JP2019053744A

JP2019053744A - 入力装置

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Publication number: JP2019053744A
Application number: JP2018202784A
Authority: JP
Inventors: 高橋　一成; Kazunari Takahashi; 一成高橋; 厚志後藤; Atsushi Goto
Original assignee: Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP6723568B2

Abstract

【課題】回転トルクとブレーキ力とを組み合わせることで、適正な操作感触を実現した入力装置を提供する。【解決手段】固定部２に回転体１０が回転自在に支持されている。固定部２は、回転検出部２０とトルク付与部３０およびブレーキ付与部４０を有している。トルク付与部３０には、Ａ相のトルク付与コイル３６ＡとＢ相のトルク付与コイル３６Ｂが設けられ、各コイル３６Ａ，３６Ｂへの通電制御によってロータ（磁石）１３に対する抵抗トルクと引き込みトルクが変化する。さらにブレーキ付与部４０に設けられたブレーキ付与コイル４７に通電することで、ブレーキ力を制御することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、操作部を回転させたときに、操作方向と逆向きの抵抗トルクおよび操作方向と同じ向きの引き込みトルクを発生させることができる入力装置に関する。

特許文献１に磁界応答材料を有するブレーキに関する発明が記載されている。このブレーキは、ハウジングにシャフトが回転自在に支持され、シャフトと共に回転するロータが、ハウジングの第１の室内に設けられている。第１の室には磁界応答材料と磁界発生器が設けられている。磁界応答材料は磁界の強さによって流動性に変化を生じる。磁界発生器で磁界を発生させていないときは磁界応答材料の粘性またはせん断流れ抵抗が低下し、シャフトとロータが回転しやすくなり、磁界発生器で磁界を発生すると、磁界応答材料の粘性またはせん断流れ抵抗が大きくなり、シャフトとロータにブレーキが掛けられる。

特許文献２に手動入力装置に関する発明が記載されている。この手動入力装置は、操作部材と、操作部材と共に回転するキャリア軸と、モータの出力軸に設けられたエンコーダを有している。キャリア軸にはキャリアが固定され、キャリアに複数のプラネットギヤが回転自在に支持されており、モータの出力軸にサンギヤが固定されて、サンギヤの周囲にプラネットギヤが噛み合っている。操作部材を手で操作して回転させ、エンコーダを動作させるときに、モータからキャリア軸に対して操作方向と同じ方向や逆の方向の回転力が与えられて、操作部材を操作する手に抵抗感や加速感を与えることができるようになっている。

特開２００５−５０７０６１号公報特開２００３−５０６３９号公報

特許文献１に記載されているブレーキは、磁界応答材料の作用でロータにブレーキ力を与えることができるが、ロータに対して回転力を与えることができないため、操作者に多様な操作感触を与えるのが難しい。

特許文献２に記載された手動入力装置は、モータの動力をキャリア軸に与えることで、操作部材を操作する手に抵抗感や加速感を与えることができる。しかし、手に抵抗感や加速感を適正に与えるためには、モータの制御が複雑になり、モータの回転方向を切替えることで不要な振動が生じることもある。また、操作部材を停止状態で動かなくするために、停止中もモータに通電することが必要になり、消費電力も大きくなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、回転体に対して適正な抵抗感と引き込み感を安定した状態で与えることができる入力装置を提供することを目的としている。

本発明は、固定部と、前記固定部に回転自在に支持された回転体と、前記回転体の回転を検出する回転検出部とが設けられた入力装置において、
前記回転体にブレーキ力を付与するブレーキ付与部と、前記回転体にトルクを付与するトルク付与部とが設けられており、
前記ブレーキ付与部は、前記回転体に設けられた回転板と、前記固定部と前記回転板との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与えるブレーキ付与コイルとを有し、
前記トルク付与部は、前記回転体に回転トルクを付与するトルク付与コイルを有し、
前記ブレーキ付与コイルと前記トルク付与コイルに与える電流を制御する制御部が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の入力装置は、前記トルク付与部では、前記回転体と前記固定部の一方に磁石が、他方に少なくとも２相のトルク付与コイルが設けられ、前記トルク付与コイルで誘導される磁界で、前記回転体に回転トルクが付与されるものとして構成できる。

