JP4855343B2 - 可動子の駆動装置、その制御回路およびタッチパネル装置 - Google Patents

Description

本発明は、タッチパネルのフォースフィードバック用に設けられた可動子の駆動技術に関する。

液晶ディスプレイなどの薄型の表示装置において、ユーザがその表面を押圧することにより、入力操作が可能なタッチパネルが普及している。ユーザがタッチパネルを押圧したことを感知できるように、押圧に反応してタッチパネルの表面を振動させるフォースフィードバック技術が利用される。

フォースフィードバックを行うために、タッチパネルの表面を振動させるための可動子が設けられる。ユーザの押圧に応じて可動子に電圧を印加することにより、可動子が振動して、ユーザに入力操作に応じた押圧感を与えることができる。たとえば特許文献１には、このようなフォースフィードバック機構（押圧感発生装置）を備えたタッチパネルが開示される。
特開２００１−３５０５９２号公報

特許文献１に開示される押圧感発生装置は、商用交流電圧を利用して可動子に印加する電圧を生成している。したがって、商用交流電圧が供給されない携帯型機器に利用することができないという問題がある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、タッチパネルのフォースフィードバック用の可動子を簡易に駆動する技術の提供にある。

本発明のある態様は、タッチパネルのフォースフィードバック用に設けられた可動子を駆動する駆動装置の制御回路に関する。この制御回路は、可動子に印加すべき信号波形（時間波形）を有する基準電圧を生成する基準電圧生成部と、可動子に印加される駆動電圧に応じた帰還電圧が基準電圧に近づくように、帰還によりデューティ比が制御されるパルス信号を生成するパルス変調器と、を含む。パルス変調器からのパルス信号によって、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子をオン、オフすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御し、出力電圧に応じた駆動電圧を可動子に印加する。

この態様によると、商用交流電圧を使用せずに可動子の駆動電圧を生成することができる。また、制御回路の内部に高電圧が生じないため、商用交流電圧を利用する場合に比べて低耐圧の素子を利用でき、回路を小型化、低コスト化できる。

基準電圧生成部は、所定の信号波形を保持するテーブルと、可動子の押圧に応じてタッチパネルから出力される検出信号を受けると、テーブルから周期波形を読み出し、デジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器と、を含み、デジタルアナログ変換器の出力を、基準電圧として出力してもよい。
この場合、テーブルの信号波形に応じて、可動子に対してさまざまな任意の駆動電圧を供給できる。

本発明の別の態様は、可動子の駆動装置に関する。この駆動装置は、上述の２つの制御回路と、２つの制御回路からのパルス信号により制御される２つのＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。それぞれの制御回路において、互いに逆相となる基準電圧を生成して、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が互いに逆相となるように制御し、２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を可動子の両端に印加する。

本発明のさらに別の態様は、タッチパネル装置である。このタッチパネル装置は、タッチパネルと、タッチパネルに設けられた可動子と、上述の制御回路と、制御回路から出力されるパルス信号によって制御されるＤＣ／ＤＣコンバータと、を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を可動子に印加する。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る駆動技術によれば、商用交流電圧を利用せずに可動子を駆動できる。

図１は、実施の形態に係る可動子の駆動装置１１０を備えたタッチパネル装置１の構成を示す回路図である。タッチパネル装置１は、タッチパネル２と駆動装置１１０を備える。
タッチパネル２は、可動子４、入力検出部６を備える。入力検出部６は、タッチパネル２のユーザがパネルに入力を行ったか、すなわちパネルを押圧したがどうかを判定し、判定結果を検出信号Ｓ１として出力する。駆動装置１１０は、検出信号Ｓ１を受け、ユーザがタッチパネルを押圧すると、可動子４に対して駆動電圧Ｖｄｒｖを出力する。可動子４は駆動電圧Ｖｄｒｖが印加されるとタッチパネル２を振動させ、ユーザに押圧感を与える。

駆動装置１１０は、制御回路１００、トランス８、整流平滑回路９、帰還抵抗Ｒ２、Ｒ３を備える。駆動装置１１０は、電池電圧や電源回路から直流の入力電圧Ｖｉｎを受け、入力電圧Ｖｉｎを駆動電圧Ｖｄｒｖに変換して出力する。

