WO2017061394A1 - 触覚呈示装置 - Google Patents

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vibration
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finger
squeeze film
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竹内　修一
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株式会社東海理化電機製作所
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    • G06F3/0446—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using a grid-like structure of electrodes in at least two directions, e.g. using row and column electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a tactile sense presentation device.
  • Patent Document 1 There is known an input device that generates a pressing feeling associated with a push operation by vibrating the touch panel when the load applied to the touch panel reaches a predetermined value and sliding the fingertip of the operator by a small amount (for example, Patent Document 1). reference.).
  • the operator can operate the input device while obtaining the same pressing feeling as when the push button switch is operated.
  • Patent Document 1 presents a feeling of pressing by abruptly reducing the pressing force component in the tangential direction (plane direction) orthogonal to the normal direction of the touch panel.
  • the operator may not feel a pressing feeling.
  • An object of the present invention is to provide a tactile sensation presentation apparatus that reliably presents an operational feeling (pressing feeling) of a push operation to an operator.
  • a tactile sensation presentation apparatus has an operation surface on which a push operation is performed, an operated member that is not substantially displaced by the push operation, a vibration applied to the operated member, and the operation surface and the operator. Measured by a vibration unit that generates a squeeze film between the operation finger and applies the levitation force in the normal direction of the operation surface to the operation finger, a measurement unit that measures the distance between the operation surface and the operation finger, and a measurement unit And a control unit that stops the vibration of the vibration unit when the distance reaches the first distance, controls the levitation force, and presents a tactile sensation of the push operation.
  • a tactile sense presentation device that reliably presents an operational feeling (pressing feeling) of a push operation to an operator.
  • FIG. 1A is an explanatory diagram illustrating an example of the inside of a vehicle in which the tactile sense presentation device according to the first embodiment is arranged.
  • FIG. 1B is a block diagram illustrating a configuration of the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a top view showing the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a side view showing the tactile sense presentation device.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating an example of a button group displayed on the display device.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating an example of a squeeze film generated by the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is an explanatory diagram illustrating an example of the inside of a vehicle in which the tactile sense presentation device according to the first embodiment is arranged.
  • FIG. 1B is a block diagram illustrating a configuration of the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a top view showing the tactile sensation presentation apparatus according to the
  • FIG. 4A is an explanatory diagram illustrating an example of the levitation force F 1 generated by the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 4B is an operator required during a push operation.
  • FIG. 4 (c) is an explanatory diagram showing an example of the timing of the vibration on and off.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the operation of the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 6A is an explanatory diagram illustrating an example of the levitation force F 1 generated by the tactile sense presentation device according to the second embodiment
  • FIG. 6B is an example of the operator's operation force F 2 .
  • FIG. 6C is an explanatory diagram showing an example of the on / off timing of vibration.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of the operation of the tactile sense presentation device according to the second embodiment.
  • the tactile sensation presentation apparatus has an operation surface on which a push operation is performed, an operated member that is not substantially displaced by the push operation, an operation surface that applies vibration to the operated member, and an operator's operation finger.
  • a vibration unit that generates a squeeze film between the operating surface and applies the levitation force in the normal direction of the operating surface to the operating finger, a measuring unit that measures the distance between the operating surface and the operating finger, and a distance measured by the measuring unit Is configured to include a control unit that stops the vibration of the vibration unit when the first distance is reached and controls the levitation force to present the tactile sensation of the push operation.
  • this tactile sensation presentation device controls the generation and disappearance of the levitation force acting on the operating finger to generate the operational feeling of the push operation, it is only necessary to control the vibration of the operated member as compared with the one without this configuration.
  • the operator can be presented with a feeling of push operation.
  • FIG. 1A is an explanatory diagram illustrating an example of the inside of a vehicle in which the haptic presentation device according to the first embodiment is arranged
  • FIG. 1B is a block diagram illustrating a configuration of the haptic presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a top view showing the tactile presentation device according to the first embodiment
  • FIG. 2B is a side view showing the tactile presentation device.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating an example of a button group displayed on the display device
  • FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating an example of a squeeze film generated by the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • the tactile sense presentation device 1 is mounted on a floor console 80 that extends between a driver seat and a passenger seat of the vehicle 8.
  • the tactile sense presentation device 1 is electromagnetically connected to an electronic device to be operated.
  • the operator operates a cursor or the like displayed on the display unit of the electronic device by operating the operation surface 100 exposed on the floor console 80.
  • the display device 85 disposed on the instrument panel 81 functions as a display unit of an electronic device, for example.
  • the tactile sense presentation device 1 has an operation surface 100 on which a push operation is performed, and an operation plate 11 as an operated member that is not substantially displaced by the push operation.
  • an operation plate 11 As a vibration part that applies vibration to the plate 11 to generate a squeeze film 140 between the operation surface 100 and the operator's operation finger 9 and to apply a levitation force F 1 in the normal direction of the operation surface 100 to the operation finger 9.
  • a capacitive touch sensor for detecting the approach and contact of the operation finger 9 is disposed on the operation plate 11.
  • This capacitive touch sensor is the electrostatic sheet 12 shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the measurement unit 13 measures the distance L based on the capacitance detected by the electrostatic sheet 12.
