操作入力装置
【課題】操作入力を検出する機能と振動を与える機能を単純な構成で実現できる、操作入力装置の提供。
【解決手段】コイル１１と、操作入力の作用によりコイル１１の軸方向に変位するコア１３と、コイル１１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部１４と、コイル１１の内側下部に配置された第２のヨーク部１５と、コア１３を支持する弾性体１６とを備え、コイル１１は、コア１３の変位量に応じた信号を出力し、コア１３は、コイル１１に流れる電流によりコア１３と第２のヨーク部１５との間に発生する磁気吸引力によって可動する、操作入力装置。
【解決手段】コイル１１と、操作入力の作用によりコイル１１の軸方向に変位するコア１３と、コイル１１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部１４と、コイル１１の内側下部に配置された第２のヨーク部１５と、コア１３を支持する弾性体１６とを備え、コイル１１は、コア１３の変位量に応じた信号を出力し、コア１３は、コイル１１に流れる電流によりコア１３と第２のヨーク部１５との間に発生する磁気吸引力によって可動する、操作入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作入力の作用によりコイルの軸方向に変位するコアを備える操作入力装置に関し、より詳細には、コアに振動を与えることが可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抵抗膜方式のタッチパネルを用いて使用者の指の押圧時の入力位置及び押圧力を検知するとともに、タッチパネルに振動を与える入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この入力装置では、電圧測定回路によって入力位置及び押圧力を検知する一方で、振動モータなどによって使用者に対して振動を与えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７５６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術では、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を別々の独立した構成で実現しているため、入力装置が大型化しやすい。また、振動を与える機能を実現するための構成も複雑である。
【０００５】
そこで、本発明は、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を単純な構成で実現できる、操作入力装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体とを備え、
前記コイルは、前記コアの変位量に応じた信号を出力し、
前記コアは、前記コイルに流れる電流により前記コアと前記第２のヨーク部との間に発生する磁気吸引力によって可動することを特徴とするものである。
【０００７】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体と、
前記コイルから出力される信号に基づいて、前記コアの変位量を検出する検出手段と、
前記コアと前記第２のヨーク部との間に磁気吸引力を発生させる電流を前記コイルに流すことによって、前記コアを可動させる制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を単純な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】操作入力がコア１３に作用していない操作初期状態での操作入力装置１の正面視断面図である。
【図１Ｂ】コア１３が操作終点状態での操作入力装置１の正面視断面図である。
【図２Ａ】操作初期状態での操作入力装置２の正面視断面図である。
【図２Ｂ】操作終点状態での操作入力装置２の正面視断面図である。
【図３】コアのストローク量と磁気吸引力との関係を示したグラフである。
【図４Ａ】操作初期状態での操作入力装置３の正面視断面図である。
【図４Ｂ】操作終点状態での操作入力装置３の正面視断面図である。
【図５】操作入力装置３の一部の正面視断面図である。
【図６】操作入力装置３の一部の正面視断面図である。
【図７】インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の一例のブロック図である。
【図８】図７の各点における波形を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図１Ａ，１Ｂは、本発明の一実施形態である操作入力装置１の模式的な断面図である。操作入力装置１の外形は略円柱状であるため、操作入力装置１の全体図については省略する。同様の理由により、後述の他の操作入力装置の全体図についても省略する。
【００１１】
操作入力装置１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸によって定まる直交座標系において、ＸＹ平面の法線方向側から入力される操作者の手指等による操作入力を操作部で受ける操作インターフェイスである。操作入力装置１は、操作部で受けた操作入力に応じて変化する出力信号を出力する。その出力信号に基づいて操作者による操作入力が検出される。操作入力の検出によって、その検出された操作入力に対応する操作内容をコンピュータに把握させることができる。
【００１２】
操作入力装置１は、所定のホストに搭載又は接続される。ホストの具体例として、携帯端末（携帯電話、携帯ゲーム機、音楽や映像の携帯プレーヤーなど）、ゲーム機、パーソナルコンピュータ、車両用コンピュータ、操作コントローラ、マウス、電化製品などの電子機器が挙げられる。操作入力装置１とホストとの接続形態は、有線接続でもよいし、無線接続でもよい。また、操作入力装置１自体が、操作コントローラやマウスなどの電子機器であってもよい。
【００１３】
操作入力装置１は、そのようなホストに搭載又は接続されるディスプレイの画面上に表示されるオブジェクトを、操作者が意図した操作内容に従って、移動させることができる。画面上に表示されるオブジェクトは、例えば、カーソルやポインタなどの指示表示である。キャラクターなどの表示物でもよい。また、操作者が所定の操作入力を与えることにより、その操作入力に対応する電子機器の所望の機能を発揮させることができる。
【００１４】
また、操作入力装置１は、操作部を操作する操作者の触覚に作用する刺激を、その操作部によって強制的に付与可能な操作インターフェイスである。
【００１５】
図１Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置１の正面視断面図である。図１Ｂは、操作入力が操作部に作用することによりコア１３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置１の正面視断面図である。操作入力装置１は、コイル１１と、コア１３と、ヨーク１４と、ヨーク１５と、弾性体１６とを備える。
【００１６】
コイル１１は、線材（導線）が筒状に巻かれて形成されている。図１Ａ，１Ｂには、コイル１１が、ボビン１８の円筒部の外周側面に巻き回されて固定されている構成が例示されている。
【００１７】
コア１３は、操作部に作用する操作入力により、コイル１１の軸方向（図の場合、操作入力装置１の上下方向）に変位する軟磁性体である。コア１３は、操作入力が直接又は間接的に作用する操作部の動きに連動する。コア１３は、操作部とは別部品でもよいし、操作部の一部位でもよいし、操作部自体でもよい。
【００１８】
ヨーク１４は、コイル１１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された軟磁性体である。図１Ａ，１Ｂには、ヨーク１４の外形が円柱状に形成されている構成が例示されている。ヨーク１４の上面には、コア１３が貫通可能な開口部が形成されている。
【００１９】
ヨーク１５は、コイル１１の内側下部に配置された軟磁性体である。図１Ａ，１Ｂには、ヨーク１５が、コイル１１の内周側面（ボビン１８の内周側面でもよい）の下側部位を沿うように形成された円筒部を備える構成が例示されている。
【００２０】
コア及びヨークは、例えば、比透磁率が１よりも高い材質であればよく、比透磁率が１．００１以上あると好適である。具体的には、鉄、鉄の合金（鋼など）が挙げられる。鉄の比透磁率は５０００である。コア及びヨークは、例えば、鋼板から成形されるとよい。
