JP2022522705A - プレート上で触覚効果を生成するための一体型センサアクチュエータおよびその使用 - Google Patents

Abstract

【課題】 多数のアクチュエータを有する公知のシステムの欠点および問題を解決することのできる、超音波利用分野のための新しいタイプのセンサアクチュエータを提供する。【解決手段】 少なくとも１つの既定の振動モードにしたがって起動すべき表面（４）上に固定されることを目的としかつ電気機械式アクチュエータ（２）および変形または振動速度センサ（３）を含む一体型センサアクチュエータ（１）において、電気機械式アクチュエータ（２）およびセンサ（３）が前記表面（４）に共通位置設定されていること、すなわち、センサ（３）による測定が電気機械式アクチュエータ（２）の直近で行なわれ、この近接性のために、アクチュエータ（２）とセンサ（３）がそれぞれに同じ既定の振動モードを起動し測定できるようになっていることを特徴とする一体型センサアクチュエータ（１）に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、インタフェース上に分布した複数の電気機械式アクチュエータ、特に圧電アクチュエータを使用する触覚インタフェースの分野に関する。

複数のアクチュエータ、特に圧電アクチュエータを使用する公知の触覚インタフェースは、そのアクチュエータの給電およびコマンドアーキテクチャ、アクチュエータ間のクロストーク現象の存在、さらには環境条件に対する過度に高い感度に関係する複数の問題点さえも提起している。

給電に関しては、各圧電アクチュエータは、圧電効果によって電気エネルギを変形に変換できるようにするために電気エネルギの供給を受けなければならない。
したがって、エネルギは振動構造全体にわたり複雑な形で分布させられなければならず、このことがアクチュエータの給電アーキテクチャの複雑性を生み出す。

公知のいくつかの構成においては、異なるアクチュエータは並列で給電されている。
このとき、これらのアクチュエータは同じ電圧により給電されるが、各アクチュエータが固有の共振周波数を有し得ることから、このことはアクチュエータの変位の同期化ひいては触覚インタフェースに対する作用の優れた同調を保証するわけではない。

アクチュエータのコマンドに関しては、異なるアクチュエータの作用がユーザにとっての優れた触感を生成するために正しく同調されていなければならず、このことが、アクチュエータのコマンドアーキテクチャの複雑性を生み出す。

公知のいくつかの構成においては、各アクチュエータは独自の増幅器を有し、電圧基準は単一の計算機に由来する。
この方法は、この単一の計算機を介した作用の同期化を可能にする。
一方、この方法は、単一の計算機が多数の出力端子を含む必要があることから、使用が複雑である。

アクチュエータを同期化するために、逆フィルタリングが利用される。
すなわち、各増幅器および振動構造の伝達関数を識別し、次に反転させて基準変形に応じた電圧基準を得る。
しかしながら、これらの伝達関数は実験条件（幾何学的変動、温度、ユーザの指圧など）と共に変動することから、定期的に同定する必要がある。

「Ｗｏｒｌｄ Ｈａｐｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＷＨＣ），２０１５ ＩＥＥＥ，Ｊｕｎｅ ２０１５，Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ，Ｗｏｒｌｄ Ｈａｐｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＷＨＣ），２０１５ ＩＥＥＥ，２０１５，１０．１１０９／ＷＨＣ．２０１５．７１７７６８７（ｈａｌ－０１２３８２９６）」中で公開された「Ｐｒｅｌｉｍｉｒａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ－ｔｏｕｃｈ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔａｃｔｉｌｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ」という題のＳｏｆｉａｎｅ Ｇｈｅｎｎａ、Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｇｉｒａｕｄ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｇｉｒａｕｄ－Ａｕｄｉｎｅ、Ｍｉｃｈｅｌ Ａｍｂｅｒｇ、Ｂｅｔｔｙ Ｌｅｍａｉｒｅ－Ｓｅｍａｉｌの論文（１）中で、２つのアクチュエータによって制御される２つの振動モードを有するビームの実現が提示されているが、この実装において、アクチュエータの制御は、アクチュエータのところで分布されていない。
その代りに、単一のコントローラが閉ループで電圧基準を生成する。
このことには、信号およびアクチュエータの出力のためにアクチュエータと単一のコントローラ（ＤＳＰ）との間に結果としての接続部が必要となるという欠点がある。
複数の共振モードに移行するために、単一のコントローラにはこのとき、変形測定のための複数の入力端子、そして電源電圧のための複数の出力端子が必要になる。
したがって、単一のコントローラは多数の入力端子／出力端子を含んでいなければならず、そのため単一のコントローラは複雑でコストの高いものとなる。

「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２０１８」中のＳｏｆｉａｎｅ Ｇｈｅｎｎａ、Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｇｉｒａｕｄ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｇｉｒａｕｄ－Ａｕｄｉｎｅ、Ｍｉｃｈｅｌ Ａｍｂｅｒｇによる論文（２）「Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」中では、超音波ドメインにおけるランジュバンのアクチュエータの低レベル制御のための実験的デバイスが記載されている。
この制御は、変形振幅基準に準拠しアクチュエータの共振周波数の追跡を行なうことを可能にするものの、そのままの状態での唯一のアクチュエータの唯一の振動モードについてしか説明されておらず、したがって、複数のアクチュエータを具備したプレートといった触覚インタフェースの異なる振動モードの制御には適していない。
したがって、１枚のプレートの複数の振動共振モードに移行するためには、並行に動作する複数の制御ループを置く必要があると考えられる。
その上、コントローラはこの場合、非常に高速で高価なコントローラとなるはずである。

