JP2015215730A - Input / output operation device - Google Patents
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Abstract
【課題】より操作性の高い入出力操作装置を提供する。【解決手段】入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部850と、凹部を一部に有する可動ユニット180と、可動ユニットの凹部と凸状球面102Rとが点または線接触し、可動ユニットを凸状球面の球心70を中心として自在に回転支持するベース200を含む固定ユニットと、固定ユニットに対して操作部を球心を通るX軸11を中心に回転させる第1の駆動部と、X軸を含む平面内でX軸に直交するY軸12を中心に回転させる第2の駆動部と、X軸とY軸に直交し操作部の中心軸であるZ軸10を中心に回転させる第3の駆動部と、固定ユニットに対する操作部のX軸回りの第1の回転角度およびY軸回りの第2の回転角度を検出する検出器とを備え、第1および第2の目標回転角度信号を受け取り、第1および第2の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部を備える。【選択図】図1An input / output operation device with higher operability is provided. An input / output operation device has a point or line contact between an operation unit 850 having a surface with which a finger contacts, a movable unit 180 having a concave part, and a concave part of the movable unit and a convex spherical surface 102R. A fixed unit that includes a base 200 that freely rotates and supports the movable unit around a spherical surface 70 of a convex spherical surface, and a first drive that rotates the operation unit about the X axis 11 that passes through the spherical center with respect to the fixed unit. A second drive unit that rotates about a Y axis 12 that is orthogonal to the X axis in a plane that includes the X axis, and a Z axis that is orthogonal to the X and Y axes and that is the central axis of the operation unit And a detector for detecting a first rotation angle around the X axis and a second rotation angle around the Y axis of the operation unit with respect to the fixed unit. Receiving a target rotation angle signal, the first and second A driving circuit unit for generating a signal for driving the driving unit. [Selection] Figure 1
Description
本願は、手動で操作される操作部をX軸方向およびY軸方向に傾け、かつ、操作部の中心軸であるZ軸に対して回転(ローリング)させることが可能であり、さらに操作部を介して触力覚を出力制御する入出力操作装置に関する。 In the present application, the manually operated operation unit can be tilted in the X-axis direction and the Y-axis direction, and can be rotated (rolled) with respect to the Z-axis which is the central axis of the operation unit. The present invention relates to an input / output operation device that performs output control of a tactile force sense.
近年、自動車に搭載される電子機器は、安全、安心、快適性を高める目的のため、より高機能化、多機能化が進んでいる。このため、運転者が行うべき操作手順が非常に複雑になってきている。複雑な操作を簡単にするという観点から、例えば、ナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作に、操作者の感覚とよく一致し、操作性が高いHMI(Human−Machine−Interface)が求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices mounted on automobiles have become more sophisticated and multifunctional for the purpose of improving safety, security, and comfort. For this reason, the operation procedure to be performed by the driver has become very complicated. From the viewpoint of simplifying complex operations, for example, HMI (Human-Machine-Interface) that matches the operator's feeling well and has high operability is required for operations such as navigation, air conditioning, audio, and radio. Yes.
親和性のあるHMIのとしては、3軸操作が可能な入力装置やフォースフィードバック機能を有したハプティックデバイスが提案されている。 As compatible HMIs, input devices capable of three-axis operation and haptic devices having a force feedback function have been proposed.
たとえば、特許文献1は、操作部をX、Y、Z軸方向にのみ移動可能なように、操作部の移動方向を規制し、かつ、X、Y、Z軸方向における操作部の位置検出を行う3軸の入力操作装置を開示している。 For example, Patent Document 1 regulates the movement direction of the operation unit so that the operation unit can be moved only in the X, Y, and Z axis directions, and detects the position of the operation unit in the X, Y, and Z axis directions. A three-axis input operating device is disclosed.
特許文献2は、操作部を3軸回りに回転可能なように保持し、かつ、回転角の検出が可能な入力操作装置を開示している。 Patent Document 2 discloses an input operation device that holds an operation unit so as to be rotatable around three axes and can detect a rotation angle.
また、特許文献3は、操作部をX、Y軸回りに回転し、軸回りの相対変位量を検出し、それぞれの回転機構に搭載されたモータにより操作部に力覚を付与するハプティックデバイスを開示している。 Patent Document 3 discloses a haptic device that rotates an operation unit around X and Y axes, detects a relative displacement amount around the axis, and applies a force sense to the operation unit by a motor mounted on each rotation mechanism. Disclosure.
従来の入力装置やハプティックデバイスには、より、操作性の高いHMIが求められていた。本願の限定的ではない例示的な実施形態は、より操作性の高い入出力操作装置およびハプティックデバイスを提供する。 Conventional input devices and haptic devices have been required to have an HMI with higher operability. The non-limiting exemplary embodiment of the present application provides an input / output operating device and a haptic device with higher operability.
本開示の入出力操作装置は、入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、前記操作部と少なくとも1つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、少なくとも1つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも1つの吸着用磁石と前記少なくとも1つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るX軸を中心に回転させる第1の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記X軸を含む平面内で前記X軸に直交するY軸を中心に回転させる第2の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記X軸と前記Y軸に直交し前記操作部の中心軸であるZ軸を中心に回転させる第3の駆動部と、前記固定ユニットに対する前記操作部の前記X軸回りの第1の回転角度および前記Y軸回りの第2の回転角度を検出する検出器とを備え、前記凸状球面の前記球心が、前記X軸、Y軸、Z軸の原点に設けられたアクチュエータ、前記第1および前記第2の回転角度から第1および第2の回転角度信号を生成する検出回路部、前記第1および第2の回転角度信号に基づき、第1および第2の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、前記第1および第2の目標回転角度信号を受け取り、前記第1および第2の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部を備える。 The input / output operation device according to the present disclosure includes an operation unit having a surface that comes into contact with a finger, a movable unit that includes the operation unit and at least one attracting magnet, and has a concave portion in part. The movable unit has a convex spherical surface into which the concave portion of the movable unit and the concave portion of the movable unit are loosely fitted. The magnetic attractive force between the at least one attracting magnet and the at least one magnetic body allows the movable unit to A concave unit and the convex spherical surface are in point or line contact, and a fixed unit that freely rotates and supports the movable unit around the spherical center of the convex spherical surface, and the operation unit is positioned on the spherical center with respect to the fixed unit. A first drive unit that rotates about an X axis that passes through the second unit, and a second drive unit that rotates the operation unit with respect to the fixed unit about a Y axis that is orthogonal to the X axis in a plane that includes the X axis. Driving A third drive unit that rotates the movable unit with respect to the fixed unit perpendicularly to the X-axis and the Y-axis and that is centered on a Z-axis that is a central axis of the operation unit; A detector that detects a first rotation angle around the X axis and a second rotation angle around the Y axis of an operation unit, wherein the spherical center of the convex spherical surface is the X axis, the Y axis, Based on an actuator provided at the origin of the Z-axis, a detection circuit unit that generates first and second rotation angle signals from the first and second rotation angles, and the first and second rotation angle signals, A control calculation processing unit that generates first and second target rotation angle signals, and the first and second target rotation angle signals are received, and a signal that drives the first and second drive units is generated. A drive circuit unit is provided.
本開示の入出力操作装置によれば、手指に接触する表面を有する操作部の中心軸の延長上に、固定部に設けた球状の突起部の球心と突起部に接触するように可動部に設けられた円錐状の凹状接触面の中心軸を配し、かつ2つに分割された可動部を球状の突起部を中心に包み込むように接合させる可動部構成をとることにより、操作部を搭載する可動部の重心支持を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。 According to the input / output operation device of the present disclosure, on the extension of the central axis of the operation unit having a surface that comes into contact with the finger, the movable part is in contact with the spherical center of the spherical protrusion provided on the fixed part and the protrusion. The operation part is arranged by arranging the central axis of the conical concave contact surface provided on the movable part and joining the movable part divided into two so as to wrap around the spherical protrusion part. The center of gravity of the movable part to be mounted can be supported, and mechanical resonance can be greatly suppressed in the drive frequency region.
その結果、操作部のX、Y、Z軸の3軸マルチ高速操作を実現できるとともに、従来にない新しい触力覚を操作者に感じさせることができる入出力操作装置を提供することができる。 As a result, it is possible to provide an input / output operation device that can realize three-axis multi-speed operation of the X, Y, and Z axes of the operation unit and can make the operator feel a new sense of tactile force that has not existed before.
例えば、車載用の操作者の操作を受け付ける入力装置においては、安全、安心の観点から、ドライバーに優しい直感的な操作や、操作部を見ないブラインド操作、さらには快適な運転環境を支える品位ある操作感が求められる。 For example, in-vehicle input devices that accept the operations of in-vehicle operators are of a quality that supports intuitive operation that is gentle to the driver, blind operation that does not look at the operation section, and a comfortable driving environment from the viewpoint of safety and security A feeling of operation is required.
一般に多軸の入力装置の多くは、組合せ構成が比較的安易であることから、軸周りに回転可能な回転機構を複数組み合わせることにより実現されている。また、それぞれの回転機構は、ギア等(ラック&ピニオン、ウォームホイール&ウォームギア)の伝達機構を介して駆動モータに結合され、操作部はそれぞれの回転軸を中心に回転駆動するように構成されている。また、駆動モータの駆動軸にエンコーダ等が設けられ、操作部の相対的な位置変位量が検出される。 In general, many multi-axis input devices are realized by combining a plurality of rotation mechanisms that can rotate around an axis because the combination configuration is relatively easy. Each rotation mechanism is coupled to a drive motor via a transmission mechanism such as a gear (rack & pinion, worm wheel & worm gear), and the operation unit is configured to be driven to rotate about each rotation axis. Yes. In addition, an encoder or the like is provided on the drive shaft of the drive motor, and the relative displacement of the operation unit is detected.
しかしながら、この構成を用いる場合、可動する操作部の重量が増加し、入力装置全体が大型化しやすい。また、回転機構の軸受けには、軸受けギャップによるラトルノイズや軸方向の遊びが発生し、異音発生や機械的、構造的な不良を誘発する原因となりえる。 However, when this configuration is used, the weight of the movable operation unit increases, and the entire input device tends to be large. Further, in the bearing of the rotating mechanism, rattle noise and axial play due to the bearing gap are generated, which may cause abnormal noise and mechanical and structural defects.
また、可動部と駆動モータに介在するギア等の伝達機構においては、バックラッシュを設ける必要がある。このため、磨耗等により隙間が増大し、操作部の位置精度の低下、機械振動や騒音の発生および装置の寿命を低下させる原因となりえる。 Further, it is necessary to provide a backlash in a transmission mechanism such as a gear interposed between the movable part and the drive motor. For this reason, the gap increases due to wear or the like, which may cause a decrease in the position accuracy of the operation unit, generation of mechanical vibration and noise, and a decrease in the life of the apparatus.
また、エンコーダ等によって、操作部の相対位置を検出する場合、絶対位置は、始終端スイッチで検出する原点検出後でなければわからない。このため、絶対位置をカウント数に変換する必要であり、リセット時は始終端へ復帰させることも必要となる。 Further, when the relative position of the operation unit is detected by an encoder or the like, the absolute position is not known unless the origin is detected by the start / end switch. For this reason, it is necessary to convert the absolute position into a count number, and it is also necessary to return to the start and end at reset.
特許文献1から3に開示された技術にはこのような課題が存在得る。本願発明者はこのような課題に鑑み、新規な入力装置を想到した。 Such problems may exist in the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3. The present inventor has conceived a new input device in view of such problems.
本開示の入出力操作装置は、手指が接触する表面を有する操作部と、前記操作部と少なくとも1つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、少なくとも1つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも1つの吸着用磁石と前記少なくとも1つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るX軸を中心に回転させる第1の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記操作部を前記X軸を含む平面内で前記X軸に直交するY軸を中心に回転させる第2の駆動部と、前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記X軸と前記Y軸に直交し前記操作部の中心軸であるZ軸を中心に回転させる第3の駆動部と、前記固定ユニットに対する前記操作部の前記X軸回りの第1の回転角度および前記Y軸回りの第2の回転角度を検出する検出器とを備え、前記凸状球面の前記球心が、前記X軸、Y軸、Z軸の原点に設けられたアクチュエータ、前記第1および前記第2の回転角度から第1および第2の回転角度信号を生成する検出回路部、前記第1および第2の回転角度信号に基づき、第1および第2の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、前記第1および第2の目標回転角度信号を受け取り、前記第1および第2の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部を備える。 An input / output operation device of the present disclosure includes an operation unit having a surface that comes into contact with a finger, the operation unit and at least one attracting magnet, a movable unit having a concave portion in part, at least one magnetic body, and The concave portion of the movable unit has a convex spherical surface in which the concave portion is loosely fitted, and the concave portion of the movable unit and the convex spherical surface are generated by a magnetic attractive force between the at least one attracting magnet and the at least one magnetic body. And a fixed unit that makes a point or line contact, and freely supports the movable unit around the spherical center of the convex spherical surface, and the operation unit with respect to the fixed unit is centered on the X axis passing through the spherical center A first driving unit that rotates the operating unit with respect to the fixed unit; a second driving unit that rotates the operating unit about a Y axis orthogonal to the X axis in a plane including the X axis; and the fixed unit Yu A third drive unit that rotates the movable unit about a Z axis that is perpendicular to the X axis and the Y axis and that is a central axis of the operation unit, and the operation unit with respect to the fixed unit. A detector for detecting a first rotation angle around the X axis and a second rotation angle around the Y axis, wherein the spherical center of the convex spherical surface is the origin of the X axis, Y axis, and Z axis Based on the first and second rotation angle signals, the actuator provided in the detection circuit, the detection circuit unit for generating the first and second rotation angle signals from the first and second rotation angles, A control calculation processing unit that generates two target rotation angle signals, and a drive circuit unit that receives the first and second target rotation angle signals and generates signals for driving the first and second drive units. Prepare.
ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記第1、第2の回転角度信号に基づき前記操作部の可動範囲領域に相当する2次元座標系における前記操作部の現位置座標を生成し、目標位置座標と前記現位置座標の差分を用いた位置フィードバック制御に基づく前記第1、第2の目標回転角度信号を生成する。 In a preferred embodiment, the control calculation processing unit generates a current position coordinate of the operation unit in a two-dimensional coordinate system corresponding to a movable range region of the operation unit based on the first and second rotation angle signals. The first and second target rotation angle signals based on position feedback control using a difference between the target position coordinates and the current position coordinates are generated.
ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記2次元座標系において、前記目標位置座標を含み、目標となる識別座標エリアを設定し、前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第1の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第1の利得よりも大きい利得を設定する。 In a preferred embodiment, the control calculation processing unit sets a target identification coordinate area including the target position coordinates in the two-dimensional coordinate system, and the current position coordinate of the operation unit is the identification coordinate area. If the current position coordinate is outside the range of the identification coordinate area, a gain larger than the first gain is set. .
ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、前記2次元座標系において、目標となる複数の識別座標エリアを設定し、前記操作部の前記現位置座標または、外部からの信号に応じて、前記複数の識別座標エリアから選ばれる1つの識別座標エリア内に前記目標位置座標を設定し、前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第1の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第1の利得よりも大きい利得を設定する。 In a preferred embodiment, the control arithmetic processing unit sets a plurality of target identification coordinate areas in the two-dimensional coordinate system, and according to the current position coordinates of the operation unit or an external signal, When the target position coordinate is set in one identification coordinate area selected from the plurality of identification coordinate areas, and the current position coordinate of the operation unit is within the range of the identification coordinate area, the position feedback control A first gain is set, and when the current position coordinate is outside the range of the identification coordinate area, a gain larger than the first gain is set.
ある好ましい実施形態において、前記制御演算処理部は、所定の駆動波形パターンを有する駆動信号を生成し、前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第3を駆動する信号を生成し、前記第3の駆動部により可動ユニットは前記Z軸回りの方向へ振動駆動する。 In a preferred embodiment, the control arithmetic processing unit generates a drive signal having a predetermined drive waveform pattern, the drive circuit unit receives the drive signal, generates a signal for driving the third, and The movable unit is driven to vibrate in the direction around the Z-axis by the third drive unit.
ある好ましい実施形態において、前記所定の駆動波形パターンは、可聴領域の周波数成分を有する振動波形を含む。 In a preferred embodiment, the predetermined drive waveform pattern includes a vibration waveform having a frequency component in an audible region.
ある好ましい実施形態において、検出器は、固定ユニットに対する操作部のX軸、Y軸回りの回転角度を検出する第1の検出部と、固定ユニットに対する操作部のZ軸回りの回転角度を検出する第2の検出部と含む。 In a preferred embodiment, the detector detects a rotation angle around the Z axis of the operation unit relative to the fixed unit, and a first detection unit that detects rotation angles around the X axis and the Y axis of the operation unit relative to the fixed unit. Including the second detection unit.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットの凹部が凸状球面で、固定ユニットの凸状球面が凹部である。 In a preferred embodiment, the concave portion of the movable unit is a convex spherical surface, and the convex spherical surface of the fixed unit is a concave portion.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットの凹部は円錐状の表面を有する。 In certain preferred embodiments, the recess of the movable unit has a conical surface.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、凸状球面を固定するホルダーバーが挿入される開口部を有し、開口部とホルダーバーとが接触することにより、可動ユニットの回転角度が制限される。 In a preferred embodiment, the movable unit has an opening into which a holder bar for fixing the convex spherical surface is inserted, and the rotation angle of the movable unit is limited by contact between the opening and the holder bar.
ある好ましい実施形態において、固定ユニットに設けられ、可動ユニットが固定ユニットから脱落しないように可動ユニットの移動を制限する規制面を有する脱落防止部材をさらに備え、規制面は、球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有する。 In a preferred embodiment, the apparatus further comprises a drop-off preventing member provided on the fixed unit and having a restriction surface that restricts movement of the movable unit so that the movable unit does not fall off the fixed unit, and the restriction surface has a center that coincides with the center of the ball. A concave partial spherical surface.
ある好ましい実施形態において、第1の駆動部は、可動ユニットにおいて、Z軸に対して対称に配置された1対の第1の駆動磁石と、1対の第1の駆動磁石に対向するよう固定ユニットにそれぞれ配置された1対の第1の磁気ヨークと、1対の第1の磁気ヨークにそれぞれ巻回された1対の第1の駆動コイルとを含み、第2の駆動部は、可動ユニットにおいて、Z軸に対して対称に配置された1対の第2の駆動磁石と、1対の第2の駆動磁石に対向するよう固定ユニットにそれぞれ配置された1対の第2の磁気ヨークと、1対の第2の磁気ヨークにそれぞれ巻回された1対の第2の駆動コイルとを含み、1対の第1の駆動磁石および1対の第1の駆動コイルは、凸状球面の球心を通る直線上に設けられ、1対の第2の駆動磁石および第2の駆動コイルは、凸状球面の球心を通り、直線と直交する他の直線上に設けられ、各第1の駆動磁石、第1の駆動コイル、第2の駆動磁石および第2の駆動コイルのZ軸方向における中心の位置は、凸状球面部の球心の位置とほぼ一致している。 In a preferred embodiment, the first drive unit is fixed in the movable unit so as to face the pair of first drive magnets arranged symmetrically with respect to the Z axis and the pair of first drive magnets. A pair of first magnetic yokes disposed in the unit, and a pair of first drive coils wound around the pair of first magnetic yokes, respectively, and the second drive unit is movable In the unit, a pair of second drive magnets arranged symmetrically with respect to the Z-axis, and a pair of second magnetic yokes arranged respectively on the fixed unit so as to face the pair of second drive magnets And a pair of second drive coils wound around a pair of second magnetic yokes, respectively, and the pair of first drive magnets and the pair of first drive coils are convex spherical surfaces. A pair of second drive magnets and second drive provided on a straight line passing through the ball center The coils are provided on another straight line that passes through the spherical center of the convex spherical surface and is orthogonal to the straight line, and each of the first drive magnet, the first drive coil, the second drive magnet, and the Z of the second drive coil. The position of the center in the axial direction substantially coincides with the position of the spherical center of the convex spherical portion.
ある好ましい実施形態において、第3の駆動部は、1対の第1の磁気ヨークおよび1対の第2の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第3の駆動コイルを含み、1対の第1の駆動磁石および1対の第2の駆動磁石を第3の駆動磁石として用いる。 In a preferred embodiment, the third drive unit includes a third drive coil wound around the pair of first magnetic yokes and the pair of second magnetic yokes, respectively, and the pair of first magnetic yokes. A drive magnet and a pair of second drive magnets are used as a third drive magnet.
ある好ましい実施形態において、少なくとも1つの磁性体は、1対の第1の磁気ヨークおよび1対の第2の磁気ヨークである。 In a preferred embodiment, the at least one magnetic body is a pair of first magnetic yokes and a pair of second magnetic yokes.
ある好ましい実施形態において、少なくとも1つの吸着用磁石は、1対の第1の駆動磁石および1対の第2の駆動磁石である。 In a preferred embodiment, the at least one attracting magnet is a pair of first drive magnets and a pair of second drive magnets.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットが中立の位置にある状態において、1対の第1の駆動磁石および1対の第2の駆動磁石は、Z軸に垂直である球心を通る水平面に対して下向きに、45度以下の回転角度Aをなすように配置されており、1対の第1の駆動磁石および1対の第2の駆動磁石に対向するように第1の駆動コイルと1対の第1の磁気ヨークおよび1対の第2の駆動コイルとに1対の第2の磁気ヨークを固定ユニットに回転して配置されている。 In a preferred embodiment, with the movable unit in a neutral position, the pair of first drive magnets and the pair of second drive magnets are relative to a horizontal plane passing through a sphere center that is perpendicular to the Z axis. It is arrange | positioned so that the rotation angle A of 45 degrees or less may be made downward, and a 1st drive coil and 1 pair of 1 pair so as to oppose 1 pair of 1st drive magnets and 1 pair of 2nd drive magnets A pair of second magnetic yokes are arranged so as to rotate around the fixed unit between the first magnetic yoke and the pair of second drive coils.
ある好ましい実施形態において、回転角度Aが15ないし25度である。 In a preferred embodiment, the rotation angle A is 15 to 25 degrees.
ある好ましい実施形態において、1対の第1の駆動磁石、1対の第2の駆動磁石は、それぞれ、可動ユニットの内側に位置しており、可動ユニットの外形面において露出していない。 In a preferred embodiment, the pair of first drive magnets and the pair of second drive magnets are located inside the movable unit and are not exposed on the outer surface of the movable unit.
ある好ましい実施形態において、1対の第1の駆動コイル、1対の第2の駆動コイルおよび1対の第3の駆動コイルは、それぞれ、固定ユニットの内側に設けられ、固定ユニットの外形面において露出していない。 In a preferred embodiment, the pair of first drive coils, the pair of second drive coils, and the pair of third drive coils are each provided inside the fixed unit, and on the outer surface of the fixed unit Not exposed.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、樹脂材料によって構成されている。 In a preferred embodiment, the movable unit is made of a resin material.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットは、1対の第1の駆動磁石、1対の第2の駆動磁石とともに一体成型されている。 In a preferred embodiment, the movable unit is integrally formed with a pair of first drive magnets and a pair of second drive magnets.
ある好ましい実施形態において、固定ユニットは、樹脂材料によって構成されている。 In a preferred embodiment, the fixing unit is made of a resin material.
ある好ましい実施形態において、固定ユニットは、1対の第1の駆動コイル、1対の第2の駆動コイル、第3の駆動コイル、1対の第1の磁気ヨーク、1対の第2の磁気ヨークとともに一体成型されている。 In a preferred embodiment, the fixed unit includes a pair of first drive coils, a pair of second drive coils, a third drive coil, a pair of first magnetic yokes, and a pair of second magnetic coils. Molded together with the yoke.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットの重心は球心と一致している。 In a preferred embodiment, the center of gravity of the movable unit is coincident with the ball center.
ある好ましい実施形態において、第1の検出部は、固定ユニットに固定された第1の磁気センサーと、可動ユニットに設けられた回転検出用磁石とを含み、第1の磁気センサーは、回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出し、X軸、Y軸回りの2次元の回転角度を算出する。 In a preferred embodiment, the first detection unit includes a first magnetic sensor fixed to the fixed unit and a rotation detection magnet provided in the movable unit, and the first magnetic sensor is used for rotation detection. A magnetic force change due to the rotation of the magnet is detected, and a two-dimensional rotation angle around the X and Y axes is calculated.
ある好ましい実施形態において、第1の磁気センサーおよび回転検出用磁石は、Z軸上に位置している。 In a preferred embodiment, the first magnetic sensor and the rotation detection magnet are located on the Z axis.
ある好ましい実施形態において、第1の検出部は、固定ユニットに固定された光センサーと、可動ユニットの凸状球面部の一部に設けられた光検出パターンとを含み、光センサーは、光検出パターンの回転による光センサーに入射する光の変化を検出し、操作部のX軸、Y軸回りの2次元の回転角度を算出する。 In a preferred embodiment, the first detection unit includes a photosensor fixed to the fixed unit and a photodetection pattern provided on a part of the convex spherical portion of the movable unit. A change in light incident on the optical sensor due to the rotation of the pattern is detected, and a two-dimensional rotation angle around the X axis and Y axis of the operation unit is calculated.
ある好ましい実施形態において、光センサーおよび光検出パターンは、Z軸上に位置している。 In a preferred embodiment, the photosensor and photodetection pattern are located on the Z axis.
ある好ましい実施形態において、可動ユニットが中立の位置にあるとき、Z軸に直交する平面において、第1の磁気センサーは、それぞれ、1対の第1の駆動磁石を結ぶ直線および1対の第2の駆動磁石を結ぶ直線に対して45度の角度をなす直線上に配置されている。 In a preferred embodiment, when the movable unit is in a neutral position, the first magnetic sensor has a straight line connecting a pair of first drive magnets and a pair of second in a plane perpendicular to the Z axis. Are arranged on a straight line forming an angle of 45 degrees with respect to a straight line connecting the drive magnets.
