特開 2022-188584 振動発生装置及び電子機器

(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】P2022188584

(43)【公開日】2022-12-21

(54)【発明の名称】振動発生装置及び電子機器

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20221214BHJP

   B06B 1/06 20060101ALI20221214BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330B

B06B1/06 Z

H04R17/00 330F

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021096739

(22)【出願日】2021-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】石井 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】後藤 隆幸

(72)【発明者】

【氏名】福島 岳行

(72)【発明者】

【氏名】岸本 純明

【テーマコード（参考）】

5D019

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D019BB13

5D019GG12

5D107CC01

5D107DE02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】１つの圧電アクチュエータにより新たな触感を提示することが可能な振動発生装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】振動発生装置１００は、触覚拡張機能を有する板状部材である触覚拡張部材１０３と、圧電アクチュエータ１０４と、を具備する。触覚拡張部材１０３は、第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面を有する基部と、第１の主面から突出する複数の突起であって、複数の突起の頂点が所定の平面上に位置する複数の突起１１２と、を備える。圧電アクチュエータ１０４は、第２の主面に接合されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の主面と、前記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する基部と、前記第１の主面から突出する複数の突起であって、前記複数の突起の頂点が所定の平面上に位置する複数の突起とを備える板状部材と、
前記第２の主面に接合された圧電アクチュエータと
を具備する振動発生装置。

【請求項2】

請求項１に記載の振動発生装置であって、
周波数が１Ｈｚ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１００ｋＨｚ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部をさらに具備する
振動発生装置。

【請求項3】

請求項２に記載の振動発生装置であって、
前記駆動部は、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。

【請求項4】

請求項３に記載の振動発生装置であって、
前記駆動部は、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。

【請求項5】

第１の主面と、前記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する基部と、前記第１の主面から突出する複数の突起であって、前記複数の突起の頂点が所定の平面上に位置する複数の突起とを備える板状部材と、前記第２の主面に接合された圧電アクチュエータとを備える振動発生装置と、
前記複数の突起が接合された振動体と
を具備する電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８－３１４３６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、高周波領域での触覚提示は原理的に、１対の圧電アクチュエータをパネル両端に配置し、パネルにおいて定在波を形成することで指先への浮揚感を発生させるものである。したがって、１つのパネルには少なくとも２つの圧電アクチュエータを設ける必要がある。

【0006】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、１つの圧電アクチュエータにより新たな触感を提示することが可能な振動発生装置及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】

【0007】

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、板状部材と、圧電アクチュエータとを具備する。
上記板状部材は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する基部と、上記第１の主面から突出する複数の突起であって、上記複数の突起の頂点が所定の平面上に位置する複数の突起とを備える。
上記圧電アクチュエータは、上記第２の主面に接合されている。

【0008】

上記振動発生装置は、周波数が１Ｈｚ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１００ｋＨｚ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部をさらに具備してもよい。

【0009】

上記駆動部は、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。

【0010】

上記駆動部は、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。

【0011】

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、振動発生装置と、振動体とを具備する。
上記振動発生装置は、第１の主面と、上記第１の主面とは反対型の第２の主面を有する基部と、上記第１の主面から突出する複数の突起であって、上記複数の突起の頂点が所定の平面上に位置する複数の突起とを備える板状部材と、上記第２の主面に接合された圧電アクチュエータとを備える。
上記振動体は、上記複数の突起が接合されている。

【発明の効果】

【0012】

以上のように本発明によれば、１つの圧電アクチュエータにより新たな触感を提示することが可能な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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る振動発生装置の模式図である。

