JPWO2015163151A1 - 触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

触覚提示装置（１０１）は、伸縮フィルム（２０）と、振動板（４０）と、及びタッチパネル（５０）とを備えている。平板状のタッチパネル（５０）には、キー配列に対応した位置に複数のタッチセンサ（８０）が設けられている。振動板（４０）は、振動板（４０）を正面視したとき、複数のタッチセンサ（８０）と重なる第１の領域と、複数のタッチセンサ（８０）と重ならない第２の領域とを有する。振動板（４０）の第１の領域内には、複数の開口部（８５）が設けられている。この構成では、ユーザがタッチ操作を行ったとき、タッチセンサ（８０）が開口部（８５）に押し込まれることによるキーストロークと伸縮フィルム（２０）の伸縮による振動板（４０）の振動とによって、ユーザは、十分なクリック感を得ることができる。

Description

本発明は、ユーザに振動を伝えることで触覚フィードバックを与える触覚提示装置に関する。

近年、ノート型パソコンなど電子機器の薄型化の要求にともなって、キーボードなどに設けられる複数のキースイッチについても薄型化が求められている。しかし、薄型化した複数のキースイッチでは、キーストロークの確保が困難となり、ユーザがクリック感を得られないという問題があった。

この問題を解決するために、例えば、特許文献１には、キーの底面部に弾性押圧部を設けたキースイッチ構造が提案されている。また、特許文献２には、凸状に形成された複数のキーと各キーを接合する接合部とを一体成形したキースイッチ構造が提案されている。

特開２０００−１３３０８３号公報 特開２０００−２０７９８７号公報

しかしながら、特許文献１のキースイッチ構造では、各キーの底面部に弾性押圧部を設ける必要があるため、キースイッチ構造が複雑になり、複数のキースイッチを備えるキーボードの製造コストが増大するという問題がある。

また、特許文献２のキースイッチ構造は、特許文献１のキースイッチ構造と比べて構造が簡単であるものの、薄型化していくにつれて、十分なキーストロークが確保できなくなっていく。そのため、特許文献２のキースイッチ構造では、所定限度を超えて薄型化した場合、ユーザが十分なクリック感を得られないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、ユーザが十分なクリック感を得ることができる薄型で簡単なキースイッチ構造を有する触覚提示装置を提供することにある。

この発明の触覚提示装置は、面方向に伸縮する伸縮フィルムと、曲げ応力が発生する状態で伸縮フィルムに固定された振動板と、タッチ操作を検出する複数のタッチ検出部を有し、振動板に装着されるタッチパネルと、複数のタッチ検出部の内の少なくとも１つがタッチ操作を検出したときに、伸縮フィルムに駆動信号を印加する駆動回路と、を備えていることを特徴とする。さらに、この発明の触覚提示装置では、振動板を正面視したときにタッチ検出部と重なる第１の領域の厚みは、振動板を正面視したときにタッチ検出部と重ならない第２の領域の厚みより薄いことを特徴とする。

この構成では、ユーザがタッチ操作によりタッチ検出部を押下したとき、振動板を正面視したときに第１の領域と重なるタッチ検出部が振動板側に押し込まれる。これにより、本発明の触覚提示装置は、キーストロークを確保できる。

さらに、この構成においてタッチ検出部は、ユーザがタッチ操作を行うと、ユーザがキーをタッチしたことを検出する。これにより、伸縮フィルムに駆動信号が駆動回路によって印加され、伸縮フィルムが伸縮する。振動板には曲げ応力が発生しているため、振動板は、伸縮フィルムの伸縮に対して効率的に振動する。

よって、この構成ではキースイッチ構造を薄型化した場合でも、タッチ検出部が振動板側に押し込まれることによるキーストロークと伸縮フィルムの伸縮による振動板の振動とによって、ユーザは、十分なクリック感を得ることができる。また、各タッチ検出部の底面部に弾性押圧部を設ける必要もないため、この構成のキースイッチ構造は簡単である。

したがって、本発明は、ユーザが十分なクリック感を得ることができる薄型で簡単なキースイッチ構造を有する触覚提示装置を提供できる。

また、振動板の第１の領域内には、開口部または凹部が設けられている態様が好ましい。

各タッチ検出部と重なる第１の領域に開口部または凹部を設けるだけであるため、この構成のキースイッチ構造は簡単である。

また、振動板の長手方向の両端部における反発力は、振動板の長手方向の中央部における反発力より強いため、本発明は、次の構成を備えることが好ましい。

すなわち、振動板は、平面視して矩形状の平板であり、伸縮フィルムに固定されていない振動板の長手方向の両端部と、両端部より内側に位置する中央部と、を有する。そして、両端部における第１の領域の面積は、中央部における第１の領域の面積より広い。

