JP5935885B2 - 駆動装置、電子機器及び駆動制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータを駆動させる駆動装置、電子機器及び駆動制御プログラムに関する。

従来から、フラットなタッチパネルを入力手段とする電子機器がある。このタッチパネルは、タッチパネルに対する接触を入力操作として受け付けるものであり、操作に応じた触感を提供することは考慮されていなかった。そのため従来のタッチパネルでは、操作に応じた触感を表現するデバイスの搭載が望まれていた。

そこで近年では、例えばＬＲＡ(Linear Resonant Actuator)による振動を利用して操作に応じた触感を提供することが考えられている。また、ＬＲＡの駆動方法については、特許文献１として挙げるものや、触覚提示デバイスを制御するための専用ＩＣ（Integrated Circuit）等がある。

特開２０１２−２０２８４号公報

しかしながらＬＲＡを用いた振動では、入力を停止しても直ちに振動が停止しないため、例えばメタルドーム式のボタンを押下する操作で生じる急峻な触感等を表現することが困難である。また特許文献１のようなＬＲＡの入力停止後に逆位相入力を行う振動抑制手段もあるが、抑制効果が不十分であった。このため従来の技術では、操作の種類に対する適切な触感の違いを表現することが困難である。

そこで開示の技術は、操作に応じた触感を提供することが可能な駆動装置、電子機器及び駆動制御プログラムを提供することを目的とする。

開示の一態様の駆動装置は、アクチュエータの共振周波数の正弦波であり且つ前記正弦波の振幅の値が所定の範囲となる点において前記アクチュエータの加振を停止する駆動信号の波形データが格納された記憶部と、前記記憶部に格納された前記波形データを読み出し、前記波形データに対応する駆動信号を前記アクチュエータへ出力する駆動処理部と、を備える。

開示の技術によれば、操作に応じた触感を提供することができる。

本実施例の概要を説明する図である。 人の加速度器官の感度を示す図である。 本実施例の電子機器を説明する図である。 ＬＲＡの例を示す図である。 本実施例の駆動装置を説明する図である。 本実施例の駆動装置によるＬＲＡの駆動を説明するフローチャートである。 タッチパネルの共振周波数による振動の励起を説明する図である。 ＬＲＡの共振周波数の電圧を駆動信号としたときのタッチパネルの振動の加速度を示す図である。 高周波振動を励起する箇所をずらした例を示す図である。 ＬＲＡが筐体に設けられた電子機器の例を示す図である。

以下に図１を参照して本実施例の概要について説明する。図１は、本実施例の概要を説明する図である。

図１（Ａ）は、人間の指に加速度計１を取り付けてボタン２を押下した際に生じる振動の加速度の波形１１を示す図である。図１（Ｂ）は、人間の指に加速度計１を取り付けて、ＬＲＡ(Linear Resonant Actuator)が取り付けられたタッチパネル３をタッチした際に生じる振動の加速度の波形１２を示す図である。図１の例では、ボタン２は例えばメタルドーム式のボタンである。またボタン２とタッチパネル３は、電子機器に設けられたものである。

波形１１で示される振動は、1〜数周期で急速に減衰する。これに対して波形１２で示される振動は、駆動信号の供給を停止後もＬＲＡの固有振動数による自由振動が減衰するまで続く。

ところで、人間の指は、振動周波数２００Ｈｚにおいて振動の加速度が０．０２Ｇ以下になると振動を感知できなくなる。振動周波数とは、１秒間の振動数である。振動の加速度とは、単位時間当たりの振動の速度変化量を示すものである。図２は、人の加速度器官の感度を示す図である。尚人間の加速度を感知する器官は、パチニ小体である。パチニ小体は、主に皮膚に見られる主要な４種類の機械受容体のうちの1つである。

すなわち波形１１では、指は０．０１ｓｅｃ以内に振動の加速度が０．０２Ｇ以下とるため振動を感知しなくなる。これに対して波形１２では、振動の加速度が０．０２Ｇ以下になるまで０．１ｓｅｃが必要であり、指は０．１ｓｅｃ経過するまで振動を感知し続ける。したがって波形１１で示される振動と、波形１２で示される振動とでは、人間が感知する触感として全く異なるものとなる。

そこで本実施例では、ＬＲＡの振動のパターンを工夫することで、ボタン２を押下した際のクリック感を表現する。

以下に図３を参照して本実施例の電子機器について説明する。図３は、本実施例の電子機器を説明する図である。

本実施例の電子機器は、例えば表示機能と入力機能とを有するタッチパネルを入力手段として有する機器であれば良い。例えば本実施例の電子機器は、スマートフォン、タブレット型コンピュータ、携帯情報端末等であっても良い。

