JP2017208024A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作性を向上させ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、操作面２０になされたなぞり操作を検出するタッチパッド２と、操作面２０に振動を付加する振動付加部（第１〜第４のアクチュエータ４１〜４４）と、振動付加部を制御する制御部を備える。制御部は、操作面２０でなぞり操作が行われたと判定すると、操作面２０に交差する振動面４０内において操作面２０上の点が楕円軌道７５を描くような振動を付加する。操作面２０に接触している操作指をなぞり操作方向に駆動して、適切な入力位置まで誘導する。【選択図】図３

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、ディスプレイの画面全体に敷設され、操作者の操作部位による接触位置を検出するタッチパネルと、タッチパネルをディスプレイの横方向に変位させる横方向変位手段と、タッチパネルをディスプレイの縦方向に変位させる縦方向変位手段と、横方向変位手段及び縦方向変位手段の駆動制御を行うタッチパネル駆動手段と、を備えた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、横方向変位手段及び縦方向変位手段を駆動することにより、ディスプレイの画面に沿った面内の二次元方向にタッチパネルを変位、振動させ、操作者の指を適切な入力位置まで誘導することができる。

特開２００３−５８３２１号公報

しかし従来のタッチパネル装置は、面内の二次元方向の変位によって指（操作指）を誘導するためには、操作指が滑り難いタッチパネルが必要であり、操作指が滑り難いためになぞり操作などが行い難く却って操作性が良くない可能性がある。

従って本発明の目的は、操作性を向上させ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、操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、操作面に振動を付加する振動付加部と、振動付加部を制御して操作面に交差する面内において操作面上の点が楕円軌道を描くような振動を付加し、操作面に接触している操作指をなぞり操作方向に駆動する制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、操作性を向上させることができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例が搭載された車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。 図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の操作面になされたなぞり操作の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は、触覚呈示装置の側面図の一例である。 図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の操作面になされたなぞり操作の一例を示す上面図であり、図３（ｂ）は、楕円軌道の一例を説明するための概略図であり、図３（ｃ）は、振動付加部の振動パターンの一例を示す概略図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置が操作指に与えるせん断力の一例について説明するための概略図である。 図５は、実施の形態に係る触覚呈示装置の動作の一例を示すフローチャートである。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、操作面に振動を付加する振動付加部と、振動付加部を制御して操作面に交差する面内において操作面上の点が楕円軌道を描くような振動を付加し、操作面に接触している操作指をなぞり操作方向に駆動する制御部と、を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、操作面上の点が楕円軌道を描くような振動を付加して操作指をなぞり操作方向に駆動するので、この構成を採用しない場合と比べて、なぞり操作方向の操作指の移動がスムーズになって操作性が向上する。

[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の一例が搭載された車両内部の概略図であり、図１（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の操作面になされたなぞり操作の一例を示す上面図であり、図２（ｂ）は、触覚呈示装置の側面図の一例である。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（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「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、一例として、図１（ａ）に示すように、車両８の運転席と助手席の間に伸びるフロアコンソール８０に配置されている。

この触覚呈示装置１は、接続された電子機器の操作を行うことが可能であると共に、電子機器が操作を受け付けたことを示す触覚の呈示を行うことを可能としている。また触覚呈示装置１は、接続された電子機器の表示部として機能する表示装置８２と当該電子機器を介して接続されている。この表示装置８２は、図１（ａ）に示すように、センターコンソール８１に配置されている。

触覚呈示装置１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、操作面２０になされたなぞり操作を検出する検出部としてのタッチパッド２と、操作面２０に振動を付加する振動付加部４と、振動付加部４を制御して操作面２０に交差する面（振動面４０）内において操作面２０上の点が楕円軌道を描くような振動を付加し、操作面２０に接触している操作指９をなぞり操作方向に駆動する制御部７と、を備えて概略構成されている。

