WO2011155393A1 - 操作入力装置 - Google Patents

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WO2011155393A1
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operation input
input device
magnetic
force
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Inventor
憲一 古河
Original Assignee
ミツミ電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H25/00—Switches with compound movement of handle or other operating part
    • H01H25/04—Operating part movable angularly in more than one plane, e.g. joystick
    • H01H25/041—Operating part movable angularly in more than one plane, e.g. joystick having a generally flat operating member depressible at different locations to operate different controls
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0338—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of limited linear or angular displacement of an operating part of the device from a neutral position, e.g. isotonic or isometric joysticks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H25/041—Operating part movable angularly in more than one plane, e.g. joystick having a generally flat operating member depressible at different locations to operate different controls
    • H01H2025/046—Operating part movable angularly in more than one plane, e.g. joystick having a generally flat operating member depressible at different locations to operate different controls having a spherical bearing between operating member and housing or bezel

Definitions

  • the present invention relates to an operation input device that receives an operation input.
  • an operation input device having an operation unit with an automatic return function is known (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3).
  • the attractive force of the magnet is used to realize the automatic return function.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an operation input device capable of realizing an automatic return function of an operation unit with a simple structure.
  • an operation input device includes a nonmagnetic base, a first magnetic body disposed on the base, and the opposite side of the first magnetic body across the base.
  • a second magnetic body disposed between the first magnetic body and a portion facing the base of the first magnetic body, the same as the magnetic force.
  • a detection unit for detecting tilting of the operation unit.
  • the automatic return function of the operation unit can be realized with a simple structure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the operation input device of the first embodiment in a state where the X (+) side of the direction key is pushed in the Z ( ⁇ ) direction and stroked until the conductive pad comes into contact with the conductive pattern. It is the figure which looked at the conductive pattern from the upper part. It is sectional drawing of the automatic return mechanism in the initial position state where the operation input is not provided.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the automatic return mechanism in an operation state where a direction key is pressed in the X ( ⁇ ) direction. It is sectional drawing of the automatic return mechanism in the position shift state of a direction key. It is a figure for demonstrating the generation principle of the attraction
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the operation input device of the second embodiment in a state where the X (+) side of the direction key is pushed in the Z ( ⁇ ) direction and stroked until the yoke approaches the coil. It is sectional drawing of the automatic return mechanism in the initial position state where the operation input is not provided. It is sectional drawing of the automatic return mechanism in the operation state by which the direction key was pushed to X (+) direction.
  • the operation input device is an operation interface that receives a force from an operator's finger or the like and outputs an output signal that changes in accordance with the received force.
  • An operation input by the operator is detected based on the output signal. By detecting the operation input, it is possible to make the computer grasp the operation content corresponding to the detected operation input.
  • a display object for example, a display provided on such an electronic device (for example, An instruction display such as a cursor or pointer, a character, or the like) can be moved according to the operation content intended by the operator.
  • a desired function of the electronic device corresponding to the operation input can be exhibited.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the operation input device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the operation input device 1 in an initial position state where no operation input is applied.
  • FIG. 3 is an external perspective view of the operation input device 1.
  • the operation input device 1 receives an operator's force input from the Z-axis direction side (upward in the figure) of an orthogonal coordinate system determined by the X, Y, and Z axes. Note that the Z-axis direction is a direction parallel to the Z-axis. Further, “upper” includes diagonally upward, and “lower” includes diagonally downward.
  • the operation input device 1 detects contact between the conductive pads 51 to 54 provided in each direction on the lower surface 43 of the direction key 40 and the conductive patterns 61 to 64 provided in each direction on the upper surface 31 of the substrate 30. It is possible to detect that the direction key 40 is pressed in any direction by an operation input.
  • the operation input device 1 includes a substrate 30, conductive patterns 61 to 64, a permanent magnet 10, a core 20, a coil 70, a direction key 40, and conductive pads 51 to 54 as main components.
  • the substrate 30 is a base portion having an upper surface 31 on which a plurality of conductive patterns (four conductive patterns 61 to 64 in the case of FIG. 1) are arranged.
  • the upper surface 31 is preferably a plane parallel to the XY plane in terms of reducing the height of the operation input device 1.
  • the substrate 30 may be a non-magnetic material, and a specific example thereof is a printed board made of glass epoxy resin.
  • the substrate 30 is fixed inside the case 80.
  • the conductive patterns 61 to 64 are fixed electrodes arranged side by side in a circumferential direction of a virtual circle formed by connecting points having the same distance from the origin O.
  • the origin O is a reference point of a three-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the conductive patterns 61 to 64 are preferably arranged at equal intervals in the circumferential direction from the viewpoint of easy calculation of the operator's force vector.
  • the conductive patterns 61 to 64 are arranged every 90 ° in the circumferential direction in the four directions of X (+), X ( ⁇ ), Y (+), and Y ( ⁇ ).
  • the X ( ⁇ ) direction is 180 ° opposite to the X (+) direction on the XY plane
  • the Y ( ⁇ ) direction is 180 ° opposite to the Y (+) direction on the XY plane.
  • the conductive pattern 61 is disposed on the X axis on the positive side with respect to the origin O
  • the conductive pattern 62 is disposed on the Y axis on the positive side with respect to the origin O
  • the conductive pattern 63 is disposed with respect to the origin O.
  • the conductive pattern 64 is disposed on the negative Y axis with respect to the origin O.
  • the conductive pattern 64 is disposed on the negative X axis.
  • the conductive patterns 61 to 64 may be arranged at 90 ° in the circumferential direction in four directions of 45 ° obliquely in the XY plane sandwiched between the X axis and the Y axis.
