JP4546894B2 - 触覚情報提示用アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、操作者に振動等の触覚情報を提示するための触覚情報提示用アクチュエータに関する。

コンピュータ機器や携帯情報機器等の各種電子情報機器において、振動等の触覚情報を提示するためのアクチュエータを用いて操作者へ情報を伝達する技術が知られている。
このような触覚情報を提示用のアクチュエータは、機器への組み込みの観点から、できるだけ小型化されたものが望ましい。小型化された触覚情報提示用アクチュエータとしては、例えば、２次元方向に可動子が移動するタイプのものが知られている（特許文献１，２参照）。特許文献１に開示されたアクチュエータは、フラットに形成された複数の磁石を基板上に配置した平板状の固定子と、この磁石に対向するように複数のコイルを共通に保持した可動子としての受感部とを備えている。そして、コイルを通電制御することにより、受感部を直交するｘ軸方向及びｙ軸方向の２次元方向に駆動する。特許文献２に開示されたアクチュエータは、フラットに形成された複数の磁石を基板上に配置した平板状の固定子と、この固定子に対向する複数のコイルを共通に保持した可動子とを備えると共に、可動子をｘ軸方向及びｙ軸方向の２次元方向に移動自在に案内する案内機構を備えている。
特開２０００−３３０６８８号公報 特開２００４−１４５７４８号公報

ところで、上記したようなアクチュエータでは、フラットに形成された永久磁石の片面に対してのみコイルを配置する構造であるため、永久磁石の磁束の利用効率が低く、アクチュエータの推力を効率的に高めることが難しい。
また、上記したようなアクチュエータは、可動子がｘ軸方向及びｙ軸方向に並進運動するだけであり、提示できる触覚情報もこの動きに限定される。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、小型化を実現しつつ推力が向上した触覚情報提示用アクチュエータを提供すると共に、小型化を実現しつつさらに多彩な触覚情報を提示可能な触覚情報提示用アクチュエータを提供することにある。

本発明の第１の観点に係る触覚情報提示用アクチュエータは、平板状に形成された固定子と、固定子の一方の主面に対向配置され固定子との間で作用する主面に沿いかつ互いに直交する第１及び第２の方向の電磁力を受けて並進運動する並進用可動子と、固定子の他方の主面に対向配置され固定子との間で作用する回転方向の電磁力を受けて回転運動する回転用可動子と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、平板状の一方の主面に並進用可動子を設け、他方の主面に回転用可動子を設けて固定子の両側を利用する構成としたので、アクチュエータの小型化を実現しつつ可動子の並進運動及び回転運動の双方に基づく触覚情報を提示できる。

上記構成において、並進用可動子と回転用可動子とは、所定軸を中心に相対回転可能に連結されている、構成を採用できる。
この構成によれば、並進用可動子と回転用可動子とが並進運動の際に連動すると共に回転運動の際には回転用可動子のみを回転させることができる。

上記構成において、固定子は、その両主面を構成するフラットに形成された複数の永久磁石を有し、並進用可動子及び回転用可動子は、複数のコイルと、コイルを共通に保持する保持部材とをそれぞれ有している、構成を採用できる。
この構成によれば、可動子側に比較的軽量であるコイルを設けることにより、可動子を容易に駆動できると共に、比較的重量が重くかつ高コストである永久磁石の使用個数を削減でき、アクチュエータの低コスト化、軽量化が可能となる。

上記構成において、固定子は、その中心部に開口を有し、保持部材の一方は、開口に挿入される軸部を有し、保持部材の他方は、軸部が回動自在に嵌合挿入される貫通孔が形成された連結部を有する、構成を採用できる。
この構成によれば、軸部が連結部の貫通孔に嵌合挿入されることにより、並進用可動子と回転用可動子とが並進運動の際に連動すると共に回転運動の際には回転用可動子のみを回転させることができる。

上記構成において、並進用可動子及び回転用可動子はコイルをそれぞれ有しており、回転用可動子の各コイルは、対応する並進用可動子のコイルに対して傾斜している、構成を採用できる。
この構成によれば、回転用可動子のコイルと並進用可動子のコイルの相対位置が傾斜していることにより、回転用可動子と並進用可動子とを回転自在に連結した場合に、回転用可動子に作用する力が並進用可動子の運動に影響を及ぼすのを抑制できる。

本発明の第２観点に係る触覚情報提示用アクチュエータは、平板状に形成された固定子と、固定子を挟むように設けられて固定子の主面に沿いかつ互いに直交する第１及び第２の方向の電磁力を受けて運動する可動子とを有することを特徴としている。
この構成によれば、可動子を平板状に形成された固定子を挟むように設けることにより、小型化を実現しつつ可動子に作用する推力を高めることができる。

