JP2010140102A - 入力装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化が可能な簡単な構成で、押圧式の入力部を操作した際に、操作者に対して押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示できる入力装置を提供する。
【解決手段】押圧による入力を受け付ける入力部１２と、入力部１２に対する押圧荷重を検出する荷重検出部１３と、入力部１２を振動させる振動部１４と、荷重検出部１３により検出される押圧荷重が、入力部１２への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、入力部１２を押圧している押圧物に対して浮揚力を発生させるように振動部１４の駆動を制御する制御部１５と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、押圧による入力を受け付ける入力部を備える入力装置に関するものである。
近年、情報機器や家電製品等には、ユーザによる入力操作を受け付ける入力部として、タッチパネルやタッチスイッチ等の押圧による入力を受け付けるプレート状の入力部を備える入力装置が広く使用されている。このような入力部には、抵抗膜方式や静電容量方式等の種々の方式があるが、いずれも、指やスタイラスペンによる押圧による入力を受け付けるものであって、入力部自体は、押圧されても、押しボタンスイッチのようには変位しない。
このため、操作者は、押圧による入力が受け付けられた際にフィードバックを得ることができないことから、例えば、タッチパネルを備える入力装置においては、同じ位置を何度も押圧する等の誤操作による入力ミスが生じ易く、操作者にストレスを与える場合がある。
このような入力ミスを防止し得るものとして、例えば、押圧入力を受け付けて、音を鳴らしたり、当該押圧領域に対応して表示部に画像表示されている入力ボタン等の入力用オブジェクトの表示色を変更する等の表示態様を変更したり、バイブレータを駆動したりして、入力操作をフィードバックすることにより、聴覚や視覚あるいは触覚により入力操作を確認できるようにしたものが知られている。
しかし、これらのフィードバック方法は、いずれも、操作者に対して、単に、当該入力が完了した旨を通知するもので、押しボタンスイッチを「押した」という押下感を操作者に呈示するものではない。このため、例えば、携帯電話等の携帯端末、電卓、券売機等の情報機器の入力キーや、電子レンジやテレビ等の家電製品における操作部の入力キー等をタッチパネルで構成して、該タッチパネルに上記のフィードバック技術を適用した場合、操作者は違和感を覚えることになる。
さらに、聴覚に働きかけるフィードバック方法の場合は、騒音環境下での確認が困難になるとともに、使用機器がマナーモード等で消音状態にある場合は、対応できないことになる。また、視覚に働きかけるフィードバック方法の場合は、表示部に表示されている入力用オブジェクトのサイズが小さいと、特に指入力の場合は、指の下に入力用オブジェクトが隠れて表示態様の変化が確認できない場合がある。
また、他のフィードバック方法として、タッチパネルを備えた表示装置において、操作者が、表示パネルに表示されたタッチ操作部材（入力用オブジェクト）の表示領域を押圧すると、タッチパネルを押圧方向とは反対方向に移動させ、さらに当該表示領域への押圧力が所定値以上になると、タッチパネルを押圧方向に移動させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−９２４７２号公報
特許文献１に開示の表示装置によると、表示パネルに表示されている入力用オブジェクトを所定値以上の押圧力で押圧すると、タッチパネルが押圧方向に移動するので、操作者にタッチパネルの押し下げ感を呈示することが可能となる。
しかしながら、この表示装置にあっては、タッチパネルを表示パネルとともに移動させるようにしているため、移動機構が複雑化し、装置全体が大型化することが懸念される。また、操作者には、タッチパネルの押し下げ感が呈示されるのみであり、押しボタンスイッチの押下感とは大きく異なるフィードバックとなる。
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、小型化が可能な簡単な構成で、操作者が押圧式の入力部を操作した際に、押しボタンスイッチを操作した場合と同様のリアルな押下感を呈示できる入力装置を提供することにある。
上記目的を達成する請求項１に係る入力装置の発明は、
押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の入力装置において、
前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する請求項４に係る入力装置の発明は、
入力用オブジェクトを表示する表示部と、
前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する請求項６に係る入力装置の発明は、
押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項７に係る発明は、請求項６に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
