JP2015082071A

JP2015082071A - 反力発生装置

Info

Publication number: JP2015082071A
Application number: JP2013221002A
Authority: JP
Inventors: 幸治村松; Koji Muramatsu
Original assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Precision Co Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-27

Abstract

【課題】アクチュエータを必要としない対象反力特性を表現し、弾性体を簡便な配置方法で使用することで計算性がよく、かつ、堅牢な組立品で対象反力特性を表現することができ、大きな反力系に対応することができる反力発生装置を提供する。
【解決手段】固定シャフトにより固定間隔とした第１及び第２のストッパー部材と、前記第２のストッパー部材に支持される回転シャフトと、前記固定シャフトに巻き付く第１の弾性係数を備える第１の弾性体と前記第１の弾性係数とは異なる第２の弾性係数を備える第２の弾性体とを対向し、それぞれの弾性体の対向部分とは反対方向の第１の弾性体の一端と第２の弾性体の一端とを前記ストッパー部材に対向させて配置し、前記第１の弾性体と第２の弾性体との間に回転シャフトの回転を直動に変換する直動ナットを配置した。
【選択図】図1

Description

本発明は、模擬運転装置に用いて運転者にステアリングにより与えられた反力を発生させる反力発生装置に関するものである。

従来、模擬運転装置に用いる反力発生装置には、弾性体を用いた場合の反力特性は、変位に比例または指数関数的に上昇していくものがあった。

また、モーターのようなアクチュエータを利用したものがあり、制御方法によって様々な反力特性が表現可能である。

弾性体を用いた場合でも、その組合せによって反力特性を変化させることができる。

従来は、一様な変位増分に対して反力の増分傾向が、ある変位量において減少変化するような反力特性、例えば図６に示すような特性（以後、「対象反力特性」と呼ぶことがある）を表現するには、モーター等のアクチュエータを利用していた。

弾性体にも対象反力特性に類似する反力特性を示す皿バネ等の素材や精緻な組み立て品が存在する。

反力特性を表現するためアクチュエータを利用する場合、その制御をするためにセンサー類の設置やその保全をすることが大きな負担となる。また、大きな反力系に対応するためには、より出力の高いアクチュエータを用意する必要があり、そのため負担増加の要因になっている。

上述した皿バネ等のような類の弾性体を利用する場合、その性質上、計算性が複雑で実製品の特性と計算結果の相関は信頼性に欠けるものである。また、精緻な組立品は耐久性が悪く保守整備の頻度が多くなる傾向にあり、また、その精緻性ゆえに大きな反力系への対応が困難であった。

本発明が解決しようとする問題点は、対象反力特性を表現するのにアクチュエータを必要としない、また、弾性体を簡便な配置方法で使用することで計算性がよく、かつ、堅牢な組立品で対象反力特性を表現することができ、大きな反力系に対応することができる反力発生装置を提供することにある。

請求項１に係る発明は、固定シャフトにより固定間隔とした第１及び第２の支持部材と、前記第１及び第２の支持部材に支持される回転シャフトと、前記固定シャフトに巻き付く第１の弾性係数を備える第１の弾性体と前記第１の弾性係数とは異なる第２の弾性係数を備える第２の弾性体とを対向し、それぞれの弾性体の対向部分とは反対方向の第１の弾性体の一端と第２の弾性体の一端とを前記支持部材に対向させて配置し、前記第１の弾性体と第２の弾性体との間に回転シャフトの回転を直動に変換する直動ナットを配置したことを特徴とするものである。

請求項１に係る反力発生装置によると、反力発生を弾性体のみに掛かり合わせ、第１の弾性体と第２の弾性体を同一の固定シャフト上に巻き付くように配置するから、反力特性の計算性がよく、かつ、堅牢な組立品で対象反力特性を表現することができ、大きな反力系に対応することができるという利点がある。

本発明の一実施例の概略配置説明図及び全体外観斜視図本発明の一実施例の概略斜視図（中立時）本発明の一実施例の概略斜視図（増分傾向：大）本発明の一実施例の概略斜視図（増分傾向：小）本発明の一実施例の概略斜視図（停止時）本発明の一実施例におけるグラフ本発明の一実施例における動作を説明する図

