(57)【要約】【課題】複数の知覚をもたらす触覚フィードバック・システムを提供する。【解決手段】アクチュエータ１００は、コイルとマグネットの協働で可動子が振動するタイプで、振動体に定常的な振動を付与する振動モードおよび大きな一過性の振動を付与する衝撃モードで動作することができる。駆動回路２１９には、直流電力源２０１の出力電圧を、バイパス・スイッチ２１１を経由して第１の直流電圧として供給し、昇圧器２１５で昇圧して第１の直流電圧より高い第２の直流電圧として供給する。駆動回路２１９は、コイルに、振動モードのときに第１の直流電圧から生成した第１の駆動電圧を印加し、衝撃モードのときに第２の直流電圧から生成した第２の駆動電圧を第１の駆動電圧の印加時間より短い時間だけ印加する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のハプティク・コマンドと第２のハプティク・コマンドを生成するシステムと、
駆動電圧の大きさに応じて振動の大きさが変化するハプティク・アクチュエータと、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記第１のハプティク・コマンドに応じて第１の駆動電圧を印加し、第２のハプティク・コマンドに応じて前記第１の駆動電圧より大きい第２の駆動電圧を、前記第１の駆動電圧の印加時間より短い時間印加する駆動回路と
を有する触覚フィードバック・システム。
【請求項２】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備えている請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項３】
前記第２の駆動電圧の周波数が前記第１の駆動電圧の周波数より高い請求項２に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項４】
前記駆動回路は、前記第２の駆動電圧に続いて制動電圧を印加して前記可動子の自由振動を抑制する請求項３に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項５】
前記ハプティク・アクチュエータがケースに収納され、前記第２の駆動電圧の印加に応じて、前記可動子の一部が前記ケースに衝突する請求項２に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項６】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で回転運動をする偏心錘を備えている請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項７】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で回動運動をする偏心錘を備えている請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項８】
振動体を含む電子機器であって、
直流電力源と、
振動モードおよび衝撃モードで動作して前記振動体に振動を付与することが可能なハプティク・アクチュエータと、
システム・デバイスに電力を供給する直流電力源と、
前記直流電力源の出力電圧を第１の直流電圧として出力する第１の電源回路と、
前記出力電圧を前記第１の直流電圧よりも高い第２の直流電圧まで昇圧する昇圧器を含む第２の電源回路と、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記振動モードのときに前記第１の直流電圧から生成した第１の駆動電圧を印加し、前記衝撃モードのときに前記第２の直流電圧から生成した第２の駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に前記ハプティク・アクチュエータの動作モードを指示するコントローラと
を有する電子機器。
【請求項９】
前記直流電力源が単一セルの電池で構成される請求項８に記載の電子機器。
【請求項１０】
前記コントローラは、所定時間前記衝撃モードの指示をしないときに前記昇圧器を停止する請求項８に記載の電子機器。
【請求項１１】
前記第１の電源回路が、前記出力電圧が低下したときに前記出力電圧を前記第１の直流電圧まで昇圧する昇圧器を含む請求項８に記載の電子機器。
【請求項１２】
前記第１の電源回路が、前記出力電圧を前記第１の直流電圧として利用できるときに前記第１の電源回路の昇圧器をバイパスするバイパス・スイッチを有する請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１３】
前記コントローラは、所定時間前記振動モードの指示をしないときに前記第１の電源回路の昇圧器を停止する請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１４】
前記駆動回路は、前記第２の直流電圧を降圧しないで前記第２の駆動電圧を生成する請求項８に記載の電子機器。
【請求項１５】
駆動電圧の大きさに応じて振動の大きさが変化するハプティク・アクチュエータを搭載する電子機器が触覚フィードバックを生成する方法であって、
第１のハプティク・コマンドおよび第２のハプティク・コマンドを生成するステップと、
