JP7474339B2

JP7474339B2 - 入力装置

Info

Publication number: JP7474339B2
Application number: JP2022545315A
Authority: JP
Inventors: 素鈴木; 邦生佐藤; 伸一寒川井; イ夏
Original assignee: Alps Electric Co Ltd; Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2024-04-24
Anticipated expiration: 2041-05-21
Also published as: CN115867877A; US20230161414A1; KR20230043975A; JPWO2022044452A1; WO2022044452A1; DE112021004596T5

Description

本発明は、入力装置に関する。

下記特許文献１には、タッチパネルを備えた可動パネルユニットをアクチュエータによって振動させることで、タッチパネルに接触しているユーザの指先に触覚を発生させる技術が開示されている。また、下記特許文献１には、アクチュエータの駆動信号の開始時および終了時の双方または一方において、高周波成分が抑制されるように、大きさが緩やか
変化する波形を呈する構成が開示されている。

下記特許文献２には、磁力を用いてパネルを振動させることで、触覚を提示する技術が開示されている。また、下記特許文献２には、パネルの振動が正弦波を２乗した緩やかに立ち上がる波形を持つようにパネルを振動させる技術が開示されている。

特開２００８－１２３４２９号公報特開２００６－７９１３６号公報

しかしながら、従来技術では、アクチュエータ駆動時に発生する音の影響を低減するものではあるが、操作パネルに対するゼロトラベルもしくは微小トラベル（以下、「ゼロトラベル等」と示す）での入力操作に応じて、アクチュエータに発生させる擬似的な操作音および操作感の特性を駆動信号によって適切に調整することができなかった。

例えば、タッチパッドのゼロトラベル等での入力操作に対し、アクチュエータによってメカスイッチの低周波数のクリック操作感と低周波数のクリック操作音とを疑似的に発生させたいにも関わらず、意図しない高周波の出力音が発生してしまい、操作者に違和感を与えてしまう虞がある。

また、例えば、タッチパッドのゼロトラベル等入力操作に対し、アクチュエータによってメカスイッチの低周波数のクリック操作感と高周波数且つ高出力レベルのクリック操作音とを疑似的に発生させたいにも関わらず、クリック操作音の出力レベルが不十分であり、操作者に違和感を与えてしまう虞がある。

また、例えば、タッチパッドのゼロトラベル等入力操作に対し、アクチュエータによってメカスイッチのストローク操作感を疑似的に発生させたいにも関わらず、実際のタッチパッドの変位量が極めて小さく、操作者に十分なストローク操作感を呈示できない虞がある。

一実施形態に係る入力装置は、操作者によって入力操作が行われる操作部と、操作部に対する入力操作を検出する検出部と、操作部に対して振動を付与するアクチュエータと、検出部による検出結果に応じて、アクチュエータに対して駆動信号を供給する制御部とを備え、制御部は、駆動信号として、三角波または正弦波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間と立ち下がり区間とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号を、アクチュエータへ供給する。

一実施形態によれば、入力操作に応じてアクチュエータに発生させるメカスイッチを模した擬似的な操作音およびクリック感からなる操作感の特性を駆動信号によって適切に調整することができる。

一実施形態に係る入力装置の構成を示すブロック図従来のアクチュエータの駆動信号の一例を示す図図２に示す駆動信号の信号波形と、当該駆動信号による操作部の振動波形の一例を示す図一実施形態に係る駆動信号の信号波形を示す図図４に示す駆動信号による操作部の振動波形の一例を示す図一実施形態に係る駆動信号の信号波形を示す図一実施形態に係る駆動信号の信号波形を示す図図７に示す駆動信号による操作部の振動波形を示す図一実施形態に係る駆動信号の信号波形を示す図図９に示す駆動信号による操作部の振動波形を示す図一実施形態に係る駆動信号の信号波形を示す図

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。

（入力装置１００の構成）
図１は、一実施形態に係る入力装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す入力装置１００は、操作対象機器に対する入力操作を行うための入力装置（例えば、ゲーム機のコントローラ、車両用の入力装置等）として用いられる。入力装置１００は、操作者による入力操作に応じて振動を発生することにより、擬似的な操作音および操作感を、操作者に呈示することが可能である。

図１に示すように、入力装置１００は、操作部１０２、検出部１０４、アクチュエータ１０６、および制御部１０８を備える。

操作部１０２は、操作者による入力操作が行われる。操作部１０２としては、例えば、硬質且つ平面状の操作面を有するタッチパッド等が用いられる。操作部１０２は、操作面の操作方向への変形を殆ど生じさせない入力操作、すなわち、ゼロトラベル等による入力操作が可能である。

