JP2016053889A - 触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者にタッチ操作に対する押込み感を与えることができ、また、従来よりも大きな触覚フィードバックを確実に利用者に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１０Ｂは、電圧の印加によって面内方向に伸縮する伸縮フィルム１１Ｂと、前記伸縮フィルム１１Ｂの一方主面側に配し、前記伸縮フィルム１１Ｂに連結した被接触部１４と、前記伸縮フィルム１１Ｂの他方主面側に配し、前記伸縮フィルム１１Ｂから曲げ応力が発生する状態で前記伸縮フィルム１１Ｂに連結した、外部構造に支持される板状部１２と、を備える。
【選択図】図５

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、タッチセンサ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、圧電バイモルフ素子をタッチセンサ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、タッチセンサパネルに触れると、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厚み方向に撓むように振動する。この振動がタッチセンサパネルを介してユーザの指に伝わることで、ユーザは触覚フィードバックを得ることができる。

特開平２００５−３０３９３７号公報

特許文献１に記載の触覚提示装置では、圧電バイモルフ素子の厚み方向の振動量（振動振幅）が小さく、利用者に与えられる触覚フィードバックが小さかった。このため、利用者が触覚フィードバックを知覚することができない場合があった。

そこで本願出願人は、利用者に大きな触覚フィードバックを与えられる触覚提示装置の開発を進めている。

図７は、本願出願人が開発を進める触覚提示装置の概略構成を示す斜視図である。図７に示す触覚提示装置１０１は、振動板１０２と、伸縮フィルム１０３と、タッチセンサパネル１０４と、を備えている。タッチセンサパネル１０４は、振動板１０２の一方主面（天面）に貼り付けている。振動板１０２は、一方主面（天面）側が凸状となるように撓ませている。伸縮フィルム１０３は、振動板１０２の他方主面（底面）側に設け、振動板１０２の短手方向の両端間に張り渡している。

該触覚提示装置１０１では、伸縮フィルム１０３を駆動して面内の短手方向に伸縮させる。これにより、振動板１０２の撓み量を変化させ、タッチセンサパネル１０４を厚み方向に振動させる。このような構造では、伸縮フィルム１０３からタッチセンサパネル１０４に伝わる振動を増幅させることができる。

ただし、触覚提示装置において、利用者等の指に確かな打鍵感を与えるためには、利用者に指で振動板を押込む感覚を与える必要がある。しかしながら、上述の触覚提示装置の構成では、振動板の剛性が高く振動板を実際に押込ませることが難しかった。また、利用者等の指に、より確かな触覚フィードバックを与えるために、振動板の振動量を更に大きくすることも望まれていた。また、振動板には中心（撓みの頂点）付近での振動量が最も大きくなり、短手方向の両端に近いほど振動量が小さくなる傾向があり、利用者の指が接触する位置によっては大きな触覚フィードバックを与えることが難しい場合があった。

そこで本発明の目的は、利用者の指に押込感を与えることができるとともに、従来よりも大きな触覚フィードバックを確実に利用者に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。

この発明の触覚提示装置は、面内方向に伸縮が生じる伸縮フィルムと、前記伸縮フィルムの一方主面側に配し、前記伸縮フィルムに連結した被接触部と、前記伸縮フィルムの他方主面側に配し、前記伸縮フィルムから曲げ応力が発生する状態で前記伸縮フィルムに連結した、外部構造に支持される板状部と、を備える。

この構成では、伸縮フィルムは主面法線方向の弾性を有しており、この伸縮フィルム上に被接触部が設けられているために、利用者の指等によって被接触部を実際に押込むことができ、利用者に被接触部の押込み感を与えることができる。また、伸縮フィルムが面内方向に振動することで板状部が厚み方向に振動すると、板状部が外部構造に支持されているために板状部だけでなく伸縮フィルムにも主面法線方向の振動が引き起こされる。すると、伸縮フィルムの主面法線方向の振動に対して被接触部が錘として働くので、このことにより伸縮フィルムの主面法線方向の振動を増幅させて、被接触部を板状部よりも伸縮フィルムの主面法線方向に大きく振動させることができる。そして、この際に、被接触部が全体的に伸縮フィルムの主面法線方向に振動するようになるので、被接触部の位置毎の振動量のばらつきを低減できる。したがって、被接触部に利用者の指等が接触すると、利用者に大きな触覚フィードバックを確実に伝えることができる。

