JP2012127765A - 回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】快適な操作性を確保する安定した品質を実現するために、回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定する。
【解決手段】回動して操作されるレバー２００の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、レバー２００に固定されるクランプ１０２と、クランプ１０２に回転自在に接続されたロッド１０４と、ロッド１０４の回転角を検出する回転角計１１４と、ロッド１０４を移動させるアクチュエータ１１０と、アクチュエータ１１０の駆動軸１１２の移動量を検出する駆動軸変位計１１６と、ロッド１０４の軸力を検出する荷重センサ１０６とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法に関する。

従来から、快適な操作性を保証するために、ユーザーが操作する装置（以下、「操作具」という。）の荷重変位特性（操作力特性ともいう）を定量的に測定することが行われている。スイッチのように直線的に操作する操作具であれば比較的単純な構成で測定することができるが、回動する操作具（以下、「回動操作具」という。）は測定が難しい。荷重を測定するためには、古くはバネばかり、近年では圧電素子が使用されるが、いずれも直線的な荷重を測定するものだからである。

回動操作具の例としては、自動車においてはＡＴセレクトレバー（ＡＴはオートマチックトランスミッションの略）、パーキングブレーキレバー、ペダルなどが挙げられる。また自動車以外にもレバーやスライダ、ロータリースイッチなど回動する操作具は様々な技術分野で多く用いられている。

特許文献１（車両用変速機のチェンジレバー操作力検出装置）には、チェンジレバーのシフトノブに４本の柱（起歪部）と３２個のひずみゲージを内包させ、レバー操作する際の荷重を測定する操作力検出装置が提案されている。特許文献１に提案された操作力検出装置を用いた場合、測定者が手動にてレバー操作を行い、同時にレバーの回転角（移動量）をポテンショメータで測定することにより、シフトノブ部の荷重変位特性を測定することができる。

この構成では、装置が簡略であるため、実車に搭載して測定を行うことができるという利点を有している。しかしながらこの構成では、人の手により操作するためレバーを一定の速度で回動させることが難しく、測定データには手操作の影響による測定ノイズが乗りやすい。また、手操作のため同じ動作を繰り返すことが難しく、複数回測定するにあたって繰り返し誤差が大きくなるという問題がある。またストロークについても、ポテンショメータをシフトノブ以外の箇所に接続する必要があるため、実際のシフトノブ部のストロークと測定値との間に差が生じてしまうという問題がある。

特許文献２（操作具の操作フィーリング計測装置）には、駆動モータとクランク形状のロッドを用いて「回転モーメント型のスイッチ」のレバーを変位させ、回転角センサによって駆動モータの回転角（操作量）を検出することにより、これをレバーの変位とする構成が開示されている。このように、手操作の代わりに駆動モータを用いてレバー操作を行えば、一定の速度でレバーを回動させることが可能である。しかしながら、この構成では駆動モータの回転角で操作量を測定する構成であるから、駆動モータの回動軸の延長線上にレバーの回転軸がくるように軸合わせ（位置合わせ）をする必要がある。すると、回動操作具が装置本体に取り付けられている場合、例えば回動操作具であるＡＴセレクトレバーが装置本体である車体に取り付けられている場合には、レバーの回転軸がセンターコンソールの内部にあるためこれと軸合わせすることができず、測定ができないという問題がある。

特許３３５７８９６号公報（特開平７−２６０６０５号公報） 特開平４−０２２８２０号公報

今後さらに快適な操作性を確保する安定した品質を実現するために、回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定することが要求されている。

また、上記のように回動操作具には様々な種類のものがあるため、汎用性を持たせて、他の回動操作具の荷重変位特性も測定可能とすることが望まれる。さらには、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも荷重変位特性も測定可能とすることが望ましい。