上記構成の入力装置では、
前記制御部に、
前記回転体の１回転を複数の分割角度に区分する分割角度設定部と、
前記トルク付与コイルに与える電流を制御して、それぞれの前記分割角度内で前記回転体に与える回転トルクを設定するトルク設定部と、
前記ブレーキ付与コイルに与える電流を制御して、前記分割角度の境界で前記回転板にブレーキ力を与えるブレーキ設定部と、
が設けられている。

本発明の入力装置は、前記トルク付与コイルに与える電流を制御することで、それぞれの前記分割角度内で、前記回転体に対して、前記操作体に与えられる回転力の作用方向と逆向きの抵抗トルクと、前記回転力の作用方向と同じ向きの引き込みトルクとが与えられる。

また、前記制御部では、前記回転体のそれぞれの回転角度における前記抵抗トルクの大きさと、それぞれの前記回転角度における前記引き込みトルクの大きさとを、変更することが可能である。
さらに、前記分割角度設定部で、前記分割角度の分割数を変更することも可能である。

本発明の入力装置は、前記トルク付与部で、前記回転体の１回転内での分割角度が固定されて設定されているものとすることができる。

上記構成の入力装置では、前記トルク付与部に前記回転体に対向するヨークが設けられており、前記回転体と前記ヨークとの対向部が、前記回転体の回転方向に間隔を空けて複数箇所に設定されており、前記ヨークと前記回転体の一方を磁化する前記トルク付与コイルが設けられている。

さらに本発明の入力装置は、前記分割角度の境界で前記回転板にブレーキ力が与えられているときに、前記トルク付与コイルへの通電が停止されることが好ましい。

本発明の入力装置は、磁気粘性流体を利用したブレーキ付与部と、磁界で回転トルクを発生するトルク付与部とを設けることで、操作部を操作する手に、適度な抵抗感や引き込み感を与えることができる。また、回転体にトルクとブレーキ力を与えることで、トルク付与部の通電制御を容易にでき、トルクを付与された操作体の振動も防止できるようになる。

また、ブレーキ付与部でブレーキを与えているときにトルク付与部を停止させることで、消費電力を低減できるようになる。

本発明の第１の実施の形態の入力装置の全体構造を示す断面図、第１の実施の形態の入力装置の主要部を示す斜視図、第１の実施の形態の入力装置の回転体に設けられたロータ（磁石）を示す斜視図、第１の実施の形態の入力装置の回路構成を示すブロック図、図４に示す設定値入力部を使用したブレーキ力と回転トルクの設定操作を示す説明図、図５Ａで設定されたフィードバック力の変化を示す波形図、図４に示す設定値入力部を使用したブレーキ力と回転トルクの設定操作を示す説明図、図６Ａで設定されたフィードバック力の変化を示す波形図、（Ａ）（Ｂ）は、第１の実施の形態の入力装置において回転トルクの設定の一例を示す説明図、本発明の第２の実施の形態の入力装置の全体構造を示す断面図、図８に示す入力装置の回転体の一部を示す部分平面図、（Ａ）（Ｂ）は、第２の実施の形態の入力装置において回転トルクの設定の一例を示す説明図、

図１ないし図３に本発明の第１の実施の形態の入力装置１の構造が示されている。
図１に示すように、入力装置１は、固定部２と、固定部２に回転自在に支持された回転体１０とを有している。回転体１０は操作軸１１を有している。図１に、操作軸１１の回転中心線Ｏが示されている。回転体１０は、操作軸１１に、検知板１２と、ロータ（磁石）１３および回転板１４が固定されている。

固定部２の内部に複数のラジアル軸受４，５，６が設けられ、ラジアル軸受４，５，６によって回転体１０の操作軸１１が回転自在に支持されている。固定部２の下部にはスラスト軸受７が設けられており、スラスト軸受７によって、回転体の操作軸１１の下端に設けられたピボット部１５が支持されている。

入力装置１に、回転検出部２０とトルク付与部３０およびブレーキ付与部４０が設けられている。

回転検出部２０では、固定部２の一部となる中間筐体２１の内部空間に、前記検出板１２が位置している。固定部２には、検出板１２に対向する回転検出素子２２が固定されて、非接触式の回転検出装置が構成されている。回転検出素子２２は、光学検知器や磁気検知器である。光学検知器の場合には、検出板１２に、回転中心線Ｏを中心とする円周方向に沿って反射部と非反射部が交互に形成されている。あるいは、光透過部と光非透過部が交互に形成されている。磁気検知器の場合には、検出板１２が磁石を有している。いずれにせよ、回転検出部２０で、回転体１０の回転角度が検出される。

