JP4408045B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータで使用されているマウス等の入力デバイスに組込んで使用されるアクチュエータに関する。具体的には、磁力を用いて平面内を移動する部分を含んでおり、正確な座標入力も行えるタイプのアクチュエータに関する。

従来から磁力を利用して面移動をする部分を含んだ小型のアクチュエータが提案されている。このようなアクチュエータは、コンピュータ側から種々の情報を操作者に伝達する新規な装置として期待できる。例えば上記アクチュエータは、パーソナルコンピュータで広く使用されているマウスに組込むことができる。従来、マウスは操作者側からコンピュータ側への入力デバイスとして用いられてきた。しかし、上記アクチュエータをマウスに組込んだ場合、コンピュータから発した信号を操作者へ伝達できるようになる。すなわち、従来のマウスをマンマシンインターフェースの一つとして活用できるようになる。

面移動型の小型アクチュエータに関しては、例えば特許文献１に記載がある。このアクチュエータは、大小２個のループ状コイルを平面的に配置してなるコイル体と、上記の各ループ状コイルと鎖交する磁束を発生する４個の永久磁石をベース板に固着した磁石体とを備えている。このアクチュエータは前記コイル体と前記磁石体とが平行状態を維持して相対移動自在であり、前記ループ状コイルの通電時に発生する推力を利用して前記コイル体又は磁石体を平面内で移動させる。

また、特許文献１は移動側の可動磁石体に位置検出用のスケール磁石を設け、この磁石と対向するようにＭＲセンサを固定配置して位置検出するようにした構成を開示している。ＭＲセンサからの信号を用いたフィードバック制御を行って可動側を任意の位置に移動できるようになっている。

特開平１０−１１７４７０号 公報

ところで、マウス等の入力デバイスは、本来、座標入力を行う機能が必要である。よって、前述したような外部からの信号を受けて平面駆動する部分を備えたアクチュエータも入力装置としての構成を備えていることが望ましい。

しかしながら、上記特許文献１で開示するアクチュエータは例えば光学機器に組込んで使用され、レンズ（被駆動体）を平面移動させて所定位置に位置決めするための装置である。特許文献１で開示するアクチュエータは、マウス等の入力デバイスに組込んで使用するものでない。すなわち、特許文献１で開示するアクチュエータは、操作者が入力操作した際に移動した部分の位置検出を行うものではないので、マウス等の入力装置に組込んで座標入力装置として使用できない。

以上のように、従来から面移動する部分を含むアクチュエータが提案されている。しかし、マウス等の入力デバイスに組込んで使用したときに、コンピュータ側からの信号を受けたときに駆動するだけでなく、操作者からの指示を入力できる入力装置としても機能するアクチュエータについては開示がない。

したがって、本発明の目的は、面移動する駆動部分を備え、正確な入力も行える機能も合わせて備えたアクチュエータを提供することである。

上記目的は、所定位置を中心に平面上で異なる磁極が交互となるように複数の磁石を配置した磁界発生部と、前記磁界発生部に対向すると共に前記異なる磁極に各々跨るように配置した複数のコイルを保持するコイル保持部と、を相対移動させ、入力デバイスに組み込んで使用されるアクチュエータであって、前記相対移動を検出するための磁電変換素子が前記磁界発生部の前記所定位置を含む領域と対向するように前記コイル保持部に配置され、前記磁電変換素子が第１軸方向および前記第１軸方向に対し直角な第２軸方向のそれぞれに２個ずつ配置したホール素子を含み、前記磁界発生部に配置された前記複数の磁石は、前記所定位置を含む領域に開口を有し、前記相対移動は面移動であることを特徴とするアクチュエータによって達成できる。よって、面移動する駆動部分を備え、更に正確な入力も行える機能も備えたアクチュエータを提供できる。

また、前記開口は、該開口の中心点を通り互いに直交する２軸それぞれに対し、線対称の形状とすることができる。また、前記開口の大きさが、前記磁電変換素子が移動する領域に対して所定割合の範囲内にあることが望ましい。

前記磁界発生部に配置された前記複数の磁石は、前記所定位置を含む領域が未着磁領域である構造を採用することができる。このように未着磁領域を設けた場合にも、開口を設けた場合と同様の効果を得ることができる。前記未着磁領域は、該未着磁領域の中心点を通り互いに直交する２軸それぞれに対し、線対称の形状とすることができる。また、前記未着磁領域の大きさが、前記磁電変換素子が移動する領域に対して所定割合の範囲内にあることが望ましい。

前記磁界発生部又は前記コイル保持部のいずれか一方が、操作用の突起部を有していれば、操作者が突起部により入力操作を行い、また、磁界発生部と前記コイル保持部とが相対移動したときにその振動を突起部で感じることができる。

前記磁電変換素子は、第１軸方向および該第１軸方向に対し直角な第２軸方向のそれぞれに２個ずつ配置したホール素子を含むことができる。各軸に２個ずつのホール素子を配置することで磁界を差動検出することにより、磁界発生部とコイル保持部との移動状態を精度良く検出できる。

なお、前記磁界発生部が、複数の区画に着磁した１つの永久磁石を含むことができる。また、前記磁界発生部が上ヨーク及び下ヨークのいずれか一方に支持され、前記コイル保持部が他方の上ヨーク及び下ヨークに支持され、前記上下ヨークはスペーサ部を介して固定され、該スペーサ部がヨーク間の距離を一定化する係止部を備える構造を採用することがより望ましい。

