JP2014056337A - 触覚提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手探りでの操作性を向上させることができる触覚提示装置を提供する。
【解決手段】制御回路２５は、変位センサ２２を通じて取得されるパッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタンに対応する位置に至った旨判断されるとき、圧電アクチュエータ２３に印可する電圧の制御を通じて、パッド２１全体を急峻に持ち上げる。これにより、パッド２１上の指先に段差感が与えられる。また、制御回路２５は、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタンに対応する位置に維持されている旨判断されるとき、微小な振動を継続して発生させる。これにより、ユーザはパッド２１上の指先位置を認識しやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、触覚提示装置に関する。

従来、タッチパッドおよびタッチパネルなど、なぞり操作を通じてディスプレイに表示される仮想的なボタンの選択などを行う入力装置が知られている。タッチパッドであれタッチパネルであれ、これら入力装置の操作面は平坦面であって、仮想的なボタンに対応する凹凸が存在しない。このため、ユーザは操作面に沿って指をスライドさせたとき、触感によって仮想的なボタンの位置を認識することが困難である。

そこで、振動などによる触覚提示機能を有する入力装置が従来提案されている。たとえば特許文献１のタッチパネルでは、ディスプレイ上の仮想的なボタンに対応するボタン領域が触れられたとき、当該ボタンの存在を振動によって報知する。なぞり操作に伴い指がボタン領域から外れたときには、振動が停止される。ユーザは、振動の有無を通じて、個々の仮想的なボタンの位置、あるいはそれらの境界を認識可能である。

特開２０１０−９３２１号公報

特許文献１のタッチパネルによれば、ユーザは、振動による刺激を通じて、何らかの仮想的なボタンに触れたかどうかのフィードバックは得られる。しかし、当該タッチパネルでは、ユーザに提示する触感による操作感が不十分である。物理的なボタンであれば、手探りで操作する場合であれ、触覚によりボタンの外形形状を認識することができるため、ボタンの位置あるいは種類を認識しやすく、操作も簡単である。これに対し、当該タッチパネルでは、振動によるフィードバックがあるとはいえ、キーボードなどの物理的なボタンをなぞったときのような段差感のある触感は得られない。このため、当該タッチパネルを手探りで操作する場合には、仮想的なボタンの位置がわかりにくい。このように、当該タッチパネルには、手探りでの操作性の点で未だ改善の余地がある。タッチパッドについても同様である。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、手探りでの操作性を向上させることができる触覚提示装置を提供することにある。

＜１＞本発明によれば、ディスプレイに表示されるオブジェクトを指定するために指先でなぞり操作がなされる操作面を有しかつ当該操作面に交わる方向に沿って移動可能とされた板と、前記板を前記交わる方向に沿って移動させるアクチュエータと、前記操作面における指先位置を検出するセンサと、前記センサを通じて取得される指先位置に基づき前記アクチュエータを動作させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置に近接または到達したとき、板全体を指に押し付ける方向へ急激に変位させるべく前記アクチュエータの動作を制御する触覚提示装置が得られる。

この構成によれば、板上の指先位置がディスプレイに表示されるオブジェクトに対応する位置に近接または到達したとき、板全体が指に押し付けられる方向へ急峻に変位する。この板の変位により、板上の指先に段差感が与えられる。物理的なボタンに近い触感が得られることによって、ユーザは板上の目標位置を認識しやすくなる。このため、手探りでの操作性が向上する。

＜２＞前記の触覚提示装置において、前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置から外れるタイミングで、板全体を指から離間させる方向へ急激に変位させるべく前記アクチュエータの動作を制御することが好ましい。

この構成によれば、板上の指先位置がディスプレイに表示されるオブジェクトに対応する位置から外れるタイミングで、板全体が指から離間する方向へ急峻に変位する。この板の変位により、より明確な段差感が得られる。

＜３＞前記の触覚提示装置において、前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置に維持されている間、板全体を指に押し付ける方向へ変位させた状態を維持しつつ、または板全体を指に押し付ける方向へ変位させつつ、板全体を微小振動させるべく前記アクチュエータの動作を制御することが好ましい。

この構成によれば、板上の指先位置がディスプレイに表示されるオブジェクトに対応する位置に維持されている間、板全体を指に押し付ける方向へ変位させた状態が維持されつつ、または板全体を指に押し付ける方向へ変位されつつ、板全体が微小振動する。このため、ユーザは板上の指先位置を認識しやすくなる。手探りでの操作性も向上する。

