(57)【要約】  小型化した入力装置を提供する。  入力装置は、ベース部材と、ベース部材に取り付けられるモータと、モータに回転駆動される回転軸と、回転軸に回転駆動されるとともに、回転軸の軸方向に沿って移動可能に回転軸に取り付けられるウォームギアと、ベース部材に対して回転自在に設けられ、ウォームギアに係合する第１ギアと、ベース部材に対して回転自在に設けられ、第１ギアに係合する第２ギアを有し、操作者によって回転操作されるロータと、ウォームギアの軸方向の移動に伴って移動される移動部材と、移動部材の移動量に応じて、移動部材の移動を抑制する方向に付勢力を発生する弾性部材と、移動部材の移動に応じて変化する状態の変化量を検出する変化量検出部と、変化量検出部によって検出される変化量に応じて、ロータを介して操作者に与える力覚が変化するように、モータの駆動制御を行う制御部とを含む。
2019181288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材に取り付けられるモータと、
前記モータに回転駆動される回転軸と、
前記回転軸に回転駆動されるとともに、前記回転軸の軸方向に沿って移動可能に前記駆動軸に取り付けられるウォームギアと、
前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記ウォームギアに係合する第１ギアと、
前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記第１ギアに係合する第２ギアを有し、操作者によって回転操作されるロータと、
前記ウォームギアの前記軸方向の移動に伴って移動される移動部材と、
前記移動部材の移動量に応じて、前記移動部材の移動を抑制する方向に付勢力を発生する弾性部材と、
前記移動部材の移動に応じて変化する状態の変化量を検出する変化量検出部と、
前記変化量検出部によって検出される変化量に応じて、前記ロータを介して前記操作者に与える力覚が変化するように、前記モータの駆動制御を行う制御部と
を含む、入力装置。
【請求項２】
前記ロータは、中空状であり、前記第２ギアは、前記ロータの内周面に回転方向に沿って設けられている、請求項１記載の入力装置。
【請求項３】
前記ロータの内側に、前記モータ、前記ウォームギア、前記第１ギア、前記移動部材、前記弾性部材、及び前記変化量検出部が設けられた、請求項２記載の入力装置。
【請求項４】
前記弾性部材は、前記ウォームギアの前記軸方向における第１方向及び第２方向への移動に伴う前記移動部材の移動を抑制する方向に付勢力を発生するバネである、請求項１乃至３のいずれか一項記載の入力装置。
【請求項５】
前記変化量検出部は、前記移動部材の移動量を前記変化量として検出するリニアポジションセンサである、請求項１乃至４のいずれか一項記載の入力装置。
【請求項６】
前記変化量検出部は、前記移動部材にかかる圧力を前記変化量として検出する圧力センサである、請求項１乃至４のいずれか一項記載の入力装置。
【請求項７】
前記モータ及び前記回転軸は、前記ロータの回転中心軸に垂直である、請求項１乃至６のいずれか一項記載の入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、操作ツマミを保持し、軸受け部によって回動可能に保持された軸部と、モータ軸を有するモータと、前記操作ツマミの回動を検出する回転検出手段とを備え、前記軸部と前記モータ軸とを並設するとともに、前記操作ツマミによって回動するように前記軸部に取り付けられた第１の歯車と、該第１の歯車によって回動され、前記モータ軸に取り付けられた第２の歯車とを有し、前記モータからの力覚が前記第１、第２の歯車を介して前記操作ツマミに伝達するようにしたことを特徴とする力覚発生入力装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０２２１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施の形態の入力装置は、ベース部材と、前記ベース部材に取り付けられるモータと、前記モータに回転駆動される回転軸と、前記回転軸に回転駆動されるとともに、前記回転軸の軸方向に沿って移動可能に前記回転軸に取り付けられるウォームギアと、前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記ウォームギアに係合する第１ギアと、前記ベース部材に対して回転自在に設けられ、前記第１ギアに係合する第２ギアを有し、操作者によって回転操作されるロータと、前記ウォームギアの前記軸方向の移動に伴って移動される移動部材と、前記移動部材の移動量に応じて、前記移動部材の移動を抑制する方向に付勢力を発生する弾性部材と、前記移動部材の移動に応じて変化する状態の変化量を検出する変化量検出部と、前記変化量検出部によって検出される変化量に応じて、前記ロータを介して前記操作者に与える力覚が変化するように、前記モータの駆動制御を行う制御部とを含む。
【発明の効果】
【０００７】
小型化した入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態の入力装置１００を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面を示す図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ矢視断面を示す図である。
【図４】図１からロータ１５０を取り除いた構成を示す図である。
【図５】図４から基部１１０を取り除いた構成を示す図である。
【図６】コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂ、基部１６１、固定部１２１Ｂを含むＸＹ平面に平行な断面を示す図である。
【図７】入力装置１００の制御系を示す図である。
