JP2009169612A - タッチパネル式入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触覚フィードバックおよび音響フィードバック機能を備えると共に、小型化および省電力化を図る。
【解決手段】ディスプレイ装置に表示された画像の表示位置に対応する位置における接触を検出して入力信号を発生させるタッチパネル２を有するタッチパネル式入力装置であって、平板状のタッチパネル２に対して垂直方向に駆動し、タッチパネル２に振動を与える圧電アクチュエータ６と、タッチパネル２が発生した入力信号に基づいて、音響信号または触覚信号の少なくとも一方を駆動信号として出力するデジタルシグナルプロセッサ４と、デジタルシグナルプロセッサ４から出力された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ６を駆動するＤ級アンプ５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、触覚フィードバック機能を有するタッチパネル式入力装置に関する。

タッチパネルの表面は平坦で滑らかであるため、機械的なスイッチと比較すると、ユーザは、正しく操作できているのかどうかを判断し難いという事情があった。このため、従来から、操作するユーザの指先に振動を与えて操作の感覚をフィードバックするタッチパネルが提案されている。このように、操作するユーザの指先に振動を与えるフィードバック方式は、触覚フィードバックと呼称されている。

図６は、従来のタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。このタッチパネル式入力装置５０は、触覚フィードバック機能を有しており、携帯情報端末（ＰＤＡ）や高機能携帯電話（スマートフォン）に組み込まれている。携帯情報端末や携帯電話は、音を発生させるためのスピーカ５１とそのスピーカを駆動するためのパワーアンプ５２を備えている。また、タッチパネル５３は、タッチパネル回路５４に接続され、タッチパネル５３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５３のパネル面でユーザの指先が接触する位置を表す信号を発生させる。

携帯情報端末や携帯電話に内蔵されている制御ユニット５５は、タッチパネル５３上の接触位置を表す信号を受理し、その位置に応じて所定の触覚振動を発生させるように、波形整形回路５６に制御信号を出力する。その制御信号に基づいて、波形整形回路５６は、圧電アクチュエータ５７を駆動する信号をドライバ回路５８に出力し、それによって圧電アクチュエータ５７が触覚を再現する振動を発生する。

図７は、特開２００７−３４９３８号公報に記載された触覚フィードバック機能を備えたタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。このタッチパネル式入力装置６０は、触覚フィードバックを行なうと共に音響を発生させて音響フィードバックを行なう機能を兼ね備えている。すなわち、圧電アクチュエータ５７によって、触覚を再現する振動を発生させると共に、圧電アクチュエータ５７または圧電アクチュエータ５７が取り付けられたタッチパネル５３から音響を発生させる。

制御ユニット５５は、タッチパネル５３上の接触位置を表す信号を受理し、その位置に応じて所定の触覚振動を発生させるように、インターフェイス回路６１を介して波形整形回路５６に制御信号を出力すると共に、ミキシング回路６２に音響信号を出力する。波形成形回路５６は、制御信号に基づいて、圧電アクチュエータ５７を駆動する信号をミキシング回路６２に出力する。ミキシング回路６２は、音響信号と触覚信号を混合してこれらの混合信号をパワーアンプ６３に出力する。パワーアンプ６３は、入力された混合信号に基づいて、圧電アクチュエータ５７を駆動させる。これにより、圧電アクチュエータ５７が触覚を再現する振動を発生すると共に、圧電アクチュエータ５７または圧電アクチュエータ５７が取り付けられたタッチパネル５３が音響を発生する。
特開２００７−３４９３８号公報

しかしながら、図６に示したタッチパネル式入力装置では、スピーカ５１とは別に触覚フィードバック用のアクチュエータ５７やそれを駆動するためのドライバ回路５８が必要であるため、装置が大きくなり、また、コスト増を招くなどの問題がある。また、図７に示したタッチパネル式入力装置では、触覚フィードバックと音響の発生を行なうために、圧電アクチュエータ５７または圧電アクチュエータ５７が取り付けられたタッチパネル５３にスピーカとして機能させるため、大型化の問題は解消できるものの、振動を発生させる信号と、音を発生させる信号とが別々に取り扱われるため、インターフェイス６１やミキシング回路６２等の回路を必要とし、コストアップは否めない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、触覚フィードバックおよび音響フィードバック機能を備えると共に、小型化および省電力化を図ることができるタッチパネル式入力装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明のタッチパネル式入力装置は、ディスプレイ装置に表示された画像の表示位置に対応する位置における接触を検出して入力信号を発生させるタッチパネルを有するタッチパネル式入力装置であって、平板状の前記タッチパネルに対して垂直方向に駆動し、前記タッチパネルに振動を与える圧電アクチュエータと、前記タッチパネルが発生した入力信号に基づいて、音響信号または触覚信号の少なくとも一方を駆動信号として出力するデジタルシグナルプロセッサと、前記デジタルシグナルプロセッサから出力された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動するＤ級アンプと、を備えることを特徴としている。

