JP2007034954A - 入出力装置及び入出力装置を備えた電子機器 - Google Patents

入出力装置及び入出力装置を備えた電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】製造コスト、製品重量、及び製品容積の増大を殆ど伴うことなく、操作するユーザの指先に触覚を発生させるようにした入出力装置に音響出力装置の機能を組み込む。
【解決手段】平面視長方形の平板形状のタッチパネル14を、その四隅に設けた弾性体ブロック16を介して筐体12上に変位可能に支持し、それら筐体12とタッチパネル14との間にアクチュエータ32を介装した。アクチュエータ32を駆動したときに発生するタッチパネル14の運動によってこのタッチパネル14のパネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させ、また、アクチュエータ32を駆動したときに発生する筐体12の振動によって音響を発生させるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、入出力装置及び入出力装置を備えた電子機器に関する。
入力装置ないし入出力装置として用いられるタッチパネルディスプレイ装置は、ソフトウェアによって入力画面を自由に構成できるため、機械的スイッチを用いて構成した入力装置では得られないフレキシビリティを備えており、また、軽量且つコンパクトに構成でき、機械的故障の発生頻度が低いなどの数々の利点を有することから、現在では、比較的大きな各種機械の操作パネルから、非常に小さな携帯機器の入出力装置に至るまで、広く利用されている。
多くのタッチパネルディスプレイ装置は、それを操作するユーザの指先が、平坦で滑らかなパネル面に触れるだけであるため、機械的スイッチを用いて構成した入力装置を操作するときに指先に感じるクリック感のような、指先の触覚によるユーザへのフィードバックが存在せず、そのことが装置の操作感を頼りないものにしていた。この点を改善するために、操作するユーザの指先に触覚をフィードバックするようにしたタッチパネルディスプレイ装置が、特開2003−288158号公報に開示されている。同公報のタッチパネルディスプレイ装置は、ユーザの指先が接触するタッチパネルを、そのパネル面に対して垂直方向に振動させることによって、ユーザの指先に触覚を発生させるようにしたものである。
また、音響出力装置も広く使用されている。音響出力装置は、ユーザが入力装置を操作したときに操作音を発してユーザに音響フィードバックを提供する他に、ユーザに向けて警報音や音声指示を発したり、また、オーディオコンテンツを再生するためにも利用されており、広い用途を有するものである。
特開2003−288158号公報
ユーザが日常、頻繁に入力操作を行う電子機器であればあるほど、その電子機器に触覚フィードバックを提供する入出力装置と音響出力装置との2つを共に搭載することによって得られる利便性は大きいに違いないが、しかしながら、そうすることに伴う、製造コスト、製品重量、及び製品容積の増大を考慮するならば、電子機器にそれら装置を共に搭載することは、必ずしも容易ではない。
本発明はかかる事情に鑑み成されたものであって、本発明の目的は、製造コスト、製品重量、及び製品容積の増大を殆ど伴うことなく、操作するユーザの指先に触覚を発生させるようにした入出力装置に音響出力装置の機能を組み込むことにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る入出力装置は、筐体と、可動支持手段を介して前記筐体上に変位可能に支持されたタッチパネルと、前記筐体と前記タッチパネルとの間に介装された少なくとも1つのアクチュエータと、アクチュエータ駆動信号を送出して前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御手段と、前記アクチュエータ駆動制御手段が送出するアクチュエータ駆動信号に音響信号を重畳させる手段とを備え、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記タッチパネルの運動によって前記タッチパネルのパネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させ、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記筐体の振動によって音響を発生させるようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る筐体と入出力装置とを備えた電子機器は、前記入出力装置が、可動支