請求項８に係る発明は、請求項６または７に記載の入力装置において、
前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する請求項９に係る入力装置の発明は、
入力用オブジェクトを表示する表示部と、
前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する請求項１１に係る入力装置の発明は、
押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
請求項１３に係る発明は、請求項１１または１２に記載の入力装置において、
前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
さらに、上記目的を達成する請求項１４に係る入力装置の発明は、
入力用オブジェクトを表示する表示部と、
前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記入力部を振動させる振動部と、
前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするものである。
請求項１５に係る発明は、請求項１４に記載の入力装置において、
前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する、
ことを特徴とするものである。
本発明によれば、入力部への押圧荷重が、入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、入力部を振動させて浮揚力を発生させるので、小型化が可能な簡単な構成で、操作者に対して押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示することが可能となる。
先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明に係る入力装置による押下感呈示方法の原理について説明する。
情報機器や家電製品に使用されている押しボタンスイッチとして、例えば、メタルドームスイッチ、エンボススイッチ、ラバースイッチ、タクタイルスイッチ等が広く知られている。これらの一般的な押しボタンスイッチにおける荷重特性は、スイッチの種類によって、押しボタンのストロークや、加える荷重（押下力）に差はあるものの、概ね、図１に示すような特性を有している。
図１の押下時の荷重特性において、Ａ点からＢ点までの期間は、押しボタンの押し込み開始から押し込みにほぼ比例して荷重が増加する期間である。Ｂ点からＣ点までの期間は、押しボタンの押し込みによりメタルドーム等の凸型形状の弾性部材が座屈して荷重が急激に減少する期間である。Ｃ点からＤ点までの期間は、スイッチの接点が閉成して、押し込みにほぼ比例して荷重が増加する期間である。この押下時の荷重特性における荷重およびストロークの時間変化は、図２に示すようになる。
また、押しボタンのリリース時における荷重特性は、多少のヒシテリシスを有するが、押下時とは逆の変化を辿る。すなわち、Ｄ点からＥ点までの期間は、リリースの開始からほぼ比例して荷重が減少する期間で、スイッチの接点が閉状態を維持する期間である。Ｅ点からＦ点までの期間は、押しボタンのリリースにより弾性部材が座屈状態から凸型形状に復帰して荷重が急激に増加する期間で、この期間の開始によりスイッチの接点が開成する。Ｆ点からＧ点までの期間は、弾性部材の復帰後、押しボタンから指を離すまでの期間で、ほぼ比例して荷重が減少する期間である。したがって、リリース時における荷重およびストロークの時間変化は、図３に示すように、図２とは逆のパターンとなる。
なお、図１に示した荷重特性において、押しボタンの最大ストロークは、例えば、メタルドームスイッチ、エンボススイッチ、タクタイルスイッチの場合で、１ｍｍ以下であり、ラバースイッチの場合でも、３ｍｍ以下と微少である。また、Ｂ点における荷重は、メタルドームスイッチ、エンボススイッチ、タクタイルスイッチの場合で、例えば、１Ｎ前後から４Ｎ前後であり、ラバースイッチの場合で、例えば、０．５Ｎ前後である。
本発明者らは、種々の押しボタンスイッチについて実験検討したところ、操作者が押下感として認識するのは、図１において、Ｂ点からＣ点に遷移する現象、すなわち、押しボタンを押下している過程で、荷重が急激に減少する現象、にあることを見出した。したがって、この現象を、プレート状の入力部を押圧している指先に与えれば、操作者に押下感を呈示することが可能となる。
そこで、本発明者らは、操作者がプレートを指で押圧する方向について検討した。その結果、操作者は、図４に示すように、プレート１の押圧方向（法線方向）と平行に指２を下ろして、プレート１を押圧しているつもりでも、厳密には、指２の関節等の影響から、法線方向に対してθずれた方向に押圧しており、法線方向と直交する接線方向にも押圧力成分があることが判明した。
また、ヒトの指先での触感は、荷重の変化は明確に認識できても、上述した３ｍｍ程度の微少なストロークの違いは明確には認識できないとともに、指先が入力部の接線方向に微少量滑っても、その現象が、滑りなのかストロークの変化なのかは明確には識別できないことも判明した。
