JP2019215179A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行う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、タッチ操作がなされる操作面１２０を有するパネル１２と、タッチ操作に伴う荷重Ｆを検出すると共に操作面１２０に振動を付加する少なくとも１つの圧電素子と、パネル１２と圧電素子との間に隙間１６が生じないように、圧電素子を制御して変形させる制御部７と、を備えて概略構成されている。この触覚呈示装置１は、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。【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、基板と、基板上に設けられた銅層と、銅層上に配置された圧電素子と、圧電素子上に配置された導電性箔と、導電性箔が接着され、操作がなされる表面部と、を備えた検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この検出装置は、圧電素子と導電性箔との接触を確保するため、印刷によって導電性箔にドットが形成されている。検出装置は、このドットによってプリテンションが圧力素子に印加されている。

特表２０１３−５３０３９８号公報

このような検出装置は、例えば、温度変化などによる環境要因や寸法バラつき、組み付けによるズレなどによって圧電素子やドットなどの寸法関係が変化して圧電素子とドットの接触が保てず、十分圧電素子に荷重が伝わらなくてタッチ操作の検出や触覚の呈示が安定しない可能性がある。

従って本発明の目的は、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行う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、タッチ操作がなされる操作面を有するパネルと、タッチ操作に伴う荷重を検出すると共に操作面に振動を付加する少なくとも１つの圧電素子と、パネルと圧電素子との間に隙間が生じないように、圧電素子を制御して変形させる制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。

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、タッチ位置を検出する前の圧電素子の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、タッチ位置を検出した後の圧電素子の一例を示す概略図である。 図２は、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、タッチ操作がなされる操作面を有するパネルと、タッチ操作に伴う荷重を検出すると共に操作面に振動を付加する少なくとも１つの圧電素子と、パネルと圧電素子との間に隙間が生じないように、圧電素子を制御して変形させる制御部と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、圧電素子を変形させてパネルとの接触を保つので、変形させない場合と比べて、温度変化などによる環境要因や寸法バラつき、組み付けによるズレなどが生じてもパネルと圧電素子との間に隙間が生じず、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。

[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、タッチ位置を検出する前の圧電素子の一例を示す概略図であり、図１（ｃ）は、タッチ位置を検出した後の圧電素子の一例を示す概略図である。図２は、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。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２では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

この触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）〜図２に示すように、タッチ操作がなされる操作面１２０を有するパネル１２と、タッチ操作に伴う荷重Ｆを検出すると共に操作面１２０に振動を付加する少なくとも１つの圧電素子と、パネル１２と圧電素子との間に隙間１６が生じないように、圧電素子を制御して変形させる制御部７と、を備えて概略構成されている。

また触覚呈示装置１は、操作面１２０に対する操作指のタッチ位置を検出するタッチセンサ３を有している。そして制御部７は、タッチセンサ３の検出値が予め定められたタッチしきい値７１以上であった場合、検出されたタッチ位置に対応する圧電素子を変形させてパネル１２と圧電素子との間に隙間１６が生じないように制御するように構成されている。

本実施の形態の触覚呈示装置１は、一例として、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、圧電素子として第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを備えている。なお圧電素子の数は、これに限定されず、単数であっても良いし、さらに複数であっても良い。

触覚呈示装置１は、例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、パネル１２と圧電素子の間には、操作面１２０に付加された荷重Ｆを圧電素子に伝達する押子が配置されている。本実施の形態の触覚呈示装置１は、第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを有しているので、この第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂに応じて押子１４ａ及び押子１４ｂを備えている。

制御部７は、操作面１２０に付加された荷重Ｆとは逆方向に変形対象の圧電素子を変形させる。つまり制御部７は、例えば、図１（ｃ）に示すように、隙間１６が生じないように変形対象の第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させ、第２の圧電素子５ｂと押子１４ｂとを接触させる。

制御部７は、タッチ位置が検出された後にタッチ操作が検出された場合、隙間１６が生じないように圧電素子を変形させた状態から操作面１２０に振動を付加してタッチ操作を受け付けたことを示す触覚を呈示するように構成されている。この触覚は、予め定められた期間、呈示される。

触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、操作面１２０に設定された第１の操作領域１２ａ及び第２の操作領域１２ｂになされたタッチ操作を検出するように構成されている。そして触覚呈示装置１は、例えば、操作対象の電子機器と電気的に接続されている。この電子機器は、タッチ操作がなされた第１の操作領域１２ａ又は第２の操作領域１２ｂに設定された機能を実行する。この電子機器は、一例として、車両に搭載された空調装置、ナビゲーション装置、スイッチ装置などである。

