触覚提示装置

【課題】実用的な押下感を提供することができる触覚提示装置を実現する。
【解決手段】触覚を提示するためのパネル（１０）と、磁力を用いて該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段（１１、１２）とを有し、該制御手段は前記パネルを５０Ｈｚ以下の周波数で振動させる。パネルの平面のいずれか一方の側に１回だけ前記パネルを振動させるか、前記パネルの平面のいずれか一方の側に前記パネルを複数回振動させるか、または前記パネルの平面の両側に複数回前記パネルを複数回振動させることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は触覚提示装置に関し、特に、触覚を提示するためのパネルを平面に対して垂直方向への振動させることによって触覚を提示する機能を有する触覚提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、ＰＤＡ、ＡＴＭ端末、ＰＯＳ端末、カーナビゲーション、コピー機等においてペンや指で平面状のパネル面を押下し、座標を検出・入力するタッチパネルが使われることが多くなってきている。これまでのタッチパネル入力機構は機械スイッチのような押下時のタクタイル感（クリック感）が無く、押下が認識し難いことが課題となっている。
【０００３】
特許文献１には、タッチパネル入力装置において、パネルを振動させてタクタイル（クリック感）を提示する方法が記載されている。図１に、特許文献１の図１に記載されたタッチパネル入力装置を示す。この装置は、圧電素子２を振動発生源として、タッチパネル１の可動板３を振動させている。
【特許文献１】特開２００３−１２２５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図１に示す構成は圧電素子２を使用しているため、低電圧での駆動は困難であり、通常の電子回路の動作電圧である３Ｖ〜５Ｖから数百Ｖ程度に昇圧する必要がある。また、圧電素子の特徴として高い周波数の振動が得意であり、振動の振幅も小さい傾向にある。図２に、圧電素子を駆動する波形の一例を示す。圧電素子は約４００Ｈｚの振動であり、音としても人間の耳に聞こえる振動である。この振動は、ボタンを押したという感覚とは明らかに異なるものである。
【０００５】
従って、本発明は上記従来技術の課題を解決し、実用的な押下感を提供することができる触覚提示装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は触覚を提示するためのパネルと、磁力を用いて該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は前記パネルを５０Ｈｚ以下の周波数で振動させることを特徴とする触覚提示装置である。
【０００７】
前記制御手段は、前記パネルの平面のいずれか一方の側に１回だけ前記パネルを振動させることが好ましい。また、前記制御手段は、前記パネルの平面のいずれか一方の側に前記パネルを複数回振動させることもできる。さらには、前記制御手段は、前記パネルの平面の両側に複数回前記パネルを複数回振動させることもできる。そして、いずれの場合であっても、前記制御手段は、前記パネルの振動が変曲点を持たない波形を持つように前記パネルを振動させることが好ましい。具体的には、前記制御手段は、前記パネルの振動が正弦波を２乗した波形を持つように前記パネルを振動させることが好ましい。さらに、前記制御手段は、前記パネルの振動の最大振幅が０．２ｍｍ以上となるように前記パネルを振動させることが好ましい。
【０００８】
前記触覚提示装置はさらに、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知手段を有し、前記制御手段は該検知手段が検知してから所定時間経過後に前記パネルを振動させる構成とすることができる。前記パネルはサスペンションで支持されていることが好ましい。
【０００９】
前記触覚提示装置はさらに、前記パネルに物体が接触した前記パネル上の位置を特定する位置検出手段を有し、前記制御装置は検出した位置に応じて前記パネルを振動させる構成とすることができる。この場合、前記制御手段は、予め用意した複数の振動波形の中から、前記検出した位置に応じた振動波形を選択し、前記パネルを振動させる構成とすることができる。そして、前記制御手段は、前記検出した位置が所定領域内にあると判断した場合に前記パネルを振動させることもできる。また、前記制御手段は、予め用意した複数の振動波形の中から、外部からの指示に応じた振動波形を選択し、前記パネルを振動させることもできる。
【００１０】
好ましくは、前記パネルはフレームに支持されたシート状のカバー部材で上下方向に移動可能に保持されている。
【００１１】