【００２１】
弾性体１６は、コア１３を弾性的に支持する部材である。図１Ａ，１Ｂには、弾性体１６が、コイル１１の筒内（ボビン１８の筒内でもよい）に形成された空間に配置されている構成が例示されている。弾性体１６の上端部は、コア１３の下端部に接触し、弾性体１６の下端部は、ヨーク１４の下面に接触している。弾性体１６の具体例として、スプリング、ゴム、スポンジなどが挙げられる。
【００２２】
コア１３の変位によりコイル１１とコア１３との位置関係が変化すると、コイル１１周辺の透磁率が変化するため、コイル１１の自己インダクタンスが変化する。コイル１１は、そのインダクタンスの変化に応じて、コア１３の変位量に応じた信号波形を出力する。したがって、その信号波形を検出することによって、コア１３及びコア１３に連動する操作部の変位量（操作量）を算出できる。
【００２３】
また、操作入力装置１は、ヨーク１４と、ヨーク１５と、コア１３とによって構成される磁気回路を有する。コイル１１に流れる電流に応じて、この磁気回路に磁束が発生する。この磁束によって、コア１３とヨーク１５との間のギャップに、コア１３とヨーク１５とを引き付ける磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力によって、コア１３及びコア１３に連動する操作部を強制的に動かすことができる。磁気吸引力の強弱は、コイル１１に流す電流に応じて調整可能である。
【００２４】
コア１３は、ヨーク１４の上面に形成された開口部の縁にコア１３の側面が接触しながらスライドする。また、ヨーク１５の下端は、ヨーク１４の下面に接触する。磁気回路を構成するコアとヨークが互いに接触していることで、接触していない場合に比べて、その磁気回路に発生する磁束を強くできる（漏れ磁束を減らすことができる）。その結果、コア１３とヨーク１５との間のギャップに発生する磁気吸引力も強くできる。
【００２５】
したがって、このような構成を有する操作入力装置１によれば、コア１３及びコア１３に連動する操作部の変位量を検出可能にするコイル１１に電流を流すだけで、コア１３及びコア１３に連動する操作部に一又は二往復以上の振動を与えることができる。そのため、操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能の両方の機能を単純な構成で実現できる。
【００２６】
また、ヨーク１５がコイル１１の内側下部に配置されていることによって、ヨーク１５が無い場合に比べて、操作部が操作終点に至ったときの磁気吸引力を大きくすることができる。この点について説明する。
【００２７】
図２Ａ，２Ｂは、ヨーク１５が無い操作入力装置２の模式的な断面図である。図２Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置２の正面視断面図である。図２Ｂは、操作入力が操作部に作用することによりコア１３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置２の正面視断面図である。
【００２８】
不図示のハードストップ機構に突き当たって機械的に変位できない位置までストロークしたコア１３の位置をストローク終点とし、実際に操作者が操作可能な位置までストロークしたコア１３の位置を操作終点とすると、操作終点で指先に刺激を与える振動を発生させるためには、操作終点では機械的にコア１３を固定してはならない。したがって、操作終点はストローク終点よりも手前になるように、コア１３の突出量などを設定する必要がある。
【００２９】
一方、操作入力装置２のように、磁気吸引力を発生させるためのギャップをコア１３とヨーク１４の間に形成した場合、そのギャップがゼロに近づくほどそのギャップ間に発生する磁気吸引力は強くなる。したがって、図３の曲線Ｌ１で示されるように、ストローク終点Ｓ１で最も強い磁気吸引力Ｆ１が発生する。しかしながら、上述したように操作終点Ｓ２をストローク終点Ｓ１よりも手前に設けなければならないため、操作入力装置２の構成の場合、操作入力装置２で発生させることが可能な最大の磁気吸引力Ｆ１よりも小さな磁気吸引力Ｆ２しか操作終点Ｓ２では発生させることができなくなる。
【００３０】
これに対して、図１Ａ，１Ｂに示した操作入力装置１の場合、コイル１１外周を取り囲むヨーク１４の下部に、コア１３の外径よりも大きい内径を有する円筒部を有するヨーク１５が設けられている。したがって、コア１３が操作終点まで変位しても、ヨーク１５とコア１３は機械的に干渉することはない。そのため、ヨーク１５とコア１３との間のギャップが操作終点Ｓ２でゼロになるように設定すると、図３の曲線Ｌ２で示されるように、操作入力装置１で発生させることが可能な最大の磁気吸引力Ｆ１を操作終点Ｓ２で発生させることができる。
【００３１】
このように、ヨーク１５を備えることで、コア１３のＺ方向（すなわち、コイル１１の軸線方向）のストロークを操作終点で規制することなく、最大の磁気吸引力を操作終点で発生させることができ、ヨーク１５が無い場合に比べて、操作者の指先に強い触感を与えることが可能となる。
【００３２】
次に、本発明の一実施形態である操作入力装置の構成について更に詳細に説明する。
【００３３】
図４Ａ，４Ｂは、本発明の一実施形態である操作入力装置３の模式的な断面図である。図４Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置３の正面視断面図である。図４Ｂは、コア２３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置３の断面図である。操作入力装置３は、コイル２１と、コア２３と、リターンバネ２６と、ヨーク２４と、ヨーク２５と、ヨーク２７とを備える。上述の操作入力装置と同様の構成については、その説明を省略する。
【００３４】
コイル２１は、円筒状に線材（導線）が巻かれて、ボビン２８に固定されたものである。コイル２１は、円筒状であるが、角筒状等の他の筒状の形状でもよい。図４Ａ，４Ｂには、コイル２１が、ボビン２８の円筒部の外側側面に巻き回されて固定されている構成が例示されている。
【００３５】
コア２３は、コイル２１の内径よりも外径が小さい円柱状の軟磁性体である。コア２３は、操作入力が直接又は間接的に作用する操作部の動きに連動して、コイル２１の軸線方向に変位する。コア２３は、ボビン２８の円筒部の内側の空間を移動する。コア２３の変位量は、コア２３の上方から作用する操作入力の入力量に応じて、連続的に変化する。コア２３は、コア２３に作用する操作入力により、コイル２１の軸線上を変位することによって、コイル２１のインダクタンスを変化させる変位部材である。コア２３はヨーク２４の下面に近づく方向にストロークするにつれて、コイル２１のインダクタンスは増加し、コア２３がヨーク２４の下面から離れる方向にストロークするにつれて、コイル２１のインダクタンスは減少する。コア２３は、コイル２１が円筒状であれば、円柱状の軟磁性体であることが好ましく、コイル２１が角筒状であれば、角柱状の軟磁性体であることが好ましい。
【００３６】
リターンバネ２６は、コア２３をコイル２１の軸線方向に変位可能に弾性的に支持する支持部材である。リターンバネ２６は、コア２３とヨーク２４の下面との間に形成された空間に配置されている。
【００３７】
ヨーク２４は、コイル２１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された円柱状の軟磁性体である。ヨーク２５は、コイル２１の内周側面（ボビン２８の内周側面でもよい）の下側部位を沿うように形成された円筒部を備える。ヨーク２７は、コイル２１の内周側面（ボビン２８の内周側面でもよい）の上側部位を沿うように形成された円筒状の軟磁性体である。ヨーク２７の内径は、コア２３の上部が進入可能な大きさである。
【００３８】
操作入力装置３は、ヨーク２４と、ヨーク２５と、コア２３と、ヨーク２７とによって構成される磁気回路を有する。コイル２１に流す電流が、この磁気回路に磁束Φを発生させる。図中の矢印は、磁束Φの方向を示している。コア２３の下面とヨーク２５の上面との間のギャップの方向が、コイル２１の軸線に平行になるように、コア２３とヨーク２５がコイル２１の内側空間に配置されている。
【００３９】
