JP6807487B2

JP6807487B2 - 入力装置

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Publication number: JP6807487B2
Application number: JP2020507428A
Authority: JP
Inventors: 上ノ町　孝志; 孝志上ノ町; 小川　敏生; 敏生小川; 真也武藤; 祥嗣脇田; 軍安都; 渉木村
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: US20200376963A1; EP3770717A1; EP3770717B1; JPWO2019181287A1; EP3770717A4; US10953750B2; CN111712774A; CN111712774B; WO2019181287A1

Description

本発明は、入力装置に関する。

従来より、操作ツマミを保持し、軸受部によって回動可能に保持された軸部と、モータ軸を有するモータと、前記操作ツマミの回動を検出する回転検出手段とを備え、前記軸部と前記モータ軸とを並設するとともに、前記操作ツマミによって回動するように前記軸部に取り付けられた第１の歯車と、該第１の歯車によって回動され、前記モータ軸に取り付けられた第２の歯車とを有し、前記モータからの力覚が前記第１、第２の歯車を介して前記操作ツマミに伝達するようにしたことを特徴とする力覚発生入力装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−０２２１３７号公報

ところで、従来の力覚発生入力装置では、操作者に伝達される力覚は、モータが発生するトルクのみによって生成されるため、操作者に力覚を伝達するためにはモータが大きなトルクを発生する必要がある。このため、装置が大型化するという課題がある。

そこで、小型化した入力装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の入力装置は、ベース部材と、前記ベース部材に取り付けられるモータと、前記モータに回転駆動される回転軸と、前記回転軸と一体に回転するウォームギアと、前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記ウォームギアに係合する第１ギアと、前記第１ギアと同軸上に設けられ、前記ベース部材に対して回転自在に設けられる第２ギアと、前記第１ギアと前記第２ギアとの間に設けられ、前記第１ギアと前記第２ギアの回転方向における基準角度状態からの相対角度が小さくなる方向に付勢力を発生する弾性部材と、前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記第２ギアに係合する第３ギアを有し、操作者によって回転操作されるロータと、前記第１ギアの第１回転角度と、前記第２ギアの第２回転角度とを検出する角度検出部と、前記ロータを介して前記操作者に与える力覚が変化するように、前記第１回転角度と前記第２回転角度との相対角度に応じて、前記モータの駆動制御を行う制御部とを含む。

小型化した入力装置を提供することができる。

実施の形態の入力装置１００を示す断面図である。入力装置１００から基板１２５を取り除いた構成を示す斜視図である。図２からロータ１５０を取り除いた構成を示す斜視図である。図３から基部１１０を取り除いた構成を示す斜視図である。入力装置１００から歯車ユニット１４０の一部分を取り除いた構成を示す斜視図である。歯車ユニット１４０の一部分を除いた構成と捻りバネ１６０を示す図である。歯車ユニット１４０の一部分を除いた構成と捻りバネ１６０を示す図である。歯車ユニット１４０の一部分を除いた構成と捻りバネ１６０を示す図である。ギア１４２を示す図である。角度センサ１７０を示す図である。角度センサ１７０を示す図である。入力装置１００の制御系を示す図である。実施の形態の変形例を示す図である。実施の形態の変形例を示す図である。

以下、本発明の入力装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の入力装置１００を示す断面図である。入力装置１００は、基部１１０、台座１２０、基板１２５、モータ１３０、ウォームギア１３５、歯車ユニット１４０、ロータ１５０を含む。

以下では、図１に加えて、図２乃至図１０を用いて説明する。図２は、入力装置１００から基板１２５を取り除いた構成を示す斜視図である。図１は、図２におけるＡ−Ａ矢視断面に対応する断面を示している。図３は、図２からロータ１５０を取り除いた構成を示す斜視図である。図４は、図３から基部１１０を取り除いた構成を示す斜視図である。

また、入力装置１００は、上述の構成要素に加えて、さらに捻りバネ１６０（図５、６、７参照）、角度センサ１７０（図９参照）、及び制御部を含む。制御部については、図１乃至図１０を用いて各部の構成要素を説明した後に説明する。

