JP2016095549A - 触感呈示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】改善された触感呈示装置を提供する。
【解決手段】触感呈示装置10は、パネル30と、パネル30をパネル30の厚み方向に変位させるアクチュエータ50と、パネル30の変位を規制する規制部25とを備える。
【選択図】図5

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、操作者に「押した」という押下感を呈示している。
特許第4633167号公報
従来知られている触感呈示装置は、パネルを振動させる振動部の配置及び構造によっては、パネルの振動がユーザに伝達されにくく、良好な触感を呈示しにくい場合があることから、装置構成上、改善の余地がある。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、改善された触感呈示装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る触感呈示装置は、
パネルと、
前記パネルを該パネルの厚み方向に変位させるアクチュエータと、
前記パネルの変位を規制する規制部とを備える。
前記アクチュエータは、前記パネルの裏面において、当該触感呈示装置の平面視で前記パネルの重心を挟んだ少なくとも2点を変位させることにより、前記パネルを変位させてもよい。
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、前記パネルを変位させる変換部を備えていてもよい。
前記アクチュエータは、積層型圧電素子を備えていてもよい。
本発明によれば、改善された触感呈示装置を提供できる。
本発明の一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の触感呈示装置におけるアクチュエータの配置例を示す平面図である。 触感呈示装置が備えるパネルの変位を示す模式図である。 触感呈示装置が備えるパネルの変位を示す模式図である。 図1の触感呈示装置が備える規制部の構成を示す図である。 図1の触感呈示装置の変換部の概略構成を示す断面図である。 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。
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。
図1は、本発明の一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、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る。
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、上部筐体20aと下部筐体20bとにより構成される。上部筐体20aと下部筐体20bとは、弾性部材で構成される接合部23により接合され、1つの筐体20を構成している。接合部23は、防水性のテープ又はスポンジ等として構成されていてもよい。上部筐体20aと下部筐体20bとは、接合部23を介して、互いに変位可能に接合される。上部筐体20aと下部筐体20bとは、変位方向を筐体20の厚み方向に制限するガイドに沿って変位するものであってもよい。
筐体20は、金属や硬質プラスチック等で形成される。上部筐体20aには、筐体20の表面21側にパネル30が配置されている。また、筐体20の内部には、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。筐体20は、内部に、アクチュエータと変換部とを備える。また、筐体20は、内部に、上部筐体20a及び上部筐体20aに配置されたパネル30の変位を規制する機構である規制部を備える。筐体20の内部の詳細については後述する。
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、パネル表面30aの周辺部を除く領域が、筐体20の表面21に形成された開口21aから露出する。
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、上部筐体20aを取り除いて示す、下部筐体20bにおけるアクチュエータの配置例を示す平面図である。下部筐体20bには、図2に示すように、2つのアクチュエータ50が配置されている。アクチュエータ50は、パネル30を変位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、下部筐体20bが備える固定部24に固定されて、下部筐体20bの長手方向とほぼ平行に延在して配置される。固定部24は、各圧電素子51の延在方向に対して、下部筐体20bの中央側に配置される。したがって、圧電素子51は、下部筐体20bの長手方向にほぼ平行に伸縮変位する。圧電素子51の伸縮変位をガイドするため、下部筐体20bには、各圧電素子51を挟むように、それぞれ一対のガイド部材22が配置されている。
圧電素子51は、固定部24に固定されていない他端側の端面において、変換部60に係合する。変換部60の構成の一例については、図6及び図7の説明において詳細に述べる。変換部60は、筐体20(触感呈示装置10)の平面視でパネル30の重心を挟んだ2点において、パネル30に係合する。変換部60は、下部筐体20bにおいて、図2に仮想線で示す表示部40の表示領域Dから外れた、下部筐体20bの短辺20c及び20dの近傍で変位点に係合するように保持される。変換部60における変位点との係合部分は、図2では、変換部60の一部に網掛け領域として表示されている。圧電素子51が伸縮変位すると、変換部60を介して、伸縮変位が変位点に伝達され、その結果パネル30が変位する。
ここで、図3及び図4を参照して、触感呈示装置10が備える規制部の機能について説明する。図3は、触感呈示装置が備えるパネル30の変位を示す模式図であり、触感呈示装置の短辺方向に沿った断面図である。図3は特に、触感呈示装置が規制部を備えない場合におけるパネル30の変位を示す。
例えば、図3(a)に示すようにアクチュエータ50が駆動されていない状態で、ユーザが、パネル30における触感呈示装置の長辺の近傍に指を接触させたとする。この状態でアクチュエータ50が駆動され、アクチュエータ50の変位が変換部60を介して変位点に伝達されると、図3(b)に示すように、パネル30は、変位点において厚み方向に押し上げられる。このとき、パネル30において指が接触している箇所は、指により厚み方向(上方向)への変位ができないよう制限されているため、パネル30は、指が接触している箇所を支点として、変位点を介したパネル30の他端側が上方向に変位する。このように、パネル30においてユーザが指を接触させた箇所は、指がパネル30の変位を制限することにより、厚み方向に変位しにくい。そのため、アクチュエータ50が変位しても、良好な触感を呈示しにくい。
