JP7717618B2 - 触覚フィードバックを伴う３ｄ制御デバイス - Google Patents

Description

本発明は、排他的にではなく、特に産業機器の分野または自動車の分野において利用するための触覚フィードバックを伴う制御用インタフェースに関する。

現在、手動式制御は、主として様々なタイプの機械式ボタンまたは機械式アクチュエータに結び付けられた２Ｄタッチスクリーンで構成されている。

制御用ダイヤル、ボタン、カーソルなどの工業的分野における手動式制御機構の大部分は、制御機構の回転または１本の軸に沿った長手方向移動を可能にするため、制御すべき物体または機械内に統合された機械的可動素子を必要とする。
ダイヤル、カーソル他のようなこれらの手動式制御機構は、概して、玉軸受システム、可動レールまたは磁性流体（適用される磁場により左右される剛性を有する材料）を介して可動である部分を含む。

したがって、これらの公知のデバイスは、製造コストが高く使用に由来する摩耗により寿命が制限されている機械的可動素子を使用しており、このため高額の交換またはメンテナンス作業が必要となる。

このような公知の制御機構の一例が、車のインパネの一環として米国特許出願公開第２０１９／０２７８３８６号明細書中に記載されている。
この制御機構は、インパネまたはインパネに固定されたフレームと一体化した固定支持体、支持体上に据え付けられた回転素子および誘導による電気エネルギーの供給を受けるディスプレイを含んでいる。
このアセンブリは、複雑で、多数の部品を含み、これらの部品のうちディスプレイを含めた複数のものがインパネとの関係において可動である。
回転素子を収容する支持体は、触覚フィードバック表面ではなく、超音波潤滑効果を有していない。

米国特許出願公開第２０１９／０２７８３８６号明細書

本発明は特に、公知の制御デバイスが有する欠点の無い制御機構を提案することをその一般的な目的としている。

本発明の別の特定の目的は、最終的に、玉軸受またはその等価物などの機械的可動部分を含むダイヤルおよびカーソルの大部分を削除することのできる制御デバイスを提案することにある。

本発明の別の目的は、触知できる、すなわちユーザが指で容易に操作できる３次元構造を有する触覚フィードバックタッチ制御インタフェースを提案することにある。

求められる制御インタフェースは、さらに、インタラクティブなもの、すなわち触覚フィードバックの形でユーザに情報を伝送しかつユーザから制御情報を収集して制御すべきデバイスにそれを伝送する能力を有するものでなければならない。

本発明の別の目的は、簡単なプログラミングによって、制御すべき複数のタイプのデバイスに容易に適応され得る変調可能な制御機構を提案することにある。

原則的に、本発明は、電気機械式アクチュエータおよびセンサを備えた触覚フィードバック表面に結び付けられた３次元（３Ｄと記載）制御機構を提案することにある。

３次元制御機構は、固定式であり、例えば両面接着テープまたは例えばエポキシタイプの高分子接着剤を用いて触覚フィードバック表面と一体化されている。
接着剤は、触覚フィードバック表面と３Ｄ制御機構との間で、超音波潤滑効果（「スクィーズ フィルム」と呼ばれる効果）を変調させることのできる超音波振動を３Ｄ制御機構に伝達するように選択される。

したがって本発明は、タッチ表面上に超音波潤滑効果を生成するような形で、制御用電子機器により制御される電気機械式アクチュエータによって超音波周波数で振動させることができ、かつタッチセンサを備えた前記タッチ表面を有する振動プレートを含む、触覚フィードバックを伴う制御デバイスにおいて、超音波潤滑効果の振動を前記タッチ表面から３次元タッチインタフェースを介してユーザの指へと伝達するように構成された、前記タッチ表面と一体化した固定された３次元タッチインタフェースを含むことを特徴とする、制御デバイスを対象とする。

このようにして、ユーザは、十分に触知できる浮彫り状のタッチインタフェース上で直接超音波潤滑効果の変調を知覚することができる。

本発明によると、意外にも、前記３次元タッチインタフェースは、いかなる電子コンポーネントもいかなる可動素子も備わっていない純粋に受動的な素子である。

一実施形態によると、３次元タッチインタフェースは、木製、硬質プラスチック材料製または金属製である。

一実施形態によると、３Ｄタッチインタフェースは、硬質または軟質の接着剤、特に両面粘弾性接着テープまたは接着性樹脂を用いて表面上に固定されている。

選択された接着剤は、例えば周囲温度および２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの振動周波数について、５０ＭＰａ～５ＧＰａのヤング係数を有する。

３Ｄタッチインタフェースは、さまざまな形態、特に円筒形、円錐形または円錐台形のボタンの形、またはユーザの指がそれに沿って移動できる平行六面体の固定カーソルの形、または二重ガイドレールを有する固定カーソルの形、さらには指がそれに沿って移動できる凹状固定カーソルの形を呈することができる。