図５は、入力装置１００から歯車ユニット１４０の一部分を取り除いた構成を示す斜視図である。図６乃至図８Ｂは、歯車ユニット１４０の一部分を除いた構成と捻りバネ１６０を示す図である。図９及び図１０は、角度センサ１７０を示す図である。

以下では、各図において共通のＸＹＺ座標を用いて説明する。また、ＸＺ面視することを平面視と称す。また、以下では説明の便宜上、Ｙ軸正方向を上、Ｙ軸負方向を下と称す場合があるが、普遍的な上下関係を表すものではない。また、以下では説明の便宜上、Ｙ方向の位置を高さで表現する場合がある。Ｙ軸方向における最も正方向側は上部であり、Ｙにおける最も負方向側は底部である。

また、以下では、中心軸Ｃ（図１参照）とは、基部１１０、台座１２０、ロータ１５０に共通の中心軸である。これらの部材は平面視で中心軸Ｃが中心を通る円形である。中心軸ＣはＹ軸に平行である。

入力装置１００は、一例として、車両に搭載され、ダッシュボード周辺に配置されるディスプレイパネルに表示されるナビゲーション装置やエアコンディショナ等の様々な装置の操作画面に表示されるＧＵＩ（Graphic User Interface）の操作部等を遠隔操作する際に利用される入力装置である。入力装置１００は、例えば、車両のセンターコンソールのように運転者又は助手席の乗員の手元に配置される。ただし、入力装置１００の利用形態は、このような利用形態に限られるものではない。

基部１１０は、入力装置１００のベースの部分であり、平面視で中心軸Ｃを中心軸とする円環状の部材である。基部１１０は、平面視で最外周側に設けられる円筒部１１１と、平面視で円筒部１１１と同心円状で内側に設けられる円筒部１１２とを有する。円筒部１１１、１１２は、中心軸Ｃを中心軸とする円筒状の部材である。

円筒部１１２は、円筒部１１１の下端（Ｙ軸方向における負方向側の端部）から径方向内側に延在する接続部１１１Ａによって保持されており、円筒部１１１よりも高さが高い。接続部１１１Ａは、円周方向に等間隔で４個配置されており、隣り合う接続部１１１Ａ同士の間には隙間が設けられている。

基部１１０は、円筒部１１１及び１１２の間にロータ１５０を回転自在に軸支する。円筒部１１１及び１１２により、ロータ１５０は、中心軸Ｃを回転中心軸として回転する。このような基部１１０は、例えば、成型樹脂で構成される。

台座１２０は、平面視で基部１１０の内側に設けられており、Ｙ軸方向における高さは基部１１０の底部と等しい。台座１２０は、基板部１２１及び延出部１２２を有する。このような台座１２０は、例えば、成型樹脂で構成される。台座１２０は、ベース部材の一例である。また、台座１２０は、基部１１０のような隣接する周辺部品と一体に成形されていてもよい。また、台座１２０自身が、複数の別部品から構成されていてもよい。

基板部１２１は、平面視で中央に位置する円板状の部材であり、固定部１２１Ａ、１２１Ｂを有する。固定部１２１Ａにはモータ１３０が固定され、固定部１２１Ｂには基板１２５が固定される。

基板部１２１には、２個の延出部１２２が接続されている。片方の延出部は、基板部１２１に対してＸ軸正方向かつＺ軸正方向の側に平面的に延出している。他方の延出部は、基板部１２１に対してＸ軸負方向かつＺ軸負方向の側に平面的に延出している。

延出部１２２は、平面視における最も外側に、Ｙ軸正方向に突出する突出部１２２Ａを２個ずつ有する。このため、突出部１２２Ａは、４個ある。突出部１２２Ａは、基部１１０の円筒部１１２の内周面に係合される。これにより、台座１２０は、基部１１０に取り付けられる。また、他方の延出部１２２は、Ｙ軸正方向に突出する円柱状の軸部１２２Ｂを有する。すなわち、台座１２０は、軸部１２２Ｂを有する。軸部１２２Ｂ（図５参照）には、歯車ユニット１４０が回転自在に軸支される。

