JP7436244B2 - 振動発生装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動による触覚提示に係る振動発生装置及び電子機器に関する。

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（１００～２５０Ｈｚ）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）。

特開平８－３１４３６９号公報

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、高周波駆動領域での駆動は、パネル上に定在波を発生させる必要があり、２つのアクチュエータをパネル両端に配置する必要がある等、アクチュエータの配置に制限がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、新たな触感を提示することが可能であり、アクチュエータの配置に制限が少ない振動発生装置及び電子機器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振動発生装置は、振動版と、圧電アクチュエータと、複数の支持部材とを具備する。
上記振動版は、振動体から離間して配置される振動板であって、上記振動体側の第１の主面と、上記第１の主面とは反対側の第２の主面を有する。
上記圧電アクチュエータは、上記振動板に接合されている。
上記複数の支持部材は、上記第１の主面から上記振動体に向かって延伸する柱状の支持部と、上記支持部に接続され、上記振動体に接合される接合面を有する固定部とを有し、上記振動板を支持し、平面視にて上記圧電アクチュエータを挟むように設けられ、上記接合面が平面視にて上記支持部より大きい上記固定部を有する。

この構成によれば、圧電アクチュエータは振動体に直接に接合されないため、圧電アクチュエータの配置に制限が少なく、振動体の有効面積を向上させることが可能である。さらに、振動体と振動板は離間しているため、振動体と振動体の間の空間を有効に利用することができる。

上記振動発生装置は、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上記圧電アクチュエータに出力する駆動装置をさらに具備してもよい。

上記駆動装置は、上記正弦波の電圧ゲインを－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、上記正弦波の電圧ゲインを－１０ｄＢとし、上記変調波の電圧ゲインを０ｄＢとしてもよい。

上記振動板は、矩形形状を有する上記第１の主面及び上記第２の主面を有し、
上記複数の支持部材は、上記第１の主面の長手方向の両端部に設けられた上記支持部を含んでもよい。

上記複数の支持部材は、上記接合面が矩形形状を有する上記固定部を有し、上記固定部は上記接合面の長辺が上記振動板の短辺に平行であってもよい。また、上記圧電アクチュエータは、平面視にて上記振動体の中央領域に重なって設けられていてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電子機器は、振動発生装置を備える。
上記振動発生装置は、振動体から離間して配置される振動板であって、上記振動体側の第１の主面と、上記第１の主面とは反対側の第２の主面を有する振動板と、上記振動板に接合された圧電アクチュエータと、上記第１の主面から上記振動体に向かって延伸する柱状の支持部と、上記支持部に接続され、上記振動体に接合される接合面を有する固定部とを有し、上記振動板を支持する複数の支持部材とを備え、上記複数の支持部材は、平面視にて上記圧電アクチュエータを挟むように設けられ、上記接合面が平面視にて上記支持部より大きい上記固定部を有する。

以上のように本発明によれば、新たな触感を提示することが可能であり、一つのアクチュエータで定在波を発生させることができる等、アクチュエータの配置に制限が少ない振動発生装置及び電子機器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の斜視図である。 上記振動発生装置の分解斜視図である。 上記振動発生装置の平面図である。 上記振動発生装置の側面図である。 上記振動発生装置の一部構成の平面図である。 上記振動発生装置が備える支持部材の側面図である。 上記振動発生装置が備える支持部材の平面図である。 本実施形態に係る、他の構成を有する振動発生装置の平面図である。 本実施形態に係る、駆動装置を備える振動発生装置の模式図である。 上記駆動装置が発生させる高周波波形である。 上記駆動装置が発生させる低周波波形である。 上記駆動装置が発生させる振幅変調波波形である。 図１２の振幅変調波を拡大した波形である。 上記駆動装置が発生させる振幅変調波波形（電圧波形のみ）である。 図１４の振幅変調波を拡大した波形である。 振幅変調波の振幅を示す模式図である。

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の斜視図であり、図２は振動発生装置１００の分解斜視図である。図３は振動発生装置１００の平面図であり、図４振動発生装置１００の側面図である。

これらの図に示すように、振動発生装置１００は、振動体１０１、振動板１０２、圧電アクチュエータ１０３及び支持部材１０４を備える。

振動体１０１は、振動体１０１に触れるユーザに触覚を提示する。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。図３に示すように振動体１０１は、主面が矩形形状を有する板状とすることができ、振動体１０１の長辺（Ｙ方向）を長辺１０１ａとし、短辺（Ｘ方向）を短辺１０１ｂとする。