３Ｄタッチインタフェースは、さまざまな材料、特に木材、硬質プラスチック材料または金属で製造することができる。

有利な一実施形態によると、タッチ表面を振動させる電気機械アクチュエータは、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波周波数で制御される圧電セラミックで構成されている。

一実施形態によると、３次元タッチインタフェースは、ユーザの指と接触した際にその容量変動がタッチ表面に統合された容量タッチセンサによって検出され得るような形で配置された電線または電気トラックを含む。

本発明について、以下で図を用いてさらに詳細に説明する。

本発明に係る制御デバイスの側面概略図である。 図１の制御デバイスの平面概略図である。 本発明に係る制御デバイスの３つの変形実施形態の平面図および側面図を表わす。

図１を参照すると、本発明に係るデバイス１は、例えば国際公開第２００８／１１６９８０号明細書に記載され公知であるように、１つの超音波振動周波数で電気機械式アクチュエータ３によって起動されて定常ラム波を創出する、触覚フィードバックタッチ表面５を有する振動プレート４を含んでいる。

上述の文書中に記載されているように、振動プレート４は、タッチ表面５とは反対側の振動プレート４の他方の面７に接して固定された圧電層３によって起動させられる。

このような構造は、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの共振周波数を特徴とする少なくとも１つの曲げモード、および圧電層３に連結された給電手段（図示せず）を有する。

圧電層３および給電手段は、振動するタッチ表面５の曲げモードを励起させ、そこでマイクロメートルオーダの振幅を有する定常ラム波を発生させるように適応されている。

公知のように、タッチ表面５は、指とタッチ表面５の間の摩擦係数に作用し、英語の用語で「ｓｑｕｅｅｚｅ ｆｉｌｍ」効果とも呼ばれるいわゆる超音波潤滑効果を変調させて接触表面に触れるというタッチ感を修正できるようにすることによって、非常に繊細なテクスチャまたは粗度を指で知覚できるような形で再現することを可能にする。

例えば、産業機器などの一定の利用環境において、または自動車の分野においては、平坦なタッチ表面上ではなく、より古典的な３Ｄ素子上で、超音波潤滑による摩擦の変調によって触覚フィードバック効果を得ることがより実践的であると思われる。

しかしながら、平坦な振動プレート４に３Ｄ突出物を単に備えるだけでは、プレートの振動が完全に修正され、特に、定常ラム波を破壊することによりプレート内の超音波潤滑による触覚フィードバック効果は削除される。
こうして、均一な（素子のあらゆる箇所において同じ強さの）超音波潤滑による触覚フィードバック効果が、場合によって、プレート内で同時にではないが、３Ｄ素子内での局在化モードの励起によってこの素子内で発生する可能性がある。
この点を改善するために、特定の接着剤を用いて振動プレートのタッチ表面上に純粋に受動的な単純３次元素子を固定することで、３Ｄ素子を有するプレートの超音波振動の伝達を可能にしながら、タッチ表面の振動モードに対する３Ｄボタンの存在の影響を制限することができる、ということが確認された。

図１は、タッチ表面５と３次元ボタン２との間に間置された接着層６を用いて振動プレート４のタッチ表面５（図示した例においてはプレート４の上部面）上に固定された３次元ボタン２を利用した、本発明に係る制御デバイスの一実施形態の概略図を表わしている。

説明を簡略化するため、ダイヤル、ボタン、カーソル、または等価物のタイプのあらゆる３次元固定制御機構を網羅する「３Ｄボタン」なる用語で、３Ｄタッチインタフェース２を呼称するものとする。

圧電アクチュエータ３の制御信号には、３Ｄボタン２によってもたらされる剛性ならびに接着剤６の粘弾性挙動が考慮されなければならない。
接着剤６は、有意な減衰無く剛性のタッチ表面５の垂直方向移動を３Ｄボタンに伝達するような形でのその機械的特性のために選択される。

相容性ある接着とは、異なる材料の接着を可能にする両面接着テープまたは樹脂を用いて実現される接着である。
例えばそれは、ディスプレイおよびタッチセンサの異なる層を互いに結合させるためにタッチスクリーンにおいて見られる。
これらは典型的に、周囲温度で５０ＭＰａ～５ＧＰａのヤング係数を有する。
ただし、これは、例えばエポキシタイプの非常に剛性の高い接着剤でもあり得る。

本発明によると、３Ｄボタン２は、金属、ガラス、木材、硬質プラスチックまたは等価物など、Ａ０ラム波タイプの共振モードの確立と相容性のある剛性材料で製造されなければならない。

