JP2022064693A - 入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作軸の動作に対して抵抗力を付与可能な抵抗力付与機構を有する入力装置において、操作軸からの操作力の付与の有無を検知可能な操作認識センサを有し、かつ、操作認識センサからの検知出力を取り出すために複雑な配線を設ける必要がない入力装置を提供する。
【解決手段】操作者が操作する操作軸と、操作軸が挿通配置され、操作軸の動作に対して抵抗力を付与する抵抗力付与機構と、抵抗力付与機構を支え、抵抗力付与機構を介して操作軸からの操作力を受ける支持部材と、操作力によって発生する支持部材と抵抗力付与機構との相対変位を検知する操作認識センサと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作軸の動作に対して抵抗力を付与し、操作軸を操作する者に対して所定の操作感触を与えることが可能な入力装置に関する。

操作軸の動作に対して抵抗力を付与する機構を有する入力装置として、例えば特許文献１に記載の制御インターフェースや特許文献２に記載の移動制御装置がある。これらの装置は、上記抵抗力が磁気粘性流体によって与えられ、これによって、操作ノブを操作する者に対して所定の感触を与えることを可能としている。さらに、これらの装置においては、操作ノブの操作状況が、操作ノブに設けられたセンサによって検知され、検知結果に基づいて所定の抵抗力が設定される。

特開２０１６－５３５３６２号公報 特開２００７－０２６２９７号公報

しかしながら、特許文献１と特許文献２に記載の装置において操作ノブの操作状況を検知するセンサは、操作ノブに設けられているため、操作ノブが操作されると操作ノブととともに変位する。したがって、このセンサから検知出力を取り出すための配線が複雑になり、配線が操作ノブの変位の妨げとなる場合もある。さらに、このセンサは、操作ノブの変位量を検知することはできるものの、操作ノブにおける操作力を検知するものではなく、例えば、操作ノブに抵抗力を付与して変位できない状態にしたときには、操作ノブが変位しないため、加えられた操作力を検知することはできない。

そこで本発明は、操作軸の動作に対して抵抗力を付与可能な抵抗力付与機構を有する入力装置において、操作軸からの操作力の付与の有無を検知可能な操作認識センサを有し、かつ、操作認識センサからの検知出力を取り出すために複雑な配線を設ける必要がない入力装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の入力装置は、操作者が操作する操作軸と、操作軸が挿通配置され、操作軸の動作に対して抵抗力を付与する抵抗力付与機構と、抵抗力付与機構を支え、抵抗力付与機構を介して操作軸からの操作力を受ける支持部材と、操作力によって発生する支持部材と抵抗力付与機構との相対変位を検知する操作認識センサと、を備えることを特徴としている。

これにより、操作軸の動作に対して抵抗力を付与可能な抵抗力付与機構を有する入力装置において、操作軸からの操作力の付与の有無を検知可能な操作認識センサを有し、かつ、操作認識センサからの検知出力を取り出すために複雑な配線を設ける必要がない入力装置を提供することが可能となる。

本発明の入力装置において、操作認識センサは、操作軸の中心軸方向及び周方向に沿った方向の少なくとも一方において、操作力によって発生する相対変位を検知することが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサによる最大検知変位量は、操作軸の最大変位量よりも小さいことが好ましい。
操作認識センサは、抵抗力付与機構が制動により操作軸の動作を停止させた状態において、操作者が操作軸をさらに動かそうと操作力を付与しているか否かを、支持部材と抵抗力付与機構との相対変位（入力装置の撓み）を測定することにより検知するものであるから、操作認識センサの検出可能な変位量は、操作軸を操作可能な変位量よりも小さくてもよい。このため、操作認識センサは簡易的なセンサでよい。

本発明の入力装置において、操作認識センサによる検知結果に基づいて、操作軸への制動および制動解除を制御する制御部を備えることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作軸の変位量を検知する変位センサを備え、制御部は、変位センサによる検知結果に基づき、操作軸が動作停止領域に位置することを判定し、さらに、操作認識センサによる検知結果に基づき、操作者が操作軸に対して操作力を加えていないことを判定したときに、抵抗力付与機構による操作軸の制動を解除することが好ましい。

本発明の入力装置において、操作軸の変位量を検知する変位センサを備え、制御部は、変位センサによる検知結果に基づき、操作軸が動作停止領域に位置することを判定し、さらに、操作認識センサによる検知結果に基づき、操作者が操作軸に対して操作力を加えていることを判定したときに、抵抗力付与機構による操作軸の制動を継続することが好ましい。

本発明の入力装置において、制御部は、変位センサによる検知結果に基づき、操作軸の操作速度を算出し、操作速度が所定値未満であったときに操作軸は停止していると判定し、抵抗力付与機構の制動を解除することが好ましい。

本発明の入力装置において、操作軸に対して、操作力の方向に沿った操作推進力を発生可能な推進力付与機構を備え、推進力付与機構には、操作軸が挿通保持されていることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサが備える測定部は、支持部材と抵抗力付与機構との相対変位を測定対象とすることが好ましい。

本発明の入力装置において、支持部材は、変形部を介して抵抗力付与機構を支持し、変形部は、抵抗力付与機構が支持部材に対して変位したときに優先的に変形し、操作認識センサが備える測定部は、変形部の変形を測定対象とすることが好ましい。

本発明の入力装置において、測定部は、非接触型測定センサを有することが好ましい。

本発明の入力装置において、測定部は、接触型測定センサを有することが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサの測定部は、支持部材に付設されることが好ましい。

