JP2012128499A

JP2012128499A - 触覚デバイス

Info

Publication number: JP2012128499A
Application number: JP2010277036A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Hamamura; 尚宏濱村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】触覚フィードバックの応答性を向上させる。
【解決手段】検出回路１０８は、タッチセンサ１００への接触を検出したとき、発振周波数にて検出信号Ｓ１を生成する。触覚回路１１０は、駆動周波数にて駆動信号Ｓ２を生成することにより、圧電アクチュエータ１１６を振動させる。触覚回路１１０は、検出信号Ｓ１を駆動信号Ｓ２に変換することにより、検出信号Ｓ１から駆動信号Ｓ２を直接的に生成する。発振周波数が駆動周波数よりも高周波数の場合には、触覚回路は発振周波数を低下させることにより、駆動周波数を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、触覚デバイスに関し、特に、触覚フィードバックの応答性を向上させる技術に関する。

携帯情報端末やデジタルカメラ、現金自動預け払い機（ＡＴＭ：Automated Teller Machine）、カーナビゲーションシステムなど、タッチパネルを搭載する電子機器は多い。タッチパネルは、厚さが数ｍｍ程度であるため、電子機器を小型化する上で好適である。

機械式ボタンを押すときには、ボタンからの反発力が伝わるため、ユーザは入力の受け付けを触感により確信できる。しかし、タッチパネルにはストローク感がない。そこで、人工的に触感を作り出すためのさまざまな方法が提案されている。その中でも、圧電アクチュエータによる触感生成方法は広く採用されている。圧電アクチュエータを交流電圧によって振動させることにより、人工的な触感を生成できる。

特開２００３−５３４６２０号公報特開２００７−１２２５０１号公報特開２０１０−１５２８８９号公報特開２００６−４０００５号公報

通常、タッチパネルへの接触を示す検出信号はＣＰＵ、いいかえれば、ソフトウェアによって処理される。しかし、ソフトウェアが接触を認識して圧電アクチュエータを振動させる場合、触覚フィードバックの応答性が悪くなるという問題点がある。これは、ソフトウェア処理に特有のオーバーヘッドに起因する。また、触覚フィードバック制御機能をソフトウェアとして実装しなければならないという開発負担もある。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、触覚デバイスにおける触覚フィードバックの応答性を向上させることである。

本発明に係る触覚デバイスは、タッチセンサと、タッチセンサへの接触を検出し、発振周波数にて検出信号を生成する検出回路と、駆動周波数にて駆動信号を生成することにより、圧電アクチュエータを振動させる触覚回路を備える。触覚回路は、検出信号を駆動信号に変換することにより、検出信号から駆動信号を直接的に生成する。

ここでいう「触覚デバイス」とは、触覚フィードバック機能を備える装置であればよく、また、それ自体が独立した製品である必要はない。たとえば、所定装置のうち触覚フィードバック機能を担うモジュールや機能ブロックであってもよい。交流信号である検出信号から圧電アクチュエータを振動させるための駆動信号を直接的に生成するため、ソフトウェア等の介在がなくても触覚フィードバック機能を実現できる。この結果、触覚フィードバックの応答性を向上させやすくなる。

発振周波数は駆動周波数よりも高周波数であってもよい。触覚回路は、発振周波数を低下させることにより、駆動周波数の駆動信号を生成してもよい。触覚回路は、分周回路により、検出信号を駆動信号に変換してもよい。

このデバイスは、駆動信号の生成を開始および停止させる制御回路、を更に備えてもよい。制御回路は、分周回路に含まれるフリップフロップをクリアすることにより、駆動信号の生成を停止させてもよい。また、制御回路は、所定の境界値よりも低い発振周波数にて検出信号が生成されたとき、駆動信号の生成を許可するとしてもよい。

タッチセンサは、押下によって静電容量が変化する静電容量式のタッチセンサであってもよい。そして、検出回路は、タッチセンサの静電容量の変化量に応じて発振周波数を変化させてもよい。また、触覚回路は、タッチセンサの静電容量の変化量に応じて駆動周波数を変化させてもよい。押下量に応じて駆動周波数等を変化させることにより、押下量に応じて触感を変化させることができる。