持手段を介して前記筐体上に変位可能に支持されたタッチパネルと、前記筐体と前記タッチパネルとの間に介装された少なくとも1つのアクチュエータと、アクチュエータ駆動信号を送出して前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御手段と、前記アクチュエータ駆動制御手段が送出するアクチュエータ駆動信号に音響信号を重畳させる手段とを備え、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記タッチパネルの運動によって前記タッチパネルのパネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させ、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記筐体の振動によって音響を発生させるようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、入出力装置ないし電子機器の筐体を振動させることによって、音響を発生させるようにしており、しかも、筐体を振動させるための構成要素は、パネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させるようにした入出力装置に元々備えられているものが殆どであるため、このような入出力装置に、製造コスト、製品重量、及び製品容積の増大を殆ど伴うことなく、音響出力装置の機能を付加することができる。
以下に本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の実施の形態に係る入出力装置の模式的な斜視図である。同図は本発明の原理を明らかにするための模式図であるため、各部材の長さや厚さなどの比も、また形状も、正確に描かれてはいない。図2は、本発明の実施の形態に係る電子機器である静止画撮影機能及び動画撮影機能を備えたカメラの背面側を示した斜視図である。図3のカメラは、筐体と、図1に示した入出力装置で構成されたモニタ装置とを備えている。図3は、図2のA−A線に沿ったカメラの筐体及び入出力装置の断面図である。
図1において、引用符号10は入出力装置の全体を示し、引用符号12はこの入出力装置を装備した電子機器(図2に示したカメラなど)の筐体を示している。筐体12は、電子機器の筐体であると共に、入出力装置10の筐体でもある。入出力装置10は、平面視長方形の平板形状のタッチパネル14を備えている。図示例の入出力装置10は、いわゆるタッチパネルディスプレイ装置として構成されており、そのため、タッチパネル14は液晶ディスプレイパネルと重ね合わされて一体化されているが、ただし本発明は、ディスプレイパネルを含まない実施の形態とすることも可能である。それゆえ、本発明に関しては、ディスプレイパネルと一体化されているものも、そうでないものも、いずれもタッチパネルと称する。タッチパネル12の表面は、入出力装置10を操作しようとするユーザが指先を接触させるパネル面をなしている。
タッチパネル14は、可動支持手段を介して、そのパネル面に平行な平面に沿って変位可能に筐体12上に支持されている。図示例の可動支持手段は、タッチパネル14の裏面の四隅において、このタッチパネル14と筐体12との間に設けられた小さな弾性体ブロック16により構成されている。それら弾性体ブロック16が弾性剪断変形することによって、タッチパネル14は、そのパネル面に平行な平面に沿って変位する。可動支持手段は、タッチパネル14をできるだけ容易に変位させることができるようなものとすることが望ましく、それには、弾性体ブロック16を、超低硬度の高分子ゲル材料から成るものとするとよい。例えば、北川工業株式会社が「KGゲル(商標)」という製品名で市場に提供している、シート状の超低硬度の高分子ゲル材料は、弾性体ブロック16の材料として特に適したものである。その具体例について述べると、例えば、厚さが1mmの「KGゲル(商標)」のシートを2mm角に切断することによって、高さが1mmの弾性体ブロックを形成し、その弾性体ブロックの上下両面を、両面接着シートなどを用いて筐体12とタッチパネル14とに接着することにより、タッチパネル14の可動支持手段を好適に構成することができる。高分子ゲル材料以外の弾性体ブロック16適当な材料としては、例えば、種々のラバー材料、軟質ポリエチレン、それにシリコーン樹脂などがある。また更に、タッチパネル14を筐体12上に支持するための可動支持手段は、以上に説明したような弾性体ブロック16で構成したものに限られず、それ以外の様々な構成のものとすることもでき、例えばボールやローラなどの転動体を用いて構成してもよく、また、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などの低摩擦材料を用いて構成してもよい。