上記課題を鑑みて、本発明の代表的な構成は、回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、回動操作具に固定されるクランプと、クランプに回転自在に接続されたロッドと、ロッドの回転角を検出する回転角計と、ロッドを移動させるアクチュエータと、アクチュエータの駆動軸の移動量を検出する駆動軸変位計と、ロッドの軸力を検出する荷重センサとを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、アクチュエータによって回動操作具を回動させながらその荷重を測定することができる。これにより、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。特に、回動操作具の回動中心と軸合わせをする必要がないため、回動操作具に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも測定可能である。

ロッドはアクチュエータの駆動軸と回転自在に接続されていて、回転角計はロッドと駆動軸との相対角度を検出する構成であってもよい。すなわち、ロッドはクランプと駆動軸の両方に回転自在に接続される。このようにロッドの両端が回転することにより、駆動軸の移動に追従させて回動操作具を変位させることができる。

ロッドはアクチュエータの駆動軸に固定接続されていて、アクチュエータは所定の台座に回転自在に支持されていて、回転角計は台座に対するアクチュエータの相対角度を検出することによってロッドの回転角を検出する構成であってもよい。ロッドと駆動軸とは固定接続であるが、アクチュエータが回転自在に支持されていることにより、結果的にロッドは回転することができる。これにより、駆動軸の移動（伸縮）に追従させて回動操作具を変位させることができる。

アクチュエータは駆動軸を軸方向に移動させる直動型アクチュエータであって、駆動軸変位計は駆動軸のストローク量を検出する構成であってもよい。また、アクチュエータは駆動軸を回転移動させる回転型アクチュエータであって、駆動軸変位計は駆動軸の回転量を検出する構成であってもよい。いずれの構成においても、駆動軸の移動量（ストローク量または回転量）とロッドの回転角からロッドとクランプとの接続点の軌跡（移動軌跡）を算出することができ、回動操作具の変位を算出することができる。

本発明の他の代表的な構成は、回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定方法であって、回動操作具にクランプを固定し、クランプにロッドの一端を回転自在に接続し、アクチュエータの駆動軸にロッドの他端を接続し、アクチュエータによって駆動軸を移動させながらその移動量を検出し、ロッドの回転角を検出し、ロッドの軸力を検出し、駆動軸の移動量とロッドの回転角からロッドとクランプとの接続点の軌跡を算出し、接続点の軌跡から回動操作具の回動中心を算出し、接続点の位置と回動操作具の回動中心から回動操作具の変位を算出し、ロッドがなす直線に対する回動操作具の回動中心からの垂線の長さと軸力とから操作トルクを算出し、操作トルクと回動操作具の変位とから回動操作具の荷重と変位の関係を求めることを特徴とする。

上記構成によれば、アクチュエータによって回動操作具を回動させながらその荷重を測定し、回動操作具の回動角とトルクの関係を求め、これに基づいて回動操作具の変位と荷重の関係（荷重変位特性）を求めることができる。これにより回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。特に、回動操作具の回動中心と軸合わせをする必要がないため、回動操作具に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも測定可能である。

本発明によれば、自動車のＡＴセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。

本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置の構成を示す図である。 荷重変位特性の演算を説明する図である。 ストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図である。 他の構成の例を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置（以下、単に「測定装置１００」という。）の構成を示す図である。測定装置１００は、回動操作具の例としてのＡＴセレクトレバー（以下、単に「レバー２００」という。）の荷重変位特性を測定する。

図１は、レバー２００が装置本体である車体に取り付けられた状態で測定する例である。レバー２００はセンターコンソール２１０の内部に回動中心Ｃを有し、先端にシフトノブ２０４を備えている。なお、レバー２００は湾曲したガイドをスライドする機構となっている場合もあるため、回動中心Ｃは仮想点である場合もある。

測定装置１００は、レバー２００に固定されるクランプ１０２と、クランプ１０２に回転自在に接続されたロッド１０４と、ロッド１０４の回転角を検出する回転角計１１４と、ロッド１０４を移動させるアクチュエータ１１０と、アクチュエータ１１０の駆動軸１１２の移動量を検出する駆動軸変位計１１６と、ロッド１０４の軸力を検出する荷重センサ１０６と、各種演算を行う演算部１２０を備えている。

