(57)【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、
前記コイルの端面側に配置されたヨークとを備え、
前記コアの軸について非回転対称のギャップが前記コアと前記ヨークとの間にあり、前記コイルに電流を流すことにより、前記コアと前記ヨークとの間に発生する磁気吸引力が前記コアに作用する、操作入力装置。
【請求項２】
前記ヨークが、前記コアに対向する位置に、前記ギャップが形成されるように切り欠き部及び／又は壁部を備える、請求項１に記載の操作入力装置。
【請求項３】
前記ヨークが、前記コイルの一方の端面側に配置された第１のヨーク部ともう一方の端面側に配置された第２のヨーク部とが前記コイルの外側を迂回して接続されることにより構成される、請求項１又は２に記載の操作入力装置。
【請求項４】
前記コアの軸に対して前記コアが非回転対称である、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】
前記コイルのインダクタンスの大きさに応じた信号波形を前記コイルに発生させる第１のパルス信号を前記コイルに供給する第１のパルス信号供給手段と、
前記信号波形に基づいて、前記インダクタンスの大きさを検出する検出手段と、
前記磁気吸引力を発生させる第２のパルス信号を前記コイルに供給する第２のパルス信号供給手段とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項６】
前記検出手段が、前記信号波形の立ち上がり波形に基づいて、前記インダクタンスの大きさを検出する、請求項５に記載の操作入力装置。
【請求項７】
前記第２のパルス信号が、前記第１のパルス信号として使用される、請求項６に記載の操作入力装置。
【請求項８】
前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号の少なくともいずれかが三角波である、請求項５から７のいずれか一項に記載の操作入力装置。
【請求項９】
前記コイルのインダクタンス変化を検出することで操作入力を検知する、請求項１から８のいずれか一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、操作入力を受ける操作入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、操作中の指に刺激を与える触覚刺激装置を設けた操作入力装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この操作入力装置は、可動駆動コイルに駆動電流を供給することによって、永久磁石の磁界を利用して、操作者の指に刺激を与える部材を動かすための駆動力を発生させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−４３６５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、操作者の押し込み方向（Ｚ方向）と同じ方向にしか力を発生させることができない。
【０００５】
そこで、本発明は、操作者の押し込み方向と異なる方向の力を操作者に付与することができる、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、
前記コイルの端面側に配置されたヨークとを備え、
前記コアの軸について非回転対称のギャップが前記コアと前記ヨークとの間にあり、前記コイルに電流を流すことにより、前記コアと前記ヨークとの間に発生する磁気吸引力が前記コアに作用する、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、操作者の押し込み方向と異なる方向の力を操作者に付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態である操作入力装置の原理を説明するための第１の側面図である。
【図２】本発明の実施形態である操作入力装置の原理を説明するための第２の側面図である。
【図３】非回転対称のギャップ４ｃを説明するための図である。
【図４】非回転対称のギャップ４ｄを説明するための図である。
【図５】非回転対称のギャップ４ｅを説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施例である操作入力装置１００の分解斜視図である。
【図７】操作入力装置１００の全体斜視図である。
【図８】操作入力装置１００の上面図である。
【図９】操作入力装置１００のＡ−Ａ断面図である。
【図１０】ヨークの構造図である。
【図１１】操作入力装置１００のＢ−Ｂ断面図である。
【図１２】磁気吸引力ＦＡ１，ＦＡ２発生時のＢ−Ｂ断面図である。
【図１３】操作入力装置２００の分解斜視図である。
【図１４】操作入力装置２００の全体斜視図である。
【図１５】操作入力装置２００のＹＺ平面での断面図である。
【図１６】磁気吸引力ＦＡ３発生時の操作入力装置２００の断面図である。
【図１７】操作入力装置３００の分解斜視図である。
【図１８】操作入力装置３００の全体斜視図である。
【図１９】初期位置状態での操作入力装置３００のＹＺ平面での断面図である。
【図２０】磁気吸引力ＦＡ５，ＦＡ６発生時の操作入力装置３００の断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施例である操作入力装置４００の分解斜視図である。
【図２２】操作入力装置４００の断面図である。
【図２３】操作入力装置１００Ａ−１００Ｄそれぞれに構成されるコイルのインダクタンスの変化を検出する検出回路例のブロック図である。