トランス８、整流平滑回路９は、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータを構成する。トランス８は１次コイルＬ１、２次コイルＬ２、Ｌ３を備える。トランス８の１次コイルＬ１の一端には、入力電圧Ｖｉｎが印加され、他端は制御回路１００のスイッチング端子１０２と接続される。スイッチング端子１０２に、スイッチング電圧Ｖｓｗが印加されると、トランス８の２次側に設けられた２次コイルＬ２、２次コイルＬ３に電流が発生する。

整流平滑回路９は、ダイオードＤ１、Ｄ２、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、出力抵抗Ｒ１を含む。ダイオードＤ１、キャパシタＣ１は、２次コイルＬ２に流れる電流（または誘起される電圧）を整流および平滑して、出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力する。同様に、ダイオードＤ２、キャパシタＣ２、Ｃ３は、２次コイルＬ３に流れる電流（または誘起される電圧）を整流および平滑して、出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２をキャパシタＣ２、Ｃ３によって分圧した駆動電圧Ｖｄｒｖが可動子４に供給される。ダイオードＤ１、Ｄ２はアノードとカソードが逆向きに設けられているため、出力電圧Ｖｏｕｔ１は正方向にバイアスされた電圧となり、出力電圧Ｖｏｕｔ２は負方向にバイアスされた電圧となる。

制御回路１００は、スイッチング電圧Ｖｓｗを出力するスイッチング端子１０２と、出力電圧Ｖｏｕｔ１に応じた帰還電圧Ｖｆｂが入力される帰還端子１０４と、検出信号Ｓ１が入力される検出端子１０６を備え、帰還電圧Ｖｆｂにもとづいて出力電圧Ｖｏｕｔ１を帰還制御する。

制御回路１００は、基準電圧生成部２０、パルス変調器１０、プリドライバ１８、スイッチング素子ＳＷ１、検出抵抗Ｒ４を備える。
スイッチング素子ＳＷ１、検出抵抗Ｒ４は、スイッチング端子１０２と接地端子間に、すなわち１次コイルＬ１の電流経路上に、直列に設けられる。検出抵抗Ｒ４は、１次コイルＬ１に流れる電流Ｉ１を電圧に変換し、プリドライバ１８へと出力する。

基準電圧生成部２０は、可動子４に印加すべき信号波形を有する基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。基準電圧Ｖｒｅｆは、たとえば正弦波である。本実施の形態において、基準電圧生成部２０は、判定部２２、テーブル２４、Ｄ／Ａ変換器２６、ローパスフィルタ２８を含む。

テーブル２４は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ、その他の記憶手段で構成され、所定の信号波形を保持する。信号波形は、数パターン用意してもよく、各パターンは書き換え可能に構成することが望ましい。

判定部２２は、可動子４の押圧に応じてタッチパネル２から出力される検出信号Ｓ１を受け、押圧の有無を判定する。Ｄ／Ａ変換器２６は、判定部２２によって押圧が検出されると、テーブル２４から周期波形を読み出し、デジタルアナログ変換する。ローパスフィルタ２８は、Ｄ／Ａ変換器２６から出力される電圧をフィルタリングし、基準電圧Ｖｒｅｆとして出力する。

整流平滑回路９から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ１は、帰還抵抗Ｒ２、帰還抵抗Ｒ３によって分圧され、帰還電圧Ｖｆｂとして、制御回路１００の帰還端子１０４に入力される。パルス変調器１０は、可動子４に印加される駆動電圧Ｖｄｒｖに応じた帰還電圧Ｖｆｂおよび基準電圧Ｖｒｅｆを受ける。パルス変調器１０は、帰還電圧Ｖｆｂが基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように、帰還によりデューティ比が制御されるパルス幅変調信号Ｓｐｗｍ（以下、ＰＷＭ信号という）を生成する。パルス変調器１０は、公知のパルス幅変調器、パルス周波数変調器などを利用することができる。

たとえば、図１の回路では、パルス変調器１０はオシレータ１２、ロジック部１４、コンパレータ１６を含む。オシレータ１２はクロック信号ＣＫを生成する。コンパレータ１６は、帰還電圧Ｖｆｂを基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、大小関係に応じた信号を出力する。ロジック部１４はクロック信号ＣＫとコンパレータ１６の出力信号Ｓ２に応じて、ポジティブエッジもしくはネガティブエッジのタイミングが制御される。

