JP2018187596A

JP2018187596A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP2018187596A
Application number: JP2017094762A
Authority: JP
Inventors: 仁紀兵藤; Hitonori Hyodo
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-29

Abstract

【課題】スイッチ操作における利便性を向上させることができる触覚呈示装置を提供する。
【解決手段】触覚呈示装置１は、押圧動作によって入力操作される操作部２と、記入力操作の外力により歪んで電荷を発生させる圧電素子３０を有し、圧電素子３０の電荷の放電により操作部２に振動を付与して触覚呈示を行う圧電アクチュエータ３と、圧電素子３０の歪みに応じた電圧を検出して誘導動作を行う電圧検出回路５と、電圧検出回路５の誘導動作により、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂを導通させる導通状態と、導通させない非導通状態とを切替可能とする切替回路６と、を備えて概略構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、外力により歪んで電荷を発生する圧電素子を備えたバイモルフ素子と、スイッチ操作における作用力を圧電素子に伝えて所定に歪ませる外力作用手段と、外力作用手段により所定の歪んだ圧電素子と電気的に接続するメーク接点とを備え、メーク接点から圧電素子に連なり巡る回路を形成して圧電素子に蓄えられた電荷を放電可能とし触感スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この触感スイッチは、触覚的な応答を得るためのフィードバック回路を不要とすることで、特別な駆動回路を設けないシンプルな構成で操作者に触感を与えることを可能とする。

特開２００３−１７７８５７号公報

ところで、この種の触覚スイッチは、利便性が高いものが望ましい。

従って本発明の目的は、スイッチ操作における利便性を向上させることが可能な触覚呈示装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、入力操作される操作部と、前記入力操作の外力により歪んで電荷を発生させる圧電素子を有し、前記圧電素子の前記電荷の放電により前記操作部に振動を付与して触覚呈示を行う圧電アクチュエータと、前記圧電素子の歪みに応じた電圧を検出して誘導動作を行う電圧検出回路と、前記電圧検出回路の前記誘導動作により、前記圧電素子の表面及び裏面を導通させる導通状態と、導通させない非導通状態とを切替可能とする切替回路と、を備えている、触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、スイッチ操作における利便性を向上させることができる。

図１は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す全体概略図である。図２は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を説明する図であり、（ａ）は、入力操作前の状態を示し、（ｂ）は入力操作時に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｃ）は圧電素子の電荷が放電された状態を示し、（ｄ）は入力操作を解除する際に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｅ）は入力操作の解除が完了した状態を示している。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、入力操作される操作部と、前記入力操作の外力により歪んで電荷を発生させる圧電素子を有し、前記圧電素子の前記電荷の放電により前記操作部に振動を付与して触覚呈示を行う圧電アクチュエータと、前記圧電素子の歪みに応じた電圧を検出して誘導動作を行う電圧検出回路と、前記電圧検出回路の前記誘導動作により、前記圧電素子の表面及び裏面を導通させる導通状態と、導通させない非導通状態とを切替可能とする切替回路と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、入力操作時だけでなく、入力操作の解除の際にも、振動をフィードバック呈示するので、この構成を採用しない場合と比べて、スイッチ操作における利便性を向上させることができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す全体概略図である。図２は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を説明する図であり、（ａ）は、入力操作前の状態を示し、（ｂ）は入力操作時に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｃ）は圧電素子の電荷が放電された状態を示し、（ｄ）は入力操作を解除する際に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｅ）は入力操作の解除が完了した状態を示している。

図１に示すように、触覚呈示装置１は、押圧動作によって入力操作される操作部２と、記入力操作の外力により歪んで電荷を発生させる板状の圧電素子３０を有し、圧電素子３０の電荷の放電により操作部２に振動を付与して触覚呈示を行う圧電アクチュエータ３と、圧電素子３０の歪みに応じた電圧を検出して誘導動作を行う電圧検出回路５と、電圧検出回路５の誘導動作により、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂを導通させる導通状態と、導通させない非導通状態とを切替可能とする切替回路６と、備えて概略構成されている。