前記第１のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに第１の駆動電圧を所定の時間印加するステップと、
前記第２のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに前記第１の駆動電圧より高い第２の駆動電圧を前記所定の時間より短い時間印加するステップと
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハプティク・アクチュエータが性質の異なる複数の知覚をもたらす触覚フィードバックを生成する技術に関し、さらにはハプティク・アクチュエータを、そのような触覚フィードバックを生成できるように駆動する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
タブレット端末、スマートフォン、携帯電話およびコンピュータのような使用時にユーザが筐体やタッチスクリーンに触れる電子機器は、人体に触覚フィードバック（ハプティク・フィードバック）を付与するアクチュエータ（ハプティク・アクチュエータ）を搭載することがある。ハプティク・アクチュエータは、システムが生成するイベントに応じて、タッチスクリーンや筐体のような振動体に振動を伝える。ユーザは振動体に接触した人体の部位で振動を知覚したり音として知覚したりする。ハプティク・アクチュエータは駆動源に電力を使用しており、振動の性質から衝撃型と振動型に大別することができる。
【０００３】
衝撃型は代表例として、形状記憶合金を利用するＳＩＡ（Shape Memory metal Impact Actuator）やピエゾ素子を利用した圧電アクチュエータを挙げることできる。衝撃型は筐体やキーボード・プレートを振動素子が打撃して一過性の振動を与える。振動型は代表例として偏心モータを利用するＥＲＭ（Eccentric Rotating Mass）型アクチュエータ、磁界中のコイルに交流電流を流して可動子を振動させるリニア共振型アクチュエータ（ＬＲＡ：Linear Resonant Actuator）などを挙げることができる。振動型は所定の時間、振動体に一定の振幅の振動を与える。
【０００４】
特許文献１は、筐体に固定されたコイルに矩形波または正弦波の電流を印加することにより、コイルとマグネットが協働して可動子が面方向でリニアに振動する振動アクチュエータを開示する。特許文献２は、偏心錘および磁石が固定された回転軸と磁石の回転を回転自在に支持するねじりコイル・バネとを備えた可動子と、可動子の共振周波数と同等の周波数の交流電流を供給するコイルと、コイルに流れる交流電流によって磁極を変化させて磁石に異なる方向の回転トルクを交互に付与する磁極部材で構成した振動アクチュエータを開示する。
【０００５】
特許文献３は、圧電アクチュエータに触覚振動の振動パターンに応じた電圧を印加するアクチュエータ駆動回路について記載する。同文献は振動パターンを、振動周波数、振幅に対応する電圧および振動回数で構成することを記載する。同文献には振動を徐々に減衰させるときの触覚振動を同一の周波数で電圧を段階的に低減させる振動パターンで形成し、指先を小さく２回上下動させる触覚振動を周波数および電圧が異なる振動パターンで形成することを記載している。
【０００６】
特許文献４は、素早い応答に対応した触覚を付与する圧電アクチュエータと強い触覚を付与する振動モータで構成した振動発生装置を記載する。同文献には、圧電アクチュエータを動作させるときは振動制御電圧を出力し、振動モータを動作させるときはモータ駆動電圧を出力するアクチュエータ駆動回路を記載している。特許文献５は、バイブレータの振動周波数を変更して複数の共振器のいずれかと共振させることで、１つのアクチュエータで筐体に段階的な振動を発生させる振動装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−９７７４７号公報
【特許文献２】特開２０１５−１５７２７６号公報
【特許文献３】特開２００７−１２２５０１号公報
【特許文献４】特開２００６−１３６８６５号公報
【特許文献５】特開２０１５−１１６５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
触覚フィードバックは、用途に応じて性質の異なる複数の知覚をもたらすことができれば便利である。たとえば、ソフトウェア・キーボードの打鍵に対しては、連続打鍵に適応できるようにタッチスクリーンに短時間で終了する一過性の強い振動を与えることが適しており、メールの着信やＷｅｂサイトからのプッシュ通知を知らせたりする場合はユーザが気づくまでに必要な比較的長い時間筐体を振動させることが適している。
【０００９】
このとき筐体の内部に、衝撃型と振動型の２つのハプティク・アクチュエータを設けることは、スペースの確保やコストの面で不利である。したがって、１個のハプティク・アクチュエータが電源を制御するだけで衝撃型と振動型の２つの動作モードで動作できれば都合がよい。さらに、既存の原理のハプティク・アクチュエータを利用して、電源の制御だけで衝撃モードと振動モードの切り換えができれば都合がよい。
【００１０】