本発明の入力装置において、変形部は、抵抗力付与機構に対応する中央部と、中央部の外囲を囲む外周部と、外周部に対して中央部が変位可能となるように、中央部と外周部とを互いに連結する複数の連結部とを備え、連結部の形状の変化によって、操作力と操作認識センサによる認識結果との関係を制御することが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサは、中央部上に配置される光センサであることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサは、連結部上に配置される歪みセンサであることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作軸は、その中心軸の方向に進退動作可能であり、この進退動作によって操作力が生じることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作軸は、その中心軸を中心として回動可能であり、この回動によって操作力が生じることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサは、検知可能な変位量の最大値が、操作軸の動作停止領域に対応する変位量となるように設定されていることが好ましい。

本発明の入力装置において、操作認識センサは、抵抗力付与機構に直接的に配置され、又は、抵抗力付与機構の外部に間接的に配置されることが好ましい。

本発明の入力装置において、抵抗力付与機構は、挿通配置された操作軸の周囲に磁気粘性流体を有し、抵抗力は、磁気粘性流体に磁界を与えることによって生じることが好ましい。

本発明によると、操作軸の動作に対して抵抗力を付与可能な抵抗力付与機構を有する入力装置において、操作軸からの操作力の付与の有無を検知可能な操作認識センサを有し、かつ、操作認識センサからの検知出力を取り出すために複雑な配線を設ける必要がない入力装置を提供することができる。

第１実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係る入力装置の分解斜視図である。 図１に示す入力装置のＹ－Ｚ面に沿った断面図である。 図３の一部拡大図である。 図１に示す入力装置のＸ－Ｚ面に沿った断面図である。 第１実施形態に係る入力装置の機能ブロック図である。 （ａ）、（ｂ）は、推進力及び抵抗力の調整例を例示する図である。 第１実施形態に係る入力装置の処理の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は比較例の入力装置における、操作時間に対する変位センサからの出力の変化を示すグラフ、（ｂ）は第１実施形態の実施例の入力装置における、操作時間に対する変位センサからの出力の変化を示すグラフである。 （ａ）は変形例１における操作認識センサの設置位置を示す斜視図、（ｂ）は変形例２における操作認識センサの設置位置を示す斜視図である。 変形例３における操作認識センサの設置位置を示す斜視図である。 第２実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係る入力装置の分解斜視図である。 図１３の一部を拡大して分解した斜視図である。 図１２に示す入力装置のＹ－Ｚ面に沿った断面図である。 図１２に示す入力装置のＸ－Ｚ面に沿った断面図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る入力装置１０は、操作軸２０を、その中心軸ＡＸの方向に進退動作可能とし、この進退動作によって操作力が生じる装置である。各図には、基準座標としてＸ－Ｙ－Ｚ座標が示されている。以下の説明において、Ｚ１－Ｚ２方向を上下方向、Ｘ１－Ｘ２方向を前後方向、Ｙ１－Ｙ２方向を左右方向と称する。Ｘ１－Ｘ２方向とＹ１－Ｙ２方向は互いに垂直であり、これらを含むＸ－Ｙ平面はＺ１－Ｚ２方向に垂直である。また、上側（Ｚ１側）から下側（Ｚ２側）を見た状態を平面視と言うことがある。

図１に示すように、入力装置１０は、操作軸２０と、抵抗力付与機構３０と、支持部材を構成する、３つの支持板４１、４２、４３及び２組の支持軸４４、４５と、操作認識センサ５０（図２参照）と、制御部６０（図６参照）と、変位センサ７０と、推進力付与機構８０と、変形部としてのバネ板９０と、を備える。

図３と図５に示すように、操作軸２０の中心軸ＡＸに沿って、上側（Ｚ１側）から下側（Ｚ２側）へ順に、第１の支持板４１、推進力付与機構８０、第２の支持板４２、抵抗力付与機構３０、バネ板９０（変形部）、第３の支持板４３が配置されている。これらの部材は、上記中心軸ＡＸがそれぞれの中心又は中心軸を通るように配置されている。操作軸２０は、第１の支持板４１と、推進力付与機構８０と、第２の支持板４２とを貫通し、下端が抵抗力付与機構３０内に位置している。

図２に示すように、第１の支持板４１と第３の支持板４３は、平面視において略矩形状をなし、互いに対応するサイズの板材である。第２の支持板４２は、第１の支持板４１及び第３の支持板４３に対応するサイズの略矩形状の板材である基部４２ａの前端から、変位センサ７０を載置する板状の舌部４２ｂが延びている。

第１の支持板４１は、第２の支持板４２の基部４２ａの上面の矩形の四隅（平面視における四つの角部。以下同様）から上方向に延びるように設けられた、４本の支持軸４４によって矩形の四隅が支持される。

図２に示すように、第３の支持板４３の上面の矩形の四隅には、円板状の４つのスペーサ４６がそれぞれ配置されており、これらのスペーサ４６上に、平面視略矩形状のバネ板９０の外周部（外縁部）９２の四隅が配置されている。これにより、バネ板９０は、第３の支持板４３に対して４つのスペーサ４６によって支持され、バネ板９０に外力が加わっていない状態では、外周部９２の内側の平面視円形状の中央部９１、及び、中央部９１と外周部９２を連結する４つの連結部９３は、第３の支持板４３とは離間している。ここで、連結部９３は、平面視略矩形状のバネ板９０の中心から、四隅へそれぞれ向かう方向に沿って延びている。

