JP7036638B2

JP7036638B2 - 入力装置

Info

Publication number: JP7036638B2
Application number: JP2018051379A
Authority: JP
Inventors: 敏生小川; 孝志上ノ町; 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: 2018-03-19
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP2019164505A

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、軸受け部によって回転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転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共に、前記操作ツマミによって回転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の歯車によって回転され、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、ベース部材に取り付けられるモータと、中心軸を回転中心として前記ベース部材に回転自在に軸支される第１ロータであって、前記中心軸による回転方向に沿って設けられ、前記モータの駆動軸に係合する係合部を有する第１ロータと、前記中心軸に同軸上に回転自在に軸支され、操作者によって回転操作される第２ロータと、前記第１ロータと前記第２ロータとの間に設けられ、前記第１ロータ及び前記第２ロータの前記回転方向における基準角度に対する第１相対角度に応じて、前記第１相対角度が小さくなる方向に前記第１ロータ及び前記第２ロータを付勢する付勢力を発生する弾性部材と、前記第１ロータの第１回転角度及び前記第２ロータの第２回転角度を検出する角度検出部と、前記第２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回転角度との第２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み、前記ベース部材は、前記中心軸と同軸上の回転軸を有し、前記第１ロータは、前記回転軸によって回転自在に軸支される第１中空軸を有し、前記第２ロータは、前記第１中空軸の内側に回転自在に軸支される第２中空軸を有する。

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を示す斜視図である。図１におけるＡ－Ａ矢視断面を示す図である。図１からアウターロータ１５０を取り除いた構成を示す図である。図３からインナーロータ１４０を取り除いた構成を示す図である。図１及び図２から基部１１０、１１５、台座１２０を取り除いた構成を示す図である。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の入力装置１００Ｍ１を示す図である。実施の形態の変形例の入力装置１００Ｍ２を示す図である。実施の形態の変形例の入力装置１００Ｍ３を示す図である。入力装置１００Ｍ３のアウターロータ１５０Ｍ３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を示す斜視図である。図２は、図１におけるＡ－Ａ矢視断面を示す図である。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。

入力装置１００は、基部１１０、隔壁１１５、台座１２０、モータ１３０、インナーロータ１４０、アウターロータ１５０、コイルバネ１６０、歯車１７０Ａ、１７０Ｂ、及び磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂを含む。

また、以下では、図１及び図２に加えて、図３乃至図５を用いて説明する。図３は、図１からアウターロータ１５０を取り除いた構成を示す図である。図４は、図３からインナーロータ１４０を取り除いた構成を示す図である。図５は、図１及び図２から基部１１０、隔壁１１５、台座１２０を取り除いた構成を示す図である。

また、以下では、中心軸Ｃ（図１参照）とは、基部１１０、隔壁１１５、台座１２０、インナーロータ１４０、及びアウターロータ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設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設される。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を中心軸とする円板状の部材である。基部１１０は、中央にＹ軸正方向（上方向）に延在する円筒部１１１を有する。円筒部１１１は、中心軸Ｃを中心軸とする円筒状の部材である。このような基部１１０は、例えば、成型樹脂で構成される。

隔壁１１５は、基部１１０のＹ軸正方向側（上側）に設けられ、中心軸Ｃを中心軸とする円板状の部材であり、中央に設けられる開口部１１５Ａに円筒部１１１が挿通されている。また、隔壁１１５は、開口部１１５Ａの外側で歯車１７０Ａ、１７０Ｂの回転軸１７１Ａ、１７１Ｂを軸支している。このような隔壁１１５は、例えば、成型樹脂で構成される。

台座１２０は、基部１１０及び隔壁１１５のＹ軸正方向側（上側）に設けられており、外周部１２１、円板部１２２、軸部１２３Ａ、１２３Ｂ、及び円筒部１２４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。外周部１２１、円板部１２２、及び円筒部１２４の中心軸は中心軸Ｃである。

台座１２０は、モータ１３０が取り付けられ、回転軸を有するベース部材の一例である。ただしベース部材はこのような形態に限られるものではなく、例えば台座１２０の周辺にある基部１１０や隔壁１１５などの部材と一体または別体となって同様の機能を有する集合体の形態であってもよい。

外周部１２１は、基部１１０の外径と等しい外径を有する円筒状の部分である。外周部１２１は、入力装置１００の側面におけるＹ軸負方向側（下側）で表出しており、外周部１２１のＹ軸負方向側の端部（下端）は、基部１１０の外周部と当接している。外周部１２１のＹ軸正方向側（上側）には、ＸＺ平面に平行な円板部１２２が連続的に設けられている。

円板部１２２は、基部１１０の外径と等しい外径を有する円板状の部分である。円板部１２２の径方向の最も外側のＹ軸負方向側（下側）には外周部１２１が一体的に設けられており、径方向の最も内側のＹ軸正方向側（上側）には円筒部１２４が一体的に設けられている。また、円板部１２２の径方向の中間部のＹ軸負方向側（下側）には軸部１２３Ａ、１２３Ｂが設けられており、円板部１２２の径方向の中間部のＹ軸正方向側（上側）には、４個のモータ１３０が固定される固定部１２２Ａが設けられている。

