Force feedback input device

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電子機器の操作を一つの操作部にて集中的に行う入力装置に係り、特に、操作部に振動がフィードバックされる力覚付与入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に、近年の自動車には、エアコンやラジオ、テレビジョン、ＣＤプレーヤ、ナビゲーションシステムなどの各種の電子機器が装備されているが、このような数多くの電子機器をそれぞれに備えられた操作体で個別に操作しようとすると、自動車を運転しづらくなる恐れがある。 そこで運転の動作を妨げずに所望の電子機器のオン・オフ切換や機能選択などが容易に行えるようにするために、従来より一つの操作部を操作することにより操作部の操作位置によって固有の振動が感触としてフィードバックされる力覚付与入力装置が提案されている。
【０００３】
このような従来の力覚付与入力装置の図面を説明すると、図５は従来の力覚付与入力装置の機構部の斜視図、図６は従来の力覚付与入力装置の動作のブロック図、図７はギヤかみ合わせの説明図をそれぞれ示す。
【０００４】
操作部１１は、軸１２と軸受け１３に連結され、軸受け１３により揺動可能に構成され、軸受け１３は筐体１４の上に取り付けられている。
【０００５】
２つの連結部１５、１６は、金属製でＬ字をなしており、互い直交して配置され、一端に長孔１５ａ、１６ａを有している。 長孔１５ａ、１６ａには軸１２が挿通されて、軸１２の揺動により連結部１５、１６が動かされるようになっている。
【０００６】
２つの大歯車１７、１８は筐体１４に互いに直交する方向に軸支されている。 大歯車１７、１８にはＬ字状の連結部１５、１６の長孔のある一端とは反対側の端部が固定され、連結部１５、１６は大歯車１７、１８と一体に回転する。 操作部１１を揺動すると、連結部１５，１６を介して操作部１１の揺動方向に対応して、大歯車１７、１８がそれぞれ回転するようになっている。
【０００７】
小歯車１９、２０は大歯車１７、１８とかみ合って、互い直交して配置され、小歯車１９、２０は大歯車１７、１８の回転量より多い回転量回転することとなる。
【０００８】
エンコーダ２１、２２は、小歯車１９、２０と同軸で一体に回転するようになっており、小歯車１９、２０の直交する方向の回転量を出力する。 例えば、エンコーダ２１はＸ方向の回転量を検出し、エンコーダ２２はＹ方向の回転量を検出することとなる。 検出されたこれらＸ方向、Ｙ方向の回転量はＸ座標、Ｙ座標にによる位置情報に置き換えることができる。
【０００９】
モータ２３、２４は小歯車１９、２０及びエンコーダ２１、２２と同軸で一体に回転するようになっている。 従って、操作部１１を揺動することにより小歯車１９、２０が回転し、これに伴いエンコーダ２１、２２及びモータ２３、２４のの軸が回転するようになっている。 逆にモータ２３、２４を細かく正逆回転させると操作部１１が細かく揺動するようになる。 この揺動による固有の振動が力覚として操作部１１にフィードバックされるようになっている。
【００１０】
次に操作部１１の動作を図６のブロック図を使って説明すると、操作部１１の揺動によりエンコーダ２１、２２が回転し検出されたＸ座標、Ｙ座標によって位置情報が得られる。 これをコンピュータ２４内の位置信号検出部２５で検出する。 位置信号検出部２５は得られた位置情報に応じたテーブル選択信号をＣＰＵ２７の中にあるテーブル選択部２７ａへ送る。 テーブル選択部２７ａはテーブル選択信号に応じてＲＯＭ２６の中にあるテーブル２６ａの中から対応するテーブルを選びこの信号をモータドライバ２８に送る。 この時、テーブルに付随した位置情報が正しいかどうかＣＰＵ２７内の照合部２７ｂで確認してからモータドライバ２８に送るようになっている。 テーブル２６ａにはモータ２３、２４の回転方向及び回転トルクの大きさを与える情報が符号化されて記憶されている。 モータドライバ２８からはモータ２３、２４に対して駆動信号が送られ、この駆動信号によってモータ２３、２４が駆動される。 モータ２３、２４の駆動により操作部１１は選択したテーブルによる力覚を得るようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようにモータから操作部の間に力の伝達機構として２つのギヤを使った場合、２つのギヤのかみ合わせ程度が部品の寸法上のバラツキに起因して異なるという問題が発生する。 