(57)【要約】【課題】本発明の目的は、押下検出感度が安定な操作入力装置を提供する。【解決手段】ベース部７０に対して押下操作される操作部としての操作パネル１０と、ベース部７０に支持され、操作パネル１０への押下操作により荷重を受け、この荷重により電圧を出力すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子２０と、押下操作によるオンオフ判定を行なう判定部４２、及び、オンオフ判定の閾値Ｖｔｈを所定の演算により算出する閾値算出部４１を備える制御部４０と、を有し、閾値算出部４１は、圧電素子２０の初期状態における静電容量値である初期静電容量値Ｃ０と現在状態における静電容量値である現在静電容量値Ｃ１に基づいて、所定の演算を実行するように構成する。これにより、押下検出感度が安定な操作入力装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部に対して押下操作される操作部と、
前記ベース部に支持され、前記操作部への押下操作により荷重を受け、前記荷重により電圧を出力すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子と、
前記押下操作によるオンオフ判定を行なう判定部、及び、前記オンオフ判定の閾値を所定の演算により算出する閾値算出部を備える制御部と、を有し、
前記閾値算出部は、前記圧電素子の初期状態における静電容量値である初期静電容量値と現在状態における静電容量値である現在静電容量値に基づいて、前記所定の演算を実行する、操作入力装置。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記ベース部と前記操作部との間に挟まれて装着されている、請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記所定の演算は、前記初期静電容量値と前記現在静電容量値との差分を変数とする関数として算出する、請求項１又は２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記閾値算出部は、操作入力装置の起動時において前記所定演算を実行する、請求項１から３のいずれか１項に記載の操作入力装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記現在静電容量値に基づいて、前記圧電素子に駆動電圧を印加して前記操作部に対して振動呈示を行なう、請求項１から４のいずれか１項に記載の操作入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子へ荷重を加えることによって発生する電圧により、押下操作を判断する操作入力装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この操作入力装置は、圧電素子をベース部と指で押下するための操作部との間に装着し、操作部を指で押下することにより圧電素子に機械的ストレスを加える構成とされている。この操作入力装置は、予め定められた期間内に圧電素子の出力電圧を測定する手段と、測定された出力電圧の安定度を判別する手段と、を備え、これらの手段により、指による操作に対しての判断を行なうものとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５３０３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術において、圧電素子は、ベース部と指で押下するための操作部との間に挟み込んで装着して組み付けられている。圧電素子とベース部、操作部との挟み込み量は、寸法公差や環境温度により変動する。また、圧電素子は、温度特性も有する。これらの要因により、組付け後において圧電素子の静電容量値が変動し、押下時の圧電素子の出力電圧がばらつく。したがって、固定の閾値では、押下の検出感度が変わってしまうという問題があった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、押下検出感度が安定な操作入力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、ベース部に対して押下操作される操作部と、前記ベース部に支持され、前記操作部への押下操作により荷重を受け、前記荷重により電圧を出力すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子と、前記押下操作によるオンオフ判定を行なう判定部、及び、前記オンオフ判定の閾値を所定の演算により算出する閾値算出部を備える制御部と、を有し、前記閾値算出部は、前記圧電素子の初期状態における静電容量値である初期静電容量値と現在状態における静電容量値である現在静電容量値に基づいて、前記所定の演算を実行する、操作入力装置を提供する。
［２］前記圧電素子は、前記ベース部と前記操作部との間に挟まれて装着されている、上記［１］に記載の操作入力装置であってもよい。
