JP2021103413A

JP2021103413A - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP2021103413A
Application number: JP2019234086A
Authority: JP
Inventors: 啓太中根; Keita Nakane; 将大和才; Masahiro Wasai
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2021-07-15
Also published as: WO2021131680A1

Abstract

【課題】タッチパネルへの押圧操作時の剛性感の確保と、アクチュエータによる効率的な振動呈示動作とを両立させる触覚呈示装置を提供する。【解決手段】押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう操作部１０と、操作部１０を弾性的に支持する弾性支持部２０と、操作部１０を、弾性支持部２０を介して支持する筐体３０と、操作部１０に対して振動を付与する駆動部としての振動アクチュエータ４０と、を有し、操作部１０又は筐体３０は、突起部を介して弾性支持部２０と弾性的に接触するように触覚呈示装置１を構成する。これにより、タッチパネルへの押圧操作時の剛性感の確保と、アクチュエータによる効率的な振動呈示動作とを両立させる。【選択図】図１

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来、例えば、固定ヨークと可動ヨークとの間の吸引方向の隙間距離を定期的に測定し、個体差や経年変化等の影響を受けずに触覚を安定して呈示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、タッチパネルに接続されている可動ヨークと、固定ヨークとを備える。固定ヨークに電磁力を発生させて可動ヨークを吸引し、板バネのバネ反力によりタッチパネルを振動させて触覚を呈示する。巻線コイルに駆動電流が流れると、巻線コイルの周辺に磁界が発生して固定ヨークに電磁力が発生し、アクチュエータ吸引力が発生し、可動ヨークが吸引されると一体化されている板バネが変位する。これにより、タッチパネルが一体的に上下方向に振動し、ユーザがタッチパネルに触れている状態では、その上下方向の振動が触覚として呈示される。一方、ユーザがタッチパネルに触れると板バネが撓んで隙間距離センサから検出信号をホストに出力する。

特開２０１９−１１４００６号公報

しかし、特許文献１の触覚呈示装置においては、アクチュエータによりタッチパネルを振動させて触覚を呈示するときと、ユーザがタッチパネルに触れて隙間距離センサに変化を与えるときと、共に板バネの変形による構成としている。したがって、タッチパネルへの押圧操作時の剛性感の確保と、アクチュエータによる効率的な振動呈示動作とを両立させることが難しいという問題があった。

従って、本発明の目的は、タッチパネルへの押圧操作時の剛性感の確保と、アクチュエータによる効率的な振動呈示動作とを両立させる触覚呈示装置を提供することにある。

本発明は、押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう操作部と、前記操作部を弾性的に支持する弾性支持部と、前記操作部を、前記弾性支持部を介して支持する筐体と、前記操作部に対して振動を付与する駆動部と、を有し、前記操作部又は前記筐体は、突起部を介して前記弾性支持部と弾性的に接触する、触覚呈示装置を提供する。

本発明によると、タッチパネルへの押圧操作時の剛性感の確保と、アクチュエータによる効率的な振動呈示動作とを両立させることが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の上平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）のＢ部の拡大詳細図で、操作部に押圧力が作用していない初期位置での部分断面図であり、図２（ｂ）は、弾性支持部と突起部が接触して弾性支持部が弾性変形している状態の部分断面図であり、図２（ｃ）は、操作部に押圧力が作用して、弾性支持部と突起部との接触部分が一定に達している状態を示す部分断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置の構成ブロック図である。図４は、弾性支持部が変形するストロークとストロークに対応して発生する弾性力である荷重との関係を示す弾性特性図である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の操作部、弾性支持部、及び筐体の部分拡大図であり、図２（ａ）、図２（ｃ）に相当する図である。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る触覚呈示装置の操作部、弾性支持部、及び筐体の部分拡大図であり、図２（ａ）、図２（ｃ）に相当する図である。図７は、本発明の第４の実施の形態に係る触覚呈示装置の操作部、弾性支持部、及び筐体の部分拡大図であり、図２（ａ）、図２（ｃ）に相当する図である。

［本発明の第１の実施の形態］
本発明の実施の形態に係る触覚呈示装置１は、押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう操作部１０と、操作部１０を弾性的に支持する弾性支持部２０と、操作部１０を、弾性支持部２０を介して支持する筐体３０と、操作部１０に対して振動を付与する駆動部としての振動アクチュエータ４０と、を有し、操作部１０又は筐体３０は、突起部を介して弾性支持部２０と弾性的に接触するように構成されている。