本実施例の電子機器１００は、筐体１１０、タッチパネル１２０、両面テープ１３０、ＬＲＡ１４０、基板１５０を有する。

本実施例の電子機器１００では、両面テープ１３０により、タッチパネル１２０が筐体１１０に固定されている。ＬＲＡ１４０は、タッチパネル１２０の筐体側の面に取り付けられている。ＬＲＡ１４０は、予め設計された共振周波数を持つ振動系とアクチュエータとが組み合わされたもので、主に共振周波数で駆動して振動を発生させる振動デバイスであり、駆動波形の振幅により振動量が変化する。尚本実施例ではＬＲＡ１４０を振動デバイスとしたが、共振器と加振用のアクチュエータを備えた構造であればＬＲＡに限らない。

基板１５０は、筐体１１０内部に配置されている。基板１５０には、ＬＲＡ１４０の駆動を制御するために駆動装置やＬＲＡ１４０に駆動信号を出力するドライバＩＣ等が実装されている。

本実施例の電子機器１００は、タッチパネル１２０にユーザの指が接触すると、この接触を感知して基板１５０に実装された駆動装置によりＬＲＡ１４０を駆動し、ＬＲＡ１４０の振動をタッチパネル１２０に伝播させる。

尚本実施例の電子機器１００は、タッチパネル１２０を入力操作部とする機器であればよいため、例えばＡＴＭ（Automatic Teller Machine）のように特定の場所に設置されて利用される機器であってもよい。

以下に図４を参照してＬＲＡ１４０について説明する。図４は、ＬＲＡの例を示す図である。図４（Ａ）はボイスコイルを用いたＬＲＡの例を示す図であり、図４（Ｂ）は圧電素子を用いたＬＲＡの例を示す図である。

図４（Ａ）に示すＬＲＡ３０は、ばね３１、磁石３２、コイル３３を有する。ＬＲＡ３０は、ばね３１のばね定数をｋとし、磁石３２の質量をｍとすると、固有振動数ｆ０が以下の式１で示される。

図４（Ｂ）に示すＬＲＡ４０は、重り４１、梁４２、圧電素子４３を有する。ＬＲＡ４０は、重り４１の質量をｍとし、梁４２のヤング率をＥとし、梁４２の断面２次モーメントをＩとし、Ｌを梁４２の長手方向の長さとすると、固有振動数ｆ０が以下の式２で示される。

本実施例のＬＲＡ１４０は、ボイスコイルを用いたＬＲＡ３０を適用しても良いし、圧電素子４３を用いたＬＲＡ４０を適用しても良い。

次に図５を参照して本実施例の電子機器１００の有する基板１５０に実装された駆動装置について説明する。図５は、本実施例の駆動装置を説明する図である。

本実施例の駆動装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１０と、メモリ２２０とを有する。ＣＰＵ２１０は、メモリ２２０に格納された駆動制御プログラム２３０を読み出して実行することで、後述するＬＲＡ１４０の駆動処理を行う。メモリ２２０には、ＬＲＡ１４０の駆動を制御する駆動制御プログラム２３０が格納される記憶領域と、波形データ２４０が格納される記憶領域と、触感を提供するＡＰＩ（Application Programming Interface）２５０が格納される記憶領域とが設けられている。

駆動制御プログラム２３０は、ＣＰＵ２１０にＬＲＡ１４０の駆動制御を実行させる。波形データ２４０は、ＬＲＡ１４０により生じる振動によりクリック感を表現するために予め生成された駆動信号の波形を表すデータである。波形データ２４０の詳細は後述する。ＡＰＩ２５０は、駆動制御プログラム２３０により起動され、触感を提供するための各種処理を行う。ＡＰＩ２５０は、図５ではＡＰＩ２５０はメモリ２２０に格納されるものとしたが、基板１５０に実装された他のメモリに格納されていても良い。

図６は、本実施例の駆動装置によるＬＲＡ１４０の駆動を説明するフローチャートである。

本実施例の駆動装置２００は、タッチパネル１２０に対する接触を検出すると（ステップＳ６０１）、ＡＰＩ２５０を起動させる（ステップＳ６０２）。具体的には駆動装置２００は、例えばタッチパネル１２０上に表示されたボタンに対する接触があった場合等にＡＰＩ２５０を起動しても良い。