これにより、本発明は、振動板の長手方向の両端部における反発力と中央部における反発力とを均一化できる。

なお、振動板は、伸縮フィルムの主面に対して直交する方向に湾曲された状態で伸縮フィルムに固定されていることにより曲げ応力を発生させる態様であってもよい。

また、本発明の触覚提示装置は、少なくとも一方の主面に伸縮フィルムが装着された平板状のエキサイタフィルムを備え、振動板は、エキサイタフィルムが振動板に貼付されることにより、曲げ応力が発生する状態で伸縮フィルムに固定されている態様であってもよい。

この構成では、ユーザがタッチ操作を行うと、伸縮フィルムに駆動信号が印加され、伸縮フィルムが伸縮する。伸縮フィルムが伸縮すると、エキサイタフィルムが伸縮する。振動板は、エキサイタフィルムの伸縮により、主面に直交する方向に振動する。

この発明によれば、ユーザが十分なクリック感を得ることができる薄型で簡単なキースイッチ構造を有する触覚提示装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る触覚提示装置１０１の外観斜視図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の平面図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の背面図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の側面図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の部分拡大側面図である。 図２に示すＳ−Ｓ線の断面図である。 図６に示す複数のタッチセンサ８０の内の１つを拡大した断面図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の構成を示すブロック図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の動作説明図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の動作説明図である。 図１に示す触覚提示装置１０１の動作説明図である。 ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下する直前のタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板４０の断面図である。 ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したときのタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板４０の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る触覚提示装置２０１の側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る触覚提示装置において、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下する直前のタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板３４０の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る触覚提示装置において、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したときのタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板３４０の断面図である。

本発明の第１の実施形態に係る触覚提示装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る触覚提示装置１０１の外観斜視図である。図２は、図１に示す触覚提示装置１０１の平面図である。図３は、図１に示す触覚提示装置１０１の背面図であり、図４は、図１に示す触覚提示装置１０１の側面図である。

触覚提示装置１０１は、伸縮フィルム２０と、振動板４０と、及びタッチパネル５０とを備えている。触覚提示装置１０１は、いわゆるキーボードである。

平板状のタッチパネル５０には、ＴＡＢキーＴやＣＡＰＳ ＬＯＣＫキーＣやＳＨＩＦＴキーＳやＥＮＴＥＲキーＥ等のキー配列に対応した位置に、複数のタッチセンサ８０が設けられている。そして、タッチパネル５０は、平板状の振動板４０の一方の主面（正面）に装着されている。タッチパネル５０は、例えばアクリル樹脂ＰＭＭＡで構成されている。

ここで、タッチセンサ８０が本発明のタッチ検出部に相当する。タッチセンサ８０は、ユーザのタッチ操作を検出する機能であればどの様な方式であってもよく、メンブレン式、静電容量式、伸縮フィルム式、等の様々な方式を用いることができる。

振動板４０は、平板状の金属板で構成されている。振動板４０は、平面視して矩形状である。振動板４０は、他方の主面の（背面）において短手方向の両端が伸縮フィルム２０に固定されている。

振動板４０は、伸縮フィルム２０に固定されていない振動板４０の長手方向の両端部と、両端部より内側に位置する中央部と、を有する。振動板４０の長手方向の両端部は、振動板４０を正面視して、ＴＡＢキーＴやＣＡＰＳ ＬＯＣＫキーＣやＳＨＩＦＴキーＳやＥＮＴＥＲキーＥ等の長手方向の両端に位置する１１個のキーと重なっている。そのため、振動板４０の長手方向の両端部における第１の領域の面積は、振動板４０の長手方向の中央部における第１の領域の面積より広い。

図５は、図１に示す触覚提示装置１０１の部分拡大側面図である。伸縮フィルム２０は、平面視して矩形状のベースフィルム２００と、該ベースフィルム２００の対向する両主面に形成された電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂとを備える。

ベースフィルム２００は、圧電性樹脂であり、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いる。ＰＶＤＦは圧電性樹脂の中では比較的圧電性が大きいため好ましい。

また、ベースフィルム２００は、キラル高分子によって形成することもできる。特に、キラル高分子がポリ乳酸（ＰＬＡ）である場合、他の構成とともに透光性を有する材質とすることで、正面視した略全面が高い透光性を有する触覚提示装置を実現することができる。より好ましくは、ポリ乳酸がＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）であることが好ましい。

