JP4180271B2

JP4180271B2 - 力覚ディバイス

Info

Publication number: JP4180271B2
Application number: JP2001354934A
Authority: JP
Inventors: 歩小林
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003157121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に搭載された電気機器や家電を操作する操作装置に設けられ、操作方向や操作量に応じて、操作力に対抗する所定の反力を操作部材に与え、すなわち、操作者の力覚を働かせることによって操作部材から操作者に操作感覚を与える力覚ディバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の力覚ディバイスには、手動操作される操作部材、例えば捻り操作されるツマミと、このツマミの回転方向および回転角度に応じて、ツマミに与えられた操作力に対抗する所定の回転力をツマミに与えるモータを備えるものがある。このモータを備える力覚ディバイスでは、ツマミの回転方向および回転量に応じてツマミに操作方向と反対方向の回転力が与えられ、すなわち、動的な反力である反発力が与えられ、これにより、操作者は力覚として操作方向と反対方向に跳ね返されるような感覚を得る。
【０００３】
また、上述のモータを備える力覚ディバイスの他に、ツマミの回転方向および回転角度に応じて、ツマミを所定の制動力で制動する、例えば電磁ブレーキなどの制動装置を備えるものもある。この制動装置を備える力覚ディバイスでは、ツマミの回転方向および回転量に応じてツマミが制動され、すなわち、静的な反力が与えられ、これにより、操作者は力覚として回転が重くなるような感覚を得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のモータを備える力覚ディバイスでは、モータに大電流を供給しなければ、ツマミに与えられた操作力に反発するだけの回転力を出力することができないため、自動車内の電気機器の省電力化に適さず、また、大電流を制御するためのパワーユニットなどが必要であるため、装置全体が大型になりがちで小型化にも適さない。
【０００５】
また、モータの出力トルクを減速ギアで増大させて省電力化することも考えられるが、操作部材であるツマミを操作者が回転させるには、ツマミに減速ギアを連動させるだけの操作力が必要となる。例えば、ツマミがドアのノブのように大きくて握って捻ることができる場合には、操作者が減速ギアを回転させるだけの操作力を発揮することは可能であろうが、ツマミが指先でつまむ程度の小さいものの場合には、操作者が減速ギアを回転させるだけの操作力を発揮することは困難であるため、そのツマミは操作部材として機能しない。したがって、この点においても小型化に適さない。
【０００６】
また、上述の制動装置を備える力覚ディバイスでは、制動面の摩擦面積を広げるなど構造的なことによって制動力を増大させることができ、これにより、例えば電磁ブレーキなどは乾電池で供給できる程度の小電流で作動させることができ、装置全体の小型化が可能である。しかし、制動装置を備える力覚ディバイスでは、力覚としてツマミの回転が重くなるような感覚しか得られず、すなわち、モータを備える力覚ディバイスのように操作方向と反対方向に跳ね返されるような感覚を得ることができないため、操作者が受ける力覚認識の多様性が制限される。
【０００７】
本発明の目的は、上述の現状を考慮してなされたもので、その目的は、小電流で作動させることができ、力覚として操作方向と反対方向に跳ね返されるような感覚を得ることができる力覚ディバイスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明は、手動で操作される操作部材と、モータと、このモータのトルクを増大させる減速ギアと、この減速ギアを介して前記モータの動力が伝達されて回転する駆動軸と、前記操作部材と一体に設けられ、前記駆動軸の動力が伝達されて回転する被動軸と、前記駆動軸と前記被動軸との結合と切離しが可能な制動手段と、前記操作部材の操作方向および操作量を検出する検出手段と、この検出手段による検出結果に応じて前記モータおよび前記制動手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記モータの動力が伝達されて回転する前記駆動軸と前記被動軸の結合力の強さが前記駆動軸と前記被動軸を相対的に回転させることが可能な程度の強さになるよう前記制動手段を制御した状態で、前記検出結果に応じて操作力に対抗する所定の反発力が前記操作部材に与えられるよう前記モータを制御することを特徴とする。
