JP6311464B2 - Tactile presentation device - Google Patents
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Description
本発明は、利用者に振動を伝えることで触覚フィードバックを与える触覚提示装置に関する。 The present invention relates to a haptic presentation device that provides haptic feedback by transmitting vibration to a user.
近年、タッチパネル式のキーボード等において、ユーザがキーをタッチした時に振動を伝えることで触覚フィードバックを与え、キーを「押した」と感じさせる触覚提示装置が提案されている。 In recent years, a touch-sensitive keyboard or the like has been proposed in which a tactile feedback is given by transmitting vibration when a user touches a key to feel the key “pressed”.
例えば、特許文献1には、圧電セラミックス等からなる圧電バイモルフ素子の両端を低弾性体で保持し、当該圧電バイモルフの中央に被振動材を接続した構造が記載されている。特許文献1の構造では、圧電バイモルフ素子に交流信号を入力して振動させることにより、接続された被振動材を介して利用者に振動を伝える。 For example, Patent Document 1 describes a structure in which both ends of a piezoelectric bimorph element made of piezoelectric ceramics or the like are held by a low elastic body, and a vibrating material is connected to the center of the piezoelectric bimorph. In the structure of Patent Document 1, vibration is transmitted to a user through a connected vibration-receiving material by inputting an AC signal to the piezoelectric bimorph element and causing it to vibrate.
しかし、圧電セラミックスは割れやすいという課題がある。一方で、圧電フィルムのような割れにくいものは、振動を伝える力が弱く、触覚提示装置に用いることが難しい。 However, there is a problem that piezoelectric ceramics are easily broken. On the other hand, a material that is difficult to break, such as a piezoelectric film, has a weak force to transmit vibration and is difficult to use for a tactile sense presentation device.
そこで、本発明の目的は、圧電フィルムを用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる触覚提示装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a tactile sensation presentation apparatus that can transmit a strong vibration to some extent even when a piezoelectric film is used.
本発明に係る触覚提示装置は、平板状の圧電性樹脂の両主面を第1の電極と第2の電極で挟んで構成される圧電フィルムと、前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、前記圧電フィルムとは反対側に前記振動板と間隙をおいて前記振動板に沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、前記孔と対向する前記振動板の位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部とを備えることを特徴とする。 In the tactile sense presentation device according to the present invention, a piezoelectric film constituted by sandwiching both main surfaces of a plate-like piezoelectric resin between a first electrode and a second electrode , and a planar tension is applied to the piezoelectric film. A vibration plate fixed in a bent state, and provided on the opposite side of the piezoelectric film along the vibration plate with a gap between the vibration plate and having a touch operation reception area, A touch operation receiving plate having a hole penetrating in the thickness direction, a protrusion provided at the position of the diaphragm facing the hole, and a touch operation to the receiving area are detected. A touch detection unit and a drive unit that applies a drive signal to the piezoelectric film when the touch detection unit detects a touch operation.
この構成では、ユーザがタッチ操作を行うと、圧電フィルムに駆動信号が印加され、圧電フィルムが伸縮する。圧電フィルムが伸縮すると、振動板は、その伸縮により、主面に直交する方向に振動する。振動板には、曲げ応力が発生しているため、圧電フィルムの伸縮に対して効率的に振動させることができる。そして、振動板の振動に伴い、突出部がタッチ操作受付板の孔を厚み方向に沿って往復動し、受付領域をタッチしているユーザの指に、その突出部が触れることで、ユーザに対し振動が与えられる。このとき、ユーザは、振動板を直接タッチすることがないため、振動板の振動を阻害することがない。したがって、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。 In this configuration, when the user performs a touch operation, a drive signal is applied to the piezoelectric film, and the piezoelectric film expands and contracts. When the piezoelectric film expands and contracts, the diaphragm vibrates in the direction orthogonal to the main surface due to the expansion and contraction. Since the bending stress is generated in the diaphragm, it can be efficiently vibrated with respect to expansion and contraction of the piezoelectric film. As the diaphragm vibrates, the protrusion reciprocates along the thickness direction of the hole of the touch operation reception plate, and the protrusion touches the user's finger touching the reception area. On the other hand, vibration is given. At this time, since the user does not touch the diaphragm directly, the vibration of the diaphragm is not hindered. Therefore, it is possible to efficiently transmit strong vibration to the user.
