JP6629925B1 - ジョイスティックコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な機構を設けることなく操作体の指定角度を検知して、行き過ぎたシャフトの傾倒操作を防止できるジョイスティックコントローラを提供することを目的とする。【解決手段】ジョイスティックコントローラ１は、可動スプリング受け２３をシャフト２１に沿って変位させるスプリングリターン機構部５０と、可動スプリング受け２３の変位を検出する検出部４０と、を備える。さらに、検出部４０は、可動スプリング受け２３に設けられた、シャフト２１の外周面に対向するリング状の磁石部材４１と、シャフト２１に設けられた、磁石部材４１に対向して磁束の変化を検出するセンサ４２と、を備える【選択図】図２

Description

本発明は、操作体であるシャフトの動きを検出し、それに応じて対象機器を制御するジョイスティックコントローラに関するものである。

ジョイスティックコントローラは、操作体であるシャフトの変位（傾倒操作）に応じて対象機器を制御できることから、様々な分野で使用されている。その一方で、ジョイスティックコントローラによって制御される対象機器の動作があるレベルまで達した際に、操作体をさらに変位させると制御される対象機器に危険が生じる場合があるため、操作者に注意喚起する必要がある。

そのような場合に、操作者に注意喚起する技術として、特許文献１には、操作体の変位がある値（指定角度）を超えたところから、操作体の操作力を大きくするキックダウン機構を備えるジョイスティックコントローラが開示されている。

特許２６６３１００号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたジョイスティックコントローラのキックダウン機構には、可動筐体、スイッチ筐体、接片を備えた絶縁体、スイッチ用スプリング等からなる機械的スイッチ構造が必要であり、関係部品が多くなるとともに、それらの部品を収納するスペースを確保するために、ジョイスティックコントローラが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、複雑な機構を設けることなく操作体が指定角度に達したことを検知して、行き過ぎた操作体の傾倒操作を防止できるジョイスティックコントローラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のジョイスティックコントローラは、摺動用プレートと筐体ケースとを備える筐体と、回転中心部を中心として傾斜回動可能な状態で筐体に支持されるシャフトと、外力が加えられることによりシャフトを傾斜回動させる操作部と、シャフトに挿通支持された、シャフトに沿って移動可能な可動スプリング受けと、シャフトに固定された固定スプリング受けと、可動スプリング受けと固定スプリング受けとによって挟持されたスプリングと、を備えている。また、スプリングによりシャフトを摺動用プレートに垂直に保持した状態から、操作部に加えられた外力によりシャフトを傾斜回動させて前記スプリングを圧縮して、可動スプリング受けをシャフトに沿って変位させるスプリングリターン機構部と、可動スプリング受けの変位を検出する検出部と、を備える。さらに、検出部は、可動スプリング受けにシャフトの外周面に対向するように設けられた磁石部材と、シャフトに設けられた磁石部材に対向して磁石部材の磁束の変化を検出するセンサと、を備えている。

本発明によれば、複雑な機構を設けることなく操作体の指定角度を検知できる。従って、行き過ぎたシャフトの傾倒操作を防止するとともに、ジョイスティックコントローラを小さくすることができる。

本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線で切断した本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの断面図である。 本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの指定角度検出部の拡大図断面図である。 本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの傾動角度検出部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの組み立て手順を示す図である。 本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの動作を説明するための説明図及び指定角度検出部の動作を説明するための一部拡大図である。 本発明の実施形態に係るジョイスティックコントローラの出力特性を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るジョイスティックコントローラの指定角度検出部の拡大図断面図である。

以下、本発明のジョイスティックコントローラの実施の形態例（以下、「本例」という。）について、図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、各図において、センサと中継基板を接続するリード線の表記は適宜省略する。

図１は、本例のジョイスティックコントローラ１の外観斜視図である。
図１に示すように、本例のジョイスティックコントローラ１は、筐体１０と、筐体１０によって傾斜回動（傾動）可能に支持される操作体２０を備えている。そして、図１には図示されていないが、傾倒操作された操作体２０の変位を検出し、変位に応じた電気信号を出力する傾動角度検出部３０（図４参照）を有している。

