(57)【要約】【課題】往復動作をするハプティク・アクチュエータの振動強度をきめ細かく調整する。【解決手段】リニア・アクチュエータは、加速に利用する所定数の基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６と減速に利用する基本パルス電圧Ｐ７を印加すると過渡振動領域で往復動作をする。加速期間に印加する最後尾の基本パルス電圧Ｐ６の印加に応じて振動加速度が最大になって、電子機器のタッチスクリーンに衝撃を付与する。基本パルス電圧Ｐ６を印加したときの振動加速度の大きさを制御するために先頭の基本パルス電圧Ｐ１だけを小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御する。基本パルス電圧Ｐ５に対する加速度と基本パルス電圧Ｐ６に対する加速度の間の振動加速度を小パルス電圧Ｓのデューティ比αにほぼ比例した大きさで制御することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器に衝撃を付与する触覚フィードバック・システムであって、
往復動作をするハプティク・アクチュエータと、
前記ハプティク・アクチュエータに加速用の所定数の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に指示して、前記所定数より少ない数の前記基本パルス電圧の平均電圧を制御するコントローラと
を有する触覚フィードバック・システム。
【請求項２】
前記コントローラは、いずれか１個の前記基本パルス電圧の平均電圧を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項３】
前記コントローラは、最後尾の前記基本パルス電圧より前に生成された前記基本パルス電圧の平均電圧を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項４】
前記コントローラは、先頭の前記基本パルス電圧だけの平均電圧を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記基本パルス電圧を複数の小パルス電圧で構成するようにスイッチング制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記基本パルス電圧のパルス幅を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記ハプティク・アクチュエータにそれぞれスイッチング制御した連続する基本パルス電圧を印加して定常振動を発生させる請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項８】
タッチスクリーンと、
前記タッチスクリーンに衝撃を付与するリニア・アクチュエータと、
前記リニア・アクチュエータに所定数の加速用の基本パルス電圧と、減速用の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に指示して、前記所定数より少ない数の前記加速用の基本パルス電圧が前記リニア・アクチュエータに付与する加振力を制御するコントローラと
を有する電子機器。
【請求項９】
往復動作をするハプティク・アクチュエータの衝撃性の振動強度を調整する方法であって、
前記ハプティク・アクチュエータに制御対象の基本パルス電圧と非制御対象の基本パルス電圧を含む加速用の所定数の基本パルス電圧を印加するステップと、
前記制御対象の基本パルス電圧が前記ハプティク・アクチュエータに供給するエネルギーを調整するステップと
を有する方法。
【請求項１０】
前記調整するステップが、前記制御対象の基本パルス電圧を所定のデューティ比でスイッチング制御するステップを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記調整するステップが、前記所定数の基本パルス電圧を印加したときの振動強度と前記所定数より１個少ない前記基本パルス電圧を印加したときの振動強度の間で調整する請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記所定数の基本パルス電圧を、前記ハプティク・アクチュエータの過渡振動領域で印加する請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はハプティク・アクチュエータが電子機器に付与する衝撃性の触覚フィードバックの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、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。振動型は振動体に必要な時間だけ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、圧電素子、ボイス・コイルまたはソレノイドを利用したハプティク・アクチュエータにＰＷＭ制御した駆動信号を供給して振動強度を調整する発明を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−９７７４７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＲＡは一般に、可動子に共振周波数に近い周波数の交流のパルス電圧を印加し、定常振動させて利用する。ＬＲＡは、パルス電圧を印加した直後の過渡振動領域を利用して衝撃型として利用することも考えられる。ＬＲＡに５〜６個の大きな振幅のパルス電圧を印加すると、短時間で大きな振動が発生しユーザに衝撃を感じさせることができる。触覚フィードバックの体感には個人差があるため、衝撃の大きさはユーザごとに調整できることが望ましい。衝撃の大きさを変えるための１つの方法として、パルス電圧の振幅を変える方法があるが、振幅を連続的に変えるための回路は大規模になる。