さらに、多数の分布型アクチュエータを有する公知のアーキテクチャにおいては、異なるアクチュエータへの給電の分配は、多くの場合高電圧で行なわれ、したがってクロストーク現象を発生させる危険性がある。
すなわち、アクチュエータの給電は隣接するアクチュエータの給電を混乱させる可能性があり、そのために包括的振動効果は混乱する。
このアクチュエータの給電は同様に、振動測定を混乱させる可能性もあり、したがってアクチュエータの電源電圧がシステムのセンサの振動測定の中に再出現する可能性がある。

最後に、多数のアクチュエータを有する公知のアーキテクチャは、多くの場合、動作温度などの環境条件の変化に非常に敏感であり、アクチュエータを用いて得られる触覚効果はそれによって混乱させられる。

本発明は概して、多数のアクチュエータを有する公知のシステムの欠点および上述の問題を解決することのできる、超音波利用分野のための新しいタイプのセンサアクチュエータを提案することを目的とする。

本発明の詳細な目的は、エネルギ変換（すなわちアクチュエータの給電）が各アクチュエータのところで行なわれ、そのためアクチュエータ間のクロストーク現象の発生をより少なくするために電圧ではなくエネルギが各アクチュエータに分配される、一体型センサアクチュエータおよびこのようなセンサアクチュエータを使用するシステムを提案することにある。

本発明は同様に、マスタマイクロコントローラから通信リンクによって低い周波数で振動基準が提供される複数のセンサアクチュエータのシステムを提案することも、詳細な目的としている。

原則として、本発明は、マスタとスレーブアセンブリを含む階層化された分布型振動制御構造を提案する。
スレーブは、センサとアクチュエータが共通位置設定され、すなわち理想的には、起動すべきプレートの同じ場所にまたは少なくともプレート上の互いに非常に短い距離のところに位置設定されている、一体型センサアクチュエータ対である。
その役目は、プレートの振動を局所的に制御することにある。
センサアクチュエータ対は、センサの測定値を活用する制御回路の信号を増幅させながらアクチュエータに給電を行なうための直流－交流変換器を含む。
該センサアクチュエータ対は、自らにマスタプロセッサによって与えられた指令にしたがうために局所的にかつ迅速に機能する。

したがって、スレーブは、
－ 直流／交流変換器用の電圧基準、
－ アクチュエータの振動を測定するためのセンサ、
－ 回転基準系内にアクチュエータのコマンドを統合する制御アルゴリズム、
－ 可能なかぎり高速の通信モジュール、
を統合するセンサアクチュエータのシステムである。

コントローラまたは「マスタ」プロセッサは、包括的に実現すべき基準に基づいて決定されたプレートの局所的振動基準を各センサアクチュエータに送る。
これは、一体型センサアクチュエータからの量（測定値、電圧）を受信する。
これらの情報を集約することにより、マスタは、包括的情報を入手し、各スレーブに伝送される基準を調整することができる。

したがって本発明の対象は、プレートの少なくとも１つの既定の振動モードにしたがって起動すべきプレートの第１の面に固定されるための一体型センサアクチュエータにおいて、前記第１の面とは反対側のプレートの第２の面にユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレートの前記第１の面に固定された電気機械式アクチュエータおよび変形または振動速度センサを含む前記一体型センサアクチュエータであって、アクチュエータおよびセンサは前記第１の面に並んで固定され、アクチュエータが前記プレートを起動すべき最小共振周波数での振動の半波長以下の距離だけ離隔されており、こうしてアクチュエータとセンサはプレートの同じ既定の振動モードをそれぞれ起動させ測定することができるようになっていることを特徴とする一体型センサアクチュエータである。

このようにして、所与のセンサアクチュエータがそれ自体起動できない振動モードを測定する可能性が回避される。

プレートの多重振動モードでの動作に対応する一実施形態によると、センサとアクチュエータとの間の距離は、アクチュエータが前記プレートを起動すべき最小の共振周波数での振動の半波長以下である。

単一振動モードでの動作に対応する別の実施形態によると、センサとアクチュエータとの間の距離は振動の半波長の倍数に等しい。

有利な一実施形態によると、電気機械式アクチュエータは圧電アクチュエータである。

好ましくは、アクチュエータの最大サイズ（すなわち、矩形アクチュエータの場合、その長さ）は、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波振動周波数範囲内の最小波長の振動モードを励起できるために十分小さいものでありながら起動および測定機能を確実に行うように、２～２５ｍｍである。

一実施形態によると、センサは、センサアクチュエータに結び付けられたプロセッサに測定信号ｗ（ｔ）を提供するように配設されており、前記プロセッサは、アクチュエータに送出すべき電源電圧のＶ_ｉｎ（ｔ）と記される瞬間値を計算するように配設されている。

