JP2012104077A - Force feedback control apparatus - Google Patents

Force feedback control apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2012104077A
JP2012104077A JP2010254504A JP2010254504A JP2012104077A JP 2012104077 A JP2012104077 A JP 2012104077A JP 2010254504 A JP2010254504 A JP 2010254504A JP 2010254504 A JP2010254504 A JP 2010254504A JP 2012104077 A JP2012104077 A JP 2012104077A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
force
feedback control
actuator
operator
force feedback
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010254504A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Bunta Okamoto
文太 岡本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2010254504A priority Critical patent/JP2012104077A/en
Publication of JP2012104077A publication Critical patent/JP2012104077A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Position Input By Displaying (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a force feedback control apparatus giving a various and natural feel, especially a natural force sense and being able to be downsized and thinned.SOLUTION: A force feedback control apparatus inputting a signal to a computer and outputting force to an operator comprises; a substantially flat touch panel 57 detecting an input signal from the operator; and impact-driven actuators 1A and 1B. The touch panel 57 functions as a touch input part movable to horizontal directions X and Y and is driven on the X-Y plane by the actuators 1A and 1B. The computer selects or calculates a prescribed one from at least two types of voltage profiles driving the actuators 1A and 1B based on at least a piece of information about physical quantities including force, a power point, a movement position, velocity and acceleration given by the operator to the touch panel 57 and drives the actuators 1A and 1B.

Description

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。   The present invention relates to a force feedback control device, and more particularly to a force feedback control device that inputs a signal to a computer and outputs a force to a user.

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。   Conventionally, various force feedback control devices for inputting a signal to a computer and outputting a force to an operator have been proposed and developed. For example, a force sense imparting input device described in Patent Literature 1 includes an operation member that is manually operated by an operator, a rotary actuator that applies torque to the operation member, and a rotary encoder that detects movement. . However, this device has a large-scale component structure, and it is difficult to reduce the size and thickness, and the motion is transmitted from the actuator to the operation member via a power transmission means such as a gear, so that a natural feel can be obtained. Is difficult.

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。   In Patent Documents 2 and 3, a touch is fed back to the touch panel by vibration. However, if only vibration is used, it is not possible to obtain a variety of touches, particularly force senses. In Patent Document 4, a touch is fed back to a touch pad by axis driving. However, since a power transmission mechanism such as a ball screw or a timing belt is interposed between the touch portion and the drive portion, timing delay or backlash occurs, and a natural feel cannot be obtained.

特開2004−114201号公報JP 2004-114201 A 特開2003−122507号公報JP 2003-122507 A 特開2007−34991号公報JP 2007-34991 A 特開2004−530200号公報JP 2004-530200 A

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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a force feedback control device that can obtain various and natural feelings, particularly a natural force sense, and can be reduced in size and thickness.

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。
In order to achieve the above object, the force feedback control device according to the first aspect is:
A force feedback control device that inputs a signal to a computer and outputs a force to an operator.
A touch input unit having a substantially flat touch surface for detecting an input signal from an operator and movable in a substantially horizontal direction;
An impact drive actuator coupled to the touch input unit;
With
The computer drives at least two types of the actuator based on at least one information of a physical quantity including a force, a force point, a moving position, a speed, and an acceleration applied from the operator to the touch input unit. Selecting or calculating a predetermined one from the voltage profile and driving the actuator;
It is characterized by.

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。
The second form of force feedback control device is:
A force feedback control device that inputs a signal to a computer and outputs a force to an operator.
A touch input unit having a substantially flat touch surface for detecting an input signal from an operator, and capable of rotating on a substantially horizontal plane;
An impact-driven actuator capable of rotating movement connected to the touch input unit;
With
The computer drives at least two types of the actuator based on at least one information of a physical quantity including a force, a force point, a moving position, a speed, and an acceleration applied from the operator to the touch input unit. Selecting or calculating a predetermined one from the voltage profile and driving the actuator;
It is characterized by.

