JP2015230668A - 触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電フィルムを用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる触覚提示装置を提供する。【解決手段】平板状の圧電性樹脂を電極挟んで構成される圧電フィルム１１と、圧電フィルム１１に平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板１２と、圧電フィルム１１とは反対側に振動板１２と間隙をおいて振動板１２に沿って設けられ、キー１３Ａを有し、そのキー１３Ａには厚み方向に貫通した孔１３Ｈが形成されたガイド板１３と、孔１３Ｈと対向する振動板１２の位置に設けられ、孔１３Ｈに挿入された突出部１２Ａと、キー１３Ａへのタッチ操作を検出するタッチ検出部タッチセンサ１３Ｓと、タッチセンサ１３Ｓがタッチ操作を検出したときに、圧電フィルム１１に駆動信号を印加する駆動部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、利用者に振動を伝えることで触覚フィードバックを与える触覚提示装置に関する。

近年、タッチパネル式のキーボード等において、ユーザ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、キーを「押した」と感じさせる触覚提示装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、圧電セラミックス等からなる圧電バイモルフ素子の両端を低弾性体で保持し、当該圧電バイモルフの中央に被振動材を接続した構造が記載されている。特許文献１の構造では、圧電バイモルフ素子に交流信号を入力して振動させることにより、接続された被振動材を介して利用者に振動を伝える。

特開２００５−３０３９３７号公報

しかし、圧電セラミックスは割れやすいという課題がある。一方で、圧電フィルムのような割れにくいものは、振動を伝える力が弱く、触覚提示装置に用いることが難しい。

そこで、本発明の目的は、圧電フィルムを用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる触覚提示装置を提供することにある。

本発明に係る触覚提示装置は、平板状の圧電性樹脂を電極挟んで構成される圧電フィルムと、前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、前記圧電フィルムとは反対側に前記振動板と間隙をおいて前記振動板に沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、前記孔と対向する前記振動板の位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部とを備えることを特徴とする。

この構成では、ユーザがタッチ操作を行うと、圧電フィルムに駆動信号が印加され、圧電フィルムが伸縮する。圧電フィルムが伸縮すると、振動板は、その伸縮により、主面に直交する方向に振動する。振動板には、曲げ応力が発生しているため、圧電フィルムの伸縮に対して効率的に振動させることができる。そして、振動板の振動に伴い、突出部がタッチ操作受付板の孔を厚み方向に沿って往復動し、受付領域をタッチしているユーザの指に、その突出部が触れることで、ユーザに対し振動が与えられる。このとき、ユーザは、振動板を直接タッチすることがないため、振動板の振動を阻害することがない。したがって、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。

本発明では、前記タッチ操作受付板は、前記受付領域を複数有し、複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記振動板に設けられていることが好ましい。

この構成では、タッチ操作の受付領域の何れに対してタッチ操作されても、ユーザに対し効率的に振動を伝えることができる。

本発明によれば、

実施形態１に係る触覚提示装置の外観斜視図 （Ａ）は触覚提示装置の平面図、（Ｂ）は側面図 図２（Ａ）のIII−III線における断面図 圧電フィルムの部分拡大図 触覚提示装置が備える各機能をブロックで表した図 触覚提示装置の動作説明図 振動板の突出部がガイド板の孔を往復動したときの状態を示す図 実施形態２に係る触覚提示装置の外観斜視図 図８のＩＶ−ＩＶ線における断面図

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る触覚提示装置１０の外観斜視図である。図２（Ａ）は、触覚提示装置１０の平面図であり、図２（Ｂ）は側面図である。図３は、図２（Ａ）のIII−III線における断面図である。本実施形態に係る触覚提示装置１０は、いわゆるキーボードである。

触覚提示装置１０は、圧電フィルム１１、振動板１２及びガイド板１３を備えている。

振動板１２は、平面視して矩形状である。この振動板１２は、長辺それぞれが圧電フィルム１１の長辺側に固定され、圧電フィルム１１とは反対側に湾曲して突出する形状となっている。圧電フィルム１１は、振動板１２が固定されることで、圧電フィルム１１の短辺に沿った方向（以下、短手方向という）に引張力がかかった状態となる。振動板１２が湾曲することで、圧電フィルム１１と振動板１２との間には、中空領域１００が形成される。

