JP2016009449A - 触感呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された触感呈示装置を提供する。【解決手段】パネル３０と、アクチュエータ５０と、パネル３０及びアクチュエータ５０に係合し、アクチュエータ５０の変位によりアクチュエータ５０の変位方向及び変位量を異なる変位方向及び異なる変位量に変換して、パネル３０をスライドさせる変換部６０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、触感呈示装置に関するものである。

例えば特許文献１には、タッチパネル等のパネル上で、指等の接触物に対してリアルな触感を呈示する技術が開示されている。特許文献１に開示の触感呈示装置は、パネルを厚さ方向に振動させることにより接触物との間に生じるスクイーズ膜効果を利用して、操作者に「押した」という押下感を呈示している。

特許第４８７５０５０号公報

従来知られている触感提示装置は、パネルを厚さ方向に振動させることから、装置構成上、改善の余地がある。

本発明の目的は、改善された触感呈示装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る触感呈示装置は、
パネルと、
アクチュエータと、
前記パネル及び前記アクチュエータに係合し、前記アクチュエータの変位により当該アクチュエータの変位方向及び変位量を異なる変位方向及び異なる変位量に変換して、前記パネルをスライドさせる変換部と、
を備えるものである。

前記変換部は、前記アクチュエータの変位により回動して前記パネルをスライドさせる回動部材を備えるとよい。

前記変換部は、前記アクチュエータの変位方向と交差して延在する斜面を有し、前記アクチュエータの変位により当該アクチュエータの変位方向に直線移動する直線移動部材と、該直線移動部材の変位により前記斜面を滑動して前記パネルをスライドさせる滑動部材と、を備えてもよい。

本発明に係る触感呈示装置においては、前記パネルを前記変換部に与圧を加えて係合させるとともに、前記変換部を前記アクチュエータに与圧を加えて係合させる与圧部をさらに備えるとよい。

前記アクチュエータは、積層型圧電素子を備え、
前記積層型圧電素子は、変位方向が前記パネルの平面視において当該パネルのスライド方向と交差して配置されるとよい。

本発明によれば、改善された触感呈示装置を提供することができる。

本発明の第１実施の形態に係る触感呈示装置の概略構成を示す外観斜視図である。 図１の触感呈示装置の要部の概略構成を拡大して示す平面図である。 図２の変換部の作用を説明するための図である。 図２の変換部の変形例を示す図である。 図１の触感呈示装置の要部の回路構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第２実施の形態に係る触感呈示装置の要部の概略構成を示す平面図である。 図６の変換部の作用を説明するための図である。 図６の変換部の変形例を示す図である。 図６の変換部の他の変形例を示す図である。

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１は、本発明の第１実施の形態に係る触感呈示装置の概略構成を示す外観斜視図である。触感呈示装置１０は、専用装置として実現されてもよく、例えば、スマートフォン等の携帯電話機、携帯型ミュージックプレイヤ、ノートパソコン、腕時計、タブレット端末、ゲーム機などの他の機能を有する電子機器として実現されてもよい。

本実施の形態に係る触感呈示装置１０は、外観形状が概略長方形状を成す筐体２０を備える。筐体２０は、金属や硬質プラスチック等で形成される。筐体２０の内部には、表面板２１側にパネル３０が配置されており、パネル３０の下側に図１にパネル３０の一部を切り欠いて示すように、表示部４０が保持されている。

パネル３０は、接触を検出するタッチパネル又は表示部４０を保護するカバーパネル等からなる。パネル３０は、例えばガラス又はアクリル等の合成樹脂により、例えば長方形状に形成される。パネル３０は、タッチパネルである場合、操作者の指、ペン又はスタイラスペン等の接触物による接触を検出する。タッチパネルの検出方式は、静電容量方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式（又は超音波方式）、赤外線方式、電磁誘導方式又は荷重検出方式等の任意の方式を用いることができる。本実施の形態では、説明の便宜上、パネル３０は、タッチパネルとする。この場合、パネル３０は表示部４０と一体的に構成される場合もある。

