JP6821100B1 - 触覚提示パネル、触覚提示タッチパネル、触覚提示タッチディスプレイ - Google Patents
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Abstract
Description
<触覚提示タッチディスプレイ>
図1は、本実施の形態1における触覚提示タッチディスプレイ1の上に触覚提示つまみ3を置いて操作感および操作量の触覚を提示する触覚提示デバイスの構成を概略的に示す分解斜視図である。図2は、触覚提示タッチディスプレイ1の構成を概略的に示す断面図である。
図3は、触覚提示パネル100が有する触覚電極102と触覚提示つまみ3との間で形成される静電容量CFEを模式的に説明するための図である。図4は、図3の斜視図である。触覚提示つまみ3が触覚提示スクリーン150の表側面の一部である接触面CTに触れると、接触面CT上の触覚提示つまみ3と触覚電極102との間に誘電体層106を介して静電容量CNEが形成される。なお、これらの図中では、図を見やすくするために電圧供給回路110(図2参照)に含まれる触覚提示電圧生成回路113のみが示されており、電圧供給回路110に含まれる他の構成は図示されていない。電圧供給回路110のより具体的な構成については後述する。
図8は、タッチスクリーン250(図2参照)の一例としての、静電容量方式のタッチスクリーン250aを示す平面図である。図9は、図8の線A1−A1および線A2−A2に沿う部分断面図である。
図1に示す感圧センサ216について説明する。一般的に、感圧センサ216には、半導体Si(シリコン)からなるダイヤフラム(隔膜)に加わる圧力を膜の変形として検出する方式、押圧力に応じて生じる表示パネルまたはタッチパネルなどの変形を静電容量の変化で検出する静電容量式、押圧力に応じた歪みによる金属線の抵抗変化を検出する抵抗式などがある。
図15は、触覚提示スクリーン150の構成を概略的に示す平面図である。図16は、触覚電極102と触覚提示つまみ3との間での静電容量CNEの形成を説明する模式図である。
CNE=Q/V=εS/d ・・・(1)
図20は、触覚電極102のピッチPEが触覚提示つまみ3の直径RFEよりも大きい場合における、触覚電極102と触覚提示つまみ3との間で形成される静電容量CNEを説明する模式図である。図21は、触覚電極102のピッチPEが直径RFEよりも小さい場合における、触覚電極102と触覚提示つまみ3との間で形成される静電容量CNEを説明する模式図である。
図22は、触覚提示つまみ3の回転部4の構造を示す模式図である。図23は、触覚提示つまみ3を置く位置が1か所に固定される場合における、回転部4を触覚提示パネル100の接触面上に置いて回転させる際の固定部5の模式図である。図24は、触覚提示つまみ3の回転部4を触覚提示パネル100の接触面上に置いて回転させる際に水平移動を抑制する回転軸部5aの模式図である。回転部4および固定部5(回転軸部5a)は、共にアルミニウム、SUS、銅などの金属、およびポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリフェニレンスルフィッド、液晶性ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂などの樹脂からなる。触覚提示つまみ3の重量によって操作感および触覚が変化するので、ユーザーの好み、触覚提示つまみ3の使用環境、および使用目的などに応じて材料を選択する。回転部側面10は、導電性弾性部6および指示体2(図31参照)と電気的に接続する必要があるため、回転部側面10の指示体2と接触する表面部10sおよび境界部導電部16sは、金属または導電性樹脂材料(抵抗103Ω以下が望ましい。)からなる。表面部10sおよび境界部導電部16sの抵抗値は、触覚電極102の配線抵抗、導電性弾性部6の抵抗、誘電体層106との間で形成されるRC回路において触覚電極102と導電性弾性部6の間に形成される容量Cが最も大きくなるような値に設定されることが望ましい。
図25は、触覚提示つまみ3の位置検出時のタッチパネル200が検出した際の線C−Cの容量プロファイルを説明する模式図である。触覚提示つまみ3への触覚発生と触覚提示つまみ3の位置検出は、時間分割で行う。触覚電極102に信号電圧が印加されている期間において、検出電極203および励起電極202は、0Vまたは触覚電極102と静電容量を形成して触覚電極102にかかる電圧低下を招かないように任意の電圧を印加する。検出電極203が位置検出している際、触覚電極102はフローティング状態にし、触覚電極102を介して導電性弾性部6と検出電極203が静電容量を形成することで励起電極202と検出電極203との静電容量の変化量を検出することで、触覚提示つまみ3の位置を検出する。
P1’=R・P1−(R−I)・P0+Txy ・・・(2)
P2’=R・P2−(R−I)・P0+Txy ・・・(3)
P1’−P2’=R・(P1−P2) ・・・(4)
Txy=P1’−P1 ・・・(5)
図27は、触覚提示つまみ3における導電性弾性部6および位置検出部7の位置関係の一例を示したものである。隣り合う導電性弾性部6との間に位置検出部7が配置されている場合の導電性弾性部6と位置検出部7との間の距離を隙間8、隣り合う導電性弾性部6との間に位置検出部7が配置されていない場合の導電性弾性部6間の距離を隙間8aで示す。電極の厚さに起因する凹凸が触覚提示パネル100の表面にある場合、導電性弾性部6が誘電体層106を介して触覚電極102に接触しながらスライドすると、表面の凹凸よって触覚提示つまみ3が振動する。この振動は、触覚電極102に印加される電圧信号とは無関係に、指示体2に感知されてしまう。その結果、当該電圧信号によって得られる触覚を指示体2が感じ難くなり得る。言い換えれば、触覚強度が低下し得る。
