WO2017010241A1

WO2017010241A1 - 操作装置

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Publication number: WO2017010241A1
Application number: PCT/JP2016/068343
Authority: WO
Inventors: 村田　健二
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JP6465357B2; CN107735741A; US10345917B2; EP3324263A1; US20180188821A1; JP2017021636A; EP3324263A4

Abstract

操作装置（１）は、正逆回転可能なモータ（１１）と、モータ（１１）の正逆回転運動を昇降直線運動に変換して操作部（２）に触覚刺激を呈示する歯車機構（１２）と、モータ（１１）の通電方向を切り替え制御する制御部（２１）とを備えている。制御部（２１）は、歯車機構（１２）を介して操作部（２）が上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの所定時間（ｔ０－ｔ３）内において、モータ（１１）の正回転方向の駆動電力を増加させて操作部（２）の上昇移動量が増加するように加速制御し、モータ（１１）の逆回転方向の駆動電力を供給して操作部（２）の上昇移動が減速するように減速制御する。

Description

操作装置

本発明は、操作装置に係り、特に、操作者に触覚刺激（フィードバック力）を呈示する機能を有する操作装置に関する。

従来の操作装置の一例としては、例えば操作者の指の傾きを利用して方向を呈示する方向呈示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載された従来の方向呈示装置は、独立して上下動可能な複数の可動パネルの上面に指載置板を配置しており、指載置板をカーナビゲーション装置が表示する画面上の進路方向に対応して傾斜させるように構成されている。

可動パネルを駆動するための可動部の一例としては、可動パネルの下方に突出して形成されたラックに、モータの出力軸に固定されたピニオンを噛み合わせたラック・ピニオン構造が用いられている。

特開２０１０－２０４７４１号公報

この種の操作装置においては、モータに正転方向の駆動電流を流すことで、可動パネルの盤面高さの変位量を調整することが可能である。

モータに正転方向の駆動電流が流れているときは、図４に示すように、盤面高さが線形的に加速しながら変位していくが、駆動電流停止後は、モータの慣性による回転動作に基づいて、盤面高さが駆動電流停止直前の速度を初速とした放物線を描く非線形的な変位をもって目標の盤面高さに到達することしかできない。

モータに正転方向の電流を流すだけでは、盤面高さが変位を開始してから目標の変位量に達するまでの時間（以下、立ち上がり時間ともいう。）が一様に決まってしまう。このことから、立ち上がり時間を調整することで、触覚刺激を短時間に呈示することが望まれる。

立ち上がり時間を速くするのには、図４に二点鎖線で示すように、盤面の上昇速度を加速する加速時間を延長すればよいが、立ち上がり時間を速くすればするほど、駆動電流停止後におけるモータの慣性によって盤面高さの変位量が目標変位量よりも高くなってしまう。そのため、立ち上がり時間を速くすることだけで、盤面の変位量を所要の制限内に抑えることはできない。

本発明の目的は、触覚刺激を短時間で呈示することができる操作装置を提供することにある。

［１］本発明の一実施形態による操作装置は、正逆回転可能なモータと、前記モータの正逆回転運動を昇降直線運動に変換して操作部に触覚刺激を呈示する歯車機構と、前記モータの通電方向を切り替え制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記歯車機構を介して前記操作部が上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの所定時間内において、前記モータの正回転方向の駆動電力を増加させて前記操作部の上昇移動量が増加するように加速制御し、前記モータの逆回転方向の駆動電力を供給して前記操作部の上昇移動が減速するように減速制御する。

［２］［１］に記載の実施態様にあって、前記制御部は、前記モータの正回転時に前記操作部の上昇速度を加速させる加速時間と、前記モータの逆回転時に前記操作部の上昇速度を減速させる減速時間との比が前記所定時間内に収まるように前記モータを制御してもよい。
［３］［１］又は［２］に記載の実施態様にあって、前記モータの正回転方向の駆動電力は、前記モータの駆動時間を延長することにより増加してもよい。
［４］［１］又は［２］に記載の実施態様にあって、前記モータの正回転方向の駆動電力は、前記モータの駆動電流を増加させることにより増加してもよい。
［５］［１］～［４］の何れかに記載の実施態様にあって、前記操作部は、前記変換された昇降直線運動に従って駆動されるように前記伝達機構に連結される可動パネルを有し、前記可動パネルは、タッチパネルを有してもよい。

