JP5591647B2 - シフト装置 - Google Patents

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Description

本発明は、操作部に対しフォースフィードバックによる力覚付与制御が施されるシフト装置に関する。
近年、遠隔操作が求められる多くの分野で、操作感覚を疑似的に再現して操作性能を向上させる力覚付与デバイスが注目されている。力覚付与技術を応用した入力装置は、機械的な入力機構に換えて操作部の操作状態を電気信号に変換して出力する、いわゆるバイワイヤ方式を採用し、操作状態の検出信号に基づく反力を操作部にフォースフィードバック制御することにより所与の条件に応じた力覚を利用者に与えるものである。
一方で自動車の分野においては、走行性能に加え、安全性、快適性及び環境等の観点から車両内の電子化が進み、エアコン、カーナビ、オーディオ等の様々な操作対象機器類が搭載されるのが一般的となっている。このような多種に渡る機器類を操作する利用者の負担を軽減するため、操作入力を運転席内の1つの入力装置で一元化できるジョイスティックタイプの力覚付与型入力装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。
このような力覚付与型の入力装置によれば、ジョイスティック操作部に例えば疑似的な節度感(クリックフィーリング)を生じさせ、または次にすべき操作を反力で促すような操作の支援制御といった多様な操作感を力覚として付与することが可能となる。また、操作対象機器の動作や操作の目的に応じて力覚パターンを適宜変更することで、多用途、多目的の入力装置として共有することができる。
また、例えば特許文献2には、車両の自動変速機のシフトレンジを切り換えるため一方向のみ往復操作され得るシフト装置(SBW:Shift By Wire)に、上述の力覚付与技術を応用したものが開示されている。
特開2004−258782号公報 特開2003−176870号公報
ところで、近年、車両や自走式の産業機械等の分野において、超音波センサやカメラ等を用いた障害物検出装置が普及している。従来の障害物検出装置は、警報音やランプ等により利用者に障害物の存在や接近を知らせるシステムである。しかし、利用者にとっては突然の警報音を不快に感じたり、またその警告の意味を理解できずに瞬時に適切な操作ができなったりするおそれがある。
そこで、本発明の目的は、車両等に搭載される障害物検出装置と連携し、障害物の存在または接近等をシフトレバーの操作感覚の変化によって提示するシフト装置を提供することにある。
[1]上記目的を達成するため本発明に係るシフト装置は、操作されるシフトレバーと、前記シフトレバーに力を付与する駆動手段と、前記シフトレバーの操作状態を検出する操作検出手段と、車両の周囲における障害物の存在を検出する障害物検出手段と、停止系のシフトポジションから運転系のシフトポジションへの操作経路において、通常の操作に対して設定される第1の力覚パターン及び特別な操作に対して設定される第2の力覚パターンをデータ化した力覚パターンデータを記憶する記憶手段と、前記障害物検出手段が障害物を検出しない状態で前記操作検出手段が前記停止系のシフトポジションを起点とする前記シフトレバーの操作を検出したとき、前記第1の力覚パターンに従って前記シフトレバーの操作状態に基づく前記駆動手段の力制御を行い、前記障害物検出手段が障害物を検出する状態で前記操作検出手段が前記停止系のシフトポジションを起点とする前記シフトレバーの操作を検出したとき、前記第2の力覚パターンに従って前記シフトレバーの操作状態に基づく前記駆動手段の力制御を行う力覚制御手段と、を備え、前記障害物検出手段が検出する障害物と車両との距離に応じて前記駆動手段を制御して前記シフトレバーに付与する操作荷重を変化させる
[2]また、特別な操作に対して設定される前記第2の力覚パターンは、前記運転系のシフトポジションへの操作に対抗する方向で、かつ前記運転系のシフトポジションに至る前で前記シフトレバーに付与される前記力が増加するように設定されている。
[3]また、特別な操作に対して設定される前記第2の力覚パターンは、前記運転系のシフトポジションへの操作に対抗して前記シフトレバーに付与される前記力が振動しながら増加するように設定されている。