【０００９】
このように構成した本発明では、操作部材が手動操作されると、その操作部材の操作方向および操作量が検出手段によって検出される。そして、検出手段による検出結果に応じて、制動手段およびモータが制御手段によって制御される。
【００１０】
制動手段によって駆動軸と被動軸とが結合すると、操作部材に与えられた操作力は、被動軸、駆動軸、減速ギアへと伝達される。このとき、一般的な操作力の大きさは、操作部材に減速ギアを連動させるには小さすぎるので、駆動軸は一般的な操作力が伝達される状態ではロックされた状態となる。これにより、被動軸と一体の操作部材は、被動軸が駆動軸に結合したときに制動される。
【００１１】
駆動軸と被動軸との結合力の強さは、制動手段の出力の大きさによって決定される。例えば電磁式制動手段の場合、出力される電磁力の大きさによって決定され、電磁力を小さく設定して結合力を弱めれば、駆動軸と被動軸を相対的に回転させることが可能になる。すなわち、操作部材に減速ギアを連動させることなく、操作部材を操作できるようになる。
【００１２】
上述のようにして駆動軸と被動軸とが結合すると、モータの出力するトルクは、減速ギア、駆動軸、被動軸を介して操作部材に伝達され、これにより、操作力に対抗する所定の反発力が操作部材に与えられる。
【００１３】
このように本発明では、制動手段による制動力とモータによる反発力とを合わせた力が、操作力に対抗する反力として操作部材に与えられるので、小電流で大きな反力を操作部材に与えることができる。また、モータによって操作力に対抗する反発力が操作部材に与えられるので、力覚として操作方向と反対方向に跳ね返えされるような感覚を得ることができる。
【００１４】
また、上述の発明において、前記減速ギアが、前記モータの出力軸に設けられたウォームと、ウォームホイールとから構成されたものであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の力覚ディバイスの第１実施形態の基本構成を示す説明図、図２は、図１に示すコントローラによる電磁クラッチおよびモータの制御例を示し、（Ａ）は電磁クラッチの出力の制御例を示す説明図、（Ｂ）はモータの出力の制御例を示す説明図である。
【００２１】
第１実施形態は、図１に示すように、自動車に搭載された電気機器や家電を操作する操作装置、例えばリモコンに設けられ、手動で操作される操作部材であるツマミ１と、モータ９と、このモータ９のトルクを増大させる減速ギア８と、この減速ギア８を介してモータ９の動力が伝達されて回転する駆動軸７と、ツマミ１と一体に設けられ、駆動軸７の動力が伝達されて回転する被動軸２と、例えば電磁力によって被動軸２と駆動軸７との結合と切離しが可能な制動手段である電磁クラッチ４と、ツマミ１の回転方向および回転角度を検出する検出手段であるエンコーダ３と、このエンコーダ３による検出結果に応じてモータ９および電磁クラッチ４を制御する制御手段であるコントローラ１０を備えている。
【００２２】
ツマミ１は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、所定の基準位置を回転角度０°とし、この位置から右回り（正の方向とする）に捻られて、例えばツマミ１が回転角度ａの位置まで回転するとき、ツマミ１の回転角度がａまで移動する間中、操作装置からは回転角度に対応する出力信号がモータ９や電磁クラッチ４に順次送出され、これらモータ９や電磁クラッチ４がそれらの出力信号に応じて同時に作動するようになっている。また同様に、ツマミ１が左回り（負の方向とする）に捻られて、例えばツマミ１が回転角度−ａの位置まで回転するとき、ツマミ１の回転角度が−ａまで移動する間中、操作装置からは回転角度に対応する出力信号がモータ９や電磁クラッチ４に順次送出され、これらモータ９や電磁クラッチ４がそれら出力信号に応じて同時に作動するようになっている。
【００２３】
再び図１に戻り、減速ギア８は、例えば、モータ９の出力軸９ａに設けられるウォーム８ａと、ウォームホイール８ｂとから構成してある。
