JP6100913B2

JP6100913B2 - 触感呈示装置及び触感呈示装置の制御方法

Info

Publication number: JP6100913B2
Application number: JP2015544773A
Authority: JP
Inventors: 克彦清水
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JPWO2015064007A1; EP3065029B1; US20160246372A1; WO2015064007A1; EP3065029A1; EP3065029A4; US10031584B2

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年１０月２８日に日本国に特許出願された特願２０１３−２２３２７６の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。

本発明は、触感呈示装置及び触感呈示装置の制御方法に関するものである。

従来、タッチパネル等の被接触面上で、指等の接触物に対してリアルな触感を呈示する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の技術では、圧電素子を、被接触面への押下（押圧）荷重を検出する荷重センサとして、及び被接触面を振動させるアクチュエータとして共用している。そして、圧電素子を荷重センサとして機能させて、接触物による被接触面の押下操作による所定の荷重（出力電圧）が検出された際に、圧電素子を所定時間アクチュエータとして機能させて被接触面を振動させている。同様に、被接触面からの接触物のリリース操作による所定の出力電圧が検出された際に、圧電素子を所定時間アクチュエータとして機能させて被接触面を振動させている。

特許第４６７２０７５号

ところで、圧電素子には、電圧を印加して振動させた後、圧電素子を放電させても、圧電素子に電圧が現れる誘電体吸収（誘電体ヒステリシス）と呼ばれる特性があることが知られている。そのため、圧電素子を荷重センサ及びアクチュエータとして共用して、押下／リリース時に確実に触感を呈示させるには、誘電体吸収を考慮する必要がある。

本発明は、かかる観点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で圧電素子の誘電体吸収に影響されることなく、押下／リリースを確実に検出して触感を呈示できる触感呈示装置及び触感呈示装置の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る触感呈示装置は、
圧電素子と、
前記圧電素子の出力電圧に基づいて押下及びリリースをそれぞれ検出する検出部と、
前記検出部による押下及びリリースのそれぞれの検出に同期して前記圧電素子を駆動して触感を呈示させる駆動部と、
前記圧電素子の駆動後、次のリリース又は押下の検出開始までに該圧電素子を放電させる放電部と、
前記検出部による押下又はリリースの検出後、次のリリース又は押下の検出開始までに、前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定するスイッチと、
を備えるものである。

さらに、上記目的を達成する本発明に係る触感呈示装置の制御方法は、
圧電素子と、
前記圧電素子の出力電圧に基づいて押下及びリリースをそれぞれ検出する検出部と、
前記検出部による押下及びリリースのそれぞれの検出に同期して前記圧電素子を駆動して触感を呈示させる駆動部と、
前記圧電素子の駆動後、次のリリース又は押下の検出開始までに該圧電素子を放電させる放電部と、
前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定するスイッチと、を備える触感呈示装置の制御方法であって、
前記検出部による押下又はリリースの検出後、次のリリース又は押下の検出開始までに、前記スイッチにより前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定する、ものである。

本発明によれば、簡単な構成で圧電素子の誘電体吸収に影響されることなく、押下／リリースを確実に検出して触感を呈示することができる。

触感呈示装置の一例の概略構成を模式的に示す回路図である。図１の触感呈示装置の動作を示すタイミングチャートである。本発明の課題を説明するための図である。本発明の一実施の形態に係る触感呈示装置の概略構成を模式的に示す回路図である。図４の触感呈示装置の一動作例を示すタイミングチャートである。

先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明者が先に開発した触感呈示装置について説明する。

図１は、本発明者が開発した触感呈示装置の一例の概略構成を模式的に示す回路図である。図１において、圧電素子１は、被接触面（図示せず）への押下（押圧）荷重を検出する荷重センサとして、及び被接触面を振動させて触感を呈示するアクチュエータとして共用される。圧電素子１は、一方の電極が切換スイッチ２の共通接点２ａに接続され、他方の電極が接地される。切換スイッチ２は、２つの切換接点２ｂ、２ｃを有する。