軸部１２３Ａは、歯車１７０Ａの回転軸１７１Ａを回転自在に軸支する軸であり、軸部１２３Ｂは、歯車１７０Ｂの回転軸１７１Ｂを回転自在に軸支する軸である。軸部１２３Ａと軸部１２３Ｂは、Ｘ軸上において、中心軸Ｃに対して互いに反対側に設けられている。

円筒部１２４は、中心軸Ｃを回転中心としてインナーロータ１４０を回転自在に案内する回転軸の一例である。円筒部１２４の内周面には、インナーロータ１４０の軸部１４２の外周面が摺動する。

モータ１３０は、４個あり、台座１２０の円板部１２２のＹ軸正方向側（上側）の表面に設けられる４個の固定部１２２Ａに固定されている。モータ１３０は、一例として、サーボモータである。４個のモータ１３０は、平面視で台座１２０の円周方向に等間隔で配設されている。すなわち、４個のモータ１３０の駆動軸は、平面視で中心軸Ｃに対して９０°間隔に配設されている。また、モータ１３０の駆動軸が延びている方向は、中心軸Ｃに垂直な方向で、かつ、中心軸Ｃから離れていく方向（外周方向）である。

モータ１３０の駆動軸には、歯車１３１が設けられており、歯車１３１は、インナーロータ１４０の外周部のフェースギア１４３に係合する平歯車または、はす歯歯車である。なお駆動軸に歯車１３１が直接形成されていてもよいし、別体の歯車１３１が駆動軸に固定されていてもよい。モータ１３０の駆動軸は、後述する制御部によって駆動されていない状態では回転自在であるが、制御部によって駆動されると、インナーロータ１４０に回転方向の駆動力を付与する。

インナーロータ１４０は、台座１２０のＹ軸正方向側（上側）に設けられており、円板部１４１、軸部１４２、及びフェースギア１４３を有する。円板部１４１、軸部１４２、及びフェースギア１４３の回転中心は中心軸Ｃである。このようなインナーロータ１４０は、例えば、成型樹脂で構成される。インナーロータ１４０は、第１ロータの一例である。

円板部１４１は、平面視で円板状の部材であり、中央に軸部１４２が設けられ、外周部にフェースギア１４３が設けられている。また、円板部１４１の径方向の中間部には、４個の収容部１４１Ａが設けられている。収容部１４１Ａは、平面視で円板部１４１の回転方向において等間隔で設けられている。

収容部１４１Ａは、直線状のコイルバネ１６０の下半分を収容するスペースであり、中心軸Ｃから所定の径方向距離の位置における円周の接線方向に延在している。収容部１４１Ａは、接線方向に中心軸を有する円筒の下半分に対応した形状を有する凹部であり、円板部１４１の上面から半円筒状に凹んでいる。

収容部１４１Ａの接線方向の長さは、コイルバネ１６０の伸縮方向における自然長以下であればよい。ここでは一例として、収容部１４１Ａの接線方向の長さは、コイルバネ１６０の自然長よりの所定長さ短く設定される。すなわち、収容部１４１Ａにコイルバネ１６０を収容すると、コイルバネ１６０は自然長よりも収縮した状態になり、コイルバネ１６０の両端は、収容部１４１Ａの両端に係合する。収容部１４１Ａの接線方向は、収容部１４１Ａの長手方向である。なお、収容部１４１Ａは、第１バネ係合部の一例である。

軸部１４２は、円板部１４１の中心からＹ軸負方向側（下側）に延在するように設けられる円筒状の部分である。すなわち、軸部１４２は、中心軸Ｃの周囲が所定の径方向の位置（軸部１４２の内周面の位置）までくり抜かれた中空状の軸（中空軸）である。軸部１４２は、第１中空軸の一例である。

軸部１４２は、台座１２０の円筒部１２４の内部に軸支されており、円筒部１２４に対して回転自在である。これにより、インナーロータ１４０は、台座１２０に対して回転自在になっている。軸部１４２の直径は、円筒部１２４の直径よりも小さく、円筒部１２４の内周面に摺動するように設定されている。

軸部１４２の外周面の下端には、歯車部１４２Ａが設けられている。歯車部１４２Ａは、軸部１４２の外周面に一周にわたって設けられている。歯車部１４２Ａには、歯車１７０Ａが係合する。

フェースギア１４３は、円板部１４１の外周部の下面に円周方向に一周にわたって設けられている。フェースギア１４３は、モータ１３０の歯車１３１に係合する。フェースギア１４３は、係合部の一例である。

アウターロータ１５０は、インナーロータ１４０の上側を覆うように設けられている。アウターロータ１５０は、円板部１５１、軸部１５２、及び外周部１５３を有する。円板部１５１、軸部１５２、及び外周部１５３の回転中心は中心軸Ｃである。このため、アウターロータ１５０は、台座１２０の円筒部１２４（回転軸の一例）に同軸上に設けられている。

