(57)【要約】触覚アクチュエータシステムおよびそれを作製する方法は、超音波振動モータ本体を含む。振動モータ本体にはシャフトが連結し、振動モータ本体に反応して少なくとも一方向に回転するように配置されている。シャフトには、それとともに動くことができる少なくとも１つのアンバランスマスが連結されており、シャフトの動きに反応して、人が感知可能な振動を生成する。2013523438.tif 000003
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動モータ本体と、
前記振動モータ本体に連結されており、前記振動モータ本体に反応して少なくとも一方向に回転するように配置されたシャフトと、
前記シャフトに連結され、かつ前記シャフトとともに動くことが可能であり、前記シャフトの動きに反応して、人が感知可能な振動を生成する少なくとも１つのアンバランスマスと
を備える、触覚アクチュエータシステム。
【請求項２】
前記超音波振動モータ本体が、前記超音波振動モータ本体の軸と平行な直交する２つの面の各々において、第一曲げモードにおいて超音波によって振動するように構成された管状本体をさらに備え、かつ、前記回転シャフトがさらに、前記アンバランスマスを回転させることにより、前記人が感知可能な振動を生じる求心力を生成する、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項３】
前記管状本体が、その外面において少なくとも１つの圧電板に連結され、前記少なくとも１つの圧電板の面が、前記振動モータ本体の前記軸と平行であり、前記少なくとも１つの圧電板が、電気的にエネルギーが加えられると、前記振動モータ本体の前記軸と平行な直交する２つの面における、共振曲げモードにおいて、前記シャフトを少なくとも一方向に回転させる超音波振動を生成することにより、前記管状本体を屈曲するように構成されている、請求項２記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項４】
前記超音波振動が、実質的に９０度の位相シフトと前記管状本体の断面形状に応じた実質的に同一の振幅とを有する前記共振曲げモード各々の平均振動数において生じる、請求項３記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項５】
前記管状本体がその外面上で少なくとも２つの圧電板に連結され、前記少なくとも２つの圧電板の各面が前記振動モータ本体の前記軸と平行である、請求項２記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項６】
前記少なくとも２つの圧電板が、２つの各駆動波形によって電気的にエネルギーを加えられることにより、２つの各直交面に、第１および第２の直交曲げモードの平均振動数において前記管状本体に振動を生じさせ、前記管状本体の断面形状に応じて実質的に同一の振幅および９０度の位相シフトを有し、前記生じた振動が前記シャフトを少なくとも一方向に回転させる、請求項５記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項７】
前記超音波振動モータ本体が、前記超音波振動モータ本体の内面の内径において、２つの円筒状ブッシングにおいて前記シャフトに摩擦で接続された管状本体を備える、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項８】
前記２つの円筒状ブッシングのうちの第１のブッシングが前記管状本体の実質的に一端に配置されており、前記２つの円筒状ブッシングのうちの第２のブッシングが前記管状本体の実質的に中央部に配置されている、請求項７記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項９】
前記２つの円筒状ブッシングが、前記管状本体の各対応する端部に配置されている、請求項７記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、前記シャフトの一端に固定された一体成形のマスである、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、前記シャフトの対向する両端にそれぞれ固定された２つのマスを含む、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、前記管状本体の各端部に位置する２つの円筒状ブッシング間の、前記超音波振動モータ本体の前記管状本体内部の前記シャフトに固定された一体成形のマスである、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１３】
前記シャフトに連結された低摩擦接触面をともなうバネであって、前記シャフトに半径方向力を加えることにより、前記超音波振動モータ本体と前記シャフトとの１つ以上の接点における摩擦力を増大し、前記シャフトの実質的にゼロ速度における前記超音波振動モータ本体に関連するモータトルクを増大するように構成されているバネをさらに備える、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１４】
前記超音波振動モータ本体にエネルギーを加えるための１つ以上の信号を提供するように構成された、前記超音波振動モータ本体のハウジング内部の統合された駆動回路をさらに備える、請求項１記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１５】
前記統合された駆動回路が、１つ以上のフルブリッジ駆動回路およびデジタル制御論理を備える、請求項１４記載の触覚アクチュエータシステム。
【請求項１６】
超音波振動モータ本体を提供する段階と、
前記振動モータ本体に反応して少なくとも一方向に回転するように配置されたシャフトを前記振動モータ本体に連結する段階と、
少なくとも１つのアンバランスマスを前記シャフトに連結し、当該シャフトの動きに反応して人が感知可能な振動を生成するように、前記シャフトにより前記アンバランスマスを動かす段階と
を含む、触覚アクチュエータシステムを作製する方法。
【請求項１７】
前記超音波振動モータ本体が、前記超音波振動モータ本体の軸と平行な直交する２つの面の各々において、第一曲げモードにおいて超音波によって振動するように構成された管状本体をさらに備え、かつ、前記回転シャフトがさらに、前記アンバランスマスを回転させることにより、前記人が感知可能な振動を生じる求心力を生成する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記管状本体が、その外面において少なくとも１つの圧電板に連結され、前記少なくとも１つの圧電板の平面が前記振動モータ本体の前記軸と平行であり、前記少なくとも１つの圧電板は、電気的にエネルギーが加えられると、前記管状本体の前記軸と平行な直交する２つの面において、共振曲げモードにおいて、前記シャフトを少なくとも一方向に回転させる超音波振動を生成することにより、前記振動モータ本体を屈曲するように構成されている、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記超音波振動が、実質的に９０度の位相シフトおよび前記管状本体の断面形状に応じた実質的に同一の振幅を有する前記共振曲げモードの各々の平均振動数において生じる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記管状本体が、その外面上で少なくとも２つの圧電板に連結され、前記少なくとも２つの圧電板の各面が、前記振動モータ本体の前記軸と平行である、請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも２つの圧電板が、２つの各駆動波形によって電気的にエネルギーを加えられ、２つの各直交面に、第１および第２の直交曲げモードの平均振動数において前記管状本体に振動を生じさせ、前記管状本体の断面形状に応じて実質的に同一の振幅および９０度の位相シフトを有し、前記生じた振動は前記シャフトを少なくとも一方向に回転させる、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記超音波振動モータ本体が、前記超音波振動モータ本体の内面の内径において、２つの円筒状ブッシングにおいて前記シャフトに摩擦で接続されている管状本体を備える、請求項１６記載の方法。