図２は、図１に示すＡ−Ａ線で切断した本例のジョイスティックコントローラの断面図である。
図２に示すように、筐体１０は、固定用フランジ１１と、固定用フランジ１１に設置される摺動用プレート１２と、筐体ケース１４とを有する。固定用フランジ１１は、フランジ面に開口を有する。摺動用プレート１２は、固定用フランジ１１の開口と対応する位置に開口を有する。筐体ケース１４は、ドーム形状に形成され、ドーム上部の固定用フランジ１１の開口と対応する位置に開口を有する。それらの開口内に操作体２０を設置した後、筐体ケース１４を覆うように、円環状の段差が形成されたゴムカバー２７が装着される。ゴムカバー２７は、円環状のゴムカバー押さえ２８によって、固定用フランジ１１に固定される。

筐体ケース１４は、その開口の縁辺部にストッパ１５を備え、ストッパ１５は、操作体２０の傾倒操作の終端で操作体２０を停止させる。ストッパ１５は、筐体ケース１４と一体に形成されていてもよく、別体として筐体ケース１４に取り付けるようにしてもよい。

操作部としての操作体２０は、シャフト２１と、操作者がシャフト２１を傾倒操作しやすいようにシャフト２１に取り付けられる摘み２２とを有し、シャフト２１は、回転中心１７を中心に回動して変位する。また、シャフト２１は、下部に可動スプリング受け２３と、上部に固定スプリング受け２４とを備える。可動スプリング受け２３はシャフト２１に挿通されており、シャフト２１に沿って摺動可能に移動できる状態で、シャフト２１に支持されている。固定スプリング受け２４は、シャフト２１の上端部に固定されている。

さらに、操作体２０は、可動スプリング受け２３と固定スプリング受け２４との間にスプリング２６を備える。可動スプリング受け２３は、摺動用プレート１２と接する鍔部２３ａと、シャフト２１に摺動する円筒部２３ｂとを備えている。そして、可動スプリング受け２３と、固定スプリング受け２４と、スプリング２６とにより、スプリングリターン機構部５０が構成される。すなわち、スプリング２６の力によって、可動スプリング受け２３の鍔部２３ａは常に下方の摺動用プレート１２に押し当てられる状態となっており、摘み２２に操作力が加えられていない場合は、操作体２０は直立の状態に保持される。

本例では、スプリングリターン機構部５０の中にシャフト２１が指定角度まで傾動されたことを検知する検出部としての指定角度検出部４０が設けられている。

固定用フランジ１１の下方には、傾動角度検出部３０が設けられており、シャフト２１の傾動角度を検出する。傾動角度検出部３０の下方には中継基板６とコネクタ５が配置されており、これらを覆うように下カバー２９が固定用フランジ１１に固定されている。

図３は、本例のジョイスティックコントローラの指定角度検出部４０の拡大断面図であり、図２の回転中心１７付近を拡大した状態を示す。
本例の指定角度検出部４０は、磁石部材４１と指定角検出センサ４２とを備えている。

磁石部材４１は、円環状（リング状）に形成されており、可動スプリング受け２３の円筒部２３ｂの上端部の内周面に形成された凹部２３ｃに嵌合固定されている。また、磁石部材４１の内径は、シャフト２１とのクリアランスを確保するために、シャフト２１の外径よりも少し大きくなるように形成されている。

磁石部材４１は、シャフト２１の軸方向に着磁するように構成されており、本例では、上側がＮ極４１ａ、下側がＳ極４１ｂで構成されたリング状の磁石部材４１が配置されている。なお、上側がＳ極、下側がＮ極の磁石部材を配置して、極性方向を変更してもよい。また、複数のリング状磁石部材をシャフト２１の軸方向に沿って配置してもよい。なお、リング状とは、必ずしも周方向に連続的である必要はなく、分割されたリング形状などのように途中に不連続の部分があってもよい。

指定角検出センサ４２は、センサ基板４２ａの上にスイッチ出力タイプのホールＩＣ４２ｂを配置することで構成されている。指定角検出センサ４２は、シャフト２１の表面に形成された平欠き部２５の凹み部分に、磁石部材４１と対向するようにして取り付けられている。平欠き部２５は、シャフト２１内の中空部分がある程度の幅で露出するように形成されており、指定角検出センサ４２のリード線（図示なし）がこの露出部分からシャフト２１の内部を通り中継基板６に接続されている。

指定角検出センサ４２は、磁石部材４１の磁束の変化を検出して、シャフト２１が指定角度まで傾動されたことを検知する。指定角検出センサ４２により検知された情報は、電気信号として図示しないリード線を介して中継基板６に伝達された後、中継基板６上のコネクタ５を介して外部の装置に伝達される。