本発明では、前記タッチ操作受付板は、前記受付領域を複数有し、複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記振動板に設けられていることが好ましい。 In the present invention, the touch operation receiving plate includes a plurality of the receiving regions, the holes are formed in each of the plurality of receiving regions, and the protruding portion is formed on the diaphragm with respect to each of the plurality of holes. It is preferable to be provided.
この構成では、タッチ操作の受付領域の何れに対してタッチ操作されても、ユーザに対し効率的に振動を伝えることができる。 In this configuration, it is possible to efficiently transmit vibration to the user regardless of which touch operation reception area is touched.
本発明によれば、 According to the present invention,
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る触覚提示装置10の外観斜視図である。図2(A)は、触覚提示装置10の平面図であり、図2(B)は側面図である。図3は、図2(A)のIII−III線における断面図である。本実施形態に係る触覚提示装置10は、いわゆるキーボードである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an external perspective view of a
触覚提示装置10は、圧電フィルム11、振動板12及びガイド板13を備えている。
The tactile
振動板12は、平面視して矩形状である。この振動板12は、長辺それぞれが圧電フィルム11の長辺側に固定され、圧電フィルム11とは反対側に湾曲して突出する形状となっている。圧電フィルム11は、振動板12が固定されることで、圧電フィルム11の短辺に沿った方向(以下、短手方向という)に引張力がかかった状態となる。振動板12が湾曲することで、圧電フィルム11と振動板12との間には、中空領域100が形成される。
The
圧電フィルム11と振動板12との接着方法として、振動板12の両端部と圧電フィルム11の両端部とを接着剤を介して接着してもよいし、圧電フィルム11と振動板12とをクリップ等で挟持して装着してもよい。
As a bonding method between the
以下では、圧電フィルム11が存在する側を、振動板12及び触覚提示装置10の背面側と言い、その反対側を振動板12及び触覚提示装置10の正面側と言う。
Hereinafter, the side on which the
図4は、圧電フィルム11の部分拡大図である。圧電フィルム11は、圧電性樹脂のベースフィルム11Cの両主面に電極11A及び電極11Bが形成されてなる。電極11A及び電極11Bは、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とすることが好ましい。なお、電極11A及び電極11Bには、銀ナノワイヤ電極を用いることも可能であるし、アルミ蒸着電極を用いることが好ましい。電極11A及び電極11Bには、図示しない配線が接続されており、その配線を介して駆動信号が電極11A及び電極11Bへ印加される。
FIG. 4 is a partially enlarged view of the
圧電フィルム11のベースフィルム11Cは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、キラル高分子、等の圧電性材料の樹脂を一部に含む。より好ましくは、ベースフィルム11Cは、透光性の高いポリ乳酸(PLA)、又は、一軸延伸されたPLLAを材料とする。
The
圧電フィルム11のベースフィルム11Cは、両主面の電極11A及び電極11Bに駆動信号が印加されると、短手方向に伸縮する。短手方向に伸縮するベースフィルム11Cを用意するために、例えば材料がPLLAである場合、延伸方向に対して略45°の角度をなす方向が短手方向となるように裁断する。
The
振動板12は、平板面が湾曲した状態で圧電フィルム11に固定されるため、図2(B)の白抜き矢印F901のように、曲げ応力が加わった状態で圧電フィルム11に固定される。また、圧電フィルム11には、図2(B)の白抜き矢印S901に示すように、圧電フィルム11の主面における短手方向に引張力がかかった状態となる。
Since the
ガイド板13は、本発明に係る「タッチ操作受付板」に相当する。ガイド板13は、振動板12の正面側であって、振動板12と同様に、湾曲した状態で振動板12に固定されている。ガイド板13は、振動板12との間に空隙が形成されるよう、ガイド板13の長辺それぞれが支持部材14により、振動板12の長辺それぞれに固定されている。ガイド板13は、振動板12よりも剛性が高く、正面側表面がユーザのタッチ操作を受け付ける操作面となっている。
The
ガイド板13の表面には、複数のキー13Aが配列されている。複数のキー13Aは、例えば、ガイド板13の表面にプリントされたものである。このキー13Aの表面には、キー13Aへのタッチ操作を検出するタッチセンサ13Sが設けられている。キー13Aは、本発明に係る「受付領域」に相当し、タッチセンサ13Sは、本発明に係る「タッチ検出部」に相当する。このタッチセンサ13Sは、ユーザのタッチ操作を検出する機能であればどの様な方式であってもよく、メンブレン式、静電容量式、圧電フィルム式、等の様々な方式を用いることができる。また、タッチセンサ13Sは、キー13Aの裏面に設けられていてもよい。
