Operation input device

本発明は、操作入力の作用により変位する操作部材を備え、その変位量に応じた信号を出力する操作入力装置に関する。

従来技術として、キーボードのキートップ面に対して平行な方向に蓋体部をスライド移動させることにより、キートップ面を露出または遮蔽する情報処理装置において、蓋体部のスライド移動に応じてキーボードのキートップを上下に昇降させる手段を備えるものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。 この情報処理装置には、蓋体部のスライド移動によってキートップが押し下げられたときにオンするメンブレンスイッチが設けられている。

近年、上述の情報処理装置のように単にキートップのオン／オフ信号を得るのではなく、操作入力の作用により変位する操作部材を備え、その変位量（言い換えれば、操作入力量）に応じた信号を出力する操作入力装置の開発が進んでいる。

しかしながら、このような操作入力装置に、スライド部が開方向にスライドすることにより筐体の開口部から操作部材が突出するスライド機構を採用する場合、従来の技術では、メンブレンスイッチのような専用のスイッチを設けなければ、スライド部の開閉状態を検出することができない。

そこで、本発明は、専用のスイッチを設けることなく、スライド部の開閉状態を検出できる、操作入力装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る操作入力装置は、
スライド部が閉方向にスライドした閉状態で筐体に格納され、前記スライド部が開方向にスライドすることにより前記筐体の開口部から突出する位置まで変位し、前記スライド部が開方向にスライドした開状態で作用する操作入力に応じて前記開口部に対して内方に変位する、操作部材と、
前記操作部材の位置を非接触で検出し、前記操作部材の変位量に応じた信号を出力する検出手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、専用のスイッチを設けることなく、スライド部の開閉状態を検出できる。

本発明の一実施形態である操作入力装置１の分解斜視図である。

スライド部１２０が閉方向にスライドした閉状態における操作入力装置１の断面図である。

スライド部１２０が開方向にスライドした開状態における操作入力装置１の断面図である。

方向キー１０をコイル７１ａ側に傾ける操作入力が付与された傾倒状態での操作入力装置１の断面図である。

方向キー１０の実ストローク量に対して変化するインダクタンスとキャパシタンスのグラフである。

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。 本発明の一実施形態である操作入力装置は、操作者の手指等による力を受けて、その受けた力に応じて変化する出力信号を出力する操作インターフェイスである。 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。

例えば、ゲーム機、テレビ等の操作用リモートコントローラ、携帯電話や音楽プレーヤーなどの携帯端末、パーソナルコンピュータ、電化製品などの電子機器において、そのような電子機器に備えられるディスプレイの画面上の表示物（例えば、カーソルやポインタなどの指示表示や、キャラクターなど）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。 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。

一方、通常、コイル（巻線）等のインダクタのインダクタンスＬは、係数をＫ、透磁率をμ、コイルの巻数をｎ、断面積をＳ、磁路長をｄとした場合、
Ｌ＝Ｋμｎ ^２ Ｓ／ｄ
という関係式が成り立つ。 この関係式から明らかなように、コイルの巻数や断面積といった形状に依存するパラメータを固定した場合、周囲の透磁率と磁路長の少なくともいずれかを変化させるかによって、インダクタンスが変化する。

このインダクタンスの変化を利用する操作入力装置の実施例について以下説明する。 この操作入力装置は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸によって定まる直交座標系において、Ｚ座標が正の方向から入力される操作者の力を受け付けるものである。 操作入力装置は、操作入力の作用によりコイルとの位置関係が変化することによって、そのコイルのインダクタンスを変化させる変位部材を備えている。 操作入力装置は、そのインダクタンスの大きさに応じて変化する所定の信号に基づいて、操作者の操作入力により変位する変位部材の動きを検知することにより、その操作入力を検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態である操作入力装置１の分解斜視図である。 図２は、スライド部１２０が閉方向にスライドした閉状態における操作入力装置１の断面図である。 図３は、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態における操作入力装置１の断面図である。 図４は、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態で作用する操作入力によって方向キー１０が変位してコイル７１ａ側に傾いた状態における操作入力装置１の断面図である。 スライド部１２０は、例えば、操作入力装置１が搭載される上述のゲーム機等の電子機器の蓋部材であって、当該電子機器が備えるスライド機構によって方向キー１０の操作面１３に対して平行なＸＹ平面内をスライドするものである。 操作入力装置１は、操作入力の作用により変位する方向キー１０を備え、その変位量に応じた信号を出力するものである。

