JP4547676B2 - 操作装置 - Google Patents

Description

本発明は電子機器の操作に使用する操作装置に関する。

特開２００３−２２０８９３号公報 特開２００２−２０２８５０号公報

電子機器の入力用操作装置として、複数の規定操作方向へ傾斜させることにより、すなわち、予め定められた揺動中心を支点とする揺動操作を規定操作方向に加えることにより、当該規定操作方向に対応付けて設けられたセンサないしスイッチ等の検出部により当該操作変位を検出して操作入力を行なうようにしたものが多数提案されている（特許文献１、２）。

しかし、特許文献１及び特許文献２の構成では、いずれも規定操作方向につき一つの検出部が設けられており（具体的には４つの規定方向に一対一に対応した４つの検出部が設けられる形となっている）、規定操作方向が比較的限られているにもかかわらず多数の検出部が必要となる欠点がある。当然、規定操作方向をさらに細分化ないし連続的に設定して認識することも不可能であり、揺動以外の操作認識に拡張する検討もなされていない。

本発明の課題は、規定操作方向よりも少ない数の検出部により、それら規定操作方向への揺動操作を確実に認識でき、規定操作方向の更なる細分化ないし連続化や、揺動以外の操作認識への拡張も容易に実現できる操作装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の操作装置は、
ユーザーが手で保持して揺動操作を含む操作を行なう操作部と、
該操作部に揺動操作力が加えられるに伴い、該操作部の基準軸線が、予め定められた中立軸線から、当該中立軸線に関する４以上の互いに異なる動径方向に、該中立軸線上の予め定められた揺動中心を支点として揺動可能となるよう操作部を支持する揺動支持部と、
操作部の外周面から基準軸線と交差する向きに延出する形で該操作部と一体揺動可能に配置され、基準軸線方向における一方の端面に、該基準軸線に関する周方向に連続的又は断続的な被検知面を形成する被検知体と、
操作部を中立軸線周りに取り囲む形態で各々該中立軸線周りの位置が固定となるよう配置され、操作部が揺動するに伴い、各々自身に対応する被検知面の中立軸線方向の変位を検出する３つ以上の変位検出部と、
該変位検出部の予め定められた３つのものの、中立軸線方向の変位検出出力及び該中立軸線周りの配置位置情報を用いて、３つの各変位検出部による被検知体の三次元検出位置を決定し、それら３つの三次元検出位置が定める変位平面の情報に基づいて操作部に加えられる揺動操作の、少なくとも中立軸線周りの操作方向を反映した情報を操作出力情報として生成する操作出力情報生成手段と、を備えたことを前提とする。

上記本発明の前提構成となる操作装置によれば、操作部の揺動操作に応じて、該操作部と一体揺動可能に設けられた被検知体の被検知面の中立軸線方向の変位を、中立軸線周りの配置位置が互いに異なる３つ以上の対応する変位検出部により検出する。中立軸線周りの位置が固定された３つの被検知体の検知点は１つの平面（変位平面）を規定し、その変位平面は、操作部が中立位置から揺動変位するに伴い、その揺動変位に対応した方向に傾斜する。そこで、変位検出部の予め定められた３つのものの中立軸線方向の変位検出出力及び該中立軸線周りの配置位置情報とを用いて、３つの各変位検出部による被検知体の三次元検出位置を決定し、それら３つの三次元検出位置が定める変位平面の情報を用いれば、４つ以上の揺動操作方向が許容されている場合であっても、それら３つ変位検出部の変位検出出力に基づいて、いずれの向きに揺動操作がなされたかを認識できる。すなわち、規定揺動操作方向の数よりも少ない数の検出部により、それら規定操作方向への揺動操作を確実に認識できる。

揺動操作後の変位平面が特定されれば、揺動操作前の変位平面からの変位平面の傾斜方向だけでなく、その傾斜角度変位も特定できる。この傾斜角度変位は、揺動操作の中立軸線からの角度変位に対応する。従って、操作出力情報生成手段は、上記の変位検出出力に基づいて、操作部に加えられる揺動操作による基準軸線の中立軸線からの操作角度変位を反映した情報を操作出力情報として生成することが可能である。揺動操作の方向だけでなく、その操作角度変位も、３つの変位検出部の変位検出出力に基づいて簡単に特定することができる。

揺動支持部は、操作部の基準軸線が中立軸線を中心とする任意の動径方向に揺動可能となるよう該操作部を支持するものとすることができる。これにより、変位検出部による被検知面の変位検出分解能を高めれば、変位平面の傾斜方向（及び傾斜角度）は事実上無段階に検出できるから、認識できる揺動操作の方向（さらには操作角度変位）を無段階に認識することができる（デジタル信号処理では、完全な無段階化は物理的に不能であるから、この場合は、方向ないし操作角度変位の認識単位が３゜未満に細分化されている場合を「無段階」として定義する）。

被検知体は操作部の外周面から突出する鍔状とされ、基準軸線に関する周方向に被検知面を連続的に形成するものとすることができる。被検知体を鍔状とすることで、被検知体の形状を簡略化できる利点がある。また、後述のごとく、被検知体の基準軸線周りの角度位相が変化する場合（つまり、操作部の自転操作が許容されている場合）は、被検知体を周方向に連続的に形成することが必須である。