第２の支持板４２は、バネ板９０の上面の矩形の四隅から上方向に延びるように設けられた、４本の支持軸４５によって矩形の四隅が支持される。

＜推進力付与機構８０＞
図３と図５に示すように、推進力付与機構８０は、支持部材（支持板４１、４２、支持軸４４）によって支持されている。また、推進力付与機構８０は、第１ヨーク８１、第１コイル８２（励磁コイル）、及び、第１ボビン８３を備え、いずれも上記中心軸ＡＸを中心に一致させるように互いに同心状に、第１の支持板４１と第２の支持板４２との間に配置されている。第１ヨーク８１は、中空で略円筒状の形状を有し、上部が第１の支持板４１の下面に支持されている。第１コイル８２は、中空筒状の第１ボビン８３の外周に巻回され、第１ボビン８３とともに第１ヨーク８１内に配置されている。

このような構成の推進力付与機構８０に対して、その中心を貫通するように操作軸２０が挿通保持されており、推進力付与機構８０は操作軸２０からの操作力を受ける。操作軸２０は、推進力付与機構８０の下部から延出し、第２の支持板４２を貫通して抵抗力付与機構３０内へ挿入される。操作軸２０は、上下方向（Ｚ１－Ｚ２方向）において、推進力付与機構８０と第２の支持板４２との間に露出部分２０ａを有する。この露出部分２０ａに対向するように、その前側（Ｘ１側）に変位センサ７０が配置されている。変位センサ７０は、例えば光学的なセンサや、ホール素子その他の磁気センサを用いることができ、操作軸２０の上下方向における変位量を検知する。変位センサ７０による検知結果は、制御部６０へ出力される（図６参照）。

図６に示すように、推進力付与機構８０は制御部６０から与えられる制御信号に基づいて動作する。この制御信号は、外部システム６７から与えられた駆動条件にしたがって、演算部６２が算出した結果に基づいて駆動制御回路６１が生成する。演算部６２では、上記駆動条件に対応する第１コイル８２への電流印加条件を記憶部６５から読み出し、これに対応する制御信号を算出して、駆動制御回路６１へ出力する。ここで、制御部６０は、制御部６０及びこれに接続された各部へ電力を供給する電源回路６３を有し、外部システム６７に対しては通信部６６を介して相互に通信を行う。

推進力付与機構８０の第１コイル８２には、制御部６０からの制御信号によって、所定の波形の電流が印加される。第１コイル８２は、操作軸２０（中心軸ＡＸ）を中心とする円状に巻かれているため、電流を印加することによって生じる磁力は、操作軸２０に対しては操作軸２０の操作方向（上下方向）に沿った力であり、下向きの操作推進力（操作軸２０の操作方向）、又は、上向きの制動力として作用する。この推進力又は制動力の大きさは、外部システム６７から与えられる駆動条件に従って変動可能である。

操作軸２０の変位については、動作停止領域が予め設定されており、制御部６０の記憶部６５に記憶されている。動作停止領域は、中心軸ＡＸに沿った上下方向（中心軸方向）において設定される範囲であり、例えば、操作軸２０を下降させることで抵抗力付与機構３０も下降し、抵抗力付与機構３０の底面がバネ板９０の中央部９１を下方へ押圧を開始してから、さらに、抵抗力付与機構３０が下降することによって中央部９１が第３の支持板４３に接触するに至るまでの範囲である。制御部６０では、操作軸２０の位置について、動作停止領域の開始位置を、抵抗力付与機構３０による操作軸２０の制動を継続又は解除するための閾値として設定している。

制御部６０は、変位センサ７０による検知結果に基づいて、操作軸２０が動作停止領域に位置するか否かを判定する。この判定結果は制動制御回路６４に与えられ、操作軸２０が動作停止領域に位置するときは、後述の操作認識センサ５０による検知結果（認識結果）に基づいて、操作軸２０に対して操作力が加わっているか否かを判定し、その判定結果に応じて、操作軸２０に対する制動に係る制動制御信号を生成する。

＜抵抗力付与機構３０＞
図３と図５に示すように、抵抗力付与機構３０は、上ケース３１、下ケース３２、外側ヨーク３３、シリンダ３４、内側ヨーク３５（第２ヨーク３５ａ、第３ヨーク３５ｂ）、シールリング３６、第２コイル３７（励磁コイル）、及び、第２ボビン３８を備える。抵抗力付与機構３０は、支持部材（支持板４２、４３及び支持軸４５）によって支持されている。

下ケース３２は有底で中空の筒状をなしており、上部が上ケース３１によって閉止されている。下ケース３２の底面は、バネ板９０の中央部９１に対応する平面形状とサイズを有し、中央部９１に接触している。上述のように、中央部９１は、４つの連結部９３を介して、支持軸４５に固定された外周部９２に弾性的に支持されている。このため、下ケース３２が下方に変位すると、中央部９１が下向きに押圧されて荷重を受け、これによって連結部９３が伸びる。すなわち、連結部９３は、ほかの部材よりも優先的に変形し、外周部９２、及び、外周部９２に固定された支持軸４５を含む支持部材に対して相対的に下側へ変位する。

下ケース３２内には、これと同心状となるように、外側ヨーク３３と、外側ヨーク３３の内側に位置するシリンダ３４と、が配置されている。外側ヨーク３３は、上端が上ケース３１に固定され、下端は下ケース３２の底面まで至っている。シリンダ３４は、上ケース３１を貫通した操作軸２０に固定されており、操作軸２０の上下動に従って、下ケース３２内で上下に変位する。外側ヨーク３３の内周面とシリンダ３４の外周面との間には第１の隙間Ｇ１が設けられている（図３、図４参照）。

