JP2010015514A - 入力装置、その制御方法及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電アクチュエータを使用者の操作位置を検出するセンサとして機能できるようにすると共に、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できるようにする。
【解決手段】透明パネル1が操作されて変位した圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号V1〜V4を入力し、該電圧信号V1〜V4が示す入力値と圧電アクチュエータP1〜P4の基準電圧信号V01〜V04の基準値とを比較する。そして、この入力値が基準値と等しくなる指令値01〜04を決定して圧電アクチュエータP1〜P4の各々に指令信号を出力すると共にこの指令値01〜04から操作位置を求める。これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザの操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、ユーザにより外力を受けてもユーザが触れていない時の姿勢を保つことができる。
【選択図】図10
【解決手段】透明パネル1が操作されて変位した圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号V1〜V4を入力し、該電圧信号V1〜V4が示す入力値と圧電アクチュエータP1〜P4の基準電圧信号V01〜V04の基準値とを比較する。そして、この入力値が基準値と等しくなる指令値01〜04を決定して圧電アクチュエータP1〜P4の各々に指令信号を出力すると共にこの指令値01〜04から操作位置を求める。これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザの操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、ユーザにより外力を受けてもユーザが触れていない時の姿勢を保つことができる。
【選択図】図10
Description
本発明は、タッチパネルやタッチパッドに代表される、電子機器に対して座標などの入力操作を行う入力装置、その制御方法及び電子機器に関する。詳しくは、パネルが操作されて変位した圧電アクチュエータから検知した変位量をフィードバック情報として圧電アクチュエータを制御し、その際に圧電アクチュエータに出力される電圧や電流などの指令値をユーザからの入力情報として得ることで、圧電アクチュエータが使用者の操作位置を検出するセンサとして機能できるようにすると共に、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できるようにしたものである。
従来から、電子機器などの表示画面を直接触れて操作するタッチパネルが用いられている。今日最も多く使用されているタッチパネルは、抵抗膜式のタッチパネルである。この方式はそれぞれ透明電極を表面に形成した2枚のパネルを、空隙を持って電極面を対向させて配置する。そして、ユーザが指やスタイラスで押す際に、電極同士が接触することを利用して操作位置を検出する。抵抗膜式のタッチパネルを用いた場合、透明電極によりパネルの透過率が低下する問題がある。また、パネルサイズが大きくなると透明電極の面積も大きくなるため製造コストが高くなるという難点がある。
この抵抗膜式のタッチパネルを用いない方法として特許文献1には、圧電素子をセンサとして用いたタッチパネル装置が開示されている。このタッチパネル装置によれば、パネルの押し下げ力によって多機能圧電アクチュエータが変形し、その時に出力される電圧信号を制御装置に出力する。制御装置は、この電圧信号からパネルを押された位置を求める。
しかしながら、特許文献1に記載の圧電アクチュエータの変形による電圧信号からパネルを押した位置を求めた場合次の問題が生じる。ユーザがパネルを押した際に、圧電素子は押圧力に応じて変形した状態を維持する。この場合、この押圧力が強すぎた場合、セラミックス素材などを用いた圧電素子は脆い材料であるために該変形により破壊するおそれがある。
そこで、本発明はこのような課題を解決したものであって、圧電アクチュエータを使用者の操作位置を検出するセンサとして機能できるようにすると共に、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できるようにした入力装置、その制御方法及び電子機器を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る入力装置は、表示部と、前記表示部に対峙して配置され、使用者により操作されるパネルと、前記パネルと前記表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに接続された制御部とを備え、前記制御部は、前記パネルが操作されて変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、当該入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共に前記指令値から操作位置を求めるものである。
本発明に係る入力装置によれば、前記入力値及び前記基準値は、例えば電流又は電圧の値を示し、制御部は、この入力値と基準値を減算して差分値を算出する。そして、該差分値をゼロにするように圧電アクチュエータへの指令値を決定し、該指令値が示す電圧又は電流の値の大きさから操作位置を求める。これにより、圧電アクチュエータは、使用者の操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。
上述した課題を解決するために、本発明に係る入力装置の制御方法は、使用者によりパネルが操作されて、該パネルと表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータが変位するステップと、変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力して、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較するステップと、比較後、前記入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力するステップと、前記指令値から操作位置を求めるステップとを有するものである。