前記被接触部は、前記伸縮フィルムの両端間の中央部に連結していることが好ましい。この構成では、伸縮フィルムにおける被接触部との連結位置から板状部との連結位置までの距離を長くすることができ、伸縮フィルムの主面法線方向の振動量を大きくすることができる。そして、伸縮フィルムにおいて振動量が最も大きくなる中央部付近に被接触部を連結するので、被接触部の振動量を大きくすることができる。

前記被接触部は、前記伸縮フィルムとの対向面を有する平板状であり、前記対向面の中央部に前記伸縮フィルムとの連結部が設けられていることが好ましい。この構成では、被接触部が平板状であっても、被接触部を伸縮フィルムの中央部に連結することができる。また、被接触部の錘としての質量を大きくすることができる。これらのことにより、被接触部の主面法線方向の振動量を大きくすることができる。

伸縮フィルムは、主面法線方向に電界を印加した時、主面平行方向に伸縮する電歪材料、特に高い電歪係数を持つ（フッ化ビニリデン・三フッ化エチレン・三フッ化クロロエテン）ターポリマーＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ／ＣＴＦＥ）やフッ化ビニリデン・三フッ化エチレン共重合体Ｐ(ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）などが望ましい。また、伸縮量は劣るものの低電界で駆動できるポリフッ化ビニリデンを主材料とすることもできる。これらの構成により、触覚提示装置を構成する部材数を抑制したり、触覚提示装置に破損を生じ難くしたりすることができる。

本発明によれば、伸縮フィルム上に被接触部が設けられているために、利用者に被接触部の押込み感を与えることができる。また、被接触部を伸縮フィルムの主面法線方向の振動に対する錘として働かせるので、振動を増幅して利用者に大きな触覚フィードバックを確実に伝えることができる。

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振動態様を示す側面図である。 第２の実施形態に係る触覚提示装置の外観斜視図である。 第２の実施形態に係る触覚提示装置の側面図である。 第３の実施形態に係る触覚提示装置の側面図である。 触覚提示装置の模式構成を示す外観斜視図である。

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

触覚提示装置１０Ａは、伸縮フィルム１１と接続フィルム２１，２２と板状部１２と支持部１３と被接触部１４と制御部１５（図２参照）と駆動部１６（図２参照）とを備えている。ここでは、触覚提示装置１０Ａは、タッチ式のキーボードとして構成している。このため、触覚提示装置１０Ａは、厚みが薄く、厚み方向から平面視して短手方向と長手方向とを有する長方形となるように構成している。

伸縮フィルム１１は、平膜状であり、面内方向に振動が生じる性質を有している。ここでは、伸縮フィルム１１は、触覚提示装置１０と同じ方向を短手方向および長手方向ならびに厚み方向として、少なくとも短手方向に振動が生じるようにしている。このような伸縮フィルム１１は、主面法線方向に電界を印加した時、主面平行方向に伸縮する電歪材料、特に高い電歪係数を持つ（フッ化ビニリデン・三フッ化エチレン・三フッ化クロロエテン）ターポリマーＰ(ＶＤＦ／ＴｒＦＥ／ＣＴＦＥ）のようなフィルム材料で構成すると好適である。伸縮フィルム１１が電界の印加によって伸縮するフィルム材料を含む場合には、伸縮フィルム１１の両主面には図示していない電極膜を形成しておくと好適である。また、伸縮フィルム１１は、単一のフィルム材料からなる単層構造としてもよく、複数層のフィルム材料からなる多層構造としてもよい。伸縮フィルム１１を多層構造とする場合には、各層のフィルム材料に電界を印加できるように、伸縮フィルム１１の内部でフィルム材料の層間にも電極膜を形成しておくと好適である。

