JP2017097611A - アクチュエータの取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】触感刺激を効率よく生成することができるアクチュエータの取付構造を提供する。
【解決手段】一対の支持部３０により支持される振動体である操作パネル１０に触覚呈示のための振動を付与するアクチュエータ４０を取り付ける構造であって、操作パネル１０の支持部３０よりも外側に延在する一端部側が自由端部１１として構成されており、アクチュエータ４０が、操作パネル１０の自由端部１１の先端と自由端部１１の先端から最も近い変曲点１６との間の領域内に取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータの取付構造に係り、特に、操作面に振動刺激操作感触を与えるアクチュエータの取付構造に関する。

操作面に振動刺激操作感触を与えるアクチュエータの一例として、圧電体を伸縮させることにより振動板を面外方向に変位させる変位アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１に記載された変位アクチュエータは、両端が固定された振動板の各端から直近の変曲点までの領域内及び振動板の変曲点からこれに相隣る他の変曲点までの領域内の少なくとも一方の領域内に圧電体を設けている。このように振動板の変曲点を避けて圧電体を配置しているため、振動板の変位を抑制することなく、振動板の変位量を効率的に増大させることができるとしている。

特開２００９−２７９７７５号公報

しかしながら、振動板の変曲点を避けて振動板の両端の固定部間に圧電体等のアクチュエータを取り付ける構造では、アクチュエータの配置位置や大きさ等の制約を受けてしまう。このことから、アクチュエータの配置位置等の制約を受けることなく、触感刺激を効率よく生成することができるアクチュエータの取付構造の出現が望まれていた。

従って、本発明の目的は、触感刺激を効率よく生成することができるアクチュエータの取付構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、一対の支持部により支持される振動体に触覚呈示のための振動を付与するアクチュエータを取り付ける構造であって、前記振動体の前記支持部よりも外側に延在する一端部側が自由端部として構成され、前記アクチュエータが、前記振動体の自由端部の先端と前記自由端部の先端から最も近い変曲点との間の領域内に取り付けられてなることを特徴とするアクチュエータの取付構造を構成している。

本発明に係るアクチュエータの取付構造において、前記振動体の自由端部は、前記振動体が振動する際の変曲点から次の変曲点に至るまでの間の距離よりも長く設定されてなることが好ましい。

更に、本発明に係るアクチュエータの取付構造において、前記振動体の支持位置は、前記振動体が振動する際の節の位置であることが好ましい。

更にまた、本発明に係るアクチュエータの取付構造において、前記振動体の支持位置は、前記振動体が振動する際の変曲点の位置に一致することが好ましい。

更にまた、本発明に係るアクチュエータの取付構造において、前記振動体は、前記一対の支持部の間の領域に操作面を有する操作パネルからなることが好適である。

本発明によれば、触感刺激を効率よく生成することができる。

本発明に好適な第１の実施の形態におけるアクチュエータの取付構造を備えた操作装置を説明する説明図である。 操作パネルに発生する振動の概念を説明する説明図である。 （ａ）はアクチュエータの取付部位の第１の実施の形態を説明する図であり、（ｂ）は比較例を説明する図である。 第２の実施の形態に係るアクチュエータの取付構造を説明する説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。

［第１の実施の形態］
（操作装置の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、第１の実施の形態に係る典型的なアクチュエータの取付構造を備えた操作装置を模式的に例示している。図示例の操作装置１は、例えば操作指等の検出対象物により、タッチ操作、押圧操作やなぞり操作等の操作を行った際の静電容量の変化を検出するタッチパネルを備えた静電容量式のタッチパネル装置として構成されている。

なお、静電容量式のタッチパネルに代えて、例えば抵抗膜方式、赤外線方式やＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）方式等のタッチパネルが用いられることもある。

操作装置１は、図１及び図２に示すように、矩形状の操作パネル１０と、操作パネル１０を支持するベース部材である筐体２０とを備えている。操作パネル１０及び筐体２０の間には、操作パネル１０の自由端部１１を残して支持する一対の支持部３０，３０が配置されており、操作パネル１０が筐体２０に対向して支持されている。

この操作パネル１０は、操作を受け付ける操作面１２を有する操作部の両端が一対の支持部３０，３０によって支持されており、この支持部３０よりも外側に延在する一端部側が自由端部１１として形成されている。

支持部３０の材質は、例えばゴムや樹脂等の振動減衰性の材料であればよい。筐体２０は、操作パネル１０を支持することができる剛性を有する材質からなり、例えば金属材料又は樹脂材料等からなる。