【図８】実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【図９】実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【図１０】実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【図１１】実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【図１２】実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【図１３】実施の形態の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
＜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。図３は、図１におけるＢ−Ｂ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。
【００１１】
また、以下では説明の便宜上、Ｙ軸正方向を上、Ｙ軸負方向を下と称す場合があるが、普遍的な上下関係を表すものではない。また、以下では説明の便宜上、Ｙ方向の位置を高さで表現する場合がある。Ｙ軸方向における最も正方向側は上部であり、Ｙにおける最も負方向側は底部である。
【００１２】
入力装置１００は、基部１１０、台座１２０、モータ１３０、ウォームギア１３５、歯車１４０、ロータ１５０、スライド部材１６０、コイルバネ１７０、リニアポジションセンサ１８０を含む。
【００１３】
また、以下では、図１乃至図３に加えて、図４及び図５を用いて説明する。図４は、図１からロータ１５０を取り除いた構成を示す図である。図５は、図４から基部１１０を取り除いた構成を示す図である。
【００１４】
また、以下では、中心軸Ｃ（図１参照）とは、基部１１０、台座１２０、ロータ１５０に共通の中心軸である。これらの部材は平面視で中心軸Ｃが中心を通る円形である。中心軸ＣはＹ軸に平行である。
【００１５】
入力装置１００は、一例として、車両に搭載され、ダッシュボード周辺に配置されるディスプレイパネルに表示されるナビゲーション装置やエアコンディショナ等の様々な装置の操作画面に表示されるＧＵＩ（Graphic User Interface）の操作部等を遠隔操作する際に利用される入力装置である。入力装置１００は、例えば、車両のセンターコンソールのように運転者又は助手席の乗員の手元に配置される。ただし、入力装置１００の利用形態は、このような利用形態に限られるものではない。
【００１６】
基部１１０は、入力装置１００のベースの部分であり、平面視で中心軸Ｃを中心軸とする円環状の部材である。基部１１０は、平面視で最外周側に設けられる円筒部１１１と、平面視で円筒部１１１と同心円状で内側に設けられる円筒部１１２とを有する。円筒部１１１、１１２は、中心軸Ｃを中心軸とする円筒状の部材である。
【００１７】
円筒部１１２は、円筒部１１１の下端（Ｙ軸方向における負方向側の端部）から径方向内側に延在する接続部１１１Ａによって保持されており、円筒部１１１よりも高さが高い。接続部１１１Ａは、円周方向に等間隔で４個配置されており、隣り合う接続部１１１Ａ同士の間には隙間が設けられている。
【００１８】
基部１１０は、円筒部１１１及び１１２の間にロータ１５０を回転自在に軸支する。円筒部１１１及び１１２により、ロータ１５０は中心軸Ｃを回転中心軸として回転する。このような基部１１０は、例えば、成型樹脂で構成される。
【００１９】
平面視でロータ１５０の内側に、モータ１３０、ウォームギア１３５、歯車１４０、スライド部材１６０、コイルバネ１７０、リニアポジションセンサ１８０が設けられる。基部１１０は、台座１２０の周囲に設けられ、ロータ１５０を台座１２０に対して回転自在に軸支する。
【００２０】
台座１２０は、平面視で基部１１０の内側に設けられており、Ｙ軸方向における高さは基部１１０の底部と等しい。台座１２０は、基板部１２１及び延出部１２２を有する。このような台座１２０は、例えば、成型樹脂で構成される。台座１２０は、ベース部材の一例である。また、台座１２０は、基部１１０のような隣接する周辺部品と一体に成形されていてもよい。また、台座１２０自身が、複数の別部品から構成されていてもよい。
【００２１】
基板部１２１は、平面視で中央に位置する円板状の部材であり、固定部１２１Ａ、１２１Ｂを有する。固定部１２１Ａにはモータ１３０が固定され、固定部１２１Ｂにはコイルバネ１７０（１７０Ａ、１７０Ｂ）が固定される。
【００２２】
基板部１２１には、２個の延出部１２２が接続されている。片方の延出部は、基板部１２１に対してＸ軸正方向かつＺ軸正方向の側に平面的に延出している。他方の延出部は、基板部１２１に対してＸ軸負方向かつＺ軸負方向の側に平面的に延出している。
【００２３】
延出部１２２は、平面視における最も外側に、Ｙ軸正方向に突出する突出部１２２Ａを２個ずつ有する。このため、突出部１２２Ａは、４個ある。突出部１２２Ａは、基部１１０の円筒部１１２の内周面に係合される。これにより、台座１２０は、基部１１０に取り付けられる。また、他方の延出部１２２の２個の突出部１２２ＡのうちのＸ軸上に位置する突出部１２２Ａは、ウォームギア１３５の回転軸１３５Ａを軸支する軸受け１２２Ａ１（図５参照）を有する。軸受け１２２Ａ１は、Ｘ軸上に位置する。
【００２４】
また、他方の延出部１２２は、Ｙ軸正方向に突出する軸部１２２Ｂを有する。軸部１２２Ｂには、歯車１４０が回転自在に軸支される。
【００２５】
