WO2018193951A1 - 触覚呈示装置 - Google Patents

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WO2018193951A1
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泰弘 小野
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株式会社東海理化電機製作所
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • 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
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0338—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of limited linear or angular displacement of an operating part of the device from a neutral position, e.g. isotonic or isometric joysticks
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • B62D1/046—Adaptations on rotatable parts of the steering wheel for accommodation of switches

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.
  • the haptic transmission device disclosed in Patent Document 1 detects a load and presents vibrations using a plurality of piezoelectric elements. Therefore, if the piezoelectric element is made smaller in order to reduce the size, the load detection accuracy decreases or vibrations occur. May not be able to provide sufficient tactile feedback.
  • An object of the present invention is to provide a haptic presentation device capable of presenting sufficient haptic feedback while suppressing a decrease in load detection accuracy even if the size is reduced.
  • a tactile sensation presentation apparatus includes an operation unit having a plurality of input areas defined on an operation surface, and a plurality of input areas arranged corresponding to the plurality of input areas and detecting a load for each of the plurality of input areas.
  • the piezoelectric element includes at least two or more different arrangement layers on which the plurality of piezoelectric elements are arranged, and a support portion that supports the plurality of piezoelectric elements so that a part thereof overlaps when viewed from the operation surface side.
  • a haptic presentation device that can present sufficient haptic feedback while suppressing a reduction in load detection accuracy even if the device is downsized.
  • FIG. 1A is an explanatory view of the tactile sense presentation device according to the embodiment as viewed from the operation surface side.
  • 1B is a cross-sectional view taken along line I (b) -I (b) in FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a development view showing a disassembled state of the tactile sense presentation device according to the embodiment.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating a piezoelectric element of the tactile sense presentation device according to the embodiment.
  • FIG. 3B is a block diagram illustrating a configuration of the tactile sense presentation device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the tactile sense presentation device according to the embodiment.
  • a tactile sensation presentation apparatus includes an operation unit having a plurality of input areas defined on an operation surface, and a plurality of piezoelectric elements that are arranged corresponding to the plurality of input areas and detect a load for each of the plurality of input areas. And at least two or more different arrangement layers on which the plurality of piezoelectric elements are arranged, and a support portion that supports the plurality of piezoelectric elements so as to partially overlap each other when viewed from the operation surface side. .
  • the piezoelectric elements are arranged in a plurality of arrangement layers, so that a part of the piezoelectric elements can be arranged so as to overlap when viewed from the operation surface side. Therefore, the tactile sensation presentation device is smaller in size than the case where this configuration is not adopted because it is not necessary to change the size of the piezoelectric element when the load is detected by the piezoelectric element and the tactile feedback is presented. Even if it is done, sufficient tactile feedback can be presented while suppressing a decrease in load detection accuracy.
  • FIG. 1A is an explanatory view of the tactile sense presentation device according to the embodiment as viewed from the operation surface side
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line I (b) -I (b) of FIG.
  • FIG. 2 is a development view showing a disassembled state of the tactile sense presentation device according to the embodiment.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating a piezoelectric element of the tactile presentation device according to the embodiment
  • FIG. 3B is a block diagram of the tactile presentation device. Note that, in each drawing according to the embodiment described below, the ratio between figures may be different from the actual ratio. In FIG. 3B, 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 sensation presentation apparatus 1 is configured to detect a load applied to the operation unit 2 and present tactile feedback by vibration.
  • the tactile sense presentation device 1 is arranged corresponding to a plurality of input areas and an operation unit 2 in which a plurality of input areas are defined on the operation surface 2a.
  • the support part 5 which supports
  • the arrangement layer of the present embodiment is a first arrangement layer 61 close to the operation surface 2a and a layer different from and parallel to the first arrangement layer 61 and far from the operation surface 2a.
  • the second arrangement layer 62 is not limited to this, and a plurality of arrangement layers may be used.
  • the plurality of input areas of the present embodiment are the central input area 21 located at the center, the upper input area 22 located above, the lower input area 23 located below, and the left side.
  • the plurality of piezoelectric elements corresponding to the input area include, for example, a piezoelectric element 40 disposed below the central input area 21, a piezoelectric element 41 disposed below the upper input area 22, and a lower input area 23.
  • the input area of the operation surface 2a is not limited to these, and can be arbitrarily set according to the specification of the tactile sense presentation device 1.
  • the tactile sensation providing apparatus 1 is provided with a plurality of pushers between the operation unit 2 and the plurality of piezoelectric elements, and the plurality of pushers has a thickness as the arrangement layer to which the contacting piezoelectric element belongs is separated from the operation surface 2a. And the substantial rigidity is made equal.
  • the piezoelectric element 40 is arranged in the first arrangement layer 61.