検出部１０４は、操作部１０２に対する入力操作を検出する。例えば、検出部１０４は、操作部１０２に組み込まれた各種センサ（例えば、静電センサ、圧力センサ等）から出力される検出信号に基づいて、操作部１０２に対してなされたゼロトラベル等による入力操作の操作位置、押圧力等を検出する。

アクチュエータ１０６は、操作部１０２に対して振動を付与する。具体的には、アクチュエータ１０６は、制御部１０８から駆動信号が供給されることによって、振動を発生する。アクチュエータ１０６によって発生された振動は、操作部１０２に伝達されて、操作部１０２を振動させることで、操作部１０２を操作する操作者に対して操作感触を呈示することとなる。アクチュエータ１０６としては、例えば、ピエゾ素子、圧電素子、高分子アクチュエータ等を用いることができる。

制御部１０８は、検出部１０４による検出結果に応じて、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給することにより、アクチュエータ１０６を駆動させることで振動を発生させる。例えば、制御部１０８は、検出部１０４によって操作部１０２に対する入力操作が検出された場合、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給することにより、アクチュエータ１０６を駆動させることで振動を発生させる。これにより、アクチュエータ１０６は、入力操作に応じた擬似的な操作音を発生してユーザに呈示するとともに、操作部１０２を介して、入力操作に応じた擬似的な操作感を操作者に呈示することができる。

ここで、制御部１０８は、アクチュエータ１０６に供給される駆動信号の信号波形を制御することにより、ユーザに呈示される操作音および操作感の特性を制御することができる。例えば、制御部１０８は、駆動信号の信号波形を制御することにより、ユーザに呈示される操作音の周波数を制御することができる。また、例えば、制御部１０８は、駆動信号の信号波形を制御することにより、ユーザに呈示されるメカスイッチの押圧時に発生するクリック感を模した操作感、及びメカスイッチのストローク量を制御することができる。

特に、制御部１０８は、駆動信号として、三角波または正弦波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間と立ち下がり区間とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号を、アクチュエータ１０６へ供給する。これにより、一実施形態に係る入力装置１００は、入力操作に応じてアクチュエータ１０６に発生させる擬似的な操作音および操作感の特性を適切に調整することができる。

（従来の駆動信号および振動波形の一例）
図２は、従来のアクチュエータの駆動信号の一例を示す図である。図３は、図２に示す駆動信号の信号波形と、当該駆動信号による操作部の振動波形の一例を示す図である。図２に示すように、従来の駆動信号は、立ち上がり区間と立ち下がり区間とが対称である信号波形を有する。メタルスイッチを押圧した際に発生するクリック感触の呈示を行うために必要なアクチュエータの駆動は、この立ち上がり区間および立ち下がり区間の入力によってなされる。図３の振動波形に示すように、図２に示す駆動信号によってアクチュエータを駆動した場合、当該駆動信号の信号波形の立ち下がり区間の終了後も、操作部の固有振動周波数に依存する比較的大きな残留振動が発生する。この残留振動は、意図しない高周波数且つ高出力レベルの操作音を発生させてしまう。

（一実施形態に係る駆動信号および振動波形の一例（第１例））
図４は、一実施形態に係る駆動信号Ｓ１の信号波形を示す図である。図４に示す駆動信号Ｓ１は、一実施形態に係る入力装置１００において、制御部１０８からアクチュエータ１０６へ供給される駆動信号の第１例である。図４に示すように、駆動信号Ｓ１は、三角波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間Ｐ１と立ち下がり区間Ｐ２とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号である。

特に、駆動信号Ｓ１の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ１よりも、立ち下がり区間Ｐ２が長くなっている。すなわち、駆動信号Ｓ１の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ１における電圧上昇が急峻であるのに対し、立ち下がり区間Ｐ２における電圧降下が緩やかである。特に、駆動信号Ｓ１の信号波形は、立ち下がり区間Ｐ２の長さが、立ち上がり区間Ｐ１の長さよりも２０％以上長くなっている。なお、駆動信号Ｓ１の信号波形は、図４に示すように、立ち下がり区間Ｐ２における電圧降下が直線的であってもよく、二次曲線的であってもよい。この時、立ち上がり区間Ｐ１における電圧上昇についても直線的であってもよく、二次曲線的であっても良い。

