WO2021038935A1 - 操作装置 - Google Patents

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WO2021038935A1
WO2021038935A1 PCT/JP2020/011733 JP2020011733W WO2021038935A1 WO 2021038935 A1 WO2021038935 A1 WO 2021038935A1 JP 2020011733 W JP2020011733 W JP 2020011733W WO 2021038935 A1 WO2021038935 A1 WO 2021038935A1
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unit
force
driving force
operation unit
resistance
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祥宏 久家
達弘 冨山
未鈴 ▲高▼橋
高橋　一成
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アルプスアルパイン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an operating device, and more particularly to an operating device that controls a driving force and a resistance force for an operating unit that can be operated in at least the first direction and the second direction.
  • the operation device In operating devices used in automobiles, industrial machines, game machines, etc., intuitive operation by tilting the stick (lever) in each direction of the two axes of freedom, such as the movement of the cursor displayed on the graphic. May be useful. Further, the operation device is often required to be an interface from the operator to the operation target, and at the same time, an interface for feeding back some information reflecting the state of the operation target to the operator.
  • Patent Document 1 describes a control handle gimbal support mechanism for use with a joystick having haptic feedback. Is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a method and an apparatus for giving a tactile effect to a user interface apparatus by utilizing a low bandwidth connection to a host computer.
  • Patent Document 3 discloses a radio control system that changes the operational feeling of a transmitter by receiving feedback from a controlled body.
  • Patent Document 4 discloses a game system that effectively applies a load to an operation unit.
  • an active actuator element such as a motor can give the operator a feeling of pulling in or pushing back, but it is difficult to stabilize at a specific stick position.
  • a passive element such as a brake can not move against the force of the operator and can give a feeling of operation to stop the stick that was moving, but cannot move the stopped stick.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and by applying a driving force and a resistance force to an operation unit that can be operated in at least the first direction and the second direction, a precise and stable operation and fineness are provided. It is an object of the present invention to provide an operation device capable of giving a comfortable operation feeling.
  • One aspect of the present invention is an operating unit that can be operated in at least the first direction and a second direction orthogonal to the first direction, and a first driving unit that gives the operating unit a first driving force that is a driving force in the first direction.
  • a first braking unit that gives a first resistance force to resist the movement of the operation unit in the first direction
  • a first position detection unit that detects the position of the operation unit in the first direction
  • a second direction to the operation unit.
  • the position of the second driving unit that gives the second driving force which is the driving force of the operating unit
  • the second braking unit that gives the second braking force that resists the movement of the operating unit in the second direction, and the operating unit in the second direction.
  • the first driving force and the first resistance force are adjusted according to the position of the second position detection unit to be detected and the position in the first direction detected by the first position detection unit, and the second position detection unit detects the second position.
  • the operation device is provided with a control unit that adjusts a second driving force and a second resistance force according to a position in a direction.
  • the position of the operation unit in the first direction is detected by the first position detection unit
  • the position in the second direction is detected by the second position detection unit
  • the operation is performed according to the detected positions.
  • Second resistance is adjusted.
  • the control unit may adjust the first driving force and the first resistance force, and the second driving force and the second resistance force in consideration of the frictional force in the movement of the operating unit. Since the frictional force caused by the mechanism for moving the operating unit changes according to the position of the operating unit, the driving force and resistance to the operating unit can be adjusted based on the relationship between the position of the operating unit and the frictional force. It is possible to perform control that gives a precise and stable operation and a fine operation feeling.
  • the reaction force of the operating unit when the control unit detects a preset stop position in the first direction by the first position detecting unit, the reaction force of the operating unit is larger than that in a position other than the stop position in the first direction.
  • the first driving force and / or the first resistance force is adjusted so as to be
  • the preset stop position in the second direction is detected by the second position detection
  • the reaction force of the operation unit stops in the second direction.
  • At least one of the second driving force and / or the second resistance force may be adjusted so as to be larger than the case of the position other than the position.
  • the operating device further includes an urging means for returning the operating unit to the origin, and the control unit has a first driving force, a first resistance force, and a second so as to have a position different from the origin of the urging means as the origin. Control may be performed to adjust the driving force and the second resistance force. As a result, the change in the reaction force according to the position of the operating portion can be shifted so that the origin is a position different from the origin by the urging means.
  • the operation device further includes an urging means for returning the operation unit to the origin, and the control unit sets the first resistance force and the second resistance force at the origin of the operation unit to the first resistance force and the second resistance force near the origin. Control may be performed so as to be larger than the force. As a result, when the operating unit is returned to the origin by the urging means, the resistance force at the origin becomes larger than the resistance force near the origin, and it is possible to convey with a sense of resistance that the origin is surely.
  • the control unit intermittently changes at least one of the first driving force and the first resistance force, and intermittently changes at least one of the second driving force and the second resistance force. You may try to do at least one. As a result, the operation unit can be given a feeling of vibration.
  • the control unit intermittently and gradually changes at least one of the first driving force and the first resistance force, and intermittently and gradually changes at least one of the second driving force and the second resistance force. You may try to do at least one of them. As a result, it is possible to give the operation unit a feeling that the strength of vibration gradually changes.
  • the control unit uses the output signals from the first position detecting unit and the second position detecting unit as the stable points of the first driving unit and the second driving unit, which are the stable points in the operation of the operating unit. It may be corrected to the position.
  • the driving force and the resistance force can be controlled based on the position of the stable point of the operation unit in consideration of the stability point based on the characteristics of the first drive unit and the second drive unit and the frictional force in the movement of the operation unit. It can be carried out.
  • the first braking unit and the second braking unit may have a magnetic viscous fluid and a magnetic field generating unit that applies a magnetic field to the magnetic viscous fluid.
  • the resistance forces of the first braking portion and the second braking portion can be adjusted by the magnetic field applied to the ferrofluid.
  • an operating device capable of giving a precise and stable operation and a fine operational feeling by applying a driving force and a resistance force to an operating unit that can be operated in at least the first direction and the second direction. Can be provided.
  • FIG. 3 It is a perspective view which illustrates the structure of the operation apparatus which concerns on this embodiment.
  • (A) and (b) are perspective views illustrating a braking portion.
  • (A) and (b) are cross-sectional views taken along the line AA of FIG. 3 (a).
  • (A) and (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force when tilting.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force when returning.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force when tilting.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force when returning.
  • (A) to (c) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force. It is a figure which illustrates the adjustment example of a reference position. It is a figure which illustrates the adjustment example of the driving force and the resistance force in a neutral position.
  • (A) and (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the intermittent driving force and resistance force. It is a figure which illustrates the adjustment example of the movable range. It is a figure which illustrates the adjustment example of the stability point. It is a figure which shows the application example of the operation apparatus which concerns on this embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating the configuration of the operating device according to the present embodiment.
  • the operation device 1 according to the present embodiment is an interface device including a stick-type operation unit 10.
  • the first direction is the X direction
  • the second direction is the Y direction
  • the third direction is the Z direction.
  • the X, Y and Z directions are orthogonal to each other.
  • the various forces used in the following description are defined as follows.
  • the operating force refers to the force required to operate (move, stop) the operating unit 10.
  • the reaction force refers to a force transmitted from the operation unit 10 to the operator (for example, a finger) when the operation unit 10 is operated.
  • the driving force refers to a driving force (assist force) applied from the driving unit to the operating unit 10.
  • the resistance force refers to a force (braking force) that hinders the movement of the operation unit 10 applied from the braking unit to the operation unit 10.
  • the urging force refers to a force that urges the operation unit 10 by the urging means and tries to return the operation unit 10 to a predetermined origin. The origin is a place where the operating unit 10 is located when no operating force is applied to the operating unit 10.
  • the frictional force refers to the frictional force generated by the movement of the operation unit 10. The frictional force acts to keep the operating unit 10 in a predetermined position and hinders the movement of the operating unit 10.
  • the reaction force transmitted from the operation unit 10 to the operator is "the urging force by the urging means + friction. It becomes “power”.
  • the frictional force acts so that the operation unit 10 remains in a predetermined position, so that the reaction force transmitted from the operation unit 10 to the operator is "urging".
  • the urging force by means + frictional force-friction force is a plus (+) drive.
  • the force is defined as the driving force in which the urging force acts in the same direction as the direction in which the operating unit 10 is pushed back to the origin, and is defined as a minus ( ⁇ ) driving force. Therefore, when a positive (+) driving force is applied to the operation unit 10, the reaction force becomes weak, and when a negative ( ⁇ ) driving force is transmitted, the reaction force becomes strong.
  • the operation device 1 includes an operation unit 10, a first drive unit 21, a first braking unit 31, a first position detection unit 41, a second drive unit 22, a second braking unit 32, a second position detection unit 42, and a control unit 50.
  • the operation unit 10 is provided so as to be operable in at least two directions, the X direction and the Y direction.
  • the operation unit 10 is provided on the gimbal mechanism 11, and the gimbal mechanism 11 tilts in the X direction (rotational movement around the Y axis) and tilts in the Y direction (rotational movement around the X axis). ) Is possible.
  • the tilt in the X direction is included in the movement in the X direction
  • the tilt in the Y direction is included in the movement in the Y direction.
  • the operation unit 10 may be capable of moving in the Z direction (advancing / retreating operation in the Z direction).
  • a position that cannot be moved any further is referred to as a stop position.
  • the stop position may be set by a mechanical stopper or by the action of a drive unit or a braking unit.
  • the operation unit 10 may be provided with an urging means (not shown).
  • a urging means for example, a coil spring is used.
  • the coil spring contracts, and by releasing or weakening the tilting, the coil spring expands and the operating unit 10 is returned to the neutral position.
  • the neutral position is an example of the origin.
  • the first drive unit 21 applies a driving force in the X direction to the operation unit 10.
  • the forward driving force is a positive (+) driving force acting in a direction away from the neutral position
  • the backward driving force is a negative (-) driving force acting in a direction returning to the neutral position.
  • the first drive unit 21 has, for example, a motor, and transmits the rotational force of the motor from the motor shaft to the gimbal mechanism 11 to transmit the drive force in the X direction to the operation unit 10.
  • the first drive unit 21 may have a gearbox that reduces the rotational force of the motor.
  • the first braking unit 31 gives a resistance force that resists the movement (tilting operation) of the operating unit 10 in the X direction.
  • the first braking unit 31 has, for example, a ferrofluid and a magnetic field generating unit.
  • the viscosity of the ferrofluid can be adjusted by the magnetic field applied from the magnetic field generator.
  • the first braking unit 31 is provided outside the first driving unit 21, and the resistance force due to the viscosity of the magnetic viscous fluid of the first braking unit 31 is transmitted to the gimbal mechanism 11. Therefore, when the viscosity of the ferrofluid increases, the resistance increases, and when the viscosity of the ferrofluid decreases, the resistance decreases.
  • the first position detection unit 41 detects the position of the operation unit 10 in the X direction.
  • the first position detection unit 41 has, for example, a magnetic detection type encoder.
  • the first position detection unit 41 is provided between, for example, the first drive unit 21 and the gimbal mechanism 11, and is an operation unit by detecting the rotation angle (position in the rotation direction) of the gimbal mechanism 11 around the Y axis. The position of 10 in the X direction is detected.
  • the first position detection unit 41 may be a resistance change type or optical type encoder.
  • the second drive unit 22 applies a driving force in the Y direction to the operation unit 10.
  • the forward driving force is a positive (+) driving force acting in a direction away from the neutral position
  • the backward driving force is a negative (-) driving force acting in a direction returning to the neutral position.
  • the second drive unit 22 has, for example, a motor, and transmits the rotational force of the motor from the motor shaft to the gimbal mechanism 11 to transmit the drive force in the Y direction to the operation unit 10.
  • the second drive unit 22 may have a gearbox that reduces the rotational force of the motor.