以下、図面に基づいて本発明に係る平面移動型のアクチュエータについて複数の実施例について説明する。なお、実施例を説明する前に本発明で利用している基本技術の概略を図１を参照して説明する。本発明は所謂、フレミングの左手の法則を応用した発明である。図１（Ａ）はフレミングの左手の法則を説明するために示した図である。同図で示すよう、磁石１に接近させてコイル２を配置して電流３を矢印方向に流すと、コイル２には黒矢印の方向に推力４が生じるというのがフレミングの左手の法則である。

図１（Ｂ）は、本発明が採用している磁石とコイルとの概略構成を示した図である。同図に示すように、磁石１は、中心位置１ＣＴの周りに異なる磁極（Ｎ，Ｓ極）が交互となるようにして、平面状に配置されている（ここではＮ極，Ｓ極が２個ずつ）。この磁石１に対向するように複数（ここでは４個）のコイル２が配設されている。このコイル２を移動部材（図示せず）に固定し、コイル２に供給する電流を制御すると図１（Ａ）の推力によりＸ−Ｙ面内、すなわち２次元内で移動させることができる。本発明は上記構成を利用して実現されている面移動タイプのアクチュエータである。

図２は、図１（Ｂ）の構成をより具体的に示した図である。（Ａ）は磁石１とコイル２との関係を示した斜視図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は底面図である。図２では、磁石１を基板１２上に固定配置している。平面に配置された上記磁石１に対して、４個のコイル２−１〜２−４が対面するように配置される。このコイル２に供給する電流を制御すると磁石１に対向した状態で相対移動して、２次元（面内）移動させることができる。なお、ここでは基板１２に開口１５を形成した場合を例示している。この開口１５は、コイル２の移動量を検出するときに利用される。移動量を検出する手法には、このような開口１５を利用する場合と、開口１５を設ける必要のない場合とがある。この点については、後に詳述する。

また、４個のコイル２−１〜２−４は、中央部に空間２ＣＴを形成して、放射状に配置されている。図２ではコイル２の位置をずらした状態で図示しているが、本明細書では磁石１側の中心位置１ＣＴ（図２では開口１５に含まれる）に、コイルの中心位置（中央部の空間２ＣＴに含まれる）が対向した状態を所定の初期位置として説明する。また、図１（Ｂ）及び図２で示した磁石１は所謂、永久磁石であっても電磁石であってもよい。永久磁石を採用する場合には、単体の磁石を複数、組合せてもよいし、１つの磁性体に着磁処理で複数の磁極を形成するようにしてもよい。例えば図１（Ｂ）で示した磁石１の場合、単体２個の磁石を用いて形成してもよいし、１つの磁性体に４磁極を着磁処理して形成してもよい。また、図２ではコイル２を固定側とし、磁石１を移動するように構成することも可能である。以下で示す実施例は、磁石１を固定側とし、コイル２を移動させる形態例である。

図３は、図１（Ｂ）でのＸ方向及びＹ方向におけるコイル位置と推力（荷重Ｎ）との関係を示した図である。横軸にコイルの位置の移動量（ｍｍ）、縦軸にコイルに生じる荷重Ｎをとっている。ここでは、コイルに電流２００ｍＡを流し、１２０００ガウスの磁石を用いた場合の例を示している。図１（Ｂ）でコイル２が磁石１のＮ、Ｓにちょうど跨る位置が、図３での中央位置である。この中央位置で最も大きな荷重Ｎが生じ、±５ｍｍ位置がずれた所でも十分な荷重Ｎが生じることが確認できる。さらに以下、図を用いて本発明の複数の実施例を説明する。

図４、図５及び図６は、実施例１に係るアクチュエータＡ−１について示した図である。図４は、本アクチュエータＡ−１の構成が確認できるように上側から示した分解斜視図である。また、図５は同アクチュエータＡ−１の構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。更に、図６は図４におけるＸ方向での断面図である。なお、本アクチュエータＡ−１は例えばマウスに組込んで使用する１部品の形態に形成されている。

本アクチュエータＡ−１は基板として機能する下ヨーク１２上に形成されている。下ヨーク１２上には、図２で説明したと同様の磁石１が配置されている。但し、この磁石１の中心位置には開口を形成していない。下ヨーク１２の４隅にはスペーサ及び支持部材として機能する支持柱１１が立設されている。この支持柱１１により、下ヨーク１２の上方に所定空間を形成して上ヨーク１３が配設されている。上下のヨーク１２，１３の間に形成される空間内には、コイル２が固定されたスライダ２０が移動可能な状態で収納される。このスライダ２０は、コイル２に電流を供給したときに磁石１との間で生じた推力を受けて２次元を移動する。上ヨーク１３上にはコイル２を２次元内の所定領域を移動（面移動）させるためのガイド機構が形成されている。

スライダ２０は下面にコイル２を保持している。このコイル２はコイル支持部材２１を介して、スライダ２０の下面に固定されている。また、このスライダ２０の上面側には操作用の突起部２５が固定されている。この突起部２５は、図５で示している上ヨーク１３の中央に形成した開口１３ＨＬ内に収納される。本アクチュエータＡ−１が組上げられたときには、図６で示すように、突起部２５は上ヨーク１３の上部に頭を出した状態となる。突起部２５が配置される位置は、スライダ２０の下面に固体したコイル２の中央位置２ＣＴ（図２参照）である。また、スライダ２０の下面には、コイル２との間に介在するように回路基板２３が嵌め込まれている。この回路基板２３には図示しない電気部品が配置され、所定の回路パターンが形成されている。

スライダ２０を２次元の所定領域で移動させる機構が上ヨーク１３に形成されている。この移動機構について説明する。本実施例のアクチュエータＡ−１では、スライダ２０と一体に移動する突起部２５がガイド部材に係合することで２次元の所定領域を移動するようになっている。

