TW201624222A - 衝擊產生致動器、觸控面板及驅動方法 - Google Patents

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Yoshinori Watanabe
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Yuki Akita
Katsuhito Fujii
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Abstract

例如，在衝擊產生致動器可以提供多樣的操 作感。 一種衝擊產生致動器，具備：輸出在單 一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之驅動訊號輸出部、以及對應到驅動訊號的期間而被通電的形狀記憶合金。

Description

衝擊產生致動器、觸控面板及驅動方法
本發明有關衝擊產生致動器、觸控面板及驅動方法，例如，有關使用了利用通電來變化形狀的形狀記憶合金之衝擊產生致動器、觸控面板及驅動方法。
以往，使用了利用溫度變化而伸縮的形狀記憶合金(以下，適宜稱為SMA(Shape Memory Alloy))之致動器是廣為人知。例如，於下述專利文獻1，記載著使施加到致動器的脈衝訊號的電壓(峰值)變化，產生不同大小的振動之致動器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-262478號專利公報
於專利文獻1記載的致動器，係1脈衝訊號中的峰值為一定的緣故，是有對應到1脈衝訊號而產生多樣的操作感是有困難之問題。
因此，本發明之一個目的是，提供得以解決上述問題之新穎且有用的衝擊產生致動器、觸控面板及驅動方法。
為了解決上述的課題，本發明之第1樣態為例如：一種衝擊產生致動器，具備：輸出在單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之驅動訊號輸出部、以及對應到驅動訊號的期間而被通電的形狀記憶合金。
本發明之第2樣態為例如：一種觸控面板，具備：執行輸入操作的輸入部、因應輸入操作輸出在單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之驅動訊號輸出部、以及對應到驅動訊號的期間而被通電的形狀記憶合金。
本發明之第3樣態為例如：一種衝擊產生致動器之驅動方法，具有：輸出單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之程序、以及對應到驅動訊號的期間而對形狀記憶合金通電之程序。
根據至少一實施方式，可以產生多樣的操作感。
31‧‧‧驅動訊號輸出部
100、200‧‧‧致動器
SMA‧‧‧形狀記憶合金
MOSFET‧‧‧切換元件
C1‧‧‧電容
[圖1]為用於說明一般的致動器的電路構成之圖。
[圖2]為用於說明一般的致動器中的驅動訊號之波形圖。
[圖3]為用於說明加速度的測定方法之其中一例之圖。
[圖4]為用於說明本發明的實施方式中的致動器的構造例之圖。
[圖5]為用於說明本發明的實施方式中的致動器的作動例之圖。
[圖6]為用於說明第1實施方式中的致動器的電路構成之圖。
[圖7]為用於說明第1實施方式中的致動器的驅動訊號之波形圖。
[圖8]為用於說明第2實施方式中的致動器的電路構成之圖。
[圖9]為用於說明MOSFET的特性的其中一例之圖。
[圖10]為用於說明第2實施方式中的致動器的驅動訊號之波形圖。