本発明はまた、触覚を提示するためのパネルを磁力を用いてパネルの平面に対して垂直方向へ振動させる方法であって、振動の周波数を５０Ｈｚ以下とすることを特徴とするパネルの駆動方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、実用的な押下感を提供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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、触覚を提示するためのパネルと、磁力を用いて該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は前記パネルを５０Ｈｚ以下の周波数で振動させる触覚提示装置である。通常、人間が音を感じる可聴周波数は２０Ｈｚから２０，０００Ｈｚといわれており、したがって、２０Ｈｚ以下の振動が好ましいと考えられる。しかし、このことは連続した波で振動が構成される場合であって、単一の波で２０Ｈｚ以下の周波数にしてしまうと、パネルの振動を感じるのは難しくなる。したがって、単一の波では２０Ｈｚ以上が好ましいが、５０Ｈｚを超えてしまうと音して感じてしまうようになる。よって、好ましくは、図３（Ａ）に示すように、周波数が５０Ｈｚ以下の単一の波を生成するようにパネルを駆動する。この場合、パネルの平面のいずれか一方の側（好ましくは上側）に１回だけパネルは振動する。なお、図３（Ａ）において、横軸は時間、縦軸は振動の振幅（又は、後述する駆動電流の大きさ）を示す。
【００１４】
また、単一波ではなく、図３（Ｂ）に示すように、周波数が５０Ｈｚ以下の単一波を連続的に生成するようにパネルを駆動してもよい。つまり、同じ単一波が生成するようにパネルを駆動する。この場合、パネルの平面のいずれか一方の側に複数回パネルは振動する。または、図４に示すように、同一の波形を正負を入れ替えて１回、もしくは複数回繰り返した波形を生成するようにパネルを駆動することもできる。この場合、パネルはその平面の両側に複数回振動する。
【００１５】
５０Hｚ以下の低い周波数の単一の波であっても、急激に立ち上がるような波であると高い周波数成分を含むことになり、操作者はカツという衝撃振動を感じることになる。したがって、正弦波形を２乗した波形のように、緩やかに立ち上がる波形であることが望ましい。また、記パネルの振動が変曲点を持たない波形であることが好ましい。変曲点は次のように定義できる。ｘ＝ａがｆ（ｘ）の変曲点とは、ｘ＜ａでは上に凸でｘ＞ａでは下に凸、又はｘ＜ａでは下に凸でｘ＞ａでは上に凸となっていることである。さらに、ゆるやかな立ち上がりの波形の場合、衝撃としてではなく、純粋に振動として感じることになるので、振動の大きさとしても振幅が０．２ｍｍ以上であることが望ましい。また、パネルに物体が接触したことを検知してから所定時間経過後に前記パネルを振動させることで、実際の押下感に近い感触を得ることができる。
【００１６】
図５（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る触覚提示装置の基本構成を示す分解斜視図、図５（Ｂ）は触覚提示装置で用いられているパネル駆動機構の詳細を示す図であって、図５（Ａ）のＢ部分の拡大図である。触覚提示装置は、パネル１０、コイル１１及び磁石とヨークとを含む複数の磁気ユニット１２とを有する。磁気ユニット１２は、磁力を用いてパネル１０を平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段として機能する。パネル１０の詳細についていは、図８を参照して後述する。コイル１１はパネル１０の下面に支持され、パネル１０の４辺に沿って巻回されている。図５（Ｂ）に示すように、コイル１１は各辺にそって互いに反対方向に電流が流れるように巻回されている。磁気ユニット１２はヨーク１８と磁石１９とを有する。ヨーク１８は断面が略Ｃ字状であり、中央部分に磁石１９が配置されている。ヨーク１８と磁石１９との作用により、時計廻り方向に磁束が流れる磁気回路と反時計廻り方向に磁束が流れる磁気回路とが形成されている。コイル１１は２方向に電流を流し、それぞれの電流は対応する磁気回路の磁束と交差するように配置されている。２つの磁気回路と電流の流れる方向とによりフレミングの左手の法則にしたがって、コイル１１に力が働く。図５（Ｂ）に示す磁極の向きと電流の方向の場合、コイル１１には上向きの力が発生する。この力がパネル１０を振動させる。
【００１７】
この場合、図４（Ａ）の振動波形を形成するようにコイル１１に電流を流すと、パネル１０は上方向に一回振動する。図４（Ｂ）の振動波形を形成するようにコイル１１に電流を流すと、パネル１０は上方向に複数回振動する。図５の振動波形を形成するようにコイル１０に電流を流すと、パネル１０は上下方向に１回もしくは複数回振動する。
【００１８】
