JP2009080533A

JP2009080533A - ジョイスティックコントローラ

Info

Publication number: JP2009080533A
Application number: JP2007247310A
Authority: JP
Inventors: Shinya Iwawaki; 信也岩脇
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】複雑な機構や専用部品を追加することなく操作スティックの操作感を向上させるとともに、操作スティックの位置決めも精度よく行うことができるジョイスティックコントローラを提供する。
【解決手段】筐体１４に対し任意位置に傾倒操作可能に保持された操作スティック１６と、操作スティック１６を中立位置に復帰させる復帰ばね１８と、操作スティック１６と同軸に設けられ先端にカム部が形成された復帰部材４２と、筐体１４と一体に形成され復帰部材４２のカム部４４が当接して摺動する受け部材４８を備える。受け部材４８には復帰部材４２と対向する位置に、操作スティック１６と同軸上で対称に、操作スティック１６の傾倒動作に従って復帰ばね１８を圧縮させる傾斜面からなる受面４８ａを有する。操作スティック１６の傾倒動作により復帰部材４２のカム部４４の先端部分が、受面４８ａ上を摺動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、操作スティックを多方向に傾倒操作することにより、その傾倒方向と角度に応じた信号を発生するジョイスティックコントローラに関する。

従来のジョイスティックコントローラの例を、図５を基に説明する。ジョイスティックコントローラ１０は、揺動軸１２によって筐体１４に保持され操作部１６ａを持って左右方向に傾倒操作可能に設けられた操作スティック１６を備えている。揺動軸１２を挟んで操作部１６ａとは反対側の端部に形成された筒状部１６bには、復帰ばね１８と復帰部材２０の一端とが収納されている。筒状部１６ｂから突出している復帰部材２０の他端にはフランジ状のカム部２２が延設されている。カム部２２の下方には、操作スティック１６と直角方向に当接面２４が平らに形成されている。一方、筐体１４と一体に設けられた受け部材２４には、操作スティック１６が中立状態のときに垂直になるよう受面２６ａが平らに形成され、復帰部材２０が係止されている。さらに、傾倒操作の方向と角度とを電気信号に変換する図示しない信号変換部からの信号を出力する配線端子３０が筐体２６に立設され、回路基板３２に接続・固定されている。

次に、操作スティック１６を中立位置に復帰させる動力となる復帰ばね１８の作用について説明する。復帰部材２０は、圧縮ばねである復帰ばね１８による弾性力が加わって筒状部１６ｂから押し出され、受面２６ａに係止されている。操作スティック１６の傾倒操作を行った場合、カム部２２の先端が受面２６ａに当接し、受面２６ａ上をスライドしながら復帰部材２０が揺動軸１２の方向に押し上げられ、この押し上げによって復帰ばね１８が圧縮される。さらに傾倒させると復帰ばね１８の圧縮量はさらに大きくなる。そして、その状態から操作スティック１６の操作を開放すると、復帰部材２０が圧縮された復帰ばね１８の弾性力によって筒状部１６ｂの方向に押し下げられ、カム部２２の先端は当接面２４と受面２６ａが平行となる位置まで受面２６ａ上をスライドし、安定状態に至る。これにより、操作スティック１６は原点である中立位置に誘導復帰することになる。

また、特許文献１に開示されているように、可動筒体のフランジ部がスプリングの力によって常に下方の座板に押し当てられ、傾倒操作を開放すると操作軸が常に中立位置に復帰されるジョイスティックコントローラがある（特許文献１の図８）。

また、特許文献２に開示されているように、復帰部材は底面から側面に向けて略円弧状又は傾斜状に形成された復帰リングであって、その底面部分が固定板に形成された面取部を有する開口部に嵌り込むことにより、操作部材を精度よく所定位置に復帰するジョイスティック装置が提案されている。
特開平７−１９０１７７号公報特開２００５−４３１５号公報

しかし、従来のジョイスティックコントローラ１０においては、作業者が操作スティック１６を操作したときに作業者が体感する操作荷重の変化が小さいため、作業者の感覚によるフィードバック制御が効果的に機能せず、結果、作業者の意志がスティック操作に反映しにくいものであった。