  • the second braking unit 32 provides a resistance force that resists the movement (tilting operation) of the operating unit 10 in the Y direction.
  • the second braking unit 32 has, for example, a ferrofluid and a magnetic field generating unit.
  • the viscosity of the ferrofluid can be adjusted by the magnetic field applied from the magnetic field generator.
  • the second braking unit 32 is provided outside the second driving unit 22, and the resistance force due to the viscosity of the magnetic viscous fluid of the second braking unit 32 is transmitted to the gimbal mechanism 11. Therefore, when the viscosity of the ferrofluid increases, the resistance increases, and when the viscosity of the ferrofluid decreases, the resistance decreases.
  • the second position detection unit 42 detects the position of the operation unit 10 in the Y direction.
  • the second position detection unit 42 has, for example, a magnetic detection type encoder.
  • the second position detection unit 42 is provided, for example, between the second drive unit 22 and the gimbal mechanism 11, and is an operation unit by detecting the rotation angle (position in the rotation direction) of the gimbal mechanism 11 around the X axis. The position of 10 in the Y direction is detected.
  • the second position detection unit 42 may be a resistance change type or optical type encoder.
  • the control unit 50 controls the first drive unit 21, the first braking unit 31, the second drive unit 22, and the second braking unit 32. That is, since the control unit 50 changes the driving force (first driving force) and the resistance force (first resistance force) in the X direction according to the output signal from the first position detection unit 41, the first driving unit 21 And the first braking unit 31 is controlled. Further, since the control unit 50 changes the driving force (second driving force) and the resistance force (second resistance force) in the Y direction according to the output signal from the second position detecting unit 42, the second driving unit 22 And the second braking unit 32 is controlled.
  • first braking unit 31 and the second braking unit 32 will be described.
  • the configurations of the first braking unit 31 and the second braking unit 32 are the same as each other.
  • FIG. 2 (a) and 2 (b) are perspective views illustrating the braking portion.
  • 3A and 3B are cross-sectional views taken along the line AA of FIG. 2A, and
  • FIG. 3B is an explanatory view conceptually showing the magnetic field generated by the exciting coil.
  • the first braking unit 31 and the second braking unit 32 include a holding unit 420 and a braking operation unit 4100.
  • the holding portion 420 is a substantially cylindrical case, and accommodates each portion.
  • the shape of the holding portion 420 may be a substantially rectangular parallelepiped.
  • the braking operation unit 4100 includes a shaft unit 4110 and a magnetic disc 4120, and is supported by a holding unit 420 so as to be rotatable in both directions about a central shaft 411 (rotational shaft).
  • the braking operation unit 4100 is supported by the holding unit 420 in a rotatable state via the support member 4140 and the radial bearing 4150. Further, the gap 480 provided in the braking portion 40 is filled with the ferrofluid 4160.
  • the shaft portion 4110 of the braking operation unit 4100 is connected to the drive unit (first drive unit 21, second drive unit 22) (see FIG. 1).
  • the holding portion 420 includes a first yoke 430, a second yoke 440, an exciting coil 450 as a magnetic field generating portion, an annular member 460, and a third yoke 470 as an upper case.
  • the first yoke 430, the second yoke 440, and the third yoke 470 are each separately processed and formed. However, any one of the first yoke 430, the second yoke 440, and the third yoke 470 may be combined and integrally formed.
  • the first yoke 430 includes an annular portion 431 and a cylindrical portion 432 integrally provided so as to extend upward from the upper surface of the annular portion 431 concentrically with the annular portion 431.
  • the annular portion 431 and the cylindrical portion 432 have a circular shape centered on the central axis 411 in a plan view, and the outer diameter thereof of the cylindrical portion 432 is smaller than that of the annular portion 431. Due to the difference in outer diameter between the annular portion 431 and the cylindrical portion 432, a step portion 433 is formed on the outer side of the outer peripheral surface of the cylindrical portion 432.
  • the first yoke 430 has an inner peripheral surface 434 having a circular shape in a plan view centered on the central axis 411. The inner peripheral surface 434 penetrates the annular portion 431 and the cylindrical portion 432 along the central axis 411, and its inner diameter is set so as to change according to the position in the vertical direction.
  • an exciting coil 450 as a magnetic field generating portion is arranged in the stepped portion 433 of the first yoke 430.
  • the inner circumference of the exciting coil 450 has an annular shape along the outer peripheral surface of the cylindrical portion 432, and the outer circumference of the exciting coil 450 is located outside the outer peripheral surface of the annular portion 431 in the radial direction. Therefore, the exciting coil 450 overlaps the annular portion 431 as an extending portion in a plan view.
  • the exciting coil 450 is a coil including a conducting wire wound around the central axis 411.
  • a connecting member 451 is electrically connected to the exciting coil 450, and a current is supplied to the input portion 451a of the connecting member 451 exposed from the upper part of the third yoke 470 by a path (not shown). A magnetic field is generated when an electric current is supplied to the exciting coil 450.
  • An annular member 460 is fixed to the annular portion 431 of the first yoke 430 along the outer peripheral surface thereof.
  • the annular member 460 has an annular shape and is made of a non-magnetic material such as a synthetic resin.
  • the annular member 460 fixed to the first yoke 430 has a circular shape having substantially the same outer diameter as the exciting coil 450 arranged on the step portion 433 in a plan view.
  • the planar shape of the yokes 440 and 470 does not necessarily have to be circular. Further, the division of the yoke does not have to be a combination as described above for the third yoke 470 and the second yoke 440, and may be a rectangular planar shape depending on the division position.
  • the magnetic viscous fluid 4160 is a substance whose viscosity changes when a magnetic field is applied.
  • it is a fluid in which particles (magnetic particles) made of a magnetic material are dispersed in a non-magnetic liquid (solvent).
  • the magnetic particles are dispersed in the solvent when the magnetic field generated by the exciting coil 450 is not generated. Therefore, when the shaft portion 4110 is operated, the holding portion 420 rotates relative to the braking operation portion 4100 without receiving a large resistance force.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a block configuration of the operating device according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a block configuration of the control device.
  • the operation device 1 includes the operation unit 10, the first drive unit 21, the first braking unit 31, the first position detection unit 41, the second drive unit 22, the second braking unit 32, and the second position detection unit 42 described above.
  • a control unit 50 includes a first drive control circuit 51, a first braking control circuit 52, a second drive control circuit 53, a second braking control circuit 54, a calculation unit 55, a storage unit 56, and a power supply circuit 57.
  • the first drive control circuit 51 is, for example, a motor driver.
  • the first drive control circuit 51 outputs drive power (voltage control, PWM control, etc.) given to the motor of the first drive unit 21 based on the calculation result of the calculation unit 55.
  • the first braking control circuit 52 is, for example, a magnetic field control circuit.
  • the first braking control circuit 52 outputs braking power to be applied to the first braking unit 31 based on the calculation result of the calculation unit 55.
  • the second drive control circuit 53 is, for example, a motor driver.
  • the second drive control circuit 53 outputs drive power (voltage control, PWM control, etc.) given to the motor of the second drive unit 22 based on the calculation result of the calculation unit 55.
  • the second braking control circuit 54 is, for example, a magnetic field control circuit.
  • the second braking control circuit 54 outputs braking power to be applied to the second braking unit 32 based on the calculation result of the calculation unit 55.
  • the calculation unit 55 calculates the output value for the driving force and the resistance force based on the data transmitted from the external system 500 and received by the communication unit 58. That is, the information on the position of the operation unit 10 in the X direction output from the first position detection unit 41 is sent to the external system 500 via the communication unit 58. The calculation unit 55 calculates an output value for obtaining a driving force and a resistance force according to the position of the operation unit 10 in the X direction based on the data transmitted from the external system 500. Further, the information on the position of the operation unit 10 in the Y direction output from the second position detection unit 42 is sent to the external system 500 via the communication unit 58. The calculation unit 55 calculates an output value for obtaining a driving force and a resistance force according to the position of the operation unit 10 in the Y direction based on the data transmitted from the external system 500.
  • the calculation unit 55 may calculate an output value according to the driving force and the resistance force by a predetermined calculation formula with the positions of the operation unit 10 in the X direction and the Y direction as parameters, or a preset table.
  • the output value for obtaining the driving force and the resistance force according to the moving position may be obtained by referring to the data.
  • the storage unit 56 stores the operations (functions) and operation parameters used by the operation unit 55.
  • the power supply circuit 57 is a circuit that produces electric power to be sent to each part.
  • the communication unit 58 inputs / outputs information to / from the external system 500 by wire or wirelessly. Calculation parameters may be obtained from the external system 500 via the communication unit 58 and stored in the storage unit 56.
  • the first drive control circuit 51, the first braking control circuit 52, the second drive control circuit 53, and the second braking control circuit 54 receive the output value of the calculation unit 55 to obtain a predetermined driving force and resistance force. Output power.
  • the control unit 50 obtains a driving force and a resistance force to be adjusted based on the position of the operation unit 10 detected by the first position detection unit 41 in the X direction. Calculate the output value. This calculation result is sent to the first drive control circuit 51 and the first braking control circuit 52 via the communication unit 58, the driving force applied from the first drive unit 21 to the operation unit 10, and the operation unit from the first braking unit 31. Adjust the resistance applied to 10. Further, the control unit 50 calculates an output value for obtaining a driving force and a resistance force to be adjusted based on the position of the operation unit 10 detected by the second position detection unit 42 in the Y direction.
  • the calculation result is sent to the second drive control circuit 53 and the second braking control circuit 54 via the communication unit 58.
  • the driving force applied from the second driving unit 22 to the operating unit 10 and the resistance force applied from the second braking unit 32 to the operating unit 10 are adjusted.
  • the control of applying the driving force from the first driving unit 21 and the second driving unit 22 according to the positions of the operating unit 10 in the X direction and the Y direction, and the control from the first braking unit 31 and the second braking unit 32 By switching or balancing the control that gives resistance, it is possible to perform control that gives precise and stable operation and fine operation.
  • the operation unit 10 when the operation unit 10 is operated, the data transmitted from the external system 500 is input according to the respective positions in the X direction and the Y direction detected by the first position detection unit 41 and the second position detection unit 42.
  • the output value for obtaining the driving force and the resistance force based on the calculation is calculated by the calculation unit 55.
  • the output value for obtaining the driving force in the X direction calculated by the calculation unit 55 is sent to the first drive control circuit 51, and the output value for obtaining the resistance force in the X direction is sent to the first braking control circuit 52.
  • the first drive control circuit 51 based on the output value sent from the calculation unit 55, electric power for obtaining a driving force corresponding to the output value is sent to the first drive unit 21.
  • the first braking control circuit 52 based on the output value sent from the calculation unit 55, electric power for obtaining a resistance force corresponding to the output value is sent to the first braking unit 31.
  • the first drive unit 21 receives the electric power sent from the first drive control circuit 51 to rotate the motor, and transmits the driving force to the operation unit 10.
  • the first braking unit 31 receives the electric power sent from the first braking control circuit 52 and applies a magnetic field for obtaining a predetermined viscous force to, for example, a ferrofluid. As a result, the viscous force generated by the first braking unit 31 is transmitted to the operation unit 10 as a resistance force.
  • the output value for obtaining the driving force in the Y direction calculated by the calculation unit 55 is sent to the second drive control circuit 53, and the output value for obtaining the resistance force in the Y direction is sent. Is sent to the second braking control circuit 54.
  • the second drive control circuit 53 based on the output value sent from the calculation unit 55, electric power for obtaining a driving force corresponding to the output value is sent to the second drive unit 22.
  • the second braking control circuit 54 based on the output value sent from the calculation unit 55, electric power for obtaining a resistance force corresponding to the output value is sent to the second braking unit 32.
  • the second drive unit 22 receives the electric power sent from the second drive control circuit 53 to rotate the motor, and transmits the driving force to the operation unit 10.
