JP2010170483A - Contact rendering device and driving method - Google Patents

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Toshiharu Shimizu
敏晴 清水
Tsukasa Yamada
司 山田
Osamu Masakado
修 正門
Kimihiro Takagi
仁博 高木
Hiroki Otsuka
裕樹 大塚
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Mitsumi Electric Co Ltd
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Mitsumi Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a contact rendering device capable of expanding displacement and achieving dramatic reduction in size/weight even while using a PZT element, and a driving method therefor. <P>SOLUTION: The contact rendering device 10 includes: piezoelectric elements 12 disposed aligned on a base plate 11; pins 13 placed so as to be moved in a direction that the piezoelectric elements 12 expand or contract; a top cover 15 that covers an entire positioning cover 14 and has a key top formed in a curved manner to fit the shape of a finger; and coil springs 16 for forcing the pins 13 to the piezoelectric element 12 side. At the time of contact rendering, a driving circuit 5 applies a driving frequency of 1 kHz (preferably several kHz) or more to the target piezoelectric elements 12 to displace the piezoelectric elements 12 at a high speed. By the collision of the piezoelectric elements 12 and the pins 13, the piezoelectric elements 12 are struck up and the pins 13 gain a large amount of displacement. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、力感覚を利用して各種情報を伝達する接触呈示装置及び駆動方法に関する。   The present invention relates to a contact presentation device and a driving method for transmitting various information using force sensation.

PZT素子による素子の変位を利用したアクチュエータがある。しかしPZTのバルク素子は、例えば0.9mm×0.9mm×1.6mmで定格電圧を印加した際の変位量は約1μm程度と変位量は小さい。PZT素子そのものの変位量が小さいことから、変位を拡大するバイモルフ構造のPZT素子を利用する例が多くある。バイモルフ構造は、上下のピエゾ板間に導電板を挟んで一体化し、ピエゾ板あるいは導電板のいずれか一方を共通電極、他方をセグメント電極とした構造である。   There is an actuator that utilizes the displacement of an element by a PZT element. However, a PZT bulk element has a small displacement amount of about 1 μm when a rated voltage is applied at, for example, 0.9 mm × 0.9 mm × 1.6 mm. Since the displacement amount of the PZT element itself is small, there are many examples of using a PZT element having a bimorph structure that expands the displacement. The bimorph structure is a structure in which a conductive plate is integrated between upper and lower piezoelectric plates, and either the piezoelectric plate or the conductive plate is a common electrode and the other is a segment electrode.

特許文献1には、弾性導電材料からなる薄片の両板面に圧電材料からなる圧電層を積層した圧電素子片と、圧電素子片の基端部に位置する前記薄片の基端部を固定する固定手段と、圧電素子片の略中央部分を湾曲変位の自由度を持たせて支持する支持手段とを具備するバイモルフ構造の圧電アクチュエータが記載されている。   In Patent Document 1, a piezoelectric element piece in which a piezoelectric layer made of a piezoelectric material is laminated on both plate surfaces of a thin piece made of an elastic conductive material, and a base end part of the thin piece located at the base end part of the piezoelectric element piece are fixed. A piezoelectric actuator having a bimorph structure including fixing means and supporting means for supporting a substantially central portion of a piezoelectric element piece with a degree of freedom of bending displacement is described.

特許文献2には、バイモルフ構造のPZT素子を利用してピンを上下する触覚刺激装置が記載されている。この触覚刺激装置は、音声などの音響情報を周波数分解し、振動ピンを夫々独立して振動させ、正確な振動パターンを指先に連続して与える。   Patent Document 2 describes a tactile stimulation device that moves a pin up and down using a PZT element having a bimorph structure. This tactile stimulation device performs frequency decomposition on acoustic information such as voice, vibrates the vibration pins independently, and continuously gives an accurate vibration pattern to the fingertip.

特公平3−32236号公報Japanese Patent Publication No. 3-32236 特開2000−166962号公報JP 2000-166962 A

しかしながら、このような従来のバイモルフ構造のPZT素子を利用したアクチュエータにあっては、変位を拡大するために機構部の長手方向の距離寸法を必要としていたため、機器の小型化・軽量化が困難であった。特許文献2に記載の触覚刺激装置は、バイモルフ構造の長手方向のアームの長さを利用してピンの高さ方向の位置変化を大きくする構成であるため、構造的に小さく(すなわちアームを短く)すると、十分なピンの変位が得られず指先に刺激を伝えることができない。   However, in such an actuator using a conventional PZT element having a bimorph structure, it is difficult to reduce the size and weight of the device because the distance in the longitudinal direction of the mechanism portion is required to increase the displacement. Met. Since the tactile stimulation device described in Patent Document 2 is configured to increase the positional change in the height direction of the pin using the length of the arm in the longitudinal direction of the bimorph structure, it is structurally small (that is, the arm is shortened). ) If this happens, sufficient pin displacement cannot be obtained and stimulation cannot be transmitted to the fingertip.

