JP6834100B2 - 非接触型操作検出装置 - Google Patents
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Description
そして、特許文献1には、操作部による回転方向、傾斜方向及び押圧方向への操作状態を検出することができる非接触型操作検出装置が開示されており、その操作状態を検出するために、複数の磁気センサと複数の磁石が用いられている。
(1)本発明の非接触型操作検出装置は、回転方向及び傾斜方向に操作可能な操作軸と、前記操作軸の一端側に設けられ、前記操作軸の操作を行う操作部と、前記操作軸の他端側に設けられた磁石と、前記磁石の磁力による磁束密度に応じた出力値を出力し、前記磁石と離間して設けられた3軸検出型の磁気センサと、前記磁気センサと電気的に接続された制御部と、を備え、前記磁石は、前記操作部が操作中立位置に位置するときに、前記磁石の磁化方向が前記磁気センサに対して傾斜するように、前記操作軸に設けられており、前記制御部が、前記操作部の操作による前記磁束密度の極座標上での変化に基づいて、前記操作軸の前記回転方向及び前記傾斜方向への操作状態を検出する。
なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。
図1は本発明に係る第1実施形態の非接触型操作検出装置1の断面図である。
なお、図1は、ユーザが操作部12を操作していないときに、操作部12が位置する操作中立位置に、操作部12が位置している状態を示している。
図1に示すように、非接触型操作検出装置1は、操作部材10と、操作部材10を受ける傾動部材20と、傾動部材20を傾動可能に受けるベース部材30と、を備えている。
操作部材10は、操作軸11と、操作軸11の一端側(図1の上側)に取り付けられるようにして設けられた操作部12と、を備えており、傾動部材20に対して押圧方向(図1の下側)及び回転方向に操作可能に設けられている。
したがって、ユーザが操作部12を回転方向及び押圧方向に操作すると、その操作部12の操作によって、操作軸11が押圧方向及び回転方向に操作される。
なお、本実施形態では、操作軸11の一端側に操作部12を取り付けるようにしているが、操作部12は、操作軸11の一端側に設けられるように一体成形されていてもよい。
具体的には、操作軸11の回転方向への回転中心を通る操作軸11に沿った軸を基準軸(P軸参照)とすると、磁石固定部11Aは、磁石40の磁化方向(M軸参照)が基準軸(P軸参照)に対して傾斜するように、磁石40が固定できるようになっている。
したがって、磁石40は、磁化方向が基準軸(P軸参照)に対して傾斜するように、操作軸11の他端側に設けられている。
傾動部材20は、他端側(図1の下側)に配置される傾動部21と、一端側に設けられた操作部材受部22と、を備えている。
傾動部21は、後述するベース部材30の傾動受部32に対向する面が、ベース部材30の傾動受部32の半球面状の外形に応じた曲面に形成された半ドーム状の摺動部21Aと、摺動部21Aの他端側の周縁部から外側に延在するように設けられたフランジ部21Bと、を備えており、操作部12の傾斜方向の操作に応じて、傾動部21がベース部材30の傾動受部32に対して摺動することで、傾動部材20が傾動できるようになっている。
したがって、ユーザが操作部12を傾斜方向に操作すると、その操作部12の操作によって、傾動部材20とともに操作軸11も傾斜方向に操作される。
そして、ベース部材30の傾動受部32とフランジ部21Bとの間には、凹部21BBに一端側(図1の上側)の端部が挿入され、他端側(図1の下側)の端部がベース部材30の傾動受部32に当接するように配置された複数の弾性部材23が設けられており、この弾性部材23によって、傾動部材20が所定の位置に位置するように付勢されている。
このため、ユーザが操作部12を操作していないときには、この弾性部材23の付勢力によって、図1に示す操作中立位置に、操作部12が位置するようになっている。
そして、弾性部材24が、操作部材10の操作部12を一端側(図1の上側)に付勢するように、弾性部材収容部22Bに配置されており、操作部材10が常に一端側に付勢されている。
