JP2011232793A

JP2011232793A - 入力装置

Info

Publication number: JP2011232793A
Application number: JP2010099668A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kurihara; 正幸栗原
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】フォースフィードバックにおける複雑な補正制御等を用いることなく、力覚を付与するＤＣモータのトルク変動の影響を少なくして、操作感を向上させる入力装置を提供する。
【解決手段】操作ノブ１２２を軸受１２９で傾倒操作可能に支承する入力装置３であり、操作ノブにフォースフィードバックによるトルクを作用させる駆動部として、半月ギア１３６に噛合する２つのＤＣモータ１９０，１９１を備える。２つのＤＣモータは、ステータのＳ極とＮ極とを結ぶ極軸が互いに３０度に交差して配置される。これにより、ＤＣモータのトルクリップルが打ち消しあい、トルク変動が平滑化される。
【選択図】図６

Description

本発明は、入力装置に関し、特にフォースフィードバックによる力覚付与機能を有する入力装置に関する。

従来、車両における遠隔操作を行うための入力装置として、操作者によって操作される操作部にフォースフィードバックによる操作感を付与する力覚付与型の入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この入力装置は、操作部と、操作部の操作状態を検出するストローク検出部と、操作部に力覚を付与する駆動部と、操作部の操作状態に応じた所定の力覚を付与するように駆動部を電子的に制御する制御部とを有して構成されている。

特開２００４−１２９６２４

しかし、特許文献１に示すような従来の入力装置は、操作部に力覚を付与する駆動部としてＤＣモータを使用する場合が多く、コギング等によるトルクリップルが出力変動として操作ノブの反力に反映されてしまい操作感の低下に繋がるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、フォースフィードバックにおける複雑な補正制御等を用いることなく、力覚を付与するＤＣモータのトルク変動の影響を少なくして、操作感を向上させる入力装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため本発明の入力装置は、操作ノブを有する操作部と、前記操作ノブにトルクを作用させステータを構成するＳ磁極とＮ磁極とを結ぶ極軸が互いに交差する向きに配置される２つのモータと、を備える。

［２］また、前記２つのモータは、前記操作ノブへのトルクリップルを互いに打ち消す向きにその位相をずらして配置される。

［３］また、前記操作ノブは、前記操作部において傾倒操作可能に支承され、前記２つのモータが前記操作ノブの傾倒動作に連動するギアにそれぞれ噛合することにより前記操作ノブにトルクを作用させる。

［４］また、前記操作ノブは、前記操作部において傾倒操作可能に支承され、前記２つのモータが前記操作ノブの傾倒動作に連動する軸にそれぞれ連結することにより前記操作ノブにトルクを作用させる。

［５］また、前記２つのモータは、２極３相のＤＣモータであり、前記極軸が互いに交差する角度が３０度である。

本発明によれば、フォースフィードバックにおける複雑な補正制御等を必要とせずに、力覚を付与するＤＣモータのトルク変動の影響を少なくでき、操作感を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る入力装置が車両内のセンターコンソールに取り付けられた状態を示す斜視図である。図２は、入力装置の構成を示す斜視図である。図３は、Ｘ駆動部の構成を示す平面図であり、ＤＣモータの内部の構成を詳細に示す図である。図４（ａ）は、各ＤＣモータの回転角に対する合成したトルク抗力特性をグラフで示す図である。図４（ｂ）は、各ＤＣモータの回転角に対する単独のトルク抗力特性をグラフで示す図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る入力装置の斜視図である。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る入力装置の側面図である。

以下、本発明に係る入力装置として、車両におけるナビゲーション装置や空調装置等をコンソールパネルで遠隔操作するためのフォースフィードバック機能が付加された入力装置について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る入力装置１が車両内のセンターコンソール６に取り付けられた状態を示す斜視図である。センターコンソール６は、運転席５の左方で車両の中央付近に設けられる。ステアリング７の左方で、かつ搭乗者から見えやすいインスツルメントパネル９の中段位置には、入力装置１への入力状態をアイコンの変化や移動するカーソル（ポインタ）等で表示する表示部３００が設けられている。