第１の実施の形態では、図１に示すように、突起部１５が、操作部１０の下端部１０ａに、弾性支持部２０に対向して設けられている。

（操作部１０）
操作部１０は、押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、操作部１０の表面に、操作者による押圧、押下等の操作を受け付けるタッチセンサ１２を備える。このタッチセンサ１２は、受け付ける操作として、タッチ操作、押圧操作、なぞり操作、フリック操作等の種々の操作が可能である。タッチセンサ１２は、例えば、タッチセンサ面上の２次元座標を検出できる静電容量式のタッチパネル等を使用することができる。

タッチセンサ１２は、例えば、タッチ操作を受け付けると後述する制御部１００に操作信号Ｓｔを出力する。また、後述する駆動部としての振動アクチュエータ４０により振動等の駆動力を受けて、操作部１０とタッチセンサ１２は振動する。これにより、操作部１０は、操作者に対して振動呈示を行ない、操作を受け付けたことを報知することができる。

図１（ｂ）に示すように、操作部１０の下端部１０ａの四隅には、突起部１５が操作部１０の一部として弾性支持部２０に対向して設けられている。突起部１５は、操作部１０の一部として一体的に形成されていてもよく、また、別体として形成されて操作部１０の下端部１０ａに取り付けられていてもよい。

突起部１５は、例えば、図１（ｂ）に示すように、先端が半球状の突起として形成されている。突起部１５は、後述する弾性支持部２０に比較して剛性が大きい材料で形成され、例えば、金属、硬質樹脂等である。

（弾性支持部２０）
弾性支持部２０は、操作部１０を弾性的に支持する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、弾性支持部２０は、例えば、上記示した突起部１５に当接する位置に配置され、操作部１０の四隅を上下方向に支持する。

弾性支持部２０は、例えば、シリコンゴム等の弾性部材で形成されている。第１の実施の形態では、弾性支持部２０は、例えば、立方体、直方体である。

図１（ａ）に示すように、弾性支持部２０の上面２０ａは、突起部１５と接触し、弾性支持部２０の下面２０ｂは、例えば、接着、粘着等により筐体３０に取り付けられている。

図１（ａ）に示すように、弾性支持部２０の上面２０ａと操作部１０の突起部１５とは接触し、予圧が掛けられた状態とされている。筐体３０の底部３１から壁部３２の上に上部３３が形成され、弾性支持部２０と操作部１０は、この底部３１と上部３３との間に予圧Ｆ_０が掛けられた状態で挟まれて組み立てられている。これにより、図２（ａ）に示すように、突起部１５の先端部１５ａは、弾性支持部２０の上面２０ａを圧縮する方向に変形させた状態で、弾性支持部２０と接触している。

弾性支持部２０は、弾性部材で形成されているので、図１（ａ）に示す上下方向Ｚに弾性変形可能とされている。これにより、操作部１０は、後述する駆動部としての振動アクチュエータ４０により振動等の駆動力を受けることにより、弾性支持部２０の上下伸縮を介して、上下方向Ｚに移動可能とされる。

（筐体３０）
筐体３０は、底部３１の周囲から立設して形成された壁部３２、壁部３２の上部から操作部１０を上から押さえる上部３３が形成されて概略構成されている。筐体３０は、操作部１０、弾性支持部２０等を支持できる剛性を備えた材料であればよく、例えば、金属、樹脂等が使用できる。

（振動アクチュエータ４０）
駆動部としての振動アクチュエータ４０は、操作部１０の下面１１に搭載されて慣性力により操作部１０を駆動する慣性駆動方式である。慣性駆動方式は、振動アクチュエータ４０が操作部１０に接続され、駆動部自体で振動可能とされ、この振動アクチュエータ４０が振動するときの慣性力により操作部１０を振動させて駆動させる方式である。なお、振動とは、一定時間周期的に繰り返される移動動作の他、周期性を有しない１回の移動動作を伴うものも含むものとする。