  • the second braking unit 32 receives the electric power sent from the second braking control circuit 54 and applies a magnetic field for obtaining a predetermined viscous force to, for example, a ferrofluid. As a result, the viscous force generated by the second braking unit 32 is transmitted to the operating unit 10 as a resistance force.
  • the control unit 50 adjusts the driving force according to the moving position in consideration of the frictional force when the operation unit 10 is tilted down.
  • the frictional force depends on the dimensional accuracy of each member constituting the operating device 1, the assembled state, the operating temperature, and the like. Therefore, individual data should be acquired and stored in the storage unit 56. Is preferable.
  • 6 (a) and 6 (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force when tilting.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 6A is the moving position of the operating unit 10
  • the vertical axis is the reaction force of the operating unit 10.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 6B is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the driving force.
  • the operation unit 10 is provided with an urging means such as a coil spring so that it returns to the neutral position C1 when not operated.
  • an urging means such as a coil spring so that it returns to the neutral position C1 when not operated.
  • a reaction force is generated from the urging means, so that the reaction force increases as the distance from the neutral position C1 increases (see Fs1 in the figure).
  • a frictional force Ff1 is generated by a mechanism related to movement (such as a gimbal mechanism 11), and this frictional force Ff1 changes depending on the moving position of the operating unit 10. Therefore, the actual reaction force (see Fr1 in the figure) given to the operator from the operation unit 10 is the sum of the reaction force Fs1 due to the urging force and the frictional force Ff1.
  • a positive (+) driving force is applied as shown in FIG. 6 (b). Since the frictional force Ff1 changes depending on the position of the operation unit 10, the control unit 50 is a drive unit according to the position of the operation unit 10 detected by the position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42). The positive (+) driving force given from (first driving unit 21, second driving unit 22) to the operating unit 10 is adjusted. As a result, the increase in the reaction force due to the frictional force Ff1 is canceled, and only the reaction force Fs1 due to the urging force can be given to the operator from the operation unit 10.
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force when returning.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 7A is the moving position of the operating unit 10, and the vertical axis is the reaction force of the operating unit 10.
  • the reaction force due to the urging force of the urging means becomes weaker as the operation unit 10 returns (FIG. 7). See Medium Fs1).
  • a frictional force Ff2 is generated by a mechanism related to movement (such as a gimbal mechanism 11), and this frictional force Ff2 changes depending on the moving position of the operating unit 10.
  • a negative (-) driving force is applied as shown in FIG. 7 (b). Since the frictional force Ff2 changes depending on the position of the operation unit 10, the control unit 50 drives the drive unit according to the position of the operation unit 10 detected by the position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42). The minus ( ⁇ ) driving force given from (the first driving unit 21 and the second driving unit 22) to the operating unit 10 is adjusted. As a result, the decrease in the reaction force due to the frictional force Ff2 is compensated, and only the reaction force Fs1 due to the urging force can be given to the operator from the operation unit 10.
  • the control unit 50 adjusts the driving force and the resistance force so that the reaction force of the operation unit 10 when the operation unit 10 is tilted and returned has a constant operation feel.
  • 8 (a) and 8 (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force when tilting.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 8A is the moving position of the operating unit 10, and the vertical axis is the reaction force of the operating unit 10.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 8B is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the driving force and the resistance force.
  • the control unit 50 adjusts the driving force and the resistance force in order to set the reaction force applied to the operator from the operating unit 10 to the target value Ft.
  • the control unit 50 is a position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42).
  • the resistance force applied to the operation unit 10 from the braking unit is adjusted according to the position of the operation unit 10 detected in step 1.
  • the reaction force when the operation unit 10 is tilted is increased by the resistance force, and the reaction force given to the operator from the operation unit 10 becomes the target value Ft.
  • the control unit 50 makes adjustments to give a positive (+) driving force. Since the difference between the actual reaction force Fr1 and the target value Ft changes depending on the moving position of the operation unit 10, the control unit 50 detects it by the position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42). The positive (+) driving force applied from the driving unit (first driving unit 21, second driving unit 22) to the operating unit 10 is adjusted according to the position of the operating unit 10. As a result, the reaction force when pushing the operation unit 10 is suppressed by the positive (+) driving force, and the reaction force given to the operator from the operation unit 10 becomes the target value Ft.
  • FIG. 9 (a) and 9 (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force when returning.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 9A is the moving position of the operating unit 10, and the vertical axis is the reaction force of the operating unit 10.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 9B is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the driving force and the resistance force.
  • the urging force by the urging means becomes weaker as the operation unit 10 returns, and the movement position of the operation unit 10 is adjusted.
  • the influence of the frictional force on the mechanism acts in the opposite direction to the case of pushing in, and the actual reaction force Fr2 is given to the operator.
  • the control unit 50 adjusts the driving force and the resistance force in order to set the reaction force applied to the operator from the operating unit 10 to the target value Ft.
  • the control unit 50 moves the operation unit 10.
  • the control unit 50 is a position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42).
  • the resistance force applied to the operation unit 10 from the braking unit is adjusted according to the moving position of the operating unit 10 detected in step 1.
  • the reaction force when returning the operation unit 10 is suppressed by the resistance force, and the reaction force given to the operator from the operation unit 10 becomes the target value Ft.
  • a positive (+) driving force by the driving unit first driving unit 21, second driving unit 22
  • the braking unit first braking unit 31
  • the resistance force of the second braking unit 32) and the positive (+) driving force of the driving unit first driving unit 21, second driving unit 22
  • the control unit 50 makes adjustments to give the driving force of (-). Since the difference between the actual reaction force Fr2 and the target value Ft changes depending on the moving position of the operation unit 10, the control unit 50 detects it by the position detection unit (first position detection unit 41, second position detection unit 42). The negative ( ⁇ ) driving force given from the driving unit (first driving unit 21, second driving unit 22) to the operating unit 10 is adjusted according to the position of the operating unit 10. As a result, the reaction force when returning the operation unit 10 is increased by the negative ( ⁇ ) driving force, and the reaction force given to the operator from the operation unit 10 becomes the target value Ft.
  • the reaction force (operation) is constant when the operation unit 10 is tilted or returned.
  • Feeling can be given to the operator.
  • the target value Ft of the reaction force may be changed linearly, curvedly, or stepwise according to the moving position of the operation unit 10.
  • the control unit 50 adjusts the driving force or the resistance force so as to cancel the difference between the target value Ft and the actual reaction force with respect to the moving position of the operation unit 10, and thereby an arbitrary target value Ft.
  • Reaction force (operation feeling) can be given to the operator.
  • the control unit 50 adjusts the driving force and the resistance force so as to have a preset reaction force.
  • 10 (a) to 10 (c) are diagrams illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force.
  • the horizontal axis of the graphs shown in FIGS. 10A to 10C is the moving position of the operating unit 10, and the vertical axis is the reaction force of the operating unit 10.
  • the stop position may be, for example, a position determined by a mechanical stopper or a position set by applying a driving force or a resistance force.
  • the operation unit 10 tries to return to the neutral position according to the urging force of the urging means. Then, the operation unit 10 stops at a position where the urging force of the urging means becomes zero, and the stop position becomes the origin. In this case, the reaction force becomes particularly low from the vicinity of the origin, and the position where the reaction force becomes zero becomes the origin.
  • the reaction force is as shown by the solid line of the graph line L1. That is, the operation unit 10 is tilted down from the position C1 (neutral position) where the reaction force is zero, and when the position of the operation unit 10 reaches S1, the stop position is reached and the reaction force increases.
  • a reaction force as shown by the broken line of the graph line L1 can be applied. That is, the operation unit 10 is tilted down from the position C1 in the same manner as before, and when the position of the operation unit 10 reaches S2 before reaching S1 (for example, the position of the mechanical stopper), the drive unit (first). 1
  • the drive unit 21, the second drive unit 22) and / or the braking unit (the first braking unit 31, the second braking unit 32) are operated to sharply increase the reaction force.
  • a reaction force can be applied with a predetermined position S2 different from the stop position S1 by the mechanical stopper as the stop position.
  • the resistance can make it feel like a mechanical stopper.
  • a reaction force is applied in a pulse shape in the middle of the operation position of the operation unit 10.
  • the reaction force applied in a pulse shape may be at a plurality of operating positions or at a predetermined one.
  • the operator can be given a click feeling at a position where the pulse-like reaction force passes through. If a pulse-like reaction force is applied at a plurality of locations, a multi-stage click feeling can be given.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of adjusting the reference position.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 11 is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the reaction force applied to the operation unit 10.
  • the operation unit 10 is provided with, for example, a urging means by a coil spring, and the origin return position C1 is set near the center when moving.
  • the reaction force is as shown in the graph line L4. That is, when the position of the operation unit 10 is C1, it is in the neutral position and the reaction force is the smallest.
  • the position (neutral position) C1 of the operation unit 10 is the origin in the operation of the operation unit 10.
  • a reaction force as shown in the graph line L4b can be applied. That is, when the operation unit 10 is moved in the same manner as before, the driving force and the resistance force are adjusted so that the reaction force is minimized at the position C2 different from the position C1. As a result, the change in reaction force can be shifted so that the position C2 different from the position C1 is used as a reference (neutral position).
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of adjusting the driving force and the resistance force in the neutral position.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 12 is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the reaction force applied to the operation unit 10.
  • the operation unit 10 is provided with, for example, a urging means by a coil spring, and the origin return position C1 is set near the center when moving.
  • the reaction force is as shown in the graph line L5. That is, when the operation unit 10 is at the position C1 for returning to the origin, the force by the urging means is balanced and the reaction force becomes the smallest. However, since the reaction force becomes the smallest at the home position return position C1, the position of the operation unit 10 becomes unstable in the home position return state.
  • a reaction force as shown in the graph line L6 can be applied. That is, when the position of the operation unit 10 is at the position C1 for returning to the origin, the driving force and the resistance force are adjusted so as to give a reaction force larger than the reaction force near the origin. As a result, when the operation unit 10 is in the position C1 for returning to the origin, the operation position can be fixed in a stable state by a large reaction force. For example, it is preferable to apply a reaction force so as to fix the position by a resistance force when the position is C1, and to apply a driving force in the direction of returning to the origin when the position is about to change from the position C1.
  • the control unit 50 intermittently applies a resistance force in the X direction and a driving force or resistance force in at least one of the Y directions to the first driving unit 21 and the second driving unit 22, or the first driving unit 1. It controls the braking unit 31 and the second braking unit 32.
  • 13 (a) and 13 (b) are diagrams illustrating an example of adjusting the intermittent driving force and resistance force. The horizontal axis of the graphs shown in FIGS. 13A and 13B is time, and the vertical axis is driving force or resistance force.
  • the control unit 50 continuously applies a constant driving force or resistance force to the operation unit 10 at regular time intervals (for example, 10 ms intervals).
  • a constant driving force or resistance force for example, 10 ms intervals.
  • the driving force is turned ON / OFF at a fixed cycle (or the direction of the driving force is changed) while the operation unit 10 is continuously held at a predetermined position. Switch at regular intervals).
  • the operation unit 10 that is continuously held at the predetermined position a feeling of a predetermined vibration.
  • the resistance force is turned ON / OFF at a fixed cycle when the operation unit 10 is tilted from the neutral position or returns from the tilted position to the neutral position.
  • the moving operation unit 10 can be given a feeling of vibration at a constant cycle.
  • the control unit 50 applies a driving force or a resistance force to the operation unit 10 so as to gradually increase with time and gradually narrow with time.
  • the driving force is gradually increased and gradually applied at narrow intervals
  • the driving force is gradually increased and gradually applied at narrow intervals while the operation unit 10 is continuously held at a predetermined position. (Or, the direction of the driving force is reversed when the above is turned off). As a result, it is possible to give the operation unit 10 that is being held at a predetermined position a feeling of vibration that gradually increases.