本アクチュエータＡ−１は、突起部２５をＸ方向及びＹ方向に案内するため、第１ガイド部材１６と第２ガイド部材１７とを備えている。図４を参照すると、第１ガイド部材１６はＸ方向の所定範囲で上記突起部２５をガイドする。第１ガイド部材１６は中央に長方形の開口１６ＨＬを有し。この開口１６ＨＬ内に突起部２５を収納してＸ方向へガイドする。

さらに、上記第１ガイド部材１６は第２ガイド部材１７によって、Ｘ方向とは直角なＹ方向へガイドされるようになっている。第２ガイド部材１７は、第１ガイド部材１６の両側をＹ方向へ案内するように一対、配置されている。図６で示すように、第１ガイド部材６は両側に突出したフランジ部１６ＦＬを備えている。このフランジ部１６ＦＬが、一対配置した第２ガイド部材１７の内壁に形成した受け溝１７ＲＥに嵌合している。この受け溝１７ＲＥはＹ方向に延在している。よって、第１ガイド部材１６は第２ガイド部材１７の内面に沿って一方向（Ｙ方向）に摺動する。

上記のような構成では、突起部２５が第１ガイド部材１６によってＸ方向にガイドされ、さらに第１ガイド部材１６が第２ガイド部材１７によってＸ方向とは直角なＹ方向にガイドされる。よって、本アクチュエータではコイル２を有するスライダ２０が所定の推力を受けたときに、突起部２５がガイドされる２次元領域内を自在に移動できる構造が実現される。なお、図示は省略するが、突起部２５は第１ガイド部材１６内にセットされた状態では、Ｘ方向に摺動可能な状態となると共に下方に落下しないように保持される。よって、スライダ２０は突起部２５及び第１ガイド部材１６を介して、上ヨーク１３により支持される。

上記構成を有するアクチュエータＡ−１を例えばマウスに組込んで、突起部２５に操作者が指で触れることができるようにすると、操作者はスライダ２０に固定されたコイル２に基づいた推力を感じることになる。コイル２へ供給する電流を制御してスライダ２０が小刻みに移動するようにすれば、操作者に突起部２５が振動していると認識させることができる。よって、本アクチュエータＡ−１をマウスに組込んで使用すると、例えばコンピュータ側から操作者への情報を振動によって伝達できる。

しかし、本来、マウスは操作者の指示入力を行うためのデバイスである。そこで、本実施例で示すアクチュエータＡ−１は、マウスに組込んで入力装置としても使用できるように構成されている。そして、アクチュエータＡ−１は上記のように面移動する構成部分を含むということを前提にして、正確な座標入力が行えるように形成されている。以下、この点について説明する。マウスに組込んで本アクチュエータＡ−１が使用された場合、操作者は突起部２５を移動させることにより指示入力を行う。そのため、アクチュエータＡ−１は突起部２５の移動を精度良く検出する位置検出構成を備えている。なお、ＬＥＤとフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）を用いて光学的に突起部２５の移動を検出することもできるが、ここでは磁電変換素子の１つであるホール素子を用いて位置検出を行うようにしている。ホール素子を用いることで、低コスト化を図れると共に、光を用いて検出する場合の外乱を除き精度よい位置検出が行える。

本実施例１のアクチュエータＡ−１は、磁界発生部となる磁石１の磁界を、コイル保持部となるスライダ２０側に配置したホール素子で検出する。この出力信号に基づいて、座標出力を行うという構成である。図５で示すようにスライダ２０の下面には、ホール素子部３１が配置されている。このホール素子部３１は、図６に示すように、組立てられた状態の初期位置で４つの磁極の中心位置と対向する位置に配設される。

スライダ２０に固定されるコイル２は、その中央に空間２ＣＴを備えている。さらに、コイル支持部材２１には、空間２ＣＴに対応する開口２１ＨＬが形成されている。上記ホール素子部３１は、図６に示すように、アクチュエータＡ−１が組上げられた状態で空間２ＣＴに収納され、開口２１ＨＬを介して位置検出用磁石３０と対向した状態となる。ホール素子部３１には、互いに直行するＸ方向、Ｙ方向において２個ずつ、計４個のホール素子３１−１〜３１−４を含んでいる。各方向に１個ずつの素子を配して、磁石１とスライダ２０の移動量を検出することも可能である。しかし、本アクチュエータＡ−１では、各方向に２個ずつのホール素子を配置することで、差動検出を行って高い精度の位置検出を行うようにしている。

図３から図６で示した実施例１のアクチュエータＡ−１によると、操作者が突起部２５を移動した際に４つのホール素子３１−１〜３１−４が磁石１の４個の磁極からの磁界の変化を検出する。よって、突起部２５の移動をホール素子３１−１〜３１−４で検出し、その検出信号を用いて座標入力を行うことができる。

図７は、上述した本アクチュエータＡ−１の構成を模式的に示したブロック図である。例えば回路基板２３（図４、５参照）上に配置したＣＰＵ等を制御マイコン部５２とすることができる。制御マイコン部５２がコイル２への電流を制御する。この制御マイコン部５２はインターフェース部５１を介して例えば外部のコンピュータ等と接続される。コンピュータから供給される信号に基づいて、制御マイコン部５２がドライバ部５３に駆動信号を供給する。これにより、ドライバ部５３がＸ軸駆動部５４とＹ軸駆動部５５とに供給する電流を調整する。ここでのＸ軸駆動部５４とＹ軸駆動部５５とは前述したコイル２に相当している。よって、制御マイコン部５２からＸ軸駆動部５４及びＹ軸駆動部５５へ供給する電流を制御することによって、スライダ２０に所望の動作を与えることができる。その結果、スライダ２０と一体に移動する突起部２５が振動等の動作を行うので、突起部２５の動作を介して操作者に種々の情報を伝達できる。なお、本アクチュエータＡ−１をマウス等のデバイスに組込んだ形態では、デバイス側のＣＰＵ等を流用して制御マイコン部５２としてもよい。

