JP2006228487A - 力覚付与型入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザに対してポップフォースによる操作体感を与えると共に、この状態からユーザが操作ノブから手を離してもユーザが意図する位置にカーソルやポインタなどを停止させること。
【解決手段】回転角信号に基づいて操作ノブ６の回転速度を計算する。ポップフォースコマンドを受信しているかを判断する。次いで、回転速度に応じてポップフォースの振幅を小さくする制御を行う。すなわち、画面スクロール状態におけるポップフォースＸのトルクＴ₀から所定の値を減算して、ポップフォースＸの振幅を小さくしてポップフォースＹのトルクＴ_maxを求める。次いで、Ｔ_maxが０より小さいかどうかを判断し、Ｔ_maxが０より小さい、すなわちマイナスの値であればＴ_maxを０に設定し、Ｔ_maxが０より小さくなければ、Ｔ_maxに基づいて手動操作部に対して駆動信号を出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は入力装置に関し、特に少なくとも一方向に手動操作可能な手動操作部を備えた力覚付与型入力装置に関する。

従来より、車載用機器を手動で操作する際に、力覚付与型入力装置が使用されている。この力覚付与型入力装置は、操作ノブを回転させて、操作ノブの回転軸に取り付けられたセンサにより回転角度を検出し、この回転角度の位置に対応する力覚（トルク）を求め、操作ノブに取り付けられたアクチュエータにこの力覚を付与する指示を送り、アクチュエータが操作ノブに力覚を付与する。これにより、ユーザは、操作ノブの力覚を受けて所定の操作感触を得る。

特開２００３−２９５９５９号公報

このような力覚付与装置においては、所定の領域、例えばディスプレイに表示されている領域を超えてカーソルやポインタなどを移動させるために操作ノブを回転の限界まで大きく回転させて画面スクロールを行うときに、操作ノブにポップフォース（画面の段階的なスクロールなどをユーザに体感させるために所定の間隔で所定の時間発生させる瞬発回転力）を付与する。

しかしながら、画面スクロールを行っている状態からユーザが操作ノブから手を離すと、ポップフォースにより操作ノブが必要以上に回転してユーザが意図する位置にカーソルやポインタなどを停止させることができないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ユーザに対してポップフォースによる操作体感を与えると共に、この状態からユーザが操作ノブから手を離してもユーザが意図する位置にカーソルやポインタなどを停止させることができる力覚付与型入力装置を提供することを目的とする。

本発明の力覚付与型入力装置は、回転操作可能な手動操作手段と、前記手動操作手段に力覚を付与するアクチュエータと、前記手動操作手段の回転状態を検出する検出手段と、前記手動操作手段の回転状態に基づく位置信号を出力すると共に、前記アクチュエータの駆動制御を行う制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記位置信号が第１領域に隣接する第２領域にあるときに、前記位置信号を前記第２領域から前記第１領域に復帰させる復帰反力を発生するように前記アクチュエータの駆動制御を行うと共に、前記位置信号が前記第２領域にあるときにポップフォースを付与する駆動信号を出力し、前記第２領域から前記第１領域に戻る際に前記ポップフォースを制御することを特徴とする。

この構成によれば、ユーザが第２領域（復帰反力付与領域）から第１領域（操作感触付与領域）に戻す場合に、ポップフォースを制御するので、ポップフォースにより操作ノブが必要以上に勝手に回転することがなくなり、ユーザが意図した位置にカーソルやポインタなどを停止することが可能となる。

本発明の力覚付与型入力装置においては、前記制御手段は、前記手動操作手段の回転状態に基づいて前記手動操作手段の回転速度を求める速度演算手段と、前記速度演算手段の結果に基づいて前記ポップフォースの振幅を制御する振幅制御手段と、を具備することが好ましい。この場合において、前記振幅制御手段は、前記ポップフォースの振幅を前記回転速度に応じて小さくするようにしても良い。また、本発明の力覚付与型入力装置においては、前記制御手段は、前記回転速度が所定の値を超えたときに前記ポップフォースを発生させないようにしても良い。