本発明に係るセンサアクチュエータは、センサアクチュエータに結び付けられたプロセッサによって制御される直流から交流への電圧変換器を含む。

センサアクチュエータの有利な一実施形態によると、電源電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）の値は、センサにより送出される測定信号ｗ（ｔ）の瞬間値に合わせてデジタルコントローラによって制御される。

本発明は同様に、振動プレートを含む触覚デバイスを対象とし、デバイスが振動プレートの面に分布し固定された上述の一体型センサアクチュエータのアセンブリを含むことを特徴とする。

一実施形態によると、この触覚デバイスは、異なるアクチュエータの制御信号を分離できるような形で、一体型センサアクチュエータの各スレーブプロセッサの入力端子に並列接続されたマスタプロセッサを含む。

デバイスの有利な一実施形態によると、マスタプロセッサは、センサの振動周波数未満の周波数で同期化情報を各スレーブプロセッサに送るように構成されている。

デバイスの一実施形態によると、マスタプロセッサは、起動すべきプレート上でセンサアクチュエータのネットワークのマッピングを自動的に確立するような形で自動アドレッシングアルゴリズムを初期化段階中に実行するように構成されている。

一実施形態によると、マスタプロセッサは、スレーブプロセッサに対して、タスクパラメータすなわち起動すべきプレートの単数または複数の振動モードの制御に必要なデータを伝送するように構成されている。
同様に、マスタプロセッサは、センサアクチュエータの空間分布、初期化段階中に異なるセンサアクチュエータに対して割当てられる共振周波数、および起動すべきプレートの触覚面でユーザのために求められている効果に応じて、各振動モードについての電圧設定値をスレーブプロセッサに伝送するように構成され得る。

一実施形態によると、マスタプロセッサは、診断段階中にスレーブプロセッサの動作パラメータを得るために、および必要であれば個別のセンサアクチュエータのパラメータ設定を修正するために、スレーブプロセッサに問合せするように構成されている。

最後に、有利な一実施形態によると、マスタプロセッサは、インタフェース接続段階中に外部処理デバイスに対してスレーブプロセッサから収集したデータを伝達してそれらの後処理を可能にするように構成されている。

本発明について、添付図を参照しながら以下でさらに詳しく説明する。

上記で引用した技術的現状の文書（２）中に記載の、同じ発明者らの実験的デバイスの概略図を表わす。 本発明に係る一体型センサアクチュエータアセンブリのアーキテクチャの概略図を表わす。 各センサアクチュエータを制御するプロセッサの内部概略図を表わす。 回転基準系を用いた振動の制御原理を表わす。 異なる圧電アクチュエータの給電回路を表わす。 触覚インタフェースを起動するための本発明に係る複数のセンサアクチュエータのアーキテクチャの概略図を表わす。

テクスチャード加工された上部表面を備えた振動ブロックとカウンタブロックとの間に挟まれた圧電インサートパッドで構成されるランジュバンタイプの単一のアクチュエータを使用する、上記で引用された文書（２）から公知である実験的デバイスを概略的に例示している図１を参照する。
圧電振動センサは、ランジュバンアクチュエータ上に直接、つまりランジュバンタイプのアクチュエータを担持するプレート上ではなくその振動ブロック上に固定される。
ユーザは、その振動ブロックのテクスチャード加工された上部表面に指を置くことによってアクチュエータ上に直接生成される触覚効果をテストすることができる。
この文書は、プレートの面に共通位置設定され、非常に近接して配置された多数のアクチュエータおよびセンサが、それらを担持するプレートの既定の同じ振動モードをそれぞれ起動し測定できるような形で、これらの共通位置設定されたアクチュエータおよびセンサを使用することに関しては、全く言及していない。

本発明に係る一体型センサアクチュエータ１の概略図を表わす図２を参照する。
センサアクチュエータ１には、第１の面４ａとは反対側のプレート４の第２の面４ｂ上にプレートの第２の面４ｂ上に置かれたユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレート４の前記第１の面４ａに固定された電気機械式アクチュエータ２（圧電タイプまたは電気機械式タイプまたは他のタイプのもの）および変形または振動速度センサ３（例えば上記で指摘された例と同じタイプの物）が含まれる。

本発明によると、アクチュエータ２およびセンサ３は、振動プレート４の第１の面４ａに共通位置設定される。
すなわち、センサ３による測定は、アクチュエータ２による起動が適用される場所に非常に近接している。
本発明の範囲内で「プレート」とは、他の寸法と比べて薄い厚みを有する剛性で中実な任意の材料のシートを意味する。

好ましくは、センサ３とアクチュエータ２との間の距離は、アクチュエータが前記プレート４を起動すべき最小共振周波数に応じた振動の半波長より短い。

このセンサアクチュエータアセンブリ１は、ここではプレートまたは振動スラブ４の形で表わされている振動構造に取付けられる。
プレート４の第１の面４ａへのセンサ３およびアクチュエータ２の固定は、例えば接着によって行なわれる。
センサアクチュエータアセンブリ１のサイズは、起動および測定機能を確実に行うのに十分大きいものの、小さい波長の振動モードを励起できるように十分小さいものでなければならない。
一例として、アクチュエータ２の最大寸法（つまり矩形アクチュエータの場合ではその長さ）は、高周波数の、ひいては小さな波長の振動モードを励起できるのに十分小さいものでありながら起動および測定機能を確実に行うように、２～２５ｍｍである。
典型的には、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波ドメイン内での起動周波数に関係している。