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。   In the force feedback control device, since an impact drive type actuator is connected to the touch input unit, various touches and sensations can be generated in the touch input unit, and power can be generated between the actuator and the touch input unit. Since no transmission means or mechanism is interposed, a natural feel and force can be obtained. In addition, when a piezoelectric element is used for the impact drive type actuator, the size and thickness can be reduced.

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。   According to the present invention, it is possible to obtain various natural feelings, particularly natural force sensations, and to reduce the size and thickness.

アクチュエータ装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an actuator apparatus. 前記アクチュエータ装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the actuator device. 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。It is a perspective view which shows a vibrator | oscillator in the said actuator apparatus. 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。It is a perspective view which shows a vibrator and a weight in the actuator device. 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。It is explanatory drawing which shows the 1st operation example of the said actuator apparatus. 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。It is a chart figure which shows an example of the voltage profile applied to a piezoelectric element. 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。It is explanatory drawing which shows the 2nd operation example of the said actuator apparatus. (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。(A)-(D) are block diagrams which show the operation state of a drive circuit, (E) is a chart figure which shows an applied waveform. 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。It is a perspective view which shows the 1st example of a force feedback control apparatus. 前記制御機器の制御回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control circuit of the said control apparatus. 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。It is a perspective view which shows the 2nd example of a force feedback control apparatus. 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。It is a chart figure which shows the relationship of the force of the horizontal direction with respect to a surface shape in order to obtain a force sense. 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。It is a chart which shows the displacement of the piezoelectric element front end when the profile of the applied voltage with respect to an actuator apparatus is changed. 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。It is a chart figure which shows the applied voltage profile with respect to an actuator apparatus. (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。(A) is a chart diagram schematically showing a force sense of “detent”, and (B) is a chart diagram showing an applied voltage profile. (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。(A) is a chart diagram schematically showing a “bumpy” force sense, and (B) and (C) are chart diagrams showing an applied voltage profile.

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。   Embodiments of a force feedback control device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member and part which are common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(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。
(Basic configuration of actuator device, see FIGS. 1 to 7)
First, an actuator device that can be suitably used for a force feedback control device will be described. This actuator device 1 is an impact drive type, and as shown in FIGS. 1, 2, and 3, a base plate 10, a pressure plate 15, flat piezoelectric elements 20A and 20B, and the piezoelectric elements 20A. , 20B, the friction plates 30A and 30B bonded and fixed to the surface of one end of the piezoelectric elements 20A and 20B, and the other end of the piezoelectric element 20B attached to the back side The weight 40 is composed of a spacer 36 interposed between the base plate 10 and the pressure plate 15.

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。   The piezoelectric elements 20A and 20B are formed by forming electrodes on the front and back surfaces of a single plate having a belt shape, and are bonded to the front and back surfaces of a reinforcing plate 25 made of a thin plate material made of brass. The reinforcing plate 25 also functions as an electrode, and its end protrudes from the other end of the piezoelectric elements 20A and 20B.

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。   The pressure plate 15 is fixed to the base plate 10 by screws, caulking, welding or the like with the piezoelectric elements 20A and 20B interposed therebetween. That is, the piezoelectric elements 20A and 20B are sandwiched between the base plate 10 and the pressure plate 15 with a predetermined elastic force via the friction plates 30A and 30B. The pressure plate 15 is fixed by, for example, screwing a screw member (not shown) from the hole 15 a to the base plate 10 through the hole 36 a of the spacer 36. The thickness of the spacer 36 is slightly smaller than the value obtained by adding the thickness of the piezoelectric elements 20A and 20B, the thickness of the reinforcing plate 25, and the thickness of the friction plates 30A and 30B.

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。   The pressure plate 15 is formed with slits 16 on both sides to maintain a predetermined spring constant. Due to its spring property, the piezoelectric elements 20A and 20B are elastic between the base plate 10 via the friction plates 30A and 30B. Is sandwiched between. That is, the pressure plate 15 forms a leaf spring. The elastic pressure contact force with respect to the piezoelectric elements 20 </ b> A and 20 </ b> B is adjusted by the thickness of the spacer 36.

