JPWO2020044621A1 - 入力装置、制御方法及びプログラム - Google Patents

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Abstract

入力装置は、操作部と、操作部に触覚効果を付与するアクチュエータと、第１のタイミングで操作部に第１の振動を開始させ、第１のタイミング後の第２のタイミングで操作部に第２の振動を開始させることで、第１の振動及び第２の振動が重畳した重畳振動を操作部に行わせる制御信号をアクチュエータに供給する制御部と、を有する。制御部は、第１のタイミングと第２のタイミングとの間の制御時間を２種類以上に変更することで、重畳振動を２種類以上に変更する。

Description

本開示は、入力装置、制御方法及びプログラムに関する。
近年、タッチパッドのように操作面に触れることで入力操作が行うことができる入力装置が普及している。このような入力装置を操作したとき、操作者はスイッチ装置や可変抵抗器などを操作したときのような操作感触が得られない。そこで、操作されたときに操作面に振動を加えることで擬似的な操作感触が感じられる振動フィードバックを行うことができる入力装置が提案されている。
例えば、特許文献１には、複数の波形パターンに基づいて操作面を振動させることで、操作指に圧力を付加する触覚呈示装置が開示されている。
特開２０１７−１２９９１６号公報
しかしながら、特許文献１に記載の触覚呈示装置により呈示できる触覚は１種類に限定される。
本開示は、複数種類の触覚を呈示することができる入力装置、制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。
本開示によれば、入力装置は、操作部と、前記操作部に触覚効果を付与するアクチュエータと、第１のタイミングで前記操作部に第１の振動を開始させ、前記第１のタイミング後の第２のタイミングで前記操作部に第２の振動を開始させることで、前記第１の振動及び前記第２の振動が重畳した重畳振動を前記操作部に行わせる制御信号を前記アクチュエータに供給する制御部と、を有する。前記制御部は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間の制御時間を２種類以上に変更することで、前記重畳振動を２種類以上に変更する。
本開示によれば、複数種類の触覚を呈示することができる。
入力装置の参考例を示す模式図である。 入力装置の動作の第１の例を示すタイミングチャートである。 入力装置の動作の第２の例を示すタイミングチャートである。 タクタイルスイッチの振動特性を示す図（その１）である。 タクタイルスイッチの振動特性を示す図（その２）である。 実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図である。 実施形態に係る入力装置の構成を示す上面図である。 実施形態に係る入力装置の構成を示す断面図である。 任意のＸＹＺ座標系を示す図である。 ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。 加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係の一例を示す図である。 荷重の判断方法の一例における位置関係を示す図である。 荷重の判断方法の一例における線形補間を示す図である。 信号処理装置の構成を示す図である。 信号処理装置による処理の概要を示すフローチャートである。 可動ベースの傾斜を示す模式図である。 信号処理装置による触覚フィードバック時の処理の詳細を示すフローチャートである。
本発明者は、１つの入力装置で複数種類のタクタイルスイッチの操作感を再現すべく鋭意検討を行った。この結果、タクタイルスイッチを操作したときの操作感は、タクタイルスイッチが発する振動のうち振動力が最も大きな周期（以降、「最大振動周期」ということがある。）の振動時間に依存していることが判明した。従って、操作者に付与する振動の最大振動周期の振動時間を適切に制御することで、複数種類のタクタイルスイッチの操作感を再現することができる。
その一方で、バネ−質量系を含む入力装置では、バネ−質量系が固有の共振周波数で振動する。従って、最大振動周期の振動時間の制御は容易ではない。
ここで、参考例を参照しながら、入力装置における振動について説明する。
図１は、入力装置の参考例を示す模式図である。図２は、入力装置の動作の第１の例を示すタイミングチャートである。図３は、入力装置の動作の第２の例を示すタイミングチャートである。
参考例の入力装置１０では、図１に示すように、圧電アクチュエータ１２により駆動される可動部１１が弾性支持部１３により剛性の筐体１４内に支持されている。例えば、可動部１１はタッチパッド及び化粧パネル等を含む。可動部１１及び弾性支持部１３はバネ−質量系を構成する。また、圧電アクチュエータ１２には、時刻ｔ１１で立ち上がり、時刻ｔ１２で立ち下がる電圧が制御信号として印加される。
図２に示すように、圧電アクチュエータ１２に印加される電圧が立ち上がると（時刻ｔ１１）、可動部１１は圧電アクチュエータ１２により駆動されて、初期状態での位置ｐ０から位置ｐ１に移動すると共に、位置ｐ１を中立位置とする第１の振動ｖ１を開始する。第１の振動ｖ１の周波数は、弾性支持部１３のばね定数及び可動部１１の質量から求まるバネ−質量系の共振周波数ｆ０である。第１の振動ｖ１は、時間の経過と共に弱まっていく。
その後、圧電アクチュエータ１２に印加される電圧が立ち下がると（時刻ｔ１２）、可動部１１は、位置ｐ１から位置ｐ０に移動すると共に、位置ｐ０を中立位置とする第２の振動ｖ２を開始する。第２の振動ｖ２の周波数も共振周波数ｆ０であり、時間の経過と共に弱まっていく。