デバイスの各センサアクチュエータ１は、センサ３由来の信号を入力端子で受信し、出力端子ではコマンド信号を直流／交流電圧変換器６に対し送出して振動振幅を局所的に設定値に制御する、デジタル信号プロセッサ５（英語の用語の「Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ」の頭字語であるＤＳＰとしても記される）によって制御される。
企図されている実装においては、上記で引用した論文（２）の中で説明されているように、回転基準系内の振動制御を使用することができる。

理想的には、プロセッサＤＳＰ５および電圧変換器６も同様にセンサ３およびアクチュエータ２と非常に近接している。
しかし現実には、これらは振動プレート４の振動を妨げてはならないことから、一定の距離が置かれているべきである。

センサアクチュエータ１の各々を制御するプロセッサＤＳＰ５の内部概略図を表わす図３を参照する。
点線ブロックは、例えばクロック７により与えられる１Ｍｈｚの周波数などの高周波数のタスクループを表わす。
残りのブロックは、より低い周波数で機能する。

Ｗ（ｔ）は、センサ３由来の測定値である。
これは、振動速度またはアクチュエータ２に隣接する表面の変位と類似であってよい正弦波と考えられる交流電圧である。
センサアクチュエータ１に対して送出されるための出力電圧は、Ｖ_ｉｎ（ｔ）と記される。
これも同様に、正弦波交流電圧である。

ｗ（ｔ）のような高周波数で正弦波交流電圧の大きさを制御するのは容易ではない。
そのため、アナログ－デジタル変換器８（図３中では、英語の用語の「Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」の頭字語であるＡＤＣとして記される）によるアナログ／デジタル変換段階の後、測定値ｗ（ｔ）はまず、パルスωの搬送波により復調される（このような復調は、メカトロニクスシステムにおいて、時に回転「ローテーション」と呼ばれる）。
復調器９の出力端子では、２つの大きさＵ_ｄおよびＵ_ｑが再び見られる。
定常状態では、Ｕ_ｄおよびＵ_ｑは恒常であり、そのためｗ（ｔ）を直接制御するよりもむしろＵ_ｄおよびＵ_ｑを制御する方が容易である。
復調器９は、以下を実施する。

式中、Ｔ＝２π／ωは振動周期であり、Ｎは整数であってＵ_ｄおよびＵ_ｑの計算の範囲を表現する。

Ｕ_ｄおよびＵ_ｑの値はこのとき、ＶＣＭ（「Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ」つまりベクトルコマンドの頭字語である）ブロック１０の内部で、基準値Ｕ_ｄｒｅｆおよびＵ_ｑｒｅｆと比較され、ＶＣＭブロックの内部の補正器が、Ｖ_ｄおよびＶ_ｑと記される電源電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）の調節値を提供することによって電圧値の制御を実現する。

電圧調節値Ｖ_ｄおよびＶ_ｑは、変調器１１（これは逆回転「逆ローテーション」）とも呼ばれる）に伝送される。
このとき、電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）は、以下の式により計算される。

信号ｓｉｎ（ωｔ）およびｃｏｓ（ωｔ）は、同じマイクロプロセッサの内部で生成されることから、変調搬送波は必然的に同期であり、振動は電圧ｖ（ｔ）から生成されるため、振動と同じパルスを有する。

これらの信号ｃｏｓ（ωｔ）およびｓｉｎ（ωｔ）は、直接的ＤＤＳ合成１２（ＤＤＳは英語の用語の「Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」の頭字語である）に基づいて生成される。
ＤＤＳブロック内では、タイマ（「Ｔｉｍｅｒ」として記される）が、制御型振動モードの周期よりもはるかに低い固定周期Ｔ_ｅ（例えばＴ_ｅ＝１μ秒）のクロックを生成する。
各クロックピッチで、Ｎｃビット（例えばＮ＝３２）の計数器Ｃが、Δθと記される値だけ増分される。
一定の時間が経つと、計数器はオーバーランする。
この時間は、以下の式により計算される。
Ｔ＝（Δθ／２^Ｎ）Ｔ_ｅ

原則として、この時間Ｔは、考慮対象のモード、ひいては考慮対象の共振周波数の振動周期に等しくなる。

実際、計数器Ｃの最も重いＮｓ個のビットは、正弦関数の値を含むＲＯＭメモリにおけるアドレスとして役立つ。
シフトによって、同じ瞬間についての余弦値も同様に見い出される。
振動周波数の変更は、Δθの値を修正することによって行なわれる。

「共振周波数追跡」と呼ばれる一定の動作モードにおいては、アクチュエータの共振周波数の偶発的変動にも関わらず、正確にアクチュエータの共振周波数での振動モードの励起が追求される。
Ｖ_ｑの値は、ＶＣＭブロックにより通常０として課せられる。
このとき、Ｖ_ｄが固定でありω（ω＝２πｆ）が可変的である場合、Ｕ_ｄおよびＵ_ｑは、図４に表わされているように、特定の円に沿って推移する。