  • the resistance force is gradually increased and gradually applied at narrow intervals
  • the resistance force is gradually increased and gradually increased when the operation unit 10 is tilted from the neutral position or returned from the tilted position to the neutral position.
  • the moving operation unit 10 can be given a feeling of changing from a weak vibration to a gradually increasing vibration.
  • the types of the control unit 50 continuously applying the resistance to the operation unit 10 include at least the time interval (pitch) of the resistance to be given, the width of the resistance to be given (pulse width), and the strength of the resistance to be given. It is one. Further, the continuous change of the given resistance force is at least one of the change of the time interval (pitch) of the given resistance force, the change of the width (pulse width) of the given resistance force, and the change of the strength of the given resistance force. By combining these, various vibration patterns can be given to the operation unit 10.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of adjusting the movable range.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 14 is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the reaction force applied to the operation unit 10.
  • the moving range W1 of the operating unit 10 is the range that hits the mechanical stopper (stop position).
  • the movement range W2 of the operation unit 10 can be arbitrarily set by applying a resistance force from the first braking unit 31 and the second braking unit 32 to the operation unit 10 under the control of the control unit 50. That is, when the operation unit 10 reaches each end (stop position) of the movement range W2, the first braking unit 31 and the second braking unit 32 give a larger resistance force than other than the stop position. As a result, it is possible to set a movement range W2 different from the movement range W1 regulated by the mechanical stopper. That is, the operating range of the operating unit 10 can be adjusted by controlling at least one of the first braking unit 31 and the second braking unit 32.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of adjusting the stability point.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 15 is the moving position of the operation unit 10, and the vertical axis is the driving torque.
  • a stepping motor is used as the first drive unit 21 and the second drive unit 22, there are stability points peculiar to the motor as shown in graph line L7.
  • the operating unit 10 since the operating unit 10 has an urging force, for example, a coil spring, which is an urging means, the stable point of the motor does not always match the stable point of the operating unit 10 (see graph line L8). Therefore, the position P1 that becomes the stable point of the motor is corrected to the position P2 in which the driving torque of the stepping motor and the urging force by the urging means are balanced (offset).
  • an urging force for example, a coil spring, which is an urging means
  • the actual position of the stability point of the operation unit 10 is P2. Since the computational reference position set by the control unit 50 is the position P1 of the stable point of the motor, there is a deviation from the position P2 of the stable point of the actual operation unit 10. Therefore, the control unit 50 corrects the position information detected by the first position detection unit 41 and the second position detection unit 42 by the difference between the position P1 and the position P2. As a result, the control reference and the position P2 of the stable point of the operation unit 10 in consideration of the urging force in the movement of the operation unit 10 are matched, and highly accurate control can be performed.
  • FIG. 16 is a diagram showing an application example of the operation device according to the present embodiment.
  • the operation device 1 of the present embodiment is applied to, for example, a top surface position of the controller main body 110.
  • sticks provided on the left and right sides of the upper surface of the controller main body 110 are the operation units 10 of the operation device 1.
  • the reference position may move over time so as to inform the operator of the appropriate operation of the stick type controller 100. That is, in FIG. 11, C2, which is the reference position of the reaction force, may move with time so that the operator can easily recognize the position where the stick should be.
  • C2 which is the reference position of the reaction force
  • the force corresponding to the direction of each axis can be distributed. If it is possible to apply a reaction force in the same direction as the operating direction by dividing the force along the operating direction, change the ratio to a direction different from the operating direction, for example, a direction orthogonal to the operating direction.
  • the present invention is not limited to these examples.
  • those skilled in the art appropriately adding, deleting, or changing the design of each of the above-described embodiments, or combining the features of the constituent examples of each embodiment as appropriate are also gist of the present invention.
  • the position is held at the current position of the operation unit 10 when no operation force is applied to the operation unit 10, and the position is only when the operation force is applied to the operation unit 10.
  • a reaction force that draws into C2 may be generated.
  • the resistance force is controlled in FIG. 13 to give a feeling of vibration, the vibration may be caused by the driving force, or the resistance force and the driving force may be combined to vibrate.

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Abstract

本発明の一態様に係る操作装置は、少なくとも第１方向および第１方向に直交する第２方向に操作可能な操作部と、操作部に第１方向の駆動力（第１駆動力）を与える第１駆動部と、操作部に第１方向の抵抗力（第１抵抗力）を与える第１制動部と、操作部の第１方向の位置を検知する第１位置検知部と、操作部に第２方向の駆動力（第２駆動力）を与える第２駆動部と、操作部に第２方向の抵抗力（第２抵抗力）を与える第２制動部と、操作部の第２方向の位置を検知する第２位置検知部と、操作部の第１方向の位置に応じて第１駆動力および第１抵抗力を調整し、第２方向の位置に応じて第２駆動力および第２抵抗力を調整する制御部と、を備え、少なくとも第１方向および第２方向に操作可能な操作部に対して、駆動力および抵抗力を与えることで緻密かつ安定した動作および細かな操作感を与えることができる。

Description

操作装置
　本発明は、操作装置に関し、特に少なくとも第１方向および第２方向に操作可能な操作部に対する駆動力および抵抗力を制御する操作装置に関するものである。