上述した課題を解決するために、本発明に係る電子機器は、表示部と、前記表示部に対峙して配置され、使用者により操作されるパネルと、前記パネルと前記表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータと、前記表示部を制御する表示制御部と、前記表示制御部に接続されて所定周期の信号を発生する信号発生部と、前記信号発生部により発生された所定周期の信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記パネルが操作されて変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、当該入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共に前記指令値から操作位置を求めて該操作位置を前記表示制御部に出力し、前記表示制御部は、前記操作位置から所定周期の信号を発生するように前記信号発生部を制御するものである。
本発明に係る電子機器によれば、圧電アクチュエータから入力した入力値と圧電アクチュエータの基準値とを比較し、この入力値が基準値と等しくなる指令値を決定して圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共にこの指令値から操作位置を求めて該操作位置を表示制御部に出力する。表示制御部は、この操作位置から所定周期の信号を発生するように信号発生部を制御する。制御部は、信号発生部により発生された所定周期の信号に基づいて圧電アクチュエータを駆動制御する。これにより、圧電アクチュエータは、使用者の操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。また、ユーザに対して様々な触覚パターンを提供することができる。
本発明に係る入力装置及びその制御方法によれば、パネルが操作されて変位した圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、この入力値が基準値と等しくなる指令値を決定して圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共にこの指令値から操作位置を求めるものである。
これにより、圧電アクチュエータは、使用者の操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、使用者により外力を受けても使用者が触れていない時の姿勢を保つことができる。従って、圧電アクチュエータが過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。
本発明に係る電子機器によれば、パネルが操作されて変位した圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、この入力値が基準値と等しくなる指令値を決定して圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共に指令値から操作位置を求めて該操作位置を表示制御部に出力し、この表示制御部は、操作位置から所定周期の信号を発生するように信号発生部を制御するものである。
これにより、上述の入力装置及びその制御方法の効果に加えて、ユーザに対して様々な触覚パターンを提供することができる。また、操作位置に応じたアクチュエータの駆動方法を選択することにより平面上のどの領域においても同じ強さの振動を得ることが可能となる。従って、使用者の指などが効率よく加振されるので、同じ振動刺激を与える場合はアクチュエータの消費電力を少なくすることができる。
続いて、図面を参照しながら本発明に係る入力装置、その制御方法及び電子機器の実施形態について説明する。図1は、本発明に係る第1の実施形態としてのタッチパネル装置100の応用例を示す概念図である。図1に示すタッチパネル装置100は入力装置の一例であり、例えばカーナビゲーションシステム(電子機器の一例)の操作部分に応用される。
図1に示すカーナビ本体3Aには、LCD(Liquid Crystal Display)2が設けられている。LCD2は表示部の一例であり、その画面内にユーザ(使用者)の入力を促すグラフィック表示により操作ボタンなどを表示する。LCD2の上面にはパネルの一例である無色透明な透明パネル1が設けられている。この透明パネル1は四角平面形状であり、LCD2に対峙して配置されてユーザにより操作される。透明パネル1は、ガラス素材や樹脂などから形成されている。透明パネル1には、少なくとも3組以上の圧電アクチュエータが配設される。この例では、透明パネル1とLCD2は、4隅にバイモルフ型の圧電アクチュエータP1〜P4(図2A参照)を介在させて組み合わされている。もちろん、これらの圧電アクチュエータP1〜P4は、ユニモルフ型の圧電アクチュエータであってもよい。
透明パネル1の表面がユーザにより触れられると、これらの圧電アクチュエータP1〜P4は、それぞれ透明パネル1上のユーザの指の位置に応じた外力を受けて変位して電圧を発生する。この電圧値が示す変位量を所謂サーボ制御のフィードバック情報として圧電アクチュエータP1〜P4を制御する。そして、その際に圧電アクチュエータP1〜P4に出力される電圧や電流などの指令値をユーザからの入力情報として得る。これにより、ユーザの示した位置を検出できるようになる。このように本発明では、検知した変位量をユーザからの入力情報として扱うのではなく、フィードバック制御に用いた電圧や電流などの指令値をユーザからの入力情報として扱う。
従って、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザにより外力を受けても、常に元の位置や姿勢(ユーザが触れていない時の状態)を保つことができる。これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、過度の外力を受けた場合に、変形して破壊することを防止できる。
