JP2017130021A

JP2017130021A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP2017130021A
Application number: JP2016008607A
Authority: JP
Inventors: 仁紀兵藤; Hitonori Hyodo
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2017-07-27

Abstract

【課題】ターゲットへの操作指の引き込み感を想起させる操作性に優れた触覚呈示装置を提供する。【解決手段】検出対象物である指１００により操作面１１にされた操作位置（ｘ、ｙ）を検出する操作検出部であるタッチパッド１０と、タッチパッド１０の検出結果に基づいて操作面１１を振動させ、指１００と操作面１１との間の摩擦力を制御する振動部であるアクチュエータ１２と、操作面１１上のターゲット５０の周辺領域５５においてアクチュエータ１２に所定の駆動電圧Ｅ１を印加し、周辺領域５５以外の領域においてアクチュエータ１２に駆動電圧Ｅ１より小さい電圧（例えば、ゼロ）を印加する制御を行なう制御部１４と、を有して触覚呈示装置を構成する。【選択図】図５

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、タッチパッド上を指等でなぞり操作等を行なうときに、ターゲットの周辺で摩擦係数を変動させて触覚呈示をする触覚呈示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の触覚呈示装置は、指等が操作面に接触した時にタッチエリア中のタッチを検出するように構成されたセンサーと、アクチュエータと、１つ以上のプロセッサを含む。プロセッサは、センサーを使ってタッチの位置を決定し、位置に少なくとも部分的に基づいて生成する触覚効果を選択することができ、触覚効果は決定された位置かまたはその近傍における特徴の存在をシミュレートするように選択される。プロセッサは、アクチュエータを使って同定された触覚効果を生成するように触覚信号を送信する。この特徴は、タッチパッド表面の摩擦係数を変動させることによってシミュレートされる。

また、触覚呈示装置は、触覚効果を生成する操作面の質感または摩擦係数中の変動を表すことができるとされている。ターゲットの周辺で、高い摩擦の第一のエリアに続いてより低い摩擦の第二のエリアと、より高い摩擦の第三のエリアを有することによって、箱の感覚が触覚呈示できるとされている。

特表２０１２−５２０５１９号公報

しかし、従来の特許文献１の触覚呈示装置は、ターゲットの周辺においてアクチュエータを駆動して操作面の質感により触覚効果を生成している。また、操作面の任意の点からターゲットへの引き込み感を呈示するものではなかった。したがって、タッチパッド上を指等でなぞり操作等を行なうことにより、別の場所に設置されている表示部の操作状態を見るいわゆるブラインド操作を行なうには、問題があった。

従って、本発明の目的は、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起させる操作性に優れた触覚呈示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、検出対象物により操作面にされた操作位置を検出する操作検出部と、前記操作検出部の検出結果に基づいて前記操作面を振動させ、前記検出対象物と前記操作面との間の摩擦力を制御する振動部と、前記操作面上のターゲットの周辺領域において前記振動部に所定の駆動電圧を印加する制御を行なう制御部と、を有することを特徴とする触覚呈示装置を提供する。

［２］前記制御部は、前記周辺領域以外の領域において前記振動部に前記駆動電圧より小さい電圧を印加する制御を行なうことを特徴とする上記［１］に記載の触覚呈示装置であってもよい。

［３］また、前記制御部は、前記周辺領域を超えて前記ターゲット内に前記検出対象物が到達したら、前記振動部に前記駆動電圧より小さい電圧を印加する制御を行なうことを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の触覚呈示装置であってもよい。

本発明によれば、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起させる操作性に優れた触覚呈示装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を示す車両内部の概略図である。図２は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図の一例である。図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の構造を示すための断面図である。図４（ａ）は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の表示装置に表示される画面の一例であり、図４（ｂ）は、この表示装置の画面に対応したタッチパッドの平面図であって、タッチパッド上のターゲット、各摩擦領域を示す図である。図５は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を説明するためのフローチャートである。図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作において、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図６（ｂ）は、指の位置と、指と操作面との間の摩擦力を示す図、図６（ｃ）は、指の位置と指の速度（なぞり速度）を示す図である。図７（ａ）は変形例１の、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図７（ｂ）は、指の位置、指と操作面との間の摩擦力を示す図である。図８（ａ）は変形例２の、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図８（ｂ）は、指の位置、指と操作面との間の摩擦力を示す図である。

