JP3994857B2

JP3994857B2 - 凹凸形成デバイスおよび凹凸表示デバイス

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Publication number: JP3994857B2
Application number: JP2002325370A
Authority: JP
Inventors: 一郎吉田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004157933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面の所定位置に凹凸を形成する凹凸形成デバイスおよびこれを用いた凹凸表示デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスプレイ上に構成されるタッチパネルは、入力された位置の検出方法により、抵抗線式、光学式、静電容量式、磁気誘導式などが実用化されている。使用者がタッチパネルに触れると、触れた位置の情報が出力され、タッチパネルに繋がるマスタ機器ではその位置に応じた処理が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ディスプレイの画面表示が細かい場合には、触れる位置が分かりにくく、使用者は誤った位置に触れてしまう場合がある。特に、高齢者などにとっては、タッチパネルの指定表示位置に正確に触れることは難しい場合が多い。また、従来のタッチパネルは、視覚障害者では操作することができず不便であった。さらに、自動車の運転中のように前方を注視し続ける必要がある場合であっても、操作部分に視線を移すことなく操作可能なヒューマンインターフェースに優れた操作手段も望まれていた。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、視覚に頼らずとも正確に入力操作ができる凹凸形成デバイスおよびこれを用いた凹凸表示デバイスを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した手段によれば、複数の変位素子が基板上に配列されており、凸部を形成したい位置にある変位素子に対し制御手段から変位命令が出力されると、当該変位素子の変位力生成部が変位部を基板離隔方向に変位させる。これにより、当該変位部がフィルム層に当接し、さらにその変位力により当該当接部分が凸状に変位する。使用者は、フィルム層の表面に触れた感覚（触覚）により、平坦なフィルム層の表面に形成された凸部（または凹部）を探すことができ、その結果、視覚に頼らずとも上記凹凸を手掛かりとしてタッチ操作すべき位置に正確に触れることが可能となる。
【０００６】
上記凸部は、制御手段からの制御信号により変位素子ごとに独立して生成および消滅させることができる。このため、当該凹凸形成デバイスに繋がるマスタ機器は、使用者に要求する一連の操作において、各操作段階に応じて必要な位置に順次凸部（または凹部）を形成、消滅させることにより、使用者の操作性が高められ、視覚に頼らずとも正確な入力操作が可能となる。この凹凸形成デバイスを用いれば、後述する凹凸表示デバイスをはじめ、視覚障害者のための点字生成装置、自動車運転者等のためのブラインドタッチ用操作パネルなどを構成することができる。
【０００７】
本手段によれば、フィルム層に凸部を形成する場合、駆動部は、膨脹体と圧力調整室との間に設けられた開閉手段を閉じて、膨脹体と圧力調整室とを非連通状態（遮断状態）とする。この状態で、加熱手段により膨脹体を加熱すると、膨脹体の内部圧力が増大して膨脹し、その一部分がフィルム層に当接してフィルム層を凸状に変位させる。その後、駆動部が開閉手段を開くと、膨脹体の内部圧力が開閉手段を通して圧力調整室に逃れるため、膨脹体の内部圧力が低下して膨脹体が収縮する。これに伴って、フィルム層に形成された凸部は、フィルム層の有する復元力により消滅する。当該凹凸形成デバイスの構成要素は全て微細構造化が可能なものであるため、変位素子を高密度に配列することができる。
【０００８】
請求項２に記載した手段によれば、駆動部は、膨脹体の内部圧力を示す圧力センサの検出信号をフィードバックして膨脹体の膨脹および収縮を制御するので、変位の精度を高めることができる。
【０００９】
請求項３に記載した手段によれば、駆動部は、凸部の形成駆動時において、膨脹体の圧力を所定範囲内に制御することにより凸部保持制御を行うので、フィルム層に形成された凸部の変位量をほぼ一定に保持することができる。
【００１０】
請求項４に記載した手段によれば、圧力保護手段は、膨脹体および圧力調整室の何れかの内部圧力が所定の上限圧力を超えた場合に、外部へのリークにより内部圧力を低下させるので、過大な圧力による膨脹体または圧力調整室の故障を防止することができる。