図５は、図４に示す駆動信号Ｓ１による操作部１０２の振動波形の一例を示す図である。図５は、図４に示す駆動信号Ｓ１によってアクチュエータ１０６を駆動したときの、操作部１０２の振動波形を、駆動信号Ｓ１の信号波形とともに示す。図５に示すように、図４に示す駆動信号Ｓ１によってアクチュエータ１０６を駆動した場合、当該駆動信号Ｓ１の信号波形の立ち下がり区間Ｐ２において、アクチュエータ１０６による振動の発生が抑制される。その結果、アクチュエータ１０６が発生する操作音は、より低い周波数成分を有するものとなる。

特に、一実施形態に係る入力装置１００は、駆動信号Ｓ１の立ち下がり区間Ｐ２を緩やかにしたことで、駆動周波数と操作部１０２の固有振動数との差を大きくすることができ、高周波の振動を抑制することができる。その結果、一実施形態に係る入力装置１００は、アクチュエータ１０６が発生する操作音を、より低い周波数成分を有するものとすることができる。さらに、一実施形態に係る入力装置１００は、駆動信号Ｓ１の立ち下がり区間Ｐ２の長さを、立ち上がり区間Ｐ１の長さよりも２０％以上長くしたことにより、高周波の振動を抑制する効果をより向上できることが、シミュレーションによって確認されている。

（一実施形態に係る駆動信号の一例（第２例））
図６は、一実施形態に係る駆動信号Ｓ２の信号波形を示す図である。図６に示す駆動信号Ｓ２は、一実施形態に係る入力装置１００において、制御部１０８からアクチュエータ１０６へ供給される駆動信号の第２例である。図６に示す駆動信号Ｓ２は、三角波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間Ｐ３と立ち下がり区間Ｐ４とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号である。

駆動信号Ｓ２の信号波形は、図４に示す駆動信号Ｓ１の信号波形と同様に、立ち上がり区間Ｐ３よりも、立ち下がり区間Ｐ４が長くなっている。メタルスイッチを押圧した際に発生するクリック感触の提示を行うために必要な駆動は、立ち上がり区間Ｐ３から立ち下がり区間Ｐ４間の入力である。その後、未印加レベルに戻すまでの期間に入力される電圧によって発生する振動は、所望のクリック感提示の振動に対してノイズにしかならず極力軽減させる必要がある。但し、駆動信号Ｓ２の信号波形は、十分な駆動電圧レンジを確保するために、立ち下がり区間Ｐ４において負電圧のピークまで到達する。このため、駆動信号Ｓ２の信号波形は、駆動電圧が負電圧のピークから初期電圧値（０Ｖ）に復帰するまでの復帰区間Ｐ５をさらに有する。ここで、駆動信号Ｓ２の信号波形は、復帰区間Ｐ５における電圧上昇が緩やかであることが好ましい。これを実現するために、復帰区間Ｐ５は、立ち下がり区間Ｐ４よりも電圧変動率が低いことが好ましい。すなわち、復帰区間Ｐ５は、十分な長さを有することが好ましい。ここで、「十分な長さ」とは、立ち下がり区間Ｐ４の終期（すなわち、駆動電圧が負電圧のピークであるとき）に発生し得る残留振動が収束するまでの長さ以上であり、且つ、次の振動発生までの間に初期電圧値（０Ｖ）に復帰する長さであることが好ましい。例えば、復帰区間Ｐ５の長さを、立ち下がり区間Ｐ４の長さよりも長くすることで、「立ち下がり区間Ｐ４の終期付近にて発生し得る残留振動が収束するまでの長さ」とすることができる。立ち下がり区間Ｐ４の終期付近にて発生し得る残留振動の振動期間の長さは、大概、立ち下がり区間Ｐ４の長さよりも短いからである。このように、復帰区間Ｐ５を十分な長さとすることにより、例えば、駆動電圧が負電圧のピークから初期電圧値（０Ｖ）に復帰したとき（すなわち、復帰区間Ｐ５の終期）に生じ得る残留振動の発生量を抑制することができる。なお、駆動信号Ｓ２は、ピエゾ素子を凸方向（正電圧時）および凹方向（負電圧時）に変位させることが可能なことから、アクチュエータ１０６がピエゾ素子であり、且つ、駆動回路が十分な駆動能力を有しない場合に用いられることが好ましい。

