JP2017010496A

JP2017010496A - 操作装置

Info

Publication number: JP2017010496A
Application number: JP2015128549A
Authority: JP
Inventors: 仁紀兵藤; Hitonori Hyodo
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-01-12

Abstract

【課題】操作パネルの振動の加振、制振作用に優れた触覚呈示を行なうことができる操作装置を提供する。【解決手段】筐体５０により支持され、所定の操作範囲においてタッチ操作される操作部である操作パネル１０と、操作パネル１０に触覚呈示のための振動を付与する加振部であるアクチュエータ２０と、操作パネル１０の所定位置に設けられ、操作パネル１０の振動状態を制御する振動制御手段３０と、アクチュエータ２０及び振動制御手段３０のコイル３２を所定の振動条件で駆動する制御部４０と、を有して構成する。振動制御手段３０は、操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、操作装置に関する。

従来の技術として、振動呈示構造を備えた操作装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の操作装置は、触覚効果を発生させるアクチュエータと、駆動信号を当該アクチュエータに伝達し、当該駆動信号を停止して触覚効果を発生させる前にまたはそれと同時に制動信号をアクチュエータに伝達するプロセッサとを含む構成とされている。制動信号は、周波数がアクチュエータの共振周波数と実質的に同じで、駆動信号の逆相とされている。

この操作装置によれば、操作パネルを振動させる駆動信号が停止または終了すると、アクチュエータを制動するために、システムの共振周波数を有しかつシステムの共振周波数である加速度の逆相にある正弦制動信号が生成されてアクチュエータに伝達される。これにより、開ループ制御であっても操作パネルの残振動を効果的に制動することができるとされている。

特開２０１４−１７０５３４号公報

しかし、従来の操作装置は、操作パネルの残振動を速やかに低減するための制動作用を備えるが、操作パネルの振動の立上がりをよくして応答性を改善する効果は有しない。また、操作パネルの駆動信号による応答性を改善するのみであり、操作パネルに対して物理的に支持、加振、制振作用を付加するものではないため、応答性の改善が十分発揮されないという問題があった。

従って、本発明の目的は、操作パネルの振動の加振、制振作用に優れた触覚呈示を行なうことができる操作装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、筐体により支持され、所定の操作範囲においてタッチ操作される操作部と、前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、前記操作部の所定位置に設けられ、前記操作部の振動状態を制御する振動制御手段と、前記加振部及び前記振動制御手段を所定の振動条件で駆動する制御部と、を有し、前記振動制御手段は、前記操作部の支持、加振、又は制振の制御を行なうことを特徴とする操作装置を提供する。

［２］前記制御部は、前記加振部による前記振動を超音波振動とする駆動を行なうことを特徴とする上記［１］に記載の操作装置であってもよい。

［３］また、前記所定位置は、前記操作部の振動の腹の部分であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の操作装置であってもよい。

［４］また、前記振動制御手段は、前記操作部の振動停止時において前記操作部を支持する支持状態、前記操作部の振動立上がりの過渡振動時において前記操作部を加振する加振状態、前記操作部の定常振動時において前記操作部から離間した離間状態、前記操作部の振動立下がりの過渡振動時において前記操作部を制振する制振状態を制御することを特徴とする上記［１］から［３］のいずれか１に記載の操作装置であってもよい。

本発明によれば、操作パネルの振動の加振、制振作用に優れた触覚呈示を行なうことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の正面図である。図２は、本実施の形態に係る操作装置の構成ブロック図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の操作パネルの振動モードを説明するための振動モード図である。図４は、振動制御手段のコイルとマグネットの部分の詳細図である。図５（ａ）は、本実施の形態に係る操作装置の停止状態を示す図、図５（ｂ）は、操作パネルの加振時の状態を示す図、図５（ｃ）は、操作パネルの定常振動時の状態を示す図、図５（ｄ）は、操作パネルの制振時の状態を示す図である。図６（ａ）は、本実施の形態に係る操作装置のアクチュエータへの印加電圧を示す図、図６（ｂ）は、操作パネル面の変位量を示す図、図６（ｃ）は、コイルへの印加電圧を示す図、図６（ｄ）は、コイルの変位量を示す図である。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る操作装置の正面図である。図８は、本発明の第３の実施の形態に係る操作装置の操作パネルの振動モードを説明するための振動モード図である。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る操作装置１は、操作時に操作部である操作パネル１０を振動させて、操作者に対して操作パネル１０の触覚呈示を行なうものである。操作パネル１０は、加振部であるアクチュエータ２０により加振されるが、本装置は、操作パネル１０の振動状態を制御する振動制御手段３０を別途備えている。これにより、操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を行なうことにより、操作パネルの振動の加振、制振作用に優れた触覚呈示を行なうことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の正面図である。また、図２は、本実施の形態に係る操作装置の構成ブロック図である。