いずれにしても、元々変位量の小さいPZT素子を利用する場合、バイモルフ構造を採らざるを得ず、このバイモルフ構造のPZT素子を利用したアクチュエータ自体がかなりの大きさと重量を持つことに加え、駆動電圧が高く、例えば携帯電話などに搭載することは全く不可能であった。   In any case, when using a PZT element with a small amount of displacement originally, a bimorph structure must be adopted, and in addition to the actuator itself using this bimorph structure PZT element having a considerable size and weight, driving The voltage is high, and it was impossible to install in a mobile phone, for example.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、PZT素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、格段に小型化・軽量化を図ることができる接触呈示装置及び駆動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and provides a contact presentation device and a driving method capable of enlarging displacement while using a PZT element, and capable of significantly reducing size and weight. The purpose is to do.

本発明の接触呈示装置は、ベース基板上に配置される圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向に離間可能に当接する可動部材と、前記可動部材の動きを規制する規制部材と、前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる駆動部と、を備える構成を採る。   The contact presentation device of the present invention includes a piezoelectric element disposed on a base substrate, a movable member that comes into contact with the piezoelectric element so as to be separable, a regulating member that regulates the movement of the movable member, and the piezoelectric element And a driving unit that applies a driving frequency equal to or higher than a predetermined frequency to displace the piezoelectric element at high speed.

本発明の駆動方法は、圧電素子の伸縮方向に可動部材を当接させる工程と、前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる工程と、前記圧電素子の変位及び前記可動部材の質量から導かれる運動方程式に基づいて、前記可動部材を前記圧電素子から跳躍させる工程とを有する。   The driving method of the present invention includes a step of bringing a movable member into contact with an expansion / contraction direction of a piezoelectric element, a step of applying a driving frequency equal to or higher than a predetermined frequency to the piezoelectric element to displace the piezoelectric element at a high speed, and the piezoelectric element And the step of jumping the movable member from the piezoelectric element based on the equation of motion derived from the displacement of the movable member and the mass of the movable member.

本発明によれば、PZT素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、格段に小型化・軽量化を図ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a displacement can be expanded using a PZT element, and reduction in size and weight can be achieved markedly.

本発明の基本原理を説明する図Diagram for explaining the basic principle of the present invention 本発明の実施の形態に係る接触呈示装置の全体構成を示す図The figure which shows the whole structure of the contact presentation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 上記実施の形態に係る接触呈示装置の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment. 上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート及び圧電素子の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the base plate and piezoelectric element of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment. 上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート及び位置決めカバーの構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the base plate and positioning cover of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment. 上記実施の形態に係る接触呈示装置の圧電素子上に載置されたピンの構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the pin mounted on the piezoelectric element of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment. 上記実施の形態に係る接触呈示装置のベースプレート、ピン及び位置決めカバーの組み立て工程を示す斜視図The perspective view which shows the assembly process of the baseplate of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment, a pin, and a positioning cover. 上記実施の形態に係る接触呈示装置の断面図Sectional drawing of the contact presentation apparatus which concerns on the said embodiment 上記実施の形態に係る接触呈示装置の指がトップカバーに載置された場合の断面図Sectional drawing when the finger of the contact presentation device according to the embodiment is placed on the top cover 上記実施の形態に係る接触呈示装置の圧電素子に印加する駆動周波数を変えた場合のピンの変位量を測定した図The figure which measured the displacement amount of the pin at the time of changing the drive frequency applied to the piezoelectric element of the contact presentation apparatus based on the said embodiment

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(原理説明)
図1は、本発明の基本原理を説明する図であり、図1(a)は、そのPZT素子の周波数応答性を示す図、図1(b)は、その構成図、図1(c)は、その設定条件を表にして示す図である。
(Principle explanation)
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of the present invention. FIG. 1 (a) is a diagram showing the frequency response of the PZT element, FIG. 1 (b) is its configuration diagram, and FIG. These are the figures which show the setting conditions in a table | surface.

PZT素子は、駆動信号の周波数を可変することにより、周波数に応答する形で変位する。なお、通常のアクチュエータ(例えばモータ、ソレノイド)はインダクタンス成分を持つため周波数が高くなると応答が持続できない2次遅れ系を持つ。   The PZT element is displaced in response to the frequency by changing the frequency of the drive signal. Note that a normal actuator (for example, a motor or a solenoid) has an inductance component, and thus has a second-order lag system in which the response cannot be maintained when the frequency is increased.

図1(a)に示すように、PZT素子は、結晶の歪みによって変位するので周波数を持続しても応答性が持続する特徴を持つ。   As shown in FIG. 1A, since the PZT element is displaced by crystal distortion, the responsiveness is maintained even if the frequency is maintained.

本発明者らは、PZTバルク素子を利用して変位(又は移動速度、加速度)を短時間で拡大する方法を見出した。   The present inventors have found a method of expanding displacement (or moving speed, acceleration) in a short time using a PZT bulk element.