以上の点に着目して、本発明者らは、鋭意検討したところ、プレートを指で押圧した際、実際にはプレートが法線方向に殆ど変位しなくても、押圧の途中で、プレートを押圧している指にスクイーズ膜効果を作用させることにより浮揚力を発生させて、法線方向と直交する接線方向（平面方向）の押圧力成分を急激に減少させれば、押しボタンスイッチにおける凸型形状の弾性部材の座屈を表現できることを見出した。
すなわち、プレートに加わる荷重が所定値に達した時点で、プレートを振動させ、これにより指に対して作用するスクイーズ膜効果によって、指に対して浮揚力が発生し、プレートと指との摩擦抵抗（摩擦力）を減少させて、指先を微少量滑らせれば、操作者に、荷重が急激に減少したものと錯覚させることができる。これにより、図１と同様の押下時の荷重特性を表現でき、操作者に、押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示することが可能となる。
ここで、スクイーズ膜効果とは、距離に対して十分大きい面積を有する二つの平面が急接近する際、両平面間の流体層の圧力が上昇して斥力が発生する現象（スクイーズ膜の発生する現象）である。この効果により、平面間の摩擦力が減少する。このスクイーズ膜効果を説明する代表的な理論としては、音響分野におけるランジュバンの放射圧理論と、潤滑分野におけるスクイーズ膜圧理論とが挙げられる。これらの理論は、いずれも、超音波領域の周波数で振動面を振動させることにより、振動面上部の空気などの流体層を介して発生する浮揚力を算出するものである。
ランジュバンの放射圧理論によると、図５に示すように、振動振幅ξで超音波振動する物体５の振動面上における半径ａの円形物体６に働く浮揚力（スクイーズ力）ＦＬは、下記の（１）式で表される。なお、（１）式において、ρ0は基準状態における空気の密度、ｃ0は基準状態における音速、ｈは浮揚距離である。
Figure 2010140102
上記（１）式から明らかなように、スクイーズ力もしくは浮揚力は、振動振幅の増大に伴って増大する。
一方、スクイーズ膜圧理論によると、図５において、円形物体６に働くスクイーズ力ＦＳは、下記の（２）式で表される。なお、（２）式において、γは比熱比であり、他の変数は（１）式と同様である。
Figure 2010140102
浮揚力の発生原因は、浮揚距離が微小になるにつれて、ランジュバンの放射圧から、スクイーズ膜圧へ変化することが知られている。したがって、上記（２）式から、浮揚距離が微小な領域においては、接触面積（πａ２）の増大に伴い、スクイーズ力が増大することがわかる。
上述した理論に基づいて、ヒトが超音波振動している物体表面に指を触れると、指に対してスクイーズ膜効果が作用し、これにより指に対して浮揚力が発生して、接触面との摩擦力が減少する。例えば、平常時の物体表面を指でなぞった際の摩擦係数μが、２．２程度である場合、物体表面を振幅２．５μｍで超音波振動させた場合の摩擦係数μは、０．５以下程度に減少する。
なお、スクイーズ膜効果が作用することによる浮揚力は、物体表面を超音波振動させた場合に限らず、可聴周波数で振動させた場合にも生じるものである。
ここで、図４において、プレート１の法線方向に対してθずれた方向における押圧力をＦとすると、法線方向に働く力は、Ｆcosθとなる。また、プレート１と指２との間の摩擦係数をμとすると、指２に作用する摩擦力は、μＦcosθとなる。したがって、下記の（３）式を満たす場合は、指２は横方向に滑り、位置が変化する。
［数３］
μ＜tanθ ・・・（３）
プレート１が振動していない場合、摩擦係数μは、２以上であるので、上記（３）式を満たすことはない。その理由は、通常の操作で、θが、ほぼ６３°を超えることは考えにくいからである。しかし、プレート１を振動させて指２に対してスクイーズ膜効果を作用させることによる浮揚力を発生させると、摩擦係数μが低下して、上記（３）が成立して、指２が手前（図４において、左から右方向）に滑る。そして、指２が少しでも手前に滑ると、指先のモーメントの関係からθは増大するため、上記（３）式の右辺は増加する。このような現象が繰り返されることにより、指先に加わる接線方向に対する摩擦力および指先に生じる法線方向の力が減少する。
以上のことから、プレート１を押圧した際に、押圧の途中でプレート１を振動させて、指２に対してスクイーズ膜効果を作用させることによる浮揚力を発生させ、これによりプレート１と指２との間の摩擦力を減少させて、指先を微少量滑らせれば、操作者に、荷重が急激に減少したものと錯覚させることが可能となる。これにより、図１と同様の押下時の荷重特性を表現でき、操作者に、押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示することが可能となる。
本発明に係る入力装置は、以上の解析に基づいて、プレート状の押圧式の入力部を押圧する場合に、その押圧の途中で、押圧荷重が所定の基準を満たした際に、入力部を振動させて入力部を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させることによる浮揚力を発生させることにより、操作者に押しボタンスイッチを押下した場合と同様の押下感を呈示するものである。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図６は、本発明の第１実施の形態に係る入力装置の概略構成を示すブロック図である。この入力装置は、表示パネル１１、タッチパネル１２、荷重検出部１３、振動部１４、および、全体の動作を制御する制御部１５を有する。表示パネル１１は、入力ボタン等の入力用オブジェクトを表示する表示部を構成するもので、例えば、液晶表示パネルや有機ＥＬ表示パネル等を用いて構成する。タッチパネル１２は、表示パネル１１に対する押圧による入力を受け付ける入力部を構成するもので、例えば、抵抗膜方式や静電容量方式等の公知のものを用いて構成する。荷重検出部１３は、タッチパネル１２に対する押圧荷重を検出するもので、例えば、歪みゲージセンサを用いて構成する。また、振動部１４は、タッチパネル１２を振動させるもので、例えば、ランジュバン型の超音波振動子（圧電素子）を用いて構成する。
