特開2023-157555触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法
(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】P2023157555
(43)【公開日】2023-10-26
(54)【発明の名称】触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法
(51)【国際特許分類】
G06F 3/01 20060101AFI20231019BHJP
G06F 3/03 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
G06F3/01 560
G06F3/03 400
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022067536
(22)【出願日】2022-04-15
(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】福島 岳行
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 由香里
(72)【発明者】
【氏名】岸本 純明
(72)【発明者】
【氏名】清水 寛之
(72)【発明者】
【氏名】濤川 雄一
【テーマコード（参考）】
5E555
【Ｆターム（参考）】
5E555AA08
5E555BA02
5E555BB02
5E555BC30
5E555CA14
5E555DA24
5E555FA00
(57)【要約】
【課題】触覚技術により各種触覚を提示することが可能な触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る触覚発生装置は、筐体と圧電アクチュエータとを具備する。上記筐体は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する。上記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている。
【選択図】図３
【解決手段】本発明に係る触覚発生装置は、筐体と圧電アクチュエータとを具備する。上記筐体は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する。上記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体と、
圧電材料からなる圧電体層と、前記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、前記圧電体層中に設けられ、前記圧電体層を介して前記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、前記正極内部電極と前記負極内部電極の間に電圧が印加されると、前記正極内部電極及び前記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、前記電極面に垂直な方向が前記筐体の長手方向となる向きで前記第１部材と前記第２部材に挟まれ、前記第１部材と前記第２部材に前記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータと
を具備する触覚発生装置。
圧電材料からなる圧電体層と、前記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、前記圧電体層中に設けられ、前記圧電体層を介して前記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、前記正極内部電極と前記負極内部電極の間に電圧が印加されると、前記正極内部電極及び前記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、前記電極面に垂直な方向が前記筐体の長手方向となる向きで前記第１部材と前記第２部材に挟まれ、前記第１部材と前記第２部材に前記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータと
を具備する触覚発生装置。
【請求項2】
請求項１に記載の触覚発生装置であって、
前記第１部材と前記第２部材は螺合によって互いに接合され、
前記圧電アクチュエータは、前記螺合に伴って前記長手方向に沿って押圧されている
触覚発生装置。
前記第１部材と前記第２部材は螺合によって互いに接合され、
前記圧電アクチュエータは、前記螺合に伴って前記長手方向に沿って押圧されている
触覚発生装置。
【請求項3】
請求項２に記載の触覚発生装置であって、
前記第１部材の前記第２部材側の面には凹部が設けられ、
前記触覚発生装置は、金属からなり、前記凹部内に配置された支持体をさらに具備し、
前記圧電アクチュエータは、前記凹部に収容され、前記支持体上に配置されている
触覚発生装置。
前記第１部材の前記第２部材側の面には凹部が設けられ、
前記触覚発生装置は、金属からなり、前記凹部内に配置された支持体をさらに具備し、
前記圧電アクチュエータは、前記凹部に収容され、前記支持体上に配置されている
触覚発生装置。
【請求項4】
請求項１に記載の触覚発生装置であって、
前記筐体はペン型であり、
前記第１部材はペン軸を構成する部材であり、
前記第２部材はペン先を構成する部材である
触覚発生装置。
前記筐体はペン型であり、
前記第１部材はペン軸を構成する部材であり、
前記第２部材はペン先を構成する部材である
触覚発生装置。
【請求項5】
請求項１に記載の触覚発生装置であって、
前記筐体はペン型であり、
前記第１部材及び前記第２部材は、互いに接合されてペン軸を構成する部材である
触覚発生装置。
前記筐体はペン型であり、
前記第１部材及び前記第２部材は、互いに接合されてペン軸を構成する部材である
触覚発生装置。
【請求項6】
請求項１に記載の触覚発生装置であって、
前記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、前記複数のアクチュエータチップは前記長手方向を積層方向として積層されている
触覚発生装置。
前記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、前記複数のアクチュエータチップは前記長手方向を積層方向として積層されている
触覚発生装置。
【請求項7】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の触覚発生装置であって、
周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
【請求項8】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の触覚発生装置であって、
前記筐体は所定の共振周波数を有し、
周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が前記共振周波数である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
前記筐体は所定の共振周波数を有し、
