JP2015230667A - 触覚提示キーボード - Google Patents

Abstract

【課題】タッチ操作に対する触覚フィードバックを与える触覚提示キーボードであって、キー入力の操作感を向上させる触覚提示キーボードを提供することにある。【解決手段】触覚提示キーボード１０では、圧電フィルム１と振動板３との間に空隙９０４が設けられることにより、圧電フィルム１から振動板３の上面までのキーストロークを確保し、利用者に「キーを押し込んだ」という感じさせることができる。【選択図】 図４

Description

本発明は、タッチ操作がなされることでキーが入力されるタッチ式キーボードであって、利用者に振動を伝えることでタッチ操作のフィードバックを与える触覚提示キーボードに関する。

近年、タッチ式キーボードにおいて、利用者がキーをタッチした時に振動を伝えることで触覚フィードバックを与え、利用者に「キーをタッチした（キーを入力した）」と感じさせる触覚提示キーボードが提案されている。

例えば、特許文献１には、表示部、振動部、押圧力検出部、及びタッチセンサが順に積層されてなる触覚提示キーボードが記載されている。特許文献１に示す触覚提示キーボードは、タッチセンサが検出したタッチ操作の位置が所定位置であると、振動部が振動することにより、利用者に振動の触覚フィードバックを与えている。

特開２０１３−２５０７１０号公報

しかし、特許文献１に示す触覚提示キーボードでは、表示部、振動部、押圧力検出部、及びタッチセンサが積層されて一体となっていることにより、利用者がタッチセンサからさらに押し込むことが略不可能である。すなわち、特許文献１に示す触覚提示キーボードでは、タッチしたキーが沈み込むというキーストロークがほとんど無い。これにより、特許文献１に示す触覚提示キーボードは、利用者に「キーを押し込んだ」と感じさせることがない。

そこで、本発明の目的は、キー入力の操作感を向上させた触覚提示キーボードを提供することにある。

本発明の触覚提示キーボードは、一部に圧電性樹脂を含み、かつ対向する両主面に電極が形成された圧電フィルムと、タッチ操作を検出する検出部と、前記検出部が前記タッチ操作を検出すると、駆動信号を前記圧電フィルムの各電極に印加する駆動部と、前記圧電フィルムとの間に空隙を有する状態で該圧電フィルムに装着される平板状の振動板と、を備える。そして、前記圧電フィルムは、前記振動板よりも操作面側に配置される、
キーボードの各キーは操作面側に配置される。振動板は、駆動部からの駆動信号によって圧電フィルムが伸縮を繰り返すと、主面法線方向に振動する。

利用者がタッチしたキーをそのまま押し込むと、押し込む力は、振動板よりも先に操作面側の圧電フィルムに伝わり、キーの位置で下面側に突出するように圧電フィルムを変形させる。利用者は、圧電フィルムが振動板との間に空隙を介していることにより、圧電フィルムが振動板に接触するまでキーを押し込むことが可能となる。すなわち、本発明の触覚提示キーボードは、圧電フィルムから振動板までのキーストロークを確保し、利用者に「キーを押し込んだ」と感じさせて、操作感を向上させることができる。

また、圧電フィルムは、利用者がキーから指を離そうとしたときに、弾力によって元の形状に戻る。これにより、触覚提示キーボードは、利用者に「キーから指を離した（キー入力を終えた）」と感じさせることもできる。

なお、触覚提示ボードは、検出部が検出したタッチ操作の位置に応じて、入力されたキーを特定する。特定されたキーの情報（信号）は、インターフェース（例えばＵＳＢ（；Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ））を介して外部装置に出力する。

また、振動板と圧電フィルムとの装着は、エキサイタフィルムを介してもよい。すなわち、触覚提示キーボードは、エキサイタフィルム主面に圧電フィルム主面を接着し、例えばエキサイタフィルムの両端部と振動板の両端部とを接着してなる態様であっても構わない。