本実施の形態では、振動アクチュエータ４０は、操作部１０の下面１１に配置されている。振動アクチュエータ４０は、振動を発生させ、発生した慣性力を利用して操作部１０を図１（ｂ）に示す上下方向Ｚに駆動する慣性駆動アクチュエータである。振動アクチュエータ４０は、種々のアクチュエータを使用することができる。本実施の形態では、例えば、リニア振動アクチュエータを使用する。

リニア振動アクチュエータは、ボイスコイルアクチュエータの一種であり、小型化・薄型化が容易であり、電力効率がよい。また、リニア振動アクチュエータの可動部質量、駆動（振動）周波数を調節することにより、操作部１０と弾性支持部２０で形成される振動系の共振周波数で駆動（振動）することが可能であり、効率よく振動を発生させることができる。

他の方式として、偏心回転質量方式の振動アクチュエータが使用できる。偏心回転質量方式は、偏心のあるロータをモータで回転させ、ロータに作用する遠心力により振動させる方式である。簡単で安価に振動アクチュエータを構成することができる。

また、他の方式として、ピエゾ方式の振動アクチュエータが使用できる。ピエゾ方式は、ピエゾ素子に電圧を印加することにより、機械的に変形させることで振動させる。電圧、周波数を変化させて、高速な振動制御が可能である。また、小型化・薄型化が容易である。

なお、慣性駆動方式以外の駆動方式も適用可能である。例えば、筐体３０側に駆動源としての駆動コイル、操作部１０側に永久磁石を備えて、駆動コイルに所定の駆動波形で通電することにより、磁界の変化によって操作部側を駆動して振動呈示する方式も可能である。また、筐体３０側に永久磁石、操作部１０側に駆動源としての駆動コイルを備える構成でも同様に振動呈示を行なうことができる。

（制御部１００）
図３に示すように、制御部１００には、タッチセンサ１２が接続され、操作信号Ｓｔが入力される。また、制御部１００には、振動アクチュエータ４０が接続され、駆動信号Ｓｄを出力する。制御部１００は、例えば、操作信号Ｓｔにより、操作者がタッチセンサ１２にタッチ操作したと判断した場合には、駆動信号Ｓｄを出力して振動アクチュエータ４０を振動駆動する。これにより、操作者に対して振動呈示を行ない、タッチ操作を受け付けたことを報知することができる。

制御部１００は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに基づいて検出、判定、判断などを行う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。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。

（弾性支持部２０の弾性特性図）
図４は、弾性支持部２０が変形するストロークＺとストロークＺに対応して発生する弾性力である荷重Ｆとの関係を示す弾性特性図である。図４は、横軸は弾性支持部２０が変形するストロークＺ、縦軸はストロークＺに対応して発生する弾性力である荷重Ｆである。なお、ストロークＺは、図１（ｂ）に示した上下方向Ｚの移動量である。

図４に示すように、ストロークＺが０（ゼロ）からＺ_Ｐまでの第１の領域は、Ｚ方向（図１（ｂ）で示す上下方向）の剛性が小さな領域であり、ストロークＺ_Ｐを超えた第２の領域は、Ｚ方向の剛性が大きな領域である。弾性特性図において、第１の領域と第２の領域は屈曲点Ｐで繋がっている。屈曲点とは、第１の領域と第２の領域の間で、ストロークが大きくなるにしたがって剛性が小さな領域から大きな領域に変化するところである。屈曲点は、点ではなく、ストローク方向または荷重方向にある程度の広がりをもった点である。

なお、剛性は、例えば、単位ストロークＺの変形移動に要する荷重Ｆで表すことができる。

ここで、図４に示すＺ_０点は、図２（ａ）に示すように、操作部１０に対する押圧力ｆがなく、予圧Ｆ_０がかけられた初期状態である。

図２（ｂ）に示すように、操作部１０に対する押圧力ｆが作用すると、突起部１５の先端部１５ａは、弾性支持部２０の上面２０ａを圧縮する方向に変形させる。これにより、突起部１５は、弾性支持部２０を弾性変形させながら、弾性支持部２０に埋没していく。すなわち、弾性支持部２０は、ストロークの増加に伴って、突起部１５との接触部分が拡大するが、ストロークＺが図４で示すＺ_Ｐに達するまでは、図２（ｂ）に示す操作部１０の下端部１０ａと弾性支持部２０の上面２０ａとは接触しない。したがって、突起部１５の先端部１５ａによる弾性支持部２０の変形は、先端部１５ａの周囲が主な領域であり、これにより、第１の領域におけるＺ方向の剛性は小さい。