周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が前記共振周波数である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
【請求項9】
請求項８に記載の触覚発生装置であって、
前記共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下である
触覚発生装置。
前記共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下である
触覚発生装置。
【請求項10】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の触覚発生装置であって、
前記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、
前記圧電アクチュエータチップは所定の共振周波数を有し、
周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が前記共振周波数である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
前記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、
前記圧電アクチュエータチップは所定の共振周波数を有し、
周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が前記共振周波数である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正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
【請求項11】
請求項１０に記載の触覚発生装置であって、
前記共振周波数は３０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である
触覚発生装置。
前記共振周波数は３０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である
触覚発生装置。
【請求項12】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の触覚発生装置であって、
周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を前記第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を前記第２変調波によって変調してなる波形を有する駆動信号を前記正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を前記第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を前記第２変調波によって変調してなる波形を有する駆動信号を前記正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備する
触覚発生装置。
【請求項13】
第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体と、圧電材料からなる圧電体層と、前記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、前記圧電体層中に設けられ、前記圧電体層を介して前記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、前記正極内部電極と前記負極内部電極の間に電圧が印加されると、前記正極内部電極及び前記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、前記電極面に垂直な方向が前記筐体の長手方向となる向きで前記第１部材と前記第２部材に挟まれ、前記第１部材と前記第２部材に前記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータとを備える触覚発生装置と、
駆動信号を前記正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部と
を具備する触覚発生システム。
駆動信号を前記正極内部電極と前記負極内部電極に供給する駆動部と
を具備する触覚発生システム。
【請求項14】
第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体に搭載され、圧電材料からなる圧電体層と、前記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、前記圧電体層中に設けられ、前記圧電体層を介して前記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、前記正極内部電極と前記負極内部電極の間に電圧が印加されると、前記正極内部電極及び前記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、前記電極面に垂直な方向が前記筐体の長手方向となる向きで前記第１部材と前記第２部材に挟まれ、前記第１部材と前記第２部材に前記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータの前記正極内部電極と前記負極内部電極に駆動信号を供給する
触覚発生装置の駆動方法。
触覚発生装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、振動により触覚を発生させる触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法及に関する。
【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、通知機能に加えてザラザラ感やツルツル感等の触感表現も再現できる技術が開発されている（例えば、特許文献1参照）。さらに、モバイル機器の液晶パネル等では領域毎に異なる触感表面も求められている。
【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】
従来、タブレット型端末やクレジットカード処理端末等の入力には樹脂製のスタイラスペンが多く用いられている。しかしながらスタイラスペン等のペン型部材を用いた入力では力の入れ具合等が判らず、不便を感じることも多い。そこで本発明者らは、触覚技術を利用して各種の触覚を発生させ、入力装置の操作感を向上させることを検討した。
【0006】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、触覚技術により各種触覚を提示することが可能な触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法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触覚発生装置は、筐体と圧電アクチュエータとを具備する。
