JP2005031918A - タッチパネルディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができるタッチパネルディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】タッチパネルディスプレイ装置１は、ディスプレイ３と、複数の刺激電極１７を有する透明導電膜５と、刺激電極１７と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極１１と、それぞれの刺激電極１７と不関電極１１との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、を備えている。電圧印加手段は、透明導電膜５が接触を受けた場合は、接触の直後から所定時間の間は、不関電極よりも刺激電極の電位が高い状態を複数回断続的に又は１回生じさせ、その後接触が継続している間は、刺激電極よりも不関電極の電位が高い状態を所定のパルス幅及び周波数で断続的に生じさせるように刺激電極１７の電位を経時的に変化させる。
【選択図】 図２
【解決手段】タッチパネルディスプレイ装置１は、ディスプレイ３と、複数の刺激電極１７を有する透明導電膜５と、刺激電極１７と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極１１と、それぞれの刺激電極１７と不関電極１１との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、を備えている。電圧印加手段は、透明導電膜５が接触を受けた場合は、接触の直後から所定時間の間は、不関電極よりも刺激電極の電位が高い状態を複数回断続的に又は１回生じさせ、その後接触が継続している間は、刺激電極よりも不関電極の電位が高い状態を所定のパルス幅及び周波数で断続的に生じさせるように刺激電極１７の電位を経時的に変化させる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタッチパネルディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のタッチパネルディスプレイ装置としては、データ入力部を指で押圧した場合に、指に通電することによって、ユーザに擬似的なクリック感を感じせしめる装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、特許文献１に記載の装置では、入力の有無を通電によってユーザに知らせることはできるが、例えば操作部を押圧したかのような入力時の感触等を感じさせることはできず、操作感のリアリティに欠けるという問題点があった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８４９０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができるタッチパネルディスプレイ装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、ディスプレイと、ディスプレイの画面に重ねて設けられ、画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、透明電極の電位を変化させ、それぞれの透明電極と不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、を備え、電圧印加手段は、透明電極層が接触を受けると、接触の直後から所定時間の間に不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせ、その後接触が継続している間に透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を生じさせるように、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極の電位を経時的に変化させることを特徴とする。
【０００６】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先がタッチパネルディスプレイ装置を操作すべく透明電極層に接触したときに、透明電極と不関電極との間の電位差が変化する。不関電極を例えばユーザの指の付け根付近に装着させれば、ユーザの指には上記電位差によって電位変化に応じた電流が流れることとなる。電位差は、接触の直後から所定時間の間は、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態が生じるので、指に流れる電流は外部から指先へ向かって流れ、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上に指がぶつかったかのような感触をユーザに与えることができる。また、接触が継続している間は、電位差が、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態が生じるので、指に流れる電流は指先から外部へ向かう向きであり、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上を指が押圧しているかのような感触をユーザに与えることができる。このように、上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ディスプレイ上に指がぶつかった感触及びディスプレイ上を指で押圧している感触を続けてユーザに与えることができるので、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【０００７】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、第１の状態が、所定のパルス幅及び所定の周波数で少なくとも１回生じることを特徴としてもよい。
【０００８】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、第２の状態が、所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じることを特徴としてもよい。
【０００９】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、ディスプレイと、ディスプレイの画面に重ねて設けられ、画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、透明電極の電位を変化させ、それぞれの透明電極と不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、透明電極層が接触を受けた場合に、接触の圧力を検出する接触圧力検出手段と、を備え、電圧印加手段は、透明電極層が接触を受けた場合は、接触が継続している間、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じさせるように、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極の電位を経時的に変化させ、周波数は、接触圧検出手段により検出される接触の圧力に基づいて随時変化させることを特徴とする。
【００１０】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先がタッチパネルディスプレイ装置を操作すべく透明電極層に接触したときに、透明電極と不関電極との間の電位差が変化する。不関電極を例えばユーザの指の付け根付近に装着させれば、ユーザの指には上記電位差によって電位変化に応じた電流が流れることとなる。上記電位差は、接触が継続している間は、電位差が、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を所定のパルス幅及び周波数で断続的に生じさせるように変化するので、指に流れる電流は指先から外部へ向かう向きであり、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上を指が押圧しているかのような感触をユーザに与えることができる。また、上記電位変化の周波数は、ユーザの指の押圧力の変化に基づいて変化するので、押圧力に応じてディスプレイ上からの反力が変化しているかのような感触をユーザに与えることができる。このように、上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１１】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段が、更に、接触が終了する前の所定時間の間に、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段が、更に、接触が終了する前の所定時間の間に、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を、所定のパルス幅及び所定の周波数で少なくとも１回生じさせることを特徴としてもよい。
