JP6805370B2 - 入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘性流体を用いて回転抵抗を変化させることができる入力装置に関する。

特許文献１に記載の力覚付与型入力装置は、手動で回転操作されるノブと、このノブの回転角を検出し、その回転角に相当する回転角信号を出力するロータリエンコーダと、ノブに回転力を付与可能なモータと、ノブの回転を阻止可能な電磁ブレーキと、電磁ブレーキによりノブの回転が阻止された状態においてノブに与えられる操作力の回転方向を検出し、その回転方向に相当する回転方向信号を出力する歪みゲージと、回転角信号及び回転方向信号に応じてモータ及び電磁ブレーキを制御するコントローラとを備える。これによりノブのロックを解除する際の操作性の優れた力覚付与型入力装置を提供する。

特開２００４−３４２０１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の入力装置においては、歪みゲージが、ノブと電磁ブレーキとを連結する駆動軸の周側面に取り付けられているため、歪みゲージから信号を取り出すための配線を、ノブ・電磁ブレーキ・モータを含む回転機構内で引き回さなければならない。このため、配線や回転機構の構成が複雑化し、また、配線があることによってノブの回転角度などに制約が生じるおそれがあり、さらに、駆動軸に沿った方向において小型化するのが困難であった。

そこで本発明は、回転機構内に配線を設けることがなく、これにより、簡単な回転機構の構成を実現し、かつ、駆動軸方向において小型化が可能な入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の入力装置は、固定部と、回転自在となるように固定部に支持された回転体と、回転体の回転角度を検出する回転検出部と、回転体にブレーキ力を付与するブレーキ付与部と、回転体に駆動トルクを付与するトルク付与部と、ブレーキ付与部及びトルク付与部を制御する制御部とを備えた入力装置であって、ブレーキ付与部は、磁気粘性流体と、磁気粘性流体に磁界を与えるブレーキ付与コイルと、磁気粘性流体の粘度によって制動トルクが変化する軸部と、軸部に設けられるとともに、回転体に設けられたギヤに噛合する伝達ギヤとを有し、軸部は、回転体の径方向において回転体の外側に位置することを特徴としている。
これによれば、回転体やトルク付与部といった回転機構内に配線を設けることがなくなるため、回転機構を簡単な構成とすることができ、これによって、回転体の駆動軸（回転軸）の方向において小型化が可能な入力装置を提供することが可能となる。

本発明の入力装置において、固定部は、非磁性体からなり、回転体の回転軸方向に延びる筒状の支持部を備えており、トルク付与部は、支持部の外周面に対して、その周方向に沿って配置された複数のトルク付与コイルと、複数のトルク付与コイルと間隙を有して対向配置するように、複数のトルク付与コイルの外側に環状に配置された磁石とを備え、磁石は回転体の内側において回転体と一体に回転するように配置され、制御部は、回転検出部が検出した、回転体の回転角度に応じて複数のトルク付与コイルに与える電流を制御することが好ましい。
これにより、各トルク付与コイルに与える電流を制御することによって、回転体に駆動トルクを付与することができる。また、非磁性体の支持部がトルク付与コイルを保持する構成であるため、磁石の相対位置によって磁気吸引力が変化することを抑えることができる。

本発明の入力装置において、ブレーキ付与部は、軸部に接続された回転板と、ブレーキ付与コイルの発生する磁界を誘導するヨークとを備え、ヨークは、回転板の一方の面から回転板の他方の面へ磁界が通過するように、回転板の一方の面及び回転板の他方の面と互いに対向し、かつ隙間を設けて配置され、磁気粘性流体は隙間に介在し、制御部は、回転体の回転角度に応じてブレーキ付与コイルに与える電流を制御することが好ましい。
これにより、トルク付与部の与える駆動トルクの可変制御に加えて、所望の大きさのブレーキ力を自在に可変制御することが可能となるため、回転体を操作する操作者に対して多様な操作感触を与えることができる。

本発明の入力装置において、ギヤは第１ギヤと第２ギヤとを有し、第１ギヤは回転体に対して固定配置され、第２ギヤは、第１ギヤと同一のピッチで歯が設けられ、且つ、ピッチズレするように、周方向に付勢されて配置されていることが好ましい。
これにより、回転体へのブレーキ力の付与の解除時などにおいてバックラッシュを抑えることが可能となる。

本発明の入力装置において、固定部とブレーキ付与部とを互いに接続するフレームと、フレームの歪みを検出する歪みゲージとを備えることが好ましい。
これにより、歪みゲージによる検出結果に基づいて、回転体に対して与えるブレーキ力を解除することができる。

本発明によると、回転機構内に配線を設けることがなく、これにより、簡単な回転機構の構成を実現し、かつ、駆動軸方向において小型化が可能な入力装置を提供することができる。