上記筐体は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する。
上記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている。
上記筐体は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する。
上記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている。
【0008】
上記第１部材と上記第２部材は螺合によって互いに接合され、
上記圧電アクチュエータは、上記螺合に伴って上記長手方向に沿って押圧されていてもよい。
上記圧電アクチュエータは、上記螺合に伴って上記長手方向に沿って押圧されていてもよい。
【0009】
上記第１部材の上記第２部材側の面には凹部が設けられ、
上記触覚発生装置は、金属からなり、上記凹部内に配置された支持体をさらに具備し、
上記圧電アクチュエータは、上記凹部に収容され、上記支持体上に配置されていてもよい。
上記触覚発生装置は、金属からなり、上記凹部内に配置された支持体をさらに具備し、
上記圧電アクチュエータは、上記凹部に収容され、上記支持体上に配置されていてもよい。
【0010】
上記筐体はペン型であり、
上記第１部材はペン軸を構成する部材であり、
上記第２部材はペン先を構成する部材であってもよい。
上記第１部材はペン軸を構成する部材であり、
上記第２部材はペン先を構成する部材であってもよい。
【0011】
上記筐体はペン型であり、
上記第１部材及び上記第２部材は、互いに接合されてペン軸を構成する部材であってもよい。
上記第１部材及び上記第２部材は、互いに接合されてペン軸を構成する部材であってもよい。
【0012】
上記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、上記複数のアクチュエータチップは上記長手方向を積層方向として積層されていてもよい。
【0013】
上記触覚発生装置は、周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である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正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
【0014】
上記筐体は所定の共振周波数を有し、
上記触覚発生装置は、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が上記共振周波数である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正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
上記触覚発生装置は、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が上記共振周波数である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正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
【0015】
上記共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下であってもよい。
【0016】
上記圧電アクチュエータは、複数の圧電アクチュエータチップからなり、
上記圧電アクチュエータチップは所定の共振周波数を有し、
上記触覚発生装置は、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が上記共振周波数である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正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
上記圧電アクチュエータチップは所定の共振周波数を有し、
上記触覚発生装置は、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が上記共振周波数である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正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
【0017】
上記共振周波数は３０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下であってもよい。
【0018】
上記触覚発生装置は、周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を上記第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を上記第２変調波によって変調してなる波形を有する駆動信号を上記正極内部電極と上記負極内部電極に供給する駆動部をさらに具備してもよい。
【0019】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る触覚発生システムは、触覚発生装置と、駆動部とを具備する。
上記触覚発生装置は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体と、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータとを備える。
上記駆動部は、駆動信号を上記正極内部電極と上記負極内部電極に供給する。
上記触覚発生装置は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体と、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータとを備える。
上記駆動部は、駆動信号を上記正極内部電極と上記負極内部電極に供給する。
【0020】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る触覚発生装置の駆動方法は、第１部材と第２部材が接合されて構成され、棒状の形状を有する筐体に搭載され、圧電材料からなる圧電体層と、上記圧電体層中に設けられた正極内部電極と、上記圧電体層中に設けられ、上記圧電体層を介して上記正極内部電極と対向する負極内部電極とを備え、上記正極内部電極と上記負極内部電極の間に電圧が印加されると、上記正極内部電極及び上記負極内部電極の電極面に垂直な方向に沿って伸縮し、上記電極面に垂直な方向が上記筐体の長手方向となる向きで上記第１部材と上記第２部材に挟まれ、上記第１部材と上記第２部材に上記長手方向に沿って押圧されている圧電アクチュエータの上記正極内部電極と上記負極内部電極に駆動信号を供給する。
【発明の効果】
【0021】
以上のように本発明によれば、触覚技術により各種触感を提示することが可能な触覚発生装置、触覚発生システム及び触覚発生装置の駆動方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施形態に係る触覚発生装置の平面図である。