コア２３は、ヨーク２７の内周側面にコア２３の外周側面が接触しながらスライドする。また、ヨーク２７の上端は、ヨーク２４の上面に接触し、ヨーク２５の下端は、ヨーク２４の下面に接触する。磁気回路を構成するコアとヨークが互いに接触することで、接触していない場合に比べて、その磁気回路に発生する磁束を強くできる（漏れ磁束を減らすことができる）。その結果、コア２３とヨーク２５との間のギャップに発生する磁気吸引力も強くできる。
【００４０】
また、仮にヨーク２７が無い場合、コア２３がコイル２１の内側空間に進入した図４Ｂの状態でも、コア２３とヨーク２４が非接触になることにより、磁気回路に発生する磁束が弱くならないようにすることが求められる。そのためには、例えば、図４Ｂの状態でもコア２３がヨーク２４に接触するように、コア２３の高さを高くしなければならない。しかしながら、コア２３の高さを高くすると、図４Ａの状態でコア２３はヨーク２４に対して上方に突き出るため、操作入力装置３の小型化が難しくなるおそれがある。また、コア２３の体積が増加するため、操作入力装置３の重量がアップするおそれがある。
【００４１】
これに対し、ヨーク２７を備えることによって、図４Ｂの状態でも、コア２３はヨーク２７を介してヨーク２４に接触できる。そのため、コア２３の高さを高くしなくても、磁気回路に発生する磁束が弱くなることを防ぐことができる。また、コア２３の高さを高くする必要がないため、操作入力装置の大型化や重量アップを防止できる。
【００４２】
また、操作入力装置３は、コア２３が操作入力により押し込まれることで、ヨーク２５とヨーク２７の間に形成された空隙がコア２３の磁束中継により狭まる。その空隙が狭まることで、コイル２１の自己インダクタンスが増加する。この自己インダクタンスの増加をコイル２１に電流を流すことにより評価することで、コア２３及びコア２３に連動する操作部の押し込み量が検出できる。それと共に、押し込み量を検出するためにコイル２１に流す電流とは別に、その電流よりも大きな電流をコイル２１に流すことで、操作者に刺激を与える振動をコア２３に発生させることができる。
【００４３】
また、操作入力装置３は、コイル２１の外側に配置されたヨーク２４を製品ケースとしても兼ねることができるため、製品のサイズに対し、コイル２１のサイズを最大限に大きくできる。その結果、製品のサイズに対して発生する磁界強度の効率を向上させられる。
【００４４】
また、コイル２１の内径に円筒状のヨーク２５，２７を配設することで、コイル２１の内部に円柱状の空間が設けられる。その円柱状の空間内に、コア２３とヨーク２５との間の空隙が形成されている。これにより、コイル２１によって発生した磁束をコイル２１の内壁面側へ誘導でき、リターンバネ２６を配設可能な空間を作ることができる。
【００４５】
したがって、操作入力装置３は、操作入力により変位、変形する部材（コア２３及びリターンバネ２６）を最小限に小さくできる。また、製品のサイズに対し、発生する磁束、インダクタンス及び操作者に与えるフィードバック力を、効率良く発揮できる。さらに、コア２３のサイズを小さくできるので、可動部位であるコア２３の重量を軽くでき、フィードバック力を発生する時の応答性を上げることができる。
【００４６】
また、図５に示されるように、コア２３の下面２３ｂには、リターンバネ２６の外径よりも大きい内径を有する円柱状の凹部２３ｃが形成されている。凹部２３ｃは、リターンバネ２６をコイル２１の軸線方向に滑らかに伸縮させるガイドとして機能する。リターンバネ２６の上端は、凹部２３ｃの底面であるバネ受け面２３ｄに接触する。
【００４７】
また、コア２３の中央部に形成された凹部２３ｃの磁束密度は、ヨーク２５及び２７によりコイル２１の内壁面側へ誘導されている磁束の磁束密度に比べて低い。そのため、磁気回路の効率を落とすことなく、リターンバネ２６を凹部２３ｃで固定できる。
【００４８】
また、凹部２３ｃを設けることで、リターンバネ２６を長くできる。そのため、リターンバネ２６の圧縮方向に対する設計自由度、強度（耐久性）を向上させることができる。また、凹部２３ｃを形成することで、可動部であるコア２３の重量を軽減できるため、フィードバック力発生時の応答性が向上できる。
【００４９】
また、コア２３は、コア２３の側面の下側部位に設けられたフランジ部２３ｅを有し、ボビン２８は、ボビン２８の円筒部の内側側面に設けられたフランジ部２８ａを有する。フランジ部２８ａは、フランジ部２３ｅの上面とフランジ部２８ａの下面とが接触して組み合うことで、コア２３がリターンバネ２６によって復帰できる位置を制限する。これにより、操作入力が操作部を介してコア２３に作用していない操作初期状態において、コア２３の位置がリターンバネ２６の復帰力によって固定される。つまり、コア２３がヨーク２４の下面から離れる向きの復帰力がリターンバネ２６によってコア２３に付与された状態で、リターンバネ２６はヨーク２４の下面とコア２３との間に配置されている。
【００５０】
また、コア２３のフランジ部２３ｅの外径ｄ１よりも、ヨーク２５の内径ｄ２を大きくすることによって、コア２３がヨーク２５の内側空間まで進入できるようになる。そのため、ヨーク２４の下面から上面までの高さが同じであれば、外径ｄ１よりも内径ｄ２が大きい場合、外径ｄ１よりも内径ｄ２が小さい場合に比べて、コア２３がストローク可能な最大長を長くできる。
【００５１】
また、図６に示されるように、ヨーク２７の円筒部の内径ｄ３が、フランジ部２８ａの内径ｄ４よりも大きくすることによって、軟磁性体のコア２３と軟磁性体のヨーク２７が直接接触しながらスライドすることを防止できる。また、コア２３のストロークはフランジ部２８ａによってガイドされる。そのため、ボビン２８をガイドに適した樹脂等の材質にすることで、コア２３のストロークに伴う磨耗を軽減できるとともに、コア２３の側面の上側部位がフランジ部２８ａの縁をスライドするときの摩擦力を軽減できる。
【００５２】
次に、コイルのインダクタンスの変化を検出する検出部と、そのコイルに電流を流すことによって、コアを可動させる制御部について説明する。
【００５３】
検出部は、コイルのインダクタンスの変化を電気的に検出することで、操作部の連続的に変化するアナログ変位量に応じた検出信号を出力する検出手段である。検出部は、不図示の基板に実装される検出回路によって構成されるとよい。
【００５４】
例えば、検出部は、コイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出し、その物理量の検出値を操作部の変位量に等価な値として出力する。また、検出部は、コイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出することによりコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力するものでもよい。また、検出部は、その物理量の検出値又はそのインダクタンスの算出値から操作部の変位量を演算し、その変位量の演算値を出力するものでもよい。
【００５５】
具体的には、検出部は、パルス信号をコイルに供給することによって、コイルのインダクタンスの大きさに対応して変化する信号波形をコイルに発生させ、その信号波形に基づいてコイルのインダクタンスの変化を電気的に検出するとよい。
【００５６】
例えば、コイルの上端面の上方領域における操作部の下方への変位量が増加するにつれて、コイル周辺の透磁率が増加し、コイルのインダクタンスが増加する。コイルのインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイルの両端に発生するパルス電圧波形の振幅も大きくなる。そこで、その振幅をコイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部は、その振幅を検出することによって、その振幅の検出値を操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その振幅の検出値からコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力することもできる。
【００５７】
また、コイルのインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイルに流れるパルス電流波形の傾きが緩やかになる。そこで、その傾きをコイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部は、その傾きを検出することによって、その傾きの検出値を操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その傾きの検出値からコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力することもできる。