ある好ましい実施形態において、第2の検出部は、可動ユニットにおいてZ軸に対して対称に配置された1対の回転検出用磁石と、固定ユニットに固定され、1対の回転検出用磁石のそれぞれに対して、対峙するように固定された1対の第2の磁気センサーとを含み、1対の第2の磁気センサーは、回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出して、操作部の回転角度を算出する。 In a preferred embodiment, the second detection unit includes a pair of rotation detection magnets arranged symmetrically with respect to the Z axis in the movable unit, and a pair of rotation detection magnets fixed to the fixed unit. The pair of second magnetic sensors includes a pair of second magnetic sensors fixed so as to face each other, and the pair of second magnetic sensors detects a change in magnetic force due to the rotation of the rotation detection magnet, and Calculate the rotation angle.
ある好ましい実施形態において、1対の回転検出用磁石は、Z軸に直交する平面において、球心を通る直線に平行であり互いに逆向き方向に2極分割着磁された磁石から構成されている。 In a preferred embodiment, the pair of rotation detection magnets is composed of magnets that are parallel to a straight line passing through the sphere center and divided into two poles in opposite directions in a plane orthogonal to the Z axis. .
ある好ましい実施形態において、脱落防止部材の規制面と可動ユニットの外形面との間に空隙が設けられており、可動ユニットの凹部が固定ユニットの凸状球面から離間しても、磁気吸引力によって、点または線接触の状態に復帰ように空隙は決定されている。 In a preferred embodiment, a gap is provided between the regulating surface of the drop-off preventing member and the outer surface of the movable unit, and even if the concave portion of the movable unit is separated from the convex spherical surface of the fixed unit, the magnetic attraction force The air gap is determined so as to return to the point or line contact state.
本開示の入出力操作装置によれば、手指に接触する表面を有する操作部の中心軸の延長上に、固定部に設けた球状の突起部の球心と突起部に接触するように可動部に設けられた円錐状の凹状接触面の中心軸を配し、かつ2つに分割された可動部を球状の突起部を中心に包み込むように接合させる可動部構成をとることにより、操作部を搭載する可動部の重心支持を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。 According to the input / output operation device of the present disclosure, on the extension of the central axis of the operation unit having a surface that comes into contact with the finger, the movable part is in contact with the spherical center of the spherical protrusion provided on the fixed part and the protrusion. The operation part is arranged by arranging the central axis of the conical concave contact surface provided on the movable part and joining the movable part divided into two so as to wrap around the spherical protrusion part. The center of gravity of the movable part to be mounted can be supported, and mechanical resonance can be greatly suppressed in the drive frequency region.
さらに回動角度に影響しない磁気吸引力で、固定部の突起部と可動部の凹状接触面とからなるピポッド構成において一定の垂直抗力を付加することにより、回動角度に対する摩擦負荷変動を低減し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。 In addition, with a magnetic attraction force that does not affect the rotation angle, a constant normal force is applied to the pipette structure consisting of the protrusion of the fixed part and the concave contact surface of the movable part, thereby reducing the friction load fluctuation with respect to the rotation angle. It is possible to realize good phase / gain characteristics in the drive frequency region.
さらに従来、磁気吸引力による支持構成で特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動部の脱落防止に関しては、可動部が回動可能な所定の空隙を介して固定部に脱落防止規制面を設けることにより装置の大型化を回避しながら確実に可動部の脱落防止を実現できる。 Furthermore, with regard to prevention of falling off of the movable part due to disturbances such as vibration and impact, which has been a major problem in the conventional support structure using magnetic attraction force, the movable part falls off to the fixed part via a predetermined gap that can be rotated. By providing the prevention regulating surface, it is possible to reliably prevent the movable part from falling off while avoiding the enlargement of the apparatus.
さらに凹状接触面を突起部より空隙の距離を係脱させた状態においても、磁気吸引力により凹状接触面が突起部に移動し接触復帰できる距離の空隙を設けることにより、たとえ可動部が瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて安全な入出力操作装置を提供できる。 In addition, even when the concave contact surface is disengaged from the protrusion, the movable contact is instantaneous even if the concave contact surface is moved to the protrusion by the magnetic attraction force so that the contact can be restored. Therefore, even if the device falls off, it is possible to provide an extremely safe input / output operation device that can immediately return to the original good support state.
さらにX軸、Y軸回りの回転駆動手段およびZ軸回りの回転駆動手段は、Z軸を中心とする円周状に配置された互いに直交する2対の可動部に固定された駆動磁石と、駆動磁石に対向するよう固定部にそれぞれ配設された2対の駆動コイルと磁気ヨークからなり、かつZ軸方向の配設される高さ位置は突起部の球心の高さ位置にほぼ等しくすることで可動部の重心駆動を実現するとともに駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑圧することができる。 Furthermore, the rotation driving means around the X axis and the Y axis and the rotation driving means around the Z axis are a drive magnet fixed to two pairs of movable parts orthogonal to each other and arranged in a circle around the Z axis, It consists of two pairs of drive coils and magnetic yokes arranged on the fixed part so as to face the drive magnet, and the height position arranged in the Z-axis direction is almost equal to the height position of the spherical center of the projection part As a result, the center of gravity of the movable part can be driven and mechanical resonance can be significantly suppressed in the driving frequency region.
さらに駆動磁石に対向する磁気ヨークの投影面積をほぼ等しくすることで、可動部のX軸およびY軸回りの回転角度およびZ軸回りの回転角度が0度の場合に、磁気ヨークと駆動磁石との磁気バネによる可動部の中立点を保持することができる。 Further, by making the projected area of the magnetic yoke facing the drive magnet substantially equal, when the rotation angle of the movable part about the X axis and the Y axis and the rotation angle about the Z axis are 0 degrees, the magnetic yoke, the drive magnet, The neutral point of the movable part can be held by the magnetic spring.
さらに可動部を回転させた後には、中立点へこの磁気バネにより復帰させることができ、復帰動作に特別な構造や付加すべき駆動電流も必要としない。 Furthermore, after rotating the movable part, it can be returned to the neutral point by this magnetic spring, and no special structure or drive current to be added is required for the return operation.
また、車載用電子シフター等の操作入力装置においては、各設定されたシフトポジションへ入力後に中立点に自動的に復帰し保持されていることが必要条件とされるため、磁気バネによる可動部の中立点への復帰動作が可能な本発明の入出力操作装置で、電子シフター等への応用が実現しうる。 In addition, in an operation input device such as an in-vehicle electronic shifter, it is necessary to automatically return to and hold the neutral point after input to each set shift position. The input / output operation device of the present invention capable of returning to the neutral point can be applied to an electronic shifter or the like.
さらに良好な周波数応答特性と高い回転角度分解能を実現できるアクチュエータであることから、指先による可動ユニットの動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック操作入力やスワイプ操作入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。 In addition, because it is an actuator that can realize good frequency response characteristics and high rotation angle resolution, the motion detection sensitivity of the movable unit by the fingertip is very high, and detection of flick operation input and swipe operation input often used in mobile terminals It is also possible to detect text input.
さらに接触面である可動ユニットの凹部の円錐表面もしくは固定ユニットの凸状球面の表層部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性の優れた支持構成を実現できる。 Further, by covering the conical surface of the concave portion of the movable unit, which is the contact surface, or the surface layer portion of the convex spherical surface of the fixed unit with a resin member, it is possible to realize a support structure with low friction and excellent wear resistance.
円錐状の凹部の接触面と遊嵌する凹状部分球面とで構成されたピボット構成の空間に振動減衰用の粘性部材もしくは磁性流体を充填することにより、可動部に搭載される駆動磁石と固定部に設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力の磁気バネ効果による振幅増大係数(Q値)や機械的な固有振動のQ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。 A drive magnet and a fixed part mounted on the movable part by filling a viscous member for damping vibration or a magnetic fluid into a pivotal space constituted by a conical concave contact surface and a concave part spherical surface that is loosely fitted. The amplitude increase coefficient (Q value) due to the magnetic spring effect of the magnetic attraction force generated between the magnetic yoke and the magnetic yoke and the Q value of mechanical natural vibration can be reduced, and good control characteristics can be obtained.
以上のように本発明は、X軸とY軸回りに±25度以上の大きな回転駆動と±5度以上のZ軸回りの回転駆動を可能とするピボット支持系を原点である球心に配置させることにより、200Hz程度までの広帯域の周波数領域で操作部の良好な入出力制御を実現できる。 As described above, according to the present invention, the pivot support system that enables a large rotational drive of ± 25 degrees or more around the X axis and the Y axis and a rotational drive around the Z axis of ± 5 degrees or more is arranged on the spherical center that is the origin. By doing so, it is possible to realize good input / output control of the operation unit in a wide frequency range up to about 200 Hz.
その結果、操作部のX、Y、Z軸の3軸マルチ高速操作を実現できるとともに、従来にない新しい触力覚を操作者に感じさせることができる入出力操作装置を提供する。 As a result, it is possible to provide an input / output operation device that can realize a three-axis multi-speed operation of the X, Y, and Z axes of the operation unit and can make the operator feel a new haptic sensation that has not existed before.
さらに、操作部をZ軸中心に右もしくは左回りに回しながら、同時にX軸とY軸へ移動操作する3軸同時操作が可能なことから、操作者は、携帯端末でよく使用されているピンチ操作入力による画面の拡大縮小やスクロール操作入力の代替入力の検出も可能となりえる。 Furthermore, since the three-axis simultaneous operation in which the operation unit is rotated clockwise or counterclockwise about the Z-axis and simultaneously moved to the X-axis and the Y-axis is possible, the operator can use a pinch often used in mobile terminals. It is also possible to detect enlargement / reduction of the screen by the operation input and alternative input of the scroll operation input.
さらに堅牢な可動部の脱落防止構造を小型化で実現できるため、振動や落下衝撃等の外乱から完全に防御できる安全性の高い入出力操作装置を提供できる。 Furthermore, since a robust structure for preventing the movable part from falling off can be realized by downsizing, it is possible to provide a highly safe input / output operation device that can completely protect against disturbances such as vibration and drop impact.
(第1の実施形態)
以下、本発明による入出力操作装置の第1の実施形態を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of an input / output operation device according to the present invention will be described.
