JP5402675B2 - 車両等操縦用ジョイスティック装置 - Google Patents

Description

本発明は、操縦装置の操作量を電気信号により伝達し、スロットル、ブレーキ、ステアリングなどを制御するいわゆるバイワイヤ方式の車両等の操縦に関わるジョイスティック装置に関係する。

近年バイワイヤ方式の操縦装置を備えるタイプの車両や船舶が提案されている。バイワイヤ方式の操縦装置では電気信号により操作量が伝達されるため、従来のステアリングホイールやアクセルペダルのように操縦装置と制御対象が機械的に連結している必要がない。そのため、バイワイヤ方式の操縦装置として様々な形態が考案されている。特にスティックを前後左右に操作し、スティックの操作変位（角度）もしくは操作力を操作量とするジョイスティック方式が知られている。

スティックの操作変位（角度）を操作量とする方法としては、特許文献１（特開２００２−１５７０３４号公報）に示されるような構成が知られている。スティックの操作量に応じてスロットル、ブレーキ、ステアリングのアクチュエータを制御して車両を操縦するものである。また、各操作軸に設けられた反力モータによって適切な操作反力が操作者に与えられている。

しかしながら、スティックに操作量を与えるためには、それ相応にスティックを変位させる必要があるため、操作時における操作者の動作が大きくなり、操作部に相応のスペースを確保する必要がある。

動作が小さくて済み、操作部の必要スペースを抑制できる方法として、スティックに加えられた操作力を操作量とする方式も知られている。この方式の操作力入力方式のジョイスティックの先行技術としては特許文献２（特開平８−１２３６１４号公報）があり、球面軸受で揺動可能に支持されたスティックがコイルばねによって直立しており、スティックが操作されるとアームの突起が感圧センサを押し、操作力がセンサ出力として得られる。

しかし、特許文献２の構成では、１軸の入力に対して感圧センサが２つ必要であるという欠点がある。これは、感圧センサが圧縮方向の感度のみを有しているため、圧縮方向の入力のみで１軸上の２方向の入力を得るためには、感圧センサが２つ必要となり、通常求められる２軸４方向に対応するためには前記の通り感圧センサが４つ必要となる。

また、特許文献２に記載の構成では、ベースに固定された感圧センサに圧縮荷重を加えて操作力を測定している。したがって、アームの突起が感圧センサに接触するまでは不感帯となってしまう。さらに、アームの突起と感圧センサが接触した後は操作力を増減してもスティックは感圧センサが荷重によって変形するだけの極わずかな量しか変位することができず、調整することも不可能である。すなわち、操作感に影響を与える操作反力を調整することができない。操作反力の調整が出来ていないと、感圧センサに過大な荷重が加わり、感圧センサを破損してしまう可能性がある。

特開２００２−１５７０３４号公報 特開平８−１２３６１４号公報

本発明は、上記先行技術の有する問題に鑑み、応答性に優れ、操作反力及び操作量を適正な範囲に調整でき、破損等の少ないジョイスティックを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の発明に係るジョイスティック装置は、把持部と、該把持部と連結して該把持部の下部に配置されたアーム板と、ベースと、前記アーム板を前記ベースに対して揺動自在に連結する締結部材と、弾性部材を有し、前記ベースに固定され前記アーム板に接触し、該弾性部材に予圧する押圧部と、を備え、前記押圧部は、感圧素子を有するものと、感圧素子を有さないものとが、一対となって、同一直線方向に配置され、前記弾性部材は、前記感圧素子に予圧荷重を与えることを特徴とする。これにより、一つの感圧素子で同一直線方向における正反対となる２方向の力を感知することができる。

本発明のジョイスティック装置は、感圧素子を下部からコイルばねを介して、操作入力の変化範囲を超える圧縮荷重で予圧している。これにより操作入力が加えられても感圧素子には常に圧縮荷重が作用されている。また、1つの感圧センサで１軸1方向若しくは２方向の力を計測することができる。さらに、不感帯が存在しないため応答性に優れる。また、感圧素子をベースに対して軸方向に移動可能なようにコイルばねで付勢しているため、操作力によりスティックが変位することができ、さらに弾性材のばね定数を変えることで変位量を調整することができる。また、感圧素子が過大な荷重によって破損することを防ぐことができるという効果がある。

本発明のジョイスティック装置の斜視図である。 本発明のジョイスティック装置の一例の断面図を示す。 本発明のジョイスティック装置のベース部分の組立斜視図を示す。 本発明のジョイスティック装置に使用する感圧素子付き押圧部の組立斜視図を示す 本発明のジョイスティック装置に使用する感圧素子を備えない押圧部の組立斜視図を示す

図１〜５を用いて本発明の実施例を説明する。ジョイスティック装置１００は、図２に示す通り、ベース１１０と、操縦者（図示せず）が操作するスティック１２０と、前記スティック１２０と連結して前記スティック下部に配置されたアーム板１３０と、それらをベース１１０に対して揺動自由に連結するボールジョイント１４０と、２つの感圧素子１５０付き押圧部１６０と２つの感圧素子なし押圧部１６１からなる。