（操作部２の構成）
操作部２は、板状に形成されており、圧電素子３０の後述する固定部３２とは反対側の自由端側における表面３０ａに配置されている。

操作部２は、入力操作の操作方向と反対方向に作用する反力を生成する反力生成部としてのコイルばね４に圧電素子３０を介して接続されている。

（圧電アクチュエータ３の構成）
圧電アクチュエータ３は圧電素子３０を有し、圧電素子３０の歪み変形に伴って発生する電荷の放電によって、操作部２に入力操作する操作者の指１００に対して振動を付与して触覚フィードバックを提示する。

圧電アクチュエータ３は、操作者の入力操作によって変位しない固定部３２を有する片持ちはり構造である。固定部３２は壁９１に固定され、固定部３２とは反対側の圧電アクチュエータ３の端部が自由端として形成されている。操作部２及びコイルばね４は、自由端側に配置されている。

圧電アクチュエータ３としては、例えば弾性板の両面に圧電素子３０を貼り合わせることによって構成されるバイモルフ型圧電アクチュエータとしてもよく、１枚の圧電素子３０によって構成されるモノモルフ型圧電アクチュエータとしてもよい。バイモルフ型は電圧が圧電素子３０に印加されることでアーチ状に湾曲し、モノモルフ型は電圧が圧電素子３０に印加されることで伸長及び収縮する。

圧電素子３０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはチタン酸バリウムなどのセラミック材料が用いられる。

圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂには、例えばスパッタ法や蒸着法などによって図示しない電極が形成されている。

圧電素子３０の一部は、入力操作によって生じる圧電素子３０の歪みを検出する操作検出部３１として形成されている。操作検出部３１は、絶縁体からなり、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂに対して面一となるように設けられている。

操作検出部３１の表面及ぶ裏面には、圧電素子３０の表面３０ａ及び３０ｂに形成された電極とは別の電極が形成されており、当該別の電極に電圧検出回路５が電気的に接続されている。これにより、圧電アクチュエータ３の薄型化及び意匠面のフラット化が図られている。

（コイルばね４の構成）
コイルばね４の一端部は、圧電素子３０の自由端側に接続されている。コイルばね４の他端部は、基盤９２に接続されている。コイルばね４は、操作部２に対して外力が作用していない自然状態において、圧電素子３０を水平に保つように反力を生成する程度の弾性率が設定されている。

（電圧検出回路５の構成）
電圧検出回路５は、コイル５０、第１整流ダイオード５１ａ、第１ツェナーダイオード５１ｂ、第２整流ダイオード５２ａ、第２ツェナーダイオード５２ｂの回路素子を実装している。

第１整流ダイオード５１ａと第１ツェナーダイオード５１ｂとは直列に接続され、第１ツェナーダイオード５１ｂは第１整流ダイオード５１ａと逆向きに接続されている。同様に、第２整流ダイオード５２ａと第１ツェナーダイオード５２ｂとは直列に接続され、第２ツェナーダイオード５２ｂは第２整流ダイオード５２ａと逆向きに接続されている。

従って、電圧検出回路５に印加された順方向の所定電圧が第１ツェナーダイオード５１ｂの降伏電圧を超えると、順方向電流が第１整流ダイオード５１ａに急激に流れることになる。一方、電圧検出回路５に印加された逆方向の所定電圧が第２ツェナーダイオード５２ｂの降伏電圧を超えると、逆方向電流が第２整流ダイオード５２ａに急激に流れることになる。

電圧検出回路５は、第１整流ダイオード５１ａ及び第１ツェナーダイオード５１ｂと、第２整流ダイオード５２ａ及び第２ツェナーダイオード５２ｂとが並列して接続され、順方向及び逆方向に電流が流れるように構成された定電圧型の閉回路である。

電圧検出回路５は、圧電素子３０の一部に形成され、操作検出部３１の表面及び裏面に電気的に接続されている。操作検出部３１の表面及び裏面には、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂに設けられる電極とは別の電極が施されている。