変位検出部は、被検知面と当接し該被検知面の揺動に追随して中立軸線方向に進退変位する検出変位部を備え、該検出変位部の中立軸線方向の直線変位を検出するものとして構成する。揺動操作に伴う被検知体の揺動変位を、被検知面と当接する検出変位部の進退変位に変換することで、その検出が容易になる。変位検出部は被検知面の面内に摺動可能に当接させておくことが望ましい。

この場合、変位検出部は、検出変位部を被検知面に押し付ける向きに付勢する付勢手段を有するものとして構成しておくとよい。このような付勢手段を設けておけば、揺動操作により双方向に進退変位可能な被検知体に検出変位部を単純に当接させるだけで、検出変位部を被検知体に追随移動させることができる。

変位検出部は、中立軸線方向において検出変位部と一体的に進退する摺動電気接点部と、中立軸線方向に形成されるとともに摺動電気接点部により抵抗分割される抵抗導体とを有した可変抵抗器を備えるものとして構成できる。この構成によると、可変抵抗器の抵抗導体の長手方向を中立軸線方向に一致させることができ、ひいては可変抵抗器の平面占有スペースを大幅に削減することができる。また、可変抵抗器の採用により、変位検出出力を電圧出力として容易に取り出すことができ、また、その電圧値から変位を直接読み取ることができるので、カウンタ等の余分な回路要素も不要となる。

本発明の操作装置においては、中立軸線と平行に変位検出座標軸を定め、該変位検出座標軸と直交する形で変位検出部の固定位置を示す変位検出部固定位置座標平面を定め、それら変位検出座標軸と変位検出部固定位置座標平面とが張る三次元座標空間にて、３つの変位検出部の変位検出情報と各変位検出部の固定位置の座標情報とに基づいて、被検知面の三次元検出位置を三次元座標空間内の３つの空間座標点として表わすことができる。操作出力情報生成手段は、前述の変位平面の情報として、該３つの空間座標点が定める平面の法線ベクトルを該空間座標点の座標値を用いて演算し、その演算結果に基づいて、揺動操作の中立軸線周りの操作方向と、中立軸線からの操作角度変位とを反映した操作出力情報を生成するものとすることができる。３つの空間座標点が定める平面の法線ベクトルは幾何学的に容易に演算でき、揺動操作の中立軸線周りの操作方向と、中立軸線からの操作角度変位との演算アルゴリズムを簡略化できる。その結果、操作入力の認識応答性を高めることができる。

そして、本発明の操作装置は、被検知体において被検知面が、基準軸線に関する周方向に連続的であって、かつ、基準軸線を法線とする基準平面に対し予め定められた向きに傾斜する傾斜面として形成され、操作部が基準軸線周りに自転操作可能に設けられ、操作出力情報生成手段が、変位検出部の変位検出出力に基づいて、中立軸線周りの当該自転操作変位を反映した情報を操作出力情報として生成することを特徴とする。操作部を自転操作可能とした場合、被検知面を、基準軸線を法線とする基準平面に対し予め傾斜させておけば、例えば、基準軸線を中立軸線と一致させた状態（以下、中立状態という）で操作部を自転させるだけで、被検知面もその自転位相に応じて傾斜方向が変化する。この変化は、変位検出部により検出可能であるから、その検出出力に基づいて操作部の自転操作を認識でき、操作装置の機能を拡張することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の操作装置の基本構成の一例を示すものである。この操作装置１は、ユーザーが手で保持して揺動操作を含む操作を行なう操作部４と、該操作部４に揺動操作力が加えられるに伴い、該操作部４の基準軸線Ｑが、予め定められた中立軸線Ｎ位置から、当該中立軸線Ｎに関する４以上、ここでは任意の（つまり、中立軸線回りの３６０゜の範囲で無段階的に存在する多数の）互いに異なる動径方向に、該中立軸線Ｎ上の予め定められた揺動中心Ｏを支点として揺動可能となるよう操作部４を支持する揺動支持部６とを備える。操作部４には、その外周面から基準軸線Ｑと交差する向きに延出する形で該操作部４と一体揺動可能に配置され、基準軸線Ｑ方向における一方の端面に、該基準軸線Ｑに関する周方向に連続的な被検知面８Ｃを形成する被検知体５が設けられている。さらに、操作部４を中立軸線Ｎ周りに取り囲む形態で各々該中立軸線Ｎ周りの位置が固定となるよう配置され、操作部４が揺動するに伴い、各々自身に対応する被検知面８Ｃの中立軸線Ｎ方向の変位を検出する３つの変位検出部７が設けられている。被検知体５は操作部４の外周面から突出する鍔状とされ、基準軸線Ｑに関する周方向に被検知面８Ｃを連続的に形成している。

そして、図８に示すごとく、操作装置１は、マイコンハードウェアとして構成されたＥＣＵ２０上にて、ＲＯＭ等に格納された所定のソフトウェア（図１０のフローチャート：その処理の流れについては後に詳述）により機能実現される操作出力情報生成手段（以下、操作出力情報生成手段２０とも称する）を有する。操作出力情報生成手段２０は、それら３つの変位検出部７の、中立軸線Ｎ方向の変位検出出力Ｚ及び該中立軸線Ｎ周りの配置位置情報（Ｘ，Ｙ）を用いて、３つの各変位検出部７による被検知体５の三次元検出位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を決定し、それら３つの三次元検出位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が定める変位平面ＤＰの情報に基づいて操作部４に加えられる揺動操作の、少なくとも中立軸線Ｎ周りの操作方向βを反映した情報を操作出力情報として生成する処理を行なう。