本発明の一実施形態によると、触覚刺激を短時間で呈示することができる操作装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る操作装置の一例を示す説明図である。図２は、正逆転制御を実現するためのＨブリッジ回路の一例を示す回路図である。図３は、加減速によるモータ駆動波形と操作盤面変位との関係の一例を示す説明図である。図４は、従来技術における加速のみによるモータ駆動波形と操作盤面変位との関係の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

［実施の形態］
（操作装置の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、実施の形態における典型的な動力伝達機構を備えた操作装置を概略的に例示している。この操作装置１は、例えばセンターコンソールなどの運転席周辺部に配置されており、ディスプレイに配線を介して接続される。

操作装置１は例えば、空調装置、オーディオ装置やナビゲーション装置等の車載機器の作動を制御するための入力信号を出力する入力手段であるタッチパネルに適用される。操作者の手指でタッチパネルをタッチ操作すると、タッチパネルの表面上の位置がタッチセンサにより検出されるようになっており、この位置に対応した位置検出信号がディスプレイ上の項目ボタンを選択決定する遠隔操作式の入力装置として構成されている。

操作装置１は、プッシュ操作可能な樹脂製の操作部である可動パネル２を備えている。
可動パネル２は、ボディ３に弾性支持部材を介して直線運動可能に支持されている。可動パネル２の裏面には、ボディ３の内部に案内移動するための複数の案内片４がプッシュ操作方向に延在されるとともに、可動パネル２の往復直線運動に連動する長尺板状の連結部材５がプッシュ操作方向に延在されている。

可動パネル２には、例えば静電容量式等のタッチパネルが設けられる。タッチパネル裏面側のボディ３には、可動パネル２の操作盤面２ａをタッチ操作することでディスプレイ上の項目ボタンを選択決定するエンター用スイッチが設けられている。エンター用スイッチとしては、例えば自動復帰型のマイクロスイッチなどが用いられる。

（動力伝達機構の全体構成）
ボディ３の内部には、操作者の手指が可動パネル２の操作盤面２ａにタッチ操作したことを検出することで、操作者の手指に対して触覚刺激を呈示する触覚フィードバック機能を備えた動力伝達機構１０が組み込まれている。伝達機構としては、ＤＣモータ１１からの駆動力をリンク機構やカム機構等により可動パネル２に伝達する種々の伝達機構が適用可能であるが、本実施の形態では、動力伝達機構１０として、制御基板に搭載された正逆転可能なＤＣモータ１１と、ＤＣモータ１１の正逆転運動を昇降直線運動に変換して可動パネル２に触覚刺激（振動）を伝達する歯車機構１２とを備えた構成としている。

この歯車機構１２は、ＤＣモータ１１の正逆転を伝達する駆動歯車１３と、駆動歯車１３に噛み合う従動歯車１４とを有している。駆動歯車１３は、駆動軸であるモータ軸１５に固定されており、一方の従動歯車１４は、モータ軸１５とは並列状態で配置された従動軸であるシャフト１６に一体回転可能に固定されている。シャフト１６は、ボディ３内に回転可能に支持されている。

駆動歯車１３は、特に限定されるものではないが、歯車の円周の全周にわたって噛合部が形成されておらず、従動歯車１４の回転範囲で噛合可能な範囲に噛合部の一部が形成された平歯車の噛合部形状に形成されている。

一方の従動歯車１４にあっても、特に限定されるものではないが、歯車の円周の全周にわたって噛合部が形成されておらず、駆動歯車１３の回転範囲で噛合可能な範囲のみに噛合部の一部が形成された噛合部形状を有している。従動歯車１４のピッチ円直径は、駆動歯車１３のピッチ円直径よりも大きく設定されており、駆動歯車１３及び従動歯車１４のギヤ比は、増速比を構成する。

歯車機構１２を介して可動パネル２にモータ駆動力を伝達するように構成されていることから、例えばギヤ比を適宜に設定することで、可動パネル２の押上げ力、モータトルクや回転速度などを適宜に調整することができる。

従動歯車１４の平板面の偏心位置には、連結ピン１８が突出している。連結ピン１８は、可動パネル２の連結部材５の側端部に切欠して形成されたピン係合孔８に回転可能に連結されている。ピン係合孔８は、従動歯車１４の連結ピン１８の回転軌跡内に形成されている。

連結部材５と従動歯車１４の連結ピン１８とは、ＤＣモータ１１の正逆転運動を可動パネル２の直線運動に変えるための運動変換部材である。この連結ピン１８の初期位置としては、操作前における可動パネル２の操作盤面２ａの停止位置に対応して、モータ軸１５の回転中心及びシャフト１６の回転中心を結ぶ直線上の位置に設定することが好適である。