パネル３０は、長手方向にスライド可能に筐体２０に支持される。パネル３０は、スライド範囲に亘って、表面３０ａの周辺部を除く領域が、筐体２０の表面板２１に形成された開口２１ａから露出する。パネル３０及び表示部４０が一体的に構成されている場合は、両者が一体的にスライド可能に支持される。

表示部４０は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ、電子ペーパ等を用いて構成される。表示部４０は、ブラウザや電子ブック等のアプリケーションソフトウェア（以下、単に「アプリケーション」と記す）における画像（ページ）、アイコンや押しボタン等の入力用オブジェクト等を表示する。

図２は、筐体２０の表面板２１を取り除いて示す要部の概略構成を拡大して示す平面図である。筐体２０には、パネル３０の長辺３０ｂ、３０ｃをそれぞれ位置決めして、パネル３０のスライドをガイドするガイド部材２２が配置されている。図２では、合計４つのガイド部材２２をパネル３０の長辺３０ｂ、３０ｃの両端部に配置した例を示しているが、ガイド部材２２は４つに限らず、各長辺に３つ以上又は一つの長尺のガイド部材を設ける構成であってもよい。

筐体２０には、パネル３０の一方の短辺３０ｄ側に、アクチュエータ５０及び変換部６０が設けられる。アクチュエータ５０は、パネル３０をスライドさせるための駆動源を構成するもので、例えば圧電素子５１を用いて構成される。圧電素子５１は、電気信号（電圧）を印加することで、構成材料の電気機械結合係数に従い伸縮又は屈曲変位する素子である。これらの素子は、例えばセラミックや水晶からなるものが用いられる。圧電素子５１は、ユニモルフ、バイモルフ又は積層型圧電素子であってよい。積層型圧電素子には、バイモルフを積層した積層型バイモルフ素子や、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる複数の誘電体層と、該複数の誘電体層間に配置された電極層との積層構造体から構成されるスタックタイプのものがある。ユニモルフは電気信号が印加されると伸縮変位し、バイモルフは電気信号が印加されると屈曲変位し、スタックタイプの積層型圧電素子は電気信号が印加されると積層方向に沿って伸縮変位する。本実施の形態では、圧電素子５１がスタックタイプの積層型圧電素子からなる。

圧電素子５１は、一端部が筐体２０の内壁に固定されて、パネル３０の短辺３０ｄとほぼ平行に延在して配置される。したがって、圧電素子５１の変位方向とパネル３０のスライド方向とは、パネル３０の平面視において交差している。圧電素子５１の変位をガイドするため、筐体２０には、圧電素子５１を挟むように一対のガイド部材２３が配置されている。

変換部６０は、パネル３０の短辺３０ｄ及び圧電素子５１の他端部の端面に係合して配置される。変換部６０は、圧電素子５１の変位により、その変位方向及び変位量を異なる変位方向及び異なる変位量に変換してパネル３０をスライドさせる。本実施の形態において、変換部６０は回動部材６１を有する。回動部材６１は、固定軸６２に回動可能に係止される係止部６１ａと、圧電素子５１が当接する当接部６１ｂと、パネル３０の短辺３０ｄが当接する当接部６１ｃとを有し、係止部６１ａがフック状に形成され、当接部６１ｂ及び６１ｃが突状に形成されている。

一方、パネル３０の他方の短辺３０ｅ側には、与圧部７０が配置されている。与圧部７０は、図２において、パネル３０を右方向に附勢して、パネル３０の短辺３０ｄを回動部材６１の当接部６１ｃに与圧を加えて当接させるとともに、回動部材６１の当接部６１ｂを圧電素子５１に与圧を加えて当接させる。与圧部７０は、例えば緩衝材、バネ、ゴム等の弾性体で構成される。

図２において、圧電素子５１が上方に変位すると、回動部材６１は固定軸６２を支点として左回りに回動する。これにより、圧電素子５１による変位方向が、変換部材６０によりほぼ９０度変換されてパネル３０に伝達されて、パネル３０が与圧部７０の与圧に抗して左方向にスライドする。