電圧検出回路５は、圧電素子３０の歪みに応じた所定の閾値電圧を検出して切替回路６に対して誘導動作を行う。より具体的には、圧電素子３０の歪みによって生じる電圧が所定の閾値電圧になると、上記したダイオードの作用によって電圧検出回路５に順方向あるいは逆方向の電流が急激に流れるので、これに伴ってコイル５０が電磁誘導を生じてリレースイッチ６１がオンオフする。つまり、上述の誘導操作とは、リレースイッチ６１及びコイル５０からなるリレー接続部７を作動させる、という意味である。

電圧検出回路５に所定の閾値電圧が印加されると、コイル５０の電磁誘導によってリレースイッチ６１がオンになり、切替回路６が閉回路となる。これにより、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂが導通された導通状態となる。ここで、所定の閾値電圧とは、例えば、リレースイッチ６１をオフからオンに切り替えるのに必要な最低限のコイル５０に印加される電圧をいう。

（切替回路６の構成）
切替回路６は、抵抗６０と、リレースイッチ６１が実装された回路であり、圧電素子３０の表面３０ａ及び裏面３０ｂに電気的に接続されている。また、切替回路６は、リレースイッチ６１を含むリレー接続部７の作動によって、閉回路となるように構成されており、リレー接続部７がオンになると導通状態となり、オフになると非導通状態となる。

（動作）
以上、図1において説明した触覚呈示装置１は、以下のように動作する。図２は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を説明する図であり、（ａ）は、入力操作前の状態を示し、（ｂ）は入力操作時に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｃ）は圧電素子の電荷が放電された状態を示し、（ｄ）は入力操作を解除する際に圧電素子に電荷が蓄えられている状態を示し、（ｅ）は入力操作の解除が完了した状態を示している。

図２（ａ）に示すように、操作者が入力操作をする前においては、圧電素子３０に歪みは生じていないので、電圧検出回路５には電圧が印加されず、リレースイッチ６１はオフの状態である。つまり、切替回路６は非導通状態である。

図２（ｂ）に示すように、操作者が指１００で操作部２を押圧すると、圧電素子３０が歪んで変形するので、圧電素子３０に電荷が蓄えられて電圧検出回路５に所定の電圧が印加される。さらに操作部２が押下されて圧電素子３０の歪みが大きくなると、電圧検出回路５に印加される電圧が第１ツェナーダイオード５１ｂの降伏電圧を超えて、圧電素子３０に蓄えられた電荷が急速放電された順方向電流Ｉ_１として第１整流ダイオード５１ａを介して放出される。

そうすると、電圧検出回路５が所定の閾値電圧を検出してリレー接続部７のリレースイッチ６１がオンとなり、切替回路６が導通状態となり、圧電素子３０に蓄えられた電荷が切替回路６に逆方向電流Ｉ_２として急速放電されて、操作者の指１００に対して振動が触覚フィードバックとして提示される。圧電素子３０の電荷の放電が完了すると、図２（ｃ）に示すように、リレースイッチ６１がオフとなる。

次に、図２（ｄ）に示すように、操作者が入力操作を解除する際には、指１００を操作部２から離そうとするので、圧電素子３０はコイルばね４の弾性力を受けながら歪みを復元するように変形する。

この際、圧電素子３０には、図２（ｂ）に示した入力操作時とは逆向きに電荷の蓄積が起こり、電圧検出回路５に逆方向の電圧が印加される。そして、さらに操作者が指１００を操作部２から離そうとすると圧電素子３０の歪みが小さくなるように変形し、電圧検出回路５に印加される電圧が第２ツェナーダイオード５２ｂの降伏電圧を超えて、圧電素子３０に蓄えられた電荷が急速放電された逆方向電流Ｉ_２として第２整流ダイオード５２ａを介して放出される。

そうすると、電圧検出回路５が所定の閾値電圧を検出してリレー接続部７のリレースイッチ６１が再度オンとなる。これに伴って、切替回路６が導通状態となり、圧電素子３０に蓄えられた電荷が切替回路６に逆方向電流Ｉ_２として急速放電されて操作者の指１００に対して振動が触覚フィードバックとして提示される。圧電素子３０の電荷の放電が完了すると、図２（ｅ）に示すように、リレースイッチ６１がオフとなる。