【００５８】
検出部は、例えば、コイルに第１のパルス信号を供給することによってコイルのインダクタンスの変化を検出する検出手段である。検出部は、コイルに第１のパルス信号に対応するパルス電流（第１のパルス電流）を供給することによってコイルの両端に発生するパルス電圧（第１のパルス電圧）に基づいて、コイルのインダクタンスの変化を検出する。コイルのインダクタンスの変化の検出結果に応じて、操作部の変位量を算出することができる。
【００５９】
一方、制御部は、例えば、コイルに第１のパルス信号に対して位相が異なる第２のパルス信号を供給することによって操作部を可動させる磁界を発生させる制御手段である。コイルに第２のパルス信号に対応するパルス電流（第２のパルス電流）が流れることによって生ずる磁界によって、操作部をコアと共にコイルに引き寄せたり引き離したりする力が発生する。コイルに第２のパルス信号が供給されることによって生ずる力の大きさ変動によって、操作部を振動させる。すなわち、第２のパルス信号は、一時的に振幅が変化する信号であるので、操作部に与える力の大きさに変動を与えることができる。
【００６０】
第１のパルス信号及び第２のパルス信号は、矩形波でもよいし、三角波でもよいし、ノコギリ波でもよい。
【００６１】
図７は、インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の一例のブロック図である。制御回路は、コイルＬのインダクタンスの変化を検出する算出手段である。制御回路は、ＣＰＵ等の演算回路７０と、演算回路７０の第１の出力ポート７１に接続された駆動回路７６と、演算回路７０の第２の出力ポート７２とＡＤポート７３とに接続された受信回路７７とを備える。コイルＬは、受信回路７７及び駆動回路７６を介して、演算回路７０に接続される。
【００６２】
駆動回路７６は、演算回路７０の出力ポート７１からの出力信号に応じて定電流源７６ａの出力電流をコントロールすることによって、コイルＬに電流を流す。受信回路７７は、コイルＬに電流を流すことに伴い発生する電圧を、アンプ７７ａを通してピークホールド回路７７ｂに入力する（ボトムホールド回路に入力されてもよい）。ピークホールド回路７７ｂによってピークホールドされたピーク値（アナログ値）は、ＡＤポート７３に入力されて、ＡＤコンバータによって、デジタル値に変換される。
【００６３】
図８は、図７の各点における波形を示した図である。演算回路７０の出力ポート７１から矩形波の電圧波形が出力される。この電圧によって、定電流回路７６ａは、コイルに一定の電流を流す。これにより、コイルは微分波形の電圧Ｖ２を発生させる。電圧波形Ｖ２として、電圧波形Ｖ１の立ち上がりに同期した波形２−１が得られるとともに、電圧波形Ｖ１の立下りに同期した波形２−２が得られる。波形２−２は、波形２−１に対して正負が逆側の波形である。アンプ７７ａは、電圧波形Ｖ２を、ＡＤコンバータのダイナミックレンジに適した大きさに増幅する。電圧波形Ｖ２をピークホールドするか又はボトムホールドするかによって、そのホールドした値がＡＤコンバータ（ＡＤポート７３）に取り込まれる。波形２−１，２−２の振幅値は、各コイルのインダクタンスの大きさに比例して大きくなるため、この振幅値を検出することによって、各コイルのインダクタンスの大きさを評価できる。
【００６４】
このように、上述の本発明の実施形態の場合、インダクタンスを検出するコイルに印加電圧をフィードバック用に加えるだけで振動を発生できる。例えば、インダクタンスを検出するための検出回路部の駆動回路から出力させる波形の周波数、電圧、間隔などを変化させるだけで、操作部の検出機能と振動の発生機能を実現できる。このように、極めて構成が単純であり、追加するアクチュエータも必要ない。
【００６５】
いわゆる、振動モータのような操作入力装置を含む製品全体（例えば、操作コントローラ）を振動させるような方法は、製品全体を振動させる強さと時間でしか変化がつけられない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部に力の変化を直接出力できる。そのため、例えば複数個の操作入力装置を搭載すれば、その操作部ごとにフィードバックを出力できる（振動させることができる）。また、操作コントローラのような製品を持っている手に対してフィードバック振動が伝わることを抑制できるため、直接的な触感を与えることができる。
【００６６】
また、振動モータは振動の振幅を上げるために回転数を上げる必要があり、回転が上がるまでの時間がかかるため応答性が低く、振動周波数と振幅を個別に制御できない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部という重量の比較的軽い部位にのみ力を出力するため、出力されるパルスを変更することにより、１パルスでクリック感のような触感を出力することも、パルスを繰り返して振動のような触感を出力することもできる。また、振幅、周波数、パルス幅などを自在に変更できるため、必要に応じて触感を変化させることができる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。上述の実施例それぞれの各部の構成を組み合わせてもよい。
【００６８】
例えば、操作部を弾性的に支持する支持部材は、リターンバネのような弾性部材に限らず、ゴム部材でもよいし、スポンジ部材でもよいし、空気や油が充填されたシリンダーでもよい。
【００６９】
また、本発明の操作入力装置は、手指に限らず、手のひらで操作するものあってもよい。また、足指や足の裏で操作するものであってもよい。また、操作者が触れる面は、平面でも、凹面でも、凸面でもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ 操作入力装置
１１ コイル
１３ コア
１４ ヨーク部
１５ ヨーク部
１６ 弾性体
１８ ボビン
２３ コア
２３ｂ 下面
２３ｃ 凹部
２３ｄ バネ受け面
２３ｅ フランジ部
２４ ヨーク部
２５ ヨーク部
２６ リターンバネ
２７ ヨーク部
２８ ボビン
２８ａ フランジ部
７０ 演算回路
７６ 駆動回路
７７ 受信回路
Φ 磁束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作入力の作用によりコイルの軸方向に変位するコアを備える操作入力装置に関し、より詳細には、コアに振動を与えることが可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抵抗膜方式のタッチパネルを用いて使用者の指の押圧時の入力位置及び押圧力を検知するとともに、タッチパネルに振動を与える入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この入力装置では、電圧測定回路によって入力位置及び押圧力を検知する一方で、振動モータなどによって使用者に対して振動を与えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７５６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術では、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を別々の独立した構成で実現しているため、入力装置が大型化しやすい。また、振動を与える機能を実現するための構成も複雑である。
【０００５】
そこで、本発明は、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を単純な構成で実現できる、操作入力装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体とを備え、
前記コイルは、前記コアの変位量に応じた信号を出力し、
前記コアは、前記コイルに流れる電流により前記コアと前記第２のヨーク部との間に発生する磁気吸引力によって可動することを特徴とするものである。
【０００７】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体と、
前記コイルから出力される信号に基づいて、前記コアの変位量を検出する検出手段と、