タッチセンサには、押下力に抗する弾性体が挿入されてもよい。

本発明によれば、高い応答性にて触覚フィードバック機能を提供しやすくなる。

タッチセンサの原理を説明するための模式図である。タッチセンサの等価回路図である。第１実施形態における触覚デバイスの回路図である。検出信号と駆動信号の波形図である。第２実施形態における触覚デバイスの回路図である。第３実施形態における触覚デバイスの回路図である。第４実施形態における触覚デバイスの回路図である。図８（ａ）は非接触時、図８（ｂ）は接触時、図８（ｃ）は押下時のおけるタッチセンサの模式図である。発振周波数と駆動周波数の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、タッチセンサ１００の原理を説明するための模式図である。図２は、タッチセンサ１００の等価回路図である。タッチセンサ１００は、いわゆる静電容量式であり、第１電極１０２および第２電極１０４が対向するキャパシタとして形成される。タッチセンサ１００の基本的な静電容量、いいかえれば、非接触時の静電容量をＣｐとする。第２電極１０４は、グランド電位となる。

第１電極１０２に指が接触すると、第１電極１０２とグランドの間に人体の静電容量Ｃｂが発生する。この結果、図２に示すように、ＣｐとＣｂの並列回路が形成され、タッチセンサ１００の全体としての静電容量ＣがＣｐからＣｐ＋Ｃｂに増加する。

タッチセンサ１００を発振回路につなぐと、その発振周波数ｆｔはタッチセンサ１００の静電容量Ｃによって変化する。第１電極１０２に指が接触すると静電容量Ｃが増加するので、発振周波数ｆｔは低下する。この発振周波数ｆｔの低下を検出することにより、接触・非接触の判定が可能となる。タッチパネルは、このようなタッチセンサ１００を大量に敷き詰めたシートとして形成される。

［第１実施形態］
図３は、第１実施形態における触覚デバイス１０６の回路図である。触覚デバイス１０６は、検出回路１０８と触覚回路１１０を含む。触覚回路１１０は分周回路１１２を含む。また、検出回路１０８は発振回路１１４を含む。本実施形態における発振回路１１４としては、テキサス・インスツルメンツ社のＮＥ５５５を採用している。発振回路１１４にはタッチセンサ１００が接続される。発振回路１１４から出力される検出信号Ｓ１は、発振周波数ｆｔの交流信号である。タッチセンサ１００に指が接触すると発振周波数ｆｔは低下する。本実施形態においては、非接触時の発振周波数ｆｔ０は５．３８ｋＨｚ、接触時の発振周波数ｆｔ１は２．１４ｋＨｚとなる。検出信号Ｓ１は、分周回路１１２に入力される。

分周回路１１２においては、４つのＤフリップフロップＤＦＦ１〜ＤＦＦ４が縦続接続される。分周回路１１２の目的は、検出信号Ｓ１の発振周波数ｆｔを低下させることにより、駆動周波数ｆｄを生成することである。分周回路１１２は、４つのＤフリップフロップＤＦＦを含むため、駆動周波数ｆｄは発振周波数ｆｔの１／１６となる。したがって、接触時における駆動周波数ｆｄは、２．１４ｋＨｚ÷１６＝約１３４Ｈｚとなる（図４参照）。こうして、分周回路１１２からは駆動周波数ｆｄの駆動信号Ｓ２が出力される。

駆動信号Ｓ２により、トランジスタＴｒのオン・オフが繰り返され、圧電アクチュエータ１１６が振動する。圧電アクチュエータ１１６の振動をタッチパネル等に伝えることにより、触覚フィードバックが実現される。

