JP7154379B2 - 電磁駆動装置及び操作装置 - Google Patents

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Description

本開示は、電磁駆動装置及び操作装置に関する。
特許文献１に、水平面に平行な第１の方向及び水平面に垂直な第２の方向に運動可能な振動子を備えた振動発生器が開示されている。
特開２０１７－２０５７６６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の振動発生器では、構造上、第２の方向での振動が弱く、第２の方向に強い振動を付与するためには大電流を流す必要がある。
本開示は、互いに直交する２方向に十分な強さの振動を発生させることができる電磁駆動装置及び操作装置を提供することを目的とする。
本開示によれば、第１のヨークと、前記第１のヨークに対して第１の方向に対向配置された第２のヨークと、前記第１のヨークの前記第２のヨーク側の面に取り付けられた永久磁石と、前記第２のヨークに取り付けられ、通電により磁束を生じさせる第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルと、を有し、前記第２のヨークは、基部と、前記第１の励磁コイルと前記第２の励磁コイルとの間で前記基部から前記第１のヨークに向けて突出する第１の突出部と、を有し、前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の突出部を間に挟んで配置され、前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルの軸心方向は前記第１の方向に平行であり、前記永久磁石は、第１の領域と、前記第２の方向で前記第１の領域の一方の側に位置する第２の領域と、前記第２の方向で前記第１の領域の他方の側に位置する第３の領域と、を有し、前記第１の領域は第１の磁極となるように着磁され、前記第２の領域及び前記第３の領域は第２の磁極となるように着磁され、前記第１の領域が前記第１の突出部に対向し、前記第１の領域と前記第２の領域との境界が前記第１の励磁コイルに対向し、前記第１の領域と前記第３の領域との境界が前記第２の励磁コイルに対向している電磁駆動装置が提供される。
本開示によれば、互いに直交する２方向に十分な強さの振動を発生させることができる。
実施形態に係る操作装置の構成を示す斜視図である。 実施形態に係る操作装置の構成を示す上面図である。 実施形態に係る操作装置の構成を示す断面図である。 アクチュエータの構成を示す平面図である。 図４から可動ヨーク及び永久磁石を除いた平面図である。 アクチュエータの構成を示す断面図である。 第１の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。 第２の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。 第３の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。 第４の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。 制御装置の構成を示す図である。 制御装置による処理の内容を示すフローチャートである。 シミュレーションのモデルを示す図である。 可動ヨークの移動距離と吸引力との関係を示す図である。 距離Ｌ２の変化と吸引力との関係を示す図である。 距離Ｌ２を２３ｍｍとした場合の可動ヨークの移動距離と吸引力との関係を示す図である。 距離Ｌ２を２２．８ｍｍとした場合の可動ヨークの移動距離と吸引力との関係を示す図である。 距離Ｌ２を２２．６ｍｍとした場合の可動ヨークの移動距離と吸引力との関係を示す図である。 距離Ｌ１の短縮量と吸引力との関係を示す図である。 可動ヨークの移動距離とＸ方向の振動の発生力との関係を示す図である。 可動ヨークの移動距離とＺ方向の振動の発生力との関係を示す図である。 中央突出部の幅Ｌ３と振動の発生力との関係を示す図である。
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
図１は、実施形態に係る操作装置の構成を示す斜視図であり、図２は、実施形態に係る操作装置の構成を示す上面図であり、図３は、実施形態に係る操作装置の構成を示す断面図である。図３は図２中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
図１～図３に示すように、実施形態に係る操作装置１００は、固定ベース１１０、固定ベース１１０の縁上に固定されたベゼル１２０、及びベゼル１２０の内側の化粧パネル１４１を有する。化粧パネル１４１に対して固定ベース１１０の後述する平板部１１１が位置する側に静電センサ１４２が設けられており、化粧パネル１４１と静電センサ１４２とによりタッチパッド１４０が形成されている。タッチパッド１４０の平板部１１１側に可動ベース１３０が設けられている。可動ベース１３０は、平板部１３１、及び平板部１３１の縁から平板部１１１に向かって延びる壁部１３２を有する。固定ベース１１０は、平面視で平板部１３１より広い平板部１１１、平板部１１１の縁から壁部１３２の外側で上方に延びる壁部１１２、及び壁部１１２から外方に突出するフランジ部１１３を有する。ベゼル１２０の下端がフランジ部１１３に接触する。