【００１３】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先が透明電極層から離れる直前に操作ボタンから弾き返されるような感触をユーザに与えることができ、更にリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１４】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段は、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極のうち、所定の領域内にある透明電極の電位を経時的に変化させ、所定の領域は、ディスプレイ上に表示された画像に対応して設定されることを特としてもよい。
【００１５】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、上述したような電流を流す領域をディスプレイ上に表示された画像に対応して設定することができる。よって、ユーザに表示された画像に対応した触感を与えることができ、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１及び図２を参照し、実施形態に係るタッチパネルディスプレイ装置１について説明する。図１は、タッチパネルディスプレイ装置１のシステム構成を示すブロック図である。タッチパネルディスプレイ装置１は、ディスプレイ３、透明導電膜（透明電極層）５、位置検出部７、圧力検出部９、不関電極１１、増幅部１３、データ保存部１４、及び制御部１５を備えている。また、図２は、タッチパネルディスプレイ装置１の表面付近の断面を示した図である。ここでは、タッチパネルディスプレイ装置１のユーザに面する面を「表面」といい、その逆の面を「裏面」という。
【００１８】
制御部１５には、ディスプレイ３、透明導電膜５、位置検出部７、圧力検出部９、不関電極１１、増幅部１３、及びデータ保存部１４の各デバイスが接続され、制御部１５は各デバイスと電気信号の授受を行う。制御部１５は受け取った電気信号を予め定められたプログラムに従って処理し、電気信号を送信することにより接続されたこれらのデバイスの動作を制御する。データ保存部１４には上記デバイス制御のためのプログラム等が保存されており、プログラムは適宜制御部１５に読み込まれるようになっている。
【００１９】
ディスプレイ３は、タッチパネルディスプレイ装置１の動作状態を表す情報や、ユーザの入力を促すための情報を画像としてユーザに提示するための表示画面を有している。表示画面は、例えば、ユーザによる押下操作を受け付ける押しボタンの画像等を表示する。このとき、ユーザは操作したい押しボタンの画像に対応する位置の透明導電膜５の部分に指２を接触させることにより、希望の押しボタンを押下げる等の操作を行う。ディスプレイ３としては、例えば、ブラウン管モニタ、液晶モニタ等が用いられる。
【００２０】
透明導電膜５は、ディスプレイ３の表示画面の表面側をほぼ全面覆うようにディスプレイ３上に重ねて設けられている。透明導電膜５の表面側（ディスプレイ３の画面に対面する面の反対面側）には図３（ａ）に示すように刺激電極（透明電極）１７がほぼ全面にわたって縦横に配列されている。透明導電膜５はタッチパネルディスプレイ装置１の最表面側に設けられており、刺激電極１７は装置の最表面側に露出している。刺激電極１７はエッチング法により透明導電膜５上に形成される。刺激電極１７の形成方法としては、エッチング法に限られず、蒸発法、貼り付け法、引き剥がし法等でもよい。刺激電極１７の配列密度は１ｃｍ２あたり３０個程度である。刺激電極１７の配列密度を高くすればより細かい触感の提示が可能となるが、製造工程等が複雑となってしまう。また、刺激電極１７のサイズが小さすぎると皮膚との接触インピーダンスが大きくなりすぎてしまう。刺激電極１７の配列密度及びサイズは上記のような観点から適度な値に設定される。
【００２１】
ユーザの指２が透明導電膜５に接触したときには、ユーザの指２が何れかの刺激電極１７或いは複数の刺激電極１７に接触することとなる。透明導電膜５表面のある部分にユーザの指２が接触した場合には、刺激電極１７と後述する不関電極１１との間が指２を介して通電し、刺激電極１７と不関電極１１との間の電位差によってユーザの指２に電流が流れるようになっている。ユーザが透明導電膜５を透してディスプレイ３に表示された画像を見ることができるように、透明導電膜５及び刺激電極１７は共にほぼ透明となっている。刺激電極１７の形状及び配列形状は図３（ａ）に限られず、例えば図３（ｂ）のようなものであってもよい。また、刺激電極１７の形状等は円形、矩形、三角形等の何れの形状であってもよい。
【００２２】
位置検出部７が、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合に接触した領域（以下「接触領域」という）が透明導電膜５上の何れの位置範囲であるか（以下「接触位置」という）を検出する方式として、本実施形態のタッチパネルディスプレイ装置１は周知の方式である抵抗皮膜方式を用いている。通常、ユーザの指２は一定の接触面積を有する接触面を以って透明導電膜５に接触するので、タッチパネルディスプレイ装置１では接触領域の位置の範囲を認識する。よって、「接触領域」というときは一定の面積を有する部分を意味し、「接触位置」というときは接触領域の位置の範囲として、一定の面積を有する範囲を意味するものとする。
【００２３】
位置検出部７は、位置センサ７ｓを有している。位置センサ７ｓは透明導電膜５とディスプレイ３の表示画面との間の層に設けられ、ディスプレイ３の表示画面をほぼ全面覆っている。図２に示すとおり、位置センサ７ｓは２層の導電膜７ａが絶縁体からなるドットスペーサ７ｂを挟んで構成されている。ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合には、接触位置において表面側の導電膜７ａが歪み、裏面側の導電膜７ａに接触・通電する。通電した点がドットスペーサ７ｂで仕切られた何れの領域であるかを検出することによって接触位置に応じた電気信号を生成することができる。
【００２４】
位置センサ７ｓは、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合には、接触位置に応じた接触位置信号を後述する制御部１５へ送信する。制御部１５は受信した接触位置信号を予めデータ保存部１４等に保存されたプログラムに従って処理することにより接触位置を算出する。位置センサ７ｓ及び制御部１５による上記処理は、機能的な構成要素としての位置検出部（接触位置検出手段）７を構成する。
【００２５】
位置検出部７の接触位置の検出方式としては、抵抗皮膜方式に限られず、接触位置を検出することができれば他の方式であってもよい。たとえば位置検出部７の位置検出方式として、赤外線方式、超音波方式、静電容量方式等の他の周知の方式を用いてもよい。
【００２６】
圧力検出部９は、圧力センサ９ｓを有している。圧力センサ９ｓは図２に示すように位置センサ７ｓの裏面側に設置されたガラス層とディスプレイ３との間に所定の間隔で配列され設けられている。ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合、ガラス層１９とディスプレイ３の表示画面との間に挟まれて圧縮応力を受け、ユーザの指２が透明導電膜５を押圧する圧力（以下「接触圧力」という）に応じた接触圧力信号を、後述する制御部１５へ送信する。制御部１５は受信した接触圧力信号を予めデータ保存部１４等に保存されたプログラムに従って処理することにより接触圧力を算出する。圧力センサ９ｓ及び制御部１５による上記処理は、機能的な構成要素としての圧力検出部（接触圧力検出手段）９を構成する。圧力センサ９ｓとしては、例えば周知の圧電素子や感圧導電性ゴム等を用いた圧力センサ等が用いられる。
【００２７】
不関電極１１は導電材料からなり、刺激電極１７とは電気的に絶縁されて設けられ、不関電極１１の電位は常に０Ｖに維持されるようになっている。不関電極１１は、図２に示すようにタッチパネルディスプレイ装置１の操作を行う指２の付け根付近に装着して用いられる。ユーザが指２の付け根付近に不関電極１１を装着した状態で、ユーザの指２の指先が透明導電膜上の刺激電極１７に接触した場合は、所定の条件下で、両電極間つまりユーザの指先から指の付け根付近の間に電流が流れ、電流によってユーザは指への刺激を感じるようになっている。
【００２８】
不関電極１１と刺激電極１７との間の電位差、及び両電極間に流れる電流について説明する。不関電極１１の電位は０Ｖに保たれており、刺激電極１７側の電位を上下させることによって、不関電極１１と刺激電極１７との間で電位差を生じせしめること（以下単に「電圧印加」という）ができるようになっている。タッチパネルディスプレイ装置１では、刺激電極１７の電位をプラスにすること（以下「陽性印加」という）、及び刺激電極１７の電位をマイナスにすること（以下「陰性印加」という）の双方の電圧印加が可能となっている。陽性印加を行うことにより、上記第１の状態を生じさせることが可能であり、陰性印加を行うことにより上記第２の状態を生じさせることが可能である。電圧印加は、透明導電膜５上に配列された刺激電極１７の一つ一つについて独立して可能となっている。すなわち刺激電極１７は一つ一つが独立して異なった電位を有することが可能である。また、刺激電極１７の電位は経時的に変化させることも可能であり、一つ一つの刺激電極１７を独立して異なった態様（例えば、異なったパルス幅、周波数）で電位変化させることも可能である。