このようなアウターロータ１５０は、例えば、成型樹脂で構成される。アウターロータ１５０は、第２ロータの一例である。アウターロータ１５０の直径は、約５０ｍｍ程度である。

アウターロータ１５０は、入力装置１００の操作者が直接的に触れて回転操作するロータである。このため、アウターロータ１５０は、ノブとして利用される部材である。ここでは、操作者がアウターロータ１５０に直接的に触れて操作する形態について説明するが、アウターロータ１５０を覆うカバー状の部材が設けられてもよく、この場合には、操作者はカバー状の部材に触れて間接的にアウターロータ１５０を回転操作することになる。

円板部１５１は、平面視で円板状の部材であり、中央に軸部１５２が設けられ、外周側に外周部１５３が設けられている。また、円板部１５１の径方向の中間部には、４個の収容部１５１Ａが設けられている。収容部１５１Ａは、平面視で円板部１５１の回転方向において等間隔で設けられている。また、円板部１５１の上面の外周側を除いた中央側は、Ｙ軸負方向側に凹んだ凹部１５１Ｂになっている。

収容部１５１Ａは、インナーロータ１４０の収容部１４１Ａに対応するスペースであり、円板部１５１の下面から円筒の上半分に対応するように凹んだ凹部である。収容部１５１Ａのサイズは、収容部１４１Ａと等しく、収容部１４１Ａを天地方向に反転させた形状である。収容部１５１Ａの接線方向は、収容部１５１Ａの長手方向である。収容部１５１Ａの上端は、凹部１５１Ｂに連通しているが、連通していなくてもよい。

収容部１５１Ａは、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０とを回転方向において位置合わせした状態で、円筒状のスペースを構築する。収容部１５１Ａと収容部１４１Ａとによって構築されるスペースに、コイルバネ１６０が収容される。収容部１５１Ａと収容部１４１Ａの両端の位置が回転方向において一致している場合には、コイルバネ１６０の両端は、収容部１５１Ａと収容部１４１Ａの両端に係合する。収容部１５１Ａは、第２バネ係合部の一例である。

インナーロータ１４０とアウターロータ１５０とを回転方向において位置合わせした状態で、４個の収容部１４１Ａの長手方向の両端と、４個の収容部１５１Ａの長手方向の両端とは、それぞれ位置が合わせられた状態になる。この状態でインナーロータ１４０とアウターロータ１５０とは、回転方向における基準角度にあることとし、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０との実際の相対角度が０度であることとして取り扱う。また本実施例の入力装置１００においては、操作前の初期状態ではインナーロータ１４０とアウターロータ１５０とは、回転方向における基準角度の状態にある。なお、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０との実際の相対角度は、第１相対角度の一例である。相対角度は、インナーロータ１４０に対してアウターロータ１５０が平面視で時計回りの方向にずれている場合に正の値をとり、インナーロータ１４０に対してアウターロータ１５０が平面視で反時計回りの方向にずれている場合に負の値をとるものとして取り扱うが、動作原理上は回転方向による差異は無いため、以下の説明では特に時計回りか反時計回りかについては明示していない。

操作者によって基準角度にあるアウターロータ１５０に回転方向の力が入力され、インナーロータ１４０に回転方向のトルクが付加されるとアウターロータ１５０とインナーロータ１４０との相対角度の絶対値が０度よりも大きくなり、収容部１５１Ａと収容部１４１Ａの両端の相対位置がずれ、平面視で収容部１５１Ａと収容部１４１Ａの共通領域に設けられるコイルバネ１６０を収容可能な円筒状の区間の長さが短くなるため、コイルバネ１６０が収縮する。この状態で、コイルバネ１６０の一端は、収容部１５１Ａの一端に係合し収容部１４１Ａの一端とは離間し、他端は収容部１４１Ａの他端に係合し収容部１５１Ａの他端とは離間して、収縮状態からの復元力を係合する端部にのみ付勢することで、相対角度の絶対値が０度となる方向の回転トルクをアウターロータ１５０とインナーロータ１４０とに付与する。相対角度の絶対値が０度となると、コイルバネ１６０の両端が収容部１５１Ａの端部と収容部１４１Ａの端部の両方に係合するので、付勢力がどちらの回転方向へも同じ力となり、アウターロータ１５０とインナーロータ１４０とが基準角度の状態で留まる。

軸部１５２は、円板部１５１の中心からＹ軸負方向側（下側）に延在するように設けられる円筒状の部分である。軸部１５２は、第２中空軸の一例である。

軸部１５２の直径は、軸部１４２の直径よりも小さく、軸部１４２の内周面に摺動するように設定されている。軸部１５２は、中心軸Ｃの周囲が所定の径方向の位置（軸部１５２の内周面の位置）までくり抜かれた中空状の軸（中空軸）である。例えば、円板部１５１の上面の凹部１５１Ｂにタッチパッドを配設する場合に、軸部１５２の内部にタッチパッドの配線を挿通させることができる。

