JP4853611B2 - 触覚提供機構及び触覚提供機構を備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、触覚提供機構及び触覚提供機構を備えた電子機器に関する。

電子ゲーム機のコントローラのうちには、ゲームの内容に応答して、コントローラを操作しているユーザの指ないし掌に触覚フィードバックを与えるようにしたものがある。また、ディスプレイ画面にタッチパネルを重ね合わせた入出力装置のうちには、ユーザの入力操作に応答して、タッチパネルに触れているユーザの指先に触覚フィードバックを与えるようにしたものがある。これらの用途において、ユーザに触覚フィードバックを与えるための触覚提供手段としては、多くの場合、バイブレータ機構が用いられており、そのバイブレータ機構によって、電子ゲーム機のコントローラやタッチパネルを振動させるようにしている。バイブレータ機構として構成された従来の触覚提供機構の具体例としては、例えば特開２００４−３４４６９８号公報に記載されているものなどがある。

特開２００４−３４４６９８号公報

従来の触覚提供機構では、電子ゲーム機のコントローラやタッチパネルの全体を振動させるようにしているため、ユーザに明確な触覚を提供するためには電力消費量が大きくならざるを得なかった。そのため、例えば携帯型の電子ゲーム機などのように、バッテリ重量に制約のある小型の電子機器では、触覚提供機構を装備することが困難であった。

本発明はかかる事情に鑑み成されたものであって、本発明の目的は、ユーザの指先に触覚を提供する触覚提供機構を、極めて僅かな電力消費量で、ユーザに明確な触覚を提供し得るものとすることにある。

本発明に係る触覚提供機構は、ユーザにより操作される装置に装備され、ユーザの指先に触覚を提供する触覚提供機構であって、上記装置の表面のユーザの指先が接触する箇所に配設された第１表面及び第２表面を有するとともに、第１表面と第２表面との間に時間と共に変化する相対変位を発生させる相対変位発生手段を備え、上記装置が、筐体と、この筐体に対して相対的に変位するとともに、静止面を構成する筺体の表面を介さずに互いに隣接するようにして並設された複数の可動部材とを備え、第１表面及び第２表面がそれぞれ、複数の可動部材の表面により構成されており、第１表面と第２表面との間の相対変位の時間的変化をユーザが指先で感知できるようにしたものである。

また、本発明に係る電子機器は、ユーザにより操作され、ユーザの指先に触覚を提供する触覚提供機構を備えた電子機器であって、筐体と、この筐体に対して相対的に変位するとともに、静止面を構成する筺体の表面を介さずに互いに隣接するようにして並設された複数の可動部材とを備え、触覚提供機構が、電子機器の表面のユーザの指先が接触する箇所に配設された第１表面及び第２表面を有するとともに、第１表面と第２表面との間に時間と共に変化する相対変位を発生させる相対変位発生手段を備え、第１表面及び第２表面がそれぞれ、複数の可動部材の表面により構成されており、第１表面と第２表面との間の相対変位の時間的変化をユーザが指先で感知できるようにしたものである。

本発明によれば、触覚提供機構の第１表面と第２表面との間の相対変位の時間的変化をユーザに感知させるようにしており、このような表面間の相対変位の時間的変化は、その相対変位量が小さくても、また、相対変位速度が小さくても、指先により鋭敏に感知することができる。それゆえ、微小な相対変位を発生させるだけで、ユーザに触覚を提供することができ、それに要する消費電力が極めて小さなものとなる。即ち、殆ど電力を消費することなく、ユーザに明確な触覚を提供することができる。また、表面間の相対変位の時間的変化のパターンを様々なものとすることによって、互いに識別可能な複数種類の触覚フィードバックを提供することができる。

以下に本発明の実施の形態について説明する。図１において（Ａ）は本発明の実施の形態に係る電子機器である携帯型電子ゲーム機の正面図、（Ｂ）はその背面図、（Ｃ）はユーザが同携帯型電子ゲーム機を使用するときの持ち方を示した同携帯型電子ゲーム機の上面図である。