【００１１】
請求項５に記載した手段によれば、規制手段により膨脹体の変位が基板離隔方向に方向付けられるので、膨脹体の内部圧力の増加に伴って、膨脹体を効率よく基板離隔方向へ変位させることができる。
【００１２】
請求項６に記載した手段によれば、加熱手段は、膨脹体を加熱する加熱手段として機能する他、膨脹体の変位を基板離隔方向に規制する規制手段としても機能するため、別途規制手段を設ける必要がない。
【００１３】
請求項７に記載した手段によれば、フィルム層に凸部を形成する場合、駆動部は、棒状体の一端または両端から膨脹させるべき膨脹体に流体が流れ込むように開閉手段を駆動し、流体供給手段により流体を導入する。この場合、必要に応じて、膨脹不要な膨脹体からの流体の導出、他の膨脹部への流体の導入などを段階的に行えば良い。流体の流れ込んだ膨脹体は、その内部圧力が増大して膨脹し、その一部分がフィルム層に当接してフィルム層を凸状に変位させる。一方、全ての開閉手段を開いて棒状体から流体を導出すると、膨脹体の内部圧力が低下して膨脹体が収縮する。これに伴って、フィルム層に形成された凸部は、フィルム層の有する復元力により消滅する。
【００１４】
請求項８に記載した手段によれば、フィルム層において、変位部との当接部分の膜厚が非当接部分の膜厚と比較して薄く形成されているので、変位力を受けたフィルム層の当接部分が凸状に変位し易くなる。その結果、より小さい変位力で凸部を形成できるようになり、変位素子をより小型化することができる。
【００１５】
請求項９に記載した手段によれば、変位部のフィルム層との当接部分に硬質部を設けたので、凸部の面積が小さく絞り込まれ凸部のブロード化を防止できる。これにより、高密度で分解能の高い凹凸形成デバイスを構成できる。
【００１６】
請求項１０に記載した手段によれば、駆動部は、ＴＦＴにより構成されているので、凹凸形成デバイスをより微細な構造とすることができる。
【００１７】
請求項１１に記載した手段によれば、表示デバイスと凹凸形成デバイスとが組み合わされ、パネル面におけるタッチ操作位置に対応して表示デバイスによる表示と凹凸形成デバイスによる凹凸部の形成とが行われる。これにより、使用者は、タッチ操作すべき位置を視覚により認識するとともに、フィルム層の表面の凸部（または凹部）を手掛かりとして触覚により正確な位置を認識することができる。
【００１８】
このタッチ操作の検出は、接触検出手段により行われ、例えば請求項１２記載の手段のように、パネル表面部に透明の導電膜を形成し、その導電膜の有する抵抗に基づいて接触位置を特定する構成とすることができる。
【００１９】
請求項１３に記載した手段によれば、表示デバイスと凹凸形成デバイスとの位置合わせを実行するキャリブレーション機能を備えているので、表示デバイスによる表示位置と凹凸形成デバイスによる凸部形成位置とのずれを極力小さくすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を凹凸ドットマトリクス表示デバイスに適用した第１の実施形態について図１ない図８を参照しながら説明する。
本実施形態の凹凸ドットマトリクス表示デバイス（以下、凹凸表示デバイスと称す）は、ドットマトリクス表示デバイス（以下、表示デバイスと称す）の表示面に凹凸形成デバイス（後述）の基板面を重ね、凹凸形成デバイスのフィルム面側に透明の導電膜を形成したパネル構造をなしている。表示デバイスは、ＴＦＴを用いた周知構成のアクティブドットマトリクス方式のカラー液晶パネルであるが、これに替えてＥＬ表示デバイス、プラズマ表示デバイス、ＣＲＴなどを用いることもできる。導電膜は、パネル面へのタッチ操作を検出するために必要となる。
【００２１】
図１および図２は、それぞれ凹凸形成デバイス１の斜視図および縦断面図である。凹凸形成デバイス１の下面側（基板面側）に重ねられる表示デバイスは省略されている。これら図１、図２において、透明のガラス基板２の上面には、表示デバイスの各画素（ドット）に対応して複数の変位素子３がマトリクス状に形成されているとともに、これら各変位素子３に対し制御信号を送るための複数の制御線４と５がそれぞれＸ方向とＹ方向に沿って形成されている。そして、これら変位素子３を上方から全体的に覆うように、変位素子３に近接して透明のフィルム層６が設けられている。
【００２２】
変位素子３は、基板２に立設されたほぼ正方形の筒状のヒータ７（加熱手段に相当）、下半分が蛇腹構造を有しヒータ７の内部に収容された縦長形状の膨脹体８、この膨脹体８に近接して立設された円筒形状の圧力調整室９、前記膨脹体８と圧力調整室９とを結ぶ連絡管１０、この連絡管１０のほぼ中央部に設けられたマイクロバルブ１１（開閉手段に相当）、このマイクロバルブ１１に近接して設けられ内部圧力を検出する圧力センサ１２、上記ヒータ７の通断電やマイクロバルブ１１の開閉等を制御するＴＦＴ（Thin Film Transistor）構造の駆動部１３から構成されている。ここで、膨脹体８が変位部に相当し、それ以外のものが変位力生成部に相当する。