図1(b)に示すように、PZTバルク素子1の上部に可動できるピン2を載せ、PZTバルク素子1に電圧を印加して変位させる。本発明者らは、ピン2の質量と、PZTバルク素子1に印加する電圧の周波数が所定の関係を満たすとき、ピン2の変位量が極端に増大することを見出した。このピン2の変位量は、ピン2がPZTバルク素子1の上部から飛び跳ねることによるものである。低い周波数では、PZTバルク素子1の変位にピン2は追従した動きをするが、1kHz近傍より高い周波数になると、ピン2の持つ質量に応じた運動を開始する。これは、ピン2が落下してPZTバルク素子1に当接する際に、PZTバルク素子1が高速で変位していると、PZTバルク素子1とピン2とが衝突し、より大きな力がピン2に加わり、ピン2を跳ね上げるようにしてピン2の変位量を増大させる。   As shown in FIG. 1B, a movable pin 2 is placed on the PZT bulk element 1, and a voltage is applied to the PZT bulk element 1 to displace it. The present inventors have found that when the mass of the pin 2 and the frequency of the voltage applied to the PZT bulk element 1 satisfy a predetermined relationship, the displacement amount of the pin 2 increases extremely. The displacement amount of the pin 2 is due to the pin 2 jumping from the upper part of the PZT bulk element 1. At a low frequency, the pin 2 moves following the displacement of the PZT bulk element 1, but when the frequency becomes higher than around 1 kHz, the movement according to the mass of the pin 2 is started. This is because, when the PZT bulk element 1 is displaced at a high speed when the pin 2 falls and comes into contact with the PZT bulk element 1, the PZT bulk element 1 and the pin 2 collide, and a larger force is applied to the pin 2. In addition, the amount of displacement of the pin 2 is increased by jumping up the pin 2.

ピン2の変位量は、ピン2の材質・形状、ピン2のPZTバルク素子1側への復帰力、PZTバルク素子1の形状・大きさ・印加電圧などにより異なる。本発明者らの実験によれば、ピン2の質量とPZTバルク素子1に印加する電圧の周波数の設定が支配的であることが判明した。このうち、ピン2については、用途上からある程度の大きさ・形状が規定され、かつ剛性の高い金属を使用したとすると、質量についての調整範囲は少ない。このため、PZTバルク素子1に印加する電圧の周波数の設定が重要となる。   The amount of displacement of the pin 2 varies depending on the material and shape of the pin 2, the restoring force of the pin 2 toward the PZT bulk element 1, the shape, size, and applied voltage of the PZT bulk element 1. According to the experiments by the present inventors, it has been found that the setting of the mass of the pin 2 and the frequency of the voltage applied to the PZT bulk element 1 is dominant. Of these, the pin 2 has a certain range of size and shape for use, and if a highly rigid metal is used, the adjustment range for mass is small. For this reason, the setting of the frequency of the voltage applied to the PZT bulk element 1 is important.

以下、ピン跳ね上げ時を表す運動方程式の導出について説明する。   Hereinafter, the derivation of the equation of motion representing the time of pin jumping will be described.

図1(c)は、ピン2の質量m,速度v1,加速度α,跳ね上がり高さh,衝突時間t,PZTバルク素子1の速度v2,加速度β,駆動周波数fの単位を示す。以下の説明において、簡単のため、ピン2はピン、PZTバルク素子1はPZTと略記する。   FIG. 1C shows units of the mass m, the speed v1, the acceleration α, the jump height h, the collision time t, the speed v2, the acceleration β of the PZT bulk element 1, and the driving frequency f. In the following description, for simplicity, the pin 2 is abbreviated as a pin, and the PZT bulk element 1 is abbreviated as PZT.

ピンとPZTが衝突する力が最も大きいとき、ピンは最大に跳ね上がる。ここで、ピン・PZTは剛体であると考えると、ピンとPZTの接触で起こる衝撃力F(N)は次式(1)で表すことができる。   When the force with which the pin and PZT collide is the largest, the pin jumps to the maximum. Here, when it is considered that the pin / PZT is a rigid body, the impact force F (N) caused by the contact between the pin and the PZT can be expressed by the following equation (1).

F=m・a
=m・(α+β)
=m・(v1+v2)/t …(1)
ピン質量m、衝突時間tを一定とするならば、衝撃力を大きくするには衝突直前のピンとPZTの速度を大きくする必要がある。
F = m · a
= M · (α + β)
= M · (v1 + v2) / t (1)
If the pin mass m and the collision time t are constant, it is necessary to increase the speed of the pin and the PZT immediately before the collision in order to increase the impact force.

ピン速度v1は、跳ね上がった高さに依存し、次式(2)で示される。gは重力加速度である。   The pin speed v1 depends on the jumped height and is expressed by the following equation (2). g is a gravitational acceleration.

v1=(2・g・h)(1/2) …(2)
実際には、ピンはストッパーにより規制されるため、高さには制限が設けられている。
v1 = (2 · g · h) (1/2) (2)
Actually, since the pin is regulated by the stopper, the height is limited.

PZTの変位速度は、印加する電圧が変わらなければ変化はない。しかし、駆動周波数fによって伸縮の回数を変化させることができる。例えば、ピンがMaxまで上がった状態で落下してくる時間T(s)は、次式(3)で示される。   The displacement speed of PZT does not change unless the applied voltage is changed. However, the number of expansions / contractions can be changed by the drive frequency f. For example, the time T (s) during which the pin falls with Max raised to Max is expressed by the following equation (3).