ハプティク・アクチュエータを衝撃型として動作させるときは、振動型として動作させるときに比べて、短時間に大きな電力を供給する必要がある。したがって、２つの動作モードで動作するハプティク・アクチュエータの駆動回路は、振動モードだけで動作するハプティク・アクチュエータの駆動回路よりも高い電圧を出力する必要がある。タブレット端末やスマートフォンでは、リチウム・イオン電池の単一セル電圧を利用してシステム・デバイスを動作させることが多いため、そのままでは電圧が低く衝撃モードに対応できない。したがって、ハプティク・アクチュエータを効率よく駆動する電源回路が必要になる。
【００１１】
本発明の目的は、１つのハプティク・アクチュエータが、性質の異なる複数の知覚をもたらす触覚フィードバックを生成する触覚フィードバック・システムを提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなハプティク・アクチュエータを駆動する効率のよい駆動システムを搭載した電子機器を提供することにある。さらに本発明の目的は、そのようなハプティク・アクチュエータで触覚フィードバックを生成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、第１のハプティク・コマンドと第２のハプティク・コマンドを生成するシステムと、駆動電圧の大きさに応じて振動の大きさが変化するハプティク・アクチュエータと、ハプティク・アクチュエータに、第１のハプティク・コマンドに応じて第１の駆動電圧を印加し、第２のハプティク・コマンドに応じて第１の駆動電圧より大きい第２の駆動電圧を第１の駆動電圧の印加時間より短い時間印加する駆動回路とを有する触覚フィードバック・システムを提供する。
【００１３】
ハプティク・アクチュエータは、コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備えているものでもよい。第２の駆動電圧の周波数は第１の駆動電圧の周波数より高くすることができる。駆動回路は第２の駆動電圧に続いて制動電圧を印加して可動子の自由振動を抑制することができる。ハプティク・アクチュエータがケースに収納されているときは、第２の駆動電圧の印加に応じて、可動子の一部がケースに衝突するようにしてもよい。ハプティク・アクチュエータは、コイルとマグネットの協働で回転運動または回動運動をする偏心錘を備えているものでもよい。
【００１４】
本発明の第２の態様は、振動体を含む電子機器を提供する。電子機器は、直流電力源と、振動モードおよび衝撃モードで動作して振動体に振動を付与することが可能なハプティク・アクチュエータと、システム・デバイスに電力を供給する直流電力源と、直流電力源の出力電圧を第１の直流電圧として出力する第１の電源回路と、出力電圧を第１の直流電圧よりも高い第２の直流電圧まで昇圧する昇圧器を含む第２の電源回路と、ハプティク・アクチュエータに、振動モードのときに第１の直流電圧から生成した第１の駆動電圧を印加し、衝撃モードのときに第２の直流電圧から生成した第２の駆動電圧を印加する駆動回路と、駆動回路にハプティク・アクチュエータの動作モードを指示するコントローラを有する。
【００１５】
本発明の第３の態様は、駆動電圧の大きさに応じて振動の大きさが変化するハプティク・アクチュエータを搭載する電子機器が、触覚フィードバックを生成する方法を提供する。この方法では、第１のハプティク・コマンドおよび第２のハプティク・コマンドを生成し、第１のハプティク・コマンドに応じてハプティク・アクチュエータに第１の駆動電圧を所定の時間印加し、第２のハプティク・コマンドに応じてハプティク・アクチュエータに第１の駆動電圧より高い第２の駆動電圧を当該所定の時間より短い時間印加する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、１つのハプティク・アクチュエータが、性質の異なる複数の知覚をもたらす触覚フィードバックを生成する触覚フィードバック・システムを提供することができた。さらに本発明により、そのようなハプティク・アクチュエータを駆動する効率のよい駆動システムを搭載した電子機器を提供することができた。さらに本発明により、そのようなハプティク・アクチュエータで触覚フィードバックを生成する方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態にかかるアクチュエータ１００の構成を模式的に示した平面図および断面図である。
【図２】アクチュエータ１００を搭載したスマートフォン１０の平面図である。
【図３】スマートフォン１０に搭載した触覚フィードバック・システム２００の構成を説明するための機能ブロック図である。
【図４】スマートフォン１０に取り付けたアクチュエータ１００が振動モードで動作するときの様子を説明する図である。
【図５】スマートフォン１０に取り付けたアクチュエータ１００が衝撃モードで動作するときの様子を説明する図である。
【図６】スマートフォン１０に取り付けたアクチュエータ１００が衝撃モードで動作するときの様子を説明する図である。
【図７】触覚フィードバック・システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の適用が可能な回転型デュアル・モード・ハプティク・アクチュエータを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