【図２４】図２３における駆動回路６６と受信回路６７のブロック図である。
【図２５】図２４の各点における波形を示した図である。
【図２６】操作入力装置４００を制御する制御方法で操作入力装置４００を動作させたときの波形図である。
【図２７】コイルに流れる電流の立ち上がり波形に基づいて押し下げ量Ｗを検出する方法を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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＝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。
【００１２】
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のＺ軸方向側から入力される操作者の力を受け付けるものである。Ｚ軸方向とは、Ｚ軸に平行な方向のことをいう。操作入力装置は、コイルのインダクタンスの大きさ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。
【００１３】
また、本実施形態の操作入力装置は、コイルの周囲に磁界を発生させる電流をそのコイルに流す。このように発生した磁界によって、操作者の刺激となる動きを、操作者の力が作用しうる操作部に生じさせるものである。
【００１４】
図１，図２は、本発明の実施形態である操作入力装置の原理を説明するための図であって、その構成の一部を断面図で表した側面図である。図１は、操作者に操作面６ｂの変位を感じさせるための磁界が生じていない初期状態を示しており、図２は、操作者に操作面６ｂの変位を感じさせるための磁界が生じている状態を示している。
【００１５】
本実施形態の操作入力装置は、基板１と、コイル２と、変位部材６と、コア３と、ヨーク４と、支持部材５（５ａ，５ｂ）と、検出部１６０と、制御部１７０とを備える。
【００１６】
基板１は、コイル２が配置される配置面１ａを有する基部である。基板１は、コイル２に対するヨークとして用いられてもよい。
【００１７】
変位部材６は、基板１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、配置面１ａに対向する対向面６ａと操作者の力が作用しうる操作面６ｂとを有する。変位部材６は、操作者の力が操作面６ｂに作用することにより、対向面６ａに設置されたコア３がコイル２に近づくことによって、コイル２のインダクタンスを変化させる。
【００１８】
コア３は、操作入力の作用によりコイル２の内筒の延長領域（その内筒の内側を含む）上を変位する円柱状の磁性体である。コア３は、変位部材６の対向面６ａの中央部に設けられている。ヨーク４は、コイル２の上端面側に配置されている板状の磁性体である。コア３とヨーク４との間には、コア３の中心軸Ｃについて非回転対称のギャップ４ｃが、中心軸Ｃに対して垂直な方向に設けられている（非回転対称のギャップ４ｃの詳細については、後述）。コイル２に電流を流すことにより、コア３とヨーク４との間に発生した磁気吸引力がコア３に作用する。
【００１９】
支持部材５は、対向面６ａと配置面１ａとの間隔が変化するように変位部材６を変位可能に支持する。支持部材５は、例えば、対向面６ａと配置面１ａとの間隔が弾性的に変化するように変位部材６を支持する。より具体的には、支持部材５は、バネ部材でもよいし、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。例えば、バネ部材を採用することによって、軽量化や構造の単純化を図ることができ、ゴム部材を採用することによって、絶縁性を図ることができる。また、支持部材５は、粘性を有する粘性部材であってもよい。
【００２０】
検出部１６０は、コイル２のインダクタンスの大きさに応じた波形をコイル２に発生させる第１のパルス信号をコイル２に供給する第１のパルス信号供給手段である。また、検出部１６０は、コイル２に第１のパルス信号を供給することによってコイル２のインダクタンスの大きさを検出する検出手段である。検出部１６０は、例えば、第１のパルス信号として、第１の駆動電圧信号をコイル２に印加する。検出部１６０は、第１の駆動電圧信号のコイル２への印加によってコイル２に流れるパルス電流の波形（第１のパルス電流波形）に基づいて、コイル２のインダクタンスの大きさを検出する。また、検出部１６０は、例えば、第１の駆動電圧信号のコイル２への印加によってコイル２の両端に発生するパルス電圧の波形（第１のパルス電圧波形）に基づいて、コイル２のインダクタンスの大きさを検出してもよい。コイル２のインダクタンスの大きさの検出結果に応じて、操作面６ｂ上の作用点の位置や変位部材６の変位量を算出することができる。
【００２１】
制御部１７０は、コア３をヨーク４に吸引する磁気吸引力を発生させる第２のパルス信号をコイル２に供給する第２のパルス信号供給手段である。制御部１７０は、例えば、第２のパルス信号として、第２の駆動電圧信号をコイル２に印加する。第２の駆動電圧信号のコイル２への印加によってコイル２にパルス電流（第２のパルス電流）が流れる。コイル２に第２のパルス電流が流れることにより、少なくともヨーク４及びコア３内を通る磁束（磁界Ｈ）が発生するとともに、コイル２及びコア３が全体として電磁石として機能するので、コア３とヨーク４の間に磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力によって、図２に示されるように、ギャップ４ｃが最も狭い方向に（図１，２の場合、右方に）、支持点５ｃ〜５ｆを揺動支点として、コア３はヨーク４に引き寄せられる。図２に示す磁力線Ｌａ，Ｌｂは、磁界Ｈの向きである。コア３は変位部材６に固定されているので、コア３を横方向に移動させることにより、操作者が触れる操作部である変位部材６を強制的に同じ横方向に移動させることができる。