【図2】上記触覚発生装置を分解斜視図である。
【図3】上記触覚発生装置の断面図である。
【図4】上記触覚発生装置が備える筐体の第１部材の断面図である。
【図5】上記触覚発生装置が備える筐体の第２部材の断面図である。
【図6】上記触覚発生装置が備える圧電アクチュエータを構成する圧電アクチュエータチップの断面図である。
【図7】上記圧電アクチュエータチップにおける圧電体層の厚みを示す模式図である。
【図8】上記圧電アクチュエータチップの振動を示す模式図である。
【図9】上記触覚発生装置が備える筐体に収容された圧電アクチュエータチップの振動を示す模式図である。
【図10】上記触覚発生装置が備える筐体に収容された圧電アクチュエータチップの模式図である。
【図11】上記圧電アクチュエータの押圧構造を示す模式図である。
【図12】上記圧電アクチュエータの押圧構造を示す模式図である。
【図13】上記触覚発生装置の動作を示す模式図である。
【図14】上記触覚発生装置の振動を示す模式図である。
【図15】上記触覚発生装置が備える駆動部が発生させる振幅変調波波形である。
【図17】上記触覚発生装置が備える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19】振幅変調波の振幅を示す模式である。
【図20】上記触覚発生装置が備える駆動部が発生させる振幅変調波波形である。
【図21】本発明の変形例に係る触覚発生装置の断面図である。
【図22】本発明の変形例に係る触覚発生装置の断面図である。
【図23】本発明の実施例に係る触覚発生装置の共振特性を示すグラフである。
【図24】本発明の実施例に係る触覚発生装置の共振特性を示すグラフである。
【図25】本発明の実施例に係る触覚発生装置が備える圧電アクチュエータのアドミタンスサークルである。
【図26】本発明の実施例に係る触覚発生装置が備える圧電アクチュエータの等価回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の実施形態に係る触覚発生装置について説明する。
【0024】
［触覚発生装置の構成］
図１は本実施形態に係る触覚発生装置１００の斜視図であり、図２は触覚発生装置１００の一部分の分解斜視図である。図３は触覚発生装置１００の一部分の断面図である。これらの図に示すように、触覚発生装置１００はスタイラスペン型の装置であり、タブレット型端末やスマートフォンのディスプレイパネルといった対象物に入力を行うための入力装置である。図２に示すように触覚発生装置１００は筐体１１０及び圧電アクチュエータ１２０を備える。以下、筐体１１０の長手方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する一方向をＹ方向、Ｘ方向及びＺ方向に垂直な方向をＺ方向とする。
図１は本実施形態に係る触覚発生装置１００の斜視図であり、図２は触覚発生装置１００の一部分の分解斜視図である。図３は触覚発生装置１００の一部分の断面図である。これらの図に示すように、触覚発生装置１００はスタイラスペン型の装置であり、タブレット型端末やスマートフォンのディスプレイパネルといった対象物に入力を行うための入力装置である。図２に示すように触覚発生装置１００は筐体１１０及び圧電アクチュエータ１２０を備える。以下、筐体１１０の長手方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する一方向をＹ方向、Ｘ方向及びＺ方向に垂直な方向をＺ方向とする。
【0025】
筐体１１０は、第１部材１１１と第２部材１１２が接合されて構成され、ペン型形状を有する。第１部材１１１はペン軸を構成する部材であり、Ｘ方向に沿って延伸する棒状の形状を有する。第２部材１１２はペン先を構成する部材であり、第１部材１１１の一端に連続し、第１部材１１１から次第に直径が減少する円錐形状を有する。
【0026】
図４は、第１部材１１１のうち第２部材１１２側の一部分の断面図である。同図に示すように、第１部材１１１の第２部材１１２側の面を接合面１１１ａとする。接合面１１１ａには凹部１１３が設けられている。凹部１１３は第２部材１１２側の大径部１１３ａと第２部材１１２とは反対側の小径部１１３ｂを有する。大径部１１３ａは円柱形状の凹部であり、内周面にネジ溝１１３ｃが設けられている。小径部１１３ｂは角柱形状の凹部である。小径部１１３ｂには圧電アクチュエータ１２０の配線が挿通される配線孔１１３ｄが設けられている。第１部材１１１の材料は特に限定されず、金属又は樹脂等の材料とすることができるが、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）又はＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）等の樹脂からなるものが好適である。
【0027】
図５は第２部材１１２の断面図である。同図に示すように、第２部材１１２の第１部材１１１側の面を接合面１１２ａとする。接合面１１２ａには凸部１１４が設けられ、凸部１１４の外周面にはネジ山１１４ａが設けられている。第２部材１１２の材料は特に限定されず、金属又は樹脂等の材料とすることができるが、アルミニウム等の金属からなるものが好適である。
【0028】
圧電アクチュエータ１２０は、振動を生じ、触覚発生装置１００に触覚を生じさせる。図３に示すように圧電アクチュエータ１２０は、支持体１２５上に配置され、凹部１１３（図４参照）に収容されている。支持体１２５は小径部１１３ｂ内に配置され、ステンレス（ヤング率；１．９３×１０５Ｎ/ｍ）等の金属からなる。支持体１２５の厚みは例えば２ｍｍである。
【0029】
圧電アクチュエータ１２０は、図３に示すように第１圧電アクチュエータチップ１２１と第２圧電アクチュエータチップ１２２の２つの圧電アクチュエータチップが積層されて構成されている。第１圧電アクチュエータチップ１２１と第２圧電アクチュエータチップ１２２は同一構造を有する圧電アクチュエータチップとすることができる。図６は、第１圧電アクチュエータチップ１２１及び第２圧電アクチュエータチップ１２２を構成することが可能な圧電アクチュエータチップ１３０の模式である。
【0030】
同図に示すように、圧電アクチュエータチップ１３０は圧電体層１３１、正極内部電極１３２及び負極内部電極１３３を備える。また、圧電アクチュエータチップ１３０の一主面を主面１３０ａ、主面１３０ａの反対側の主面を主面１３０ｂ、一側面を側面１３０ｃ、側面１３０ｃの反対側の側面を側面１３０ｄとする。圧電体層１３１は鉛系圧電材料又は非鉛系圧電材料からなる。鉛系圧電材料としてはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３）等が利用できる。非鉛系圧電材料としてはチタン酸バリウム系材料（（Ｂａ,Ｃａ）（Ｔｉ,Ｚｒ）Ｏ３）、ビスマス系材料（（Ｂｉ１／２,Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、アルカリニオベート系材料（（Ｌｉ,Ｎａ,Ｋ）ＮｂＯ３）等が利用できる。
【0031】
