JP2007538301A

JP2007538301A - ばね部品を用いたプログラム可能な回転トルク供給装置

Info

Publication number: JP2007538301A
Application number: JP2006550091A
Authority: JP
Inventors: リュッティガー・アントン
Original assignee: プレー・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2007-12-27
Also published as: US20060280575A1

Abstract

この発明は、筐体と、回転ヘッド（２，２１，４３）と、回転ヘッド（２，２１，４３）に配置された回転シャフト（３，１５，４１）と、回転シャフト（３，１５，４１）に作用して、変更可能な回転トルクを回転ヘッド（２，２１，４３）に伝達することを可能とする制動部品（１９，２０，４２）とを備えた自動車用操作部品に関し、この発明では、ばね作用を生じさせる部品（１３，２４，３４）を、回転ヘッド（２，２１，４３）と制動部品（１９，２０，４２）との間に組み込んで、回転ヘッド（２，２１，４３）と制動部品（１９，２０，４２）との間に相対的な動きを実現可能としている。

Description

この発明は、筐体と、回転ヘッドと、回転ヘッドに配置された回転シャフトと、回転シャフトに作用し、変更可能な回転トルクを回転ヘッドに伝達することを可能とする制動部品とを備えた自動車用操作部品に関する。

自動車の操作部品において、触覚を可変とするロータリーアクチュエーターが、益々多くの場合に使用されるようになってきている。ロータリーアクチュエーターの触覚を調整及び変更可能とすることは、磁界及びコイルを用いてロータリーアクチュエーターを制動することである。この構成によって、ロータリーアクチュエーターに対して、電流に依存して異なる制動トルクを生成するとともに、それによって、回転の際に所望の変更可能なロック動作又はストップ動作、或いは触覚特性曲線に調整することができる。

そのようなロータリーアクチュエーターは、特許文献１により周知である。回転ヘッドのシャフトの端部には、二つの磁界誘導体の間に配置された円形の板が取り付けられている。これらの磁界誘導体は、円板として、回転ヘッドの円板の上と下に配置されている。回転ヘッドの円板に制動トルクを加えることができるように、回転ヘッドの円板の外側端部に配置されたコイルを用いて、磁界誘導体品の支援の下に磁界を生成することができるようになっている。

更に、特許文献２により、回転ヘッドと磁気回路との間に有る隙間を磁気粘性流体で満たした形の回転ヘッドを備えた操作部品が周知である。この場合、コイルと磁気粘性流体を用いて、同じく回転ヘッドに対する可変の制動作用を発生させることができる。

磁気粘性流体（ＭＲＦ）は、その粘性が、磁界の印加によって変化する物質である。それらは、例えば、水又は油の形の基質から構成されており、鉄片やフェライトが混入されている。磁界を印加すると、磁化可能な小片が、磁力線に沿った方向に向くこととなる。このことは、物質の粘性を明らかに変化させる結果となる。磁気粘性流体は、十分に大きな磁界内では、まるで固体のように振る舞う。ＭＲＦ式ロータリーアクチュエーターは、筐体内に有る動くローターから構成されており、その際筐体とローターとの間の狭い隙間は、磁気粘性流体で満たされている。ローターと筐体との間の隙間に十分な強さの磁界を生成することを可能とするために、ローターは、コイルと柔磁性の磁界誘導体によって囲まれている。このようなロータリーアクチュエーターの問題は、磁界を印加している時にロータリーアクチュエーターを動かさなかった場合、ロータリーエンコーダーが固着してしまうことである。このような粘着効果とも称され、静止摩擦にも似た固着は、停止の度に、調整した特徴曲線の触覚を損なうこととなる。
米国特許第６，３７３，４６５号明細書ドイツ特許出願第１００２９１９１号明細書

この発明の課題は、力／行程の推移を変更可能な周知のロータリーエンコーダーにおいて、制動部品により典型的に生じる、ロータリーエンコーダーをロックする毎のロック面での粘着を防止することである。

この発明の課題は、ばね作用を生じさせる部品を、回転ヘッドと制動部品との間に組み込んで、回転ヘッドと制動部品との間に相対的な動きを実現可能とすることによって解決される。ここで、制動部品と回転ヘッドとの間にばね部品を嵌め込むことによって、粘着する感じを、触覚から取り除くとともに、操作者に対して解消する方策が実現され、それによって、ロータリーアクチュエーターの操作者には、もはや粘着する感じが感知できないようになる。