[デュアル・モード・ハプティク・アクチュエータ]
図１は、本実施の形態にかかるデュアル・モード・ハプティク・アクチュエータ（以下、アクチュエータ）１００の一例を模式的に示した図である。アクチュエータ１００は、電源を制御することで、振動モードと衝撃モードのいずれでも動作する。ここに振動モードは、アクチュエータ１００が安定した定常状態の振動をする動作モードで、衝撃モードは電圧を印加してから定常状態に入るまでの間または定常状態に入った直後までの短時間の過渡的な振動をする動作モードに相当する。
【００１９】
衝撃モードは振動モードより振動振幅および振動加速度が大きい。本実施の形態では、ＬＲＡの原理を採用したアクチュエータ１００を例示して説明する。ただし、本発明は図８に示す回転型のデュアル・モード・ハプティク・アクチュエータに適用することもできる。アクチュエータ１００は、下部筐体１０１ａと上部筐体１０１ｂの内部に可動子１５０を含む振動機構を収納している。図１（Ａ）は上部筐体１０１ｂを取り除いた状態の平面図で、図１（Ｂ）は長手方向の中心で切断した断面図である。
【００２０】
両側に設けたシャフト１０３ａ、１０３ｂは、それぞれ両端部が固定部１０５ａ〜１０５ｄで下部筐体１０１ａに固定されている。シャフト１０３ａ、１０３ｂは、錘１０７ａ、１０７ｂの両端を錘１０７ａ、１０７ｂが往復直線運動をできるように貫通している。固定部１０５ａ〜１０５ｄと錘１０７ａ、１０７ｂの間には、圧縮コイル・バネ１０９ａ〜１０９ｄを設けている。上部ヨーク１１１ｂの下面には、磁極の方向が異なるマグネット１１３ａ、１１３ｂが貼り付けている。上部ヨーク１１１ｂと下部ヨーク１１１ａが形成するコイル空間には、コイル１１５を配置している。
【００２１】
コイル１１５は、図示しない固定部材で下部筐体１０１ａに固定している。マグネット１１３ａ、１１３ｂが放射した磁束は、上部ヨーク１１１ｂ、下部ヨーク１１１ａ、およびコイル空間で構成した磁路を流れる。下部ヨーク１１１ａには、振動方向の端面にシャフト１１７ａ、１１７ｂを固定している。上部ヨーク１１１ｂ、下部ヨーク１１１ａ、錘１０７ａ、１０７ｂ、マグネット１１３ａ、１１３ｂ、およびシャフト１１７ａ、１１７ｂは、可動子１５０を構成する。なお、アクチュエータ１００は、可動子がコイルを含み、マグネットおよびヨークを下部筐体１０１ａに固定するように構成してもよい。
【００２２】
アクチュエータ１００は、振動モードのときにコイル１１５に可動子１５０の共振周波数ｆ０に相当する周波数ｆの交流電流を流すと、マグネット１１３ａ、１１３ｂが形成する磁界によりコイル１１５に発生したローレンツ力と圧縮コイル・バネ１０９ａ〜１０９ｄの弾力で、可動子１５０が矢印Ａの方向に往復直線運動をして振動する。可動子１５０の往復動作による振動は、下部筐体１０１ａと上部筐体１０１ｂに伝搬する。
【００２３】
振動モードでの可動子１５０の振幅は、シャフト１１７ａ、１１７ｂの先端が下部筐体１０１ａの内面に接触しないように設定している。衝撃モードでの可動子１５０の振幅は、振動モードの振幅より大きい。一例において衝撃モードのときに、シャフト１１７ａ、１１７ｂの先端が下部筐体１０１ａに衝突するように構成することができる。シャフト１１７ａ、１１７ｂを衝突しないように構成する場合は、シャフト１１７ａ、１１７ｂを設ける必要はない。アクチュエータ１００は、たとえば図２に示すようにスマートフォン１０の筐体やタッチスクリーン１１の内側に貼り付けることができる。
【００２４】
図３は、スマートフォン１０に搭載した触覚フィードバック・システム２００の構成を説明するための機能ブロック図である。図３において、太線は電力ラインを示し細線は信号ラインを示している。本実施の形態では一例において、直流電力源２０１を、単一セルのリチウム・イオン電池、電池コントローラ、および充電器などで構成している。スマートフォン１０は、モバイル環境でリチウム・イオン電池だけを電力源にして動作する。直流電力源２０１の出力電圧Ｖの電圧レンジは、リチウム・イオン電池の放電終了電圧（３．２Ｖ）と充電終了電圧（４．２Ｖ）で確定する。
【００２５】
電圧レギュレータ２０３は、直流電力源２０１の出力電圧Ｖをシステム・デバイス２０５が要求する複数の使用電圧に変換する。システム・デバイス２０５は、ＣＰＵ、システム・メモリ、およびＩ／Ｏインターフェースなどの機能を組み込んだ半導体チップ（ＳｏＣ）、カメラ、スピーカ、タッチスクリーン１１、および無線モジュールなどのＩ／Ｏデバイスなどで構成している。なお、システム２２１のハードウェアはシステム・デバイス２０５を構成する。
【００２６】
一般的に電圧レギュレータの効率は、入力電圧と出力電圧の差が小さいほど高いため、システム・デバイス２０５の使用電圧が、直流電力源２０１の出力電圧Ｖに近いほど電圧レギュレータ２０３の効率は良好になる。駆動回路２１９の共通の入力端子２２０には、衝撃モードで直流電圧ＶＨが印加され、振動モードで直流電圧ＶＬが印加される。駆動回路２１９は、直流電圧ＶＨ、ＶＬを交流の駆動電圧に変換してアクチュエータ１００のコイル１１５に印加する。
【００２７】
直流電圧ＶＨの電圧レンジは一例において９Ｖ〜１２Ｖとし、直流電圧ＶＨの電圧レンジは、一例において直流電力源２０１の電圧レンジ（３．２Ｖ〜４．２Ｖ）とすることができる。駆動電圧の波形は、正弦波、三角波、または矩形波などを採用することができ、特に限定する必要はない。また、衝撃モードの波形と振動モードの波形は同一でも異なってもよい。