  • the conductive pattern 61 is arranged in the first quadrant
  • the conductive pattern 62 is arranged in the second quadrant
  • the conductive pattern 63 is arranged in the third quadrant
  • the conductive pattern 64 is arranged in the fourth quadrant.
  • the permanent magnet 10 is a magnet formed in a cylindrical shape by magnetizing a magnetic material such as iron, and is disposed on the upper surface 31 of the substrate 30.
  • the permanent magnet 10 is fixed to the central portion of the lower surface 43 of the direction key 40 so that the axis S in the Z-axis direction passing through the center of gravity of the permanent magnet 10 passes through the origin O.
  • the upper surface 11 and the lower surface 12 of the permanent magnet 10 are magnetized surfaces.
  • the lower surface 12 is a portion facing the upper surface 31 of the substrate 30.
  • the core 20 and the coil 70 disposed around the core 20 are disposed on the opposite side of the permanent magnet 10 with the substrate 30 interposed therebetween.
  • the core 20 forms an electromagnet as a whole by combining with the coil 70.
  • the core 20 is a columnar magnetic body (for example, iron).
  • the core 20 is fixed to the lower surface 32 of the substrate 30 so that the upper surface 21 of the core 20 faces the lower surface 12 of the permanent magnet 10 across the substrate 30.
  • the core 20 is a magnetic body for generating a magnetic field H exerting a magnetic force F that brings the permanent magnet 10 into contact with the upper surface 31 of the substrate 30 between the lower surface 12 of the permanent magnet 10. That is, the direction of the magnetic force F (the direction of the magnetic field H) is downward in the figure.
  • the direction key 40 receives an operation input in the same direction as the magnetic force F (magnetic field H) (that is, an operation input from the upper side to the lower side in the drawing), whereby the upper surface 31 of the substrate 30 and the permanent magnet 10 are operated.
  • This is an operation unit that tilts together with the permanent magnet 10 located on the Z-axis with the contact part as a fulcrum.
  • the direction key 40 tilts together with the permanent magnet 10 in the X (+/ ⁇ ) and Y (+/ ⁇ ) directions according to the position where the operation is input.
  • the direction key 40 is an operation member provided on the side where the operator's force is input to the substrate 30.
  • the direction key 40 is a plate-shaped disk key, and is disposed above the conductive patterns 61 to 64 provided on the substrate 30.
  • the direction key 40 includes a lower surface 43 facing the upper surface 31 of the substrate 30 on which the conductive patterns 61 to 64 are disposed, and an operation surface 41 on which an operator's force can act (the upper surface of the direction key 40 in the figure). ).
  • the direction key 40 is provided with a flange 42. On the lower surface 43 (in particular, the lower surface of the flange 42) where the direction key 40 faces the substrate 30, the same number of conductive pads 51 to 54 as the plurality of conductive patterns 61 to 64 arranged on the upper surface 31 of the substrate 30 are provided. Is provided.
  • the conductive pads and the conductive patterns are one-on-one, and are a pair of detection units arranged at positions facing each other.
  • the conductive pad is an elastic body having conductivity.
  • the direction key 40 brings the conductive pad into contact with the conductive pattern when the operator's force acts on the operation surface 41 and the lower surface 43 of the direction key 40 approaches the upper surface 31 of the substrate 30.
  • the input direction of the operation input with respect to the origin O can be detected by detecting the contact between the conductive pad and the conductive pattern by any of the four pairs of detection units.
  • the operation input device 1 is attached and supported inside the case 80 so that the direction key 40 fits into a circular opening 81 formed in the upper part of the case 80.
  • the case 80 is a housing of an electronic device such as a mobile phone or a game machine to which the operation input device 1 is attached.
  • the operation input device 1 itself may include a case 80.
  • the case 80 is guided by the opening 81 so that the direction key 40 can tilt downward.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the operation input device 1 in a state where the X (+) side of the direction key 40 is pushed in the Z ( ⁇ ) direction and is stroked until the conductive pad 51 contacts the conductive pattern 61.
  • FIG. 5 is a view of the conductive pattern 61 as viewed from above.
  • the conductive pattern 61 is a conductor such as copper foil, and is divided into at least two or more surfaces (the same applies to the other conductive patterns 62 to 64).
  • FIG. 5 shows two divided surfaces 61 a and 61 b of the conductive pattern 61 formed on the upper surface 31 of the substrate 30.
  • the directional key 40 tilts with the edge B on the X axis positive side of the permanent magnet 10 as a fulcrum by an operation input, when the conductive pad 51 comes into contact with the conductive pattern 61, the divided surfaces 61 a and 61 b are short-circuited via the conductive pad 51. To do.
  • Each of the dividing surfaces 61a and 61b is connected to a detection circuit (not shown).
  • the direction key 40 is pressed at the point of action A on the side where the pair of detection parts composed of the conductive pad 51 and the conductive pattern 61 are arranged with respect to the origin O. Can be detected.
  • the direction key 40 tilts until the flange 42 contacts the inner upper surface 82 of the case 80 on the side opposite to the operation input point A.
  • the conductive pads of the pair of detection portions on the side of the operation point A and the conductive pattern come into contact with each other.
  • the tilt angle of the key 40 may be limited.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the automatic return mechanism in the initial position state where no operation input is given.
  • the directional key 40 in the initial position state is such that the lower surface 12 of the permanent magnet 10 is in close contact with the upper surface 31 of the substrate 30 by the attractive force F generated by the magnetic force (magnetic field) generated between the permanent magnet 10 fixed to the lower surface 43 and the core 20. Therefore, it is always kept parallel to the substrate 30.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the automatic return mechanism in an operation state in which the direction key 40 is pressed in the X (+) direction.