（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図である。 図１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置の分解斜視図である。 図１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置の分解斜視図である。 図１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置の機能ブロック図である。 回転体、第１ギヤ、及び、第２ギヤを省略した斜視図である。 図５に示す入力装置の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、コイル部の空心コイルと、磁石部の磁石との関係を示す平面図である。 第２ギヤを組み付けていない状態の入力装置の平面図である。 入力装置において第２ギヤを分離して下側から見た分解斜視図である。 ブレーキ付与部の回転軸に沿った断面図である。 図１０の一部拡大図である。 ブレーキ付与部とフレームの関係を示す一部分解斜視図である。 伝達ギヤと、第１ギヤ及び第２ギヤとの噛み合い状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る入力装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る入力装置１０の構成を示す斜視図である。図２と図３は、図１（ａ）、（ｂ）に示す入力装置１０の分解斜視図である。図４は入力装置１０の機能ブロック図である。図５は、回転体５０、第１ギヤ５１、及び、第２ギヤ５２を省略した斜視図である。図６は図５に示す状態の入力装置１０の分解斜視図である。

図２に示すように、本実施形態の入力装置１０は、固定部２０と、回転検出部３０と、トルク付与部４０と、回転体５０と、第１ギヤ５１と、第２ギヤ５２と、ブレーキ付与部６０と、フレーム８０と、歪みゲージ８１とを備え、図１に示すように組み上げて使用される。入力装置１０はさらに、図４に示す制御部９０を備える。

＜固定部＞
固定部２０は、非磁性体からなる板材である。図２と図３に示すように、固定部２０の上には、円筒状の支持部２１が設けられている。固定部２０においては、支持部２１の中空部分に対応する領域が上下に貫通する開口２２（図１、図３）となっている。支持部２１は、非磁性体からなり、回転体５０の回転軸ＡＸ１（駆動軸）と同心状に延びるように設けられている。

＜トルク付与部＞
図２に示すように、トルク付与部４０は、コイル部４１と、磁石部４２と、コイルホルダ４３ａ、４３ｂとを備える。
コイル部４１は、支持部２１の外周面２１ａ（図６参照）に対して、その周方向に沿って支持部２１の外側に配置された、８枚のトルク付与コイル（空心コイル４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ）を備える（図７参照）。これら８枚の空心コイル４１ａ〜４１ｈは、回転軸ＡＸ１を中心とした円上に等角度間隔で配置されており、それぞれが、回転軸ＡＸ１から円周へ向かう径方向の線を中心として巻かれている。これらの空心コイル４１ａ〜４１ｈのそれぞれには制御部９０から電流が印加される（図４参照）。

図７（ａ）〜（ｄ）は、コイル部４１の空心コイル４１ａ〜４１ｈと、磁石部４２の磁石４２ａ〜４２ｆとの関係を示す平面図である。図７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、空心コイル４１ａ〜４１ｈに対する通電を切り替えた際に磁石４２ａ〜４２ｆが安定する位置、すなわち最大トルクが発生している位置を示している。また、空心コイル４１ａ〜４１ｈに対して電流を印加したときの電流の上下方向（回転軸ＡＸ１に沿った方向）の向きを示しており、「×」は紙面下向き、「●」（黒丸）は紙面上向きを意味している。

図１、図５、及び図６に示すように、８枚の空心コイル４１ａ〜４１ｈは、２つのコイルホルダ４３ａ、４３ｂによって位置決め・保持される。２つのコイルホルダ４３ａ、４３ｂはリング状をなしており、上下方向に所定間隔をおいて配置され、それぞれの内周面に上記空心コイル４１ａ〜４１ｈの上端部及び下端部がそれぞれ固定されている。下側のコイルホルダ４３ｂは固定部２０上に固定される。これによって、図５に示すように、下側のコイルホルダ４３ｂは、支持部２１の外側に配置される。この位置は、後述のエンコーダディスク３１の位置する領域の内側である。

図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、空心コイルに対する電流の印加は、隣り合う２つの空心コイルと、これら２つの空心コイルに対して回転軸ＡＸ１に関して対称となる位置で隣り合う２つのコイルとの合計４つのコイル（１組のコイル）に対して行われる。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、隣り合う２つの空心コイル４１ｂ、４１ｃと、これらに対して回転軸ＡＸ１に関して対称となる２つの空心コイル４１ｆ、４１ｇとの１組のコイルに電流が印加される状態をＡ相とし、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ａ相では電流が印加されなかった、別の１組のコイル、すなわち、隣り合う２つの空心コイル４１ｈ、４１ａと、これらに対して回転軸ＡＸ１に関して対称となる２つの空心コイル４１ｄ、４１ｅとに電流が印加される状態をＢ相とする。ここで、組をなす４つのコイルは直列に接続されている。すなわち、Ａ相に対応する４つの空心コイル４１ｂ、４１ｃ、４１ｆ、４１ｇが直列に接続され、Ｂ相に対応する４つの空心コイル４１ｈ、４１ａ、４１ｄ、４１ｅも直列に接続されている。

空心コイル４１ａ〜４１ｈへの通電は、操作部としての回転体５０が１２０度回転するごとに、上記Ａ相とＢ相の２相を切り替えるように制御されており、回転体５０が１回転する間に、図７（ａ）〜（ｄ）に示す状態が１２０度ごとに３回切り替わる。