【００２９】
不関電極１１と刺激電極１７との電位差は最大で±１５０Ｖ程度、不関電極が指２の表面に接触する接触面のサイズは５ｃｍ２程度となっている。このような設定のとき、１つの刺激電極１７当たり±２ｍＡ程度の電流がユーザの指２に流れることとなり、ユーザの指２に与える刺激を適度な大きさとすることができる。不関電極１１をユーザのタッチパネルディスプレイ装置１の操作を行う指の付け根に装着可能な構成にしているので、不関電極１１と刺激電極１７との距離を近くすることができる。このため、両電極間の電気抵抗値のバラツキが少なくすることができ、安定した電流を得ることができる。
【００３０】
データ保存部１４には、各動作段階においてディスプレイ３に表示する画像データと、各動作段階における印加電極、及び非印加電極の配列設定を示す印加マップデータが格納されている。ここで、「印加電極」とは、ユーザの指２が接触した場合には電圧印加を行う刺激電極１７をいい、「非印加電極」とは、ユーザの指２が接触した場合であっても電圧印加を行わない刺激電極１７をいう。なお、印加電極、非印加電極ともにユーザの指２が接触していない場合には電圧印加はされていない状態である。印加マップデータにおいて透明導電膜５上のすべての刺激電極１７は印加電極又は非印加電極の何れかとして設定されている。
【００３１】
制御部１５は各動作段階において画像データを読み込み、各操作段階毎にディスプレイ３に画像データを表示させる。また制御部１５は各動作段階において印加マップデータを読み込み、透明導電膜５における印加電極及び非印加電極の配列設定を認識する。画像データ２１は、ディスプレイ３の表示画面に表示される画像をデータ化したものである。印加マップデータ２３は、透明導電膜５上の印加電極と非印加電極の配列をデータ化したものである。図４はタッチパネルディスプレイ装置１の、ある動作段階における画像データ２１及び印加マップデータ２３の概念を示す図である。図４の印加マップデータ２３中、黒い円は印加電極を、白い円は非印加電極を表している。
【００３２】
図４に示すように、画像データ２１に示されるオブジェクトの位置や、模様に対応して、印加マップデータ２３中の印加電極及び非印加電極が配列されている。例えば、画像データ２１中の操作ボタン２１ａを表示する位置範囲について、この位置範囲内に対応する位置（所定の領域内）にある刺激電極１７（２３ａ）は、印加マップデータ２３上で印加電極として設定され、この位置範囲外２１ｂに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｂ）は非印加電極として設定されている。また、画像データ２１中のストライプ模様の黒線部分２１ｃに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｃ）は印加電極として設定され、白地部分２１ｄに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｄ）は非印加電極として設定されている。このように、ディスプレイ３に表示される画像の図柄に対応させて印加電極及び非印加電極が配列されている。
【００３３】
以下、制御部１５が行う処理について図５を参照し説明する。図５はタッチパネルディスプレイ装置１のある動作段階で、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合に、制御部１５等が行う処理のフロー図である。
【００３４】
まず、タッチパネルディスプレイ装置１の動作段階に応じた画像データと印加マップデータが読み込まれる（Ｓ１０２）。読み込まれた画像データに応じて、ディスプレイ３に画像が表示され、透明導電膜５への接触が待機される。ユーザの指２が透明導電膜５に接触したら、位置センサ７ｓにより接触位置に応じた接触位置信号が制御部１５に送られ、制御部１５で接触位置信号に基づいて接触位置が検出される（Ｓ１０６）。次に、接触位置と印加マップデータとの比較が行われ、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７へのみ陽性印加がなされ、ユーザの指２に電流が流れる（Ｓ１０８）。印加電極として設定されている刺激電極１７が接触領域に含まれていない場合は、そのまま処理を終了させてもよい。
【００３５】
タッチパネルディスプレイ装置１においては、Ｓ１０８における陽性印加では、パルス幅５００μ秒の方形波状の電圧を、電圧１５０Ｖ、パルス数１回で印加する。
【００３６】
次に、圧力センサ９ｓにより接触圧力に応じた接触圧力信号が制御部１５に送られ、制御部１５で接触圧力信号に基づいて接触圧力が検出される（Ｓ１１０）。接触圧力が所定の圧力と比較され（Ｓ１１２）、接触圧力が所定の圧力よりも低い場合は、ユーザの指２が透明導電膜５から離れている、又は離れる直前であるとみなし、再びＳ１０８における印加と同じ態様で陽性印加がされ（Ｓ１２０）処理が終了する。上記所定の圧力は例えば０．１〜３．０Ｎ／ｍ２程度に設定される。接触圧力が所定の圧力よりも低くない場合には、電圧印加のための周波数を算出する。周波数は、検出された接触圧力に応じて所定の算出方法で算出される。所定の算出方法によれば接触圧力と周波数は比例し、接触圧力が高くなるに従って周波数が高くなり、接触圧力が低くなるに従って周波数が低くなる（Ｓ１１４）。
【００３７】
続いて、再び接触位置が検出される（Ｓ１１６）。検出された接触位置と印加マップデータとの比較が行われ、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７へのみ陰性印加がなされ、ユーザの指２に電流が流れる（Ｓ１１８）。このとき陰性印加は、Ｓ１１４で算出した周波数で断続的になされる。Ｓ１１８における陰性印加では、パルス幅５００μ秒の方形波状の電圧を、電圧−１５０Ｖ程度、周波数５０〜２００Ｈｚ程度で断続的に印加する。ユーザの指２が接触している間Ｓ１１４の処理が随時なされるので、周波数は接触圧力に応じて随時変化することとなる。
【００３８】
その後は、Ｓ１１０に戻り、接触圧力検出からの処理を繰り返す。ユーザの指２が離れる直前にはＳ１１２で接触圧力が所定圧力以下となるので、再びＳ１０８における印加と同じ態様で陽性印加がされ（Ｓ１２０）処理が終了する。
【００３９】
前述の通り、Ｓ１０８の陽性印加及びＳ１１８の陰性印加がなされる電極は、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７のみである。図６を参照し、具体的に説明する。図６（ａ）は接触領域３１が操作ボタンが表示された領域（所定の領域）３３に一部懸かっている場合、図６（ｂ）は接触領域４１がストライプ模様が表示された位置に懸かった場合の例を示す図である。図６（ｂ）の場合はストライプ模様の黒線が表示された領域（所定の領域）３３に接触領域３１が一部懸かっている状態となっている。大きな黒い丸は接触領域に含まれた印加電極３５ａ、大きな白い丸は接触領域に含まれた非印加電極３５ｂを示している。また、小さな黒い丸は接触領域に含まれない印加電極３５ｃ、小さな白い丸は接触領域に含まれない非印加電極３５ｄを示している。Ｓ１０８及びＳ１１８においては接触領域に含まれ、かつ、画像に対応した所定の領域３３内にある（印加電極として設定されている）電極、すなわち大きな黒い丸で表した刺激電極３５ａのみに電圧印加がなされ、その他の刺激電極３５ｂ、３５ｃ、３５ｄには電圧印加はなされない。
【００４０】
以上をまとめると結局、電圧印加の経時的変化は、図７のような波形となる。図７の上のグラフは横軸に時間、縦軸に電流を設定し、接触圧力の経時的な変化を示している。下のグラフは、横軸に上のグラフに対応させた時間、縦軸に電流を設定し、接触圧力に対応した電流の経時的な変化を示している。まず、接触の直後から所定時間の間（図中の２０１の範囲）は、パルス幅５００μ秒で方形波状に陽性印加を１回のみ行っている。その後、接触が継続している間（図中の２０３の範囲）は、パルス幅５００μ秒、周波数５０〜２００Ｈｚ程度で方形波状に断続的な陰性印加を行っている。この間、圧力検出部９によって接触圧力を検出し、接触圧力が大きくなったときはそれに応じて周波数を高くし、接触圧力が小さくなったときは周波数を低くするというように、随時周波数を変化させている。接触が終わる直前（図中の２０５の範囲）はパルス幅５００μ秒で方形波状に陽性印加を１回のみ行っている。但し、ここでは圧力検出部９で検出された接触圧力が所定の圧力よりも低くなった場合を接触が終わる直前とみなして上記陽性印加を行うこととしている。
【００４１】
