JP2005128780A - 力覚付与型入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】復帰力が途中で変化するような場合でも、操作者が手を離したときの操作部の戻り速度を一定にできる力覚付与型入力装置を提供する。
【解決手段】力覚付与型入力装置を、操作者によって操作される操作部１と、操作部１の操作状態を検出する検知手段２と、操作部１に力覚を付与する力覚付与手段３と、力覚付与手段３の駆動を制御し、操作部１にその操作状態に応じた所定の力覚を付与する制御手段４とから構成し、制御手段４には、操作状態演算部４ａと復帰力演算部４ｂとダンパ力演算部４ｃと合成力演算部４ｄとを備える。ダンパ力演算部４ｃは、復帰力演算部４ｂにて演算された復帰力Ｔｅ（θ）に所要の比例係数ｃ′を乗算してダンパ係数ｃ〔Ｔｅ（θ）・ｃ′〕を求め、求められたダンパ係数ｃに操作部１の操作速度θｄｏｔを乗算してダンパ力Ｔｅ（θ）・ｃ′・θｄｏｔを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力覚付与型入力装置に係り、特に、操作部に当該操作部の操作位置に応じた復帰力及び当該操作部の操作速度に比例したダンパ力を付与するダンパ力付与型入力装置におけるダンパ力の適正化手段に関する。

従来より、例えばバイワイヤ方式の車載電気機器集中制御装置、ステアリング装置、ギアシフト装置又はブレーキ装置などに適用される入力装置として、操作者によって操作される操作部と、当該操作部の操作状態を検知する検知手段と、前記操作部に力覚を付与する力覚付与手段と、前記検知手段より出力される検知信号に基づいて前記力覚付与手段の駆動を制御し、前記操作部にその操作状態に応じた所定の力覚を付与する制御手段とを備え、制御手段にて力覚付与手段の駆動を制御することにより、操作部の操作位置に応じた力覚、例えば操作部が壁に突き当たる感触（以下、本明細書においてはこの感触を「壁感触」という。）を操作部に付与する力覚付与型入力装置が実用化されている。

また、この種の力覚付与型入力装置としては、操作部の操作感をより良好なものとするため、操作部の操作に適度の抵抗感を付与するものや、操作部の操作速度に比例した力覚を併せて操作部に付与するものも従来より提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

操作部の操作位置に応じた力覚には、操作量とは無関係に一定の大きさの力覚を付与するもののほか、操作部の操作量に比例した大きさの力覚を付与するものがあり、これは「弾性力」と呼ばれる。操作部の操作速度に比例した力覚は、操作部の操作速度にダンパ係数を乗じることによって算出され、「ダンパ力」と呼ばれる。なお、ダンパ力は、操作部の操作に粘性摩擦に類似した抵抗感を付与することから、「粘性摩擦力」と呼ばれることもある。

図４は本願出願人が先に提案したこの種の力覚付与型入力装置の構成図であって、操作者によって操作される操作部１と、操作部１の操作状態を検出する検知手段２と、操作部１に力覚を付与する力覚付与手段３と、力覚付与手段３の駆動を制御し、操作部１にその操作状態に応じた所定の力覚を付与する制御手段４とから主に構成されている。

制御手段４は、検知手段２から出力される検知信号より操作部１の操作量θ及び操作速度θｄｏｔを算出する操作状態演算部４ａと、操作部１の操作量θに応じた所要の復帰力Ｔｅ（θ）を演算する復帰力演算部４ｂと、操作部１の操作速度θｄｏｔに比例するダンパ力ｃθｄｏｔを算出するダンパ力演算部４ｃと、復帰力Ｔｅ（θ）とダンパ力ｃθｄｏｔとの合成力Ｔｅ（θ）−ｃθｄｏｔを算出する合成力演算部４ｄとからなり、合成力演算部４ｄから出力される信号によって力覚付与手段３の駆動を制御し、操作部１に所要の力覚を付与する。