本発明によれば、回転操作可能な手動操作手段と、前記手動操作手段に力覚を付与するアクチュエータと、前記手動操作手段の回転状態を検出する検出手段と、前記手動操作手段の回転状態に基づく位置信号を出力すると共に、前記アクチュエータの駆動制御を行う制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記位置信号が第１領域に隣接する第２領域にあるときに、前記位置信号を前記第２領域から前記第１領域に復帰させる復帰反力を発生するように前記アクチュエータの駆動制御を行うと共に、前記位置信号が前記第２領域にあるときにポップフォースを付与する駆動信号を出力し、前記第２領域から前記第１領域に戻る際に前記ポップフォースを制御するので、ユーザに対してポップフォースによる操作体感を与えると共に、この状態からユーザが操作ノブから手を離してもユーザが意図する位置にカーソルやポインタなどを停止させることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態においては、力覚付与型入力装置がディスプレイを有する車載機器の力覚付与型入力装置である場合について説明する。なお、本発明において、第１領域とは、力覚の観点からは操作感触付与領域であり、画面表示の観点からは選択移動領域又は連続移動領域であり、第２領域とは、力覚の観点からは復帰反力付与領域である、画面表示の観点からは画面スクロール領域である。

（実施の形態１）
本実施の形態においては、ディスプレイに表示されている文字や項目を選択する場合の力覚付与型入力装置の制御について説明する。図１は、本実施の形態に係る力覚付与型入力装置の手動操作部の構成を示す正面図である。図１において、力覚付与型入力装置は、電磁コイルで構成されたアクチュエータ１を有する。このアクチュエータ１には、操作軸２が挿通されており、一方の端部（下端）側にはコード板３が取り付けられており、他方の端部（上端）には、操作ノブ６が取り付けられている。コード板３は、その面が操作軸２の軸方向と直交するように操作軸２に取り付けられている。コード板３の側方には、コード板３の周縁部を囲繞するように回転角センサであるフォトインタラプタ４が配置されている。したがって、操作ノブ６を回転することにより、操作軸２に取り付けられたコード板が操作ノブ６の回転に応じて回転し、その回転をフォトインタラプタ４で検出するようになっている。また、アクチュエータ１と操作ノブ６との間には、パネル板５が配置されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置の構成を示す図である。この力覚付与型入力装置は、図１に示す手動操作部（図２においては、操作ノブ６、アクチュエータ１としての回転モータ及びフォトインタラプタ４で示している）と、手動操作部を制御する制御部７とを有する。この力覚付与型入力装置は、車載機器本体側を制御する本体側制御部８と電気的に接続されており、この本体側制御部８は、ディスプレイ９の表示を制御するように構成されている。

制御部７は、フォトインタラプタ４から出力される回転状態、すなわち回転角信号に基づいて回転速度を求める回転速度演算部７３と、回転速度に基づいてポップフォース（画面の段階的なスクロールなどをユーザに体感させるために所定の間隔で所定の時間発生させる瞬発回転力）を制御する力覚制御部７１と、回転速度演算部７３で算出された回転速度にしたがってポップフォースの振幅を制御する振幅制御部７２と、回転位置情報を力覚（トルク）情報に変換する変換部７４と、回転位置情報と力覚情報とを対応づける情報（例えばテーブル）を格納したメモリ７５とを有する。

次に、上記構成を有する力覚付与型入力装置の動作について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置の操作反力の状態を説明するための図である。ここでは、例示として、図２に示すディスプレイ９の表示を左に移動させる場合に、反時計回りに操作ノブ６を回転させ、表示を右に移動させる場合に、時計回りに操作ノブ６を回転させる。なお、操作ノブ６の回転方向と表示の移動方向との関係は、これに限定されず、ディスプレイ９の表示を左に移動させる場合に、時計回りに操作ノブ６を回転させ、表示を右に移動させる場合に、反時計回りに操作ノブ６を回転させても良い。図２に示すディスプレイ９において、表示「Ｄ」から表示「Ｃ」に移動させる場合、操作ノブ６を反時計回りに回転させる。すなわち、図３における選択移動領域（操作感触付与領域）内のＳ５からＳ４に移動する。このとき、操作ノブ６の回転により操作軸２が回転すると共にコード板３が回転する。この回転はフォトインタラプタ４により検出され、回転により発生した回転角の信号が制御部７の回転速度演算部７３及び変換部７４に送られる。