前述したように、本アクチュエータＡ−１は、入力装置としても機能するように構成されている。入力装置として機能した場合には、操作者が突起部２５を指で移動することにより、接続されたコンピュータのディスプレイ上に座標位置入力を行うことができる。そのときには、磁石１に対向するように配置したホール素子部３１の検出信号が利用される。このホール素子部３１及び他のセンサを含むセンサ部５６からの検出信号は上記制御マイコン部５２へ供給され、処理される。例えば、制御マイコン部５２がホール素子部３１からの検出信号を受けた場合には座標出力のための所定演算を行って、インターフェース部５１を介してコンピュータに座標データを出力する。

図８及び図９は、実施例２のアクチュエータについて示している。本実施例２は、実施例１の磁石１の形状に変更を加えた改良例である。ここでは、実施例１との相違点が理解し易いように、下ヨーク１２とその上の磁石１を図示して説明する。図８は、実施例２のアクチュエータＡ−２に係る下ヨークと磁石を示した斜視図及び平面図である。前述した実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複した説明を省略する。本実施例以後の実施例についても同様とする。

本実施例２のアクチュエータＡ−２の磁石１は、４個の磁極の中心位置に開口１５を有している。磁石１とスライダ２とが初期位置にあるときに、開口１５に対向するようにホール素子部３１が位置する。すなわち、本アクチュエータＡ−２は、初期位置にある状態ではホール素子部３１の対向する位置には磁石１が存在せず、ホール素子３１−１〜３１−４と磁極が対向しない形態となっている。本実施例では磁石１に開口１５を形成することで、磁石１の磁極からの磁界分布を滑らかにする（磁束密度の分布歪みを抑制する）。これにより、ホール素子３１−１〜３１−４で磁石１とスライダ２０側との移動量を検出し、正確な座標出力が行えるようにする。

図８（Ａ）は開口１５の形状を円形１５ＣＲとした場合、（Ｂ）は開口１５の形状を正方形１５ＳＱとした場合、（Ｃ）は開口１５の形状を星形（尖がり部を放射状に配置した形状）１５ＳＴとした場合を示している。これらの開口１５は、Ｘ軸及びＹ軸それぞれに線対称の形状である。このような開口１５を磁石１に設けると、突起部２５の移動位置を精度良く検出できるようになる。よって、操作者による突起部２５の移動を精度良く検出し、正確な座標入力が行える。

図９は、磁石１の開口形状を変更した場合の磁界分布の変化を示した図である。図９（Ａ）は磁石１に開口１５を設けない場合の磁界分布を示している。また、同（Ｂ）は図８（Ａ）の円形の開口１５ＣＲを設けた場合、同（Ｃ）は図８（Ｂ）の正方形の開口１５ＳＱを設けた場合、同（Ｄ）は図８（Ｃ）の星形の開口１５ＳＴを設けた場合の磁界分布を示している。開口１５を形成することにより、分布曲線の湾曲が緩やかとなり、磁束密度の分布が滑らかになるのが確認できる。密度分布の滑らか度は、図９（Ａ）から図９（Ｄ）に向うに従って、大きくなることも確認できる。

なお、上記開口１５の大きさ（面積）は、磁石１を固定側として見た場合に前記ホール素子部３１（及び突起部２５）が移動する領域に対して所定割合、例えば８０％〜１２０％の範囲内にあるように設定しておくことが望ましい。上記開口１５の大きさが小さ過ぎると磁石１からの磁束密度分布のリニアリティが悪化し、また、上記開口１５の大きさが大き過ぎると駆動源となる磁石１から推進力を得ることが困難となる。これに対し、上記範囲に開口１５の大きさを設定しておくと、磁石１からの磁束密度分布のリニアリティを維持でき、また、駆動源となる磁石１からの推進力も確保できる。

以上のように、本実施例２のアクチュエータＡ−２は、磁石１に開口１５を形成するという簡単な変更で検出する磁界の歪みを補正できる。このように補正した磁界をホール素子部３１により位置検出することができる。よって、操作者による突起部２５の移動を精度良く検出し、正確な座標入力が行える。

図１０は、実施例３のアクチュエータについて示している。本実施例３も実施例１の磁石１に変更を加えた改良例である。ここでも、実施例１との相違点が理解し易いように、下ヨーク１２とその上の磁石１を図示する。図１０は、実施例３のアクチュエータＡ−３に係る下ヨークと磁石を示した斜視図及び平面図である。実施例３のアクチュエータＡ−３の磁石１は、４個の磁極の中心位置に未着磁領域１８を有している。この未着磁領域１８は実施例２の開口１５と同様の形状に形成されている。このように磁石１に開口１５に相当する未着磁領域１８を形成することによっても、磁石１の磁束密度の分布を滑らかにすることができる。

本実施例３のアクチュエータＡ−３の磁石１は、４個の磁極の中心位置に未着磁領域１８を有している。磁石１とスライダ２とが初期位置にあるときに、未着磁領域１８に対向するようにホール素子部３１が位置する。すなわち、本アクチュエータＡ−３は、初期位置にある状態ではホール素子部３１の対向する位置の磁石１が磁気を帯びていない。よって、本アクチュエータＡ−３の場合もホール素子３１−１〜３１−４と磁極が対向しない形態となる。よって、開口１５を設けた場合と同様の効果を得ることができる。

