JP2019169009A - 触覚提示装置および操作入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作面に対して十分に大きい変位を発生させることが可能であり、操作者に対して、より明瞭に操作の受け付けを知覚させることのできる触覚提示装置を提供すること。【解決手段】操作者が触れる可撓性の板状部材に、電極に電圧を印加することによって縮径もしくは拡径する変形を生じる円環状圧電素子を固着させて触覚提示装置を構成し、円環状圧電素子の変形に伴って生じる板状部材の撓みによって操作者に触覚を提示するものとした。【選択図】図３

Description

本発明は、触覚提示装置および操作入力装置に関し、さらに詳しくは、触覚を発生させる手段として圧電素子を応用したものに関する。

例えばスマートフォンなどのような、操作用のタッチパネルを備える携帯用電子機器の分野では、操作者による操作に応じて振動を発生させることで、操作者に対して携帯用電子機器が操作を受け付けたことを知覚させる機能を付帯させることが一般的になっている。

近年、このようなタッチパネルを備える携帯用電子機器の分野と同様に、平坦な操作面に触れる、あるいは、押圧することで操作を行う、いわゆるタッチスイッチを備える各種機器においても、操作面を変位あるいは変形させることによって、操作者に対して操作を受け付けたことを知覚させる機能を付帯させることの要求がある。

このような要求を実現するために適用可能なものであると思料される触覚提示装置の一例として、引用文献１には、筒形のアクチュエータ１００と圧力板２００とを組み合わせ、アクチュエータ１００と圧力板２００の内部に液体の媒質３００を封入して、アクチュエータ１００の径の拡大と収縮に伴って、媒質３００を介して圧力板２００を振動させるように構成したものが開示されている（本願の図５を参照）。

国際公開２０１０／０５８５３８号（段落００１５，図３Ｂ）

ところで、操作者に対して機器が操作を受け付けたことを知覚させるに際して、より明瞭に操作者が知覚できるようにするためには、より大きい変位を操作面に生じさせることが必要となる。

引用文献１に開示されている触覚提示装置は、媒質３００を介して圧力板２００に変位を生じさせるという構造上、アクチュエータ１００の径の収縮によって、アクチュエータ１００の内径部分から押し出される媒質３００の体積に相当する分、両側の圧力板３００のそれぞれが外側へ向けて変位することとなる。すなわち、アクチュエータ１００の径の収縮に伴って圧力板２００に生じる変位は、二つの圧力板２００に分散して生じる。

この引用文献１に開示されている触覚提示装置を、機器の操作面をなす板状部材に固着させて用いることを想定した場合、固着させた側に位置する圧力板２００には、圧力板２００それ自体を変位させるための負荷に加えて、板状部材を変位させるための負荷が上乗せされる。このような状況においては、アクチュエータ１００の内径部分から押し出される媒質３００は、専ら、固着させた側とは反対側に位置する圧力板２００を押し出すことになると思料され、この結果、板状部材に対しては、十分に大きい変位を発生させることができず、操作者に対して操作の受け付けを十分に知覚させることができない事態となることが懸念される。

加えて、引用文献１に開示されている触覚提示装置は、圧力板によって液体の媒質を封入するという複雑な構成であるため、コストの低減が難しく、さらには、媒質の漏れ出しなどの不具合が発生する虞がある。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであって、簡素な構成でありながら、操作面に対して十分に大きい変位を発生させることが可能であり、操作者に対して、より明瞭に操作の受け付けを知覚させることのできる触覚提示装置および操作入力装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明による触覚提示装置は、一方の主面を操作者が触れる操作面とする可撓性の板状部材における他方の主面に円環状圧電素子を固着させたものであって、前記円環状圧電素子は、電圧を印加するための電極を有し、前記電極に電圧を印加することによって、縮径もしくは拡径する変形を生じるものであり、前記円環状圧電素子の変形に伴って生じる前記板状部材の撓みによって、前記操作者に触覚を提示することを特徴とする。

円環状圧電素子を可撓性の板状部材に固着した状態で、円環状圧電素子が縮径もしくは拡径するように変形すると、その変形に伴って、板状部材に対して直接的に撓みを生じさせることができる。このときの板状部材の撓みは、円環状圧電素子の変形に伴って強制的に生じるものであるとともに、円環状圧電素子を中心として三次元的に生じるものであるため、その変位量は、従来のように媒質や圧力板を介して間接的に生じさせる変位よりも大きくなる。