軸部１５２は、インナーロータ１４０の軸部１４２の内部に軸支されており、アウターロータ１５０とインナーロータ１４０との間にコイルバネ１６０が存在しなければ、軸部１４２に対して回転自在である。実際には、アウターロータ１５０とインナーロータ１４０との間にはコイルバネ１６０が設けられているため、アウターロータ１５０のインナーロータ１４０対する回転は、コイルバネ１６０による制約を受ける。

軸部１５２の外周面の下端には、歯車部１５２Ａが設けられている。歯車部１５２Ａは、軸部１５２の外周面に一周にわたって設けられている。歯車部１５２Ａには、歯車１７０Ｂが係合する。

外周部１５３は、円板部１５１の外周からＹ軸方向（上側および下側）に延在するように設けられる円筒状の部分である。外周部１５３の直径は、インナーロータ１４０のフェースギア１４３の直径よりも少し大きく、フェースギア１４３を収容している。

コイルバネ１６０は、４個設けられており、インナーロータ１４０の収容部１４１Ａと、アウターロータ１５０の収容部１５１Ａとによって構築される４個の円筒状のスペース内に配設されている。コイルバネ１６０は、弾性部材の一例である。

操作者が基準角度にあるアウターロータ１５０を手で操作して回転させ、インナーロータ１４０にはモータ１３０の駆動軸の回転トルクに基づく回転トルクが付加されると、インナーロータ１４０の回転角度とアウターロータ１５０に相対角度を生じる。コイルバネ１６０のバネ定数は、操作者によってアウターロータ１５０が回転され、インナーロータ１４０への回転トルクがアウターロータ１５０の回転操作と異なって互いに相対角度が生じたときに、収縮するようなバネ定数に設定されている。

これにより、操作者がアウターロータ１５０を手で操作して回転させ、インナーロータ１４０との間で相対角度が生じると、コイルバネ１６０が収縮されて復元力を発生するように構成されている。コイルバネ１６０の復元力は、実際の相対角度（第１相対角度）に応じて、相対角度が小さくなる方向にインナーロータ１４０及びアウターロータ１５０を付勢する。コイルバネ１６０が復元力は、付勢力の一例である。歯車１７０Ａは、磁石１７２Ａを備えて台座１２０の軸部１２３Ａに回転自在に軸支され、インナーロータ１４０の歯車部１４２Ａに係合する平歯車である。歯車１７０Ａの回転量は、一体に回転する磁石の磁束変化として磁気センサ１８０Ａによって検出され、制御部に入力される。

歯車１７０Ｂは、磁石１７２Ｂを備えて台座１２０の軸部１２３Ｂに回転自在に軸支され、アウターロータ１５０の歯車部１５２Ａに係合する平歯車である。歯車１７０Ｂの回転量は、一体に回転する磁石の磁束変化として磁気センサ１８０Ｂによって検出され、制御部に入力される。

磁気センサ１８０Ａは、歯車１７０Ａの基準角度に対する回転量を検出し、制御部に出力する角度センサである。歯車１７０Ａの回転量は、インナーロータ１４０の回転量に比例し、インナーロータ１４０の基準角度に対する角度のずれ量（第１回転角度の一例）を表すため、制御部は磁気センサ１８０Ａから入力される回転量に基づいて、インナーロータ１４０の基準角度に対する角度のずれ量を検出する。

磁気センサ１８０Ｂは、歯車１７０Ｂの基準角度に対する回転量を検出し、制御部に出力する角度センサである。歯車１７０Ｂの回転量は、アウターロータ１５０の回転量に比例し、アウターロータ１５０の基準角度に対する角度のずれ量（第２回転角度の一例）を表すため、制御部は磁気センサ１８０Ｂから入力される回転量に基づいて、アウターロータ１５０の基準角度に対する角度のずれ量を検出する。

そして、制御部は、磁気センサ１８０Ａから入力される回転量と、磁気センサ１８０Ｂから入力される回転量とに基づいて、インナーロータ１４０及びアウターロータ１５０の基準角度に対する相対角度を求める。制御部が求める相対角度は、第２相対角度の一例である。すなわち本実施形態では、第２相対角度は、制御部の計算上の処理により求められる第１相対角度に相当する値である。

なお、磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂ、歯車１７０Ａ、歯車１７０Ｂ、磁石１７２Ａ及び磁石１７２Ｂは、角度検出部の一例であり、磁気センサ１８０Ａ、歯車１７０Ａ及び磁石１７２Ａは、第１角度検出部の一例であり、磁気センサ１８０Ｂ、歯車１７０Ｂ及び磁石１７２Ｂは、第２角度検出部の一例である。以上のような構成の入力装置１００において、操作者がアウターロータ１５０を操作すると、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０との相対角度の絶対値が０度よりも大きくなり、コイルバネ１６０は収縮する。

このときに、制御部は、コイルバネ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モータ１３０を駆動することによって、アウターロータ１５０を操作する操作者の手に力覚を提供する。