切換接点２ｂは、駆動スイッチ３を経て駆動部４に接続されるとともに、放電部を構成する放電スイッチ５を経て接地される。駆動部４は、呈示する触感に応じた所定の波形、周波数及び振幅（例えば、数１０Ｖ）の駆動信号を出力するように構成される。また、切換接点２ｃは、直流遮断用のコンデンサ６を経て検出部７に接続されるとともに、リセットスイッチ８を経て接地される。検出部７は、アナログの入力電圧をデジタル信号に変換するＡＤコンバータを有し、ＡＤ変換された信号の変化、例えば数１００ｍＶの電圧変化に相当する信号の変化を検出して押下又はリリースを検出するように構成される。なお、検出部７の入力端子には、プルアップ抵抗９を経て所定の電圧（基準電圧）が印加される。基準電圧は、例えばＡＤコンバータの電源電圧がＶＤＤの場合、ＶＤＤ／２に設定される。

駆動部４及び検出部７は、制御部１０に接続されて、制御部１０により制御される。また、切換スイッチ２、駆動スイッチ３、放電スイッチ５及びリセットスイッチ８は、例えばＦＥＴ等の半導体スイッチで構成され、制御部１０により制御される。例えば、切換スイッチ２は、制御部１０からの制御信号がロー（Ｌ）レベルで切換接点２ｃが共通接点２ａに接続され、ハイ（Ｈ）レベルで切換接点２ｂが共通接点２ａに接続される。また、駆動スイッチ３、放電スイッチ５及びリセットスイッチ８は、制御部１０からの制御信号がＬレベルで開（オフ）状態、Ｈレベルで閉（オン）状態となる。なお、駆動部４や検出部７は、制御部１０に内蔵されてもよい。

図２は、図１に示した触感呈示装置において、圧電素子１の誘電体吸収を考慮しない場合の動作を示すタイミングチャートである。図２において、信号１は圧電素子１の端子電圧を示す。信号２は切換接点２ｃの電圧を示す。信号３は検出部７の入力電圧を示す。制御部１０は、常時は、切換スイッチ２、駆動スイッチ３、放電スイッチ５及びリセットスイッチ８のそれぞれの制御信号をＬレベルとして、検出部７により圧電素子１の出力電圧を監視する。そして、制御部１０は、検出部７により時刻ｔ１において接触物による被接触面の押下が検出されると、切換スイッチ２及びリセットスイッチ８のそれぞれの制御信号をＨレベルとする。なお、検出部７は、例えば信号３が基準電圧に対して数１００ｍＶ増加したのを検知して押下を検出する。

押下が検出されると、制御部１０は、駆動スイッチ３の制御信号を所定時間Ｈレベルとして、その間に駆動部４から所定の周波数及び振幅の駆動信号を駆動スイッチ３及び切換スイッチ２を経て圧電素子１に印加する。これにより、圧電素子１を振動させて触感を呈示する。図２は、圧電素子１に振幅が数１０Ｖの所定周波数の正弦波の駆動信号を半周期分印加した場合を例示している。その後、制御部１０は、駆動スイッチ３の制御信号をＬレベルとした後、放電スイッチ５の制御信号を所定時間Ｈレベルとする。これにより、圧電素子１に蓄積された電荷を、切換スイッチ２及び放電スイッチ５を経て放電させる。

その後、制御部１０は、放電スイッチ５及びリセットスイッチ８のそれぞれの制御信号をＬレベルとした後、時刻ｔ２において切換スイッチ２の制御信号をＬレベルとして、検出部７により圧電素子１の出力電圧の監視を開始する。そして、制御部１０は、検出部７により時刻ｔ３において被接触面からの接触物のリリースが検出されると、切換スイッチ２及びリセットスイッチ８のそれぞれの制御信号をＨレベルとして、上述した押下検出の場合と同様に各部を制御して触感を呈示する。その後、制御部１０は、時刻ｔ４において検出部７による圧電素子１の出力電圧の監視を開始する。なお、検出部７は、例えば信号３が基準電圧に対して数１００ｍＶ減少したのを検知してリリースを検出する。以後、同様にして、制御部１０は次の押下／リリースを検出してそれぞれ触感を呈示する。