A plurality of
キー13Aが形成された領域には、孔13Hが形成されている。この孔13Hに対向する振動板12の位置には、正面側に突出した突出部12Aが設けられている。突出部12Aは、例えば振動板12に穴が形成され、その穴に固定されたものであってもよいし、振動板12と一体的に形成されたものであってもよい。突出部12Aは円柱形状であり、その径は、孔13Hよりも小さい。そして、突出部12Aは、一部が孔13Hに挿入された状態となる。
A
後述するが、この突出部12Aは、キー13Aをタッチしているユーザの指に対して振動板12の振動を伝達するための部材である。突出部12Aは、キー13Aをタッチしているユーザの指に触れる程度の高さを有していればよい。例えば、突出部12Aは、振動板12の振動時に突出部12Aの端部がガイド板13の表面と面一、又は、突出するような高さであってもよい。また、キー13Aをタッチしたユーザの指の一部が、孔13H内に入りこむことを考慮して、突出部12Aは、端部がガイド板13の表面よりも多少内側に位置する高さであってもよい。
As will be described later, the
また、振動板12とガイド板13との間に形成されている空隙は、振動板12の振動を阻害しない程度の距離を有していればよい。振動板12は振動時に、正面方向及び背面方向に振動する。このとき、正面側に振動した振動板12が、ガイド板13に接触すると、振動板12の振動を損害する。したがって、振動板12の振動範囲を考慮して、ガイド板13と振動板12との間に空隙を設ければよい。この空隙により、ユーザがガイド板13をタッチ操作しても、振動板12の振動を阻害することがない。
Further, the gap formed between the
図5は、触覚提示装置10が備える各機能をブロックで表した図である。触覚提示装置10は制御部15を備える。この制御部15は、例えば、触覚提示装置10の所望の位置に設けられた回路基板(不図示)のマイコンなどである。その制御部15は、操作判定部151及び駆動部152の機能を実現している。
FIG. 5 is a block diagram showing each function provided in the tactile
操作判定部151は、複数のタッチセンサ13Sからの出力信号を取得し、ユーザによるタッチ操作が行われたか否かを判定する。操作判定部151は、タッチ操作を検出すると、駆動部152へ操作検出を通知する。その駆動部152は、駆動信号を圧電フィルム11の電極11A及び電極11Bに交流電圧を印加する。電極11A及び電極11Bに交流電圧が印加されると、圧電フィルム11の厚み方向に電界が印加され、圧電フィルム11は振動する。
The
図6は、触覚提示装置10の動作説明図であり、図6(A)は、駆動信号により圧電フィルム11が縮んだタイミングでの状態を示す。図6(B)は、駆動信号が印加されていない、又は駆動信号の振幅が0の状態を示す。図6(C)は、駆動信号により圧電フィルム11が伸びたタイミングでの状態を示す。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the operation of the tactile
駆動部152が、圧電フィルム11に駆動信号を印加し、圧電フィルム11の厚み方向の一方向に電界を印加すると、図6(A)の矢印S911に示すように、圧電フィルム11は、振動板12の短手方向に沿って収縮する。このとき、圧電フィルム11は、主面の法線方向のうち正面側にわずかに湾曲することになる。そして、振動板12は、圧電フィルム11に固定されている箇所から中央方向に引っ張られる。これにより、振動板12は、図6(A)の矢印F911に示すように、前方へより突出するように湾曲する。
When the
一方、駆動部152が、圧電フィルム11に駆動信号を印加し、上記厚み方向の一方向とは逆の方向の電界を印加すると、図6(C)の矢印S912に示すように、圧電フィルム11は、振動板12の固定端に直交する方向に沿って伸張する。このとき、圧電フィルム11は主面の法線方向のうち背面側にわずかに湾曲することになる。そして、振動板12は、中央方向から圧電フィルム11に固定されている箇所に引っ張られる。これにより、振動板12は、図6(C)の矢印F912に示すように、前方への突出量が低下した湾曲状態となる。
On the other hand, when the
したがって、振動板12は、駆動信号の振幅に応じて、図6(B)の状態を基準に、図6(A)の状態及び図6(C)の状態に遷移して、正面方向及び背面方向に沿って振動する。ガイド板13は、振動板12よりも剛性が高いため、振動板12が振動しても、ほぼ略振動しない。このため、振動板12の振動に伴い振動する突出部12Aがガイド板13の孔13Hの内部を、ガイド板13の厚み方向に沿って往復動する。
Therefore, the
図7は、振動板12の突出部12Aがガイド板13の孔13Hを往復動したときの状態を示す図である。孔13Hの内部を突出部12Aが往復動すると、突出部12Aの端部は、キー13Aをタッチ操作しているユーザの指90に接触し、指90へ反発感を与える。この反発感により、振動板12の振動がユーザの指90に伝達される。したがって、ユーザは、ガイド板13のキー13Aをタッチすると、振動がフィードバックされるため、キーを「押した」と感じることができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a state when the protruding