本例のジョイスティックコントローラ１では、磁石部材４１をリング状に形成して３６０°の角度で磁束の変化を検出する。これにより、操作体２０のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾動角度が指定角度に到達することを同時に監視できる。また、操作体２０を傾動させた際に、スプリング２６の反発力により可動スプリング２３の鍔部２３ａがシャフト２１の円周方向に回動してずれてしまったような場合であっても、確実に指定角度に到達したことを検出することができる。これにより、行き過ぎた傾倒操作により、ジョイスティックコントローラ１で制御する対象機器が破損されてしまうことを防止できる。

また、本例では、可動スプリング受け２３の磁石部材４１の取り付け位置を変えることで、簡単に操作体２０の指定角度の設定を変更することができる。すなわち、指定角検出センサ４２によるＯＮ／ＯＦＦ検知の位置調整を簡単に行うことができる。

また、本例では、指定角検出センサ４２を１つとしたが、図８に示すように、シャフト２１の表面に複数の平欠き部２５を形成し、複数の指定角検出センサ４２を設けるようにしてもよい。これにより、シャフト２１が指定角度に傾動したことをより確実に検出することができる。

また、１つのセンサ基板４２ａ上に複数のホールＩＣ４２ｂを実装することにより、操作体２０の指定角度が複数設定されている場合に対応することができる。さらに、シャフト２１に形成された複数の平欠き部２５の高さを変えることでも、操作体２０の指定角度が複数設定されている場合に対応することができる。

図４は、本例のジョイスティックコントローラ１の傾動角度検出部３０を示す斜視図であり、図２の下カバー２９を取り外した状態を示す。
図４に示すように、ジョイスティックコントローラ１の傾動角度検出部３０は、固定フランジ１１の下方において、操作体２０のシャフト２１と連結された状態で、シャフト２１をＸ軸方向に揺動するガイド部材としてのＸ軸アーム３１及びＹ軸方向に揺動するガイド部材としてのＹ軸アーム３２と、Ｘ軸アーム３１の変位を検出するＸ軸センサ３３及びＹ軸アーム３２の変位を検出するＹ軸センサ３４とを有している。Ｘ軸アーム３１及びＹ軸アーム３２の先端には磁石３６（図２参照）が取り付けられており、Ｘ軸センサ３３及びＹ軸センサ３４はホルダにより磁石３６と対向する位置に保持されている。

傾動角度検出部３０は、Ｘ軸センサ３３及びＹ軸センサ３４で、傾倒操作によるＸ軸アーム３１またはＹ軸アーム３２の揺動により変化した磁石３６の磁束の変化を検出することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のシャフト２１の傾動角度をそれぞれ取り出すことができる。Ｘ軸センサ３３及びＹ軸センサ３４により取り出された傾動角度は、電気信号として図示しないリード線を介して中継基板６に伝達された後、中継基板６上のコネクタ５を介して外部の装置に伝達される。

次に、図５に基づいて、本例のジョイスティックコントローラ１の組み立て方法の１例について説明する。
図５に示されるように、固定用フランジ１１に揺動可能に支持されたシャフト２１の平欠き部２５に指定角検出センサ４２を接着固定する。つぎに、固定用フランジ１１の上に、筐体ケース固定用ねじ５２により筐体ケース１４を取り付ける。そして、磁石部材４１が装着された可動スプリング受け２３をシャフト２１に挿通し、続いて、シャフト２１にスプリング２６を挿入する。そして、スプリング２６をある程度圧縮させた状態で、固定スプリング受け２４をシャフト２１の上部に固定する。最後に、つまみ用固定ねじ５１を用いて、シャフト２１の先端に摘み２２を取り付ける。これにより、操作体２０が組み立てられ、組み立てられた操作体２０は傾動可能に支持される。

つぎに、図６を用いて、本例のジョイスティックコントローラ１の動作について説明する。
図６は、本例のジョイスティックコントローラの動作を説明するための説明図及び指定角度検出部４０の動作を説明するための拡大図である。