トルク付与部３０では、固定部２の一部となる上部筐体３１に、上部支持板３２と下部支持板３３が固定されている。上部支持板３２に上部コイル支持体３４が固定され、下部支持板３３に下部コイル支持体３５が固定されている。前記ラジアル軸受４は上部コイル支持体３４に固定され、前記ラジアル軸受５は、下部コイル支持体５に固定されている。

上部コイル支持体３４と下部コイル支持体３５に、Ａ相のトルク付与コイル３６Ａと、Ｂ相のトルク付与コイル３６Ｂが固定されている。図２にも示すように、Ａ相のトルク付与コイル３６ＡとＢ相のトルク付与コイル３６Ｂは、導線が上部コイル支持体３４と下部コイル支持体３５を避けるようにして、複数ターンでロータ１３の周りを周回するように矩形状に巻かれている。Ａ相のトルク付与コイル３６Ａと、Ｂ相のトルク付与コイル３６Ｂには、異なる位相の制御電流が与えられる。

図３に示すように、ロータ（磁石）１３は、円柱形状であり、着磁領域が１８０度を境界として２つに区分され、一方の着磁領域は、上面がＮ極で下面がＳ極に着磁され、他方の着磁領域は、上面がＳ極で下面がＮ極に着磁されている。ロータ１３の２つの着磁領域から発せられている磁束Ｂは、Ａ相のトルク付与コイル３６ＡとＢ相のトルク付与コイル３６Ｂを横断している。

図１に示すように、ブレーキ付与部４０は、下部ヨーク４１と上部ヨーク４２とが組み合わされて構成されている。下部ヨーク４１と上部ヨーク４２は、Ｎｉ−Ｆｅ合金などの軟磁性材料で形成されている。下部ヨーク４１と上部ヨーク４２の外周には、金属板で形成されたスペーサリング４３が装着されている。スペーサリング４３によって下部ヨーク４１と上部ヨーク４２の図示上下方向の相対位置が決められて、下部ヨーク４１と上部ヨーク４２との間の隙間４４の上下の間隔が均一に設定されている。またスペーサリング４３によって、前記隙間４４が外周側から塞がれている。下部ヨーク４１と上部ヨーク４２の相対位置が、スペーサリング４３で決められた状態で、下部ヨーク４１と上部ヨーク４２が外装ケースなどを用いて互いに固定される。

下部ヨーク４１と上部ヨーク４２とが組み合わされるときに、隙間４４の内部に、回転体１０に設けられた回転板１４が収納される。また、下部ヨーク４１の上面と回転板１４との間、および上部ヨーク４２の下面と回転板１４との間に磁気粘性流体４５が供給される。磁気粘性流体４５は、シリコンオイルなどの油剤の内部に、Ｎｉ−Ｆｅ合金粉などの磁性粉または磁性粒が混在しているものである。

図１に示すように、上部ヨーク４２に前記スラスト軸受６が固定され、下部ヨーク４１に前記スラスト軸受７が固定されている。そして、隙間４４とスラスト軸受６との間で、上部ヨーク４２と操作軸１１との間にオーリング４６が挟まれており、隙間４４内の磁気粘性流体４５が、スラスト軸受６に向けて流出するのが規制されている。

図１に示すように、下部ヨーク４１の内部に磁界発生部であるブレーキ付与コイル４７が設けられている。ブレーキ付与コイル４７では、導線が、回転中心線Ｏを中心として円周方向に多重に巻かれている。

図４に、第１の実施の形態の入力装置１の回路構成が示されている。
入力装置１には制御部５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵやメモリを主体として構成されている。制御部５０では、メモリから読み出されたプログラムに応じて各種処理が行なわれる。図４では、制御部５０で実行される各種処理を行う処理部がブロック図として示されている。

制御部５０には、演算部５１が設けられており、演算部５１は、トルク設定部５２とブレーキ設定部５３を有している。制御部５０には、分割角度設定部５４が設けられている。入力装置１には設定値入力部５５が設けられている。設定値入力部５５はキーボードなどの入力装置とディスプレイを有している。設定値入力部５５を操作することによって、演算部５１と分割角度設定部５４に設定値が入力される。

制御部５０には、現在角度検出部５６が設けられ、回転検出部２０に設けられた回転検出素子２２からの検知出力がＡ／Ｄ変換部５７でディジタル値に変換されて現在角度検出
部５６に与えられる。