以上説明したように、触覚呈示装置１の触覚フィードバック呈示は、操作者による押圧動作時及び押圧解除動作時に行う。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る触覚呈示装置１は、入力操作のときだけでなく、入力操作解除の際においても触覚呈示を行うので、操作部２に対するスイッチ操作における利便性を向上させることができる。つまり、触覚呈示装置１は、操作者に対して入力操作がなされたことを呈示するだけでなく、入力操作が解除されたことも呈示することが可能である。

本実施の形態によれば、圧電アクチュエータ３を駆動するための複雑な駆動回路あるいは電源が不要となるので、シンプルな構成で触覚呈示を行うことができ、かつ、小型化を図ることができる。

本実施の形態では、圧電素子３０が１枚である場合について説明したが、これに限定されず、複数の圧電体を積層したりして圧電素子自体の振幅を大きくすれば、大きな触覚振動を得ることができる。したがって、実用に際しては触覚呈示装置１の用途に応じて、圧電素子３０の大きさ、厚みを適宜設定することで、振動の大きさ、入力操作に必要な押下力、ストローク量を調整することが可能である。

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。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、変更などを行うことができる。

上記実施の形態では、圧電アクチュエータ３が片持ちはり構造である場合についてのみ説明したが、これに限定されず、例えば両端固定構造であってもよい。この場合には、圧電アクチュエータ３の両端に操作者の入力操作によって変位しない固定部が設けられ、圧電アクチュエータの中央部に反力を生成する反力生成部としてのコイルばねを配置すればよい。この場合によっても、例えば圧電アクチュエータの中央部が押下されたときに圧電素子が歪み、かつ、操作を解除した際にはコイルばねの弾性力によって歪みが回復するように圧電素子が変位するので、上記実施の形態で説明した原理に基づいて、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、例えば、操作部の操作面を圧電アクチュエータで支持する構造であってもよい。より具体的には、入力操作がされる操作部を中央に設け、この操作部の両端を２つの圧電アクチュエータで支持する。つまり、片持ちはり構造の２つの圧電アクチュエータの自由端に挟まれる位置に操作部を配置して、かつ、この操作部に反力を生成するコイルばねを配置すればよい。この場合によっても、操作部が押下されると共に２つの圧電アクチュエータのそれぞれの自由端が下方に押圧されると共に、それぞれの圧電素子に歪みが生じ、かつ、操作を解除すると共に操作部がコイルばねの弾性力によって押し上げられて圧電素子の歪みが回復するように変位するので、上記実施の形態で説明した原理に基づいて、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

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共に、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、２…操作部、３…圧電アクチュエータ、５…電圧検出回路、６…切替回路、７…リレー接続部、３０…圧電素子、３０ａ…表面、３０ｂ…裏面、３１…操作検出部、３２…固定部、５０…コイル、５１ａ…第１整流ダイオード、５１ｂ…第１ツェナーダイオード、５２ａ…第２整流ダイオード、５２ｂ…第２ツェナーダイオード、６０…抵抗、６１…リレースイッチ、９１…壁、９２…基盤、１００…指

Claims

入力操作される操作部と、
前記入力操作の外力により歪んで電荷を発生させる圧電素子を有し、前記圧電素子の前記電荷の放電により前記操作部に振動を付与して触覚呈示を行う圧電アクチュエータと、
前記圧電素子の歪みに応じた電圧を検出して誘導動作を行う電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の前記誘導動作により、前記圧電素子の表面及び裏面を導通させる導通状態と、導通させない非導通状態とを切替可能とする切替回路と、を備えている、
触覚呈示装置。
前記触覚呈示は、前記操作部への押圧動作時及び押圧解除動作時に行なわれる、
請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記電圧検出回路は、前記圧電素子の歪みに応じた所定の閾値電圧で前記導通動作を行なう、
請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。