ここでタッチ位置とは、タッチセンサ３が操作指９を検出した、操作面１２０上の位置を示している。またタッチ操作とは、第１の圧電素子５ａ又は第２の圧電素子５ｂが検出した、操作面１２０を押し下げる方向の操作を示している。

（タッチセンサ３の構成）
タッチセンサ３は、例えば、操作者の体の一部（例えば、操作指）や専用のペンで操作面１２０に触れることにより、触れた操作面１２０上の位置を検出するセンサである。タッチセンサ３としては、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式、静電容量方式などのセンサを用いることが可能である。

本実施の形態に係るタッチセンサ３は、例えば、静電容量方式のセンサである。タッチセンサ３は、例えば、複数の駆動電極と複数の検出電極とを有し、互いに絶縁されると共に交差するように、シート状の基板に配置されている。そしてタッチセンサ３は、例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、パネル１２の裏面１２１に取り付けられている。

タッチセンサ３は、例えば、図２に示すように、複数の駆動電極及び複数の検出電極を走査して静電容量を検出し、１周期分の静電容量をタッチ情報Ｓ_１として制御部７に出力するように構成されている。このタッチ情報Ｓ_１は、駆動電極と検出電極との交点の位置と、交点において検出された静電容量と、が関連付けられた情報である。

（第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂの構成）
第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、同じ構成を有する。従って以下では、第１の圧電素子５ａの構成について説明する。

第１の圧電素子５ａは、例えば、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、円板形状を有する金属シム５０と、金属シム５０よりも半径が小さい円板形状を有する圧電体５１と、を備えたユニモルフ型の圧電素子である。この第１の圧電素子５ａには、圧電体５１と電気的に接続する上部配線と、金属シム５０と電気的に接続される下部配線と、が接続されている。

この第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、ベース１０の底面１００に配置されている。このベース１０の底面１００には、２つの円形の凹部１０２が形成されている。第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、この凹部１０２の上に配置されている。この凹部１０２によって第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、凹部１０２のない底面１００に配置される場合と比べて、変形し易くなる。

金属シム５０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。

圧電体５１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。圧電体５１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体である。なお圧電体５１は、圧電定数がｄ３３となるように厚み方向に分極し、厚み方向の変形に対して出力が大きくなるように構成されている。

なお変形例として第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、例えば、金属シム５０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、金属シム５０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、金属シム５０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などの圧電素子であっても良い。

第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、操作面１２０に荷重Ｆが付加されると、パネル１２、タッチセンサ３及び押子（押子１４ａ及び押子１４ｂ）を介して圧電体５１に荷重Ｆが付加されて変形する。圧電体５１は、この変形に応じた電圧を、上部配線及び下部配線を介して出力する。また第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂの圧電体５１は、上部配線及び下部配線を介して電圧が印加されるとこの電圧に応じて変形する。

第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、例えば、図２に示すように、荷重Ｆに応じて第１の荷重信号Ｓ_２及び第２の荷重信号Ｓ_３として制御部７に出力する。また第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂは、例えば、制御部７から出力された第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５に応じて変形して振動するように構成されている。

ベース１０は、例えば、樹脂材料や金属材料を用いて形成されている。またパネル１２は、例えば、樹脂材料を用いて形成されている。さらに押子１４ａ及び押子１４ｂは、例えば、樹脂材料や金属材料を用いて円柱形状に形成されている。

この押子１４ａ及び押子１４ｂは、一例として、圧電素子との隙間１６が０．１〜０．２ｍｍ程度である。この隙間１６は、温度変化などによる環境要因や寸法バラつき、組み付けによるズレなどによって生じるものである。よって隙間１６は、例えば、測定によって定められても良いし、設計の段階で定められても良いし、シミュレーションなどの方法によって定められても良い。

（制御部７の構成）
制御部７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７が動作するためのプログラムと、電圧印加情報７０と、タッチしきい値７１と、荷重しきい値７２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。また制御部７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７は、タッチセンサ３の静電容量が予め定められたタッチしきい値７１以上であった場合、検出されたタッチ位置に対応する圧電素子を変形させてパネル１２と当該圧電素子との間に隙間１６が生じないように制御し、さらに当該圧電素子が検出した荷重が予め定められた荷重しきい値７２以上であった場合、検出されたタッチ位置においてタッチ操作がなされたと判定するように構成されている。そして制御部７は、タッチ操作が検出された操作領域の情報を含む操作情報Ｓ_６を生成して接続された電子機器に出力する。

