WO2018151041A1 - 触覚呈示装置 - Google Patents

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WO2018151041A1
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actuator
presentation device
piezoelectric element
region
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Inventor
治彦 橋本
Original Assignee
株式会社東海理化電機製作所
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means

Definitions

  • the present invention relates to a tactile sense presentation device.
  • a tactile transmission device comprising: an input unit; a plurality of vibration units provided in the input unit; and a control unit that vibrates a part of the plurality of vibration units according to the pressed input position. It is known (for example, refer to Patent Document 1).
  • This tactile sensation transmission device uses a piezoelectric element as a vibration part, and is configured to detect a load applied to the input part by the piezoelectric element.
  • tactile transmission devices for example, there is a device in which a load is directly applied to the piezoelectric element by a pusher provided in the input unit, and an unexpected excessive load is applied to the input unit.
  • the piezoelectric element may be damaged.
  • An object of the present invention is to provide a tactile sensation presentation apparatus that can suppress the breakage of a piezoelectric element when an unexpected load is applied.
  • a tactile sensation presentation apparatus is disposed so as to face an operation unit having an operation surface, a piezoelectric element that detects a load applied to the operation surface, and the operation unit, and is integrated with the piezoelectric element.
  • An actuator having a metal shim and a main body having a recess that allows the piezoelectric element to enter and allow the actuator to bend.
  • FIG. 1A is a top view showing the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment.
  • 1B is a cross-sectional view of the cross section taken along line I (b) -I (b) in FIG. 1A as viewed from the direction of the arrow.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram illustrating an actuator of the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a side view showing the actuator of the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2C is a block diagram illustrating the tactile sensation providing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2D is an explanatory diagram illustrating a database included in the tactile sense presentation device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the tactile sensation presentation apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 4B is a top view showing the metal shim of the tactile sense presentation device according to the second embodiment.
  • FIG. 4C is a side view showing a modification of the metal shim according to the second embodiment.
  • a tactile sensation presentation apparatus includes an operation unit having an operation surface, a piezoelectric element that detects a load applied to the operation surface, and a metal shim that is disposed to face the operation unit and is integrated with the piezoelectric element. And a main body having a recess into which the piezoelectric element enters and allows the actuator to bend.
  • the operation unit and the piezoelectric element do not directly contact each other, and therefore, when an unexpected load is applied compared to the case where the operation unit or the pusher provided on the operation unit directly contacts the piezoelectric element. In addition, damage to the piezoelectric element can be suppressed.
  • FIG. 1A is a top view showing the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line I (b) -I (b) of FIG.
  • FIG. 2A is an explanatory view showing an actuator of the tactile presentation device according to the first embodiment
  • FIG. 2B is a side view showing an example of the actuator of the tactile presentation device according to the first embodiment
  • FIG. 2C is a block diagram of the tactile sensation presentation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 2D is an explanatory diagram illustrating a database included in the haptic presentation apparatus according to the first embodiment. Note that, in each drawing according to the embodiment described below, the ratio between figures may be different from the actual ratio.
  • main signals and information flows are indicated by arrows.
  • the tactile sense presentation device 1 is arranged, for example, on the steering of a vehicle, and is configured to operate an electronic device mounted on the vehicle.
  • the tactile sense presentation device 1 is a small operation device that is operated by an operation finger such as a thumb while holding a steering wheel.
  • positioning of the tactile sense presentation apparatus 1 is not limited to this, For example, you may arrange
  • the tactile sense presentation device 1 faces the operation unit 2 having the operation surface 200, the piezoelectric element 40 that detects a load applied to the operation surface 200, and the operation unit 2. And a body 10 having a recess 12 that allows the piezoelectric element 40 to enter and allow the actuator 4 to bend.
  • the actuator 4 is configured to detect a load and add vibration to the operation surface 200.
  • the tactile sense presentation device 1 further detects the touch sensor 3 as a detection unit that detects the position of the operation finger that has touched the operation surface 200 and a reference load for each of a plurality of regions defined on the operation surface 200.
  • load force threshold determined for each region based on the load, and a drive signal S 3 of each region for driving the actuator 4, based on the load threshold for operation finger is detected region It drives the actuator 4 by a drive signal S 3 corresponding to the region as well as determining the operating Te and a control unit 8 for presenting tactile feedback, the by.
  • the tactile sense presentation device 1 is configured to detect a load applied to the operation unit 2 and present tactile feedback by vibration.
  • the operation surface 200 is, for example, the surface of the operation unit 2 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the operation surface 200 is defined by a central region (central region 27) and a plurality of regions (upper region 23 to right region 26) located across the central region.