接続フィルム２１，２２は、平膜状であり、伸縮フィルム１１の短手方向の両端それぞれと板状部１２の短手方向の両端それぞれとを接続している。接続フィルム２１，２２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂やステンレスのような金属箔で構成していて、駆動信号の印加によって振動が生じることがない。

板状部１２は、触覚提示装置１０Ａと同じ方向を短手方向および長手方向ならびに厚み方向としている。この板状部１２は、例えば、アクリル樹脂ＰＭＭＡで構成することができる。また、板状部１２は、例えば、金属板、ＰＥＴ、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ＰＬＬＡ、ガラス等の他の材料で構成することもできる。

そして、板状部１２は、短手方向での中央部が一方主面（天面）側に凹、他方主面（底面）側に凸となるように撓ませ、一方主面（天面）における短手方向の両端それぞれに接続フィルム２１，２２の片端側を貼り付け、接続フィルム２１，２２の逆端を伸縮フィルム１１に貼り付けることにより、伸縮フィルム１１と連結している。これにより、板状部１２は、伸縮フィルム１１および接続フィルム２１，２２から曲げ応力が作用して弓状に撓む状態で維持されている。そして、伸縮フィルム１１は、駆動信号の印加によって振動が生じる方向に張力が働くように、板状部１２に張り渡されている。

支持部１３は、板状部１２を外部構造に対して支持するものである。支持部１３は、板状部１２の他方主面（底面）側に付設しており、板状部１２を、触覚提示装置１０Ａを設置する設置面から浮き上がる状態となるように支持している。ここでは、支持部１３は、平面視して長手方向に延びる長尺状であり、板状部１２の短手方向の両端の長辺それぞれに沿って２つ設けている。

被接触部１４は、伸縮フィルム１１の一方主面（天面）側に設けている。そして、伸縮フィルム１１と被接触部１４とは、図２中に示すように、互いの短手方向の中央部同士を連結している。

より具体的には、ここでの被接触部１４は、台座部１７とタッチパネル１８とを備えている。タッチパネル１８は、触覚提示装置１０Ａの一方主面（天面）に露出するように設けている。タッチパネル１８は、平面視して長方形の平板状であり、触覚提示装置１０Ａと同じ方向を短手方向および長手方向ならびに厚み方向としている。そして、タッチパネル１８は、一方主面（天面）に複数のタッチ検出部１９を付設している。複数のタッチ検出部１９は、それぞれ、キー配列に対応した位置に配されており、ユーザのタッチ操作を検出する機能を有している。各タッチ検出部１９は、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て構成することができる。

台座部１７は、タッチパネル１８を一方主面（天面）に貼り付けている。台座部１７は、平面視して長方形の平板状であり、触覚提示装置１０Ａと同じ方向を短手方向および長手方向ならびに厚み方向としている。そして、台座部１７は、他方主面（底面）に連結部２０を付設している。連結部２０は、平面視して長手方向に延びる長尺形状、または、長手方向に配列して設けられた複数の柱状部材であり、台座部１７の短手方向の中央部に設けられている。そして、連結部２０は、他方主面（底面）側の端部を伸縮フィルム１１の短手方向の中央部に連結している。連結部２０と伸縮フィルム１１との連結は、例えば、連結部２０に他方主面（底面）側に突出する突起を設け、伸縮フィルム１１に設けた開口に突起を嵌め合わせることで実現することができる。また、連結部２０を開閉可能な板バネ状の部材として構成し、連結部２０で伸縮フィルム１１を挟み込むことにより連結を実現することもできる。

制御部１５は、複数のタッチ検出部１９それぞれと電気的に接続している。駆動部１６は、伸縮フィルム１１と電気的に接続している。そして、制御部１５と駆動部１６との間も電気的に接続している。制御部１５は、利用者の指等がタッチ検出部１９に接触することを検出すると、駆動部１６に検出信号を出力する。駆動部１６は、制御部１５から検出信号が入力されると、板状部１２の構造共振周波数と略同じ周波数の駆動信号を伸縮フィルム１１に印加する。

