JP2022172878A - 対象物の非接触操作を可能とする装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人が直接に触れることなく対象物を操作可能とする装置を提供する。【解決手段】スクイーズ膜により対象物の非接触操作を可能とする装置であって、、スクイーズ膜の生成のために対象物を振動させるアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２を制御する制御装置と、対象物と対象物を操作する物体との間の距離を検出する、距離検出装置２３とを含む。制御装置は、距離検出装置２３が検出した距離が第１閾値に達した後、停止していたアクチュエータ１２の振動を開始し、距離検出装置２３が検出した距離が第１閾値に達した後、第１閾値より大きい第２閾値に達するまでアクチュエータ１２の振動を継続し、距離検出装置２３が検出した距離が第２閾値に達した後、アクチュエータ１２の振動を停止する。【選択図】図１

Description

本開示は、対象物の非接触操作を可能とする技術に関する。

指紋の付着や接触感染症の拡大を防止するため、タッチ面に接触せずに入力を可能とする入力装置が知られている。例えば、指とタッチパネルとの間の静電容量を測定することで、数ｃｍ離れた位置にある指を検出することができる。

他の例として、特開２０１７－０７２９０１号公報は、スクイーズ膜が操作指に与える浮揚力を制御してプッシュ操作の操作感を呈示する触覚呈示装置を提案している。特開２０１７－０７２９０１号公報の技術は、指とタッチ面との距離が所定値以下になると、タッチ面の振動を停止させて指をタッチ面にタッチさせる。このようにスクイーズ膜による浮揚力を制御することで、プッシュ操作のより自然な操作感を呈示する。

特開２０１７－０７２９０１号公報 米国特許５３９６４４３号

タッチ面に接触せずに入力を可能とする一般的な入力装置は、操作性が悪い。例えば、表示されているボタン位置の上空数ｃｍの位置に指先をしばらくの時間静止させる必要がある。この場合、指を静止させる時間が必要であり、さらに、指を静止させる動作でユーザが疲労することで、入力タスクの効率が低下し得る。

したがって、通常のタッチパネルのように指のタッチにより入力が決定され、触覚による操作のフィードバックが存在することで操作性がよく、接触感染症の拡大を防止できる技術が望まれる。あるいは、接触感染症拡大防止の観点からは、タッチパネルに限らず、多くの人が触れる可能性がある対象物を、人が直接に触れることなく操作できる技術が望まれる。

本開示の一態様は、対象物の非接触操作を可能とする装置である。装置は、前記対象物を振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御装置と、前記対象物と前記対象物を操作する物体との間の距離を検出する、距離検出装置と、を含む。前記制御装置は、前記距離検出装置が検出した距離が第１閾値に達した後、停止していた前記アクチュエータの振動を開始し、前記距離検出装置が検出した距離が前記第１閾値に達した後、前記第１閾値より大きい第２閾値に達するまで前記アクチュエータの振動を継続し、前記距離検出装置が検出した距離が前記第２閾値に達した後、前記アクチュエータの振動を停止する。

本開示の一態様は、対象物の非接触操作を可能とする装置である。装置は、前記対象物を振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御装置と、前記対象物と前記対象物を操作する物体との間の距離を検出する、距離検出装置と、を含む。前記制御装置は、前記距離検出装置が検出した距離が第１閾値に達した後、停止していた前記アクチュエータの振動を開始し、前記アクチュエータの振動を開始した後、前記対象物の前回操作からの経過時間が時間閾値に達するまで前記アクチュエータの振動を継続し、前記経過時間が時間閾値に達した後、前記アクチュエータの振動を停止する。

本発明の一態様によれば、人が直接に触れることなく対象物を操作することができる。また、浮揚圧で指に生じる抗力により、あたかも直接触れたような触覚フィードバックが得られるため，ユーザの疲労が少ない。

本明細書の一実施形態に係る入力装置の構成例を模式的に示す。 本明細書の一実施形態に係る入力装置の構成例を示す断面図である。 距離検出装置による、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化と、アクチュエータ駆動回路からアクチュエータに対する駆動信号の時間変化と、を模式的に示す。 カバーガラスの共振モードを模式的に示す。 カバーガラスの共振モードを模式的に示す。 カバーガラスの共振モードを模式的に示す。 アクチュエータに対して、重ねあわあされた三つの異なる周波数の駆動信号を与える例を示す。 距離検出装置による、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化と、アクチュエータ駆動回路からアクチュエータに対する駆動信号の時間変化と、を模式的に示す。 タッチ面の節と重ならない位置に表示されたオブジェクトの例を示す。 タッチ入力パネルの構成例を示す。 オゾン発生原理を示す説明図である。 オゾン発生原理を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。本実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。説明をわかりやすくするため、図示した物の寸法、形状については、誇張して記載している場合もある。

［概略］
以下に開示される本明細書の一実施形態に係る装置は、人が直接に触れることなく対象物を操作することを可能とする。装置は、対象物を高い周波数で振動させて、対象物と当該対象物を操作する物体との間にスクイーズ膜を形成する。スクイーズ膜は、対象物に直接に触れることなく対象物を操作することを可能とする。これにより、感染拡大や指紋の付着を防止できる。操作対象物の例は、タッチセンサ、エレベータや自動ドアの押しボタン、ドアノブ等を含む。対象物を操作する物体の典型的な例は、人の指や手などの人体の部位である。

上述のように、本明細書の一実施形態に係る装置は、対象物を高い周波数で振動させる。そのため、装置の消費電力並びに装置及び対象物の故障の可能性を低減することが求められる。装置は、対象物を操作する物体、例えば指が対象物のタッチ面に近接したことを検知し、指がタッチ面に接触する前に、タッチ面を高周波数で振動させて、指とタッチ面との接触なく操作を可能とする。高周波数での振動は、指がタッチ面に近接している間継続されてもよく、又は、直前操作から所定時間経過するまで継続されてもよい。