図２に示すように、第１の振動ｖ１の開始から収束までの時間が時刻ｔ１１と時刻ｔ１２との間の時間Δｔ１０より長い場合、第１の振動ｖ１及び第２の振動ｖ２は互いから独立したものとなる。
一方、第１の振動ｖ１の開始から収束までの時間が時間Δｔ１０より短い場合、第２の振動ｖ２が第１の振動ｖ１に干渉し、時刻ｔ１２以降では、可動部１１の振動は、第１の振動ｖ１及び第２の振動ｖ２が重畳した振動（重畳振動）となる。なお、本開示における「重畳振動」は、第２の振動ｖ２の開始後の重畳振動のみならず、第２の振動ｖ２の開始前の第１の振動ｖ１に大きさがゼロの第２の振動ｖ２が重畳した振動も含むものとする。従って、第２の振動ｖ２の開始前の時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間の振動は重畳振動の一部である。また、図２に示す第１の振動ｖ１及び第２の振動ｖ２が互いから独立した振動も重畳振動の一部である。
そして、特に、図３に示すように、時間Δｔ１０が、第１の振動ｖ１の周期の１／２以下であると、重畳振動ｖ１２の最初の周期は、第１の振動ｖ１の周期よりも短くなる。このことは、時間Δｔ１０の制御により、重畳振動ｖ１２の最初の周期の振動時間Δｔ２０を調整することができ、複数種類のタクタイルスイッチの操作感を再現することができることを意味する。
例えば、操作感を再現しようとする４種類のタクタイルスイッチの各々が、図４〜図５に示す振動特性を示すとする。図４（ａ）に振動特性を示すタクタイルスイッチＳＷ１の最大振動周期の振動時間はΔｔ１、図４（ｂ）に振動特性を示すタクタイルスイッチＳＷ２の最大振動周期の振動時間はΔｔ２、図５（ａ）に振動特性を示すタクタイルスイッチＳＷ３の最大振動周期の振動時間はΔｔ３、図５（ｂ）に振動特性を示すタクタイルスイッチＳＷ４の最大振動周期の振動時間はΔｔ４である。
これら４種類のタクタイルスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の操作感の再現のためには、圧電アクチュエータ１２における時間Δｔ１０を制御すればよい。すなわち、重畳振動ｖ１２の最初の周期の振動時間Δｔ２０が振動時間Δｔ１〜Δｔ４と同程度となるように時間Δｔ１０を制御することにより、入力装置１０はタクタイルスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の操作感を再現することができる。
また、ヒトの指の感触器官の最大感度は２５０Ｈｚ近傍にあり、ヒトは２５０Ｈｚ程度の振動を付与されると、シャープな操作感（クリック感）を感知しやすい。その一方で、ヒトは１００Ｈｚ程度の振動が付与されると、ソフトな操作感を感知し、１００Ｈｚより振動数が低くなるほど、操作感を感知しにくくなる。また、ヒトは５００Ｈｚ程度の振動を感知することもできる。従って、入力装置１０が発する重畳振動の最初の周期の振動数は、好ましくは１００Ｈｚ〜５００Ｈｚとし、より好ましくは２００Ｈｚ〜４００Ｈｚとする。
更に、重畳振動ｖ１２を通じて付与される操作感をバネ−質量系の振動から区別しやすくするために、バネ−質量系の振動は感知されにくいことが好ましい。従って、入力装置１０に含まれるバネ−質量系の振動の共振周波数は、好ましくは１００Ｈｚ以下であり、より好ましくは８０Ｈｚ以下である。そして、重畳振動ｖ１２の最初の周期の周波数は、バネ−質量系の共振周波数以上であることが好ましい。
また、入力装置１０が再現しようと操作感のうちで最もソフトな操作感を付与するための重畳振動ｖ１２の最初の周期の周波数をバネ−質量系の共振周波数と同等にしてもよい。この場合、バネ−質量系の共振周波数によって当該最もソフトな操作感を付与することができる。
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
本実施形態は、アクチュエータとして圧電アクチュエータを備えた入力装置に関する。図６は、実施形態に係る入力装置の構成を示す斜視図であり、図７は、実施形態に係る入力装置の構成を示す上面図であり、図８は、実施形態に係る入力装置の構成を示す断面図である。図８（ａ）は図７中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当し、図８（ｂ）は図７中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図に相当する。
図６〜図８に示すように、実施形態に係る入力装置１００は、固定ベース１１０、固定ベース１１０の縁上に固定されたベゼル１２０、及びベゼル１２０の内側の化粧パネル１５０を有する。化粧パネル１５０の固定ベース１１０側にタッチパッド１４０が設けられており、タッチパッド１４０の固定ベース１１０側に可動ベース１３０が設けられている。可動ベース１３０は、平面視でタッチパッド１４０及び化粧パネル１５０より広い平板部１３１、及び平板部１３１の縁から固定ベース１１０に向かって延びる壁部１３２を有する。固定ベース１１０は、平面視で中央に凸部１１１を有し、凸部１１１上にアクチュエータ１６０が設けられている。アクチュエータ１６０は、例えば圧電アクチュエータであり、凸部１１１及び平板部１３１に接触する。タッチパッド１４０はタッチパッド部の一例であり、可動ベース１３０はタッチパッド１４０を保持する保持部の一例であり、タッチパッド１４０及び可動ベース１３０が操作パネル部材に含まれる。操作パネル部材は操作部の一例であり、固定ベース１１０は支持部材の一例である。
