JP2017004264A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作パネルの振動に起因する異音の発生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、操作パネル１０の操作面１０ａになされた操作を検出する検出部１１と、検出部１１による操作の検出に基づいて操作パネル１０に振動を付加するアクチュエータ１８と、操作面１０ａに配置され、アクチュエータ１８が操作パネル１０に付加する振動の振動数を固有振動数として有して共鳴する第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７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、タッチパネルの裏面の近接した箇所にそれぞれ当接され、タッチパネルの面に対して垂直方向にタッチパネルを変位させる第１の変位手段及び第２の変位手段と、第１の変位手段及び第２の変位手段にそれぞれ駆動信号を印加することで、タッチパネルを複数の振動パターンで変位させる振動駆動制御手段と、を備えるタッチパネル装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このタッチパネル装置は、タッチパネルを複数の振動パターンで変位させることができるので、操作者にフィードバックする触感を変化させることができる。

特開２０１４−１３０４４３号公報

しかし、従来のタッチパネル装置は、振動パターンに関わらずタッチパネル全体が振動するため、タッチパネルの振動に起因する異音が発生する可能性がある。

従って、本発明の目的は、操作パネルの振動に起因する異音の発生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、操作パネルの操作面になされた操作を検出する検出部と、検出部による操作の検出に基づいて操作パネルに振動を付加する振動付加部と、操作面に配置され、振動付加部が操作パネルに付加する振動の振動数を固有振動数として有して共鳴する共鳴部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、操作パネルの振動に起因する異音の発生を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を説明するための車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置の正面図と側面図の一例であり、図１（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る共鳴部の固有振動数の算出の一例について説明するための概略図であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）のII（ｂ）-II（ｂ）線で切断した第１の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図であり、図２（ｃ）は、図１（ｂ）のII（ｃ）-II（ｃ）線で切断した第２の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図であり、図２（ｄ）は、図１（ｂ）のII（ｄ）-II（ｄ）線で切断した第３の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、操作パネルの操作面になされた操作を検出する検出部と、検出部による操作の検出に基づいて操作パネルに振動を付加する振動付加部と、操作面に配置され、振動付加部が操作パネルに付加する振動の振動数を固有振動数として有して共鳴する共鳴部と、を備えて概略構成されている。

触覚呈示装置は、振動付加部が付加する振動の振動数を固有振動数として有する共鳴部を備えるので、この構成を備えない場合と比べて、主に共鳴部を振動させることができるので、操作パネルの振動に起因する異音の発生を抑制することができる。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の全体構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の配置の一例を説明するための車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置の正面図と側面図の一例であり、図１（ｃ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。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１（ｃ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。また数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

触覚呈示装置１は、例えば、操作が受け付けられたことを、振動によって生成される触覚によって操作者に呈示するものである。本実施の形態の触覚呈示装置１は、一例として、図１（ａ）に示すように、車両８のセンターコンソール８０に配置されている。この触覚呈示装置１は、一例として、車両８に搭載され、電磁気的に接続された電子機器の操作部として機能する。この電子機器は、一例として、空調装置、音楽再生装置及び映像再生装置などである。本実施の形態の触覚呈示装置１は、一例として、空調装置の操作部として機能する。

触覚呈示装置１は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、操作パネル１０の操作面１０ａになされた操作を検出する検出部１１と、検出部１１による操作の検出に基づいて操作パネル１０に振動を付加する振動付加部としてのアクチュエータ１８と、操作面１０ａに配置され、アクチュエータ１８が操作パネル１０に付加する振動の振動数を固有振動数として有して共鳴する共鳴部と、制御部２０と、を備えて概略構成されている。

この共鳴部は、一例として、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７である。なお共鳴部は、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７に限定されず、触覚呈示装置１の構成に応じて配置される。

（操作パネル１０の構成）
操作パネル１０は、例えば、図１（ｂ）に示すように、矩形状を有している。この操作パネル１０は、一例として、ポリカーボネートなどの樹脂材料を用いて形成されている。