【００２３】
ヒータ７には、例えばＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータが用いられている。膨脹体８は、中空構造を有し、その内部圧力に応じて膨脹、収縮可能な樹脂により構成されている。また、膨脹体８の上端部には、硬質材料（例えばセラミックスや金属）からなるチップ部１４が形成されており、フィルム層６において、各変位素子３のチップ部１４が当接する部分（例えば当接部分を中心とする円内）の膜厚は、非当接部分の膜厚と比較して薄くなっている。
【００２４】
膨脹体８、圧力調整室９および連絡管１０の内部（以下、システム内部と称す）には、水やアルコールなどの液体が封入されている。この液体としては、当該凹凸表示パネルの動作環境温度においては液体として存在し、ヒータ７による加熱により気化する特性を有する性質を有するものが用いられる。
【００２５】
マイクロバルブ１１は、駆動部１３からの駆動信号により開閉動作するもので、開動作中にあっては膨脹体８と圧力調整室９とが連絡管１０を通して連通状態となり、閉動作中にあっては非連通状態（遮断状態）となる。また、マイクロバルブ１１は、システム内部の圧力が限界圧を超えた場合にシステム内部の気体を外部にリークするリークバルブ（自動安全弁）を備えている。このリーク機能は、駆動部１３からの駆動信号により動作する他、マイクロバルブ１１が自ら有する圧力検出機能によっても動作するようになっている。これにより圧力保護手段が構成され、変位素子３は、過大な圧力による破壊から保護される。
【００２６】
図３は、全画素を点灯表示した場合における凹凸表示デバイスの上面図である。各画素は、表示デバイスにより表示されるもので、この各画素に対応して凹凸形成デバイス１の変位素子３が設けられている。そして、変位素子３ごとに、パネル面に凸部を形成することができるようになっている。図中、黒く示されたドットが、凸部が形成されている画素である。表示デバイスの画素と凹凸形成デバイス１の変位素子３との対応は、キャリブレーションにより補正可能となっている。
【００２７】
また、パネル部の上辺部および左辺部に隣接して、表示デバイスおよび凹凸形成デバイス１に対し制御信号を送出するドライバ１５（制御手段に相当）が設けられている。このドライバ１５は、各凹凸形成デバイス１に対して個別的に制御信号を出力可能となっている。ドライバ１５は、パネル面に形成された導電膜の抵抗値を検出し、それに基づいてタッチ位置を特定する位置特定手段として機能する。ドライバ１５と導電膜は、本発明でいう接触検出手段に相当する。
【００２８】
次に、本実施形態の作用について図４ないし図８も参照しながら説明する。図８は、凹凸形成デバイス１により凹凸表示デバイスのパネル面に形成される凹凸状態を模式的に示している。このうち（ａ）は、矩形の辺上に位置する変位素子３について膨脹体８を膨脹させた場合を示している。右側の図は、個々の膨脹体８の変位状態を示し、左側の図は、使用者がパネル面に触れたときに得られる凹凸の感覚を示している。同様に、（ｂ）は、矩形内に位置する変位素子３について膨脹体８を膨脹させた場合を示している。この矩形の大きさを例えば指の大きさに合わせておけば、使用者はパネル面においてタッチ操作すべき位置に正確に触れることができる。また、（ｃ）は、点字の基本パターンを形成した場合を示している。
【００２９】
なお、パネル面の凹凸は、表示デバイスの各画素に対応して設けられた変位素子３の膨脹体８を独立して変位させて形成しても良いが、画素が小さい場合には隣接する複数の画素（例えば４つの画素）に対応する変位素子３の膨脹体８を一群として変位させるようにしても良い。また、隣接する複数の画素ごとに一つの変位素子３を設けた構成としても良い。
【００３０】
図４は、凹凸形成デバイス１が凹凸表示デバイスのパネル面に凸部を形成、消滅する場合の制御内容を概略的に示すフローチャートである。この制御は、各変位素子３の駆動部１３が自らのロジック回路により行うが、これに替えてドライバ１５により行うように構成しても良い。
【００３１】
凹凸表示デバイスは、マスタ機器と接続されている。凹凸表示デバイス内の表示デバイスは、このマスタ機器からの表示命令に従って文字、図形、記号などをパネル面にカラー表示し、凹凸表示パネル内の凹凸形成デバイス１は、マスタ機器からの凸部形成命令、凸部消失命令に従って所定位置に凸部を形成し、消失させる。
【００３２】