（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を示す車両内部の概略図である。図２は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図の一例である。また、図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の構造を示すための断面図である。

本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置１は、検出対象物である指１００により操作面１１にされた操作位置（ｘ、ｙ）を検出する操作検出部であるタッチパッド１０と、タッチパッド１０の検出結果に基づいて操作面１１を振動させ、指１００と操作面１１との間の摩擦力を制御する振動部であるアクチュエータ１２と、操作面１１上のターゲット５０の周辺領域５５においてアクチュエータ１２に所定の駆動電圧Ｅ_１を印加し、周辺領域５５以外の領域においてアクチュエータ１２に駆動電圧Ｅ_１より小さい電圧Ｅ_２（例えば、ゼロ）を印加する制御を行なう制御部１４と、を有して構成されている。

触覚呈示装置１は、例えば、図１に示すように、車両８の運転席と助手席との間に伸びるフロアコンソール８０に配置されている。この触覚呈示装置１は、電磁気的に接続された電子機器の操作を行うことができるものである。触覚呈示装置１は、例えば、操作指や導電性を有するペンなどの検出対象物による操作により、電子機器の表示部に表示されたカーソルの移動や選択、表示されたアイコンの選択、決定、ドラッグ、ドロップなどの指示を行うように構成されている。車両８のインストルメントパネル８１に配置された表示装置８５は、この電子機器の表示部として機能する。なお本実施の形態では、主に指によるなぞり操作について説明する。

本実施の形態の予め定められたターゲット５０は、後述する表示装置８５の表示画面に表示されたアイコン６０に対応してタッチパッド１０上に設定されるタッチ操作、なぞり操作の目標物である。

タッチパッド１０は、例えば、操作指で触れた操作面１１上の位置を検出するタッチセンサである。操作者は、例えば、操作面１１に操作を行うことにより、接続された電子機器の遠隔操作を行うことが可能となる。タッチパッド１０としては、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）方式、静電容量方式などのタッチパッド、操作面１１を撮像することにより接触位置を検出する検出装置などを用いることが可能である。本実施の形態では、タッチパッド１０は、一例として、静電容量方式のタッチパッドであるものとする。

タッチパッド１０は、一例として、図１、図３に示すように、表面が操作面１１となるパネル１０ａを有すると共に、絶縁状態を保ちながら交差する複数の駆動電極及び検出電極（図示省略）がパネル１０ａに配置されている。タッチパッド１０は、この複数の駆動電極及び検出電極を走査し、駆動電極と検出電極の組み合わせで得られる静電容量を検出する。タッチパッド１０は、例えば、予め定められた閾値と静電容量とを比較し、操作指が検出された検出点の座標を１周期分算出して検出情報Ｓ_１として周期的に制御部１４に出力する。この座標は、例えば、操作面１１に設定された直交座標系における座標である。

図３（ｂ）に示すように、タッチパッド１０のパネル１０ａは、ベース２０に設けられた支持部２１、２２に両端あるいは周囲が指示されて、パネル厚さの方向に所定の振動モードで振動することができる。この振動は、パネル１０ａの下面側に取り付けられたアクチュエータ１２により加振される。なお、操作面１１は、アクチュエータ１２の上部を除いたパネル１０ａの表面とされている。

（アクチュエータ１２の構成）
アクチュエータ１２は、例えば、金属板と、圧電素子と、を備えたモノモルフ型の圧電アクチュエータである。このモノモルフ型圧電アクチュエータとは、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造のアクチュエータである。圧電素子の材料としては、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）などが用いられる。なお、アクチュエータ１２の変形例としては、２枚の圧電素子を金属板の両面に設けたバイモルフ型圧電アクチュエータであっても良い。

このアクチュエータ１２は、例えば、制御部１４から出力される正弦波となる駆動電圧Ｅに基づいて超音波で振動する。この超音波振動の振動数は、一例として、２０ｋＨｚ以上である。