図２（ｃ）に示すように、ストロークＺが図４で示すＺ_Ｐを超えると、操作部１０の下端部１０ａが弾性支持部２０のフラットな上面２０ａに接するようになる。すなわち、弾性支持部２０は、押圧操作時において、第２の領域では突起部１５との接触部分が一定に達している。操作部１０の下端部１０ａと弾性支持部２０の上面２０ａとは接触したままで、弾性支持部２０が変形（圧縮）する。互いにフラットな面で接触するので、弾性支持部２０の変形に必要な押圧力ｆは大きなものとなり、第２の領域におけるＺ方向の剛性は、第１の領域の剛性よりも大きな剛性となる。

（触覚呈示の動作）
触覚呈示装置１は、操作部１０と筐体３０との間に弾性支持部２０の変形（圧縮）に伴って予圧Ｆ_０が掛けられた状態で挟まれて組み立てられている。図４において、この初期状態のストロークはＳ_０、荷重ＦはＦ_０である。

制御部１００は、例えば、タッチ操作を受け付けた場合に、駆動信号Ｓｄを出力して振動アクチュエータ４０を振動駆動する。この振動駆動により、所定の振動ストロークＬで触覚呈示装置１を駆動する場合は、図４から、振動駆動に必要な荷重Ｆは、予圧Ｆ_０を中心として、アクチュエータ振動荷重はΔＦでよいことがわかる。この振動アクチュエータ４０による振動が、第１の領域でのみ付与される場合は、低電力による効率的な振動フィードバック制御が可能となる。

操作者が、操作部１０を大きな押圧力ｆで操作した場合は、図４で示す屈曲点Ｐを超えたストロークＺで操作することになる。弾性支持部は、押圧操作時において、ストロークＺは、第１の領域及び第２の領域に亘るが、操作者は、剛性の大きな第２の領域で操作部１０を押圧操作するので、剛性感が確保される。これにより、製品剛性感と低電力による効率的な振動フィードバック制御の両立が可能となる。

［本発明の第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、図５（ａ）に示すように、突起部１２１が、弾性支持部１２０の下端部１２０ａに、筐体３０に対向して設けられている。弾性支持部１２０は、例えば、突起部１２１を成型工程により一体的に形成することが可能である。

操作部１０に対する押圧力ｆがない初期状態では、図５（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、突起部１２１の先端部１２１ａが、筐体３０の段部３４の上面３４ａに所定の予圧で接触している。図５（ｂ）に示すように、操作部１０に対する押圧力ｆが作用すると、突起部１２１の先端部１２１ａは圧縮変形し、弾性支持部１２０のフラット面である下端部１２０ａが段部３４の上面３４ａに接するようになる。

上記の動作により、第１の実施の形態と同様に、小さな剛性の第１の領域と大きな剛性の第２の領域を備えた弾性特性を有する触覚呈示装置が可能となる。その他の構成、動作は、第１の実施の形態と同様と同様である。

［本発明の第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、図６（ａ）に示すように、突起部１３１が、弾性支持部１３０の上端部１３０ａに、操作部１０に対向して設けられている。弾性支持部１３０は、例えば、突起部１３１を成型工程により一体的に形成することが可能である。

操作部１０に対する押圧力ｆがない初期状態では、図６（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、突起部１３１の先端部１３１ａが、操作部１０の下端部１０ａに所定の予圧で接触している。図６（ｂ）に示すように、操作部１０に対する押圧力ｆが作用すると、突起部１３１の先端部１３１ａは圧縮変形し、弾性支持部１３０のフラット面である上端部１３０ａが操作部１０の下端部１０ａに接するようになる。

［本発明の第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、図７（ａ）に示すように、突起部１４５が、筐体３０の段部３４の上面３４ａに、弾性支持部１４０に対向して設けられている。突起部１４５は、筐体３０の一部として一体的に形成されていてもよく、また、別体として形成されて筐体３０の段部３４に取り付けられていてもよい。

