特開 2017-210911 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動システム、駆動方法および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-210911(P2017-210911A)

(43)【公開日】2017年11月30日

(54)【発明の名称】形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動システム、駆動方法および電子機器

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/06 20060101AFI20171102BHJP

【ＦＩ】

   F03G7/06 D

【審査請求】有

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-104263(P2016-104263)

(22)【出願日】2016年5月25日

(71)【出願人】

【識別番号】505205731

【氏名又は名称】レノボ・シンガポール・プライベート・リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100106699

【弁理士】

【氏名又は名称】渡部 弘道

(72)【発明者】

【氏名】山▲ざき▼ 充弘

(72)【発明者】

【氏名】塚本 泰史

(57)【要約】

【課題】形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動システムを提供する。
【解決手段】通電時間Ｗｂの擬似的な単一パルス電圧７５は、複数のサブ・パルス電圧７５ａで構成している。擬似的な単一パルス電圧７５は、通常の単一パルス電圧７１ａをスイッチング制御して生成することができる。サブ・パルス電圧７５ａは、周期Ｗ、オン期間Ｗ１、オフ期間Ｗ２、および通電時間Ｗｂのパラメータを備える。擬似的な単一パルス電圧７５のパラメータを制御することで、通常の単一パルス電圧７１ａの波高値をＶ１からＶｎに低下させた通常の単一パルス電圧１０９と等価的にアクチュエータの変位量および変位速度を調整することができる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

形状記憶合金を利用したアクチュエータと、
パルス信号を出力するパルス信号生成部と、
連続的な複数の前記パルス信号で所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する駆動システム。

【請求項2】

前記アクチュエータが、１回の熱サイクルで目的とする振動を生成する衝撃駆動型アクチュエータである請求項１に記載の駆動システム。

【請求項3】

前記パルス信号のオフ期間が、前記形状記憶合金が完全収縮状態から完全伸張状態まで相転移する時間よりも短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項4】

前記パルス信号のオフ期間が、オン期間に収縮した前記形状記憶合金が伸張を開始するまでの時間より短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項5】

前記パルス信号のオフ期間が、オン期間に上昇した温度が低下を開始するまでの時間より短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項6】

前記パルス信号生成部は、単一パルス信号をＰＷＭ制御して前記連続的な複数のパルス信号を生成する請求項１に記載の駆動システム。

【請求項7】

前記パルス信号生成部は、前記形状記憶合金が完全収縮状態に移行する前に前記パルス信号の出力を停止する請求項１に記載の駆動システム。

【請求項8】

キーボードと、
前記キーボードに振動を与える形状記憶合金を利用したアクチュエータと、
前記キーボードが出力するキー・コードに応じて複数のパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
前記複数のパルス信号に応じて所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する駆動システム。

【請求項9】

前記パルス信号生成部は、前記アクチュエータに前記擬似的な単一パルス電圧の通電時間に相当するパルス幅の通常の単一パルス電圧を印加するように前記スイッチを制御する請求項８に記載の駆動システム。

【請求項10】

振動体と、
前記振動体を振動させる形状記憶合金を利用したアクチュエータと、
前記振動体に対する指の操作に応じて動作イベントを出力するイベント生成部と、
前記動作イベントに応じて複数のサブ・パルス信号を出力するパルス信号生成部と、
前記複数のサブ・パルス信号で所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する電子機器。

【請求項11】

前記パルス信号生成部は、前記動作イベントに応じて通常の単一パルス電圧を印加するパルス信号または前記複数のサブ・パルス信号の任意のいずれか一方を出力する請求項１０に記載の電子機器。

【請求項12】

形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
前記アクチュエータを通常の単一パルス電圧で駆動するステップと、
振動強度を調整するパラメータを設定するステップと、
前記パラメータに応じて前記通常の単一パルス電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧で前記アクチュエータを駆動するステップと
を有する駆動方法。

【請求項13】

形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
動作イベントを受け取るステップと、
前記動作イベントに応じて前記アクチュエータに前記形状記憶合金が完全収縮状態から完全伸張状態に移行するまでの時間よりも短い周期で複数のサブ・パルス電圧を印加するステップと、
前記形状記憶合金が前記完全収縮状態に移行した後に前記サブ・パルス電圧を停止するステップと
を有する駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動技術に関し、さらには振動強度を調整する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