図２は、入力装置１の構成を示す斜視図である。この入力装置１は、操作ノブ１２０がＸＹの任意の方向に傾倒操作可能なジョイスティックタイプの入力装置である。入力装置１は、ベース１１０と、操作ノブ１２０を突出させてベース１１０を覆うカバー１１１とを備えている。

操作ノブ１２０は、ノブシャフト１２５の先端に取り付けられている。ノブシャフト１２５は、互いに交差するＸキャリッジ１４０及びＹキャリッジ１４５の各長溝１４１，１４６を貫通して、その末端がベース１１０に取り付けられたＸＹ球面軸受１２４に支持されている。

Ｘキャリッジ１４０は、長溝１４１のＸ方向においてノブシャフト１２５に当接するとともに、Ｙ方向においてはノブシャフト１２５を摺動させる。また、Ｙキャリッジ１４５は、長溝１４６のＹ方向においてノブシャフト１２５に当接するとともに、Ｘ方向においてノブシャフト１２５を摺動させる。また、Ｘキャリッジ１４０は、その両端部がＸ軸スライドガイド１８０，１８１にスライド可能に支持され、Ｙキャリッジ１４５は、その両端部がＹ軸スライドガイド１８５，１８６にスライド可能に支持されている。これにより、操作ノブ１２０のＸＹ方向への傾倒操作に応じて、Ｘキャリッジ１４０及びＹキャリッジ１４５がスライド可能となるように構成されている。

Ｘ軸スライドガイド１８０には、Ｘ軸エンコーダ１７０が固定されている。同様に、Ｙ軸スライドガイド１８５には、Ｙ軸エンコーダ１７５が固定されている。Ｘ軸エンコーダ１７０及びＹ軸エンコーダ１７５は、Ｘキャリッジ１４０及びＹキャリッジ１４５のそれぞれの移動に応じてパルス信号を出力する。このパルス信号は、移動方向に応じて位相が異なるＡ相とＢ相の２つの信号からなり、図示しない制御装置がパルス信号をカウントすることにより、操作ノブ１２０のＸＹ方向における傾倒操作量が検出される。

また、本実施の形態による入力装置１は、フォースフィードバックを行うためにＸ方向において操作ノブ１２０にトルクを発生させるＸ駆動部１０と、Ｙ方向において操作ノブ１２０にトルクを発生させるＹ駆動部１１とを備えている。

Ｘ駆動部１０は、Ｘキャリッジ１４０に連結するＸ軸ラックギア１３０と、２つのＤＣモータ１５０，１５１とを備えている。Ｘ軸ラックギア１３０は、Ｘ軸スライドガイド１８１にスライド可能に支持されている。また、Ｘ軸ラックギア１３０には、２つのＤＣモータ１５０，１５１の各モータギア１６０，１６１が噛合している。

Ｙ駆動部１１は、Ｙキャリッジ１４５に連結するＹ軸ラックギア１３５と、２つのＤＣモータ１５５，１５６とを備えている。Ｙ軸ラックギア１３５は、Ｙ軸スライドガイド１８６にスライド可能に支持され、ＤＣモータ１５５，１５６の各モータギア１６５，１６６が噛合している。

ＤＣモータ１５０，１５１に電流を流すことにより、操作ノブ１２０をＸ方向に傾倒させるトルクが発生する。同様にＤＣモータ１５５，１５６に電流を流すことにより、操作ノブ１２０をＹ方向に傾倒させるトルクが発生する。すなわち、本実施の形態による入力装置１は、Ｘ軸エンコーダ１７０及びＹ軸エンコーダ１７５からのパルス信号に基づき、ＤＣモータ１５０，１５１，１５５，１５６への電流を制御することにより、操作ノブ１２０のフォースフィードバック制御が可能に構成されている。