すなわち、凹凸表示デバイスは、初期設定処理を行い（ステップＡ１）、待ち状態に移行する（ステップＡ２）。この間、表示デバイスは、マスタ機器からの表示命令に従って表示処理を実行する。そして、マスタ機器から凸部形成命令が入力されると（ステップＡ３）、凹凸形成デバイス１は凸部形成処理（ステップＡ４）および凸部保持処理（ステップＡ５）を実行する。その後、使用者がパネル面にタッチすることにより選択操作したことを検出すると（ステップＡ６）、その選択操作内容をマスタ機器に送信し、それに応じてマスタ機器から凸部消失命令が入力されると凸部消失処理を実行する（ステップＡ７）。
【００３３】
以下、これらの処理の内容について、図５、図６を用いてさらに詳しく説明する。図５は、特定の変位素子３について、図４のステップＡ１からＡ５までの初期設定処理、待ち処理、凸部形成命令入力処理、凸部形成処理および凸部保持処理の処理内容を示すフローチャートである。
【００３４】
まず、変位素子３の駆動部１３は、ステップＢ１においてマイクロバルブ１１を開き、膨脹体８と圧力調整室９とを連通状態とする。これにより、膨脹体８の内部圧力（以下、膨脹体圧力と称す）が低下し、膨脹体８が収縮して凸部が消失した初期状態となる。
【００３５】
周囲温度が低下するなどして膨脹体圧力が動作下限圧Ｐ１（図７参照）よりも低下すると、ヒータ７の通電開始から膨脹体８の膨脹による凸部の形成完了までに通常よりも長い時間を要する虞がある。これに対し、上記初期設定処理Ａ１は、凸部形成命令の入力を待つ間、膨脹体圧力を動作下限圧Ｐ１以上に保持するとともに、圧力上昇異常を検出するものである。
【００３６】
すなわち、ステップＢ２において、圧力センサ１２により検出した膨脹体圧力が動作下限圧Ｐ１以上であるかどうか判断する。ここで、動作下限圧Ｐ１未満である（ＮＯ）と判断すると、ステップＢ１２に移行してヒータ７に通電した後、ステップＢ１３において膨脹体圧力が上昇するかどうかを判断する。上昇する場合には「ＹＥＳ」と判断して再びステップＢ２に移行するが、上昇しない場合には「ＮＯ」と判断してステップＢ１４に進み異常判定処理を行った後処理を中止する。
【００３７】
一方、駆動部１３は、ステップＢ２において膨脹体圧力が動作下限圧Ｐ１以上である（ＹＥＳ）と判断すると、ステップＢ３に移行してヒータ７の断電処理を行う。この断電処理は、ステップＢ１２のヒータ通電処理に対応するものである。その後、ステップＢ４においてマスタ機器からドライバ１５を介して凸部形成命令が入力されたか否かを判断し、入力されていない場合には「ＮＯ」と判断してステップＢ２に戻る。このループ処理が上記待ち処理（ステップＡ２）に相当する。
【００３８】
凸部形成命令が入力されると、駆動部１３は、凸部形成処理（ステップＡ４）および凸部保持処理（ステップＡ５）に移行する。すなわち、駆動部１３は、ステップＢ５に移行してマイクロバルブ１１を閉じ、さらにステップＢ６に移行してヒータ７に通電する。これにより、膨脹体８と圧力調整室９とが非連通状態とされ、膨脹体８が加熱される。その結果、膨脹体８の内部に収容された液体の一部が気化し、膨脹体８の内部圧力が上昇する。
【００３９】
図７は、膨脹体８の温度と膨脹体圧力との関係を示す特性図である。膨脹体圧力は、膨脹体８が液体の気化温度Ｔ１に達するまではほぼ一定であるが、気化温度Ｔ１を超えると急激に上昇し、膨脹体８の上端部に形成されたチップ部１４がフィルム層６に当接した後は、さらに傾きを増して上昇する。
【００４０】
駆動部１３は、ステップＢ７において、膨脹体圧力が膨脹下限圧Ｐ２以上であるか否かを判断し、膨脹下限圧Ｐ２未満である（ＮＯ）と判断するとステップＢ１５に移行して膨脹体圧力が上昇するかどうかを判断する。上昇する場合には「ＹＥＳ」と判断して再びステップＢ７に移行するが、上昇しない場合には「ＮＯ」と判断してステップＢ１６に進み異常判定処理を行った後処理を中止する。
【００４１】
一方、ステップＢ７において膨脹体圧力が膨脹下限圧Ｐ２以上である（ＹＥＳ）と判断すると、ステップＢ８に移行して膨脹体圧力が膨脹上限圧Ｐ４未満であるか否かを判断する。この膨脹上限圧Ｐ４は、通常動作において変位素子３がとり得る最大圧力であり、後述する当接判定圧Ｐ３よりも高い値に設定されている。
【００４２】
膨脹上限圧Ｐ４未満である場合には「ＹＥＳ」と判断してステップＢ９に移行し、そこで膨脹体圧力に基づいてチップ部１４がフィルム層６に当接しているか否かを判断する。このときの判断に用いられる基準圧力すなわち当接判定圧Ｐ３は、チップ部１４がフィルム層６に当接した直後の膨脹体圧力（図７に示すＰ３′）ではなく、パネル面に適度の凸部が形成されている状態での膨脹体圧力である。
【００４３】
駆動部１３は、当接していない（ＮＯ）と判断するとステップＢ６に移行し、当接している（ＹＥＳ）と判断するとステップＢ１０に移行してヒータ７を断電する。そして、ステップＢ１１において所定時間だけ待った後、再びステップＢ９に移行する。このループ処理により、一旦形成された凸部が保持される。
【００４４】