前記コアと前記第２のヨーク部との間に磁気吸引力を発生させる電流を前記コイルに流すことによって、前記コアを可動させる制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、操作入力を検出する機能と振動を与える機能を単純な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】操作入力がコア１３に作用していない操作初期状態での操作入力装置１の正面視断面図である。
【図１Ｂ】コア１３が操作終点状態での操作入力装置１の正面視断面図である。
【図２Ａ】操作初期状態での操作入力装置２の正面視断面図である。
【図２Ｂ】操作終点状態での操作入力装置２の正面視断面図である。
【図３】コアのストローク量と磁気吸引力との関係を示したグラフである。
【図４Ａ】操作初期状態での操作入力装置３の正面視断面図である。
【図４Ｂ】操作終点状態での操作入力装置３の正面視断面図である。
【図５】操作入力装置３の一部の正面視断面図である。
【図６】操作入力装置３の一部の正面視断面図である。
【図７】インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の一例のブロック図である。
【図８】図７の各点における波形を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図１Ａ，１Ｂは、本発明の一実施形態である操作入力装置１の模式的な断面図である。操作入力装置１の外形は略円柱状であるため、操作入力装置１の全体図については省略する。同様の理由により、後述の他の操作入力装置の全体図についても省略する。
【００１１】
操作入力装置１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸によって定まる直交座標系において、ＸＹ平面の法線方向側から入力される操作者の手指等による操作入力を操作部で受ける操作インターフェイスである。操作入力装置１は、操作部で受けた操作入力に応じて変化する出力信号を出力する。その出力信号に基づいて操作者による操作入力が検出される。操作入力の検出によって、その検出された操作入力に対応する操作内容をコンピュータに把握させることができる。
【００１２】
操作入力装置１は、所定のホストに搭載又は接続される。ホストの具体例として、携帯端末（携帯電話、携帯ゲーム機、音楽や映像の携帯プレーヤーなど）、ゲーム機、パーソナルコンピュータ、車両用コンピュータ、操作コントローラ、マウス、電化製品などの電子機器が挙げられる。操作入力装置１とホストとの接続形態は、有線接続でもよいし、無線接続でもよい。また、操作入力装置１自体が、操作コントローラやマウスなどの電子機器であってもよい。
【００１３】
操作入力装置１は、そのようなホストに搭載又は接続されるディスプレイの画面上に表示されるオブジェクトを、操作者が意図した操作内容に従って、移動させることができる。画面上に表示されるオブジェクトは、例えば、カーソルやポインタなどの指示表示である。キャラクターなどの表示物でもよい。また、操作者が所定の操作入力を与えることにより、その操作入力に対応する電子機器の所望の機能を発揮させることができる。
【００１４】
また、操作入力装置１は、操作部を操作する操作者の触覚に作用する刺激を、その操作部によって強制的に付与可能な操作インターフェイスである。
【００１５】
図１Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置１の正面視断面図である。図１Ｂは、操作入力が操作部に作用することによりコア１３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置１の正面視断面図である。操作入力装置１は、コイル１１と、コア１３と、ヨーク１４と、ヨーク１５と、弾性体１６とを備える。
【００１６】
コイル１１は、線材（導線）が筒状に巻かれて形成されている。図１Ａ，１Ｂには、コイル１１が、ボビン１８の円筒部の外周側面に巻き回されて固定されている構成が例示されている。
【００１７】
コア１３は、操作部に作用する操作入力により、コイル１１の軸方向（図の場合、操作入力装置１の上下方向）に変位する軟磁性体である。コア１３は、操作入力が直接又は間接的に作用する操作部の動きに連動する。コア１３は、操作部とは別部品でもよいし、操作部の一部位でもよいし、操作部自体でもよい。
【００１８】
ヨーク１４は、コイル１１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された軟磁性体である。図１Ａ，１Ｂには、ヨーク１４の外形が円柱状に形成されている構成が例示されている。ヨーク１４の上面には、コア１３が貫通可能な開口部が形成されている。
【００１９】
ヨーク１５は、コイル１１の内側下部に配置された軟磁性体である。図１Ａ，１Ｂには、ヨーク１５が、コイル１１の内周側面（ボビン１８の内周側面でもよい）の下側部位を沿うように形成された円筒部を備える構成が例示されている。
【００２０】
コア及びヨークは、例えば、比透磁率が１よりも高い材質であればよく、比透磁率が１．００１以上あると好適である。具体的には、鉄、鉄の合金（鋼など）が挙げられる。鉄の比透磁率は５０００である。コア及びヨークは、例えば、鋼板から成形されるとよい。
【００２１】
弾性体１６は、コア１３を弾性的に支持する部材である。図１Ａ，１Ｂには、弾性体１６が、コイル１１の筒内（ボビン１８の筒内でもよい）に形成された空間に配置されている構成が例示されている。弾性体１６の上端部は、コア１３の下端部に接触し、弾性体１６の下端部は、ヨーク１４の下面に接触している。弾性体１６の具体例として、スプリング、ゴム、スポンジなどが挙げられる。
【００２２】
コア１３の変位によりコイル１１とコア１３との位置関係が変化すると、コイル１１周辺の透磁率が変化するため、コイル１１の自己インダクタンスが変化する。コイル１１は、そのインダクタンスの変化に応じて、コア１３の変位量に応じた信号波形を出力する。したがって、その信号波形を検出することによって、コア１３及びコア１３に連動する操作部の変位量（操作量）を算出できる。
【００２３】
また、操作入力装置１は、ヨーク１４と、ヨーク１５と、コア１３とによって構成される磁気回路を有する。コイル１１に流れる電流に応じて、この磁気回路に磁束が発生する。この磁束によって、コア１３とヨーク１５との間のギャップに、コア１３とヨーク１５とを引き付ける磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力によって、コア１３及びコア１３に連動する操作部を強制的に動かすことができる。磁気吸引力の強弱は、コイル１１に流す電流に応じて調整可能である。
【００２４】
コア１３は、ヨーク１４の上面に形成された開口部の縁にコア１３の側面が接触しながらスライドする。また、ヨーク１５の下端は、ヨーク１４の下面に接触する。磁気回路を構成するコアとヨークが互いに接触していることで、接触していない場合に比べて、その磁気回路に発生する磁束を強くできる（漏れ磁束を減らすことができる）。その結果、コア１３とヨーク１５との間のギャップに発生する磁気吸引力も強くできる。
【００２５】
したがって、このような構成を有する操作入力装置１によれば、コア１３及びコア１３に連動する操作部の変位量を検出可能にするコイル１１に電流を流すだけで、コア１３及びコア１３に連動する操作部に一又は二往復以上の振動を与えることができる。そのため、操作部に作用する操作入力を検出する機能と操作部に振動を与える機能の両方の機能を単純な構成で実現できる。
【００２６】
また、ヨーク１５がコイル１１の内側下部に配置されていることによって、ヨーク１５が無い場合に比べて、操作部が操作終点に至ったときの磁気吸引力を大きくすることができる。この点について説明する。
【００２７】
図２Ａ，２Ｂは、ヨーク１５が無い操作入力装置２の模式的な断面図である。図２Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置２の正面視断面図である。図２Ｂは、操作入力が操作部に作用することによりコア１３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置２の正面視断面図である。
【００２８】