入力装置１を用いたフォースフィードバックの例としては、例えば、操作ノブ１２０の操作量に応じて操作ノブ１２０に対し抗力を発生させる制御がある。この制御では、操作ノブ１２０に過度な量の操作がされた場合により抗力が増し、これにより操作者に危険等を力覚で認識させることができる。

また、例えば、制御対象の負荷に比例して操作ノブ１２０に対し抗力を発生させるフォースフィードバック制御がある。この制御によれば、制御対象の負荷が大きいほどより強い力で操作ノブ１２０を操作することになるため、制御対象を実際に手で扱うのと同様の体感で操作することができる。

その他、フォースフィードバックの応用例としては、操作者が操作ノブ１２０から手を離したときに操作ノブ１２０を自動的に中立位置（非操作位置）に押し戻す制御や、次に操作すべき位置に操作ノブ１２０を引き込む操作支援的な制御も可能である。

図３は、Ｘ駆動部１０の構成を示す平面図であり、ＤＣモータ１５０，１５１の内部の構成を詳細に示す図である。なお、図示はしないがＹ駆動部１１もＸ駆動部１０と同様に構成される。

ＤＣモータ１５０は、Ｎ極１５０ａとＳ極１５０ｂを有する永久磁石からなるステータと、３方向に等配分されたコイルスロットを有するロータ１５０ｃとを備えてなる２極３相のＤＣブラシモータである。ＤＣモータ１５１も同じくＮ極１５１ａとＳ極１５１ｂを有する永久磁石からなるステータと、３方向に等配分されたコイルスロットを有するロータ１５１ｃとを備えてなる２極３相のＤＣブラシモータである。

図３に示されるように、２つのＤＣモータ１５０，１５１は、一方のＤＣモータ１５０のＮ極１５０ａ及びＳ極１５０ｂとを結ぶ極軸と、他方のＤＣモータ１５１のＮ極１５１ａ及びＳ極１５１ｂとを結ぶ極軸とが互いに３０度の角度で交差して、各モータギア１５１，１６１がそれぞれＸ軸ラックギア１３０に噛合して設置される。ここで、一般に２極３相のＤＣブラシモータは、その構造上、回転角が６０度ピッチでトルク反力のコギング（脈動）を生じさせる。配置される２つのＤＣモータ１５０，１５１の極軸がなす角（位相）は、単独のモータが本来有するコギングのピッチの１／２（半波長）に対応する。

なお、Ｙ駆動部１１を構成する２つのＤＣモータ１５５，１５６も同様に各極軸が３０度の角度をなす向きに交差して設置されている。

（第１の実施の形態の作用）
図４（ａ）は、Ｘ駆動部１０において、各ＤＣモータ１５０，１５１の回転角に対する合成したトルク抗力特性をグラフで示す図である。図４（ｂ）は、各ＤＣモータ１５０，１５１の回転角に対する単独のトルク抗力特性をグラフで示す図である。

各ＤＣモータ１５０，１５１は、上述したように各極軸が３０度位相をずらして配置されているので、図４（ｂ）に示されるように単独の場合における各コギングの位相も半波長ずれて生じることがわかる。その結果、これらを合成したトルク抗力は、図４（ａ）に示されるように、各ＤＣモータ１５０，１５１のトルクリップルが互いに打ち消され、モータが単独の場合に比してコギングのピッチが半分になり、同時にトルクリップル幅（変動幅）も約２０％程度低減していることがわかる。これにより、操作ノブ１２０を傾倒操作させたときに操作者が感じる抗力（力覚）は、ＤＣモータが単独の場合よりも目標トルクにより近いエンベロープに平滑化され、操作感が大きく改善されることとなる。