  • the definition of the area of the operation surface 200 is not limited to this, and can be arbitrarily set according to the specification of the tactile sense presentation device 1.
  • the tactile presentation device 1 can instruct the movement of the cursor displayed on the display device, for example, the operator moves the cursor upward by pressing the upper area 23, and moves the cursor downward by pressing the lower area 24. It is possible to move in the left direction by pushing the direction and the left region 25, and in the right direction by pushing the right region 26. For example, when the operator presses the central area 27 while selecting a desired icon or the like with the cursor, execution of the function of the selected icon is determined.
  • the tactile sense presenting apparatus 1 presents tactile feedback imitating a click feeling when a button is pushed.
  • the tactile feedback is not limited to this, and may be a tactile sense indicating that an operation has been accepted.
  • the operation unit 2 includes, for example, a touch sensor 3 and a base 20. Moreover, the operation part 2 has the presser 5 between the actuators 4, as shown to FIG. 1B, for example.
  • the load applied to the operation unit 2 acts on the piezoelectric element 40 via the pusher 5 and the metal shim 41.
  • the vibration generated by the actuator 4 is transmitted to the operation unit 2 through the metal shim 41 and the pusher 5.
  • the touch sensor 3 is bonded to the base 20.
  • the base 20 is formed in a disk shape using a resin, and the operation surface 200 which is the surface thereof is formed with arrows and characters in the vertical and horizontal directions by printing, laser, or the like. Yes.
  • the base 20 is formed of a transparent resin in which a light-blocking region that blocks light and a light-transmitting region that transmits light are formed on the surface, and a substrate having a light emitting unit is disposed between the touch sensor 3 May be.
  • the transmissive area is illuminated.
  • the operation unit 2 is not limited to a circular shape or a symmetric shape in a top view, and may have another shape.
  • the touch sensor 3 includes a substrate 30 and an electrode unit 31.
  • the touch sensor 3 has a disk shape according to the shape of the operation unit 2.
  • the substrate 30 is, for example, a rigid substrate.
  • the electrode portion 31 of the touch sensor 3 is attached to the front surface 30a side of the substrate 30, and the presser 5 is attached to the back surface 30b side.
  • the touch sensor 3 is, for example, a capacitive touch sensor.
  • the touch sensor 3 is configured to output a detection signals S 1 to determine whether the operation to any region on the region 23 to the central region 27 defined at least on the operation surface 200 a finger is in contact ing.
  • the electrode unit 31 of the touch sensor 3 includes, for example, detection electrodes having shapes corresponding to the shapes of the upper region 23 to the central region 27.
  • the touch sensor 3 is configured to output a detection signals S 1 a signal of the electrostatic capacitance detected for each area to the control unit 8.
  • the touch sensor 3 includes a plurality of drive electrodes and a plurality of detection electrodes that intersect and are insulated from the drive electrodes, and the capacitance detected by all combinations of the drive electrodes and the detection electrodes. it may be configured to output to the control unit 8 as a detection signal S 1.
  • the control unit 8 is, for example, determines an area from coordinates the operation finger is detected in the coordinate system set on the operating face 200 on the basis of the detection signal S 1.
  • the upper area 23 is an area surrounded by a dotted line around an upward arrow on the paper surface of FIG. 1A.
  • the lower region 24 is a region surrounded by a dotted line around a downward arrow.
  • the left region 25 is a region surrounded by a dotted line around the left-pointing arrow.
  • the right area 26 is an area surrounded by a dotted line around a right-pointing arrow.
  • the central area 27 is an area surrounded by a dotted circle at the center of the operation unit 2.
  • a circle surrounded by dotted lines having a wider interval than the other dotted lines indicates the outer shape of the actuator 4.
  • the above-described pusher 5 is formed in a cylindrical shape by, for example, resin or metal, and transmits the load of the operation unit 2 to the metal shim 41 of the actuator 4. Note that the pusher 5 may have a hemispherical shape at the end contacting the metal shim 41.
  • the actuator 4 is a unimorph type piezoelectric actuator provided with a piezoelectric element 40 and a metal shim 41 as shown in FIG. 1B, for example.
  • the actuator 4 is attached to an attachment portion 14 formed in the main body 10.
  • the attachment portion 14 has a shape into which the metal shim 41 of the actuator 4 is fitted.
  • the mounting portion 14 is formed with a recess 12 that allows the actuator 4 to bend due to the load applied to the operation surface 200 and the vibration applied to the operation surface 200.
  • the recess 12 is formed on the bottom surface of the mounting portion 14.
  • the piezoelectric element 40 is located inside the recess 12.
  • the piezoelectric element 40 has a disk shape, and is configured by sandwiching a piezoelectric body 401 between a first electrode 400 and a second electrode 402.
