JP2019529105A - 触覚フィードバックを生成するための装置及び電子デバイス - Google Patents

触覚フィードバックを生成するための装置及び電子デバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、触覚フィードバックを生成するための装置(1)を提供し、圧電アクチュエータ(2)と、機械構造(3)とを有し、前記圧電アクチュエータ(2)は、第1方向(x)に沿って膨張度が変化するように設計され、前記機械構造(3)は、前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて変形することにより、前記機械構造(3)の領域(5a、5b)を前記圧電アクチュエータ(2)に対して前記第1方向(x)に垂直な第2方向(y)に運動させるように設計されている。本発明は、当該装置(1)を有する電子デバイスをさらに提供する。【選択図】 図1

Description

本発明は、触覚フィードバックを生成するための装置及び当該装置を有する電子デバイスに関する。様々な電子デバイス、例えば、タッチスクリーンにおいて、物理ボタンを模して人為的に生成する触覚フィードバックは人気が高い。また、より多くの用途、例えば、ゲームコンソールでは、同様に触覚フィードバックを生成する振動モジュールを用いている。通常、これらのデバイスにおいて利用可能な空間は極めて限られているため、できるだけ小さい装置により触覚フィードバックを生成する必要がある。
US 2014/0292144 A1には、圧電アクチュエータを、触覚フィードバックを生成するための装置の駆動装置として用いることが開示されている。
米国出願公開特許 2014/0292144 A1
本発明は、触覚フィードバックを生成するための改善した装置を提供することを目的とする。
本発明の上記目的を達成するための解决手段は請求項1に記載の装置である。
本発明は、圧電アクチュエータと機械構造とを有し、前記圧電アクチュエータは、第1方向に沿って膨張度が変化するように設計され、前記機械構造は、前記圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて変形することにより、前記機械構造の領域が前記圧電アクチュエータに対して、前記第1方向に垂直な第2方向に運動するように設計されている、触覚フィードバックを生成するための装置を提供する。
前記機械構造は、前記圧電アクチュエータの膨張度の変化を前記領域の前記第2方向に沿った運動に変換するように設計可能である。この領域は、機械構造における圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じた運動量が大きい領域としてもよい。機械構造の他の領域も圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて変形してもよい。これらの他の領域は、当該領域の運動量よりも小さい運動量で運動してもよい。
前記領域の運動により、触覚フィードバックを生成することができる。したがって、例えば、ウェイト、又は、キャップやべースプレート等のハウジング素子を当該領域に固定することができる。これらのウェイト又はハウジング素子は当該領域の運動に追従することができる。当該領域の運動により、ユーザに触覚フィードバックとして感知させる振動を発生させることができる。
これにより、前記機械構造は圧電アクチュエータの膨張度に垂直な第2方向に沿って圧電アクチュエータの運動を変換することができる。前記装置は第2方向に沿って、第1方向における膨張度よりも小さい膨張度を有してもよい。対応的に、上記触覚フィードバック又は振動は、前記装置が非常に扁平になる方向に作用してもよい。このような扁平形状により、前記装置は電子デバイスに装着されやすい。
前記圧電アクチュエータは、複数の内部電極及び複数の圧電層が積層方向に沿って交互に上下に積層されている多層部材としてもよい。当該積層方向は第1方向に平行であってもよい。前記圧電アクチュエータは、内部電極に印加される電圧により第1方向に沿って膨張度が変化するように設計可能である。前記圧電アクチュエータは膨張又は収縮することができる。膨張過程において、アクチュエータの第1方向における長さが長くなる。収縮過程において、アクチュエータの第1方向における長さが短くなる。前記アクチュエータは、内部電極に印加される交流電圧により膨張度が持続的に変化することで、振動が発生するように設計可能である。
