JP6866041B2 - 応答力発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、操作対象部材に設けられた操作部が指などで操作されたときに、応答力発生機構から前記操作対象部材に応答力が与えられる応答力発生装置に関する。
特許文献1に、タッチパネルを振動させる操作パネル振動手段を有する画像形成装置に関する発明が記載されている。
この画像形成装置は、LCDとその上に位置するタッチパネルを有しており、LCDにキーが表示される。LCDに表示されたキーを選択してタッチパネルが指などで押下されたことがキー選択検知手段で検知されると、選択されたキーがCPUで分析される。この分析に基づいて、振動開始時間設定手段で振動が開始される時間が設定され、振動周波数設定手段で振動させる周波数が設定され、振動波形設定手段で振動波形が設定されて、タッチパネルに振動が与えられる。
特許文献1の図2に示されているように、振動波形設定手段では、正弦波の振動波形や、矩形波の振動波形、または三角波の振動波形が設定される。
特開2006−150865号公報
LCDとタッチパネルとから成る操作パネルの質量が比較的小さい場合には、正弦波や矩形波の振動波形を使用し、振動周波数を適正に設定することで、タッチパネルに触れた指に、タッチパネルが押下されたことの応答力を比較的容易に感じさせることができる。しかし、比較的質量の大きい操作パネルに対して大きな応答力を与えたい場合、または、操作する指に、機構的なスイッチを押したときの応答力に類似した大きな操作反力を与えたい場合には、正弦波や矩形波の振動波形では不十分なことが多い。
操作パネルに大きな加速度を有する応答力を与えるためには、振動波形として三角波を選択し、三角波の振動周波数を高くし、しかも三角波の振幅を大きくすることが好ましい。しかし、三角波の駆動波形の周波数を高くし、三角波のピーク部分の波形を先鋭な形状に設定すると、操作パネル振動手段に設けられたドライバ回路(パワーアンプ)の周波数特性が、駆動波形のうちの三角波のピーク領域の強度変化に追従できなくなり、三角波のピーク付近で、駆動コイルに作用する電圧の伸びが鈍りやすくなる。また、振動発生部に設けられた駆動コイルのインピーダンスや、駆動コイルで動作させようとしている可動部の慣性力なども影響し、振動発生部内の可動部に十分な加速度を与えることが難しい。
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、応答力発生機構から操作対象部材に対して、大きな加速度の応答力を大きな振幅で作用させることが可能な応答力発生装置を提供することを目的としている。
本発明は、少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第1駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第2駆動区間とを有しており、前記第2駆動区間に、時間に対する前記信号強度の増加率が前記第1駆動区間よりも低い領域が含まれていることを特徴とするものである。
本発明の応答力発生装置は、前記第1駆動区間で、前記駆動信号が一次関数で変化することが好ましい。
すなわち、本発明の応答力発生装置は、前記第2駆動区間で、前記駆動信号の波形が矩形波である。
すなわち、前記第2駆動区間は、前記駆動信号の強度が変化しない領域を含むものとして構成できる。
または、本発明の応答力発生装置は、前記第2駆動区間で、前記駆動信号の強度が曲線的に変化する領域を含む。
本発明の応答力発生装置では、応答力発生機構の磁気駆動部に与えられる駆動信号のピークを含む第2駆動区間で、時間に対する信号強度の増加率を第1駆動区間よりも低くしている。そのため、信号強度がピークに至るときに、パワーアンプを含むドライバの駆動信号に対する追従性が良くなって、磁気駆動部の駆動コイルに高いピーク電圧を与えることができるようになる。そのため、応答力発生機構の可動部および操作対象部材に大きな加速度の駆動力を比較的大きな振幅で与えることができるようになり、操作対象部材に対し、力の変化が先鋭となる応答力を与えることが可能になる。
そのため、操作対象部材の質量が比較的大きいものであっても、操作する指に対して先鋭な応答力を与えることが可能になる。