T=(h・2/g)(1/2) …(3)
PZTは、駆動周波数fに従って1/f秒に一回伸縮を行うことになる。衝突するタイミングに合わせた周波数を設定することで、最もv2が大きい状態でピンと衝突させるよう調節を行うことが可能である。
T = (h · 2 / g) (1/2) (3)
PZT expands and contracts once in 1 / f seconds according to the driving frequency f. By setting the frequency according to the timing of collision, it is possible to perform adjustment so that the pin collides with the v2 being the largest.

なお、以上は、摩擦などを無視した簡単なモデルであり、また各制限を設けたため、厳密には当てはまらないことを注記しておく。   It should be noted that the above is a simple model ignoring friction and the like, and since each restriction is provided, it is not strictly applicable.

(実施の形態)
図2は、上記基本的な考え方に基づく本発明の一実施の形態に係る接触呈示装置の全体構成を示す図である。本実施の形態は、指に各種情報を伝達する触覚呈示デバイスに適用した例である。
(Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing an overall configuration of a contact presentation device according to an embodiment of the present invention based on the above basic concept. The present embodiment is an example applied to a tactile presentation device that transmits various types of information to a finger.

図2に示すように、接触呈示装置10は、駆動回路5の出力により駆動される。   As shown in FIG. 2, the contact presentation device 10 is driven by the output of the drive circuit 5.

駆動回路5は、駆動信号をPZTバルク素子の定格電圧とするとともに、1kHz近傍より高い駆動周波数を印加する。   The drive circuit 5 sets the drive signal to the rated voltage of the PZT bulk element and applies a drive frequency higher than the vicinity of 1 kHz.

図3は、上記接触呈示装置10の構成を示す斜視図であり、図3(a)はその破断斜視図、図3(b)はその断面図である。   FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the contact presentation device 10, FIG. 3 (a) is a broken perspective view thereof, and FIG. 3 (b) is a sectional view thereof.

図3に示すように、接触呈示装置10は、ベースプレート11と、ベースプレート11上に整列して設置された圧電素子12と、圧電素子12の伸縮方向に離間可能に載置されたピン13と、整列した圧電素子12全体を覆い、ピン13位置を規制する位置決めカバー14と、位置決めカバー14全体を覆うとともに、指の形状に合わせて湾曲に形成されたキートップと該キートップに開口した開口孔15aを有し、跳ね上げられたピン13が開口孔15aから突出するトップカバー15と、ピン13を圧電素子12側に付勢するコイルバネ16とから構成される。   As shown in FIG. 3, the contact presentation device 10 includes a base plate 11, a piezoelectric element 12 arranged in alignment on the base plate 11, a pin 13 placed so as to be separable in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element 12, A positioning cover 14 that covers the entire aligned piezoelectric elements 12 and regulates the position of the pin 13, a key top that is formed in a curved shape in accordance with the shape of the finger and covers the entire positioning cover 14, and an opening hole that opens in the key top The top cover 15 which has 15a and the pin 13 which bounces up protrudes from the opening hole 15a, and the coil spring 16 which urges the pin 13 to the piezoelectric element 12 side are comprised.

図4は、上記ベースプレート11及び圧電素子12の構成を示す斜視図、図5は、上記ベースプレート11及び位置決めカバー14の構成を示す斜視図、図6は、上記圧電素子12上に載置されたピン13の構成を示す斜視図、図7は、上記ベースプレート11、ピン13及び位置決めカバー14の組み立て工程を示す斜視図である。   4 is a perspective view showing configurations of the base plate 11 and the piezoelectric element 12, FIG. 5 is a perspective view showing configurations of the base plate 11 and the positioning cover 14, and FIG. 6 is placed on the piezoelectric element 12. As shown in FIG. FIG. 7 is a perspective view showing an assembly process of the base plate 11, the pin 13 and the positioning cover 14.

図3及び図4に示すように、ベースプレート11は、ベースプレート本体11a、ベースプレート本体11a表面に設けられた溝部11b、位置決めカバー14を固定する爪部11c及びねじ止め用孔を有する脚部11dから構成される。1つの溝部11bには、3個の圧電素子12が整列して配置され、圧電素子12の一端は、該溝部11bに固定される。本実施の形態では、9個の圧電素子12を整列しているが、どのような個数又は配列でも構わない。例えば、ベースプレート本体11aに16個の圧電素子12を整列させる構成でもよい。   As shown in FIGS. 3 and 4, the base plate 11 includes a base plate main body 11a, a groove portion 11b provided on the surface of the base plate main body 11a, a claw portion 11c for fixing the positioning cover 14, and a leg portion 11d having a screwing hole. Is done. Three piezoelectric elements 12 are arranged in alignment in one groove 11b, and one end of the piezoelectric element 12 is fixed to the groove 11b. In the present embodiment, nine piezoelectric elements 12 are aligned, but any number or arrangement may be used. For example, a configuration in which 16 piezoelectric elements 12 are aligned with the base plate body 11a may be employed.

圧電素子12は、例えばPZTバルク素子である。   The piezoelectric element 12 is, for example, a PZT bulk element.