正極内部電極１３２は、導電性材料からなり、圧電体層１３１中に設けられ、圧電体層１３１を介して負極内部電極１３３と対向する。正極内部電極１３２は平板状であり、正極内部電極１３２の主面を電極面とすると、電極面は主面１３０ａ及び主面１３０ｂに平行である。正極内部電極１３２は、図６に示すように側面１３０ｃに露出し、側面１３０ｄから離間する。正極内部電極１３２は、側面１３０ｃに形成された図示しない正極外部電極と当接し、電気的に接続されている。
【0032】
負極内部電極１３３は、導電性材料からなり、圧電体層１３１中に設けられ、圧電体層１３１を介して正極内部電極１３２と対向する。負極内部電極１３３は平板状であり、正極内部電極１３２の主面を電極面とすると、電極面は主面１３０ａ及び主面１３０ｂに平行である。負極内部電極１３３は、図６に示すように側面１３０ｄに露出し、側面１３０ｃから離間する。負極内部電極１３３は、側面１３０ｄに形成された図示しない負極外部電極と当接し、電気的に接続されている。
【0033】
図６に示すように、圧電アクチュエータチップ１３０は、ブロック１４１と緩和層１４２を有する。ブロック１４１は、複数の正極内部電極１３２及び複数の負極内部電極１３３を含み、圧電アクチュエータチップ１３０には３つのブロック１４１が設けられている。各ブロック１４１に含まれる正極内部電極１３２及び負極内部電極１２３の数は特に限定されないが、合わせて５０層とすることができる。このため、圧電アクチュエータチップ１３０は３つのブロック１４１で計１５０層の正極内部電極１３２及び負極内部電極１３３を備えるものとすることができる。なお、図６では便宜上、各ブロック１４１に３層ずつの正極内部電極１３２及び負極内部電極１３３が含まれるように示している。
【0034】
緩和層１４２は、ブロック１４１の間と、圧電アクチュエータチップ１３０の主面１３０ａ側及び主面１３０ｂ側に設けられている。緩和層１４２は厚みの大きい圧電体層１３１からなる。図７は緩和層１４２の厚みを示す模式図である。同図に示すように、各ブロック１４１内における正極内部電極１３２と負極内部電極１３３の間の圧電体層１３１の厚みを厚みＴ１とし、緩和層１４２における圧電体層１３１の厚みを厚みＴ２とする。厚みＴ２は厚みＴ１より厚く、厚みＴ１の２倍以上の厚みが好適であり、例えば、厚みＴ１は１８μｍ、厚みＴ２は３６μｍとすることができる。
【0035】
圧電アクチュエータチップ１３０は、圧電体層１３１となる圧電体板上に導電ペーストにより正極内部電極１３２又は負極内部電極１３３を形成し、圧電体板を積層して焼結することにより形成することが可能である。ここで、圧電体板の積層数が多い場合、ブロック１４１毎に焼結体を形成し、ブロック１４１を重ねて圧着することにより、圧電アクチュエータチップ１３０を形成することができる。この際、緩和層１４２によりブロック１４１間の密着性を強化すると共に、圧着時の内部応力を緩和することで特性に優れる圧電アクチュエータチップ１３０を形成することが可能である。なおブロック１４１の数は３つに限られず、２つ以下、又は４つ以上であってもよい。
【0036】
圧電アクチュエータチップ１３０はこのような構成を有する。図８は圧電アクチュエータチップ１３０の振動を示す模式である。正極内部電極１３２と負極内部電極１３３の間に電圧を印加すると、圧電体層１３１における逆圧電効果により圧電アクチュエータチップ１３０は正極内部電極１３２及び負極内部電極１３３の電極面に垂直な方向に沿って伸縮（図中、矢印）し、同方向を振幅方向として振動する。このような振動はｄ３３モードと呼ばれる。ｄ３３モードで動作する圧電アクチュエータチップ１３０はＤＣ成分を加算することでユニポーラ駆動も可能であるため、分極劣化の対策もでき、異音の発生も抑制されている。
【0037】
圧電アクチュエータ１２０は上述のように第１圧電アクチュエータチップ１２１及び第２圧電アクチュエータチップ１２２を備え、第１圧電アクチュエータチップ１２１及び第２圧電アクチュエータチップ１２２はそれぞれ圧電アクチュエータチップ１３０の構成を有する。図９は、圧電アクチュエータ１２０を構成する圧電アクチュエータチップ１３０の向きを示す模式である。
【0038】
同図に示すように２つの圧電アクチュエータチップ１３０はその振動方向（図中、矢印）が筐体１１０の長手方向（Ｘ方向）となる向きで、同方向（Ｘ方向）を積層方向として積層され、凹部１１３に収容されている。したがって、圧電アクチュエータ１２０はｄ３３モードで振動する圧電アクチュエータ（以下、ｄ３３圧電アクチュエータ）である。ｄ３３圧電アクチュエータの変位量は下記の（式１）で表されるため、圧電アクチュエータ１２０を２つの圧電アクチュエータチップ１３０を積層して構成することにより多段化し、変位量を大きくすることが可能である。
【0039】
Δｚ＝ｄ３３・ｖ・ｎ （式１）
なお、Δｚは変位量、ｄ３３は圧電体層１３１の材料定数、ｖは印加電圧、ｎは圧電体層の積層数を示す。
なお、Δｚは変位量、ｄ３３は圧電体層１３１の材料定数、ｖは印加電圧、ｎは圧電体層の積層数を示す。
【0040】
図１０は小径部１１３ｂと圧電アクチュエータチップ１３０を示す平面図である。同図に示すように、圧電アクチュエータチップ１３０は小径部１１３ｂより小さく、圧電アクチュエータチップ１３０は小径部１１３ｂとの間に隙間が形成される大きさが好適である。図１０に示すように、小径１５６の長さ（Ｘ方向）を長さＬ１、幅（Ｙ方向）を幅Ｄ１、圧電アクチュエータチップ１３０の長さ（Ｘ方向）を長さＬ２、幅（Ｙ方向）を幅Ｄ２とすると、一例として長さＬ１及び幅Ｄ１は共に４ｍｍ、長さＬ２及び幅Ｄ２は共に３．５ｍｍとすることができる。
【0041】
圧電アクチュエータ１２０は以上のような構成を有する。なお、圧電アクチュエータ１２０は２つの圧電アクチュエータチップ１３０からなるものとしたが、１つ又は３つ以上の圧電アクチュエータチップ１３０からなるものであってもよい。また、圧電アクチュエータ１２０は、振動方向が筐体１１０の長手方向（Ｘ方向）となるｄ３３圧電アクチュエータであれば、他の構成を有するものであってもよい。
【0042】
第１圧電アクチュエータチップ１２１と第２圧電アクチュエータチップ１２２は接着材により固定され、第１圧電アクチュエータチップ１２１と支持体１２５も接着材により固定されるものとすることができる。また、第１圧電アクチュエータチップ１２１と第２圧電アクチュエータチップ１２２は凹部１１３に収容された後、凹部１１３に充填される封止材によって固定されてもよい。上記接着材及び封止材は例えばエポキシ樹脂である。
【0043】
［圧電アクチュエータの押圧構造］
触覚発生装置１００における圧電アクチュエータ１２０の押圧構造について説明する。図１１及び図１２は圧電アクチュエータ１２０の押圧構造を示す模式図である。図１１に示すように、圧電アクチュエータ１２０は支持体１２５上に配置され、凹部１１３に収容されている。
触覚発生装置１００における圧電アクチュエータ１２０の押圧構造について説明する。図１１及び図１２は圧電アクチュエータ１２０の押圧構造を示す模式図である。図１１に示すように、圧電アクチュエータ１２０は支持体１２５上に配置され、凹部１１３に収容されている。
【0044】
この状態で図１２に示すように、第２部材１１２が第1部材１１１に当接され、筐体１１０の長手方向（Ｘ方向）を回転軸として回転される。これにより、ネジ溝１１３ｃにネジ山１１４ａが係合して第１部材１１１と第２部材１１２が接合され、即ち第１部材１１１と第２部材１１２は螺合される。この回転に伴って凸部１１４が圧電アクチュエータ１２０に当接し、圧電アクチュエータ１２０は凸部１１４と支持体１２５によって押圧される。図１２において圧電アクチュエータ１２０が受ける押圧力を矢印で示す。
