JP2016045605A

JP2016045605A - 触覚提示装置

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Publication number: JP2016045605A
Application number: JP2014168072A
Authority: JP
Inventors: 健太朗臼井; Kentaro Usui
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: JP6337685B2

Abstract

【課題】確かな打鍵感を与えることができる触覚提示装置を提供する。【解決手段】触覚提示装置１０は、圧電フィルム１１、平板状の振動板１２、圧電フィルム１３、タッチパネル１４および駆動部を備える。振動板１２は、曲げ応力が発生する状態で圧電フィルム１１に固定されている。タッチパネル１４は、振動板１２の主面のうち圧電フィルム１１側の反対側の主面に設けられる。圧電フィルム１３は振動板１２とタッチパネル１４との間に設けられる。タッチパネル１４に設けられたタッチセンサはタッチ操作を検出する。駆動部は、タッチセンサがタッチ操作を検出したときに、圧電フィルム１１および圧電フィルム１３に駆動信号を印加する。【選択図】図２

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、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、打鍵感を提供す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素子の中央部をタッチパネルと連結させた構造が記載されている。特許文献１の構造では、タッチパネルに触れると、圧電バイモルフ素子に交流信号が入力して、圧電バイモルフ素子が振動する。これにより、タッチパネルに触れたユーザは打鍵感を得ることができる。

特開２００５−３０３９３７号公報

例えば、キーボードに用いられるメカニカルスイッチでは、押下によりキートップが沈み、メカニカルスイッチに内蔵されたバネの作用によりキートップが元の位置に戻る。そして、それぞれの過程で異なる感覚が生じ、それらの感覚が合わさることで確かな打鍵感が生じる。しかし、特許文献１に記載の触覚提示装置では、タッチパネルに触れても、圧電バイモルフ素子による単調な振動が生じるだけなので、確かな打鍵感を得ることができない。

本発明の目的は、確かな打鍵感を与えることができる触覚提示装置を提供することにある。

本発明の触覚提示装置は、第１フィルム、平板状の振動板、タッチ検出部、第２フィルムおよび駆動部を備える。第１フィルムは電圧を加えることで面方向に変形する。振動板は、曲げ応力が発生する状態で第１フィルムに固定される。タッチ検出部は、振動板の主面のうち第１フィルム側の反対側の主面に設けられ、タッチ操作を検出する。第２フィルムは、振動板とタッチ検出部との間に設けられ、電圧を加えることで変形する。駆動部は、タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、第１フィルムおよび第２フィルムに駆動信号を印加する。

この構成では、ユーザがタッチ検出部に対してタッチ操作を行うと、第１フィルムおよび第２フィルムが伸縮する。第１フィルムの伸縮による振動板の振動および第２フィルムによる振動により、複雑な振動が形成される。この複雑な振動がタッチ検出部に伝わることにより、ユーザは確かな打鍵感を得ることができる。

本発明の触覚提示装置では、第２フィルムは振動板の主面に垂直な方向に伸縮することが好ましい。この構成では、第２フィルムの伸縮が振動板により阻害されないので、第２フィルムの伸縮の幅を大きくすることができる。また、第１フィルムおよび第２フィルムを同時に伸縮させることで、タッチ検出部の振動の振幅を大きくすることができる。

本発明の触覚提示装置は、次のように構成されてもよい。第２フィルムおよびタッチ検出部は、それぞれ対応して複数設けられる。駆動部は、タッチ操作を検出したタッチ検出部に対応する、第２フィルムに駆動信号を印加する。この構成では、第２フィルムを用いて、タッチ操作されたタッチ検出部のみを振動させることができる。

本発明の触覚提示装置では、駆動部は、タッチ検出部がタッチ操作を検出すると、先ず、第１フィルムに駆動信号を印加し、次に、第２フィルムに、第１フィルムに比べて高周波数の駆動信号を印加することが好ましい。

