(57)【要約】【課題】多様で自然な感触、特に自然な力覚を得ることができ、小型化、薄型化が可能なフォースフィードバック制御機器を得る。【解決手段】コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器。操作者からの入力信号を検知する略平面状のタッチパネル５７とインパクト駆動型アクチュエータ１Ａ，１Ｂを有している。タッチパネル５７は水平方向Ｘ，Ｙに移動可能なタッチ入力部として機能し、アクチュエータ１Ａ，１ＢにてＸ−Ｙ平面上で駆動される。コンピュータは、タッチパネル５７に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、アクチュエータ１Ａ，１Ｂを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、アクチュエータ１Ａ，１Ｂを駆動する。【選択図】図１０
2012104077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器であって、
操作者からの入力信号を検知する略平面状のタッチ面を有し、略水平方向に移動可能なタッチ入力部と、
前記タッチ入力部に連結されたインパクト駆動型アクチュエータと、
を備え、
前記コンピュータは、前記タッチ入力部に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、前記アクチュエータを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、前記アクチュエータを駆動すること、
を特徴とするフォースフィードバック制御機器。
【請求項２】
コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器であって、
操作者からの入力信号を検知する略平面状のタッチ面を有し、略水平面上で回転移動可能なタッチ入力部と、
前記タッチ入力部に連結された回転移動可能なインパクト駆動型アクチュエータと、
を備え、
前記コンピュータは、前記タッチ入力部に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、前記アクチュエータを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、前記アクチュエータを駆動すること、
を特徴とするフォースフィードバック制御機器。
【請求項３】
前記インパクト駆動型アクチュエータは、
所定の間隔で互いに対向して配置されたベース板及び加圧板と、
前記ベース板と前記加圧板との間に挟持され、電圧の印加に伴って面方向に伸縮する平板状の圧電素子と、
を備えていること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォースフィードバック制御機器。
【請求項４】
前記圧電素子と前記ベース板及び／又は前記加圧板との間に摩擦板が介在されていること、を特徴とする請求項３に記載のフォースフィードバック制御機器。
【請求項５】
前記インパクト駆動型アクチュエータは、前記圧電素子に対する充電と放電のタイミングを変化させることにより駆動されること、を特徴とする請求項３又は請求項４に記載のフォースフィードバック制御機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォースフィードバック制御機器、特に、コンピュータに信号を入力するとともに、ユーザに力を出力するフォースフィードバック制御機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器は種々のものが提案・開発されている。例えば、特許文献１に記載の力覚付与入力装置は、操作者により手動操作される操作部材と、該操作部材にトルクを与えるロータリーアクチュエータと、動きを検知するロータリーエンコーダとを備えたものである。しかし、この装置では、大掛かりな部品構成となり、小型化、薄型化が困難であり、操作部材にはアクチュエータからギアなどの動力伝達手段を介して動きが伝達されるため、自然な感触を得ることが困難である。
【０００３】
特許文献２，３には、振動により感触をタッチパネルにフィードバックする方式である。しかし、振動のみを利用するのでは、多様な感触、特に力覚を得ることはできない。特許文献４には、軸駆動により感触をタッチパッドにフィードバックする方式である。しかし、タッチ部と駆動部にボールねじやタイミングベルトなどの動力伝達機構が介在するため、タイミング遅れやバックラッシが生じて、自然な感触を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１１４２０１号公報
【特許文献２】特開２００３−１２２５０７号公報
【特許文献３】特開２００７−３４９９１号公報
【特許文献４】特開２００４−５３０２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、多様で自然な感触、特に自然な力覚を得ることができ、小型化、薄型化が可能なフォースフィードバック制御機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、第１の形態であるフォースフィードバック制御機器は、
コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器であって、
操作者からの入力信号を検知する略平面状のタッチ面を有し、略水平方向に移動可能なタッチ入力部と、
前記タッチ入力部に連結されたインパクト駆動型アクチュエータと、
を備え、
前記コンピュータは、前記タッチ入力部に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、前記アクチュエータを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、前記アクチュエータを駆動すること、
を特徴とする。
【０００７】
第２の形態であるフォースフィードバック制御機器は、
コンピュータに信号を入力するとともに、操作者に力を出力するフォースフィードバック制御機器であって、
操作者からの入力信号を検知する略平面状のタッチ面を有し、略水平面上で回転移動可能なタッチ入力部と、
前記タッチ入力部に連結された回転移動可能なインパクト駆動型アクチュエータと、
を備え、
前記コンピュータは、前記タッチ入力部に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、前記アクチュエータを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、前記アクチュエータを駆動すること、
を特徴とする。
【０００８】
前記フォースフィードバック制御機器において、タッチ入力部にはインパクト駆動型アクチュエータが連結されているため、様々な感触、力覚をタッチ入力部に発生させることができ、アクチュエータとタッチ入力部との間に動力伝達手段、機構が介在しないため、自然な感触、力覚を得ることができる。しかも、インパクト駆動型アクチュエータに圧電素子を用いると、小型化、薄型化が可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、多様で自然な感触、特に自然な力覚を得ることができ、小型化、薄型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】アクチュエータ装置を示す斜視図である。
【図２】前記アクチュエータ装置の分解斜視図である。
【図３】前記アクチュエータ装置において振動子を示す斜視図である。
【図４】前記アクチュエータ装置において振動子と重りを示す斜視図である。
【図５】前記アクチュエータ装置の第１の動作例を示す説明図である。
【図６】圧電素子に印加する電圧プロファイルの一例を示すチャート図である。
【図７】前記アクチュエータ装置の第２の動作例を示す説明図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｄ）は駆動回路の動作状態を示すブロック図、（Ｅ）は印加波形を示すチャート図である。
【図９】フォースフィードバック制御機器の第１例を示す斜視図である。
【図１０】前記制御機器の制御回路を示すブロック図である。
【図１１】フォースフィードバック制御機器の第２例を示す斜視図である。
【図１２】力覚を得るために表面形状に対する水平方向の力の関係を示すチャート図である。
【図１３】アクチュエータ装置に対する印加電圧のプロファイルを変えたときの圧電素子先端の変位を示すチャート図である。
【図１４】アクチュエータ装置に対する印加電圧プロファイルを示すチャート図である。
【図１５】（Ａ）は“デテント”の力覚を模式的に示すチャート図、（Ｂ）は印加電圧プロファイルを示すチャート図である。
【図１６】（Ａ）は“でこぼこ”の力覚を模式的に示すチャート図、（Ｂ），（Ｃ）は印加電圧プロファイルを示すチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係るフォースフィードバック制御機器の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部材、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
（アクチュエータ装置の基本的構成、図１〜図７参照）
まず、フォースフィードバック制御機器に好適に用いることのできるアクチュエータ装置について説明する。このアクチュエータ装置１は、インパクト駆動型であって、図１、図２及び図３に示すように、ベース板１０と、加圧板１５と、平板状の圧電素子２０Ａ，２０Ｂと、該圧電素子２０Ａ，２０Ｂの間に挿入された補強板２５と、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの一端部の表面に接合固定（貼着）された摩擦板３０Ａ，３０Ｂと、圧電素子２０Ｂの他端部裏面側に取り付けた重り４０と、ベース板１０と加圧板１５との間に介在されたスペーサ３６と、で構成されている。
【００１３】