【００２４】
電磁クラッチ４は、摩擦面となる図示しないライニングが設けられ、駆動軸７と一体的に回転する固定クラッチ部６と、ライニングに圧接される摩擦面である図示しないアーマチュアが設けられ、被動軸２と一体的に回転する可動クラッチ部５とから構成してある。この可動クラッチ部５は、固定クラッチ部６に電磁力で吸い付けられることによって、固定クラッチ部６に圧接されるようにしてある。
【００２５】
エンコーダ３は、図示しないが、例えば、円板の周縁に沿って複数のスリットを有し、被動軸２と一体的に回転するコード板と、スリットに向かって光を照光する発光素子と、スリットを通過した光を受ける受光素子とを備えている。すなわち、発光素子から照光されてスリットを通過した光を、受光素子で受けることによって矩形波を形成し、その矩形波をカウントして、被動軸２と一体に回転するツマミ１の回転方向および回転角度を検出するようになっている。
【００２６】
コントローラ１０は、エンコーダ３による検出結果が入力される入力部１１と、回転方向および回転角度に応じて予め設定された電磁クラッチ４の制動力とモータ９の出力トルクとがテーブルの形で記憶された記憶部１４と、入力部１１に入力された回転方向および回転角度と、記憶部１４に記憶された電磁クラッチ４の制動力の設定とモータ９の出力トルクの設定とに基づいて、電磁クラッチ４の出力値とモータ９の出力値とを演算する演算部１２と、この演算部１２による演算結果である電磁クラッチ４の出力値およびモータ９の出力値のそれぞれに相当する制御信号のそれぞれを、電磁クラッチ４およびモータ９のそれぞれに出力する出力部１３とを備えている。
【００２７】
記憶部１４には、例えば図２（Ａ）に示すように、ツマミ１を右回りに回転角度ａ，ｂ捻ったとき、および左回りに回転角度−ａ，−ｂ捻ったとき、それぞれの位置ａ，ｂ，−ａ，−ｂごとに、電磁クラッチ４の出力が３０％まで高くなるように設定してあり、左右どちらに捻っても回転角度の大きさが１８０°に達すると出力が１００％となるように設定してある。
【００２８】
また、この記憶部１４には、例えば同図２（Ｂ）に示すように、ツマミ１を右回りに回転角度ａ〜ｃの範囲だけ、および左回りに回転角度−ａ〜−ｃの範囲だけ捻ったときには、モータ９の出力が３０％のまま一定となるように設定してあり、左右どちらに捻っても回転角度の大きさがｃよりも大きくなると、出力１００％となるように設定してある。
【００２９】
このように構成した第１実施形態では、ツマミ１が捻られると、ツマミ１の回転方向および回転角度がエンコーダ３によって検出され、検出結果に相当する信号が入力部１１に入力される。そして、演算部１２では、入力部１１に入力された回転方向および回転角度と、記憶部１４に予め記憶された上述の図２に示す電磁クラッチ４の出力値およびモータ９の出力値の設定とに基づいて、電磁クラッチ４の出力値とモータ９の出力値とが演算され、これら演算結果のそれぞれに相当する制御信号のそれぞれが出力部１３から出力される。
【００３０】
電磁クラッチ４では、固定クラッチ部６に可動クラッチ部５が吸い付けられて圧接され、駆動軸７と被動軸２とが結合する。このとき、ツマミ１に与えられた操作力は、被動軸２、駆動軸７、減速ギア８へと伝達されるが、一般的な操作力の大きさは、ツマミ１に減速ギア８を連動させるには小さすぎるので、駆動軸７に一般的な操作力が伝達される状態では、駆動軸７はロックされた状態にある。したがって、被動軸２と一体のツマミ１は、固定クラッチ部６と可動クラッチ部５との間に生じる摩擦によって制動される。
【００３１】
駆動軸７と被動軸２とを結合させる圧接力は、電磁クラッチ４から出力される電磁力の大きさによって設定され、電磁力を小さく設定して圧接力を弱めれば、固定クラッチ部６と可動クラッチ部５との間に生じる摩擦力が小さくなり、駆動軸７と被動軸２とを相対的に回転させることが可能になる。すなわち、ツマミ１に減速ギア８を連動させることなく、ツマミ１を操作できるようになる。
【００３２】
上述のようにして電磁クラッチ４の固定クラッチ部６と可動クラッチ部５とが結合すると、モータ９の出力したトルクは、減速ギア８、駆動軸７、被動軸２を介してツマミ１に伝達され、これにより、ツマミ１には操作力に対抗する反発力が与えられる。
【００３３】