【００２８】
駆動回路２１９は内部で降圧や昇圧をしないで、衝撃モードでは直流電圧ＶＨから生成した駆動電圧を出力し、振動モードでは直流電圧ＶＬから生成した駆動電圧を出力する。直流電圧ＶＨから生成した駆動電圧は、直流電圧ＶＬから生成した駆動電圧より大きい。駆動回路２１９は、入力端子２２０に直流電圧ＶＨだけを受け取って、ＰＷＭ制御で降圧してから振動モードに適した駆動電圧を出力することもできる。しかし、スイッチング・レギュレータは電圧を変換するときに入力と出力の電圧差が大きいほど大きな電力損失が発生するため、駆動回路２１９は、内部で駆動電圧への電圧変換をする必要がない直流電圧ＶＨ、ＶＬを受け取ると効率よく動作できる。
【００２９】
バイパス・スイッチ２１１は、直流電力源２０１の出力電圧Ｖを直接駆動回路２１９に直流電圧ＶＬとして供給する。昇圧器２０９は、直流電力源２０１の出力電圧Ｖが、アクチュエータ１００が振動モードで十分な振動を発生することができない値まで低下した場合に、駆動回路２１９に印加する電圧を昇圧する。駆動回路２１９が、直流電力源２０１の電圧レンジでアクチュエータ１００を適正に駆動できる場合は、昇圧器２０９を設けなくてもよい。
【００３０】
昇圧器２１５は、直流電力源２０１の出力電圧Ｖを直流電圧ＶＨに昇圧して、駆動回路２１９に供給する。スイッチ２０７は、アクチュエータ１００が振動モードで動作するときにオン状態になり、衝撃モードで動作するときにオフ状態になる。スイッチ２１３は、アクチュエータ１００が衝撃モードで動作するときにオン状態になり、振動モードで動作するときにオフ状態になる。
【００３１】
コントローラ２１７は、システム２２１から受け取ったハプティク・コマンドおよび直流電力源２０１の出力電圧Ｖに応じて、スイッチ２０７、２１１、２１３、昇圧器２０９、２１５および駆動回路２１９の動作を制御する。システム２２１は、システム・デバイス２０５などのハードウェアおよびデバイス・ドライバ、ＯＳおよびアプリケーションなどのソフトウェアの協働により構成する。システム２２１は、触覚フィードバックを生成するタイミングを与え、衝撃モードまたは振動モードの識別子を含むハプティク・コマンドをコントローラ２１７に通知する。システム２２１はさらに、直流電力源２０１の出力電圧を定期的にコントローラ２１７に通知する。
【００３２】
ここで、直流電力源２０１の電池セルを直列接続して出力電圧Ｖを直流電圧ＶＨまで増加させ、直流電圧ＶＨと電圧レギュレータで降圧した直流電圧ＶＬを駆動回路２１９に供給することも考えられる。その場合、システム・デバイス２０５に印加するための電圧を降下させる電圧レギュレータの効率が低下する。さらに、スマートフォン１０に単一セルの電池を設けることは、直列に複数の電池を接続する場合に比べて筐体の占有スペースが少なくなる点で有利である。
【００３３】
図４は、スマートフォン１０に取り付けたアクチュエータ１００が振動モードで動作するときの様子を説明する図である。駆動電流３０１は、駆動回路２１９が直流電圧ＶLから生成した方形波の駆動電圧を印加したときに、コイル１１５に流れる電流を示している。振動加速度３０３は、スマートフォン１０の筐体に発生したアクチュエータ１００の振動軸方向の加速度を示している。振動加速度は、可動子１５０の振幅に対応する。
【００３４】
振動モードで印加する駆動電圧の周波数ｆは、可動子の共振周波数ｆ０またはそれに近い値に設定する。アクチュエータ１００は、駆動電圧を印加した直後の過渡状態を経過すると可動子１５０がほぼ一定の振幅で振動する。図４は駆動電圧を印加してから所定の時間が経過して振動が安定した状態を示している。振動モードでは、定常状態の振動を利用するため過渡的な振動は利用上問題にしない。
【００３５】
図５、図６は、スマートフォン１０に取り付けたアクチュエータ１００が衝撃モードで動作するときの様子を説明する図である。図５で、駆動電流３０５は、駆動回路２１９が直流電圧ＶHから生成した方形波の駆動電圧を時刻ｔ０でコイル１１５に印加したときに、コイル１１５に流れる電流を示している。振動加速度３０７は、駆動電圧を時刻ｔ０で印加し時刻ｔ２で停止したときに、スマートフォン１０の筐体に発生したアクチュエータ１００の振動軸方向の過渡的な加速度を示している。
【００３６】
直流電圧ＶHを変換した方形波の駆動電圧は、直流電圧ＶＬを変換した方形波の駆動電圧に比べて波高値が大きいため、時刻ｔ３で振動加速度の最大値が振動加速度３０３より大きい値に到達している。時刻ｔ２以降も駆動電圧の印加を継続すれば、時刻ｔ３の最大加速度で振動が継続して定常的な振動をする。ただし、この場合の定常的な振動は必要以上に大きすぎ、エネルギーの消費も大きくなるため振動モードでの利用には適さない。
【００３７】
駆動回路２１９はアクチュエータ１００を衝撃モードで動作させるために、所定の時間が経過した時刻ｔ２または所定数のパルス数をカウントした後の時刻ｔ２に駆動電圧を停止する。時刻ｔ２以降は、加振力がなくなるため可動子は自由振動で減衰して時刻ｔ４で人間が感じない状態になる。時刻ｔ０から時刻ｔ４まで発生する短時間の強い振動を、人間は一過性の振動すなわち衝撃として感じる。