次に、操作入力装置１の構成について説明する。

操作入力装置１は、例えば、複数のコイル（本構成の場合、４個のコイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａ）が配置される配置面を有する基板５０を有する。 基板５０は、ＸＹ平面に平行な配置面を有する基部である。 基板５０は、例えば樹脂製の基板（具体的には、ＦＲ−４基板）でもよいし、絶縁性を確保すれば、ヨークとして機能させるために鋼板や珪素鋼板などを基材にした鉄板基板でもよい。

４個のコイル７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａは、三次元の直交座標系の基準点である原点Ｏとの距離が等しい点を結んでできる仮想的な円の円周方向に並べられている。 コイル７１ａ等は、操作者の力のベクトルを算出しやすくするという点で、その円周方向に等間隔に配置されることが好ましい。 各コイルが互いに同特性の場合、隣接する２つのコイルの重心間の距離が等しければよい。 各コイルは、Ｘ（＋），Ｘ（−），Ｙ（＋），Ｙ（−）の４方向の各Ｘ，Ｙ軸上に９０°毎に配置されている。 Ｘ（−）方向は、ＸＹ平面上でＸ（＋）方向に対して１８０°反対向きの方向であり、Ｙ（−）方向は、ＸＹ平面上でＹ（＋）方向に対して１８０°反対向きの方向である。

なお、コイル７１ａ〜７４ａは、Ｘ軸とＹ軸に挟まれるＸＹ平面内の斜め４５°の４方向に、円周方向に９０°毎に配置されていてもよい。 例えば、コイル７３ａは第１象限に配置され、コイル７４ａは第２象限に配置され、コイル７１ａは第３象限に配置され、コイル７２ａは第４象限に配置される。

方向キー１０は、図２に示されるように、スライド部１２０が閉方向にスライドした閉状態でケース６０に格納され、図３に示されるように、スライド部１２０が閉方向に対して反対向きの開方向にスライドすることによりケース６０の上面に設けられた開口部６１から突出する位置まで変位する操作部材である。 そして、図４に示されるように、方向キー１０は、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態で作用する操作入力によって変位する操作部材であって、その操作入力の入力量に応じて、ケース６０の開口部６１からケース６０の内方への変位量が連続的に変化するものである。

操作入力装置１は、方向キー１０の位置を非接触で検出し、方向キー１０の変位量に応じた信号を出力する検出手段を備える。 操作入力装置１は、この検出手段として、方向キー１０の変位量及び変位方向によりインダクタンスがそれぞれ変化するコイル７１ａ〜７４ａと、検出部１６０（図１参照）とを備える。

コイル７１ａ〜７４ａは、方向キー１０の下面１４に固定されたヨーク７１ｂ〜７４ｂによって方向キー１０の位置を非接触で検出し、方向キー１０の変位量に応じた信号波形を出力する検出部材である。 コイル７１ａ〜７４ａは、例えば、円筒状に線材（導線）が巻かれたものである。 コイル７１ａ〜７４ａの形状は円筒状が望ましいが、筒状であればよく、例えば角筒状でもよい。 また、コイル７１ａ〜７４ａは、組み付け性や耐衝撃性を向上させる点で、ボビンに巻かれたものでもよい。

ヨーク７１ｂ等は、方向キー１０のフランジ１２の下面に、基板５０上のコイル７１ａ等と同じ数だけ設けられ、方向キー１０の変位に連動して変位する。 方向キー１０は、コイル７１ａ等に対して操作者の力が入力されてくる側に設けられており、コイル７１ａ等の上端面に対向する下面１４と、操作者の力が直接又は間接的に作用しうる操作面１３とを有する板状部材である。 ヨークは、比透磁率が１よりも高い材質であればよい。 例えば、比透磁率は１．００１以上あると好適であり、具体的には、鋼板（比透磁率５０００）などが好適である。 ヨークは、方向キー１０と別部品にするのではなく、フェライトなどで一体にすることもできる。 ヨークとコイルは、一対一で、互いに対向する位置に配置される。 方向キー１０は、操作者の力が操作面１３に作用することにより、コイル７１ａ等の上端面の上方におけるヨーク７１ｂ等の位置を変化させて、コイル７１ａ等のインダクタンスを変化させる。

