(57)【要約】【課題】疑似的な引っ張り感覚を効果的に知覚させることができるリニア振動モータを提供する。【解決手段】リニア振動モータは、固定子と、固定子に一軸方向に沿って振動自在に支持される可動子と、可動子の振動を弾性支持する弾性部材と、可動子に一軸方向に沿った駆動力を付与するコイルと、コイルに入力する駆動信号を発生する駆動信号発生部とを備え、駆動信号発生部は、可動子が共振する共振周波数の１／２周波数であって、デューティ比が１／２より小さいか又は１／２より大きい駆動信号を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子に一軸方向に沿って振動自在に支持される可動子と、
前記可動子の振動を弾性支持する弾性部材と、
前記可動子に一軸方向に沿った駆動力を付与するコイルと、
前記コイルに入力する駆動信号を発生する駆動信号発生部とを備え、
前記駆動信号発生部は、前記可動子が共振する共振周波数の１／２の周波数であって、デューティ比が１／２より小さいか又は１／２より大きい駆動信号を発生することを特徴とするリニア振動モータ。
【請求項２】
前記可動子はマグネットと錘を備え、
前記固定子に前記コイルが固定され、
前記可動子は一軸方向に延びるガイドシャフトに沿って振動することを特徴とする請求項１記載のリニア振動モータ。
【請求項３】
前記駆動信号発生部は、前記駆動信号として、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号とデューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号を選択的に発生することを特徴とする請求項１又は２記載のリニア振動モータ。
【請求項４】
前記駆動信号発生部は、前記駆動信号として、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号とデューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号との間でデューティ比を徐々に変化させて出力することを特徴とする請求項１又は２記載のリニア振動モータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載されたリニア振動モータを備えるタッチインターフェースであって、
タッチ検知部と、
前記タッチ検知部の検知信号によって前記駆動信号発生部を制御する制御部とを備えることを特徴とするタッチインターフェース。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載されたリニア振動モータを備えた携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニア振動モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動モータ（或いは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、携帯者が身に付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、振動モータは、タッチパネルなどのヒューマン・インターフェー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】
振動モータは、各種の形態が開発されている中で、可動子の直線的な往復振動によって比較的大きな振動を発生させることができるリニア振動モータが注目されている。リニア振動モータは、例えば、可動子側に錘とマグネットを設け、固定子側に設けたコイルに通電することで、マグネットに作用するローレンツ力が駆動力となり、振動方向に沿って弾性支持される可動子を往復振動させるものが知られている。
【０００４】
リニア振動モータを利用したハプティクスとしては、一方向に引っ張られるような感覚（擬似的な力覚）が知覚できるような駆動方式が検討されている。例えば、下記特許文献１に示した従来技術では、リニア振動モータのコイルに流す電流を、可動子に所望の方向の加速度を与える向きの電流を流す第１の期間と、それ以外の第２の期間に設定し、第１の期間と第２の期間とを周期的に繰り返し、周期に占める第１の期間の割合が第２の期間の割合と異なり、周期的な加速度運動の周波数を８０Ｈｚ又は８０Ｈｚ近傍の周波数成分を含むようにすることで、擬似的な力覚を提示することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２３５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来技術は、リニア振動モータのマグネットに偏加速度を与えることで、所望の方向への擬似的な力覚を提示することができるとしており、また、人の皮膚の受容器の中で、方向や加速度の知覚に寄与する受容器の神経活動を最も活発化させる周波数が８０Ｈｚ又は８０Ｈｚ近傍の周波数成分であるとして、電流の方向切り替え周期を８０Ｈｚ又は８０Ｈｚ近傍の周波数成分を含むように設定している。
【０００７】
しかしながら、一般に、リニア振動モータの駆動では、大きな振幅（変位振幅及び速度振幅）の振動を得るために、可動子の質量と可動子を支持する弾性部材（バネ）の弾性係数で設定される固有振動数（共振周波数）で可動子を振動させることがなされている。前述の従来技術では、皮膚の受容体の神経活動を最も活性させる周波数に着目してはいるものの、その周波数では、可動子を共振させて、大きな振幅の振動を得ることができないため、方向性が一方向或いは逆方向に判別できる疑似的な引っ張り感覚を効果的に知覚することができない問題があった。