不図示のハードストップ機構に突き当たって機械的に変位できない位置までストロークしたコア１３の位置をストローク終点とし、実際に操作者が操作可能な位置までストロークしたコア１３の位置を操作終点とすると、操作終点で指先に刺激を与える振動を発生させるためには、操作終点では機械的にコア１３を固定してはならない。したがって、操作終点はストローク終点よりも手前になるように、コア１３の突出量などを設定する必要がある。
【００２９】
一方、操作入力装置２のように、磁気吸引力を発生させるためのギャップをコア１３とヨーク１４の間に形成した場合、そのギャップがゼロに近づくほどそのギャップ間に発生する磁気吸引力は強くなる。したがって、図３の曲線Ｌ１で示されるように、ストローク終点Ｓ１で最も強い磁気吸引力Ｆ１が発生する。しかしながら、上述したように操作終点Ｓ２をストローク終点Ｓ１よりも手前に設けなければならないため、操作入力装置２の構成の場合、操作入力装置２で発生させることが可能な最大の磁気吸引力Ｆ１よりも小さな磁気吸引力Ｆ２しか操作終点Ｓ２では発生させることができなくなる。
【００３０】
これに対して、図１Ａ，１Ｂに示した操作入力装置１の場合、コイル１１外周を取り囲むヨーク１４の下部に、コア１３の外径よりも大きい内径を有する円筒部を有するヨーク１５が設けられている。したがって、コア１３が操作終点まで変位しても、ヨーク１５とコア１３は機械的に干渉することはない。そのため、ヨーク１５とコア１３との間のギャップが操作終点Ｓ２でゼロになるように設定すると、図３の曲線Ｌ２で示されるように、操作入力装置１で発生させることが可能な最大の磁気吸引力Ｆ１を操作終点Ｓ２で発生させることができる。
【００３１】
このように、ヨーク１５を備えることで、コア１３のＺ方向（すなわち、コイル１１の軸線方向）のストロークを操作終点で規制することなく、最大の磁気吸引力を操作終点で発生させることができ、ヨーク１５が無い場合に比べて、操作者の指先に強い触感を与えることが可能となる。
【００３２】
次に、本発明の一実施形態である操作入力装置の構成について更に詳細に説明する。
【００３３】
図４Ａ，４Ｂは、本発明の一実施形態である操作入力装置３の模式的な断面図である。図４Ａは、操作入力が操作部に作用していない操作初期状態での操作入力装置３の正面視断面図である。図４Ｂは、コア２３が操作終点状態に至ったときの操作入力装置３の断面図である。操作入力装置３は、コイル２１と、コア２３と、リターンバネ２６と、ヨーク２４と、ヨーク２５と、ヨーク２７とを備える。上述の操作入力装置と同様の構成については、その説明を省略する。
【００３４】
コイル２１は、円筒状に線材（導線）が巻かれて、ボビン２８に固定されたものである。コイル２１は、円筒状であるが、角筒状等の他の筒状の形状でもよい。図４Ａ，４Ｂには、コイル２１が、ボビン２８の円筒部の外側側面に巻き回されて固定されている構成が例示されている。
【００３５】
コア２３は、コイル２１の内径よりも外径が小さい円柱状の軟磁性体である。コア２３は、操作入力が直接又は間接的に作用する操作部の動きに連動して、コイル２１の軸線方向に変位する。コア２３は、ボビン２８の円筒部の内側の空間を移動する。コア２３の変位量は、コア２３の上方から作用する操作入力の入力量に応じて、連続的に変化する。コア２３は、コア２３に作用する操作入力により、コイル２１の軸線上を変位することによって、コイル２１のインダクタンスを変化させる変位部材である。コア２３はヨーク２４の下面に近づく方向にストロークするにつれて、コイル２１のインダクタンスは増加し、コア２３がヨーク２４の下面から離れる方向にストロークするにつれて、コイル２１のインダクタンスは減少する。コア２３は、コイル２１が円筒状であれば、円柱状の軟磁性体であることが好ましく、コイル２１が角筒状であれば、角柱状の軟磁性体であることが好ましい。
【００３６】
リターンバネ２６は、コア２３をコイル２１の軸線方向に変位可能に弾性的に支持する支持部材である。リターンバネ２６は、コア２３とヨーク２４の下面との間に形成された空間に配置されている。
【００３７】
ヨーク２４は、コイル２１の外周側面と上面と下面とを覆うように配置された円柱状の軟磁性体である。ヨーク２５は、コイル２１の内周側面（ボビン２８の内周側面でもよい）の下側部位を沿うように形成された円筒部を備える。ヨーク２７は、コイル２１の内周側面（ボビン２８の内周側面でもよい）の上側部位を沿うように形成された円筒状の軟磁性体である。ヨーク２７の内径は、コア２３の上部が進入可能な大きさである。
【００３８】
操作入力装置３は、ヨーク２４と、ヨーク２５と、コア２３と、ヨーク２７とによって構成される磁気回路を有する。コイル２１に流す電流が、この磁気回路に磁束Φを発生させる。図中の矢印は、磁束Φの方向を示している。コア２３の下面とヨーク２５の上面との間のギャップの方向が、コイル２１の軸線に平行になるように、コア２３とヨーク２５がコイル２１の内側空間に配置されている。
【００３９】
コア２３は、ヨーク２７の内周側面にコア２３の外周側面が接触しながらスライドする。また、ヨーク２７の上端は、ヨーク２４の上面に接触し、ヨーク２５の下端は、ヨーク２４の下面に接触する。磁気回路を構成するコアとヨークが互いに接触することで、接触していない場合に比べて、その磁気回路に発生する磁束を強くできる（漏れ磁束を減らすことができる）。その結果、コア２３とヨーク２５との間のギャップに発生する磁気吸引力も強くできる。
【００４０】
また、仮にヨーク２７が無い場合、コア２３がコイル２１の内側空間に進入した図４Ｂの状態でも、コア２３とヨーク２４が非接触になることにより、磁気回路に発生する磁束が弱くならないようにすることが求められる。そのためには、例えば、図４Ｂの状態でもコア２３がヨーク２４に接触するように、コア２３の高さを高くしなければならない。しかしながら、コア２３の高さを高くすると、図４Ａの状態でコア２３はヨーク２４に対して上方に突き出るため、操作入力装置３の小型化が難しくなるおそれがある。また、コア２３の体積が増加するため、操作入力装置３の重量がアップするおそれがある。
【００４１】
これに対し、ヨーク２７を備えることによって、図４Ｂの状態でも、コア２３はヨーク２７を介してヨーク２４に接触できる。そのため、コア２３の高さを高くしなくても、磁気回路に発生する磁束が弱くなることを防ぐことができる。また、コア２３の高さを高くする必要がないため、操作入力装置の大型化や重量アップを防止できる。
【００４２】
また、操作入力装置３は、コア２３が操作入力により押し込まれることで、ヨーク２５とヨーク２７の間に形成された空隙がコア２３の磁束中継により狭まる。その空隙が狭まることで、コイル２１の自己インダクタンスが増加する。この自己インダクタンスの増加をコイル２１に電流を流すことにより評価することで、コア２３及びコア２３に連動する操作部の押し込み量が検出できる。それと共に、押し込み量を検出するためにコイル２１に流す電流とは別に、その電流よりも大きな電流をコイル２１に流すことで、操作者に刺激を与える振動をコア２３に発生させることができる。
【００４３】
また、操作入力装置３は、コイル２１の外側に配置されたヨーク２４を製品ケースとしても兼ねることができるため、製品のサイズに対し、コイル２１のサイズを最大限に大きくできる。その結果、製品のサイズに対して発生する磁界強度の効率を向上させられる。
【００４４】
また、コイル２１の内径に円筒状のヨーク２５，２７を配設することで、コイル２１の内部に円柱状の空間が設けられる。その円柱状の空間内に、コア２３とヨーク２５との間の空隙が形成されている。これにより、コイル２１によって発生した磁束をコイル２１の内壁面側へ誘導でき、リターンバネ２６を配設可能な空間を作ることができる。
【００４５】
したがって、操作入力装置３は、操作入力により変位、変形する部材（コア２３及びリターンバネ２６）を最小限に小さくできる。また、製品のサイズに対し、発生する磁束、インダクタンス及び操作者に与えるフィードバック力を、効率良く発揮できる。さらに、コア２３のサイズを小さくできるので、可動部位であるコア２３の重量を軽くでき、フィードバック力を発生する時の応答性を上げることができる。
【００４６】
また、図５に示されるように、コア２３の下面２３ｂには、リターンバネ２６の外径よりも大きい内径を有する円柱状の凹部２３ｃが形成されている。凹部２３ｃは、リターンバネ２６をコイル２１の軸線方向に滑らかに伸縮させるガイドとして機能する。リターンバネ２６の上端は、凹部２３ｃの底面であるバネ受け面２３ｄに接触する。
【００４７】