このように、本実施の形態による入力装置１によれば、Ｘ駆動部１０における２つのＤＣモータ１５０，１５１をその各極軸が３０度の角度をなして交差する向きに配置したので、各ＤＣモータ１５０，１５１のトルクリップルを打ち消して平滑化することができる。同じくＹ駆動部１１においても２つのＤＣモータ１５５，１５６を互いに３０度位相をずらして配置することでトルクリップルが平滑化されている。したがって、電子制御等によるトルクリップルの補正制御をしなくても、より自然に近い操作感を操作者に与えることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る入力装置２の斜視図である。この入力装置２は、操作ノブ１２１がＸＹの任意の方向に傾倒操作可能なジョイスティックタイプの入力装置である。入力装置２は、ベース１１２と、第１のジョイント部材１１３と、第２のジョイント部材１１４と、ＭＲセンサ１１５とを備えている。

ベース１１２の内部中央には、ＭＲセンサ１１５がマトリクス状に配置されている。第１のジョイント部材１１３は、四角枠状に形成され、対向する２箇所においてベース１１２に対しＸ方向に回動可能に枢着されている。第２のジョイント部材１１４は、コ字状に形成され、その両端部において第１のジョイント部材１１３に対しＹ方向に回動可能に枢着されている。

そして、操作ノブ１２１のノブシャフト１２６が第２のジョイント部材１１４の中央部を貫通して固定されている。また、ノブシャフト１２６の末端には、永久磁石等の磁性体１２７が設けられている。

この入力装置２では、マトリクス状に配置されたＭＲセンサ１１５がノブシャフト１２６の末端の磁性体１２７の位置を検出することにより、その位置に応じた操作ノブ１２１のＸＹ方向における傾倒操作量が非接触で検出されるように構成されている。

また、本実施の形態による入力装置２は、フォースフィードバックを行うためＸ方向において操作ノブ１２１にトルクを発生させるＸ駆動部として、第１のジョイント部材１１３の枢着部に当該第１のジョイント部材１１３に連結する２つのＤＣモータ１５２，１５３を備えている。また、Ｙ方向において操作ノブ１２１にトルクを発生させるＹ駆動部として、第２のジョイント部材１１４の枢着部に当該第２のジョイント部材１１４に連結する２つのＤＣモータ１５７，１５８を備えている。

ＤＣモータ１５２，１５３，１５７，１５８は、全て２極３相のＤＣブラシモータからなる。そして、Ｘ駆動部を構成するＤＣモータ１５２，１５３は、各ステータのＳ極とＮ極を結ぶ極軸の位相が互いに３０度の角度をなして第１のジョイント部材１１３に連結している。また、Ｙ駆動部を構成するＤＣモータ１５７，１５８は、それぞれの極軸の位相が互いに３０度の角度をなして第２のジョイント部材１１４に連結している。

ＤＣモータ１５２，１５３に電流を流すことにより、操作ノブ１２１をＸ方向に傾倒させるトルクが発生する。同様にＤＣモータ１５７，１５８に電流を流すことにより、操作ノブ１２１をＹ方向に傾倒させるトルクが発生する。すなわち、本実施の形態による入力装置２は、ＭＲセンサ１１５による位置検出に基づいて、ＤＣモータ１５２，１５３，１５７，１５８への電流を制御することにより、操作ノブ１２１へのフォースフィードバック制御が可能に構成されている。

（第２の実施の形態の作用）
この第２の実施の形態の入力装置２によれば、フォースフィードバックを行うＸ方向軸の２つＤＣモータ１５２，１５３はその各極軸が互いに３０度で交差して配置され、同じくＹ方向軸の２つＤＣモータ１５７，１５８も各極軸が互いに３０度交差して配置されている。これにより、２つのＤＣモータのトルクリップルが打ち消しあい、図４に示した第１の実施の形態と同様にモータが単独の場合と比較して、コギングのピッチが半分になると共にトルクリップル幅も約２０％程度低減する。したがって、電子制御等による複雑な補正制御をしなくても、操作ノブ１２１の抗力特性が平滑化され、操作感を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る入力装置３の側面図である。この入力装置３は、操作ノブ１２２から延びるノブシャフト１２８の端が軸受１２９に枢着され、この軸受１２９を中心として左右に回動操作された操作ノブ１２２の回動角が操作量として検出される。