ヨーク７１ｂ等は、操作入力の作用によりコイル７１ａ等の内部（すなわち、中空部内）をコイル７１ａ等の中心軸の軸線方向に変位することによって、コイル７１ａ等のインダクタンスを変化させるコアとして機能するように、コア状に形成されたものでもよい。 この場合、ヨーク７１ｂ等は、コイル７１ａ等が円筒状であれば、円柱状の磁性体であることが好ましく、コイル７１ａ等が角筒状であれば、角柱状の磁性体であることが好ましい。 ヨーク７１ｂ等がコア形状の場合、方向キー１０は、操作者の力が操作面１３に作用することにより、コイル７１ａ等の中空部内におけるヨーク７１ｂ等の位置を変化させて、コイル７１ａ等のインダクタンスを変化させる。

各コイルのインダクタンスをそれぞれ検出することによって、直交座標系の原点Ｏに対する操作入力の入力方向（ＸＹ平面における操作入力の入力位置）とその操作入力の大きさ（Ｚ方向への押し込み量）を演算することができる。

リターンバネ４０は、方向キー１０を下方に変位可能に支持する支持部材である。 リターンバネ４０は、方向キー１０の下面１４に配置されたヨーク７１ｂ等と基板５０に配置されたコイル７１ａとの間隔が弾性的に変化するように、下面１４と基板５０との対向方向に方向キー１０を弾性的に支持する弾性支持部材である。

リターンバネ４０は、基板５０と方向キー１０の下面１４との間に設置されるとよい。 リターンバネ４０は、方向キー１０に操作者の力が作用しても、方向キー１０のヨーク７１ｂ〜７４ｂと基板５０のコイル７１ａ〜７４ａとが接触しないように、方向キー１０を弾性的に支持する。 リターンバネ４０は、Ｚ軸に直交するＸＹ平面に対して傾き可能に方向キー１０を支持し、Ｚ軸方向に移動可能に支持する。 また、リターンバネ４０は、方向キー１０の下面１４が基板５０上のコイル７１ａ等から離れる方向に付勢された状態で、方向キー１０を支持する付勢支持部材である。

リターンバネ４０は、操作者の力が作用していない状態で方向キー１０の操作面１３がＸＹ平面に平行になるように、方向キー１０を弾性的に支持する。 方向キー１０の操作面１３は、平らな面でもよいし、ＸＹ平面に対して凹状に形成された面でもよいし、ＸＹ平面に対して凸状に形成された面でもよい。 操作面１３を所望の形状に変更することによって、操作者の操作性を向上させることができる。 また、方向キー１０の操作面１３は、円状でもよいし、楕円状でもよいし、多角形状でもよい。

リターンバネ４０は、ケース６０の内部側から開口部６１に向けて付勢するように設けられたコイルバネである。 リターンバネ４０を円錐コイルバネにすることで、バネの耐久性を向上させ、方向キー１０を開口部６１に対して傾斜させやすくできる。 リターンバネ４０は、方向キー１０が操作されて降下したときに、方向キー１０に力が付与されていない初期位置状態の高さ（すなわち、図３に示す位置）に戻す上向きの力を、方向キー１０に常時付与している。 リターンバネ４０は、円錐状のコイルバネであるが、円筒状のコイルバネでも、無端状の弾性体（例えば、ゴム）でもよい。

操作入力装置１は、図３に示されるように、方向キー１０がケース６０の内側に付勢して接触された状態で、ケース６０に取り付けられる。 すなわち、方向キー１０は、ケース６０の開口部６１に下方に突出するように設けられたリブに当接して、リターンバネ４０の反力によって支持されている。

ケース６０は、操作入力装置１が取り付けられる携帯電話などの電子機器の筐体である。 操作入力装置１自体が、ケース６０を備えていてもよい。 ケース６０の上面の開口部６１の形状は、円状であるが、方向キー１０の形状に合うように形成されていればよく、四角形や八角形などの多角形状であってもよい。

ケース６０によって、方向キー１０がリターンバネ４０の上方への付勢力に対して上方に移動可能な最大高さが決められる。 方向キー１０の最大ストローク量は、方向キー１０の位置が非接触で検出可能な範囲内に設定される。 つまり、この最大ストローク量に相当する分の空間は、ケース６０内でまかなうことができる。 また、スライド部１２０によって方向キー１０が塞がれた閉状態では、方向キー１０はケース６０の開口部６１から突出していないため、スライド部１２０側に肉盗み部を設ける必要もない。