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。   As shown in FIG. 4, the weight 40 is composed of a structure made of square bars, and a crosspiece 41 is bonded to the piezoelectric element 20B.

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。   The piezoelectric elements 20A and 20B have their polarization directions opposite to each other across the reinforcing plate 25, and are used as actuators using a d31 mode that is displaced in a direction perpendicular to the voltage application direction. That is, when an electric field acts in the polarization direction, the piezoelectric elements 20A and 20B expand and contract in the thickness direction and expand and contract in the plane direction. When extending in the thickness direction, it contracts in the surface direction, and when contracting in the thickness direction, it extends in the surface direction.

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。   An outline of the first operation example of the impact drive type actuator device 1 having the above configuration is as follows. When the piezoelectric elements 20A and 20B are gradually contracted from the normal state shown in FIG. It approaches 30A and 30B (see FIG. 5B). Next, when the piezoelectric elements 20A and 20B extend rapidly, the weight 40 does not move by its own inertia, and the friction plates 30A and 30B slip between the base plate 10 and the pressure plate 15 (FIG. 5 ( C)). Next, when the piezoelectric elements 20A and 20B are gradually contracted, the weight 40 approaches the friction plates 30A and 30B (see FIG. 5D). By repeating the above operation, the weight 40 moves to the left in FIG. In FIG. 5, the actuator device 1 is schematically shown.

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。   A voltage profile applied to drive the piezoelectric elements 20A and 20B is as shown in FIG. The relationship between such an operation state and the switching state of the drive circuit described below will be specifically described below with reference to FIGS.

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。   That is, in the actuator device 1, the piezoelectric elements 20A and 20B, the reinforcing plate 25, the weight 40, and the friction plates 30A and 30B are moving parts, and the base plate 10, the pressure plate 15, and the spacer 36 are fixed parts.

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。   As described above, in the actuator device 1, it is possible to obtain a compact and thin actuator device in which the piezoelectric elements 20A and 20B and the weight 40 are moving parts by the operation of the piezoelectric elements 20A and 20B in the d31 mode. Particularly, since the piezoelectric elements 20A and 20B are in pressure contact with the base plate 10 and the pressure plate 15 via the friction plates 30A and 30B, the piezoelectric elements 20A and 20B are mechanically protected by the friction plates 30A and 30B.

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。   Further, the moving amount of the weight 40 can be increased by making the areas of the main surfaces of the pressure plate 15 and the base plate 10 larger than the areas of the main surfaces of the friction plates 30A and 30B. Further, since the pressure plate 15 pressurizes the friction plates 30A and 30B with its own spring property, no separate elastic member is required, and the actuator device is further reduced in size and height.

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。   Further, since the piezoelectric elements 20A and 20B are fixed to the reinforcing plate 25, the mechanical strength can be reinforced even if the piezoelectric elements 20A and 20B are thinned, and cracking of the piezoelectric elements 20A and 20B can be prevented. . The two piezoelectric elements 20A and 20B are fixed to the front and back surfaces of the reinforcing plate 25, and the polarization directions thereof are opposite to each other across the reinforcing plate 25, so that the voltage is applied in parallel to the two piezoelectric elements 20A and 20B. By applying, the driving voltage can be reduced.

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。   Furthermore, the surface of the base plate 10 and / or the pressure plate 15 that is in contact with the friction plates 30A and 30B is subjected to a curing process and / or a lubrication process to achieve smooth movement and improve durability. To do. Further, since the friction plates 30A and 30B are bonded and fixed to the piezoelectric elements 20A and 20B, the vibrations of the piezoelectric elements 20A and 20B are directly transmitted to the friction plates 30A and 30B, so Drive becomes possible.

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。   In the actuator device 1, the weight 40 is provided and the weight 40 is configured as the moving unit. However, the weight 40 may be configured as the fixed unit, and the base plate 10, the spacer 36, and the pressure plate 15 may be configured as the moving unit. This case is shown in FIG. 7 as a second operation example. In FIG. 7, the actuator device 1 is schematically shown.