本明細書の一実施形態は、対象物と操作物体との間の距離を測定し、測定された距離に基づき、振動を制御する。例えば、装置は、対象物と操作物体との間の距離が第１閾値に達すると、対象物の振動を開始する。さらに、距離が第１閾値に達した後、第１閾値より大きい第２閾値まで大きくなると、振動を停止する。振動停止まで、振動が継続される。このように、測定距離が第１閾値に達した後に振動が開始され、その後、測定距離がより大きい第２閾値に達した後に振動が停止される。この制御は、非接触操作を可能とすると共に、消費電力及び故障の可能性を低減できる。

本明細書の他の実施形態は、対象物の前回操作からの経過時間に基づき、振動を制御する。例えば、装置は、対象物と操作物体との間の距離が閾値に達すると、対象物の振動を開始する。最後の操作からの経過時間が閾値に達すると、装置は振動を停止する。このように、前回操作からの経過時間が時間閾値に達した後に振動が停止される。この制御は、非接触操作を可能とすると共に、消費電力及び故障の可能性を低減できる。装置は、距離の第２閾値及び経過時間閾値の一方又は双方を使用することができる。また、双方の使用は、ＡＮＤ条件又はＯＲ条件のいずれでもよい。

上述のように、本明細書の一実施形態は、対象物と当該対象物を操作する物体との間にスクイーズ膜を形成することで、対象物の非接触操作を可能とする。以下において、スクイーズ膜について説明する。

高い周波数で振動する面の上に平板を置くと、その平板が浮遊することが知られている。この現象はスクイーズ膜圧又は音響放射圧で説明される。浮揚している板の受ける圧力（浮揚圧）Ｗ／Ｓは、音響放射圧の理論により、以下の式で表される。
Ｗ／Ｓ＝（１／４）（ρｃ²）（ζ²／ｈ²）
Ｗは、重量［Ｎ］、Ｓは板の面積［ｍ²］、ρは空気の密度［ｋｇ／ｍ³］、ｃは空気の音速［ｍ／ｓ］、ζは面の振動振幅［ｍ_0-P］、ｈは浮揚距離［ｍ］である。

例えば、面の振動振幅ζが５ｕｍであり、浮揚距離が５ｕｍである、浮揚圧は３５．６ｋＰａである。指先の面積を１ｃｍ²とみなすと、３６３ｇｆの力が抗力として指に作用し、指がタッチ面に接触することを妨げる。

［装置構成］
以下において、タッチ入力パネルを操作対象物の例とし、また、指をタッチパネルを操作する物体の例として、本明細書の実施形態を説明する。図１は、本明細書の一実施形態に係る入力装置の構成例を模式的に示す。入力装置は、タッチ入力パネル１０、アクチュエータ１２、主制御装置２１、距離検出装置２３、アクチュエータ駆動回路２５、及びタッチ検出回路２７を含む。主制御装置２１、距離検出装置２３、アクチュエータ駆動回路２５、及びタッチ検出回路２７は、入力装置の制御装置に含まれる。

アクチュエータ１２は、タッチ入力パネル１０をそのタッチ面（主面）の法線方向において振動させる。図１の構成例において、アクチュエータ１２は、タッチ入力パネル１０の左右それぞれに、タッチ入力パネル１０の前面又は背面に配置されている。なお、ユーザがタッチする側を前側、その反対側を背面側と呼ぶ。アクチュエータ１２は、例えば、タッチ入力パネル１０の基板に半導体プロセスを使用して直接形成する又は基板とは別に形成されたアクチュエータを、基板に固着してもよい。

例えば、板状の圧電体とタッチ入力パネルとを結合し、圧電体の伸び振動モードあるいは厚み振動モードを利用することでタッチ入力パネルをそのタッチ面の法線方向に振動させることができる。アクチュエータ１２の数、形状及び配置位置は、タッチ入力パネル１０が所定の振動モードで振動するように、設計により決定される。

アクチュエータ駆動回路２５は、アクチュエータ１２を駆動する。アクチュエータ１２は、任意の種類の材料で構成することができ、任意の構造を有することができる。例えば、アクチュエータ１２は、基板上の薄膜アクチュエータであり、圧電材料アクチュエータ、マクロファイバコンポジットアクチュエータ、スマート材料アクチュエータ、電子ポリマアクチュエータ等のいずれであってもよい。また、複数のアクチュエータ１２は同一若しくは異なる材料又は同一若しくは異なる構造を有してもよい。

アクチュエータ駆動回路２５は、アクチュエータ１２に所定周波数の駆動信号（駆動電圧）を与えることで、アクチュエータ１２を所望の振動数で振動させることができる。タッチ入力パネル１０は、アクチュエータ１２の振動に応じて振動し、スクイーズ膜を生成する。

タッチ入力パネル１０は、例えば、圧力又は静電容量を利用して、スクイーズ膜を介して又は直接に指によってタッチされたタッチ面上の位置（タッチ位置又は操作位置）を示す信号を、タッチ検出回路２７に出力する。タッチ入力パネル１０の入力方式は、設計に従って任意の方式を利用することができる。タッチ検出回路２７は、タッチ入力パネル１０のタッチ検出電極を駆動すると共に、タッチ入力パネル１０からのタッチ検出信号から、タッチ面上のユーザの操作位置を検出する。

距離検出装置２３は、タッチ入力パネル１０のタッチ面に近接する指を検出し、指とタッチ面との間の距離を測定する。距離検出装置２３は、任意の種類の既存の技術を利用することができる。距離検出装置２３は、例えば、静電容量式タッチパネルのホバー検出機能や、可視光カメラ、赤外カメラ、焦電センサ、超音波センサ等を利用することができる。

