CN107003689B - 输入输出操作装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供操作性高的输入输出操作装置，输入输出操作装置(750)具备：致动器(165)，其包括能够绕相互正交的2轴独立且自如地旋转的可动单元(180)、将所述可动单元(180)支承为自如地旋转的固定单元、以及相对于固定单元而驱动可动单元(180)的驱动部；检测电路部(360)，其输出与操作部(850)的位置对应的位置信号；驱动电路部(350)，其控制驱动部；控制运算处理部(94)，其控制驱动电路部(350)；以及旋转体(550)，其搭载有致动器(165)且以旋转轴为中心而旋转，控制运算处理部(94)在旋转体(550)的不同的旋转角度中，使用相对于旋转体(550)的基准旋转角而静止的坐标系来控制操作部(850)的驱动。

Description

输入输出操作装置
技术领域
本申请涉及具备设于转向系统的2轴或3轴的输入操作部的输入输出操作装置。
背景技术
近年来，搭载于机动车的电子设备以安全、放心、提高舒适性为目的而进一步在高功能化、多功能化方面不断发展。因此，驾驶员应进行的操作步骤变得非常复杂。从简化复杂的操作这样的观点出发，例如，谋求在导航、空调、音响、收音机等的操作中与操作者的感觉高度一致且操作性高的HMI(Human-Machine-Interface)。另外，为了抑制行驶中的驾驶员的视线移动，有时也在转向系统(方向盘)上设置输入器件。
作为具有亲和性的HMI，提出有具有能够实现3轴操作的输入装置、具有力反馈功能的触觉器件。
例如，专利文献1公开了如下所述的3轴的输入操作装置：以使操作部仅沿X、Y、Z轴方向能够移动的方式限制操作部的移动方向，并且，进行X、Y、Z轴方向上的操作部的位置检测。
专利文献2公开了如下所述的输入操作装置：将操作部保持为能够绕3轴旋转，并且能够检测旋转角。
另外，专利文献3公开了如下所述的触觉器件：使操作部绕X、Y轴旋转，并检测绕轴的相对位移量，利用搭载于各个旋转机构的马达对操作部赋予力感。
专利文献4公开了搭载于转向系统且能够进行按压操作以及旋转操作的转向开关。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58-172739号公报
专利文献2：日本特开平5-57645号公报
专利文献3：日本特开2005-332039号公报
专利文献4：日本特开2013-95367号公报
发明内容
发明要解决的课题
现有的输入装置、触觉器件谋求操作性更高的HMI。本申请的并非限定性的例示的实施方式提供操作性更高的输入输出操作装置。
解决方案
本公开的输入输出操作装置具备致动器，该致动器包括：可动单元，其包括具有供手指接触的表面的操作部、和位于内部的凹状接触面以及凸状球面的一方，且该可动单元能够绕相互正交的2轴独立且自如地旋转；固定单元，其具有与所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方松配合的所述凹状接触面以及凸状球面的另一方，通过使所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方与所述凹状接触面以及凸状球面的另一方点接触或线接触，从而该固定单元将所述可动单元支承为以所述凸状球面的球心为中心而自如地旋转；以及驱动部，其相对于所述固定单元而驱动所述可动单元，所述输入输出操作装置还具备：检测电路部，其输出与所述操作部的位置对应的位置信号；驱动电路部，其控制所述驱动部；控制运算处理部，其控制所述驱动电路部；以及旋转体，其搭载有所述致动器且以旋转轴为中心而旋转，所述控制运算处理部在所述旋转体的不同的旋转角度中，使用相对于所述旋转体的基准旋转角而静止的坐标系来控制所述操作部的驱动。
发明效果
根据本公开的输入输出操作装置，通过将具有2轴或3轴的操作轴且能够实现二维或三维的操作方向的输入输出操作部搭载于转向系统，能够根据转向系统的操作旋转角度而转换输入输出操作部的操作方向的坐标，由此相对于由转向系统的中立位置处的水平轴和与该水平轴正交的铅垂轴构成的绝对坐标而始终恒定保持操作方向。
附图说明
图1是示出本发明的输入输出操作装置750中的致动器165的简要结构的分解立体图。
图2是示出本发明的实施方式的致动器165的可动单元180的详细结构的分解立体图。
图3A是从上方观察本发明的实施方式的致动器165的可动单元180的磁背轭670的立体图。
图3B是从Z轴10方向上方观察本发明的实施方式的致动器165的可动单元180的磁背轭670的俯视图。
图4A是从上方观察本发明的实施方式的致动器165的立体图。
图4B是从上方观察本发明的实施方式的致动器165的立体图，且是排除了防脱落构件201的立体图。
图4C是从本发明的实施方式的致动器165的上方观察到的防脱落构件201的立体图。
图5A是从本发明的实施方式的致动器165的Z轴10方向观察到的俯视图。
图5B是从本发明的实施方式的致动器165的直线13方向观察到的俯视图。
图6是从本发明的实施方式的致动器165的上方观察到的排除了操作部850和上部可动部150的致动器165的立体图。
图7是从本发明的实施方式的致动器165的上方观察到的固定单元的立体图。
图8A是示出本发明的实施方式的致动器165的固定单元的简要结构的分解立体图。
图8B是示出搭载于本发明的实施方式的致动器165的固定单元的一个驱动机构的结构的分解立体图。
图9A是从本发明的实施方式的致动器165的Z轴10观察到的俯视图。
图9B是包括本发明的实施方式的致动器165的Z轴10和旋转轴11的平面内的致动器165的剖视图。
图10A是从本发明的实施方式的致动器165的Z轴10观察到的俯视图。
图10B是包括本发明的实施方式的致动器165的Z轴10和旋转轴12的平面内的致动器165的剖视图。
图11A是从本发明的实施方式的致动器165的Z轴10观察到的俯视图。
图11B是包括本发明的实施方式的致动器165的Z轴10和直线13的平面内的致动器165的剖视图。
图12是本发明的实施方式的致动器165旋转为在旋转方向20以及旋转方向21上按照相同的角度旋转后的合成角度θxy的状态下的从上方观察到的排除了防脱落构件201的立体图。
图13A是本发明的实施方式的致动器165旋转为在旋转方向20以及旋转方向21上按照相同的角度旋转后的合成角度θxy的状态下的从本发明的Z轴10观察到的排除了防脱落构件201的俯视图。
图13B是本发明的实施方式的致动器165旋转为在旋转方向20以及旋转方向21上按照相同的角度旋转后的合成角度θxy的状态下的排除了防脱落构件201的在包括Z轴10和直线13的平面内的剖视图。
图14A是本发明的实施方式的致动器165的固定单元的俯视图。
图14B是本发明的实施方式的致动器165的固定单元的在包括Z轴10和Y轴方向旋转轴11的平面内的剖视图。
图15是从Z轴10的上方观察本发明的实施方式的致动器165的传感器基板502的俯视图。
图16是示出本发明的实施方式的输入输出操作装置750的整体的结构图。
图17是示出本发明的实施方式的输入输出操作装置750的结构的详细框图。
图18是示出搭载有输入输出操作装置的转向系统的图。
图19A是示出转向系统处于中立的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图19B是示出转向系统处于中立的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图19C是示出转向系统处于中立的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图19D是示出转向系统处于中立的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图20A是示出转向系统旋转了θA的状态的图。
图20B是示出转向系统旋转了θA的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图20C是示出转向系统旋转了θA的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图20D是示出转向系统旋转了θA的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图20E是示出转向系统旋转了θA的情况下的致动器的操作部的操作方向的图。
图21A是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中的坐标转换的内容的图。
图21B是示出控制运算处理部中的处理的一例的流程图。
图22A是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图22B是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图22C是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图22D是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图22E是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图23A是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度-θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图23B是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度-θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图23C是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度-θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图23D是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度-θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图23E是示出在本发明的实施方式的输入输出操作装置750中，在将转向系统550旋转了操作旋转角度-θA的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图24是示出本发明的实施方式的输入输出操作装置750的环状的开关部960的图。
图25是示出本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中的旋转操作杆780所搭载的致动器165的简要结构的立体图。
图26A是从Z0轴观察本发明的第二实施方式的旋转操作杆780所搭载的致动器165的俯视图。