ここで、変換部６０の作用について、図３を参照して説明する。図３は、変換部６０の拡大図である。図３において、支点は回動部材６１の係止部６１ａが係合する固定軸６２を示し、力点は圧電素子５１が当接する回動部材６１の当接部６１ｂを示し、作用点はパネル３０の短辺３０ｄが当接する当接部６１ｃを示す。圧電素子５１の変位によって力点に投入される投入変位量をＳ、投入力をＴとし、作用点に作用する変位量をＤ、発生力をＦとし、支点となる固定軸６２から力点までの距離をＬ１、支点から作用点までの距離をＬ２とするとき、変位量Ｄ及び発生力Ｆは、下式（１）及び（２）のように近似できる。ただし、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれＳ、Ｄよりも十分大きいものとする。
Ｄ＝Ｓ×Ｌ２／Ｌ１ ・・・（１）
Ｆ＝Ｔ×Ｌ１／Ｌ２ ・・・（２）

上式（１）及び（２）から、力点や作用点の位置すなわち距離Ｌ１やＬ２を適切に設定することにより、触感を呈示できる十分な変位量Ｄ及び発生力Ｆを得ることが可能となる。一般に、積層型の圧電素子５１は、投入力Ｔは大きいが、投入変位量Ｓは小さい。これに対し、触感を呈示できるパネル３０のスライド量すなわち変位量Ｄは投入変位量Ｓに比べて大きく、スライドさせる力すなわち発生力Ｆは投入力Ｔに比べて小さい。したがって、容易に入手可能な積層型の圧電素子５１を用いることが可能となる。

また、圧電素子５１の変位方向とパネル３０のスライド方向とのなす角度、すなわち圧電素子５１の変位方向の変換角度は、９０度に限らず任意に設定することができる。したがって、簡単に構成することが可能となる。

一方、図３に示すように、回転部材６１には、力の発生体である圧電素子５１による抗力Ａ（＝Ｔ）と、移動対象物であるパネル３０による抗力Ｂ（＝Ｆ）と、抗力Ａ及び抗力Ｂをバランスさせるための抗力Ｃ（＝（Ｔ²＋Ｆ²）^1/2）とが発生する。つまり、抗力Ａ及び抗力Ｂが常に発生するように、固定軸６２の位置を定めれば、３つの効力Ａ、Ｂ、Ｃのバランスにより回転部材６１の位置が定まる。したがって、回転部材６１を固定軸６２に緊密に保持させる必要がないので、回転部材６１を図３の形状に代えて、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示すような形状とするなど、回転部材６１の形状の自由度を向上できるとともに、変換部６０の組み立て性を向上できる。

図４（ａ）に示す回転部材６１は、係止部６１ａがフック状に形成され、扇形状の両側面に当接部６１ｂ及び６１ｃが形成されるものである。図４（ｂ）に示す回転部材６１は、全体が扇形の多角形状からなり、扇形状の頂角部に固定軸６２よりも大径の開口からなる係止部６１ａが形成され、扇形状の両側面に当接部６１ｂ及び６１ｃが形成されるものである。図４（ｃ）に示す回転部材６１は、全体がＬ字形状からなり、Ｌ字形状の内角部が係止部６１ａを構成し、外側面に当接部６１ｂ及び６１ｃが形成されるものである。

また、回転部材６１に抗力Ａ及び抗力Ｂが常に作用することにより、回転部材６１と固定軸６２との係合部に摩擦が発生しても、Ｌ１：Ｌ２すなわちＤ：Ｓ及びＴ：Ｆをほぼ一定に維持することができる。したがって、磨耗に影響されることなく、パネル３０を初期の条件で長期間に亘って安定してスライドさせることが可能となる。

本実施の形態に係る触感呈示装置１０は、パネル３０への操作者の指、ペン又はスタイラスペン等の接触物による接触又は押下を検出して、圧電素子５１を変位させる。これにより、パネル３０をスライドさせて、操作者に触感をフィードバックする。

図５は、図１の触感呈示装置１０の要部の回路構成を示す機能ブロック図である。触感呈示装置１０は、制御部７０と、記憶部７１と、圧電素子駆動部７２と、上述したパネル３０、表示部４０及び圧電素子５１とを有する。