スライド部１２０は、ケース６０の上面に沿ってスライドする。 操作入力装置１自体が、スライド部１２０を備えていてもよい。 スライド部１２０のスライド方向の端部には、スライド部１２０の下面が方向キー１０の操作面１３に沿ってスライドすることにより方向キー１０を下方へ移動させることを容易にする、誘い形状１２１が設けられている。 誘い形状１２１は、例えば、テーパー形状であり、曲面形状でもよい。 方向キー１０側にも、スライド部１２０のスライド方向の端部と接触する部分に、誘い形状が設けられていることが好ましい。

検出部１６０は、コイル７１ａ等のインダクタンスの変化を電気的に検出することで、ヨーク７１ｂ等の連続的に変化するアナログ変位量（言い換えれば、方向キー１０の変位量（操作入力量））に応じた検出信号を出力する。 検出部１６０は、操作入力装置１の基板５０又は不図示の基板（例えば、操作入力装置１が搭載される上述のゲーム機等の電子機器の基板）に実装される検出回路によって構成されるとよい。

以下、検出部１６０が、コイル７１ａのインダクタンスの変化として、所定のインダクタンス評価値の変化を検出する場合について説明する。 なお、コイル７２ｂ，７３ｂ，７４ｂのインダクタンスの変化についても同様に考えればよいため、その説明は省略する。

例えば、検出部１６０は、コイル７１ａ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ヨーク７１ｂの変位量に等価な値として出力する。 また、検出部１６０は、コイル７１ａ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７１ａ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ヨーク７１ｂ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１６０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ヨーク７１ｂ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。

具体的には、検出部１６０は、パルス信号をコイル７１ａに供給することによって、コイル７１ａ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７１ａに発生させ、その信号波形に基づいてコイル７１ａのインダクタンスの変化を電気的に検出するとよい。

例えば、コイル７１ａの上端面の上方における（又は、コイル７１ａの中空部内における）ヨーク７１ｂの下方への変位量が増加するにつれて、コイル７１ａ周辺の透磁率が増加し、コイル７１ａのインダクタンスが増加する。 コイル７１ａ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７１ａ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７１ａ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１６０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ヨーク７１ｂ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１６０は、その振幅の検出値からコイル７１ａ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ヨーク７１ｂの変位量に等価な値として出力することもできる。

また、コイル７１ａ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７１ａ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７１ａ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１６０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ヨーク７１ｂ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１６０は、その傾きの検出値からコイル７１ａ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ヨーク７１ｂの変位量に等価な値として出力することもできる。

このように、操作入力装置１は、スライド部１２０が閉方向にスライドした閉状態でケース６０に格納され（図２参照）、スライド部１２０が開方向にスライドすることによりケース６０の開口部６１から突出する位置まで変位し（図３参照）、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態で作用する操作入力に応じて開口部６１に対してケース６０の内方に変位する（図４参照）、操作部材として、方向キー１０を備えている。 また、方向キー１０の位置を非接触で検出し、方向キー１０の変位量に応じた信号を出力する検出手段として、コイル７１ａ〜７４及び検出部１６０を備えている。 操作入力装置１は、このような構成を具備することにより、専用のスイッチを設けることなく、スライド部１２０の開閉状態を検出できる。

例えば、スライド部１２０が閉方向にスライドした閉状態を示した図２の状態では、方向キー１０は、スライド部１２０によって、リターンバネ４０の上方への付勢力に抗してＺ方向に均一の下向きの力で押された状態で維持されている。 方向キー１０の操作面１３が全面にわたってスライド部１２０の下面に接することにより方向キー１０全体が下向きに平行移動することによって、方向キー１０に設置された全ヨークが基板５０上の全コイルに近接する（全ヨークがコア形状の場合、全コイルの中空部内に進入する）。 全コイルへの近接（全コイルの中空部内への進入）によって、全コイルを取り巻く周辺の透磁率が上昇し、全コイルの自己インダクタンスが略等しく最大値まで増加する。

したがって、コイル７１ａ〜７４ａ又は検出部１６０は、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときのインダクタンス評価値が全てのコイルについて所定時間以上継続的に検出されている状態を、スライド部１２０の閉状態として検出できる。 一方、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときのインダクタンス評価値がいずれかのコイルについて所定時間以上検出されなければ、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態で作用した操作入力によって、方向キー１０がケース６０への格納位置まで変位したとみなして検出できる。 つまり、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときのインダクタンス評価値が全てのコイルについて所定時間以上検出されているか否かによって、スライド部１２０の開閉状態を検出できる。