この凸部保持処理中、膨脹体圧力は当接判定圧Ｐ３付近に制御されるため膨脹上限圧Ｐ４にまで達することはない。しかし、例えばパネル面に強い力が加わったような場合には、一時的に膨脹体圧力が膨脹上限圧Ｐ４以上となる場合が生じ得る。ステップＢ８において、膨脹上限圧Ｐ４以上である（ＮＯ）と判断すると、ステップＢ１７に移行してヒータ７を断電し、ステップＢ１８において所定時間だけ待つ。その後、ステップＢ１９において、膨脹体圧力が限界圧Ｐ５以上であるか否かを判断し、限界圧Ｐ５未満である（ＮＯ）と判断するとステップＢ６に移行する。この限界圧Ｐ５とは、変位素子３が故障なく動作し得る最大圧力である。
【００４５】
駆動部１３は、ステップＢ１９で膨脹体圧力が限界圧Ｐ５以上である（ＹＥＳ）と判断すると、ステップＢ２０に移行してマイクロバルブ１１に設けられたリークバルブを開く。ただし、上述したように、このリークバルブはマイクロバルブ１１自身が開く場合もある。その後、ステップＢ２１おいて、膨脹体圧力が膨脹上限圧Ｐ４よりも低下するまでループして待つ。そして、膨脹体圧力が膨脹上限圧Ｐ４よりも低下すると、ステップＢ２２に移行してリークバルブを閉じた後ステップＢ６に移行する。
【００４６】
続いて、図６に示すフローチャートを参照しながら、選択操作の検出処理（ステップＡ６）および凸部消失処理（ステップＡ７）についての処理内容について説明する。使用者が、パネル面に形成された凸部を手掛かりにして、その凸部形成部分に所定のタッチ操作（例えば断続的に２度触れる操作）をすると、パネル面に形成されている導電膜の抵抗が接触パターン（時間、時間間隔など）に応じて変化する。凹凸表示デバイスのドライバ１５あるいはマスタ機器は、この電気信号に基づいて使用者の行った選択操作を認識する。マスタ機器は、この選択操作結果に応じて凸部消失命令を出力する。
【００４７】
変位素子３の駆動部１３は、ステップＡ５において凸部保持処理を行った後、ステップＣ１において凸部消失命令が入力されたか否かを判断する。ここで、入力されていない（ＮＯ）と判断するとステップＡ５に戻り、入力された（ＹＥＳ）と判断するとステップＣ２に移行してヒータ７を断電し、さらにステップＣ３に移行してマイクロバルブ１１を開く。これにより、膨脹体８と圧力調整室９とが連通状態となって膨脹体８の内部圧力が低下するので、膨脹体８が収縮し、フィルム層６の有する復元力により凸部が消失する。
【００４８】
その後、駆動部１３は、システム内部の圧力などについて自己チェックを行う。そして、そのチェック結果が正常か否かを判断し（ステップＣ４）、正常（ＹＥＳ）と判断すれば処理を終了し再び初期設定処理（ステップＡ１）に戻る。これに対し、システム内部の圧力などが正常でない場合には、ステップＣ５に移行して調整処理を実行する。その後、ステップＣ６において調整ができたか否かを判断し、できた（ＹＥＳ）場合には処理を終了し、できなかった（ＮＯ）場合にはステップＣ７に移行して異常判定処理を行った後処理を終了する。このように、凸部を形成、消失するごとに自己チェックおよび調整処理を行うことにより、システム内部の圧力状態を適正に保つことができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の凹凸表示デバイスは、表示デバイスと、この表示デバイスの各画素に対応して複数の変位素子３がマトリクス状に形成された凹凸形成デバイス１とを重ね合わせた構造を有し、変位素子３ごとにパネル面であるフィルム層６に凹凸を形成することができる。従って、使用者は、フィルム層６に触れた感覚により凸部（全ての変位素子３の膨脹体８を変位させた状態を基準とすれば凹部）を探すことができ、その結果、表示デバイスの表示に頼らずとも上記凹凸部を手掛かりとしてタッチ操作すべき位置に正確に触れることが可能となる。
【００５０】
上記凸部は、変位素子３ごとに独立して生成および消滅させることができる。このため、凹凸形成デバイス１に繋がるマスタ機器は、使用者に要求する一連の操作において、各操作段階に応じて必要な位置に順次凸部（または凹部）を形成、消滅させることにより、使用者の操作性が高められ、視覚に頼らずとも正確な入力操作が可能となる。また、駆動部１３をＴＦＴにより構成するとともにマイクロバルブ１１を用いるなど微細構造化が図られており、変位素子３を高密度に配列することができる。
【００５１】
駆動部１３は、圧力センサ１２の検出信号をフィードバックして膨脹体８の膨脹および収縮を制御するので、変位の精度を高めることができる。また、膨脹体８の内部圧力を所定範囲内に制御することにより凸部保持制御を行うので、フィルム層６に形成された凸部の変位量をほぼ一定に保持することができる。さらに、駆動部１３およびマイクロバルブ１１は、膨脹体８の内部圧力が限界圧Ｐ５以上となった場合に、外部へのリークにより内部圧力を低下させるので、過大な圧力による故障を防止することができる。
【００５２】