图26B是从Y0轴观察本发明的第二实施方式的旋转操作杆780所搭载的致动器165的俯视图。
图27A是示出旋转操作杆780处于中立的情况下的致动器165的操作部的操作方向的图。
图27B是示出旋转操作杆780处于中立的情况下的致动器165的操作部的操作方向的图。
图27C是示出旋转操作杆780处于中立的情况下的致动器165的操作部的操作方向的图。
图27D是示出旋转操作杆780处于中立的情况下的致动器165的操作部的操作方向的图。
图27E是示出旋转操作杆780处于中立的情况下的致动器165的操作部的操作方向的图。
图28A是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图28B是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图28C是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图28D是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图28E是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图29A是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度-θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图29B是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度-θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图29C是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度-θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图29D是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度-θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
图29E是示出在本发明的第二实施方式的输入输出操作装置750中，在将旋转操作杆780以Z0轴为中心旋转了操作旋转角度-θB的状态下实施了致动器165的坐标转换的情况下的操作方向的图。
具体实施方式
例如，在车载用的接受驾驶员的操作的输入输出操作装置中，从安全、放心的观点出发，谋求适于司机的直观操作、不观察操作部的盲操作、以及维持舒适的驾驶环境的具有品位的操作感。
通常，多轴的输入输出操作部大多的组合结构比较简单方便，因此通过组合多个能够绕轴旋转的旋转机构来实现。另外，各个旋转机构经由齿轮等(齿条&小齿轮、蜗轮&蜗杆)传递机构而与驱动马达结合，操作部构成为以各个旋转轴为中心而驱动旋转。另外，在驱动马达的驱动轴设置编码器等，从而检测操作部的相对的位置位移量。
然而，在使用该结构的情况下，可动的操作部的重量增加，输入装置整体容易大型化。另外，在旋转机构的轴承产生因轴承间隙而引起的敲击噪声及轴向的游隙，从而成为异音发生、诱发机械结构不良的原因。
另外，在夹装于可动部和驱动马达的齿轮等传递机构中，需要设置齿隙。因此，因磨耗等导致间隙增大，成为操作部的位置精度降低、机械振动、噪声发生以及装置的寿命降低的原因。
此外，在转向系统设置多轴的输入操作部的情况下，伴随着转向系统的旋转，输入操作部的轴也进行旋转，因此应操作的方向发生变化，给司机带来混乱。
专利文献1～4所公开的技术就存在上述那样的课题。本申请的发明人鉴于上述那样的课题而想到新的输入输出操作装置。
本公开的输入输出操作装置具备致动器，该致动器包括：可动单元，其包括具有供手指接触的表面的操作部、和位于内部的凹状接触面以及凸状球面的一方，且该可动单元能够绕相互正交的2轴独立且自如地旋转；固定单元，其具有与所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方松配合的所述凹状接触面以及凸状球面的另一方，通过使所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方与所述凹状接触面以及凸状球面的另一方点接触或线接触，从而该固定单元将所述可动单元支承为以所述凸状球面的球心为中心而自如地旋转；以及驱动部，其相对于所述固定单元而驱动所述可动单元，所述输入输出操作装置还具备：检测电路部，其输出与所述操作部的位置对应的位置信号；驱动电路部，其控制所述驱动部；控制运算处理部，其控制所述驱动电路部；以及旋转体，其搭载有所述致动器且以旋转轴为中心而旋转，所述控制运算处理部在所述旋转体的不同的旋转角度中，使用相对于所述旋转体的基准旋转角而静止的坐标系来控制所述操作部的驱动。
也可以是，所述2轴是原点设于所述凸状球面的球心的X轴以及与所述X轴正交的Y轴，所述固定单元具有至少一个磁性体，所述可动单元具有至少一个吸附用磁铁，且利用所述至少一个吸附用磁铁和所述至少一个磁性体的磁吸引力，以所述凸状球面的球心为中心而自如地旋转，所述驱动部具有：第一驱动部，其使所述可动单元以穿过所述球心的所述X轴为中心而旋转；以及第二驱动部，其使所述可动单元在包括所述X轴的平面内以所述Y轴为中心而旋转，所述检测电路部生成与所述可动单元的绕所述X轴的第一旋转角度以及绕所述Y轴的第二旋转角度对应的第一旋转角度信号及第二旋转角度信号，所述控制运算处理部生成与绕所述X轴的旋转角对应的第一目标旋转信号以及与绕所述Y轴的旋转角对应的第二目标旋转角度信号。
也可以是，静止的所述坐标系的原点与所述凸状球面的球心对应。
也可以是，所述控制运算处理部基于所述第一旋转角度信号、所述第二旋转角度信号而生成与所述操作部的可动范围区域相当的二维坐标系中的所述操作部的当前位置坐标，并基于使用了目标位置坐标与所述当前位置坐标的差分的位置反馈控制而生成所述第一目标旋转角度信号、所述第二目标旋转角度信号。
也可以是，所述驱动部还具有第三驱动部，该第三驱动部使所述可动单元以穿过所述球心且与所述X轴以及所述Y轴正交的Z轴为中心而旋转，所述检测电路部生成与所述可动单元的绕所述Z轴的第三旋转角度对应的第三旋转角度信号，所述控制运算处理部生成具有规定的驱动波形图案的驱动信号，所述驱动电路部接受所述驱动信号并生成驱动所述第三驱动部的信号，通过所述第三驱动部来驱动所述可动单元朝绕所述Z轴的方向振动。
也可以是，所述规定的驱动波形图案包括具有可听区域的频率成分的振动波形。
也可以是，所述可动单元具有所述凹状接触面，所述固定单元具有所述凸状球面。
也可以是，所述可动单元具有所述凸状球面，所述固定单元具有所述凹状接触面。
所述凹状接触面也可以为圆锥面。
所述可动单元的所述凹状接触面也可以具有圆锥状的表面。
也可以是，所述固定单元还具有基座、和将所述凹状接触面以及凸状球面的另一方相对于所述基座固定的连结棒，所述可动单元具有供所述连结棒插入的开口部，通过所述开口部和所述连结棒接触，来限制所述可动单元的旋转角度。
也可以是，输入输出操作装置还具备防脱落构件，该防脱落构件设于所述固定单元，且具有限制所述可动单元的移动的限制面，以避免所述可动单元从所述固定单元脱落，所述限制面具有凹状部分球面，该凹状部分球面具有与所述球心一致的中心。
也可以是，所述第一驱动部包括：在所述可动单元中相对于所述Z轴对称配置的一对第一驱动磁铁；以与所述一对第一驱动磁铁对置的方式分别配置于所述固定单元的基座的一对第一磁轭；以及分别卷绕于所述一对第一磁轭的一对第一驱动线圈，所述第二驱动部包括：在所述可动单元中相对于所述Z轴对称配置的一对第二驱动磁铁；以与所述一对第二驱动磁铁对置的方式分别配置于所述固定单元的基座的一对第二磁轭；以及分别卷绕于所述一对第二磁轭的一对第二驱动线圈，所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第一驱动线圈设置在穿过所述凸状球面的球心的直线上，所述一对第二驱动磁铁以及所述第二驱动线圈设置在穿过所述凸状球面的球心且与所述直线正交的另一直线上，各第一驱动磁铁、第一驱动线圈、第二驱动磁铁以及第二驱动线圈的在所述Z轴方向上的中心位置与所述凸状球面的所述球心的位置大致一致。
也可以是，所述第三驱动部包括分别卷绕于所述一对第一磁轭以及所述一对第二磁轭的第三驱动线圈，将所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁用作第三驱动磁铁。
也可以是，所述驱动部还具有一对磁背轭，该一对磁背轭设于所述可动单元的所述球心侧，将所述一对第一驱动磁铁的一方与所述一对第二驱动磁铁的一方连结，并将所述一对第一驱动磁铁的另一方与所述一对第二驱动磁铁的另一方连结。
也可以是，在所述可动单元处于中立的位置的状态下，所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁配置为，相对于与所述Z轴垂直且穿过所述球心的水平面而朝下成45度以下的旋转角度A，以与所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁对置的方式将所述第一驱动线圈和所述一对第一磁轭以及所述一对第二驱动线圈和一对第二磁轭旋绕地配置于所述固定单元。
所述旋转角度A也可以为15度以上且25度以下。
也可以是，所述一对第一驱动磁铁、所述一对第二驱动磁铁分别位于所述可动单元的内侧，且不在所述可动单元的外形面露出。
也可以是，所述一对第一驱动线圈、所述一对第二驱动线圈以及所述第三驱动线圈分别设于所述固定单元的内侧，且不在所述固定单元的外形面露出。
所述可动单元的重心也可以与所述球心一致。
也可以是，所述输入输出操作装置还具备包括第一检测部以及第二检测部的检测器，所述第一检测部包括：固定于所述固定单元的第一磁传感器；以及设于所述可动单元的倾斜角检测用磁铁，所述第一磁传感器检测因所述倾斜角检测用磁铁的旋转而引起的磁力变化，并计算绕所述X轴、Y轴的二维的旋转角度。
也可以是，所述第一磁传感器以及所述倾斜角检测用磁铁在所述Z轴上相互对置。
也可以是，所述输入输出操作装置具备偏磁用磁铁，该偏磁用磁铁与所述倾斜角检测用磁铁对置，且配置在所述Z轴上并固定于所述固定单元。
所述偏磁用磁铁也可以具有使所述可动单元复原至中立的位置的磁性弹簧的功能。
也可以是，所述输入输出操作装置还具备包括第一检测部以及第二检测部的检测器，所述第一检测部包括：光传感器，其固定于所述固定单元；以及光检测图案，其设于所述可动单元的外侧面且与所述光传感器对应的位置，所述光传感器检测因所述光检测图案的旋转而引起的射入所述光传感器的光的变化，并计算所述操作部的绕所述X轴、Y轴的二维的旋转角度。
所述光传感器以及所述光检测图案也可以位于所述Z轴上。
也可以是，在所述可动单元位于中立的位置时，在与所述Z轴正交的平面中，所述第一磁传感器分别配置于相对于连结所述一对第一驱动磁铁的直线以及连结所述一对第二驱动磁铁的直线而成45度的角度的直线上。