  • the second arrangement layer 62 for example, the piezoelectric elements 41 to 44 are arranged. Therefore, the presser that contacts the piezoelectric element of the first arrangement layer 61 is the presser 30 that contacts the piezoelectric element 40 of the central input region 21.
  • the pusher in contact with the piezoelectric element of the second arrangement layer 62 includes the pusher 31 in contact with the piezoelectric element 41 in the upper input region 22, the pusher 32 in contact with the piezoelectric element 42 in the lower input region 23, and the left input.
  • the pusher 33 is in contact with the piezoelectric element 43 in the region 24, and the pusher 34 is in contact with the piezoelectric element 44 in the right input region 25.
  • the thickness t1 of the presser 30 is made thinner than the thickness t2 of the pressers 31 to 34, for example, as shown in FIG.
  • the arrangement of the piezoelectric elements is not limited to the above, and a plurality of piezoelectric elements may be arranged on the first arrangement layer 61, or a plurality of arrangement layers may be further provided.
  • the tactile sense presentation device 1 controls the piezoelectric element to control the operation surface.
  • the control part 8 which adds a vibration to 2a is provided.
  • the tactile sensation presentation apparatus 1 can instruct the movement of the cursor displayed on the display device
  • the operator moves the cursor upward by performing a push operation on the upper input area 22, for example, and moves the lower input area 23. It is possible to move downward by performing a push operation, moving leftward by performing a push operation on the left input area 24, and moving right by performing a push operation on the right input area 25. Then, for example, when the operator performs a push operation on the central input area 21 with a desired icon selected with the cursor, execution of the function of the selected icon is determined.
  • the tactile sense presenting apparatus 1 When the push operation is determined with respect to the input area, the tactile sense presenting apparatus 1 presents tactile feedback imitating a click feeling when the button is pressed.
  • 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 has, for example, a disk shape using a resin.
  • arrows and letters in the vertical and horizontal directions are formed on the operation surface 2a of the operation unit by printing, laser, or the like.
  • the load F applied to the operation unit 2 acts on the piezoelectric elements 40 to 44 that are in contact with each other via the pushers 30 to 34.
  • the vibration generated by the piezoelectric elements 40 to 44 is transmitted to the operating finger 9 through the pressing elements 30 to 34 and the operation unit 2 that are in contact with each other.
  • 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 upper input area 22 is an area surrounded by a dotted line around an upward arrow on the paper surface of FIG. 1A.
  • the lower input area 23 is an area surrounded by a dotted line around a downward arrow.
  • the left input area 24 is an area surrounded by a dotted line around a left-pointing arrow.
  • the right input area 25 is an area surrounded by a dotted line around a right-pointing arrow.
  • the central input area 21 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 piezoelectric elements 40 to 44.
  • the pusher 30 to the pusher 34 are formed in a cylindrical shape using, for example, a resin such as polycarbonate, and transmit the load F associated with the push operation performed on the operation unit 2 to the contacting piezoelectric element.
  • the pusher 30 to pusher 34 have the same contact area with the contacting piezoelectric element.
  • the pusher 30 Since the pusher 30 is arranged in the first arrangement layer 61, the pusher 30 is closer to the operation unit 2 than the other pushers 31 to 34 arranged in the second arrangement layer 62. Accordingly, the pusher 30 is thinner than the other pushers 31 to 34 arranged in the second arrangement layer 62.
  • the pusher 30 having a small thickness has substantially the same rigidity as the other pushers 31 to 34.
  • the fact that the rigidity is substantially equal indicates that the rigidity is such that the difference between the load F, vibration transmission, and stroke is within a predetermined allowable range.
  • the pusher 30 has a Young's modulus smaller than that of the other pushers 31 to 34. This rigidity indicates the rigidity in the direction in which the operation surface 2a is pushed.
  • the pusher 30 to the pusher 34 may be integrated with the operation unit 2 by two-color molding or the like as long as the rigidity in the push operation direction can be the same.
  • the piezoelectric elements 40 to 44 have the same configuration. Accordingly, the configuration of the piezoelectric element 40 will be described below.
  • the piezoelectric element 40 is, for example, as shown in FIG. 3A, a unimorph type piezoelectric element including a piezoelectric body 4a having a disk shape and a metal shim 4b having a disk shape having a larger radius than the piezoelectric body 4a. It is.
  • the piezoelectric element 40 is connected to an upper wiring electrically connected to the piezoelectric body 4a and a lower wiring electrically connected to the metal shim 4b.
  • the piezoelectric element may be, for example, a bimorph type piezoelectric element in which two piezoelectric bodies are provided on both surfaces of the metal shim 4b.
  • the load is detected by the piezoelectric body in contact with the pusher, and only the back side piezoelectric body or both piezoelectric bodies vibrate.