図７は、図６に示した入力装置の実装構造の一例を示すもので、図７（ａ）は要部断面図、図７（ｂ）は要部平面図である。表示パネル１１は、筐体２１内に収納保持する。表示パネル１１上には、弾性部材からなるインシュレータ２２を介して、タッチパネル１２を保持する。なお、本実施の形態に係る入力装置は、表示パネル１１およびタッチパネル１２を、平面視で矩形状として、タッチパネル１２を、図７（ｂ）に仮想線で示す表示パネル１１の表示領域Ａから外れた４隅に配設したインシュレータ２２を介して表示パネル１１上に保持する。
また、筐体２１には、表示パネル１１の表示領域から外れたタッチパネル１２の表面領域を覆うようにアッパカバー２３を設け、このアッパカバー２３とタッチパネル１２との間に、弾性部材からなるインシュレータ２４を配設する。
なお、タッチパネル１２は、例えば、表面すなわち操作面が透明フィルムで構成され、裏面がガラスで構成され、操作面が押圧されると、押圧力に応じて表面の透明フィルムが微少量撓む（歪む）構造のものを用いる。
本実施の形態に係る入力装置は、タッチパネル１２の表面の透明フィルム上で、アッパカバー２３で覆われる各辺の近傍に、タッチパネル１２に加わる荷重（押圧力）を検出するための歪みゲージセンサ３１をそれぞれ接着等により設ける。また、タッチパネル１２の裏面のガラス面上で、対向する２つの辺の近傍には、タッチパネル１２を超音波振動させるためのランジュバン型の超音波振動子３２をそれぞれ接着等により設ける。すなわち、図７に示す入力装置は、図６に示した荷重検出部１３を４つの歪みゲージセンサ３１を用いて構成し、振動部１４を２つの超音波振動子３２を用いて構成する。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した筐体２１、アッパカバー２３およびインシュレータ２４の図示を省略している。
本実施の形態に係る入力装置は、制御部１５において、タッチパネル１２への入力を監視するとともに、荷重検出部１３で検出される荷重を監視する。そして、タッチパネル１２への入力が、表示パネル１１に表示された入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、荷重検出部１３により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準（第３の基準）を満たした際に、振動部１４を駆動してタッチパネル１２を超音波振動させることにより、タッチパネル１２を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、タッチパネル１２を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物に対して、浮揚力を発生させる。言い換えると、タッチパネル１２を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物とタッチパネル１２との間の摩擦力を低減させる。なお、荷重検出部１３は、例えば、４つの歪みゲージセンサ３１の出力の平均値から荷重を検出する。また、振動部１４は、例えば、２つの超音波振動子３２を同相で駆動する。
図８は、本実施の形態に係る入力装置の制御部１５の動作を示すフローチャートである。すなわち、制御部１５は、タッチパネル１２への入力が表示パネル１１に表示された入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、荷重検出部１３により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たしたのを検知すると（ステップＳ８１）、その時点のタッチパネル１２への入力を受け付けるとともに、振動部１４を所定時間駆動して、タッチパネル１２を所定の振動振幅で超音波振動させる（ステップＳ８２）。これにより、タッチパネル１２を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、タッチパネル１２を押圧している押圧物に対して、浮揚力を発生させる。言い換えると、タッチパネル１２を押圧している押圧物とタッチパネル１２との間の摩擦力を低減させる。これにより、操作者に対し押下感を呈示して、その入力操作が完了したことを認識させる。
ここで、図８のステップＳ８１で検知する所定の基準は、例えば、図１および図２においてＢ点の荷重である。また、ステップＳ８２で駆動する振動部１４の駆動時間は、図２のＢ点からＣ点までの時間ｔ１である。すなわち、タッチパネル１２の超音波振動を開始させる荷重（押圧力）、超音波振動の振動振幅および振動時間については、表現したい押しボタンスイッチの押下時の荷重特性に応じて適宜設定すればよい。