モータ１３０は、台座１２０の基板部１２１の上面（Ｙ軸正方向側の表面）に設けられる固定部１２１Ａに固定されている。モータ１３０自身によって回転駆動されるモータ１３０の駆動軸１３０Ａは、Ｘ軸方向に延在しており、回転軸１３５Ａが一体に回転するように接続されている。モータ１３０の駆動軸１３０Ａ及び回転軸１３５Ａが中心軸Ｃに垂直である。なお、駆動軸１３０Ａと回転軸１３５Ａとは、本実施形態では別体としたが、一体に成形されていてもよい。

ウォームギア１３５は、Ｘ軸方向に延在する駆動軸１３０Ａ及び回転軸１３５Ａと一体に回転するように、回転軸１３５Ａに圧入勘合されている。ウォームギア１３５は、Ｘ軸に沿って螺旋状に形成される成型樹脂製又は金属製のギアである。ウォームギア１３５には歯車ユニット１４０のギア１４２が噛合（係合）する。なお、ウォームギア１３５と回転軸１３５Ａとは、本実施形態では別体としたが、一体に成形されていてもよい。

歯車ユニット１４０は、台座１２０の延出部１２２の軸部１２２Ｂに回転自在に軸支される。歯車ユニット１４０は、ギア１４１とギア１４２とを有する。ギア１４１とギア１４２との間には、断面形状が円形の金属線からなり、円形の巻回部の両端に円の接線方向に延びる直線状の端部を有する捻りバネ１６０が設けられる。

ギア１４１は、ウォームギア１３５に噛合（係合）するギアであり、第１ギアの一例である。ギア１４１は、ギア１４２よりも外径が小さい略円筒形状のはす歯歯車であり、中心軸上に設けられる孔部１４１Ａと、Ｙ軸正方向側の端部及びＹ軸負方向側の端部のそれぞれに、孔部１４１Ａから径方向外側に切り欠かれた略扇形状の切欠部１４１Ｂ１及び切欠部１４１Ｂ２とを有する。

ギア１４１は、孔部１４１Ａがギア１４２の軸部１４２Ｂに差し込まれることによってギア１４２と同軸上に回転自在に軸支される。また、ギア１４１の切欠部１４１Ｂ１には、捻りバネ１６０の直線状の端部１６１Ａが係合され、ギア１４１の切欠部１４１Ｂ２には、捻りバネ１６０の直線状の端部１６１Ｂが係合される。切欠部１４１Ｂ１及び切欠部１４１Ｂ２の周方向の幅は、捻りバネ１６０の金属線の直径よりも広く、端部１６１Ａ及び端部１６１Ｂは周方向に移動可能となっている。端部１６１Ａは、捻りバネの一端部の一例であり、端部１６１Ｂは、捻りバネの他端部の一例である。

ギア１４２は、中心軸上に設けられる孔部１４２Ａと、平歯車で構成されるギア１４２の中心側でＹ軸正方向に延在する軸部１４２Ｂと、軸部１４２ＢのＹ軸正方向側の端部からＹ軸負方向側の端部まで連続した、孔部１４２Ａから径方向外側に切り欠かれた略扇形状の切欠部１４２Ｃ１及び切欠部１４２Ｃ２とを有する。ギア１４２の切欠部１４２Ｃ１には、捻りバネ１６０の直線状の端部１６１Ａが係合され、ギア１４２の切欠部１４２Ｃ２には、捻りバネ１６０の直線状の端部１６１Ｂが係合される。ギア１４２は、ロータ１５０のギア１５２Ａに噛合（係合）する。ギア１４２は、第２ギアの一例である。

ギア１４２の孔部１４２Ａは、軸部１２２Ｂに貫通されて、ギア１４２が回転自在に軸支される。ギア１４２の軸部１４２Ｂは、ギア１４１の孔部１４１Ａをギア１４２と同軸上に回転自在に軸支する円筒状の部材である。軸部１４２Ｂには、中心軸上に捻りバネ１６０の巻回部を収容する収容部１４２Ｂ１が設けられている。収容部１４２Ｂ１は、捻りバネ１６０の巻回部の外径に合わせた内径を有する円筒状のスペースである。また、捻りバネ１６０の巻回部の内径は軸部１２２Ｂよりも大きく設定されている。
なお本実施形態では、捻りバネ１６０の端部１６１Ａと端部１６１Ｂの成す角度をフリーな状態よりも広げた状態で保持して、両端部が閉まる方向に力を発生するように設定してあり、この設定を前提に説明する。しかしながら、この設定に限定されるものではなく、逆に両端部の成す角度がフリーな状態よりも狭い状態で保持され、両端部が広がる方向に力を発生するように設定しても良い。