実際、考慮対象のモードの共振周波数（ω＝ω_０）では、Ｕ_ｑ＝０である。
したがって、モードの共振周波数の値はＵ_ｑの値によって識別されることから、この値を正確に知る必要はない。
このとき、共振周波数を追跡するために、周波数追跡アルゴリズムを結び付けることができる（これはＶＣＭ内に導入され得る）。

「同期モード」と呼ばれる別の動作モードにおいては、動作周波数が課せられる（例えば、以下で説明されるようなマスタプロセッサにより）。
このとき、Ｖ_ｑの値はゼロではないが、ＶＣＭブロックの制御ループが使用されて、例えば０などの特定の値をＵ_ｑが課せられる。

最後に、各センサアクチュエータ１はさらに、インピーダンスの適応を確実に行ないながら電圧Ｖ_ｉｎを増幅させることのできる電源１３を有する。
例えば、図５に概略的に示されているもののようなブリッジアームを使用することができる。
ＨＶと記されるバス電圧は、２つのトランジスタ１４によりインパルス幅変調方法によって切断される。
インダクタンス１５が、電源の交番を確実に行いながら高調波成分をフィルタリングする。
例えば、圧電アクチュエータは容量性である。
それを電圧源に接続した場合、巨大な過渡電流が発生する。
これを回避するため、パワーエレクトロニクスで公知の通りの電源交番法則に準拠するため、電流源を挿入するように配設が行なわれる。
場合によっては、各一体型センサアクチュエータ１のＤＳＰプロセッサ５のところで、電圧の閉ループ制御を使用することができる。

図６は、前述のような複数の一体型センサアクチュエータ１を用いるシステム１６の概略図を表わしており、これにより、例えば触覚インタフェース４などの共振器上に分布した電気機械式アクチュエータのアセンブリの給電および制御が可能となっている。

デバイス１６は、図６に表わされているように、階層化される。
デバイスは、スレーブプロセッサの役目を果たす異なる一体型センサアクチュエータ１のプロセッサ５を協調させるマスタの役目を果たすメインプロセッサ１７を含む。
マスタプロセッサ１７は適応された計算能力を有するが、必ずしも非常に高速である必要はなく、専用周辺機器も必要としない。
そのため、そのコストは限定的である。
スレーブセンサアクチュエータ１の数は可変的である。
この数は、起動すべきプレート４および制御すべき振動モードに応じて、ユーザにより決定される。

異なる要素間の通信は、１本または２本のコード（例えばＩ２ＣまたはＳＰＩタイプのもの）上でのネットワーク通信１８を介して確実に行われる。
マスタプロセッサ１７とスレーブプロセッサ５との間の通信は、技術的現状にしたがった単一のプロセッサを有する構造と比べて低速であってよい。
この通信は、センサアクチュエータ１のネットワークの構造化、スレーブプロセッサ５の割当て、設定値の伝送、同期化、システム診断、または外部デバイス（図示せず）に向かってのインタフェース接続などの通過周波帯要件が低い管理オペレーションのために使用される。
これらのオペレーションについて、下記でさらに詳しく説明する。

－ネットワークの構造化
マスタプロセッサ１７は、センサアクチュエータ１のネットワークのマッピングを自動的に確立する自動アドレッシングアルゴリズムを実行する。

－スレーブプロセッサ５の割当て
振動させるべき構造４上の一体型センサアクチュエータ１の配置についての先験的知識に基づいて、マスタプロセッサ１７はスレーブプロセッサ５に対してタスクパラメータ（具体的には、単数または複数の共振周波数、償却、利得、単数または複数のコントローラのパラメータなどの、単数または複数の振動モードの制御に必要なデータ）を伝送する。

－設定値の定義および伝送
モード分解により、各モードについての基準が、起動すべき表面４上に求められている効果（振動の制御、集束）に必要な変位、速度または加速の空間分布に応じて計算される。
上述（図４）の回転座標系で表現された基準は、実際の軌道の包絡線に対応している。
所与のセンサアクチュエータ１のところで、この（これらの）基準は、ネットワークの初期化段階中にそれらに通知された共振周波数に応じてセンサアクチュエータにより変調させられることになる。
包絡線の記述を可能にする点の数は超音波周波数で変調された信号を記述するのに必要な数より少ないことから、こうして通信の必要性を最小限に抑えることが可能になる。
実際、正弦信号の包絡線は、例えば、経時的なピーク振幅の推移を表わす。
振幅の推移は正弦信号よりも遅いことから、信号自体に比べて、この推移を記述するために毎秒必要となる点の数は少なくなる。

－同期化
集束振動タイプの利用分野については、異なる変調間の位相差は重大である。
マスタプロセッサ１７は、ひとたびスレーブプロセッサ５が初期化された時点で、通信チャネル上で伝送された「ワード」による指令の実行を同時に確実にトリガする。

－診断
マスタプロセッサ１７の問合せ時点で、スレーブプロセッサ５は、動作診断に必要な要素（電圧Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ、速度Ｕ_ｄＵ_ｑなど）をマスタプロセッサまで上げる。
これらのデータに基づいて、マスタプロセッサ１７は、例えば構造の内部モデルからシステムの特性を再調整する。
再調整によって動的パラメータを調整し、必要とあれば場合によっては個別のセンサアクチュエータ１のパラメータ設定を修正することが可能となる。

