JP2016177360A - 電子機器及び振動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作者が指で操作体を接触操作したとき、シャープで明瞭な操作感触（触覚）を得ることができる電子機器及び振動制御方法を提供する。
【解決手段】 相反する第１の方向と第２の方向に移動自在に支持された操作体１０を往復振動させる振動発生装置１の振動を制御するものであって、操作体１０の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体１０が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体１０が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たすことを特徴とする。
第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）
【選択図】図１

Description

本発明は、指で操作体を接触操作したとき、指に振動の触覚を与える電子機器及びその振動を制御する振動制御方法に関する。

従来より、操作体に指を接触させ操作したときに、指に振動による触覚を与える振動フィードバック付きの電子機器が提案されている。

その中で、操作体を操作する指に備えられているパチニ小体が認識可能な振動加速度で指に刺激を与えることで、操作者に刺激を認識させる電子機器が提案されている。

パチニ小体とは皮膚に見られる受容体であり、皮膚下２ｍｍ以上にまばらに存在し、瞬間的刺激と振動を感知できるものである。なお、パチニ小体が感知できる振動周波数のピーク値は２５０Ｈｚと言われており、２５０Ｈｚに近い振動周波数を持つ振動ほど感知しやすいものである。

特許文献１ではスマートフォン、携帯電話等の電子機器において、指をタッチパネルに接触させることにより、情報を入力する技術が開示されている。上記タッチパネルにはパチニ小体が認識可能な振動周波数で振動が与えられ、タッチパネルを操作する指に刺激を与える構造となっている。

ＷＯ２０１３／１８６８４１号公報

特許文献１に開示された技術では、パチニ小体に対して加速度刺激を与える振動周波数は、時間経過にかかわらず常に一定である。この技術によれば、タッチパネルの振動が所定時間経過後においても、操作者の指に伝わる加速度刺激はパチニ小体への影響が大きい振動周波数のままとなり、指に伝わる振動が残留する。従って、操作者はシャープで明瞭な操作感触を得ることができないという問題点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、操作者が指で操作体を接触操作したとき、シャープで明瞭な操作感触（触覚）を得ることができる電子機器及び振動制御方法を提供することを目的としている。

上述した従来技術の問題点を解決し、上述した目的を達成するために、本発明は相反する第１の方向と第２の方向に移動自在に支持された操作体と、前記操作体を往復振動させる振動発生手段と、前記振動発生手段に駆動信号を送信し、前記振動発生手段の振動を制御する振動制御手段を有し、前記振動制御手段は、前記操作体の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たすことを特徴とする。
第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）

この構成によれば、操作体を操作する指に備えられているパチニ小体が認識可能な振動加速度で指に刺激を与え、そして刺激（振動）が残存することがないので、シャープで明瞭な触覚を操作者に与えることができる。

好適には、前記振動発生手段は、前記操作体に力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を前記第１の方向に駆動するアクチュエータとを有し、前記伝達部材が前記アクチュエータによって前記第１の方向へ駆動されたときに、圧縮させられる弾性部材が設けられている。
この構成によれば、前記伝達部材の第２の方向の移動をスムーズに行うことができる。

好適には、前記伝達部材が第２の方向に移動したことを検知する検知手段が設けられている。
この構成によれば、前記伝達部材の第１方向への下死点の位置を検出し、前記振動制御手段に信号を送ることができ、振動の切り替えをシャープに行うことができる。

本発明は相反する第１の方向と第２の方向に移動自在に支持された操作体を往復振動させる振動発生手段の振動を制御する振動制御方法であって、
前記操作体の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たすことを特徴とする。
第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）

この方法によれば、操作体を操作する指に備えられているパチニ小体が認識可能な振動加速度で指に刺激を与え、そして刺激（振動）が残存することがないので、シャープで明瞭な触覚を操作者に与えることができる。

本発明によれば、操作者が指で操作体を接触操作したとき、シャープで明瞭な操作感触（触覚）を得ることができる電子機器及び振動制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態を示す電子機器を模式的に示したブロック図である。 図１に示す電子機器の振動発生装置の動作前の状態を示す断面図である。 図１に示す電子機器の振動発生装置の動作後の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態を示す電子機器に使用される弾性部材の硬度と振動周波数の関係を説明するグラフである。

図１は本発明の実施形態を示す電子機器１００を模式的に示したブロック図であり、図２は電子機器１００の振動発生装置１の動作前の状態を示す断面図、図３は振動発生装置１の動作後の状態を示す断面図である。

図１に示すように、電子機器１００は操作体１０に振動与えるための振動発生装置１と、この振動発生装置１の振動を制御する振動制御装置５０を備えている。振動発生装置１は振動を発生するアクチュエータ２０と、その振動を操作体１０に伝える伝達部材２５を備えている。

