触觉再现设备，信号生成装置，触觉再现系统和触觉再现方法与流程

本发明涉及一种能够再现触觉的触觉再现设备及其信号生成装置，触觉再现系统及触觉再现方法。

背景技术：

触觉反馈技术已被提出，用于通过触觉向人们提供信息。例如，专利文献1中公开的触摸屏设备控制用户手指(输入装置)与触摸屏的接触和分离之间的时间，从而使用户感觉到表面上的纹理质地，例如精美的外形。具体而言，在该设备中，用户调整其手指接触和不接触触摸屏时的时间，从而可变化地控制触摸屏与手指之间的摩擦力(例如，参见专利文献1的说明书[0028]和[0029]段)。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开号No.2011-159280

技术实现要素：

要解决的技术问题

但是，由于人们需要准确地将其手指放在振动的触摸屏上以控制手指接触/不接触时间，因此这不能认为是切实可行的。实际上，专利文献1中公开的设备使用压电致动器作为振动产生装置。在该情况下，振动振幅基本上为几μm，对于用户而言无法调整其手指接触和不接触以这种振幅振动的触摸屏的时间。

本发明的一个目标是提供一种能够利用压力再现触觉而无需手指不接触时间的触觉再现设备及其信号生成装置，触觉再现系统及触觉再现方法。

解决问题的手段

为了实现上述目标，根据本发明的触觉再现装置包括可移动体、致动器单元和信号生成单元。

致动器单元连接至可移动体。

信号生成单元构造为向所述致动器单元提供驱动信号，所述驱动信号在所述致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

由所述致动器单元产生的振动使可移动体振动，从而可以利用可移动体和用户身体(例如手指)之间的摩擦力向用户再现触觉，而无需用户身体与可移动体之间的非接触时间。

信号生成单元构造为产生驱动信号，以使得所述致动器单元在第一频率下沿第一方向移动，以及在不同于所述第一频率的第二频率下沿与所述第一方向相反的第二方向移动。可选的是，信号生成单元构造为产生驱动信号，以使得所述致动器单元在第一振幅下沿第一方向移动，以及在不同于所述第一振幅的第二振幅下沿与所述第一方向相反的第二方向移动。

所述触觉再现设备可以利用根据第一方向和相反的第二方向而被可变化地控制摩擦力，向用户再现触觉。

信号生成单元构造为产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动具有基于触觉接收器的检测阈值而获得的振幅和频率。

所述触觉再现设备使用触觉接收器的检测阈值作为设计值，从而可以使用对应于触觉区域和非触觉区域的振幅或频率，并向用户再现各种触觉。

信号生成单元构造为产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动包含具有与所述触觉接收器的触觉区域对应的频率的振动、以及具有与所述触觉接收器的非触觉区域对应的频率的振动。可选的是，信号生成单元构造为产生驱动信号，从而在致动器单元上产生振动，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动包含具有与所述触觉接收器的触觉区域对应的振幅的振动、以及具有与所述触觉接收器的非触觉区域对应的振幅的振动。

所述致动器单元至少包括使所述可移动体沿第一轴的方向移动的第一致动器。

由此，触觉再现设备能够利用沿第一轴方向的摩擦力，向用户再现触觉。

致动器单元进一步包括使所述可移动体沿不同于所述第一轴的第二轴的方向移动的第二致动器。所述信号生成单元用于进一步向所述第二致动器提供所述驱动信号。

由此，触觉再现设备能够利用沿第一轴方向和第二轴方向的摩擦力，向用户再现触觉。

信号生成单元构造为使得提供给所述第一致动器的驱动信号的峰值的时间与提供给所述第二致动器的驱动信号的峰值的时间同步。可选的是，信号生成单元构造为使得提供给所述第一致动器的驱动信号的峰值的时间相对于提供给所述第二致动器单元的驱动信号的峰值的时间偏移。

这样的触觉再现设备可以利用摩擦力向用户再现各种触觉。

致动器单元可进一步包括使所述可移动体沿不同于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的方向移动的第三致动器。所述信号生成单元用于进一步向所述第三致动器提供所述驱动信号。

在该情况下，信号生成单元构造为使得提供给第一致动器的驱动信号的峰值的时间、提供给第二致动器的驱动信号的峰值的时间以及提供给第三致动器的驱动信号的峰值的时间同步。可选的是，信号生成单元构造为使得提供给第一致动器的驱动信号的峰值的时间、提供给第二致动器的驱动信号的峰值的时间和提供给第三致动器的驱动信号的峰值的时间互相偏移。

所述触觉再现设备可以利用摩擦力向用户再现各种触觉。

根据本发明的另一种触觉再现设备包括可移动体，致动器单元和构造为接收在致动器单元上产生振动的驱动信号的接收单元，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

根据本发明的另一种触觉再现设备包括信号生成单元和发送单元。

信号生成单元构造为产生驱动信号，所述驱动信号在致动器上产生振动，所述致动器单元连接触觉再现设备的可移动体，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

发送单元构造为发送所产生的驱动信号。

根据本发明的另一种信号生成装置构造为向与可移动体连接的致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动向所述可移动体和与所述可移动体接触的目标物体之间的摩擦力提供方向性。

根据本发明的另一种触觉再现设备包括可移动体、致动器单元和信号生成单元。

致动器单元连接至可移动体。

信号生成单元构造为向所述致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动具有被可变化地控制的在所述可移动体和与所述可移动体接触的目标物体之间的摩擦力的方向。

根据本发明的触觉再现系统包括触觉再现设备和信号生成装置。

触觉再现设备包括可移动体、致动器单元和接收单元。致动器单元连接至可移动体。接收单元构造为接收来自外部的信号。

信号生成装置包括信号生成单元和发射单元。信号生成单元构造为产生驱动信号，从而在致动器上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

发送单元构造为将所生成的驱动信号发送至触觉再现设备。

因此，举例来说，信号生成装置经由云系统向触觉再现设备发送驱动信号，而触觉再现设备接收所述信号。

根据本发明的触觉再现方法包括向致动器单元提供驱动信号，所述驱动信号在致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