図６は、入力装置１００の制御系を示す図である。図６には、入力装置１００の制御部１９０、モータ１３０、及び磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂに加えて、上位装置１０を示す。

図６では、モータ１３０と磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂとの間の構成（インナーロータ１４０、アウターロータ１５０、コイルバネ１６０、歯車１７０Ａ、１７０Ｂ）を省くが、モータ１３０を回転駆動することにより、インナーロータ１４０及びコイルバネ１６０を介してアウターロータ１５０に駆動力が伝達されるとともに、歯車１７０Ａ、１７０Ｂが回転し、回転角度が磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂによって検出される。

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１９０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、また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１９０は、力覚パターン発生部１９１、トルク制御部１９２、及び角度追従制御部１９３を有する。

力覚パターン発生部１９１は、磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂによって検出される回転量から、それぞれ、インナーロータ１４０、アウターロータ１５０の基準角度に対する角度を求め、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０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１９１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１９２に出力する。力覚パターン発生部１９１は、トルク指令を生成する。例えば、操作者がアウターロータ１５０を操作し始めて相対角度の絶対値が０度を超えると、アウターロータ１５０の回転を抑制する方向のトルク指令を生成する。

また、制御部１９０は、力覚指令の種類に応じたＦＳ特性を内部メモリに格納している。

力覚パターン発生部１９１が相対角度を用いて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１９１は、力覚指令の種類に応じたＦＳ特性を読み出し、相対角度をストロークに変換し、変換したストロークをＦＳ特性に当て嵌めてトルク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１９２は、力覚パターン発生部１９１から入力されるトルク指令を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１９２は、角度指令を角度追従制御部１９３に出力する。トルク制御部１９２は、コイルバネ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の角度指令を生成する。

角度追従制御部１９３は、磁気センサ１８０Ａによって検出される回転量からインナーロータ１４０の基準角度に対する角度を求め、磁気センサ１８０Ｂによって検出される回転量からアウターロータ１５０の基準角度に対する角度を求めることで、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０の基準角度に対する相対角度を求める。角度追従制御部１９３は、トルク制御部１９２から入力される角度指令と、現在のインナーロータ１４０とアウターロータ１５０と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１９３は、インナーロータ１４０の角度が、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１９３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。なお、角度追従制御部１９３は、共通の駆動信号で４個のモータ１３０を駆動する。

例えば、エアコンディショナからの力覚指令が、風量の選択のための回転操作に複数回繰り返される強いクリック感を伴う力覚パターンの要求であった場合には、力覚パターン発生部１９１から入力されるトルク指令には、回転操作時の負荷トルクが大きいものと小さいものとが繰り返し変化することが必要である。したがって負荷トルクを発生するためのコイルバネ１６０も収縮量が大きい（負荷トルクが大きい）ものと収縮量が小さい（負荷トルクが小さい）ものとが繰り返して変化する必要がある。よってトルク制御部１９２は、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０の相対角度が大きい（コイルバネ１６０の収縮量が大きい）ものと相対角度が小さい（コイルバネ１６０の収縮量が小さい）ものとが繰り返して変化するように角度指令を生成する。つまり、コイルバネ１６０の復元力をアシスト（コイルバネ１６０の収縮量を小さく）する方向、又は、復元力を制限（コイルバネ１６０の収縮量を大きいままに）する方向の角度指令を生成して角度追従制御部１９３に出力する。以後は、トルク制御部１９２から入力される角度指令と、磁気センサ１８０Ａ及び磁気センサ１８０Ｂから得られる現在のインナーロータ１４０とアウターロータ１５０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を駆動制御するものである。

なお本実施形態の入力装置１００では、上記のようなアウターロータ１５０に対する操作者による回転操作及び、インナーロータ１４０に対するモータ１３０の回転トルクの付加制御が終了すると、コイルバネ１６０の復元力により、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０とは、互いの相対角度が０度の基準角度の初期状態に常に戻るように設定されているため、入力装置１００に対する上記制御を行う際には、常に初期状態から実施することができる。

他の力覚パターンについても、上記と同様の方法で制御可能である。

以上のように、入力装置１００は、アウターロータ１５０とインナーロータ１４０との間に、回転方向に沿ってコイルバネ１６０を設けるとともに、インナーロータ１４０に回転方向の駆動トルクを与えるモータ１３０を含む。

そして、アウターロータ１５０が操作された際に、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０の相対角度に応じて、コイルバネ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のトルクをモータ１３０に発生させる。

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、コイルバネ１６０の復元力により発生する回転トルクにより実現され、モータ１３０はコイルバネ１６０の復元力のアシスト又は制限するトルクとして実現される。コイルバネの復元力をアシスト又は制限することにトルクが利用されるモータ１３０は、従来の装置のようにモータを操作ツマミに連結して操作ツマミを直接駆動し、モータの発生するトルク変化によって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、さらにはモータのトルク制御に必要だった構造をモータに具備する必要が無くなり、モータの構造を簡素化できる。