以上のように構成された動力伝達機構１０によれば、駆動歯車１３に噛み合う従動歯車１４の連結ピン１８の回転運動は、連結部材５のピン係合孔８を介して可動パネル２の直線運動に変換して伝達されることから、可動パネル２を昇降方向に微小移動させることが可能となる。

従って、可動パネル２に触覚刺激（フィードバック力）を発生させるための正逆転可能な歯車機構１２を介して可動パネル２が昇降微動（振動）することで、操作者の手指に対して垂直な方向の触覚刺激（フィードバック力）を与えることができる。

（モータ駆動装置の構成）
ところで、歯車機構１２のギヤ比をもってＤＣモータ１１の回転が可動パネル２に伝達されるため、ＤＣモータ１１に正回転方向の駆動電流が流れているときは、図４に示すように、可動パネル２の操作盤面２ａの高さが線形的に加速しながら変位していくことになる。しかしながら、駆動電流停止後には、ＤＣモータ１１の慣性による回転動作に基づいて、操作盤面２ａの高さが駆動電流停止直前の速度を初速とした放物線を描く非線形的な変位しかできず、操作盤面２ａの高さが変位を開始してから目標の変位量に達するまでの時間（立ち上がり時間）が一様に決まる。

この立ち上がり時間を速くすることで、操作者に触覚刺激を短時間に与えることが好適であるが、立ち上がり時間を速くすればするほど、ＤＣモータ１１の慣性により、操作盤面２ａの高さの変位量が高くなってしまう。

そこで、実施の形態に係る操作装置１は、操作盤面２ａの変位（上昇移動）量が所要の制限内に収まる状態で、操作盤面２ａが上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの時間を速くするためのモータ駆動装置２０を備えている。

このモータ駆動装置２０は、図２に示すように、操作者に触覚刺激を与えるために歯車機構１２を介して可動パネル２を昇降微動させるＤＣモータ１１の正逆転制御を行うものであり、ＤＣモータ１１を正逆転制御する制御部２１と、この制御部２１からの制御信号Ｓ１～Ｓ４に従いＤＣモータ１１を駆動する正逆転回路であるＨブリッジ回路２２とを有している。

この制御部２１は、記憶されたプログラムに従い、取得したデータに演算処理等を行うＣＰＵ、半導体メモリであるＲＡＭ及びＲＯＭ、ドライバなどの各種の構成要素からなるマイクロコンピュータからなり、可動パネル２の操作盤面２ａのタッチ操作により入力されるタッチ信号を受け取り、Ｈブリッジ回路２２に制御信号Ｓ１～Ｓ４を送ることで、Ｈブリッジ回路２２の動作を制御するようになっている。

一方、Ｈブリッジ回路２２は、第１のスイッチング素子ＳＷ１、第２のスイッチング素子ＳＷ２、第３のスイッチング素子ＳＷ３、及び第４のスイッチング素子ＳＷ４を有しており、制御部２１が出力する制御信号Ｓ_１～Ｓ_４に基づき電源Ｖｃｃから供給される駆動電流Ｉ_１，Ｉ_２を正逆転可能な電流としてＤＣモータ１１に供給するようになっている。なお、Ｈブリッジ回路２２の機能が制御部２１に内蔵されていても構わない。

図示例では、第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２には、ＰチャンネルＭＯＳ－ＦＥＴが用いられるとともに、第３及び第４のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４には、ＮチャンネルＭＯＳ－ＦＥＴが用いられている。第１～第４のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４は、ブリッジ接続されている。

第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続中点Ｐ１は、電源Ｖｃｃに接続されるとともに、第３及び第４のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の接続中点Ｐ２が接地電位０Ｖに接続されている。第１及び第３のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３の接続中点Ｐ３と第２及び第４のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４の接続中点Ｐ４との間には、ＤＣモータ１１が接続されている。

Ｈブリッジ回路２２において、第１のスイッチング素子ＳＷ１に制御信号Ｓ_１を送り、第４のスイッチング素子ＳＷ４に制御信号Ｓ_４を送ることで、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第４のスイッチング素子ＳＷ４がオンし、第２及び第３のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフする。この制御により、ＤＣモータ１１に正転方向の駆動電流Ｉ_１を流すことができる。

第２のスイッチング素子ＳＷ２に制御信号Ｓ_２を送り、第３のスイッチング素子ＳＷ３に制御信号Ｓ_３を送ることで、第２及び第３のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンし、第１及び第４のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフする。この制御により、ＤＣモータ１１に逆転方向の駆動電流Ｉ_２を流すことができる。