本発明の実施の形態に係る操作装置１は、筐体５０により支持され、所定の操作範囲においてタッチ操作される操作部である操作パネル１０と、操作パネル１０に触覚呈示のための振動を付与する加振部であるアクチュエータ２０と、操作パネル１０の所定位置に設けられ、操作パネル１０の振動状態を制御する振動制御手段３０と、アクチュエータ２０及び振動制御手段３０のコイル３２を所定の振動条件で駆動する制御部４０と、を有して構成されている。振動制御手段３０は、操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を行なうように構成されている。

（操作パネル１０）
操作部である操作パネル１０は、例えば、操作パネル１０の操作面１１をタッチ操作、押圧操作、なぞり操作等の操作により所定の入力操作等を行なうものである。この操作パネル１０は、上記のような入力操作を行なうと共に、操作者に対して振動呈示を行なって入力操作等に対する触感呈示を行なう機能を備えている。操作パネル１０は、例えば、図示省略するが、駆動用の複数の駆動電極と、駆動電極との間の静電容量を読み出す複数の読出電極と、が操作面１１の下方に配置されている。操作パネル１０は、一例として、駆動された駆動電極と順次読み出しされる読出電極との間の容量値を数値化してタッチ検出信号Ｓ_Ｘとして周期的に出力するように構成されている。

このタッチ検出信号Ｓ_Ｘは、例えば、駆動電極と読出電極の組み合せごとに出力される。操作パネル１０の操作面１１には、直交座標系であるＸＹ座標が設定されている。Ｘ座標は、例えば、左右方向であり、Ｙ座標は、前後方向である。制御部４０は、例えば、操作が検出された駆動電極と読出電極の組み合せと読み出した容量値に基づいた加重平均を用いて操作がなされたＸＹ座標系の座標を算出する。

制御部４０は、この検出信号Ｓ_Ｘが閾値Ｓthを超えた場合、操作がなされたと判定する。これによりタッチ検出ができ、また、連続的にタッチ検出がされた場合にはなぞり操作として検出することができる。

なお、操作パネル１０は、静電容量式のタッチパネルに限定されず、抵抗膜方式、赤外線方式、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）方式等のタッチパネルを用いることが可能である。

操作パネル１０は、図１に示すように、筐体５０の支持部５２及び支持部５４によりＵ点、Ｖ点で支持されている。筐体５０は、構造体として操作パネル１０を支持できる剛性を有する材質であればよく、アルミ等の金属材料や樹脂等で形成することができる。支持された操作パネル１０は、アクチュエータ２０により加振されることにより、操作パネル１０の共振周波数で振動する。

ここで、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の操作パネルの振動モードを説明するための振動モード図である。操作パネル１０を板状とすると、Ｕ点、Ｖ点で両端支持された操作パネル１０は、Ｐ_１点、Ｐ_２点を節とする定在波を有する振動モードで振動する。第１の実施の形態では、Ｐ_１点、Ｐ_２点に加えて、中間点のＰ_３点も節とする２次の振動モードとする。

節であるＰ_１点、Ｐ_２点、Ｐ_３点のそれぞれの中間点は、振動の腹となるＰ_４点、Ｐ_５点である。後述する振動制御手段３０を、この腹となるＰ_４点に設ける。これにより、振動制御手段３０による操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を効率的に行なうことができる。

（アクチュエータ２０）
加振部としてのアクチュエータ２０は、例えば、振動板２１と、圧電素子２２と、を備えたモノモルフ型の圧電素子である。モノモルフ型圧電素子は、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造の圧電素子である。なお、圧電素子２２の変形例としては、２枚の圧電素子を板の両面に設けたバイモルフ型圧電素子であっても良い。また、圧電素子を複数枚積層した積層型圧電素子であっても良い。

