JP6534072B2 - 入出力操作装置 - Google Patents

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Description

本願は、ステアリングに設けられる２軸または３軸の入力操作部を備える入出力操作装置に関する。
近年、自動車に搭載される電子機器は、安全、安心、快適性を高める目的のため、より高機能化、多機能化が進んでいる。このため、運転者が行うべき操作手順が非常に複雑になってきている。複雑な操作を簡単にするという観点から、例えば、ナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作に、操作者の感覚とよく一致し、操作性が高いＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ−Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が求められている。また、走行中における運転者の視線移動を抑制するため、ステアリング（ハンドル）に入力デバイスが設けられることもある。
親和性のあるＨＭＩのとしては、３軸操作が可能な入力装置やフォースフィードバック機能を有したハプティックデバイスが提案されている。
たとえば、特許文献１は、操作部をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向にのみ移動可能なように、操作部の移動方向を規制し、かつ、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向における操作部の位置検出を行う３軸の入力操作装置を開示している。
特許文献２は、操作部を３軸回りに回転可能なように保持し、かつ、回転角の検出が可能な入力操作装置を開示している。
また、特許文献３は、操作部をＸ、Ｙ軸回りに回転し、軸回りの相対変位量を検出し、それぞれの回転機構に搭載されたモータにより操作部に力覚を付与するハプティックデバイスを開示している。
特許文献４は、ステアリングに搭載され、押し下げ操作および回転操作が可能なステアリングスイッチを開示している。
特開昭５８−１７２７３９号公報 特開平５−５７６４５号公報 特開２００５−３３２０３９号公報 特開２０１３−９５３６７号公報
従来の入力装置やハプティックデバイスには、より、操作性の高いＨＭＩが求められていた。本願の限定的ではない例示的な実施形態は、より操作性の高い入出力操作装置を提供する。
本開示の入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、内部に位置する凹状接触面および凸状球面の一方とを有し、互いに直交する２軸に独立して自在に回転可能な可動ユニット、前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方が遊嵌する前記凹状接触面および凸状球面の他方を有し、前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方と前記凹状接触面および凸状球面の他方とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットおよび前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを駆動する駆動部を含むアクチュエータと、前記操作部の位置に対応する位置信号を出力する検出回路部と、前記駆動部を制御する駆動回路部と、前記駆動回路部を制御する制御演算処理部と、前記アクチュエータが搭載され、回転軸を中心に回転する回転体とを備え、前記制御演算処理部は、前記回転体の異なる回転角度において、前記回転体の基準回転角に対して静止した座標系を用い、前記操作部の駆動を制御する。
本開示の入出力操作装置によれば、２軸もしくは３軸の操作軸を有し、２次元もしくは３次元の操作方向を可能とする入出力操作部をステアリングに搭載することにより、ステアリングの操作回転角度に応じて入出力操作部の操作方向の座標を変換させることで、ステアリングの中立位置における水平軸とそれと直交する鉛直軸とからなる絶対座標に対して操作方向を常に一定保持することができる。
本発明の入出力操作装置７５０におけるアクチュエータ１６５の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０の詳細構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０の磁気バックヨーク６７０を上方から見た斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０の磁気バックヨーク６７０をＺ軸１０方向上方から見た平面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５を上方から見た斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５を上方から見た斜視図であって、脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た脱落防止部材２０１の斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０方向から見た上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の直線１３方向から見た平面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た操作部８５０と上部可動部１５０を排除したアクチュエータ１６５の斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の上方から見た固定ユニットの斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットに搭載される一つの駆動手段の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０と回転軸１１を含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０と回転軸１２を含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０から見た上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のＺ軸１０と直線１３含む平面でのアクチュエータ１６５の断面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における上方から見た脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における本発明のＺ軸１０から見た脱落防止部材２０１を排除した上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における脱落防止部材２０１を排除したＺ軸１０と直線１３を含む平面での断面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットの上面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５の固定ユニットのＺ軸１０とＹ軸方向回転軸１１を含む平面での断面図である。 本発明の実施形態のアクチュエータ１６５のセンサー基板５０２をＺ軸１０の上方から見た上面図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０の全体を示す構成図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。 入出力操作装置が搭載されたステアリングを示す図である。 ステアリングが中立にある場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングが中立にある場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングが中立にある場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングが中立にある場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングがθＡ回転した状態を示す図である。 ステアリングがθＡ回転した場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングがθＡ回転した場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングがθＡ回転した場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 ステアリングがθＡ回転した場合のアクチュエータの操作部の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、座標変換の内容を示す図である。 制御演算処理部における処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度−θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度−θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度−θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度−θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０において、ステアリング５５０を操作回転角度−θA回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の実施形態の入出力操作装置７５０のリング状のスイッチ部９６０を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０における回転操作レバー７８０に搭載されたアクチュエータ１６５の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の回転操作レバー７８０に搭載されたアクチュエータ１６５をＺ０軸からから見た上面図である。 本発明の第２の実施形態の回転操作レバー７８０に搭載されたアクチュエータ１６５をＹ０軸からから見た平面図である。 回転操作レバー７８０が中立にある場合のアクチュエータ１６５の操作部の操作方向を示す図である。 回転操作レバー７８０が中立にある場合のアクチュエータ１６５の操作部の操作方向を示す図である。 回転操作レバー７８０が中立にある場合のアクチュエータ１６５の操作部の操作方向を示す図である。 回転操作レバー７８０が中立にある場合のアクチュエータ１６５の操作部の操作方向を示す図である。 回転操作レバー７８０が中立にある場合のアクチュエータ１６５の操作部の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度-θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度-θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度-θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度-θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。 本発明の第２の実施形態の入出力操作装置７５０において、回転操作レバー７８０をＺ０軸を中心に操作回転角度-θＢ回転した状態で、アクチュエータ１６５の座標変換を実施した場合の操作方向を示す図である。
例えば、車載用の運転者の操作を受け付ける入出力操作装置においては、安全、安心の観点から、ドライバーに優しい直感的な操作や、操作部を見ないブラインド操作、さらには快適な運転環境を支える品位ある操作感が求められる。
一般に多軸の入出力操作部の多くは、組合せ構成が比較的安易であることから、軸回りに回転可能な回転機構を複数組み合わせることにより実現されている。また、それぞれの回転機構は、ギア等（ラック＆ピニオン、ウォームホイール＆ウォームギア）の伝達機構を介して駆動モータに結合され、操作部はそれぞれの回転軸を中心に回転駆動するように構成されている。また、駆動モータの駆動軸にエンコーダ等が設けられ、操作部の相対的な位置変位量が検出される。
しかしながら、この構成を用いる場合、可動する操作部の重量が増加し、入力装置全体が大型化しやすい。また、回転機構の軸受けには、軸受けギャップによるラトルノイズや軸方向の遊びが発生し、異音発生や機械的、構造的な不良を誘発する原因となりえる。
また、可動部と駆動モータに介在するギア等の伝達機構においては、バックラッシュを設ける必要がある。このため、磨耗等により隙間が増大し、操作部の位置精度の低下、機械振動や騒音の発生および装置の寿命を低下させる原因となりえる。
さらに、ステアリングに多軸の入力操作部を設ける場合、ステアリングの回転に伴い、入力操作部の軸も回転するため、操作すべき方向が変化し、ドライバーに混乱を与え得る。
特許文献１から４に開示された技術にはこのような課題が存在し得る。本願発明者はこのような課題に鑑み、新規な入出力操作装置を想到した。