第３のスイッチング素子ＳＷ３に制御信号Ｓ_３を送り、第４のスイッチング素子ＳＷ４に制御信号Ｓ_４を送ることで、第３及び第４のスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４がオンし、第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフする。この制御により、ＤＣモータ１１に駆動電流を印加しない状態にすることで、ＤＣモータ１１にブレーキをかける動作を実行することができる。

ここで、図３を参照すると、同図には、加減速によるモータ駆動波形と操作盤面変位との関係の一例が示されている。

ＤＣモータ１１を正転状態に制御する場合は、ＤＣモータ１１の正転方向の駆動電流Ｉ_１を増加することでＤＣモータ１１の回転が加速される。ＤＣモータ１１の回転加速時には、第１及び第４のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をオンし、第２及び第３のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をオフすることで、可動パネル２の操作盤面２ａを上昇させるための正転方向の駆動電流Ｉ_１がＤＣモータ１１に供給される。

図３において、ＤＣモータ１１の正転開始点ｔ_０から所定時間ｔ_１が経過するまでの時間が、操作盤面２ａの上昇速度を加速させる加速時間として設定される。この加速時間内で、操作盤面２ａの変位（上昇移動）量が増加するように加速制御される。操作盤面２ａの上昇開始から所定時間ｔ_１後に、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４のオンオフを切り替えることで、ＤＣモータ１１が正転状態から逆転状態に制御される。

ＤＣモータ１１が正転状態から逆転状態に切り替わるとき、例えば第１及び第３のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３が同時にオン状態になり、電源Ｖｃｃと接地電位０Ｖが短絡することを防止するために、一定の時間幅（ｔ_１－ｔ_２）が設定される。

ＤＣモータ１１を逆転状態に制御する場合は、ＤＣモータ１１の逆転方向の駆動電流Ｉ_２を供給することでＤＣモータ１１の回転を減速させる。ＤＣモータ１１の回転減速時には、第１及び第４のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４をオフし、第２及び第３のスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をオンする。これにより、可動パネル２の操作盤面２ａの上昇速度を減速させるための逆転方向の駆動電流Ｉ_２がＤＣモータ１１に供給される。

図３において、ＤＣモータ１１の逆転開始点ｔ_２から所定時間ｔ_３が経過するまでの時間が、操作盤面２ａの上昇速度を減速させる減速時間として設定される。この減速時間内で、操作盤面２ａの変位（上昇移動）が減速され、操作盤面２ａの減速移動開始から所定時間ｔ_３の間で、操作盤面２ａが目標の変位量に達するように減速制御される。所定時間ｔ_３後の所定時間ｔ_４で、操作盤面２ａの高さが初期位置に戻される。

図３に示すように、ＤＣモータ１１の回転加速時において操作盤面２ａの上昇速度を加速させる加速時間と、ＤＣモータ１１の回転減速時において操作盤面２ａの上昇速度を減速させる減速時間との比を適宜に調整することで、立ち上がり時間（ｔ_０－ｔ_３）を調整することができる。

ＤＣモータ１１に正転方向の駆動電流を流すだけで可動パネル２の操作盤面高さの変位量を調整する図４に示す場合と比較して、操作盤面２ａの上昇速度を加速させる加速時間を延ばして、操作盤面２ａの上昇速度を減速させる減速時間を調整することで、立ち上がり時間（ｔ_０－ｔ_３）を速くして操作盤面２ａを目標の変位量に到達させることができる。

（バックラッシュ除去手段の構成）
図１に示すような動力伝達機構１０の構成において、駆動歯車１３及び従動歯車１４の歯合面同士が接触していないバックラッシュの状態でモータ３を正逆転駆動させると、バックラッシュ相当分のガタにより位置が定まらず、駆動歯車１３と従動歯車１４との噛み合い状態の違いにより、歯車機構１２の正逆転位置と可動パネル２の往復直線移動位置との相対位置関係が変化してしまう。

その結果、駆動歯車１３の歯合部が従動歯車１４の歯合部との接触を断続的に失うこととなり、操作者の手指に対して振動による触感を同じように呈示する触覚呈示装置が得られない。従って、バックラッシュに起因する正逆転駆動伝達系の変位ズレによる触感の変化をなくすことで、操作者の手指に対して振動による触感に変化を生じさせないことが肝要である。