  • the material of the piezoelectric body 401 include lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead metaniobate, and polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the piezoelectric body 401 is a stacked piezoelectric body formed by stacking films formed using these materials, for example.
  • the piezoelectric body is configured to be polarized in the thickness direction so that the piezoelectric constant is d33, and the output is increased with respect to deformation in the thickness direction.
  • the piezoelectric body 401 is easily broken by deformation due to an excessive load. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 1B, the pusher 5 to which the load of the operation unit 2 is transmitted does not directly contact the piezoelectric element 40.
  • the first electrode 400 is electrically connected to the control unit 8 through the metal shim 41 and the wiring.
  • the second electrode 402 is electrically connected to the control unit 8 through a wiring.
  • the metal shim 41 has a disk shape with a radius larger than that of the piezoelectric element 40.
  • the metal shim 41 is formed of, for example, conductive phosphor bronze or stainless steel.
  • the control unit 8 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) that performs operations and processes 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.
  • ROM Random Access Memory
  • a program for operating the control unit 8 and a database 80 are stored.
  • the RAM is used as a storage area for temporarily storing calculation results and the like.
  • the control unit 8 has a means for generating a clock signal therein, and operates based on the clock signal.
  • the control unit 8 is configured to convert the load the load signals S 2 output from the actuator 4.
  • Database 80 for example, as shown in FIG. 2D, a load threshold and the driving waveform of each area, and a touch threshold Th 10.
  • the load threshold Th 1 to the load threshold Th 5 are thresholds determined based on the load detected by the actuator 4 as a result of adding a reference load for each region. Specifically, the load threshold Th 1 of the upper region 23 is determined based on the load detected when the reference load is added to the upper region 23. Similarly, the load threshold Th 2 to the load threshold Th 5 of the lower region 24 to the central region 27 are determined based on the load detected when the reference load is applied to each of the lower region 24 to the central region 27. It is done.
  • the drive waveforms Wa 1 to Wa 5 are information regarding the drive signal S 3 for each region.
  • the drive waveform Wa 1 is a waveform determined so that the operator can fully recognize the haptic feedback by changing the amplitude, the frequency, and the like based on the haptic feedback generated by the drive signal S 3 having the reference waveform. is there.
  • the driving waveforms Wa 2 to Wa 5 are each changed in amplitude, frequency, etc. based on the haptic feedback generated by the driving signal S 3 having the reference waveform, so that the operator can fully recognize the haptic feedback. It is a waveform determined so as to be able to.
  • control unit 8 may store the driving signal S 3 of each area in the database 80.
  • the control unit 8 may store the drive waveform or drive signal for each region as a function in the database 80.
  • the touch threshold Th 10 is a threshold for determining contact with the touch sensor 3.
  • Control unit 8 determines a region where the touch threshold Th 10 or more electrostatic capacitance is detected on the basis of the detection signals S 1 to be input.
  • Control unit 8 determines by comparing the touch threshold value Th 10 read from the capacitance and the database 80 for each area based on the detection signal S 1 is operated finger touches area. Next, the control unit 8, when the region is determined and compared to the load based on the load signal S 2 reads the load threshold value corresponding to the region from the database 80. The control unit 8, the load is greater than or equal to the load threshold, when the push operation on the region is determined, in order to generate haptic feedback, the drive signal S 3 reads a driving waveform of the area from the database 80 Generate and drive the actuator 4 to present tactile feedback.
  • Control unit 8 outputs in electronic devices connected generated by the operation information S 4 including the region information push operation is performed based on the determination result.
  • the control unit 8 of the tactile sensation presentation device 1 compares the capacitance for each region based on the detection signal S 1 acquired from the touch sensor 3 with the touch threshold Th 10 read from the database 80, and the operation finger Monitor for contact.
  • Step 1 When “Yes” in Step 1 is established, that is, when the touch of the operating finger is detected (Step 1: Yes), the control unit 8 reads the load threshold value of the region where the touch is detected from the database 80 and reads the load signal. compared to the load based on S 2, it monitors whether or not the push operation is performed (Step2).
  • Control unit 8 when the push operation force is not less than the load threshold is determined (Step3: Yes), the contact from the database 80 reads out the driving waveform of the detection area and generates a drive signal S 3 Then, it outputs to the actuator 4 and presents tactile feedback (Step 4).
  • step 3 the control unit 8 ends the process when the push operation is not determined (Step 3: No) and the operation is not continued, that is, the contact of the operation finger is not detected (Step 5: No). To do. Further, in step 5, when the contact of the operation finger is continuously detected (Step 5: Yes), the control unit 8 advances the process to step 3 and determines the push operation.