前記機械構造は鋼又は青銅を有してもよい。前記機械構造は、特に鋼又は青銅で製造されることが好ましい。前記機械構造は一体成型されてもよい。
前記機械構造は、当該機械構造の領域が圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて第2方向に沿って圧電アクチュエータの膨張度の変化の少なくとも10倍の距離で運動するように設計可能である。好ましくは、前記距離は圧電アクチュエータの膨張度の変化の少なくとも20倍である。これにより、前記機械構造は、圧電アクチュエータの膨張度の変化について、少なくとも1:10、好ましくは少なくとも1:20のストローク変換を実現できる。したがって、前記機械構造により運動幅の増加を実現できる。このように、前記機械構造により、圧電アクチュエータにより発生可能な振動又は触覚フィードバックを大幅に増強することができる。
前記機械構造は、前記圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて前記圧電アクチュエータに対して前記第2方向に運動しないように設計された副構造を有する。当該触覚フィードバックは、当該領域の副構造に対する相対運動により生成できる。この副構造は、圧電アクチュエータに対する対向部材として用いることができる。特に、当該領域を有するレバーアームは、圧電アクチュエータの膨張により、当該レバーアームを、副構造とレバーアームとの接続位置で構成される回転点まわりに回転させるように、圧電アクチュエータ及び副構造に接続されてもよい。
前記副構造は前記第1方向に沿って棒状に延びていてもよい。前記副構造は前記圧電アクチュエータに平行である。
前記機械構造は第1レバーアームを有してもよい。前記第1レバーアームは前記領域を有し、前記圧電アクチュエータの第1先端が前記第1レバーアームに固設されている。これにより、圧電アクチュエータの膨張度が変化する場合に、アクチュエータが固定されているレバーアームの位置を当該第1方向に移動させることができる。前記圧電アクチュエータは、例えば、挟持、接着又は溶接により前記第1レバーアームに接続されてもよい。
前記第1レバーアームは前記副構造と可動に接続されてもよい。前記第1レバーアームと前記副構造とは、一体として薄肉部を介して湾曲可能に接続されてもよい。代替的に、前記第1レバーアームと前記副構造とは、別体として、ジョイントを介して可動に接続されてもよい。前記第1レバーアームを副構造に対して可動とすることにより、機械構造が全体的に可動になり、このように変形することができる。前記第1レバーアームと副構造とは、上記運動又は変形が常に弾性的に行われるように設計可能である。
前記第1レバーアームは、第1先端部と、第2先端部と、中間部とを有してもよい。これらの先端部は互いに平行であってもよい。前記中間部はこの2つの先端部を接続し、この2つの先端部に垂直であってもよい。したがって、第1レバーアームはU字状をなしてもよい。前記中間部の長さは第1先端部及び第2先端部よりも大きくなってもよい。前記中間部は前記圧電アクチュエータに平行であってもよい。前記圧電アクチュエータはこの2つの先端部の間に配置されてもよい。
機械構造が変形するとき第2方向に運動する領域は、当該中間部に配置可能であるように設計される。前記中間部は、第1レバーアームが変形するときに、特にその位置での変化が大きい部分であることが好ましい。前記レバーアームは、例えば、前記2つの先端部が前記圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて押圧されて互いに離れ、又は収縮することにより、前記中間部を突き上げて曲げるように設計可能である。
前記第1先端部は前記副構造に可動に固定されてもよい。また、前記圧電アクチュエータの一つの先端は前記第1先端部に固設されてもよい。
前記第2先端部は、前記第2先端部を互いに湾曲可能な第1副部と第2副部とに分ける薄肉部を有し、前記第1副部は前記中間部に接続されており、前記第2副部は、固定装置に固設されるように設計されている。前記固定装置は当該触覚フィードバックを生成するための装置の一部ではない。前記固定装置は、当該触覚フィードバックを生成するための装置を有する電子デバイスの一部としてもよい。