制御部５０にはＡ相変調部５８ＡとＢ相変調部５８Ｂが設けられている。演算部５１の演算結果に応じて、Ａ相変調部５８ＡでＰＷＭ通電部５９Ａが制御され、その制御値に応じたデューティ比の制御電流がＡ相のトルク付与コイル３６Ａに与えられる。同様に、演算部５１の演算結果に応じて、Ｂ相変調部５８ＢでＰＷＭ通電部５９Ｂが制御され、その制御値に応じたデューティ比の制御電流がＢ相のトルク付与コイル３６Ｂに与えられる。

制御部５０にはブレーキ変調部６１が設けられている。演算部５１の演算結果に応じて、ブレーキ変調部６１でＰＷＭ通電部６２が制御され、その制御値に応じたデューティ比の制御電流がブレーキ付与コイル４７に与えられる。

次に、前記入力装置１の動作を説明する。
図５Ａは、設定値入力部５５のディスプレイに表示された入力画面の一例を示している。設定値の入力は、設定値入力部５５に設けられたキーボード装置や、その他の入力装置を使用して行われる。

図５Ａに示すように、設定値入力部５５のディスプレイには、分割角度設定画面６５が表示される。設定値入力部５５から制御部５０の分割角度設定部５４に設定値を入力することで、操作軸１１を回転させるときの感触制御の１単位である分割角度φが設定される。分割角度φは自由に設定することができ、図５Ａに示す分割角度設定画面６５の表示例では、回転体１０の１回転が１２分割され、分割角度φが３０度の均等な角度に設定されている。１回転内の分割数は、６や２４など自由に選択することができる。また複数の分割角度φを均等な角度ではなく異なる角度に設定することができる。さらに、分割角度が１つの角度だけであってもよい。すなわち、回転体１０が１つの分割角度の範囲内でのみで回動できるようにしてもよい。

図５Ａに示すように、設定値入力部５５のディスプレイには、ブレーキ設定画面６６と、トルク設定画面６７とが表示される。ブレーキ設定画面６６では、分割角度設定部５４で設定された１つの分割角度φ（図５Ａに示す例では「φ＝３０度」）がさらに３１の角度に細分されており、３１分割のそれぞれの角度位置でのブレーキ力の大きさを可変させて設定できるようになっている。同様に、トルク設定画面６７には、分割角度設定部５４で設定された１つの分割角度（φ＝３０度）がさらに３１の角度に細分されており、３１分割のそれぞれの角度位置で回転トルクの向きと大きさを可変させて設定できるようになっている。

図５Ａに示す設定例は、操作軸１１に固定された操作部を手で保持し、回転体１０を時計方向（ＣＷ）へ回転させる操作を行うときに、１つの分割角度φ内で設定されるブレーキ力と回転トルクの変化を示している。

図５Ａに示すブレーキ設定画面６６では、１つの分割角度φ（＝３０度）の開始点と終点において、ブレーキ力が所定の大きさに設定されており、開始点と終点との間の中間期間で、ブレーキ力がほぼゼロまたはきわめて弱い力に設定されている。ブレーキ設定画面６６に表示されている各角度位置でのブレーキ力の設定値が、図４に示すブレーキ設定部５３からブレーキ変調部６１に与えられ、ブレーキ変調部６１でＰＷＭ通電部６２が制御されて、ブレーキ付与コイル４７に与えられるパルス状の制御電流のデューティー比が決められる。

その結果、１つの分割角度φ１の開始点と終点でブレーキ付与コイル４７に大きな電流が与えられ、ブレーキ付与コイル４７で誘導されるブレーキ磁界で、隙間４４内に充填さ
れている磁気粘性流体４５内の磁性粉が凝集構造やブリッジ構造となり、回転体１０の回転抵抗が増大する。分割角度φの開始点と終点との間の中間期間では、ブレーキ付与コイル４７にほとんど通電されず、ブレーキ磁界が誘導されることがない。この期間では、磁気粘性流体４５の粘度が高くなることはなく、回転体１０に与えられるブレーキ力が小さくなる。