図2Aは、タッチパネル装置100の構成例を示す斜視図である。図2Aに示すタッチパネル装置100は、透明パネル1、4個のバイモルフ型の圧電アクチュエータP1〜P4及び制御部6Aを備えている。
透明パネル1とLCD2は略同じ大きさに形成されている。透明パネル1とLCD2は、4隅に圧電アクチュエータP1〜P4を介在させて組み合わされている。例えば、LCD2の上面の4隅に圧電アクチュエータP1〜P4の各々が配置され、その上方から透明パネル1が設置されている。
圧電アクチュエータP1〜P4は、センサ機能とアクチュエータ機能を備えた多機能圧電アクチュエータである。この多機能圧電アクチュエータは、特開2006−48302で公開されており、アクチュエータとして機能する積層とセンサとして機能する積層に電気的に分割したもので機械的には一つの素子である。このように多層構造を有する圧電アクチュエータP1〜P4は、それぞれ3個の支点を持ち、上部の1点で透明パネル1と係合され、下部2点でLCD2のベースと係合されている。例えば、圧電アクチュエータP1〜P4は、第1の支持部41及び第2の支持部42によりLCD2のベースに固定されている。また、圧電アクチュエータP1〜P4は、第3の支持部43により透明パネル1に固定されている。圧電アクチュエータP1〜P4は、外部から変位を与えられると該変位に略比例した電圧を発生する。また、圧電アクチュエータP1〜P4は、電圧が印加されると該電圧に略比例して変位する。
圧電アクチュエータP1〜P4は、制御部6Aに接続されている。制御部6Aは、圧電アクチュエータP1〜P4から変位量としての電圧信号を入力する。例えば、ユーザが指やスタイラス等により透明パネル1に触れると、ユーザが触れた位置に応じて4隅の圧電アクチュエータP1〜P4は変位する。
例えばユーザの指が図2Aに示す圧電アクチュエータP1の真上を押す際は、圧電アクチュエータP1〜P4のうちP1が最も大きく変位するが、圧電アクチュエータP2、P3、P4の変位量はわずかである。またユーザの指がパネルの中心を押す際は、圧電アクチュエータP1〜P4の変位量はほぼ等しい。
制御部6Aは、圧電アクチュエータP1〜P4から発生された該変位に略比例した電圧信号を入力する。制御部6Aは、この電圧信号が示す変位量をサーボ制御のフィードバック情報として圧電アクチュエータP1〜P4を制御する。
この例で、ユーザが透明パネル1に触れていない状態における圧電アクチュエータP1〜P4からの基準電圧信号(基準値の一例)を測定し、図10に示すメモリ7に保存しておく。ユーザが位置P5で透明パネル1に触れると、該透明パネル1を介して圧電アクチュエータP1〜P4が変位し、その変位量に応じた電圧信号V1〜V4を制御部6Aに出力する。
制御部6Aは、入力した電圧信号V1〜V4とメモリ7に保存された基準電圧信号とを夫々比較する。そして、制御部6Aは、電圧信号V1〜V4が基準電圧信号と等しくなるように圧電アクチュエータP1〜P4への電流や電圧などの指令値01〜04を決定して出力する。
例えば、制御部6Aは、入力した電圧信号V1と圧電アクチュエータP1の基準電圧信号を減算して差分電圧を算出する。制御部6Aは、この差分電圧をゼロにするように圧電アクチュエータP1への指令値01を決定する。同様に圧電アクチュエータP2〜P4の差分電圧を求めて、圧電アクチュエータP2〜P4への指令値02〜04を決定する。これらの指令値01〜04が示す電圧又は電流の値の大きさから座標位置及びユーザの操作力を以下の式(1)により求める。式(1)は、指令値01〜04を透明パネル1上に規定されるXY座標の値として扱って操作位置を求める。
これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザの操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、ユーザにより外力を受けてもユーザが触れていない時の姿勢を保つことができる。従って、圧電アクチュエータP1〜P4が過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。
図2Bは、透明パネル1の領域Q1〜領域Q4に分割した例を示す説明図である。式(1)のX、YがX>0かつY>0を満たす場合、図2に示す領域Q1に触れたことを示す。また、X>0かつY<0を満たす場合、領域Q2に触れたことを示す。X<0かつY>0を満たす場合、領域Q3に触れたことを示す。X<0かつY<0を満たす場合、領域Q4に触れたことを示す。もちろん、座標X、Yの値を特定すれば領域Q1〜Q4における触れた位置を細かく特定できる。
続いて、圧電アクチュエータP1〜P4の構成例について説明する。図3Aは、圧電アクチュエータP1〜P4の構成例を示す側面図である。なお、圧電アクチュエータP1〜P4は同じ構成のため、圧電アクチュエータP1についてのみ説明する。図3Aに示す圧電アクチュエータP1は、ナイフエッジ状の第1の支持部41及び第2の支持部42により両端がLCD2に固定されている。また、圧電アクチュエータP1は、ナイフエッジ状の第3の支持部43により透明パネル1に中央部が固定されている。
図3Bは、圧電アクチュエータP1〜P4の構成例を示す断面図である。図3Bに示す圧電アクチュエータP1は、アクチュエータ機能とセンサ機能とを有する。圧電アクチュエータP1は、1つの積層体が電気的に2つ単層圧電体16a及び16bに分割されて構成されている。
圧電アクチュエータP1は、給電用の給電電極12、共通電極13及び信号検出用の検出電極14を有している。給電電極12と共通電極13との間には第1の圧電素子10が接合されて単層圧電体16aを構成している。給電電極12と共通電極13との間には制御部15により配線L1、L2を介して所定の電圧Vaが供給される。単層圧電体16aは、この電圧Vaにより圧電素子10が変位してアクチュエータとして機能する。
また、共通電極13と検出電極14との間には第2の圧電素子11が接合されて、単層圧電体16bを構成している。単層圧電体16bは、外部から変位を与えられると該変位に略比例した電圧信号Vbを電極14から配線L3を介して制御部15に出力する。このように、単層圧電体16bはセンサとして機能する。