致动器单元基于所提供的驱动信号驱动连接至致动器单元的可移动体。

根据本发明的触觉再现方法包括向连接至可移动体的致动器单元提供驱动信号，以在可移动体上产生振动，其中可移动体与接触可移动体的目标物体之间的摩擦力的方向可变地受控。

致动器单元利用所提供的驱动信号驱动可移动体。

技术效果

如上所述，本发明可以利用摩擦力再现触觉，无需手指的非接触时间。

应当注意的是，本文所述的效果不必受到限制，可以是本文所述的任意效果。

附图说明

图1A是显示根据第一实施方式的触觉再现设备的示例的透视图。

图1B是显示触摸面板和与其连接的致动器单元的透视图。

图2是显示致动器的构造示例的透视图。

图3是总体上显示具有信号生成单元的触觉再现设备的电气构造的框图。

图4是示人的触觉接收器对振动的检测阈值的图表。

图5是显示具有基于触觉接收器获得的振幅和频率区域的振动波形示例的表。

图6A是显示对应于图5的表格中的示例1的振动波形的示意图。

图6B是显示对应于图5的表格中的示例1的振动波形的示意图。

图7A是显示对应于示例1的振动波形的另一个示例的示意图。

图7B是显示对应于示例1的振动波形的另一个示例的示意图。

图8A是示意性地显示产生指尖摩擦力或受力感的方向的示意图。

图8B是示意性地显示产生指尖摩擦力或受力感的方向的示意图。

图9是显示抛物线振动波形(无加速度方向性)示例的示意图。

图10是显示抛物线振动波形(较小受力感)示例的示意图。

图11是显示抛物线振动波形(较大受力感)示例的示意图。

图12A是示意性地显示产生指尖摩擦力或受力感的方向的示意图。

图12B是示意性地显示产生指尖摩擦力或受力感的方向的示意图。

图13A是显示根据第二实施方式的触觉再现设备的透视图。

图13B是显示触摸面板和与其连接的致动器单元的透视图。

图14A是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图14B是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图14C是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图14D是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图15A是示意性地显示在使用图14A至14D中所示的振动波形的情况下用户通过在触摸面板上滑动手指而增加或减小摩擦力的情形的示意图。

图15B是示意性地显示在使用图14A至14D中所示的振动波形的情况下用户通过在触摸面板上滑动手指而增加或减小摩擦力的情形的示意图。

图16A是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图16B是显示振动波形和通过互相组合X致动器和Z致动器这两个双轴方向中的振动而获得的振动方向(峰值同步)的示意图。

图17A是显示根据另一实施方式的致动器单元的示意图。

图17B是显示根据另一实施方式的致动器单元的示意图。

图18A是显示根据再一实施方式的致动器单元的示意图。

图18B是显示根据再一实施方式的致动器单元的示意图。

图18C是显示根据再一实施方式的致动器单元的示意图。

图18D是显示根据再一实施方式的致动器单元的示意图。

图19是显示致动器单元的另一操作示例的示意图。

图20是显示触觉再现系统(触觉再现系统的收和发)的构造的示意图。

图21是描述触觉再现设备的另一应用示例(应用示例1)的示意图。

图22是描述触觉再现设备的另一应用示例(应用示例2)的示意图。

图23是描述触觉再现设备的另一应用示例(应用示例3)的示意图。

图24A是显示应用示例3中手指在键盘上的位置和用于再现相应的触觉的波形高度的示意图。

图24B是显示应用示例3中手指在键盘上的位置和用于再现相应的触觉的波形高度的示意图。

图24C是显示应用示例3中手指在键盘上的位置和用于再现相应的触觉的波形高度的示意图。

图25A是描述应用示例3的示意图。

图25B是描述应用示例3的示意图。

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明的实施方式。

1.第一实施方式

1)触觉再现设备的构造

1-1)整体构造

图1A是显示根据第一实施方式的触觉再现设备100的示例的透视图。

触觉再现设备100包括作为例如可移动体的触摸面板(触摸传感器)10，和连接至所述触摸面板10的致动器单元30。例如，触摸面板10与显示面板形成为一体。应当注意的是，下文中，通过将触摸面板10和显示面板集成在一起而获得的面板在某些情况下被称为面板单元。此外，触觉再现设备100包括向致动器单元30提供驱动信号的信号生成单元(信号生成装置)60，下文将进行描述。应当注意的是，致动器单元30被外壳或框架等支撑体20支撑。

触觉再现设备100的典型示例包括移动电话和平板电脑等便携式装置。

1-2)致动器单元

图1B是显示触摸面板10和与其连接的致动器单元30的透视图。

致动器单元30包括多个X致动器35X和多个Y致动器35Y。多个X致动器35X和多个Y致动器35Y具有相同的构造。因此，在下面的描述中，致动器35X和致动器35Y中的任意一个致动器被简单地表示为“致动器”。对于下文将描述的Z致动器而言也同样适用。

图2是示出致动器35的构造示例的透视图。例如，根据该示例的致动器35是压电装置。例如，致动器35包括板状压电元件31，以及固定至所述压电元件31的连接部32和连接部33。例如，连接部32位于压电元件31的两个端部，并被固定至支撑体20(参见图1A)。例如，连接部33位于压电元件31的中央部分，并连接触摸面板10。压电元件31具有电信号输入端子(未显示)，输入下文将要描述的驱动信号。由此，致动器35能够以连接部32、32为节部，以连接部33为腹部，在图中上下振动。

应当注意的是，致动器35的上述构造仅仅是一个示例，并且在致动器35中可适用其中使用压电元件31的具有各种形状、大小和结构的装置。

如图1B所示，致动器35(的连接部33)分别连接至矩形的触摸面板10的四个边。例如，连接至一个边的致动器35的数量为2。在下文的描述中，为了便于说明，假设图中沿触摸面板10的短边的轴为X轴，沿长边的轴为垂直于X轴的Y轴。

