JP2020016909A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転検出と回転トルクの発生を同じ回転板を用いて実現した入力装置を提供する。【解決手段】 下部ヨーク２と上部ヨーク３との隙間６内に回転板１２が配置されている。下部ヨーク２に固定電極部３１が設けられている。回転板１２は導電性の金属板３３で構成され、可動電極部を形成するとともに、可動電極部が形成されていない領域に穴３３ａが開口している。穴３３ａには磁性材料の板材３５ａが設けられて非電極部３５が構成されている。隙間６内に設けられた磁性粘性流体２７は可動電極部と非電極部３５に接しており、励磁コイル７が励磁されたときに、磁性粘性流体２７から回転板１２の全体に抵抗トルクが与えられる。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気粘性流体を使用して回転抵抗を変化させることができる入力装置に関する。

特許文献１に磁気流動学的流体（磁気粘性流体）を使用した回転流体ノブに関する発明が記載されている。

この回転流体ノブは、内部にトロイダルコイルを有する軟磁性ヨークリングと、前記軟磁性ヨークリングに対して回転可能とされた作動ホイールとが設けられている。軟磁性ヨークリングと作動ホイールとの間に隙間が形成され、この隙間に磁気流動学的流体が介在している。磁気流動学的流体は、金属粒子を有する懸濁物質である。トロイダルコイルで誘導される磁界の影響で磁気流動学的流体の粘度が変化し、これにより、作動ホイールの回転抵抗を変化させることができるようになっている。

回転流体ノブには、前記作動ホイールと共に回転する磁気センサホイールと、軟磁性ヨークリング側に設けられて、前記磁気センサホイールを検知するホールセンサとが設けられている。磁気ホイールセンサは３６０度の回転角度に対して分解能を持つように回転方向に断続に配置されている。

特開２００２−１０８４７０号公報

特許文献１に記載されている回転流体ノブには、作動ホイールの回転角度を検知するために、作動ホイールと一緒に回転する磁気センサホイールと、磁気センサホイールに対向するホールセンサとが設けられている。そのため、部品点数が多くなり、また磁気センサホイールとホールセンサを配置するために内部構造が複雑であり、小型化が難しい課題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、磁気粘性流体からの抵抗力を受ける回転板を利用して回転検知ができるようにした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、操作軸と、前記操作軸と共に回転する回転板と、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磁界発生部とを有する入力装置において、
前記固定部に固定電極部が設けられ、
前記回転板には、前記固定電極部と対向する領域を通過する可動電極部と、非電極部とが、回転方向に向けて交互に設けられており、
前記可動電極部と前記非電極部の双方が、前記磁気粘性流体から抵抗を受けるとともに、前記固定電極部と前記可動電極部との対向面積の変化から前記操作軸の回転が検出されることを特徴とするものである。

本発明の入力装置は、前記可動電極部が導電性の金属板で形成され、前記非電極部が、前記金属板よりも比抵抗の高い材料で形成されている。

または、本発明の入力装置は、前記回転板は、導電性の金属板で形成されて、前記金属板の一部が前記可動電極部であり、
前記金属板が穴または切欠きを有し、前記穴または切欠きが、前記金属板よりも比抵抗の高い材料で埋められて、前記非電極部が形成されている。

上記の入力装置では、前記操作軸は導電性金属で形成され、前記金属板と前記操作軸とが導通していることが好ましい。

また、本発明の入力装置は、前記非電極部が磁性材料で形成されており、前記非電極部と前記電極部の境界に電気絶縁材料が設けられていることが好ましい。

本発明の入力装置は、磁気粘性流体から回転抵抗を受ける回転板に可動電極部を設けて、固定電極部と可動電極部との対向面積の変化から回転角度を検出できるようにしている。そのため、装置内にホールセンサなどを配置する必要がなくなり、構造を簡単にでき、小型で薄型に構成することが可能になる。

また、回転板において可動電極部が存在しない部分を非電極部とし、可動電極部と非電極部の双方が、磁気粘性流体から抵抗を受けるようにすることで、回転電極部を設けても、磁気粘性流体から受ける抵抗トルクが低下することがなくなる。