この発明による別の利点は、ストッパー位置からの戻りの動きの検知が、ばねの行程、即ち、デコーダーと、停止しているが作動している制動部品との間の相対的な動きにもとづき、今や可能になるということである。この戻りの動きが検知された場合、小さい相対的な動き、即ち、ほとんど感知不可能な少ないエネルギー消費で、制動部品の作動停止が行われる。複数のロック動作位置を通過する場合、ばね部品によって、ロータリーエンコーダーの動的な挙動を積極的に支援する。

以下において、実施例と図面にもとづき、この発明によるロータリーアクチュエーターの基本的な構成を詳しく説明する。

図１は、回転ばね機構を持たないロータリーアクチュエーター１の機械的な構成を図示している。この場合、ロータリーアクチュエーター１は、主に回転ヘッド２、延長部３（回転シャフト３）、延長部３上に配置された円板４及び円板４を取り囲む筐体５から構成されている。この場合、筐体５は、軟鉄で作られた磁界誘導体６から部分的に構成されている。この実施例では、コイル７は、円板４の周りに円環状に配置されている。円板４と筐体５との間には、磁気粘性流体（ＭＲＦ）８が有る。円板４の端部の半径方向の表面９は、磁界誘導体６と共に、摩擦トルクを伝達するための摩擦面９を構成しており、この場合、摩擦トルクという用語は、静止摩擦、制動トルク、保持トルク又は同様の用語に関する同義語として使用するものとする。この用語は、磁気粘性効果を用いて、円板４に制動力を伝達することができることを意味する。

回転ヘッド２の延長部３には、更に回転運動を検知するための機器１０が配置されている。この機器１０は、延長部３上に配置された円板１１から構成されており、この円板は、例えば、周知のバーコードによるインクリメンタル行程測定システム（エンコーダーディスク）の形で配備されており、例えば、フォトアイソレーター１２を用いて読み取ることができ、その際、当然のことながら、複数のフォトアイソレーター又は複式フォトアイソレーターシステムを用いることもできる。

回転方向は、回転ヘッドの回転が起こった場合に初めて検知することができる。このことは、特に、ストッパー位置、即ち、回転ヘッド２が最小又は最大限度の位置を占める位置において明確な兆候が現れる。ストッパー位置に回転して来た場合、回転ヘッド２の更なる回転を止めて、操作者に終端位置を分からせるために、制動トルクの形の大きな回転トルクを加えなければならない。戻して回転する場合、この回転トルクは、機械的なロータリーアクチュエーター１と対照的に依然として加わっている。ロータリーエンコーダーの位置の変化を検知した後に初めて、回転トルクが低下される。ストッパー位置で回転トルクを決まった時間間隔後に低下させることは、ストッパー位置に回転した場合に、この時間間隔の経過後毎に、回転ヘッド２が突然僅かに跳躍することとなる。

ここで、回転シャフト３に、即ち、図１に点線で図示した通り、回転シャフト３におけるエンコーダー部品１０，１１，１２の下に、ばね部品１３を嵌め込んだ場合、この発明にもとづき、回転ヘッド２と制動部品との間の相対的な動きを実現することができる。このばね部品１３を用いて、回転ヘッド２と制動部品、この場合円板４との間で相対的な動きを起こすことが可能となる。例えば、回転ヘッド２が、ストッパー点に有る場合、ロータリーアクチュエーター１の操作者に対して、終端のストッパー位置を感知可能とするために、円板４は、磁気粘性式の制動部品４，５，６，７，８を用いて、それらの位置にロックされる。ここで、操作者が、この休止位置から回転ヘッド２を回転して外した場合、回転ヘッド２は、エンコーダーディスク１１と共に回転される。この場合、ストッパー位置にロックされた円板４とエンコーダーディスク１１との間で相対的な動きが起こることとなる。ばね部品１３が無い場合、この操作者に対する円板４のロックは、粘着の形で感知可能であった。ここで、この発明により取り入れたばね部品１３によって、この粘着、或いは操作者に対する円板４のロックを解消する方策が実現される。そのため、エンコーダーディスク１１により検出する回転ヘッド２の回転運動によって、円板４の回転運動が制御可能である。