シリンダ３４の内側には、内側ヨーク３５を構成する、第２ヨーク３５ａと第３ヨーク３５ｂとが上下に配置されている。第２ヨーク３５ａは上側へ行くほど外径が小さくなる、中空で、中心軸ＡＸに関して対称な形状を有し、第３ヨーク３５ｂは下側へ行くほど外径が小さくなる、中空で、中心軸ＡＸに関して対称な形状を有する。第２ヨーク３５ａと第３ヨーク３５ｂは、上下方向において互いに対称な形状を有し、上下方向の中間位置にシールリング３６を挟んで上下に積み重ねるように配置され、内部に円筒形状の密閉空間を形成する。この空間内には、第２ボビン３８に巻かれた第２コイル３７が配置されている。シリンダ３４、内側ヨーク３５（第２ヨーク３５ａ、第３ヨーク３５ｂ）、第２コイル３７、第２ボビン３８は、それぞれが中心軸ＡＸを中心するように配置されている。抵抗力付与機構３０内に挿通された操作軸２０は、内側ヨーク３５内へ挿通保持されており、抵抗力付与機構３０は、操作軸２０に対する操作力を受ける。

内側ヨーク３５及びシールリング３６の外側面とシリンダ３４の内周面との間には第２の隙間Ｇ２が設けられている（図３、図４参照）。したがって、Ｘ－Ｙ面方向においては、第１の隙間Ｇ１と第２の隙間Ｇ２はシリンダ３４の内外に設けられている。一方、シリンダ３４は、下ケース３２内で上下動可能なような上下方向の高さを有しており、例えば、第３ヨーク３５ｂの上部に対応する位置まで延びている。これにより、シリンダ３４の下方の空間Ｓ１においては、第１の隙間Ｇ１と第２の隙間Ｇ２は互いに連なっている。また、シリンダ３４の内側であって、内側ヨーク３５の上方の空間Ｓ２は第２の隙間Ｇ２に連なっている。

上述のように、第１の隙間Ｇ１、第２の隙間Ｇ２、及び、２つの空間Ｓ１、Ｓ２は連なっており、この中には磁気粘性流体Ｆが満たされている。磁気粘性流体Ｆは、磁界が印加されると粘度が変化する物質であり、例えば、非磁性の液体（溶媒）中に磁性材料からなる粒子（磁性粒子）が分散された流体である。磁気粘性流体Ｆにおいては、第２コイル３７による磁界が生じていないときには、磁性粒子は溶媒内で分散されている。したがって、操作軸２０を操作すると、シリンダ３４は、大きな抵抗力を受けずに下ケース３２内で上下動する。

一方、第２コイル３７に電流を印加して磁界を発生させると、図４において矢印で示すように、磁気粘性流体Ｆには、中心軸ＡＸを中心とする径方向に沿った磁界、すなわちシリンダ３４の内側から外側、又は、外側から内側へ向かう磁界が与えられる。この磁界により、磁気粘性流体Ｆ中で分散していた磁性粒子は磁力線に沿って集まり、径方向に沿って並んだ磁性粒子が磁気的に互いに連結され、クラスタが形成される。この状態において、入力装置１０の使用者が操作軸２０を中心軸ＡＸに沿って上下動させようとする操作力を与えると、連結された磁性粒子にせん断力がはたらき、これらの磁性粒子による抵抗力が生じる。このため、磁界を発生させていない状態と比べて抵抗力が大きくなる。なお、第２コイル３７に印加する電流の方向を変えると、図４に示す矢印と反対方向の磁界が生じる。

図２に示すように、バネ板９０の中央部９１の平面視中央には、操作認識センサ５０が設けられている。操作認識センサ５０は、変形部としてのバネ板９０の変形を測定対象とし、荷重の変化を検出する荷重センサを測定部として有する。

図６に示すように、操作認識センサ５０による検知結果は、制御部６０へ出力される。制御部６０では、操作認識センサ５０による検知結果に基づいて、演算部６２が、バネ板９０への荷重量から中央部９１の変位量を算出するとともに、この変位量から、操作者が操作軸２０に加えた操作力の大きさ、操作軸２０の操作速度も算出する。算出結果は、時間情報に関連付けて記憶部６５に保存される。

制御部６０は、操作認識センサ５０による検知結果に基づいて、操作軸２０への制動及び制動解除、すなわち、抵抗力付与機構３０による抵抗力の付与及び抵抗力の解除を制御するように制動制御回路６４へ制御信号を出力し、制動制御回路６４から抵抗力付与機構３０の第２コイル３７に対して、上記制御信号に対応する波形の電流が印加される。

より具体的には、予め記憶部６５には、操作者が操作軸２０に対して操作力を加えているか否かを判定するために、その閾値として、操作軸２０の操作速度の所定値が設定・保存されている。制御部６０は、操作認識センサ５０による検知結果に基づいて算出された操作速度が、上記所定値（閾値）未満であったときは、操作軸２０は停止していると判定し、抵抗力付与機構３０による操作軸２０の制動を解除するように、すなわち、抵抗力付与機構３０による抵抗力の付与を解除するように、制動制御回路６４へ制御信号を出力する。

これに対して、制御部６０は、操作認識センサ５０による検知結果に基づいて算出された操作速度が、上記所定値（閾値）以上であったときは、操作者が操作軸２０に操作力を加えていると判定し、抵抗力付与機構３０による操作軸２０の制動を継続するように、制動制御回路６４へ制御信号を出力する。

なお、上記説明では、操作者が操作軸２０に対して操作力を加えているか否かを判定するために、操作速度の閾値として所定値を設定していたが、これに加えて、操作者に対して所定の操作感触を与えるために、抵抗力付与機構３０による抵抗力の付与又は解除や、推進力付与機構８０による推進力の付与や解除をそれぞれ設定する判別値を設定するとよい。

