JP2021084074A - 駆動装置、振動発生装置、電子機器及び駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電アクチュエータの高周波振動による問題を抑制しつつ、新たな触感を提示することが可能な駆動装置、振動発生装置、電子機器及び駆動方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る駆動装置は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周数領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を前記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータに出力する。【選択図】図７
Description
本発明は、振動による触覚提示に係る駆動装置、振動発生装置、電子機器及び駆動方法に関する。
ユーザに触覚を提示する触覚機能デバイスには様々なアクチュエータが用いられている。例えば、通知機能には偏心モータやリニア共振アクチュータ等の電磁式アクチュエータが用いられている。また、フォースフィードバック機能にはこれらの電磁式アクチュエータに加え、圧電式アクチュエータも用いられている。
近年、触感技術は高度化が進んでおり、低周波領域（１００〜２２５０Ｈｚ）でのフォースフィードバック機能では、駆動信号の複合加算や変調等により、触感表現の幅が拡張されている。また、高周波領域（２０〜４０ｋＨｚ程度）では、ザラザラ感やツルツル感等の触感も提示可能な技術が開発されている（例えば、特許文献1参照）。
上記のように、高周波領域（２０〜４０ｋＨｚ程度）の振動を用いることによりユーザに新たな触感を提示することが可能である。しかしながら、高周波領域で振動を発生させる場合、圧電アクチュエータを高速で動作させる必要があり、圧電アクチュエータの消費電力増大、発熱、異音の発生等の問題がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧電アクチュエータの高周波振動による問題を抑制しつつ、新たな触感を提示することが可能な駆動装置、振動発生装置、電子機器及び駆動方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動装置は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周数領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を上記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータに出力する。
この構成によれば、低周波領域の信号波を変調波とし、この変調波によって高周波領域の正弦波を振幅変調してなる波形を圧電アクチュエータに出力することにより、振動体に新たな触感を生じさせ、かつ圧電アクチュエータの消費電力及び発熱を抑制すると共に異音の発生を防止することが可能となる。
上記駆動装置は、上記搬送波の電圧ゲインを−１０ｄＢ以上０ｄＢ以下とし、上記変調波の電圧ゲインを−６ｄＢ以上０ｄＢ以下としてもよい。
上記駆動装置は、上記搬送波の電圧ゲインを−１０ｄＢとし、上記変調波の電圧ゲインを０ｄＢとしてもよい。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る振動発生装置は、振動体と、圧電アクチュエータと、駆動装置とを具備する。
上記圧電アクチュエータは、上記振動体に接合されている。
上記駆動装置は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を上記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を上記圧電アクチュエータに出力する。
上記圧電アクチュエータは、上記振動体に接合されている。
上記駆動装置は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を上記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を上記圧電アクチュエータに出力する。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電子機器は振動発生装置を具備する。上記振動発生装置は、振動体と、上記振動体に接合された圧電アクチュエータと、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を上記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を上記圧電アクチュエータに出力する駆動装置とを備える。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る駆動方法は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を上記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータに出力する。
以上のように本発明によれば、本発明の目的は、圧電アクチュエータの高周波振動による問題を抑制しつつ、新たな触感を提示することが可能な駆動装置、振動発生装置、電子機器及び駆動方法を提供することが可能である。
本発明の実施形態に係る振動発生装置について説明する。なお、以下の各図においてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を相互に直交する３方向とする。