也可以是，所述检测电路部包括：一对旋转检测用磁铁，其在所述可动单元中相对于所述Z轴对称配置；以及一对第二磁传感器，其固定于所述固定单元且以与所述一对旋转检测用磁铁分别对置的方式固定，所述一对第二磁传感器检测因所述一对旋转检测用磁铁的旋转而引起的磁力变化，并计算所述操作部的旋转角度。
也可以是，所述一对旋转检测用磁铁由如下的磁铁构成：在与所述Z轴正交的平面中，沿着与穿过所述球心的直线平行且相互为相反朝向的方向被2极分割磁化。
也可以是，在所述防脱落构件的所述限制面与所述可动单元的外形面之间设有空隙，所述空隙被决定为，即便所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方与所述固定单元的所述凹状接触面以及凸状球面的另一方分离，也能够利用所述磁吸引力使它们复原至点接触或线接触的状态。
也可以是，所述输入输出操作装置还具备环状的开关构件，该环状的开关构件以包围所述可动单元的周围的方式设于所述固定单元的上部。
根据本公开的输入输出操作装置，通过将具有2轴或3轴的操作轴且能够实现二维或三维的操作方向的输入输出操作部搭载于转向系统，根据转向系统的操作旋转角度而转换输入输出操作部的操作方向的坐标，由此能够相对于由转向系统的中立位置处的水平轴和与该水平轴正交的铅垂轴构成的绝对坐标始终恒定保持操作方向。
其结果是，能够不取决于转向系统的操作旋转角度而使输入输出操作部的操作方向固定于例如水平方向和铅垂方向，能够相对于操作转向系统进行旋转中的驾驶员而极度简化输入输出操作部的操作方向的判断识别，从而能够大幅度降低向输入输出操作部移动视线的视线移动频率。
此外，输入输出操作部通过采用如下的可动部结构：在具有与手指接触的表面的操作部的中心轴的延长线上，配置设于固定部的凸状球面的球心和以与凸状球面接触的方式设于可动部的圆锥状的凹状接触面的中心轴，并且使分割成两部分的可动部以中心包入凸状球面的方式接合，由此能够实现搭载操作部的可动部的重心支承并且在驱动频率区域中大幅度抑制机械谐振。
此外，利用不对可动部的转动角度造成影响的磁吸引力，在由固定部的凸状球面和可动部的凹状接触面构成的枢轴结构中附加恒定的法向力，由此能够减少相对于转动角度的摩擦负荷变动，并在驱动频率区域中实现良好的相位、增益特性。
此外，关于防止作为在以往的基于磁吸引力的支承结构中特有的大课题的、因振动、冲击等外部干扰等导致的可动部的脱落，隔开可供可动部转动的规定的空隙而在固定部设置防脱落限制面，由此能够避免装置的大型化且可靠地实现可动部的防脱落。
此外，通过设置如下距离的空隙：即，在使凹状接触面与凸状球面脱离有空隙的距离的状态下，也能够利用磁吸引力使凹状接触面移动至凸状球面侧而接触复位，从而能够提供即便在可动部瞬间脱落的情况下、也能够立即复位至原来的良好支承状态的极其安全的输入输出操作装置。
此外，绕X轴、Y轴的旋转倾斜驱动机构以及横摆方向的横摆驱动机构包括：配置为以Z轴为中心的圆周状且相互正交的固定于可动部的两对驱动磁铁；以及以与驱动磁铁对置的方式分别配设于固定部的两对驱动线圈和磁轭，并且Z轴方向配设的高度位置与凸状球面的球心的高度位置大致相等，由此能够实现可动部的重心驱动，并且在驱动频率区域中大幅度抑制机械谐振。
此外，通过使与驱动磁铁对置的磁轭的投影面积大致相等，在可动部的旋转倾斜角度以及旋转角度为0度的情况下，能够保持基于磁轭与驱动磁铁之间的磁性弹簧而确定的可动部的中立点。
此外，由于是能够实现良好的频率响应特性和高旋转倾斜角度分辨率的输入输出操作部，因此可动单元对指尖的动作检测灵敏度非常高，也能够实现在便携终端经常使用的轻拂输入、快速滑动输入的检测和文字输入的检测。
通过利用树脂构件来覆盖凹状接触面或凸状球面的表层部分，能够实现低摩擦且耐磨损性优异的支承结构。
通过向由圆锥状的凹状接触面和与凹状接触面进行松配合的凸状球面构成的枢轴结构的空间填充振动衰减用的粘性构件或磁性流体，能够减少在搭载于可动部的驱动磁铁和设于固定部的磁轭之间产生的磁吸引力的磁性弹簧效果所引起的振幅增大系数(Q值)、机械固有振动的Q值，从而能够得到良好的控制特性。
如以上那样，本发明通过使能够绕X轴和Y轴进行±25度以上的较大的旋转倾斜驱动和±5度以上的横摆驱动的枢轴支承系统配置于原点，能够在到200Hz左右为止的宽频的频率区域中实现操作部的良好的输入输出控制。其结果是，提供能够实现操作部的X、Y、Z轴这3轴的多轴高速操作并且能够使操作者感受到以往所没有的新的触觉力感的输入输出操作装置。
此外，由X轴和Y轴构成的操作部的驱动二维坐标在磁传感器的坐标输出中被电构成，因此通过对转向系统的操作旋转角度进行检测，能够修正作为驱动目标的二维坐标，以抵消转向系统的操作旋转角度。
这样，能够不取决于转向系统的操作旋转角度而将输入输出操作部的操作方向恒定保持为水平方向、铅垂方向，由此利用能够简化驾驶员的操作方向的判断识别且能够实现触觉力感的输入输出操作部，驾驶员能够进行盲操作。
其结果是，能够提供可极力抑制驾驶员在行驶中的视线移动的安全放心的输入输出操作装置。
(实施方式)
以下，对本发明的输入输出操作装置的实施方式进行说明。
图18示意性地示出搭载于转向系统550的、本实施方式的输入输出操作装置750(图16)。
转向系统550是以旋转轴为中心而旋转的旋转体的一例，例如是车辆等的方向盘。转向系统550具备盘圈551和盘毂552。盘毂552与盘圈551连接，且具有旋转轴553。驾驶员用手握住盘圈551，使盘圈551绕旋转轴553旋转，由此转向系统550的旋转传递于设置在旋转轴553的位置的转向柱等。也可以利用设于旋转轴553的旋转传感器等来检测转向系统550的旋转。
输入输出操作装置750具备设于转向系统550的盘毂的致动器165。以下，首先详细说明致动器165。
图1是示出本发明的实施方式的输入输出操作装置750的致动器165的分解立体图，图2是本发明的实施方式的可动单元180的分解立体图。
图3A、图3B是示出可动单元180的磁背轭670的立体图。图4A是从斜上方观察致动器165的立体图。图4B是从斜上方观察处于去除作为一部分的构成要素的防脱落构件201后的状态的致动器165的立体图。图4C是从斜上方观察作为一部分的构成要素的防脱落构件201的立体图。图5A是从Z轴10方向观察到的俯视图。图5B是从图5A所示的直线13的方向观察到的俯视图。图6是排除了操作部850和上部可动部150的致动器165的立体图。图7是从上方观察到的固定单元的立体图。图8A是示出固定单元的简要结构的分解立体图。图8B是示出搭载于固定单元的一个驱动机构的结构的分解立体图。图9A、图9B是致动器165的俯视图以及在包括Z轴10和旋转轴11的平面内的剖视图。图10A、图10B是致动器165的俯视图以及在包括Z轴10和旋转轴12的平面内的剖视图。图11A、图11B是致动器165的俯视图以及在包括Z轴10和直线13的平面内的剖视图。图12是旋转为在旋转方向20和旋转方向21上按照相同的角度旋转后的合成角度θxy的状态下的从上方观察到的排除了防脱落构件201的立体图。图13A、图13B是致动器165的排除了防脱落构件201的俯视图、以及旋转为在旋转方向20和旋转方向21上按照相同的角度旋转后的合成角度θxy的状态下的排除了防脱落构件201的在包括Z轴10和直线14的平面内的剖视图。图14A、图14B是固定单元的俯视图、以及在包括Z轴10和旋转轴11的平面内的剖视图。图15是从Z轴10的上方观察致动器165的传感器基板502的俯视图。图16是本发明的实施方式的输入输出操作装置750的整体结构图。图17是示出本发明的实施方式的输入输出操作装置750的结构的详细框图。
输入输出操作装置750的致动器165具备：操作部850；搭载操作部850的可动单元180；支承可动单元180的固定单元。
可动单元180相对于固定单元而在以Z轴10为中心而旋转的旋转方向22、以与Z轴10正交且穿过球心70的旋转轴(X轴)11为中心而旋转的旋转方向21以及以与Z轴10正交且穿过球心70的旋转轴(Y轴)12为中心而旋转的旋转方向20上相互独立地自如旋转。旋转轴11与旋转轴12相互正交。因此，致动器165具备相对于固定单元而驱动可动单元180的驱动部。具体而言，驱动部包括：用于使可动单元180向旋转方向20以及旋转方向21旋转(倾斜)的第一驱动部以及第二驱动部；使操作部850相对于固定单元沿旋转方向22旋转的第三驱动部。各驱动部包括驱动磁铁和驱动线圈以及磁轭的组合。例如。驱动磁铁设于可动单元180，驱动线圈以及磁轭设于固定单元。
第一驱动部包括一对驱动磁铁401、一对驱动线圈301、由磁性体构成的一对磁轭203。此外，在一对驱动线圈301的内侧，卷绕有后述的以Z轴10为中心而沿旋转方向22旋转驱动的第三驱动部即一对驱动线圈303。驱动磁铁401和磁轭203是在两侧面具有以球心70为中心的圆周曲面的局部的圆管形状。
第二驱动部包括一对驱动磁铁402、一对驱动线圈302、由磁性体构成的一对磁轭204。此外，在一对驱动线圈302的内侧，卷绕有后述的以Z轴10为中心而沿旋转方向22旋转驱动的第三驱动部即一对驱动线圈303。驱动磁铁402和磁轭204也是在两侧面具有以球心70为中心的圆周曲面的局部的圆管形状。
以下，针对第一驱动部、第二驱动部及第三驱动部对可动单元180的驱动进行详细说明。
致动器165具备用于对搭载有操作部850的可动单元180的相对于固定单元的旋转角度以及绕Z轴10的旋转角度进行检测的检测器。具体地说，具备：用于对可动单元180的二维的旋转(倾斜)角度、即旋转方向20以及旋转方向21的旋转角度进行检测的第一检测部；用于对旋转方向22的倾斜角度进行检测的第二检测部。第二检测部虽未图示，但包括在与Z轴10正交的平面内以球心70为中心而配置于可动单元180的两端的一对旋转检测用磁铁以及以与旋转检测用磁铁对置的方式配置于基座200的一对磁传感器。然而，如本发明的实施方式所示，在输入输出操作装置750仅需要进行旋转方向22的旋转方向的正反检测的情况下，在第一检测部中也能够充分地检测，不再需要第二检测部。
第一检测部包括：搭载于可动单元180的底部的倾斜角检测用磁铁406；相对于穿过球心70且在包括旋转轴11、12的平面内正交于旋转轴11、12的直线13平行且以Z轴10为中心而配置的一对磁传感器501a和501b；相对于穿过球心70且在包括旋转轴11、12的平面内正交于直线13的直线14平行且以Z轴10为中心而配置的一对磁传感器503a和503b。磁传感器501a、501b和503a、503b搭载于传感器基板502，且与倾斜角检测用磁铁406隔开规定的空隙而经由螺旋弹簧600固定于基座200。以下，对第一检测部进行详细说明。
固定单元包括基座200。基座200具有与可动单元180的至少一部分松配合的凹部。在本实施方式中，凹部的内侧面由凹状球面200A构成。基座200还具有开口部200P、200T和接触面200B。
如图1所示，致动器165为了使可动单元180沿旋转方向22旋转而使用一对磁轭203以及一对磁轭204、在这些磁轭上卷绕的4个驱动线圈303、一对驱动磁铁401以及一对驱动磁铁402。