振動板２１は、例えば、導電性を有するアルミニウム、ニッケル、銅、鉄等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお振動板２１は、例えば、合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成されても良い。

圧電素子２２は、例えば、供給される電圧により、伸縮を行う。この伸縮により、振動板２１が屈曲し、この屈曲によって振動が発生する構造となっている。

圧電素子２２の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ乳酸等が用いられる。圧電素子は、例えば、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層バイモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層バイモルフ型の圧電素子である。

このアクチュエータ２０は、制御部４０から出力されるコイル信号Ｓ_Ｃに基づいて振動する。図２に示すように、アクチュエータ２０は、駆動信号Ｓ_ｄにより駆動される。なお、アクチュエータ２０は、操作部である操作パネル１０、又は、操作パネル１０と加振部であるアクチュエータ２０から構成される振動体を所定の共振周波数ｆｎで振動させる（振動オン）。この共振周波数ｆｎは、上記した振動体の共振周波数ｆｎに一致するように設定されているので、アクチュエータ２０を共振周波数ｆｎで駆動することにより振動体は振動オンとなる。

なお、共振周波数ｆｎは、超音波帯の周波数に設定された超音波振動である。超音波とは、人間の耳には聞こえない高い振動数をもつ可聴域以上の弾性振動波（音波）であり、例えば、２０ｋＨｚから４０ｋＨｚ程度の周波数帯域である。

（振動制御手段３０）
図１に示すように、振動制御手段３０は、コイル３２、マグネット３４から主に構成されている。また、コイル３２を操作パネル１０の下面１２に当接させるためのバネを備えて構成されている。この振動制御手段３０は、図３で示すように、振動モードの腹となるＰ_４点に設けられる。すなわち、コイル３２は、操作パネル１０のＰ_４点を支持、加振、又は制振できる位置にバネ３６で支持された状態で配置されている。

図４は、振動制御手段３０のコイル３２とマグネット３４の部分の詳細図である。コイル３２は、例えば、円筒状又は角筒状にマグネットワイヤが巻回されて形成され、通電により、電磁石として機能する。通電により磁束Ｂが発生する。磁束Ｂの方向は、コイル３２への通電方向により変更可能である。これにより、図１、４で示すマグネット３４との間で、反発力又は吸引力として作用するように制御することができる。

なお、コイル３２は、バネ３６により、操作パネル１０の下面１２に向かって付勢力を受けている。したがって、コイル３２へ通電しない場合には、バネ３６の付勢力によりコイル３２は操作パネル１０の下面１２に所定の付勢力で当接し、操作パネル１０を支持する。また、コイル３２は、コイル３２とマグネット３４の吸引力により、バネ３６の付勢力に抗して操作パネル１０の下面１２から離間することができる。

（制御部４０の構成）
制御部４０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)、半導体メモリであるＲＡＭ(Random Access Memory)及びＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部４０が動作するためのプログラムと、タッチ操作を検出するための閾値Ｓthと、が格納されている。また制御部４０は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

制御部４０は、操作パネル１０のＸ位置の電極から取得したタッチ検出信号Ｓ_Ｘに基づく容量値と、閾値Ｓthと、を比較し、容量値が閾値Ｓthより大きい場合、タッチ操作がなされたと判定する。また、タッチ検出信号Ｓ_Ｘが連続的に検出がされた場合にはなぞり操作として検出することができる。

また、制御部４０は、アクチュエータ２０を駆動するための駆動信号Ｓｄを生成して、図示省略するドライブ回路を介して印加電圧Ｖｄをアクチュエータ２０へ印加する。また、コイル３２を駆動するためのコイル信号Ｓｃを生成して、図示省略するドライブ回路を介して印加電圧Ｖｃをコイル３２へ印加する。

