説明

回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法

【課題】快適な操作性を確保する安定した品質を実現するために、回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定する。
【解決手段】回動して操作されるレバー200の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、レバー200に固定されるクランプ102と、クランプ102に回転自在に接続されたロッド104と、ロッド104の回転角を検出する回転角計114と、ロッド104を移動させるアクチュエータ110と、アクチュエータ110の駆動軸112の移動量を検出する駆動軸変位計116と、ロッド104の軸力を検出する荷重センサ106とを備えたことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、快適な操作性を保証するために、ユーザーが操作する装置(以下、「操作具」という。)の荷重変位特性(操作力特性ともいう)を定量的に測定することが行われている。スイッチのように直線的に操作する操作具であれば比較的単純な構成で測定することができるが、回動する操作具(以下、「回動操作具」という。)は測定が難しい。荷重を測定するためには、古くはバネばかり、近年では圧電素子が使用されるが、いずれも直線的な荷重を測定するものだからである。
【0003】
回動操作具の例としては、自動車においてはATセレクトレバー(ATはオートマチックトランスミッションの略)、パーキングブレーキレバー、ペダルなどが挙げられる。また自動車以外にもレバーやスライダ、ロータリースイッチなど回動する操作具は様々な技術分野で多く用いられている。
【0004】
特許文献1(車両用変速機のチェンジレバー操作力検出装置)には、チェンジレバーのシフトノブに4本の柱(起歪部)と32個のひずみゲージを内包させ、レバー操作する際の荷重を測定する操作力検出装置が提案されている。特許文献1に提案された操作力検出装置を用いた場合、測定者が手動にてレバー操作を行い、同時にレバーの回転角(移動量)をポテンショメータで測定することにより、シフトノブ部の荷重変位特性を測定することができる。
【0005】
この構成では、装置が簡略であるため、実車に搭載して測定を行うことができるという利点を有している。しかしながらこの構成では、人の手により操作するためレバーを一定の速度で回動させることが難しく、測定データには手操作の影響による測定ノイズが乗りやすい。また、手操作のため同じ動作を繰り返すことが難しく、複数回測定するにあたって繰り返し誤差が大きくなるという問題がある。またストロークについても、ポテンショメータをシフトノブ以外の箇所に接続する必要があるため、実際のシフトノブ部のストロークと測定値との間に差が生じてしまうという問題がある。
【0006】
特許文献2(操作具の操作フィーリング計測装置)には、駆動モータとクランク形状のロッドを用いて「回転モーメント型のスイッチ」のレバーを変位させ、回転角センサによって駆動モータの回転角(操作量)を検出することにより、これをレバーの変位とする構成が開示されている。このように、手操作の代わりに駆動モータを用いてレバー操作を行えば、一定の速度でレバーを回動させることが可能である。しかしながら、この構成では駆動モータの回転角で操作量を測定する構成であるから、駆動モータの回動軸の延長線上にレバーの回転軸がくるように軸合わせ(位置合わせ)をする必要がある。すると、回動操作具が装置本体に取り付けられている場合、例えば回動操作具であるATセレクトレバーが装置本体である車体に取り付けられている場合には、レバーの回転軸がセンターコンソールの内部にあるためこれと軸合わせすることができず、測定ができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特許3357896号公報(特開平7−260605号公報)
【特許文献2】特開平4−022820号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
今後さらに快適な操作性を確保する安定した品質を実現するために、回動操作具の荷重変位特性を簡易かつ精度よく測定することが要求されている。
【0009】