ジョイスティックコントローラ１は、操作者が摘み２２を傾倒させて、回転中心１７を動作の支点としてシャフト２１を傾動変位させることにより動作する。

操作者が摘み２２を操作しないときは、スプリング２６のバネの力で、可動スプリング受け２３が、摺動用プレート１２に押し付けられる。すなわち、摘み２２から操作力を除いた状態においては、図６Ａに示すように、スプリングリターン機構部５０によって、操作体２０は直立した状態に保持されている。拡大図に示すように、可動スプリング受け２３の磁石部材４１は、上側のＮ極部分４１ａが指定角検出センサ４２のホールＩＣ４２ｂと対向する位置に保持される。このとき、本例の指定角検出センサ４２の出力電圧はＬ（ロー）レベルとなる。

操作者が摘み２２を把持してシャフト２１を１５°傾動させて指定角度に到達させると、図６Ｂに示すように、可動スプリング受け２３が摺動用プレート１２に押し上げられ、スプリング２６の付勢力に抗して、スプリング２６を圧縮する。スプリング２６が圧縮されると、可動スプリング受け２３がシャフト２１に沿って、上方へ摺動する。拡大図に示すように、可動スプリング受け２３の磁石部材４１は、下側のＳ極部分４１ｂが指定角検出センサ４２のホールＩＣ４２ｂと対向する位置に保持される。このとき、本例の指定角検出センサ４２の出力電圧はＨ（ハイ）レベルとなり、シャフト２１が指定角度まで傾動されたことを検知する。指定角検出センサ４２の出力電圧がＨレベルに到達した場合には、例えば電気的警報発生器等を始動して、操作者に対してジョイスティックコントローラ１の対象機器に危険が生じるおそれがあることを注意喚起することができる。

操作者が摘み２２を更に傾動して、図６Ｃに示すように、固定スプリング受け２４を筐体ケース１４の上端部に設けられたストッパ１５に押し付けると、可動スプリング受け２３が摺動用プレート１２にさらに押し上げられ、スプリング２６はさらに圧縮される。拡大図に示すように、可動スプリング受け２３に設けられた磁石部材４１は、やはりＳ極部分４１ｂが指定角検出センサ４２のホールＩＣ４２ｂと対向する位置に保持されており、引き続き、指定角検出センサ４２の出力電圧はＨレベルとなり、シャフト２１が指定角度を超えて傾動されていることを検知する。

なお、本例では、図６Ｂに示した状態におけるシャフト２１の傾動角度（±１５°）を指定角度として設定しているが、指定角度は任意の値でよく、例えば、図６Ｃに示す状態のシャフト２１の傾動角度（±２０°）を指定角度に設定してもよい。

図７は、本例のジョイスティックコントローラ１の出力特性図である。図７Ａは傾動角度検出部３０の出力特性図であり、図７Ｂは指定角度検出部４０の出力特性図である。

図７Ａは、アナログ出力電圧を例にした傾動角度検出部３０の出力特性図を示す。
図７Ａに示される例では、操作体２０の傾倒操作の範囲が傾動角度（−１５°〜＋１５°）の範囲内である場合は、コネクタ５から取り出されるＸ軸センサ３３及びＹ軸センサ３４の出力電圧が出力電圧２０〜８０％の範囲になるように設定されている。また、操作体２０の操作範囲が傾動角度約±１５°を超えて傾動角度±２０°までの範囲に到達している場合は、出力電圧が１０〜２０％及び８０〜９０％の範囲になるように設定されている。なお、本例では、操作体２０の傾倒操作ができる傾動角度の範囲は約±２０°までに設定されている。なお、図に示した出力電圧比の傾きは一例であって、また、操作体２０を傾倒操作できる傾動角の範囲は任意の範囲に設定することができる。

図７Ｂは、デジタル出力電圧を例にした指定角度検出部４０の出力特性図を示す。
図７Ｂに示される例では、コネクタ５から取り出される指定角検出センサ４２の出力電圧がＨレベルとＬレベルになるように設定されている。本例では、シャフト２１の傾動角度が−１５°〜＋１５°の範囲内の場合には、指定角検出センサ４２の出力電圧がＬレベルとなり、シャフト２１の傾動角度が±１５°を超えて指定角度に到達している場合には、指定角検出センサ４２の出力電圧がＨレベルになるように設定されている。例えば、Ｌレベルの場合には、電気的警報発生器等へのセンサ出力をＯＦＦ状態とするが、Ｈレベルの場合には電気的警報発生器等へのセンサ出力をＯＮ状態として操作者に注意喚起を行い、行き過ぎた傾倒操作を抑制して、ジョイスティックコントローラ１で制御する対象機器の破損を防止できる。なお、本例では、指定角度（±１５°）に到達してから、操作体２０、すなわち固定スプリング受け２４が筐体ケース１４のストッパ１５に当接するまでの間（傾動角度±２０°）は、常にＨレベルの状態が維持されており、電気的警報発生器等への出力がＯＮ状態に保たれる。