ここで、操作感触の調整例について、図７を参照して説明する。この調整例においては、制御部６０は、駆動力又は抵抗力を断続的に付与するよう推進力付与機構８０又は抵抗力付与機構３０を制御する。図７（ａ）、（ｂ）に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は推進力又は抵抗力である。

ここで、図７（ａ）、（ｂ）を参照して調整例について説明するが、これらの例で示す操作感触の付与は例示であって、抵抗力は、操作軸２０が操作されている際に付与されてもよく、これら以外の操作感触を付与してもよい。
図７（ａ）に示す調整例では、制御部６０は、操作軸２０に一定の推進力又は抵抗力を一定の時間間隔（例えば１０ｍｓ間隔）で継続的に付与する。一定の推進力を一定の時間間隔で付与する例としては、操作軸２０を所定の位置で保持し続けている状態で、推進力を定周期でＯＮ／ＯＦＦする（または、推進力の方向を定周期で切り替える）。これにより、所定の位置で保持し続けている操作軸２０に所定の振動の感触を与えることができる。

一定の抵抗力を一定の時間間隔で付与する例としては、操作軸２０を押し込むとき、又は操作軸２０が引き上げるときに、抵抗力を定周期でＯＮ／ＯＦＦする。これにより、移動中の操作軸２０に定周期の振動の感触を与えることができる。

図７（ｂ）に示す調整例では、制御部６０は、時間に応じて徐々に大きく、さらに時間に応じて徐々に狭間隔になるように操作軸２０に推進力又は抵抗力を与える。推進力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する例としては、操作軸２０を所定の位置で保持し続けている状態で、推進力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で与えるようにする（または、上記ＯＦＦの際に推進力の方向を反転させる）。これにより、所定の位置で保持し続けている操作軸２０に徐々に大きくなる振動の感触を与えることができる。

抵抗力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する例としては、操作軸２０を押し込むとき、又は操作軸２０を引き上げるときに、抵抗力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する。これにより、移動中の操作軸２０には弱い振動から徐々に強くなる振動に変化していく感触を与えることができる。

操作認識センサ５０による検知結果に基づいて算出される操作軸２０の変位量の最大値（最大検知変位量）は、抵抗力付与機構３０によって付与される抵抗力に関わらずに操作者の操作によって変位する操作軸２０の変位量の最大値（最大変位量）よりも小さく設定することが好ましい。また、操作認識センサ５０の検知可能な変位量の最大値は、操作軸２０の動作停止領域に対応する変位量であるとよい。

抵抗力付与機構３０による制動力は、下ケース３２及びバネ板９０を介して伝達され、これによって連結部９３に歪みが生じる。操作認識センサ５０は、連結部９３における歪みを検知し、これによって、抵抗力付与機構３０が制動により操作軸２０の動作を停止させた状態において、操作者が操作軸２０をさらに動かそうと操作力を付与しているか否かを検知する。このため、操作認識センサ５０の検知可能な変位量は、操作軸２０を操作可能な変位量よりも小さくてもよい。これにより、操作認識センサ５０は簡易的なセンサで構成することが可能となる。

入力装置１０において上記閾値を用いた制御の流れについて、図８を参照して説明する。入力装置１０が起動されると変位センサ７０及び操作認識センサ５０において検知動作が開始され、変位センサ７０では操作軸２０の変位量が検知され、操作認識センサ５０では支持部材と抵抗力付与機構３０との相対変位（操作状態）が検知される（ステップＳ１１）。制御部６０では、上記ステップＳ１１における、操作認識センサ５０での検知結果に基づいて、操作速度が算出される（ステップＳ１２）。ここで算出される操作速度は、下向き（Ｚ２方向への向き）を正とし、上向き（Ｚ１方向への向き）を負としている。

制御部６０は、上記ステップＳ１２において算出された操作速度がゼロ又は正である場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）は、変位センサ７０による検知結果に基づく操作軸２０の位置が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。これにより、操作軸２０が動作停止領域に入ったか否かを判定する。一方、上記ステップＳ１３において、操作速度が負であった場合（ステップＳ１３でＮＯ）は、抵抗力付与機構３０による抵抗力付与を解除する（ステップＳ１７）。すなわち、磁気粘性流体Ｆによるブレーキ力の付与を解除する。

制御部６０は、操作軸２０の位置が閾値以上であった場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）は、操作認識センサ５０からの出力が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。一方、上記ステップＳ１４において、位置が閾値未満であった場合（ステップＳ１４でＮＯ）は、抵抗力付与機構３０による抵抗力付与を解除する（ステップＳ１７）。

さらに、制御部６０は、操作認識センサ５０の出力が閾値以上であった場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）は、抵抗力付与機構３０による抵抗力を付与する（ステップＳ１６）。一方、上記ステップＳ１６において、操作認識センサ５０からの出力が閾値未満であった場合（ステップＳ１５でＮＯ）は、抵抗力付与機構３０による抵抗力付与を解除する（ステップＳ１７）。以上により、操作軸２０が動作停止領域に至った状態で操作軸２０が操作されているときに、抵抗力付与機構３０によって抵抗力を付与することができ、操作軸２０が動作停止領域に至った状態で操作軸２０が操作されていない際に抵抗力を解除することができる。