また、上記のように回動操作具には様々な種類のものがあるため、汎用性を持たせて、他の回動操作具の荷重変位特性も測定可能とすることが望まれる。さらには、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも荷重変位特性も測定可能とすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を鑑みて、本発明の代表的な構成は、回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、回動操作具に固定されるクランプと、クランプに回転自在に接続されたロッドと、ロッドの回転角を検出する回転角計と、ロッドを移動させるアクチュエータと、アクチュエータの駆動軸の移動量を検出する駆動軸変位計と、ロッドの軸力を検出する荷重センサとを備えたことを特徴とする。
【0011】
上記構成によれば、アクチュエータによって回動操作具を回動させながらその荷重を測定することができる。これにより、自動車のATセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。特に、回動操作具の回動中心と軸合わせをする必要がないため、回動操作具に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも測定可能である。
【0012】
ロッドはアクチュエータの駆動軸と回転自在に接続されていて、回転角計はロッドと駆動軸との相対角度を検出する構成であってもよい。すなわち、ロッドはクランプと駆動軸の両方に回転自在に接続される。このようにロッドの両端が回転することにより、駆動軸の移動に追従させて回動操作具を変位させることができる。
【0013】
ロッドはアクチュエータの駆動軸に固定接続されていて、アクチュエータは所定の台座に回転自在に支持されていて、回転角計は台座に対するアクチュエータの相対角度を検出することによってロッドの回転角を検出する構成であってもよい。ロッドと駆動軸とは固定接続であるが、アクチュエータが回転自在に支持されていることにより、結果的にロッドは回転することができる。これにより、駆動軸の移動(伸縮)に追従させて回動操作具を変位させることができる。
【0014】
アクチュエータは駆動軸を軸方向に移動させる直動型アクチュエータであって、駆動軸変位計は駆動軸のストローク量を検出する構成であってもよい。また、アクチュエータは駆動軸を回転移動させる回転型アクチュエータであって、駆動軸変位計は駆動軸の回転量を検出する構成であってもよい。いずれの構成においても、駆動軸の移動量(ストローク量または回転量)とロッドの回転角からロッドとクランプとの接続点の軌跡(移動軌跡)を算出することができ、回動操作具の変位を算出することができる。
【0015】
本発明の他の代表的な構成は、回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定方法であって、回動操作具にクランプを固定し、クランプにロッドの一端を回転自在に接続し、アクチュエータの駆動軸にロッドの他端を接続し、アクチュエータによって駆動軸を移動させながらその移動量を検出し、ロッドの回転角を検出し、ロッドの軸力を検出し、駆動軸の移動量とロッドの回転角からロッドとクランプとの接続点の軌跡を算出し、接続点の軌跡から回動操作具の回動中心を算出し、接続点の位置と回動操作具の回動中心から回動操作具の変位を算出し、ロッドがなす直線に対する回動操作具の回動中心からの垂線の長さと軸力とから操作トルクを算出し、操作トルクと回動操作具の変位とから回動操作具の荷重と変位の関係を求めることを特徴とする。
【0016】
上記構成によれば、アクチュエータによって回動操作具を回動させながらその荷重を測定し、回動操作具の回動角とトルクの関係を求め、これに基づいて回動操作具の変位と荷重の関係(荷重変位特性)を求めることができる。これにより回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。特に、回動操作具の回動中心と軸合わせをする必要がないため、回動操作具に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、回動操作具を装置本体に取り付けた状態でも測定可能である。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、自動車のATセレクトレバーのような回動する回動操作具の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置の構成を示す図である。
【図2】荷重変位特性の演算を説明する図である。
【図3】ストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図である。