【００２２】
変位部材６を横方向に移動させる吸引力が働くため、支持部材５による弾性反力と異なる方向のために打ち消されることなく変位部材６が移動し、変位部材６のエッジが指に当たることで小さい変位でも強いフィードバック力を操作者に感じさせることができる。
【００２３】
制御部１７０は、第２のパルス信号の波高値の大きさを変えることにより磁気吸引力の大きさを変えることができるので、コア３及び変位部材６の移動量を変えることができる。また、制御部１７０は、第２のパルス信号の周期やデューティ比を変えることにより磁気吸引力を変動させることができるので、コア３及び変位部材６の振動状態を変えることができる。この振動は、二往復以上の振動に限らず、一往復の振動でもよい。
【００２４】
図３は、非回転対称のギャップ４ｃを説明するための図である。図３は、図１，２のＺ１方向から見た図である。ヨーク４の中央部に形成された長孔にコア３が貫通する。コア３の外周とヨーク４の長孔の内周とに挟まれた部分であるギャップ４ｃは、コア３の中心軸Ｃに対して回転対称ではない。コア３の上端部（紙面手前側）及び下端部（紙面奥側）はコイル２に電流が流れることにより電磁石の磁極として機能するので、コア３はヨーク４との間で吸引力が発生する。ギャップ４ｃのＸ（−）方向の距離ｄＡは、ギャップ４ｃのＸ（＋）方向の距離ｄＢよりも長いため、磁気吸引力ＦのＸ（−）方向成分ＦＡの大きさは、磁気吸引力ＦのＸ（＋）方向成分ＦＢの大きさよりも小さい。一方、ギャップ４ｃのＹ（−）方向の距離とギャップ４ｃのＹ（＋）方向の距離は略等しいので、磁気吸引力ＦのＹ（−）方向成分ＦＤの大きさは、磁気吸引力ＦのＹ（＋）方向成分ＦＣの大きさと略等しい。したがって、コア３は、Ｘ（＋）方向に移動する。コア３の移動に伴い、上述の変位部材６も同じ方向に移動する。
【００２５】
図４，５に、非回転対称のギャップの別形態を示す。図４の非回転対称のギャップ４ｄは、ヨーク４を左右に分割することによって形成される。距離ｄＡは距離ｄＢよりも長いため、コア３は右側に移動する。図５は、非回転対称のギャップ４ｅを示す。図５の場合、コア３の中心軸Ｃに対して非回転対称の孔が、ヨーク４の中央部に形成されている。図４同様、距離ｄＡは距離ｄＢよりも長いため、コア３は右側に移動する。
【００２６】
続いて、本発明に係る操作入力装置及びその制御方法の具体例について説明する。
【００２７】
図６は、本発明の第１の実施例である操作入力装置１００の分解斜視図である。図７は、操作入力装置１００の全体斜視図である。図８は、操作入力装置１００の上面図である。シャフト３０が、上述のコア３に相当する。コイル２０が、上述のコイル２に相当する。
【００２８】
コイル２０に対するヨークは、コイル２０の下側に配置された第１のヨーク部である下側ヨーク１０とコイル２０の上側に配置された第２のヨーク部である上側ヨーク４０とが、コイル２０の外側を迂回して接続されることにより構成される。下側ヨーク１０の側面ヨーク１１，１２が、コイル２０の外側に位置する迂回部である。
【００２９】
下側ヨーク１０の下面ヨーク１３には、初期状態でのシャフト３０の中心軸Ｃの方向に対して垂直な方向に切り欠かれて開口した切り欠き部１５が形成されている。また、下面ヨーク１３には、切り欠き部１５の輪郭に沿って、初期状態でのシャフト３０の中心軸に平行な方向に直立する壁部１４が形成されている。
【００３０】
図９は、操作入力装置１００の図８に示すＡ−Ａ断面図である。シャフト３０は、シャフトホルダ５１の内筒に嵌合して支持されている。シャフト３０は、シャフトホルダ５１の外側面に形成されたピン５１ａ，５１ｂによって、ボビン５２の内壁５２ｃ（図６参照）に上下方向に凹部が形成されたガイド５２ａ，５２ｂ（図６参照）に、接して支持されている。したがって、シャフト３０は、上下方向及びピン５１ａと５１ｂとを結ぶ直線を回転軸Ｄとする回転方向に自由度を有している。
【００３１】
シャフトホルダ５１は、スプリング５０によって上下方向に移動可能に支えられている。シャフト３０が下方向に押されることによりシャフトホルダ５１が下方向に押し込まれても、シャフトホルダ５１はスプリング５０の反発力によってヨーク４０の下面に当接するまで押し戻される。シャフト３０が上下方向に動くことで、シャフト３０の下端部３２と下側ヨーク１０の下面ヨーク１３に形成された壁部１４との対向面積Ｅが変化する。対向面積Ｅが変化すると、下側ヨーク１０と上側ヨーク４０とシャフト３０とによって形成される磁気回路の磁気抵抗が変化するので、コイル２０のインダクタンスが変化する。Ｌ１，Ｌ２は、磁気回路を通る磁界の方向を示す。コイル２０のインダクタンスの大きさを検出することによって、コイル２０のインダクタンスの大きさとシャフト３０の上下方向の変位量との関係を予め計測した基準データに基づいて、シャフト３０の上下方向の変位量を検知することができる。
【００３２】
図の場合、シャフト３０の下方への移動量が増加するにつれて、対向面積Ｅが増加することにより、磁気回路の磁気抵抗は減少する。シャフト３０の下方への移動量の増加により、コイル２０に電流を流した際にコイル２０に鎖交する磁束の量が増えるため、コイル２０のインダクタンスが増加する。
【００３３】