図1は、本発明の第1の実施形態である入出力操作装置750のアクチュエータ165を示す分解斜視図であり、図2は、本発明の第1の実施形態である可動ユニット180の分解斜視図である。図3A、図3Bは、可動部180の磁気バックヨーク670を示す斜視図である。図4Aは、アクチュエータ165を斜め上方から見た斜視図である。図4Bは、一部の構成要素である脱落防止部材201を取り除いた状態にあるアクチュエータ165を斜め上方から見た斜視図である。図4Cは、一部の構成要素である脱落防止部材201を斜め上方から見た斜視図である。図5Aは、Z軸10方向から見た上面図である。図5Bは、図5Aに示す直線13の方向から見た平面図である。図6は、操作部850と上部可動部150を排除したアクチュエータ165の斜視図である。図7は、上方から見た固定ユニットの斜視図である。図8Aは、固定ユニットの概略構成を示す分解斜視図である。図8Bは、固定ユニットに搭載される一つの駆動手段の構成を示す分解斜視図である。図9A、図9Bは、アクチュエータ165の上面図およびZ軸10と回転軸11を含む平面での断面図である。図10A、図10Bは、アクチュエータ165の上面図およびZ軸10と回転軸12を含む平面での断面図である。図11A、図11Bは、アクチュエータ165の上面図およびZ軸10と直線13を含む平面での断面図である。図12は、回転方向20と回転方向21に同角度ずつ回転した合成角度θxyに回転させた状態における上方から見た脱落防止部材201を排除した斜視図である。図13A、図13Bは、アクチュエータ165の脱落防止部材201を排除した上面図および回転方向20と回転方向21に同角度ずつ回転した合成角度θxyに回転させた状態における脱落防止部材201を排除したZ軸10と直線14を含む平面での断面図である。図14A、図14Bは、固定ユニットの上面図およびZ軸10と回転軸11を含む平面での断面図である。図15は、アクチュエータ165のセンサー基板502をZ軸10の上方から見た上面図である。図16は、本発明の第1の実施形態の入出力操作装置750の全体構成図である。図17は、本発明の第1の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。これらの図を参照してアクチュエータ165と入出力操作装置750の主な構成を説明する。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an
入出力操作装置750のアクチュエータ165は、操作部850と、操作部850を搭載する可動ユニット180と、可動ユニット180を支持する固定ユニットとを備える。
The
可動ユニット180は、固定ユニットに対して、Z軸10を中心に回転する回転方向22、Z軸10に直交し、球心70を通る回転軸(X軸)11を中心に回転する回転方向21およびZ軸10に直交し球心70を通る回転軸(Y軸)12を中心に回転する回転方向20に自在に回転する。回転軸11と回転軸12とは互いに直交している。このために、アクチュエータ165は、可動ユニット180を回転方向20および回転方向21へ回転(傾斜)させるための第1の駆動部および第2の駆動部と、固定ユニットに対して操作部850を回転方向22に回転させる第3の駆動部とを備える。各駆動部は、駆動磁石と、駆動コイルおよび磁気ヨークとの組み合わせを含む。例えば。駆動磁石は可動ユニット180に設けられ、駆動コイルおよび磁気ヨークは固定ユニットに設けられる。
The
第1の駆動部は、1対の駆動磁石401と、1対の駆動コイル301と、磁性体からなる1対の磁気ヨーク203とを含む。さらに1対の駆動コイル301の内側には、後述するZ軸10を中心に回転方向22に回転駆動する第3の駆動部である1対の駆動コイル303が巻回されている。駆動磁石401と磁気ヨーク203は、球心70を中心とする円周曲面を2側面に有した部分的な円管形状を有する。
The first drive unit includes a pair of
第2の駆動部は、1対の駆動磁石402と、1対の駆動コイル302と、磁性体からなる1対の磁気ヨーク204とを含む。さらに1対の駆動コイル302の内側には、後述するZ軸10を中心に回転方向22に回転駆動する第3の駆動部である1対の駆動コイル303が巻回されている。駆動磁石402と磁気ヨーク204も、球心70を中心とする円周曲面を2側面に有した部分的な円管形状である。
The second drive unit includes a pair of
第1、第2および第3の駆動部による可動ユニット180の駆動については以下において詳細に説明する。
The driving of the
アクチュエータ165は、操作部850が搭載された可動ユニット180の、固定ユニットに対する回転角度およびのZ軸10回りの回転角度を検出するための検出器を備える。具体的には、可動ユニット180の2次元の回転(傾斜)角度、つまり、回転方向20および回転方向21の回転角度を検出するための第1の検出部と、回転方向22の傾斜角度を検出するための第2の検出部とを備える。第2の検出部は図示しないが、Z軸10に直交する平面内で球心70を中心に可動部180の両端に配置された1対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース200に配置された一対の磁気センサーから構成される。しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置750が回転方向22の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第1の検出部においても十分検出が可能となり、第2の検出部は不要となる。
The
第1の検出器は、可動部180の底部に搭載された回転検出用磁石406と、球心70を通り、回転軸11、12を含む平面で回転軸11、12と直交する直線13に対して平行でZ軸10を中心に配置された一対の磁気センサー501aと501bと、球心70を通り、回転軸11、12を含む平面で直線13に直交する直線14に対して平行でZ軸10を中心に配置された一対の磁気センサー503aと503bとから構成される。磁気センサー501a、501bと503a、503bは、センサー基板502に搭載され、回転検出用磁石406と所定の空隙を隔ててコイルバネ600を介しベース200に固定されている。検出器については、以下において詳細に説明する。
The first detector is connected to a
固定ユニットはベース200を含む。ベース200は、可動ユニット180の少なくとも一部が遊嵌する凹部を有する。本実施形態では、凹部の内側面は凹状球面200Aによって構成されている。ベース200は、さらに開口部200P、200Tと、接触面200Bとを有する。
The fixed unit includes a
図1に示すように、アクチュエータ165は、可動ユニット180を回転方向22に回転させるため、1対の磁気ヨーク203および1対の磁気ヨーク204と、それらを巻回する4個の駆動コイル303と、1対の駆動磁石401および1対の駆動磁石402を用いる。
As shown in FIG. 1, the
図1、図8Aおよび図8Bに示すように駆動コイル303は、一対の磁気ヨーク203および1対の磁気ヨーク204にそれぞれ駆動コイル301および駆動コイル302のコイル巻回方向に対して直交するように内側に積層され巻回された十字巻き構成を有し、それぞれベース200の開口部200P、200Tに挿入固定される。具体的には、一対の磁気ヨーク203および1対の磁気ヨーク204に駆動コイル303を巻回した後、一対の磁気ヨーク203および1対の磁気ヨーク204の両側面に磁気ヨークホルダ203L、203Rおよび磁気ヨークホルダ204L、204Rを固定し、その後に一対の駆動コイル301および302を全体に巻回する。さらに磁気ヨークホルダ203L、203Rおよび磁気ヨークホルダ204L、204Rの底部をベース200の取付け面200Sに固定することで固定ユニットに駆動部が装着される。
As shown in FIG. 1, FIG. 8A and FIG. 8B, the
好ましくは、ベース200を含む固定ユニットは樹脂によって構成されている。さらに好ましくは、ベース200を含む固定ユニットは、1対の磁気ヨーク203に巻回された駆動コイル301と駆動コイル303、1対の磁気ヨーク204に巻回された駆動コイル302と駆動コイル303とで一体成型されている。また、これらの磁気ヨークに巻回された駆動コイルは、ベース200の内側面、つまり、凹状球面200Aにおいて露出していないことが好ましい。
Preferably, the fixing unit including the
可動ユニット180は上部可動部150と下部可動部102とを含む。操作部850を内蔵する上部可動部150は下部可動部102に固定される。操作部850は、可動ユニット180において、Z軸10上に位置している。操作部850は概ね凸形状を有し、凸形状の中心(もっとも突出している部分)はZ軸10と一致している。可動ユニット180には、カメラや発光素子などは設けられていない。
The
下部可動部102は、一対の開口部102Wを有する壺形状を備える。下部可動部102は、球心70を球心とする凸状球面102Rを外形に有する。
The lower
凸状球面102Rは、下部可動部102の外側全体を覆っている。より具体的には、下部可動部102は、後述する球心70を球心とする凸状球面部651をベース200に連結固定する連結棒650を挿入可能な一対の開口部102Wを有している。開口部102Wは、可動ユニット180が、Z軸10、回転軸11および回転軸12周りに、あらかじめ設定された角度範囲で回転した場合に連結棒650が下部可動部102に接触することがないような位置および大きさで下部可動部102に設けられている。さらに、開口部102Wは、可動ユニット180の回転方向22のストッパーとして用いられる。したがって、開口部102W以外の部分の表面が凸状球面102Rを構成している。
The convex
凸状球面部651と凸状球面102Rの球心70は、下部可動部102の中心に位置しており、操作部850の下部に位置している。
The
可動ユニット180には、回転検出用磁石406と1対の駆動磁石401と、1対の駆動磁石402とが設けられる。凸状球面102Rに露出することがないよう、搭載する検出用磁石や駆動磁石は開口部102Hから下部可動部102の内側に配置されることが好ましい。下部可動部102は、好ましくは樹脂によって構成され、下部可動部102と回転検出用磁石406と1対の駆動磁石401と1対の駆動磁石402とが一体的に成型されている。
The
図9B、図10Bに示すように、ベース200の内側に設けられている磁気ヨーク203および磁気ヨーク204は磁性体からなる。このため、それぞれに対向するように下部可動部102の内側に設けられた駆動磁石401および駆動磁石402は吸着用磁石として機能し、磁気ヨークと駆動磁石との間にそれぞれ磁気吸引力が発生する。具体的には、磁気ヨーク203と駆動磁石401とに磁気吸引力F1が、磁気ヨーク204と駆動磁石402とに磁気吸引力F1が発生する。実際には磁気ヨーク203と駆動磁石401の中心線18および磁気ヨーク204と駆動磁石402の中心線19は、それぞれ直線11、直線12に対して下向きの傾斜角度θdで構成されている。傾斜角度θdは15度〜25度程度が好ましい。 上部可動部105は、下部可動部102の壺形状の開口と対応する開口を有する壺形状を備える。下部可動部102は、球心70を球心とする凸状球面105Rを外形に有する。また、上部可動部150の壺形状の内部に、凹状円錐面860aを含む凹状円錐部材860が設けられている。凹状円錐面860aは、下部可動部102に対向しており、は固定ユニットの凸状球面部651の凸状球面651aに接触する。これにより、可動ユニット180は固定ユニットに対して遊嵌される。
As shown in FIGS. 9B and 10B, the
図9Bに示すように、磁気吸引力F1は、固定ユニットの凸状球面部651の凹状円錐部材860に対する垂直抗力となる。また、磁気吸引力F1は、Z軸10方向の合成ベクトルである磁気吸引力F2となる。この力のバランスは、いわゆる『ヤジロベエ』の力学構成に良く似ている。このため、可動ユニット180は、非常に安定して3軸方向に回転し得る。具体的には、可動ユニット180は球心70近傍において固定ユニットにピボット支持される。この支持は、極めて安定であり、摩擦抵抗が小さい。よって、極めて優れた動特性を実現できる。つまり、Z軸10、回転軸11、回転軸12を中心とする、可動ユニット180の回転方向22、21、20への回転が可能となる。
As shown in FIG. 9B, the magnetic attractive force F1 is a vertical drag force against the concave
特に、可動ユニット180が、上部可動部150および下部可動部102からなる球体形状を備えているため、球心70を、可動ユニット180中心かつ重心の位置と一致させることができる。このため、可動ユニット180は、回転方向20、回転方向21および回転方向22に、いずれもほぼ等しいモーメントで回転し得る。その結果、可動ユニット180が、回転方向20、回転方向21および回転方向22にどのように回転した状態であっても、常にほぼ同じ駆動力でさらに回転させることが可能であり、可動ユニット180を常に高い精度で駆動させることが可能となる。
In particular, since the
また、球心70、つまり、可動ユニット180の回転中心と、可動ユニット180の重心とが一致するため、可動ユニット180が回転方向20、回転方向21および回転方向22に回転するモーメントは非常に小さい。このため、小さな駆動力で可動ユニット180を中立状態に維持したり、回転方向20、回転方向21および回転方向22に回転させたりすることができる。よって、入出力操作装置750におけるアクチュエータ165の消費電力を低減させることができる。特に可動ユニット180を中立状態で維持するための必要な駆動電流をほとんどゼロにすることも可能である。
Further, since the center of rotation of the
このように、本実施形態によれば、操作部850を搭載する可動ユニット180は、重心位置である球心70において集中的に支持される。従って、摩擦による負荷の低減や駆動周波数領域においる機械的共振を大幅に抑圧することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、駆動磁石401および駆動磁石402は、部分円周曲面を有するため、回転角度の大小に影響されることなく、一定の磁気吸引力F2を発生させることができ、固定ユニットの凸状球面部651と凹状円錐部材860との垂直抗力も一定となる。その結果、回転角度による摩擦負荷の変動を抑制し、駆動周波数領域において良好な位相・ゲイン特性を実現できる。
In addition, since the
また凸状球面部651もしくは凹状円錐部材860を摺動性が優れた樹脂部材により構成すれば、接触する凹状円錐面860aと凸状球面651aの摩擦をさらに低減させることが可能であり、耐摩耗性に優れた支持構造を実現できる。
Further, if the convex
アクチュエータ165は、好ましくは、可動ユニット180が固定ユニットから脱落しないように可動ユニット180の移動を制限する脱落防止部材201を含む(図1、図4A、図4C)。脱落防止部材201は、脱落防止用規制面201Aを有し、可動ユニット180が固定ユニットから離れるように移動した場合、可動ユニット180の上部可動部150と脱落防止用規制面201Aとが当接することによって可動ユニット180の移動を制限する(図4A)。
The
上部可動部150が球心70に対して全可動範囲で自在に回動可能になるように、所定の空隙(図示せず)が上部可動部150の凸状球面150Rと脱落防止部材201の脱落防止用規制面201Aとの間に設けられている。
A predetermined gap (not shown) is removed from the convex
好ましくは、脱落防止用規制面201Aは、球心70と一致した中心を有する凹状部分球面を有する。脱落防止部材201はベース200の接触面200Bに固定されている。凸状球面150Rと脱落防止用規制面201Aとの間には、凹状円錐部材860の凹状円錐面860aが固定ユニットの凸状球面部651の凸状球面651aに接触した状態で空隙を設けている。この空隙は、凹状円錐面860aが凸状球面651aから離間しても、磁気吸引力F1により凹状円錐面860aと凸状球面651aが接触する状態へ戻ることが可能な距離に設定されている。つまり、可動ユニット180が上方へ空隙に等しい距離だけ移動し、脱落防止用規制面201Aと凸状球面150Rとが接触した状態においても、磁気吸引力F1により可動ユニット180は、凹状円錐面860aと凸状球面651aが接触する元の状態へ戻ることができる。このため、本実施形態によれば、たとえ可動ユニット180が瞬間的に所定の位置から脱落した場合においても磁気吸引力F1により、即座に元の良好な支持状態に復帰することのできる耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。
Preferably, the drop-off
次に、アクチュエータ165の可動ユニット180を駆動するための構造を詳細に説明する。
Next, the structure for driving the
図2に示すように、下部可動部102には、可動ユニット180を回転方向20に回転駆動するために、1対の駆動磁石401がZ軸10に対して対称に配置され、可動ユニット180を回転方向21に回転駆動するために、1対の駆動磁石402がZ軸10に対して対称に配置されている。固定ユニットに設けられる構成要素について、『Z軸10に対して対称』とは、可動ユニット180が中立状態、つまり可動ユニット180が固定ユニットに対して回転してない状態におけるZ軸10を基準としている。
As shown in FIG. 2, in the lower
駆動磁石401は、回転軸11の方向に磁束を有するように1極に着磁されており、同様に駆動磁石402は、回転軸12の方向に磁束を有するように1極に着磁されている。
The
図1、図9B、図10Bに示し、上述したように、1対の磁気ヨーク203および磁気ヨーク204が、1対の駆動磁石401および1対の駆動磁石402にそれぞれ対向するように、Z軸10を中心としたベース200の円周上にそれぞれ設けられている。
As shown in FIGS. 1, 9B, and 10B and described above, the Z-axis is set so that the pair of
図1、図8Aに示すように、回転軸11の方向にベース200に配置された1対の磁気ヨーク203のそれぞれには、磁気ヨーク203を巻回する駆動コイル303が設けられ、さらに駆動コイル303の外側に駆動コイル303の巻回方向と直交するように4分割された駆動コイル301が設けられている。駆動コイル301が4分割されているのは、磁気ヨーク203が円周曲面を有することに起因する。
As shown in FIGS. 1 and 8A, each of the pair of
同様に回転軸11に直交する回転軸12方向に配置された1対の磁気ヨーク204のそれぞれには、磁気ヨーク204を巻回する駆動コイル303と駆動コイル303の外側に駆動コイル303の巻回方向と直交するように駆動コイル302が設けられている。
Similarly, each of the pair of
言い換えれば、Z軸10を中心とする円周上に、回転方向20、回転方向21および回転方向22の駆動部がそれぞれ独立に分散して配置されている。
In other words, the drive units in the
このような構造によれば、図9B、図10Bに示すように磁気ヨーク203と駆動磁石401との間の磁気ギャップ、磁気ヨーク204と駆動磁石402との間の磁気ギャップを均等に設けることができる。このため、それぞれの磁束密度を均等に向上させることができ、回転方向20、回転方向21および回転方向22への駆動効率が大幅に改善される。
9B and 10B, the magnetic gap between the
次に、各駆動部のZ軸10方向の高さ位置を説明する。
Next, the height position of each drive unit in the Z-
図14Bに示すように、直線36、37は、ベース200に固定される磁気ヨーク203の球心70を通る円周曲面の中心軸(図示せず)と垂直である。また、直線36、37は、中立状態にある可動ユニットの駆動磁石401の球心70を通る円周曲面の中心軸(図示せず)と垂直である。直線36、37は、直線11に対して、下方に45度以下の傾斜角度θpをなしている。図示しないが、ベース200に固定される磁気ヨーク204、駆動磁石402も同様の構成である。このように、一対の駆動磁石401、402と一対の磁気ヨーク203、204は、球心70を含む水平面に対して下向きに45度以下の傾斜角度θpを傾斜したZ軸10を中心とした4枚の花びらのような構成をなしている。具体的には、図14A、図14Bに示したように、一対の磁気ヨーク203のそれぞれは、両側面において磁気ヨークホルダ203L、203Rに挟まれており、磁気ヨークホルダ203L、203Rの底部がベース200の開口部200Pに挿入される。これによって、磁気ヨーク203が、取付け面200Sに固定される。
As shown in FIG. 14B, the
同様に一対の磁気ヨーク204のそれぞれは、両側面において、磁気ヨークホルダ204L、204Rに挟まれており、磁気ヨークホルダ204L、204Rの底部がベース200の開口部200Tに挿入される、これにより、磁気ヨーク204が、取付け面200Sに固定される。
Similarly, each of the pair of
上述したように、傾斜角度θpを45度以下に設定することにより、固定ユニットの高さを小さくし、装置の省スペースと低背化を実現できる。好ましくは、回転傾斜角度θpおよび回転傾斜角度θr、は15度から25度程度であり、より好ましくは、例えば、20度である。 As described above, by setting the inclination angle θp to 45 degrees or less, the height of the fixed unit can be reduced, and the space saving and the low profile of the apparatus can be realized. Preferably, the rotation inclination angle θp and the rotation inclination angle θr are about 15 degrees to 25 degrees, and more preferably, for example, 20 degrees.