【００３８】
最大加速度が発生したときに駆動電圧を停止する時刻ｔ２または印加パルス数は、あらかじめ実験で求めておくことができる。衝撃モードで印加する駆動電圧の周波数ｆは、共振周波数ｆ０とすることができる。衝撃モードではキーボードの高速打鍵に適応できるように、できるだけ短時間で最大加速度に到達することが望ましい。実験により、一層短い時間で最大加速度に到達する衝撃モードの周波数ｆを、共振周波数ｆ０とそれより１０％程度高い周波数の間から可動子１５０の慣性や、圧縮コイル・バネ１０９ａ〜１０９ｄのバネ常数などに応じて決定できることを確認している。
【００３９】
衝撃モードでは、可動子１５０の振幅が振動モードに比べて大きい。衝撃モードにおいて最大振幅で振動する際に、シャフト１１７ａ、１１７ｂが下部筐体１０１ａに衝突するようにすれば、一層強い一過性の振動を提供することができる。振動加速度３０７では時刻２移行は、バネ常数と可動子１５０の慣性に応じてアクチュエータ１００に自由振動（残振動）が発生している。衝撃モードではキーボードの高速打鍵に対応できるように、最大加速度の振動を発生した後は、すみやかに振動が停止することが望ましい。そのためには、残振動を短時間で強制的に減衰させる必要がある。
【００４０】
図６は駆動回路２１９に、衝撃モードで残振動を減衰させる機構を取り入れたときの駆動電流３０９と振動加速度３１１を示している。時刻ｔ０から最大加速度を発生する時刻ｔ３までの挙動は図５と同じである。駆動電流３０９は、駆動電圧に対応する駆動電流３０９ａと制動電圧に対応する制動電流３０９ｂを含む。時刻ｔ２で可動子１５０が一方の方向の最大振幅まで移動した時点で駆動電圧の印加が停止すると、その後可動子１５０は自由振動で他方への移動を開始する。
【００４１】
制動電流３０９ｂは駆動電流３０９ａに対して位相が１８０度進んでいる。駆動回路２１９は、時刻ｔ２で駆動電圧を停止して時刻ｔ５まで制動電圧を印加する。制動電流３０９ｂは可動子１５０に対して制動力として作用するため、振動加速度３１１は、振動加速度３０７が減衰する時刻ｔ４より経過時間が短い時刻ｔ６で人間が感じない値まで減衰する。制動電流３０９ｂの周波数、大きさ、印加時間および印加時刻などはアクチュエータ１００ごとに、実験で求めることができる。
【００４２】
図７は、触覚フィードバック・システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。ブロック４０１でスマートフォン１０が動作を開始する。コントローラ２１７は、システム２２１から定期的に直流電力源２０１の出力電圧Ｖを受け取る。ブロック４０３でコントローラ２１７は、直流電力源２０１の出力電圧Ｖでアクチュエータ１００を振動モードで動作させることができると判断したときは、ブロック４０５でバイパス・スイッチ２１１をオン状態にしてブロック４０７に移行する。出力電圧Ｖが低いと判断した場合は、バイパス・スイッチ２１１をオフ状態にしたままブロック４０７に移行する。
【００４３】
ブロック４０７でコントローラ２１７は、システム２２１から衝撃モードを示すハプティク・コマンドを一定時間受け取っておらず、かつ、その時点で昇圧器２１５がイネーブルのときはブロック４０９で昇圧器２１５をディスエーブルにする。このときコントローラ２１７は、スイッチ２１３をオフ状態にする。ブロック４１１でコントローラ２１７は、システム２２１から振動モードを示すハプティク・コマンドを一定時間受け取っておらず、かつ、その時点で昇圧器２０９がイネーブルのときはブロック４１３で昇圧器２０９をディスエーブルにする。このときコントローラ２１７は、スイッチ２０７をオフ状態にする。
【００４４】
ブロック４１５で、システム２２１がハプティク・コマンドを発行する。ハプティク・コマンドは動作モードの識別子を含み、発行のタイミングはハプティクの発生のタイミングを示す。システム２２１は、一例において、メールの着信やＷｅｂサイトからのプッシュ通知を知らせたりする場合に振動モードのハプティク・コマンドを生成する。
【００４５】
システム２２１は、一例において、タッチスクリーン１１のアイコンに対するタップ操作、またはソフトウェア・キーボードの打鍵に応じたイベントを受け取った場合に、衝撃モードのハプティク・コマンドを生成する。ブロック４１７でコントローラ２１７が、衝撃モードのハプティク・コマンドを受け取ったときはブロック４１９に移行し、振動モードのハプティク・コマンドを受け取ったときはブロック４５１に移行する。
【００４６】
ブロック４１９でコントローラ２１７は、昇圧器２１５がディスエーブルのときはイネーブルにし、スイッチ２１３をオン状態にする。その結果、駆動回路２１９には、直流電圧ＶＨが印加される。ブロック４２１でコントローラ２１７は、システム２２１から衝撃モードのハプティク・コマンドを受け取るたびに、駆動回路２１９にトリガ信号を出力する。駆動回路２１９が、トリガ信号に応じて直流電圧ＶＨから生成した駆動電圧をコイル１１５に出力すると、アクチュエータ１００は衝撃モードで動作する。
【００４７】