図１の構成において、操作装置１は筐体９を備え、操作部４は該筐体９の天壁部に形成された貫通孔９Ｗを貫く形で一端が筐体９外に延出して操作把持部４Ｇを形成する一方、他端側は筐体９の内部に入り込み、その末端に球状の操作支点部２が形成されている。操作把持部４Ｇと操作支点部２とは連結軸部３により基準軸線Ｑ方向に連結されている。また、鍔状の被検知体５は連結軸部３の外周面から突出している。操作支点部２は、筐体９の底部に配置された揺動支持部６上にて凹球面状の支持面６Ｂ上を任意の方向に揺動可能に支持されている。変位検出部７は、支持面６Ｂを取り囲むように配置されている。

図９に示すごとく、操作部４の揺動操作に応じて被検知面８Ｃの中立軸線Ｎ方向の変位が３つの変位検出部７により検出される。中立軸線Ｎ周りの位置が固定された３つの被検知体５の検知点は１つの平面（変位平面ＤＰ）を規定し、その変位平面ＤＰは、操作部４が中立位置Ｎから揺動変位するに伴い、その揺動変位に対応した方向に傾斜する。そこで、３つの変位検出部７の中立軸線Ｎ方向の変位検出出力Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３及び該中立軸線Ｎ周りの配置位置情報（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）とを用いて、３つの各変位検出部７による被検知体５の三次元検出位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を決定することができる。そして、それら３つの三次元検出位置Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が定める変位平面ＤＰの情報を用いれば、上記のごとく、４つ以上の互いに異なる揺動操作方向βが許容されている場合であっても、いずれの方向βに揺動操作がなされたかを認識できる。さらに、揺動操作後の変位平面ＤＰが特定されれば、揺動操作前の変位平面ＤＰからの変位平面ＤＰの傾斜方向βだけでなく、その傾斜角度変位αも特定できる。この傾斜角度変位は、揺動操作の中立軸線Ｎからの角度変位、つまり揺動操作量を表わすものである。

なお、変位平面ＤＰは、最低３つの変位検出部７（中立軸線Ｎと直交する平面内において同一直線上に配置されていないことが条件である）の出力を特定できれば決定可能であるが、このことは設ける変位検出部７の総数の上限が３つであることを意味しない。なぜなら、４つ以上の変位検出部７を設け、そのうちのいずれか３つの変位検出出力Ｚを選択して用いることで、変位平面ＤＰを問題なく決定できるからである。この場合、どの変位検出部７の組を用いるかは状況に応じて適宜定めればよい。

なお、操作部４に許容される揺動方向は、上記のごとく中立軸線Ｎ周りに無断階（隣接する許容方向間の角度が３゜以下）に定める態様のほか、４以上に段階的に定めることもできる。この場合、規定の方向にのみ操作部４の揺動操作を許容する機械的な揺動方向規制部を設けておけばよい。

また、図１に一点鎖線で示すように、揺動操作のみを認識する場合は、被検知体５の基準軸線Ｑ周りの角度位相も固定となるので、中立軸線Ｎ周りに配置された各変位検出部７に対応させる形で、被検知体５を周方向に断続的な個別セグメントとして設けることも可能である。

図５に示すごとく、変位検出部７は、被検知面８Ｃと当接し該被検知面８Ｃの揺動に追随して中立軸線Ｎ方向に進退変位する検出変位部７１を備え、該検出変位部７１の中立軸線Ｎ方向の直線変位を検出するものとして構成されている。変位検出部７は、被検知面８Ｃ上にてその面内に摺動可能である。また、変位検出部７は、検出変位部７１を被検知面８Ｃに押し付ける向きに付勢する付勢手段を有する。

本実施形態では、変位検出部７は、図５に示すごとく、中立軸線Ｎ方向において検出変位部７１と一体的に進退する摺動電気接点部７６と、中立軸線Ｎ方向に形成されるとともに摺動電気接点部７６により抵抗分割される抵抗導体７５とを有した可変抵抗器を備えるものである。図６に示すごとく、抵抗導体７５は一端（端子７２Ａ：＃１）が信号電源（ここでは、＋５Ｖ）に接続され、他端（端子７２Ｂ：＃２）が接地される。摺動電気接点部７６は、該摺動電気接点部７６により抵抗導体７５が分割されて生ずる抵抗ハーフブリッジの分圧電圧の出力点（端子７２Ｃ：＃３）として機能する。

図５に示すように、変位検出部７はリニア可変抵抗ユニットとして構成され、検出変位部７１は付勢手段をなす弾性部材７７とともに該ユニットに組み込まれている。具体的には、該構成の変位検出部７は、上面側が開口したケース７３と、その開口を塞ぐキャップ部７４とを有している。なお、図面上、この開口を上向きとして変位検出部７の構造を説明するが、装置取り付け方向によっては必ずしも該開口が上向きになるとは限らない（従って、説明中の「上」あるいは「下」は、変位検出部７の取り付け方向を限定するものではない）。