図3及び図6に示すように、ピン13は、圧電素子12の端部12aに当接して載置される。ピン13は、位置決めカバー14の開口孔14a内を摺動する基部13a、コイルバネ16を規制するフランジ部13b、及び頭部13cを有する。ピン13は、自重又はコイルバネ16の付勢により、その基部13aの端が圧電素子12の端部12aに軽く当接する。ピン13は、圧電素子12の変位により跳ね上がりが可能である。また、図3(b)に示すように、各ピン13は、トップカバー15の形状に合わせて長さが決められる。   As shown in FIGS. 3 and 6, the pin 13 is placed in contact with the end 12 a of the piezoelectric element 12. The pin 13 includes a base portion 13 a that slides in the opening hole 14 a of the positioning cover 14, a flange portion 13 b that regulates the coil spring 16, and a head portion 13 c. The pin 13 is lightly abutted against the end 12 a of the piezoelectric element 12 by its own weight or the bias of the coil spring 16. The pin 13 can be flipped up by the displacement of the piezoelectric element 12. Further, as shown in FIG. 3B, the length of each pin 13 is determined according to the shape of the top cover 15.

図3及び図5に示すように、位置決めカバー14は、開口孔14aを有し、該開口孔14aにピン13の基部13aを摺動自在に収容して、圧電素子12上に載置されたピン13位置を規制する。   As shown in FIGS. 3 and 5, the positioning cover 14 has an opening 14 a, and the base 13 a of the pin 13 is slidably received in the opening 14 a and placed on the piezoelectric element 12. The position of the pin 13 is regulated.

図3及び図7に示すように、位置決めカバー14は、図6の状態を保つように圧電素子12上にピン13を載置しつつ、ベースプレート本体11a上に爪部11cにより固定される。   As shown in FIGS. 3 and 7, the positioning cover 14 is fixed on the base plate body 11a by the claw portions 11c while the pins 13 are placed on the piezoelectric elements 12 so as to maintain the state of FIG.

図3に示すように、トップカバー15のキートップは、指の形状に合わせた湾曲に形成される。トップカバー15は、開口孔15aを有し、該開口孔15aにピン13の頭部13cを摺動自在に収容する。ピン13は、跳ね上がり時に、頭部13cがトップカバー15の表面から突出する。トップカバー15は、図7の状態のピン13及び位置決めカバー14全体を覆うようにしてベースプレート本体11a側面部に固定される。   As shown in FIG. 3, the key top of the top cover 15 is formed in a curved shape that matches the shape of the finger. The top cover 15 has an opening hole 15a, and the head 13c of the pin 13 is slidably accommodated in the opening hole 15a. The pin 13 protrudes from the surface of the top cover 15 when the head 13 bounces. The top cover 15 is fixed to the side surface of the base plate main body 11a so as to cover the pins 13 and the positioning cover 14 in the state of FIG.

図3(b)に示すように、コイルバネ16は、図6に示す状態でピン13のフランジ部13bとトップカバー15内部上面間に挿入され、ピン13を圧電素子12側に軽く付勢する。これにより、接触呈示装置10が水平状態で使用されない状況下にあってもピン13の基部13aの端が圧電素子12の端部12aに当接させることができる。なお、接触呈示装置10を水平状態で使用することが決まっている場合は、ピン13の自重を用いてピン13を圧電素子12側に復帰させる態様でもよい。この場合にはコイルバネ16が不要になり、またコイルバネ16取り付けの工程を削減することができ、コスト低減を図ることができる。   As shown in FIG. 3B, the coil spring 16 is inserted between the flange portion 13b of the pin 13 and the upper surface inside the top cover 15 in the state shown in FIG. 6, and lightly biases the pin 13 toward the piezoelectric element 12 side. Accordingly, the end of the base portion 13a of the pin 13 can be brought into contact with the end portion 12a of the piezoelectric element 12 even when the contact presentation device 10 is not used in a horizontal state. When the contact presentation device 10 is determined to be used in a horizontal state, the pin 13 may be returned to the piezoelectric element 12 side by using the weight of the pin 13. In this case, the coil spring 16 is not necessary, the process of attaching the coil spring 16 can be reduced, and the cost can be reduced.

以下、上述のように構成された接触呈示装置10の動作について説明する。まず、接触呈示装置10の組み立て方法について述べる。   Hereinafter, the operation of the contact presentation device 10 configured as described above will be described. First, a method for assembling the contact presentation device 10 will be described.

図4に示すように、ベースプレート本体11a上に圧電素子12を格子状に並べる。圧電素子12の個数・配置間隔は、任意である。圧電素子12の配置間隔を、2−4mm程度に設定すると、指先に感覚を伝える上で有効である。   As shown in FIG. 4, the piezoelectric elements 12 are arranged in a lattice pattern on the base plate body 11a. The number and arrangement interval of the piezoelectric elements 12 are arbitrary. Setting the arrangement interval of the piezoelectric elements 12 to about 2-4 mm is effective in transmitting a sense to the fingertip.