如图1、图8A以及图8B所示，驱动线圈303具有如下所述的十字卷绕结构：在一对磁轭203以及一对磁轭204上以分别与驱动线圈301以及驱动线圈302的线圈卷绕方向正交的方式层叠卷绕于内侧，且分别插入固定于基座200的开口部200P、200T。具体地说，在向一对磁轭203以及一对磁轭204卷绕了驱动线圈303之后，在一对磁轭203以及一对磁轭204的两侧面固定磁轭保持架203L、203R以及磁轭保持架204L、204R，然后整体地卷绕一对驱动线圈301以及302。此外，通过将磁轭保持架203L、203R以及磁轭保持架204L、204R的底部固定于基座200的安装面200S而在固定单元上装配驱动部。
优选地，包括基座200的固定单元由树脂构成。进一步优选地，包括基座200的固定单元由卷绕于一对磁轭203的驱动线圈301和驱动线圈303、卷绕于一对磁轭204的驱动线圈302和驱动线圈303一体成型。另外，卷绕于这些磁轭的驱动线圈优选不在基座200的内侧面露出，换句话说，不在凹状球面200A露出。
可动单元180包括上部可动部150和下部可动部102。内置操作部850的上部可动部150被固定于下部可动部102。操作部850在可动单元180中位于Z轴10上。操作部850具有大体凸形状，凸形状的中心(更突出的部分)与Z轴10一致。在可动单元180不设置相机、发光元件等。
下部可动部102具有包括一对开口部102W的壶形状。下部可动部102的外形具有以球心70为球心的凸状球面102R。
凸状球面102R覆盖下部可动部102的外侧整体。更具体地说，下部可动部102具有能够供连结棒650插入的一对开口部102W，该连结棒650用于将后述的以球心70为球心的凸状球面部651连结固定于基座200。开口部102W以如下的位置以及大小设于下部可动部102，即，在可动单元180绕Z轴10、旋转轴11以及旋转轴12以预先设定的角度范围旋转的情况下连结棒650不会与下部可动部102接触的位置以及大小。此外，开口部102W被用作可动单元180的旋转方向22的限位器。因此，开口部102W以外的部分的表面构成凸状球面102R。
凸状球面651a和凸状球面102R的球心70位于下部可动部102的中心，且位于操作部850的下部。
在可动单元180设置倾斜角检测用磁铁406、一对驱动磁铁401以及一对驱动磁铁402。搭载的检测用磁铁、驱动磁铁优选从开口部102H配置于下部可动部102的内侧，以避免向凸状球面102R露出。下部可动部102优选由树脂构成，下部可动部102、倾斜角检测用磁铁406、一对驱动磁铁401以及一对驱动磁铁402一体地成型。
如图3A以及图3B所示，驱动部包括位于比驱动磁铁401以及驱动磁铁402靠球心70侧的位置且设于可动单元180的一对磁背轭670。一个磁背轭670将一个驱动磁铁401以及一个驱动磁铁402磁结合。另外，另一个磁背轭670将另一个驱动磁铁401以及另一个驱动磁铁402磁结合。
如图9B、图10B所示，设于基座200的内侧的磁轭203以及磁轭204由磁性体构成。因此，以分别对置的方式设于下部可动部102的内侧的驱动磁铁401以及驱动磁铁402作为吸附用磁铁而发挥功能，在磁轭与驱动磁铁之间分别产生磁吸引力。具体地说，在磁轭203和驱动磁铁401产生磁吸引力F1，在磁轭204和驱动磁铁402产生磁吸引力F1。实际上，磁轭203与驱动磁铁401的中心线18以及磁轭204与驱动磁铁402的中心线19分别相对于直线11、直线12而以向下的倾斜角度θd构成。倾斜角度θd优选为15度～25度左右。
上部可动部150具有包括与下部可动部102的壶形状的开口对应的开口的壶形状。下部可动部102的外形具有以球心70为球心的凸状球面102R。另外，在上部可动部150的壶形状的内部设有包括凹状接触面860a的凹状构件860。在本实施方式中，凹状接触面860a为圆锥面。凹状接触面860a与下部可动部102对置，且与固定单元的凸状球面部651的凸状球面651a接触。在凹状接触面860a为圆锥面的情况下，与凸状球面651a线接触。由此，可动单元180与固定单元松配合。
如图9B所示，磁吸引力F1成为固定单元的凸状球面部651的相对于凹状构件860的法向力。另外，磁吸引力F1成为Z轴10方向的合成矢量即磁吸引力F2。该力的平衡近似所谓的“平衡玩具”的力学结构。因此，可动单元180能够非常稳定地在3轴方向上旋转。具体地说，可动单元180在球心70附近处被枢轴支承于固定单元。该支承极其稳定，且摩擦阻力小。因而，能够实现极其优异的动特性。换句话说，能够实现以Z轴10、旋转轴11、旋转轴12为中心的、可动单元180的绕旋转方向22、21、20的旋转。
尤其是可动单元180具备由上部可动部150以及下部可动部102构成的球体形状，因此能够使球心70与可动单元180的中心且重心的位置一致。因此，可动单元180能够在旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22上的任一方向以大致相等的力矩旋转。其结果是，无论可动单元180如何在旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22上旋转，都能够始终以大致相同的驱动力进一步旋转，能够始终以高精度驱动可动单元180。
另外，由于球心70即可动单元180的旋转中心与可动单元180的重心一致，因此可动单元180在旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22上旋转的力矩非常小。因此，能够以较小的驱动力将可动单元180维持为中立状态、或使可动单元180在旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22上旋转。因而，能够减少输入输出操作装置750中的致动器165的消耗电力。尤其是，还能够使为了将可动单元180维持为中立状态而需要的驱动电流几乎为零。
这样，根据本实施方式，搭载操作部850的可动单元180在重心位置即球心70处被集中支承。因此，能够大幅度抑制因摩擦导致的负荷的减少以及在驱动频率区域中的机械谐振。
另外，驱动磁铁401以及驱动磁铁402具有部分圆周曲面，因此能够不影响旋转角度的大小而产生恒定的磁吸引力F2，固定单元的凸状球面部651和凹状构件860的法向力也成为恒定。其结果是，能够抑制因旋转角度导致的摩擦负荷的变动，并且能够在驱动频率区域中实现良好的相位、增益特性。
另外，若将凸状球面部651或凹状构件860由滑动性优异的树脂构件构成，则能够进一步减少接触的凹状接触面860a与凸状球面651a的摩擦，从而能够实现耐磨损性优异的支承构造。
致动器165优选包括限制可动单元180的移动的防脱落构件201，以避免可动单元180从固定单元脱落(图1、图4A、图4C)。防脱落构件201具有防脱落用限制面201A，在可动单元180以与固定单元分离的方式移动的情况下，可动单元180的上部可动部150与防脱落用限制面201A抵接，由此来限制可动单元180的移动(图4A)。
在上部可动部150的凸状球面150R与防脱落构件201的防脱落用限制面201A之间设置有规定的空隙(未图示)，以使得上部可动部150相对于球心70而在全部可动范围内自如地转动。
优选地，防脱落用限制面201A包括具有与球心70一致的中心的凹状部分球面。防脱落构件201固定于基座200的接触面200B。在凸状球面150R与防脱落用限制面201A之间，在凹状构件860的凹状接触面860a与固定单元的凸状球面部651的凸状球面651a接触的状态下设置有空隙。该空隙设定为如下距离：即便凹状接触面860a与凸状球面651a分离，也能够利用磁吸引力F1返回至凹状接触面860a与凸状球面651a接触的状态。换句话说，即便在可动单元180向上方移动与空隙相等的距离而使防脱落用限制面201A与凸状球面150R接触的状态下，利用磁吸引力F1，可动单元180也能够返回至凹状接触面860a与凸状球面651a接触的原来的状态。因此，根据本实施方式，能够提供如下的耐冲击性优异的输入输出操作装置：即便在可动单元180瞬间从规定的位置脱落的情况下，也能够利用磁吸引力F1立即复位至原来的良好的支承状态。
接下来，对用于驱动致动器165的可动单元180的构造进行详细说明。
如图2所示，在下部可动部102上，为了驱动可动单元180在旋转方向20上旋转，相对于Z轴10而对称地配置有一对驱动磁铁401，为了驱动可动单元180在旋转方向21上旋转，相对于Z轴10而对称地配置有一对驱动磁铁402。关于在固定单元上设置的构成要素，“相对于Z轴10对称”是指，以可动单元180处于中立状态也就是说可动单元180相对于固定单元不旋转的状态下的Z轴10为基准。
驱动磁铁401以在旋转轴11的方向上具有磁通的方式被单极磁化，同样，驱动磁铁402以在旋转轴12的方向上具有磁通的方式被单极磁化。
如图1、图9B、图10B所示，如上所述，一对磁轭203以及磁轭204以与一对驱动磁铁401以及一对驱动磁铁402分别对置的方式，分别设于以Z轴10为中心的基座200的圆周上。
如图1、图8A所示，在沿旋转轴11的方向而配置于基座200的一对磁轭203上分别设置有卷绕于磁轭203的驱动线圈303，此外，在驱动线圈303的外侧以与驱动线圈303的卷绕方向正交的方式设有被分为四部分的驱动线圈301。驱动线圈301被分为四部分是因为磁轭203具有圆周曲面。
同样，在沿与旋转轴11正交的旋转轴12方向配置的一对磁轭204上分别设置有卷绕于磁轭204的驱动线圈303，在驱动线圈303的外侧以与驱动线圈303的卷绕方向正交的方式设有驱动线圈302。
换言之，在以Z轴10为中心的圆周上，旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22的驱动部分别独立地分散配置。
根据上述那样的构造，如图9B、图10B所示，能够均等地设置磁轭203与驱动磁铁401之间的磁隙、磁轭204与驱动磁铁402之间的磁隙。因此，能够均等地提高各个磁通密度，向旋转方向20、旋转方向21以及旋转方向22驱动的驱动效率得以大幅改善。
接下来，对各驱动部的Z轴10方向的高度位置进行说明。
如图14B所示，直线36、37与固定于基座200的磁轭203的穿过球心70的圆周曲面的中心轴(未图示)垂直。另外，直线36、37与处于中立状态的可动单元的驱动磁铁401的穿过球心70的圆周曲面的中心轴(未图示)垂直。直线36、37相对于直线11而呈向下方倾斜45度以下的倾斜角度θp。虽未图示，但固定于基座200的磁轭204、驱动磁铁402也具有同样的结构。这样，一对驱动磁铁401、402和一对磁轭203、204具有相对于包括球心70的水平面而以向下45度以下的倾斜角度θp倾斜的以Z轴10为中心的四片花瓣那样的结构。具体地说，如图14A、图14B所示，一对磁轭203分别在两侧面处被磁轭保持架203L、203R夹着，磁轭保持架203L、203R的底部插入基座200的开口部200P。由此，磁轭203固定于安装面200S。
同样，一对磁轭204分别在两侧面处被磁轭保持架204L、204R夹着，磁轭保持架204L、204R的底部插入基座200的开口部200T，由此，磁轭204固定于安装面200S。