上記構成において、固定子は、その両主面を構成するフラットに形成された複数の永久磁石を有し、可動子は、複数のコイルと、コイルを共通に保持する保持部材とを各々の主面に対して有している、構成を採用できる。
この構成によれば、可動子側に比較的軽量であるコイルを設けることにより、可動子を容易に駆動できると共に、比較的重く高価である永久磁石の使用個数を削減でき、アクチュエータの低コスト化、軽量化が可能となる。

本発明によれば、小型化を実現しつつ多彩な触覚情報を提示可能な触覚情報提示用アクチュエータが得られる。
また、本発明によれば、小型化を実現しつつ推力が向上した触覚情報提示用アクチュエータが得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１ないし図５は本発明の実施例１に係る触覚情報提示用アクチュエータ（以下、アクチュエータという）を示す図であって、図１はアクチュエータの外観斜視図、図２はアクチュエータの斜視断面図、図３は分解斜視図、図４は回転用可動子の斜視図、及び、図５は固定子と回転用可動子のコイルとの関係を示す斜視図である。
このアクチュエータは、図１ないし図３に示すように、固定子１０、並進用可動子３０、及び回転用可動子５０等から構成されており、例えば、コンピュータにおけるポンイティングデバイスとしてマウス等の電子機器に組み込まれて使用される。固定子１０は、組み込まれる機器に保持され、並進用可動子３０及び回転用可動子５０は、例えば、特開２００４−１４５７４８号公報に開示された案内機構や特開２０００−３３０６８８号公報に開示された弾性部材等により互いに直交するｘ軸方向（第１の方向）及びｙ軸方向（第２の方向）に移動自在に保持された状態で機器に組み込まれる。

固定子１０は、図１ないし図３に示すように、４個のフラットに形成された永久磁石２０Ａ〜２０Ｄの端面が互いに固着されて平板状に形成されていると共に、その中心部に矩形状の開口１１をもつ。
永久磁石２０Ａ〜２０Ｄは、その厚さ方向に着磁されていると共に、固着された隣合う永久磁石２０の磁極が互いに異なるように配置されている。

並進用可動子３０は、４個の永久磁石２０Ａ〜２０Ｄにそれぞれ対応して設けられたコイル４０Ａ〜４０Ｄ、このコイル４０Ａ〜４０Ｄを共通に保持する平板状の保持部材３１等から構成されており、固定子１０の一方の主面に対向配置されている。
コイル４０Ａ〜４０Ｄは、扁平にかつ長細く形成されていると共に、互いに固着された永久磁石２０Ａ〜２０Ｄの境界線に対して対称に配置されていると共に、隣接する２つの永久磁石２０にそれぞれ対向するように配置される。
また、後述するように、コイル４０Ａ〜４０Ｄのうち、コイル４０Ａ及び４０Ｃは並進用可動子３０をｘ軸方向に移動させるためのものであり、コイル４０Ｂ及び４０Ｄは並進用可動子３０をｙ軸方向に移動させるためのものである。

保持部材３１は、固定子１０に対向する対向面にコイル４０Ａ〜４０Ｄを保持しているとともに、対向面と反対側の面の中心部に突出して形成された連結部３２を備える。
連結部３２には、その中心部に貫通孔３３が形成されており、貫通孔３３に後述する保持部材５１の軸部５２が嵌合挿入される。

回転用可動子５０は、図１ないし図３に示すように、４個の永久磁石２０Ａ〜２０Ｄにそれぞれ対応して設けられたコイル６０Ａ〜６０Ｄ、このコイル６０Ａ〜６０Ｄを共通に保持する平板状の保持部材５１等から構成されており、固定子１０の他方の主面に対向配置されている。

コイル６０Ａ〜６０Ｄは、回転用可動子５０を回転させるためのものであり、扁平にかつ長細く形成されていると共に、図５に示すように、互いに固着された永久磁石２０Ａ〜２０Ｄの境界線に対して非対称に配置されている（境界線に対して傾斜している）と共に、隣接する２つの永久磁石２０にそれぞれ対向するように配置される。
また、コイル６０Ａ〜６０Ｄは、それぞれ対応するコイル４０Ａ〜４０Ｄに対して傾斜して配置されている。コイル６０Ａ〜６０Ｄを傾斜させるのは、後述するように、コイル６０Ａ〜６０Ｄに作用する電磁力が並進用可動子３０のｘ軸方向及びｙ軸方向の移動に影響を及ぼすのを回避するためである。

保持部材５１は、図４に示すように、固定子１０に対向する対向面にコイル６０Ａ〜６０Ｄを保持しているとともに、この対向面の中心部に突出して形成された軸部５２を備える。この軸部５２は、図１ないし図３に示すように、固定子１０の開口１１に挿入されると共に保持部材３１における連結部３２の貫通孔３３に嵌合挿入され、その先端部５３が連結部３２の上面から突出する。軸部５２が貫通孔３３に嵌合挿入されることにより、並進用可動子３０及び回転用可動子５０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向においては連動し、回転用可動子５０に回転力が作用した場合には、回転用可動子５０だけが所定軸としての軸部５２を中心に回動する。