  • a touch pad 10 shown in FIGS. 1A and 1B includes an operation plate 11 and an electrostatic sheet 12.
  • the touch pad 10 includes the operation plate 11 and the electrostatic sheet 12 disposed on the back surface 101 of the operation plate 11.
  • the operation plate 11 is a rectangular plate.
  • the operation plate 11 is made of resin such as polycarbonate, glass, or the like.
  • the operation plate 11 is supported so as not to be substantially displaced with respect to the main body of the tactile sense presentation device 1 by a push operation and to vibrate by the piezoelectric actuator 14.
  • the electrostatic sheet 12 is arranged so that a plurality of electrodes are insulated and crossed on a film-like flexible substrate.
  • the electrostatic sheet 12 includes, for example, drive electrodes arranged at regular intervals in one direction and detection electrodes arranged at regular intervals in the intersecting other direction.
  • the electrostatic sheet 12 reads out the electrostatic capacitance generated between the operation finger 9 by combining all the drive electrodes and detection electrodes.
  • the electrostatic sheet 12 outputs to the control unit 15 of the electrostatic capacitance of one period detected as capacity information S 1.
  • the electrostatic sheet 12 detects the operation finger 9 that has approached and contacted the operation surface 100.
  • the operation surface 100 is the surface of the operation plate 11 directly above the electrostatic sheet 12.
  • the touch pad 10 may be configured as, for example, a resistive film type or infrared type touch pad, or may detect an operation by imaging the position of the operation finger 9 with a camera.
  • the measurement unit 13 measures the distance L from the operation surface 100 to the operation finger 9 based on the capacity information S 1 output from the touch pad 10.
  • the capacitance increases in inverse proportion to the distance L between the operation surface 100 and the operation finger 9. That is, the capacitance increases as the distance decreases.
  • the measurement unit 13 includes a distance table 130 in which, for example, the capacitance obtained by experiment or simulation is associated with the distance L.
  • the measurement unit 13 for example, obtains the distance L between average value of the maximum value and the electrostatic capacitance of the electrostatic capacity based on the capacity information S 1 acquired from the distance table 130.
  • the measurement unit 13 generates measurement information S 2 that is information on the obtained distance L and outputs the measurement information S 2 to the control unit 15.
  • the measurement unit 13 is not limited to the method of obtaining the distance L based on the capacitance, and may be a method of imaging the vicinity of the operation surface 100 and measuring the distance L.
  • the piezoelectric actuator 14 is disposed on the back surface 101 of the operation plate 11 and away from the electrostatic sheet 12 as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the piezoelectric actuator 14 is, for example, a monomorph type piezoelectric actuator including a metal plate and a piezoelectric element.
  • This monomorph type piezoelectric actuator is an actuator having a structure that bends with only one piezoelectric element.
  • a bimorph type piezoelectric actuator in which two piezoelectric elements are provided on both surfaces of a metal plate may be used.
  • Examples of the material for the piezoelectric element include lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead metaniobate, and polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the piezoelectric element is, for example, a stacked piezoelectric element formed by stacking films formed using these materials.
  • the piezoelectric actuator 14 applies vibration to the operation plate 11 based on the drive signal S 3 output from the control unit 15 to form the squeeze film 140 on the operation surface 100.
  • the piezoelectric actuator 14 vibrates ultrasonically at a frequency of 20 kHz or more.
  • membrane 140 is about several millimeters as an example.
  • the driving signal S 3 is, for example, a sine wave.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram illustrating an example of the levitation force F 1 generated by the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 4B is an operator required during a push operation.
  • FIG. 4 (c) is an explanatory diagram showing an example of the timing of the vibration on and off.
  • the vertical axis represents the buoyant force F 1.
  • the vertical axis represents the operating force F 2.
  • the horizontal axis represents the stroke S.
  • the stroke S is an operation surface from a reference position where the operator starts to feel the levitation force F 1 caused by the squeeze film 140, that is, starts to feel resistance to the operation finger 9 by the levitation force F 1 .
  • the distance is up to 100 and is determined in advance by experiments and simulations.
  • the stroke S corresponds to the stroke of the push button, the distance from the reference position to the operation surface 100. Accordingly, the origin in FIGS. 4A to 4C corresponds to the above-described reference position. Also, a distance L 0 shown in FIGS. 4A to 4C indicates that the operation finger 9 and the operation surface 100 are in contact with each other, that is, on the operation surface 100.
  • the control unit 15 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) that performs operations and processing on acquired data according to a stored program, a RAM (Random Access Memory) that is a semiconductor memory, a ROM (Read Only Memory), and the like. Microcomputer.
  • a program for operating the control unit 15, a floating threshold value 150, a touch threshold value 151, and distance information 152 are stored.
  • the RAM is used as a storage area for temporarily storing calculation results and the like.
  • the floating threshold value 150 is a threshold value for detecting the operation finger 9 existing at a position away from the operation surface 100.
  • the floating threshold 150 is set so as to detect the operating finger 9 that is close to the distance at which the levitation force F 1 by the squeeze film 140 can act.