以上説明したように、本実施形態では、振動板12はユーザにより直接タッチされないため、振動が阻害されない。そして、その振動板12の振動を、突出部12Aを介してユーザの指に伝えることで、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。
As described above, in the present embodiment, the
(実施形態2)
図8は、実施形態2に係る触覚提示装置20の外観斜視図である。図9は、図8のIV−IV線における断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is an external perspective view of the
触覚提示装置20は、実施形態1と同様に、圧電フィルム21及び振動板22を備えている。圧電フィルム21及び振動板22は、実施形態1と同様のものであって、振動板22は、間に中空領域200が形成されるように、短手方向の中央部が下面側に突状に湾曲した状態で、圧電フィルム21に接着されている。圧電フィルム21及び振動板22は、振動板22の下面が例えば載置台に接触しないように、振動板22の下面を短手方向の支持部材24で支持している。これにより、振動板22は、図9の白抜き矢印F902に示すように、両端部に曲げ応力がかかっている。この曲げ応力により、圧電フィルム21は、図9の白抜き矢印S902に示すように、短手方向の中央部から両端部に引っ張り力がかかっている。
The tactile
触覚提示装置20はガイド板23を備えている。ガイド板23は、本発明に係る「タッチ操作受付板」に相当する。ガイド板23は、圧電フィルム21の振動板22とは反対側(以下、上面側という)に、圧電フィルム21との間に空隙201が形成されるように設けられている。
The tactile
ガイド板23の表面には、複数のキー23A(本発明に係る受付領域に相当)が配列されている。複数のキー23Aは、例えば、ガイド板23の表面にプリントされたものである。このキー23Aの表面には、キー23Aへのタッチ操作を検出するタッチセンサ23S(本発明に係るタッチ検出部に相当)が設けられている。キー23Aが形成された領域には、孔23Hが形成されている。
On the surface of the
孔23Hに対向する圧電フィルム21の位置には、上面側に突出した突出部21Aが設けられている。突出部21Aは、例えば圧電フィルム21に穴が形成され、その穴に固定されたものである。突出部21Aは円柱形状であり、その径は、孔23Hよりも小さい。そして、突出部21Aは、一部が孔23Hに挿入された状態となる。
At the position of the
圧電フィルム21及び振動板22の振動態様については、実施形態1と同様である。すなわち、キー23Aがタッチされると、図5で説明した駆動部が圧電フィルム21の電極に交流電圧が印加され、圧電フィルム21は、交流電圧の周期に同期して短手方向に伸縮を繰り返す。振動板22は、圧電フィルム21が短手方向に収縮すると、短手方向の両端部間の距離が短くなる。すると、振動板22は、短手方向の中央部の下面への突出量が増加する。振動板22は、圧電フィルム21が短手方向に伸張すると、短手方向の両端部間の距離が長くなる。これにより、振動板22は、短手方向の中央部の下面への突出量が減少する。このように、振動板22は、触覚提示装置20の高さ方向に沿って振動する。
The vibration modes of the
圧電フィルム21及び振動板22が振動することで、圧電フィルム21に設けられた突出部21Aが、ガイド板23の孔23H内を移動する。キー23Aをタッチ操作しているユーザの指がこの突出部21Aに触れることで、ユーザに振動がフィードバックされるため、ユーザは、キー23Aを「押した」と感じることができる。このとき、ガイド板51と圧電フィルム21との間に空隙101が形成されているため、ユーザがガイド板23をタッチ操作しても、圧電フィルム21の振動を阻害することがない。したがって、ユーザに対し効率的に強い振動を伝えることができる。
As the
10…触覚提示装置
11…圧電フィルム
11A,11B…電極
11C…ベースフィルム
12…振動板
12A…突出部
13…ガイド板
13A…キー
13H…孔
13S…タッチセンサ
14…支持部材
15…制御部
20…触覚提示装置
21…圧電フィルム
21A…突出部
22…振動板
23…ガイド板
23A…キー
23H…孔
23S…タッチセンサ
24…支持部材
51…ガイド板
90…指
100…中空領域
101…空隙
151…操作判定部
152…駆動部
200…中空領域
201…空隙
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、
前記圧電フィルムとは反対側に前記振動板と間隙をおいて前記振動板に沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、
前記孔と対向する前記振動板の位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、
前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、
前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部と、
を備える触覚提示装置。 A piezoelectric film configured by sandwiching both main surfaces of a plate-like piezoelectric resin between a first electrode and a second electrode;
A diaphragm fixed in a bent state so as to apply a planar tension to the piezoelectric film;