図５Ａに示すトルク設定画面６７では、１つの分割角度φ（＝３０度）の開始点から終点に向けて、回転トルクの向きと大きさが、ほぼ正弦曲線に沿って変化するように設定されている。分割角度φの開始点と終点で、回転体１０に与えられる回転トルクがほぼゼロである。分割角度φの開始点から分割角度φの中間点までの期間では、回転体１０に対して反時計方向（ＣＣＷ）の回転トルク（抵抗トルク）が与えられ、その回転トルクの大きさも徐々に変化する。分割角度φの中間点から分割角度φの終点までの期間では、回転体１０に対して時計方向（ＣＷ）の回転トルク（引き込みトルク）が与えられ、その大きさ徐々に変化するよう設定されている。

図５Ａにおけるブレーキ設定画面６６で示すようにブレーキ力が設定され、トルク設定画面６７で示すように回転トルクが設定されると、操作部を保持して回転体１０を時計方向へ回転させようとする手に対する操作フィードバック力が、図５Ｂに示すように変化する。図５Ｂには、操作部を手で操作して回転体１０を時計方向（ＣＷ）へ３６０度回転させる間に、手に与えられるフィードバック力の変化が示されている。

回転体１０を時計方向へ回転させると、分割角度φの開始点で、ブレーキ付与部４０で回転体１０にブレーキ力が作用するため、回転抵抗が高くなる。操作部を少し回転させるとブレーキ力が解除されるが、分割角度φの開始点から中間点までは、反時計方向（ＣＣＷ）への抵抗トルクが与えられ、中間点を過ぎると、時計方向（ＣＷ）への引き込みトルクが与えられて、分割角度φの終点では再びブレーキ力が作用する。その結果、回転体１０を３６０度回転させる間に、分割角度φごとに、ブレーキ力が間欠的に作用し、分割角度φ内では抵抗トルクと引き込みトルクが作用し、あたかも機械的な接点を持つロータリスイッチを回転させているような操作感触を得ることができる。

図６Ａと図６Ｂに、図５Ａと図５Ｂとは異なる設定例が示されている。
図６Ａに示す設定例では、回転の分割角度φが、図５Ａの設定と同じ３０度である。図６Ａに示すブレーキ設定画面６６に表示されているブレーキ力の変化の設定は、図５Ａと同じである。

ただし、図６Ａに示すトルク設定画面６７に表示された回転トルクの設定が図５Ａと相違している。図６Ａの設定例では、分割角度φの開始点と終点で回転トルクがほぼゼロである。分割角度φの開始点から中間点までは同じ大きさの反時計方向（ＣＣＷ）の回転トルク（抵抗トルク）が設定され、中間点から分割角度φの終点にかけては、同じ大きさの時計方向（ＣＷ）の回転トルク（引き込みトルク）が設定されている。

その結果、操作部を時計方向へ３６０回転させたときに手に与えられるフィードバック力は、図６Ｂに示す変化を示す。図５Ｂでは、分割角度φ内での抵抗トルクと引き込みトルクの大きさが正弦曲線に近い変化に設定されているため、分割角度φ内で手に感じる抵抗感と引き込み感が柔軟に変化する。これに対し、図６Ｂでは、分割角度φ内での抵抗トルクから引き込みトルクへの切替わりでトルクが急激に変化するため、回転体１０を回転させている手に抵抗感と引き込み感が鋭い変化で与えられるようになる。

ここで、トルク付与部３０において、ロータ（磁石）１３に与える回転トルクの設定について説明する。

図７（Ａ）の縦軸は、Ａ相のトルク付与コイル３６ＡとＢ相のトルク付与コイル３６Ｂに与える電流の変化を示している。図４に示すように、各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに対しては、ＰＷＭ通電部５９Ａ，５９Ｂによってデューティ比が変調されたパルス電流が与えられるが、図７（Ａ）では説明の都合上、パルス電流の積分値が示されている。すなわち、各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂにあたかも直流電流が作用しているかのように示されている。

図７（Ａ）において、横軸を時間の進行と仮定し、位相が互いに９０度相違する電流を２つのトルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに時間進行に対応させて与えれば、ロータ（磁石）１３に回転力を与えることができる。しかし、トルク付与部３０は、ロータ１３を回転させることが目的ではなく、手で回転させているときの回転体１０に対して抵抗トルクと引き込みトルクを与えることが目的である。