図28は、触覚提示タッチパネル400の構成を概略的に示すブロック図である。ここでは、複数の励起電極202として励起電極Ty(1)〜Ty(m)が設けられ、複数の検出電極203として検出電極Tx(1)〜Tx(n)が設けられ、複数の触覚電極102として触覚電極H(1)〜H(j)が設けられているとする。触覚電極H(1)〜H(n)は、括弧内の数字に従って順に並んでおり、奇数の触覚電極102は第1電極102aに対応しており、偶数の触覚電極102は第2電極102bに対応している。また、説明を簡略化するために、1つの励起電極202によって1つの行方向配線層206(図8または図10参照)が構成され、かつ1つの検出電極203によって1つの列方向配線層207(図8または図10参照)が構成されているものとする。
図29は、指示体2が触覚提示つまみ3に接触していないときの励起電極202と検出電極203との静電容量のイメージを示す模式図である。図30は、指示体2が触覚提示つまみ3に接触していないときの触覚提示タッチパネル400(図28参照)の動作タイミングを概略的に示すタイミングチャートである。
図35は、信号電圧印加時に導電性弾性部6に蓄積した電荷が指示体2を介して接地されたときの電荷の移動を模式的に示すイメージ図である。導電性弾性部6は、絶縁性の樹脂に導電性のカーボンブラックや金属粒子を混ぜたものであるため、比較的抵抗が高く、電荷が蓄積しやすい。導電性弾性部6に電荷が蓄積すると、信号電圧によって触覚電極102との間の静電気力が変化しなくなり、触覚強度が低下してしまう。導電性弾性部6と回転部4の表面を電気的に接続すると、指示体2が回転部4に接した際に指示体2を介して接地接続されることにより、導電性弾性部6に蓄積した電荷が解放され、電荷の蓄積を抑制することができる。
触覚電極102の好適な条件として、第1に、指示体2が触覚電極102に誘電体層106以外の部材を介することなく接することができる構成が望まれる。よって、誘電体層106に被覆された触覚電極102は、触覚提示タッチパネル400の最表面に配置されることが好ましい。
触覚提示スクリーン150の引き出し配線層105(図15)は、具体的には、引き出し配線層Ld(1)〜Ld(j)および引き出し配線層Lu(1)〜Lu(j)を有している。番号1からjまでのいずれかの整数をkとして、引き出し配線層Ld(k)およびLu(k)の各々は、k番目の触覚電極102に接続されている。引き出し配線層Ld(k)およびLu(k)のそれぞれは、一の触覚電極102の延在方向における一方端および他方端に接続されている。
図37は、触覚提示パネル100の操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象と提示する触覚を異なったものとするディスプレイDPにおける領域分割の一例を示す図である。図37に示す例では、ディスプレイDPの操作面が4行2列に8分割され、分割領域R1〜R8となっている。
以上説明した実施の形態1によれば、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ3を使って、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能であり、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ3だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。
<触覚提示つまみの操作領域を提示>
以下、図43〜図54を用いて実施の形態2について説明する。図43は、操作面を4行2列に8分割したディスプレイDPにおいて触覚提示つまみ3を移動して操作領域を選択する動作を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
以上説明した実施の形態2によれば、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ3を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、静電気力または磁力による吸引力により、操作領域のホームポジションにつまみを誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態1のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ3だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。
<領域境界での触覚提示つまみの誘導>
以下、図55〜図63を用いて実施の形態3について説明する。図55〜図57は、操作面を4行2列に8分割したディスプレイDPにおいて分割領域の領域境界での摩擦力を小さくすることで触覚提示つまみ3を誘導する構成を説明する図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
本実施の形態3によれば、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ3を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、摩擦力により触覚提示つまみ3の可動範囲を制限することで、触覚提示つまみ3が意図しない方向に移動することを抑制し、操作領域のホームポジションに触覚提示つまみ3を誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態1のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ3だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態3に実施の形態2を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