図１に示した触感呈示装置は、放電スイッチ５を有し、圧電素子１の駆動後に、放電スイッチ５をオンにして圧電素子１の電荷を放電している。また、触感呈示装置は、リセットスイッチ８を有し、検出部７による圧電素子１の出力電圧の監視に先立って、コンデンサ６をリセットしている。したがって、圧電素子１を順次駆動しても、圧電素子１の駆動ごとに検出部７の入力電圧（信号３）が徐々に上昇するのを防止できるので、押下／リリースが連続的に繰り返される場合でも、押下／リリースを検出することが可能となる。

しかしながら、実際には、圧電素子１には誘電体吸収がある。そのため、圧電素子１の駆動後に放電処理を行っても、その後の検出部７による電圧監視中の圧電素子１の出力電圧は、図３に示すように変化する。つまり、圧電素子１の出力電圧は、電圧監視の開始から徐々に増加し、例えば２００ｍｓｅｃ〜３００ｍｓｅｃ経過すると、例えば数Ｖ程度になる。そのため、時刻ｔ１での最初の押下検出（１回目の押下検出）により圧電素子１が駆動された後、時刻ｔ３でのリリース検出（１回目のリリース検出）によりリセットスイッチ８がオンになると、検出部７の入力電圧（信号３）は、リリース検出の電圧変化分よりも基準電圧から大きく低下し、その後は基準電圧に向けて徐々に上昇する。その結果、時刻ｔ４以後の検出部７による電圧監視開始時の信号３は、基準電圧よりも低くなる。

この現象は、誘電体吸収により電圧が上昇した信号２がリセットされて急激に電圧が低下し、その電圧低下に追従してコンデンサ６を経て信号３も同じ電圧分だけ低下するために生じる。なお、１回目の押下による圧電素子１の駆動後の信号３の電圧は、誘電体吸収による信号２の電圧上昇が数１００ｍｓｅｃかけて生じるため、その変化がコンデンサ６で遮断される。その結果、信号３の電圧は、リリースによる電圧変化が生じるまで基準電圧に維持される。

そのため、２回目以降の押下／リリースの検出においては、誘電体吸収による検出部７の入力電圧の低下を考慮する必要がある。しかし、誘電体吸収による入力電圧の低下は、押下／リリースの操作タイミング等によって変動する。しかも、押下／リリースは、誘電体吸収による数Ｖの電圧変動に対して、数１００ｍＶの非常に小さな電圧変化を検出する必要がある。そのため、誘電体吸収による信号３の電圧変動の影響を考慮して押下／リリースを検出するには、ソフトウエア処理が増大して面倒になるとともに、誤検出が生じることが懸念される。

本発明は、かかる課題を解決し、簡単な構成で圧電素子の誘電体吸収に影響されることなく、押下／リリースを確実に検出して触感を呈示できる触感呈示装置及びその制御方法を提供することにある。

図４は、本発明の一実施の形態に係る触感呈示装置の概略構成を模式的に示す回路図である。本実施の形態に係る触感呈示装置は、図１に示した回路構成において、検出部７の入力端子に接続されるプルアップ抵抗９と並列に接続された電圧印加スイッチ１１を備える。電圧印加スイッチ１１は、電圧固定部を構成するもので、他のスイッチと同様にＦＥＴ等の半導体スイッチで構成され、制御部１０からの制御信号により、制御信号がＬレベルでオフ、Ｈレベルでオンに制御される。その他の構成は、図１と同様である。

図５は、図４の触感呈示装置の一動作例を示すタイミングチャートである。図５に示す動作例では、電圧印加スイッチ１１がリセットスイッチ８と同じタイミングでオン／オフ制御される。したがって、１回目のリリースが検出された時刻ｔ３においてリセットスイッチ８及び電圧印加スイッチ１１がオンになると、検出部７の入力端子すなわちコンデンサ６の一方の電極に基準電圧（例えば、ＶＤＤ／２）が直接印加され、コンデンサ６の他方の電極がリセットスイッチ８を経て接地される。