図７（ａ）に示す状態においては、隣り合う２つの空心コイル４１ｂ、４１ｃには互いに逆向きの電流が印加される。さらに、回転軸ＡＸ１に関して空心コイル４１ｂと対称な位置にある空心コイル４１ｆには空心コイル４１ｂと逆向きの電流が印加され、空心コイル４１ｃと対称な位置にある空心コイル４１ｇには空心コイル４１ｃと逆向きの電流が印加される。これらにより、図７（ａ）において矢印で示すように、隣り合うコイルには逆向きの磁界が発生し、かつ、回転軸ＡＸ１に関して互いに対称な関係にある２つのコイルには同じ向きの磁界が発生する。
このような、空心コイルへの電流の印加及び磁界の発生の関係は、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）も同様である。

図２、図３、及び、図７に示すように、磁石部４２は、６枚の磁石４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆを備える。これらの磁石４２ａ〜４２ｆは、コイル部４１の空心コイル４１ａ〜４１ｈに対して径方向に所定の間隙を有して対向配置するように、これらの空心コイル４１ａ〜４１ｈの外側に配置されている。これらの磁石４２ａ〜４２ｆは、回転軸ＡＸ１を中心とした円上に等角度間隔で配置されており、それぞれが、回転軸ＡＸ１から円周へ向かう径方向に沿って磁極が配置されている。この磁極の配置は、隣り合う磁極が互いに逆向きとなるように設定されている。図７（ａ）〜（ｄ）においては、簡略化のために外側の磁極のみを示しており、例えば磁石４２ａにおいては、外側がＳ極であり、回転軸ＡＸ１に近い内側がＮ極となる。

このような構成において、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す４つのパターンで各空心コイルに電流を印加することによって、固定部２０に固定されたコイル部４１に対して、磁石部４２を、回転軸ＡＸ１を中心として相対的に回転又は回動させることができ、磁石部４２が固定された回転体５０も回転又は回動する。また、回転の駆動トルクの方向は、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す４つのパターンで印加する電流の向きで制御される。４つのパターンで印加する電流の向きを全て逆向きにすれば、逆方向の回転の駆動トルクが発生し、回転体５０は逆方向に回転又は回動する。さらに、各空心コイルに与える電流の大きさを制御部９０で制御することにより、回転体５０に任意の大きさの駆動トルクを付与することができる。また、空芯コイルと磁石の相対位置によって駆動トルクが変化することを抑えることができる。これによって、回転体５０を操作する操作者に対して、所定の操作感触を与えることができる。

一方、通常のモータのように磁性体のコアや磁石に対向する磁性体の凸極が配置されている場合には、磁石と磁性体との間に磁気吸引力が作用し、コイルに通電していない回転操作時であっても、磁気回路的なトルク変動であるコギングトルクを生じる。
これに対し、本実施形態では、磁性体のコアや凸極がない空心コイルが配置されていないため、コイルに通電していない状態での回転操作時にもコギングトルクは生じない。

さらに、本実施形態においては、空心コイルを非磁性体の支持部２１が保持する構成であるため、磁石と磁性体との間に生じる磁気吸引力を０にすることができる。このため、コイルに通電していない回転操作時に要求される理想状態、いわゆるトルクフリーに近づけることが可能である。
なお、コイル部４１の複数の空心コイルの数と磁石部４２の磁石の数の組み合わせは、本実施形態に示す組み合わせに限定されない。また、複数のトルク付与コイルは、空心コイルに限定されるものではなく、例えば非磁性体のコアを設け、そこに巻線を巻いたものであっても、磁気回路的に同じ状態であればよい。

＜回転体＞
図５に示すように、支持部２１の外周面２１ａ上であって、トルク付与部４０の上側のコイルホルダ４３ａの上側に、ベアリング５３が配置され、その内周面が上記外周面２１ａに固定されている。一方、ベアリング５３の外周面は、回転体５０の内周面に接触するように配置される。このベアリング５３によって、回転体５０が、回転軸ＡＸ１を中心に回動自在となるように支持される。

図１と図２に示すように、回転体５０は円筒形状を有し、その下端には外向きに歯が設けられた第１ギヤ５１が、回転体５０と同心状に設けられて固定配置されている。回転体５０は、コイル部４１、磁石部４２、及び支持部２１と同心となり、かつ、これらを覆うように配置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第１ギヤ５１上には、回転体５０の外周面に沿って第２ギヤ５２が配置されている。第１ギヤ５１と第２ギヤ５２は、同一半径の円板に対して同一のピッチで歯が設けられている。第２ギヤ５２は摺動性のよい材料、例えばポリアセタールで構成することが好ましい。

図８は、第２ギヤ５２を組み付けていない状態の平面図、図９は、第２ギヤ５２を分離して下側から見た分解斜視図である。図８と図９においては、ブレーキ付与部６０及びフレーム８０の図示を省略している。

図８に示すように、第１ギヤ５１の上面には、回転軸ＡＸ１に関して等角度間隔に、周方向に沿って延びる３つの凹部５１ａ、５１ｂ、５１ｃが設けられている。図９に示すように、第２ギヤ５２の下面にも、回転軸ＡＸ１に関して等角度間隔に、周方向に沿って延びる３つの凹部５２ａ、５２ｂ、５２ｃが設けられている。第２ギヤ５２は、凹部５２ａ、５２ｂ、５２ｃが、第１ギヤ５１の凹部５１ａ、５１ｂ、５１ｃとそれぞれ対応するように、第１ギヤ５１上に配置される。