ベースフィルム２００がＰＬＬＡで構成される場合、図３に示すように、延伸方向に対して各外周辺が略４５°となるように裁断することで、矩形状を形成して、圧電性を持たせる。

電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂは、ベースフィルム２００の両主面の略全面に形成されている。電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂは、透光性が必要な使用形態の場合、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とすることが好ましい。

なお、電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂには、銀ナノワイヤ電極を用いることも可能であるし、透光性が低くてよい使用態様であれば、アルミ蒸着電極を用いることが好ましい。

電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂには、図示しない引き出し用の配線導体を介して後述の駆動回路８１に接続されており、駆動信号が当該配線導体を介して電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂへ印加されるようになっている。振動板４０側に配置される電極２１１Ａは、接着層６０を介して振動板４０に装着される。同様に、振動板４０側に配置される電極２１１Ｂも、不図示の接着層を介して振動板４０に装着される。

図６は、図２に示すＳ−Ｓ線の断面図である。図７は、図６に示す複数のタッチセンサ８０の内の１つを拡大した断面図である。

振動板４０は、振動板４０を正面視したとき、複数のタッチセンサ８０と重なる第１の領域と、複数のタッチセンサ８０と重ならない第２の領域とを有する。振動板４０の第１の領域内には、複数の開口部８５が設けられている。即ち、第１の領域の厚みは、第２の領域の厚みより薄い。振動板４０を正面視したときにおける各開口部８５の形状は、円形状である。

図８は、図１に示す触覚提示装置１０１の構成を示すブロック図である。図８に示すように、駆動回路８１は、触覚提示装置１０１に備えられ、複数のタッチセンサ８０に接続されている。

そのため、タッチパネル５０に設けられた複数のタッチセンサ８０の内の少なくとも１つをユーザがタッチすると、駆動回路８１が伸縮フィルム２０の電極２１１Ａおよび電極２１１Ｂに駆動信号を印加する。これにより伸縮フィルム２０が伸縮する。

図１および図４に戻り、振動板４０は、伸縮フィルム２０の存在する側（振動板４０の背面側）に対して反対側（振動板４０の正面側）に湾曲して突出する形状となるように、伸縮フィルム２０へ固定されている。

この構成により、振動板４０と伸縮フィルム２０との間には、中空領域１００が形成される。そして、この振動板４０のある側が触覚提示装置１０１の正面側となり、伸縮フィルム２０がある側が触覚提示装置１０１の背面側となる。

ただし、本実施形態において、振動板４０の湾曲状態は、説明のために誇張して記載しており、実際には、振動板４０の主面と伸縮フィルム２０の主面は、より平行に近く、中空領域１００は、できるだけ少ないほうが望ましい。

このように、振動板４０は、平板面が湾曲した状態で伸縮フィルム２０に固定されるため、図４の白抜き矢印Ｆ９０１のように、曲げ応力が加わった状態で伸縮フィルム２０に固定される。

また、伸縮フィルム２０には、図４の白抜き矢印Ｓ９０１に示すように、伸縮フィルム２０の主面における長手方向に引張力が係った状態となる。

図９〜図１１は、触覚提示装置１０１の動作説明図である。図９は、駆動信号により伸縮フィルム２０が縮んだタイミングでの状態を示す。図１０は、駆動信号が印加されていない、または駆動信号の振幅が０の状態を示す。図１１は、駆動信号により伸縮フィルム２０が伸びたタイミングでの状態を示す。

駆動回路８１が、伸縮フィルム２０に駆動信号を印加し、伸縮フィルム２０の第一方向の電界を印加すると、伸縮フィルム２０は、図９の矢印Ｓ９１１に示す方向に沿って収縮する。伸縮フィルム２０は、振動板４０の両固定端に装着されている。

そのため、伸縮フィルム２０の収縮にともなって振動板４０は、伸縮フィルム２０に固定されている箇所（短手方向の端部）から中央方向に引っ張られる。これにより、振動板４０は、図９の矢印Ｆ９１１に示すように、前方へより突出するように湾曲する。

一方、駆動回路８１が、伸縮フィルム２０に駆動信号を印加し、上記第一方向とは逆の第二方向の電界を印加すると、伸縮フィルム２０は、図１１の矢印Ｓ９１２に示す方向に沿って伸張する。伸縮フィルム２０は、振動板４０の両固定端に装着されている。