モータ１３０は、台座１２０の基板部１２１の上面（Ｙ軸正方向側の表面）に設けられる固定部１２１Ａに固定されている。モータ１３０の駆動軸１３０Ａ（図２、５参照）は、Ｘ軸方向に延在しており、ウォームギア１３５の回転軸１３５Ａが接続部１３１によって接続されている。回転軸１３５Ａは、外周面の一部が長手方向にわたって平面状にカットされており、断面形状が略Ｄ字形状となっている。接続部１３１は、駆動軸１３０Ａと回転軸１３５Ａを固定的に接合する。モータ１３０の駆動軸１３０Ａは、中心軸Ｃに垂直である。
【００２６】
ウォームギア１３５は、中心部に断面形状が回転軸１３５Ａの断面形状と相似形状で回転軸１３５Ａと摺動可能に勘合する略Ｄ字形状の貫通穴を有して、Ｘ軸に沿って螺旋状に形成されるギアである。すなわちウォームギア１３５は、Ｘ軸方向に延在する回転軸１３５Ａとスプライン結合されているため、回転方向については回転軸１３５Ａと一体に回転するが、Ｘ軸方向については回転軸１３５Ａと摺動して自由に移動可能である。なお、回転軸１３５Ａとウォームギア１３５とはスプライン結合されていればよく、それぞれの断面形状は例えば多角形やダブルＤカット形状でもよい。ウォームギア１３５は歯車１４０が噛合（係合）する。このため、ウォームギア１３５は、モータ１３０によって回転駆動されるウォームギア１３５の進行方向における移動速度と、操作者によるロータ１５０の回転操作によって回転駆動される歯車１４０のウォームギア１３５の進行方向とは逆方向における係合部の移動速度とが、まったく同じ速度の場合には、ウォームギア１３５と歯車１４０の相対位置は変化しない。つまり、ウォームギア１３５が回転により進行方向に進んだ距離と同じ距離だけ、歯車１４０によって逆方向に戻されるため、ウォームギア１３５は回転軸１３５Ａ上の初期位置に留まった状態で回転することになる。この場合、ウォームギア１３５は、歯車１４０の回転に対してなんら付加的な回転トルクを作用しない。
【００２７】
一方、モータ１３０によって回転駆動されるウォームギア１３５の進行方向への移動速度と、操作者によるロータ１５０の回転操作によって回転駆動される歯車１４０のウォームギア１３５の進行方向と逆方向における係合部の移動速度とが異なる場合には、ウォームギア１３５と歯車１４０とは、どちらか移動速度が速い側に移動するので、互いの相対位置が変化する。例えばウォームギア１３５がＸ軸（駆動軸１３０Ａの軸方向）の正方向に進む方向に回転駆動され、歯車１４０がＸ軸負方向へ回転駆動された際に、ウォームギア１３５が歯車１４０よりも早い移動速度で回転駆動された場合には、ウォームギア１３５は、回転軸１３５Ａに沿ってＸ軸正方向に位置をずらしながら回転する。逆に、ウォームギア１３５がＸ軸正方向に進む速度が、歯車１４０がＸ軸負方向に進む速度よりも遅い速度で回転駆動された場合には、ウォームギア１３５は、回転軸１３５Ａに沿ってＸ軸負方向に位置をずらしながら回転する。ウォームギア１３５の回転軸１３５Ａに沿っての移動は、Ｘ軸正方向が第１方向の一例であり、Ｘ軸負方向が第２方向の一例である。ウォームギア１３５がＸ軸上を移動した場合には、後述する弾性部材の付勢力がウォームギア１３５を初期位置に戻す方向に作用し、ウォームギア１３５と係合する歯車１４０には、付勢力が係合部から回転トルクとして付加される。上記の例ではモータが駆動する回転方向及び操作者が操作する回転方向をいずれも一方向の例で説明したが、それに限られない。それぞれの回転方向は、正逆方向のいずれについても任意に選択可能であり、また、各回転方向の組み合わせも任意に選択可能である。
【００２８】
歯車１４０は、台座１２０の延出部１２２の軸部１２２Ｂに回転自在に軸支される。歯車１４０は、第１ギアの一例である。歯車１４０の外周部の一部は、図５に示すように、平面視で他方の延出部１２２よりも外側に位置しており、他方の延出部１２２の２個の突出部１２２Ａの間に位置する。歯車１４０は、ウォームギア１３５と、ロータ１５０のギア１５２Ａとに噛合（係合）する。このため、歯車１４０は、ウォームギア１３５と、ギア１５２Ａとの両方に噛合可能なはす歯歯車である。歯車１４０は、図示しないが一体的に回転する磁石を保持しており、同じく図示しないが台座１２０の基板部１２１に固定した磁気センサと共に回転角度検出機構を構成するようにしている。例えば歯車１４０の回転に伴って変化する磁石の磁束を磁気センサで検出して歯車１４０の回転角度を検出するとともに、この検出結果を後述する制御部に出力して、歯車１４０と係合して一体に回転するロータ１５０の回転角度を計算して検出するようにしてもよい。
【００２９】
ロータ１５０は、円筒部１５１、１５２を有する。円筒部１５１、１５２の中心軸は中心軸Ｃである。このようなロータ１５０は、例えば、成型樹脂で構成される。ロータ１５０の直径は、約５０ｍｍ程度である。ロータ１５０は、円筒部１５１、１５２の内部が中空の中空状のロータである。
【００３０】
ロータ１５０は、入力装置１００の操作者が直接的に触れて操作するロータである。このため、ロータ１５０は、ノブとして利用される部材である。ここでは、操作者がロータ１５０に直接的に触れて操作する形態について説明するが、ロータ１５０を覆うカバー状の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ロータ１５０を操作することになる。
【００３１】
円筒部１５１は、円筒部１５２よりも上側（Ｙ軸正方向側）に位置し、円筒部１５２よりも外径及び内径が大きい。円筒部１５１は、円筒部１５２の上側に接続されている。円筒部１５１は、ロータ１５０のうち、操作者が直接的に触れる部分である。
【００３２】
円筒部１５２の外周は、円筒部１５１の内周よりも大きく、円筒部１５１の外周よりも小さい。円筒部１５２と円筒部１５１の厚さは略同一である。断面視で円筒部１５２と円筒部１５１との間には段差がある。
【００３３】
円筒部１５２は、円筒部１１１及び１１２の間の隙間に嵌め込まれており、基部１１０に対して回転自在に軸支されている。円筒部１５２が円筒部１１１及び１１２の間の隙間に嵌め込まれると、円筒部１１２の外周面に設けられた係合部１１２Ａが円筒部１５２と円筒部１５１との間の段差に係合し、基部１１０に対してロータ１５０が嵌め込まれる。