如上所述，通过将倾斜角度θp设定为45度以下，能够降低固定单元的高度，从而实现装置的省空间化和高度缩短。优选地，旋转倾斜角度θp以及旋转倾斜角度θr为15度～25度左右，更优选地，例如为20度。
通过向一对驱动线圈301通电，一对驱动磁铁401受到力偶的电磁力，下部可动部102、即可动单元180被驱动为以Y轴方向旋转轴12为中心而在旋转方向20上旋转。同样，通过向一对驱动线圈302通电，一对驱动磁铁402受到力偶的电磁力，可动单元180被驱动为以X轴方向旋转轴11为中心而在旋转方向21上旋转。
此外，通过向驱动线圈301以及驱动线圈302同时通电，能够使搭载有操作部850的可动单元180二维地旋转。
图12以及图13A、图13B示出如下状态：通过向驱动线圈301以及驱动线圈302同时通电有同等的电流，沿旋转方向20以及旋转方向21以相同的角度旋转，其结果是，在与旋转方向20和旋转方向21呈45度的直线13方向上旋转为合成角度θxy。
另外，通过向四个驱动线圈303通电，可动单元180受到相同旋转方向的电磁力，可动单元180被驱动为以Z轴10为中心而在旋转方向22上旋转。
此外，在旋转为合成角度θxy的状态下，若向四个驱动线圈303通电，则可动单元180被驱动为以直线32为中心而在旋转方向23上旋转。
这样，本实施方式采用了在可动单元180上设有驱动磁铁401、驱动磁铁402的动磁驱动方式。在该结构中，通常考虑可动单元180的重量增大这样的问题。然而，根据该结构，无需向可动单元180悬挂驱动用布线。
另外，由于可动单元180的重心和可动单元180的转动中心点与球心70一致，因此，即便因搭载驱动磁铁导致重量增大，可动单元180的旋转力矩也不会增大太多。因此，根据本实施方式，能够在抑制重量的增大所带来的课题的同时享受动磁驱动方式的优点。
可动单元180的以Z轴10为中心的旋转方向22的旋转角度通过设置于下部可动部102的一对开口部102W与固定于基座200的连结棒650的接触来限制。由于在一对开口部102W插入有连结棒650，因此在开口部102W规定的开口的范围内，连结棒650不与规定开口部102W的壁接触而使可动单元180以Z轴10为中心进行旋转。当可动单元180想要超出开口的范围而旋转时，连结棒650与规定一对开口部102W的壁接触，因此可动单元180至此无法旋转。
在动磁驱动方式中，具有能够通过基座200经由磁轭203、磁轭保持架203L、203R以及磁轭204、磁轭保持架204L、204R而将驱动线圈301、驱动线圈302、驱动线圈303的发热冷却这样的较大的优点。此外，在将向旋转方向20以及旋转方向21旋转的旋转角度设计为20度以上时，在能够使可动单元180小型化、轻型化这方面是有利的。另一方面，在动线圈驱动方式中，驱动线圈过于肥大化，可能导致可动单元180的重量增大。
这样，根据本实施方式，可动单元180的操作部850、上部可动部150、下部可动部102、倾斜角检测用磁铁406和设于固定单元的防脱落用限制面201A、设于基座200的两对旋转用驱动部的中心轴全部构成为穿过既为支承中心又是驱动中心的球心70。
因此，可动单元180的重心与球心70一致，能够以重心支承可动单元180，并且能够实现穿过重心且相互正交的绕3轴的旋转驱动。另外，能够防止可动单元180的脱落。
为了减小可动单元180的振幅增大系数(Q值)，输入输出操作装置750的致动器165也可以具备粘性构件(未图示)。在该情况下，如图9B、图10B所示，在搭载于上部可动部150的凹状构件860的凹状接触面860a与固定单元的凸状球面部651的凸状球面651a之间设置粘性构件。由此，能够在设于可动单元180的驱动磁铁401、驱动磁铁402与设于基座200的磁轭203、磁轭204之间，减小基于相对于旋转方向20、21的旋转角度以及旋转方向22的旋转角度产生的磁吸引力变动的磁性弹簧效果而带来的振动的振幅增大系数(Q值)、机械固有振动的Q值，从而能够得到良好的控制特性。
接下来，对可动单元180的旋转角度(倾斜)的检测进行说明。
如图1、图2、图11A、图11B以及图15所示，致动器165具备用于对搭载有操作部850的可动单元180相对于固定单元的旋转角度以及绕Z轴10的旋转角度进行检测的检测器。
具体地说，具备：用于对可动单元180的二维的旋转角度、即旋转方向20以及旋转方向21的旋转角度进行检测的第一检测部；以及用于对旋转方向22的旋转角度进行检测的第二检测部。
第二检测部虽未图示，但由在与Z轴10正交的平面内以球心70为中心而配置于可动单元180的两端的一对旋转检测用磁铁和以与旋转检测用磁铁对置的方式配置于基座200的一对磁传感器构成。
然而，如本发明的实施方式那样，在输入输出操作装置750仅需要进行旋转方向22的旋转方向的正反检测的情况下，在第一检测部中也能够充分检测，不再需要第二检测部。
第一检测器包括：搭载于可动单元180的底部的倾斜角检测用磁铁406；相对于穿过球心70且在包括旋转轴11、12的平面内正交于旋转轴11、12的直线13平行并以Z轴10为中心而配置的一对磁传感器501a和501b；以及相对于穿过球心70且在包括旋转轴11、12的平面内正交于直线13的直线14平行并以Z轴10为中心而配置的一对磁传感器503a和503b。
如图15所示，磁传感器501a、501b、503a、503b搭载于传感器基板502，且与倾斜角检测用磁铁406隔开规定的空隙而经由螺旋弹簧600固定于基座200的底部。
另外，在传感器基板502的中心位置固定有赋予偏磁的偏磁用磁铁508。如图10B所示，偏磁用磁铁508在可动单元180处于中立时，在Z轴上与倾斜角检测用磁铁406对置。该偏磁用磁铁508对在与固定于可动单元180的倾斜角检测用磁铁406之间形成的磁耦合进行强化，由此能够减少可动单元180倾斜的情况下的一对驱动磁铁401以及一对驱动磁铁402的磁漏的影响。此外，利用在可动单元180处于中立位置的状态下与倾斜角检测用磁铁406的磁耦合成为最大的效果，也能够产生使可动单元180向中立位置复位的磁性弹簧的作用。
接下来，对可动单元180的旋转方向20以及旋转方向21上的可动单元180的旋转角度的检测进行详细说明。
传感器基板502在3处位置经由螺旋弹簧600并借助调节螺钉(未图示)601固定于基座200，通过使三个调节螺钉601分别旋转，使倾斜角检测用磁铁406与磁传感器501a、501b和503a、503b的相对倾斜和距离发生变化。由此，能够将磁传感器501a、501b和磁传感器503a、503b的倾斜输出信号调整为最佳。
如图11B以及图13A、图13B所示，为了避免受到驱动线圈301以及驱动线圈302的产生驱动电流的磁场的影响，磁传感器501a、501b与直线13平行地配置，磁传感器503a、503b与直线14平行地配置。
与直线13平行地配置的磁传感器501a、501b将根据可动单元180的旋转方向20以及旋转方向21上的旋转动作而产生的倾斜角检测用磁铁406的磁力变化合成检测为2轴成分，此外，通过对磁传感器501a和501b的检测输出进行差动检测来提高检测信号的S/N。
另外，与直线14平行地配置的磁传感器503a、503b将根据可动单元180的旋转方向20以及旋转方向21上的旋转动作而产生的倾斜角检测用磁铁406的磁力变化合成检测为2轴成分，此外，通过对磁传感器503a和503b的检测输出进行差动检测来提高检测信号的S/N。
此外，如本实施方式那样，在输入输出操作装置750仅需要进行旋转方向22的旋转方向的正反检测的情况下，通过磁传感器501a和503b的差动检测以及磁传感器501b和503a的差动检测，能够实现旋转方向22的旋转方向的正反检测。
这样，根据本实施方式，通过缩短倾斜角检测用磁铁406与球心70的间隔，能够相对于旋转角度而减小倾斜角检测用磁铁406的移动。因而，能够减小磁传感器501a、501b和磁传感器503a、503b的配置投影面积。
需要说明的是，在本实施方式中，虽然包括磁传感器501a、501b、磁传感器503a、503b以及倾斜角检测用磁铁406，但也可以通过其他结构来构成检测器。例如，在Z轴10上也可以包括设于固定单元的光传感器、以及设于可动单元180的外侧面(凸状球面102R)且与光传感器对应的位置的光检测图案。优选地，如图9B所示，光传感器以及光检测图案位于z轴10上。更具体地说，光传感器设于偏磁用磁铁508的位置，光检测图案设于凸状球面102R的与偏磁用磁铁508对置的区域。通过使可动单元旋转而光检测图案进行旋转，因此射入光传感器的光发生变化。光传感器通过检测该光的变化，也能够计算二维的旋转角度。
另外，在本实施方式中，可动单元180包括具有凹状接触面860a的凹状构件860，固定单元包括具有凸状球面651a的凸状球面部651。但是，也可以是，可动单元具备凸状球面，固定单元具备凹状接触面。在该情况下，可动单元能够以凸状球面的球心为中心而相对于固定单元自如地旋转。另外，在本实施方式中，凹状接触面860a为圆锥面，但也可以是三角锥面、四角锥面等角锥面。在该情况下，凹状接触面860a和凸状球面651a以多个点相互接触。
这样，根据本实施方式的输入输出操作装置750的致动器165，在操作部的Z轴上配置以球心枢轴支承可动单元的构造，此外，在与Z轴垂直且穿过球心的平面内，以球心为中心而呈圆周状地配置两对驱动部。由此，能够利用难以受到可动单元的转动角度的影响的磁吸引力来施加恒定的法向力，从而能够减少旋转角度所导致的摩擦负荷变动，并且实现对可动单元进行重心支承、重心驱动的结构，能够在驱动频率区域中大幅度抑制机械谐振。
另外，为了防止作为在以往的基于磁吸引力的支承构造中特有的较大课题的、因振动、冲击等外部干扰等所导致的可动单元180的脱落，在设于固定单元的防脱落构件上隔开可转动的规定的空隙而设置有防脱落限制面。因此，能够避免装置的大型化并且可靠地实现可动单元的防脱落。
另外，将防脱落限制面的位置确定为，即便在可动单元脱落至可动单元的凸状球面与固定单元的防脱落限制面抵接的状态为止的情况下，也能够利用磁吸引力，使固定单元的凸状球面部与可动单元的凹状接触面再次点接触。因此，能够提供耐冲击性极其优异的输入输出操作装置，即便在可动单元瞬间脱落的情况下，也能够立即复位至原来的良好的支承状态。
另外，配置驱动部的Z轴方向的高度位置配置为比包括球心的水平面向下方旋转了的高度位置。因此，能够使可动单元的重心为球心中心进行驱动，并且能够缩短高度。
另外，通过将可动部和基座设为树脂材料或利用树脂构件来覆盖固定单元的凸状球面部和凹状接触面的表面部分，由此实现低摩擦且耐磨损性优异的支承构造。
另外，通过向由上部可动部的凹状接触面和固定单元的凸状球面形成的空隙填充粘性构件，能够减小以在设于可动单元的驱动磁铁与设于固定单元的磁轭之间产生的磁吸引力变动为起因的磁性弹簧效果所带来的振动的振幅增大系数(Q值)、机械固有振动的Q值，从而能够得到良好的控制特性。
因此，根据本实施方式的输入输出操作装置的致动器，例如存在正交的X轴、Y轴，能够使可动单元以绕X轴以及绕Y轴±20度以上的较大的角度旋转，并且使可动单元以绕与X轴、Y轴正交的Z轴±5度以上的较大的角度旋转。另外，能够在到200Hz左右为止的宽频的频率区域实现良好的振动修正控制。其结果是，实现如下的输入输出操作装置的致动器：能够实现操作部的绕X轴、Y轴、Z轴的旋转动作，并且由于具有小型且牢固的防脱落构造，因此应对振动、落下冲击等来自外部的冲击的耐冲击性强。
