JP6718556B2 - 回転型操作装置とその制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、回転操作に伴う操作感触を制御することが可能な回転型操作装置とその制御方法及びプログラムに関するものである。

操作部材を回転させることにより、車両のトランスミッションの切り換えやオーディオ装置の音量の調節などの入力を受け付ける回転型操作装置が知られている。例えば、下記の特許文献１に記載される力覚付与入力装置は、操作者により回転操作される操作部材と、操作部材にトルクを与える電動アクチュエータと、操作部材の回転角を検知する回転角度検知手段と、操作部材の角速度を検知する回転速度検知手段と、操作部材の回転角及び角速度に応じて電動アクチュエータを制御する制御手段とを備える。この力覚付与入力装置は、回転操作に伴う操作部材の回転角及び回転速度に応じて、電動アクチュエータから操作部材に与えるトルクを制御することにより、クリック機構に似た操作感触を発生させることができる。

特開２００４−１１４２０１号公報

ところで、上記特許文献１における電動アクチュエータは、例えば電動のモータであり、操作部材に与えるトルクの方向を反転させることができる。従って、上記特許文献１に記載される装置では、操作部材に与えるトルクの大きさを変化させつつ、トルクの方向を反転させるように電動アクチュエータ（モータ）を制御している。

明瞭なクリック感を生成するためには、操作部材に与えるトルクの変化をできるだけ急峻にすることが望ましい。しかしながら、モータなどの電動アクチュエータは、構造上、双方向にトルクを発生させることができるため、トルクの変化をあまり急峻にすると、振動的なトルクの変化を生じ易くなる。トルクが振動的に変化すると、明瞭なクリック感が得られ難くなり、操作感触の質が低下するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、明瞭なクリック感を生成できる回転型操作装置とその制御方法及びプログラムを提供することにある。

本発明の第１の観点に係る回転型操作装置は、回転操作に応じて回転可能な操作部材と、前記操作部材の回転角を検出する回転角センサと、前記操作部材を回転駆動する駆動機と、前記操作部材の回転を摩擦力により制動する制動機と、前記回転角センサにおいて検出された前記回転角に応じて、前記駆動機の駆動トルクと前記制動機の制動トルクとの和である制御トルクを制御する制御部とを有する。前記制御部は、前記回転角の一方向への変化に伴って、前記操作部材の前記回転を促進する促進方向から当該回転を抑制する抑制方向へ前記制御トルクを変化させ、前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する遷移領域を前記回転角が通過する場合、前記制動トルクをパルス状に増大させる。

この回転型操作装置では、前記促進方向の前記制御トルクが前記回転角の変化とともに小さくなると、前記操作部材の回転とともに引き込み力が弱くなる感覚が得られる。また、前記抑制方向の前記制御トルクが前記回転角の変化とともに大きくなると、前記操作部材の回転とともに抵抗力が増す感覚が得られる。このような制御トルクの変化が生じることにより、前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する領域において、前記操作部材の回転を安定的に停止させ易くなる。また、この前記制御トルクの変化により、回転操作に伴うクリック感が生成される。

更に、この回転型操作装置では、前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する前記遷移領域を前記回転角が通過する場合、摩擦力による前記制動トルクがバルス状に増大する。そのため、前記回転角が前記遷移領域を通過するときに、前記制御トルクに振動的な変化を生じることなく、より明瞭なクリック感が生成される。しかも、バルス状に増大する前記制動トルクによって、前記遷移領域での回転の停止が補助されるため、前記遷移領域における回転の停止が楽になり、操作感触がより良好になる。

好適に、前記回転角の変化可能な範囲において、前記遷移領域をそれぞれ含んだ複数の区間が設定されてよい。前記制御部は、前記複数の区間の各々において、前記回転角の前記一方向への変化に伴って、前記促進方向から前記抑制方向へ前記制御トルクを変化させてよい。

この構成によれば、前記複数の区間の各々において、前記回転角が前記遷移領域を通過するときに明瞭なクリック感が生成される。

好適に、前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間における前記抑制方向の前記制御トルクのピークを、前記遷移領域における前記抑制方向の前記制御トルクのピークより小さくしてよい。

この構成によれば、２つの連続する前記遷移領域の間における前記抑制方向の前記制御トルクが、前記遷移領域における前記抑制方向の前記制御トルクに比べて相対的に小さくなるため、機械的にクリック感を生成する場合に比べて操作感触が軽快になるとともに、前記遷移領域における回転の停止が楽になる。

好適に、前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間における前記制動トルクを最小値に設定してよい。

この構成によれば、２つの連続する前記遷移領域の間において、摩擦力による前記制動トルクが最小になるため、前記遷移領域において明瞭なクリック感を生成しつつ、全体として軽い操作感触が得られる。

好適に、前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間において、前記制動トルクを一定の値に保持するか、又は、前記制動トルクを前記回転角に応じて変化させてよい。

この構成によれば、２つの連続する前記遷移領域の間における前記制動トルクの設定に応じて、この区間における回転操作の負荷の重さが設定されるため、軽快感や重厚感など、所望の操作感触を得ることが可能になる。