  • Control unit 15 a floating threshold 150 or the capacitance is measured, the upper tactile display area detection point of the operation finger 9 detected based on the electrostatic capacitance based on the tactile presentation information S 5 to be described later If it is determined to be located is output to the piezoelectric actuator 14 generates a driving signal S 3, to produce a squeeze film 140.
  • the touch threshold value 151 is a threshold value for detecting the operation finger 9 that is in contact with and close to the operation surface 100.
  • Control unit 15 obtained by comparing the electrostatic capacitance touch threshold 151 obtained on the basis of the capacity information S 1, detection operation based on the touch threshold 151 or the capacitance is detected Calculate the coordinates of the point.
  • the coordinates of the detection points described above are coordinates in the orthogonal coordinate system set on the operation surface 100.
  • the detection points are calculated using, for example, a weighted average.
  • the distance information 152 is the first information of the distance L 1.
  • the first distance L 1 is, for example, a 10 [mu] m.
  • the control unit 15 acquires, for example, tactile presentation information S 5 from the connected electronic equipment. And the tactile presentation information S 5, as an example, the information such as the position of the button for tactile presentation.
  • the control unit 15 when an image imitating a push button is displayed on the display screen 850 of the display device 85, the image, based on the acquired tactile presentation information S 5 , That is, a tactile sensation presentation area that is an area of the button group 851 is determined.
  • the control unit 15 determines whether or not a push operation is performed based on the detection points calculated based on the capacitance information S 1 periodically acquired from the touch pad 10 and the tactile sensation presentation information S 5. Determine whether the button is used. For example, the control unit 15 determines whether or not a push operation is performed because the displayed image is a button image.
  • Control unit 15 if the push operation is performed, as shown in FIG. 4 (c), on the vibration to produce a squeeze film 140 is output to the piezoelectric actuator 14 that is, generates a drive signal S 3 .
  • the control unit 15 may be configured to always generate the squeeze film 140 in order to improve finger sliding on the operation surface 100.
  • the control unit 15 monitors whether the distance L based on the measurement information S 2 acquired from the measurement section 13 becomes the first distance L 1 based on the distance information 152, as shown in FIG. 4 (c), measured If distance L is the first distance L 1, stopped off, i.e. the output of the driving signal S 3 vibration.
  • Control unit 15 when the push operation is completed, and outputs operation information S 4 corresponding to made the push operation.
  • the control unit 15 of the tactile sense presentation device 1 monitors the presence of the operation finger 9 in the floating state by acquiring the capacity information S 1 from the touch pad 10 and comparing it with the floating threshold value 150. Control unit 15, "Yes” is established in step 1, that is, when the operation finger floating state is detected (Step1: Yes), above the tactile display area detected position is based on the tactile presentation information S 5 Check if it exists.
  • Step2 When the control unit 15 acquires the tactile presentation information S 5 on the detected position based is above the tactile display area (Step2: Yes), the operation is output to the piezoelectric actuator 14 generates a driving signal S 3 The plate 11 is vibrated to generate the squeeze film 140 (Step 3).
  • Control unit 15 monitors the distance L of the operation finger 9 based on the measurement information S 2 and distance information 152 obtained from the measurement section 13. Control unit 15, "Yes" is established in step 4, that is, when the distance L reaches the first distance L 1 (Step4: Yes), stops the output of the drive signal S 3 to stop the vibration. The squeeze film 140 rapidly decreases and disappears because the vibration of the operation plate 11 stops (Step 5).
  • Controller 15 ends the operation is output to the connected electronic device as operation information S 4 to calculate the coordinates of the detection points operating finger 9 is in contact based on the capacity information S 1 and the touch threshold value 151 (Step 6).
  • Step 2 when the position of the operation finger 9 in the floating state is not above the tactile sense presenting area (Step 2: No), the control unit 15 returns to Step 1 and confirms whether it is in the floating state again.
  • the tactile sense presentation device 1 can present the operational feeling of the push operation by controlling the levitation force that the squeeze film applies to the operation finger. Specifically, the tactile sensation presentation device 1 generates a feeling of push operation by controlling the generation and disappearance of the levitation force F 1 acting on the operation finger. The operator can be presented with a feeling of push operation only by controlling the vibration of 11.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that the squeeze film 140 is generated again at a second distance L 2 that is closer to the operation surface 100 than the first distance L 1 .
  • FIG. 6A is an explanatory diagram illustrating an example of the levitation force F 1 generated by the tactile sense presentation device according to the second embodiment
  • FIG. 6B is an example of the operator's operation force F 2
  • FIG. 6C is an explanatory diagram showing an example of the on / off timing of vibration.
  • the vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIGS.
  • parts having the same functions and configurations as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted.
  • Control unit 15 of the present embodiment the distance L from the operating surface 100 until the operation finger 9 reaches the first distance L 1 is stopped vibration of the piezoelectric actuator 14, the distance L is shorter than the first distance L 1 again applying vibration reaches the second distance L 2.
  • the distance information 152 of the present embodiment is information including information about the first distance L 1 and the second distance L 2.