－インタフェース接続
マスタプロセッサ１７は、より進化したデバイス（コンピュータ、電子タブレット）と通信する能力を有する。
これにより、起動すべき構造の記述、センサアクチュエータの配置マッピング、内部モデル、すなわち例えば振動モード（モード変形）を記述する等式全体のパラメータ設定の段階においてユーザを支援するための高レベルのツールを入手することが可能となる。
シリアルリンクによって、これらの等式のパラメータを取り込むことが可能である。
実際の指令は、この手段によって伝送される（マスタプロセッサ１７は、その後、モードベース内での投影を担う）、すなわち、所望される基準変形から、各々の振動モードについての振幅がスカラ積アルゴリズムから計算される。
マスタプロセッサ１７は、スレーブプロセッサ５で収集したデータをアップロードして、ユーザによるそれらの後処理を可能にすることができる。

本発明の利点
本発明は、定められた目的を満たし、技術的現状にしたがったアクチュエータで識別された問題を解決することを可能にする。

詳細には、各個別のセンサアクチュエータ１の構造とマスタプロセッサ１７によるコマンドを組合わせることによって、接続部を単純化し、ケーブル間のクロストークを回避しながら、アクチュエータ（多くの場合高圧）の給電および通信ネットワークを共有することが可能となる。
一体型センサアクチュエータ１の同期化は、通信リンクによっておよびローカルプロセッサ５のクオーツの安定性によって確実に行われる。

一体型センサアクチュエータ１は、複数の構造上でネットワークの形で使用可能であり、マスタプロセッサ１７は、利用分野に適応された電圧基準を提供し、これが高い使用汎用性を可能にする。

閉ループでのコマンドは、環境条件の変化に起因するパラメータ変動に適応することを可能にし、こうして、デバイスの動作はロバストなものとなる。

センサと共通位置設定されていない振動制御に関する問題は、起動と、センサが測定した信号との間の相対位相がモードに応じて変化するという点にあるということが分かっている。
したがって、アクチュエータとセンサは、１つのモードについては同相であり、隣接モードについては相反している可能性がある。
その結果、閉ループでは、１つのモードについて安定したループが、フィードバックにおける符号変化を理由として隣接するモードにより潜在的に不安定化される可能性がある。

センサおよびアクチュエータを上述の通りに共通位置設定することにより、この欠陥を無くすことができる。

その上、センサアクチュエータがマスタプロセッサに上る論理リンクを有することにより、全てのセンサアクチュエータを同期化させることが可能になる。
その上、マスタプロセッサは、それ自体局所的により高い周波数で機能するスレーブプロセッサとの間で低周波数通信しか必要とせず、このため、マスタプロセッサを大容量化する必要性が回避される。

「Ｗｏｒｌｄ Ｈａｐｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＷＨＣ），２０１５ ＩＥＥＥ，Ｊｕｎｅ ２０１５，Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ，Ｗｏｒｌｄ Ｈａｐｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＷＨＣ），２０１５ ＩＥＥＥ，２０１５，１０．１１０９／ＷＨＣ．２０１５．７１７７６８７（ｈａｌ－０１２３８２９６）中で公開された「Ｐｒｅｌｉｍｉｒａｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ－ｔｏｕｃｈ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔａｃｔｉｌｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ」という題のＳｏｆｉａｎｅ Ｇｈｅｎｎａ、Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｇｉｒａｕｄ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｇｉｒａｕｄ－Ａｕｄｉｎｅ、Ｍｉｃｈｅｌ Ａｍｂｅｒｇ、Ｂｅｔｔｙ Ｌｅｍａｉｒｅ－Ｓｅｍａｉｌの論文（１） 「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２０１８」中のＳｏｆｉａｎｅ Ｇｈｅｎｎａ、Ｆｒｅｄｅｒｉｃ Ｇｉｒａｕｄ、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｇｉｒａｕｄ－Ａｕｄｉｎｅ、Ｍｉｃｈｅｌ Ａｍｂｅｒｇによる論文（２）「Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」

１ センサアクチュエータアセンブリ
２ 電気機械式アクチュエータ
３ 振動速度センサ
４ 振動プレート
４ａ 第１の面
４ｂ 第２の面
５ デジタル信号プロセッサ
６ 直流／交流電圧変換器
７ クロック
８ アナログ－デジタル変換器
９ 復調器
１０ ＶＣＭブロック
１１ 変調器
１２ 直接的ＤＤＳ合成
１３ 電源
１４ トランジスタ
１５ インダクタンス
１６ システム
１７ マスタプロセッサ
１８ ネットワーク通信

本発明の詳細な目的は、エネルギ変換（すなわちアクチュエータの給電）が各アクチュエータのところで行なわれ、そのためアクチュエータ間のクロストーク現象の発生をより少なくするために電圧ではなくエネルギが各アクチュエータに分配される、センサアクチュエータ対を使用するシステムを提案することにある。

本発明は同様に、マスタマイクロコントローラから通信リンクによって低い周波数で振動基準が提供される複数のセンサアクチュエータを含むシステムを提案することも、詳細な目的としている。