クランプ１０２は、レバー２００に固定される。固定の方法は特別なものではなく、クランプ１０２がレバー２００に対してずれを生じないように固定できればよい。

ロッド１０４はほぼ棒状の長尺部材であって、クランプ１０２と接続点Ｐによって接続される。クランプ１０２とロッド１０４は、接続点Ｐによって、レバー２００が回動したときになす平面と平行な面内で回転自在である。またロッド１０４には、その軸力を検出する荷重センサ１０６が備えられている。荷重センサ１０６は、ロッド１０４の表面に貼り付けたひずみゲージや、ロッド１０４を分割して間に介在させた圧電素子などによって実現することができる。

ロッド１０４の他端、すなわちクランプ１０２の反対側の端は、アクチュエータ１１０の駆動軸１１２と接続される。ロッド１０４と駆動軸１１２とは、回転軸Ｑによって回転自在に接続されている。ロッド１０４と駆動軸１１２とは、回転軸Ｑによって、レバー２００が回動したときになす平面と平行な面内で回転自在である。

回転軸Ｑには、ロッド１０４と駆動軸１１２の相対角度を検出する回転角計１１４が備えられている。回転角計１１４は一般的な構成のものを用いることができ、例えばロータリーエンコーダや磁気エンコーダ、ジャイロセンサなど既知のものを用いることができる。

アクチュエータ１１０は駆動軸１１２を移動させる。図１の例では、アクチュエータ１１０は駆動軸１１２を軸方向に移動させる直動型アクチュエータである。アクチュエータ１１０は、車体の一部であるセンターコンソール２１０に設置されている。またアクチュエータ１１０は、駆動軸１１２のストローク量を検出する駆動軸変位計１１６を備えている。

上記の機構により、アクチュエータ１１０が駆動軸１１２を移動させると、これに伴ってレバー２００が回動する。すなわち、ロッド１０４の両端が回転自在であることによりリンク機構を形成し、駆動軸１１２の直線的な移動に追従させてレバー２００を変位させることができる。このようにアクチュエータ１１０によってレバー２００を回動させながらその荷重を測定できるため、レバー２００の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。

駆動軸変位計１１６の出力信号である駆動軸の移動量（ストローク量）と、回転角計１１４の出力信号であるロッド１０４の相対角度は、演算部１２０に送られる。演算部１２０は、汎用のコンピュータ上で動作するソフトウェアによって実現することができる。演算部１２０は、以下に説明するようにレバー２００の荷重変位特性を演算する。

図２は荷重変位特性の演算を説明する図である。まず、図２に示すように二次元の座標系を考える。ｘ軸は駆動軸１１２の軸方向に設定し、ｙ軸はレバー２００が回動したときになす平面内に設定する。原点は、駆動軸１１２の軸上のアクチュエータ１１０近傍に設定する。

回転軸Ｑの位置はアクチュエータ１１０のストローク量から知ることができる。このときの回転軸Ｑの位置をｘとする。

ロッド１０４の長さをｄ、回転角計１１４が検知したロッド１０４とクランプ１０２の相対角度をθとすると、ロッド１０４とクランプ１０２の接続点Ｐの位置は、次のように表すことができる。

ここで、接続点Ｐの軌跡は、回動中心Ｃ（ｘｃ，ｙｃ）を中心とする円弧を描くはずである。そこで接続点Ｐの位置が３点以上求まれば、回動中心Ｃの位置を算出することができる。接続点Ｐの軌跡上の３点の位置をそれぞれＰ１（ｘ１，ｙ１）、Ｐ２（ｘ２，ｙ２）、Ｐ３（ｘ３，ｙ３）とし、二つの点ＣとＰを結ぶ有効線分の大きさをＣＰ（回動中心Ｃが仮想点である場合を含む。概ねレバー２００の長さに相当する）とすると、次の連立方程式を立てることができる。なお、このときの回転軸ＱをそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３、相対角度θをθ１、θ２、θ３として図示している。