  • Examples of the material of the piezoelectric body 4a include lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead metaniobate, and polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the piezoelectric body 4a is, for example, a stacked piezoelectric body formed by stacking films formed using these materials.
  • the piezoelectric body 4a 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 metal shim 4b is formed of, for example, conductive phosphor bronze or stainless steel.
  • the piezoelectric element 40 When a load F is applied to the operation surface 2 a, the piezoelectric element 40 is deformed by applying the load F to the piezoelectric body 4 a by the pusher 30 via the operation unit 2.
  • the piezoelectric body 4a outputs a voltage corresponding to this deformation via the upper wiring and the lower wiring.
  • the piezoelectric body 4a is deformed according to the voltage when a voltage is applied via the upper wiring and the lower wiring.
  • the piezoelectric elements 40 to 44 output voltages output according to the load F to the control unit 8 as load signals S 1 to load signal S 5 , and are output from the control unit 8. It is configured to deform and vibrate according to the voltage based on the drive signals S 6 to S 10 .
  • the support portion 5 is formed in a cylindrical shape using a resin such as polycarbonate.
  • the support portion 5 includes a plurality of recesses formed so as to be recessed from the surface 5a and in which the piezoelectric elements are disposed, and a plurality of cavities provided for each of the plurality of recesses and allowing bending of the disposed piezoelectric elements. I have.
  • the support unit 5 includes a recess 500 in which the piezoelectric element 40 is disposed, a recess 510 in which the piezoelectric element 41 is disposed, a recess 520 in which the piezoelectric element 42 is disposed, a recess 530 in which the piezoelectric element 43 is disposed, And a recess 540 in which the piezoelectric element 44 is disposed.
  • the cavity 50 is provided in the recess 500
  • the cavity 51 is provided in the recess 510
  • the cavity 52 is provided in the recess 520
  • the cavity 53 is provided in the recess 530
  • the cavity 54 is provided in the recess 540.
  • the openings on the piezoelectric element side of the cavities 50 to 54 have, for example, a shape having a radius larger than the radius of the piezoelectric body 4a and smaller than the radius of the metal shim 4b so that the piezoelectric body 4a bends as shown in FIG. 3A. Preferably there is.
  • the concave portion 500, the concave portion 510, the concave portion 520, the concave portion 530, and the concave portion 540 have, for example, a circular shape corresponding to the shape of the metal shim 4b as shown in FIG.
  • the concave portion 500 of the first arrangement layer 61 and the concave portion 510, the concave portion 520, the concave portion 530, and the concave portion 540 of the second arrangement layer 62 are partially shared. Because of this shared portion, the piezoelectric elements 40 to 44 can be arranged in a region smaller than the outer shape when the metal shims 4b are brought into contact with the piezoelectric element 40 as the center.
  • the support part 5 is provided for every some recessed part, and has a some contact part which the inserted piezoelectric element contacts.
  • Four contact portions 505 are formed in the recess 500 at intervals of 45 °.
  • four contact portions 515 are formed at intervals of 45 °.
  • four contact portions 525 are formed at intervals of 45 °.
  • Four contact portions 535 are formed in the recess 530 at intervals of 45 °.
  • Four contact portions 545 are formed in the recess 540 at intervals of 45 °.
  • the contact area 505, the contact area 515, the contact area 525, the contact area 535, and the contact area 545 have the same contact area with the piezoelectric element.
  • connection portion may be formed with an electrode pattern that is electrically connected to the metal shim 4b of the piezoelectric element disposed in the recess.
  • the height of the contact portion is lowered as the arrangement layer to which the piezoelectric element belongs is separated from the operation surface 2a. That is, the height of the contact portion 505 of the first arrangement layer 61 is higher than the height of the contact portion 515, the contact portion 525, the contact portion 535, and the contact portion 545 of the second arrangement layer 62 as shown in FIG. Is also high. This is because the recesses 500, 510, 520, 530, and 540 are formed to have the same depth from the surface 5a.
  • the contact portion 505 of the first arrangement layer 61 and the contact portion 515, the contact portion 525, the contact portion 535, and the contact portion 545 of the second arrangement layer 62 hold the piezoelectric elements in different planes, and each piezoelectric element is The height is changed to prevent interference.
  • the support portion 5 further includes a plurality of support protrusions 56 that support the operation portion 2 on the surface 5a.
  • the support protrusions 56 are provided at an equal distance from the center of the piezoelectric element. Since the tactile sensation presentation device 1 has these configurations, when the load F is equally applied to different input regions, the deformation amount of the piezoelectric body 4a can be made substantially equal, and the push operation is determined. Therefore, it is not necessary to set a drive signal for presenting the load threshold 80 and tactile feedback for each input area.