このため、入力装置１００は、従来の装置よりも低トルクで簡素な構造の小型のモータ１３０を用いる構成で、力覚を提供することができる。

また、４個のモータ１３０を用いることにより、力覚の実現に必要なモータ１３０のトルクを４分割できるので、さらに小さなモータ１３０を用いることができ、入力装置１００をより小型化することができる。

従って、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、複数含む例として４個のモータ１３０を含む形態について説明したが、モータ１３０の数は、４個よりも少なくてもよく、多くてもよい。小型化の見地から問題がなければ、モータ１３０は１個であってもよい。

また、以上では、モータ１３０の駆動軸が中心軸Ｃに垂直である形態について説明したが、モータ１３０の駆動軸は、中心軸Ｃに垂直ではなくてもよい。

また、以上では、４個のコイルバネ１６０を含む形態について説明したが、コイルバネ１６０の数は、４個よりも少なくてもよく、多くてもよい。コイルバネ１６０は、少なくとも１個以上あればよい。

また、以上では、入力装置１００が歯車１３１、歯車部１４２Ａ、フェースギア１４３、歯車部１５２Ａ、歯車１７０Ａ、１７０Ｂを含む形態について説明したが、これらの歯の構成は、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、制御部１９０がインナーロータ１４０とアウターロータ１５０の相対角度を求めるために、歯車１７０Ａ、１７０Ｂ及び磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂを用いる形態について説明した。

しかしながら、このような形態には限定されず、例えば、歯車１７０Ａ、１７０Ｂを用いずに、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０のそれぞれが異なる磁石を有する構成として回転量（回転角度）を磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂで直接的に求めてもよい。

また、磁気センサ１８０Ａ、１８０Ｂの代わりに、例えば、ロータリエンコーダのようなセンサを用いてもよい。インナーロータ１４０とアウターロータ１５０の回転量を検出できるセンサであれば、どのようなセンサであってもよい。

また、以上では、角度追従制御部１９３が共通の駆動信号で４個のモータ１３０を駆動する形態について説明した。しかしながら、例えば、中心軸Ｃを挟んで対角線上に位置する２個のモータ１３０の一方を時計回りに駆動し、他方を反時計回りに駆動すると、インナーロータ１４０及びアウターロータ１５０に中心軸Ｃを傾ける方向のトルクを発生させることができる。このように中心軸Ｃを挟んで対角線上に位置する２個のモータ１３０を駆動すれば、操作者にアウターロータ１５０が傾く方向に振動する力覚を付与することができる。

また、角度追従制御部１９３が４個のモータ１３０のうちの３個以下を様々な駆動信号で駆動することや、角度追従制御部１９３が４個のモータ１３０を２種類以上の駆動信号で駆動することにより、様々な力覚を実現することができる。

従って、角度追従制御部１９３が共通の駆動信号で４個のモータ１３０を駆動する形態に限らず、様々な方法で駆動してもよい。

また、以上では、コイルバネ１６０を用いる形態について説明したが、インナーロータ１４０とアウターロータ１５０の回転方向に弾性を有する弾性部材であれば、コイルバネ以外のバネであってもよく、バネ以外の弾性体であってもよい。以下では、図７乃至図９を用いて、実施の形態の変形例の入力装置について説明する。

図７乃至図９は、実施の形態の変形例の入力装置１００Ｍ１、１００Ｍ２、１００Ｍ３を示す図である。図７乃至図９では、図１乃至図５に示す実施の形態の入力装置１００と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図７に示す入力装置１００Ｍ１は、入力装置１００のインナーロータ１４０とコイルバネ１６０をインナーロータ１４０Ｍ１と板バネ１６０Ｍ１に置き換えた構成を有する。図７では、アウターロータを省略する。

インナーロータ１４０Ｍ１は、円板部１４１Ｍ１、軸部１４２、及びフェースギア１４３を有する。円板部１４１Ｍ１は、半円筒状の収容部１４１Ａの代わりに、Ｖ字型の板バネ１６０Ｍ１の下半分を収容する三角形状の凹部によって実現される収容部１４１Ｍ１Ａを有する。

板バネ１６０Ｍ１は、平面視でＶ字状に湾曲されたバネであり、湾曲部が中心軸Ｃの側に設けられ、折り曲げ部の両側がインナーロータ１４０Ｍ１の径方向に沿って外側に延在するように、下半分が収容部１４１Ｍ１Ａの内部に配設されている。すなわち、板バネ１６０Ｍ１は、両端間のなす角度が大きくなる方向に復元力を発生するように折り曲げられた板バネである。

図７では図示しないが、入力装置１００Ｍ１のアウターロータは、収容部１４１Ｍ１Ａに対応する三角形状の凹部によって実現される収容部を有しており、板バネ１６０Ｍ１の上半分を収容する。

このような入力装置１００Ｍ１は、入力装置１００と同様に、操作者によってアウターロータが操作されると、板バネ１６０Ｍ１の両端間のなす角度が大きくなる方向の復元力をアシスト又は制限する方向にモータ１３０がトルクを発生し、操作者に力覚を提供する。