そこで、図７（Ａ）では横軸がロータ１３の回転角度として定義されている。ロータ１３が図７（Ａ）の横軸に沿っていずれかの現在角度に移動しているときに、その現在位置において縦軸で表されている固定された電流値を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与え続けると、ロータ１３をその現在角度で停止させることができる。例えば、ロータ１３の現在角度が４５度のときに、Ａ相のトルク付与コイル３６ＡとＢ相のトルク付与コイル３６Ｂにほぼ７０％の電流を流し続けると、ロータ１３を４５度の現在角度の位置で停止させることができる。

また、図７（Ａ）に縦に延びる破線が付されているように、ロータ１３が１８０度まで回転した位置を現在角度とすると、このとき、Ａ相のトルク付与コイル３６Ａにマイナス１００％の電流を流し続け、Ｂ相のトルク付与コイル３６Ｂへの電流をゼロにすると、ロータ１３を１８０度の現在角度の位置で停止させることができる。このとき、ロータ１３に作用する回転トルクはゼロである。

そこで、図７（Ａ）示す波形に基づいて、現在角度よりもプラス側またはマイナス側に相対制御角度を設定し、ロータ１３が現在角度に位置しているときに、前記相対制御角度に対応した制御電流を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与えることで、現在角度に位置するロータ１３に対して回転トルクを与えることができる。

例えば、ロータ１３の現在角度が１８０度のとき、相対制御角度をプラス９０度に設定し、図７（Ａ）において、「＋９０度」の位置に破線で示されている電流値を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与える。すなわち、Ａ相のトルク付与コイル３６Ａに与える電流をゼロとし、Ｂ相のトルク付与コイル３６Ｂに与える電流をマイナス１００％とする。これにより、現在角度１８０度の位置にあるロータ１３に対して時計方向（ＣＷ）に最大値となる引き込みトルクを与えることができる。

また、ロータ１３の現在角度が１８０度のとき、相対制御角度をマイナス９０度に設定し、図７（Ａ）において、「−９０度」の位置に破線で示されている電流値を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与える。すなわち、Ａ相のトルク付与コイル３６Ａに与える電流をゼロとし、Ｂ相のトルク付与コイル３６Ｂに与える電流をプラス１００％にすると、現在角度１８０度のロータ１３に対して反時計方向（ＣＣＷ）に最大値となる抵抗トルクを与えることができる。

これはロータ１３の現在角度がどの位置であっても同じであり、ロータ１３がどの現在角度に位置していても、その現在角度を基準として相対制御角度をプラス９０度に設定し、プラス９０度となる電流を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与えることで、時計方向（ＣＷ）の回転トルクである引き込みトルクを最大（１００％）に設定できる。また、相対制御角度をマイナス９０度に設定し、マイナス９０度となる電流を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与えることで、反時計方向（ＣＣＷ）の回転トルクである抵抗トルクを最大（１００％）に設定することができる。

図６Ｂに示されているトルク設定画面６７での回転トルクの設定例では、分割角度φの前半で抵抗トルクが１００％の状態が続けられている。これは、ロータ１３の現在角度がどの角度であっても、相対制御角度がマイナス９０度に設定されていることを意味している。また、分割角度φの後半では引き込みトルクが１００％の状態が続けられているが、これは、ロータの現在角度がどの角度であっても、相対制御角度がプラス９０度に設定されていることを意味している。

図５Ｂに示されているトルク設定画面６７では、分割角度φの範囲内で３１分割されたそれぞれの現在角度の位置で、反時計方向（ＣＣＷ）の回転トルクである抵抗トルクの大きさと、時計方向（ＣＷ）の回転トルクである引き込みトルクの大きさとが、正弦曲線に近似して徐々に変化している。このように各現在角度の回転トルクの大きさを変えるために、トルク設定部５２で次のような演算処理が行われる。

第１の演算処理としては、図４に示すトルク設定部５２において、相対制御角度をプラス９０度に設定した１００％の引き込みトルクに対し、予め決められた係数を乗算して、図５Ａのトルク設定画面６７で示されるように、刻々と変化する引き込みトルクの設定値を求める。また、相対制御角度をマイナス９０度に設定した１００％の抵抗トルクに対しても、予め決められた係数を乗算して、図５Ａのトルク設定画面６７で示されるように、刻々と変化する抵抗トルクの設定値を求める。

第２の演算処理としては、図７（Ｂ）に示すトルク変化テーブルを使用する。図７（Ｂ）は、横軸に相対制御角度を示し、縦軸にトルク比を示している。トルク比は、相対制御角度を±９０度としたときの最大値となる回転トルクを「１」としたときの回転トルクの比率で表されている。それぞれの現在角度において設定すべき回転トルクが決められたら、図７（Ｂ）に示すテーブルを使用して、その回転トルクの大きさに対応した相対制御角度を選択し、その相対制御角度に対応する電流を各トルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂに与えることで、回転トルクを設定することができる。