未知数はｘｃ，ｙｃ，有効線分の大きさＣＰの３つであるから、上の３つの連立方程式からそれぞれを算出することができる。

また、レバー２００の回動角αは、レバー２００が基準位置にあるときの位置をＰ０（ｘ０，ｙ０）とすると、次式で表すことができる。この回動角αは、すなわちレバー２００の変位である。

荷重センサ１０６の出力信号である軸力Ｆは、ロッド１０４がなす直線ＰＱ方向の力である。したがって、ロッド１０４がなす直線ＰＱに対する回動中心Ｃからの垂線の長さをｒとすると、操作トルクはＦ×ｒとして算出することができる。なお、垂線の長さｒは、次式で求めることができる。

このようにして、レバー２００の回動角とトルクの関係（θ−Ｔ特性）を求めることができる。このθ−Ｔ特性は、角度とトルクの関係を示しているため、クランプ１０２をレバー２００のどの位置に固定したかに依存しない。したがって、トルクを回動中心Ｃからシフトノブ２０４までの長さで割ることにより、シフトノブ２０４での荷重変位特性を求めることができる。

上記説明したように、本実施形態に係る構成によれば、アクチュエータ１１０によってレバー２００を回動させながら測定した荷重を用いて、レバー２００の回動角αとトルクの関係を求め、これに基づいてレバー２００の変位と荷重の関係（荷重変位特性）を求めることができる。特に、クランプ１０２をレバー２００のどの位置に固定したとしても、レバー２００の回動中心Ｃを求めることができる。すなわち、レバー２００の回動中心Ｃと何らかの軸合わせをする必要がないため、レバー２００に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、レバー２００を車体（装置本体）に取り付けた状態でも測定可能である。

図３はストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図であって、図３（ａ）は上記のようにして測定した実施例、図３（ｂ）は比較例である。図３（ａ）において上側の線はレバー２００を上げるときの荷重、下側の線は下げるときの荷重である。図３（ｂ）に示す比較例は、シフトノブに特許文献１に示した操作力検出装置を取り付け、手操作によってレバー２００を操作して荷重を測定し、レバーの回転角をポテンショメータで測定して、荷重とストローク量の関係（Ｆ−Ｓ特性）を取得した例である。図３（ａ）（ｂ）を比較すれば、図３（ｂ）では多くのノイズが検知されていることがわかる。このことから、本実施形態の装置および方法によれば、手操作による測定ノイズが排除できることにより、極めて精度よく測定できることが確認できる。

図４は他の構成の例を説明する図であって、図４（ａ）はアクチュエータを回転自在に支持した例である。

図４（ａ）においてロッド１０４はアクチュエータ１１０の駆動軸１１２に固定接続されていて、図１に示した回転軸Ｑは備えていない。その代わりに、アクチュエータ１１０自体が回転軸Ｒによって台座１１８に支持されていて、回転角計１１４は台座１１８に対するアクチュエータ１１０の相対角度を検出することによってロッド１０４の回転角を検出する。台座１１８は、当該装置を設置する箇所に適切に固定可能であればよい。なおこの場合において荷重センサ１０６は、ロッド１０４の軸力を検出しても、駆動軸１１２の軸力を検出しても同じである。このように、ロッド１０４と駆動軸１１２とが固定接続であっても、アクチュエータ１１０を回転自在に支持することにより、結果的にロッド１０４を回転させることができ、駆動軸１１２の移動（伸縮）に追従させてレバー２００を変位させることができる。