図３は、触覚提示装置１０Ａの振動態様について示す側面図である。ここでは、説明のために、板状部１２の湾曲状態や各部の振動を誇張して記載している。実際には、板状部１２と伸縮フィルム１１および接続フィルム２１，２２とは、より平行に近く間隔ができるだけ狭いほうが望ましく、各部の振動もより小さく生じることになる。

図３（Ａ）中には、駆動信号の印加によって引き起こされるフィルム１１の伸縮と、フィルム１１の伸縮に伴う接続フィルム２１，２２の移動によって引き起こされる板状部１２の振動とを例示している。利用者の指等がタッチ検出部１９に接触することで伸縮フィルム１１に駆動信号が印加されると、伸縮フィルム１１は、少なくとも短手方向に伸縮が生じる。すると、接続フィルム２１，２２を介して板状部１２の曲げ応力が変動し、板状部１２の撓み量が変化する。即ち、板状部１２の短手方向の中央部が厚み方向に振動することになる。

図３（Ｂ）中には、板状部１２の振動によって引き起こされる、被接触部１４の振動を例示している。板状部１２の短手方向の中央部が厚み方向に振動すると、短手方向の中央部における板状部１２と伸縮フィルム１１および接続フィルム２１，２２との相対的な間隔に変動が生じる。すると、板状部１２が外部構造に支持されているために、板状部１２とともにフィルム１１および接続フィルム２１，２２の中央部にも厚み方向の振動が引き起こされる。これにより、伸縮フィルム１１および接続フィルム２１，２２の中央部に連結部２０を介して連結した被接触部１４も、伸縮フィルム１１とともに厚み方向に変位するようになる。そして、被接触部１４の中央部から両端部に振動が伝わり、被接触部１４の全体が厚み方向に波打つように撓み振動するようになる。この図３（Ｂ）中に示すような振動が、図３（Ａ）中に示す振動と連成されて、触覚提示装置１０Ａの各部に振動が生じることになる。

図３（Ｂ）中に示した伸縮フィルム１１の厚み方向の振動に対して、被接触部１４は錘として作用し、伸縮フィルム１１の厚み方向の振動は被接触部１４を設けることで増幅されることになる。このことにより、被接触部１４の厚み方向の振動量を、板状部１２の厚み方向の振動量よりも大きくすることができる。この際、被接触部１４は、短手方向の中央部だけでなく両端部も厚み方向に振動し、被接触部１４上の位置によって振動量にばらつきが生じることが殆どない。したがって、被接触部１４に接触する利用者の指等に、大きな触覚フィードバックを確実に伝えることができる。

そして、伸縮フィルム１１は厚み方向に弾性を有しているため、利用者の指が被接触部１４に接触する際に、被接触部１４および伸縮フィルム１１が厚み方向に押込まれることになる。このため、利用者の指には、被接触部１４からの触覚フィードバックが得られるだけでなく、キーの押込感も得られることになる。これらのことにより、利用者はタッチ式のキーボードである触覚提示装置１０Ａのキー操作に伴い、より確かな打鍵感を得ることができる。

また、ここでは、連結部２０の短手方向の幅を、伸縮フィルム１１や被接触部１４の短手方向の幅よりも十分に短くし、連結部２０を伸縮フィルム１１の短手方向の中央部に連結している。このことにより、伸縮フィルム１１において厚み方向の振動量が最も大きい位置に被接触部１４を連結することができる。また、伸縮フィルム１１における被接触部１４との連結位置から板状部１２との連結位置までの長さを最大化することができる。これらのことにより、被接触部１４の厚み方向の振動量を増大（最大化）させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚提示装置１０Ｂについて説明する。図４は触覚提示装置１０Ｂの外観斜視図である。図５は触覚提示装置１０Ｂの側面図である。

