JP6152243B1 - 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法、駆動システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法を提供する。【解決手段】衝撃駆動型アクチュエータ１００は、ＦＥＴ２１３の動作で生成したパルス電圧で動作する。キーボード２０９は、入力操作のタイミングでキーイベントを出力する。ストレス監視部２０１は、キーイベントとパルス電圧のパラメータに基づいて衝撃駆動型アクチュエータのストレス量を計算する。ストレス調整部２０３は、ストレス量が許容値に到達したときにパルス電圧のパラメータを変更する。パラメータはパルス電圧の波高値またはパルス幅とすることができる。ストレス調整部は、ブレーク・コードに対応するキーイベントに応じた衝撃駆動型アクチュエータの動作を停止することもできる。【選択図】図６

Description

本発明は形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動技術に関し、さらには、アクチュエータのストレスを制御する技術に関する。

タブレット端末のタッチスクリーン、キー・トラベリングがないフラットタイプのキーボードまたはキー・ストロークのないタッチ式の操作スイッチなどには、ユーザに操作感を与える触覚フィードバック（ハプティク・フィードバック）のためのアクチュエータを組み込む場合がある。これまではアクチュエータの駆動部分に、電磁石、圧電素子、または振動モータなどを利用していたが、近年、振動強度、応答性、およびサイズなどの利点を有する形状記憶合金（ＳＭＡ：Shape Memory Alloy）を利用するようになってきた。

特許文献１は、周囲温度に応じて形状記憶合金に与えるエネルギーを変化させる衝撃発生アクチュエータを開示する。同文献には、入力操作に応じて発生する単一パルス信号に基づく駆動信号を生成し出力する駆動信号発生部と、駆動信号によってスイッチング動作が制御されるスイッチング素子と、スイッチング素子がオンまたはオフする期間通電される形状記憶合金とを有し、周囲温度に応じて、スイッチング素子がオンまたはオフする期間が変化することを記載する。

特許文献２は、パルス電圧を印加して形状記憶合金を採用したアクチュエータを振動させて触覚に対する情報を伝達する装置を開示する。同文献は、パルス電圧の波高値を変化させること、断続的に印加するパルス波の印加時間を可変にし、印加する時間間隔を一定にすることを記載する。さらに、パルス電圧の波高値で形状記憶合金本体の振動の強弱を調整できることを記載する。

特開２０１６−１５６９８号公報 特開２００８−２６２４７８号公報

形状記憶合金を利用した衝撃駆動型アクチュエータでは、ＳＭＡに印加する単一パルス電圧の波高値およびパルス幅で振動体に付与する振動強度を調整することができる。衝撃駆動型アクチュエータは、動作を繰り返すたびに熱的および機械的なストレスを受けて劣化する。特に、短時間の間にストレスを集中させると損傷させたり寿命を縮めたりするため、時間当たりの動作回数は制限される。

たとえば、キーボードの触覚フィードバックに利用する衝撃駆動型アクチュエータは、無作為なキーイベントが発生するタイミングで動作する。打鍵速度の速いユーザが入力操作をすると、単一パルス電圧の繰り返し頻度が上限を超えることがある。この場合、衝撃駆動型アクチュエータを保護するためには、キーイベントをスキップして動作させるか、一定時間だけ動作を停止させる必要があり利便性を損なう。

そこで本発明の目的は、形状記憶合金を利用した利便性の高いアクチュエータの駆動方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、利便性を維持しながらアクチュエータに与えるストレス量をダイナミックに調整する駆動方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、アクチュエータの動作頻度が高くなったときに動的に保護することが可能な駆動方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような駆動方法を適用した触覚フィードバックの生成方法を提供することにある。さらに本発明の目的は、そのような方法を実現する駆動システム、および電子機器を提供することにある。

本発明は、形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法を提供する。入力イベントに応じてアクチュエータに所定のパルス電圧を印加し、入力イベントに応じて動作するアクチュエータのストレス量を監視し、ストレス量が所定値に到達したときに、アクチュエータに入力イベントに応じてパラメータを調整した調整パルス電圧を印加する。

本発明の他の態様では、入力イベントに応じて第１のパラメータと第２のパラメータの調整が可能なパルス電圧を印加してアクチュエータを動作させ、入力イベントに応じて動作するアクチュエータに供給するエネルギー量を監視し、エネルギー量が第１の所定値に到達したときに、第１のパラメータを調整したパルス電圧を印加してアクチュエータを動作させる。さらに、エネルギー量が第１の所定値より大きい第２の所定値に到達したときに、第２のパラメータを調整した調整パルス電圧を印加することができる。

本発明の他の態様では、キーボードに対する触覚フィードバックを生成する方法を提供する。キーボードがキーイベントを生成するタイミングで所定のパルス電圧を印加して形状記憶合金を利用したアクチュエータを動作させ、所定時間当たりのキーボードの打鍵回数を監視し、打鍵回数が所定値に到達したときに、パラメータを調整した調整パルス電圧でアクチュエータを動作させる。