第２ギヤ５２を第１ギヤ５１上に配置するときに、第１ギヤ５１の凹部５１ａ内には第１のばね５４ａ（図９）の一端が取り付けられ、この第１のばね５４ａの他端は第２ギヤ５２の凹部５２ａ内に取り付けられる。同様に、第１ギヤ５１の凹部５１ｂ内には第２のばね５４ｂ（図９）の一端が取り付けられ、この第２のばね５４ｂの他端は第２ギヤ５２の凹部５２ｂ内に取り付けられる。さらに、第１ギヤ５１の凹部５１ｃ内には第３のばね５４ｃ（図９）の一端が取り付けられ、この第３のばね５４ｃの他端は第２ギヤ５２の凹部５２ｃ内に取り付けられる。これらにより、３つのばね５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、第１ギヤ５１と第２ギヤ５２との間で、回転体５０の周方向５０ｃに沿うように配置される。これらのばね５４ａ、５４ｂ、５４ｃは圧縮ばねであって、その弾性力（反力）によって、第２ギヤ５２は回転体５０の周方向５０ｃに付勢される。

ここで、３つのばね５４ａ、５４ｂ、５４ｃの圧縮量は、第１ギヤ５１に対する第２ギヤ５２の位置をずらすことよって容易に調整可能であるため、入力装置１０の仕様に応じて任意に設定することができる。また、ばねの数は３つに限定されず、数を増減することによって、ばねによる弾性力（反力）を容易に変更することができる。

図３に示すように、第１ギヤ５１の底面には、外縁に沿って円環状の弾性プレート５６が設けられるとともに、この弾性プレート５６の内側に円環状のエンコーダディスク３１が設けられている。弾性プレート５６を設けることによって、回転体５０、第１ギヤ５１、及び第２ギヤ５２を固定部２０に組み付けたときに、固定部２０と第１ギヤ５１を適度に離間させることができるため、回転体５０を、回転軸ＡＸ１を中心にして回転させたときの、エンコーダディスク３１、第１ギヤ５１、及び、固定部２０の摩耗を抑えることができる。

エンコーダディスク３１は、回転体５０の周方向５０ｃに沿った円環状をなしており、その周方向に沿って、反射部と非反射部が交互に形成されている。エンコーダディスク３１は、回転体５０が回転軸ＡＸ１を中心にして回転すると第１ギヤ５１とともに回転する。

ここで、回転検出部３０は、上記エンコーダディスク３１と、固定部２０上に固定された検出基板３２と、検出基板３２上に設けられた検出素子３３とを備える（図５、図６参照）。

検出素子３３は発光素子と受光素子を有しており、発光素子は、固定部２０に組み付けられたエンコーダディスク３１上の所定範囲に対して検出光を出射する。受光素子は、エンコーダディスク３１の反射部からの反射光を受光し、この受光結果に基づいて、エンコーダディスク３１及び第１ギヤ５１が設けられた回転体５０の回転角度が検出される。この検出結果は制御部９０へ出力される。

以上の構成の回転体５０、第１ギヤ５１、及び、第２ギヤ５２は、コイル部４１、磁石部４２、及び支持部２１を覆うように、固定部２０に対して組み付けられる。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、組み付けられた回転体５０には、周方向５０ｃにおいて等角度間隔で配置された３つのねじ５５が径方向に挿通され、その先端が磁石部４２の外側面に螺合される。これによって回転体５０と磁石部４２が互いに固定され、回転体５０を、回転軸ＡＸ１を中心に回転させると、これにしたがって磁石部４２も一体となって回転し、コイル部４１の各空心コイルに電流を印加することによって磁石部４２を回転させると、その回転力が回転体５０に伝達され、駆動トルクが付与される。

図１（ａ）に示すように、３つのねじ５５は、上下方向において第２ギヤ５２の内周部の上面５２ｄに接する位置に配置されている。これにより、上下方向における、第２ギヤ５２の位置が規制され、かつ、上述の３つのばね５４ａ〜５４ｃの弾性力に抗して、第２ギヤ５２が周方向５０ｃに沿って回動可能となる。

＜ブレーキ付与部＞
図１０は、ブレーキ付与部６０の回転軸ＡＸ２に沿った断面図であって、フレーム８０とともに表示している。図１１は図１０の一部拡大図である。図１２は、ブレーキ付与部６０とフレーム８０の関係を示す一部分解斜視図である。図１３は、伝達ギヤ６３と、第１ギヤ５１及び第２ギヤ５２との噛み合い状態を示す斜視図である。図１３は、第３ヨーク６６ｃ、磁気粘性流体６４、及び、フレーム８０を省略して表示している。

