以下がさらに好ましい。
【００５４】
図１に示すように、操作面３に触れた指３０を頂部３ｂから裾部に向けて摺動させ、または裾部から頂部３ｂに向けて摺動させ、あるいは軌跡（ｉｉｉ）または軌跡（ｉｖ）に沿って摺動させると、図３のパターンで配列した内周側静電センサ９ａと外周側静電センサ９ｂのそれぞれのセンサからの検知出力が変化し、この検知出力の変化によって、トラックボール装置においてボールを回転させているのと同じような入力を行うことができる。
【００５５】
また、指３０が操作面３を摺動するときに、操作体２に作用する力の向きとその大きさが圧力センサ５で検知される。この検知出力によっても、指３０の摺動方向とそのときに操作面３に与えられている力を検知することができる。
【００５６】
さらに、操作面３の頂部３ｂに触れた指３０によって、操作体２の全体を下向きに押圧するスイッチ動作を行うことが可能である。この場合には、４個の圧力センサ５の全てが所定の圧力を検知したときに、制御部２５においてスイッチ操作が行われたと判断する。このとき、制御部２５は、振動パターンデータベース２８からスイッチ操作のクリック感触を設定するパターンの振動パルスを呼び出して振動駆動回路２７に与え、振動駆動回路２７からコイル１９に駆動電流が与えられる。このとき、連続するパルスが短時間だけ振動駆動回路２７に与えられ、操作体２に対して一瞬の衝撃的な振動が与えられる。これにより、指３０がスイッチ操作の反力を受けたような衝撃を感じることができる。
【００５７】
このスイッチ反力を生じさせる振動は、操作体２によってスイッチ操作が行われたときに不定期に発生するものであり、操作面３があたかも回転するように感じさせる連続振動とは異なるものである。操作体２に対しては、回転を感じさせる連続振動に、スイッチ反力のための不定期な振動が重畳されて与えられる。
【００５８】
さらに、振動パターンデータベース２８に格納されている振動パターンによって、特許文献１に記載されているように、電子機器の画面に表示されたメニューなどの項目が切換えられたときに、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよいし、画面のスクロールバーがその終点位置に移動したときに、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよい。または、特許文献２に記載されているように、操作面３に触れた指が操作面３に沿って一定の距離だけ移動する度に、すなわち操作面３があたかも一定の距離だけ回転したと感じられる度に、加振装置１５から操作体２に衝撃的な振動が一瞬だけ与えられてもよい。これらのケースでは、それぞれの衝撃的な振動は、操作面３があたかも回転するように感じさせる連続振動に重畳されて操作体２に与えられる。
【００５９】
図６に示す第２の実施の形態の入力装置１０１は、操作体１０２の表面にシート状の静電センサ１０３が取り付けられ、その表面が球面形状に突出する操作面１０３ａとなっている。操作面１０３ａは、カバー部材１０８の穴１０８ａから上方へ突出している。静電センサ１０３は、複数のＸ電極と複数のＹ電極が、誘電体を挟んで互いに直交して配置されて、さらに表面が絶縁層で覆われている。それぞれの電極に選択的にパルス状の駆動電圧が与えられ、操作面１０３ａに接地電位に近い電位の指が触れると、指に近い電極から指に瞬間的に電流が逃げる。どの電極に駆動電圧を与えたときに電流が変化したかを検知することで、操作面１０３ａのどの位置に指が接触しているのかを認識することができる。
【００６０】
カバー部材１０８の裏面には、図３に示したのと同じ静電センサ９が設けられている。操作面１０３ａを構成する静電センサ１０３と、カバー部材１０８に設けられた静電センサ９とで、操作面１０３ａのどの位置に指が触れているか、ならびに操作面１０３ａに沿ってどの向きに指が摺動しているかを検知することができる。
【００６１】
操作体１０２のフランジ部１０４は、合成ゴムや発泡樹脂材料の弾性部材１０６を介して、可動基台１０９に設置されている。可動基台１０９の右端部は、固定基台１０７に軸１０９ａを介して回動自在に支持されている。可動基台１０９の左端部と固定基台１０７との間に押圧スイッチ１１０が設けられている。押圧スイッチ１１０は機械式であり、上部にアクチュエータ１１０ａが進退自在に取り付けられ、内蔵されたばね部材でアクチュエータ１１０ａが突出方向へ付勢されている。また、押圧スイッチ１１０の内部に、アクチュエータ１１０ａが押されたときに接触する接点が設けられている。
【００６２】
また、固定基台１０７と操作体１０２との間に、図２に示したのと同じ構造の加振装置１５が設けられている。
【００６３】