例えば、距離検出装置２３は、指に照射した光をカメラで撮影することで、距離を測定することができる。一例は、赤外線プロジェクタからランダムドットパターンを照射し、ドットパターンが指に当たったときの変化量を赤外線カメラで読み取ることで、距離を測定することができる。他の例は、照射した赤外線が指に当たって戻ってくるまでの時間を解析して、距離を測定してもよい。距離検出装置２３は、指に照射した光の反射を複数のカメラで撮影し、それらカメラからの画像を解析することで距離を測定してもよい。

他の構成例において、距離検出装置２３は、タッチパネルに形成されている電極間の静電容量から、指とタッチ面との間の距離を測定してもよい。距離検出装置２３は、タッチ検出回路２７に組み込まれる。例えば、タッチ入力パネル１０は、複数の送信電極と複数の受信電極と、４か所の外周電極を含む。指の近接を検出するために、タッチ検出回路２７は、全ての送信電極から電界を放射し、全ての受信電極がオープンにする。タッチ検出回路２７は、４か所の外部電極により順次、受信信号の検知を行う。タッチ検出回路２７は、受信信号のレベル値に基づいて指の距離と方向を判定する。

他の構成例において、距離検出装置２３は、焦電センサを使用することができる。焦電センサは、周辺で温度変化が生じた場合にパルス信号を出力する。つまり、人体が所定の距離内に侵入したとき、又は、所定の距離内で人体が動いたときに、パルス信号を出力する。主制御装置２１は、焦電センサが最初の応答信号を出力すると、アクチュエータ駆動回路２５を制御してアクチュエータを駆動する。主制御装置２１は、焦電センサの無応答時間が所定の時間（例えば２０秒）経過するまで、アクチュエータの振動を維持する。

主制御装置２１は、距離検出装置２３、アクチュエータ駆動回路２５及びタッチ検出回路２７を制御する。主制御装置２１は、距離検出装置２３による指とタッチ面との間の測定距離に基づいて、アクチュエータ駆動回路２５を制御して、スクイーズ膜を生成する。また、主制御装置２１は、タッチ入力パネル１０において検出された位置情報を外部のホスト装置に送信する。主制御装置２１によるアクチュエータ１２の制御方法の詳細は後述する。

図２は、本明細書の一実施形態に係る入力装置の構成例を示す断面図である。カバーガラス１３に、格納箱１７が固定され、格納箱１７内にディスプレイ１５が配置されている。カバーガラス１３とディスプレイ１５との間にタッチセンサ１１が配置されている。タッチセンサ１１は、カバーガラス１３の背面に固着されている。タッチセンサ１１とカバーガラス１３との接着は、例えば、光学弾性樹脂を使用することができる。

本例において、タッチセンサ１１とカバーガラス１３が、タッチ入力パネル１０を構成する。図１を参照して説明したように、タッチセンサ１１は、指等の指示体のタッチの有無及びタッチ座標を検出する。タッチセンサ１１は、さらに指示体の近接検出及び距離測定の機能を有してもよい。距離検出は、図２において不図示の距離検出装置２３によって実行されてもよい。

カバーガラス１３の前面が、タッチ面である。アクチュエータ１２はカバーガラス１３の背面に固定されている。図２の構成例において、アクチュエータ１２は、カバーガラス１３の背面において、タッチセンサ１１の外側に存在する。アクチュエータ１２は、タッチセンサ１１の表面上に存在してもよい。

図２において不図示のアクチュエータ駆動回路２５は、所定の周波数の電圧信号をアクチュエータ１２に印加し、カバーガラス１３を振動させる。アクチュエータ１２は、カバーガラス１３の振動において変位の節となる位置を外れた位置に配置してもよい。つまり、アクチュエータ１２は、節に接触しない位置に配置されてもよい。これにより、アクチュエータ１２の振動によりカバーガラス１３を効果的に振動させることができる。

一方、カバーガラス１３と格納箱１７とは、カバーガラス１３の変位の節となる位置を含む領域で結合されていてもよい。これにより、カバーガラス１３をより適切に振動させることができる。タッチ面の変位の節は、タッチ面の振動モードにおいて振幅が０の位置である。

カバーガラス１３とディスプレイ１５との間には空隙を設けることで、カバーガラス１３を効率的に振動させることができる。カバーガラス１３とディスプレイ１５との間は光学弾性樹脂を充填してもよい。

［振動制御］
以下において、アクチュエータ１２の振動制御を説明する。主制御装置２１は、距離検出装置２３による測定距離に基づいて、アクチュエータ駆動回路２５を介して、アクチュエータ１２の振動を制御する。

図３は、距離検出装置２３による、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化と、アクチュエータ駆動回路２５からアクチュエータ１２に対する駆動信号の時間変化と、を模式的に示す。グラフ３１は、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化３５を示す。グラフ３２は、アクチュエータ駆動回路２５からアクチュエータ１２に対する駆動信号の時間変化３６を示す。

グラフ３１において、横軸は時間を示し、縦軸は距離検出装置２３による測定距離（装置出力）を示す。グラフ３２において、横軸は時間を示し、縦軸はアクチュエータ駆動回路２５からの出力を示す。アクチュエータ１２は、圧電材料アクチュエータであり、アクチュエータ１２はアクチュエータ駆動回路２５からの出力と同様の周波数で振動するものとする。

グラフ３１に示すように、指が遠くからタッチ面に近づき、時刻Ｔ１において、距離検出装置２３による測定値が予め設定された第１閾値に達する。グラフ３２に示すように、主制御装置２１は、測定距離が第１閾値になったことに応答して、アクチュエータ駆動回路２５からの駆動信号の出力を開始する。これにより、アクチュエータ１２が振動を開始し、それに伴い、タッチ入力パネル１０のタッチ面が振動を開始する。このように、タッチ面は、測定距離が第１閾値まで減少した後に振動を開始する。

距離検出装置２３はタッチ入力パネル１０のタッチ面とユーザの指との間の距離に応じた信号を出力する。主制御装置２１は、距離検出装置２３からの信号（測定距離）が減少して第１閾値以下になった場合に、アクチュエータ駆動回路２５を制御してアクチュエータ１２の振動を開始し、タッチ入力パネル１０のタッチ面を特定の周波数帯において振動させる。