　自動車、産業機械、ゲーム機などで用いられる操作装置においては、グラフィックに表示されたカーソルの移動など、上下左右の２軸の自由度の各方向にスティック(レバー)を倒すことによる直感的な操作が有用とされる場合がある。また、操作装置は、操作者から操作対象へのインタフェースであると同時に、操作対象の状態を反映した何らかの情報を操作者にフィードバックするインタフェースであることが求められることも多い。
　２軸の自由度をもつジョイスティックを備えた操作装置において、操作者へのフィードバックを制御する技術として、特許文献１には、ハプティック（haptic）フィードバックを有するジョイスティックで使用するための制御ハンドルジンバル支持機構が開示される。
　特許文献２には、ホストコンピュータへの低帯域幅接続を利用してユーザインタフェース装置へ触覚効果を与える方法および装置が開示される。特許文献３には、被操縦体からのフィードバックを受けて送信機の操作感を変化させるラジオコントロールシステムが開示される。特許文献４には、操作部に負荷を効果的に付与するゲームシステムが開示される。
　これらの特許文献から、スティック式の操作装置においては、モータやブレーキ機構を軸に取り付け、それらを制御することで駆動力やブレーキ力をスティックを介して操作者に与えるといった需要がうかがえる。
特許第４１６５７３４号公報 特開２０１０－０６１６６７号公報 特開２０１６－０９６８３４号公報 特開２０１６－００７３４５号公報
　スティック式の操作装置において、モータなどのアクティブなアクチュエータ要素は、引き込みや押し戻しといった感触を操作者に与えることができる一方で、特定のスティック位置で安定させることは難しい。それに対し、ブレーキなどのパッシブな要素は、操作者の力に対して動かさないことや、動作していたスティックを停止させる操作感を与えることはできるものの、停止したスティックを動作させることはできない。
　本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、少なくとも第１方向および第２方向に操作可能な操作部に対して、駆動力および抵抗力を与えることで緻密で安定した動作かつ細かな操作感を与えることができる操作装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、少なくとも第１方向および第１方向に直交する第２方向に操作可能な操作部と、操作部に第１方向の駆動力である第１駆動力を与える第１駆動部と、操作部の第１方向への移動に抵抗する第１抵抗力を与える第１制動部と、操作部の第１方向の位置を検知する第１位置検知部と、操作部に第２方向の駆動力である第２駆動力を与える第２駆動部と、操作部の第２方向への移動に抵抗する第２抵抗力を与える第２制動部と、操作部の第２方向の位置を検知する第２位置検知部と、第１位置検知部で検知された第１方向の位置に応じて第１駆動力および第１抵抗力を調整し、第２位置検知部で検知された第２方向の位置に応じて第２駆動力および第２抵抗力を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする操作装置である。
　このような構成によれば、操作部の第１方向の位置を第１位置検知部で検知し、第２方向の位置を第２位置検知部で検知し、これらで検知した位置に応じて操作部に与える第１方向の駆動力（第１駆動力）および第１方向の抵抗力（第１抵抗力）、並びに第２方向の駆動力（第２駆動力）および第２方向の抵抗力（第２抵抗力）が調整される。これにより、操作部の第１方向および第２方向の位置に応じてそれぞれの方向に駆動力を与える制御と、それぞれの方向に抵抗力を与える制御とを切り替えたり、バランスさせたりすることで、緻密で安定した動作かつ細かな操作感を与える制御を行うことができる。
　上記操作装置において、制御部は、操作部の移動における摩擦力を考慮して、第１駆動力および第１抵抗力、並びに第２駆動力および第２抵抗力を調整してもよい。操作部を移動させる機構に起因する摩擦力は操作部の位置に応じて変化するため、この操作部の位置と摩擦力との関係に基づき、操作部に対する駆動力および抵抗力を調整することにより、緻密で安定した動作かつ細かな操作感を与える制御を行うことができる。
　上記操作装置において、制御部は、第１位置検知部で第１方向の予め設定された停止位置を検知した場合、操作部の反力が第１方向の停止位置以外の位置の場合よりも大きくなるように第１駆動力および／または第１抵抗力を調整すること、第２位置検知で第２方向の予め設定された停止位置を検知した場合、操作部の反力が第２方向の停止位置以外の位置の場合よりも大きくなるように第２駆動力および／または第２抵抗力を調整すること、の少なくとも一方を行うようにしてもよい。これにより、操作部の移動位置に対する停止位置を任意の位置に設定することができる。
　上記操作装置において、操作部を原点復帰させる付勢手段をさらに備え、制御部は、付勢手段による原点とは異なる位置を原点とするように第１駆動力および第１抵抗力、並びに第２駆動力および第２抵抗力を調整する制御を行ってもよい。これにより、付勢手段による原点とは異なる位置が原点となるように操作部の位置に応じた反力の変化をシフトさせることができる。
　上記操作装置において、操作部を原点復帰させる付勢手段をさらに備え、制御部は、操作部の原点での第１抵抗力および第２抵抗力を原点近傍での第１抵抗力および第２抵抗力よりも大きくする制御を行ってもよい。これにより、操作部を付勢手段で原点に復帰させる際、原点での抵抗力が、原点近傍での抵抗力よりも大きくなって、確実に原点であることを抵抗感で伝えることができる。
　上記操作装置において、制御部は、第１駆動力および第１抵抗力の少なくとも一方を断続的に変化させること、第２駆動力および第２抵抗力の少なくとも一方を断続的に変化させること、の少なくとも一方を行うようにしてもよい。これにより、操作部に振動の感触を与えることができる。
　上記操作装置において、制御部は、第１駆動力および第１抵抗力の少なくとも一方を断続的かつ徐々に変化させること、第２駆動力および第２抵抗力の少なくとも一方を断続的かつ徐々に変化させること、の少なくとも一方を行うようにしてもよい。これにより、操作部に振動の強さが徐々に変化していく感触を与えることができる。
　上記操作装置において、制御部は、第１位置検知部および第２位置検知部からの出力信号から操作部の操作における安定点となる位置情報を第１駆動部および第２駆動部の安定点となる位置に補正してもよい。これにより、第１駆動部および第２駆動部の特性に基づく安定点と、操作部の移動における摩擦力とを考慮した操作部の安定点の位置を基準にした駆動力および抵抗力の制御を行うことができる。
　上記操作装置において、第１制動部および第２制動部は、磁気粘性流体と、磁気粘性流体に磁場を与える磁場発生部と、を有していてもよい。これにより、磁気粘性流体に与える磁場によって第１制動部および第２制動部のそれぞれの抵抗力を調整できる。
　本発明によれば、少なくとも第１方向および第２方向に操作可能な操作部に対して、駆動力および抵抗力を与えることで緻密で安定した動作かつ細かな操作感を与えることができる操作装置を提供することが可能となる。
本実施形態に係る操作装置の構成を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、制動部を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 本実施形態に係る操作装置のブロック構成を例示する図である。 制御装置のブロック構成を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、倒すときの駆動力の調整例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、戻すときの駆動力の調整例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、倒すときの駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、戻すときの駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。 （ａ）～（ｃ）は、駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。 基準位置の調整例を例示する図である。 中立位置での駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、断続的な駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。 可動範囲の調整例を例示する図である。 安定点の調整例を例示する図である。 本実施形態に係る操作装置の適用例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（操作装置の構成）
　図１は、本実施形態に係る操作装置の構成を例示する斜視図である。
　本実施の形態に係る操作装置１は、スティック型の操作部１０を備えたインタフェース装置である。本実施形態では、第１方向をＸ方向、第２方向をＹ方向、第３方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は互いに直交する。
　なお、以下の説明で用いられる各種の力は次のように定義される。
　操作力とは、操作部１０を操作する（動かす、止める）ために必要な力のことをいう。
　反力とは、操作部１０を操作する際に操作部１０から操作者（例えば指）に伝わる力のことをいう。
　駆動力とは、駆動部から操作部１０に与えられる駆動のための力（アシスト力）のことをいう。
　抵抗力とは、制動部から操作部１０に与えられる操作部１０の移動の妨げとなる力（制動力）のことをいう。
　付勢力とは、付勢手段により操作部１０を付勢し、操作部１０を所定の原点に戻そうとする力のことをいう。原点は、操作部１０に操作力が付与されていないときに操作部１０が位置する場所である。
　摩擦力とは、操作部１０の移動に伴い発生する摩擦力のことをいう。摩擦力は操作部１０が所定の位置にあり続けるように作用し、操作部１０の動きを妨げる。
　ここで、付勢手段が設けられている場合、操作部１０を原点から離間する向きに移動させる場合には、操作部１０から操作者に伝わる反力は、「付勢手段による付勢力＋摩擦力」となる。一方、操作部１０を原点に戻す向きに移動させる場合には、摩擦力は操作部１０が所定の位置にあり続けるようにはたらくため、操作部１０から操作者に伝わる反力は、「付勢手段による付勢力＋摩擦力－摩擦力」となる。
　また、操作部１０を操作する際に操作部１０に作用する駆動力のうち、付勢力が操作部１０を原点に押し戻す向きとは反対側の向きに作用する駆動力をプラス（＋）の駆動力ということにし、付勢力が操作部１０を原点に押し戻す向きと同じ向きに作用する駆動力をマイナス（－）の駆動力ということにする。
　したがって、操作部１０にプラス（＋）の駆動力が加わると反力は弱くなり、マイナス（－）の駆動力が伝わると反力は強くなる。
　操作装置１は、操作部１０、第１駆動部２１、第１制動部３１、第１位置検知部４１、第２駆動部２２、第２制動部３２、第２位置検知部４２および制御部５０を備える。操作部１０は、少なくともＸ方向およびＹ方向の２方向に操作可能に設けられる。本実施形態では、操作部１０はジンバル機構１１の上に設けられており、ジンバル機構１１によってＸ方向への傾倒（Ｙ軸回りの回転移動）およびＹ方向への傾倒（Ｘ軸回りの回転移動）が可能になっている。なお、本実施形態では、Ｘ方向への傾倒はＸ方向の移動に含まれ、Ｙ方向への傾倒はＹ方向の移動に含まれるものとする。操作部１０は、Ｚ方向への移動（Ｚ方向への進退動作）が可能になっていてもよい。操作部１０をＸ方向またはＹ方向へ移動させた場合、これ以上移動できない位置を停止位置ということにする。停止位置は、機械的なストッパで設定されていたり、駆動部や制動部の作用によって設定されていたりする。
　操作部１０には、付勢手段（図示せず）が設けられていてもよい。付勢手段としては、例えばコイルバネが用いられる。例えば、操作部１０が一方向に倒されるとコイルバネが縮み、倒し込みを解除または弱めることでコイルバネが伸びて操作部１０を中立位置に復帰させる。中立位置は原点の一例である。
　第１駆動部２１は、操作部１０にＸ方向の駆動力を与える。前進の駆動力は中立位置から離間する向きに作用するプラス（＋）の駆動力であり、後進の駆動力は中立位置に戻す向きに作用するマイナス(－)の駆動力である。第１駆動部２１は、例えばモータを有しており、モータの回転力をモータ軸からジンバル機構１１に伝達して操作部１０へＸ方向の駆動力を伝える。第１駆動部２１は、モータの回転力を減速するギアボックスを有していてもよい。第１駆動部２１のモータを回転させることで、ジンバル機構１１のＹ軸回りの回転動作に駆動力が与えられ、これにより操作部１０のＸ方向の傾倒動作に対してプラス（＋）またはマイナス（－）の駆動力が与えられる。
　第１制動部３１は、操作部１０のＸ方向への移動（傾倒動作）に抵抗する抵抗力を与える。第１制動部３１は、例えば磁気粘性流体および磁場発生部を有する。磁気粘性流体は、磁場発生部から与えられる磁場によって粘性を調整することができる。本実施形態では、第１制動部３１は第１駆動部２１の外側に設けられ、第１制動部３１の磁気粘性流体の粘性による抵抗力がジンバル機構１１に伝わるようになっている。したがって、磁気粘性流体の粘性が増加すると抵抗力が増加し、磁気粘性流体の粘性が低下すると抵抗力が低下することになる。
　その結果、第１制動部３１の抵抗力が増加するとジンバル機構１１のＹ軸回りの回転に抵抗力が与えられ、操作部１０のＸ方向への傾倒動作に抵抗感が与えられる。一方、第１制動部３１の抵抗力が減少するとジンバル機構１１のＹ軸回りの回転に与えられる抵抗力が低下し、操作部１０のＸ方向への傾倒動作の抵抗感が減少する。
　第１位置検知部４１は、操作部１０のＸ方向の位置を検知する。第１位置検知部４１は、例えば磁気検知式のエンコーダを有する。第１位置検知部４１は、例えば第１駆動部２１とジンバル機構１１との間に設けられており、ジンバル機構１１のＹ軸回りの回転角度（回転方向の位置）を検知することで操作部１０のＸ方向の位置を検出している。なお、第１位置検知部４１は、抵抗変化式や光学式のエンコーダであってもよい。