  • the tactile sensation providing apparatus 1 can suppress damage to the piezoelectric element 40 when an unexpected load is applied. Specifically, in the tactile sensation presentation device 1, the operation unit 2 and the piezoelectric element 40 are not in direct contact with each other, and therefore, compared to a case where the operation unit or a pusher provided in the operation unit directly contacts the piezoelectric element. The damage of the piezoelectric element 40 can be suppressed when a load is applied.
  • the tactile sensation presentation device 1 performs load detection and vibration presentation by a single actuator 4 and sets a load threshold for each region in order to suppress variation in load detection due to a difference in position where an operation is detected. In order to suppress variation in tactile feedback due to a difference in position, a drive signal is determined for each region. Since the upper region 23 to the right region 26 of the present embodiment are located symmetrically with respect to the central region 27, ideally, the load detected by the actuator 4 and the vibration feedback to be presented are the same in each region. Actually different. In addition, the tactile sensation presentation apparatus 1 can be easily downsized because there is one actuator 4. Therefore, the tactile sense presentation device 1 can present sufficient tactile feedback while suppressing a decrease in load detection accuracy even when the tactile sense presentation device 1 is downsized. [Second Embodiment] The second embodiment is different from the first embodiment in the shape of the metal shim.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of a main part of the tactile presentation device according to the second embodiment
  • FIG. 4B is a top view showing an example of a metal shim of the tactile presentation device
  • FIG. 4C is a deformation of the metal shim. It is a side view which shows an example.
  • 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.
  • the tactile sense presentation device 1 projects from the base 410 attached to the main body 10 in the direction of the operation unit 2 and comes into contact with the operation unit 2. 411 is provided.
  • the base 410 has a disc shape.
  • the protruding portion 411 has a bottomed cylindrical shape protruding from the center of the base portion 410.
  • the bottom portion of this cylinder is, for example, the upper portion 412 shown in FIGS. 4A and 4B.
  • the upper portion 412 is in contact with the operation unit 2.
  • the protrusion 411 has a hollow portion 413 that is a cylindrical hole.
  • the protruding portion 411 may have a columnar shape without the hollow portion 413.
  • a load applied to the operation unit 2 is transmitted to the projecting portion 411 to deform the base portion 410. Due to the deformation of the base portion 410, the piezoelectric element 40 integrated with the base portion 410 is deformed to detect the load.
  • the tactile presentation device 1 presents tactile feedback
