JP6875970B2

JP6875970B2 - 駆動制御装置

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Publication number: JP6875970B2
Application number: JP2017186445A
Authority: JP
Inventors: 阿部　喜; 喜阿部
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019061547A

Description

本発明は、駆動制御装置に関する。

従来、タッチパネルの駆動制御装置において、ハプティック機能と可聴音の発生を目的として、タッチパネルを振動させるアクチュエータの駆動信号を可聴帯域の信号とする技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。このタッチパネルの駆動制御装置において、タッチパネルの表面は、筐体の縁部に支持された透明な保護パネルにより覆われ、筐体の収納部には、表示装置，タッチパネルが配置される。保護パネルを、ガラス基板と樹脂基板の接合により構成し、樹脂基板の接合面側に凹部を設け、その内側に圧電振動素子を配置してガラス基板に接合する。圧電振動素子が振動すると、保護パネルの表面に表面弾性波として伝達し、ハプティック機能を発揮する。

特開２０１５−１８４２５号公報

しかし、従来技術におけるアクチュエータの駆動信号は可聴帯域の信号とされているものの、利用者の感覚に合致するようにどのような音を出力することが好ましいかは記載されていないという課題があった。

したがって、本発明の目的は、音呈示において、認知しやすいアクチュエータの駆動を実現できる駆動制御装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、板状のタッチパネルと、前記タッチパネルへの接触または接近を検出するタッチセンサと、入力された駆動信号に従って振動するアクチュエータと、前記アクチュエータを所定周波数で振動させる駆動信号であって、音の高さが知覚困難となる所定期間以下の期間、前記アクチュエータを振動させる駆動信号としての音呈示信号を前記アクチュエータに出力する制御部と、を備える、駆動制御装置を提供する。
［２］前記制御部は、音響心理学において音の高さが不明確となることを前記知覚困難であるものとして、前記駆動信号を出力する、上記［１］に記載の駆動制御装置であってもよい。
［３］また、前記所定期間は、１０［ｍｓ］以下の期間である、上記［１］又は［２］に記載の駆動制御装置であってもよい。
［４］また、前記アクチュエータは、ブザーである、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の駆動制御装置であってもよい。
［５］また、入力された振動信号に従って振動する反力発生部を更に備え、前記制御部は、利用者に対して触覚を呈示するよう前記反力発生部を振動させる振動信号を出力する、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の駆動制御装置であってもよい。
［６］また、前記アクチュエータは、前記反力発生部と共用される、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の駆動制御装置であってもよい。
［７］また、前記制御部は、矩形波による前記音呈示信号を出力する、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の駆動制御装置であってもよい。

本発明の駆動制御装置によれば、音呈示において、認知しやすいアクチュエータの駆動を実現できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置の断面、ブロック構成を示す概略構成図である。図２（ａ）は、圧電素子の駆動信号である触覚呈示信号Ｓ１の一例を示し、図２（ｂ）は、ブザーの駆動信号である音呈示信号Ｓ２の一例を示す。図３（ａ）は、音呈示信号の実際の音圧波形の一例であり、出力期間が２０ｍｓの場合であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の周波数応答を示すスペクトラム波形であり、図３（ｃ）は、音呈示信号の実際の音圧波形の一例であり、出力期間が５ｍｓの場合である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置の動作フローを示すフローチャートの一例である。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る駆動制御装置の断面、ブロック構成を示す概略構成図である。図６は、圧電素子の駆動信号である触覚呈示信号Ｓ１と音呈示信号Ｓ２を重畳して出力する場合の一例を示す。

（本発明の第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置１は、板状のタッチパネル１０と、タッチパネル１０への接触または接近を検出するタッチセンサ２０と、入力された駆動信号に従って振動するアクチュエータと、アクチュエータを所定周波数で振動させる駆動信号であって、音の高さが知覚困難となる所定期間以下の期間、アクチュエータを振動させる駆動信号としての音呈示信号をアクチュエータに出力する制御部５０と、を備えて構成されている。