ＡＰＩ２５０は、メモリ２２０に格納された波形データ２４０を読み出し、波形データ２４０に対応した駆動指令をドライバＩＣ２６０へ出力する（ステップＳ６０３）。ドライバＩＣ２６０は、駆動指令を受けて波形データ２４０をＤ／Ａ（Digital to Analog）変換し（ステップＳ６０４）、アンプ等により増幅する（ステップＳ６０５）。ドライバＩＣ２６０は、増幅した信号をＬＲＡ１４０に対して出力する（ステップＳ６０６）。

以下に本実施例の波形データ２４０について説明する。

本実施例では、筐体１１０に固定されたタッチパネル１２０自体も高周波で振動する振動デバイスであることに着目する。本実施例では、ＬＲＡ１４０の駆動信号を、振幅がピークの時点でＬＲＡ１４０に対する加振を停止させる信号とし、タッチパネル１２０自体の高周波の振動を励起することで、1〜数周期で急速に減衰する振動を発生させてクリック感を表現する。

図７は、タッチパネル１２０の共振周波数による振動の励起を説明する図である。
図７（Ａ）は本実施例のＬＲＡ１４０の駆動信号の例を示す図である。図７（Ａ）に示す駆動信号Ｇは電圧の信号であり、駆動信号Ｇの波形は、ＬＲＡ１４０の共振周波数の正弦波形である。図７（Ａ）の例では、ＬＲＡ１４０の共振周波数を２２５Ｈｚとした。

本実施例の駆動信号Ｇは、振幅がピークとなった点Ｐ１でＬＲＡ１４０に対する加振を停止する。駆動信号Ｇの振幅は、加振が停止した直後に０となる。このように本実施例では、駆動信号Ｇに値が大きく変化する不連続点を設けることで、この不連続点においてＬＲＡ１４０の振動を調和振動から外す。

また図７（Ａ）の例では、駆動信号ＧによるＬＲＡ１４０の駆動時間を７／４周期とすることで、振幅がピークとなる点Ｐ１が駆動信号Ｇの終端となるようにした。駆動信号Ｇの終端とは、ＬＲＡ１４０に対する加振を停止する点である。本実施例では、駆動信号Ｇの周期を７／４としたが、これに限定されない。

本実施例では、例えば駆動信号ＧによるＬＲＡ１４０の駆動時間１０ｍｓｅｃ以下となるように駆動信号Ｇの周期を設定しても良い。本実施例では、駆動信号Ｇの周期が短いほど指が振動を知覚し続ける時間が短くなり、クリック感に近い短時間の触覚刺激を表現することができる。尚このとき本実施例では、知覚する強度は低下するため、触覚提示として十分な強度が得られる駆動時間は確保する必要がある。

本実施例の駆動装置２００は、図６のステップＳ６０３において、ＡＰＩ２５０により、駆動信号Ｇを示す波形データ２４０を読み出し、波形データ２４０に対応した駆動指令をドライバＩＣ２６０へ出力する。ドライバＩＣ２６０は、波形データ２４０をＤ／Ａ変換して増幅し、ＬＲＡ１４０に出力する。

本実施例の波形データ２４０とは、例えば駆動信号Ｇの周波数、振幅、位相、駆動時間（周期）等を含んでいても良い。また波形データ２４０は、駆動信号Ｇの波形を示す式等であっても良い。

以下に本実施例の駆動装置２００において、ＬＲＡ１４０に駆動信号Ｇが印加された場合について説明する。

図７（Ｂ）は、本実施例のＬＲＡ１４０に駆動信号が印加された場合のタッチパネル１２０の振動の加速度の波形を示す図である。図７（Ｂ）では、タッチパネル１２０の共振周波数を１ｋＨｚとした場合に、ＬＲＡ１４０に共振周波数２２５Ｈｚの駆動信号Ｇが印加された場合のタッチパネル１２０の振動の加速度を示している。

本実施例においてＬＲＡ１４０は、共振周波数２２５Ｈｚで振動する。またタッチパネル１２０は共振周波数１ｋＨｚで振動する。すなわちＬＲＡ１４０の振動は低周波振動であり、タッチパネル１２０の振動は高周波振動と言える。尚タッチパネル１２０の共振周波数は、タッチパネル１２０の４辺が筐体１１０に固定された状態における共振周波数である。

タッチパネル１２０の高周波振動は、ＬＲＡ１４０を共振周波数２２５Ｈｚで低周波振動させた場合は励起されない。この状態において駆動装置２００は、ＬＲＡ１４０の振動を調和振動から外して急激な力をタッチパネル１２０に印加することで、タッチパネル１２０の高周波振動を励起する。