  • the expansion and contraction of the piezoelectric element 40 is transmitted to the operation unit 2 through the base 410 and the protrusion 411 of the metal shim 41, and tactile feedback is presented to the operator.
  • the protruding portion 411 is not limited to a cylindrical shape, and may have a shape such as a dome shape.
  • a protrusion 411 is formed on the metal shim 41, and the protrusion 411 functions as a pusher. Therefore, no adhesive is required, and the load acting on the piezoelectric element 40 is reduced. And the loss of vibration of tactile feedback can be suppressed.
  • the tactile sensation presentation apparatus 1 of at least one embodiment described above it is possible to suppress damage to the piezoelectric element when an unexpected load is applied.

Abstract

触覚呈示装置１は、例えば、操作面２００を有する操作部２と、操作面２００に付加された荷重を検出する圧電素子４０、及び操作部２と対向して配置され、圧電素子４０と一体とされた金属シム４１を有するアクチュエータ４と、圧電素子４０が侵入すると共にアクチュエータ４の撓みを許容する凹部１２を有する本体１０と、を有する。

Description

触覚呈示装置 関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年２月１４日に出願された日本国特許出願２０１７－０２４６７５号の優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１７－０２４６７５号の全内容を本出願に参照により援用する。
本発明は、触覚呈示装置に関する。
入力部と、入力部に設けられた複数の振動部と、押圧された入力位置に応じて、複数の振動部のうち一部の振動部を振動させる制御部と、を備えた触覚伝達装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この触覚伝達装置は、振動部として圧電素子を使用し、またこの圧電素子によって入力部に付加された荷重を検出するように構成されている。
特開２０１１－９０６１５号公報
このような触覚伝達装置の中には、例えば、入力部に設けられた押子によって直接圧電素子に荷重が付加されるものがあり、予期せぬ過剰な荷重が入力部に付加された場合に圧電素子が破損する可能性がある。
本発明の目的は、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子の破損を抑制することができ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、操作面を有する操作部と、操作面に付加された荷重を検出する圧電素子、及び操作部と対向して配置され、圧電素子と一体とされた金属シムを有するアクチュエータと、圧電素子が侵入すると共にアクチュエータの撓みを許容する凹部を有する本体と、を有する。
本発明の一実施形態によれば、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子の破損を抑制する触覚呈示装置を提供することができる。
図１Ａは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置を示す上面図である。 図１Ｂは、図１ＡのI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図である。 図２Ａは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータを示す説明図である。 図２Ｂは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータを示す側面図である。 図２Ｃは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置を示すブロック図である。 図２Ｄは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置が有するデータベースを示す説明図である。 図３は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作を示すフローチャートである。 図４Ａは、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の断面図である。 図４Ｂは、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の金属シムを示す上面図である。 図４Ｃは、第２の実施の形態に係る金属シムの変形例を示す側面図である。
（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、操作面を有する操作部と、操作面に付加された荷重を検出する圧電素子、及び操作部と対向して配置され、圧電素子と一体とされた金属シムを有するアクチュエータと、圧電素子が侵入すると共にアクチュエータの撓みを許容する凹部を有する本体と、を有する。
この触覚呈示装置は、操作部と圧電素子とが直接接触しないので、操作部や操作部に設けられた押子が直接圧電素子に接触する場合と比べて、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子の破損を抑制することができる。