図９（ａ）、（ｂ）を参照して、比較例においてエンドストップ状態とした場合に操作軸の操作を停止したときの位置検知センサ（図９（ａ））、及び、第１実施形態の実施例における、操作認識センサ５０（図９（ｂ））による出力の変化について説明する。図９（ａ）は比較例に係る入力装置において、操作軸上に設けた位置検知センサからの出力を縦軸に取っている。図９（ｂ）は第１実施形態の入力装置１０の操作認識センサ５０の測定部である荷重センサからの出力を縦軸に取っている。横軸は図９（ａ）、（ｂ）ともに、操作の開始時刻Ｔ０からの経過時間を操作時間として示している。比較例に係る入力装置は、上記位置検知センサと操作認識センサ５０以外の構成は、第１実施形態の入力装置１０と同様である。

図９（ａ）に示す場合では、操作者は、開始時刻Ｔ０から操作軸２０を下方に押し下げる操作を行っている。そして、時刻Ｔ１において、抵抗力付与機構３０によって操作軸２０に抵抗力を付与することによって、エンドストップ状態、すなわち、操作軸２０の操作者に対して仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えている。これに対して、操作者は時刻Ｔ１において操作軸２０の操作を停止しているが、操作軸２０の位置は変わっていないため、位置検知センサからの出力は時刻Ｔ１以降ほぼ同じ値となっている。このため、位置検知センサによる検知結果からは、操作者が操作力の付与を停止していることを判別することができない。

これに対して、図９（ｂ）に示す場合では、図９（ａ）の場合と同様に、開始時刻Ｔ０から操作軸２０を下方に押し下げる操作を行っている。そして、時刻Ｔ２において、抵抗力付与機構３０によって操作軸２０に抵抗力を付与することによってエンドストップ状態としている。これに対して、操作者は時刻Ｔ２において操作軸２０の操作を停止しているため、荷重センサが検知する荷重が徐々に小さくなっており、操作者が操作力の付与を停止していることを判別することが可能となっている。

以上説明した入力装置１０において、抵抗力付与機構３０が操作軸２０を適切に制動した状態で、操作者が操作力を与え続けている場合には、抵抗力付与機構３０は操作軸２０の制動を維持する必要がある。これに対し、操作者が操作力の付与を停止したときに、抵抗力付与機構３０は操作軸２０の制動を解除する制御が好ましい場合がある。このような制御を実現するためには、操作軸２０が制動された状態で操作力の付与が行われているか否かを検知する必要がある。操作認識センサ５０はこの検知の目的で設けられている。

操作認識センサ５０は、抵抗力付与機構３０により操作軸２０が適切に制動されると、操作軸２０と抵抗力付与機構３０とは一体的に変位する。このため、操作軸２０が適切に制動された状態では、操作軸２０からの操作力は抵抗力付与機構３０を介して、これを支える支持部材に伝達される。このとき、付与された操作力によって、わずかであるが入力装置１０に歪みが生じ、支持部材と抵抗力付与機構３０とは相対的に変位する。この相対変位を適切に測定することにより、支持部材に操作力が伝わる、すなわち、抵抗力付与機構３０による操作軸２０の制動が適切に機能していながら、操作者がさらに操作力を加えていると判断することができる。操作者がさらなる操作力の付与を停止すれば、入力装置１０の歪みは解消され、支持部材と抵抗力付与機構３０との相対的な変位は減少する。したがって、増大した相対変位の減少を検知したら、操作力の付与が停止したと判断することができる。

（変形例）
上記実施形態の操作認識センサ５０の測定部は、抵抗力付与機構３０の底部に接触するように直接的に配置された荷重センサであったが、支持部材と抵抗力付与機構３０との相対変位を検知可能であれば、荷重センサ以外のセンサ、例えば歪みセンサや圧電素子を用いることができる。また、抵抗力付与機構３０に接触せず間接的に検知するセンサ（非接触型測定センサ）を用いることもできる。抵抗力付与機構３０に接触しないセンサとしては、例えば光センサや静電式のセンサが挙げられる。また、抵抗力付与機構３０に接触させるセンサ（接触型測定センサ）であっても、上記操作認識センサ５０とは異なる位置に設ける形態も可能である。

図１０（ａ）に示す変形例１では、バネ板９０の連結部９３の上面に歪みセンサ５１を設けている。この歪みセンサ５１は、抵抗力付与機構３０とは接触しない非接触センサであって、抵抗力付与機構３０の変位によって連結部９３が弾性変形すると、この変形を歪みとして検知する。

図１０（ｂ）に示す変形例２では、第３の支持板４３の上面に光センサ５２を設けている。この光センサ５２は、操作力を与えていない状態ではバネ板９０と離間して配置された非接触センサであって、入射した光に基づいて抵抗力付与機構３０の変位速度及び変位量を測定する。

第３の支持板４３などの支持部材と抵抗力付与機構３０との相対変位は、バネ板９０を用いずに測定することもできる。例えば、図１１に示す変形例３では、支持部材としての支持軸４５と抵抗力付与機構３０とを、弾性変形可能な連結材５３でそれぞれ連結し、それぞれの連結材５３の側面に歪みセンサ５４を設けている。この歪みセンサ５４は、抵抗力付与機構３０とは直接的に接触せず、抵抗力付与機構３０の変位によって連結材５３が弾性変形すると、この変形を歪みとして検知する。抵抗力付与機構３０につながる部材（例えば図１１では連結材５３）と支持部材（図１１では支持軸４５）とを連結する接続ネジの歪みを測定することによって、支持部材と抵抗力付与機構３０との相対位置が測定可能となる場合もある。