図1に示し、また図3にも示したように、筐体12には、平面視長方形の平板形状のタッチパネル14の1つの側辺に対向するようにして、剛性の大きな固定壁30が設けられている。図示例の固定壁30は、筐体12の一部を成すものであるが、ただし、この固定壁30を、筐体12に固定結合したフレームによって形成するようにしてもよい。更に、互いに対向したタッチパネル14の側辺と固定壁30との間に、アクチュエータ32が配設されている。本発明は様々な種類のアクチュエータを用いて実施し得るものであるが、軽量且つコンパクトな構成とする上では圧電アクチュエータを使用することが好ましく、バイモルフ型またはユニモルフ型の屈曲変位型圧電アクチュエータを使用すれば、軽量化及び小型化という点で一層好ましい。また、バイモルフ型圧電アクチュエータとモノモルフ型圧電アクチュエータとのいずれにも、積層型と単層型とがあるが、前者の方が低い電圧で駆動できることから、モバイル電子機器に用いるのにより適している。それゆえ、現時点で最も好ましいと考えられるのは、アクチュエータ32として積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層ユニモルフ型圧電アクチュエータを使用することであり、図示例でも、積層バイモルフ型アクチュエータを使用している。尚、図1では構造の理解し易さを考慮して、アクチュエータ32の厚さ方向の寸法を誇張して描いてあるが、実際の積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層モノモルフ型アクチュエータは、図示したものよりも、はるかに薄く、非常に軽量のアクチュエータである。また、入出力装置10に備えるアクチュエータの個数は、1個だけに限られるものではなく、必要とあらば複数のアクチュエータを備えるようにしてもよい。
図1に示したように、細長い板状の積層バイモルフ型圧電アクチュエータ32は、その長手方向両端部がスペーサブロック34を介して固定壁30に連結されており、各スペーサブロック34とアクチュエータ32の各端部との間、並びに、各スペーサブロック34と固定壁30との間は、両面接着テープを用いて接着されている。また、アクチュエータ32は、その長手方向中央部が、スペーサブロック36を介してタッチパネル14の側辺(固定壁30に対向している側辺)に連結されており、スペーサブロック36とアクチュエータ32との間、並びに、スペーサブロック36とタッチパネル14の側辺との間は、両面接着テープを用いて接着されている。このように筐体12の固定壁30とタッチパネル14との間に取付けた積層バイモルフ型圧電アクチュエータ32に電圧を印加すると、このアクチュエータ32が屈曲変位を発生するため、その長手方向中央部が図1に矢印Aで示した方向に変位して、タッチパネル14を矢印Bで示した方向に変位させる。この変位の向き及び大きさは、印加する電圧の極性及び大きさに対応したものとなる。また、こうして発生するタッチパネル14の変位の方向は、このタッチパネル14のパネル面に平行な平面に沿った方向である。従って、アクチュエータ32は、タッチパネル14を、そのパネル面に平行な平面に沿った方向に駆動して運動ないし振動させるものである。
更に、アクチュエータ32がタッチパネル14を矢印Bで示した方向に駆動して振動させているときには、タッチパネル14からアクチュエータ32へ作用する反作用力のために、固定壁30もタッチパネル14とは逆向きに、矢印Cで示したように駆動されて振動しており、従って、筐体12そのものが反作用によって振動している。入出力装置10を装備した電子機器では、その構成部品の大部分が筐体12に対して固定されているため、筐体12及びこの筐体12に対して固定されている部品の合計質量は、タッチパネル14の質量と比べてはるかに大きく、それゆえ、アクチュエータ32を駆動してタッチパネル14を振動させたときに発生する筐体12の振動の加速度及び振幅は、タッチパネル14の振動の加速度及び振幅と比べてはるかに小さい。しかしながら、筐体12の表面積はタッチパネル14の表面積よりはるかに大きいため、この筐体12の小さな振動を利用して実用に足る大きさの音響を発生させることができる。