また触覚呈示装置１は、タッチパッド２に作用する荷重を検出して操作面２０になされたプッシュ操作を検出する荷重検出部としての荷重センサ６を備えている。制御部７は、荷重センサ６がプッシュ操作を検出した場合、振動付加部４を制御して操作面２０を上下に振動させてプッシュ操作に対する触覚フィードバックの呈示を行う。

（タッチパッド２の構成）
タッチパッド２は、例えば、操作者の体の一部（例えば、指）や専用のペンで操作面２０に触れることにより、触れた操作面２０上の位置を検出するタッチセンサである。操作者は、例えば、操作面２０に操作を行うことにより、接続された電子機器の操作を行うことが可能となる。タッチパッド２としては、例えば、抵抗膜方式、赤外線方式、静電容量方式などのタッチパッドを用いることが可能である。本実施の形態のタッチパッド２は、例えば、静電容量方式のタッチパッドである。

なお変形例として検出部は、ステレオカメラなどの距離画像を生成するカメラを備え、操作面になされた操作を撮影された距離画像に基づいて検出するものであっても良い。

タッチパッド２は、例えば、絶縁性を保ちながら交差して操作面２０の下方に配置された複数の駆動電極と複数の検出電極を有する。タッチパッド２は、駆動電極と検出電極の間に生成される静電容量を全ての組み合わせで走査して読み出す。そしてタッチパッド２は、読み出した静電容量としきい値とを比較して操作指の接触点を算出する。タッチパッド２は、周期的に静電容量を読み出し、操作指が検出された場合、接触点の座標を算出して検出情報Ｓ_１として制御部７に出力する。

操作面２０には、例えば、図２（ａ）に示すように、左下を原点としてＸＹ座標系が設定されている。接触点の座標は、このＸＹ座標系の座標として算出される。なお操作面２０の法線方向は、Ｚ軸としている。上下の振動とは、例えば、このＺ軸に沿った方向の振動であり、法線方向が上方向である。

（振動付加部４の構成）
振動付加部４は、図１（ｂ）〜図２（ｂ）に示すように、第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４を有している。この第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４は、例えば、金属板と、圧電素子と、を備えたモノモルフ型の圧電アクチュエータである。

このモノモルフ型圧電アクチュエータとは、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造のアクチュエータである。なお、第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４の変形例としては、２枚の圧電素子を金属板の両面に設けたバイモルフ型圧電アクチュエータであっても良い。

第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４は、例えば、図２（ａ）の紙面の右下から時計回りに、操作面２０の裏面２１の四隅に配置されている。

第１のアクチュエータ４１は、制御部７から出力される第１の駆動信号Ｓ_２に基づいて操作面２０に振動を与える。第２のアクチュエータ４２は、制御部７から出力される第２の駆動信号Ｓ_３に基づいて操作面２０に振動を与える。第３のアクチュエータ４３は、制御部７から出力される第３の駆動信号Ｓ_４に基づいて操作面２０に振動を与える。第４のアクチュエータ４４は、制御部７から出力される第４の駆動信号Ｓ_５に基づいて操作面２０に振動を与える。

この第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４の共振周波数は、一例として、１Ｈｚ〜２００Ｈｚである。本実施の形態の共振周波数は、８０Ｈｚである。

なお変形例として操作面２０上にスクイーズ膜を形成する場合は、第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４が２０ｋＨｚ以上で振動するように超音波駆動がなされる。このスクイーズ膜の形成によってタッチパッド２は、操作指に作用する摩擦力を低減させることができる。

なお振動付加部４は、操作面２０を振動させるものであれば良く、例えば、ボイスコイルなどであっても良い。

（荷重センサ６の構成）
荷重センサ６は、例えば、圧電体、抵抗膜などを利用したセンサである。この荷重センサ６は、一例として、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、操作面２０の裏面２１の中央に配置され、操作面２０にかかる荷重Ｐを検出するように構成されている。

荷重センサ６は、予め定められたしきい値以上の荷重Ｐを検出すると、プッシュ操作が有ったことを示す荷重情報Ｓ_６を生成して制御部７に出力するように構成されている。制御部７は、プッシュ操作が行われたことを示す荷重情報Ｓ_６を取得すると、プッシュ操作に対する触覚フィードバックとして操作面２０を上下に振動させるように振動付加部４を制御する。

