CN108292177A - 电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供能够提供良好的触感的电子设备。电子设备包括:顶部面板,具有操作面;位置检测部,检测对上述操作面进行的操作输入的位置;振动元件,被安装于上述顶部面板,使上述操作面产生振动;以及驱动控制部,利用使上述操作面产生超声波频带的固有振动的驱动信号来驱动上述振动元件,并以上述固有振动的强度根据对上述操作面的操作输入的位置以及该位置的随时间的变化程度变化的方式来驱动上述振动元件,以便上述固有振动的强度变化,基于上述顶部面板的弯曲刚性与在上述顶部面板安装有上述振动元件的部分中的上述顶部面板以及上述振动元件的弯曲刚性的比来设定上述固有振动的振幅变化的方向上的上述振动元件的宽度。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备。
背景技术
以往,有一种触摸面板装置,包括:坐标输入面;生成位于上述坐标输入面的下侧的显示部中作为图像而显示的操作部件的操作部件生成部;生成用于使上述坐标输入面振动的振动的振动生成部;以及进行上述振动生成部的驱动控制的驱动控制部。上述驱动控制部利用产生与上述操作部件的位置对应的波形的驻波的驱动模式来进行上述振动生成部的驱动控制(例如参照专利文献1)。
专利文献1:日本特开2010-238222号公报
在以往的触摸面板装置中,振动生成部被安装在表面基板。由于在表面基板中安装振动生成部的部分和未安装振动生成部的部分中,刚性不同,所以振动特性不同。
然而,以往的触摸面板装置没有考虑这样的刚性的不同。
因此,在以往的触摸面板装置中,有可能不能够提供良好的触感。
发明内容
因此,目的在于提供能够提供良好的触感的电子设备。
本发明的实施方式的电子设备包括:顶部面板,具有操作面;位置检测部,检测对上述操作面进行的操作输入的位置;振动元件,被安装于上述顶部面板,使上述操作面产生振动;以及驱动控制部,利用使上述操作面产生超声波频带的固有振动的驱动信号来驱动上述振动元件,并以上述固有振动的强度根据对上述操作面的操作输入的位置以及该位置的随时间的变化程度变化的方式来驱动上述振动元件,基于上述顶部面板的弯曲刚性与在上述顶部面板安装有上述振动元件的部分中的上述顶部面板以及上述振动元件的弯曲刚性的比来设定上述固有振动的振幅变化的方向上的上述振动元件的宽度。
可以提供能够提供良好的触感的电子设备。
附图说明
图1是表示实施方式的电子设备的立体图。
图2是表示实施方式的电子设备的俯视图。
图3是表示图2所示的电子设备的A-A向视剖面的图。
图4是表示通过超声波频带的固有振动在顶部面板产生的驻波中与顶部面板的短边平行地形成的波峰的图。
图5是说明通过使电子设备的顶部面板所产生的超声波频带的固有振动对进行操作输入的指尖施加的动摩擦力变化的样子的图。
图6是说明在顶部面板产生的驻波的图。
图7是表示实施方式的电子设备的结构的图。
图8是表示储存至存储器的数据的图。
图9是表示实施方式的电子设备的驱动控制装置的驱动控制部执行的处理的流程图。
图10是表示实施方式的电子设备的动作例的图。
图11是表示实施方式的电子设备的动作例的图。
图12是表示顶部面板中的振动元件的位置和顶部面板的位移以及曲率的图。
图13是表示顶部面板中的振动元件的位置和顶部面板的位移以及曲率的图。
图14是说明顶部面板和振动元件弯曲的样子的图。
图15是说明顶部面板和振动元件弯曲的样子的图。
图16是表示顶部面板和振动元件弯曲的状态的图。
图17是表示振动元件的宽度/波长相对于刚性比这个关系的图。
图18是表示在两端具有自由端的梁的一次谐振模式的图。
图19是表示在顶部面板上重叠地安装振动元件的区间的图。
图20是绘制通过有限元解析来改变振动元件的宽度的值所获得的顶部面板的固有振动的振幅的值的图。
图21是表示解析结果的振动形状的一个例子的图。
图22是在从顶部面板的端部起第二个波腹的位置配置振动元件的情况下的固有振动的振幅相对于振动元件的宽度的图。
图23是表示在顶部面板的端部配置振动元件的情况下的解析结果的图。
图24是表示固有振动的振幅相对于振动元件的宽度的图。
图25是表示将获得最大的振幅的振动元件的宽度相对于刚性比进行绘制所得的结果的图。
图26是表示绘制出振动元件的宽度/波长相对于刚性比的关系的特性的图。
图27是表示绘制出振动元件的宽度/波长相对于刚性比的关系的特性的图。
图28是表示实施方式的变形例的电子设备的剖面的图。
图29是表示实施方式的变形例的电子设备的图。
图30是表示实施方式的变形例的电子设备的触摸板的剖面的图。
图31是表示实施方式的变形例的电子设备的动作状态的俯视图。
具体实施方式
以下,对应用本发明的电子设备的实施方式进行说明。
<实施方式>
图1是表示实施方式的电子设备100的立体图。
作为一个例子,电子设备100是将触摸面板作为输入操作部的、智能手机终端机、平板型计算机或者游戏机等。由于电子设备100是将触摸面板作为输入操作部的设备即可,所以例如也可以是携带信息终端或者如ATM(Automatic Teller Machine:自动取款机)那样被设置在特定的场所而被利用的设备。另外,电子设备100也可以是车载用的输入装置。
电子设备100的输入操作部101中,在触摸面板的下方配设有显示器面板,在显示器面板上显示GUI(Graphic User Interface:图形用户界面)的各种按钮102A或者滑块102B等(以下,称为GUI操作部102)。
电子设备100的利用者通常为了操作GUI操作部102而用指尖触摸输入操作部101。
接下来,使用图2,对电子设备100的具体的结构进行说明。
图2是表示实施方式的电子设备100的俯视图,图3是表示图2所示的电子设备100的A-A向视剖面的图。此外,在图2以及图3中,如图示那样定义XYZ坐标系,该XYZ坐标系是正交坐标系。
电子设备100包括框体110、顶部面板120、双面胶带130、振动元件140、触摸面板150、显示器面板160以及基板170。
框体110例如是树脂制,如图3所示,在凹部110A配设有基板170、显示器面板160以及触摸面板150,并且通过双面胶带130粘合有顶部面板120。
顶部面板120在俯视时是长方形的薄的平板状的部件,由透明的玻璃或者像聚碳酸酯那样的塑料制成。顶部面板120的表面(Z轴正方向侧的面)是电子设备100的利用者进行操作输入的操作面的一个例子。
顶部面板120在Z轴负方向侧的面粘合振动元件140,俯视时的四边通过双面胶带130被粘合在框体110。此外,双面胶带130能够将顶部面板120的四边粘合于框体110即可,无需如图3所示那样是矩形环状。
在顶部面板120的Z轴负方向侧配设触摸面板150。顶部面板120是为了保护触摸面板150的表面而设置的。此外,在顶部面板120的表面还可以设置其它的面板或者保护膜等。
顶部面板120在Z轴负方向侧的面上粘合有振动元件140的状态下通过驱动振动元件140而振动。在实施方式中,使顶部面板120以顶部面板120的固有振动频率振动,使顶部面板120产生驻波。但是,由于在顶部面板120粘合有振动元件140,所以优选实际上在考虑了振动元件140的重量等的基础上,决定固有振动频率。
在顶部面板120的Z轴负方向侧的面上,在Y轴正方向侧,沿着在X轴方向上伸延的短边粘合有振动元件140。振动元件140是能够产生超声波频带的振动的元件即可,例如能够使用包括Piezo元件那样的压电元件的部件。
振动元件140被从后述的驱动控制部输出的驱动信号驱动。根据驱动信号来设定振动元件140产生的振动的振幅(强度)以及频率。另外,振动元件140的开启/关闭通过驱动信号来控制。
此外,超声波频带是指例如约20kHz以上的频带。在实施方式的电子设备100中,由于振动元件140振动的频率与顶部面板120的振动数相等,所以通过驱动信号来驱动振动元件140以使其以顶部面板120的固有振动数振动。
触摸面板150被配置在显示器面板160的上方(Z轴正方向侧)、顶部面板120的下方(Z轴负方向侧)。触摸面板150是检测电子设备100的利用者触摸顶部面板120的位置(以下,称为操作输入的位置)的坐标检测部的一个例子。
在处于触摸面板150的下方的显示器面板160上显示GUI的各种按钮等(以下,称为GUI操作部)。因此,电子设备100的利用者通常为了操作GUI操作部而用指尖触摸顶部面板120。
触摸面板150是能够检测利用者对顶部面板120的操作输入的位置的坐标检测部即可,例如是静电电容型或者电阻膜型的坐标检测部即可。此处,对触摸面板150为静电电容型的坐标检测部的方式进行说明。即使在触摸面板150与顶部面板120之间有缝隙,静电电容型的触摸面板150也能够检测对顶部面板120的操作输入。