【0045】
［入力装置の動作及び効果］
図１３は、触覚発生装置１００の動作を示す模式図である。同図に示すようにユーザは手Ｈにより触覚発生装置１００を把持することができる。ユーザはこの状態で入力装置の先端１１０ａを対象物に接触させ、移動させることができる。対象物は先端１１０ａの接触や移動に応じて操作入力を受け付け、図形の描画処理等を実行する。
図１３は、触覚発生装置１００の動作を示す模式図である。同図に示すようにユーザは手Ｈにより触覚発生装置１００を把持することができる。ユーザはこの状態で入力装置の先端１１０ａを対象物に接触させ、移動させることができる。対象物は先端１１０ａの接触や移動に応じて操作入力を受け付け、図形の描画処理等を実行する。
【0046】
上述のように触覚発生装置１００では、圧電アクチュエータ１２０を駆動することにより振動が発生する。図１４は、触覚発生装置１００において発生する振動の方向を矢印で示す模式図である。同図に示すように触覚発生装置１００では、圧電アクチュエータ１２０を駆動することにより、圧電アクチュエータ１２０を筐体１１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って伸縮させ、同方向（Ｘ方向）を振幅方向としてｄ３３モードで振動させる。
【0047】
触覚発生装置１００に圧電アクチュエータ１２０が設けられているため、触覚発生装置１００はユーザにリアルな触覚表現を提示することができる。具体的には触覚発生装置１００は、鉛筆、クレヨン、筆といったペンの種別を振動により表現し、あるいは和紙、洋紙、木目材質といった対象物の種別を振動により表現することが可能である。この際、圧電アクチュエータ１２０の振動方向（Ｘ方向）が、先端１１０ａの対象物への接触方向（Ｘ方向）と一致するため、圧電アクチュエータ１２０のこの方向（Ｘ方向）に対する発生力を優位に活用することが可能である。また、ｄ３３圧電アクチュエータは振動方向に対する耐久力が最も大きいため、圧電アクチュエータ１２０の耐久性を向上させることができる。
【0048】
また、触覚発生装置１００では、上記のように、圧電アクチュエータ１２０が第１部材１１１と第２部材１１２によって挟まれ、振動方向（Ｘ方向）と同一方向に沿って押圧される。これにより触覚発生装置１００の機械的Ｑ値が高くなり、強い振動が得られる（実施例参照）。機械的Ｑ値は振動エネルギーの分散の程度を表し、機械的Ｑ値が高いほど振動エネルギーの分散が小さくなる。このため触覚発生装置１００では非鉛系圧電材料のような圧電特性の小さい材料も圧電体層１３１（図６参照）の材料として利用可能である。
【0049】
さらに、圧電アクチュエータ１２０はモータ等の機械的駆動部分を有さず、小型、軽量かつ低消費電力の圧電アクチュエータチップ１３０から構成されているため、圧電アクチュエータ１２０の省スペース化及び低消費電力化が可能である。加えて、圧電アクチュエータ１２０は応答性が高いため、触覚発生装置１００はこの高い応答性を生かした触覚表現が可能である。
【0050】
加えて、触覚発生装置１００では、圧電アクチュエータ１２０に後述するような駆動信号を供給することにより、対象物に対する触覚発生装置１００の接触態様によって、ユーザが感知する触覚の有無を制御することができる。具体的には、圧電アクチュエータ１２０を駆動させた状態で、先端１１０ａを対象物に接触させると触覚発生装置１００に触覚が生じ、先端１１０ａを対象物から離間させると触覚が消失する。したがって、感圧センサ、衝撃センサ又は画像認識等によって触覚発生装置１００の対象物への接触を検知する必要がなく、対象物に対する触覚発生装置１００の接触態様に応じて自動的に触覚を切り替えることが可能である。
【0051】
なお、触覚発生装置１００では第２部材１１２を金属等の導電性材料からなるものとすることにより、静電容量式タッチパネルの入力に利用することができる。一方、触覚発生装置１００を感圧式タッチパネル等の入力に利用する場合は、第２部材１１２は絶縁性材料からなるものであってもよい。
【0052】
［駆動信号について］
圧電アクチュエータ１２０へ出力される駆動信号について説明する。この駆動信号は上記のように、圧電アクチュエータチップ１３０の正極内部電極１３２と負極内部電極１３の間に印加される電圧波形である。なお、この駆動信号は触覚発生装置１００に搭載された駆動部から圧電アクチュエータ１２０に供給されるものであってもよく、触覚発生装置１００とは別の装置に搭載された駆動部から、無線通信等を介して圧電アクチュエータ１２０に供給されるものであってもよい。以下、触覚発生装置１００と駆動部をあわせて「触覚発生システム」とする。
圧電アクチュエータ１２０へ出力される駆動信号について説明する。この駆動信号は上記のように、圧電アクチュエータチップ１３０の正極内部電極１３２と負極内部電極１３の間に印加される電圧波形である。なお、この駆動信号は触覚発生装置１００に搭載された駆動部から圧電アクチュエータ１２０に供給されるものであってもよく、触覚発生装置１００とは別の装置に搭載された駆動部から、無線通信等を介して圧電アクチュエータ１２０に供給されるものであってもよい。以下、触覚発生装置１００と駆動部をあわせて「触覚発生システム」とする。
【0053】
（駆動信号１）
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である正弦波を変調波によって振幅変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるパチニ小体等が敏感に感じることが可能な振動である。
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である正弦波を変調波によって振幅変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるパチニ小体等が敏感に感じることが可能な振動である。
【0054】
図１５は、第１の周波数を有する正弦波を変調波とし、この変調波によって第２の周波数を有する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１６は図１５の拡大である。駆動部から圧電アクチュエータ１２０に図１５に示す電圧波形を駆動信号として印加すると、同図に示す電流波形を有する電流が流れる。
【0055】
図１７は図１５の電圧波形のみを示し、図１８は図１６の電圧波形のみを示す。図１７及び図１８においてＷ１で示す波長の大きい波が第１の周波数を有する正弦波であり、Ｗ２で示す波長の小さい波が第２の周波数を有する正弦波である。以下、第１の周波数を有する正弦波を第１正弦波Ｗ１とし、第２の周波数を有する正弦波を第２正弦波Ｗ２とする。
【0056】