平板部１１１上にアクチュエータ１６０が設けられている。アクチュエータ１６０は平板部１１１及び平板部１３１に接触する。平面視で、アクチュエータ１６０は平板部１１１及び平板部１３１の略中心に位置する。また、平板部１１１と平板部１３１との間でアクチュエータ１６０の周囲に、平板部１１１及び平板部１３１を互いに上下方向に引き付け合うように付勢する複数のプリテンションスプリング１５０が設けられている。タッチパッド１４０は操作部材の一例であり、可動ベース１３０及びタッチパッド１４０が可動部に含まれる。また、固定ベース１１０は固定部の一例であり、アクチュエータ１６０は電磁駆動装置の一例である。プリテンションスプリング１５０は可動部弾性支持部材の一例である。
また、壁部１１２と壁部１３２との間に、壁部１１２及び１３２に接触するパネルガイド１９０が設けられている。例えばパネルガイド１９０は弾性を有し、固定ベース１１０の内側で可動ベース１３０を案内する。
また、固定ベース１１０の平板部１１１上に複数の反射型のフォトインタラプタ１７０が設けられている。フォトインタラプタ１７０は、その上方にある可動ベース１３０の平板部１３１に光を照射し、平板部１３１により反射された光を受光して、平板部１３１の光が照射された部分までの距離を検出することができる。例えば、フォトインタラプタ１７０は、平面視でタッチパッド１４０の四隅の内側に配置されている。フォトインタラプタ１７０は検出部の一例である。
更に、固定ベース１１０上に制御装置１８０が設けられている。制御装置１８０は、後述の処理により、タッチパッド１４０の操作に応じて、アクチュエータ１６０を駆動させてユーザへの触覚フィードバックを行う。制御装置１８０は、例えば半導体チップである。本実施形態では制御装置１８０が平板部１１１上に設けられているが、制御装置１８０が設けられる場所は限定されず、例えばタッチパッド１４０と可動ベース１３０との間等に設けられていてもよい。
次に、アクチュエータ１６０の構成について説明する。図４は、アクチュエータ１６０の構成を示す平面図であり、図５は、図４から可動ヨーク及び永久磁石を除いた平面図であり、図６は、アクチュエータ１６０の構成を示す断面図である。図６は図４及び図５中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。
図４～図６に示すように、アクチュエータ１６０は、固定ヨーク１０、可動ヨーク２０、第１の励磁コイル３０Ａ、第２の励磁コイル３０Ｂ、第１のラバー４０Ａ、第２のラバー４０Ｂ及び永久磁石６０を有する。固定ヨーク１０は、平面形状が略矩形の板状の基部１１を有する。基部１１の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向、厚さ方向をＺ方向とする。第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂの軸心方向はＺ方向と平行である。可動ヨーク２０は第１のヨークの一例であり、固定ヨーク１０は第２のヨークの一例であり、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂは弾性支持部の一例である。Ｘ方向が第２の方向に相当し、Ｚ方向が第１の方向に相当する。
固定ヨーク１０は、更に、基部１１の中央から上方（＋Ｚ方向）に突立する中央突出部１２と、基部１１の長手方向の－Ｘ方向側の端部から上方に突立する第１の側方突出部１４Ａと、基部１１の長手方向の＋Ｘ方向側の端部から上方に突立する第２の側方突出部１４Ｂとを有する。第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４Ｂは、Ｘ方向において中央突出部１２を間に挟む位置に設けられている。固定ヨーク１０は、更に、中央突出部１２と第１の側方突出部１４Ａとの間から基部１１の上方に突立する第１の鉄心１３Ａと、中央突出部１２と第２の側方突出部１４Ｂとの間から基部１１の上方に突立する第２の鉄心１３Ｂとを有する。第１の励磁コイル３０Ａは、第１の鉄心１３Ａに巻き付けられ、第２の励磁コイル３０Ｂは、第２の鉄心１３Ｂに巻き付けられている。第１の側方突出部１４Ａ上に第１のラバー４０Ａが設けられ、第２の側方突出部１４Ｂ上に第２のラバー４０Ｂが設けられている。中央突出部１２は第１の突出部の一例であり、第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４Ｂは第２の突出部の一例である。
可動ヨーク２０は板状であり、略矩形の平面形状を有する。可動ヨーク２０は、その長手方向の端部にて第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂに接触している。可動ヨーク２０の固定ヨーク１０側の面に永久磁石６０が取り付けられている。永久磁石６０は、第１の領域６１と、第１の領域６１の－Ｘ方向側に位置する第２の領域６２と、第１の領域６１の＋Ｘ方向側に位置する第３の領域６３とを有する。例えば、第１の領域６１はＳ極となるように着磁され、第２の領域６２及び第３の領域６３はＮ極となるように着磁されている。