好適に、前記制御部は、前記回転角センサにおいて検出された前記回転角に応じて回転速度を算出し、前記遷移領域における前記制動トルクを前記算出した回転速度に応じて変化させてよい。例えば、前記制御部は、前記回転速度が速くなるほど前記遷移領域における前記制動トルクを大きくしてよい。

この構成によれば、前記遷移領域における前記制動トルクを前記操作部材の回転速度に応じて変化させることにより、前記回転速度に応じた知覚の変化によるクリック感の強さの変化が抑制され易くなる。

好適に、前記制動機は、前記操作部材に接触した磁気粘性流体と、前記制御部の指示に応じた磁界を発生し、当該磁界により前記磁気粘性流体の粘性を変化させる磁界制御部とを含んでよい。

この構成によれば、前記磁気粘性流体の粘性を変化させることにより、前記操作部材に印加される前記制動トルクが変化する。従って、前記操作部材に機械的な摩擦力を加える方法に比べて前記制動トルクの精密な制御が可能になる。

本発明の第２の観点は、回転操作に応じて回転可能な操作部材に印加する制御トルクの制御を行う回転型操作装置の制御方法に関する。前記回転型操作装置は、前記操作部材の回転角を検出する回転角センサと、前記操作部材を回転駆動する駆動機と、前記操作部材の回転を制動する制動機とを有する。前記制御トルクは、前記駆動機の駆動トルクと前記制動機の制動トルクとの和である。この回転型操作装置の制御方法は、前記回転角の一方向への変化に伴って、前記操作部材の回転を促進する促進方向から当該回転を抑制する抑制方向へ前記制御トルクを変化させることと、前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する遷移領域を前記回転角が通過する場合、前記制動トルクをパルス状に増大させることとを有する。

本発明の第３の観点は、上記第２の観点に係る回転型操作装置の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

本発明によれば、明瞭なクリック感を生成できる。

本発明の実施形態に係る回転型操作装置の外観の一例を示す斜視図である。 図１に示す２−２線を通る断面における回転型操作装置の部分切断面図である。 図１に示す回転型操作装置の構成の一例を示すブロック図である。 制御部の構成の一例を示すブロック図である。 回転角に応じて変化する第１制御信号及び第２制御信号と、これに対応する駆動トルク及び制御トルクの例を示す図である。 制御信号の生成に関わる処理を説明するためのフローチャートである。 回転角に応じて変化する第１制御信号及び第２制御信号と、これに対応する駆動トルク及び制御トルクの一変形例を示す図である。 本発明の一変形例における制御部の構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態に係る回転型操作装置について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る回転型操作装置１００の外観の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す２−２線を通る断面における回転型操作装置１００の部分切断面図である。図３は、図１に示す回転型操作装置１００の構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、回転型操作装置１００は、操作者の回転操作に応じて回転可能な操作部材１０２と、操作部材１０２を回転可能に支持する筐体１０１とを有する。回転型操作装置１００は、操作部材１０２の回転角や、回転位置、回転速度等の回転操作に関わる操作情報を生成する。回転型操作装置１００は、例えばオーディオ装置における音量の調整や、車両におけるトランスミッションの切り換えなどに用いられる。

図２の切断面は、操作部材１０２の回転軸ＡＸを通る。図２に示すように、操作部材１０２は、筐体１０１によって回転可能に支持されたシャフト１１２と、シャフト１１２に固定されたノブ１１１とを含む。シャフト１１２は、筐体１０１の内部に収容される。ノブ１１１は、筐体１０１の外側に露出しており、操作者の回転操作を受ける。図１及び図２の例において、ノブ１１１とシャフト１１２は回転軸ＡＸを中心軸とする円柱状の形状を持っており、回転軸ＡＸの回りで一体的に回転する。

図２に示すように、回転型操作装置１００は、機械系の構成として、回転角センサ１０５と、駆動機１０６と、制動機１０７とを有する。回転角センサ１０５、駆動機１０６及び制動機１０７は、それぞれ筐体１０１の内部に収容されており、操作部材１０２のシャフト１１２に沿って設けられている。

また図３に示すように、回転型操作装置１００は、制御系の構成として、処理部１０８と、記憶部１０９と、インターフェース部１１０とを更に含む。

（駆動機１０６）
駆動機１０６は、処理部１０８の制御に従って操作部材１０２を回転駆動する。すなわち、駆動機１０６は、処理部１０８から入力される第１制御信号Ｄ１に応じて、操作部材１０２を回転駆動する駆動トルクＴｄを発生する。駆動機１０６は、例えば図２に示すように、ＤＣモータなどの電動機１２０を含む。電動機１２０は、図２の例において、シャフト１１２と一体的に回転する複数の回転子１２１と、回転子１２１に対向して配置された複数の固定子１２２とを含む。回転子１２１は例えば永久磁石であり、固定子１２２は例えばコイルである。複数の固定子１２２のコイルにそれぞれ所定の波形の駆動電流を供給することにより、複数の回転子１２１に作用する磁界が発生し、複数の回転子１２１をシャフト１１２とともに回転駆動する駆動トルクＴｄが発生する。駆動トルクＴｄの大きさは、固定子１２２のコイルに供給する駆動電流の大きさに応じて変化する。