制御部７０は、触感呈示装置１０の各機能ブロックを含む装置全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部７０は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成される。かかるプログラムは、例えば記憶部７１又は外部の記憶媒体等に格納される。

記憶部７１は、半導体メモリ等で構成され、各種情報や触感呈示装置１０を動作させるためのプログラム等を記憶するとともに、ワークメモリとしても機能する。

圧電素子駆動部７２は、制御部７０からの制御信号に基づいて圧電素子５１に印加する電気信号を生成して圧電素子５１に印加する。

表示部４０は、制御部７０による制御のもとに、アプリケーションにおける画像（ページ）、アイコンや押しボタン等の入力用オブジェクト等を表示する。パネル３０は、表示部４０に表示されたオブジェクトに対する接触物による接触を検出する。パネル３０の出力は、制御部７０に供給されてパネル３０に対する接触物の接触の位置が検出される。

制御部７０は、パネル３０の出力に基づいて表示部４０に表示された入力用オブジェクトに対する接触物による接触を検出すると、圧電素子駆動部７２により圧電素子５１を所定の駆動パターンで駆動する。制御部７０は、パネル３０への接触を検出し、さらに接触物によるパネル３０への押下荷重が所定値に達したのを検出して圧電素子５１を駆動してもよい。この場合、パネル３０への押下荷重は、例えばパネル３０の出力に基づいて検出することもできるし、パネル３０に圧電素子や歪みセンサ等の荷重センサを取り付けて検出することもできる。圧電素子５１の駆動により、パネル３０がスライドされて、操作者に入力用オブジェクトを操作した触感が呈示される。

圧電素子５１の駆動パターンは、例えば接触物の接触が検出された入力用オブジェクトに応じて記憶部７１に記憶しておくことができる。例えば、押しボタンを押した触感を呈示する場合は、所定周波数の半サイクルのパルス状の駆動電圧を圧電素子５１に印加して、パネル３０を一往復スライドさせる駆動パターンとすることができる。その他、入力用オブジェクトに応じて、所定周波数の複数サイクルの駆動電圧を圧電素子５１に印加して、パネル３０を複数往復スライドさせる駆動パターンとすることもできる。

本実施の形態に係る触感呈示装置１０によると、パネル３０をスライドさせて触感を呈示するので、パネル３０を厚さ方向に変位させる場合と比較して、例えば装置の厚さ方向の寸法の制約が改善される。また、変換部６０が回動部材６１を有するので、図３において説明したように、容易に入手可能な積層型の圧電素子５１を用いて簡単に構成することが可能となる。また、回転部材６１を固定軸６２に緊密に保持させる必要がないので、回転部材６１の形状の自由度を向上でき、変換部６０の組み立て性を向上できるとともに、回転部材６１と固定軸６２との係合部の磨耗に影響されることなく、パネル３０を初期の条件で長期間に亘って安定してスライドさせることが可能となる。

また、与圧部７０により、パネル３０を回動部材６１の当接部６１ｃに当接させるとともに、回動部材６１の当接部６１ｂを圧電素子５１に当接させる構成としたので、パネル３０を圧電素子５１によってスムーズにスライドさせることが可能となる。また、圧電素子５１は、パネル３０の短辺に沿って、つまりパネル３０の平面視において、圧電素子５１の変位方向がパネル３０のスライド方向と交差して配置されているので、パネル３０の長辺方向の装置の寸法を小さくでき、小型化が可能となる。

（第２実施の形態）
図６は、本発明の第２実施の形態に係る触感呈示装置の要部の概略構成を示す平面図であり、図２に対応する図である。本実施の形態に係る触感呈示装置１１は、第１実施の形態に係る触感呈示装置１０と変換部６０の構成が異なるものである。以下、第１実施の形態と同一構成要素には同一参照符号を付し、異なる部分について説明する。