以下、前記のように構成された従来例に係る力覚付与型入力装置の動作を、前記検知手段２としてエンコーダを用いた場合を例にとり、図５にしたがって説明する。

電源が供給されると、制御手段４はエンコーダ（検知手段２）から出力される一定時間Δｔ当たりの信号パルスの数ｎをカウントし（手順Ｓ１１）、操作状態演算部４ａにて式θ＝θ＋ｎに基づいて操作部１の操作量θを算出すると共に、式θｄｏｔ＝ｎ／Δｔに基づいて操作部１の操作速度θｄｏｔを算出する（手順Ｓ１２）。次に、復帰力演算部４ｂにてθ_０≦θ≦θ_１の場合にはθをそのまま用い、θ_１＜θの場合にはθにθ_１を代入して、式Ｔｅ＝ｋ（θ−θ_０）に基づいて操作部１に付与すべき復帰力Ｔｅを算出すると共に、ダンパ力演算部４ｃにて式Ｔｃ＝ｃ・θｄｏｔに基づいて操作部１に付与すべきダンパ力Ｔｃを算出する（手順Ｓ１３）。ここにおいて、ｋは弾性係数、θ_０は操作部１の基準位置、ｃはダンパ係数を表している。なお、θ_０≦θ≦θ_１の範囲では操作量に比例したいわゆる弾性力が付与されており、θ_１＜θの範囲では一定の力が付与されている。この一定の力は、ここではθ＝θ_１のときの弾性力と同じ値になっている。次に、合成力演算部４ｄにて式Ｔｔｏｔａｌ＝Ｔｅ−Ｔｃに基づいて操作部１に付与すべき復帰力Ｔｅとダンパ力Ｔｃとの合成力Ｔｔｏｔａｌを算出する（手順Ｓ１４）。最後に、合成力演算部４ｄより出力される合成力Ｔｔｏｔａｌに基づいて力覚付与手段３を駆動し、操作部１に所要の力覚を付与する（手順Ｓ１５）。

本構成の力覚付与型入力装置は、復帰力Ｔｅのみならずダンパ力Ｔｃを操作部１に付与するので、操作部１に抵抗感が付与され、操作部１の操作感が良好なものとなっている。なお、θ_０≦θ≦θ_１の範囲で、操作量に比例して復帰力が大きくなっているのは、すなわち弾性力を付与しているのは、θ_０地点での発振を防止するためである。
特開２００３−１５０２６１

しかし、従来例に係る力覚付与型入力装置は、ダンパ力は操作速度にのみ比例し、復帰力とは無関係である。そのため、一定の復帰力が付与される位置（例えばθ_２）で手を離したときに、復帰力が変化する位置（例えばθ_１）で、操作部の戻り速度が変化し、操作者に違和感を与えてしまうという問題点があった。

本発明は、かかる従来技術の不備を解決するためになされたものであって、その目的は、復帰力が変化する位置でも操作部の戻り速度が変化せず、操作者に違和感を与えることのない力覚付与型入力装置を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するため、力覚付与型入力装置を、操作者によって操作される操作部と、当該操作部の操作状態を検知する検知手段と、前記操作部に力覚を付与する力覚付与手段と、前記検知手段より出力される検知信号に基づいて前記力覚付与手段の駆動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記操作部の操作位置に基づいて復帰力を演算する復帰力演算部と、前記操作部の操作速度及びダンパ係数に基づいてダンパ力を演算するダンパ力演算部と、前記復帰力及び前記ダンパ力に基づいて合成力を演算する合成力演算部とを有する力覚付与型入力装置であって、前記ダンパ力演算部は、前記復帰力に基づいて前記ダンパ係数を演算するという構成にした。前記ダンパ力演算部は、前記復帰力に比例係数を乗算して前記ダンパ係数を演算することができる。

このように、ダンパ力演算部において復帰力に基づいてダンパ係数を演算すると、復帰力が変化する位置でも操作部の戻り速度が変化しないので、操作者に違和感を与えることがなく、操作部の操作感を良好なものにすることができる。

また、本発明は、前記構成の力覚付与型入力装置において、前記復帰力は、復帰開始位置より所定位置まで徐々に大きくなるという構成にした。

このように、復帰力を復帰開始位置より所定位置まで徐々に大きくすると、復帰開始地点付近においてダンパ力は復帰力につられて徐々に変化するようになり、急激に変化しない。そのため、復帰開始地点付近において操作部に衝撃力が作用しにくく、操作感触を良好なものとすることができる。

本発明の力覚付与型入力装置は、ダンパ力演算部において復帰力に基づいてダンパ係数を演算するので、復帰力が変化する位置でも操作部の戻り速度が変化せず、操作者の違和感を解消することができて、操作部の操作感を良好なものにすることができる。

以下、本発明に係る力覚付与型入力装置の最良の実施形態を、図１乃至図３に基づいて説明する。図１は実施形態例に係る力覚付与型入力装置の構成図、図２は実施形態例に係る力覚付与型入力装置における力覚付与手段の制御手順を示すフロー図、図３は実施形態例に係る力覚付与型入力装置における弾性力と比例係数とダンパ係数との関係を示すグラフ図である。

