(57)【要約】【課題】多様な周波数で振動する振動アクチュエータを提供する。【解決手段】振動アクチュエータ１は、錘部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとバネ部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを備えて一方向に振動自在に支持される複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを支持する支持体２と、複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを一方向に振動させる駆動部３とを備え、複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、それぞれ異なる共振周波数を有しており、駆動部３は、異なる共振周波数の1つに対応した駆動信号で駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錘部とバネ部を備えて一方向に振動自在に支持される複数の振動子と、
前記複数の振動子を支持する支持体と、
前記複数の振動子を一方向に振動させる駆動部とを備え、
前記複数の振動子は、それぞれ異なる共振周波数を有しており、
前記駆動部は、異なる共振周波数の1つに対応した駆動信号が入力されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動信号は、高周波数から低周波数に至る周波数帯域の駆動波形から、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタのいずれかを介して選択された駆動波形を有することを特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動部は、前記支持体を直線的に振動させることを特徴とする請求項１又は２記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか1項に記載の振動アクチュエータを備えたハプティクスデバイス。
【請求項５】
タッチ入力の位置によって異なる共振周波数の駆動信号を出力する制御部を備え、該駆動信号によって前記振動アクチュエータが駆動されることを特徴とする請求項４記載のハプティクスデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動アクチュエータは、携帯電子機器に内蔵され、着信やアラームなどの信号発生等を振動によって携帯者に伝える装置として広く普及しており、携帯者が身につけて持ち運ぶウエアラブル電子機器においては、不可欠な装置になっている。また、振動アクチュエータは、タッチパネルなどのヒューマン・インターフェイスにおけるハプティクス（皮膚感覚フィードバック）を実現する装置として、近年注目されている。
【０００３】
振動アクチュエータは、錘とバネを備えた可動子を固定子に振動自在に支持して、コイルとマグネットの一方を可動子側に取り付け、他方を固定子側に取り付けて、錘とバネによって定まる共振周波数（固有振動数）の駆動信号（駆動パルス）をコイルに通電することで、可動子を大きな振幅で振動させている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１８２５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の振動アクチュエータは、共振周波数のピークを１つしか持っておらず、共振周波数周辺の狭い周波数幅の駆動信号を用いて駆動しており、この共振周波数から離れた周波数の駆動信号では、可動子を大きな振幅で振動させることができない。このため、ある特定の周波数でしか振動しないデバイスとなっており、振動周波数を変化させた多様な振動を得ることができない。
【０００６】
ハプティクスデバイスに振動アクチュエータを用いる場合、感度の高い人の皮膚は、様々な周波数の振動を異なる振動として感知することができるので、操作入力によってデバイスが発生する信号を、振動によって操作者（人）にフィードバックさせる際に、多様な振動周波数で振動する振動アクチュエータがあれば、振動によって異なる信号を操作者にフィードバックすることが可能になる。
【０００７】
本発明は、このような事情に対処するために提案されたものである。すなわち、多様な周波数で振動する振動アクチュエータを提供すること、これによって、ハプティクスデバイスの操作性を向上させること、などを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。
錘部とバネ部を備えて一方向に振動自在に支持される複数の振動子と、前記複数の振動子を支持する支持体と、前記複数の振動子を一方向に振動させる駆動部とを備え、前記複数の振動子は、それぞれ異なる共振周波数を有しており、前記駆動部は、異なる共振周波数の1つに対応した駆動信号が入力されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの構成を示す説明図である。
【図２】振動アクチュエータの駆動部を示す説明図である。
【図３】駆動信号の入力方式の一例を示す説明図である。
【図４】振動アクチュエータの適用例（タッチ入力装置）を示した説明図である。
【図５】振動アクチュエータの適用例（疑似手術装置）を示した説明図である。
【図６】疑似手術装置のシステム構成（（ａ）が手術対象表示装置のシステム構成、（ｂ）が模擬メス装置のシステム構成）を示す説明図である。
【図７】疑似手術装置の動作フローを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。
【００１１】
図１に示すように、振動アクチュエータ１は、複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備えており、複数の振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、支持体２に一方向に振動自在に支持されている。図示の例では、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、３個設けているが、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。