また、コア２３の中央部に形成された凹部２３ｃの磁束密度は、ヨーク２５及び２７によりコイル２１の内壁面側へ誘導されている磁束の磁束密度に比べて低い。そのため、磁気回路の効率を落とすことなく、リターンバネ２６を凹部２３ｃで固定できる。
【００４８】
また、凹部２３ｃを設けることで、リターンバネ２６を長くできる。そのため、リターンバネ２６の圧縮方向に対する設計自由度、強度（耐久性）を向上させることができる。また、凹部２３ｃを形成することで、可動部であるコア２３の重量を軽減できるため、フィードバック力発生時の応答性が向上できる。
【００４９】
また、コア２３は、コア２３の側面の下側部位に設けられたフランジ部２３ｅを有し、ボビン２８は、ボビン２８の円筒部の内側側面に設けられたフランジ部２８ａを有する。フランジ部２８ａは、フランジ部２３ｅの上面とフランジ部２８ａの下面とが接触して組み合うことで、コア２３がリターンバネ２６によって復帰できる位置を制限する。これにより、操作入力が操作部を介してコア２３に作用していない操作初期状態において、コア２３の位置がリターンバネ２６の復帰力によって固定される。つまり、コア２３がヨーク２４の下面から離れる向きの復帰力がリターンバネ２６によってコア２３に付与された状態で、リターンバネ２６はヨーク２４の下面とコア２３との間に配置されている。
【００５０】
また、コア２３のフランジ部２３ｅの外径ｄ１よりも、ヨーク２５の内径ｄ２を大きくすることによって、コア２３がヨーク２５の内側空間まで進入できるようになる。そのため、ヨーク２４の下面から上面までの高さが同じであれば、外径ｄ１よりも内径ｄ２が大きい場合、外径ｄ１よりも内径ｄ２が小さい場合に比べて、コア２３がストローク可能な最大長を長くできる。
【００５１】
また、図６に示されるように、ヨーク２７の円筒部の内径ｄ３が、フランジ部２８ａの内径ｄ４よりも大きくすることによって、軟磁性体のコア２３と軟磁性体のヨーク２７が直接接触しながらスライドすることを防止できる。また、コア２３のストロークはフランジ部２８ａによってガイドされる。そのため、ボビン２８をガイドに適した樹脂等の材質にすることで、コア２３のストロークに伴う磨耗を軽減できるとともに、コア２３の側面の上側部位がフランジ部２８ａの縁をスライドするときの摩擦力を軽減できる。
【００５２】
次に、コイルのインダクタンスの変化を検出する検出部と、そのコイルに電流を流すことによって、コアを可動させる制御部について説明する。
【００５３】
検出部は、コイルのインダクタンスの変化を電気的に検出することで、操作部の連続的に変化するアナログ変位量に応じた検出信号を出力する検出手段である。検出部は、不図示の基板に実装される検出回路によって構成されるとよい。
【００５４】
例えば、検出部は、コイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出し、その物理量の検出値を操作部の変位量に等価な値として出力する。また、検出部は、コイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量を検出することによりコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力するものでもよい。また、検出部は、その物理量の検出値又はそのインダクタンスの算出値から操作部の変位量を演算し、その変位量の演算値を出力するものでもよい。
【００５５】
具体的には、検出部は、パルス信号をコイルに供給することによって、コイルのインダクタンスの大きさに対応して変化する信号波形をコイルに発生させ、その信号波形に基づいてコイルのインダクタンスの変化を電気的に検出するとよい。
【００５６】
例えば、コイルの上端面の上方領域における操作部の下方への変位量が増加するにつれて、コイル周辺の透磁率が増加し、コイルのインダクタンスが増加する。コイルのインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイルの両端に発生するパルス電圧波形の振幅も大きくなる。そこで、その振幅をコイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部は、その振幅を検出することによって、その振幅の検出値を操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その振幅の検出値からコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力することもできる。
【００５７】
また、コイルのインダクタンスが増加するにつれて、パルス信号の供給によりコイルに流れるパルス電流波形の傾きが緩やかになる。そこで、その傾きをコイルのインダクタンスの変化に等価的に変化する物理量とすることで、検出部は、その傾きを検出することによって、その傾きの検出値を操作部の変位量に等価な値として出力することができる。また、検出部は、その傾きの検出値からコイルのインダクタンスを算出し、そのインダクタンスの算出値を操作部の変位量に等価な値として出力することもできる。
【００５８】
検出部は、例えば、コイルに第１のパルス信号を供給することによってコイルのインダクタンスの変化を検出する検出手段である。検出部は、コイルに第１のパルス信号に対応するパルス電流（第１のパルス電流）を供給することによってコイルの両端に発生するパルス電圧（第１のパルス電圧）に基づいて、コイルのインダクタンスの変化を検出する。コイルのインダクタンスの変化の検出結果に応じて、操作部の変位量を算出することができる。
【００５９】
一方、制御部は、例えば、コイルに第１のパルス信号に対して位相が異なる第２のパルス信号を供給することによって操作部を可動させる磁界を発生させる制御手段である。コイルに第２のパルス信号に対応するパルス電流（第２のパルス電流）が流れることによって生ずる磁界によって、操作部をコアと共にコイルに引き寄せたり引き離したりする力が発生する。コイルに第２のパルス信号が供給されることによって生ずる力の大きさ変動によって、操作部を振動させる。すなわち、第２のパルス信号は、一時的に振幅が変化する信号であるので、操作部に与える力の大きさに変動を与えることができる。
【００６０】
第１のパルス信号及び第２のパルス信号は、矩形波でもよいし、三角波でもよいし、ノコギリ波でもよい。
【００６１】
図７は、インダクタンスの変化を検出する検出部と、操作部を可動させる制御部とを含む制御回路の一例のブロック図である。制御回路は、コイルＬのインダクタンスの変化を検出する算出手段である。制御回路は、ＣＰＵ等の演算回路７０と、演算回路７０の第１の出力ポート７１に接続された駆動回路７６と、演算回路７０の第２の出力ポート７２とＡＤポート７３とに接続された受信回路７７とを備える。コイルＬは、受信回路７７及び駆動回路７６を介して、演算回路７０に接続される。
【００６２】
駆動回路７６は、演算回路７０の出力ポート７１からの出力信号に応じて定電流源７６ａの出力電流をコントロールすることによって、コイルＬに電流を流す。受信回路７７は、コイルＬに電流を流すことに伴い発生する電圧を、アンプ７７ａを通してピークホールド回路７７ｂに入力する（ボトムホールド回路に入力されてもよい）。ピークホールド回路７７ｂによってピークホールドされたピーク値（アナログ値）は、ＡＤポート７３に入力されて、ＡＤコンバータによって、デジタル値に変換される。
【００６３】
図８は、図７の各点における波形を示した図である。演算回路７０の出力ポート７１から矩形波の電圧波形が出力される。この電圧によって、定電流回路７６ａは、コイルに一定の電流を流す。これにより、コイルは微分波形の電圧Ｖ２を発生させる。電圧波形Ｖ２として、電圧波形Ｖ１の立ち上がりに同期した波形２−１が得られるとともに、電圧波形Ｖ１の立下りに同期した波形２−２が得られる。波形２−２は、波形２−１に対して正負が逆側の波形である。アンプ７７ａは、電圧波形Ｖ２を、ＡＤコンバータのダイナミックレンジに適した大きさに増幅する。電圧波形Ｖ２をピークホールドするか又はボトムホールドするかによって、そのホールドした値がＡＤコンバータ（ＡＤポート７３）に取り込まれる。波形２−１，２−２の振幅値は、各コイルのインダクタンスの大きさに比例して大きくなるため、この振幅値を検出することによって、各コイルのインダクタンスの大きさを評価できる。
【００６４】
