JP6711349B2 - 力覚提示装置 - Google Patents

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Description

本技術は、ユーザに特定方向の力覚を提示する力覚提示装置に関する。
特許文献1に記載の携帯型装置は、2つの錘を2つのボールネジ構造によりリニアに移動させる力覚発生装置を備えている。この装置は、2つの錘を同じ方向に並進運動させることにより、その並進運動による反作用の方向に発生する力覚をユーザに与えることができる。
特許第4692605号
しかしながら、特許文献1の装置では、装置筐体の両辺に2つのボールネジ構造を必要とし、それらによる2つの錘の並進運動のための同期制御が必要となり、制御負荷が大きい。
本技術の目的は、同期制御等の大きな制御負荷を必要としない新規な構造を備える力覚提示装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術に係る力覚提示装置は、筐体構造と、錘と、駆動部とを具備する。
前記錘は、前記筐体構造に設けられ、または前記筐体構造に内蔵される。
前記駆動部は、前記錘の第1側および前記第1側に対向する第2側を支持する一対の支持構造で構成される第1支持部を有し、前記一対の支持構造のうち少なくとも一方が、前記錘に偏加速度を与えることが可能なアクチュエータを含むように構成される。
すなわち、たとえ第1側および第2側の両側にアクチュエータが接続されているとしても、2つのアクチュエータおよび錘が機械的に接続されて一体であるため、同期制御等の大きな制御負荷を必要としない。
前記アクチュエータは、前記錘の前記第1側から前記第2側へ、または前記第2側から前記第1側への方向に第1の偏加速度を発生させるように構成されていてもよい。
これにより、駆動部による錘の駆動方向が決まり、力覚の提示方向が決まる。
前記一対の支持構造のうちの一方が前記アクチュエータである場合に、前記一対の支持構造のうちの他方は、前記第1の偏加速度の方向を含む軸方向で駆動するように構成されたパッシブ駆動部を有していてもよい。
これにより、偏加速度の方向を含む軸方向で、錘の動作ロスを低減させるとともに、錘を大きく変位させることができる。
前記パッシブ駆動部は、リニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、自己潤滑軸受構造、または異方性弾性係数材料を有していてもよい。
前記力覚提示装置は、前記錘の前記第1側および前記2側とは異なる第3側およびこれに対向する第4側にそれぞれ設けられた一対の支持構造で構成される第2支持部をさらに具備してもよい。
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造は、第1の偏加速度の方向を含む軸方向でスライドするスライド構造をそれぞれ有していてもよい。
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造のうち少なくとも一方が、前記錘の前記第3側から前記第4側へ、または前記第4側から前記第3側への方向に第2の偏加速度を与えることが可能なアクチュエータを含むように構成されていてもよい。
前記第1支持部を構成する前記一対の支持構造は、前記第2の偏加速度の方向を含む軸方向でスライドするスライド構造をそれぞれ有していてもよい。
これにより、錘の可動軸が2軸(多軸)であっても、第1支持部と錘との接続が、第2支持部に設けられたアクチュエータによる錘の動きを妨げず、動作ロスを軽減できる。
前記スライド構造は、リニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、自己潤滑軸受構造、または異方性弾性係数材料であってもよい。
特に、異方性弾性係数材料を使用することで、力覚提示装置の小型化に大きく寄与する。
前記第1支持部を構成する前記一対の支持構造の両方が、前記アクチュエータをそれぞれ有していてもよい。
錘の第1側および第2側の両側にアクチュエータが設けられることにより、大きな駆動力を発生させることが可能となる。また、上記したように同期制御の必要がない。
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造の両方が、前記アクチュエータをそれぞれ有していてもよい。
錘の第3側および第4側の両側にアクチュエータが設けられることにより、大きな駆動力を発生させることが可能となる。また、上記したように同期制御の必要がない。
前記錘は、前記筐体構造の一部を構成する部品、または前記筐体構造に内蔵された部品であってもよい。
部品を錘として利用するので、別途の錘を用いる必要がない。したがって、力覚提示装置である携帯型端末装置の小型化を図ることができる。
前記力覚提示装置は、携帯型端末装置であり、前記部品は、バッテリ、制御基板、ディスプレイパネル、またはタッチパネルであってもよい。
前記アクチュエータは、圧電要素と、シムとを含んでいてもよい。
前記シムは、前記筐体構造に固定される固定部と、前記圧電要素が取り付けられる取付部と、前記固定部および前記取付部の間に設けられた屈曲部とを有していてもよい。
固定部および取付部が、屈曲部を持つシムによって一体化されることにより、アクチュエータの部品点数を削減できる。また、アクチュエータを低背型化、小型化することができ、力覚提示装置の小型化を実現できる。
前記アクチュエータは、前記屈曲部により構成される、前記固定部と前記取付部との高さの差より小さい変位で振動するように構成されていてもよい。
前記シムの少なくとも2箇所が折り曲げられることにより、前記取付部と前記固定部との間に、前記屈曲部が設けられていてもよい。
これにより、簡単な構造で、シムに固定部、取付部および屈曲部を持たせることができる。
前記屈曲部の、前記取付部および前記固定部の間は、直線状、湾曲状、または、蛇腹状に構成されていてもよい。
前記固定部は、溶着、接着剤による接着、機械的な係合、または、埋め込みにより、前記筐体構造に固定されていてもよい。
これにより、簡単な構造で、固定部が筐体構造に固定され、アクチュエータおよび力覚提示装置の小型化に寄与する。
前記シムは、2以上の前記取付部と、2つの前記取付部の間で共通の1つの前記固定部とを有していてもよい。
これにより、圧電要素の配列方向で、これらのアクチュエータを小型化することができる。
前記シムは、開口部を有していてもよい。