時刻Ｔ１の後、時刻Ｔ２において、指とタッチ面との測定距離は第２閾値に達する。第２閾値は、第１閾値より大きい予め設定された値である。測定距離が時刻Ｔ２において第２閾値に達する前、測定距離は、第２閾値未満に維持されている。グラフ３２に示すように、主制御装置２１は、測定距離が第２閾値になったことに応答して、アクチュエータ駆動回路２５からの駆動信号の出力を停止する。これにより、アクチュエータ１２が振動を停止し、それに伴い、タッチ入力パネル１０のタッチ面の振動が停止する。このように、タッチ面は、測定距離が第２閾値まで増加した後に振動を停止する。

タッチ入力パネル１０は、指とタッチ面との間にスクイーズ膜が生成され、タッチ面に直接接触することなく指がタッチ操作（入力操作）を行うことができる周波数で、振動させされる。タッチ入力パネル１０の振動周波数は、例えば、１０ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ又は１５ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数帯に含まれる。第１閾値及び第２閾値は、入力装置の構成に応じて適切に設定される。例えば、第１閾値は５ｃｍから１０ｃｍにあり、第２閾値は第１閾値の１．５倍から２倍であってもよい。

上述のように、アクチュエータ１２の振動は、測定距離が第１閾値まで減少してから第２閾値に増加するまで維持される。このため、指によるタッチ操作において指がタッチ面に直接触れることを効果的に避ける又は少なくすることができる。

上述のように、本例は、測定距離が第１閾値に減少するまでアクチュエータ１２の振動を停止し、測定距離が第１閾値に達しするとアクチュエータ１２の振動を開始する。また、測定距離が第２閾値に達するとアクチュエータ１２の振動を停止する。

測定距離が、指がタッチ面近傍にある間振動を維持することで、指がタッチ面に直接触れることを効果的に避ける又は少なくすることができる。また、指がタッチ面から離れ、タッチ操作を意図していないと判定される測定距離において、振動を停止することで、消費電力及び装置の故障の可能性を低減できる。

上述のように、振動を停止する条件である第２閾値は、第１閾値より大きい。ユーザは、タッチ操作の間において、指を上下に移動し得る。振動を停止する第２閾値が、振動を開始する第１閾値より大きいことで、ユーザのタッチ操作の間にアクチュエータ１２の振動が頻繁に開始／停止されることを避けることができる。なお、第２閾値が第１閾値と同一でもよい。

上記例は、測定距離に基づき、アクチュエータ１２の振動を停止する。他の例は、測定距離に代えて、又は測定距離に加えて、前回操作からの経過時間に基づき、アクチュエータ１２の振動を停止してもよい。

主制御装置２１は、タッチ入力パネル１０に対する前回のユーザ操作からの経過時間を計測する。経過時間が予め設定された時間閾値に達すると、主制御装置２１は、アクチュエータ１２の振動を停止する。このように、タッチ入力パネル１０の最後の操作からの経過時間に基づき振動を停止することで、ユーザ操作が終了し、指がタッチ面に接触する可能性が小さい場合に、振動を停止することができる。これにより、消費電力及び故障発生の可能性を低減できる。

タッチ検出部はタッチ入力パネルへの指等のタッチ(タッチオン)を検出し、またタッチパネルから指等が離れたこと（タッチオフ）を検出する機能を有するため、前述の最後の操作からの経過時間としてタッチオフを検出した時からの経過時間を用いることができる。

主制御装置２１は、例えば、測定距離が第２閾値に達する及び最後操作からの経過時間が時間閾値に達するとの少なくも一方が成立すると、アクチュエータ１２の振動を停止する。他の例において、主制御装置２１は、測定距離が第２閾値以上であり、かつ、経過時間が時間閾値以上である場合に、アクチュエータ１２の振動を停止してもよい。

図３に示す例において、アクチュエータ駆動回路２５からの出力の振幅及び周波数は一定である。上述のように、スクイーズ膜による浮揚力は、指とタッチ面との距離が減少するにつれて増加する。そのため、指による操作において、指がタッチ面に直接触れることを効果的に避ける又は少なくすることができる。他の例において、振動周波数及び振幅の一方又は双方が、時刻Ｔ１からＴ２の振動期間において変化してもよい。

次に、アクチュエータ１２を駆動する方法の例を説明する。図３に示す例において、アクチュエータ駆動回路２５からの出力信号は、単一周波数のサイン波であってもよい。アクチュエータ１２が単一周波数で振動する場合、特定の周波数において，タッチ面は、アクチュエータ振動に応じた振動モード（共振モード）において振動する。

図４Ａから４Ｃは、異なる共振モードにおけるカバーガラス１３の共振モードを模式的に示す。図４Ａは、１５．７ｋＨｚでの共振モードの変位を模式的に示す。図４Ｂは、１９．４ｋＨｚでの共振モードの変位を模式的に示す。図４Ｃは、１７．８ｋＨｚでの共振モードの変位を模式的に示す。各共振モードにおいて、カバーガラスには定在波が形成され、その腹および節が面内の特定の位置に生じる。

図４Ａにおいて、黒い帯は定在波の節を示す。図４Ａにおいて、一つの節が符号４１で指示されている。節４１は、Ｙ軸方向に延びている。節４１は、Ｘ軸方向においてのみ、所定間隔で現れる。Ｘ軸とＹ軸は、タッチ面の面内において、垂直である。

図４Ｂにおいて、黒い帯は定在波の節を示す。図４Ｂにおいて、一つの節が符号４２で指示されている。節４２は、Ｘ軸方向に延びている。節４２は、Ｙ軸方向においてのみ、所定間隔で現れる。図４Ｃにおいて、黒い領域は定在波の節を示す。図４Ｃにおいて、格子状の節４３が形成されている。