[4]また、前記停止系のシフトポジションは、パーキングポジション又はニュートラルポジションであり、前記運転系のシフトポジションは、ドライブポジション又はリバースポジションである。
本発明のシフト装置によれば、車両の障害物検出手段が検出する障害物の存在または接近等をシフトレバーの力覚パターンの変更によって利用者に提示する。これにより利用者は、障害物に対する危険性をシフトレバーの操作感覚の変化で確実に認識でき、危険な運転操作を防ぐことができる。
図1は、本発明の実施の形態によるシフト装置の構成を示す分解斜視図である。 図2は、シフト装置のシステム構成を示すブロック図である。 図3は、車両に搭載される障害物センサの動作を説明するための概念図である。 図4は、シフト装置において設定されるシフトポジションの配列とシフトレバーの操作経路との位置関係を例示する図である。 図5は、シフト装置において、障害物が検出されていない場合に選択される通常時の力覚パターンの例である。 図6は、シフト装置において、障害物が検出されている場合に選択される力覚パターンの一例である。 図7は、シフト装置において、障害物が検出されている場合に選択される力覚パターンの他の例である。 図8は、シフト装置において、障害物が検出されている場合に選択される力覚パターンの更に他の例である。 図9は、シフト装置において、シフトレバーに生じさせる操作感覚を変化させて障害物の存在を提示する動作を示すフローチャートである。 図10(a)〜(f)は、シフトレバーの種々の操作経路上の操作パターンを例示する図である。 図11は、障害物との距離に応じて操作荷重を変化させる力覚パターンの例である。
(シフト装置の構成)
図1は、本発明に係る実施の形態によるシフト装置1の構成を示す分解斜視図である。このシフト装置1は、シフトレバー2と、ジョイスティック機構部3と、ジョイスティック機構部3を収納するケース部材4とを備えている。
シフトレバー2は、二次元のXY操作面上の任意の方向へ傾倒操作が可能であり、利用者(車両の運転者)が手動操作する把持部2aと、皿状で下面が凹状に湾曲する被案内面を有する支持摺動部2bと、把持部2a及び支持摺動部2bを連結する支柱部2cとにより一体形成されている。
ジョイスティック機構部3は、シフトレバー2が先端部に固定されるシャフト11と、シャフト11の傾倒動作を一定の範囲に規定するゲート部材としてのゲートブロック20とを備えている。シャフト11は、例えば、柱状の棒状部材からなり、互いに直交するように設けられた第1キャリッジ12及び第2キャリッジ13の各長孔を貫通している。
第1キャリッジ12は、四角形の管状の部材からなり、シャフト11をその長孔の長手方向(X方向)に沿って傾倒可能に枢着させるX軸14と、X軸14に直交する方向(Y方向)に突出するY軸15とを備えている。各Y軸15は、第1キャリッジ12の両外壁に一体に形成され、Y軸15の各両端部にはベアリング16が嵌着されている。ベアリング16がベアリングホルダ17を介してジョイスティック機構部3の図示しないフレームに固定されることにより、第1キャリッジ12は、当該フレームに対しY軸15を中心に揺動可能とされている。
第2キャリッジ13は、シャフト11が貫通している長孔が形成される平板部と、当該平板部と直交するアーム部とが一体形成される外形U字状の部材から構成されている。第2キャリッジ13の長孔は、Y方向に沿って長く形成され、シャフト11のY方向への傾倒動作を許容する一方で、X方向の傾倒に対しては第2キャリッジ13を揺動させるように形成されている。
ゲートブロック20は、上面部に四角形の開口を有する箱状の強度部材であり、シャフト11の傾倒動作を所定の範囲に制限するために設けられている。すなわち、ゲートブロック20の開口内部には、シャフト11の基端部が挿入され、シャフト11が最大ストローク傾倒する位置で当該基端部がゲートブロック20の内壁に当接することにより、それ以上のシャフト11の傾倒動作が規制される。