（一実施形態に係る駆動信号および振動波形の一例（第３例））
図７は、一実施形態に係る駆動信号Ｓ３の信号波形を示す図である。図７に示す駆動信号Ｓ３は、一実施形態に係る入力装置１００において、制御部１０８からアクチュエータ１０６へ供給される駆動信号の第３例である。図７に示すように、駆動信号Ｓ３は、三角波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間Ｐ６と立ち下がり区間Ｐ７とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号である。

特に、駆動信号Ｓ３の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ６よりも、立ち下がり区間Ｐ７が短くなっている。すなわち、駆動信号Ｓ３の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ６における電圧上昇が急峻であるのに対し、立ち下がり区間Ｐ７における電圧降下がより急峻である。

図８は、図７に示す駆動信号Ｓ３による操作部１０２の振動波形を示す図である。図８は、図７に示す駆動信号Ｓ３によってアクチュエータ１０６を駆動したときの、操作部１０２の振動波形を、駆動信号Ｓ３の信号波形とともに示す。図８に示すように、図７に示す駆動信号Ｓ３によってアクチュエータ１０６を駆動した場合、当該駆動信号Ｓ３の信号波形の立ち下がり区間において、操作部１０２の固有振動周波数に依存する振動が増幅される。その結果、アクチュエータ１０６が発生する操作音は、操作部１０２の固有振動周波数に依存する高い周波数成分の振動が増幅されるため、高い出力レベルの音を発生するものとなる。なお、機構的実現性の観点から、操作部１０２の固有振動周波数は、１ｋＨｚ以下であることが好ましい。

（一実施形態に係る駆動信号および振動波形の一例（第４例））
図９は、一実施形態に係る駆動信号Ｓ４の信号波形を示す図である。図９に示す駆動信号Ｓ４は、一実施形態に係る入力装置１００において、制御部１０８からアクチュエータ１０６へ供給される駆動信号の第４例である。図９に示すように、駆動信号Ｓ４は、三角波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間Ｐ８と立ち下がり区間Ｐ９とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号である。

特に、駆動信号Ｓ４の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ８よりも、立ち下がり区間Ｐ９が短くなっている。具体的には、駆動信号Ｓ４の信号波形は、立ち上がり区間Ｐ８における電圧上昇が、急峻から徐々に緩やかになるように変化するのに対し、立ち下がり区間Ｐ９における電圧降下が、全体的に急峻である。なお、本実施例では、駆動信号Ｓ４の信号波形の周期（立ち上がり区間Ｐ８の開始から立ち下がり区間Ｐ９の終了まで）を、７～２１ｍｓとしている。

図１０は、図９に示す駆動信号Ｓ４による操作部１０２の振動波形を示す図である。図１０は、図９に示す駆動信号Ｓ４によってアクチュエータ１０６を駆動したときの、操作部１０２の振動波形を、駆動信号Ｓ４の信号波形および操作パネル（操作部１０２）の変位量とともに示す。図１０に示すように、図９に示す駆動信号Ｓ４によってアクチュエータ１０６を駆動した場合、操作部１０２の振動波形Ｖ４は、最初に、立ち上がり区間Ｐ８の開始時（電圧上昇の急峻時）に、第１振動ピークが発生し、次に、立ち上がり区間Ｐ８の残りの区間（電圧上昇が緩やかな時）に、弱い振動ピークが発生し、次に、立ち下がり区間Ｐ９の終了時（電圧降下の急峻時）に、最大振動ピークが発生するものとなる。つまり、同駆動信号Ｓ４により、第１振動ピークから最大振動ピーク間に弱い振動ピークを提示させる事により、感触の時間的なズレを発生させ、ユーザに対して可動摩擦感を与えて、ストローク感を発生させるものである。これにより、一実施形態に係る入力装置１００は、操作者に対してストローク操作感を呈示することができる。特に、本実施例では、駆動信号Ｓ４の信号波形の周期を、７～２１ｍｓとすることにより、操作者に対してクリック感及びストローク操作感をより確実に呈示できることが、被験者による感応試験によって確認された。なお、本感応試験では、駆動信号Ｓ４の信号波形の周期が７ｍｓ未満の場合は、クリック操作感を操作者が知覚できる一方で、ストローク操作感を操作者が知覚できないことが確認された。また、本感応試験では、駆動信号Ｓ４の信号波形の周期が２１ｍｓ以上の場合は、２段階のクリック操作感が操作者によって知覚されてしまうことが確認された。

