JP4700514B2

JP4700514B2 - 入力装置

Info

Publication number: JP4700514B2
Application number: JP2006036123A
Authority: JP
Inventors: 有佐藤
Original assignee: ダブル技研株式会社
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007219587A

Description

本発明は入力装置に関し、特に、フォースフィードバック用アクチュエータとして超音波モータを用いた入力装置に関する。

従来より、操作者が触れて入力する入力装置において、入力装置に触れた操作者に対して操作方向に対する抵抗感や推力を与えるなどして、操作フィーリングをスムーズにする、フォースフィードバック制御を行う入力装置が知られている。

たとえば特許文献１に記載の発明では、操作者が入力に用いるノブを設け、そのノブに対してフォースフィードバック制御を行い、操作者による操作フィーリングをスムーズにするよう構成している。

特開２００２−１９６８８３号公報

ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。

すなわち、特許文献１に記載の発明では、フォースフィードバック用アクチュエータを設け、このフォースフィードバック用アクチュエータによる駆動力を操作者が触れるノブに対して伝達してフォースフィードバックを行うようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、フォースフィードバック用アクチュエータとしてＤＣモータなどの回転モータを用いており、１２０００ｒｐｍもの高速回転を１０ｒｐｍ程度にまで減速する必要があり、このために減速機が必要であり、部品点数が多く、装置が大型化してしまうという問題があった。

また、フォースフィードバック用アクチュエータによる駆動力は、ギヤやクラッチなどの様々な動力伝達機構を用いてノブに伝達される構成となっており、この点においても、フォースフィードバックの駆動に関する構成の部品点数が多くなり、また、装置が大型化してしまうという問題があった。

また、減速機や動力伝達機構を設ける構成では、操作者がノブを力強く動かした場合、ギヤなどの構成を壊してしまうおそれがあるという問題もあった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、フォースフィードバック用アクチュエータとして超音波モータを用いることによって、ギヤなどの操作者による破壊のおそれのある構成を用いずに済み、部品点数を減少させるとともに小型化が可能な入力装置を提供することを目的とする。

本発明は、操作者が操作、入力する入力装置において、回転子および、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子を有するとともに前記回転子に対して前記リング状振動子を加圧接触させて成る超音波モータと、前記回転子および前記リング状振動子のいずれかに触れた前記操作者に向けたフォースフィードバック制御用アクチュエータとしての前記超音波モータを制御する制御手段とを備え、前記回転子が球状回転子であり、前記球状回転子の周囲に前記リング状振動子を２つ設け、前記２つのリング状振動子が、前記球状回転子の中心点を挟んで対向して設けられ、前記対向する２つのリング状振動子の軸心に対し前記球状回転子を上方に偏心するように押し付ける微少変位発生機構をさらに備えたことを特徴とする入力装置。

本発明によれば、フォースフィードバック用アクチュエータとして超音波モータを用いることによって、ギヤなどの操作者による破壊のおそれのある構成を用いずに済み、部品点数を減少させるとともに小型化が可能な入力装置を提供することができる。

すなわち本発明によれば、減速機や動力伝達機構が不要であるため、ギヤなどの操作者による破壊のおそれのある構成を用いずに済むし、部品点数を減少させることができ、また装置を小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による入力装置の概略を示す斜視図である。

本実施の形態では、ロータが球体であり、その周囲に３個のステータを配置して成る球面超音波モータをフォースフィードバック用アクチュエータとして用いて構成される。

図１に示すように、本実施の形態においてフォースフィードバック用アクチュエータとして用いられる超音波モータ１は、球体のロータ２を、枠部材４に設けられた３個のステータ３ａ、３ｂおよび３ｃによって保持して回転させる。ステータ３ａ、３ｂおよび３ｃのロータ２と接する面には後に図２に示す多数の振動片３３が設けられており、この振動片３３が振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。また、振動片３３の振動によってロータ２に後述する様々な動作をさせることができる。

本実施の形態では、ロータ２には、レバー２ａが設けられており、操作者はレバー２ａを握り、ロータ２を回転させ、本実施の形態の入力装置では、たとえばこのロータ２の回転位置を操作者による入力として受け付ける。ロータ２の回転位置の検出については後述する。

図２は、図１に示したステータ３ｂを、ロータ２に押し付ける面から見た平面図である。

図２に示すように、ステータ３ｂのロータ２に押し付ける面には、ステータ３ｂの円周に沿って多数の振動片３３が設けられている。これらの振動片３３の下には後に図３に示す圧電素子部材１３１が設けられており、その圧電素子部材１３１の圧電素子は電圧印加によって伸縮し振動片３３を振動させる。超音波モータ１では、この振動を制御することによってロータ２を任意の方向に回転させることができる。