【請求項２３】
前記２つの円筒状ブッシングのうちの第１のブッシングを前記管状本体の実質的に一端に配置し、前記２つの円筒状ブッシングのうちの第２のブッシングを前記管状本体の実質的に中央部に配置する、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記２つの円筒状ブッシングを前記管状本体の各対応する端部に配置する、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、前記シャフトの一端に固定された一体成形のマスである、請求項１６記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、前記シャフトの対向する両端それぞれに固定された２つのマスを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのアンバランスマスが、管状本体の各端部に位置する２つの円筒状ブッシング間の、前記超音波振動モータ本体の管状本体内部の前記シャフトに固定された一体成形のマスである、請求項１６記載の方法。
【請求項２８】
前記シャフトに連結され、前記シャフトに半径方向力を加え、前記超音波振動モータ本体と前記シャフトとの１つ以上の接点における摩擦力を増大し、前記シャフトの実質的にゼロ速度における前記超音波振動モータ本体に関連するモータトルクを増大するように構成された、低摩擦接触面をともなうバネを提供する段階をさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２９】
前記超音波振動モータ本体にエネルギーを加えるための１つ以上の信号を提供するように構成された前記超音波振動モータ本体のハウジング内部に、統合された駆動回路を提供する段階をさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項３０】
前記統合された駆動回路が、１つ以上のフルブリッジ駆動回路およびデジタル制御論理を備える、請求項２９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的な実施形態は、一般的に触覚アクチュエータシステムに関するものであり、より具体的には、回転軸と垂直の振動求心力を生成するアンバランスマスをともなう回転シャフトを含む圧電超音波モータ、およびそれに関する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話および例えばゲームコントローラなどの他の電子デバイスは、可聴音を発せずに触覚のみを通じて知覚されるイベントを信号で伝える加振源を必要とする。例えば、これらのイベントには、電話の着信、テキストメッセージの着信、またはコンピュータビデオゲームにおけるバーチャル飛行機の周囲に生じた乱気流が含まれてもよい。加振源が生成する振動は、デバイスを保持する人が知覚できる程度に十分に強くなくてはならない。これらの加振源は、最も一般的には振動モータまたは触覚アクチュエータと呼ばれる。振動モータの１つの一般的な種類は、回転シャフト、およびこのシャフトに取り付けられており、回転軸と垂直の振動求心力を生成するアンバランスマスを備えた電磁モータである。現在、毎年１０億超の振動モータが製造されており、その標準的な回転速度は１００〜３００Ｈｚであり、そして標準的な求心力は０．１〜１Ｎである。
【０００３】
例示の電磁回転振動モータは、日本国の東京都にあるＭｉｎｅｂｅａ  Ｍｏｔｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ、日本国の長野県にあるＳａｎｙｏ  Ｓｅｉｔｍｉｔｓｕ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．、および中国の浙江省にあるＫＴＯＬ−Ｊｉｎｌｏｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ＆  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．を含む多くの企業が生産している。振動モータには、管状および円盤状といったいくつかの種類がある。例えば、ある種類の最小の管状モータの直径は約４ｍｍ、全長は約６ｍｍであり、延在したシャフトに取り付けられたアンバランスなタングステンマスを有し、モータの一端から延在する約４ｍｍのシャフトを備えている。最小の円盤状モータの直径は１０ｍｍ、厚さは２ｍｍであり、モータハウジングの内部で回転するタングステンマスを有する。両方の種類のモータについて、従来の直流（ＤＣ）モータ設計を利用してトルクを生成することにより、シャフトを回転させる。この従来のモータ設計は、銅コイル、鉄心、永久磁石、並びにブラシおよび電機子を用いたコイルスイッチングを含む。タングステンはその密度が鋼鉄の密度の２倍超あるため、マスに用いられる。管状モータでは、標準的なタングステンマスは０．４グラムであり、アンバランスマスを作るための、回転軸の中心線から１ｍｍの重心オフセットを有する。この例では、例えば、２００Ｈｚ（１２５６Ｒａｄ／ｓｅｃ）でマスが回転すると、生じる求心力はＦｃ＝（マス質量）×（角速度）２×（オフセット半径）、すなわち、０．０００４ｋｇ×（１２５６Ｒａｄ／ｓｅｃ）２×０．００１Ｍであり、Ｆｃ＝０．６３Ｎである。この動的な力は、携帯電話機全体を加速し、ユーザが知覚可能な振動を作るのに十分な大きさである。
【０００４】
不運にも、直流振動モータなどの既存の電磁モータの制限は、干渉磁場を生成すること、およびそれらが強磁性体および導電体によって構成されることである。これらのモータにより生じる磁気妨害は、コンパスなどの、携帯電話内の他のデバイスの動作を妨げる。この問題は、携帯電話が追加デバイスを加えるごとに深刻になり、さらには、定格のさらなる低減が続いている。直流モータはまた、無線周波数（ＲＦ）を通さない導電体から作製され、無線通信デバイスの無線アンテナ付近には配置できない。
【０００５】
圧電超音波モータなどのセラミックモータは、磁場を生成せず、強磁性体ではなく、実質的に無線周波数を通す非導電体から実質的に構成することができる。非磁性のおよび無線周波数を通す圧電モータは、非常に小型化された携帯電話との一体化において多くの例示的な利点を有する。これらの圧電モータは、回転を生じさせて、振動を生成するためにも用いられる。
【０００６】