図８と図９に、本発明の第２の実施の形態の入力装置１０１が示されている。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同じ機能を発揮する部分に同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

図８に示す入力装置１０１は、固定部１０２に回転体１０が回転自在に支持されている。回転体１０は操作軸１１と、回転体１０である操作軸１１に固定された回転板１４と、回転体１０である操作軸１１に固定されたロータ１１３を有している。

入力装置１０１には、トルク付与部３０とブレーキ付与部４０が設けられている。なお、回転検出部２０の図示は省略している。ブレーキ付与部４０の構造は、図１に示した入力装置１と同じであり、下部ヨーク４１と上部ヨーク４２との隙間４４内に回転板１４と磁気粘性流体４５が設けられている。また下部ヨーク４１にはブレーキ付与コイル４７が設けられている。

トルク付与部３０では、回転体１０である操作軸１１にロータ１１３が固定されている。図９に示すように、ロータ１１３の外周面には、円周方向に一定の分割角度φで対向部１１３ａが突出形成されている。ロータ１１３は磁性材料で形成されているが、磁石ではない。固定部１０２には固定ヨーク１１４が設けられている。固定ヨークの内周部にも、円周方向に一定の分割角度φで対向部１１４ａが突出形成されている。ロータ１１３の対向部１１３ａと固定ヨーク１１４の対向部１１４ａは同じ分割角度φとなるように形成されている。

固定ヨーク１１４は磁性材料で形成されており、固定ヨーク１１４にトルク付与コイル１１５が保持されている。

次に、第２の実施の形態の入力装置１０１の動作を説明する。
図１０（Ａ）には、横軸に回転体１０の回転角度が示され、縦軸にブレーキ付与部４０のブレーキ付与コイル４７の電流を制御したときに回転板１４に与えられるブレーキ力（ブレーキトルク）の変化を示している。ブレーキ付与部４０での制御のみでは、ブレーキ力（ブレーキトルク）を変化させて、操作体を回転させている手に抵抗感の変化を与えることができるが、回転体１０に対して回転トルクを与えることはできない。

そこで、トルク付与部３０に設けられたトルク付与コイル１１５に通電すると、固定ヨーク１１４が磁化される。図９に示すロータ１１３の対向部１１３ａと固定ヨーク１１４の対向部１１４ａとが対向しているときは、ロータ１１３は安定する。しかし、その安定位置から回転体１０を時計方向へ回転させると、図１０（Ｂ）に示すように、分割角度φの前半φ１で回転させる方向と逆向きの抵抗トルクが発生し、後半φ２で回転方向と同じ向きの引き込みトルクが発生する。

したがって、トルク付与コイル１１５への通電と、ブレーキ付与コイル４７への通電を制御することによって、操作体を回転させようとしている手に、適度なブレーキ抵抗感と、さらには抵抗トルクと引き込みトルクを感じさせることができる。トルク付与部３０による回転トルクの設定と、ブレーキ付与部４０によるブレーキ力との設定を組み合わせることで、多様な操作感触を実現でき、回転体１０の不要な振動の発生などを抑制できる。また、対向部１１３ａと対向部１１４ａとが対向している安定状態で、ブレーキ付与部４０によるブレーキ力を与えることで、トルク付与コイル１１５への通電を止めることができ、消費電力を低減できる。

なお、前記実施の形態では、トルク付与部において、固定部にトルク付与コイル３６Ａ，３６Ｂ，１１５が設けられ、第１の実施の形態では回転体１０に磁石が設けられていたが、これとは逆に、回転体にトルク付与コイルが設けられ、固定部に磁石などが設けられていてもよい。

１入力装置
２固定部
１０回転体
１１操作軸
１２検出板
１３ロータ
１４回転板
２０回転検出部
２２回転検出素子
３０トルク付与部
３６ＡＡ相のトルク付与コイル
３６ＢＢ相のトルク付与コイル
４０ブレーキ付与部
４４隙間
４５磁気粘性流体
４７ブレーキ付与コイル
５０制御部
５１演算部
１０１入力装置
１０２固定部
１１３ロータ
１１３ａ対向部
１１４固定ヨーク
１１４ａ対向部
１１５トルク付与コイル
Ｏ回転中心線