如上文所述构造的触觉再现设备100能够使得触摸面板10在外壳内的X轴方向和Y轴方向上(也就是在X-Y二维平面内的任意方向上)振动。

1-3)信号生成单元

图3是显示具有上述信号生成单元60的触觉再现设备100的主要电气构造的框图。

触觉再现设备100包括控制器50和信号生成单元60。例如，控制器50构造为基于从触摸面板10输入的用户操作信息，向信号生成单元60发送控制信号。控制器50包括硬件，例如CPU(中央处理单元)、RAM(随机读取存储器)和ROM(只读存储器)，并储存ROM所需的软件。控制器50也可包括PLD(可编程逻辑装置)来代替CPU。

信号生成单元60包括X驱动器60X和Y驱动器60Y。X驱动器60X向X致动器35X提供驱动信号，所述驱动信号用于对各个X致动器35X进行同步和驱动(使之振动)。Y驱动器60Y向Y致动器35Y提供驱动信号，用于对各个Y致动器35Y进行同步和驱动(使之振动)。信号生成单元60的这种构造可以根据来自控制器50的控制信号向致动器单元30提供驱动信号，并使得触摸面板10在X-Y平面内的任意方向上振动。

控制器50所接收的用户操作信息是与诸如用户身体之类的目标物体(例如手指)在触摸面板10上的接触位置有关的信息。如果用户在触摸面板10上移动手指，控制器50就会相继地接收与其接触位置有关的数据，因此能够随时检测出其接触位置的移动方向。控制器50基于所述移动方向而输出控制信号，从而经由信号生成单元60来驱动致动器35。

如上所述，与使用例如偏心马达、线性马达等的装置相比，通过将压电装置用作致动器35，可以增加致动器单元30的响应速度。可以实现不超过5ms的压电装置响应速度。

2)振动波形

2-1)触觉接收器的检测阈值

例如，图4是显示人的多种类型的触觉接收器对于振动的检测阈值的图表。水平轴代表频率(Hz)，纵轴(μm)代表振幅。人的触觉接收器的类型示例包括SA I，FA I和FA II等。具体而言，众所周知的是，对于每种类型的触觉接收器而言，存在人能够感知或无法感知的振幅区域和频率区域。

假设这些种类的阈值的包络线a(以虚线示出)是本文的检测阈值。所述包络线a上方的区域是人能够感知的区域，也就是触觉区域。另一方面，低于包络线a的区域(包络线a下方的区域)是人不能感知的区域，也就是非触觉区域。根据本发明，例如通过应用这种触觉接收器的检测阈值，可以向用户再现各种触觉。

具体而言，作为主要实施方式，触觉再现设备100产生允许非触觉至触觉的振幅区域或非触觉至触觉的频率区域在一个振动周期内共存的特殊振动波形，并在触摸面板10和手指之间产生摩擦力。

2-2)振动波形示例

图5是显示振动波形示例的表格，所述振动波形具有基于该触觉接收器而获得的振幅和频率。这些示例1至4分别显示了在一个周期内包含两种振动波形1和2。图5中所示的频率f0、f1和f2以及振幅A、B和C对应于在图表内表示的图4所示的触觉接收器的检测阈值。表格的内容如下所示。

[示例1]

波形1(触觉区域)：振幅A，频率f1<f<f2

波形2(非触觉区域)：振幅A，频率f<f1或f2<f

[示例2]

波形1(触觉区域)：振幅B，频率f0<f

波形2(非触觉区域)：振幅B，频率f<f0

[示例3]

波形1(触觉区域)：振幅A，频率f1<f<f2

波形2(非触觉区域)：振幅C，频率f1<f<f2

[示例4]

波形1(触觉区域)：振幅A，频率f1<f<f2

波形2(非触觉区域)：振幅C，频率f<f1

具体而言，这些振动是在一个周期内包含多个不同振幅(第一振幅和第二振幅)和多个不同频率(第一频率和第二频率)中的至少之一的振动。

本发明中，只要上述的触觉区域和非触觉区域的振动在一个振动周期内共存即可，对频率和振幅的组合没有限制。

只要满足触觉接收器的检测阈值，例如100Hz至200Hz的较高频率区域，则即使使用较小的振幅区域(例如A)，也可以产生可以被人充分感觉到的有效摩擦力。

2-2-1)使用根据[示例1]的振动波形的实施方式

图6A和6B分别显示了对应于上述示例1的振动波形。纵轴(振幅)和水平轴(时间)的值被归一化。图6A对应于与波形2有关的频率f<f1，图6B对应于与波形2有关的频率f2<f。举例来说，可以设置A≈5um且f≈200Hz作为波形1。波形1和2之中的用实线表示的部分被合成，从而获得“合成波形”所示的振动波形。

信号生成单元60向致动器单元30提供驱动信号，以通过这样的振动方式使得致动器单元30(和触摸面板10)振动。信号生成单元60输出的电信号波形实质上与图6A和6B所示的合成波形相同。在该情况下，振动振幅和电压对应。为了便于说明，在此将描述X致动器35X和Y致动器35Y之中的任意一个的仅仅一个轴向上的振动波形。这些描述对于图7A和7B中所示的波形同样适用。

回到图6A和6B中所示的波形，例如，波形1和波形2的实线部分和虚线部分是基于一个轴向上的振动的前向路径和反向路径而分开的。具体而言，波形1的实线部分被设置为前向路径(图表在正方向上增大的方向)，而波形2的实线部分被设置为反向路径(图表在负方向上增大的方向)。

在图6A和6B中所示的合成波形中，摩擦力大小依据手指在触摸面板10上的移动方向而不同。在此，如上所述，由于用户感觉到前向路径方向上的振动振幅，如果用户在与前向路径方向相反的方向(也就是反向路径方向)上移动其手指，就会产生(较大的)摩擦力。相反，如果用户在前向路径方向上移动其手指，摩擦力就很小。图8A示意性地显示了此时的摩擦力或指尖受力感的产生方向等。白色箭头再现受力感的方向，也就是摩擦力的方向性。当感觉到较大摩擦力时，用户虚拟地感觉到粗糙，而当感觉到较小摩擦力时，则感觉到光滑。此外，根据振动波形，可以通过增加或减小摩擦力来再现向上倾斜的感觉或向下倾斜的感觉。