前述の作業者が感じる操作荷重は、摩擦力Ｆにほぼ比例する。この摩擦力Ｆについて、図６を基に説明する。操作スティック１６は図示しない操作部を持って傾倒角度αだけ傾倒されており、復帰部材２０は復帰ばね１８の圧縮による回復力Ｐによって筒状部１６ｂから押し出され、カム部２２の先端が受面２６ａに当接している様子を示している。このとき、受面２６ａに対する鉛直方向の押圧力Ｗは、Ｗ＝Ｐ・ｃｏｓαとなる。したがって、カム部２２が受面２６ａ上をスライドするときに生じる摩擦力Ｆは、その摩擦係数μと押圧力Ｗとの積となるので、Ｆ＝μ・Ｐ・ｃｏｓαと表される。

操作スティック１６が中立位置にあるときの摩擦力Ｆ_０は、復帰ばね１８の回復力Ｐ＝Ｐ_０、傾倒角度α＝０の余弦関数はｃｏｓα＝１であるため、摩擦力Ｆ_０＝μ・Ｐ_０と表される。次に、傾倒操作を行い操作スティック１６の傾倒角度がαに達したとき、上記の通り復帰ばね１８が圧縮されて回復力ＰはＰ_０よりも大きくなるが、傾倒角度αの余弦関数ｃｏｓαは１より小さくなるので、それらの変化が相殺され、結果、傾倒角度αのときの摩擦力Ｆは中立位置のときの摩擦力Ｆ_０に比べて大きくは変化しない。すなわち、作業者は操作スティック１６を傾倒させても、その傾倒量を操作荷重の変化として指先で実感することができず、したがって作業者の感覚によるフィードバック制御が効果的に機能せず、結果、作業者の意志通りの微妙なスティック操作ができないものであった。

また、操作スティック１６の原点での位置を規制する力が弱く、中立位置に精度よく復帰できないという問題があった。

特許文献１に開示されたジョイスティックコントローラにおいては、図５、図６に示した従来のジョイスティックコントローラと構造的にはやや異なるが、作業者が感じる操作荷重については同様に作用する。すなわち、傾倒角度αのときの摩擦力Ｆは中立位置のときの摩擦力Ｆ_０に比べて大きくは変化しないため、作業者は操作軸を傾倒させても、その傾倒量を操作荷重の変化として作業者は実感できないものである。したがって作業者の感覚によるフィードバック制御が機能せず、作業者の意志通りの微妙なスティック操作ができないものであった。

特許文献２に開示されたジョイスティック装置においては、操作部材を精度よく所定位置に復帰させるために復帰リングの形状に特徴を持たせている。しかしながら、この構造は、作業者が体感する操作荷重が変化しない構造であって、上記の従来例と同様に、作業者は操作部材を傾倒させても、その傾倒量を操作荷重の変化として指先で実感できないものである。したがって、作業者の感覚によるフィードバック制御が機能せず、作業者の意志通りの微妙なスティック操作ができないものである。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、複雑な機構や専用部品を追加することなく操作スティックの操作感を向上させるとともに、操作スティックの位置決めも精度よく行うことができるジョイスティックコントローラを提供することを目的とする。

この発明は、筐体に対し任意位置に傾倒操作可能に保持された操作スティックと、その操作スティックを中立位置に復帰させる復帰ばねと、前記操作スティックと同軸に設けられ先端にカム部が形成された復帰部材と、前記筐体と一体に形成され前記復帰部材のカム部が当接して摺動する受け部材とを備え、前記操作スティックが傾倒された方向と角度に応じた信号を出力するジョイスティックコントローラであって、前記受け部材には前記復帰部材と対向する位置に、前記操作スティックと同軸上で回転対称に、前記操作スティックの傾倒動作に従って前記復帰ばねを圧縮させる傾斜面からなる受面が形成され、前記操作スティックの傾倒動作により前記復帰部材の前記カム部の先端部分が、前記受面上を摺動可能に設けられたジョイスティックコントローラである。