回転速度演算部７３においては、フォトインタラプタ４からの回転角信号に基づいて操作ノブ６の回転速度を算出する。変換部７４においては、回転角信号に対応する回転位置信号を本体側制御部８に出力する。また、変換部７４においては、メモリ７５に格納された回転位置情報と力覚（トルク）情報との関係を用いてトルク情報を力覚制御部７１に送る。また、回転速度の情報は、振幅制御部７２に出力され、後述するポップフォースの制御において用いられる。本体側制御部８では、制御部７からの位置信号に基づいてディスプレイ９の表示を「Ｄ」から「Ｃ」に移動させる表示制御を行う。また、本体側制御部８は、手動操作部に対してクリック感に相当する力覚を付与するコマンドを制御部７の力覚制御部７１に出力する。力覚制御部７１は、本体側制御部８のコマンドにしたがって手動操作部の回転モータに駆動信号を出力する。

駆動信号が回転モータに出力される、すなわち回転モータに所定の電流が流れると、回転モータは、はじめに回転操作方向と反対方向の回転トルクを徐々に大きくなるように操作ノブ６に付与し、Ｓ５とＳ４の中間地点からＳ４までにおいて回転操作方向と同じ方向の回転トルクを徐々に小さくなるように操作ノブ６に付与する。

すなわち、図３に示すように、上記のような選択移動領域（操作感触付与領域：第１領域）のＳ５からはじまる操作では、操作ノブ６を回転させる際に、その操作方向の逆方向に加えられる操作反力、いわゆる力覚（トルク）が付与される。この力覚は、図３に示すように、操作ノブ６の回転量（位置）に比例して大きくなる。これは、ディスプレイ９の表示では、カーソル（図２においては枠で表わす）「Ｄ」から「Ｃ」に移動する直前の位置までに対応する。そして、ディスプレイ９の表示で枠が「Ｃ」に移動すると、急激に操作反力の向きが逆方向になる、すなわち表示「Ｃ」領域への引き込み力が力覚として付与される。このようにして、図３に示す選択移動領域においては、操作ノブ６の回転により、操作ノブ６への力覚の付与と、ディスプレイ９の表示の移動とが連動して行われる。

ディスプレイ９に表示されている領域を超えて枠を移動させるために操作ノブ６を回転の限界まで大きく回転させると、すなわち、図３において、選択移動領域である第１領域から画面スクロール領域（復帰反力付与領域：第２領域）、すなわち第２領域に移行すると、上記と同じように回転角の信号が制御部７の回転速度演算部７３に送られ、回転角信号から回転速度が求められ、回転速度から変換された位置信号が本体側制御部８に出力される。本体側制御部８では、制御部７からの位置信号がディスプレイ９の範囲外である、すなわち画面スクロール状態であるかどうかを判断し（例えば図３におけるＥ₀点）、画面スクロール状態である場合には、ポップフォースと呼ばれる力覚を付与するコマンドを制御部７の力覚制御部７１に対して出力する。力覚制御部７１では、コマンドにしたがって、図３に示すような波形のポップフォースＸを駆動信号としてアクチュエータ１に出力する。アクチュエータ１はポップフォースの駆動信号に基づいて操作ノブ６に力覚を付与する。また、本体側制御部８では、制御部７からの位置信号に基づいてディスプレイ９の表示を次々にスクロールさせる表示制御を行う。ここで、ポップフォースＸは、操作ノブ６を戻す力ｘ₁と、操作ノブ６を送る力、すなわちｘ₁と反対方向の力ｘ₂とを有する力である。

このようにユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態で、目的とする位置で枠を停止させる場合には、ユーザは操作ノブ６から手を離す。このとき、図３における画面スクロール領域から選択移動領域に移行して上述したように目的とする位置で枠を停止させようとするが、選択移動領域直前の位置、すなわち図３におけるＥ₁でポップフォースＸが発生すると、このポップフォースのために操作ノブ６が回転して目的とする位置から枠がずれてしまう。このため、ポップフォースを発生させている状態からユーザが操作ノブ６から手を離したときに、その操作ノブ６の回転速度に応じてポップフォースを制御する。すなわち、ユーザが操作ノブ６から手を離すと、操作ノブ６が勢いよく回転するので、その回転速度を検出して、その回転速度に応じてポップフォースの振幅を小さくする。具体的には、図３に示すように、選択移動領域近傍でのポップフォースの振幅を小さくする（ポップフォースＹ）。

