JP2019087482A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過荷重による破壊を抑制す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、プッシュ操作に伴って操作パネル２に付加された荷重Ｆを検出する荷重検出部３と、操作パネル２に付加された荷重Ｆが荷重検出部３に許容される荷重以上である場合、倒れて荷重検出部３に掛かる荷重を許容される荷重より小さく緩和するように荷重検出部３を支持する複数の支持部４と、を備えて概略構成されている。この触覚呈示装置１は、過荷重による破壊を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、圧電素子と、圧電素子が接合され、圧電素子の変位に応じて振動する振動板と、振動板を支持する支持部とを有するアクチュエータと、振動板の振動が伝達され、ユーザに対して触感を呈示する振動対象と、を備えた触感呈示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このアクチュエータは、振動板と支持部とがなす角度が鋭角であるので、圧電素子の変位に応じて、振動板の中央付近における振幅が最大になるように振動する。

特開２０１７−１７４２２０号公報

しかし従来のアクチュエータは、振動対象に対して意図せず過荷重が印加された場合、圧電素子が破壊される可能性がある。

従って本発明の目的は、過荷重による破壊を抑制することができる触覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、押し下げ操作に伴って操作部に付加された荷重を検出する荷重検出部と、操作部に付加された荷重が荷重検出部に許容される荷重以上である場合、倒れて荷重検出部に掛かる荷重を許容される荷重より小さく緩和するように荷重検出部を支持する複数の支持部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、過荷重による破壊を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置のプッシュ操作前の状態の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、プッシュ操作時の触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、過荷重が付加された場合の触覚呈示装置の一例を示す概略図である。 図３は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、押し下げ操作に伴って操作部に付加された荷重を検出する荷重検出部と、操作部に付加された荷重が荷重検出部に許容される荷重以上である場合、倒れて荷重検出部に掛かる荷重を許容される荷重より小さく緩和するように荷重検出部を支持する複数の支持部と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、許容される荷重以上の荷重が荷重検出部に掛からないように、複数の支持部が倒れて荷重を緩和するので、この構成を採用しない場合と比べて、過荷重による破壊を抑制することができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置のプッシュ操作前の状態の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、プッシュ操作時の触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、過荷重が付加された場合の触覚呈示装置の一例を示す概略図である。なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図１（ｃ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

この触覚呈示装置１は、一例として、なされた押し下げ操作（プッシュ操作）に基づいて車両に搭載された電子機器の機能を制御すると共に、なされた操作が受け付けられたことを示す触覚フィードバックを呈示するように構成されている。

触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、プッシュ操作に伴って操作部としての操作パネル２に付加された荷重Ｆを検出する荷重検出部３と、操作パネル２に付加された荷重Ｆが荷重検出部３に許容される荷重以上である場合、倒れて荷重検出部３に掛かる荷重を許容される荷重より小さく緩和するように荷重検出部３を支持する複数の支持部４と、を備えて概略構成されている。

また触覚呈示装置１は、検出された荷重に基づいてプッシュ操作がなされたと判定した場合、荷重検出部３を制御して操作パネル２に振動を付加して触覚フィードバックを呈示する制御部６を備えている。この制御部６は、プッシュ操作を判定するための荷重しきい値６０を有している。

具体的には、制御部６は、検出された荷重が荷重しきい値６０以上である場合、操作パネル２にプッシュ操作がなされたと判定し、荷重検出部３を駆動する駆動信号Ｓ_２を出力して操作面２０に振動を付加して触覚フィードバックを呈示する。

従って荷重検出部３は、操作パネル２に付加された荷重Ｆを検出すると共に振動による触覚フィードバックを呈示するように構成されている。

この触覚フィードバックは、一例として、ボタンを押し込んだ際のクリック感などを模したものである。なお触覚フィードバックは、これに限定されず、操作を受け付けたことを示すものなどであっても良い。