以下、上述したタッチパネルディスプレイ装置１の作用・効果について説明する。
【００４２】
まず、人間の指が触感覚を感じるメカニズムによれば、人間が指先に振動を受けた時には、皮膚と垂直な方向に伸びる神経が刺激される。また、人間が指先に圧力を受けた時には皮膚と平行な方向に伸びる神経が刺激される。逆に、指先において、皮膚と垂直な方向に伸びる神経を刺激すれば人間は指先に振動を感じ、皮膚と平行な方向に伸びる神経を刺激すれば人間は指先に圧力を感じることになる。皮膚と垂直な方向に伸びる神経を刺激するには外部から指先に入ってくる方向の電流（以下「陽性電流」という）を流せばよく、皮膚と平行な方向に伸びる神経を刺激するには逆に指先から外部へ出て行く方向の電流（以下「陰性電流」という）を流せばよいことがわかっている。陽性電流、陰性電流とも上記のような感覚を感じるためには、方形波状に所定のパルス幅、所定の周波数を以って断続的に電流が流れるのが効果的である。特に、陽性電流、陰性電流ともパルス幅５００μ秒程度、周波数５０〜２００Ｈｚ程度、電流２ｍＡ程度で断続的な電流が流れるのが好ましい。また、陰性電流が方形波状に断続的に流れるとき、陰性電流の周波数が大きくなればなるほど人間が感じる圧力も大きくなり、小さくなればなるほど人間が感じる圧力も小さくなる。以上のようなメカニズムに鑑み、タッチパネルディスプレイ装置１の作用・効果を説明する。
【００４３】
タッチパネルディスプレイ装置１では、ユーザの指２がタッチパネルディスプレイ装置１を操作すべく透明導電膜５に接触した場合には、透明導電膜５上に配列された刺激電極１７に接触することとなる。ユーザの指２が、刺激電極１７のうち印加電極として設定されているものに接触した場合は、その刺激電極１７と不関電極１１との間に、図７のグラフに示したような波形で経時的に変化する電圧印加がなされる。この電圧印加によって、ユーザの指２には電圧印加の波形と同様の波形の電流が流れることとなる。
【００４４】
例えば、ユーザの指２が、ディスプレイ３に表示された操作ボタンを操作する場合について考える。ユーザの指２はディスプレイ３上の架空の操作ボタンを操作すべく、操作ボタンが表示された領域に対応する透明導電膜５の領域に接触する。この領域にある刺激電極１７は操作ボタンに対応して印加電極として設定されており、ユーザの指２はこの刺激電極１７に接触することとなる。まず、ユーザの指２が、操作ボタンに接触した直後（図７の２０１の範囲）には指２に陽性電流が流れるので、ユーザは振動感を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンにぶつかったかのような感触を受ける。次に、そのまま操作ボタンへの接触を継続している間（図７の２０３の範囲）は、指２に周波数５０〜２００Ｈｚ程度で断続的に陰性電流が流れるので、ユーザは圧力を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンを押圧し、操作ボタンからの反力を受けているかのような感触を受ける。また、ユーザが操作ボタンを押圧する圧力を変化させたときには、圧力の変化に応じて電流の周波数が変化するので、ユーザはあたかも指の押圧力に応じて操作ボタンからの反力が変化しているような感触を受ける。次に、ユーザの指２が操作ボタンから離れる直前（図７の２０５の範囲）には、指２に陽性電流が流れるので、ユーザは振動感を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンから離れる瞬間に操作ボタンから弾き返されるような感触を受ける。
【００４５】
このように、タッチパネルディスプレイ装置１によれば、ユーザがディスプレイ３に平面的に表示された架空のオブジェクトを操作する場合に、あたかも実物のオブジェクトを操作しているかのようなリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００４６】
また、タッチパネルディスプレイ装置１によれば、ユーザの指２が、刺激電極１７のうち印加電極として設定されているものに接触した場合は、上記の電圧印加がなされる。一方、刺激電極１７のうち非印加電極として設定されているものに接触した場合は、電圧印加はなされない。また、印加電極及び非印加電極の配列の設定は、ディスプレイ３上に表示された画像に対応して設定されている。例えば、ディスプレイ３上に表示されたオブジェクトに対応する領域には印加電極を対応させ、それ以外の領域には非印加電極を対応させて設定されている。このような設定とすることで、ユーザに指の触感によってオブジェクトが表示された領域にはあたかもオブジェクトが存在し、それ以外の領域にはあたかもオブジェクトが存在しないかのような触感を感じさせることができ、リアリティのある操作感を感じさせることができる。また、触感によってオブジェクトの位置をユーザに提示することができるので、視覚障害者等にも操作が容易となる。
【００４７】
また、ユーザの指２は一定の面積を有する接触領域で透明導電膜５と接触する場合が多く、このときユーザの指２は接触領域に含まれる複数個の刺激電極１７に接触することとなる。タッチパネルディスプレイ装置１によれば、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、オブジェクトの画像に対応した範囲内にある刺激電極１７のみが印加電極として設定されているので、この刺激電極１７のみがオブジェクトに触れた触感をユーザに感じさせることとなる。よって、例えば、図６（ａ）のように、接触領域がディスプレイ３に表示されたオブジェクトの縁部をまたいだ領域となった場合には、ユーザにあたかもオブジェクトのエッジに触っているかのような触感を感じさせることができる。
【００４８】
また、タッチパネルディスプレイ装置１では、図６（ｂ）に示すように、ストライプ模様等の細かい模様に対応させて印加電極及び非印加電極の配列の設定をしている。よって、ユーザの指２が、細かい模様の画像に対応する部分に接触した場合には、あたかも細かい模様が実際に凹凸に形成されているかのような手触りをユーザに感じさせることができる。また、ディスプレイ３に表示されたオブジェクトの材質（例えば木、布）に対応して印加電極及び非印加電極の配列の設定を変えることとすれば、オブジェクトの材質を手触りによって感じせしめることも可能となる。
【００４９】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、タッチパネルディスプレイ装置１においては、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した直後は、パルス数１回で陽性印加することとしているが、陽性印加する時間を接触の直後から所定の時間の間とすれば、パルス数を複数回にし、所定の周波数で複数回の陽性印加を行うこととしてもよい。まったく同様に、接触が終了する直前の陽性印加も同様にパルス数を複数回としてもよい。上記所定の時間は、ユーザにリアリティのある振動感を与える観点から、０．１秒程度に設定するのが好ましい。
【００５０】
また、タッチパネルディスプレイ装置１では、圧力検出部９によって接触圧力を検出し、接触圧力に応じて電圧印加の周波数を変化させることとしているが、本発明においては圧力検出部９及び接触圧力に応じて周波数を変化させることは必ずしも必須ではない。
【００５１】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によれば、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができるタッチパネルディスプレイ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タッチパネルディスプレイ装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】タッチパネルディスプレイ装置の表面付近の断面を示した図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は透明導電膜上に配列された刺激電極を示す図である。
【図４】画像データ及び印加マップデータの概念を示す図である。
【図５】制御部が行う処理のフロー図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は接触領域及び刺激電極を示す図である。
【図７】接触圧力、及びそれに伴って変化する電流の経時的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…タッチパネルディスプレイ装置、２…指、３…ディスプレイ、５…透明導電膜、７ｓ…位置センサ、７…位置検出部、９ｓ…圧力センサ、９…圧力検出部、１１…不関電極、１５…制御部、１７…刺激電極。
【発明の属する技術分野】