壁部１３２と固定ベース１１０との間に、壁部１３２及び固定ベース１１０に接触する複数のラバー１９２が設けられている。ラバー１９２は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するように配置されている。例えば、ラバー１９２は、平面視でタッチパッド１４０の四隅の周囲に配置されている。
平板部１３１とベゼル１２０との間に、平板部１３１及びベゼル１２０に接触する複数のラバー１９１が設けられている。ラバー１９１は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するように配置されている。例えば、ラバー１９１は、平面視でラバー１９２と重なるようにして、タッチパッド１４０の四隅の周囲に配置されている。ラバー１９１及び１９２は弾性部材の一例である。
凸部１１１と平板部１３１との間に、凸部１１１及び平板部１３１に接触する複数のラバー１９３が設けられている。ラバー１９３は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成するようにアクチュエータ１６０の周囲に配置されている。例えば、ラバー１９３は、タッチパッド１４０の四辺の各々とアクチュエータ１６０との間（平面視でラバー１９１及びラバー１９２よりもタッチパッド１４０の中央側）に３か所ずつ配置されている。
例えば、ラバー１９３はラバー１９１及びラバー１９２よりも硬く、ラバー１９１及びラバー１９２は互いに同程度の硬さを有する。ラバー１９１及びラバー１９２は第１の弾性部材の一例であり、ラバー１９３は第２の弾性部材の一例である。弾性部材を介して平板部１３１が支持されるので、タッチパッド１４０の入力操作面は傾斜可能である。
また、固定ベース１１０上に複数の反射型のフォトインタラプタ１７１、１７２、１７３及び１７４が設けられている。フォトインタラプタ１７１〜１７４は、その上方にある可動ベース１３０の平板部１３１の点１７１Ａ〜１７４Ａに光を照射し、平板部１３１により反射された光を受光して、平板部１３１の光が照射された部分までの距離を検出することができる。例えば、フォトインタラプタ１７１〜１７４は、平面視でタッチパッド１４０の四隅の内側に配置されている。従って、フォトインタラプタ１７１〜１７４は、平面視で少なくとも一つの三角形を構成する。フォトインタラプタ１７１〜１７４は第１〜第４のセンサ（フォトセンサ）の一例であり、第１〜第４のセンサ（フォトセンサ）は検知部の一例であり、固定ベース１１０のフォトインタラプタ１７１〜１７４が設けられた面１１２は基準面の一例である。基準面は操作パネル部材（可動ベース１３０等）から離間している。本実施形態では、基準面をＸ軸及びＹ軸を含む基準平面、基準面に垂直な方向をＺ軸方向（第１の方向）とする。
更に、固定ベース１１０上に信号処理装置１８０が設けられている。信号処理装置１８０は、後述の処理により、タッチパッド１４０の操作に応じて、アクチュエータ１６０を駆動させてユーザへの触覚フィードバックを行う。信号処理装置１８０は、例えば半導体チップである。本実施形態では信号処理装置１８０が固定ベース１１０上に設けられているが、信号処理装置１８０が設けられる場所は限定されず、例えばタッチパッド１４０と可動ベース１３０との間等に設けられていてもよい。信号処理装置１８０は制御部の一例である。
このように構成された入力装置１００の動作の一例では、タッチパッド１４０が操作されると、その操作位置及び操作荷重に応じてアクチュエータ１６０がタッチパッド１４０の入力操作面に垂直の方向に振動する。ユーザは、入力操作面に振動を感じることで、入力装置１００等に設けられる表示装置を視認せずとも、入力装置１００に対して行った操作がどのように反映されたかを認識することができる。例えば、入力装置１００が自動車の各種スイッチ用にセンターコンソールに設けられる場合、運転手は入力装置１００に視線を移さずとも自身が行った操作がどのように反映されたかをアクチュエータ１６０の振動から認識することができる。なお、アクチュエータ１６０は、上記の例に限らず、任意の方向の振動を発生させる構成であってもよい。
次に、本実施形態における、タッチパッド１４０に加えられた荷重の検出処理の基本的原理について説明する。本実施形態では、各フォトインタラプタ１７１〜１７４により検出される平板部１３１までの距離及びタッチパッド１４０により検出される操作位置の座標から平板部１３１についての平面の方程式、つまり点１７１Ａ〜１７４Ａを含む平面の方程式を求め、操作位置での変位量を求める。
ここで、平面の方程式について説明する。図９は、任意のＸＹＺ座標系を示す図である。ＸＹＺ座標系に３つの点ａ（ｘａ，ｙａ，ｚａ）、点ｂ（ｘｂ，ｙｂ，ｚｂ）、点ｃ（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ）があるとする。この場合、ベクトルａｃ（以下、「Ｖａｃ」と表記することがある。）の成分（ｘ１，ｙ１，ｚ１）は（ｘｃ−ｘａ，ｙｃ−ｙａ，ｚｃ−ｚａ）であり、ベクトルａｂ（以下、「Ｖａｂ」と表記することがある。）の成分（ｘ２，ｙ２，ｚ２）は（ｘｂ−ｘａ，ｙｂ−ｙａ，ｚｂ−ｚａ）である。従って、これらの外積（Ｖａｃ×Ｖａｂ）は（ｙ１ｚ２−ｚ１ｙ２，ｚ１ｘ２−ｘ１ｚ２，ｘ１ｙ２−ｙ１ｘ２）である。この外積は点ａ、点ｂ及び点ｃを含む平面の法線ベクトルに相当する。このため、（ｙ１ｚ２−ｚ１ｙ２，ｚ１ｘ２−ｘ１ｚ２，ｘ１ｙ２−ｙ１ｘ２）を（ｐ，ｑ，ｒ）と表すと、点ａ、点ｂ及び点ｃを含む平面の方程式は、次の式（１）で表される。
ｐ（ｘ−ｘａ）＋ｑ（ｙ−ｙａ）＋ｒ（ｚ−ｚａ）＝０ ・・・（１）