これにより、アクチュエータの製造時において、シムの重量および/または剛性が調整され、変位量や弾性力を調整することができる。
以上、本技術によれば、同期制御等の大きな制御負荷を必要としない力覚提示装置を提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
図1は、本技術の第1の実施形態に係る力覚提示装置を示す分解斜視図である。 図2は、図1に示す力覚提示装置の平面図である。 図3は、アクチュエータの構成の例を示す斜視図である。 図4A、Bは、錘が振動する場合の特定の瞬間を示す図である。 図5Aは、スライド構造を持つ力覚提示装置であり、図5Bは、スライド構造を持たない装置の構成を示す。 図6Aは、図5Aに示すスライド構造を持つ装置の錘の変位量と、その変位量の時間による二階微分である加速度を示す。図6Bは、図5Bに示すスライド構造を持たない装置の錘の変位量を示す。 図7は、本実施形態に係る力覚提示装置を、例えば、携帯型端末装置に適用した例を示す。 図8A〜Cは、内蔵部品のうち、それぞれ異なる位置にアクチュエータが接続された形態の振動状態をそれぞれ示す。 図9A、Bは、錘の両側の一対の支持構造のうちの一方がアクチュエータを有し、他方はパッシブ駆動部を有する力覚提示装置の形態を示す。 図10は、錘の一軸方向の両側の支持構造がアクチュエータを有し、他の一軸方向の両側の支持構造がパッシブ駆動部を有する力覚提示装置の形態を示す。 図11は、2軸の各支持構造がアクチュエータおよび異方性弾性係数材料を有する力覚提示装置の形態を示す。 図12は、異方性弾性係数材料の例を示す。 図13A、Bは、異方性弾性係数材料の他の例を示す。 図14は、振動方向で非対称形状を有する錘または部品を備える力覚提示装置の要部を示す平面図である。 図15は、さらに別の実施形態に係る力覚提示装置を示す。 図16は、筐体構造に接続された、他の実施形態に係るアクチュエータを示す側面図あるいは断面図である。 図17Aは、一形態に係るシムの平面図であり、図17Bはシムの側面図である。 図18は、屈曲部の傾斜角θが、90°より大きい形態に係るシムを示す。 図19は、インバー製のシムの3通りの屈曲部の寸法形態を示す表である。 図20A〜Eは、シムの固定部の固定構造の複数の例を示す。 図21は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータを示す側面図あるいは断面図である。 図22は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータのシムを示す側面図である。 図23は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。 図24A〜Cは、上記他の実施形態に係るアクチュエータを利用した力覚提示装置の構成を示す(スライド構造なし)。 図25A〜Cは、上記他の実施形態に係るアクチュエータを利用した力覚提示装置の構成を示す(スライド構造あり)。
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
1.一実施形態に係る力覚提示装置
1.1)力覚提示装置の構成
図1は、本技術の一実施形態に係る力覚提示装置を示す分解斜視図である。図2は、図1に示す力覚提示装置100の平面図である。力覚提示装置100は、筐体構造10と、筐体構造10に内蔵された錘20(慣性負荷)と、錘20を筐体構造10内で支持し、かつ駆動することが可能な駆動部30とを備える。
筐体構造10は、例えば矩形状でなり、外筐そのもので構成されるか、または、外筐にシャーシやフレームが一体的に取り付けられて構成される。錘20は、典型的には、筐体構造10に合わせた矩形の板状で構成されるが、どのような形状であってもかまわない。
駆動部30は、錘20を支持する第1支持部31および第2支持部32を有する。第1支持部31は、錘20の第1側21およびこれにx軸方向で対向する第2側22にそれぞれ接続された一対の支持構造315を有する。第2支持部32は、錘20の第3側23およびこれにy軸方向で対向する第4側24にそれぞれ接続された一対の支持構造325を有する。
第1支持部31の一対の支持構造315は、例えばXアクチュエータ35xをそれぞれ有する。第2支持部32の一対の支持構造325も同様に、Yアクチュエータ35yをそれぞれ有する。これらのアクチュエータとして、例えば圧電アクチュエータが用いられ、基本的な構成はすべて同じである。サイズは、Xアクチュエータ35xと、Yアクチュエータ35yとで異なる場合もある。説明の便宜上、Xアクチュエータ35x、Yアクチュエータ35yのうち任意の1つを指すときは、単に「アクチュエータ35」と言う。
図3は、アクチュエータ35の構成の例を示す斜視図である。アクチュエータ35は、例えば板状の圧電要素31と、この圧電要素31が接続された接続部33、34とを有する。接続部34は、例えば圧電要素31の両端部に設けられ、筐体構造10に固定される(図1A参照)。接続部33は、例えば圧電要素31の中央部に設けられ、後述するスライド構造を介して錘20に接続される。圧電要素31には、図示しないが電気信号の入力端子が設けられ、駆動信号が入力される。これによりアクチュエータ35は、接続部34、34を節とし、接続部33を腹として、図3中、上下方向に振動することが可能となっている。すなわち、図2を参照して、錘20がx、y軸の2軸、つまりx−y平面内の任意の方向、振幅、加速度で振動可能となる。
なお、後述するように、アクチュエータ35は、圧電要素31と図示しないシムを含んでよい。この場合、アクチュエータ35は、シムの片面に1つの圧電要素が設けられて構成されるユニモルフ構造、または、シムの両面に2つの圧電要素が設けられて構成されるバイモルフ構造であってもよい。
なお、上記アクチュエータ35の構成はあくまでも一例であり、圧電要素31を利用する様々な形状、サイズ、構造のデバイスが適用され得る。
このようにアクチュエータ35として圧電デバイスが用いられることにより、例えば偏心モータやリニアモータ等を利用するデバイスに比べ、アクチュエータによる応答速度を高めることができる。圧電デバイスの応答速度は、5ms以下の応答速度を実現することができる。
第1支持部31の一対の支持構造315(図1参照)は、図2に示すように、それぞれYスライド構造31yを有する。第2支持部32の一対の支持構造325は、それぞれXスライド構造32xを有する。図1では、これらのスライド構造の図示を省略している。