振動制御装置５０は振動発生装置１のアクチュエータ２０に駆動制御信号を送るソレノイドドライブ回路５１と、操作体１０への指４０の接触を検知する座標検知装置５６と、この座標検知装置５６から検知信号が送られる静電ＩＣ５２と、操作体１０の移動を検知する検知手段である感圧センサ５３の信号を増幅する感圧Ａｍｐ５４と、静電ＩＣ５２と感圧Ａｍｐ５４からの信号を受け、ソレノイドドライブ回路５１に駆動信号を送るＣＰＵ５５を備えている。このＣＰＵ５５の制御信号により、振動発生装置１の駆動を制御し、操作体１０に振動を付与する構成となっている。

ソレノイド駆動回路５１は操作体１０の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体１０が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体１０が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たす。
第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）

操作体１０の第１の方向は振動発生装置１の伝達部材２５のプランジャ２６が励磁され、プランジャ２６が指４０に向かって図１中Ｚ方向（上方向）に移動する方向を意味する。また、第２の方向はプランジャ２６が引き戻され、プランジャ２６が指４０から離れる図１中Ｚ方向（下方向）を意味する。

式（１）は第３弾性部材３２の強度が標準のものを使用したときの関係式である。式（１）に示すように、操作者が操作体１０に触れて操作体１０を押し下げることによって、プランジャ２６が第１の方向に向かって移動する初動区間である第１区間の振動周波数は２５０Ｈｚ以下である例えば２００Ｈｚとなっている。そして、プランジャ２６が第２の方向に向かって移動する初動区間である第２区間の振動周波数は第１区間の周波数よりも小さく設定され、例えば１００Ｈｚとなっている。

パチニ小体が感知できる加速度刺激の振動周波数のピーク値は約２５０Ｈｚと言われている。従って、操作者は振動周波数が２５０Ｈｚに近い値である２００Ｈｚを得られる第１区間のとき、指への振動を大きく感じることができる。そして、プランジャ２６が指から離れる方向の区間（第２区間）に移動するときは、駆動周波数は第１区間の振動周波数より小さい１００Ｈｚとなっているため、第１区間と比較して指への振動を感じ難い。

また、式（２）は弾性部材の強度が高いものを使用したときの関係式である。式（２）に示すように、操作者が操作体１０に触れて操作体１０を押し下げることによって、プランジャ２６が第１の方向に向かって移動する初動区間である第１区間の振動周波数は２５０Ｈｚ以上となっている。そして、プランジャ２６が第２の方向に向かって移動する初動区間である第２区間の振動周波数は第１区間の周波数よりもさらに大きく設定されている。従って、操作者は周波数が２５０Ｈｚに近い周波数のとき、指への振動を大きく感じることができる。そして、プランジャ２６が指から離れる方向の区間（第２区間）に移動するときは、振動周波数は第１区間の振動周波数より大きくなっており、第１区間と比較して操作者は指への振動を感じ難い。

図２に示すように、振動発生装置は、基板３上にブラケット４が固定されており、基板３とブラケット４とでベース２が構成されている。

ブラケット４の上部に複数の案内軸５が固定されており、操作体１０が案内軸５に案内されて、Ｚ方向（上下方向）に進退自在に支持されている。操作体１０は複数の案内軸５で案内されているため、水平姿勢を維持して上下に移動自在である。ブラケット４と操作体１０の間に付勢ばね６が設けられ、この付勢ばね６によって、操作体１０はＺ軸に沿って上方へ向けて付勢されている。

操作体１０は、操作基材１１とその上に設置された操作ノブ１２とが固定されて構成されている。操作基材１１は金属製または合成樹脂製であり、複数の案内軸５によってＺ方向へ往復移動自在に支持されている。操作ノブ１２は合成樹脂材料で形成されており、その表面１２ａまたは裏面１２ｂに静電センサーなどの座標入力装置５６が搭載されており、操作者の指４０が操作ノブ１２のどの位置に触れたのかを検知できるようになっている。

ブラケット４の天井板４ａの下面にアクチュエータ２０が固定されている。このアクチュエータ２０は一軸駆動アクチュエータであり、ソレノイド機構である。一軸アクチュエータとしては、ソレノイド機構の他にボイスコイルモータもしくはリニアアクチュエータを使用したものであってもよい。

ソレノイド機構であるアクチュエータ２０の固定部は、磁性金属材料で形成された内側ヨーク２１と外側ヨーク２２、ならびに両ヨーク２１，２２の内部に保持された励磁コイル２３とで構成されている。アクチュエータ２０の可動部は、伝達部材２５を有している。伝達部材２５は、内側ヨーク２１を貫通してＺ軸方向へ進退移動するプランジャ２６と、内側ヨーク２１に吸引される可動ヨーク２７と、可動ヨーク２７の下端部に固定された付勢部２８と、下端部に形成された押圧部２９とから構成されている。