本発明の入力装置の全体構造を示す断面図、 図１の一部を拡大した拡大断面図、 図１に示す入力装置に設けられた下部ヨークと回転板の構造を示す分解斜視図、

図１と図２に示すように、本発明の実施の形態の入力装置１は、下部ヨーク２と上部ヨーク３とが組み合わされて構成されている。下部ヨーク２と上部ヨーク３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２と上部ヨーク３の外周には、金属板で形成されたスペーサリング４が装着されている。スペーサリング４によって下部ヨーク２と上部ヨーク３の図示上下方向の相対位置が決められて、下部ヨーク２と上部ヨーク３との間の隙間６の間隔ｈが均一に設定されている。またスペーサリング４によって、前記隙間６が外周側から塞がれている。下部ヨーク２と上部ヨーク３の相対位置が、スペーサリング４で決められた状態で、下部ヨーク２と上部ヨーク３が外装ケースの内部などに固定される。

図１に示すように、上部ヨーク３の内部に磁界発生部である励磁コイル７が設けられている。図１には、回転体１０の回転中心線Ｏが示されているが、励磁コイル７では、被覆導線が、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１と図２に示すように、下部ヨーク２の中央部に雌ねじ穴１５が開口し、この雌ねじ穴１５にスラスト軸受２１が螺着されている。スラスト軸受２１の上面の凹部に軸受け球２２が設けられている。図３にも示すように、回転体１０は、操作軸１１と回転板１２とが連結されて構成され、または操作軸１１と回転板１２とが一体に構成されている。図１に示すように、操作軸１１の下端に形成されたテーパ凹部１３が、軸受け球２２に突き当てられている。

上部ヨーク３には、中心穴２３が開口しており、中心穴２３の上部にラジアル軸受け２４が保持されている。操作軸１１の中間部に段差部１４が形成されている。操作軸１１の上部がラジアル軸受け２４のインナーに図示下側から挿入され、前記段差部１４が前記インナーの図示下端部に突き当てられて、操作軸１１がラジアル軸受け２４に回転自在に支持されている。そして、回転板１２が、下部ヨーク２と上部ヨーク３との間の隙間６内に位置している。

入力装置１の組立作業では、上部ヨーク３の中心穴２３の上部にラジアル軸受け２４を嵌合させ、回転体１０を図示下側から装着し、このとき操作軸１１をラジアル軸受け２４のインナーに下から挿通させ、段差部１４をインナーの下端部に突き当てる。その後、下部ヨーク２を上部ヨーク３に組み込み、スペーサリング４で上下の間隔を設定してから、図示しない外装ケースなどに固定する。

下部ヨーク２の中央部の雌ねじ穴１５にスラスト軸受２１が螺着されているため、下部ヨーク２が上部ヨーク３に組み込まれると、操作軸１１のテーパ凹部１３とスラスト軸受２１との間に軸受け球２２が挟み込まれる。下部ヨーク２と上部ヨーク３とが組み立てられた後に、スラスト軸受２１のねじ込み量を調整することで、下部ヨーク２と上部ヨーク３との間に、回転体１０を、がたつきを最少限に規制した状態で回転自在に収納することが可能になる。

上部ヨーク３に回転体１０が組み付けられるときに、上部ヨーク３の下面３ａと回転板１２の上面との間に磁気粘性流体２７が供給され、下部ヨーク２が組み込まれるときに、回転板１２の下面と、下部ヨーク２の上面２ａとの間に磁気粘性流体２７が供給される。

図１と図２に示すように、回転体１０には、操作軸１１と回転板１２との境界部にシール受け部１６が形成されており、上部ヨーク３の中心穴２３の開口下端には受けテーパ面３ｂが形成されている。シール受け部１６とテーパ面３ｂとの間にオーリング２８が挟まれて、隙間６内の磁気粘性流体２７が、上部ヨーク３の中心穴２３に流出するのが規制されている。

磁気粘性流体２７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３に示すように、下部ヨーク２の上面２ａに、固定電極部３１が設けられている。固定電極部３１は、銅などの電気抵抗の低い金属板または金属箔を有する絶縁基板などで形成されている。下部ヨーク２はＮｉ−Ｆｅ合金などの金属製であるため、固定電極部３１と下部ヨーク２は、電気絶縁材料層３２で絶縁されている。電気絶縁材料層３２は合成樹脂材料で形成されている。固定電極部３１が絶縁基板上に形成されている場合には、この絶縁基板が電気絶縁材料層３２となる。

固定電極部３１は、回転中心線Ｏを中心として円周方向に所定の角度の範囲で延びる面積を有し、平面形状は扇形状である。実施の形態では、固定電極部３１が２箇所に設けられている。固定電極部３１には、個別に導線が接続されており、この導線が図示しない制御回路に接続されている。固定電極部３１が絶縁基板に設けられているときには、前記導線は、絶縁基板に形成された導電パターンである。