【０００７】
パルス電圧の周波数を一定にしながら印加するすべてのパルス電圧を複数の小パルス電圧でＰＷＭ制御する方法を実験してみると、定常振動の強さはデューティ比を代えて円滑に調整することができるが、デューティ比の変化に対する過渡振動の強さは不安定になることがわかった。また、パルス電圧の周波数を変化させて共振をずらす方法でも安定的に振動の強さを変化させることができないことがわかった。本発明の目的は、ハプティク・アクチュエータが生成する衝撃の強さをユーザが容易に調整できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一の態様では、電子機器に衝撃を付与する触覚フィードバック・システムを提供する。触覚フィードバック・システムは、往復動作をするハプティク・アクチュエータと、ハプティク・アクチュエータに加速用の所定数の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、駆動回路を制御して、所定数より少ない数の基本パルス電圧の平均電圧を制御するコントローラとを有する。基本パルス電圧の平均電圧は、基本パルス電圧を半周期にわたって時間積分した値に相当し、基本パルス電圧のパルス幅、波高値およびスイッチング制御による小パルス電圧で構成する場合の小パルス電圧のデューティ比のいずれかまたは複数の要素を調整することで制御することができる。
【０００９】
制御の対象となる基本パルス電圧は、いずれか１個の基本パルス電圧、最後尾の基本パルス電圧より前に生成された基本パルス電圧、または先頭の基本パルス電圧とすることができる。コントローラは、基本パルス電圧を複数の小パルス電圧で構成するようにスイッチング制御したり基本パルス電圧のパルス幅を制御したりすることができる。コントローラは、ハプティク・アクチュエータにそれぞれスイッチング制御した連続する基本パルス電圧を印加して強度を調整した定常振動を発生させることができる
【００１０】
本発明の他の態様は、タッチスクリーンと、タッチスクリーンに衝撃を付与するリニア・アクチュエータと、リニア・アクチュエータに加速用の所定数の基本パルス電圧と、減速用の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、駆動回路に指示して、所定数より少ない数の加速用の基本パルス電圧がリニア・アクチュエータに付与する加振力を制御するコントローラとを有する電子機器を提供する。
【００１１】
本発明の他の態様は、往復動作をするハプティク・アクチュエータの衝撃性の振動強度を調整する方法を提供する。ハプティク・アクチュエータに制御対象の基本パルス電圧と非制御対象の基本パルス電圧を含む加速用の所定数の基本パルス電圧を印加し、制御対象の基本パルス電圧がハプティク・アクチュエータに供給するエネルギーを調整する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の少なくともいずれかの態様では、往復動作をするハプティク・アクチュエータの振動強度をきめ細かく調整することができた。さらに本発明の少なくともいずれかの態様では、簡単な駆動回路で振動強度を調整することができた。さらに本発明の少なくともいずれかの態様では、良好なエネルギー効率で振動強度を調整することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】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】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】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】衝撃モードで印加する先頭の基本パルス電圧Ｐ１を小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御する様子を説明する図である。
【図７】基本パルス電圧Ｐ１をＰＷＭ制御したときのデューティ比αと振動加速度Ｇ６ｘの関係を示す図である。
【図８】平均電圧の制御対象とする基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６の一例を説明するための図である。
【図９】基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６をＰＷＭ制御したときのデューティ比５０％での振動加速度Ｇ６ｘを示す図である。