第１の実施の形態は、上記示したアクチュエータとしてのブザー４０を備える。また、入力された振動信号に従って振動する反力発生部としての圧電素子３０を備えている。

（タッチパネル１０）
図１に示すように、タッチパネル１０は、板状のパネルであり、表面をタッチ面１１とするパネル本体１２を有している。パネル本体１２は、後述するタッチセンサ２０と一体に構成され、ベース１００に取り付けられている。

タッチパネル１０は、パネル本体１２の表面側に配置され、タッチ操作される部分である。タッチパネル１０は、タッチ操作される場合の接触部位として機能すると共に、後述する圧電素子３０により触覚呈示する場合の接触部位としても機能する。

（タッチセンサ２０）
タッチセンサ２０は、タッチ面１１の下でパネル本体１２に装着され、例えば、静電容量式のタッチ検出部（図示省略）を備える。タッチ検出部は、例えば、タッチパネル１０の範囲内において、Ｘ，Ｙの２次元方向に駆動電極と検出電極が交差して配置され、指等の近接又は接触による相互容量の変化に基づいて、タッチ位置を検出するものである。このタッチ位置の検出により、タッチ信号Ｓｔを制御部５０に出力する。なお、タッチセンサは、他の自己容量方式等によるタッチ検出方式のものであっても使用可能である。

（圧電素子３０）
タッチパネル１０への接触状況に応じて反発カを加えるアクチュエータとしては、圧電素子３０が使用できる。図１に示すように、圧電素子３０は、ベース１００に取り付けられ、一端部は伝達部材３５を介して、パネル本体１２に当接するように配置されている。これにより、圧電素子３０の変位、振動は、伝達部材３５を介してパネル本体１２、タッチ面１１に伝達される。なお、伝達部材３５は、金属、樹脂、ゴム等の弾性体、等、力、振動を伝達しやすい材質の柱状体である。

圧電素子３０は、電圧の印加により伸縮して変位、振動するピエゾ素子である。圧電素子３０は、例えば、円板形状を有する圧電体と、圧電体よりも半径が大きい円板形状を有する金属シムと、を備えたユニモルフ型の圧電素子である。この圧電素子には、圧電体と電気的に接続する上部配線と、金属シムと電気的に接続される下部配線と、が接続されている。

なお変形例として圧電素子は、例えば、２枚の圧電体を金属シムの両面に設けたバイモルフ型圧電素子であっても良い。

圧電体の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電体は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層型の圧電体である。なお圧電体は、厚み方向に分極し、厚み方向の変形に対して出力が大きくなるように構成されている。金属シムは、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。

圧電素子３０は、電圧が印加されることにより変形し、伝達部材３５を介して接続されたパネル本体１２を図１に示す上下方向Ａに変位させる。これにより、タッチパネル１０への接触状況に応じて反発カを加えることができる。すなわち、タッチ面１１に対して操作された指等に圧電素子３０側からの触覚呈示を行なうアクチュエータとして機能する。

（ブザー４０）
タッチパネル１０への接触状況に応じて音を出力するアクチュエータとしては、ブザー４０が使用できる。このアクチュエータは、音を出力できるものであればよく、例えば、スピーカ、小型スピーカ、セラミックスピーカ、ブザー等が使用できる。

本実施の形態では、ブザー４０を、小型で低コストが可能な圧電ブザーとする。圧電ブザーは、音の再生周波数帯域がスピーカよりも狭くてもよく、安価で小型のものが可能である。

（制御部５０）
制御部５０は、触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力し、及び/又は、音呈示信号Ｓ２をブザー４０に出力することができる。

制御部５０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、所定の演算、処理実行等を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)、半導体メモリであるＲＡＭ(Random Access Memory)及びＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されるマイクロコンピュータを備える。このＲＯＭには、例えば、制御部５０が動作するためのプログラムと、各種のパラメータ等が格納されている。