【００３４】
円筒部１５２の内周面の下端には、周方向（回転方向）にわたってギア１５２Ａが形成されている。ギア１５２Ａは、円筒部１５２の内周に一周にわたって設けられている。ギア１５２Ａは、第２ギアの一例である。
【００３５】
ギア１５２Ａは、基部１１０の円筒部１１２の内側から見ると、４個の突出部１２２Ａの間に表出する。ギア１５２Ａは、はす歯歯車１４０に噛合（係合）するはす歯歯車である。このため、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ギア１５２Ａから歯車１４０に回転力が伝達され、さらにウォームギア１３５にはＸ軸方向への移動力が伝達される。
【００３６】
スライド部材１６０は、基部１６１、ステー部１６２、及び保持部１６３を有する（図５参照）。このようなスライド部材１６０は、例えば、成型樹脂で構成される。スライド部材１６０は、移動部材の一例である。
【００３７】
基部１６１は、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂを介して台座１２０の固定部１２１Ｂに両端が取り付けられている。基部１６１は、コイルバネ１７０Ａ、１７０ＢがＸ軸方向に伸縮することによってＸ軸方向に移動可能である。
【００３８】
ステー部１６２は、基部１６１と一体的に成型されており、基部１６１からウォームギア１３５に向かって延在する。基部１６１から見て、ステー部１６２の先端には保持部１６３が設けられている。
【００３９】
保持部１６３は、ステー部１６２の先端から二手に分かれた突出部１６３Ａ、１６３Ｂを有し、ウォームギア１３５の両端で回転軸１３５Ａを回転自在に保持する。また、突出部１６３Ａ、１６３Ｂは、それぞれウォームギア１３５のＸ軸正方向側、Ｘ軸負方向側に設けられており、突出部１６３Ａ、１６３Ｂの間隔は、突出部１６３Ａ、１６３Ｂの間にウォームギア１３５が回転可能に嵌め込まれるように、ウォームギア１３５のＸ軸方向の長さに合わせられている。換言すれば、突出部１６３Ａ、１６３Ｂの間隔は、ウォームギア１３５が突出部１６３Ａ、１６３Ｂに挟まれた状態でＸ軸方向に変位しないように設定されている。
【００４０】
コイルバネ１７０は、一対のコイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂを有する。ここでは、図１乃至図５に加えて、図６の断面図を用いて説明する。図６は、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂ、基部１６１、固定部１２１Ｂを含むＸＹ平面に平行な断面を示す図である。コイルバネ１７０は、弾性部材の一例である。
【００４１】
基部１６１は、穴部１６１Ａ、１６１Ｂを有する。穴部１６１Ａは、基部１６１のＸ軸正方向側の側面からＸ軸負方向に向けて形成される穴部であり、穴部１６１Ｂは、基部１６１のＸ軸負方向側の側面からＸ軸正方向に向けて形成される穴部である。穴部１６１Ａと穴部１６１Ｂとの間には、壁部１６１Ｃがあり、穴部１６１Ａと穴部１６１Ｂとは分断されている。また、固定部１２１Ｂは、突出部１２１Ｂ１を有する。
【００４２】
コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂは、圧縮コイルバネである。コイルバネ１７０Ａは、Ｘ軸負方向側の端部が穴部１６１Ａの内部に挿通され、Ｘ軸正方向側の端部がＸ軸正方向側の固定部１２１Ｂの突出部１２１Ｂ１に係合している。コイルバネ１７０Ａは、壁部１６１Ｃと、Ｘ軸正方向側の固定部１２１Ｂの突出部１２１Ｂ１との間に自然長よりも圧縮された状態で設けられている。
【００４３】
同様に、コイルバネ１７０Ｂは、Ｘ軸正方向側の端部が穴部１６１Ｂの内部に挿通され、Ｘ軸負方向側の端部がＸ軸負方向側の固定部１２１Ｂの突出部１２１Ｂ１に係合している。コイルバネ１７０Ｂは、壁部１６１Ｃと、Ｘ軸負方向側の固定部１２１Ｂの突出部１２１Ｂ１との間に自然長よりも圧縮された状態で設けられている。
【００４４】
リニアポジションセンサ１８０は、台座１２０の基板部１２１に固定されており、スライド部材１６０の基部１６１の初期状態からのＸ軸方向の変位を検出する。基部１６１を付勢するコイルバネ１７０Ａとコイルバネ１７０Ｂとが釣り合った状態にあるときに、基部１６１は初期状態にある。リニアポジションセンサ１８０によって検出される変位を表すデータは、後述する制御部に出力される。リニアポジションセンサ１８０は、変化量検出部の一例であり、基部１６１のＸ軸方向の変位は、変化量の一例である。
【００４５】
以上のような構成の入力装置１００において、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ギア１５２Ａから歯車１４０に回転力が伝達され、さらにウォームギア１３５にはＸ軸方向への移動力が伝達される。
【００４６】
ウォームギア１３５は、いわゆるウォームのウォームホイールに対するセルフロック効果によって、歯車１４０側から回転力を付加しても回転しないが、ウォームギア１３５と回転軸１３５Ａはスプライン結合されているため、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ウォームギア１３５は、歯車１４０によって回転軸１３５Ａに沿ってＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動される。同時に、ウォームギア１３５がモータ１３０により回転駆動されている場合には、ウォームギア１３５は自身の回転方向に応じて、Ｘ軸正方向又はＸ軸負方向に移動する。従って、ウォームギア１３５の移動量について、Ｘ軸正方向への移動がプラスの移動量、Ｘ軸負方向への移動がマイナスの移動量と定義すると、ウォームギア１３５のＸ軸上の最終的な移動量は、歯車１４０によって移動される移動量と、自身の回転によって移動する移動量との合計となる。