タブレット端末のタッチスクリーン、キー・トラベリングがないフラットタイプのキーボードまたはキー・ストロークのないタッチ式の操作スイッチなどには、ユーザに操作感を与える触覚フィードバック（ハプティク・フィードバック）のためのアクチュエータを組み込む場合がある。これまではアクチュエータの駆動部分に、電磁石、圧電素子、または振動モータなどを採用していたが、近年、振動強度、応答性、およびサイズなどの利点を有する形状記憶合金（ＳＭＡ：Shape Memory Alloy）を採用するようになってきた。

【0003】

特許文献１は、周囲温度に応じて形状記憶合金に与えるエネルギーを変化させる衝撃発生アクチュエータを開示する。同文献には、入力操作に応じて発生する単一パルス信号に基づく駆動信号を生成し出力する駆動信号発生部と、駆動信号によってスイッチング動作が制御されるスイッチング素子と、スイッチング素子がオンまたはオフする期間通電される形状記憶合金とを有し、周囲温度に応じて、スイッチング素子がオンまたはオフする期間を変化させることを記載する。

【0004】

特許文献２は、パルス電圧を印加して形状記憶合金を採用したアクチュエータを振動させて触覚に対する情報を伝達する装置を開示する。同文献は、パルス電圧の波高値を変化させること、および断続的に印加するパルス波の印加時間を可変にしながら印加する時間間隔を一定にすることを記載する。さらに、パルス電圧の波高値で形状記憶合金本体の振動の強弱を調整できることを記載する。

【0005】

特許文献３は、形状記憶合金を採用したアクチュエータ駆動装置を開示する。アクチュエータ駆動装置は、ＰＮＰトランジスタからＳＭＡアクチュエータに電流を供給する電流回路と、ＳＭＡアクチュエータに直列に接続された検出抵抗と、検出抵抗による電圧の分圧によりＳＭＡアクチュエータの抵抗値に対応した電圧を検出し、該検出電圧を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力電圧に基づいてパルス幅変調したパルス信号により、ＰＮＰトランジスタのオン、オフ制御を行うパルス幅変調回路とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６−１５６９８号公報

【特許文献2】特開２００８−２６２４７８号公報

【特許文献3】特開２０１２−１５９０４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

衝撃駆動型アクチュエータでは、ＳＭＡに印加する単一パルス電圧の波高値およびパルス幅で振動体に付与する振動強度を調整することができる。しかし、電力源となるＤＣ／ＤＣコンバータの出力をユーザの触覚の好みに応じて調整することは回路が複雑になり困難である。また、パルス幅を調整すると衝撃駆動型アクチュエータの変位量が変化し、結果として加速度の周波数が変化する。加速度の周波数の変化は振動から指が受ける感覚が変化するため、加速度の周波数を変えないで振動強度を調整したい場合がある。

【0008】

そこで本発明の目的は、形状記憶合金を利用したアクチュエータの振動強度の調整が容易な駆動システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、ユーザに触覚への違和感を与えないようにしながら振動強度を調整することが可能な駆動システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような駆動システムを適用した駆動方法および電子機器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一の態様は、形状記憶合金を利用したアクチュエータと、パルス信号を出力するパルス信号生成部と、連続的な複数のパルス信号で所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧をアクチュエータに印加するスイッチとを有する駆動システムを提供する。本発明の他の態様は、キーボードと、キーボードに振動を与える形状記憶合金を利用したアクチュエータと、キーボードが出力するキー・コードに応じて複数のパルス信号を生成するパルス信号生成部と、複数のパルス信号に応じて所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧をアクチュエータに印加するスイッチとを有する駆動システムを提供する。

【0010】

本発明の他の態様は、振動体と、振動体を振動させる形状記憶合金を利用したアクチュエータと、振動体に対する指の操作に応じて動作イベントを出力するイベント生成部と、動作イベントに応じて複数のサブ・パルス信号を出力するパルス信号生成部と、複数のサブ・パルス信号で所定の電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧をアクチュエータに印加するスイッチとを有する電子機器を提供する。

【0011】

本発明の他の態様は、形状記憶合金を利用したアクチュエータを通常の単一パルス電圧で駆動し、振動強度を調整するパラメータを設定し、パラメータに応じてアクチュエータを通常の単一パルス電圧をスイッチング制御して生成した擬似的な単一パルス電圧で駆動するアクチュエータの駆動方法を提供する。

【0012】

本発明の他の態様は、動作イベントを受け取り、動作イベントに応じてアクチュエータに形状記憶合金が完全収縮状態から完全伸張状態に移行するまでの時間よりも短い周期で複数のサブ・パルス電圧を印加し、形状記憶合金が完全収縮状態に移行した後にサブ・パルス電圧を停止するアクチュエータの駆動方法を提供する。