双方向に回転または並進する従来の定在波管状超音波モータは、複数の独立部分に電気的に区分された単一セラミック部品、または個々のセラミック部品のいずれかである複数の圧電セラミック素子を用いる。圧電素子は、独立回路により電気的に駆動され、位相を調整可能な二相駆動信号を用いるか、または１つの圧電素子から別の圧電素子に単相を切り替えることにより、双方向運動を生成する。これらの圧電モータは、振動管と、シャフトにトルクを生成するのに必要な接触摩擦を生じさせるために（シャフト中心線と平行の）軸方向の予負荷を利用する回転シャフトとの間に１つ以上の接点を必要とする。不運にも、摩擦トルクの生成に、軸方向の予負荷を利用するこれらの圧電モータは、通常、出力速度がより低く、効率がより低い。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
触覚アクチュエータシステムは、超音波振動モータ本体と、振動モータ本体に連結されており、振動モータ本体に反応して少なくとも一方向に回転するように配置されたシャフトと、シャフトに連結されシャフトとともに動くことができる、シャフトの動きに反応して人が感知可能な振動を生成する少なくとも１つのアンバランスマスとを含む。
【０００８】
触覚アクチュエータシステムを作製する方法は、超音波振動モータ本体を提供することと、振動モータ本体に反応して少なくとも一方向に回転するように配置されたシャフトを振動モータ本体に連結することと、少なくとも１つのアンバランスマスをシャフトに連結し、シャフトの動きに反応した、人が感知可能な振動を生成するように、シャフトを用いてアンバランスマスを動かすこととを含む。
【０００９】
この技術の種々の例示的な実施形態は多くの利点をもたらす。例えば、超音波振動モータは、一方向のシャフト回転、従来のモータよりも高い効率および回転を達成すると同時に、製造がより安価かつ簡単である。さらに、この超音波モータの例示的な実施形態では、アンバランスマスにより生成される求心力がブッシング接点で摩擦力を生じさせる、円筒状ブッシング接点をともなう定在波管設計を用いる。振動管と回転シャフトとの接触により効率を改善し、単相電子回路がシャフト回転を生じさせる定在波振動を与える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１１Ａに示す例示の触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す側面図である。
【図１Ｂ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す断面図である。
【図１Ｃ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す端面図である。
【図１Ｄ】図１５Ａおよび図１６Ａに示す触覚アクチュエータの管状モータ本体の別の例を示す側面図である。
【図１Ｅ】図１５Ａおよび図１６Ａに示す触覚アクチュエータの管状モータ本体の断面図である。
【図２】触覚アクチュエータの例示的な実施形態に用いられる多層圧電板を示す断面図である。
【図３】種々の例示的な実施形態に従う触覚アクチュエータを駆動するための駆動回路および波形を示す概略図である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、共振第一曲げ直交モードを示す図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、触覚アクチュエータの種々の実施形態に対する振動数対振幅のプロットの例を示す図である。
【図６】図６Ａ〜図７Ｃは、２つの直交共振第一曲げモードに対する振幅のリサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｌｅ）プロット（リサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）プロットとしても知られる）の例を示す図である。
【図７】図６Ａ〜図７Ｃは、２つの直交共振第一曲げモードに対する振幅のリサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｌｅ）プロット（リサジュー（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）プロットとしても知られる）の例を示す図である。
【図８Ａ】別の例の触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す側面図である。
【図８Ｂ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す断面図である。
【図８Ｃ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す端面図である。
【図８Ｄ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す側面図である。
【図８Ｅ】触覚アクチュエータの管状モータ本体を示す断面図である。
【図９】例示的な実施形態の触覚アクチュエータにおける駆動回路および波形を示す概略図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、触覚アクチュエータの管状モータ本体に対する例示の共振第一曲げ直交モードを示す図である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｃは、それぞれ、例示の触覚アクチュエータを示す側面概略図、端面概略図、および断面概略図である。
【図１２】例示の触覚アクチュエータの自由体の力解析を示す図である。
【図１３】図１３Ａ〜図１３Ｃは、それぞれ、半径方向予負荷を有する例示の触覚アクチュエータを示す端面図、側面図、および等尺図である。
【図１４】図１３Ａ〜図１３Ｃに示す例示の触覚アクチュエータにおける自由体の力解析を示す図である。
【図１５】図１５Ａ〜図１５Ｃは、それぞれ、例示の触覚アクチュエータを示す側面概略図、端面概略図、および断面概略図である。
【図１６】図１６Ａ〜図１６Ｄは、それぞれ、例示の触覚アクチュエータを示す側面概略図、端面断面図、端面図、および側面断面図である。
【図１７】触覚アクチュエータを作製する例示の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
図１Ａ〜図７Ｃを参照し、振動モータ本体１００および１００ａの例示的な実施形態を示し、記述する。より具体的には、図１Ａを参照して、振動モータ本体１００の側面図を示す。図１Ｂにより詳しく示すように、振動モータ本体１００は、振動モータ本体１００の管状本体を形成する管１０４と、圧電セラミック板１１０と、振動モータ本体１００内面の一端および中心（または、中央部）にその各々が位置する内部円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂとを備える。管１０４は、例えば、金属、ポリマおよびセラミックを含む、最高数百キロヘルツの超音波振動数において低損失および高機械的品質係数（Ｑ）で振動する固体材料から構成されてもよい。ただし、これらの性質を有する他の材料を用いてもよい。圧電セラミック板１１０（本明細書では、圧電板１１０または単に板１１０とも称する）は、高強度接着剤を用いて管１０４に接合される。ただし、他の結合法を用いてもよい。圧電セラミック板１１０は、複数の方法により、振動モータ本体１００の管１０４の外面に配置されてもよい。例えば、圧電セラミック板１１０は管状本体の軸１０５と平行な面を有する。そしてこれは、電気的にエネルギーが加えられると、振動モータ本体１００の管状本体の軸１０５と平行な直交する２つの面に、共振曲げモードにおいて超音波振動を生じさせることにより、シャフト（例えば、下記の図１１Ａに示すシャフト２１０）を少なくとも一方向に回転させて、管状本体を屈曲するように構成される。一例によると、振動モータ本体１００は、下記するように、超音波振動モータ本体を形成する。図１Ｄおよび図１Ｅを参照すると、振動モータ本体１００ａは、円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂが管１０４の両端に位置する点を除き、振動モータ本体１００と同一である。