図4は、第1の支持部41〜第3の支持部43の構成例を示す拡大斜視図である。図4に示す支持部41〜43は、ナイフエッジ状の突起50と軟質の接着剤51から構成されている。
支持部41、42の軟質の接着剤51は、それぞれの突起50をLCD2と圧電アクチュエータP1に接着して位置ずれを起こさないように固定している。支持部43の接着剤51は、突起50をLCD2と透明パネル1に接着して位置ずれを起こさないように固定している。軟質の接着剤51の材質としては、硬質の材料である突起を接着しかつ圧電アクチュエータP1の撓み変位を減じることなく透明パネル1側に伝えるような材質を採用することが好ましい。支持部41〜43は、圧電アクチュエータP1の撓み変形の妨げにならないように、ナイフエッジ状の突起50を用いて圧電アクチュエータP1の面を支持する。
図5は、圧電アクチュエータP1〜P4の電圧と変位の関係例を示す説明図である。バイモルフ型の圧電アクチュエータP1〜P4に外部から変位を与えるとその変位にほぼ比例した電圧を発生する。この電圧を測定することにより外部から与えられた変位量(位置)を検知することが可能である。
続いて、センサ機能としての圧電アクチュエータP1〜P4の動作例について説明する。図6A及び図6Bは、圧電アクチュエータP1〜P4の動作例を示す側面図である。図6Aに示す圧電アクチュエータP1は、ユーザが指により透明パネル1に触れて、該圧電アクチュエータP1が凹状に変形して矢印W1の方向に変位量U1だけ変位した状態である。このとき、圧電アクチュエータP1は、図5に示したように該変位に略比例した電圧信号Vbを制御部6Aに出力する。
制御部6Aは、この電圧信号Vbが示す変位量をサーボ制御のフィードバック情報として圧電アクチュエータP1〜P4を制御する。制御部6Aは、入力した電圧信号Vbが上述した基準電圧信号と等しくなるように圧電アクチュエータP1〜P4へ電圧Vaを出力する。これにより、図6Bに示すように圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザにより外力を受けても常にホームポジションHPを保つことができる。従って、圧電アクチュエータP1〜P4は、過度の外力を受けた場合に、変形して破壊することを防止できる。さらに、制御部6Aは、圧電アクチュエータP1〜P4へ出力した電圧Vaに基づいてユーザの示した位置を検出する(図2B参照)。
また、圧電アクチュエータP1〜P4をアクチュエータとして機能させる場合、制御部6Aにより図6Bに示す圧電アクチュエータP1に電圧を供給する。電圧が供給されると圧電アクチュエータP1は、図6Aに示すように凹状に変形して、矢印W1の方向に変位量U1だけ変位する。このように、圧電アクチュエータP1〜P4は、所定の周波数に基づいて変位量U1だけ変位して透明パネル1を振動させる。
続いて、圧電アクチュエータの他の取り付け方法を説明する。図7Aは、圧電アクチュエータ21Aの取付例を示す側面図である。図7Bは、圧電アクチュエータ21Aのみを抽出した側面図及び上面図である。なお、圧電アクチュエータP1〜P4と同じ構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図7Aに示す圧電アクチュエータ21Aは、圧電体22a、22b及びシム23Aを備えている。シム23Aは金属板の一例であり、その上面には圧電体22aが設けられ、底面には圧電体22bが設けられている。シム23Aは厚さ0.1mm程度であり、脆い圧電体22a、22bを補強する機能と、圧電体22a、22bに電力を供給するための電極の機能を併せ持つ。シム23Aの材料としては、SUS(ステンレス鋼)、りん青銅、4−2アロイなど金属材料の他、炭素繊維強化プラスティックなども使用可能である。シム23Aは制御部15に接続される。
シム23Aの両端は、圧電アクチュエータ21Aを支える第1の支持台24A及び第2の支持台25AによりLCD2のベースに固定されている。また、圧電アクチュエータ21Aの中央上部は第3の支持台26により透明パネル1に固定されている。これらの支持台24A、25A、26の材料は特に制約はないが、シム23Aが電極を兼ねているため、プラスティックなど非導電性の材料が好ましい。支持台24A、25AとLCD2のベース、また支持台24A、25Aとシム23Aの間は接着剤や両面粘着テープにより接着されて固定されている。また、支持台26と圧電体22a、透明パネル1の間も接着剤や両面粘着テープにより接着されて固定されている。
このように、圧電アクチュエータ21Aによれば、圧電体22a、22bを強固にベースに固定できる。また、圧電体22a、22bに触覚を発生させるための電圧が付加された場合、圧電体22a、22bの変形を妨げることないので、少ない電力でユーザに触覚を提示することが可能である。
図7Cは、他の実施形態としての圧電アクチュエータ21Bの構成例を示す上面図である。図7Cに示す圧電アクチュエータ21Bは、圧電体22a、22bと支持台24A、25Aとの間には、断面積を減少させた連結部28が設けられている。この連結部28は、一部が開口されて形成された開口部23aを有している。開口部23aにより、図7Cに示す圧電アクチュエータ21Bは、図7Bに示す圧電アクチュエータ21Aよりも連結部28が撓み易くなる。また、開口部23aの他に、連結部28を薄く形成して撓み易くする構成も考えられる。
図8は、圧電アクチュエータ21Aの動作例を示す側面図である。例えば、図8に示す圧電アクチュエータ21Aに制御部15により電圧を印加すると、圧電体22a、22bは、湾曲して変形する。ここで、下側の支持台24A、25Aが硬い材質の材料で構成されている場合は、シム23Aと支持台24A、25Aとの接合部分は変形することができない。これに対して、圧電体22a、22bと連結部28は変形自在である。このため、圧電体22a、22bの変形を阻害することがない。さらに、図7Cに示したように、連結部28に開口部23aを設けることで、圧電体22a、22bの変形をより容易にすることができる。また、ユーザが透明パネル1に指で触れた場合も、圧電アクチュエータ21Aは、図8に示すように湾曲して変形して電圧信号を制御部15に出力する。