図６は図５に示す触覚提示装置のより詳細な構成を示す分解斜視図、図７は図４（Ｂ）のＢ部分の詳細な断面図である。触覚提示装置は、下から順に、フレーム２１、磁気ユニット１２、サスペンション２２、パネルプリント板２３、コイル１１、パネル１０、ダンパ２４及びパッキング２５が積層された構成である。フレーム２１には、磁気ユニット１２やサスペンションが搭載されている。サスペンション２４はパネル１０の４つのコーナー近傍に配置され、パネル１０の下面に当接しており、パネル１０の余計な振動（５０Ｈｚを超える周波数成分）を抑止する。サスペンション２２は例えば、ゴムのような弾性体で形成できる。制動力を効率的に発生させるために、弾性体の内部を中空としてもよい。コイル１１はパネル１０の下面に取り付けられ、ヨーク１８と磁石１９とからなる磁気ユニット１２に対向している。パネル１０はフレーム２１に取り付けられたカバー２４で支持されている。カバー２４の端部はパネル１０の上面に取り付けられている。カバー２４はシート状であって、パネル１０の振動が妨げられないようにパネル１０を支持する。カバー２４の上には、パッキング２５が設けられている。パッキング２５は弾性体で形成され、パッキング２５をパネル１０の周囲位置に固定する。パネルプリント板２３には、後述するパネル駆動回路が搭載される。
【００１９】
図８はパネル１０の断面図を示すパネル１０は、ＰＥＴなどのフィルム３１、ＩＴＯなどの上側透明電極３２、ガラス基板３３、下側透明電極３４、及びドットスペーサ３５を有する。上側透明電極３２は、フィルム３１の内側全面に貼付されている。下側電極３４は、ガラス基板３３の内側全面に貼付されている。上側電極３２及び下側電極３３は、後述するアナログ／デジタル変換装置の入力に接続されている。下側電極３４上には、絶縁体で形成されるドットスペーサ３５がマトリクス状に配置されている。図８の下側に示すように、パネル１０を上からペンや指３６などで押し下げると、フィルム３１が変形して上側透明電極３２が下側透明電極３４に当接する。押下位置の座標検出方法には何通りかあり、いずれの検出方法であってもよい。検出方法の概要を説明すると、例えば、下側透明電極３４のＸ方向（例えば、紙面横方向）に両端から電圧を印加し、押下位置の電位（Ｘ座標位置に相当）を上側透明電極３２を介して検出する。同様に、下側透明電極３４のＹ方向（例えば、紙面垂直方向）に両端から電圧を印加し、押下位置の電位（Ｙ座標位置に装置）を上側透明電極３２を介して検出する。このようにして得られたアナログ電圧をデジタル信号に変換して、位置情報である座標を検出する。別の検出方法として、上側透明電極３２のＸ方向に電圧を印加し、下側透明電極３４を介して押下点の電位（つまり下側透明電極３４の電位）を測定する。次に、下側透明電極３４のＹ方向に電圧を印加し、上側透明電極３２を介して押下点の電位を測定する。これにより、押下点のＸＹ座標データを得ることができる。なお、座標を検出する必要がない場合には、いずれか一方の検出動作を行えばよい。
【００２０】
図９は、パネル駆動装置の構成例を示すブロック図である。パネル駆動装置は、例えば図６に示すパネルプリント遺体２３上に形成される。パネル１０から上記のように出力されるアナログ信号は、アナログ／デジタル変換装置４１でデジタル信号に変換され、制御装置４２に出力される。制御装置４２は、上述のようにして位置情報を検出し、出力する。制御装置４２は例えばマイクロコンピュータで構成され、後述するプログラムを実行する。位置情報は、触覚提示装置が接続される外部装置に出力される。外部装置は波形形状情報を増幅装置４３に供給する。波形形状情報とは、図３（Ａ）、（Ｂ）又は図４に示す波形を記述する情報である。増幅装置４３は波形形状情報に従い、コイル１１に流す電流を生成し、コイル１１に出力する。
【００２１】
図１０は、パネル駆動装置の別の構成例を示すブロック図である。図１０において、図９に示す構成要素と同一のものには同一の参照番号を付してある。制御装置４２は、外部装置から波形選択情報を入力する。制御装置４２は、記憶装置４４に格納してある波形形状情報から、波形選択情報で指示された波形形状情報を読み出し、デジタル／アナログ変換装置４５に出力する。記憶装置４４は、図３（Ａ）、（Ｂ）又は図４に示す波形を記述する情報である波形形状情報を記憶している。デジタル／アナログ変換装置４５は、デジタル信号で記述された波形形状情報をアナログ信号に変換し、増幅装置４３に出力する。
【００２２】
図１１は、パネル駆動装置のさらに別の構成例を示すブロック図である。図１１の構成は、位置情報とともに触覚提示情報を外部に出力できる点、及び制御装置４２が自らが波形形状情報を選択できる点で、図１０に示す構成と相違する。図１２は、図１１の触覚提示装置の動作を示す図である。制御装置４２は、押下されたパネル１０上の位置情報を取得する（ステップＳ１）。制御装置４２は、位置情報が示す位置は所定のボタン範囲内であるかどうかを判断する（ステップＳ２）。パネル１０上にはボタンに相当する位置が予め決められており、制御装置４２はこのボタン範囲を特定する位置情報を予め保持している。ステップＳ２の判断結果がＹＥＳの場合は、対応する波形を選択するとともに、選択した触覚を示す情報を外部装置に出力する（ステップＳ３）。同時に、制御装置４２は、選択した波形の波形形成情報を記憶装置４４から読み出して、デジタル／アナログ変換装置４５に出力する。ステップＳ２の判断結果がＮＯの場合には、ステップＳ１に戻る。