このように、圧電アクチュエータを駆動するためにＤ級アンプを用いるため、発熱を小さく抑えることができ、その結果、熱を拡散するヒートシンクが不要となり、小型化を図ることが容易となる。また、圧電素子は容量性を持つため、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタのコンデンサを不要とすることができる。また、信号処理を行なう上で有利なデジタルシグナルプロセッサを用いるため、触覚信号と音響信号とを混合させて混合信号としてＤ級アンプに入力することができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を実現することが可能となる。

（２）また、本発明のタッチパネル式入力装置において、前記圧電アクチュエータは、圧電素子が積層化したバイモルフ型の圧電アクチュエータであることを特徴としている。

このように、圧電アクチュエータは、バイモルフ型であるので、ユニモルフ型よりも強力な駆動力を発揮することが可能となる。また、圧電素子が積層化しているので、単層よりも低い電圧で駆動することが可能となる。これにより、携帯情報端末や携帯電話に好適なタッチパネル式入力装置を実現することが可能となる。

（３）また、本発明のタッチパネル式入力装置は、振動センサを有する筆記用具と、前記筆記用具が使用されることによって前記振動センサが振動を検出したときに発生した電気信号を記憶するメモリと、を備え、前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記デジタルシグナルプロセッサは、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴としている。

このように、タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、筆記用具が使用されることによって振動センサが振動を検出したときに発生した電気信号を読み出して駆動信号として出力するので、ユーザがスタイラスペンを使用したときに、ユーザに対してあたかも筆記用具を使用している感覚を与えることが可能となる。

（４）また、本発明のタッチパネル式入力装置において、前記圧電アクチュエータが筆記用具によって前記タッチパネルに与えられた振動を検出して出力した電気信号の直流成分をカットするハイパスフィルタと、前記直流成分がカットされた電気信号を記憶するメモリと、を備え、前記デジタルシグナルプロセッサは、前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴としている。

このように、圧電アクチュエータが振動センサの機能を果たすので、筆記用具に振動センサを設ける必要が無くなる。また、タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、圧電アクチュエータが筆記用具によってタッチパネルに与えられた振動を検出して出力した電気信号を読み出して駆動信号として出力するので、ユーザがスタイラスペンを使用したときに、ユーザに対してあたかも筆記用具を使用している感覚を与えることが可能となる。

（５）また、本発明のタッチパネル式入力装置は、筆記用具が使用されたときに紙面に対して与えられる振動に相当する電気信号を予め記憶するメモリを備え、前記デジタルシグナルプロセッサは、前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴としている。

このように、筆記用具が使用されたときに紙面に対して与えられる振動に相当する電気信号を予め記憶するので、振動センサを設ける必要が無くなる。また、タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、筆記用具が使用されたときに紙面に対して与えられる振動に相当する電気信号を読み出して駆動信号として出力するので、ユーザがスタイラスペンを使用したときに、ユーザに対してあたかも筆記用具を使用している感覚を与えることが可能となる。

（６）また、本発明のタッチパネル式入力装置において、前記Ｄ級アンプは、出力部がＢＴＬ（Bridged Transless）構成を採るＤ級アンプであることを特徴としている。

このように、実質的にＤ級アンプを２つ用意して、一方を逆相駆動するＢＴＬ構成を採るため、負荷電圧を見かけ上２倍にすることができる。その結果、より大きな振動または音響を得ることが可能となる。