図１７及び図１８に示す波形では、第１正弦波Ｗ１は、第２正弦波Ｗ２の振幅の変化によって形成されており、即ち図１７及び図１８に示す波形は第２正弦波Ｗ２を搬送波、第１正弦波Ｗ１を変調波とする振幅変調波である。駆動部は、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である第２正弦波Ｗ２を搬送波、２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である第１正弦波Ｗ１を変調波とする振幅変調波の波形を有する駆動信号を生成し、圧電アクチュエータ１２０に印加することができる。
【0057】
図１９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２）で表される。下記（式２）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。
【0058】
ｍ＝（ａ－ｂ）／（ａ＋ｂ） （式２）
【0059】
図１７においても、第１正弦波Ｗ１の電圧ゲインを高くすると、図中に白矢印で示すように、第１正弦波Ｗ１の「谷底」が深くなり、第１正弦波Ｗ１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、第１正弦波Ｗ１の電圧ゲインを低くすると、第１正弦波Ｗ１の「谷底」は浅くなり、振幅は大きくなる。さらに、第１正弦波Ｗ１の電圧ゲインを低くすると、第１正弦波Ｗ１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、変調度ｍは５０％以上１００％以下の範囲で調整され、振幅の変調落差を触覚表現に利用することができる。また、電圧が絞られる部分は消費電流が低減されるため、低消費電力化を図ることも可能である。なお、上記説明において、振幅変調波を第１正弦波Ｗ１及び第２正弦波Ｗ２を用いて説明しているが、振幅変調波は正弦波以外の波によって形成されるものであってもよい。
【0060】
駆動部は、周波数が２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が１５０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である正弦波を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圧電アクチュエータ１２０に供給する。すると、触覚発生装置１００の先端１１０ａ（図１３参照）を対象物に接触ながら移動させたときに、ユーザは触覚発生装置１００から振動による各種の触覚を感じることができる。さらに、変調波の周波数によってこの触覚を調整することが可能であり、触覚発生装置１００によって鉛筆、クレヨン、筆といった筆記具の種別や洋紙、和紙、木目材質といった対象物の材質を再現することが可能となる。
【0061】
（駆動信号２）
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が筐体１１０又は圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数である正弦波を変調波によって振幅変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるパチニ小体等が敏感に感じることが可能な振動である。筐体１１０の共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下であり、圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数は３０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である。
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が筐体１１０又は圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数である正弦波を変調波によって振幅変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるパチニ小体等が敏感に感じることが可能な振動である。筐体１１０の共振周波数は２０ｋＨｚ以上６０ｋＨｚ以下であり、圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数は３０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である。
【0062】
上述した図１７及び図１８に示す波形では、第１正弦波Ｗ１は、第２正弦波Ｗ２の振幅の変化によって形成されており、即ち図１７及び図１８に示す波形は第２正弦波Ｗ２を搬送波、第１正弦波Ｗ１を変調波とする振幅変調波である。駆動部は、筐体１１０又は圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数を有する第２正弦波Ｗ２を搬送波、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である第１正弦波Ｗ１を変調波とする振幅変調波の波形を有する駆動信号を生成し、圧電アクチュエータ１２０に印加することができる。
【0063】
変調度ｍ（上記（式２）参照）は５０％以上１００％以下の範囲で調整され、振幅の変調落差を触覚表現に利用することができる。また、電圧が絞られる部分は消費電流が低減されるため、低消費電力化を図ることも可能である。なお、上記説明において、振幅変調波を第１正弦波Ｗ１及び第２正弦波Ｗ２を用いて説明しているが、振幅変調波は正弦波以外の波によって形成されるものであってもよい。
【0064】
駆動部は、周波数が１１０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下である信号波を変調波とし、周波数が筐体１１０又は圧電アクチュエータチップ１３０の共振周波数である正弦波を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圧電アクチュエータ１２０に供給する。すると、触覚発生装置１００の先端１１０ａ（図１３参照）を対象物に接触ながら移動させたときに、ユーザは触覚発生装置１００においてスクイーズ効果（振動による浮揚感）を感知することができる。また、先端１１０ａが対象物から離間すると、ユーザは触覚発生装置１００においてスクイーズ効果を感知しなくなる。したがって、触覚発生装置１００は先端１１０ａの対象物への接触の有無により、ユーザに提示する触覚を切り替えることが可能であり、この切り替えには触覚発生装置１００の対象物への接触検知が必要ない。
【0065】
（駆動信号３）
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を第２変調波によって変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるマイスナー小体等が敏感に感じることが可能な振動である。
駆動部が圧電アクチュエータ１２０へ出力する駆動信号は周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を第２変調波によって変調してなる波形を有するものとすることができる。ここで、１Ｈｚ以上６０Ｈｚ以下の振動は、人の皮膚の受容器であるマイスナー小体等が敏感に感じることが可能な振動である。
【0066】