つまり制御部７は、操作指９が検出された操作領域の圧電素子に駆動信号を出力して凸状に変形させて圧電体５１を押子に接触させ、その接触状態を維持するように制御する。制御部７は、例えば、図１（ｃ）に示すように、第２の操作領域１２ｂにおいて操作指９が検出された場合、第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させる第２の駆動信号Ｓ_５を出力して押子１４ｂと接触させ、その接触状態を維持する。

なお制御部７は、圧電素子を凸状に変形させて押子と接触させる時間を計測する。つまり制御部７は、凸状に変形させた後、検出された荷重が予め定められた時間内に荷重しきい値７２以上とならない場合、変形を解除する。この予め定められた時間は、一例として、１〜２秒程度である。

制御部７は、第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させる第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５を電圧印加情報７０に基づいて生成する。つまり電圧印加情報７０は、タッチセンサ３によるタッチ位置検出後の圧電素子の凸状の変形を形成する第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５に関する情報である。また電圧印加情報７０は、第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂによるタッチ操作検出後の触覚呈示を行う第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５に関する情報である。

第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させる第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５は、例えば、想定される隙間１６に対応した凸状の変形量となる電圧を予め定められた時間、継続して印加するものである。

なお隙間１６は、例えば、全ての圧電素子で同一であるとされても良いし、配置位置などに応じて異なるとされても良い。従って凸状の変化量は、例えば、圧電素子で同一であっても良いし、配置位置などに応じて異なっても良い。

また第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを振動させる第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５は、例えば、圧電素子を凸状に変化させたり、変形させなかったりする駆動信号や凸状及び凹状に交互に変形させたりする駆動信号である。

タッチしきい値７１は、操作面１２０に対するタッチ位置を検出するためのしきい値である。静電容量方式のタッチセンサ３は、例えば、操作面１２０から離れている操作指９を検出する可能性がある。そこで制御部７は、タッチ操作の有無を判定するのではなく、まずタッチセンサ３から取得したタッチ情報Ｓ_１の静電容量とタッチしきい値７１とに基づいてタッチしきい値７１以上となる静電容量からタッチ位置を算出する。このタッチ位置の算出は、例えば、加重平均などを用いて行われる。

そして制御部７は、タッチ位置が第１の操作領域１２ａ又は第２の操作領域１２ｂに含まれていた場合、タッチ位置が含まれる操作領域に対応する圧電素子を凸状に変形させる。なお凸状の変形は、上述のように、予め定められた時間、又は検出された荷重が荷重しきい値７２以上となった時間のいずれか早い時間まで継続して行われる。

以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図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７は、タッチセンサ３から周期的にタッチ情報Ｓ_１を取得する。制御部７は、このタッチ情報Ｓ_１に基づく静電容量とタッチしきい値７１とを比較して操作指９のタッチ位置が検出されるか監視する。制御部７は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり操作指９のタッチ位置が検出された場合（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、タッチ位置が含まれる操作領域を判定する。

そして制御部７は、タッチ位置が含まれる操作領域の下方の圧電素子、つまりタッチ位置に対応する圧電素子を変形させる（Ｓｔｅｐ２）。例えば、タッチ位置が第１の操作領域１２ａに含まれていた場合、制御部７は、電圧印加情報７０に基づいて第１の駆動信号Ｓ_４を生成し、第１の圧電素子５ａに出力する。第１の圧電素子５ａは、入力する第１の駆動信号Ｓ_４に基づいて凸状に変形し、押子１４ａと接触する。

制御部７は、凸状に変形させている時間を計測すると共に、変形対象の圧電素子が荷重しきい値７２以上となる荷重を検出するか監視する。制御部７は、予め定められた時間内に当該圧電素子が荷重しきい値７２以上の荷重を検出した場合、つまり予め定められた時間内にタッチ操作が検出された場合（Ｓｔｅｐ３：Ｙｅｓ）、当該圧電素子を駆動して触覚を呈示する（Ｓｔｅｐ４）。

例えば、第１の圧電素子５ａを凸状に変形させている場合、制御部７は、第１の荷重信号Ｓ_２から得られる荷重が荷重しきい値７２以上となると、電圧印加情報７０に基づいて触覚を呈示するための第１の駆動信号Ｓ_４を生成して出力し、タッチ操作を受け付けたことを示す触覚を呈示する。そして制御部７は、タッチ操作が行われた操作領域の情報を含む操作情報Ｓ_６を生成し、接続された電子機器に出力する。