【発明の効果】

【0013】

本発明により、形状記憶合金を利用したアクチュエータの振動強度の調整が容易な駆動システムを提供することができた。さらに本発明により、ユーザに触覚への違和感を与えないようにしながら振動強度を調整することが可能な駆動システムを提供することができた。さらに本発明により、そのような駆動システムを適用した駆動方法および電子機器を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】、衝撃駆動型アクチュエータの構造を説明するための模式的な図である。

【図2】熱サイクルによってＳＭＡ１０１の温度と長さが変化する様子を説明するための図である。

【図3】衝撃駆動型アクチュエータ１００に印加することが可能なパルス電圧の種類を説明するための図である。

【図4】擬似的な単一パルス電圧７５に対してＳＭＡ１０１が応答する様子を説明するための図である。

【図5】衝撃駆動型アクチュエータ１００の駆動システム２００の構成を示す機能ブロック図である。

【図6】駆動システム２００の動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

[用語]
本明細書で使用する特別な用語を説明する。ＳＭＡを利用したアクチュエータは、マルテンサイト相（低温相）とオーステナイト相の間のヒステリシス・サイクル（熱サイクル）で動作する。アクチュエータは振動体に振動を与えるためにそれ自体が規則的な運動をする。ＳＭＡを利用したアクチュエータには、衝撃駆動型アクチュエータと振動型アクチュエータが存在する。

【0016】

衝撃駆動型アクチュエータは、１個の単一パルス電圧または１回の熱サイクルで目的とする振動を生成することができる。振動型アクチュエータは、熱サイクルを可能にする所定の間隔で繰り返し印加した複数の単一パルス電圧で目的とする振動を生成する。本発明にかかる駆動システムはいずれのタイプのアクチュエータにも適用できるが、本明細書では衝撃駆動型アクチュエータを例示して説明する。

【0017】

単一パルス電圧は、短い所定の通電時間だけ存在する電圧で、ＳＭＡにアクチュエータの１回の駆動に必要な熱を供給する。単一パルス電圧は、ＳＭＡの収縮に対して電流として作用するため単一パルス電流と言い換えることもできる。通電時間中の電圧波形は矩形波、微分波、三角波、またはステップ状に波高値が変化する階段波などのような任意の波形とすることができる。

【0018】

振動体は、衝撃駆動型アクチュエータに印加した１個の単一パルス電圧で必要な振動をする物体に相当する。振動体は特に限定する必要はないが、一例において、タッチパネル、キーボード、またはスイッチのような人間が操作をする際に触れた指に触覚フィードバックを付与する物体とすることができる。衝撃駆動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータに、単一パルス電圧を連続して印加する場合には完全な熱サイクルを維持するために所定の間隔を設ける必要がある。

【0019】

本発明は、衝撃駆動型および振動型のいずれのアクチュエータの駆動に適用することができるが、以下においては衝撃駆動型アクチュエータ１００を例示して説明する。図１は、衝撃駆動型アクチュエータ１００の構造を説明するための模式的な図である。衝撃駆動アクチュエータ１００は、固定子１０３、可動子１０５、ＳＭＡ１０１およびバイアス材１０７で構成している。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、振動体１０に衝撃性または一過性の振動を与える。ＳＭＡ１０１は、１方向性の形状記憶とバイアス力で繰り返し動作をする。ただし、本発明は２方向性の形状記憶をするＳＭＡを適用したアクチュエータに適用することもできる。

【0020】

固定子１０３と可動子１０５が対向する対向面は、互いの凹凸が嵌合できるような波状に形成している。対向面の間には、線状のＳＭＡ１０１を配置している。ＳＭＡ１０１は、例えばニッケル・チタン合金、チタン・ニッケル・銅合金などを選択できるが特に限定する必要はない。バイアス材１０７は、固定子１０３と可動子１０５が接近する方向にバイアス力を与える弾性体で構成することができる。

【0021】

図１（Ａ）は、ＳＭＡ１０１が、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ（図２）以下の温度になって柔軟な性状を示したときの様子を示している。バイアス材１０７が、可動子１０５に付与したバイアス力で可動子１０５が固定子１０３に接近して対向面が嵌合する。対向面で塑性変形したＳＭＡ１０１は、固定子１０３と可動子１０５の波状の形状に沿って最大の長さまで伸張する。ＳＭＡ１０１が対向面の形状およびバイアス材１０７によって塑性変形し長さが最大になっている状態を完全伸張状態という。