また、シャフト３０の下方への移動量が増加するにつれて、シャフト３０の下端部３２と壁部１４とのエアギャップが変化することにより、コイル２０のインダクタンスが増加方向又は減少方向に変化するように、シャフト３０の壁部１４との対向部分（又は、壁部１４のシャフト３０との対向部分）がテーパ状又は逆テーパ状に形成されていてもよい。
【００３４】
図１０は、ヨークの構造図である。下側ヨーク１０に切り欠き部１５が形成され上側ヨーク４０に切り欠き部４１が形成されているため、磁気回路が全体として中心軸Ｃに対してアンバランスになっている。つまり、切り欠き部１５の切り欠き方向と切り欠き部４１の切り欠き方向が互いに逆方向である。これにより、シャフト３０の上端部３１を上側ヨーク４０に引き寄せるＸ（＋）方向の磁気吸引力ＦＡ１が発生し、シャフト３０の下端部３２を下面ヨーク１３の壁部１４に引き寄せるＸ（−）方向の磁気吸引力ＦＡ２が発生する。
【００３５】
図１１は、操作入力装置１００の図８に示すＢ−Ｂ断面図である。図１２は、磁気吸引力ＦＡ１，ＦＡ２発生時のＢ−Ｂ断面図である。コイル２０に電流を流すと、シャフト３０の上端部３１が上側ヨーク４０との最小ギャップを狭める側、且つ、シャフト３０の下端部３２が壁部１４との最小ギャップを狭める側に、回転軸Ｄを中心にシャフト３０が回転する。この回転運動が、操作入力装置からのフィードバック力として操作者に伝わる。シャフト３０は、上端部３１の位置でゴムリング５３によって支持され、回転方向に動いた場合にはゴムリング５３の反発力により、回転軸ＣがＺ軸に平行になるように初期位置に復帰する。
【００３６】
図１３は、本発明の第２の実施例である操作入力装置２００の分解斜視図である。図１４は、操作入力装置２００の全体斜視図である。シャフト１３０が、上述のコア３に相当する。コイル１２０が、上述のコイル２に相当する。上述と同様の部分については、その説明を省略する。
【００３７】
コイル１２０に対するヨークは、コイル１２０の下側に配置された第１のヨーク部である下側ヨーク１１０とコイル１２０の上側に配置された第２のヨーク部である上側ヨーク１４０とが、コイル１２０の外側を迂回して接続されることにより構成される。下側ヨーク１１０の側面ヨーク１１１，１１２が、コイル１２０の外側に位置する迂回部である。
【００３８】
下側ヨーク１１０の下面ヨーク１１３には、中央孔１１５が形成されている。また、下面ヨーク１１３には、中央孔１１５の輪郭の一部分のみに沿って、初期状態でのシャフト１３０の中心軸Ｃに平行な方向に直立する壁部１１４が形成されている。図の場合、壁部１１４は、ＸＹ平面の４軸方向のうちＹ（−）方向側のみに形成されている。
【００３９】
図１５は、操作入力装置２００のＹＺ平面での断面図である。シャフト１３０は、その径方向に、ボビン１５２の上側の穴１５２ｃとシャフトホルダ１５１とによって拘束されている。シャフトホルダ１５１には、シャフト１３０の軸方向に対して垂直な方向にシャフトホルダ逃げ部１５１ａが形成されている。したがって、シャフト１３０は、上下方向に移動可能であるとともに、ボビン１５２の上側の穴１５２ｃを回転支点として、シャフトホルダ逃げ部１５１ａ側に回転自由度を有している。
【００４０】
シャフト１３０にフランジ状に取り付けられた樹脂ワッシャー１５３に当接するスプリング１５０によって、シャフト１３０は上下方向に移動可能に支えられている。シャフト１３０が下方向に押し込まれても、樹脂ワッシャー１５３がスプリング１５０の反発力によって押し戻されることにより、シャフト１３０はボビン１５２の下面に当接するまで押し戻される。樹脂ワッシャー１５３の径はボビン１５２の上側の穴１５２ｃの径よりも大きいため、スプリング１５０の反力を受けても穴１５２ｃから抜けて飛び出ることはない。シャフト１３０が上下方向に動くことで、シャフト１３０の下端部１３２と下側ヨーク１１０の下面ヨーク１１３に形成された壁部１１４との対向面積Ｅが変化する。対向面積Ｅが変化すると、下側ヨーク１１０と上側ヨーク１４０とシャフト１３０とによって形成される磁気回路の磁気抵抗が変化するので、コイル１２０のインダクタンスが変化する。Ｌ３は、磁気回路を通る磁界の方向を示す。コイル１２０のインダクタンスの大きさを検出することによって、コイル１２０のインダクタンスの大きさとシャフト１３０の上下方向の変位量との関係を予め計測した基準データに基づいて、シャフト１３０の上下方向の変位量を検知することができる。
【００４１】
図１６は、磁気吸引力ＦＡ３発生時の操作入力装置２００の断面図である。コイル１２０に高電圧を印加して大電流を流すことにより、シャフト１３０の下端部１３２と壁部１１４との間に働く磁気吸引力ＦＡ３によって、シャフト１３０の下端部１３２が、ボビン１５２の穴１５２ｃを回転支点として、壁部１１４との最小ギャップを狭める側に傾斜する。シャフト１３０の下端部１３２の部位は、壁部１１４とのエアギャップが大きくとってあるため、その分シャフト１３０が傾斜する。コイル１２０に流す電流を止めた場合、スプリング１５０の反力により、シャフト１３０は、回転軸ＣがＺ軸に平行になるように初期位置に復帰する。
【００４２】
図１７は、本発明の第３の実施例である操作入力装置３００の分解斜視図である。図１８は、操作入力装置３００の全体斜視図である。シャフト２３０が、上述のコア３に相当する。コイル２２０が、上述のコイル２に相当する。上述と同様の部分については、その説明を省略する。
【００４３】
コイル２２０に対するヨークは、コイル２２０の下側に配置された第１のヨーク部である下側ヨーク２１０とコイル２２０の上側に配置された第２のヨーク部である上側ヨーク２４０とが、コイル２２０の外側を迂回して接続されることにより構成される。上側ヨーク２４０の側面ヨーク２４１，２４２が、コイル２２０の外側に位置する迂回部である。
【００４４】