また、ジョイスティック機構部3は、2つのセクターギア21,26と、シフトレバー2及びシャフト11の傾倒状態を検出する検出手段としての2つの回転センサ32,37と、シャフト11を介してシフトレバー2に力を付与する駆動手段としてのXモータ31及びYモータ36とを備えている。セクターギア21,26は、それぞれ扇状の基端部に揺動軸が設けられ、その揺動軸を中心とする同一半径の周面部にギア歯21a,26aが形成されている。
第1のセクターギア21は、ジョイスティック機構部3の図示しないフレームにその揺動軸が枢着されて揺動可能であるとともに、第2キャリッジ13のアーム部が同軸に連結している。第1のセクターギア21のギア歯21aには、Xモータ31のモータギア31aが噛合している。回転センサ32は、例えば、モータギア31aに連結して回転する回転エンコーダ部とその回転数をカウントして回転角度あるいは回転位置を検出する光検出器等により構成されている。
第2のセクターギア26は、その揺動軸が第1キャリッジ12の一方のY軸15に連結している。また、第2のセクターギア26のギア歯26aには、Yモータ36のモータギア36aが噛合している。また、回転センサ37は、例えば、モータギア36aに連結して回転する回転エンコーダ部とその回転数をカウントして回転角度あるいは回転位置を検出する光検出器等により構成されている。
ここで、2つの回転センサ32,37は、フォトディテクタを用いた光検出方式のエンコーダで構成されている。また、回転センサ32,37は、磁気抵抗効果素子(MR素子)を用いた磁気検出方式のエンコーダであってもよい。回転センサ32,37は、Xモータ31及びYモータ36の回転に応じて位相の異なる2つのパルスを出力する。これにより、Xモータ31及びYモータ36の回転方向と回転量が検出される。また、回転センサ32,37の出力に基づいて、セクターギア21,26等を介して連結されているシャフト11及びシフトレバー2のXY操作面における傾倒方向とその傾倒角度が同時に検出される。
ケース部材4は、ジョイスティック機構部3を内部に収容する箱状のケースフレーム4aと、ケースフレーム4aの上面部において突出する案内ドーム4bとを有して一体に形成される。また、案内ドーム4bの頂部には、略四角形の開口4cが形成されている。
シフトレバー2のシャフト11は、その先端部がケース部材4の内側から案内ドーム4bの開口4cに挿入されてシフトレバー2の支柱部2cに固定される。このとき、シフトレバー2は、支持摺動部2bの下面である被案内面が案内ドーム4bの上面に支持され、かつ、その上面に対してXYの方向に摺動するように取り付けられる。
シフトレバー2がX方向に傾倒操作されシャフト11が傾倒すると、これに連動して第2キャリッジ13及び第2キャリッジ13に軸を一にして連結するセクターギア21が揺動する。これに伴いセクターギア21のギア歯21aに噛合するモータギア31aが回転するので、その回転角に基づいて回転センサ32によりシャフト11のX方向における傾倒動作が検出される。同様に、シフトレバー2がY方向に傾倒操作されると、シャフト11に係合する第1キャリッジ12及びこれに連結するセクターギア26が揺動する。これに伴いセクターギア26のギア歯26aに噛合するモータギア36aが回転し、その回転角に基づいて回転センサ37によりシャフト11のY方向における傾倒動作が検出される。
更に、Xモータ31に駆動電流が供給されると、モータギア31a、セクターギア21及び第2キャリッジ13を介してシャフト11及びシフトレバー2にX方向に傾倒させるトルクが伝達される。同様にYモータ36に駆動電流が供給されると、モータギア36a、セクターギア26及び第1キャリッジ12を介してシャフト11及びシフトレバー2にY方向に傾倒させるトルクが伝達される。次に説明する力覚制御部50は、Xモータ31及びYモータ36に駆動電流を供給し、回転センサ32,37が検出するシフトレバー2の操作状態に基づきフィードバック制御することにより、所望の反力をシフトレバー2に付与する力覚制御を行う。
図2は、力覚付与型のシフト装置1のシステム構成を示すブロック図である。力覚制御部50は、CPU、ROMやRAMからなるメモリ、各種センサやスイッチが接続される入出力ポート、車載LANコントローラ等をハードウエア回路として備え、CPUが予めROMに記憶されたプログラムに従って演算処理を実行するマイコンユニットとして構成される。力覚制御部50には、Xモータ31、回転センサ32、Yモータ36、回転センサ37が接続されている。力覚制御部50は、回転センサ32,37の出力に基づいて、シフトレバー2の操作状態(XY操作面における傾倒方向とその傾倒角度)を演算して求め出力する。