［３］また、前記所定の演算は、前記初期静電容量値と前記現在静電容量値との差分を変数とする関数として算出する、上記［１］又は［２］に記載の操作入力装置であってもよい。
［４］また、前記閾値算出部は、操作入力装置の起動時において前記所定演算を実行する、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の操作入力装置であってもよい。
［５］また、前記制御部は、前記現在静電容量値に基づいて、前記圧電素子に駆動電圧を印加して前記操作部に対して振動呈示を行なう、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の操作入力装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の操作入力装置によれば、押下検出感度を安定なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置の概略構成を示すブロック構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置１の動作を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置のストロークと静電容量値との関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置の環境温度と静電容量値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の実施の形態に係る操作入力装置）
本発明の実施の形態に係る操作入力装置１は、図１に示すように、ベース部７０に対して押下操作される操作部としての操作パネル１０と、ベース部７０に支持され、操作パネル１０への押下操作により荷重を受け、この荷重により電圧を出力すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子２０と、押下操作によるオンオフ判定を行なう判定部４２、及び、オンオフ判定の閾値Ｖthを所定の演算により算出する閾値算出部４１を備える制御部４０と、を有し、閾値算出部４１は、圧電素子２０の初期状態における静電容量値である初期静電容量値Ｃ０と現在状態における静電容量値である現在静電容量値Ｃ１に基づいて、所定の演算を実行するように構成されている。
【００１１】
上記において、圧電素子２０の初期状態とは、圧電素子２０がベース部７０と操作パネル１０の間に挟み込まれて組付けられる前の状態であり、圧電素子２０の現在状態とは、圧電素子２０が組付けられた後の使用されるときの状態である。
【００１２】
（操作パネル１０）
操作部としての操作パネル１０は、例えば、アクリル等の樹脂により形成されている。操作パネル１０は、図１に示すように、ベース部７０に縁部１０ａが支持されている。操作パネル１０は、図１に示すように、押下力Ｆで押されて撓むことができる。また、後述するように、圧電素子２０の上方向又は下方向への変形により、上方向又は下方向へ撓むことができる。
【００１３】
（圧電素子２０）
圧電素子２０は、圧電素子材料２１の両面に電極（図示省略）が取り付けられ、圧電素子材料２１の径よりも大きな金属シム２２に貼り合わせ固定されている、例えば、ユニモルフ型である。電極に駆動電圧を印加することにより、圧電素子材料は伸び縮みするため、金属シム２２に反りが生じて圧電素子材料２１と金属シム２２の全体が撓む。本実施の形態では、金属シム２２と圧電素子材料２１が貼り合わせ固定され、電極が取り付けられたユニットを圧電素子２０とする。
【００１４】
圧電素子２０は、図１に示すように、ベース部７０に縁部２０ａが支持されている。圧電素子２０は、平面視では例えば、円形の形状を有している。ベース部７０には凹部７０ａが形成され、圧電素子２０は、凹部７０ａの方向に変形可能に支持されている。また、圧電素子２０の上側は、プッシャー２４を介して、操作パネル１０と接続するように取り付けられている。すなわち、圧電素子２０は、ベース部７０と操作部としての操作パネル１０との間に挟まれて、所定のプリロードがかけられた状態で装着されている。これにより、図１に示すように、押下力Ｆで押されて操作パネル１０が撓むとこれに応じて圧電素子２０も変形する。また、圧電素子２０が上側又は下方向に変形すると操作パネル１０も上側又は下方向に変形することができる。
【００１５】
圧電素子２０は、例えば、板形状の圧電素子材料を有し、金属シムの上面に配置されている。この圧電素子材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電素子２０は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜により形成されている。
【００１６】
圧電素子２０は、図１に示すように、指１００により押下力Ｆで押されて撓むと、この変形に応じた電圧Ｖｘを出力する。また圧電素子２０は、電圧が印加されると駆動電圧Ｖｄに応じて伸縮して変形する。圧電素子２０は、例えば、図１に示すように、押下力Ｆに応じて出力した荷重に基づく電圧を電圧Ｖｘとして制御部４０に出力する。