上側ヨーク２４０の上面ヨーク２４３には、中央孔２４４が形成されている。また、下側ヨーク２１０には、中央孔が形成されるとともに、その中央孔の輪郭の全周に沿って、初期状態でのシャフト２３０の中心軸Ｃに平行な方向に直立する円筒状の壁部２１２が形成されている。
【００４５】
シャフト２３０の上端部２３１には、操作者のＺ方向の力が直接的に又は間接的に作用する板状部材２３４が取り付けられている。上側ヨーク２４０の中央孔２４４を貫通するシャフト２３０は、コイル２２０が巻かれたボビン２５２の中央孔に挿入されて配置される。
【００４６】
図１９は、初期位置状態での操作入力装置３００のＹＺ平面での断面図である。シャフト２３０と一体の板状部材２３４に当接するスプリング２５０によって、シャフト２３０は上下方向に移動可能に支えられている。板状部材２３４と共にシャフト２３０が下方向に押し込まれても、板状部材２３４がスプリング２５０の反発力によって押し戻されることにより、シャフト２３０は初期位置状態まで原点復帰する。シャフト２３０が上下方向に動くことで、シャフト２３０の下端部２３２と下側ヨーク２１０に形成された壁部２１２との対向面積が変化するので、磁気回路の磁気抵抗が変化し、コイル２２０のインダクタンスが変化する。Ｌ５．Ｌ６は、磁気回路を通る磁界の方向を示す。
【００４７】
シャフト２３０の下端部２３２には、シャフト２３０の軸に対してシャフト２３０が非回転対称になるように、欠損部２３３を設ける。これにより、シャフト２３０の欠損部２３３と壁部２１２との距離が、シャフト２３０の全周に関して不均一になる。
【００４８】
スプリング２５０を支持するためにベース２１１が使用されているが、スプリング２５０の支持部材を他の部材と兼用することによって、ベース２１１は無くてもよい。例えば、スプリング２５０を支持するために、下側ヨーク２１０、上側ヨーク２４０、ボビン２５２のいずれかを使用してもよい。
【００４９】
図２０は、磁気吸引力ＦＡ５，ＦＡ６発生時の操作入力装置３００の断面図である。コイル２２０に高電圧を印加して大電流を流すことにより、下端部２３２と壁部２１２との間に働く磁気吸引力ＦＡ６によって、シャフト２３０の下端部２３２が、壁部２１２との最小ギャップを狭める側（すなわち、欠損部２３３が無い側）に吸引される。欠損部２３３が設けられている側は、壁部２１２とのギャップが大きいからである。コイル２２０に流す電流を止めた場合、スプリング２５０の反力により、シャフト２３０は、回転軸ＣがＺ軸に平行になるように初期位置に復帰する。
【００５０】
図２１は、本発明の第４の実施例である操作入力装置４００の分解斜視図である。図２２は、操作入力装置４００の断面図である。
【００５１】
操作入力装置４００は、複数の操作入力装置（図２１の場合、４個の上述の操作入力装置１００（１００Ａ−１００Ｄ））が配置される配置面を有する基板３１０を備える。基板３１０に備えられる操作入力装置は、上述の操作入力装置２００又は３００でもよい。基板３１０は、ＸＹ平面に平行な配置面を有する基部である。三次元の直交座標系の基準点である原点Ｏは、その配置面から操作者の力が入力されてくる側（図２１の場合、基板３１０に対して上側）に所定距離離れた位置に設定されている。基板３１０は、樹脂性の基板でもよいが、ヨークの役目を持た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。
【００５２】
操作入力装置１００Ａ−１００Ｄ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べられている。操作入力装置１００Ａ−１００Ｄ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。各操作入力装置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。操作入力装置１００Ａ−１００Ｄは、Ｘ（＋），Ｘ（−），Ｙ（＋），Ｙ（−）の４方向に同心円状に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。操作入力装置１００Ａは、原点Ｏに対して正側のＸ軸上に配置され、操作入力装置１００Ｂは、原点Ｏに対して正側のＹ軸上に配置され、操作入力装置１００Ｃは、原点Ｏに対して負側のＸ軸上に配置され、操作入力装置１００Ｄは、原点Ｏに対して負側のＹ軸上に配置されている。
【００５３】
また、操作入力装置４００は、基板３１０に対して操作者の力が入力されてくる側に設けられた変位部材であるキー３６０を備える。板状のキー３６０が、基板３１０に設けられた操作入力装置１００Ａ−１００Ｄの上側に配置されている。キー３６０は、操作入力装置１００Ａ〜１００Ｄが配置された配置面に対向する対向面（図２１において、下側の面）と、操作者の力が作用しうる操作面（図２１において、上側の面）とを有している。キー３６０は、操作者の力が操作面に作用することにより、対向面が操作入力装置１００Ａ−１００Ｄの配置される配置面に近づくことによって、４個の操作入力装置１００Ａ−１００Ｄの少なくともいずれか一つのシャフト３０（図１１，１２参照）が下方に押し込まれ、その押し込まれたシャフト３０を囲むコイル２０のインダクタンスを変化させる。
【００５４】
キー３６０は、図２２に示されるように、ケース３７０によってＺ軸方向に移動可能に支持されている。ケース３７０は、操作者の力が操作面に作用されていない待機状態（初期状態）でのキー３６０の位置を待機位置として、操作者の力が操作面に作用することによって待機位置から基板３１０に近づく方向に移動できるように支持する。ケース３７０は、基板３１０に固定されている。ケース３７０は、操作入力装置４００が取り付けられるゲーム機等の電子機器のケースでもよいし、操作入力装置４００自体のケースでもよい。
