操纵杆装置 本发明涉及一种操纵杆装置，特别涉及一种适用于游戏机的操纵杆装置，该游戏机是诸如一种允许游戏者操纵驾驶显示在监视器上轿车等车辆的驾驶游戏机。
在一种传统普及型驾驶游戏机中，一游戏者坐在模拟一轿车驾驶员座椅的座椅上，其上设置有诸如方向盘、加速踏板、制动踏板等控制器，游戏者看着显示在监视器上的三维图像操纵由阴极射线管等组成的控制器，从而在监视器内模拟驾驶轿车。在这种传统的驾驶游戏机中，轿车的行驶方向由方向盘操纵来改变，轿车的车速用加速踏板和制动踏板来改变，这样产生了一种实际驾驶轿车的逼真感觉。
作为一种增加驾驶操作的复杂程度从而在上述驾驶游戏机上提高真实感的方法，轿车的车体在后轮已经被手制动器操纵锁定后的驾驶中通过转动方向盘来旋转，其手制动设置可将制动力仅施加于后轮。
然而，即使上述有一手制动的驾驶游戏机可行，除非该手制动提供类似于轿车真实手制动的感觉，恐怕不会获得更多的真实感，而轿车驾驶操作变得更复杂。
因此，本发明的目的是提供一适合于在驾驶游戏机中采用手制动或类似的操纵杆装置，使游戏机达到逼真的效果。
为了实现上述目的，按照本发明的一方面，一操纵杆装置包括：一杆；一允许该杆在起始位置和最终位置之间转动的转动机构；一用于检测该杆从起始位置开始地转动量的检测装置；和一推力作用件，其用于在转动杆的过程中，沿使该杆返回到起始位置的方向上将一推力作用在杆上，且其产生推力的特性是产生的推力与杆转动量之比随杆转动量的增加而增加。
在上面操纵杆装置中，当该转动力作用在杆上时，一推力，其增加量随杆转动量增加，由推力作用件作用在杆上，杆的转动传递给用于检测转动量的检测装置。
最好，该转动机构有一安装在杆转动中心的轴。该推力作用件包括：一多棱柱件，一与多棱柱件相似的棱柱件，该棱柱件在圆周方向上以半个间距的相位差以松配合插入多棱柱件内；和压入多棱柱件与棱柱件之间角部的柱形弹性件。
在上述操纵杆装置中，当转动力作用在杆上时，轴转动，而棱柱件在多棱柱件内转动，同时弹性件压缩变形。因此，沿使杆返回起始位置的方向上产生了推动杆的推力，而该杆因而平稳地转动。
最好，该轴有一与之一起转动的转动传动件，该检测装置有一转轴和一转动被动件，且获得与转轴的转动量相应的电特性。转动被动件由转动传动件转动。
轴的转动通过与该轴一起转动的转动传动件传到安装在检测装置的转轴上的转动被动件上。随后，与转轴转动量相应的电特性从检测装置中输出。
最好，转动传动件包括一与轴一同安装的齿轮支承板，和一安装在齿轮支承板上与该轴同心的传动齿轮，而该转动被动件由与传动齿轮相啮合的被动齿轮组成。
轴的转动通过安装在齿轮支承板上的传动齿轮准确地传到安装在检测装置上的转轴的被动齿轮上。
该操纵杆装置可以设有限止块，通过与齿轮支承板的接触来调节杆的起始位置和最终位置。
限定杆转动区域的起始位置和最终位置通过齿轮支承板与限止块的接触来准确调节。
该操纵杆装置可以设有另一推力作用件，用于在杆转动中，与上述推力作用件一起，在使杆返回起始位置的方向上将一推力作用在杆上。
当该转动力作用在杆上时，一推力，其增加量随杆转动量增加而增加，由两推力作用件作用在杆上。当杆转动操作解除时，该杆由推力作用件快速地返回到起始位置。
上述另一推力作用件可以是螺旋拉簧的形式。
当转动力作用在杆上时，一推力由螺旋拉簧作用在杆上，因此杆快速地返回到起始位置。
图1是一驾驶游戏机的透视图，其中本发明的操纵杆装置用作手制动；
图2是一横截面剖视图，示出了按照本发明的操纵杆装置主要部分；
图3是一沿图2中线A-A的操纵杆装置的剖视图；
图4A是一分解透视图，示出了在图2所示的操纵杆装置中的推力作用件的结构，而图4B是推力作用件的主视图；
图5是一曲线图，示出了图2所示的操纵杆装置的转动量与由推力作用件施加的推力之间的相互关系。
图1是一驾驶游戏机的透视图，其中按照本发明一实施例的操纵杆装置用作手制动。参见图1，该驾驶游戏机包括一驾驶员座椅1和一监视器2，该驾驶员座椅1，类似于真实轿车的驾驶员座椅，其设置有：一座椅3；一方向盘4；一加速踏板5；一制动踏板6；和一用作手制动的操纵杆装置7。该驾驶员座椅1还包括：一固定在座椅3的左前方的硬币开口槽8，用于在启动游戏前插入硬币；和一固定在方向盘4右侧用于控制游戏启动的启动开关9。该监视器2由CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示器)和投影仪等组成，显示轿车等图像。该监视器置于驾驶员座椅1之前。