本例では、指定角検出センサ４２としてスイッチ出力タイプのホールＩＣ４２ｂを用いているため、図７Ｂの波線に示すようにＨレベル状態からＬレベル状態に移行する際にヒステリアスが発生するが、リニアタイプのホールＩＣやコンパレータＩＣなどを検出回路に追加することにより、このヒステリアスを小さくすることができる。

また、指定角検出センサ４２としてリニアタイプのホールＩＣを用いることにより、図７Ａに示すようなリニアに変化する電気信号（電圧）を出力させることもできる。

以上述べたように、本例のジョイスティックコントローラ１によれば、複雑な機構を設けることなく操作体２０の傾倒操作に対して設定された指定角度を検知するので、操作体２０の行き過ぎた傾倒操作を防ぐとともに、部品点数を削減してジョイスティックコントローラのサイズを小さくすることができる。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、可動スプリング受け２３の構成は、本例に限定されるものではなく、摺動用プレート１２と摺動し、シャフト２１に沿って移動できるものであればよい。

また、Ｘ軸センサ３３及びＹ軸センサ３４として、無接触式センサまたは接触式センサを用いてもよい。また、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、検出センサとして使用する磁気検出センサの種類や、磁石と検出センサの位置関係などは、適宜変更が可能である。

本例では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の検出を行う２次元ジョイスティックコントローラを用いているが、Ｘ軸方向のみの検出を行う１次元ジョイスティックコントローラにも適用することができる。また、摘み２２にＺ軸方向の検出を行うセンサを追加した３次元ジョイスティックコントローラにも適用することができる。

１・・・ジョイスティックコントローラ、５・・・コネクタ、６・・・中継基板、１０・・・筐体、１１・・・固定用フランジ、１２・・・摺動用プレート、１４・・・筐体ケース、１５・・・ストッパ、１７・・・回転中心、２０・・・操作体、２１・・・シャフト、２２・・・摘み、２３・・・可動スプリング受け、２４・・・固定スプリング受け、２５・・・平欠き部、２６・・・スプリング、２９・・・下カバー、３０・・・傾動角度検出部、３１・・・Ｘ軸アーム、３２・・・Ｙ軸アーム、３６・・・磁石、４０・・・指定角度検出部、４１・・・磁石部材、４２・・・指定角検出センサ、５０・・・スプリングリターン機構部

Claims (6)

1. 摺動用プレートと筐体ケースとを備える筐体と、
   回転中心部を中心として傾斜回動可能な状態で前記筐体に支持されるシャフトと、
   外力が加えられることにより前記シャフトを傾斜回動させる操作部と、
   前記シャフトに挿通支持された、前記シャフトに沿って移動可能な可動スプリング受けと、前記シャフトに固定された固定スプリング受けと、前記可動スプリング受けと前記固定スプリング受けとによって挟持されたスプリングと、を備え、前記スプリングにより前記シャフトを前記摺動用プレートに垂直に保持した状態から、前記操作部に加えられた外力により前記シャフトを傾斜回動させて前記スプリングを圧縮して、前記可動スプリング受けを前記シャフトに沿って変位させるスプリングリターン機構部と、
   前記可動スプリング受けの変位を検出する検出部と、を備えたジョイスティックコントローラであって、
   前記検出部は、
   前記可動スプリング受けの前記シャフトの外周面に対向する内周面に形成された凹部に設けられた磁石部材と、
   前記シャフトの外周面に形成された凹部に、前記磁石部材に対向するように設けられた、前記磁石部材の磁束の変化を検出するセンサと、を備える
   ジョイスティックコントローラ。
2. 前記磁石部材の形状は、リング状である
   請求項１に記載のジョイスティックコントローラ。
3. 前記磁石部材は、前記シャフトの軸方向に着磁されている
   請求項１または２に記載のジョイスティックコントローラ。
4. 前記センサは、前記シャフトに形成された平欠き部に設けられている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のジョイスティックコントローラ。
5. 前記平欠き部を複数設け、前記センサを複数備えた
   請求項４に記載のジョイスティックコントローラ。
6. 前記シャフトの傾斜回動をガイドする複数のガイド部材を設けた
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のジョイスティックコントローラ。
   

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