このように、本実施の形態に係る入力装置は、タッチパネル１２により入力用オブジェクトに対応する入力が行われ、荷重検出部１３で検出されるタッチパネル１２に加わる荷重が、タッチパネル１２への入力を受け付ける所定値に達した時点で、振動部１４を駆動してスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、振動部１４を駆動して浮揚力を発生させる。言い換えると、振動部１４を駆動して摩擦力を低減させる。これにより、操作者に対して押下感を呈示して、当該入力操作が完了したことを認識させる。したがって、操作者は、タッチパネル１２を、押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を得ながら、入力操作を行うことができるので、違和感を覚えることがない。また、タッチパネル１２を「押した」と言う意識との連動で入力操作を行うことができるので、単なる押圧による入力ミスも防止することができる。しかも、特許文献１におけるように、タッチパネルを表示パネルとともに移動させる必要がないので、構成を簡単にできるとともに、装置全体の小型化が可能となる。また、タッチパネルが移動することによるタッチパネルの押し下げ感ではなく、押しボタンスイッチのリアルな押下感を操作者に呈示することが可能となる。
（第２実施の形態）
押しボタンスイッチを操作した場合、押下時のみならず、リリース時においても、指に押しボタンスイッチから何らかの触感刺激が与えられる。そのため、第１実施の形態の場合よりも、より押しボタンスイッチに近い操作感（触感）を与えるように、第２の実施の形態においては、リリース時に触感刺激を操作者に与え、押しボタンスイッチのリリース感として呈示する。
本発明の第２実施の形態に係る入力装置は、第１実施の形態に係る入力装置において、制御部１５は、さらに、タッチパネル１２への押圧による入力を受け付けた後、タッチパネル１２から指もしくはスタイラスペンの押圧物をリリースする過程で、荷重検出部１３により検出される押圧荷重が所定の基準（第４の基準）を満たした際に、押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように、つまり押下物に対して浮揚力を発生させるように、言い換えると、押圧物とタッチパネル１２との間の摩擦力を低減させるように、振動部１４の駆動を制御する。
図９は、本実施の形態に係る入力装置の動作を示すフローチャートである。すなわち、制御部１５は、図８で説明したステップＳ８１およびステップＳ８２の処理を実行した後、荷重検出部１３で検出される荷重が、減少しながら所定の基準（第４の基準）に達したのを検知すると（ステップＳ８３）、振動部１４を、所定時間駆動して、タッチパネル１２を所定の振動振幅で超音波振動させる（ステップＳ８４）。
ここで、図９のステップＳ８３で検知する所定の基準は、例えば、図１および図３においてＥ点の荷重とする。また、ステップＳ８４で駆動する振動部１４の駆動時間は、例えば、図３のＥ点からＦ点までの時間ｔ２とする。なお、これらリリース時に超音波振動を開始させる荷重および振動部１４の駆動時間、並びに、タッチパネル１２の振動振幅は、表現したい押しボタンスイッチのリリース時の荷重特性に応じて適宜設定することができる。したがって、押圧時と同じに設定することも可能である。
このように、リリース時に、所定の荷重で押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させれば、つまり押圧物に対して浮揚力を発生させれば、言い換えれば、押圧物とタッチパネル１２との間の摩擦力を低減させれば、押しボタンをリリースする際に、操作者に触感刺激を与え、押しボタンスイッチのリリース感を呈示することができる。したがって、本実施の形態に係る入力装置によれば、操作者に対して、押圧時の押下感と、リリース時のリリース感とを呈示することができるので、第１実施の形態の場合よりも、より押しボタンスイッチに近い操作感（触感）を与えることができる。
（第３実施の形態）
図１０および図１１は、本発明の第３実施の形態に係る入力装置を示すもので、図１０は概略構成を示すブロック図、図１１は正面図である。この入力装置は、例えば、携帯端末に実装されるもので、図１０に示すように、押圧による入力を受け付ける入力部であるタッチパネル４１と、タッチパネル４１に対する入力位置を検出する位置検出部４２と、位置検出部４２で検出された入力位置に基づく情報を表示する表示パネル４３と、タッチパネル４１に対する押圧荷重を検出する荷重検出部４４と、タッチパネル４１を振動させる振動部４５と、全体の動作を制御する制御部４６とを有する。
タッチパネル４１には、図１１に示すように、予め印刷や貼り付け等により、テンキー等の複数の入力用オブジェクト４１ａを形成する。各入力用オブジェクト４１ａは、入力を受け付ける有効押圧領域を、隣接する複数の入力用オブジェクト４１ａに跨る押圧による誤入力を防止するため、当該入力用オブジェクト４１ａの形成領域よりも狭く設定する。なお、図１０において、荷重検出部４４および振動部４５は、図７に示した入力装置の場合と同様に、それぞれ歪みゲージセンサおよびランジュバン型の超音波振動子を用いて、タッチパネル４１に対する押圧荷重を検出するとともに、タッチパネル４１を振動可能に構成する。
