技術 振動呈示装置

0001

本発明は、振動呈示装置に関する。

0002

従来の技術として、自動車用ハプティックフィードバック装置において、生成された振動の振幅がより迅速に減衰される振動呈示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

0003

特許文献１の振動呈示装置は、タッチセンシティブ面と、タッチセンシティブ面を振動させるための少なくとも１つの振動アクチュエータとを備えた可動部品と、自動車に固定されることが意図された固定部品と、を備え、ハプティックフィードバック装置は、可動部品と固定部品との間に少なくとも部分的に配置された少なくとも１つの非対称減衰部材を備え、非対称減衰部材は、振動アクチュエータにより生成された振動を、他方向より一方向において、より減衰させるように構成されている。

0004

特表２０１７−５３６６２７号公報

0005

特許文献１の振動呈示装置は、非対称減衰部材の第１部分は、非対称減衰部材の第２部分より剛性があるように設定され、したがって、非対称減衰部材は、可動部品の、ユーザの指に向かう変位より固定部品に向かう変位を、より減衰させる。しかし、従来の振動呈示装置は、振動呈示の動作においても減衰作用がある。したがって、呈示振動は阻害せず、残振動を抑制する減衰性に優れた振動呈示装置が望まれている。

0006

従って、本発明の目的は、振動呈示後の不要な振動を速やかに減衰させることができる振動呈示装置を提供することにある。

0007

［１］本発明は、上記目的を達成するために、振動を呈示する振動パネルと、前記振動パネルに振動を付与する振動発生部と、前記振動パネルを支持する筐体と、前記振動パネルと前記筐体の間に弾性を有して介在し、両端部が前記振動パネル及び前記筐体に固定された第１支持部と、前記振動パネルと前記筐体の間に粘弾性を有して介在し、前記振動パネル又は前記筐体の側のどちらかの端部のみが前記振動パネル又は前記筐体に固定された第２支持部と、を有する振動呈示装置を提供する。
［２］前記第２支持部は、非振動時において、非固定端部が前記振動パネル又は前記筐体に当接している、上記［１］に記載の振動呈示装置であってもよい。
［３］また、前記第２支持部は、ゴム材により形成されている、上記［１］又は［２］に記載の振動呈示装置であってもよい。
［４］また、上下鉛直方向に配置される振動呈示装置であって、前記振動発生部は前記振動パネルを上方向に駆動して振動させる、上記［１］から［３］のいずれか１項に記載の振動呈示装置であってもよい。

0008

本発明によれば、振動呈示後の不要な振動を速やかに減衰させることができる。

0009

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た振動呈示装置の上平面図である。
図２（ａ）は、振動パネルが上方向にΔ１だけ変位した場合の、図１（ａ）の正面図に相当する図であり、図２（ｂ）は、振動パネルが下方向にΔ２だけ変位した場合の、図１（ａ）の正面図に相当する図である。
図３は、本実施の形態に係る振動呈示装置の制御ブロックを示すブロック図である。
図４（ａ）は、図３で示す信号Ｖｃの信号波形図、図４（ｂ）は、振動波形を示す図である。
図５は、図１（ａ）、図２（ａ）、（ｂ）の振動時の第１支持部、第２支持部をバネとダンパでモデル化して説明するモデル図である。
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図である。
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図である。

0010

（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る振動呈示装置１０は、振動を呈示する振動パネル２０と、振動パネル２０に振動を付与する振動発生部としてのボイスコイルモータ１００と、振動パネル２０を支持する筐体３０と、振動パネル２０と筐体３０の間に弾性を有して介在し、両端部が振動パネル２０及び筐体３０に固定された第１支持部４０と、振動パネル２０と筐体３０の間に粘弾性を有して介在し、振動パネル２０又は筐体３０の側のどちらかの端部のみが振動パネル２０又は筐体３０に固定された第２支持部５０と、を有して構成されている。

0011

本実施の形態では、第２支持部５０の振動パネル２０側の端部が、振動パネル２０に固定されていない構成とされているので、ボイスコイルモータ１００で振動パネル２０を上方向（突き上げ方向）に駆動する場合には第２支持部５０は制振機能を発揮せず、振動パネル２０を下方向に駆動する場合にのみ制振機能を発揮する。したがって、振動パネル２０を上方向（突き上げ方向）に駆動することにより操作者に振動呈示、触覚呈示を行なう場合に、振動呈示に必要な振動を減衰させず、振動呈示後の不要な振動を速やかに減衰させることができる。