図１０（Ａ）は未着磁領域１８の形状を円形１８ＣＲとした場合、（Ｂ）は未着磁領域１８の形状を正方形１８ＳＱとした場合、（Ｃ）は未着磁領域１８の形状を星形１８ＳＴとした場合を示している。これらの未着磁領域１８は、Ｘ軸及びＹ軸それぞれに線対称な形状である。このような未着磁領域１８を磁石１に設けることによっても、開口１５を設けた場合と同様にホール素子部３１により正確な位置検出が行える。よって、操作者による突起部２５の移動を精度良く検出し、正確な座標入力が行える。なお、上記未着磁領域１８についても、磁石１を固定側として見た場合に前記ホール素子部３１が移動する領域に対して所定割合、例えば８０％〜１２０％の範囲内にあるように設定しておくことが望ましい。

図１１は、実施例４に係るアクチュエータＡ−４の構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。本実施例４のアクチュエータＡ−４では、４個のホール素子３１−１〜３１−４を個別配置して、磁石１の４つの磁極のほぼ中央となる位置と対向させている。なお、磁石１側の４つの磁極配置は、実施例１の図４と同様である。

図１２は、磁石１の４つの磁極のＺ軸方向（Ｘ、Ｙ軸に垂直な高さ方向）への垂直磁場の強度の分布を示した図である。各磁極（Ｎ，Ｓ極）の中央部（４箇所）で強度値が大きいことが確認できる。よって、それぞれにホール素子３１−１〜３１−４を個別配置することで、磁界の変化に基づいて突起部２５の移動を検出できる。なお、本実施例４の場合は、磁石１の中心部に開口を設けてもよいし、設けなくてもよい。本実施例４の場合も突起部２５の移動を精度良く検出して、正確な座標入力を行うことができるようになる。

図１３は、実施例５に係るアクチュエータＡ−５の構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。本実施例５のアクチュエータＡ−５も実施例４の場合と同様に４個のホール素子３１−１〜３１−４を個別配置している。ただし、本実施例では、磁石１の４つの磁極の境界部（隣接する磁極の間の部分）に対向するようにホール素子３１−１〜３１−４を配置する。

先の図１２で示されているように、磁極が変わる境界部（Ｓ磁極とＮ磁極の間の部分）は磁界強度の変化が急峻である。本実施例５は、この部分の移動をホール素子で検出する。すなわち、磁石１に存在する４個の境界部それぞれにホール素子を配置することにより、突起部２５の移動量を検出する。図１４は、ホール素子が配置される場所が確認し易いように、実施例５のアクチュエータＡ−５に係る下ヨーク１２と磁石１を示した平面図である。図１４（Ａ）は磁石１が永久磁石の場合であり、各ホール素子を磁極Ｎ，Ｓ間に配置する。図１４（Ｂ）は磁石１をコイルによる電磁石とした場合であり、各ホール素子を隣接するコイル間に配置する。本実施例５によっても、突起部２５の移動を精度良く検出して、正確な座標入力を行うことができる。なお、本実施例５の場合も磁石１の中心部に開口を設けてもよいし、設けなくてもよい。

図１５、図１６及び図１７は、実施例６に係るアクチュエータＡ−６について示した図である。図１５は、本アクチュエータＡ−６の構成が確認できるように上側から示した分解斜視図である。また、図１６は、図１５におけるＸ方向での断面図である。図１７は、アクチュエータＡ−６に含む磁石１のＺ軸方向（Ｘ、Ｙ軸に垂直な方向）での磁場強度の分布を示した図である。なお、前述したように実施例１と同様の部位には同一の符号を付している。

本実施例６のアクチュエータＡ−６は、前述した実施例５までのアクチュエータとは異なり、専用の位置検出用磁石を備えている。そして、この位置検出用磁石をホール素子部３１（図５参照）で検出するという構成を採用する。すなわち、本実施例６のアクチュエータＡ−６は、磁界発生部となる磁石１側に位置検出用磁石３０を新たに配置している。そして、コイル２を保持して、コイル保持部となるスライダ２０側にはこの位置検出用磁石３０と対向する位置にホール素子部３１が配置されている。図１５及び図１６で図示するように、本実施例では磁石１の中央に形成した前記開口１５内に位置検出用磁石３０を配置する。本実施例６では位置検出専用の磁石３０を配置するので、ホール素子部３１により精度よく検出を行うことができる。特に、本アクチュエータＡ−６では駆動用の磁石１の中心位置に前述した実施例の場合と同様に開口１５を形成し、この部分に位置検出用磁石３０をセットするだけである。よって、新たに検出用の磁石３０を配置しても外形が大型化することはない。

なお、図１７は、磁石１の４つの磁極の中央に位置検出用磁石３０を配置したときのＺ軸方向での磁場強度の分布を示した図である。先に示した図１２と対比すると明らかなように、中央に検出用磁石に基づいた強度値が大きい山型の磁場が発生している。よって、本実施例６では、ホール素子部３１がこの磁場を検出することにより突起部２５の移動を正確に検出できる。実施例６では磁石１側に位置検出用磁石３０を配置し、スライダ２０側にこれと対向するようにホール素子部３１を設けた場合を例示する。しかし、位置検出用磁石３０とホール素子部３１の配置を逆にしてもよい。すなわち、スライダ２０側に位置検出用磁石３０を配置し、磁石１側にこれと対向するようにホール素子部３１を配置した構成でも同様の効果を得ることができる。

図１８は、実施例７に係るアクチュエータＡ−７の断面図である。前述した実施例１から実施例６は上下のヨーク１２、１３内で発生している磁界をホール素子で検出する構成である。これに対し、本実施例７では位置検出用の磁石をヨーク外に設け、検出用磁石とホール素子とを対向させることにより磁石１とスライダ２０との相対移動を検出する、本実施例７のように位置検出専用の磁石をヨーク外に設けると、ヨーク内部でコイルに電流を通した際に周部に発生する強い磁界の影響を受けないのでホール素子によって精度のよい位置検出が可能となる。