Yスライド構造31yは、Xアクチュエータ35xの接続部33に対してスライドするための、y軸に沿って延設されたガイド部をそれぞれ有する。Xスライド構造32xは、Yアクチュエータ35yの接続部33に対してスライドするための、x軸に沿って延設されたガイド部を有する。これらのガイド部は、錘20の第1側21、第2側22、第3側23、第4側24にそれぞれ固定されている。
スライド構造としては、例えばリニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、または、自己潤滑軸受構造等、公知の構造を適用することができる。
1.2)駆動部による駆動動作
1.2.1)偏加速度について
本実施形態に係る力覚提示装置100では、Xアクチュエータ35xの駆動により、錘20がx方向に沿う並進運動を伴って振動する。また、Yアクチュエータ35yの駆動により、錘20がy方向に沿う並進運動を伴って振動する。
一般に、振幅、周波数を同一にした定常的な振動動作の中では意図した力覚は発生しない。回転体である偏心モータを例に挙げると、偏心荷重(Δm)と向心加速度(rω2)の乗算となる向心力(Δmrω2)が時間とともに常に方向を変え、振動としては検知できるが、方向性を持つ力覚提示とはならない。
慣性負荷(m)の並進運動の中で、往路の加速度(a1)と復路の加速度(a2)に差分(a1-a2)を設けた上で、その振動を連続動作させることで、定常的に方向性を持った力(m(a1-a2))、つまり偏加速度による力が発生し、これが力覚として検知されると考えられる。
加速度を一定時間積分すればその値はゼロになり、現実には力は発生していない。したがって、感じられる力は人間の知覚機構によるある種の錯覚であると推定される。仮想力覚の発生原理について、Stevensの冪法則(Stevens's power law)と呼ばれる、刺激とそれに伴う感覚の強さの関係によるものがある。測定された加速度の積分値はゼロになるが、知覚された感覚の積分値はゼロにはならず、力として感じられるのではないかと推測されている。他の要因は、刺激のマスキング効果である。強い刺激の直後の弱い刺激がマスクされる(知覚されにくい)という現象である。これら人間の知覚機構により、力覚は検知されると考えられる。
以上のように、振動の往路の加速度と、復路の加速度とに差を発生させることにより、偏加速度を発生させることができる。本技術は、この偏加速度の発生原理を、力覚提示装置100に適用する。例えばx軸上の+(または−)方向に力覚を提示しようとする場合、力覚提示装置100は、Xアクチュエータ35xによりx軸の+(または−)方向に偏加速度(第1の偏加速度)を発生させる。また、力覚提示装置100は、y軸上の+(または−)方向に力覚を提示しようとする場合、力覚提示装置100は、Yアクチュエータ35yによりy軸の+(または−)方向に偏加速度(第2の偏加速度)を発生させる。
さらに、力覚提示装置100は、Xアクチュエータ35xおよびYアクチュエータ35yを同時に駆動することにより、x、y軸の合成の偏加速度を発生させて、その合成の方向に力覚を提示することができる。
1.2.2)駆動部による駆動時における各支持構造の動作
図4A、Bは、錘20が振動する場合において、ある特定の瞬間を示す図である。
図4Aに示すように、Xアクチュエータ35xが駆動して錘20をx軸に沿って(図では、例えば上方向に)移動させることにより、第2支持部32では、Xスライド構造32xのスライド動作により、錘20がx軸方向に沿ってスムーズに移動することができる。あるいは、図4Bに示すように、Yアクチュエータ35yが駆動して錘20をy軸に沿って(図では、例えば右方向に)移動させることにより、第1支持部31では、Xスライド構造32xのスライド動作により、錘20がy軸方向に沿ってスムーズに移動することができる。このように本実施形態では、スライド構造がない場合に比べ、駆動ロスを軽減することができる。
本実施形態では、2つのXアクチュエータ35xの動きは同じになる。また、2つのYアクチュエータ35yの動きは同じになる。動きが同じとは、それら2つのアクチュエータが、実質的に同じ振幅、同じ方向に動くことを意味する。
上述したように、x軸方向の振動時において、錘20のx軸+方向の移動経路での加速度が、x軸−方向の移動経路での加速度より大きい場合、x軸+方向に偏加速度が発生し、これによりそのx軸+方向に力覚が提示される。また、y軸方向の振動時において、錘20のy軸+方向の移動経路での加速度が、y軸−方向の移動経路での加速度より大きい場合、y軸+方向に偏加速度が発生し、これによりそのy軸+方向に力覚が提示される。
1.3)まとめ
以上のように、本実施形態では、たとえ錘20の両側にアクチュエータ35が接続されているとしても、2つのアクチュエータ35および錘20が機械的に接続されて一体であるため、同期制御等の大きな制御負荷を必要とすることはない。
本実施形態では、第1支持部31において、例えば錘20の両側にXアクチュエータ35xが設けられるので、1つのXアクチュエータ35xのみが設けられる場合に比べ、大きな駆動力を発生させることができる。このことは、第2支持部32についても同様である。
本実施形態では、アクチュエータ35として圧電アクチュエータが利用されるので、筐体構造10と錘20との狭い隙間に、このアクチュエータ35を配置させることができ、力覚提示装置100の小型化を実現できる。
本実施形態では、第1支持部31は、一対のYスライド構造31yを有し、第2支持部32は、一対のXスライド構造32xを有する。したがって、x軸方向のみの振動時においては、x軸方向で錘20を大きく変位させることができるとともに、その軸とは異なるy軸方向における錘20の動きを規制することができる。また、y軸方向のみの振動時においては、y軸方向で錘20を大きく変位させることができるとともに、その軸とは異なるx軸方向における錘20の動きを規制することができる。
上記特許文献1の他、別の特許文献として特許第4413105号に記載の疑似力覚発生装置は、モータの回転動力を回転部材(円板)に伝達し、この回転部材の回転動力を、回転部材の円周上で接続されたリンク機構(2本のリンク)に伝達するように構成されている。これによりクランクスライダー構造が実現され、スライドするリンク機構の端部には錘20が取り付けられている。このような装置では、クランクスライダーとして実現される動力変換構造の体積が大きく、装置の小型化が困難である。また、例えば2本のリンクが、錘20の加速度方向とは直交する方向に加速度を発生するので、これが、余分な加速度となり、錘20の直線運動の効率を妨げる。