本発明により、形状記憶合金を利用した利便性の高いアクチュエータの駆動方法を提供することができた。さらに本発明により、利便性を維持しながらアクチュエータに与えるストレス量をダイナミックに調整する駆動方法を提供することができた。さらに本発明により、アクチュエータの動作頻度が高くなったときに動的に保護することが可能な駆動方法を提供することができた。さらに本発明により、そのような駆動方法を適用した触覚フィードバックの生成方法を提供することができた。さらに本発明により、そのような方法を実現する駆動システムおよび電子機器を提供することができた。

衝撃駆動型アクチュエータ１００の構造を説明するための模式的な図である。 熱サイクルによってＳＭＡ１０１の温度と長さが変化する様子を説明するための図である。 衝撃駆動型アクチュエータ１００をキーボードの触覚フィードバックに利用したときの従来の動作の様子を説明する図である。 衝撃駆動型アクチュエータ１００に印加する調整パルス電圧の一例を説明するための図である。 調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄを印加したときに衝撃駆動型アクチュエータ１００のストレスが軽減する様子を説明するための図である。 衝撃駆動型アクチュエータ１００のストレス量を調整する駆動システム２００の構成を示す機能ブロック図である。 駆動システム２００の動作手順を示すフローチャートである。

[用語]
本明細書で使用する特別な用語を説明する。ＳＭＡを利用したアクチュエータは、マルテンサイト相（低温相）とオーステナイト相の間のヒステリシス・サイクル（熱サイクル）で動作する。アクチュエータは振動体に振動を与えるためにそれ自体が規則的な運動をする。ＳＭＡを利用したアクチュエータには、衝撃駆動型アクチュエータと振動型アクチュエータが存在する。

衝撃駆動型アクチュエータは、１個の単一パルス電圧または１回の熱サイクルで目的とする振動を生成することができる。振動型アクチュエータは、熱サイクルを可能にする所定の間隔で繰り返し印加した複数の単一パルス電圧で目的とする振動を生成する。本発明にかかる駆動システムはいずれのタイプのアクチュエータにも適用できるが、本明細書では衝撃駆動型アクチュエータを例示して説明する。

単一パルス電圧は、短い所定の通電時間だけ存在する電圧でＳＭＡにアクチュエータの駆動に必要な熱を与える。単一パルス電圧は、ＳＭＡの収縮に対して電流として作用するため単一パルス電流と言い換えることもできる。通電時間中の電圧波形および電流波形は矩形波、微分波、三角波、またはステップ状に波高値が変化する階段波などのような任意の波形とすることができる。単一パルス電圧は、通常の単一パルス電圧と擬似的な単一パルス電圧を含む。

通常の単一パルス電圧は、通電時間中に断続していない単一パルス電圧をいう。擬似的な単一パルス電圧は、１個の通常の単一パルス電圧を通電時間の間スイッチング制御して生成した電圧に相当する。１個の通常の単一パルス電圧が衝撃駆動型アクチュエータに付与するエネルギーは、波高値およびパルス幅で変化する。波高値およびパルス幅を通常の単一パルス電圧のパラメータという。

擬似的な単一パルス電圧のパラメータは、サブ・パルス電圧３４（図４）の波高値、デューティ比、および通電時間を含む。１個の擬似的な単一パルス電圧が衝撃駆動型アクチュエータに付与するエネルギーは、特徴的にデューティ比で制御することができる。以下において、通常の単一パルス電圧と擬似的な単一パルス電圧を区別する必要がないときは、単に単一パルス電圧ということにする。

振動体は、衝撃駆動型アクチュエータに印加した１個の単一パルス電圧で必要な振動をする物体に相当する。振動体は特に限定する必要はないが、一例において、タッチパネル、キーボード、またはスイッチのような人間が操作をする際に触れた指に触覚フィードバックを付与する物体とすることができる。衝撃駆動型アクチュエータは、動作中に熱的および機械的なストレスを受ける。

ストレスは衝撃駆動型アクチュエータの劣化を促進する計測可能な物理量をいう。ストレス量は、衝撃駆動型アクチュエータが単位時間当たりに受け取るストレスの合計をいう。許容ストレス量は、衝撃駆動型アクチュエータが所定の寿命を確保するために許容するストレス量をいう。ストレス量は、一例において、衝撃駆動型アクチュエータに供給する単位時間当たりのエネルギー量またはそれを代用する量で特定することができる。

ストレス量は他の例において、振動体が衝撃駆動型アクチュエータから受け取るエネルギー量またはそれを代用する量で特定することができる。供給するエネルギー量に相当するストレス量は、単位時間当たりに印加する単一パルス電圧のパラメータ値と個数により特定することができる。単一パルス電圧のなかで、衝撃駆動型アクチュエータに寿命の基準にするストレスを発生させるパラメータ値を備える通常の単一パルス電圧を基準パルス電圧という。