［振動発生装置の構成］
図１は本実施形態に係る振動発生装置１００の模式図である。同図に示すように、振動発生装置１００は、振動体１０１、圧電アクチュエータ１０２及び駆動装置１０３を備える。
図１は本実施形態に係る振動発生装置１００の模式図である。同図に示すように、振動発生装置１００は、振動体１０１、圧電アクチュエータ１０２及び駆動装置１０３を備える。
振動体１０１は、圧電アクチュエータ１０２によって振動する部材である。図２は振動体１０１の側面図である。振動体１０１は、ガラス又はプラスチック等の材料からなる板状の部材とすることができ、例えば、液晶パネルや電子機器の筐体等である。振動体１０１は振動体１０１の形状やサイズは特に限定されない。
圧電アクチュエータ１０２は、振動体１０１に接合され、振動を生じる。圧電アクチュエータ１０２は、正極、負極及び圧電材料層を備え、正極と負極の間に電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電材料層に変形が生じ、振動が発生する。圧電アクチュエータ１０２は正極と負極を圧電材料層を介して交互に積層した積層構造を有するものであってもよく、他の構造を有するものであってもよい。
圧電アクチュエータ１０２は図２に示すように、振動体１０１の長辺方向（ｘ方向）の両端部に１つずつが配置されるものとすることができる。また、圧電アクチュエータ１０数は２つに限られず、１つ又は３つ以上が配置されてもよい。圧電アクチュエータ１０２は接着等によって振動体１０１に接合されるものとすることができる。
駆動装置１０３は、駆動信号を圧電アクチュエータ１０２に出力する。駆動装置１０３は、圧電アクチュエータ１０２の正極及び負極に接続され、正極と負極の間に間に後述する電圧波形を駆動信号として出力する。駆動装置１０３は例えばアンプである。
振動発生装置１００は以上のような構成を有する。振動発生装置１００は、スマートフォンや触覚機能デバイス等の各種電子機器に搭載することが可能である。
［駆動信号について］
駆動装置１０３から圧電アクチュエータ１０２に出力される駆動信号の波形について説明する。なお、低周波領域の信号波については、以下の説明において便宜上正弦波としているが、これに限定されるものではない。
駆動装置１０３から圧電アクチュエータ１０２に出力される駆動信号の波形について説明する。なお、低周波領域の信号波については、以下の説明において便宜上正弦波としているが、これに限定されるものではない。
図３は、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波である電圧波形と電流波形を示す。駆動装置１０３から圧電アクチュエータ１０２に図３に示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図３に示す電流波形を有する電流が流れる。
このように、高周波領域の正弦波を駆動信号とすると、振動体１０１には超音波定在波が形成され、ユーザが振動体１０１に触れると超音波定在波による浮揚現象が発生する。これにより、ユーザが振動体１０１上で指を滑らせると、ツルツル又はザラザラといった触感を感じることができる。
しかしながら、このような高周波領域の正弦波を駆動信号とすると、圧電アクチュエータ１０２の駆動電流が増加し、消費電力が増大する。また、圧電アクチュエータ１０２の発熱も大きい。さらに、ユーザの指と振動体１０１の間で異音が発生する場合もある。
図４は、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の正弦波である電圧波形と電流波形を示す。駆動装置１０３から圧電アクチュエータ１０２に図４示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図４に示す電流波形を有する電流が流れる。
１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の低周波領域の振動は、人の皮膚の受容器であるマイスナー小体及びパチニ小体等が敏感に感じることが可能な振動である。このような低周波領域の正弦波を駆動信号とすると、振動体１０１には定在波が形成され、ブルブル又はビリビリといった感触を感じることができる。
図５は、低周波領域の正弦波（信号波）を変調波とし、この変調波によって高周波領域の正弦波を振幅変調した振幅変調波の波形を有する電圧波形と電流波形を示す。図６は図５の拡大図である。駆動装置１０３から圧電アクチュエータ１０２に図５示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図５及び図６に示す電流波形を有する電流が流れる。
図７は図５の電圧波形のみを示し、図８は図６の電圧波形のみを示す。図７及び図８においてＷ１で示す波長の小さい波が高周波領域の正弦波であり、Ｗ２で示す波長の大きい波が低周波領域の正弦波である。以下、高周波領域の正弦波を高周波Ｗ１とし、低周波領域の正弦波を低周波Ｗ２とする。
図７及び図８に示す波形では、低周波Ｗ２は、高周波Ｗ１の振幅の変化によって形成されており、即ち図７及び図８に示す波形は高周波Ｗ１を搬送波、低周波Ｗ２を変調波とする振幅変調波である。なお、高周波Ｗ１は２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の周波数を有し、低周波Ｗ２は１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の周波数を有する。