另外,此处,对在触摸面板150的输入面侧配设顶部面板120的方式进行说明,但顶部面板120也可以与触摸面板150一体。该情况下,触摸面板150的表面为图2以及图3所示的顶部面板120的表面,构建操作面。另外,也可以是省略图2以及图3所示的顶部面板120的结构。该情况下,也是触摸面板150的表面构建操作面。另外,此时,使具有操作面的部件以该部件的固有振动振动即可。
另外,在触摸面板150为电阻膜型的情况下,可以在顶部面板120的上方配设触摸面板150。该情况下,也是触摸面板150的表面构建操作面。另外,也可以是省略图2以及图3所示的顶部面板120的结构。该情况下,也是触摸面板150的表面构建操作面。另外,此时,使具有操作面的部件以该部件的固有振动振动即可。
显示器面板160例如是液晶显示器面板或者有机EL(Electroluminescence)面板等能够显示图像的显示部即可。显示器面板160在框体110的凹部110A的内部通过省略图示的支架而被设置于基板170的上方(Z轴正方向侧)。
显示器面板160通过后述的驱动器IC(Integrated Circuit)而被进行驱动控制,根据电子设备100的动作状况来显示GUI操作部、图像、文字、符号、图形等。
基板170被配设在框体110的凹部110A的内部。在基板170的上方配置显示器面板160以及触摸面板150。显示器面板160以及触摸面板150通过省略图示的支架等而被固定在基板170以及框体110。
在基板170中,除了后述的驱动控制装置之外,还安装驱动电子设备100所需的各种电路等。
以上那样的结构的电子设备100中,若利用者的手指接触顶部面板120,并检测出指尖的移动,则安装在基板170的驱动控制部驱动振动元件140,使顶部面板120以超声波频带的频率振动。该超声波频带的频率是包括顶部面板120和振动元件140的谐振系统的谐振频率,使顶部面板120产生驻波。
电子设备100通过产生超声波频带的驻波而通过顶部面板120向利用者提供触感。
接下来,使用图4,对使顶部面板120产生的驻波进行说明。
图4是表示通过超声波频带的固有振动在顶部面板120产生的驻波中与顶部面板120的短边平行地形成的波峰的图,图4的(A)为侧视图,(B)为立体图。在图4的(A)、(B)中,定义与图2以及图3同样的XYZ坐标。此外,在图4的(A)、(B)中,为了容易理解,夸张地示出驻波的振幅。另外,在图4的(A)、(B)中省略振动元件140。
若使用顶部面板120的杨氏模量E、密度ρ、泊松比δ、长边尺寸l、厚度t、长边方向上存在的驻波的周期数k,则顶部面板120的固有振动数(谐振频率)f由下式(1)、(2)来表示。由于驻波以1/2周期为单位具有相同的波形,所以周期数k取0.5刻度的值,为0.5、1、1.5、2…。
[式1]
[式2]
f=αk2 (2)
其中,式(2)的系数α是汇集表示式(1)中的k2以外的系数的值。
作为一个例子,图4的(A)、(B)所示的驻波是周期数k为10的情况下的波形。例如作为顶部面板120,使用长边的长度L为140mm、短边的长度为80mm、厚度t为0.7mm的Gorilla(注册商标)玻璃的情况下,在周期数k为10时,固有振动数f为33.5[kHz]。该情况下,使用频率为33.5[kHz]的驱动信号即可。
顶部面板120为平板状的部件,然而若驱动振动元件140(参照图2以及图3)来产生超声波频带的固有振动,则如图4的(A)、(B)所示那样弯曲,而产生弯曲振动的驻波。
此外,此处,对在顶部面板120的Z轴负方向侧的面上,在Y轴正方向侧沿着在X轴方向上伸延的短边粘合一个振动元件140的方式进行说明,但也可以使用两个振动元件140。在使用两个振动元件140的情况下,只要在顶部面板120的Z轴负方向侧的面上,在Y轴负方向侧中沿着在X轴方向上伸延的短边粘合另一个振动元件140即可。在这种情况下,两个振动元件140以与顶部面板120的两个短边平行的中心线为对称轴,以轴对称的方式配设即可。
另外,在驱动两个振动元件140的情况下,在周期数k为整数时,是对称的模式,所以以同一相位驱动即可,在周期数k为小数(包括整数部和小数部0.5的数)的情况下,由于是反对称的模式,所以以相反相位驱动即可。
图5是说明通过使电子设备100的顶部面板120产生的超声波频带的固有振动而对进行操作输入的指尖施加的动摩擦力变化的样子的图。在图5的(A)、(B)中,利用者进行用指尖触摸顶部面板120并使手指从顶部面板120的里侧向近前侧沿着箭头移动的操作输入。此外,通过对振动元件140(参照图2以及图3)进行开启/关闭来进行振动的开启/关闭。
另外,在图5的(A)、(B)中,在顶部面板120的进深方向上,用灰色表示振动关闭的期间手指触摸的范围,用白色表示振动开启的期间中手指触摸的范围。
如图4所示,超声波频带的固有振动在顶部面板120的整体中产生,然而图5的(A)、(B)示出利用者的手指从顶部面板120的里侧向近前侧移动的期间中切换振动的开启/关闭的动作模式。
因此,在图5的(A)、(B)中,在顶部面板120的进深方向上,用灰色表示振动关闭的期间中手指触摸的范围,用白色表示振动开启的期间中手指触摸的范围。
在图5的(A)所示的动作模式中,在利用者的手指处于顶部面板120的里侧时,振动关闭,在使手指向近前侧移动的中途振动开启。
另一方面,在图5的(B)所示的动作模式下,在利用者的手指处于顶部面板120的里侧时振动开启,在使手指向近前侧移动的中途振动关闭。
此处,若使顶部面板120产生超声波频带的固有振动,则在顶部面板120的表面与手指之间夹有由挤压效果引起的空气层,用手指描顶部面板120的表面时的动摩擦系数降低。
因此,在图5的(A)中,在顶部面板120的里侧用灰色表示的范围中,对指尖施加的动摩擦力变大,在顶部面板120的近前侧用白色表示的范围中,对指尖施加的动摩擦力变小。
因此,如图5的(A)所示,若振动开启,则对顶部面板120进行操作输入的利用者感知到对指尖施加的动摩擦力的降低,知觉指尖的滑行容易。此时,利用者在因顶部面板120的表面变得更加光滑,而动摩擦力降低时,感觉顶部面板120的表面存在凹部。
另一方面,在图5的(B)中,在顶部面板120的里侧用白色表示的范围中,对指尖施加的动摩擦力变小,在顶部面板120的近前侧用灰色表示的范围中,对指尖施加的动摩擦力变大。
因此,如图5的(B)所示,若振动关闭,则对顶部面板120进行操作输入的利用者感知到对指尖施加的动摩擦力的增大,知觉到指尖的滑行困难,或知觉到卡住的感觉。而且,因指尖较难滑行,所以在动摩擦力变高时,感觉顶部面板120的表面存在凸部。
综上所述,在图5的(A)和(B)的情况下,利用者能够用指尖感觉到凹凸。像这样人知觉到凹凸例如在“用于触感设计的打印物转印法和Sticky-band Illusion"(第11次测量自动控制学会系统整合部门演讲会论文集(SI2010,仙台)____174-177,2010-12)中记载。另外,在“Fishbone Tactile Illusion”(日本虚拟现实学会第10次大会论文集(2005年9月))中也记载。
此外,此处,对切换振动的开启/关闭的情况下的动摩擦力的变化进行了说明,但这也与使振动元件140的振幅(强度)变化的情况相同。
接下来,使用图6,对使顶部面板120产生的驻波进行说明。
图6是说明使顶部面板120产生的驻波的图。在图6中,定义与图2至图4相同的XYZ坐标。
在顶部面板120设置有振动元件140-1和140-2。振动元件140-1与图2以及图3所示的振动元件140相同,振动元件140-2在顶部面板120的Y轴负方向侧的端部中沿着X轴配设。即,沿着配设振动元件140-1的顶部面板120的边的对边配设振动元件140-2。
此处,振动元件140-1和140-2以相同相位被驱动,在某个定时,在顶部面板120中产生用浓的灰色表示的凸的波腹和用淡的灰色表示的凹的波腹。用浓的灰色表示的凸的波腹和用淡的灰色表示的凹的波腹为最大振幅时的波腹。
此外,图6所示的定时是指在驻波的固有振动的半周期不同的定时中,图6中用浓的灰色表示的凸的波腹的部分产生最大振幅的凹的波腹,在用淡的灰色表示的凹的波腹的部分产生最大振幅的凸的波腹。
接下来,使用图7,对实施方式的电子设备100的结构进行说明。
图7是表示实施方式的电子设备100的结构的图。
电子设备100包括振动元件140、放大器141、触摸面板150、驱动器IC(IntegratedCircuit:集成电路)151、显示器面板160、驱动器IC161、控制部200、正弦波产生器310以及振幅调制器320。
控制部200具有应用处理器220、通信处理器230、驱动控制部240以及存储器250。控制部200例如通过IC芯片来实现。