プリドライバ１８は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍにもとづいてスイッチング素子ＳＷ１をオンするタイミングを制御する。また、プリドライバ１８は、検出抵抗Ｒ４に発生する電圧降下をしきい値電圧と比較し、電圧降下がしきい値電圧に達すると、すなわち、１次コイルＬ１の電流が所定のピーク電流に達すると、スイッチング素子ＳＷ１をオフする。

その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔ１が基準電圧Ｖｒｅｆに一致するように帰還制御され、所望の電圧が可動子４に印加される。なお、パルス変調の方式は実施の形態のそれに限定されるものではなく、コンパレータに代えて誤差増幅器を利用し、誤差増幅器の出力電圧を三角波や鋸波でスライスしてＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを生成してもよい。その方式は任意である。

以上のように構成された駆動装置１１０の動作を説明する。図２は、図１の駆動装置１１０の動作波形図である。
時刻ｔ０に、ユーザがタッチパネル２を押圧すると、検出信号Ｓ１がハイレベルとなる。これを受けて、基準電圧生成部２０はテーブル２４から波形データを読み出し、読み出したデータをＤ／Ａ変換して基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。

基準電圧Ｖｒｅｆは、はじめに上昇し、その後、１周期分だけ正弦波振動し、その後低下していく波形として示される。なお、本発明は基準電圧Ｖｒｅｆの波形に限定されるものではなく、任意の波形を用いることができる。図２の波形を利用した場合、ユーザにショックを与えることなく、適度な押圧感をフィードバックできる。

制御回路１００は、帰還制御によって、出力電圧Ｖｏｕｔ１を基準電圧Ｖｒｅｆに追従するように変化させる。同時に出力電圧Ｖｏｕｔ２は、負方向にバイアスされた状態で、基準電圧Ｖｒｅｆに追従して変動する。その結果、出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２の中点電圧として、駆動電圧Ｖｄｒｖが生成される。駆動電圧Ｖｄｒｖは、接地電圧０Ｖを中心とした正弦波となる。

本実施の形態に係る制御回路１００によれば、商用交流電圧を利用することなく、可動子４の駆動電圧Ｖｄｒｖを生成することができる。したがって、電池駆動される携帯電話端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ノート型ＰＣなどにも好適に利用することができる。

また、トランス８の１次側では、各ノードの電圧は、入力電圧Ｖｉｎ以下となる。したがって、高耐圧素子を利用する必要がないため、安価な低耐圧素子が利用できるとともに、低コスト化が実現できる。

さらに実施の形態のように、テーブル２４に信号波形を保持することにより、駆動電圧Ｖｄｒｖの波形を任意に設定することができる。従来のように、商用交流電圧を利用する場合、可動子の振動数は固定され、また波形も正弦波に限定されてしまうため、大きなメリットとなる。たとえば、信号波形として、高い周波数成分を含む信号を記憶しておけば、ユーザが禁止された動作を行った場合に、可動子４を尖鋭な駆動電圧で駆動でき、ユーザの指にショックを与えることができる。

なお、テーブル２４には、複数の波形データを記憶しておいてもよい。この場合、可動子４に対するユーザの入力動作の種類に応じて、異なる波形データを読み出すことにより、ユーザに対して入力動作に応じた異なる押圧感を与えることができる。

図３は、変形例にかかる駆動装置１１０ｃの構成を示す回路図である。図３の制御回路１００ｃには、図１の制御回路１００が２チャンネル分、内蔵されている。第１チャンネルの制御回路１００ａは、パルス変調器１０ａ、プリドライバ１８ｂ、基準電圧生成部２０ｃを含み、第２チャンネルの制御回路１００ｂは、パルス変調器１０ｂ、プリドライバ１８ｂ、基準電圧生成部２０ｃを含む。２つの制御回路は図１の制御回路１００と同様に構成される。基準電圧生成部２０ｃは、その一部または全体が、２つのチャンネルで共用されてもよいし、別個に設けられてもよい。

第１、第２チャンネルの制御回路それぞれに対して、２つのＤＣ／ＤＣコンバータが設けられている。第１チャンネルのＤＣ／ＤＣコンバータは、第１トランス８ａ、第１整流平滑回路９ａを備え、第２チャンネルのＤＣ／ＤＣコンバータは、第２トランス８ｂ、第２整流平滑回路９ｂを備える。第１、第２チャンネルそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は、可動子４の両端に印加され、２つの出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２の差電圧が駆動電圧Ｖｄｒｖとなる。