前記復帰部材には前記受け部材に対向する位置に凹部が形成され、前記受面には前記凹部に対面し前記操作スティックの傾倒動作により前記カム部の先端部分が摺動可能に凸部が形成され、前記凸部は台形状に形成されているものである。さらに、前記操作スティックの最大傾倒角度と、前記台形状の凸部の傾斜角度がほぼ等しいものである。

この発明によるジョイスティックコントローラによれば、操作スティックの傾倒量が大きくなるにつれて作業者が体感する操作荷重が大きくなる動作を、複雑な機構を追加することなく実現することができ、これにより作業者の感覚による制御が効果的に機能し、結果、作業者の意志通りの微妙なスティック操作が可能となる。

また、受け部材の受面により、操作スティックを開放したときに、所定位置に精度よく復帰させることが可能となる。

以下、この発明のジョイスティックコントローラの第一の実施形態について、図１〜図３を基にして説明する。ここで、上述の背景技術と同様の部材は同一の符号を付して説明する。ジョイスティックコントローラ４０は、揺動軸１２によって筐体１４に保持され操作部１６ａを持って左右方向に傾倒操作可能に設けられた操作スティック１６を備えている。揺動軸１２を挟んで操作部１６ａとは反対側の端部に形成された筒状部１６bには、復帰ばね１８と復帰部材４２の一端とが収納されている。筒状部１６ｂから突出している復帰部材４２の他端にはカム部４４が延設されている。

カム部４４は、その下面に断面が台形状に掘り込まれた凹部４６を有し、その台形の底辺が位置する面は、操作スティック１６の軸線に対して垂直に位置し、その台形の傾斜面は同じくその軸線に対して対称に形成されている。図２に示すように、この台形の傾斜角度はγ、堀り込み深さはｄに形成されている。一方、筐体１４と一体に設けられた受け部材４８には、断面が台形状の凸部である受面４８ａを有し、その台形の底辺は、操作スティック１６が中立状態のときにその軸線に対して垂直に形成されている。さらに、断面が台形の傾斜面は同じくその軸線に対して対称に形成され、その傾斜角度はβ、高さはｈに形成されている。

ここで、復帰部材４２との係合関係については、γ＞β、ｄ＞ｈの関係を有しているため、復帰部材４２は、カム部４４の先端縁４４ａで受面４８ａの傾斜面に当接している。さらに、傾倒方向と傾倒角度とを電気信号に変換する図示しない信号変換部と、その信号変換部からの信号を出力する配線端子３０が筐体２６に立設され、回路基板３２に接続・固定されている。

次に、操作スティック１６を中立位置に復帰させる動力となる復帰ばね１８の作用について説明する。復帰部材４２には、常に復帰ばね１８による弾性力が加わって筒状部１６ｂから押し出され、受面４８ａに係止されている。操作スティック１６の傾倒操作を行った場合、カム部４４の先端縁４４ａの１点が受面４８ａの傾斜面上をスライドし、復帰部材４２が揺動軸１２の方向に押し上げられ、この押し上げによって復帰ばね１８が圧縮させられ、傾倒角に合わせて復帰ばね１８の圧縮量は大きくなる。そして、その状態から操作スティック１６の操作を開放すると、圧縮された復帰ばね１８の弾性力によって復帰部材４２が筒状部１６ｂの開口方向に押し下げられ、カム部４４の一方の先端縁４４ａが受面４８ａの傾斜面上をスライドし、反対側の先端縁４４ａが受面４８ａの傾斜面に当接したところで安定状態になる。これにより、操作スティック１６は原点である中立位置に誘導復帰する。