【００４７】
ウォームギア１３５がＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動すると、これに伴ってスライド部材１６０がＸ軸正方向又はＸ軸負方向にスライドするので、基部１６１には、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂのうち基部１６１が移動した方向にある一方側のコイルバネの収縮及び反対方向にある他方側のコイルバネの伸長によって、基部１６１を初期位置に戻す向きにＸ軸負方向又はＸ軸正方向の復元力が作用する。また、このとき、リニアポジションセンサ１８０がスライド部材１６０の移動量を検出し、これによってモータ１３０の駆動を制御する。復元力は、付勢力の一例である。
【００４８】
このため、操作者がロータ１５０を回転させようとして力をかけると、ロータ１５０を回転操作する操作者の手には、基部１６１の初期状態からの移動量に応じたコイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂの復元力に基づく力が、スライド部材１６０、ウォームギア１３５、歯車１４０、及びギア１５２Ａを介してロータ１５０へ付加される回転トルクとして作用し、力覚が提供されることになる。
【００４９】
このときに、制御部は、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂの復元力をアシストする方向、すなわちスライド部材１６０の移動量を小さくする方向、又は、復元力を制限する方向、すなわちスライド部材１６０の移動量を大きくする方向にモータ１３０を駆動することによって、付加される回転トルクの大きさや向き、又はタイミング等を変化させて、ロータ１５０を操作する操作者の手に様々な力覚を提供する。
【００５０】
図７は、入力装置１００の制御系を示す図である。図７には、入力装置１００の制御部１９０、モータ１３０、及びリニアポジションセンサ１８０に加えて、上位装置１０を示す。
【００５１】
図７では、モータ１３０とリニアポジションセンサ１８０との間の構成（ウォームギア１３５、歯車１４０、ロータ１５０）を省くが、操作者がロータ１５０を回転させる力をかけると、図示しない回転角度検出機構によりロータ１５０の回転を検出し、これによってモータ１３０の駆動を開始する。また、モータ１３０を回転駆動することにより、ウォームギア１３５の移動に伴ってスライド部材１６０がスライドし、スライド部材１６０の移動量がリニアポジションセンサ１８０によって検出される。
【００５２】
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。
【００５３】
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、又は連続する所定の回転負荷トルクなどの力覚が提供される。
【００５４】
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。
【００５５】
力覚パターン発生部１９１は、リニアポジションセンサ１８０によって検出される移動量と、上位装置１０から入力される力覚指令と、回転角度検出機構により検出されるロータ１５０の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。
【００５６】
力覚パターン発生部１９１が力覚指令をロータ１５０の所定の角度に対するトルク指令に変換する際には、所定の弾性部材の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ロータ１５０の所定の角度に対するトルクを弾性部材のストロークに変換し、変換したストロークをリニアポジションセンサ１８０によって検出される移動量に変換することによって、トルク指令を生成する。
【００５７】
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が表す基部１６１の初期位置からの移動量となるウォームギア１３５の回転量をモータ１３０の駆動軸１３０Ａの回転角度に変換する変換処理を行うことによって、角度指令を生成する。トルク制御部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１７０Ａ、１７０Ｂの復元力をアシストする方向、又は、復元力を制限するように基部１６１が移動する方向の角度指令を生成する。
【００５８】
角度追従制御部１９３は、リニアポジションセンサ１８０によって検出される現在の移動量から回転軸１３５Ａ、すなわちモータ１３０の駆動軸１３０Ａの現在の回転角度を求める。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による目標回転角度と、現在の回転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。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。
【００５９】