（一実施形態に係る駆動信号および振動波形の一例（第５例））
図１１は、一実施形態に係る駆動信号Ｓ５の信号波形を示す図である。図１１に示す駆動信号Ｓ５は、一実施形態に係る入力装置１００において、制御部１０８からアクチュエータ１０６へ供給される駆動信号の第５例である。図１１に示すように、駆動信号Ｓ５の信号波形は、図９に示す駆動信号Ｓ４の信号波形を変形したものであり、立ち上がり区間Ｐ１０と立ち下がり区間Ｐ１２との間に、電圧値がピークで一定である一定区間Ｐ１１を有する。

図１１に示す駆動信号Ｓ５によってアクチュエータ１０６を駆動した場合、図９に示す駆動信号Ｓ４によってアクチュエータ１０６を駆動した場合と同様に、操作者に対してストローク操作感を呈示できることができる。特に、図１１に示す駆動信号Ｓ５によってアクチュエータ１０６を駆動した場合、図９に示す駆動信号Ｓ４によってアクチュエータ１０６を駆動した場合と比較して、立ち上がり区間Ｐ１０が短く、且つ、電圧値がピークで一定である一定区間Ｐ１１を有することで、アクチュエータ１０６が生成する加振力が大きくなり、振動部１０２に伝播する振動および変位が増えるため、操作者に対してストローク操作感をより確実に呈示することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

例えば、一実施形態では、各駆動信号の信号波形を三角波をベースとしているが、これに限らず、各駆動信号の信号波形を正弦波をベースとしてもよい。この場合も、各駆動信号（正弦波）の信号波形に、実施形態で説明した各駆動信号（三角波）の信号波形と同様の特徴点を設けることで、各駆動信号（三角波）の信号波形と同様の効果を奏することができる。

本国際出願は、２０２０年８月３１日に出願した日本国特許出願第２０２０－１４６０３７号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

１００入力装置
１０２操作部
１０４検出部
１０６アクチュエータ
１０８制御部

Claims

操作者によって入力操作が行われる操作部と、
前記操作部に対する前記入力操作を検出する検出部と、
前記操作部に対して振動を付与するアクチュエータと、
前記検出部による検出結果に応じて、前記アクチュエータに対して駆動信号を供給する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記駆動信号として、三角波または正弦波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間と立ち下がり区間とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号を、前記アクチュエータへ供給し、
前記検出部によって前記操作部に対する入力操作が検出された場合における前記駆動信号の前記信号波形は、
前記立ち上がり区間よりも、前記立ち下がり区間が長く、
前記アクチュエータは、
ピエゾ素子であり、
前記駆動信号の前記信号波形は、
前記立ち下がり区間において負電圧まで到達し、
前記立ち下がり区間において負電圧のピークに到達後、初期電圧まで復帰するまでの復帰区間を有し、
前記復帰区間は、
前記立ち下がり区間よりも電圧変動率が低い
ことを特徴とする入力装置。
前記復帰区間は、
前記操作部の固有振動周波数に依存する残留振動が収束するまでの期間よりも長い
ことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
前記制御部は、
前記非対称である信号波形を有する前記駆動信号を前記アクチュエータへ供給することにより、前記操作部の固有振動周波数に依存する残留振動の発生量を制御する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
操作者によって入力操作が行われる操作部と、
前記操作部に対する前記入力操作を検出する検出部と、
前記操作部に対して振動を付与するアクチュエータと、
前記検出部による検出結果に応じて、前記アクチュエータに対して駆動信号を供給する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記駆動信号として、三角波または正弦波からなり、且つ、ピーク位置を境界として立ち上がり区間と立ち下がり区間とが非対称である信号波形を有する単一のパルス信号を、前記アクチュエータへ供給し、
前記駆動信号の前記信号波形は、
前記立ち上がり区間よりも、前記立ち下がり区間が短く、
前記駆動信号の前記信号波形は、
前記立ち上がり区間の電圧上昇が、急峻から徐々に緩やかになるように変化し、
前記駆動信号の前記信号波形の周期が７～２１ｍｓｅｃである
ことを特徴とする入力装置。
前記操作部の固有振動周波数が１ｋＨｚ以下である
ことを特徴とする請求項４に記載の入力装置。
前記駆動信号の前記信号波形は、
前記立ち上がり区間と前記立ち下がり区間との間に、電圧値がピークで一定である一定区間を有する
ことを特徴とする請求項５に記載の入力装置。