初期状態でギア１４１の切欠部１４１Ｂ１とギア１４２の切欠部１４２Ｃ１とは、平面視でそれぞれの半径方向に延びる壁の周方向の位置が互いに一致しており、直線上に並んで配置されている。また、ギア１４１の切欠部１４１Ｂ２とギア１４２の切欠部１４２Ｃ２とは、平面視でそれぞれの半径方向に延びる壁の周方向の位置が互いに一致しており、直線上に並んで配置されている。この壁の周方向の位置が互いに一致して直線上に並んで配置されている状態をギア１４１とギア１４２の基準角度状態と定義する。基準角度状態においては、捻りバネ１６０の直線状の端部１６１Ａ及び端部１６１Ｂは、各切欠部の壁に同時に当接しすることができるので、ギア１４１及びギア１４２の両方に同じ大きさの付勢力を付与して、各切欠部の壁が直線状に一致した基準角度状態を維持するように作用する。また、上記初期状態、及び後述するロータ１５０への回転操作及びモータ１３０の回転駆動が解除された状態では、捻りバネ１６０の付勢力によりギア１４１及びギア１４２は互いに相対角度状態から基準角度状態に戻る。

軸受部１４３は、ギア１４２の軸部１４２Ｂと、基板１２５の下面との間に設けられた交差する２面を有する略Ｌ字状の部品であり、一方の面により、ギア１４２の軸部１４２Ｂを軸支するとともに、捻りバネ１６０が収容される収容部１４２Ｂ１のＹ軸正方向側に蓋をしている。さらに軸受部１４３は、他方の面により、回転軸１３５Ａの先端部を図示しない凹部により回転可能に軸支して、回転軸１３５ＡをＸ軸上に保持している。これによりウォームギア１３５がギア１４１から反力を受けても回転軸１３５Ａが反ることなく、確実にウォームギア１３５がギア１４１と係合することができる。

ロータ１５０は、円筒部１５１及び、円筒部１５２を有する。円筒部１５１及び、円筒部１５２の中心軸は中心軸Ｃである。このようなロータ１５０は、例えば、成型樹脂で構成される。ロータ１５０の直径は、約５０ｍｍ程度である。ロータ１５０は、円筒部１５１及び、円筒部１５２の内部が中空にされた中空状のロータである。

ロータ１５０は、入力装置１００の操作者が直接的に触れて操作するロータである。このため、ロータ１５０は、ノブとして利用される部材である。ここでは、操作者がロータ１５０に直接的に触れて操作する形態について説明するが、ロータ１５０を覆うカバー状の別部材が設けられてもよく、又は、可動する別部材が係合されていてもよく、これらの場合には、操作者は別部材に触れて間接的にロータ１５０を操作することになる。

円筒部１５１は、円筒部１５２よりも上側（Ｙ軸正方向側）に位置し、円筒部１５２よりも外径及び内径が大きい。円筒部１５１は、円筒部１５２の上側に接続されている。円筒部１５１は、ロータ１５０のうち、操作者が直接的に触れる部分である。

円筒部１５２の外周は、円筒部１５１の内周よりも大きく、円筒部１５１の外周よりも小さい。円筒部１５２と円筒部１５１の厚さは略同一である。断面視で円筒部１５２と円筒部１５１との間には段差がある。

円筒部１５２は、円筒部１１１及び１１２の間の隙間に嵌め込まれており、基部１１０に対して回転自在に軸支されている。円筒部１５２が円筒部１１１及び１１２の間の隙間に嵌め込まれると、円筒部１１２の外周面に設けられた係合部１１２Ａが円筒部１５２と円筒部１５１との間の段差に係合し、基部１１０に対してロータ１５０が嵌め込まれる。

円筒部１５２の内周面の下端には、周方向（回転方向）にわたってギア１５２Ａが形成されている。ギア１５２Ａは、円筒部１５２の内周に一周にわたって設けられている平歯車である。ギア１５２Ａは、第３ギアの一例である。