本開示の入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、内部に位置する凹状接触面および凸状球面の一方とを有し、互いに直交する２軸に独立して自在に回転可能な可動ユニット、前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方が遊嵌する前記凹状接触面および凸状球面の他方を有し、前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方と前記凹状接触面および凸状球面の他方とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットおよび前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを駆動する駆動部を含むアクチュエータと、前記操作部の位置に対応する位置信号を出力する検出回路部と、前記駆動部を制御する駆動回路部と、前記駆動回路部を制御する制御演算処理部と、前記アクチュエータが搭載され、回転軸を中心に回転する回転体とを備え、前記制御演算処理部は、前記回転体の異なる回転角度において、前記回転体の基準回転角に対して静止した座標系を用い、前記操作部の駆動を制御する。
前記２軸は、原点が前記凸状球面の球心に設けられたＸ軸および前記Ｘ軸と直交するＹ軸であり、前記固定ユニットは、少なくとも１つの磁性体を有し、前記可動ユニットは、少なくとも１つの吸着用磁石を有し、前記少なくとも１つの吸着用磁石と前記少なくとも１つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記凸状球面の球心を中心として自在に回転し、前記駆動部は、前記可動ユニットを、前記球心を通る前記Ｘ軸を中心に回転させる第１の駆動部と、前記可動ユニットを、前記Ｘ軸を含む平面内で前記Ｙ軸を中心に回転させる第２の駆動部とを有し、前記検出回路部は、前記可動ユニットの前記Ｘ軸回りの第１の回転角度および前記Ｙ軸回りの第２の回転角度に対応する第１および第２の回転角度信号を生成し、前記制御演算処理部は、前記Ｘ軸回りの回転角に対応する第１の目標回転信号および前記Ｙ軸回りの回転角に対応する第２の目標回転角度信号を生成してもよい。
前記静止した座標系の原点は、前記凸状球面の球心に対応していてもよい。
前記制御演算処理部は、前記第１、第２の回転角度信号に基づき前記操作部の可動範囲領域に相当する２次元座標系における前記操作部の現位置座標を生成し、目標位置座標と前記現位置座標の差分を用いた位置フィードバック制御に基づく前記第１、第２の目標回転角度信号を生成してもよい。
前記駆動部は、前記可動ユニットを、前記球心を通り、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸と直交するＺ軸を中心に回転させる第３の駆動部をさらに有し、前記検出回路部は、前記可動ユニットの前記Ｚ軸回りの第３の回転角度に対応する第３の回転角度信号を生成し、前記制御演算処理部は、所定の駆動波形パターンを有する駆動信号を生成し、前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第３の駆動部を駆動する信号を生成し、前記第３の駆動部により前記可動ユニットは前記Ｚ軸回りの方向へ振動駆動してもよい。
前記所定の駆動波形パターンは、可聴領域の周波数成分を有する振動波形を含んでいてもよい。
前記可動ユニットは前記凹状接触面を有し、前記固定ユニットは前記凸状球面を有していてもよい。
前記可動ユニットは前記凸状球面を有し、前記固定ユニットは前記凹状接触面を有していてもよい。
前記凹状接触面は円錐面であってもよい。
前記可動ユニットの前記凹状接触面は円錐状の表面を有していてもよい。
前記固定ユニットは、ベースと、前記凹状接触面および凸状球面の他方を前記ベースに対して固定する連結棒とをさらに有し、前記可動ユニットは、前記連結棒が挿入される開口部を有し、前記開口部と前記連結棒とが接触することにより、前記可動ユニットの回転角度が制限されていてもよい。
入出力操作装置は、前記固定ユニットに設けられ、前記可動ユニットが前記固定ユニットから脱落しないように前記可動ユニットの移動を制限する規制面を有する脱落防止部材をさらに備え、前記規制面は、前記球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有していてもよい。
前記第１の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第１の駆動磁石と、前記１対の第１の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットのベースにそれぞれ配置された１対の第１の磁気ヨークと、前記１対の第１の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第１の駆動コイルとを含み、前記第２の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第２の駆動磁石と、前記１対の第２の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットのベースにそれぞれ配置された１対の第２の磁気ヨークと、前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第２の駆動コイルとを含み、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第１の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通る直線上に設けられ、前記１対の第２の駆動磁石および前記第２の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通り、前記直線と直交する他の直線上に設けられ、各第１の駆動磁石、第１の駆動コイル、第２の駆動磁石および第２の駆動コイルの前記Ｚ軸方向における中心の位置は、前記凸状球面の前記球心の位置とほぼ一致していてもよい。
前記第３の駆動部は、前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第３の駆動コイルを含み、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石を第３の駆動磁石として用いてもよい。
前記駆動部は、前記可動ユニットの前記球心側に設けられ、前記１対の第１の駆動磁石の一方と前記一対の第２の駆動磁石の一方とを連結し、前記１対の第１の駆動磁石の他方と前記一対の第２の駆動磁石他方とを連結する一対の磁気バックヨークをさらに有していてもよい。
前記可動ユニットが中立の位置にある状態において、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石は、前記Ｚ軸に垂直である前記球心を通る水平面に対して下向きに、４５度以下の回転角度Ａをなすように配置されており、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石に対向するように前記第１の駆動コイルと前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の駆動コイルとに１対の第２の磁気ヨークを前記固定ユニットに回転して配置されていてもよい。
前記回転角度Ａが１５度以上２５度以下であってもよい。
前記１対の第１の駆動磁石、前記１対の第２の駆動磁石は、それぞれ、前記可動ユニットの内側に位置しており、前記可動ユニットの外形面において露出していなくてもよい。
前記１対の第１の駆動コイル、前記１対の第２の駆動コイルおよび前記第３の駆動コイルは、それぞれ、前記固定ユニットの内側に設けられ、前記固定ユニットの外形面において露出していなくてもよい。
前記可動ユニットの重心は前記球心と一致していてもよい。
第１の検出部および第２の検出部を含む検出器をさらに備え、前記第１の検出部は、前記固定ユニットに固定された第１の磁気センサーと、前記可動ユニットに設けられた傾斜角検出用磁石とを含み、前記第１の磁気センサーは、前記傾斜角検出用磁石の回転による磁力変化を検出し、前記Ｘ軸、Ｙ軸回りの２次元の回転角度を算出してもよい。
前記第１の磁気センサーおよび前記傾斜角検出用磁石は、前記Ｚ軸上において互いに対向していてもよい。
前記傾斜角検出用磁石に対向しており、前記Ｚ軸上に配置され、前記固定ユニットに固定された磁気バイアス用磁石を備えていてもよい。
前記磁気バイアス用磁石は、前記可動ユニットを中立の位置に復帰させる磁気バネの機能を有していてもよい。
第１の検出部および第２の検出部を含む検出器をさらに備え、前記第１の検出部は、前記固定ユニットに固定された光センサーと、前記可動ユニットの外側面であって、前記光センサーに対応する位置に設けられた光検出パターンとを含み、前記光センサーは、前記光検出パターンの回転による前記光センサーに入射する光の変化を検出し、前記操作部の前記Ｘ軸、Ｙ軸回りの２次元の回転角度を算出してもよい。
前記光センサーおよび前記光検出パターンは、前記Ｚ軸上に位置していてもよい。
前記可動ユニットが中立の位置にあるとき、前記Ｚ軸に直交する平面において、前記１の磁気センサーは、それぞれ、前記１対の第１の駆動磁石を結ぶ直線および前記１対の第２の駆動磁石を結ぶ直線に対して４５度の角度をなす直線上に配置されていてもよい。
前記検出回路部は、前記可動ユニットにおいて前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の回転検出用磁石と、前記固定ユニットに固定され、前記１対の回転検出用磁石のそれぞれに対して、対峙するように固定された１対の第２の磁気センサーとを含み、前記１対の第２の磁気センサーは、前記１対の回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出して、前記操作部の回転角度を算出してもよい。
前記１対の回転検出用磁石は、前記Ｚ軸に直交する平面において、前記球心を通る直線に平行であり互いに逆向き方向に２極分割着磁された磁石から構成されていてもよい。
前記脱落防止部材の前記規制面と前記可動ユニットの外形面との間に空隙が設けられており、前記可動ユニットの前記前記凹状接触面および凸状球面の一方が前記固定ユニットの前記前記凹状接触面および凸状球面の他方から離間しても、前記磁気吸引力によって、点または線接触の状態に復帰するように前記空隙は決定されていてもよい。
前記可動ユニットの周囲を取り囲むように、前記固定ユニットの上部に設けられたリング状のスイッチ部材を更に備えていてもよい。
本開示の入出力操作装置によれば、２軸もしくは３軸の操作軸を有し、２次元もしくは３次元の操作方向を可能とする入出力操作部をステアリングに搭載することにより、ステアリングの操作回転角度に応じて入出力操作部の操作方向の座標を変換させることで、ステアリングの中立位置における水平軸とそれと直交する鉛直軸とからなる絶対座標に対して操作方向を常に一定保持することができる。
その結果、ステアリングの操作回転角度に依存することなく入出力操作部の操作方向を、たとえば水平方向と鉛直方向に固定させることができ、ステアリングを回転操作中の運転者に対して、入出力操作部の操作方向の判別認識を極めて単純化でき、入出力操作部への視線移動頻度を大幅に低下させることができる。
さらに入出力操作部は、手指に接触する表面を有する操作部の中心軸の延長上に、固定部に設けた凸状球面の球心と、凸状球面に接触するように可動部に設けられた円錐状の凹状接触面の中心軸を配し、かつ２つに分割された可動部を凸状球面を中心に包み込むように接合させる可動部構成をとることにより、操作部を搭載する可動部の重心支持を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。
さらに可動部の回動角度に影響しない磁気吸引力で、固定部の凸状球面と可動部の凹状接触面とからなるピポッド構成において一定の垂直抗力を付加することにより、回動角度に対する摩擦負荷変動を低減し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。
さらに従来、磁気吸引力による支持構成で特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動部の脱落防止に関しては、可動部が回動可能な所定の空隙を介して固定部に脱落防止規制面を設けることにより装置の大型化を回避しながら確実に可動部の脱落防止を実現できる。
さらに凹状接触面を凸状球面より空隙の距離を係脱させた状態においても、磁気吸引力により凹状接触面が凸状球面側に移動し接触復帰できる距離の空隙を設けることにより、たとえ可動部が瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて安全な入出力操作装置を提供できる。
さらにＸ軸、Ｙ軸回りの回転傾斜駆動手段およびローリング方向のローリング駆動手段は、Ｚ軸を中心とする円周状に配置された互いに直交する２対の可動部に固定された駆動磁石と、駆動磁石に対向するよう固定部にそれぞれ配設された２対の駆動コイルと磁気ヨークからなり、かつＺ軸方向の配設される高さ位置は凸状球面の球心の高さ位置にほぼ等しくすることで可動部の重心駆動を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。
さらに駆動磁石に対向する磁気ヨークの投影面積をほぼ等しくすることで、可動部の回転傾斜角度および回転角度が０度の場合に、磁気ヨークと駆動磁石との磁気バネによる可動部の中立点を保持することができる。
さらに良好な周波数応答特性と高い回転傾斜角度分解能を実現できる入出力操作部であることから、指先による可動ユニットの動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック入力やスワイプ入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。
凹状接触面もしくは凸状球面の表層部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性の優れた支持構成を実現できる。
円錐状の凹状接触面と凹状接触面に遊嵌する凸状球面とで構成されたピボット構成の空間に振動減衰用の粘性部材もしくは磁性流体を充填することにより、可動部に搭載される駆動磁石と固定部に設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力の磁気バネ効果による振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。