【０００８】
また、前述した従来技術は、リニア振動モータのマグネットに偏加速度を与えるので、リニア振動モータ３自体が偏加速度の方向に実際のシフト力を作用することになり、インターフェースに装着した場合には、人手による操作力とは別のシフト力が作用して、誤動作を起こしやすくなる問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決することを課題としている。すなわち、本発明は、疑似的な引っ張り感覚を効果的に知覚させることができ、且つ実際のシフト力は作用しないリニア振動モータを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような課題を解決するために、本発明によるリニア振動モータは、以下の構成を具備するものである。
【００１１】
固定子と、前記固定子に一軸方向に沿って振動自在に支持される可動子と、前記可動子の振動を弾性支持する弾性部材と、前記可動子に一軸方向に沿った駆動力を付与するコイルと、前記コイルに入力する駆動信号を発生する駆動信号発生部とを備え、前記駆動信号発生部は、前記可動子が共振する共振周波数の１／２の周波数であって、デューティ比が１／２より小さいか又は１／２より大きい駆動信号を発生することを特徴とするリニア振動モータ。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るリニア振動モータの基本構成を示した説明図である。
【図２】（ａ）は駆動信号発生部が発生する駆動信号（デューティ比１／２より小）を示した説明図であり、（ｂ）はその駆動信号を入力することで生じる可動子の振動の振幅変化を示した説明図である。
【図３】（ａ）は駆動信号発生部が発生する駆動信号（デューティ比１／２より大）を示した説明図であり、（ｂ）はその駆動信号を入力することで生じる可動子の振動の振幅変化を示した説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係るリニア振動モータの構成例を示した説明図（内部平面図）である。
【図５】本発明の実施形態に係るリニア振動モータを用いたタッチインターフェースの構成例を示した説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係るリニア振動モータを備える携帯電子機器の構成例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、異なる図面における同一符号は同一部位を指しており、適宜重複説明を省略する。図１に示すように、本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１は、固定子２と、可動子３と、弾性部材４と、コイル５と、駆動信号発生部６とを備えている。
【００１４】
固定子２は、枠体やリニア振動モータ１を装着する電子機器の一部などであり、可動子３を支持する部位である。可動子３は、固定子２に一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って振動自在に支持されている。図示の例では、可動子３は、一軸方向（図示Ｘ方向）に着磁されたマグネット３Ａ，３Ｂの一端側を、同極が向き合うようにスペーサ３Ｃを介して接続しており、マグネット３Ａ，３Ｂの他端側に錘３Ｄ，３Ｅを取り付けて、一体に振動できるようにしている。
【００１５】
弾性部材４は、可動子３の振動を弾性支持しており、固定子２と可動子３との間に設けられ、可動子３の一軸方向の振動に対して弾性反発力を付与している。図示の例では、可動子３の錘３Ｄ，３Ｅと固定子２との間にそれぞれ弾性部材（コイルバネ）４が配備されている。
【００１６】
コイル５は、可動子３に一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った駆動力を付与するものであり、コイル５への通電で可動子３のマグネット３Ａ，３Ｂに付与されるローレンツ力が駆動力になる。図示の例では、コイル５は、固定子２に固定されており、マグネット３Ａ，３Ｂのスペーサ３Ｃを介して対向した同極の端部から図示Ｚ方向に放射する磁束がコイル５を通過するように、スペーサ３Ｃの周りに巻回されている。コイル５とマグネット３Ａ，３Ｂとの配置関係は図示の例に限定されるものではなく、可動子３を一軸方向に沿って振動させる駆動力が得られるものであれば、どのような配置関係であってもよい。
【００１７】
駆動信号発生部６は、コイル５に入力する駆動信号を発生する。駆動信号発生部６は、制御部１０の制御信号によって制御され、所定の駆動信号をコイル５に入力する。コイル５に駆動信号が入力されると、コイル５がマグネット３Ａ，３Ｂに付与する駆動力によって、可動子３が一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って往復振動する。
【００１８】
図２及び図３は、駆動信号発生部６が発生する駆動信号（図２及び図３の（ａ））とその駆動信号を入力することで生じる可動子の振動の振幅変化（図２及び図３の（ｂ））を示している。
【００１９】
駆動信号発生部６が発生する駆動信号は、可動子３が共振する共振周波数の１／２の周波数のパルス信号であり、図２（ａ）に示すように、デューティ比が１／２より小さい駆動パルス信号であるか、又は図３（ａ）に示すように、デューティ比が１／２より大きい駆動パルス信号である。ここでの共振周波数は、可動子３の質量をｍ、弾性部材４のバネ定数をｋとしたときの固有振動数の逆数であり、１／（ｋ／ｍ）1/2Ｈｚとなる。