これにより、時刻ｔ３の時点で、信号２に圧電素子１の誘電体吸収による電圧上昇があっても、検出部７の入力電圧（信号３）は、基準電圧の直接印加により基準電圧に固定（保持）される。その結果、その後の時刻ｔ４での検出部７による電圧監視開始時の信号３は基準電圧となるので、その基準電圧からの信号３の変化に基づいて２回目の押下を検出することができる。２回目のリリースや３回目以降の押下／リリースについても、同様にして基準電圧からの信号３の変化に基づいて検出することができる。

このように、本実施の形態に係る触感呈示装置は、検出部７による押下又はリリースの検出後、次のリリース又は押下の検出開始までに、電圧印加スイッチ１１及びリセットスイッチ８をオンにして検出部７の入力電圧（信号３）を基準電圧（例えば、ＶＤＤ／２）に固定する。したがって、ソフトウエア処理を増大させることなく、簡単な構成で圧電素子１の誘電体吸収に影響されることなく、押下／リリースを確実に検出して触感を呈示することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、電圧印加スイッチ１１は、必ずしもリセットスイッチ８と同じタイミングでオン／オフ制御する必要はなく、リセットスイッチ８のオン期間中にオンすればよい。また、放電スイッチ５は、切換スイッチ２の共通接点２ａと圧電素子１の一方の電極との間に接続してもよい。また、この場合、例えば切換スイッチ２の切換接点２ｂ側に接続されている状態で圧電素子１の駆動後の放電を行い、切換スイッチ２が切換接点２ｃ側に接続され、放電スイッチ５がオン状態で電圧印加スイッチ１１をオンすることで、リセットスイッチ８を省略することも可能である。

また、上記実施の形態では、特定の機能を実行する種々のモジュール及び／またはユニットを有するものとしての構成を開示しており、これらのモジュール及び／またはユニットは、その機能性を簡略に説明するために模式的に示されたものであって、必ずしも、特定のハードウエア及び／またはソフトウエアを示すものではないことに留意されたい。その意味において、これらのモジュール、ユニット、その他の構成要素は、ここで説明された特定の機能を実質的に実行するように実装されたハードウエア及び／またはソフトウエアであればよい。異なる構成要素の種々の機能は、ハードウエア及び／またはソフトウエアのいかなる組合せまたは分離したものであってもよく、それぞれ別々に、またはいずれかの組合せにより用いることができる。このように、本開示内容の種々の側面は、多くの異なる態様で実施することができ、それらの態様はすべて本開示内容の範囲に含まれる。

１圧電素子
２切換スイッチ
３駆動スイッチ
４駆動部
５放電スイッチ
６コンデンサ
７検出部
８リセットスイッチ
９プルアップ抵抗
１０制御部
１１電圧印加スイッチ

Claims

圧電素子と、
前記圧電素子の出力電圧に基づいて押下及びリリースをそれぞれ検出する検出部と、
前記検出部による押下及びリリースのそれぞれの検出に同期して前記圧電素子を駆動して触感を呈示させる駆動部と、
前記圧電素子の駆動後、次のリリース又は押下の検出開始までに該圧電素子を放電させる放電部と、
前記検出部による押下又はリリースの検出後、次のリリース又は押下の検出開始までに、前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定するスイッチと、
を備える触感呈示装置。
圧電素子と、
前記圧電素子の出力電圧に基づいて押下及びリリースをそれぞれ検出する検出部と、
前記検出部による押下及びリリースのそれぞれの検出に同期して前記圧電素子を駆動して触感を呈示させる駆動部と、
前記圧電素子の駆動後、次のリリース又は押下の検出開始までに該圧電素子を放電させる放電部と、
前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定するスイッチと、を備える触感呈示装置の制御方法であって、
前記検出部による押下又はリリースの検出後、次のリリース又は押下の検出開始までに、前記スイッチにより前記検出部の入力電圧を所定の電圧に固定する、触感呈示装置の制御方法。