【００５５】
図２３は、操作入力装置１００Ａ−１００Ｄそれぞれに構成されるコイルのインダクタンスの変化を検出する検出回路例のブロック図である。インダクタンス検出回路は、操作入力装置１００Ａ−１００Ｄの各コイルのインダクタンスの変化を検出する算出手段である。図１，２で示した検出部１６０及び制御部１７０は、このインダクタンス検出回路に相当する。つまり、一つのインダクタンス検出回路によって、制御部１６０と制御部１７０を実現している。
【００５６】
インダクタンス検出回路は、演算手段であるＣＰＵ６０と、ＣＰＵ６０の第１の出力ポート６１に接続された駆動回路６６と、一方の端部がグランドに接続された各コイルのもう一方の端部に接続されるマルチプレクサ（ＭＵＸ）６８と、ＣＰＵ６０の第２の出力ポート６２とＡＤポート６３とに接続された受信回路６７とを備える。各コイルは、マルチプレクサ６８によって、共通の受信回路６７及び駆動回路６６を介して、ＣＰＵ６０に接続される。マルチプレクサ６８の接続先の切り替えは、アドレスバス６４を介して、ＣＰＵ６０からのアドレス指定によって一意に選択される。したがって、各コイルのインダクタンスの検知は、その検知タイミングを各コイルでずらして、コイル毎に逐次行われる。
【００５７】
図２４は、図２３における駆動回路６６と受信回路６７のブロック図である。駆動回路６６は、ＣＰＵ６０の出力ポート６１からの出力信号に応じて定電流源６６ａの出力電流をコントロールすることによって、各コイルに電流を流す。受信回路６７は、各コイルに電流を流すことに伴い発生する電圧を、アンプ６７ａを通してピークホールド回路６７ｂ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６７ｂ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６３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。
【００５８】
図２５は、図２４の各点における波形を示した図である。ＣＰＵ６０の出力ポート６１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６６ａ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６７ａ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６３）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。
【００５９】
図２６は、操作入力装置４００を制御する制御方法で操作入力装置４００を動作させたときの波形図である。図２３，２４を参照しながら、図２６の波形図に従って、操作入力装置４００の制御方法について説明する。
【００６０】
操作入力装置４００の制御方法は、操作入力装置１００Ａ−１００Ｄの各コイルに第１のパルス信号をコイル毎に供給することによって各コイルのインダクタンスの変化を検出するインダクタンス検出ステップを有する。インダクタンス検出回路のＣＰＵ６０は、そのインダクタンス検出ステップで、（ｂ）に示されるように、出力ポート６１から、矩形波の電圧波形Ｖ１として、コイル毎に供給される第１のパルス信号に対応するパルス波形ｐ（ｐ１〜ｐ９）を出力する。パルス波形ｐが出力ポート６１から間欠的に各コイルに出力されることによって、第１のパルス信号が各コイルに間欠的に供給される。また、インダクタンス検出ステップが一定の周期で繰り返されることによって、電圧波形Ｖ１の各パルス波形ｐ１〜ｐ９が一定の周期で出力される。パルス波形ｐは、各コイルのインダクタンスの変化を検出するための駆動電圧である。
【００６１】
駆動電圧Ｖ１によって、（ａ）に示されるシャフト３０（図１１参照）の押し下げ量Ｗに応じて、（ｃ）に示されるように、インダクタンスの増加に伴う検出電圧Ｖ３が発生する。押し下げ量Ｗが（ａ）に示されるように変化した場合、検出電圧Ｖ３の振幅も押し下げ量Ｗに比例して増加する。押し下げ量Ｗの増加に伴って検出電圧Ｖ３のパルス波形ｓ３，ｓ４，ｓ５の振幅が増加し、押し下げ量Ｗの減少に伴って検出電圧Ｖ３のパルス波形ｓ６，ｓ７の振幅が減少する。押し下げ量Ｗに変化が無い場合、検出電圧Ｖ３のパルス波形の振幅は同一である（ｓ１，ｓ２，ｓ８，ｓ９）。
【００６２】
また、操作入力装置の制御方法は、インダクタンス検出ステップで供給される第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、コイル毎に供給することによって、図１２に示されるように、シャフト３０の上端部３１を上側ヨーク４０に吸引する磁気吸引力ＦＡ１及びシャフト３０の下端部３２を壁部１４に吸引する磁気吸引力ＦＡ２を発生させる磁気吸引力生成ステップを有する。ＣＰＵ６０は、その磁気吸引力生成ステップで、（ｂ）に示されるように、出力ポート６１から、矩形波の電圧波形Ｖ１として、コイル毎に供給される第２のパルス信号に対応するパルス波形ｑ（ｑ１〜ｑ５）を出力する。パルス波形ｑが出力ポート６１から各コイルに出力されることによって、第２のパルス信号が各コイルに供給される。パルス波形ｑが出力されることに伴って、（ｅ）に示されるように、ＦＡ１，ＦＡ２等の磁気吸引力Ｆが発生する。
【００６３】