上記示したアクチュエータ１２により、パネル１０ａが加振されて振動すると、パネル１０ａの表面、すなわち、操作面１１には、超音波振動が発生する。例えば、操作面１１を指でタッチ操作あるいはなぞり操作する場合、操作面１１と指との間には、空気の膜であるスクイーズ膜が形成され、スクイーズ効果が発生する。このスクイーズ効果とは、操作面１１と指との間の空気の膜により、操作面１１のなぞり操作時に摩擦力が低下する現象である。この摩擦力の低下は、アクチュエータ１２の加振力、すなわち、アクチュエータ１２に印加する駆動電圧Ｅにより制御することができる。

（制御部１４の構成）
制御部１４は、図２に示すように、タッチパッド１０、アクチュエータ１２と接続され、ＬＩＮ、ＣＡＮ等の車載ＬＡＮ９０を介して、表示装置８５に接続されている。また、タッチパッド１０での操作により遠隔操作の対象とされる車載機器２００等にも接続されている。制御部１４は、タッチパッド１０から検出情報Ｓ_１が入力される。また、表示装置８５からターゲット情報Ｓ_２が入力される。また、アクチュエータ１２に駆動電圧Ｅを出力する。

制御部１４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）など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１４が動作するためのプログラムなどが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。また制御部１４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。

ここで、制御部１４は、図４（ａ）で示す表示装置８５の表示画面８６上に表示されたアイコン６０のターゲット情報Ｓ_２に基づいて、図４（ｂ）で示すタッチパッド１０上にターゲット５０を設定する。このターゲット５０は、タッチ操作、なぞり操作の目標物である。制御部１４は、このターゲット５０に向かってなぞり操作をするときに、アクチュエータ１２の駆動電圧を制御して触覚呈示の制御を行なう。

図４（ａ）において、表示画面８６は、左上を原点としてＸ、Ｙ座標が設定されている。アイコン６０、カーソル１１０等はこのＸ、Ｙ座標系により位置、領域が規定されている。一方、図４（ｂ）において、タッチパッド１０の操作面１１は、左上を原点としてｘ、ｙ座標が設定されている。このｘ、ｙ座標系によりアイコン６０に対応するターゲット５０の位置、領域が規定されている。また、指１００のタッチ操作の位置、なぞり操作の位置も、このｘ、ｙ座標系により検出される。

図４（ｂ）において、ターゲット５０の境界線５０ａを中心とした一定幅の領域を周辺領域５５（ハッチングで示す領域）とする。また、周辺領域５５の外の領域を第１高摩擦領域５６とする。また、ターゲット５０内である周辺領域５５の内部の領域を第２高摩擦領域５７とする。第１高摩擦領域５６は摩擦が大であり、指すべりの悪い領域である。第２高摩擦領域５７も摩擦が大であり、指すべりの悪い領域である。周辺領域５５は、第１高摩擦領域５６及び第２高摩擦領域５７に比べて摩擦が小であり、指すべりの良い領域である。

指１００のタッチ操作の位置、なぞり操作の位置（ｘ、ｙ）は、図２に示すように、検出情報Ｓ_１として制御部１４に入力される。また、検出情報Ｓ_１に基づいて、Ｘ、Ｙ座標系に変換された操作情報Ｓ_３が表示装置８５に入力されて、カーソル１１０の位置制御を行なう。

（触覚呈示装置１の動作）
図５は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を説明するためのフローチャートである。また、図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作において、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図６（ｂ）は、指の位置と、指と操作面との間の摩擦力を示す図、図６（ｃ）は、指の位置と指の速度を示す図である。以下において、このフローチャートに従って触覚呈示装置１の動作を説明する。

制御部１４は、図６（ａ）に示すように、駆動電圧Ｅ_２をゼロに設定する。この駆動電圧Ｅ_２は、後述する周辺領域５５での駆動電圧Ｅ_１よりも小さい電圧とするので、本実施の形態では、Ｅ_２＝０（ゼロ）とする。（Ｓｔｅｐ１）。これにより、アクチュエータ１２の駆動電圧がゼロとなるので、アクチュエータ１２、パネル１０ａは振動せず、スクイーズ効果が発生しない。図６（ｂ）に示すように、指と操作面との間の摩擦力は、ｆ（Ｅ_２）である。なお、触覚呈示装置１の動作は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、カーソル１１０がアイコン６０の外に位置しており、したがって、指１００が第１高摩擦領域５６の点ｘ１から開始されるものとしている。また、指１００はｘ方向に沿ってのみ移動するとして説明する。

