JP6936678B2

JP6936678B2 - 触覚呈示装置

Info

Publication number: JP6936678B2
Application number: JP2017182423A
Authority: JP
Inventors: 泰弘小野
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: JP2019057218A

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、可視可能な表面部の下に位置され、圧電特性を有し、表面部が指で押圧されたときのように力が表面部に与えられたときに力が自身の機械的ストレスに伝達され、機械的ストレスに応じて電圧出力を生成するように配置された少なくとも１つの圧電素子を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この装置は、表面部と圧電素子の間にドットを有し、この表面部に付加された力がドットを介して圧電素子に伝達される。

特表２０１３−５３０３９８号公報

従来の装置は、表面部に過荷重が付加された場合、ドットを介して過荷重が圧電素子に伝達し、圧電素子が破壊される可能性がある。

従って本発明の目的は、過荷重による破壊を抑制することができる触覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、操作面に対してプッシュ操作がなされる操作部と、操作面になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出する圧電センサと、操作面と圧電センサとの間に配置されて操作面に付加された荷重を圧電センサに伝達すると共に操作面に付加された過荷重の圧電センサへの伝達を緩和する押子と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、過荷重による破壊を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電センサの一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の押子の一例を示す概略図であり、図３（ｂ）は、押子に付加される荷重と収縮量との関係の一例を示すグラフである。図４は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、操作面に対してプッシュ操作がなされる操作部と、操作面になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出する圧電センサと、操作面と圧電センサとの間に配置されて操作面に付加された荷重を圧電センサに伝達すると共に操作面に付加された過荷重の圧電センサへの伝達を緩和する押子と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、押子によって過荷重が緩和されて圧電センサに伝達するので、押子が過荷重を緩和しない場合と比べて、過荷重による圧電センサの破壊を抑制することができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電センサの一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の押子の一例を示す概略図であり、図３（ｂ）は、押子に付加される荷重と収縮量との関係の一例を示すグラフである。図３（ｂ）は、横軸が押子５の収縮量（Ｓ）、縦軸が押子５に付加される荷重（Ｆ）である。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図２（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。

この触覚呈示装置１は、一例として、車両のステアリングに配置され、なされたプッシュ操作に基づいて車両に搭載された電子機器を操作するように構成されている。なお触覚呈示装置１の配置は、これに限定されず、例えば、電子機器の操作部として、当該電子機器の表示部などの近くに配置されても良い。

触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、操作面２０に対してプッシュ操作がなされる操作部２と、操作面２０になされたプッシュ操作に伴う荷重Ｆを検出する圧電センサ４と、操作面２０と圧電センサ４との間に配置されて操作面２０に付加された荷重Ｆを圧電センサ４に伝達すると共に操作面２０に付加された過荷重の圧電センサ４への伝達を緩和する押子５と、を備えて概略構成されている。

そして触覚呈示装置１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、圧電センサ４が検出した荷重Ｆが予め定められた判定しきい値８０以上である場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部としての制御部８を備えて概略構成されている。

この制御部８は、プッシュ操作がなされたと判定すると、圧電センサ４を駆動する駆動信号Ｓ_２を出力して操作面２０に振動を付加して触覚フィードバックを呈示するように構成されている。

従って触覚呈示装置１は、操作部２に付加された荷重Ｆを検出すると共に振動による触覚フィードバックを呈示するように構成されている。

触覚呈示装置１は、一例として、プッシュ操作が判定された場合、ボタンを押し込んだ際のクリック感などを模した触覚フィードバックを呈示する。なお触覚フィードバックは、これに限定されず、操作を受け付けたことを示す触覚などであっても良い。

また変形例として触覚呈示装置１は、操作部２が操作面２０上の操作指の位置を検出するタッチパッドとして構成されても良い。

（操作部２の構成）
操作部２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、操作面２０が円形状を有している。そして操作部２は、支持部１０に設けられた支持部材６に支持されている。この支持部材６は、操作面２０の縁に沿って裏面２１側に設けられている。つまり支持部材６は、例えば、リング形状を有している。

そして支持部材６は、例えば、プッシュ操作に基づく荷重Ｆによって弾性変形しない材料で形成されても良いし、弾性変形を行う弾性体であっても良い。本実施の形態の支持部材６は、例えば、プッシュ操作に基づく荷重Ｆによって弾性変形しない部材によって形成される。

なお変形例として支持部材６は、例えば、過荷重に対して弾性変形するような弾性係数を有する弾性体として構成されても良い。この変形例では、より効果的に過荷重が圧電センサ４に作用することを抑制することができる。

操作面２０に付加された荷重Ｆは、例えば、図２（ｂ）に示すように、押子５を介して圧電センサ４に作用する。また圧電センサ４が生成した振動は、押子５を介して操作部２に伝達される。