接下来，使用图16、图17，对具有该致动器165的实施方式的输入输出操作装置750的动作进行说明。
如图16所示，本发明的实施方式的输入输出操作装置750具备致动器165、驱动电路部350、检测电路部360以及控制运算处理部94。输入输出操作装置750还可以具备显示致动器165的目标位置坐标的显示运算处理部700。
输入输出操作装置750进行如下所述的位置控制：使致动器165的供手指触摸的操作部850的位置相对于显示运算处理部700所显示的目标位置坐标920相对一致。驱动电路部350对致动器165进行驱动，以使得在显示运算处理部700中目标位置坐标920依次变化的情况下，使操作部850依次进行位置追随。图17是示出输入输出操作装置750的控制的详细的框图。
如图17所示，驱动电路部350包括驱动电路96a、96b、96r。检测电路部360包括可动单元180的放大电路98x、98y。
具体地说，显示运算处理部700所显示的目标位置坐标920的x坐标900和y坐标901分别与可动单元180的旋转方向20、旋转方向21的目标旋转角度对应。
另外，如图16所示，致动器165的旋转轴11和旋转轴12相对于显示运算处理部700中的水平基准HS而倾斜有45度。这是因为，如上所述，在从Z轴方向观察到的投影面中，磁传感器501a、501b和磁传感器503a、503b设置于驱动线圈301、磁轭203、磁轭保持架203L、203R以及驱动线圈302、磁轭204、磁轭保持架204L、204R的投影区域以外(在本实施方式中偏离45度而设置)，由此不受到驱动线圈301和驱动线圈302的产生驱动电流的磁场的影响。因此，在沿显示运算处理部700中的水平基准HS方向即直线14方向(相当于显示运算处理部700的X轴方向)而以直线13为轴使可动单元180旋转的情况下，向驱动线圈301和驱动线圈302这两者通电即可。另外，在沿与水平基准HS垂直的方向即直线13方向而以直线14为轴使可动单元180旋转的情况下，向驱动线圈301和驱动线圈302这两者通电即可。
其结果是，在图16所示的显示运算处理部700中，在相对于θg＝45°的目标位置坐标920的X坐标900和Y坐标901而驱动旋转了45度的驱动线圈301和驱动线圈302的情况下，可动单元180绕旋转轴12和旋转轴11的旋转角度成为1/√2倍的旋转角度。
接下来，参照图17，对从显示运算处理部700经由控制运算处理部94而向致动器165输出的可动单元180的位置控制驱动的动作进行说明。
如图17所示，显示运算处理部700中的目标位置坐标920的x坐标900和y坐标901分别作为被数字化的目标位置坐标信号80x、80y而输出，并输入至控制运算处理部94。
控制运算处理部94基于从显示运算处理部700接受的目标位置坐标信号80x、80y和从检测电路部360接受的旋转角度信号88x、88y来生成目标旋转角度信号84a、84b，由此针对绕旋转轴11、12的角度进行反馈控制。具体地说，首先，控制运算处理部94进行将目标位置坐标转换为致动器165的旋转角度的处理。此时，也进行前述的磁传感器501a、501b和磁传感器503a、503b与驱动线圈301以及驱动线圈302在投影面上偏离了45度的修正。由此依次计算相当于x坐标900和y坐标901的向旋转方向20、旋转方向21旋转的目标旋转角度。
控制运算处理部94例如包括CPU以及RAM(Random Access Memory)。控制运算处理部94通过执行RAM所读入的计算机程序而根据计算机程序的步骤向其他的电路发送命令。接受到该命令的各电路以在本说明书中说明的那样进行动作而实现各电路的功能。具体地说，来自控制运算处理部94的命令被输送至显示运算处理部700、驱动电路部350以及检测电路部360。计算机程序的步骤由附图中的流程图示出。
需要说明的是，读入了计算机程序的RAM即存储计算机程序的RAM可以为易失性、也可以为非易失性。易失性RAM是若不供给电力则无法保存所存储的信息的RAM。例如，动态随机存取存储器(DRAM)为典型的易失性RAM。非易失性RAM是即便不供给电力也能够保存信息的RAM。例如，磁阻RAM(MRAM)、电阻变化型存储器(ReRAM)、强电介质存储器(FeRAM)为非易失性RAM的例子。在本实施方式中，优选采用非易失性RAM。
易失性RAM以及非易失性RAM均是能够非暂时性(non-transitory)实现计算机读取的记录介质的例子。另外，硬盘那样的磁记录介质、光盘那样的光学记录介质也是能够非暂时性实现计算机读取的记录介质的例子。即，本公开所涉及的计算机程序能够记录于将计算机程序作为电波信号传送的大气等介质(暂时性介质)以外的、非暂时性实现各种计算机读取的介质中。
另外，由控制运算处理部94进行的相对于目标位置的位置偏移修正处理是，以根据从显示运算处理部700输出的x坐标900和y坐标901的目标位置坐标信号80x、80y而抑制位置误差的方式对致动器165的可动单元180进行驱动的位置封闭控制(闭环控制)。因此，控制运算处理部94依次输出目标旋转角度信号84a、84b作为包括致动器165的频率响应特性和相位补偿以及增益修正等在内的最佳的数字化的振动修正量。
目标旋转角度信号84a、84b通过DA转换器95a、95b而被模拟化，作为模拟的目标旋转角度信号85a、85b而输入至绕旋转轴11的驱动电路96a、绕旋转轴12的驱动电路96b。
另一方面，在致动器165中，从对可动单元180相对于基座200的当前的旋转角度也就是说操作部850的当前的方向进行检测的磁传感器501a、501b输出旋转方向20、即相当于与显示运算处理部700的HS垂直的Y轴方向的旋转角度信号86y，从磁传感器503a、503b输出旋转方向21、即相当于显示运算处理部700的HS方向的旋转角度信号86x。旋转角度信号86x、86y被模拟电路97x、97y除去噪声成分、DC漂移成分而成为旋转角度信号87x、87y。此外，通过放大电路98x、98y进行放大，得到具有适当大小的振幅的旋转角度信号88x、88y，经由AD转换器99x、99y而数字化了的旋转角度信号89x、89y被依次输入至控制运算处理部94。旋转角度信号89x、89y如上所述表示操作部850的当前的方向。
前述的位置封闭控制通过如下方式来进行：在控制运算处理部94中对目标位置坐标信号80x、80y的目标位置坐标920与可动单元180的旋转角度信号89x、89y的当前位置坐标的差分(位置误差)进行计算，并重新依次输出基于位置误差的目标旋转角度信号84a、84b。
更具体地说，控制运算处理部94将可动单元180的旋转角度信号89x、89y逆转换运算为显示运算处理部700所显示的位置坐标系，并生成作为可动单元180的操作部850的当前方向即当前位置坐标的反馈位置坐标信号82x、82y。控制运算处理部94进一步求出反馈位置坐标信号82x、82y与目标位置坐标信号80x、80y的差分，并基于差分生成目标旋转角度信号84a、84b，向驱动电路部350输出。反馈位置坐标信号82x、82y示出当前的操作部850的位置，因此也可以向显示运算处理部700输出。
驱动电路96a、96b使用目标的角度信号85a、85b而进行致动器165的可动单元180的旋转驱动。同时，磁传感器501a、501b以及503a、503b检测可动单元180的旋转角度并输出旋转角度信号86x、86y。对旋转角度信号86x、86y实施上述的处理，将旋转角度信号89x、89y反馈至控制运算处理部94。
因此，基于显示运算处理部700的目标位置坐标信号80x、80y和目标的旋转角度信号85a、85b以及可动单元180的旋转角度信号89x、89y，将对驱动线圈301、驱动线圈302进行驱动的驱动信号输出至驱动电路96a、96b。由此，在输入输出操作装置750中，执行相对于目标位置坐标920的角度位置的反馈控制，驱动致动器165的可动单元180，以使得反馈位置坐标信号82x、82y与目标位置坐标信号80x、80y相等。根据该一系列的驱动控制，实施可动单元180的操作部850的位置追随控制，从而能够实现良好的触觉力感操作。
接下来，参照图17，对从显示运算处理部700向致动器165输出的绕旋转方向22的驱动控制动作进行说明。
可动单元180在绕Z轴10的旋转方向22上也被驱动。该动作以基于正弦波、矩形波、脉冲波、三角波等驱动信号实现的可动单元180的振动为主。在本实施方式中，该动作基于开放控制而实现。
控制运算处理部94生成驱动信号84r，该驱动信号84r具有基于从显示运算处理部700接受的选择信号80r而选择的规定的驱动波形图案，并驱动可动单元180绕Z轴10振动。因此，控制运算处理部94存储有给予规定的振动模式的各种驱动波形图案。驱动波形图案被认为适于触觉操作功能的提示，包括表现为粘贴&滑动感、点击感的、具有高频率特性的驱动波形图案。
显示运算处理部700向控制运算处理部94输出用于选择驱动波形图案的选择信号80r。控制运算处理部94基于选择信号80r而选择规定的驱动波形图案，并将数字化了的驱动信号84r输出至DA转换器95r。模拟化了的驱动信号85r被输入至旋转方向22的驱动电路96r。由此，可动单元180被驱动为向旋转方向22振动，并经由操作部850而能够对操作者的指尖给予震动感以及刺激处于指尖内部的帕奇尼小体的触觉感。
可动单元180向旋转方向22的振动通过反复进行如下运动而构成：在从上方观察可动单元180的情况下，例如，绕Z轴10以规定的角度向右方向旋转后反转，并以规定的角度向左方向旋转。
另外，可动单元180除振动驱动以外，也可以通过具有可听区域的频率成分的驱动信号而在旋转方向22上驱动。由此，可动单元180也能够以可听区域的频率振动，从致动器165输出声音。
这样，可动单元180的操作部850绕旋转轴11、12的角度被二维地控制，并且通过驱动可动单元180在旋转方向22上振动，从而能够将本实施方式的输入输出操作装置用作在各种领域中使用的人机界面(HMI)。
接下来，参照图17，对从致动器165经由控制运算处理部94向显示运算处理部700输出的可动单元180的旋转角度的检测动作进行说明。
在致动器165根据其结构而以指尖经由操作部850使可动单元180绕旋转轴11、12二维旋转的情况下，磁传感器501a、501b和磁传感器503a、503b作为对可动单元180绕旋转轴11、12的旋转角度进行检测的传感器而发挥功能。
此外，由于是具有良好的频率响应特性和高旋转角度分辨率的致动器165，因此可动单元180对手指的动作检测灵敏度非常高，也能够实现在便携终端中经常使用的轻拂输入、快速滑动输入的检测和文字输入的检测。
从磁传感器501a、501b输出旋转方向20、即相当于与显示运算处理部700的HS垂直的Y轴方向的旋转角度信号86y，从磁传感器503a、503b输出旋转方向21、即相当于作为显示运算处理部700的水平方向的HS方向的旋转角度信号86x。