本発明はタッチパネルディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のタッチパネルディスプレイ装置としては、データ入力部を指で押圧した場合に、指に通電することによって、ユーザに擬似的なクリック感を感じせしめる装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、特許文献１に記載の装置では、入力の有無を通電によってユーザに知らせることはできるが、例えば操作部を押圧したかのような入力時の感触等を感じさせることはできず、操作感のリアリティに欠けるという問題点があった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８４９０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができるタッチパネルディスプレイ装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、ディスプレイと、ディスプレイの画面に重ねて設けられ、画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、透明電極の電位を変化させ、それぞれの透明電極と不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、を備え、電圧印加手段は、透明電極層が接触を受けると、接触の直後から所定時間の間に不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせ、その後接触が継続している間に透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を生じさせるように、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極の電位を経時的に変化させることを特徴とする。
【０００６】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先がタッチパネルディスプレイ装置を操作すべく透明電極層に接触したときに、透明電極と不関電極との間の電位差が変化する。不関電極を例えばユーザの指の付け根付近に装着させれば、ユーザの指には上記電位差によって電位変化に応じた電流が流れることとなる。電位差は、接触の直後から所定時間の間は、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態が生じるので、指に流れる電流は外部から指先へ向かって流れ、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上に指がぶつかったかのような感触をユーザに与えることができる。また、接触が継続している間は、電位差が、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態が生じるので、指に流れる電流は指先から外部へ向かう向きであり、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上を指が押圧しているかのような感触をユーザに与えることができる。このように、上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ディスプレイ上に指がぶつかった感触及びディスプレイ上を指で押圧している感触を続けてユーザに与えることができるので、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【０００７】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、第１の状態が、所定のパルス幅及び所定の周波数で少なくとも１回生じることを特徴としてもよい。
【０００８】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、第２の状態が、所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じることを特徴としてもよい。
【０００９】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、ディスプレイと、ディスプレイの画面に重ねて設けられ、画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、透明電極の電位を変化させ、それぞれの透明電極と不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、透明電極層が接触を受けた場合に、接触の圧力を検出する接触圧力検出手段と、を備え、電圧印加手段は、透明電極層が接触を受けた場合は、接触が継続している間、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じさせるように、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極の電位を経時的に変化させ、周波数は、接触圧検出手段により検出される接触の圧力に基づいて随時変化させることを特徴とする。
【００１０】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先がタッチパネルディスプレイ装置を操作すべく透明電極層に接触したときに、透明電極と不関電極との間の電位差が変化する。不関電極を例えばユーザの指の付け根付近に装着させれば、ユーザの指には上記電位差によって電位変化に応じた電流が流れることとなる。上記電位差は、接触が継続している間は、電位差が、透明電極よりも不関電極の電位が高い第２の状態を所定のパルス幅及び周波数で断続的に生じさせるように変化するので、指に流れる電流は指先から外部へ向かう向きであり、上記電位差変化に追従して同様に変化する。このような電流をユーザの指に流すことによって、ディスプレイ上を指が押圧しているかのような感触をユーザに与えることができる。また、上記電位変化の周波数は、ユーザの指の押圧力の変化に基づいて変化するので、押圧力に応じてディスプレイ上からの反力が変化しているかのような感触をユーザに与えることができる。このように、上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１１】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段が、更に、接触が終了する前の所定時間の間に、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段が、更に、接触が終了する前の所定時間の間に、不関電極よりも透明電極の電位が高い第１の状態を、所定のパルス幅及び所定の周波数で少なくとも１回生じさせることを特徴としてもよい。
【００１３】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、ユーザの指先が透明電極層から離れる直前に操作ボタンから弾き返されるような感触をユーザに与えることができ、更にリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１４】
また、本発明のタッチパネルディスプレイ装置は、電圧印加手段は、接触を受けた透明電極層の領域に含まれる透明電極のうち、所定の領域内にある透明電極の電位を経時的に変化させ、所定の領域は、ディスプレイ上に表示された画像に対応して設定されることを特としてもよい。
【００１５】
上記タッチパネルディスプレイ装置によれば、上述したような電流を流す領域をディスプレイ上に表示された画像に対応して設定することができる。よって、ユーザに表示された画像に対応した触感を与えることができ、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１及び図２を参照し、実施形態に係るタッチパネルディスプレイ装置１について説明する。図１は、タッチパネルディスプレイ装置１のシステム構成を示すブロック図である。タッチパネルディスプレイ装置１は、ディスプレイ３、透明導電膜（透明電極層）５、位置検出部７、圧力検出部９、不関電極１１、増幅部１３、データ保存部１４、及び制御部１５を備えている。また、図２は、タッチパネルディスプレイ装置１の表面付近の断面を示した図である。ここでは、タッチパネルディスプレイ装置１のユーザに面する面を「表面」といい、その逆の面を「裏面」という。
【００１８】
制御部１５には、ディスプレイ３、透明導電膜５、位置検出部７、圧力検出部９、不関電極１１、増幅部１３、及びデータ保存部１４の各デバイスが接続され、制御部１５は各デバイスと電気信号の授受を行う。制御部１５は受け取った電気信号を予め定められたプログラムに従って処理し、電気信号を送信することにより接続されたこれらのデバイスの動作を制御する。データ保存部１４には上記デバイス制御のためのプログラム等が保存されており、プログラムは適宜制御部１５に読み込まれるようになっている。
【００１９】