図5に示すように、格子状に並べられた圧電素子12を覆うように、位置決めカバー14を設置し、図7に示すように、位置決めカバー14の開口孔14aにピン13の基部13aを収容する。これにより、図6に示すように、ピン13の基部13aは、圧電素子12の端部12aに当接する。   As shown in FIG. 5, a positioning cover 14 is installed so as to cover the piezoelectric elements 12 arranged in a lattice shape, and as shown in FIG. 7, the base portion 13 a of the pin 13 is accommodated in the opening hole 14 a of the positioning cover 14. To do. Thereby, as shown in FIG. 6, the base portion 13 a of the pin 13 comes into contact with the end portion 12 a of the piezoelectric element 12.

また、ピン13には、ピン13を圧電素子12に当接するように付勢するコイルバネ16を取り付ける。   A coil spring 16 is attached to the pin 13 to urge the pin 13 so as to contact the piezoelectric element 12.

図3に示すように、トップカバー15を、図7の状態のピン13及び位置決めカバー14全体を覆うようにしてベースプレート本体11a側面部に固定する。   As shown in FIG. 3, the top cover 15 is fixed to the side surface of the base plate main body 11a so as to cover the pins 13 and the positioning cover 14 in the state of FIG.

次に、接触呈示装置10の動作について述べる。   Next, the operation of the contact presentation device 10 will be described.

図8は、上記接触呈示装置10の断面図であり、図8(a)はそのピン跳ね上げ前(Jump前)の断面図、図8(b)はそのピン跳ね上げ後(Jump後)の断面図である。   FIG. 8 is a cross-sectional view of the contact presentation device 10, FIG. 8 (a) is a cross-sectional view before the pin jumps up (before Jump), and FIG. 8 (b) is after the pin jumps up (after Jump). It is sectional drawing.

図8に示すように、トップカバー15のキートップは、指の形状に合わせた湾曲に形成されている。図8(a)に示すように、トップカバー15は、初期状態では、指先に感触がないようにトップカバー15表面からピン13の頭部13cが引っ込んだ状態にある。この表面へこみ量は、例えば0.1mmである。   As shown in FIG. 8, the key top of the top cover 15 is formed in a curved shape that matches the shape of the finger. As shown in FIG. 8A, in the initial state, the top cover 15 is in a state in which the head 13c of the pin 13 is retracted from the surface of the top cover 15 so that the fingertip does not feel. This surface dent amount is, for example, 0.1 mm.

感覚を伝えたい位置にある圧電素子12に、所定の定格電圧で、かつ前述した駆動周波数の駆動信号を印加し、該当圧電素子12を振動させる。具体的には、図2に示す駆動回路5の出力により接触呈示装置10の圧電素子12を駆動する。圧電素子12に供給する駆動信号は、所定の定格電圧と駆動周波数を満たす信号であればどのような波形(例えば、矩形波、サイン波、三角波、のこぎり波)でもよい。   A drive signal having a predetermined rated voltage and the above-described drive frequency is applied to the piezoelectric element 12 at a position where a sense is to be transmitted, and the corresponding piezoelectric element 12 is vibrated. Specifically, the piezoelectric element 12 of the contact presentation device 10 is driven by the output of the drive circuit 5 shown in FIG. The driving signal supplied to the piezoelectric element 12 may be any waveform (for example, a rectangular wave, a sine wave, a triangular wave, or a sawtooth wave) as long as the signal satisfies a predetermined rated voltage and driving frequency.

図8(b)に示すように、該当圧電素子12が振動することにより、原理説明で述べた理により該当圧電素子12に当接するピン13が跳ね上がる。図8(b)の場合は、3つのピン13が何れも跳躍し、トップカバー15表面からピン13の頭部13cが突出している。この表面突出量は、例えば0.5mmである。   As shown in FIG. 8B, when the corresponding piezoelectric element 12 vibrates, the pin 13 contacting the corresponding piezoelectric element 12 jumps up according to the reason described in the explanation of the principle. In the case of FIG. 8B, all the three pins 13 jump and the head 13 c of the pin 13 protrudes from the surface of the top cover 15. The surface protrusion amount is, for example, 0.5 mm.

トップカバー15に乗せられた指に、ピン13の頭部13cが勢いよく当たることで、ユーザは指先から接触呈示情報を得ることができる。例えば、ピン13配列が3×3のマトリクス配列において、左側3列のピン13が跳ね上がり、ユーザがこれを指から知覚したしたとすると、「左」に割り当てられている機能が呈示されていると認識することができる。   When the head 13c of the pin 13 strikes the finger placed on the top cover 15 vigorously, the user can obtain contact presentation information from the fingertip. For example, in a 3 × 3 matrix arrangement of pins 13, if the left three rows of pins 13 jump up and the user perceives this from a finger, the function assigned to “left” is presented. Can be recognized.

図9は、指がトップカバーに載置された場合の接触呈示装置10の断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view of the contact presentation device 10 when a finger is placed on the top cover.