本発明は、固定部と、前記固定部に回転自在に支持された回転体と、前記回転体の回転を検出する回転検出部とが設けられた入力装置において、
前記回転体にブレーキ力を付与するブレーキ付与部と、前記回転体にトルクを付与するトルク付与部とが設けられており、
前記ブレーキ付与部は、前記回転体に設けられた回転板と、前記固定部と前記回転板との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与えるブレーキ付与コイルとを有し、
前記トルク付与部は、前記回転体に回転トルクを付与するトルク付与コイルを有し、
前記ブレーキ付与コイルと前記トルク付与コイルに与える電流を制御する制御部が設けられており、
前記制御部は、前記回転体の回転角度を分割する分割角度を設定し、前記ブレーキ付与コイルへの通電によって、前記分割角度の境界部にて前記回転体にブレーキ力を与え、
前記分割角度内では、前記トルク付与コイルへの通電によって、大きさが正弦波形に近似して変化する回転トルクを与えることを特徴とするものである。

本発明の入力装置は、前記分割角度内では、その中間点までの前半で、前記回転体に、操作方向に対抗する抵抗トルクを与え、中間点から後半で操作方向への引き込みトルクを与えることが好ましい。

本発明の入力装置は、前記分割角度を自由に可変できるように制御することが好ましい。

本発明の入力装置は、トルク付与部が、位相が相違するＡ相とＢ相のコイルを有し、
Ａ相とＢ相の相対制御角度の電流値を決めることで、前記分割角度内で回転トルクを変化させるものとして構成できる。

また、本発明の入力装置は、分割角度設定画面を設け、前記分割角度設定画面に前記分割角度を表示することが好ましい。

Claims

固定部と、前記固定部に回転自在に支持された回転体と、前記回転体の回転を検出する回転検出部とが設けられた入力装置において、
前記回転体にブレーキ力を付与するブレーキ付与部と、前記回転体にトルクを付与するトルク付与部とが設けられており、
前記ブレーキ付与部は、前記回転体に設けられた回転板と、前記固定部と前記回転板との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与えるブレーキ付与コイルとを有し、
前記トルク付与部は、前記回転体に回転トルクを付与するトルク付与コイルを有し、
前記ブレーキ付与コイルと前記トルク付与コイルに与える電流を制御する制御部が設けられていることを特徴とする入力装置。
前記トルク付与部では、前記回転体と前記固定部の一方に磁石が、他方に少なくとも２相のトルク付与コイルが設けられ、前記トルク付与コイルで誘導される磁界で、前記回転体に回転トルクが付与される請求項１記載の入力装置。
前記制御部には、
前記回転体の１回転を複数の分割角度に区分する分割角度設定部と、
前記トルク付与コイルに与える電流を制御して、それぞれの前記分割角度内で前記回転体に与える回転トルクを設定するトルク設定部と、
前記ブレーキ付与コイルに与える電流を制御して、前記分割角度の境界で前記回転板にブレーキ力を与えるブレーキ設定部と、
が設けられている請求項２記載の入力装置。
前記トルク付与コイルに与える電流を制御することで、それぞれの前記分割角度内で、前記回転体に対して、前記操作体に与えられる回転力の作用方向と逆向きの抵抗トルクと、前記回転力の作用方向と同じ向きの引き込みトルクとが与えられる請求項３記載の入力装置。
前記制御部では、前記回転体のそれぞれの回転角度における前記抵抗トルクの大きさと、それぞれの前記回転角度における前記引き込みトルクの大きさとを、変更することが可能である請求項４記載の入力装置。
前記分割角度設定部で、前記分割角度の分割数を変更することが可能である請求項３ないし５のいずれかに記載の入力装置。
前記トルク付与部では、前記回転体の１回転内での分割角度が固定されて設定されている請求項１記載の入力装置。
前記トルク付与部に前記回転体に対向するヨークが設けられており、前記回転体と前記ヨークとの対向部が、前記回転体の回転方向に間隔を空けて複数箇所に設定されており、前記ヨークと前記回転体の一方を磁化する前記トルク付与コイルが設けられている請求項７記載の入力装置。
前記分割角度の境界で前記回転板にブレーキ力が与えられているときに、前記トルク付与コイルへの通電が停止される請求項３ないし８のいずれかに記載の入力装置。