另外,驱动控制部240、正弦波产生器310以及振幅调制器320构建驱动控制装置300。此外,此处,对应用处理器220、通信处理器230、驱动控制部240以及存储器250通过一个控制部200来实现的方式进行说明,但驱动控制部240可以作为其它的IC芯片或者处理器而设置在控制部200的外部。此时,存储器250所储存的数据中驱动控制部240的驱动控制所需的数据被储存至与存储器250不同的存储器,只要设置在驱动控制装置300的内部即可。
在图7中,省略框体110、顶部面板120、双面胶带130以及基板170(参照图2)。另外,此处,对放大器141、驱动器IC151、驱动器IC161、驱动控制部240、存储器250、正弦波产生器310以及振幅调制器320进行说明。
放大器141被配设在驱动控制装置300与振动元件140之间,对从驱动控制装置300输出的驱动信号进行放大,并驱动振动元件140。
驱动器IC151与触摸面板150连接,检测表示对触摸面板150的操作输入所在的位置的位置数据,并将位置数据输出至控制部200。结果位置数据被输入至应用处理器220和驱动控制部240。此外,位置数据被输入至驱动控制部240与位置数据被输入至驱动控制装置300等效。
驱动器IC161与显示器面板160连接,将从驱动控制装置300输出的描绘数据输入至显示器面板160,并使显示器面板160显示基于描绘数据的图像。由此,在显示器面板160显示基于描绘数据的GUI操作部或者图像等。
应用处理器220进行执行电子设备100的各种应用的处理。
通信处理器230执行为了电子设备100进行3G(Generation)、4G(Generation)、LTE(Long Term Evolution:长期演进)、WiFi等通信所需的处理。
驱动控制部240在满足两个规定的条件的情况下,将振幅数据输出至振幅调制器320。振幅数据是表示用于调整使用于振动元件140的驱动的驱动信号的强度的振幅值的数据。根据位置数据的随时间的变化程度来设定振幅值。此处,作为位置数据的随时间的变化程度,使用利用者的指尖沿着顶部面板120的表面移动的速度。对于利用者的指尖的移动速度,由驱动控制部240基于从驱动器IC151输入的位置数据的随时间的变化程度来计算。
另外,实施方式的驱动控制装置300在利用者的指尖沿着顶部面板120的表面移动时,为了使对指尖施加的动摩擦力变化而使顶部面板120振动。由于动摩擦力在指尖移动时产生,所以驱动控制部240在移动速度变为规定的阈值速度以上时,使振动元件140振动。移动速度变为规定的阈值速度以上是第一个规定条件。
因此,驱动控制部240输出的振幅数据表示的振幅值在移动速度小于规定的阈值速度时为零,若移动速度变为规定的阈值速度以上,则根据移动速度而设定为规定的振幅值。在移动速度为规定的阈值速度以上时,移动速度越高,则越小地设定振幅值,移动速度越低,则越大地设定振幅值。
另外,实施方式的驱动控制装置300在进行操作输入的指尖的位置处于应产生振动的规定区域内的情况下,将振幅数据输出至振幅调制器320。进行操作输入的指尖的位置处于应产生振动的规定区域内是第二个规定条件。
进行操作输入的指尖的位置是否处于应产生振动的规定区域内基于进行操作输入的指尖的位置是否处于应产生振动的规定区域的内部来判定。
此处,显示于显示器面板160的GUI操作部、显示图像的区域,或者表示页面整体的区域等显示器面板160上的位置根据表示该区域的区域数据来确定。区域数据在所有的应用中,针对显示于显示器面板160的全部GUI操作部、显示图像的区域,或者表示页面整体的区域而存在。
因此,作为第二个规定条件,在判定进行操作输入的指尖的位置是否处于应产生振动的规定区域内时,与电子设备100启动的应用的种类有关系。是因为根据应用的种类而显示器面板160的显示不同。
另外,是因为根据应用的种类而使触摸顶部面板120的表面的指尖移动的操作输入的种类不同。作为使触摸顶部面板120的表面的指尖移动的操作输入的种类,例如在操作GUI操作部时,有所谓的轻拂(flick)操作。轻拂操作是使指尖沿着顶部面板120的表面如弹(snap)那样移动比较短的距离的操作。
另外,在翻页的情况下,例如进行横扫(swipe)操作。横扫操作是使指尖沿着顶部面板120的表面如扫过那样移动比较长的距离的操作。横扫操作是除了翻页的情况之外,例如还在翻照片的情况下进行。另外,在使GUI操作部的滑块(参照图1的滑块102B)滑动的情况下,进行拖拽滑块的拖拽操作。
此处如作为一个例子而列举的轻拂操作、横扫操作以及拖拽操作那样使触摸顶部面板120的表面的指尖移动的操作输入根据应用的显示的种类而分开使用。因此,在判定进行操作输入的指尖的位置是否处于应产生振动的规定区域内时,与电子设备100启动的应用的种类有关系。
驱动控制部240使用区域数据来判定从驱动器IC151输入的位置数据表示的位置是否处于应产生振动的规定区域的内部。
将表示应用的种类的数据、表示进行操作输入的GUI操作部等的区域数据以及表示振动模式的模式数据建立关联的数据被储存至存储器250。
另外,驱动控制部240为了对从驱动器IC151向驱动控制装置300输入位置数据到基于该位置数据来计算驱动信号为止的所需时间的期间中的指尖的位置的变化量进行插值,而进行以下的处理。
驱动控制装置300每隔规定的控制周期进行运算。这驱动控制部240也相同。因此,若将从驱动器IC151向驱动控制装置300输入位置数据到驱动控制部240基于该位置数据来计算出驱动信号为止的所需时间设为Δt,则所需时间Δt与控制周期相等。
此处,指尖的移动速度能够作为将从驱动器IC151向驱动控制装置300输入的位置数据表示的点(x1,y1)设为起点、经过所需时间Δt后的指尖的位置设为终点(x2,y2)的矢量的速度来求出。
驱动控制部240通过求出将从驱动器IC151向驱动控制装置300输入的位置数据表示的点(x2,y2)设为起点、经过所需时间Δt后的指尖的位置设为终点(x3,y3)的矢量,来推断经过所需时间Δt后的坐标(x3,y3)。
在实施方式的电子设备100中,通过如上述那样推断经过所需时间Δt后的坐标而对所需时间Δt的期间中的指尖的位置的变化量进行插值。
这样的推断经过所需时间Δt后的坐标的运算由驱动控制部240进行。驱动控制部240判定推断坐标是否处于应产生振动的规定区域的内部,在处于应产生振动的规定区域的内部的情况下使振动产生。因此,第二个规定条件是推断坐标处于应产生振动的规定区域的内部。
综上所述,驱动控制部240为了将振幅数据输出至振幅调制器320所需的两个规定条件是指尖的移动速度为规定的阈值速度以上、以及推断坐标处于应产生振动的规定区域的内部。
驱动控制部240在指尖的移动速度为规定的阈值速度以上、推断坐标处于应产生振动的规定区域的内部的情况下,从存储器250读出表示与移动速度对应的振幅值的振幅数据,并输出至振幅调制器320。
存储器250储存将表示应用的种类的数据、表示进行操作输入的GUI操作部等的区域数据以及表示振动模式的模式数据建立关联的数据。
另外,存储器250储存应用处理器220执行应用所需的数据以及程序、以及通信处理器230进行通信处理所需的数据以及程序等。
正弦波产生器310产生生成用于使顶部面板120以固有振动数振动的驱动信号所需的正弦波。例如在使顶部面板120以33.5[kHz]的固有振动数f振动的情况下,正弦波的频率为33.5[kHz]。正弦波产生器310将超声波频带的正弦波信号输入至振幅调制器320。
正弦波产生器310产生的正弦波信号是成为产生超声波频带的固有振动的驱动信号的来源的交流的基准信号,具有一定的频率和一定的相位。正弦波产生器310将超声波频带的正弦波信号输入至振幅调制器320。
此外,此处,对使用产生正弦波信号的正弦波产生器310的方式进行说明,但可以不是正弦波信号。例如可以使用使时钟的上升沿和下降沿的波形变缓那样的波形的信号。因此,可以使用产生超声波频带的交流信号的信号产生器来代替正弦波产生器310。
振幅调制器320使用从驱动控制部240输入的振幅数据,对从正弦波产生器310输入的正弦波信号的振幅进行调制来生成驱动信号。振幅调制器320仅对从正弦波产生器310输入的超声波频带的正弦波信号的振幅进行调制,不调制频率以及相位,而生成驱动信号。
因此,振幅调制器320输出的驱动信号是仅对从正弦波产生器310输入的超声波频带的正弦波信号的振幅进行调制所得的超声波频带的正弦波信号。此外,在振幅数据为零的情况下,驱动信号的振幅变为零。这与振幅调制器320不输出驱动信号相同。
接下来,使用图8,对储存至存储器250的数据进行说明。
图8是表示储存至存储器250的数据的图。
如图8所示,将表示应用的种类的数据、表示显示进行操作输入的GUI操作部等的区域的坐标值的区域数据以及表示振动模式的模式数据建立关联的数据被储存至存储器250。
作为表示应用的种类的数据,示出应用ID(Identification)。另外,作为区域数据,示出表示显示进行操作输入的GUI操作部等的区域的坐标值的式f1~f4。另外,作为表示振动模式的模式数据,示出P1~P4。模式数据P1~P4是按照时间序列排列表示振幅值的振幅数据所得的数据。