このため、ユーザが、操作部12を押圧方向に押圧する操作を止めると、押圧前の位置に操作部材10が戻るようになっている。
また、本実施形態では、傾動部材20を傾動部21と操作部材受部22を一体形成したものを示しているが、傾動部材20は、傾動部21と操作部材受部22を別体として、傾動部21に操作部材受部22を取り付けるようにしてもよい。
ベース部材30は、最も他端側(図1の下側)に配置される基部31と、基部31上に配置され、基部31に取り付けられた傾動受部32と、傾動受部32上に配置され、傾動受部32に取り付けられた蓋部33と、を備えている。
なお、摺動受部32Bは、外形が半球面状であるとともに、操作軸11の他端側が傾動方向に傾動できる円柱状の内部空間32Sを有するものになっている。
なお、外壁部33Bは、傾動部材20の傾動部21の動きと干渉しない程度の内部空間33Sを形成する内径を有する円筒状になっている。
なお、本実施形態では、基部31が回路基板である場合を示しているが、磁気センナ45、後述する制御部47及び記憶部48を設ける部分だけを回路基板として、その回路基板が基部31上に取り付けられている構成としてもよい。
なお、磁気センサ45は、3軸のうちの1つの軸である第1軸が、磁気センサ45の中央Oを通り、操作部12が操作中立位置に位置するときの基準軸(P軸参照)に沿った軸となるように配置されており、本実施形態では、磁気センサ45は、この第1軸(P軸参照)と操作部12が操作中立位置に位置するときの基準軸(P軸参照)とがほぼ一致するように配置されている。
また、磁気センサ45は、操作軸11が傾斜方向に動くときの回動中心に磁気センサ45の中央Oが位置するように基部31上に配置されている。
なお、この所定の角度δを磁石40の取り付け角度δと言う場合がある。
なお、本実施形態では、制御部47は、磁気センサ45と同様に、ベース部材30の基部31上に設けているが、制御部47は、必ずしも、基部31上に設けられる必要はなく、本実施形態では、制御部47の演算結果等を記憶する記憶部48(例えば、RAM等)も基部31上に設けているが、記憶部48も、基部31上に設けることに限定されるものではない。
したがって、通常、この回転方向の検出を行うために、さらに、磁石と磁気センサを設けることになる。
なお、押圧方向に関しては、磁化方向(M軸参照)が磁気センサ45の第1軸(P軸参照)に合わせるように、磁石40が配置されていたとしても検出することが可能である。
したがって、通常、この回転方向の検出を行うために、さらに、磁石と磁気センサを設けることになる。
なお、押圧方向に関しては、磁化方向(M軸参照)が磁気センサ45の第1軸(P軸参照)に直交するように、磁石40が配置されていたとしても検出することが可能である。
まず、操作状態を検出する方法の説明を行うのに先立って、図2を参照して、簡単に座標軸等の定義について説明する。
図2では、磁気センサ45の中央Oを基準として、先に説明した操作部12が操作中立位置に位置するときの基準軸(図1のP軸参照)に沿った3軸のうちの1つの軸である第1軸(図1のP軸参照)をZ軸として示している。
なお、言うまでもないが、X軸とY軸は互いに直交する軸であり、且つ、X軸及びY軸は、それぞれZ軸にも直交している。
なお、以降の説明では、X軸方向の成分、Y軸方向の成分及びZ軸方向の成分を、単に、XYZ成分と記載する場合がある。
なお、点(0,0,fz)と点(fx,fy,fz)を結ぶ直線の長さは、ベクトルF1のノルム|F1|=√(fx 2+fy 2)に等しい。
このように極角θ及び方位角Φが定義されることを踏まえたうえで、以下、具体的に、操作軸11の操作状態を検出する方法の説明を行う。
また、図4は、図1に示す磁気センサ45と磁石40との位置関係を模式的に示すとともに3軸検出型の磁気センサ45の座標軸(第1軸(Z軸)と第2軸(X軸))を加えた図である。
フローチャートの処理が開始されると、制御部47は、ステップ101の処理を実行する。
制御部47は、ステップ101に進むと、磁石40の磁力による磁束密度に応じた磁気センサ45の出力値に基づく磁束密度BのXYZ成分(BX,BZ,BZ)のうちのZ成分が閾値thBZ以上に変化したかを基準に、ユーザが操作部12を操作することで操作軸11を押圧方向に操作する操作を行ったか否かを判定する。