ケース７３は樹脂成形品であり、その内壁面に沿ってリードフレーム７８が配置されている。リードフレーム７８は金属製であり、複数の端子フレーム部７８Ａ，７８Ｂ，７８Ｃを有する。端子フレーム部７８Ａの上端には横フレーム部７８Ｈが一体化されている。また、端子フレーム部７８Ａ，７８Ｂ，７８Ｃの下端側はケース７３の底部を貫通し、その裏面に形成された基板面実装用のパッド７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃに導通している。また、中央の端子フレーム部７８Ｂと横フレーム部７８Ｈとの間には、カーボン膜にて構成された縦長の抵抗導体７５が形成されている。リードフレーム７８は、主面がケース内壁面と面一となるよう、ケース７３にインサート成形により固定されている。

ケース７３の底部上面には、弾性部材７７をなすコイルばねを位置決めするための位置決め突出部７３ｂが形成されており、ここにコイルばね７７の下端がはめ込まれている。他方、コイルばね７７の上端側には検出変位部７１が当接配置されている。検出変位部７１は、被検知面８Ｃ（図１）と当接する上端部が球面状に形成された樹脂成形品であり、本体部は円柱状に形成され、その下端側が縮径されてコイルばね７７の上端内側に嵌め込まれている。

検出変位部７１の上端部は、キャップ部７４に形成された貫通孔７４ｈにてその上面側に突出する一方、下端部には金属製の摺動フレーム７９が横方向に取り付けられている。摺動フレーム７９の両端には摺動電気接点部７６，７６が形成され、一方が抵抗導体７５に、他方が端子フレーム部７８Ｃに上下方向に摺動可能に当接している。摺動フレーム７９は摺動電気接点部７６，７６とともにばね用金属材料（例えば、ばね用リン青銅あるいはベリリウム銅）にて構成されている。摺動電気接点部７６，７６は、いずれも摺動フレーム７９の末端から下向きに延びる帯状形態をなし、その中間位置に接点形成用の曲げ起こしばね部が形成され、抵抗導体７５あるいは端子フレーム部７８Ｃにそれぞれ弾性的に押し当てられている。

操作部４に操作が加えられることにより、検出変位部７１が進退し、図６に示すごとく、検出変位部７１の位置に一義的に対応する分割比で、摺動電気接点部７６，７６が抵抗導体７５を分割する。これにより、パッド７２Ｃに現われる分圧電圧は、図７に示すごとくリニアに変化する。本実施形態では、抵抗導体７５の公称抵抗値を１０ｋΩ、検出変位部７１の最大突出変位を７．５ｍｍに定めている。

なお、変位検出部７は、上記のごときリニア可変抵抗ユニット以外にも種々のものが採用可能である。図１１に示す例では、荷重センサ（圧電素子や、荷重によってキャパシタンスが変化するコンデンサ、あるいは歪ゲージ等で構成できる）１３３が用いられている。図１１では、検出変位部７１の進退に応じて弾性部材１３１が圧縮変位する。そして、この弾性部材１３１の弾性力が荷重センサ１３３に伝達される。該進退変位に応じて弾性部材１３１に生ずる弾性力を荷重センサ１３３にて検出する。該荷重センサ１３３の出力値には検出変位部７１の変位が反映される。なお、荷重センサ１３３と弾性部材１３１との間には、ばね受け部材１３２が介挿されている。

図１２では、被検知面８Ｃを金属膜等からなる反射鏡８Ｒで形成し、光学式距離センサ２５により被検知面８Ｃの位置を、該反射鏡８Ｒからの反射光の情報に基づいて検出するものとして構成している。光学式距離センサ２５は、投光部２６から反射鏡８Ｒに向けてレーザーパルスＬＰを照射するとともに、その反射パルスを受光部２７で受け、該レーザーパルスＬＰの飛行時間から被検知面８Ｃまでの距離を測定するものである。

また、図１３では、被検知面８Ｃを永久磁石８Ｍで形成し、ホール素子や磁気ヘッド等の磁界検知素子３０により磁界強度を測定することにより、被検知面８Ｃまでの距離を測定するものである。

操作出力情報生成手段２０における操作方向β及び操作角度変位αの演算決定処理は、具体的には以下のような流れに従い実施される。図９に示すように、中立軸線Ｎと平行に変位検出座標軸Ｚを定め、該変位検出座標軸Ｚと直交する形で変位検出部７の固定位置を示す変位検出部固定位置座標平面Ｘ−Ｙを定める。そして、それら変位検出座標軸と変位検出部固定位置座標平面Ｘ−Ｙとが張る三次元座標空間Ｘ−Ｙ−Ｚにて、３つの変位検出部７の変位検出情報（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）と各変位検出部７の固定位置の座標情報（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）とに基づいて、被検知面８Ｃの三次元検出位置を三次元座標空間Ｘ−Ｙ−Ｚ内の３つの空間座標点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３として表わすことができる。そして、前述の変位平面ＤＰの情報として、該３つの空間座標点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が定める平面の法線ベクトルｎを該空間座標点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の座標値を用いて演算し、その演算結果に基づいて、揺動操作の中立軸線Ｎ周りの操作方向βと、中立軸線Ｎからの操作角度変位αとを反映した操作出力情報を生成するものとすることができる。

空間座標点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を通る平面の方程式は、幾何学的に上記数１の（１）式にて表されることは幾何学的に自明である。また、この方程式を展開して、平面の一般形で表示したものが（２）式であり、各座標変数Ｘ，Ｙ，Ｚの係数Ａ，Ｂ，Ｃを成分とするベクトルがその平面、すなわち変位平面ＤＰの法線ベクトルｎである。変位平面ＤＰの法線ベクトルｎの向きは、図１の構造では基準軸線Ｑと一致している。（２）式と（１）式との対応関係から、法線ベクトルｎの成分Ａ，Ｂ，Ｃが（３）〜（５）式を用いて演算できることは明らかである。