膨脹体８は筒状をなしたヒータ７の内部に収容されているので、加熱した場合の膨脹体８の変位が基板離隔方向に規制される。これにより、膨脹体８を効率よく基板離隔方向へ変位させ、より小さい圧力変化により凸部を形成することができる。
【００５３】
フィルム層６において、各変位素子３のチップ部１４が当接する部分の膜厚が非当接部分の膜厚と比較して薄くなっているので、変位力を受けたフィルム層６の当接部分が凸状に変位し易くなる。その結果、より小さい変位力で凸部を形成できるようになり、変位素子３をより小型化することができる。また、膨脹体８の先端部にチップ部１４を形成したので、凸部の面積が小さく絞り込まれ凸部のブロード化を防止でき、変位素子３を高密度に配しても高い分解能を得ることができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、凹凸形成デバイスの斜視図である図９を参照しながら説明する。この図９に示す凹凸形成デバイス１６は、マスタ機器に接続されており、単独であるいは表示デバイスと重ね合わせた凹凸表示デバイスとして用いられる。
【００５５】
透明の基板１７の上には、複数の棒状体１８（変位部に相当）が平行に配列されており、これら棒状体１８を上方から全体的に覆うように、棒状体１８に近接して透明のフィルム層（図示せず）が設けられている。この棒状体１８は、中空構造を有しその内部圧力に応じて膨脹および収縮を行う複数の膨脹体１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）がマイクロバルブ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）を介して連通可能なように一列に連結された構造を備えている。マイクロバルブ２０は、膨脹体１９の内部圧力が限界圧を超えた場合に内部のエアを外部にリークするリークバルブを備えている。
【００５６】
図示しないが、基板１７の端部には、棒状体１８の一端から当該棒状体１８に対しエア（流体に相当）を導入しまたは導出するエア供給部（流体供給手段に相当）が設けられている。また、基板上または基板外には、マイクロバルブ２０とエア供給部とを駆動する駆動部（図示せず）が設けられている。これらエア供給部と駆動部が、本発明でいう変位力生成部に相当する。
【００５７】
各膨脹体１９の膨脹、収縮は以下のように行われる。
▲１▼図９の「Ａ」で示す棒状体１８の場合
駆動部は、マイクロバルブ２０ａを閉じ、マイクロバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを開いた状態で、マイクロバルブ２０ｄが位置する端から棒状体１８にエアを導入する。膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃは連通状態にあるため、エアは膨脹体１９ｃから膨脹体１９ａに向かって順に送り込まれ、これら膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃの内部圧力が上昇して膨脹する。エアが十分に導入された時点でマイクロバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを閉じる。膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、膨脹するとフィルム層に当接しフィルム層を押し上げるので、膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃに対応した位置に凸部が形成される。
【００５８】
その後、凹凸形成デバイス１６に繋がるマスタ機器から凸部消失命令が入力されると、駆動部は、マイクロバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを開き、棒状体１８内部のエアを導出する。これにより、膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃが収縮し、上記凸部が消失する。
【００５９】
▲２▼図９の「Ｂ」で示す棒状体１８の場合
駆動部は、マイクロバルブ２０ａ、２０ｂ、２０ｃを閉じ、マイクロバルブ２０ｄを開いた状態で、マイクロバルブ２０ｄが位置する端から棒状体１８にエアを導入する。この場合、エアは膨脹体１９ｃのみに導入され膨脹体１９ａ、１９ｂには導入されないので、膨脹体１９ｃだけが膨脹する。エアが十分に導入された時点でマイクロバルブ２０ｄを閉じる。その結果、膨脹体１９ｃに対応した位置にだけ凸部が形成される。凸部を消失させる場合には、マイクロバルブ２０ｄを開き、棒状体１８内部のエアを導出する。
【００６０】
▲３▼図９の「Ｃ」で示す棒状体１８の場合