ブロック４５１でコントローラ２１７は、バイパス・スイッチがオフ状態で、昇圧器２０９がディスエーブルのときにイネーブルにしてスイッチ２０７をオン状態にする。バイパス・スイッチ２１１がオン状態のときは、昇圧器２０９をイネーブルにしないで、スイッチ２０７をオン状態にする。その結果、駆動回路２１９には、直流電圧ＶLが印加される。ブロック４５３でコントローラ２１７は、システム２２１から振動モードのハプティク・コマンドを受け取るたびに、駆動回路２１９にトリガ信号を出力する。駆動回路２１９が、トリガ信号に応じて直流電圧ＶＬから生成した駆動電圧をコイル１１５に出力すると、アクチュエータ１００は振動モードで動作する。
【００４８】
本発明は、図８に示すような、モータで偏心錘５０１を一方向へ回転させ（矢印Ｂ）、または振り子のように（矢印Ｃ）回動させるＥＲＭのような回転型のアクチュエータ５００に適用することもできる。アクチュエータ１００と同様に、駆動電圧および印加時間を制御したときの偏心錘５０１の回転動作および回動動作でアクチュエータ５００を振動モードおよび衝撃モードで動作させることができる。
【００４９】
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】
【００５０】
１０  スマートフォン
１１  タッチスクリーン
１００  デュアル・モード・アクチュエータ
１１５  コイル
１１７ａ、１１７ｂ  シャフト
２００  触覚フィードバック・システム
３０１、３０５、３０９  駆動電流
３０３、３０７、３０１１  振動加速度
【図１】
2018030107.tif 000003
【図２】
2018030107.tif 000004
【図３】
2018030107.tif 000005
【図４】
2018030107.tif 000006
【図５】
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【図６】
2018030107.tif 000008
【図７】
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【図８】
2018030107.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月6日(2017.10.6)
【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】
振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作することが可能な触覚フィードバック・システムであって、
前記振動モードに対応する第１のハプティク・コマンドと前記衝撃モードに対応する第２のハプティク・コマンドを生成するシステムと、
駆動電圧の大きさに応じて振動の大きさが変化するハプティク・アクチュエータと、
前記第１のハプティク・コマンドに応じて第１の直流電圧を生成し、前記第２のハプティク・コマンドに応じて前記第１の直流電圧より大きい第２の直流電圧を生成するコントローラと、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記第１のハプティク・コマンドに応じて前記第１の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第１の駆動電圧を印加し、前記第２のハプティク・コマンドに応じて前記第２の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第２の駆動電圧を前記第１の駆動電圧の印加時間より短い時間印加する駆動回路と
を有する触覚フィードバック・システム。
【請求項２】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備え、前記第２の駆動電圧の印加に応じて、前記可動子の一部が前記ハプティク・アクチュエータを収納するケースに衝突する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記第２の駆動電圧に続いて制動電圧を印加して前記可動子の自由振動を抑制する請求項２に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項４】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で回転運動をする偏心錘を備えている請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項５】
前記ハプティク・アクチュエータが、コイルとマグネットの協働で回動運動をする偏心錘を備えている請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項６】
振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作することが可能な触覚フィードバック・システムであって、
前記振動モードに対応する第１のハプティク・コマンドと前記衝撃モードに対応する第２のハプティク・コマンドを生成するシステムと、
コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備えたハプティク・アクチュエータと、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記第１のハプティク・コマンドに応じて前記可動子の共振周波数の第１の駆動電圧を印加し、前記第２のハプティク・コマンドに応じて電圧が前記第１の駆動電圧より大きく周波数が前記共振周波数より高い第２の駆動電圧を前記第１の駆動電圧の印加時間より短い時間印加する駆動回路と