触覚提示キーボードは、振動板と圧電フィルムとの間に空隙を形成するために、以下のように構成される。例えば、前記振動板は、中央部が前記圧電フィルムと反対側に突状に湾曲した形状である。さらに、前記振動板は、両端部に曲げ応力がかかった状態で前記圧電フィルムに接着されることが望ましい。

このように曲げ応力が発生する状態で振動板を圧電フィルムに接着することにより、圧電フィルムには中央部から両端部の方向に引っ張り力がかかる。これにより、触覚提示キーボードは、圧電フィルムが伸縮しやすくなるため、振動板を効率的に振動させることができる。

また、例えば、前記振動板の両端部に配置されるスペーサを備え、前記スペーサは、前記圧電フィルムの両端部と、前記振動板の両端部とを接続し、前記振動板は、両端部に曲げ応力がかかった状態で前記圧電フィルムに装着される態様であっても、振動板と圧電フィルムとの間に空隙が形成される。

また、検出部は、前記振動板の前記操作面側の主面に配置されるタッチセンサからなる態様であってもよい。

この構成では、触覚提示キーボードは、利用者がキーを押し込んだ時に、タッチ操作を検出して振動板を振動させる。従って、触覚提示キーボードは、「キーを入力した」、及び「キーを押し込んだ」という２つの操作感を略同じタイミングで感じさせることができるため、従来技術の独立したキー部材を用いたキーボード（例えばメカニカルキーボード）のような操作感を感じさせることができる。

また、前記圧電性樹脂は、ポリフッ化ビニリデンを材料としてもよい。また、圧電性樹脂はキラル高分子を材料としてもよいし、そのキラル高分子は、ポリ乳酸であってもよい。

キラル高分子の圧電特性は、分子構造に起因するため、ポリフッ化ビニリデン等の強誘電体のポリマーに比べて、焦電効果がない。したがって、キラル高分子を材料とした圧電フィルムは、指の温度が伝わってしまうキーボードの構成として好適である。また、圧電フィルムは、キラル高分子がポリ乳酸である場合、圧電出力定数が高くなり、振動板をより振動させることができる。

この発明の触覚提示キーボードは、圧電フィルムから振動板までのキーストロークを確保するため、利用者に「キーを押し込んだ」と感じさせて、操作感を向上させることができる。

触覚提示キーボード１０の外観斜視図である。 （Ａ）は、触覚提示キーボード１０のＡ−Ａ断面図であり、（Ｂ）は、圧電フィルム１の断面を拡大した図である。 触覚提示キーボード１０の構成の一部を示すブロック図である。 触覚提示キーボード１０の動作説明図である。 触覚提示キーボード１０Ａの外観斜視図である。 触覚提示キーボード１０ＡのＢ−Ｂ断面図である。 触覚提示キーボード１０Ｂの外観斜視図である。 触覚提示キーボード１０Ｃの断面図である。

図１は、第１の実施形態に係る触覚提示キーボード１０の外観斜視図である。図２（Ａ）は、触覚提示キーボード１０のＡ−Ａ断面図である。図２（Ｂ）は、圧電フィルム１の断面を拡大した図である。なお、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の点線に示す範囲を拡大して示している。

触覚提示キーボード１０は、いわゆるタッチ式キーボードである。タッチ式キーボードとは、操作面のキーがタッチされることによって、キー入力を受付けてインターフェース（例えばＵＳＢ（；Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ））を介して外部装置（例えばＰＣ）にキーの情報（信号）を出力するものである。また、触覚提示キーボード１０は、利用者がキーをタッチしたときに、タッチした指に振動を伝えて（触覚提示を行い）、利用者に「キーをタッチした（キーを入力した）」と感じさせるものである。

第１の実施形態に係る触覚提示キーボード１０は、さらに、利用者に「キーを押し込んだ」と感じさせることにより、操作感を向上させたものである。

触覚提示キーボード１０は、図１に示すように、高さ方向の長さ（厚み）が幅方向及び奥行き方向の長さより短い。触覚提示キーボード１０は、幅方向の長さが奥行き方向の長さより長い。触覚提示キーボード１０の高さ方向の面は、操作面９００である。