図４（ｂ）は回転型アクチュエータを用いた例である。図１ではアクチュエータ１１０を駆動軸１１２を軸方向に移動させる直動型アクチュエータとして説明したが、図４（ｂ）に示すアクチュエータ１３０は、駆動軸１３２を回転移動させる回転型アクチュエータである。駆動軸１３２は、回転軸Ｑによってロッド１０４と接続されている。アクチュエータ１３０は駆動軸１３２の回転量を検出する駆動軸変位計１３４を備えている。なお駆動軸変位計１３４とは、ロータリーエンコーダ等によって検出しても良いが、パルスモータ（ステッピングモータ）の駆動パルスをカウントして角度を検出してもよい。このように構成することによっても、駆動軸１３２の移動量（回転量）とロッド１０４の回転角から接続点Ｐの軌跡を算出することができ、レバー２００の変位を算出することができる。

図４（ｃ）は他の回動操作具に適用した例である。本発明は、回動して操作される回動操作具であればレバー２００以外のものにも適用可能である。図４（ｃ）では、ダイヤル２２０をクランプ１４０で把持して、その荷重変位特性を測定する様子を示している。また回動操作具の他の例としては、ドアノブやイグニッションキーなど、クランプできるものであれば本発明を適用し、その荷重変位特性を測定することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法として利用することができる。

１００…測定装置、１０２…クランプ、１０４…ロッド、１０６…荷重センサ、１１０…アクチュエータ、１１２…駆動軸、１１４…回転角計、１１６…駆動軸変位計、１１８…台座、１２０…演算部、１３０…アクチュエータ、１３２…駆動軸、１３４…駆動軸変位計、１４０…クランプ、２００…レバー、２０４…シフトノブ、２１０…センターコンソール、２２０…ダイヤル、Ｃ…回動中心、Ｐ…接続点、Ｑ…回転軸

Claims (6)

1. 回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、
   前記回動操作具に固定されるクランプと、
   前記クランプに回転自在に接続されたロッドと、
   前記ロッドの回転角を検出する回転角計と、
   前記ロッドを移動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動軸の移動量を検出する駆動軸変位計と、
   前記ロッドの軸力を検出する荷重センサとを備えたことを特徴とする荷重変位特性測定装置。
2. 前記ロッドは前記アクチュエータの駆動軸と回転自在に接続されていて、
   前記回転角計は前記ロッドと前記駆動軸との相対角度を検出することを特徴とする請求項１に記載の荷重変位特性測定装置。
3. 前記ロッドは前記アクチュエータの駆動軸に固定接続されていて、
   前記アクチュエータは所定の台座に回転自在に支持されていて、
   前記回転角計は前記台座に対する前記アクチュエータの相対角度を検出することによって前記ロッドの回転角を検出することを特徴とする請求項１に記載の荷重変位特性測定装置。
4. 前記アクチュエータは前記駆動軸を軸方向に移動させる直動型アクチュエータであって、
   前記駆動軸変位計は前記駆動軸のストローク量を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の荷重変位特性測定装置。
5. 前記アクチュエータは前記駆動軸を回転移動させる回転型アクチュエータであって、
   前記駆動軸変位計は前記駆動軸の回転量を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の荷重変位特性測定装置。
6. 回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定方法であって、
   前記回動操作具にクランプを固定し、
   前記クランプにロッドの一端を回転自在に接続し、
   アクチュエータの駆動軸に前記ロッドの他端を接続し、
   前記アクチュエータによって前記駆動軸を移動させながらその移動量を検出し、
   前記ロッドの回転角を検出し、
   前記ロッドの軸力を検出し、
   前記駆動軸の移動量と前記ロッドの回転角から前記ロッドと前記クランプとの接続点の軌跡を算出し、
   前記接続点の軌跡から前記回動操作具の回動中心を算出し、
   前記接続点の位置と前記回動操作具の回動中心から前記回動操作具の変位を算出し、
   前記ロッドがなす直線に対する前記回動操作具の回動中心からの垂線の長さと前記軸力とから操作トルクを算出し、
   前記操作トルクと前記回動操作具の変位とから前記回動操作具の荷重と変位の関係を求めることを特徴とする荷重変位特性測定方法。

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