本発明による触覚提示装置において、一つの前記板状部材に、複数の前記円環状圧電素子を固着させた態様であってよい。

例えば、それぞれの円環状圧電素子に対応して固有の触覚を割り付けた態様のユニット状の触覚提示装置を提供することができる。また、複数の円環状圧電素子を連携させて統合的に制御することで、より複雑な触覚を提示することができる触覚提示装置を提供することができる。

本発明による触覚提示装置において、前記板状部材は透光性のものであり、前記板状部材の他方の主面側に、前記円環状圧電素子の内径の範囲に対応して配設される発光素子をさらに有し、前記発光素子によって、前記円環状圧電素子の内径の範囲が照光される態様であってよい。

例えば、円環状圧電素子の内径の範囲に任意の透光マークを配置して、その透光マークが透過照光されるようにすることで、操作者に対して透光マークを視認させることができるため、操作者が指等を接触させるべき位置が分かりやすいとともに、加飾性の高い触覚提示装置を提供することができる。

本発明による操作入力装置は、上述した触覚提示装置と、前記板状部材への操作者の接触を検出する接触検出手段とを備えてよい。

上述した本願発明による触覚提示装置と、接触検出手段とを組み合わせることによって、触覚を提示する機能を付帯した操作入力装置を構成することができる。接触検出手段としては、例えば、円環状圧電素子の内部や周囲に静電容量を検出するための検出電極を配設して、検出される静電容量の変化に基づいて操作者の接触を検出する、いわゆる静電容量方式タッチスイッチを好適に応用することができる。

また、本発明による操作入力装置における前記接触検出手段は、前記操作者の接触によって生じる前記板状部材の撓みに伴って前記円環状圧電素子の電極に生じる電圧に基づいて接触を検出するものであってよい。

圧電素子は、外力による変形に応じて電極間に電圧が発生する。本願発明における円環状圧電素子の電極に生じるこの電圧に基づいて、操作者の接触を検出するように構成することで、円環状圧電素子を、触覚の提示と接触の検出の二つの用途で兼用できるため、合理的な構成の操作入力装置を提供することができる。

本発明によれば、簡素な構成でありながら、操作面に対して十分に大きい変位を発生させることが可能であり、操作者に対して、より明瞭に操作の受け付けを知覚させることのできる触覚提示装置および操作入力装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る触覚提示装置の構成を示した図である。 図１に示す触覚提示装置の要部断面図である。 本発明の第２実施例に係る操作入力装置の構成を示した図である。 図２に示す操作入力装置の要部断面図である。 従来の触覚提示装置の構成を示した図である。

本発明の実施例に係る触覚提示装置１および操作入力装置２について、図１から図４を用いて説明する。

まず、本発明の第１実施例に係る触覚提示装置１について説明する。

図１は、触覚提示装置１の構成について、操作面側から平面視して示した図である。図２は、図１に示す触覚提示装置のＡ−Ａ断面図である。なお、図示の都合上、図２に示す各部位の寸法は実際のものとは異なる場合がある。

触覚提示装置１は、板状部材１１と円環状圧電素子１２とを備えている。板状部材１１の一方の面（図２における上側の面）は平坦面であって、操作者が触れる操作面である。板状部材１１の他方の面（図２における下側の面）には、例えばエポキシ樹脂系接着剤などの接着剤１３によって、円環状圧電素子１２が強固に固着されている。

板状部材１１は、例えばアクリルやポリカーボネートなどの絶縁性樹脂を薄板状に形成したものであって、可撓性を有するものである。なお、板状部材１１は樹脂製のものに限定されず、例えば、ガラス製薄板、金属製薄板などのような、種々の可撓性の薄板を好適に応用できる。なお、金属製薄板を用いる場合には、上述した接着剤１３による層を形成するなどして、後述する円環状圧電素子１２の第１電極１２ｂとの間の絶縁性を確保する必要がある。

