JP7777200B2 - 自動センタリング機能を有するジョイスティック装置 - Google Patents

Description

本出願は、電気信号の入出力機器の分野に属し、具体的に、自動センタリング機能を有するジョイスティック装置に関する。

制御ジョイスティックは、とても重要な入出力機器の１種であり、ゲームパッド、操作レバー、ドローンコントローラなどの電子機器の制御手段に応用されている。現在、市販のゲームパッド、ドローンコントローラなどの制御ジョイスティックは、一般的に、カーボンフィルムポテンショメータまたはホールセンサに基づくものである。

カーボンフィルムポテンショメータに基づくジョイスティックは、カーボンフィルムセンサにおける導電フィルムと、異なる抵抗領域との接触によりジョイスティックの変位に対する識別を実現する。ジョイスティックが移動するとき、導電フィルムが異なる抵抗領域内を摺動して抵抗値が相応に変化する。これらの抵抗値の変動を電気信号に変換して制御信号とされる。

ホールセンサに基づくジョイスティック（以下、ホールジョイスティックと略称）は、主にホール効果（電流が磁場における導体を流れるとき、導体に電圧差が生じ、この現象がホール電圧またはホール効果電圧と呼ばれる）に基づくものである。ホールジョイスティックの構造は、一般的に、ジョイスティック本体、ホール素子、磁石体および回路基板などを備える。ジョイスティック本体は、一般的に、ホール素子を有する回動軸と、磁石とを含む。回動軸が回動すると、それに伴って磁石も移動し、これによって、ホール素子の周りの磁場の強度が変化して、ホール素子に電圧の変化が生じる。ホール素子に生じた電圧信号を電気信号に変換して制御信号として出力する。

カーボンフィルムポテンショメータに基づくジョイスティックは、構造が簡単で、コストが低いなどのメリットを有するが、接触用の金属が直接カーボンフィルムにおいて頻繁に摺動するため、寿命が短く、意図しない変位が発生しやすく、検出精度が低下する問題がある。ホールジョイスティックは、内部の磁気センサによって磁場の変化を測定してジョイスティックの移動状態を取得するように機能し、意図しない変位、検出精度の低下の問題をある程度で解決したが、内部構造が依然として自在軸とばねとを主としたフォースフィードバック構造であり、構造が比較的複雑であるとともに、ばねの金属疲労が発生しやすくて、ジョイスティックが正確にセンタリングすることができなく、寿命が大きく損なわれる問題がある。

従来のジョイスティック装置に存在する上記の欠点を解決し、ジョイスティック装置の検出精度を向上させ、使用寿命を延ばすとともに、正確にセンタリングできるジョイスティック装置を得るように、本発明は、構造が簡単で、作動の信頼性が高く、自動センタリング機能を有するジョイスティック装置を提供する。

本発明による技術案は、下記のとおりである。自動センタリング機能を有するジョイスティック装置を提供する。前記ジョイスティック装置は、円形孔を有する環状磁石と、固定部材と、ジョイスティックに固定接続される環内磁石体と、磁気センサチップとを備える。

前記環状磁石は、厚さ方向着磁のものであり、Ｎ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直であり、前記固定部材は、非磁性材料製のものであり、前記円形断面の垂線方向において前記環状磁石と積層して設置されて前記環状磁石を固定するように構成され、

前記環内磁石体は、Ｎ－Ｓ極の形状が完全対称であり、前記固定部材により支持され、前記環状磁石の円形孔中心に設置され、前記ジョイスティックは回動センタリング状態であるとき、前記環内磁石体のＮ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直であり、