次に、作業者が操作スティック１６を操作したときに、作業者が体感する操作荷重の変化について、図２を基に説明する。ここで、操作荷重の変化は、その操作荷重にほぼ比例した値である摩擦力Ｆの変化を代用特性として説明する。操作スティック１６は図示しない操作部を持って傾倒角度αだけ傾倒されており、復帰部材４２は復帰ばね１８の回復力Ｐによって筒状部１６ｂから押し出され、カム部４４の先端が受面４８ａの傾斜面に当接している様子を示している。このとき、受面４８ａの傾斜面に対する垂直方向の荷重Ｗは、Ｗ＝Ｐ・ｃｏｓ（α−β）となる。したがって、カム部４４の先端が受面４８ａの傾斜面上をスライドするときに生じる摩擦力は、その摩擦係数μと荷重Ｗとの積となるので、摩擦力Ｆ＝μ・Ｐ・ｃｏｓ（α−β）と表される。

操作スティック１６が中立の位置であって傾倒角度α＝０のとき、復帰ばね１８の回復力Ｐ＝Ｐ_０、余弦関数はｃｏｓ（−β）＜１であるため、摩擦力Ｆ_０は、Ｆ_０＝μ・Ｐ_０・ｃｏｓ（−β）となる。

次に、傾倒操作を行うと、α＜βの範囲においては、傾倒角度αの増加とともに復帰ばね１８が収縮し、回復力ＰはＰ_０を初期値として増加し続け、同時にｃｏｓ（α−β）も増加し続ける。

例えば、本実施形態において最大傾倒角α_１＝β＝２５°に設定した場合は、操作スティック１６の最大傾倒角＝α_１では、復帰ばね１８の圧縮を無視した状態で、従来のジョイスティックコントローラ１０と比較すると、以下のようになる。

α_１＝２５°（β＝０°）回復力Ｐに影響する余弦関数の値が本実施形態では１であるので、背景技術の場合ｃｏｓ２５°＝０．９であり、本実施形態の方が約１．１倍になる。即ち、本実施形態においては、従来のジョイスティックコントローラ１０とは異なり、傾倒角度αの増加に伴って余弦関数成分が増加し続けるので、回復力Ｐの増加分が相殺されず、摩擦力Ｆの増加が顕著になる。

さらに、傾倒角度αの増加に伴って復帰ばね１８が圧縮され、復帰ばね１８の弾性力の増加が従来の場合の比較して大きい。ここで、操作スティック１６の揺動中心である揺動軸１２の垂直下方位置から、カム部４４の先端縁４４ａが受面４８ａに沿って摺動して上昇する場合を考える。ここで、点ｑ１は傾斜面のない従来の場合の傾倒角αでの受面２６ａでのカム部の当接位置、ｑ２は受面４８ａの傾斜面により係合位置が上昇した場合の、傾倒角αでのカム部４４の当接位置を示す。

復帰ばね１８が中立状態から傾倒角α傾いたとき、図３に簡易的に示す幾何学的関係より、次の式が成り立つ。

Ｌｔａｎα＝Ｌ２，Ｌ２ｓｉｎβ＝Ｌ１
このＬ１が傾斜面による復帰ばねの圧縮量の増加分である。

よって、Ｌ１＝Ｌ・ｔａｎα・ｓｉｎβ
Ｌは、揺動軸１２の中心から受面４８ａの断面台形の底辺部分に下ろした垂線の交点までの長さである。

本実施形態においては、操作スティック１６の傾倒角度αの限度を傾斜角度βに最も近い値になるように設定してあるので、上述の作用により、操作スティック１６が中立位置から最大傾倒位置に至るまで摩擦力Ｆは常に増加し続け、最大傾倒位置における摩擦力Ｆが最大となる。例えば、上記と同様に、最大傾倒角α_１＝β＝２５°とすると、
Ｌ１＝Ｌ・ｔａｎα・ｓｉｎβ≒Ｌ・０．４６６・０．４２３≒Ｌ・０．１９７
となり、Ｌの約２０％の長さ分まで受面４８ａに沿ってカム部４４の先端縁４４ａが摺動して上昇することにより、復帰ばね１８の圧縮量が増加する。

この実施形態のジョイスティックコントローラ４０によれば、比較的簡単な構造で、操作スティック１６の傾倒量が大きくなるにつれて作業者が体感する操作荷重を大きくすることが可能となり、かつ、これによって作業者の感覚による制御が効果的に機能し、作業者の意志通りの微妙なスティック操作を実現することができる。