図６において、変換部６０は、直線移動部材６３と滑動部材６４とを備える。直線移動部材６３は、圧電素子５１の変位方向と交差する方向に延在する斜面６３ａと、圧電素子５１に結合される辺６３ｂと、筐体２０の内壁を滑動する辺６３ｃとを有するくさび形状からなる。滑動部材６４は、直線移動部材６３の斜面６３ａを滑動する滑動面６４ａと、パネル３０の短辺３０ｄに結合される辺６４ｂと、パネル３０の長辺方向に延在して筐体２０に設けられたガイド部材２４を滑動する辺６４ｃとを有する三角形状からなる。

図６において、圧電素子５１が上方に変位すると、直線移動部材６３も筐体２０にガイドされて圧電素子５１と一体に上方に変位する。直線移動部材６３が上方に変位すると、その変位に伴って滑動部材６４が直線移動部材６３の斜面６３ａを滑動して、ガイド部材２４に沿って図６の左方向に直線移動する。これにより、圧電素子５１による変位方向が、変換部材６０によりほぼ９０度変換されてパネル３０に伝達されて、パネル３０が与圧部７０の与圧に抗して左方向にスライドする。

ここで、変換部６０の作用について、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図７（ａ）は変換部６０の拡大図であり、図７（ｂ）は直線移動部材６３の拡大図であり、図７（ｃ）は滑動部材６４の拡大図である。図７（ａ）において、圧電素子５１の変位によって直線移動部材６３の力点に投入される投入変位量をＳ、投入力をＴとし、直線移動部材６３の作用点から滑動部材６４（パネル３０）が受ける変位量をＤ、発生力をＦとし、直線移動部材６３の変位方向に対する斜面６３ａのなす角度をθとする。この場合、変位量Ｄは、下式（３）で表される。
Ｄ＝Ｓ×tanθ ・・・（３）

一方、直線移動部材６３とガイドとなる筐体２０との間の摩擦力をＰ１、摩擦係数をμ１、直線移動部材６３と滑動部材６４との間の摩擦力をＰ２、摩擦係数をμ２、滑動部材６４とガイド部材２４との間の摩擦力をＰ３、摩擦係数をμ３とし、摩擦を考慮した投入力及び発生力をそれぞれＴ´及びＦ´とする。この場合、直線移動部材６３には、図７（ｂ）に示すように摩擦力Ｐ１及びＰ２が作用する。これら摩擦力Ｐ１及びＰ２は、下式によって表される。なお、Ｎ´は、斜面６３ａの法線方向に作用する投入力Ｔ´と発生力Ｆ´との合成力である。
Ｐ１＝μ１×Ｆ´
Ｐ２＝μ２×Ｎ´＝μ２×Ｔ´／sinθ

したがって、この場合の投入力Ｔは、下式（４）のようになる。
Ｔ＝Ｔ´＋Ｐ１＋Ｐ２×cosθ
＝Ｔ´＋μ１×Ｆ´＋μ２×Ｔ´／sinθ×cosθ
＝Ｔ´＋μ１×Ｔ´×cotθ＋μ２×Ｔ´cotθ
＝Ｔ´×（１＋μ１cotθ＋μ２cotθ） ・・・（４）

また、滑動部材６４には、図７（ｃ）に示すように摩擦力Ｐ２及びＰ３が作用する。これら摩擦力Ｐ２及びＰ３は、下式によって表される。
Ｐ２＝μ２×Ｎ´＝μ２×Ｔ´／sinθ
Ｐ３＝μ３×Ｔ´

したがって、この場合の発生力Ｆは、下式（５）のようになる。
Ｆ＝Ｆ´−Ｐ３−Ｐ２×sinθ
＝Ｔ´／tanθ−μ３×Ｔ´−μ２×Ｔ´
＝Ｔ´×（cotθ−μ２−μ３） ・・・（５）

上式（４）及び（５）から、圧電素子５１による投入力Ｔによって、パネル３０に作用する発生力Ｆは、下式（６）で表される。
Ｆ＝Ｔ×（cotθ−μ２−μ３）／（１＋μ１cotθ＋μ２cotθ） ・・・（６）