旋转角度信号86x、86y被模拟电路97x、97y去除噪声成分、DC漂移成分，成为旋转角度信号87x、87y。此外，利用放大电路98x、98y而得到适当的输出值的旋转角度信号88x、88y，经由AD转换器99x、99y而数字化了的旋转角度信号89x、89y依次输入至控制运算处理部94。控制运算处理部94存储有包括轻拂输入、快速滑动输入等特殊的输入图案模式的各种输入检测波形图案，对作为输入波形的旋转角度信号89x、89y为哪一输入图案模式进行比较检测而进行选择，并作为选择信号82s向显示运算处理部700输出。
接下来，对可动单元180的旋转方向22的旋转检测的动作进行说明。在本实施方式中，虽然没有设置旋转检测专用的磁传感器，但如上所述，在除可动单元180向旋转方向20以及旋转方向21的旋转以外进行了旋转方向22的旋转的情况下，根据旋转角度信号89x、89y的相对的输出差，能够检测可动单元180在旋转方向22上是被右旋操作还是被左旋操作。
由此，使搭载于可动单元180的操作部850右旋或左旋，同时能够在旋转方向20、旋转方向21上旋转移动，由此也能够实现在便携终端中经常使用的基于夹捏输入的画面的放大缩小及滚动输入的代替输入的检测。例如，控制运算处理部94也可以检测旋转角度信号89x、89y的差异，并将其结果作为旋转方向差异检测信号82r而向显示运算处理部700输出。
接下来，对致动器165搭载于转向系统550的情况下的控制进行说明。如图19A～图19D所示，在转向系统550的旋转角度处于中立的位置(0度)的情况下，设于转向系统550的致动器的直线14以及直线13与对于设有转向系统550的车辆以及操作转向系统的驾驶员而言的水平方向X0以及铅垂方向Y0一致。因此，上述的显示运算处理部700的坐标与致动器165的坐标一致，如参照图16、17而说明的那样，能够设定目标位置并进行反馈控制。换句话说，在设有转向系统550的车辆中静止的显示运算处理部700的坐标系中的目标位置或目标方向与致动器165的坐标中的目标位置或目标方向一致。如图19A以及图19B所示，对设于致动器165的可动单元180的操作部850进行的铅垂方向上的朝上51以及朝下52的操作与显示运算处理部700的坐标中的Y轴方向的朝上以及朝下一致。同样，如图19C以及图19D所示，对设于致动器165的可动单元180的操作部850进行的水平方向上的朝右53以及朝左54的操作与显示运算处理部700的坐标中的X轴方向的朝右以及朝左一致。
然而，如图20A所示，转向系统550在进行转向旋转时，致动器165的直线14以及直线13与水平方向X0以及铅垂方向Y0不一致。如图20B～图20E所示，沿着致动器165的铅垂方向的操作方向55、56、操作方向57、58与设有转向系统550的车辆的水平方向X0以及铅垂方向Y0不同。
因此，如图19A～图19D所示，在显示运算处理部700的坐标系中的目标方向被确定为以转向系统550的旋转角度为0度时为基准，使操作部850沿水平方向(直线14的方向)或铅垂方向(直线13的方向)移动的情况下，要求驾驶员等在与显示运算处理部700所显示的水平方向、铅垂方向不同的方向(操作方向55、56、操作方向57、58)上进行操作。
在本实施方式中，为了消除这样的不一致，根据转向系统的旋转角来转换致动器165中的坐标，使坐标与静止的坐标系即显示运算处理部700的坐标一致。
使用图21A，对转向系统550旋转后的情况下的致动器165的坐标转换进行说明。
在由转向系统550处于中立位置时的车辆的水平方向X0和与其正交的铅垂方向Y0构成的坐标系(X0-Y0坐标系)中，在以显示运算处理部700所示的目标位置为A点的情况下，A点的坐标相对于从旋转中心算起的半径R而以(Rcosθ0，Rsinθ0)求出。
如图22A所示，在转向系统550左旋转了θA的情况下，致动器165的坐标(XA-YA坐标系)也左旋转了θA。因此，将显示运算处理部700所示的A点的坐标转换为(Rcos(θ0-θA)，Rsin(θ0-θA))。换句话说，在将X0-Y0坐标系转换为XA-YA坐标系时，从θ0减去θA。例如，如图22B～图22E所示，在显示运算处理部700的坐标中沿水平方向X0以及铅垂方向Y0驱动致动器165的操作部850的情况下，若在致动器165的坐标中以分别减去θA后的角度驱动操作部850(操作方向51～54)，则与显示运算处理部700的坐标系一致，换句话说，对于设有转向系统550的车辆以及操作转向系统的驾驶员而言与水平方向X0以及铅垂方向Y0一致。反之，在将致动器165的坐标(XA-YA坐标系)转换为显示运算处理部700的坐标(X0-Y0坐标系)时，向θ0加上θA即可。
如图23A所示，在转向系统550右旋转了θA的情况下，致动器165的坐标(XA-YA坐标系)也右旋转了θA。因此，将显示运算处理部700所示的A点的坐标转换为(Rcos(θ0+θA)，Rsin(θ0+θA))。换句话说，在将X0-Y0坐标系转换为XA-YA坐标系时，向θ0加上θA。例如，如图23B～图23E所示，在显示运算处理部700的坐标中沿水平方向X0以及铅垂方向Y0驱动致动器165的操作部850的情况下，若在致动器165的坐标中以分别加上θA的角度驱动操作部850(操作方向51～54)，则与显示运算处理部700的坐标系一致，换句话说，对于设有转向系统550的车辆以及操作转向系统的驾驶员而言与水平方向X0以及铅垂方向Y0一致。在将致动器165的坐标(XA-YA坐标系)转换为显示运算处理部700的坐标(X0-Y0坐标系)时，从θ0减去θA。
如图17所示，这些坐标转换通过如下方式来实现：控制运算处理部94从设于转向系统550的旋转轴等的旋转传感器等接受关于转向系统550的旋转角度θA的信号83，并对可动单元180的旋转角度信号89x、89y以及目标位置坐标信号80x、80y分别进行上述运算。
具体地说，如图21B所示，控制运算处理部94对可动单元180的旋转角度信号89x、89y进行逆转换，由此生成转换为XA-YA坐标系的反馈位置坐标信号82x、82y(S1)。该反馈位置坐标信号82x、82y是取决于转向系统550的旋转角度θA的角度。因此，使用转向系统550的旋转角度θA而进行从θ0减去θA的运算，由此将XA-YA坐标的反馈位置坐标信号82x、82y转换为显示运算处理部700的静止的坐标系即X0-Y0坐标系的反馈位置坐标信号82x’、82y’(S2)。
控制运算处理部94求出X0-Y0坐标系的反馈位置坐标信号82x’、82y’与目标位置坐标信号80x、80y的差分(S3)。所求出的差分的信号为X0-Y0坐标系，因此通过加上旋转角度θA而转换为XA-YA坐标系，并得到目标旋转角度信号84a、84b(S4)。目标旋转角度信号84a、84b被向驱动电路部350输出。
通过进行该信号处理，控制运算处理部94进行如下所述的控制：即便转向系统550被保持为不同的旋转角度θA，也能够使用相对于转向系统550的基准旋转角度即0度而静止的坐标系即X0-Y0坐标系，来驱动设于致动器的可动单元180的操作部850。
由此，例如，在显示运算处理部700所示的目标方向为铅垂方向或水平方向的情况下，无论转向系统550处于哪一旋转角度，通过在显示运算处理部700所示的方向上对致动器165的操作部进行操作，都能够进行准确的输入。另外，无论转向系统550处于哪一旋转角度，都能够沿显示运算处理部700所示的目标方向驱动致动器165的操作部。
此外，如图24所示，也可以在操作部850和上部可动部150的周围将环状的开关部960设于固定单元的防脱落构件201的上部。由此，转向系统550无论在哪一旋转位置处都没有方向依赖性地能够进行确定或选择的开关操作。
需要说明的是，虽然说明了将致动器165的操作方向恒定保持为与水平方向X0和铅垂方向Y0平行的情况，但当然能够恒定保持为所指定的某一恒定的角度。
这样，在转向系统550旋转了的状态下，输入输出操作装置750的致动器165的操作方向也被恒定保持为X0Y0绝对坐标即水平方向和铅垂方向，操作的判断识别极为简化。其结果是，尤其是在使转向系统旋转的行驶中的情况下，能够抑制驾驶员的视线移动，此外能够进行基于触觉力感的盲操作以及无方向依赖性的确定、选择的开关操作，由此来实现HMI的安全放心。
(第二实施方式)
对输入输出操作装置的第二实施方式进行说明。如图25所示，本实施方式的输入输出操作装置750具备致动器165和旋转操作杆780。如图25、图26A、图26B所示，旋转操作杆780构成为在包括X0轴和Y0轴的平面内绕Z0轴中心进行旋转。旋转操作杆780包括将致动器165搭载于Z0轴上的旋转杆部781和固定或旋转支承于旋转杆部781的端部的操作部782。旋转操作杆780是以旋转轴为中心而旋转的旋转体的另一例。
例如，操作者在用右手握住操作部782而绕Z0轴中心进行旋转的同时用左手对致动器165的操作部850进行操作。
如图27A～图27E所示，在旋转操作杆780的旋转角度处于中立的位置(0度)的情况下，设于旋转操作杆780的致动器165的直线14以及直线13与对于操作设有旋转操作杆780的车辆的操作者而言的X0轴以及Y0轴一致。因此，上述的显示运算处理部700的坐标与致动器165的坐标一致，如参照图16、图17而说明的那样，能够设定目标位置并进行反馈控制。换句话说，在设有旋转操作杆780的车辆中静止的显示运算处理部700的坐标系中的目标位置或目标方向与致动器165的坐标中的目标位置或目标方向一致。
如图27B以及图27C所示，对设于致动器165的可动单元180的操作部850进行的铅垂方向上的朝上71以及朝下72的操作与显示运算处理部700的坐标中的Y轴方向上的朝上以及朝下一致。同样，如图27D以及图27E所示，对设于致动器165的可动单元180的操作部850进行的朝右73以及朝左74的操作与显示运算处理部700的坐标中的X轴方向上的朝右以及朝左一致。
如图28A所示，旋转操作杆780在绕Z0轴中心旋转了角度θB时，致动器165的直线14以及直线13与X0轴以及Y0轴不一致。
如图28B～图28E所示，致动器165的铅垂方向上的朝上以及朝下的操作和水平方向上的朝右以及朝左的操作中，操作方向57、58与设有旋转操作杆780的车辆的X0轴以及Y0轴不同。
因此，如图27A～图27E所示，在以将旋转操作杆780的旋转角度为0度时作为基准使致动器165的操作部850沿直线14、直线13的方向移动的方式，将操作方向71、72、操作方向73、74确定为显示运算处理部700的坐标系中的目标方向的情况下，要求操作者在与显示运算处理部700所显示的水平方向、铅垂方向不同的方向上进行操作。
在第二实施方式中，为了消除上述那样的不一致，根据旋转操作杆780的旋转角而转换致动器165中的坐标，使坐标与静止的坐标系即显示运算处理部700的坐标一致。
例如，如图28B～图28E所示，在显示运算处理部700的坐标中沿X0轴方向以及Y0轴方向驱动致动器165的操作部850的情况下，若在致动器165的坐标中以分别减去θB后的角度驱动操作部850(操作方向41～44)，则与显示运算处理部700的坐标系一致，换句话说对于操作设有旋转操作杆780的车辆的操作者而言与X0轴以及Y0轴一致。反之，在将致动器165的坐标(XA-YA坐标系)转换为显示运算处理部700的坐标(X0-Y0坐标系)时，向θ0加上θB即可。