图7A和7B分别显示了对应于上述示例1的振动波形的另一示例。图7A和7B中，前向路径和反向路径上的摩擦力大小与图6A和6B相反。具体而言，波形2的非触觉区域的振动波形被用于前向路径，而波形1的触觉区域的振动波形被用于反向路径(参见图8B)。

如上所述，由于控制器50能够检测用户的手指在触摸面板10上的位置，因此可以检测其移动的方向。因此，控制器50能够基于检测到的方向而适应性地切换驱动信号，从而根据手指的移动方向向用户再现被可变化地控制的摩擦力。

此外，根据本实施方式的致动器单元30包括X致动器35X和Y致动器35Y。因此，X驱动器60X和Y驱动器60Y能够互相协作以产生各自的驱动信号，从而能够根据手指在X-Y平面的任意方向上的移动，向用户再现被可变化地控制的摩擦力。

上文中，仅仅对根据示例1的振动波形进行了说明。但是，不言而喻的是，触觉再现设备100也能够适宜地使用根据示例2至4的振动波形(＝驱动信号)，向用户再现各种摩擦力。

2-2-2)使用抛物线振动波形的实施方式

下面的技术不仅使用图5所示的触觉接收器的检测阈值，还使用抛物线(非正弦)振动波形，从而试图再现更清晰的受力感。图9、10和11分别显示了抛物线振动波形的示例。波形的半个周期成为抛物线。横轴表示时间，纵轴表示振幅(左侧)和速度(右侧)。其中的各个值被归一化。

在这些振动波形中，加速度极性(正或负)的切换时间被定义为半个周期。图9所示的波形具有相对于振幅的正负的相同周期(例如约200Hz)，等于振动波形的二阶差分值的加速度表示振动具有相同的正值和负值，因此不再现受力感的方向感。

图10显示了每个半周期包含不同频率的振动波形。这些频率是100Hz和50Hz。应当注意的是，上述图6和7所示的振动波形示例是在振动的前向路径和反向路径上具有不同频率。但是，如上文所述，图10(图11也类似)所示的振动波形是在作为加速度极性切换时间的每个半周期中具有不同频率。在这样的振动波形中，等于振动波形的二阶差分值的加速度不具有相等的正值和负值，并且在加速度绝对值较大的一侧产生受力感，因此，能够再现其方向感，也就是摩擦力的方向性。

图11显示了每个半周期包含不同频率的振动波形。这些频率是200Hz和50Hz。同样，在该情况下，等于振动波形的二阶差分值的加速度不具有相等的正值和负值，并且在加速度绝对值较大的一侧产生受力感，产生的加速度差异大于图10所示的加速度差异，因此再现了更强受力感的方向感，也就是摩擦力的方向性。

如上所述，可以采用触觉接收器的检测阈值，允许非触觉至触觉的频率区域在一个振动周期内共存，并且还向用户再现了更强的受力感。但是，由于可以向用户再现这样的较强受力感，因此如图8A和8B所示，不仅可以使用户通过不同的摩擦力感觉到粗糙或光滑，还可以感觉到倾斜感。例如，在加速度作用于与手指移动相反的方向的情况下，如图12A所示，这会向用户再现虚拟的向上倾斜的感觉。相反，在加速度作用于手指移动方向的情况下，如图12B所示，这会向用户再现虚拟的向下倾斜的感觉。

图10和11所示的振动也可以称为在一个周期内的与加速度极性切换时间对应的每半个周期包含多个(两个)不同频率以及多个(两个)不同振幅的振动。这些振动对应于图5的表中的示例4。

如上所述，同样，在使用抛物线振动波形的实施方式中，在触觉再现设备100中，X驱动器60X和Y驱动器60Y可互相协作以产生各自的驱动信号，从而根据手指在X-Y平面的任意方向上的移动，向用户再现被可变化地控制的摩擦力。

3)结论

如上所述，根据所述第一实施方式的触觉再现设备100使用触觉接收器的检测阈值，并在致动器单元30中产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。因此，可以利用各种摩擦力向用户再现触觉，不同于现有技术，不需要将手指精确地放在触摸面板10上，也不需要手指与触摸面板10之间的非接触时间。

2.第二实施方式

下面将描述根据本发明的第二实施方式的触觉再现设备200。在下面的描述中，与根据第一实施方式的触觉再现设备100类似的组件、功能等将用相同的参数来表示，其相关描述将被省略或简化，将主要说明不同点。

1)包含Z致动器的触觉再现设备的构造

图13A是显示根据第二实施方式的触觉再现设备200的透视图。图13B是显示触摸面板10和与其连接的致动器单元130的透视图。触觉再现设备200的致动器单元130除了包括X致动器35X和Y致动器35Y之外，还包括Z致动器35Z。例如，这四个Z致动器35Z连接至触摸面板10(或面板单元)的背面侧，且构造为能够使得触摸面板10在沿Z轴的方向上振动。因此，该触觉再现设备200能够使得触摸面板10在三维内的任意方向上振动。

触觉再现设备200的信号生成单元除了包括X驱动器60X和Y驱动器60Y之外，还包括对Z致动器35Z进行同步和驱动的Z驱动器(未图示)。

2)振动波形示例(同步)

图14A至14D显示了通过对X致动器35X(也可以使用Y致动器35Y)和Z致动器35Z的两个双轴方向的振动进行互相组合而获得的振动波形和振动方向。如图所示，X致动器35X和Z致动器35Z形成正或负峰值的相位一致的振动波形。本文中，峰值的相位互相一致的振动被称为“同步”振动。通过组合这些振动波形的正、负和乘积，可以再现在两个轴内的任意方向上的任意摩擦力。

在图14A至14D中，下部的利萨如(lissajous)图是通过将上部所示的X致动器35X的振动波形(下文简称为“X波形”)和中部所示的Z致动器35Z的振动波形(下文简称为“Z波形”)进行合成获得的振动。