そして、永久磁石６０は、第１の領域６１が中央突出部１２に対向し、第１の領域６１と第２の領域６２との境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａに対向し、第１の領域６１と第３の領域６３との境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂに対向するようにして、平面視で可動ヨーク２０の略中央に取り付けられている。また、境界６１２は第１の励磁コイル３０Ａの軸心よりも＋Ｘ方向側に位置し、境界６１３は第２の励磁コイル３０Ｂの軸心よりも－Ｘ方向側に位置している。すなわち、境界６１２は第１の鉄心１３Ａの中心よりも＋Ｘ方向側に位置し、境界６１３は第２の鉄心１３Ｂの中心よりも－Ｘ方向側に位置している。永久磁石６０は固定ヨーク１０及び可動ヨーク２０を磁化し、磁気吸引力により、可動ヨーク２０はＺ方向で固定ヨーク１０に接近する向きに付勢される。また、磁気吸引力により、可動ヨーク２０の両端は、Ｘ方向で第１の側方突出部１４Ａ、第２の側方突出部１４Ｂの各々に接近する向きに付勢される。
制御装置１８０（図３参照）は、ユーザへの触覚フィードバックを行う際に、第１の励磁コイル３０Ａ、第２の励磁コイル３０Ｂの各々に流れる電流の向きが交互に反転するようにアクチュエータ１６０を駆動する。すなわち、制御装置１８０は、第１の励磁コイル３０Ａ、第２の励磁コイル３０Ｂの各々に流れる電流の向きを交互に反転させ、第１の鉄心１３Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極、第２の鉄心１３Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極を、互いに独立して、交互に反転させる。この結果、第１の励磁コイル３０Ａを流れる電流の向きと第２の励磁コイル３０Ｂを流れる電流の向きとに応じて、永久磁石６０及び可動ヨーク２０がＸ方向又はＺ方向で往復運動する。電流の向きと運動の向きとの関係については後述する。
例えば、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０ＢはＹ方向を長手方向とする矩形の平面形状を有する。第１のラバー４０Ａは第１の側方突出部１４Ａと可動ヨーク２０との間に挟持され、第２のラバー４０Ｂは第２の側方突出部１４Ｂと可動ヨーク２０との間に挟持されている。すなわち、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂは固定ヨーク１０と可動ヨーク２０との間に挟み込まれている。このため、意図的に分解しなければ、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂは固定ヨーク１０と可動ヨーク２０との間に保持される。なお、第１のラバー４０Ａが第１の側方突出部１４Ａの上面若しくは可動ヨーク２０の下面又はこれらの両方に固着されていてもよく、第２のラバー４０Ｂが第２の側方突出部１４Ｂの上面若しくは可動ヨーク２０の下面又はこれらの両方に固着されていてもよい。
可動ヨーク２０が可動ベース１３０（図３参照）及びタッチパッド１４０（図３参照）を含む可動部に取り付けられ、固定ヨーク１０が平板部１１１（図３参照）に取り付けられる。Ｚ方向に垂直な面内で、可動ヨーク２０は可動部の重心と重なる位置に取り付けられていることが好ましい。より均等に振動を生じさせるためである。
ここで、電流の向きと運動の向きとの関係について説明する。第１の励磁コイル３０Ａを流れる電流の向きと第２の励磁コイル３０Ｂを流れる電流の向きとの組み合わせは合計で４種類である。
第１の組み合わせでは、＋Ｚ方向から見たときに、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂを反時計回り（ＣＣＷ）に電流が流れる。図７Ａは、第１の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。第１の組み合わせでは、図７Ａに示すように、第１の鉄心１３Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＮ極となり、第２の鉄心１３Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極もＮ極となる。一方、中央突出部１２、第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極はＳ極となる。この結果、中央突出部１２と第１の領域６１との間に斥力が作用し、第１の鉄心１３Ａと第２の領域６２との間に斥力が作用し、第２の鉄心１３Ｂと第３の領域６３との間に斥力が作用する。従って、可動ヨーク２０には＋Ｚ方向の力９０Ｕが作用する。
第２の組み合わせでは、＋Ｚ方向から見たときに、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂを時計回り（ＣＷ）に電流が流れる。図７Ｂは、第２の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。第２の組み合わせでは、図７Ｂに示すように、第１の鉄心１３Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＳ極となり、第２の鉄心１３Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極もＳ極となる。一方、中央突出部１２、第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極はＮ極となる。この結果、中央突出部１２と第１の領域６１との間に引力が作用し、第１の鉄心１３Ａと第２の領域６２との間に引力が作用し、第２の鉄心１３Ｂと第３の領域６３との間に引力が作用する。従って、可動ヨーク２０には－Ｚ方向の力９０Ｄが作用する。