此外,由应用ID表示的应用包括智能手机终端机或者平板型计算机中能够利用的所有的应用,也包括电子邮件的编辑模式。
接下来,使用图9,对实施方式的电子设备100的驱动控制装置300的驱动控制部240执行的处理进行说明。
图9是表示实施方式的电子设备100的驱动控制装置300的驱动控制部240执行的处理的流程图。
电子设备100的OS(Operating System:操作系统)每隔规定的控制周期执行用于驱动电子设备100的控制。因此,驱动控制装置300每隔规定的控制周期进行运算。这驱动控制部240也相同,驱动控制部240每隔规定的控制周期反复执行图9所示的流程。
此处,若将从驱动器IC151向驱动控制装置300输入位置数据到驱动控制部240基于该位置数据来计算驱动信号为止的所需时间设为Δt,则所需时间Δt与控制周期大致相等。
控制周期的1周期的时间能够作为与从驱动器IC151向驱动控制装置300输入位置数据到基于该位置数据来计算驱动信号为止的所需时间Δt相当的量来处理。
驱动控制部240通过电子设备100的电源被接通而使处理开始。
驱动控制部240根据当前的位置数据表示的坐标和当前的应用的种类,对当前进行操作输入的GUI操作部,获取与振动模式建立关联的区域数据(步骤S1)。
驱动控制部240判定移动速度是否是规定的阈值速度以上(步骤S2)。移动速度通过矢量运算来计算即可。此外,阈值速度设定为如所谓轻拂操作、横扫操作或者拖拽操作等那样一边使指尖移动一边进行操作输入时的指尖的移动速度的最低速度即可。这样的最低速度可以基于实验结果来设定,也可以基于触摸面板150的分辨率等来设定。
驱动控制部240在步骤S2中判定为移动速度为规定的阈值速度以上的情况下,基于当前的位置数据表示的坐标和移动速度来运算Δt时间后的推断坐标(步骤S3)。
驱动控制部240判定Δt时间后的推断坐标是否在步骤S1中所求出的区域数据表示的区域St中(步骤S4)。
驱动控制部240在判定为Δt时间后的推断坐标处于步骤S1中所求出的区域数据表示的区域St中的情况下,从模式数据读出表示与步骤S2中所求出的移动速度对应的振幅值的振幅数据(步骤S5)。
驱动控制部240输出振幅数据(步骤S6)。由此,在振幅调制器320中,通过对从正弦波产生器310输出的正弦波的振幅进行调制来生成驱动信号,驱动振动元件140。
另一方面,在步骤S2中判定为移动速度不是规定的阈值速度以上的情况下(S2:否)、和在步骤S4中判定为Δt时间后的推断坐标不在步骤S1中所求出的区域数据表示的区域St中的情况下,驱动控制部240将振幅值设定为零(步骤S7)。
结果驱动控制部240输出振幅值为零的振幅数据,在振幅调制器320中生成从正弦波产生器310输出的正弦波的振幅被调制成零的驱动信号。因此,该情况下,振动元件140不被驱动。
接下来,使用图10以及图11对实施方式的电子设备100的动作例进行说明。
图10以及图11是表示实施方式的电子设备100的动作例的图。在图10以及图11中,定义与图2~图4相同的XYZ坐标。
图10是平面地表示顶部面板120、触摸面板150以及显示器面板160的图,电子设备100的利用者用指尖触摸用灰色表示的页面1,向左方向进行横扫操作,想要打开用白色表示的页面2。即,电子设备100的显示要从页面1迁移至页面2。
这样在进行翻页的动作的动作模式中,驱动控制部240判定操作输入是否是横扫操作。例如,若利用者的指尖从最初触摸顶部面板120的位置在X轴方向上移动±dmm以上,则驱动控制部240判定为正进行横扫操作,在指尖进入到用斜线表示的区域的内部时,在顶部面板120产生振动。用斜线表示的区域为区域St。
此处,使用图11,对如图10所示那样进行了操作输入的情况下,通过基于驱动控制部240输出的振幅数据从振幅调制器320输出的驱动信号在顶部面板120产生的振动进行说明。在图11中,横轴表示时间轴,纵轴表示振幅数据的振幅值。另外,此处,假设利用者进行横扫操作时的指尖的移动速度大致恒定。
假设利用者将触摸顶部面板120的位置C1的指尖在时刻t1开始向左方向移动。而且,在从位置C1移动了距离dmm的时刻t2,驱动控制部240判定为利用者的输入操作是横扫操作,进行横扫用的振动模式下的驱动。使用于横扫操作的判定的操作距离dmm相当于时刻t1~t2的期间的指尖的移动距离。另外,在时刻t2,页面的迁移开始。
横扫用的振动模式是振幅为A11、在进行横扫操作的期间振动连续的驱动模式。
若在时刻t3利用者将指尖从顶部面板120离开而结束横扫操作,则驱动控制部240将振幅值设定为零。因此,在时刻t3之后,振幅就变为零。另外,在时刻t3之后的时刻t4,页面的迁移完成。
这样,在利用者为了翻页而进行了横扫操作的情况下,作为一个例子,驱动控制部240输出振幅为恒定值(A11)的振幅数据。因此,在利用者进行横扫操作的期间中,对利用者的指尖施加的动摩擦力降低,能够对利用者提供指尖滑行的感觉,利用者能够通过指尖感知到横扫操作被电子设备100受理。
此外,在图10以及图11中,对利用者为了翻页而进行横扫操作的情况下的振动模式进行了说明。然而,在进行了所谓轻拂操作,或者,使指尖沿着顶部面板120的表面移动那样的操作的情况下,也能够通过驱动振动元件140来对利用者提供各种触感。
更具体而言,在操作输入的位置横跨显示于显示器面板160的按钮102A(参照图1)那样的GUI操作部的边界来移动时,或者,一边操作GUI操作部一边移动时,可以使固有振动的强度变化。另外,也可以在操作输入的位置在显示于显示器面板160的滑块102B(参照图1)的GUI操作部的区域内移动时,根据滑块102B的操作量,或者在到达滑块102B的刻度时,使固有振动的强度变化。
此处,对顶部面板120中的振动元件140的位置和顶部面板120的位移以及曲率进行说明。此处,假设在顶部面板120振动时,顶部面板120的端部为自由端。
图12以及图13是表示顶部面板120中的振动元件140的位置和顶部面板120的位移以及曲率的图。在图12中,夸张地示出位移以及曲率的大小,以便容易明白顶部面板120的位移以及曲率。
此外,在图12以及图13中,位移为0的点表示固有振动的波节,位移最大的点表示固有振动的波腹。另外,曲率是对位移进行二次微分所得的物理量。此外,若用正弦波(sin波)表现位移,则用-sin表现曲率,成为反相,然而此处以容易明白为优先,用与位移同相表示曲率。
在图12中,振动元件140被配设在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置(从端部起第二个波节到第三波节为止的位置),振动元件140的Y轴方向的宽度是表示顶部面板120的位移的正弦波(sin波)的波长λ的一半(0.5λ)。波长λ是表示在顶部面板120产生的位移的正弦波的波长,是没有考虑振动元件140而求出的值。
将振动元件140的Y轴方向的宽度设为0.5λ是因为振动元件140在Y轴方向上位于从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波节与第三个波节之间。是因为考虑到通过这样使0.5λ的振动元件140位于波节与波节之间,能够高效地使顶部面板120产生振动。
在图12中,由于顶部面板120的Y轴正方向侧的端部为自由端,所以位移为最大。另一方面,在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部中,由于是自由端所以曲率为0。因此,在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部中,形状以及曲率都表示从通过三角函数赋予的值偏离的值。此外,将图12所示的位移的Y轴方向中的分布表示的形状称为位移的形状。
理论上,顶部面板120的振动是梁的弯曲振动,梁的弯曲振动的驻波的一般解由下式(3)表示。式(3)例如在“机械振动学通论第2版,入江敏博”中记载。
[式3]
此处,L为顶部面板120的长度,能够作为梁的长度来处理。Y的范围设为0~L。
若在两端自由端的条件下作为例子而求出相当于10周期的固有值,则a≈9.75×2π×L。换句话说,相对于顶部面板120的长度L,实际上为9.75周期。波长λ=L/9.75。
若对各系数D1、D2、D3、D4求解,则近似地获得由下式(4)表示的振动形状。
[式4]
若使用式(4)来求出从端到第二个波节为止的距离,则约为0.623×波长λ。虽然根据周期的数目等而略有不同,但大体上到第二个波节点为止的距离能够以5/8×λ=0.625λ近似。
在图13中,振动元件140A被配设在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部。振动元件140A基本上与图12所示的振动元件140相同,但Y轴方向的宽度与振动元件140不同。因此,此处,作为振动元件140A来区别。振动元件140A是被配设在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部的振动元件。