操作パネル１０の自由端部１１側の裏面１３には、操作パネル１０の操作面１２に触覚呈示のための振動を付与する長尺矩形状のアクチュエータ４０が固着されており、操作パネル１０は、操作者に触覚刺激操作感触を与える振動体を構成している。

操作パネル１０の操作面１２の裏側には、例えばガラス板等の透明基板上に図示しない複数本の駆動電極と、各駆動電極と交差する部分である検出点の静電容量を読み出す複数本の読出電極とが行列状に配置されており、直交座標系であるＸＹ座標が設定されている。これらの電極は、ＩＴＯ等の透明材料からなる。

操作パネル１０は、各駆動電極の駆動毎に読出電極から順次読み出される容量値を数値化し、この数値化された容量値に基づいて算出された検出点の座標を含む情報が操作検出信号として図示しない制御部に周期的に出力するように構成されている。ＸＹ座標の算出には、例えば加重平均法が用いられる。

制御部は、操作検出信号と閾値との比較結果に基づいて検出対象物の操作の有無を判別する。操作検出信号が制御部に入力することで、アクチュエータ４０を駆動する駆動信号が制御部からアクチュエータ４０へ出力される。

図示例のアクチュエータ４０は、操作パネル１０の裏面１３に接着剤や両面テープ等の固着手段により取り付けられた１枚のアクチュエータ素子からなる圧電素子により構成されており、スパッタ法や蒸着法等で形成された図示しない電極に印加される駆動電圧により超音波振動を発生させるモノモルフ型の圧電アクチュエータからなる。

アクチュエータ４０としては、例えば２枚の圧電素子を固定板の両面に設けたバイモルフ型アクチュエータ、又は複数枚の圧電素子を積層することによって構成される積層モノモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。モノモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることで伸張及び収縮する。

アクチュエータ４０の他の一例としては、例えば弾性板の両面に圧電素子を貼り合わせることによって構成されるバイモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。バイモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることでアーチ状に湾曲する。なお、圧電アクチュエータに代えて、例えば電磁アクチュエータ等であっても構わない。

圧電素子としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはチタン酸バリウムなどのセラミックス材料が用いられる。電極としては、例えば金、銀、銅などの金属材料が用いられる。なお、成膜技術を用いて、図示しない固定板の表面又は操作パネル１０の裏面１３に圧電材料層を成膜することで圧電素子を形成することができる。

アクチュエータ４０は、検出対象物の操作を検出する操作検出信号に基づいて制御部から出力される駆動信号で駆動することにより伸縮する。この伸縮に合わせて操作パネル１０が湾曲変形し、操作パネル１０の操作面１２が振動する。

アクチュエータ４０は、操作パネル１０を所定の共振周波数で振動させる。この共振周波数は、操作パネル１０の共振周波数に一致するように設定されている。アクチュエータ４０を共振周波数で駆動することで、操作パネル１０は、アクチュエータ４０の加振により操作パネル１０の共振周波数で振動する。

共振周波数は、超音波帯の周波数に設定された超音波振動である。超音波は、人間の耳には聞こえない高い振動数をもつ可聴域以上の弾性振動波（音波）であり、例えば約２０ｋＨｚから４０ｋＨｚ程度の周波数帯域である。

（アクチュエータの取付構造）
操作パネル１０は、上述したように、一対の支持部３０，３０を介して筐体２０の底面に支持されている。その構造上、図２に示すように、アクチュエータ４０のＺ方向の加振力によって共振周波数の定常波（定在波）の振動が操作パネル１０の操作面１２に発生する。

この定常波は、振動が最大になる複数の腹と振動が最小になる複数の節とを有するｎ次（ｎは整数）の振動モードの振動波形Ｗであり、振動刺激が強い腹の位置１４と弱い節の位置１５とが操作パネル１０に交互に生成される。操作パネル１０には、アクチュエータ４０が振動する際に曲がる方向が交互に反転する複数の変曲点１６，…，１６が存在する。

この変曲点１６は、操作パネル１０に生成される振動波形Ｗの節の位置１５に相当する部位にある。変曲点１６を境界としてアクチュエータ４０の曲げ変形方向と逆方向に操作パネル１０が曲げ変形するため、アクチュエータ４０を操作パネル１０の変曲点１６が存在しない領域に配置することにより、操作パネル１０を効率よく振動させることが肝要である。

主要な構成として、操作面１２を有する操作部の両端が支持され、操作部の両端を支持する支持部３０よりも外側に延在する一端部側を自由端部１１とした操作パネル１０を有しており、この操作パネル１０の自由端部１１にアクチュエータ４０を取り付けた構造を有していることが好適である。図示例によるアクチュエータ４０は、操作パネル１０の自由端部１１の裏面１３に固定されている。