0012

（本発明の第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態では、振動発生部として、ボイスコイルモータ１００を使用する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た振動呈示装置の上平面図である。振動パネル２０は、例えば、樹脂、アルミ等の金属材料等の種々の材料が使用できる。

0013

（振動パネル２０）
振動パネル２０は、図１等に示すように、板状体であり、上面２０ａには例えばタッチセンサ２５が装着されて、タッチパネルとすることができる。この振動パネル２０は、駆動源としてのボイスコイルモータ１００により駆動されることにより、振動を呈示することができる。例えば、タッチパネルとしての振動パネル２０にタッチした場合に、振動パネル２０を例えば図１（ａ）に示すＢ方向に振動させることにより、タッチしたことを操作者に報知する。その他、種々の操作に伴って振動パネル２０を振動させることにより、操作者に対して触覚呈示を行なうことができる。

0014

振動パネル２０の下面２０ｂには取付部２２が形成され、取付部２２にボイスコイルモータ１００のコイル１１０が取付固定されている。また、振動パネル２０の下面２０ｂには、第１支持部４０の上端部４０ａが例えば接着等により固定されている。

0015

また、第２支持部５０の上端部５０ａは、振動パネル２０の下面２０ｂに対して接着等により固定されない。例えば、非振動時において、非固定端部である上端部５０ａは振動パネル２０の下面２０ｂに当接している。したがって、振動発生部による駆動状態に応じて、振動パネル２０の下面２０ｂと第２支持部５０の上端部５０ａが接触しているか、または、離隔しているかのどちらかの状態となっている。

0016

タッチセンサ２５は、例えば、操作者の体の一部（例えば、指）でカバーの検出面に触れた場合、触れた検出面上の位置を検出するものである。操作者は、例えば、検出面にタッチやなぞり等の操作を行うことにより文字や記号の入力操作ができる。また、この入力操作により入力内容が判断されて接続された電子機器の操作を行うことが可能となる。

0017

タッチセンサ２５としては、例えば、静電容量方式、抵抗膜方式、赤外線方式、ＳＡＷ方式等の公知のタッチ検出方式を用いることが可能である。本実施の形態に係るタッチセンサ２５は、例えば、検出面である振動パネル２０の上面２０ａに指が近接する又はタッチ（接触）することにより静電容量値の変化を検出することにより、近接又はタッチ位置を検出する静電容量方式のタッチセンサが使用できる。

0018

（筐体３０）
筐体３０は、図１等に示すように、板状体であり、例えば、アルミ等の金属材料、樹脂等の種々の材料が使用できる。筐体３０の上部３０ａは、第１支持部４０の下端部４０ｂが接着等により固定される面とされている。また、筐体３０の上部３０ａは、第２支持部５０の下端部５０ｂが接着等により固定される面とされている。

0019

（第１支持部４０）
第１支持部４０は、ゴム等の弾性部材で形成されている。なお、第１支持部４０は、粘性を備えたシリコンゴム、ブチルゴム等の粘弾性部材で形成されてもよい。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第１支持部４０は、矩形の柱状とされているが、これには限られず、形状は任意に設定できる。振動パネル２０と筐体３０の間に介在して振動パネル２０を支持できる形状であればよい。

0020

図１（ａ）、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１支持部４０の上端部４０ａは、例えば接着等により、振動パネル２０の下面２０ｂに固定されている。また、第１支持部４０の下端部４０ｂは、例えば接着等により、筐体３０の上部３０ａに固定されている。

0021

図２（ａ）で示すように、第１支持部４０の厚さ（振動パネル２０と筐体３０の間に介在する方向の長さ）は、自然長でＺ０である。

0022

（第２支持部５０）
第２支持部５０は、ゴム等の粘弾性部材で形成されている。第２支持部５０は、例えば、振動吸収性能に優れたシリコンゴム、ブチルゴム等が使用できる。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第２支持部５０は、矩形の柱状とされているが、これには限られず、形状は任意に設定できる。振動パネル２０と筐体３０の間に介在して振動パネル２０の振動を一定方向に吸収、制振できる形状であればよい。