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。   That is, in the movement form, when the piezoelectric elements 20A and 20B are gradually contracted from the normal state shown in FIG. 7A, the base plate 10 and the pressure plate 15 approach the fixed portion (the weight 40) (FIG. 7B )reference). Next, when the piezoelectric elements 20A and 20B rapidly expand, the base plate 10 and the pressure plate 15 do not move by their own inertia, and the friction plates 30A and 30B slip between the base plate 10 and the pressure plate 15. This occurs (see FIG. 7C). Next, when the piezoelectric elements 20A and 20B are gradually contracted, the base plate 10 and the pressure plate 15 approach the fixed portion (the weight 40) (see FIG. 7D). By repeating the above operation, the base plate 10 and the pressure plate 15 move to the right in FIG.

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。   In addition, the fixing | fixed part (weight 40) may be the housing (not shown) itself of an electronic device, for example.

(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。
(Drive circuit and operation waveform of actuator device, see Fig. 8)
As shown in FIG. 8, the actuator device 1 is driven by a drive circuit in which a piezoelectric element 20 is provided with a power source 51 and four switching elements 52a to 52d. This drive circuit is shown most simply. 8A to 8D show the on / off states of the switching elements 52a to 52d and the current flow at that time by arrows. The voltage applied to the piezoelectric element 20 in the on / off states of the switching elements 52a to 52d is as shown in FIG. (A) to (D) shown in FIG. 8 (E) correspond to the switching states of the switching elements 52a to 52d shown in FIGS. 8 (A) to (D).

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。   By controlling at what timing the switching elements 52a to 52d in the drive circuit are switched to the states (A), (B), (C), and (D), various applied voltage profiles can be obtained. Can be generated. The actuator device 1 can be driven in various modes according to the profile.

(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。
(See first example of force feedback control device, FIG. 9 and FIG. 10)
The force feedback control device 55 as the first example is configured as an input pad of a computer or the like as shown in FIG. 9, and a touch panel 57 is attached to the housing 56 so as to be movable in the XY direction on a horizontal plane. The actuator devices 1A and 1B are coupled to a touch panel 57 in two stages. The actuator device 1A moves the touch panel 57 in the X direction, and the touch panel 57 is fixed to the base plate 10 of the actuator device 1A based on the operation shown in FIG. Furthermore, the actuator device 1A is mounted on the base plate 10 of another actuator device 1B, and the actuator device 1B moves the touch panel 57 in the Y direction. As described above, the mechanism itself for stacking the driving devices in two stages and moving the object in an arbitrary direction on the XY plane is well known. A single actuator device may be used to move only in the X direction or only in the Y direction.

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。   As shown in FIG. 10, the force feedback control device 55 is roughly composed of a position sensor 60 that detects the position of the touch pal 57, a driver 61 (drive circuit shown in FIG. 8) of the actuator devices 1A and 1B, and a controller 62. It is configured. The controller 62 includes a pulse generation circuit centered on the CPU, a signal processing circuit for the position sensor 60, a measurement value recording circuit, and the like. The controller 62 applies the force, force point, moving position, speed, and acceleration applied by the operator to the touch panel 57. Based on at least one of the information of the physical quantities included, a predetermined one is selected or calculated from at least two types of voltage profiles that drive the actuator devices 1A and 1B, and the actuator devices 1A and 1B are driven.

(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。
(See second example of force feedback control device, FIG. 11)
FIG. 11 shows a force feedback control device 65 that is a second example. The force feedback control device 65 is a rotary motion type, and the two piezoelectric discs 20A and 20B of the actuator device 1 are applied with a predetermined frictional force by two discs 67 and 68 that can rotate integrally around a support shaft 66. It is sandwiched. In this control device 65, discs 67 and 68 are used in place of the base plate 10 and the pressure plate 15. The disk 67 functions as a touch panel.