一方、変化量ΔBZ>閾値thBZでない場合(変化量ΔBZが閾値thBZより大きくない場合)には、押圧方向の操作がされていないものとしてステップ103に進む。
ただし、押圧方向への操作の判定には、Y成分BY0は無関係である。
制御部47は、ステップ102に進むと、ステップ102の処理として、ユーザが操作部12を操作することで操作軸11を押圧方向への操作をしたものとして押圧方向への操作が行われたことを記憶部48に記憶させた後に、図3の処理を終了する。
一方、制御部47は、ステップ103に進むと、ステップ103の処理として、ユーザによる操作部12の操作が操作軸11を押圧方向に押圧する操作ではないことを記憶部48に記憶させた後に、ステップ104に進む。
制御部47は、ステップ104に進むと、磁気センサ45の出力値が変化した後の磁束密度B1に基づいて、磁束の向きを算出して、ステップ105に進む。
制御部47は、ステップ105に進むと、ステップ105の処理として、ステップ104で算出した磁束密度B1の極角θ1に基づいて、ユーザによる操作部12の操作が、操作軸11を回転方向に操作する操作であったのか、傾斜方向に操作する操作であったのかを判定する。
逆に、変化量Δθ1が変化量Δθ1<閾値thθでない場合(変化量Δθ1が閾値thθより小さくない場合)には、傾斜方向への操作が行われたものとしてステップ107に進む。
したがって、傾斜方向への操作が行われていない場合、磁束密度B1の極角θ1の変化量Δθ1(=|θ1−δ|)は、小さい値を示す。
このことから、傾斜方向に操作が行われたと判定できる磁束密度B1の極角θ1の変化量Δθ1(=|θ1−δ|)に対応した閾値thθを設定し、変化量Δθ1(=|θ1−δ|)と閾値thθと比較することで、傾斜方向であったのかを判定することができる。
そして、傾斜方向への操作でない場合には、残る操作である回転方向への操作であったと考えることができる。
制御部47は、ステップ106に進むと、回転方向への操作が行われたものとして、ユーザによる操作部12の操作によって、操作軸11が、どの程度、回転させられたのかを求めるために、操作軸11の回転量の算出を行う。
したがって、制御部47は、式(4)で求めた磁束密度B1の方位角Φ1を操作軸11の回転量として記憶部48に記憶させた後、図3に示すフローを終了する。
一方、制御部47は、ステップ107に進むと、傾斜方向への操作が行われたものとして、ユーザによる操作部12の操作によって、操作軸11がどのような傾斜状態とされているのか求める処理を実行する。
具体的には、以下で説明するようにして、操作軸11の傾斜量を算出するとともに、傾斜方向を算出する。
その説明の後、以前に操作部12によって回転方向への操作が行われており、その回転方向の操作の後に、ホームポジションでない状態から傾斜方向への操作が行われた場合の操作軸11の傾斜量及び傾斜方向の求め方について説明する。
図5は、ホームポジションの状態から操作軸11を磁気センサ45の第3軸(Y軸)側に傾斜させた場合を示す図であり、図4の上側から見た図にあたる。
なお、図5では、図4で図示を省略していた操作軸11も模式的に示すようにしている。
なお、角度Tdは、操作軸11の傾斜方向を示す角度であり、且つ、操作軸11の方位角そのものであるから、以降では、操作軸11の方位角Td又は操作軸11の傾斜方向の角度Tdと記載する場合がある。
なお、回転基準ベクトルは、軸の方向を定めるだけでよいので、上記のように、ノルムが1のベクトルとして扱ってよい。
したがって、この回転基準軸は、傾斜方向に操作されたときの磁石40の磁束の傾斜方向への回転の基準となる軸にもなっている。
なお、以降では、cos(Td’)をcosTd’と記載し、sin(Td’)をsinTd’と記載するとともに、cos(Ta)及び,sin(Ta)をcosTa及び,sinTaとして角度の部分を示す括弧書きを省略する場合がある。
なお、磁束密度B1は、ノルムが1となるように正規化しているものとする。
なお、算出した操作軸11の傾斜量(角度Ta)及び傾斜方向の角度Td(方位角)は記憶部48に記憶される。