図9に示すように、トップカバー15のキートップは、指20の形状に合わせた湾曲に形成されている。また、ピン13の長さは、指接触部分である湾曲したトップカバー15の形状に合わせて長さが調整される。これにより、各ピン13が跳ね上がり、トップカバー15表面からピン13の頭部13cが突出した場合、感触の均一化を図ることができる。   As shown in FIG. 9, the key top of the top cover 15 is formed in a curve that matches the shape of the finger 20. Further, the length of the pin 13 is adjusted in accordance with the shape of the curved top cover 15 that is a finger contact portion. Thereby, when each pin 13 jumps up and the head 13c of the pin 13 protrudes from the surface of the top cover 15, the touch can be made uniform.

また、トップカバー15のキートップに指を押し付けて利用する態様ではなく、ユーザは湾曲したトップカバー15に指を置くだけであるため、違和感がなく自然な感じで利用することができる。このため、人に優しい優れた使用感覚のマン・マシン・インタフェースとして活用することができる。湾曲したトップカバー15に置かれる指の感触が自然で違和感ないことから、表面突出量が例えば0.5mmであってもユーザは十分に、指から感触を得ることができる。従来例のように、キートップに指を押し付けて利用するものでは、ユーザの力加減により触感が変わること、押す力と押される力のバランスが各個人で異なることなどの理由から、本実施の形態のような優れた接触呈示を得ることはできない。   Moreover, since the user only puts his / her finger on the curved top cover 15 instead of pressing the finger against the key top of the top cover 15, the user can use it with a natural feeling. For this reason, it can be used as a man-machine interface with an excellent user-friendly sense of use. Since the feel of the finger placed on the curved top cover 15 is natural and uncomfortable, the user can sufficiently obtain a feel from the finger even when the surface protrusion amount is 0.5 mm, for example. As in the conventional example, when the finger is pressed against the key top, the tactile sensation changes depending on the user's force, and the balance between the pressing force and the pressing force is different for each individual. An excellent contact presentation like form cannot be obtained.

図10は、圧電素子12に印加する駆動周波数を変えた場合のピン13の変位量を測定した図である。図10(a)−(e)は、駆動周波数を、順に10Hz,100Hz,500Hz,1kHz,5kHzにした実測波形である。各図中、上段の波形が駆動信号を、下段の波形がピン変位信号を示す。ピン変位は、レーザ測長機を利用しており、測定レンジは、50μm/vですべて同じである。   FIG. 10 is a diagram in which the amount of displacement of the pin 13 is measured when the drive frequency applied to the piezoelectric element 12 is changed. FIGS. 10A to 10E show measured waveforms in which the drive frequencies are set to 10 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, and 5 kHz in this order. In each figure, the upper waveform indicates the drive signal, and the lower waveform indicates the pin displacement signal. The pin displacement uses a laser length measuring machine, and the measurement range is all the same at 50 μm / v.

図10(d)に示すように、駆動周波数が1kHzになると、ピン13の変位量が増える。図10(e)に示すように、駆動周波数を数kHzに設定すると、ピン13の変位量が増大する。   As shown in FIG. 10D, when the drive frequency is 1 kHz, the displacement amount of the pin 13 increases. As shown in FIG. 10E, when the driving frequency is set to several kHz, the displacement amount of the pin 13 increases.

以上詳細に説明したように、本実施の形態の接触呈示装置10は、ベースプレート11上に整列して設置された圧電素子12と、圧電素子12の伸縮方向に離間可能に載置されたピン13と、位置決めカバー14全体を覆うとともに、指の形状に合わせて湾曲に形成されたキートップを有するトップカバー15と、ピン13を圧電素子12側に付勢するコイルバネ16とを備え、駆動回路5は、接触呈示時には、対象の圧電素子12に対して1kHz(好ましくは数kHz)以上の駆動周波数を印加して該当する圧電素子12を高速で変位させる。圧電素子12とピン13とが衝突することで、圧電素子12は跳ね上げられ、ピン13は大きな変位量を獲得することができる。跳ね上げられたピン13が、トップカバー15の開口孔15aから突出することで、ユーザは勢いよく跳ね上げられたピン13の刺激を指に受け、接触呈示情報を得ることができる。   As described above in detail, the contact presentation device 10 according to the present embodiment includes the piezoelectric element 12 arranged in alignment on the base plate 11 and the pin 13 placed so as to be separable in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element 12. A top cover 15 that covers the entire positioning cover 14 and has a key top that is curved to match the shape of the finger, and a coil spring 16 that biases the pin 13 toward the piezoelectric element 12. At the time of contact presentation, a drive frequency of 1 kHz (preferably several kHz) or more is applied to the target piezoelectric element 12 to displace the corresponding piezoelectric element 12 at a high speed. When the piezoelectric element 12 and the pin 13 collide, the piezoelectric element 12 is flipped up and the pin 13 can acquire a large displacement. Since the pin 13 that has been flipped up protrudes from the opening hole 15a of the top cover 15, the user can receive the stimulus of the pin 13 that has been flipped up vigorously and obtain contact presentation information.