第１チャンネルの制御回路１００ａは、それぞれの出力電圧Ｖｏｕｔ１に応じた帰還電圧Ｖｆｂ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致するように、出力電圧Ｖｏｕｔ１を帰還制御する。第２チャンネルの制御回路１００ｂは、基準電圧Ｖｒｅｆ２が帰還電圧Ｖｆｂ２と一致するように、出力電圧Ｖｏｕｔ２を帰還制御する。基準電圧生成部２０ｃは、基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を、同一のバイアスレベルを中心として互いに逆相となるように生成する。

図４は、図３の駆動装置１１０ｃの動作波形図である。図３の駆動装置１１０ｃによれば、図示のごとく共通のバイアスレベルを中心に逆相で変化する出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２を生成でき、それを可動子４の両端に印加することにより接地電圧をセンターとする駆動電圧Ｖｄｒｖを印加できる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、例示する。

実施の形態では、トランスおよび整流平滑回路を利用したＤＣ／ＤＣコンバータを用いる場合を説明したが、トランスのコイルや、ダイオード、キャパシタの配置は任意であって、さまざまなトポロジーを利用できる。また、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータに代えて、非絶縁型のスイッチングレギュレータを利用してもよい。

実施の形態では、基準電圧生成部２０をテーブル（メモリ）とＤ／Ａ変換器を用いて構成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、矩形波電圧や三角波電圧、のこぎり波電圧などの周期電圧を生成し、これをフィルタリングして、基準電圧Ｖｒｅｆを生成してもよい。

また、実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。

実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

実施の形態に係る可動子の駆動装置を備えたタッチパネル装置の構成を示す回路図である。 図１の駆動装置の動作波形図である。 変形例にかかる駆動装置の構成を示す回路図である。 図３の駆動装置の動作波形図である。

符号の説明

１…タッチパネル装置、２…タッチパネル、４…可動子、６…入力検出部、８…トランス、９…整流平滑回路、１０…パルス変調器、１２…オシレータ、１４…ロジック部、１６…コンパレータ、１８…プリドライバ、２０…基準電圧生成部、２２…判定部、２４…テーブル、２６…Ｄ／Ａ変換器、２８…ローパスフィルタ、ＳＷ１…スイッチング素子、Ｌ１…１次コイル、Ｌ２…２次コイル、Ｌ３…２次コイル、Ｒ１…出力抵抗、Ｒ２…帰還抵抗、Ｒ３…帰還抵抗、Ｒ４…検出抵抗、１００…制御回路、１０２…スイッチング端子、１０４…帰還端子、１０６…検出端子、１１０…駆動装置。

Claims (4)

1. タッチパネルのフォースフィードバック用に設けられた可動子を駆動する駆動装置の制御回路であって、
   前記可動子に印加すべき信号波形を有する基準電圧を生成する基準電圧生成部と、
   前記可動子に印加される駆動電圧に応じた帰還電圧が前記基準電圧に近づくように、帰還によりデューティ比が制御されるパルス信号を生成するパルス変調器と、
   を含み、
   前記パルス変調器からの前記パルス信号によって、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子をオン、オフすることにより、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御し、前記出力電圧に応じた駆動電圧を前記可動子に印加することを特徴とする制御回路。
2. 前記基準電圧生成部は、
   所定の信号波形を保持するテーブルと、
   前記可動子の押圧に応じて前記タッチパネルから出力される検出信号を受けると、前記テーブルから前記信号波形を読み出し、デジタルアナログ変換するデジタルアナログ変換器と、
   を含み、前記デジタルアナログ変換器の出力を、前記基準電圧として出力することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 請求項１に記載の２つの制御回路と、
   前記２つの制御回路からのパルス信号により制御される２つのＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備え、
   それぞれの制御回路において、互いに逆相となる基準電圧を生成して、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が互いに逆相となるように制御し、２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を可動子の両端に印加することを特徴とする駆動装置。
4. タッチパネルと、
   前記タッチパネルに設けられた可動子と、
   請求項１または２に記載の制御回路と、
   前記制御回路から出力されるパルス信号によって制御されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記可動子に印加することを特徴とするタッチパネル装置。

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