式（１）は一般式であるが、ＸＹＺ座標系として点ａのＸ座標及びＹ座標が０の直交座標系を用いることで、簡略化することができる。図１０は、ＸＹＺ直交座標系における位置関係を示す図である。図１０に示すように、このＸＹＺ直交座標系では、平面２００に４つの点ａ（０，０，ｚａ）、点ｂ（ｘｂ，０，ｚｂ）、点ｃ（０，ｙｃ，ｚｃ）、点ｄ（ｘｂ，ｙｃ，ｚｄ）があるとする。これらのうち、例えば、点ａ、点ｂ、点ｃの座標について下記の関係が成り立つ。
Ｖａｃ＝（０，ｙｃ，ｚｃ−ｚａ）＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）
Ｖａｂ＝（ｘｂ，０，ｚｂ−ｚａ）＝（ｘ２，ｙ２，ｚ２）
Ｖａｃ×Ｖａｂ＝（ｙｃ（ｚｂ−ｚａ），（ｚｃ−ｚａ）ｘｂ，−ｙｃｘｂ）＝（ｐ，ｑ，ｒ）
このため、第１の点ａ、第２の点ｂ及び第３の点ｃを含む平面２００の方程式は、次の式（２）で表される。
ｙｃ（ｚｂ−ｚａ）ｘ＋（ｚｃ−ｚａ）ｘｂｙ−ｙｃｘｂ（ｚ−ｚａ）＝０ ・・・（２）
そして、式（２）は次の式（３）のように表すことができる。
ｚ＝（ｚｂ−ｚａ）ｘ／ｘｂ＋（ｚｃ−ｚａ）ｙ／ｙｃ＋ｚａ ・・・（３）
従って、任意の平面２００内の３点のＺ座標を第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサによって特定し、平面２００内の操作位置のＸ座標及びＹ座標をタッチパッドで特定できれば、当該操作位置のＺ座標を特定することができる。そして、操作前後でのＺ座標の変化から当該操作位置でのＺ軸方向での変位量を取得することができる。
本実施形態では、タッチパッド１４０の操作位置のＸ座標及びＹ座標はタッチパッド１４０により検出できる。従って、図１０中の点ｅに接触があった場合、点ｅのＸ座標（ｘ）及びＹ座標（ｙ）はタッチパッド１４０の出力から取得することができる。また、第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサとして点ａ、点ｂ及び点ｃに対応するようにフォトインタラプタを配置し、点ｂのＸ座標（ｘｂ）及び点ｃのＹ座標（ｙｃ）を予め取得しておけば、フォトインタラプタの出力から平板部１３１までの距離を検出して各点のＺ座標（ｚａ、ｚｂ及びｚｃ）を取得し、式（３）から点ｅのＺ座標（ｚ）を取得することができる。
すなわち、初期状態で、タッチパッド１４０の平面２００と、点ａ、点ｂ及び点ｃに対応するように配置された３個のフォトインタラプタを含む平面とが平行である場合に、タッチパッド１４０が押圧されて平板部１３１及びタッチパッド１４０が傾斜した後の点ｅの座標を取得することができる。従って、押圧前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を取得することができる。初期状態で平面２００と３個のフォトインタラプタを含む平面とが平行でない場合でも、同様の計算により押圧前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を取得することができる。
更に、操作前後での点ｅのＺ軸方向の変位量を用いることで、点ｅに加えられた荷重が所定の基準値超になっているか判断し、この判断結果に基づいて触覚フィードバックの制御を行うこともできる。すなわち、予め平面２００内の複数の位置にて加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係を求めておき、上記の方法で取得したＺ軸方向の変位量が、荷重の基準値に相当する閾値超になっているか判断し、触覚フィードバックの制御を行う。図１１は、加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係の一例を示す図である。
ここでは、図１１（ａ）に示すように、格子状に配置された９個の測定点２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９で、図１１（ｂ）に示すように、０ｇｆ（０Ｎ）、１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）、８５８ｇｆ（８．４Ｎ）の荷重での操作が行われるとする。また、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）を基準値とし、４５８ｇｆ（４．５Ｎ）超の荷重が加えられたときに触覚フィードバックを行うこととする。なお、可動ベース１３０の下にアクチュエータ１６０等が設けられているため、測定点によって変位量が相違する。
測定点２０１〜２０９が操作された場合は、図１１に示す関係から荷重が基準値超であるか否かを判断することができる。つまり、式（３）から算出されたＺ軸方向の変位量が、図１１（ｂ）中の４５８ｇｆ（４．５Ｎ）の変位量超であれば、荷重が基準値超であると判断できる。例えば、測定点２０１が操作された場合は、０．１５ｍｍが変位量の閾値となり、変位量が０．１５ｍｍ超であれば、荷重が触覚フィードバックを生じさせる基準値に達していると判断することができる。
また、測定点２０１〜２０９からずれた位置が操作された場合は、その周辺の測定点における変位量の閾値を用いて、荷重が基準値に達しているかを判断することができる。図１２及び図１３は、荷重の判断方法の一例を示す図である。図１２に示すように、ここでは、測定点２０１、２０２、２０４及び２０５がなす四角形の内側の点２１０が操作されたとする。この場合、図１３（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ２つの測定点２０２及び測定点２０５の間で、点２１０とＹ座標が同一の点２２５における変位量の閾値を、測定点２０２及び測定点２０５における各閾値から線形補間により算出する。同様に、図１３（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ２つの測定点２０１及び測定点２０４の間で、点２１０とＹ座標が同一の点２１４における変位量の閾値を、測定点２０１及び測定点２０４における各閾値から線形補間により算出する。そして、図１３（ｃ）に示すように、点２２５及び点２１４の各閾値から点２１０における閾値を線形補間により算出する。その一方で、点２１０におけるＺ軸方向の変位量は、上記の式（３）から算出することができる。従って、これらを比較することで、測定点２０１〜２０９からずれた位置の点２１０に加えられた荷重が基準値に達しているか否かを判断することができる。