[第１の実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１Ａは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置を示す上面図であり、図１Ｂは、図１ＡのI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図である。図２Ａは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータを示す説明図であり、図２Ｂは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータの一例を示す側面図であり、図２Ｃは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図であり、図２Ｄは、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置が有するデータベースを示す説明図である。なお、以下に記載する実施の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２Ｃ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、例えば、車両のステアリングに配置され、車両に搭載された電子機器を操作するように構成されている。また触覚呈示装置１は、例えば、ステアリングを把持した状態で親指などの操作指によって操作される小型の操作装置である。なお触覚呈示装置１の配置は、これに限定されず、例えば、電子機器の操作部として、当該電子機器の表示部などの近くに配置されても良い。
触覚呈示装置１は、例えば、図１Ａ～図２Ｃに示すように、操作面２００を有する操作部２と、操作面２００に付加された荷重を検出する圧電素子４０、及び操作部２と対向して配置され、圧電素子４０と一体とされた金属シム４１を有するアクチュエータ４と、圧電素子４０が侵入すると共にアクチュエータ４の撓みを許容する凹部１２を有する本体１０と、を有する。このアクチュエータ４は、荷重を検出すると共に操作面２００に振動を付加するように構成されている。
そして触覚呈示装置１は、さらに、操作面２００に接触した操作指の位置を検出する検出部としてのタッチセンサ３と、操作面２００に規定された複数の領域ごとに基準荷重を付加して検出された荷重に基づいて領域ごとに定められた荷重しきい値、及びアクチュエータ４を駆動するための領域ごとの駆動信号Ｓ３を有し、操作指が検出された領域の荷重しきい値に基づいて操作を判定すると共に当該領域に対応する駆動信号Ｓ３によってアクチュエータ４を駆動して触覚フィードバックを呈示する制御部８と、を有する。
従って触覚呈示装置１は、操作部２に付加された荷重を検出すると共に振動による触覚フィードバックを呈示するように構成されている。
この操作面２００は、例えば、図１Ａ及び図１Ｂに示す操作部２の表面である。そして操作面２００は、一例として、中央の領域（中央領域２７）、及び中央の領域を挟んで位置する複数の領域（上領域２３～右領域２６）に規定されている。なお操作面２００の領域の規定は、これに限定されず、触覚呈示装置１の仕様に応じて任意に設定することが可能である。
ここで触覚呈示装置１が表示装置に表示されたカーソルの移動を指示できる場合、操作者は、例えば、上領域２３を押すことでカーソルを上方向に移動させ、下領域２４を押すことで下方向、左領域２５を押すことで左方向、右領域２６を押すことで右方向に移動させることができる。そして例えば、操作者が所望のアイコンなどをカーソルで選択した状態で中央領域２７を押すと、選択されたアイコンの機能の実行が決定される。
触覚呈示装置１は、一例として、領域に対してプッシュ操作が判定された場合、ボタンを押し込んだ際のクリック感などを模した触覚フィードバックを呈示する。なお触覚フィードバックは、これに限定されず、操作を受け付けたことを示す触覚などであっても良い。
（操作部２の構成）
操作部２は、例えば、タッチセンサ３と、基部２０と、を備えて構成されている。また操作部２は、例えば、図１Ｂに示すように、アクチュエータ４との間に押子５を有している。操作部２に付加された荷重は、押子５及び金属シム４１を介して圧電素子４０に作用する。またアクチュエータ４が生成した振動は、金属シム４１及び押子５を介して操作部２に伝達される。
タッチセンサ３は、基部２０に貼り合わされている。この基部２０は、例えば、図１Ａに示すように、樹脂を用いて円板形状に形成され、その表面である操作面２００には印刷やレーザなどによって上下左右方向の矢印や文字が形成されている。
なお変形例として基部２０は、例えば、光を遮光する遮光領域と光を透過する透過領域が表面に形成された透明な樹脂で形成され、タッチセンサ３との間に発光部を有する基板が配置されても良い。この場合、発光部からの光が基部２０内部を伝達して透過領域から出射するので、透過領域が照明される。
また変形例として操作部２は、上面視において円形や対称な形状に限定されず、他の形状であっても良い。
（タッチセンサ３の構成）
タッチセンサ３は、例えば、図１Ｂに示すように、基板３０と、電極部３１と、を有する。タッチセンサ３は、操作部２の形状に応じて円板形状を有している。基板３０は、例えば、リジット基板である。この基板３０の表面３０ａ側には、タッチセンサ３の電極部３１が取り付けられ、裏面３０ｂ側には、押子５が取り付けられている。
このタッチセンサ３は、例えば、静電容量方式のタッチセンサである。そしてタッチセンサ３は、少なくとも操作面２００に規定された上領域２３～中央領域２７のいずれの領域に操作指が接触しているのかを判定するための検出信号Ｓ１を出力するように構成されている。
タッチセンサ３の電極部３１は、例えば、上領域２３～中央領域２７の形状に応じた形状の検出電極を有している。そしてタッチセンサ３は、領域ごとに検出した静電容量の信号である検出信号Ｓ１を制御部８に出力するように構成されている。
なお変形例としてタッチセンサ３は、複数の駆動電極と、駆動電極と絶縁されて交差する複数の検出電極と、を有し、駆動電極と検出電極の全ての組み合わせで検出された静電容量を検出信号Ｓ１として制御部８に出力するように構成されても良い。そして制御部８は、例えば、検出信号Ｓ１に基づいて操作面２００に設定された座標系における操作指が検出された座標から領域を判定する。
この上領域２３は、図１Ａの紙面において上向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。また下領域２４は、下向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。また左領域２５は、左向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。また右領域２６は、右向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。そして中央領域２７は、操作部２の中心の点線の円で囲まれた領域である。なお他の点線よりも間隔の広い点線で囲まれた円は、アクチュエータ４の外形を示している。
上述の押子５は、例えば、樹脂又は金属によって円柱形状に形成され、操作部２の荷重をアクチュエータ４の金属シム４１に伝達するものである。なお押子５は、金属シム４１と接触する端部が半球形状となっていても良い。
（アクチュエータ４の構成）
