JP4384926B2 - タッチパネルのための触覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明はタッチパネル入力機器等において、その画面の視認性を損なわずに、透明スイッチ機構を配することで、操作者に操作時のクリック感などの触覚提示を行うことのできる入力装置に関する。

タッチパネルは入力の操作が直感的に分かりやすく、初心者でも容易に操作することができる。しかしながら、画面表示が擬似的な入力ボタンであるため、触覚フィードバックに乏しいといった欠点をもっている。視覚・聴覚に頼るフィードバックでは確実性のある入力ができず、利用者の不安要素と成り得る。

そこで、特許文献１に記載のように、実際にスイッチを押す際に生じるクリック感などの触覚提示を行う目的で、タッチパネル上に透明なクリック機構を実現しようとするものもある。一般的な電卓やキーボードのスイッチはラバースイッチからなるが、このラバー部分に透明材料を使用することでタッチパネル上でも同様の構造を実現しようと試みている。

また、同様のスイッチ構造において、特許文献２の記載においては、キートップ部の面積を大きくすることで視認性を上げる工夫が開示されている。

上記のような従来の方法では、いずれもタッチパネル上において触覚を提示しようとしている。しかしながらこれらの装置を利用しようとしても、スイッチ構造部に利用されている透明材料の凹凸により光の屈折が起こることが考えられる。光の屈折の方向が一様でないため、結果的に視差が生じ、視認性が悪くなってしまうなどといった問題点が挙げられる。

キートップの面積が大きくなることは、同時にボタン形状が限られることにもなる。結果的に画面上での空間分解能が低くなるために、タッチパネルの有用性である設計の自由度を制限してしまうなどの問題点も挙げられる。
特開平４−０７５２１９号公報 特開平１０−１２５１６７号公報

キートップの面積が大きくなることは同時に、ボタン形状が限られることにもなる。結果的に画面上での空間分解能が低くなるために、タッチパネルの有用性である設計の自由度を制限してしまうなどの問題点も挙げられる。
特開平４−０７５２１９号公報 特開平１０−１２５１６７号公報

本発明では触覚を提示するための装置を実現するにあたり、下記のような課題を解決することを目的とする。
・タッチパネルにおいて画面上の任意の場所で触覚を提示させる。
・画面上の透明スイッチ機構により、画面自体の視認性を損なうことなく、操作者に画像 情報を提供する。
・スイッチの空間分解能を下げることなく、タッチパネルのデザインの自由度を有効に活 用できるようにする。
・クリック感に限らない、様々な触覚を操作者に提示する。
・操作者が入力を行う前に、指等の位置情報を認識することが可能な能動的な入力装置と する。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、画像表示装置のタッチパネルの上面に配設した一対の透明電極と、該透明電極の直上に位置するキートップと同キートップを支持する弾性変形可能なスカート部からなる透明スイッチ構造と、該透明スイッチ構造の前記キートップの上部に配置した透明表面カバーと、前記タッチパネル上の透明電極と前記透明表面カバーの間に前記透明スイッチ構造と実質的に同じ屈折率の透明な溶媒により形成された溶媒層とを備えて、前記透明表面カバーが操作者の指により押されたとき、前記透明スイッチ構造のキートップが押圧されて同透明スイッチ構造のスカート部が座屈して前記キートップの下面により前記タッチパネル上の透明電極が押圧されて接触するようにしたことに特徴があり、これによって視認性を向上させることが可能なタッチパネルのための触覚提示装置を提供するものである。

請求項２に記載の発明は、前記透明表面カバーと前記透明スイッチ構造の間に、前記透明表面カバーの表面に触れた操作者の指の動きによって接触する一対の電極を配置したことに特徴があり、この場合には操作者の入力前の指等の位置情報を認識することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載したタッチパネルのための触覚提示装置において、前記透明スイッチ構造を透明なシリコーンゴムにより形成し、前記溶媒層を形成する溶媒として前記シリコーンゴムと同じ屈折率の透明なグリセリンを用いたことに特徴があり、この場合には透明なグリセリンが加熱によって粘度が上昇する感温性のゲル（熱ゲル）として機能するので、操作者が感じる触覚を自由に設定することが可能になる。