を有する触覚フィードバック・システム。
【請求項７】
振動体を含む電子機器であって、
振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作して前記振動体に振動を付与することが可能なハプティク・アクチュエータと、
システム・デバイスに電力を供給する直流電力源と、
前記直流電力源の出力電圧を第１の直流電圧として出力する第１の電源回路と、
前記出力電圧を昇圧器で前記第１の直流電圧よりも大きい第２の直流電圧まで昇圧して出力する第２の電源回路と、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記振動モードのときに前記第１の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第１の駆動電圧を印加し、前記衝撃モードのときに前記第２の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第２の駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に前記ハプティク・アクチュエータの動作モードを指示するコントローラと
を有する電子機器。
【請求項８】
前記直流電力源が単一セルの電池で構成される請求項７に記載の電子機器。
【請求項９】
前記コントローラは、所定時間前記衝撃モードの指示をしないときに前記昇圧器を停止する請求項７に記載の電子機器。
【請求項１０】
前記第１の電源回路が、前記出力電圧が低下したときに前記出力電圧を前記第１の直流電圧まで昇圧する昇圧器を含む請求項７に記載の電子機器。
【請求項１１】
前記第１の電源回路が、前記出力電圧を前記第１の直流電圧として利用できるときに前記第１の電源回路の昇圧器をバイパスするバイパス・スイッチを有する請求項１０に記載の電子機器。
【請求項１２】
前記コントローラは、所定時間前記振動モードの指示をしないときに前記第１の電源回路の昇圧器を停止する請求項１０に記載の電子機器。
【請求項１３】
振動体を含む電子機器であって、
コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備え振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作して前記振動体に振動を付与することが可能なハプティク・アクチュエータと、
システム・デバイスに電力を供給する直流電力源と、
前記直流電力源の出力電圧を第１の直流電圧として出力する第１の電源回路と、
前記出力電圧を電圧が前記第１の直流電圧よりも大きい第２の直流電圧まで昇圧して出力する第２の電源回路と、
前記ハプティク・アクチュエータに、前記振動モードのときに前記第１の直流電圧から生成した前記可動子の共振周波数の第１の駆動電圧を印加し、前記衝撃モードのときに前記第２の直流電圧から生成した、電圧が前記第１の駆動電圧より大きく周波数が前記共振周波数より高い第２の駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に前記ハプティク・アクチュエータの動作モードを指示するコントローラと
を有する電子機器。
【請求項１４】
振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作することが可能なハプティク・アクチュエータを搭載する電子機器が触覚フィードバックを生成する方法であって、
前記振動モードに対応する第１のハプティク・コマンドおよび前記衝撃モードに対応する第２のハプティク・コマンドを生成するステップと、
前記第１のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに第１の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第１の駆動電圧を所定の時間印加するステップと、
前記第２のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに前記第１の直流電圧より大きい第２の直流電圧を電圧変換しないで生成した交流の第２の駆動電圧を前記所定の時間より短い時間印加するステップと
を有する方法。
【請求項１５】
コイルとマグネットの協働で往復直線動作をする可動子を備え振動モードおよび該振動モードより振幅が大きい衝撃モードで動作することが可能なハプティク・アクチュエータを搭載する電子機器が触覚フィードバックを生成する方法であって、
前記振動モードに対応する第１のハプティク・コマンドおよび前記衝撃モードに対応する第２のハプティク・コマンドを生成するステップと、
前記第１のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに前記可動子の共振周波数の第１の駆動電圧を所定の時間印加するステップと、
前記第２のハプティク・コマンドに応じて前記ハプティク・アクチュエータに電圧が前記第１の駆動電圧より大きく周波数が前記共振周波数より高い第２の駆動電圧を前記所定の時間より短い時間印加するステップと
を有する方法。