触覚提示キーボード１０は、図１に示すように、圧電フィルム１、タッチ操作検出部２０、振動板３、及び２つの支持部材４を備えている。振動板３、圧電フィルム１、及びタッチ操作検出部２０は、高さ方向に順に配置されている。

圧電フィルム１は、主面が矩形状であり、長手方向が触覚提示キーボード１０の幅方向と同じ方向であり、短手方向が触覚提示キーボード１０の奥行き方向と同じ方向である。圧電フィルム１は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、ベースフィルム１Ｃの両主面に電極１Ａ及び電極１Ｂが形成されてなる。電極１Ａ及び電極１Ｂは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とすることが好ましい。なお、電極１Ａ及び電極１Ｂには、銀ナノワイヤ電極を用いることも可能であるし、透光性が低くてよい使用態様であれば、アルミ蒸着電極を用いることが好ましい。電極１Ａ及び電極１Ｂには、図示しない引出配線導体が接続されており、駆動信号が当該引出配線導体を介して電極１Ａ及び電極１Ｂへ印加される。

圧電フィルム１のベースフィルム１Ｃは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、キラル高分子、等の圧電性材料の樹脂を一部に含む。より好ましくは、ベースフィルム１Ｃは、透光性の高いポリ乳酸（ＰＬＡ）を材料として用いる。特に一軸延伸されたＰＬＬＡを材料とすることが望ましい。ＰＬＡを用いる場合、他の構成も透光性の高い材料を用いることにより、操作面９００側から視た略全面が高い透光性を有する触覚提示キーボード１０を実現することができる。

また、キラル高分子の圧電特性は、分子構造に起因するため、ポリフッ化ビニリデン等の強誘電体のポリマーに比べて、焦電効果がない。従って、キラル高分子は、圧電フィルム１のように、利用者の指の温度が伝わってしまう構成として好適である。

圧電フィルム１のベースフィルム１Ｃは、両主面の電極１Ａ及び電極１Ｂに駆動信号が印加されると、短手方向（触覚提示キーボード１０の奥行方向と同じ方向）に伸縮する。短手方向に伸縮するベースフィルム１Ｃを用意するために、例えば材料がＰＬＬＡである場合、延伸方向に対して略４５°の角度をなす方向が短手方向となるように裁断する。

振動板３は、圧電フィルム１に接着されない状態では平板状である。振動板３は、長手方向が触覚提示キーボード１０の幅方向と同じ方向であり、短手方向が触覚提示キーボード１０の奥行き方向と同じ方向である。振動板３は、例えばアクリル樹脂ＰＭＭＡで構成されている。なお、振動板３は、金属板、ＰＥＴ、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ＰＬＬＡ、ガラス、等の他の材料を用いてもよい。

振動板３は、図１及び図２（Ａ）に示すように、短手方向の両端部９０１が、圧電フィルム１の短手方向の両端部に接着されている。接着方法として、振動板３の両端部９０１の上面と圧電フィルム１の両端部下面とを接着剤を介して接着するが、振動板３と圧電フィルム１とをクリップ等で挟持して装着しても構わない。また、振動板３は、両端部に限らず、両端部より短手方向中央部側で圧電フィルム１に接着されても構わない。

振動板３は、図２（Ａ）に示すように、短手方向の中央部が下面（触覚提示キーボード１０の高さ方向と反対方向の面）側に突状に湾曲した状態で、圧電フィルム１に接着されている。これにより、振動板３は、図２（Ａ）の白抜き矢印９０２に示すように、両端部９０１に曲げ応力がかかっている。この曲げ応力により、圧電フィルム１は、図２（Ａ）の白抜き矢印９０３に示すように、短手方向の中央部から両端部に引っ張り力がかかっている。

このように振動板３を曲げた状態で圧電フィルム１に接着することにより、触覚提示キーボード１０は、図２（Ａ）に示すように、短手方向の両端部９０１以外の部分で振動板３と圧電フィルム１との間に空隙９０４が形成されている。なお、図２（Ａ）は、空隙９０４を誇張して図示しており、実際の空隙９０４の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであり、触覚提示キーボード１０全体の厚みに比べて極薄い。このように、極薄い厚みがキーストロークであっても、利用者にキーを押し込んだと感じさせることができる。