請求項４に記載の発明は、画像表示装置のタッチパネルの上面に対向して配設した一対の透明電極と、該透明電極の直上に位置するキートップと同キートップを支持する弾性変形可能なスカート部からなる透明スイッチ構造と、該透明スイッチ構造の前記キートップの上部に配置した透明表面カバーと、前記タッチパネル上の透明電極と前記透明表面カバーの間に前記透明スイッチ構造と実質的に同じ屈折率の透明な溶媒により形成された溶媒層とを備えて、前記溶媒層の流れ抵抗を制御するため、前記溶媒に熱によってゲル化するメチルセルロースを混入し、前記透明表面カバーが操作者の指により押されたとき、前記溶媒層中に配置された前記透明スイッチ構造のキートップが押圧されて同透明スイッチ構造のスカート部が座屈し前記キートップの下面により前記タッチパネル上の透明電極が押圧されて接触するようにしたことを特徴とするタッチパネルのための触覚提示装置を提供するものである。この場合には、メチルセルロースが３０℃になればゾル化することから、何度も前記溶媒層の開閉に利用できて、常温での使用が可能になる。また、請求項５に記載した発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載したタッチパネルのための触覚提示装置において、前記タッチパネル上に配設した透明電極を透明導電膜により形成したことに特徴がある。

本発明の実施例として、車の各種操作スイッチやカーナビゲーションシステム（以下、カーナビ）の入力装置として用いることが考えられる。運転中は視覚をできるだけ前方の注意に向ける必要があるため、各種機器の操作時において触覚を提示することは、運転時の安全性を高めるなどの効果があると考えられる。

図１は本発明の概念図を示すものである。カーナビ画面などの画像表示装置１の上に透明電極２を配し、その上に透明スイッチ構造を設置することで、画面上においてクリック感を実現することが可能となる。同時に、透明キートップ４上に透明表面カバー６を配し、図示はしていないが、透明電極２と透明カバー６の間に溶媒を流し込むことで、透明化を実現する。図１では透明スイッチのキートップ形状は六角形であるが、多角形であってもよいし、円形であってもよい。

図２は本発明の断面図を示しており、画像表示装置１、タッチパネル２、スカート部３とキートップ４からなる透明スイッチ構造部、透明溶媒５、透明表面カバー６からなる。透明表面カバー６の取り付け位置はキートップ４の上部となり、その間隔は０〜５mm程度であるが、設計・製作方法に依存するため制限しない。

操作時の状態図を図３に示す。操作者が入力を行う際には、まず一様な厚さの透明表面カバー６が押され、そのまま付近のキートップ４が押される。キートップ４にかかる押圧のため、スカート部３は弾性変形するが、このときに必要な力がそのまま操作者に返されることになる。やがて、構造により決められた力以上がかかると、スカート部３は座屈する。このとき操作者にかかる力は急減し、やがてキートップ４が底面に接することになる。以上の一連の動作が瞬時に行われることで操作者はクリック感を触感として感じることができる。操作者の入力はキートップ４が底面に接触するのと同時に、直下の透明タッチパネル２が押されることにより、電気的に確認することが可能である。

カーナビは画面上で随時変化する位置情報を表示させるため、触覚を提示するための装置がその視認性を妨げてはならない。本発明では操作のいずれの状態においても溶媒がカバーの下部を満たしていることで、触覚を提示するための透明スイッチ構造の形状によらずに視認性に優れた状態を維持することが可能である。

カーナビにおいて、地図上の任意の点を操作することで、情報が得られるような機能も将来的に考えられる。請求項１に記載の発明によれば、透明スイッチ構造において自由度の高い複雑な形状も設計に盛り込むことが可能となるため、透明なゴム椀形状を複数配することで画面上のいかなる部分においても触覚を提示することが可能である。これにより操作位置の空間分解能を上げることができ、カーナビ表示の自由度に追従することが可能である。

また、タッチパネル上の透明電極２と透明表面カバー６の間に流し込んだ溶媒の流れ抵抗により、キートップにかかる力を時間的に変化させることが可能となるため、クリック感のみではない様々な触感を実現することが可能である。触覚の違いをだすことで操作者に提供できる情報量を増やすことができる。車の操作スイッチであれば、操作項目別に触感を変えることで、違いを明示することも可能である。画面表示と触感の違いにより、複数のスイッチを一ヶ所に統合することも可能であると考えられる。

さらに、図４に示すように電極をキートップ４下部および底面に設置することで、タッチパネルの入力機構と、透明スイッチ構造による触覚提示機構を同時に実現することが可能である。電極部と透明スイッチ構造を統合させることで、より薄型化した装置を実現することが可能である。