圧電フィルム１１と振動板１２との接着方法として、振動板１２の両端部と圧電フィルム１１の両端部とを接着剤を介して接着してもよいし、圧電フィルム１１と振動板１２とをクリップ等で挟持して装着してもよい。

以下では、圧電フィルム１１が存在する側を、振動板１２及び触覚提示装置１０の背面側と言い、その反対側を振動板１２及び触覚提示装置１０の正面側と言う。

図４は、圧電フィルム１１の部分拡大図である。圧電フィルム１１は、圧電性樹脂のベースフィルム１１Ｃの両主面に電極１１Ａ及び電極１１Ｂが形成されてなる。電極１１Ａ及び電極１１Ｂ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１１Ａ及び電極１１Ｂには、銀ナノワイヤ電極を用いることも可能であるし、アルミ蒸着電極を用いることが好ましい。電極１１Ａ及び電極１１Ｂには、図示しない配線が接続されており、その配線を介して駆動信号が電極１１Ａ及び電極１１Ｂへ印加される。

圧電フィルム１１のベースフィルム１１Ｃ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１１Ｃは、透光性の高いポリ乳酸（ＰＬＡ）、又は、一軸延伸されたＰＬＬＡを材料とする。

圧電フィルム１１のベースフィルム１１Ｃは、両主面の電極１１Ａ及び電極１１Ｂに駆動信号が印加されると、短手方向に伸縮する。短手方向に伸縮するベースフィルム１１Ｃ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１２は、平板面が湾曲した状態で圧電フィルム１１に固定されるため、図２（Ｂ）の白抜き矢印Ｆ９０１のように、曲げ応力が加わった状態で圧電フィルム１１に固定される。また、圧電フィルム１１には、図２（Ｂ）の白抜き矢印Ｓ９０１に示すように、圧電フィルム１１の主面における短手方向に引張力がかかった状態となる。

ガイド板１３は、本発明に係る「タッチ操作受付板」に相当する。ガイド板１３は、振動板１２の正面側であって、振動板１２と同様に、湾曲した状態で振動板１２に固定されている。ガイド板１３は、振動板１２との間に空隙が形成されるよう、ガイド板１３の長辺それぞれが支持部材１４により、振動板１２の長辺それぞれに固定されている。ガイド板１３は、振動板１２よりも剛性が高く、正面側表面がユーザのタッチ操作を受け付ける操作面となっている。

ガイド板１３の表面には、複数のキー１３Ａが配列されている。複数のキー１３Ａは、例えば、ガイド板１３の表面にプリントされたものである。このキー１３Ａの表面には、キー１３Ａへのタッチ操作を検出するタッチセンサ１３Ｓが設けられている。キー１３Ａは、本発明に係る「受付領域」に相当し、タッチセンサ１３Ｓは、本発明に係る「タッチ検出部」に相当する。このタッチセンサ１３Ｓは、ユーザ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、等の様々な方式を用いることができる。また、タッチセンサ１３Ｓは、キー１３Ａの裏面に設けられていてもよい。

キー１３Ａが形成された領域には、孔１３Ｈが形成されている。この孔１３Ｈに対向する振動板１２の位置には、正面側に突出した突出部１２Ａが設けられている。突出部１２Ａは、例えば振動板１２に穴が形成され、その穴に固定されたものであってもよいし、振動板１２と一体的に形成されたものであってもよい。突出部１２Ａは円柱形状であり、その径は、孔１３Ｈよりも小さい。そして、突出部１２Ａは、一部が孔１３Ｈに挿入された状態となる。

後述するが、この突出部１２Ａは、キー１３Ａをタッチしているユーザの指に対して振動板１２の振動を伝達するための部材である。突出部１２Ａは、キー１３Ａをタッチしているユーザの指に触れる程度の高さを有していればよい。例えば、突出部１２Ａは、振動板１２の振動時に突出部１２Ａの端部がガイド板１３の表面と面一、又は、突出するような高さであってもよい。また、キー１３Ａをタッチしたユーザの指の一部が、孔１３Ｈ内に入りこむことを考慮して、突出部１２Ａは、端部がガイド板１３の表面よりも多少内側に位置する高さであってもよい。

また、振動板１２とガイド板１３との間に形成されている空隙は、振動板１２の振動を阻害しない程度の距離を有していればよい。振動板１２は振動時に、正面方向及び背面方向に振動する。このとき、正面側に振動した振動板１２が、ガイド板１３に接触すると、振動板１２の振動を損害する。したがって、振動板１２の振動範囲を考慮して、ガイド板１３と振動板１２との間に空隙を設ければよい。この空隙により、ユーザがガイド板１３をタッチ操作しても、振動板１２の振動を阻害することがない。