この構成では、振動板が低周波数で振動した後に、第２フィルムが高周波数で振動する。振動板による低周波数の振動は、タッチ位置がゆっくり動いた感触をユーザに生じさせる。第２フィルムによる高周波数の振動は、タッチ位置が鋭く動いた感触をユーザに発生させる。これにより、ユーザは、先ず、キーを押込むような感覚を得て、次に、キーから押返されるような感覚を得ることができる。

本発明の触覚提示装置は、次にように構成されてもよい。駆動部は、タッチ検出部がタッチ操作を検出すると、先ず、第１フィルムが伸長するように第１フィルムに駆動信号を印加する。次に、第２フィルムが伸長するように第２フィルムに駆動信号を印加する。次に、第１フィルムが縮むように第１フィルムに駆動信号を印加する。

この構成では、先ず、振動板が押込み方向に変位する。これにより、ユーザはキーを押し込むような感覚を得ることができる。次に、第２フィルムが押戻し方向に変位する。これにより、ユーザは、わずかにキーから押戻されるような感覚を得ることができる。次に、振動板が押戻し方向に変位する。これにより、ユーザは、しっかりとした押戻しの感覚を得ることができる。

本発明によれば、確かな打鍵感を与える触覚提示装置を実現することができる。

第１の実施形態に係る触覚提示装置の外観斜視図である。第１の実施形態に係る触覚提示装置の側面図である。第１の実施形態に係る触覚提示装置の構成を示すブロック図である。振動板１２の動作を説明する側面図である。第１の実施形態に係る触覚提示装置の動作フローを示す図である。第１の実施形態の変形例に係る触覚提示装置の模式的側面図である。第２の実施形態に係る触覚提示装置の動作フローを示す図である。

本発明の第１の実施形態に係る触覚提示装置１０について説明する。図１は触覚提示装置１０の外観斜視図である。図２は触覚提示装置１０の側面図である。

触覚提示装置１０は、圧電フィルム１１、振動板１２、圧電フィルム１３およびタッチパネル１４を備えている。圧電フィルム１１は本発明の第１フィルムに相当する。圧電フィルム１３は本発明の第２フィルムに相当する。触覚提示装置１０は、いわゆるキーボードであり、平板状のタッチパネル１４には、キー配列に対応した位置に複数のタッチセンサ１５が設けられている。タッチセンサ１５は本発明のタッチ検出部に相当する。タッチセンサ１５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もよく、メンブレン方式、静電容量方式、圧電フィルム方式等の様々な方式を用いることができる。

タッチパネル１４は、圧電フィルム１３を介して振動板１２の一方の主面（正面）に装着されている。圧電フィルム１３および振動板１２は矩形平板状である。圧電フィルム１３は振動板１２の正面の略全面に設けられ、圧電フィルム１３の主面は振動板１２およびタッチパネル１４に当接している。振動板１２は、その他方の主面の（背面）において短手方向の両端が圧電フィルム１１に固定されている。なお、振動板１２は、その共振周波数（固有振動数）が後述の駆動信号の周波数に対応するように設計されている。

圧電フィルム１１および圧電フィルム１３は、矩形平板状のベースフィルムと、ベースフィルムの対向する両主面に形成された電極を備える。ベースフィルムは、圧電性を有するフィルムであれば良く、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、キラル高分子等の材料を用いた圧電性樹脂である。振動板１２は、例えばアクリル樹脂ＰＭＭＡで構成されている。なお、振動板１２には、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。

圧電フィルム１１および圧電フィルム１３の電極には、図示しない引き出し用の配線導体が接続されており、駆動信号が当該配線導体を介して電極へ印加されるようになっている。図３に示すように、タッチパネル１４に設けられたタッチセンサ１５をユーザがタッチすると、駆動部１７が圧電フィルム１１および圧電フィルム１３の電極に駆動信号を印加する。これにより、圧電フィルム１１はその短手方向に伸縮し、圧電フィルム１３はその厚み方向（振動板１２の主面に垂直な方向）に伸縮する。すなわち、圧電フィルム１１は電圧を加えることで面方向に変形し、圧電フィルム１３は電圧を加えることで厚み方向に変形する。なお、駆動部１７は、例えば、圧電フィルム１１を駆動する第１駆動回路、圧電フィルム１３を駆動する第２駆動回路、ならびに、第１駆動回路および第２駆動回路を制御する制御回路を含む。すなわち、圧電フィルム１１と圧電フィルム１３とは別々の駆動回路で駆動される。