制御部１４は、指位置（ｘ、ｙ）を検出する（Ｓｔｅｐ２）。

制御部１４は、指位置（ｘ、ｙ）が周辺領域５５かどうかを判断する（Ｓｔｅｐ３）。周辺領域５５であると判断した場合（ｘ２＜ｘ＜ｘ４）はＳｔｅｐ４へ進み、周辺領域５５でないと判断した場合はＳｔｅｐ２へ戻ってなぞり操作の位置検出を継続する。

指位置（ｘ、ｙ）が周辺領域５５にあると判断した場合は、制御部１４は、駆動電圧をＥ_１に設定する（Ｓｔｅｐ４）。この駆動電圧Ｅ_１は、Ｅ_２＝０（ゼロ）より大きい値に設定される。これにより、アクチュエータ１２へ駆動電圧Ｅ_１が印加されて、アクチュエータ１２、パネル１０ａが振動する。パネル１０ａの振動により、スクイーズ効果が発生し、図６（ｂ）に示すように、摩擦力がｆ（Ｅ_１）（＜ｆ（Ｅ_２））に低下する。

制御部１４は、指がターゲット内に到達したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ５）。指位置（ｘ、ｙ）を検出して、ターゲット内に到達したと判断した場合（ｘ４＜ｘ＜ｘ６）はＳｔｅｐ６へ進み、ターゲット内に到達していないと判断した場合はＳｔｅｐ２へ戻ってなぞり操作の位置検出を継続する。

制御部１４は、図６（ａ）に示すように、駆動電圧Ｅ_３をゼロに設定する。この駆動電圧Ｅ_３は、周辺領域５５での駆動電圧Ｅ_１よりも小さい電圧とするので、本実施の形態では、Ｅ_３＝０（ゼロ）とする。（Ｓｔｅｐ６）。これにより、アクチュエータ１２の駆動電圧がゼロとなるので、アクチュエータ１２、パネル１０ａは振動せず、スクイーズ効果が発生しない。図６（ｂ）に示すように、指と操作面との間の摩擦力は、ｆ（Ｅ_２）（＞ｆ（Ｅ_１））に増加する。

なお、指がどちらの方向からターゲットへ向かう場合でも、制御部１４は、上記と同様の動作により、アクチュエータ１２の振動制御を行なう。

上記示したフローにより、一連の処理実行動作を終了する。

ここで、図６（ｃ）は、指の位置と指の速度（なぞり速度）を示す図である。操作者は、Ａ点（ｘ＝ｘ１）から指をターゲットに向かってなぞり操作を行なう。摩擦力ｆ（Ｅ_２）に抗してなぞり操作を行なうことにより、ｘ＝ｘ１において速度ゼロから速度を上げて、第１高摩擦領域５６で速度ｖ１に達する。

ｘ＝ｘ２に達すると、周辺領域５５において摩擦力がｆ（Ｅ_１）（＜ｆ（Ｅ_２））に低下するので、指の速度はｖ２（＞ｖ１）に増加する。したがって、操作者は、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起することができる。

ｘ＝ｘ４に達すると、指がターゲット内に到達し、指と操作面との間の摩擦力は、ｆ（Ｅ_２）（＞ｆ（Ｅ_１））に増加して第２高摩擦領域５７を形成する。これにより、指の速度は低下して、操作者は、ターゲット内（ｘ４〜ｘ５〜ｘ６）で操作指が止められる感触を呈示される。

（変形例１）
図７（ａ）は変形例１の、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図７（ｂ）は、指の位置、指と操作面との間の摩擦力を示す図である。

変形例１は、第１高摩擦領域５６での駆動電圧Ｅ_２をゼロではなく、ゼロ以上の所定の値に設定する場合である。ただし、図７（ａ）に示すように、駆動電圧Ｅ_２＜Ｅ_１に設定する。これにより、摩擦力は、ｆ（Ｅ_２）＞ｆ（Ｅ_１）となる。すなわち、第１高摩擦領域５６から周辺領域５５に到達すると、摩擦力がΔｆ（＝ｆ（Ｅ_２）-ｆ（Ｅ_１））だけ低下する。これにより、操作者は、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起することができる。