振動板３にかかっている曲げ応力９０２は、圧電フィルム１が短手方向に伸張した際に振動板３の短手方向の中央部の突出量を減少させやすくするため、振動板３をより変形させる。これにより、振動板３は、より大きく振動するようになる。ただし、曲げ応力９０２がかかっている状態で振動板３を圧電フィルム１に接着することは必須ではない。例えば、触覚提示キーボード１０は、曲げ応力がかかっていない状態で短手方向の中央部が突状に湾曲した振動板を備える態様であってもかまわない。

２つの支持部材４は、振動板３の下面が例えば載置台に接触しないように、振動板３の下面を短手方向の両端部９０１で支持している。

タッチ操作検出部２０は、図１及び図２（Ａ）に示すように、圧電フィルム１の上面（振動板３と反対側の面）に配置されている。

タッチ操作検出部２０は、複数のタッチセンサ２を備えている。複数のタッチセンサ２は、圧電フィルム１と絶縁するための絶縁フィルム２Ａ上にそれぞれ配置されている。

複数のタッチセンサ２は、キーボードのキー配列に応じてそれぞれ配置されている。複数のタッチセンサ２は、利用者のタッチ操作を検出する機能であればどの様な方式であってもよく、メンブレン式、静電容量式、圧電フィルム式、等の様々な方式のものであってもよい。各タッチセンサ２は、利用者の指にタッチされると、タッチされたことを示す信号を引出配線導体（不図示）に出力する。

実際の触覚提示キーボード１０は、各タッチセンサ２を覆い、かつキー配列を示す文字及び記号が形成されたカバーが最外層に配置されて操作面９００を構成しているが、本実施形態ではカバーの説明は省略する。また、実際の触覚提示キーボード１０は、回路モジュールを備えており、各機能部の機能を実現しているが、回路モジュールの図示は省略する。

次に、図３は、触覚提示キーボード１０の構成の一部を示すブロック図である。触覚提示キーボード１０の回路モジュールは、キー特定部１０１、駆動部１０２、及び出力部１０３の各機能を実現している。

キー特定部１０１は、キー配列と複数のタッチセンサ２とを対応付けて記憶している。キー特定部１０１は、複数のタッチセンサ２からの出力信号を取得し、利用者からタッチされているタッチセンサ２を求める。そして、キー特定部１０１は、タッチされたタッチセンサ２に対応するキー（例えばＥＮＴＥＲキー）を特定する。ただし、駆動部１０２は、タッチセンサ２がタッチされたことのみをトリガとして、駆動信号を出力してもよい。

キー特定部１０１は、特定したキーの情報を出力部１０３に出力する。出力部１０３は、インターフェース（例えばＵＳＢ）を介して、所定のプロトコル及びフォーマットで取得したキーの情報を外部装置（例えばＰＣ）に送信する。

また、キー特定部１０１は、キーを特定すると、キー特定の旨を駆動部１０２に出力する。駆動部１０２は、キー特定の情報を取得すると、駆動信号を出力し、圧電フィルム１の電極１Ａ及び電極１Ｂに交流電圧を印加する。

すると、圧電フィルム１（ベースフィルム１Ｃ）は、交流電圧の周期に同期して短手方向に伸縮を繰り返す。振動板３は、圧電フィルム１が短手方向に収縮すると、短手方向の両端部９０１間の距離が短くなる。すると、振動板３は、短手方向の中央部の下面への突出量が増加する。振動板３は、圧電フィルム１が短手方向に伸張すると、短手方向の両端部９０１間の距離が長くなる。すると、振動板３は、短手方向の中央部の下面への突出量が減少する。このように、振動板３は、触覚提示キーボード１０の高さ方向に沿って振動する。