本発明によれば、触覚提示装置において、なぞり操作の際にディスプレイ上のオブジェクトに応じた段差感が得られるので、手探りでの操作性が向上する。

一実施の形態における入力装置が搭載された車両の内部を示す斜視図。 同じく入力装置の構成を示すブロック図。 同じく（ａ）は、指令電圧およびパッドの実測変位の時間的な変化を上下に並べたグラフ、（ｂ）は比較例における指令電圧およびパッドの実測変位の時間的な変化を上下に並べたグラフ。 同じく物理的なボタンをなぞり操作したときの当該ボタンの変位（凹凸）を示すグラフ。 他の実施の形態における指令電圧およびパッドの実測変位の時間的な変化を上下に並べたグラフ。 他の実施の形態におけるタッチパネルの外観を示す斜視図。

以下、触覚提示装置をタッチ式の入力装置であるタッチパッドに具体化した一実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
＜タッチパッドの概要＞
図１に示すように、車両のセンターコンソール１１にはタッチパッド１２が、同じくセンタークラスター１３にはディスプレイ１４が設けられている。ディスプレイ１４には、操作対象データであるオブジェクトとして、たとえば各種の仮想ボタン１５が表示される。仮想ボタン１５は、ナビゲーションシステムなどの車載機器を操作するために必要とされる機能項目を示すものである。タッチパッド１２の操作面を指でなぞることによって、ディスプレイ１４に表示される仮想ボタン１５を指定することができる。指定された仮想ボタン１５に応じて車載機器の制御が実行される。

＜タッチパッドの構成＞
つぎに、タッチパッドの構成を説明する。
図２に示すように、タッチパッド１２は、パッド２１、変位センサ２２、圧電アクチュエータ２３、増幅器２４、および制御回路２５を備えている。

圧電アクチュエータ２３は、センターコンソール１１の内部に設けられている。圧電アクチュエータ２３の下部は、センターコンソール１１の内部に設けられた支持部２９に固定されている。圧電アクチュエータ２３は、圧電素子の圧電効果（逆圧電効果）を利用したアクチュエータであって、電圧が印加されたときに長さが直線的に変わる。すなわち、圧電アクチュエータ２３は、電気エネルギーを機械的な直線運動に変換する。本例では、圧電アクチュエータ２３は、電圧印加の有無によって上下方向に伸縮する。圧電アクチュエータ２３の変位量は、印加される電圧によって決まる。

パッド２１は、圧電アクチュエータ２３の上部に固定されている。パッド２１は、センターコンソール１１の開口１１ａを裏から覆うように設けられている。パッド２１の開口１１ａから露出する部分は、ユーザによってなぞり操作が行われる操作面として機能する。パッド２１とセンターコンソール１１の開口周縁部との間には隙間２６が設けられている。隙間２６が存在することにより、パッド２１は矢印２７で示されるように、センターコンソール１１の開口周辺部に対して近接する方向（図中の上方）、あるいは離間する方向（図中の下方）へ移動可能である。

変位センサ２２は、センターコンソール１１の開口１１ａの近傍に設けられる。変位センサ２２は、パッド２１における指先の位置を検出し、その検出される指先の位置情報を生成する。本例では、変位センサ２２は、矢印２８で示されるように、指先の位置をなぞり方向、すなわちパッド２１に対して平行をなす方向から検出する。

制御回路２５は、増幅器２４を介して圧電アクチュエータ２３に接続されている。また、制御回路２５は、変位センサ２２およびディスプレイ１４にそれぞれ接続されている。
制御回路２５は、変位センサ２２により生成される指先の位置情報をディスプレイ１４の画面上の位置情報に変換し、当該位置情報に応じて、ディスプレイ１４に表示されるカーソル（図示略）を移動させたり、仮想ボタン１５などのオブジェクトを指定したりする。また、制御回路２５は、変位センサ２２により生成される指先の位置情報に基づき、圧電アクチュエータ２３に印加する電圧を制御する。詳述すると、制御回路２５は、指先の位置情報に応じて、圧電アクチュエータ２３に対する駆動信号を生成する。当該駆動信号は増幅器２４により電力増幅され、この増幅された電力が圧電アクチュエータ２３に供給される。たとえば制御回路２５は、圧電アクチュエータ２３に対する印加電圧の制御を通じて、パッド２１を昇降あるいは微少振動させる。