  • the control unit 15 of the tactile sense presentation device 1 monitors the presence of the operation finger 9 in the floating state by acquiring the capacity information S 1 from the touch pad 10 and comparing it with the floating threshold value 150. Control unit 15, "Yes" is established in step 10, that is, when the operation finger 9 of the floating state is detected (Step10: Yes), the upper tactile presentation area detected position is based on the tactile presentation information S 5 Check if it is.
  • Step 11 When the control unit 15 acquires the tactile presentation information S 5 on the detected position based is above the tactile display area (Step11: Yes), the operation is output to the piezoelectric actuator 14 generates a driving signal S 3 The plate 11 is vibrated to generate the squeeze film 140 (Step 12).
  • Control unit 15 monitors the distance L of the operation finger 9 based on the measurement information S 2 and distance information 152 obtained from the measurement section 13. Control unit 15, "Yes" is established in step 13, that is, when the distance L reaches the first distance L 1 (Step13: Yes), stops the output of the drive signal S 3 to stop the vibration. The squeeze film 140 rapidly decreases and disappears because the vibration of the operation plate 11 stops (Step 14).
  • control unit 15 monitors whether the distance L reaches the second distance L2. Control unit 15, "Yes" is established in step 15, i.e. the distance when L reaches the second distance L 2 (Step 15: Yes), generates a drive signal S 3 to vibrate the piezoelectric actuator 14, again The squeeze film 140 is generated (Step 16).
  • Control unit 15 when the operating finger 9 is in contact with the operation surface 100, a drive signal S 3 is stopped, abolishes squeeze film 140 (Step 17).
  • Controller 15 ends the operation is output to the connected electronic device as operation information S 4 to calculate the coordinates of the detection points operating finger 9 is in contact based on the capacity information S 1 and the touch threshold value 151 (Step 18).
  • step 11 when the position of the operation finger 9 in the floating state is not above the tactile sense presenting area (Step 11: No), the control unit 15 returns to step 10 and confirms whether it is in the floating state again.
  • the piezoelectric actuator 14 of the above-mentioned embodiment was one, it is not limited to this, A plurality is arrange
  • the tactile sensation presentation apparatus 1 is, for example, partly based on a program executed by a computer, ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array), etc. It may be realized.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • FPGA Field Programmable Gate Array

Abstract

触覚呈示装置１は、プッシュ操作がなされる操作面１００を有し、プッシュ操作によって実質的に変位しない操作板１１と、操作板１１に振動を加えて操作面１００と操作者の操作指９との間にスクイーズ膜１４０を生成させて操作面１００の法線方向の浮揚力Ｆ１を操作指９に付加する圧電アクチュエータ１４と、操作面１００と操作指９との距離Ｌを測定する測定部１３と、測定部１３により測定された距離Ｌが第１の距離Ｌ１に到達すると圧電アクチュエータ１４の振動を停止させて浮揚力Ｆ１を制御してプッシュ操作の触覚を呈示する制御部１５と、を備えている。