1対の駆動コイル301に通電することにより、1対の駆動磁石401は偶力の電磁力を受け、下部可動部102、つまり可動ユニット180は、X軸方向回転軸12を中心に回転方向20に回転駆動される。同様に、1対の駆動コイル302に通電することにより、1対の駆動磁石402は偶力の電磁力を受け、可動ユニット180は、Y軸方向回転軸11を中心に回転方向21に回転駆動される。
By energizing the pair of drive coils 301, the pair of
さらに駆動コイル301および駆動コイル302に同時に通電することにより、操作部850が搭載された可動ユニット180を2次元的に回転させることができる。
図12および図13A、図13Bは、駆動コイル301および駆動コイル302に同時に同等の電流を通電することにより、回転方向20および回転方向21に同角度ずつ回転し、結果として回転方向20と回転方向21と45度をなす直線13方向に合成角度θxyに回転した状態を示したものである。
Furthermore, by simultaneously energizing the
In FIGS. 12, 13A, and 13B, the same current is applied to the
また4つの駆動コイル303に通電することにより、可動ユニット180は同回転方向の電磁力を受け、可動ユニット180は、Z軸10を中心に回転方向22に回転駆動される。
Further, when the four
さらに合成角度θxyに回転した状態において、4つの駆動コイル303に通電すれば、可動ユニット180は直線32を中心に回転方向23に回転駆動される。
Further, when the four
このように、本実施形態は、可動ユニット180に駆動磁石401、駆動磁石402を設けたムービングマグネット駆動方式を採用している。この構成では、一般的に可動ユニット180の重量が増大するという問題が考えられる。しかし、この構成によれば、可動ユニット180への駆動用配線の懸架は不必要となる。
Thus, this embodiment employs a moving magnet drive system in which the
また、可動ユニット180の重心と可動ユニット180の回動中心点が球心70に一致しているため、駆動磁石を搭載することにより重量が増大しても、可動ユニット180の回転モーメントは、大きく増大しない。このため、本実施形態によれば、重量の増大による課題を抑制しつつ、ムービングマグネット駆動方式による利点を享受できる。
Further, since the center of gravity of the
可動ユニット180のZ軸10を中心とする回転方向22の回転角度は、下部可動部102に設けられた一対の開口部102Wとベース200に固定された連結棒650との接触によって制限される。一対の開口部102Wに連結棒650が挿入されているため、開口部102Wが規定する開口の範囲で、連結棒650が開口部102Wを規定する壁と接触することなく可動ユニット180がZ軸10を中心として回転する。開口の範囲を超えて、可動ユニット180が回転しようとすると、連結棒650と一対の開口部102Wを規定する壁が接触するため、それ以上可動ユニット180は回転できない。
The rotation angle of the
ムービングマグネット駆動方式においては、駆動コイル301、駆動コイル302、駆動コイル303の発熱を磁気ヨーク203と磁気ヨークホルダ203L、203Rおよび磁気ヨーク204と磁気ヨークホルダ204L、204Rを介してベース200によって冷却できるという大きな利点がある。さらに、回転方向20および回転方向21への回転角度を20度以上に設計する上では、可動ユニット180を小型化、軽量化できる点で有利である。一方、ムービングコイル駆動方式では駆動コイルがあまりにも肥大化し、可動ユニット180の重量が増加する可能性がある。
In the moving magnet drive system, the heat generated by the
このように、本実施形態によれば、可動ユニット180の操作部850、上部可動部150、下部可動部102、下部可動部102、回転検出用磁石406と固定ユニットに設けられたれた脱落防止用規制面201A、ベース200に設けられた2対の回転用駆動部の中心軸が、すべて支持中心であり駆動中心でもある球心70を通るように構成されている。
As described above, according to the present embodiment, the
従って、可動ユニット180の重心が球心70と一致し、可動ユニット180を重心で支持するとともに、重心を通り互いに直交する3軸回りの回転駆動を実現することができる。また、可動ユニット180の脱落を防止することができる。
Therefore, the center of gravity of the
入出力操作装置750のアクチュエータ165は、可動ユニット180の振幅増大係数(Q値)を低減するため、粘性部材(図示せず)を備えていてもよい。この場合、図9B、図10Bに示すように、上部可動部150に搭載している凹状円錐部材860の凹状円錐面860aと固定ユニットの凸状球面部651の凸状球面651aとの間に粘性部材を設ける。これにより、可動ユニット180に設けられる駆動磁石401、駆動磁石402とベース200に設けられた磁気ヨーク203、磁気ヨーク204との間において回転方向21、22の回転角度および回転方向22の回転角度に対して発生する磁気吸引力変動の磁気バネ効果による振動の振幅増大係数(Q値)や機械的な固有振動のQ値を低減でき、良好な制御特性を得ることができる。
The
次に可動ユニット180の回転角度(傾き)の検出について説明する。図1、図2、図11A、図11Bおよび図15に示すように、アクチュエータ165は、固定ユニットに対する操作部850が搭載された可動ユニット180の回転角度およびのZ軸10回りの回転角度を検出するための検出器を備える。
Next, detection of the rotation angle (tilt) of the
具体的には、可動ユニット180の2次元の回転角度、つまり、回転方向20および回転方向21の回転角度を検出するための第1の検出部と、回転方向22の回転角度を検出するための第2の検出部とを備える。
Specifically, the first detection unit for detecting the two-dimensional rotation angle of the
第2の検出部は図示しないが、Z軸10に直交する平面内で球心70を中心に可動部180の両端に配置された1対の回転検出用磁石と回転検出用磁石に対向するようにベース200に配置された一対の磁気センサーから構成される。
Although not shown, the second detection unit faces a pair of rotation detection magnets and rotation detection magnets arranged at both ends of the
しかしながら、本発明の実施形態のように、入出力操作装置750が回転方向22の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、第1の検出部においても十分検出が可能となり、第2の検出部は不要となる。
However, as in the embodiment of the present invention, when the input /
第1の検出器は、可動部180の底部に搭載された回転検出用磁石406と、球心70を通り、回転軸11、12を含む平面で回転軸11、12と直交する直線13に対して平行でZ軸10を中心に配置された一対の磁気センサー501aと501bと、球心70を通り、回転軸11、12を含む平面で直線13に直交する直線14に対して平行でZ軸10を中心に配置された一対の磁気センサー503aと503bとから構成される。
The first detector is connected to a
磁気センサー501a、501b、503a、503bは、センサー基板502に搭載され、回転検出用磁石406と所定の空隙を隔ててコイルバネ600を介しベース200の底部に固定されている。
The
まず、可動ユニット180の回転方向20および回転方向21における可動ユニット180の回転角度の検出について詳細に説明する。
First, detection of the rotation angle of the
センサー基板502は、3箇所でコイルバネ600を介してベース200に調節ネジ(図示せず)601で固定されており、3つの調節ネジ601をそれぞれ回転させることにより、回転検出用磁石406と磁気センサー501a、501bと503a、503bとの相対的な傾きと距離を変化させる。これにより、磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bの傾き出力信号を最適に調整することが可能となる。
The
図11Bおよび図13A、図13Bに示すように、駆動コイル301および駆動コイル302の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにするため、磁気センサー501a、501bは直線13に平行に配置され、磁気センサー503a、503bは直線14に平行に配置されている。直線13に平行に配置されている磁気センサー501a、501bは、可動ユニット180の回転方向20および回転方向21における回転動作によって生じる回転検出用磁石406の磁力変化を2軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー501aと501bの検出出力を差動検出することで検出信号のS/Nを向上している。
As shown in FIGS. 11B, 13A, and 13B, the
また直線14に平行に配置されている磁気センサー503a、503bは、可動ユニット180の回転方向20および回転方向21における回転動作によって生じる回転検出用磁石406の磁力変化を2軸成分として合成検出し、さらに磁気センサー503aと503bの検出出力を差動検出することで検出信号のS/Nを向上している。
The
さらに本実施形態のように入出力操作装置750が回転方向22の回転方向の正逆検知のみを必要としている場合は、磁気センサー501aと503bとの差動検出と磁気センサー501bと503aとの差動検出により、回転方向22の回転方向の正逆検知が可能となる。
Further, when the input /
このように、本実施形態によれば、回転検出用磁石406と球心70との間隔を短くすることで、回転角度に対して回転検出用磁石406の移動を小さくできる。よって磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bの配置投影面積を小さくすることができる。
Thus, according to the present embodiment, the movement of the
なお、本実施形態では、磁気センサー501a、501bと、磁気センサー503a、503bと回転検出用磁石406とを含んでいたが、他の構成によって検出器を構成してもよい。例えば、Z軸10上において、固定ユニットに設けられた光センサーと、可動ユニット180に設けられた光検出パターンとを含んでいてもよい。可動ユニットが回転することにより、光検出パターンが回転するため、光センサーに入射する光が変化する。光センサーがこの光の変化を検出することにより2次元の回転角度を算出することも可能である。
In this embodiment, the
このように、本実施形態の入出力操作装置750のアクチュエータ165によれば、操作部のZ軸上に、可動ユニットを球心にてピボット支持する構造を配置し、さらにZ軸に垂直で球心を通る平面において球心を中心に2対の駆動部を円周状に配置する、これにより、可動ユニットの回動角度に影響を受けにくい磁気吸引力によって、一定の垂直抗力を付加することができ、回転角度による摩擦負荷変動を低減し、かつ可動ユニットを重心支持・重心駆動する構成が実現し、駆動周波数領域において機械的共振を大幅に抑制することができる。
As described above, according to the
また、従来、磁気吸引力による支持構造に特有の大きな課題であった振動・衝撃等の外乱等による可動ユニット180の脱落を防止するため、固定ユニットに設けられた脱落防止部材に回動可能な所定の空隙を介して脱落防止規制面を設けている。このため装置の大型化を回避しながら確実に可動ユニットの脱落防止を実現できる。
Further, in order to prevent the
また、可動ユニットの凸状球面が固定ユニットの脱落防止規制面に当接する状態まで可動ユニットが脱落した場合でも、磁気吸引力によって、固定ユニットの凸状球面部と可動部の凹状円錐部材とが再び点接触することができるように脱落防止規制面の位置が決定されている。このため、たとえ可動ユニットが瞬間的に脱落した場合においても即座に元の良好な支持状態に復帰できる極めて耐衝撃性に優れた入出力操作装置を提供できる。 Further, even when the movable unit is dropped until the convex spherical surface of the movable unit comes into contact with the drop-off prevention regulating surface of the fixed unit, the convex spherical surface portion of the fixed unit and the concave conical member of the movable portion are caused by the magnetic attractive force. The position of the drop-off prevention regulating surface is determined so that the point contact can be made again. For this reason, even if the movable unit is momentarily dropped, it is possible to provide an input / output operation device with extremely excellent shock resistance that can immediately return to the original good support state.