＜タッチパッドの動作＞
つぎに、タッチパッドの動作を説明する。ここでは、図１に示されるように、ディスプレイ１４に３つの仮想ボタン１５が左右に並んで表示されている状態で、パッド２１を各仮想ボタン１５の配列方向（左右方向）になぞり操作する。また、パッド２１は、センターコンソール１１の開口周縁部との間に隙間２６が形成される基準位置に保持されている。パッド２１が基準位置に保持されているときの変位を０とする。

さて、図３（ａ）のグラフの下段に示されるように、制御回路２５は、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５（「Ａ」）に対応する位置に至った旨判断されるとき（時刻ｔ１）、パッド２１を急激に上昇させるべく圧電アクチュエータ２３に電圧Ｖ１を印可する。圧電アクチュエータ２３は、急峻に立ち上がる電圧Ｖ１に応じて急激に上方へ伸長する。すると、図３（ａ）のグラフの上段に示されるように、パッド２１は圧電アクチュエータ２３が伸長した分だけ急激に上昇する。パッド２１が急激に上方へ移動して指に押し付けられることによって、当該指先に明確な段差感が提供される。

制御回路２５は、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５に対応する位置に存在する間（時刻ｔ１以降、時刻ｔ２未満）、パッド２１の基準位置からの高さを維持しつつ上下に微少振動させるべく圧電アクチュエータ２３に電圧を印可する。すなわち、図３（ａ）の下段のグラフに示されるように、制御回路２５は、電圧Ｖ１と当該電圧Ｖ１よりもわずかに低い電圧Ｖ２とを極短周期で交互に印加する。パッド２１を介して微少振動が指先に提供されることによって、ユーザは自身の指先位置を簡単に把握することができる。たとえばユーザは、指先に微少振動を感じれば３つの仮想ボタン１５のどれかに対応する位置に指先が存在することを、また、指先に微少振動を感じなければ３つの仮想ボタン１５から外れた位置に指先が存在することをそれぞれ認識することができる。

制御回路２５は、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５に対応する位置から外れた旨判断されるとき（時刻ｔ２）、圧電アクチュエータ２３に対する電圧印加を停止する。ここで制御回路２５は、パッド２１を上昇させるとき（時刻ｔ１）の単位時間当たりの電圧Ｖ１の変化に比べて、緩やかに印加電圧を低下させる。伸長していた圧電アクチュエータ２３が元の長さに収縮することによって、パッド２１は指先から離れて基準位置に戻る。

この後、パッド２１上の指先はスライドされて、残りの２つの仮想ボタン１５（「Ｂ」，「Ｃ」）に対応するパッド上の２つの領域を順次通過する。前述と同様に、制御回路２５は、指先が残りの２つの仮想ボタン１５に対応する２つの領域に至った旨判断されるときには、圧電アクチュエータ２３を通じてパッド２１を急激に上昇させるとともに、これら領域内に指先が位置している旨判断されるときにはパッド２１を上昇させた位置に保ちつつ上下に微少振動させる。そして制御回路２５は、指先が残りの２つの仮想ボタン１５に対応する２つの領域から外れた旨判断されるときには、圧電アクチュエータ２３に対する電圧印加を停止することにより、パッド２１を下降させる。

このように、つぎの（ａ），（ｂ），（ｃ）の動作を組み合わせることによって物理的なボタンをなぞり操作したときの感触に近い触感が指先に与えられる。
（ａ）パッド２１を急激に上昇させること。

（ｂ）パッド２１の上昇位置を維持しつつパッド２１を微小振動させること。
（ｃ）パッド２１を下降させること。
このことは、図３（ａ）の上段に示されるグラフと図４のグラフとを比較することによっても明らかである。

図４のグラフは、左右に並んだ物理的な３つのボタンをなぞったときの時間（なぞり距離）と基準位置に対する各ボタンの変位（凹凸高さ）との関係を示す。図３（ａ）の上段のグラフに示される、時間に対するパッド２１の基準位置（変位０）に対する変位変化と、図４のグラフに示される、時間に対するボタンの基準位置（変位０）に対する変位変化とは、互いに近似している。すなわち、前述したパッド２１の動作、すなわち「パッド２１が指に押し付けられるように急激に変位（上昇）した後、当該変位が維持される期間を経て、今度は指から離れるように変位（下降）する」というパッド２１の動作を通じて、物理的なボタンと同様の凹凸感が指先に与えられる。これは、物理的なボタンを実際にタッチすることを想定した際、指先皮膚をボタンに押し付けて皮膚接触面積が増えた後、皮膚接触面積が元の面積に戻ることを考慮した変化である。また前述したように、パッド２１が上昇位置に維持されている期間、パッド２１を微小振動させることにより、ユーザはパッド２１上の指先位置を認識しやすくなる。