本発明によれば、圧電アクチュエータを駆動するためにＤ級アンプを用いるため、発熱を小さく抑えることができ、その結果、熱を拡散するヒートシンクが不要となり、小型化を図ることが容易となる。また、圧電素子は容量性を持つため、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタのコンデンサを不要とすることができる。また、信号処理を行なう上で有利なデジタルシグナルプロセッサを用いるため、触覚信号と音響信号とを混合させて混合信号としてＤ級アンプに入力することができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を実現することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。このタッチパネル式入力装置１は、触覚フィードバック機能と音響フィードバック機能とを有している。タッチパネル２は、図示しないディスプレイ装置に表示された画像の表示位置に対応する位置における接触を検出して入力信号を発生する。タッチパネル回路３は、タッチパネル２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２のパネル面でユーザの指先が接触する位置を表す信号を発生させる。

デジタルシグナルプロセッサ４は、タッチパネル２上の接触位置を表す信号を受信し、その位置に応じて所定の音響および触覚振動を発生させるように、音響信号と触覚信号とを混合した混合信号をＤ級アンプ５に出力する。デジタルシグナルプロセッサ４では、音響信号と触覚信号との区別をすることは無く、両者を混合させて出力する。

Ｄ級アンプ５は、デジタルシグナルプロセッサ４から入力された混合信号に基づいて、圧電アクチュエータ６を駆動する。Ｄ級アンプ５は、入力されたアナログ信号をＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号に変換し、スイッチング回路を通したＰＷＭ信号をＬＣフィルタに通すことにより電力的に増幅されたアナログ信号を出力するアンプである。圧電素子は容量性を持つため、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタのコンデンサを不要とすることができる。また、容量性負荷である圧電素子（圧電アクチュエータ）を駆動すると、電流の位相が電圧と９０度ずれるため、発熱が大きいのに対し、Ｄ級アンプはスイッチングにより増幅するため、発熱が小さく、熱を拡散するヒートシンクが不要となることから、小型化にも有利である。

図２は、Ｄ級アンプの概略構成を示すブロック図である。Ｄ級アンプ５は、ＰＷＭ変調を行なうＰＷＭ回路５ａ、ＦＥＴを駆動するＦＥＴドライバ５ｂ、２つのＦＥＴ５ｃ、およびチョークコイル５ｄから構成される。ＰＷＭ回路５ａは、入力信号に対してパルス幅変調を行ない、ＦＥＴドライバ５ｂは、パルス幅変調された信号に基づいてＦＥＴ５ｃを駆動する。ＦＥＴ５ｃの出力信号は、チョークコイル５ｄを介して出力される。このチョークコイル５ｄと圧電アクチュエータ６が持つ容量により、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタが形成される。すなわち、圧電アクチュエータ６が容量性を有するため、本実施形態では、ＬＣフィルタにおけるコンデンサが不要となっている。このようなＤ級アンプ５で圧電アクチュエータ６を駆動することにより、圧電アクチュエータ６または圧電アクチュエータ６が取り付けられたタッチパネル２が音響を発生する。なお、図２において、Ｍｕｔｅ信号は、Ｄ級アンプ５内の出力段のＭＯＳＦＥＴ５ｃをオフするための信号である。

ここで、Ｄ級アンプ５は、出力部がＢＴＬ（Bridged Transless）構成を採っても良い。図３は、ＢＴＬ構成を採ったＤ級アンプの概略構成を示す図である。図３において、Ｄ級アンプ５−２は、ＰＷＭ変調を行なうＰＷＭ回路５ａ−２、ＦＥＴを駆動する２つのＦＥＴドライバ５ｂ−２、４つのＦＥＴ５ｃ−２、２つのチョークコイル５ｄ、およびＮＯＴ回路５ｅから構成される。ＰＷＭ回路５ａ−２は、入力信号に対してパルス幅変調を行なう。ＮＯＴ回路５ｅは、ＰＷＭ回路５ａ−２の出力の位相を反転する。２つのＦＥＴドライバ５ｂ−２は、パルス幅変調された信号に基づいて各ＦＥＴ５ｃ−２を駆動する。各ＦＥＴ５ｃ−２の出力信号は、それぞれチョークコイル５ｄ−２を介して出力される。このチョークコイル５ｄ−２と圧電アクチュエータ６−２が持つ容量により、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタが形成される。このように、実質的にＤ級アンプを２つ用意して、一方を逆相駆動するＢＴＬ構成を採ることにより、負荷電圧を見かけ上２倍にすることができる。その結果、より大きな振動または音響を得ることが可能となる。なお、図３において、Ｍｕｔｅ信号は、Ｄ級アンプ５−２内の出力段のＭＯＳＦＥＴ５ｃ−２をオフするための信号である。