次に、上記のアクチュエータの駆動方法の一例について図６ないし図８を参照して説明する。
ここで、図６は並進用可動子３０における通電方法を説明するための図であり、図７は回転用可動子５０における通電方法の一例を説明するための図であり、図８は回転用可動子５０における通電方法の他の例を説明するための図である。
並進用可動子３０をｘ軸方向に運動させるためには、図６に示すように、ｘ軸方向に移動させるためのコイル４０Ａ，４０Ｃに電流Ｉｘを通電する。これにより、並進用可動子３０には、フレミングの左手の法則により、固定子１０の主面に沿ってｘ軸の＋方向の電磁力Ｆｘが作用し、並進用可動子３０及び回転用可動子５０がｘ軸の＋方向に並進運動する。並進用可動子３０及び回転用可動子５０をｘ軸の−方向に運動させるには、電流Ｉｘの通電方向を逆にすればよい。したがって、所定周波数の交流電流Ｉｘをコイル４０Ａ，４０Ｃへ通電すれば、並進用可動子３０及び回転用可動子５０をｘ軸方向に所定周波数で振動させることができる。

並進用可動子３０をｙ軸方向に運動させるためには、図６に示すように、ｙ軸方向に移動させるためのコイル４０Ｂ，４０Ｄに電流Ｉｙを通電する。これにより、並進用可動子３０には、フレミングの左手の法則により、ｙ軸の＋方向の電磁力Ｆｙが作用し、並進用可動子３０及び回転用可動子５０がｙ軸の＋方向に並進運動する。並進用可動子３０及び回転用可動子５０をｙ軸の−方向に運動させるには、電流Ｉｙの通電方向を逆にすればよい。したがって、所定周波数の交流電流Ｉｙをコイル４０Ｂ，４０Ｄへ通電すれば、並進用可動子３０及び回転用可動子５０をｙ軸方向に所定周波数で振動させることができる。
尚、並進用可動子３０の可動範囲は、各コイルの幅で規定される。

回転用可動子５０を回転させるには、図７に示すように、対向する一対のコイル６０（例えば、コイル６０Ｂ，６０Ｄ）に電流ＩＲ１を通電する。これにより、回転用可動子５０には、フレミングの左手の法則により、電磁力ＦＲ１が作用し、この電磁力ＦＲ１が軸部５２を中心として保持部材５１を回転方向Ｒ１に回転させるモーメントとして作用する。この結果、回転用可動子５０は、並進用可動子３０とは独立に回転する。
回転方向Ｒ２へ回転用可動子５０を回転させるには、図７に示すように、コイル６０Ａ，６０Ｃに電流ＩＲ２を通電すればよい。したがって、コイル６０Ｂ，６０Ｄへの通電とコイル６０Ａ，６０Ｃへの通電を周期的に切り換えれば、回転用可動子５０を回転方向Ｒ１，Ｒ２に振動させることができる。

また、回転用可動子５０に作用するモーメントを大きくしたい場合には、例えば、図８に示すように、全てのコイル６０Ａ〜６０Ｄへ電流ＩＲ２を通電する。これにより、図７の場合と比較して、回転用可動子５０に作用する回転方向Ｒ２のモーメントを大きくすることができる。回転用可動子５０に作用する回転方向Ｒ１方向のモーメントを大きくしたい場合には、電流ＩＲ２の通電方向を逆にすればよい。

上記のような方法でアクチュエータを駆動した場合に、アクチュエータが内蔵された機器を操作するオペレータは、例えば、連結部３２及び軸部５２の先端部５３に触れることにより、連結部３２及び先端部５３を通じて並進運動及び回転運動に基づく触覚情報が提示される。

図９ないし図１１は本発明の実施例２に係る触覚情報提示用アクチュエータ（以下、アクチュエータという）を示す図であって、図９はアクチュエータの外観斜視図、図１０はアクチュエータの斜視断面図、図１１はアクチュエータの分解斜視図である。尚、図９ないし図１１において、実施例１と同一構成部分については同一の符号を使用している。

本実施例に係るアクチュエータは、平板状に形成された固定子１０、固定子１０を挟むように設けられて固定子１０との間で作用する主面に沿いかつ互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向の電磁力を受けて運動する可動子１３０等から構成されている。