【図4】他の構成の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0020】
図1は本実施形態に係る回動操作具の荷重変位特性測定装置(以下、単に「測定装置100」という。)の構成を示す図である。測定装置100は、回動操作具の例としてのATセレクトレバー(以下、単に「レバー200」という。)の荷重変位特性を測定する。
【0021】
図1は、レバー200が装置本体である車体に取り付けられた状態で測定する例である。レバー200はセンターコンソール210の内部に回動中心Cを有し、先端にシフトノブ204を備えている。なお、レバー200は湾曲したガイドをスライドする機構となっている場合もあるため、回動中心Cは仮想点である場合もある。
【0022】
測定装置100は、レバー200に固定されるクランプ102と、クランプ102に回転自在に接続されたロッド104と、ロッド104の回転角を検出する回転角計114と、ロッド104を移動させるアクチュエータ110と、アクチュエータ110の駆動軸112の移動量を検出する駆動軸変位計116と、ロッド104の軸力を検出する荷重センサ106と、各種演算を行う演算部120を備えている。
【0023】
クランプ102は、レバー200に固定される。固定の方法は特別なものではなく、クランプ102がレバー200に対してずれを生じないように固定できればよい。
【0024】
ロッド104はほぼ棒状の長尺部材であって、クランプ102と接続点Pによって接続される。クランプ102とロッド104は、接続点Pによって、レバー200が回動したときになす平面と平行な面内で回転自在である。またロッド104には、その軸力を検出する荷重センサ106が備えられている。荷重センサ106は、ロッド104の表面に貼り付けたひずみゲージや、ロッド104を分割して間に介在させた圧電素子などによって実現することができる。
【0025】
ロッド104の他端、すなわちクランプ102の反対側の端は、アクチュエータ110の駆動軸112と接続される。ロッド104と駆動軸112とは、回転軸Qによって回転自在に接続されている。ロッド104と駆動軸112とは、回転軸Qによって、レバー200が回動したときになす平面と平行な面内で回転自在である。
【0026】
回転軸Qには、ロッド104と駆動軸112の相対角度を検出する回転角計114が備えられている。回転角計114は一般的な構成のものを用いることができ、例えばロータリーエンコーダや磁気エンコーダ、ジャイロセンサなど既知のものを用いることができる。
【0027】
アクチュエータ110は駆動軸112を移動させる。図1の例では、アクチュエータ110は駆動軸112を軸方向に移動させる直動型アクチュエータである。アクチュエータ110は、車体の一部であるセンターコンソール210に設置されている。またアクチュエータ110は、駆動軸112のストローク量を検出する駆動軸変位計116を備えている。
【0028】
上記の機構により、アクチュエータ110が駆動軸112を移動させると、これに伴ってレバー200が回動する。すなわち、ロッド104の両端が回転自在であることによりリンク機構を形成し、駆動軸112の直線的な移動に追従させてレバー200を変位させることができる。このようにアクチュエータ110によってレバー200を回動させながらその荷重を測定できるため、レバー200の荷重変位特性を、手操作による測定ノイズが乗ることなく、簡易かつ精度よく測定することができる。
【0029】
駆動軸変位計116の出力信号である駆動軸の移動量(ストローク量)と、回転角計114の出力信号であるロッド104の相対角度は、演算部120に送られる。演算部120は、汎用のコンピュータ上で動作するソフトウェアによって実現することができる。演算部120は、以下に説明するようにレバー200の荷重変位特性を演算する。
【0030】
図2は荷重変位特性の演算を説明する図である。まず、図2に示すように二次元の座標系を考える。x軸は駆動軸112の軸方向に設定し、y軸はレバー200が回動したときになす平面内に設定する。原点は、駆動軸112の軸上のアクチュエータ110近傍に設定する。
【0031】
回転軸Qの位置はアクチュエータ110のストローク量から知ることができる。このときの回転軸Qの位置をxとする。
【数1】

ロッド104の長さをd、回転角計114が検知したロッド104とクランプ102の相対角度をθとすると、ロッド104とクランプ102の接続点Pの位置は、次のように表すことができる。
【数2】