請求項２に記載の発明においては、入力信号確認のための透明電極２とは別に、図５に示すように透明表面カバー６と透明スイッチ構造の上部またはその周辺に電極８を設けることで、操作者の入力前の指等の位置情報を認識することが可能となり、これにより操作者に対し、入力補助のための情報を前もって提示させることが可能である。電極８は必ずしもキートップ４上に配置する必要がないため、キートップ４の上に電極層を設けるなどの方法により、高分解能を実現することが可能である。この方法を車内の各種操作スイッチやカーナビに用いれば、運転者が前方を見ながらでも、画面に触れることで自分の選択しようとしている項目情報を得ることができる。これは運転中の安全性に大きく貢献できると考えられる。

次に、本発明の具体的な実現方法について説明する。

ラバースイッチ構造を模して、これを透明材料で実現するには、柔軟性のあるシリコーン樹脂の利用が一例として考えられる。シリコーン樹脂は透明度に優れ、熱硬化性を持つ。このため短時間で透明スイッチ構造の成形が可能である。

透明スイッチ構造の成形は、型製作を行い、形状の転写を行うのが最も効率的であると考えられる。プロトタイピングであれば積層造型装置や光造型装置などの３次元造形装置、大量生産を目的とするならば切削加工・放電加工・リソグラフィなどを用いて型を製作することで、目的形状を容易に得ることが可能である。透明スイッチ構造の形状はゴム椀形状に限らず、目的用途に合わせた様々な形状で実現可能である。

透明スイッチ構造を多数用意し、大きなシート面積をとろうとする場合は、型も剥離が容易になるように、柔軟性のある材料を使う方法もある。このとき、成形の際に透明材料との接着性を考慮する必要がある場合は、型表面に親水化処理を行うなどの工夫が必要となる。親水化処理としては、例えば酸素プラズマ処理が考えられる。

請求項１に記載の発明によれば、モデル製作後は屈折率を同調させるために透明溶媒を用いる。透明溶媒は透明スイッチ構造を製作した透明材料と同じか又はそれに近い屈折率のものを選択する。例えば屈折率1.4のシリコーンゴムであれば、屈折率1.4のグリセリンを用いることで透明スイッチ構造の凹凸による視差をなくすことができ、透明化を実現させることが可能である。

構造部上部の凹凸も、一様な透明表面カバーを取り付けることで、視認性を上げることができる。透明表面カバーにも同屈折率の透明材料を用いると効果的である。

請求項１に記載の発明における、溶媒の流れ抵抗を制御する方法では、溶媒用の流路面積を意図的に小さくする方法が考えられる。流路は型により転写されるので、設計時に考慮が必要となる。

また、流れ抵抗を選択的に制御する方法としては、溶媒中に熱ゲルを混入させ、流路部を透明導電膜によるヒーターを用いて熱することで、一時的に流路を封鎖させる方法が考えられる。熱ゲルの使用例の一つとしてメチルセルロースが挙げられる。３％濃度のメチルセルロースは６０℃でゲル化することが知られており、抵抗熱により流路を塞ぐことができると考えられる。メチルセルロースは３０℃になればゾル化することから、何度も開閉に利用でき、常温での使用も可能であると考えられる。

他にも、機械的なバルブ機構により流路の開閉を行う方法が考えられる。駆動力としては静電力、加熱による相変化に伴う圧力、磁力などである。

例えば、磁力を用いたラッチ機構を回路の一部に仕込む方法が考えうる。電磁石等は画面下部に設置することが可能であるが、構造部に用いるため、視認性への影響も考慮しなくてはならない。

請求項２に記載の発明における電極の取り付けは、透明導電膜ITO（酸化インジウムスズ）やIZO（酸化インジウム亜鉛）などを用いる方法が考えられる。これらの透明導電膜を電極として用いるためには、スパッタリング法や真空蒸着法により、構造自体に電極膜を取り付ける。このとき各スイッチアレイで各々の電気信号が取り出せるように、マスクを用いて選択的に電極を形成す必要がある。あるいはリソグラフィもしくはディープＵＶ加工機などにより電極をパターンニングする必要がある。