この入力装置１０１は、静電センサ１０３および静電センサ９で指が接近したことが検知されると、加振装置１５が始動し、操作体１０２に連続する振動が与えられる。そのため、指を操作面１０３ａに沿って摺動させたときに、操作面１０３ａが指の移動に追従して回転しているかのように感じることができる。また、静電センサ１０３および静電センサ９で指の移動位置を知ることができ、指の移動に応じて、電子機器の画面でカーソルを移動させたり、画面を変化させることができる。
【００６４】
また、操作体１０２が押されると、押圧スイッチ１１０が動作し、スイッチ入力が行われるとともに、押圧スイッチ１１０に内蔵されたばねにより、操作面１０３ａを押す指に、機械的なスイッチ反力の感触（クリック感触）を与えることができる。
【００６５】
なお、図６に示す入力装置１０１に、図２に示す圧力センサ５を装備させて、操作面１０３ａが軽い力で押されたときは、圧力センサ５でこれを検知し、加振装置１５から操作体１０２に与えられる瞬間的な振動で指にスイッチ反力を感じさせ、操作面１０３ａがさらに強い力で押されると、押圧スイッチ１１０が動作して、指で機械的なスイッチ反力を感じることができるようにしてもよい。
【００６６】
図１ないし図４に示した第１の実施の形態の入力装置１と図６に示した第２の実施の形態の入力装置１０１は、突形状の操作面３，１０３ａが球面の一部を構成しているが、突形状の操作面は、球面に限られるものではなく、突曲面形状であればよい。さらに操作面が円筒面の一部で、例えば円筒面の１８０度の角度部分で構成してもよい。この場合、操作体に連続振動を与えて、指を操作面に沿って移動させると、指において、操作面がローラの一部のように回転しているかのような感覚を得ることが可能である。
【００６７】
図７に示す第３の実施の形態の入力装置２０１は、操作体２０２の表面の操作面２０３が凹曲面であり、凹球面の一部、すなわちほぼ半球の凹面となっている。操作面２０３にシート状の静電センサが凹曲面に沿って取り付けられている。この静電センサの検知方式は、図６に示した静電センサ１０３と同種のものである。操作体２０２のフランジ部２０４は、弾性部材２０６を介して基台２０７に支持されている。
【００６８】
操作体２０２と基台２０７との間に加振装置１５が設けられており、指３０が操作面２０３に接触しているときに、操作体２０２に対して振幅Ｆが垂直方向に向けられた連続振動が与えられる。よって、凹曲面の操作面２０３に指３０を触れて摺動させると、指３０の移動に追従して半球の凹曲面が回転しているかのような感触を得ることができる。
【００６９】
図８に示す第４の実施の形態の入力装置３０１は、操作体３０２が細長形状であり、その表面の操作面３０３がほぼ平面形状である。操作体３０２の背面に、静電センサ３０４が取り付けられている。この静電センサ３０４は、図６に示す静電センサ１０３と同種のものであり、操作面３０３に指３０が接触している位置およびその移動方向を検知することができる。
【００７０】
操作体３０２は、基台３０７に弾性部材３０６を介して支持されている。操作体３０２と基台３０７との間に加振装置３１５が設けられている。この加振装置３１５によって、操作体３０２に連続信号が与えられる。この連続振動の振幅方向は、操作面３０３に垂直なＦｙ方向および操作面３０３に平行なＦｘ方向である。Ｆｙ方向の振幅の振動とＦｘ方向の振幅の振動は連続的に与えられ、その合成振動の振幅方向は、操作面３０３に対して斜めに与えられる。すなわち、操作面３０３は、加振装置３１５から与えられる振動の振幅方向に対して傾斜した傾斜面となっている。
【００７１】
したがって、操作面３０３に触れた指３０を、操作面３０３に沿ってＷｘ方向へ移動させるときに、操作面３０３がＷｘ方向に沿う振幅成分を有しているため、あたかも操作面３０３が指３０に追従してＷｘ方向へ動いているかのような感触を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 入力装置
２ 操作体
３ 操作面
３ｂ 頂部
４ フランジ部
５ 圧力センサ
６ 弾性部材
８ カバー部材
９ 静電センサ
１５ 加振装置
３０ 指
１０１ 入力装置
１０２ 操作体
１０３ 静電センサ
１０３ａ 操作面
１１０ 押圧スイッチ
２０１ 入力装置
２０２ 操作体
２０３ 操作面
３０１ 入力装置
３０２ 操作体
３０３ 操作面
３０４ 静電センサ
３１５ 加振装置
Ｆ 振幅
Ｆｓ 振幅成分
Ｔ 接触部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指が触れる操作面を有する操作体と、前記操作面に対する指による操作状態を検知する検出部材とを有する入力装置において、
前記操作体は、前記操作面に触れた指が前記操作面に沿って移動したときに動かないように固定され、または指が前記操作面に沿って移動する移動距離よりも短い距離だけしか動かないようにその動きが規制されており、