図9Aは、圧電アクチュエータ21Cの取付例を示す側面図である。図9Aに示す圧電アクチュエータ21Cは、圧電体22a、22b及びシム23Cを備えている。シム23Cの上面には圧電体22aが設けられ、底面には圧電体22bが設けられている。シム23Cは厚さ0.1mm程度であり、脆い圧電体22a、22bを補強する機能と、圧電体22a、22bに電力を供給するための電極の機能を併せ持つ。
シム23Cの両端は、圧電アクチュエータ21Cを支える第1の支持台24B及び第1の支持台25BによりLCD2のベースに固定されている。支持台24B、25B及びシム23Cは、ネジ27によりLCD2のベースに螺合されて固定されている。
また、図9Bに示すように、第1の支持台24C及び第2の支持台25Cはベース材料2A(この場合はLCD2ではない)に一体化されて、樹脂成形などの方法により形成されている。圧電アクチュエータ21Cのシム23Cと支持台24C、25Cの固定方法は、粘着方式やネジ27などによるものである。
続いて、タッチパネル装置100の制御系の構成例及び動作例について説明する。図10は、タッチパネル装置100の制御系の構成例を示すブロック図である。図11は、タッチパネル装置100の動作例を示すフローチャートである。
図10に示す制御部6Aは演算部17A及びメモリ7を備えている。このメモリ7には、ユーザが透明パネル1に触れていない状態で測定された圧電アクチュエータP1〜P4からの基準電圧信号V01〜V04が予め保存されている。
演算部17Aは、メモリ7、圧電アクチュエータP1〜P4及びカーナビ本体のCPU(Central Processing Unit)3に接続されている。CPU3は表示制御部の一例であり、LCD2に接続されて該LCD2を制御する。
図11に示すステップST1で、演算部17Aは、圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号V1〜V4を入力したか否かを判定する。この例で、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザの指の位置に応じた外力を受けて変位して電圧信号V1〜V4を演算部17Aに出力する。演算部17Aは、圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号V1〜V4を入力するとステップST2に移行する。
ステップST2で、演算部17Aは、メモリ7に保存された基準電圧信号V01〜V04を読み出してステップST3に移行する。
ステップST3で、演算部17Aは、入力した電圧信号V1〜V4とメモリ7に保存された基準電圧信号V01〜V04との差分電圧を夫々求めてステップST4に移行する。
ステップST4で、演算部17Aは、この差分電圧をゼロにするように圧電アクチュエータP1〜P4への指令値01〜04を算出してステップST5に移行する。
ステップST5で、演算部17Aは、算出した指令値01〜04を圧電アクチュエータP1〜P4に出力する。圧電アクチュエータP1〜P4は、これらの指令値01〜04により、図6Aの湾曲した状態から図6Bに示したホームポジションHPに復帰動作する。これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。続いてステップST6に移行する。
ステップST6で、演算部17Aは、圧電アクチュエータP1〜P4に出力した指令値01〜04からユーザの指が触れた位置を座標値として決定する。例えば演算部17Aは、上述した式(1)から透明パネル1上のX座標、Y座標を求めてステップST7に移行する。
ステップST7で、演算部17Aは、求めたXY座標値をカーナビ本体のCPU3に出力する。CPU3は、このXY座標値に基づいて選択された所定の処理を実行する。また、演算部17Aは、式(1)により指令値01〜04を加算してユーザが透明パネル1を操作する操作力Zを求めて、該操作力Zを示す操作力信号をCPU3に出力する。CPU3は、この操作力信号が示す操作力ZからLCD2に表示されたアイコンなどの表示を制御する。例えば、CPU3は、操作力Zが基準値よりも小さい値を示す場合、アイコンの色を緑色に表示するようにLCD2を制御する。また、CPU3は、操作力Zが基準値よりも大きな値を示す場合、アイコンの色を赤色に表示するようにLCD2を制御する。これにより、ユーザに透明パネル1を押す強度を知らせることができるので、ユーザは、透明パネル1を強く押し過ぎることなくタッチパネル操作の負担を軽減できるようになる。なお、この例では、操作力に基づいて、CPU3がLCD2を制御する一例を説明したが、制御部6Aが操作力に基づいてLCD2を直接制御するようにしても良い。
このように、本発明に係るタッチパネル装置100及びその制御方法によれば、透明パネル1が操作されて変位した圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号を入力し、該電圧信号が示す入力値と圧電アクチュエータP1〜P4に外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、この入力値が基準値と等しくなる指令値01〜04を決定して圧電アクチュエータP1〜P4の各々に指令信号を出力すると共にこの指令値から操作位置を求めるものである。
これにより、圧電アクチュエータP1〜P4は、ユーザの操作位置を検出するセンサとして機能することができると共に、ユーザにより外力を受けてもユーザが触れていない時の姿勢を保つことができる。従って、圧電アクチュエータP1〜P4が過度の外力を受けた場合に変形して破壊することを防止できる。
また、本発明ではユーザやスタイラスが接触する部材は任意な材料で構成することが可能である。透明性が要求される場合は、透過率の高い材料を選定することで、光学的に良好な性能を得ることが出来る。また、透明電極など、特殊な表面材料を必要としないことから、サイズが大きなパネルについても安価なタッチパネルを構成できる。