以上、車内における各種操作スイッチやカーナビでの本発明の実施例を示したが、現在タッチパネルは公共の場においても多く見かける。例えば券売機・キャッシュディスペンサー・書店での検索機などである。これらにおいても、入力時に触感を提示することは、操作者に安心感をあたえることが可能である。本発明はこのような様々なタッチパネル式入力機器において応用することができると考えられる。

透明構造の形状に依存せずに透明化を実現できるため、分解能やクリック感を自由に設計することが可能である。このため操作者にタッチパネルの使用用途に合わせた触感を提示することが可能である。

タッチパネル上のどの位置でも同等の触感を得ることができれば、スイッチ形状は画像に合わせ自由な形に設定することが可能である。このため、タッチパネル画面のデザインを制限することがない。

タッチパネル入力時に触覚を加えることで、操作者は必要以上の力をかけずにすんだり、意図しない接触による誤入力をなくしたりすることができる。

請求項２に記載した発明によって、操作者の入力前の情報を知ることができれば機器側から操作者に対して、入力の補助や誘導をすることが可能となり。操作者個人にそれぞれ適応した入力機器になると考えられる。

以上の効果により、結果的に操作者の入力に要する心理・身体的な負担や入力作業時間を低減させることができると考えられる。

触覚提示機能を有する透明入力装置の概念図 透明化を実現させるための例を示す断面図 透明化を実現させるための例を示す断面図（スイッチ押し込み時） 電極を内部構造内部に設置した例を示す断面図 電極を透明スイッチ構造上部にも設置した例を示す断面図

符号の説明

1.画像表示装置
2.入力用透明タッチパネル
3.透明スイッチ構造スカート部
4.透明スイッチ構造キートップ部
5.透明溶媒
6.透明表面カバー
7.構造部内透明電極
8.入力補助用透明タッチパネル

Claims (6)

1. 画像表示装置のタッチパネルの上面に対向して配設した一対の透明電極と、
   該透明電極の直上に位置するキートップと同キートップを支持する弾性変形可能なスカート部からなる透明スイッチ構造と、
   該透明スイッチ構造の前記キートップの上部に配置した透明表面カバーと、
   前記タッチパネル上の透明電極と前記透明表面カバーの間に前記透明スイッチ構造と実質的に同じ屈折率の透明な溶媒により形成された溶媒層とを備えて、
   前記透明表面カバーが操作者の指により押されたとき、前記溶媒層中に配置された前記透明スイッチ構造のキートップが押圧されて同透明スイッチ構造のスカート部が座屈し前記キートップの下面により前記タッチパネル上の透明電極が押圧されて接触するようにしたことを特徴とするタッチパネルのための触覚提示装置。
2. 前記透明表面カバーと前記透明スイッチ構造の間に、前記透明表面カバーの表面に触れた操作者の指の動きによって接触する一対の電極を配置したことを特徴とする請求項１に記載したタッチパネルのための触覚提示装置。
3. 前記透明スイッチ構造を透明なシリコーンゴムにより形成し、前記溶媒層を形成する溶媒として前記シリコーンゴムと同じ屈折率の透明なグリセリンを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載したタッチパネルのための触覚提示装置。
4. 画像表示装置のタッチパネルの上面に対向して配設した一対の透明電極と、
   該透明電極の直上に位置するキートップと同キートップを支持する弾性変形可能なスカート部からなる透明スイッチ構造と、
   該透明スイッチ構造の前記キートップの上部に配置した透明表面カバーと、
   前記タッチパネル上の透明電極と前記透明表面カバーの間に前記透明スイッチ構造と実質的に同じ屈折率の透明な溶媒により形成された溶媒層とを備えて、
   前記溶媒層の流れ抵抗を制御するため、前記溶媒に熱によってゲル化するメチルセルロースを混入し、前記透明表面カバーが操作者の指により押されたとき、前記溶媒層中に配置された前記透明スイッチ構造のキートップが押圧されて同透明スイッチ構造のスカート部が座屈し前記キートップの下面により前記タッチパネル上の透明電極が押圧されて接触するようにしたことを特徴とするタッチパネルのための触覚提示装置。
5. 前記タッチパネル上に配設した一対の透明電極を共に透明導電膜により形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載したタッチパネルのための触覚提示装置。
6. 前記一対の透明電極の一方の電極を前記透明スイッチ構造のキートップの底面に設けたことを特徴とする請求項１に記載のタッチパネルのための触覚提示装置。

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