基準パルス電圧に対する許容ストレス量は、単位時間当たりに印加する基準パルス電圧の個数で特定することができる。基準パルス電圧に比べて小さいストレスを与える単一パルス電圧を調整パルス電圧という。調整パルス電圧は、擬似的な単一パルス電圧を含む。調整パルス電圧が通常の単一パルス電圧の場合、基準パルス電圧に比べて波高値およびパルス幅またはいずれか一方が小さい。調整パルス電圧が擬似的な単一パルス電圧の場合、基準パルス電圧を通常の単一パルス電圧として比較した場合に、平均値または波高値が小さい。調整パルス電圧は、与えるストレスが小さいため、許容ストレス量の範囲で基準パルス電圧よりも多い個数を印加することができる。

図１は、衝撃駆動型アクチュエータ１００の構造を説明するための模式的な図である。衝撃駆動アクチュエータ１００は、固定子１０３、可動子１０５、ＳＭＡ１０１およびバイアス材１０７で構成している。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、振動体１０に衝撃性または一過性の振動を与える。ＳＭＡ１０１は、１方向性の形状記憶とバイアス力で繰り返し動作をする。ただし、本発明は２方向性の形状記憶をするＳＭＡに適用することもできる。

固定子１０３と可動子１０５が対向する対向面は、互いの凹凸が嵌合できるような波状に形成している。対向面の間には、線状のＳＭＡ１０１を配置している。ＳＭＡ１０１には、例えばニッケル・チタン合金、チタン・ニッケル・銅合金などを選択できるが特に限定する必要はない。バイアス材１０７は、固定子１０３と可動子１０５が接近する方向にバイアス力を与える弾性体で構成することができる。

図１（Ａ）は、ＳＭＡ１０１が、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ（図２）以下の温度になって柔軟な性状を示したときの様子を示している。バイアス材１０７が、可動子１０５に付与したバイアス力で可動子１０５が固定子１０３に接近して対向面が嵌合する。対向面で塑性変形したＳＭＡ１０１は、固定子１０３と可動子１０５の対向面の形状に沿って最大の長さまで伸張する。ＳＭＡ１０１が対向面の形状およびバイアス材１０７によって塑性変形し長さが最大になっている状態を完全伸張状態という。

図１（Ｂ）はＳＭＡ１０１が温度の上昇に伴って収縮および硬化してオーステナイト変態終了温度Ａｆ（図２）を超え記憶していた形状に戻ったときの様子を示している。ＳＭＡ１０１の収縮が終了した状態を完全収縮状態という。完全伸張状態から完全収縮状態に移行する間にＳＭＡ１０１から力を受けた可動子１０５は、バイアス力に抗して固定子１０３との間隔が広がるように変位する。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、基準パルス電圧を印加すると１回の熱サイクルでＳＭＡ１０１が完全伸張状態から完全収縮状態に相転移し、さらに、通電時間が終了すると完全伸張状態に戻る。

図２は、単一パルス電圧を印加したＳＭＡ１０１の温度と長さが変化する様子を説明するための図である。横軸はＳＭＡ１０１の温度Ｔを示し、縦軸は長さＬを示している。ＳＭＡ１０１は、温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下のときは、全体がほぼマルテンサイト相に相転移している。マルテンサイト相では、ＳＭＡ１０１が柔軟性を備えるため、バイアス力を受けて塑性変形している。

マルテンサイト相に相転移しているＳＭＡ１０１に電圧を印加して通電加熱すると、温度がオーステナイト変態開始温度Ａｓを超えたときにマルテンサイト逆変態を開始して収縮が始まる。そして温度がオーステナイト変態終了温度Ａｆに到達したときに収縮が終了して長さがＬ１（Ｌ１＜Ｌ０）の完全収縮状態になる。温度がオーステナイト変態開始温度Ａｓからオーステナイト変態終了温度Ａｆまで上昇する過程を完全昇温過程ということにする。

完全収縮状態のときに通電を停止すると、放熱により温度が低下してマルテンサイト変態開始温度Ｍｓでマルテンサイト変態が始まり徐々に軟化する。この間、軟化の程度とバイアス力によりＳＭＡ１０１は徐々に伸張する。そして、温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆに到達すると伸張が終了して長さがＬ０の完全伸張状態になる。温度がマルテンサイト変態開始温度Ｍｓからマルテンサイト変態終了温度Ｍｆまで下降する過程を完全降温過程ということにする。

ＳＭＡ１０１は、１回の完全昇温過程と１回の完全降温過程が構成する完全熱サイクルの間にＬ０−Ｌ１＝ｄだけ長さが伸縮する。可動子１０５は、振動体１０に対して、完全収縮状態で加えた曲げ応力を完全伸張状態で解放する。振動体１０は、単一パルス電圧の印加で伸縮するＳＭＡ１０１が付与する急激な応力の変化に応じて振動する。振動の強度は可動子１０５の変位量と変位速度で変わる。