この場合、当然のことながら、用途及びロータリーアクチュエーター１の調整すべき触覚に応じて、異なるばね特性曲線を持つ異なる捻りばね部品１３を用いることができることは自明である。即ち、特に、ばね部品１３を捻りばね又は捻り棒の形、或いは曲げたワイヤーの形のばねで実現することが考えられる。更に、例えば、ゴムのような塑性が持続する塑性物から、ばね部品１３を製造する方策も生じる。

図２には、この発明によるロータリーアクチュエーター１４の形の操作部品１４の別の構成が図示されている。この場合、図２は、ロータリーアクチュエーター１４の側面の横断面図を示している。ここで、構成部品は、ほぼ回転対称に構成されている。ロータリーアクチュエーター１４の中央には、回転シャフト１６を通る中心線１６が引かれており、この中心線は、ロータリーアクチュエーター１４を二つの半分体１７，１８に分割している。両方の半分体１７，１８は、それぞれ異なる制動部品１９，２０を有する。第一の半分体１７は、電磁気的に作用する制動部品１９を備えている。第二の半分体１８上には、磁気粘性による制動部品２０が有る。この例は、制動部品１９，２０を個々に用いることが可能であることを明らかにしており、この場合、同じく空気圧式、油圧式、機械式又はこれらを混合した形の制動部品を用いることも可能である。ここで、制動部品の選択は、任意であり、生成すべき触覚及びロータリーアクチュエーター１４の構成に応じて選定することができる。

この場合、ロータリーアクチュエーター１４は、回転ヘッド２１と、回転シャフト１５と、フォトアイソレーター２３と協力して動作するエンコーダーディスク２２とから構成されている。エンコーダーディスク２２の下では、ばね部品２４が回転シャフト１５に統合されている。この基本図において、回転シャフト１５が、ばね部品２４を貫通している場合でも、回転シャフトの上部２５は、回転シャフト１５の下部２６に対して回転可能となっている。回転シャフトの下部２６には、半径方向に対して外側を向いた延長部品２７が、回転シャフト１５の下部２６と回転しない形で連結されている。この実施例では、延長部品２７の各側面１７，１８には、磁化可能な部品２８，２９が配置されている。ロータリーアクチュエーター１４の現実的な実施構成では、この磁気の又は磁化可能な部品２８，２９は、例えば、円環として実現される。そして、これらの部品２８，２９は、電磁式制動部品１９又は磁気粘性式制動部品２０の磁界内において、ローター２８，２９として動かされる。

ここで、磁界を印加しないと、筐体に対して、ローター２８，２９を容易に回転させることができる。この場合、回転ヘッド２１には、回転トルクは加わらない。磁界誘導体３０，３１とコイル３２によって生成される磁界を印加すると、ローター２８，２９と筐体、例えば、磁界誘導体３０，３１との間において、摩擦の増大が実現されるとともに、操作者に対して、回転ヘッド２１における回転トルク又はロック動作として感知可能となる。従って、角度に依存した磁界の変化と、それによるローター２８，２９と筐体との間の摩擦によって、任意の回転トルクの推移を生成することができる。そのため、即ち、ロッキングディスクとばねとによって、例えば、標準的な機械式ロック動作を用いた場合の推移を再現することが可能である。この場合、磁界の強さを制御することによって、異なるロック動作構成と回転トルクを生成することができる。ここで、制御は、コーディングシステム（エンコーダーディスク２２，フォトアイソレーター２３）の測定値と磁界の制御と協力して動作するか、或いはこれらの部品は、共通の制御の下に結合される。このようにして、例えば、細かいロック動作と主要なロック動作の組み合わせを実現することができ、しかも終端のストッパー位置も形成することが可能であり、その際摩擦は、ローター２８，２９の回転、従って回転ヘッド２１の回転が、完全に阻止される程大きくなる。

この形式のロータリーアクチュエーター１４の場合、機械的な方式と比べて、ロック動作の曲線が、電子的な駆動によってのみ実現可能なので、ロータリーアクチュエーター１４を自由にプログラミングすることが可能であり、制御によって、様々な特性曲線を付与することができる。