前記磁気センサチップは、ジョイスティックの回動角度を検出するように構成され、前記円形孔の円形断面に垂直な方向において、前記環内磁石体の下方に位置する。

さらに、前記環内磁石体は、球状磁石であり、または球状の非磁性材料で包まれた円柱状磁石または直方体磁石である。

さらに、前記固定部材は、第１部材と第２部材とを含み、前記第１部材と前記第２部材とが、前記第２部材の一部に開設された中空溝により互いに嵌合され、前記環状磁石が前記第１部材に固定され、前記環状磁石の外側面に対応する前記第２部材に外層磁石が増設され、ジョイスティックが押圧されることに従って、前記外層磁石が前記第２部材により前記第１部材に対して下へスライドするように駆動され、前記ジョイスティックが押圧されていないとき、前記外層磁石のＮ極と前記環状磁石のＳ極とは位置正対し、前記外層磁石のＳ極と前記環状磁石のＮ極とは位置正対し、前記ジョイスティックが押圧されたとき、前記外層磁石と前記環状磁石とは、一対の同じ極同士のみが位置正対する。前記ジョイスティックが押圧されたとき、外層磁石と環状磁石とのＮ極、Ｓ極の相対位置の変化により、外層磁石と環状磁石との間に磁力が生じて両者の相対位置をジョイスティックが押圧される前の状態にし、固定部材による伝動作用でジョイスティックを押動してジョイスティックの自動押圧センタリングを実現する。

相応に、前記ジョイスティック装置は、前記外層磁石の外部に、前記外層磁石と独立して前記第１部材に固定設置される押圧センサをさらに備える。前記押圧センサは、磁気センサであり、前記外層磁石の移動を検出することによりジョイスティックの押圧状態を検出するように構成される。

好ましくは、前記磁気センサチップは、ＸＭＲ磁気抵抗ユニットまたはホールセンサにより実現され、前記ＸＭＲはＴＭＲ、ＡＭＲ、ＧＭＲを含む。

本発明に係るジョイスティック装置は、ジョイスティックに固定接続される磁石のサイズおよび磁気環のサイズを調整することにより、操作されるときの手応えを容易に調整することができる。従来のジョイスティック装置に比べて、本発明に係るジョイスティック装置は、検出精度が比較的高く、使用寿命が比較的長く、ばね、カーボンフィルム構造の使用が不要で、構造が比較的簡単で、コストが低く、ジョイスティックの自動センタリング、押圧センタリングおよび押圧検出を確実に実現するとともに、金属疲労に起因した問題がない。

本出願の実施例の技術案をより明瞭に説明するため、以下、実施例に用いられる図面を簡単に説明する。説明する図面は、本出願のいくつかの実施例を示すものにすぎず、範囲を限定するものではない。当業者は、発明能力を用いなくても、これらの図面に基づいて他の関連図面を得ることが可能である。

第１の実施例による本発明のジョイスティック装置の模式的正面断面図である。 第２の実施例による本発明のジョイスティック装置の模式的正面断面図である。 第３の実施例による本発明のジョイスティック装置が押圧される前の模式的正面断面図である。 第３の実施例による本発明のジョイスティック装置が押圧された後の模式的正面断面図である。

以下、実施例を参照しながら、本発明の技術案を明瞭かつ完全に説明する。説明する実施例は、本発明の一部の実施例にすぎず、すべての実施例ではない。本発明における実施例に基づいて、当業者が発明能力を用いることなく得たすべての他の実施例も、本発明の保護範囲に属する。

図１に示すように、第１の実施例において、本発明に係る自動センタリング機能を有するジョイスティック装置は、円形孔を有する環状磁石１０と、固定部材１１と、ジョイスティック１２に固定接続される環内磁石体１３と、ＰＣＢ板１５に設置される磁気センサチップ１４とを備える。

前記環状磁石１０は、厚さ方向着磁のものであり、Ｎ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直である。前記固定部材１１は、非磁性材料製のものであり、前記円形断面の垂線方向において前記環状磁石１０と積層して設置され、第１室により前記環状磁石１０の、環の内側面以外の側面を囲んで前記環状磁石１０を固定する。

前記環内磁石体１３は、ジョイスティック１２の一端に固定接続され、Ｎ－Ｓ極の形状が完全対称である球状磁石であり、前記固定部材１１により支持され、前記環状磁石１０の円形孔中心に設置され、前記ジョイスティック１２はセンタリングされた状態であるとき、前記環内磁石体１３のＮ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直である。

前記磁気センサチップ１４は、ジョイスティックの回動角度を検出するように構成され、ＰＣＢ板１５に取り付けられる。前記ＰＣＢ板１５は、固定部材１１の第２室に取り付けられる。前記第２室は、前記第１室の下方に位置し、第１室と第２室とが隔てて設けられ、前記磁気センサチップ１４は、前記環状磁石１０の円形孔の円形断面に垂直な方向において、前記環内磁石体１３の下方に位置して設置される。