また、抵抗膜式のタッチパネルではユーザの操作力は検知不能である。本発明ではこの操作力も同時に検知が可能で、それをユーザからの入力情報の一部とすることで、同一のXY座標で異なる入力操作を可能にする。例えば、指でパネル表面をなぞるようなユーザが目的のアイコンなどを探している状態と、パネルを押し込むようなアイコンを選択する操作の判別が可能である。
また、積層構造をとることで、圧電素子10、11を効率よく歪ませることが出来るので、駆動電圧を±5V〜9.5V程度に設定でき、モバイル向け商品への搭載が可能になる。
続いて、本発明に係る第2の実施形態としてのタッチパネル装置200について説明する。図12は、タッチパネル装置200の構成例を示す概念図である。上述したタッチパネル装置100と同じ構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図12に示すタッチパネル装置200は、波形ライブラリを有した信号発生部18を備えている。この信号発生部18は、カーナビ本体のCPU3及び演算部17Bに接続されている。カーナビ本体のCPU3は、演算部17Bから出力されるXY座標値と操作力Zの両方又は片方からユーザに提示する触覚のパターンを決定する。例えば、XY座標値からユーザに入力操作が「完了」したことを知らせるアクナレッジの触覚を提示する場合、CPU3は、200Hzのサイン波を2サイクル分のパターンを決定する。そして、CPU3は、信号発生部18の波形ライブラリに収納されている200Hzの2サイクルのパターンを指定する波形パターン信号Daを出力する。
信号発生部18は、波形ライブラリから200Hzの2サイクルの信号を選択して演算部17Bに出力する。演算部17Bは、ユーザの指位置に応じて指令値01〜04を以下の式(2)により分配出力するように演算して、触覚信号として圧電アクチュエータP1〜P4に出力する。圧電アクチュエータP1〜P4は、この触覚信号に基づいて伸縮して振動する。
このように、信号発生部18の波形ライブラリから入力操作に応じた波形を選択すると共に該波形をユーザの指位置に応じて分配して出力するので、ユーザに対して振動により操作のアクナレッジを与えて確実な操作を実現できる。さらに、アイコン別に異なる振動パターンを割りつけて振動によるガイド機能を加えることで、ブラインドタッチ操作が可能となる。
ところで、振動は透明パネル1に示す矩形平面全体に均質とならない場合があり、その場合は矩形平面状の場所によって振動の大きさが異なるという問題が発生する。その回避策として、図13Aに示すように、圧電アクチュエータP1〜P4を「P2及びP4」と「P1及びP3」の2グループに分けてそれぞれの位相をコントロールしてもよい。
図13A及び図13Bは、波形のパターン例及びその効果を示す説明図である。図13Aは、同位相の波形を有したパターン1及び逆位相の波形パターンを有したパターン2を示している。図13Bは、透明パネル1を9分割した領域A〜領域Iを示している。
図13Aに示すパターン1は、指令値01〜04の波形19は全て同位相に設定されている。このパターン1によれば、圧電アクチュエータP1〜P4は、同じタイミングで同じ方向に駆動する。これにより、パターン1に示す波形による制御は、透明パネル1の領域E、D、Fの振動が領域A、B、C、G、H、Iの振動に比べて大きくなる。すなわち、透明パネル1の中央付近の振動が大きくなる。
図13Aに示すパターン2は、指令値02、04の波形19に対して指令値01、03の波形20は逆位相に設定されている。このパターン2によれば、圧電アクチュエータP2、P4と圧電アクチュエータP1、P3は、同じタイミングで反対方向に駆動する。これにより、パターン2の波形による制御は、透明パネル1の領域A、B、C、G、H、Iの振動が領域E、D、Fの振動に比べて大きくなる。すなわち、透明パネル1の周辺部の振動が大きくなる。
ユーザが透明パネル1のどの領域に接しているかは検知されるので、その領域に応じた駆動方法をパターン1、2から選択することにより平面上のどの領域においても同じ強さの振動を得ることが可能となる。従って、ユーザの指は効率よく加振されるので、同じ振動刺激を与える場合はアクチュエータの消費電力を少なくすることができる。
続いて、透明パネル1の他の振動パターンの制御例を説明する。この例では、4本の圧電アクチュエータP1〜P4に対して順次、位相を変えた振動を加える例を説明する。図14Aは、圧電アクチュエータP1〜P4に供給する指令値の波形パターン例を示している。図14Bは、透明パネル1の振動例を示す模式図である。図14Aに示す指令値01〜04を図14Bに示す圧電アクチュエータP1〜P4に供給すると、図14Bに示すように透明パネル1の中心部rに順次、振動が押し寄せる。これにより、ユーザが中心部rを触れた場合、ユーザは平面に接している指の周りに振動が矢印Eの方向に回転しているような感覚を得ることができる。
続いて、透明パネル1’の他の振動パターンの制御例を説明する。圧電アクチュエータを2つのグループに分け、それぞれに対して僅かに位相の異なる指令値を与える例を説明する。図15Aは、圧電アクチュエータP1’、P2’に供給する指令値の波形のパターン例を示している。図15Bは、透明パネル1’の振動例を示す模式図である。この例では、アクチュエータを2本だけ用いる。
図15Aに示す指令値01は、200Hzの周波数を示す波形であり、圧電アクチュエータP1’に供給される。図15Bに示す指令値02は、195Hzの周波数を示す波形であり、圧電アクチュエータP2’に供給される。この場合、各々の周波数の差に相当する5Hzの周期で振動の強弱が出現するため、ユーザは双方の振動数のうなりに相当する5Hzの振動を感じることが可能である。単純なサイン波の場合、ユーザは5Hzの小さな振幅(例えば10μm程度)を感じることは困難であるが、上記の方法によればそれが可能である。このように、ユーザに対して様々な触覚パターンを提供することができる。
続いて、タッチパネル装置200の制御系の構成例及び動作例について説明する。図16は、タッチパネル装置200の制御系の構成例を示すブロック図である。図17は、タッチパネル装置200の動作例を示すフローチャートである。なお、上述したタッチパネル装置100と同じ構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図16に示す制御部6Bは演算部17B及びメモリ7を備えている。このメモリ7には、ユーザが透明パネル1に触れていない状態で測定された圧電アクチュエータP1〜P4からの基準電圧信号V01〜V04が予め保存されている。