【0022】

図１（Ｂ）はＳＭＡ１０１が温度の上昇に伴って収縮および硬化してオーステナイト変態終了温度Ａｆ（図２）を超え記憶していた形状に戻ったときの様子を示している。ＳＭＡ１０１の収縮が終了した状態を完全収縮状態という。完全伸張状態から完全収縮状態に移行する間にＳＭＡ１０１から力を受けた可動子１０５は、バイアス力に抗して固定子１０３との間隔が広がるように変位する。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、単一パルス電圧を印加すると１回の熱サイクルでＳＭＡ１０１が完全伸張状態から完全収縮状態に相転移し、さらに、通電時間が終了すると完全伸張状態に戻る。

【0023】

図２は、熱サイクルによってＳＭＡ１０１の温度と長さが変化する様子を説明するための図である。横軸はＳＭＡ１０１の温度Ｔを示し、縦軸は長さＬを示している。ＳＭＡ１０１は、温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下のときは、全体がほぼマルテンサイト相に相転移している。マルテンサイト相では、ＳＭＡ１０１が柔軟性を備えるため、バイアス力を与えて塑性変形させることができる。

【0024】

マルテンサイト相に相転移しているＳＭＡ１０１に電圧を印加して通電加熱すると、温度がオーステナイト変態開始温度Ａｓを超えたときにマルテンサイト逆変態を開始して収縮が始まる。そして温度がオーステナイト変態終了温度Ａｆに到達したときに収縮が終了して長さがＬ１（Ｌ１＜Ｌ０）の完全収縮状態になる。温度がオーステナイト変態開始温度Ａｓからオーステナイト変態終了温度Ａｆまで上昇する過程を完全昇温過程ということにする。

【0025】

完全収縮状態のときに通電を停止すると、放熱により温度が低下してマルテンサイト変態開始温度Ｍｓでマルテンサイト変態が始まり徐々に軟化する。この間、軟化の程度とバイアス力によりＳＭＡ１０１は徐々に伸張する。そして、温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆに到達したときに伸張が終了して長さがＬ０の完全伸張状態になる。温度がマルテンサイト変態開始温度Ｍｓからマルテンサイト変態終了温度Ｍｆまで下降する過程を完全降温過程ということにする。完全降温過程では、ＳＭＡ１０１の長さが完全収縮状態から完全伸張状態まで変化する。

【0026】

ＳＭＡ１０１は、１回の完全昇温過程と１回の完全降温過程が構成する完全熱サイクルの間にＬ０−Ｌ１＝ｄだけ長さが伸縮する。可動子１０５は、振動体１０に対して、長さＬ１の完全収縮状態で曲げ応力を加え、長さＬ０の完全伸張状態で解放する。振動体１０は単一パルス電圧による急激な応力の付与と解放に応じて振動する。振動の大きさは可動子１０５の変位量と変位速度で調整することができる。

【0027】

可動子１０５の変位量は、ＳＭＡ１０１の収縮量、すなわち温度に依存する。たとえば、波高値が同じ単一パルス電圧でもパルス幅が狭くてオーステナイト変態終了温度Ａｆに到達する前の温度Ｔ１で通電時間が終了すると、ＳＭＡ１０１は長さＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）までしか収縮しないため可動子１０５の変位量は完全昇温過程の熱サイクルよりも少ない。したがって、振動体１０の変位は小さくなり加速度は低下する。

【0028】

オーステナイト変態終了温度Ａｆに到達する前に通電時間が終了するようなパルス幅の狭い単一パルス電圧による昇温過程を不完全昇温過程ということにする。また、通電時間が同じ単一パルス電圧でも波高値が小さい場合は、完全収縮状態に移行する前に通電が停止する場合があり不完全昇温過程で相転移する。さらに、同じ通電時間であっても波高値が大きいほど長さＬ１まで収縮する時間が短く可動子１０５の変位速度は速くなる。なお、完全収縮状態に到達した後以降に継続する電圧は、可動子１０５の変位すなわち振動強度に影響を与えないため無駄なエネルギーとして消費される。さらに完全収縮状態での印加時間が長くなりすぎるとＳＭＡ１０１の劣化を促進する。

【0029】

図３は、衝撃駆動型アクチュエータ１００に印加することが可能なパルス電圧の種類を説明するための図である。ＳＭＡ１０１に単一パルス電圧を印加するとその時点の抵抗値の大きさに応じた単一パルス電流が流れ、抵抗値と電圧または電流の大きさに応じたジュール熱が発生する。図３（Ａ）は、波高値Ｖ１と通電時間に相当するパルス幅Ｗａが同じ単一パルス電圧７１ａ〜７１ｃで構成したパルス電圧群７１を示している。