アクチュエータ４は、例えば、図１Ｂに示すように、圧電素子４０と、金属シム４１と、を備えたユニモルフ型の圧電アクチュエータである。
このアクチュエータ４は、例えば、図１Ｂに示すように、本体１０に形成された取付部１４に取り付けられている。この取付部１４は、アクチュエータ４の金属シム４１が嵌り込む形状を有している。そして取付部１４には、操作面２００に付加された荷重、及び操作面２００に付加する振動によるアクチュエータ４の撓みを許容する凹部１２が形成されている。この凹部１２は、取付部１４の底面に形成されている。そして圧電素子４０は、凹部１２の内部に位置している。
圧電素子４０は、例えば、図２Ｂに示すように、円板形状を有し、圧電体４０１を第１の電極４００と第２の電極４０２で挟んで構成されている。この圧電体４０１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。圧電体４０１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体である。なお圧電体は、圧電定数がｄ３３となるように厚み方向に分極し、厚み方向の変形に対して出力が大きくなるように構成されている。
圧電体４０１は、過度な荷重による変形によって破壊され易いものである。従って本実施の形態では、図１Ｂに示すように、操作部２の荷重が伝達される押子５が直接圧電素子４０に接触しない構成とされている。
第１の電極４００は、金属シム４１及び配線を介して制御部８と電気的に接続されている。また第２の電極４０２は、配線を介して制御部８と電気的に接続されている。
金属シム４１は、例えば、図２Ａに示すように、圧電素子４０よりも半径が大きい円板形状を有している。この金属シム４１は、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。
アクチュエータ４は、操作面２００に荷重が付加されると、操作部２、押子５及び金属シム４１を介して圧電素子４０に荷重が付加され圧電体４０１が変形する。圧電素子４０は、この変形に応じた電圧を出力する。また圧電体４０１は、第１の電極４００及び第２の電極４０２の間に電圧が印加されるとこの電圧に応じて変形する。アクチュエータ４は、荷重に応じて出力した電圧を荷重信号Ｓ２として制御部８に出力し、制御部８から出力された駆動信号Ｓ３に基づく電圧に応じて変形して金属シム４１と共に振動するように構成されている。
（制御部８の構成）
制御部８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８が動作するためのプログラムと、データベース８０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。また制御部８は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。
この制御部８は、アクチュエータ４から出力された荷重信号Ｓ２を荷重に変換するように構成されている。
データベース８０は、例えば、図２Ｄに示すように、領域ごとの荷重しきい値及び駆動波形と、タッチしきい値Ｔｈ１０を有している。
荷重しきい値Ｔｈ１～荷重しきい値Ｔｈ５は、領域ごとに基準荷重を付加し、その結果アクチュエータ４が検出した荷重に基づいて定められたしきい値である。具体的には、上領域２３の荷重しきい値Ｔｈ１は、上領域２３に基準荷重を付加した際に検出された荷重に基づいて定められる。同様に、下領域２４～中央領域２７の荷重しきい値Ｔｈ２～荷重しきい値Ｔｈ５は、下領域２４～中央領域２７ごとに基準荷重を付加した際に検出された荷重に基づいて定められる。
駆動波形Ｗａ１～駆動波形Ｗａ５は、領域ごとの駆動信号Ｓ３に関する情報である。この駆動波形Ｗａ１は、基準波形を有する駆動信号Ｓ３によって生成された触覚フィードバックに基づいて振幅や振動数などを変更し、操作者が十分に触覚フィードバックを認知できるように定められた波形である。同様に、駆動波形Ｗａ２～駆動波形Ｗａ５は、基準波形を有する駆動信号Ｓ３によって生成された触覚フィードバックに基づいて振幅や振動数などをそれぞれ変更し、操作者が十分に触覚フィードバックを認知できるように定められた波形である。
なお変形例として制御部８は、領域ごとの駆動信号Ｓ３をデータベース８０に格納していても良い。また制御部８は、領域ごとの駆動波形又は駆動信号を関数としてデータベース８０に格納していても良い。
タッチしきい値Ｔｈ１０は、タッチセンサ３に対する接触を判定するためのしきい値である。制御部８は、入力する検出信号Ｓ１に基づいてタッチしきい値Ｔｈ１０以上の静電容量が検出された領域を判定する。
制御部８は、検出信号Ｓ１に基づく領域ごとの静電容量とデータベース８０から読み出したタッチしきい値Ｔｈ１０とを比較して操作指が接触した領域を判定する。次に制御部８は、領域が判定されると、当該領域に対応する荷重しきい値をデータベース８０から読み出して荷重信号Ｓ２に基づく荷重と比較する。そして制御部８は、荷重が荷重しきい値以上であり、当該領域に対するプッシュ操作が判定された場合、触覚フィードバックを生成するため、当該領域の駆動波形をデータベース８０から読み出して駆動信号Ｓ３を生成してアクチュエータ４を駆動し、触覚フィードバックを呈示する。
制御部８は、判定結果に基づいてプッシュ操作がなされた領域の情報などを含む操作情報Ｓ４を生成して接続されている電子機器に出力する。
以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作について図３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８は、タッチセンサ３から取得した検出信号Ｓ１に基づく領域ごとの静電容量と、データベース８０から読み出したタッチしきい値Ｔｈ１０と、を比較して操作指が接触するか否かを監視する。
制御部８は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり操作指の接触が検出されると（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、接触が検出された領域の荷重しきい値をデータベース８０から読み出して荷重信号Ｓ２に基づく荷重と比較し、プッシュ操作が行われるか否かを監視する（Ｓｔｅｐ２）。
制御部８は、荷重が荷重しきい値以上であってプッシュ操作が判定された場合（Ｓｔｅｐ３：Ｙｅｓ）、データベース８０から接触が検出された領域の駆動波形を読み出して駆動信号Ｓ３を生成し、アクチュエータ４に出力し、触覚フィードバックを呈示する（Ｓｔｅｐ４）。
ここでステップ３において制御部８は、プッシュ操作が判定されず（Ｓｔｅｐ３：Ｎｏ）、また操作が継続していない、つまり操作指の接触が検出されなくなった場合（Ｓｔｅｐ５：Ｎｏ）、処理を終了する。またステップ５において制御部８は、操作指の接触が継続して検出されている場合（Ｓｔｅｐ５：Ｙｅｓ）、ステップ３に処理を進めてプッシュ操作の判定を行う。