ギア１５２Ａは、基部１１０の円筒部１１２の内側から見ると、４個の突出部１２２Ａの間に表出する。ギア１５２Ａは、歯車ユニット１４０のギア１４２に噛合（係合）する。このため、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ギア１５２Ａからギア１４２に回転力が伝達され、ギア１４２から捻りバネ１６０を介してギア１４１に回転力が伝達され、さらにウォームギア１３５に伝達される。

捻りバネ１６０は、端部１６１Ａ、１６１Ｂを有し、端部１６１Ａ、１６１Ｂの間で螺旋状に巻回されている捻りコイルバネである。捻りバネ１６０は、弾性部材の一例である。捻りバネ１６０は、端部１６１Ａ、１６１Ｂがそれぞれ切欠部１４２Ｃ１、１４２Ｃ２に位置し、巻回部が収容部１４２Ｂ１の内部に収容されるように、軸部１４２Ｂに取り付けられる。また、端部１６１Ａは、軸部１４２Ｂに軸支されるギア１４１の切欠部１４１Ｂに係合され、端部１６１Ｂは、軸部１４２Ｂに軸支されるギア１４１の切欠部１４１Ｃに係合される。

角度センサ１７０は、２つの角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂを有する。角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂは、例えば、磁気センサで構成される。角度センサ１７０は、角度検出部の一例である。角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂは、それぞれ、第１角度検出部、第２角度検出部の一例である。

角度センサ１７０Ａは、図９に示すように、基板１２５の下面に取り付けられている。角度センサ１７０Ａの平面視での位置は、ギア１４１の回転中心近傍の位置である。角度センサ１７０Ａでギア１４１と一体に回転する図示しない磁石の磁束の変化を検出することでギア１４１の回転角度（第１回転角度の一例）を検出するためである。

角度センサ１７０Ｂは、図１０に示すように、台座１２０の軸部１２２Ｂの近くに配置される。角度センサ１７０Ｂの平面視での位置は、ギア１４２の回転中心近傍の位置である。角度センサ１７０Ｂでギア１４２と一体に回転する図示しない磁石の磁束の変化を検出することでギア１４２の回転角度（第２回転角度の一例）を検出するためである。なおロータ１５０は、ギア１４２と常に係合した状態で回転するため、角度センサ１７０Ｂにより検出したギア１４２の回転角度のデータを制御部へ送信し、ギア１４２とロータ１５０とのギア比とを基にして、ロータ１５０の回転角度を制御部により算出するようにしてもよい。

以上のような構成の入力装置１００において、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ギア１５２Ａから歯車ユニット１４０のギア１４２に回転力が伝達され、捻りバネ１６０を介してギア１４１に回転力が伝達される。このときに、ウォームギア１３５がモータ１３０によって回転駆動されていなければ、ウォームホイール側からウォームギアを回転駆動することができないというウォームギアのセルフロック効果によって、ギア１４１がウォームギア１３５を回転しようとしても回転できない。そのため、ギア１４１とギア１４２との相対角度がゼロ度である初期状態（基準角度状態）から、ギア１４２がギア１４１に対して相対的に回転した相対角度状態となり、捻りバネ１６０の両端部の成す角度がさらに広げられて、捻りバネ１６０の両端部の成す角度が狭くなる方向に復元力を発生する。また、復元力の大きさは、ギア１４２とギア１４１の相対角度の大きさに比例して変化する。復元力は、付勢力の一例である。

また操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけ、ギア１５２Ａからギア１４２に回転力が伝達され、捻りバネ１６０を介してギア１４１に回転力が伝達されたときに、ウォームギア１３５がモータ１３０によって、ギア１４１の回転方向と逆方向に、ギア１４１の回転速度と同じ移動速度となるように回転駆動されていれば、ギア１４１は捻りバネ１６０を介してギア１４２により負荷なく回転される。したがって、ギア１４１とギア１４２とは相対角度がゼロ度である初期状態（基準角度状態）を保ったまま回転することができ、捻りバネ１６０の両端部の成す角度も変化しないため、捻りバネ１６０は復元力を発生しない。