ちなみに、図３（ｂ）のグラフに示されるように、パッド２１を上昇位置に保持した状態で、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５に対応する位置に存在するときだけパッド２１を微小振動させるようにした場合には、パッド２１をなぞっても段差感は得られない。すなわち、段差感を得るためには、パッド２１を急激に上昇させることが必要かつ有効である。

＜実施の形態の効果＞
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）制御回路２５は、変位センサ２２を通じて取得されるパッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置に至った旨判断されるとき、圧電アクチュエータ２３に印可する電圧の制御を通じて、パッド２１全体を急激に持ち上げる。これにより、パッド２１上の指先に段差感が与えられる。物理的なボタンに近い触感が得られることにより、タッチパッド１２の手探りでの操作性が向上する。

（２）制御回路２５は、変位センサ２２を通じて取得されるパッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置（領域）に存在する旨判断されるとき、微小な振動を継続して発生させる。このため、ユーザはパッド２１上の指先位置を認識しやすくなる。タッチパッド１２の操作性も向上する。

（３）パッド２１の駆動源として圧電アクチュエータ２３を採用した。圧電アクチュエータ２３は、微小変位が簡単に得られること、小型であること、応答性が高いこと、発生力が大きいことなどの特徴を有する。このため、触覚提示機能を有するタッチパッド１２の駆動源として好適である。

＜他の実施の形態＞
なお、前記実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・本例では、圧電アクチュエータ２３の上部にパッド２１を設けたが、何らかの連結部材を介して圧電アクチュエータ２３とパッド２１とを連結してもよい。

・本例では、パッド２１上の指先位置を変位センサ２２により検出したが、たとえばパッド２１にかかる指の圧力を利用する感圧式、あるいは静電気を利用する静電式のセンサによりパッド２１上の指先位置を検出してもよい。これらセンサはパッド２１に設ける。

・本例では、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５に対応する位置に至ったとき、矩形パルス状に急峻に立ち上がる電圧を圧電アクチュエータ２３に印可したが、当該印加電圧の立ち上がり時間、換言すれば当該印加電圧の立ち上がり部分の傾斜度合いは適宜変更してもよい。すなわち、当該印加電圧の立ち上がり部分の傾斜の度合いは、図３（ａ）の下段のグラフに示される印加電圧の立ち上がり部分の傾斜度合いに対して、若干大きくても小さくてもよい。また、当該印加電圧を直角に立ち上げるようにしてもよい。

・本例では、パッド２１を圧電アクチュエータ２３の変位方向と同じ方向（図２に矢印２７で示される上下方向）へ直線的に昇降および振動させるようにしたが、パッド２１の移動方向と圧電アクチュエータ２３の変位方向とを異ならせてもよい。たとえば、圧電アクチュエータ２３の変位方向がパッド２１の移動方向（上下方向）に対して交わるように、圧電アクチュエータ２３を設ける。この場合、圧電アクチュエータ２３とパッド２１との間には、圧電アクチュエータ２３の変位をパッド２１の移動方向（振動方向）への変位に変換する変換機構を設ける。また、圧電アクチュエータ２３の変位を増幅する増幅機構を設けてもよい。

・本例では、パッド２１は、図２に矢印２７で示される上下方向へ移動可能としたが、パッド２１の移動方向（振動方向）はつぎのようにしてもよい。たとえば、パッド２１を図２中の上下方向に対して交わる方向へ斜めに移動可能としてもよい。また、パッド２１を回転させることによりパッド２１の操作面の傾きを変更可能としてもよい。

・本例では、パッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置に至ったときにパッド２１を上昇させるようにしたが、仮想ボタン１５に対応する位置に近接したときにパッド２１を上昇させるようにしてもよい。このようにすれば、パッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置にさしかかるタイミングでパッド２１が急激に上昇されることにより、好適なタイミングで指先に段差感を与えることが可能である。

・本例では、図３（ａ）に示されるように、なぞり操作されているとき、パッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置に存在する間、パッド２１の上昇位置を維持しつつパッド２１を微小振動させるようにしたが、つぎのようにしてもよい。すなわち、図５に示されるように、なぞり操作に伴いパッド２１を徐々に上昇させつつ微小振動させてもよい。