【００１２】
振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、それぞれ錘部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、バネ部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを備えており、錘部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの質量とバネ部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのバネ定数を適宜変えることで、各振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、異なる共振周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）を有している。なお、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃの共振周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）は、錘部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの質量をｍ１，ｍ２，ｍ３とし、バネ部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのバネ定数をｋ１，ｋ２，ｋ３とすると、ｆ１＝（ｋ１／ｍ１）1/2，ｆ２＝（ｋ２／ｍ２）1/2，ｆ３＝（ｋ３／ｍ３）1/2となる。また、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、同一方向に振動自在に支持されており、図示の例では、直線的な一方向に沿って振動（リニア振動）自在に支持されている。
【００１３】
振動アクチュエータ１は、図２に示すように、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを一方向に振動させる駆動部３を備えている。図示の例では、支持体２にマグネット３Ａを固定し、コイル３Ｂを他の支持部材に固定することで、支持体２を一方向に振動させる駆動部３を設けているが、これに限らず、支持体２にマグネット３Ａ又はコイル３Ｂの一方を設け、錘部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにマグネット３Ａ又はコイル３Ｂの他方を設けるようにしてもよい。
【００１４】
駆動部３には、図２に示すように、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃの異なる共振周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）の１つに対応した周波数の駆動信号が入力される。すなわち、駆動部３のコイル３Ｂに、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のいずれかの駆動波形を有する交番電流（パルス電流）が入力される。
【００１５】
このような振動アクチュエータ１は、入力される駆動信号の周波数がｆ１に対応する場合には、振動子１Ａを共振させて大振幅で振動させることができ、入力される駆動信号の周波数がｆ２に対応する場合には、振動子１Ｂを共振させて大振幅で振動させることができ、入力される駆動信号の周波数がｆ３に対応する場合には、振動子１Ｃを共振させて大振幅で振動させることができる。このように、入力する駆動信号の周波数を変えることで、振動アクチュエータ１を異なる周波数で振動させることができる。
【００１６】
図３は、駆動信号の入力方式の一例を示してる。ここでは、振動子１Ａ，１Ｂ，１Ｃの共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３がｆ１（高周波数）＞ｆ２（中周波数）＞ｆ３（低周波数）の関係にある場合に、ハイパスフィルタ４Ａ、バンドパスフィルタ４Ｂ，ローパスフィルタ４Ｃを有するフィルタ４を用いて駆動信号を生成している。すなわち、高周波数ｆ１から低周波数ｆ３に至る周波数帯域の駆動波形信号をフィルタ４に入力し、ハイパスフィルタ４Ａによって周波数ｆ１の波形信号を選択し、バンドパスフィルタ４Ｂによって周波数ｆ２の波形信号を選択し、ローパスフィルタ４Ｃによって周波数ｆ３の波形信号を選択する。そして、スイッチング素子５によって出力端子を選択することで、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のいずれかの駆動波形を有する駆動信号を駆動部３に入力する。
【００１７】
このような振動アクチュエータ１は、各種のハプティクスデバイスにおいて効果的に操作性を高めることができる。図４は、振動アクチュエータ１をハプティスデバイスの１つであるタッチ入力装置に適用した例を示している。このタッチ入力装置は、タッチパネル６Ａを備えるタブレットＰＣ６と、振動アクチュエータ１が内蔵されたペン式入力装置７を備えており、タブレットＰＣ６とペン式入力装置７は、有線又は無線通信（「Bluetooth」（登録商標）など）によって信号を送受信可能に接続されている。そして、タッチパネル６Ａのタッチ入力部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…は、それぞれタッチ入力によって異なる信号をペン式入力装置７に出力し、ペン式入力装置７は、異なる信号が入力されると、異なる周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，…のいずれかの駆動信号で振動アクチュエータ１を駆動する。
【００１８】
このようなタッチ入力装置によると、操作者は、タッチパネル６Ａの異なるタッチ入力部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，…のいずれをタッチ入力しているかを振動アクチュエータ１の振動周波数の違いで認識することができる。これによって、タッチ入力の誤操作を抑止することが可能になり、例えば視覚障害のある操作者の誤操作を効果的に抑止することができる。