前記機械構造は、前記機械構造が前記圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて変形するとき、前記第2方向に運動するように設計された領域を有する第2レバーアームを有してもよい。前記圧電アクチュエータの第2先端は前記第2レバーアームに固設されてもよい。これらのレバーアームは、前記第1レバーアームの領域と前記第2レバーアームの領域が常に同じ方向に運動するように設計可能である。これらのレバーアームのそれぞれは、第1先端部と第2先端部とを有してもよい。これらの第1先端部と第2先端部はそれぞれに薄肉部を有し、これらの薄肉部は一つの平面に位置する。これにより、機械構造が挟持されること又は機械的にロックされることを防止できる。
前記第2レバーアームは、その2つの先端部が前記圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて押圧されて互いに離れ、又は収縮することにより、前記中間部を突き上げて曲げるように設計可能である。
前記機械構造は別体構造としてもよい。前記装置は、外部から当該機械構造に力を印加することによって、該機械構造を締め付けるように設計された締付装置を有する。
前記圧電アクチュエータは、複数の内部電極及び複数の圧電層が、前記第1方向と平行な積層方向に沿って交互に上下に積層されている多層構造を有してもよい。
本発明は、さらに、上記装置と、第1ハウジング素子と、第2ハウジング素子とを有する電子デバイスに関する。前記第1ハウジング素子及び前記第2ハウジング素子は、前記圧電アクチュエータの膨張度が前記第1方向に沿って変化するときに、前記ハウジング素子が互いに相対運動するように前記機械構造に固定されている。例を挙げると、第1ハウジング素子は、第2方向に沿って圧電アクチュエータに対して運動しない副構造に固定されてもよく、第2ハウジング素子は機械構造における圧電アクチュエータの膨張度の変化に応じて第2方向に運動する領域に固定されてもよい。
前記電子デバイスは、例えば、スクリーン、特にタッチスクリーンであってもよい。また、前記電子デバイスは、ゲームコンソールのコントローラであってもよい。
次に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図1は、触覚フィードバックを生成するための装置を示す図である。 図2は、触覚フィードバックを生成するための装置を示す図である。 図3は、機械構造を示す図である。 図4は、機械構造を示す図である。
図1及び図2は触覚フィードバックを生成するための装置1を示す。図1は装置1の斜視図である。図2は装置1の横断面図である。
装置1は、圧電アクチュエータ2と機械構造3とを有し、当該機械構造は、圧電アクチュエータ2の長さ変化を、増加した運動範囲を有する機械運動に変換するように設計されている。圧電アクチュエータ2は、内部電極及び圧電層が交互に上下に積層されている積層方向に沿って振動するように設計されている多層部材である。当該積層方向は第1方向xに平行である。圧電アクチュエータ2は、内部電極に印加される電圧に応じて第1方向xに沿って交互に膨張及び収縮して膨張度が変化するように設計されている。
図3は機械構造3の斜視図である。図4は機械構造3の横断面図である。
機械構造3は第1レバーアーム4aと第2レバーアーム4bとを有する。機械構造3は、圧電アクチュエータ2の膨張度の変化に応じて変形することにより、第1レバーアーム4aのある領域5a及び第2レバーアーム4bのある領域5bが、それぞれ第2方向yに運動するように設計されている。第2方向yは第1方向xに対して垂直である。機械構造3は、特に、第1レバーアーム及び第2レバーアーム4a、4bの領域5a、5bが、圧電アクチュエータ2の第1方向xにおける長さの変化よりも大きい距離で運動するように成形されている。例を挙げると、第1レバーアーム及び第2レバーアーム5a、5bの領域4a、4bの運動距離は、圧電アクチュエータ2の膨張度の変化の少なくとも10倍であってもよい。これにより、機械構造3は1:10のストローク変換を実現できる。
以下、まず第1レバーアーム4aを詳細に観察する。第1レバーアーム4aはU字状をなしている。第1レバーアーム4aは互いに平行な第1先端部6aと第2先端部7aとを有する。また、第1レバーアーム4aは、第1先端部及び第2先端部6a、7aに垂直であり、この2つの先端部6a、7aを接続する中間部8aを有する。領域5aは、圧電アクチュエータ2の膨張度の変化に応じて、第2方向yに大きく運動する領域であり、第1レバーアーム4aの中間部8aに配置されている。