図２に示す第２の実施例において、ジョイスティック装置は、円形孔を有する環状磁石２０と、固定部材２１と、ジョイスティック２２に固定接続される環内磁石体２３と、ＰＣＢ板２５に設置される磁気センサチップ２４とを備える。図１に示す実施例と異なって、図２における環内磁石体２３は、球状の非磁性材料で包まれた円柱状磁石である。

他のいくつかの実施例において、前記環内磁石体は、球状の非磁性材料で包まれた直方体磁石である。

本発明に係るジョイスティック装置の自動センタリングの仕事原理は、下記のとおりである。

環内磁石体（球状、円柱状または直方体）が環状永久磁石（いずれも厚さ方向着磁のものである）の内部に配置される場合、磁石は、同じ極同士が反発し合い、異なる極同士が引き合う法則に従って、環状磁石の内壁にランダムに吸着する。環内磁石体は、環状磁石の円心位置に位置する場合、受けた磁場の引力が釣り合い、安定状態に保たれる。このとき、環内磁石体の中心安定状態を確保するため、環状磁石の下方において固定部材により環内磁石体を支持する。環内磁石体がジョイスティックの駆動で任意の方向へ任意の角度回動するとき、環内磁石体の下方に設置される磁気センサチップは、その設置位置で、前記円形孔の円形断面に平行な磁場の変化を検知して（前記円形断面の法線方向をＺ軸とし、磁気センサチップにより、Ｘ軸、Ｙ軸に平行な方向の磁場の変化を検知し）、ジョイスティックの回動角度を検出する。

環内磁石体は、外力（ジョイスティックの駆動で）で任意の方向へ任意の角度回動するとき、環内磁石体と環状磁石の同じ極が反発し合い、磁力作用で安定状態に戻る。このようにして、ジョイスティックの回動による自動センタリング機能が基本的に実現される。明らかに、本発明に係るジョイスティック装置は、従来のジョイスティックにおける自在軸およびばねの使用が不要であり、金属疲労現象が存在しない。

好ましくは、前記磁気センサチップは、ＸＭＲ磁気抵抗ユニットまたはホールセンサにより実現され、前記ＸＭＲはＴＭＲ、ＡＭＲ、ＧＭＲを含む。

さらに、前記環状磁石の外側に、いくつかの外層磁石を増設してジョイスティックの自動押圧センタリングおよび押圧検出機能を実現することができる。図３ａに示すように、環状磁石３０が固定部材の第１部材３１１に固定され、前記環状磁石３０の外側面に対応する固定部材の第２部材３１２に外層磁石３６が増設される。第２部材３１２の一部に開設された中空溝により前記第１部材３１１と前記第２部材３１２とが互いに嵌合され、これによって、ジョイスティック３２が押圧されたとき、第２部材３１２が、第１部材３１１に対して下へ移動するように動かされる。ジョイスティック３２が押圧されることに従って、前記外層磁石３６が前記固定部材の第２部材３１２により下へスライドするように駆動される。前記ジョイスティック３２が押圧されていないとき、前記外層磁石３６のＮ極と前記環状磁石のＳ極とが位置正対し、前記外層磁石のＳ極と前記環状磁石のＮ極とが位置正対し、これによって、環状磁石３０と外層磁石３６との磁力作用、固定部材の第２部材３１２による環内磁石体３３への伝動作用により、ジョイスティックを安定な初期状態（回動センタリングかつ押圧センタリングされた状態と同じ状態）に保つ。

図３ｂに示すように、ジョイスティック３２が動かされるとき、ＰＣＢ板３５に設置される磁気センサチップ３４によりジョイスティック３２の変位角度を検出する。前記ジョイスティック３２が押圧されたとき、外層磁石３６が固定部材の第２部材３１２の駆動で環状磁石３０に対して下へスライドし、外層磁石３６と環状磁石３０とのＮ極、Ｓ極の相対位置が変化する。このとき、前記外層磁石３６と前記環状磁石３０とは、一対の同じ極同士のみが位置正対する。図３ｂに示すように、ジョイスティック３２が押圧されたとき、外層磁石３６と環状磁石３０とは、同じ極同士が同じ水平位置に位置し、同じ極同士の間に斥力が生じ、異なる極同士の間に吸引力が生じ、全体として外層磁石３６と環状磁石３０との間に磁気吸引力が生じる。この磁気吸引力により両者の相対位置をジョイスティック３２が押圧される前の状態にし（環状磁石３０の位置が第１部材３１１に固定されている）、固定部材の第２部材３１２による伝動作用でジョイスティック３２の自動押圧センタリングを実現する。