数２に、座標点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、動径ｒ、Ｚ軸からの動径傾斜角α（操作角度変位を表す）及び動径ｒのＸ−Ｙ平面への正射影がＸ軸となす角度β（操作方向を表す）を用いた極座標表示との対応関係は、上記数２の（７）〜（９）式にて表わされる。該（７）〜（９）式から、動径ｒと操作角度変位α及び操作方向βとは、（１０）〜（１２）式にて表わされる。動径ｒを上記の法線ベクトルｎとみなせば、これらの式のＸ，Ｙ，Ｚに、（３）〜（５）式を用いて演算した法線ベクトルｎの各成分Ａ，Ｂ，Ｃを代入すれば、操作角度変位α及び操作方向βとは、最終的に（１３）（１４）式にて演算することができる。

なお、上記の数学的原理からも明らかな通り、操作角度変位α及び操作方向βは、変位平面ＤＰの幾何学により、空間座標点Ｍ１（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１），Ｍ２（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２），Ｍ３（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）と一義的に結び付けられている。このうち、Ｘ−Ｙ座標情報（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２），（Ｘ３，Ｙ３）は、３つの変位検出部７の設置位置に対応して固定となるので、結局のところ、操作角度変位α及び操作方向βはＺ１，Ｚ２，Ｚ３を独立変数とした関数である。つまり、
α＝α（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３） ‥（１６）
β＝α（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３） ‥（１７）
従って、α、βの値は、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の値を用いて、上記の計算アルゴリズムに従いその都度計算により算出する方式のほか、種々のＺ１，Ｚ２，Ｚ３の値に対応するαとβの値を予め算出して、それぞれ３次元テーブルの形で記憶しておき、得られたＺ１，Ｚ２，Ｚ３に対応するα、βの値を、該テーブルを参照して決定することも可能である。この場合、αとβの値を決定するアルゴリズムには、変位平面ＤＰを演算決定するステップが直接的には含まれなくなるが、テーブルに網羅されるα、βの値は、結局のところ対応する種々のＺ１，Ｚ２，Ｚ３の値を用いて、変位平面ＤＰの幾何学を用いた上記のアルゴリズム（又は、それと数学的に等価なアルゴリズム）により計算されたものには変わりなく、本発明の概念に当然属するものである。

図２（正面断面図）、図３（要部を抽出した平面図）及び図４（分解斜視図）は、図１の操作装置１をさらに機能拡張した操作装置１００を表わすものである。基本構造は操作装置１とほぼ同様であり、共通の構成要素には同一の符号を付与して詳細は繰り返さず、その相違点を中心に詳述する。まず、該操作装置１００の被検知体５において被検知面８Ｃは、基準軸線Ｑに関する周方向に連続的であって、かつ、基準軸線Ｑを法線とする基準平面Ｌに対し予め定められた向きに傾斜する傾斜面として形成されている。操作部４は、基準軸線Ｑを中立軸線Ｎと一致させた状態で基準軸線Ｑ周りに自転操作可能に設けられている。基準軸線Ｑは操作部４の軸線であり、外部からの操作力を解除した状態（中立状態）の該基準軸線Ｑの位置を中立軸線Ｎの位置として定める。図２は、該中立状態での断面図であり、基準軸線Ｑは中立軸線Ｎと一致している。

操作部４を自転操作可能とした場合、被検知面８Ｃを、基準軸線Ｑを法線とする基準平面Ｌに対し予め傾斜させておけば（その傾斜角をα0とする）、基準軸線Ｑを中立軸線Ｎと一致させた状態（以下、中立状態という）で操作部４を自転させるだけで、被検知面８Ｃもその自転位相に応じて傾斜方向βが変化する。この変化は、変位検出部７により検出可能であるから、操作出力情報生成手段（図８：符号２０）は、変位検出部７の変位検出出力Ｚに基づいて、中立軸線Ｎ周りの当該自転操作変位βを反映した情報を操作出力情報として生成することができる。

すなわち、図２〜図４の構成においても、操作部４へ揺動操作変位が加わることで被検知面８Ｃはその揺動方向への傾斜が増大する。このとき、３つの変位検出部７による検出点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３（図９）が決定する変位平面ＤＰは、操作部４の基準軸線Ｑが中立軸線Ｎと一致している状態においても、基準平面Ｌに対し、操作部４の自転位相に応じた向き（β0）に角度α0だけ傾いている。つまり、変位平面ＤＰの法線ベクトルｎは、操作部４が中立状態にある場合でも、操作角度変位α及び操作方向βが、それぞれ初期値α0及び初期値β0だけバイアスされた状態になっている。

そして、中立状態の操作部４に自転操作を加えた場合、操作角度変位α及び操作方向βは、操作部４に揺動操作を加える場合とは異なる変化をする。すなわち、変位平面ＤＰの法線ベクトルｎは、操作角度変位αが初期値α0を保ったまま、操作方向βだけが初期値β0から自転操作角度に応じた角度だけ増加する。これを利用すれば、操作部４に対して行なわれた操作が揺動操作であるか自転操作であるかを互いに識別することができる。