したがって本発明の対象は、少なくとも１つの既定の振動モード、すなわち全てのセンサアクチュエータが同じ周波数で操作される単一振動モードまたはセンサアクチュエータが区別された周波数で操作される多重振動モードにしたがって起動すべきプレートの第１の面に固定された複数の一体型センサアクチュエータを含むシステムにおいて、各一体型センサアクチュエータが、前記第１の面とは反対側のプレートの第２の面にユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレートの前記第１の面に固定された電気機械式アクチュエータおよび変形または振動速度センサを含み、各一体型センサアクチュエータのアクチュエータおよびセンサは、プレートの前記第１の面に並んで固定され、アクチュエータが前記プレートを起動すべき周波数の関数である距離だけ離隔されており、こうして各センサアクチュエータのアクチュエータとセンサはプレートの同じ既定の振動モードをそれぞれ起動させ測定することができるようになっていることを特徴とするシステムである。

プレートの多重振動モードでの動作に対応する一実施形態によると、各一体型センサアクチュエータのセンサとアクチュエータとの間の距離は、システムのアクチュエータの共振周波数のうち、アクチュエータが前記プレートを起動すべき最小の共振周波数での振動の半波長以下である。

単一振動モードでの動作に対応する別の実施形態によると、前記第１の面の各一体型センサアクチュエータのセンサとアクチュエータとの間の距離は、アクチュエータの単一の起動周波数に対応する振動の半波長の倍数に等しい。

本発明の有利な一実施形態によると、電源電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）の値は、センサにより送出される測定信号ｗ（ｔ）の瞬間値に合わせてデジタルコントローラによって制御される。

一実施形態によると、本発明によるシステムは、異なるアクチュエータの制御信号を分離できるような形で、一体型センサアクチュエータの各スレーブプロセッサの入力端に並列接続されたマスタプロセッサを含む。

本発明の一実施形態によると、マスタプロセッサは、起動すべきプレート上でセンサアクチュエータのネットワークのマッピングを自動的に確立するような形で自動アドレッシングアルゴリズムを初期化段階中に実行するように構成されている。

上記で引用した技術的現状の文書（２）中に記載の、同じ発明者らの実験的デバイスの概略図を表わす。 本発明に係るシステムの一体型センサアクチュエータアセンブリのアーキテクチャの概略図を表わす。 各センサアクチュエータを制御するプロセッサの内部概略図を表わす。 回転基準系を用いた振動の制御原理を表わす。 異なる圧電アクチュエータの給電回路を表わす。 触覚インタフェースを起動するための本発明に係るシステムの複数のセンサアクチュエータのアーキテクチャの概略図を表わす。

本発明に係る一体型センサアクチュエータ１のシステムの概略図を表わす図２を参照する。
センサアクチュエータ１には、第１の面４ａとは反対側のプレート４の第２の面４ｂにプレートの第２の面４ｂに置かれたユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレート４の前記第１の面４ａに固定された電気機械式アクチュエータ２（圧電タイプまたは電気機械式タイプまたは他のタイプのもの）および変形または振動速度センサ３（例えば上記で指摘された例と同じタイプの物）が含まれる。

好ましくは、各アクチュエータが他とは別に操作され、固有の起動周波数容量を受ける多重振動モードの場合、各一体型センサアクチュエータ１のセンサ３とアクチュエータ２との間の距離は、アクチュエータ２が前記プレート４を起動すべき最小の共振周波数に応じた振動の半波長より短い。

このセンサアクチュエータアセンブリ１は、ここではプレートまたは振動スラブ４の形で表わされている振動構造に取付けられる。
プレート４の面４ａへのセンサ３およびアクチュエータ２の固定は、例えば接着によって行なわれる。
センサアクチュエータアセンブリ１のサイズは、起動および測定機能を確実に行うのに十分大きいものの、小さい波長の振動モードを励起できるように十分小さいものでなければならない。
一例として、アクチュエータ２の最大寸法（つまり矩形アクチュエータの場合ではその長さ）は、高周波数の、ひいては小さな波長の振動モードを励起できるのに十分小さいものでありながら起動機能を確実に行うように、２～２５ｍｍである。
典型的には、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波ドメイン内での起動周波数に関係している。

図６は、起動すべきプレート４に分布した前述のような複数の一体型センサアクチュエータ１を用いるシステム１６の概略図を表わしており、これにより実際には、例えばプレート４の形をした触覚インタフェースなどの共振器上に分布した電気機械式アクチュエータのアセンブリの給電および制御が可能となっている。

したがって本発明の対象は、少なくとも１つの既定の振動モード、すなわち全てのセンサアクチュエータが同じ周波数で操作される単一振動モードまたはセンサアクチュエータが異なる周波数で操作される多重振動モードにしたがって起動すべきプレートの第１の面に固定された複数の一体型センサアクチュエータを含むシステムにおいて、各一体型センサアクチュエータが、前記第１の面とは反対側のプレートの第２の面にユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレートの前記第１の面に固定された電気機械式アクチュエータおよび変形または振動速度センサを含み、各一体型センサアクチュエータのアクチュエータおよびセンサは、プレートの前記第１の面に並んで固定され、こうして各センサアクチュエータのアクチュエータとセンサはプレートの同じ既定の振動モードをそれぞれ起動させ測定することができるようになっていることを特徴とするシステムにある。