従って、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂに同方向の電流が流れるように、第１の組み合わせと第２の組み合わせとを繰り返すことにより、可動ヨーク２０がＺ方向で往復運動する。つまり、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂへの通電により、可動ヨーク２０は初期状態における位置を中立位置としてＺ方向に振動する。
第３の組み合わせでは、＋Ｚ方向から見たときに、第１の励磁コイル３０Ａを反時計回り（ＣＣＷ）に電流が流れ、第２の励磁コイル３０Ｂを時計回り（ＣＷ）に電流が流れる。図７Ｃは、第３の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。第３の組み合わせでは、図７Ｃに示すように、第１の鉄心１３Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＮ極となり、第２の鉄心１３Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極がＳ極となる。また、第１の側方突出部１４Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＳ極となり、第２の側方突出部１４Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極がＮ極となる。この結果、第１の側方突出部１４Ａと第２の領域６２との間に引力が作用し、第１の鉄心１３Ａと第１の領域６１との間に引力が作用し、第２の鉄心１３Ｂと第１の領域６１との間に斥力が作用し、第２の側方突出部１４Ｂと第３の領域６３との間に斥力が作用する。従って、可動ヨーク２０には－Ｘ方向の力９０Ｌが作用する。
第４の組み合わせでは、＋Ｚ方向から見たときに、第１の励磁コイル３０Ａを時計回り（ＣＷ）に電流が流れ、第２の励磁コイル３０Ｂを反時計回り（ＣＣＷ）に電流が流れる。図７Ｄは、第４の組み合わせにおける電流の向きと運動の向きとの関係を示す図である。第４の組み合わせでは、図７Ｄに示すように、第１の鉄心１３Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＳ極となり、第２の鉄心１３Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極がＮ極となる。また、第１の側方突出部１４Ａの可動ヨーク２０側の面の磁極がＮ極となり、第２の側方突出部１４Ｂの可動ヨーク２０側の面の磁極がＳ極となる。この結果、第１の側方突出部１４Ａと第２の領域６２との間に斥力が作用し、第１の鉄心１３Ａと第１の領域６１との間に斥力が作用し、第２の鉄心１３Ｂと第１の領域６１との間に引力が作用し、第２の側方突出部１４Ｂと第３の領域６３との間に引力が作用する。従って、可動ヨーク２０には＋Ｘ方向の力９０Ｒが作用する。
従って、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂに逆方向の電流が流れるように、第３の組み合わせと第４の組み合わせとを繰り返すことにより、可動ヨーク２０がＸ方向で往復運動する。つまり、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂへの通電により、可動ヨーク２０は初期状態における位置を中立位置としてＸ方向に振動する。
次に、制御装置１８０によるアクチュエータ１６０の駆動について説明する。制御装置１８０は、タッチパッド１４０の操作位置に加えられた荷重が触覚フィードバックを生じさせる基準値に達しているか判断し、その結果に応じてアクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを生じさせる。図８は、制御装置１８０の構成を示す図である。
制御装置１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８３及び補助記憶部１８４を備える。ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３及び補助記憶部１８４は、いわゆるコンピュータを構成する。制御装置１８０の各部は、バス１８５を介して相互に接続されている。
ＣＰＵ１８１は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラム（例えば、荷重判定プログラム）を実行する。
ＲＯＭ１８２は不揮発性の主記憶デバイスである。ＲＯＭ１８２は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムを、ＣＰＵ１８１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する。具体的には、ＲＯＭ１８２は、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラムなどを格納する。