在图14A中，振幅(峰值1)等于X波形和Z波形的振动波形中，各自的正峰值(+1)的相位一致，且各自的负峰值(-1)的相位一致。在该情况下，如利萨如图中所示，振动在图中是右上左下方向的振动，在右上方向中获得触觉(200Hz)，在左下方向中无法获得触觉(50Hz)。

在图14B中，X波形的正峰值(+1)和Z波形的负值(-1)的相位一致。如利萨如图中所示，振动在图中是左上右下方向的振动，在右下方向中获得触觉(200Hz)，在左上方向中无法获得触觉(50Hz)。

在图14C中，X波形的负峰值(-1)和Z波形的正值(+1)的相位一致。如利萨如图中所示，振动在图中是左上右下方向的振动，在左上方向中获得触觉(200Hz)，在右下方向中无法获得触觉(50Hz)。

在图14D中，各自的负峰值(-1)的相位一致，且各自的正峰值(+1)的相位一致。如利萨如图中所示，振动在图中是右上左下方向的振动，在左下方向中获得触觉(200Hz)，在右上方向中无法获得触觉(50Hz)。

如上所述，利用振动振幅的正负以及振幅的乘积，可以使摩擦力具有在X-Z平面内的任意方向上的方向性。具体而言，可以对用户的手指施加垂直抗力的增量和减量。

图15A和15B示意性地显示了在使用图14A-14D所示的振动波形的情况下，用户通过在触摸面板10上滑动手指而增加和减小摩擦力的情形。图15A显示了增加(大)摩擦力的情形，图15B显示了减少(小)摩擦力的情形。在该情况下，当X-Y平面的摩擦系数为μ，垂直抗力的变化量为ΔN时，摩擦力的增加(+μΔN)和摩擦力的减小(-μΔN)同时发生。

如上所述，与使用图9-11中所示的抛物线振动波形时相比，通过使用Z致动器35Z的振动，可以向用户再现作为X-Y平面内的更强受力感的摩擦力差，也就是具有方向性的摩擦力。因此，例如，可以更清晰地向用户再现X-Y平面内的虚拟的向上倾斜感及向下倾斜感。

3)振动波形示例(异步)

下面将描述X波形和Z波形为异步振动的示例。本文中的“异步”表示X波形和Z波形的各自峰值不一致的状态。

图16A中，X波形的振幅和Z波形的振幅为1，各波形的相位被移位90度。如下部的利萨如图所示，振动方向在X-Z平面内不呈直线性，而是大致呈三角形。

图16B中，X波形的振幅和Z波形的振幅为1，各波形的相位被移位180度。如下部的利萨如图所示，振动方向在X-Z平面内不呈直线性，而是大致呈“8”字形。

在这些情况中，摩擦力再现的方向性更复杂，因此，能够根据需要向用户再现各种触觉。

3.第三实施方式

在上述第一和第二实施方式中，已经描述了伴随滑动手指的操作，在增加摩擦力时再现虚拟的向上倾斜，在减少摩擦力时再现虚拟的向下倾斜，从而仅通过在平面上滑动手指的操作，就可以再现立体形状的触觉，例如凹状和凸状。应当注意的是，通过(a)逐渐改变振动振幅或(b)调整产生振动的间隔，可以实现倾斜强弱(倾斜的斜率)。

参考上文(a)，在振动振幅恒定的情况下，通过再现边缘感，能够获得更强的倾斜感。另一方面，通过逐渐增加振动振幅，可以再现平滑的向上倾斜，而通过逐渐减小振动振幅，可以再现平滑的向下倾斜。

参考上文(b)，通过增大振动之间的时间间隔，可以弱化倾斜(减小倾斜)。

4.致动器单元的其他实施方式

在上述实施方式中，与触摸面板10的一个边相连接的致动器的数量是两个。但是，该数量可以是一个，或者三个或更多。例如，图17A显示了在一个边上各设置一个致动器35的实施方式。例如，图17B显示了在沿X轴的边上设置三个致动器35、在沿Y轴的边上设置四个致动器35的实施方式。如上所述，所连接的致动器的数量可以根据边的长度、或者触摸面板10(或面板单元)的重量而适当改变。此外，也可以根据这些来适当改变致动器35的配置。在使用触摸面板所具有的固有谐振振动的情况下，即使触摸面板的重量增大，振动产生装置的数量也可以较少。

根据图18A-18D的致动器单元在触摸面板10的相对边上均具有至少一对致动器35和弹性组件37。致动器35和弹性组件37使触摸面板10(或面板单元)保持能够振动，且弹性组件37根据致动器35的振动而弹性变形。例如，弹性组件37是橡胶或弹簧。

在图18A所示的示例中，显示了具有最少构造的致动器35和弹性组件37。具体而言，在相对的一对边上提供一个致动器35和一个弹性组件37。

在图18B所示的示例中，在一个边上提供多个(例如两个)致动器35，在与该边相对的边上提供一个弹性组件37。

在图18C所示的示例中，在一个边上提供一个致动器35，在与该边相对的边上提供多个(例如两个)弹性组件37。

在图18D所示的示例中，在每个边上提供多个致动器35和多个弹性组件37。

如上所述，致动器35和弹性组件37的配置、大小、数量等都没有限制。可以是任意配置、大小或数量，只要能够产生可使触摸面板10移动的所需频率和振动振幅。

在以上描述中已经阐释了触摸面板10的平移运动的振动。但是，如图19所示，举例来说，触觉再现设备100也能够通过选择性地驱动在一个边上设置的多个致动器35之中的至少一个致动器35，产生旋转方向的振动。由此，可以再现更多样的触觉。

5.根据本发明的检测振动波形的方法(校验方法)

可以通过使用激光位移计、加速计等从外部进行测量，来检测和校验上文所说明的根据本发明的特殊振动波形。位移和加速度具有二阶差分和二阶积分的关系，可以基于相互的测量值从外部检测振动波形。