在上述结构的驾驶游戏中，当一游戏者坐在座椅3上，将硬币投入硬币开口槽8中，按下启动开关9，该监视器9显示出，例如，轿车行驶的道路包括直线段和曲线段，行驶在道路上的一般轿车用作障碍物，一在计算机控制下的对手轿车，游戏者自己的轿车由游戏者控制等等。然后，游戏者要熟练地操纵方向盘4、加速踏板5、制动踏板6和用作手制动的操纵杆装置7，使自己的轿车与对手轿车进行比赛，超过一般轿车，并首先到达终点。
作为手制动的操纵杆装置7通过将制动力仅施加在转动的后轮上，而使后轮处于锁定状态。当游戏者轿车行驶速度较低时，如果杆的转动量较小，则后轮不锁定，当行驶速度较高，则后轮可用杆的小转动量来锁定。当后轮处于锁定状态而操纵方向盘4，则轿车的车体旋转，则轿车的行驶方向快速改变。
图2和3是解释用作手制动的操纵杆装置7的结构的视图。图2是一横截面剖视图，示出操纵杆装置7的主要部分，而图3是图2中沿线A-A的剖视图。参见这些附图，该操纵杆装置7设有一向上直立的面板10和一安装在面板10后侧(图2中下边)的基座12。该面板10由一基座板14和一与基座板14的前侧(图2中上侧)相连的盖板件16组成。而且，有一向上支承板18的前支承件20安装在基座12的中央，有一向上支承板22的后支承件24安装在基座12的后端。
前支承件20的向上支承板18包括一左支承部分181和一右支承部分182，其分别位于朝向面板10的左、右侧，和一中央支承部分183，其用于在后侧(图2中底侧)上连接左支承部分181和右支承部分182。后支承件24的向上支承板22包括一左支承部分221和一右支承部分222，其分别位于朝向面板10的左、右侧，和一中央支承部分223，用于在其顶部连接左支承部分221和右支承部分222。
面板10的基座板14和前支承件20的中央支承部分183分别设有轴承26和28，其旋转地支承着轴30。该轴30的长度使其一端凸出面板10，而另一端置于后支承件24上。这些轴承26和28及轴30构成了杆32的转动机构，见下文的描述。
安装在轴30一端的是位于面板10前侧(图2中上侧)的杆32。该杆32一端设有一握把34，另一端设有一毂36，通过将毂36套在轴30的一端上，该杆32与轴30连为一体。这样将杆32安装在轴30的一端上，便于杆32的安装和替换操作。一齿轮支承板38安装在轴30的中心上，并与轴30一起转动。连在齿轮支承板38上的是扇形的传动齿轮40，其约为整圈齿轮的八分之一大小。该传动齿轮40固定在这样位置上，以便与该轴30同轴，即在此位置上，轴30的中心轴线与传动齿轮40转动中心相同。
在右支承部分182一侧的前支承件20的中央支承部分183的一端上，一可转动的可变电阻42朝向面板10与转轴44安装在一起，其作为一检测装置的元件，用于检测从起始位置起的杆32的转动量。可变电阻42的转轴44设有一与传动齿轮40相啮合的被动齿轮46，通过此啮合，杆32的转动通过轴30传到可变电阻42的转轴44上，可变电阻42的转轴44转过一与杆32转动量相应的一角度，因而在可变电阻42输出端上的当前阻值改变。在上述驾驶游戏机中，可变电阻42的阻值由一未示出的电压转换器转换成与其电阻值相应的电压，按照该电压完成相应的游戏操作。
齿轮支承板38包括从轴30延伸到基座12的伸长部分381，支承齿轮支承板38。由弹性材料，诸如橡胶制成的一限止块48安装在前支承件20的左支承部分181上，其位置与位于朝向面板10的伸长部分381左侧的左侧表面382相应，而一由诸如橡胶的弹性材料制成的限止块50安装在前支承件20的右支承部182上，其位置与位于朝向面板10的伸长部分381右侧的右侧表面383相应。在杆32的起始位置(如图3中实线所示位置)上没有施加到杆上的转动力，并由齿轮支承板38与限止块50接触来限定。杆32在转动力作用下转过一所需角度到达的终点位置(图3中点划线所示的位置)由齿轮支承板38和限止块48的接触而限定。换言之，由弹性材料制成的限止块48和50，允许杆32在起始位置和最终位置之间转过一所需角度(例如约30°)，而且，即使在杆32操纵过程中齿轮支承板38与限止块48或50相接触，接触的碰撞力很小，而传递给游戏者手的碰撞力不是很大，从而避免游戏者感到不适。