図１に示した携帯型電子ゲーム機１０は、ユーザが両手で保持して使用するように設計された小型のゲーム機である。ゲーム機１０は筐体１２を有しており、この筐体１２の中に、電子ゲームを提供するワンチップ・コンピュータ（ＣＰＵ）と、それに付属する電子回路とが収容されている。ゲーム機１０の正面には、図１（Ａ）に示したように、電子ゲームを表示する液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）１４が装備されており、その左側には４方向シーソー・スイッチ１６が、また、右側には４個の操作ボタン１８ａ〜１８ｄが配設されている。更に、ゲーム機１０の正面には、その下縁に沿って、電源スイッチをはじめとするその他の７個のスイッチ・ボタンが配設されている。一方、ゲーム機１０の背面には、図１（Ｂ）に示したように、２個の触覚提供部２０が装備されており、それら触覚提供部１８は、本発明の実施の形態に係る触覚提供機構の構成要素である。

ユーザは、ゲームの実行中には、図１（Ｃ）に示したように、ＬＣＤ１４を手前に向けてゲーム機１０の筐体１２を両手で保持しており、左手の親指で４方向シーソー・スイッチ１６を操作し、右手の親指で４個の操作ボタン１８ａ〜１８ｄを操作する。そして、このとき、左手の人差し指及び中指と、右手の人差し指及び中指とが、ゲーム機１０の背面の２個の触覚提供部２０の上に夫々置かれている。

図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った触覚提供部２０の横断面図であり、図３は、図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った触覚提供部２０の縦断面図である。これらの図に示したように、各々の触覚提供部２０は、筐体１２の表面に固設されたサポート部２２と、このサポート部２２に支持された３個のアクチュエータ２４とで構成されている。サポート部２２は、筐体１２の一部として一体に形成してもよく、或いは、別に形成した部材を筐体１２に固定するようにしてもよい。サポート部２２の上面２２ａは、筐体１２の表面の一部を形成している。この上面２２ａは、ゲーム機１０の表面の、ユーザの指先が接触する箇所に画成された静止面をなしている。

各々の触覚提供部２０に装備されている３個ずつのアクチュエータ２４は、細長い板状の屈曲変位形圧電アクチュエータである。この種の圧電アクチュエータとしては、バイモルフ型圧電アクチュエータや、ユニモルフ型圧電アクチュエータが知られている。また、単層バイモルフ型（ないしユニモルフ型）圧電アクチュエータと、積層バイモルフ型（ないしユニモルフ型）圧電アクチュエータとでは、前者の方が低い電圧で駆動できることから、携帯型の電子機器に用いるのにより適しているといえる。それゆえ、図示した実施の形態では、アクチュエータ２４として、積層バイモルフ型圧電アクチュエータを使用している。

図３に示したように、細長い板状の圧電アクチュエータ２４は、その長手方向の両端部がスペーサブロック２６を介してサポート部２２に連結されており、各スペーサブロック２６とアクチュエータ３２の各端部との間、並びに、各スペーサブロック２６とサポート部２２との間は、両面接着テープ（不図示）を用いて接着されている。こうしてサポート部２２に取付けられた圧電アクチュエータ２４に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２４が屈曲変位を発生するため、その長手方向の中央部が図３に矢印Ｄで示した方向に変位し、この変位の向き及び大きさは、印加する電圧の極性及び大きさに対応したものとなる。尚、圧電アクチュエータ２４に電圧が印加されていないときには、圧電アクチュエータ２４の上面２４ａが、サポート部２２の上面２２ａとおおむね同じ高さになるようにしてある。

以上の構成において、圧電アクチュエータ２４は、他の部材を駆動するための駆動手段として用いられているのではなく、圧電アクチュエータ２４それ自体が、屈曲変位を発生することによって筐体１２に対して相対的に変位する可動部材として用いられている。そして、圧電アクチュエータ２４の長手方向中央部における上面２４ａは、ゲーム機１０の表面の、ユーザの指先が接触する箇所に画成された可動面をなしている。

触覚提供部２０の上面は、図２（Ｂ）に示したように、サポート部２２の上面２２ａによって画成された静止面と、圧アクチュエータ２４の上面２４ａによって画成された可動面とが、交互に並ぶことによって画成されている。それゆえ、ゲーム機１０を使用するために、この触覚提供部２０の上に置かれたユーザの指先は、図示のごとく、それら静止面２２ａと可動面２４ａとの両方に接触することになる。本発明においては、この状態で、圧電アクチュエータ２４を作動させることにより、静止面２２ａと可動面２４ａとの間に時間と共に変化する相対変位ｄを発生させ、そして、その相対変位ｄの時間的変化を、ユーザに指先で感知させるようにしている。