  • the direction key 40 tilts together with the permanent magnet 10 with the edge B on the X axis positive side of the lower surface 12 of the permanent magnet 10 (that is, the portion where the lower surface 12 contacts the upper surface 31 in the X (+) direction with respect to the axis S) as a fulcrum.
  • the direction key 40 is tilted with the edge B on the X axis positive side of the lower surface 12 as a fulcrum, so that the lower surface 12 can be opposed to the upper surface 21 of the core 20 even when the direction key 40 is tilted. it can.
  • the attractive force F between the lower surface 12 and the upper surface 21 is used not only as a force for bringing the permanent magnet 10 into contact with the substrate 30 but also as a force that resists the tilting of the direction key 40 in the direction away from the core 20.
  • the edge B corresponds to one point on the circumference. Even if the permanent magnet 10 and the substrate 30 are in point contact at the edge B in a state where the direction key 40 is tilted, the attraction force F also acts on the edge B, so that the tilt of the direction key 40 can be stabilized. it can. Further, since the contour of the lower surface 12 is a circle, any point on the contour can be used as a fulcrum for tilting the direction key 40. Therefore, since the direction key 40 can be tilted in an arbitrary direction of 360 ° with respect to the origin O, an operation input in an arbitrary direction can be detected.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the automatic return mechanism in an operation state in which the direction key 40 is pressed in the X ( ⁇ ) direction.
  • the fulcrum in this case is the edge C on the X-axis negative side of the lower surface 12 of the permanent magnet 10.
  • the direction key 40 tilted by the operation input in the X ( ⁇ ) direction is returned to the initial position state of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the automatic return mechanism when the direction key 40 is displaced.
  • the permanent magnet 10 is end-face magnetized in a direction perpendicular to the axis of the coil 70.
  • the upper surface 11 of the permanent magnet 10 is magnetized to the S pole
  • the lower surface 12 is magnetized to the N pole.
  • the polarities with which the upper surface 11 and the lower surface 12 are magnetized may be opposite polarities (the upper surface 11 is an N pole and the lower surface 12 is an S pole).
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the generation principle of the suction force F1 generated as the feedback force.
  • a reaction force of a restoring force (attraction force) by the permanent magnet 10 and the core 20 is applied to the fingertip of the operator.
  • a voltage is applied to the coil 70 disposed around the core 20, and a current flows through the coil 70.
  • the direction of the magnetic field H1 generated by the end face magnetized permanent magnet 10 and the direction of the magnetic field H2 generated by the coil 70 are substantially the same.
  • the force for attracting the magnet 10 is stronger than in a state where no current is passed through the coil 70.
  • the waveform of the current flowing through the coil 70 may be a direct current or a rectangular wave. Moreover, a sine wave, a triangular wave, and a sawtooth wave may be sufficient.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the generation principle of the repulsive force F2 generated as the feedback force.
  • a voltage is applied to the coil 70 disposed around the core 20 in the direction opposite to that shown in FIG. Then, since the current flows in the direction shown in FIG. 11, the direction of the magnetic field H1 generated by the end face magnetized permanent magnet 10 and the direction of the magnetic field H2 generated by the coil 70 are substantially opposite.
  • a repulsive force is generated between the magnet 10 and the coil 70 (core 20). Accordingly, the magnitude of the upward reaction force applied to the fingertip of the operator is reduced, and the change in the reduced force is transmitted to the operator. This changing force is used as a feedback force.
  • the waveform of the current flowing through the coil 70 may be a direct current or a rectangular wave. Moreover, a sine wave, a triangular wave, and a sawtooth wave may be sufficient.
  • the repulsive force F2 generated between the tilted permanent magnet 10 and the coil 70 (core 20) is not completely perpendicular to the XY plane, a direction parallel to the XY plane is generated. Deviation in direction.
  • the lateral repulsive force F3 that shifts the permanent magnet 10 has an effect of giving the operator a feeling of stimulating the fingertip of the operator by friction between the fingertip of the operator and the direction key 40.
  • FIG. 12 is a view showing a recess 33 for preventing the displacement of the permanent magnet 10.
  • FIG. 13 is a view showing a sheet 34 for preventing the displacement of the permanent magnet 10.
  • a mat-like sheet 34 (for example, a rubber sheet) having a high coefficient of friction that does not cause displacement of the permanent magnet 10 is fixed to the upper surface 31 of the substrate 30. Thereby, the shift
  • FIG. 14 is an exploded perspective view of the operation input device 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the operation input device 2 in an initial position state where no operation input is applied. The description of the same parts as those in the above embodiment is omitted.
  • an inductance L of an inductor such as a coil (winding) has a coefficient K, a permeability ⁇ , a coil winding number n, a cross-sectional area S, and a magnetic path length d.
  • K K ⁇ n 2 S / d
  • the operation input device 2 detects the inductance of the coil installed on the substrate 30 so as to face the yoke installed on the direction key 40, thereby determining the stroke amount when the direction key 40 is displaced downward by the operation input. It is something that can be detected.
  • the conductive pattern of the operation input device 1 is replaced with a coil, and the conductive pad of the operation input device 1 is replaced with a yoke.
  • the conductive pattern of the operation input device 1 may be replaced with a yoke, and the conductive pad of the operation input device 1 may be replaced with a coil.
  • FIG. 14 shows coils 91a to 94a and yokes 91b to 94b.
  • the yoke may be made of a material having a relative permeability higher than 1.
  • the relative magnetic permeability is preferably 1.001 or more, specifically, a steel plate (relative magnetic permeability 5000) or the like is preferable.