また駆動部が配置されるZ軸方向の高さ位置は、球心を含む水平面より下方に回転した高さ位置に配置される。このため可動ユニットの重心を球心中心で駆動することができ、かつ低背化が可能となる。 The height position in the Z-axis direction where the drive unit is disposed is disposed at a height position rotated downward from the horizontal plane including the ball center. For this reason, the center of gravity of the movable unit can be driven around the center of the sphere, and the height can be reduced.
また、可動部とベースを樹脂材料にするかもしくは固定ユニットの凸状球面部と凹状円錐部材の表面部分を樹脂部材で被覆することで、低摩擦で耐摩耗性に優れた支持構造が実現する。 Also, a support structure with low friction and excellent wear resistance is realized by using a resin material for the movable portion and the base, or by covering the convex spherical surface portion of the fixed unit and the surface portion of the concave conical member with a resin member. .
また、上部可動部の凹状円錐面と固定ユニットの凸状球面で形成れる空隙に粘性部材を充填することにより、可動ユニットに設けられた駆動磁石と固定ユニットに設けられた磁気ヨークとの間に発生する磁気吸引力変動に起因する磁気バネ効果による振動の振幅増大係数(Q値)や機械的な固有振動のQ値を低減することができ、良好な制御特性を得ることができる。 In addition, by filling the gap formed by the concave conical surface of the upper movable portion and the convex spherical surface of the fixed unit with a viscous member, the gap between the drive magnet provided in the movable unit and the magnetic yoke provided in the fixed unit is increased. It is possible to reduce the amplitude increase coefficient (Q value) of vibration due to the magnetic spring effect and the Q value of mechanical natural vibration due to the generated magnetic attraction force fluctuation, and to obtain good control characteristics.
従って、本実施形態の入出力操作装置のアクチュエータによれば、例えば、直交するX軸、Y軸があって、X軸回りおよびY軸回りに±20度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させ、また、X軸、Y軸に直交するZ軸回りに±5度以上の大きな角度で可動ユニットを回転させることができる。また、200Hz程度までの広帯域の周波数領域で良好な振れ補正制御を実現できる。その結果、操作部のX軸・Y軸・Z軸回りの回転動作を実現するとともに、小型で堅牢な脱落防止構造を備えるため、振動や落下衝撃等の外部からの衝撃に対する耐衝撃性の強い入出力操作装置のアクチュエータが実現する。 Therefore, according to the actuator of the input / output operation device of this embodiment, for example, there are orthogonal X-axis and Y-axis, and the movable unit is rotated at a large angle of ± 20 degrees or more around the X-axis and Y-axis. In addition, the movable unit can be rotated at a large angle of ± 5 degrees or more around the Z axis orthogonal to the X axis and the Y axis. Also, good shake correction control can be realized in a wide frequency range up to about 200 Hz. As a result, the operation unit can rotate around the X, Y, and Z axes, and has a compact and robust drop-off prevention structure, so it has high impact resistance against external impacts such as vibration and drop impact. The actuator of the input / output operation device is realized.
次に、図16、図17を用いて、このアクチュエータ165を有する第1の実施形態の入出力操作装置750の動作を説明する。
Next, the operation of the input /
図16に示すように、本発明の第1の実施形態の入出力操作装置750は、アクチュエータ165と、駆動回路部350と、検出回路部360と、制御演算処理部94とを備える。入出力操作装置750は、さらにアクチュエータ165の目標位置座標を表示する表示演算処理部700を備えていてもよい。
As illustrated in FIG. 16, the input /
表示演算処理部700に表示された目標位置座標920に対して入出力操作装置750におけるアクチュエータ165の手指に触れている操作部850を位置追従させることができる。図17は、入出力操作装置750の制御を示す詳細なブロック図である。
The position of the
図17に示すように、駆動回路部350は、駆動回路96a、96b、96rを含む。検出回路部360は、可動ユニット180の増幅回路98x、98yを含む。
As shown in FIG. 17, the
表示演算処理部700に表示された目標の位置座標920のx座標900とy座標901は、具体的には、それぞれ、可動ユニット180の回転方向20、回転方向21の目標回転角度に対応する。
Specifically, the x-coordinate 900 and the y-coordinate 901 of the target position coordinate 920 displayed on the display
また図16に示したように、表示演算処理部700における水平基準HSに対してアクチュエータ165の回転軸11と回転軸12は45度傾斜している。これは前述したようにZ軸方向から見た投影面において、磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bが、駆動コイル301と磁気ヨーク203と磁気ヨークホルダ203L、203Rならびに駆動コイル302と磁気ヨーク204と磁気ヨークホルダ204L、204Rの投影領域以外に設置させる(本実施形態では45度ずらして設置)ことで、駆動コイル301と駆動コイル302の駆動電流が発生させる磁界の影響を受けないようにしているからである。従って、表示演算処理部700における水平基準HS方向である直線14方向に回転する場合、駆動コイル301と駆動コイル302の両方に通電して直線14方向(表示演算処理部700のX軸方向に相当)への駆動が可能となる。また、水平基準HSに垂直な方向である直線13方向に回転駆動する場合においても駆動コイル301と駆動コイル302の両方に通電して直線13方向(表示演算処理部700のY軸方向に相当)への駆動が可能となる。
As shown in FIG. 16, the
その結果、図16に示した表示演算処理部700においてθg=45°の位置座標920のx座標900とy座標901に対して、45度回転している駆動コイル301と駆動コイル302を駆動する場合、回転軸12と回転軸11回りの可動ユニット180の回転角度は、1/√2倍の回転角度となる。
As a result, the display
次に図17を参照しながら、表示演算処理部700から制御演算処理部94を介してアクチュエータ165へ出力される可動ユニット180の位置制御駆動の動作を説明する。
Next, the operation of the position control drive of the
図17に示したように表示演算処理部700における目標の位置座標920のx座標900とy座標901は、それぞれ、デジタル化された目標位置座標信号80x、80yとして出力され、制御演算処理部94に入力される。
As shown in FIG. 17, the x-coordinate 900 and y-coordinate 901 of the target position coordinate 920 in the display
制御演算処理部94は、表示演算処理部700から受け取る目標位置座信号80x、80yと、検出回路部360から受け取る回転角度信号88x、88yに基づき、目標回転角度信号84a、84bを生成することにより、回転軸11、12周りの角度についてフィードバック制御を行う。具体的には、まず制御演算処理部94は、目標位置座標をアクチュエータ165の回転角度に変換する処理を行う。この際に前述した磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bが、駆動コイル301ならびに駆動コイル302と投影面上45度ずれていることによる補正も行う。これによりx座標900とy座標901に相当する回転方向20、回転方向21への目標回転角度を逐次算出する。
The control
また、制御演算処理部94で行われる目標位置に対する位置ずれ補正処理は、表示演算処理部700から出力されたx座標900とy座標901の目標位置座標信号80x、80yに応じて位置誤差を抑制するようにアクチュエータ165の可動ユニット180を駆動する位置クローズド制御である。従って制御演算処理部94は、アクチュエータ165の周波数応答特性と位相補償およびゲイン補正等を含めた最適なデジタルの振れ補正量として逐次目標回転角度信号84a、84bを出力する。
Further, the positional deviation correction processing for the target position performed by the control
目標回転角度信号84a、84bはDA変換器95a、95bによりアナログ化され、アナログの目標回転角度信号85a、85bとして回転軸11回りの駆動回路96a、回転軸12回りの駆動回路96bに入力される。
The target rotation angle signals 84a and 84b are converted into analog signals by the
一方、アクチュエータ165においては、可動ユニット180のベース200に対する回転角度を検出する磁気センサー501a、501bとから回転方向20、すなわち表示演算処理部700のHSに垂直なy軸方向に相当する回転角度信号86yが出力され、磁気センサー503a、503bとから回転方向21、すなわち表示演算処理部700のHS方向に相当する回転角度信号86xが出力される。回転角度信号86x、86yは、アナログ回路97x、97yによってノイズ成分やDCドリフト成分が除去され、回転角度信号87x、87yとなる。さらに増幅回路98x、98yにより増幅され、適切な大きさの振幅を有する回転角度信号88x、88yが得られ、AD変換器99x、99yを介してデジタル化された回転角度信号89x、89yが制御演算処理部94に逐次入力される。
On the other hand, in the
前述した位置クローズド制御は、制御演算処理部94において目標位置座標信号80x、80yによる目標位置座標920と、可動ユニット180の回転角度信号89x、89yによる現位置座標との差分(位置誤差)を算出し、改めて位置誤差に基づいた目標回転角度信号84a、84bを逐次出力することで行われる。
In the position closed control described above, the control
また制御演算処理部94において、可動ユニット180の回転角度信号89x、89yは、表示演算処理部700に表示される位置座標系に逆変換演算され、帰還位置座標信号82x、82yとして表示演算処理部700に出力される。
In the control
駆動回路96a、96bは、目標の角度信号85a、85bに対して回転角度信号89x、89yを帰還するフィードバック系で制御される。従って、可動ユニット180に手指による外部からの力が作用しない場合は、所定の回転角度位置となるように可動ユニット180の回転方向20、回転方向21の角度を一定にするように制御している。
The
したがって、表示演算処理部700の目標位置座標信号80x、80yと目標の回転角度信号85a、85bおよび可動ユニット180の回転角度信号89x、89yに基づき、駆動コイル301、駆動コイル302を駆動する駆動信号が駆動回路96a、96bに出力される。これにより入出力操作装置750において、目標位置座標920に対する角度位置のフィードバック制御が実行され、帰還位置座標信号82x、82yが目標位置座標信号80x、80yに等しくなるようにアクチュエータ165の可動ユニット180が駆動される。この一連の駆動制御により、可動ユニット180の操作部850の位置追従制御が実施され、良好な触力覚操作が実現可能となる。
Therefore, drive signals for driving the
次に図17を参照しながら、表示演算処理部700からアクチュエータ165へ出力される回転方向22回りの駆動制御動作について説明する。
Next, a drive control operation around the
可動ユニット180はZ軸10周りの回転方向22にも駆動される。この動作は、正弦波・矩形波・パルス波・三角波等の駆動信号による可動ユニット180の振動を主とする。本実施形態においてはこの動作は、オープン制御に基づく。
The
制御演算処理部94は、表示演算処理部700から受け取る選択信号80rに基づく所定の駆動波形パターンを有する駆動信号84rを生成し、可動ユニット180をZ軸10周りに振動駆動する。このために、制御演算処理部94は、所定の振動モードを与える様々な駆動波形パターンを記憶している。駆動波形パターンは、触覚操作機能の提示に適していると考えられ、スティック&スリップ感、クリック感として表現される、高い周波数特性を有する駆動波形パターンを含む。
The control
表示演算処理部700は制御演算処理部94へ駆動波形パターンを選択する選択信号80rを出力する。制御演算処理部94は、選択信号80rに基づき所定の駆動波形パターンを選択し、デジタル化された駆動信号84rをDA変換器95rに出力する。アナログ化された駆動信号85rは回転方向22の駆動回路96rに入力される。これにより可動ユニット180は、回転方向22へ振動駆動され、操作部850を介して操作者の指先にバイブレーション感や指先内部にあるパチニ小体を刺激する触角感を与えることが可能となる。
The display
可動ユニット180の回転方向22への振動は、可動ユニット180を上から見た場合、例えば、Z軸10周りに所定の角度で右方向に回転し、反転して左方向に所定の角度で回転する運動の繰り返しによって構成される。
The vibration of the
また、可動ユニット180は、振動駆動以外に可聴領域の周波数成分を有する駆動信号によって回転方向22に駆動してもよい。これにより、可動ユニット180が可聴領域の周波数で振動し、アクチュエータ165から音声を出力することも可能である。
Further, the
このように、可動ユニット180の操作部850が回転軸11、12回りの角度について2次元で制御され、かつ回転方向22に振動駆動されることによって、様々な分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス(HMI)として、本実施形態の入出力操作装置を用いることができる。
As described above, the
次に図17を参照しながら、アクチュエータ165から制御演算処理部94を介して表示演算処理部700に出力される可動ユニット180の回転角度の検出動作について説明する。
Next, the detection operation of the rotation angle of the
アクチュエータ165は、その構成から指先にて操作部850を介して可動ユニット180を回転軸11、12回りの2次元に回転させた場合、磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bが可動ユニット180の回転軸11、12回りの回転角度を検出するセンサーとして機能する。