これに関して、従来の触覚提供機構としては、ユーザの指先が接触する部分を振動させて、その振動をユーザに感知させるようにしたものがあったが、そのようなものは、振動の振幅が小さくなるにつれて、また、振動の周波数が低下するにつれて、提供する触覚が感知しずらくなるという不都合があり、それゆえ、ユーザに明確な触覚を提供するためには、振動を発生させるための電力消費量が大きくならざるを得なかった。また、その結果として、例えば携帯型の電子ゲーム機などのように、バッテリ重量に制約のある小型の電子機器では、触覚提供機構を装備することが困難であった。しかるに、本発明によれば、可動面２４ａの変位量が非常に小さくても、また、可動面２３ａの変位速度がかなり遅くても、静止面２２ａと可動面２４ａとの両方に同時に接触している指先は、それら面の間の相対変位の時間的変化を非常に鋭敏に感知することができるため、アクチュエータへ供給する電力を非常に小さなものとすることができる。

図４は、触覚提供部２０の圧電アクチュエータ２４を制御するためのアクチュエータ制御部５０を示した機能ブロック図である。この図４中の様々なブロックは、機能モジュールを表しており、それら機能モジュールのうちには、ハードウェアで構成されるものもあれば、ファームウェアで構成されるものもあり、また、ソフトウェアで構成されるものもある。図４において、ブロック５２は、ゲーム機１０の様々な機能を実行する制御システムであり、アクチュエータ制御部５０は、このゲーム機の制御システム５２の制御下にある。ゲーム機の制御システム５２は、アクチュエータ制御部５０へ、出力タイミング信号及び波形選択信号を送出する。アクチュエータ制御部５０は、メモリ６０を備えており、このメモリ６０には、複数の波形の夫々に対応した、波形生成に必要なデータ（波形データ）が格納されている。アクチュエータ制御部５０は更に、波形選択信号により指定された波形に対応したデータをメモリ６０から読出し、その読出した波形データに従って波形を生成するソフトウェアにより構成された波形生成機構６２と、この波形生成機構６２が生成した波形を有する出力信号を、出力タイミング信号により指定された期間に亘って送出する出力信号送出回路６４と、その出力信号を増幅して個々の圧電アクチュエータ２４へアクチュエータ駆動信号として供給するパワーアンプ６６とを備えている。

図５の（Ａ）〜（Ｄ）に、波形生成機構６２で生成される波形の幾つかの具体例を示した。これらの波形は、出力信号送出回路６４から送出される出力信号の波形でもあり、また、アクチュエータ制御部５０から送出されるアクチュエータ駆動信号の波形でもある。図５の（Ａ）〜（Ｄ）に例示した波形は、いずれも振動波形であり、その振幅、周期、及び波形は、一定のものもあれば変化するものもあり、メモリ６０に格納されている波形データには、振幅及び周期に関するデータも含まれている。尚、波形生成機構６２で生成する波形は、振動波形に限られるものではなく、振動波形ではない波形を生成するような構成とすることも可能である。

アクチュエータ制御部５０では、メモリ６０に格納されている複数の波形に対応した波形データのうちから、波形選択信号により指定された波形の波形データが読出され、そして、その波形を有するアクチュエータ駆動信号が圧電アクチュエータ２４へ供給される。すると、圧電アクチュエータ２４の長手方向中央部の上面２４ａが、供給されたアクチュエータ駆動信号の波形に応じて、サポート部２２から出没する方向（図２における上下方向）に振動する。これによって、サポート部２２の上面２２ａによって画成された静止面と、圧電アクチュエータ２４の上面２４ａによって画成された可動面２４ａとの間の相対変位ｄが発生し、そして、そのときそれらの面２２ａ、２４ａに同時に触れているユーザが指先が、時間と共に変化するその相対変位ｄを感知する。尚、各々の触覚提供部２０の３個の圧電アクチュエータ２４へ供給する駆動信号は、互いに同一波形で同一位相の駆動信号としてもよく、或いは、互いに異なった波形の駆動信号としてもよく、更には、互いに同一波形であるが位相が異なる駆動信号としてもよい。