【図１０】基本パルス電圧Ｐ１のパルス幅をＰＷＭ制御する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[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ハプティク・アクチュエータ（以下、アクチュエータ）の構成の一例を説明するための図である。本実施の形態では、定常振動を利用する振動モードと過渡振動を利用する衝撃モードで動作するデュアル・モード・タイプのアクチュエータ１００を例示して説明するが、衝撃モードだけで動作するシングル・モード・タイプを採用することもできる。衝撃モードでは、たとえば、ユーザがソフトウェア・キーボードの打鍵を知覚できるようにタッチスクリーンに一過性の強い振動を与える。また、振動モードでは、たとえば、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。
【００１５】
振動モードと衝撃モードの切り換えは、アクチュエータ１００に印加する交流のパルス電圧を制御することで行うことができる。衝撃モードでは一例において５〜７個程度の所定数のパルス電圧を印加する。振動モードでは、定常振動させる時間だけ一定振幅で一定周波数のパルス電圧を印加する。振動モードのときに印加するパルス電圧の振幅は衝撃モードのときに印加するパルス電圧の振幅に対して小さい。また、衝撃モードと振動モードのパルス電圧の周波数は、ともに可動子１５０の近辺の周波数であるが相互に異なる値を採用することができる。
【００１６】
振動モードに比べて衝撃モードでは振動体の振動振幅および振動加速度が大きい。アクチュエータ１００はＬＲＡの原理を採用しており、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。
【００１７】
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を貼り付けている。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。
【００１８】
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。
【００１９】
アクチュエータ１００は、振動モードで動作するときにコイル１１５に可動子１５０の共振周波数に相当する周波数の交流電流（駆動電流）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。
【００２０】
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。
【００２１】
シャフト１１７ａ、１１７ｂを下部筐体１０１ａに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。図１に示したアクチュエータ１００の構造は一例であり、可動子、ヨーク、マグネット、および圧縮コイル・バネなどの配置、構造および数などは特に本発明を限定するものではない。
【００２２】
［触覚フィードバック・システム］
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。触覚フィードバック・システム２００は、スマートフォンに限らず、タブレット端末やＡＴＭのようなタッチスクリーンを搭載する電子機器一般に搭載することができる。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。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。
【００２３】
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で構成する。
【００２４】
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ＤＣ／ＡＣインバータである。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。
【００２５】
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。したがって衝撃モードで印加する駆動電圧の振幅は、振動モードで印加する駆動電圧の振幅より大きい。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振幅の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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。コントローラ２１７は、駆動回路２１９に衝撃モードと振動モードの指示をする信号、および衝撃モードのときに基本パルス電圧をＰＷＭ制御する信号を送る。
【００２９】
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、タッチスクリーン１１に後に説明する振動強度を調整するためのユーザ・インターフェースを提供する。
【００３０】
［振動モードで印加する駆動電圧］
図４は、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ための図である。駆動電圧３０１は、駆動回路２１９が直流電圧ＶLから生成した連続する交流の基本パルス電圧Ｐで構成されている。振動波形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。