[圖11]為用於說明第2實施方式中，驅動訊號之時間的變化、流動在SMA的電流之時間的變化、以及致動器的加速度之時間的變化之圖。
[圖12]為用於說明驅動訊號的變形例之圖。
以下、有關本發明之實施方式，一邊參閱圖面一邊說明之。說明係以以下的順序進行。
<1.第1實施方式>
<2.第2實施方式>
<3.變形例>
於以下說明的實施方式等為本發明之適合的具體例子，但本發明的內容並非被限定在這些實施方式等。更進一步，以下之說明中的效果乃為例示，由例示的效果並非用來限定解釋本發明的內容。
「一般的致動器之構成」
一開始，為了容易理解本發明，說明有關一般的衝擊產生致動器(以下，適宜簡稱為致動器)之構成。在以下的說明，把包含切換SMA及SMA的通電狀態/非通電狀態的驅動電路等之構成總稱為致動器。圖1表示一般的致動器(致動器1)的構成之其中一例。相對於致動器1，從驅動電壓產生部2輸入驅動電壓。於驅動電壓產生部2連接電阻R1之其中一端，於電阻R1之另一端連接 SMA。於電阻R1與SMA的連接中點，其中一端連接被接地到接地(GND)的電容C1，該電容C1利用驅動電壓產生部2所產生的驅動電壓來充電。
對SMA串聯連接切換元件。切換元件例如為N通道型的MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor)，MOSFET的汲極(D)連接到SMA，MOSFET的源極(S)被接地到接地。構成於MOSFET的閘極(G)，輸入用於切換MOSFET的切換動作之單一脈衝訊號。
圖2表示單一脈衝訊號之其中一例。所謂單一脈衝訊號，例如為因應使用者的輸入操作而產生、輸出之一脈衝訊號。單一脈衝訊號的高位準，例如為5V(伏特)，低位準為0V。當然，可以因應MOSFET的特性設定對應到各位準之電壓。單一脈衝訊號中，高位準的電壓為一定。單一脈衝訊號為高位準時開啟MOSFET，單一脈衝訊號為低位準時關閉MOSFET。
經由MOSFET的開啟/關閉控制，可以切換SMA的通電狀態/非通電狀態。例如，經由開啟MOSFET的期間對電容C1放電的方式，通電加熱SMA。經由通電加熱SMA以指定的加速度進行收縮。MOSFET關閉的期間停止對SMA的通電加熱，利用外部氣體所致之冷卻SMA伸張。利用SMA收縮讓致動器動作，經由致動器動作，可以對執行過輸入操作的使用者提供指定的操作感。
圖3為用於說明致動器的加速度的測定方法之其中一例之圖。尚且，以下例示的加速度的測定方法為考慮到致動器之適用機器(例如，觸控面板)者，但加速度的測定方法並不限定在例示的方法。而且，利用其他的參數也可以規定致動器的特性。
如圖3所示，於平坦的面載置黃銅板10。黃銅板10的厚度例如設定成30mm(毫米)。於黃銅板10的頂面安裝橡膠腳11。而且，於黃銅板10的頂面安裝PWB(Printed Wiring Board)12，於PWB12上安裝致動器13。構成橡膠腳11的厚度、與利用PWB12及致動器13所構成的厚度為相同或者是略相同，構成利用橡膠腳11及致動器13等支撐觸控面板14的端部。觸控面板14的厚度例如設定成0.7mm。
於觸控面板14上載置錘15，於錘15上安裝加速度感測器16。錘15的重量例如為100g(公克)。加速度感測器16可以使用公知的感測器。錘15及加速度感測器16配置成致動器13、錘15及加速度感測器16的中心線為一致或是略一致。利用如以上所構成的加速度測定治具測定加速度。具體方面，利用後述的單一脈衝訊號對致動器13的SMA通電加熱，利用加速度感測器16測定藉由SMA的伸縮所產生加速度。