<磁力での触覚提示つまみの誘導>
以下、図64〜図66を用いて実施の形態4について説明する。図64は、操作面を4行2列に8分割したディスプレイDPにおいて触覚提示つまみ3を移動して操作領域を選択する動作を説明する図であり、操作面上の磁力の配置を示している。
本実施の形態4によれば、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置して操作できる触覚提示つまみ3を使って、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、任意の操作領域につまみをスライドして移動する際に、磁力により誘導することで、触覚提示つまみ3が意図しない方向に移動することを抑制し、操作領域のホームポジションに触覚提示つまみ3を誘導することで、操作領域を目視で確認することなく移動できる効果が得られる。また、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態1のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により、指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ3だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態4に実施の形態2や実施の形態3を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
<触覚提示つまみの固定>
以下、図67〜図69を用いて実施の形態5について説明する。図67は、操作面を4行2列に8分割したディスプレイDPにおいて、操作領域内のホームポジションで触覚提示つまみ3を操作する際に、使用者の身体の振動等により触覚提示つまみ3の位置がずれることを摩擦力を用いて抑制する構成を示す図であり、操作面上の摩擦力の配置を示している。
本実施の形態5によれば、提示つまみ3を操作する際に、使用者の身体の振動等により触覚提示つまみ3の位置がずれることが抑制され、また、提示つまみ3を固定するまでに、触覚提示つまみ3が移動することを抑制できる。また、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態1のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、かつ、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。また、幾つもの階層に分かれた多様な操作を、触覚提示つまみ3だけで行うことが可能となり、操作スイッチを一元化できる。これにより、操作系の単純化、操作スイッチを配置する領域の低減、空間的デザイン性、快適性に優れたユーザーインターフェースを実現する効果が得られる。また、本実施の形態5に実施の形態2〜4を組み合わせることも可能である。その場合、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、さらに使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
<操作範囲外での操作無効と触感提示>
図70は、触覚提示タッチディスプレイ1の構成の一例を示す断面図である。図70に示すように、本実施の形態6では、透明絶縁基板101の触覚提示つまみ3と接する面(操作面)とは反対側の面の外周部に、操作面を超音波振動により振動させる超音波素子60を設置していることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、ここでは説明を省略する。
本実施の形態6によれば、超音波素子60を用いて透明絶縁基板101の表面を振動させることにより、触覚提示つまみ3と透明絶縁基板101との間に摩擦力を生成する。従って、海上などの屋外で触覚提示タッチディスプレイ1を使用する場合に、触覚提示つまみ3を用いることが可能である。実施の形態1と同様、使用者が触覚提示タッチパネル400上の任意の位置に設置してスライド操作で操作位置を移動した後、実施の形態1のように、つまみのスライド、回転、押圧操作のみによるタッチパネル操作により指によるタッチ操作と同様に任意の制御対象を選択して操作することが可能となる。また、制御対象または操作量に応じて触覚を変えることで、使用者の触覚による直感的な操作が可能で、使い勝手のいいダイヤルつまみの操作感を与えることが可能となる効果が得られる。
Claims (19)
- 触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、
前記操作面を複数の領域に分割して分割領域ごとに制御対象を割り当て、前記分割領域ごとに提示する触覚を設定する制御回路と、
前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を前記分割領域ごとに生成する触覚制御回路と、
前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、
前記分割領域内に前記触覚提示つまみを載置して前記制御対象を選択し、
前記触覚提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる、触覚提示パネル。 - 前記触覚制御回路は、