  • the support protrusion 56 are provided around the recess at 45 ° intervals.
  • the support protrusion 56 around the central recess 500 is shared with the support protrusions 56 of the other recess 510, the recess 520, the recess 530, and the recess 540.
  • 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 Read Only Memory
  • a program for operating the control unit 8 a load threshold value 80, and drive pattern information 81 are stored.
  • the RAM is used as a storage area for temporarily storing calculation results and the like.
  • the control unit 8 is configured to convert the load signals S 1 to S 5 output from the piezoelectric elements 40 to 44 into loads F.
  • control part 8 compares the converted load F with the load threshold value 80, and when the load F is more than the load threshold value 80, the push operation was made to the input area where the said load F was detected. judge.
  • the control unit 8 outputs the electronic device connected generated by the operation information S 11 including information of the input area the push operation is performed.
  • the control unit 8 is configured to generate the drive signals S 6 to S 10 based on the drive pattern information 81 in order to present tactile feedback to the input area where the push operation is detected.
  • the drive signals S 6 to S 10 are output to the piezoelectric element in the input area where the push operation is detected.
  • Step 2 The control unit 8 of the tactile sense presentation device 1 establishes “Yes” in Step 1, that is, when the load F is detected in any input region based on the load signal S 1 to the load signal S 5 (Step 1: Yes). ), The load F is compared with the load threshold 80 (Step 2).
  • the control unit 8 determines that a push operation has been performed on the input region where the piezoelectric element that has detected the load F is disposed (Step 3: Yes).
  • Control unit 8 together with the push operation is to generate and output a driving signal for driving the piezoelectric element is detected based on the driving pattern information 81, the operation information S 11 including information of the input area the push operation is detected It is generated and output to the connected electronic device (Step 4).
  • step 3 when the detected load F is smaller than the load threshold 80 and the push operation is not determined (Step 3: No), the control unit 8 advances the process to step 1.
  • the tactile sensation presentation apparatus 1 arranges the piezoelectric element 40 in the first arrangement layer 61 and the second piezoelectric element 41 to the piezoelectric element 44 located in a layer different from the first arrangement layer 61. Since it is arranged in the arrangement layer 62, the piezoelectric elements 40 to 44 can be arranged so that a part thereof overlaps when viewed from the operation surface 2a side.
  • the tactile sensation presentation apparatus 1 can be arranged so as to overlap each other, and the piezoelectric element 40 to the piezoelectric element 44 having the same size and configuration are compared with the outer shape when the metal shims 4b are brought into contact with the piezoelectric element 40 as the center. Can be arranged in a small area. Therefore, the tactile sense presentation device 1 does not need to change the size of the piezoelectric element 40 to the piezoelectric element 44 even if the piezoelectric element 40 to the piezoelectric element 44 detect the load F and present the tactile feedback, even if the size is reduced. Compared to the case where this configuration is not adopted, sufficient tactile feedback can be presented while suppressing a decrease in the detection accuracy of the load F even if the size is reduced.
  • the tactile sense presentation device 1 has the same contact area between the pusher 30 to pusher 34 and the piezoelectric element, and has the same rigidity in the push operation direction.
  • the difference in the load F, the transmission of tactile feedback, the stroke at the time of the push operation, and the like can be within an allowable range. Therefore, the tactile sensation presentation apparatus 1 has good operability because the difference in the input area such as the transmission of the load F, tactile feedback, and the stroke during the push operation is small.
  • the tactile sensation providing apparatus 1 supports the piezoelectric element because the concave portion 500 of the first arrangement layer 61 and the concave portion 510, the concave portion 520, the concave portion 530, and the concave portion 540 of the second arrangement layer 62 are shared. Since the contact portions can be arranged symmetrically and the contact surface with the metal shim 4b can be the same for each piezoelectric element, it is possible to suppress rattling due to the action of the load F and the addition of vibration. The occurrence of abnormal noise can be suppressed.