Since the
さらに良好な周波数応答特性と高い回転角度分解能を有するアクチュエータ165であることから、手指による可動ユニット180の動作検出感度は非常に高く、携帯端末でよく使用されているフリック入力やスワイプ入力の検出や文字入力の検出も可能となりえる。
Furthermore, since the
磁気センサー501a、501bとから回転方向20、すなわち表示演算処理部700のHSに垂直なy軸方向に相当する回転角度信号86yが出力され、磁気センサー503a、503bとから回転方向21、すなわち表示演算処理部700の水平方向であるHS方向に相当する回転角度信号86xが出力される。
The
回転角度信号86x、86yは、アナログ回路97x、97yによってノイズ成分やDCドリフト成分が除去され、回転角度信号87x、87yとなる。さらに増幅回路98x、98yにより適切な出力値の回転角度信号88x、88yが得られ、AD変換器99x、99yを介してデジタル化された回転角度信号89x、89yが制御演算処理部94に逐次入力される。制御演算処理部94は、フリック入力やスワイプ入力などの特殊な入力パターンモードを含めた様々な入力検出波形パターンを記憶しており、入力波形である回転角度信号89x、89yがどの入力パターンモードかを比較検知して選択を行い、表示演算処理部700へ選択信号82sとして出力する。
From the rotation angle signals 86x and 86y, noise components and DC drift components are removed by the
次に可動ユニット180の回転方向22の回転検出の動作について説明する。本実施形態では、回転検出専用の磁気センサーを設けていないが、前述したように可動ユニット180の回転方向20および回転方向21への回転に加え、回転方向22の回転が行われた場合、回転角度信号89x、89yの相対的な出力差から、可動ユニット180が回転方向22において右回りに操作されたか、左回りに操作されたかを検出することが可能である。
Next, the operation of detecting the rotation of the
これにより、可動ユニット180に搭載された操作部850を右もしくは左回りに回しながら、同時に回転方向20、回転方向21に回転移動が可能となることで、携帯端末でよく使用されているピンチ入力による画面の拡大縮小やスクロール入力の代替入力の検出も可能となりえる。例えば、制御演算処理部94は、回転角度信号89x、89yの差異を検出し、その結果を検出信号82rとして表示演算処理部700へ出力してもよい。
As a result, it is possible to rotate the
以上、表示演算処理部700、制御演算処理部94およびアクチュエータ165の入出力制御の動作について説明をしたが、たとえば図16、図17に示したように、表示演算処理部700にアクチュエータ165の可動ユニット180の移動可能な識別座標エリア710を設けてもよい。これにより、操作者は、識別座標エリア710の内部に相当する範囲においては、操作部850を移動負荷もなく自由に操作できるが、識別座標エリア710以外の領域に操作部850が移動した場合は、座標軸上で最も近い識別座標エリア710の内部へ戻るように可動ユニット180を駆動させることができる。すなわち、操作部850の範囲規制をさせることが可能となり、入出力操作装置750としての機能と応用分野が広がることになる。この場合、制御演算処理部94は、例えば、識別座標エリア710の中心に目標位置座標を設定し、回転角度信号89x、89yによる現位置座標が、識別座標エリア710の範囲内部にある場合は、上述のフィードバック制御を第1の利得に設定し、現位置座標が、識別座標エリア710の範囲外にある場合は、第1の利得よりも大きい利得を設定する。これにより、例えば、操作者が操作部850を手指で移動させる場合において、識別座標エリア710の周囲に規制する壁面が備えられたような触力覚を付与できる。さらに位相補償やゲイン補正等を含めた制御変数を変化させることで規制する壁を硬い材質感や柔らかい材質感に変更させることも可能である。
The input / output control operations of the display
さらに識別座標エリアをソフト的に瞬時に変更させることにより、様々な範囲規制に即した入出力操作装置を作成することが可能となる。 Furthermore, by changing the identification coordinate area instantaneously in software, it becomes possible to create an input / output operation device that meets various range restrictions.
(第2の実施形態)
図18は、本発明の第2の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ165を有する第2の実施形態の入出力操作装置750の動作について、図18を用いて説明する。第2の実施形態の入出力操作装置750の構成は、第1の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア720の形状を円環に変更したことにある。
(Second Embodiment)
FIG. 18 is a detailed block diagram illustrating the configuration of the input /
第1の実施形態と同様、制御演算処理部94は、例えば、識別座標エリア720の中心に目標位置座標を設定し、回転角度信号89x、89yによる現位置座標が、識別座標エリア710の範囲内部にある場合は、上述のフィードバック制御を第1の利得に設定し、現位置座標が、識別座標エリア710の範囲外にある場合は、第1の利得よりも大きい利得を設定する。これにより、識別座標エリア720の内部に相当する範囲においては、操作者は、操作部850を移動負荷もなく自由に操作できる。しかし、識別座標エリア720以外の領域に操作部850を移動させた場合は、座標軸上で最も近い識別座標エリア720の内部へ戻るように制御される。すなわち、操作部850の円形状の軌道規制をさせることが可能となり、入出力操作装置750としての機能と応用分野が広がることになる。
As in the first embodiment, the control
このように第2の実施形態の入出力操作装置750においては、操作者が操作部850を目視することなく所定の目標軌道に一致するように手指を沿わせることが可能となりブラインドタッチ感のある操作を実現できる。
As described above, in the input /
(第3の実施形態)
図19は、本発明の第3の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ165を有する第3の実施形態の入出力操作装置750の動作について、図19を用いて説明する。第3の実施形態の入出力操作装置750の構成は、第1の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリアが離散的に配置された識別座標エリア730に変更したことにある。
(Third embodiment)
FIG. 19 is a detailed block diagram illustrating the configuration of the input /
図19に示したように、複数のエリアを円周状に分散配置した識別座標エリア730を目標とする。制御演算処理部94は、可動ユニット180の操作部850の現位置座標930または、外部からの信号に応じて、複数のエリアから選ばれる1つのエリア内に目標位置座標を設定し、第1の実施形態で説明したようにフィードバック制御を行う。たとえば図19においては太い破線で示すように、制御演算処理部94は識別座標エリア730の複数のエリアに対応して扇形の領域を設定し、操作部850の現位置座標930が扇形の領域の1つ内にある場合、その扇形領域内の識別座標エリアの中心に目標位置座標を設定する。例えば、可動ユニット180が現位置座標930にあった場合において、位置的に近接する識別座標エリアは、エリア530である。制御演算処理部94は、エリア530を識別座標エリアとして選択する。また、エリア530の中心に目標位置座標を設定する。これにより、可動ユニット180に搭載された操作部850は、フィードバック制御により、エリア530に位置するように、駆動される。
As shown in FIG. 19, a target is an identification coordinate
たとえばエリア540の内側に位置していた操作部850を操作者の手指の力によりエリア540の外側であるエリア530方向へ強制的に移動し、エリア540の扇形の領域に現位置座標930が移動した場合、制御演算処理部94は、エリア540の中心に目標位置座標を設定する。これにより、操作部850は、フィードバック制御によってエリア540に移動する。
For example, the
また、エリア540からエリア530へ遷移する場合、第1の実施形態で述べた硬い材質感の壁や柔らかい材質感の壁を自由に選択できることから、遷移する場合の操作感覚を鋭いクリック感や粘性が効いたダンピング感に自由に変化させることができる。
Further, when transitioning from the
さらに、目標位置座標の決定は操作者の指令に基づいていてもよい。例えば、エリア530とエリア540の選択操作に関しては、どちらかのエリアに到達後に操作者が、操作部850を回転軸22回りに回転すれば、制御演算処理部94から検出信号82rを出力することで選択判定することが可能である。
Furthermore, the determination of the target position coordinates may be based on an operator command. For example, regarding the selection operation of the
したがって第3の実施形態の入出力操作装置750においては、回転軸22回りの検出信号82rを選択スイッチとして利用が可能となり、選択スイッチを新たに別途設ける必要がない。
Therefore, in the input /
(第4の実施形態)
図20は、本発明の第4の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ165を有する第4の実施形態の入出力操作装置750の動作について、図20を用いて説明する。第4の実施形態の入出力操作装置750の構成は、第1の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア740が離散的に配置された複数のエリアを有し、かつ操作部850を回転軸22回りに振動駆動することにある。
(Fourth embodiment)
FIG. 20 is a detailed block diagram illustrating the configuration of the input /
図20に示したように、識別座標エリアを2個配置した識別座標エリア740を目標とする。複数のエリアへ操作部850をガイドするフィードバック制御は第3の実施形態で説明した通りである。たとえば図20に示したように可動ユニット180がエリア550の内側である現位置座標940にあった場合において、位置的に近接する識別座標エリアは、エリア560が候補である。エリア550の内側に位置していた操作部850を操作者の手指の力によりエリア540の外側であるエリア560へ強制的に移動してエリア560に到達した場合、エリア560に到達と同時に操作部850を回転軸22回りに振動駆動させる。
As shown in FIG. 20, the target is an identification coordinate
これにより、操作者は操作部850を目視することなく、振動駆動によりエリア560に到達したことを触力覚で感じ取ることが可能となる。振動駆動させる駆動信号84rには、10Hzから指先のパチニ小体が受容できる200Hzまでの駆動周波数が好ましい。また音声信号を駆動信号84rに使用することも可能である。
As a result, the operator can perceive that he / she has reached the
(第5の実施形態)
図21は、本発明の第5の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。アクチュエータ165を有する第5の実施形態の入出力操作装置750の動作について、図21を用いて説明する。第5の実施形態の入出力操作装置750の構成は、第1の実施形態と同じである。差異となる点は、識別座標エリア760が離散的に配置された複数のエリアを有し、かつ操作者が操作部850をエリア570からエリア580へ遷移させる遷移状態590を自在に変化させることにある。
(Fifth embodiment)
FIG. 21 is a detailed block diagram showing the configuration of the input /
図21に示したように、表示演算処理部700にエリア570および580を含む識別座標エリア760が設定される。たとえば図21に示したように可動ユニット180がエリア570からエリア580へ遷移する途中である現位置座標950にあった場合において、位置的に最も近接する識別座標エリアは、エリア570である。エリア570、580へ操作部850をガイドするフィードバック制御は第3の実施形態で説明した通りである。
As shown in FIG. 21, an identification coordinate
選択できるエリアはエリア570とエリア580の2個であり、現位置座標950は、エリア580よりもエリア570により近接している。操作部850が現位置座標950にある場合においても、回転角度信号89x、89yは制御演算処理部94に逐次入力される。したがってこの回転角度信号89x、89yを用いて、遷移する位置座標に応じて段階的に操作部850に移動付加抵抗を与えることは可能である。たとえば、この付加抵抗を矩形波的に付加すれば操作部850を介して操作者の手指へ微小なクリック振動を感じさせることができる。また、操作部850の速度に依存した付加抵抗を与えることで操作者の手指へ粘性抵抗的なダンピング感を感じさせることができる。これにより、操作者は、操作部850を現位置座標950からエリア580へ移動させるよりもエリア570へ移動させる場合の方が、抵抗を感じる触覚を操作部850に与えられた振動から受ける。よって、例えば、操作部850の位置をエリア570からエリア580へ移動させる場合、操作者は、触覚に導かれ自然な感覚で操作部850を操作することができる。
There are two areas that can be selected,
(第6の実施形態)
図22Aは、本発明の第6の実施形態の入出力操作装置750の構成を示す詳細なブロック図である。図22Bは、本発明の第6の実施形態の入力操作装置750の入力検出信号を示す図である。アクチュエータ165を有する第6の実施形態の入出力操作装置750の動作について、図22A、図22Bを用いて説明する。
(Sixth embodiment)
FIG. 22A is a detailed block diagram illustrating a configuration of an input /
図22Bは、操作者が操作部850に対してフリック動作やスワイプ動作を与えた場合に、回転角度信号89x、89yに検出される過渡応答的な信号である。第6の実施形態の入出力操作装置750の構成は、第1の実施形態と同じである。差異となる点は、この過渡応答的な信号パターンを制御演算処理部94にてパターン認識させることにある。
FIG. 22B is a transient response signal detected by the rotation angle signals 89x and 89y when the operator gives a flick operation or a swipe operation to the
一般に、携帯端末に使用されるタッチパネル上での操作方法として、指で画面を押さえてから、さっとはじくように動かすフリックと呼ばれる操作方法と、指を画面に押して一定の方向へ掃くように動かすスワイプと呼ばれる操作方法がある。これらは、タッチパネルならではの操作方法である。フリックでは同じキーを何度も押す必要もなく文字入力のスピード向上ができ、スワイプでは画面切り替えやページ送りをさせることが可能である。 In general, as a method of operation on a touch panel used in a mobile terminal, an operation method called flicking is performed by pressing the screen with a finger and then quickly flicking, and swipe moving to sweep in a certain direction by pressing the finger on the screen. There is an operation method called. These are operation methods unique to a touch panel. Flicking speeds up text entry without having to press the same key over and over, and swiping allows you to switch screens and page forward.