(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、
(Feel, generation of force sense, see FIGS. 12 to 16)
By the way, according to Margaret Minsky and other five authors, “Sense and Vision: Issues of Force Expression,” Computer Graphics, pages 24-2 and 235-243, as shown in FIG. It is said that by giving a force (in the horizontal direction) proportional to the inclination of the operator to the fingertip of the operator, the operator can feel a sense of unevenness. Therefore, for example, when expressing a sinusoidal surface with a height of ± H and a period λ, the surface shape P with respect to the position x,

Figure 2012104077
Figure 2012104077

と定義すれば、   Defined as

Figure 2012104077
Figure 2012104077

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。   By causing the actuator device 1 to generate a thrust represented by the following expression, the operator can experience a sine wave surface in a pseudo manner.

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。   In the impact drive type actuator device 1, the piezoelectric elements 20 </ b> A and 20 </ b> B are operated in a saw-like manner as shown in FIG. Further, in the operation as shown in FIG. 13B, the impulse of frictional force does not occur (does not operate), and the thrust can be adjusted by changing the impulse difference.

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。   In order to operate the actuator device 1 as shown in FIG. 13A, a drive voltage waveform (voltage profile) shown in FIG. 14A may be applied to the piezoelectric element. In order to operate as shown in FIG. 13B, a driving voltage waveform (voltage profile) shown in FIG. 14B may be applied to the piezoelectric element. That is, a plurality of types of voltage profiles to be applied to the piezoelectric elements are prepared, and a predetermined one of them is selected or calculated, and the actuator devices 1A and 1B are driven to provide various force senses on the touch panel 52 or the disk 62. Can be transmitted to the fingertip of the operator. The calculation of the voltage profile can be processed based on the equations (1) and (2).

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。   For example, in order to generate the detent (collision feeling) shown in FIG. 15A, the voltage profile shown in FIG. 15B may be applied to the actuator device 1 and a non-application time may be inserted between them. In order to generate the bumpy feeling shown in FIG. 16A, the voltage profiles shown in FIGS. 16B and 16C may be alternately applied to the actuator device 1.

(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。
(Other examples)
The force feedback control device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the gist thereof.

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。   In particular, various forms other than the one shown in FIG. 1 can be adopted as the basic form of the actuator device. For example, three piezoelectric elements may be laminated with two reinforcing plates interposed, and the polarization directions may be opposite to each other with the reinforcing plate interposed therebetween. Further, the number of piezoelectric elements may be one, and in this case, reinforcement may be performed by fixing two reinforcing plates to the front and back surfaces of the piezoelectric elements. Alternatively, a piezoelectric element that operates in another operation mode (for example, d33 mode) can be used. In particular, the shape of the spacer 36 is arbitrary. Furthermore, the configuration of the drive circuit of the piezoelectric element, the form of the applied voltage, the form of attachment of the weight, etc. are arbitrary.

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。   As described above, the present invention is useful for force feedback control devices, and is particularly excellent in that various natural feelings, particularly natural haptics can be obtained.

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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B ... Actuator device 10 ... Base plate 15 ... Pressure plate 20A, 20B ... Piezoelectric element 30A, 30B ... Friction plate 55, 65 ... Force feedback control device 57 ... Touch panel 60 ... Position sensor 61 ... Driver 62 ... Controller 67 ... disc (touch panel)

Claims (5)