【００２０】
駆動信号発生部６は、駆動パルス信号として、図２（ａ）に示すような、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号と、図３（ａ）に示すような、デューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号を選択的に発生するようにしてもよいし、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号（図２（ａ）参照）とデューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号（図３（ａ）との間で、デューティ比を徐々に変化させて出力するようにしてもよい。
【００２１】
リニア振動モータ１は、図２（ａ）に示すようなデューティ比（１／２より小）の駆動信号を入力すると、図２（ｂ）に示すように、駆動パルス信号の周波数の２倍の周波数である共振周波数で可動子３が振動する。この際、図２（ｂ）に示すように、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った振動におけるＡ方向の振幅は略一定高さになるが、その逆のＢ方向の振幅は、駆動パルス信号の周期の間の振動が変位ΔＸ１だけ小さい振幅になる。また、リニア振動モータ１は、図３（ａ）に示すようなデューディ比（１／２より大）の駆動信号を入力すると、図３（ｂ）に示すように、駆動パルス信号の周波数の２倍の周波数である共振周波数で可動子３が振動する。この際、図３（ｂ）に示すように、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った振動におけるＢ方向の振幅は略一定の高さになるが、駆動パルス信号の周期の間の振動は、変位ΔＸ２だけ小さい振幅になる。
【００２２】
図２（ａ）に示す駆動信号を入力して、図２（ｂ）に示す振幅変化を示すリニア振動モータ１の振動を、指先などで人（操作者）が感知すると、人は、図１の矢印で示すＡ方向（図示左方向）への疑似的な引っ張り感覚を得る。また、図３（ａ）に示す駆動信号を入力して、図３（ｂ）に示す振幅変化を示すリニア振動モータ１の振動を、指先などで人（操作者）が感知すると、人は、図１の矢印で示すＢ方向（図示右方向）への疑似的な引っ張り感覚を得る。
【００２３】
ここで、図２（ａ）に示す例は、デューティ比が１／４であり、図３（ａ）に示す例は、デューティ比が３／４である。このように、デューティ比の差を大きくすることで、より顕著に左右の引っ張り感覚の違いが認識しやすくなる。ここでは、左右の疑似的な引っ張り感を得るために、デューティ比を１／４と３／４にしているが、リニア振動モータの形態（例えば、後述する図４に示す形態など）によっては、更に差を大きくして、デューティ比を１／５と４／５などにしてもよい。
【００２４】
本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１は、駆動信号の周波数を可動子３が共振する周波数（共振周波数）の１／２の周波数としていることが特徴となる。従来、一般に採用されている共振周波数の駆動信号を入力することに換えて、共振周波数の１／２の周波数の駆動信号を入力することで、駆動信号のデューティ比を調整して、リニア振動モータ１が発生する振動によって、効果的に擬似的な方向性を知覚させることができる。そして、これによると、リニア振動モータ１の振動は、従来技術のようにマグネット３Ａ，３Ｂに偏加速度を付与することなく無く、疑似的な引っ張り感覚のみを付与することができる。これにより、シフト力が実際に作用して誤動作を起こすことを回避しながら、効果的に疑似的な方向性を知覚させることができる。
【００２５】
図４は、リニア振動モータ１の具体的な構成例を示している（駆動信号発生部６は図示省略）。この例は、基本構成は図１に示した例と同様であるが、固定子２は、箱状の枠体２０によって構成され、この枠体２０内に、可動子３が一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って振動自在に収納されている。枠体２０は、図示省略した蓋体と、底面２０Ａと、図示Ｘ方向に沿った一対の側壁２０Ｂ，２０Ｃと、図示Ｙ方向に沿って設けられ、可動子３の振動方向に対面する一対の側壁２０Ｄ，２０Ｅを備えている。
【００２６】
可動子３は、図示Ｘ方向に沿って着磁された３つのマグネット２１，２２，２３と、マグネット２１，２２間に配置されるスペーサ２４と、マグネット２２，２３間に配置されるスペーサ２５と、両端に配置される一対の錘２６，２７とを備えている。マグネット２１と錘２６とは連結部材２８によって連結されており、マグネット２３と錘２７とは連結部材２９によって連結されている。また、３つのマグネット２１，２２，２３と２つのスペーサ２４，２５とは、一対の連結部材３０，３１によって一体化されている。
【００２７】
そして、この例では、一対の錘２６，２７にそれぞれ一軸方向（図示Ｘ方向）に延びるガイドシャフト３２，３３が固定されている。ガイドシャフト３２，３３は、枠体２０の底面２０Ａに設けられる軸受３４，３５に摺動自在に軸支されており、可動子３はガイドシャフト３２，３３に沿って振動する。錘２６，２７には、図示Ｘ方向に凹む凹部２６Ａ，２７Ａが設けられ、その凹部２６Ａ，２７Ａからガイドシャフト３２，３３が突出している。そして、ガイドシャフト３２，３３を軸支する軸受３４，３５は、可動子３の振動時には、凹部２６Ａ，２７Ａ内に入り込むようになっている。