また操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけ、ギア１５２Ａからギア１４２に回転力が伝達され、捻りバネ１６０を介してギア１４１に回転力が伝達されたときに、ウォームギア１３５がモータ１３０によって、ギア１４１の回転方向と逆方向に、ギア１４１の回転速度よりも遅い移動速度となるように回転駆動されると、ギア１４１とギア１４２との相対角度がゼロ度である初期状態（基準角度状態）から、上記移動速度の差の分だけギア１４１の回転が遅れてギア１４２と相対角度のある相対角度状態となる。したがって、上述したモータ１３０でウォームギア１３５を回転駆動しない場合と比べて、相対角度が小さく、捻りバネ１６０の両端部の成す角度が小さく広げられて、捻りバネ１６０は相対角度に応じた小さな復元力を発生する。

捻りバネ１６０の復元力は、ギア１４１とギア１４２の相対角度をゼロ度である初期状態（基準角度状態）に戻す方向の回転トルクとしてギア１４２に作用し、ギア１５２Ａを介してロータ１５０に回転トルクとして付加される。

上述のように、モータ１３０によるウォームギアの回転駆動を制御することで、相対角度が無い状態から相対角度の様々な大きさの状態、すなわち復元力が無い状態から復元力の様々な大きさの状態まで、所望の状態を実現できる。

また、捻りバネ１６０が広げられる際の相対角度の大きさの検出は、角度センサ１７０Ａ及び角度センサ１７０Ｂで検出されるギア１４１及びギア１４２のそれぞれの回転角度に基づいて制御部にて計算して得ることができるため、制御部が検出した相対角度の大きさに応じてモータ１３０の駆動を制御して、捻りバネ１６０の復元力の大きさを制御することができる。

このため、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ロータ１５０を回転操作する操作者の手には、大きさを制御された捻りバネ１６０の復元力に基づく回転トルクが付加されて力覚として作用することになる。

このときに、制御部は、捻りバネ１６０の復元力をアシストする方向（相対角度がゼロ度となる方向）、又は、復元力を制限する方向（相対角度が大きくなる方向）にモータ１３０を駆動することによって、ロータ１５０を操作する操作者の手に力覚を与える。

図１１は、入力装置１００の制御系を示す図である。図１１には、入力装置１００の制御部１８０、モータ１３０、及び角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂに加えて、上位装置１０を示す。

図１１では、モータ１３０と角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂとの間の構成（ウォームギア１３５、歯車ユニット１４０）を省くが、モータ１３０を回転駆動することにより、ウォームギア１３５、歯車ユニット１４０を介してロータ１５０に駆動力が伝達されるとともに、角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂが歯車ユニット１４０のギア１４１、１４２の回転角度を検出する。

上位装置１０は、例えば、車両に搭載されるナビゲーション装置やエアコンディショナ等の様々な装置のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）である。上位装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory)、ＨＤＤ（Hard Disk Drive)、入出力インターフェース、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。

上位装置１０は、入力装置１００の入力モードに応じて、入力装置１００に操作が行われた際に提供する力覚に応じた力覚指令を表すデータをメモリに格納しており、選択された入力モードに応じた力覚指令を制御部１８０に出力する。なお、入力モードとは、例えば、ナビゲーション装置やエアコンディショナ等のいずれかの操作を行うモードであり、入力モードによって、ダッシュボードに設けられているディスプレイの表示内容がナビゲーション装置やエアコンディショナ等に切り替えられる。これらの入力モードに応じた力覚指令により、例えば、強いクリック感や弱いクリック感、又は連続する所定の回転負荷トルクなどの力覚が提供される。

制御部１８０は、力覚パターン発生部１８１、トルク制御部１８２、及び角度追従制御部１８３を有する。

力覚パターン発生部１８１は、角度センサ１７０Ａ、１７０Ｂによって検出される回転量から、それぞれ、ギア１４１、１４２の基準角度に対する角度を求め、ギア１４１、１４２の基準角度に対する相対角度を求める。力覚パターン発生部１８１は、上位装置１０から入力される力覚指令と、相対角度とに基づいてトルク指令を生成し、トルク制御部１８２に出力する。

力覚パターン発生部１８１が相対角度を用いてロータ１５０の所定の角度に対するトルク指令を生成する際には、所定のＦＳ（Force-Stroke)特性を利用して変換を行う。力覚パターン発生部１８１は、力覚指令の種類に応じたロータ１５０の所定の角度に対するトルクをストロークに変換し、変換したストロークをＦＳ特性に当て嵌めて基準角度に対する相対角度に変換することによって、トルク指令を生成する。