以上說明之一般的致動器，係以利用單一脈衝訊號使MOSFET開啟的方式可以迅速加熱SMA。因此，可以使SMA迅速收縮，有所謂可以提高使用SMA的 致動器的響應性之優點。而且，有以下優點：在把致動器適用到觸控面板的情況下，以致動器動作的方式，可以對觸碰到觸控面板的輸入面的使用者的指尖給予確實的振動或衝擊(也稱為喀嚦感)。另一方面，有這樣的問題：單一脈衝訊號中的電壓時間上為一定的緣故，利用致動器的動作提供多樣的操作感是困難的。而且，有這樣的問題：致動器的動作音對使用者來說比起給予到指尖的感觸更有支配性之虞。說明有關有鑑於該點之本發明的實施方式。
<1.第1實施方式>
「有關致動器的形狀」
參閱圖4及圖5，說明有關本發明之第1實施方式中的致動器的形狀。尚且，以下說明的致動器的形狀，對第2實施方式、變形例也可以適用。而且，本發明的致動器的形狀，並不限定成以下說明的形狀。
圖4表示致動器100的外觀。圖示為致動器100產生變位前的初始狀態。致動器100被成形在印刷配線基板22的頂面。
致動器100例如利用可動構件25、固定構件26、二個端子金屬具27、以及例如形成線狀的形狀之SMA所構成。可動構件25與固定構件26一起藉由絕緣性之硬質的材料所成形。可動構件25的底面與固定構件26的頂面被成形成為相互對應的波狀的凹凸的面，在該相互的凹凸面之間配置SMA。尚且，亦可藉由導電性金 屬材料等成形可動構件25與固定構件26，但在該情況下，在可動構件25與固定構件26之各自的表面施以絕緣膜等、防止二個端子金屬具27之間的短路之構成是有必要。
SMA係在固定構件26的兩端藉由端子金屬具27被固定著。本實施方式中的SMA例如為鎳-鈦合金，在導電性方面，具有指定的電阻值，線徑為極細，在常溫左右的環境下呈現柔軟的絲狀。以在該SMA流動電流的方式，SMA本身發熱，藉由該熱，進行硬化、收縮。尚且，SMA不限定鎳-鈦合金，若可為展現同樣的特性者，可以是其他金屬或合金。
端子金屬具27隨SMA的端部嵌入到固定構件26的兩端，以SMA不會鬆弛之充分的強度固定SMA的端部。端子金屬具27用導電性金屬所成形，在設在印刷配線基板22上之指定的形狀的地帶(未圖示)施以焊接。經此，成為固定構件26被固定在印刷配線基板22上的狀態。
有關致動器100的形狀的動作，參閱圖5說明之。圖5A表示尚未對SMA通電的狀態，亦即，產生變位前的狀態。在該狀態下，SMA為柔化、柔軟的狀態。在該狀態下，例如，藉由未圖示磁體的吸附力，成為可動構件25與固定構件26一邊挾持SMA一邊接近的狀態。
圖5B表示對SMA通電中的狀態，亦即，致動器100產生變位後的狀態。在該狀態下，SMA收縮， 伴隨於此一邊抵抗因磁體所致之吸附力，可動構件25沿垂直方向，朝與固定構件26為相反的方向進行變位。在可動構件25上載置蓋構件(圖示省略)的情況下，蓋構件也朝同方向變位。
從於圖5B所示的狀態，停止對SMA的通電的話，SMA藉由與環境氣體的溫度差、及藉由朝各個可動構件25、固定構件26及端子金屬具27的散熱而被冷卻，回到非通電狀態的長度的同時，藉由磁體的吸附力的作用，快速回到於圖5A所示的狀態。
尚且，在以下的說明，說明有關把致動器作為觸控面板的振動裝置而適用之例。例如，於致動器100的可動構件25之上形成可以做種種的輸入操作之輸入面。在檢測到輸入操作的情況下，產生並輸出使電壓(高位準的電壓)產生時間性的變化之單一脈衝訊號(驅動訊號)。詳細如後述，但對應到該單一脈衝訊號的期間，SMA被通電加熱而收縮。經由使用與一般的致動器中的驅動訊號相異的驅動訊號的方式，可以提供多樣的操作感。
「有關驅動電路」