図５は、触覚提示装置１０が備える各機能をブロックで表した図である。触覚提示装置１０は制御部１５を備える。この制御部１５は、例えば、触覚提示装置１０の所望の位置に設けられた回路基板（不図示）のマイコンなどである。その制御部１５は、操作判定部１５１及び駆動部１５２の機能を実現している。

操作判定部１５１は、複数のタッチセンサ１３Ｓからの出力信号を取得し、ユーザによるタッチ操作が行われたか否かを判定する。操作判定部１５１は、タッチ操作を検出すると、駆動部１５２へ操作検出を通知する。その駆動部１５２は、駆動信号を圧電フィルム１１の電極１１Ａ及び電極１１Ｂに交流電圧を印加する。電極１１Ａ及び電極１１Ｂに交流電圧が印加されると、圧電フィルム１１の厚み方向に電界が印加され、圧電フィルム１１は振動する。

図６は、触覚提示装置１０の動作説明図であり、図６（Ａ）は、駆動信号により圧電フィルム１１が縮んだタイミングでの状態を示す。図６（Ｂ）は、駆動信号が印加されていない、又は駆動信号の振幅が０の状態を示す。図６（Ｃ）は、駆動信号により圧電フィルム１１が伸びたタイミングでの状態を示す。

駆動部１５２が、圧電フィルム１１に駆動信号を印加し、圧電フィルム１１の厚み方向の一方向に電界を印加すると、図６（Ａ）の矢印Ｓ９１１に示すように、圧電フィルム１１は、振動板１２の短手方向に沿って収縮する。このとき、圧電フィルム１１は、主面の法線方向のうち正面側にわずかに湾曲することになる。そして、振動板１２は、圧電フィルム１１に固定されている箇所から中央方向に引っ張られる。これにより、振動板１２は、図６（Ａ）の矢印Ｆ９１１に示すように、前方へより突出するように湾曲する。

一方、駆動部１５２が、圧電フィルム１１に駆動信号を印加し、上記厚み方向の一方向とは逆の方向の電界を印加すると、図６（Ｃ）の矢印Ｓ９１２に示すように、圧電フィルム１１は、振動板１２の固定端に直交する方向に沿って伸張する。このとき、圧電フィルム１１は主面の法線方向のうち背面側にわずかに湾曲することになる。そして、振動板１２は、中央方向から圧電フィルム１１に固定されている箇所に引っ張られる。これにより、振動板１２は、図６（Ｃ）の矢印Ｆ９１２に示すように、前方への突出量が低下した湾曲状態となる。

したがって、振動板１２は、駆動信号の振幅に応じて、図６（Ｂ）の状態を基準に、図６（Ａ）の状態及び図６（Ｃ）の状態に遷移して、正面方向及び背面方向に沿って振動する。ガイド板１３は、振動板１２よりも剛性が高いため、振動板１２が振動しても、ほぼ略振動しない。このため、振動板１２の振動に伴い振動する突出部１２Ａがガイド板１３の孔１３Ｈの内部を、ガイド板１３の厚み方向に沿って往復動する。

図７は、振動板１２の突出部１２Ａがガイド板１３の孔１３Ｈを往復動したときの状態を示す図である。孔１３Ｈの内部を突出部１２Ａが往復動すると、突出部１２Ａの端部は、キー１３Ａをタッチ操作しているユーザの指９０に接触し、指９０へ反発感を与える。この反発感により、振動板１２の振動がユーザの指９０に伝達される。したがって、ユーザは、ガイド板１３のキー１３Ａをタッチすると、振動がフィードバックされるため、キーを「押した」と感じることができる。

以上説明したように、本実施形態では、振動板１２はユーザにより直接タッチされないため、振動が阻害されない。そして、その振動板１２の振動を、突出部１２Ａを介してユーザの指に伝えることで、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係る触覚提示装置２０の外観斜視図である。図９は、図８のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。