図７は上記した図５の力覚付与入力装置のギヤのかみ合わせの模式図であるが、一方のギヤ１９、２０はモータ駆動軸２９に軸支されており他方のギヤ１７、１８は一方のギヤに従動しギヤ受け軸３０を回転させる。 図７において、設計値としてはギヤかみ合わせクリアランスＣを１ｍｍ、軸間距離Ｌを３０ｍｍとした場合、ギヤの部品バラツキでギヤ直径が大きくギヤかみ合わせクリアランスが０ｍｍ軸間距離Ｌが３１ｍｍとなったとする。 （部品バラツキでギヤ直径が大きくなりお互いのギヤが互いを押し合う結果、軸間距離が広がった。）このような場合にはモータに一定の電流を流したとしてもギヤかみ合わせがきついため一定の電流値に対してのギヤ移動量（回転量）が小さくなる。 逆に、部品バラツキでギヤ直径が小さくなり、軸間距離Ｌが３０ｍｍでクリアランスＣが１．５ｍｍになったとすると、一定の電流に対するギヤ移動量（回転量）は大きくなる。
【００１２】
このように、伝達機構としての部品に寸法上のバラツキがあると、同じ構造の伝達機構を持つ力覚付与入力装置を作っても、製品によって操作部にフィードバックされる力覚が異なってしまうという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、伝達機構としての部品に寸法上のバラツキがあっても、操作部にフィードバックされる力覚が一定である力覚付与入力装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の力覚付与入力装置は、操作部と、操作部に伝達機構を介して力覚を与えるアクチュエータと、前記アクチュエータの移動量を検出する移動量検出部と、前記移動量検出部からの出力によりフォース量を演算し前記アクチュエータにフォース量を出力して前記アクチュエータを制御する制御部とを備え、 前記制御部は、起動時または特定のイベント発生時に前記アクチュエータに所定のフォース量を規定時間出力して前記アクチュエータの移動量を前記移動量検出部から検出し、前記制御部の演算部で理想の移動量と検出された前記アクチュエータの移動量の比を元に前記伝達機構の寸法上のバラツキがあっても前記操作部にフィードバックされる力覚を一定とする補正係数を演算し、起動時または特定のイベント発生後の前記アクチュエータへ出力する補正されたフォース量を前記補正係数に基づき演算するようにした。
この構成により、伝達機構としての部品に寸法上のバラツキがあっても、移動量検出部からの出力を用いて、初期化処理を行い補正を加えると、操作部にフィードバックされる力覚が一定となる。
【００１５】
また、 前記所定のフォース量は電流値であるという構成にした。
【００１６】
また、前記アクチュエータの電流を検出する電流検出部を設け、前記アクチュエータの電流を検出する電流検出部を設け、 前記制御部は、起動時または特定のイベント発生時に前記アクチュエータに所定の電圧値を出力し、前記アクチュエータの電流値を前記電流検出部から検出し、 前記演算部で理想の電流量と前記電流検出部にて検出された前記アクチュエータの電流値の比を元に前記補正係数を演算し 、起動時または特定のイベント発生後の前記アクチュエータへ出力する補正されたフォース量を前記補正係数に基づき演算するようにした。
この構成により、伝達機構としての部品に寸法上のバラツキがあっても、アクチュエータの測定電流値と理想の電流値との比を元に演算して補正係数を求め補正を加えると、操作部にフィードバックされる力覚が一定となる。 測定電流値と理想の電流値の比の演算を移動量と理想の移動量の比による演算に併せて用いたので精密な補正係数が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態の図面を説明すると、図１は本発明の第１実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のブロック図、図２は本発明の第１実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のフローチャートである。 また、本実施形態においては機械的な構成は上記した従来の力覚付与入力装置と同じであるので、図５をそのまま用いて説明する。
【００１８】
本発明は、起動時に移動量検出部からの出力を用いて制御部により初期化処理することにより、起動後、アクチュエータの出力に補正を加え、操作部の移動量に対して一定の力覚を与えるようにしたものである。
図１のブロック図を説明すると、フォース出力発生部１は、アクチュエータ、具体的にはモータ２３、２４で、初期化処理の場合には起動時または特定のイベント発生時に所定の出力（電流値）をモータ２３、２４に与える。 特定のイベントとは図示しないが通信によって他の制御装置からの初期化要求や、図示しないが初期化用スイッチが押下され初期化要求が行われた場合等を指す。