＜第２実施形態＞
図１２～図１６に示す、第２実施形態に係る入力装置１１０は、操作軸２０が、その中心軸ＡＸを中心として回動可能であり、この回動によって操作力が生じる装置である。この入力装置１１０は、第１実施形態の推進力付与機構８０に代えて、推進力付与機構１８０を備える。操作軸２０、抵抗力付与機構３０、及び、バネ板９０は、第１実施形態と同様の構成を有するため詳細な説明は省略する。支持部材は、第１実施形態と同様の支持板４３及び支持軸４５を備えるほか、支持板４３と平行になるように、抵抗力付与機構３０の上方に支持板１４２が設けられている。この支持板１４２上には、第１実施形態と同様に変位センサ１７０が設けられるとともに、推進力付与機構１８０が載置されている。

図１４に示すように、推進力付与機構１８０は、中空筒状で下部が開放されたロータ１８１と、ロータ１８１内の空間に収容されるヨーク１８２とを備える（図１５、図１６参照）。

ロータ１８１の外周壁１８１ａには中心軸ＡＸを中心として等角度間隔で複数の磁石１８１ｂが内蔵されている。これらの磁石１８１ｂは、ロータ１８１の周方向において、互いに磁極が異なるように配置されている。ロータ１８１には、Ｘ－Ｙ面方向の中心に、中心軸ＡＸに沿って貫通孔１８１ｃが設けられており、操作軸２０が挿通される。

ヨーク１８２は、中心軸ＡＸから放射状に、等角度間隔で複数の腕部１８２ａが延びている。これらの腕部１８２ａは、ロータ１８１に設けられた磁石と同数設けられている。ヨーク１８２のＸ－Ｙ面方向の中心には、中心軸ＡＸに沿った貫通孔１８２ｃが設けられ、操作軸２０が挿通される。それぞれの腕部１８２ａには、図示を省略しているが、それぞれの中心軸１８２ｂを中心として、矢印で示すようにコイルが巻かれている。各コイルには不図示の回路から電流が印加される。

以上の構成において、腕部１８２ａに巻いたコイルに電流を印加すると、中心軸１８２ｂの方向に沿った磁力線を含む磁界が発生する。各コイルの電流印加方向と印加タイミングを調整することによって、ロータ１８１の各磁石１８１ｂとの間の磁気的な吸引及び反発に応じてロータ１８１が中心軸ＡＸを中心として回転する。

コイルへの電流印加によって生じるロータ１８１の回転は、操作軸２０の操作方向（中心軸ＡＸを中心とした回転方向）に沿った力を生じ、操作推進力、又は、逆向きの制動力として作用する。この推進力又は制動力の大きさは、外部システム６７から与えられる駆動条件に従って変動可能である。

変位センサ１７０は、ロータ１８１の外周壁１８１ａに対向して配置されており、例えばホール素子その他の磁気センサや光学的なセンサを用いることができ、ロータ１８１の外周壁１８１ａの回転による変位量を検知する。変位センサ１７０による検知結果は、第１実施形態と同様に制御部６０へ出力され、変位量として回転角度や回転速度が算出される。

抵抗力付与機構３０においては、操作軸２０が中心軸ＡＸの周りに回転されると、操作軸２０に固定されたシリンダ３４も回転する。シリンダ３４は、第１実施形態と同様に、隙間Ｇ１、Ｇ２に内外から挟まれるとともに、内側ヨーク３５の上部の空間Ｓ２内、及び、シリンダ３４の下側の空間Ｓ１内に位置している。これらの隙間Ｇ１、Ｇ２、空間Ｓ１、Ｓ２には磁気粘性流体Ｆが満たされている。第１実施形態と同様に第２コイル３７に電流を印加すると磁界が生成され、この磁界の磁力線がシリンダ３４を厚み方向に通過するため、磁気粘性流体Ｆ中で分散していた磁性粒子が磁力線に沿って集まる（図４参照）。この状態においてシリンダ３４を回転させようとする操作力を与えると、連結された磁性粒子にせん断力がはたらき、これらの磁性粒子による抵抗力が生じる。

操作認識センサ１５０は、バネ板９０の連結部９３上に、測定部として歪みセンサが設けられている。操作認識センサ５０は、中心軸ＡＸの周りの周方向に沿った方向において、抵抗力付与機構３０の相対変位を歪みとして検知することができる。

第１実施形態と同様に、操作認識センサ１５０による検知結果は、制御部６０へ出力される。制御部６０では、操作認識センサ１５０による検知結果に基づいて、演算部６２が、バネ板９０の歪み量から、周方向における中央部９１の変位量を算出するとともに、この変位量から、操作者が操作軸２０に加えた操作力の大きさ、操作軸２０の操作速度も算出する。算出結果は、時間情報に関連付けて記憶部６５に保存される。

制御部６０は、第１実施形態と同様に、操作認識センサ１５０による検知結果に基づいて、操作軸２０への制動及び制動解除、すなわち、抵抗力付与機構３０による抵抗力の付与及び抵抗力の解除を制御するように制動制御回路６４へ制御信号を出力し、制動制御回路６４から抵抗力付与機構３０の第２コイル３７に対して、上記制御信号に対応する波形の電流が印加される。
なお、その他の作用、効果、変形例は第１実施形態と同様である。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