信号処理装置１８０は、上記のような荷重の検出処理の基本的原理に基づいて、タッチパッド１４０の操作位置に加えられた荷重が触覚フィードバックを生じさせる基準値に達しているか判断し、その結果に応じてアクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを生じさせる。図１４は、信号処理装置１８０の構成を示す図である。
信号処理装置１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８３及び補助記憶部１８４を備える。ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３及び補助記憶部１８４は、いわゆるコンピュータを構成する。信号処理装置１８０の各部は、バス１８５を介して相互に接続されている。
ＣＰＵ１８１は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラム（例えば、荷重判定プログラム）を実行する。
ＲＯＭ１８２は不揮発性の主記憶デバイスである。ＲＯＭ１８２は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムを、ＣＰＵ１８１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する。具体的には、ＲＯＭ１８２は、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラムなどを格納する。
ＲＡＭ１８３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性の主記憶デバイスである。ＲＡＭ１８３は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行される際に展開される作業領域として機能する。
補助記憶部１８４は、ＣＰＵ１８１により実行される各種プログラム及び各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行されることで生成される各種データを格納する補助記憶デバイスである。
信号処理装置１８０は、このようなハードウェア構成を備えており、次のような処理を行う。図１５は、信号処理装置１８０による処理の概要を示すフローチャートである。
先ず、信号処理装置１８０はタッチパッド１４０を検出する（ステップＳ１）。そして、タッチパッド１４０に指が接触したか否かを判断し（ステップＳ２）、指が接触していない場合には、フォトインタラプタ１７１〜１７４のドリフトをキャンセルする（ステップＳ３）。
一方、タッチパッド１４０に指が接触したと判断した場合は、フォトインタラプタ１７１〜１７４の各々から検出信号を取得する（ステップＳ４）。例えば、フォトインタラプタ１７１〜１７４の出力信号がアナログ信号である場合、デジタル信号への変換後の信号を取得する。
次いで、フォトインタラプタ１７１〜１７４の各検出信号から、平板部１３１のこれらによる検出位置でのＺ軸方向の変位量Ｚ１〜Ｚ４を計算する（ステップＳ５）。
その後、４つのフォトインタラプタ１７１〜１７４のうちの３つが構成する複数の三角形のうちから、１つの三角形を代表三角形として決定する（ステップＳ６）。例えば、代表三角形としては、タッチパッド１４０の操作位置を内側に含む三角形を用いることが好ましい。すなわち、図１０において点ｅが触れられている場合であれば、三角形ａｃｄ又は三角形ａｃｂを用いることが好ましい。操作位置とフォトインタラプタ１７１〜１７４との間の距離が小さいほど高い精度が得られるためである。
続いて、タッチパッド１４０の操作位置におけるＺ軸方向の変位量Ｚを算出する（ステップＳ７）。すなわち、式（３）を用いて、ステップＳ６で決定した代表三角形をなす３つのフォトインタラプタの検出信号から計算したＺ軸方向の変位量、並びにタッチパッド１４０により検出された操作位置のＸ座標及びＹ座標から、操作位置でのＺ軸方向の変位量Ｚを算出する。
また、図１１に示す例のような、加えられた荷重とＺ軸方向の変位量との関係を予め求め、これをＲＯＭ１８２に記憶させておき、これを読み出して、操作位置でのＺ軸方向の閾値（オン閾値）Ｚｔｈを算出する（ステップＳ８）。
そして、変位量Ｚがオン閾値Ｚｔｈ超であるか判断し（ステップＳ９）、オン閾値Ｚｔｈ超であれば、加えられた荷重が基準値超であるとして、アクチュエータ１６０を駆動して触覚フィードバックを実施する（ステップＳ１０）。
本実施形態に係る入力装置１００は、このようにして、触覚フィードバックを実施する。フォトインタラプタ１７１〜１７４は平板部１３１の点１７１Ａ〜１７４ＡのＺ座標を高精度で検出でき、また、タッチパッド１４０は操作位置のＸ座標及びＹ座標を高精度で検出することができる。従って、上記の処理によれば、操作位置のＺ座標も高精度で検出することができる。従って、例えばオン閾値Ｚｔｈを数十μｍ程度と小さな値としても、高精度で触覚フィードバックのオン／オフの判断を行うことができる。