また変形例として触覚呈示装置１は、操作パネル２が操作面２０上の操作指の位置を検出するタッチパッドとして構成されても良い。

（操作パネル２の構成）
操作パネル２は、一例として、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、操作面２０が矩形状を有しているがこれに限定されない。この操作パネル２は、例えば、プッシュ操作可能に筐体に配置されている。

なお変形例として複数の触覚呈示装置１が操作パネル２を共用する構成でも良い。つまり操作パネル２の一部が１つの触覚呈示装置１の操作面２０となる。そして荷重検出部３は、わずかな操作パネル２の撓みによる荷重を検出する。

操作面２０に付加された荷重Ｆは、例えば、図１（ｂ）に示すように、押子５を介して荷重検出部３に作用する。また荷重検出部３が生成した振動は、押子５を介して操作パネル２に伝達される。

（荷重検出部３の構成）
荷重検出部３は、例えば、図１（ｂ）に示すように、金属シム３０と、圧電素子３１と、を備えたユニモルフ型の圧電センサである。

金属シム３０は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、圧電素子３１よりも大きい板形状を有している。この金属シム３０は、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。

圧電素子３１は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、板形状を有し、金属シム３０の裏面３０ｂに配置されている。この圧電素子３１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。圧電素子３１は、例えば、これら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型の圧電素子である。

圧電素子３１は、表面３１ａが金属シム３０と接触している。そして圧電素子３１は、裏面３１ｂに第１の電極が形成されている。そして金属シム３０は、導電性を有するので、自身が第２の電極となって圧電素子３１と電気的に接続されている。

荷重検出部３は、操作面２０に荷重Ｆが付加されると、操作パネル２及び押子５を介して金属シム３０に荷重Ｆが付加され、そして金属シム３０の変形に追従して圧電素子３１が変形する。圧電素子３１は、この変形に応じた電圧を出力する。また圧電素子３１は、電圧が第１の電極及び第２の電極間に印加されるとこの電圧に応じて変形する。

荷重検出部３は、例えば、図１（ｃ）に示すように、荷重Ｆに応じて出力した電圧を荷重信号Ｓ_１として制御部６に出力する。そして圧電素子３１は、制御部６から出力された駆動信号Ｓ_２に基づく電圧に応じて変形して金属シム３０と共に振動するように構成されている。

この荷重検出部３は、圧電素子３１を保護するため、許容される荷重が定められている。この許容される荷重（定格荷重）は、荷重検出部３の仕様を保って荷重を計測できる最大荷重である。従って許容される荷重以下であれば、荷重検出部３は、破壊されない。なお荷重検出部３に掛かる初期荷重（プリロード）は、一例として、１Ｎである。そして許容される荷重は、一例として、６Ｎである。

（支持部４の構成）
支持部４は、例えば、弾性体であり、リン青銅やステンレスなどによって形成されている。つまり支持部４は、例えば、金属の板ばねである。そして支持部４は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、金属シム３０の両端部（端部３０ｃ及び端部３０ｄ）に配置されている。

複数の支持部４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、同方向（矢印Ａ方向）に倒れるように配置される。

具体的には、支持部４は、荷重検出部３に取り付けられる第１の取付部４１と、荷重検出部３が設置される支持台１０に取り付けられる第２の取付部４２と、一方の端部が第１の取付部４１と繋がる共に他方の端部が第２の取付部４２と繋がり、支持台１０に対して倒れる方向に傾斜する傾斜部４３と、を備えて概略構成されている。

第１の取付部４１及び第２の取付部４２は、例えば、溶接や接着による接合、及びボルトによる結合などによって金属シム３０及び支持台１０に取り付けられている。なお変形例として支持部４は、金属シム３０と一体、つまり金属シム３０の一部として構成されても良い。