由于振动元件140A配置在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部与从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波节之间,所以振动元件140A的Y轴方向的宽度为0.625λ。
将振动元件140的Y轴方向的宽度设定为0.625λ是因为振动元件140在Y轴方向上位于顶部面板120的Y轴正方向侧的端部与从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波节之间。由于考虑到比第二个波节靠外侧成为端特有的状态,所以将振动元件140的Y轴方向的宽度设定为0.625λ。
如上述那样,从端到第二个波节为止的距离约为0.625λ。另外,根据上面的U(x)的二阶微分,在面板端以及从面板端起第二个波节中,曲率为0,在之间的部分中,曲率为同一符号。想到若使宽度为0.625λ的振动元件140位于顶部面板120的Y轴正方向侧的端部与从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波节之间则能够高效地使顶部面板120产生振动。
图14以及图15是说明顶部面板120和振动元件140弯曲的样子的图。
如图14所示,从顶部面板120和振动元件140没有弯曲的状态起,如图15所示,振动元件140伸长,而产生与顶部面板120的长度的差,成为弯曲的力,由此在顶部面板产生振动。反之,若振动元件120收缩,则在相反侧产生弯曲的力。为了这样通过振动元件的变形来产生弯曲,而产生驻波,而振动元件140必须粘贴在驻波的曲率不是0的部分。另外,若横跨曲率相反的部分来粘贴振动元件140,则在曲率相反的部分中,要引起相反的相位的振动,引起振动的效果抵消。据此,想到效率最好的是使振动元件140的宽度与曲率变为0的点间的相同的符号的范围对应的情况。那是图12和图13所示的振动元件的宽度。
图16是表示顶部面板120和振动元件140弯曲的状态的图。
在顶部面板120中未安装振动元件140的区间P、和安装有振动元件140的区间C中,弯曲刚性不同。即,使顶部面板120以及振动元件140重叠地固定的区间C中的顶部面板120以及振动元件140的弯曲刚性、和仅顶部面板120的区间P中的顶部面板120的弯曲刚性不同。
未安装振动元件140的区间是指仅顶部面板120的区间,是顶部面板120单独存在的区间。
此处,将使顶部面板120以及振动元件140重叠地固定的区间C中的顶部面板120以及振动元件140的弯曲刚性设为Mc、仅顶部面板120的区间P中的顶部面板120的弯曲刚性设为Mp。弯曲刚性Mc大于弯曲刚性Mp。此外,对于仅顶部面板120的区间P,仅表示与区间C邻接的一部分的区间。
本次发现了为了使电子设备100的顶部面板120产生超声波频带的固有振动来提供良好的触感,而考虑弯曲刚性Mc与弯曲刚性Mp的比(刚性比)α(=Mp/Mc)来设定振动元件140的Y轴方向的宽度是有用的。
此处,振动元件140的Y轴方向的宽度是指超声波频带的固有振动的位移变动的方向上的振动元件140的宽度。在本实施方式中,由于在Y轴方向上超声波频带的固有振动的位移变动,所以对振动元件140的Y轴方向的宽度进行说明。
此外,以下,将振动元件140的Y轴方向的宽度设为W。另外,将在顶部面板120安装振动元件140的状态下,表示在顶部面板120产生的位移的正弦波的波长设为λc。这与上述的波长λ不同。上述的波长λ是表示在顶部面板120产生的位移的正弦波的波长,是没有考虑振动元件140而求出的值。
图17是表示最佳的元件宽度W/λc相对于刚性比α这个关系的图。W/λc是振动元件140的Y轴方向的宽度W与波长λc的比。
在图17中,用虚线表示的特性表示如图12所示那样在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配设振动元件140的情况下的最佳的元件宽度W/λc相对于刚性比α的特性。
另外,用实线表示的特性表示如图13所示那样在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配设振动元件140A的情况下的最佳的元件宽度W/λc相对于刚性比α的特性。
在刚性比α非常小的情况下,将振动元件140的Y轴方向的宽度的最佳值除以波长λc所得的比约为0.75。此处,与用玻璃等制成的顶部面板120相比,由陶瓷等制成的振动元件140的杨氏模量较高。因此,此处假设极端的情况,将弯曲刚性Mc与弯曲刚性Mp相比极端大的情况下的刚性比α设定为0,将刚性比α为0时的W/λc设定为0.75。
此外,这认为在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配设振动元件140的情况、和在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配设振动元件140A的情况相等。
另外,忽略振动元件的影响,不考虑刚性比α,如图12所示那样在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配设振动元件140的情况下的振动元件140的Y轴方向的宽度W为0.5λ。
由于刚性比α为1的情况是即使粘贴有振动元件的部分,弯曲刚性也没有因振动元件的影响而改变的状况,所以认为与仅以在图12所示的顶部面板考虑的情况一致。另外,由于弯曲刚性没有因振动元件的影响而发生改变,所以λ=λc。因此,在刚性比α为1的情况下,将在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配设振动元件140的情况下的W/λc设定为0.5。
另外,同样地将图13所示的振动元件140A配设于顶部面板120的Y轴正方向侧的端部的情况也认为刚性比α为1的情况和图13的配置中仅以顶部面板考虑的情况一致。如图13那样忽略振动元件140的情况下,振动元件140A的Y轴方向的最佳的宽度为0.625λ。刚性比α为1的情况下,与此相同的元件宽度是最佳的,另外,由于λ=λc,所以W/λc约为0.625。
因此,在刚性比α为1的情况下,将在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配设振动元件140A的情况下的W/λc设定为0.625。
图17所示的实线的特性由下式(5)表示,虚线的特性由下式(6)表示。
[式5]
W=(0.75-0.125×α)×λc (5)
[式6]
W=(0.75-0.125×α)×λc (6)
其中,在比图12所示的粘贴振动元件140的波腹靠顶部面板的中央的波腹粘贴振动元件140的情况是全部与图12的波腹的情况相同的条件,应用式(5)的特性。另外,在顶部面板120的端部为固定端的情况下,最端部的波腹因固定而振动形状是特殊的,但在除此以外的波腹中,振动形状几乎为三角函数,与图12所示的在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件14的情况相同。因此,在顶部面板120的端部为固定端的情况下,应用式(5)的特性。在成为端中位移为0、能够旋转的被称为支承端的条件的情况下,也包括最端部的波腹,振动形状为三角函数,在所有的波腹中应用式(5)的特性。
以下,在图17中,对刚性比α为0的情况下,W/λc为0.75的情况是最佳的理由进行说明。
在刚性比α为0的情况近似而言是弯曲刚性Mp相对于弯曲刚性Mc非常小的情况。在刚性比α为0的情况下,认为即使在以顶部面板120整体的固有振动的模式振动的情况,在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的位移与将在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的两端设为自由端的情况的振动接近。是因为顶部面板120单独的弯曲刚性Mp与弯曲刚性Mc相比非常小。
图18是表示两端具有自由端的梁的一次谐振模式的图。两端具有自由端的梁是对在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间进行模型化的。在图18中,在横向上表示梁的宽度。在图18的上侧,针对在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间,表示模型的位移(位移在Y轴方向上的分布表示的形状),下侧表示模型的曲率的分布。曲率是通过对位移进行二次微分所得的。此外,模型的位移(位移在Y轴方向上的分布表示的形状)表示振动在Y轴方向上的形状。