上述した、図１７及び図１８に示す波形では、第１正弦波Ｗ１は、第２正弦波Ｗ２の振幅の変化によって形成されており、即ち図１７及び図１８に示す波形は第２正弦波Ｗ２を搬送波、第１正弦波Ｗ１を変調波とし、第２正弦波Ｗ２を第１正弦波Ｗ１によって振幅変調した振幅変調波である。以下、第１正弦波Ｗ１を第１変調波とし、この振幅変調波を第２変調波とする。振幅変調の変調度ｍ（上記（式２）参照）は５０％以上１００％以下の範囲で調整され、振幅の変調落差を触覚表現に利用することができる。また、電圧が絞られる部分は消費電流が低減されるため、低消費電力化を図ることも可能である。
【0067】
さらに駆動部は高周波と第２変調波から振幅変調波を生成する。高周波は、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下の正弦波である。図２０は、振幅変調による駆動信号波の例であり、高周波を第２変調波で振幅変調した波形である。同図において、Ｗ４で示す波長の小さい波は振幅変調された高周波であり、Ｗ３で示す波長の大きい波は高周波Ｗ４の振幅の変化によって形成された第２変調波である。即ち、図２０に示す波形は、高周波Ｗ４を搬送波、第２変調波Ｗ３を変調波とする振幅変調波である。
【0068】
駆動部は、周波数が１Ｈｚ以上６０Ｈｚ未満である第１低周波を第１変調波とし、周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下である第２低周波を第１変調波によって振幅変調してなる波形を第２変調波とし、周波数が２０ｋＨｚ以上１１０ｋＨｚ以下である高周波を第２変調波によって変調してなる波形を有する駆動信号を圧電アクチュエータ１２０に供給する。すると、変調駆動によるスクイーズ効果に繊細な微小振動表現がプラスされ、よりリアルな触覚が可能となる。
【0069】
[変形例］
触覚発生装置１００では、図９に示すように圧電アクチュエータ１２０の片側に支持体１２５を配置するものとしたが、圧電アクチュエータ１２０の両側に支持体１２５を配置することも可能である。図２１は変形例に係る触覚発生装置１００の模式図である。同図に示すように、圧電アクチュエータ１２０の両外に支持体１２５を配置すると、第１部材１１１と第２部材１１２の接合により、圧電アクチュエータ１２０は両側の支持体１２５から押圧されることになる。この場合、圧電アクチュエータ１２０によって直接振動が伝達される質量要素が増大することにより、低周波振幅変調駆動（上記、「駆動信号１」）での振動伝達が増強され、振動がより増幅される。
触覚発生装置１００では、図９に示すように圧電アクチュエータ１２０の片側に支持体１２５を配置するものとしたが、圧電アクチュエータ１２０の両側に支持体１２５を配置することも可能である。図２１は変形例に係る触覚発生装置１００の模式図である。同図に示すように、圧電アクチュエータ１２０の両外に支持体１２５を配置すると、第１部材１１１と第２部材１１２の接合により、圧電アクチュエータ１２０は両側の支持体１２５から押圧されることになる。この場合、圧電アクチュエータ１２０によって直接振動が伝達される質量要素が増大することにより、低周波振幅変調駆動（上記、「駆動信号１」）での振動伝達が増強され、振動がより増幅される。
【0070】
触覚発生装置１００は、第１部材１１１がペン軸を構成する部材であり、第２部材１１２がペン先を構成する部材であるとして説明したがこれに限られない。図２２は他の変形例に係る触覚発生装置１００の断面図である。同図に示すように、第１部材１１１と第２部材１１２は接合されることによってペン軸を構成するものであってもよい。この構成においても圧電アクチュエータ１２０が、振動方向が筐体１１０の長手方向（Ｘ方向）となる向きで、第１部材１１１と第２部材１１２によって挟まれ、同方向（Ｘ方向）に沿って押圧されることで強い振動を生じるものとすることができる。
【0071】
また、本発明は入力装置以外にも、棒状の形状を有する装置に適用し、触覚発生装置を構成することが可能であり、上記のように圧電アクチュエータを筐体の長手方向に沿って押圧することにより、強い振動を生じる触覚発生装置を実現することができる。例えば、本発明は、スケラー、美顔器、ピラー、眼鏡のツル、眼鏡の鼻パット、杖、箸等に適用可能である。
【0072】
さらに触覚発生装置１００では、駆動信号として音声信号を印加することにより、触覚発生装置１００から音声を発生させることができる。筐体１１０を耳基に当接させることで音楽を楽しむことも可能となり、筐体１１０を机やアクリルボード、壁等の接触物に当接させることにより筐体１１０の縦振動を接触物に伝達させ、接触物をスピーカの振動板として利用し、音響用途にも応用可能である。これは例えば、新型コロナウイルス対策の対面アクリルボートをスピーカとして利用する際に活用できる。また、タブレットや案内板に接触させて音声ガイドとしての利用も可能である。この際、圧電アクチュエータチップ１３０の側面１３０ｃ及び側面１３０ｄ上には、ステンレス等の金属からなるプレートを配置してもよい。
【実施例0073】
上記実施形態に係る構成を有する入力装置を作製し、共振特性をインピーダンスアナライザで測定した。図２３及び図２４は、測定された共振特性を示すグラフであり、図２４は図２３の一部を拡大した図である。これらの図に示すように、本発明に係る入力装置では位相が急峻なピークを有する。これは機械的Ｑ値が高いためである。また入力装置の共振周波数は３０．３ｋＨｚを示した。第１部材と第２部材によって圧電アクチュエータ押圧することによって共振周波数は高い方向に推移すると予測されたが、実際には推移しなかった。これはステンレスからなる支持体による影響と考えられる。
【0074】
また、測定結果からアドミタンスサークルを生成し、圧電アクチュエータの等価回路を形成した。図２５は生成されたアドミタンスサークルを示す。図２６は等価回路の回路図であり、等価抵抗Ｒ、等価インダクタンスＬ、等価容量Ｃａ、制動容量Ｃｂを有する。圧電アクチュエータの共振周波数ｆ０、機械的Ｑ値及び機械結合係数ｋｖｎは以下の式（３）～（５）で算出される。
【0075】
【数1】
【0076】
【数2】
【0077】
【数3】
【0078】
下記［表１］は圧電アクチュエータの各物性値を示す表である。［表１］に示すように、本発明に係る入力装置では、圧電アクチュエータの機械的Ｑ値が高い値となった。
【0079】
【表1】
【符号の説明】
【0080】
１００…触覚発生装置
１１０…筐体
１１１…第１部材
１１２…第２部材
１１２ａ…接合面
１２０…圧電アクチュエータ
１２１…第１圧電アクチュエータチップ
１２２…第２圧電アクチュエータチップ
１３１…圧電体層
１３２…正極内部電極
１３３…負極内部電極
１４１…ブロック
１４２…緩和層
１１０…筐体
１１１…第１部材
１１２…第２部材
１１２ａ…接合面
１２０…圧電アクチュエータ
１２１…第１圧電アクチュエータチップ
１２２…第２圧電アクチュエータチップ
１３１…圧電体層
１３２…正極内部電極
１３３…負極内部電極
１４１…ブロック
１４２…緩和層
【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】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】