なお、本実施の形態においては各ステータ３ａ、３ｂ、３ｃの構造は同様であるので、以下では代表してステータ３ｂについて説明する。

ステータ３ｂは、表面に多数の振動片３３が設けられた弾性体と、この弾性体の裏面すなわち振動片３３とは反対側の面に接する圧電素子部材１３１とから構成される。

図３は、図２に示したステータ３ｂの圧電素子部材１３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材１３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｙ−Ｙで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。

圧電素子部材１３１は、平板円環状の圧電素子１３６と、圧電素子１３６のうちの所定の圧電素子片にＡ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極１３４と、圧電素子１３６のうちの所定の圧電素子片にＢ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極１３５と、Ａ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極１３８と、Ｂ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極１３７と、Ａ相の駆動電極１３８に電圧印加するための配線１４０と、Ｂ相の駆動電極１３７に電圧印加するための配線１４１とを有して構成される。

個別電極１３４、個別電極１３５、駆動電極１３７および駆動電極１３８はたとえば銀電極であり、配線１４０および配線１４１のそれぞれは、たとえばハンダ付けによって、配線１４０が駆動電極１３８に、配線１４１が駆動電極１３７に接続される。

図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、本実施の形態の超音波モータ１の圧電素子部材１３１では、平板円環状の圧電素子１３６の円周の内側部分をＡ相、円周の外側部分をＢ相とし、Ａ相とＢ相とを時間的に位相をずらして駆動して振動の進行波を発生させてロータ２を任意の方向に回転させたり、定在波を発生してロータ２を操作者が容易に動かすことができるフリー状態にしたり、ロータ２を任意の方向に回転させては戻しをこまめに繰り返して操作者に振動を感じさせたりすることができる。

なお、本実施の形態における圧電素子部材１３１では、圧電素子１３６の円周方向の全周にわたってＡ相およびＢ相それぞれの圧電素子片を形成するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、円周方向のある部分にはＡ相やＢ相が形成されない構造であってもかまわない。

また、本実施の形態では、圧電素子部材１３１の個別電極１３４や個別電極１３５が設けられた面が振動片３３を有する弾性体に接するように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、圧電素子部材１３１の駆動電極１３７や駆動電極１３８が設けられた面が弾性体に接するように構成してもよい。

また、本実施の形態では、図３（ｂ）に示したように圧電素子部材１３１に駆動電極１３７および駆動電極１３８を設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図３（ｂ）の駆動電極１３７の領域および駆動電極１３８の領域の両方に行き渡る１つの電極を設けて構成してもよい。

図４は、図１に示した入力装置において、ロータ２の回転位置を検出する構成の一例を示す図である。

この図４に示す入力装置では、超音波モータ１のロータ２に設けたレバー２ａの向き、すなわちロータ２の回転位置を検出するために、レバー２ａを溝穴に貫通させた位置検出バー４ａおよび４ｂを設けている。

図４に示すように、位置検出バー４ａおよび４ｂの一端は、エンコーダ４ｃおよび４ｄとともに枠部材４に回動自在に固定されている。位置検出バー４ａおよび４ｂの回動具合は、エンコーダ４ｃおよび４ｄによって検出され、レバー２ａの向きが検出される。

さらに詳しく説明すると、たとえばレバー２ａが操作者によって位置検出バー４ｂの溝穴に沿って移動させられた場合、レバー２ａによって位置検出バー４ａが動かされ、その動きがエンコーダ４ｃによって検出される。同様に位置検出バー４ｂの動きはエンコーダ４ｄによって検出され、操作者がレバー２ａを動かす方向によっては、位置検出バー４ａおよび４ｂの両者が動かされ、その動きはエンコーダ４ｃおよび４ｄによって検出される。

このような位置検出によって、操作者による操作を、入力装置に対する入力として用いることができる。

なお、ロータ２の位置検出の方法は、図４に示したようなエンコーダを用いる方法に限られるものではなく、光学的に位置検出をするものであってもよいし、既知のいかなる位置検出の方法をも適用することができる。

次に、フォースフィードバックについてさらに説明する。

フォースフィードバックの例としては、以下のようなものを挙げることができる。
（１）操作方向制限
操作者によってレバー２ａを動かすとき、所定方向には動かせないように固定する。
（２）作動力調節
操作者によってレバー２ａを所定方向に動かすときは軽く感じ、または、所定方向に動かすときは重く感じるようにする。
（３）振動伝達
レバー２ａに触れた操作者に連続した振動を伝達する。
（４）自由操作
操作者によってレバー２ａを動かすとき、操作方向に対する抵抗感をなくする。
（５）操作前位置調節
操作者による操作前のレバー２ａの位置を所定位置にする。
（６）衝撃伝達
レバー２ａに触れた操作者に瞬間的な衝撃を伝達する。