6.其他各种实施方式

本发明不限于上述实施方式，也可以实现其他各种实施方式。

在上文的描述中，已经阐释了将本发明的技术应用于具有触摸面板的装置中的实施方式。但是，本发明不限于此，也可以应用于人和物体之间的任意界面中。当人触摸对所述界面的可移动体进行支撑的支撑体(外壳或框架)时，可以再现粗糙的触摸感或光滑的触摸感，或者使所述支撑体本身具有虚拟的纹理质地。此外，可移动体的表面不限于平面，也可以是曲面。

这些界面不仅仅可建立人和物体之间的一对一关系，还可建立一对多或多对多关系。可以想象的是，向某人提供触觉感受的振动波形是经由云(例如互联网之类的网络)同时传送至一个人或多个人的。假设其用于向观众传送演员呼吸、心跳等以增强现场感。

图20显示了这种触觉再现系统的构造。信号生成装置250具有上述信号生成单元，并经由云系统300发送信号生成单元的驱动信号(发送单元)，而具有致动器单元30或130的设备120接收该信号(接收单元)，并驱动致动器单元30或130。本发明也可以提供这样的触觉再现系统。

致动器35不限于压电装置，也可以是语音线圈等线性马达，或者是使用偏心马达等的装置，所述偏心马达能够转动偏心轴以获得振动。

在上述各实施方式中，利用了触觉接收器的检测阈值。但是，本发明的范围也包括不使用该特征的实施方式。

根据上述各实施方式的触觉再现设备100或200所产生的振动是在一个周期内包含两个振幅和两个频率中的至少之一的振动。但是，触觉再现设备可以产生在一个周期内包含三个或多个振幅和三个或多个频率中的至少之一的振动。

在上述各实施方式中，致动器单元30或130包括能够在沿彼此正交的两个轴或彼此正交的三个轴的方向上振动的致动器。然而至少两个轴之间的角度可以被设置为不同于直角的角度。

7.利用致动器单元检测目标物体的位置

致动器单元也可用作加速度传感器，也就是力传感器，这是因为致动器单元使用压电装置。具体而言，致动器单元所贴附的显示面板也起到触摸传感器的作用。压电传感器一般能够以μs为单位逐个输出检测值。因此，压电装置能够以μs为单位的速度在显示面板驱动、与触摸面板(触摸传感器)10上的手指位置检测之间切换。具体而言，用户会认为触觉再现设备同时地实现这两者。

在利用致动器单元的压电装置检测手指位置的情况中，图13A和13B中所示的多个Z致动器35Z是必要的。在仅仅检测触摸面板上的一维接触位置的情况中，至少需要两个Z致动器35Z。在检测触摸面板的整个画面(也就是二维接触位置)的情况中，至少需要不在一条直线上的三个Z致动器35Z。

例如，触觉再现设备可以仅需要包括一个查找表，所述查找表使多个Z致动器35Z的各个输出值的比率与手指在触摸面板上的位置信息相关联。由此，控制器(例如图3所示的控制器50)能够通过参考查找表检测出手指的位置。

例如，显示面板(未图示)安装在这样的触摸传感器上。通常，由于可以在显示面板的正下方附装致动器单元，因此与传统技术不同，不需要在显示面板上提供静电触摸传感器面板等。因此，与具有静电触摸传感器面板的传统显示装置相比，显示面板所产生的光的透射率得以提高。因此，在显示面板维持与现有技术相同的亮度的情况下，可以降低功耗。

8.触觉再现设备的其他应用示例

(应用示例1)

图21是用于描述触觉再现设备的其他应用示例(应用示例1)的示意图。例如，作为应用软件(下文简称为应用)，触觉再现设备包括地图应用。举例来说，地图应用构造为能够从服务器获得海拔数据(高度数据)。所述触觉再现设备的信号生成单元向致动器单元30或130提供驱动信号，从而根据用户的手指P在触摸面板10(和显示面板)的移动，在触摸面板10(和与之集成的显示面板)上产生振动，所述振动可变化地控制摩擦力的大小和方向。

具体而言，触觉再现设备的控制器(例如图3所示的控制器50)按下文所述操作。首先，控制器在图中未示出的显示面板上显示地图作为画面S1。此外，控制器获得显示画面S1中的地图区域的海拔数据(例如等高线61的高度数据)。该海拔数据相当于地图的位置数据。

在控制器的控制下，信号生成单元基于与触摸面板10所检测到的用户手指P的位置相对应的地图上的位置的海拔数据，向致动器单元提供驱动信号。由此，利用所述驱动信号使触摸面板10(和显示面板)振动，并根据手指P的位置产生至少方向不同的摩擦力(摩擦力的方向根据手指P的移动而变化)。摩擦力的变化对应于海拔数据。因此，触觉再现设备能够根据手指P在触摸面板10上的位置，向用户再现与等高线起伏相对应的虚拟的向上倾斜感和虚拟的向下倾斜感，即凹凸感。

此外，信号生成单元也可以提供驱动信号，以在触摸面板上产生振动，所述振动具有根据手指P在触摸面板上移动的速度而变化的摩擦力大小。例如，摩擦力大小可以根据手指的移动速度增大而增大。

(应用示例2)

图22是用于描述触觉再现设备的应用示例2的示意图。在应用示例2中，触觉再现设备根据显示面板的显示画面S2内的按钮图像70的位置来再现凹凸感。

如图22的下部所示，触觉再现设备的控制器获得轮廓数据作为按钮图像70的高度数据。所述轮廓数据可以是与所述显示画面S2的图像数据一起预先包含在触觉再现设备中的数据，或者举例来说，在显示画面S2是浏览器上的画面的情况下，所述轮廓数据是与包含文本和图像数据的内容数据一起从服务器获得的数据。

为了根据用户的手指P在显示画面S2内的按钮图像70上的位置(具体而言是按钮的轮廓形状数据)向用户再现虚拟的向上倾斜感和向下倾斜感，信号生成单元可以采用与上述应用示例1中类似的方法来提供驱动信号，以在触摸面板上产生振动，所述振动具有被可变化地控制的摩擦力。应当注意的是，如上文所述，通过将致动器单元用作触摸传感器，控制器能够确定用户是否作出按压按钮图像70的操作。