【図2】上記振動発生装置が備える振動発生機構の触覚拡張部材の側面図である。

【図3】上記触覚拡張部材の斜視図である。

【図4】上記触覚拡張部材の斜視図である。

【図5】上記触覚拡張部材の側面図である。

【図6】上記触覚拡張部材の平面図である

【図7】上記振動発生機構の斜視図である。

【図8】上記振動発生機構の断面図である。

【図9】上記振動発生装置が備える駆動部が発生させる高周波波形である。

【図10】上記駆動部が発生させる低周波波形である。

【図11】上記駆部が発生させる振幅変調波波形である。

【図12】図１１の振幅変調波を拡大した波形である。

【図13】上記駆動部が発生させる振幅変調波波形（電圧波形のみ）である。

【図14】図１３の振幅変調波を拡大した波形である。

【図15】振幅変調波の振幅を示す模式図である。

【図16】本発明の実施形態に係る、振動体に接合された振動発生機構の斜視図である。

【図17】上記振動体に接合された振動発生機構の斜視図である。

【図18】本発明の変形例に係る触覚拡張部材の平面図である。

【図19】上記触覚拡張部材の側面図である。

【図20】本発明の変形例に係る触覚拡張部材の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

［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の模式図である。同図に示すように、振動発生装置１００は、振動発生機構１０１及び駆動部１０２を備える。振動発生機構１０１は触覚拡張部材１０３及び圧電アクチュエータ１０４を備える。

【0016】

触覚拡張部材１０３は、圧電アクチュエータ１０４によって振動を生じ、触覚を拡張する板状部材である。図２は触覚拡張部材１０３の側面図であり、図３及び図４は触覚拡張部材１０３の斜視図である。図２に示すように、触覚拡張部材１０３は基部１１１、突起１１２及び支持部１１３を備える。基部１１１は、平板状部分であり、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂを備える。第１主面１１１ａと第２主面１１１ｂは互いに反対側の主面である。以下、第１主面１１１ａ及び第２主面１１１ｂに平行な平面をＸ-Ｙ平面とする。図３は第１主面１１１ａ側から見た触覚拡張部材１０３の斜視図であり、図４は第２主面１１１ｂ側から見た触覚拡張部材１０３の斜視図である。

【0017】

突起１１２は第１主面１１１ａから突出する突起である。図２及び図３に示すように触覚拡張部材１０３は複数の突起１１２を有する。各突起１１２は円柱形状を有する。図５は触覚拡張部材１０３の一部の側面図であり、図６は触覚拡張部材１０３の一部の平面図である。これらの図に示すように、複数の突起１１２は、第１主面１１１ａからの高さＨが等しく、頂点が平面Ｓ上に位置する。平面Ｓは第１主面１１１ａに平行な平面（Ｘ－Ｙ平面）である。突起１１２の数、高さＨ、幅Ｗ及び間隔Ｐは特に限定されないが、高さＨは１ｍｍ以上、幅Ｗは１ｍｍ以上が好ましい。

【0018】

支持部１１３は基部１１１の長手方向（Ｘ方向）の両端部に１つずつが設けられ、触覚拡張部材１０３の固定に用いられる。支持部１１３には貫通孔１１３ａが設けられており、貫通孔１１３ａにネジ等の固定用部材が挿通される。なお、貫通孔１１３ａは必ずしも設けられなくてもよい。支持部１１３は、図２に示すように基部１１１に対して第２主面１１１ｂ側に屈曲して設けられ、圧電アクチュエータ１０４の振動用の空間を形成する。

【0019】

触覚拡張部材１０３の材料は特に限定されないが、ヤング率が５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下の硬い樹脂材料が好適であり、例えばポリフェニレンサルファイドを用いることができる。また、圧電アクチュエータ１０４と触覚拡張部材１０３を絶縁することで、触覚拡張部材１０３の材料として金属材料を用いることもできる。

【0020】

圧電アクチュエータ１０４は、触覚拡張部材１０３に接合され、振動を生じる。図７は振動発生機構１０１の斜視図であり、図８は振動発生機構１０１の断面図である。これらの図に示すように圧電アクチュエータ１０４は触覚拡張部材１０３の第２主面１１１ｂに接合されている。この接合は例えば接着剤による接着とすることができる。圧電アクチュエータ１０４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１０４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。

【0021】

駆動部１０２は、駆動信号を圧電アクチュエータ１０４に出力する。駆動部１０２は、圧電アクチュエータ１０４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。駆動部１０２は例えばアンプである。

【0022】

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。

【0023】

［駆動信号について］
駆動部１０２から圧電アクチュエータ１０４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。