ディスプレイ３は、タッチパネルディスプレイ装置１の動作状態を表す情報や、ユーザの入力を促すための情報を画像としてユーザに提示するための表示画面を有している。表示画面は、例えば、ユーザによる押下操作を受け付ける押しボタンの画像等を表示する。このとき、ユーザは操作したい押しボタンの画像に対応する位置の透明導電膜５の部分に指２を接触させることにより、希望の押しボタンを押下げる等の操作を行う。ディスプレイ３としては、例えば、ブラウン管モニタ、液晶モニタ等が用いられる。
【００２０】
透明導電膜５は、ディスプレイ３の表示画面の表面側をほぼ全面覆うようにディスプレイ３上に重ねて設けられている。透明導電膜５の表面側（ディスプレイ３の画面に対面する面の反対面側）には図３（ａ）に示すように刺激電極（透明電極）１７がほぼ全面にわたって縦横に配列されている。透明導電膜５はタッチパネルディスプレイ装置１の最表面側に設けられており、刺激電極１７は装置の最表面側に露出している。刺激電極１７はエッチング法により透明導電膜５上に形成される。刺激電極１７の形成方法としては、エッチング法に限られず、蒸発法、貼り付け法、引き剥がし法等でもよい。刺激電極１７の配列密度は１ｃｍ２あたり３０個程度である。刺激電極１７の配列密度を高くすればより細かい触感の提示が可能となるが、製造工程等が複雑となってしまう。また、刺激電極１７のサイズが小さすぎると皮膚との接触インピーダンスが大きくなりすぎてしまう。刺激電極１７の配列密度及びサイズは上記のような観点から適度な値に設定される。
【００２１】
ユーザの指２が透明導電膜５に接触したときには、ユーザの指２が何れかの刺激電極１７或いは複数の刺激電極１７に接触することとなる。透明導電膜５表面のある部分にユーザの指２が接触した場合には、刺激電極１７と後述する不関電極１１との間が指２を介して通電し、刺激電極１７と不関電極１１との間の電位差によってユーザの指２に電流が流れるようになっている。ユーザが透明導電膜５を透してディスプレイ３に表示された画像を見ることができるように、透明導電膜５及び刺激電極１７は共にほぼ透明となっている。刺激電極１７の形状及び配列形状は図３（ａ）に限られず、例えば図３（ｂ）のようなものであってもよい。また、刺激電極１７の形状等は円形、矩形、三角形等の何れの形状であってもよい。
【００２２】
位置検出部７が、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合に接触した領域（以下「接触領域」という）が透明導電膜５上の何れの位置範囲であるか（以下「接触位置」という）を検出する方式として、本実施形態のタッチパネルディスプレイ装置１は周知の方式である抵抗皮膜方式を用いている。通常、ユーザの指２は一定の接触面積を有する接触面を以って透明導電膜５に接触するので、タッチパネルディスプレイ装置１では接触領域の位置の範囲を認識する。よって、「接触領域」というときは一定の面積を有する部分を意味し、「接触位置」というときは接触領域の位置の範囲として、一定の面積を有する範囲を意味するものとする。
【００２３】
位置検出部７は、位置センサ７ｓを有している。位置センサ７ｓは透明導電膜５とディスプレイ３の表示画面との間の層に設けられ、ディスプレイ３の表示画面をほぼ全面覆っている。図２に示すとおり、位置センサ７ｓは２層の導電膜７ａが絶縁体からなるドットスペーサ７ｂを挟んで構成されている。ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合には、接触位置において表面側の導電膜７ａが歪み、裏面側の導電膜７ａに接触・通電する。通電した点がドットスペーサ７ｂで仕切られた何れの領域であるかを検出することによって接触位置に応じた電気信号を生成することができる。
【００２４】
位置センサ７ｓは、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合には、接触位置に応じた接触位置信号を後述する制御部１５へ送信する。制御部１５は受信した接触位置信号を予めデータ保存部１４等に保存されたプログラムに従って処理することにより接触位置を算出する。位置センサ７ｓ及び制御部１５による上記処理は、機能的な構成要素としての位置検出部（接触位置検出手段）７を構成する。
【００２５】
位置検出部７の接触位置の検出方式としては、抵抗皮膜方式に限られず、接触位置を検出することができれば他の方式であってもよい。たとえば位置検出部７の位置検出方式として、赤外線方式、超音波方式、静電容量方式等の他の周知の方式を用いてもよい。
【００２６】
圧力検出部９は、圧力センサ９ｓを有している。圧力センサ９ｓは図２に示すように位置センサ７ｓの裏面側に設置されたガラス層とディスプレイ３との間に所定の間隔で配列され設けられている。ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合、ガラス層１９とディスプレイ３の表示画面との間に挟まれて圧縮応力を受け、ユーザの指２が透明導電膜５を押圧する圧力（以下「接触圧力」という）に応じた接触圧力信号を、後述する制御部１５へ送信する。制御部１５は受信した接触圧力信号を予めデータ保存部１４等に保存されたプログラムに従って処理することにより接触圧力を算出する。圧力センサ９ｓ及び制御部１５による上記処理は、機能的な構成要素としての圧力検出部（接触圧力検出手段）９を構成する。圧力センサ９ｓとしては、例えば周知の圧電素子や感圧導電性ゴム等を用いた圧力センサ等が用いられる。
【００２７】
不関電極１１は導電材料からなり、刺激電極１７とは電気的に絶縁されて設けられ、不関電極１１の電位は常に０Ｖに維持されるようになっている。不関電極１１は、図２に示すようにタッチパネルディスプレイ装置１の操作を行う指２の付け根付近に装着して用いられる。ユーザが指２の付け根付近に不関電極１１を装着した状態で、ユーザの指２の指先が透明導電膜上の刺激電極１７に接触した場合は、所定の条件下で、両電極間つまりユーザの指先から指の付け根付近の間に電流が流れ、電流によってユーザは指への刺激を感じるようになっている。
【００２８】
不関電極１１と刺激電極１７との間の電位差、及び両電極間に流れる電流について説明する。不関電極１１の電位は０Ｖに保たれており、刺激電極１７側の電位を上下させることによって、不関電極１１と刺激電極１７との間で電位差を生じせしめること（以下単に「電圧印加」という）ができるようになっている。タッチパネルディスプレイ装置１では、刺激電極１７の電位をプラスにすること（以下「陽性印加」という）、及び刺激電極１７の電位をマイナスにすること（以下「陰性印加」という）の双方の電圧印加が可能となっている。陽性印加を行うことにより、上記第１の状態を生じさせることが可能であり、陰性印加を行うことにより上記第２の状態を生じさせることが可能である。電圧印加は、透明導電膜５上に配列された刺激電極１７の一つ一つについて独立して可能となっている。すなわち刺激電極１７は一つ一つが独立して異なった電位を有することが可能である。また、刺激電極１７の電位は経時的に変化させることも可能であり、一つ一つの刺激電極１７を独立して異なった態様（例えば、異なったパルス幅、周波数）で電位変化させることも可能である。
【００２９】
不関電極１１と刺激電極１７との電位差は最大で±１５０Ｖ程度、不関電極が指２の表面に接触する接触面のサイズは５ｃｍ２程度となっている。このような設定のとき、１つの刺激電極１７当たり±２ｍＡ程度の電流がユーザの指２に流れることとなり、ユーザの指２に与える刺激を適度な大きさとすることができる。不関電極１１をユーザのタッチパネルディスプレイ装置１の操作を行う指の付け根に装着可能な構成にしているので、不関電極１１と刺激電極１７との距離を近くすることができる。このため、両電極間の電気抵抗値のバラツキが少なくすることができ、安定した電流を得ることができる。
【００３０】
データ保存部１４には、各動作段階においてディスプレイ３に表示する画像データと、各動作段階における印加電極、及び非印加電極の配列設定を示す印加マップデータが格納されている。ここで、「印加電極」とは、ユーザの指２が接触した場合には電圧印加を行う刺激電極１７をいい、「非印加電極」とは、ユーザの指２が接触した場合であっても電圧印加を行わない刺激電極１７をいう。なお、印加電極、非印加電極ともにユーザの指２が接触していない場合には電圧印加はされていない状態である。印加マップデータにおいて透明導電膜５上のすべての刺激電極１７は印加電極又は非印加電極の何れかとして設定されている。
【００３１】
制御部１５は各動作段階において画像データを読み込み、各操作段階毎にディスプレイ３に画像データを表示させる。また制御部１５は各動作段階において印加マップデータを読み込み、透明導電膜５における印加電極及び非印加電極の配列設定を認識する。画像データ２１は、ディスプレイ３の表示画面に表示される画像をデータ化したものである。印加マップデータ２３は、透明導電膜５上の印加電極と非印加電極の配列をデータ化したものである。図４はタッチパネルディスプレイ装置１の、ある動作段階における画像データ２１及び印加マップデータ２３の概念を示す図である。図４の印加マップデータ２３中、黒い円は印加電極を、白い円は非印加電極を表している。
【００３２】