可動子１０５の変位量は、長さＬ１を最大値とするＳＭＡ１０１の収縮量、すなわち供給熱量に依存する。たとえば、波高値が同じパルス電圧でもパルス幅が狭くてオーステナイト変態終了温度Ａｆに到達する前の温度Ｔ１で通電時間が終了すると、ＳＭＡ１０１は長さＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）までしか収縮しないため可動子１０５の変位量は完全昇温過程よりも少ない。したがって、振動体１０の変位は小さくなり加速度は低下する。

オーステナイト変態終了温度Ａｆに到達する前に通電時間が終了する単一パルス電圧による昇温過程を不完全昇温過程ということにする。不完全昇温過程を含む不完全熱サイクルでは、完全熱サイクルに比べてＳＭＡ１０１に加える供給熱量が低下し、かつ変位量も低下するためストレスが軽減する。また、同じ通電時間であっても波高値が大きいほど長さＬ１まで収縮する時間が短くなって可動子１０５の変位速度が速くなる。したがって、波高値を小さくするとＳＭＡ１０１に対するストレスが軽減する。

図３は、キーボードの触覚フィードバックに利用した衝撃駆動型アクチュエータ１００の従来の動作の様子を説明する図である。キーイベント１１は、キーボードを打鍵したときにキー・スイッチのオン状態への遷移に応じて生成されるメーク・コード１３とオフ状態への遷移に応じて生成されるブレーク・コード１５のタイミングで生成される。メーク・コード１３とブレーク・コード１５の生成に応じて、衝撃駆動型アクチュエータ１００には、一定の波高値および一定のパルス幅の基準パルス電圧２１が印加される。

１個の基準パルス電圧２１が衝撃駆動型アクチュエータ１００に与えるストレスは同じである。基準パルス電圧２１だけを印加する場合のストレス量は、ユーザの打鍵速度で変わる。打鍵中のストレス量を許容ストレス量の範囲に制限するために、打鍵速度が速くなったときに任意のキーイベント１１に対応する基準パルス電圧２１の印加をスキップしたり、所定の時間だけ動作を停止したりすると利便性が悪くなる。

図４は、衝撃駆動型アクチュエータ１００に印加する調整パルス電圧の一例を説明するための図である。図４（Ａ）は、パルス幅Ｗｓと波高値Ｖ１の基準パルス電圧２１に続いて発生したパルス幅Ｗｓ、波高値Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）の調整パルス電圧３５ａを示している。図４（Ｂ）は、基準パルス電圧２１に続いて発生した、擬似的な単一パルス電圧で構成した調整パルス電圧３５ｂを示している。調整パルス電圧３５ｂは、波高値Ｖ１、通電時間Ｗｘの複数のサブ・パルス電圧３４で構成している。

調整パルス電圧３５ｂの波高値Ｖ１および通電時間Ｗｘは、基準パルス電圧２１と同じでも異なっていてもよい。サブ・パルス電圧３４は、通常の単一パルス電圧をＰＷＭ制御して生成することができる。サブ・パルス電圧３４は、ＰＷＭ制御に代えてオン期間一定またはオフ期間一定のＰＦＭ制御で生成してもよい。いずれのサブ・パルス電圧でもオフ期間は、完全熱サイクルを実現するために必要な完全降温過程の時間より短く、昇温過程においてＳＭＡ１０１の温度がマルテンサイト変態終了温度Ｍｆまで下がらないように選択する。

ＳＭＡ１０１に調整パルス電圧３５ｂを印加すると、サブ・パルス電圧３４のオン期間で温度が上昇して収縮し、オフ期間で収縮が停止する。オフ期間をほとんど温度低下しない程度、すなわち伸張しない程度に短くすれば、オフ期間の間にＳＭＡ１０１の長さはほとんど変化しない。調整パルス電圧３５ｂはＳＭＡ１０１に対して波高値を低下させた調整パルス電圧３５ａと等価的に作用してＳＭＡ１０１のストレスを軽減する。

サブ・パルス電圧３４のデューティ比が１００％の擬似的な単一パルス電圧は、通常の単一パルス電圧に相当する。図４（Ｃ）は、基準パルス電圧２１に続いて発生した、波高値Ｖ１、パルス幅Ｗｍ（Ｗｍ＜Ｗｓ）の調整パルス電圧３５ｃを示し、図４（Ｄ）は、波高値Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）、パルス幅Ｗｍの調整パルス電圧３５ｄを示している。