なお、ユーザによるタッチパネル２の操作については、指で触っても良いし、図１に示すように、スタイラスペン７を用いても良い。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。第２の実施形態では、触覚振動の基となる波形データを読み取るための振動センサ１１を筆記用具（例えば、鉛筆１１ａ）に設けた。より具体的には、鉛筆１１ａの内部または先端部に、圧電素子等を使った振動を電気信号に変換する振動センサ１１を組み込んでいる。ユーザが鉛筆１１ａを用いて紙に文字を書くと、紙と鉛筆１１ａの芯との間で発生する振動が鉛筆１１ａに伝わり、鉛筆１１ａに組み込まれた振動センサ１１により、振動が電気信号に変換される。その電気信号は、増幅回路１２とデジタルシグナルプロセッサ４内部の図示しないＤ／Ａ変換器を経て、デジタルシグナルプロセッサ４内部のメモリ４ａに記憶される。

次に、ユーザがスタイラスペン７を使ってタッチパネル２に文字を入力する時、メモリ４ａに記憶された電気信号を読み出して、タッチパネル２に組み込まれた圧電アクチュエータ６を駆動させ、タッチパネル２を振動させる。これにより、ユーザはスタイラスペン７で文字入力しているのに、あたかも鉛筆を使って紙に文字を書いているような感触をユーザに与えることが可能となる。

例えば、鉛筆の代わりに、ボールペンに振動センサを取り付け、ボールペンで書いた時の振動をメモリ４ａに記憶しても良い。この構成により、スタイラスペン７で文字入力している時に、タッチパネル２の圧電アクチュエータ６から振動を再現すれば、スタイラスペン７によって、ボールペンの“書き味”を持たせた文字入力が可能となる。

なお、メモリ４ａに、鉛筆やボールペンなどの筆記用具が使用されたときに紙面に対して与えられる振動に相当する電気信号を予め記憶させておいても良い。この場合、デジタルシグナルプロセッサ４は、タッチパネル２がスタイラスペン７の接触を検出したときに、メモリ４ａに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、Ｄ級アンプ５は、メモリ４ａから読み出された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ６を駆動する。この構成によっても、ユーザがスタイラスペンを使用したときに、ユーザに対してあたかも筆記用具を使用している感覚を与えることが可能となる。

また、タッチパネル２でユーザの筆圧を検出することができる場合は、筆圧に応じて圧電アクチュエータ６が発生する振動を変えても良い。例えば、メモリ４ａに、鉛筆やボールペンを使用した場合の筆圧に対応した複数種類の電気信号を記憶させておく。そして、タッチパネル２で検出した筆圧に応じてメモリ４ａから読み出す電気信号を変更し、筆圧に応じて異なる振動を発生させる。これにより、筆圧に応じて振動や音が変わる本物の鉛筆やボールペンをスタイラスペンの使用時に再現することが可能となる。なお、図４において、Ｍｕｔｅ信号は、Ｄ級アンプ５内出力段（図２参照）のＭＯＳＦＥＴ５ｃをオフするための信号である。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。第３の実施形態では、第２の実施形態のように振動センサを筆記用具（鉛筆）に組み込むのではなく、タッチパネル２に組み込まれた圧電アクチュエータ６を振動センサとして用いる。例えば、図示していないが、タッチパネル２の上に紙を置き、鉛筆で紙に文字や線を書くと、そのとき発生した振動がタッチパネル２を介し圧電アクチュエータ６に伝わる。圧電材料の特性として、圧電アクチュエータ６に振動が印加されると圧電アクチュエータ６の端子間に電圧が発生する。それを増幅回路１２により増幅し、電気信号としてメモリ４ａに記憶する。

この時、圧電アクチュエータ６には振動による電気信号とは別に、鉛筆によるタッチパネル２への筆圧による直流的な電圧も発生している。そこで、圧電アクチュエータ６と増幅回路１２との間にＨＰＦ（High Pass Filter：ハイパスフィルタ）１３を挿入することで、直流成分をカットし、筆記による振動のみを電気信号として記録する。