図４に示すように、画像データ２１に示されるオブジェクトの位置や、模様に対応して、印加マップデータ２３中の印加電極及び非印加電極が配列されている。例えば、画像データ２１中の操作ボタン２１ａを表示する位置範囲について、この位置範囲内に対応する位置（所定の領域内）にある刺激電極１７（２３ａ）は、印加マップデータ２３上で印加電極として設定され、この位置範囲外２１ｂに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｂ）は非印加電極として設定されている。また、画像データ２１中のストライプ模様の黒線部分２１ｃに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｃ）は印加電極として設定され、白地部分２１ｄに対応する位置にある刺激電極１７（２３ｄ）は非印加電極として設定されている。このように、ディスプレイ３に表示される画像の図柄に対応させて印加電極及び非印加電極が配列されている。
【００３３】
以下、制御部１５が行う処理について図５を参照し説明する。図５はタッチパネルディスプレイ装置１のある動作段階で、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した場合に、制御部１５等が行う処理のフロー図である。
【００３４】
まず、タッチパネルディスプレイ装置１の動作段階に応じた画像データと印加マップデータが読み込まれる（Ｓ１０２）。読み込まれた画像データに応じて、ディスプレイ３に画像が表示され、透明導電膜５への接触が待機される。ユーザの指２が透明導電膜５に接触したら、位置センサ７ｓにより接触位置に応じた接触位置信号が制御部１５に送られ、制御部１５で接触位置信号に基づいて接触位置が検出される（Ｓ１０６）。次に、接触位置と印加マップデータとの比較が行われ、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７へのみ陽性印加がなされ、ユーザの指２に電流が流れる（Ｓ１０８）。印加電極として設定されている刺激電極１７が接触領域に含まれていない場合は、そのまま処理を終了させてもよい。
【００３５】
タッチパネルディスプレイ装置１においては、Ｓ１０８における陽性印加では、パルス幅５００μ秒の方形波状の電圧を、電圧１５０Ｖ、パルス数１回で印加する。
【００３６】
次に、圧力センサ９ｓにより接触圧力に応じた接触圧力信号が制御部１５に送られ、制御部１５で接触圧力信号に基づいて接触圧力が検出される（Ｓ１１０）。接触圧力が所定の圧力と比較され（Ｓ１１２）、接触圧力が所定の圧力よりも低い場合は、ユーザの指２が透明導電膜５から離れている、又は離れる直前であるとみなし、再びＳ１０８における印加と同じ態様で陽性印加がされ（Ｓ１２０）処理が終了する。上記所定の圧力は例えば０．１〜３．０Ｎ／ｍ２程度に設定される。接触圧力が所定の圧力よりも低くない場合には、電圧印加のための周波数を算出する。周波数は、検出された接触圧力に応じて所定の算出方法で算出される。所定の算出方法によれば接触圧力と周波数は比例し、接触圧力が高くなるに従って周波数が高くなり、接触圧力が低くなるに従って周波数が低くなる（Ｓ１１４）。
【００３７】
続いて、再び接触位置が検出される（Ｓ１１６）。検出された接触位置と印加マップデータとの比較が行われ、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７へのみ陰性印加がなされ、ユーザの指２に電流が流れる（Ｓ１１８）。このとき陰性印加は、Ｓ１１４で算出した周波数で断続的になされる。Ｓ１１８における陰性印加では、パルス幅５００μ秒の方形波状の電圧を、電圧−１５０Ｖ程度、周波数５０〜２００Ｈｚ程度で断続的に印加する。ユーザの指２が接触している間Ｓ１１４の処理が随時なされるので、周波数は接触圧力に応じて随時変化することとなる。
【００３８】
その後は、Ｓ１１０に戻り、接触圧力検出からの処理を繰り返す。ユーザの指２が離れる直前にはＳ１１２で接触圧力が所定圧力以下となるので、再びＳ１０８における印加と同じ態様で陽性印加がされ（Ｓ１２０）処理が終了する。
【００３９】
前述の通り、Ｓ１０８の陽性印加及びＳ１１８の陰性印加がなされる電極は、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、印加電極として設定されている刺激電極１７のみである。図６を参照し、具体的に説明する。図６（ａ）は接触領域３１が操作ボタンが表示された領域（所定の領域）３３に一部懸かっている場合、図６（ｂ）は接触領域４１がストライプ模様が表示された位置に懸かった場合の例を示す図である。図６（ｂ）の場合はストライプ模様の黒線が表示された領域（所定の領域）３３に接触領域３１が一部懸かっている状態となっている。大きな黒い丸は接触領域に含まれた印加電極３５ａ、大きな白い丸は接触領域に含まれた非印加電極３５ｂを示している。また、小さな黒い丸は接触領域に含まれない印加電極３５ｃ、小さな白い丸は接触領域に含まれない非印加電極３５ｄを示している。Ｓ１０８及びＳ１１８においては接触領域に含まれ、かつ、画像に対応した所定の領域３３内にある（印加電極として設定されている）電極、すなわち大きな黒い丸で表した刺激電極３５ａのみに電圧印加がなされ、その他の刺激電極３５ｂ、３５ｃ、３５ｄには電圧印加はなされない。
【００４０】
以上をまとめると結局、電圧印加の経時的変化は、図７のような波形となる。図７の上のグラフは横軸に時間、縦軸に電流を設定し、接触圧力の経時的な変化を示している。下のグラフは、横軸に上のグラフに対応させた時間、縦軸に電流を設定し、接触圧力に対応した電流の経時的な変化を示している。まず、接触の直後から所定時間の間（図中の２０１の範囲）は、パルス幅５００μ秒で方形波状に陽性印加を１回のみ行っている。その後、接触が継続している間（図中の２０３の範囲）は、パルス幅５００μ秒、周波数５０〜２００Ｈｚ程度で方形波状に断続的な陰性印加を行っている。この間、圧力検出部９によって接触圧力を検出し、接触圧力が大きくなったときはそれに応じて周波数を高くし、接触圧力が小さくなったときは周波数を低くするというように、随時周波数を変化させている。接触が終わる直前（図中の２０５の範囲）はパルス幅５００μ秒で方形波状に陽性印加を１回のみ行っている。但し、ここでは圧力検出部９で検出された接触圧力が所定の圧力よりも低くなった場合を接触が終わる直前とみなして上記陽性印加を行うこととしている。
【００４１】
以下、上述したタッチパネルディスプレイ装置１の作用・効果について説明する。
【００４２】
まず、人間の指が触感覚を感じるメカニズムによれば、人間が指先に振動を受けた時には、皮膚と垂直な方向に伸びる神経が刺激される。また、人間が指先に圧力を受けた時には皮膚と平行な方向に伸びる神経が刺激される。逆に、指先において、皮膚と垂直な方向に伸びる神経を刺激すれば人間は指先に振動を感じ、皮膚と平行な方向に伸びる神経を刺激すれば人間は指先に圧力を感じることになる。皮膚と垂直な方向に伸びる神経を刺激するには外部から指先に入ってくる方向の電流（以下「陽性電流」という）を流せばよく、皮膚と平行な方向に伸びる神経を刺激するには逆に指先から外部へ出て行く方向の電流（以下「陰性電流」という）を流せばよいことがわかっている。陽性電流、陰性電流とも上記のような感覚を感じるためには、方形波状に所定のパルス幅、所定の周波数を以って断続的に電流が流れるのが効果的である。特に、陽性電流、陰性電流ともパルス幅５００μ秒程度、周波数５０〜２００Ｈｚ程度、電流２ｍＡ程度で断続的な電流が流れるのが好ましい。また、陰性電流が方形波状に断続的に流れるとき、陰性電流の周波数が大きくなればなるほど人間が感じる圧力も大きくなり、小さくなればなるほど人間が感じる圧力も小さくなる。以上のようなメカニズムに鑑み、タッチパネルディスプレイ装置１の作用・効果を説明する。
【００４３】
タッチパネルディスプレイ装置１では、ユーザの指２がタッチパネルディスプレイ装置１を操作すべく透明導電膜５に接触した場合には、透明導電膜５上に配列された刺激電極１７に接触することとなる。ユーザの指２が、刺激電極１７のうち印加電極として設定されているものに接触した場合は、その刺激電極１７と不関電極１１との間に、図７のグラフに示したような波形で経時的に変化する電圧印加がなされる。この電圧印加によって、ユーザの指２には電圧印加の波形と同様の波形の電流が流れることとなる。
【００４４】