【００２３】
図１３は、図９から図１１に示す制御装置４２の詳細な動作を記述するフローチャートである。なお、図９の構成では、図１３のステップの一部は外部装置が行う。今、図１０の触覚提示装置の制御装置４２が行う動作として図１３のフローチャートを説明する。制御装置４２は接触検出準備を行う（ステップＳ１１）。図１４は、上側透明電極３２と下側透明電極３４とにそれぞれ設けられる取り出し電極５１〜５４を示す図である。ステップＳ１１において、制御装置４２は、下側透明電極３４の例えば取り出し電極５２に所定電圧（図１３では、Ｈで表示している）を印加し、上方透明電極３２の取り出し電極５３をグランド電位（Ｌで表示している）に設定し、下側透明電極３４の取り出し電極５４を入力電極（検出電極といってもよい）に設定する。制御装置４２は、ステップＳ１２で入力電極の電位を検出し、ステップＳ１３で入力電極の電位がＨであるかどうかをチェックする。ＹＥＳの場合にはステップＳ１１に戻り、ＮＯの場合にはステップＳ１４に進む。ステップＳ１４で、制御装置４２はＸ座標検出の準備を行う。具体的には、制御装置４２は、上側透明電極３２の取り出し電極５２をＨに設定し、対向する取り出し電極５４をＬに設定し、下側透明電極３４の取り出し電極５１を入力電極に設定する。そして、制御装置４２はステップＳ１５でＸ座標電位を検出する。パネル１０が押下入力電極は、押下点に応じた電位となる。制御装置４２は、アナログ／デジタル変換装置４１を介して、検出した電位のデジタル値を取り込む。このデジタル値が押下点のＸ座標を示している。次にステップＳ１６で、制御装置４２はＹ座標検出準備を行う。具体的には、制御装置４２は、下側透明電極３４の取り出し電極５２をＨに設定し、対向する取り出し電極５４をＬに設定し、上側透明電極３２の取り出し電極５１を入力電極に設定する。そして、ステップＳ１７で、制御装置４２はＸ座標電位を検出する。
【００２４】
次に、制御装置４２はステップＳ１８で、Ｘ座標とＹ座標で特定される接触位置がボタン１の範囲内かどうかを判断する。判断結果がＹＥＳの場合には、制御装置４２はステップＳ１９で、記憶装置４４からボタン１に対応する波形形状情報を読み出し、デジタル／アナログ変換装置４５に出力する。同様にして、ステップＳ２０では、制御装置４２は接触位置がボタン２の範囲内かどうかを判断し、判断結果がＹＥＳの場合にはボタン２に対応する波形形状情報を記憶装置４４から読み出す。同様にして、ステップＳ２２までｎ個のボタンの範囲内かどうかを判断し、該当する場合にはステップＳ２３において、対応する波形形状情報を記憶装置４４から読み出す。
【００２５】
なお、図９の構成においては、制御装置４２がステップＳ１１からＳ１７を実行し、ステップＳ１８からＳ２３は外部装置が実行する。
【００２６】
このように、上記触覚提示装置は、押下位置に応じて予め決められた波形の振動をパネル１０に生成させることができるので、様々な用途に適用できる。例えば、触覚提示装置を電卓に適用した場合、数字キーは弱い振動とし、エンターキーは強い振動に設定することが容易に行える。また、触覚提示装置を産業用ロボットのデータ入力に適用した場合、正しい走査をしている時は１つの山の波形（図３（Ａ））を出力し、誤った操作（例えば数字を入力すべきところでアルファベットを入力した場合など）の時には複数の山の波形を連続して出力する。さらに、画面が画面Ａ、画面Ｂ、画面Ｃ、画面Ａ、画面Ｂ・・・・と切り替わるアプリケーションにおいて、画面Ｃから画面Ａに戻って切り替わる時に強い振動とし、その他の切替時には弱い振動とすることもできる。さらには、外字エディタに適用した場合、ドットを白から黒へ変化させる時には１つの山の波形を出力し、黒から白へ変化させえる時には２の山を出力する。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態を説明した。本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、他の様々な形態で発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来装置の一例を示す図である。
【図２】図１に示す従来装置の駆動波形の一例である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、本発明で用いられるパネルの振動波形（又は電流駆動波形）を示す図である。