　第２駆動部２２は、操作部１０にＹ方向の駆動力を与える。前進の駆動力は中立位置から離間する向きに作用するプラス（＋）の駆動力であり、後進の駆動力は中立位置に戻す向きに作用するマイナス(－)の駆動力である。第２駆動部２２は、例えばモータを有しており、モータの回転力をモータ軸からジンバル機構１１に伝達して操作部１０へＹ方向の駆動力を伝える。第２駆動部２２は、モータの回転力を減速するギアボックスを有していてもよい。第２駆動部２２のモータを回転させることで、ジンバル機構１１のＸ軸回りの回転動作に駆動力が与えられ、これにより操作部１０のＹ方向の傾倒動作に対してプラス（＋）またはマイナス（－）の駆動力が与えられる。
　第２制動部３２は、操作部１０のＹ方向への移動（傾倒動作）に抵抗する抵抗力を与える。第２制動部３２は、例えば磁気粘性流体および磁場発生部を有する。磁気粘性流体は、磁場発生部から与えられる磁場によって粘性を調整することができる。本実施形態では、第２制動部３２は第２駆動部２２の外側に設けられ、第２制動部３２の磁気粘性流体の粘性による抵抗力がジンバル機構１１に伝わるようになっている。したがって、磁気粘性流体の粘性が増加すると抵抗力が増加し、磁気粘性流体の粘性が低下すると抵抗力が低下することになる。
　その結果、第２制動部３２の抵抗力が増加するとジンバル機構１１のＸ軸回りの回転に抵抗力が与えられ、操作部１０のＹ方向への傾倒動作に抵抗感が与えられる。一方、第２制動部３２の抵抗力が減少するとジンバル機構１１のＹ軸回りの回転に与えられる抵抗力が低下し、操作部１０のＸ方向への傾倒動作の抵抗感が減少する。
　第２位置検知部４２は、操作部１０のＹ方向の位置を検知する。第２位置検知部４２は、例えば磁気検知式のエンコーダを有する。第２位置検知部４２は、例えば第２駆動部２２とジンバル機構１１との間に設けられており、ジンバル機構１１のＸ軸回りの回転角度（回転方向の位置）を検知することで操作部１０のＹ方向の位置を検出している。なお、第２位置検知部４２は、抵抗変化式や光学式のエンコーダであってもよい。
　制御部５０は、第１駆動部２１、第１制動部３１、第２駆動部２２および第２制動部３２を制御する。すなわち、制御部５０は、第１位置検知部４１からの出力信号に応じてＸ方向の駆動力（第１駆動力）および抵抗力（第１抵抗力）を変化させるため、第１駆動部２１および第１制動部３１を制御する。また、制御部５０は、第２位置検知部４２からの出力信号に応じてＹ方向の駆動力（第２駆動力）および抵抗力（第２抵抗力）を変化させるため、第２駆動部２２および第２制動部３２を制御する。
　ここで、第１制動部３１および第２制動部３２の具体例について説明する。なお、第１制動部３１および第２制動部３２の構成は互いに同じである。
　図２（ａ）および（ｂ）は、制動部を例示する斜視図である。図３（ａ）および（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は励磁コイルが発生した磁界を概念的に示す説明図である。
　図２および図３に示すように、第１制動部３１および第２制動部３２は、保持部４２０と、制動操作部４１００とを備える。保持部４２０は略円柱形のケースになっており、各部を収容する。なお、保持部４２０の形状は略直方体であってもよい。制動操作部４１００は、シャフト部４１１０と磁性ディスク４１２０とを含み、中心軸４１１（回転軸）を中心として両方向に回転動作可能に保持部４２０に支持されている。制動操作部４１００は、支持部材４１４０とラジアル軸受４１５０を介して、回転可能な状態で保持部４２０に支持されている。さらに、制動部４０内に設けた隙間４８０には、磁気粘性流体４１６０が満たされている。
　制動操作部４１００のシャフト部４１１０は、駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）に接続される（図１参照）。
　保持部４２０は、第１ヨーク４３０、第２ヨーク４４０、磁界発生部としての励磁コイル４５０、環状部材４６０、及び、上部ケースとしての第３ヨーク４７０を含む。第１ヨーク４３０、第２ヨーク４４０、第３ヨーク４７０は、それぞれ別々に加工されて形成されている。ただし、第１ヨーク４３０、第２ヨーク４４０、第３ヨーク４７０のいずれかが組み合わされて一体に形成されていてもよい。
　第１ヨーク４３０は、円環部４３１と、円環部４３１の上面から円環部４３１と同心状に上側へ延びるように一体に設けられた円筒部４３２とを備える。円環部４３１と円筒部４３２は、平面視において、中心軸４１１を中心とする円形状をなしており、その外径は、円環部４３１よりも円筒部４３２の方が小さくされている。円環部４３１と円筒部４３２の外径の違いにより、円筒部４３２の外周面の外側に段差部４３３が形成される。また、第１ヨーク４３０は、中心軸４１１を中心とした平面視円形状の内周面４３４を有する。内周面４３４は、中心軸４１１に沿って円環部４３１と円筒部４３２を貫いており、その内径は、上下方向の位置に応じて変化するように設定されている。
　図３（ａ）に示すように、第１ヨーク４３０の段差部４３３には磁界発生部としての励磁コイル４５０が配設される。励磁コイル４５０の内周は円筒部４３２の外周面に沿うような円環状をなしており、励磁コイル４５０の外周は径方向において円環部４３１の外周面よりも外側に位置する。よって、励磁コイル４５０は、平面視において、延在部としての円環部４３１に重なっている。励磁コイル４５０は、中心軸４１１の周りを回るように巻き付けられた導線を含むコイルである。励磁コイル４５０には接続部材４５１が電気的に接続され、第３ヨーク４７０の上部から露出した接続部材４５１の入力部４５１ａに対して図示しない経路で電流が供給される。励磁コイル４５０に電流が供給されると磁界が発生する。
　第１ヨーク４３０の円環部４３１には、その外周面に沿って環状部材４６０が固定されている。この環状部材４６０は円環状をなしており、合成樹脂などの非磁性材料で構成される。第１ヨーク４３０に固定された状態の環状部材４６０は、平面視において、段差部４３３に配設された励磁コイル４５０と略同一の外径の円形状を有する。
　なお、ヨーク４４０、４７０の平面形状は必ずしも円形でなくてもよい。また、ヨークの分割は、上述の第３ヨーク４７０と第２ヨーク４４０のような組み合わせでなくても良く、分割位置によっては矩形状の平面形状とすることもできる。
　磁気粘性流体４１６０は、磁界が印加されると粘度が変化する物質であり、例えば、非磁性の液体（溶媒）中に磁性材料からなる粒子（磁性粒子）が分散された流体である。
　磁気粘性流体４１６０においては、励磁コイル４５０による磁界が生じていないときには、磁性粒子は溶媒内で分散されている。したがって、シャフト部４１１０を操作すると、保持部４２０は、大きな抵抗力を受けずに、制動操作部４１００に対して相対的に回転する。
　一方、励磁コイル４５０に電流を印加して磁界を発生させると、図３（ｂ）に示すように、磁気粘性流体４１６０には上下方向に沿った磁界が与えられる。この磁界により、磁気粘性流体４１６０中で分散していた磁性粒子は磁力線に沿って集まり、上下方向に沿って並んだ磁性粒子が磁気的に互いに連結され、クラスタが形成される。この状態において、中心軸４１１を中心とする方向にシャフト部４１１０を回転させようとする力を与えると、連結された磁性粒子にせん断力がはたらき、これらの磁性粒子による抵抗力（トルク）が生じる。このため、磁界を発生させていない状態と比べて抵抗力が大きくなる。
（操作装置のブロック構成）
　次に、本実施形態に係る操作装置１のブロック構成について説明する。
　図４は、本実施形態に係る操作装置のブロック構成を例示する図である。
　図５は、制御装置のブロック構成を例示する図である。
　操作装置１は、先に説明した操作部１０、第１駆動部２１、第１制動部３１、第１位置検知部４１、第２駆動部２２、第２制動部３２、第２位置検知部４２および制御部５０を備える。また、制御部５０は、第１駆動制御回路５１、第１制動制御回路５２、第２駆動制御回路５３、第２制動制御回路５４、演算部５５、記憶部５６および電源回路５７を有する。
　第１駆動制御回路５１は、例えばモータドライバである。第１駆動制御回路５１は、演算部５５の演算結果に基づいて第１駆動部２１のモータに与える駆動用（電圧制御、ＰＷＭ制御など）の電力を出力する。第１制動制御回路５２は、例えば磁場制御回路である。第１制動制御回路５２は、演算部５５の演算結果に基づいて第１制動部３１に与える制動用の電力を出力する。
　第２駆動制御回路５３は、例えばモータドライバである。第２駆動制御回路５３は、演算部５５の演算結果に基づいて第２駆動部２２のモータに与える駆動用（電圧制御、ＰＷＭ制御など）の電力を出力する。第２制動制御回路５４は、例えば磁場制御回路である。第２制動制御回路５４は、演算部５５の演算結果に基づいて第２制動部３２に与える制動用の電力を出力する。
　演算部５５は、外部システム５００から送信され通信部５８で受け取ったデータに基づいて駆動力および抵抗力のための出力値を演算する。すなわち、第１位置検知部４１から出力される操作部１０のＸ方向の位置の情報は通信部５８を介して外部システム５００に送られる。演算部５５は、外部システム５００から送信されるデータに基づいて、操作部１０のＸ方向の位置に応じた駆動力および抵抗力を得るための出力値を演算する。また、第２位置検知部４２から出力される操作部１０のＹ方向の位置の情報は通信部５８を介して外部システム５００に送られる。演算部５５は、外部システム５００から送信されるデータに基づいて、操作部１０のＹ方向の位置に応じた駆動力および抵抗力を得るための出力値を演算する。
　演算部５５は、操作部１０のＸ方向およびＹ方向のそれぞれの位置をパラメータとした所定の演算式によって駆動力および抵抗力に応じた出力値を演算してもよいし、予め設定されたテーブルデータを参照して移動位置に応じた駆動力および抵抗力を得るための出力値を求めるようにしてもよい。
　記憶部５６は、演算部５５で用いる演算（関数）や演算パラメータを記憶する。
　電源回路５７は、各部へ送る電力を作る回路である。通信部５８は、外部システム５００との情報の入出力を有線または無線によって行う。通信部５８を介して外部システム５００から演算パラメータを得て、記憶部５６に記憶してもよい。第１駆動制御回路５１、第１制動制御回路５２、第２駆動制御回路５３および第２制動制御回路５４は、演算部５５の出力値を受けて、所定の駆動力および抵抗力を得るための電力を出力する。
　このような構成を備えた操作装置１において、制御部５０は、第１位置検知部４１で検知した操作部１０のＸ方向の位置に基づいて、調整すべき駆動力および抵抗力を得るための出力値を演算する。この演算結果が通信部５８を介して第１駆動制御回路５１および第１制動制御回路５２に送られ、第１駆動部２１から操作部１０に与える駆動力および、第１制動部３１から操作部１０に与える抵抗力を調整する。また、制御部５０は、第２位置検知部４２で検知した操作部１０のＹ方向の位置に基づいて、調整すべき駆動力および抵抗力を得るための出力値を演算する。この演算結果が通信部５８を介して第２駆動制御回路５３および第２制動制御回路５４に送られ。第２駆動部２２から操作部１０に与える駆動力および、第２制動部３２から操作部１０に与える抵抗力を調整する。これにより、操作部１０のＸ方向およびＹ方向のそれぞれの位置に応じて第１駆動部２１および第２駆動部２２から駆動力を与える制御と、第１制動部３１および第２制動部３２から抵抗力を与える制御とを切り替えたり、バランスさせたりすることで緻密で安定した動作かつ細かな操作かを与える制御を行うことができる。
（操作装置の動作）
　次に、操作装置１の動作について説明する。
　先ず、電源回路５７から各部へ電源が投入されると、初期設定が行われる。初期設定が行われる前の段階では、駆動力および抵抗力はいずれも作用していないため、操作部１０は付勢手段によって付勢され原点に位置する（中立位置）。なお、原点とは異なる基準位置が設定されるモードの場合（外部システム５００から通信部５８を介してモード指令を受け取った場合）、初期設定において、第１駆動部２１および第２駆動部２２は操作部１０を基準位置に移動させるとともに、第１制動部３１および第２制動部３２は基準位置に応じた抵抗力を操作部１０に与える。
　次に、操作部１０が操作されると、第１位置検知部４１および第２位置検知部４２で検知したＸ方向およびＹ方向のそれぞれの位置に応じて、外部システム５００から送信されるデータに基づく駆動力および抵抗力を得るための出力値が演算部５５で演算される。
　演算部５５で演算したＸ方向の駆動力を得るための出力値は第１駆動制御回路５１に送られ、Ｘ方向の抵抗力を得るための出力値は第１制動制御回路５２に送られる。第１駆動制御回路５１では、演算部５５から送られた出力値に基づいて、その出力値に応じた駆動力を得るための電力を第１駆動部２１に送る。第１制動制御回路５２では、演算部５５から送られた出力値に基づいて、その出力値に応じた抵抗力を得るための電力を第１制動部３１に送る。
　第１駆動部２１は、第１駆動制御回路５１から送られた電力を受けてモータを回転させて、その駆動力を操作部１０に伝える。第１制動部３１は、第１制動制御回路５２から送られた電力を受けて、例えば磁気粘性流体に所定の粘性力を得るための磁場を与える。これにより、第１制動部３１で発生した粘性力が抵抗力として操作部１０に伝えられる。
　制御部５０の制御によって駆動力と抵抗力との切り替え、またはこれらのバランス調整が行われる。これにより、操作部１０のＸ方向の操作位置に応じた駆動力および抵抗力が操作部１０に与えられ、緻密で安定した動作かつ細やかに操作部１０の操作感が調整されることになる。
　また、上記Ｘ方向の場合と同様に、演算部５５で演算したＹ方向の駆動力を得るための出力値は第２駆動制御回路５３に送られ、Ｙ方向の抵抗力を得るための出力値は第２制動制御回路５４に送られる。第２駆動制御回路５３では、演算部５５から送られた出力値に基づいて、その出力値に応じた駆動力を得るための電力を第２駆動部２２に送る。第２制動制御回路５４では、演算部５５から送られた出力値に基づいて、その出力値に応じた抵抗力を得るための電力を第２制動部３２に送る。
　第２駆動部２２は、第２駆動制御回路５３から送られた電力を受けてモータを回転させて、その駆動力を操作部１０に伝える。第２制動部３２は、第２制動制御回路５４から送られた電力を受けて、例えば磁気粘性流体に所定の粘性力を得るための磁場を与える。これにより、第２制動部３２で発生した粘性力が抵抗力として操作部１０に伝えられる。