演算部17Bは、メモリ7、圧電アクチュエータP1〜P4、カーナビ本体のCPU3及び信号発生部18に接続されている。信号発生部18は様々な波形パターンを収納しているライブラリを備えている。
図17に示すステップST11〜ST17は、図11に示したステップST1〜ST7に夫々対応するので、その詳細な説明は省略する。
ステップST17で、演算部17Bは、求めたXY座標値をカーナビ本体のCPU3に出力する。CPU3は、このXY座標値に基づいて振動パターンを決定して波形パターン信号Daを信号発生部18に出力する。この例で、CPU3は、ユーザに入力操作が「完了」したことを知らせるアクナレッジの触覚を提示する場合、例えば200Hzのサイン波を2サイクル分のパターンを決定して波形パターン信号Daを出力する。続いてステップST18に移行する。
ステップST18、ST19で、信号発生部18は、カーナビ本体のCPU3から振動パターンを示す波形パターン信号Daを入力する。信号発生部18は、波形ライブラリに収納されている200Hzの2サイクルのパターンを選択して演算部17Bに出力する。続いてステップST20に移行する。
ステップST20で、演算部17Bは、圧電アクチュエータP1〜P4を駆動制御する。例えば、演算部17Bは、200Hzの2サイクルの信号に基づいて圧電アクチュエータP1〜P4に指令値としての触覚信号を出力する。この例で、演算部17Bは、ユーザの指位置に応じて該指令値を上述の式(2)により分配して、分配後の指令値を触覚信号として圧電アクチュエータP1〜P4に出力する。圧電アクチュエータP1〜P4は、分配後の指令値に基づいて伸縮して振動する。
このように、本発明に係るタッチパネル装置200によれば、透明パネル1が操作されて変位した圧電アクチュエータP1〜P4から電圧信号を入力し、該電圧信号が示す入力値と圧電アクチュエータP1〜P4に外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、この入力値が基準値と等しくなる指令値を決定して圧電アクチュエータP1〜P4の各々に指令信号を出力すると共に指令値から操作位置を求めて該操作位置をCPU3に出力し、このCPU3は、操作位置から所定周期の信号を発生するように信号発生部18を制御するものである。
これにより、ユーザに対して様々な触覚パターンを提供することができる。また、操作位置に応じてアクチュエータP1〜P4の駆動方法を選択することにより平面上のどの領域においても同じ強さの振動を得ることが可能となる。従って、ユーザの指などが効率よく加振されるので、同じ振動刺激を与える場合はアクチュエータP1〜P4の消費電力を少なくすることができる。
なお、信号発生部18は、カーナビ本体のCPU3から振動パターンを示す波形パターン信号Daを入力する例を説明したが、これに限らず演算部17Bの座標位置から波形パターン信号を選択するようにしても良い。この場合、演算部17Bは、座標位置や操作力を示す信号を信号発生部18に出力する。例えば、演算部17Bは、図13Bに示した領域Bの座標位置を示す信号を信号発生部18に出力する。この場合、信号発生部18は、該領域Bの座標位置から図13Aに示したパターン2の波形を選択して演算部17Bに出力する。
続いて、本発明に係る第3の実施形態としてのタッチパネル装置300について説明する。図18は、タッチパネル装置300の構成例を示す概念図である。上述したタッチパネル装置100、200と同じ構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
上述したタッチパネル装置100、200ではユーザの指などの位置を検出するための圧電素子と、触覚を提示するための圧電素子は同一の素子を兼用する構成である。すなわち、図10、図16のブロック図に示したように、圧電アクチュエータP1〜P4は、アクチュエータ機能とセンサ機能と異なる機能を同じ素子で兼用している。
これに対して、図18に示すタッチパネル装置300は、触覚を発生するためのアクチュエータ機能とユーザの触れる位置を検出するセンサ機能をそれぞれ異なる圧電素子を用いて構成している。例えば、ユーザの指などを検出するセンサとして機能する圧電アクチュエータS1〜S4を4本だけ備えている。これらのセンサとして機能する圧電アクチュエータS1〜S4は、透明パネル1の4隅に配設されて制御部6Cに接続されている。
また、ユーザの指などに振動を与えるアクチュエータとして機能する圧電アクチュエータA1〜A4を4本だけ備えている。これらのアクチュエータとして機能する圧電アクチュエータA1、A3は、センサ用の圧電アクチュエータS1、S3の間に配設されている。また、圧電アクチュエータA2、A4は、センサ用の圧電アクチュエータS2、S4の間に配設されている。これらの触覚用の圧電アクチュエータA1〜A4は、制御部6Cに接続されている。
透明パネル1の表面がユーザにより触れられると、これらの圧電アクチュエータS1〜S4は、それぞれ透明パネル1上のユーザの指の位置に応じた外力を受けて変位して電圧を発生する。制御部6Cは、この電圧値が示す変位量を所謂サーボ制御のフィードバック情報として圧電アクチュエータS1〜S4を制御する。そして、その際に圧電アクチュエータS1〜S4に出力される電圧や電流などの指令値をユーザからの入力情報として得て、ユーザの示した位置を検出する。
また、制御部6Cは、触覚用の圧電アクチュエータA1〜A4に対してユーザに触覚を提示するための指令値01〜04を出力する。この様な構成にすることで、ユーザの指位置などを検出するセンサ機能としては、実施例の圧電素子に限られず、例えば静電容量式や光学式、または抵抗膜式などが使用可能になる。
続いて、上述した実施形態の変形例を示す。図10に示した演算部17Aやメモリ7から構成される制御部6Aはカーナビ本体から独立しているが、この機能はカーナビ本体にあるCPU3やメモリが兼用しても良い。また、図16に示した信号発生部18のライブラリ、演算部17Bやメモリ7から構成される制御部6Bはカーナビ本体から独立しているが、この機能はカーナビ本体にあるCPU3やメモリが兼用しても良い。