トルク制御部１８２は、力覚パターン発生部１８１から入力されるトルク指令が表す基準角度に対する相対角度をモータ１３０の回転軸１３５Ａの回転角度に変換する変換処理を行うことによって、角度指令を生成する。トルク制御部１８２は、角度指令を角度追従制御部１８３に出力する。トルク制御部１８２は、捻りバネ１６０の復元力をアシストする方向、又は、復元力を制限する方向に相対角度が移動するようにモータ１３０の回転軸１３５Ａの回転角度の角度指令を生成する。

角度追従制御部１８３は、角度センサ１７０Ｂによって検出される回転角度からロータ１５０の基準角度に対する現在の角度を求めるとともに、角度センサ１７０Ａ及び角度センサ１７０Ｂから、現在のギア１４１とギア１４２の相対角度を求める。角度追従制御部１８３は、トルク制御部１８２から入力される角度指令によるロータ１５０の所定の角度に対する目標相対角度と、現在のギア１４１とギア１４２の相対角度とに基づいてフィードバック制御を行うことによって、モータ１３０の駆動制御を行う駆動信号を生成する。

角度追従制御部１８３は、ギア１４１とギア１４２の相対角度が、角度指令が表す角度に一致するように、駆動信号を生成する。駆動信号は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調)信号であり、角度追従制御部１８３は、フィードバック制御によってデューティ比を決定する。

以上のように、入力装置１００は、ロータ１５０の回転に伴って回転する歯車ユニット１４０（ギア１４１、ギア１４２）及びウォームギア１３５と、ギア１４１、１４２の相対角度の増大を抑制する復元力を発生する捻りバネ１６０を含むとともに、復元力をアシスト又は制限するようにギア１４１、１４２の相対角度を変更するウォームギア１３５を回転駆動するモータ１３０を含む。

そして、ロータ１５０が操作された際に、ギア１４１、１４２の相対角度に応じて、捻りバネ１６０の復元力をアシストする方向、又は、復元力を制限するようにウォームギア１３５の回転をモータ１３０により制御する。

このような構成の入力装置１００によって操作者の手に提供される力覚は、捻りバネ１６０の復元力の変化に伴って付加される回転トルクによって実現される。捻りバネ１６０の復元力をアシスト又は制限するためにウォームギア１３５を回転駆動するモータ１３０のトルクは、従来の装置のようにモータをロータに直結し、モータ自身の回転トルクの変化により力覚を実現する場合に比べて、モータ１３０の駆動トルクを大幅に低減することができる。

このため、入力装置１００は、従来の装置よりも小型のモータ１３０を用いる構成で、力覚を提供することができる。

したがって、実施の形態によれば、小型化した入力装置１００を提供することができる。

また、モータの回転制御をモータ以外の場所に設けた角度センサ１７０に基づいて行っており、モータ自身には高精度の回転角度検出機構等を有する必要がないため、モータの回転制御に必要だった構造をモータに具備する必要が無くモータの構造を簡素化できるので、モータ１３０の小型化が可能である。

また、ウォームギア１３５を用いているため、ウォームギア１３５のセルフロック効果を利用することにより、モータ１３０が復元力を制限するトルクを発生する場合に、モータ１３０の保持トルクが小さくて済む。このような観点からも、モータ１３０の小型化が可能であり、入力装置１００の小型化を図ることができる。また、捻りバネ１６０の復元力は、歯車ユニット１４０を介して歯数の大きいロータ１５０のギア１５２Ａに接続されている。このため、捻りバネ１６０側から見ると、大きな減速比が得られるので、捻りバネ１６０の復元力が発生するトルクが小さくても、十分な力覚を提供することができる。このような観点からも入力装置１００の小型化を図ることができる。

また、モータ１３０の駆動トルクを時系列的に変化させることによって、様々な力覚を実現することができる。例えば、ナビゲーション装置やエアコンディショナ等の様々な装置の種類や操作内容によって力覚が異なるようにモータ１３０の駆動パターンを設けておけば、操作者は、力覚だけで操作内容の確認や操作の完了を知覚することができる。