そこで、上記操作装置１は、図１に示すように、バックラッシュ除去手段として、歯車機構１２のバックラッシュを除去するためのトーションばね３１を備えている。

駆動歯車１３の平板面の偏心位置には、トーションばね３１を掛けるばね掛け突部１７が突出して形成されている。このトーションばね３１の巻回部３２は、駆動歯車１３のボス部１３ａに挿入保持されている。巻回部３２の一端から外側に向けて直線的に延びる第１の腕部３３は、駆動歯車１３のばね掛け突部１７に掛けられるとともに、巻回部３２の他端から外側に向けて直線的に延びる第２の腕部３４が、ボディ３に形成されたばね掛け突部７に掛けられている。

トーションばね３１の回転方向の付勢力によって、駆動歯車１３と従動歯車１４の歯面を常に当接した状態にすることができる。これにより、駆動歯車１３及び従動歯車１４の間の正逆転方向のバックラッシュが除去される。なお、トーションばね３１に代えて、コイルばね、板ばねやゴム等の弾性部材を用いることもできる。

（実施の形態の効果）
以上のように構成された実施の形態に係る操作装置１によると、上記効果に加えて、次の効果が得られる。

（１）操作盤面２ａが上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの時間（ｔ_０－ｔ_３）を速くすることができるため、立ち上がりの速い振動を発生させることができる。
（２）操作盤面２ａが上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの時間（ｔ_０－ｔ_３）幅内で、操作盤面２ａが上昇移動する速度と、操作盤面２ａが上昇移動する変位量との両方を調整することができるため、意図した振動触感を呈示することができる。
（３）歯車機構１２の正逆転切替え位置や停止位置におけるバックラッシュを除去することができることと相まって、バックラッシュに起因する振動の変化をなくすことが可能となり、振動触感の変化が一定となる最適な特性を有する操作装置１が効果的に得られる。

［他の変形例］
本発明における操作装置１の代表的な構成例を実施の形態、変形例及び図示例を挙げて説明したが、次に示すような他の変形例も可能である。

上記実施の形態及び図示例では、駆動歯車１３及び従動歯車１４からなる歯車機構１２を介して可動パネル２に振動フィードバック力を作用させる構成であったが、ＤＣモータ１１のモータ軸１５に固定されたピニオンに噛み合うラック歯を可動パネル２の連結部材５に形成した構成の歯車機構であるラック・ピニオン機構を介して可動パネル２に振動フィードバック力を作用させる構成であっても構わない。また、本発明において、ＤＣモータ１１からの駆動力をリンク機構やカム機構等を介して可動パネル２に伝達する種々の伝達機構が適用可能である。

本発明に係る操作装置１は、次に示すような更に他の変形例も可能である。

（１）車載機器に限らず、例えばゲーム機、パーソナルコンピュータや携帯電話機などの各種の端末装置に適用することができることは勿論である。
（２）タッチパネルを備えていない各種のスイッチ装置であっても、操作者の手指に触覚刺激を呈示することは可能であり、例えばマウス装置、キーボードや操作ノブなどにも適用することができる。
（３）上記操作装置１は、例えば使用目的などに応じて配置個数、配置位置や配置形態などを適宜に選択すればよく、本発明の初期の目的を達成することができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例及び図示例を例示したが、上記実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１　操作装置
２　可動パネル
２ａ　操作盤面
３　ボディ
１０　動力伝達機構
１１　ＤＣモータ
１２　歯車機構
２０　モータ駆動装置
２１　制御部

Claims

正逆回転可能なモータと、
前記モータの正逆回転運動を昇降直線運動に変換して操作部に触覚刺激を呈示する伝達機構と、
前記モータの通電方向を切り替え制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記伝達機構を介して前記操作部が上昇移動を開始してから目標の変位量に達するまでの所定時間内において、前記モータの正回転方向の駆動電力を増加させて前記操作部の上昇移動量が増加するように加速制御し、前記モータの逆回転方向の駆動電力を供給して前記操作部の上昇移動が減速するように減速制御する操作装置。
前記制御部は、前記モータの正回転時に前記操作部の上昇速度を加速させる加速時間と、前記モータの逆回転時に前記操作部の上昇速度を減速させる減速時間との比が前記所定時間内に収まるように前記モータを制御する、請求項１に記載の操作装置。
前記モータの正回転方向の駆動電力は、前記モータの駆動時間を延長することにより増加する、請求項１又は２に記載の操作装置。
前記モータの正回転方向の駆動電力は、前記モータの駆動電流を増加させることにより増加する、請求項１又は２に記載の操作装置。
前記操作部は、前記変換された昇降直線運動に従って駆動されるように前記伝達機構に連結される可動パネルを有し、
前記可動パネルは、タッチパネルを有する、請求項１～４の何れか１項に記載の操作装置。