ＲＡＭ１８３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性の主記憶デバイスである。ＲＡＭ１８３は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行される際に展開される作業領域として機能する。
補助記憶部１８４は、ＣＰＵ１８１により実行される各種プログラムと、各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行されることで生成される各種データとを格納する補助記憶デバイスである。
制御装置１８０は、このようなハードウェア構成を備えており、次のような処理を行う。図９は、制御装置１８０による処理の内容を示すフローチャートである。
先ず、制御装置１８０はタッチパッド１４０を検出する（ステップＳ１）。そして、制御装置１８０は、タッチパッド１４０に指が接触したか否かを静電センサ１４２の出力に基づいて判断する（ステップＳ２）。制御装置１８０は、タッチパッド１４０に指が接触していないと判断した場合には（ステップＳ２のｎｏ）、フォトインタラプタ１７０のドリフトをキャンセルする（ステップＳ３）。
一方、制御装置１８０は、タッチパッド１４０に指が接触したと判断した場合には（ステップＳ２のｙｅｓ）、フォトインタラプタ１７０の各々から検出信号を取得する（ステップＳ４）。例えば、フォトインタラプタ１７０の出力信号がアナログ信号である場合、デジタル信号への変換後の信号を取得する。
次いで、制御装置１８０は、フォトインタラプタ１７０の各検出信号から、平板部１３１の検出位置でのＺ軸方向の変位量を計算する（ステップＳ５）。
その後、制御装置１８０は、タッチパッド１４０の操作位置におけるＺ軸方向の変位量Ｚを算出する（ステップＳ６）。すなわち、制御装置１８０は、４つのフォトインタラプタ１７０のうちの全部又は一部の検出信号から計算したＺ軸方向の変位量、並びにタッチパッド１４０により検出された操作位置のＸ座標及びＹ座標から、操作位置でのＺ軸方向の変位量Ｚを算出する。
また、制御装置１８０は、加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係を予め求め、これをＲＯＭ１８２に記憶させておき、これを読み出して、操作位置でのＺ軸方向の閾値（オン閾値）Ｚｔｈを算出する（ステップＳ７）。
そして、制御装置１８０は、変位量Ｚがオン閾値Ｚｔｈ超であるか否かを判断する（ステップＳ８）。変位量Ｚがオン閾値Ｚｔｈ超であれば（ステップＳ８のｙｅｓ）、加えられた荷重が基準値超であるとして、制御装置１８０はアクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを実施する（ステップＳ９）。このとき、制御装置１８０は、別途入力された情報に基づいて、Ｘ方向又はＺ方向に振動が生じるようにアクチュエータ１６０を駆動する。一方、変位量Ｚがオン閾値Ｚｔｈ以下であれば（ステップＳ８のｎｏ）、制御装置１８０は触覚フィードバックを実施しない。
このように構成された操作装置１００によれば、上述のように、互いに直交するＸ方向及びＺ方向に十分な強さの振動を発生させることができる。例えば、Ｘ方向の振動により、操作者に摩擦感を付与することができ、Ｚ方向の振動により、スイッチを押下した感触を付与することができる。また、容易にＸ方向の振動の強さ及びＺ方向の振動の強さをそれぞれ調整することができる。
次に、上記の実施形態に関するシミュレーションについて説明する。図１０は、シミュレーションのモデルを示す図である。
このモデルでは、第１の領域６１の形状を１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの正方形板をＸ方向に沿って２枚連結した長方形板状とし、第２の領域６２及び第３の領域６３の形状を１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの正方形板状とし、各正方形板状の部分の最大エネルギ積を４０ＭＧＯｅとする。中央突出部１２のＸ方向の寸法（幅）Ｌ３を初期状態で６ｍｍとし、第１の鉄心１３Ａ及び第２の鉄心１３ＢのＸ方向の寸法を６ｍｍとし、第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４ＢのＸ方向の寸法を３ｍｍとする。基部１１の厚さを２ｍｍとし、中央突出部１２、第１の鉄心１３Ａ、第２の鉄心１３Ｂ、第１の側方突出部１４Ａ及び第２の側方突出部１４Ｂの基部１１の表面を基準とする高さを８ｍｍとする。可動ヨーク２０の厚さを１．５ｍｍとし、基部１１の底面と可動ヨーク２０の表面との間の距離を１１ｍｍとする。また、初期状態で、中央突出部１２のＸ方向の中心と第１の鉄心１３Ａ、第２の鉄心１３ＢのＸ方向の中心との距離Ｌ１を１２．８ｍｍとし、中央突出部１２のＸ方向の中心と第１の側方突出部１４Ａ、第２の側方突出部１４ＢのＸ方向の中心との距離Ｌ２を２４ｍｍとする。
先ず、距離Ｌ１と距離Ｌ２との比（１２．８：２４）を固定しながら、距離Ｌ２を変化させ、可動ヨーク２０の－Ｘ方向への移動距離と吸引力との関係を２次元有限要素法（finite element method：ＦＥＭ）により計算した。この結果を図１１に示す。凡例中の数値は距離Ｌ２の初期状態からの変化を示す。第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂには通電していない。図１１において、負の吸引力の絶対値が大きいほど、Ｘ方向にて永久磁石６０の初期状態の位置に戻そうとする復帰力が大きいことを示す。