在所述应用示例2中，触觉再现设备可以不必在显示面板上显示包含按钮图像70的显示画面S2，在该情况下，用户也能够执行触摸输入。在该情况中，举例来说，视力受损的人可使用该触觉再现系统感觉手指P上产生的摩擦力，据此辨认出开关、按钮等，从而进行操作。

(应用示例3)

图23和24A-24C分别是用于描述触觉再现设备的应用示例3的示意图。如图23所示，触觉再现设备包括具有键盘图像75的键盘应用，例如，所述键盘图像75的面积等于或稍大于用户手指P接触画面的接触面积。键盘图像75包括多个按键。例如，所述键盘应用具有日语键盘功能，例如以n*m矩阵方式显示(n和m是自然数)。在下文中，从“あ”到“ら”区域的3*3矩阵的显示区域被描述为手指在触摸面板上的位置范围。图24A、24B和24C显示了用户在3*3矩阵之中的一条水平行上进行输入的情形，例如输入第三行的“ま”、“や”、和“ら”。

当用户的手指P接触“ま”(第一列)附近且用户稍微移动手指P时，触觉再现设备向致动器单元提供驱动信号，从而产生摩擦力。在该情况下，摩擦力的方向为向右，也就是当用户尝试将手指P朝着左侧稍微移动时，产生与所述移动相反的摩擦力方向。在图24A-24C的下部，示意性地显示了波形81，所述波形81基于与上述海拔数据或轮廓数据相同的概念来表示高度。由于向用户再现的是朝向左侧并向上的倾斜感、或朝向右侧的受力感，因此用户能够意识到他现在接触的按键是左侧的按键“ま”。

在用户的手指P接触“や”(第二列)附近时，触觉再现设备再现如同手指P被触摸面板10(和显示面板)朝着向上方向(垂直于画面的方向)推一样的触觉和受力感。由此，用户能够意识到他现在接触的按键是中间的按键“や”。

在用户的手指P接触“ら”(第三列)附近且用户稍微移动手指P时，触觉再现设备向致动器单元提供驱动信号，从而产生摩擦力。在该情况下，摩擦力的方向为向左，也就是当用户尝试将手指P朝着右侧稍微移动时，产生与所述移动相反的摩擦力方向。由此，由于向用户再现的是朝向右侧并向上的倾斜感或朝向左侧的受力感，因此用户能够意识到他现在接触的按键是右侧的按键“ら”。

现在已知的键盘是将文本的一个字符分配给指尖的面积，或大约指尖与触摸面板接触的面积。在该情况下，当输入一个字符后，当移动手指P以输入其他字符时，移动量较大，并产生时间损耗。而另一方面，根据本应用示例3，可以将对应于多个字符的按键配置在手指轻微滑动操作的范围内。因此，可以实现面积较小的键盘，从而缩短手指P的移动距离。因此，可以提高字符输入的速度。

例如，对应于3*3矩阵显示，触觉再现设备在作为水平方向的行方向中和在作为垂直方向的列方向中都能够实现类似于上述操作的操作。

在键盘图像中的字符数目大于3*3的情况中，摩擦力大小可以变化。例如，可以进行设置，以使得摩擦力随着手指的位置靠近矩阵显示的端部而增大。

如上所述，类似于应用示例1和2，根据应用示例3的触觉再现设备能够根据手指P的接触位置，在触摸面板10上产生振动，所述振动具有被可变化地控制的摩擦力的方向，从而能够根据应用内容向用户再现各种触觉。

(应用示例4)

图25A和25B是用于描述触觉再现设备的应用示例4的示意图。根据本应用示例4的触觉再现设备通过再现向下倾斜感来提供路线引导系统(导航系统)。

如图25A和25所示，触觉再现设备包括路线引导应用，并且例如显示地图作为显示画面S3。路线引导应用构造为与现有的GPS(全球定位系统)同步。触觉再现设备在地图上显示由控制器设定的到达目的地的路线85。在此，所述路线85用粗线显示。

信号生成单元在控制器的控制下产生使触摸面板10振动的驱动信号，从而产生具有与沿着从用户的手指P所接触的画面S3上的位置(例如当前位置)开始的路线的行进方向相对应的方向性的摩擦力。具体而言，如图25A所示，如画面上的白色箭头S所示，当行进方向向右时，再现将与触摸面板接触的手指P向右引导的向下倾斜感。具体而言，在图25A中，在用户尝试向左移动与当前位置接触的手指P时，驱动触摸面板，以产生引起向上倾斜感的摩擦力。

应当注意的是，用户可以在握住触觉再现设备的同时沿着具有所再现的方向性的力的方向行进，而不用看画面。此外，在该情况下，可以不需要在显示面板上显示地图。

同样，根据上述应用示例4，触觉再现设备根据手指P在触摸面板10上的接触位置产生振动，所述振动的摩擦力大小和方向之中的至少所述方向被可变化地控制，从而可以根据应用内容向用户再现各种触觉。

通过组合本应用示例4和上述示例1，可以进一步利用摩擦力大小，向用户再现基于海拔数据的道路倾斜感。在该情况下，触觉再现设备根据手指P的位置可变化地控制摩擦力的大小和方向。

以上说明的各个实施方式中的特征部分之中的至少两个特征部分还可以被组合。

应当注意的是，本发明还可以采取以下构造。

(1)一种触觉再现设备，包括：

可移动体；

致动器单元，所述致动器单元连接至所述可移动体；以及

信号生成单元，所述信号生成单元用于向所述致动器单元提供驱动信号，所述驱动信号在所述致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

(2)根据(1)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元用于产生驱动信号，以使得所述致动器单元在第一频率下沿第一方向移动，以及在不同于所述第一频率的第二频率下沿与所述第一方向相反的第二方向移动。