（制御部７の構成）
制御部７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７が動作するためのプログラムと、振動パターン情報７０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。また制御部７は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。

振動パターン情報７０は、操作面２０に付加する振動パターンの情報である。制御部７は、振動パターン情報７０に基づいて第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を生成して第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４を駆動する。

制御部７は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、時間ｔ_１において操作指９が点Ａ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）で検出され、時間ｔ_２において操作指９が点Ｂ（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）で検出され、時間ｔ_１から時間ｔ_２までの時間間隔が予め定められた時間間隔以下であった場合、なぞり操作が行われたと判定する。また制御部７は、点Ａ及び点Ｂに基づいてなぞり操作方向を算出する。

なお時間ｔ_１から時間ｔ_２の時間間隔は、例えば、タッチパッド２の静電容量の読み出し周期の自然数倍となる。

また後述する時間ｔ_２〜時間ｔ_７の時間間隔は、例えば、等間隔であり、かつタッチパッド２の静電容量の読み出し周期の自然数倍となる。

（操作面２０に付加する楕円軌道７５について）
図３（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の操作面になされたなぞり操作の一例を示す上面図であり、図３（ｂ）は、楕円軌道の一例を説明するための概略図であり、図３（ｃ）は、振動付加部の振動パターンの一例を示す概略図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置が操作指に与えるせん断力の一例について説明するための概略図である。

ここでは、一例として、図３（ａ）に示すように、時間ｔ_１において操作指９が点Ａ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）で検出され、時間ｔ_２において操作指９が点Ｂ（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）で検出され、なぞり操作が行われたと判定された場合に呈示される楕円軌道７５を形成する振動について説明する。なおＹ_Ａ＝Ｙ_Ｂである。このなぞり操作のなぞり操作方向は、Ｘ軸に沿っており、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す時間ｔ_７以降も続くものとする。

制御部７は、例えば、図３（ｂ）に示すように、操作面２０に交差する振動面４０内において操作面２０上の点が楕円軌道７５を描くような振動を付加し、操作面２０に接触している操作指９をなぞり操作方向に駆動する。この点は、操作指９が検出された接触点２５である。

また制御部７は、図３（ｂ）に示すように、楕円軌道７５の長径が操作面２０の法線方向、楕円軌道７５の短径が操作面２０の平行方向となるように操作面２０に振動を付加するように振動付加部４を制御する。この短径は、なぞり操作方向と一致する。この一致によって操作指９は、効率良くなぞり操作方向に駆動される。以下では、楕円軌道７５の生成について、図３（ａ）〜図４（ｃ）を参照しながら説明する。

時間ｔ_１及び時間ｔ_２において連続して操作指９が検出された場合、制御部７は、なぞり操作が行われていると判定する。この際、操作面２０は、図４（ａ）に示すように、基準位置２３に位置する。

次に時間ｔ_３において、制御部７は、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４を駆動する第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を出力して操作面２０を基準位置２３から上方向に変位させる。操作面２０の上方向の変位によって操作指９は、図４（ａ）に示すように、腹９０が潰れるように変形する。この操作面２０の上方向の変位は、時間ｔ_３〜時間ｔ_４まで行われる。

次に時間ｔ_４から時間ｔ_５まで制御部７は、第２のアクチュエータ４２及び第３のアクチュエータ４３が操作面２０を上方向に変位させ、第１のアクチュエータ４１及び第４のアクチュエータ４４が操作面２０を下方向に変位させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を出力する。

図３（ｂ）に示すように、時間ｔ_４から時間ｔ_５では、操作面２０は、なぞり操作方向に変位しながら基準位置２３まで下降する。この際、操作指９は、せん断力Ｆを受けて操作面２０と共になぞり操作方向に移動する。

次に時間ｔ_５から時間ｔ_６まで制御部７は、第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４が操作面２０を下方に変位させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を出力する。