圧電素子２０Ａ，２０Ｂは、帯状をなす単板の表裏面に電極を形成したもので、真鍮製の薄板材からなる補強板２５の表裏面に接着されている。補強板２５は電極としても機能し、その端部は圧電素子２０Ａ，２０Ｂの他端部から突出している。
【００１４】
加圧板１５はベース板１０に対して圧電素子２０Ａ，２０Ｂを間に挟んでビスやカシメ、溶接などで固定されている。即ち、圧電素子２０Ａ，２０Ｂはベース板１０と加圧板１５との間に摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介して所定の弾性力で挟持されている。加圧板１５は、例えば、図示しないねじ部材を穴１５ａからスペーサ３６の穴３６ａを通じてベース板１０に螺着することにより固定されている。スペーサ３６の厚さは、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの厚さ、補強板２５の厚さ、摩擦板３０Ａ，３０Ｂの厚さを加えた数値より若干薄くされている。
【００１５】
加圧板１５は、両側にスリット１６を形成して所定のばね定数を保持しており、そのばね性で圧電素子２０Ａ，２０Ｂを摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介してベース板１０との間で弾性的に挟持している。即ち、加圧板１５は板ばねを構成している。圧電素子２０Ａ，２０Ｂに対する弾性的な圧接力はスペーサ３６の厚さによって調整される。
【００１６】
重り４０は、図４に示すように、角材で構成した構造体からなり、横木４１が圧電素子２０Ｂに接着されている。
【００１７】
圧電素子２０Ａ，２０Ｂは、その分極方向が補強板２５を挟んで互いに逆向きとされており、電圧印加方向と垂直方向に変位するｄ３１モードを利用してアクチュエータとして利用される。即ち、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは分極方向に電界が作用すると、厚み方向に伸縮するとともに面方向にも伸縮する。厚み方向に伸びるときは面方向に縮み、厚み方向に縮むときは面方向に伸びる。
【００１８】
以上の構成からなるインパクト駆動型であるアクチュエータ装置１の第１の動作例を概説すると、図５（Ａ）に示す通常状態から、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが緩やかに収縮すると、重り４０が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに近づく（図５（Ｂ）参照）。次に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが急速に伸長すると、重り４０は自身の慣性で動くことはなく、摩擦板３０Ａ，３０Ｂがベース板１０と加圧板１５との間で滑りを生じる（図５（Ｃ）参照）。次に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが緩やかに収縮すると、重り４０が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに近づく（図５（Ｄ）参照）。以上の動作を繰り返すことにより、重り４０が図５中左方に移動することになる。なお、図５において、アクチュエータ装置１は模式的に示されている。
【００１９】
圧電素子２０Ａ，２０Ｂを駆動するために印加する電圧プロファイルは図６に示すとおりである。なお、このような動作状態と以下に説明する駆動回路の切替え状態の関係は図１３、図１４を参照して以下に具体的に説明する。
【００２０】
即ち、前記アクチュエータ装置１において、圧電素子２０Ａ，２０Ｂ、補強板２５、重り４０、摩擦板３０Ａ，３０Ｂが移動部であり、ベース板１０、加圧板１５、スペーサ３６が固定部である。
【００２１】
以上のごとく、前記アクチュエータ装置１においては、圧電素子２０Ａ，２０Ｂのｄ３１モードでの動作によって、圧電素子２０Ａ，２０Ｂ及び重り４０が移動部となるコンパクトで薄型のアクチュエータ装置を得ることができる。特に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介してベース板１０及び加圧板１５と圧接しているため、摩擦板３０Ａ，３０Ｂによって圧電素子２０Ａ，２０Ｂが機械的に保護される。
【００２２】
また、加圧板１５及びベース板１０の主面の面積を摩擦板３０Ａ，３０Ｂの主面の面積よりも大きくすることにより、重り４０の移動量を大きくすることができる。さらに、加圧板１５は自身のばね性で摩擦板３０Ａ，３０Ｂを加圧しているため、別途弾性部材を必要とすることがなく、アクチュエータ装置がさらに小型化、低背化される。
【００２３】
また、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは補強板２５に固着されているため、圧電素子２０Ａ，２０Ｂを薄くしても機械的強度を補強することができ、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの割れを未然に防止できる。２枚の圧電素子２０Ａ，２０Ｂを補強板２５の表裏面に固着し、それぞれの分極方向が補強板２５を挟んで互いに逆向きであるため、２枚の圧電素子２０Ａ，２０Ｂに並行して電圧を印加することにより、駆動電圧を低減できる。
