JP2018132854A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、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。

従って本発明の目的は、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。

本発明の一態様は、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、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、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できる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）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の一例である。 図２（ａ）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概略図であり、図２（ｂ）は、アクチュエータの一例を示す側面図であり、図２（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例であり、図２（ｄ）は、触覚呈示装置が有するデータベースの一例を示す概略図である。 図３は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図４（ａ）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４（ｂ）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４（ｃ）は、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、を備えて概略構成されている。

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１（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）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の一例である。図２（ａ）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概略図であり、図２（ｂ）は、アクチュエータの一例を示す側面図であり、図２（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例であり、図２（ｄ）は、触覚呈示装置が有するデータベースの一例を示す概略図である。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２（ｃ）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１（ａ）〜図２（ｃ）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、を備えて概略構成されている。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Ｓ_３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Ｓ_３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、を備えて概略構成されている。

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１（ａ）及び図１（ｂ）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、を備えて概略構成されている。また操作部２は、例えば、図１（ｂ）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１（ａ）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１（ｂ）に示すように、基板３０と、電極部３１と、を備えて概略構成されている。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Ｓ_１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Ｓ_１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Ｓ_１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Ｓ_１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１（ａ）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１（ｂ）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１（ｂ）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２（ｂ）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で挟んで概略構成されている。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１（ｂ）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２（ａ）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Ｓ_２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Ｓ_３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Ｓ_２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２（ｄ）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Ｔｈ_１０を有している。

荷重しきい値Ｔｈ_１〜荷重しきい値Ｔｈ_５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Ｔｈ_１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Ｔｈ_２〜荷重しきい値Ｔｈ_５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Ｗａ_１〜駆動波形Ｗａ_５は、領域ごとの駆動信号Ｓ_３に関する情報である。この駆動波形Ｗａ_１は、基準波形を有する駆動信号Ｓ_３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Ｗａ_２〜駆動波形Ｗａ_５は、基準波形を有する駆動信号Ｓ_３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Ｓ_３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Ｔｈ_１０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Ｓ_１に基づいてタッチしきい値Ｔｈ_１０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Ｓ_１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Ｔｈ_１０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Ｓ_２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Ｓ_３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Ｓ_４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Ｓ_１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Ｔｈ_１０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Ｓ_２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Ｓ_３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４（ａ）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４（ｂ）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４（ｃ）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４（ａ）及び図４（ｂ）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を備えて概略構成されている。

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４（ａ）及び図４（ｂ）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４（ｃ）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、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、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、２…操作部、３…タッチセンサ、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、２３…上領域、２４…下領域、２５…左領域、２６…右領域、２７…中央領域、３０…基板、３０ａ…表面、３０ｂ…裏面、３１…電極部、４０…圧電素子、４１…金属シム、８０…データベース、２００…操作面、４００…第１の電極、４０１…圧電体、４０２…第２の電極、４１０…基部、４１１…突出部、４１２…上部、４１３…中空部

Claims (3)

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。

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