以上のように本発明は、Ｘ軸とＹ軸回りに±２５度以上の大きな回転傾斜駆動と±５度以上のローリング駆動を可能とするピボット支持系を原点に配置させることにより、２００Hz程度までの広帯域の周波数領域で操作部の良好な入出力制御を実現できる。その結果、操作部のＸ、Ｙ、Ｚ軸の３軸マルチ高速操作を実現できるとともに、従来にない新しい触力覚を操作者に感じさせることができる入出力操作装置を提供する。
さらに、Ｘ軸とＹ軸からなる操作部の駆動２次元座標は、磁気センサーの座標出力で電気的に構成されているため、ステアリングの操作回転角度を検出することで、ステアリングの操作回転角度を相殺するよう駆動目標である２次元座標を補正することが可能となる。
このように、ステアリングの操作回転角度に依存することなく入出力操作部の操作方向を水平・鉛直方向に一定保持させることができることで、運転者の操作方向の判断認識を単純化できるとともに、触力覚を実現できる入出力操作部により、運転者はブラインドタッチが可能となる。
その結果、走行中における運転者の視線移動を極力抑えることが可能となる安全・安心の入出力操作装置を提供できる。
（実施形態）
以下、本発明による入出力操作装置の実施形態を説明する。
図１８は、ステアリング５５０に搭載された、本実施形態の入出力操作装置７５０（図１６）を模式的に示している。
ステアリング５５０は、回転軸を中心に回転する回転体の一例であり、例えば、車両等のハンドルである。ステアリング５５０はリム５５１と、ハブ５５２とを備える。ハブ５５２は、リム５５１と接続されており、回転軸５５３を有する。運転者がリム５５１を手で握り、回転軸５５３の回りにリム５５１を回転させることによって、ステアリング５５０の回転が、回転軸５５３の位置に設けられるステアリングコラムなどに伝達される。回転軸５５３に設けられる回転センサーなどによって、ステアリング５５０の回転を検出してもよい。
入出力操作装置７５０は、ステアリング５５０のハブに設けられたアクチュエータ１６５を備える。以下、まずアクチュエータ１６５を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態である入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５を示す分解斜視図であり、図２は、本発明の実施形態である可動ユニット１８０の分解斜視図である。
図３Ａ、図３Ｂは、可動ユニット１８０の磁気バックヨーク６７０を示す斜視図である。図４Ａは、アクチュエータ１６５を斜め上方から見た斜視図である。図４Ｂは、一部の構成要素である脱落防止部材２０１を取り除いた状態にあるアクチュエータ１６５を斜め上方から見た斜視図である。図４Ｃは、一部の構成要素である脱落防止部材２０１を斜め上方から見た斜視図である。図５Ａは、Ｚ軸１０方向から見た上面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す直線１３の方向から見た平面図である。図６は、操作部８５０と上部可動部１５０を排除したアクチュエータ１６５の斜視図である。図７は、上方から見た固定ユニットの斜視図である。図８Ａは、固定ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。図８Ｂは、固定ユニットに搭載される一つの駆動手段の構成を示す分解斜視図である。図９Ａ、図９Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と回転軸１１を含む平面での断面図である。図１０Ａ、図１０Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と回転軸１２を含む平面での断面図である。図１１Ａ、図１１Ｂは、アクチュエータ１６５の上面図およびＺ軸１０と直線１３を含む平面での断面図である。図１２は、回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における上方から見た脱落防止部材２０１を排除した斜視図である。図１３Ａ、図１３Ｂは、アクチュエータ１６５の脱落防止部材２０１を排除した上面図および回転方向２０と回転方向２１に同角度ずつ回転した合成角度θｘｙに回転させた状態における脱落防止部材２０１を排除したＺ軸１０と直線１４を含む平面での断面図である。図１４Ａ、図１４Ｂは、固定ユニットの上面図およびＺ軸１０と回転軸１１を含む平面での断面図である。図１５は、アクチュエータ１６５のセンサー基板５０２をＺ軸１０の上方から見た上面図である。図１６は、本発明の実施形態の入出力操作装置７５０の全体構成図である。図１７は、本発明の実施形態の入出力操作装置７５０の構成を示す詳細なブロック図である。
入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５は、操作部８５０と、操作部８５０を搭載する可動ユニット１８０と、可動ユニット１８０を支持する固定ユニットとを備える。
可動ユニット１８０は、固定ユニットに対して、Ｚ軸１０を中心に回転する回転方向２２、Ｚ軸１０に直交し、球心７０を通る回転軸（Ｘ軸）１１を中心に回転する回転方向２１およびＺ軸１０に直交し球心７０を通る回転軸（Ｙ軸）１２を中心に回転する回転方向２０に、互いに独立して自在に回転する。回転軸１１と回転軸１２とは互いに直交している。このために、アクチュエータ１６５は、固定ユニットに対して可動ユニット１８０を駆動する駆動部を備える。具体的には、駆動部は、可動ユニット１８０を回転方向２０および回転方向２１へ回転（傾斜）させるための第１の駆動部および第２の駆動部と、固定ユニットに対して操作部８５０を回転方向２２に回転させる第３の駆動部とを含む。各駆動部は、駆動磁石と、駆動コイルおよび磁気ヨークとの組み合わせを含む。例えば、駆動磁石は可動ユニット１８０に設けられ、駆動コイルおよび磁気ヨークは固定ユニットに設けられる。
第１の駆動部は、１対の駆動磁石４０１と、１対の駆動コイル３０１と、磁性体からなる１対の磁気ヨーク２０３とを含む。さらに１対の駆動コイル３０１の内側には、後述するＺ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動する第３の駆動部である１対の駆動コイル３０３が巻回されている。駆動磁石４０１と磁気ヨーク２０３は、球心７０を中心とする円周曲面を２側面に有した部分的な円管形状を有する。
第２の駆動部は、１対の駆動磁石４０２と、１対の駆動コイル３０２と、磁性体からなる１対の磁気ヨーク２０４とを含む。さらに１対の駆動コイル３０２の内側には、後述するＺ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動する第３の駆動部である１対の駆動コイル３０３が巻回されている。駆動磁石４０２と磁気ヨーク２０４も、球心７０を中心とする円周曲面を２側面に有した部分的な円管形状である。
第１、第２および第３の駆動部による可動ユニット１８０の駆動については以下において詳細に説明する。
アクチュエータ１６５は、操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０の、固定ユニットに対する回転角度およびのＺ軸１０回りの回転角度を検出するための検出器を備える。具体的には、可動ユニット１８０の２次元の回転（傾斜）角度、つまり、回転方向２０および回転方向２１の回転角度を検出するための第１の検出部と、回転方向２２の傾斜角度を検出するための第２の検出部とを備える。第２の検出部は図示しないが、Ｚ軸１０に直交する平面内で球心７０を中心に可動ユニット１８０の両端に配置された１対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース２００に配置された一対の磁気センサーから構成される。しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第１の検出部においても十分検出が可能となり、第２の検出部は不要となる。
第１の検出部は、可動ユニット１８０の底部に搭載された傾斜角検出用磁石４０６と、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で回転軸１１、１２と直交する直線１３に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０１ａと５０１ｂと、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で直線１３に直交する直線１４に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０３ａと５０３ｂとから構成される。磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと５０３ａ、５０３ｂは、センサー基板５０２に搭載され、傾斜角検出用磁石４０６と所定の空隙を隔ててコイルバネ６００を介しベース２００に固定されている。第１の検出部については、以下において詳細に説明する。
固定ユニットはベース２００を含む。ベース２００は、可動ユニット１８０の少なくとも一部が遊嵌する凹部を有する。本実施形態では、凹部の内側面は凹状球面２００Ａによって構成されている。ベース２００は、さらに開口部２００Ｐ、２００Ｔと、接触面２００Ｂとを有する。
図１に示すように、アクチュエータ１６５は、可動ユニット１８０を回転方向２２に回転させるため、１対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４と、それらを巻回する４個の駆動コイル３０３と、１対の駆動磁石４０１および１対の駆動磁石４０２を用いる。
図１、図８Ａおよび図８Ｂに示すように駆動コイル３０３は、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４にそれぞれ駆動コイル３０１および駆動コイル３０２のコイル巻回方向に対して直交するように内側に積層され巻回された十字巻き構成を有し、それぞれベース２００の開口部２００Ｐ、２００Ｔに挿入固定される。具体的には、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４に駆動コイル３０３を巻回した後、一対の磁気ヨーク２０３および１対の磁気ヨーク２０４の両側面に磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒを固定し、その後に一対の駆動コイル３０１および３０２を全体に巻回する。さらに磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの底部をベース２００の取付け面２００Ｓに固定することで固定ユニットに駆動部が装着される。
好ましくは、ベース２００を含む固定ユニットは樹脂によって構成されている。さらに好ましくは、ベース２００を含む固定ユニットは、１対の磁気ヨーク２０３に巻回された駆動コイル３０１と駆動コイル３０３、１対の磁気ヨーク２０４に巻回された駆動コイル３０２と駆動コイル３０３とで一体成型されている。また、これらの磁気ヨークに巻回された駆動コイルは、ベース２００の内側面、つまり、凹状球面２００Ａにおいて露出していないことが好ましい。
可動ユニット１８０は上部可動部１５０と下部可動部１０２とを含む。操作部８５０を内蔵する上部可動部１５０は下部可動部１０２に固定される。操作部８５０は、可動ユニット１８０において、Ｚ軸１０上に位置している。操作部８５０は概ね凸形状を有し、凸形状の中心（もっとも突出している部分）はＺ軸１０と一致している。可動ユニット１８０には、カメラや発光素子などは設けられていない。
下部可動部１０２は、一対の開口部１０２Ｗを有する壺形状を備える。下部可動部１０２は、球心７０を球心とする凸状球面１０２Ｒを外形に有する。
凸状球面１０２Ｒは、下部可動部１０２の外側全体を覆っている。より具体的には、下部可動部１０２は、後述する球心７０を球心とする凸状球面部６５１をベース２００に連結固定する連結棒６５０を挿入可能な一対の開口部１０２Ｗを有している。開口部１０２Ｗは、可動ユニット１８０が、Ｚ軸１０、回転軸１１および回転軸１２回りに、あらかじめ設定された角度範囲で回転した場合に連結棒６５０が下部可動部１０２に接触することがないような位置および大きさで下部可動部１０２に設けられている。さらに、開口部１０２Ｗは、可動ユニット１８０の回転方向２２のストッパーとして用いられる。したがって、開口部１０２Ｗ以外の部分の表面が凸状球面１０２Ｒを構成している。
凸状球面６５１ａと凸状球面１０２Ｒの球心７０は、下部可動部１０２の中心に位置しており、操作部８５０の下部に位置している。
可動ユニット１８０には、傾斜角検出用磁石４０６と１対の駆動磁石４０１と、１対の駆動磁石４０２とが設けられる。凸状球面１０２Ｒに露出することがないよう、搭載する検出用磁石や駆動磁石は開口部１０２Ｈから下部可動部１０２の内側に配置されることが好ましい。下部可動部１０２は、好ましくは樹脂によって構成され、下部可動部１０２と傾斜角検出用磁石４０６と１対の駆動磁石４０１と１対の駆動磁石４０２とが一体的に成型されている。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、駆動部は駆動磁石４０１および駆動磁石４０２よりも球心７０側に位置し、可動ユニット１８０に設けられた１対の磁気バックヨーク６７０を含む。磁気バックヨーク６７０の１つは、駆動磁石４０１の１つおよび駆動磁石４０２の１つを磁気的に結合している。また、磁気バックヨーク６７０の他の１つは、駆動磁石４０１の他の１つおよび駆動磁石４０２の他の１つを磁気的に結合している。