Description

触覚呈示装置
本発明は、触覚呈示装置に関する。
タッチパネルに加わる荷重が所定値に達した時点でタッチパネルを振動させて操作者の指先を微少量滑らせることでプッシュ操作に伴う押圧感を生成する入力装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
操作者は、押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を得ながら入力装置を操作することができる。
特開２０１０－２８２６６５号公報
特許文献１に開示された入力装置は、タッチパネルの法線方向と直交する接線方向（平面方向）の押圧力成分を急激に減少させることで押下感を呈示するが、操作者のプッシュ操作において接線方向の押圧力成分が殆どない場合、つまりタッチパネルをほぼ垂直に押し下げる一般的なプッシュ操作を行った場合、操作者が押下感を感じることができない可能性がある。
本発明の目的は、プッシュ操作の操作感（押下感）を操作者に確実に呈示する触覚呈示装置を提供することにある。
本発明の一実施形態による触覚呈示装置は、プッシュ操作がなされる操作面を有し、プッシュ操作によって実質的に変位しない被操作部材と、被操作部材に振動を加えて操作面と操作者の操作指との間にスクイーズ膜を生成させて操作面の法線方向の浮揚力を操作指に付加する振動部と、操作面と操作指との距離を測定する測定部と、測定部により測定された距離が第１の距離に到達すると振動部の振動を停止させて浮揚力を制御してプッシュ操作の触覚を呈示する制御部と、を備える。
本発明の一実施形態によれば、プッシュ操作の操作感（押下感）を操作者に確実に呈示する触覚呈示装置を提供することができる。
図１Ａは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置が配置された車両内部の一例を示す説明図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置の構成を示すブロック図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置を示す上面図である。 図２Ｂは、触覚呈示装置を示す側面図である。 図３Ａは、表示装置に表示されるボタン群の一例を示す説明図である。 図３Ｂは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成されるスクイーズ膜の一例を示す説明図である。 図４（ａ）は、第１の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成される浮揚力Ｆ１の一例を示す説明図であり、図４（ｂ）は、プッシュ操作時に必要とされる操作者の操作力Ｆ２の一例を示す説明図であり、図４（ｃ）は、振動のオン・オフのタイミングの一例を示す説明図である。 図５は、第１の実施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。 図６（ａ）は、第２の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成される浮揚力Ｆ１の一例を示す説明図であり、図６（ｂ）は、操作者の操作力Ｆ２の一例を示す説明図であり、図６（ｃ）は、振動のオン・オフのタイミングの一例を示す説明図である。 図７は、第２の実施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。
（実施形態の要約）
実施形態に係る触覚呈示装置は、プッシュ操作がなされる操作面を有し、プッシュ操作によって実質的に変位しない被操作部材と、被操作部材に振動を加えて操作面と操作者の操作指との間にスクイーズ膜を生成させて操作面の法線方向の浮揚力を操作指に付加する振動部と、操作面と操作指との距離を測定する測定部と、測定部により測定された距離が第１の距離に到達すると振動部の振動を停止させて浮揚力を制御してプッシュ操作の触覚を呈示する制御部と、を備えて概略構成されている。
この触覚呈示装置は、操作指に作用する浮揚力の生成と消失を制御してプッシュ操作の操作感を生成するので、この構成を備えないものと比べて、被操作部材の振動の制御のみで操作者にプッシュ操作の操作感を呈示することができる。
[第１の実施形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１Ａは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置が配置された車両内部の一例を示す説明図であり、図１Ｂは第１の実施形態に係る触覚呈示装置の構成を示すブロック図である。図２Ａは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置を示す上面図であり、図２Ｂは、触覚呈示装置を示す側面図である。図３Ａは、表示装置に表示されるボタン群の一例を示す説明図であり、図３Ｂは、第１の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成されるスクイーズ膜の一例を示す説明図である。
なお、以下に記載する実施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１Ｂ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、図１Ａに示すように、車両８の運転席と助手席の間に伸びるフロアコンソール８０に搭載されている。触覚呈示装置１は、操作対象の電子機器と電磁気的に接続されている。操作者は、フロアコンソール８０に露出する操作面１００に対して操作を行うことにより、電子機器の表示部に表示されるカーソルなどを操作する。インストルメントパネル８１に配置された表示装置８５は、例えば、電子機器の表示部として機能する。
触覚呈示装置１は、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ及び３Ｂに示すように、プッシュ操作がなされる操作面１００を有し、プッシュ操作によって実質的に変位しない被操作部材としての操作板１１と、操作板１１に振動を加えて操作面１００と操作者の操作指９との間にスクイーズ膜１４０を生成させて操作面１００の法線方向の浮揚力Ｆ１を操作指９に付加する振動部としての圧電アクチュエータ１４と、操作面１００と操作指９との距離Ｌを測定する測定部１３と、測定部１３により測定された距離Ｌが第１の距離Ｌ１に到達すると圧電アクチュエータ１４の振動を停止させて浮揚力Ｆ１を制御してプッシュ操作の触覚を呈示する制御部１５と、を備えている。