本発明の実施の形態を示すものであり、操作対象部材の一例としての表示・操作装置を示す外観斜視図、 図1に示す表示・操作装置が自動車のインストルメントパネルに取付けられている状態を示すものであり、図1をII−II線で切断した断面図、 操作対象部材である表示・操作装置に取付けられた応答力発生機構の構造を模式的に示す説明図、 応答力発生機構を駆動する駆動制御部を示す回路ブロック図、 (A)は、駆動制御部で設定される第1の実施形態の駆動波形を示す波形図、(B)は比較例の駆動波形を示す波形図、 (A)は、駆動制御部で設定される第2の実施形態の駆動波形を示す波形図、(B)は、駆動制御部で設定される第3の実施形態の駆動波形を示す波形図、
図1と図2および図3に、本発明の実施形態の応答力発生装置が搭載される操作対象部材の一例として表示・操作装置1が示されている。表示・操作装置1は車載用である。
操作対象部材である表示・操作装置1は、前方のパネル部2と後方の筐体部3とを有している。パネル部2は前方の表面が化粧面2aとなっている。筐体部3の内部に、カラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどの表示パネルが収納されており、表示パネルに設けられた表示画面4が、化粧面2aの中央部に現れている。
表示画面4の表面に透明なタッチセンサが重ねられており、表示画面4の少なくとも一部が操作部となっている。タッチセンサは、透明基板に複数の透明電極が設けられて構成された静電容量式センサである。表示画面4に人の指が触れると、電極で検知される静電容量が変化し、指が触れた位置が検知される。または、タッチセンサは、全面に透明電極が形成された透明基板に、同じく全面に透明電極が形成された透明フィルムが重ねられた抵抗式センサである。抵抗式センサは、透明フィルムのいずれかの箇所が押されると、透明フィルムに形成された透明電極と、透明基板に形成された透明電極とが短絡し、透明電極の縁部に設けられた電極部から短絡部までの抵抗値の変化が検知されて、指が触れた位置が判定される。
図1に示すように、パネル部2の化粧面2aには、表示画面4が設けられていない領域に操作部5,6が設けられている。操作部5,6は、基板と表面フィルムとが対向し、基板と表面フィルムのそれぞれの対向面に電極が設けられた薄膜スイッチで構成されている。あるいは、操作部5,6に、表示画面4の前方に配置されたのと同じ静電容量式や抵抗式のタッチセンサが設けられていてもよい。
筐体部3は、圧延鋼板やアルミニウムなどで形成された金属ケースであり、パネル部2は筐体部3の前方にねじ止めなどで固定されている。前記表示パネルや、回路基板などが筐体部3の内部に収納されている。
図3に示すように、表示・操作装置1の筐体部3の背面に応答力発生機構10が固定されている。または、筐体部3の内部に応答力発生機構10が固定されている。
応答力発生機構10は、筐体部3に固定されるハウジング11を有している。ハウジング11は板金材料で形成された箱体である。ハウジング11の内部に所定の質量の可動部12が設けられている。可動部12は弾性支持部材13によって、パネル部2の化粧面2aの面方向と直交する方向(Y方向)へ移動自在に支持されている。可動部12はNi−Fe合金などの磁性金属材料で形成されている。弾性支持部材13は、非磁性材料で形成された板ばねまたは圧縮コイルばねである。ハウジング11の内部には、可動部12の長手方向の両端部(X方向に向くの両端部)に対向する一対の磁石14が固定されている。
一対の磁石14,14のそれぞれは、可動部12に対向する対向表面が着磁面となっている。着磁面は、N極とS極とがY方向に区分されて着磁されている。また一対の磁石14,14の着磁面では、X方向で互いに逆の磁極が対向している。可動部12には駆動コイル15が巻かれており、磁石14,14と駆動コイル15とで磁気駆動部が構成されている。
図1ないし図3では、指による操作方向Pが矢印で示されている。指でパネル部2がP方向に押されると、応答力発生機構10において、駆動コイル15に駆動電流が流れ、可動部12がY方向に駆動され、その反力で、表示・操作装置1に、力の向きがY方向となる応答力が与えられる。なお、磁気駆動機構では、可動部12がX方向へ駆動され、表示・操作装置1に、力の向きがX方向となる応答力が与えられてもよい。
表示・操作装置1は、車両のインストルメントパネル20に設置される。図1と図2に示すように、インストルメントパネル20に矩形状の開口部21が形成されており、表示・操作装置1が、開口部21の内部に設置される。図2に示すように、インストルメントパネル20の開口部21の内部に基台22が設けられている。基台22は車体構造部の一部あるいはインストルメントパネル20の内部構造部である。基台22の前方で表示・操作装置1の筐体部3が、複数の支持金属板(支持部材)23によって支持されている。支持金属板23は、ある程度の弾性を有する金属板で形成されており、例えば冷間圧延鋼板やステンレス鋼板で形成されている。支持金属板23の弾性変形により、表示・操作装置1はY方向に向けてわずかに動けるようになっている。