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、回転操作時に付加される操作方向と逆方向の回転トルク（以下では単に付加トルクとも言う）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。従って付加トルクを発生するためのコイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂも収縮量が大きい（付加トルクが大きい）ものと収縮量が小さい（付加トルクが小さい）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、リニアポジションセンサ１８０によって検出される基部１６１の移動量が大きい（コイルバネ１７０の収縮量が大きい）ものと移動量が小さい（コイルバネ１７０の収縮量が小さい）ものとが繰り返して変化するようにモータ１３０の駆動軸１３０Ａの角度指令を生成する。つまり、コイルバネ１７０の復元力をアシスト（コイルバネ１７０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１７０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による駆動軸１３０Ａの目標回転角度と、リニアポジションセンサ１８０によって検出される基部１６１の現在の移動量とから得られる駆動軸１３０Ａの現在の回転角度に基づいて、モータ１３０のフィードバック制御を行うことによって、ロータ１５０の所定の角度に対する付加される回転トルクを制御して所望の力覚を得るものである。
【００６０】
なお本実施形態の入力装置１００では、上記のようなロータ１５０に対する操作者による回転操作及び、モータ１３０の駆動制御が終了すると、コイルバネ１７０の復元力により、ウォームギア１３５及び基部１６１は、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。
【００６１】
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。
【００６２】
以上のように、入力装置１００は、ロータ１５０の回転に伴って回転する歯車１４０及びウォームギア１３５と、ウォームギア１３５の移動に伴って移動するスライド部材１６０のスライドを抑制する復元力を発生するコイルバネ１７０を含むとともに、復元力をアシスト又は制限する方向にウォームギア１３５を駆動するモータ１３０を含む。
【００６３】
そして、ロータ１５０が回転操作された際に、ウォームギア１３５の移動量に応じて、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂの復元力をアシストする方向、又は、復元力を制限することで歯車１４０を介してロータ１５０に付加回転トルクを発生させる。
【００６４】
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１７０Ａ、１７０Ｂの復元力によって実現される。モータは復元力をアシスト又は制限するためにウォームギア１３５を駆動するためにあり、従来の装置のようにモータを直結し、モータ自身の有するトルクのみ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る。
【００６５】
また回転制御をモータ以外の場所に設けたリニアポジションセンサにて行って、モータ自身には高精度の回転角度検出機構等を有する必要がないため、モータの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なくなり、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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、ウォームギア１３５を用いているため、ウォームホイール側からは回転駆動できないというウォームギア１３５のセルフロック効果を利用することにより、モータ１３０が復元力を制限又は保持するトルクを発生する場合に、モータ１３０のトルクが小さくて済む。このような観点からも、モータ１３０の小型化が可能であり、入力装置１００の小型化を図ることができる。
【００６８】
また、ウォームギア１３５は歯車１４０を介してロータ１５０のギア１５２Ａに接続されている。このため、ウォームギア１３５側から見ると、大きな減速比が得られるので、ウォームギア１３５が歯車１４０に対して発生する付加回転トルクが小さくても、ロータ１５０に対して増幅されるので十分な力覚を提供することができる。このような観点からもモータ１３０の小型化が可能であり、入力装置１００の小型化を図ることができる。また、ロータ１５０と台座１２０に囲まれる空間に、モータ１３０、ウォームギア１３５、歯車１４０、スライド部材１６０、コイルバネ１７０、及びリニアポジションセンサ１８０を配置しているので、モータ１３０の小型化により、スペース効率の改善と、小型化とを両立することができる。
【００６９】
また、２つのコイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂを用いてスライド部材１６０を付勢しているので、ロータ１５０がどちらの方向に移動しても、一方のコイルバネ（１７０Ａ又は１７０Ｂ）が伸縮することによる復元力と、他方のコイルバネ（１７０Ａ又は１７０Ｂ）が収縮することによる復元力とが得られ、回転方向によらずに均等な力覚を提供しやすい構成である。
【００７０】
また、モータ１３０の駆動によって付加される回転トルクをロータ１５０の回転角度に応じて、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。
【００７１】
なお、以上では、モータ１３０及び回転軸１３５Ａが中心軸Ｃに垂直である形態について説明したが、モータ１３０及び回転軸１３５Ａは、中心軸Ｃに垂直ではなくてもよい。
【００７２】
また、以上では、入力装置１００がウォームギア１３５、歯車１４０、及びギア１５２Ａを含む形態について説明したが、これらのギア又は歯の構成は、上述した構成に限られず、他の構成であってもよい。
【００７３】
また、以上では、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂとして、圧縮コイルバネを用いる形態について説明したが、図８乃至図１２に示すように変形してもよい。図８乃至図１２は、実施の形態の変形例によるスライド部材の基部、コイルバネ、及び固定部を示す図である。