A touch provided on the opposite side of the piezoelectric film along the diaphragm with a gap from the diaphragm, having a touch operation receiving area, and a hole penetrating in the thickness direction is formed in the receiving area. An operation reception board;
A protrusion provided at a position of the diaphragm facing the hole, and inserted into the hole;
A touch detection unit for detecting a touch operation to the reception area;
A drive unit that applies a drive signal to the piezoelectric film when the touch detection unit detects a touch operation;
A tactile presentation device.
複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、
前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記振動板に設けられている、
請求項1に記載の触覚提示装置。 The touch operation reception board has a plurality of the reception areas,
The holes are formed in each of the plurality of reception areas,
The protrusion is provided on the diaphragm with respect to each of the plurality of holes.
The tactile sense presentation device according to claim 1.
前記圧電フィルムに平面方向の張力がかかるよう、曲げ状態で固定された振動板と、
前記振動板とは反対側に前記圧電フィルムと間隙をおいて前記圧電フィルムに沿って設けられ、タッチ操作の受付領域を有し、前記受付領域には厚み方向に貫通した孔が形成されたタッチ操作受付板と、
前記孔と対向する前記圧電フィルムの位置に設けられ、前記孔に挿入された突出部と、
前記受付領域へのタッチ操作を検出するタッチ検出部と、
前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記圧電フィルムに駆動信号を印加する駆動部と、
を備える触覚提示装置。 A piezoelectric film configured by sandwiching both main surfaces of a plate-like piezoelectric resin between a first electrode and a second electrode;
A diaphragm fixed in a bent state so as to apply a planar tension to the piezoelectric film;
A touch provided on the opposite side of the diaphragm along the piezoelectric film with a gap from the piezoelectric film, having a touch operation receiving area, and a hole penetrating in the thickness direction is formed in the receiving area. An operation reception board;
A protrusion provided at a position of the piezoelectric film facing the hole, and inserted into the hole;
A touch detection unit for detecting a touch operation to the reception area;
A drive unit that applies a drive signal to the piezoelectric film when the touch detection unit detects a touch operation;
A tactile presentation device.
複数の前記受付領域それぞれには前記孔が形成され、
前記突出部は、複数の前記孔それぞれに対して前記圧電フィルムに設けられている、
請求項3に記載の触覚提示装置。 The touch operation reception board has a plurality of the reception areas,
The holes are formed in each of the plurality of reception areas,
The protrusion is provided on the piezoelectric film for each of the plurality of holes.
The tactile sense presentation device according to claim 3.
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