【００２４】
さらに、ベース板１０及び／又は加圧板１５の表面であって摩擦板３０Ａ，３０Ｂが圧接する面には硬化処理及び／又は潤滑処理を施すことにより、滑らかな移動を実現でき、耐久性が向上する。さらに、摩擦板３０Ａ，３０Ｂが圧電素子２０Ａ，２０Ｂに接合固定されているので、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの振動が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに直接的に伝達され、ベース板１０との間で高速な駆動が可能になる。
【００２５】
前記アクチュエータ装置１では、重り４０を設けてこの重り４０を移動部として構成したが、重り４０を固定部とし、ベース板１０、スペーサ３６や加圧板１５を移動部として構成してもよい。この場合を第２の動作例として図７に示す。なお、図７において、アクチュエータ装置１は模式的に示されている。
【００２６】
即ち、その移動形態は、図７（Ａ）に示す通常状態から、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが緩やかに収縮すると、ベース板１０及び加圧板１５が固定部（重り４０）に近づく（図７（Ｂ）参照）。次に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが急速に伸長すると、ベース板１０及び加圧板１５は自身の慣性で動くことはなく、摩擦板３０Ａ，３０Ｂがベース板１０と加圧板１５との間で滑りを生じる（図７（Ｃ）参照）。次に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂが緩やかに収縮すると、ベース板１０及び加圧板１５が固定部（重り４０）に近づく（図７（Ｄ）参照）。以上の動作を繰り返すことにより、ベース板１０及び加圧板１５が図７中右方に移動することになる。
【００２７】
なお、固定部（重り４０）は、例えば、電子機器の筺体（図示せず）そのものであってもよい。
【００２８】
（アクチュエータ装置の駆動回路と動作波形、図８参照）
前記アクチュエータ装置１は、図８に示すように、圧電素子２０に対して電源５１と四つのスイッチング素子５２ａ〜５２ｄを設けた駆動回路で駆動される。なお、この駆動回路は最もシンプルに示したものである。図８（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれのスイッチング素子５２ａ〜５２ｄのオン／オフ状態と、そのときの電流の流れを矢印で示している。それぞれのスイッチング素子５２ａ〜５２ｄのオン／オフ状態において圧電素子２０に印加される電圧は図８（Ｅ）に示すとおりである。図８（Ｅ）に示す（Ａ）〜（Ｄ）は、図８（Ａ）〜（Ｄ）に示すスイッチング素子５２ａ〜５２ｄの切替え状態に対応している。
【００２９】
前記駆動回路におけるスイッチング素子５２ａ〜５２ｄを（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の状態にどのタイミングで切り替えていくかを時間的に制御することで、種々の印加電圧プロファイルを生成できる。そのプロファイルに応じてアクチュエータ装置１を種々の態様で駆動することができる。
【００３０】
（フォースフィードバック制御機器の第１例、図９及び図１０参照）
第１例であるフォースフィードバック制御機器５５は、図９に示すように、コンピュータなどの入力パッドとして構成したもので、筺体５６にタッチパネル５７を水平面上でＸ−Ｙ方向に移動可能に取り付け、該タッチパネル５７に前記アクチュエータ装置１Ａ，１Ｂを２段に結合させたものである。アクチュエータ装置１Ａはタッチパネル５７をＸ方向に移動させるもので、図７に示した動作を基本とするアクチュエータ装置１Ａのベース板１０にタッチパネル５７が固定されている。さらに、アクチュエータ装置１Ａはいま一つのアクチュエータ装置１Ｂのベース板１０上に搭載されており、アクチュエータ装置１Ｂはタッチパネル５７をＹ方向に移動させるものである。このように、駆動装置を２段に積み重ねて物体をＸ−Ｙ平面上で任意の方向に移動させる機構自体は周知である。なお、単一のアクチュエータ装置を用いて、Ｘ方向のみあるいはＹ方向のみに移動させるようにしてもよい。
【００３１】
このフォースフィードバック制御機器５５は、図１０に示すように、概略、タッチパル５７の位置を検出する位置センサ６０、アクチュエータ装置１Ａ，１Ｂのドライバ６１（図８に示した駆動回路）、コントローラ６２にて構成されている。コントローラ６２は、ＣＰＵを中心としてパルス発生回路、位置センサ６０の信号処理回路、測定値記録回路などを含み、タッチパネル５７に対して操作者から付与される力、力点、移動位置、速度、加速度を含む物理量の少なくともいずれか一つの情報に基づいて、アクチュエータ装置１Ａ，１Ｂを駆動する少なくとも２種類の電圧プロファイルから所定の一つを選択又は演算し、アクチュエータ装置１Ａ，１Ｂを駆動する。
【００３２】
（フォースフィードバック制御機器の第２例、図１１参照）