以上列挙したように、フォースフィードバック制御によれば、操作者による操作、入力のためのレバー２ａを用いて、操作者に対して様々な感覚を伝えることができる。

次に、フォースフィードバック制御を図１に示した超音波モータ１で実現する際の、超音波モータ１の動作制御について説明する。

図５は、図１に示した超音波モータ１を上方から見た平面図である。

ここでは、超音波モータ１によってレバー２ａを任意の方向に動かす制御について説明する。具体的には、図５に矢印で示す、０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向にレバー２ａを動かす制御について説明する。

図６は、図１に示した超音波モータ１を、図５に示す０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向に動かす場合の、ステータ３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれにおける動作をまとめた表図である。

図６において、回転方向とあるのは、ステータ３ａ、３ｂ、３ｃのそれぞれをロータ２側から見たときのロータ２を回転させる回転方向であり、Ｆは定在波によってロータ２をフリー状態にすることを示し、ＣＷは時計方向を示し、ＣＣＷは反時計方向を示す。また、速度とあるのは、フルスピードを１００％とした場合の速度の比率を示す。

図６の表図に示すように、
ロータ２を９０°の方向に回転させるためには、ステータ３ｂを１００％でフリー状態にし、ステータ３ｃを１００％で反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、ステータ３ａを１００％で時計方向（ＣＷ）に回転させ、
ロータ２を２７０°の方向に回転させるためには、ステータ３ｂを１００％でフリー状態にし、ステータ３ｃを１００％で時計方向（ＣＷ）に回転させ、ステータ３ａを１００％で反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、
ロータ２を１８０°の方向に回転させるためには、ステータ３ｂを１００％で反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、ステータ３ｃを５０％で時計方向（ＣＷ）に回転させ、ステータ３ａを５０％で時計方向（ＣＷ）に回転させ、
ロータ２を０°の方向に回転させるためには、ステータ３ｂを１００％で時計方向（ＣＷ）に回転させ、ステータ３ｃを５０％で反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、ステータ３ａを５０％で反時計方向（ＣＣＷ）に回転させる。

このような超音波モータ１の動作制御を組み合わせることによって、上記の「操作方向制限」、「作動力調節」、「振動伝達」、「自由操作」、「操作前位置調節」および「衝撃伝達」のような、またこれ以外の入力装置のフォースフィードバック制御を実現することができる。この制御は、たとえば、図示しないＣＰＵ等の制御手段によって行うことができる。すなわち、この制御手段が、球状回転子およびリング状振動子のいずれかに触れた操作者に向けたフォースフィードバック制御を行うよう超音波モータを制御する制御手段である。

次に、本発明の別の実施の形態について説明する。

図７は、本発明の別の実施の形態による入力装置の概略を示す斜視図である。

本実施の形態では、ロータが球体であり、その周囲に２個のステータを配置して成る球面超音波モータをフォースフィードバック用アクチュエータとして用いて構成される。

図７に示すように、本実施の形態においてフォースフィードバック用アクチュエータとして用いられる超音波モータ１００は、球体のロータ１０２を、枠部材１０４に設けられた２個のステータ１０３ａおよび１０３ｂによって保持して回転させる。ステータ１０３ａおよび１０３ｂのロータ１０２と接する面には、図２と同様に、多数の振動片１１３ａおよび１１３ｂが設けられており、この振動片１１３ａおよび１１３ｂが振動して進行波を発生し、これによってロータ１０２が回転させられる。なお、ロータ１０２には、操作者が操作するレバー１０２ａが設けられている。

ステータ３ａはネジなどの止め具１０４ａによって枠部材１０４に固定され、またステータ１０３ｂはネジなどの止め具１０４ｂによって枠部材１０４に固定され、ロータ１０２を適切な強さで押し付けるようにして保持する。

ところで、ロータ１０２をステータ１０３ａとステータ１０３ｂとで挟んで保持するだけの構造であると、図７に示す０°方向と１８０°方向の動きしかロータ１０２にさせることができない。そこで、本実施の形態の球面超音波モータ１００では、枠部材１０４に固定されてロータ１０２を押し上げる微少変位発生機構１１０１および１１０２を備えて構成される。

本実施の形態の微少変位発生機構１１０１は、ローラ１１０１ａと、ローラ１１０１ａを固定する支点部１１０１ｂとを有して構成され、微少変位発生機構１１０２は、ローラ１１０２ａと、ローラ１１０２ａを固定する支点部１１０２ｂとを有して構成される。