【００１９】
図５〜図７によって、前述した振動アクチュエータ１を適用したハプティクスデバイスの他の例である疑似手術装置１００を説明する。疑似手術装置１００は、手術対象表示装置１０１と模擬メス装置１０２を備える。手術対象表示装置１０１は、表示画面１０１Ｓに疑似手術の対象となる臓器などの画像を表示する。表示画面１０１Ｓ上がタッチ入力部となっており、疑似手術装置１００は、表示画面１０１Ｓ上を模擬メス装置１０２の先端でタッチすることにより、正しい箇所に模擬メス装置１０２の先端が当たっているかを否かを、振動によって模擬メス装置１０２を持つ手Ｈにフィードバックする。手術対象表示装置１０１と模擬メス装置１０２の一方又は両方に、前述した振動アクチュエータ１が装備されている。
【００２０】
このような疑似手術装置１００のシステム構成は、図６に示すとおりであり、この例では、手術対象表示装置１０１と模擬メス装置１０２が、共に、制御部１０１Ａ，１０２Ａ、タッチ入力部１０１Ｂ，１０２Ｂ、表示部１０１Ｃ，１０２Ｃ、記憶部１０１Ｄ，１０２Ｄ、通信部１０１Ｅ，１０２Ｅ、振動制御部１０１Ｆ，１０２Ｆ、振動アクチュエータ１（１０１Ｇ，１０２Ｇ）を備えている。
【００２１】
制御部１０１Ａ，１０２Ａは、ＣＰＵなどの演算処理装置（プロセッサ）によって構成され、各部の動作を制御する。手術対象表示装置１０１のタッチ入力部１０１Ｂは、表示部１０１Ｃの表示画面１０１Ｓの２次元座標位置に対応したタッチ位置を出力する。手術対象表示装置１０１の表示部１０１Ｃは、疑似手術を行う臓器画像などを表示画面１０１Ｓに表示する。模擬メス装置１０２のタッチ入力部１０２Ｂは、模擬メス装置１０２の先端が表示画面１０１Ｓにタッチしたことを検知する。模擬メス装置１０２の表示部１０２Ｃは、操作時間など各種の情報を必要に応じて表示する。
【００２２】
記憶部１０１Ｄ，１０２Ｄには、画像データや画像データと振動形態との対応をマッピングした振動形態マップなどのデータが保存されている。通信部１０１Ｅ，１０２Ｅは、手術対象表示装置１０１のシステムと模擬メス装置１０２のシステムを無線又は有線の通信回線で接続するためのインターフェースである。振動制御部１０１Ｆ，１０２Ｆは、制御部１０１Ａ，１０２Ａからの振動命令によって振動アクチュエータ１（１０１Ｇ，１０２Ｇ）を駆動制御する。
【００２３】
このようなシステム構成を有する疑似手術装置１００の動作は、図７に示すように、表示画面１０１Ｓ上のタッチ入力部１０１Ｂに対して模擬メス装置１０２のタッチ入力部１０２Ｂのタッチ検出が確認されると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、タッチ入力部１０１Ｂにおけるタッチ位置が検出され（ステップＳ２）、表示画面１０１Ｓに表示されている画像とタッチ位置との関係から、タッチ位置の画像が抽出される（ステップＳ３）。
【００２４】
そして、ステップＳ３で抽出された画像に対応する振動形態が、画像データと振動形態との関係をマッピングした振動形態マップから抽出される（ステップＳ４）。ここで、振動形態マップには、表示画面１０１Ｓに表示された臓器などの画像を、血管（動脈と静脈）画像や各臓器の部位毎の画像などに区分し、区分された複数の画像データと振動形態（共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３…、或いは振動パターンなど）とが対応するようにマッピングされている。これによって、例えば、模擬メス装置１０２の先端が表示画面１０１Ｓにおける静脈血管画像の位置にタッチしたとすると、その静脈血管画像に対応した振動形態（例えば、共振周波数ｆ１）が抽出されることになり、また、模擬メス装置１０２の先端が表示画面１０１Ｓにおける異なる画像（動脈血管画像）の位置にタッチしたとすると、その画像に対応した振動形態（例えば、共振周波数ｆ２）が抽出されることになる。
【００２５】
このように、タッチした画像に対応した振動形態が抽出されると、制御部１０１Ａ（又は１０２Ａ）は、抽出された振動形態を元に振動指令を作成し（ステップＳ５）、直接又は通信部１０１Ｅ，１０２Ｅを介して、振動制御部１０１Ｆ，１０２Ｆに振動指令を出力（又は送信）する（ステップＳ６）。これによって、振動制御部１０１Ｆ，１０２Ｆは、振動指令に基づく駆動信号によって振動アクチュエータ１（１０１Ｇ，１０２Ｇ）を駆動する。
【００２６】
このような疑似手術装置１００によると、表示画面１０１Ｓ上における所望の画像の位置（メスを入れようとする臓器や血管など画像の位置）に正しく模擬メス装置１０２の先端がタッチしているか否かを、操作者は振動の形態によって把握することができる。これによって、実際の手術を行う前のトレーニング（疑似手術）を効果的に行うことができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１（１０１Ｇ，１０２Ｇ）：振動アクチュエータ，
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：振動子，２：支持体，
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：錘部，
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ：バネ部，
３：駆動部，３Ａ：マグネット，３Ｂ：コイル，
４：フィルタ，４Ａ：ハイパスフィルタ，４Ｂ：バンドパスフィルタ，
４Ｃ：ローパスフィルタ，５：スイッチング素子，
６：タブレットＰＣ，６Ａ：タッチパネル，７：ペン式入力装置，
１００：疑似手術装置，１０１：手術対象表示装置，１０１Ｓ：表示画面，
１０２：模擬メス装置，１０１Ａ，１０２Ａ：制御部，
１０１Ｂ，１０２Ｂ：タッチ入力部，１０１Ｃ，１０２Ｃ：表示部，
１０１Ｄ，１０２Ｄ：記憶部，１０１Ｅ，１０２Ｅ：通信部，
１０１Ｆ，１０２Ｆ：振動制御部
【図１】
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【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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