図１および図２に示すように、振動板１２は、圧電フィルム１１の存在する側（振動板１２の背面側）に対して反対側（振動板１２の正面側）に湾曲して突出する形状となるように、圧電フィルム１１へ固定されている。この構成により、振動板１２と圧電フィルム１１との間には、中空領域１６が形成される。そして、この振動板１２のある側が触覚提示装置１０の正面側となり、圧電フィルム１１がある側が触覚提示装置１０の背面側となる。

ただし、本実施形態において、振動板１２の湾曲状態は、説明のために誇張して記載しており、実際には、振動板１２の主面と圧電フィルム１１の主面は、より平行に近く、中空領域１６は、できるだけ少ないほうが望ましい。

このように、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、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、圧電フィルム１１の主面における短手方向に引張力が係った状態となる。

図４は、振動板１２の動作を説明する側面図である。ここで、触覚提示装置１０の厚み方向をＺ方向とし、触覚提示装置１０の短手方向をＸ方向とし、触覚提示装置１０の長手方向をＹ方向とする。駆動部１７（図３参照）により圧電フィルム１１に駆動信号が印加されると、圧電フィルム１１は駆動信号の周波数でＸ方向に伸縮する。振動板１２のＸ方向の端部は、圧電フィルム１１の伸縮により、互いに近づいたり、離れたりすることを繰り返す。振動板１２は、振動板１２のＸ方向の端部が変位することで、振動板１２の主面の曲率が変化するように弾性変形する。すなわち、Ｘ方向における振動板１２の端部はＺ方向に変位せず、Ｘ方向における振動板１２の中央部は駆動信号の周波数でＺ方向に振動する。

図５は、触覚提示装置１０の動作フローを示す図である。ユーザがタッチセンサ１５（図１参照）をタッチすると、タッチセンサ１５は、タッチ操作を検出し、そのことを駆動部１７（図３参照）に送信する（Ｓ１１）。タッチ操作の検出を受信した駆動部１７は、低周波数の駆動信号を圧電フィルム１１に所定時間印加する（Ｓ１２）。これにより、振動板１２そしてタッチパネル１４が低周波数でＺ方向（図４参照）に振動する。駆動部１７は、圧電フィルム１１への駆動信号の印加が終了すると、高周波数の駆動信号を圧電フィルム１３に所定時間印加する（Ｓ１３）。これにより、圧電フィルム１３そしてタッチパネル１４が高周波数でＺ方向に振動する。

なお、圧電フィルム１１に駆動信号が印加される時間は、例えば、メカニカルスイッチにおいて、押下によりキートップが沈み始めてから、キートップが最も下に達するまでの時間に基づいて設定される。圧電フィルム１３に駆動信号が印加される時間は、例えば、メカニカルスイッチにおいて、押下によりキートップが最も下に達してから、押下の終了によりキートップが元の位置に戻るまでの時間に基づいて設定される。

第１の実施形態では、ユーザがタッチセンサ１５をタッチすると、先ず、振動板１２が低周波数で振動し、次に、圧電フィルム１３が高周波数で振動する。振動板１２による低周波数の振動は、タッチ位置がゆっくり動いた感触をユーザに生じさせる。圧電フィルム１３による高周波数の振動は、タッチ位置が鋭く動いた感触をユーザに発生させる。これにより、ユーザは、先ずキーを押込むような感覚を得て、次にキーから押返されるような感覚を得る。このため、触覚提示装置１０では、確かな打鍵感を提供することができる。すなわち、触覚提示装置１０では、複雑な振動を生じさせることで、タッチ操作を行うユーザに使い心地の良さを提供することができる。