なお、本技術に係る力覚提示装置100は、上記のスライド構造を必須の要素とするものではなく、あくまで、錘20の両側に一対の支持構造315(および/または325)を備えることが必須の要素である。
1.4)錘の変位量の実験例
本発明者らは、上記スライド構造を持つ力覚提示装置100と、スライド構造を持たない装置とを用い、それらの錘20Aの変位量を実験で調べた。図5A、Bはこの実験で用いられた構成例を示す。図5Aは、スライド構造31y、32xを持つ力覚提示装置の構成を示し、図5Bは、スライド構造を持たない装置(以下、比較例に係る装置と言う。)の構成を示す。
この実験では、実質的に正方形の外形を有する錘20Aが用いられ、筐体構造10Aもそれに合わせて実質的に正方形の外形を持つものが用いられた。図5Aの装置のスライド構造31y、32xとしては、リニアモーションガイド構造が用いられた。図5Bに示すように、比較例に係る装置は、スライド構造を持たず、アクチュエータ35が直接錘20Aに接続されている。錘20Aの重さは、18gとされた。
図6Aは、スライド構造を持つ装置の錘20Aの変位量等を示し、図6Bは、比較例に係る装置の錘20Aの変位量等を示す。図6A、Bでは、変位量の他、制御部(図示を省略)から駆動部30への出力電圧(V)と、加速度(G)を示している。なお、加速度は変位量の時間による二階微分により算出することに加え、加速度計により測定されるものとされる。これらの実験結果は、xまたはy軸の1軸のみでの駆動の結果を示す。
図6Bに示すように、比較例では、偏加速度が2.9(G)であったのに対し、図6Aに示すように、スライド構造31y、32xを持つ装置では、偏加速度が15.0(G)であった。スライド構造31y、32xが設けられることにより、駆動方向(例えばx軸方向)とは異なる軸方向(y軸方向)でのアクチュエータ35の接続が、その駆動方向における駆動力を妨げないので、比較例に対して大きな偏加速度を得ることができる。
これにより、本実施形態に係る力覚提示装置100は、錘20Aの重量やサイズを増やすことなく、比較例に比べて同じ出力電圧により大きな力覚を提示することができるので、装置の小型化を実現できるとともに、駆動ロスをなくし、これにより駆動のための電気的効率を上げることができる。
1.5)本実施形態に係る力覚提示装置の応用例
図7は、本実施形態に係る力覚提示装置100を、例えば、携帯型端末装置に適用した例を示す。携帯型端末装置100Aとしては、典型的には、スマートフォンやタブレット等の機器が挙げられる。
この携帯型端末装置100Aは、筐体構造10Aとして、ディスプレイパネル(およびタッチパネル)111、シャーシ113、および背面パネル115等を備える。また、携帯型端末装置100Aは、内蔵部品として、シャーシ113に取り付けられた制御基板201およびバッテリ203等を備え、これら内蔵部品が駆動部30(支持構造としてのアクチュエータ35)を介して筐体構造10Aに接続される。
ここでは、実線で示された駆動部30として、Xアクチュエータ35xが設けられ、つまりx軸方向のみの駆動を行う一対の支持構造315が設けられる。もちろん、一点鎖線で示したようにy軸方向の駆動を行うYアクチュエータ35yを有する一対の支持構造325も設けられ、2軸駆動可能であってもよい。なお、上述したスライド構造は設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。
図8Aは、例えば上記携帯型端末装置100Aの内蔵部品のうち、バッテリ203のx軸方向での両側にXアクチュエータ35x(図7参照)がそれぞれ接続されており、制御基板201には接続されていない形態を示す。これにより、バッテリ203のみを振動させることができる。この場合、バッテリ203と制御基板201とが例えばフレキシブルプリント基板により電気的に接続されることが好ましい。なお、2軸駆動の場合、バッテリ203のy軸方向での両側にYアクチュエータ35yがそれぞれ接続される。
図8Bは、例えば上記内蔵部品のうち、制御基板201のx軸方向での両側にXアクチュエータ35x(図7参照)がそれぞれ接続されており、バッテリ203には接続されていない形態を示す。これにより、制御基板201のみを振動させることができる。この場合、バッテリ203と制御基板201とが例えばフレキシブルプリント基板により電気的に接続されることが好ましい。
図8Cは、例えば上記内蔵部品のうち、バッテリ203および制御基板201が固定され、これら全体が振動する形態を示す。この場合、例えば制御基板201のx軸方向での両側にXアクチュエータ35xがそれぞれ接続されてもよいし、または、バッテリ203のx軸方向での両側にXアクチュエータ35xがそれぞれ接続されてもよい。
以上のように、携帯型端末装置100Aの部品を錘として利用するので、別途の錘を用いる必要がない。したがって、力覚提示装置である携帯型端末装置100Aの小型化を図ることができる。
2.他の各種の実施形態に係る力覚提示装置
次に、他の各種の実施形態に係る力覚提示装置について説明する。これ以降の説明では、上記の実施形態に係る力覚提示装置100が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
2.1)他の実施形態1
例えば、図7を用いて説明したように、駆動部30は、1軸のみで駆動するように構成されていてもよい。この場合、駆動部30は、一対の支持構造315として錘20の両側にアクチュエータを備えていてもよい。
あるいは、図9A、Bに示すように、一対の支持構造のうちの一方がアクチュエータ35を有し、他方はパッシブ駆動部45であってもよい。図9Aに示す力覚提示装置100Bでは、パッシブ駆動部45として、バネ構造、特に板バネ構造が採用される。パッシブ駆動部は、コイルバネ構造であってもよい。
図9Bに示す力覚提示装置100Cでは、パッシブ駆動部として、錘20の同じ側に複数(例えば2つ)のスライド構造46が挙げられる。もちろんスライド構造46は1つであってもよい。スライド構造としては、上述したように、リニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、自己潤滑軸受構造が挙げられる。