図２及び図３（ａ）に示すように、アクチュエータ４０の取付構造としては、操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａと、自由端部１１の先端１１ａに最も近い変曲点１６との間の領域内にアクチュエータ４０を配置することが好適である。

操作パネル１０の自由端部１１は、アクチュエータ４０の加振により自由に振動する部位である。操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａに隣在する節の位置１５は、振動モードの変曲点１６にならない。この先端１１ａを自由端とすることで、自由端部１１の先端１１ａ及び変曲点１６の間の距離Ｌ２は、互いに隣接する変曲点１６間の距離Ｌ１よりも長くなる。

操作パネル１０の自由端部１１は、互いに隣接する変曲点１６間の距離Ｌ１よりも長い距離Ｌ２（＝Ｌ１＋Ｌ３）に構成することが好ましい。この距離Ｌ３に対応する領域としては、自由端部１１の先端１１ａに隣在する節の位置１５を振動モードの変曲点１６にならないように構成するため、互いに隣接する変曲点１６間の距離Ｌ１よりも小さい任意の距離となる領域に形成することが好適である。

この距離Ｌ３に対応する領域となる自由端部１１を操作パネル１０の端縁から拡大した取付部位として、あるいは縮小した取付部位として形成することができることから、操作パネル１０の自由端部１１の領域を任意の大きさに変更することが可能になる。

図示例にあっては、操作パネル１０の自由端部１１は、距離Ｌ３分だけ拡大されており、アクチュエータ４０の配置位置、大きさや配置個数等の制約を受けることなく、これらの選定やアクチュエータ４０の取付に自由度が高められている。

操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａに隣在する節の位置１５の周辺領域が振動モードの変曲点１６にならないため、操作パネル１０の振動が阻害されない。従って、操作パネル１０の先端１１ａに隣在する節の位置１５の周辺領域は、操作パネル１０の振動を妨げることなく、操作パネル１０の変位量Ｄ１を効率的に生成することができるアクチュエータ４０の取付位置となる。

［比較例］
ここで、図３（ｂ）を参照すると、同図には、操作パネル１０に生成されるｎ次の振動モードの変曲点１６となる領域を跨いで、アクチュエータ４０が配置されている場合の一例が比較例として示されている。

操作パネル１０の振動は、ｎ次の振動モードの変曲点１６を境界として、アクチュエータ４０の振動による曲げ変形方向と逆方向に生成される。そのため、アクチュエータ４０が操作パネル１０の変曲点１６を跨いで配置されると、操作パネル１０に生成される振動モードが変化してしまう。

図３（ｂ）に示すように、操作パネル１０の振動モードが変化することで、振動波形Ｗの節の位置１５が所定の位置からずれて振動の波長が長くなり、図３（ａ）に示す操作パネル１０の変位量Ｄ１よりも小さい変位量Ｄ２（Ｄ１＞Ｄ２）で、操作パネル１０が振動する。このように操作パネル１０の振動モードが変化すると、操作パネル１０の振動にバラツキが発生するので好ましくない。

（第１の実施の形態の効果）
以上のように構成された第１の実施の形態に係るアクチュエータ４０の取付構造によれば、上記効果に加えて以下の効果が得られる。

操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａと、その先端１１ａから最も近い変曲点１６との間の領域内にアクチュエータ４０を取り付ける構造となっているので、操作パネル１０に生成されるｎ次の振動モードにおける振動波形Ｗの変曲点１６を跨がないで、任意の大きさを有するアクチュエータ４０を選択することが可能となり、操作パネル１０の変位量Ｄ１を高めることが可能になる。

操作パネル１０に生成される振動波形Ｗの変曲点１６を跨ぐことなく、面積が大きいアクチュエータ４０を用いることができるようになり、操作パネル１０の曲げ変形を抑制することなく、効率よく触覚刺激（摩擦力変化）を生成することができるようになる。

操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａにアクチュエータ４０を位置合わせすることができるので、アクチュエータ４０を固定する際の位置決めが容易になり、ｎ次の振動モードにおける振動波形Ｗのバラツキを防止することができる。

［第２の実施の形態］
ここで、図４を参照すると、同図には、第２の実施の形態に係るアクチュエータ４０の取付構造の一例が示されている。

この種のアクチュエータ４０は、超音波振動を用いた摩擦制御によってアクチュエータ４０に接合している操作パネル１０の操作面１２の摩擦係数を低減させ、摩擦力変化による触感呈示を行うものであり、摩擦力変化を生じるための大きさの変位の超音波振動を生成する必要がある。