図１０に示すように、ブレーキ付与部６０は、保持部（ハウジング）と可動部（可動部材）とを備える。

可動部は、軸部６２と、伝達ギヤ６３と、回転板６５とを含み、ブレーキ付与部６０の回転軸ＡＸ２を中心として回転自在に構成される。図１３に示すように、可動部における伝達ギヤ６３が第１ギヤ５１と第２ギヤ５２に噛み合うことによって、伝達ギヤ６３の回転に基づくブレーキ力が回転体５０側へ付与される。ブレーキ付与部６０の回転軸ＡＸ２は、ブレーキ付与部６０を、フレーム８０を介して固定部２０へ組み付けたときに、回転体５０の回転軸ＡＸ１と平行となり、上下方向に延びる。また、図１に示すように、ブレーキ付与部６０を固定部２０へ組み付けたときに、軸部６２を含むブレーキ付与部６０は、回転体５０の径方向５０ｒにおいて、回転体５０の外側に位置する。このように、ブレーキ力を付与するブレーキ付与部６０が、上下方向に沿って見た平面視において、回転体５０やトルク付与部４０といった回転機構よりも外側に配置されるため、上記回転機構の内部にブレーキ付与部６０に関わる配線を設ける必要がなくなる。したがって、回転機構を簡単な構成とすることができ、かつ、駆動軸である回転軸ＡＸ１方向における小型化を図ることができる。

可動部は、軸部６２と、伝達ギヤ６３と、軸部６２に対して同心状に接続された回転板６５とを含み、これらが一体となって回転軸ＡＸ２を中心として回転するように互いに連結される。図１０に示すように、可動部は、支持部材７０、ラジアル軸受７２、７３、及び、プッシャ７１を介して、回転可能な状態で保持部に支持される。軸部６２は、ラジアル軸受７３を介してフレーム８０に支持され、そのフレーム８０は、図１などに示すように、接着等によって固定部２０に固定される。また、回転板６５が配置される隙間６７には、磁気粘性流体６４が満たされている。

保持部は、３つのヨーク６６ａ、６６ｂ、６６ｃと、ブレーキ付与コイル６１と、スペーサ６９とを備える。図１と図１２に示すように、第３ヨーク６６ｃがフレーム８０に固定され、これによって、ブレーキ付与部６０はフレーム８０に固定される。

図１０に示すように、回転軸ＡＸ２に沿った上下方向において、回転板６５を挟む一方に第１ヨーク６６ａ、他方に第２ヨーク６６ｂが配置され、さらに、回転板６５の外側に第３ヨーク６６ｃが配置されている。第３ヨーク６６ｃは、非磁性材料で構成されるオーリング７４を介して、第２ヨーク６６ｂの外側に配置されるとともに、リング状のスペーサ６９を介して第１ヨーク６６ａの外側に配置されている。このスペーサ６９は、非磁性材料で構成され、ブレーキ付与コイル６１の上に重なるように配置される。これによって上下方向におけるブレーキ付与コイル６１の位置が定められる。３つのヨーク６６ａ、６６ｂ、６６ｃは、回転軸ＡＸ２に関して同心状に配置され、かつ、ブレーキ付与コイル６１を囲むように設けられている。図１０に示すように、第２ヨーク６６ｂと第３ヨーク６６ｃは径方向において互いに接続され、また、第３ヨーク６６ｃは第１ヨーク６６ａに対して上下方向において互いに接続されており、これらによってブレーキ付与コイル６１を囲む磁路が形成される。

なお、これら３つのヨーク６６ａ、６６ｂ、６６ｃは、それぞれ別々に加工されて形成されるが、いずれか２つ以上が組み合わされて一体に形成されていてもよい。

磁界発生部としてのブレーキ付与コイル６１は円環状をなしている（図１０、図１３参照）。ブレーキ付与コイル６１は、回転軸ＡＸ２の周りを回るように巻き付けられた導線を含むコイルである。ブレーキ付与コイル６１には、図示しない接続部材を介して、制御部９０（制御回路）（図４）から電流が供給される。ブレーキ付与コイル６１に電流が供給されると磁界が発生する。供給される電流は、検出素子３３による検出結果に基づいて制御部９０において制御される。

図１０に示すように、第２ヨーク６６ｂの径方向の中央には、上下方向に延びる支持部材７０が挿入されている。この支持部材７０によって、軸部６２の先端部６２ａが回転自在に支持される。

図１０と図１１に示すように、ブレーキ付与部６０においては隙間６７が形成されている。この隙間６７は、上下方向では、第２ヨーク６６ｂの下面と、第１ヨーク６６ａ及びスペーサ６９の上面に挟まれ、径方向においては、第３ヨーク６６ｃ及び軸部６２によって囲まれて形成される。この隙間６７の中には、回転軸ＡＸ２に直交する径方向に沿って延びるように回転板６５が配置されるとともに、回転板６５と第２ヨーク６６ｂの下面の間、及び回転板６５と第１ヨーク６６ａの上面の間に介在するように磁気粘性流体６４が満たされている。回転板６５は、回転軸ＡＸ２に沿った上下方向において、ブレーキ付与コイル６１と互いに重複するように配置される。