図５は、調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄを印加したときに衝撃駆動型アクチュエータ１００のストレスが軽減する様子を説明するための図である。図５（Ａ）は、基準パルス電圧２１、調整パルス電圧３５ａ、３５ｃの波高値Ｖ１、Ｖ２およびパルス幅Ｗｓ、Ｗｍを示し、図５（Ｂ）は、調整パルス電圧３５ａを印加したときの様子を示し、図５（Ｃ）は調整パルス電圧３５ｃを印加したときの様子を示している。

図５（Ｂ）において、基準パルス電圧２１を印加した場合と、調整パルス電圧３５ａを印加した場合のＳＭＡ１０１の挙動を比較する。調整パルス電圧３５ａは基準パルス電圧２１に比べてパルス幅Ｗｓは等しいが波高値Ｖ２は小さい。長さＬ０のＳＭＡ１０１に時刻ｔ０で基準パルス電圧２１を印加すると、時刻ｔ１で完全昇温過程が終了して長さがＬ１まで収縮する。ＳＭＡ１０１は、基準パルス電圧２１の通電時間が終了するまで長さＬ１を維持して通電時間が終了した時刻ｔ３以降に完全降温過程を開始する。ＳＭＡ１０１は時刻ｔ５で完全降温過程が終了して長さがＬ０に戻る。

時刻ｔ０で調整パルス電圧３５ａを印加したときは、ジュール熱が少ないためオーステナイト相への完全な相転移が終了する前に時刻ｔ３で通電時間が終了するが、このとき長さはＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）までしか収縮しない。ＳＭＡ１０１は通電時間が終了した時刻ｔ３以降に不完全降温過程を開始し、時刻ｔ４で不完全降温過程が終了して長さがＬ０に戻る。基準パルス電圧２１に比べて調整パルス電圧３５ａを印加したときのＳＭＡ１０１の変位量は少なくかつ収縮が停止するまでの時間も長くなるため衝撃駆動型アクチュエータ１００が受けるストレスは軽減される。調整パルス電圧３５ｂを印加したときも同様である。

図５（Ｃ）において、基準パルス電圧２１を印加した場合と、調整パルス電圧３５ｃを印加した場合のＳＭＡ１０１の挙動を比較する。調整パルス電圧３５ｃは、基準パルス電圧２１に比べてパルス幅Ｗｍは短いが波高値Ｖ１が等しいため時刻ｔ０から通電時間が終了する時刻ｔ６までの昇温過程は同等に推移する。時刻ｔ６で不完全昇温過程が終了するが、このとき長さはＬ３（Ｌ３＞Ｌ１）までしか収縮しない。

その後不完全降温過程に入り時刻ｔ７で長さがＬ０に戻る。基準パルス電圧２１に比べて調整パルス電圧３５ｃを印加したときのＳＭＡ１０１の変位量は少ないため衝撃駆動型アクチュエータ１００が受けるストレスは軽減される。パルス幅Ｗｍに加えて波高値Ｖ２も低減した調整パルス電圧３５ｄを印加すれば一層ストレスを軽減することができる。

[駆動システム]
図６は、衝撃駆動型アクチュエータ１００のストレス量を調整する駆動システム２００の構成を示す機能ブロック図である。駆動システム２００は、ストレス監視部２０１、ストレス調整部２０３、パルス信号生成部２０５、フラット型のキーボード２０９、直流電圧源２０７、衝撃駆動型アクチュエータ１００、Ｎ型のＦＥＴ２１３およびコンデンサ２１５で構成している。ストレス監視部２０１、ストレス調整部２０３、およびパルス信号生成部２０５は、ＳｏＣ（System on Chip）や専用のコントローラで構成することができる。

キーボード２０９は図１の振動体１０の一例に相当する。キーボード２０９は、入力したときにパンタグラフ式のキーボードのような操作感（タクタイル）がないタイプのキーボードである。キーボード２０９は、典型的にはキーが独立しておらず表面を連続したシートで覆われている。キーボード２０９は、タッチスクリーンで構成したソフトウェア・キーボードでもよい。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、キー操作のタイミングでキーボード２０９を振動させて触覚フィードバックを付与する。ユーザがキー操作をすると衝撃駆動型アクチュエータ１００は、メーク・コードおよびブレーク・コードが生成されたタイミングでキーボード２０９の基板に振動を付与する。

キーボード２０９は、ストレス監視部２０１に、キー操作のタイミングでメーク・コードおよびブレーク・コードに対応するキーイベントを出力する。ストレス監視部２０１は、ストレス調整部２０３から、現在パルス信号生成部２０５に設定している基準パルス電圧２１、または調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄのパラメータを取得する。ストレス監視部２０１は、パルス信号生成部２０５にメーク・コードおよびブレーク・コードに対応するキーイベントを通知する。

ストレス監視部２０１は、キーボード２０９に対する入力操作に対して所定の監視時間ごとにストレス量を計算してストレス調整部２０１に送る。ストレス監視部２０１は単一パルス電圧のパルス幅をｗ、波高値をｖ、印加回数をｎとしたときに衝撃駆動型アクチュエータが受けるストレスＬを、Ｌ＝ｆ（ｗ、ｖ、ｎ）のストレス関数で計算することができる。