可動子１３０は、固定子１０の両側にそれぞれ対向配置される保持部材１３１及び１３２を備えている。
保持部材１３１，１３２は、固定子１０に対向する対向面にコイル４０Ａ〜４０Ｄをそれぞれ同じ位置に保持している。
保持部材１３１には、固定子１０と対向する対向面と反対側の面の中心部に突出して連結部１３２が形成され、この連結部１３２には、図１０に示すように、断面形状が四角の連結用穴１３３が形成されている。
保持部材１３２には、図１０及び図１１に示すように、固定子１０と対向する対向面の中心部に断面が四角形の連結軸部１４２が突出して形成されており、この連結軸部１４２が保持部材１３１の連結用穴１３３に嵌合挿入されることにより、保持部材１３１と保持部材１３２とが連結される。これにより、可動子１３０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に一体的に移動可能となる。

本実施例では、永久磁石２０Ａ〜２０Ｄで形成される固定子１０の両方の主面にそれぞれコイル４０Ａ〜４０Ｄを対向配置すると共にこれらを共通に保持する構成とすることにより、永久磁石２０Ａ〜２０Ｄの磁束を効率よく利用でき、可動子１３０の推力を大きくすることができる。すなわち、固定子１０の一方の主面に対してのみコイル４０Ａ〜４０Ｄを配置した場合と比べて、コイル４０Ａ〜４０Ｄに通電する電流値を増やさずに可動子１３０の推力を大きくでき、アクチュエータの発熱も抑えることができる。

上記各実施例では、固定子を永久磁石で構成した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、固定子を電磁石で構成することも可能である。

上記実施例では、固定子を永久磁石で構成し、可動子をコイルで構成した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、固定子をコイルで構成し、可動子を永久磁石で構成することも可能である。

上記実施例では、並進用可動子と回転用可動子とを連結したアクチュエータについて説明したが、これに限定されるわけではなく、並進用可動子と回転用可動子とが連結されずに、互いに独立に運動可能な構成とすることも可能である。

本発明の実施例１に係る触覚情報提示用アクチュエータの外観斜視図である。 実施例１に係る触覚情報提示用アクチュエータの斜視断面図である。 実施例１に係る触覚情報提示用アクチュエータの分解斜視図である。 実施例１に係る回転用可動子の斜視図である。 実施例１に係る固定子と回転用可動子のコイルとの関係を示す斜視図である。 並進用可動子における通電方法を説明するための図である。 回転用可動子における通電方法の一例を説明するための図である。 回転用可動子における通電方法の他の例を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る触覚情報提示用アクチュエータの外観斜視図である。 実施例２に係る触覚情報提示用アクチュエータの斜視断面図である。 実施例２に係る触覚情報提示用アクチュエータの分解斜視図である。

符号の説明

１０…固定子
１１…開口
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…永久磁石
３０…並進用可動子
３１…保持部材
３２…連結部
３３…貫通孔
４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…コイル
５０…回転用可動子
５１…保持部材
５２…軸部
５３…先端部
６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ…コイル
１３０…可動子
１３１…保持部材
１３２…連結部
１４１…保持部材
１４２…連結軸部

Claims (7)

1. 平板状に形成された固定子と、
   前記固定子の一方の主面に対向配置され前記固定子との間で作用する前記主面に沿いかつ互いに直交する第１及び第２の方向の電磁力を受けて並進運動する並進用可動子と、
   前記固定子の他方の主面に対向配置され前記固定子との間で作用する回転方向の電磁力を受けて回転運動する回転用可動子と、
   を有することを特徴とする触覚情報提示用アクチュエータ。
2. 前記並進用可動子と回転用可動子とは、所定軸を中心に相対回転可能に連結されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の触覚情報提示用アクチュエータ。
3. 前記固定子は、その両主面を構成するフラットに形成された複数の永久磁石を有し、
   前記並進用可動子及び回転用可動子は、複数のコイルと、前記コイルを共通に保持する保持部材とをそれぞれ有している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚情報提示用アクチュエータ。
4. 前記固定子は、その中心部に開口を有し、
   前記保持部材の一方は、前記開口に挿入される軸部を有し、
   前記保持部材の他方は、前記軸部が回動自在に嵌合挿入される貫通孔が形成された連結部を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の触覚情報提示用アクチュエータ。
5. 前記並進用可動子及び前記回転用可動子はコイルをそれぞれ有しており、
   前記回転用可動子の各コイルは、対応する前記並進用可動子のコイルに対して傾斜している、
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の触覚情報提示用アクチュエータ。
6. 平板状に形成された固定子と、
   前記固定子を挟むように設けられて前記固定子の主面に沿いかつ互いに直交する第１及び第２の方向の電磁力を受けて運動する可動子と
   を有することを特徴とする触覚情報提示用アクチュエータ。
7. 前記固定子は、その両主面を構成するフラットに形成された複数の永久磁石を有し、
   前記可動子は、複数のコイルと、前記コイルを共通に保持する保持部材とを各々の主面に対して有している、
   ことを特徴とする請求項６に記載の触覚情報提示用アクチュエータ。
   

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