ここで、接続点Pの軌跡は、回動中心C(xc,yc)を中心とする円弧を描くはずである。そこで接続点Pの位置が3点以上求まれば、回動中心Cの位置を算出することができる。接続点Pの軌跡上の3点の位置をそれぞれP1(x1,y1)、P2(x2,y2)、P3(x3,y3)とし、二つの点CとPを結ぶ有効線分の大きさをCP(回動中心Cが仮想点である場合を含む。概ねレバー200の長さに相当する)とすると、次の連立方程式を立てることができる。なお、このときの回転軸QをそれぞれQ1、Q2、Q3、相対角度θをθ1、θ2、θ3として図示している。
【数3】

未知数はxc,yc,有効線分の大きさCPの3つであるから、上の3つの連立方程式からそれぞれを算出することができる。
【0032】
また、レバー200の回動角αは、レバー200が基準位置にあるときの位置をP0(x0,y0)とすると、次式で表すことができる。この回動角αは、すなわちレバー200の変位である。
【数4】

荷重センサ106の出力信号である軸力Fは、ロッド104がなす直線PQ方向の力である。したがって、ロッド104がなす直線PQに対する回動中心Cからの垂線の長さをrとすると、操作トルクはF×rとして算出することができる。なお、垂線の長さrは、次式で求めることができる。
【数5】

【0033】
このようにして、レバー200の回動角とトルクの関係(θ−T特性)を求めることができる。このθ−T特性は、角度とトルクの関係を示しているため、クランプ102をレバー200のどの位置に固定したかに依存しない。したがって、トルクを回動中心Cからシフトノブ204までの長さで割ることにより、シフトノブ204での荷重変位特性を求めることができる。
【0034】
上記説明したように、本実施形態に係る構成によれば、アクチュエータ110によってレバー200を回動させながら測定した荷重を用いて、レバー200の回動角αとトルクの関係を求め、これに基づいてレバー200の変位と荷重の関係(荷重変位特性)を求めることができる。特に、クランプ102をレバー200のどの位置に固定したとしても、レバー200の回動中心Cを求めることができる。すなわち、レバー200の回動中心Cと何らかの軸合わせをする必要がないため、レバー200に対する測定装置の取り付け位置の自由度が高く、レバー200を車体(装置本体)に取り付けた状態でも測定可能である。
【0035】
図3はストロークと荷重の関係を示す荷重・ストローク線図であって、図3(a)は上記のようにして測定した実施例、図3(b)は比較例である。図3(a)において上側の線はレバー200を上げるときの荷重、下側の線は下げるときの荷重である。図3(b)に示す比較例は、シフトノブに特許文献1に示した操作力検出装置を取り付け、手操作によってレバー200を操作して荷重を測定し、レバーの回転角をポテンショメータで測定して、荷重とストローク量の関係(F−S特性)を取得した例である。図3(a)(b)を比較すれば、図3(b)では多くのノイズが検知されていることがわかる。このことから、本実施形態の装置および方法によれば、手操作による測定ノイズが排除できることにより、極めて精度よく測定できることが確認できる。
【0036】
図4は他の構成の例を説明する図であって、図4(a)はアクチュエータを回転自在に支持した例である。
【0037】
図4(a)においてロッド104はアクチュエータ110の駆動軸112に固定接続されていて、図1に示した回転軸Qは備えていない。その代わりに、アクチュエータ110自体が回転軸Rによって台座118に支持されていて、回転角計114は台座118に対するアクチュエータ110の相対角度を検出することによってロッド104の回転角を検出する。台座118は、当該装置を設置する箇所に適切に固定可能であればよい。なおこの場合において荷重センサ106は、ロッド104の軸力を検出しても、駆動軸112の軸力を検出しても同じである。このように、ロッド104と駆動軸112とが固定接続であっても、アクチュエータ110を回転自在に支持することにより、結果的にロッド104を回転させることができ、駆動軸112の移動(伸縮)に追従させてレバー200を変位させることができる。
【0038】
図4(b)は回転型アクチュエータを用いた例である。図1ではアクチュエータ110を駆動軸112を軸方向に移動させる直動型アクチュエータとして説明したが、図4(b)に示すアクチュエータ130は、駆動軸132を回転移動させる回転型アクチュエータである。駆動軸132は、回転軸Qによってロッド104と接続されている。アクチュエータ130は駆動軸132の回転量を検出する駆動軸変位計134を備えている。なお駆動軸変位計134とは、ロータリーエンコーダ等によって検出しても良いが、パルスモータ(ステッピングモータ)の駆動パルスをカウントして角度を検出してもよい。このように構成することによっても、駆動軸132の移動量(回転量)とロッド104の回転角から接続点Pの軌跡を算出することができ、レバー200の変位を算出することができる。