図９Ｂ、図１０Ｂに示すように、ベース２００の内側に設けられている磁気ヨーク２０３および磁気ヨーク２０４は磁性体からなる。このため、それぞれに対向するように下部可動部１０２の内側に設けられた駆動磁石４０１および駆動磁石４０２は吸着用磁石として機能し、磁気ヨークと駆動磁石との間にそれぞれ磁気吸引力が発生する。具体的には、磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１とに磁気吸引力Ｆ１が、磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２とに磁気吸引力Ｆ１が発生する。実際には磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１の中心線１８および磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２の中心線１９は、それぞれ直線１１、直線１２に対して下向きの傾斜角度θｄで構成されている。傾斜角度θｄは１５度〜２５度程度が好ましい。
上部可動部１５０は、下部可動部１０２の壺形状の開口と対応する開口を有する壺形状を備える。下部可動部１０２は、球心７０を球心とする凸状球面１０２Ｒを外形に有する。また、上部可動部１５０の壺形状の内部に、凹状接触面８６０ａを含む凹状部材８６０が設けられている。本実施形態では、凹状接触面８６０ａは円錐面である。凹状接触面８６０ａは、下部可動部１０２に対向しており、固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａに接触する。凹状接触面８６０ａが円錐面である場合、凸状球面６５１ａとは線接触する。これにより、可動ユニット１８０は固定ユニットに対して遊嵌される。
図９Ｂに示すように、磁気吸引力Ｆ１は、固定ユニットの凸状球面部６５１の凹状部材８６０に対する垂直抗力となる。また、磁気吸引力Ｆ１は、Ｚ軸１０方向の合成ベクトルである磁気吸引力Ｆ２となる。この力のバランスは、いわゆる『ヤジロベエ』の力学構成に良く似ている。このため、可動ユニット１８０は、非常に安定して３軸方向に回転し得る。具体的には、可動ユニット１８０は球心７０近傍において固定ユニットにピボット支持される。この支持は、極めて安定であり、摩擦抵抗が小さい。よって、極めて優れた動特性を実現できる。つまり、Ｚ軸１０、回転軸１１、回転軸１２を中心とする、可動ユニット１８０の回転方向２２、２１、２０への回転が可能となる。
特に、可動ユニット１８０が、上部可動部１５０および下部可動部１０２からなる球体形状を備えているため、球心７０を、可動ユニット１８０の中心かつ重心の位置と一致させることができる。このため、可動ユニット１８０は、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に、いずれもほぼ等しいモーメントで回転し得る。その結果、可動ユニット１８０が、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２にどのように回転した状態であっても、常にほぼ同じ駆動力でさらに回転させることが可能であり、可動ユニット１８０を常に高い精度で駆動させることが可能となる。
また、球心７０、つまり、可動ユニット１８０の回転中心と、可動ユニット１８０の重心とが一致するため、可動ユニット１８０が回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に回転するモーメントは非常に小さい。このため、小さな駆動力で可動ユニット１８０を中立状態に維持したり、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２に回転させたりすることができる。よって、入出力操作装置７５０におけるアクチュエータ１６５の消費電力を低減させることができる。特に可動ユニット１８０を中立状態で維持するための必要な駆動電流をほとんどゼロにすることも可能である。
このように、本実施形態によれば、操作部８５０を搭載する可動ユニット１８０は、重心位置である球心７０において集中的に支持される。従って、摩擦による負荷の低減や駆動周波数領域における機械的共振を大幅に抑圧することができる。
また、駆動磁石４０１および駆動磁石４０２は、部分円周曲面を有するため、回転角度の大小に影響されることなく、一定の磁気吸引力Ｆ２を発生させることができ、固定ユニットの凸状球面部６５１と凹状部材８６０との垂直抗力も一定となる。その結果、回転角度による摩擦負荷の変動を抑制し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。
また凸状球面部６５１もしくは凹状部材８６０を摺動性が優れた樹脂部材により構成すれば、接触する凹状接触面８６０ａと凸状球面６５１ａの摩擦をさらに低減させることが可能であり、耐摩耗性に優れた支持構造を実現できる。
アクチュエータ１６５は、好ましくは、可動ユニット１８０が固定ユニットから脱落しないように可動ユニット１８０の移動を制限する脱落防止部材２０１を含む（図１、図４Ａ、図４Ｃ）。脱落防止部材２０１は、脱落防止用規制面２０１Ａを有し、可動ユニット１８０が固定ユニットから離れるように移動した場合、可動ユニット１８０の上部可動部１５０と脱落防止用規制面２０１Ａとが当接することによって可動ユニット１８０の移動を制限する（図４Ａ）。
上部可動部１５０が球心７０に対して全可動範囲で自在に回動可能になるように、所定の空隙（図示せず）が上部可動部１５０の凸状球面１５０Ｒと脱落防止部材２０１の脱落防止用規制面２０１Ａとの間に設けられている。
好ましくは、脱落防止用規制面２０１Ａは、球心７０と一致した中心を有する凹状部分球面を有する。脱落防止部材２０１はベース２００の接触面２００Ｂに固定されている。凸状球面１５０Ｒと脱落防止用規制面２０１Ａとの間には、凹状部材８６０の凹状接触面８６０ａが固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａに接触した状態で空隙を設けている。この空隙は、凹状接触面８６０ａが凸状球面６５１ａから離間しても、磁気吸引力Ｆ１により凹状接触面８６０ａと凸状球面６５１ａが接触する状態へ戻ることが可能な距離に設定されている。つまり、可動ユニット１８０が上方へ空隙に等しい距離だけ移動し、脱落防止用規制面２０１Ａと凸状球面１５０Ｒとが接触した状態においても、磁気吸引力Ｆ１により可動ユニット１８０は、凹状接触面８６０ａと凸状球面６５１ａが接触する元の状態へ戻ることができる。このため、本実施形態によれば、たとえ可動ユニット１８０が瞬間的に所定の位置から脱落した場合においても磁気吸引力Ｆ１により、即座に元の良好な支持状態に復帰することのできる耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。
次に、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０を駆動するための構造を詳細に説明する。
図２に示すように、下部可動部１０２には、可動ユニット１８０を回転方向２０に回転駆動するために、１対の駆動磁石４０１がＺ軸１０に対して対称に配置され、可動ユニット１８０を回転方向２１に回転駆動するために、１対の駆動磁石４０２がＺ軸１０に対して対称に配置されている。固定ユニットに設けられる構成要素について、『Ｚ軸１０に対して対称』とは、可動ユニット１８０が中立状態、つまり可動ユニット１８０が固定ユニットに対して回転してない状態におけるＺ軸１０を基準としている。
駆動磁石４０１は、回転軸１１の方向に磁束を有するように１極に着磁されており、同様に駆動磁石４０２は、回転軸１２の方向に磁束を有するように１極に着磁されている。
図１、図９Ｂ、図１０Ｂに示し、上述したように、１対の磁気ヨーク２０３および磁気ヨーク２０４が、１対の駆動磁石４０１および１対の駆動磁石４０２にそれぞれ対向するように、Ｚ軸１０を中心としたベース２００の円周上にそれぞれ設けられている。
図１、図８Ａに示すように、回転軸１１の方向にベース２００に配置された１対の磁気ヨーク２０３のそれぞれには、磁気ヨーク２０３を巻回する駆動コイル３０３が設けられ、さらに駆動コイル３０３の外側に駆動コイル３０３の巻回方向と直交するように４分割された駆動コイル３０１が設けられている。駆動コイル３０１が４分割されているのは、磁気ヨーク２０３が円周曲面を有することに起因する。
同様に回転軸１１に直交する回転軸１２方向に配置された１対の磁気ヨーク２０４のそれぞれには、磁気ヨーク２０４を巻回する駆動コイル３０３と駆動コイル３０３の外側に駆動コイル３０３の巻回方向と直交するように駆動コイル３０２が設けられている。
言い換えれば、Ｚ軸１０を中心とする円周上に、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２の駆動部がそれぞれ独立に分散して配置されている。
このような構造によれば、図９Ｂ、図１０Ｂに示すように磁気ヨーク２０３と駆動磁石４０１との間の磁気ギャップ、磁気ヨーク２０４と駆動磁石４０２との間の磁気ギャップを均等に設けることができる。このため、それぞれの磁束密度を均等に向上させることができ、回転方向２０、回転方向２１および回転方向２２への駆動効率が大幅に改善される。
次に、各駆動部のＺ軸１０方向の高さ位置を説明する。
図１４Ｂに示すように、直線３６、３７は、ベース２００に固定される磁気ヨーク２０３の球心７０を通る円周曲面の中心軸（図示せず）と垂直である。また、直線３６、３７は、中立状態にある可動ユニットの駆動磁石４０１の球心７０を通る円周曲面の中心軸（図示せず）と垂直である。直線３６、３７は、直線１１に対して、下方に４５度以下の傾斜角度θｐをなしている。図示しないが、ベース２００に固定される磁気ヨーク２０４、駆動磁石４０２も同様の構成である。このように、一対の駆動磁石４０１、４０２と一対の磁気ヨーク２０３、２０４は、球心７０を含む水平面に対して下向きに４５度以下の傾斜角度θｐを傾斜したＺ軸１０を中心とした４枚の花びらのような構成をなしている。具体的には、図１４Ａ、図１４Ｂに示したように、一対の磁気ヨーク２０３のそれぞれは、両側面において磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒに挟まれており、磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒの底部がベース２００の開口部２００Ｐに挿入される。これによって、磁気ヨーク２０３が、取付け面２００Ｓに固定される。
同様に一対の磁気ヨーク２０４のそれぞれは、両側面において、磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒに挟まれており、磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの底部がベース２００の開口部２００Ｔに挿入される、これにより、磁気ヨーク２０４が、取付け面２００Ｓに固定される。
上述したように、傾斜角度θｐを４５度以下に設定することにより、固定ユニットの高さを小さくし、装置の省スペースと低背化を実現できる。好ましくは、回転傾斜角度θｐおよび回転傾斜角度θｒ、は１５度から２５度程度であり、より好ましくは、例えば、２０度である。
１対の駆動コイル３０１に通電することにより、１対の駆動磁石４０１は偶力の電磁力を受け、下部可動部１０２、つまり可動ユニット１８０は、Ｙ軸方向回転軸１２を中心に回転方向２０に回転駆動される。同様に、１対の駆動コイル３０２に通電することにより、１対の駆動磁石４０２は偶力の電磁力を受け、可動ユニット１８０は、Ｘ軸方向回転軸１１を中心に回転方向２１に回転駆動される。
さらに駆動コイル３０１および駆動コイル３０２に同時に通電することにより、操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０を２次元的に回転させることができる。
図１２および図１３Ａ、図１３Ｂは、駆動コイル３０１および駆動コイル３０２に同時に同等の電流を通電することにより、回転方向２０および回転方向２１に同角度ずつ回転し、結果として回転方向２０と回転方向２１と４５度をなす直線１３方向に合成角度θｘｙに回転した状態を示したものである。
また４つの駆動コイル３０３に通電することにより、可動ユニット１８０は同回転方向の電磁力を受け、可動ユニット１８０は、Ｚ軸１０を中心に回転方向２２に回転駆動される。
さらに合成角度θｘｙに回転した状態において、４つの駆動コイル３０３に通電すれば、可動ユニット１８０は直線３２を中心に回転方向２３に回転駆動される。
このように、本実施形態は、可動ユニット１８０に駆動磁石４０１、駆動磁石４０２を設けたムービングマグネット駆動方式を採用している。この構成では、一般的に可動ユニット１８０の重量が増大するという問題が考えられる。しかし、この構成によれば、可動ユニット１８０への駆動用配線の懸架は不必要となる。
また、可動ユニット１８０の重心と可動ユニット１８０の回動中心点が球心７０に一致しているため、駆動磁石を搭載することにより重量が増大しても、可動ユニット１８０の回転モーメントは、大きく増大しない。このため、本実施形態によれば、重量の増大による課題を抑制しつつ、ムービングマグネット駆動方式による利点を享受できる。
可動ユニット１８０のＺ軸１０を中心とする回転方向２２の回転角度は、下部可動部１０２に設けられた一対の開口部１０２Ｗとベース２００に固定された連結棒６５０との接触によって制限される。一対の開口部１０２Ｗに連結棒６５０が挿入されているため、開口部１０２Ｗが規定する開口の範囲で、連結棒６５０が開口部１０２Ｗを規定する壁と接触することなく可動ユニット１８０がＺ軸１０を中心として回転する。開口の範囲を超えて、可動ユニット１８０が回転しようとすると、連結棒６５０と一対の開口部１０２Ｗを規定する壁が接触するため、それ以上可動ユニット１８０は回転できない。
ムービングマグネット駆動方式においては、駆動コイル３０１、駆動コイル３０２、駆動コイル３０３の発熱を磁気ヨーク２０３と磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒおよび磁気ヨーク２０４と磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒを介してベース２００によって冷却できるという大きな利点がある。さらに、回転方向２０および回転方向２１への回転角度を２０度以上に設計する上では、可動ユニット１８０を小型化、軽量化できる点で有利である。一方、ムービングコイル駆動方式では駆動コイルがあまりにも肥大化し、可動ユニット１８０の重量が増加する可能性がある。