  • the yoke can be integrated with ferrite or the like instead of being separated from the direction key 40.
  • the substrate 30 is a non-magnetic substrate made of resin.
  • the yoke 91b changes in the direction in which the inductance of the coil 91a increases as the yoke 91b approaches the coil 91a. Changes in the direction in which the inductance of the coil 93a decreases as the distance from the coil 93a increases. Therefore, by measuring the correspondence between the tilt amount of the direction key 40 and the inductance of each coil in advance, the predetermined operation input detection device corresponds to the measured inductance according to the correspondence measured in advance. The amount of tilt of the direction key 40 can be detected. Thereby, it is also possible to generate a feedback force corresponding to the tilt amount (analog amount) of the direction key 40 by adjusting the current flowing through the coil 70 based on the tilt amount (analog amount) of the direction key 40. .
  • the permanent magnet 10 is illustrated as the first magnetic body disposed at the base of the nonmagnetic material
  • the core 20 is illustrated as the second magnetic body on the opposite side of the first magnetic body with the base interposed therebetween.
  • the second magnetic body may be magnetized without the first magnetic body being magnetized, or both magnetic bodies may be magnetized.
  • a coil may be wound around the first magnetic body so that a change in the magnetic field can be caused to function as an electromagnet as a whole.
  • FIG. 19 and FIG. 20 are examples of other embodiments of the first magnetic body.
  • the surface of the permanent magnet 110 facing the substrate 30 (that is, the lower surface 112) is a spherical surface.
  • the direction key 40 always adheres to the upper surface 31 of the substrate 30 because the lower surface 112 of the permanent magnet 110 is brought into close contact with the upper surface 31 of the substrate 30 by the attractive force F generated by the magnetic force generated between the permanent magnet 110 fixed to the lower surface 43 and the core 20. Is maintained parallel to Since the lower surface 112 is a spherical surface, the permanent magnet 110 and the substrate 30 are in contact with each other at a contact point D. Then, as shown in FIG.
  • a point E on the X-axis positive arc of the lower surface 112 of the permanent magnet 110 that is, the lower surface 112 contacts the upper surface 31 of the substrate 30 in the X (+) direction with respect to the axis S.
  • the direction key 40 tilts together with the permanent magnet 110, with the portion to be supported as a fulcrum.
  • the suction force F can be used as a force that resists the tilting of the direction key 40 in the direction away from the core 20. That is, an automatic home position return mechanism that returns the direction key 40 tilted by the operation input in the X (+) direction to the initial position state of FIG. 19 is realized with a simple configuration.
  • the shape of the portion where the first magnetic body is opposed to the base portion of the non-magnetic body is a circle in the above-described embodiment, but may be a polygon such as a quadrangle or an octagon.
  • the direction key tilts together with the first magnetic body with the side of the polygon as a fulcrum.
  • the shape of the portion where the first magnetic body faces the base of the non-magnetic body may be concave. In this case, the concave contour contacts the base, and the direction key tilts together with the first magnetic body with the point on the contour as a fulcrum.
  • disk-shaped direction key 40 is illustrated as an operation unit that receives an operation input, the input direction is not limited to four directions.
  • the operation unit may be operable in any direction of 360 °.
  • the configuration in which the tilt of the direction key 40 is detected by detecting contact between the conductive pad and the conductive pattern and the configuration in which the tilt of the direction key 40 is detected by detecting a change in inductance are exemplified.
  • the configuration of the detection unit that detects the tilt of 40 is not limited to these configurations.
  • the amount of tilt of the direction key 40 is detected by detecting a change in electrostatic capacitance between the movable electrode fixed to the lower surface 43 of the direction key 40 and the fixed electrode fixed to the upper surface 31 of the substrate 30. It may be configured.
  • the operation input device is not limited to fingers and may be operated with the palm of the hand. Moreover, you may operate with a toe or a sole.
  • the surface touched by the operator may be a flat surface, a concave surface, or a convex surface.