【0030】

パルス電圧群７１は、単一パルス電圧７１ａ〜７１ｃの間に非通電時間Ｗｓを設定している。衝撃駆動型アクチュエータ１００が所定の性能を発揮するためには、図２で説明した熱サイクルにおける完全降温過程を終了する必要がある。完全収縮状態から完全伸張状態に相転移するために必要な時間を復帰時間ということにする。したがって、非通電時間Ｗｓは、復帰時間より長くする必要がある。さらに非通電時間Ｗｓは、衝撃駆動型アクチュエータ１００が短時間で許容できるストレスの大きさから復帰時間よりも長くなる場合がある。パルス電圧群７１を印加すると、各単一パルス電圧７１ａ〜７１ｃを印加したときの振動体１０の加速度は同じ値になる。

【0031】

図３（Ｂ）は、パルス幅Ｗａが等しく波高値Ｖ１〜Ｖ３が異なる単一パルス電圧７３ａ〜７３ｃを含むパルス電圧群７３を示している。パルス電圧群７３を印加すると、各単一パルス電圧７３ａ〜７３ｃを印加したときの振動体１０の加速度が変化するが周波数はほとんど変化しないため、触覚フィードバックに適用すると、振動強度だけが異なった似た触覚になるので都合がよい。

【0032】

図３（Ｃ）は、波高値Ｖ１が等しくパルス幅Ｗａ１〜Ｗａ３が異なる単一パルス電圧７４ａ〜７４ｃを含むパルス電圧群７４を示している。パルス幅Ｗａ１の単一パルス電圧７４ａで、完全昇温過程を形成できる場合は、振動強度を調整するためのパルス幅Ｗａ２、Ｗａ３は、不完全昇温過程を形成するためにＷａ１より小さくなる。パルス電圧群７４を印加したときに、各単一パルス電圧７４ａ〜７４ｃが生成する振動体１０の加速度だけでなく周波数も変化するため、触覚フィードバックに利用すると、振動強度だけでなく触覚も変化するためユーザが違和感を覚えることがある。したがって、触覚フィードバックに利用する場合は、波高値を制御する方が望ましい。

【0033】

図３（Ｄ）は、通電時間Ｗｂ、波高値Ｖ１の複数のサブ・パルス電圧７５ａで構成した擬似的な単一パルス電圧７５を示している。擬似的な単一パルス電圧７５は、単一パルス電圧７１ａをスイッチング制御して生成することができ、そのときの通電時間Ｗｂは、単一パルス電圧７１ａのパルス幅Ｗａに相当する。擬似的な単一パルス電圧７５に対して通電時間の間断続することのない単一パルス電圧７１ａを通常の単一パルス電圧という。

【0034】

図４は、擬似的な単一パルス電圧７５に対してＳＭＡ１０１が応答する様子を説明するための図である。図４では、比較のために通常の単一パルス電圧７１ａを印加したときの応答も示している。最初に通常の単一パルス電圧７１ａを印加したときの様子を説明する。通常の単一パルス電圧７１ａを時刻ｔ０で印加するとＳＭＡ１０１はライン８１に沿って収縮し、時刻ｔ１で完全収縮状態になって時刻ｔ３まで長さＬ１を維持する。時刻ｔ３で通電時間Ｗａが終了すると温度が低下して、バイアス力でライン８３に沿って長さＬ０に戻る。

【0035】

擬似的な単一パルス電圧７５は、通常の単一パルス電圧７１ａをＰＷＭ制御して生成した周期Ｗ、オン期間Ｗ１、オフ期間Ｗ２の複数のサブ・パルス電圧７５ａで構成することができる。サブ・パルス電圧７５ａは、ＰＷＭ制御に代えて通常の単一パルス電圧７１ａからオン期間一定またはオフ期間一定のＰＦＭ制御で生成してもよい。オフ期間Ｗ２は、完全熱サイクルを実現するために必要な完全降温過程の時間より短い。

【0036】

オフ期間Ｗ２は、昇温過程においてオン期間Ｗ１が終了したあとにＳＭＡ１０１の温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆまで下がらないように選択することができる。一例ではオフ期間Ｗ２を、オン期間Ｗ１で上昇した温度がオフ期間Ｗ２の間に低下しないような時間にすることができる。さらに他の例では、オフ期間Ｗ２を、オン期間Ｗ１で収縮したときの長さが、それに続くオフ期間Ｗ２で伸張しないような時間にすることができる。