そのため、伸縮フィルム２０の伸張にともなって振動板４０は、中央方向から伸縮フィルム２０に固定されている箇所（短手方向の端部）に引っ張られる。これにより、振動板４０は、図１１の矢印Ｆ９１２に示すように、前方への突出量が低下した湾曲状態となる。

よって、振動板４０は、駆動信号の振幅に応じて、図１０の状態を基準に、図９の状態や図１１の状態に遷移して、正面方向および背面方向（振動板４０主面に直交する方向）に沿って振動する。これにより、駆動信号に応じた振動が振動板４０を介してタッチパネル５０に伝達され、タッチパネル５０をタッチしたユーザに伝達される。

したがって、ユーザは、タッチパネル５０に設けられた複数のタッチセンサ８０の内の少なくとも１つをタッチすると、振動がフィードバックされるため、キーを「押した」と感じることができる。

そして、振動板４０には、非動作状態で定常的な曲げ応力が与えられているため、伸縮フィルム２０の伸張時に振動板４０に与えられる力は、当該曲げ応力と同じ方向となる。したがって、触覚提示装置１０１は、振動板４０を効率的に振動させることができ、伸縮フィルムを用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる。また、モータ等による振動に比べると、触覚提示装置１０１を薄くすることができる。

なお、中空領域１００には、シリコーンゲル等の柔らかい樹脂を充填し、振動板４０が振動することにより生じる音を抑制することが望ましい。

図１２は、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下する直前のタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板４０の断面図である。図１３は、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したときのタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板４０の断面図である。

以上の構成では、ユーザがタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したとき、タッチセンサ８０が開口部８５に押し込まれる。これにより、触覚提示装置１０１は、キーストロークを確保できる。

さらに、この構成においてタッチセンサ８０は、ユーザがタッチ操作を行うと、ユーザがキーをタッチしたことを検出する。これにより、伸縮フィルム２０に駆動信号が駆動回路８１によって印加され、伸縮フィルム２０が伸縮する。振動板４０には曲げ応力が発生しているため、振動板４０は、伸縮フィルム２０の伸縮に対して効率的に振動する。

よって、この構成ではキースイッチ構造を薄型化した場合でも、タッチセンサ８０が開口部８５に押し込まれることによるキーストロークと伸縮フィルム２０の伸縮による振動板４０の振動とによって、ユーザは、十分なクリック感を得ることができる。また、各タッチセンサ８０の底面部に、特許文献１のような弾性押圧部を設ける必要もないため、この構成のキースイッチ構造は簡単である。

したがって、本実施形態によれば、ユーザが十分なクリック感を得ることができる薄型で簡単なキースイッチ構造を有する触覚提示装置１０１を提供できる。

また、前述したように、振動板４０の長手方向の両端部における第１の領域の面積は、振動板４０の長手方向の中央部における第１の領域の面積より広い。

よって、触覚提示装置１０１は、振動板４０の長手方向の両端部における反発力と中央部における反発力とを均一化できる。

なお、第１の領域の面積については適時設計することが出来る。振動の大きさ（面内ばらつき）はどのような形状のフィルムをどのように貼りつけるかによって変わってくる。その面内ばらつきに応じて第１の領域の面積を適時設計すればよい。

また、例えば比較的頻繁に押すキーの振動をその他のキーよりも強くするモノでも良い。伸縮フィルムに印加する電圧をキーごとに調整することなく第１の領域の面積を変えるだけでクリック感を調整することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る触覚提示装置２０１について説明する。

図１４は、本発明の第２の実施形態に係る触覚提示装置２０１の側面図である。本実施形態の触覚提示装置２０１が触覚提示装置１０１と相違する点は、少なくとも一方の主面に伸縮フィルム２２０が装着された平板状のエキサイタフィルム２３０と伸縮フィルム２０より面積の少ない伸縮フィルム２２０とを備える点である。その他の点については、同じであるため、説明を省略する。

触覚提示装置２０１では振動板４０は、エキサイタフィルム２３０が振動板４０に貼付されることにより、曲げ応力が発生する状態で伸縮フィルム２２０に固定されている。

そのため、触覚提示装置２０１では、ユーザがタッチ操作を行うと、伸縮フィルム２２０に駆動信号が印加され、伸縮フィルム２２０が伸縮する。伸縮フィルム２２０が伸縮すると、エキサイタフィルム２３０が伸縮する。