この場合には２段階の動作となる。すなわち、駆動部は、マイクロバルブ２０ａを閉じ、マイクロバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを開いた状態で、マイクロバルブ２０ｄが位置する端から棒状体１８にエアを導入する。エアは膨脹体１９ｃから膨脹体１９ａに向かって順に送り込まれる。エアが膨脹体１９ａに十分に導入された時点でマイクロバルブ２０ｂを閉じ、膨脹体１９ｂ、１９ｃ内のエアを一旦導出する。その後、マイクロバルブ２０ｃを閉じ、再びエアを導入後マイクロバルブ２０ｄを閉じる。その結果、膨脹体１９ａと１９ｃに対応した位置に凸部が形成される。凸部を消失させる場合には、マイクロバルブ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを開き、棒状体１８内部のエアを導出する。
【００６１】
以上の説明では、マイクロバルブ２０ｄ側からのみエアを導入・導出したが、マイクロバルブ２０ａ側からも行う構成とすれば、エアの導入時間および導出時間を短縮できる。特に、上記▲３▼の場合には１段階動作とすることができ、動作時間を大きく改善することができる。
【００６２】
本実施形態の凹凸表示デバイス１６によっても、膨脹体１９ごとにフィルム層に凸部（または凹部）を形成することができる。従って、例えば表示デバイスと組み合わせることにより、第１の実施形態と同様の効果を奏する凹凸表示デバイスを得ることができる。
【００６３】
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
上述した凹凸形成デバイス１、１６を用いると、視覚障害者のための点字生成装置をはじめ、ブラインド操作可能なヒューマンインターフェースに優れた入力手段を構成できる。この入力手段を用いると、例えば自動車の運転中などのように前方を注視し続ける必要がある場合であっても、入力手段に視線を移すことなく確実な入力操作が可能となる。
【００６４】
この場合、使用者が操作パネルに手をかざして親指の先と小指の先でパネル面に触れると、その接触位置を結んだ線分を一つの対角線として構成される四角形の内部が操作可能範囲として認識され、その操作可能範囲内にのみ凹凸形成デバイス１、１６により凹凸が形成される。このように使用者の手の大きさに応じて操作可能範囲を設定するキャリブレーション機能により、使用者の利き手の使い易い範囲だけに凹凸を形成できるので、使用者の利便性、操作性を高められる。その結果、パネル面において親指の位置が「はい」、人差し指の位置が「いいえ」、中指の位置がキャンセルというようにブラインド操作が可能となる。
【００６５】
変位部に変位を生じさせる変位力生成部は、静電力、磁力などを用いたものであっても良い。また、変位力を受けることにより、凸部ではなく凹部を形成するように構成しても良い。
接触検出手段は、光学式、静電容量式、磁気誘導式などであっても良い。
第１の実施形態において、膨脹体圧力が膨脹上限圧Ｐ４以上となった場合に加え、圧力調整室９の内部圧力が所定の上限圧以上となった場合にも圧力低減制御を行うと良い。
【００６６】
第２の実施形態においても、膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃの上端部に硬質材料からなるチップ部を形成しても良い。また、フィルム層において、膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃ（チップ部）が当接する部分の膜厚を、非当接部分の膜厚と比較して薄くすると良い。さらに、膨脹体１９ａ、１９ｂ、１９ｃの膨脹方向を基板離隔方向に方向付ける規制部を設けると良い。また、棒状体１８に導入する流体は、エア以外の気体または液体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す凹凸形成デバイスの斜視図
【図２】凹凸形成デバイスの縦断面図
【図３】全点灯表示した凹凸表示デバイスの上面図
【図４】凸部を形成、消滅する場合の概略的なフローチャート
【図５】初期設定処理から凸部保持処理までの処理内容を示すフローチャート
【図６】選択操作の検出処理と凸部消失処理の処理内容を示すフローチャート
【図７】膨脹体温度と膨脹体圧力との関係を示す特性図
【図８】凹凸表示デバイスのパネル面に形成される凹凸状態を模式的に示す図
【図９】本発明の第２の実施形態を示す図１相当図
【符号の説明】
１、１６は凹凸形成デバイス、２、１７は基板、３は変位素子、６はフィルム層、７はヒータ（加熱手段）、８、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃは膨脹体（変位部）、９は圧力調整室、１１、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄはマイクロバルブ（開閉手段）、１２は圧力センサ、１３は駆動部、１４はチップ部（硬質部）、１５はドライバ（制御手段、位置特定手段）、１８は棒状体（変位部）である。