図２６は、インダクタンスの変化の検出結果である検出電圧Ｖ３の振幅に応じて、パルス波形ｑ１〜ｑ５を出力する制御方法を示している。すなわち、振幅が所定の閾値未満の検出電圧Ｖ３の場合、パルス波形ｑは出力されず、振幅が所定の閾値以上の検出電圧Ｖ３が発生した場合、該検出電圧Ｖ３の振幅に対応するパルス波形ｑが出力される。つまり、押し下げ量Ｗに応じて操作部の変位を発生させるパルス波形ｑが、検出電圧Ｖ３の振幅に比例した振幅で発生する。そして、パルス波形ｑの振幅に応じた大きさの磁気吸引力Ｆが発生する。
【００６４】
インダクタンスの変化を検出するためのパルス波形ｐの振幅電圧、パルス幅及び出力周期は、インダクタンスの変化を検出電圧Ｖ３によって検出できる程度の大きさであればよく、操作者が感知できる操作部の動きを引き起こすことが可能な磁気吸引力Ｆを発生させない程度の大きさであればよい。これにより、インダクタンスの変化を検出するタイミングのたびに、操作者に磁気吸引力Ｆによる操作部の動きを感じさせてしまうことを防止することができる。これに対し、パルス波形ｑに伴い発生する操作部の動きは操作者に確実に感知できるようにするため、パルス波形ｑの振幅電圧、パルス幅及び周期は、操作者が感知できる操作部の動きを引き起こすことが可能な磁気吸引力Ｆを発生させる程度の大きさであればよい。例えば、パルス波形ｑの振幅電圧とパルス幅の少なくともいずれか一方は、パルス波形ｐに比べて、大きくする。
【００６５】
このとき、何ら手当てをしていない場合、操作部に動きを与えるためのパルス波形ｑが出力されることによって生成された検出電圧Ｖ３を、インダクタンスの変化を表す信号として、ＣＰＵ６０が誤検出することを防ぐため、例えば、（ｄ）に示されるように、パルス波形ｑが少なくとも発生している期間では、受信回路６７を動作させないようにするためのリセット信号ＶＲを発生させてもよい。これにより、パルス波形ｑが出力されている期間では、（ｃ）に示されるように、検出電圧Ｖ３が生成されないようにすることができる。また、パルス波形ｑはＣＰＵ６０が自ら出力するものであるため、パルス波形ｑに伴い発生する検出電圧Ｖ３を、インダクタンスの変化を表す信号として、ＣＰＵ６０が評価しない（無視する）ようにしてもよい。
【００６６】
また、（ｂ）は、押し下げ量Ｗの大きさに応じた振幅のパルス波形ｑが出力される制御方法を示しているが、（ｆ）に示されるように、押し下げ量Ｗの大きさに応じたパルス幅のパルス波形ｑを出力して操作部を変位させる制御方法でもよい。押し下げ量Ｗが大きくなるほど、パルス波形ｑのパルス幅を広くする。
【００６７】
また、（ｇ）に示されるように、押し下げ量Ｗの大きさに応じた個数のパルス波形ｑを出力して操作部を変位させる制御方法でもよい。押し下げ量Ｗが大きくなるほど、パルス波形ｑの個数を増大させる。
【００６８】
また、（ｈ）に示されるように、本操作入力装置を使用するアプリケーション（例えば、操作者によって使用される電子機器、より具体的には、ゲーム機器や携帯電話など）によっては、パルス波形ｑはパルス波形ｐと必ずしも同期している必要はないため、複数のパルス波形ｐをまたいで、パルス波形ｑを発生させる時間間隔（パルス波形ｑの出力間隔）を変更してもよい。インダクタンスの変化を検出するためのパルス波形ｐは、インダクタンス変化の検出の時間的分解能（追従速度）に相当するため、短い時間間隔で出力されることが望ましい。一方、操作部に変位を付与するためのパルス波形ｑは、操作者に操作部の変位が生じたことを感じさせることが必要であるため、パルス波形ｐに比べて出力間隔を長くする。例えば、（ｈ）に示されるように、パルス波形ｐに重複しないように、パルス波形ｐが出力されていない任意の期間に、パルス波形ｑが出力されればよい。
【００６９】
また、パルス波形ｐの出力間隔が狭くなり、パルス波形ｑの出力タイミングを確保することができない場合には、パルス波形ｑをパルス波形ｐよりも優先させて、パルス波形ｑの出力期間ではパルス波形ｐの出力を停止させてもよい。
【００７０】
また、図２６の場合、押し下げ量Ｗに応じた操作部の変位を発生させているが、パルス波形ｑの供給態様を変化させることによって、コイルに流れる電流の流れ方が変化するので、操作者に与える振動の態様を変化させることができる。例えば、第２のパルス信号の供給態様を変化させることによりコイルに流す電流の流れ方を変化させることによって、操作者に与える振動の強さ、振動周波数、振動の回数を変化させることができる。また、操作部の変位の発生タイミングを、押し下げ量Ｗに応じて変化させることに限らず、操作部の押し下げ速度、操作部の操作によって動く対象物（例えば、ディスプレイ上のカーソル、ポインターなど）の移動位置、操作入力装置が使用されるアプリケーション上でのイベント発生に応じて、変化させてもよい。例えば、押し下げ量Ｗが所定の値に到達した時に、第２のパルス信号をコイルに供給することによって磁気吸引力Ｆを発生させる。このように発生させた磁気吸引力Ｆによって、操作者にクリック感を感じさせることができる。
【００７１】
図２７は、コイルに流れる電流の立ち上がり波形に基づいて押し下げ量Ｗを検出する方法を説明するためのタイムチャートである。上述の図２５，２６の場合、押し下げ量Ｗの検出には、コイルの両端に発生した電圧Ｖ２の大きさに対応する検出電圧Ｖ３を利用していたが、コイルに流れる電流の立ち上がりの波形を利用してもよい。
【００７２】
図２７において、（ａ）は、コイルに印加される電圧波形を示す。（ｂ）は、シャフトが押し込まれていない状態で、（ａ）の電圧を印加したときにコイルに流れる電流波形を示す。（ｃ）は、シャフトが押し込まれた状態で、（ａ）の電圧を印加したときにコイルに流れる電流波形を示す。
【００７３】