本実施の形態では、この微少変位発生機構１１０１および１１０２が、対向する２つのステータ１０３ａおよび１０３ｂの軸心に対しロータ１０２を上方に偏心するように押し付ける。

このように構成することで、振動片１１３ａの上方部分および振動片１１３ｂの上方部分のみがロータ２に接触し、図７に示す９０°方向と２７０°方向の動きもロータ１０２にさせることができる。

ここで、図７に示した超音波モータ１００によってレバー１０２ａを任意の方向に動かす制御について説明する。具体的には、図７に矢印で示す、０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向にレバー１０２ａを動かす制御について説明する。

図８は、図７に示した超音波モータ１００を、図７に示す０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向に動かす場合の、ステータ１０３ａ、１０３ｂそれぞれにおける動作をまとめた表図である。

図８において、ＣＷとあるのは、ステータ１０３ａ、１０３ｂのそれぞれをロータ１０２側から見たときロータ１０２を時計方向に回転させる制御であり、ＣＣＷとあるのは、ステータ１０３ａ、１０３ｂのそれぞれをロータ１０２側から見たときロータ１０２を反時計方向に回転させる制御を示す。

図８の表図に示すように、
ロータ１０２を０°の方向に回転させるためには、ステータ１０３ｂを時計方向（ＣＷ）に回転させ、ステータ１０３ａを反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、
ロータ１０２を９０°の方向に回転させるためには、ステータ１０３ｂを反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、ステータ１０３ａを反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、
ロータ１０２を１８０°の方向に回転させるためには、ステータ１０３ｂを反時計方向（ＣＣＷ）に回転させ、ステータ１０３ａを時計方向（ＣＷ）に回転させ、
ロータ１０２を２７０°の方向に回転させるためには、ステータ１０３ｂを時計方向（ＣＷ）に回転させ、ステータ１０３ａを時計方向（ＣＷ）に回転させる。

このような超音波モータ１００の動作制御を組み合わせることによって、上記の「操作方向制限」、「作動力調節」、「振動伝達」、「自由操作」、「操作前位置調節」および「衝撃伝達」のような、またこれ以外の入力装置のフォースフィードバック制御を実現することができる。

なお、上述の実施の形態では、球体のロータを用いた球面超音波モータをフォースフィードバック制御のアクチュエータとして用いる例について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、たとえば平板状のロータを用いたり、様々な形状の超音波モータを用いることができるものである。

また、ロータとステータとの相対的な動きを入力に用いるものとして、ロータ側を固定し、ステータ側を操作者が触れて、操作、入力に用いるものとしてもよい。

本発明の一実施の形態による入力装置の概略を示す斜視図である。図１に示したステータ３ｂを、ロータ２に押し付ける面から見た平面図である。図２に示したステータ３ｂの圧電素子部材１３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材１３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｙ−Ｙで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。図１に示した入力装置において、ロータ２の回転位置を検出する構成の一例を示す図である。図１に示した超音波モータ１を上方から見た平面図である。図１に示した超音波モータ１を、図５に示す０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向に動かす場合の、ステータ３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれにおける動作をまとめた表図である。本発明の別の実施の形態による入力装置の概略を示す斜視図である。図７に示した超音波モータ１００を、図７に示す０°、９０°、１８０°、２７０°の各方向に動かす場合の、ステータ１０３ａ、１０３ｂそれぞれにおける動作をまとめた表図である。

符号の説明

１球面超音波モータ
２ロータ
２ａレバー
３ａ、３ｂ、３ｃステータ
３３振動片
４枠部材
４ａ、４ｂ位置検出バー
４ｃ、４ｄエンコーダ
１００球面超音波モータ
１０２ロータ
１０３ａ、１０３ｂステータ
１１０１、１１０２微少変位発生機構

Claims

操作者が操作、入力する入力装置において、
回転子および、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子を有するとともに前記回転子に対して前記リング状振動子を加圧接触させて成る超音波モータと、
前記回転子および前記リング状振動子のいずれかに触れた前記操作者に向けたフォースフィードバック制御用アクチュエータとしての前記超音波モータを制御する制御手段と
を備え、
前記回転子が球状回転子であり、
前記球状回転子の周囲に前記リング状振動子を２つ設け、
前記２つのリング状振動子が、前記球状回転子の中心点を挟んで対向して設けられ、
前記対向する２つのリング状振動子の軸心に対し前記球状回転子を上方に偏心するように押し付ける微少変位発生機構をさらに備えた
ことを特徴とする入力装置。