また制御部５０は、触覚呈示信号Ｓ１として、図２（ａ）に示すような、例えば、正弦波を周波数、振幅変調させた駆動信号を生成することができる。また、音呈示信号Ｓ２として、図２（ｂ）に示すような、音の高さが知覚困難となる所定期間、例えば、１０ｍｓ以下の一例として、５ｍｓの時間だけ矩形波を有する所定周波数のパルスを生成することができる。あるいは、音呈示信号Ｓ２として、図２（ｂ）に示すように、所定周波数の矩形波を、音の高さが知覚困難となる所定期間、例えば、１０ｍｓ以下の一例として、５ｍｓの時間だけ出力することができる。

また、制御部５０は、圧電素子３０、ブザー４０を変位、振動させるために必要な電流増幅、電圧増幅のための駆動回路を備えることができる。例えば、ブザー４０を、図２（ｂ）に示すようなパルスで駆動するための、Ｄ級アンプを備えることができる。Ｄ級アンプは、小型で安価なＩＣとして市場に提供されているが、本実施の形態では、所定の周波数のパルスを増幅するので、カットオフ領域での増幅機能を有していればよく、極めて簡単な構成で実現することができる。

（制御部５０による触覚呈示制御）
制御部５０は、図１に示すように、タッチパネル１０への接触または近接を検出するタッチ信号Ｓｔを取得する。制御部５０は、このタッチ信号Ｓｔに基づいて、図２（ａ）に示すような触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力して、タッチパネル１０への接触状況に応じて反発カを加える。制御部５０は、接触または近接等のタッチ操作があったときに、触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力することで、例えば、タッチパネル１０を上方向Ａに所定の力で１回又は複数回だけ振動させる動作をすることにより、触覚呈示を行なうことができる。

（制御部５０による音呈示制御）
制御部５０は、上記示した触覚呈示の振動に、音を追加する制御を行なう。これにより、タッチパネル１０を操作した時の利用者における知覚が改善される。

制御部５０は、ブザー４０を所定周波数で振動させる駆動信号であって、所定周波数の音の高さが音響心理学的に明確でなくなる所定期間以下の期間でブザー４０を振動させる音呈示信号Ｓ２をブザー４０に出力する。

音呈示信号Ｓ２は、図２（ｂ）に示すように、所定周波数、例えば、２ｋＨｚの矩形波であって、矩形波の出力期間が、音の高さが知覚困難となる所定期間、例えば、１０ｍｓ以下の一例として、５ｍｓである。可聴周波数の正弦波や矩形波のパルスでブザー４０を鳴らすと、例えば、図３（ａ）に示すように、出力期間が２０ｍｓ以上であれば、周波数が２ｋＨｚの「ピー」という音として聞こえる。この時の、周波数特性として、図３（ｂ）に示すように、周波数２ｋＨｚに、音圧のピークが検出される。

音呈示信号Ｓ２の出力期間を徐々に短くしていくと、例えば、１０ｍｓ以下（１０，９、８、７，６ｍｓ）の出力期間から、所定周波数、この場合は２ｋＨｚの音の高さが明確でなくなっていき、図３（ｃ）に示すように、出力期間が５ｍｓでは、２ｋＨｚの音の高さが明確でなくなる。この現象は、音響心理学において、短い音の高さを知覚する場合において、所定期間以下の期間で出力された音に対しては、音の高さが明確でなくなるものとして説明されている。このような現象から、本実施の形態では、音呈示信号Ｓ２でブザー４０を鳴らすと、例えば、「カツッ」というような音として知覚される。このような音は、操作者が認知しやすい音呈示である。

上記に示したように、ブザー４０の駆動信号として、矩形波を用いることで、例えば、Ｄ級アンプで増幅できて極めて効率がよい。矩形波は、正弦波に比べて複数の周波数を含むが、特定の周波数の音を出力できれば帯域が狭いアクチュエータでよく、例えば、２ｋＨｚの周波数を出力できる安価なブザー等を使用できる。したがって、安価な圧電ブザー等の追加部品で、タッチパネル１０を操作した時の触覚を向上させることができる。