ただし、共振現象が発生すると、音響特性が著しく劣化する。タッチパネル14は、可動支持手段である弾性体ブロック16を介して筐体12上に支持されていると共に、ばね要素としての性質を強く持つバイモルフ型圧電アクチュエータ32を介して筐体12に連結されている。そのため、タッチパネル14と、弾性体ブロック16と、アクチュエータ32とで、タッチパネル14を振動質量とする振動系が構成されている。この振動系が、発生させようとする音響の周波数に共振すると不都合であるため、図示例では、主として弾性体ブロック16のばね定数を調節することによって、この振動系の一次固有振動数を700Hz以下に設定している。弾性体ブロック16のばね定数は、弾性体ブロック16の底面積を増減することによって容易に調節することができる。また、振動系が最も大きな振動を発生する共振周波数である一次固有振動数を、700Hz以下に設定しているのは、この種の音響出力装置における音響信号の周波数の下限が、多くの場合、800Hz程度に定められているからである。
以上に説明した構成においては、アクチュエータ32は、その両端部が筐体12の固定壁30に連結されて両持式に取付けられており、タッチパネル14はこのアクチュエータ32の中央部によって駆動されるようにしてある。ただし、アクチュエータ32の取付方はこのようなものに限られない。例えば、以上の構成とは逆に、アクチュエータ32の両端部をタッチパネル14側に連結し、中央部を固定壁30側に取付けてもよいことはいうまでもなく、更に、両持式にするのではなく、アクチュエータ32の一端部を固定壁30に連結し、他端部をタッチパネル14に連結して、片持式に取付けることも可能である。
図4は、入出力装置10の構成要素である制御機構及び電子回路をブロック図の形で示した図である。図中、引用符号50は、入出力装置10を装備した電子機器の制御システムであり、入出力装置10の制御機構及び電子回路は、この制御システム50の制御下にある。入出力装置10の制御機構及び電子回路には、タッチパネル14に接続したタッチパネル回路52と、タッチパネル14の下面に接合されている液晶ディスプレイパネルに接続したLCD駆動回路54と、アクチュエータ信号を送出してアクチュエータ32を駆動制御するアクチュエータ駆動制御機構56とが含まれている。
タッチパネル回路52は、一般的なタッチパネルに付随している回路であり、タッチパネル12から得られる信号を処理することによって、タッチパネル12のパネル面のユーザの指先が接触している位置を表す信号を発生させる。また、このタッチパネル回路52は、タッチパネル12が接触圧を検出できるものである場合には、その接触圧を表す信号も発生するものであり、また、必要とあらば、パネル面の接触位置を表す信号に更に処理を施して、パネル面に接触している指先の移動速度や加速度を表す信号を発生させるものである。タッチパネル回路52が発生する信号は、タッチパネル入力信号として、制御システム50へ供給されている。LCD駆動回路54は、一般的な液晶ディスプレイパネルに付随している回路であり、制御システム50から受取るLCD制御信号に従って、液晶ディスプレイパネルを駆動して視覚表示を行う。
アクチュエータ駆動制御機構56は、中央処理装置及びメモリを備えたワンチップコンピュータと電子回路とで構成されており、制御システム50から制御信号を受取るためのインターフェース58を含んでいる。制御システム50から受取る制御信号は、出力タイミング信号と波形選択信号とを含むものである。アクチュエータ駆動制御機構56はメモリ60を備えており、このメモリ60には、複数の波形の夫々に対応した、波形生成に必要なデータ(波形データ)が格納されている。アクチュエータ駆動制御機構56は更に、波形生成機構62と、ミキシング回路64と、パワーアンプ66とを備えている。
波形生成機構62は、ソフトウェアにより構成された機構であって、波形選択信号により指定された波形に対応したデータをメモリ60から読出し、その読出した波形データに従って波形を生成する。ミキシング回路64は、波形生成機構62が生成した波形を有する出力信号を、出力タイミング信号により指定された期間に亘って送出すると共に、制御システム50から供給される音響信号も出力信号として送出するものであり、しかも、それら信号を個別に送出するのではなく、それらを混合して1つの出力信号として送出するようにしたものである。また、パワーアンプ66は、ミキシング回路64の出力信号を増幅して、圧電アクチュエータ32へアクチュエータ駆動信号として供給するものである。従って、アクチュエータ駆動制御機構56は、アクチュエータ駆動信号に音響信号を重畳させる手段としての機能を備えたものである。