【００３１】
基本パルス電圧の振幅Ｈｎは一定とし、周波数（周期２Ｔｎ）は、可動子１５０の共振周波数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３０１を印加した直後の過渡状態を経過すると可動子１５０がほぼ一定の振幅と駆動電圧３０１の周波数で振動する。この状態をアクチュエータ１００の定常状態という。定常状態ではアクチュエータ１００の最大の振動加速度は振幅Ｈｎに応じた一定の値になる。コントローラ２１７は、すべての基本パルス電圧Ｐを図６に示す小パルス電圧Ｓでスイッチング制御して、定常状態の振動加速度を制御することができる。
【００３２】
［衝撃モードで印加する駆動電圧］
図５は、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ための図である。駆動電圧３０５は、駆動回路２１９が直流電圧ＶHから生成した交流の７個の基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ７で構成されている。駆動電圧３０５は、６個の加速用の基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６と、それに続く減速用の基本パルス電圧Ｐ７を含む。
【００３３】
以後加速に利用する基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６を加速パルス電圧３０５ａといい、減速に利用する基本パルス電圧Ｐ７を減速パルス電圧３０５ｂという。アクチュエータ１００は、加速パルス電圧３０５ａのうち最後尾の基本パルス電圧Ｐ６で最大振動加速度Ｇ６を得るようになっている。加速パルス電圧３０５ａの個数は、特に限定しないが衝撃性の触覚フィードバックにはできるだけ少ないほうが望ましい。また、減速パルス電圧３０５ｂの個数は複数でもよい。
【００３４】
駆動電圧３０５の振幅Ｈは一定とし、周波数（周期２Ｔ）は、共振周波数とそれより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することができる。振動波形３１１は、左右に振動する可動子１５０の最大振幅の位置でピーク値Ｑ１〜Ｑ７を示している。振動加速度３０７は、加速度波形３１１のピークツーピークの値に対応し、駆動電圧３０５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振動加速度を示している。
【００３５】
この例では、時刻ｔ０で先頭の基本パルス電圧Ｐ１が印加され、後続の基本パルス電圧Ｐ２〜Ｐ５が印加されるにしたがって振動加速度Ｇ１〜Ｇ６と振動周波数が徐々に上昇し、基本パルス電圧Ｐ６を印加した時刻ｔ１で振動周波数がほぼ共振周波数に達して所望の振動加速度（最大振動加速度）Ｇ６が得られるようになっている。最大振動加速度Ｇ６を得るために必要な基本パルス電圧の数は、アクチュエータごとに決めておくことができる。
【００３６】
時刻ｔ２以降も加速パルス電圧３０５ａの印加を継続すれば、やがて振動モードに移行して定常振動をする。ただし、この場合の振動加速度は駆動電圧の波高値がＶHであるため、波高値がＶLの駆動電圧による振動モードの振動加速度より大きい。時刻ｔ０〜ｔ１で発生する短時間の強い振動を、人間は指先で一過性の振動すなわち衝撃として感じる。減速パルス電圧３０５ｂを印加しない場合には、時刻ｔ１以降で加振力がなくなるため可動子１５０は自由振動（残振動）をする。
【００３７】
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、衝撃を発生した後は、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。コントローラ２１７は、時刻ｔ１であらかじめ決められた加速パルス電圧３０５ａの印加が終了すると、加速パルス電圧３０５ａの周波数より位相が１８０度進んだ減速パルス電圧３０５ｂを制動電圧として印加することで残振動を短時間で減衰させる。
【００３８】
ユーザが感じる衝撃性の触覚フィードバックは、最大振動加速度Ｇ６の大きさが支配的である。最大振動加速度は加速パルス電圧３０５ａの最後尾の基本パルス電圧が印加されたときに発生する。駆動電圧３０５では、加速パルス電圧３０５ｂの個数を調整することで最大振動加速度を離散的な振動加速度Ｇ１〜Ｇ６の範囲で調整することができるが、ユーザの好みに応じてきめ細かく調整できれば都合がよい。
【００３９】
［最大振動加速度Ｇ６の調整］
実験では、加速パルス電圧３０５ａを構成するすべての基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６が所定のデューティ比の小パルス電圧になるようにＰＷＭ制御すると、最大振動加速度Ｇ６をデューティ比αで円滑に調整できないことがわかっている。本実施の形態では一例として図６に示すように先頭の基本パルス電圧Ｐ１だけが小パルス電圧ＳになるようにＰＷＭ制御して平均電圧を低下させる。
【００４０】