許容ストレス量Ｌｍａｘは、監視時間Ｐｓの間に許容する基準パルス電圧２１の印加回数をｎｓとしたときに、一例としてＬｍａｘ＝Ｗｓ×Ｖ１×ｎｓとして計算することができる。波高値Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）でパルス幅Ｗｓの調整パルス電圧３５ａを監視時間Ｐｓの間にｎ個印加したときのストレス量Ｌ１は、一例としてＬ１＝α１×Ｗｓ×Ｖ２×ｎで計算することができる。

また、波高値Ｖ１でパルス幅Ｗｍ（Ｗｍ＜Ｗｓ）の調整パルス電圧３５ｃを監視時間Ｐｓの間にｎ個印加したときのストレス量Ｌ２は、一例としてＬ２＝α２×Ｗｍ×Ｖ１×ｎで計算することができる。また、波高値Ｖ２でパルス幅Ｗｍの調整パルス電圧３５ｄを監視時間Ｐｓの間にｎ個印加したときのストレス量Ｌ３は、一例としてＬ３＝α３×Ｗｍ×Ｖ２×ｎで計算することができる。ここにα１〜α３は定数である。

ストレス調整部２０３は、ストレス量を許容ストレス量の範囲に維持するために調整パルス電圧のパラメータを計算する。調整パルス電圧を印加すると、振動強度が低下する。振動強度の低下が望ましくない場合に、ストレス調整部２０３は、できるだけ調整するストレス量が小さくなるように許容ストレス量と実際のストレス量の差に応じて必要な範囲のパラメータを設定することができる。ストレス調整部２０３は調整パルス電圧の波高値、パルス幅、およびデューティ比などのパラメータを直流電圧源２０７およびパルス信号生成部２０５に設定する。

ストレス調整部２０３は、ストレス量が増加したときに重要性が低いブレーク・コードに対応するキーイベントでの調整パルス電圧の出力を停止するようにパルス信号生成部２０５に指示することができる。ストレス調整部２０３は、メーク・コードに対応して基準パルス電圧を印加し、ブレーク・コードに対応して調整パルス電圧を印加するようにパルス信号生成部２０３に指示することができる。

パルス信号生成部２０３は、キーイベントを受け取ったタイミングで、設定されたパラメータの基準パルス電圧２１または調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄを印加するようにＦＥＴ２１３を制御する。ＦＥＴ２１３は直流電圧をスイッチング制御する半導体素子であり、バイポーラ・トランジスタを採用してもよい。

直流電圧源２０７は、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成され所定の直流電圧を出力する。直流電圧源２０７は、調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄを印加する際にストレス調整部２０３の指示で必要に応じて出力電圧を調整する。コンデンサ２１５は、ＦＥＴ２１３のオフ期間に充電しオン期間に放電して衝撃駆動型アクチュエータ１００にエネルギーを供給する。直流電圧源２０７が十分な容量を備えていればコンデンサ２１５はなくてもよい。

[駆動システムの動作]
図７は駆動システム２００の動作手順を示すフローチャートである。ブロック４０１でストレス調整部２０３は、パルス信号生成部２０５に基準パルス電圧２１のパラメータを設定する。ブロック４０３でユーザがキーボード２０９に入力操作を開始する。ブロック４０５でストレス監視部２０１は打鍵速度から計算したストレス量をストレス調整部２０３に出力する。ブロック４０７でストレス調整部２０３は、直近の監視時間Ｐｓの間にストレス量が許容値を超えたと判断したときにブロック４０９に移行する。

ストレス量が許容値未満のときは、ブロック４０３に戻ってストレス調整部２０３は基準パルス電圧２１のパラメータを維持する。ブロック４０９でストレス調整部２０３は、できるだけ触覚フィードバックへの影響が少なくなるようにストレス調整を開始する。ストレス調整部２０３は、波高値だけを低下させた調整パルス電圧３５ａまたはこれに相当する調整パルス電圧３５ｂを印加してストレス調整をするために、波高値またはデューティ比を許容値とストレス量の差に応じて選択する。なお、以下では、調整パルス電圧３５ｂを印加する場合も、調整パルス電圧３５ａの印加として説明する。

ストレス調整部２０３は、パルス信号生成部２０５に基準パルス電圧２１よりも小さい波高値を設定する。衝撃駆動型アクチュエータ１００は、キーイベントのタイミングで調整された調整パルス電圧３５ａが印加されるため、打鍵速度が変化しなければストレス量が低下する。ブロック４１１でストレス監視部２０１は、さらに継続するキー操作に対するストレス量を計算してストレス調整部２０３に出力する。ストレス調整部２０３は、ストレス量の増減に応じて波高値を基準パルス電圧２１の波高値より小さい範囲で調整する。