【００２８】
凹部２６Ａを挟んだ錘２６の端部２６Ｂ，２６Ｃと側壁２０Ｄとの間には、ガイドシャフト３２を挟んで一対の弾性部材４０，４１が配備されており、凹部２７Ａを挟んだ錘２７の端部２７Ｂ，２７Ｃと側壁２０Ｅとの間には、ガイドシャフト３３を挟んで一対の弾性部材４２，４３が配備されている。また、側壁２０Ｄ，２０Ｅには、ガイドシャフト３２，３３の先端の衝突を受ける緩衝部材４４，４５が取り付けられている。なお、図示の例では、ガイドシャフト３２，３３を可動子３側に固定して、固定子２側に軸受３４，３５を設けているが、逆に、固定子２側にガイドシャフトを設けて、可動子３側に軸受を設けるようにしてもよい。また、可動子３を貫通する一本のガイドシャフトを固定子に固定して、可動子３をガイドシャフトに沿って振動させるようにしてもよい。
【００２９】
コイル５は、一対のコイル５０，５１が、直列接続され且つ互いに逆向きに巻かれて、スペーサ２４，２５を取り巻くように枠体２０に固定されている。コイル５の入力端部５Ａは、枠体２０に設けた端子部２０Ｆに接続されており、この端子部２０Ｆには、図示省略の駆動信号発生部６が接続される。
【００３０】
前述したリニア振動モータ１は、タッチインターフェースにおけるハプティクス（皮膚感覚フィードバック）に効果的に適用することができる。図５は、その構成例を示している。タッチインターフェース１００は、タッチ入力面１０１への接触を検知するタッチ検知部１０２を備えており、タッチ入力面１０１に触れた指Ｍなどに振動が伝わる位置に、駆動信号発生部６を備えるリニア振動モータ１が配備されている。また、駆動信号発生部６を制御する制御部１０が配備されている。
【００３１】
このようなタッチインターフェース１００は、タッチ検知部１０２がタッチ入力面１０１への指Ｍなどの接触を検知すると、その検知信号が制御部１０に入力され、制御部１０は制御信号を駆動信号発生部６に出力する。制御信号が入力された駆動信号発生部６は、リニア振動モータ１に駆動信号を入力するが、この際、駆動信号発生部６は、制御信号の制御指示に従って、可動子３が共振する共振周波数の１／２の周波数であって、デューティ比が１／２より小さいか又は１／２より大きい駆動信号を選択的に出力する。これにより、タッチ入力面１０１に触れた指Ｍなどには、単純な振動の皮膚感覚がフィードバックされるだけでなく、方向性を有する疑似的な引っ張り感がフィードバックされることになる。
【００３２】
この際、制御部１０の制御出力は、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号とデューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号を選択的に発生させる制御指示であってもよいし、デューティ比が１／２より小さい第１駆動パルス信号とデューティ比が１／２より大きい第２駆動パルス信号との間でデューティ比を徐々に変化させて出力する制御指示であってもよい。制御部１０は、操作者の指Ｍなどに伝えたい方向指示の情報に応じて、適宜デューティ比を調整した駆動信号を駆動信号発生部６から出力させる。
【００３３】
このようなタッチインターフェース１００によると、タッチ入力面１０１を操作する操作者は、方向性の指示情報をタッチ操作のみで得ることができる。この際、リニア振動モータ１によって付与される振動よって、可動子３の共振による効果的な振動によって方向性の指示情報が疑似感覚で与えられるので、感知度の高い皮膚感覚フィードバックが可能になる。
【００３４】
図６は、本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１を備えた携帯電子機器の一例を示している。リニア振動モータ１を備えた携帯電子機器２００は、例えば、前述したタッチインターフェース１００を装備することで、操作性の高い信号入力が可能になると共に、ゲームやその他のアプリケーションを実行する際に、バリエーションの高い操作刺激を操作者に与えることが可能になり、高付加価値の情報端末を実現することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態に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】
【００３６】
１：リニア振動モータ，２：固定子，
３：可動子，３Ａ，３Ｂ，２１，２２，２３：マグネット，
３Ｃ，２４，２５：スペーサ，３Ｄ，３Ｅ、２６，２７：錘，
２６Ａ，２７Ａ：凹部，２６Ｂ，２６Ｃ，２７Ｂ，２７Ｃ：端部，
４，４０，４１，４２，４３：弾性部材，
５，５０，５１：コイル，５Ａ：入力端部，６：駆動信号発生部，
１０：制御部，
２０：枠体，２０Ａ：底面，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ：側壁，
２０Ｆ：端子部，２８，２９，３０，３１：連結部材，
３２，３３：ガイドシャフト，３４，３５：軸受，
４４，４５：緩衝部材，
１００：タッチインターフェース，１０１：タッチ入力面，
１０２：タッチ検知部，２００：携帯情報端末
【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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