機械構造3は、さらに、圧電アクチュエータ2の膨張度の変化に応じて運動しないように設計された副構造9を有する。この副構造9は圧電アクチュエータ2に対する対向部材として用いられている。この副構造9によって、圧電アクチュエータ2及びレバーアーム4a、4bがそれに対して相対運動可能な固設点が形成される。副構造9は棒状をなしている。副構造9は圧電アクチュエータ2に平行である。また、副構造9は1mmよりも小さい間隔で圧電アクチュエータ2に平行である。
副構造9は第1レバーアーム4aと一体成型されている。副構造9と第1レバーアーム4aとは第1薄肉部10を介して接続されている。第1レバーアーム4aは薄肉部10を湾曲させることにより副構造9に対して運動可能になっている。第1薄肉部10は湾曲過程において弾性変形するように設計されている。第1薄肉部10によって、回転点が形成され、第1レバーアーム4aはこの回転点まわりに副構造9に対して回転可能になっている。したがって、第1レバーアーム4aは副構造9に可動に固設されている。また、圧電アクチュエータ2は第1レバーアーム4aに固定されている。圧電アクチュエータ2は、例えば、挟持、接着、溶接又は他の固定手段によって第1レバーアーム4aに取り外し不能に固定されてもよい。
副構造9及び圧電アクチュエータ2は、それぞれ第1レバーアーム4aの第1先端部6aと接続されている。副構造9は、第1先端部6aと可動に接続されている。圧電アクチュエータ2は、圧電アクチュエータ2の膨張又は収縮により、第1先端部4aが運動するように、第1先端部4aに固設されている。圧電アクチュエータ2は、第1先端部4aにおいて、中間部8aとの距離が第1先端部4aにおける副構造9の固定位置との距離よりも小さくなる位置に固定されている。
第1レバーアーム4aは、さらに、第2先端部7aを有する。第2先端部7aは第2薄肉部11によって2つの副部12a、13aに分けられている。第2先端部7aの第1副部12aは中間部8aに直接接続されている。第2先端部7aの第2副部13aは、第2先端部7aにおける中間部8aから遠い側に配置されている。第2薄肉部11により、第2先端部7aのこの2つの副部12a、13aが相対運動可能になる。第2先端部7aは、特に第2薄肉部11において湾曲させることができる。第2副部13aは、外部固定装置に固設されるように設計されている。
以下、次の状況を考察する。圧電アクチュエータ2は電圧が印加されることにより第1方向xに膨張する。この場合に、第1薄肉部10は副構造9と第1レバーアーム4aの第1先端部6aとの間において湾曲される。圧電アクチュエータ2は第1方向xに沿って第1先端部6aに向かって押される。これにより、第1先端部6aは回転点としての第1薄肉部10まわりに湾曲される。第2先端部7aの第2副部13aが当該固定装置に固設されている場合、当該副部は当該回転に追従できない。よって、第1先端部6aの回転運動を補償するために、第2先端部7aがその薄肉部11において湾曲される。この過程において、第2先端部7aの第1副部12aが第2先端部7aの第2副部13aに対して運動する。これにより、中間部8aを突き上げて曲げる。特に、中間部8aを第2方向yに運動させる。図1及び図2では、中間部8aは下向きに湾曲されている。
図に示された領域5aは特に大きく運動する。
機械構造3は、さらに、第2レバーアーム4bを有する。第2レバーアーム4bは第1レバーアーム4aと同じ構造を有する。第2レバーアーム4bは同様に副構造9と可動に接続され、圧電アクチュエータ2に固設されている第1先端部6bと、中間部8bと、第3薄肉部14で2つの副部12b、13bに分けられた第2先端部7bと有する。副構造9及び圧電アクチュエータ2は、第2レバーアーム4bにおける圧電アクチュエータ2の膨張度の変化に応じた位置変化の最も大きい領域5bが、常に第1レバーアーム4aの領域5aと同じ方向に運動するように第2レバーアーム4bと接続されている。これにより、圧電アクチュエータ2は、第2レバーアーム4bにおいて、副構造9と第2レバーアーム4bとの接続箇所よりも中間部8bから遠い第1先端部6bの位置に固設されている。このように、第2レバーアーム4bの第1先端部6bと第1レバーアーム4aの第2先端部6aとが同一の回転方向に回転することを確保できる。第2レバーアーム4bの第1先端部6bは第4薄肉部15を介して副構造9と接続されている。
上記のように、図1及び図2に示す実施例において、第1レバーアーム及び第2レバーアーム4a、4bの中間部8a、8bの領域5a、5bは、圧電アクチュエータ2の膨張に応じて下向きに運動する。また、圧電アクチュエータ2の収縮に応じて、領域5a、5bが上向きに運動する。