少なくとも指が前記操作面に触れている間に、前記操作体に対して予め決められた周波数の連続振動を与え続ける振動付与機構が設けられていることを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記操作面は、指が対向する方向へ向けて突出する突形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
前記操作面は球面の一部である請求項２記載の入力装置。
【請求項４】
前記操作面は、指が対向する方向と逆向きに向けて窪む凹形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項５】
前記操作面は、ほぼ平面形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項６】
前記操作面が、指の移動距離よりも短い距離だけ動けるように、前記操作体が弾性体で支持されている請求項１ないし５のいずれかに記載の入力装置。
【請求項７】
前記振動付与機構を制御して、前記振動付与機構で前記連続振動を発生させるとともに、指による所定の操作が行われたときに、前記振動付与機構から前記操作体に対して不定期な振動を与える制御部が設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の入力装置。
【請求項８】
前記振動付与機構から前記操作体に対して、前記操作面での指の移動方向に沿う振幅成分を含んだ連続振動が与えられる請求項１ないし７のいずれかに記載の入力装置。
【請求項９】
前記操作面は、前記振動付与機構から前記操作体に与えられる連続振動の振幅方向に対して傾斜する傾斜面を少なくとも一部に有している請求項８記載の入力装置。
【請求項１０】
前記検出部材は、前記操作面が指で押されたのを検知する圧力センサである請求項１ないし９のいずれかに記載の入力装置。
【請求項１１】
前記検出部材は、指の接近と移動を検出する静電センサである請求項１ないし９のいずれかに記載の入力装置。
【請求項１】
指が触れる操作面を有する操作体と、前記操作面に対する指による操作状態を検知する検出部材とを有する入力装置において、
前記操作体は、前記操作面に触れた指が前記操作面に沿って移動したときに動かないように固定され、または指が前記操作面に沿って移動する移動距離よりも短い距離だけしか動かないようにその動きが規制されており、
少なくとも指が前記操作面に触れている間に、前記操作体に対して予め決められた周波数の連続振動を与え続ける振動付与機構が設けられていることを特徴とする入力装置。
【請求項２】
前記操作面は、指が対向する方向へ向けて突出する突形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
前記操作面は球面の一部である請求項２記載の入力装置。
【請求項４】
前記操作面は、指が対向する方向と逆向きに向けて窪む凹形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項５】
前記操作面は、ほぼ平面形状である請求項１記載の入力装置。
【請求項６】
前記操作面が、指の移動距離よりも短い距離だけ動けるように、前記操作体が弾性体で支持されている請求項１ないし５のいずれかに記載の入力装置。
【請求項７】
前記振動付与機構を制御して、前記振動付与機構で前記連続振動を発生させるとともに、指による所定の操作が行われたときに、前記振動付与機構から前記操作体に対して不定期な振動を与える制御部が設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載の入力装置。
【請求項８】
前記振動付与機構から前記操作体に対して、前記操作面での指の移動方向に沿う振幅成分を含んだ連続振動が与えられる請求項１ないし７のいずれかに記載の入力装置。
【請求項９】
前記操作面は、前記振動付与機構から前記操作体に与えられる連続振動の振幅方向に対して傾斜する傾斜面を少なくとも一部に有している請求項８記載の入力装置。
【請求項１０】
前記検出部材は、前記操作面が指で押されたのを検知する圧力センサである請求項１ないし９のいずれかに記載の入力装置。
【請求項１１】
前記検出部材は、指の接近と移動を検出する静電センサである請求項１ないし９のいずれかに記載の入力装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８９１１７（Ｐ２０１３−８９１１７Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３０８２８（Ｐ２０１１−２３０８２８）
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]