あるいは、図示しないが、錘20の一側(例えば第1側21(図1参照))に複数のアクチュエータ35が接続され、その反対側(例えば第2側22)にも複数のアクチュエータが接続されていてもよい。両側のそれらアクチュエータ35の数は同じでもよいし、異なっていてもよい。あるいは、錘20のその反対側に接続される支持構造は、アクチュエータ35ではなく、1または複数のパッシブ駆動部であってもよい。
2.2)他の実施形態2
図示しないが、駆動部が、x、y軸の2軸駆動として構成されている場合、例えば上記図9AまたはBに示した一対の支持構造(アクチュエータとパッシブ駆動部の組)が、2組設けられていてもよい。
2.3)他の実施形態3
図10に示すように、駆動部が1軸のみで駆動するように構成されている力覚提示装置100Dにおいて、x軸上の一対の支持構造がアクチュエータ35でそれぞれ構成され、y軸上の一対の支持構造が、x軸方向に駆動するパッシブ駆動部(例えば上記スライド構造46)であってもよい。
2.4)他の実施形態4
図11に示す力覚提示装置100Eは、第1支持部31の一対の支持構造としてXアクチュエータ35xをそれぞれ備え、第2支持部32の一対の支持構造としてYアクチュエータ35yをそれぞれ備える。各アクチュエータ35に設けられる接続部(錘20との接続部)として、スライド構造としての異方性弾性係数材料50が用いられている。
等方性弾性係数材料の場合、縦弾性係数Eと横弾性係数Gには、G=E/{2(1+ν)}の関係がある。νはポアソン比である。材料を平面視した場合において、縦弾性係数は、材料の短手方向での弾性係数を意味し、横弾性係数は、材料の長手方向での弾性係数を意味する。ゴム等の弾性材料はν≒0.5となり、簡易的にはG≒E/3となる。
異方性弾性係数材料50は、例えば縦弾性係数に比べ横弾性係数が小さいこと、つまり例えばG<E/3を満たすような材料が用いられる。Eは例えば20KPa程度とされるが、これに限られない。
図12は、このような異方性弾性係数材料の一例を示す平面図である。この異方性弾性係数材料50Aは、梯子構造を有する。具体的には、図12の上に示すうように、異方性弾性係数材料50Aは、例えばx−y平面で見て、y方向に長く、x方向に配列された複数の穴52を有する。なお、穴52はz方向に貫通していることが好ましいが、貫通していることは必須ではない。
このように構成された異方性弾性係数材料50では、x方向の横弾性係数が、y方向の縦弾性係数より小さい。したがって、この異方性弾性係数材料50は、図12の下に示すように、x方向に弾性変形しやすいが、y方向にはしにくい。
図13Aは、異方性弾性係数材料の他の例を示す平面図(断面図)である。この異方性弾性係数材料50Bは、できるだけ方向性を持つように配置されたディスク状微粒子54を含む合成樹脂材料である。図13Bの上は、この異方性弾性係数材料50Bの側面図(断面図)である。このように、ディスク状微粒子54の配列の仕方で、例えば図13Bの下に示すように、x方向の横弾性係数がy方向の縦弾性係数より小さくなるように構成された異方性弾性係数材料50Bを実現できる。
2.5)他の実施形態5
図14は、振動方向で非対称形状を有する錘を備える力覚提示装置の要部を示す平面図である。例えば携帯型端末装置の制御基板として、矩形基板ではなく異型基板が存在する。このような異型基板204が錘として利用される場合、非対称形状を有する異型基板204の重心Pが、一対の支持構造315の接続部(支点)同士を結ぶ軸上に位置するように、異型基板204および駆動部30の配置関係が構成される。このことは、2軸駆動の場合も同様であり、一対の支持構造325(図中、一点鎖線で示す)を結ぶ軸上に重心Pが位置するように、異型基板204および駆動部30の配置関係が構成される。
異型基板204の一側に複数の支持構造が接続される場合、それら複数の支持構造の各接続部(各支点)の重心を考えればよい。その重心を「一側重心」と定義すると、その一側重心と、錘の他側に接続された支持構造の接続部とを結ぶ軸上に、錘の重心が位置するように設計されればよい。あるいは、その一側重心と、錘の他側に接続された複数の支持構造の接続部の重心(他側重心)を結ぶ軸上に、錘の重心が位置するように設計されればよい。
2.6)他の実施形態6
図15は、さらに別の実施形態に係る力覚提示装置の要部を示す。この例では、錘20の重心を中心として回転対称位置であって、錘20の第1側21およびその反対側である第2側22に一対の支持構造315が配置されている。一対の支持構造315には、例えばアクチュエータ35がそれぞれ適用される。
図15に示すように、この力覚提示装置は、アクチュエータ35の振動方向を互いに逆向きとし、かつ、上記各実施形態と同様に偏加速度を発生させることにより、錘20の回転方向の力覚を提示することができる。
2.7)他の種々の実施形態
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
例えば、上記実施形態では、2軸駆動として、互いに直交するx、y軸駆動を例に挙げたが、必ずしも各軸が直交する形態に限られない。つまり、一対の支持構造が取り付けられる軸線方向と、他の一対の支持構造が取り付けられる軸線方向とが直交する形態に限られない。
上記各実施形態では、1軸または2軸駆動の駆動部30を例に挙げたが、3軸駆動であってもよい。これにより、立体的な力覚の提示が可能となる。この場合、例えば第3軸目のz軸の支持構造のアクチュエータは、上記した圧電アクチュエータと同様の構成を有していてもよいが、例えば円板状の圧電アクチュエータであってもよい。
図7で示した実施形態において、バッテリ203および/または制御基板201が錘として利用されたが、筐体構造に部品として設けられるディスプレイパネル、タッチパネル、その他の部品が錘として利用されてもよい。
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば、実施形態4に係る異方性弾性係数材料50が、上記実施形態1〜3、5、6のうちいずれかのパッシブ駆動部として適用されてもよい。
あるいは、異方性弾性係数材料50以外のスライド構造が、上記実施形態5または6等の支持構造に適用されてもよい。
3.他の実施形態に係るアクチュエータ
図16は、筐体構造10に接続された、他の実施形態に係るアクチュエータを示す側面図あるいは断面図である。アクチュエータ65は、例えば複数の圧電要素61と、これらを支持するシム62とを含む圧電アクチュエータである。なお、圧電アクチュエータとして、ここでは2つの圧電要素61が設けられるバイモルフ構造を示したが、1つの圧電要素で構成されるユニモルフ構造であってもよい。図17Aはシム62の平面図であり、図17Bはシム62の側面図である。