図１は、本発明による反力発生装置の一実施例を説明する図であり自動車模擬運転装置に用いる例を示し、ステアリングの左回転及び右回転用の反力発生装置を一体に組み立てた図であり、図１（ａ）は構成部品の概略配置説明図であり、図１（ｂ）は全体外観斜視図である。１は回転シャフト、２は直動ナット、３１，３２は第１の支持部材としての第１のストッパー、４１，４２は第２の支持部材としての第２のストッパー、５１，５２は反力板、６１，６２は固定シャフト、７１，７２は第１の弾性体としての第１のコイルバネ、８１，８２は第２の弾性体としての第２のコイルバネ、９は第２のストッパー４１，４２間を固定間隔として連結する固定部材である。
図１（ａ）の概略配置説明図において、回転シャフト１の回転方向の別により作用する反力発生の右回転用と左回転用の反力発生組立体を示し、例えば左回転用の反力発生組立体を実線で示し、右回転用の反力発生組立体を破線で示して、煩雑さを回避している。
第１のストッパー３１，３２、第２のストッパー４１，４２は、所定の固定間隔で配置され、さらに反力板５１，５２が第１のストッパー３１，３２と第２のストッパー４１，４２との間に配置される。これら第２のストッパー４２と反力板５１，５２との中央部分に設けた円孔に回転シャフト１が通され、回転シャフト１の末端は第２のストッパー４１に回転可能に連結され、回転シャフト１は第２のストッパー４１，４２により支持される。
直動ナット２が、対向する反力板５１，５２の間に位置し、回転シャフト１に設けたネジにはまって結合する。直動ナット２は回転シャフト１の長さ方向に伸び回転シャフト１にネジにはまって結合する筒状体２ａ，２ｂを備える。筒状体２ａ（，２ｂ）には凸状連続体２ｃ（，２ｄ）が形成され、凸状連続体２ｃ（，２ｄ）は反力板５１（，５２）に設けた溝５１ａ（，５２ａ）に係合して、後述のように直動ナット２の空転を防ぐ。回転シャフト１と直動ナット２とは、回転シャフト１の回転量を直動ナット２の直進量に変換する直動機構を構成する。反力板５１（，５２）は、第１のストッパー３１（，３２）と第２のストッパー４１（，４２）の間に、回転シャフト１上を移動可能にして、位置する。第１のストッパー３１（，３２）と第２のストッパー４１（，４２）とは、シャフト６１（，６２）により連結され、その位置関係は固定されている。固定シャフト６１（，６２）は反力板５１（，５２）を通過して、反力板５１（，５２）を直動ナット２の移動に従って移動可能になっている。第１のストッパー３１（，３２）と反力板５１（，５２）との間に、第１のコイルバネ７１（，７２）を固定シャフト６１（，６２）に巻き付いて位置させ、反力板５１（，５２）と第２のストッパー４１（，４２）との間に、第２のコイルバネ８１（，８２）を固定シャフト６１（，６２）に巻き付いて位置させる。第１のコイルバネ７１（，７２）の弾性係数は第２のコイルバネ８１（，８２）の弾性係数とは異なるものとする。
固定シャフト６１，６２は、各４本備えられ、それぞれに第１のコイルバネ７１（，７２）と第２のコイルバネ８１（，８２）とが巻き付いて、回転シャフト１の周囲に配置される。
第２のストッパー４１はステアリングの回転シャフト１の末端を支持し、第２ストッパー４２は回転シャフト１のステアリングが付けられる方向部分を支持するように、組み立てられる。第１のストッパー３１と第１のストッパー３２は、互いに近くなるように位置し、第２のストッパー４１と第２のストッパー４２は、互いが遠くに位置するように組み立てられる。
第１のストッパー３１と第２のストッパー４１と反力板５１と固定シャフト６１と第１のコイルバネ７１と第２のコイルバネ８１とからなる第１の反力発生組立体と、第１のストッパー３２と第２のストッパー４２と反力板５２と固定シャフト６２と第１のコイルバネ７２と第２のコイルバネ８２とからなる第２の反力発生組立体とは、９０度回転させた状態で回転シャフト１上に取り付けられる。