図１８で示すように、アクチュエータＡ−７は本スライダ２０の下面から垂下する腕部４０を備えている。この腕部４０は下ヨーク１２を貫通し、その端部４１はヨーク外に位置している。この端部４１の位置はヨーク内で発生した磁界からの影響を十分に低減できる位置に設定される。なお、本実施例の場合、磁石１の中央及び下ヨーク１２の中央に貫通口が形成されている。磁石１側に形成する貫通口は前述した開口１５（図６他を参照）と同様でよい。また、下ヨーク１２については貫通口１２ＨＬを形成する。これら貫通口１２ＨＬ，１５はスライダ２０が移動可能な範囲で腕部４０と干渉しない程度の大きさに形成される。

上記端部４１には、位置検出用磁石３０が固定される。この位置検出用磁石３０に対向するように、ホール素子部３１が基板５０上に配置されている。ホール素子部３１が配置される基板５０は、本アクチュエータＡ−７の一部として下ヨーク１２の下方に新たに設けてもよい。しかし、本アクチュエータＡ−７はマウス等の入力装置に組込んで使用されるものである。そこで、入力装置側の基板の一部を利用してホール素子部３１を配置してもよい。この場合には、本アクチュエータＡ−７を入力装置に組込んだときに図１８に示した構造が実現される。なお、図１８では、腕部４０の端部４１に位置検出用磁石３０を配置し、基板５０側にホール素子部３１を設ける場合を例示したが、位置検出用磁石３０とホール素子部３１とを逆に配置してもよい。

図１９は、実施例８に係るアクチュエータＡ−８の断面図である。本実施例８は、上記実施例７と関連する実施例である。実施例７のアクチュエータＡ−７は腕部４０を垂下させていたが、本実施例のアクチュエータＡ−８は磁石１とスライダ２０とが相対移動する方向ＭＤに延在させた腕部４２を有している。本実施例では第２ガイド部材１７の一部を延在させて腕部４２を形成している。この腕部４２の端部に位置検出用磁石３０が固定される。この位置検出用磁石３０に対向するように、ホール素子部３１が回路基板２３を延長した部分上に配置されている。なお、図１９では、腕部４２の端部に位置検出用磁石３０を配置し、回路基板２３側にホール素子部３１を設ける場合を例示したが、位置検出用磁石３０とホール素子部３１とを逆に配置してもよい。また、図１９では、第２ガイド部材１７の一部を延在させて腕部４２を形成しているが、上ヨーク１３を延在させて腕部４２を形成してもよい。

図２０は、実施例９に係るアクチュエータＡ−９の断面図である。本実施例９は、上記実施例８と関連する実施例である。実施例８のアクチュエータＡ−８は腕部４３を相対移動方向ＭＤに延在させているだけである。しかし、本実施例のアクチュエータＡ−９は、腕部４３から関節機構４４を介して延長腕４５が垂下している。本実施例では、回路基板２３の一部を延在させて腕部４３を形成している。この腕部４３の下部に延長腕４５が回動できる状態で接続する関節機構４４が設けられている。この関節機構４４は、延長腕４５の上端に接続した球状部ＵＢ４４と、この球状部ＵＢ４４を摺動自在に保持する支承部４４ＲＨとを含んでいる。

また、延長腕４５の下端には位置検出用磁石３０が固定されている。この磁石３０は基板５０に固定した検出部４７内に収納されている。検出部４７の内部には位置検出用磁石３０に対向するようにホール素子部３１が配置されている。

図２０に示したアクチュエータＡ−９では、スライダ２０と一体となり腕部４３が移動する。このとき延長腕４５は、その上端を関節機構４４に対して回転させ、自らが傾斜することで対応する。このような延長腕４５の動きで、下端に配置した位置検出用磁石３０がこれに対応して位置を変化させる。これをホール素子部３１が検出する。

本実施例の場合、スライダ２０と一体に移動する腕部４３と関節機構４４で接続された延長腕４５の先端に検出用磁石３０が取り付けられている。これに対向するようにホール素子部３１が配置している。関節機構４４の作用により、延長腕４５の動きに対して、延長腕４５先端の検出用磁石３０の動きを小さくできる。よって、検出用磁石３０を小さくすることができる。なお、図２０では、延長腕４５の端部に位置検出用磁石３０を配置し、基板５０側にホール素子部３１を設ける場合を例示したが、位置検出用磁石３０とホール素子部３１とを逆に配置してもよい。

図２１は、前述した複数の実施例に共通して採用できる好ましい磁石１の固定構造について示した図である。本実施例のアクチュエータでは、下ヨーク１２上に固定配置された磁界発生部として機能する磁石１と、スライダ２０に固定されたコイル２との距離を一定に維持することが必要である。図２１に示した構造は、スペーサとして機能する支持柱１１の下部に磁石１の端部１ＰＡを受け入れて係止し、動きを規制する係止部１１ＳＴが設けられている。このような係止機能を備えた支持柱１１を採用すると磁石１とコイル２との距離を簡単に一定化できるので、コイル２の電流を流した際には安定駆動でき、また、突起部２５を移動させたときにはホール素子により正確な位置位置検出が可能となる。

更に本発明に係る実施例１０について説明する。本実施１０は前述した実施例２、３と関連している。実施例２、３では、磁石１から発生している磁界に歪みがあるので、これを開口１５や未着磁領域１８を設けて解消するようにしている（図８、図１０参照）。これに対し本実施例１０は、ホール素子で検出したデータを補正して正確な座標値出力が行えるように構成したアクチュエータである。