この結果駆動装置２００は、図７（Ｂ）に示すように、点Ｐ１において周波数が１ｋＨｚの高周波振動が励起され、1〜数周期で急速に減衰する振動を発生させる。さらに図７の例では、点Ｐ１で高周波振動を励起することで、低周波振動の加速度の最大値と高周波振動の加速度の最大値とをタイミングを合わせて重畳し、短時間で強度の大きい急峻なピークを発生させている。

このように本実施例では、振動の加速度の短時間の急峻なピークを発生させることで、鋭い触感を提供することができ、クリック感を表現できる。

尚本実施例におけるタッチパネル１２０の振動の加速度は、タッチパネル１２０の中央に図示しない加速度センサを配置し、この加速度センサにより検出した。

以下に図８を参照して本実施例の効果を説明する。図８は、ＬＲＡの共振周波数の電圧を駆動信号としたときのタッチパネルの振動の加速度を示す図である。図８の例では、ＬＲＡ１４０の駆動時間を短くしてクリック感の表現を試みた際のタッチパネル１２０の振動の加速度を示している。

しかしながらタッチパネル１２０の振動は、ＬＲＡ１４０の駆動時間を短くしても、振動量を増幅させるための立ち上がりの時間と、増幅された振動の加速度が０．０２Ｇ以下に減衰するまでの時間が必要となり、振動が数周期に亘って続く。図８の例では、立ち上がりから減衰までに２５ｍｓｅｃ程度の時間がかかり、振動が約４周期に亘り続いていることがわかる。したがってクリック感のような鋭い触感を提供することが困難である。

これに対して図７（Ｂ）では、周波数１ｋＨｚの振動が急激に立ち上がっており、その振動も２周期程度で減滅していることがわかる。

よって本実施例では、振動の加速度の短時間の急峻なピークを発生させてクリック感を表現することができる。

また図７の例では、駆動信号Ｇの振幅がピークとなる点で加振を停止させるものとしたが、加振を停止させる点はここに限定されない。本実施例では、例えば低周波振動の加速度のピークとなるタイミングと高周波振動の加速度のピークとなるタイミングとを合わせるため、駆動信号の終端を点Ｐ１からずらしても良い。

図７の例では、低周波振動の加速度の振幅のピークにほぼ重なって、高周波振動の加速度の振幅のピークが発生する。

図７の例では、低周波振動は共振周波数であるため、図７（Ａ）の駆動信号Ｇの波形に対して図７（Ｂ）の加速度の波形はπ／２位相差が生じており、駆動信号Ｇにおいて振幅がピークとなる点Ｐ１において振動の加速度は０となる。本実施例では、駆動信号Ｇの終端である点Ｐ１で高周波振動が励起され、高周波振動の加速度がピークを迎える。よって高周波振動の加速度がピークを迎えるタイミングは、駆動信号が点Ｐ１となるタイミングから僅かにずれることになる。

具体的には例えば、低周波振動の加速度のピークは駆動信号Ｇの終端である点Ｐ１から１／４周期でピークを迎えるはずであり、時間に換算すると約１．１１ｍｓ後に低周波振動の加速度はピーク（最大値）となる。一方、高周波振動は駆動信号Ｇの終端である点Ｐ１においてゼロから立ち上がり、３／４周期で低周波振動と同方向の加速度のピークを迎えるはずである。これを時間に換算すると、高周波振動は、０．７５ｍｓ後に加速度がピーク（最大値）となる。よって両者のピークは時間差０．３６ｍｓで発生する。また高周波振動の加速度のピークは、低周波振動の加速度のピークを１００％とした場合に低周波振動の加速度がピークに対して約８７％の強度の位置と重なるといえる。

そこで本実施例では、駆動信号ＧによるＬＲＡ１４０の駆動時間を７／４周期＋０．３６ｍｓとして、駆動信号Ｇの振幅のピークを１００％としたとき駆動信号Ｇの振幅が８７％となる点を駆動信号Ｇの終端としても良い。駆動信号Ｇの終端となる点Ｐ１をずらすことで、高周波振動が励起されるタイミングをずらすことができ、低周波振動の加速度のピークと高周波振動の加速度のピークとを重ねることができる。