この際、操作面２０は、図３（ｂ）に示すように、なぞり操作方向とは反対の方向に変位しながら下方に変位する。つまり操作指９は、図４（ｃ）に示すように、腹９０の変形が戻りつつ操作面２０が変位する。従って操作指９に作用するせん断力Ｆは、時間ｔ_４〜時間ｔ_５において作用したせん断力Ｆよりも小さくなる。さらに操作指９は、なぞり操作方向になぞり操作されているので、操作面２０と共に移動せずになぞり操作方向に移動する。

次に時間ｔ_６から時間ｔ_７まで制御部７は、第１のアクチュエータ４１及び第４のアクチュエータ４４が操作面２０を上方向に変位させ、第２のアクチュエータ４２及び第３のアクチュエータ４３が操作面２０を下方に変位させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を出力する。

この際、操作面２０は、なぞり操作方向とは反対方向に変位しながら基準位置２３まで上昇する。しかし操作指９に作用するせん断力Ｆが小さいため、操作指９は、なぞり操作方向に移動する。

次に時間ｔ_７以降は、時間ｔ_３〜時間ｔ_７までの繰り返しとなる。時間ｔ_７、つまり時間ｔ_３において第１のアクチュエータ４１〜第４のアクチュエータ４４が操作面２０を基準位置２３から上方向に変位させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を出力する。

図３（ｂ）に示す時間ｔ_７（時間ｔ_３）から時間ｔ_４では、操作面２０が操作指９の腹９０を変形させながらなぞり操作方向に変位する。従って操作指９は、なぞり操作方向に移動する。つまり操作指９は、基準位置２３から上方向に操作面２０が変位する間、なぞり操作方向に駆動される。

そして制御部７は、時間ｔ_３〜時間ｔ_７までの振動パターン７１を繰り返して操作指９をなぞり操作方向に駆動する。

上述のように、操作面２０に楕円軌道７５を描くような振動が付加されると、操作指９には、なぞり操作方向とその反対方向のせん断力Ｆが作用する。このせん断力Ｆは、なぞり操作方向の方が反対方向よりも大きい。

この楕円軌道７５における操作面２０の変位は、合計ではゼロとなる。しかし操作面２０の変位によって操作指９に作用する力積は、基準位置２３から上方向と下方向とでは非対称であり、合計でゼロとはならない。

つまり操作面２０が上方向に変位すると力積が大きくなると共に操作指９の変形が大きくなり、操作指９は、操作面２０と追従してなぞり操作方向に移動する。また操作面２０が下方に変位すると力積が小さくなると共に操作指９の変形が小さくなり、操作指９は、操作面２０に追従せずになぞり操作方向に移動する。このような力積の偏りが操作指９をなぞり操作方向に駆動する力となる。

このように、操作指９は、なぞり操作が行われている間、なぞり操作方向と同じ方向に大きなせん断力Ｆが生じるように振動付加部４が制御されると、操作面２０上を移動し易くなる。一方操作指９は、なぞり操作方向と反対方向に大きなせん断力Ｆが生じるように振動付加部４が制御されると、操作面２０上を移動し難くなる。従ってこれらを組み合わせることによって触覚呈示装置１は、操作面２０上の任意の位置に操作指９を誘導することが可能となる。

なお上述では、楕円軌道７５がなぞり操作方向と一致する場合について説明したが、触覚呈示装置１は、楕円軌道７５の振動面４０がなぞり操作方向と交差するように振動を付加するように構成されても良い。

以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図５のフローチャートに従って説明する。

（動作）
触覚呈示装置１は、車両８の電源が投入されると、タッチパッド２が操作面２０を周期的に走査して操作指９の検出を行うと共に荷重センサ６が荷重情報Ｓ_６を出力する。

制御部７は、まず検出情報Ｓ_１に基づいて操作指９の検出の有無を確認する。制御部７は、ステップ１の「Ｙｅｓ」が成立する、つまり操作指９が検出されると（Ｓｔｅｐ１：Ｙｅｓ）、なされた操作がプッシュ操作なのかなぞり操作なのか判定する。