他の実施例において、機械構造3は別体構造としてもよい。この場合に、薄肉部10、11、14、15のうちの一つ又は複数は複数のジョイントに置き換えてもよい。これらのジョイントによって、対応するレバーアーム4a、4bの第1先端部6a、6bの副構造9に対する相対運動又は第1副部12a、12bの第2先端部7a、7bの第2副部13a、13bに対する運動が実現される。この場合に、装置1は、さらに、外部から機械構造3に力を印加することによってそれを締め付けるように設計された複数の素子を有してもよい。これらの素子は例えばスプリングであってもよい。
回転点として用いられるこの4つの薄肉部10、11、14、15は、一つの平面に配置されている。このようにして機械構造3が挟持されて動けなくなることを防止するとともに、これらの外部固定装置の間の距離を一定に維持することができる。この4つの薄肉部10、11、14、15は、当該平面との間隔が1mm以下の場合でも一つの平面に位置すると見なされる。これらの薄肉部10、11、14、15のうちのいずれかの当該平面に対するずれが1mm以下であれば、機械構造3が挟持されて動けなくなることを防げる。
この場合に、副構造9とレバーアーム4a、4bとの間の相対運動により、触覚フィードバックを生成する。例えば、電子デバイスのハウジング素子を副構造9及びレバーアーム4a、4bに固定することができる。
これらのハウジング素子は、例えばベースプレート、キャップ又はウェイトであってもよい。ねじ接続又は他の接続手段によりこれらのハウジング素子を副構造9又はレバーアーム4a、4bに固設することができる。
このように、副構造9に固定されたハウジング素子がレバーアーム4a、4bに固定されたハウジング素子又はウェイトに対して運動する際に、当該電子デバイスのユーザに感知させる触覚フィードバックを生成することができる。
1 装置
2 アクチュエータ
3 機械構造
4a 第1レバーアーム
4b 第2レバーアーム
5a 第1レバーアームの領域
5b 第2レバーアームの領域
6a 第1レバーアームの第1先端部
6b 第2レバーアームの第1先端部
7a 第1レバーアームの第2先端部
7b 第2レバーアームの第2先端部
8a 第1レバーアームの中間部
8b 第2レバーアームの中間部
9 副構造
10 第1薄肉部
11 第2薄肉部
12a 第1レバーアームの第2先端部の第1副部
12b 第2レバーアームの第2先端部の第1副部
13a 第1レバーアームの第2先端部の第2副部
13b 第2レバーアームの第2先端部の第2副部
14 第3薄肉部
15 第4薄肉部
x 第1方向
y 第2方向

Claims (16)

  1. 圧電アクチュエータ(2)と機械構造(3)とを有し、
    前記圧電アクチュエータ(2)は、第1方向(x)に沿って膨張度が変化するように設計され、
    前記機械構造(3)は、前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて変形することにより、前記機械構造(3)の領域(5a、5b)が前記圧電アクチュエータ(2)に対して前記第1方向(x)に垂直な第2方向(y)に運動するように設計されている
    触覚フィードバックを生成するための装置(1)。
  2. 前記機械構造(3)は、前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて、前記機械構造(3)の前記領域(5a、5b)が、前記第2方向(y)に沿って、前記圧電アクチュエータ(2)の前記第1方向(x)における膨張度の変化の少なくとも10倍の距離で運動するように設計されている請求項1に記載の装置(1)。
  3. 前記機械構造(3)は、前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて前記圧電アクチュエータ(2)に対して前記第2方向に運動しないように設計されている副構造(9)を有し、
    前記触覚フィードバックは、前記領域(5a、5b)の前記副構造(9)に対する相対運動により生成される請求項1又は2に記載の装置(1)。
  4. 前記副構造(9)は、前記第1方向(x)に棒状に延び、前記副構造(9)は前記圧電アクチュエータ(2)に平行である請求項3に記載の装置(1)。
  5. 前記機械構造(3)は、第1レバーアーム(4a)を有し、前記第1レバーアームは前記領域(5a)を有し、