本実施の形態に係る入力装置は、制御部４６において、タッチパネル４１への入力、および、荷重検出部４４で検出される荷重を、それぞれ監視するとともに、位置検出部４２で検出されるタッチパネル４１に対する入力位置を監視する。そして、位置検出部４２により入力用オブジェクトの有効押圧領域の入力位置が検出され、かつ、荷重検出部４４により検出される押圧荷重が、タッチパネル４１で検出された入力を受け付ける所定の基準（第１の基準）を満たした際に、振動部４５によりタッチパネル４１を振動させて、タッチパネル４１を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、タッチパネル４１を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物に対して、浮揚力を発生させる。言い換えると、タッチパネル４１を押圧している指もしくはスタイラスペンの押圧物とタッチパネル４１との間の摩擦力を低減させる。また、制御部４６は、タッチパネル４１で検出された入力を受け付けることにより、表示パネル４３に対して入力に応じた表示を行う。
このように、本実施の形態に係る入力装置は、タッチパネル４１に形成された所望の入力用オブジェクト４１ａの有効押圧領域を押圧すると、その押圧荷重がタッチパネル４１の入力を受け付ける所定値に達した時点で、第１実施の形態に係る入力装置の場合と同様に、振動部４５を駆動してスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、振動部４５を駆動して浮揚力を発生させる。言い換えると、振動部４５を駆動して摩擦力を低減させる。これにより、操作者に対して押下感を呈示して、当該入力操作が完了したことを認識させる。したがって、操作者は、タッチパネル４１を、押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を得ながら、入力操作を行うことができるので、違和感を覚えることがない。また、タッチパネル４１を「押した」と言う意識との連動で入力操作が行われるので、単なる押圧による入力ミスも防止することができる。しかも、タッチパネル４１は、振動可能に構成すればよく、タッチパネル４１の全体を移動可能に構成する必要がないので、構成を簡単にできるとともに、装置全体の小型化が可能となる。
なお、第３実施の形態に係る入力装置は、タッチパネル４１の押圧時において振動部４５の駆動を制御するようしたが、タッチパネル４１への入力の受け付け後、タッチパネル４１から指やスタイラスペン等の押圧物をリリースする場合にも、押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させて、つまり、押圧物に対して浮揚力を発生させて、言い換えれば、押圧物とタッチパネル４１との間の摩擦力を低減させて、操作者に触感刺激を与え、押しボタンスイッチのリリース感を呈示することができる。この場合は、荷重検出部４４で検出される荷重が、減少しながら所定の基準（第２の基準）に達したのを検知して、第２実施の形態で説明した入力装置と同様に、振動部４５によりタッチパネル４１を振動させてスクイーズ膜効果を作用させる。つまり、浮揚力を発生させる。言い換えると、摩擦力を低減させる。
以下、上記各実施の形態に係る入力装置において、タッチパネルの振動を開始させる荷重（押圧力）、振動振幅および振動時間の好適例について説明する。
例えば、市販の携帯端末に広く使用されているメタルドームスイッチは、本発明者らによる測定結果によると、端末の機種によるバラツキはあるものの、０．９８Ｎ（１００ｇｆ）以上の所定の荷重が加わると、急激に荷重が減少する荷重特性を有していることがわかった。そこで、本発明者らは、図６および図７に示した入力装置において、タッチパネル１２の押圧が開始されて、荷重が０．９８Ｎ程度の所定値に達した時点で、タッチパネル１２を、振動周波数が２８．２ＫＨｚ、振動振幅が４μｍ以上、振動時間が１６ｍｓ〜２４ｍｓの範囲内で、超音波振動させる実験を行った。
その結果、メタルドームスイッチを操作した場合のようなクリック感については、操作者に適正に呈示できないものの、「押した」という押下感については、メタルドームスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示可能であることが確認できた。また、この場合、荷重が２Ｎ以下で超音波振動を開始すれば、操作者に適正な押下感を呈示可能であることも確認できた。なお、実験では、タッチパネル１２から指をリリースする際にも、押下時と同じ条件で、振動部１４を駆動した。この場合の評価結果を、図１２〜図１４に示す。なお、振動部１４の駆動信号波形は、サイン波とした。
図１２は、振動部１４の駆動開始時点の荷重を０．９８Ｎ、振動時間を２０ｍｓとし、振動振幅を２．０μｍ〜６．０μｍの間で可変した実験の評価結果を示す。ここで、被験者は、携帯端末の使用に慣れている２０代の男性３人で、評価項目は、「押下感があるか」（実線）、および、「良い感触か」（破線）である。また、評価点は、「押下感があるか」の評価項目では、「感じない」が１点、「感じる」が３点、「強く感じる」が５点であり、「良い感触か」の評価項目では、「悪い」が１点、「不通」が３点、「良い」が５点で、それぞれ平均点を示した。