例如，如图29B～图29E所示，在显示运算处理部700的坐标中沿X0轴以及Y0轴驱动致动器165的操作部850的情况下，若在致动器165的坐标中以分别加上θB后的角度驱动操作部850(操作方向61～64)，则与显示运算处理部700的坐标系一致，换句话说对于操作设有旋转操作杆780的车辆的操作者而言与X0轴以及Y0轴一致。在将致动器165的坐标(XA-YA坐标系)转换为显示运算处理部700的坐标(X0-Y0坐标系)时，从θ0减去θB。
如图17所示，这些坐标转换通过如下方式来实现：控制运算处理部94从旋转操作杆780的旋转轴等所设置的旋转传感器等接受关于旋转操作杆780的旋转角度θB的信号83，并对可动单元180的旋转角度信号89x、89y以及目标位置坐标信号80x、80y分别进行上述的运算。具体地说，由控制运算处理部进行在第一实施方式中参照图21B说明过的运算。换句话说，控制运算处理部94进行如下控制：即便旋转操作杆780被保持为不同的旋转角度θB，也能够使用相对于旋转操作杆780的基准旋转角度即0度而静止的坐标系即X0-Y0坐标系，来驱动设于致动器的可动单元180的操作部850。
由此，例如，在显示运算处理部700所示的目标方向为铅垂方向、水平方向的情况下，无论旋转操作杆780处于哪一旋转角度，通过在显示运算处理部700所示的方向上对致动器165的操作部850进行操作，都能够进行准确的输入。另外，无论旋转操作杆780处于哪一旋转角度，都能够沿显示运算处理部700所示的目标方向驱动致动器165的操作部850。
需要说明的是，虽然对将旋转操作杆780的操作方向恒定保持为与X0轴和Y0轴平行的情况进行了说明，但当然能够恒定保持为所指定的某一恒定的角度。
这样，在旋转操作杆780旋转了的状态下，输入输出操作装置750的致动器165的操作方向被恒定保持为X0Y0绝对坐标的方向，操作的判断识别极为简化。其结果是，尤其是在用右手使旋转操作杆780旋转的行驶中的情况下，能够用左手平行地进行其他的操作，从而能够抑制驾驶的视线移动，此外能够实现基于触觉力感的盲操作以及无方向依赖性的确定、选择的开关操作，由此实现HMI的安全放心。
工业实用性
本申请所公开的输入输出操作装置适合用作在各种领域中使用的人机界面(HMI)，例如，适合用作机动车中的导航、空调、音响、收音机等的操作用的输入输出操作装置。
附图标记说明：
10 Z轴；
11、12 旋转轴；
13、14 直线；
20、21、22 旋转方向；
94 控制运算处理部；
70 球心；
850 操作部；
180 可动单元；
102W 开口部；
102R 凸状球面；
165 致动器；
200 基座；
200A 凹状球面；
200P、200T 开口部；
201 防脱落构件；
201A 防脱落限制面；
203、204 磁轭；
301、302、303 驱动线圈；
350 驱动电路部；
360 检测电路部；
401、402 驱动磁铁；
406 倾斜角检测用磁铁；
501a、501b、503a、503b 磁传感器；
508 偏磁用磁铁；
550 转向系统；
551 盘圈；
552 盘毂；
553 旋转轴；
600 螺旋弹簧；
650 连结棒；
670 磁背轭；
700 显示运算处理部；
750 转向系统输入输出操作装置；
780 旋转操作杆；
781 旋转杆；
782 操作部。

Claims (20)

1.一种输入输出操作装置，其中，
所述输入输出操作装置具备致动器，该致动器包括：
可动单元，其包括具有供手指接触的表面的操作部、和位于内部的凹状接触面以及凸状球面的一方，且该可动单元能够绕相互正交的2轴独立且自如地旋转；
固定单元，其具有与所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方松配合的所述凹状接触面以及凸状球面的另一方，通过使所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方与所述凹状接触面以及凸状球面的另一方点接触或线接触，从而该固定单元将所述可动单元支承为以所述凸状球面的球心为中心而自如地旋转；以及
驱动部，其相对于所述固定单元而驱动所述可动单元，
所述输入输出操作装置还具备：
检测电路部，其输出与所述操作部的位置对应的位置信号；
驱动电路部，其控制所述驱动部；
控制运算处理部，其控制所述驱动电路部；以及
旋转体，其搭载有所述致动器且以旋转轴为中心而旋转，
所述控制运算处理部在所述旋转体的不同的旋转角度中，使用相对于所述旋转体的基准旋转角而静止的坐标系来控制所述操作部的驱动。
2.根据权利要求1所述的输入输出操作装置，其中，
所述2轴是原点设于所述凸状球面的球心的X轴以及与所述X轴正交的Y轴，
所述固定单元具有至少一个磁性体，
所述可动单元具有至少一个吸附用磁铁，且利用所述至少一个吸附用磁铁和所述至少一个磁性体的磁吸引力，以所述凸状球面的球心为中心而自如地旋转，
所述驱动部具有：
第一驱动部，其使所述可动单元以穿过所述球心的所述X轴为中心而旋转；以及
第二驱动部，其使所述可动单元在包括所述X轴的平面内以所述Y轴为中心而旋转，
所述检测电路部生成与所述可动单元的绕所述X轴的第一旋转角度以及绕所述Y轴的第二旋转角度对应的第一旋转角度信号及第二旋转角度信号，
所述控制运算处理部生成与绕所述X轴的旋转角对应的第一目标旋转角度信号以及与绕所述Y轴的旋转角对应的第二目标旋转角度信号。
3.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
静止的所述坐标系的原点与所述凸状球面的球心对应。
4.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
所述控制运算处理部基于所述第一旋转角度信号、所述第二旋转角度信号而生成与所述操作部的可动范围区域相当的二维坐标系中的所述操作部的当前位置坐标，并基于使用了目标位置坐标与所述当前位置坐标的差分的位置反馈控制而生成所述第一目标旋转角度信号、所述第二目标旋转角度信号。
5.根据权利要求3所述的输入输出操作装置，其中，
所述驱动部还具有第三驱动部，该第三驱动部使所述可动单元以穿过所述球心且与所述X轴以及所述Y轴正交的Z轴为中心而旋转，
所述检测电路部生成与所述可动单元的绕所述Z轴的第三旋转角度对应的第三旋转角度信号，
所述控制运算处理部生成具有规定的驱动波形图案的驱动信号，
所述驱动电路部接受所述驱动信号并生成驱动所述第三驱动部的信号，
通过所述第三驱动部来驱动所述可动单元朝绕所述Z轴的方向振动。
6.根据权利要求5所述的输入输出操作装置，其中，
所述规定的驱动波形图案包括具有可听区域的频率成分的振动波形。
7.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
所述可动单元具有所述凹状接触面，所述固定单元具有所述凸状球面。
8.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
所述可动单元具有所述凸状球面，所述固定单元具有所述凹状接触面。
9.根据权利要求7或8所述的输入输出操作装置，其中，
所述凹状接触面为圆锥面。
10.根据权利要求5所述的输入输出操作装置，其中，
所述固定单元还具有基座、和将所述凹状接触面以及凸状球面的另一方相对于所述基座固定的连结棒，
所述可动单元具有供所述连结棒插入的开口部，通过所述开口部和所述连结棒接触，来限制所述可动单元的旋转角度。
11.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
所述输入输出操作装置还具备防脱落构件，该防脱落构件设于所述固定单元，且具有限制所述可动单元的移动的限制面，以避免所述可动单元从所述固定单元脱落，
所述限制面具有凹状部分球面，该凹状部分球面具有与所述球心一致的中心。
12.根据权利要求5所述的输入输出操作装置，其中，
所述第一驱动部包括：在所述可动单元中相对于所述Z轴对称配置的一对第一驱动磁铁；以与所述一对第一驱动磁铁对置的方式分别配置于所述固定单元的基座的一对第一磁轭；以及分别卷绕于所述一对第一磁轭的一对第一驱动线圈，
所述第二驱动部包括：在所述可动单元中相对于所述Z轴对称配置的一对第二驱动磁铁；以与所述一对第二驱动磁铁对置的方式分别配置于所述固定单元的基座的一对第二磁轭；以及分别卷绕于所述一对第二磁轭的一对第二驱动线圈，
所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第一驱动线圈设置在穿过所述凸状球面的球心的直线上，
所述一对第二驱动磁铁以及所述一对第二驱动线圈设置在穿过所述凸状球面的球心且与所述直线正交的另一直线上，
各第一驱动磁铁、第一驱动线圈、第二驱动磁铁以及第二驱动线圈的在所述Z轴方向上的中心位置与所述凸状球面的所述球心的位置大致一致。
13.根据权利要求12所述的输入输出操作装置，其中，
所述第三驱动部包括分别卷绕于所述一对第一磁轭以及所述一对第二磁轭的第三驱动线圈，将所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁用作第三驱动磁铁。
14.根据权利要求13所述的输入输出操作装置，其中，
所述驱动部还具有一对磁背轭，该一对磁背轭设于所述可动单元的所述球心侧，将所述一对第一驱动磁铁的一方与所述一对第二驱动磁铁的一方磁耦合，并将所述一对第一驱动磁铁的另一方与所述一对第二驱动磁铁的另一方磁耦合。
15.根据权利要求12所述的输入输出操作装置，其中，
在所述可动单元处于中立的位置的状态下，所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁配置为，相对于与所述Z轴垂直且穿过所述球心的水平面而朝下成45度以下的旋转角度A，以与所述一对第一驱动磁铁以及所述一对第二驱动磁铁对置的方式将所述一对第一驱动线圈和所述一对第一磁轭以及所述一对第二驱动线圈和一对第二磁轭旋绕地配置于所述固定单元。
16.根据权利要求15所述的输入输出操作装置，其中，
所述旋转角度A为15度以上且25度以下。
17.根据权利要求12所述的输入输出操作装置，其中，
所述一对第一驱动磁铁、所述一对第二驱动磁铁分别位于所述可动单元的内侧，且不在所述可动单元的外形面露出。
18.根据权利要求13所述的输入输出操作装置，其中，
所述一对第一驱动线圈、所述一对第二驱动线圈以及所述第三驱动线圈分别设于所述固定单元的内侧，且不在所述固定单元的外形面露出。
19.根据权利要求2所述的输入输出操作装置，其中，
所述可动单元的重心与所述球心一致。
20.根据权利要求11所述的输入输出操作装置，其中，
在所述防脱落构件的所述限制面与所述可动单元的外形面之间设有空隙，所述空隙被决定为，即便所述可动单元的所述凹状接触面以及凸状球面的一方与所述固定单元的所述凹状接触面以及凸状球面的另一方分离，也能够利用所述磁吸引力使它们复原至点接触或线接触的状态。
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