従って、触覚提供部２０の圧電アクチュエータ２４と、アクチュエータ制御部５０とによって、静止面２２ａと可動面２４ａとの間に、時間と共に変化する相対変位を発生させるための、相対変位発生手段が構成されている。また、この時間と共に変化する相対変位を感知したユーザの指先に発生する触覚は、圧電アクチュエータ２４へ供給される駆動信号の波形に応じて（従って、相対変位の時間的変化のパターンに応じて）様々なものとなり得る。それゆえ、アクチュエータ制御部５０は、圧電アクチュエータ２４を、複数の所定の駆動パターンのうちから選択した駆動パターンで駆動することにより、ユーザの指先に様々な種類の触覚を発生させるものである。ゲーム機の制御システム５２は、ゲームの進行状況に応じてアクチュエータ制御部５０を制御して、そのゲームの進行状況に適合した様々な種類の触覚をユーザに提供するようにしており、これによって、ゲームの感興をより一盛り上げることができる。

図６は、図２に示した触覚提供部２０に替えて使用することのできる、変更例に係る触覚提供部２０’を示した図である。図６において（Ａ）は触覚提供部２０’の平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った横断面図である。触覚提供部２０は、ゲーム機の筐体の表面に固設されたサポート部２２’と、このサポート部２２’に支持された３個のアクチュエータ２４’とで構成されており、それらアクチュエータ２４’は、図２に示したアクチュエータ２４と同じく、積層バイモルフ型圧電アクチュエータであるが、その幅が図２に示したものよりも広く、サポート部２２’への取付構造は、図２に示したものと同じである。図６の触覚提供部２０’が、図２の触覚提供部２０と大きく異なっている点は、３個の圧電アクチュエータ２４’が互いに隣接するようにして並設されており、隣り合った圧電アクチュエータ２４’どうしの間に、図２の静止面２２ａに相当する表面は存在していないことである。図６の触覚提供部２０’では、隣り合った圧電アクチュエータ２４’を、互いに波形ないし位相が異なる駆動信号で駆動することによって、それら圧電アクチュエータ２４’の上面２４ａ’どうしの間に、時間と共に変化する相対変位ｄ’を発生させるようにしており、その相対変位ｄ’の時間的変化をユーザが指先で感知できるようにしている。例えば、３個の圧電アクチュエータ２４’を、互いに振幅及び周波数が同一の正弦波の駆動信号で駆動する場合には、それら３個の圧電アクチュエータ２４’のうちの両側の２個を同一位相で駆動し、中央の１個をそれらと位相を１８０°ずらして駆動するようにすれば、図６の（Ｂ）及び（Ｃ）に示したように、両側の圧電アクチュエータ２４’の上面２４ａ’と、中央の圧電アクチュエータ２４’の上面２４ａ’との間に、時間と共に変化する相対変位ｄ’を発生させることができる。

尚、図２の触覚提供部２０と、図６の触覚提供部２０’とのいずれにおいても、触覚提供部２０、２０’の上面に、プラスチック製フィルムなどの可撓性薄膜を被着して、サポート部２２、２２’の上面と、圧電アクチュエータ２４、２４’の上面とを覆うようにするとよく、そうすれば、圧電アクチュエータ２４、２４’を塵埃や水滴から好適に防護することができる。また、本発明は、以上に例示したような圧電アクチュエータばかりでなく、その他の様々な種類のアクチュエータを用いて実施することもでき、例えば、電動モータを使用した振動アクチュエータを用いることも可能である。ただし、軽量且つコンパクトな構成とする上では、図示例のような、細長い板状の屈曲変位型圧電アクチュエータを使用することが好ましい。更に、本発明の別の実施の形態として、アクチュエータとは別体の移動部材の表面によって移動面を画成し、その移動部材をアクチュエータで駆動するような実施の形態とすることも可能であるが、ただし、図示例のように、アクチュエータそれ自体を、移動面を画成する移動部材として利用するようにしたものは、軽量且つコンパクトな構成とする上で非常に有利である。