次に、以前に回転方向の操作が行われており、図1に示すホームポジションと異なる回転方向の位置に位置する状態から、操作部12を操作して操作軸11を傾斜方向に操作する場合の操作軸11の傾斜量及び傾斜方向の求め方について説明する。
したがって、この回転量(方位角Φ1)に基づいて、今回の操作後の磁束密度B1を、一旦、ホームポジションから傾斜方向への操作が行われたものと見なせる状態にして、上述した手順で傾斜量(角度Ta)を求めるようにするところから処理を行う。
なお、式(10)で求めた角度Taとの区別がつくように、ここで求める角度TaをTa2と記載することとする。
なお、傾斜量(角度Ta2)は回転方向に依存する物理量ではないため、制御部47は、この式(15)で求まる傾斜量(角度Ta2)を記憶部48に記憶する。
式(16)に示すように、ホームポジションの位置から傾斜方向の操作が行われたと見なしたときの操作軸11の傾斜方向の角度Td(方位角)を求めることができる。
したがって、常に、ホームポジションからの傾斜方向への操作の場合であっても、ホームポジション以外のときの傾斜方向への操作の場合と同様の手順でステップ107の処理を実施するようにしてもよい。
次に、以上のような処理によって、押圧方向、回転方向及び傾斜方向の操作状態を求めた実施例について説明する。
なお、本実施例は、上述した磁石40の取り付け角度δを15度として行った場合である。
なお、グラフ中の三角のBZは、上述した磁気センサ45の第1軸(Z軸)方向の成分を表しており、同様に、菱形のBX及び四角のBYは、それぞれ、磁気センサ45の第2軸(X軸)方向の成分及び第3軸(Y軸)方向の成分を表している。
なお、縦軸及び横軸は、上述した方位角の基準となる磁気センサ45の第2軸(X軸)を0度とし、傾斜方向がその基準からどの方向に向いているかを示すものになっている。
なお、図10及び図11は、横軸を実際の傾斜方向(単位deg)とし、縦軸を磁束密度の測定データから求めた傾斜量(単位deg)としている。
次に、本発明に係る第2実施形態の非接触型操作検出装置1について説明する。
第1実施形態では、図3を見るとわかるように、押圧方向、回転方向及び傾斜方向への操作が個別に行われる場合について説明したが、第2実施形態では、複数の操作が同時に行われる場合について説明する。
図12と図3を見比べればわかるように、第1実施形態では、押圧方向の操作が行われ、ステップ102に進むと、操作部12を操作して操作軸11が押圧される操作が行われたことを記憶部48に記憶させた後、処理が終了するようになっていたが、第2実施形態では、ステップ102の後、処理を終了させるのではなく、ステップ104に進み、第1実施形態で、ステップ103に進んだときに行われるステップ104以降のステップが実施されるようになっている。
図13は、磁石40が操作前の状態から操作軸11の押圧方向への移動に伴って磁気センサ45側に移動した状態を示した図である。
なお、図13では磁石40と磁気センサ45だけを図示し、操作前の磁石40を点線枠で示し、操作後の磁石40を実線枠で示している。
このため、磁石40が十分な大きさであるときには、図13に示すように、磁束密度の方向B’は、磁石40の面に対してほぼ垂直の方向に向いているので、押圧方向への操作が行われても、ほとんど変化していないと考えることができる。
したがって、押圧方向の操作が行われても、ステップ104の極角θ1を求める計算にはほとんど影響ない。
そして、上述のように、押圧方向への操作によっては、磁束密度の方向への影響はほとんどないといえるため、ステップ107の計算においても、この押圧方向の操作は影響しない。
図1に示した非接触型操作検出装置1の構成は、押圧方向、回転方向及び傾斜方向に操作できる構成の一例でしかなく、機械機構自体は、別の構成であってもよい。
既に、理由については説明したが、従来、1つの磁石と1つの磁気センサで検出が困難であったのは、回転方向及び傾斜方向であり、この場合には複数の磁石及び複数の磁気センサを要するが、本発明に従えば、1つの磁石と1つの磁気センサで検出が可能となる。
11 操作軸
12 操作部
40 磁石
45 磁気センサ
47 制御部
Claims (8)
- 回転方向及び傾斜方向に操作可能な操作軸と、