電圧を（ａ）のように瞬時に立ち上げた場合でも、コイルの性質上、コイルに流れる電流波形は、そのインダクタンスに応じた傾きで立ち上がる。したがって、押し込み量に応じてインダクタンスが増加するように構成されている場合、押し込み量の増加に伴い電流波形の傾きは緩やかになる。つまり、この傾きの大きさを検出することでインダクタンスの大きさを評価することができるので、そのインダクタンスに基づいて、押し込み量の検出を行うことができる。
【００７４】
本発明のように操作入力装置からのフィードバック力を操作者に与える構成では、フィードバック力によって操作部の位置が変化し、その変化に伴いインダクタンスが変化する。したがって、上述のリセット信号ＶＲ等の誤検出対策をしなければ、操作部の位置やその押し込み量を誤検出するおそれがある。しかしながら、図２７のように、電流波形の立ち上がりで押し込み量の検出を行うことによって、操作部の位置が変化する前に、押し込み量の検出を完了することが可能になる。その結果、図２６のように、第１のパルス信号と第２のパルス信号の位相を異ならせなくても、第２のパルス信号を第１のパルス信号として使用することによって、フィードバック力の発生と押し込み量の検出をほぼ同時に行うことが可能となる。つまり、操作部の押し込み量を検出する際に電流波形の立ち上がりの傾きを利用することによって、フィードバック力の発生時にも、操作部の位置の変化による影響を受けることなく、操作部の押し込み量の検出が可能になる。なお、図２７（ａ）に示した電圧波形を、方形波にしても、同様の効果が得られる。
【００７５】
フィードバック力を発生させる電圧波形には、図２７（ａ）に示される鋸波等の三角波を使用すると好適である。フィードバック力は立ち上がりで強く感じるため、ピーク電圧と通電時間が同じならば三角波と方形波でほぼ同等のフィードバック力の感触が得られる。つまり、三角波を用いることで、約半分の電力で、方形波と同等のフィードバック力を得ることができる。
【００７６】
このように、上述の本実施形態の操作入力装置の場合、共通のコイルに対して２種類又は１種類のパルス信号を供給するだけで、操作入力の検出と操作者への力の付与を行うことができる。つまり、操作入力を検出する機能と操作者に力を付与する機能の両方を、複雑な構造を構成することなく、２種類又は１種類のパルス信号をコイルに供給するという単純な構成で実現することができる。また、操作入力を検出するための構成と操作者に力を付与するための構成との間で、部品（コイル）の共有化ができるので、小型化やコスト削減を図ることができる。
【００７７】
また、フィードバック振動を、操作部の押し込み方向ではなく、押し込み方向と異なる方向（例えば、操作部を傾斜させる方向、横方向）に発生させることができるので、操作部の押し込み方向にフィードバック振動を発生させる場合よりも、操作者にフィードバック振動を強く感じさせることができる。
【００７８】
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。
【００７９】
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】
【００８０】
１  基板
２，２０，１２０，２２０  コイル
３  コア
４  ヨーク
４ｃ，４ｄ，４ｅ  ギャップ
５ａ，５ｂ  支持部材
５ｃ〜５ｆ  揺動支点
６  操作部
１０，１１０，２１０  下側ヨーク
１１，１２，１１１，１１２，２４１，２４２  側面ヨーク
１３，１１３  下面ヨーク
１４，１１４，２１２  壁部
１５，４１，１１５  切り欠き部
３０，１３０，２３０  シャフト（コア）
３１，１３１，２３１  上端部
３２，１３２，２３２  下端部
４０，１４０，２４０  上側ヨーク
５０，１５０，２５０  スプリング
５１，１５１  シャフトホルダ
５１ａ，５１ｂ  ピン
５２，１５２，２５２  ボビン
５２ａ，５２ｂ  ガイド
５２ｃ  内壁
５３  ゴムリング
５４  樹脂リング
１００，２００，３００，４００  操作入力装置
１５３  樹脂ワッシャー
２１１  ベース
２３３  欠損部
２３４  板状部材
３６０  キー（操作部）
３７０  ケース
Ｃ  コアの中心軸
Ｄ  回転軸
Ｅ  対向面積
Ｆ＊  磁気吸引力
Ｌ＊  磁力線
【図１】
0005120422.tif 000002
【図２】
0005120422.tif 000003
【図３】
0005120422.tif 000004
【図４】
0005120422.tif 000005
【図５】
0005120422.tif 000006
【図６】
0005120422.tif 000007
【図７】
0005120422.tif 000008
【図８】
0005120422.tif 000009
【図９】
0005120422.tif 000010
【図１０】
0005120422.tif 000011
【図１１】
0005120422.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0005120422.tif 000014
【図１４】
0005120422.tif 000015
【図１５】
0005120422.tif 000016
【図１６】
0005120422.tif 000017
【図１７】
0005120422.tif 000018
【図１８】
0005120422.tif 000019
【図１９】
0005120422.tif 000020
【図２０】
0005120422.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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