コーディングを選定する場合、ロータリーアクチュエーター１，１４は、光学式コーディングシステムに限定される訳ではない。むしろ、電子式又は磁気式の代替の行程測定システムをロータリーアクチュエーター１，１４に実装することも考えられる。特に、スリット幅を変化させたコーディングディスク２２を使用することも考えられる。この場合、拡散器を前置した赤外線発光ＬＥＤと集光レンズを前置した赤外検出器との間に、コーディングディスク２２を配置する。こうすることによって、回転ヘッド２，２１の回転運動をアナログ信号に変換し、この信号を、プロセッサを用いて、更にデジタルで評価することが可能である方策が実現される。アナログ信号をデジタル信号に変換することによって、コーディングディスク１１，２２とフォトアイソレーター１２，２３から成る従来のシステムよりも非常に高い解像度が実現可能である。

図３には、この発明によるロータリーアクチュエーター３３の別の有利な実施例が図示されている。この基本的な構成は、延長部品の上でばね部品３４の下に、別のエンコーダーディスクを回転しない形で取り付けた形態のロータリーアクチュエーター１４の構成に対応している。この場合、延長部品３５は、ほぼ円筒形に構成されており、エンコーダーディスク３６は、円板の形状を有する。エンコーダーディスク３６は、別のフォトアイソレーター３７と協力して動作する。下方のエンコーダーディスク３６は、回転シャフト４１の下方の領域３８と回転しない形で、上方のエンコーダーディスク３９は、上方の領域４０と回転しない形で連結されている。こうすることによって、今や制動部品４２と回転ヘッド４３との間の相対的な動きを検出する方策が実現される。エンコーダーディスク３６，３９の回転運動の差から、差分値が算出されて、制御部によって評価される。従って、両方の動きを関連付けることによって、ロータリーアクチュエーター３３に調整部品を実装することが可能となる。従って、ロータリーアクチュエーター３３を調整することが可能である。

磁気粘性式制動部品を備えたロータリーアクチュエーターの断面図磁気粘性及び電磁式制動部品を備えたロータリーアクチュエーターと回転ばね部品の断面図磁気粘性及び電磁式制動部品を備えたロータリーアクチュエーター、回転ばね部品及び二つの別個のコーディングシステムの断面図

Claims

筐体と、回転ヘッド（２，２１，４３）と、回転ヘッド（２，２１，４３）に配置された回転シャフト（３，１５，４１）と、回転シャフト（３，１５，４１）に作用して、変更可能な回転トルクを回転ヘッドに伝達することを可能とする制動部品（１９，２０，４２）とを備えた自動車用操作部品において、
ばね作用を生じさせる部品（１３，２４，３４）を、この回転ヘッドと制動部品（１９，２０，４２）との間に組み込んで、回転ヘッド（２，２１，４３）と制動部品（１９，２０，４２）との間に相対的な動きを実現可能としていることを特徴とする操作部品。
回転角及び回転方向を検知するための機器（１０）が、ばね部品（１３，２４，３４）と回転ヘッド（２，２１，４３）との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の操作部品。
電磁気又は磁気粘性により動作する制動部品（１９，２０，４２）が、回転シャフト（３，１５，４１）に作用することを特徴とする請求項１又は２に記載の操作部品。
回転シャフト（３，１５，４１）には、延長部（４，２７，３５）が形成されており、延長部（４，２７，３５）の一部が、電磁式又は磁気粘性式制動部品（１９，２０，４２）の構成部分であることを特徴とする請求項３に記載の操作部品。
回転角及び回転方向を検知するための別の機器（３６，３７）が、ばね部品（１３，２４，３４）と制動部品（１９，２０，４２）との間に配置して、回転角を検知するための第一の機器（２２，２３，３８）と第二の機器（３６，３７）との間の相対的な動きを測定可能としていることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載の操作部品。
当該の回転角及び回転方向を検知するための機器が、光学式エンコーダー（１０，１１，１２，２２，２３，３６，３７，３８）であることを特徴とする請求項２から５までのいずれか一つに記載の操作部品。
ばね部品（１３，２４，３４）が、ばね、特に、捻りばね、或いは塑性が持続する塑性物から構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の操作部品。