このように、本実施形態によれば、可動ユニット１８０の操作部８５０、上部可動部１５０、下部可動部１０２、傾斜角検出用磁石４０６と固定ユニットに設けられたれた脱落防止用規制面２０１Ａ、ベース２００に設けられた２対の回転用駆動部の中心軸が、すべて支持中心であり駆動中心でもある球心７０を通るように構成されている。
従って、可動ユニット１８０の重心が球心７０と一致し、可動ユニット１８０を重心で支持するとともに、重心を通り互いに直交する３軸回りの回転駆動を実現することができる。また、可動ユニット１８０の脱落を防止することができる。
入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５は、可動ユニット１８０の振幅増大係数（Ｑ値）を低減するため、粘性部材（図示せず）を備えていてもよい。この場合、図９Ｂ、図１０Ｂに示すように、上部可動部１５０に搭載している凹状部材８６０の凹状接触面８６０ａと固定ユニットの凸状球面部６５１の凸状球面６５１ａとの間に粘性部材を設ける。これにより、可動ユニット１８０に設けられる駆動磁石４０１、駆動磁石４０２とベース２００に設けられた磁気ヨーク２０３、磁気ヨーク２０４との間において回転方向２０、２１の回転角度および回転方向２２の回転角度に対して発生する磁気吸引力変動の磁気バネ効果による振動の振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。
次に可動ユニット１８０の回転角度（傾き）の検出について説明する。
図１、図２、図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１５に示すように、アクチュエータ１６５は、固定ユニットに対する操作部８５０が搭載された可動ユニット１８０の回転角度およびＺ軸１０回りの回転角度を検出するための検出器を備える。
具体的には、可動ユニット１８０の２次元の回転角度、つまり、回転方向２０および回転方向２１の回転角度を検出するための第１の検出部と、回転方向２２の回転角度を検出するための第２の検出部とを備える。
第２の検出部は図示しないが、Ｚ軸１０に直交する平面内で球心７０を中心に可動ユニット１８０の両端に配置された１対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース２００に配置された一対の磁気センサーから構成される。
しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第１の検出部においても十分検出が可能となり、第２の検出部は不要となる。
第１の検出器は、可動ユニット１８０の底部に搭載された傾斜角検出用磁石４０６と、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で回転軸１１、１２と直交する直線１３に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０１ａと５０１ｂと、球心７０を通り、回転軸１１、１２を含む平面で直線１３に直交する直線１４に対して平行でＺ軸１０を中心に配置された一対の磁気センサー５０３ａと５０３ｂとから構成される。
図１５に示すように、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂは、センサー基板５０２に搭載され、傾斜角検出用磁石４０６と所定の空隙を隔ててコイルバネ６００を介しベース２００の底部に固定されている。
またセンサー基板５０２の中心位置には磁気バイアスを付与する磁気バイアス用磁石５０８が固定されている。磁気バイアス用磁石５０８は、図１０Ｂに示すように、可動ユニット１８０が中立にあるとき、Ｚ軸上において、傾斜角検出用磁石４０６と対向している。この磁気バイアス用磁石５０８は、可動ユニット１８０に固定された傾斜角検出用磁石４０６とで形成される磁気結合を強化することで、可動ユニット１８０が傾斜した場合における１対の駆動磁石４０１および１対の駆動磁石４０２による磁気漏れ込みの影響を低減することができる。さらに可動ユニット１８０が中立位置にある状態で傾斜角検出用磁石４０６との磁気結合が最大になる効果を利用して可動ユニット１８０を中立位置へ復帰させる磁気バネの作用も発生することができる。
次に、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における可動ユニット１８０の回転角度の検出について詳細に説明する。
センサー基板５０２は、３箇所でコイルバネ６００を介してベース２００に調節ネジ（図示せず）６０１で固定されており、３つの調節ネジ６０１をそれぞれ回転させることにより、傾斜角検出用磁石４０６と磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと５０３ａ、５０３ｂとの相対的な傾きと距離を変化させる。これにより、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂの傾き出力信号を最適に調整することが可能となる。
図１１Ｂおよび図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、駆動コイル３０１および駆動コイル３０２の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにするため、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂは直線１３に平行に配置され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂは直線１４に平行に配置されている。
直線１３に平行に配置されている磁気センサー５０１ａ、５０１ｂは、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における回転動作によって生じる傾斜角検出用磁石４０６の磁力変化を２軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー５０１ａと５０１ｂの検出出力を差動検出することで検出信号のＳ／Ｎを向上している。
また直線１４に平行に配置されている磁気センサー５０３ａ、５０３ｂは、可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１における回転動作によって生じる傾斜角検出用磁石４０６の磁力変化を２軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー５０３ａと５０３ｂの検出出力を差動検出することで検出信号のＳ／Ｎを向上している。
さらに本実施形態のように入出力操作装置７５０が回転方向２２の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、磁気センサー５０１ａと５０３ｂとの差動検出と磁気センサー５０１ｂと５０３ａとの差動検出により、回転方向２２の回転方向の正逆検知が可能となる。
このように、本実施形態によれば、傾斜角検出用磁石４０６と球心７０との間隔を短くすることで、回転角度に対して傾斜角検出用磁石４０６の移動を小さくできる。よって磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂの配置投影面積を小さくすることができる。
なお、本実施形態では、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂと傾斜角検出用磁石４０６とを含んでいたが、他の構成によって検出器を構成してもよい。例えば、Ｚ軸１０上において、固定ユニットに設けられた光センサーと、可動ユニット１８０の外側面（凸状球面１０２Ｒ）であって、光センサーに対応した位置に設けられた光検出パターンとを含んでいてもよい。好ましくは、光センサーおよび光検出パターンは、図９Ｂに示すように、ｚ軸１０上に位置している。より具体的には、光センサーは磁気バイアス用磁石５０８の位置に設け、光検出パターンは、凸状球面１０２Ｒの磁気バイアス用磁石５０８に対向する領域に設けられる。可動ユニットが回転することにより、光検出パターンが回転するため、光センサーに入射する光が変化する。光センサーがこの光の変化を検出することにより２次元の回転角度を算出することも可能である。
また、本実施形態では、可動ユニット１８０が凹状接触面８６０ａを有する凹状部材８６０を備え、固定ユニットが凸状球面６５１ａを有する凸状球面部６５１を備えていた。しかし、可動ユニットが凸状球面を備え、固定ユニットが凹状接触面を備えていてもよい。この場合も、可動ユニットは、凸状球面の球心を中心とし、固定ユニットに対して自在に回転し得る。また、本実施形態では、凹状接触面８６０ａは円錐面であるが、三角錐面、四角錐面等の角錐面であってもよい。この場合、凹状接触面８６０ａと凸状球面６５１ａとは、複数の点で互いに接する。
このように、本実施形態の入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５によれば、操作部のＺ軸上に、可動ユニットを球心にてピボット支持する構造を配置し、さらにＺ軸に垂直で球心を通る平面において球心を中心に２対の駆動部を円周状に配置する。これにより、可動ユニットの回動角度に影響を受けにくい磁気吸引力によって、一定の垂直抗力を付加することができ、回転角度による摩擦負荷変動を低減し、かつ可動ユニットを重心支持・重心駆動する構成が実現し、駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑制することができる。
また、従来、磁気吸引力による支持構造に特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動ユニット１８０の脱落を防止するため、固定ユニットに設けられた脱落防止部材に回動可能な所定の空隙を介して脱落防止規制面を設けている。このため装置の大型化を回避しながら確実に可動ユニットの脱落防止を実現できる。
また、可動ユニットの凸状球面が固定ユニットの脱落防止規制面に当接する状態まで可動ユニットが脱落した場合でも、磁気吸引力によって、固定ユニットの凸状球面部と可動ユニットの凹状接触面とが再び点接触することができるように脱落防止規制面の位置が決定されている。このため、たとえ可動ユニットが瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。
また駆動部が配置されるＺ軸方向の高さ位置は、球心を含む水平面より下方に回転した高さ位置に配置される。このため可動ユニットの重心を球心中心で駆動することができ、かつ低背化が可能となる。
また、可動部とベースを樹脂材料にするかもしくは固定ユニットの凸状球面部と凹状接触面の表面部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性に優れた支持構造が実現する。
また、上部可動部の凹状接触面と固定ユニットの凸状球面で形成される空隙に粘性部材を充填することにより、可動ユニットに設けられた駆動磁石と固定ユニットに設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力変動に起因する磁気バネ効果による振動の振幅増大係数（Ｑ値）や機械的な固有振動のＱ値を低減することができ、良好な制御特性を得ることができる。
従って、本実施形態の入出力操作装置のアクチュエータによれば、例えば、直交するＸ軸、Ｙ軸があって、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りに±２０度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させ、また、Ｘ軸、Ｙ軸に直交するＺ軸回りに±５度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させることができる。また、２００Ｈｚ程度までの広帯域の周波数領域で良好な振れ補正制御を実現できる。その結果、操作部のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸回りの回転動作を実現するとともに、小型で堅牢な脱落防止構造を備えるため、振動や落下衝撃等の外部からの衝撃に対する耐衝撃性の強い入出力操作装置のアクチュエータが実現する。
次に、図１６、図１７を用いて、このアクチュエータ１６５を有する実施形態の入出力操作装置７５０の動作を説明する。
図１６に示すように、本発明の実施形態の入出力操作装置７５０は、アクチュエータ１６５と、駆動回路部３５０と、検出回路部３６０と、制御演算処理部９４とを備える。入出力操作装置７５０は、さらにアクチュエータ１６５の目標位置座標を表示する表示演算処理部７００を備えていてもよい。
入出力操作装置７５０は、表示演算処理部７００に表示された目標位置座標９２０に対してアクチュエータ１６５の手指が触れている操作部８５０の位置を、相対的に一致させる位置制御を行う。表示演算処理部７００において目標位置座標９２０が逐次変化する場合には、操作部８５０を逐次位置追従させるよう駆動回路部３５０がアクチュエータ１６５を駆動する。図１７は、入出力操作装置７５０の制御を示す詳細なブロック図である。
図１７に示すように、駆動回路部３５０は、駆動回路９６ａ、９６ｂ、９６ｒを含む。検出回路部３６０は、可動ユニット１８０の増幅回路９８ｘ、９８ｙを含む。
表示演算処理部７００に表示された目標位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１は、具体的には、それぞれ、可動ユニット１８０の回転方向２０、回転方向２１の目標回転角度に対応する。