なお、アクチュエータ１６０の周辺に設けられるラバー１９３は、可動ベース１３０の縁の近傍に設けられるラバー１９１及びラバー１９２よりも硬いことが好ましい。ラバー１９１及びラバー１９２は、固定ベース１１０とベゼル１２０との間で可動ベース１３０を、アクチュエータ１６０の駆動により振動可能な程度に支持する。ラバー１９１及びラバー１９２の硬さが高すぎると、アクチュエータ１６０が駆動してもユーザに振動を伝えにくい。一方、操作に応じて可動ベース１３０が傾斜しやすいほどフォトインタラプタ１７１〜１７４によるＺ軸方向の変位量Ｚ１〜Ｚ４が大きくなりやすく、誤差が小さくなりやすい。また、ラバー１９３が硬いほど、ユーザへの反発力が大きくなる。従って、ラバー１９３はラバー１９１及びラバー１９２より硬いことが好ましい。
図１６は、可動ベースの傾斜を示す模式図である。図１６に示すように、可動ベース１３０及びタッチパッド１４０を含む操作パネル部材３０２の縁部に、ラバー１９１及びラバー１９２に相当するラバー３０３が配置され、中心部にラバー１９３に相当するラバー３０４が配置されているとする。この場合、操作パネル部材３０２の縁部近傍が指３０１で押圧されると、その近傍のラバー３０３が大きく圧縮される一方で、ラバー３０４はほとんど圧縮されない。また、他方のラバー３０３については、操作パネル部材３０２がラバー３０３から上方に持ち上がる。従って、両ラバー３０３の近傍において操作パネル部材３０２の変位量が大きなものとなる。一方、ラバー３０４の硬さがラバー３０３の硬さと同程度であれば、すべてのラバー３０３及びラバー３０４が圧縮され、その差は小さなものとなる。従って、両ラバー３０３の近傍における操作パネル部材３０２の変位量は比較的小さなものとなる。なお、入力装置１００においては、アクチュエータ１６０も図１６中のラバー３０４の一部として傾斜の支点として機能し得る。
また、上記の処理では、１つの代表三角形を特定し、操作位置での変位量を算出し、この変位量に基づく判断を行っているが、２つ以上の代表三角形を特定し、各代表三角形について変位量（第１変位量、第２変位量、等）を算出し、これら変位量の平均値を求め、この平均値に基づく判断を行ってもよい。このような処理によれば、より精度の高い判断を行うことができる。
また、フォトインタラプタ１７１〜１７４は平板部１３１に接触しないため、操作に伴うタッチパッド１４０の移動に影響を及ぼさない。フォトインタラプタ１７１〜１７４に代えて静電センサ等の非接触の位置検出センサを用いてもよい。また、検知部として、接触型の感圧センサ等を用いてもよい。
次に、触覚フィードバック（ステップＳ１０）における信号処理装置１８０の動作について説明する。本実施形態に係る入力装置１００は、以下に示すように、入力モードに応じて、図４に振動特性を示す２種類のタクタイルスイッチの操作感の再現するように構成されている。後述の制御時間のデータは、例えばＲＯＭ１８２に予め記憶させておくことができる。図１７は、信号処理装置１８０による触覚フィードバック時の処理の詳細を示すフローチャートである。
入力モードは、例えば、入力装置１００の用途に依存する。例えば、入力装置１００が自動車のセンターコンソールに設けられる場合、入力装置１００を通じて、自動運転の設定の操作が行われたり、空調機器の操作が行われたり、オーディオ機器の操作が行われたり、ナビゲーション装置の操作が行われたりする。ここでは、入力モードとして、自動運転の設定操作モード、及び空調機器の操作モードの２種類の入力モードが設けられているとする。入力モードは、これらの車内の操作に応じて設定することができる。また、入力モードは、自動車の車種に応じて設定することもできる。例えば、セダンタイプの車種とスポーツタイプの車種とで入力モードを相違させることができる。
信号処理装置１８０は、第１の制御信号及び第２の制御信号をアクチュエータ１６０に供給する。第１の制御信号は、タクタイルスイッチＳＷ１の操作感を付与するためのものであり、第２の制御信号は、タクタイルスイッチＳＷ２の操作感を付与するためのものである。
触覚フィードバック（ステップＳ１０）の際に、信号処理装置１８０は、まず、入力モードが、タクタイルスイッチＳＷ１の操作感を付与する入力モードであるか否かを判断する（ステップＳ１１）。タクタイルスイッチＳＷ１の操作感を付与する入力モードであれば、ステップＳ１２に進み、そうでなければ、タクタイルスイッチＳＷ２の操作感を付与する入力モードであるとして、ステップＳ１５に進む。例えば、タクタイルスイッチＳＷ１の操作感を付与する入力モードは空調機器の操作モードであり、タクタイルスイッチＳＷ２の操作感を付与する入力モードは自動運転の設定操作モードである。
ステップＳ１２にて、信号処理装置１８０は、アクチュエータ１６０に印加する制御電圧を立ち上げる。この結果、アクチュエータ１６０が駆動され、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０が第１の方向に移動し、第１の振動を開始する。
信号処理装置１８０は、ステップＳ１２で制御信号を立ち上げた第１のタイミングから予め設定された制御時間Δｔ１０１だけ時間が経過した第２のタイミングで（ステップＳ１３）、アクチュエータ１６０に印加する制御電圧を立ち下げる（ステップＳ１４）。この結果、アクチュエータ１６０の状態が初期状態に遷移し、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０が第１の方向とは逆方向に移動し、この状態遷移に伴う第２の振動を開始する。そして、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０は、第１の振動及び第２の振動が重畳した重畳振動を開始する。なお、制御時間Δｔ１０１は、重畳振動の最初の周期の振動時間が振動時間Δｔ１（図４（ａ）参照）と一致するように設定されている。例えば、制御時間Δｔ１０１は、第１の振動の周期の１／２以下である。なお、第２の振動は、第１の振動を収束させる向きの振動である。