さらに、カム部４４が受面４８ａに係合して動作するので、操作スティック１６の中立位置への復帰誤差を小さくすることができる。特に、復帰部材４２や受け部材４８として、例えばポリアセタールやナイロンなどの合成樹脂が用いられる場合、樹脂成形時の反りやバリ等による形状のばらつきの問題についても比較的容易に対策可能である。

次に、この発明のジョイスティックコントローラの第二の実施形態について、図４を基に説明する。ここで、上述の実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明する。ジョイスティックコントローラ６０は、揺動軸１２によって筐体１４に保持され操作部１６ａを持って左右方向に傾倒操作可能に設けられた操作スティック１６を備えている。操作部１６ａと揺動軸１２を挟んで反対側の端部に形成された筒状部１６bには、復帰部材６２の一端が挿入され固定されている。筒状部１６ｂから突出している復帰部材６２の他端にはフランジ状のカム部６４が延設され、その下面には台形状に掘り込まれた凹部６６が形成され、その台形の底面部分に対して垂直に操作スティック１６の軸線が位置している。断面台形の傾斜した面は、同じくその軸線に対して対称に形成され、図２に示す場合と同様に、その傾斜角度はγ、堀り込み深さはｄに形成されている。

一方、筐体１４の底板には復帰ばね１８の外周とほぼ同じ内周を有する収納部１４ａが形成され、復帰ばね１８はその収納部１４ａに嵌め込まれてその下端が底板に固定されている。復帰ばね１８の上端には受け部材６８が水平に載置され、復帰ばね１８の弾性力に応じてその水平状態のまま上下方向に移動自在に支持されている。受け部材６８は上面側に台形状の凸部が形成された受面６８ａを有し、その台形の底辺は、操作スティック１６が中立状態のときにその軸線に対して垂直に位置している。その台形の傾斜面は同じくその軸線に対して対称に形成され、図２に示す場合と同様に、その傾斜角度はβ、高さはｈに形成されている。復帰部材６２との係合関係については、γ＞β、ｄ＞ｈの関係を有しているため、復帰部材６２は、カム部６４の先端縁６４ａで受面６８ａの傾斜面に当接している。また、受け部材６８の下方の筐体１４の底板部分には感圧スイッチ７０が設置されている。感圧スイッチ７０は、傾倒方向と傾倒角度とを電気信号に変換する信号変換部の一部分であって、受け部材６８が上下方向に揺動し、所定の高さよりも低くなると、受け部材６８の下面側に設けられた加圧用突起６８ｂが当接し、スイッチがターンオン又はオフの動作をする。さらにその出力は、図示しない信号変換部の他の部分に伝達されて信号変換処理がなされる。また、その変換された信号を外部に出力する配線端子３０は筐体２６に立設され、回路基板３２に接続・固定されている。

次に、操作スティック１６を中立位置に復帰させる動力となる復帰ばね１８の作用について説明する。受け部材６８には、常に復帰ばね１８による弾性力が加わって押し上げられ、カム部６４に係止されている。操作スティック１６の傾倒操作を行った場合、カム部６４の先端が受面６８ａの傾斜面上をスライドし、受け部材６８が下方に押し下げられ、この押し下げによって復帰ばね１８が圧縮される。さらに傾倒させると復帰ばね１８の圧縮量はさらに大きくなる。そして、その状態から操作スティック１６の操作を開放すると、受け部材６８が圧縮された復帰ばね１８の弾性力によって上方に押し上げられ、カム部６４の一方の先端部６４ａは受面６８ａの傾斜面上をスライドし、反対側の先端部６４ｂが受面６８ａの傾斜面に当接したところで安定状態になる。これにより、操作スティック１６は原点である中立位置に誘導復帰することになる。