Abstract

触覚呈示装置１は、操作面２ａに複数の入力領域が規定された操作部２と、複数の入力領域に対応して配置され、複数の入力領域ごとの荷重Ｆを検出する複数の圧電素子と、複数の圧電素子が配置される少なくとも２つ以上の異なる配置層を有し、操作面２ａ側から見て一部が重なるように複数の圧電素子を支持する支持部５と、を有している。

Description

触覚呈示装置 関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年４月１８日に出願された日本国特許出願２０１７－０８１８０４号の優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１７－０８１８０４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
特許文献１に開示された触覚伝達装置は、複数の圧電素子によって荷重の検出と振動の呈示を行なっているので、小型化するために圧電素子を小さくした場合、荷重の検出精度の低下や振動による十分な触覚フィードバックの呈示を行うことができない可能性がある。
本発明の目的は、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、操作面に複数の入力領域が規定された操作部と、複数の入力領域に対応して配置され、複数の入力領域ごとの荷重を検出する複数の圧電素子と、複数の圧電素子が配置される少なくとも２つ以上の異なる配置層を有し、操作面側から見て一部が重なるように複数の圧電素子を支持する支持部と、を有する。
本発明の一実施形態によれば、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触覚呈示装置を提供することができる。
図１Ａは、実施の形態に係る触覚呈示装置を操作面側から見た説明図である。 図１Ｂは、図１ＡのI（ｂ）-I（ｂ）線における断面図である。 図２は、実施の形態に係る触覚呈示装置の分解状態を示す展開図である。 図３Ａは、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電素子を示す説明図である。 図３Ｂは、実施の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４は、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。
（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、操作面に複数の入力領域が規定された操作部と、複数の入力領域に対応して配置され、複数の入力領域ごとの荷重を検出する複数の圧電素子と、複数の圧電素子が配置される少なくとも２つ以上の異なる配置層を有し、操作面側から見て一部が重なるように複数の圧電素子を支持する支持部と、を有している。
この触覚呈示装置は、圧電素子を複数の配置層に分けて配置するので、圧電素子の一部が操作面側から見て重なるように配置することができる。従って触覚呈示装置は、圧電素子によって荷重の検出と触覚フィードバックの呈示を行う場合、小型化しても圧電素子の大きさを変えなくても良いので、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。
[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１Ａは、実施の形態に係る触覚呈示装置を操作面側から見た説明図であり、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２は、実施の形態に係る触覚呈示装置の分解状態を示す展開図である。図３Ａは、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電素子を示す説明図であり、図３Ｂは、触覚呈示装置のブロック図である。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３Ｂ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。
また触覚呈示装置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。
触覚呈示装置１は、例えば、図１Ａ～図２に示すように、操作面２ａに複数の入力領域が規定された操作部２と、複数の入力領域に対応して配置され、複数の入力領域ごとの荷重Ｆを検出する複数の圧電素子と、複数の圧電素子が配置される少なくとも２つ以上の異なる配置層を有し、操作面２ａ側から見て一部が重なるように複数の圧電素子を支持する支持部５と、を有する。
本実施の形態の配置層とは、図１Ｂに示すように、操作面２ａに近い第１の配置層６１と、第１の配置層６１と異なると共に平行な層であり、操作面２ａから遠い第２の配置層６２と、であるがこれに限定されず、さらに複数の配置層であっても良い。
また本実施の形態の複数の入力領域とは、図１Ａの紙面において中央に位置する中央入力領域２１、上側に位置する上入力領域２２、下側に位置する下入力領域２３、左側に位置する左入力領域２４、及び右側に位置する右入力領域２５である。
またこの入力領域に対応する複数の圧電素子とは、一例として、中央入力領域２１の下方に配置された圧電素子４０、上入力領域２２の下方に配置された圧電素子４１、下入力領域２３の下方に配置された圧電素子４２、左入力領域２４の下方に配置された圧電素子４３、及び右入力領域２５の下方に配置された圧電素子４４である。なお操作面２ａの入力領域は、これらに限定されず、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。
また触覚呈示装置１は、操作部２と複数の圧電素子の間には、複数の押子が設けられ、複数の押子は、接触する圧電素子が属する配置層が操作面２ａから離れるに従って厚みを増し、また実質的な剛性を等しくされている。