一方、ステップＳ１５にて、信号処理装置１８０は、アクチュエータ１６０に印加する制御電圧を立ち上げる。この結果、アクチュエータ１６０が駆動され、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０が第１の方向に移動し、第１の振動を開始する。
信号処理装置１８０は、ステップＳ１５で制御信号を立ち上げた第１のタイミングから予め設定された制御時間Δｔ１０２だけ時間が経過した第２のタイミングで（ステップＳ１６）、アクチュエータ１６０に印加する制御電圧を立ち下げる（ステップＳ１７）。この結果、アクチュエータ１６０の状態が初期状態に遷移し、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０が第１の方向とは逆方向に移動し、この状態遷移に伴う第２の振動を開始する。そして、可動ベース１３０、タッチパッド１４０及び化粧パネル１５０は、第１の振動及び第２の振動が重畳した重畳振動を開始する。なお、制御時間Δｔ１０２は、制御時間Δｔ１０１とは相違し、重畳振動の最初の周期の振動時間が時間Δｔ２（図４（ｂ）参照）と一致するように設定されている。例えば、制御時間Δ１０２は、第１の振動の周期の１／２以下である。また、第２の振動は、第１の振動を収束させる向きの振動である。
信号処理装置１８０は、触覚フィードバック（ステップＳ１０）の際にこのような動作を行う。従って、入力装置１００は、入力モードに応じて、タクタイルスイッチＳＷ１又はＳＷ２の操作感を再現した触覚を操作者に付与することができる。
なお、本開示において入力装置が付与する操作感の種類は上記実施形態の２つに限定されず、３つ以上であってもよい。つまり、第１の振動を開始させる第１のタイミングから第２の振動を開始させる第２のタイミングまでの制御時間が３種以上であってもよい。
アクチュエータは圧電アクチュエータに限定されず、磁気アクチュエータであってもよい。例えば、磁気アクチュエータが用いられる場合は、電圧の立ち上げに代えて電流の供給を開始することで第１の振動を開始させることができ、電圧の立ち下げに代えて電流の供給を停止することで第２の振動を開始させることができる。
操作部は、タッチパッド１４０のような操作パネル部材に限定されず、操作面を有する押ボタンであってもよい。
本開示の入力装置は、特に自動車のセンターコンソールに設けられる入力装置に好適である。自動車の運転手は進行方向から視線を逸らすことなく、自身が行った入力操作がどのようなものであったかを入力装置からの触覚フィードバックにより確認することができる。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
本国際出願は、２０１８年８月２９日に出願した日本国特許出願第２０１８−１６０７５０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
１１０ 固定ベース
１２０ ベゼル
１３０ 可動ベース
１４０ タッチパッド
１５０ 化粧パネル
１６０ アクチュエータ
１７１〜１７４ フォトインタラプタ
１８０ 信号処理装置
１９１〜１９３ ラバー
ｖ１ 第１の振動
ｖ２ 第２の振動
ｖ１２ 重畳振動
Δｔ２０ 制御時間

Claims (20)

  1. 操作部と、
    前記操作部に触覚効果を付与するアクチュエータと、
    第１のタイミングで前記操作部に第１の振動を開始させ、前記第１のタイミング後の第２のタイミングで前記操作部に第２の振動を開始させることで、前記第１の振動及び前記第２の振動が重畳した重畳振動を前記操作部に行わせる制御信号を前記アクチュエータに供給する制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間の制御時間を２種類以上に変更することで、前記重畳振動を２種類以上に変更することを特徴とする入力装置。
  2. 前記第２の振動は、前記第１の振動を収束させる向きの振動であることを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
  3. 前記操作部及び前記アクチュエータの質量を支え、バネ−質量系を形成する弾性部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の入力装置。
  4. 前記重畳振動の最初の周期の周波数は、前記バネ−質量系の共振周波数以上であることを特徴とする請求項３に記載の入力装置。
  5. 前記操作部への押圧操作を検知する検知部を有し、
    前記制御部は、前記検知部による押圧操作の検知に応答して前記制御信号を前記アクチュエータに供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の入力装置。
  6. 前記アクチュエータは前記操作部を前記押圧操作の方向と実質的に平行な方向に前記操作部を振動させることを特徴とする請求項５に記載の入力装置。
  7. 前記重畳振動の最初の周期の周波数は、１００Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の入力装置。