【0024】

図９は、周波数が２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ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。駆動部１０２から圧電アクチュエータ１０４に図９に示す電圧波形を駆動信号として印加すると、図９に示す電流波形を有する電流が流れる。２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下の高周波領域の振動は、浮遊現象を生じさせる振動である。

【0025】

図１０は、周波数が１Ｈｚ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。駆動部１０２から圧電アクチュエータ１０４に図１０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。１Ｈｚ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。

【0026】

図１１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１２は図１１の拡大図である。駆動部１０２から圧電アクチュエータ１０４に図１１に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。

【0027】

図１３は図１１の電圧波形のみを示し、図１４は図１２の電圧波形のみを示す。図１３及び図１４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。

【0028】

図１３及び図１４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１３及び図１４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１００ｋＨｚ以下の周波数を有し、低周波Ｗ２は１Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の周波数を有する。

【0029】

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１５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。

【0030】

ｍ＝（ａ－ｂ）／（ａ＋ｂ） （式１）

【0031】

図１３においても、低周波Ｗ２の電圧ゲインを高くすると、図１３中に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。

【0032】

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。

【0033】

駆動部１０２が、図１３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１０４に出力すると、圧電アクチュエータ１０４が振動し、それによって触覚拡張部材１０３が振動する。この振幅変調波は、浮遊現象を生じさせる高周波Ｗ１を、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低周波Ｗ２によって振幅変調したものであるため、ユーザが指を突起１１２に接触させるとユーザの指に繊細な触覚をリアルに提示することができる。また、指を突起１１２に接触させたまま指を動かすと触覚を増大させることができる。

【0034】

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。特に高周波Ｗ１の電圧ゲインを－１０ｄＢ以上０ｄＢ以下、低周波Ｗ２の電圧ゲインを－６ｄＢ以上０ｄＢ以下とすると「谷」（図１３中、白矢印）が形成されるため、消費電力及び発熱を小さくすることができる。さらに、高周波Ｗ１の電圧ゲインを－１０ｄＢ、低周波Ｗ２の電圧ゲインを０ｄＢとすると「谷」が最も深くなり、消費電力及び発熱を最小とすることが可能である。

【0035】

［振動体への接合について］
振動発生機構１０１は、単独で用いられてもよいが、振動体に接合され、振動体を振動させてもよい。図１６は振動体１５１に接合された振動発生機構１０１を示す斜視図であり、図１７は振動体１５１に接合された振動発生機構１０１を示す断面図である。これらの図に示すように、振動発生機構１０１は、触覚拡張部材１０３の突起１１２の先端が振動体１５１に接合されてもよい。この接合は例えば接着剤による接着とすることができる。振動体１５１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、ディスプレイパネルや電子機器の筐体等である。振動体１５１の形状やサイズは特に限定されない。

【0036】

この構成では、駆動部１０２が、図１３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１０４に出力すると、振動発生機構１０１によって振動体１５１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１５１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。

【0037】

これにより、ユーザが指を振動体１５１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１５１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。また、図９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１５１の間で異音が発生することがあるが、図１３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。

【0038】

なお、図１６では振動体１５１に２つの振動発生機構１０１が接合されているが、振動体１５１に接合される振動発生機構１０１の数は１または３つ以上であってもよい。

【0039】

［変形例］
触覚拡張部材１０３は複数の突起１１２を有するが、突起１１２の形状は述のものに限られない。図１８は他の形状を有する触覚拡張部材１０３の平面図であり、図１９はこの触覚拡張部材１０３の側面図である。これらの図に示すように突起１１２は、四角柱形状を有し、より高密度に設けられてもよい。また、図２０は先端が半球状形状を有する突起１１２の模式図である。同図に示すように突起１１２の先端は平坦形状に限られず、半球状形状であってもよい。この他にも突起１１２の形状は特に限定されず、複数の突起１１２の先端が平面Ｓ上に位置する形状であればよい。

【符号の説明】

【0040】

１００…振動発生装置
１０１…振動発生機構
１０２…駆動部
１０３…触覚拡張部材
１０４…圧電アクチュエータ
１１１…基部
１１２…突起
１１３…支持部
１５１…振動体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】