具体的には、第１の配置層６１には、例えば、図１Ｂに示すように、圧電素子４０が配置されている。また第２の配置層６２には、例えば、圧電素子４１～圧電素子４４が配置されている。従って第１の配置層６１の圧電素子と接触する押子とは、中央入力領域２１の圧電素子４０と接触する押子３０である。また第２の配置層６２の圧電素子と接触する押子とは、上入力領域２２の圧電素子４１と接触する押子３１、下入力領域２３の圧電素子４２と接触する押子３２、左入力領域２４の圧電素子４３と接触する押子３３、右入力領域２５の圧電素子４４と接触する押子３４である。
そして押子３０の厚みｔ１は、例えば、図２に示すように、押子３１～押子３４の厚みｔ２よりも薄くされている。なお圧電素子の配置は、上記に限定されず、第１の配置層６１に複数の圧電素子が配置されても良いし、さらに複数の配置層が設けられても良い。
またさらに触覚呈示装置１は、複数の圧電素子（圧電素子４０～圧電素子４４）のいずれかの圧電素子によって操作面２ａになされた操作が検出された場合、当該圧電素子を制御して操作面２ａに振動を付加する制御部８を備えている。
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、上入力領域２２にプッシュ操作を行うことでカーソルを上方向に移動させ、下入力領域２３にプッシュ操作を行うことで下方向、左入力領域２４にプッシュ操作を行うことで左方向、右入力領域２５にプッシュ操作を行う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入力領域２１にプッシュ操作を行うことで、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、入力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、樹脂を用いて円板形状を有している。操作部の操作面２ａには、例えば、図１Ａに示すように、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。また操作部２に付加された荷重Ｆは、押子３０～押子３４を介して接触する圧電素子４０～圧電素子４４に作用する。また圧電素子４０～圧電素子４４が生成した振動は、接触する押子３０～押子３４、及び操作部２を介して操作指９に伝達される。
なお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。
上入力領域２２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。また下入力領域２３は、下向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。また左入力領域２４は、左向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。また右入力領域２５は、右向きの矢印の周囲の点線で囲まれた領域である。そして中央入力領域２１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、圧電素子４０～圧電素子４４の外形を示している。
（押子３０～押子３４の構成）
押子３０～押子３４は、例えば、ポリカーボネートなどの樹脂を用いて円柱形状に形成され、操作部２になされたプッシュ操作に伴う荷重Ｆを接触する圧電素子に伝達するものである。この押子３０～押子３４は、接触する圧電素子との接触面積が等しくなるようにされている。
押子３０は、第１の配置層６１に配置されているので、第２の配置層６２に配置されている他の押子３１～押子３４よりも操作部２に近くなっている。従って押子３０は、第２の配置層６２に配置されている他の押子３１～押子３４よりも厚みが薄くなっている。
しかし押子は、全てが同じ材料で形成された場合、他の押子と比べて厚みが薄いと荷重Ｆの伝達や振動の伝達、そして操作時のストロークに差が生じる。従って厚みが薄い押子３０は、他の押子３１～押子３４と実質的な剛性が等しくされている。この実質的に剛性が等しくされるとは、荷重Ｆや振動の伝達、そしてストロークの差が予め定められた許容範囲に収まる程度の剛性であることを示している。具体的には、押子３０は、他の押子３１～押子３４と比べてヤング率が小さくされる。なおこの剛性は、操作面２ａを押し込む方向の剛性を示している。
なお変形例として押子３０～押子３４は、プッシュ操作方向の剛性が同一でできるのであれば、二色成形などによって操作部２と一体とされても良い。
（圧電素子４０～圧電素子４４の構成）
圧電素子４０～圧電素子４４は、同じ構成を有する。従って以下では、圧電素子４０の構成について説明する。圧電素子４０は、例えば、図３Ａに示すように、円板形状を有する圧電体４ａと、圧電体４ａよりも半径が大きい円板形状を有する金属シム４ｂと、を備えたユニモルフ型の圧電素子である。この圧電素子４０には、圧電体４ａと電気的に接続する上部配線と、金属シム４ｂと電気的に接続される下部配線と、が接続されている。
なお変形例として圧電素子は、例えば、２枚の圧電体を金属シム４ｂの両面に設けたバイモルフ型圧電素子であっても良い。この場合、押子と接触する圧電体によって荷重を検出し、裏側の圧電体のみ、又は双方の圧電体が振動するように構成される。
圧電体４ａ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４ａ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４ａ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。
金属シム４ｂ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。
圧電素子４０は、操作面２ａに荷重Ｆが付加されると、操作部２を介して押子３０によって圧電体４ａに荷重Ｆが付加されて変形する。圧電体４ａは、この変形に応じた電圧を、上部配線及び下部配線を介して出力する。また圧電体４ａは、上部配線及び下部配線を介して電圧が印加されるとこの電圧に応じて変形する。圧電素子４０～圧電素子４４は、例えば、図３Ｂに示すように、荷重Ｆに応じて出力した電圧を荷重信号Ｓ１～荷重信号Ｓ５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Ｓ６～駆動信号Ｓ１０に基づく電圧に応じて変形して振動するように構成されている。