【００１２】
図２を参照すると、例示の圧電セラミック板１１０は、外部リード線１１２および１１４それぞれに接続されている相互に組み合わされた電極１１６および１１８を備えた、同時焼成多層デバイスである。代替的に、単層の圧電板を用いて圧電セラミック板１１０を形成してもよい。一例では、図２に示す２つのＬ字型電極の両側に電圧ＶＤ１２４が印加されると、圧電セラミック板１１０の全長は、当業者に周知のｄ３３効果に起因して長さ１１１だけ変化する。圧電セラミック板１１０の作製に用いられる圧電セラミック材料、および超音波振動を生成するためのその使用方法のさらなる説明は、単なる一例として、「Ｒｅｄｕｃｅｄ−Ｖｏｌｔａｇｅ，Ｌｉｎｅａｒ  Ｍｏｔｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」と題された米国特許出願公開第２０１０／００３９７１５号に詳細が記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれ、本明細書に詳細には記述しない。
【００１３】
図１Ｂを再度参照すると、円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂは、高強度接着剤を用いて管１０４の内面に接合される。ただし、他の結合法も可能である。いくつかの例に従えば、円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂは、それぞれ図１１Ｃ、図１３Ｃおよび図１６Ｄに示す回転モータシャフト２１０、２１９および４１０と適合性のある任意の硬質および耐久性材料から構成することができる。ただし、この適合性は制限的ではない。ブッシング１０６ａおよび１０６ｂに対する例示の材料は、鋼鉄、青銅、および酸化アルミニウムを含む。ただし、他の材料を用いてもよい。
【００１４】
図３を参照すると、一例では、振動モータ本体１００は、フルブリッジ駆動回路１２０により動作し、圧電セラミック板１１０に接続されている。この例では、フルブリッジ駆動回路１２０の振動数は、管状振動モータ本体１００の第一曲げモード共振振動数と実質的に同じである。ただし、他の振動数（例えば、部分共振振動数）、および他の種類の駆動回路（例えば、ハーフブリッジ駆動回路）を用いてもよい。この駆動方法のさらなる記述は、前に参照した米国特許出願公開第ＵＳ２０１０／００３９７１５号に記載されており、本明細書に詳細には記述しない。
【００１５】
図１Ｃ、図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、一例に従うと、管１０４の断面形状は、管軸を中心として対称的ではなく、モータ本体１００の実質的な第一曲げモード共振振動数において励起された際に、圧電セラミック板１１０の長さ１１１の変化に誘導されて振動モータ本体１００の曲げが第一曲げモード共振振動を発生するように形成される。この第一曲げモード共振振動は、実質的に９０度位相がずれている、（図１Ｃに示す要素１０１のような）−４５度、および（例えば、図１Ｃに示す要素１０３のような）＋４５度にあり、これらの振幅は実質的に等しい。
【００１６】
特に図１Ｃを参照すると、例示の振動モータ本体１００は、（要素１０７として示す）側面切断深度ｄに加えて、（要素１０８として示す）角度θを調節することにより、所望の位相および振幅を達成し、示される例示の断面形状をもたらす。ただし、振動モータ本体１００の断面における他のパラメータを調節して、所望の位相および振幅性能を実現してもよい。
【００１７】
図４Ａ〜図７Ｃを参照すると、図１Ｃに示す振動モータ本体１００の断面形状により生じる結果の例を示す。特に図４Ａおよび図４Ｂを参照し、振動モータ本体１００内に存在する２つの一次曲げモード共振、それぞれ１３０および１３５を示す。これらは、圧電セラミック板１１０の面を０度として、それぞれが、（要素１３１として示す）＋４５度、および（要素１３６として示す）−４５度において実質的に対称に位置合わせされる。２つの４５度の角度の曲げモード１３０および１３５の共振振動数は互いにわずかに相違する可能性があり、これらは、例えば、２つの直交面に沿うことができる。ただし、圧電セラミック板１１０の他の非直交面を使用してもよい。この例では、圧電セラミック板１１０は、曲げモード１３０および１３５における共振振動数の平均振動数において図３に示すように駆動され、曲げモード１３０および１３５両方における共振振動にエネルギーを与える。
【００１８】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、プロット１４０および１４５により振動数に対する振動変位を示す。この例では、振動数プロット部１４１として示す４５度のモード１３０のうちの１つの共振振動数は、１７４ｋＨｚであり、振動数プロット部１４２として示すもう一方の４５度のモード１３５の共振振動数は、１７６ｋＨｚモードである。ただし、他の振動数値を用いてもよい。圧電セラミック板１１０に印加される駆動信号ＶＤ１２４の周波数は、２つの４５度の曲げモード１３０および１３５、すなわち、それぞれ振動数プロット部１４１および１４２、の平均の共振振動数であり、この例では、１７５ｋＨｚに等しい。圧電セラミック板１１０が１７５ｋＨｚで駆動されると、図４Ａおよび図４Ｂに示す共振モード１３０および１３５は、９０度の自然の位相シフトを有する。それ故、圧電セラミック板１１０からの単一曲げ振動入力により、圧電セラミック板１１０の２つの実質的な直交面に従う、振動数プロット部１４１および１４２により示される２つの４５度の曲げモード振動数の共振振動数に近い、２つの曲げモード１３０および１３５が生成される。一例では、２つの曲げモード１３０および１３５の振幅はほぼ同じである。ただし、相違する振幅を用いてもよい。
【００１９】
特に図５Ａを参照すると、高い機械的利得（または、高Ｑｍ）を有する例示の振動モータ本体１００のプロット１４０は、曲げモード１３０および１３５それぞれに対応する２つのピーク１４１'および１４２'を有する。これらのピークは別個のものであるが、必ずしも高さが等しくなくてもよい。一例では、圧電セラミック板１１０における動作振動数または駆動振動数は、２つのピーク１４１'および１４２'の中心である。
【００２０】
特に図５Ｂを参照すると、より低いＱｍを有する振動モータ本体１００の別の例がプロット１４５で示され、曲げモード１３０および１３５の２つのピーク（または、ピーク振動数）１４１'および１４２'は、一体化して１つの単一ピーク１４６となる。この例では、圧電セラミック板１１０における動作駆動振動数はピーク振幅における値となる。