なお、以上では、モータ１３０の駆動軸１３０Ａ及び回転軸１３５Ａが中心軸Ｃに垂直である形態について説明したが、モータ１３０の駆動軸１３０Ａ及び回転軸１３５Ａは、中心軸Ｃに垂直ではなくてもよい。

また、以上では、入力装置１００がウォームギア１３５、歯車ユニット１４０（ギア１４１及びギア１４２）、及びギア１５２Ａを含む形態について説明したが、これらのギア又は歯の構成は、上述した構成に限られず、他の構成であってもよい。

また、以上では、捻りバネ１６０を用いる形態について説明したが、図１２及び図１３に示すように変形してもよい。図１２及び図１３は、実施の形態の変形例を示す図である。

図１２に示すように、図１乃至図１０に示す台座１２０の代わりに台座１２０Ｍ１を含み、捻りバネ１６０の代わりに、図１３に示すトーションバネ１６０Ｍ１を含む構成であってもよい。

台座１２０Ｍ１は、図１０に示す台座１２０の軸部１２２Ｂの代わりに、軸部１２２Ｍ１Ｂを有する。軸部１２２Ｍ１Ｂは、トーションバネ１６０Ｍ１に合わせて、円筒状の部材に、トーションバネ１６０Ｍ１を保持する切り欠き１２２Ｍ１Ｂ１を有する。

トーションバネ１６０Ｍ１は、金属棒をクランク状に折り曲げたバネであり、図１３に示すように軸部１２２Ｍ１Ｂに取り付けられる。このようなトーションバネ１６０Ｍ１の下側の端部をギア１４１及びギア１４２に係合させ、上側の端部をギア１４１及びギア１４２に係合させれば、捻りバネ１６０を用いる場合と同様の動作を実現できる。すなわち、ギア１４１とギア１４２の成す相対角度が小さくなる方向に、トーションバネ１６０Ｍ１の復元力による付勢力を発生することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の入力装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

尚、本国際出願は、２０１８年３月１９日に出願した日本国特許出願２０１８−０５１３８１に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

１００入力装置
１１０基部
１２０、１２０Ｍ１台座（ベース部材）
１３０モータ
１３５ウォームギア
１３５Ａ回転軸
１４０歯車ユニット
１４１、１４２ギア
１５０ロータ
１５１、１５２円筒部
１５２Ａギア
１６０捻りバネ
１６０Ｍ１トーションバネ
１７０、１７０Ａ、１７０Ｂ角度センサ
１８０制御部

Claims

ベース部材と、
前記ベース部材に取り付けられるモータと、
前記モータに回転駆動される回転軸と、
前記回転軸と一体に回転するウォームギアと、
前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記ウォームギアに係合する第１ギアと、
前記第１ギアと同軸上に設けられ、前記ベース部材に対して回転自在に設けられる第２ギアと、
前記第１ギアと前記第２ギアとの間に設けられ、前記第１ギアと前記第２ギアの回転方向における基準角度状態からの相対角度が小さくなる方向に付勢力を発生する弾性部材と、
前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記第２ギアに係合する第３ギアを有し、操作者によって回転操作されるロータと、
前記第１ギアの第１回転角度と、前記第２ギアの第２回転角度とを検出する角度検出部と、
前記ロータを介して前記操作者に与える力覚が変化するように、前記第１回転角度と前記第２回転角度との相対角度に応じて、前記モータの駆動制御を行う制御部と
を含む、入力装置。
前記角度検出部は、
前記第１回転角度を検出する第１角度検出部と、
前記第２回転角度を検出する第２角度検出部と
を有する、請求項１記載の入力装置。
前記ロータは、中空状であり、前記第３ギアは、前記ロータの内周面に回転方向に沿って設けられている、請求項１又は２記載の入力装置。
前記弾性部材は、一端部が前記第１ギアと係合し、他端部が前記第２ギアと係合して、前記基準角度状態からの前記相対角度が小さくなる方向に付勢力を発生する捻りバネである、請求項１乃至３のいずれか一項記載の入力装置。
前記モータ及び前記回転軸は、前記ロータの回転中心軸に対して垂直となるように設けられる、請求項１乃至４のいずれか一項記載の入力装置。