また変形例として操作部２は、上面視において円形や対称な形状に限定されず、他の形状であっても良い。

（圧電センサ４の構成）
圧電センサ４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、圧電素子４０と、金属シム４１と、を備えたユニモルフ型の圧電センサである。

この圧電センサ４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、支持部１０に形成された取付部１４に取り付けられている。この取付部１４は、圧電センサ４の金属シム４１が嵌り込む形状を有している。そして取付部１４には、操作面２０に付加された荷重Ｆ、及び操作面２０に付加する振動による圧電センサ４の撓みを許容する凹部１２が形成されている。この凹部１２は、取付部１４の底面に形成され、圧電素子４０が挿入されている。

圧電素子４０は、例えば、図２（ａ）に示すように、円板形状を有し、金属シム４１の下側、つまり押子５と反対の凹部１２側に配置されている。この圧電素子４０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。圧電素子４０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素子である。

金属シム４１は、例えば、図２（ａ）に示すように、圧電素子４０よりも半径が大きい円板形状を有している。この金属シム４１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４０は、表面に第１の電極が形成されている。そして金属シム４１は、導電性を有するので、自身が第２の電極となって圧電素子４０と電気的に接続されている。

圧電センサ４は、操作面２０に荷重Ｆが付加されると、操作部２を介して押子５によって金属シム４１に荷重Ｆが付加され金属シム４１を介して圧電素子４０が変形する。圧電素子４０は、この変形に応じた電圧を出力する。また圧電素子４０は、電圧が第１の電極及び第２の電極間に印加されるとこの電圧に応じて変形する。

圧電センサ４は、荷重Ｆに応じて出力した電圧を荷重信号Ｓ_１として制御部８に出力し、制御部８から出力された駆動信号Ｓ_２に基づく電圧に応じて変形して金属シム４１と共に振動するように構成されている。

ここで圧電素子４０は、厚み方向に分極されている。厚み方向の分極は、圧電定数のｄ定数がｄ３３であってｄ３３モードと言われ、厚み方向の変形において適切な出力が得られる分極方向である。

図１（ｂ）に示すように、操作者が操作部２の中央部分に操作指９を接触させてプッシュ操作を行った場合、下向きの矢印で示すように、圧電素子４０にはほぼ下向きに荷重Ｆが掛かるので、厚み方向の変形が生じて適切な出力が得られる。

（押子５の構成）
押子５は、例えば、図３（ａ）に示すように、プッシュ操作に伴う荷重Ｆを伝達するための第１の弾性係数を有する第１の弾性部５１と、操作面２０に付加された過荷重を緩和するための第２の弾性係数を有する第２の弾性部５２と、を少なくとも有する非線形弾性特性を備えている。この非線形弾性特性とは、例えば、図３（ｂ）に示すように、押子５の荷重Ｆと収縮量Ｓとの関係が線形ではなく、非線形であることを示している。また押子５は、第１の弾性部５１及び第２の弾性部５２に限定されず、弾性係数が異なるさらに複数の弾性部から構成されても良い。

この押子５は、例えば、テーパーコイルバネ、不等ピッチコイルバネ、円錐形樹脂などである。本実施の形態の押子５は、例えば、図３（ａ）に示すように、不等ピッチコイルバネであるが、これに限定されない。

第１の弾性係数は、第２の弾性係数よりも小さくなっている。従って荷重Ｆが操作面２０に作用した場合、押子５は、まず第１の弾性部５１が収縮し、ある収縮量を超えると第２の弾性部５２が収縮する。

図３（ｂ）に示す第１の領域５１０は、第１の弾性部５１が収縮する領域を示している。そして第２の領域５２０は、第２の弾性部５２が収縮する領域を示している。プッシュ操作では、主に第１の弾性部５１が収縮するように設定される。

従って判定しきい値８０は、操作面２０に付加された荷重（Ｆ）と押子５の収縮量（Ｓ）とに基づく曲線の変曲点αの荷重に設定されることが好適である。つまり変曲点αの荷重を判定しきい値８０とした場合、操作者は、プッシュ操作の際に、操作荷重をさらに大きくしないとストロークしない操作感を変曲点αで得るので、変曲点α以外の第１の領域５１０内の荷重を判定しきい値８０とした場合と比べて、プッシュ操作が判定される位置まで操作したと認識し易い。

また第２の領域５２０内の荷重を判定しきい値８０とした場合、圧電センサ４に大きな荷重が付加されることになるので、圧電センサ４が破壊される可能性がある。以上より、判定しきい値８０は、変曲点αの荷重に設定された方が好適である。

なお、例えば、押子５が弾性部をさらに複数有し、その結果、変曲点αが複数ある場合、プッシュ操作によって付加されると想定される荷重に近い変曲点に設定されることが好ましい。また図３（ｂ）に示す曲線は、二つの直線を連結した曲線であるがこれに限定されず、連続的な曲線であっても良い。