プランジャ２６は金属シャフトである。ブラケット４の上面にスラスト軸受７が固定されており、プランジャ２６はスラスト軸受７に摺動自在に支持されている。スラスト軸受７は金属製で潤滑油を含んだ含浸軸受で構成されている。

伝達部材２５を構成するプランジャ２６の上部先端２６ａに第１の弾性部材３１が固定されている。第１の弾性部材３１は、合成ゴムや合成発泡樹脂などで形成されており、圧縮方向へ弾性変形可能である。図２は、アクチュエータ２０の励磁コイル２３に通電されていない状態を示している。

外側ヨーク２２と、伝達部材２５の付勢部２８との間に、第３の弾性部材３２が介在している。第３の弾性部材３２は、第１の弾性部材３１と同様に、合成ゴムや合成発泡樹脂などのような圧縮方向へ弾性変形可能な材料で形成されている。図２に示すように、励磁コイル２３に通電されていないときは、第２の弾性部材３２で発揮される与圧によって、伝達部材２５が下降した状態で動かないように下向きに付勢されている。なお、第３の弾性部材３２が付勢部２８に固定されて、その上部が外側ヨーク２２の下面に固定されることなく当接する構造であってもよい。

ベース２の基板３の上に第２の弾性部材３５が設けられている。第２の弾性部材３５は、第１の弾性部材３１と同様に、合成ゴムや合成発泡樹脂などのような圧縮方向へ弾性変形可能な材料で形成されている。

この実施の形態では、第２の弾性部材３５の部分には感圧センサ５３（検知手段）が設けられている。伝達部材２５が図２に示す姿勢からさらに下向きに移動すると、伝達部材２５の押圧部２９によって第２の弾性部材３５が押され、その時、感圧センサ５３が伝達部材２５のプランジャ２６の操作圧力量を検出し、その信号を感圧Ａｍｐ５４に送るようになっている。

なお、本発明では、第２の弾性部材３５と感圧センサ５３とが別々に構成されて、伝達部材２５が下向きに押されたときに、第２の弾性部材３５で上向きの弾性力が発揮されると共に感圧センサ５３が動作してもよい。

図３に示すように、アクチュエータ２０の励磁コイル２３に通電されると、その電流磁界により内側ヨーク２１が磁化され、可動ヨーク２７が内側ヨーク２１に吸引され、伝達部材２５が第１方向であるＺ軸に沿って上昇する。このとき、伝達部材２５の押圧部２９と第２の弾性部材３５との間に、第１の隙間δ１が形成される。

ここで、図４に従い、第３弾性部材３２の硬度に応じて、振動周波数の特性が変化することを説明しておく。図４の実線Ａは第３弾性部材３２のバネ高度が標準のものを示し、破線Ｂは第２弾性部材３２の硬度が実線のバネ硬度の１／２倍の硬度のものを示し、一点破線Ｃは第２弾性部材３２の硬度が実践のバネ硬度の８倍の硬度を示す。図４中、バネ硬度が標準のものは、プランジャ２６の上昇による操作体１０の押し上げ速度とプランジャ２６の降下速度はバランスが取れている。硬度が低いものはプランジャ２６の上昇とともに操作体１０を容易に押し上げることができるから、振動加速度のピーク値に達するのは早い。しかし、その分、反発力が弱いため、プランジャ２６の降下は遅くなる。硬度が高いものは操作体１０を押し上げるのに時間がかかるため、振動加速度のピーク値に達するのは遅い。しかし、反発力は高く、プランジャ２６の降下は早くなる。

次に、振動発生装置１の動作及び振動制御方法について説明する。 図２に示すように、アクチュエータ２０の励磁コイル２３に通電されていないときには、伝達部材２５が下降し、第３の弾性部材３２から伝達部材２５に下向きの与圧が与えられている。

指４０を操作ノブ１２の表面１２ａに触れると、操作ノブ１２に搭載されている静電センサなどの座標検知装置５６で、指４０の接触が検知される。そして、この検知信号は静電ＩＣ５２へ送られる。指４０を表面１２ａに沿って動作させると、座標検知装置５６によって、指４０の接触位置の移動状態が検知される。指４０を操作ノブ１２の表面１２ａで移動させると、図示しない表示画面でカーソル表示が移動する。カーソル表示をいずれかのメニュー表示の位置に移動させた後に、操作ノブ１２を図２中下向きの力Ｆ１で押すことによってメニューの選択決定操作を行うことができる。