また図１６に示したように、表示演算処理部７００における水平基準ＨＳに対してアクチュエータ１６５の回転軸１１と回転軸１２は４５度傾斜している。これは前述したようにＺ軸方向から見た投影面において、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが、駆動コイル３０１と磁気ヨーク２０３と磁気ヨークホルダ２０３Ｌ、２０３Ｒならびに駆動コイル３０２と磁気ヨーク２０４と磁気ヨークホルダ２０４Ｌ、２０４Ｒの投影領域以外に設置させる（本実施形態では４５度ずらして設置）ことで、駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにしているからである。従って、表示演算処理部７００における水平基準ＨＳ方向である直線１４方向（表示演算処理部７００のＸ軸方向に相当）に直線１３を軸として可動ユニット１８０を回転させる場合、駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の両方に通電すればよい。また、水平基準ＨＳに垂直な方向である直線１３方向に直線１４を軸として可動ユニット１８０を回転させる場合、駆動コイル３０１と駆動コイル３０２の両方に通電すればよい。
その結果、図１６に示した表示演算処理部７００においてθｇ＝４５°の目標位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１に対して、４５度回転している駆動コイル３０１と駆動コイル３０２を駆動する場合、回転軸１２と回転軸１１回りの可動ユニット１８０の回転角度は、１／√２倍の回転角度となる。
次に図１７を参照しながら、表示演算処理部７００から制御演算処理部９４を介してアクチュエータ１６５へ出力される可動ユニット１８０の位置制御駆動の動作を説明する。
図１７に示したように表示演算処理部７００における目標位置座標９２０のｘ座標９００とｙ座標９０１は、それぞれ、デジタル化された目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙとして出力され、制御演算処理部９４に入力される。
制御演算処理部９４は、表示演算処理部７００から受け取る目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙと、検出回路部３６０から受け取る回転角度信号８８ｘ、８８ｙに基づき、目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを生成することにより、回転軸１１、１２回りの角度についてフィードバック制御を行う。具体的には、まず制御演算処理部９４は、目標位置座標をアクチュエータ１６５の回転角度に変換する処理を行う。この際に前述した磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが、駆動コイル３０１ならびに駆動コイル３０２と投影面上４５度ずれていることによる補正も行う。これによりｘ座標９００とｙ座標９０１に相当する回転方向２０、回転方向２１への目標回転角度を逐次算出する。
制御演算処理部９４は、たとえばＣＰＵおよびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を含む。制御演算処理部９４は、ＲＡＭに読み込まれたコンピュータプログラムを実行することにより、コンピュータプログラムの手順にしたがって他の回路に命令を送る。その命令を受けた各回路は、本明細書において説明されるように動作して、各回路の機能を実現する。制御演算処理部９４からの命令は、具体的には、表示演算処理部７００、駆動回路部３５０および検出回路部３６０に送られる。コンピュータプログラムの手順は、添付の図面におけるフローチャートによって示されている。
なお、コンピュータプログラムが読み込まれたＲＡＭ、換言すると、コンピュータプログラムを格納するＲＡＭは、揮発性であってもよいし、不揮発性であってもよい。揮発性ＲＡＭは、電力を供給しなければ記憶している情報を保持できないＲＡＭである。たとえば、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）は、典型的な揮発性ＲＡＭである。不揮発性ＲＡＭは、電力を供給しなくても情報を保持できるＲＡＭである。たとえば、磁気抵抗ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、強誘電体メモリ
（ＦｅＲＡＭ）は、不揮発性ＲＡＭの例である。本実施の形態においては、不揮発性ＲＡＭが採用されることが好ましい。
揮発性ＲＡＭおよび不揮発性ＲＡＭはいずれも、一時的でない（non-transitory）、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。また、ハードディスクのような磁気記録媒体や、光ディスクのような光学的記録媒体も一時的でない、コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例である。すなわち本開示にかかるコンピュータプログラムは、コンピュータプログラムを電波信号として伝搬させる、大気などの媒体（一時的な媒体）以外の、一時的でない種々のコンピュータ読み取り可能な媒体に記録され得る。
また、制御演算処理部９４で行われる目標位置に対する位置ずれ補正処理は、表示演算処理部７００から出力されたｘ座標９００とｙ座標９０１の目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙに応じて位置誤差を抑制するようにアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０を駆動する位置クローズド制御（閉ループ制御）である。従って制御演算処理部９４は、アクチュエータ１６５の周波数応答特性と位相補償およびゲイン補正等を含めた最適なデジタルの振れ補正量として逐次目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを出力する。
目標回転角度信号８４ａ、８４ｂはＤＡ変換器９５ａ、９５ｂによりアナログ化され、アナログの目標回転角度信号８５ａ、８５ｂとして回転軸１１回りの駆動回路９６ａ、回転軸１２回りの駆動回路９６ｂに入力される。
一方、アクチュエータ１６５においては、可動ユニット１８０のベース２００に対する現在の回転角度、つまり、操作部８５０の現在の方向を検出する磁気センサー５０１ａ、５０１ｂとから回転方向２０、すなわち表示演算処理部７００のＨＳに垂直なＹ軸方向に相当する回転角度信号８６ｙが出力され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂとから回転方向２１、すなわち表示演算処理部７００のＨＳ方向に相当する回転角度信号８６ｘが出力される。回転角度信号８６ｘ、８６ｙは、アナログ回路９７ｘ、９７ｙによってノイズ成分やＤＣドリフト成分が除去され、回転角度信号８７ｘ、８７ｙとなる。さらに増幅回路９８ｘ、９８ｙにより増幅され、適切な大きさの振幅を有する回転角度信号８８ｘ、８８ｙが得られ、ＡＤ変換器９９ｘ、９９ｙを介してデジタル化された回転角度信号８９ｘ、８９ｙが制御演算処理部９４に逐次入力される。回転角度信号８９ｘ、８９ｙは、前述したように、操作部８５０の現在の方向を示す。
前述した位置クローズド制御は、制御演算処理部９４において目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙによる目標位置座標９２０と、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙによる現位置座標との差分（位置誤差）を算出し、改めて位置誤差に基づいた目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを逐次出力することで行われる。
より具体的には、制御演算処理部９４は、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙを表示演算処理部７００に表示される位置座標系に逆変換演算し、可動ユニット１８０の操作部８５０の現在の方向である現位置座標である帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙを生成する。制御演算処理部９４は、帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙと目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙとの差分をさらに求め、差分に基づき、目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを生成し、駆動回路部３５０へ出力する。帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙは、現在の操作部８５０の位置を示すため、表示演算処理部７００に出力してもよい。
駆動回路９６ａ、９６ｂは、目標の角度信号８５ａ、８５ｂを用いて、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０の回転駆動をおこなう。同時に、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂおよび５０３ａ、５０３ｂが可動ユニット１８０の回転角度を検出し、回転角度信号８６ｘ、８６ｙを出力する。回転角度信号８６ｘ、８６ｙに上述した処理が施され、回転角度信号８９ｘ、８９ｙが制御演算処理部９４に帰還される。
したがって、表示演算処理部７００の目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙと目標の回転角度信号８５ａ、８５ｂおよび可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙに基づき、駆動コイル３０１、駆動コイル３０２を駆動する駆動信号が駆動回路９６ａ、９６ｂに出力される。これにより入出力操作装置７５０において、目標位置座標９２０に対する角度位置のフィードバック制御が実行され、帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙが目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙに等しくなるようにアクチュエータ１６５の可動ユニット１８０が駆動される。この一連の駆動制御により、可動ユニット１８０の操作部８５０の位置追従制御が実施され、良好な触力覚操作が実現可能となる。
次に図１７を参照しながら、表示演算処理部７００からアクチュエータ１６５へ出力される回転方向２２回りの駆動制御動作について説明する。
可動ユニット１８０はＺ軸１０回りの回転方向２２にも駆動される。この動作は、正弦波・矩形波・パルス波・三角波等の駆動信号による可動ユニット１８０の振動を主とする。本実施形態においてはこの動作は、オープン制御に基づく。
制御演算処理部９４は、表示演算処理部７００から受け取る選択信号８０ｒに基づく所定の駆動波形パターンを有する駆動信号８４ｒを生成し、可動ユニット１８０をＺ軸１０回りに振動駆動する。このために、制御演算処理部９４は、所定の振動モードを与える様々な駆動波形パターンを記憶している。駆動波形パターンは、触覚操作機能の提示に適していると考えられ、スティック＆スリップ感、クリック感として表現される、高い周波数特性を有する駆動波形パターンを含む。
表示演算処理部７００は制御演算処理部９４へ駆動波形パターンを選択する選択信号８０ｒを出力する。制御演算処理部９４は、選択信号８０ｒに基づき所定の駆動波形パターンを選択し、デジタル化された駆動信号８４ｒをＤＡ変換器９５ｒに出力する。アナログ化された駆動信号８５ｒは回転方向２２の駆動回路９６ｒに入力される。これにより可動ユニット１８０は、回転方向２２へ振動駆動され、操作部８５０を介して操作者の指先にバイブレーション感や指先内部にあるパチニ小体を刺激する触角感を与えることが可能となる。
可動ユニット１８０の回転方向２２への振動は、可動ユニット１８０を上から見た場合、例えば、Ｚ軸１０回りに所定の角度で右方向に回転し、反転して左方向に所定の角度で回転する運動の繰り返しによって構成される。
また、可動ユニット１８０は、振動駆動以外に可聴領域の周波数成分を有する駆動信号によって回転方向２２に駆動してもよい。これにより、可動ユニット１８０が可聴領域の周波数で振動し、アクチュエータ１６５から音声を出力することも可能である。
このように、可動ユニット１８０の操作部８５０が回転軸１１、１２回りの角度について２次元で制御され、かつ回転方向２２に振動駆動されることによって、様々な分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス（ＨＭＩ）として、本実施形態の入出力操作装置を用いることができる。
次に図１７を参照しながら、アクチュエータ１６５から制御演算処理部９４を介して表示演算処理部７００に出力される可動ユニット１８０の回転角度の検出動作について説明する。
アクチュエータ１６５は、その構成から指先にて操作部８５０を介して可動ユニット１８０を回転軸１１、１２回りの２次元に回転させた場合、磁気センサー５０１ａ、５０１ｂと磁気センサー５０３ａ、５０３ｂが可動ユニット１８０の回転軸１１、１２回りの回転角度を検出するセンサとして機能する。
さらに良好な周波数応答特性と高い回転角度分解能を有するアクチュエータ１６５であることから、手指による可動ユニット１８０の動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック入力やスワイプ入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。
磁気センサー５０１ａ、５０１ｂとから回転方向２０、すなわち表示演算処理部７００のＨＳに垂直なｙ軸方向に相当する回転角度信号８６ｙが出力され、磁気センサー５０３ａ、５０３ｂとから回転方向２１、すなわち表示演算処理部７００の水平方向であるＨＳ方向に相当する回転角度信号８６ｘが出力される。