・本例では、パッド２１を昇降あるいは振動させる手段として圧電アクチュエータ２３を採用したが、他の手段を採用してもよい。たとえば、ボイスコイルモータが採用可能である。ボイスコイルモータは、永久磁石および当該永久磁石の磁界中に設けられるボイスコイルを有するリニアモータである。ボイスコイルは自身に印加される電流に応じて直進運動を行う。また、ボイルコイルモータと圧電アクチュエータ２３とを併用してもよい。この場合、たとえばパッド２１の昇降はボイスコイルモータを使用して、振動は圧電アクチュエータ２３を使用して発生させる。また、電動モータを利用した振動発生装置なども採用可能である。

・本例では、図３（ａ）の下段のグラフに示されるように、圧電アクチュエータ２３に対する電圧印加を停止するとき、緩やかに印加電圧を低下させるようにしたが、つぎのようにしてもよい。すなわち、図５の下段のグラフに示されるように、パッド２１上の指先位置がディスプレイ１４上の仮想ボタン１５に対応する位置から外れた旨判断される場合に（時刻ｔ２）、圧電アクチュエータ２３に対する電圧の印加を停止するとき、当該電圧を急峻に立ち下げる。このようにすれば、図５の上段のグラフに示されるように、パッド２１は急激に下降する。すなわち、いままで指先に押し付けられていたパッド２１が瞬間的に指から離れることによって、より明確な段差感（実物感）が得られる。

・本例では、振動提示装置をタッチパッド１２に具体化したが、タッチパネルに具体化してもよい。すなわち、図６に示すように、タッチパネル３０は、ディスプレイ３１およびディスプレイ３１の画面を覆うようにして取り付けられる透明なシートパネル３２を有している。シートパネル３２には、電気的なボタン（２層透明電極からなるマトリックススイッチなど）としての機能が持たせられている。そして、タッチパネル３０に触覚提示機能を持たせるために、先の図２に示される構成をタッチパネル３０に適用する。この場合、パッド２１をシートパネル３２に置換する。また、シートパネル３２は、ディスプレイ３１の画面に対して昇降、すなわち画面に対して接離する方向へ変位可能に設ける。このようにすれば、前記実施の形態と同様に、シートパネル３２に対してなぞり操作を行うとき、圧電アクチュエータ２３に対する印加電圧の制御を通じて段差感が得られる。

・本例では、制御回路２５は、パッド２１上の指先位置が仮想ボタン１５に対応する位置に維持されている間、微小振動を発生させるようにしたが、当該微小振動を発生させないようにしてもよい。このようにした場合であれ、パッド２１に対するなぞり操作に際して、パッド２１全体が急激に上昇することにより段差感が得られる。

＜他の技術的思想＞
次に、前記実施の形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）前記アクチュエータは圧電アクチュエータであること。

（ロ）前記触覚提示装置は、ディスプレイと板とが分離して設けられるタッチパッドとして構成されること。前記触覚提示装置はタッチパッドに好適である。
（ハ）前記板は電気的なボタンとしての機能を有する透明のシートパネルであって、前記触覚提示装置は、ディスプレイとシートパネルとが一体に設けられるタッチパネルとして構成されること。前記触覚提示装置はタッチパネルに好適である。

１２…タッチパッド（触覚提示装置）、１４…ディスプレイ、１５…仮想ボタン（オブジェクト）、２１…パッド（板）、２２…変位センサ、２３…圧電アクチュエータ、２５…制御回路。

Claims (3)

1. ディスプレイに表示されるオブジェクトを指定するために指先でなぞり操作がなされる操作面を有しかつ当該操作面に交わる方向に沿って移動可能とされた板と、
   前記板を前記交わる方向に沿って移動させるアクチュエータと、
   前記操作面における指先位置を検出するセンサと、
   前記センサを通じて取得される指先位置に基づき前記アクチュエータを動作させる制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置に近接または到達したとき、板全体を指に押し付ける方向へ急激に変位させるべく前記アクチュエータの動作を制御する触覚提示装置。
2. 請求項１に記載の触覚提示装置において、
   前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置から外れるタイミングで、板全体を指から離間させる方向へ急激に変位させるべく前記アクチュエータの動作を制御する触覚提示装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の触覚提示装置において、
   前記制御回路は、前記指先位置がオブジェクトに対応する位置に維持されている間、板全体を指に押し付ける方向へ変位させた状態を維持しつつ、または板全体を指に押し付ける方向へ変位させつつ、板全体を微小振動させるべく前記アクチュエータの動作を制御する触覚提示装置。