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Abstract

　操作入力装置は、非磁性体の基部と、前記基部に配置された第１の磁性体と、前記基部を挟んで前記第１の磁性体の反対側に配置され、前記第１の磁性体を前記基部に接触させる磁力を前記第１の磁性体の前記基部との対向部位との間に発生させるための第２の磁性体と、前記磁力と同じ向きの操作入力が作用することにより、前記対向部位の中心に対し前記操作入力の作用点側の前記対向部位が前記基部に接触する部位を支点として、前記第１の磁性体と共に傾動する操作部と、前記操作部の傾動を検出する検出部とを備える。

Description

操作入力装置
　本発明は、操作入力を受ける操作入力装置に関する。
　従来、操作部に自動復帰機能を備えた操作入力装置が知られている（例えば、特許文献１、２、３を参照）。これらの操作入力装置では、自動復帰機能の実現に、磁石の吸引力が利用されている。
特開２００６－２７７９８１号公報 特開平９－２６５８７３号公報 特開平８－１８５２５７号公報
　近年、軽量化やコスト削減等の要求から、操作入力を受ける操作部の自動復帰機構の簡素化が求められている。
　本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、操作部の自動復帰機能を簡単な構造で実現できる操作入力装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するため、本発明の操作入力装置は、非磁性体の基部と、前記基部に配置された第１の磁性体と、前記基部を挟んで前記第１の磁性体の反対側に配置され、前記第１の磁性体を前記基部に接触させる磁力を前記第１の磁性体の前記基部との対向部位との間に発生させるための第２の磁性体と、前記磁力と同じ向きの操作入力が作用することにより、前記対向部位の中心に対し前記操作入力の作用点側の前記対向部位が前記基部に接触する部位を支点として、前記第１の磁性体と共に傾動する操作部と、前記操作部の傾動を検出する検出部とを備えることを特徴とする。
　本発明の操作入力装置によれば、操作部の自動復帰機能を簡単な構造で実現できる。
本発明の第１の実施形態の操作入力装置の分解斜視図である。 操作入力が作用していない初期位置状態における第１の実施形態の操作入力装置の断面図である。 第１の実施形態の操作入力装置の外観斜視図である。 方向キーのＸ（＋）側をＺ（－）方向に押し込んで、導電パッドが導電パターンに接触するまでストロークさせた状態における第１の実施形態の操作入力装置の断面図である。 導電パターンを上方から見た図である。 操作入力が付与されていない初期位置状態における自動復帰機構の断面図である。 方向キーがＸ（＋）方向に押された操作状態における自動復帰機構の断面図である。 方向キーがＸ（－）方向に押された操作状態における自動復帰機構の断面図である。 方向キーの位置ずれ状態における自動復帰機構の断面図である。 フィードバック力としての吸引力の発生原理を説明するための図である。 フィードバック力としの反発力の発生原理を説明するための図である。 永久磁石の位置ずれを防止するための凹部を示した図である。 永久磁石の位置ずれを防止するためのシートを示した図である。 本発明の第２の実施形態の操作入力装置の分解斜視図である。 操作入力が作用していない初期位置状態における第２の実施形態の操作入力装置の断面図である。 ヨークとコイルからなる検出部の断面図である。 ヨークとコイルからなる検出部の断面斜視図である。 方向キーのＸ（＋）側をＺ（－）方向に押し込んで、ヨークがコイルに近づくまでストロークさせた状態における第２の実施形態の操作入力装置の断面図である。 操作入力が付与されていない初期位置状態における自動復帰機構の断面図である。 方向キーがＸ（＋）方向に押された操作状態における自動復帰機構の断面図である。
　本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。
　本発明の一実施形態の操作入力装置は、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、家庭用又は携帯可能なゲーム機、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。
　図１は、本発明の第１の実施形態の操作入力装置１の分解斜視図である。図２は、操作入力が作用していない初期位置状態における操作入力装置１の断面図である。図３は、操作入力装置１の外観斜視図である。操作入力装置１は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸によって定まる直交座標系のＺ軸方向側（図上、上方）から入力される操作者の力を受け付けるものである。なお、Ｚ軸方向は、Ｚ軸に平行な方向である。また、「上方」とは、斜め上方を含むものとし、「下方」とは、斜め下方を含むものとする。
　操作入力装置１は、方向キー４０の下面４３に各方向に設けられた導電パッド５１～５４と基板３０の上面３１に各方向に設けられた導電パターン６１～６４との接触を検出することによって、操作入力によって方向キー４０がいずれかの方向に押されたことを検知可能にするものである。
　操作入力装置１は、主な構成要素として、基板３０と、導電パターン６１～６４と、永久磁石１０と、コア２０と、コイル７０と、方向キー４０と、導電パッド５１～５４とを備える。
　基板３０は、複数の導電パターン（図１の場合、４個の導電パターン６１～６４）が配置される上面３１を有する基部である。上面３１は、操作入力装置１の低背化の点で、ＸＹ平面に平行な平面であることが好ましい。基板３０は、非磁性体であればよく、その具体例として、ガラスエポキシ樹脂製のプリント基板が挙げられる。基板３０は、ケース８０の内側に固定される。
　導電パターン６１～６４は、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んで配置された固定電極である。原点Ｏは、三次元の直交座標系の基準点である。導電パターン６１～６４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。導電パターン６１～６４は、Ｘ（＋）、Ｘ（－）、Ｙ（＋）、Ｙ（－）の４方向に、円周方向に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。導電パターン６１は、原点Ｏに対して正側のＸ軸上に配置され、導電パターン６２は、原点Ｏに対して正側のＹ軸上に配置され、導電パターン６３は、原点Ｏに対して負側のＸ軸上に配置され、導電パターン６４は、原点Ｏに対して負側のＹ軸上に配置されている。