【００２１】
図６Ａ〜図７Ｃを参照すると、２つの４５度の共振モード１３０および１３５の振幅が、板１１０に関する所定の入力駆動振動数におけるリサジュー図を利用してプロットされている。特に図６Ａ〜図６Ｃを参照すると、図５Ａに示す変位プロット１４０に対する振動数に対応する例示の固定値Ｑｍ＝９０に対するリサジュープロットである。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、第一４５度曲げモード１３０の（振動数プロット部１４１に示す）ピーク振動数１４１'と等しい１７４ｋＨｚに等しい場合には、プロット１５０は楕円形状１５１を示す。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、４５度曲げモード１３０および１３５それぞれのピーク振動数１４１'および１４２'の平均値と等しい１７５ｋＨｚに等しい場合には、プロット１５５は理想的な円形状１５６を示す。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、他の４５度曲げモード１３５の（振動数プロット部１４２に示す）ピーク振動数１４２'と等しい１７６ｋＨｚに等しい場合には、プロット１６０は形状１６１を示す。この例では、円形プロット１５６における振動数は、フルブリッジ駆動回路１２０からの最高電力を利用し、そして振動数に対する電力をモニタリングして最大電力値に応じて振動数を調節することにより、ほとんどの円形リサジュープロットの最高動作点を維持できる。駆動振動数の調節方法のさらなる説明は、「Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｄｒｉｖｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」と題された米国特許出願整理番号第１２／４６６９２９号に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれ、本明細書に詳細には記述しない。
【００２２】
図７Ａ〜図７Ｃを参照すると、図４Ａおよび図４Ｂに示す２つの４５度の共振曲げモードそれぞれ１３０および１３５の振幅が、圧電セラミック板１１０における所与の入力駆動振動数に関するリサジュー図を利用してプロットされる。リサジュープロット１６６、１７１および１７６に示す例は、品質係数（Ｑｍ）がより低くかつ互いに等しく無い場合の例である。この例では、４５度のモード１３０におけるＱｍは３０、共振振動数は１７４ｋＨｚであり、４５度のモード１３５におけるＱｍは６０、共振振動数は１７６ｋＨｚである。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、第一４５度曲げモード１３０のピーク振動数１４１'と等しい１７４ｋＨｚに等しい場合には、プロット１６５は楕円形状１６６を示す。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、４５度曲げモード１３０および１３５それぞれのピーク振動数１４１'および１４２'の平均値と等しい１７５ｋＨｚに等しい場合には、プロット１７０は、より大きな楕円形状１７１を示す。圧電セラミック板１１０における入力駆動振動数が、もう一方の４５度曲げモード１４２のピーク振動数１４２'と等しい１７６ｋＨｚに等しい場合には、プロット１７５は形状１７６を示す。この例では、形状１７１は円形ではないが、１７５ｋＨｚの駆動振動数により、前述のような最高電力および最高性能点が維持される。前述の振動数値および形状が単なる一例であり、リサジュー図における他の値および形状を用いてもよいことに留意されたい。
【００２３】
図８Ａ〜図１０Ｂを参照すると、振動モータ本体１８０の別の例示の構造が示される。振動モータ本体１８０は、以下の点を除いて振動モータ本体１００と同一である。振動モータ本体１８０は、振動モータ本体１００に取り付けられた１つの圧電セラミック板１１０の代わりに、２つの圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂに取り付けられている。図８Ａ〜図８Ｃを参照すると、管１８４が、２つの圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂ、並びに振動モータ本体１８０内面に連結された内部円筒状ブッシング１０６ａ'および１０６ｂ'に接合している。ブッシング１０６ａ'および１０６ｂ'は、振動モータ本体１８０の一端および中心に位置する。この例では、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂは互いに９０度に位置合わせされる。ただし、圧電セラミック板１１０ａと板１１０ｂとは、他の相対角度で配置されてもよい。この例では、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂはその長さを変化させて、例えば、超音波振動である可能性がある第一曲げモード振動を生じる２つの直交面において振動モータ本体１８０を屈曲する。図８Ｄおよび図８Ｅを参照すると、振動モータ本体１８０ａは、２つの円筒状ブッシング１０６ａ'および１０６ｂ'が管１８４の両端に位置する点を除いて、モータ本体１８０と同一である。
【００２４】
図９を参照すると、超音波振動モータ本体１８０は、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂに接続されている２つのフルブリッジ駆動回路１２０ａおよび１２０ｂにより動作する。一例では、電圧ＶＤ１の駆動信号１８６、および電圧ＶＤ２の駆動信号１８８は、振動モータ本体１８０の第一曲げモード共振振動数において作動する。ただし、他の振動数を用いてもよい。駆動信号１８６と１８８との間の位相シフト１９０は、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂの例示の９０度の配向に相当する略９０度である。ただし、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂの相対角度配向に応じた、他の値の位相シフト１９０を用いてもよい。この駆動方法のさらなる説明は、例えば、前に参照した米国特許出願公開第２０１０／００３９７１５号に含まれており、本明細書に詳細には記述しない。
【００２５】
図８Ｃ、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、振動モータ本体１８０の直交共振曲げモード１９２および１９４を示す。２つの直角圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂは振動モータ本体１８０を屈曲するが、代替的な実施形態では、これらは互いに非直交の相対配向を有してもよい。管１８４の断面形状は管の軸を中心として対称的ではないが、いくつかの例では、対称的な断面を用いてもよい。非対称形状は、２つの直交曲げ共振モード１９２および１９４が実質的に同じ共振振動数を有するように本体１８０を振動させる実質的な第一曲げモード共振振動数において励起された際に、圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂ各々の長さ１１１の変化に誘導されて振動モータ本体１８０が屈曲する形状に作製される。この例では、２つの曲げモード１９２および１９４に対応する直交面における配向角α（要素１９６）またはβ（要素１９８）の厳密値は、単なる例示であり、この例では、２つのモード１９２および１９４は、α＋β＝９０度となるように互いに実質的に直角である。代替的に、α＋βの合計値は他の値でもよい。前述したように、２つの圧電セラミック板１１０ａおよび１１０ｂは、それぞれ、９０度に等しい位相シフト１９０を有する電気信号１８６および１８８により駆動される。この信号により、振動モータ本体１００の変位の実質的に円形状のリサジュープロットを生成する。