【００１７】
また、圧電素子２０は、制御部４０から出力された駆動電圧Ｖｄに応じて伸縮して金属シム２２と共に変形して撓むように構成されている。この変形、撓みは、プッシャー２４を介して操作パネル１０を変位させ、又は振動させる。これにより、操作パネル１０を介して操作者に対して振動触覚呈示を行なうことができる。
【００１８】
すなわち、本実施の形態に係る操作入力装置１の圧電素子２０は、荷重検出と振動触覚呈示を兼用することができる。
【００１９】
圧電素子２０は、図１に示すように、圧電素子材料２１の下面が制御部４０に接続され、上面がスイッチ部５０の出力端子５０ａに接続されている。
【００２０】
図１に示すように、スイッチ部５０の第１切替端子５０ｂは、制御部４０に接続され、検出部４３において、電圧Ｖｘとオン判定閾値Ｖthとを比較することにより、押下操作がされたかどうかの検出が可能とされている。
【００２１】
スイッチ部５０の第２切替端子５０ｃは、昇圧回路３０に接続されている。また、スイッチ部５０の制御端子５０ｄは、制御部４０に接続され、切替制御部４４において、圧電素子２０の電圧検出を行なうか振動触覚呈示を行なうかの切替え制御が可能とされている。
【００２２】
昇圧回路３０の出力端３０ａは、スイッチ部５０の第２切替端子５０ｃに接続されている。また、昇圧回路３０の入力端３０ｂは、制御部４０に接続され、昇圧制御部４５からの駆動信号Ｖｓに基づいて昇圧回路３０での昇圧動作が行われる。なお、昇圧回路としては、ＤＣ−ＤＣコンバータ、チャージポンプ、等の種々の回路が使用できる。
【００２３】
（制御部４０）
制御部４０は、図１に示すように、閾値算出部４１、判定部４２、検出部４３、切替制御部４４、昇圧制御部４５等を有して構成されている。閾値算出部４１は、後述する所定の演算によりオンオフ判定の閾値を算出する。判定部４２は、閾値算出部４１で算出された閾値を用いて、操作パネル１０が押下操作されたかどうかの判定を行なう。
【００２４】
また、検出部４３は、操作パネル１０から出力される電圧Ｖｘを検出する。切替制御部４４は、制御端子５０ｄに切替制御信号Ｖｅを出力して、スイッチ部５０の出力端子５０ａを第１切替端子５０ｂまたは第２切替端子５０ｃに切替え制御する。この切替え制御により、電圧検出を行なうか振動触覚呈示を行なうかの切替えを行なうことができる。また、昇圧制御部４５は、昇圧回路３０の入力端３０ｂに駆動信号Ｖｓを出力して、これに基づいて昇圧回路３０での昇圧動作を制御する。
【００２５】
制御部４０は、上記の閾値算出部４１、判定部４２、検出部４３、切替制御部４４、昇圧制御部４５等を制御するために、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及び記憶部４８としてのＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータを備えている。
【００２６】
記憶部４８において、上記のプログラムの他に、検出部４３での動作において使用する初期静電容量値Ｃ０、デフォルトのオン判定閾値Ｖonが記憶されている。初期静電容量値Ｃ０は、圧電素子２０がベース部７０と操作パネル１０の間に挟み込まれて組付けられる前の状態において測定された圧電素子２０の静電容量値である。また、デフォルトのオン判定閾値Ｖonは、例えば、コンパレータでオンオフを判定する場合の基準となる設計値としてのオン判定閾値である。このオン判定閾値Ｖonは、デフォルト値として設定するが、必要に応じて適宜変更することが可能である。
【００２７】
（操作入力装置１の動作）
図２で示す本発明の実施の形態に係る操作入力装置１の動作を示すフローチャートに基づいて、説明する。制御部４０は、フローチャートに従って以下の演算、処理を実行する。
【００２８】
（Ｓｔｅｐ１）
制御部４０は、切替制御部４４により、切替制御信号Ｖｅを出力して、スイッチ部５０の出力端子５０ａを第１切替端子５０ｂに切替え制御する。これにより、検出部４３に電圧Ｖｘが入力可能な状態としておく。制御部４０は、圧電素子２０に電圧をかけて電荷をチャージし、例えば、電圧の上昇時間により、圧電素子２０の現在静電容量値Ｃ１を測定することができる。この現在静電容量値Ｃ１は、圧電素子２０に電圧を印加して振動触覚呈示を行なう場合に、この現在静電容量値Ｃ１に応じて制御することで、高精度な振動触覚呈示を行なうことができる。なお、この現在静電容量値Ｃ１の測定は、所定のタイミング、例えば、装置の起動時、または、任意のタイミングで行なうことができる。
【００２９】
（Ｓｔｅｐ２）
制御部４０は、オン判定閾値Ｖonを用いた所定の演算により、オン判定閾値Ｖthを算出して、オン判定閾値を更新する。制御部４０は、記憶部４８から初期静電容量値Ｃ０、デフォルトのオン判定閾値Ｖonを読み込む。制御部４０は、演算式、Ｖth＝ｆ（Ｃ０、Ｃ１）×Ｖonにより、オン判定閾値Ｖthを算出する。
【００３０】
ここで、ｆ（Ｃ０、Ｃ１）は、関数である。例えば、ｆ（Ｃ０、Ｃ１）は、初期静電容量値Ｃ０と現在静電容量値Ｃ１との差分を変数とする関数として定義できる。