  8. ２種類以上の前記制御時間のうちの１種類以上は、前記第１の振動の周期の１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の入力装置。
  9. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータであり、
    前記制御部は、前記圧電アクチュエータに印加する電圧を立ち上げて前記第１の振動を開始させ、前記電圧を立ち下げて前記第２の振動を開始させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の入力装置。
  10. 前記アクチュエータは磁気アクチュエータであり、
    前記制御部は、前記磁気アクチュエータへの電流の供給を開始して前記第１の振動を開始させ、前記電流の供給を停止して前記第２の振動を開始させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の入力装置。
  11. 前記操作部は、入力操作面を有し、当該入力操作面内の操作位置の座標を検出する操作パネル部材を備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の入力装置。
  12. 前記制御部は、前記操作位置の座標に応じて前記制御時間を選択することを特徴とする請求項１１に記載の入力装置。
  13. 前記操作パネル部材から離間した基準面内に配置され、それぞれが前記操作パネル部材との間の距離を検出する第１のセンサ、第２のセンサ及び第３のセンサを有し、
    前記制御部は、前記操作パネル部材、前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサからの信号を処理し、
    前記操作パネル部材は、前記操作位置に加えられた荷重に応じて前記基準面に対して傾斜可能であり、
    前記制御部は、前記操作パネル部材が検出した前記入力操作面内の前記操作位置の座標並びに前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサが検出したそれぞれの距離から前記操作位置における前記操作パネル部材の操作前後での変位量を算出することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の入力装置。
  14. 前記第１のセンサは前記操作パネル部材の第１の点との間の距離を検出し、
    前記第２のセンサは前記操作パネル部材の第２の点との間の距離を検出し、
    前記第３のセンサは前記操作パネル部材の第３の点との間の距離を検出し、
    前記制御部は、前記第１の点、前記第２の点及び前記第３の点を含む平面を特定し、前記操作パネル部材が検出した前記入力操作面内の前記操作位置の座標に対応する前記平面内の座標を特定することを特徴とする請求項１３に記載の入力装置。
  15. 前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサが検出する距離の方向は、前記基準面に垂直な第１の方向であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の入力装置。
  16. 前記操作パネル部材は、
    タッチパッド部と、
    前記タッチパッド部を保持する保持部と、
    を有し、
    前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサは前記保持部との間の距離を検出することを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の入力装置。
  17. 前記第１のセンサ、前記第２のセンサ及び前記第３のセンサはフォトセンサであることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の入力装置。
  18. 前記制御部は、入力モードに応じて前記制御時間を選択することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の入力装置。
  19. 操作部と、前記操作部に触覚効果を付与するアクチュエータと、を有する入力装置の制御方法であって、
    第１のタイミングで前記操作部に第１の振動を開始させ、前記第１のタイミング後の第２のタイミングで前記操作部に第２の振動を開始させることで、前記第１の振動及び前記第２の振動が重畳した重畳振動を前記操作部に行わせる制御信号を前記アクチュエータに供給する工程を有し、
    前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間の制御時間を２種類以上に変更することで、前記重畳振動を２種類以上に変更することを特徴とする制御方法。
  20. コンピュータに、操作部と、前記操作部に触覚効果を付与するアクチュエータと、を有する入力装置の制御を実行させるプログラムであって、
    コンピュータに、
    第１のタイミングで前記操作部に第１の振動を開始させ、前記第１のタイミング後の第２のタイミングで前記操作部に第２の振動を開始させることで、前記第１の振動及び前記第２の振動が重畳した重畳振動を前記操作部に行わせる制御信号を前記アクチュエータに供給するステップを実行させ、
    前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間の制御時間を２種類以上に変更することで、前記重畳振動を２種類以上に変更するプログラム。
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