　なお、導電パターン６１～６４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、導電パターン６１は第１象限に配置され、導電パターン６２は第２象限に配置され、導電パターン６３は第３象限に配置され、導電パターン６４は第４象限に配置される。
　永久磁石１０は、鉄等の磁性体を着磁して円柱状に形成された磁石であって、基板３０の上面３１に配置される。永久磁石１０は、永久磁石１０の重心を通るＺ軸方向の軸Ｓが原点Ｏを通るように、方向キー４０の下面４３の中央部に固定されている。永久磁石１０の上面１１及び下面１２が、着磁面である。下面１２は、基板３０の上面３１と対向する部位である。永久磁石１０が基板３０に接触する下面１２を平面にすることによって、操作入力装置１を低背化できるとともに、初期位置状態における方向キー４０の位置を安定化できる。
　コア２０及びコア２０の周囲に配置されたコイル７０は、基板３０を挟んで永久磁石１０の反対側に配置される。コア２０は、コイル７０との組み合わせによって、全体として電磁石を形成する。コア２０は、円柱状の磁性体（例えば、鉄）である。コア２０の上面２１が基板３０を挟んで永久磁石１０の下面１２に正対するように、コア２０は基板３０の下面３２に固定される。コア２０は、永久磁石１０を基板３０の上面３１に接触させる磁力Ｆを及ぼす磁界Ｈを、永久磁石１０の下面１２との間に発生させるための磁性体である。すなわち、磁力Ｆの向き（磁界Ｈの向き）は、図上、下向きである。
　方向キー４０は、磁力Ｆ（磁界Ｈ）と同じ向きの操作入力（すなわち、図上、上方から下方に向けての操作入力）が作用することにより、基板３０の上面３１と永久磁石１０との接触部位を支点として、Ｚ軸上に位置する永久磁石１０と共に傾動する操作部である。方向キー４０は、操作入力される位置に応じて、Ｘ（＋／－）、Ｙ（＋／－）の方向に、永久磁石１０と共に傾動する。
　方向キー４０は、基板３０に対して操作者の力が入力されてくる側に設けられた操作部材である。方向キー４０は、板状の円盤キーであって、基板３０に設けられた導電パターン６１～６４の上側に配置される。方向キー４０は、導電パターン６１～６４が配置された基板３０の上面３１に対向している下面４３と、操作者の力が作用しうる操作面４１（図上、方向キー４０の上側の面）とを有している。
　方向キー４０には、フランジ４２が設けられている。方向キー４０が基板３０と対向している下面４３（特には、フランジ４２の下面）には、基板３０の上面３１に配置された複数の導電パターン６１～６４と同数の導電パッド５１～５４が設けられている。導電パッドと導電パターンは、一対一で、互いに対向する位置に配置された一対の検出部である。導電パッドは、導電性を有する弾性体である。方向キー４０は、操作者の力が操作面４１に作用することにより、方向キー４０の下面４３が基板３０の上面３１に近づくことによって、導電パッドを導電パターンに接触させる。４組ある一対の検出部のいずれかで導電パッドと導電パターンとの接触が検出されることによって、原点Ｏに対する操作入力の入力方向を検知することができる。
　操作入力装置１は、方向キー４０がケース８０の上部に形成された円状の開口部８１に嵌合するように、ケース８０の内側に取り付けられて支持されている。ケース８０は、操作入力装置１が取り付けられる携帯電話やゲーム機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８０を備えていてもよい。ケース８０は、開口部８１によって、方向キー４０を下方に向けて傾動可能にガイドする。
　次に、操作入力装置１の動きについて説明する。
　図４は、方向キー４０のＸ（＋）側をＺ（－）方向に押し込んで、導電パッド５１が導電パターン６１に接触するまでストロークさせた状態における操作入力装置１の断面図である。図５は、導電パターン６１を上方から見た図である。導電パターン６１は、銅箔等の導体であり、少なくとも２面以上の複数の面に分割されている（他の導電パターン６２～６４も同様）。図５には、基板３０の上面３１に形成された導電パターン６１の２つの分割面６１ａ、６１ｂが示されている。
　操作入力によって方向キー４０が永久磁石１０のＸ軸正側のエッジＢを支点として傾動することにより、導電パッド５１が導電パターン６１に接触すると、分割面６１ａと６１ｂが導電パッド５１を介して短絡する。分割面６１ａと６１ｂのそれぞれは、不図示の検知回路に接続される。この短絡を検知回路が検知することによって、方向キー４０が、原点Ｏに対して、導電パッド５１及び導電パターン６１から構成される一対の検出部が配置されている側の作用点Ａで押されたことを検知することができる。方向キー４０は、操作入力の作用点Ａの反対側においてフランジ４２がケース８０の内側上面８２に当接するまで傾動する。又は、操作入力の作用点Ａの反対側においてフランジ４２がケース８０の内側上面８２に当接する手前で、作用点Ａ側の一対の検出部の導電パッドと導電パターンとが当接することによって、方向キー４０の傾動角度が制限されてもよい。
　次に、図６～図９に従って、方向キー４０の初期位置状態への自動復帰機能について説明する。
　図６は、操作入力が付与されていない初期位置状態における自動復帰機構の断面図である。初期位置状態における方向キー４０は、下面４３に固定された永久磁石１０とコア２０との間で発生する磁力（磁界）による吸引力Ｆによって永久磁石１０の下面１２が基板３０の上面３１に密着するため、常に基板３０に対して平行に維持される。
　図７は、方向キー４０がＸ（＋）方向に押された操作状態における自動復帰機構の断面図である。永久磁石１０の下面１２のＸ軸正側のエッジＢ（すなわち、下面１２が軸Ｓに対しＸ（＋）方向の上面３１に接触する部位）を支点として、方向キー４０は永久磁石１０と共に傾動する。図示の通り、方向キー４０が下面１２のＸ軸正側のエッジＢを支点として傾動していることにより、方向キー４０が傾動した状態でも、下面１２をコア２０の上面２１に対向させることができる。そのため、下面１２と上面２１との間の吸引力Ｆを、永久磁石１０を基板３０に接触させる力として利用するだけでなく、コア２０から離れる方向への方向キー４０の傾動に抗する力としても利用できる。すなわち、Ｘ（＋）方向の操作入力により傾動した方向キー４０を図６の初期位置状態に復帰させる自動の原点復帰機構を簡素な構成で実現している。