【００７４】
図８に示すように、側面視でＴ字型の基部１６１Ｍ１と、自然長よりも伸びた状態の引っぱりタイプのコイルバネ１７０Ｍ１Ａ、１７０Ｍ１Ｂと、固定部１２１Ｍ１Ａとを用いてもよい。基部１６１Ｍ１は、下方に突出する突出部１６１Ｍ１Ａを有する。
【００７５】
引っぱりタイプのコイルバネ１７０Ｍ１Ａ、１７０Ｍ１Ｂは、突出部１６１Ｍ１Ａの両側面と、両側の固定部１２１Ｍ１Ａとの間で、自然長よりも伸びた状態で図示していない固定用フック形状により両端がそれぞれの対向面に固定されている。ロータ１５０が回転されると、突出部１６１Ｍ１ＡがＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動するため、コイルバネ１７０Ｍ１Ａ及び、１７０Ｍ１Ｂは、一方が伸縮し、他方が伸長して、図８に示すようにつり合いが取れた状態に比べて復元力を発生する。
【００７６】
このような基部１６１Ｍ１及び固定部１２１Ｍ１Ａを用いることにより、自然長よりも伸びた状態のコイルバネ１７０Ｍ１Ａ、１７０Ｍ１Ｂの復元力を利用して、ロータ１５０の回転移動に合わせて力覚を提供することができる。
【００７７】
また、図９に示すように、円錐形のバネ１７０Ｍ２Ａ、１７０Ｍ２Ｂと、基部１６１Ｍ１と、固定部１２１Ｍ１Ａとを用いてもよい。円錐形のバネ１７０Ｍ２Ａ、１７０Ｍ２Ｂは、突出部１６１Ｍ１Ａの両側面と、両側の固定部１２１Ｍ１Ａとの間で両端が固定されている。円錐形のバネ１７０Ｍ２Ａ、１７０Ｍ２Ｂは、圧縮タイプの円錐バネであってもよく、自然長よりも伸びた状態の引っぱりタイプのバネであってもよい。動作は、図１乃至６又は図８と同様である。
【００７８】
また、図１０に示すように、２個の捻りバネ１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂと、基部１６１Ｍ１と、基板部１２１Ｍ３とを用いてもよい。捻りバネ１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂは、ともに、一端が基板部１２１Ｍ３の表面に当接し、他端が基部１６１Ｍ１の突出部１６１Ｍ１Ａに係合する。この状態で、捻りバネ１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂは、自然の状態よりも両端が近づけられており、開く方向に復元力を発生している。
【００７９】
ロータ１５０が回転されると、突出部１６１Ｍ１ＡがＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動するため、捻りバネ１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂのいずれか一方が圧縮され、いずれか他方が開く。
【００８０】
このような基部１６１Ｍ１と基板部１２１Ｍ３とを用いることにより、捻りバネ１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂの復元力を利用して、ロータ１５０の回転移動に合わせて力覚を提供することができる。
【００８１】
また、図１１に示すように、１個の捻りバネ１７０Ｍ４と、基部１６１Ｍ１と、基板部１２１Ｍ４とを用いてもよい。基板部１２１Ｍ４は、Ｚ軸方向に延在する円筒状の保持部１２１Ｍ４Ａと、保持部１２１Ｍ４Ａの上方に位置する板状のストッパ１２１Ｍ４Ｂとを有する。保持部１２１Ｍ４Ａとストッパ１２１Ｍ４Ｂは、基板部１２１Ｍ４の上面の上方で、図示しないステー等によって図１１に示す高さの位置に固定されている。
【００８２】
捻りバネ１７０Ｍ４は、巻回部が保持部１２１Ｍ４Ａに巻回され、両端の手前がストッパ１２１Ｍ４Ｂに当接した状態で、両端が基部１６１Ｍ１の突出部１６１Ｍ１Ａの両側面に当接している。この状態で、捻りバネ１７０Ｍ４は、自然の状態よりも両端が開かれており、閉じる（両端が近づく）方向に復元力を発生している。
【００８３】
ロータ１５０が回転されると、突出部１６１Ｍ１ＡがＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動するため、捻りバネ１７０Ｍ４の両端の一方が開かれて復元力を発生する。
【００８４】
このような基部１６１Ｍ１と基板部１２１Ｍ４とを用いることにより、捻りバネ１７０Ｍ４の復元力を利用して、ロータ１５０の回転移動に合わせて力覚を提供することができる。
【００８５】
また、図１２に示すように、１個の板バネ１７０Ｍ５と、基部１６１Ｍ１と、基板部１２１Ｍ５とを用いてもよい。基板部１２１Ｍ５は、上面に突起部１２１Ｍ５Ａを有する。板バネ１７０Ｍ５は、側面視で三角形状に折り曲げられており、底部に平面視で突起部１２１Ｍ５Ａを挿通する開口部を有する。板バネ１７０Ｍ５は、底部の開口部に突起部１２１Ｍ５Ａを挿通させることによって、基板部１２１Ｍ５の上面に固定されている。
【００８６】
この状態で、板バネ１７０Ｍ５は、自然の状態よりも両端が開かれており、閉じる（両端が近づく）方向に復元力を発生している。
【００８７】
ロータ１５０が回転されると、突出部１６１Ｍ１ＡがＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動するため、板バネ１７０Ｍ５の両端の一方が開かれて復元力を発生する。
【００８８】
このような基部１６１Ｍ１と基板部１２１Ｍ５とを用いることにより、板バネ１７０Ｍ５の復元力を利用して、ロータ１５０の回転移動に合わせて力覚を提供することができる。
【００８９】