（制御動作）
図５（ａ）は、本実施の形態に係る操作装置の停止状態を示す図、図５（ｂ）は、操作パネルの加振時の状態を示す図、図５（ｃ）は、操作パネルの定常振動時の状態を示す図、図５（ｄ）は、操作パネルの制振時の状態を示す図である。また、図６（ａ）は、本実施の形態に係る操作装置のアクチュエータへの印加電圧を示す図、図６（ｂ）は、操作パネル面の変位量を示す図、図６（ｃ）は、コイルへの印加電圧を示す図、図６（ｄ）は、コイルの変位量を示す図である。以下、図５及び図６に従って、本実施の形態に係る操作装置の制御動作を説明する。

（停止状態ｔ_０〜ｔ_１）
操作パネル１０の振動が停止している状態（時間ｔ_０〜ｔ_１）では、図５（ａ）に示すように、コイル３２はバネ３６で操作パネル１０の方向へ付勢され、コイル３２は操作パネル１０の下面１２で当接して、操作パネル１０のＰ_４点を支持した状態である。このとき、アクチュエータ２０への印加電圧Ｖｄ、パネル面変位量Ｚｐ、コイルへの印加電圧Ｖｃ、コイルの変位量Ｚｃは、いずれも、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、ゼロである。操作パネル１０の操作面１１は振動しておらず、触感（振動の触感）はＯＦＦ期間となっている。

（加振状態ｔ_１〜ｔ_２）
図６（ａ）で示すように、時間ｔ_１において、アクチュエータ２０による操作パネル１０への加振を開始する。アクチュエータ２０には、操作パネル１０が２次の振動モードで振動する共振周波数を持つ印加電圧Ｖｄが印加される。また、図６（ｃ）で示すように、時間ｔ_１において、コイル３２へ印加電圧Ｖｃが印加されて振動制御手段３０による操作パネル１０への加振が行われる。図５（ｂ）に示すように、コイル３２は印加電圧Ｖｃで駆動されて、操作パネル１０の下面１２で当接した状態で操作パネル１０を加振する。コイル３２による操作パネル１０への加振は、アクチュエータ２０による操作パネル１０への加振と同期した状態で行われる。

振動制御手段３０による操作パネル１０への加振は、時間ｔ_２まで行なわれ、図６（ｄ）で示すコイル３２の変位量Ｚｃは、図６（ｂ）で示すパネル面変位量Ｚｐと同期して変位する。この期間及びその後の慣性力が作用する期間の時間ｔ_３までは、振動増幅期間である。なお、コイル３２は、操作パネル１０の振動モードの腹の部分を加振するので、効率的に加振を行なうことができる。

（振動状態ｔ_２〜ｔ_４）
図６（ａ）、（ｃ）で示すように、振動状態ｔ_２〜ｔ_４は、コイル３２による操作パネル１０への加振が停止した時間ｔ_２からアクチュエータ２０による操作パネル１０への加振が停止する時間ｔ_４までの期間である。なお、コイル３２による操作パネル１０への加振が行われる時間ｔ_１〜ｔ_２、及びその後の慣性力が作用する期間の時間ｔ_４までを含めて、触感（振動の触感）はＯＮ期間となっている。

図６（ｃ）で示すように、コイル３２への印加電圧はＶｃ２（マイナス方向の一定値）とされる。これにより、図５（ｃ）で示すように、コイル３２は、マグネット３４に吸着されて操作パネル１０の下面１２から離間した状態になる。これにより、操作パネル１０のアクチュエータ２０による振動を阻害することなく、定常振動時における操作者への振動呈示が行われる。

（制振状態ｔ_４〜ｔ_５）
図６（ａ）で示すように、時間ｔ_４において、アクチュエータ２０による操作パネル１０への加振が終了する。しかし、図６（ｂ）で示すように、操作パネル１０には残振動が残っており、パネル面変位量Ｚｐは時間ｔ_４以降もすぐにはゼロとならない。

ここで、コイル３２への通電は、図６（ｃ）で示すように、時間ｔ_４においてゼロとされる。これにより、図５（ｄ）で示すように、コイル３２は、バネ３６で操作パネル１０の方向へ付勢され、コイル３２は操作パネル１０の下面１２で当接して操作パネル１０のＰ_４点を支持した状態となる。したがって、操作パネル１０は、コイル３２及びバネ３６を介して筐体で支持された状態となるので、制振作用が働いて残振動が早く収束する。なお、コイル３２及びバネ３６は、操作パネル１０の振動モードの腹の部分を制振するので、効率的に制動を行なうことができる。これにより、触感（振動の触感）が低減し、速やかにＯＦＦ期間に移行する。