（駆動制御装置１の動作）
図４に示す駆動制御装置１の動作フローを示すフローチャートにしたがって、以下説明する。

（Ｓｔｅｐ１）制御部５０は、タッチ検出したかどうかを判断する。制御部５０は、図１に示すように、タッチ信号Ｓｔを取得することにより、タッチ検出したと判断することができる。タッチ検出した場合はＳｔｅｐ２へ進み（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、タッチ検出しない場合はＳｔｅｐ１を繰り返して実行する（Ｓｔｅｐ１：Ｎｏ）。

（Ｓｔｅｐ２）制御部５０は、タッチパネル１０の振動による触覚呈示を行なう。制御部５０は、図２（ａ）に示すような触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力して、タッチパネル１０への接触状況に応じて反発カを加える。制御部５０は、接触または近接等のタッチ操作があったときに、触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力することで、例えば、０からｔ３の期間において、図２（ａ）に示すような振動をタッチパネル１０に付与し、タッチ面１１を介して、操作者に対して触覚呈示を行なうことができる。

（Ｓｔｅｐ３）制御部５０は、Ｓｔｅｐ２と並行して、ブザー４０による、出力期間５ｍｓ以下の音呈示を行なう。すなわち、制御部５０は、Ｓｔｅｐ２の触覚呈示の振動に、図６で示すようなｔ１からｔ２の期間に、音を追加する制御を行なう。音呈示信号Ｓ２を、所定周波数で振動させる駆動信号であって、所定周波数の音の高さが音響心理学的に明確でなくなる所定期間以下の期間の信号とする。一例として、音呈示信号Ｓ２を、２ｋＨｚの矩形波であって、矩形波の出力期間が、音の高さが知覚困難となる所定期間、例えば、１０ｍｓ以下の一例として、５ｍｓ、の駆動信号とする。これにより、制御部５０が音呈示信号Ｓ２でブザー４０を駆動すると、ブザー４０は、例えば、「カツッ」というような音を音呈示する。これにより、タッチパネル１０を操作した時の触覚を、圧電素子３０の振動による触覚呈示だけの場合よりも、向上させることができる。

（本発明の第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る駆動制御装置１は、板状のタッチパネル１０と、タッチパネル１０への接触または接近を検出するタッチセンサ２０と、タッチパネル１０への接触状況に応じて反発カを加える圧電素子３０と、この圧電素子３０を所定周波数で振動させる駆動信号であって、所定周波数の音の高さが音響心理学的に明確でなくなる所定期間以下の期間で圧電素子３０を振動させる音呈示信号を圧電素子３０に出力する制御部５０と、を備えて構成されている。

本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で示したアクチュエータとしての圧電素子３０と、タッチパネル１０への接触状況に応じて音を出力するアクチュエータが共用される構成とされている。すなわち、第２の実施の形態では、アクチュエータ（ブザー４０）は、入力された振動信号に従って振動する反力発生部と共用される。

圧電素子３０は、所定周波数、例えば、２ｋＨｚの周波数で振動させることができる。したがって、この圧電素子３０は、音を出力するアクチュエータと共用できる。

以下、第１の実施の形態と異なるところについて説明し、重複する説明は省略する。図５に示すように、圧電素子３０には、触覚呈示信号Ｓ１に音呈示信号Ｓ２を重畳した駆動信号Ｓ３が入力される。

駆動信号Ｓ３は、図６に示すように、触覚呈示信号Ｓ１に、音の高さが知覚困難となる所定期間、例えば、１０ｍｓ以下の一例として、５ｍｓの期間の矩形波が重畳された駆動信号である。