【0037】

ＳＭＡ１０１に時刻ｔ０で擬似的な単一パルス電圧７５を印加すると、オン期間Ｗ１で温度が上昇して収縮し、オフ期間Ｗ２で収縮を停止させることができる。本実施の形態では、オフ期間Ｗ２をほとんど温度低下がない程度、または、伸張しない程度に短くしているため、オフ期間Ｗ２の間はＳＭＡ１０１の長さがほとんど変化しない。

【0038】

サブ・パルス電圧７５ａの断続によりＳＭＡ１０１はライン８５に沿って収縮し、時刻ｔ２で完全昇温過程が終了して完全収縮状態に移行した後は、時刻ｔ３まで長さＬ１を維持する。時刻ｔ３で通電時間Ｗｂが終了すると、ＳＭＡ１０１は温度が低下して通常の単一パルス電圧７１ａを印加した場合と同じようにバイアス力でライン８３に沿って長さＬ０に戻る。

【0039】

擬似的な単一パルス電圧７５は、複数のサブ・パルス電圧７５ａで構成して昇温過程における可動子１０５の変位速度および変位量を調整することができる。時刻ｔ０から時刻ｔ３までの間に擬似的な単一パルス電圧７５が与える熱量は、波高値がＶｎ（Ｖｎ＜Ｖ１）の通常の単一パルス電圧９１を印加した場合と等価になる。

【0040】

ライン８１とライン８５を比較すると明らかなように擬似的な単一パルス電圧７５を印加すると、ＳＭＡ１０１が完全収縮状態に移行するまでの時間は、通常の単一パルス電圧７１ａを印加した場合よりも長くなる。このことは、振動体１０に与える加速度が小さくなることを意味する。また、擬似的な単一パルス電圧７５を印加して、ＳＭＡ１０１が完全収縮状態に移行する場合は、通常の単一パルス電圧７１ａを印加した場合と可動子１０５の変位量が同じになるため、加速度の周波数がほとんど変化しない。

【0041】

擬似的な単一パルス電圧７５は、ＰＷＭ制御またはＰＦＭ制御でサブ・パルス電圧７５ａのデューティ比を変えることで可動子１０５の加速度を調整することができる。擬似的な単一パルス電圧７５を完全昇温過程が終了する前の時刻ｔ４で停止すると長さはＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）まで縮小してからライン８８に沿って長さＬ０まで伸張する。この場合はパルス幅を調整する単一パルス電圧７４ｂ、７４ｃ（図３）と同様に加速度を調整することができるが加速度の周波数も変化する。

【0042】

[アクチュエータの駆動システム]
図５は、衝撃駆動型アクチュエータ１００の駆動システム２００の構成を示す機能ブロック図である。駆動システム２００は、イベント生成部２０１、パルス信号生成部２０３、ユーザ・インターフェース２０４、フラット型のキーボード２０５、直流電圧源２０７、衝撃駆動型アクチュエータ１００、Ｎ型のＦＥＴ２０９およびコンデンサ２１１で構成している。イベント生成部２０１、パルス信号生成部２０３およびユーザ・インターフェースの一部は、ＳｏＣ（System on Chip）や専用のコントローラで構成することができる。

【0043】

キーボード２０５は図１の振動体１０の一例に相当する。キーボード２０５は、入力したときにパンタグラフ式のキーボードのような操作感（タクタイル）がないタイプのキーボードである。キーボード２０５は、典型的にはキーが独立しておらず表面を連続したシートで覆われている。キーボード２０５は、キーのメーク・コードおよびブレーク・コードまたはいずれか一方のキー・コードをイベント生成部２０１に出力する。キーボード２０５は、タッチスクリーンで構成したソフトウェア・キーボードでもよい。

【0044】

イベント生成部２０１は、キー・コードを受け取るタイミングでパルス信号生成部２０３に動作イベントを出力する。イベント生成部２０１はパルス信号生成部２０３に、メーク・コードとブレーク・コードが識別できる動作イベントを送ることができる。イベント生成部２０１は、動作イベントの種類に、通常の単一パルス電圧７１ａまたは擬似的な単一パルス電圧を関連付けてパルス信号生成部２０３に指示することができる。パルス信号生成部２０３は、動作イベントを受け取ったタイミングで、通常の単一パルス電圧７１ａまたは擬似的な単一パルス電圧７５を印加するためのパルス信号をＦＥＴ２０９のゲートに出力する。擬似的な単一パルス電圧７５を印加するためのパルス信号は、サブ・パルス電圧７５ａに対応するサブ・パルス信号で構成する。