また、力覚制御部50には、不揮発性のメモリ51が接続されている。メモリ51には、シフトレバー2の操作状態に応じて反力を付与する力覚制御、中立位置への自動復帰制御等をするための参照テーブルデータである力覚パターンデータ52が予め記憶されている。力覚制御部50は、メモリ51に記憶されている力覚パターンデータ52を参照し、回転センサ32,37の出力から演算されるシフトレバー2の操作状態に基づいてXモータ31及びYモータ36のトルクを制御する。これにより、力覚パターンデータ52に応じた反力がシフトレバー2に付与される。
また、本実施の形態のシフト装置1は、車両の走行安全システムを構成する一つの機能装置である障害物検出装置と連携動作するために、力覚制御部50が当該車両の車両ECU(ECU:Electronic Control Unit)70に接続している。車両における障害物検出装置は、車両ECU70と例えば超音波センサである障害物センサ71等により構成される。
図3は、車両Cに搭載される障害物センサ71の動作を説明するための概念図である。障害物センサ71は、車両Cのフロント部またはリア部の例えばバンパー内に配置される。障害物センサ71は、超音波の発信部と受信部とを備えており、発信部で発信された超音波が障害物Oで反射されて受信部に戻るまでの時間を測定することにより、車両Cと障害物Oとの間の距離を検出する。車両ECU70が障害物センサ71により車両Cと障害物Oとの間の距離を時間の経過とともに測定することで、車両Cが障害物Oに接近中なのか遠ざかっているのかを含め接触事故の危険度が判定される。
なお、障害物検出装置としては、超音波センサタイプの障害物センサ71によるものに限らず、例えばステレオカメラを用いた画像認識処理等により障害物Oと車両Cとの距離を測定する検出方式でもよい。
(シフト装置における操作パターンの例)
図4は、本実施の形態によるシフト装置1において設定される複数のシフトポジションの配列とシフトレバー2の操作経路との位置関係(操作パターン)を示す図である。シフトレバー2のXY方向における物理的に移動操作可能な領域69の限界は、図1に示したゲートブロック20で画される。その全領域69内に、本実施の形態では、シフトレバー2の操作許容エリア67と、それ以外の操作規制エリア68とが、互いに排他的に区分けされて設定されている。操作許容エリア67は、シフトレバー2の操作経路に沿って設定されている。操作許容エリア67の外縁部には、力覚制御による「反力の壁」が形成され、これにより操作許容エリア67から逸脱して操作規制エリア68内に入るようなシフト操作が禁止されている。
図4に示されるように、操作許容エリア67には、車両の自動変速機のパーキング(「P」と略して表記する。)、リバース(「R」と略して表記する。)、ニュートラル(「N」と略して表記する。)及びドライブ(「D」と略して表記する。)の各レンジに対応するシフトポジションであるPポジション61、Rポジション62、Nポジション63及びDポジション64が順に配列して設定されている。ここでは、Pポジション61及びNポジション63を停止系のシフトポジションとし、Dポジション64及びRポジション62を運転系のシフトポジションとして説明する。
(障害物提示のための力覚パターンの例)
図5は、停止系のNポジション63から車両を前進させる運転系のDポジション64にシフトレバー2を操作する場合において、障害物が障害物センサ71により検出されていない場合に選択される通常時の力覚パターン(これを「通常パターン」という。)P0をグラフで示す図である。図5に示される通常パターンP0によれば、利用者はシフトレバー2をYモータ36のトルクによる若干の反力を受けながらNポジション63からDポジション64へ通常の操作としてシフト操作し、Dポジション42にシフトレバー2を留めることができる(ステイショナリ動作)。