Claims

基板上に配列され変位部と当該変位部を制御信号に応じて基板離隔方向に変位させる変位力生成部とから構成される複数の変位素子と、
これら変位素子に近接して設けられ、前記変位部が当接した状態で変位力を受けると当該当接部分が凸状に変位するフィルム層と、
前記各変位素子に対し個別的に制御信号を出力可能な制御手段とを備え、
前記変位部は、中空構造を有しその内部圧力に応じて前記基板離隔方向に沿って膨脹および収縮を行う膨脹体から構成され、
前記変位力生成部は、
前記膨脹体を加熱する加熱手段と、
圧力調整室と、
前記膨脹体と前記圧力調整室との間に介在し、これら膨脹体と圧力調整室とを連通状態および非連通状態の何れかの状態に設定する開閉手段と、
前記開閉手段を閉じた状態で前記加熱手段により前記膨脹体を加熱することにより前記膨脹体を膨脹させて前記フィルム層に凸部を形成させ、前記開閉手段を開くことにより前記膨脹体を収縮させて前記凸部を消失させるように駆動制御する駆動部とから構成されていることを特徴とする凹凸形成デバイス。
前記変位力生成部は、前記膨脹体の内部圧力を検出する圧力センサを備え、
前記駆動部は、この圧力センサからの検出信号に基づいて、前記膨脹体の膨脹および収縮を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の凹凸形成デバイス。
前記駆動部は、凸部の形成駆動時において、前記膨脹体の圧力を所定範囲内に制御することにより凸部保持制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項２記載の凹凸形成デバイス。
前記膨脹体および前記圧力調整室の何れかの内部圧力が所定の上限圧力を超えた場合に外部へのリークにより前記内部圧力を低下させる圧力保護手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
前記変位部は、前記膨脹体の変位を前記基板離隔方向に規制する規制手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
前記加熱手段は、前記基板上において前記膨脹体を周囲から包囲するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
基板上に配列され変位部と当該変位部を制御信号に応じて基板離隔方向に変位させる変位力生成部とから構成される複数の変位素子と、
これら変位素子に近接して設けられ、前記変位部が当接した状態で変位力を受けると当該当接部分が凸状に変位するフィルム層と、
前記各変位素子に対し個別的に制御信号を出力可能な制御手段とを備え、
前記変位部は、中空構造を有しその内部圧力に応じて膨脹および収縮を行う複数の膨脹体が互いに開閉手段を介して連通可能なように一列に連結された棒状体により構成され、
前記変位力生成部は、
前記棒状体の一端または両端から当該棒状体に対し流体を導入しまたは導出する流体供給手段と、
前記開閉手段を前記制御信号に応じた開閉状態に制御するとともに前記棒状体に対し流体を導入しまたは導出して前記制御信号により指定された膨脹体を膨脹させて前記フィルム層に凸部を形成させ、全ての開閉手段を開いて前記棒状体から流体を導出することにより前記膨脹体を収縮させて前記凸部を消失させるように駆動制御する駆動部とから構成されていることを特徴とする凹凸形成デバイス。
前記フィルム層において、前記変位部との当接部分の膜厚が非当接部分の膜厚と比較して薄く形成されていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
前記変位部のフィルム層との当接部分に硬質部を設けたことを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
前記駆動部は、ＴＦＴ（ Thin Film Transistor ）により構成されていることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の凹凸形成デバイス。
表示デバイスと、透明の基板とフィルム層とを有しその基板上に変位素子が面状に配列されてなる請求項１ないし１０の何れかに記載の凹凸形成デバイスとを重ねて構成されるパネル構造を有し、
パネル表面部への接触を検出する接触検出手段を備えていることを特徴とする凹凸表示デバイス。
前記接触検出手段は、パネル表面部に形成された透明の導電膜と、その導電膜の有する抵抗に基づいて接触位置を特定する位置特定手段とから構成されていることを特徴とする請求項１１記載の凹凸表示デバイス。
前記表示デバイスと前記凹凸形成デバイスとの位置合わせを実行するキャリブレーション機能を備えていることを特徴とする請求項１１または１２記載の凹凸表示デバイス。