図5のA〜Dに、波形生成機構62で生成される波形の具体例を示した。図から明らかなように、それらは振動波形であり、その振幅、周期、及び波形は、一定のものもあれば変化するものもある。メモリ60に格納されている波形データには、振幅及び周期に関するデータも含まれている。そして、メモリ60に格納されている複数の波形に対応した波形データのうちから、波形選択信号により指定された波形の波形データが読出され、その波形を有するアクチュエータ駆動信号がアクチュエータ32へ供給されるため、タッチパネル14は、そのアクチュエータ駆動信号の波形に従って、パネル面に平行な平面に沿って振動することになる。そして、このタッチパネル14の振動が、タッチパネル14のパネル面に触れているユーザの指先に、その駆動信号の波形に応じた触覚を発生させる。従って、換言するならば、アクチュエータ駆動制御機構56は、タッチパネル14を駆動して複数の所定の振動パターンのうちから選択した振動パターンで振動させるものであり、また、それら複数の所定の振動パターンは、タッチパネル14のパネル面に接触しているユーザの指先に互いに異なった触覚を発生させるものである。
タッチパネル14の振動振幅が20μm〜50μm程度になるようにして、指先にどのような触覚が発生するかを実際に試してみたところ、タッチパネル14のパネル面に触れている指先は、タッチパネル14が振動していることは鋭敏に知覚するが、タッチパネル14の振動方向を識別することはできなかった。一方、出力信号の波形の違いによって、明瞭に異なる触覚が発生することが判明した。また、タッチパネル14の振動パターン次第で、指先に擬似的な凹凸感や素材感を知覚させることが可能であることも判明した。このように、図示した実施の形態では、操作するユーザの指先に触覚を発生させるためにアクチュエータで駆動して発生させるタッチパネル14の運動を、振動という形の運動にしており、それによって良好な結果を得ている。ただし、ユーザが明瞭に知覚し得る触覚を発生させることができさえすれば、アクチュエータ32を駆動して発生させるタッチパネル14の運動を、振動という形以外の、任意の形態の運動としてもよい。
制御システム50がアクチュエータ駆動制御機構56へ音響信号を送出したときには、その音響信号もアクチュエータ駆動信号に重畳されてアクチュエータ32へ供給される。ただし、波形生成機構62が生成する図5のA〜Dに示したような波形と、そこに重畳される音響信号とでは周波数帯域が異なる。波形生成機構62が生成する波形は、ユーザの指先に触覚を発生させることを目的としたものであるため、ユーザの指先に鋭敏に感知させることを目的として、振動周波数を比較的低い50Hz〜200Hz程度にしている。一方、音響信号の周波数は、概ね800Hz〜1500Hz程度である。そのため、入出力装置10が音響を発したときに、ユーザの指先がタッチパネル14のパネル面に触れていても、指先に発生する触覚はそれほど大きくはない。また、触覚フィードバックを発生させるために、アクチュエータ32を駆動してタッチパネル14を振動させたときに、それに伴って発生する音の大きさも比較的小さなものである。それゆえ、以上に説明した入出力装置10は、操作するユーザの指先に触覚を発生させるようにしたタッチパネルディスプレイ装置としても、また、音響出力装置としても機能させることができ、しかも、小型化、薄型化、及び軽量化が容易で、消費電力が少なく、多数のアクチュエータを必要としないものであるから、モバイル型の電子機器の入出力装置として非常に優れたものである。
図3に示したカメラ70は、その背面にモニタ装置72を備えており、このモニタ装置72は、以上に説明した構造の入出力装置で構成されている。筐体12の背面側に形成された窓部74を通して、タッチパネル14が露出している。撮影モードにおいては、このタッチパネル14に被写界映像が表示され、設定モードにおいては様々なソフトキーが表示される。カメラ70の制御システムは、タッチパネル回路52から供給される入力信号(即ち、タッチパネル14を操作するユーザの指先の位置、移動速度、加速度、及び操作力(接触圧)などを表す信号)に基づいて、どのソフトキーがどのように操作されたかを検出し、そして、その検出結果に応じて、タッチパネル14を夫々に異なった振動パターンで振動させ、及び/または、適当な音響出力ないし音声出力を送出する。ユーザの指先には、タッチパネル14の振動パターンに応じて様々な触覚が発生し、この触覚フィードバックから様々な情報を得ることができ、また、音響出力ないし音声出力からも情報を得ることができる。
本発明に係る入出力装置10は、筐体12を振動させることによって、音響を発生させるようにしており、しかも、筐体12を振動させるための構成要素は、パネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させるようにした入出力装置10に元々備えられているものばかりである。そのため、このような入出力装置に音響出力装置の機能を付加するに際して、製造コスト、製品重量、及び製品容積の増大を殆ど伴うことなく、それらの点において非常に有利なものである。