回転角度信号８６ｘ、８６ｙは、アナログ回路９７ｘ、９７ｙによってノイズ成分やＤＣドリフト成分が除去され、回転角度信号８７ｘ、８７ｙとなる。さらに増幅回路９８ｘ、９８ｙにより適切な出力値の回転角度信号８８ｘ、８８ｙが得られ、ＡＤ変換器９９ｘ、９９ｙを介してデジタル化された回転角度信号８９ｘ、８９ｙが制御演算処理部９４に逐次入力される。制御演算処理部９４は、フリック入力やスワイプ入力などの特殊な入力パターンモードを含めた様々な入力検出波形パターンを記憶しており、入力波形である回転角度信号８９ｘ、８９ｙがどの入力パターンモードかを比較検知して選択を行い、表示演算処理部７００へ選択信号８２ｓとして出力する。
次に可動ユニット１８０の回転方向２２の回転検出の動作について説明する。本実施形態では、回転検出専用の磁気センサーを設けていないが、前述したように可動ユニット１８０の回転方向２０および回転方向２１への回転に加え、回転方向２２の回転が行われた場合、回転角度信号８９ｘ、８９ｙの相対的な出力差から、可動ユニット１８０が回転方向２２において右回りに操作されたか、左回りに操作されたかを検出することが可能である。
これにより、可動ユニット１８０に搭載された操作部８５０を右もしくは左回りに回しながら、同時に回転方向２０、回転方向２１に回転移動が可能となることで、携帯端末でよく使用されているピンチ入力による画面の拡大縮小やスクロール入力の代替入力の検出も可能となりえる。例えば、制御演算処理部９４は、回転角度信号８９ｘ、８９ｙの差異を検出し、その結果を回転方向差異検出信号８２ｒとして表示演算処理部７００へ出力してもよい。
次にアクチュエータ１６５がステアリング５５０に搭載される場合の制御を説明する。図１９Ａから図１９Ｄに示すように、ステアリング５５０の回転角度が中立の位置（０度）にある場合、ステアリング５５０に設けられたアクチュエータの直線１４および直線１３は、ステアリング５５０が設けられる車両およびステアリングを操作する運転者にとっての水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏと一致する。このため、上述した表示演算処理部７００の座標と、アクチュエータ１６５の座標とは一致しており、図１６、１７を参照して説明したように、目標位置を設定し、フィードバック制御を行うことができる。つまり、ステアリング５５０が設けられる車両に静止した表示演算処理部７００の座標系における目標位置または目標方向とアクチュエータ１６５の座標における目標位置または目標方向とは一致する。図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０の鉛直方向上向き５１および下向き５２への操作は、表示演算処理部７００の座標におけるＹ軸方向の上向きおよび下向きと一致する。同様に、図１９Ｃおよび図１９Ｄに示すように、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０の水平方向右向き５３および左向き５４への操作は、表示演算処理部７００の座標におけるＸ軸方向の右向きおよび左向きと一致する。
しかしステアリング５５０が図２０Ａに示すように、ステアリング回転すると、アクチュエータ１６５の直線１４および直線１３と水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏは一致しない。図２０Ｂから図２０Ｅに示すように、アクチュエータ１６５の鉛直方向に沿った操作方向５５、５６や操作方向５７、５８と、ステアリング５５０が設けられる車両の水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏとは異なる。
このため、図１９Ａ〜図１９Ｄで示すように、ステアリング５５０の回転角度が０度の時を基準として、水平方向や鉛直方向（直線１４、または、直線１３の方向）に操作部８５０を移動させるように、表示演算処理部７００の座標系における目標方向が定められる場合、表示演算処理部７００に表示される水平方向や鉛直方向と異なる方向（操作方向５５、５６や操作方向５７、５８）に操作することが運転者等に求められることになる。
本実施形態では、このような不一致を解消するため、アクチュエータ１６５における座標を、ステアリグの回転角に応じて変換し、座標を静止した座標系である表示演算処理部７００の座標と一致させる。
図２１Ａを用いて、ステアリング５５０が回転した場合におけるアクチュエータ１６５の座標変換を説明する。
ステアリング５５０が中立位置にある場合の車両の水平方向Ｘ0とそれと直交する鉛直方向Ｙ0で構成される座標系（Ｘｏ-Ｙｏ座標系）において、表示演算処理部７００に示される目標位置をＡ点とした場合、Ａ点の座標は、回転中心からの半径Ｒに対して（Ｒcosθ0 、Ｒsinθ0）で求められる。
図２２Ａに示すように、ステアリング５５０がθAだけ左回転した場合、アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）もθAだけ左回転する。したがって、表示演算処理部７００に示されるＡ点の座標を、（Ｒcos（θ0−θA）、Ｒsin（θ0 −θA ））に変換する。つまり、Ｘｏ-Ｙｏ座標系をＸA−ＹA座標系に変換するには、θ0からθA を引く。例えば、図２２Ｂ〜図２２Ｅに示すように、表示演算処理部７００の座標において、水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏにアクチュエータ１６５の操作部８５０を駆動する場合、アクチュエータ１６５の座標において、それぞれθAだけ引いた角度で、操作部８５０を駆動すれば（操作方向５１〜５４）、表示演算処理部７００の座標系つまり、ステアリング５５０が設けられる車両およびステアリングを操作する運転者にとって水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏと一致する。逆に、アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）を表示演算処理部７００の座標（Ｘｏ-Ｙｏ座標系）に変換するには、θ0にθAを加えればよい。
図２３Ａに示すように、ステアリング５５０がθAだけ右回転した場合、アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）もθAだけ右回転する。したがって、表示演算処理部７００に示されるＡ点の座標を、（Ｒcos（θ0＋θA）、Ｒsin（θ0 ＋θA ））に変換する。つまり、Ｘｏ-Ｙｏ座標系をＸA−ＹA座標系に変換するには、θ0にθA を加算する。例えば、図２３Ｂ〜図２３Ｅに示すように、表示演算処理部７００の座標において、水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏにアクチュエータ１６５の操作部８５０を駆動する場合、アクチュエータ１６５の座標において、それぞれθAだけ加えた角度で、操作部８５０を駆動すれば（操作方向５１〜５４）、表示演算処理部７００の座標系つまり、ステアリング５５０が設けられる車両およびステアリングを操作する運転者にとって水平方向Ｘｏおよび鉛直方向Ｙｏと一致する。アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）を表示演算処理部７００の座標（Ｘｏ-Ｙｏ座標系）に変換するには、θ0からθAを引く。
これらの座標変換は、図１７に示すように、制御演算処理部９４が、ステアリング５５０の回転軸などに設けられた回転センサー等から、ステアリング５５０の回転角度θAに関する信号８３を受け取り、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙおよび目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙにそれぞれ上述した演算を行うことによって実現する。
具体的には、図２１Ｂに示すように、制御演算処理部９４は、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙを逆変換することにより、ＸA−ＹA座標系に変換された帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙを生成する（Ｓ１）。この帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙは、ステアリング５５０の回転角度θAに依存する角度である。したがって、ステアリング５５０の回転角度θAを用いて、θ0からθAを引く演算行うことにより、ＸA−ＹA座標の帰還位置座標信号８２ｘ、８２ｙを、表示演算処理部７００の静止した座標系である、Ｘｏ-Ｙｏ座標系の帰還位置座標信号８２ｘ’、８２ｙ’に変換する（Ｓ２）。
制御演算処理部９４は、Ｘｏ-Ｙｏ座標系の帰還位置座標信号８２ｘ’、８２ｙ’と目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙとの差分を求める（Ｓ３）。求めた差分の信号はＸｏ-Ｙｏ座標系であるため、回転角度θAを加えることによって、ＸA−ＹA座標系に変換し、目標回転角度信号８４ａ、８４ｂを得る（Ｓ４）。目標回転角度信号８４ａ、８４ｂは駆動回路部３５０へ出力される。
この信号処理を行うことにより、制御演算処理部９４は、ステアリング５５０が異なる回転角度θAで保持されていても、ステアリング５５０の基準回転角度である０度に対して静止した座標系であるＸｏ-Ｙｏ座標系を用い、アクチュエータの可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０を駆動する制御を行う。
これにより、例えば、表示演算処理部７００に示される目標方向が鉛直方向や水平方向である場合、ステアリング５５０がどの回転角度にあっても、表示演算処理部７００に示される方向に、アクチュエータ１６５の操作部を操作することで、正しい入力を行うことができる。また、ステアリング５５０がどの回転角度にあっても、アクチュエータ１６５の操作部を表示演算処理部７００に示される目標方向に駆動することができる。
さらに図２４に示したように、操作部８５０と上部可動部１５０の周囲にリング状のスイッチ部９６０を固定ユニットの脱落防止部材２０１の上部に設けてもよい。これにより、ステアリング５５０がどのような回転位置においても方向依存性なく、決定または選択のスイッチ操作を行うことが可能となる。
なお、アクチュエータ１６５の操作方向を、水平方向Ｘ0と鉛直方向Ｙ0に平行になるように一定保持する場合について説明したが、指定されたある一定の角度に一定保持できることは言うまでもない。
このようにステアリング５５０が回転した状態においても、入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５の操作方向は、Ｘ0Ｙ0絶対座標である水平方向と鉛直方向に一定に保持され、操作の判断認識が極めて単純化される。その結果、特にステアリングを回転させての走行中の場合においても、運転者の視線移動を抑圧し、加えて触力覚によるブラインドタッチや方向依存性のない決定・選択のスイッチ操作を可能とすることでＨＭＩの安全安心が実現される。
（第２の実施形態）
入出力操作装置の第２の実施形態を説明する。図２５に示すように、本実施形態の入出力操作装置７５０は、アクチュエータ１６５と、回転操作レバー７８０とを備える。図２５、図２６Ａ、図２６Ｂに示すように、回転操作レバー７８０は、Ｚｏ軸中心にＸｏ軸とＹｏ軸を含む平面内を回転するよう構成されている。回転操作レバー７８０は、アクチュエータ１６５をＺｏ軸上に搭載する回転レバー部７８１と回転レバー部７８１の端部に固定もしくは回転支持される操作部７８２とから構成されている。回転操作レバー７８０は、回転軸を中心に回転する回転体の他の一例である。
例えば、操作者は右手により操作部７８２を握りＺ0軸中心に回転させると同時に左手でアクチュエータ１６５の操作部８５０を操作する。
図２７Ａから図２７Ｅに示すように、回転操作レバー７８０の回転角度が中立の位置（０度）にある場合、回転操作レバー７８０に設けられたアクチュエータ１６５の直線１４および直線１３は、回転操作レバー７８０が設けられる車両を操作する操作者にとってのＸｏ軸およびＹｏ軸と一致する。このため、上述した表示演算処理部７００の座標と、アクチュエータ１６５の座標とは一致しており、図１６、図１７を参照して説明したように、目標位置を設定し、フィードバック制御を行うことができる。つまり、回転操作レバー７８０が設けられる車両に静止した表示演算処理部７００の座標系における、目標位置または目標方向とアクチュエータ１６５の座標における目標位置または目標方向とは一致する。
図２７Ｂおよび図２７Ｃに示すように、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０の鉛直方向上向き７１および下向き７２への操作は、表示演算処理部７００の座標におけるＹ軸方向の上向きおよび下向きと一致する。同様に、図２７Ｄおよび図２７Ｅに示すように、アクチュエータ１６５の可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０の右向き７３および左向き７４への操作は、表示演算処理部７００の座標におけるＸ軸方向の右向きおよび左向きと一致する。
回転操作レバー７８０が図２８Ａに示すように、Ｚｏ軸中心に角度θＢ回転すると、アクチュエータ１６５の直線１４および直線１３とＸｏ軸およびＹｏ軸は一致しない。
図２８Ｂから図２８Ｅに示すように、アクチュエータ１６５の鉛直上向きおよび下向きの操作や水平方向右向きおよび左向きの操作は操作方向５７、５８と、回転操作レバー７８０が設けられる車両のＸｏ軸およびＹｏ軸とは異なる。
このため、図２７Ａ〜図２７Ｅで示すように、回転操作レバー７８０の回転角度が０度の時を基準として、アクチュエータ１６５の操作部８５０を直線１４、直線１３の方向に移動させるように、操作方向７１、７２や操作方向７３、７４を表示演算処理部７００の座標系における目標方向に定める場合、表示演算処理部７００に表示される水平方向や鉛直方向と異なる方向に操作することが操作者に求められることになる。