振動板４０は、エキサイタフィルム２３０の伸縮により、主面に直交する方向に振動する。振動板４０には、曲げ応力が発生しているため、伸縮フィルム２２０の伸縮に対して効率的に振動させることができる。よって、本実施形態の触覚提示装置２０１も、伸縮フィルム２２０を用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる。

したがって、本実施形態の触覚提示装置２０１は、前記触覚提示装置１０１と同様の効果を奏する。

次に、本発明の第３の実施形態に係る触覚提示装置について説明する。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係る触覚提示装置において、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下する直前のタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板３４０の断面図である。図１６は、本発明の第３の実施形態に係る触覚提示装置において、ユーザが指Ｆのタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したときのタッチセンサ８０、タッチパネル５０、及び振動板３４０の断面図である。

本実施形態の触覚提示装置が触覚提示装置１０１と相違する点は、振動板４０の第１の領域に複数の凹部３８５が設けられている点である。振動板４０を正面視したときにおける各凹部３８５の形状は、円形状である。その他の点については、同じであるため、説明を省略する。

そのため、本実施形態の触覚提示装置においても第１の領域の厚みは、第２の領域の厚みより薄い。

この構成では、ユーザがタッチ操作によりタッチセンサ８０を押下したとき、タッチセンサ８０が凹部３８５側に押し込まれる。これにより、本実施形態の触覚提示装置は、キーストロークを確保できる。

したがって、本実施形態の触覚提示装置は、前記触覚提示装置１０１と同様の効果を奏する。

なお、前記各実施形態において開口部８５や凹部３８５の形状は円形状であるが、これに限るものではない。実施の際は、開口部８５や凹部３８５の形状はその他の形状（例えば四角形）であってもよい。

また、第１の領域は空間でも良いし、キー操作を阻害しない程度の柔らかい材料（例えばシリコン樹脂やウレタン樹脂など）を充填してもよい。空間の場合は十分なストロークが得られるし、柔らかい材料充填の場合はキーボード不使用時にキーパッドがペコペコする（凹む）のを緩和することが出来る。

また、前記各実施形態において、伸縮フィルムは、例えば圧電フィルム、電歪フィルム、エレクトレットフィルム、圧電セラミック、圧電粒子を高分子に分散させたコンポジットフィルム、または電気活性高分子フィルム等で構成することができる。

ここで、電気活性高分子フィルムとは、電気的駆動によって応力を発生するフィルム、または電気的駆動によって変形して変位を発生するフィルムである。具体的には、電歪フィルム、コンポジット材料（圧電セラミックスを樹脂モールドした材料）、電気駆動型エラストマー、または液晶エラストマー等がある。

最後に、前記各実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｆ…指
２０…伸縮フィルム
４０…振動板
５０…タッチパネル
６０…接着層
８０…タッチセンサ
８１…駆動回路
８５…開口部
１００…中空領域
１０１…触覚提示装置
２００…ベースフィルム
２０１…触覚提示装置
２１１Ａ、２１１Ｂ…電極
２２０…伸縮フィルム
２３０…エキサイタフィルム
３８５…凹部

Claims (5)

1. 面方向に伸縮する伸縮フィルムと、
   曲げ応力が発生する状態で前記伸縮フィルムに固定された振動板と、
   タッチ操作を検出する複数のタッチ検出部を有し、前記振動板に装着されるタッチパネルと、
   前記複数のタッチ検出部の内の少なくとも１つがタッチ操作を検出したときに、前記伸縮フィルムに駆動信号を印加する駆動回路と、を備え、
   前記振動板を正面視したときに前記タッチ検出部と重なる第１の領域の厚みは、前記振動板を正面視したときに前記タッチ検出部と重ならない第２の領域の厚みより薄いことを特徴とする触覚提示装置。
2. 前記振動板の前記第１の領域内には、開口部または凹部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の触覚提示装置。
3. 前記振動板は、平面視して矩形状の平板であり、
   前記振動板は、前記伸縮フィルムに固定されていない前記振動板の長手方向の両端部と、前記両端部より内側に位置する中央部と、を有し、
   前記両端部における前記第１の領域の面積は、前記中央部における前記第１の領域の面積より広いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触覚提示装置。
4. 少なくとも一方の主面に前記伸縮フィルムが装着された平板状のエキサイタフィルムを備え、
   前記振動板は、前記エキサイタフィルムに貼付されることにより、曲げ応力が発生する状態で前記伸縮フィルムに固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の触覚提示装置。
5. 前記振動板は、前記伸縮フィルムの主面に対して直交する方向に湾曲された状態で前記伸縮フィルムに固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の触覚提示装置。

Images