しかしながら、機械的な構造を持つジョイスティック等の入出力操作装置においては、周波数応答特性の不足やセンシング分解能の課題の観点から上記のフリック動作による入力やスワイプ動作による入力を実現させることは困難であった。 However, in an input / output operation device such as a joystick having a mechanical structure, it is difficult to realize the input by the flick operation or the swipe operation from the viewpoint of insufficient frequency response characteristics and the problem of sensing resolution. It was.
本実施形態の入出力操作装置750では、上記課題に対して解決できる高い周波数応答特性と、高分解能の磁気センサーを有しており、図22Bに示したような操作部850の過渡応答信号を十分検出することができる。したがって、操作部850の移動による、回転角度信号89x、89yを制御演算処理部94がパターン認識することより、操作部850のフリック動作やスワイプ動作を入力信号として検出することができる。
The input /
これによりタッチパネル操作では味わえないリアルな実動作を伴うフリック・スワイプを実現できる。具体的には操作部をフリック動作・スワイプ動作させることで図22Aに示したように表示方向830と820の2次元の操作が可能となる。
As a result, it is possible to realize a flick swipe with a real actual operation that cannot be experienced by touch panel operation. Specifically, two-dimensional operations in the
本発明の第1から第6の実施形態の入出力操作装置750では、位置信号を主とした位置制御系を示した。しかしAD変換器を介してアクチュエータ165の磁気センサー501a、501bと磁気センサー503a、503bから回転角度信号89x、89yを制御演算処理部94に取り込み、微分演算処理を行うことにより、可動ユニット180の回転速度信号を検出することも可能である。これにより、制御演算処理部94において、目標位置座標信号80x、80yの微分演算処理も行うことで可動ユニット180の回転速度信号を用いた速度フィードバック系をさらに構築することができ、より高速で位置制御を実施することができる。
In the input /
本願に開示された入出力操作装置は、種々の分野で使用されるヒューマン・マシーン・インターフェイス(HMI)として好適に用いられ、例えば、自動車におけるナビゲーション、エアコン、オーディオ、ラジオ等の操作のための入出力操作装置として好適に用いられる。 The input / output operation device disclosed in the present application is suitably used as a human machine interface (HMI) used in various fields. For example, an input / output operation device for navigation, air conditioning, audio, radio, etc. in an automobile is used. It is suitably used as an output operation device.
10 Z軸
11、12 回転軸
13、14 直線
20、21、22回転方向
94 制御演算処理部
70 球心
850 操作部
180 可動ユニット
102W 開口部
102R 凸状球面
165 アクチュエータ
200 ベース
200A 凹状球面
200P、200T 開口部
201 脱落防止部材
201A 脱落防止規制面
203、204 磁気ヨーク
301、302、303 駆動コイル
350 駆動回路部
360 検出回路部
401、402 駆動用磁石
406 回転検出用磁石
501a、501b、503a、503b 磁気センサー
600 コイルバネ
650 連結棒
670 磁気バックヨーク
700 表示演算処理部
750 入出力操作装置
10 Z-
Claims (33)
前記操作部と少なくとも1つの吸着用磁石を搭載し、凹部を一部に有する可動ユニットと、
少なくとも1つの磁性体および前記可動ユニットの前記凹部が遊嵌する凸状球面を有し、前記少なくとも1つの吸着用磁石と前記少なくとも1つの前記磁性体との磁気吸引力によって、前記可動ユニットの前記凹部と前記凸状球面とが点または線接触し、前記可動ユニットを前記凸状球面の球心を中心として自在に回転支持する固定ユニットと、
前記固定ユニットに対して前記操作部を前記球心を通るX軸を中心に回転させる第1の駆動部と、
前記固定ユニットに対して前記操作部を前記X軸を含む平面内で前記X軸に直交するY軸を中心に回転させる第2の駆動部と、
前記固定ユニットに対して前記可動ユニットを前記X軸と前記Y軸に直交し前記操作部の中心軸であるZ軸を中心に回転させる第3の駆動部と、
前記固定ユニットに対する前記操作部の前記X軸回りの第1の回転角度および前記Y軸回りの第2の回転角度を検出する検出器と
を備え、前記凸状球面の前記球心が、前記X軸、Y軸、Z軸の原点に設けられたアクチュエータ、
前記第1および前記第2の回転角度から第1および第2の回転角度信号を生成する検出回路部、
前記第1および第2の回転角度信号に基づき、第1および第2の目標回転角度信号を生成する制御演算処理部、および、
前記第1および第2の目標回転角度信号を受け取り、前記第1および第2の駆動部を駆動する信号を生成する駆動回路部、
を備えた入出力操作装置。 An operation unit having a surface with which a finger contacts;
A movable unit having the operation portion and at least one magnet for adsorption and having a recess in part;
The movable unit has a convex spherical surface into which the concave portion of the movable unit and the concave portion of the movable unit are loosely fitted. The magnetic attractive force between the at least one attracting magnet and the at least one magnetic body allows the movable unit to A concave unit and the convex spherical surface are in point or line contact, and a fixed unit that freely rotates and supports the movable unit around the spherical center of the convex spherical surface;
A first driving unit that rotates the operation unit with respect to the fixed unit around an X axis passing through the spherical center;
A second drive unit that rotates the operation unit with respect to the fixed unit around a Y axis orthogonal to the X axis in a plane including the X axis;
A third drive unit that rotates the movable unit relative to the fixed unit about a Z axis that is orthogonal to the X axis and the Y axis and that is a central axis of the operation unit;
A detector that detects a first rotation angle around the X axis and a second rotation angle around the Y axis of the operation unit with respect to the fixed unit, and the spherical center of the convex spherical surface is the X Actuator provided at the origin of the axis, Y axis, Z axis,
A detection circuit for generating first and second rotation angle signals from the first and second rotation angles;
A control arithmetic processing unit that generates first and second target rotation angle signals based on the first and second rotation angle signals; and
A drive circuit unit that receives the first and second target rotation angle signals and generates signals for driving the first and second drive units;
I / O operation device with
前記2次元座標系において、目標となる複数の識別座標エリアを設定し、
前記操作部の前記現位置座標または、外部からの信号に応じて、前記複数の識別座標エリアから選ばれる1つの識別座標エリア内に前記目標位置座標を設定し、
前記操作部の前記現位置座標が前記識別座標エリアの範囲内部にある場合は、前記位置フィードバック制御の第1の利得を設定し、前記現位置座標が、前記識別座標エリアの範囲外にある場合は、第1の利得よりも大きい利得を設定する請求項3に記載の入出力操作装置。 The control arithmetic processing unit is
In the two-dimensional coordinate system, a plurality of target identification coordinate areas are set,
In accordance with the current position coordinates of the operation unit or an external signal, the target position coordinates are set in one identification coordinate area selected from the plurality of identification coordinate areas,
When the current position coordinate of the operation unit is within the range of the identification coordinate area, the first gain of the position feedback control is set, and the current position coordinate is outside the range of the identification coordinate area The input / output operation device according to claim 3, wherein a gain larger than the first gain is set.
前記駆動回路部は、前記駆動信号を受け取り、前記第3を駆動する信号を生成し、
前記第3の駆動部により可動ユニットは前記Z軸回りの方向へ振動駆動する請求項1から4のいずれかに記載の入出力操作装置。 The control arithmetic processing unit generates a drive signal having a predetermined drive waveform pattern,
The drive circuit unit receives the drive signal and generates a signal for driving the third;
The input / output operation device according to claim 1, wherein the movable unit is driven to vibrate in a direction around the Z-axis by the third drive unit.
前記固定ユニットに対する前記操作部の前記Z軸回りの回転角度を検出する第2の検出部と含む請求項1に記載の入出力操作装置。 The detector includes a first detection unit that detects a rotation angle of the operation unit around the X axis and the Y axis with respect to the fixed unit;
The input / output operation device according to claim 1, further comprising a second detection unit that detects a rotation angle of the operation unit around the Z axis with respect to the fixed unit.
前記規制面は、前記球心と一致した中心を有する凹状部分球面を有する請求項1に記載の入出力操作装置。 Further comprising a drop-off prevention member provided on the fixed unit and having a restricting surface that restricts movement of the movable unit so that the movable unit does not fall off the fixed unit;
The input / output operation device according to claim 1, wherein the regulating surface has a concave partial spherical surface having a center coincident with the spherical center.
前記1対の第1の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットにそれぞれ配置された1対の第1の磁気ヨークと、
前記1対の第1の磁気ヨークにそれぞれ巻回された1対の第1の駆動コイルとを含み、
前記第2の駆動部は、前記可動ユニットにおいて、前記Z軸に対して対称に配置された1対の第2の駆動磁石と、
前記1対の第2の駆動磁石に対向するよう前記固定ユニットにそれぞれ配置された1対の第2の磁気ヨークと、
前記1対の第2の磁気ヨークにそれぞれ巻回された1対の第2の駆動コイルとを含み、
前記1対の第1の駆動磁石および前記1対の第1の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通る直線上に設けられ、
前記1対の第2の駆動磁石および前記第2の駆動コイルは、前記凸状球面の球心を通り、前記直線と直交する他の直線上に設けられ、
各第1の駆動磁石、第1の駆動コイル、第2の駆動磁石および第2の駆動コイルの前記Z軸方向における中心の位置は、前記凸状球面の前記球心の位置とほぼ一致している請求項1に記載の入出力操作装置。 The first drive unit includes a pair of first drive magnets arranged symmetrically with respect to the Z axis in the movable unit;
A pair of first magnetic yokes respectively disposed on the fixed unit to face the pair of first drive magnets;
A pair of first drive coils wound respectively on the pair of first magnetic yokes;
The second drive unit includes a pair of second drive magnets arranged symmetrically with respect to the Z axis in the movable unit;
A pair of second magnetic yokes respectively disposed on the fixed unit to face the pair of second drive magnets;
A pair of second drive coils wound respectively on the pair of second magnetic yokes;
The pair of first drive magnets and the pair of first drive coils are provided on a straight line passing through the spherical center of the convex spherical surface,
The pair of second drive magnets and the second drive coil are provided on another straight line passing through the spherical center of the convex spherical surface and orthogonal to the straight line,
The center position of each first drive magnet, first drive coil, second drive magnet, and second drive coil in the Z-axis direction substantially coincides with the position of the spherical center of the convex spherical surface. The input / output operation device according to claim 1.
前記1対の第1の磁気ヨークおよび前記1対の第2の磁気ヨークにそれぞれ巻回された第3の駆動コイルを含み、
前記1対の第1の駆動磁石および前記1対の第2の駆動磁石を第3の駆動磁石として用いる請求項10に記載の入出力操作装置。 The third driving unit includes:
A third drive coil wound around each of the pair of first magnetic yokes and the pair of second magnetic yokes;
The input / output operation device according to claim 10, wherein the pair of first drive magnets and the pair of second drive magnets are used as a third drive magnet.
前記可動ユニットに設けられた回転検出用磁石とを含み、
前記第1の磁気センサーは、前記回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出し、前記X軸、Y軸回りの2次元の回転角度を算出する請求項7に記載の入出力操作装置。 The first detection unit includes a first magnetic sensor fixed to the fixed unit;
A rotation detecting magnet provided in the movable unit,
The input / output operation device according to claim 7, wherein the first magnetic sensor detects a change in magnetic force due to rotation of the rotation detection magnet and calculates a two-dimensional rotation angle around the X axis and the Y axis.
前記可動ユニットの前記凸状球面の一部に設けられた光検出パターンと
を含み、
前記光センサーは、前記光検出パターンの回転による前記光センサーに入射する光の変化を検出し、前記操作部の前記X軸、Y軸回りの2次元の回転角度を算出する請求項7に記載の入出力操作装置。 The first detection unit includes an optical sensor fixed to the fixed unit,
A light detection pattern provided on a part of the convex spherical surface of the movable unit,
The said optical sensor detects the change of the light which injects into the said optical sensor by rotation of the said optical detection pattern, and calculates the two-dimensional rotation angle of the said operation part around the said X-axis and a Y-axis. I / O operation device.
前記固定ユニットに固定され、前記1対の回転検出用磁石のそれぞれに対して、対峙するように固定された1対の第2の磁気センサーとを含み、前記1対の第2の磁気センサーは、前記回転検出用磁石の回転による磁力変化を検出して、前記操作部の回転角度を算出する請求項5に記載の入出力操作装置。 The second detection unit includes a pair of rotation detection magnets arranged symmetrically with respect to the Z axis in the movable unit;
A pair of second magnetic sensors fixed to the fixed unit and fixed to face each of the pair of rotation detection magnets, the pair of second magnetic sensors comprising: The input / output operation device according to claim 5, wherein a change in magnetic force due to rotation of the rotation detection magnet is detected to calculate a rotation angle of the operation unit.
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