駆動機１０６は、図３に示すように、駆動回路１２３と駆動信号生成部１２４を更に含む。駆動回路１２３は、入力される駆動信号に応じた駆動電流を発生し、電動機１２０の複数の固定子１２２にそれぞれ供給する。駆動信号生成部１２４は、処理部１０８から入力される第１制御信号Ｄ１に応じた駆動信号を生成し、駆動回路１２３に入力する。第１制御信号Ｄ１は、固定子１２２のコイルに供給する駆動電流の大きさを設定する信号である。駆動信号生成部１２４は、この第１制御信号Ｄ１の設定に応じた駆動電流が供給されるように駆動信号を生成する。

例えば駆動信号生成部１２４は、第１制御信号Ｄ１の信号値（デジタル値）に応じた振幅を持つアナログの駆動信号を出力するＤ／Ａコンバータを含む。あるいは、駆動信号生成部１２４は、第１制御信号Ｄ１の信号値（デジタル値）に応じてパルス幅変調されたＰＷＭ信号を平滑化し、駆動信号として出力する平滑回路を含んでもよい。

なお、駆動機１０６は、上述した電動機１２０に限定されず、他の動力源に基づいてトルクを発生する種々のタイプの原動機を含んでもよい。

制動機１０７は、処理部１０８の制御に従って、操作部材１０２の回転を摩擦力により制動する。すなわち、制動機１０７は、処理部１０８から入力される第２制御信号Ｄ２に応じて、操作部材１０２の回転を摩擦力により制動する制動トルクＴｂを発生する。例えば制動機１０７は、操作部材１０２に接触した磁気粘性流体１３４と、磁気粘性流体１３４に作用する磁界を制御する磁界制御部１３２とを含む。

磁界制御部１３２は、第２制御信号Ｄ２に応じた磁界を発生し、当該磁界により磁気粘性流体１３４の粘性を変化させる。例えば磁界制御部１３２は、シャフト１１２の周りに環状に巻かれたコイルである。図２に示すように、磁界制御部１３２は、操作部材１０２のシャフト１１２の周りに配置された環状のコイルケース１３１の中に配置される。コイルケース１３１は、回転軸ＡＸに略垂直な対向面１３３を持つ。シャフト１１２には、回転軸ＡＸに略垂直な面を持つ円盤状の抵抗盤１３５が固定されており、この抵抗盤１３５の一方の面とコイルケース１３１の対向面１３３とが近接して配置される。磁気粘性流体１３４は、コイルケース１３１の対向面１３３と抵抗盤１３５との間隙に充填されており、図示しないシール部材によってこの間隙の中に閉じ込められている。

磁界制御部１３２に流れる駆動電流が変化すると、磁気粘性流体１３４を通る磁界が変化し、磁界の変化によって磁気粘性流体１３４を構成する粒子の結合力が変化し、粒子の結合力の変化によって磁気粘性流体１３４の粘性が変化する。磁気粘性流体１３４の粘性が変化すると、コイルケース１３１と抵抗盤１３５との相対的な回転を妨げる力、すなわち摩擦力が変化する。この摩擦力が大きくなるほど、操作部材１０２の回転を制動する制動トルクＴｂが大きくなる。制動トルクＴｂの大きさは、磁界制御部１３２に流れる駆動電流の大きさに応じて変化する。

制動機１０７は、図３に示すように、駆動回路１３６と駆動信号生成部１３７を更に含む。駆動回路１３６は、入力される駆動信号に応じた駆動電流を発生し、磁界制御部１３２に供給する。駆動信号生成部１３７は、処理部１０８から入力される第２制御信号Ｄ２に応じた駆動信号を生成し、駆動回路１３６に入力する。第２制御信号Ｄ２は、磁界制御部１３２に供給する駆動電流の大きさを設定する信号である。駆動信号生成部１３７は、この第２制御信号Ｄ２の設定に応じた駆動電流が供給されるように駆動信号を生成する。

例えば駆動信号生成部１３７は、第２制御信号Ｄ２の信号値（デジタル値）に応じた振幅を持つアナログの駆動信号を出力するＤ／Ａコンバータを含む。あるいは、駆動信号生成部１３７は、第２制御信号Ｄ２の信号値（デジタル値）に応じてパルス幅変調されたＰＷＭ信号を平滑化し、駆動信号として出力する平滑回路を含んでもよい。

なお、制動機１０７は、上述したように磁気粘性流体１３４の粘性を利用するものに限定されず、他の種々の方法で摩擦力による制動トルクＴｂを発生してもよい。例えば、制動機１０７は、操作部材１０２へ機械的に部材を接触させる方法により制動トルクＴｂを発生してもよい。

（回転角センサ１０５）
回転角センサ１０５は、操作部材１０２の回転角を検出するセンサであり、例えばロータリーエンコーダ１４０を含む。ロータリーエンコーダ１４０は、例えば図２に示すように、操作部材１０２のシャフト１１２に固定された円盤状の検出盤１４１と、検出盤１４１の外周縁付近に近接して配置された光学検知部１４２を含む。検出盤１４１には、外周縁付近に複数の穴が形成されている。光学検知部１４２は、この穴の有無を光学的に検知する。光学検知部１４２の検知結果により、操作部材１０２の回転角が検出される。