回転体１０の回転板１２は導電性の金属板３３で形成されている。金属板３３は銅板などの電気抵抗が低いもので形成されている。一方で、操作軸１１は鉄などで形成されており、金属板３３の中心部が、操作軸１１に固定されている。または、操作軸１１と金属板３３とが一体に形成されもよい。いずれにせよ、金属板３３と操作軸１１は電気的に導通している。

図３に示すように、回転板１２を構成している金属板３３は厚さが均一な円板であり、円周方向に延びる扇形状の穴（または開口部）３３ａが形成されている。穴３３ａが形成されていない領域では、回転中心線Ｏから所定の半径の軌跡に沿って部分円弧状のスリット３３ｂが形成されている。回転板１２では、金属板３３のうちの、穴３３ａと穴３３ａとの間の領域で且つスリット３３ｂよりも内側の扇形状の領域が可動電極部３４となっている。ここで、扇形状とは、円の２本の半径とその間に延びる円弧とで囲まれ、中心角が１８０°未満の形状をいう。穴３３ａの形状は扇形状の他、長方形等の多角形状、円形状であってもよい。

金属板３３に形成された扇形状の穴３３ａには、扇形状の板材３５ａが嵌められている。板材３５ａは、可動電極部３４を構成する金属板３３よりも比抵抗が高く、且つ磁性材料で形成されている。板材３５ａは例えばＮｉ−Ｆｅ合金の板材である。板材３５ａの周囲全周と、穴３３ａの内縁部との間に電気絶縁材料層３５ｂが設けられて、磁性材料の板材３５ａと金属板３３とが電気的に絶縁されている。回転板１２では、金属板３３の穴３３ａに設けられた板材３５ａで、または板材３５ａと電気絶縁材料層３５ｂとで非電極部３５が構成されている。すなわち、回転板１２には、回転中心線Ｏを中心とする回転方向に向けて可動電極部３４と非電極部３５とが、所定の角度の範囲で交互に形成されている。

下部ヨーク２の上面２ａに設けられた２つの固定電極部３１と、回転板１２に設けられた２つの可動電極部３４は、回転中心線Ｏを中心とした回転方向において配置位相が互いに相違している。これにより、回転板１２が回転したときに、一方の固定電極部３１と他方の固定電極部３１とから、位相が時間方向にずれた回転検知出力を得ることができる。

なお、固定電極部３１と可動電極部３４は、１個ずつ設けられていてもよいし、３個以上ずつ設けられていてもよい。

次に、前記入力装置に動作を説明する。
回転体１０の操作軸１１の上部先部には、操作ノブが固定されている。操作ノブは少なくとも一部が導電体で形成されており、操作者が操作ノブを握ると、操作ノブと操作軸１１を介して、回転板１２の可動電極部３４が操作者に導通され、可動電極部３４がほぼ接地電位となる。

操作ノブを操作して操作軸１１を回転させると、回転板１２において金属板３３で形成された２個の可動電極部３４，３４が、下部ヨーク２に固定された固定電極部３１の上を通過する。このとき、固定電極部３１と可動電極部３４との対向面積の変化に応じて、固定電極部３１と可動電極部３４との間の静電容量が変化する。図示しない制御回路からそれぞれの固定電極部３１にパルス状の検出電力が与えられ、前記制御回路で固定電極部３１に流れる電流の変化を検知することで、自己容量測定方式で前記静電容量の変化を検出できる。

図３に示すように、回転中心線Ｏを中心とする円周方向での固定電極部３１の配置角度と、可動電極部３４の配置角度とが相違しているため、一方の固定電極部３１と他方の固定電極部３１とから異なる位相の回転検知出力を得ることができる。この２つの回転検知出力から、操作軸１１の回転角度と回転方向を検知できる。

前記制御回路に格納された所定のプログラムの制御動作により、励磁コイル７に制御電流が与えられる。この制御電流により励磁コイル７で磁界が誘導されて、上部ヨーク３と下部ヨーク２との隙間６を横断する磁束が発生し、この磁束は、制御電流の大小に応じて変化する。隙間６の内部に位置する磁気粘性流体２７では、横断する磁束の強弱の変化に応じて、磁性粉の凝集構造やブリッジ構造が変化し、これに応じて回転板１２に抵抗トルクが与えられ、操作ノブを操作する手に感じる抵抗が変化する。しかも抵抗トルクを変化させることができる。