例えば、ツマミ１が右回りの回転角度ａ，ｂや、左回りの回転角度−ａ，−ｂのそれぞれを通過するとき、図２（Ａ）に示すように、回転角度ａ，ｂ，−ａ，−ｂのそれぞれごとに電磁クラッチ４の出力が３０％まで上昇し、低下する。これにより、回転角度ａ，ｂ，−ａ，−ｂのそれぞれの前後で、駆動軸７と被動軸２との間の摩擦力、すなわち操作力に対抗する反力が、増大して減少するので、操作者は、回転角度ａ，ｂ，−ａ，−ｂのそれぞれごとにクリック感を得て、ツマミ１をどれだけ回転させたのかを認識できる。
【００３４】
また、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ツマミ１が左右どちらに捻られても回転角度の大きさが１８０°に達したときには、電磁クラッチ４の出力もモータ９の出力も１００％まで上昇する。これにより、駆動軸７、被動軸２間の摩擦力、すなわち、操作力に対抗する反力が最大となるので、操作者はこれ以上ツマミ１を回転できないことを認識する。
【００３５】
また、図２（Ｂ）に示すように、ツマミ１が右回りに回転した状態にあると、モータ９のトルクは、左回りの回転力をツマミ１に与えるように出力され、ツマミ１が左回りに回転した状態にあると、右回りの回転力をツマミ１に与えるよう出力される。これにより、操作者がツマミ１から手指を離せば、ツマミ１は回転角度０°に自動復帰する。
【００３６】
このように第１実施形態では、電磁クラッチ４による制動力とモータ９による反発力とを合わせた力が、操作力に対抗する反力としてツマミ１に与えられるので、モータ９による反発力だけの場合よりも小電流で大きな反力をツマミ１に与えることができる。これにより、モータ９を小型化して、装置全体の小型化を図ることができる。
【００３７】
また、モータ９によってツマミ１に反発力が与えられるので、操作者は、力覚として操作方向と反対方向に跳ね返されるような感覚を得ることができ、操作者が受ける力覚認識の多様性を確保できる。
【００３８】
また、第１実施形態では、電磁クラッチ４から出力される電磁力を小さくして駆動軸７と被動軸２との結合力を弱めることによって、駆動軸７と被動軸２を相対的に回転させることが可能なので、ツマミ１に減速ギア８を連動させることなく、ツマミ１を回転させることができ、これにより、小さな操作力でツマミ１を操作することができる。したがって、ツマミ１を指先でつまむ程度に小さくしても操作部材として機能させることが可能であり、この点においても、装置全体の小型化を図ることができる。
【００３９】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４０】
図３は、第２実施形態の基本構成を示す説明図である。なお、図３に示すもののうち上述の図１に示すものと同等のものには、図１に付した符号と同じ符号を付してある。
【００４１】
第２実施形態は、操作部材として揺動操作されるレバー１５と、このレバー１５に与えられた操作力に対抗する所定の反発力をレバー１５に与えるモータ９と、このモータ９のトルクを増大する減速ギア１６と、この減速ギア１６を介してモータ９の動力が伝達されて回転する駆動軸７と、レバー１５と一体に設けられ、駆動軸７の動力が伝達されて回転する被動軸２と、電磁力によって被動軸２と駆動軸７との結合と切離しが可能な電磁制動手段である電磁クラッチ４と、レバー１５の回転方向および回転角度を検出する検出手段であるエンコーダ３と、このエンコーダ３による検出結果に基づいてモータ９および電磁クラッチ４を制御する制御手段であるコントローラ１０を備えている。
【００４２】
つまり、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、レバー１５、減速ギア１６、すなわち平歯車から成る駆動歯車１６ａおよび被動歯車１６ｂを備え、これらレバー１５および減速ギア１６以外の部分は、第１実施形態と同様の構成にしてある。
【００４３】
このように構成した第２実施形態でも、電磁クラッチ４による制動力とモータ９による反発力とを合わせた力が、操作力に対抗する反力としてレバー１５に与えられるので、モータ９による反発力だけの場合よりも小電流で大きな反力をレバー１５に与えることができ、これにより、モータ９を小型化して、装置全体の小型化を図ることができる。
【００４４】
また、モータ９によってレバー１５に反発力が与えられるので、操作者は、力覚として操作方向と反対方向に跳ね返されるような感覚を得ることができ、操作者が受ける力覚認識の多様性を確保できる。