図１２から明らかなように、振動振幅が４μｍ以上では、評価が高く、押下感を呈示でき、４μｍ未満では、評価が低く、十分な押下感を呈示できないことが判明した。これは、振動振幅が４μｍ未満では、十分なスクイーズ膜効果が発生しないため、押下感として感じることができないものと推定される。
図１３は、振動部１４の駆動開始時点の荷重を０．９８Ｎ、振動振幅を４．０μｍとし、振動時間を１０ｍｓ〜４０ｍｓの間で可変した実験の評価結果を示す。被験者、評価項目および評価点は、図１２の場合と同じである。
図１３から明らかなように、振動時間は、１６ｍｓ〜２４ｍｓの範囲で押下感が呈示できていると言える。この結果から、振動時間が１６ｍｓよりも短いと、スクイーズ膜効果を発生させても、「力の急激な減少」を感じることができず、また、振動時間が２４ｍｓよりも長いと、「力の急激な減少」の期間が長すぎて違和感を覚えるため、押下感とは感じにくいと考えられる。
図１４は、振動部１４の振動振幅を４．０μｍ、振動時間を２０ｍｓとし、駆動開始時点の荷重を０．５Ｎ〜３．０Ｎの間で可変した実験の評価結果を示す。被験者、評価項目および評価点は、図１２及び図１３の場合と同じである。
図１４から明らかなように、荷重検出部１３で検出される荷重が２Ｎ以下で、振動部１４の駆動を開始すれば、評価が高く、押下感を呈示できることがわかる。これに対し、２Ｎを超える荷重を検出して、振動部１４の駆動を開始した場合は、押下感を殆ど呈示できないことがわかる。これは、荷重が２Ｎを超えると、タッチパネル１２の面方向の力成分も大きくなるため、その状態でスクイーズ膜効果を発生させると、摩擦抵抗の減少による指のずれが大きくなって、違和感を覚えるためと考えられる。
なお、タッチパネル１２の振動周波数については、２８．２ＫＨｚの超音波に限らず、スクイーズ膜効果による浮揚力が発生可能な任意の周波数で同様の結果が得られることが確認できた。また、振動部１４の駆動信号波形についても、サイン波に限らず、矩形波や鋸歯波等の任意の波形でも、タッチパネル１２を振動できれば、同様の結果が得られることが確認できた。
以上の評価結果から、上記各実施の形態に係る入力装置を携帯端末に用いる場合は、タッチパネルに０．９８Ｎ程度以上で２Ｎ以下の所定の荷重が加わった時点で、振動振幅４μｍ以上、振動時間１６ｍｓ〜２４ｍｓの範囲内で、タッチパネルを超音波振動させれば、操作者にメタルドームスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示可能であることがわかる。
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、荷重検出部は、任意の個数の歪みゲージセンサを用いて構成することができるとともに、タッチパネルの出力信号に基づいて荷重が検出できれば、歪みゲージセンサを用いることなく構成することができる。また、振動部は、任意の個数の振動子（圧電素子）を用いて構成することができるとともに、例えば、透明圧電素子をタッチパネルの操作面の全面に設けて構成することもできる。また、本発明における所定の基準は、それぞれ異なる基準であってもよいし、同じ基準であってもよい。例えば、第２実施の形態に係る所定の基準（第４の基準）を第１実施の形態に係る所定の基準（第３の基準）より低く設定してもよい。リリース時の所定の基準（第４の基準）を、押下時の所定基準（第３の基準）より低く設定することにより、押下感が押圧物に呈示された後に、必ずリリース感を呈示することができる。
また、本発明は、入力部が一つのスイッチとして機能する入力装置にも有効に適用することができる。さらに、本発明に係る入力装置は、入力部の押圧の途中で、異なる基準（荷重）で順次にスクイーズ膜効果を発生させて、２段階スイッチ（押し込んだ後、さらに押し込む）などの多段階スイッチの荷重特性を表現することもできる。これにより、例えば、カメラのレリーズボタンに適用した場合は、フォーカスロック（１段押し）とレリーズ（２段押し）とを行うことが可能となる。また、表示部と組み合わせた場合は、押し込みの段数に応じてメニュー画面等の表示を種々変更することが可能となる。さらに、このように、多段階スイッチの荷重特性を表現する場合は、各段階での入力部の振動振幅や振動時間を変更して、各段階において異なる押下感を呈示することも可能である。
また、本発明は、荷重検出部により検出される押圧荷重が、入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、振動部を駆動させるが、上記荷重検出部により検出される押圧荷重が入力を受け付ける所定の基準を満たした際とは、荷重検出部により検出される押圧荷重が入力を受け付ける所定値に達した際であってもよいし、荷重検出部により検出される押圧荷重が入力を受け付ける所定値を超えた際でもよいし、荷重検出部により入力を受け付ける所定値が検出された際でもよい。
押しボタンスイッチの一般的な荷重特性を示す図である。 図１に示す押下時の荷重特性における荷重およびストロークの時間変化を示す図である。 図１に示すリリース時の荷重特性における荷重およびストロークの時間変化を示す図である。 プレートを指で押圧する場合の押圧方向の検討結果を説明するための図である。 スクイーズ膜効果の発生原理を説明するための図である。 本発明の第１実施の形態に係る入力装置の概略構成を示すブロック図である。 図６に示した入力装置の実装構造の一例を示す図である。 図６に示した制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施の形態に係る入力装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施の形態に係る入力装置の概略構成を示すブロック図である。 図１０に示した入力装置の正面図である。 本発明者らが行った振動振幅を可変した実験による評価結果を示す図である。 本発明者らが行った振動時間を可変した実験による評価結果を示す図である。 本発明者らが行った振動開始荷重を可変した実験による評価結果を示す図である。