振動するカバーガラス１３の節の部分は、タッチ面（主面）の法線方向に変位しない。そのため、節の上にスクイーズ膜が発生せず、指に対する浮揚力が小さくなり、非接触操作を実現するために十分な浮揚力を指に与えることができないことがあり得る。

［周波数制御］
本明細書の一実施形態にかかる主制御装置２１は、複数の周波数（共振モード）を用いてタッチ面を振動させる。以下において、複数の周波数（共振モード）を使用してタッチ面を振動させる二つの方法を説明する。

第１の方法は、重ね合わせた複数の周波数で、アクチュエータ１２を駆動する。アクチュエータ１２の複数の周波数の振動が重ね合わされた状態での振動に応じて、タッチ面は、複数の共振モードが重ね合わされた状態で、振動する。これにより、タッチ面上の節の領域を低減することができる。

第２の方法は、時分割において、複数の周波数でアクチュエータ１２を駆動する。つまり、この方法は、異なる周波数で、サイクリックに、アクチュエータ１２を振動させる。アクチュエータ１２の振動に応じて、タッチ面は、周期的に、共振モードを変化させる。これにより、いずれかの共振モードが、指に対して適切な浮揚力を与えることができる。

重ね合わせ駆動（第１の方法）の例を説明する。図５は、アクチュエータ１２に対して、重ねあわあされた三つの異なる周波数の駆動信号を与える例を示す。アクチュエータ駆動回路２５は、１５．７ｋＨｚ、１７．８ｋＨｚ及び１９．４ｋＨｚの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力駆動信号をアクチュエータ１２に与える。アクチュエータ１２は、与えられる駆動信号と相似な振動を行う。

アクチュエータ駆動回路２５が、１５．７ｋＨｚと１９．４ｋＨｚの２つの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力信号をアクチュエータ１２に与えた場合、カバーガラスに生じる変位は、波動の重ね合わせの原理により、１５．７ｋＨｚ単独で駆動した場合にカバーガラスに生じる変位と１９．４ｋＨｚ単独で駆動した場合にカバーガラスに生じる変位とを加算した変位となる。

従って、アクチュエータ駆動回路２５が、１５．７ｋＨｚと１９．４ｋＨｚの２つの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力信号をアクチュエータ１２に与えた場合、１５．７ｋＨｚ単独で駆動した場合に節であった位置の変位は１９．４ｋＨｚ単独で駆動した場合にカバーガラスに生じる変位と等しくなる。

この結果、アクチュエータ駆動回路２５が、１５．７ｋＨｚと１９．４ｋＨｚの２つの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力信号をアクチュエータ１２に与えた場合に、依然として変位が生じない位置、つまり節となる位置は１５．７ｋＨｚ単独で駆動した場合の節の位置と１９．４ｋＨｚ単独で駆動した場合の節の位置との図形の論理積の位置となる。

言い換えると、アクチュエータ駆動回路２５が、１５．７ｋＨｚと１９．４ｋＨｚの２つの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力信号をアクチュエータ１２に与えた場合に、依然として変位が生じない位置、つまり節として残る位置は図４Ａの節と図４Ｂの節が図形的に交わる格子点となる。

図４Ａの節と図４Ｂの節が図形的に交わる格子点に生じる節は、波動の重ね合わせの原理により、１７．８ｋＨｚの信号を重ね合わせた信号でアクチュエータを駆動することで変位が生じ節ではなくなり、カバーガラスを法線方向に変化させることができる。このように、１５．７ｋＨｚ、１７．８ｋＨｚ及び１９．４ｋＨｚの信号を重ね合わせて出力駆動信号を生成し、その出力信号をアクチュエータ１２に与えることでカバーガラス全面を法線方向に変化させることができ、非接触操作を実現するために十分な浮揚力を指に与えることができた。

図４Ａから４Ｃを参照して説明したように、上記三つの周波数での共振モードは、異なる節のレイアウトを示す。したがって、これら三つの周波数を重ね合わせた振動により、タッチ面上の節の領域を効果的に低減することができる。

上述のように、１５．７ｋＨｚの共振モードにおいて、Ｘ軸方向（第１方向）にのみ所定間隔で節が発生し、１９．４ｋＨｚの共振モードにおいて、Ｙ軸方向（第２方向）にのみ所定間隔で節が発生する。また、１７．８ｋＨｚの共振モードにおいて、Ｘ軸及びＹ軸に双方において、それぞれ、所定間隔で節が発生する。このような三つの共振モードは、効果的に節の領域を小さくすることができる。

なお、重ね合わせる周波数の数及び値は、入力装置に構成に応じて適切に決定され得る。重ね合わせる異なる周波数の数は４以上でもよく、異なる共振モードそれぞれの節のレイアウトも限定されない。重ね合わされる周波数は主制御装置２１又はアクチュエータ駆動回路２５に予め設定されていてよい。アクチュエータ駆動回路２５は、主制御装置２１からの振動開始指示に応答して、複数の周波数が重ね合わされた駆動信号を出力してもよく、主制御装置２１が、重ねわせる周波数をアクチュエータ駆動回路２５に指示してもよい。

次に、時分割駆動（第２の方法）の例を説明する。アクチュエータ駆動回路２５は、駆動信号の周波数を周期的に、例えば１ｍ秒毎に、変化させる。アクチュエータ駆動回路２５は、所定の異なる周波数の駆動信号を、順次、サイクリックに出力する。例えば、１５．７ｋＨｚ、１７．８ｋＨｚ及び１９．４ｋＨｚの周波数が設定されているとする。アクチュエータ駆動回路２５は、１５．７ｋＨｚ、１７．８ｋＨｚ及び１９．４ｋＨｚの順で、出力駆動信号の周波数を選択する。アクチュエータ駆動回路２５は、１９．４ｋＨｚの後、１５．７ｋＨｚを選択する。