シム62の形状は、例えば長尺状である。シム62は、筐体構造10に固定される固定部62aと、圧電要素61が取り付けられる取付部62bと、固定部62aおよび取付部62bの間に設けられた屈曲部62cとを有する。
固定部62aは、例えばシム62の両端部にそれぞれ設けられている。図16に示すように、例えば2つの圧電要素61が、例えば接着剤で構成される接着層63を介して、シム62の取付部62bを挟み込むように設けられている。
屈曲部62cは、2箇所で折り曲げられて、固定部62aから取付部62bへつながるように構成され、固定部62aの長手方向と取付部62bの長手方向とが平行になっている。固定部62aと取付部62bのそれぞれの長手方向は、必ずしも平行でなくてもよい。これらの長手方向を、図16ではy方向とすると、圧電要素61によるアクチュエータ65の振動による変位方向は、y方向に実質的に直交するx方向となる。屈曲部62cにおいてy軸に対して傾斜する部分は、典型的には直線状に設けられている。
シム62の寸法の一形態を以下に示す(図17A、B参照)。この場合のシム62は、典型的には金属製とされる。金属としては、インバー、42アロイ、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等が用いられる。
長さa:10mm〜50mm、より好ましくは20mm〜40mm
幅b:1mm〜10mm、より好ましくは2mm〜5mm
厚さc:0.1mm〜1mm、より好ましくは0.2mm〜0.4mm
高さd:1mm〜10mm、より好ましくは1.5mm〜5mm
固定部62aの長さe:0.5mm〜5mm、より好ましくは1mm〜3mm
屈曲部62cのx方向の長さf:0mm〜10mm、より好ましくは0mm〜5mm
屈曲部62cのx方向に対する傾斜角θ:180°<θ<0°
屈曲部62cのx方向の長さfが0mmである場合、傾斜角θは0°となる。
傾斜角θは、図18に示すように、90°より大きくてもよい。
高さdは、圧電要素61の厚さおよび接着層の厚さをパラメータとし、目的の振動周波数でアクチュエータ65が動作したときの変位量によって決定される。また、高さdは、圧電要素61が動作時に筐体構造10に接触しない高さに設計される。すなわち、アクチュエータ65は、固定部62aと取付部62bとの高さの差より小さい変位で振動するように構成される。
図19は、0.2mmの厚さ、1.54mmの高さdを持つ、インバー製のシムの3通りの屈曲部62cの寸法形態を示す表である。また、この表では固有振動数のシミュレーション解析が行われた結果も示されている。このシミュレーションに使用されたアクチュエータ65の物理量は、以下の通りである。
シム:厚さc=0.2mm、ヤング率=145GPa、密度=8.125g/cm3、ポアソン比=0.3
圧電要素:厚さ=0.18mm、ヤング率:70GPa、密度:7.6g/cm3、ポアソン比:0.3
図19より、傾斜角θが40°〜90°の範囲では、屈曲角度が90°の時と比べ固有振動数の変化率が4%以内に収まることが確認された。
以上のように、本実施形態に係るアクチュエータ65では、固定部62aおよび取付部62bが、屈曲部62cを持つシム62によって一体化されることにより、アクチュエータ65の部品点数を削減できる。また、アクチュエータ65を低背型化、小型化することができ、力覚提示装置の小型化を実現できる。
シム62の2箇所で折り曲げられて屈曲部62cが構成されることにより、簡単な構造で、シム62に固定部62a、取付部62bおよび屈曲部62cを持たせることができる。
ここで、特開2011-129971号公報に開示された撓み振動型アクチュエータは、シムの他、ベースプレートや振動板を含むため、アクチュエータの厚みが増し、小型薄型の電子機器には設置することが困難である。また、このアクチュエータでは、小さく精密な部品が用いられるため、加工や組立工数が多くなり製造費用が増加してしまう。
一方、特開2013-31040号公報に開示された圧電アクチュエータでは、部品点数は少ないものの変位量を大きくするために、支持体と圧電素子の上下面に空隙を設ける必要があり、小型薄型の電子機器に内蔵するには不向きである。また、支持体と圧電素子との間にシリコーン樹脂が充填される場合、長期的な振動を繰り返すことでシリコーン樹脂が劣化することも考えられる。
本技術では、シム62により固定部62a、取付部62bおよび屈曲部62cが構成され、簡単な構造でアクチュエータ65の構成が実現されるので、上記各文献のような問題を解決することができる。
図20A〜Eは、シム62の固定部62aの固定構造の複数の例を示す。
図20Aに示す例では、固定部62aが溶着により筐体構造10に固定される。例えば、シム62および筐体構造10が共に金属でなる場合、これらは溶接により固定される。シム62および筐体構造10の両方が樹脂の場合、超音波接合等による溶着により固定される。
図20Bに示す例では、両面テープ等の接着層68により、固定部62aが筐体構造10に固定される。この場合、シム62は金属に限定されず、樹脂またはゴムであってもよい。筐体構造10も同様に、金属に限定されない。
図20Cに示す例では、固定部62aと筐体構造10とが機械的な係合により固定されている。例えば、筐体構造10にフック部69が設けられ、フック部69に固定部62aが係合している。一対のフック部69は、それぞれの開口面が対面するように筐体構造10に設けられている。フック部69は、筐体構造10の材料と同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。
図20Dに示すように、フック部69'の表面の高さ位置が、筐体構造10の表面(内壁面)の高さ位置と実質的に一致していてもよい。この場合、フック部69'と筐体構造10は同じ材料で一体的に構成されていてもよい。筐体構造10の材料としては、金属や樹脂が用いられる。
図20Eに示す例では、固定部62aが筐体構造10内に埋め込まれることにより、シム62が筐体構造10に固定されている。筐体構造10が樹脂でなる場合、例えば、インサート成形によって固定部62aを筐体構造10に埋め込み可能である。もちろん、インサート成形に限られない。
図21は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータのシムを示す側面図あるいは断面図である。シム72は、固定部72a、取付部72b、蛇腹状の屈曲部72cを有する。これにより、変位を大きくすることができる。