また、本発明の適用範囲は電子ゲーム機に限られず、本発明は広範な用途を持つものである。即ち、本発明によれば、殆ど電力を消費することなく、ユーザに明確な触覚を提供することができ、また、表面間の相対変位の時間的変化のパターンを様々なものとすることによって、互いに識別可能な複数種類の触覚フィードバックを提供することが可能であることから、例えば携帯電話端末、デジタル・スチル・カメラ、それにビデオ・カメラなどのように、バッテリ重量に制約のある小型の電子機器に用いることによって、大きな利点を享受し得るものである。

（Ａ）は本発明の実施の形態に係る電子機器である携帯型電子ゲーム機の正面図、（Ｂ）はその背面図、（Ｃ）はユーザが同携帯型電子ゲーム機を使用するときの持ち方を示した同携帯型電子ゲーム機の上面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った触覚提供部の横断面図である。 図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿った触覚提供部の縦断面図である。 図２及び図３に示した触覚提供部の圧電アクチュエータを制御するためのアクチュエータ制御部の機能ブロック図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図４の出力信号送出回路から送出される出力信号の具体例を示した図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図２に示した触覚提供部に替えて使用することのできる変更例に係る触覚提供部を示した図である。

符号の説明

１０……携帯型電子ゲーム機、１２……筐体、１４……液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）、２０……触覚提供部、２０’……触覚提供部、２２サポート部、２２’……サポート部、２４圧電アクチュエータ、２４’……圧電アクチュエータ、５０……アクチュエータ制御部、５２……ゲーム機の制御システム。

Claims (10)

1. ユーザにより操作される装置に装備され、ユーザの指先に触覚を提供する触覚提供機構において、
   前記装置の表面のユーザの指先が接触する箇所に配設された第１表面及び第２表面を有するとともに、前記第１表面と前記第２表面との間に時間と共に変化する相対変位を発生させる相対変位発生手段を備え、
   前記装置は、筐体と、前記筐体に対して相対的に変位するとともに、静止面を構成する前記筺体の表面を介さずに互いに隣接するようにして並設された複数の可動部材とを備え、
   前記第１表面及び前記第２表面はそれぞれ、前記複数の可動部材の表面により構成されており、
   前記第１表面と前記第２表面との間の相対変位の時間的変化をユーザが指先で感知できるようにした
   触覚提供機構。
2. 隣接する前記可動部材同士は、互いに波形または位相が異なる駆動信号により駆動される
   請求項１に記載の触覚提供機構。
3. 前記可動部材は、細長い板状の屈曲変位型圧電アクチュエータで構成されており、
   前記相対変位発生手段は、前記圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを制御する制御部とで構成されている
   請求項１または請求項２に記載の触覚提供機構。
4. 前記圧電アクチュエータは、積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層ユニモルフ型圧電アクチュエータである
   請求項３に記載の触覚提供機構。
5. 前記第１表面及び前記第２表面を覆う可撓性薄膜を備えた
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の触覚提供機構。
6. ユーザにより操作される電子機器であって、ユーザの指先に触覚を提供する触覚提供機構を備えた電子機器において、
   筐体と、前記筐体に対して相対的に変位するとともに、静止面を構成する前記筺体の表面を介さずに互いに隣接するようにして並設された複数の可動部材とを備え、
   前記触覚提供機構は、
   前記電子機器の表面のユーザの指先が接触する箇所に配設された第１表面及び第２表面を有するとともに、前記第１表面と前記第２表面との間に時間と共に変化する相対変位を発生させる相対変位発生手段を備え、
   前記第１表面及び前記第２表面はそれぞれ、前記複数の可動部材の表面により構成されており、
   前記第１表面と前記第２表面との間の相対変位の時間的変化をユーザが指先で感知できるようにした
   電子機器。
7. 隣接する前記可動部材同士は、互いに波形または位相が異なる駆動信号により駆動される
   請求項６に記載の電子機器。
8. 前記可動部材は、細長い板状の屈曲変位型圧電アクチュエータで構成されており、
   前記相対変位発生手段は、前記圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを制御する制御部とで構成されている
   請求項６または請求項７に記載の電子機器。
9. 前記圧電アクチュエータは、積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層ユニモルフ型圧電アクチュエータである
   請求項８に記載の電子機器。
10. 前記第１表面及び前記第２表面を覆う可撓性薄膜を備えた
    請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の電子機器。

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