これにより、作業者が操作スティック１６を操作したときに作業者が体感する操作荷重の変化に関しては、第一実施形態におけるジョイスティックコントローラ４０と同様であり、本実施形態のジョイスティックコントローラ６０においても、操作スティック１６の傾倒角度αの限度を傾斜角度βに最も近い値になるように設定してあるので、操作スティック１６が中立位置から最大傾倒位置に至るまで摩擦力Ｆは常に増加し続け、最大傾倒位置において摩擦力Ｆが最大となる。このように、比較的簡単な構造で、操作スティック１６の傾倒量が大きくなるにつれて作業者が体感する操作荷重を大きくすることが可能となり、かつ、これによって作業者の感覚による制御が効果的に機能し、作業者の意志通りの微妙なスティック操作を実現できる。

また、受け面６８ａにより、操作スティック１６の中立位置への復帰誤差を小さくすることができ、より精密な制御を可能にする。

なお本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、操作軸として前後、左右、上下および左右回転操作等に対応した多軸を有するジョイスティックコントローラにおいても、操作スティックが傾倒操作される前後、左右等の操作軸に対して適用可能なものである。その場合においては、例えば第一の実施形態を基に例示するならば、カム部４４は復帰部材４２の外周に沿って鍔状に形成し、その下方の凹部４６は円錐台状に形成し、受け部材４８には円錐台状の受面４８ａを形成すればよい。

また、操作スティックと同軸に復帰部材の先端が受面に接する場合は、傾斜面は凹状に形成しても良い。さらに、復帰部材に形成する凹部は、受面の凸部と係合した際に、その凹部の内側面に受面の凸部が接触しない形状であれば、台形状または円錐台状の形態に限定するものではない。

受面の傾斜面は、必ずしも直線的な傾斜をもって復帰部材を上昇させるもの（傾斜角度βが一定）である必要はなく、例えば円弧曲線のように、傾斜角度βがβ＞０の範囲で徐々に変化する曲線的傾斜をもって上昇するものであってもよい。

また、復帰部材および受け部材の材質はポリアセタールやナイロンに限定するものではなく、比較的軽量で所定の機械的な圧力に耐え得る強度をもつものであれば、他の合成樹脂や金属などであってもよい。

この発明のジョイスティックコントローラの第一の実施形態を示す側断面図である。この実施形態の復帰ばねの回復力による作用を説明する模式図である。この実施形態の復帰ばねの回復力の増加を説明する模式図である。この発明のジョイスティックコントローラの第二の実施形態を示す側断面図である。従来のジョイスティックコントローラを示す側断面図である。従来のジョイスティックコントローラの復帰ばねの回復力による作用を示す模式図である。

符号の説明

１０，４０，６０ジョイスティックコントローラ
１２揺動軸
１４筐体
１６操作スティック
１８復帰ばね
４２，６２復帰部材
４４，６４カム部
４６，６６凹部
４８，６８受け部材
４８ａ，６８ａ受面

Claims

筐体に対し任意位置に傾倒操作可能に保持された操作スティックと、その操作スティックを中立位置に復帰させる復帰ばねと、前記操作スティックと同軸に設けられ先端にカム部が形成された復帰部材と、前記筐体と一体に形成され前記復帰部材のカム部が当接して摺動する受け部材とを備え、前記操作スティックが傾倒された方向と角度に応じた信号を出力するジョイスティックコントローラにおいて、
前記受け部材には前記復帰部材と対向する位置に、前記操作スティックと同軸上で回転対称に、前記操作スティックの傾倒動作に従って前記復帰ばねを圧縮させる傾斜面からなる受面が形成され、前記操作スティックの傾倒動作により前記復帰部材の前記カム部の先端部分が、前記受面上を摺動可能に設けられたことを特徴とするジョイスティックコントローラ。
前記復帰部材には前記受け部材に対向する位置に凹部が形成され、前記受面には前記凹部に対面し前記操作スティックの傾倒動作により前記カム部の先端部分が摺動可能に凸部が形成され、前記凸部は台形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のジョイスティックコントローラ。
前記操作スティックの最大傾倒角度と、前記台形状の凸部の傾斜角度が等しいことを特徴とする請求項２記載のジョイスティックコントローラ。