【００２６】
図１１Ａ〜図１１Ｃを参照すると、触覚アクチュエータ２００は、統合された振動モータ本体１００（または、振動モータ本体１８０でもよい）および統合された駆動チップ（ＩＣ）２０４を備えるハウジング２１２を有する。振動モータ本体１００内部に回転シャフト２１０が組み立てられ、回転シャフト２１０の一端に回転アンバランスマス２０２が組み立てられる。アンバランスマス２０２は、その非対称形状、および振動モータ本体１００／１８０の軸１０５（一部を示す）からのオフセット「０」位置を理由として、例示的に「アンバランス」と呼ぶ。図１１Ｂに、図１１Ａに示すＡＡ'に沿う触覚アクチュエータ２００の断面を示す。
【００２７】
一例では、振動モータ本体１００／１８０は、半剛性エラストマを用いて、その振動節点においてハウジング２１２に固定される。例示のシリコーンエラストマは、米国ミシガン州、ミッドランドのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造しているＤＯＷ  ＣＯＲＮＩＮＧ（登録商標）７３４の流動シーラントである。ただし、他の製造業者が製造している他の種類のシーラントを用いてもよい。振動モータ本体１００／１８０上の節点は、振動の振幅が最小であり、それぞれ前述した図４Ａ／図４Ｂ、および図１０Ａ／図１０Ｂに示すような振動モードまたは共振曲げモード１３０／１３５、または１９２／１９４の減衰が最小になる軸方向位置に配置される。回転シャフト２１０は、図１１Ｃに示す円筒状接触面２１４において振動モータ本体１００／１８０に摩擦的に接触する。ただし、他の接触点を利用してもよい。アンバランスマス２０２は、圧入、接着剤、または当業者に公知の他の方法により、シャフト２１０の一端に固定される。統合された駆動装置ＩＣ２０４は、フルブリッジ駆動回路１２０などのフルブリッジスイッチング回路の少なくとも１つを含むドライブエレクトロニクスおよび論理回路、並びに図３および図９に示す例示の駆動波形を生じるのに必要なデジタル制御および周波数生成回路を含む。統合された駆動装置ＩＣ２０４の例は、米国ニューヨーク州ビクターのＮｅｗ  Ｓｃａｌｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃが製造するＮＳＤ−２１０１である。ＮＳＤ−２１０１の例では統合された駆動装置ＩＣ２０４は、これはＤＣ電源２０６およびＩ２Ｃシリアル制御インターフェース２０８に接続されている。ただし、本開示を読解した当業者が意図する場合がある他の駆動ＩＣおよび他の接続技術を用いてもよい。
【００２８】
図１２を参照すると、触覚アクチュエータ２００における振動モータ本体１００または１８０両方について、円筒状接触面２１４に作用する例示の反動力の数値が求められる。この例では、力Ｆｃはアンバランスマス２０２が生成する求心力である。力Ｆ１は中心接点２１４ａにおける反動力であり、力Ｆ２は端接点２１４ｂにおける反動力である。Ｌ１は、Ｆ１とＦ２との間の軸方向距離であり、Ｌ２は、Ｆ２とＦｃとの間の軸方向距離である。反動力Ｆ１およびＦ２はＦｃの関数であり、Ｌ１およびＬ２は、この例では、以下の方程式により規定される。
Ｆ１＝（１＋Ｌ２／Ｌ１）Ｆｃ
Ｆ２＝（Ｌ２／Ｌ１）Ｆｃ
Ｆ１＋Ｆ２＝（１＋２Ｌ２／Ｌ１）Ｆｃ
摩擦力＝（１＋２Ｌ２／Ｌ１）Ｆｃμ
【００２９】
ここで、μは摩擦係数である。この例では、Ｆ１とＦ２との和は、接点２１４ａおよび２１４ｂにおいて生じる全摩擦力に比例する。この設計の例示的な利点は、求心力Ｆｃにより生じる円筒状接点２１４ａおよび２１４ｂにおける反動力Ｆ１，Ｆ２が、有益な摩擦を生成することである。この構造では、Ｆｃは前述のような増幅定数（１＋２Ｌ２／Ｌ１）と乗算されて（Ｆ１＋Ｆ２）を増大する。振動モータ本体１００／１８０が振動すると、接点２１４ａおよび２１４ｂにおいてシャフトにトルクが生じ、触覚アクチュエータ２００へのより小さい入力電圧による、より高速回転に対応するようにモータ効率全体が増大する。図１２において、力の配置は、その求心力が、シャフトブッシングに直接的な効率損失となる摩擦、それに応じた速度損失、および入力電力の増大を招く従来の電磁モータと対照的である。
【００３０】
一例では、接点２１４ａは、円筒状ブッシング１０６ｂの底部における振動モータ本体１００（または、振動モータ本体１８０でもよい）の中心に位置し、接点２１４ｂは、円筒状ブッシング１０６ａの頂部における振動モータ本体１００（または、振動モータ本体１８０でもよい）の端部に位置する。これらの例示の接点２１４ａ，２１４ｂの位置は、反動力Ｆ１およびＦ２、並びに図４Ａ／図４Ｂ、および図１０Ａ／図１０Ｂそれぞれに示す曲げモード１３０／１３５、または１９２／１９４を最適な使用のために選択される。ただし、本開示を読解した当業者が意図する場合がある他の位置を使用してもよい。振動モータ本体１００（または、振動モータ本体１８０でもよい）が振動すると、点２１４ａおよび２１４ｂにおいて生じたトルクは、最小限の滑りを加えて、モータ速度および効率を向上する。
【００３１】
図１３Ａ〜図１４を参照すると、触覚アクチュエータ２００ａは、（図１４に示す）半径方向力Ｆｐを生じるようにバネ接点２１８を追加している点を除いて触覚アクチュエータ２００と同一である。半径方向力Ｆｐを加えることにより、回転シャフト２１９が、高始動トルクをもたらすように回転運動をまさに開始する際に、その点における求心力Ｆｃが始動トルクと比較して実質的にゼロか、ごくわずかである場合に、ゼロ速度において一定しかつより高い摩擦力が生じる。この例では、バネ２１８は低摩擦被覆をともなうワイヤから形成されている。ただし、バネ２１８の他の構造が用いてもよい。図１３Ｂに示すように、バネ２１８の一端はハウジング２１２ａに固定され、回転シャフト２１９に接触するように接点２２０において屈曲する。接点２２０における半径方向力はＦｐである。
【００３２】
図１４を参照すると、この例では、反動力Ｆ１ｐおよびＦ２ｐはＦｐ、Ｌ３、およびＬ１の関数であり、これらは以下の方程式により規定される。
Ｆ１ｐ＝（１＋Ｌ３／Ｌｌ）Ｆｐ
Ｆ２ｐ＝（Ｌ３／Ｌｌ）Ｆｐ
Ｆ１ｐ＋Ｆ２ｐ＝（１＋２Ｌ３／Ｌｌ）Ｆｐ
始動摩擦力＝（１＋２Ｌ３／Ｌｌ）Ｆｐμ
ここで、μは例示の摩擦係数である。
【００３３】
直ぐ上の方程式に示すように、予負荷力Ｆｐは、点２１４ａおよび２１４ｂにおいて（１＋２Ｌ３／Ｌ１）だけ増幅される。これにより、点２２０において生じる摩擦力は、上記の方程式により計算された始動摩擦力よりも確実に著しく小さくなる。この結果、回転シャフト２１９がまさに移動し始めた時のゼロ回転速度において、より高い摩擦始動トルクがもたらされ、より高い加速度、および回転シャフト２１９が最大速度に達するのに必要な時間の最小化がもたらされる。本開示における情報に基づいて、バネ２００を触覚アクチュエータ２００ａの配置において上方に示したが、当業者はバネ２１８を、前述の触覚アクチュエータ２００または後述の触覚アクチュエータ３００などの本明細書に開示する他の触覚アクチュエータに組み込むことができることに留意されたい。