　なお、円柱状の永久磁石１０の底面（すなわち、下面１２）の輪郭は円のため、エッジＢはその円周上の一点に相当する。方向キー４０が傾いた状態で、永久磁石１０と基板３０とがエッジＢにおいて点接触であっても、吸引力ＦがエッジＢにも働いているため、方向キー４０の傾動を安定させることができる。また、下面１２の輪郭が円のため、その輪郭上の任意の点を方向キー４０の傾動の支点とすることができる。そのため、方向キー４０を原点Ｏに対し３６０°任意の方向に傾けることができるので、任意の方向の操作入力を検知可能にすることができる。
　図８は、方向キー４０がＸ（－）方向に押された操作状態における自動復帰機構の断面図である。この場合の支点は、永久磁石１０の下面１２のＸ軸負側のエッジＣである。この場合でも同様に、Ｘ（－）方向の操作入力により傾動した方向キー４０を図６の初期位置状態に復帰させる作用がある。
　図９は、方向キー４０の位置ずれ状態における自動復帰機構の断面図である。永久磁石１０の下面１２の径とコア２０の上面２１の径を略同一にすることによって、方向キー４０が基板３０に対して相対的にＸＹ平面上で位置ずれを起こしても、永久磁石１０とコア２０のそれぞれの軸中心が重なるように吸引力Ｆが発生するので、そのような位置ずれに対しても図６の初期位置状態に復帰させる作用がある。
　次に、操作入力装置１が操作者の指先に対して強制的な負荷（フィードバック力）を方向キー４０を介して付与する原理について、図１０と図１１を参照しながら説明する。フィードバック力を発生させるため、永久磁石１０には、コイル７０の軸に対して垂直な方向に端面着磁が施されている。例えば、永久磁石１０の上面１１は、Ｓ極に着磁され、下面１２は、Ｎ極に着磁される。上面１１と下面１２が着磁される極性は、逆の極性であってもよい（上面１１がＮ極、下面１２がＳ極）。
　図１０は、フィードバック力として生成される吸引力Ｆ１の発生原理を説明するための図である。方向キー４０が傾動した状態では、永久磁石１０とコア２０による復帰力（吸引力）の反力が操作者の指先に付与されている。このとき、コア２０周辺に配置されたコイル７０に電圧を印加し、コイル７０に電流を流す。例えば、図１０に示す方向に電流を流した場合、端面着磁された永久磁石１０により発生している磁界Ｈ１の向きとコイル７０により発生している磁界Ｈ２の向きが略同一のため、永久磁石１０を吸引する力はコイル７０に電流を流していない状態に比較して強くなる。したがって、操作者の指先に付与されている上向きの反力の大きさは増加し、その増加分の力の変化が操作者に伝わる。この変化する力がフィードバック力として利用される。コイル７０に流す電流の波形は、直流でも矩形波でもよい。また、正弦波、三角波、のこぎり波でもよい。
　図１１は、フィードバック力として生成される反発力Ｆ２の発生原理を説明するための図である。コア２０周辺に配置されたコイル７０に、図１０の場合とは逆向きに電圧を印加して、電流を流す。そうすると、図１１に示す方向に電流が流れることから、端面着磁された永久磁石１０により発生している磁界Ｈ１の向きとコイル７０により発生している磁界Ｈ２の向きが略反対のため、永久磁石１０とコイル７０（コア２０）間で反発力が発生する。したがって、操作者の指先に付与されている上向きの反力の大きさは減少し、その減少分の力の変化が操作者に伝わる。この変化する力がフィードバック力として利用される。上記同様、コイル７０に流す電流の波形は、直流でも矩形波でもよい。また、正弦波、三角波、のこぎり波でもよい。
　また、傾動した永久磁石１０とコイル７０（コア２０）間で発生した反発力Ｆ２は、ＸＹ平面に対して完全には垂直でないため、ＸＹ平面に平行な方向が発生し、永久磁石１０がその方向にずれる。永久磁石１０をずらす横反発力Ｆ３は、操作者の指先と方向キー４０との摩擦によって、操作者の指先への刺激を与える感触を操作者に与える効果がある。
　また、図１０と図１１に示す方向の電流を交互にコイル７０に流すことにより、吸引力Ｆ１の増加と反発力Ｆ２の発生を繰り返して、操作者の指先に刺激を与えることができる。また、コイル７０に流す電流の大きさを変化させることによって、吸引力Ｆ１や反発力Ｆ２や横反発力Ｆ３の大きさを変化させることができる。つまり、コイル７０に流れる電流の電流値を増加させれば、これらの力を強くすることができ、電流値を減少させれば、これらの力を弱くすることができる。
　図１２は、永久磁石１０の位置ずれを防止するための凹部３３を示した図である。永久磁石１０の直径よりもわずかに大きい（方向キー４０及び永久磁石１０を傾けることが可能な）凹部３３を基板３０の上面３１に設けることによって、永久磁石１０の位置ずれを防止することができる。
　図１３は、永久磁石１０の位置ずれを防止するためのシート３４を示した図である。永久磁石１０の位置ずれが生じない摩擦係数の高いマット状のシート３４（例えば、ゴムシート）を、基板３０の上面３１に固定する。これにより、永久磁石１０の支点位置のずれを防ぐことができる。
　図１４は、本発明の第２の実施形態の操作入力装置２の分解斜視図である。図１５は、操作入力が作用していない初期位置状態における操作入力装置２の断面図である。上述の実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
　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＝Ｋμｎ２Ｓ／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。
　操作入力装置２は、方向キー４０に設置されたヨークに対向するように基板３０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４０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。
　つまり、操作入力装置２は、操作入力装置１の導電パターンをコイルに置き換え、操作入力装置１の導電パッドをヨークに置き換えたものである。操作入力装置１の導電パターンをヨークに置き換え、操作入力装置１の導電パッドをコイルに置き換えてもよい。図１４には、コイル９１ａ～９４ａ及びヨーク９１ｂ～９４ｂが示されている。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）などが好ましい。ヨークは、方向キー４０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。基板３０は、樹脂製の非磁性体基板である。方向キー４０が傾動し、コイルにヨークが近づくと、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。これを電気的に検出することによって、方向キー４０の傾動動作が検出可能となる。