図１に示すように、本例の力覚付与型入力装置も基本的な構成については図４に示した従来の力覚付与型入力装置と同じであり、操作者によって操作される操作部１と、操作部１の操作状態を検出する検知手段２と、操作部１に力覚を付与する力覚付与手段３と、力覚付与手段３の駆動を制御し、操作部１にその操作状態に応じた所定の力覚を付与する制御手段４とから主に構成されており、制御手段４には、操作状態演算部４ａと、復帰力演算部４ｂと、ダンパ力演算部４ｃと、合成力演算部４ｄとが備えられている。

操作部１は、操作者が手動にて操作するものであり、力覚付与型入力装置の用途に応じて、例えばロータリノブ、揺動レバー又はジョイスティックなどの適宜のものが用いられる。

検知手段２は、操作部１の操作量及び操作方向を電気量に変換して出力するものであり、エンコーダや可変抵抗器などが用いられるが、通常は２相の信号パルスを出力可能な検知手段が用いられる。

力覚付与手段３は、操作部１に所要の力覚を付与するものであり、回転モータ、リニアモータ又はソレノイドなどが用いられる。なお、力覚付与手段３としてリニアモータやソレノイドを用いた場合には、力覚付与手段３と操作部１との間に、力覚付与手段３の直線運動を回転運動に変換して操作部１に伝達するための所要の動力伝達機構が備えられる。

制御手段４には、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、操作部１の操作量θと復帰力Ｔｅとの関係、操作部１の操作量θと比例係数ｃ′との関係、及び操作部１の操作量θとダンパ係数ｃとの関係がグラフの形で記憶されている。なお、復帰力Ｔｅとしては、図３（ａ）に示すように、θ_０≦θ≦θ_１の範囲では操作量に比例するいわゆる弾性力が付与され、θ_１＜θの範囲では一定の力が付与される。この一定の力は、ここではθ＝θ_１のときの弾性力と同じ値になっている。また、比例係数ｃ′は図３（ｂ）に示すように一定値に設定され、ダンパ係数ｃは図３（ｃ）に示すように復帰力Ｔｅと比例する値に設定されている。

本例の力覚付与型入力装置は、制御手段４に備えられたダンパ力演算部４ｃにおいて、従来の力覚付与型入力装置のように単に操作部１の操作速度θｄｏｔにダンパ係数ｃを乗算してダンパ力ｃ・θｄｏｔを得るのではなく、まず復帰力演算部４ｂにて演算された復帰力Ｔｅ（θ）に所要の比例係数ｃ′を乗算してダンパ係数ｃ〔Ｔｅ（θ）・ｃ′〕を求め、求められたダンパ係数ｃに操作部１の操作速度θｄｏｔを乗算してダンパ力Ｔｅ（θ）・ｃ′・θｄｏｔを算出する構成になっている。このように、弾性力Ｔｅ（θ）に所要の比例係数ｃ′を乗算してダンパ係数ｃ〔Ｔｅ（θ）・ｃ′〕を求めると、図３（ｃ）に示すようにダンパ係数ｃを復帰力Ｔｅ（θ）に比例した値にできるので、復帰開始地点付近においてダンパ力は復帰力につられて徐々に変化するようになり、そのため、復帰開始地点付近において操作部に衝撃力が作用しにくく、操作感触を良好なものとすることができる。また、ダンパ係数ｃを復帰力Ｔｅ（θ）に比例した値にできることから、操作者が手を離したときの操作部１の戻り速度を復帰力に反比例させることができ、復帰力が変化する位置でも操作部の戻り速度が変化しないので、操作者に違和感を与えることがない。

なお、比例係数ｃ′は任意の値に設定可能であるが、操作部１の操作感触及び装置の使用感をより良好なものにするため、操作部１に作用する衝撃を実用上問題にならない程度に低下可能な値に設定される。