【００３４】
図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、触覚アクチュエータ３００は、単一アンバランスマス２０２の代わりに、回転シャフト３１０の両端、または対向する両端に接続されている２つの略同一のアンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂが配置されている点を除けば、触覚アクチュエータ２００と同一である、代替的な実施形態である。ただし、代替的な実施形態では、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂは、略同一または等しくなくてもよい。触覚アクチュエータ３００は、統合された振動モータ本体１００ａ／１８０ａおよび統合された駆動装置ＩＣ２０４をともなうハウジング３１２を備える。振動モータ本体１００ａ／１８０ａ内部に回転シャフト３１０が組み立てられ、回転シャフト３１０の各端部（または、回転シャフト３１０の対向する両端）に回転アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂが組み立てられる。振動モータ本体１００ａ／１８０ａは、例えば、図１１Ａに示す触覚アクチュエータ２００に関して記述したように、半剛性エラストマを用いて、その振動節点においてハウジング３１２に固定される。回転シャフト３１０は、図１５Ｃに示す円筒状摩擦面３１４において振動モータ本体１００ａまたは１８０ａに接触する。アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂは、圧入、接着剤、または当業者に公知の他の手段により、回転シャフト３１０の各端部に固定される。この例では、統合された駆動装置ＩＣ２０４は、図１１Ａに示す前述の触覚アクチュエータ２００と同様に、ＤＣ電圧源２０６およびＩ２Ｃシリアル制御インターフェース２０８に接続されている。
【００３５】
図１５Ｃに示す点３１４に作用する反動力（Ｆｒ）３２０が、振動モータ本体１００ａまたは１８０ａの各端部において、ならびに回転シャフト３１０の同一側および略同一方向に少なくとも作用するため、触覚アクチュエータ３００に振動モータ本体１００ａまたは１８０ａが用いられる。この例では、触覚アクチュエータ３００の対称構造により、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂにより生じる各求心力（Ｆｃ）３１８が、反動力３２０と反対方向に等しい大きさとなるように、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂは互いに等しい大きさに整列して生成される。図１１Ａに示す触覚アクチュエータ２００とは異なり、図１５Ａ〜図１５Ｃに示す例示的な実施形態では、求心力３１８（Ｆｃ）は全く倍増または増幅されない。触覚アクチュエータ３００は、触覚アクチュエータ２００とほぼ同じ利点を有する。すなわち、反動力３２０により生じる全ての摩擦を振動モータ本体１００ａ／１８０ａが有益に利用して、両接点３１４にトルクを生成する。触覚アクチュエータ３００のさらなる例示的な利点は、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂが、回転シャフト３１０に作用する曲げ応力をより均等に分け与えるため、触覚アクチュエータ３００が少なくとも一部に外的ショックを受けた際の強度が大きくなることである。
【００３６】
図１６Ａ〜図１６Ｄを参照すると、触覚アクチュエータ４００は、単一アンバランスマス４０２が、振動モータ本体１００ａ／１８０ａ内部において回転シャフト４１０に固定されている点を除けば触覚アクチュエータ２００と同一であり、代替的な実施形態である。触覚アクチュエータ４００は、統合された振動モータ本体１００ａ／１８０ａ（例えば、超音波モータまたは超音波回転モータ）および統合された駆動装置ＩＣ２０４を備えたハウジング４１２を有する。振動モータ本体１００ａ／１８０ａは、触覚アクチュエータ２００に関して記述したように、半剛性エラストマを用いて、その振動節点においてハウジング４１２に固定される。ただし、他の固定技術を用いてもよい。回転シャフト４１０は、各円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂにより形成された円筒状の摩擦面の接点４１４において振動モータ本体１００ａまたは１８０ａに接触する。アンバランスマス４０２は、圧入、接着剤、または当業者に公知の他の固定手段を利用して、シャフト４１０の中心に固定される。この例では、統合された駆動装置ＩＣ２０４は、例えば、図１１Ａに触覚アクチュエータ２００について示すように、ＤＣ電源２０６およびＩ２Ｃシリアル制御インターフェース２０８に接続されている。
【００３７】
接点４１４において作用する反動力４２０が、振動モータ本体１００ａ／１８０ａの各端部において、および回転シャフト４１０の実質的に同一側上に、実質的に同一方向で作用するため、触覚アクチュエータ４００に振動モータ本体１００ａまたは１８０ａが用いられる。この例では、触覚アクチュエータ４００の対称構造により、アンバランスマス４０２により生じる各求心力４１８は、反動力４２０の合計と等しい大きさとなるが、求心力３１８および／または反動力４２０とは反対方向に働く。触覚アクチュエータ２００とは異なり、求心力４１８（Ｆｃ）は全く倍増または増幅されない。触覚アクチュエータ４００は、触覚アクチュエータ２００と実質的に同じ例示的な利点を有する。すなわち、反動力Ｆｒ（要素４２０）により生じる全ての摩擦は有用であり、振動モータ本体１００ａ／１８０ａによって使用され、両接点４１４にトルクを生成する。触覚アクチュエータ２００および３００と比較した場合の、触覚アクチュエータ４００のさらなる例示的な利点は、アンバランスマス４０２が接点４１４間に均等に力を加えることにより、シャフト４１０に作用する曲げ応力がさらに小さくなるため、触覚アクチュエータ４００が外的ショックを受けた際の強度がさらに大きくなることである。触覚アクチュエータ４００には１つのみのアンバランスマス３０２を示したが、回転シャフト４１０に沿って分布される複数のアンバランスマスを用いてもよいことに留意されたい。さらに、図１６Ａ〜図１６Ｄには振動モータ本体１００ａ／１８０ａを示したが、当業者は、振動モータ本体１００などの他の振動モータ本体と共に用いるように触覚アクチュエータ４００を改良することができる。
【００３８】
図１７を参照すると、触覚アクチュエータ２００，２００ａ，３００を作製する方法に関する触覚アクチュエータの動作が、前述の図１Ａ〜図１６Ｄを参照してフローチャート１７００を利用して記述される。
【００３９】
ステップ１７０２において、振動モータ本体１００などの超音波振動モータ本体が提供される。一例では、ステップ１７０２において、超音波振動モータ本体を提供することは、超音波振動モータ本体の軸と平行な直交する２つの面各々に、第一曲げモード（例えば、曲げモード１３０）において超音波によって振動するように構成された（例えば、管１０４の）管状本体を提供することをさらに含む。そして、回転シャフト２１０は、さらにアンバランスマスを回転させて、人が感知可能な振動を生じる求心力Ｆｃを生成させる。別の例では、ステップ１７０２において、管状本体を、管状本体の外面において少なくとも１つの圧電板（例えば、圧電セラミック板１１０）に連結する。ここでは、この圧電板の平面を、管状本体の軸１０５と平行に配置する。この圧電板は、電気的にエネルギーが加えられると、管１０４の管状本体の軸１０５と平行の面に直交する２つの面において、共振曲げモード（例えば、曲げモード１３０および１３５）において、シャフト２１０を少なくとも一方向に回転させる超音波振動を生成することにより、管状本体を屈曲するように構成されている。