根据梁的弯曲振动的理论,两端在自由端中获得一次谐振是梁的宽度(通常,在振动传播的方向这个含义下为长度)为0.75λc时。这由边界条件来决定,不管是顶部面板120单独,还是在顶部面板120重叠地安装有振动元件140的层叠结构,都不改变。
在本实施方式中,使在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的刚性Mc较大的情况下的振动元件140的宽度W适合在顶部面板120重叠地安装有振动元件140的区间的两端设为自由端的情况下的一次谐振的条件。
此处,λc由固有振动的频率等来决定,在梁为一层的情况和二层的情况下是同样的,但在下式(7)中表示二层的情况下的式子。在式(7)中,弯曲刚性Mc是二层的梁中的弯曲刚性,ρ1、ρ2是二层的梁的各自的密度,t1、t2是二层的梁的各自的厚度。
[式7]
λc=(2π/f)1/2{Mc/(ρ1t1+ρ2t2)}1/4 (7)
在电子设备100中,预先决定使顶部面板120产生的超声波频带的固有振动的频率的基准,使用以与成为基准的频率接近的频率获得的固有振动的模式,所以定下了成为基准的频率。此处,对在以基准的频率驱动振动元件140的情况下,将振动元件140的宽度W设定为什么样的值进行考察。
在宽度W为0.75λc的情况下,若将在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间获得的振动的形状(位移的Y轴方向上的分布表示的形状)视为与图18所示的梁的自由端中的一次谐振下的振动的形状相同,则根据自由端的边界条件,在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的两端中的曲率变为0。
振动元件140在Y轴方向上的两端之间,曲率为同一符号。曲率的符号表示图18的下侧所示的曲率是在纵轴方向中比0靠上侧(正侧)还是靠下侧(负侧)。曲率为同一符号是指曲率的分布在Y轴方向上正侧或者负侧的任意一侧。
在图18的上侧所示的顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的两端之间,曲率为同一符号,所以适合通过振动元件140的伸缩使顶部面板120弯曲。
若振动元件140的宽度W大于0.75λc,则振动的形状与图18所示的产生一次谐振的顶部面板120的宽度的情况相比向外侧扩展,扩展的部分成为曲率反转的形状。即,由于产生抵消弯曲振动的效果,所以效率降低。
若振动元件140的宽度W小于0.75λc,则振动形状变为一次谐振的宽度变窄、端的部分的振幅消失那样的形状,所以曲率为同一符号,但由于宽度W较小,所以与宽度W为0.75λc的情况下相比引起振动的力变小。从这些考察推测出刚性比α(=Mp/Mc)较小的情况下的最佳的宽度W为0.75λc。
一层的梁的弯曲刚性能够使用2次力矩I(=dt3/12)如下式(8)那样来计算。
[式8]
Mp=EI=Edt3/12 (8)
此处,E为杨氏模量,d为顶部面板120的Y轴方向的长度,t为顶部面板120的厚度。
以下,假设顶部面板120的Y轴方向的长度d的值为1(单位长度)、在Y轴方向上具有单位长度来进行说明。
一层的梁的弯曲刚性的求法如下。若在Z轴方向上取梁的厚度方向,则在欧拉-伯努利梁的假设中将中立点设为Z0、梁的变形的曲率半径设为r,则形变ε是ε=(Z-Z0)/r,在微小部分ΔZ产生的力由下式(9)表示。
[式9]
基于该力的向中立点Z0的力矩ΔM由下式(10)表示。
[式10]
通过如以下那样进行积分,作为每个曲率(1/r)的力矩,根据下式(11)来求出弯曲刚性Mp。在厚度方向的中央取Z的原点,积分范围为-t/2~t/2。
[式11]
在一层的梁中,中立点Z0为梁的中央,若代入Z0=0,则求出下式(12)。
[式12]
这样获得与式(8)相同的弯曲刚性的结果。此外,在式(12)中,将顶部面板120的Y轴方向的长度d的值设定为1(单位长度)。
为了按照与此相同的顺序求出二层的情况下的弯曲刚性,首先,求出弯曲的中立点位置Z0。
图19表示作为二层的梁而在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间。将第一层(顶部面板120)的厚度设为a、杨氏模量设为Ea、第二层(振动元件140)的厚度设为b、杨氏模量设为Eb。Z的原点如图那样为第一层(顶部面板120)的下表面的位置。
在欧拉-伯努利梁的假设中,若将曲率半径设为r,则微小部分ΔZ的形变是(Z-Z0)/r,力Δf乘以每一层的杨氏模量Ei,由下式(13)表示。
[示13]
另外,对Δf进行积分所得的F由下式(14)表示。
[式14]
此处,在图19所示的二层的梁中,力应在整体平衡,所以若设为F=0,则中立点Z0如下式(15)那样求出。
[式15]
另外,力矩与使用式(10)所求出的一层的梁的力矩同样地能够通过对第一层和第二层合计微小部ΔZ的贡献来求出。具体而言,二层的梁的弯曲刚性Mc如果使用式(15)的Z0,则能够如下式(16)那样求出。
[式16]
如果使用式(16),则能够根据杨氏模量以及厚度等来计算在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的弯曲刚性Mc、和顶部面板120单独的弯曲刚性与在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的弯曲刚性的比α。另外,能够根据式(7)求出在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的波长λc。
此外,此处,对顶部面板120和振动元件140的双层构造的情况进行了说明,但例如,即使是将振动元件140配置于顶部面板120的两面的三层结构,也同样地能够求出弯曲刚性Mc,并能够应用本实施方式。
图20表示作为顶部面板120而使用的玻璃的厚度t为0.3mm、振动元件140以及140A为厚度0.3mm的陶瓷制、刚性比α为0.13的情况下,通过有限元解析改变宽度W的值并进行解析,绘制出顶部面板120的固有振动的振幅的值的结果。
图20示出将振动元件140配置在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置的情况、和将振动元件140A配置在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部的情况下的图表。
如图20所示,得知在将振动元件140配置在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置的情况下、和将振动元件140A配置在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部的情况这双方的情况下,在W/λc约为0.75时,在顶部面板120产生的振动的振幅变为最大。此外,得知在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的波长λc比顶部面板120单独的波长λp大两成左右。
根据图20的结果,可以说在刚性比α比较小的情况下,宽度W为0.75λc下、振动的效率变为良好这个推测是妥当的。
此外,在将振动元件140配置于从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置的情况下,振动元件140的位置也是重要的。图20是使振动元件140的中心对准顶部面板120单独的固有振动的波腹的位置的配置下解析出的结果,然而在顶部面板120安装振动元件140的情况下,在顶部面板120单独的情况下的固有振动的波腹的位置处,固有振动的振幅变大。
因此,在振动元件140的刚性的影响下,在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的振动形状与顶部面板120单独不同,但关于振动元件140的安装位置,可以是顶部面板120单独计算出的波腹的位置。
另外,图21是表示解析结果的振动形状的一个例子的图。在图21中,用符号120α、140α表示在顶部面板120安装振动元件140并使其振动的情况下的振动形状。
确认出图21的在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的振动形状与仅抽出在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间并作为自由端的情况下的振动形状接近。
此处,图17的图表的右端中,顶部面板120单独的弯曲刚性Mp与在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的弯曲刚性Mc的比(刚性比)α为1,弯曲刚性Mp和弯曲刚性Mc相等。即,没有因振动元件140所引起的顶部面板120的刚性的变动,振动与图12以及图13中考虑的顶部面板120单独的固有振动相同。