【0045】

パルス信号生成部２０３は、連続するメーク・コードとブレーク・コードに対する通常の単一パルス電圧７１ａまたは擬似的な単一パルス電圧７５を出力する場合は、ブレーク・コードに対する擬似的な単一パルス電圧７５を出力する場合に、非通電時間Ｗｓを確保する。ユーザ・インターフェース２０４は、タッチスクリーンを含み、ユーザがサブ・パルス電圧７５ａの周期Ｗ、オン期間Ｗ１、オフ期間Ｗ２および通電時間Ｗｓといったパラメータを設定するためのインターフェースを提供する。ユーザ・インターフェース２０４はパラメータをパルス信号生成部２０３に設定する。

【0046】

ユーザはユーザ・インターフェース２０４を通じて設定したさまざまなパラメータで触覚フィードバックを体験してから好みの振動を設定することができる。パルス信号生成部２０３は、メーク・コードとブレーク・コードに対応する擬似的な単一パルス電圧７５を印加する場合に、異なるパラメータのパルス信号を出力することができる。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、ユーザがキー入力をすると、指がキーにタッチしている間にキーボード２０５の基板に振動を付与する。

【0047】

直流電圧源２０７は、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成され所定の直流電圧を出力する。本実施の形態においては、直流電圧源２０７の出力電圧は変化しない。コンデンサ２１１は、ＦＥＴ２０９のオフ期間に充電しオン期間に放電して衝撃駆動型アクチュエータ１００に通電する。ＦＥＴ２０９は直流電圧をスイッチング制御する半導体素子であり、バイポーラ・トランジスタを採用してもよい。また、直流電圧源２０７が十分な容量を備えていればコンデンサ２１１はなくてもよい。

【0048】

図６は、駆動システム２００の動作を示すフローチャートである。ブロック３０１でパルス信号生成部２０３には、波高値Ｖ１、パルス幅Ｗａの通常の単一パルス電圧７１ａが設定されている。ブロック３０３でイベント生成部２０１が動作イベントを出力するたびに、ブロック３０５で衝撃駆動型アクチュエータ１００に、通常の単一パルス電圧７１ａが印加される。ブロック３０７で、ユーザはユーザ・インターフェース２０４を通じて振動強度を調整する。

【0049】

振動強度の調整のために、ブロック３０９でサブ・パルス電圧７５ａのデューティ比および必要に応じて通電時間Ｗｂがパルス信号生成部２０３に設定される。ブロック３１１でイベント生成部２０１が動作イベントを出力するたびに、ブロック３１３で衝撃駆動型アクチュエータ１００に、波高値Ｖ１、通電時間Ｗｂの擬似的な単一パルス電圧７５が印加される。パルス信号生成部２０３は、通電時間Ｗｂを単一パルス電圧７１ａのパルス幅Ｗａと同じ値にすることもできる。

【0050】

駆動システム２００は振動体１０をキーボード２０５に代えて、タブレット端末やスマートフォンなどのタッチスクリーンや、操作ストロークのないあらゆるタイプのスイッチに適用することができる。駆動システム２００は、直流電圧源２０７の出力電圧を制御することなく、通常の単一パルス電圧７１ａから擬似的な単一パルス電圧７５を容易に生成することができる。

【0051】

したがって、通常の単一パルス電圧７１ａと擬似的な単一パルス電圧７５の切り換えは容易に行うことができる。この特徴を利用して、タッチスクリーンに適用する場合にイベント生成部２０１とパルス信号生成部２０３は、ソフトウェア・キーボード、またはアプリケーションの起動アイコンのような操作オブジェクトに応じて通常の単一パルス電圧７１ａおよび擬似的な単一パルス電圧７５を使い分けることができる。あるいは、メーク・コードに応じて通常の単一パルス電圧７１ａを印加しブレーク・コードに応じて擬似的な単一パルス電圧７５を印加することもできる。