３Ｄボタン２の表面でのタッチ表面５の振動の知覚は、いかなる電子コンポーネント、電源、および可動素子も備わっていない完全に受動的なボタンについてさえ可能である。

しかしながら、３Ｄボタン上のユーザの指の動きが触覚フィードバックタッチ表面５によって検出され触覚表面（図示せず）に連結された機器の電子部品に伝達され得るためには、タッチ表面５が３Ｄボタン上の指の移動に結び付いた信号を検出できることが必要である。
この場合、３Ｄボタン２の上または中に、タッチ表面５に統合可能で、容量タッチセンサが容量変動を検出できる電線または電気トラックを配置することが有用であり得る。
この場合、全ては、触覚フィードバックタッチ表面５上にユーザが直接指を置いたかのように推移する。

本発明が追求する効果は、３Ｄボタンの特定の幾何形状によって制限されない。
図３では、技術的現状において知られている３Ｄボタンの通常の形態、すなわち平行６面体のバーの形をしたボタン２０、長手方向の二重カーソル２１、またはユーザがデバイスを見る必要さえ無くユーザの指を誘導できるようにする凹状シュートの形をしたカーソル２２、を再現する３Ｄボタンの３つの実施例が、平面図および側面図で表わされている。

本発明の利点
本発明は、定められた目的を満たすものである。

詳細には、本発明は、機械的可動部品を無くすことによって制御用ボタンの信頼性を高めることを可能にする。
本発明は、触覚フィードバック表面との関係において固定型であるものの、十分触知可能でインタラクティブな３Ｄ制御機構を、超音波潤滑による触覚フィードバック表面に具備することを可能にする。

本発明に係る制御デバイスは、同様に、新規のタッチインタフェースの構想を容易にすることができ、ユーザは、タッチ表面の所望される範囲内に３Ｄボタンを配置することができるようにタッチ表面をプログラミングするだけでよいことになる。

最後に、本発明に係る制御デバイスは、剛性の中実ボタンと接着剤の使用しか関与しないことから、極めて経済的に使用することができる。

１ 制御デバイス
２ ３次元タッチインタフェース
３ 電気機械式アクチュエータ
４ 振動プレート
５ タッチ表面
６ 接着剤
７ プレートの他方の面
２０ 固定カーソル
２１ 固定カーソル
２２ 固定カーソル

Claims (11)

1. タッチ表面（５）上に超音波潤滑効果を生成するような形で、制御用電子機器により制御される電気機械式アクチュエータ（３）によって超音波周波数で振動させることができ、かつタッチセンサを備えた前記タッチ表面（５）を有する振動プレート（４）を含む、触覚フィードバックを伴う制御デバイス（１）において、
   タッチ表面の振動モードに対する３次元タッチインタフェース（２）の影響を制限し、超音波潤滑効果の振動を前記タッチ表面（５）から３次元タッチインタフェース（２）を介してユーザの指へと伝達することを可能にするために、周囲温度および２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの振動周波数において５０ＭＰａ～５ＧＰａのヤング係数を有する接着剤によって前記タッチ表面（５）と一体化した固定された純粋に受動的な３次元タッチインタフェース（２）を含むことを特徴とする、制御デバイス（１）。
2. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、いかなる電子コンポーネントもいかなる可動素子も備わっていない受動素子であることを特徴とする、請求項１に記載の制御デバイス（１）。
3. 前記３次元タッチインタフェース（２；２０；２１；２２）が、木製、硬質プラスチック材料製または金属製であることを特徴とする、請求項１または２に記載の制御デバイス（１）。
4. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、硬質または軟質の接着剤（６）を用いてタッチ表面（５）上に固定されていることを特徴とする、請求項２または３に記載の制御デバイス（１）。
5. 前記接着剤（６）が、両面接着テープまたは接着性樹脂であることを特徴とする、請求項４に記載の制御デバイス（１）。
6. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、円筒形、円錐形または円錐台形の固定ボタンの形を呈していることを特徴とする、請求項１から５いずれか一つに記載の制御デバイス（１）。
7. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、平行六面体の固定カーソル（２０）の形を呈し、このカーソルに沿ってユーザの指が移動できることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一つに記載の制御デバイス（１）。
8. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、二重ガイドレールを有する固定カーソル（２１）の形を呈することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一つに記載の制御デバイス（１）。
9. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、凹状固定カーソル（２２）の形を呈し、このカーソルに沿って指が移動できることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一つに記載の制御デバイス（１）。
10. 前記電気機械アクチュエータ（３）が、２０ｋＨｚ～２００ｋＨｚの超音波周波数で制御される圧電セラミックで構成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一つに記載の制御デバイス（１）。
11. 前記３次元タッチインタフェース（２）が、ユーザの指と接触した際にその容量変動がタッチ表面（５）に統合された容量タッチセンサによって検出され得るような形で配置された電線または電気トラックを含むことを特徴とする、請求項３から１０のいずれか一つに記載の制御デバイス（１）。