図１１から、距離Ｌ２の変化と、移動距離が０．５ｍｍのときの吸引力と、の関係を求めると、図１２が得られる。図１２に示すように、距離Ｌ２の変化が－１．４ｍｍ、－１．２ｍｍ、－１．０ｍｍの近傍で吸引力が最も弱くなる。距離Ｌ２の初期値が２４ｍｍであるため、復帰力が弱くなるように構成する場合には、距離Ｌ２を２２．６ｍｍ、２２．８ｍｍ又は２３ｍｍ程度とすることが好ましい。
そこで、距離Ｌ２を２２．６ｍｍ、２２．８ｍｍ又は２３ｍｍとし、距離Ｌ１を変化させ、可動ヨーク２０の－Ｘ方向への移動距離と吸引力との関係を２次元ＦＥＭにより計算した。この結果を図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示す。凡例中の数値は距離Ｌ１の後述する基準値からの変化を示す。図１３Ａには、距離Ｌ２を２３ｍｍとした場合の結果を示し、図１３Ｂには、距離Ｌ２を２２．８ｍｍとした場合の結果を示し、図１３Ｃには、距離Ｌ２を２２．６ｍｍとした場合の結果を示す。なお、距離Ｌ２を初期値から変化させているため、図１３Ａでは、距離Ｌ１の基準値を１２．３ｍｍとし、図１３Ｂでは、距離Ｌ１の基準値を１２．２ｍｍとし、図１３Ｃでは、距離Ｌ１の基準値を１２．１ｍｍとする。
図１３Ａ～図１３Ｃから、距離Ｌ１の短縮量と移動距離が０．５ｍｍのときの吸引力との関係を求めると、図１４が得られる。凡例中の数値は距離Ｌ２を示す。図１４に示すように、距離Ｌ２が２２．６ｍｍの場合、吸引力の絶対値が比較的大きく、距離Ｌ２が２３ｍｍ又は２２．８ｍｍであれば、距離Ｌ１の短縮量が０．６ｍｍ以上の範囲で、吸引力の絶対値が低く、ほぼ一定となる。
以上の結果から、復帰力が弱くなるように構成するためには、距離Ｌ２は２３ｍｍ又は２２．８ｍｍとし、距離Ｌ１は１１～１１．５ｍｍとすることが好ましく、距離Ｌ２は距離Ｌ１の１．２倍以上１．４倍以下であることが好ましい。距離Ｌ２は２３ｍｍであることがより好ましい。
次いで、距離Ｌ２を２３ｍｍとし、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂへの通電を行いながら、可動ヨーク２０の－Ｘ方向への移動距離とＸ方向、Ｚ方向の振動の発生力との関係を２次元ＦＥＭにより計算した。この結果を図１５Ａ及び図１５Ｂに示す。凡例中の数値は距離Ｌ１を示す。図１５Ａには、Ｘ方向の振動の発生力を示し、図１５Ｂには、Ｚ方向の振動の発生力を示す。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、移動距離が変化しても、Ｘ方向、Ｚ方向の振動の発生力はあまり変化しない。特に、距離Ｌ１が１１．３ｍｍの場合には、Ｘ方向の振動の発生力とＺ方向の振動の発生力との差が小さく好ましい。つまり、距離Ｌ１が１１．３ｍｍの場合には、Ｘ方向、Ｚ方向の両方向において、特に優れた大きさの振動を発生させることができる。
次いで、距離Ｌ１を１１．３ｍｍ、距離Ｌ２を２３ｍｍとし、幅Ｌ３を変化させ、Ｘ方向、Ｚ方向の振動の発生力を２次元ＦＥＭにより計算した。この結果を図１６に示す。凡例中の方向は振動の方向を示す。図１６に示すように、幅Ｌ３を変化させることで、Ｘ方向の振動の発生力とＺ方向の振動の発生力とのバランスを調整できる。
なお、第１の鉄心１３Ａ及び第２の鉄心１３Ｂが設けられずに、第１の励磁コイル３０Ａ及び第２の励磁コイル３０Ｂが基部１１上に取り付けられていてもよい。
また、Ｘ方向にて永久磁石６０の初期状態の位置に戻そうとする復帰力（センター復帰力）は、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心からずれる方向及び程度と、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心からずれる方向及び程度と、に依存する。そして、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心からずれる方向及び程度と、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心からずれる方向及び程度と、は特に限定されない。例えば、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心よりも－Ｘ方向側に位置し、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心よりも＋Ｘ方向側に位置していてもよい。すなわち、境界６１２が第１の鉄心１３Ａの中心よりも－Ｘ方向側に位置し、境界６１３が第２の鉄心１３Ｂの中心よりも＋Ｘ方向側に位置していてもよい。この場合、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心よりも＋Ｘ方向側に位置し、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心よりも－Ｘ方向側に位置する構造と比較して、Ｘ方向にて永久磁石６０の初期状態の位置に戻そうとする復帰力（センター復帰力）が弱くなる。このように、Ｘ方向において、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心からずれており、かつ、Ｘ方向において、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心からずれた構成とすることで、センター復帰力を調整することができる。なお、Ｘ方向において、境界６１２が第１の励磁コイル３０Ａの軸心と一致していてもよいし、Ｘ方向において、境界６１３が第２の励磁コイル３０Ｂの軸心と一致していてもよい。