次に、本実施形態例に係る力覚付与型入力装置における力覚付与手段の制御手順を図２に基づいて説明する。

電源が供給されると、制御手段４はエンコーダ（検知手段２）から出力される一定時間Δｔ当たりの信号パルスの数ｎをカウントし（手順Ｓ１）、操作状態演算部４ａにて式θ＝θ＋ｎに基づいて操作部１の操作量θを算出すると共に、式θｄｏｔ＝ｎ／Δｔに基づいて操作部１の操作速度θｄｏｔを算出する（手順Ｓ２）。次に、復帰力演算部４ｂにてθ_０≦θ≦θ_１の場合にはθをそのまま用い、θ_１＜θの場合にはθにθ_１を代入して、式Ｔｅ＝ｋ（θ−θ_０）に基づいて操作部１に付与すべき復帰力Ｔｅを算出すると共に、ダンパ力演算部４ｃにて式Ｔｃ＝Ｔｅ（θ）・ｃ′・θｄｏｔに基づいて操作部１に付与すべきダンパ力Ｔｃを算出する（手順Ｓ３）。なお、ここにおいて、ｋは弾性係数、θ_０は操作部１の基準位置、ｃ′は比例係数を表している。なお、θ_０≦θ≦θ_１の範囲では操作量に比例したいわゆる弾性力が付与されており、θ_１＜θの範囲では一定の力が付与されている。この一定の力は、ここではθ＝θ_１のときの弾性力と同じ値になっている。次に、合成力演算部４ｄにて式Ｔｔｏｔａｌ＝Ｔｅ−Ｔｃに基づいて操作部１に付与すべき復帰力Ｔｅとダンパ力Ｔｃとの合成力Ｔｔｏｔａｌを算出する（手順Ｓ４）。最後に、合成力演算部４ｄより出力される合成力Ｔｔｏｔａｌに基づいて力覚付与手段３を駆動し、操作部１に所要の力覚を付与する（手順Ｓ５）。

次に、本実施形態例に係る力覚付与型入力装置の効果を力学的に考察する。

ニュートンの運動方程式により、操作部１に作用する弾性力は、下記の（１）式によって表される。

クーロン摩擦力Ｔｆは、操作部１に作用する弾性力の加速度成分〔（１）式の第１項〕及び速度成分〔（１）式の第２項〕に比べて格段に小さい値であるので、実機においては無視することができ、これを無視したニュートンの運動方程式は、下記の（２）式となる。

操作部１の初速度が０であるという条件で（２）式を解くと、下記の（３）式が得られる。

時間ｔが無限大のとき、上記の（３）式は下記の（４）式で表される。

（４）式が操作部１にダンパ力を付与した場合の効果であり、操作部１の戻り速度を復帰力Ｔｅのダンパ係数ｃ分の１に緩和することができる。

本発明においては、下記の（５）式に示すようにダンパ係数ｃを比例係数ｃ′と復帰力Ｔｅとの積によって算出する。そこで、下記の（５）式を下記の（６）式に代入すると、操作部１の戻り速度は、復帰力Ｔｅと無関係の定数になり、操作部１が１／ｃ′で表される一定速度で移動されることが分かる。

実施形態例に係る力覚付与型入力装置の構成図である。 実施形態例に係る力覚付与型入力装置における力覚付与手段の制御手順を示すフロー図である。 実施形態例に係る力覚付与型入力装置における弾性力と比例係数とダンパ係数との関係を示すグラフ図である。 従来例に係る力覚付与型入力装置の構成図である。 従来例に係る力覚付与型入力装置における力覚付与手段の制御手順を示すフロー図である。 従来例に係る力覚付与型入力装置における弾性力とダンパ係数との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 操作部
２ 検知手段
３ 力覚付与手段
４ 制御手段
４ａ 操作状態演算部
４ｂ 弾性力演算部
４ｃ ダンパ力演算部
４ｄ 合成力演算部

Claims (3)

1. 操作者によって操作される操作部と、当該操作部の操作状態を検知する検知手段と、前記操作部に力覚を付与する力覚付与手段と、前記検知手段より出力される検知信号に基づいて前記力覚付与手段の駆動を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記操作部の操作位置に基づいて復帰力を演算する復帰力演算部と、前記操作部の操作速度及びダンパ係数に基づいてダンパ力を演算するダンパ力演算部と、前記復帰力及び前記ダンパ力に基づいて合成力を演算する合成力演算部とを有する力覚付与型入力装置であって、
   前記ダンパ力演算部は、前記復帰力に基づいて前記ダンパ係数を演算することを特徴とする力覚付与型入力装置。
2. 前記ダンパ力演算部は、前記復帰力に比例係数を乗算して前記ダンパ係数を演算することを特徴とする請求項１に記載の力覚付与型入力装置。
3. 前記復帰力は、復帰開始位置より所定位置まで徐々に大きくなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力覚付与型入力装置。

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