ストレス調整部２０３は、ストレス量に応じて徐々に波高値を低下させることができるが、波高値を所定の最低値まで低下させると振動が小さくなって、所定の触覚フィードバックを付与することができない。ブロック４１３でストレス調整部２０３は、直近の監視時間Ｐｓの間に波高値を最低値にしてもストレス量が許容値を超えたと判断したときにパルス幅でストレス調整をするためにブロック４１５に移行する。

ストレス量が許容値未満のときは、ブロック４５１に移行してストレス調整部２０３は、基準パルス電圧２１への復帰が可能か否かを判断する。復帰が可能なときはブロック４０３に移行しパルス信号生成部２０５はＳＭＡ１０１に基準パルス電圧２１を印加する。復帰ができないときはブロック４０９に移行して、ストレス調整部２０３は、調整パルス電圧３５ａのパラメータを維持する。ブロック４１５でストレス調整部２０３は、パルス信号生成部２０５にパルス幅を低下させた調整パルス電圧３５ｃのパラメータを設定する。ブロック４１７でストレス監視部２０１は、さらに継続するキー操作に対してストレス量を計算してストレス調整部２０３に出力する。

ストレス調整部２０３は、ストレス量の増減に応じてパルス幅Ｗｍを基準パルス電圧２１のパルス幅Ｗｓより小さい範囲で調整する。ストレス調整部２０３は、ストレス量に応じて徐々にパルス幅を低下させることができるが、パルス幅を所定の値まで低下させると所定の触覚フィードバックを付与することができない。ブロック４１９でストレス調整部２０３は、直近の監視時間Ｐｓの間にストレス量が許容値を超えたと判断したときにさらにストレス調整をするためにブロック４２１に移行する。

ストレス量が許容ストレス量未満のときは、ブロック４５３に移行してストレス調整部２０３は、調整パルス電圧３５ａへの復帰が可能か否かを判断する。復帰が可能なときはブロック４５１に移行する。復帰ができないときはブロック４１５に移行して、ストレス調整部２０３は調整パルス電圧３５ｃのパラメータを維持する。ブロック４２１でストレス調整部２０３は、パルス信号生成部２０５にブレーク・コードに対応する調整パルス電圧３５ｃの印加を停止するように指示する。

キーボードの操作に対する触覚フィードバックでは、通常は、キーを押下したときに振動させた方が操作感がよいため、ブレーク・コードに対応する調整パルス電圧３５ｃをスキップすることで触覚フィードバックへの影響を軽減する。ブロック４２３で、ストレス監視部２０１はストレス量を計算してストレス調整部２０３に出力する。ブロック４２５でストレス調整部２０３は、直近の監視時間Ｐｓの間にストレス量が許容値を超えたと判断したときにブロック４２７で本発明のストレス調整を停止する。

ストレス量が許容値未満のときは、ブロック４５５に移行してストレス調整部２０３は、それまで停止していたブレーク・コードに対する調整パルス電圧３５ｃの印加が可能か否かを判断する。印加が可能なときはブロック４５３に移行する。印加できないときはブロック４２１に移行して、ブレーク・コードに対してスキップした調整パルス電圧３５ｃを維持する。

上記の手順は、本発明の一例を説明したもので、本発明の範囲を限定するものではない。たとえば、ブロック４０９、４１５、４２１の手順はすべてを実行する必要はなく、また順番を入れ替えることもできる。調整パルス電圧３５ａ、３５ｃを印加する例を示したが、それらに代えてまたはそれらとともに波高値およびパルス幅のいずれも調整した調整パルス電圧３５ｄ（図４）を印加するようにしてもよい。

また、ブロック４０９またはブロック４１５の手順とブロック４２１の手順を組み合わせて、メーク・コードと、ブレーク・コードで異なる単一パルス電圧を印加するようにしてもよい。たとえば、ストレス量が増加したときに、比較的重要性の高いメーク・コードに対応した基準パルス電圧２１の印加を維持し、ブレーク・コードだけに対応して調整パルス電圧３５ａ〜３５ｄの印加またはスキップをすることもできる。本発明は、キーボードの触覚フィードバックに適用だけでなく、ランダムな繰り返し動作をする衝撃駆動型アクチュエータ全般に適用することができる。

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。

１０ 振動体
１１ キーイベント
１３、 メーク・コード
１５ ブレーク・コード
２１、 基準パルス電圧
３５ａ〜３５ｄ 調整パルス電圧
１００ 衝撃駆動型アクチュエータ
１０１ 形状記憶合金（ＳＭＡ）
１０３ 固定子
１０５ 可動子
１０７ バイアス材
２００ 駆動システム
３０１ 基準パルス電圧
３０３ 波高値を調整した単一パルス電圧
３０３ パルス幅を調整した単一パルス電圧