【0052】

これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。

【符号の説明】

【0053】

１０ 振動体
７１ａ〜７１ｃ 通常の単一パルス電圧
７５ 擬似的な単一パルス電圧
７５ａ サブ・パルス電圧
１００ 衝撃駆動型アクチュエータ
１０１ 形状記憶合金（ＳＭＡ）
１０３ 固定子
１０５ 可動子
１０７ バイアス材
２００ 駆動システム
Ｖ１〜Ｖ３ 波高値
Ｗａ、Ｗａ１〜Ｗａ３ パルス幅
Ｗ 周期
Ｗ１ オン期間
Ｗ２ オフ期間
Ｗｂ 通電時間
Ｗｓ 非通電時間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2017年6月7日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の波高値と所定の通電時間の単一パルス電圧の印加で１回の熱サイクルを終了し目的とする振動を生成する形状記憶合金を利用した衝撃駆動型のアクチュエータと、
前記所定の通電時間の間に複数のサブ・パルス信号を出力するパルス信号生成部と、
前記複数のサブ・パルス信号で前記所定の波高値に相当する直流電圧をスイッチング制御して生成した複数のサブ・パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する駆動システム。

【請求項2】

前記サブ・パルス信号のオフ期間が、前記形状記憶合金が完全収縮状態から完全伸張状態まで相転移する時間よりも短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項3】

前記サブ・パルス信号のオフ期間が、オン期間に収縮した前記形状記憶合金が伸張を開始するまでの時間より短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項4】

前記サブ・パルス信号のオフ期間が、オン期間に上昇した温度が低下を開始するまでの時間より短い請求項１に記載の駆動システム。

【請求項5】

前記パルス信号生成部は、単一パルス信号をＰＷＭ制御して前記サブ・パルス信号を生成する請求項１に記載の駆動システム。

【請求項6】

前記パルス信号生成部は、前記形状記憶合金が完全収縮状態に移行する前に前記サブ・パルス信号の出力を停止する請求項１に記載の駆動システム。

【請求項7】

キーボードと、
所定の波高値と所定の通電時間の単一パルス電圧の印加で熱サイクルを終了し前記キーボードに衝撃を与える形状記憶合金を利用した衝撃駆動型のアクチュエータと、
前記キーボードが出力するキー・コードに応じて前記所定の通電時間の間に複数のサブ・パルス信号を生成するパルス信号生成部と、
前記複数のサブ・パルス信号に応じて前記所定の波高値に相当する直流電圧をスイッチング制御して生成した複数のサブ・パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する駆動システム。

【請求項8】

前記パルス信号生成部は、前記スイッチが前記アクチュエータに前記所定の通電時間の単一パルス電圧を印加するためのパルス信号を出力する請求項７に記載の駆動システム。

【請求項9】

振動体と、
所定の波高値と所定の通電時間の単一パルス電圧の印加で熱サイクルを終了し前記振動体に衝撃力を付与する形状記憶合金を利用した衝撃駆動型のアクチュエータと、
前記振動体に対する指の操作に応じて動作イベントを出力するイベント生成部と、
前記動作イベントに応じて前記所定の通電時間の間に複数のサブ・パルス信号を出力するパルス信号生成部と、
前記複数のサブ・パルス信号で前記所定の波高値に相当する直流電圧をスイッチング制御して生成した複数のサブ・パルス電圧を前記アクチュエータに印加するスイッチと
を有する電子機器。

【請求項10】

前記パルス信号生成部は、前記動作イベントに応じて前記スイッチが前記所定の通電時間の単一パルス電圧を印加するためのパルス信号または前記複数のサブ・パルス信号の任意のいずれか一方を出力する請求項９に記載の電子機器。

【請求項11】

所定の波高値と所定の通電時間の単一パルス電圧の印加で熱サイクルを終了し目的とする振動を生成する形状記憶合金を利用した衝撃駆動型のアクチュエータの駆動方法であって、
前記アクチュエータを前記単一パルス電圧で駆動するステップと、
振動強度を調整するパラメータを設定するステップと、
前記パラメータに応じて前記所定の通電時間の間に前記所定の波高値に相当する直流電圧をスイッチング制御して生成した複数のサブ・パルス電圧で前記アクチュエータを駆動するステップと
を有する駆動方法。

【請求項12】

所定の波高値と所定の通電時間の単一パルス電圧の印加で熱サイクルを終了し目的とする振動を生成する形状記憶合金を利用した衝撃駆動型のアクチュエータの駆動方法であって、
動作イベントを受け取るステップと、
前記動作イベントに応じて前記アクチュエータに前記形状記憶合金が完全収縮状態から完全伸張状態に移行するまでの時間よりも短い周期で前記所定の通電時間の間に前記所定の波高値の複数のサブ・パルス電圧を印加するステップと、
前記形状記憶合金が前記完全収縮状態に移行した後に前記サブ・パルス電圧を停止するステップと
を有する駆動方法。