スティック１２０に操作力が加えられると、アーム板１３０を介して押圧部１６０，１６１に加えられている荷重が増減する。アーム板１３０は４つの押圧部１６０，１６１の配置に対応した十字状形状であってもよいし、単純な円盤形状でもよい。また、実施例で示すようにスティック１２０とアーム板１３０との締結は、締結部材等で連結してもよいし、アーム板１３０とスティック１２０とを一体に形成してもよい。

ベース１１０は下部ベース板１１１と側板１１２と上部ガイド板１１３からなる。下部ベース板１１１には中央から適当な距離をおいて等角度間隔に４つのめねじ１７０が形成されている。上部ガイド板１１３には、前記下部ベース板１１１のめねじ１７０と同軸に４つのガイド穴１８０が形成されている。下部ベース板１１１と上部ガイド板１１３は側板により適当な間隔をあけて、平行かつ前記めねじ１７０と前記ガイド穴１８０が同軸となるよう配置されている。なお、下部ベース板１１１、側板および上部ガイド板１１３は別体に形成してねじ等の締結部材で連結してもよいし、一体に形成してもよい。また、実施例で示すように、中央に支持柱１９０を配置してもよい。

上部ガイド板１１３の中央には図示しないめねじが形成されており、ボールジョイント１４０の一端をねじ込んで固定する。ボールジョイント１４０のもう一端を前記アーム板１３０に連結する。これにより、スティック１２０およびアーム板１３０とベース１１０が揺動自在に連結される。

図４に示す通り、感圧素子付き押圧部１６０は、感圧素子１５０と、押圧軸１６２と、弾性部材であるコイルばね１６３と、おねじ部材１６４から構成される。感圧素子１５０は、例えば半導体圧力センサ、感圧抵抗センサ、ロードセルなど圧縮方向に感度を有するものとする。押圧軸１６２は大径部１６５と小径部１６６を有する段付軸である。前記押圧軸１６２の大径部１６５の外径は、前記ガイド穴１８０とわずかなすきまができるようにする。おねじ部材１６４は外径部におねじが形成されており、一端にはコイルばね１６３をガイドするためのリング状突起１６７が、もう一端にはおねじ部材１６４をねじ込むためのナット部１６８が形成されている。さらに、中心には貫通穴１６９が設けられている。押圧軸１６２の小径部１６６の外径は、おねじ部材１６４の貫通穴１６９の内径とわずかなすきまができるようにする。

コイルばね１６３の外径は押圧軸１６２の大径部１６５の外径およびおねじ部材リング状突起１６７の内径よりも小さくする。コイルばね１６３の内径は押圧軸１６２の小径部１６６の外径より大きくする。

感圧素子１５０とアーム板１３０を点接触に近い状態で接触させるため、感圧素子１５０は図４に示すように凸状の突起を有するものとする。または、感圧素子１５０が凸状の形状であることが望ましい。感圧素子１５０が凸状でない場合、図示しない凸状の補助部材を感圧素子１５０上またはアーム板１３０に配置することが好ましい。

図５に示す通り、感圧素子なし押圧部１６１は、ダミー部材２００と、押圧軸１６２と、コイルばね１６３と、おねじ部材１６４から構成される。ダミー部材２００は一端が凸状の形状で、押圧軸１６２と連結したとき感圧素子１５０と同じ高さを有する部材である。ダミー部材２００を用いることで、押圧軸１６２は感圧素子あり押圧部１６０と同じものを用いることができる。なお、ダミー部材２００を用いず、感圧素子なし押圧部１６１用にダミー部材を一体に形成した押圧軸としてもよい。

押圧部１６０，１６１は下部ベース板１１１のめねじ１７０にねじ込む。感圧素子１５０またはダミー部材２００がアーム板１３０に接した後、さらにおねじ部材１６４をねじ込むことにより、感圧素子１５０に予圧（圧縮荷重）を与えることができる。

感圧素子１５０の予圧荷重（ｆo）は、感圧素子１５０の測定可能な最大荷重（f c）の半分程度とすることで、感圧素子１５０の測定範囲を最も広く使うことができる。下記の式（１）に示すように、操作により感圧素子１５０に作用する最大荷重（ｆｓ）は、スティック１２０に加えられる最大操作力（ｆmax）とその作用箇所（アーム板１３０からの高さｈ）、スティック１２０の中心から押圧軸までの軸間距離（ｌ）により求めることができる。

（１）
予圧荷重（ｆo）とあわせて感圧素子に作用する荷重（fs）が0より大きく（すなわち圧縮荷重が作用していること），かつ感圧素子の最大測定荷重（f c）を未満であればよい（すなわち、f c＞fs＞０）。