円環状圧電素子１２は、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウムなどの公知な圧電材料を円環状に形成して得た基体１２ａを有しており、その基体１２ａの上下の円環状をなす面のそれぞれに、銀や錫などの金属からなる第１電極１２ｂと第２電極１２ｃとを対向させて形成して構成されたものである。このように形成された円環状圧電素子１２は、第１電極１２ｂと第２電極１２ｃとの間に印加する電圧の極性に応じて、縮径もしくは拡径するように変形する。なお、円環状圧電素子１２の電極は、本実施例のように対向する円環状面のそれぞれに配置する態様の他に、円環状圧電素子１２の内周壁面および外周壁面にそれぞれ配置する態様であってもよく、円環状面と内周壁面および外周壁面に配置した電極を併用する態様であってもよい。

上述した触覚提示装置１の動作について説明する。

円環状圧電素子１２の第１電極１２ｂと第２電極１２ｃとの間に、図示しない駆動電圧発生回路によって得た所定の極性の電圧を印加すると、円環状圧電素子１２が縮径するように変形する。これに伴って、円環状圧電素子１２が強固に固着されている板状部材１１に強制的に撓みが生じる。このときの板状部材１１の撓みは、円環状圧電素子１２の中心部分が最も突出した凸状の三次元的な曲面をなす形状となる。

円環状圧電素子１２の第１電極１２ｂと第２電極１２ｃとの間に、上述した例とは逆の極性の電圧を印加すると、円環状圧電素子１２が拡径するように変形する。このときの板状部材１１の撓みは、円環状圧電素子１２の中心部分が最も陥没した凹状の三次元的な曲面をなす形状となる。

板状部材１１が凸状に撓む場合と凹状に撓む場合、いずれも、可撓性の板状部材１１に固着された円環状圧電素子１２の縮径もしくは拡径する変形に伴って、板状部材１１に対して直接的かつ強制的に撓みが生じる。そのため、このときの板状部材１１の撓み量、すなわち、変位量は、従来のように媒質や圧力板を介して板状部材１１に対して間接的に生じさせた場合の変位量よりも大きくなる。したがって、操作者に対して明瞭に触覚を提示することができる。

また、板状部材１１が凸状に撓む場合について、操作面に接触している操作者の指等に対して、撓んだ板状部材１１が生じる付勢力は、従来のものよりも大きくなる。したがって、操作者が比較的強く接触して、接触面を押圧している状態であっても、その押圧力に抗して、操作者に対して明瞭に触覚を提示することができる。

次に、本発明の第２実施例に係る操作入力装置２について説明する。

図３は、操作入力装置２の構成について、操作面側から平面視して示した図である。図４は、図３に示す操作入力装置２のＢ−Ｂ断面図である。なお、図示の都合上、図４に示す各部位の寸法は実際のものとは異なる場合がある。

操作入力装置２は、一つの板状部材２１に、四つの円環状圧電素子２２を、第１実施例と同様に接着剤で強固に固着させ、さらに、板状部材２１と対向させて印刷配線基板２３を配設してなるものである。なお、円環状圧電素子２２については、第１実施例において詳述したものと同一の構成であるので説明を省略する。

操作入力装置２の板状部材２１は、例えばアクリルやポリカーボネートなどの透光性の絶縁性樹脂を薄板状に形成したものであって、可撓性を有するものである。なお、板状部材２１は樹脂製のものに限定されず、例えば、ガラス製薄板などのような、種々の透光性を有する可撓性の薄板を好適に応用できる。また、後述する照光機能が不要であれば、板状部材２１を必ずしも透光性のものとする必要はなく、あらゆる可撓性の薄板を好適に応用できる。

板状部材２１における、それぞれの円環状圧電素子２２の内径の範囲内には、図示しない任意の透光マークを配置してもよい。後述する発光素子としてのＬＥＤ２４によって、透光マークが透過照光されるようにすることで、操作者に対して透光マークを視認させることができるため、操作者が指等を接触させるべき位置、あるいは、所望する機能が分かりやすいとともに、加飾性の高いものとすることができる。

印刷配線基板２３は公知なものであって、例えば、ガラス繊維布基材エポキシ樹脂積層板の基板上に、銅箔からなる所定の回路パターンをエッチングによって形成してなるものである。印刷配線基板２３の板状部材２１と対向する側の面上には、それぞれの円環状圧電素子２２の内径のほぼ中心に位置するように、発光素子としての四つのＬＥＤ２４が配設されている。このＬＥＤ２４によって、円環状圧電素子２２の内径の範囲内が照光される。円環状圧電素子２２の内径の範囲内に、上述したように透光マークが配置されている場合は、そのマークが透過照光される。