１０ 入力装置
２０ 操作軸
２０ａ 露出部分
３０ 抵抗力付与機構
３１ 上ケース
３２ 下ケース
３３ 外側ヨーク
３４ シリンダ
３５ 内側ヨーク
３５ａ 第２ヨーク
３５ｂ 第３ヨーク
３６ シールリング
３７ 第２コイル
３８ 第２ボビン
４１ 第１の支持板（支持部材）
４２ 第２の支持板（支持部材）
４２ａ 基部
４２ｂ 舌部
４３ 第３の支持板（支持部材）
４４、４５ 支持軸
４６ スペーサ
５０ 操作認識センサ
５１ 歪みセンサ
５２ 光センサ
５３ 連結材
５４ 歪みセンサ
６０ 制御部
６１ 駆動制御回路
６２ 演算部
６３ 電源回路
６４ 制動制御回路
６５ 記憶部
６６ 通信部
６７ 外部システム
７０ 変位センサ
８０ 推進力付与機構
８１ 第１ヨーク
８２ 第１コイル
８３ 第１ボビン
９０ バネ板
９１ 中央部
９２ 外周部
９３ 連結部
１１０ 入力装置
１４２ 支持板
１５０ 操作認識センサ
１７０ 変位センサ
１８０ 推進力付与機構
１８１ ロータ
１８１ａ 外周壁
１８１ｂ 磁石
１８１ｃ 貫通孔
１８２ ヨーク
１８２ａ 腕部
１８２ｂ 中心軸
１８２ｃ 貫通孔
ＡＸ 中心軸
Ｆ 磁気粘性流体
Ｇ１、Ｇ２ 隙間
Ｓ１、Ｓ２ 空間
Ｔ０ 開始時刻
Ｔ１、Ｔ２ 時刻

Claims (21)

1. 操作者が操作する操作軸と、
   前記操作軸が挿通配置され、前記操作軸の動作に対して抵抗力を付与する抵抗力付与機構と、
   前記抵抗力付与機構を支え、前記抵抗力付与機構を介して前記操作軸からの操作力を受ける支持部材と、
   前記操作力によって発生する前記支持部材と前記抵抗力付与機構との相対変位を検知する操作認識センサと、を備えることを特徴とする入力装置。
2. 前記操作認識センサは、前記操作軸の中心軸方向及び周方向に沿った方向の少なくとも一方において、前記操作力によって発生する前記相対変位を検知する請求項１に記載の入力装置。
3. 前記操作認識センサによる最大検知変位量は、前記操作軸の最大変位量よりも小さい請求項２に記載の入力装置。
4. 前記操作認識センサによる検知結果に基づいて、前記操作軸への制動および制動解除を制御する制御部を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の入力装置。
5. 前記操作軸の変位量を検知する変位センサを備え、
   前記制御部は、
   前記変位センサによる検知結果に基づき、前記操作軸が動作停止領域に位置することを判定し、さらに、
   前記操作認識センサによる検知結果に基づき、前記操作者が前記操作軸に対して前記操作力を加えていないことを判定したときに、
   前記抵抗力付与機構による前記操作軸の制動を解除する請求項４に記載の入力装置。
6. 前記操作軸の変位量を検知する変位センサを備え、
   前記制御部は、
   前記変位センサによる検知結果に基づき、前記操作軸が動作停止領域に位置することを判定し、さらに、
   前記操作認識センサによる検知結果に基づき、前記操作者が前記操作軸に対して前記操作力を加えていることを判定したときに、
   前記抵抗力付与機構による前記操作軸の制動を継続する請求項４に記載の入力装置。
7. 前記制御部は、前記変位センサによる検知結果に基づき、前記操作軸の操作速度を算出し、前記操作速度が所定値未満であったときに前記操作軸は停止していると判定し、前記抵抗力付与機構の制動を解除する請求項５又は請求項６に記載の入力装置。
8. 前記操作軸に対して、前記操作力の方向に沿った操作推進力を発生可能な推進力付与機構を備え、
   前記推進力付与機構には、前記操作軸が挿通保持されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の入力装置。
9. 前記操作認識センサが備える測定部は、前記支持部材と前記抵抗力付与機構との前記相対変位を測定対象とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の入力装置。
10. 前記支持部材は、変形部を介して前記抵抗力付与機構を支持し、
    前記変形部は、前記抵抗力付与機構が前記支持部材に対して変位したときに優先的に変形し、
    前記操作認識センサが備える測定部は、前記変形部の変形を測定対象とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の入力装置。
11. 前記測定部は、非接触型測定センサを有する請求項９又は請求項１０に記載の入力装置。
12. 前記測定部は、接触型測定センサを有する請求項９又は請求項１０に記載の入力装置。
13. 前記操作認識センサの前記測定部は、前記支持部材に付設される請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の入力装置。
14. 前記変形部は、前記抵抗力付与機構に対応する中央部と、前記中央部の外囲を囲む外周部と、前記外周部に対して前記中央部が変位可能となるように、前記中央部と前記外周部とを互いに連結する複数の連結部とを備え、
    前記連結部の形状の変化によって、前記操作力と前記操作認識センサによる認識結果との関係を制御する請求項１０に記載の入力装置。
15. 前記操作認識センサは、前記中央部上に配置される光センサである請求項１４に記載の入力装置。
16. 前記操作認識センサは、前記連結部上に配置される歪みセンサである請求項１４に記載の入力装置。
17. 前記操作軸は、その中心軸の方向に進退動作可能であり、この進退動作によって前記操作力が生じる請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の入力装置。
18. 前記操作軸は、その中心軸を中心として回動可能であり、この回動によって前記操作力が生じる請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の入力装置。
19. 前記操作認識センサは、検知可能な変位量の最大値が、前記操作軸の動作停止領域に対応する変位量となるように設定されている請求項３に記載の入力装置。
20. 前記操作認識センサは、前記抵抗力付与機構に直接的に配置され、又は、前記抵抗力付与機構の外部に間接的に配置される請求項３に記載の入力装置。
21. 前記抵抗力付与機構は、挿通配置された前記操作軸の周囲に磁気粘性流体を有し、前記抵抗力は、前記磁気粘性流体に磁界を与えることによって生じる請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の入力装置。

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