（支持部５の構成）
支持部５は、例えば、図１Ａ～図２に示すように、ポリカーボネートなどの樹脂を用いて円柱形状に形成されている。この支持部５は、表面５ａから凹むように形成されて圧電素子が配置される複数の凹部と、複数の凹部ごとに設けられ、配置された圧電素子の撓みを許容する複数の空洞と、を備えている。
具体的には、支持部５は、圧電素子４０が配置される凹部５００、圧電素子４１が配置される凹部５１０、圧電素子４２が配置される凹部５２０、圧電素子４３が配置される凹部５３０、及び圧電素子４４が配置される凹部５４０を備えている。また支持部５は、凹部５００に空洞５０が設けられ、凹部５１０に空洞５１が設けられ、凹部５２０に空洞５２が設けられ、凹部５３０に空洞５３が設けられ、凹部５４０に空洞５４が設けられている。
空洞５０～空洞５４の圧電素子側の開口は、例えば、図３Ａに示すように、圧電体４ａが撓むように、圧電体４ａの半径より大きく、かつ金属シム４ｂの半径より小さい半径を有する形状であることが好ましい。
複数の凹部は、一部が共有されている。具体的には、凹部５００、凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０は、例えば、図２に示すように、金属シム４ｂの形状に応じた円形状を有している。そして第１の配置層６１の凹部５００と第２の配置層６２の凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０は、一部が共有されている。この共有部分があるので、圧電素子４０～圧電素子４４は、圧電素子４０を中心として各金属シム４ｂを接触させた際の外形よりも小さい領域に配置することができる。
また支持部５は、複数の凹部ごとに設けられ、挿入された圧電素子が接触する複数の接触部を有している。凹部５００には、４５°間隔で４つの接触部５０５が形成されている。また凹部５１０には、４５°間隔で４つの接触部５１５が形成されている。凹部５２０には、４５°間隔で４つの接触部５２５が形成されている。凹部５３０には、４５°間隔で４つの接触部５３５が形成されている。凹部５４０には、４５°間隔で４つの接触部５４５が形成されている。
この接触部５０５、接触部５１５、接触部５２５、接触部５３５及び接触部５４５は、圧電素子との接触面積が等しくなるようにされている。
なお変形例として接続部は、凹部に配置された圧電素子の金属シム４ｂと電気的に接続する電極パターンが形成されていても良い。
また接触部の高さは、圧電素子が属する配置層が操作面２ａから離れるに従って低くされる。つまり第１の配置層６１の接触部５０５の高さは、例えば、図２に示すように、第２の配置層６２の接触部５１５、接触部５２５、接触部５３５及び接触部５４５の高さよりも高くされている。これは、凹部５００、凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０の表面５ａからの深さが等しくとなるように形成されるためである。
従って第１の配置層６１の接触部５０５と第２の配置層６２の接触部５１５、接触部５２５、接触部５３５及び接触部５４５は、異なる平面で圧電素子を保持し、それぞれの圧電素子が干渉しないようにするため、高さを変えて設けられている。
支持部５は、さらに操作部２を支持する複数の支持突起５６を表面５ａに備えている。この支持突起５６は、圧電素子の中心から等しい距離に設けられている。触覚呈示装置１は、これらの構成を有しているので、荷重Ｆが異なる入力領域に等しく印加された場合、圧電体４ａの変形量を実質的に等しくすることができ、プッシュ操作を判定するための荷重しきい値８０や触覚フィードバックを呈示するための駆動信号を入力領域ごとに設定しなくても良い。
この支持突起５６は、凹部の周囲に４５°間隔で４つ設けられている。そして中央の凹部５００の周囲の支持突起５６は、他の凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０の支持突起５６と共有している。また凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０は、中央側の支持突起５６が隣接する凹部の支持突起５６を共有したものとなっている。従って支持部５は、共有せずに支持突起５６を設けた数（５×４＝２０個）よりも少ない１２個の支持突起５６を有している。
（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、荷重しきい値８０と、駆動パターン情報８１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。
この制御部８は、圧電素子４０～圧電素子４４から出力された荷重信号Ｓ１～荷重信号Ｓ５を荷重Ｆに変換するように構成されている。
そして制御部８は、変換された荷重Ｆと荷重しきい値８０とを比較し、荷重Ｆが荷重しきい値８０以上である場合、当該荷重Ｆが検出された入力領域にプッシュ操作がなされたと判定する。そして制御部８は、プッシュ操作がなされた入力領域の情報を含む操作情報Ｓ１１を生成して接続された電子機器に出力する。
また制御部８は、プッシュ操作が検出された入力領域に対して触覚フィードバックを呈示するため、駆動パターン情報８１に基づいて駆動信号Ｓ６～駆動信号Ｓ１０を生成するように構成されている。この駆動信号Ｓ６～駆動信号Ｓ１０は、プッシュ操作が検出された入力領域の圧電素子に対して出力される。
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４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、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり荷重信号Ｓ１～荷重信号Ｓ５に基づいていずれかの入力領域において荷重Ｆが検出された場合（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、当該荷重Ｆと荷重しきい値８０とを比較する（Ｓｔｅｐ２）。