　すなわち、方向キー４０がＸ（＋）方向側の操作面４１が押されると（図１８）、ヨーク９１ｂがコイル９１ａに近づくことによりコイル９１ａのインダクタンスが増加する方向に変化する一方で、ヨーク９３ｂがコイル９３ａから離れることによりコイル９３ａのインダクタンスが減少する方向に変化する。したがって、方向キー４０の傾動量と各コイルのインダクタンスとの対応関係を予め測定しておくことによって、所定の操作入力検知装置は、予め測定されたその対応関係に従って、計測されたインダクタンスに対応する方向キー４０の傾動量を検知できる。これにより、方向キー４０の傾動量（アナログ量）に基づいてコイル７０に流す電流を調整することによって、方向キー４０の傾動量（アナログ量）に応じたフィードバック力を発生させることも可能である。
　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。また、上述の複数の実施形態それぞれの一部を組み合わせて構成された別の実施形態も考えられ得る。
　例えば、非磁性体の基部に配置される第１の磁性体として永久磁石１０を例示し、その基部を挟んで第１の磁性体の反対側の第２の磁性体としてコア２０を例示した。この点、第１の磁性体と第２の磁性体との間に、第１の磁性体を基部に接触させる磁力を発生させるためには、第１の磁性体と第２の磁性体の少なくとも一方が着磁されていればよいので、第１の磁性体が着磁されずに第２の磁性体が着磁されていてもよいし、その両方の磁性体が着磁されていてもよい。また、磁界の変化を起こすことができるように、第１の磁性体にコイルが巻いて、全体として電磁石として機能させてもよい。
　また、図１９と図２０は、第１の磁性体の他の実施形態の例である。永久磁石１１０の基板３０との対向面（すなわち、下面１１２）は、球面である。方向キー４０は、下面４３に固定された永久磁石１１０とコア２０との間で発生する磁力による吸引力Ｆによって、永久磁石１１０の下面１１２は基板３０の上面３１に密着するため、常に基板３０に対して平行に維持される。下面１１２は球面のため、永久磁石１１０と基板３０は接点Ｄで接している。そして、図２０に示されるように、永久磁石１１０の下面１１２のＸ軸正側の円弧上の点Ｅ（すなわち、下面１１２が軸Ｓに対しＸ（＋）方向の基板３０の上面３１に接触する部位）を支点として、方向キー４０は永久磁石１１０と共に傾動する。
　このように、下面１１２の中心に対し操作入力の作用点側の接点Ｅを支点として、方向キー４０が永久磁石１１０と共に傾動するので、永久磁石１１０を基板３０に接触させる力としてだけでなく、コア２０から離れる方向への方向キー４０の傾動に抗する力として、吸引力Ｆを利用することができる。すなわち、Ｘ（＋）方向の操作入力により傾動した方向キー４０を図１９の初期位置状態に復帰させる自動の原点復帰機構を簡素な構成で実現している。
　また、第１の磁性体が非磁性体の基部に対向している部位の形状は、上述の実施例では円であったが、四角形や八角形などの多角形でもよい。この場合、多角形の辺を支点として、方向キーは第１の磁性体と共に傾動する。また、第１の磁性体が非磁性体の基部に対向している部位の形状は、凹面でもよい。この場合、凹面の輪郭が基部に接触し、その輪郭上の点を支点として、方向キーは第１の磁性体と共に傾動する。
　また、操作入力を受ける操作部として、円盤状の方向キー４０を例示したが、入力方向は４方向に限らない。当該操作部は、３６０°の任意の方向に操作可能なものでもよい。
　また、導電パッドと導電パターンとの接触を検知することにより方向キー４０の傾動を検出する構成と、インダクタンスの変化を検知することにより方向キー４０の傾動を検出する構成を例示したが、方向キー４０の傾動を検出する検出部の構成は、これらの構成に限らない。例えば、方向キー４０の下面４３に固定された可動電極と基板３０の上面３１に固定された固定電極との間の静電容量の変化を検知することにより、方向キー４０の傾動量を検出する構成でもよい。
　また、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。
　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。
　本国際出願は、２０１０年６月８日に出願された日本国特許出願２０１０－１３１３８２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１０－１３１３８２号の全内容を本国際出願に援用する。

Claims (8)

  1. 　非磁性体の基部と、
    　前記基部に配置された第１の磁性体と、
    　前記基部を挟んで前記第１の磁性体の反対側に配置され、前記第１の磁性体を前記基部に接触させる磁力を前記第１の磁性体の前記基部との対向部位との間に発生させるための第２の磁性体と、
    　前記磁力と同じ向きの操作入力が作用することにより、前記対向部位の中心に対し前記操作入力の作用点側の前記対向部位が前記基部に接触する部位を支点として、前記第１の磁性体と共に傾動する操作部と、
    　前記操作部の傾動を検出する検出部と、
    を備えることを特徴とする操作入力装置。
  2. 　前記第２の磁性体の周囲にコイルを備え、
    　前記コイルに印加する電圧に応じて、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に発生する磁力が調整されることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
  3. 　前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に反発力を発生させる電圧が前記コイルに印加されることを特徴とする請求項２に記載の操作入力装置。
  4. 　前記反発力が前記操作部が傾動した状態で発生することを特徴とする請求項３に記載の操作入力装置。
  5. 　前記第１の磁性体が磁石であることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
  6. 　前記第１の磁性体の前記対向部位の形状が平面であることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
  7. 　前記第１の磁性体の前記対向部位の輪郭が円であることを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
  8. 　前記第１の磁性体の前記対向部位の大きさが、前記第１の磁性体の前記対向部位に対する前記第２の磁性体の対向部分の大きさと略等しいことを特徴とする請求項１に記載の操作入力装置。
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