図22は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータのシムを示す側面図である。このシム82は、複数(ここでは2つ)の取付部82bを有し、これらの取付部82bにそれぞれ圧電要素が取り付けられる。また、シム82は、両端にそれぞれ設けられた固定部82aの他、共通の1つの固定部82dを有する。これにより、ここでは図示しない圧電要素の配列方向(図中左右方向)でアクチュエータの小型化を図りつつ、駆動力を高めることができる。符号82cで示す部分は屈曲部である。
図23は、さらに別の実施形態に係るアクチュエータのシムを示す平面図である。このシム92は、屈曲部92cを有する。屈曲部92cには開口部92eが設けられている。アクチュエータの製造時において、開口部92eのサイズ、形状、および/または、位置を適宜調整可能である。これにより、シム92の重量および/または剛性が調整され、変位量や駆動力を調整したり、アクチュエータの固有振動数を調整したりすることができる。符号92aで示す部分は固定部、符号92bで示す部分は取付部である。
開口部92eの形状は、円に限られず、長穴、楕円、またはスリット等でもよい。開口部92eが設けられる位置は、屈曲部92cに限られず、取付部2bであってもよい。
4.他の実施形態に係るアクチュエータを利用した力覚提示装置
図24A〜C、図25A〜Cは、上記した他の実施形態に係るアクチュエータを利用した力覚提示装置の構成を示す。
図24Aに示す例では、x方向に対向するように、2つのアクチュエータ65が錘20に接続されている。具体的には、アクチュエータ65の圧電要素61が錘20に固定されている。これにより、アクチュエータ65は、錘20に加速度、あるいは偏加速度を発生させることができる。この場合、アクチュエータ65の配置は、錘20の重心を中心に対称的な配置でなくてもよい。
x方向ではなく、y方向に対向するように2つのアクチュエータ65が錘20に接続されていてもよい。
図24Bに示す例では、図22に示した複数の圧電要素を取付可能なシム92を有するアクチュエータ95が、x方向に対向して設けられている。錘20に比べ、1つの圧電要素61では駆動力が足りない場合に、本形態は有効である。
図24Cに示す例では、図15に示した形態と同様に、錘20の重心を中心として回転対称位置に、アクチュエータ65が設けられてる。このような構成により、錘20がその重心を中心に所定の角度範囲で回転可能となる。
図25Aに示す例では、x方向に対向して設けられた第1支持部において、2つのアクチュエータ65(Xアクチュエータ65x)が、Yスライド構造81yに接続されている。また、y方向に対向して設けられた第2支持部において、2つのアクチュエータ65(Yアクチュエータ65y)が、Xスライド構造81xに接続されている。
Xスライド構造81x、Yスライド構造81yは、同様の構成を有しており、これらを以下では、単に「スライド構造」と言う。スライド構造81は、スライドベース811と、スライドベース811に沿って移動するスライダ812とを備える。スライドベース811は、アクチュエータ65の圧電要素61に取り付けられ、スライダ812は錘20に取り付けられている。
図25Bに示す例では、x方向に対向して設けられた第1支持部では、2つの圧電要素61を持つアクチュエータ95(図24B参照)が、錘20の対向する辺にそれぞれ設けられている。また、y方向に対向して設けられた第2支持部では、アクチュエータ65が、錘20の対向する辺に1つずつ設けられている。各圧電要素にそれぞれスライド構造81が接続されている。
図25Cに示す例では、図15、図24Cに示した形態と同様に、錘20の重心を中心として回転対称位置に、アクチュエータ65およびスライド構造81が設けられてる。このような構成により、錘20がその重心を中心に所定の角度範囲で回転可能となる。
図24A、B、図25A、Bに示したアクチュエータは、錘20の重心を通るxおよび/またはyの軸に関して対称(鏡像対称)に配置されることが望ましい。図25Cに示したアクチュエータ65は、錘20の重心を中心に回転対称に配置されたが、必ずしもそうでなくてもよい。
5.アクチュエータまたは力覚提示装置の他の種々の形態
以上の説明では、シムの屈曲部は、傾斜して直線状、または、蛇腹状に設けられていたが、湾曲状に設けられていてもよい。
以上説明した各形態に係るアクチュエータおよび/または力覚提示装置の特徴部分のうち、少なくとも2つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
例えば、図23、図20A〜Eに示した形態のうち少なくとも1つの形態を、図22、24、および25のうち1つの形態に適用してもよい。
例えば、図24Cまたは25Cに示した形態に、さらに、y方向で対向するアクチュエータが設けられてもよい。この場合、y方向で対向する各アクチュエータは、錘20の重心を中心に回転対称に配置されていてもよいし、x軸に関して対称(鏡像対称)に配置されてもよい。
上記では、本技術の力覚提示装置が適用される携帯型端末装置として、スマートフォンやタブレットを例に挙げた。しかし、携帯型端末装置は、例えば時計、眼鏡、帽子、靴、衣類、バンド類(腕輪や指輪)等の、ウェアラブル端末にも適用可能である。ウェアラブル端末に限られず、デジタルカメラや、障害者用の杖等にも適用可能である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)
筐体構造と、
前記筐体構造に設けられ、または前記筐体構造に内蔵された錘と、
前記錘の第1側および前記第1側に対向する第2側を支持する一対の支持構造で構成される第1支持部を有し、前記一対の支持構造のうち少なくとも一方が、前記錘に偏加速度を与えることが可能なアクチュエータを含むように構成された駆動部と
を具備する力覚提示装置。
(2)
前記(1)に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータは、前記錘の前記第1側から前記第2側へ、または前記第2側から前記第1側への方向に第1の偏加速度を発生させるように構成される
力覚提示装置。
(3)
前記(2)に記載の力覚提示装置であって、
前記一対の支持構造のうちの一方が前記アクチュエータである場合に、前記一対の支持構造のうちの他方は、前記第1の偏加速度の方向を含む軸方向で駆動するように構成されたパッシブ駆動部を有する