なお、第１の実施形態では、圧電フィルム１１への駆動信号の印加が終了した後に、圧電フィルム１３に駆動信号が印加されるが、本発明はこれに限定されない。タッチ操作が検出されると、圧電フィルム１１および圧電フィルム１３に同時に駆動信号が印加されてもよい。また、タッチ操作が検出されると、先ず、圧電フィルム１１に駆動信号が印加され、次に、圧電フィルム１１および圧電フィルム１３の両方に駆動信号が印加されてもよい。これらの構成では、互いに異なる振動数の振動が重ね合わされることで、複雑な振動を生じさせることができる。また、タッチパネル１４の振動の振幅を大きくすることができる。このため、確かな打鍵感を提供することができる。

図６は、第１の実施形態の変形例に係る触覚提示装置２０の模式的側面図である。触覚提示装置２０では、振動板１２の正面のうちキー配列に対応した位置に、複数の圧電フィルム２３が設けられている。タッチセンサ１５と圧電フィルム２３とは、互いにほぼ等しいサイズに形成され、平面視で重なっている。駆動部１７（図３参照）は、タッチ操作を検出したタッチセンサ１５の下に設けられた、圧電フィルム２３に駆動信号を印加する。触覚提示装置２０では、圧電フィルム２３を用いて、タッチされたタッチセンサ１５のみを振動させることができる。なお、触覚提示装置２０では、圧電フィルム２３の代わりに、電圧印加用の電極が形成された圧電セラミックスを用いてもよい。

《第２の実施形態》
本発明の第２の実施形態に係る触覚提示装置について説明する。第２の実施形態の触覚提示装置は、その動作フローを除いて、第１の実施形態の触覚提示装置と同様である。なお、以下では、第２の実施形態の触覚提示装置におけるタッチパネル１４（図１参照）側から圧電フィルム１１側に向く方向を押込み方向と称し、押込み方向の反対方向を押戻し方向と称する。

図７は、第２の実施形態の触覚提示装置の動作フローを示す図である。ユーザがタッチセンサ１５（図１参照）をタッチすると、タッチセンサ１５は、タッチ操作を検出し、そのことを駆動部１７（図３参照）に送信する（Ｓ３１）。タッチ操作の検出を受信した駆動部１７は、圧電フィルム１１が伸長するように圧電フィルム１１に駆動信号を所定時間印加する（Ｓ３２）。これにより、振動板１２そしてタッチパネル１４が押込み方向に変位する。なお、第２の実施形態における駆動信号の周期は、駆動信号を印加する時間の２倍以上に設定されている。

駆動部１７は、圧電フィルム１１への駆動信号の印加が終了すると、圧電フィルム１３が伸長するように圧電フィルム１３に駆動信号を所定時間印加する（Ｓ３３）。これにより、圧電フィルム１３そしてタッチパネル１４が押戻し方向に変位する。駆動部１７は、圧電フィルム１３への駆動信号の印加が終了すると、圧電フィルム１１が縮むように圧電フィルム１１に駆動信号を所定時間印加する（Ｓ３４）。これにより、振動板１２そしてタッチパネル１４が押戻し方向に変位する。なお、圧電フィルム１１および圧電フィルム１３に駆動信号が印加される時間は、例えば、メカニカルスイッチの押込みおよび押戻しにかかる時間に基づいて設定される。

第２の実施形態では、振動板１２が押込み方向に変位することにより、キーを押し込むような感覚が得られる。圧電フィルム１３が押戻し方向に変位することにより、わずかにキーから押戻されるような感覚が得られる。振動板１２が押戻し方向に変位することにより、しっかりとした押戻しの感覚が得られる。このため、第２の実施形態の触覚提示装置では、確かな打鍵感を提供することができる。