制御部５０は、図５に示すように、タッチパネル１０への接触または近接を検出するタッチ信号Ｓｔを取得する。制御部５０は、このタッチ信号Ｓｔに基づいて、図６に示すような駆動信号Ｓ３を圧電素子３０に出力する。圧電素子３０は、駆動信号Ｓ３により、時間０からｔ３の期間に振動して触覚呈示を行なうと共に、時間ｔ１からｔ２の期間において５ｍｓの期間だけ矩形波により音呈示を行なう。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の第１の実施の形態に係る駆動制御装置は、板状のタッチパネル１０と、タッチパネル１０への接触または接近を検出するタッチセンサ２０と、入力された駆動信号に従って振動するアクチュエータと、アクチュエータを所定周波数で振動させる駆動信号であって、音の高さが知覚困難となる所定期間以下の期間、アクチュエータを振動させる駆動信号としての音呈示信号をアクチュエータに出力する制御部５０と、を備えて構成されている。これにより、接触または近接等のタッチ操作があったときに、触覚呈示信号Ｓ１を圧電素子３０に出力することで、例えば、図２（ａ）に示すような振動をタッチパネル１０に付与し、タッチ面１１を介して、操作者に対して触覚呈示を行なうことができる。また、ブザー４０を備えるので、触覚呈示の振動に、音を追加する制御を行なうことができる。ブザー４０を振動させる駆動信号を、所定周波数の音の高さが音響心理学的に明確でなくなる所定期間以下の期間でブザー４０を振動させる音呈示信号とするので、音呈示において、認知しやすいアクチュエータの駆動を実現できる。また、タッチパネル１０を操作した時の触覚を、圧電素子３０の振動による触覚呈示だけの場合よりも、向上させることができる。
（２）上記示した構成において、ブザー４０の駆動信号として、矩形波を用いることができる。矩形波は、例えば、Ｄ級アンプで増幅できて極めて効率がよい。矩形波は、正弦波に比べて複数の周波数を含むが、特定の周波数の音を出力できれば帯域が狭いアクチュエータでよく、例えば、２ｋＨｚの周波数を出力できる安価なブザー等を使用できる。したがって、安価な圧電ブザー等の追加部品で、タッチパネル１０を操作した時の触覚を向上させることができる。
（３）本発明の第２の実施の形態に係る駆動制御装置は、第１の実施の形態の効果に加えて、アクチュエータとしての圧電素子３０が、タッチパネル１０への接触状況に応じて音を出力するアクチュエータとしてのブザー４０と共用できるという効果を有する。これにより、構成を簡単化して、安価で小型化が可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…駆動制御装置、１０…タッチパネル、１１…タッチ面、１２…パネル本体、２０…タッチセンサ、３０…圧電素子、３５…伝達部材、４０…ブザー、５０…制御部、１００…ベース、Ｓ１…触覚呈示信号、Ｓ２…音呈示信号、Ｓ３…駆動信号、Ｓｔ…タッチ信号

Claims

板状のタッチパネルと、
前記タッチパネルへの接触または接近を検出するタッチセンサと、
入力された駆動信号に従って振動するアクチュエータと、
前記アクチュエータを所定周波数で振動させる駆動信号であって、音の高さが知覚困難となる所定期間以下の期間、前記アクチュエータを振動させる駆動信号としての音呈示信号を前記アクチュエータに出力する制御部と、
を備える、駆動制御装置。
前記制御部は、音響心理学において音の高さが不明確となることを前記知覚困難であるものとして、前記駆動信号を出力する、請求項１に記載の駆動制御装置。
前記所定期間は、１０［ｍｓ］以下の期間である、請求項１又は２に記載の駆動制御装置。
前記アクチュエータは、ブザーである、請求項１から３までのいずれか１項に記載の駆動制御装置。
入力された振動信号に従って振動する反力発生部を更に備え、
前記制御部は、利用者に対して触覚を呈示するよう前記反力発生部を振動させる振動信号を出力する、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の駆動制御装置。
前記アクチュエータは、前記反力発生部と共用される、請求項５に記載の駆動制御装置。
前記制御部は、矩形波による前記音呈示信号を出力する、請求項１から４のいずれか１項に記載の駆動制御装置。