過荷重が操作面２０に付加された場合は、第１の弾性部５１が収縮した後、弾性係数が大きい第２の弾性部５２が収縮する。押子５は、例えば、図３（ｂ）に示すように、想定されたプッシュ操作時の荷重以上の荷重を第２の弾性部５２が収縮して緩和するので、過荷重が圧電センサ４に作用するのを抑制することができる。

（制御部８の構成）
制御部８は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部８が動作するためのプログラムと、判定しきい値８０と、が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

この制御部８は、圧電センサ４から出力された荷重信号Ｓ_１を荷重に変換するように構成されている。そして制御部８は、検出された荷重と判定しきい値８０とを比較し、プッシュ操作がなされたか否かを判定する。制御部８は、プッシュ操作が判定されると、プッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_３を出力すると共に、駆動信号Ｓ_２を出力して触覚フィードバックを呈示する。

続いて以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作について図４のフローチャートに従って説明する。

（動作）
触覚呈示装置１の制御部８は、電源が投入されると、圧電センサ４から入力する荷重信号Ｓ_１に基づいてプッシュ操作がなされたか否かを監視する。制御部８は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり検出された荷重Ｆが判定しきい値８０以上となると、プッシュ操作がなされたと判定する（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）。

制御部８は、プッシュ操作を判定すると、駆動信号Ｓ_２を出力してプッシュ操作を受け付けたことを示す触覚フィードバックを呈示すると共にプッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_３を接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ２）。

（実施の形態の効果）
触覚呈示装置１は、過荷重による破壊を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、意図せず過荷重が操作面２０に付加されても非線形弾性特性を有する押子５の主に第２の弾性部５２によって緩和されるので、押子が線形弾性特性を有する場合と比べて、過荷重による圧電センサ４の破壊を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、押子５が圧電素子４０ではなく金属シム４１に接触しているので、押子が圧電素子に接触する場合と比べて、過荷重による圧電素子４０の破壊を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、圧電素子４０が上下方向に分極しているので、この構成を採用しない場合と比べて、荷重Ｆの検出の精度が向上すると共に、駆動信号Ｓ_２の入力によって操作面２０を上下に駆動して認識され易い触覚フィードバックを呈示することができる。

触覚呈示装置１は、押子５が非線形弾性特性を有するので、線形弾性特性を有する場合と比べて、過荷重を緩和して圧電センサ４に伝わり難くすると共に、圧電センサ４の振動による触覚フィードバックを操作者に伝わり易くすることができる。

触覚呈示装置１は、弾性係数が切り替わる変曲点αに合わせて判定しきい値８０が設定されるので、この構成を採用しない場合と比べて、第１の弾性部５１が収縮し切ったところでプッシュ操作が判定されると共に、圧電センサ４の駆動による触覚フィードバックを呈示して押子５をさらに収縮させて効果的な触覚フィードバックの呈示を行うことができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、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。これら新規な実施の形態及び変形例は、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、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例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、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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…触覚呈示装置、２…操作部、４…圧電センサ、５…押子、６…支持部材、８…制御部、９…操作指、１０…支持部、１２…凹部、１４…取付部、２０…操作面、２１…裏面、４０…圧電素子、４１…金属シム、５１…第１の弾性部、５２…第２の弾性部、８０…判定しきい値、５１０…第１の領域、５２０…第２の領域

Claims

操作面に対してプッシュ操作がなされる操作部と、
前記操作面になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出する圧電センサと、
前記操作部と前記圧電センサとに接触して配置されて前記操作面に付加された荷重を前記圧電センサに伝達すると共に前記操作面に付加された過荷重の前記圧電センサへの伝達を緩和する押子と、
を備え、
前記押子は、プッシュ操作に伴う荷重を伝達するための第１の弾性係数を有する第１の弾性部と、前記第１の弾性係数より大きく、前記操作面に付加された過荷重を緩和するための第２の弾性係数を有する第２の弾性部と、を少なくとも有する非線形弾性特性を備えた弾性体である、
触覚呈示装置。
前記圧電センサが検出した荷重が予め定められた判定しきい値以上である場合、プッシュ操作がなされたと判定する判定部を備えた、
請求項１に記載の触覚呈示装置。
前記予め定められた判定しきい値は、前記操作面に付加された荷重と前記押子の収縮量とに基づく曲線の変曲点の荷重に設定される、
請求項２に記載の触覚呈示装置。
前記判定部は、プッシュ操作がなされたと判定すると、前記圧電センサを駆動する駆動信号を出力して前記操作面に振動を付加して触覚フィードバックを呈示する、
請求項２又は３に記載の触覚呈示装置。