印刷配線基板２３には、接触検出手段としての図示しない電圧検出回路が形成されており、円環状圧電素子２２と接続されている。電圧検出回路は、円環状圧電素子２２が外力による変形することに伴って、上述した第１電極１２ｂと第２電極１２ｃとの間に生じる電位差を検出するための回路である。操作者が板状部材２１の操作面に接触して押圧すると、板状部材２１に撓みが生じ、これに伴って、円環状圧電素子２２が変形する。電圧検出回路は、このときに円環状圧電素子２２に生じる電位差を検出することで、操作者による操作面への接触を検出する。このようにすることで、円環状圧電素子２２を、触覚の提示と、接触の検出の二つの用途で兼用できるため、操作入力装置２の構成が簡素化され、操作入力装置２の原価の低減に寄与する。

なお、接触検出手段は、上述した電圧検出回路に限定されるものではなく、例えば、円環状圧電素子２２の内部や周囲に静電容量を検出するための検出電極を配設して、検出される静電容量の変化に基づいて操作者の接触を検出する、いわゆる静電容量方式タッチスイッチであっても好適に応用することができる。これ以外にも、種々の公知な接触検出方法を好適に応用することができる。

印刷配線基板２３には、さらに、円環状圧電素子２２へ印加する所定の電圧を生じさせるための駆動電圧発生回路、円環状圧電素子２２へ印加する電圧の波形や期間を制御するための駆動制御回路、および、四つの円環状圧電素子２２の中から、電圧を印加する対象を選択するとともに、電圧検出回路によって接触を検出する対象を選択する接続切替回路、などが形成されている。（いずれも図示しない）

駆動制御回路は、それぞれの円環状圧電素子２２に対応して固有の電圧の波形、あるいは、電圧の印加期間を設定することができるように構成されており、それぞれの円環状圧電素子２２に対応した固有の触覚を割り付けることができる。このようにすることで、操作者が触覚を通じて、操作面を視認することなく、どの円環状圧電素子２２に対応した操作が受け付けられたのかを知覚できる点で好ましい。

また、駆動制御回路と接続切替回路とによって、複数の円環状圧電素子２２を連携させて統合的に制御して、例えば、それぞれの円環状圧電素子２２に同時に異なる波形の電圧を供給する、あるいは、それぞれの円環状圧電素子２２に若干の時間差をもって、順次、所定の波形の電圧を供給するなどすることで、一つの円環状圧電素子では提示することのできない複雑な触覚を操作者に提示することができる。

本発明は、各種の電子機器、あるいは、各種家電製品等に用いられる触覚提示装置および操作入力装置において好適に利用することができる。

１ 触覚提示装置
１１ 板状部材
１２ 円環状圧電素子
１２ａ 基体
１２ｂ 第１電極
１２ｃ 第２電極
１３ 接着剤
２ 操作入力装置
２１ 板状部材
２２ 円環状圧電素子
２３ 印刷配線基板
２４ ＬＥＤ（発光素子）

Claims (5)

1. 一方の主面を操作者が触れる操作面とする可撓性の板状部材における他方の主面に円環状圧電素子を固着させた触覚提示装置であって、
   前記円環状圧電素子は、
   電圧を印加するための電極を有し、
   前記電極に電圧を印加することによって、縮径もしくは拡径する変形を生じるものであり、
   前記円環状圧電素子の変形に伴って生じる前記板状部材の撓みによって、前記操作者に触覚を提示することを特徴とする触覚提示装置。
2. 一つの前記板状部材に、複数の前記円環状圧電素子を固着させたことを特徴とする請求項１に記載の触覚提示装置。
3. 前記板状部材は透光性のものであり、
   前記板状部材の他方の主面側に、前記円環状圧電素子の内径の範囲に対応して配設される発光素子をさらに有し、
   前記発光素子によって、前記円環状圧電素子の内径の範囲が照光されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の触覚提示装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚提示装置と、
   前記板状部材への操作者の接触を検出する接触検出手段と、
   を備えることを特徴とする操作入力装置。
5. 前記接触検出手段は、前記操作者の接触によって生じる前記板状部材の撓みに伴って前記円環状圧電素子の前記電極に生じる電圧に基づいて前記接触を検出することを特徴とする請求項４に記載の操作入力装置。

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