圖6表示第1實施方式中的致動器100之驅動電路之其中一例。致動器100具備驅動訊號輸出部31與SMA，SMA被連接在驅動訊號輸出部31與接地(GND)之間。驅動訊號輸出部31產生並輸出乃是驅動訊號之單一脈衝 訊號。驅動訊號輸出部31例如利用微計算機所構成，因應對觸控面板的輸入操作，產生並輸出單一脈衝訊號。從驅動訊號輸出部31輸出的單一脈衝訊號供給到SMA，在對應到單一脈衝訊號的期間，SMA被通電加熱。亦即，第1實施方式為對SMA直接施加單一脈衝訊號之例。
圖7表示第1實施方式中的單一脈衝訊號之其中一例。如圖7所示，驅動訊號為單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化之訊號。更具體方面，單一脈衝訊號為在電壓V1與電壓V2之間(但是，V1<V2)，使電壓時間性的增加之訊號。電壓V1及電壓V2可以因應加熱對象的SMA的特性等適切地設定，電壓V1可以為0V。可以控制因應電壓而流動在SMA的電流。尚且，在圖7，使單一脈衝訊號中的電壓產生階梯狀變化，但可以適宜設定階梯的高度(電壓的變化的左右)、階梯的寬度(期間)等。而且，為單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化之訊號的話，該波形並不限定成如圖7所示者。
「有關致動器的動作」
說明有關致動器100的動作之其中一例。執行對觸控面板之輸入操作(例如，觸控輸入面的操作)的話，利用未圖示檢測部檢測輸入操作。檢測部把已執行輸入操作之情事通知到驅動訊號輸出部31。因應已執行的輸入操作，驅動訊號輸出部31產生並輸出圖7所例示之單一脈衝訊號。從驅動訊號輸出部31輸出的單一脈衝訊號被施 加到SMA，SMA被通電加熱。
在此，單一脈衝訊號為徐徐地加大電壓的訊號的緣故，SMA不會被急速通電加熱而被徐徐地通電加熱，和緩地進行收縮。換言之，可以減小隨SMA的收縮的加速度。為此，致動器100中的可動構件25變成在垂直方向上和緩上升，可以對使用者的指尖給予舒適的抵抗感。隨SMA的動作之加速度變得比一般的致動器中的SMA的加速度小，動作時間變長的緣故，可以對使用者的指尖給予較長的時間的操作感。更進一步，以減少隨SMA的動作之加速度的方式，SMA被急速加熱，即便是大的加速度也可以防止在收縮之際所產生的SMA的切斷等。更進一步，可以讓致動器的動作音變小。
<2.第2實施方式>
接著，說明有關第2實施方式。如上述般，第2實施方式中的致動器(致動器200)的形狀，可以適用第1實施方式中的致動器100的形狀。
「有關驅動電路」
圖8為用於說明致動器200的驅動電路之其中一例之圖。在第2實施方式，不大幅變更一般的致動器的驅動電路，幾乎照原樣使用。概略說明的話，相對於致動器200，從驅動電壓產生部2輸入驅動電壓。在驅動電壓產生部2與接地(GND)之間，從驅動電壓產生部2側串聯 連接電阻R1、SMA及N通道型的MOSFET。對電阻R1及SMA的連接中點，連接其中一端被接地到接地之電容C1(蓄電元件之其中一例)。利用經由驅動電壓產生部2所產生的驅動電壓充電電容C1，利用電容C1的放電可以在SMA及MOSFET的汲極-源極間流動電流。尚且，於致動器200的動作時，電容C1被充電。MOSFET的閘極連接到驅動訊號輸出部31。構成為驅動訊號輸出部31所產生、輸出的單一脈衝訊號被輸入到MOSFET的閘極。
圖9為表示MOSFET的特性的其中一例之圖。圖9的特性要因圖中，橫軸表示閘極-源極間的電壓VGS，縱軸表示汲極電流ID。由圖9理解到，本發明的實施方式中的MOSFET，具有：隨著電壓VGS比指定值大，汲極電流ID也變大之加強特性。閘極-源極間的電壓VGS為電壓V3時，汲極電流ID開始流動。亦即，電壓V3為對應到閘極閾值電壓的電壓。但是，流動的電流較少的緣故，從切換的角度來看MOSFET為關閉。閘極-源極間的電壓VGS為電壓V4(但是，V3<V4)時流動充分的汲極電流ID，從切換的角度來看此，MOSFET為開啟的狀態。亦即，電壓V4為對應到開啟電壓之電壓。電壓V3及電壓V4係因應MOSFET的特性等被適宜設定。