図８に示す入力装置１００Ｍ２は、入力装置１００のインナーロータ１４０とコイルバネ１６０をインナーロータ１４０Ｍ２とトーションバネ１６０Ｍ２に置き換えた構成を有する。図８では、アウターロータを省略する。

インナーロータ１４０Ｍ２は、円板部１４１Ｍ２、軸部１４２、及びフェースギア１４３を有する。円板部１４１Ｍ２は、４個の収容部１４１Ａの代わりに、２個の突出部１４１Ｍ２Ａを有する。

トーションバネ１６０Ｍ２は、円周状に巻回されたトーションバネであり、巻回された部分が平面視で軸部１４２を囲むように設けられ、両端が２個の突出部１４１Ｍ２Ａにそれぞれ係合している。

図８では図示しないが、入力装置１００Ｍ２のアウターロータは、２個の突出部１４１Ｍ２Ａに対応する２個の突出部１５１Ｍ２Ａを有する。ここでは、インナーロータ１４０Ｍ２とアウターロータとを基準角度に合わせた状態における２個の突出部１５１Ｍ２Ａを破線で示す。

２個の突出部１５１Ｍ２Ａは、アウターロータの下面から下方向に突出しており、インナーロータ１４０Ｍ２とアウターロータとを基準角度に合わせた状態で、突出部１４１Ｍ２Ａと１５１Ｍ２Ａとはトーションバネ１６０Ｍ２の両端部に沿った一直線状に配列される。すなわち、インナーロータ１４０Ｍ２とアウターロータとを基準角度に合わせた状態で、トーションバネ１６０Ｍ２の一端は、片方の突出部１４１Ｍ２Ａ及び１５１Ｍ２Ａに係合し、他端は、他方の突出部１４１Ｍ２Ａ及び１５１Ｍ２Ａに係合する。

このため、操作者がアウターロータを回転させると、突出部１４１Ｍ２Ａと突出部１５１Ｍ２Ａの回転方向の位置がずれ、トーションバネ１６０Ｍ２の両端部が両端部のなす角度が小さくなる方向に移動して両端部のなす角度が大きくなる方向への復元力を発生する。

このような入力装置１００Ｍ２は、入力装置１００と同様に、操作者によってアウターロータが操作されると、トーションバネ１６０Ｍ２の両端部のなす角度が大きくなる方向への復元力をアシスト又は制限する方向にモータ１３０がトルクを発生し、操作者に力覚を提供する。

図９に示す入力装置１００Ｍ３は、入力装置１００のインナーロータ１４０とコイルバネ１６０をインナーロータ１４０Ｍ３とトーションバネ１６０Ｍ３に置き換えた構成を有する。図１０は、入力装置１００Ｍ３のアウターロータ１５０Ｍ３を示す図である。

インナーロータ１４０Ｍ３は、円板部１４１Ｍ３、軸部１４２、及びフェースギア１４３を有する。円板部１４１Ｍ３は、４個の収容部１４１Ａの代わりに、４個の収容部１４１Ｍ３Ａと、８個の突出部１４１Ｍ３Ｂとを有する。

トーションバネ１６０Ｍ３は、円周状に巻回されたトーションバネであり、巻回された部分が中心軸Ｃの側に設けられ、巻回された部分の両側がインナーロータ１４０Ｍ３の径方向に沿って外側に延在するように、収容部１４１Ｍ３Ａの内部に配設されている。

収容部１４１Ｍ３Ａは、円板部１４１Ｍ３の上面から凹む凹部であり、平面視で三角形状の部分と、径方向における外側で回転方向に拡がって凹んだ部分とを有する。また、径方向の中心側には、三角形状の部分の両側で円板部１４１Ｍ３の上面から突出する２個の突出部１４１Ｍ３Ｂが設けられている。

トーションバネ１６０Ｍ３は、収容部１４１Ｍ３Ａの三角形状の部分に収容された状態で、両端が突出部１４１Ｍ３Ｂに係合している。

また、図１０に示すように、アウターロータ１５０Ｍ３は、インナーロータ１４０Ｍ３の４個の収容部１４１Ｍ３Ａと、８個の突出部１４１Ｍ３Ｂと同様の４個の収容部１５１Ｍ３Ａと、８個の突出部１５１Ｍ３Ｂとを有する。

収容部１５１Ｍ３Ａは、円板部１５１Ｍ３の下面から凹む凹部であり、平面視で三角形状の部分と、径方向における中心側で回転方向に拡がって凹んだ部分とを有する。また、径方向の外側には、三角形状の部分の両側で円板部１５１Ｍ３の下面から突出する２個の突出部１５１Ｍ３Ｂが設けられている。