前記操作軸の一端側に設けられ、前記操作軸の操作を行う操作部と、
前記操作軸の他端側に設けられた磁石と、
前記磁石の磁力による磁束密度に応じた出力値を出力し、前記磁石と離間して設けられた3軸検出型の磁気センサと、
前記磁気センサと電気的に接続された制御部と、を備え、
前記磁石は、前記操作部が操作中立位置に位置するときに、前記磁石の磁化方向が前記磁気センサに対して傾斜するように、前記操作軸に設けられており、
前記磁気センサは、前記操作軸が前記傾斜方向に動くときの回動中心に配置されており、
前記制御部が、前記操作部の操作による前記磁束密度の極座標上での変化に基づいて、前記操作軸の前記回転方向及び前記傾斜方向への操作状態を検出することを特徴とする非接触型操作検出装置。 - 前記操作軸の前記回転方向への回転中心を通る前記操作軸に沿った軸を基準軸とすると、前記磁気センサは、前記操作部が操作中立位置に位置するときに、前記基準軸上に位置するように配置されており、
前記磁石は、前記磁石の中心を通る前記磁化方向に沿った磁石中心軸が前記基準軸に対して所定の角度δ傾斜するように、前記操作軸に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の非接触型操作検出装置。 - 前記磁気センサの中央を通り、前記操作部が操作中立位置に位置するときの前記基準軸に沿った軸を第1軸として、前記第1軸に対する前記磁束密度の偏角を前記磁束密度の前記極座標での極角とし、前記第1軸に直交する平面での偏角を求める基準となる第2軸に対する前記磁束密度の偏角を前記磁束密度の前記極座標での方位角とすると、前記操作部の操作に伴う前記磁束密度の前記極角の変化が所定の範囲内の場合、前記制御部は、前記操作部のよる操作が前記操作軸を回転方向に操作する操作であると判定し、前記方位角に基づき、前記操作部の操作による前記操作軸の回転量を算出することを特徴とする請求項2に記載の非接触型操作検出装置。
- 前記磁気センサの中央を通り、前記操作部が操作中立位置に位置するときの前記基準軸に沿った軸を第1軸として、前記第1軸に対する前記磁束密度の偏角を前記磁束密度の前記極座標での極角とし、前記第1軸に直交する平面での偏角を求める基準となる第2軸に対する前記磁束密度の偏角を前記磁束密度の前記極座標での方位角とすると、前記操作部の操作に伴う前記磁束密度の前記極角の変化が所定の範囲外の場合、前記制御部は、前記操作部のよる操作が前記操作軸を傾斜方向に操作する操作であると判定することを特徴とする請求項2に記載の非接触型操作検出装置。
- 前記制御部は、前記操作部による操作が前記操作軸を傾斜方向に操作する操作であると判定すると、所定の前記角度δ、前記磁束密度及び前記方位角に基づき、前記操作部の操作による前記操作軸の傾斜量を算出することを特徴とする請求項4に記載の非接触型操作検出装置。
- 前記制御部は、所定の前記角度δ、前記磁束密度、前記方位角及び前記操作軸の傾斜量に基づき、前記操作軸の傾斜方向を算出することを特徴とする請求項5に記載の非接触型操作検出装置。
- 前記制御部は、前記方位角を、前記磁束密度の前記第2軸方向の成分と前記第2軸及び前記第1軸に直交する前記磁束密度の第3軸方向の成分とに基づいて算出し、
前記制御部は、前記極角を、前記磁束密度の前記第2軸方向の成分、前記第3軸方向の成分及び前記第1軸方向の成分に基づいて算出することを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の非接触型操作検出装置。 - 前記操作軸は、押圧方向への操作が可能であり、
前記磁気センサの中央を通り、前記操作部が操作中立位置に位置するときの前記基準軸に沿った軸を第1軸とし、前記操作部の操作による前記磁束密度の第1軸方向の成分の変化が所定の範囲外である場合、前記制御部は、前記操作部による操作が前記操作軸を押圧方向に操作する操作であると判定することを特徴とする請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の非接触型操作検出装置。
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