Claims (16)

1. 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
   入力イベントに応じて前記アクチュエータに所定のパルス電圧を印加するステップと、
   所定時間において前記アクチュエータに印加するパルス電圧の波高値、パルス幅、および個数で構成される前記アクチュエータのストレス量を監視するステップと、
   前記ストレス量が所定値に到達したときに、前記入力イベントに応じて前記アクチュエータにパラメータを調整した調整パルス電圧を印加するステップと
   を有する方法。
2. 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
   入力イベントに応じて前記アクチュエータに最大の振動強度を発生させる基準パルス電圧を印加するステップと、
   前記入力イベントに応じて動作する前記アクチュエータのストレス量を監視するステップと、
   前記ストレス量が所定値に到達したときに、前記入力イベントに応じて前記アクチュエータにパラメータを調整した調整パルス電圧を印加するステップと
   を有する方法。
3. 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
   入力イベントに応じて前記アクチュエータに所定のパルス電圧を印加して振動体を振動させるステップと、
   前記所定のパルス電圧のパラメータと前記入力イベントに基づいて前記アクチュエータのストレス量を監視するステップと、
   前記ストレス量が所定値に到達したときに、前記入力イベントに応じて前記アクチュエータにパラメータを調整した調整パルス電圧を印加するステップと
   を有する方法。
4. 前記調整パルス電圧が前記所定のパルス電圧に対して波高値だけが低下している請求項３に記載の方法。
5. 前記調整パルス電圧が前記所定のパルス電圧に対してパルス幅だけが低下している請求項３に記載の方法。
6. 前記調整パルス電圧が前記所定のパルス電圧に対して波高値およびパルス幅が低下している請求項３に記載の方法。
7. 前記調整パルス電圧が前記所定のパルス電圧をスイッチング制御して生成したサブ・パルス電圧で構成した擬似的な単一パルス電圧である請求項３に記載の方法。
8. 前記調整パルス電圧を印加するステップが、所定の前記入力イベントに対応する前記調整パルス電圧の印加をスキップするステップを含む請求項３に記載の方法。
9. 形状記憶合金を利用したアクチュエータの駆動方法であって、
   入力イベントに応じて第１のパラメータと第２のパラメータの調整が可能なパルス電圧を印加して前記アクチュエータを動作させるステップと、
   前記入力イベントに応じて動作する前記アクチュエータに供給するエネルギー量を監視するステップと、
   前記エネルギー量が第１の所定値に到達したときに、前記第１のパラメータを調整した調整パルス電圧を印加し、前記エネルギー量が前記第１の所定値より大きい第２の所定値に到達したときに前記第２のパラメータを調整した調整パルス電圧を印加して前記アクチュエータを動作させるステップと
   を有する方法。
10. キーボードに対する触覚フィードバックを生成する方法であって、
    前記キーボードがキーコードを生成するタイミングで所定のパルス電圧を印加して形状記憶合金を利用したアクチュエータを動作させるステップと、
    所定時間当たりの前記キーボードの打鍵回数を監視するステップと、
    前記打鍵回数が所定値に到達したときに、パラメータを調整した調整パルス電圧で前記アクチュエータを動作させるステップと
    を有する方法。
11. 前記キーコードがメーク・コードとブレーク・コードを含み、前記メーク・コードに応じた前記所定のパルス電圧と、前記ブレーク・コードに応じた前記調整パルス電圧で前記アクチュエータを動作させるステップを有する請求項１０に記載の方法。
12. 前記ブレーク・コードに応じた前記アクチュエータの動作を停止するステップを有する請求項１１に記載の方法。
13. 形状記憶合金を利用してパルス電圧で動作するアクチュエータの駆動システムであって、
    第１のタイプと第２のタイプを含む動作イベントを生成する動作イベント生成部と、
    前記パルス電圧のパラメータと前記動作イベントに基づいて前記アクチュエータのストレス量を計算するストレス監視部と、
    前記ストレス量が所定値に到達したときに前記第２のタイプの動作イベントに応じた前記パルス電圧の生成をスキップするストレス調整部と
    を有する駆動システム。
14. 前記ストレス調整部は、前記第１のタイプの動作イベントと前記第２のタイプの動作イベントに対して相互に異なる前記パラメータを設定する請求項１３に記載の駆動システム。
15. 形状記憶合金を利用してパルス電圧で動作するアクチュエータを搭載する電子機器であって、
    前記アクチュエータの動作で振動する振動体と、
    動作イベントを生成する動作イベント生成部と、
    前記パルス電圧のパラメータと前記動作イベントに基づいて前記アクチュエータのストレス量を計算するストレス監視部と、
    前記ストレス量が所定値に到達したときに前記パラメータを変更するストレス調整部と
    を有する電子機器。
16. 前記アクチュエータが衝撃駆動型アクチュエータである請求項１５に記載の電子機器。

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