振動板１０２は、圧電アクチュエータ１０３によって振動を生じる。振動板１０２はステンレス、４２アロイ又は銅等の金属からなる板とすることができ、厚みは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることができる。図４に示すように、振動板１０２は支持部材１０４によって振動体１０１から離間し、振動体１０１に対して平行に配置されている。振動板１０２の主面のうち、振動体１０１側の面を第１の主面１０２ａとし、第１の主面１０２ａとは反対側の主面を第２の主面１０２ｂとする。

図５は、振動発生装置１００から振動体１０１を除いた状態の平面図である。振動板１０２は、図５に示すように主面が矩形形状を有する板状とすることができ、振動板１０２の長辺を長辺１０２ｃとし、短辺を短辺１０２ｄとする。振動板１０２は、振動体１０１と長手方向及び短手方向が一致するように配置され、即ち図３に示すように、長辺１０１ａと長辺１０２ｃが平行となり、短辺１０１ｂと短辺１０２ｄが平行となるように配置される。

圧電アクチュエータ１０３は、振動板１０２の第１の主面１０２ａに接合され、振動を生じる。圧電アクチュエータ１０３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１０３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。また、圧電アクチュエータ１０３は第２の主面１０２ｂに接合されてもよい。

圧電アクチュエータ１０３は、図５に示すように、圧電アクチュエータ１０３の長手方向が振動板１０２の長辺１０２ｃと平行となるように、振動板１０２の中央部分に配置さされる。一般に圧電アクチュエータは振動体の両端部に１つずつが配置されることが多いが、本実施形態の構成では圧電アクチュエータ１０３は一つのみで有効な触覚が得られる振動を発生させることが可能である。圧電アクチュエータ１０３は接着等によって振動板１０２に接合されるものとすることができる。

支持部材１０４は、振動板１０２を振動体１０１に固定する。図６は、支持部材１０４の側面図である。同図に示すように支持部材１０４は、支持部１０４ａと固定部１０４ｂを備える。

支持部１０４ａは、振動板１０２と固定部１０４ｂを接続する。支持部１０４ａは、第１の主面１０２ａから振動体１０１に向かって延伸する柱状の部分であり、図４に示すように、ネジ１０５によって振動板１０２と固定されるものとすることができる。また、支持部１０４ａは他の方法で振動板１０２と固定されてもよい。

固定部１０４ｂは、図６に示すように接合面１０４ｃを有し、接合面１０４ｃが振動体１０１に接合される。接合面１０４ｃはエポキシ樹脂等の樹脂によって振動体１０１に接着されるものとすることができる。図７は接合面１０４ｃを示す平面図である。同図に示すように接合面１０４ｃは矩形状であり、長辺１０４ｄ及び短辺１０４ｅを有する。

支持部材１０４は、別部材である支持部１０４ａと固定部１０４ｂをネジ留あるいは溶接等によって接合したものであってもよい。また、支持部材１０４は削り出し加工等によって形成され、支持部１０４ａと固定部１０４ｂが連続した部材であってもよい。支持部材１０４は例えば鉄、ステンレス又は真鍮等の金属からなるものとすることができる。

図５に示すように、支持部材１０４は、振動板１０２の長手方向（Ｙ方向）の両端部、即ち短辺１０２ｄの近傍に、短辺１０２ｄに沿って２つずつ、計４つが配置され、振動板１０２を振動体１０１に固定するものとすることができる。この際、固定部１０４ｂは、図５に示すように接合面１０４ｃの長辺１０４ｄが振動板１０２の短辺１０２ｄと平行となるように配置されるものとすることができる。

なお、固定部１０４ｂは１つの支持部１０４ａに１つが接続されるものに限られない。図８は、支持部材１０４の他の構成を示す模式図である。同図に示すように、１つの固定部１０４ｂが２つの支持部１０４ａに接続されるものとすることも可能である。また、支持部１０４ａの数も４つに限られず、短辺１０２ｄに沿って１つ又は３つ以上が設けられてもよい。

［駆動装置について］
振動発生装置１００は、圧電アクチュエータ１０３に駆動信号を供給する駆動装置を備えるものとすることができる。図９は、駆動装置１５０を備える振動発生装置１００の模式図である。