図２に示すように、指４０の押圧操作で操作体１０に下向きの押圧力Ｆ１が与えられると、操作機材１１が案内軸５に案内されて下降する。そうすると、操作体１０は第１の弾性部材３１を介して伝達部材２５とともに下向きに移動させられる。そして、伝達部材２５の押圧部２９で第２の弾性部材３５が押され、感圧センサ５３がその接触を検知し、切替え信号が生成される。切替え信号は感圧Ａｍｐ５４を介してＣＰＵ５５に送られる。そうすると、ソレノイドドライブ回路５１が始動し、アクチュエータ２０の励磁コイル２３に駆動電流が与えられる。この駆動電流は短時間のパルス状であり１ショットだけ与えられる。

励磁コイル２３に通電されると、図３に示すように、可動ヨーク２７が内側ヨーク２１に吸引されて、伝達部材２５が持ち上げられ、プランジャ２６の上部先端２６ａに固定された第１の弾性部材３１で、操作体１０の操作基材１１が上向きに突き上げられ、第１の弾性部材３１が収縮し且つ第３の弾性部材３２が収縮した状態で操作体１０に撓みが与えられる。

この状態は、プランジャ２６が第１の方向（図３中Ｚ方向：上方向）に向かって移動する初動区間である第１区間である。この区間は操作体１０に加わる振動周波数は２００Ｈｚとなっており、パチニ小体が感知できる加速度の振動周波数のピークである２５０Ｈｚに近い値となっている。従って、操作者は指４０に触覚（振動）を感じることができる。

その直後に、励磁コイル２３への通電が断たれ、ソレノイド機構の吸引力が解除されると、収縮していた第１の弾性部材３１の弾性復元力と、操作体１０の撓み弾性力、さらには第３の弾性部材３２の弾性復元力によって、伝達部材２５が下向きに移動し、伝達部材２５の下端の押圧部２９で、第２の弾性部材３５が収縮させられる。

この状態は、プランジャ２６が第２の方向（図３中Ｚ方向：下方向）に向かって移動する初動区間である第２区間である。この区間は操作体１０に加わる振動周波数は第１区間の振動周波数より低い１００Ｈｚとなっている。この振動周波数はパチニ小体が得る振動周波数のピーク値である２５０Ｈｚより大きく離れた値となっており、操作者は指４０に振動を感じることができない。

従って、操作者は操作体１０を接触操作したとき、操作体１０に付与される初めの振動周波数のみをパチニ小体で感じることとなり、指４０にシャープで明瞭な操作感触（触覚）を得ることができる。

なお、第３弾性部材３２の硬度が高くても、第１区間の振動周波数を２５０Ｈｚより高く設定するとともに第２区間の振動周波数を第１区間の振動周波数よりさらに高く設定すれば、操作体１０の第１の方向への移動時の振動を大きく感じることができ、そして、操作体１０の第２の方向への移動時の振動を感じ難い。従って、指４０にシャープで明瞭な操作感触（触覚）を得ることができる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

本発明は、指で、操作体に接触し、操作体を操作するものであれば、民生用電子機器、車載用電子機器に限定されず種々の電子機器に適用が可能である。

１ 振動発生装置１０ 操作体２０ アクチュエータ２５ 伝達部材３２ 第３の弾性部材
５０ 振動制御装置
５３ 感圧センサ（検知手段）
１００ 電子機器

Claims (4)

1. 相反する第１の方向と第２の方向に移動自在に支持された操作体と、
   前記操作体を往復振動させる振動発生手段と、
   前記振動発生手段に駆動信号を送信し、前記振動発生手段の振動を制御する振動制御手段を有し、
   前記振動制御手段は、前記操作体の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たすことを特徴とする電子機器。
   第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
   ２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）
2. 前記振動発生手段は、前記操作体に力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材を前記第１の方向に駆動するアクチュエータを有し、前記伝達部材が前記アクチュエータによって前記第１の方向へ駆動されたときに、圧縮させられる弾性部材が設けられている請求項１に記載の電子機器。
3. 前記伝達部材が第２の方向に移動したことを検知する検知手段が設けられている請求項２に記載の電子機器。
4. 相反する第１の方向と第２の方向に移動自在に支持された操作体を往復振動させる振動発生手段の振動を制御する振動制御方法であって、
   前記操作体の移動時における加速度の振動周波数が異なる第１区間と第２区間に駆動信号を送信し、前記第１区間は前記操作体が前記第１の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第２区間は前記操作体が前記第２の方向に向かって移動する際の初動区間であり、前記第１区間の振動周波数と前記第２区間の振動周波数とが以下の式（１）（２）のうちいずれかを満たすことを特徴とする振動制御方法。
   第２区間の振動周波数＜第１区間の振動周波数≦２５０Ｈｚ・・・（１）
   ２５０Ｈｚ≦第１区間の振動周波数＜第２区間の振動周波数・・・（２）