アクチュエータ４０の変位量や発生力（振動力）は、アクチュエータ４０の長さと幅に比例して大きくなるため、アクチュエータ４０の面積が大きくなるほど、操作パネル１０に生成することができる変位量Ｄ１は大きくなる。

しかしながら、操作パネル１０の変曲点１６を避けて操作パネル１０の操作面１２の領域内にアクチュエータ４０を配置する場合は、操作パネル１０に対するアクチュエータ４０の配置位置、大きさや配置個数等に制約を受ける。このため、操作パネル１０の操作面１２の領域を有効利用し難くなり、アクチュエータ４０を操作パネル１０の操作面１２の領域内に配置することは困難になる。

第２の実施の形態にあっては、操作パネル１０の自由端部１１の裏面１３に２個の第１及び第２のアクチュエータ４０，４０をＸ方向に並列に取り付けている。

第２の実施の形態では、操作パネル１０の自由端部１１の裏面１３に２個の第１及び第２のアクチュエータ４０，４０を取り付けた点で上記第１の実施の形態と異なるが、その他の構造は、上記第１の実施の形態と実質的に変わるところはない。従って、図４において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を用いることで、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。

第１及び第２のアクチュエータ４０，４０は、図４に示すように、操作パネル１０の自由端部１１に生成される変曲点１６を跨がないで配列されている。第１のアクチュエータ４０は、上記第１の実施の形態と同様に、操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａと、この先端１１ａの直近に隣接する変曲点１６との間の領域内に固着されている。

一方の第２のアクチュエータ４０は、操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａに隣在する変曲点１６と、この変曲点１６に隣在する次の変曲点１６との間の領域内に固着されている。自由端部１１の先端１１ａに隣在する変曲点１６の周辺領域は、操作パネル１０の振動を妨げないアクチュエータ４０の取付位置として構成されており、操作パネル１０の自由端部１１の領域が有効利用されている。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態におけるアクチュエータ４０の取付構造にあっても、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。それに加えて、以下の効果が得られる。

アクチュエータ４０の取付領域を操作パネル１０の自由端部１１の先端１１ａと、この先端１１ａに隣在する変曲点１６との間の領域分だけ広げることができることから、アクチュエータ４０の配置位置、大きさや配置個数等の選定やアクチュエータ４０の取付に自由度が得られるようになる。

操作パネル１０の自由端部１１を任意の大きさに変更することができるようになり、操作パネル１０の自由端部１１を有効利用することが可能になる。

［変形例］
本発明におけるアクチュエータ４０の取付構造の代表的な構成例を実施の形態、変形例及び図示例を挙げて説明したが、次に示すような他の変形例も可能である。

操作パネル１０の自由端部１１に対して、１個又は２個のアクチュエータ４０に限らず、３個以上のアクチュエータ４０を取り付ける構成を採用することができる。

更に、操作パネル１０やアクチュエータ４０は、使用目的などに応じて配置個数、配置位置や配置形態などを適宜に選択すればよく、本発明の初期の目的を達成することができる。

更にまた、操作者に触覚刺激操作感触を呈示するアクチュエータ４０の取付構造としては、例えばマウス、キーボードや押圧操作ノブなどに適用することができる。

更にまた、操作装置１は、例えば車載機器、パーソナルコンピュータ、携帯電話機やゲーム機などの各種の端末装置の入力デバイスとして用いることができることは勿論である。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが本発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１…操作装置、１０…操作パネル、１１…自由端部、１１ａ…先端、１２…操作面、１３…裏面、１４…腹の位置、１５…節の位置、１６…変曲点、２０…筐体、３０…支持部、４０…アクチュエータ、Ｄ１，Ｄ２…変位量、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…距離、Ｗ…振動波形

Claims (5)

1. 一対の支持部により支持される振動体に触覚呈示のための振動を付与するアクチュエータを取り付ける構造であって、
   前記振動体の前記支持部よりも外側に延在する一端部側が自由端部として構成され、
   前記アクチュエータが、前記振動体の自由端部の先端と前記自由端部の先端から最も近い変曲点との間の領域内に取り付けられてなることを特徴とするアクチュエータの取付構造。
2. 前記振動体の自由端部は、前記振動体が振動する際の変曲点から次の変曲点に至るまでの間の距離よりも長く設定されてなる請求項１に記載のアクチュエータの取付構造。
3. 前記振動体の支持位置は、前記振動体が振動する際の節の位置である請求項１又は２に記載のアクチュエータの取付構造。
4. 前記振動体の支持位置は、前記振動体が振動する際の変曲点の位置に一致する請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータの取付構造。
5. 前記振動体は、前記一対の支持部の間の領域に操作面を有する操作パネルからなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータの取付構造。

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