（変形例２）
図８（ａ）は変形例２の、指の位置とアクチュエータへ供給する駆動電圧との関係を示す図、図８（ｂ）は、指の位置、指と操作面との間の摩擦力を示す図である。

変形例２は、周辺領域５５において、２段階で駆動電圧を制御するものである。第１高摩擦領域５６での駆動電圧Ｅ_２をゼロとする。第１高摩擦領域５６から周辺領域５５に到達すると、ｘ＝ｘ２において、駆動電圧をＥ_２からＥ_４にする。さらに、ｘ＝ｘ３において、駆動電圧をＥ_４からＥ_１にする。これにより、摩擦力は、ｆ（Ｅ_２）、ｆ（Ｅ_４）、ｆ（Ｅ_１）となり、Δｆ１（＝ｆ（Ｅ_２）-ｆ（Ｅ_４））、Δｆ２（＝ｆ（Ｅ_４）-ｆ（Ｅ_１））と段階的に摩擦力が低下する。これにより、操作者は、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起することができる。

（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）本実施の形態に係る触覚呈示装置は、検出対象物である指１００により操作面１１にされた操作位置（ｘ、ｙ）を検出する操作検出部であるタッチパッド１０と、タッチパッド１０の検出結果に基づいて操作面１１を振動させ、指１００と操作面１１との間の摩擦力を制御する振動部であるアクチュエータ１２と、操作面１１上のターゲット５０の周辺領域５５においてアクチュエータ１２に所定の駆動電圧Ｅ_１を印加し、周辺領域５５以外の領域においてアクチュエータ１２に駆動電圧Ｅ_１より小さい電圧Ｅ_２（例えば、ゼロ）を印加する制御を行なう制御部１４と、を有して構成される。これにより、指１００は、摩擦力の大きい第１高摩擦領域５６から摩擦力の小さい周辺領域５５を経て、ターゲット５０に到達する。したがって、操作者は、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起することができる。
（２）また、ターゲットの周辺領域５５を摩擦力の小さい領域とし、周辺領域５５の内部の領域を摩擦力の大きい第２高摩擦領域５７とする。ターゲットに到達すると、指の速度は低下して、操作者は、ターゲット内で操作指が止められる感触を呈示される。
（３）上記（１）、（２）により、ターゲットへの操作指の引き込み感を想起させる操作性に優れた触覚呈示装置を提供することができる。また、ターゲットへの操作指の引き込み感の呈示がされるので、表示画面を見ながらタッチパッドの操作を行なうブラインド操作の操作性を向上させることができる。
（４）本実施の形態に係る触覚呈示装置は、ターゲット以外の領域を摩擦力の大きい第１高摩擦領域５６に設定する。この領域は、アクチュエータ１２の駆動電圧Ｅをゼロまたは小さな値に設定可能である。したがって、消費電力を抑えた触覚呈示装置を実現でき、省エネ効果が期待できる。

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。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…触覚呈示装置、
８…車両
１０…タッチパッド
１０ａ…パネル
１１…操作面
１２…アクチュエータ
１４…制御部
２０…ベース
２１…支持部
５０…ターゲット
５０ａ…境界線
５５…周辺領域
５６…高摩擦領域
５７…高摩擦領域
６０…アイコン
８０…フロアコンソール
８１…インストルメントパネル
８５…表示装置
８６…表示画面
９０…車載ＬＡＮ
１００…指
１１０…カーソル
２００…車載機器
Ｓ_１…検出情報
Ｓ_２…ターゲット情報
Ｓ_３…操作情報

Claims

検出対象物により操作面にされた操作位置を検出する操作検出部と、
前記操作検出部の検出結果に基づいて前記操作面を振動させ、前記検出対象物と前記操作面との間の摩擦力を制御する振動部と、
前記操作面上のターゲットの周辺領域において前記振動部に所定の駆動電圧を印加する制御を行なう制御部と、
を有することを特徴とする触覚呈示装置。
前記制御部は、前記周辺領域以外の領域において前記振動部に前記駆動電圧より小さい電圧を印加する制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記制御部は、前記周辺領域を超えて前記ターゲット内に前記検出対象物が到達したら、前記振動部に前記駆動電圧より小さい電圧を印加する制御を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。