次に、図４は、触覚提示キーボード１０の動作説明図である。まず、利用者の指９０５がタッチセンサ２をタッチすると、キーが特定されて振動板３が触覚提示キーボード１０の高さ方向に振動する。そして、利用者は、タッチしている指９０５でタッチセンサ２を押下する。すると、絶縁フィルム２Ａ及び圧電フィルム１は、タッチされているタッチセンサ２の位置で下面側に突出するように変形する。圧電フィルム１は、図４に示すように、利用者がタッチセンサ２をさらに押下すると、振動板３に接触する。すると、利用者は、指９０５で振動板３の振動を感じる。

本実施形態に係る触覚提示キーボード１０では、圧電フィルム１と振動板３との間に空隙９０４が設けられることにより、圧電フィルム１から振動板３の上面までのキーストロークを確保し、利用者に「キーを押し込んだ」という感じさせることができる。

なお、振動板３は、圧電フィルム１と接触しても、圧電フィルム１が指９０５に抑えられている部分以外で伸縮するため、振動が止まることがない。また、振動板３は、圧電フィルム１より振動が強いため、指９０５に抑えられても即座に振動が止まることがない。

また、各タッチセンサ２は、空隙９０４より操作面９００側に配置されている。従って、触覚提示キーボード１０は、圧電フィルム１を介して指９０５が振動板３を抑え込む前に、振動板３の振動を開始させる。その結果、振動板３は、指９０５によって抑えられることにより振動開始が阻害されることがない。

また、振動板３と圧電フィルム１との接着は、エキサイタフィルムを介してもよい。すなわち、触覚提示キーボード１０は、エキサイタフィルム主面に圧電フィルム１を接着し、エキサイタフィルムの両端部と振動板３の両端部９０１とを接着してなる態様であっても構わない。

また、上述の例では、振動板３は、短手方向の両端部９０１間の距離が変化することで触覚提示キーボード１０の高さ方向に振動していたが、長手方向の両端部間の距離が変化することで振動しても構わない。この場合、長手方向に伸縮する圧電フィルムを用い、長手方向両端部で振動板３と圧電フィルムとを接着する。

次に、図５は、第２の実施形態に係る触覚提示キーボード１０Ａの外観斜視図である。図６は、触覚提示キーボード１０ＡのＢ−Ｂ断面図である。触覚提示キーボード１０Ａは、空隙９０６を設けるために、振動板３Ａ及び圧電フィルム１がスペーサ５を介して接着されている点において、触覚提示キーボード１０と相違する。

振動板３Ａは、圧電フィルム１に接着された状態で平板状態であり、かつ圧電フィルム１に接着されていない状態で短手方向の中央部が上面側に突状に湾曲した形状である点において振動板３と相違する。

振動板３Ａは、平坦にされた状態で、スペーサ５を介して圧電フィルム１と接着される。これにより、振動板３Ａには、図６の白抜き矢印９０３に示すように曲げ応力が両端部９０１にかかる。すると、圧電フィルム１は、図６の白抜き矢印９０２に示すように、短手方向の中央部から両端部に引っ張り力がかかる。これにより、振動板３Ａは、圧電フィルム１が伸張した際に、短手方向中央部が上面側に突状に湾曲するようになる。圧電フィルム１が伸張を繰り返すと、振動板３Ａは、高さ方向に振動する。

振動板３Ａは、図５及び図６に示すように、スペーサ５を介して両端部９０１が圧電フィルム１の短手方向の両端部に接着されていることにより、短手方向両端部９０１以外で圧電フィルム１と空隙９０６を介している。これにより、触覚提示キーボード１０Ａは、触覚提示キーボード１０と同様に、圧電フィルム１から振動板３Ａの上面までのキーストロークを確保して、利用者に「キーを押し込んだ」と感じさせることができる。また、触覚提示キーボード１０Ａは、振動板３が平坦な形状であるため下面が平坦となり、載置されたときの姿勢が安定しやすくなる。