図２２は、実施例１０に係るアクチュエータＡ−１０の構成を模式的に示したブロック図である。なお、本アクチュエータＡ−１０の外観は、図４〜図６で示した実施例１のアクチュエータＡ−１と同様である。すなわち、所定中心の周りに４磁極を交互に配置した磁石１が有り、初期位置で中心位置にホール素子部３１が対向するように設定される。ホール素子部３１にはＸ軸方向、Ｙ軸方向の各方向で２個ずつのホール素子を含んでいる。ホール素子部３１はスライダ２０に固定されている。よって、初期状態では、ホール素子部３１は４個の磁極の中心位置と対向しているが、スライダ２０と共に移動する。磁石１とスライダ２０とが相対移動したときに、ホール素子部３１が４個の磁極から発生している磁界に応じた検出信号を出力する。具体的には各軸に２個配置したホール素子で軸方向での差動検出を行う。Ｘ、Ｙの２軸について検出を行うことで２次元での移動を検出できる。

図２２に示すように、本実施例１０のアクチュエータＡ−１０は、実施例１のアクチュエータＡ−１と比較すると（図７参照）、制御マイコン部５２に記憶部５７が接続されている。本実施例では制御マイコン部５２が、特に補正データを用いて演算を行う演算手段として機能する。そして、記憶部５７には、ホール素子から出力される検出信号を補正するための補正データが記憶されている。ホール素子が検出する磁界の分布が歪んでいるためこれを補正するためである。本実施例の制御マイコン部５２は、ホール素子部３１からの検出信号を、記憶部５７から取得した補正データを用いて演算処理し、磁界の歪みの影響を除いてスライダ２０の移動量に正確に対応した座標値を出力する。よって、操作者が本アクチュエータＡ−１０をマウス等の入力装置に組込んで利用し、突起部２５を移動させたときに正確な座標入力が行なえる。

実測値或いは理論値に基づいて求めたデータを、上記補正データとして記憶部５７に予め記憶して使用するようにしてもよい。また、本アクチュエータＡ−１０の突起部２５を移動した際に、ホール素子部３１から検出された信号から補正データを個別に作成するようにしてもよい。また、このように作成した補正データは、継続的に使用するようにしてもよいし、本アクチュエータＡ−１０を起動する毎に補正データを取得するように設定してもよい。このような補正データの取得、記憶に関する制御は制御マイコン部５２によって行えばよい。

図２３及び図２４は、アクチュエータＡ−１０で補正データを作成する際に実行する処理の一例を示した図である。磁石１の４磁極の中心位置を原点（０，０）とし、例えばスライダ２０の可動最外周を検出範囲として反時計回りに数回移動させる。このとき、ホール素子から出力信号を４隅（＋Ｘ，＋Ｙ）、（−Ｘ，＋Ｙ）、（−Ｘ，−Ｙ）、（＋Ｘ，−Ｙ）、及び各辺での最大、最小値を記憶する。そして、例えば図２４に示すように、４隅での検出座標値及び各辺での最大値及び最小値を含むデータテーブルを作成する。このデータテーブルを用いて、制御マイコン部５２が演算処理を行って補正した座標値を出力する。

一般に２つの磁極間での磁界は中央が凸状となり、これが位置検出誤差の原因にもなっている。そこで、本実施例では、遇関数の１つである２次関数を用いた以下の近似式（１）、（２）を用いて演算を行う。これらの式に含む変数は図２５に示した関係にある。Ｌｘ、Ｌｙ及びＷｘは、図２４のテーブルから算定され、Ｘ，Ｙは操作者が突起部２５を移動させたときにホール素子からの検出信号に基づいて算出される。そして、ｘ、ｙは補正後の（Ｘ，Ｙ）座標値である。すなわち、近似式（１）、（２）にホール素子からの出力値を代入することによって、補正した座標値を得ることができる。
ｘ＝Ｘ・[Ｌｘ＋Ｗｘ｛１−（Ｙ／Ｌｙ）^２｝]／Ｌｘ・・・・・・（１）
ｙ＝Ｙ・[Ｌｙ＋Ｗｙ｛１−（Ｘ／Ｌｘ）^２｝]／Ｌｙ・・・・・・（２）

図２６は、制御マイコン部５２によって実行される処理の一例を示したフローチャートである。このフローチャートは、本アクチュエータＡ−１０が起動された際に自動で補正データを取得しておき、操作者により入力操作が行われたときに利用できるように構成した場合の処理例である。本アクチュエータＡ−１０が起動されたときに、制御マイコン部５２がコイル２に所定の電流を供給して、座標検出を開始する（Ｓ１１，Ｓ１２）。この座標検出は、磁石１の磁界の歪みを検出するためのものである。コイル２は図２３で示した検出範囲を強制駆動され、これによりコイル２を保持するスライダ２０が移動される。スライダ２０にはホール素子が固定されているので移動に伴って歪みのある磁界について信号が出力される。

すなわち、図２３に示した範囲をスライダ２０が移動されて、４隅での座標値や途中の最大値、最小値が記憶部５７に記憶される（Ｓ１３）。制御マイコン部５２は予め設定した検出範囲について、全て座標値を取得すると補正用のデータ収集を完了し（Ｓ１４）、コイル２への電流供給を停止しする（Ｓ１５）。このとき制御マイコン部５２は、この後においてホール素子側から受ける検出信号を補正するための所定の補正データを作成して、記憶部５７に格納する（Ｓ１６）。