図９は、高周波振動を励起する箇所をずらした例を示す図である。図９（Ａ）は、ＬＲＡ１４０に印加される駆動信号の正弦波形を示し、図９（Ｂ）は本実施例のＬＲＡ１４０に駆動信号が印加された場合のタッチパネル１２０の振動の加速度の波形を示す。

図９（Ａ）において、駆動信号Ｇ１は、振幅のピークからわずかにずれた点Ｐ２を終端としている。図９（Ｂ）では、駆動信号Ｇ１の終端Ｐ２を振幅のピークからずらしたため、高周波振動の加速度のピークは図７（Ｂ）に示す値よりも小さくなるが、図７の例と同等の効果を得ることができる。

すなわち本実施例に駆動信号の終端は、例えばタッチパネル１２０の振動の加速度を示す波形にクリック感を表現する急峻なピークを生成できる点であれば良い。具体的には駆動信号の終端は、駆動信号の値と０とが不連続となる点であれば良い。すなわち駆動信号の終端は、振幅の中心点である０以外であれば良い。尚駆動信号の終端は、振幅のピークに近い点であるほど、タッチパネル１２０の振動の加速度の波形に短時間で急峻なピークを発生させることができるため、好ましい。

さらに本実施例では、例えば駆動信号ＧによるＬＲＡ１４０の加振を停止させた後に、ＬＲＡ１４０の残留振動を抑制するためのブレーキ波形をＬＲＡ１４０に印加しても良い。ブレーキ信号は、例えばＬＲＡ１４０に発生する振動の逆位相の信号等である。本実施例では、駆動信号ＧによりＬＲＡ１４０の加振を停止した後にブレーキ信号を用いれば、残留振動を低減でき、タッチパネル１２０の振動の加速度を短時間で急速に減衰する波形とすることができる。

また本実施例の電子機器１００では、ＬＲＡ１４０がタッチパネル１２０の筐体側の面に取り付けられるものとしたが、これに限定されない。ＬＲＡ１４０は、例えば筐体１１０内部に配置された基板１５０の近傍に配置されても良い。

図１０は、ＬＲＡ１４０が筐体に設けられた電子機器の例を示す図である。図１０に示す電子機器１００Ａでは、ＬＲＡ１４０が筐体１１０内部に設けられた基板１５０の近傍に配置されている。

図１０のようにＬＲＡ１４０が筐体１１０の内部に設けられた場合、電子機器１００Ａは、電子機器１００Ａの組立が終わった時点でのタッチパネル１２０の共振周波数が１ｋＨｚとなるように設計されていることが好ましい。

本実施例は、電子機器１００Ａに対しても適用することができる。また電子機器１００Ａに本実施例を適用した場合、本実施例の電子機器１００と同様にメタルドーム式のボタン２を押下した際のクリック感を表現することができる。

以上、実施の形態の駆動装置、電子機器及び駆動制御プログラムについて詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

１００、１００Ａ 電子機器
１１０ 筐体
１２０ タッチパネル
１３０ 両面テープ
１４０ ＬＲＡ
２００ 駆動装置
２１０ ＣＰＵ
２２０ メモリ
２３０ 駆動制御プログラム
２４０ 波形データ
２５０ ＡＰＩ
２６０ ドライバＩＣ

Claims (4)

1. アクチュエータの共振周波数の正弦波であり且つ前記正弦波の振幅の値が所定の範囲となる点において前記アクチュエータの加振を停止する駆動信号の波形データが格納された記憶部と、
   前記記憶部に格納された前記波形データを読み出し、前記波形データに対応する駆動信号を前記アクチュエータへ出力する駆動処理部と、を有する駆動装置。
2. 前記駆動信号は、前記振幅がピークとなったとき、前記アクチュエータの加振を停止する請求項１記載の駆動装置。
3. タッチパネルと、
   前記タッチパネルを振動させるアクチュエータの共振周波数の正弦波であり且つ前記正弦波の振幅の値が所定の範囲となる点において前記アクチュエータの加振を停止する駆動信号の波形データが格納された記憶部と、前記記憶部に格納された前記波形データを読み出し、前記波形データに対応する駆動信号を前記アクチュエータへ出力する駆動処理部と、を有する駆動装置と、を有する電子機器。
4. コンピュータに、
   アクチュエータの共振周波数の正弦波であり且つ前記正弦波の振幅の値が所定の範囲となる点において前記アクチュエータの加振を停止する駆動信号の波形データが格納された記憶部から前記波形データを読み出す処理と、
   前記波形データに対応する駆動信号を前記アクチュエータへ出力する処理と、を実行させる駆動制御プログラム。

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