相応に、ジョイスティック３２に対する押圧検出を実現するため、前記外層磁石３６の外部に、前記外層磁石３６と独立して押圧センサ３７を固定設置する。前記押圧センサ３７は、磁気センサであり、それ自体の設置位置での、前記外層磁石の移動に起因した磁場変化を検出することにより、ジョイスティック３２が押圧されたか否かを検出するように構成される。

ジョイスティックと固定接続される磁石のサイズおよび磁気環のサイズを調整することにより、本発明に係るジョイスティック装置の操作するときの手応えを容易に調整することができる。

従来のジョイスティック装置に比べて、本発明に係るジョイスティック装置は、検出精度が比較的高く、使用寿命が比較的長く、ばね、カーボンフィルム構造の使用が不要でジョイスティックの検出および自動センタリングを実現することができ、金属疲労に起因した問題がなく、そして、本発明に係るジョイスティック装置は、非接触型磁力伝動を利用し、ジョイスティックの伝動構造を大幅に簡素化し、コストを抑え、ジョイスティックの寿命を延ばすことができる。

上記は、本出願の好ましい実施例にすぎず、本出願を限定するものである。当業者にとって、本出願に各種の変更や変化を有してもよい。本出願の本質および主旨から逸脱しない限り、すべての変更、均等置換、改良などは、本出願の保護範囲に属する。上記は、本出願の具体的な実施形態にすぎず、本出願の保護範囲がこれに限定されない。当業者は、本出願に開示された技術範囲内で行った如何なる変更または置換も本出願の保護範囲に属する。このため、本出願の保護範囲は、特許請求の範囲に準ずる。

Claims (5)

1. 円形孔を有する環状磁石と、固定部材と、ジョイスティックに固定接続される環内磁石体と、磁気センサチップとを備え、
   前記環状磁石は、厚さ方向着磁のものであり、Ｎ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直であり、
   前記固定部材は、非磁性材料製のものであり、前記円形断面の垂線方向において前記環状磁石と積層して設置されて前記環状磁石を固定するように構成され、
   前記環内磁石体は、Ｎ－Ｓ極の形状が完全対称であり、前記固定部材により支持され、前記環状磁石の円形孔中心に設置され、前記ジョイスティックは回動センタリング状態であるとき、前記環内磁石体のＮ－Ｓ極の結ぶ線が前記円形孔の円形断面に垂直であり、
   前記磁気センサチップは、ジョイスティックの回動角度を検出するように構成され、前記円形孔の円形断面に垂直な方向において、前記環内磁石体の下方に位置し、
   前記固定部材は、第１部材と第２部材とを含み、前記第１部材と前記第２部材とが、前記第２部材の一部に開設された中空溝により互いに嵌合され、前記環状磁石が前記第１部材に固定され、前記環状磁石の外側面に対応する前記第２部材に外層磁石が増設され、ジョイスティックが押圧されることに従って、前記外層磁石が前記第２部材により前記第１部材に対して下へスライドするように駆動され、前記ジョイスティックが押圧されていないとき、前記外層磁石のＮ極と前記環状磁石のＳ極とは位置正対し、前記外層磁石のＳ極と前記環状磁石のＮ極とは位置正対し、前記ジョイスティックが押圧されたとき、前記外層磁石と前記環状磁石とは、一対の同じ極同士のみが位置正対する
   ことを特徴とする自動センタリング機能を有するジョイスティック装置。
2. 前記環内磁石体は、球状磁石である
   ことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。
3. 前記環内磁石体は、球状の非磁性材料で包まれた円柱状磁石または直方体磁石である
   ことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。
4. 前記ジョイスティック装置は、前記外層磁石の外部に、前記外層磁石と独立して前記第１部材に固定設置される押圧センサをさらに備え、前記押圧センサは、磁気センサであり、前記外層磁石の移動を検出することによりジョイスティックの押圧状態を検出するように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。
5. 前記磁気センサチップは、ＸＭＲ磁気抵抗ユニットまたはホールセンサにより実現され、前記ＸＭＲはＴＭＲ、ＡＭＲ、ＧＭＲを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。