制御部８は、当該荷重Ｆが荷重しきい値８０以上である場合、当該荷重Ｆを検出した圧電素子が配置された入力領域にプッシュ操作がなされたと判定する（Ｓｔｅｐ３：Ｙｅｓ）。
制御部８は、駆動パターン情報８１に基づいてプッシュ操作が検出された圧電素子を駆動する駆動信号を生成して出力すると共に、プッシュ操作が検出された入力領域の情報を含む操作情報Ｓ１１を生成して接続された電子機器に出力する（Ｓｔｅｐ４）。
ここでステップ３において制御部８は、検出された荷重Ｆが荷重しきい値８０より小さく、プッシュ操作が判定されない場合（Ｓｔｅｐ３：Ｎｏ）、ステップ１に処理を進める。
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る触覚呈示装置１は、小型化されても荷重Ｆ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。具体的には、触覚呈示装置１は、圧電素子４０を第１の配置層６１に配置し、他の圧電素子４１～圧電素子４４を第１の配置層６１と異なる層に位置する第２の配置層６２に配置するので、一部が操作面２ａ側から見て重なるように圧電素子４０～圧電素子４４を配置することができる。つまり触覚呈示装置１は、重なるように配置することができるで、同じ大きさや構成を有する圧電素子４０～圧電素子４４を、圧電素子４０を中心として各金属シム４ｂを接触させた際の外形よりも小さい領域に配置することができる。従って触覚呈示装置１は、圧電素子４０～圧電素子４４によって荷重Ｆの検出と触覚フィードバックの呈示を行う場合、小型化しても圧電素子４０～圧電素子４４の大きさを変えなくても良いので、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Ｆ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。
触覚呈示装置１は、押子３０～押子３４と圧電素子との接触面積が同じであり、またプッシュ操作方向の剛性が等しくされているので、この構成を採用しない場合と比べて、入力領域における荷重Ｆや触覚フィードバックの伝達、プッシュ操作時のストロークなどの差を許容範囲に収めることができる。従って触覚呈示装置１は、荷重Ｆや触覚フィードバックの伝達、プッシュ操作時のストロークなどの入力領域における差が小さいので、操作性が良い。
触覚呈示装置１は、第１の配置層６１の凹部５００と第２の配置層６２の凹部５１０、凹部５２０、凹部５３０及び凹部５４０との一部が共有されているので、圧電素子を支持する接触部の配置を対称とすることができ、また金属シム４ｂとの接触面が各圧電素子で同一となるようにすることができるので、荷重Ｆの作用や振動の付加によるがたを抑制し、異音の発生などを抑制することができる。
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
２ａ 操作面
５ 支持部
８ 制御部
２１ 中央入力領域
２２ 上入力領域
２３ 下入力領域
２４ 左入力領域
２５ 右入力領域
３０～３４ 押子
４０～４４ 圧電素子
５０～５４ 空洞
５６ 支持突起
６１ 第１の配置層
６２ 第２の配置層
５００ 凹部
５０５ 接触部
５１０ 凹部
５１５ 接触部
５２０ 凹部
５２５ 接触部
５３０ 凹部
５３５ 接触部
５４０ 凹部
５４５ 接触部 

Claims (9)

  1. 操作面に複数の入力領域が規定された操作部と、
    前記複数の入力領域に対応して配置され、前記複数の入力領域ごとの荷重を検出する複数の圧電素子と、
    前記複数の圧電素子が配置される少なくとも２つ以上の異なる配置層を有し、前記操作面側から見て一部が重なるように前記複数の圧電素子を支持する支持部と、
    を備えた触覚呈示装置。
  2. 前記操作部と前記複数の圧電素子の間には、複数の押子が設けられ、
    前記複数の押子は、接触する圧電素子が属する配置層が前記操作面から離れるに従って厚みを増し、また実質的な剛性を等しくされる、
    請求項１に記載の触覚呈示装置。
  3. 前記複数の押子は、前記複数の圧電素子のそれぞれに等しい接触面積で接触する、
    請求項２に記載の触覚呈示装置。
  4. 前記支持部は、表面から凹むように形成されて圧電素子が配置される複数の凹部と、前記複数の凹部ごとに設けられ、配置された圧電素子の撓みを許容する複数の空洞と、を有する、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
  5. 前記支持部は、前記複数の凹部ごとに設けられ、挿入された圧電素子が接触する複数の接触部を有し、
    前記複数の凹部は、一部が共有され、
    前記接触部の高さは、圧電素子が属する配置層が前記操作面から離れるに従って低くされる、
    請求項４に記載の触覚呈示装置。
  6. 前記複数の接触部は、前記複数の圧電素子のそれぞれに等しい接触面積で接触する、
    請求項５に記載の触覚呈示装置。
  7. 前記複数の接触部は、前記圧電素子と電気的に接続される電極パターンを備える、
    請求項５又は６に記載の触覚呈示装置。
  8. 前記支持部は、前記操作部を支持する複数の支持突起を前記表面に有する、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
  9. 前記複数の圧電素子のいずれかの圧電素子によって前記操作面になされた操作が検出された場合、当該圧電素子を制御して前記操作面に振動を付加する制御部を備えた、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
     
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