【００１９】
フォース出力動作検出部（移動量検出部）２はフォース出力発生部１のモータ２３、２４の動作を監視し所定の出力を与えられた時のモータ２３、２４の移動量を検出する。 本実施形態の場合はエンコーダ２１、２２でモータ２３、２４と直結している伝達機構としてのギヤ１９、２０の移動量を検出することになる。
【００２０】
制御部３は、ＣＰＵ等による演算部を有し、演算部は初期化結果によるフォース補正演算部３ａと位置情報によるフォース演算部３ｂを有している。 制御部３は移動量検出部２からの位置情報を取り込み、初期化結果によるフォース演算部３ａで補正値を算出し、この補正値に基づいて位置情報によるフォース演算部３ｂに補正を加え演算させている。
【００２１】
フォース出力発生部１は、制御部３から補正されたフォース量情報を受けて、フォース出力を出力する。
【００２２】
フォース出力動作部４は、具体的には操作部１１でフォース出力発生部１からのフォース出力を受けて操作部１１に一定の力覚が与えられる。
【００２３】
図２の初期化処理のフローチャートに沿って本発明の第１実施形態の力覚付与入力装置の動作を説明する。 スタート後、ステップ１（Ｓ１と記載する。ステップ２はＳ２と記載し以下同様に記載する。）で補正値を算出する補正係数を１としておく。 Ｓ２で起動時または初期化要求が出ているかを判断して初期化処理を要求するか否かを判断し、要求する場合（Ｙｅｓ）、Ｓ３にてエンコーダにより開始前の位置データを取得する。 次にＳ４でモータ２３、２４に所定のフォース量（電流値）を出力する。 次にＳ５で規定時間の経過を待つ。 規定時間経過したらＳ６で規定時間経過した終了後の位置データをエンコーダにより取得する。
【００２４】
次に、所定のフォース量を規定時間出力した場合の理想の移動量（理想移動量＝設計値）を用い、Ｓ７で開始前の位置データと終了後の位置データを使って補正係数を、
補正係数＝ｋ５（理想移動量／モータ移動量）＋ｋ６の式を用いて演算する。 補正係数の演算が終わったらＳ２の前に戻り、Ｓ２で初期化処理を要求するか否かの判断をするが、初期化処理は終わっているので、次の初期化要求が出る迄は初期化処理は要求しない（Ｎｏ）となって、Ｓ８で、以前のステップで演算した補正係数に基づいて通常処理を行い、フォース出力動作部（操作部）４にフォース出力発生部１により補正値を出力する。 上記した補正係数の式における定数ｋ５，ｋ６は伝達機構による定数であり、伝達機構により適宜設定する。 本実施形態の伝達機構はギヤのかみ合わせによって説明しているが、ギヤの直径が変わったり、伝達機構が他のものに変わったりする場合、定数ｋ５、ｋ６が変わることとなる。
【００２５】
次に、本発明の初期化処理に係る第２実施形態の図面を説明すると、図３は本発明の第２実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のブロック図、図４は本発明の第２実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のフローチャートである。 また、本実施形態においては機械的な構成は上記した従来の力覚付与入力装置と同じであるので、図５をそのまま用いて説明する。
【００２６】
図３の初期化処理のブロック図を説明すると、フォース出力発生部５は、アクチュエータで、具体的にはモータ２３、２４であり、初期化処理の場合には起動時または特定のイベント発生時に所定の出力（電圧値）をモータ２３、２４に与える。
【００２７】
フォース出力動作検出部（移動量検出部、電流検出部）６は、フォース出力発生部５でモータ２３、２４の動作を監視し所定の出力を与えられた時のモータ２３、２４の移動量をエンコーダ２１、２２で検出し、所定の出力を与えられた時のモータ２１、２２に流れる電流値を電流計などで検出する。 本実施形態の場合はエンコーダ２１、２２でモータ２３、２４と直結している伝達機構としてのギヤ１９、２０の移動量を検出することになる。
【００２８】
制御部７は、ＣＰＵ等による演算部を有し、演算部は初期化結果によるフォース補正演算部７ａと位置情報によるフォース演算部７ｂを有している。 制御部７はフォース出力動作検出部（移動量検出部、電流検出部）６の移動量検出部及び電流検出部からの位置情報及び電流値情報を取り込み、初期化結果によるフォース演算部７ａで補正値を算出し、この補正値に基づいて位置情報によるフォース演算部７ｂに補正を加えて演算させている。