「有關驅動訊號」
圖10表示第2實施方式中的單一脈衝訊號之其中一例。第2實施方式中的單一脈衝訊號，為在單一脈衝訊號 中，在從乃是閘極閾值電壓的電壓V3到乃是開啟電壓的電壓V4為止之間，使電壓產生時間性的變化之訊號，更具體方面，為在從電壓V3到電壓V4為止之間，使電壓時間性的增加之訊號。尚且，單一脈衝訊號中的電壓的最小值與電壓的最大值在從電壓V3到電壓V4的範圍內者為佳，電壓的最小值未必是電壓V3，電壓的最大值未必是電壓V4。
「有關致動器的動作」
圖11為示意表示單一脈衝訊號的電壓(V)的時間性變化、在SMA流動的電流(A)的時間性變化及致動器200的加速度(G)的時間性變化之圖。尚且，圖中，實線表示單一脈衝訊號的電壓之時間性變化，單點鏈線表示在SMA流動的電流之時間性變化，虛線表示致動器200的加速度之時間性變化。尚且，單一脈衝訊號的波形，係作為與於圖10所示的波形相同之波形來進行說明。
參閱圖11說明有關致動器200的動作之其中一例。因應輸入操作從驅動訊號輸出部31輸出單一脈衝訊號，該單一脈衝訊號輸入到MOSFET的閘極。單一脈衝訊號的電壓比乃是閘極閾值電壓的電壓V3大的緣故，在MOSFET的汲極-源極間流動汲極電流ID。
隨單一脈衝訊號的電壓上升，在MOSFET的汲極-源極間流動的汲極電流ID徐徐地增加。亦即，在SMA流動的電流可以徐徐地增加，可以使在SMA流動的 電流產生時間性的變化。經此，SMA徐徐地收縮，加速度增加。在汲極電流ID為最大的附近，換言之在SMA流動的電流為最大的附近(圖11中、5ms(毫秒)附近，以P10所表示處)，SMA最被通電加熱。以加速度來看，在SMA收縮的過程加速度增加的同時，在SMA最收縮之際變位停止，亦即加速度為0。加速度為0的狀態(圖11中，以P20所表示處)為SMA最收縮的狀態。
尚且，在單一脈衝訊號的電壓上升的過程，在SMA流動的電流到達波峰之後下降。此乃是電容C1的電容量下降的緣故。以後在SMA流動的電流減少。亦即，在SMA所投入的能量下降。電容C1放電，在SMA電流不流動後，SMA利用外部氣體等自然冷卻的方式伸張。當然，以增大電容C1的電容量的方式，隨單一脈衝訊號的電壓的上升更進一步可以使在SMA流動的電流增加。而且，表示加速度一時上升到成為0後之加速度的波形。此乃是，SMA收縮後，利用隨可動構件25回到初始的位置之際所產生的加速度、及在加速度感測器周圍中產生的復原力等之振動所產生出的加速度的變化。
如以上說明般，根據致動器200，可以控制在SMA之1次的加熱收縮中投入在各時間的能量，可以任意控制SMA的加熱時間。經此，可以讓SMA的收縮和緩，或讓收縮速度階段性上升。在把致動器200適用在觸控面板的振動驅動器之情況下，致動器200的動作變緩的緣故，可以在指尖給予緩慢的感覺。在給予較強的衝擊之 際，係可以把與一般的致動器同樣的單一脈衝訊號輸入到MOSFET，與這些相比可以提供更多樣的操作感。其他，可以得到動作音的減低等與第1實施方式同樣的效果。更進一步，第2實施方式的致動器，係可以用與一般的致動器同樣的電路構成來實現，沒有必要變更電路構成，對成本是有利的。
<3.變形例>
以上，具體說明了有關本發明之一實施方式，但本發明不限定於上述的實施方式，可以有各種的變形。以下，說明有關變形例。尚且，在實施方式說明過的事項，特別是除非事先說明過，否則皆可以對變形例適用。