また、入力装置３は、操作ノブ１２２へのフォースフィードバックを行うための駆動部として、ノブシャフト１２８に連結し、かつ軸受１２９と同一軸周りで操作ノブ１２２の回動に連動する半月ギア１３６と、半月ギア１３６に各モータギア１９０ｂ，１９１ｂが噛合する２つのＤＣモータ１９０，１９１とを備えている。

ＤＣモータ１９０，１９１は、２極３相のＤＣブラシモータである。そして、各ステータのＳ極とＮ極とを結ぶ極軸が互いに３０度の角度をなす向きに交差して配置されている。ＤＣモータ１９０，１９１に電流を流すことにより、操作ノブ１２２を回動させるトルクが発生し、これにより操作ノブ１２２のフォースフィードバック制御が可能に構成されている。

（第３の実施の形態の作用）
この第３の実施の形態の入力装置３によれば、操作ノブ１２２へのフォースフィードバックを行うための２つＤＣモータ１９０，１９１をその各極軸の方向が互いに３０度に交差する向きに配置したので、各ＤＣモータのトルクリップルを打ち消して平滑化することができる。これにより、電子制御等による複雑な補正制御をしなくても、フォースフィードバック時の操作ノブ１２２の抗力特性が改善し、操作感を向上させることができる。

以上、本発明に好適な実施の形態を複数説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。例えば、スライドタイプ又はトラッカーボールタイプの入力装置へ本発明を応用してもよい。また、車両以外にも、建設機械等の産業用機械における遠隔・無線操縦のための入力装置や、医療機器等の精密な操作を必要とする入力装置等への広範な分野への応用が期待できる。

１，２，３…入力装置、５…運転席、６…センターコンソール、７…ステアリング、９…インスツルメントパネル、１０…Ｘ駆動部、１１…Ｙ駆動部、１１０…ベース、１１１…カバー、１１２…ベース、１１３…第１のジョイント部材、１１４…第２のジョイント部材、１１５…ＭＲセンサ、１２０，１２１，１２２…操作ノブ、１２４…ＸＹ球面軸受、１２５，１２６…ノブシャフト、１２７…磁性体、１２８…ノブシャフト、１２９…軸受、１３０…Ｘ軸ラックギア、１３５…Ｙ軸ラックギア、１３６…半月ギア、１４０…Ｘキャリッジ、１４５…Ｙキャリッジ、１４１，１４６…長溝、１５０，１５１，１５２，１５３…ＤＣモータ、１５０ａ，１５１ａ…Ｎ極、１５０ｂ，１５１ｂ…Ｓ極、１５０ｃ，１５１ｃ…ロータ、１５５，１５６，１５７，１５８…ＤＣモータ、１６０，１６１…モータギア、１６５，１６６…モータギア、１７０…Ｘ軸エンコーダ、１７５…Ｙ軸エンコーダ、１８０，１８１…Ｘ軸スライドガイド、１８５，１８６…Ｙ軸スライドガイド、３００…表示部

Claims

操作ノブを有する操作部と、前記操作ノブにトルクを作用させステータを構成するＳ磁極とＮ磁極とを結ぶ極軸が互いに交差する向きに配置される２つのモータと、を備える入力装置。
前記２つのモータは、前記操作ノブへのトルクリップルを互いに打ち消す向きにその位相をずらして配置される請求項１に記載の入力装置。
前記操作ノブは、前記操作部において傾倒操作可能に支承され、前記２つのモータが前記操作ノブの傾倒動作に連動するギアにそれぞれ噛合することにより前記操作ノブにトルクを作用させる請求項１又は２に記載の入力装置。
前記操作ノブは、前記操作部において傾倒操作可能に支承され、前記２つのモータが前記操作ノブの傾倒動作に連動する軸にそれぞれ連結することにより前記操作ノブにトルクを作用させる請求項１又は２に記載の入力装置。
前記２つのモータは、２極３相のＤＣモータであり、前記極軸が互いに交差する角度が３０度である請求項１〜４のいずれか１項に記載の入力装置。