図１３は、実施の形態の変形例を示す図である。図１３では、図１乃至図５に示す台座１２０の代わりに台座１２０Ｍ６を含み、歯車１４０の代わりに歯車１４０Ｍ６を含み、スライド部材１６０の代わりに、スライド部材１６０Ｍ６を含み、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂとリニアポジションセンサ１８０の代わりに、圧力センサ１８０Ｍ６を含む。図１３には、台座１２０Ｍ６、モータ１３０、ウォームギア１３５、歯車１４０Ｍ６、スライド部材１６０Ｍ６、圧力センサ１８０Ｍ６、ゴム部材１８１Ｍ６を示し、その他の構成要素は省略する。
【００９０】
台座１２０Ｍ６は、基板部１２１Ｍ６、延出部１２２Ｍ６を有する。基板部１２１Ｍ６は、固定部１２１Ｍ６Ａ、１２１Ｍ６Ｂを有し、固定部１２１Ｍ６Ａにはモータ１３０が固定され、固定部１２１Ｍ６Ｂには、２個の圧力センサ１８０Ｍ６及び２個のゴム部材１８１Ｍ６を介してスライド部材１６０Ｍ６が取り付けられる。延出部１２２Ｍ６は、突出部１２２Ｍ６Ａと軸部１２２Ｍ６Ｂを有する。突出部１２２Ｍ６Ａは、突出部１２２Ａ（図５参照）と同様であり、軸部１２２Ｍ６Ｂには歯車１４０Ｍ６が回転自在に軸支される。
【００９１】
歯車１４０Ｍ６は、ギア１４１Ｍ６とギア１４２Ｍ６を有する。ギア１４１Ｍ６は、図１乃至図５に示す歯車１４０に対応する平歯車であり、ギア１４２Ｍ６は、ギア１４１Ｍ６に同軸状に固定されて設けられ、ギア１４１Ｍ６よりも小径の平歯車である。ギア１４１Ｍ６は、ロータ１５０のギア１５２Ａに係合し、ギア１４２Ｍ６は、ウォームギア１３５に係合する。
【００９２】
スライド部材１６０Ｍ６は、基部１６１Ｍ６と突出部１６２Ｍ６Ａ、１６２Ｍ６Ｂを有する。基部１６１Ｍ６は、直方体の部材であり、Ｘ軸方向の両側に１個ずつ設けられる圧力センサ１８０Ｍ６及びゴム部材１８１Ｍ６を介して固定部１２１Ｍ６Ａに取り付けられている。基部１６１Ｍ６のＸ軸方向における両端には、Ｚ軸負方向に延在する突出部１６２Ｍ６Ａ、１６２Ｍ６Ｂが設けられている。突出部１６２Ｍ６Ａ、１６２Ｍ６Ｂは、図５に示す突出部１６３Ａ、１６３Ｂと同様に、ウォームギア１３５の両端で回転軸１３５Ａを回転自在に保持する。
【００９３】
圧力センサ１８０Ｍ６は、圧力（応力又は加重）を検出するセンサである。２個の圧力センサ１８０Ｍ６は、固定部１２１Ｍ６Ａ、１２１Ｍ６Ｂに固定された状態で、２個のゴム部材１８１Ｍ６を介してスライド部材１６０Ｍ６の基部１６１Ｍ６を保持している。ゴム部材１８１Ｍ６は、基部１６１Ｍ６にＸ軸方向の負荷がかかると、Ｘ軸方向に変形可能であり、このときに圧力センサ１８０Ｍ６が圧力を検出する。このような圧力センサ１８０Ｍ６としては、例えば、Force Sensorとして市販されているものを用いることができる。ゴム部材１８１Ｍ６は、例えば、Ｘ軸方向に０．３ｍｍ程度の変形が可能な弾性を有する部材であればゴムでなくてもよく、例えばエラストマー樹脂でもよい。
【００９４】
ロータ１５０が回転され、モータ１３０が駆動された際に、スライド部材１６０Ｍ６がＸ軸正方向又はＸ軸負方向に移動し、２個のゴム部材１８１Ｍ６のうちの一方が押圧されて復元力を発生する。また、このときに、圧力センサ１８０Ｍ６は押圧力を検出する。
【００９５】
圧力センサ１８０Ｍ６によって検出される押圧力に応じてモータ１３０を駆動することにより、歯車１４０Ｍ６を介してウォームギア１３５からの復元力がギア１５２Ａに伝達され、ロータ１５０の回転移動に合わせて力覚を提供することができる。
【００９６】
例えば、コイルバネ１７０Ａ、１７０Ｂのバネ定数よりも、さらに小さなトルクでの動作に対応したいような場合に、圧力センサ１８０Ｍ６を利用してもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
尚、本国際出願は、２０１８年３月１９日に出願した日本国特許出願２０１８−０５１３８０に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。
【符号の説明】
【００９９】
１００  入力装置
１１０  基部
１２０、１２０Ｍ６  台座（ベース部材）
１３０  モータ
１３０Ａ  駆動軸
１３１  接続部
１３５  ウォームギア
１３５Ａ  回転軸
１４０、１４０Ｍ６  歯車
１５０  ロータ
１５１、１５２  円筒部
１５２Ａ  ギア
１６０、１６０Ｍ６  スライド部材
１６１、１６１Ｍ１、１６１Ｍ６  基部
１６２  ステー部
１６３  保持部
１７０、１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｍ１Ａ、１７０Ｍ１Ｂ  コイルバネ
１７０Ｍ２Ａ、１７０Ｍ２Ｂ  バネ
１７０Ｍ３Ａ、１７０Ｍ３Ｂ、バネ
１７０Ｍ４  捻りバネ
１７０Ｍ５  板バネ
１８０  リニアポジションセンサ
１８０Ｍ６  圧力センサ
１９０  制御部
【図１】
2019181288.tif 000003
【図２】
2019181288.tif 000004
【図３】
2019181288.tif 000005
【図４】
2019181288.tif 000006
【図５】
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【図６】
2019181288.tif 000008
【図７】
2019181288.tif 000009
【図８】
2019181288.tif 000010
【図９】
2019181288.tif 000011
【図１０】
2019181288.tif 000012
【図１１】
2019181288.tif 000013
【図１２】
2019181288.tif 000014
【図１３】
2019181288.tif 000015
【国際調査報告】
2019181288.tif 000016
2019181288.tif 000017
2019181288.tif 000018
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