操作部１０に対する押圧力ｆがない初期状態では、図７（ａ）に示すように、第１の実施の形態と同様に、突起部１４５の先端部１４５ａが、弾性支持部１４０の下面１４０ａに所定の予圧で接触している。図７（ｂ）に示すように、操作部１０に対する押圧力ｆが作用すると、突起部１４５の先端部１４５ａは、弾性支持部１４０の下面１４０ａを圧縮する方向に変形させる。これにより、突起部１４５は、弾性支持部１４０を弾性変形させながら、弾性支持部１４０に埋没していき、弾性支持部１４０のフラットな下面１４０ａが筐体３０の段部３４の上面３４ａに接するようになる。

[本発明の実施の形態の効果]
上記示した本発明の実施の形態によれば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１は、押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう操作部１０と、操作部１０を弾性的に支持する弾性支持部２０と、操作部１０を、弾性支持部２０を介して支持する筐体３０と、操作部１０に対して振動を付与する駆動部としての振動アクチュエータ４０と、を有し、操作部１０又は筐体３０は、突起部を介して弾性支持部２０と弾性的に接触するように構成されている。突起部が弾性変形している間は弾性特性が小さな剛性の第１の領域となり、それを超えた押圧力ｆを操作部１０が受けると、弾性特性が大きな剛性の第２の領域となる。これにより、第１の領域では、低電力による効率的な振動フィードバック制御が可能となる。また、第２の領域では、操作部１０を大きな押圧力ｆで操作した場合は、図４で示す屈曲点Ｐを超えたストロークＺで操作することになり、操作者は、剛性の大きな第２の領域で操作部１０を押圧操作するので、剛性感が確保される。これにより、製品剛性感と低電力による効率的な振動フィードバック制御の両立が可能となる。
（２）突起部は、弾性支持部側に設けてもよく、また、操作部側、あるいは、筐体側に設けてもよい。第１の実施の形態から第４の実施の形態まで設計の自由度が大きい。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々の変形が可能である。本発明に係る代表的な実施の形態、及び図示例を例示したが、上記実施の形態、及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、及び図示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点に留意すべきである。

１…触覚呈示装置、１０…操作部、１０ａ…下端部、１１…下面、１２…タッチセンサ、１２ａ…操作面、１５…突起部、１５ａ…先端部、２０…弾性支持部、２０ａ…上面、２０ｂ…下面、３０…筐体、３１…底部、３２…壁部、３３…上部、３４…段部、３４ａ…上面、４０…振動アクチュエータ、１００…制御部、１２０…弾性支持部、１２０ａ…下端部、１２１…突起部、１２１ａ…先端部、１３０…弾性支持部、１３０ａ…上端部、１３１…突起部、１３１ａ…先端部、１４０…弾性支持部、１４０ａ…下面、１４５…突起部、１４５ａ…先端部、ｆ…押圧力、Ｆ…荷重、Ｆ_０…予圧、Ｌ…振動ストローク、Ｐ…屈曲点、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｔ…操作信号

Claims

押圧操作を受け付けると共に、振動呈示を行なう操作部と、
前記操作部を弾性的に支持する弾性支持部と、
前記操作部を、前記弾性支持部を介して支持する筐体と、
前記操作部に対して振動を付与する駆動部と、を有し、
前記操作部又は前記筐体は、突起部を介して前記弾性支持部と弾性的に接触する、触覚呈示装置。
前記弾性支持部は、前記弾性支持部が変形するストロークと前記ストロークに対応して発生する弾性力である荷重で規定する弾性特性を有し、
前記弾性特性は、前記ストロークが小さな第１の領域と、前記第１の領域よりも前記ストロークが大きく前記第１の領域の剛性よりも大きな剛性を有する第２の領域を有し、前記第１の領域と前記第２の領域は屈曲点で繋がっている、請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記駆動部による振動は、前記第１の領域でのみ付与される、請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
前記弾性支持部は、前記ストロークの増加に伴って、前記突起部との接触部分が拡大する、請求項２又は３に記載の触覚呈示装置。
前記弾性支持部は、前記押圧操作時において、前記ストロークは、前記第１の領域及び前記第２の領域に亘る、請求項２から４のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
前記弾性支持部は、前記押圧操作時において、前記第２の領域では前記突起部との接触部分が一定に達している、請求項４又は５に記載の触覚呈示装置。