0023

図１（ａ）、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第２支持部５０の上端部５０ａは、振動パネル２０に固定されない。また、第２支持部５０の下端部５０ｂは、例えば接着等により、筐体３０の上部３０ａに固定されている。

0024

なお、第２支持部５０は、振動パネル２０又は筐体３０のどちらかの側の端部のみが振動パネル２０又は筐体３０に固定される。したがって、第２支持部５０の上端部５０ａが接着等により振動パネル２０に固定され、第２支持部５０の下端部５０ｂが筐体３０の上部３０ａに固定されない構成であってもよい。

0025

図２（ａ）で示すように、第２支持部５０の厚さ（振動パネル２０と筐体３０の間に介在する方向の長さ）は、第１支持部４０と同じく、自然長でＺ０である。

0026

（ボイスコイルモータ１００）
振動発生部としてのボイスコイルモータ１００は、図１（ａ）、（ｂ）等に示すように、コイル１１０と磁気回路１２０とから構成されている。コイル１１０は、振動パネル２０側に取付固定され、磁気回路１２０は、筐体３０の上部３０ａに載置固定されている。

0027

コイル１１０は、エナメル線等のマグネットワイヤを複数回だけコイル状に巻回させて形成したものである。コイル１１０は、通電することにより、磁気回路１２０により発生する磁界Ｈからフレミング左手の法則に従って受けるローレンツ力により駆動され、振動発生源となる。

0028

磁気回路１２０は、ヨーク（センターヨーク１２２、中継ヨーク１２４、サイドヨーク１２６）と磁石（永久磁石）１３０とから構成される。図１（ａ）、（ｂ）等に示すように、ヨーク（センターヨーク１２２、中継ヨーク１２４、サイドヨーク１２６）は、円筒、円盤形状に形成され、例えば、軟鉄、電磁鋼等の軟磁性材料により形成されている。磁石（永久磁石）１３０は、サイドヨーク１２６に取り付けられ、磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に磁界Ｈを発生させる。

0029

コイル１１０は、磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に配置され、コイル１１０への通電により、図１（ａ）に示すＢ方向に駆動される。これにより、コイル１１０が取付固定された振動パネル２０は、Ｂ方向へ振動し、触覚呈示をすることができる。なお、コイル１１０と磁気回路１２０との配置関係、電流の方向により、図１（ａ）に示すＢ方向以外への振動呈示も可能である。

0030

（振動呈示装置１０の組み立て状態）
図１（ａ）に示すように、振動呈示装置１０の組み立て状態において、筐体３０の上部３０ａをＺ方向（上下方向）の基準とする。振動呈示装置１０の組み立て状態、すなわち、振動していない初期状態において、第２支持部５０の上端部５０ａは、振動パネル２０の下面２０ｂに接触（当接）している。このときの第１支持部４０の上端部４０ａ、及び、第２支持部５０の上端部５０ａの位置は、図１（ａ）に示すように、Ｚ＝Ｚ０である。

0031

（制御部２００）
制御部２００は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部２００が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

0032

図３に示すように、振動オン信号ＶＳが制御部２００に入力され、駆動信号Ｖｄ（例えば、パルス信号）がドライブ回路２１０に出力される。ドライブ回路２１０により電流増幅されたコイル駆動信号Ｖｃによりコイル１１０に通電される。磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に発生している磁界Ｈとコイル電流とにより、コイル１１０にはローレンツ力が発生する。

0033

（振動呈示装置１０の振動呈示動作）
図４（ａ）は、図３で示す各信号Ｖｃの信号波形図、図４（ｂ）は、振動波形を示す図である。本実施の形態に係る振動呈示装置１０は、上下鉛直方向に配置され、図１（ａ）等に示すように、振動パネル２０を上方向Ｂ（突き上げ方向）に駆動して振動呈示、触覚呈示を行なう。

0034

図３に示すように、振動オン信号ＶＳが制御部２００に入力され、これに基づいて、駆動信号Ｖｄ（例えば、１つのパルス信号）がドライブ回路２１０に出力される。ドライブ回路２１０により電流増幅されたコイル駆動信号Ｖｃによりコイル１１０に通電される。これにより、図１（ｂ）に示すように、磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に発生している磁界Ｈとコイル電流Ｉとにより、コイル１１０にはローレンツ力が発生し、上方向Ｂに振動パネル２０が駆動される。