因此,在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间中的波长λc与顶部面板120单独的情况下的波长λp相同,另外,振动元件140的宽度W的最佳的值在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140的情况下为0.5λc,在顶部面板120的端配置振动元件140的情况下为0.625λc。
如以上那样,对于图17的左端(α=0)和右端(α=1)中的条件,能够推测出振动元件140的最佳的宽度W。
对于图17的左端(α=0)和右端(α=1)的中间的条件,如图17所示,相对于刚性比α,推测出如式(5)、式(6)所示那样最佳宽度线性变化。以下,使用在四种刚性比α的值中进行了有限元解析的结果来对上述的推测的妥当性进行验证。
使用了四种刚性比α的值的四个情况的条件如下。
·情况1:α=0.13,顶部面板120的厚度t=0.3mm,振动元件140的厚度t=0.3mm
·情况2:α=0.2,顶部面板120的厚度t=0.42mm,振动元件140的厚度t=0.3mm
·情况3:α=0.35,顶部面板120的厚度t=0.7mm,振动元件140的厚度t=0.3mm
·情况4:α=0.68,顶部面板120的厚度t=0.7mm,振动元件140的厚度t=0.1mm
情况1的结果如图20所示那样。另外,对于情况3,使用图22以及图23来说明。另外,对于情况2,使用图24来说明。
图22是表示在情况3中在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置有振动元件140的情况下的固有振动的振幅相对于宽度W的图。图23是表示在顶部面板120的端部配置有振动元件140A的情况下的解析结果的图。图24是情况2中在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置有振动元件140的情况、和在顶部面板120的端部配置有振动元件140A的情况下的固有振动的振幅相对于宽度W的图。
在图22中,在宽度W为0.63λc时,振幅为最大。另外,在图23中,在宽度W为0.71λc时,振幅为最大。在图24中,在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置有振动元件140的情况下,在宽度W为0.65λc时,振幅为最大,在顶部面板120的端部配置有振动元件140A的情况下,宽度W为0.70λc时,振幅为最大。
图25是表示在情况1~4中,将获得最大的振幅的宽度W相对于弯曲刚性之比α绘制所得的结果的图。在图25中,也显示与式(5)和式(6)对应的直线。
根据图25所示的结果,示出带来通过有限元解析所求出的最大的振幅的宽度W与式(5)和式(6)的宽度W几乎一致,相对于弯曲刚性的比α,最佳的宽度W线性变化这个推测是妥当的。
因此,根据以上的结果,如果给出顶部面板120的杨氏模量和厚度、以及振动元件140的杨氏模量和厚度,并选择顶部面板120的振动的频率,则能够计算出顶部面板120单独的弯曲刚性Mp与在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的弯曲刚性Mc的比(刚性比)α。另外,能够计算出在顶部面板120重叠地安装振动元件140的区间的波长λc。
而且,如果通过式(5)或者式(6)求出最佳的宽度W,则能够实现可以高效地使顶部面板120产生固有振动的电子设备100。
接下来,鉴于以上的考察,对在顶部面板120获得良好的超声波频带的固有振动的振动元件140的宽度W的范围进行研究。
在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置安装振动元件140的情况下,通过设定图20和图22中获得较大的振幅那样的宽度W,能够增大固有振动的振幅。
将宽度W为0.5λc的情况下所获得的振幅设为基准,获得该振幅以上的振幅例如是图20中0.5λc≤W≤0.88λc的范围。将宽度W为0.5λc的情况下所获得的振幅设为基准是因为忽略振动元件对刚性的影响等来考虑的情况下,在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140时振动元件140的宽度W的最佳值为0.5λc。
图26表示针对情况1~3绘制出获得宽度W为0.5λc时的振幅以上的振幅宽度W的范围的上限的值的特性。此外,在情况4的刚性比α=0.68的情况下,在宽度W为0.55λc时获得振幅的最大值,但与宽度W为0.5λc的情况相比振幅仅增加一点点,所以在图26中省略。
另外,图26所示的上限线是在满足α=1、W=0.5λc这个条件下,适用情况1~3的宽度W的范围的上限的值的特性,由下式(17)表示。
[式17]
W=(0.85-0.35α)λc (17)
在根据式(17)而将振动元件140配置于从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第一个波腹的位置的电子设备100中,如果是通过下式(18)给予的范围,则能够期待获得较大的振幅。
[式18]
0.5λc≤W≤(0.85-0.35α)λc (18)
同样地,在自由端的顶部面板120的端配置振动元件140的情况下,通过设定图20和图23中获得较大的振幅那样的宽度W,能够增大固有振动的振幅。
将在宽度W为0.625λc的情况下所获得的振幅设为基准,获得该振幅以上的振幅例如是图23中0.5λc≤W≤0.81λc的范围。将宽度W为0.625λc的情况下所获得的振幅设为基准是因为在忽略振动元件对刚性的影响等来考虑的情况下,在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配置振动元件140时振动元件140的宽度W的最佳值为0.625λc。
图27表示针对情况1~3绘制出获得宽度W为0.625λc时的振幅以上的振幅的宽度W的范围的上限的值的特性。此外,在情况4的刚性比α=0.68的情况下,在0.66λc处获得最大值,但与0.625λc的情况相比振幅仅增加一点点,所以省略。
图27中描绘的上限线是在满足α=1、W=0.625λc这个条件下,适用情况1~3的宽度W的范围的上限的值的特性,由下式(19)表示。
[式19]
W=(0.81-0.185α)λc (19)
即,在将振动元件140配置于顶部面板120的端的电子设备100中,如果是通过下式(18)所给予的范围,则能够期待获得较大的振幅。
[式20]
0.625λc≤W≤(0.81-0.185α)λc (20)
在刚性比α接近1的结构中,设定为图12所示的振动元件140的Y轴方向的宽度0.5λ的结构、以及设定为图13所示的振动元件140的Y轴方向的宽度0.625λ的结构、和在本实施方式中认为最佳的宽度W几乎没有差,振幅增大效果也是很小。
因此,本实施方式通过在刚性比α较小的结构,特别是刚性比α为0.35以下的结构中应用而发挥效果。为了减小刚性比α,采用减小顶部面板120的厚度的结构,或者增大振动元件140的厚度的结构即可。不管哪个结构都认为不会不利于顶部面板120产生振动,而有利地起作用。
因此,减小刚性比α来将宽度W设定为由式(19)或者式(20)表示的范围的电子设备100能够提供良好的触感。
此外,在将振动元件140配置于从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置的情况下,设定为由式(18)表示的范围的宽度W所获得的顶部面板120的振幅成为将宽度W设定为0.5λc以上的情况下的振幅,但不一定成为在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部设置宽度W0.625λc以上的振动元件140的情况下所获得的振幅以上。
特别是在情况4中,将图22和图23进行比较,在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140的情况,与在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配置振动元件140的情况相比振幅较小。
然而,在将顶部面板120固定于框体110的情况下,也存在不能够将振动元件140配置于顶部面板120的Y轴正方向侧的端部的情况。在这样的情况下,将振动元件140配置于从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置。