この場合の、前述の操作出力情報生成手段２０による操作認識処理は、揺動操作の場合は、基準軸線Ｑの傾斜方向βと傾斜角度αとの２つが独立に変化するのに対し、自転操作の場合は、被検知面８Ｃの傾斜方向に対応して基準軸線Ｑの傾斜角度αが、初期値α0にほぼ一定に保たれる点に着目することで、例えば、以下のような流れで実施することができる。変位検出部７の変位検出出力Ｚを定期的にサンプリングするとともに、前述の（１３）式及び（１４）式を同様に用いて、中立軸線Ｎ周りにおける操作方向βと操作角度変位αとをその都度演算し、操作方向βと操作角度変位αの初期値α0及びβ0からの変化量をモニタリングする（操作出力情報モニタリング手段）。そして、モニタリングされる操作方向βの初期値β0からの変化量と、操作角度変位αの初期値α0からの変化量とがともに規定範囲を超えて大きくなる場合に、操作部４に揺動操作が加えられたと判定し、モニタリングされる操作角度変位αの初期値α0からの変化量が規定範囲内に収まっており、かつ、操作方向βの初期値β0からの変化量が規定範囲を超えて大きくなる場合に、操作部４に自転操作が加えられたと判定することができる（操作内容判定手段）。

次に、図２〜図４に示す操作装置１００において、操作部４は、基準軸線Ｑを中立軸線Ｎと一致させた状態で該中立軸線Ｎ方向への押圧操作も可能とされている。この場合、操作出力情報生成手段は、３つの変位検出部７の変位検出出力Ｚに基づいて、該中立軸線Ｎ方向への押圧操作変位を反映した情報を操作出力情報として生成することができる。押圧操作の認識を可能とすることで、操作装置１の機能をさらに拡張することができる。

図２に示すように、揺動支持部６は筐体９の底部９Ｂに対し、押圧ストローク確保に必要な隙間を形成した形で弾性部材１０，１３を介してフロート支持されている。これら弾性部材１０，１３は、球状の操作支点部２を筐体９の貫通孔９Ｗの周縁に押し付ける形で付勢する。操作部４に対し、中立軸線Ｎ方向に押圧操作力が加えられると、操作支点部２は弾性部材１０，１３の付勢力に抗して押し下げられる。すると、３つの変位検出部７には同じストロークの押圧変位を生ずる。これを検出することで、操作部４への押圧操作の有無を認識することができる。

この場合、図９の変位平面ＤＰはＺ軸方向に平行移動する形となる。この平行移動量は、前述の（１）式で表わされる平面のＺ軸切片の値ζ＝−Ｄ／Ｃ（数２の（１５）式）により計算することができる。

なお、操作支点部２に揺動操作を加える場合、押圧操作力は付加されていない状態なので、操作支点部２が弾性部材１０，１３により貫通孔９Ｗの周縁に押し付けられた状態で揺動操作がなされる。このとき、該揺動操作による操作支点部２の貫通孔９Ｗの内周面に対する摺動をスムーズにするため、該貫通孔９Ｗの当該内周面を、操作支点部２に対応した凹球状面としてある。さらに、操作支点部２が筐体９側の貫通孔９Ｗに当接する構成となるので、鍔状の被検知体５を操作支点部２の外周面から突出させる形態としている。鍔状の被検知体５の裏面側には、傾斜した被検知面８Ｃを形成するために、該被検知面８Ｃの傾斜方向に肉厚が変化する被検知面形成層８が一体形成されている。

弾性部材１０は、操作部４に揺動操作が加えられた場合、その操作方向に偏った形で横方向への圧縮変位が生じ、揺動操作力が解除された場合は、その弾性復帰力により操作部４を中立位置へ戻す役割を果たす。また、弾性部材１０は、筐体９の底部９Ｂと被検知体５との間に圧縮形態で配置されることで、操作支点部２を貫通孔９Ｗの周縁に押し付け、揺動操作を安定化させる働きもなす。

また、弾性部材１０は、操作部４の自転操作を許容するために、操作部４（操作支点部２）を取り囲むコイルばねとして構成され、その中立軸線Ｎ方向の少なくとも一方の端面が、被検知体５ないし筐体９に対して相対回転摺動が可能に配置されている。本実施形態では、コイルばね１０は、被検知体５の裏面に形成された環状の支持溝８Ｈに先端部が収容され、筐体９の底部９Ｂ上に配置されたばね支持部１１の支持溝１１Ｈに基端部がそれぞれ収容されている。これら支持溝８Ｈ，１１Ｈは、コイルばね１０の組付け位置を規定するとともに、被検知体５とともにコイルばね１０が中立軸線Ｎ周りに連れ回りを起こした場合に、該連れ周りによるコイルばね１０の位置ずれを防止する役割を果たす。なお、支持部１１は、押圧操作による圧縮力が加わった場合に、コイルばね１０に過剰な挫屈を生じないよう、その圧縮ストロークがガイドできるよう、コイルばね１０の基端側を、該コイルばね１０の高さの１／２以上（揺動操作に伴なう横方向への圧縮変位が許容されるよう、上限は例えば３／４以下）の区間にて覆うように形成されている。

一方、弾性部材１３は、筐体９の底部９Ｂと揺動支持部６との間に配置された凸湾曲形態の板ばねであり、操作部４の押圧操作に適度なクリック感を与える働きもなしている。なお、本実施形態では、筐体９の底部９Ｂが、変位検出部７が実装される基板により構成されており、弾性部材１３との間には、該基板保護のための保護プレート１２が配置されている。