0035

図４（ａ）に示す、ｔ１からｔ２の間のパルスＰにより、ボイスコイルモータ１００（振動発生部）から駆動力が作用して、振動パネル２０は、図２（ａ）に示すように、上方向ＢにΔ１だけ変位する。このとき、振動パネル２０の下面２０ｂは、第２支持部５０の上端部５０ａから離間する。したがって、ｔ１からｔ２の間においては、振動パネル２０の振動は阻害されない。

0036

ここで、図５は、図１（ａ）、図２（ａ）、（ｂ）の振動時の第１支持部、第２支持部をバネとダンパでモデル化して説明するモデル図である。第１支持部４０は、ゴム等の粘弾性部材で形成されているので、図５に示すように、バネとダンパによりモデル化することができる。また、同様に、第２支持部５０も同様に、ゴム等の粘弾性部材で形成されているので、図５に示すように、バネとダンパによりモデル化することができる。

0037

図４（ａ）に示す、ｔ１からｔ２の間においては、第１支持部４０は、振動パネル２０と筐体３０の間に介在する。一方、第２支持部５０は、振動パネル２０の下面２０ｂと第２支持部５０の上端部５０ａが離間するので、振動パネル２０は減衰作用、制振作用を受けない。

0038

次に、図４（ａ）に示す、ｔ２からｔ３の間では、駆動信号がゼロであるので、振動パネル２０には、ボイスコイルモータ１００（振動発生部）からの駆動力は作用しない。したがって、振動パネル２０は残振動する。この残振動は、ｔ２からｔ３の間では、下方向（−Ｚ方向）である。

0039

振動パネル２０は、図２（ｂ）に示すように、下方向ＣにΔ２だけ変位する。このとき、振動パネル２０の下面２０ｂは、第２支持部５０の上端部５０ａに当接している。したがって、第２支持部５０は、振動パネル２０と筐体３０の間に挟まれて介在するので、圧縮作用を受ける。図５で示すように、第２支持部５０は、バネとダンパにより、振動パネル２０の残振動に対して、減衰作用、制振作用を及ぼす。これにより、振動パネル２０の残振動は、速やかに減衰する。

0040

図５に示すように、ボイスコイルモータ１００（振動発生部）の駆動力により振動パネル２０が上方向（＋Ｚ方向）に駆動される場合は第２支持部５０の減衰作用、制振作用は働かず、振動パネル２０が下方向（−Ｚ方向）に動く場合は第２支持部５０の減衰作用、制振作用は働く。

0041

上記のことを図５に図示すると、振動パネル２０が下方向（−Ｚ方向）に動く場合は、第２支持部５０が無い場合の破線で示す変位よりも減衰した実線で示す変位となる。すなわち、振動パネル２０が下方向（−Ｚ方向）に動く場合のみ第２支持部５０の減衰作用、制振作用は働くので、振動呈示（上方向）は阻害されず、この振動呈示後の残振動（不要な振動）を速やかに減衰させることができる。

0042

（本発明の第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図である。第２の実施の形態は、実施の形態で使用した振動発生部としてのボイスコイルモータ１００の代わりに、振動発生部として圧電アクチュエータ１５０を使用する。圧電アクチュエータ１５０は、筐体３０上に載置されて取付け部材１５５に取り付けられ、圧電アクチュエータ１５０の一部１５０ａ（上部）が、振動パネル２０の下面２０ｂに接触して貼付け固定されている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、以下において異なる構成の部分について説明する。

0043

圧電アクチュエータ１５０は、例えば、金属板と、圧電素子と、を備えたモルフ型の圧電素子である。このモルフ型圧電素子は、層状又は板状の圧電素子が屈曲する構造の圧電素子である。金属板は、例えば、導電性を有するアルミニウム、ニッケル、銅、鉄等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。

0044

圧電素子の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ乳酸等が用いられる。この圧電素子は、例えば、金属板の片面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型の圧電素子である。

0045

圧電アクチュエータ１５０は、電圧をかけることにより引張又は圧縮による変形を生じるので、図４（ａ）で示したようなパルス駆動をすることにより、振動させることができ、振動パネル２０の振動呈示が可能となる。圧電アクチュエータ１５０は、薄型化に適する等の効果がある。