ここで、磁気粘性流体６４は、磁界が印加されると粘度が変化する物質であり、例えば、非磁性の液体（溶媒）中に磁性材料からなる粒子（磁性粒子）が分散された流体である。磁気粘性流体６４に含まれる磁性粒子としては、例えば、カーボンを含有した鉄系の粒子やフェライト粒子が好ましい。カーボンを含有した鉄系の粒子としては、例えば、カーボン含有量が０．１５％以上であることが好ましい。磁性粒子の直径は、例えば０．５μｍ以上が好ましく、さらには１μｍ以上が好ましい。磁気粘性流体６４は、磁性粒子が重力で沈殿しにくくなるように、溶媒と磁性粒子を選定することが望ましい。さらに、磁気粘性流体６４は、磁性粒子の沈殿を防ぐカップリング材を含むことが望ましい。

上述のように、ブレーキ付与コイル６１を囲むように、３つのヨーク６６ａ、６６ｂ、６６ｃが接続され、また、回転板６５を挟んで互いに対向するように、第１ヨーク６６ａと第２ヨーク６６ｂが配置されている。これによって、ブレーキ付与コイル６１が発生する磁界をヨーク６６ａ、６６ｂ、６６ｃに誘導し、閉ループにする磁路（磁気回路）が形成される。この構成において、ブレーキ付与コイル６１に電流を印加すると、磁束がブレーキ付与コイル６１の周りを通るような磁界が形成され、ブレーキ付与コイル６１に対して逆向きに電流を印加すると、逆向きの流れの磁界が形成される。例えば、回転軸ＡＸ２の方向に沿って、第１ヨーク６６ａ側から第２ヨーク６６ｂ側へ向かう磁束が、隙間６７内の回転板６５を通る。すなわち、回転板６５の一方の面（下面６５ａ）から、他方の面（上面６５ｂ）へ磁束（磁界）が通過する。この磁束は主に第２ヨーク６６ｂでは主に回転軸ＡＸ２から遠ざかる方向へ進み第３ヨーク６６ｃに至る。さらに、この磁束は、ブレーキ付与コイル６１の径方向外側において、回転軸ＡＸ２の方向に沿って上から下へ進む。

ここで、図１２に示すように、第２ヨーク６６ｂは略矩形の平面形状を有しているため、特に、前記平面の角部においては、ブレーキ付与コイル６１の外側に大きな空間が形成される。これにより、回転軸ＡＸ２の方向に沿って上から下へ進む磁路が広く確保される。また、第２ヨーク６６ｂが略矩形の平面形状を有しているため、ブレーキ付与部６０の組み立て性の向上に寄与している。

さらに、ブレーキ付与コイル６１の径方向外側において回転軸ＡＸ２の方向に沿って上から下へ進んだ磁束は、第３ヨーク６６ｃに至り、第３ヨーク６６ｃ内において回転軸ＡＸ２に近づく方向に進み、ブレーキ付与コイル６１の内側に対応する領域で、下から上へ、第１ヨーク６６ａ内を進み、再び回転板６５を通って第２ヨーク６６ｂに至る。ここで第１ヨーク６６ａ及び第３ヨーク６６ｃの外形は略矩形の平面形状を有しているため、特に、前記平面の角部においては、ブレーキ付与コイル６１の外側に大きな空間が形成される。これにより、回転軸ＡＸ２の方向に沿って下から上へ進む磁路が広く確保される。

このような磁路において、非磁性材料で構成されるスペーサ６９とオーリング７４がブレーキ付与コイル６１の上方に配置され、これによって磁気ギャップが設けられる。この磁気ギャップの近傍では、ブレーキ付与コイル６１が発生する磁界の磁束は、回転軸ＡＸ２に直交する径方向に沿って進行することが規制される。したがって、ブレーキ付与コイル６１の内側を下から上へ通過した磁束は、確実に回転板６５を通過して第２ヨーク６６ｂの上部へ進行し、また、ブレーキ付与コイル６１の外側では、確実に第３ヨーク６６ｃ内を上から下へ磁束が通過する。

次に、可動部の構造について説明する。
図１０に示すように、軸部６２は、回転軸ＡＸ２の方向に沿って延びる棒状材である。回転板６５は、回転軸ＡＸ２の方向に直交するように配置される円形平面を有する円板状をなし、磁性材料で構成される。回転板６５は軸部６２に対して固定される。

図１０に示すように、軸部６２は、ラジアル軸受７２、７３によって回転自在に支持され、上側の先端部６２ａが支持部材７０によってピボット支持される。上側のラジアル軸受７２は、プッシャ７１によって下方向に付勢され、プッシャ７１は、軸部６２の外周面と第１ヨーク６６ａの内周面との間において上下位置が維持されるように配置されたオーリング７５によって支持されている。これによってラジアル軸受７２は、回転軸ＡＸ２の方向の所定位置で支持される。また、軸部６２の下部は、フレーム８０に固定されたラジアル軸受７３によって回転可能に支持される。

ブレーキ付与コイル６１に対して制御部９０から電流が印加されると、上述したような磁界が発生し、回転板６５においては上下方向に沿った方向の磁束が通る。回転板６５の内部では、径方向に沿った磁束密度はわずかである。