図８は、操作装置１００の電気的構成を示すブロック図であり、ＥＣＵ２０の個別のＡ／Ｄ変換ポートには、前述の変位検出部７の出力電圧がそれぞれ入力されている。操作出力情報生成手段の機能は、前述のごとくＥＣＵ２０のＲＯＭ内に格納された制御ソフトウェアにより実現される。図１０は、その処理の流れを示すものである。

まず、Ｓ１では、ＥＣＵ２０のＲＡＭに形成されているα、β及びζのメモリ値をクリア（初期化）し、変位検出部７の変位検出出力値の初期値Ｚ１0，Ｚ２0，Ｚ３0を取得する。初期値Ｚ１0，Ｚ２0，Ｚ３0は、例えば操作部４の自転位相を予め定められた原点位相に合わせ込んだ状態で、操作部４を中立状態（揺動操作も押圧操作も加えていない状態）とした場合の、各変位検出部７の変位検出出力値を予め測定しておき、装置固有のパラメータとして予めＲＯＭ等に格納しておけばよい。Ｓ３では、この初期値Ｚ１0，Ｚ２0，Ｚ３0を用いて、α、β及びζの初期値α0、β0及びζ0を前述の（１３）〜（１５）式により計算し、α、β及びζの各メモリに記憶する。

なお、初期値α0、β0及びζ0自体を装置固有のパラメータとして予めＲＯＭ等に格納しておくこともでき、この場合はこれらα0、β0及びζ0を読み出してα、β及びζのメモリにロードする処理だけで済むので、Ｚ１0，Ｚ２0，Ｚ３0を用いた初期値α0、β0及びζ0の演算処理ステップを省略することができる。

Ｓ４では、現在の変位検出出力Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を各変位検出部７から取得し、Ｓ５で対応するα、β及びζの値を算出して記憶する。Ｓ６では、算出されたα、β及びζの値の初期値α0、β0及びζ0からの変化量Δα、Δβ及びΔζを算出する。次にＳ７では、まず、操作角度変位Δαが下限値Δαminよりも大きくなっているかどうかを判定する。Δαに顕著な変化が現われるのは揺動操作時のみであるから、もし大きくなっていれば揺動操作と判定し、Ｓ８に進んでΔαとΔβとを揺動操作の操作量及び操作方向として出力する。

一方、Ｓ７でΔαが下限値Δαminよりも小さい場合はＳ９に進み、Δζの値が予め定められた下限値Δζminよりも大きくなっていないかを判定する。大きくなっている場合は押圧操作と判定し、Ｓ１０に進んでΔζの値を押圧操作量として出力する（あるいは、押圧操作の有無のみを示すビット出力を行なうようにしてもよい）。

そして、Ｓ９でΔζの値が下限値Δζminよりも小さくなっている場合はＳ１１に進み、Δβの値が予め定められた下限値Δβminよりも大きくなっていないかを判定する。大きくなっている場合は自転操作と判定し、Ｓ１２に進んでΔβの値を自転操作量として出力する。一方、Ｓ１１でΔβが下限値Δβminよりも小さい場合はＳ１３に進み、操作されていないと判定する。なお、Ｓ９でΔζの値が下限値Δζminよりも小さくなっている場合に、Ｓ１１〜Ｓ１３の処理に替え、自転操作の有無によらず、Δβの値を現在の操作部４の自転方向の位相（自転操作位置）として出力する処理を行なってもよい。

このようにして得られた操作情報は、データ通信線を介して、該操作情報を使用する種々のデバイスに分配し、活用することができる。例えば、表示デバイス２１（カーナビゲーション装置のＬＣＤやＥＬパネルなど）上に表示するポインタの移動処理においては、ポインタ移動方向を揺動操作方向により指定することができる。この場合は、揺動操作の方向にかかるΔβの値が表示デバイス２１の制御回路２２あるいはカーナビゲーション装置の制御回路２４に分配される。また、揺動操作量Δαには、ポインタの移動速度などを対応させることが可能である。他方、押圧操作情報Δζは、ポインタ位置の確定処理等に使用することができる。また、自転操作量Δαは、例えばエアコン制御回路２４に分配される設定温度や風量、吹き出し口指定などの指示値に対応付けることができる。また、カーオーディオ装置の音量調整、選曲用のジョグダイアル（選曲確定を押圧操作に対応付けることができる）、あるいはラジオ選曲ダイアル等の情報としても活用できる。

本発明の操作装置の基本的な構成例を要部平面図とともに示す正面断面図。 本発明の操作装置のより具体的な構成例を示す正面断面図。 同じく要部平面図。 同じく分解斜視図。 変位検知部をなすリニア可変抵抗ユニットの正面断面図、及びそのＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図。 リニア可変抵抗ユニットの等価回路図。 リニア可変抵抗ユニットの動作特性の一例を示すグラフ。 図３の操作装置の電気的構成例を示すブロック図。 本発明の操作装置の操作認識原理を示す説明図。 図３の操作装置の操作認識処理の流れの一例を示すフローチャート。 変位検出部の第一変形例を示す縦断面図。 同じく第二変形例を示す縦断面図。 同じく第三変形例を示す縦断面図。

符号の説明

１，１００ 操作装置
４ 操作部
５ 被検知体
Ｑ 基準軸線
Ｎ 中立軸線
Ｏ 揺動中心
６ 揺動支持部
７ 変位検出部
８Ｃ 被検知面
２０ ＥＣＵ（操作出力情報生成手段、操作出力情報モニタリング手段、操作内容判定手段）
７１ 検出変位部
７５ 抵抗導体
７６ 摺動電気接点部
７７ 弾性部材（付勢手段）