図6は、同じく停止系のNポジション63から運転系のDポジション64にシフトレバー2を操作する場合において、車両近くに障害物が障害物センサ71により検出されている場合、すなわち、特別な操作時に選択される力覚パターンの一例である特別パターンP1をグラフで示す図である。図6に示される特別パターンP1によれば、Dポジション64の手前でYモータ36のトルクが最大(Ypmax)まで急激に立ち上がるように設定されている。すなわち例えば障害物が車両の前方に隣接して存在する場合、利用者がシフトレバー2をNポジション63からDポジション64側にシフト操作しようとしても、シフトレバー2の操作に対抗する「反力の壁」によってシフトチェンジが阻まれる。
図7は、同じくNポジション63からDポジション64にシフトレバー2を操作する場合において、障害物が障害物センサ71により検出されている場合に選択される力覚パターンの他の例である特別パターンP2をグラフで示す図である。図7に示される特別パターンP2によれば、Dポジション64への操作に対抗するようにYモータ36のトルクが振動しながら増加するように設定されている。シフトレバー2に「ゴツゴツ」と振動する反力を生じさせることにより、車両の前方に障害物があることを利用者に認識させる。
図8は、同じくNポジション63からDポジション64にシフトレバー2を操作する場合において、障害物が障害物センサ71により検出されている場合に選択される力覚パターンの更に他の例である特別パターンP3をグラフで示す図である。図8に示される特別パターンP3によれば、Nポジション63からDポジション64に至るシフト操作過程において、通常パターンP0とは明らかに操作感覚が異なる特性カーブでYモータ36のトルクが増加するように設定されている。通常とは異なる異質な操作感覚をシフトレバー2に生じさせることで、車両の前方に障害物があることを利用者に認識させる。
(シフト装置の動作)
次に、本実施の形態のシフト装置1における、シフトレバー2への力覚制御の動作例を説明する。シフトレバー2への力覚制御は、力覚制御部50のCPU(以下、単に「CPU」という。)が障害物センサ71から得られる障害物の情報及び回転センサ32,37から得られるシフトレバー2の操作状態に基づいて、メモリ51に記憶された力覚パターンデータ52を適宜選択して参照しながらX及びYモータ31,36のトルクを制御することにより行われる。
図9は、シフト装置1において、シフトレバー2に生じさせる操作感覚の違いで障害物の存在を提示する動作を示すフローチャートである。はじめにCPUは、シフトレバー2が停止系のNポジション63(ニュートラル)にあるか否かを検出する(ステップS10)。CPUは、シフトレバー2がNポジション63にある場合に(ステップ10:Yes)、障害物が車両の近くに存在するか否か障害物センサ71の出力により判定する(ステップS11)。
例えば車両の前方に障害物が検出され(ステップS11:Yes)、運転系のDポジション64へのシフトレバー2のシフト操作が検出されると(ステップS12:Yes)、CPUは通常とは異なる特別パターン(図6、図7及び図8で例示した特別パターンP1,P2,P3の何れか)に従った力覚制御をシフトレバー2に対して行う(ステップS14)。
一方、障害物が検出されずに(ステップS11:No)、シフトレバー2のシフト操作が検出されると(ステップS13:Yes)、CPUは通常の力覚パターン(図5で例示した通常パターンP0)に従った力覚制御をシフトレバー2に対して行う(ステップS15)。
なお、図示は省略するが、障害物センサ71により車両の後方に障害物が検出された場合に、停止系のNポジション63から車両を後進させる運転系のRポジション62へのシフト操作に際し、力覚制御による通常とは異なる特別パターンに従った操作感覚がシフトレバー2に付与される。
(実施の形態による効果)