本発明の実施の形態に係る入出力装置の模式的な斜視図である。 本発明の実施の形態に係る電子機器であるカメラの背面側を示した斜視図である。 図2のA−A線に沿ったカメラの筐体及び入出力装置の断面図である。 タッチパネルディスプレイ装置の構成要素である制御機構及び電子回路をブロック図の形で示した図である。 A〜Dは、波形生成機構で生成される波形の具体例を示した図である。
符号の説明
10……入出力装置、12……筐体、14……タッチパネル、16……弾性体ブロック、30……固定壁、32……アクチュエータ、56……アクチュエータ駆動制御機構、70……カメラ。

Claims (10)

  1. 筐体と、
    可動支持手段を介して前記筐体上に変位可能に支持されたタッチパネルと、
    前記筐体と前記タッチパネルとの間に介装された少なくとも1つのアクチュエータと、
    アクチュエータ駆動信号を送出して前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御手段と、
    前記アクチュエータ駆動制御手段が送出するアクチュエータ駆動信号に音響信号を重畳させる手段とを備え、
    前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記タッチパネルの運動によって前記タッチパネルのパネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させ、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記筐体の振動によって音響を発生させるようにした、
    ことを特徴とする入出力装置。
  2. 前記タッチパネルと、前記可動支持手段と、前記少なくとも1つのアクチュエータとから成る振動系の一次固有振動数を700Hz以下としたことを特徴とする請求項1記載の入出力装置。
  3. 前記少なくとも1つのアクチュエータが、圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項1記載の入出力装置。
  4. 前記圧電アクチュエータが、バイモルフ型またはユニモルフ型の屈曲変位型圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項3記載の入出力装置。
  5. 前記圧電アクチュエータが、積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層ユニモルフ型圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項3記載の入出力装置。
  6. 筐体と入出力装置とを備えた電子機器において、
    前記入出力装置は、可動支持手段を介して前記筐体上に変位可能に支持されたタッチパネルと、前記筐体と前記タッチパネルとの間に介装された少なくとも1つのアクチュエータと、アクチュエータ駆動信号を送出して前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御手段と、前記アクチュエータ駆動制御手段が送出するアクチュエータ駆動信号に音響信号を重畳させる手段とを備え、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記タッチパネルの運動によって前記タッチパネルのパネル面に接触しているユーザの指先に触覚を発生させ、前記アクチュエータを駆動したときに発生する前記筐体の振動によって音響を発生させるようにした、
    ことを特徴とする電子機器。
  7. 前記タッチパネルと、前記可動支持手段と、前記少なくとも1つのアクチュエータとから成る振動系の一次固有振動数を700Hz以下としたことを特徴とする請求項6記載の電子機器。
  8. 前記少なくとも1つのアクチュエータが、圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項6記載の電子機器。
  9. 前記圧電アクチュエータが、バイモルフ型またはユニモルフ型の屈曲変位型圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項8記載の電子機器。
  10. 前記圧電アクチュエータが、積層バイモルフ型圧電アクチュエータまたは積層ユニモルフ型圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項8記載の電子機器。
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