    前記圧電アクチュエータ(2)の第1先端は前記第1レバーアーム(4a)に固設されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置(1)。
  6. 前記第1レバーアーム(4a)は前記副構造(9)と可動に接続されている請求項3及び5に記載の装置(1)。
  7. 前記第1レバーアーム(4a)は、前記副構造(9)と一体的に且つ薄肉部(10)を介して湾曲可能に接続されており、或いは
    前記第1レバーアーム(4a)は、前記副構造(9)とは別体として且つジョイントを介して可動に接続されている請求項6に記載の装置(1)。
  8. 前記第1レバーアーム(4a)は、第1先端部(6a)と、第2先端部(7a)と、中間部(8a)とを有し、前記先端部(6a、7a)は互いに平行であり、前記中間部(8a)は前記2つの先端部(6a、7a)を接続し、前記2つの先端部(6a、7a)に垂直であり、前記機械構造(3)が変形するときに前記第2方向(y)に運動する領域(5a)が前記中間部(8a)に配置されているように設計されている請求項5〜7のいずれか一項に記載の装置(1)。
  9. 前記第1レバーアーム(4a)は、前記2つの先端部(6a、7a)が前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて押圧されて互いに離れ、又は収縮することにより、前記中間部(8a)を突き上げて曲げるように設計されている請求項8に記載の装置(1)。
  10. 前記第1先端部(6a)は前記副構造(9)に可動に固定されており、
    前記圧電アクチュエータ(2)の一つの先端が前記第1先端部(6a)に固設されている請求項8又は9のいずれか一項に記載の装置(1)。
  11. 前記第2先端部(7a)は、前記第2先端部(7a)を互いに湾曲可能な第1副部(12a)と第2副部(12b)とに分ける薄肉部(11)を有し、
    前記第1副部(12a)は前記中間部(8a)に接続されており、前記第2副部(12b)は、固定装置に固設されるように設計されている請求項8〜10のいずれか一項に記載の装置(1)。
  12. 前記機械構造(3)は、前記機械構造(3)が前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度の変化に応じて変形するとき、前記第2方向(y)に運動するように設計された領域(5b)を有する第2レバーアーム(4b)を有し、
    前記圧電アクチュエータ(2)の第2先端は前記第2レバーアーム(4b)に固設されており、前記レバーアーム(4a、4b)は、前記第1レバーアーム(4a)の領域(5a)と前記第2レバーアーム(4b)の領域(5b)とが常に同じ方向に運動するように設計されている請求項5〜11のいずれか一項に記載の装置(1)。
  13. 前記レバーアーム(4a、4b)のそれぞれは、いずれも第1先端部(6a、6b)と第2先端部(7a、7b)とを有し、
    前記第2先端部(7a、7b)は、それぞれ薄肉部(11、14)を有し、
    前記第1先端部(6a、6b)は、それぞれ薄肉部(10、15)を介して前記副構造(9)と接続され、
    前記薄肉部(10、11、14、15)は一つの平面に位置する請求項12に記載の装置(1)。
  14. 前記機械構造(3)が別体構造であり、前記装置(1)は、外部から前記機械構造(3)に力を印加することによって、前記機械構造(3)を締付けるように設計された締付装置を有する請求項13に記載の装置(1)。
  15. 前記圧電アクチュエータ(2)は、複数の内部電極と複数の圧電層とが前記第1方向(x)と平行な積層方向に沿って交互に上下に積層されている多層構造を有する請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置(1)。
  16. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置(1)と、
    第1ハウジング素子と、
    第2ハウジング素子とを有し、
    前記第1ハウジング素子及び前記第2ハウジング素子は、前記圧電アクチュエータ(2)の膨張度が前記第1方向(x)に沿って変化するときに、前記ハウジング素子が互いに相対運動するように前記機械構造(3)に固定されている電子デバイス。
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