このようなアクチュエータ側の準備が完了した後に、操作者が突起部２５を動かしての入力操作が行われる。突起部２５が移動されることにより、ホール素子部３１が移動して磁界に応じた検出信号を出力する（Ｓ１７）。これの検出信号は制御マイコン部５２へ供給される。制御マイコン部５２、記憶部５７から補正データを呼出し、前述した近似式を用いて演算を実行する（Ｓ１８）。よって、磁石１の磁界に歪みがあっても、ホール素子の検出信号をこれに応じて補正してから座標が決定される。すなわち、磁石１に対する突起部２５（即ち、コイル２）の移動量を正確に求めて、座標出力値に換算する。よって、本アクチュエータＡ−１０を用いた場合も、突起部２５の移動をホール素子部３１で検出し、その検出信号を用いて座標入力を行うことができる。

なお、図２６で示したフローチャートは、補正データを収集する座標検出はコイル２を駆動して自動で行うようにしたが、手動で行うようにしてもよい。また、一度補正データを取得した後は補正データを記憶部５７に継続的に格納するように設定し、２回目以降はＳ１７から実行するようにしてもよい。

以上、本発明に係る実施例として複数のアクチュエータを示した。これらアクチュエータは平面移動する駆動部分と共に、正確な座標入力を行うための構成を備えている。よって、アクチュエータを組込んだマウス等の入力装置は、マンマシンインターフェースとして極めて利用価値のある装置となる。

なお、前述した実施例に関して、磁石１は、永久磁石でも、コイルを用いた電磁石でもよい。電磁石とする場合は、空芯コイルでも、ボビン付きコイルでもよい。磁石１を電磁石で構成し、この磁石１に開口を形成する場合には、先ず４つのコイルを隣接するように配置してから、中心位置に定型の部材を押込む等の２次加工により所望形の開口を形成すればよい。また、前述した実施例では磁電変換素子としてホール素子を用いる例を示したが、ホール素子に代えて磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることもできる。

以上本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

（Ａ）はフレミングの左手の法則を説明するために示した図である。（Ｂ）は、本発明が採用している磁石とコイルとの概略構成を示した図である。 図１（Ｂ）の構成をより具体的に示した図である。 図１（Ｂ）でのＸ方向及びＹ方向におけるコイル位置と推力との関係を示した図である。 実施例１のアクチュエータの構成が確認できるように上側から示した分解斜視図である。 実施例１のアクチュエータの構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。 図４におけるＸ方向で、アクチュエータの断面を示した図である。 実施例１のアクチュエータの構成を模式的に示したブロック図である。 実施例２のアクチュエータの下ヨークと磁石を示した斜視図及び平面図である。 実施例２のアクチュエータに関連し、磁石の開口形状を変更した場合の磁界分布の変化を示した図である。 実施例３のアクチュエータの下ヨークと磁石を示した斜視図及び平面図である。 実施例４に係るアクチュエータの構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。 磁石の４磁極の垂直磁場強度の分布を示した図である。 実施例５に係るアクチュエータの構成が確認できるように下側から示した分解斜視図である。 図１３のホール素子が配置される場所が確認し易いように、下ヨークと磁石とを示した平面図である。 実施例６に係るアクチュエータの構成が確認できるように上側から示した分解斜視図である。 図１５におけるＸ方向でのアクチュエータの断面を示した図である。 実施例６のアクチュエータに含む磁石の垂直磁場強度の分布を示した図である。 実施例７に係るアクチュエータの断面図である。 実施例８に係るアクチュエータの断面図である。 実施例９に係るアクチュエータの断面図である。 実施例に共通して採用できる好ましい磁石の固定構造について示した図である。 実施例１０に係るアクチュエータの構成を模式的に示したブロック図である。 補正データを作成する際の処理を説明するために示した図である。 補正データ用のテーブル例を示した図である。 近似式を説明するために示した図である。 制御マイコン部によって実行される処理の一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 磁石
１ＣＴ 磁石の中心位置
２ コイル
２ＣＴ 中央部の空間
１１ 支持柱（スペーサ）
１２ 下ヨーク
１３ 上ヨーク
１６ 第１ガイド材
１７ 第２ガイド材
２０ スライダ
２３ 回路基板
２５ 突起部
３０ 位置検出用磁石
３１ ホール素子部
３１−１〜３１−４ ホール素子

Claims (9)

1. 所定位置を中心に平面上で異なる磁極が交互となるように複数の磁石を配置した磁界発生部と、前記磁界発生部に対向すると共に前記異なる磁極に各々跨るように配置した複数のコイルを保持するコイル保持部と、を相対移動させ、入力デバイスに組み込んで使用されるアクチュエータであって、
   前記相対移動を検出するための磁電変換素子が前記磁界発生部の前記所定位置を含む領域と対向するように前記コイル保持部に配置され、前記磁電変換素子が第１軸方向および前記第１軸方向に対し直角な第２軸方向のそれぞれに２個ずつ配置したホール素子を含み、前記磁界発生部に配置された前記複数の磁石は、前記所定位置を含む領域に開口を有し、前記相対移動は面移動であることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記開口が、該開口の中心点を通り互いに直交する２軸それぞれに対し、線対称の形状であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記開口の大きさが、前記磁電変換素子が移動する領域に対して所定割合の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記磁界発生部に配置された前記複数の磁石は、前記所定位置を含む領域が未着磁領域であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 前記未着磁領域が、該未着磁領域の中心点を通り互いに直交する２軸それぞれに対し、線対称の形状であることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記未着磁領域の大きさが、前記磁電変換素子が移動する領域に対して所定割合の範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
7. 前記磁界発生部及び前記コイル保持部のいずれか一方に、操作用の突起部を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記磁界発生部が、複数の区画に着磁した１つの永久磁石を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記磁界発生部が上ヨーク及び下ヨークのいずれか一方に支持され、前記コイル保持部が他方の上ヨーク及び下ヨークに支持され、
   前記上下ヨークはスペーサ部を介して固定され、該スペーサ部がヨーク間の距離を一定化する係止部を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアクチュエータ。

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