図2と図3に示すように、基台22に金属ブラケット24が固定されており、金属ブラケット24のY方向の前方に向く面に複数の検知部材25が取り付けられている。検知部材25は、力センサあるいは近接センサである。力センサは、表示・操作装置1に作用する操作力Pを受けて変形する弾性変形部と、この弾性変形部の変形を検知する歪みゲージとで構成されている。近接センサは、筐体部3の背面に設けられた磁石と、金属ブラケット24に設けられて、前記磁石との距離の変化を検知する磁気センサとから構成される。
本発明の実施形態では、表示・操作装置1に固定されている応答力発生機構10と、図4に示す駆動制御部30とで、応答力発生装置が構成されている。
図4に示すように、駆動制御部30に駆動波形設定部31が設けられている。駆動制御部30にはコンピュータ部が設けられており、駆動波形設定部31は、コンピュータ部にインストールされるコンピュータソフトウエアである。例えば、駆動波形設定部31は、波形生成ソフトウエアや、信号波形設定ソフトウエアなどと呼ばれているものであり、駆動波形設定部31で、時間に対する駆動信号の強度変化を表す駆動波形が設定される。
駆動制御部30には、D/A変換部32が設けられており、駆動波形設定部31で設定されたディジタル信号である駆動波形が、アナログ値に変換される。アナログ値に変換された駆動波形が、パワーアンプを有するドライバ回路33に与えられ、ドライバ回路33から、応答力発生機構10の磁気駆動部に設けられた駆動コイル15に駆動電流が増幅されて与えられる。
次に、応答力発生装置の動作について説明する。
表示・操作装置1では、パネル部2の表示画面4に表示された画像を参照しながら、表示画面4のいずれかの箇所に指を触れると、タッチセンサからの座標検知出力によって、指が表示されている画像のどの部分に触れたかが判別される。その指で、表示画面4に操作力Pを与えると、支持金属板23が弾性変形し、表示・操作装置1がY方向へわずかに動き、検知部材25によって、表示・操作装置1が押されたことが検知される。図示しない本体制御部では、タッチセンサの検知出力と検知部材25の検知出力から、表示画面4に表示された画像を参照し、どのような操作が行われたかを判別し、意図した操作に基づく処理動作が開始される。
検知部材25が押圧力Pに基づく荷重を検知すると、本体制御部から図4に示す駆動制御部30に動作指令が出される。駆動制御部30では、駆動波形設定部31で設定された駆動信号がD/A変換部32でアナログ信号に変換され、ドライバ回路33から応答力発生機構10に設けられた駆動コイル15に駆動電流が与えられる。応答力発生機構10では、磁気駆動部を構成する駆動コイル15に流れる駆動電流と磁石14の磁界とによって、可動部12がY方向に動作させられ、可動部12のY方向への運動反力が表示・操作装置1に与えられて、操作している指が応答力を感じるようになる。
なお、図1に示す操作部5,6が押圧操作されたときも、必要に応じて、駆動制御部30が動作させられて、応答力発生機構10から表示・操作装置1に応答力が与えられる。
図5(A)に、駆動波形設定部31で設定される第1の実施形態の駆動信号の駆動波形(i)が実線で示されている。この駆動波形(i)の変化に対応する駆動電流がドライバ回路33から応答力発生機構10の駆動コイル15に与えられる。図5(A)に示す一点鎖線は、駆動電流が流れたときに駆動コイル15に作用する電圧の変化(ii)である。図5(B)に、比較例となる駆動信号の駆動波形(iii)と、駆動コイル15に作用する電圧の変化(iv)が示されている。
応答力発生装置では、検知部材25が操作力Pを検知したタイミングで、駆動波形設定部31で設定される駆動波形(i)に基づく駆動電流が、駆動コイル15に1周期分与えられる。あるいは、前記タイミングで複数周期与えられてもよい。
駆動波形設定部31で設定される駆動波形(i)は、第1駆動区間T1と第2駆動区間T2および第3駆動区間T3を有している。第1駆動区間T1は、時間の経過にしたがって駆動信号の信号強度が高くなる領域(a)となっている。図5(A)に示すように、第1駆動区間T1では、信号強度が一次関数的に増加することが好ましい。ただし、第1駆動区間T1に、信号強度が曲線的に増加する波形が含まれていてもよい。