第２の実施形態では、このような不一致を解消するため、アクチュエータ１６５における座標を、回転操作レバー７８０の回転角に応じて変換し、座標を静止した座標系である表示演算処理部７００の座標と一致させる。
例えば、図２８Ｂ〜図２８Ｅに示すように、表示演算処理部７００の座標において、Ｘｏ軸方向およびＹｏ軸方向にアクチュエータ１６５の操作部８５０を駆動する場合、アクチュエータ１６５の座標において、それぞれθBだけ引いた角度で、操作部８５０を駆動すれば（操作方向４１〜４４）、表示演算処理部７００の座標系つまり、回転操作レバー７８０が設けられる車両を操作する操作者にとってＸｏ軸およびＹｏ軸と一致する。逆に、アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）を表示演算処理部７００の座標（Ｘｏ-Ｙｏ座標系）に変換するには、θ0にθBを加えればよい。
例えば、図２９Ｂ〜図２９Ｅに示すように、表示演算処理部７００の座標において、Ｘｏ軸およびＹｏ軸にアクチュエータ１６５の操作部８５０を駆動する場合、アクチュエータ１６５の座標において、それぞれθBだけ加えた角度で、操作部８５０を駆動すれば（操作方向６１〜６４）、表示演算処理部７００の座標系つまり、回転操作レバー７８０が設けられる車両を操作する操作者にとってＸｏ軸およびＹｏ軸と一致する。アクチュエータ１６５の座標（ＸA−ＹA座標系）を表示演算処理部７００の座標（Ｘｏ-Ｙｏ座標系）に変換するには、θ0からθBを引く。
これらの座標変換は、図１７に示すように、制御演算処理部９４が、回転操作レバー７８０の回転軸などに設けられた回転センサー等から、回転操作レバー７８０の回転角度θ Bに関する信号８３を受け取り、可動ユニット１８０の回転角度信号８９ｘ、８９ｙおよび目標位置座標信号８０ｘ、８０ｙにそれぞれ上述した演算を行うことによって実現する。具体的には、図２１Ｂを参照して第1の実施形態で説明した演算を制御演算処理部が行う。つまり、制御演算処理部９４は、回転操作レバー７８０が異なる回転角度θBで保持されていても、回転操作レバー７８０の基準回転角度である０度に対して静止した座標系であるＸｏ-Ｙｏ座標系を用い、アクチュエータの可動ユニット１８０に設けられた操作部８５０を駆動する制御を行う。
これにより、例えば、表示演算処理部７００に示される目標方向が鉛直方向や水平方向である場合、回転操作レバー７８０がどの回転角度にあっても、表示演算処理部７００に示される方向に、アクチュエータ１６５の操作部８５０を操作することで、正しい入力を行うことができる。また、回転操作レバー７８０がどの回転角度にあっても、アクチュエータ１６５の操作部８５０を表示演算処理部７００に示される目標方向に駆動することができる。
なお、回転操作レバー７８０の操作方向を、Ｘ0軸とＹ0軸に平行になるように一定保持する場合について説明したが、指定されたある一定の角度に一定保持できることは言うまでもない。
このように回転操作レバー７８０が回転した状態においても、入出力操作装置７５０のアクチュエータ１６５の操作方向は、Ｘ0Ｙ0絶対座標である方向に一定に保持され、操作の判断認識が極めて単純化される。その結果、特に右手で回転操作レバー７８０を回転させての走行中の場合においても、左手で別の操作を平行に行うことができ、運転者の視線移動を抑圧し、さらに触力覚によるブラインドタッチや方向依存性のない決定・選択のスイッチ操作を可能とすることでＨＭＩの安全安心が実現される。
本願に開示された入出力操作装置は、種々の分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス（ＨＭＩ）として好適に用いられ、例えば、自動車におけるナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作のための入出力操作装置として好適に用いられる。
１０ Ｚ軸
１１、１２ 回転軸
１３、１４ 直線
２０、２１、２２回転方向
９４ 制御演算処理部
７０ 球心
８５０ 操作部
１８０ 可動ユニット
１０２Ｗ 開口部
１０２Ｒ 凸状球面
１６５ アクチュエータ
２００ ベース
２００Ａ 凹状球面
２００Ｐ、２００Ｔ 開口部
２０１ 脱落防止部材
２０１Ａ 脱落防止規制面
２０３、２０４ 磁気ヨーク
３０１、３０２、３０３ 駆動コイル
３５０ 駆動回路部
３６０ 検出回路部
４０１、４０２ 駆動磁石
４０６ 傾斜角検出用磁石
５０１ａ、５０１ｂ、５０３ａ、５０３ｂ 磁気センサー
５０８ 磁気バイアス用磁石
５５０ ステアリング
５５１ リム
５５２ ハブ
５５３ 回転軸
６００ コイルバネ
６５０ 連結棒
６７０ 磁気バックヨーク
７００ 表示演算処理部
７５０ ステアリング入出力操作装置
７８０ 回転操作レバー
７８１ 回転レバー
７８２ 操作部

Claims (20)

  1. 手指が接触する表面を有する操作部と、内部に位置する凹状接触面および凸状球面の一方とを有し、互いに直交する２軸に独立して自在に回転可能な可動ユニット、
    前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方が遊嵌する前記凹状接触面および凸状球面の他方を有し、前記可動ユニットの前記凹状接触面および凸状球面の一方と前記凹状接触面および凸状球面の他方とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットおよび
    前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを駆動する駆動部
    を含むアクチュエータと、
    前記操作部の位置に対応する位置信号を出力する検出回路部と、
    前記駆動部を制御する駆動回路部と、
    前記駆動回路部を制御する制御演算処理部と、
    前記アクチュエータが搭載され、回転軸を中心に回転する回転体と、
    を備え、
    前記制御演算処理部は、前記回転体の異なる回転角度において、前記回転体の基準回転角に対して静止した座標系を用い、前記操作部の駆動を制御する入出力操作装置。
  2. 前記２軸は、原点が前記凸状球面の球心に設けられたＸ軸および前記Ｘ軸と直交するＹ軸であり、
    前記固定ユニットは、少なくとも１つの磁性体を有し、
    前記可動ユニットは、少なくとも１つの吸着用磁石を有し、前記少なくとも１つの吸着用磁石と前記少なくとも１つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記凸状球面の球心を中心として自在に回転し、
    前記駆動部は、
    前記可動ユニットを、前記球心を通る前記Ｘ軸を中心に回転させる第１の駆動部と、
    前記可動ユニットを、前記Ｘ軸を含む平面内で前記Ｙ軸を中心に回転させる第２の駆動部と、
    を有し、
    前記検出回路部は、
    前記可動ユニットの前記Ｘ軸回りの第１の回転角度および前記Ｙ軸回りの第２の回転角度に対応する第１および第２の回転角度信号を生成し、
    前記制御演算処理部は、
    前記Ｘ軸回りの回転角に対応する第１の目標回転信号および前記Ｙ軸回りの回転角に対応する第２の目標回転角度信号を生成する、
    請求項１に記載の入出力操作装置。
  3. 前記静止した座標系の原点は、前記凸状球面の球心に対応する、請求項２に記載の入出力操作装置。
  4. 前記制御演算処理部は、前記第１、第２の回転角度信号に基づき前記操作部の可動範囲領域に相当する２次元座標系における前記操作部の現位置座標を生成し、目標位置座標と前記現位置座標の差分を用いた位置フィードバック制御に基づく前記第１、第２の目標回転角度信号を生成する請求項２に記載の入出力操作装置。
  5. 前記駆動部は、前記可動ユニットを、前記球心を通り、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸と直交するＺ軸を中心に回転させる第３の駆動部をさらに有し、
    前記検出回路部は、前記可動ユニットの前記Ｚ軸回りの第３の回転角度に対応する第３の回転角度信号を生成し、
    前記制御演算処理部は、所定の駆動波形パターンを有する駆動信号を生成し、
    前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第３の駆動部を駆動する信号を生成し、
    前記第３の駆動部により前記可動ユニットは前記Ｚ軸回りの方向へ振動駆動する請求項３に記載の入出力操作装置。
  6. 前記所定の駆動波形パターンは、可聴領域の周波数成分を有する振動波形を含む請求項５に記載の入出力操作装置。
  7. 前記可動ユニットは前記凹状接触面を有し、前記固定ユニットは前記凸状球面を有する請求項２に記載の入出力操作装置。
  8. 前記可動ユニットは前記凸状球面を有し、前記固定ユニットは前記凹状接触面を有する請求項２に記載の入出力操作装置。
  9. 前記凹状接触面は円錐面である請求項７または８に記載の入出力操作装置。
  10. 前記固定ユニットは、ベースと、前記凹状接触面および凸状球面の他方を前記ベースに対して固定する連結棒とをさらに有し、
    前記可動ユニットは、前記連結棒が挿入される開口部を有し、前記開口部と前記連結棒とが接触することにより、前記可動ユニットの回転角度が制限される請求項５に記載の入出力操作装置。
  11. 前記固定ユニットに設けられ、前記可動ユニットが前記固定ユニットから脱落しないように前記可動ユニットの移動を制限する規制面を有する脱落防止部材をさらに備え、
    前記規制面は、前記球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有する請求項２に記載の入出力操作装置。
  12. 前記第１の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第１の駆動磁石と、前記１対の第１の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットのベースにそれぞれ配置された１対の第１の磁気ヨークと、前記１対の第１の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第１の駆動コイルとを含み、
    前記第２の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Ｚ軸に対して対称に配置された１対の第２の駆動磁石と、前記１対の第２の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットのベースにそれぞれ配置された１対の第２の磁気ヨークと、前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された１対の第２の駆動コイルとを含み、
    前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第１の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通る直線上に設けられ、
    前記１対の第２の駆動磁石および前記１対の第２の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通り、前記直線と直交する他の直線上に設けられ、
    各第１の駆動磁石、第１の駆動コイル、第２の駆動磁石および第２の駆動コイルの前記Ｚ軸方向における中心の位置は、前記凸状球面の前記球心の位置とほぼ一致している請求項５に記載の入出力操作装置。
  13. 前記第３の駆動部は、前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第３の駆動コイルを含み、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石を第３の駆動磁石として用いる請求項１０に記載の入出力操作装置。
  14. 前記駆動部は、前記可動ユニットの前記球心側に設けられ、前記１対の第１の駆動磁石の一方と前記一対の第２の駆動磁石の一方とを連結し、前記１対の第１の駆動磁石の他方と前記一対の第２の駆動磁石他方とを連結する一対の磁気バックヨークをさらに有する請求項１３に記載の入出力操作装置。
  15. 前記可動ユニットが中立の位置にある状態において、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石は、前記Ｚ軸に垂直である前記球心を通る水平面に対して下向きに、４５度以下の回転角度Ａをなすように配置されており、前記１対の第１の駆動磁石および前記１対の第２の駆動磁石に対向するように前記１対の第１の駆動コイルと前記１対の第１の磁気ヨークおよび前記１対の第２の駆動コイルとに１対の第２の磁気ヨークを前記固定ユニットに回転して配置されている請求項５に記載の入出力操作装置。
  16. 前記回転角度Ａが１５度以上２５度以下である請求項１５に記載の入出力操作装置。
  17. 前記１対の第１の駆動磁石、前記１対の第２の駆動磁石は、それぞれ、前記可動ユニットの内側に位置しており、前記可動ユニットの外形面において露出していない請求項１２に記載の入出力操作装置。
  18. 前記１対の第１の駆動コイル、前記１対の第２の駆動コイルおよび前記第３の駆動コイルは、それぞれ、前記固定ユニットの内側に設けられ、前記固定ユニットの外形面において露出していない請求項１３に記載の入出力操作装置。
  19. 前記可動ユニットの重心は前記球心と一致している請求項２に記載の入出力操作装置。
  20. 前記脱落防止部材の前記規制面と前記可動ユニットの外形面との間に空隙が設けられており、前記可動ユニットの前記前記凹状接触面および凸状球面の一方が前記固定ユニットの前記前記凹状接触面および凸状球面の他方から離間しても、前記磁気吸引力によって、点または線接触の状態に復帰するように前記空隙は決定されている請求項１１に記載の入出力操作装置。
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