なお、順次出力される周波数の数及び値は、入力装置に構成に応じて適切に決定され得る。順次出力される周波数は主制御装置２１又はアクチュエータ駆動回路２５に予め設定されていてよい。アクチュエータ駆動回路２５は、主制御装置２１からの振動開始指示に応答して、異なる周波数の駆動信号をサイクリックに出力してもよく、主制御装置２１が、出力する周波数をアクチュエータ駆動回路２５に指示してもよい。

［振幅制御］
次に、スクイーズ膜生成のためにアクチュエータ１２の駆動電圧（振動振幅）を時間変化させる駆動方法の例を説明する。この駆動方法により、より適切に指に対して必要な浮揚力を与えることができると共に、消費電力及び故障可能性を低減できる。

主制御装置２１は、指がタッチ面に近づくと、停止していたアクチュエータ１２の振動を開始する。その後、タッチ面と指との測定距離がさらに小さくなるにつれて、主制御装置２１は、アクチュエータ駆動回路２５の出力電圧を大きくする、つまり、アクチュエータ１２の振幅を大きくする。逆に、タッチ面と指との測定距離がさらに大きくなるにつれて、主制御装置２１は、アクチュエータ駆動回路２５の出力電圧を小さくする。

図６は、距離検出装置２３による、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化と、アクチュエータ駆動回路２５からアクチュエータ１２に対する駆動信号の時間変化と、を模式的に示す。グラフ６１は、指とタッチ面との間の距離の測定値の時間変化６５を示す。グラフ６２は、アクチュエータ駆動回路２５からアクチュエータ１２に対する駆動信号の時間変化６６を示す。

グラフ６１において、横軸は時間を示し、縦軸は距離検出装置２３による測定距離（装置出力）を示す。第１閾値及び第２閾値は、図３を参照して説明した例と同様でよい。グラフ６２において、横軸は時間を示し、縦軸はアクチュエータ駆動回路２５からの出力を示す。

グラフ６１に示すように、指が遠くからタッチ面に近づき、時刻Ｔ１１において、距離検出装置２３による測定値が予め設定された第１閾値に達する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、測定距離が第１閾値になったことに応答して、アクチュエータ駆動回路２５からの駆動信号の出力を開始する。これにより、アクチュエータ１２が振動を開始し、それに伴い、タッチ入力パネル１０のタッチ面が振動を開始する。

グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２まで、指とタッチ面との測定距離が減少する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、測定距離に減少に応じて、駆動信号の電圧を増加させる。グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３まで、測定距離は一定である。このとき指はスクイーズ膜圧又は音響放射圧によって抗力を受け、タッチ面からわずかに浮遊している。グラフ６２に示すように、時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３まで、駆動信号電圧は一定である。

グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４まで、指とタッチ面との測定距離が増加する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、測定距離に増加に応じて、駆動信号の電圧を減少させる。

グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１４から時刻Ｔ１５まで、指とタッチ面との測定距離が減少する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、測定距離に減少に応じて、駆動信号の電圧を増加させる。グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６まで、測定距離は一定である。グラフ６２に示すように、時刻Ｔ１５から時刻Ｔ１６まで、駆動信号電圧は一定である。

グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１６から時刻Ｔ１７まで、指とタッチ面との測定距離が増加する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、測定距離に増加に応じて、駆動信号の電圧を減少させる。

グラフ６１に示すように、時刻Ｔ１７において、測定距離は第２閾値に達し、その後さらに増加する。グラフ６２に示すように、主制御装置２１は、時刻Ｔ１７に駆動信号の出力を停止する。これにより、アクチュエータ１２が振動を停止し、それに伴い、タッチ入力パネル１０のタッチ面の振動が停止する。

上記振幅制御は、上述のいずれの周波数制御と組み合わせることもできる。主制御装置２１は、測定距離に基づき振動振幅を制御すると共に、アクチュエータ駆動回路２５から、複数の周波数を重ね合わせた駆動信号又は異なる周波数の駆動信号をサイクリックに、アクチュエータ１２に出力することができる。駆動信号は、単一周波数の信号であってもよい。

なお、測定距離に応じた振幅の増加率及び減少率は異なっていてもよく、それらが一定であっても一定でなくてもよい。

［他の制御方法］
以下において、入力装置の他の制御方法を説明する。本明細書の一実施形態に係る主制御装置２１は、指の操作のためのタッチ位置を推定し、推定値に基づいてアクチュエータ１２の駆動信号を決定する。具体的には、駆動信号の単一周波数又は重ね合わせる複数の周波数が選択される。具体的には、主制御装置２１は、推定タッチ位置が、タッチ面の振動モードにおける節と重ならない１以上の周波数を選択する。これにより、操作のために指がタッチ面に直接接触する可能性を低減できる。

距離検出装置２３は、指とタッチ面との距離に加えて、タッチ面内での指の位置を検出することができる。上述のように、面内位置の検出ための任意の既存技術を利用することができる。

例えば、主制御装置２１内の制御情報は、異なる振動モードそれぞれに対して、その振動モードを生成する駆動信号の１以上の周波数及び節領域の情報を含んでいる。主制御装置２１は、距離検出装置２３から、タッチ面と指との間の距離に加えて、タッチ面内の位置の情報を取得する。例えば、主制御装置２１、タッチ面と指との間の距離が予め設定された閾値に達した時の面内位置を、タッチ位置と推定してもよい。タッチ位置は、指によってタッチ入力の操作が実行される位置である。

主制御装置２１は、推定タッチ位置と、制御情報内の振動モードの予め定義された節領域とを比較し、推定タッチ位置が節領域の含まれない振動モードを選択する。主制御装置２１は、選択した振動モードに関連付けられている１以上の周波数を、アクチュエータ駆動信号を生成するための１以上の周波数と決定する。

本明細書の一実施形態に係る入力装置は、ディスプレイ１５において、振動モードの節領域から外れた位置に、タッチ操作の対象となるオブジェクトを表示する。アクチュエータ１２を振動する駆動信号の周波数は予め設定されているため、タッチ面の振動モードにおける節領域も予め知られている。