　制御部５０の制御によって駆動力と抵抗力との切り替え、またはこれらのバランス調整が行われる。これにより、操作部１０のＹ方向の操作位置に応じた駆動力および抵抗力が操作部１０に与えられ、緻密で安定した動作かつ細やかに操作部１０の操作感が調整されることになる。
（駆動力および抵抗力の調整例）
　次に、本実施形態に係る操作装置１での駆動力および抵抗力の調整例について説明する。なお、以下の調整例では、説明の便宜上、特に指定しない場合にはＸ方向およびＹ方向を区別せず説明するが、操作装置１ではＸ方向およびＹ方向のそれぞれの動作が独立して行われる。
（調整例：その１）
　この調整例においては、制御部５０は、操作部１０の倒し込みにおける摩擦力を考慮して移動位置に応じた駆動力を調整する。なお、以下の事例において、摩擦力は操作装置１を構成する各部材の寸法精度や組み立て状態、および使用温度等に依存するため、個体のデータを取得して記憶部５６に記憶させておくことが好ましい。
　図６（ａ）および（ｂ）は、倒すときの駆動力の調整例を例示する図である。
　図６（ａ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０の反力である。
　図６（ｂ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は駆動力である。
　操作部１０にはコイルバネ等の付勢手段が設けられており、操作しない状態では中立位置Ｃ１に戻るようになっている。操作部１０を移動すると付勢手段からの反力が発生するため、中立位置Ｃ１から離れるほど反力は大きくなる（図中Ｆｓ１参照）。また、操作部１０を倒す際、移動に関わる機構（ジンバル機構１１など）による摩擦力Ｆｆ１が発生し、この摩擦力Ｆｆ１は操作部１０の移動位置に依存して変化する。このため、操作部１０から操作者に与えられる実際の反力（図中Ｆｒ１参照）は、付勢力による反力Ｆｓ１と摩擦力Ｆｆ１を加算したものとなる。
　この摩擦力Ｆｆ１による反力の増加分を打ち消すため、図６（ｂ）に示すようにプラス（＋）の駆動力を与える。摩擦力Ｆｆ１は操作部１０の位置によって変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の位置に応じて駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）から操作部１０に与えるプラス（＋）の駆動力を調整する。これにより、摩擦力Ｆｆ１による反力の増加分が打ち消され、付勢力による反力Ｆｓ１のみを操作部１０から操作者に与えることができる。
　図７（ａ）および（ｂ）は、戻すときの駆動力の調整例を例示する図である。
　図７（ａ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０の反力である。
　図７（ａ）に示すように、倒し込んでいた力を弱めて操作部１０を中立位置の方向へ戻す場合、操作部１０が戻るほど付勢手段の付勢力による反力が弱くなる（図中Ｆｓ１参照）。また、操作部１０を戻す際、移動に関わる機構（ジンバル機構１１など）による摩擦力Ｆｆ２が発生し、この摩擦力Ｆｆ２は操作部１０の移動位置に依存して変化する。操作部１０が戻る際にはこの摩擦力Ｆｆ２の影響が倒すときとは逆向きに作用する。このため、操作部１０から操作者に与えられる実際の反力（図中Ｆｒ２参照）は、付勢力による反力Ｆｓ１から摩擦力Ｆｆ２を差し引いたものとなる。
　この摩擦力Ｆｆ２による反力の減少分を補うため、図７（ｂ）に示すようにマイナス（－）の駆動力を与える。摩擦力Ｆｆ２は操作部１０の位置によって変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の位置に応じて駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）から操作部１０に与えるマイナス（－）の駆動力を調整する。これにより、摩擦力Ｆｆ２による反力の減少分が補われ、付勢力による反力Ｆｓ１のみを操作部１０から操作者に与えることができる。
　このような調整によって、操作部１０を倒すときと戻すときとで反力が異なるといった操作感の違いをなくし、操作部１０を倒すときと戻すときとで同じ反力（操作感）を得られるようになる。
（調整例：その２）
　この調整例においては、制御部５０は、操作部１０を倒すときおよび戻すときの操作部１０の反力が一定の操作感触となるように、駆動力および抵抗力を調整する。
　図８（ａ）および（ｂ）は、倒すときの駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。
　図８（ａ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０の反力である。
　図８（ｂ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は駆動力および抵抗力である。
　図８（ａ）に示すように、操作部１０を倒し込む場合、倒し込むほど付勢手段による付勢力が強くなるとともに、操作部１０の移動位置に応じた機構上の摩擦力が加わり、実際の反力Ｆｒ１となって操作者に与えられる。この操作部１０から操作者に与えられる反力を目標値Ｆｔにするため、制御部５０は駆動力および抵抗力を調整する。
　例えば、実際の反力Ｆｒ１が目標値Ｆｔよりも小さい場合（図８（ａ）のＢ領域）、操作部１０を倒し込む際の反力が足りないことから、制御部５０は操作部１０に抵抗力を与える調整を行う。実際の反力Ｆｒ１と目標値Ｆｔとの差は操作部１０の移動位置に依存して変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の位置に応じて制動部（第１制動部３１、第２制動部３２）から操作部１０に与える抵抗力を調整する。これにより、操作部１０を倒し込む際の反力が抵抗力によって増加し、操作部１０から操作者に与えられる反力が目標値Ｆｔとなる。
　また、実際の反力Ｆｒ１が目標値Ｆｔよりも大きい場合（図８（ａ）のＡ領域）、操作部１０を倒し込む際の反力が大きすぎることから、制御部５０は操作部１０にプラス（＋）の駆動力を与える調整を行う。実際の反力Ｆｒ１と目標値Ｆｔとの差は操作部１０の移動位置によって変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の位置に応じて駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）から操作部１０に与えるプラス（＋）の駆動力を調整する。これにより、操作部１０を押し込む際の反力がプラス（＋）の駆動力によって抑制され、操作部１０から操作者に与えられる反力が目標値Ｆｔとなる。
　図９（ａ）および（ｂ）は、戻すときの駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。
　図９（ａ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０の反力である。
　図９（ｂ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は駆動力および抵抗力である。
　図９（ａ）に示すように、倒し込んでいた力を弱めて操作部１０を中立位置に戻す場合、戻るほど付勢手段による付勢力が弱くなるとともに、操作部１０の移動位置に応じた機構上の摩擦力の影響が押し込む場合とは反対に作用し、実際の反力Ｆｒ２となって操作者に与えられる。この操作部１０から操作者に与えられる反力を目標値Ｆｔにするため、制御部５０は駆動力および抵抗力を調整する。
　例えば、実際の反力Ｆｒ２が目標値Ｆｔよりも大きい場合（図９（ａ）のＡ領域）、操作部１０を戻す際の反力が大きすぎることから、制御部５０は操作部１０の移動に抵抗力を与える調整を行う。実際の反力Ｆｒ２と目標値Ｆｔとの差は操作部１０の移動位置に依存して変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の移動位置に応じて制動部（第１制動部３１、第２制動部３２）から操作部１０に与える抵抗力を調整する。これにより、操作部１０を戻す際の反力が抵抗力によって抑制され、操作部１０から操作者に与えられる反力が目標値Ｆｔとなる。なお、Ａ領域の反力を減少させる手段として、駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）によるプラス（＋）の駆動力を用いてもよく、制動部（第１制動部３１、第２制動部３２）による抵抗力と駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）によるプラス（＋）の駆動力とを組み合わせてもよい。
　また、実際の反力Ｆｒ２が目標値Ｆｔよりも小さい場合（図９（ａ）のＢ領域）、操作部１０を戻す際の反力が足りないことから、制御部５０は操作部１０にマイナス（－）の駆動力を与える調整を行う。実際の反力Ｆｒ２と目標値Ｆｔとの差は操作部１０の移動位置によって変化するため、制御部５０は、位置検知部（第１位置検知部４１、第２位置検知部４２）で検知した操作部１０の位置に応じて駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）から操作部１０に与えるマイナス（－）の駆動力を調整する。これにより、操作部１０を戻す際の反力がマイナス（－）の駆動力によって増加し、操作部１０から操作者に与えられる反力が目標値Ｆｔとなる。
　図８および図９に示すように、反力の目標値Ｆｔを操作部１０の移動位置にかかわらず一定の値にすることで、操作部１０を倒す際も戻す際も一定の反力（操作感）を操作者に与えることができる。
　なお、反力の目標値Ｆｔを操作部１０の移動位置に応じて直線的に変化させたり、曲線的に変化させたり、段階的に変化させたりしてもよい。いずれの場合も、制御部５０は、操作部１０の移動位置に対する目標値Ｆｔと実際の反力との差分を相殺するように、駆動力または抵抗力を調整することで、任意の目標値Ｆｔの反力（操作感）を操作者に与えることができる。
（調整例：その３）
　この調整例においては、制御部５０は、予め設定した反力となるように駆動力および抵抗力を調整する。
　図１０（ａ）～（ｃ）は、駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。
　図１０（ａ）～（ｃ）に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０の反力である。
　先ず、図１０（ａ）に示す調整例について説明する。操作部１０を倒し込む場合、停止位置まで倒し込み可能である。停止位置は、例えば機械的なストッパによって決まる位置であったり、駆動力や抵抗力の付与によって設定される位置であったりする。一方、倒し込んでいた力を弱めると、付勢手段の付勢力に従い操作部１０は中立位置の方向へ戻ろうとする。そして、操作部１０は付勢手段の付勢力がゼロとなる位置で停止し、その停止位置が原点となる。この場合には、原点近傍から反力が特に低くなり、反力がゼロになった位置が原点となる。
　操作部１０に駆動力および抵抗力を加えない場合、グラフ線Ｌ１の実線で示すような反力となる。すなわち、反力がゼロとなっている位置Ｃ１（中立位置）から操作部１０を倒し込んでいき、操作部１０の位置がＳ１まで達すると停止位置となり、反力が上昇する。
　制御部５０の制御によって駆動力および／または抵抗力を調整した場合、グラフ線Ｌ１の破線で示すような反力を与えることができる。すなわち、先と同様に位置Ｃ１から操作部１０を倒し込んでいき、操作部１０の位置がＳ１（例えば、機械的なストッパの位置）に達する前のＳ２になった段階で、駆動部（第１駆動部２１、第２駆動部２２）および／または制動部（第１制動部３１、第２制動部３２）を動作させて反力を急激に上昇させる。これにより、例えば機械的なストッパによる停止位置Ｓ１とは異なる所定位置Ｓ２を停止位置とした反力を与えることができる。駆動力によって反力を与えることによって、所定位置Ｓ２まで倒し込んだときに急に反発するような感覚とすることができる。また、抵抗力によって機械的なストッパのような感覚とすることもできる。
　次に、図１０（ｂ）に示す調整例について説明する。この調整例では、グラフ線Ｌ２に示すように、操作部１０に与える反力を、ステップ状に変化させている。これにより、操作部１０を操作する際、操作者には段階的に反力が伝わるような感触を与えることができる。
　次に、図１０（ｃ）に示す調整例について説明する。この調整例では、グラフ線Ｌ３に示すように、操作部１０の操作位置の途中でパルス状に反力を与えるようにしている。パルス状に与える反力は操作位置の複数箇所でもよいし、所定の１箇所であってもよい。これにより、操作部１０を操作する際、操作者にはパルス状の反力を通過する位置でクリック感を与えることができる。複数箇所でパルス状の反力を与えるようにすれば、多段のクリック感を与えることができる。
（調整例：その４）
　この調整例においては、制御部５０は、操作部１０の基準位置を変更する制御を行う。
　図１１は、基準位置の調整例を例示する図である。
　図１１に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０に加わる反力である。操作部１０には例えばコイルバネによる付勢手段が設けられており、移動する際の中央付近に原点復帰の位置Ｃ１が設定されている。
　操作部１０に駆動力および抵抗力を加えない場合、グラフ線Ｌ４に示すような反力となる。すなわち、操作部１０の位置がＣ１のとき中立位置となり、反力が最も小さくなっている。操作部１０の位置（中立位置）Ｃ１は、操作部１０の動作における原点である。
　制御部５０の制御によって駆動力および抵抗力を調整した場合、グラフ線Ｌ４ｂに示すような反力を与えることができる。すなわち、先と同様に操作部１０を移動させる際、位置Ｃ１とは異なる位置Ｃ２で反力が最も小さくなるように駆動力および抵抗力を調整する。これにより、位置Ｃ１とは異なる位置Ｃ２を基準（中立位置）とするように反力の変化をシフトさせることができる。
（調整例：その５）
　この調整例においては、制御部５０は、操作部１０の原点での抵抗力を原点近傍での抵抗力よりも大きくする制御を行う。
　図１２は、中立位置での駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。図１２に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０に加わる反力である。操作部１０には例えばコイルバネによる付勢手段が設けられており、移動する際の中央付近に原点復帰の位置Ｃ１が設定されている。