操作パネル１０には、例えば、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４と、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７と、表示部１９と、が取り付けられている。

この操作パネル１０は、アクチュエータ１８の振動によって振動し難いように、アクチュエータ１８の振動の振動数とは異なる固有振動数を有する。

（検出部１１の構成）
検出部１１は、例えば、図１（ｃ）に示すように、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４を含んで構成されている。検出部１１は、共鳴部を介して操作面１０ａになされたタッチ操作を検出する。つまり第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４は、共鳴部を介して操作面１０ａになされたタッチ操作を検出するように構成されている。

第１のタッチスイッチ１２は、操作パネル１０に配置された第１の検出電極１２０を有している。第２のタッチスイッチ１３は、操作パネル１０に配置された第２の検出電極１３０を有している。第３のタッチスイッチ１４は、操作パネル１０に配置された第３の検出電極１４０を有している。この第１の検出電極１２０〜第３の検出電極１４０は、一例として、銅などの導電性を有する金属材料を用いて形成されている。

第１のタッチスイッチ１２は、検出信号Ｓ_１を出力するように構成されている。この検出信号Ｓ_１は、例えば、操作者の操作指と第１の検出電極１２０とで形成される静電容量に基づいた信号である。

第２のタッチスイッチ１３は、検出信号Ｓ_２を出力するように構成されている。この検出信号Ｓ_２は、例えば、操作者の操作指と第２の検出電極１３０とで形成される静電容量に基づいた信号である。

第３のタッチスイッチ１４は、検出信号Ｓ_３を出力するように構成されている。この検出信号Ｓ_３は、例えば、操作者の操作指と第３の検出電極１４０とで形成される静電容量に基づいた信号である。

制御部２０は、検出信号Ｓ_１〜検出信号Ｓ_３としきい値２００とを比較して操作がなされたか否かを判定する。

（第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７の構成）
図２（ａ）は、実施の形態に係る共鳴部の固有振動数の算出の一例について説明するための概略図であり、図２（ｂ）は、図１（ｂ）のII（ｂ）-II（ｂ）線で切断した第１の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図であり、図２（ｃ）は、図１（ｂ）のII（ｃ）-II（ｃ）線で切断した第２の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図であり、図２（ｄ）は、図１（ｂ）のII（ｄ）-II（ｄ）線で切断した第３の共鳴部の断面の一部の一例を矢印方向から見た概略図である。

触覚呈示装置１は、固有振動数が異なる第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７が操作面１０ａに配置されている。第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、操作面１０ａの法線方向に突出する複数の突起を有し、この突起がアクチュエータ１８の生成する振動の振動数に応じた固有振動数を有している。

この固有振動数は、主に突起の形状によって決まる。図２（ａ）に示すように、突起３が四角柱形状を有する場合、突起３の操作面１０ａから先端までの長さをｌ、突起３の断面の幅をｂ、縦をｈとすると、突起３の固有振動数ｆは、以下の式（１）〜式（３）から求められることが知られている。
ｆ＝（１／２π）×（ｋ／ｍ）^１／２・・・（１）
ｋ＝（３ＥＩ／ｌ^３）・・・（２）
Ｉ＝ｂｈ^３／１２・・・（３）
ただし、質量をｍ、ばね定数をｋ、ヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩとしている。

第１の共鳴部１５の突起３０は、一例として、図２（ｂ）に示すように、円錐形状を有している。また第２の共鳴部１６の突起３１は、一例として、図２（ｃ）に示すように、四角柱形状を有している。さらに第３の共鳴部１７の突起３２は、一例として、図２（ｄ）に示すように、楕円を回転させて短軸において切断したような形状を有している。

第１の共鳴部１５の突起３０〜第３の共鳴部１７の突起３２の形状が異なるので、それぞれの固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３が異なる。この固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３は、例えば、指の受容器であるマイスナー小体やパチニ小体に検出され易い振動数に設定されるのが好ましい。