アーム板１３０と押圧部１６０，１６１は予圧により常に接触しているため、スティック１２０にくわえられる操作力に対して不感帯が存在せず、小さな操作力も計測することができる。意図的に不感帯を設けたい場合は、スティック１２０の操作量によって制御される制御装置（図示せず）においてソフトウエア側の処理で不感帯を設ければよい。

スティック１２０を操作したときのスティック１２０の変位はコイルばね１６３のばね定数に依存する。ばね定数が大きいほど変位が小さくなる。また、おねじ部材１６４のねじ込み量と感圧素子１５０の予圧荷重もばね定数に比例する。したがって、最大荷重および予圧荷重に応じてコイルばね１６３のばね定数と長さ、おねじ部材１６４のねじ部長さをある値以上にする必要がある。

押圧軸１６２の大径部１６５の長さは、操作による荷重で押圧軸１６２が軸方向に変位しても上部ガイド板１１３のガイド穴１８０から抜けない長さでなければならない。また、押圧軸１６２の小径部１６６の長さも最大荷重の範囲内でおねじ部材１６４の貫通穴１６９から抜けない長さでなければならない。

アーム板１３０下部にはストッパー２１０が設けられており、スティック１２０に過大な力が加えられるとストッパー２１０が上部ガイド板１１３に当たり、感圧素子１５０に過大な力が作用することを防ぐ。すなわち、ストッパー２１０で規定されるアーム板１３０の最大傾斜において感圧素子１５０にかかる荷重が感圧素子１５０の最大許容荷重よりも小さくなるようにすればよい。ストッパー２１０はアーム板１３０と一体に形成してもよいし、別体としてねじで固定または圧入してもよい。

本実施形態では、コイルばねを有する一対の押圧部（感圧素子付き押圧部１６０，感圧素子なし押圧部１６１）を、把持部を中心として同一直線方向の両側に配置するジョイスティック装置を採用している。押圧部１６０，１６１両方とも、予圧が掛けられたコイルばねを有する為、感圧素子は、直線方向における正反方向の力を識別することでき、例えば、操縦者は、前方と後方両方の操作方向の力を識別できる。

その他、本発明は、把持部を中心として、コイルばねを有する押圧部（感圧素子付き押圧部１６０）と固定部を同一直線方向の両側に配置する形態にしてもよい。ここで、固定部とは押圧部と同様に上部ガイド板１１３を通過してベース１１０に固定されている剛体である。この場合、押圧部のみ、予圧が掛けられたコイルばねを有する為、感圧素子は、直線方向における一方向のみの力を識別でき、例えば、操縦者は前方と後方のいずれか一つのみの操作方向の力を識別できる。

なお、車両等の操作、操縦や運転時は、車両の運動によって操作者の身体に慣性力が生じる。ジョイスティックによる操縦の場合、ジョイスティックが上体を支える役割も兼ねることもある。たとえば、急ブレーキ等の場合は慣性力により意図しない操作をしてしまう可能性がある。そこで、車体またはベース１１０に配置した図示しない加速度センサによって車両の運動を計測し、慣性力による影響を低減させるようにしてもよい。

本発明は、操縦装置の操作量を電気信号により伝達し、スロットル、ブレーキ、ステアリングなどを制御するいわゆるバイワイヤ方式の車両等の操縦に関わるジョイスティック装置として好適に使用できる。

１００ ジョイスティック装置
１１０ ベース
１２０ スティック（把持部）
１３０ アーム板
１５０ 感圧素子
１６０，１６１ 押圧部
１６３ 弾性部材

Claims (5)

1. 把持部と、該把持部と連結して該把持部の下部に配置されたアーム板と、ベースと、前記アーム板を前記ベースに対して揺動自在に連結する締結部材と、弾性部材を有し、前記ベースに固定され前記アーム板に接触し、該弾性部材に予圧する押圧部と、を備え、
   前記押圧部は、感圧素子を有するものと、感圧素子を有さないものとが、一対となって、同一直線方向に配置され、
   前記弾性部材は、前記感圧素子に予圧荷重を与えることを特徴とするジョイスティック装置。
2. 前記把持部を操作することで前記感圧素子に伝わる荷重と前記予圧荷重とをあわせて前記感圧素子に作用する荷重は、０より大きく前記感圧素子の最大測定荷重未満であることを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。
3. 前記直線は、二つ以上であり、水平面内で交差することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のジョイスティック装置。
4. 前記ベースは、めねじを有し、
   前記押圧部は、おねじ部材をさらに有し、
   前記弾性部材がコイルばねであり、前記感圧素子を有する押圧部は、一方の端部に配置された前記感圧素子が前記アーム板と接触し、他方の端部に配置された前記おねじ部材が前記めねじにねじ込まれて固定されていることで、前記コイルばねに予圧することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のジョイスティック装置。
5. 前記締結部材がボールジョイントであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のジョイスティック装置。

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