この操作板１１には、操作指９の接近及び接触を検出する静電容量タッチセンサが配置されている。この静電容量タッチセンサは、図２Ａ及び２Ｂに示す静電シート１２である。測定部１３は、静電シート１２が検出した静電容量に基づいて距離Ｌを測定する。図１Ａ及び１Ｂに示すタッチパッド１０は、操作板１１と静電シート１２を備えている。
（タッチパッド１０の構成）
タッチパッド１０は、上述のように、操作板１１と、この操作板１１の裏面１０１に配置された静電シート１２と、を備えている。
操作板１１は、矩形状の板である。この操作板１１は、一例として、ポリカーボネートなどの樹脂やガラスなどによって形成されている。操作板１１は、プッシュ操作によって触覚呈示装置１の本体に対して実質的に変位しないように、かつ圧電アクチュエータ１４によって振動するように支持されている。
静電シート１２は、一例として、フィルム状のフレキシブル基板上に複数の電極が絶縁されて交差して配置されている。具体的には、静電シート１２は、例えば、一方向に等間隔で並べられた駆動電極と、交差する他方向に等間隔で並べられた検出電極と、を備えている。
静電シート１２は、全ての駆動電極及び検出電極を組み合わせて操作指９との間に生成される静電容量を読み出す。そして静電シート１２は、検出した１周期分の静電容量を容量情報Ｓ１として制御部１５に出力する。
静電シート１２は、操作面１００に接近及び接触した操作指９を検出する。この操作面１００は、静電シート１２の直上の操作板１１の表面である。
なおタッチパッド１０は、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式などのタッチパッドとして構成されても良いし、カメラで操作指９の位置を撮像して操作を検出するものであっても良い。
（測定部１３の構成）
測定部１３は、一例として、タッチパッド１０が出力した容量情報Ｓ１に基づいて操作面１００から操作指９までの距離Ｌを測定する。静電容量は、操作面１００と操作指９との距離Ｌに反比例して大きくなる。つまり静電容量は、距離が近づくほど大きくなる。
そこで測定部１３は、例えば、実験やシミュレーションによって求められた静電容量と距離Ｌとが関連付けられた距離テーブル１３０を有している。そして測定部１３は、例えば、取得した容量情報Ｓ１に基づいて静電容量の最大値や静電容量の平均値などと距離テーブル１３０から距離Ｌを求める。
測定部１３は、求めた距離Ｌの情報である測定情報Ｓ２を生成して制御部１５に出力する。
なお測定部１３は、静電容量に基づいて距離Ｌを求める方法に限定されず、操作面１００近傍を撮像して距離Ｌを計測する方法などであっても良い。
（圧電アクチュエータ１４の構成）
圧電アクチュエータ１４は、図２Ａ及び２Ｂに示すように、操作板１１の裏面１０１で、かつ静電シート１２から離れて配置されている。
この圧電アクチュエータ１４は、例えば、金属板と、圧電素子と、を備えたモノモルフ型の圧電アクチュエータである。このモノモルフ型圧電アクチュエータとは、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造のアクチュエータである。なお圧電アクチュエータ１４の変形例としては、２枚の圧電素子を金属板の両面に設けたバイモルフ型圧電アクチュエータであっても良い。
この圧電素子の材料としては、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。
圧電アクチュエータ１４は、制御部１５から出力される駆動信号Ｓ３に基づいて操作板１１に振動を付加して操作面１００上にスクイーズ膜１４０を形成する。圧電アクチュエータ１４は、一例として、２０ｋＨｚ以上の周波数で超音波振動する。またスクイーズ膜１４０の膜厚は、一例として、数ｍｍ程度である。この駆動信号Ｓ３は、例えば、サイン波である。
（制御部１５の構成）
図４（ａ）は、第１の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成される浮揚力Ｆ１の一例を示す説明図であり、図４（ｂ）は、プッシュ操作時に必要とされる操作者の操作力Ｆ２の一例を示す説明図であり、図４（ｃ）は、振動のオン・オフのタイミングの一例を示す説明図である。
図４（ａ）において、縦軸は浮揚力Ｆ１を表す。図４（ｂ）において、縦軸は操作力Ｆ２を表す。図４（ａ）～（ｃ）において、横軸はストロークＳを表す。ストロークＳは、一例として、図３Ｂに示すように、操作者がスクイーズ膜１４０に起因する浮揚力Ｆ１を感じ始める、つまり浮揚力Ｆ１によって操作指９に抵抗を感じ始める基準位置から操作面１００までの距離であり、実験やシミュレーションによって予め定められるものである。
ストロークＳは、基準位置から操作面１００までの距離を押しボタンのストロークに対応している。従って図４（ａ）～（ｃ）の原点は、上述の基準位置に対応している。また図４（ａ）～（ｃ）に示す距離Ｌ０は、操作指９と操作面１００とが接触している、つまり操作面１００上を示している。
制御部１５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１５が動作するためのプログラムと、フローティングしきい値１５０と、タッチしきい値１５１と、距離情報１５２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。
フローティングしきい値１５０は、操作面１００から離れた位置に存在する操作指９を検出するためのしきい値である。フローティングしきい値１５０は、一例として、スクイーズ膜１４０による浮揚力Ｆ１が作用し得る距離に接近した操作指９を検出するように設定される。
制御部１５は、フローティングしきい値１５０以上の静電容量が計測され、当該静電容量に基づいて検出された操作指９の検出点が後述する触覚呈示情報Ｓ５に基づく触覚呈示領域の上方に位置すると判断された場合には、駆動信号Ｓ３を生成して圧電アクチュエータ１４に出力し、スクイーズ膜１４０を生成させる。
タッチしきい値１５１は、操作面１００に接触及び近接する操作指９を検出するためのしきい値である。制御部１５は、取得した容量情報Ｓ１に基づいて得られた静電容量とタッチしきい値１５１とを比較し、タッチしきい値１５１以上の静電容量に基づいて操作が検出された検出点の座標を算出する。