一般的に、タッチセンサの静電容量や人体の静電容量は数１００（ｐＦ）以下である。このような小さな静電容量に対応する発振回路１１４を構成した場合、圧電アクチュエータ１１６を振動させるには発振周波数ｆｔが高くなりすぎるため、人間が触覚を認識するには不向きである。人間が触覚を感じるためには、通常、圧電アクチュエータ１１６を１０〜７００Ｈｚの範囲で振動させる必要がある。そこで、本実施形態における触覚デバイス１０６では、発振周波数ｆｔを分周回路１１２により低下させることにより、高周波数帯の発振周波数ｆｔを低周波数帯の駆動周波数ｆｄに変換している。検出信号Ｓ１から駆動信号Ｓ２を直接的に生成するため、ソフトウェアによる制御は不要である。この結果、触覚フィードバックの応答性を格段に向上させることができる。もちろん、触覚フィードバック制御のための機能をソフトウェアとして実装する必要もなくなる。

発振周波数ｆｔが充分に低い場合には、分周回路１１２による分周を行わずに、発振周波数ｆｔをそのまま駆動周波数ｆｄとして利用してもよい。なお、圧電アクチュエータ１１６以外にも高分子アクチュエータや低周波数電流等により、触覚フィードバックを実現してもよい。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態における触覚デバイス１０６の回路図である。第２実施形態においては、圧電アクチュエータ１１６の振動可否を制御するための制御回路１１８を追加している。具体的には、検出信号Ｓ１の伝送経路に挿入されるスイッチＳＷを制御回路１１８により制御している。制御回路１１８は、ＣＰＵおよびソフトウェアにより構成されてもよい。第２実施形態においてはソフトウェア制御が導入されることになるが、スイッチＳＷのオン・オフを制御するだけならば、実質的にはほとんど遅延要因とはならない。制御回路１１８により、異常時や非接触時において圧電アクチュエータ１１６の振動を停止させることができる。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態における触覚デバイス１０６の回路図である。第３実施形態においては、制御回路１１８は各ＤフリップフロップＤＦＦのクリア端子ＣＬＲと接続される。また、検出信号Ｓ１は、分周回路１１２だけでなく制御回路１１８にも入力される。制御回路１１８は、クリア信号ＣＬをアサートすることにより、各ＤフリップフロップＤＦＦをクリアし、触覚回路１１０を停止させることができる。制御回路１１８は、検出信号Ｓ１の発振周波数ｆｔが所定の境界値よりも高いときにはクリア信号ＣＬをアサートする。これにより、非接触または接触不十分で発振周波数ｆｔが高いときには圧電アクチュエータ１１６は振動しなくなる。タッチセンサ１００への接触により発振周波数ｆｔが境界値以下となると、クリア信号ＣＬをネゲートすることにより、触覚回路１１０を活性化させる。

発振回路１１４はＮＥ５５５に限らず静電容量の変化により発振周波数ｆｔが変化する回路であればよい。また、発振回路１１４に付属する抵抗（調整素子）等の設定値を変更すれば発振条件を調整できる。非接触時の静電容量では発振できないように発振条件を設定しておけば、制御回路１１８を介在させることなく駆動回路１１０をオン・オフ制御することも可能である。

［第４実施形態］
図７は、第４実施形態における触覚デバイス１０６の回路図である。回路構成は、第３実施形態と同じである。第４実施形態においては、タッチセンサ１００にばね１２０が挿入される。ばね１２０は、ばね性を有したものであればよい。その材質は金属である必要はなく、エラストマーなどの弾力性のある他の物質であってもよい。第１電極１０２の押下量により、タッチセンサ１００の静電容量Ｃは連続的に変化する。

図８（ａ）は、非接触時におけるタッチセンサ１００の模式図である。タッチセンサ１００のもともとの静電容量をＣｐ１とすると、Ｃ＝Ｃｐ１となる。図８（ｂ）は、接触時におけるタッチセンサ１００の模式図である。このときには、図１に関連して説明したようにＣ＝Ｃｐ１＋Ｃｂとなる。図８（ｃ）は、押下時におけるタッチセンサ１００の模式図である。押下により、第１電極１０２と第２電極１０４の距離が縮まるため、静電容量Ｃ（＝Ｃｐ２＋Ｃｂ，Ｃｐ２＞Ｃｐ１）は更に増加する。