【００４０】
一例では、前述のように、超音波振動は、例えば、実質的に９０度の位相シフトを有し、例えば図１Ｃに示す管状本体の断面形状に応じて決まるのと実質的に同一の振幅を有する、共振曲げモード１３０および１３５各々の平均振動数において生じる。
【００４１】
一例では、この方法は、ステップ１７０２において、その外面と少なくとも２つの圧電板の各面が管状本体の軸と平行になるようにそれに連結された管状本体を提供することを含む。少なくとも２つの圧電板１１０ａおよび１１０ｂは、２つの各駆動波形（例えば、図９に示す波形）によって電気的にエネルギーが加えられ、２つの各直交面に、第１および第２の直交曲げモード１９２および１９４の平均振動数において管状本体に振動を誘導する。そしてこれらは、管状本体の断面形状（例えば、図８Ｃに示す断面形状）に応じて実質的に同一の振幅および９０度の位相シフトを有する。
【００４２】
ステップ１７０４において、振動モータ本体に反応して少なくとも一方向（例えば、時計方向または反時計方向）に回転するように配置されたシャフト（例えば、回転シャフト３１０）を、振動モータ本体１００に連結する。一例では、ステップ１７０４において、フローチャート１７００に記載するこの方法は、管状本体を、超音波振動モータ本体１８０ａの内面の内径における２つの円筒状ブッシング（例えば、円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂ）においてシャフトに摩擦で接続することを含む。例えば、図８Ｂに示すように、２つの円筒状ブッシングの第１の１つを管状本体の実質的に一端に配置し、第２の１つを管状本体の実質的に中央部に配置する。代替的に、図８Ｅに示すように、この方法は、管状本体の各対応する端部に配置された２つの円筒状ブッシング１０６ａ'および１０６ｂ'を、連結することを含む。
【００４３】
ステップ１７０６において、少なくとも１つのアンバランスマス（例えば、アンバランスマス２０２）を、回転シャフトに連結する。ステップ１７０８において、シャフトを用いてアンバランスマスを移動させることにより、シャフトの動きに反応して、人が感知可能な振動を生成する。別の例では、この方法はステップ１７０６において、シャフト２１０の一端に固定された一体成形のマスとして、少なくとも１つのアンバランスマス（例えば、アンバランスマス２０２）を連結することを含む。代替的に、この方法は、シャフト３１０の両反対端それぞれに固定された２つのマス（例えば、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂ）の形態の、少なくとも１つのアンバランスマスを含んでもよい。さらに、さらなる別の例示的な実施形態では、フローチャート１７００によって記載されるこの方法は、管状本体の各端部に位置する２つの円筒状ブッシング間の、超音波振動モータ本体の管状本体内部のシャフト４１０に固定された一体成形のマスとして、少なくとも１つのアンバランスマス（例えば、アンバランスマス４０２）を連結することを含んでもよい。
【００４４】
一例では、フローチャート１７００によって記載されるこの方法は、ステップ１７０６において、シャフト２１９に連結された低摩擦接触面を有するバネ２１８を提供することをさらに含む。このバネ２１８は、シャフト２１９に半径方向力を加えることにより、超音波振動モータ本体２００ａとシャフト２１９との間の１つ以上の接点における摩擦力を増大し、シャフトがゼロ速度において、超音波振動モータ本体に関連するモータトルクを増大するように構成されている。
【００４５】
ステップ１７０８において、回転シャフトを用いてアンバランスマス（例えば、アンバランスマス４０２）を移動させることにより、シャフトの回転に反応して、人が感知可能な振動を生成する。例示的な一実施形態では、フローチャート１７００によって記載されるこの方法は、超音波振動モータ本体のハウジング４１２内部に統合された駆動回路２０４を提供することをさらに含む。これは、超音波振動モータ本体にエネルギーを加えるための１つ以上の信号を提供するように構成されている。例えば、統合された駆動回路２０４は、図９に示す１つ以上のフルブリッジ駆動回路１２０ａおよび１２０ｂ、並びにデジタル制御論理を備える。
【００４６】
フローチャート１７００のステップを、実質的に例示の触覚アクチュエータ２００を利用して記述したが、フローチャート１７００に示すステップは、触覚アクチュエータ２００ａもしくは３００、または本明細書に開示する他の触覚アクチュエータシステムおよびモジュールにも等しく適用できる。さらに、フローチャート１７００に示すステップは、示す態様を実現するのに適した任意の他の順序でも実行することができ、フローチャート１７００に示すステップ順序は単なる例示であり、限定的なものではない。
【００４７】
この技術の種々の例示的な実施形態は多くの利点をもたらす。例えば、超音波振動モータは、一方向のシャフト回転、従来のモータよりも高効率、およびより高速回転と同時に、より安価およびより簡単な製造を達成する。さらに、この超音波モータの例示的な実施形態では、アンバランスマスが生成する求心力が摩擦力を生じさせる円筒状ブッシング接触を有する定在波管構造を用いる。振動管と回転シャフトとの接触により効率を改善し、単相電子回路がシャフト回転を生じさせる定在波振動を与える。
【００４８】
このように本発明の基本概念を記述したが、前述の詳細な開示が単なる例証として提示されることを意図し、限定を意図しないことが当業者には非常に明白である。本明細書に明確に示さなくとも、種々の修正、改良および変更が発生し、当業者に意図されるであろう。これらの修正、改良および変更は、これによって提案されることが意図され、本発明の精神および範囲内に含まれる。例えば、種々の設計および電気機械パラメータに基づいて、アンバランスマス３０２ａおよび３０２ｂ、バネ２１８、並びに円筒状ブッシング１０６ａおよび１０６ｂは、前述の触覚アクチュエータの種々の実施形態において他の位置に配置されてもよい。触覚アクチュエータ２００、２００ａおよび／または３００の２つ以上の構成要素は、統合されてもよく、または集積回路チップの一部として作製されてもよい。さらに、電気的および機械的構成要素の変更は、前述の本発明の種々の例示の態様の範囲から逸脱することなく、必要に応じてかつ適切な場合に、機械的接続または構成要素のための電気的接続および構成要素、ならびに逆もまた同様の置換および／または追加により実現されてもよい。さらに、処理要素の列挙した順序もしくはシーケンス、数、文字、または他の指示の使用は、請求項に特定するかもしれない場合を除いて、特許請求された処理をいかなる順序に限定するようにも意図されない。従って、本発明は、以下の請求項およびその均等物によってのみ制限される場合がある。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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