上述の検出点の座標は、操作面１００に設定された直交座標系における座標である。検出点の算出は、一例として、加重平均などを用いて行われる。
距離情報１５２は、第１の距離Ｌ１の情報である。この第１の距離Ｌ１は、一例として、１０μｍである。
また制御部１５は、例えば、接続された電子機器から触覚呈示情報Ｓ５を取得する。この触覚呈示情報Ｓ５とは、一例として、触覚呈示するボタンの位置などの情報である。
制御部１５は、一例として、図３Ａに示すように、押しボタンを模した画像が表示装置８５の表示画面８５０に表示されている場合、取得した触覚呈示情報Ｓ５に基づいて、当該画像、つまりボタン群８５１の領域である触覚呈示領域を定める。
制御部１５は、タッチパッド１０から周期的に取得した容量情報Ｓ１によって算出した検出点と触覚呈示情報Ｓ５とに基づいてプッシュ操作がなされるのか否か、プッシュ操作がなされる場合、どのボタンになされるのかなどを判定する。なお制御部１５は、一例として、プッシュ操作がなされるか否かを表示されている画像がボタンの画像であることから判定する。
制御部１５は、プッシュ操作がなされるのであれば、図４（ｃ）に示すように、振動をオン、つまり駆動信号Ｓ３を生成して圧電アクチュエータ１４に出力してスクイーズ膜１４０を生成させる。なお変形例として、制御部１５は、操作面１００の指滑りを良くするため、常にスクイーズ膜１４０を生成するように構成されても良い。
そして制御部１５は、測定部１３から取得した測定情報Ｓ２に基づく距離Ｌが距離情報１５２に基づく第１の距離Ｌ１となるかを監視し、図４（ｃ）に示すように、測定された距離Ｌが第１の距離Ｌ１となると、振動をオフ、つまり駆動信号Ｓ３の出力を停止する。
スクイーズ膜１４０は、図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、駆動信号Ｓ３の停止により、第１の距離Ｌ１を過ぎて急激に減少して消失する。従って操作指９は、図４（ａ）に示すように、原点においてスクイーズ膜１４０から浮揚力Ｆ１を受け始め、振動が停止される第１の距離Ｌ１まで増加する浮揚力Ｆ１を受ける。
操作者は、この浮揚力Ｆ１を受けることから、図４（ｂ）に示すように、浮揚力Ｆ１に抗するため、操作力Ｆ２が第１の距離Ｌ１まで増加する。
そして操作者は、図４（ｂ）に示すように、第１の距離Ｌ１においてスクイーズ膜１４０からの影響がなくなってそれまでの操作力Ｆ２が必要なくなり、急激に操作力Ｆ２が小さくなる。この変化は、例えば、プッシュボタンのノブを押し下げてスイッチがオンする際の節度による操作感、弾性部材がドーム形状を有する場合、ドームが座屈する際の操作感を模したものとなる。
操作者がさらに操作指９を操作面１００に近づけると、図４（ｂ）に示すように、距離Ｌ０、つまり距離がゼロとなって操作指９が操作面１００に接触し、またさらに操作を続けると既に接触しているのでストロークが増えずに操作力Ｆ２が増加していく。
制御部１５は、プッシュ操作が終了すると、なされたプッシュ操作に応じた操作情報Ｓ４を出力する。
以下に、本実施形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図５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１５は、タッチパッド１０から容量情報Ｓ１を取得してフローティングしきい値１５０と比較することによってフローティング状態にある操作指９が存在するか監視する。制御部１５は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまりフローティング状態の操作指が検出された場合（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、検出された位置が触覚呈示情報Ｓ５に基づく触覚呈示領域の上方であるか確認する。
制御部１５は、取得した触覚呈示情報Ｓ５に基づいて検出された位置が触覚呈示領域の上方である場合（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ３を生成して圧電アクチュエータ１４に出力して操作板１１を振動させてスクイーズ膜１４０を生成させる（Ｓｔｅｐ３）。
制御部１５は、測定部１３から取得する測定情報Ｓ２と距離情報１５２に基づいて操作指９の距離Ｌを監視する。制御部１５は、ステップ４の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり当該距離Ｌが第１の距離Ｌ１に到達すると（Ｓｔｅｐ４：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ３の出力を停止して振動を停止させる。スクイーズ膜１４０は、操作板１１の振動が停止するので急激に減少し消失する（Ｓｔｅｐ５）。
制御部１５は、容量情報Ｓ１とタッチしきい値１５１とに基づいて操作指９が接触した検出点の座標を算出して操作情報Ｓ４として接続された電子機器に出力して動作を終了する（Ｓｔｅｐ６）。
ここでステップ２において制御部１５は、フローティング状態にある操作指９の位置が触覚呈示領域の上方でない場合（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、ステップ１に戻って再度フローティング状態にあるか確認する。
（第１の実施形態の効果）
本実施形態に係る触覚呈示装置１は、スクイーズ膜が操作指に与える浮揚力を制御してプッシュ操作の操作感を呈示することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、操作指に作用する浮揚力Ｆ１の生成と消失を制御してプッシュ操作の操作感を生成するので、この構成を備えないものと比べて、操作板１１の振動の制御のみで操作者にプッシュ操作の操作感を呈示することができる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の距離Ｌ１よりも操作面１００に近い第２の距離Ｌ２で再度スクイーズ膜１４０を生成する点で第１の実施形態と異なっている。
図６（ａ）は、第２の実施形態に係る触覚呈示装置によって生成される浮揚力Ｆ１の一例を示す説明図であり、図６（ｂ）は、操作者の操作力Ｆ２の一例を示す説明図であり、図６（ｃ）は、振動のオン・オフのタイミングの一例を示す説明図である。縦軸及び横軸は、図４（ａ）～（ｃ）と同じである。なお以下に記載する実施形態において、第１の実施形態と同じ機能及び構成を有する部分は、第１の実施形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