なお、摩擦がない場合、Ｆ＝Ｔ×cotθとなる。また、摩擦係数が全て同一（μ）とすると、Ｆ＝Ｔ×（cotθ−２μ）／（１＋２μcotθ）となる。

本実施の形態によると、上式（３）及び（６）から、直線移動部材６３の変位方向に対する斜面６３ａのなす角度θを適切に設定することにより、触感を呈示できる十分な変位量Ｄ及び発生力Ｆを得ることが可能となる。したがって、第１実施の形態の場合と同様に、容易に入手可能な積層型の圧電素子５１を用いることが可能となる。また、直線移動部材６３及び滑動部材６４がともに直線的に移動するので、より簡易に構成できる。その他の作用効果については、第１実施の形態と同様である。なお、直線移動部材６３及び滑動部材６４による変位方向の変換角度は、９０°の限らず、任意の角度とすることが可能である。

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、幾多の変形又は変更が可能である。例えば、アクチュエータは、圧電素子に限らず、磁歪素子や形状記憶合金等を用いて構成されてもよい。また、第２実施の形態において、変換部６０は図８又は図９に示すように構成されてもよい。

図８に示す変換部６０は、直線移動部材６３の斜面６３ａが曲面に形成され、斜面６３ａの形状に応じて滑動部材６４の滑動面６４ａが曲面に形成されたものである。このように、直線移動部材６３の斜面６３ａを曲面に形成すれば、直線移動部材６３の変位に伴って滑動部材６４と接する作用点における接線の角度が変化するので、変位量Ｄ及び発生力Ｆの変化を投入変位に対して非線形にできる。

したがって、例えば、図８において直線移動部材６３の上部の角度θ´を図７に示した角度θよりも小さくすることで、投入力Ｔの投入当初は滑動部材６４の変位は小さいが摩擦力Ｐ２の静止摩擦による負荷を低減させ、動摩擦以降後は滑動部材６４の変位を大きくすることができる。これにより、パネル３０をよりスムーズにスライドさせることが可能となる。

図９に示す変換部６０は、直線移動部材６３とガイドとなる筐体２０との間、直線移動部材６３と滑動部材６４との間、及び、滑動部材６４とガイド部材２４との間に、それぞれ複数のベアリング６５を備える。ベアリング６５は、球状であってもよいし、円柱状であってもよい。このように、第２実施の形態において摩擦力Ｐ１、Ｐ２及びＰ３が発生する部分にそれぞれベアリング６５を装填すれば、摩擦力をほぼゼロにすることができるので、より小さい投入力Ｔで、パネル３０をよりスムーズにスライドさせることが可能となる。

１０，１１ 触感呈示装置
２０ 筐体
３０ パネル
５０ アクチュエータ
５１ （積層型）圧電素子
６０ 変換部
６１ 回動部材
６２ 固定軸
６３ 直線移動部材
６３ａ 斜面
６４ 滑動部材
６５ ベアリング
７０ 与圧部

Claims (5)

1. パネルと、
   アクチュエータと、
   前記パネル及び前記アクチュエータに係合し、前記アクチュエータの変位により当該アクチュエータの変位方向及び変位量を異なる変位方向及び異なる変位量に変換して、前記パネルをスライドさせる変換部と、
   を備える触感呈示装置。
2. 前記変換部は、前記アクチュエータの変位により回動して前記パネルをスライドさせる回動部材を備える、
   請求項１に記載の触感呈示装置。
3. 前記変換部は、前記アクチュエータの変位方向と交差して延在する斜面を有し、前記アクチュエータの変位により当該アクチュエータの変位方向に直線移動する直線移動部材と、該直線移動部材の変位により前記斜面を滑動して前記パネルをスライドさせる滑動部材と、を備える、
   請求項１に記載の触感呈示装置。
4. 前記パネルを前記変換部に与圧を加えて係合させるとともに、前記変換部を前記アクチュエータに与圧を加えて係合させる与圧部をさらに備える、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の触感呈示装置。
5. 前記アクチュエータは、積層型圧電素子を備え、
   前記積層型圧電素子は、変位方向が前記パネルの平面視において当該パネルのスライド方向と交差して配置されている、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の触感呈示装置。

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