本実施の形態では、PZT素子を利用しつつ、変位を拡大することができ、バイモルフ構造のアクチュエータに比較して、格段に小型化・軽量化を図ることができる。本実施の形態を適用したデバイスは、小型化・軽量化の点で比類のないものであり、各種携帯機器、例えば携帯電話などに搭載する途が拓ける。また、本実施の形態では、小型化・軽量化の効果以外にも、部品点数を少なくすることができ、組立工数とコストの低減を図ることができる。   In the present embodiment, the displacement can be enlarged while using the PZT element, and the size and weight can be significantly reduced as compared with the bimorph actuator. A device to which this embodiment is applied is unparalleled in terms of miniaturization and weight reduction, and the way to install it in various portable devices such as cellular phones can be opened. Further, in the present embodiment, in addition to the effect of reducing the size and weight, the number of parts can be reduced, and the number of assembling steps and costs can be reduced.

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能であり、本発明がこれらに及ぶことは当然である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, Various changes are possible based on the technical idea of this invention, and this invention covers these. It is natural.

また、上記各実施の形態では、接触呈示装置という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、アクチュエータ、指方向伝達デバイス等であってもよいことは勿論である。   In each of the above-described embodiments, the name “contact presentation device” is used. However, this is for convenience of explanation, and of course, an actuator, a finger direction transmission device, or the like may be used.

本発明に係る接触呈示装置及び駆動方法は、指などの接触呈示対象部位に各種情報を伝達する触覚呈示デバイスに用いて有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The contact presentation device and the driving method according to the present invention are useful for a tactile presentation device that transmits various types of information to a contact presentation target site such as a finger.

1 PZTバルク素子
2,13 ピン
5 駆動回路
10 接触呈示装置
11 ベースプレート
12 圧電素子
14 位置決めカバー
14a,15a 開口孔
15 トップカバー
16 コイルバネ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 PZT bulk element 2,13 pin 5 Drive circuit 10 Contact presentation apparatus 11 Base plate 12 Piezoelectric element 14 Positioning cover 14a, 15a Opening hole 15 Top cover 16 Coil spring

Claims (9)

ベース基板上に配置される圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮方向に離間可能に当接する可動部材と、
前記可動部材の動きを規制する規制部材と、
前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる駆動部と、
を備えることを特徴とする接触呈示装置。
A piezoelectric element disposed on the base substrate;
A movable member that comes into contact with the piezoelectric element so as to be separable in the expansion and contraction direction;
A regulating member that regulates the movement of the movable member;
A driving unit that applies a driving frequency equal to or higher than a predetermined frequency to the piezoelectric element to displace the piezoelectric element at a high speed;
A contact presentation device comprising:
前記可動部材は、接触呈示を行わない初期状態には、自重により前記圧電素子上に当接することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。   The contact presentation apparatus according to claim 1, wherein the movable member abuts on the piezoelectric element by its own weight in an initial state in which contact presentation is not performed. 前記可動部材を前記圧電素子上に当接するように付勢するバネを備えることを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。   The contact presentation device according to claim 1, further comprising a spring that urges the movable member to abut on the piezoelectric element. 前記駆動部は、前記圧電素子上に当接した前記可動部材を跳ね上げる前記駆動周波数を印加することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。   The contact presenting device according to claim 1, wherein the driving unit applies the driving frequency that flips up the movable member in contact with the piezoelectric element. 前記駆動部は、接触呈示時には、前記圧電素子に1kHz以上の駆動周波数を印加することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。   The contact presentation device according to claim 1, wherein the driving unit applies a driving frequency of 1 kHz or more to the piezoelectric element during contact presentation. 接触呈示対象部位を載置する載置部を備え、
前記可動部材は、接触呈示を行わない初期状態には、前記載置部内に収容され、接触呈示時には、前記載置部表面から突出することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。
A placement unit for placing the contact presentation target part;
The contact presentation device according to claim 1, wherein the movable member is accommodated in the placement unit in an initial state in which contact presentation is not performed, and protrudes from the placement unit surface during contact presentation.
前記接触呈示対象部位は、指であり、
前記載置部は、指の形状に合わせた湾曲部を有し、
前記可動部材は、前記湾曲部に合わせた全長を有することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。
The contact presentation target part is a finger,
The placement portion has a curved portion that matches the shape of the finger,
The contact presenting apparatus according to claim 1, wherein the movable member has a total length that matches the curved portion.
前記圧電素子は、前記ベース基板上に複数配置され、
前記駆動部は、複数配置された前記圧電素子を個別に駆動することを特徴とする請求項1記載の接触呈示装置。
A plurality of the piezoelectric elements are disposed on the base substrate,
The contact presentation device according to claim 1, wherein the driving unit individually drives a plurality of the piezoelectric elements arranged.
圧電素子の伸縮方向に可動部材を当接させる工程と、
前記圧電素子に所定周波数以上の駆動周波数を印加して該圧電素子を高速で変位させる工程と、
前記圧電素子の変位及び前記可動部材の質量から導かれる運動方程式に基づいて、前記可動部材を前記圧電素子から跳躍させる工程と
を有する駆動方法。
Contacting the movable member in the expansion and contraction direction of the piezoelectric element;
Applying a driving frequency equal to or higher than a predetermined frequency to the piezoelectric element to displace the piezoelectric element at a high speed;
And a step of jumping the movable member from the piezoelectric element based on an equation of motion derived from the displacement of the piezoelectric element and the mass of the movable member.
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