なお、回転角センサ１０５は、上述したロータリーエンコーダ１４０に限定されず、他の種々の方法により回転角を検出してもよい。例えば、回転角センサ１０５は、シャフト１１２に固定された永久磁石による磁界の変化に基づいて回転角を検出してもよいし、シャフト１１２の回転に応じて抵抗値や他の物理量が変化するセンサにより回転角を検出してもよい。

（処理部１０８）
処理部１０８は、回転型操作装置１００の動作に関わる制御やデータの入出力などの処理を実行する装置であり、例えば記憶部１０９に格納されるプログラム１５５に基づいて種々の処理を実行するコンピュータを含む。処理部１０８は、全ての処理をコンピュータによって実行しても良いし、少なくとも一部の処理を専用のハードウェア（ロジック回路）で実行してもよい。

処理部１０８は、駆動機１０６及び制動機１０７の制御に関わる処理を行う構成要素として、制御部１５１を含む。

制御部１５１は、回転角センサ１０５において検出された回転角に応じて、駆動機１０６の駆動トルクＴｄと制動機１０７の制動トルクＴｂとの和である制御トルクＴ１を制御する。すなわち、制御部１５１は、一方向に変化する操作部材１０２の回転角が第１区間Ｒ１にある場合、回転角の変化に伴って、操作部材１０２の回転を促進する方向（以下、「促進方向」と記す場合がある。）から当該回転を抑制する方向（以下、「抑制方向」と記す場合がある。）へ制御トルクＴ１を変化させる。また、制御部１５１は、一方向に変化する回転角が第２区間Ｒ２にある場合、回転角の変化に伴って、抑制方向から促進方向へ制御トルクＴ１を変化させる。

なお、第１区間Ｒ１及び第２区間Ｒ２は、操作部材１０２を回転させることが可能な回転角の範囲において設定された区間であり、交互に並んでいる。回転角の範囲の少なくとも一部が、交互に並んだ第１区間Ｒ１と第２区間Ｒ２とに区分されている。すなわち、回転角の変化可能な範囲において、複数の第１区間Ｒ１が設定されており、連続する２つの第１区間Ｒ１の間が第２区間Ｒ２となっている。

また、制御部１５１は、第１区間Ｒ１において制御トルクＴ１が促進方向から抑制方向へ遷移する所定の遷移領域を回転角が通過する場合、制動機１０７の制動トルクＴｂをパルス状に増大させる。

更に、制御部１５１は、２つの連続する遷移領域の間における抑制方向の制御トルクＴ１のピークを、遷移領域における抑制方向の制御トルクＴ１のピークより小さくする。

制御部１５１は、このような制御トルクＴ１の制御を、例えば記憶部１０９に格納されるパターンデータ１５６に基づいて行う。すなわち、制御部１５１は、操作部材１０２の回転角と第１制御信号Ｄ１の信号値との予め設定された対応関係、及び、操作部材１０２の回転角と第２制御信号Ｄ２の信号値との予め設定された対応関係に基づいて、回転角の検出値に対応した信号値を持つ第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２を生成する。パターンデータ１５６は、操作部材１０２の回転角と第１制御信号Ｄ１の信号値との対応関係、及び、操作部材１０２の回転角と第２制御信号Ｄ２の信号値との対応関係を定めたデータである。制御部１５１は、パターンデータ１５６を参照して、回転角の検出値に応じた第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２を生成する。

図４は、制御部１５１の構成の一例を示すブロック図である。図４の例において、制御部１５１は、角度データ生成部１６１と、第１制御信号生成部１６２と、第２制御信号生成部１６３を含む。

角度データ生成部１６１は、回転角センサ１０５における回転角の検出値に応じた角度データＡを生成する。例えば角度データ生成部１６１は、操作部材１０２を回転することが可能な範囲における回転角の検出値を、この範囲に含まれる複数の角度範囲の各々における相対的な回転角を表す角度データＡに変換する。具体例として、回転可能な範囲に制限がなく、１回転（３６０°）の範囲が１２個の角度範囲に分かれており、各角度範囲が３０°の幅を持つものとする。この場合、角度データ生成部１６１は、回転角の検出値が０°から３６０°まで変化する間に、角度データＡを０°から３０°まで１２回変化させる。

第１制御信号生成部１６２は、パターンデータ１５６に含まれる第１制御信号Ｄ１の信号値と角度データＡとの対応関係に基づいて、角度データＡに対応した信号値を持つ第１制御信号Ｄ１を生成する。
第２制御信号生成部１６３は、パターンデータ１５６に含まれる第２制御信号Ｄ２の信号値と角度データＡとの対応関係に基づいて、角度データＡに対応した信号値を持つ第２制御信号Ｄ２を生成する。

図５は、回転角に応じて変化する第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２と、これに対応する駆動トルクＴｄ及び制御トルクＴ１の例を示す図である。図５における横軸は、操作部材１０２の回転方向を正とする一方向への回転角の変化を示す。図５における正の第１制御信号Ｄ１は、抑制方向に駆動トルクＴｄを発生させることを示し、負の第１制御信号Ｄ１は、促進方向に駆動トルクＴｄを発生させることを示す。図５における正の駆動トルクＴｄは抑制方向のトルクを示し、負の駆動トルクＴｄは促進方向のトルクを示す。図５における第２制御信号Ｄ２は、制動トルクＴｂの大きさを指定する。図５における制御トルクＴ１は、駆動トルクＴｄと制動トルクＴｂとの和を示しており、正負の符号の意味は駆動トルクＴｄと同じである。