トーションバネ１６０Ｍ３は、収容部１５１Ｍ３Ａの三角形状の部分に収容された状態で、両端が突出部１５１Ｍ３Ｂに係合している。

インナーロータ１４０Ｍ３とアウターロータ１５０Ｍ３とが組み付けられた状態では、突出部１５１Ｍ３Ｂは、収容部１４１Ｍ３Ａの径方向における外側で回転方向に拡がって凹んだ部分に収容され、突出部１４１Ｍ３Ｂは、収容部１５１Ｍ３Ａの径方向における中心側で回転方向に拡がって凹んだ部分に収容される。トーションバネ１６０Ｍ３は両端部のなす角が大きくなる方向に弾性力を有しており、インナーロータ１４０Ｍ３とアウターロータ１５０Ｍ３の両方に弾性力が付勢されている。

このような入力装置１００Ｍ３は、入力装置１００と同様に、操作者によってアウターロータ１５０Ｍ３が操作されると、トーションバネ１６０Ｍ３の両端部のなす角が大きくなる方向への復元力をアシスト又は制限する方向にモータ１３０がトルクを発生し、操作者に力覚を提供する。

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。

１００、１００Ｍ１、１００Ｍ２、１００Ｍ３入力装置
１２０台座（ベース部材）
１３０モータ
１４０、１４０Ｍ１、１４０Ｍ２、１４０Ｍ３インナーロータ
１４１、１４１Ｍ１、１４１Ｍ２、１４１Ｍ３円板部
１４１Ａ、１４１Ｍ１Ａ、１４１Ｍ３Ａ収容部
１４１Ｍ２Ａ、１４１Ｍ３Ｂ突出部
１４２軸部
１４３フェースギア
１５０、１５０Ｍ３アウターロータ
１５１円板部
１５１Ａ、１５１Ｍ３Ａ収容部
１５１Ｍ２Ａ、１５１Ｍ３Ｂ突出部
１５２軸部
１５３外周部
１６０コイルバネ
１６０Ｍ１板バネ
１６０Ｍ２、１６０Ｍ３トーションバネ
１７０Ａ、１７０Ｂ歯車
１８０Ａ、１８０Ｂ磁気センサ
１９０制御部
Ｃ中心軸

Claims

ベース部材に取り付けられるモータと、
中心軸を回転中心として前記ベース部材に回転自在に軸支される第１ロータであって、前記中心軸による回転方向に沿って設けられ、前記モータの駆動軸に係合する係合部を有する第１ロータと、
前記中心軸と同軸上に回転自在に軸支され、操作者によって回転操作される第２ロータと、
前記第１ロータと前記第２ロータとの間に設けられ、前記第１ロータ及び前記第２ロータの前記回転方向における基準角度に対する第１相対角度に応じて、前記第１相対角度が小さくなる方向に前記第１ロータ及び前記第２ロータを付勢する付勢力を発生する弾性部材と、
前記第１ロータの第１回転角度及び前記第２ロータの第２回転角度を検出する角度検出部と、
前記第２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回転角度との第２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
を含み、
前記ベース部材は、前記中心軸と同軸上の回転軸を有し、
前記第１ロータは、前記回転軸によって回転自在に軸支される第１中空軸を有し、
前記第２ロータは、前記第１中空軸の内側に回転自在に軸支される第２中空軸を有する、入力装置。
前記角度検出部は、
前記第１ロータに係合して前記第１回転角度を検出する第１角度検出部と、
前記第２ロータに係合して前記第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。
前記第１角度検出部は、前記第１中空軸の外周面に係合し、
前記第２角度検出部は、前記第２中空軸の外周面に係合する、
請求項２記載の入力装置。
前記弾性部材は、前記第１ロータ及び前記第２ロータの前記回転方向に沿って配設されるコイルバネであり、
前記第１ロータは、前記回転方向において前記コイルバネの両端に係合する第１バネ係合部を有し、
前記第２ロータは、前記回転方向において前記コイルバネの両端に係合する第２バネ係合部を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の入力装置。
前記弾性部材は、前記第１ロータ及び前記第２ロータの前記回転方向において、両端間のなす角度が変化するように折り曲げられた板バネであり、
前記第１ロータは、前記回転方向において前記板バネの両端に係合する第１バネ係合部を有し、
前記第２ロータは、前記回転方向において前記板バネの両端に係合する第２バネ係合部を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の入力装置。
前記弾性部材は、前記第１ロータ及び前記第２ロータの前記回転方向において両端間のなす角度が変化するトーションバネであり、
前記第１ロータは、前記回転方向において前記トーションバネの両端に係合する第１バネ係合部を有し、
前記第２ロータは、前記回転方向において前記トーションバネの両端に係合する第２バネ係合部を有する、請求項１乃至３のいずれか一項記載の入力装置。
前記モータの駆動軸は、前記中心軸に垂直である、請求項１乃至６のいずれか一項記載の入力装置。
前記モータの駆動軸が延びている方向は、前記中心軸に対して垂直な方向で、かつ中心軸から離れていく方向である、請求項１乃至７のいずれか一項記載の入力装置。
前記モータを複数含む、請求項１乃至８のいずれか一項記載の入力装置。
前記モータは、複数で、かつ、周方向で等間隔となるように配設されている、請求項１乃至９のいずれか一項記載の入力装置。