このようなＰＷＭ制御を基本パルス電圧のオン・デューティをＰＷＭ制御する方式と区別する意味で、基本パルス電圧を小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御するということにする。基本パルス電圧Ｐ１の半周期Ｔに対して小パルス電圧Ｓの周期をｘＴ（ｘ＜１）とすれば、基本パルス電圧Ｐ１を１／ｘ個の小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御することができる。小パルス電圧Ｓのデューティ比をαとすれば、小パルス電圧Ｓのパルス幅はαｘＴとなる。
【００４１】
図７は、小パルス電圧Ｓのデューティ比αを変化させることで最大振動加速度Ｇ６と振動加速度Ｇ５の間で変化する振動加速度Ｇ６ｘの実験結果を示している。ここで、デューティ比αが０％のときの振動加速度Ｇ６ｘは５個の基本パルス電圧で生成する最大の振動加速度Ｇ５に相当し、デューティ比αが１００％のときの振動加速度Ｇ６ｘは６個の基本パルス電圧が生成する最大振動加速度Ｇ６に相当する。
【００４２】
実験では一例として、駆動電圧３０５の周波数を１５６Ｈｚとし、小パルス電圧Ｓの周波数を１０ＫＨｚとしている。小パルス電圧Ｓのデューティ比αを０％から１００％まで変化させたときに、デューティ比αが５０％のときは振動加速度Ｇ６ｘがほぼ５０％近くになり、全体的に振動加速度Ｇ６ｘは直線に近い状態で変化する。したがって、先頭の基本パルス電圧Ｐ１のデューティ比αを変化させることで振動加速度Ｇ６ｘを振動加速度Ｇ５から最大振動加速度Ｇ６の範囲で円滑に調整することができる。
【００４３】
システム２２１は、タッチスクリーン１１にデューティ比αに対応する０−１００のスライド・バーを表示することができる。ユーザがスライド・バーのボタンにタッチ操作してデューティ比αをコントローラ２１７に設定すれば、衝撃の強さをスライド・バーのボタンの位置から直感的に認識して調整することができる。
【００４４】
図８は、ＰＷＭ制御による平均電圧の制御対象とする基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６の範囲を検証するために行った実験方法を説明するための図である。駆動電圧３０５Ｐ１〜３０５Ｐ６は、６個の加速パルス電圧３０５ａのなかでいずれか１個の基本パルス電圧だけを小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御することを示している。たとえば、駆動電圧３０５Ｐ２は、基本パルス電圧Ｐ２だけを小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御し、その他の基本パルス電圧Ｐ１、Ｐ３〜Ｐ６は基本パルス電圧にすることを示している。先頭の基本パルス電圧Ｐ１だけをＰＷＭ制御する駆動電圧３０５Ｐ１は、図６の駆動電圧３０５に一致する。
【００４５】
図９は、このときの実験結果を示している。図９は、すべての駆動電圧３０５Ｐ１〜３０５Ｐ６において、ＰＷＭ制御の対象とする基本パルス電圧のデューティ比αを５０％にしたときの振動加速度Ｇ６ｘを図７にプロットしたものである。デューティ比αを５０％にしたときの振動加速度Ｇ６ｘが５０％であれば、０％〜１００％の間で任意に設定したデューティ比αと振動加速度Ｇ６ｘ（％）がほぼ比例するため、ユーザは、タッチスクリーン１１に表示されたスライド・バーのボタン位置から認識した振動強度に容易に設定できる。
【００４６】
図９は、ＰＷＭ制御の対象とする基本パルス電圧が、最後尾の基本パルス電圧Ｐ６に近いほど振動加速度Ｇ６ｘが小さくなることを示している。しかし、すべての基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６をＰＷＭ制御したときのように、得られる振動加速度Ｇ６ｘが不安定になることはない。基本パルス電圧に設定するデューティ比αの大きさは、当該基本パルス電圧の印加で可動子１５０を振動させる際に消費するエネルギーに比例する。
【００４７】
制御対象の基本パルス電圧が、ともにデューティ比αが５０％で同じエネルギーを消費する場合に、駆動電圧３０５Ｐ６は駆動電圧３０５Ｐ１に比べて得られる振動加速度Ｇ６ｘが小さい。したがって、振動加速度Ｇ６ｘを調整する際のエネルギー効率は、先頭に近い基本パルス電圧をＰＷＭ制御するほど高くなる。同じデューティ比αでＰＷＭ制御された基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６がアクチュエータ１００に供給するエネルギーまたは加振力はそれぞれ等しいにもかかわらず、先頭に近い基本パルス電圧の平均電圧を制御すると、振動加速度Ｇ６ｘ（％）がデューティ比αに近づく理由は以下のように推察できる。
【００４８】
振動を開始した直後の可動子１５０の振動周波数は、共振周波数から大きく外れているが、印加される基本パルス電圧の数が増えるに従って駆動電圧の周波数すなわち共振周波数に近づき、最後尾の基本パルス電圧Ｐ６が印加されるときにほぼ共振周波数に到達する。共振周波数に近い振動周波数で振動する可動子１５０に対する加振力の変化は、共振周波数から外れた振動周波数で振動する可動子１５０に対する加振力の変化よりも振動加速度に大きな影響を与えると考えられる。
【００４９】