このように、上述の本発明の実施形態の場合、インダクタンスを検出するコイルに印加電圧をフィードバック用に加えるだけで振動を発生できる。例えば、インダクタンスを検出するための検出回路部の駆動回路から出力させる波形の周波数、電圧、間隔などを変化させるだけで、操作部の検出機能と振動の発生機能を実現できる。このように、極めて構成が単純であり、追加するアクチュエータも必要ない。
【００６５】
いわゆる、振動モータのような操作入力装置を含む製品全体（例えば、操作コントローラ）を振動させるような方法は、製品全体を振動させる強さと時間でしか変化がつけられない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部に力の変化を直接出力できる。そのため、例えば複数個の操作入力装置を搭載すれば、その操作部ごとにフィードバックを出力できる（振動させることができる）。また、操作コントローラのような製品を持っている手に対してフィードバック振動が伝わることを抑制できるため、直接的な触感を与えることができる。
【００６６】
また、振動モータは振動の振幅を上げるために回転数を上げる必要があり、回転が上がるまでの時間がかかるため応答性が低く、振動周波数と振幅を個別に制御できない。しかしながら、本発明の実施形態であれば、操作部という重量の比較的軽い部位にのみ力を出力するため、出力されるパルスを変更することにより、１パルスでクリック感のような触感を出力することも、パルスを繰り返して振動のような触感を出力することもできる。また、振幅、周波数、パルス幅などを自在に変更できるため、必要に応じて触感を変化させることができる。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。上述の実施例それぞれの各部の構成を組み合わせてもよい。
【００６８】
例えば、操作部を弾性的に支持する支持部材は、リターンバネのような弾性部材に限らず、ゴム部材でもよいし、スポンジ部材でもよいし、空気や油が充填されたシリンダーでもよい。
【００６９】
また、本発明の操作入力装置は、手指に限らず、手のひらで操作するものあってもよい。また、足指や足の裏で操作するものであってもよい。また、操作者が触れる面は、平面でも、凹面でも、凸面でもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１〜３ 操作入力装置
１１ コイル
１３ コア
１４ ヨーク部
１５ ヨーク部
１６ 弾性体
１８ ボビン
２３ コア
２３ｂ 下面
２３ｃ 凹部
２３ｄ バネ受け面
２３ｅ フランジ部
２４ ヨーク部
２５ ヨーク部
２６ リターンバネ
２７ ヨーク部
２８ ボビン
２８ａ フランジ部
７０ 演算回路
７６ 駆動回路
７７ 受信回路
Φ 磁束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体とを備え、
前記コイルは、前記コアの変位量に応じた信号を出力し、
前記コアは、前記コイルに流れる電流により前記コアと前記第２のヨーク部との間に発生する磁気吸引力によって可動する、操作入力装置。
【請求項２】
前記第２のヨーク部は、筒部を有する、請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記筒部の内径が、前記コアの外径よりも大きい、請求項２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記弾性体は、前記コイルの内側に配置された、請求項１から３のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項５】
前記コアは、前記弾性体を受ける凹部を有する、請求項４に記載の操作入力装置。
【請求項６】
前記コイルを固定するボビンを備え、
前記コアは、前記ボビンの内側を変位する、請求項１から５のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項７】
前記コアは、前記コアの側面に設けられた第１のフランジ部を有し、
前記ボビンは、前記ボビンの内側に設けられた第２のフランジ部を有し、
前記第２のフランジ部は、前記第１のフランジ部と組み合うことで、前記コアが前記弾性体によって復帰できる位置を制限する、請求項６に記載の操作入力装置。
【請求項８】
前記コイルの内側上部に配置された第３のヨーク部を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項９】
前記第３のヨーク部は、前記コアが進入可能な筒部を有する、請求項８に記載の操作入力装置。
【請求項１０】
前記コイルの内側上部に配置された第３のヨーク部を備え、
前記第３のヨーク部は、前記コアが進入可能な筒部を有し、
前記第３のヨーク部の前記筒部の内径が、前記第２のフランジ部の内径よりも大きい、請求項７に記載の操作入力装置。
【請求項１１】
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体と、
前記コイルから出力される信号に基づいて、前記コアの変位量を検出する検出手段と、
前記コアと前記第２のヨーク部との間に磁気吸引力を発生させる電流を前記コイルに流すことによって、前記コアを可動させる制御手段とを備える、操作入力装置。
【請求項１】
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体とを備え、
前記コイルは、前記コアの変位量に応じた信号を出力し、
前記コアは、前記コイルに流れる電流により前記コアと前記第２のヨーク部との間に発生する磁気吸引力によって可動する、操作入力装置。
【請求項２】
前記第２のヨーク部は、筒部を有する、請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記筒部の内径が、前記コアの外径よりも大きい、請求項２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記弾性体は、前記コイルの内側に配置された、請求項１から３のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項５】
前記コアは、前記弾性体を受ける凹部を有する、請求項４に記載の操作入力装置。
【請求項６】
前記コイルを固定するボビンを備え、
前記コアは、前記ボビンの内側を変位する、請求項１から５のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項７】
前記コアは、前記コアの側面に設けられた第１のフランジ部を有し、
前記ボビンは、前記ボビンの内側に設けられた第２のフランジ部を有し、
前記第２のフランジ部は、前記第１のフランジ部と組み合うことで、前記コアが前記弾性体によって復帰できる位置を制限する、請求項６に記載の操作入力装置。
【請求項８】
前記コイルの内側上部に配置された第３のヨーク部を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項９】
前記第３のヨーク部は、前記コアが進入可能な筒部を有する、請求項８に記載の操作入力装置。
【請求項１０】
前記コイルの内側上部に配置された第３のヨーク部を備え、
前記第３のヨーク部は、前記コアが進入可能な筒部を有し、
前記第３のヨーク部の前記筒部の内径が、前記第２のフランジ部の内径よりも大きい、請求項７に記載の操作入力装置。
【請求項１１】
コイルと、
操作入力の作用により前記コイルの軸方向に変位するコアと、
前記コイルの外周側面と上面と下面とを覆うように配置された第１のヨーク部と、
前記コイルの内側下部に配置された第２のヨーク部と、
前記コアを支持する弾性体と、
前記コイルから出力される信号に基づいて、前記コアの変位量を検出する検出手段と、
前記コアと前記第２のヨーク部との間に磁気吸引力を発生させる電流を前記コイルに流すことによって、前記コアを可動させる制御手段とを備える、操作入力装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４５２３０（Ｐ２０１３−４５２３０Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１５５０（Ｐ２０１１−１８１５５０）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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