符号の説明
１１ 表示パネル
１２ タッチパネル
１３ 荷重検出部
１４ 振動部
１５ 制御部
２１ 筐体
２１ 液晶パネル
２２ インシュレータ
２３ アッパカバー
２４ インシュレータ
３１ 歪みゲージセンサ
３２ 超音波振動子
４１ タッチパネル
４１ａ 入力用オブジェクト
４２ 位置検出部
４３ 表示パネル
４４ 荷重検出部
４５ 振動部
４６ 制御部

Claims (15)

  1. 押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  2. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
  3. 前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
    前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
    前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
  4. 入力用オブジェクトを表示する表示部と、
    前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  5. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対して浮揚力を発生させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項４に記載の入力装置。
  6. 押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  7. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の入力装置。
  8. 前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
    前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
    前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項６または７に記載の入力装置。
  9. 入力用オブジェクトを表示する表示部と、
    前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  10. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の入力装置。
  11. 押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、前記入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  12. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の入力装置。
  13. 前記入力部に形成された入力用オブジェクトと、
    前記入力部に対する入力位置を検出する位置検出部とを有し、
    前記制御部は、前記位置検出部により前記入力用オブジェクトが形成された入力位置が検出された場合に前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の入力装置。
  14. 入力用オブジェクトを表示する表示部と、
    前記表示部に対する押圧による入力を受け付ける入力部と、
    前記入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、
    前記入力部を振動させる振動部と、
    前記入力部への入力が前記表示部に表示された前記入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が、当該入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、前記入力部を押圧している押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする入力装置。
  15. 前記制御部は、前記入力部への入力を受け付けた後、前記荷重検出部により検出される押圧荷重が所定の基準を満たした際に、前記押圧物と前記入力部との間の摩擦力を低減させるように前記振動部の駆動を制御する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の入力装置。
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