【0039】
図4(c)は他の回動操作具に適用した例である。本発明は、回動して操作される回動操作具であればレバー200以外のものにも適用可能である。図4(c)では、ダイヤル220をクランプ140で把持して、その荷重変位特性を測定する様子を示している。また回動操作具の他の例としては、ドアノブやイグニッションキーなど、クランプできるものであれば本発明を適用し、その荷重変位特性を測定することが可能である。
【0040】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【0041】
本発明は、レバーなどの回動操作具の荷重変位特性測定装置および荷重変位特性測定方法として利用することができる。
【符号の説明】
【0042】
100…測定装置、102…クランプ、104…ロッド、106…荷重センサ、110…アクチュエータ、112…駆動軸、114…回転角計、116…駆動軸変位計、118…台座、120…演算部、130…アクチュエータ、132…駆動軸、134…駆動軸変位計、140…クランプ、200…レバー、204…シフトノブ、210…センターコンソール、220…ダイヤル、C…回動中心、P…接続点、Q…回転軸

【特許請求の範囲】
【請求項1】
回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定装置であって、
前記回動操作具に固定されるクランプと、
前記クランプに回転自在に接続されたロッドと、
前記ロッドの回転角を検出する回転角計と、
前記ロッドを移動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動軸の移動量を検出する駆動軸変位計と、
前記ロッドの軸力を検出する荷重センサとを備えたことを特徴とする荷重変位特性測定装置。
【請求項2】
前記ロッドは前記アクチュエータの駆動軸と回転自在に接続されていて、
前記回転角計は前記ロッドと前記駆動軸との相対角度を検出することを特徴とする請求項1に記載の荷重変位特性測定装置。
【請求項3】
前記ロッドは前記アクチュエータの駆動軸に固定接続されていて、
前記アクチュエータは所定の台座に回転自在に支持されていて、
前記回転角計は前記台座に対する前記アクチュエータの相対角度を検出することによって前記ロッドの回転角を検出することを特徴とする請求項1に記載の荷重変位特性測定装置。
【請求項4】
前記アクチュエータは前記駆動軸を軸方向に移動させる直動型アクチュエータであって、
前記駆動軸変位計は前記駆動軸のストローク量を検出することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の荷重変位特性測定装置。
【請求項5】
前記アクチュエータは前記駆動軸を回転移動させる回転型アクチュエータであって、
前記駆動軸変位計は前記駆動軸の回転量を検出することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の荷重変位特性測定装置。
【請求項6】
回動して操作される回動操作具の荷重変位特性を測定する荷重変位特性測定方法であって、
前記回動操作具にクランプを固定し、
前記クランプにロッドの一端を回転自在に接続し、
アクチュエータの駆動軸に前記ロッドの他端を接続し、
前記アクチュエータによって前記駆動軸を移動させながらその移動量を検出し、
前記ロッドの回転角を検出し、
前記ロッドの軸力を検出し、
前記駆動軸の移動量と前記ロッドの回転角から前記ロッドと前記クランプとの接続点の軌跡を算出し、
前記接続点の軌跡から前記回動操作具の回動中心を算出し、
前記接続点の位置と前記回動操作具の回動中心から前記回動操作具の変位を算出し、
前記ロッドがなす直線に対する前記回動操作具の回動中心からの垂線の長さと前記軸力とから操作トルクを算出し、
前記操作トルクと前記回動操作具の変位とから前記回動操作具の荷重と変位の関係を求めることを特徴とする荷重変位特性測定方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−127765(P2012−127765A)
【公開日】平成24年7月5日(2012.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−278661(P2010−278661)
【出願日】平成22年12月14日(2010.12.14)
【出願人】(000002082)スズキ株式会社 (3,196)
【Fターム(参考)】