図４は、本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置におけるポップフォースの制御を説明するためのフロー図である。まず、制御部７の回転速度演算部７３において、回転角信号に基づいて操作ノブ６の回転速度ω＝Δθ／Δｔを計算する（ＳＴ１１）。次いで、ポップフォース（ＰＯＰ）コマンドを受信しているか、すなわちユーザが操作ノブ６をポップフォースが発生する状態（ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態）で操作しているかどうかを判断する（ＳＴ１２）。次いで、振幅制御部７２において、回転速度に応じてポップフォースの振幅を小さくする制御を行う（ＳＴ１３）。すなわち、画面スクロール状態におけるポップフォースＸのトルクＴ₀から所定の値（ここでは回転速度に応じた値ａ│ω│：ａは係数）を減算する。これにより、ポップフォースＸの振幅を小さくしてポップフォースＹのトルクＴ_maxを求める。次いで、Ｔ_maxが０より小さいかどうかを判断し（ＳＴ１４）、Ｔ_maxが０より小さい、すなわちマイナスの値であればＴ_maxを０に設定し（ＳＴ１５）、Ｔ_maxが０より小さくなければ、ＳＴ１３で求めたＴ_maxに基づいて手動操作部に対して駆動信号を出力する（ＳＴ１６）。なお、ユーザが操作ノブ６を止めている状態では、回転速度はほぼ０であるのでＴ_maxの変化もほとんどない（ＳＴ１６）。

このように本実施の形態においては、ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態（復帰反力付与領域）から手を離して選択移動領域（操作感触付与領域）に戻す場合に、回転速度に応じてポップフォースの振幅を小さくするような制御を行うので、ユーザが操作ノブ６から手を離した後において、操作感触付与領域の近くになるにしたがってポップフォースの振幅が小さくなる。このため、ポップフォースにより操作ノブ６が必要以上に勝手に回転することがなくなり、ディスプレイ９においてユーザが意図した位置にカーソルや枠を停止させることが可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、ディスプレイに表示されている地図などの画像において選択を行う場合の力覚付与型入力装置の制御について説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置の構成を示す図である。図５において図２と同じ部分については図２と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。また、図６は、本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置の操作反力の状態を説明するための図である。

図５においては、回転速度演算部７３の演算結果に応じてポップフォースの発生を停止するかどうかを判定する判定部７６を有する。また、ディスプレイ９において、地図の画像が表示されている。ディスプレイ９に表示されている領域を超えてポインタ１０を移動させるために操作ノブ６を回転の限界まで大きく回転させると、すなわち、図６において、連続移動領域である第１領域から画面スクロール領域（復帰反力付与領域）、すなわち第２領域に移行すると、実施の形態１と同様に、本体側制御部８で、制御部７からの位置信号がディスプレイ９の範囲外である、すなわち画面スクロール状態であるかどうかを判断し（例えば図６におけるＥ₀点）、画面スクロール状態である場合には、所定の間隔でポップフォースを付与するコマンドを制御部７の振幅制御部７２に対して出力し、振幅制御部７２でコマンドにしたがって、図６に示すポップフォースＸを駆動信号としてアクチュエータ１に出力する。アクチュエータ１はポップフォースの駆動信号に基づいて操作ノブ６に力覚（トルク）を付与する。また、本体側制御部８では、制御部７からの位置信号に基づいてディスプレイ９の表示を次々にスクロールさせる表示制御を行う。

このようにユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態で、目的とする位置でポインタ１０を停止させる場合には、ユーザは操作ノブ６から手を離す。このとき、図６における画面スクロール領域から連続移動領域に移行して上述したように目的とする位置にポインタ１０を移動させるが、連続移動領域直前の位置、すなわち図６におけるＥ₁でポップフォースＸが発生すると、このポップフォースのために操作ノブ６が回転して目的とする位置からポインタ１０がずれてしまう。このため、ポップフォースを発生させている状態からユーザが操作ノブ６から手を離したときに、その操作ノブ６の回転速度に応じてポップフォースを制御する。具体的には、図６に示すように、選択移動領域近傍でのポップフォースを発生させない。