マイスナー小体は、例えば、２０〜１００Ｈｚ程度の振動を検出し易く、特に３０Ｈｚ近傍の振動が最も検出し易いことが知られている。またパチニ小体は、例えば、１００〜３００Ｈｚ程度の振動を検出し易く、特に２００Ｈｚ近傍の振動が最も検出し易いことが知られている。従って固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３は、２０〜３００Ｈｚの範囲で設定されることが好ましい。

第１の共鳴部１５は、第１のタッチスイッチ１２の第１の検出電極１２０に対応して操作面１０ａに配置されている。また第２の共鳴部１６は、第２のタッチスイッチ１３の第２の検出電極１３０に対応して操作面１０ａに配置されている。さらに第３の共鳴部１７は、第３のタッチスイッチ１４の第３の検出電極１４０に対応して操作面１０ａに配置されている。

この第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７は、例えば、印刷、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、樹脂成型などによって操作面１０ａに形成される。第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７は、例えば、ポリカーボネートなどの樹脂材料を用いて形成される。

変形例として、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７は、突起の形状が１つの形状の集合体に限定されず、複数の形状の突起が集まって共鳴部が形成されても良いし、さらに突起の数も限定されない。

（アクチュエータ１８の構成）
アクチュエータ１８は、例えば、図１（ｂ）に示すように、操作パネル１０の中央近傍に配置されている。このアクチュエータ１８は、例えば、偏心させた重りが出力軸に取り付けられたモータ、複数の振動数で振動可能に積層された圧電素子などにより構成されている。本実施の形態のアクチュエータ１８は、一例として、偏心させた重りが出力軸に取り付けられたモータである。

アクチュエータ１８は、制御部２０から出力される駆動信号Ｓ_４によって振動する。この駆動信号Ｓ_４は、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４が操作されたことにより出力される。また駆動信号Ｓ_４は、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４ごとに異なる信号となる。従って操作者は、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４ごとに異なる触覚を得ることとなる。

アクチュエータ１８は、少なくとも第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７の固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３に対応する振動数で振動する。

（表示部１９の構成）
表示部１９は、例えば、液晶の表示部である。この表示部１９は、制御部２０から出力された表示信号Ｓ_５に基づいて画像を表示する。

（制御部２０の構成）
制御部２０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６が動作するためのプログラムと、しきい値２００と、振動数情報２０１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。

しきい値２００は、タッチスイッチに操作がなされたか否かを判定するためのしきい値である。制御部２０は、取得した検出信号Ｓ_１〜検出信号Ｓ_３としきい値２００とを比較して操作の有無を判定する。

振動数情報２０１は、例えば、第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４と、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７の固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３と、が関連付けられた情報である。制御部２０は、検出信号Ｓ_１〜検出信号Ｓ_３としきい値２００との比較によって操作がなされたタッチスイッチを判定し、判定したタッチスイッチの共鳴部の固有振動数を振動数情報２０１から判定する。

制御部２０は、例えば、振動数情報２０１に基づいて判定した固有振動数に基づいて駆動信号Ｓ_４を生成すると共に、表示部１９の表示内容を変更する表示信号Ｓ_５を生成する。そして制御部２０は、操作がなされたタッチスイッチの情報である操作情報Ｓ_６を生成して接続された電子機器に出力する。なお制御部２０は、例えば、予め定められた期間、駆動信号Ｓ_４を出力するように構成されている。

以下に、本実施の形態の触覚呈示装置１の動作について説明する。

（動作）
触覚呈示装置１の制御部２０は、車両８の電源が投入されると、検出部１１から検出信号Ｓ_１〜検出信号Ｓ_３を取得し、しきい値２００と比較して操作がなされたか否かを判定する。

制御部２０は、操作がなされたタッチセンサが存在する場合、そのタッチセンサの共鳴部の固有振動数を振動数情報２０１から判定する。制御部２０は、判定した固有振動数に基づいて駆動信号Ｓ_４を生成し、アクチュエータ１８に出力する。