【００２９】
フォース出力発生部５は、制御部７から補正されたフォース量情報を受けて、フォース出力を出力する。
【００３０】
フォース出力動作部８は、具体的には操作部１１でフォース出力発生部５からのフォース出力を受けて操作部１１に一定の力覚が与えられる。
【００３１】
図４の初期化処理のフローチャートに沿って本発明の第２実施形態の初期化処理の動作を説明する。 尚、図５の力覚付与入力装置には図示しない電流計が設けられている。 スタート後、ステップ９（Ｓ９と記載する。ステップ１０はＳ１０と記載し以下同様に記載する。）で、まず補正係数を１としておく。 Ｓ１０で初期化処理を要求するか否かを判断し、要求する場合（Ｙｅｓ）、Ｓ１１にて開始前の位置データをエンコーダにより取得する。 次にＳ１２でモータ２３、２４に所定のフォース量（電圧値）を出力する。 次にＳ１３で規定時間の経過を待つ。 規定時間経過したらＳ１４で規定時間経過した終了後の位置データをエンコーダにより取得する。 次に、Ｓ１５でモータの電流値を電流計により取得する。
【００３２】
ここで、所定のフォース量を規定時間出力した場合の理想の移動量（理想移動量＝設計値）と所定のフォース量を出力した場合の理想の電流値（理想電流値＝設計値）を用い、Ｓ１６で開始前の位置データと終了後の位置データ及びモータ電流値を使って補正係数を、
補正係数＝ｋ１（理想移動量／モータ移動量）×ｋ２（理想電流値／測定電流値）＋ｋ３（理想移動量／モータ移動量）＋ｋ４（理想電流値／測定電流値）の式を用いて演算する。 補正係数の演算が終わったらＳ１０の前に戻り、Ｓ１０で初期化処理要求するか否かの判断をするが、初期化処理は終わっているので、次の初期化要求が出るまでは初期化処理は要求しない（Ｎｏ）となって、Ｓ１７で、以前のステップで演算した補正係数に基づいて通常処理を行う。 本実施形態の場合、理想移動量とモータ移動量の比の他に、理想電流値と測定電流値の比を使って、補正係数を計算するので、理想移動量とモータ移動量の比だけを使った場合に比べて、より精密に補正係数を計算できる。
【００３３】
上記した補正係数の式における定数ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４は伝達機構による定数であり、その値はそれぞれの伝達機構により適宜設定する。 本実施形態の伝達機構はギヤのかみ合わせによって説明しているが、ギヤの直径が変わったり、伝達機構が他のものに変わったりする場合、定数ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４が変わることとなる。
【００３４】
尚、上記した各実施例においては、アクチュエータとしてモータ（回転モータ）を用いて説明したが本発明はこれに限定されることなく、他のアクチュエータ、例えばソレノイドや直進運動をするボイスコイルモータを用いてもよい。
また、上記各実施例においては、移動量検出手段としてエンコーダを用いているが、本発明はこれに限定されることなく、移動量検出手段としてポテンショメータや磁電変換素子を用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
上記したように、本発明の力覚付与装置は、操作部と、操作部に伝達機構を介して力覚を与えるアクチュエータと、アクチュエータの移動量を検出する移動量検出部と、移動量検出部からの出力によりアクチュエータを制御する制御部とを備え、起動時に移動量検出部からの出力を用いて制御部により初期化処理をすることにより、起動後、アクチュエータへの出力に補正を加え、操作部の移動量に対して一定の力覚を与えるようにした。
【００３６】
この構成により、伝達機構としての部品に寸法上のバラツキがあっても、移動量検出部からの出力を用いて、初期化処理を行い補正を加えると、操作部にフィードバックされる力覚が一定となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態の力覚付与入力装置の初期化処理のフローチャートである。
【図５】従来の力覚付与入力装置の機構部の斜視図である。
【図６】従来の力覚付与入力装置の動作のブロック図である。
【図７】従来のギヤかみ合わせの説明図である。
【符号の説明】
１ フォース出力発生部（アクチュエータ）
２ フォース出力動作検出部（移動量検出部）
３ 制御部（演算部）
４ フォース出力動作部（操作部）
５ フォース出力発生部（アクチュエータ）
６ フォース出力動作検出部（移動量検出部、電流検出部）
７ 制御部（演算部）
８ フォース出力動作部（操作部）