図９は、発振周波数ｆｔと駆動周波数ｆｄの関係を示す図である。上述したように、発振周波数ｆｔは駆動周波数ｆｄに比べると格段に高周波数である。非接触時の発振周波数ｆｔ＝ｆｔ０、接触時の発振周波数ｆｔ＝ｆｔ１であるとする。また、押下により発振周波数ｆｔはｆｔ２まで低下させることができる。制御回路１１８は、発振周波数ｆｔ＜ｆｔ１となったとき、クリア信号ＣＬをネゲートし、触覚回路１１０を動作させる。いいかえれば、タッチセンサ１００への接触を条件として、触覚回路１１０を動作させる。したがって、発振周波数ｆｔは、制御時においてはｆｔ２〜ｆｔ１の間で変化する。

発振周波数ｆｔ１、ｆｔ２は、それぞれ駆動周波数ｆｄ１、ｆｄ２に対応する。押下量によって発振周波数ｆｔは連続的に変化し、それに対応して駆動周波数ｆｄも連続的に変化する。すなわち、押下量に応じて触感を微妙に変化させることができる。

以上、各実施形態に基づいて触覚デバイス１０６の構成を説明した。本実施形態における触覚デバイス１０６によれば、ソフトウェアによる触覚フィードバック制御を実質的に不要化できるため、触覚フィードバックの応答性を向上させることができる。また、制御回路１１８により、圧電アクチュエータ１１６の振動を制御できる。ばね１２０により、第１電極１０２と第２電極１０４の距離を可変とすることにより、押下量に応じて触感を微妙に変化させることができる。この結果、ソフトウェア制御に頼らずに、多様な触感を実現できる。

本実施形態においては単一の触覚デバイス１０６を対象として説明したが、複数のタッチセンサ１００を複数の発振回路１１４に接続することにより、各発振回路１１４から出力される複数の検出信号Ｓ１の波形に基づいてタッチパネルを振動させてもよい。なお、指の位置検出は一般的な静電容量タッチパネルと同等の方式にて実現すればよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

１００タッチセンサ、１０２第１電極、１０４第２電極、１０６触覚デバイス、１０８検出回路、１１０触覚回路、１１２分周回路、１１４発振回路、１１６圧電アクチュエータ、１１８制御回路、１２０ばね、Ｓ１検出信号、Ｓ２駆動信号、ＤＦＦＤフリップフロップ。

Claims

タッチセンサと、
前記タッチセンサへの接触を検出し、発振周波数にて検出信号を生成する検出回路と、
駆動周波数にて駆動信号を生成することにより、圧電アクチュエータを振動させる触覚回路と、を備え、
前記触覚回路は、前記検出信号を前記駆動信号に変換することにより、前記検出信号から前記駆動信号を直接的に生成することを特徴とする触覚デバイス。
前記発振周波数は、前記駆動周波数よりも高周波数であって、
前記触覚回路は、前記発振周波数を低下させることにより、前記駆動周波数の前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の触覚デバイス。
前記触覚回路は、分周回路により、前記検出信号を前記駆動信号に変換することを特徴とする請求項２に記載の触覚デバイス。
前記駆動信号の生成を開始および停止させる制御回路、を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の触覚デバイス。
前記駆動信号の生成を開始および停止させる制御回路、を更に備え、
前記制御回路は、前記分周回路に含まれるフリップフロップをクリアすることにより、前記駆動信号の生成を停止させることを特徴とする請求項３に記載の触覚デバイス。
前記制御回路は、所定の境界値よりも低い発振周波数にて前記検出信号が生成されたとき、前記駆動信号の生成を許可することを特徴とする請求項４に記載の触覚デバイス。
前記タッチセンサは、押下によって静電容量が変化する静電容量式のタッチセンサであって、
前記検出回路は、前記タッチセンサの静電容量の変化量に応じて前記発振周波数を変化させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の触覚デバイス。
前記触覚回路は、前記タッチセンサの静電容量の変化量に応じて前記駆動周波数を変化させることを特徴とする請求項７に記載の触覚デバイス。
前記タッチセンサには、押下力に抗する弾性体が挿入されることを特徴とする請求項７または８に記載の触覚デバイス。