図７は、振動モードの節領域から外れた位置に、タッチ操作の対象となるオブジェクトを表示する例を示す。タッチ入力パネル１０は、破線で示す節（節領域とも呼ぶ）１０５を有している。図７の例において、格子状の節がタッチ入力パネル１０において形成されている。ディスプレイ１５は、タッチ入力パネル１０の振動における節と重ならいように、ユーザ操作対象のオブジェクト１０６を表示する。図７において四つオブジェクトのうち、一つが例として符号１０６で指示されている。

主制御装置２１は、ディスプレイ１５に対して映像データを与え、その映像データによる映像は、タッチ操作の対象となる１以上のオブジェクトを含む。各オブジェクトは、予め定義されている節領域と重ならない領域（節領域から外れた領域）に配置される。各オブジェクトは節領域と重ならない領域に位置するため、オブジェクトをタッチするために近づく指に効果的に浮揚力を与えることができる。

［オゾン発生装置］
以下において、オゾンを発生するタッチ入力パネルの例を説明する。オゾンは、タッチ面を殺菌することができる。タッチ面が汚染された場合にオゾンによって殺菌することで接触感染拡大を抑制することができる。

図８は、タッチ入力パネル１０の構成例を示す。セクション８１は、タッチ入力パネルの電極基板１０１の平面図を示している。セクション８２は、平面図７１における部分拡大図を示している。セクション８３は、部分拡大図８２のＡ－Ａ´断面図を示している。電極基板１０１は、透明な支持基板３１０上に、Ｘ電極２０１と、Ｙ電極２０２と、絶縁膜２０３と、を有する。

セクション８１及び８２では、Ｘ電極２０１およびその配線を点線で示し、Ｙ電極２０２およびその配線を実線で示す。Ｘ電極２０１およびＹ電極２０２は、透明電極であり、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウムスズ酸化物）を用いて形成することができる。これらＸ電極２０１およびＹ電極２０２の平面形状は、例えば、四角形である。

タッチ検出回路２７は、所定の電圧をＸ電極２０１およびＹ電極２０２に印加することにより、電極基板１０１をオゾン発生源として駆動することができる。この電圧印加により、電極基板１０１の表面１０１ａにオゾンが発生するため、電極基板１０１の表面１０１ａが殺菌される。

主制御装置２１は、タッチ検出回路２７による電圧印加を制御する。具体的には、例えば、主制御装置２１は、センサ（不図示）や人の操作のような外部入力に応じて、タッチ検出回路２７に、電極基板１０１への電圧印加を指示したり、電極基板１０１への電圧印加の停止を指示したりする。

次に、電極基板１０１の詳細を説明する。セクション８１において、Ｘ電極２０１の配線およびＹ電極２０２の配線は、それぞれ端子３０１、３０２に接続される。端子３０１、３０２はタッチ検出回路２７に接続される。

Ｘ電極２０１およびＹ電極２０２の形状は、例えば、四角形（菱形や矩形）である。Ｘ電極２０１は、第１接続部であるブリッジ電極３１１Ｘ（セクション８２参照）を介して、ｘ方向に数珠状に連結されている。すなわち、Ｘ電極２０１がｘ方向に配列される。このように、電気的にｘ方向に接続されたＸ電極をＸ電極群と呼ぶ。ｘ方向に数珠状に連結されたＸ電極群は、ｙ方向に、例えば、２ｍｍの間隔で配置されている。各Ｘ電極群は、ｙ方向に互いに平行に延在する。

Ｙ電極２０２は、第２接続部であるブリッジ電極３１１Ｙ（セクション８２参照）を介して、ｙ方向に数珠状に連結されている。すなわち、Ｙ電極２０２がｙ方向に配列される。このように、電気的にＹ方向に接続されたＹ電極をＹ電極群と呼ぶ。ｙ方向に数珠状に連結されたＹ電極群は、ｘ方向に、例えば、２ｍｍの間隔で配置されている。各Ｙ電極群は、ｘ方向に互いに平行に延在する。

Ｘ電極群とＹ電極群とは、平面視した時に、第１接続部（ブリッジ電極３１１Ｘ）と第２接続部（ブリッジ電極３１１Ｙ）が絶縁膜２０３を介して重なりあうように形成されている。セクション８３に示すように、ブリッジ電極３１１Ｘとブリッジ電極３１１Ｙは、絶縁膜２０３によって絶縁される。換言すれば、Ｘ電極群とＹ電極群とは、絶縁膜２０３を介して立体交差するように構成される。また、Ｘ電極２０１とＹ電極２０２とは、平面視した時に、重ならないように形成されている。すなわち、Ｘ電極２０１とＹ電極２０２とが、平面視した時に隣り合う形状となっている。

次に、セクション８３を用いて製造手順を説明する。支持基板３１０は、例えば、ガラス基板のような透明絶縁基板である。まず、支持基板３１０の第１面３１０ａ上に、ブリッジ電極３１１ＸをＩＴＯのような透明導電膜によって形成する。次いで、ブリッジ電極３１１Ｘの上に絶縁膜２０３を、例えば、ＳｉＮ（シリコン窒化膜）等により形成する。

絶縁膜２０３は、ブリッジ電極３１１ＸとＹ電極２０２及びブリッジ電極３１１Ｙとを絶縁するようにブリッジ電極３１１Ｘを覆い、かつ、ブリッジ電極３１１ＸとＸ電極２０１とが接触するように、ブリッジ電極３１１Ｘを覆わないような形状に形成される。次いで、Ｘ電極２０１、Ｙ電極２０２、ブリッジ電極３１１Ｙ、配線および端子３０１，３０２を、透明導電膜によって一括して形成する。最後に絶縁膜３１２を、例えば、ＳｉＮ（シリコン窒化膜）等により成膜し、端子３０１、３０２にコンタクトホールを形成する。