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。
A force feedback control device that inputs a signal to a computer and outputs a force to an operator.
A touch input unit having a substantially flat touch surface for detecting an input signal from an operator and movable in a substantially horizontal direction;
An impact drive actuator coupled to the touch input unit;
With
The computer drives at least two types of the actuator based on at least one information of a physical quantity including a force, a force point, a moving position, a speed, and an acceleration applied from the operator to the touch input unit. Selecting or calculating a predetermined one from the voltage profile and driving the actuator;
Force feedback control equipment characterized by
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。
A force feedback control device that inputs a signal to a computer and outputs a force to an operator.
A touch input unit having a substantially flat touch surface for detecting an input signal from an operator, and capable of rotating on a substantially horizontal plane;
An impact-driven actuator capable of rotating movement connected to the touch input unit;
With
The computer drives at least two types of the actuator based on at least one information of a physical quantity including a force, a force point, a moving position, a speed, and an acceleration applied from the operator to the touch input unit. Selecting or calculating a predetermined one from the voltage profile and driving the actuator;
Force feedback control equipment characterized by
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。
The impact drive actuator is
A base plate and a pressure plate arranged to face each other at a predetermined interval;
A plate-like piezoelectric element that is sandwiched between the base plate and the pressure plate and expands and contracts in the plane direction with the application of a voltage;
Having
The force feedback control device according to claim 1, wherein the force feedback control device is a power feedback control device.
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。   The force feedback control device according to claim 3, wherein a friction plate is interposed between the piezoelectric element and the base plate and / or the pressure plate. 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。   5. The force feedback control device according to claim 3, wherein the impact driving actuator is driven by changing a timing of charging and discharging of the piezoelectric element. 6.
JP2010254504A 2010-11-15 2010-11-15 Force feedback control apparatus Pending JP2012104077A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010254504A JP2012104077A (en) 2010-11-15 2010-11-15 Force feedback control apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010254504A JP2012104077A (en) 2010-11-15 2010-11-15 Force feedback control apparatus

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012104077A true JP2012104077A (en) 2012-05-31

Family

ID=46394354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010254504A Pending JP2012104077A (en) 2010-11-15 2010-11-15 Force feedback control apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012104077A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5685704B1 (en) * 2013-09-20 2015-03-18 新シコー科技株式会社 LINEAR DRIVE DEVICE, ELECTRONIC DEVICE USING LINEAR DRIVE DEVICE AND BODY
JP2017033130A (en) * 2015-07-30 2017-02-09 日本放送協会 Force-sensing guide device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5685704B1 (en) * 2013-09-20 2015-03-18 新シコー科技株式会社 LINEAR DRIVE DEVICE, ELECTRONIC DEVICE USING LINEAR DRIVE DEVICE AND BODY
JP5685703B1 (en) * 2013-09-20 2015-03-18 新シコー科技株式会社 LINEAR DRIVE DEVICE, ELECTRONIC DEVICE USING LINEAR DRIVE DEVICE AND BODY
JP2015084630A (en) * 2013-09-20 2015-04-30 新シコー科技株式会社 Linear drive device, electronic device using the same, and body wearable item using the same
JP2017033130A (en) * 2015-07-30 2017-02-09 日本放送協会 Force-sensing guide device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6290347B2 (en) Haptic feedback using composite piezoelectric actuators
CN104020844B (en) Haptic apparatus with linear resonance actuator
US9152264B2 (en) Electronic device with piezoelectric actuator
JP5628800B2 (en) Tactile feedback control device
US20110187658A1 (en) Touch screen device
Mazeika et al. Linear inertial piezoelectric motor with bimorph disc
JP2013092513A (en) Method of generating 3d haptic feedback and handheld electronic device
WO2012061495A1 (en) Piezo based inertia actuator for high definition haptic feedback
JP2007034991A (en) Touch panel display device, electronic equipment with touch panel display device, and camera with touch panel display device
CN110609609A (en) Haptic actuator assembly with magnetic preload device
JP2017010024A (en) Vibration type driving device and imaging apparatus
JP2006314179A5 (en)
JP2012104077A (en) Force feedback control apparatus
WO2012090847A1 (en) Oscillation emission device and tactile sensation presentation device
JP6269223B2 (en) Piezoelectric motor
US8120231B2 (en) Inertial drive actuator
M’boungui et al. Development of a novel plane piezoelectric actuator using Hamilton's principle based model and Hertz contact theory
JP6305026B2 (en) Vibration type driving device and operation device using the same
Kotani et al. Glass substrate surface acoustic wave tactile display with visual information
Aovagi et al. A novel ultrasonic motor with a built-in clutch mechanism for a force-feed-back actuator
JP4578799B2 (en) Piezoelectric actuator and electronic device using the same
Kotani et al. Surface acoustic wave tactile display using a large size glass transducer
JP6337685B2 (en) Tactile presentation device
Takasaki et al. Proposal of tele-touch using active type saw tactile display
JP6715721B2 (en) Tactile presentation device