図２は、回転シャフト１に回転力が負荷されておらず、回転シャフト１を回転させ、直動ナット２を反力板５１に接触し移動させない状態を示す。ステアリング操作による回転量が回転シャフト１に伝達されると、その回転量に対応して直動ナット２が移動する。直動ナット２が第２のストッパー４１に向かって移動すると、直動ナット２に押されて反力板５１が第２のストッパー４１に向かって移動する。第１のコイルバネ７１が反力板５１を押す力と第２のコイルバネ８１が反力板５１を押す力が等しくなるように直動ナット２及び反力板５１は配置する。このとき、第１のコイルバネ７１及び第２のコイルバネ８１は圧縮されている状態にある。

図２の状態から、回転シャフト１を例えば左方向に回転させ直動ナット２が第２のストッパー４１に向かって移動すると、反力板５１は第２のコイルバネ８１を押し込む（図３）。図３は、図２の状態よりも直動ナット２が第２のストッパー４１に近づいた状態である。図２から図３の状態に遷移する上で、反力板５１が第１のコイルバネ７１から受ける力は減少し、第２のコイルバネ８２から受ける力は増加する。このとき、反力板５１へ力を負担する系の弾性係数は見かけ上、第１のコイルバネ７１と第２のコイルバネ８１のそれぞれの弾性係数の和で表される。

回転シャフト１をさらに回転させ、直動ナット２を第２のストッパー４１方向に移動させると、図４のように、第１のコイルバネ７１が自然長の状態に達し、反力板５１から離れるまで直動ナット２を第２のストッパー４１方向へ移動させた状態となる。このとき、反力板５１へ力を負担しているのは第２のコイルバネ８１のみの状態となる。よって、反力板５１へ力を負荷する系の弾性係数は見かけ上、第２のコイルバネ８１の弾性係数と一致する。

回転シャフト１をさらに回転させ、直動ナット２を第２のストッパー４１方向に移動させると、図５のように、直動ナット２の筒状体２ａが第２のストッパー４１に接触して、直動ナット２が停止する状態となる。このとき、反力板５１はこれ以上第２のコイルバネ８１を押し込むことはなく、第２のコイルバネ８１の過圧縮を防止している。

図６は、本実施例で反力板５１が受ける力をプロットしたグラフである。図６の横軸は直動ナット２が図２の状態から第２のストッパー４１の方向に移動した移動距離を表し、縦軸はその距離に対応して反力板５１、ひいては直動ナット２に負荷される力を表す。
図６から、直動ナット２の移動途中において受ける力の増分傾向が減少変化していることが分かる。増分傾向が変化するタイミングは、図３の状態から図４の状態に遷移するときに第１のコイルバネ７１が自然長に達し反力板５１から離れるタイミングと一致する。
図２の状態から図５の状態まで直動ナット２が反力板５１に加えたエネルギーは保存するため、任意の位置で回転シャフト１に力が負荷されなくなると図２の状態に収束する。
増分傾向が減少変化することを図７にとともに説明する。図７において、Ｘ１［ｍ］は直動ナット２のｘ方向移動量を示しており、ｘ＝Ｘ１［ｍ］において第１のコイルバネ７１は自然長の状態になる。ｘ＝０のときに第２のコイルバネ８１が自然長より圧縮されている距離をＸ２［ｍ］とする。
また、コイルバネは線形のフック則に従うものとし、第１のコイルバネ７１の弾性係数をｋ１［Ｎ／ｍ］とし、第２のコイルバネ８１の弾性係数をｋ２［Ｎ／ｍ］とする。
図２の状態から図３の状態を経由して直動ナット２が第１のコイルバネ７１により押されながら第２のコイルバネ８１を圧縮して移動する状態が、図７におけるＳＴＡＧＥ１となる。また、第１のコイルバネ７１が自然長になって、図４のよう第２のコイルバネ８１のみで移動させる状態は、図７においてＳＴＡＧＥ２で表される。
ここで、直動ナット２の移動量がｘ＝Ｘ３［ｍ］（０≦Ｘ３＜Ｘ１）の状態を考える。この状態において直動ナット２が第１、第２のコイルバネ７１、８１から受ける見かけの荷重Ｆ１［Ｎ］は
Ｆ１＝ｋ１・（Ｘ１−Ｘ３）−ｋ２・（Ｘ２＋Ｘ３）（１）
と表される。この状態から更に直動ナット２を正の微少量ｄｘ［ｍ］だけｘ方向に移動させたときに直動ナット２が受ける見かけの荷重Ｆ２［Ｎ］は
Ｆ２＝ｋ１・（Ｘ１−Ｘ３−ｄｘ）−ｋ２・（Ｘ２＋Ｘ３＋ｄｘ）（２）
となる。このｄｘ［ｍ］の移動において直動ナット２が受ける見かけの荷重変動ｄＦ１［Ｎ］は
Ｆ１−Ｆ２＝ｋ１・ｄｘ＋ｋ２・ｄｘ＝（ｋ１＋ｋ２）・ｄｘ（３）
式（３）より、ＳＴＡＧＥ１における見かけの弾性係数はｋ１＋ｋ２［Ｎ／ｍ］となる。
次に直動ナット２の移動量がｘ＝Ｘ４［ｍ］（Ｘ１＜Ｘ４）の状態を考える。この状態において直動ナット２は第２のコイルバネ８１からのみ荷重を受けるため、見かけの荷重Ｆ３［Ｎ］は
Ｆ３＝ｋ２・（Ｘ２＋Ｘ４）（４）
となる。この状態から更に直動ナット２を正の微少量ｄｘ［ｍ］だけｘ方向に移動させたときに直動ナット２が受ける見かけの荷重Ｆ４［Ｎ］は
Ｆ４＝ｋ２・（Ｘ２＋Ｘ４＋ｄｘ）（５）
で表される。式（４）、（５）から明らかなようにＳＴＡＧＥ２における見かけの弾性係数はｋ２［Ｎ／ｍ］であるので、
（ＳＴＡＧＥ１の増分傾向）＞（ＳＴＡＧＥ２の増分傾向）となる。