また、スライド部１２０が開方向にスライドした開状態を示した図３の状態では、方向キー１０は、スライド部１２０によるＺ方向の力を受けなくなるため、リターンバネ４０の上方への付勢力によって、ケース６０の開口部６１から突出する位置まで変位する。 方向キー１０全体が上向きに平行移動することによって、方向キー１０に設置された全ヨークが基板５０上の全コイルから離れる。 これにより、全コイルを取り巻く周辺の透磁率が減少するので、全コイルの自己インダクタンスが最小値まで減少する。

したがって、コイル７１ａ〜７４ａ又は検出部１６０は、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときのインダクタンス評価値と異なるインダクタンス評価値（例えば、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときよりも小さいインダクタンス評価値）がいずれかのコイルについて検出されている状態を、スライド部１２０の開状態として検出できる。 また、ケース６０の開口部６１に対して突出した位置まで方向キー１０が変位したときのインダクタンス評価値がいずれかのコイルについて検出されている状態を、スライド部１２０の開状態として検出してもよい。

また、図４は、方向キー１０をコイル７１ａ側に傾ける操作入力が付与された傾倒状態での操作入力装置１の断面図である。 リターンバネ４０の上方への付勢力に抗して、Ｚ方向に下向きの力で押された方向キー１０がフランジ１２及び／又はリターンバネ４０を介して基板５０を支点に傾動することにより、ヨーク７１ｂがコイル７１ａに近接する（ヨーク７１ｂがコア形状の場合、コイル７１ａの中空部内に進入する）。 コイル７１ａへの近接（コイル７１ａの中空部内への進入）によって、コイル７１ａを取り巻く周辺の透磁率が上昇し、コイル７１ａの自己インダクタンスが増加する。 他の方向に傾けた場合も同様に考えることができる。 したがって、コイル７１ａ〜７４ａ又は検出部１６０によって各コイルそれぞれについて検出されたインダクタンス評価値の大きさに基づいて、方向キー１０の傾倒方向とストローク量が検出できる。

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。

例えば、上述の操作入力装置１は、方向キー１０に設置されたヨークに対向するように基板５０に設置されたコイルのインダクタンスを検出することによって、方向キー１０が操作入力によって下方に変位したときのストローク量を検知可能にするものである。 しかしながら、例えば、基板５０上のコイルをヨークに置き換え、方向キー１０に設置されたヨークをコイルに置き換えてもよい。

また、上述の操作入力装置１は、操作部材の変位によりインダクタンスが変化する検出部材として、コイルを使用するものであったが、操作部材の変位によりキャパシタンス（静電容量）が変化する検出部材として、一対の電極を使用するものでもよい。 すなわち、上述の操作入力装置１において、基板５０上のコイルを固定電極に置き換え、方向キー１０に設置されたヨークを可動電極に置き換えればよい。 この場合、基板５０に設置された固定電極と方向キー１０に設置された可動電極との間の静電容量を検出することによって、方向キー１０が操作入力によって下方に変位したときのストローク量を検知できる。

例えば、一対の電極の静電容量の変化として、所定の静電容量評価値の変化が検出される。 各一対の電極又は検出部１６０は、ケース６０への格納位置まで方向キー１０が変位したときの静電容量評価値が全ての一対の電極について所定時間以上検出されているか否かによって、スライド部１２０の開閉状態を検出できる。

ただし、図５に示されるように、上述の操作入力装置１のように方向キー１０の変位をインダクタンスで検出する構成は、静電容量で検出する構成に比べて、方向キー１０のストローク量を大きくしても検出リニアリティが確保できる点で有利である。 これは、方向キー１０のストローク量を設計上大きくしやすいということである。 操作者によって方向キー１０のストローク量が大きいということは、ストローク量を調整しながら操作するアナログ入力を行う際の操作感の向上をもたらす。

また、方向キー１０を弾性的に支持する支持部材は、リターンバネ４０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。

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。

１ 操作入力装置 １０ 方向キー １２ フランジ １３ 操作面 １４ 下部（下面）
４０ リターンバネ ５０ 基部 ６０ ケース ６１ 開口部 ７１ａ，７２ａ，７３ａ，７４ａ コイル ７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ，７４ｂ ヨーク １２０ スライド部 １２１ 傾斜部 １６０ 検出部