（第１の実施の形態の効果）
触覚呈示装置１は、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子４０の破損を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、操作部２と圧電素子４０とが直接接触しないので、操作部や操作部に設けられた押子が直接圧電素子に接触する場合と比べて、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子４０の破損を抑制することができる。
触覚呈示装置１は、荷重の検出と振動の呈示を１つのアクチュエータ４によって行い、また操作が検出された位置の違いによる荷重検出のばらつきを抑制するために領域ごとに荷重しきい値を定めると共に位置の違いによる触覚フィードバックのばらつきを抑制するために領域ごとに駆動信号を定めている。本実施の形態の上領域２３～右領域２６は、中央領域２７を挟んで対称に位置するので、理想的には、アクチュエータ４が検出する荷重や呈示する振動フィードバックは各領域で同じになるが、実際は異なる。また触覚呈示装置１は、アクチュエータ４が１つなので小型化が容易である。従って触覚呈示装置１は、この構成を採用しない場合と比べて、小型化されても荷重の検出精度の低下を抑制しつつ十分な触覚フィードバックを呈示することができる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、金属シムの形状が第１の実施の形態と異なっている。
図４Ａは、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の要部断面図であり、図４Ｂは、触覚呈示装置の金属シムの一例を示す上面図であり、図４Ｃは、金属シムの変形例を示す側面図である。なお以下に記載する実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分は、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。
本実施の形態の触覚呈示装置１は、例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、金属シム４１が本体１０に取り付けられる基部４１０から操作部２方向に突出して操作部２と接触する突出部４１１を備えて構成されている。
基部４１０は、円板形状を有している。そして突出部４１１は、基部４１０の中央から突出した有底の円筒形状を有している。この円筒の底の部分は、例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す上部４１２である。この上部４１２は、操作部２と接触している。また突出部４１１は、円筒の孔である中空部４１３を有している。なお変形例として突出部４１１は、中空部４１３がない円柱形状であっても良い。
この触覚呈示装置１は、操作部２に付加された荷重が突出部４１１に伝達し、基部４１０を変形させる。この基部４１０の変形によって、基部４１０と一体とされている圧電素子４０が変形して荷重を検出する。
また触覚呈示装置１が触覚フィードバックを呈示する場合、圧電素子４０の伸縮が金属シム４１の基部４１０及び突出部４１１を介して操作部２に伝達され、操作者に触覚フィードバックが呈示される。
変形例として図４Ｃに示すように、突出部４１１は、円筒形状に限定されず、ドーム形状などの形状であっても良い。
（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態の触覚呈示装置１は、金属シム４１に突出部４１１が形成され、この突出部４１１が押子の役割を有するので、接着剤が必要なく、圧電素子４０に作用する荷重の減少を抑制すると共に触覚フィードバックの振動のロスを抑制することができる。
以上述べた少なくとも１つの実施の形態の触覚呈示装置１によれば、予期せぬ荷重が付加された際に圧電素子の破損を抑制することが可能となる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、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、これら実施の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、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、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
２ 操作部
４ アクチュエータ
５ 押子
８ 制御部
１０ 本体
１２ 凹部
１４ 取付部
２０ 基部
４０ 圧電素子
４１ 金属シム
２００ 操作面
４１０ 基部
４１１ 突出部
 
 

Claims (6)

  1. 操作面を有する操作部と、
    前記操作面に付加された荷重を検出する圧電素子、及び前記操作部と対向して配置され、前記圧電素子と一体とされた金属シムを有するアクチュエータと、
    前記圧電素子が侵入すると共に前記アクチュエータの撓みを許容する凹部を有する本体と、
    を備えた触覚呈示装置。
  2. 前記アクチュエータは、荷重を検出すると共に前記操作面に振動を付加するように構成され、
    前記操作面に接触した操作指の位置を検出する検出部と、
    前記操作面に規定された複数の領域ごとに基準荷重を付加して検出された荷重に基づいて領域ごとに定められた荷重しきい値、及び前記アクチュエータを駆動するための領域ごとの駆動信号を有し、操作指が検出された領域の荷重しきい値に基づいて操作を判定すると共に当該領域に対応する駆動信号によって前記アクチュエータを駆動して触覚フィードバックを呈示する制御部と、
    を備えた請求項１に記載の触覚呈示装置。
  3. 前記操作部は、当該操作部の荷重を前記金属シムに伝達する押子を前記アクチュエータとの間に有する、
    請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
  4. 前記金属シムは、前記本体に取り付けられる基部から前記操作部方向に突出して前記操作部と接触する突出部を有する、
    請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
  5. 前記突出部は、円筒形状あるいはドーム形状を有する、
    請求項４に記載の触覚呈示装置。
  6. 前記圧電素子及び前記金属シムは、円板形状を有し、
    前記金属シムは、前記圧電素子よりも半径が大きい、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
     
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