　操作部１０に駆動力および抵抗力を加えない場合、グラフ線Ｌ５に示すような反力となる。すなわち、操作部１０が原点復帰の位置Ｃ１にあると、付勢手段による力がバランスして反力が最も小さくなる。しかし、原点復帰の位置Ｃ１で反力が最も小さくなることで、原点復帰している状態では操作部１０の位置が不安定となる。
　制御部５０の制御によって駆動力および抵抗力を調整した場合、グラフ線Ｌ６に示すような反力を与えることができる。すなわち、操作部１０の位置が原点復帰の位置Ｃ１にあるとき、原点近傍の反力よりも大きい反力を与えるように駆動力および抵抗力を調整する。これにより、操作部１０が原点復帰の位置Ｃ１にあるとき、大きな反力によって操作の位置を安定した状態で固定することができる。例えば、位置Ｃ１にあるときは抵抗力によって位置を固定するように反力を与え、位置Ｃ１から位置が変化しようとするときに原点復帰する方向に駆動力を与えることが好ましい。
（調整例：その６）
　この調整例においては、制御部５０は、Ｘ方向の抵抗力およびＹ方向の少なくとも一方の駆動力または抵抗力を断続的に付与するよう第１駆動部２１および第２駆動部２２、または第１制動部３１および第２制動部３２を制御する。
　図１３（ａ）および（ｂ）は、断続的な駆動力および抵抗力の調整例を例示する図である。
　図１３（ａ）および（ｂ）に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は駆動力または抵抗力である。
　図１３（ａ）に示す調整例では、制御部５０は、操作部１０に一定の駆動力または抵抗力を一定の時間間隔（例えば１０ｍｓ間隔）で継続的に付与する。一定の駆動力を一定の時間間隔で付与する例としては、操作部１０を所定の位置で保持し続けている状態で、駆動力を定周期でＯＮ／ＯＦＦする（または、駆動力の方向を定周期で切り替える）。これにより、所定の位置で保持し続けている操作部１０に所定の振動の感触を与えることができる。
　一定の抵抗力を一定の時間間隔で付与する例としては、操作部１０を中立位置から傾倒する操作、または傾倒した位置から中立位置に戻るときに、抵抗力を定周期でＯＮ／ＯＦＦする。これにより、移動中の操作部１０に定周期の振動の感触を与えることができる。
　図１３（ｂ）に示す調整例では、制御部５０は、時間に応じて徐々に大きく、さらに時間に応じて徐々に狭間隔になるように操作部１０に駆動力または抵抗力を与える。駆動力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する例としては、操作部１０を所定の位置で保持し続けている状態で、駆動力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で与えるようにする（または、上記ＯＦＦの際に駆動力の方向を反転させる）。これにより、所定の位置で保持し続けている操作部１０に徐々に大きくなる振動の感触を与えることができる。
　抵抗力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する例としては、操作部１０を中立位置から傾倒する操作、または傾倒した位置から中立位置に戻るときに、抵抗力を徐々に大きく、徐々に狭間隔で付与する。これにより、移動中の操作部１０には弱い振動から徐々に強くなる振動に変化していく感触を与えることができる。
　なお、制御部５０が操作部１０に対して継続的に抵抗力を与える種別としては、与える抵抗力の時間間隔（ピッチ）、与える抵抗力の幅（パルス幅）、与える抵抗力の強度の少なくとも一つである。また、与える抵抗力の継続的に変化は、与える抵抗力の時間間隔（ピッチ）の変化、与える抵抗力の幅（パルス幅）変化、与える抵抗力の強度の変化の少なくとも一つである。これらの組み合わせによって、様々な振動のパターンを操作部１０に与えることができる。
（調整例：その７）
　この調整例においては、制御部５０は、第１制動部３１および第２制動部３２を制御することによって操作部１０の移動範囲を調整する。
　図１４は、可動範囲の調整例を例示する図である。図１４に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は操作部１０に加わる反力である。
　操作部１０に抵抗力を加えない場合、操作部１０の移動範囲Ｗ１は、機械的なストッパ（停止位置）に当たる範囲となる。ここで、制御部５０の制御によって第１制動部３１および第２制動部３２から抵抗力を操作部１０に与えることで、操作部１０の移動範囲Ｗ２を任意に設定することができる。すなわち、操作部１０が移動範囲Ｗ２のそれぞれの端部（停止位置）に達した際、第１制動部３１および第２制動部３２から停止位置以外よりも大きな抵抗力を与えるようにする。これにより、機械的なストッパで規制された移動範囲Ｗ１とは異なる移動範囲Ｗ２を設定することができる。すなわち、第１制動部３１および第２制動部３２の少なくとも一方を制御することによって、操作部１０の操作範囲を調整することができる。
（調整例：その８）
　この調整例においては、制御部５０は、第１位置検知部４１および第２位置検知部４２からの出力信号から操作部１０の移動における安定点となる位置情報を補正する。
　図１５は、安定点の調整例を例示する図である。
　図１５に示すグラフの横軸は操作部１０の移動位置であり、縦軸は駆動トルクである。例えば、第１駆動部２１および第２駆動部２２としてステッピングモータを使用した場合、グラフ線Ｌ７に示すようにモータ特有の安定点が存在する。一方、操作部１０には付勢手段である例えばコイルバネの付勢力があるため、モータの安定点が必ずしも操作部１０の安定点と合致するとは限らない（グラフ線Ｌ８参照）。そこで、モータの安定点になる位置Ｐ１を、ステッピングモータの駆動トルクと付勢手段による付勢力とが釣り合う（相殺される）位置Ｐ２に補正する。
　例えば、操作部１０の付勢力を考慮すると、実際の操作部１０の安定点の位置はＰ２となる。制御部５０において設定された演算上の基準位置は、モータの安定点の位置Ｐ１となっているため、実際の操作部１０の安定点の位置Ｐ２との間にずれが生じる。そこで、制御部５０は、第１位置検知部４１および第２位置検知部４２によって検知した位置の情報を、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差分だけ補正する。これにより、制御上の基準と、操作部１０の移動における付勢力を考慮した操作部１０の安定点の位置Ｐ２とが合致して、精度の高い制御を行うことができるようになる。
（適用例）
　次に、本実施形態に係る操作装置１の適用例について説明する。
　図１６は、本実施形態に係る操作装置の適用例を示す図である。
　図１６にはスティック型コントローラへの適用例が示されるこのスティック型コントローラ１００においては、コントローラ本体１１０の例えば上面位置に本実施形態の操作装置１が適用される。図１６に示す例では、コントローラ本体１１０の上面の左右に１つずつ設けられたスティックが操作装置１の操作部１０になっている。
　スティック型コントローラ１００に操作装置１を適用する場合、スティック型コントローラ１００の適切な動作を操作者に伝えるように、経時的に基準位置が移動してもよい。すなわち、図１１において、反力の基準位置となるＣ２が経時的に移動して、操作者がスティックのあるべき位置を認識しやすくなるようにしてもよい。例えば、操作部１０（スティック）の動作方向によって、各軸の駆動部および制動部の出力を調整することで、各軸の方向に対応する力を振り分けることができる。動作方向に沿って力を案分することで、動作方向と同じ方向に反力を加えることも可能であれば、比率を変更することで動作方向と異なる方向、たとえば動作方向と直交する方向に力が加わるような演出も可能となる。その場合、操作者にとってはスティックが特定の軌跡を通るように誘導されるように感じる。このような動作は、ゲームのチュートリアルモードにおいて好適に使用される。チュートリアルモードでは操作部１０が特定の軌跡を通るように誘導されるため、操作者はこの軌跡以外に操作部１０を動かすと反力が高まり、特定の軌跡に従って操作部１０を動かすことを学ぶことができる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、少なくとも第１方向および第２方向に操作可能な操作部１０に対して、駆動力および抵抗力を与えることで緻密かつ安定した動作および細かな操作感を与えることができる操作装置１を提供することが可能となる。
　なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。例えば、図１１に示す位置Ｃ２を中立位置とする場合において、操作部１０に操作力が加わっていないときには操作部１０の現在の位置に保持され、操作部１０に操作力が加わったときのみ位置Ｃ２に引き込む反力を発生させるようにしてもよい。また、図１３は抵抗力を制御して振動の感触を与えたが、駆動力により振動させてもよいし、抵抗力と駆動力とを組み合わせて振動させてもよい。
１…操作装置
１０…操作部
１１…ジンバル機構
２１…第１駆動部
２２…第２駆動部
３１…第１制動部
３２…第２制動部
４１…第１位置検知部
４２…第２位置検知部
５０…制御部
５１…第１駆動制御回路
５２…第１制動制御回路
５３…第２駆動制御回路
５４…第２制動制御回路
５５…演算部
５６…記憶部
５７…電源回路
５８…通信部
１００…スティック型コントローラ
１１０…コントローラ本体
４１１…中心軸
４２０…保持部
４３０…第１ヨーク
４３１…円環部
４３２…円筒部
４３３…段差部
４３４…内周面
４４０…第２ヨーク
４５０…励磁コイル
４５１…接続部材
４５１ａ…入力部
４６０…環状部材
４７０…ヨーク
４８０…隙間
５００…外部システム
４１００…制動操作部
４１１０…シャフト部
４１２０…磁性ディスク
４１４０…支持部材
４１５０…ラジアル軸受
４１６０…磁気粘性流体
Ａ，Ｂ…領域
Ｃ１…中立位置
Ｃ２…位置
Ｆｆ１，Ｆｆ２…摩擦力
Ｆｒ１，Ｆｒ２，Ｆｓ１…反力
Ｆｔ…目標値
Ｌ１～Ｌ８…グラフ線
Ｌ４ｂ…グラフ線
Ｓ１…停止位置
Ｓ２…所定位置
Ｗ１，Ｗ２…移動範囲

Claims (9)

  1. 　少なくとも第１方向および前記第１方向に直交する第２方向に操作可能な操作部と、
    　前記操作部に前記第１方向の駆動力である第１駆動力を与える第１駆動部と、
    　前記操作部の前記第１方向への移動に抵抗する第１抵抗力を与える第１制動部と、
    　前記操作部の前記第１方向の位置を検知する第１位置検知部と、
    　前記操作部に前記第２方向の駆動力である第２駆動力を与える第２駆動部と、
    　前記操作部の前記第２方向への移動に抵抗する第２抵抗力を与える第２制動部と、
    　前記操作部の前記第２方向の位置を検知する第２位置検知部と、
    　前記第１位置検知部で検知された前記第１方向の位置に応じて第１駆動力および第１抵抗力を調整し、前記第２位置検知部で検知された前記第２方向の位置に応じて第２駆動力および第２抵抗力を調整する制御部と、
    　を備えたことを特徴とする操作装置。
  2. 　前記制御部は、前記操作部の移動における摩擦力を考慮して、前記第１駆動力および前記第１抵抗力、並びに前記第２駆動力および前記第２抵抗力を調整する、請求項１記載の操作装置。
  3. 　前記制御部は、
    　　前記第１位置検知部で前記第１方向の予め設定された停止位置を検知した場合、前記操作部の反力が前記第１方向の前記停止位置以外の位置の場合よりも大きくなるように前記第１駆動力および／または前記第１抵抗力を調整すること、
    　　前記第２位置検知部で前記第２方向の予め設定された停止位置を検知した場合、前記操作部の反力が前記第２方向の前記停止位置以外の位置の場合よりも大きくなるように前記第２駆動力および／または前記第２抵抗力を調整すること、
    　の少なくとも一方を行う、請求項１または請求項２に記載の操作装置。
  4. 　前記操作部を原点復帰させる付勢手段をさらに備え、
    　前記制御部は、前記付勢手段による原点とは異なる位置を原点とするように前記第１駆動力および前記第１抵抗力、並びに前記第２駆動力および前記第２抵抗力を調整する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の操作装置。
  5. 　前記操作部を原点復帰させる付勢手段をさらに備え、
    　前記制御部は、前記操作部の原点での前記第１抵抗力および前記第２抵抗力を原点近傍での前記第１抵抗力および前記第２抵抗力よりも大きくする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の操作装置。
  6. 　前記制御部は、
    　　前記第１駆動力および前記第１抵抗力の少なくとも一方を断続的に変化させること、
    　　前記第２駆動力および前記第２抵抗力の少なくとも一方を断続的に変化させること、
    　の少なくとも一方を行う、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の操作装置。
  7. 　前記制御部は、
    　　前記第１駆動力および前記第１抵抗力の少なくとも一方を断続的かつ徐々に変化させること、
    　　前記第２駆動力および前記第２抵抗力の少なくとも一方を断続的かつ徐々に変化させること、
    　の少なくとも一方を行う、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の操作装置。
  8. 　前記制御部は、前記第１位置検知部および前記第２位置検知部からの出力信号から前記操作部の操作における安定点となる位置情報を前記第１駆動部および前記第２駆動部の安定点となる位置に補正する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の操作装置。
  9. 　前記第１制動部および前記第２制動部は、磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与える磁場発生部と、を有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の操作装置。
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