また、基本パルス電圧Ｐ１〜Ｐ６をすべて小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御すると、デューティ比αを変えたときに得られる振動加速度Ｇ６ｘが不安定になる。このとき、いずれか１個の基本パルス電圧だけをＰＷＭ制御すると不安定さが解消される理由は、ＰＷＭ制御された基本パルス電圧にリンギングにより発生する高調波成分の量が多くなるほど可動子１５０の振動に大きな影響を与えているためと考えられる。
【００５０】
さまざまな実験と考察により、ＰＷＭ制御の対象とする基本パルス電圧の数を加速パルス電圧３０５ａの数よりも少ない数にすること、およびできるだけ先頭に近い基本パルス電圧を制御対象とすることで振動加速度Ｇ６ｘをデューティ比αで調整できることがわかった。このときＰＷＭ制御の対象とする基本パルス電圧の数は複数個でもよい。なお本実施の形態ではスイッチング制御の方式をＰＷＭ制御に限定する必要はなくＰＦＭ制御を採用することもできる。
【００５１】
図１０は、基本パルス電圧のパルス幅をＰＷＭ制御する方法を説明する図である。図１０は、半周期Ｔの基本パルス電圧をデューティ比βでＰＷＭ制御する様子を示している。基本パルス電圧のパルス幅をＰＷＭ制御すれば、図６のように基本パルス電圧を小パルス電圧ＳでＰＷＭ制御する場合に比べて、リンギングが少なくスイッチング・ロスを軽減することもできる。
【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  スマートフォン
１１  タッチスクリーン
１００  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、３０５Ｐ１〜３０５Ｐ６  駆動電圧
３０５ａ  加速パルス電圧
３０５ｂ  減速パルス電圧
Ｐ１〜Ｐ６  基本パルス電圧
Ｐ７  制動パルス電圧
Ｓ  小パルス電圧
Ｔ  基本パルス電圧の周期
【図１】
2018195124.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月10日(2018.7.10)
【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】
電子機器に衝撃を付与する触覚フィードバック・システムであって、
往復動作をするハプティク・アクチュエータと、
前記ハプティク・アクチュエータに所定数の加速用の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に指示して、最後尾の前記基本パルス電圧より前に印加する前記基本パルス電圧の平均電圧を制御するコントローラと
を有する触覚フィードバック・システム。
【請求項２】
前記コントローラは、いずれか１個の前記基本パルス電圧の平均電圧を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項３】
前記コントローラは、先頭の前記基本パルス電圧だけの平均電圧を制御する請求項２に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記基本パルス電圧を複数の小パルス電圧で構成するようにスイッチング制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記基本パルス電圧のパルス幅を制御する請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記ハプティク・アクチュエータにそれぞれスイッチング制御した連続する基本パルス電圧を印加して定常振動を発生させる請求項１に記載の触覚フィードバック・システム。
【請求項７】
タッチスクリーンと、
前記タッチスクリーンに衝撃を付与するリニア・アクチュエータと、
前記リニア・アクチュエータに所定数の加速用の基本パルス電圧と、減速用の基本パルス電圧で構成した駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記駆動回路に指示して、最後尾の前記加速用の基本パルス電圧より前に印加する前記基本パルス電圧が前記リニア・アクチュエータに付与する加振力を制御するコントローラと
を有する電子機器。
【請求項８】
往復動作をするハプティク・アクチュエータの衝撃性の振動強度を調整する方法であって、
制御対象の基本パルス電圧と非制御対象の基本パルス電圧で構成した加速用の基本パルス電圧の数を決定するステップと、
前記ハプティク・アクチュエータに前記制御対象の基本パルス電圧を印加するステップと、
前記制御対象の基本パルス電圧に続いて前記非制御対象の基本パルス電圧を印加するステップと、
前記制御対象の基本パルス電圧が前記ハプティク・アクチュエータに供給するエネルギーを調整するステップと
を有する方法。
【請求項９】
前記調整するステップが、前記制御対象の基本パルス電圧を所定のデューティ比でスイッチング制御するステップを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記調整するステップが、すべての前記基本パルス電圧を印加したときの振動強度とそれより１個少ない前記基本パルス電圧を印加したときの振動強度の間で調整する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
すべての前記基本パルス電圧を、前記ハプティク・アクチュエータの過渡振動領域で印加する請求項８に記載の方法。