力覚提示装置。
(4)
前記(3)に記載の力覚提示装置であって、
前記パッシブ駆動部は、リニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、自己潤滑軸受構造、または異方性弾性係数材料を有する
力覚提示装置。
(5)
前記(2)に記載の力覚提示装置であって、
前記錘の前記第1側および前記2側とは異なる第3側およびこれに対向する第4側にそれぞれ設けられた一対の支持構造で構成される第2支持部をさらに具備する
力覚提示装置。
(6)
前記(5)に記載の力覚提示装置であって、
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造は、第1の偏加速度の方向を含む軸方向でスライドするスライド構造をそれぞれ有する
力覚提示装置。
(7)
前記(6)に記載の力覚提示装置であって、
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造のうち少なくとも一方が、前記錘の前記第3側から前記第4側へ、または前記第4側から前記第3側への方向に第2の偏加速度を与えることが可能なアクチュエータを含むように構成され、
前記第1支持部を構成する前記一対の支持構造は、前記第2の偏加速度の方向を含む軸方向でスライドするスライド構造をそれぞれ有する
力覚提示装置。
(8)
前記(6)または(7)に記載の力覚提示装置であって、
前記スライド構造は、リニアモーションガイド構造、ボールブッシュ構造、自己潤滑軸受構造、または異方性弾性係数材料である
力覚提示装置。
(9)
前記(1)に記載の力覚提示装置であって、
前記第1支持部を構成する前記一対の支持構造の両方が、前記アクチュエータをそれぞれ有する
力覚提示装置。
(10)
前記(5)に記載の力覚提示装置であって、
前記第2支持部を構成する前記一対の支持構造の両方が、前記アクチュエータをそれぞれ有する
力覚提示装置。
(11)
前記(1)から(10)のうちいずれか1項に記載の力覚提示装置であって、
前記錘は、前記筐体構造の一部を構成する部品、または前記筐体構造に内蔵された部品である
力覚提示装置。
(12)
前記(11)に記載の力覚提示装置であって、
前記力覚提示装置は、携帯型端末装置であり、
前記部品は、バッテリ、制御基板、ディスプレイパネル、またはタッチパネルである
力覚提示装置。
(13)
前記(1)から(12)のうちいずれか1項に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータは、
圧電要素と、
前記筐体構造に固定される固定部と、前記圧電要素が取り付けられる取付部と、前記固定部および前記取付部の間に設けられた屈曲部とを有するシムと
を含む
力覚提示装置。
(14)
前記(13)に記載の力覚提示装置であって、
前記アクチュエータは、前記屈曲部により構成される、前記固定部と前記取付部との高さの差より小さい変位で振動するように構成される
力覚提示装置。
(15)
前記(13)または(14)に記載の力覚提示装置であって、
前記シムの少なくとも2箇所が折り曲げられることにより、前記取付部と前記固定部との間に、前記屈曲部が設けられる
力覚提示装置。
(16)
前記(15)に記載の力覚提示装置であって、
前記屈曲部の、前記取付部および前記固定部の間は、直線状、湾曲状、または、蛇腹状に構成される
力覚提示装置。
(17)
前記(13)から(16)のうちいずれか1項に記載の力覚提示装置であって、
前記固定部は、溶着、接着剤による接着、機械的な係合、または、埋め込みにより、前記筐体構造に固定されている
力覚提示装置。
(18)
前記(13)から(17)のうちいずれか1項に記載の力覚提示装置であって、
前記シムは、2以上の前記取付部と、2つの前記取付部の間で共通の1つの前記固定部とを有する
力覚提示装置。
(19)
前記(13)から(18)のうちいずれか1項に記載の力覚提示装置であって、
前記シムは、開口部を有する
力覚提示装置。
10、10A…筐体構造
20、20A…錘
21…第1側
22…第2側
23…第3側
24…第4側
30…駆動部
31…第1支持部
31y…Yスライド構造
32…第2支持部
32x…Xスライド構造
33、34…接続部
35x、65x…Xアクチュエータ
35y、65y…Yアクチュエータ
35、65、95…アクチュエータ
45…パッシブ駆動部
46…スライド構造
50、50A、50B…異方性弾性係数材料
61…圧電要素
62、72、82、92…シム
62a、72a、82a、92a…固定部
62b、72b、82b、92b…取付部
62c、72c、82c、92c…屈曲部
68…接着層
69…フック部
81…スライド構造
92e…開口部
100、100B、100C、100D、100E…力覚提示装置
100A…形態型端末装置
113…シャーシ
115…背面パネル
201…制御基板
203…バッテリ
204…異型基板
315…第1支持部の一対の支持構造
325…第2支持部の一対の支持構造

Claims (4)

  1. 筐体構造と、
    前記筐体構造に設けられ、または前記筐体構造に内蔵された錘と、
    前記錘の第1側および前記第1側に対向する第2側を支持する一対の支持構造で構成され、前記一対の支持構造が前記錘の重心を中心として回転対称位置または略回転対称位置にそれぞれ配置され、それぞれ逆向きの偏加速度を発生させるアクチュエータを含むように構成された駆動部と
    を具備する力覚提示装置。
  2. 請求項1に記載の力覚提示装置であって、
    前記一対の支持構造のうち前記錘の第1側を支持する一方の支持構造が前記第1側から前記第2側への方向の偏加速度を与え、前記錘の第2側を支持する他方の支持構造が前記第2側から前記第1側への方向の偏加速度を与えるように構成された
    力覚提示装置。
  3. 請求項1または2に記載の力覚提示装置であって、
    前記錘は、前記筐体構造の一部を構成する部品、または前記筐体構造に内蔵された部品である
    力覚提示装置。
  4. 請求項に記載の力覚提示装置であって、
    前記力覚提示装置は、携帯型端末装置であり、
    前記部品は、バッテリ、制御基板、ディスプレイパネル、またはタッチパネルである
    力覚提示装置。
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