磁気粘性流体６４においては、ブレーキ付与コイル６１による磁界が生じていないときには、磁性粒子は溶媒内で分散されている。したがって、回転板６５に制動トルクがはたらかず、軸部６２に連結して設けられた伝達ギヤ６３と噛み合った第１ギヤ５１と第２ギヤ５２に対してブレーキ力はほとんど与えられない。よって、操作者は、ブレーキ付与部６０から大きなブレーキ力を受けずに、回転体５０を回転操作することができる。

一方、ブレーキ付与コイル６１に電流を印加して磁界を発生させると、磁気粘性流体６４には上下方向に沿った磁界が与えられる。この磁界により、磁気粘性流体６４中で分散していた磁性粒子は磁力線に沿って集まり、上下方向に沿って並んだ磁性粒子が磁気的に互いに連結される。この状態において、連結された磁性粒子による抵抗力（制動トルク）が回転板６５にはたらくため、軸部６２に連結された伝達ギヤ６３から、これに噛み合う第１ギヤ５１と第２ギヤ５２にブレーキ力が与えられる。よって、回転体５０を回転操作すると、磁界を発生させていない状態と比べて操作者に抵抗力を感じさせることができる。磁界の強度を変化させるようにブレーキ付与コイル６１に印加する電流を制御すると、制動トルクの増減に伴って操作者の感じる抵抗力を増減させることができ、操作感触を変化させることができる。これにより、トルク付与部４０の与える駆動トルクの可変制御に加えて、ブレーキ付与部６０の制動トルクによって所望の大きさのブレーキ力を自在に可変制御することが可能となるため、回転体５０を操作する操作者に対して多様な操作感触を与えることができる。

制御部９０においては、検出素子３３によって検出された回転角度が、予め設定した所定角度に至ったときにブレーキ付与コイル６１に対して所定の電流を印加する。これによって生じる制動トルクによって、伝達ギヤ６３から、これに噛み合う第１ギヤ５１と第２ギヤ５２に対して強いブレーキ力が与えられ、回転体５０の操作者には仮想的な壁に当たって停まったような操作感触を与えられる（エンドストップ状態）。

ここで、上述のように、第２ギヤ５２においては、ばね５４ａ、５４ｂ、５４ｃの弾性力によって、回転体５０の周方向５０ｃに付勢されている。伝達ギヤ６３と噛み合う第１ギヤ５１との間、及び、伝達ギヤ６３と噛み合う第２ギヤ５２との間には、それぞれ噛み合いのための遊びがあるが、第１ギヤ５１と第２ギヤ５２の歯は周方向５０ｃにピッチずれした状態で伝達ギヤ６３と噛み合っている。エンドストップ状態で回転体５０を同方向に回転させようすると、第１ギヤ５１と第２ギヤ５２に対して強いブレーキ力がかかっているため、第１ギヤ５１と第２ギヤ５２の歯のピッチずれは小さく、又は、なくなっている。エンドストップ状態を解除する方向に回転体５０を回転操作するか、または回転体５０を操作する力を弱めたときには、ばね５４ａ、５４ｂ、５４ｃの弾性力によって、ピッチずれが回復する。このため、バックラッシュを抑えることが可能となる。

エンドストップ状態の解除は、フレーム８０に設けた歪みゲージ８１による検出結果に基づいて行う。図１に示すように、歪みゲージ８１は、ブレーキ付与部６０が固定されたフレーム８０において上下に延びる一対の側壁８０ａの一方に設けられており、フレーム８０に生じた歪みを検出し、検出結果は制御部９０へ出力される。上述のようにフレーム８０は固定部２０に固定されており、エンドストップ状態において強いブレーキ力がかかったときに回転体５０を同方向に回転させようとすると、第１ギヤ５１と第２ギヤ５２から伝達ギヤ６３を通じてフレーム８０に対して力が加えられ、フレーム８０に歪みが生ずる。一方、エンドストップ状態において回転体５０を操作する力を弱めたときには、フレーム８０に生じていた歪みが回復する。回転体５０を逆方向に操作すると、フレーム８０に生じていた歪みが解消し、もしエンドストップ解除されない場合には再びフレーム８０に逆向きの歪みが生ずる。このとき、制御部９０では、歪みゲージ８１からの検出結果が所定値を超えたときに、ブレーキ付与コイル６１に与えていた電流を減少させて、エンドストップ状態を解除させる。したがって、回転体５０の操作者に対して引っかかり感を与えることがなくなる。
なお、本実施形態では、歪みゲージ８１を１つだけ設けていたが、２つ以上設けることによってフレーム８０に生じた歪みをより精密に検出することもできる。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）回転体５０やトルク付与部４０といった回転機構内に配線を設けることがなくなるため、回転機構を簡単な構成とすることができ、これによって、回転体５０の駆動軸たる回転軸ＡＸ１の方向において小型化が可能な入力装置を実現できる。

（２）コイル部４１の各空心コイルに与える電流を制御することによって、回転体に回転の駆動トルクを付与することができる。また、非磁性体の支持部が空心コイルを保持する構成であるため、磁石の相対位置によって磁気吸引力が変化することを抑えることができる。