制御部７は、検出情報Ｓ_１及び荷重情報Ｓ_６に基づいてプッシュ操作がなされたと判定すると（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、操作面２０を上下に振動させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を振動パターン情報７０に基づいて生成して振動付加部４に出力する（Ｓｔｅｐ３）。振動付加部４は、第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５に基づいて予め定められた期間振動を付加する。そして制御部７は、プッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_７を生成して電子機器に出力する。

ここでステップ２において制御部７は、検出情報Ｓ_１及び荷重情報Ｓ_６に基づいてなぞり操作がなされていると判定すると（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）、なぞり操作方向を算出する（Ｓｔｅｐ４）。次に制御部７は、楕円軌道７５を描くように操作面２０を振動させる第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５を振動パターン情報７０に基づいて生成して振動付加部４に出力する（Ｓｔｅｐ５）。振動付加部４は、第１の駆動信号Ｓ_２〜第４の駆動信号Ｓ_５に基づいて、なぞり操作が行われている間、又は予め定められた距離、操作目標に近づくまで振動を付加する。そして制御部７は、なぞり操作に基づいた操作情報Ｓ_７を生成して電子機器に出力する。

なお操作目標とは、一例として、表示装置８２に表示されたアイコンなどである。なぞり操作によってカーソルなどが、操作目標に向かって移動している場合、制御部７は、この操作目標にカーソルを誘導するように操作指９を誘導する。この際、制御部７は、一例として、カーソルが操作目標を超えないように、なぞり操作方向と反対方向にせん断力Ｆが大きくなるように振動付加部４を制御しても良いし、操作目標の手前で制御を終了しても良い。

（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、操作性を向上させることができる。具体的には、触覚呈示装置１は、操作面２０上の点が楕円軌道７５を描くような振動を付加して操作指９をなぞり操作方向に駆動するので、この構成を採用しない場合と比べて、なぞり操作方向の操作指９の移動がスムーズになって操作性が向上する。

触覚呈示装置１は、楕円軌道７５を形成するように振動を付加することで、操作指９にせん断力Ｆを付加することができるので、操作面２０が曲面などであっても操作指９をなぞり操作方向に駆動することができる。

触覚呈示装置１は、楕円軌道７５の向きなどを変えることによって操作指９をスムーズに移動させたり、任意の場所で止め易くさせたりすることができるので、この構成を採用しない場合と比べて、様々な触覚を呈示することができる。

なお本実施の形態の触覚呈示装置１は、二次元方向になされたなぞり操作を検出するタッチパッド２に適用されていたがこれに限定されず、一次元方向のなぞり操作を検出するタッチパッド２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共に、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、２…タッチパッド、４…振動付加部、６…荷重センサ、７…制御部、８…車両、９…操作指、２０…操作面、２１…裏面、２３…基準位置、２５…接触点、４０…振動面、４１〜４４…第１のアクチュエータ〜第４のアクチュエータ、７０…振動パターン情報、７１…振動パターン、７５…楕円軌道、８０…フロアコンソール、８１…センターコンソール、８２…表示装置、９０…腹

Claims (3)

1. 操作面になされたなぞり操作を検出する検出部と、
   前記操作面に振動を付加する振動付加部と、
   前記振動付加部を制御して前記操作面に交差する面内において前記操作面上の点が楕円軌道を描くような振動を付加し、前記操作面に接触している操作指をなぞり操作方向に駆動する制御部と、
   を備えた触覚呈示装置。
2. 前記検出部に作用する荷重を検出して前記操作面になされたプッシュ操作を検出する荷重検出部を有し、
   前記制御部は、前記荷重検出部が前記プッシュ操作を検出した場合、前記振動付加部を制御して前記操作面を上下に振動させて前記プッシュ操作に対する触覚フィードバックの呈示を行う、
   請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記制御部は、前記楕円軌道の長径が前記操作面の法線方向、前記楕円軌道の短径が前記操作面の平行方向となるように前記操作面に振動を付加するように前記振動付加部を制御する、
   請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。

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