触覚提示装置１０Ｂは，第１の実施形態と相違する構成の伸縮フィルム１１Ｂを備えている。伸縮フィルム１１Ｂは、ポリフッ化ビニリデン等の圧電材料で構成されている。ポリフッ化ビニリデンのような圧電材料は、厚み方向に印加する電界の強度を高めても、第１の実施形態で示したような電歪フィルムほど伸縮しない。このため、伸縮フィルム１１Ｂは、第１の実施形態に比べて短手方向の長さを長くしており、第１の実施形態で設けていた接続フィルム２１，２２を介さずに、板状部１２の両端に直接接続することが望ましい。

このような触覚提示装置１０Ｂも、第１の実施形態で示した動作とほぼ同じような動作を行うことができる。ただし、伸縮フィルム１１Ｂは、圧電材料からなるので電歪材料の場合には伸縮が生じないような低い電界強度でも伸縮することができる。したがって、この触覚提示装置１０Ｂは、第１の実施形態よりも低い電圧で駆動することができる。

以上のように本発明の触覚提示装置を構成することもできる。なお、伸縮フィルム１１Ｂは、ポリフッ化ビニリデンの他の圧電材料、例えば、ポリウレタン等に電荷注入して圧電性を持たせたような圧電材料であってもよい。

≪他の実施形態≫
図６（Ａ）は、本発明の他の実施形態に係る触覚提示装置１０Ｃの側面図である。該触覚提示装置１０Ｃは、第１の実施形態に係る構成と殆ど同じ構成であるが、第１の実施形態に係る構成とは異なる構成として、支持部３３を備えている。支持部３３は、板状部１２に連結する位置が、板状部１２の短手方向の両端部よりも内側（中央部側）となっている。このように、板状部１２に対して支持部３３を接続する位置は適宜の位置とすることができる。ただし、触覚提示装置を安定して設置できるように板状部の一部を平坦に構成するならば、支持部は必ずしも設けなくてもよい。

図６（Ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る触覚提示装置１０Ｄの側面図である。該触覚提示装置１０Ｄは、第１の実施形態に係る構成と殆ど同じ構成であるが、第１の実施形態に係る構成と異なる構成として、連結部４１を備えている。連結部４１は、フィルム１１に対して被接触部１４を連結する位置が異なっており、触覚提示装置１０Ｄの短手方向に２列に並べて設けている。連結部４１をこのように配置することで、被接触部１４を水平面から傾きにくくすることができる。ただし、連結部を設ける位置や連結部の形状は、上述の例に限られるものでは無く、どのような位置や形状であってもよい。

以上に説明したように本発明に係る触覚提示装置は実施することができる。なお、特許請求の範囲に記載した構成の範囲内であれば、本発明の触覚提示装置はその他の多用な形態で実施することもできる。例えば、板状部は、フィルムと連結した状態で全体が平坦になるように、予め湾曲した形状で形成しておいてもよい。また、フィルムの材料や板状部の材料も上述したものに限られるものではない。また、触覚提示装置の具体的な構成もキーボードに限られるものでは無く、タッチパネルを備える表示装置や、タッチセンサを備える操作盤など、タッチ操作に対して触覚フィードバックを伝える装置であれば、どのような装置であってもよい。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…触覚提示装置
１１…フィルム
１２…板状部
１３…支持部
１４…被接触部
１５…制御部
１６…駆動部
１７…台座部
１８…タッチパネル
１９…タッチ検出部
２０…連結部

Claims (3)

1. 電圧の印加によって面内方向に伸縮するフィルム部と、
   前記フィルム部の一方主面側に配し、前記フィルム部に連結した被接触部と、
   前記フィルム部の他方主面側に配し、前記フィルム部から曲げ応力が発生する状態で前記フィルム部に連結した、外部構造に支持される板状部と、
   を備える触覚提示装置。
2. 前記被接触部は、前記フィルム部の両端間の中央部に連結している、
   請求項１に記載の触覚提示装置。
3. 前記被接触部は、前記フィルム部との対向面を有する平板状であり、前記対向面の中央部に前記フィルム部との連結部が設けられている、
   請求項１または請求項２に記載の触覚提示装置。

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