本実施形態の制御部１５は、操作面１００から操作指９までの距離Ｌが第１の距離Ｌ１に到達すると圧電アクチュエータ１４の振動を停止させ、距離Ｌが第１の距離Ｌ１より短い第２の距離Ｌ２に到達すると再び振動を加える。
第２の距離Ｌ２において操作板１１を振動させてスクイーズ膜１４０を生成させると、第１の距離Ｌ１で急激に操作力Ｆ２が減少した後、第２の距離Ｌ２において再び操作力Ｆ２が増加する。これは、図６（ａ）～（ｃ）に示すように、第２の距離Ｌ２から操作面１００に到達するまで振動がオンされて浮揚力Ｆ１が再び増加するからである。
ここで本実施形態の距離情報１５２は、第１の距離Ｌ１及び第２の距離Ｌ２についての情報を含んだ情報である。
以下に、本実施形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図７のフローチャートに従って説明する。
触覚呈示装置１の制御部１５は、タッチパッド１０から容量情報Ｓ１を取得してフローティングしきい値１５０と比較することによってフローティング状態にある操作指９が存在するか監視する。制御部１５は、ステップ１０の「Ｙｅｓ」が成立する、つまりフローティング状態の操作指９が検出された場合（Ｓｔｅｐ１０：Ｙｅｓ）、検出された位置が触覚呈示情報Ｓ５に基づく触覚呈示領域の上方であるか確認する。
制御部１５は、取得した触覚呈示情報Ｓ５に基づいて検出された位置が触覚呈示領域の上方である場合（Ｓｔｅｐ１１：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ３を生成して圧電アクチュエータ１４に出力して操作板１１を振動させてスクイーズ膜１４０を生成させる（Ｓｔｅｐ１２）。
制御部１５は、測定部１３から取得する測定情報Ｓ２と距離情報１５２に基づいて操作指９の距離Ｌを監視する。制御部１５は、ステップ１３の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり当該距離Ｌが第１の距離Ｌ１に到達すると（Ｓｔｅｐ１３：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ３の出力を停止して振動を停止させる。スクイーズ膜１４０は、操作板１１の振動が停止するので急激に減少し消失する（Ｓｔｅｐ１４）。
そして制御部１５は、距離Ｌが第２の距離Ｌ２に到達するか監視する。制御部１５は、ステップ１５の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり距離Ｌが第２の距離Ｌ２に到達すると（Ｓｔｅｐ１５：Ｙｅｓ）、駆動信号Ｓ３を生成して圧電アクチュエータ１４を振動させ、再びスクイーズ膜１４０を生成させる（Ｓｔｅｐ１６）。
制御部１５は、操作指９が操作面１００に接触すると、駆動信号Ｓ３を停止させて、スクイーズ膜１４０を消失させる（Ｓｔｅｐ１７）。
制御部１５は、容量情報Ｓ１とタッチしきい値１５１とに基づいて操作指９が接触した検出点の座標を算出して操作情報Ｓ４として接続された電子機器に出力して動作を終了する（Ｓｔｅｐ１８）。
ここでステップ１１において制御部１５は、フローティング状態にある操作指９の位置が触覚呈示領域の上方でない場合（Ｓｔｅｐ１１：Ｎｏ）、ステップ１０に戻って再度フローティング状態にあるか確認する。
（第２の実施形態の効果）
本実施形態の触覚呈示装置１は、操作指９が第１の距離Ｌ１に到達するとスクイーズ膜１４０を消失させ、第２の距離Ｌ２に到達すると再びスクイーズ膜１４０を生成して浮揚力Ｆ１を操作指９に付加するので、この構成を用いない場合と比べて、より押しボタンの操作感に近づく。
なお上述の実施形態の圧電アクチュエータ１４は、１つであったがこれに限定されず、第１の方向、及び第１の方向と交差する第２の方向に振動を付加するように複数配置されても良い。
上述の実施形態及び変形例に係る触覚呈示装置１は、例えば、用途に応じて、その一部が、コンピュータが実行するプログラム、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などによって実現されても良い。
以上、本発明のいくつかの実施形態及び変形例を説明したが、これらの実施形態及び変形例は、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
９　操作指
１０　タッチパッド
１１　操作板
１２　静電シート
１３　測定部
１４　圧電アクチュエータ（振動部）
１５　制御部
１００　操作面
１４０　スクイーズ膜

Claims (6)

  1. プッシュ操作がなされる操作面を有し、前記プッシュ操作によって実質的に変位しない被操作部材と、
    前記被操作部材に振動を加えて前記操作面と操作者の操作指との間にスクイーズ膜を生成させて前記操作面の法線方向の浮揚力を前記操作指に付加する振動部と、
    前記操作面と前記操作指との距離を測定する測定部と、
    前記測定部により測定された前記距離が第１の距離に到達すると前記振動部の振動を停止させて前記浮揚力を制御して前記プッシュ操作の触覚を呈示する制御部と、を備えた触覚呈示装置。
  2. 前記制御部は、前記距離が第１の距離に到達すると前記振動部の振動を停止させ、前記距離が前記第１の距離より短い第２の距離に到達すると再び振動を加える、請求項１に記載の触覚呈示装置。
  3. 前記被操作部材の前記操作面は、前記操作指の接近及び接触を検出する静電容量タッチセンサを含み、前記測定部は、前記静電容量タッチセンサが検出した静電容量に基づいて前記距離を測定する、請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
  4. 前記制御部は、前記距離が第１の距離に到達すると前記振動部の振動を停止させることにより、前記浮揚力を減少させるように前記スクイーズ膜を消失させる、請求項１～３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
  5. 前記制御部は、前記スクイーズ膜による前記浮揚力が作用し得る前記距離に前記操作指が接近した場合に前記スクイーズ膜を生成させる、請求項１～３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
  6. 前記制御部は、前記スクイーズ膜による前記浮揚力が作用し得る前記距離に前記操作指が接近し、かつ前記操作面の特定の領域上方に前記操作指が位置する場合に前記スクイーズ膜を生成させる、請求項５に記載の触覚呈示装置。
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