操作部材１０２の回転方向を右回りと左回りとで反転させる場合、例えば制御部１５１は、それぞれの回転方向において図５と同様な第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２を生成してよい。この場合、それぞれの回転方向において、図５における正の第１制御信号Ｄ１は、抑制方向に駆動トルクＴｄを発生させることを示し、負の第１制御信号Ｄ１は、促進方向に駆動トルクＴｄを発生させることを示す。

図５に示すように、連続する２つの角度範囲Ｒ０−１及びＲ０−２において、回転角の変化に対する第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２の変化のパターンが同一となっている。１回転の範囲（３６０°）には、角度範囲Ｒ０−１、Ｒ０−２と同様な複数の角度範囲が含まれる。これらの複数の角度範囲を区別せずに「Ｒ０」と呼ぶ。角度データ生成部１６１は、それぞれの角度範囲Ｒ０において、始点から終点に向かって同様に変化する角度データＡを生成する。これにより、第１制御信号生成部１６２及び第２制御信号生成部１６３は、それぞれの角度範囲Ｒ０において同様に変化する第１制御信号Ｄ１及び第２制御信号Ｄ２を生成する。

図５の例において、１つの角度範囲Ｒ０には、第１区間Ｒ１と第２区間Ｒ２が含まれる。角度データが「Ａ１」から「Ａ３」までの第１区間Ｒ１において、第１制御信号Ｄ１は負のピーク値ＤＬ１から正のピーク値ＤＨ１へ連続的に変化し、駆動トルクＴｄは負のピーク値ＴＬ１から正のピーク値ＴＨ１へ連続的に変化する。第１区間Ｒ１の角度データＡ２において、第１制御信号Ｄ１がゼロになり、これに対応して駆動トルクＴｄもゼロになる。

角度データが「Ａ３」から「Ａ１」までの第２区間Ｒ２において、第１制御信号Ｄ１は正のピーク値ＤＨ１から負のピーク値ＤＬ１へ連続的に変化し、駆動トルクＴｄは正のピーク値ＴＨ１から負のピーク値ＴＬ１へ連続的に変化する。第２区間Ｒ２の角度データＡ４において、第１制御信号Ｄ１がゼロになり、これに対応して駆動トルクＴｄもゼロになる。

角度データが「Ａ１」から「Ａ２」までの第１サブ区間Ｓ１と、角度データが「Ａ４」から「Ａ１」までの第４サブ区間Ｓ４では、駆動トルクＴｄが負であるため、駆動トルクＴｄが促進方向に働く。角度データが「Ａ２」から「Ａ３」までの第２サブ区間Ｓ２と、角度データが「Ａ３」から「Ａ４」までの第３サブ区間Ｓ３では、駆動トルクＴｄが正であるため、駆動トルクＴｄが抑制方向に働く。

図５の例において、第２制御信号Ｄ２は、第１区間Ｒ１の遷移領域Ｕにおいて値ＤＨ２設定され、遷移領域Ｕ以外では値ＤＨ２より小さな値ＤＬ２に設定される。すなわち、第２制御信号Ｄ２は、遷移領域Ｕにおいてパルス状に増大する。そのため、制動機１０７の制動トルクＴｂも、遷移領域Ｕにおいてパルス状に増大する。

制御トルクＴ１は、駆動トルクＴｄと制動トルクＴｂとの和であるため、図５に示す制御トルクＴ１のグラフは、図５に示す駆動トルクＴｄのグラフを、定常的な制動トルクＴｂの値ＴＭ３だけ正方向にシフトさせたものになる。定常的な制動トルクＴｂの値ＴＭ３は、第２制御信号Ｄ２の値ＤＬ２に対応するトルク値である。

図５に示す制御トルクＴ１のグラフにおける点線の部分は、第２制御信号Ｄ２が常に値ＤＨ２に設定された場合（遷移領域Ｕでのパルス状の増大がない場合）の制御トルクＴ１を示す。この点線のグラフにおいて、制御トルクＴ１がゼロとなる角度データＡ５は、制御トルクＴ１が促進方向から抑制方向へ遷移する回転角である。この回転角（以下、「安定点」と記す場合がある。）では、操作部材１０２の回転を安定的に停止させ易くなる。遷移領域Ｕは、制御トルクＴ１が促進方向から抑制方向へ遷移する領域、すなわち、安定点（角度データＡ５）を含む領域に設定される。

制御トルクＴ１は、遷移領域Ｕ以外において、抑制方向のピーク値が「ＴＨ３」、促進方向のピーク値が「ＴＬ３」となっている。遷移領域Ｕにおいて、制御トルクＴ１の抑制方向のピーク値は「ＴＰ」となっている。遷移領域Ｕにおける抑制方向のピーク値ＴＰは、遷移領域Ｕ以外における抑制方向のピーク値ＴＨ３よりも大きい。