図７は、本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置におけるポップフォースの制御を説明するためのフロー図である。まず、制御部７の回転速度演算部７３において、回転角信号に基づいて操作ノブ６の回転速度ω＝Δθ／Δｔを計算する（ＳＴ２１）。次いで、ポップフォース（ＰＯＰ）コマンドを受信しているか、すなわちユーザが操作ノブ６をポップフォースが発生する状態（ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態）で操作しているかどうかを判断する（ＳＴ２２）。ポップフォースが発生する状態でユーザが操作ノブ６を操作している場合に、回転速度演算部７３で求められた回転速度がしきい値を超えているかどうかを判定部７６において判断する（ＳＴ２３）。これは、ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態から手を離したかどうかを判断することを意味する。すなわち、ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態では、ユーザは画面スクロール領域の位置まで操作ノブ６を回転させ、その状態で操作ノブ６を保持しており、その状態から手を離すと、操作反力が急激に操作ノブ６にかかり、回転速度が大きくなる。このため、回転速度を求めてしきい値との間の比較を行って判定を行うことにより、ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態から手を離したかどうかを判定することができる。

ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態において、手を離したと判定された場合には、力覚制御部７１において、ポップフォースを発生させない制御を行う（ＳＴ２５）。すなわち、画面スクロール状態におけるポップフォースＸのトルクを０とする。そして、このＴ_max（＝０）に基づいて手動操作部に対して駆動信号を出力する（ＳＴ２６）。なお、回転速度がしきい値を超えていなければ、Ｔ₀をＴ_maxとして（ＳＴ２４）、このＴ_maxに基づいて手動操作部に対して駆動信号を出力する（ＳＴ２６）。

このように本実施の形態においても、ユーザが操作ノブ６を画面スクロール領域まで回転させて画面スクロールを行っている状態（復帰反力付与領域）から手を離して連続移動領域（操作感触付与領域）に戻す場合に、ポップフォースを発生させない制御を行うので、ユーザが操作ノブ６から手を離した後において、操作感触付与領域の近くでポップフォースがなくなる。このため、ポップフォースにより操作ノブ６が必要以上に勝手に回転することがなくなり、ディスプレイ９においてユーザが意図した位置にポインタ１０を移動することが可能となる。

本発明は上記実施の形態１，２に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態１，２において、添付図面に図示されている部材の構成（特に手動操作部の構成）、材料などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。また、上記実施の形態１，２においては、操作ノブを回転する場合について説明しているが、本発明は、操作ノブを上下左右方向に平行移動させた場合においてポップフォースを発生させる構成についても適用することが可能である。この場合においては、位置信号は回転状態から求めるのではなく、平行移動状態から求める。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本実施の形態に係る力覚付与型入力装置の手動操作部の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置の操作反力の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る力覚付与型入力装置におけるポップフォースの制御を説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置の操作反力の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る力覚付与型入力装置におけるポップフォースの制御を説明するためのフロー図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ 操作軸
３ コード板
４ フォトインタラプタ
５ パネル板
６ 操作ノブ
７ 制御部
８ 本体側制御部
９ ディスプレイ
１０ ポインタ
７１ 力覚制御部
７２ 振幅制御部
７３ 回転速度演算部
７４ 変換部
７５ メモリ
７６ 判定部

Claims (4)

1. 回転操作可能な手動操作手段と、前記手動操作手段に力覚を付与するアクチュエータと、前記手動操作手段の回転状態を検出する検出手段と、前記手動操作手段の回転状態に基づく位置信号を出力すると共に、前記アクチュエータの駆動制御を行う制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前記位置信号が第１領域に隣接する第２領域にあるときに、前記位置信号を前記第２領域から前記第１領域に復帰させる復帰反力を発生するように前記アクチュエータの駆動制御を行うと共に、前記位置信号が前記第２領域にあるときにポップフォースを付与する駆動信号を出力し、前記第２領域から前記第１領域に戻る際に前記ポップフォースを制御することを特徴とする力覚付与型入力装置。
2. 前記制御手段は、前記手動操作手段の回転状態に基づいて前記手動操作手段の回転速度を求める速度演算手段と、前記速度演算手段の結果に基づいて前記ポップフォースの振幅を制御する振幅制御手段と、を具備することを特徴とする請求項１記載の力覚付与型入力装置。
3. 前記振幅制御手段は、前記ポップフォースの振幅を前記回転速度に応じて小さくすることを特徴とする請求項２記載の力覚付与型入力装置。
4. 前記制御手段は、前記回転速度が所定の値を超えたときに前記ポップフォースを発生させないことを特徴とする請求項１記載の力覚付与型入力装置。

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