第１のラバー４０Ａの上端及び下端がそれぞれ可動ヨーク２０、第１の側方突出部１４Ａに固着されていてもよく、第２のラバー４０Ｂの上端及び下端がそれぞれ可動ヨーク２０、第２の側方突出部１４Ｂに固着されていてもよい。また、第１のラバー４０Ａの上端が可動ヨーク２０に固着され、下端が第１の側方突出部１４Ａに固着されずに、密着しているだけでもよく、第２のラバー４０Ｂの上端が可動ヨーク２０に固着され、下端が第２の側方突出部１４Ｂに固着されずに、密着しているだけでもよい。また、第１のラバー４０Ａの下端が第１の側方突出部１４Ａに固着され、上端が可動ヨーク２０に固着されずに、密着しているだけでもよく、第２のラバー４０Ｂの下端が第２の側方突出部１４Ｂに固着され、上端が可動ヨーク２０に固着されずに、密着しているだけでもよい。第１のラバー４０Ａ、第２のラバー４０Ｂの上端又は下端の一方を可動ヨーク２０又は第１の側方突出部１４Ａ、第２の側方突出部１４Ｂに固着し、他方を固着せずに密着させるだけとすることで、組立作業性を向上することができる。
第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂの形状及び弾性係数は特に限定されない。第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂにおいて、Ｘ方向の弾性係数とＺ方向の弾性係数とが相違していてもよい。また、可動部弾性支持部材において、Ｘ方向の弾性係数とＺ方向の弾性係数とが相違していてもよい。
可動ヨーク２０の振動の共振周波数は、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂの弾性係数と可動ヨーク２０の質量とに依存する。このため、例えば、Ｘ方向の弾性係数とＺ方向の弾性係数とを相違させることで、例えば、可動ヨーク２０のＺ方向の振動の共振周波数を２００Ｈｚ近傍、Ｘ方向の振動の共振周波数を１００Ｈｚ近傍とすることができる。一般に、２００Ｈｚ近傍の共振周波数の振動はタクティルフィーリング（クリック感覚）の呈示に好適であり、１００Ｈｚ近傍の共振周波数の振動はラバーフィーリング（ゴムの弾性の感覚）の呈示に好適である。従って、Ｘ方向の弾性係数とＺ方向の弾性係数とを相違させることで、タクティルフィーリング及びラバーフィーリングを呈示することができる。また、可動ヨーク２０の振動の振幅も、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂの弾性係数に依存し、第１のラバー４０Ａ及び第２のラバー４０Ｂの弾性係数が大きいほど小さくなる。
操作部材は、タッチパッド１４０のような操作パネル部材に限定されず、操作面を有する押ボタンであってもよい。
なお、フォトインタラプタ１７０に代えて静電センサ等の非接触の位置検出センサを用いてもよい。また、感圧センサを用いてタッチパッド１４０に加えられた圧力を検出してもよい。
本開示の操作装置は、特に自動車のセンターコンソールに設けられる操作装置に好適である。センターコンソールは運転席及び助手席の間に設けられるため、センターコンソールに設けられる操作装置の平面形状は複雑なものになることがある。本開示の操作装置においては、振動の大きさが操作面内で安定しているため、操作部材の平面形状が複雑なものであっても、適切な触覚フィードバックを行うことができる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
本国際出願は、２０１９年３月１２日に出願した日本国特許出願第２０１９－０４４９９４号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。
１０ 固定ヨーク（第２のヨーク）
１１ 基部
１２ 中央突出部（第１の突出部）
１３Ａ 第１の鉄心
１３Ｂ 第２の鉄心
１４Ａ 第１の側方突出部（第２の突出部）
１４Ｂ 第２の側方突出部（第２の突出部）
２０ 可動ヨーク（第１のヨーク）
３０Ａ 第１の励磁コイル
３０Ｂ 第２の励磁コイル
４０Ａ 第１のラバー
４０Ｂ 第２のラバー
６０ 永久磁石
６１ 第１の領域
６２ 第２の領域
６３ 第３の領域
１００ 操作装置
１１０ 固定ベース（固定部）
１３０ 可動ベース（可動部）
１４０ タッチパッド（可動部）
１５０ プリテンションスプリング（可動部弾性支持部材）
１６０ アクチュエータ（電磁駆動装置）
１８０ 制御装置（制御部）

Claims (12)

  1. 第１のヨークと、
    前記第１のヨークに対して第１の方向に対向配置された第２のヨークと、
    前記第１のヨークの前記第２のヨーク側の面に取り付けられた永久磁石と、
    前記第２のヨークに取り付けられ、通電により磁束を生じさせる第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルと、
    を有し、
    前記第２のヨークは、