（記憶部１０９）
記憶部１０９は、処理部１０８において処理に使用される定数データや変数データ、処理の結果として得られたデータなどを記憶する。処理部１０８がコンピュータを含む場合、記憶部１０９は、コンピュータにおいて実行されるプログラム１５５を記憶してもよい。記憶部１０９は、例えば、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリ、ハードディスクなどを含んで構成される。

（インターフェース部１１０）
インターフェース部１１０は、回転型操作装置１００と他の装置（回転型操作装置１００から操作情報を入力して処理に使用するホストコンピュータ等）との間でデータをやり取りするための回路である。処理部１０８は、記憶部１０９に記憶される情報（操作部材１０２の回転操作に関わる操作情報など）をインターフェース部１１０から図示しない装置へ出力する。

また、インターフェース部１１０は、処理部１０８のコンピュータにおいて実行されるプログラム１５５をネットワーク上のサーバなどから取得して、記憶部１０９にロードしてもよい。他の例において、インターフェース部１１０は、非一時的な有形の媒体（光ディスク、ＵＳＢメモリ等）からプログラム１５５を読み出して記憶部１０９に保存する読み取り装置を含んでいてもよい。

ここで、上述した構成を有する回転型操作装置１００において実行される制御信号（Ｄ１，Ｄ２）の生成に関わる処理について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。図６のフローチャートの処理は、例えば、回転角センサ１０５の検出結果を所定の周期で取得する度に実行される。

制御部１５１は、回転角センサ１０５における操作部材１０２の回転角の検出値を取得し（ＳＴ１００）、今回の回転角の検出値と前回の回転角の検出値とを比較して、操作部材１０２が一方向に回転しているか否かを判定する（ＳＴ１０５）。操作部材１０２が一方向に回転していない場合（回転方向が反転した場合）、制御部１５１は、以降のステップを実行せずに処理を終了する（ＳＴ１０５のＮｏ）。

操作部材１０２が一方向に回転している場合（ＳＴ１０５のＹｅｓ）、制御部１５１は、回転角が含まれる区分に応じて、制御トルクＴ１を制御する。回転角が第１区間Ｒ１にあり（ＳＴ１１０のＹｅｓ）、かつ、回転角が遷移領域Ｕにある場合（ＳＴ１１５のＹｅｓ）、制御部１５１は、制動トルクＴｂをピーク状に増大させる第２制御信号Ｄ２を生成する（ＳＴ１２０）。具体的には、図５の例において、制御部１５１は第２制御信号Ｄ２の値を「ＤＨ２」に設定する。

回転角が第１区間Ｒ１にあり（ＳＴ１１０のＹｅｓ）、かつ、回転角が遷移領域Ｕ以外にある場合（ＳＴ１１５のＮｏ）、制御部１５１は、制御トルクＴ１を促進方向から抑制方向に向かって変化させる（ＳＴ１２５）。具体的には、図５の例において、制御部１５１は制御トルクＴ１を正方向へ増大させる。

回転角が第２区間Ｒ２にある場合（ＳＴ１３０のＹｅｓ）、制御部１５１は、制御トルクＴ１を抑制方向から促進方向に向かって変化させる（ＳＴ１３５）。具体的には、図５の例において、制御部１５１は制御トルクＴ１を負方向へ増大させる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転型操作装置１００では、第１区間Ｒ１において抑制方向の制御トルクＴ１が回転角の変化とともに大きくなると、操作部材１０２の回転とともに抵抗力が増す感覚が得られる。その後、回転角が第１区間Ｒ１から第２区間Ｒ２へ移り、抑制方向の制御トルクＴ１が回転角の変化とともに小さくなると、操作部材１０２の回転とともに抵抗力が軽くなる感覚が得られる。第２区間Ｒ２の途中で、促進方向の制御トルクＴ１が回転角の変化とともに大きくなると、操作部材１０２の回転とともに引き込み力が増す感覚が得られる。そして、回転角が第２区間Ｒ２から第１区間Ｒ１へ移り、促進方向の制御トルクＴ１が回転角の変化とともに小さくなると、操作部材１０２の回転とともに引き込み力が弱くなる感覚が得られる。このような制御トルクＴ１の変化が生じることにより、制御トルクＴ１が促進方向から抑制方向へ遷移する第１区間Ｒ１の領域において、操作部材１０２の回転を安定的に停止させ易くなる。また、この第１区間Ｒ１及び第２区間Ｒ２を通した制御トルクＴ１の変化により、回転操作に伴うクリック感が生成される。ただし、第１区間Ｒ１及び第２区間Ｒ２を通した制御トルクＴ１の変化により得られるクリック感は、主に駆動トルクＴｄのリップル的な変化によるものであり、急峻なトルクの変化で得られるクリック感ではないため、明瞭性に乏しい。

そこで、本実施形態に係る回転型操作装置１００では、制御トルクＴ１が促進方向から抑制方向へ遷移する遷移領域Ｕを回転角が通過する場合において、摩擦力による制動トルクＴｂがバルス状に増大する。摩擦力による制動トルクＴｂは、急峻に増大させても電動機の駆動トルクのような振動を生じない。そのため、回転角が遷移領域Ｕを通過するときに、制御トルクＴ１に振動的な変化を生じることなく、より明瞭なクリック感を生成することができる。