第2駆動区間T2は、信号強度のプラス側のピーク(+P)を含んでいる。第2駆動区間T2では、駆動信号が急激に(垂直波形で)立ち上がる領域(b)と、時間が経過しても信号強度が変化せずピーク(+P)の値を保持した領域(c)を有している。第2駆動区間T2は、時間に対する信号強度の増加率が第1駆動区間T1よりも低い領域(c)を含んでいる。
第3駆動区間T3も、時間が経過しても信号強度が変化せずピーク(−P)のままとなる領域(e)と、駆動信号が急激に(垂直波形で)立ち上がる領域(d)とを有している。
第2駆動区間T2と第3駆動区間T3との間の駆動信号(f)は、駆動信号の信号強度が、第1駆動区間T1よりも高い変化率で変化しており、駆動波形としては、ほぼゼロ時間の間にプラス側のピーク(+P)からマイナス側のピーク(−P)までほぼ垂直波形に沿って変化する。
図5(A)に示す駆動信号の駆動波形(i)は、駆動波形設定部31において、マイナス側のピーク(−P)とプラス側のピーク(+P)との間で、信号領域(a)と(f)の変化を繰り返すいわゆる鋸刃波(三角波)と、第2駆動区間T2の信号強度の変化となる矩形波とを合成することで得られる。
図5(B)に示す比較例は、駆動信号の駆動波形がいわゆる鋸刃波(三角波)であり、時間T0において、駆動信号の信号強度がマイナス側のピーク(−P)からプラス側のピーク(+P)まで一次関数的に増加し、プラス側のピーク(+P)からマイナス側のピーク(−P)まで信号強度が垂直波形に沿って変化する。
図5(A)の第1の実施形態と図5(B)の比較例とで、プラス側のピーク(+P)とマイナス側のピーク(−P)の信号強度が互いに同じである。
図5(A)に示す第1の実施形態の駆動信号の駆動波形(i)と、図5(B)に示す比較例の駆動信号の駆動波形(iii)とを比較すると、駆動波形(i)の第1駆動区間T1における時間の進行に対する駆動信号の増加率と、駆動波形(iii)の時間T0における時間の進行に対する駆動信号の増加率が同じであり、共に一次関数的に変化している。
第1の実施形態の駆動信号の駆動波形(i)と比較例の駆動波形(iii)とで、共に第2駆動区間T2での信号強度の変化を比較すると、駆動波形(i)は矩形波であるのに対し、駆動波形(iii)の信号強度は、プラス側のピーク(+P)に向けて前記一次関数の増加率となり、プラス側のピーク(+P)で、波形が刃の先端の先鋭な形状となっている。
すなわち、図5(A)の駆動波形(i)では、第2駆動区間T2の領域(c)で信号強度のピーク(+P)値が保持されて、第2駆動区間T2で、時間の経過に対する信号強度の増加率が第1駆動区間T1よりも低くなっているのに対し、図5(B)の駆動波形(iii)では、第2駆動区間T2の信号強度の増加率が第1駆動区間T1と同じである。そのため、図5(A)に示す駆動波形(i)の方が、図5(B)に示す駆動波形(iii)よりも、図4に示すドライバ回路33の周波数特性に追従しやすくなる。
また、図5(A)の駆動波形(i)の第2駆動区間T2において信号強度を時間で積分した積分値は、図5(B)の駆動波形(iii)の第2駆動区間T2における同じ積分値よりも大きい。そのため、駆動波形(i)は、駆動波形(iii)に比べて、プラス側のピーク(+P)付近で、駆動コイル15に与えられる電力(駆動エネルギー)を大きくすることが可能になる。
同様に、図5(A)に示すように、第3駆動区間T3においても、駆動信号の信号強度の変化が第1駆動区間T1よりも緩やかであり、第3駆動区間T3においても、信号強度を時間で積分した積分値が、図5(B)の駆動波形(iii)のマイナス側のピーク(−P)付近における同じ積分値よりも大きい。
その結果、図5(A)に示す第1の実施形態の駆動波形(i)を使用して駆動コイル15に駆動電流を流したときの駆動コイル15に作用する電圧Vaは、図5(B)に示す比較例の駆動波形(iii)を使用したときの駆動コイル15に作用する電圧Vbよりも大きくすることができる。よって、図3に示す応答力発生機構10において、可動部12に与えるY方向への運動エネルギーを大きくでき、可動部12を決められた振幅内で大きな加速度で駆動することが可能となる。可動部12の運動エネルギーが大きいため、可動部12の運動の反力を表示・操作装置1に対して大きな力として与えることができる。
さらに、第1駆動区間T1における信号強度の増加率を高くし、一次関数の直線の立ち上がり角度が大きくなるように駆動波形を設定すれば、可動部12の動作速度を早くでき、表示・操作装置1の質量が大きくても、表示画面4または操作部5,6を操作している指に先鋭な感触の応答力を大きな力で与えることが可能になる。その結果、操作力Pを与えている指に、ドーム式の反転接点を有する機構式のスイッチを指で押して動作させたのと類似な応答力の感触を与えることも可能になる。