    基部と、
    前記第１の励磁コイルと前記第２の励磁コイルとの間で前記基部から前記第１のヨークに向けて突出する第１の突出部と、
    を有し、
    前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルは、前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記第１の突出部を間に挟んで配置され、
    前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルの軸心方向は前記第１の方向に平行であり、
    前記永久磁石は、
    第１の領域と、
    前記第２の方向で前記第１の領域の一方の側に位置する第２の領域と、
    前記第２の方向で前記第１の領域の他方の側に位置する第３の領域と、
    を有し、
    前記第１の領域は第１の磁極となるように着磁され、
    前記第２の領域及び前記第３の領域は第２の磁極となるように着磁され、
    前記第１の領域が前記第１の突出部に対向し、
    前記第１の領域と前記第２の領域との境界が前記第１の励磁コイルに対向し、
    前記第１の領域と前記第３の領域との境界が前記第２の励磁コイルに対向していることを特徴とする電磁駆動装置。
  2. 前記第２のヨークは、
    前記第１の励磁コイルが巻き付けられた第１の鉄心と、
    前記第２の励磁コイルが巻き付けられた第２の鉄心と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動装置。
  3. 前記第２の方向において、前記第１の領域と前記第２の領域との境界が前記第１の励磁コイルの軸心からずれており、
    前記第２の方向において、前記第１の領域と前記第３の領域との境界が前記第２の励磁コイルの軸心からずれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁駆動装置。
  4. 前記第２のヨークは、前記基部から前記第１のヨークに向けて突出し、前記第２の方向において前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルを間に挟む位置に設けられた２つの第２の突出部を有し、
    前記第２の突出部の各々と前記第１のヨークの両端部との間に磁気吸引力が生成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁駆動装置。
  5. 前記第２の方向において、前記第１の突出部の中心から前記第２の突出部の中心までの距離は、前記第１の突出部の中心から前記第１の領域と前記第２の領域との境界までの距離、及び前記第１の突出部の中心から前記第１の領域と前記第３の領域との境界までの距離の１．２倍以上１．４倍以下であることを特徴とする請求項４に記載の電磁駆動装置。
  6. 前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間に配置され、前記第１のヨークを前記第２のヨークに対して振動可能に保持する弾性支持部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電磁駆動装置。
  7. 前記弾性支持部の前記第１の方向における弾性係数と前記第２の方向における弾性係数とが相違することを特徴とする請求項６に記載の電磁駆動装置。
  8. 固定部と、
    押圧操作される操作部材を有する可動部と、
    前記可動部を前記固定部に対して振動可能に保持する可動部弾性支持部と、
    前記固定部と前記可動部との間に設けられた、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電磁駆動装置と、
    を有し、
    前記第１のヨーク又は前記第２のヨークの一方が前記固定部に取り付けられ、他方が前記可動部に取り付けられていることを特徴とする操作装置。
  9. 前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルへの通電により発生する磁界の向きが互いに同方向又は逆方向となるように前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルに流れる電流を制御する制御部を有することを特徴とする請求項８に記載の操作装置。
  10. 前記制御部は、前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルに流れる電流の向きが交互に反転するように制御することを特徴とする請求項９に記載の操作装置。
  11. 前記第１の方向に垂直な面内で、前記第１のヨーク又は前記第２のヨークの他方が前記可動部の重心と重なる位置に取り付けられていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の操作装置。
  12. 前記可動部弾性支持部の前記第１の方向における弾性係数と前記第２の方向における弾性係数とが相違することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の操作装置。
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