上記のように構成した電極基板１０１の端子３０１、３０２に電圧を印加することによって、Ｘ電極群とＹ電極群の間に電界が発生する。発生した電界強度が空気の絶縁破壊レベルを超えると放電によりオゾンが発生する。絶縁膜３１２上におけるオゾンが発生する場所は、例えば、領域３２１に示すようなＸ電極２０１とＹ電極２０２との間である単層電極間、あるいは、領域３２２に示すような絶縁膜２０３を介するブリッジ電極３１１Ｘとブリッジ電極３１１Ｙの間である積層電極間である。

図９Ａ及び９Ｂは、オゾン発生原理を示す説明図である。図９Ａは、セクション８２に示した単層電極間の電界発生領域３２１でのオゾン発生原理を示し、図９Ｂは、セクション８３に示した積層電極間の電界発生領域３２２でのオゾン発生原理を示す。信号電源４０１は、Ｘ電極２０１に電圧を印加する交流電源であり、信号電源４０２は、Ｙ電極２０２に電圧を印加する交流電源である。

例えば、信号電源４０１の出力をＧＮＤとし、信号電源４０２の出力を所定の交流電圧とする。この場合、図９Ａの単層電極間ではＸ電極２０１とＹ電極２０２との電位差により電界４１０が発生し、図９Ｂの積層電極間ではブリッジ電極３１１Ｘとブリッジ電極３１１Ｙとの電位差により電界４２０が発生する。絶縁膜３１２上の空気中における電界４１０、４２０の電界強度が所定値に達すると空気の絶縁破壊が起こる。空気の絶縁破壊が起こると無声放電が生じ、オゾンが発生する。

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

１０ タッチ入力パネル
１１ タッチセンサ
１２ アクチュエータ
１３ カバーガラス
１５ ディスプレイ
１７ 格納箱
２１ 主制御装置
２３ 距離検出装置
２５ アクチュエータ駆動回路
２７ タッチ検出回路
４１－４３ 節

Claims (12)

1. 対象物の非接触操作を可能とする装置であって、
   前記対象物を振動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御装置と、
   前記対象物と前記対象物を操作する物体との間の距離を検出する、距離検出装置と、
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記距離検出装置が検出した距離が第１閾値に達した後、停止していた前記アクチュエータの振動を開始し、
   前記距離検出装置が検出した距離が前記第１閾値に達した後、前記第１閾値より大きい第２閾値に達するまで前記アクチュエータの振動を継続し、
   前記距離検出装置が検出した距離が前記第２閾値に達した後、前記アクチュエータの振動を停止する、
   装置。
2. 対象物の非接触操作を可能とする装置であって、
   前記対象物を振動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御装置と、
   前記対象物と前記対象物を操作する物体との間の距離を検出する、距離検出装置と、
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記距離検出装置が検出した距離が第１閾値に達した後、停止していた前記アクチュエータの振動を開始し、
   前記アクチュエータの振動を開始した後、前記対象物の前回操作からの経過時間が時間閾値に達するまで前記アクチュエータの振動を継続し、
   前記経過時間が時間閾値に達した後、前記アクチュエータの振動を停止する、
   装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であって、
   前記制御装置は、１０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の周波数帯において前記アクチュエータを振動させる、
   装置。
4. 請求項１又は２に記載の装置であって、
   前記対象物はタッチ入力パネルであり、
   前記制御装置は、複数の周波数の振動が重ね合わされた状態で振動するように前記アクチュエータを駆動する、
   装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、
   前記タッチ入力パネルのタッチ面は、前記アクチュエータの振動に応じて、前記タッチ入力パネルのタッチ面内の第１方向のみに節が発生する共振モード、前記タッチ面内の前記第１方向に垂直な第２方向においてのみ節が発生する共振モード、及び前記タッチ面内の前記第１方向及び第２方向の双方において節が発生する共振モードが重ね合わされた状態において、振動する、
   装置。
6. 請求項１又は２に記載の装置であって、
   前記制御装置は、前記アクチュエータを異なる周波数でサイクリックに振動させる、
   装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、
   前記対象物はタッチ入力パネルであり、
   前記タッチ入力パネルのタッチ面は、前記アクチュエータに振動に応じて、前記タッチ面内の第１方向のみに節が発生する共振モード、前記タッチ面内の前記第１方向に垂直な第２方向においてのみ節が発生する共振モード、又は前記タッチ面内の前記第１方向及び第２方向の双方において節が発生する共振モードの一つにおいて振動する、
   装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、
   前記制御装置は、前記物体が前記対象物に近づくにつれて前記アクチュエータの振幅を大きくし、前記物体が前記対象物から離れるにつれて前記アクチュエータの振幅を小さくする、
   装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、
   前記制御装置は、前記距離検出装置が検出した距離が前記第２閾値以上であり、かつ、前記対象物の前回操作からの経過時間が時間閾値以上である場合に、前記アクチュエータの振動を停止する、
   装置。
10. 請求項１又は２に記載の装置であって、
    前記対象物はタッチ入力パネルであり、
    前記制御装置は、
    前記物体の前記タッチ入力パネルのタッチ面内での位置を検出し、
    前記検出した位置に基づいて、前記物体のタッチ位置を推定し、
    前記推定されたタッチ位置が前記タッチ面の振動の節から外れた位置となる駆動信号によって前記アクチュエータを駆動する、
    装置。
11. 請求項１又は２に記載の装置であって、
    画像を表示するディスプレイをさらに含み、
    前記対象物は、前記ディスプレイの前側に配置されたタッチ入力パネルであり、
    前記制御装置は、前記タッチ入力パネルのタッチ面における振動の節から外れた領域に、前記ディスプレイにおいてタッチ操作対象のオブジェクトを表示する、
    装置。
12. 請求項１又は２に記載の装置であって、
    前記物体は、オゾンを生成する素子を含むタッチ入力パネルである、
    装置。

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