(3)根据(1)或(2)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元用于产生所述驱动信号，以使得所述致动器单元在第一振幅下沿第一方向移动，以及在不同于所述第一振幅的第二振幅下沿与所述第一方向相反的第二方向移动。

(4)根据(1)至(4)之一所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元用于产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动具有基于触觉接收器的检测阈值而获得的振幅和频率。

(5)根据(4)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元用于产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动包含具有与所述触觉接收器的触觉区域对应的频率的振动、以及具有与所述触觉接收器的非触觉区域对应的频率的振动。

(6)根据(4)或(5)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元构造为产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动包含具有与所述触觉接收器的触觉区域对应的振幅的振动、以及具有与所述触觉接收器的非触觉区域对应的振幅的振动。

(7)根据(1)所述的触觉再现设备，其中

所述致动器单元至少包括使所述可移动体沿第一轴的方向移动的第一致动器。

(8)根据(7)所述的触觉再现设备，其中

所述致动器单元进一步包括使所述可移动体沿不同于所述第一轴的第二轴的方向移动的第二致动器，且

所述信号生成单元用于进一步向所述第二致动器提供所述驱动信号。

(9)根据(8)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元使得提供给所述第一致动器的驱动信号的峰值的时间与提供给所述第二致动器的驱动信号的峰值的时间同步。

(10)根据(8)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元使得提供给所述第一致动器的驱动信号的峰值的时间相对于提供给所述第二致动器单元的驱动信号的峰值的时间移位。

(11)根据(7)至(10)之一所述的触觉再现设备，其中

所述致动器单元进一步包括使所述可移动体沿不同于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的方向移动的第三致动器，且

所述信号生成单元用于进一步向所述第三致动器提供所述驱动信号。

(12)根据(1)至(11)之一所述的触觉再现设备，其中

所述致动器单元包括压电装置，并起到检测与所述可移动体接触的目标物体在所述可移动体上的位置的触摸传感器的作用。

(13)一种触觉再现设备，包括：

可移动体；

致动器单元，所述致动器单元连接至所述可移动体；以及

接收单元，所述接收单元用于接收驱动信号，所述驱动信号用于在所述致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一。

(14)一种信号生成装置，包括：

信号生成单元，所述信号生成单元用于产生驱动信号，所述驱动信号在与触觉再现设备的可移动体连接的致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一；以及

发送单元，所述发送单元用于发送所产生的所述驱动信号。

(15)一种信号生成装置，用于向与可移动体连接的致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动向所述可移动体和与所述可移动体接触的目标物体之间的摩擦力提供方向性。

(16)一种触觉再现设备，包括：

可移动体；

致动器单元，所述致动器单元连接至所述可移动体；

信号生成装置，所述信号生成装置用于向所述致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动具有被可变化地控制的在所述可移动体和与所述可移动体接触的目标物体之间的摩擦力的方向。

(17)根据(16)所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元用于向所述致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动具有被进一步可变化地控制的所述摩擦力的大小。

(18)根据(16)所述的触觉再现设备，其中

设置在所述可移动体上的触摸面板，且

其中，所述信号生成单元根据在所述触摸面板中检测到的所述目标物体的位置提供所述驱动信号，所述驱动信号用于可变化地控制所述摩擦力的方向。

(19)根据(18)所述的触觉再现设备，进一步包括

设置在所述可移动体上的显示面板，

其中，所述信号生成单元基于所述目标物体接触的位置的海拔数据提供所述驱动信号，所述驱动信号用于可变化地控制所述摩擦力的方向，所述海拔数据是所述显示面板上所显示的图像的高度。

(20)根据(18)所述的触觉再现设备，进一步包括

设置在所述可移动体上的显示面板，

其中，所述信号生成单元基于所述目标物体接触的一个按键的位置提供驱动信号，所述驱动信号用于可变化地控制所述摩擦力的方向，所述一个按键是所述显示面板上所显示的键盘图像中所包含的多个按键中的一个。

(21)根据(16)至(20)之一所述的触觉再现设备，其中

所述信号生成单元在所述可移动体上产生振动，所述振动产生与所述目标物体的移动方向相反的摩擦力，以表示虚拟的向上倾斜感，以及在所述可移动体上产生振动，所述振动产生与所述目标物体的移动方向相同的力，以表示虚拟的向下倾斜感。

(22)一种触觉再现系统，包括：

触觉再现设备，包括：

可移动体，

致动器单元，所述致动器单元连接至所述可移动体，以及

接收单元，所述接收单元用于从外部接收信号；以及

信号生成装置，包括：

信号生成单元，所述信号生成单元用于产生驱动信号，以在所述致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一；以及

发送单元，所述发送单元用于向所述触觉再现设备发送所产生的所述驱动信号。

(23)一种触觉再现方法，包括：

向致动器单元提供驱动信号，所述驱动信号在所述致动器单元上产生振动，所述振动在一个周期内包含多个不同振幅和多个不同频率中的至少之一；

利用所述致动器单元，基于所提供的所述驱动信号驱动与所述致动器单元相连接的可移动体。

(24)一种触觉再现方法，包括：

向与可移动体相连接的致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动具有被可变化地控制的在所述可移动体和与所述可移动体接触的目标物体之间的摩擦力的方向；以及

利用已被提供所述驱动信号的所述致动器单元，来驱动所述可移动体。

(25)根据(24)所述的触觉再现方法，其中

提供所述驱动信号的步骤包括向所述致动器单元提供驱动信号，以在所述可移动体上产生振动，所述振动具有被进一步可变化地控制的所述摩擦力的大小。

(26)根据(24)或(25)所述的触觉再现方法，进一步包括

检测所述目标物体在设置于所述可移动体上的触摸传感器上的位置，

其中提供所述驱动信号的步骤包括根据由所述触摸传感器检测到的所述目标物体的位置来提供所述驱动信号，所述驱动信号用于可变化地控制所述摩擦力的方向。

符号说明

10 触摸面板

30，130 致动器单元

35 致动器

35X X致动器

35Y Y致动器

35Z Z致动器

37 弹性组件

60 信号生成单元

100，200，120 触觉再现设备

250 信号生成装置