図4は、図3と同様に、触感呈示装置が備えるパネル30の変位を示す模式図であり、触感呈示装置の短辺方向に沿った断面図である。図4は、図3と異なり、触感呈示装置が規制部を備える場合におけるパネル30の変位を示す。すなわち、図4に示す触感呈示装置は、パネル30の上方向への変位を、パネル30の長辺の端部において規制する規制部25を備える。
規制部25を備える触感呈示装置において、図4(a)に示すようにアクチュエータ50が駆動されていない状態で、ユーザが、パネル30における触感呈示装置の長辺の近傍に指を接触させたとする。この状態でアクチュエータ50が駆動され、アクチュエータ50の変位が変換部60を介して変位点に伝達されると、パネル30は、変位点において厚み方向に押し上げられる。このとき、パネル30において指が接触している箇所は、指により厚み方向(上方向)への変位ができないよう制限されているため、パネル30は、指が接触している箇所を支点として、変位点を介したパネル30の他端側が上方向に変位する。ここで、触感呈示装置は、規制部25を備えているため、当該他端側が規制部25に接触すると、パネル30は、図4(b)に示すように他端側において変位が規制される。すると、パネル30は、図4(c)に示すように、規制部25に接触する他端側を支点として、指が接触している箇所が上方向に変位する。このように、触感呈示装置が規制部25を備える場合、パネル30の全体が厚み方向に変位するため、指が接触している位置にかかわらず良好な触感を呈示しやすい。
図5は、図1の触感呈示装置10が備える規制部25の構成を示す図である。規制部25は、パネル30が配置された上部筐体20aと、下部筐体20bとに互いに係合可能に設けられたフック部26により構成される。上部筐体20aのフック部26aと、下部筐体20bのフック部26bとの間の距離dは、アクチュエータ50の駆動によるパネル30の変位量よりも大きくなるように構成される。上部筐体20aと下部筐体20bとの間は、接合部23により接合され、接合部23は、アクチュエータ50が駆動していない場合におけるフック部26aと26bとの間の距離dを一定に維持する。パネル30は、アクチュエータ50の駆動により、図4に示した原理と同様にして、接合部23の弾性力に反して上方向に変位する。また、フック部26は、パネル30の変位を規制するとともに、上部筐体20aと下部筐体20bとを互いに外れにくくする。
規制部25は、図2に示したように、例えば筐体20の上面視における四隅に配置される。規制部25の位置は、図2に示したものに限られず、パネル30の全体を変位させることができる任意の位置に配置できる。
次に、変換部60の機構の詳細について説明する。図6は、触感呈示装置10の変換部60の概略構成を示す断面図である。圧電素子51は、下部筐体20bの底部において、ガイド部材22により支持される。変換部60は、パネル30の筐体20の内部側のパネル裏面30b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の伸縮変位により、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を変位させる。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のパネル裏面30b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。
上部筐体20aに配置されたパネル30は、接合部23の弾性力により、当接部61cにおいて、筐体20の内部方向(図6では下方向)に附勢するように回動部材61に与圧を加える。これにより、回動部材61は、当接部61bにおいて圧電素子51に与圧を加えて当接される。
図6において、圧電素子51が右方向に伸びるように変位すると、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60によりほぼ90度変換されてパネル30に伝達され、パネル30が、接合部23の弾性力に抗して上方向に変位する。つまり、パネル30の変位方向は、当該パネル30の厚み方向となる。また、圧電素子51の伸縮変位方向とパネル30の変位方向とは、触感呈示装置10の側面視において交差している。
ここで、変換部60の作用について、図7を参照して説明する。図7は、変換部60の拡大図である。図7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のパネル裏面30b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。そのため、一般の圧電素子51では、操作者が良好に検出できる触感を呈示しにくい場合がある。しかし、本実施の形態においては、変換部60により、触感を呈示できるパネル30の変位量Dは投入変位量Sに比べて大きくなる。そのため、本実施の形態のように構成した変換部60により、触感呈示装置10は良好な触感を呈示しやすくなる。
なお、圧電素子51の伸縮変位方向とパネル30の変位方向とのなす角度、すなわち圧電素子51の伸縮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。
一方、図7に示すように、回動部材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+F21/2)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つの抗力A、B、Cのバランスにより回動部材61の位置が定まる。したがって、回動部材61を固定軸62に緊密に保持させる必要がないので、回動部材61を図4の形状に代えて、例えば図5(a)〜(c)に示すような形状とするなど、回動部材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8(a)に示す回動部材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8(b)に示す回動部材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8(c)に示す回動部材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、回動部材61に抗力A及び抗力Bが常に作用することにより、回動部材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変位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を伸縮変位させる。これにより、パネル30を変位させて、操作者に触感をフィードバックする。