傾斜部４３は、例えば、図１（ｂ）に示すように、支持台１０の設置面１１とのなす角度θが鋭角となる方向に傾く形状を有している。従って複数の支持部４は、傾斜部４３において設置面１１とのなす角度θが鋭角となる方向を合わせて支持台１０に配置される。この配置によって複数の支持部４は、許容される荷重以上の荷重が掛かった場合、鋭角となる方向、つまり同方向（矢印Ａ方向）に倒れる。

また複数の支持部４の押し下げ方向（プッシュ操作方向）のばね定数は、荷重検出部３の押し下げ方向のばね定数よりも大きい。この押し下げ方向は、例えば、図１（ｂ）の紙面下方向の矢印の方向である。この荷重検出部３のばね定数とは、金属シム３０と圧電素子３１の合成ばね定数である。また複数の支持部４の押し下げ方向のばね定数とは、複数の支持部４の合成ばね定数である。

このため、触覚呈示装置１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、許容される荷重より小さい荷重（Ｆ_１）が付加された場合、荷重検出部３のみが変形する。そして触覚呈示装置１は、例えば、図２（ｃ）に示すように、許容される荷重以上の過荷重（Ｆ_２）が付加された場合、荷重検出部３が破壊されないように、さらに複数の支持部４が変形する。

なお支持部４は、変形する際、第１の取付部４１と傾斜部４３のなす角度、及び第２の取付部４２と傾斜部４３のなす角度が変わるように変形する。つまり支持部４は、傾斜部４３が座屈するのではなく、傾斜部４３の形状を保ちつつ、第１の取付部４１及び第２の取付部４２に対する傾斜部４３の角度が変わることにより変形する。

また傾斜部４３の形状を保つとは、撓みやねじれは許容されるものとする。また支持部４の形状は、上述の形状に限定されず、過荷重が付加された際、荷重検出部３に掛かる荷重が許容される荷重より小さくなるように倒れる構成であれば良い。

ここで、例えば、荷重が付加されていない場合、図２（ａ）に点線で示すように、操作パネル２の操作面２０は、基準位置αに位置する。

次に操作指９によって操作面２０を押し下げる操作、つまりプッシュ操作が行われた場合、操作面２０は、一例として、図２（ｂ）に点線で示すように、押下位置βに変位する。この変位によって荷重検出部３は、例えば、図２（ｂ）に示すように、押子５に押されて変形する。仮に許容される荷重より小さい荷重Ｆ_１が操作面２０に付加された場合、上述のばね定数の違いによって、複数の支持部４が変形せず、まず荷重検出部３が変形する。

次に操作指９や物体によって許容される荷重Ｆ_１以上となる過荷重Ｆ_２が操作面２０に付加された場合、操作面２０は、一例として、図２（ｃ）に点線で示すように、押下位置γまで変位する。この変位によって荷重検出部３は、例えば、図２（ｃ）に示すように、上述のばね定数の違いから許容される荷重Ｆ_１が付加されて変形する以上には変形せず、複数の支持部４が変形することで過荷重Ｆ_２を緩和する。

この際、例えば、図２（ｃ）に示すように、複数の支持部４が同方向（矢印Ａ方向）に倒れるので、荷重検出部３は、押子５との接触を保ちつつ矢印Ａ方向に変位する。なお操作パネル２と押子５は、押し下げ方向に変位するものの押し下げ方向と交差する方向には変位しない。

なお変形例として、触覚呈示装置１は、支持部４が３つ以上であった場合、荷重検出部３を適切に支持できる場所に配置すると共に、倒れる方向を同方向に合わせて配置される。

（押子５の構成）
押子５は、例えば、図１（ａ）に示すように、上面５０が矩形状を有すると共に、下面５１が曲面となっている。押子５の上面５０は、操作パネル２の裏面２１に取り付けられている。そして下面５１は、荷重検出部３の金属シム３０の表面３０ａと接触している。