（停止状態ｔ_５〜）
時間ｔ_５以降は、操作パネル１０の振動が停止している状態となり、触感（振動の触感）はＯＦＦ期間となっている。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る操作装置の正面図である。第１の実施の形態では、振動制御手段３０の加振をコイル３２により行なう形態としたが、マグネット３４により操作パネル１０を加振する形態も可能である。

図７に示すように、操作パネル１０のＰ_４点を支持、加振、又は制振できる位置に、マグネット３４をバネ３６で支持された状態で配置する。この他の構成は、第１の実施の形態と同様である。このような配置により、コイル３２から制御部４０までの配線４５を固定にすることができる。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る操作装置の操作パネルの振動モードを説明するための振動モード図である。第１の実施の形態では、図３で示す、Ｐ_１点、Ｐ_２点に加えて、中間点のＰ_３点も節とする２次の振動モードとしたが、本発明は、これに限られない。第３の実施の形態では、例えば、図８で示すように、１次の振動モードとすることができる。

図８に示すように、操作パネル１０を板状とすると、Ｕ点、Ｖ点で両端支持された操作パネル１０は、Ｐ_１点、Ｐ_２点を節とする定在波を有する振動モードで振動する。第３の実施の形態では、Ｐ_１点、Ｐ_２点を節とする１次の振動モードとする。

節であるＰ_１点、Ｐ_２点の中間点は、振動の腹となるＰ_３点である。振動制御手段３０は、この腹となるＰ_３点に設ける。これにより、振動制御手段３０による操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を効率的に行なうことができる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態においては、以下のような効果を有する。
（１）操作パネル１０は、加振部であるアクチュエータ２０により加振されるが、本装置は、操作パネル１０の振動状態を制御する振動制御手段３０を別途備えている。すなわち、コイル３２への通電制御により、操作パネル１０の支持、加振、又は制振の制御を行なうことにより、操作パネル１０の振動立上がり、及び振動立下がりの過渡特性が改善する。これにより、操作パネル１０の必要な振幅に到達する時間が短くなり、残振動を抑制できるため触感呈示の性能が向上する。
（２）振動制御手段としてコイル３２とマグネット３４による手段を示したが、種々の振動制御手段を使用することができる。例えば、モータを駆動源として加振することができ、また、モータの減速により制動することができ、また、モータの静止トルクにより操作パネル１０を支持する構成とすることもできる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。例えば、操作パネルの振動モードが１次、２次の場合を示したが、３次以上の高次の振動モードでも本発明は適用可能である。また、これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…操作装置、
１０…操作パネル１０、１１…操作面、１２…下面
２０…アクチュエータ、２１…振動板、２２…圧電素子
３０…振動制御手段、３２…コイル、３４…マグネット、３６…バネ
４０…制御部、４５…配線
５０…筐体、５２…支持部
Ｓ_X…タッチ検出信号
Ｓｄ…駆動信号
Ｓ_Ｃ…コイル信号
Ｖｄ、Ｖｃ…印加電圧
Ｚｐ…パネル面変位量
Ｚｃ…コイルの変位量

Claims

筐体により支持され、所定の操作範囲においてタッチ操作される操作部と、
前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、
前記操作部の所定位置に設けられ、前記操作部の振動状態を制御する振動制御手段と、
前記加振部及び前記振動制御手段を所定の振動条件で駆動する制御部と、
を有し、
前記振動制御手段は、前記操作部の支持、加振、又は制振の制御を行なうことを特徴とする操作装置。
前記制御部は、前記加振部による前記振動を超音波振動とする駆動を行なうことを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
前記所定位置は、前記操作部の振動の腹の部分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
前記振動制御手段は、前記操作部の振動停止時において前記操作部を支持する支持状態、前記操作部の振動立上がりの過渡振動時において前記操作部を加振する加振状態、前記操作部の定常振動時において前記操作部から離間した離間状態、前記操作部の振動立下がりの過渡振動時において前記操作部を制振する制振状態を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の操作装置。