一推力作用件54与固定在后支承件24上的轴30的另一端相连，图4A和4B分别是示出了推力作用件54的结构的分解透视图和主视图。具体地说，该推力作用件54包括一有一正方形截面且由金属等制成的外棱柱形件56，一有一正方形截面且由金属等制成的内棱柱形件58，和四个由尿烷合成树脂、橡胶、或其类似物制成的圆柱弹性件60、62、64和66。该内棱柱形件58置于外棱柱形件56内，并沿圆周方向转过约45°，这样其每一角分别位于外棱柱形件56的侧边的中间，弹性件60、62、64和66嵌入由外棱柱形件56和内棱柱形件58构成的空腔内。
另一方面，轴30的另一端301，如图4A所示，形如正方形截面的棱柱形，其装入推力作用件54的内棱柱形件58内，通过这样安装，当杆32转动时，则轴30转动，内棱柱形件58同时转动，而弹性件60、62、64和66在内棱柱形58转动方向下滚动同时被压缩而变形从而在杆32作用一使其沿返回起始位置的方向转动的力。如此构成的推力作用件54有一非线性推力产生特性(弹簧特性)，其中在至少杆32的转角(例如约30°)范围内，产生的推力与杆32的转动量(转角)之比随杆32转动量的增加而增加，如图5所示。该推力产生特性可以通过弹性件60、62、64和66的直径、长度、材料等性质的改变而进行调节。
第一保持凸起70形成在朝向面板10的齿轮支承板38的表面上，而第二保持凸起72形成在朝向齿轮支承板38的基座14的表面上，第二凸起72是面板10的部件。另一由螺旋拉簧形成的推力作用件74的两端由第一和第二保持凸起70和72保持着。当杆32转动时，轴30也转动，使推力作用件74被拉伸，于是，推力在杆32返回到起始位置的方向上作用在杆32上。该推力作用件74有线性推力产生特性(弹簧特性)，其中产生的推力与杆32转动量之比至少在杆32转角范围内是常数，如图5所示。在该实施方式中，螺旋拉簧的强度的设置应比推力作用件54的推力小。
在有这种推力作用件54和74的操纵杆装置中，当通过将杆32从起始位置向上拉起而把转动力作用在杆32上时，两推力作用件54和74将推力传给杆32。该推力随杆32转动量增加成指数增长，例如当杆32接近最终位置时，增长后的值相当于转动之初的初值的数十倍至数百倍。因此，可以获得类似于真实轿车手制动的操纵感觉。而且，由于杆32由两推力作用件54和74施加了一较大的力，杆32在转动操作解除时，由推力作用快速返回起始位置，且立即准备下一次杆的操作。因此，该操纵杆装置适合于频繁和重复使用的游戏机使用。
本发明的操纵杆装置以如上结构构成，且在游戏者的操纵下在起始位置和最终位置之间转动，其可以有下列各种修改。具体地说，尽管在上述实施例中，传动齿轮40固定到齿轮支承板38上，但也可直接安装在轴30上。在此情况下，通过在传动齿轮40的一部分安装与限止块48和50相接触的接触板，可以获得与上述实施方式中齿轮支承板38相同的功能。而且该传动齿轮40可以安装在一齿轮支承部分上，该齿轮支承部分整体形成在杆32的转动中心附近。
再有，尽管杆32的转动在上述实施例中通过传动齿轮40和被动齿轮46传到可变电阻42的转轴44上，但，例如，轴30和转轴44可分别设有皮带轮，这样在轴30一端上皮带轮的转动通过一同步带传到转轴44上的皮带轮上。
尽管在上述实施例中可变电阻42的阻值根据杆22的转动量变化并转换成相应水平的电压，但其它电特性，诸如电感或静电容，可以替代电阻的变化，并转换成相应水平的电压。而且，杆32的转动量可以通过一旋转的编码器检测到。在此情况下，轴30的转动可直接检测到，而不需要使用诸如齿轮的传动件。
还有，尽管在上述实施例中，推力作用件54由有正方形截面的外棱柱形件56、有正方形截面的内棱柱形件58和圆柱形弹性件60至66组成，该外棱柱形件56和内棱柱形件58都可有不同于正方形截面的多边形截面，但只要它们有着相似的形状即可。内棱柱形件58不必总设有轴30插入的孔。在此情况下，轴30可以通过螺接来固定。而且，该弹性件60至66都可以形如棱柱。换言之，该推力作用件54可以由多棱柱件、以松配合插入多棱柱件内且有与之相似形状的一棱柱件(其中有或没有插入轴的孔)，和一嵌入在多棱柱件和棱柱件之间的角部的柱形弹性件，棱柱件的角位于多棱柱的边的中间，即，其固定在多棱柱内，以便在圆周方向上设有半个间距的相位差。而且推力仅由推力作用件54作用在杆32上。
尽管在所述实施例中本发明的操纵杆装置用作驾驶游戏机的手制动，也可作它用，诸如游戏机中飞机控制杆。
虽然根据目前认为的优选实施例描述了本发明，应当理解本发明不局限于这些公开的实施例。相反，本发明覆盖包括在所附权利要求书的范围和实质内的各种修改和等效装置。下述权利要求的范围应作最宽的理解，以便包括所有这样修改和等效结构及功能。