アクチュエータ１８は、駆動信号Ｓ_４に基づいて予め定められた期間、操作されたタッチセンサの共鳴部に適した振動を行って操作者に触覚を呈示する。

（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、操作パネル１０の振動に起因する異音の発生を抑制することができる。具体的には、触覚呈示装置１は、アクチュエータ１８が付加する振動の振動数を固有振動数として有する第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７を備えるので、この構成を備えない場合と比べて、主に第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７のいずれかが振動すると共に操作パネル１０の振動が抑制されるため、操作パネル１０の振動に起因する異音の発生を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、操作パネル１０の固有振動数と異なる振動数によって振動するので、操作パネルの固有振動数を考慮しない場合と比べて、操作パネル１０が振動し難くなって操作パネル１０の振動に起因する異音の発生を抑制することができる。

触覚呈示装置１は、アクチュエータ１８が第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７の固有振動数ｆ_１〜固有振動数ｆ_３と実質的に等しい振動数で振動するので、振動エネルギーが効率良く共鳴部の振動に変換され、操作者が認識し易い触覚を呈示することができる。例えば、共鳴部がない構成の触覚呈示装置の場合、操作者に認識され易い触覚を呈示するためには、操作がなされる領域のそれぞれの直下にアクチュエータを配置したり、少ないアクチュエータで触覚を呈示する場合、付加する振動の振幅を大きくしたりする必要がある。しかし本実施の形態の触覚呈示装置１は、アクチュエータ１８が共鳴部の固有振動数と実質的に等しい振動数の振動を行うので、操作パネル１０に１つのアクチュエータ１８であっても効果的に共鳴部を振動させ、操作者に認識し易い触覚を呈示することができる。

触覚呈示装置１は、効果的に共鳴部を振動させることができるので、車両８の振動によって触覚が認識し辛い状況であっても操作者に触覚を認識させることができる。

触覚呈示装置１は、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７のそれぞれの固有振動数が異なるので、それぞれの触感を異なるものとすることができる。従って操作者は、第１の共鳴部１５〜第３の共鳴部１７の触覚が異なるので、どのタッチスイッチを操作したのかを第１のタッチスイッチ１２〜第３のタッチスイッチ１４に対する視線移動を抑制して認識することができる。

触覚呈示装置１は、アクチュエータ１８の振動エネルギーを効率良く共鳴部の振動に変換することができるので、大きな振動エネルギーを生成するアクチュエータが必要なく、製造コストが抑制される。

本実施の形態の触覚呈示装置１は、タッチセンサに共鳴部を取り付けた構成であったがこれに限定されず、マルチタッチを検出可能なタッチパネルやタッチパッド、機械式のスイッチなどに適用することができる。また触覚呈示装置１は、車両８などに搭載される設置型の電子機器に限定されず、持ち歩き可能な携帯機などに適用されても良い。

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ともに、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、３…突起、６…制御部、８…車両、１０…操作パネル、１０ａ…操作面、１１…検出部、１２〜１４…第１のタッチスイッチ〜第３のタッチスイッチ、１５〜１７…第１の共鳴部〜第３の共鳴部、１８…アクチュエータ、１９…表示部、２０…制御部、３０〜３２…突起、８０…センターコンソール、１２０〜１４０…第１の検出電極〜第３の検出電極、２００…しきい値、２０１…振動数情報

Claims (5)

1. 操作パネルの操作面になされた操作を検出する検出部と、
   前記検出部による操作の検出に基づいて前記操作パネルに振動を付加する振動付加部と、
   前記操作面に配置され、前記振動付加部が前記操作パネルに付加する振動の振動数を固有振動数として有して共鳴する共鳴部と、
   を備えた触覚呈示装置。
2. 前記振動付加部は、前記操作パネルの固有振動数と異なる振動数を有する振動を生成する、
   請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記共鳴部は、前記操作面の法線方向に突出する複数の突起を有し、前記突起が前記振動付加部の生成する振動の振動数に応じた固有振動数を有する、
   請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
4. 固有振動数が異なる複数の前記共鳴部が前記操作面に配置され、
   前記振動付加部が当該固有振動数に対応する振動数で振動する、
   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. 前記検出部は、前記共鳴部を介して前記操作面になされた操作を検出する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。

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