好ましくは、複数のアクチュエータが異なる起動周波数で操作される多重振動モードの場合、各一体型センサアクチュエータ１のセンサ３とアクチュエータ２との間の距離は、アクチュエータ２が前記プレート４を起動すべき最小の共振周波数に応じた振動の半波長より短い。

Claims (15)

1. プレートの少なくとも１つの既定の振動モードにしたがって起動すべきプレート（４）の第１の面（４ａ）に固定されるための一体型センサアクチュエータ（１）において、
   前記第１の面（４ａ）とは反対側のプレート（４）の第２の面（４ｂ）にユーザの指またはスタイラスペンにより感知可能な触覚効果を生成する振動を創出するような形で共にプレート（４）の前記第１の面（４ａ）に固定された電気機械式アクチュエータ（２）および変形または振動速度センサ（３）を含む前記一体型センサアクチュエータ（１）であって、
   アクチュエータ（２）およびセンサ（３）が、前記第１の面（４ａ）に並んで固定され、
   アクチュエータ（２）が、前記プレート（４）を起動すべき最小共振周波数での振動の半波長以下の距離だけ離隔されており、
   こうしてアクチュエータ（２）とセンサ（３）が、プレート（４）の同じ既定の振動モードをそれぞれ起動させ測定することができるようになっていることを特徴とする、一体型センサアクチュエータ（１）。
2. 前記第１の面（４ａ）のセンサ（３）とアクチュエータ（２）との間の距離が、単一振動モードの半波長の倍数に等しいことを特徴とする、前記単一振動モードで使用される請求項１に記載のセンサアクチュエータ（１）。
3. 電気機械式アクチュエータ（２）が、圧電アクチュエータであることを特徴とする、請求項１または２に記載のセンサアクチュエータ（１）。
4. ２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波振動周波数範囲内の最小波長の振動モードを励起できるために十分小さいものでありながら起動および測定機能を確実に行うようにその最大サイズが、２～２５ｍｍである、請求項１から３のいずれか一つに記載のセンサアクチュエータ（１）。
5. センサ（３）が、センサアクチュエータ（１）に結び付けられたプロセッサ（５）に測定信号ｗ（ｔ）を提供するように配設されていること、
   および前記プロセッサ（５）が、アクチュエータ（２）に送出すべき電源電圧のＶ_ｉｎ（ｔ）と記される値を計算するように配設されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一つに記載のセンサアクチュエータ（１）。
6. センサアクチュエータ（１）に結び付けられた前記プロセッサ（５）によって制御される直流から交流への電圧変換器（６）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のセンサアクチュエータ（１）。
7. 電源電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）の値が、センサ（３）により送出される測定信号ｗ（ｔ）の瞬間値に合わせて前記デジタルプロセッサ（５）によって制御されることを特徴とする、請求項６に記載のセンサアクチュエータ（１）。
8. 振動プレート（４）を含む触覚デバイス（１６）において、
   振動プレート（４）の第１の面（４ａ）に分布し固定された請求項１から７のいずれか一つに記載の一体型センサアクチュエータ（１）のアセンブリを含むことを特徴とする、触覚デバイス（１６）。
9. 異なるアクチュエータ（２）の制御信号を分離できるような形で、一体型センサアクチュエータ（１）の各スレーブプロセッサ（５）の入力端子に並列接続されたマスタプロセッサ（１７）を含むことを特徴とする、請求項８に記載の触覚デバイス（１６）。
10. マスタプロセッサ（１７）が、センサ（２）の振動周波数未満の周波数で同期化情報を各スレーブプロセッサ（５）に送るように構成されていることを特徴とする、請求項９に記載のデバイス。
11. マスタプロセッサ（１７）が、起動すべきプレート（４）上でセンサアクチュエータ（１）のネットワークのマッピングを自動的に確立するような形で自動アドレッシングアルゴリズムを初期化段階中に実行するように構成されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載のデバイス。
12. マスタプロセッサ（１７）が、スレーブプロセッサ（５）に対して、タスクパラメータすなわち単数または複数の振動モードの制御に必要なデータを伝送するように構成されていることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一つに記載のデバイス。
13. マスタプロセッサ（１７）が、センサアクチュエータ（１）の空間分布、初期化段階中に異なるセンサアクチュエータ（１）に対して割当られる共振周波数、および起動すべきプレート（４）の表面（８）上で求められている効果に応じて、各振動モードについての電圧設定値をスレーブプロセッサ（５）に伝送するように構成されていることを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一つに記載のデバイス。
14. マスタプロセッサ（１７）が、診断段階中にスレーブプロセッサ（５）の動作パラメータを得るために、および必要であれば個別のセンサアクチュエータ（１）のパラメータ設定を修正するために、スレーブプロセッサ（５）に問合せするように構成されていることを特徴とする、請求項９から１３のいずれか一つに記載のデバイス。
15. マスタプロセッサ（１７）が、インタフェース接続段階中に外部処理デバイスに対してスレーブプロセッサ（５）から収集したデータを伝達してそれらの後処理を可能にするように構成されていることを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一つに記載のデバイス。
    
    

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