本実施の形態のシフト装置1によれば、車両に搭載される障害物検出装置と連携し、障害物センサ71が車両の近くの障害物を検出している場合には、停止系のシフトポジション(ニュートラルやパーキング)から運転系のシフトポジション(ドライブやリバース)へのシフト操作に際して通常とは異なる操作感覚をシフトレバー2に付与する。これにより、利用者に対し障害物の存在を認識させるとともに、障害物により近づく方向への運転操作に対し注意を喚起することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形・応用が可能である。例えば、実施の形態に示したI形状の操作パターンだけでなく、車種等に応じて図10(a)〜(f)に示されるようなI形状、H形状のパターン及びこれらの組合せからなる種々の操作経路を有する操作パターン、更には操作経路が曲線状または複数の操作経路が任意の角度で交差するような操作パターンにも対応可能である。また、本実施の形態では、シフト装置は、図5等に示す力覚パターンによりシフトレバー2がポジション操作後にその位置に留まるステイショナリ動作として説明したが、ポジション操作後にホームポジションあるいはニュートラル位置に自動的に戻るモーメンタリ動作をするものであってもよい。
また、図11に示すように、障害物センサ71が検出する障害物との距離Sまたはその危険度(危険、警戒、通常の各エリア)に応じて、シフトレバー2の操作荷重Fを大きくするような力覚制御をシフト装置において行うものでもよい。
1…シフト装置、2…シフトレバー、2a…把持部、2b…支持摺動部、2c…支柱部、3…ジョイスティック機構部、4…ケース部材、4a…ケースフレーム、4b…案内ドーム、4c…開口、11…シャフト、12…第1キャリッジ、13…第2キャリッジ、14…X軸、15…Y軸、16…ベアリング、17…ベアリングホルダ、20…ゲートブロック、21…セクターギア、21a…ギア歯、26…セクターギア、26a…ギア歯、31…Xモータ、31a…モータギア、32…回転センサ、36…Yモータ、36a…モータギア、37…回転センサ、50…力覚制御部、51…メモリ、52…力覚パターンデータ、61…パーキング(P)ポジション、62…リバース(R)ポジション、63…ニュートラル(N)ポジション、64…ドライブ(D)ポジション、67…操作許容エリア、68…操作規制エリア、69…シフトレバーの操作可能な全領域、70…車両ECU、71…障害物センサ、70…安全管理装置、P0…通常パターン、P1,P2,P3…特別パターン








Claims (4)

  1. 操作されるシフトレバーと、
    前記シフトレバーに力を付与する駆動手段と、
    前記シフトレバーの操作状態を検出する操作検出手段と、
    車両の周囲における障害物の存在を検出する障害物検出手段と、
    停止系のシフトポジションから運転系のシフトポジションへの操作経路において、通常の操作に対して設定される第1の力覚パターン及び特別な操作に対して設定される第2の力覚パターンをデータ化した力覚パターンデータを記憶する記憶手段と、
    前記障害物検出手段が障害物を検出しない状態で前記操作検出手段が前記停止系のシフトポジションを起点とする前記シフトレバーの操作を検出したとき、前記第1の力覚パターンに従って前記シフトレバーの操作状態に基づく前記駆動手段の力制御を行い、前記障害物検出手段が障害物を検出する状態で前記操作検出手段が前記停止系のシフトポジションを起点とする前記シフトレバーの操作を検出したとき、前記第2の力覚パターンに従って前記シフトレバーの操作状態に基づく前記駆動手段の力制御を行う力覚制御手段と、を備え
    前記障害物検出手段が検出する障害物と車両との距離に応じて前記駆動手段を制御して前記シフトレバーに付与する操作荷重を変化させるシフト装置。
  2. 特別な操作に対して設定される前記第2の力覚パターンは、前記運転系のシフトポジションへの操作に対抗する方向で、かつ前記運転系のシフトポジションに至る前で前記シフトレバーに付与される前記力が増加するように設定されている、請求項1に記載のシフト装置。
  3. 特別な操作に対して設定される前記第2の力覚パターンは、前記運転系のシフトポジションへの操作に対抗して前記シフトレバーに付与される前記力が振動しながら増加するように設定されている、請求項1に記載のシフト装置。
  4. 前記停止系のシフトポジションは、パーキングポジション又はニュートラルポジションであり、前記運転系のシフトポジションは、ドライブポジション又はリバースポジションである、請求項1乃至3の何れか1項に記載のシフト装置。
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