すなわち、ｆ（Ｃ０、Ｃ１）＝１-α（Ｃ１-Ｃ０）として定義することができる。なお、αは、任意の実数である。
【００３１】
上記の演算式により、オン判定閾値Ｖthを算出して、これを、更新されたオン判定閾値Ｖthとする。
【００３２】
（Ｓｔｅｐ３）
制御部４０は、判定部４２により、オンオフ判定を行なう。すなわち、検出部４３で検出される、操作パネル１０から出力される電圧Ｖｘと、更新されたオン判定閾値Ｖthを比較し、電圧Ｖｘの方が大きい場合に、操作パネル１０が押下操作されたと判定することができる。この更新されたオン判定閾値Ｖthを用いてオンオフ判定を行なうことで、高精度なオンオフ判定を行なうことができる。
【００３３】
上記示したＳｔｅｐ１からＳｔｅｐ３は、停止命令が制御部４０に入力されるまで、繰り返して実行することができる。
【００３４】
（振動触覚呈示動作）
制御部４０は、切替制御部４４により、切替制御信号Ｖｅを出力して、スイッチ部５０の出力端子５０ａを第２切替端子５０ｃに切替え制御する。これにより、制御部４０は、スイッチ部５０を制御して、所定の電圧に昇圧された駆動電圧Ｖｄを圧電素子２０に印加することで圧電素子２０を振動させることができる。圧電素子２０の振動は、プッシャー２４を介して操作パネル１０に伝達され、操作者に対して、振動触覚呈示を行なうことができる。振動触覚呈示動作は、現在静電容量値Ｃ１に基づいて圧電素子２０に駆動電圧を印加する制御を行なうことができ、高精度な振動触覚呈示を行なうことができる。
【００３５】
（検出感度のばらつき低減）
図３は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置のストロークと静電容量値との関係を示す図である。また、図４は、本発明の実施の形態に係る操作入力装置の環境温度と静電容量値との関係を示す図である。
【００３６】
図３からわかるように、圧電素子２０の静電容量値は、操作入力装置のストローク、すなわち、操作パネル１０の押し込み量により低下して変化する。したがって、圧電素子２０をベース部７０と操作部としての操作パネル１０との間に、所定のプリロードがかけられた状態で装着する組込み状態により静電容量値が変化する。したがって、組付け後の、現在静電容量値Ｃ１を測定することにより、組付け時の寸法公差等によらずに、検出ばらつきを低減することができる。
【００３７】
また、図４からわかるように、圧電素子２０の静電容量値は、環境温度により変化する。したがって、操作入力装置１を動作させるときの、現在静電容量値Ｃ１を測定することにより、温度変化等によらずに、検出ばらつきを低減することができる。
【００３８】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る操作入力装置１は、ベース部７０に対して押下操作される操作部としての操作パネル１０と、ベース部７０に支持され、操作パネル１０への押下操作により荷重を受け、この荷重により電圧を出力すると共に、駆動電圧が印加されると変位する圧電素子２０と、押下操作によるオンオフ判定を行なう判定部４２、及び、オンオフ判定の閾値Ｖthを所定の演算により算出する閾値算出部４１を備える制御部４０と、を有し、閾値算出部４１は、圧電素子２０の初期状態における静電容量値である初期静電容量値Ｃ０と現在状態における静電容量値である現在静電容量値Ｃ１に基づいて、所定の演算を実行するように構成されている。これにより、現在静電容量値Ｃ１に基づいて、オンオフ判定の閾値Ｖthを更新することができ、この更新されたオン判定閾値Ｖthによりオンオフ判定を行なうことで、高精度なオンオフ判定を行なうことができる。
（２）検出部４３により現在静電容量値Ｃ１を測定し、現在静電容量値Ｃ１に応じて圧電素子２０に電圧を印加する制御を行なうことができるので、高精度な振動触覚呈示を行なうことができる。
（３）現在静電容量値Ｃ１を測定することにより、寸法公差や温度変化等に起因する、検出ばらつきを低減することができる。
【００３９】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…操作入力装置、１０…操作パネル、１０ａ…縁部
２０…圧電素子、２０ａ…縁部、２１…圧電素子材料、２２…金属シム、２４…プッシャー
３０…昇圧回路、３０ａ…出力端、３０ｂ    …入力端
４０…制御部、４１…閾値算出部、４２…判定部、４３…検出部、４４…切替制御部、４５…昇圧制御部、４８…記憶部
５０…スイッチ部、５０ａ…出力端子、５０ｂ…切替端子、５０ｃ…切替端子、５０ｄ…制御端子
７０…ベース部７０ａ…凹部
１００…指
Ｆ…押下力、Ｖｄ…駆動電圧、Ｖｅ…切替制御信号、Ｖon、Ｖth…オン判定閾値、Ｖｓ…駆動信号、Ｖｘ…電圧
【図１】
2020016535.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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