高周波Ｗ１の電圧ゲインは−１０ｄＢ以上０ｄＢ以下が好適であり、低周波Ｗ２の電圧ゲインは−６ｄＢ以上０ｄＢ以下が好適である。図９は、振幅変調波の波形と電圧ゲインの関係を示す模式図である。同図に示すように、振幅変調波の「ピーク」の振幅を振幅ａとし、「谷底」の振幅を振幅ｂとすると、変調度ｍは以下の（式１）で表される。下記（式１）で示すように、振幅ａに対して振幅ｂが小さいほど変調度ｍが大きくなる。
ｍ＝（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ） （式１）
図７においても、低周波Ｗ２の電圧ゲインを高くすると、図７中白矢印で示すように、低周波Ｗ２の「谷底」が深くなり、低周波Ｗ２の電圧ゲインを０ｄＢとすると、「谷底」の振幅は最小となる。また、低周波Ｗ２の電圧ゲインを低くし、−６ｄＢに近づけると、低周波Ｗ２の「谷底」は浅くなり、振幅は大きくなる。さらに、低周波Ｗ２の電圧ゲインを低くし、−１０ｄＢに近づけると、低周波Ｗ２の「谷底」の振幅ｂは「ピーク」の振幅と同等となり、「谷」が形成されなくなる。
本実施形態において、高周波Ｗ１及び低周波Ｗ２の電圧ゲインは、「谷」が形成される範囲に調整される。具体的には高周波Ｗ１の電圧ゲインは−１０ｄＢ以上０ｄＢ以下が好適であり、低周波Ｗ２の電圧ゲインは−６ｄＢ以上０ｄＢ以下が好適である。また、高周波Ｗ１の電圧ゲインは−１０ｄＢがより好適であり、低周波Ｗ２の電圧ゲインは０ｄＢがより好適である。
駆動装置１０３が、図７に示す振幅変調波の電圧波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータ１０２に出力すると、圧電アクチュエータ１０２によって振動体１０１に高周波Ｗ１による定在波が形成され、浮揚現象が発生する。さらに、低周波Ｗ２によって振動体１０１にマイスナー小体及びパチニ小体等の受容体を刺激する振動が発生する。
これにより、ユーザが指を振動体１０１に接触させると低周波Ｗ２が敏感に指に触感を提示し、指を振動体１０１に押圧すると浮揚現象によるスクィーズ効果を受けると共に、強い低周波数の振動を受けるという、これまでにない触感を感じることができる。
さらに、高周波Ｗ１が振幅変調されていることにより、振幅変調されていない場合に比べて波形全体の電流平均が小さくなり、消費電力及び発熱を小さくすることが可能である。加えて、図３に示すようなる高周波領域の正弦波を駆動信号とすると、ユーザの指と振動体１０１の間で異音が発生することがあるが、図７に示す振幅変調波の場合にはこのような異音の発生を防止することが可能である。
上記実施形態に係る振動発生装置を作製し、図７に示す振幅変調波の電圧波形を有する駆動信号を駆動装置から圧電アクチュエータに出力した際の皮相電力を計測した。［表１］にゲイン比率、ピーク間電圧（Ｖｐｐ）、電圧実効値（ｒｍｓ）、電流及び皮相電力を示す。
ゲイン比率は、上述した高周波Ｗ１の電圧ゲインと低周波Ｗ２の電圧ゲインの比であり、高周波Ｗ１は周波数２５ｋＨｚ、低周波Ｗ２は周波数１００Ｈｚとした。［表１］に示すように、高周波Ｗ１の電圧ゲインは−１０ｄＢとし、低周波Ｗ２の電圧ゲインを−１０ｄＢから０ｄＢの間で変化させ、所定の入力電圧（５．５Ｖｒｍｓ）での皮相電力を計測した。
図１０は、ゲイン比率と皮相電力の関係を示すグラフである。同図に示すように、低周波Ｗ２の電圧ゲインを−１０ｄＢから０ｄＢに近づけると皮相電力が減少することがわかる。したがって、即ち低周波Ｗ２の電圧ゲインを高周波Ｗ１の電圧ゲインより高くすることにより、消費電力の低減が可能である。
１００…振動発生装置
１０１…振動体
１０２…圧電アクチュエータ
１０３…駆動装置
１０１…振動体
１０２…圧電アクチュエータ
１０３…駆動装置
Claims (6)
- 周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周数領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を前記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータに出力する
駆動装置。 - 請求項１に記載の駆動装置であって、
前記正弦波の電圧ゲインを−１０ｄＢ以上０ｄＢ以下とし、前記変調波の電圧ゲインを−６ｄＢ以上０ｄＢ以下とする
駆動装置。 - 請求項２に記載の駆動装置であって、
前記正弦波の電圧ゲインを−１０ｄＢとし、前記変調波の電圧ゲインを０ｄＢとする
駆動装置。 - 振動体と、
前記振動体に接合された圧電アクチュエータと、
周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を前記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を前記圧電アクチュエータに出力する駆動装置と
を具備する振動発生装置。 - 振動体と、前記振動体に接合された圧電アクチュエータと、周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を前記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を前記圧電アクチュエータに出力する駆動装置とを備える振動発生装置
を具備する電子機器。 - 周波数が１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である低周波領域の信号波を変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である高周波領域の正弦波を前記変調波によって振幅変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータに出力する
駆動方法。
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