0046

（本発明の第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る振動呈示装置の正面図である。第３の実施の形態は、実施の形態で使用した振動発生部としてのボイスコイルモータ１００の代わりに、振動発生部として慣性駆動式アクチュエータを使用する。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、以下において異なる構成の部分について説明する。

0047

慣性駆動式アクチュエータ１６０は、アクチュエータで発生した慣性力を利用して振動パネル２０を駆動することにより、振動パネル２０を振動させる。慣性駆動式アクチュエータ１６０は、図７に示すように、振動パネル２０の下面２０ｂに接触して貼付け固定されている。すなわち、振動発生部としての慣性駆動式アクチュエータ１６０は、振動対象物である振動パネル２０に取り付けられ、筐体３０には固定されない。慣性駆動式アクチュエータ１６０は、薄型化に適する等の効果がある。

0048

（本発明の実施の形態に係る振動呈示装置１０の適用例）
本実施の形態に係る振動呈示装置１０を、振動パネル２０の上面２０ａにタッチセンサ２５を装着した操作入力装置とする場合には、例えば、車両の運転席と助手席の間のフロアコンソールに配置され、インストルメントパネルに設けられた表示部を見ながらの入力操作に適用することができる。操作入力装置を操作して、所定の位置での押圧操作等により入力操作を実行し、これに基づいて車載機器、例えば、空調装置、カーナビゲーション装置、オーディオ装置等の遠隔制御が可能となる。

0049

（本発明の実施の形態の効果）
上記のような構成により、次のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る振動呈示装置１０は、振動を呈示する振動パネル２０と、振動パネル２０に振動を付与する振動発生部としてのボイスコイルモータ１００と、振動パネル２０を支持する筐体３０と、振動パネル２０と筐体３０の間に弾性を有して介在し、両端部が振動パネル２０及び筐体３０に固定された第１支持部４０と、振動パネル２０と筐体３０の間に粘弾性を有して介在し、振動パネル２０又は筐体３０のどちらかの端部のみが振動パネル２０又は筐体３０に固定された第２支持部５０と、を有して構成されている。例えば、第２支持部５０の振動パネル２０側の端部が、振動パネル２０に固定されていない構成とされているので、ボイスコイルモータ１００で振動パネル２０を上方向（突き上げ方向）に駆動する場合には第２支持部５０は制振機能を発揮せず、振動パネル２０を下方向に駆動する場合にのみ制振機能を発揮する。したがって、振動パネル２０を上方向（突き上げ方向）に駆動することにより操作者に振動呈示、触覚呈示を行なう場合に、振動呈示に必要な振動を減衰させず、かつ、振動呈示後の不要な振動を速やかに減衰させることができる。
（２）振動呈示後の不要な振動を速やかに減衰させることができるので、操作者が振動パネル２０を操作する際に振動呈示をして、シャープな触覚呈示できるタッチデバイスを実現することができる。
（３）図４（ａ）、（ｂ）で示したように、疑似触感を振動で呈示できるタッチデバイスにおいて、振動の立ち上がり速度や最大変位に影響を与えず、半波長以降で減衰を大きくして素早く振動を停止させる減衰構造が可能となる。
（４）第２、第３の実施の形態では、実施の形態の効果に加えて、圧電アクチュエータ、慣性駆動式アクチュエータを使用することにより振動発生源とすることができる。これにより、構成の簡素化ができ、また、装置の薄型化が可能となる効果を有する。

0050

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0051

１０…振動呈示装置
２０…振動パネル、２０ａ…上面、２０ｂ…下面、２２…取付部、２５…タッチセンサ
３０…筐体、３０ａ…上部
４０…第１支持部、４０ａ…上端部、４０ｂ…下端部
５０…第２支持部、５０ａ…上端部、５０ｂ…下端部
１００…ボイスコイルモータ（振動発生部）
１１０…コイル
１２０…磁気回路、１２２…センターヨーク、１２４…中継ヨーク、１２６…サイドヨーク
１３０…磁石
１５０…圧電アクチュエータ、１５５…取付け部材
１６０…慣性駆動式アクチュエータ
２００…制御部
２１０…ドライブ回路