ここでステップ３において制御部７は、予め定められた時間内にタッチ操作が検出されなかった場合（Ｓｔｅｐ３：Ｎｏ）、ステップ１に処理を進める。

（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、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。この触覚呈示装置１は、タッチ位置を検出した第１の圧電素子５ａ又は第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させ、押子１４ａ又は押子１４ｂを介してパネル１２とタッチ位置を検出した圧電素子との接触状態を生成する。例えば、触覚呈示装置１は、圧電素子と押子とに隙間１６が生じている場合、正確な荷重の検出ができないばかりか振動がパネル１２に伝達し難いので触覚がばらつく。しかし触覚呈示装置１は、温度変化などによる環境要因や寸法バラつき、組み付けによるズレなどによってパネルと圧電素子との間に隙間が生じる場合と比べて、損失が抑制された状態で荷重が圧電素子に伝達されると共に圧電素子の振動がパネル１２に伝達されるので、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。

触覚呈示装置１は、タッチ位置が検出された後に対応する圧電素子を凸状に変形させるので、この構成を採用しない場合と比べて、操作面１２０を押し下げる方向に荷重を付加する際に押子を介してパネル１２と圧電素子とが接触し、効率の良い荷重の検出と触覚の呈示を行うことができる。

触覚呈示装置１は、タッチ位置を検出した圧電素子のみを凸状に変形させるので、この構成を採用しない場合と比べて、省電力である。また触覚呈示装置１は、タッチしきい値７１を緩和することで、操作面１２０から離れた位置の操作指９を検出することができるので、この構成を採用しない場合と比べて、操作指９が操作面１２０に接触する前に対象の操作領域の圧電素子を凸状に変形させることができ、安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。

触覚呈示装置が複数の圧電素子を有する場合は、全ての圧電素子とパネルとを接触させることは困難である。しかし本実施の形態の触覚呈示装置１は、検出されたタッチ位置に応じて圧電素子を凸状に変形させ、圧電素子とパネル１２とを接触させた状態で荷重を検出と触覚の呈示を行うことができる。従って触覚呈示装置１は、複数の圧電素子を備える構成であっても安定してタッチ操作の検出と触覚の呈示を行うことができる。

なお他の実施の形態としての触覚呈示装置１は、常時、圧電素子を凸状に変形させるように概略構成される。この実施の形態の制御部７は、第１の圧電素子５ａ及び第２の圧電素子５ｂを凸状に変形させる第１の駆動信号Ｓ_４及び第２の駆動信号Ｓ_５を、継続的に出力する。

さらに他の実施の形態としての触覚呈示装置１は、タッチセンサ３を備えずに圧電素子が検出する荷重によってタッチ操作を検出すると共に、常時、圧電素子を凸状に変形させるように概略構成されている。

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、３…タッチセンサ、５ａ…第１の圧電素子、５ｂ…第２の圧電素子、７…制御部、９…操作指、１０…ベース、１２…パネル、１２ａ…第１の操作領域、１２ｂ…第２の操作領域、１４ａ…押子、１４ｂ…押子、１６…隙間、５０…金属シム、５１…圧電体、７０…電圧印加情報、７１…タッチしきい値、７２…荷重しきい値、１００…底面、１０２…凹部、１２０…操作面、１２１…裏面

Claims (5)

1. タッチ操作がなされる操作面を有するパネルと、
   前記タッチ操作に伴う荷重を検出すると共に前記操作面に振動を付加する少なくとも１つの圧電素子と、
   前記パネルと前記圧電素子との間に隙間が生じないように、前記圧電素子を制御して変形させる制御部と、
   を備えた触覚呈示装置。
2. 前記パネルと前記圧電素子の間には、前記操作面に付加された前記荷重を前記圧電素子に伝達する押子が配置され、
   前記制御部は、前記隙間が生じないように前記圧電素子を変形させて前記圧電素子と前記押子とを接触させる、
   請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記操作面に対する操作指のタッチ位置を検出するタッチセンサを有し、
   前記制御部は、前記タッチセンサの検出値が予め定められたタッチしきい値以上であった場合、検出された前記タッチ位置に対応する前記圧電素子を変形させて前記パネルと前記圧電素子との間に前記隙間が生じないように制御する、
   請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
4. 前記制御部は、前記タッチ位置が検出された後に前記タッチ操作が検出された場合、前記隙間が生じないように前記圧電素子を変形させた状態から前記操作面に振動を付加して前記タッチ操作を受け付けたことを示す触覚を呈示する、
   請求項３に記載の触覚呈示装置。
5. 前記制御部は、前記操作面に付加された前記荷重とは逆方向に変形対象の前記圧電素子を変形させる、
   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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