駆動装置１５０は、例えばアンプであり、圧電アクチュエータ１０３の正極及び負極に接続され、正極と負極の間に後述する電圧波形を駆動信号として出力する。以下、駆動装置１５０から圧電アクチュエータ１０３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１０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１５０から圧電アクチュエータ１０３に図１０に示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図１０に示す電流波形を有する電流が流れる。

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しても、振動板１０２の振動が振動体１０１に伝達されず、振動体１０１において振動が生じない。また、高周波領域の正弦波を駆動信号としても圧電アクチュエータ１０３の駆動電流が増加し、消費電力が増大し、圧電アクチュエータ１０３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１１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１５０から圧電アクチュエータ１０３に図１１示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図１１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。しかしながら、このような低周波領域の正弦波を駆動信号とすると、振動板１０２は振動するものの、振動板１０２の振動が振動体１０１に伝達されず、振動体１０１において振動が生じない。

図１２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１３は図１２の拡大図である。駆動装置１５０から圧電アクチュエータ１０３に、図１２示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図１２及び図１３に示す電流波形を有する電流が流れる。

図１４は図１２の電圧波形のみを示し、図１５は図１３の電圧波形のみを示す。図１４及び図１５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１４及び図１５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１４及び図１５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１６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１４においても、低周波Ｗ２の電圧ゲインを高くすると、図１４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１５０が、図１４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１０３に出力すると、圧電アクチュエータ１０３によって振動板１０２に振動が生じる。振動板１０２の振動は支持部材１０４によって振動体１０１に伝達され、固定部１０４ｂを支点として振動体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１０に示すような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１２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。

本実施形態の構成においては、振動体１０１のうち、固定部１０４ｂの間の領域でのみ振動をさせることが可能であり、振動を生じる領域を調整することが可能である。また、圧電アクチュエータ１０３は振動体１０１に直接に接合されないため、圧電アクチュエータ１０３の配置に制限が少なく、振動体１０１の有効面積を向上させることが可能である。さらに、振動体１０１と振動板１０２は離間しているため、振動体１０１と振動板１０２の間の空間を有効に利用することができる。

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。

１００…振動発生装置
１０１…振動体
１０２…振動板
１０３…圧電アクチュエータ
１０４…支持部材
１５０…駆動装置

Claims (8)

1. 振動体から離間して配置される振動板であって、前記振動体側の第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面を有する振動板と、
   前記振動板に接合された圧電アクチュエータと、
   前記第１の主面から前記振動体に向かって延伸する柱状の支持部と、前記支持部に接続され、前記振動体に接合される接合面を有する固定部とを有し、前記振動板を支持する複数の支持部材と、を具備し、
   前記複数の支持部材は、平面視にて前記圧電アクチュエータを挟むように設けられ、前記接合面が平面視にて前記支持部より大きい前記固定部を有する
   振動発生装置。
2. 請求項１に記載の振動発生装置であって、
   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前記圧電アクチュエータに出力する駆動装置
   をさらに具備する振動発生装置。
3. 請求項２に記載の振動発生装置であって、
   前記駆動装置は、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
   振動発生装置。
4. 請求項３に記載の振動発生装置であって、
   前記駆動装置は、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
   振動発生装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の振動発生装置であって、
   前記振動板は、矩形形状を有する前記第１の主面及び前記第２の主面を有し、
   前記複数の支持部材は、前記第１の主面の長手方向の両端部に設けられた前記支持部を含む
   振動発生装置。
6. 請求項５に記載の振動発生装置であって、
   前記複数の支持部材は、前記接合面が矩形形状を有する前記固定部を有し、前記固定部は前記接合面の長辺が前記振動板の短辺に平行である
   振動発生装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の振動発生装置であって、
   前記圧電アクチュエータは、平面視にて前記振動体の中央領域に重なって設けられる
   振動発生装置。
8. 振動体から離間して配置される振動板であって、前記振動体側の第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面を有する振動板と、前記振動板に接合された圧電アクチュエータと、前記第１の主面から前記振動体に向かって延伸する柱状の支持部と、前記支持部に接続され、前記振動体に接合される接合面を有する固定部とを有し、前記振動板を支持する複数の支持部材とを備え、前記複数の支持部材は、平面視にて前記圧電アクチュエータを挟むように設けられ、前記接合面が平面視にて前記支持部より大きい前記固定部を有する振動発生装置
   を具備する電子機器。

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