触覚提示信号の信号波形および信号電圧が印加される時間、周期を変化させて前記摩擦力を変化させる、請求項1記載の触覚提示パネル。 - 前記触覚提示パネルの前記操作面側に設けられた複数の第1電極および複数の第2電極を含む触覚電極と、
前記触覚電極を覆い、かつ一面が前記操作面である誘電体層と、
前記触覚提示パネルの前記操作面における少なくとも一部の領域に位置する少なくとも1つの前記第1電極に印加する第1周波数を有する第1の電圧信号を生成し、かつ前記触覚提示パネルの前記操作面における少なくとも一部の領域に位置する少なくとも1つの前記第2電極に印加する前記第1周波数とは異なる第2周波数を有する第2の電圧信号を生成する電圧生成回路と、を備え、
前記第1および第2の電圧信号の供給により前記操作面と前記触覚提示つまみとの間に生じる前記摩擦力を発生させる、請求項1または請求項2記載の触覚提示パネル。 - 前記触覚提示パネルの前記操作面を超音波振動により振動させる少なくとも1つの超音波素子を備え、
前記超音波素子の振動タイミングを制御することで生じる前記操作面上の振動を共振させることで前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間の前記摩擦力を発生させる、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の触覚提示パネル。 - 前記操作面に加わる押圧力を検出する感圧センサを備え、
前記触覚提示つまみを前記操作面に押し込む動作を検出する、請求項1記載の触覚提示パネル。 - 前記操作面の前記分割領域ごとに前記触覚提示つまみに異なる触感を提示する、請求項1から請求項5の何れか1項に記載の触覚提示パネル。
- 前記分割領域は、
第1の領域と第2の領域とを有し、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間の前記摩擦力が小さくなるように設定される、請求項1から請求項6の何れか1項に記載の触覚提示パネル。 - 前記触覚制御回路は、
前記触覚提示つまみを誘導するように、前記触覚提示つまみの移動に合わせて前記第2の領域を設定する位置を変更する、請求項7記載の触覚提示パネル。 - 前記分割領域は、
第3の領域と第4の領域とを有し、
前記第4の領域は、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に静電気力または磁力が作用する領域であって、
前記第4の領域に前記触覚提示つまみを載置することで、前記触覚提示つまみが静電気力または磁力により固定される、請求項7または請求項8記載の触覚提示パネル。 - 前記第4の領域は、
前記分割領域の中央部であって、
前記第3の領域は、
前記分割領域の前記中央部以外の領域であって、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に前記第4の領域よりも弱い磁力が作用する領域である、請求項9記載の触覚提示パネル。 - 少なくとも前記第4の領域は、
コイルによって磁力を発生させる、請求項9または請求項10記載の触覚提示パネル。 - 少なくとも前記第4の領域は、
コイルおよび、常磁性材料または強磁性材料による磁石によって磁力を発生させる、請求項9または請求項10記載の触覚提示パネル。 - 前記分割領域は、
第5の領域と第6の領域とを有し、
前記第6の領域は、
前記分割領域の中央部の前記触覚提示つまみが接触する領域であって、
前記第5の領域は、
少なくとも前記触覚提示つまみを取り囲む領域であって、前記触覚提示つまみと前記触覚提示パネルとの間に前記第6の領域よりも摩擦力が大きくなるように設定される、請求項7から請求項12の何れか1項に記載の触覚提示パネル。 - 前記感圧センサは、
前記触覚提示つまみを前記操作面に押し込む動作により前記押圧力を検出すると、
前記制御回路は、
前記押圧力を検出した前記分割領域に割り当てられた前記制御対象が選択されたものとして、階層構造をなす前記制御対象の下の階層に対応した領域分割に前記操作面を切り替える、請求項5記載の触覚提示パネル。 - 前記操作面上での前記触覚提示つまみの位置の移動、回転および押し込み動作により前記制御対象を選択する、請求項7から請求項14の何れか1項に記載の触覚提示パネル。
- 触覚提示つまみを操作面上に載置し、前記触覚提示つまみを介して使用者に触覚を提示する触覚提示パネルであって、
提示する触覚を設定する制御回路と、
前記操作面と前記触覚提示つまみの間の摩擦力を変化させることで前記制御回路によって設定された触覚を生成する触覚制御回路と、
前記触覚提示つまみの前記触覚提示パネル上の位置を検出するタッチ検出回路と、を備え、
前記触覚制御回路は、
前記触覚提示つまみを前記操作面上の特定の領域に誘導するように少なくとも前記操作面上の前記摩擦力を設定し、
前記触覚提示つまみは、前記操作面と接する導電性弾性部と、該導電性弾性部上に設けられる剛体からなる回転部と、を備え、前記操作面と前記導電性弾性部の間で生じた摩擦力の変化により生じた触覚が前記回転部から使用者へと伝わる、触覚提示パネル。 - 請求項1または請求項16記載の触覚提示パネルと、
前記触覚提示パネルの前記操作面とは反対側に配置されたタッチパネルと、
を備え、
前記タッチ検出回路は、前記触覚提示パネルに代えて前記タッチパネルに備えられる、触覚提示タッチパネル。 - 前記タッチパネルの検出電極および励起電極は、一対となってマトリクス状に配置されている、請求項17記載の触覚提示タッチパネル。
- 請求項17記載の触覚提示タッチパネルと、
前記触覚提示タッチパネルに取り付けられた表示パネルと、を備える、触覚提示タッチディスプレイ。
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