ここで、本実施の形態における圧電素子51は、操作者によるパネル30への押圧を検出する押圧検出部としても機能する。圧電素子51の押圧検出部としての機能について、再び図6を参照して説明する。なお、触感呈示装置10は、圧電素子51とは別に、押圧検出用の圧電素子又は歪センサ等の押圧検出部を備えていてもよい。
操作者が、携帯電話機等の電子機器として構成された触感呈示装置10に対して入力操作を行うと、パネル30に対して入力操作による押圧が入力される。パネル30が配置された上部筐体20aが、弾性部材により構成される接合部23の弾性力に抗して下部筐体20bの方向へ変位すると、当接部61cは下方向に変位する。その結果、回動部材61は固定軸62を支点として右回りに回動する。これにより、パネル30による変位方向が、変換部60によりほぼ90度変換されて圧電素子51に伝達され、圧電素子51が、左方向に縮むように変位する。
圧電素子51は、当接部61bからの押圧に係る荷重(力)の大きさ(または、荷重(力)の大きさが変化する速さ(加速度))に応じた、電気的な特性である電圧の大きさ(電圧値(以下、押圧に基づくデータと称する))の出力を行う。圧電素子51から出力された押圧に基づくデータは、触感呈示装置10の制御部に送信され、当該データに対応する押圧(入力)がされたことが検出される。このように、圧電素子51は、触感呈示とともに押圧検出にも用いることができる。
図9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し、圧電素子51の出力(押圧に基づくデータ)に基づいてパネル30への押下荷重が所定値に達したことを検出すると、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。圧電素子51の駆動により、パネル30が変位して、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を一往復変位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を複数往復変位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、規制部25が、パネル30の全体が変位するようにパネル30の変位を規制する。そのため、触感呈示装置10は、ユーザの指がパネル30に接触している位置にかかわらず、良好な触感を呈示しやすくなる。
また、規制部25を備えない触感呈示装置においてパネル30全体を変位させるためには、例えばパネル30の四隅を変位させるように、筐体20の四隅に4つのアクチュエータ50を配置する必要がある。しかし、本実施の形態に係る触感呈示装置10は、規制部25によってパネル30の変位を規制しているため、例えば、2つのアクチュエータ50により、パネル30の全体を変位させることができる。このように、本実施の形態に係る触感呈示装置10によれば、より少ないアクチュエータ50によっても、良好な触感を呈示しやすくなる。
また、本実施の形態に係る触感呈示装置10によると、圧電素子51によるパネル30に平行な伸縮変位をパネル30の厚さ方向の変位に変換することができる。このとき、圧電素子51の変位量を、変換部60により、より大きな変位量に変換してパネル30を変位させることができる。そのため、圧電素子51を装置の厚み方向に配置する場合と比較して、より大きな変位量でパネル30を変位させることができ、厚み方向に良好な触感を呈示しやすくなる。また、圧電素子51を押圧検出部として機能させることにより、パネル30への押圧検出用の圧電素子51を別途配置する場合と比較して、簡単に装置を構成することができる。また、回動部材61を固定軸62に緊密に保持させる必要がないので、回動部材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、回動部材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変位させることが可能となる。
また、圧電素子51は、筐体20の長手方向に、つまり触感呈示装置10の側面視において、圧電素子51の変位方向がパネル30の変位方向と交差して配置されているので、筐体20の厚み方向の装置の寸法を小さくでき、小型化が可能となる。また、触感呈示装置10は、アクチュエータ50により、パネル30全体を変位させて触感を呈示する。そのため、触感呈示装置10は、パネル30をたわませて触感を提示する場合と比較して、より小さな力で良好に触感を呈示できる。
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、触感呈示装置10は、変換部60を備えていなくてもよい。この場合、アクチュエータ50は、筐体20の厚み方向に変位するように配置される。
また、上記実施の形態において、アクチュエータ50の数量が2つであるとして説明したが、アクチュエータ50の数量は、2つに限られない。例えば、触感呈示装置10は、3つ以上のアクチュエータを備えていてもよい。また、触感呈示装置10は、筐体20の平面視におけるパネル30の重心位置にアクチュエータ50を1つのみ備えていてもよい。
10 触感呈示装置
20 筐体
20a 上部筐体
20b 下部筐体
20c、20d 短辺
21 表面
21a 開口
22 ガイド
23 接合部
24 固定部
25 規制部
26 フック部
30 パネル
30a パネル表面
30b パネル裏面
40 表示部
50 アクチュエータ
51 圧電素子
60 変換部
61 回動部材
61a 係止部
61b、61c 当接部
62 固定軸
70 制御部
71 記憶部
72 圧電素子駆動部

Claims (4)

  1. パネルと、
    前記パネルを該パネルの厚み方向に変位させるアクチュエータと、
    前記パネルの変位を規制する規制部と
    を備える触感呈示装置。
  2. 前記アクチュエータは、前記パネルの裏面において、当該触感呈示装置の平面視で前記パネルの重心を挟んだ少なくとも2点を変位させることにより、前記パネルを変位させる、請求項1に記載の触感呈示装置。
  3. 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、前記パネルを変位させる変換部を備える、請求項1又は請求項2に記載の触感呈示装置。
  4. 前記アクチュエータは、積層型圧電素子を備える、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の触感呈示装置。
JP2014229421A 2014-11-12 2014-11-12 触感呈示装置 Active JP6490400B2 (ja)

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