因此,即使在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140的情况下所获得的振幅与在顶部面板120的Y轴正方向侧的端部配置振动元件140的情况下相比振幅较小,但研究为了在从顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140来获得良好的振动而获得足够的振幅的宽度W是非常有意义的。
例如,在利用双面胶带130等将顶部面板120的端牢固地固定于框体110的情况下,顶部面板120的端部变为固定端。在这样的情况下,顶部面板120的端部和图13的顶部面板的端部条件不同,不能够应用式(20)。然而,如果在顶部面板120的振动的波腹配置振动元件140,则与在从自由端的顶部面板120的Y轴正方向侧的端部起第二个波腹的位置配置振动元件140的情况相同,通过设定为由式(18)获得的宽度W,而能够获得足够的振幅以获得良好的振动。
以上,根据实施方式的电子设备100,使用将顶部面板120以及振动元件140重叠的区间的弯曲刚性Mc、仅顶部面板120的区间的弯曲刚性Mp的刚性比α(=Mp/Mc)来设定振动元件140的Y轴方向的宽度W。由此,能够提供可以提供良好的触感的电子设备100。
另外,使产生顶部面板120的超声波频带的固有振动来使对利用者的指尖施加的动摩擦力变化,所以能够对利用者提供良好的触感。
另外,实施方式的电子设备100通过利用振幅调制器320仅对在正弦波产生器310产生的超声波频带的正弦波的振幅进行调制来生成驱动信号。在正弦波产生器310产生的超声波频带的正弦波的频率与顶部面板120的固有振动数相等,而且,该固有振动数加进振动元件140来设定。
即,不对在正弦波产生器310产生的超声波频带的正弦波的频率或者相位进行调制,而利用振幅调制器320仅对振幅进行调制,来生成驱动信号。
因此,能够使顶部面板120产生顶部面板120的超声波频带的固有振动,利用夹有由挤压效果所引起的空气层,能够可靠地降低用手指描了顶部面板120的表面时的动摩擦系数。另外,能够利用粘带幻觉(Sticky-band Illusion)效果或鱼刺触觉幻觉(FishboneTactile Illusion)效果对利用者提供顶部面板120的表面存在凹凸那样的良好的触感。
另外,以上,说明了为了对利用者提供在顶部面板120存在凹凸那样的触感,而切换振动元件140的开启/关闭的方式。关闭振动元件140是指将驱动振动元件140的驱动信号表示的振幅值设为零。
然而,为了提供这样的触感,不一定使振动元件140从开启变为关闭。例如,可以使用减小振幅来驱动振动元件140的状态,代替振动元件140的关闭的状态。例如,通过将振幅减小为1/5左右,与使振动元件140从开启变为关闭的情况下相同地,可以对利用者提供顶部面板120存在凹凸那样的触感。
该情况下,利用切换振动元件140的振动的强弱那样的驱动信号来驱动振动元件140。结果切换在顶部面板120产生的固有振动的强弱,能够对利用者的指尖提供存在凹凸那样的触感。
为了切换振动元件140的振动的强弱,若在减弱振动时关闭振动元件140,则切换振动元件140的开启/关闭。切换振动元件140的开启/关闭是断续地驱动振动元件140。
此处,使用图28至图31,对实施方式的电子设备100(参照图3)的变形例进行说明。
图28是表示实施方式的变形例的电子设备100C的剖面的图。图28所示的剖面是与图3所示的A-A向视剖面对应的剖面。在图28中,与图3同样地定义XYZ坐标系,该XYZ坐标系是正交坐标系。
电子设备100C包括框体110B、顶部面板120、面板121、双面胶带130、振动元件140、触摸面板150、显示器面板160A以及基板170。
电子设备100C具有将图3所示的电子设备100的触摸面板150设置在背面侧(Z轴负方向侧)的结构。因此,与图3所示的电子设备100相比,双面胶带130、振动元件140、触摸面板150以及基板170被配设在背面侧。
在框体110B中形成有Z轴正方向侧的凹部110A和Z轴负方向侧的凹部110C。在凹部110A的内部配设有显示器面板160A,被顶部面板120覆盖。另外,在凹部110C的内部重叠地设置基板170和触摸面板150,面板121通过双面胶带130被固定于框体110B,在面板121的Z轴正方向侧的面设置有振动元件140。
在图28所示的电子设备100C中,如果根据对面板121的操作输入来切换振动元件140的开启/关闭从而使面板121产生超声波频带的固有振动,则与图3所示的电子设备100同样地,能够提供利用者通过指尖的感觉能够知觉与显示于显示器面板160的图像对应的触感的电子设备100C。
此外,图28表示在背面侧设置有触摸面板150的电子设备100C,但可以将图3所示的结构和图28所示的结构合并,在表面侧和背面侧分别设置触摸面板150。
图29是表示实施方式的变形例的电子设备100D的图。电子设备100D是笔记本型的PC(Personal Computer:个人计算机)。
PC100D包括显示器面板160B1和触摸板160B2。
图30是表示实施方式的变形例的电子设备100D的触摸板160B2的剖面的图。图30所示的剖面是与图3所示的A-A向视剖面对应的剖面。在图30中与图3同样地定义XYZ坐标系,该XYZ坐标系是正交坐标系。
触摸板160B2具有从图3所示的电子设备100除去显示器面板160的结构。
在图29所示那样的作为PC的电子设备100D中,如果根据对触摸板160B2的操作输入来切换振动元件140的开启/关闭从而使顶部面板120产生超声波频带的固有振动,则能够与图3所示的电子设备100同样地,根据对触摸板160B2的操作输入的移动量,通过触感对利用者的指尖提供操作感。
另外,如果在显示器面板160B1的背面设置振动元件140,则能够与图3所示的电子设备100同样地,根据对显示器面板160B1的操作输入的移动量,通过触感对利用者的指尖提供操作感。该情况下,设置图3所示的电子设备100来代替显示器面板160B1即可。
图31是表示实施方式的变形例的电子设备100E的动作状态的俯视图。
电子设备100E包括框体110、顶部面板120C、双面胶带130、振动元件140、触摸面板150、显示器面板160以及基板170。
图31所示的电子设备100E除了顶部面板120C为曲面玻璃以外,与图3所示的实施方式的电子设备100的结构相同。
顶部面板120C弯曲成俯视时的中央部向Z轴正方向侧突出。图31表示顶部面板120C的YZ平面中的剖面形状,然而XZ平面中的剖面形状也是同样的。
这样,通过使用曲面玻璃的顶部面板120C,能够提供良好的触感。特别是对作为图像而显示的物体的实物的形状弯曲的情况有效。
以上,对本发明的例示的实施方式的电子设备进行了说明,但本发明并不限于具体地公开的实施方式,能够进行各种变形、变更,只要不脱离权利要求书。
符号说明
100 电子设备
110 框体
120 顶部面板
130 双面胶带
140、140A 振动元件
150 触摸面板
160 显示器面板
170 基板
180A、180A1、180B 遮挡壁
200 控制部
220 应用处理器
230 通信处理器
240 驱动控制部
250 存储器
300 驱动控制装置
310 正弦波产生器
320 振幅调制器
Claims (4)
1.一种电子设备,包括:
顶部面板,具有操作面;
位置检测部,检测对上述操作面进行的操作输入的位置;
振动元件,被安装于上述顶部面板,使上述操作面产生振动;以及
驱动控制部,利用使上述操作面产生超声波频带的固有振动的驱动信号来驱动上述振动元件,并以上述固有振动的强度根据对上述操作面的操作输入的位置以及该位置的随时间的变化程度变化的方式来驱动上述振动元件,
其中,基于上述顶部面板的弯曲刚性相对于在上述顶部面板安装有上述振动元件的部分中的上述顶部面板以及上述振动元件的弯曲刚性的比来设定上述固有振动的振幅变化的方向上的上述振动元件的宽度。
2.根据权利要求1所述的电子设备,其中,
上述振动元件被安装在上述固有振动的振幅变化的方向上比上述顶部面板的端部靠内侧且与上述固有振动的波腹对应的位置,
若将上述顶部面板和上述振动元件重叠的区间中的上述固有振动的波长设为λc、将上述比设为α,则上述振动元件的宽度W满足0.5λc≤W≤(0.85-0.35α)λc。
3.根据权利要求1所述的电子设备,其中,
上述振动元件被安装在上述固有振动的振幅变化的方向上上述顶部面板的端部,
若将上述顶部面板和上述振动元件重叠的区间中的上述固有振动的波长设为λc、将上述比设为α,则上述振动元件的宽度W满足0.625λc≤W≤(0.81-0.185α)λc。
4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的电子设备,其中,
上述比为0.35以下。
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