【００４５】
また、第２実施形態では、電磁クラッチ４から出力される電磁力を小さくして駆動軸７と被動軸２との結合力を弱めることによって、駆動軸７と被動軸２を相対的に回転させることが可能なので、レバー１５に減速ギア１６を連動させることなく、レバー１５を揺動させることができ、これにより、小さな操作力でレバー１５を操作することができる。したがって、レバー１５を指先に引っ掛けて操作する程度に小さくしても操作部材として機能させることが可能であり、この点においても、装置全体の小型化を図ることができる。
【００４６】
なお、第１，第２実施形態は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように電磁クラッチ４の出力とモータ９の出力を、ツマミ１やレバー１５からクリック感や跳ね返されるような感覚を得ることができるように設定したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように電磁クラッチ４の出力とモータ９の出力を、ツマミ１やレバー１５から振動を得ることができるように設定してもよい。
【００４７】
また、第１，第２実施形態は、駆動軸と被動軸との結合と切離しが可能な制動手段として、いわゆる励磁作動型の電磁クラッチを備えているが、本発明はこれらに限るものではない。すなわち、圧電素子のアクチュエート機能を用いた機構から成るクラッチや、無励磁作動型の電磁クラッチなどのように、駆動軸と被動軸との結合と切離しをおこなう機能をもつ制動装置を備えるものであればよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明では、制動手段による制動力とモータによる反発力とを合わせた力が、操作力に対抗する反力として操作部材に与えられるので、小電流で大きな反力を操作部材に与えることができ、これにより、モータを小型化でき、したがって、装置全体の小型化を図ることができる。
【００４９】
また、モータによって操作部材に反発力が与えられるので、操作者は力覚として操作方向と反対方向に跳ね返えされるような感覚を得ることができ、これにより、操作者の力覚認識の多様性を確保することができる。
【００５０】
また、制動手段の出力を小さくして駆動軸と被動軸との結合力を弱めることによって、操作部材に減速ギアを連動させることなく、操作部材を操作することができるので、操作部材を小さな操作力で操作することができる。したがって、操作部材を小型化でき、この点においても、装置全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の力覚ディバイスの第１実施形態の基本構成を示す説明図である。
【図２】図１に示すコントローラによる電磁クラッチおよびモータの制御例を示し、（Ａ）は電磁クラッチの出力の制御例を示す説明図、（Ｂ）はモータの出力の制御例を示す説明図である。
【図３】第２実施形態の基本構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ツマミ（操作部材）
２被動軸
３エンコーダ
４電磁クラッチ（制動手段）
７駆動軸
８減速ギア
９モータ
１０コントローラ（制御手段）
１５レバー（操作部材）
１６減速ギア

Claims

手動で操作される操作部材と、
モータと、
このモータのトルクを増大させる減速ギアと、
この減速ギアを介して前記モータの動力が伝達されて回転する駆動軸と、
前記操作部材と一体に設けられ、前記駆動軸の動力が伝達されて回転する被動軸と、
前記駆動軸と前記被動軸との結合と切離しが可能な制動手段と、
前記操作部材の操作方向および操作量を検出する検出手段と、
この検出手段による検出結果に応じて前記モータおよび前記制動手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記モータの動力が伝達されて回転する前記駆動軸と前記被動軸の結合力の強さが前記駆動軸と前記被動軸を相対的に回転させることが可能な程度の強さになるよう前記制動手段を制御した状態で、前記検出結果に応じて操作力に対抗する所定の反発力が前記操作部材に与えられるよう前記モータを制御することを特徴とする力覚ディバイス。
請求項１記載の発明において、前記減速ギアが、前記モータの出力軸に設けられたウォームと、ウォームホイールとから構成されたことを特徴とする力覚ディバイス。