（３）上記ブレーキ付与部６０の構成により、トルク付与部４０の与える駆動トルクの可変制御に加えて、制動トルクによって所望の大きさのブレーキ力を自在に可変制御することが可能となるため、回転体５０を操作する操作者に対して多様な操作感触を与えることができる。

（４）第１ギヤ５１と第２ギヤ５２が同一のピッチで歯が設けられ、且つ、ピッチズレするように周方向に付勢されているため、回転体５０へのブレーキ力の付与の解除時などにおいてバックラッシュを抑えることが可能となる。

（５）固定部２０とブレーキ付与部６０とを互いに接続するフレーム８０に、フレーム８０の歪みを検出する歪みゲージ８１を設けているため、歪みゲージ８１による検出結果に基づいて、回転体５０に対して与えるブレーキ力を解除することができる。歪みゲージ８１をフレーム８０の外面に対して、接着等によって貼り付けるだけであるので容易に製造でき、また、歪みゲージ８１からの配線の引き回しが簡素にできるため、回転軸ＡＸ２方向のサイズを抑えることが可能となる。

（６）操作部としての回転体５０をダイレクトにトルク制御することができるため、操作感触に優れた入力装置を実現できる。
（７）回転体５０、トルク付与部４０、支持部２１、及び、固定部２０の開口２２が上下方向に沿って連なった中空の空間を形成しているため、この空間に光を与えるような機能部品を配置できる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る入力装置は、簡単な回転機構の構成を実現でき、駆動軸方向において小型化が可能となる点で有用である。

１０ 入力装置
２０ 固定部
２１ 支持部
２１ａ 外周面
３０ 回転検出部
３１ エンコーダディスク
３２ 検出基板
３３ 検出素子
４０ トルク付与部
４１ コイル部
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ 空心コイル
４２ 磁石部
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ 磁石
４３ａ、４３ｂ コイルホルダ
５０ 回転体
５０ｃ 周方向
５０ｒ 径方向
５１ 第１ギヤ
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ 凹部
５２ 第２ギヤ
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 凹部
５３ ベアリング
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ ばね
５５ ねじ
６０ ブレーキ付与部
６１ ブレーキ付与コイル
６２ 軸部
６３ 伝達ギヤ
６４ 磁気粘性流体
６５ 回転板
６５ａ 下面
６５ｂ 上面
６６ａ 第１ヨーク
６６ｂ 第２ヨーク
６６ｃ 第３ヨーク
６７ 隙間
７０ 支持部材
８０ フレーム
８０ａ 側壁
８１ 歪みゲージ
９０ 制御部
ＡＸ１、ＡＸ２ 回転軸

Claims (5)

1. 固定部と、
   回転自在となるように前記固定部に支持された回転体と、
   前記回転体の回転角度を検出する回転検出部と、
   前記回転体にブレーキ力を付与するブレーキ付与部と、
   前記回転体に駆動トルクを付与するトルク付与部と、
   前記ブレーキ付与部及び前記トルク付与部を制御する制御部とを備えた入力装置であって、
   前記ブレーキ付与部は、
   磁気粘性流体と、
   前記磁気粘性流体に磁界を与えるブレーキ付与コイルと、
   前記磁気粘性流体の粘度によって制動トルクが変化する軸部と、
   前記軸部に設けられるとともに、前記回転体に設けられたギヤに噛合する伝達ギヤとを有し、
   前記軸部は、前記回転体の径方向において前記回転体の外側に位置することを特徴とする入力装置。
2. 前記固定部は、非磁性体からなり、前記回転体の回転軸方向に延びる筒状の支持部を備えており、
   前記トルク付与部は、
   前記支持部の外周面に対して、その周方向に沿って配置された複数のトルク付与コイルと、
   前記複数のトルク付与コイルと間隙を有して対向配置するように、前記複数のトルク付与コイルの外側に環状に配置された磁石とを備え、
   前記磁石は前記回転体の内側において前記回転体と一体に回転するように配置され、
   前記制御部は、前記回転検出部が検出した、前記回転体の回転角度に応じて前記複数のトルク付与コイルに与える電流を制御する請求項１に記載の入力装置。
3. 前記ブレーキ付与部は、前記軸部に接続された回転板と、前記ブレーキ付与コイルの発生する磁界を誘導するヨークとを備え、
   前記ヨークは、前記回転板の一方の面から前記回転板の他方の面へ前記磁界が通過するように、前記回転板の一方の面及び前記回転板の他方の面と互いに対向し、かつ隙間を設けて配置され、
   前記磁気粘性流体は前記隙間に介在し、
   前記制御部は、前記回転体の回転角度に応じて前記ブレーキ付与コイルに与える電流を制御する請求項１又は請求項２に記載の入力装置。
4. 前記ギヤは第１ギヤと第２ギヤとを有し、
   前記第１ギヤは前記回転体に対して固定配置され、
   前記第２ギヤは、前記第１ギヤと同一のピッチで歯が設けられ、且つ、ピッチズレするように、周方向に付勢されて配置されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の入力装置。
5. 前記固定部と前記ブレーキ付与部とを互いに接続するフレームと、
   前記フレームの歪みを検出する歪みゲージとを備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の入力装置。