図１１に、第２例であるフォースフィードバック制御機器６５を示す。このフォースフィードバック制御機器６５は、回転運動型であって、支軸６６を支点として一体的に回転可能な２枚のディスク６７，６８でアクチュエータ装置１の圧電素子２０Ａ，２０Ｂを所定の摩擦力で挟着したものである。この制御機器６５では前記ベース板１０と加圧板１５に代えてディスク６７，６８が用いられている。ディスク６７がタッチパネルとして機能する。
【００３３】
（感触、力覚の発生、図１２〜図１６参照）
ところで、マーガレット・ミンスキー他５名の著作である「感覚と視覚：力表現の論点」コンピュータ・グラフィックス２４−２、２３５−２４３頁によると、図１２に示すように、物体表面の微細凹凸形状の傾きに比例した（水平方向の）力を操作者の指先に与えることで、操作者に疑似的に凹凸感を感じさせることができるとされている。よって、例えば、高さ±Ｈ、周期λで正弦波状にうねった面を表現する場合、表面形状Ｐを位置ｘに対して、
【００３４】
【数１】
2012104077.tif 000003
【００３５】
と定義すれば、
【００３６】
【数２】
2012104077.tif 000004
【００３７】
で表わされる推力を前記アクチュエータ装置１に発生させることで、正弦波状の表面を操作者に疑似的に体験させることができる。
【００３８】
インパクト駆動型のアクチュエータ装置１では圧電素子２０Ａ，２０Ｂを図１３（Ａ）に示すように鋸状に動作させることにより、摩擦力の力積の差で推力を得ている。また、図１３（Ｂ）に示すような動作では摩擦力の力積が生じることはなく（動作せず）、力積の差を変化させることで推力の調整が可能である。
【００３９】
アクチュエータ装置１を図１３（Ａ）のように動作させるには、図１４（Ａ）に示す駆動電圧波形（電圧プロファイル）を圧電素子に印加すればよい。また、図１３（Ｂ）のように動作させるには、図１４（Ｂ）に示す駆動電圧波形（電圧プロファイル）を圧電素子に印加すればよい。即ち、圧電素子に印加する電圧プロファイルを複数種類用意しておき、その中から所定の一つを選択又は演算し、アクチュエータ装置１Ａ，１Ｂを駆動することで種々の力覚をタッチパネル５２あるいはディスク６２を操作する者の指先に伝達することができる。電圧プロファイルの演算は、前記式（１），（２）に基づいて処理することができる。
【００４０】
例えば、図１５（Ａ）に示すデテント（コリコリ感）を生成するには、図１５（Ｂ）に示す電圧プロファイルをアクチュエータ装置１に印加し、間に無印加時間を挿入すればよい。また、図１６（Ａ）に示すでこぼこ感を生成するには、図１６（Ｂ），（Ｃ）に示す電圧プロファイルをアクチュエータ装置１に交互に印加すれはよい。
【００４１】
（他の実施例）
なお、本発明に係るフォースフィードバック制御機器は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。
【００４２】
特に、アクチュエータ装置としての基本的形態は図１に示したもの以外に種々の形態を採用することができる。例えば、３枚の圧電素子を２枚の補強板を介在させて積層したもので、それぞれの分極方向を補強板を挟んで互いに逆向きにしたものであってもよい。また、圧電素子は１枚であってもよく、この場合には２枚の補強板を圧電素子の表裏面に固着して、補強を行ってもよい。あるいは、他の動作モード（例えば、ｄ３３モード）で動作する圧電素子を使用することもできる。特に、スペーサ３６の形状は任意である。さらに、圧電素子の駆動回路の構成、印加電圧の形態、重りの取付け形態などは任意である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明は、フォースフィードバック制御機器に有用であり、特に、多様で自然な感触、特に自然な力覚を得ることができる点で優れている。
【符号の説明】
【００４４】
１，１Ａ，１Ｂ…アクチュエータ装置
１０…ベース板
１５…加圧板
２０Ａ，２０Ｂ…圧電素子
３０Ａ，３０Ｂ…摩擦板
５５，６５…フォースフィードバック制御機器
５７…タッチパネル
６０…位置センサ
６１…ドライバ
６２…コントローラ
６７…ディスク（タッチパネル）
【図１】
2012104077.tif 000005
【図２】
2012104077.tif 000006
【図３】
2012104077.tif 000007
【図４】
2012104077.tif 000008
【図５】
2012104077.tif 000009
【図６】
2012104077.tif 000010
【図７】
2012104077.tif 000011
【図８】
2012104077.tif 000012
【図９】
2012104077.tif 000013
【図１０】
2012104077.tif 000014
【図１１】
2012104077.tif 000015
【図１２】
2012104077.tif 000016
【図１３】
2012104077.tif 000017
【図１４】
2012104077.tif 000018
【図１５】
2012104077.tif 000019
【図１６】
2012104077.tif 000020