一般に、人の負荷の感覚には、大きな負荷を感じるほど、微小な負荷の変化を感じ難くなる特性がある。操作部材１０２を速く回転させるほど、その運動エネルギーが大きくなり、回転操作の負荷を重く感じるようになるため、微小な負荷の変化であるクリック感を感じ難くなる。しかも、人の触覚は周波数特性を持っており、周波数が高くなるほど圧力の変化を感じ難くなる特性がある。従って、操作部材１０２を速く回転させるほど、駆動トルクＴｄのリップル的な変化は感覚的に平均化されてしまい、クリック感として更に感じ難くなる。本実施形態に係る回転型操作装置１００によれば、遷移領域Ｕにおいて摩擦力による制動トルクＴｂをパルス状に増大させるため、操作部材１０２を速く回転させた場合、このパルス状の制動トルクＴｂは振動として感じられ易くなる。人の触覚において、振動の感覚は高い周波数でも維持され易いため、摩擦力によるパルス状の制動トルクＴｂは、操作部材１０２を速く回転させた場合でも、クリック感として明瞭に感じることができる。すなわち、本実施形態に係る回転型操作装置１００では、高速な回転操作でも明瞭なクリック感を生成できる。

しかも、本実施形態に係る回転型操作装置１００では、操作部材１０２の回転を安定的に停止させ易くなる遷移領域Ｕにおいて、制動トルクＴｂが増大するため、この大きな制動トルクＴｂによって遷移領域Ｕでの回転の停止が補助される。通常、人が回転操作を停止するためには、操作部材の慣性トルクに逆らう力を余分に出す必要がある。余分な力を出すと、それが疲れの感覚を生じさせて、操作感触の質が低下する。制動トルクＴｂによって回転の停止が補助される本実施形態によれば、回転を停止するための余分な力が減り、このような補助がない場合に比べて疲れを感じ難くなるため、操作感触の質を高めることができる。

従来、クリック感を機械的に発生させる方法として、凹凸のあるカム面に弾性体で付勢された金属球などの当接部材を押し当てる方法が一般的に知られている。凹部が当接部材の安定点になっており、１つの凹部から別の凹部へ凸部を乗り越えて当接部材が移動するときにクリック感が発生する。このようなクリック機構では、安定点である凹部において摩擦力が最小となり、不安定点である凸部において摩擦力が最大となる。そのため、安定点において当接部を停止させる際、摩擦力の補助が小さいため、疲れを感じ易くなり、操作感触の質を高め難いという不利益がある。また、不安定点で摩擦力が大きいことから、軽快な操作感触を得難いという不利益もある。これに対して、本実施形態に係る回転型操作装置１００によれば、２つの連続する遷移領域Ｕの間における抑制方向の制御トルクＴ１を、遷移領域Ｕにおける抑制方向の制御トルクに比べて相対的に小さくすることができる。そのため、機械的にクリック感を生成する場合に比べて操作感触を軽快にすることができるとともに、疲れを感じ難い良好な操作感触を得ることができる。

更に、本実施形態に係る回転型操作装置１００によれば、第１制御信号Ｄ１に応じた駆動トルクＴｄが駆動機１０６において発生し、第２制御信号Ｄ２に応じた制動トルクＴｂが制動機１０７において発生する。そのため、駆動トルクＴｄと制動トルクＴｂとの組み合わせにより、様々な操作感触を生み出す制御トルクＴ１を生成できる。

また、本実施形態に係る回転型操作装置１００よれば、磁気粘性流体１３４の粘性を磁界制御部１３２の磁界で変化させることにより、操作部材１０２に印加される制動トルクＴｂが変化する。従って、操作部材１０２に機械的な摩擦力を加える方法に比べて、制動トルクＴｂの精密な制御が可能になる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。

例えば、上述した実施形態における図５の例では、遷移領域Ｕ以外の回転角において、第２制御信号Ｄ２の値を「ＤＬ２」に設定し、これにより一定の制動トルクＴｂ（＝ＴＭ３）を発生させているが、本発明はこの例に限定されない。本発明の他の例では、例えば図７に示すように、遷移領域Ｕ以外の回転角における定常的な制動トルクＴｂをゼロ（若しくは最小値）に設定してもよい。これにより、遷移領域Ｕにおいて明瞭なクリック感を生成しつつ、全体として軽い操作感触を得ることができる。

また、遷移領域Ｕ以外の回転角における第２制御信号Ｄ２の値は、図５の例のように一定である必要はなく、回転角に応じて変化させてもよい。これにより、軽快感や重厚感など、所望の操作感触を得ることが可能になる。

また、上述した実施形態では、遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂの設定値を一定にしているが、本発明はこの例に限定されない。本発明の他の例では、回転角センサ１０５において検出された回転角に基づいて回転速度（角速度）を算出し、遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂを回転速度に応じて変化させてもよい。例えば、回転速度が速くなるほど遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂを大きくしてもよい。