圖12A乃至圖12D為表示變形例中的單一脈衝訊號的波形之圖。圖12A表示在從電壓V3到電壓V4的範圍內，使電壓指數函數性增加之單一脈衝訊號。圖12B表示在從電壓V3到電壓V4的範圍內，使電壓線性增加之單一脈衝訊號。圖12C表示在開始給予比電壓V3大的電壓，接著給予比該電壓大、比電壓V4小的電壓，把各個電壓切換成階梯狀之單一脈衝訊號。如此，單一脈衝訊號的波形可以適宜變更。尚且，如圖12D所示，不僅使電壓時間性增加，也可以一時使電壓減少。而且，亦可把電壓一時地減少得比乃是閘極閾值電壓的電壓V3小，於SMA一時沒有流動電流。
在上述的實施方式中，檢測輸入操作的檢測 部與驅動訊號輸出部可以是利用微計算機等所構成之相同的構成者。在上述實施方式中的驅動電路使用電容C1，但亦可以是SMA等直接連接到驅動電壓產生部2之無電容的電路者。電容C1可以是雙電層電容或二次電池等。切換元件不限定為N通道型的MOSFET，也可以使用P通道型的MOSFET或其他的切換元件，因應所使用的切換元件可以適宜變更電路構成等。
上述的實施方式及變形例中舉例的構成、方法、程序、形狀、材料及數值等終歸倒底不過是個例子，也可以因應必要使用相異的構成、方法、程序、形狀、材料及數值等。而且，實施方式及變形例中的構成、方法、程序、形狀、材料及數值等，在不產生技術的矛盾之範圍下，可以相互地組合。
更進一步，本發明不限於裝置，例如，可以作為方法、程式、記錄程式之記錄媒體而實現。
2‧‧‧驅動電壓產生部
31‧‧‧驅動訊號輸出部
200‧‧‧致動器
S‧‧‧源極
D‧‧‧汲極
G‧‧‧閘極
C1‧‧‧電容
R1‧‧‧電阻
GND‧‧‧接地
MOSFET‧‧‧切換元件
SMA‧‧‧形狀記憶合金

Claims (9)

  1. 一種衝擊產生致動器，具備：輸出在單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之驅動訊號輸出部；以及對應到前述驅動訊號的期間而被通電的形狀記憶合金。
  2. 如請求項1之衝擊產生致動器，其中，對前述形狀記憶合金直接施加前述驅動訊號。
  3. 如請求項1之衝擊產生致動器，其中，具備對前述形狀記憶合金串聯連接之切換元件；前述驅動訊號輸出部，係經由把前述驅動訊號輸出到前述切換元件，使在前述形狀記憶合金流動的電流產生時間性的變化。
  4. 如請求項3之衝擊產生致動器，其中，前述驅動訊號輸出部，係在於前述切換元件流動電流之第1電壓、與比開啟前述切換元件的前述第1電壓大的第2電壓之間，使電壓產生時間性的變化。
  5. 如請求項3或4之衝擊產生致動器，其中，具備：驅動電壓產生部；以及利用前述驅動電壓產生部所產生的驅動電壓而蓄電的蓄電元件；前述蓄電元件在已蓄電的狀態下供給前述驅動訊號到前述切換元件。
  6. 如請求項3乃至5中任1項之衝擊產生致動器，其中，前述切換元件利用MOSFET所構成。
  7. 如請求項1乃至6中任1項之衝擊產生致動器，其中，前述驅動訊號輸出部因應指定的輸入操作輸出前述驅動訊號。
  8. 一種觸控面板，具備：執行輸入操作的輸入部；因應前述輸入操作輸出在單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之驅動訊號輸出部；以及對應到前述驅動訊號的期間而被通電的形狀記憶合金。
  9. 一種衝擊產生致動器之驅動方法，具有：輸出單一脈衝訊號中使電壓產生時間性的變化的驅動訊號之程序；以及對應到前述驅動訊號的期間而對形狀記憶合金通電之程序。
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