図6(A)に第2の実施形態の駆動信号の駆動波形(v)が示されており、図6(B)に第3の実施形態の駆動信号の駆動波形(vi)が示されている。
図6(A)に示す駆動波形(v)は、第2駆動区間T2において、時間の経過に対して信号強度が曲線軌跡で変化し、第2駆動区間T2における信号強度の増加率が、第1駆動区間T1における増加率よりも低下している。これは第3駆動区間T3においても同じである。
図6(B)に示す駆動波形(vi)は、第2駆動区間T2で、プラス側のピーク(+P)の値が所定時間保持されている。したがって、第2駆動区間T2における信号強度の増加率が、第1駆動区間T1における増加率よりも低下している。これは第3駆動区間T3においても同じである。
図6(A)(B)に示す駆動波形を使用したときも、駆動コイル15に与える電圧を大きくでき、可動部12を大きな加速度で動作させて、あたかも機構式のスイッチを動作させたかのような応答力を指に感じさせることが可能になる。
なお、前記実施形態は、操作対象部材が表示・操作装置1であるが、操作対象部材はこれに限られるものではなく、例えば自動車の車室内に設けられたインストルメントパネルの一部が、静電容量式センサを備えた操作対象部材であってもよい。
1 表示・操作装置
2 パネル部
3 筐体部
4 表示画面
10 応答力発生機構
11 ハウジング
12 可動部
13 弾性支持部材
14 磁石
15 駆動コイル
30 駆動制御部
31 駆動波形設定部
33 ドライバ回路
T1 第1駆動区間
T2 第2駆動期間
T3 第3駆動期間
(i)(v)(vi) 駆動波形

Claims (5)

  1. 少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
    前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
    前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第1駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第2駆動区間とを有しており、前記第2駆動区間で、前記駆動信号の波形が矩形波であることを特徴とする応答力発生装置。
  2. 少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
    前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
    前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第1駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第2駆動区間とを有しており、前記第2駆動区間で、前記駆動信号の強度が曲線的に変化することを特徴とする応答力発生装置。
  3. 少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
    前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
    前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第1駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第2駆動区間と、前記第2駆動区間とはプラスマイナスが逆となる前記信号強度のピークを含む第3駆動期間とを有し、
    前記第2駆動区間と前記第3駆動期間に、時間に対する前記信号強度の絶対値の増加率が前記第1駆動区間よりも低い領域が含まれ、前記第2駆動期間と前記第3駆動期間との間の駆動信号は、駆動信号の信号強度の絶対値が前記第1駆動期間よりも高い変化率で変化し、
    前記第2駆動期間と前記第3駆動期間は、前記第1駆動期間よりも時間が短く、前記第1駆動期間から前記第3駆動期間までが繰り返されることを特徴とする応答力発生装置。
  4. 前記第2駆動区間と前記第3駆動期間は、前記駆動信号の強度が変化しない領域を含む請求項3記載の応答力発生装置。
  5. 前記第1駆動区間で、前記駆動信号が一次関数で変化する請求項1ないし4のいずれかに記載の応答力発生装置。
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