Claims (10)

1. ユーザーが手で保持して揺動操作を含む操作を行なう操作部と、
   該操作部に揺動操作力が加えられるに伴い、該操作部の基準軸線が、予め定められた中立軸線から、当該中立軸線に関する４以上の互いに異なる動径方向に、該中立軸線上の予め定められた揺動中心を支点として揺動可能となるよう前記操作部を支持する揺動支持部と、
   前記操作部の外周面から前記基準軸線と交差する向きに延出する形で該操作部と一体揺動可能に配置され、前記基準軸線方向における一方の端面に、該基準軸線に関する周方向に連続的又は断続的な被検知面を形成する被検知体と、
   前記操作部を前記中立軸線周りに取り囲む形態で各々該中立軸線周りの位置が固定となるよう配置され、前記操作部が揺動するに伴い、各々自身に対応する前記被検知面の前記中立軸線方向の変位を検出する３つ以上の変位検出部と、
   該変位検出部の予め定められた３つのものの、前記中立軸線方向の変位検出出力及び該中立軸線周りの配置位置情報を用いて、３つの各変位検出部による前記被検知体の三次元検出位置を決定し、それら３つの三次元検出位置が定める変位平面の情報に基づいて前記操作部に加えられる揺動操作の、少なくとも前記中立軸線周りの操作方向を反映した情報を操作出力情報として生成する操作出力情報生成手段と、
   を備え、
   前記被検知体において前記被検知面は、前記基準軸線に関する周方向に連続的であって、かつ、前記基準軸線を法線とする基準平面に対し予め定められた向きに傾斜する傾斜面として形成され、
   前記操作部は、前記基準軸線周りに自転操作可能に設けられ、
   前記操作出力情報生成手段は、前記変位検出部の変位検出出力に基づいて、前記中立軸線周りの当該自転操作変位を反映した情報を操作出力情報として生成することを特徴とする操作装置。
2. 前記操作出力情報生成手段は、前記変位検出出力に基づいて、前記操作部に加えられる揺動操作による前記基準軸線の前記中立軸線からの操作角度変位を反映した情報を操作出力情報として生成する請求項１記載の操作装置。
3. 前記揺動支持部は、前記操作部の前記基準軸線が前記中立軸線を中心とする任意の動径方向に揺動可能となるよう該操作部を支持するものである請求項１又は請求項２に記載の操作装置。
4. 前記被検知体は前記操作部の外周面から突出する鍔状とされ、前記基準軸線に関する周方向に前記被検知面を連続的に形成するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操作装置。
5. 前記変位検出部は、前記被検知面と当接し該被検知面の揺動に追随して前記中立軸線方向に進退変位する検出変位部を備え、前記検出変位部の前記中立軸線方向の直線変位を検出する請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の操作装置。
6. 前記変位検出部は、前記検出変位部を前記被検知面に押し付ける向きに付勢する付勢手段を有する請求項５記載の操作装置。
7. 前記変位検出部は、前記中立軸線方向において前記検出変位部と一体的に進退する摺動電気接点部と、前記中立軸線方向に形成されるとともに前記摺動電気接点部により抵抗分割される抵抗導体とを有した可変抵抗器を備える請求項５又は請求項６に記載の操作装置。
8. 前記中立軸線と平行に変位検出座標軸を定め、該変位検出座標軸と直交する形で前記変位検出部の固定位置を示す変位検出部固定位置座標平面を定め、それら変位検出座標軸と変位検出部固定位置座標平面とが張る三次元座標空間にて、３つの前記変位検出部の変位検出情報と各変位検出部の固定位置の座標情報とに基づいて、前記被検知面の三次元検出位置を前記三次元座標空間内の３つの空間座標点として表わすとともに、前記操作出力情報生成手段は前記変位平面の情報として、該３つの空間座標点が定める平面の法線ベクトルを該空間座標点の座標値を用いて演算し、その演算結果に基づいて、前記揺動操作の前記中立軸線周りの操作方向と、前記中立軸線からの操作角度変位とを反映した操作出力情報を生成する請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の操作装置。
9. 前記操作出力情報生成手段は、
   前記操作出力情報に反映される、前記揺動操作の前記中立軸線周りの操作方向の初期値からの変化量と、前記操作角度変位の初期値からの変化量とをモニタリングする操作出力情報モニタリング手段と、
   モニタリングされる前記操作方向の初期値からの変化量と、前記操作角度変位の初期値からの変化量とがともに規定範囲を超えて大きくなる場合に、前記操作部に前記揺動操作が加えられたと判定し、モニタリングされる前記操作角度変位の初期値からの変化量が規定範囲内に収まっており、かつ、前記操作方向の初期値からの変化量が規定範囲を超えて大きくなる場合に、前記操作部に前記自転操作が加えられたと判定する操作内容判定手段とを有する請求項８記載の操作装置。
10. 前記操作部は、前記基準軸線を前記中立軸線と一致させた状態で該中立軸線方向への押圧操作が可能であり、
    前記操作出力情報生成手段は、前記変位検出部の変位検出出力に基づいて、該中立軸線方向への押圧操作変位を反映した情報を操作出力情報として生成する請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の操作装置。

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