次に、図７は、第３の実施形態に係る触覚提示キーボード１０Ｂの外観斜視図である。触覚提示キーボード１０Ｂは、圧電フィルム１から振動板３Ｂまでのキーストロークをさらに長くしたものである。より具体的には、触覚提示キーボード１０Ｂは、振動板３Ｂに複数の孔３０が形成されている点において、第１の実施形態に係る触覚提示キーボード１０と相違する。

複数の孔３０は、触覚提示キーボード１０Ｂを平面視して、操作面のキー配列に応じた位置にそれぞれ形成されている。すなわち、各孔３０は、触覚提示キーボード１０Ｂを平面視して、各タッチセンサ２の位置に対応する位置に配置されている。ただし、各孔３０は、平面視して矩形状に限らず、例えば円形状であっても構わない。

触覚提示キーボード１０Ｂでは、利用者がキーを押し込むと、圧電フィルム１の下面の突出部分は、押し込まれたキーの位置に対応する孔３０を通過する。これにより、圧電フィルム１からのキーストロークは、より長くなる。なお、利用者は、キーを押し込んだ指によって圧電フィルム１が孔３０の縁に接触すると、当該縁から振動板３Ａの振動を感じる。

次に、図８は、第４の実施形態に係る触覚提示キーボード１０Ｃの外観斜視図である。触覚提示キーボード１０Ｃは、タッチ操作検出部２０Ｃを備える点において、触覚提示キーボード１０と相違する。すなわち、触覚提示キーボード１０Ｃは、タッチ操作検出部２０Ｃが振動板３の上面に配置されているものである。

触覚提示キーボード１０Ｃは、このように構成されても、圧電フィルム１からタッチ操作検出部２０Ｃまでのキーストロークを確保することができる。また、触覚提示キーボード１０Ｃは、圧電フィルム１が押し込まれた後にキー入力されて振動する。従って、触覚提示キーボード１０Ｃは、利用者に「キーをタッチした（キーを入力した）」、及び「キーを押し込んだ」という２つの操作感を略同じタイミングで感じさせることができるため、従来技術の独立したキー部材を用いたキーボード（例えばメカニカルキーボード）のような操作感を感じさせることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…触覚提示キーボード
１…圧電フィルム
１Ａ，１Ｂ…電極
１Ｃ…ベースフィルム
２…タッチセンサ
２Ａ…絶縁フィルム
３，３Ａ，３Ｂ…振動板
４…支持部材
５…スペーサ
２０，２０Ｃ…タッチ操作検出部
３０…孔
１０１…キー特定部
１０２…駆動部
１０３…出力部

Claims (8)

1. 一部に圧電性樹脂を含み、かつ対向する両主面に電極が形成された圧電フィルムと、
   タッチ操作を検出する検出部と、
   前記検出部が前記タッチ操作を検出すると、駆動信号を前記圧電フィルムの各電極に印加する駆動部と、
   前記圧電フィルムとの間に空隙を有する状態で該圧電フィルムに装着される平板状の振動板と、
   を備え、
   前記圧電フィルムは、前記振動板よりも操作面側に配置される、
   触覚提示キーボード。
2. 前記振動板は、中央部が前記圧電フィルムと反対側に突状に湾曲した形状である、
   請求項１に記載の触覚提示キーボード。
3. 前記振動板は、両端部に曲げ応力がかかった状態で前記圧電フィルムに接着される、
   請求項２に記載の触覚提示キーボード。
4. 前記振動板の両端部に配置されるスペーサを備え、
   前記スペーサは、前記圧電フィルムの両端部と、前記振動板の両端部とを接続し、
   前記振動板は、両端部に曲げ応力がかかった状態で前記圧電フィルムに装着される、
   請求項１に記載の触覚提示キーボード。
5. 前記検出部は、前記振動板の前記操作面側の主面に配置されるタッチセンサからなる、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の触覚提示キーボード。
6. 前記圧電性樹脂は、ポリフッ化ビニリデンを材料とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の触覚提示キーボード。
7. 前記圧電性樹脂は、キラル高分子を材料とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の触覚提示キーボード。
8. 前記キラル高分子は、ポリ乳酸であることを特徴とする請求項７に記載の触覚提示キーボード。

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