次に、ユーザがスタイラスペン７を使ってタッチパネル２に文字入力する時、メモリ４ａに記憶された電気信号を読み出して、タッチパネル２に組み込まれた圧電アクチュエータ６によりタッチパネル２を振動させる。これにより、ユーザがスタイラスペン７で文字入力しているのに、あたかも鉛筆を使って紙に文字を書いているような感触をユーザに与えることができる。なお、図５において、Ｍｕｔｅ信号は、Ｄ級アンプ５内出力段（図２参照）のＭＯＳＦＥＴ５ｃをオフするための信号である。Ｄ級アンプ５によって、その出力電圧が決められてしまうので、圧電アクチュエータ６により振動を電気信号に変換する時は、デジタルシグナルプロセッサ４からＭｕｔｅ信号をＤ級アンプ５に出力して、Ｄ級アンプ５の出力部をＯＦＦにする。

以上説明したように、本実施形態に係るタッチパネル式入力装置によれば、圧電アクチュエータ６を駆動するためにＤ級アンプ５を用いるため、発熱を小さく抑えることができ、その結果、熱を拡散するヒートシンクが不要となり、小型化を図ることが容易となる。また、圧電素子は容量性を持つため、Ｄ級アンプ５に必要なＬＣフィルタのコンデンサを不要とすることができる。また、信号処理を行なう上で有利なデジタルシグナルプロセッサ４を用いるため、触覚信号と音響信号とを混合させて混合信号としてＤ級アンプ５に入力することができる。これにより、装置の小型化およびコスト削減を実現することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。 Ｄ級アンプの概略構成を示すブロック図である。 ＢＴＬ構成を採ったＤ級アンプの概略構成を示す図である。 第２の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。 第３の実施形態に係るタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。 従来のタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。 従来のタッチパネル式入力装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ タッチパネル式入力装置
２ タッチパネル
３ タッチパネル回路
４ デジタルシグナルプロセッサ
４ａ メモリ
５ Ｄ級アンプ
５ａ ＰＷＭ回路
５ｂ ＦＥＴドライバ
５ｃ ＦＥＴ
５ｄ チョークコイル
５−２ Ｄ級アンプ
５ａ−２ ＰＷＭ回路
５ｂ−２ ＦＥＴドライバ
５ｃ−２ ＦＥＴ
５ｄ−２ チョークコイル
６ 圧電アクチュエータ
６−２ 圧電アクチュエータ
７ スタイラスペン
１１ 振動センサ
１１ａ 鉛筆
１２ 増幅回路

Claims (6)

1. ディスプレイ装置に表示された画像の表示位置に対応する位置における接触を検出して入力信号を発生させるタッチパネルを有するタッチパネル式入力装置であって、
   平板状の前記タッチパネルに対して垂直方向に駆動し、前記タッチパネルに振動を与える圧電アクチュエータと、
   前記タッチパネルが発生した入力信号に基づいて、音響信号または触覚信号の少なくとも一方を駆動信号として出力するデジタルシグナルプロセッサと、
   前記デジタルシグナルプロセッサから出力された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動するＤ級アンプと、を備えることを特徴とするタッチパネル式入力装置。
2. 前記圧電アクチュエータは、圧電素子が積層化したバイモルフ型の圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載のタッチパネル式入力装置。
3. 振動センサを有する筆記用具と、
   前記筆記用具が使用されることによって前記振動センサが振動を検出したときに発生した電気信号を記憶するメモリと、を備え、
   前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記デジタルシグナルプロセッサは、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、
   前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項１または請求項２記載のタッチパネル式入力装置。
4. 前記圧電アクチュエータが筆記用具によって前記タッチパネルに与えられた振動を検出して出力した電気信号の直流成分をカットするハイパスフィルタと、
   前記直流成分がカットされた電気信号を記憶するメモリと、を備え、
   前記デジタルシグナルプロセッサは、前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、
   前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項１または請求項２記載のタッチパネル式入力装置。
5. 筆記用具が使用されたときに紙面に対して与えられる振動に相当する電気信号を予め記憶するメモリを備え、
   前記デジタルシグナルプロセッサは、前記タッチパネルがスタイラスペンの接触を検出したときに、前記メモリに記憶されている電気信号を読み出して駆動信号として出力し、
   前記Ｄ級アンプは、前記メモリから読み出された駆動信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項１または請求項２記載のタッチパネル式入力装置。
6. 前記Ｄ級アンプは、出力部がＢＴＬ構成を採るＤ級アンプであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のタッチパネル式入力装置。

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