【図４】本発明で用いられるパネルの別の振動波形を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る触覚提示装置の基本構成を示す分解斜視図、図５（Ｂ）は触覚提示装置で用いられているパネル駆動機構の詳細を示す図である。
【図６】は図５に示す触覚提示装置のより詳細な構成を示す分解斜視図である。
【図７】図４（Ｂ）のＢ部分の詳細な断面図である。
【図８】パネルの一構成例を示す断面図である。
【図９】触覚提示装置内のパネル駆動装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１０】触覚提示装置内のパネル駆動装置の別の構成例を示すブロック図である。
【図１１】触覚提示装置内のパネル駆動装置のさらに別の構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１１の触覚提示装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】図９、図１０及び図１１に示す触覚提示装置の動作を示すフローチャートである。
【図１４】上側透明電極３２と下側透明電極３４にそれぞれ設けられた取り出し電極の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０パネル１１コイル
１２磁気ユニット１８ヨーク
１９磁石

【特許請求の範囲】
【請求項１】
触覚を提示するためのパネルと、磁力を用いて該パネルを平面に対して垂直方向へ振動させることによって触覚を提示する制御手段とを有し、該制御手段は前記パネルを５０Ｈｚ以下の周波数で振動させることを特徴とする触覚提示装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記パネルの平面のいずれか一方の側に１回だけ前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記パネルの平面のいずれか一方の側に前記パネルを複数回振動させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記パネルの平面の両側に複数回前記パネルを複数回振動させることを特徴とする請求項１記載の触覚提示装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記パネルの振動が変曲点を持たない波形を持つように前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記パネルの振動が正弦波を２乗した波形を持つように前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記パネルの振動の最大振幅が０．２ｍｍ以上となるように前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項８】
前記触覚提示装置はさらに、前記パネルに物体が接触したことを検知する検知手段を有し、前記制御手段は該検知手段が検知してから所定時間経過後に前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項９】
前記パネルはサスペンションで支持されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項１０】
前記触覚提示装置はさらに、前記パネルに物体が接触した前記パネル上の位置を特定する位置検出手段を有し、前記制御装置は検出した位置に応じて前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、予め用意した複数の振動波形の中から、前記検出した位置に応じた振動波形を選択し、前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１０記載の触覚提示装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記検出した位置が所定領域内にあると判断した場合に前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１０記載の触覚提示装置。
【請求項１３】
前記制御手段は、予め用意した複数の振動波形の中から、外部からの指示に応じた振動波形を選択し、前記パネルを振動させることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の触覚提示装置。
【請求項１４】
前記パネルはフレームに支持されたシート状のカバー部材でパネルの平面に対して垂直方向へ振動させることを特徴とする請求項１から１３の何れか一項記載の触覚提示装置。
【請求項１５】
触覚を提示するためのパネルを磁力を用いてパネルの平面に対して垂直方向へ振動させる方法であって、振動の周波数を５０Ｈｚ以下とすることを特徴とするパネルの駆動方法。

【図１】