なお、第２の実施形態では、圧電フィルム１３への駆動信号の印加が終了した後に、圧電フィルム１１に駆動信号が印加されるが、本発明はこれに限定されない。圧電フィルム１３への駆動信号の印加と同時に、圧電フィルム１１が縮むように圧電フィルム１１に駆動信号が印加されてもよい。この構成では、タッチパネル１４の押戻し方向の変位を大きくすることができる。

なお、本発明の第１フィルムおよび第２フィルムは上述の実施形態の圧電フィルムに限定されない。本発明の第１フィルムおよび第２フィルムは、電歪フィルム、エレクトレットフィルム、コンポジットフィルム、電気活性高分子フィルム等でもよい。

電気活性フィルムとは、電気的駆動によって応力を発生するフィルム、または電気的駆動によって変形して変位を発生するフィルムである。具体的には、電歪フィルム、コンポジット材料（圧電セラミックスを樹脂モールドした材料）、電気駆動型エラストマー、または液晶エラストマー等がある。

本発明の第１フィルムは、圧電フィルムと、圧電性を有しない樹脂フィルム（エキサイタフィルム）と、を用いることでも実現することができる。この場合、圧電フィルムは、エキサイタフィルムの主面に貼り付けられ、当該エキサイタフィルムの端部が振動板に接続される。

また、本発明の第１フィルムは、圧電セラミックスと、複数のエキサイタフィルムと、を用いることでも実現することができる。この場合、複数のエキサイタフィルムは、それぞれ一方の端部が圧電セラミックスに接続され、他方の端部が振動板に接続される。

また、上述の実施形態では、圧電フィルム１３は厚み方向に伸縮するが、本発明の第２フィルムは面方向に伸縮してもよい。この構成でも、互いに異なる振動数の振動を用いて、複雑な振動を形成することができる。

また、本発明において、駆動信号が印加されるタイミングは、上述の実施形態に限定されず、適宜設定される。これにより、駆動信号の設定に応じて多様な触感を提供することができる。

また、本実施形態では、平板状の振動板１２を湾曲させて圧電フィルム１１に固定しているが、本発明はこれに限定されない。本発明では、湾曲板状の振動板を平坦に弾性変形させて圧電フィルムに固定してもよい。この場合でも、振動板には、本実施形態と同様に曲げ応力が発生する。

１０，２０…触覚提示装置
１１…圧電フィルム（第１フィルム）
１２…振動板
１３，２３…圧電フィルム（第２フィルム）
１４…タッチパネル
１５…タッチセンサ（タッチ検出部）
１６…中空領域
１７…駆動部

Claims

電圧を加えることで面方向に変形する第１フィルムと、
曲げ応力が発生する状態で前記第１フィルムに固定される平板状の振動板と、
前記振動板の主面のうち前記第１フィルム側の反対側の主面に設けられ、タッチ操作を検出するタッチ検出部と、
前記振動板と前記タッチ検出部との間に設けられ、電圧を加えることで変形する第２フィルムと、
前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記第１フィルムおよび前記第２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。
前記第２フィルムは前記振動板の主面に垂直な方向に伸縮する、請求項１に記載の触覚提示装置。
前記第２フィルムおよび前記タッチ検出部は、それぞれ対応して複数設けられ、
前記駆動部は、タッチ操作を検出した前記タッチ検出部に対応する、前記第２フィルムに駆動信号を印加する、請求項１または２に記載の触覚提示装置。
前記駆動部は、前記タッチ検出部がタッチ操作を検出すると、先ず、前記第１フィルムに駆動信号を印加し、次に、前記第２フィルムに、前記第１フィルムに比べて高周波数の駆動信号を印加する、請求項１ないし３のいずれかに記載の触覚提示装置。
前記駆動部は、前記タッチ検出部がタッチ操作を検出すると、先ず、前記第１フィルムが伸長するように前記第１フィルムに駆動信号を印加し、次に、前記第２フィルムが伸長するように前記第２フィルムに駆動信号を印加し、次に、前記第１フィルムが縮むように前記第１フィルムに駆動信号を印加する、請求項２ないし４のいずれかに記載の触覚提示装置。