図８は、本発明の一変形例における制御部１５１Ａの構成の一例を示すブロック図である。図８に示す制御部１５１Ａは、図４に示す制御部１５１と同様な構成に加えて、角速度算出部１６４を有する。角速度算出部１６４は、回転角センサ１０５において検出された回転角に基づいて、操作部材１０２の回転の角速度を算出する。第２制御信号生成部１６３は、角速度算出部１６４において算出された角速度に応じて、遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂを変化させる。例えば第２制御信号生成部１６３は、角速度が大きくなるほど、遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂを大きくする。

このように、遷移領域Ｕにおける制動トルクＴｂを操作部材１０２の回転速度に応じて変化させることにより、回転速度に応じた知覚の変化によるクリック感の強さの変化を抑制し、安定したクリック感を生成することが可能になる。

上述した実施形態において挙げられている操作部材１０２の形状や構造、駆動機１０６における駆動トルクＴｄの発生手段、制動機１０７における制動トルクＴｂの発生手段、回転角センサ１０５における回転角の検出手段などは一例であり、それぞれ実施態様に合わせた他の形状、構造、機構、手段等に置き換え可能である。

１００…回転型操作装置、１０１…筐体、１０２…操作部材、１０５…回転角センサ、１０６…駆動機、１０７…制動機、１０８…処理部、１０９…記憶部、１１０…インターフェース部、１１１…ノブ、１１２…シャフト、１２０…電動機、１２１…回転子、１２２…固定子、１２３…駆動回路、１２４…駆動信号生成部、１３１…コイルケース、１３２…磁界制御部、１３３…対向面、１３４…磁気粘性流体、１３５…抵抗盤、１３６…駆動回路、１３７…駆動信号生成部、１４０…ロータリーエンコーダ、１４１…検出盤、１４２…光学検知部、１５１…制御部、１５５…プログラム、１５６…パターンデータ、１６１…角度データ生成部、１６２…第１制御信号生成部、１６３…第２制御信号生成部、１６４…角速度算出部、Ｄ１…第１制御信号、Ｄ２…第２制御信号、Ｔ１…制御トルク、Ｔｄ…駆動トルク、Ｔｂ…制動トルク、ＡＸ…回転軸

Claims (10)

1. 回転操作に応じて回転可能な操作部材と、
   前記操作部材の回転角を検出する回転角センサと、
   前記操作部材を回転駆動する駆動機と、
   前記操作部材の回転を摩擦力により制動する制動機と、
   前記回転角センサにおいて検出された前記回転角に応じて、前記駆動機の駆動トルクと前記制動機の制動トルクとの和である制御トルクを制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、
   前記回転角の一方向への変化に伴って、前記操作部材の前記回転を促進する促進方向から当該回転を抑制する抑制方向へ前記制御トルクを変化させ、
   前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する遷移領域を前記回転角が通過する場合、前記制動トルクをパルス状に増大させる、
   回転型操作装置。
2. 前記回転角の変化可能な範囲において、前記遷移領域をそれぞれ含んだ複数の区間が設定されており、
   前記制御部は、前記複数の区間の各々において、前記回転角の前記一方向への変化に伴って、前記促進方向から前記抑制方向へ前記制御トルクを変化させる、
   請求項１に記載の回転型操作装置。
3. 前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間における前記抑制方向の前記制御トルクのピークを、前記遷移領域における前記抑制方向の前記制御トルクのピークより小さくする、
   請求項２に記載の回転型操作装置。
4. 前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間における前記制動トルクを最小値に設定する、
   請求項２又は３に記載の回転型操作装置。
5. 前記制御部は、２つの連続する前記遷移領域の間において、前記制動トルクを一定の値に保持するか、又は、前記制動トルクを前記回転角に応じて変化させる、
   請求項２又は３に記載の回転型操作装置。
6. 前記制御部は、
   前記回転角センサにおいて検出された前記回転角に応じて回転速度を算出し、
   前記遷移領域における前記制動トルクを前記算出した回転速度に応じて変化させる、
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転型操作装置。
7. 前記制御部は、前記回転速度が速くなるほど前記遷移領域における前記制動トルクを大きくする、
   請求項６に記載の回転型操作装置。
8. 前記制動機は、前記操作部材に接触した磁気粘性流体と、前記制御部の指示に応じた磁界を発生し、当該磁界により前記磁気粘性流体の粘性を変化させる磁界制御部とを含む、
   請求項１乃至７の何れか一項に記載の回転型操作装置。
9. 回転操作に応じて回転可能な操作部材に印加する制御トルクの制御を行う回転型操作装置の制御方法であって、
   前記回転型操作装置は、
   前記操作部材の回転角を検出する回転角センサと、
   前記操作部材を回転駆動する駆動機と、
   前記操作部材の回転を制動する制動機と
   を有し、
   前記制御トルクは、前記駆動機の駆動トルクと前記制動機の制動トルクとの和であり、
   前記回転角の一方向への変化に伴って、前記操作部材の回転を促進する促進方向から当該回転を抑制する抑制方向へ前記制御トルクを変化させることと、
   前記制御トルクが前記促進方向から前記抑制方向へ遷移する遷移領域を前記回転角が通過する場合、前記制動トルクをパルス状に増大させることとを有する、
   回転型操作装置の制御方法。
10. 請求項９に記載の回転型操作装置の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
    

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