押子５は、下面５１が曲面となっているので、平面の場合と比べて、押子５と荷重検出部３との摩擦力が小さく、複数の支持部４がスムーズに倒れる。

（制御部６の構成）
制御部６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、加工などを行う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６が動作するためのプログラムと、荷重しきい値６０と、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。

この制御部６は、荷重検出部３から出力された荷重信号Ｓ_１を荷重に変換するように構成されている。そして制御部６は、検出された荷重と荷重しきい値６０とを比較し、プッシュ操作がなされたか否かを判定する。制御部６は、プッシュ操作が判定されると、プッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_３を出力すると共に、駆動信号Ｓ_２を出力して触覚フィードバックを呈示する。

続いて以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作について図３のフローチャートに従って説明する。

（動作）
触覚呈示装置１の制御部６は、電源が投入されると、荷重検出部３から入力する荷重信号Ｓ_１に基づいてプッシュ操作がなされたか否かを監視する。制御部６は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり検出された荷重Ｆが荷重しきい値６０以上となると、プッシュ操作がなされたと判定する（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）。

制御部６は、プッシュ操作を判定すると、駆動信号Ｓ_２を出力してプッシュ操作を受け付けたことを示す触覚フィードバックを呈示すると共にプッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_３を接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ２）。

（実施の形態の効果）
触覚呈示装置１は、過荷重による破壊を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、許容される荷重以上の荷重が荷重検出部３に掛からないように、複数の支持部４が倒れて荷重を緩和するので、この構成を採用しない場合と比べて、過荷重による破壊を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、複数の支持部４が傾斜部４３の傾斜を合わせて配置されるので、この構成を採用しない場合と比べて、過荷重が付加された際に複数の支持部４が同方向に倒れて効果的に過荷重を緩和することができる。

触覚呈示装置１は、複数の支持部４の押し下げ方向のばね定数が荷重検出部３の押し下げ方向のばね定数よりも大きいので、この構成を採用しない場合と比べて、許容される荷重以上の荷重が荷重検出部３に付加されることを抑制すると共に、複数の支持部４が倒れる際の荷重の設定が容易になる。

触覚呈示装置１は、押子５が圧電素子３１ではなく金属シム３０に接触しているので、押子が圧電素子に接触する場合と比べて、過荷重による圧電素子３１の破壊をさらに抑制することができる。

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。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。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…操作パネル、３…荷重検出部、４…支持部、５…押子、６…制御部、９…操作指、１０…支持台、１１…設置面、２０…操作面、２１…裏面、３０…金属シム、３０ａ…表面、３０ｂ…裏面、３０ｃ…端部、３０ｄ…端部、３１…圧電素子、３１ａ…表面、３１ｂ…裏面、４１…第１の取付部、４２…第２の取付部、４３…傾斜部、５０…上面、５１…下面、５２…弾性部、６０…荷重しきい値

Claims (5)

1. プッシュ操作に伴って操作部に付加された荷重を検出する荷重検出部と、
   前記操作部に付加された荷重が前記荷重検出部に許容される荷重以上である場合、倒れて前記荷重検出部に掛かる荷重を前記許容される荷重より小さく緩和するように前記荷重検出部を支持する複数の支持部と、
   を備えた触覚呈示装置。
2. 前記複数の支持部は、同方向に倒れるように配置される、
   請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記支持部は、前記荷重検出部に取り付けられる第１の取付部と、前記荷重検出部が設置される支持台に取り付けられる第２の取付部と、一方の端部が前記第１の取付部と繋がる共に他方の端部が前記第２の取付部と繋がり、前記支持台に対して倒れる方向に傾斜する傾斜部と、
   を備えた請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
4. 前記複数の支持部の押し下げ方向のばね定数は、前記荷重検出部の押し下げ方向のばね定数よりも大きい、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
5. 検出された荷重に基づいてプッシュ操作がなされたと判定した場合、前記荷重検出部を制御して前記操作部に振動を付加して触覚フィードバックを呈示する制御部を備えた、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。

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