例えば、ユーザの指２が、ディスプレイ３に表示された操作ボタンを操作する場合について考える。ユーザの指２はディスプレイ３上の架空の操作ボタンを操作すべく、操作ボタンが表示された領域に対応する透明導電膜５の領域に接触する。この領域にある刺激電極１７は操作ボタンに対応して印加電極として設定されており、ユーザの指２はこの刺激電極１７に接触することとなる。まず、ユーザの指２が、操作ボタンに接触した直後（図７の２０１の範囲）には指２に陽性電流が流れるので、ユーザは振動感を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンにぶつかったかのような感触を受ける。次に、そのまま操作ボタンへの接触を継続している間（図７の２０３の範囲）は、指２に周波数５０〜２００Ｈｚ程度で断続的に陰性電流が流れるので、ユーザは圧力を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンを押圧し、操作ボタンからの反力を受けているかのような感触を受ける。また、ユーザが操作ボタンを押圧する圧力を変化させたときには、圧力の変化に応じて電流の周波数が変化するので、ユーザはあたかも指の押圧力に応じて操作ボタンからの反力が変化しているような感触を受ける。次に、ユーザの指２が操作ボタンから離れる直前（図７の２０５の範囲）には、指２に陽性電流が流れるので、ユーザは振動感を感じる。これによって、ユーザはあたかも指が操作ボタンから離れる瞬間に操作ボタンから弾き返されるような感触を受ける。
【００４５】
このように、タッチパネルディスプレイ装置１によれば、ユーザがディスプレイ３に平面的に表示された架空のオブジェクトを操作する場合に、あたかも実物のオブジェクトを操作しているかのようなリアリティのある操作感を感じさせることができる。
【００４６】
また、タッチパネルディスプレイ装置１によれば、ユーザの指２が、刺激電極１７のうち印加電極として設定されているものに接触した場合は、上記の電圧印加がなされる。一方、刺激電極１７のうち非印加電極として設定されているものに接触した場合は、電圧印加はなされない。また、印加電極及び非印加電極の配列の設定は、ディスプレイ３上に表示された画像に対応して設定されている。例えば、ディスプレイ３上に表示されたオブジェクトに対応する領域には印加電極を対応させ、それ以外の領域には非印加電極を対応させて設定されている。このような設定とすることで、ユーザに指の触感によってオブジェクトが表示された領域にはあたかもオブジェクトが存在し、それ以外の領域にはあたかもオブジェクトが存在しないかのような触感を感じさせることができ、リアリティのある操作感を感じさせることができる。また、触感によってオブジェクトの位置をユーザに提示することができるので、視覚障害者等にも操作が容易となる。
【００４７】
また、ユーザの指２は一定の面積を有する接触領域で透明導電膜５と接触する場合が多く、このときユーザの指２は接触領域に含まれる複数個の刺激電極１７に接触することとなる。タッチパネルディスプレイ装置１によれば、接触領域に含まれる刺激電極１７のうち、オブジェクトの画像に対応した範囲内にある刺激電極１７のみが印加電極として設定されているので、この刺激電極１７のみがオブジェクトに触れた触感をユーザに感じさせることとなる。よって、例えば、図６（ａ）のように、接触領域がディスプレイ３に表示されたオブジェクトの縁部をまたいだ領域となった場合には、ユーザにあたかもオブジェクトのエッジに触っているかのような触感を感じさせることができる。
【００４８】
また、タッチパネルディスプレイ装置１では、図６（ｂ）に示すように、ストライプ模様等の細かい模様に対応させて印加電極及び非印加電極の配列の設定をしている。よって、ユーザの指２が、細かい模様の画像に対応する部分に接触した場合には、あたかも細かい模様が実際に凹凸に形成されているかのような手触りをユーザに感じさせることができる。また、ディスプレイ３に表示されたオブジェクトの材質（例えば木、布）に対応して印加電極及び非印加電極の配列の設定を変えることとすれば、オブジェクトの材質を手触りによって感じせしめることも可能となる。
【００４９】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、タッチパネルディスプレイ装置１においては、ユーザの指２が透明導電膜５に接触した直後は、パルス数１回で陽性印加することとしているが、陽性印加する時間を接触の直後から所定の時間の間とすれば、パルス数を複数回にし、所定の周波数で複数回の陽性印加を行うこととしてもよい。まったく同様に、接触が終了する直前の陽性印加も同様にパルス数を複数回としてもよい。上記所定の時間は、ユーザにリアリティのある振動感を与える観点から、０．１秒程度に設定するのが好ましい。
【００５０】
また、タッチパネルディスプレイ装置１では、圧力検出部９によって接触圧力を検出し、接触圧力に応じて電圧印加の周波数を変化させることとしているが、本発明においては圧力検出部９及び接触圧力に応じて周波数を変化させることは必ずしも必須ではない。
【００５１】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によれば、ユーザにリアリティのある操作感を感じさせることができるタッチパネルディスプレイ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タッチパネルディスプレイ装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】タッチパネルディスプレイ装置の表面付近の断面を示した図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は透明導電膜上に配列された刺激電極を示す図である。
【図４】画像データ及び印加マップデータの概念を示す図である。
【図５】制御部が行う処理のフロー図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は接触領域及び刺激電極を示す図である。
【図７】接触圧力、及びそれに伴って変化する電流の経時的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…タッチパネルディスプレイ装置、２…指、３…ディスプレイ、５…透明導電膜、７ｓ…位置センサ、７…位置検出部、９ｓ…圧力センサ、９…圧力検出部、１１…不関電極、１５…制御部、１７…刺激電極。
Claims (6)
- ディスプレイと、
前記ディスプレイの画面に重ねて設けられ、前記画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、
前記透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、
前記透明電極の電位を変化させ、それぞれの前記透明電極と前記不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、
前記透明電極層が接触を受けると、当該接触の直後から所定時間の間に前記不関電極よりも前記透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせ、その後接触が継続している間に前記透明電極よりも前記不関電極の電位が高い第２の状態を生じさせるように、
接触を受けた前記透明電極層の領域に含まれる前記透明電極の電位を経時的に変化させることを特徴とするタッチパネルディスプレイ装置。 - 前記第１の状態は、
所定のパルス幅及び所定の周波数で少なくとも１回生じることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネルディスプレイ装置。 - 前記第２の状態は、
所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じることを特徴とする請求項１又は２に記載のタッチパネルディスプレイ装置。 - ディスプレイと、
前記ディスプレイの画面に重ねて設けられ、前記画面に対向する面の反対面側に二次元的に配列された複数の透明電極を有する透明電極層と、
前記透明電極と電気的に絶縁されて設けられ、一定の電位に維持される不関電極と、
前記透明電極の電位を変化させ、それぞれの前記透明電極と前記不関電極との間に電位差を生じさせる電圧印加手段と、
前記透明電極層が接触を受けた場合に、当該接触の圧力を検出する接触圧力検出手段と、を備え、
前記電圧印加手段は、
前記透明電極層が接触を受けると、当該接触が継続している間、前記透明電極よりも前記不関電極の電位が高い状態を所定のパルス幅及び所定の周波数で断続的に生じさせるように、接触を受けた前記透明電極層の領域に含まれる前記透明電極の電位を経時的に変化させ、
前記周波数は、前記接触圧検出手段により検出される接触の圧力に基づいて変化することを特徴とするタッチパネルディスプレイ装置。 - 前記電圧印加手段は、
更に、接触が終了する前の所定時間の間に、前記不関電極よりも前記透明電極の電位が高い第１の状態を生じさせることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のタッチパネルディスプレイ装置。 - 前記電圧印加手段は、
接触を受けた前記透明電極層の領域に含まれる前記透明電極のうち、所定の領域内にある透明電極の電位を経時的に変化させ、
前記所定の領域は、前記ディスプレイ上に表示された画像に対応して設定されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のタッチパネルディスプレイ装置。
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