制御電流は、固定電極部３１から検出される回転体１０の回転状態に応じて変化するように制御される。例えば、操作ノブの回転角度の変化に応じて抵抗力が変化したり、操作ノブの回転速度の変化に応じて抵抗力が変化する。また、励磁コイル７に与える制御電流が大きくなると、操作ノブに手で回転させるのが困難となるブレーキ力が作用する。これによって、例えば操作ノブを回転させる角度に限界を設けることが可能になる。

図３に示すように、回転板１２を構成する金属板３３に２箇所の穴３３ａが開口しているが、この穴３３ａに磁性材料の板材３５ａが埋め込まれて非電極部３５が形成されている。図２に示すように、隙間６内の磁気粘性流体２７は、回転板１０の可動電極部３４のみならず穴３３ａの内部に位置する板材３５ａにも接しているため、磁気粘性流体２７から回転板１２のほぼ全面に対して抵抗力を与えることが可能になる。特に、穴３３ａ内に磁性材料の板材３５ａが嵌められて非電極部３５が形成されていると、隙間６内を横断する磁束が板材３５ａに集められ、板材３５ａに接する磁気粘性流体２７に強い磁場が与えられるようになり、磁気粘性流体２７から回転板１２に与えられる抵抗トルクの伝搬効率が高くなる。

すなわち、回転板１２は、可動電極部３４と非電極部３５および、外周側において円周方向に連続する外周部３６の全領域（スリット３３ｂを除く全領域）に対して、磁気粘性流体２７から抵抗トルクを与えることが可能になる。

前記第１の実施の形態の入力装置１では、図２と図３に示すように、回転板１２が穴３３ａとスリット３３ｂを有する導電性の金属板３３で形成され、穴３３ａに磁性材料の板材３５ａが設置され、板材３５ａと金属板３３との境界部が電気絶縁材料層３５ｂで埋められている。ただし、本発明での回転板１２は、穴３３ａ内に非磁性材料である合成樹脂材料が埋められて非電極部３５が形成されてもよい。また、穴３３ａを有する金属板３３が、いわゆるインサート成形法により、樹脂の内部に埋め込まれたものであってもよい。この構造では、穴３３ａの内部が合成樹脂で埋められ、可動電極部３４と外周部３６の表裏両面が薄い合成樹脂層で覆われたものとなる。

いずれにせよ、非電極部３５では、穴３３ａ内に、可動電極部３４よりも比抵抗の高い材料が配置される。

前記構成の入力装置１は、回転検出用の可動電極部３４を有する回転板１２に磁気粘性流体２７から抵抗トルクを与えているため、抵抗トルクを与える回転板と、回転検出構造を別個のものとして備えたものに比べて装置を小型で薄型に構成することができる。

１ 入力装置
２ 下部ヨーク
３ 上部ヨーク
４ スペーサリング
６ 隙間
７ 励磁コイル（磁界発生部）
１０ 回転体
１１ 操作軸
１２ 回転板
２７ 磁気粘性流体
３１ 固定電極部
３３ 金属板
３３ａ 穴
３３ｂ スリット
３４ 可動電極部
３５ 非電極部
３５ａ 磁性材料の板材
３５ｂ 電気絶縁材料層
Ｏ 回転中心線

Claims (5)

1. 固定部と、操作軸と、前記操作軸と共に回転する回転板と、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磁界発生部とを有する入力装置において、
   前記固定部に固定電極部が設けられ、
   前記回転板には、前記固定電極部と対向する領域を通過する可動電極部と、非電極部とが、回転方向に向けて交互に設けられており、
   前記可動電極部と前記非電極部の双方が、前記磁気粘性流体から抵抗を受けるとともに、前記固定電極部と前記可動電極部との対向面積の変化から前記操作軸の回転が検出されることを特徴とする入力装置。
2. 前記可動電極部が導電性の金属板で形成され、前記非電極部が、前記金属板よりも比抵抗の高い材料で形成されている請求項１記載の入力装置。
3. 前記回転板は、導電性の金属板で形成されて、前記金属板の一部が前記可動電極部であり、
   前記金属板が穴または切欠きを有し、前記穴または切欠きが、前記金属板よりも比抵抗の高い材料で埋められて、前記非電極部が形成されている請求項１記載の入力装置。
4. 前記操作軸は導電性金属で形成され、前記金属板と前記操作軸とが導通している請求項３記載の入力装置。
5. 前記非電極部が磁性材料で形成されており、前記非電極部と前記電極部の境界に電気絶縁材料が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載の入力装置。

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