触覚提示装置２０は、実施形態１と同様に、圧電フィルム２１及び振動板２２を備えている。圧電フィルム２１及び振動板２２は、実施形態１と同様のものであって、振動板２２は、間に中空領域２００が形成されるように、短手方向の中央部が下面側に突状に湾曲した状態で、圧電フィルム２１に接着されている。圧電フィルム２１及び振動板２２は、振動板２２の下面が例えば載置台に接触しないように、振動板２２の下面を短手方向の支持部材２４で支持している。これにより、振動板２２は、図９の白抜き矢印Ｆ９０２に示すように、両端部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２１は、図９の白抜き矢印Ｓ９０２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。

触覚提示装置２０はガイド板２３を備えている。ガイド板２３は、本発明に係る「タッチ操作受付板」に相当する。ガイド板２３は、圧電フィルム２１の振動板２２とは反対側（以下、上面側という）に、圧電フィルム２１との間に空隙２０１が形成されるように設けられている。

ガイド板２３の表面には、複数のキー２３Ａ（本発明に係る受付領域に相当）が配列されている。複数のキー２３Ａは、例えば、ガイド板２３の表面にプリントされたものである。このキー２３Ａの表面には、キー２３Ａへのタッチ操作を検出するタッチセンサ２３Ｓ（本発明に係るタッチ検出部に相当）が設けられている。キー２３Ａが形成された領域には、孔２３Ｈが形成されている。

孔２３Ｈに対向する圧電フィルム２１の位置には、上面側に突出した突出部２１Ａが設けられている。突出部２１Ａは、例えば圧電フィルム２１に穴が形成され、その穴に固定されたものである。突出部２１Ａは円柱形状であり、その径は、孔２３Ｈよりも小さい。そして、突出部２１Ａは、一部が孔２３Ｈに挿入された状態となる。

圧電フィルム２１及び振動板２２の振動態様については、実施形態１と同様である。すなわち、キー２３Ａがタッチされると、図５で説明した駆動部が圧電フィルム２１の電極に交流電圧が印加され、圧電フィルム２１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２２は、圧電フィルム２１が短手方向に収縮すると、短手方向の両端部間の距離が短くなる。すると、振動板２２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２２は、圧電フィルム２１が短手方向に伸張すると、短手方向の両端部間の距離が長くなる。これにより、振動板２２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２２は、触覚提示装置２０の高さ方向に沿って振動する。

圧電フィルム２１及び振動板２２が振動することで、圧電フィルム２１に設けられた突出部２１Ａが、ガイド板２３の孔２３Ｈ内を移動する。キー２３Ａをタッチ操作しているユーザの指がこの突出部２１Ａに触れることで、ユーザに振動がフィードバックされるため、ユーザは、キー２３Ａを「押した」と感じることができる。このとき、ガイド板５１と圧電フィルム２１との間に空隙１０１が形成されているため、ユーザがガイド板２３をタッチ操作しても、圧電フィルム２１の振動を阻害することがない。したがって、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。

１０…触覚提示装置
１１…圧電フィルム
１１Ａ，１１Ｂ…電極
１１Ｃ…ベースフィルム
１２…振動板
１２Ａ…突出部
１３…ガイド板
１３Ａ…キー
１３Ｈ…孔
１３Ｓ…タッチセンサ
１４…支持部材
１５…制御部
２０…触覚提示装置
２１…圧電フィルム
２１Ａ…突出部
２２…振動板
２３…ガイド板
２３Ａ…キー
２３Ｈ…孔
２３Ｓ…タッチセンサ
２４…支持部材
５１…ガイド板
９０…指
１００…中空領域
１０１…空隙
１５１…操作判定部
１５２…駆動部
２００…中空領域
２０１…空隙

Claims (4)

1. 平板状の圧電性樹脂を電極挟んで構成される圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、
   前記圧電フィルムとは反対側に前記振動板と間隙をおいて前記振動板に沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、
   前記孔と対向する前記振動板の位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、
   前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、
   前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部と、
   を備える触覚提示装置。
2. 前記タッチ操作受付板は、前記受付領域を複数有し、
   複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、
   前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記振動板に設けられている、
   請求項１に記載の触覚提示装置。
3. 平板状の圧電性樹脂を電極挟んで構成される圧電フィルムと、
   前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、
   前記振動板とは反対側に前記圧電フィルムと間隙をおいて前記圧電フィルムに沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、
   前記孔と対向する前記圧電フィルムの位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、
   前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、
   前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部と、
   を備える触覚提示装置。
4. 前記タッチ操作受付板は、前記受付領域を複数有し、
   複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、
   前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記圧電フィルムに設けられている、
   請求項３に記載の触覚提示装置。

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