図２の状態から、回転シャフト１を例えば右方向に回転させ直動ナット２が反力板５１から離れ、反力板５２に向かって移動する。このとき、直動ナット２の筒状体２ａに設けた凸状連続体２ｃが反力板５１に設けた溝５１ａに係合しているから、直動ナット２が回転シャフト１により空転することはない。回転シャフト１を回転させ、直動ナット２が第２のストッパー４２に向かって移動すると、直動ナット２の筒状体２ｂの凸状連続体２ｄに係合し、さらに、直動ナット２は反力板５２に接触して、図２と同様な状態になる。回転シャフト１をさらに右方向に回転させ、上述の左方向の回転の場合と同様な経過を経て、直動ナット２を第２のストッパー４２方向に移動させると、図５の場合と同様に、直動ナット２の筒状体２ｂが第２のストッパー４２に接触して、直動ナット２が停止する状態となる。

本実施例においては、第１のコイルバネ７１の弾性係数を第２のコイルバネ８１の弾性係数以上にして、第１のコイルバネ７１及び第２のコイルバネ８１を任意に選択することで、図６における各増分傾向や傾向が変化するタイミングを選択することが可能である。また、弾性係数の大きなコイルバネ（弾性体）を選択することで、より大きな反力を発生させることが可能となる。

１回転シャフト
２直動ナット
３１，３２第１のストッパー（第１の支持部材）
４１，４２第２のストッパー（第２の支持部材）
５１，５２反力板
６１，６２固定シャフト
７１，７２第１のコイルバネ（第１の弾性体）
８１，８２第２のコイルバネ（第２の弾性体）

Claims

固定シャフトにより固定間隔とした第１及び第２のストッパー部材と、
前記第２のストッパー部材に支持される回転シャフトと、
前記固定シャフトに巻き付く第１の弾性係数を備える第１の弾性体と前記第１の弾性係数とは異なる第２の弾性係数を備える第２の弾性体とを対向し、それぞれの弾性体の対向部分とは反対方向の第１の弾性体の一端と第２の弾性体の一端とを前記ストッパー部材に対向させて配置し、
前記第１の弾性体と第２の弾性体との間に回転シャフトの回転を直動に変換する直動ナットを配置したことを特徴とする反力発生装置。