透明パネル1へユーザがXY座標(2次元)と操作力の入力操作を行う例を示したが、ユーザが接触する部分は、アスペクト比の高い長四角(直線状)でも良い。この場合の入力情報は、X座標(1次元)及び操作力となる。さらに、ユーザによる接触部分は一辺が3〜10mm程度の四角形から成る狭い領域でも良い。これらの場合の入力情報は、操作力となる。
本発明は、タッチパネルやタッチパッドに代表される、電子機器に適用して好適である。
P1〜P4・・・圧電アクチュエータ、1・・・透明パネル(パネル)、2・・・LCD(表示部)、3・・・CPU(表示制御部)、6A,6B,6C・・・制御部、18・・・信号発生部、22a,22b・・・圧電体、23a・・・開口部、23A・・・シム(金属板)、24A〜24C・・・第1の支持台、25A〜25C・・・第2の支持台、28・・・連結部、100,200,300・・・タッチパネル装置
Claims (14)
- 表示部と、前記表示部に対峙して配置され、使用者により操作されるパネルと、
前記パネルと前記表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータに接続された制御部とを備え、
前記制御部は、
前記パネルが操作されて変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、当該入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共に前記指令値から操作位置を求める入力装置。 - 前記入力値及び前記基準値は、電流又は電圧の値を示し、
前記制御部は、前記入力値と前記基準値を減算して差分値を算出し、該差分値をゼロにするように前記圧電アクチュエータへの前記指令値を決定し、該指令値が示す電圧又は電流の値の大きさから前記操作位置を求める請求項1に記載の入力装置。 - 前記使用者が前記パネルを操作する力を操作力としたとき、
前記制御部は、前記複数の圧電アクチュエータへの指令値が示す電圧又は電流の値を加算して前記使用者の操作力を求め、該操作力に基づいて前記表示部を制御する請求項2に記載の入力装置。 - 前記パネルの形状は四角平面状であり、
前記パネルには、少なくとも3組以上の前記圧電アクチュエータが配設され、該3組以上の圧電アクチュエータの各々に前記指令信号を出力すると共に、前記指令値を前記パネル上に規定される2次元座標の値として扱って操作位置を求める請求項2に記載の入力装置。 - 所定の信号を発生する信号発生部を備え、
前記制御部は、前記信号発生部から発生された信号に基づいて前記圧電アクチュエータの各々に触覚信号を出力し、
前記圧電アクチュエータは、前記触覚信号に基づいて伸縮する請求項2に記載の入力装置。 - 前記制御部は、
前記信号発生部から発生された信号を前記操作位置に応じて分配して触覚信号を生成し、該触覚信号を前記圧電アクチュエータの各々に出力する請求項5に記載の入力装置。 - 前記信号発生部は、
前記操作位置に応じて異なる波形から成る信号を前記制御部に発生し、
前記制御部は、前記信号発生部から発生された異なる波形から成る信号に基づいて前記圧電アクチュエータの各々に触覚信号を出力する請求項5に記載の入力装置。 - 前記圧電アクチュエータは、
圧電体と、
前記圧電体が設けられた金属板と、
前記金属板の両端に設けられて該金属板を支持する第1及び第2の支持台を備え、
前記圧電体と前記第1及び第2の支持台との間には断面積を減少させた連結部が設けられている請求項5に記載の入力装置。 - 前記連結部は、一部が開口されて形成された開口部を有する請求項8に記載の入力装置。
- 前記圧電アクチュエータは、複数の層を積層して成る多層構造を有する請求項2に記載の入力装置。
- 前記多層構造を有する圧電アクチュエータはバイモルフ型又はユニモルフ型の圧電アクチュエータである請求項10に記載の入力装置。
- 使用者によりパネルが操作されて、該パネルと表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータが変位するステップと、
変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力して、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較するステップと、
比較後、前記入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力するステップと、
前記指令値から操作位置を求めるステップとを有する入力装置の制御方法。 - 表示部と、前記表示部に対峙して配置され、使用者により操作されるパネルと、
前記パネルと前記表示部の間に変位自在に設けられた複数の圧電アクチュエータと、
前記表示部を制御する表示制御部と、
前記表示制御部に接続されて所定の信号を発生する信号発生部と、
前記信号発生部により発生された所定の信号に基づいて前記圧電アクチュエータを駆動制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記パネルが操作されて変位した前記圧電アクチュエータから検出信号を入力し、該検出信号が示す入力値と前記圧電アクチュエータに外力が加わっていない状態における出力を示す基準値とを比較し、当該入力値が前記基準値と等しくなる指令値を決定して前記圧電アクチュエータの各々に指令信号を出力すると共に前記指令値から操作位置を求めて該操作位置を前記表示制御部に出力し、
前記表示制御部は、
前記操作位置から所定の信号を発生するように前記信号発生部を制御する電子機器。 - 前記使用者が前記パネルを操作する力を操作力としたとき、
前記制御部は、前記指令値が示す電圧又は電流の値を加算して前記使用者の操作力を求めて該操作力を示す操作力信号を前記表示制御部に出力し、
前記表示制御部は、前記操作力信号が示す前記操作力に基づいて前記表示部を表示制御する請求項13に記載の電子機器。
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