JP5924802B2 - 入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力装置に関する。

表示画面を操作部として兼用させるタッチパネルに関する技術は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１の技術では、圧電素子を用いて、画面に対する指の接触を検出する。

なお、特許文献２には、超音波を用いて皮膚（例えば指先）に多様な触感を付与する技術が記載されている。

特開平７−２８２６９９号公報 特開２００３−２９８９８号公報

タッチパネルでは、指やスタイラス等が画面に直接接触するため、画面が手の脂などで汚れたり、画面にスタイラスの跡が残ったりする。

本発明の目的は、画面に表示された操作位置表示に対応する操作を、非接触式で検出することが可能な入力装置を提供することにある。

本発明は、複数の操作位置表示を行う表示部と、
前記複数の操作位置表示の各々に対応して入力装置の正面の特定の空間に設定された操作位置に対する操作を非接触式で検出する検出部と、
を有し、
前記検出部は、
前記入力装置の正面の空間に向けて超音波を発振する第１圧電素子と、
前記第１圧電素子より発振された前記超音波を検出する第２圧電素子と、
前記第２圧電素子による検出結果に基づいて、何れの前記操作位置に対する操作が行われたかを判定する判定部と、
を有することを特徴とする入力装置を提供する。

本発明によれば、表示部に表示された操作位置表示と対応する操作位置に対して行われた操作を非接触式で検出することができる。

第１の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置を示す正面図である。 図１の携帯端末装置のブロック図である。 操作位置に対して指で操作を行う状態を示す側面図である。 図１の携帯端末装置が備える発振用圧電素子の模式図である。 振動子の層構造を示す断面図である。 図１の携帯端末装置が備える受信用圧電素子の模式図である。 第１の実施形態の動作の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置のブロック図である。 第３の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。

〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置１００を示す正面図、図２は携帯端末装置１００のブロック図、図３は操作位置５１に対して指１で操作を行う状態を示す側面図である。

本実施形態に係る携帯端末装置１００は、複数の操作位置表示（例えば操作位置表示６１〜６６）を行う表示部６０と、これら複数の操作位置表示の各々に対応して携帯端末装置１００の正面の（例えば、表示部６０の正面の）特定の空間に設定された操作位置（操作位置５１等）に対する操作を非接触式で検出する検出部と、を有し、検出部は、携帯端末装置１００の正面の空間（例えば、表示部６０の正面の空間）に向けて超音波を発振する第１圧電素子（発振用圧電素子３１）と、第１圧電素子より発振された超音波を検出する第２圧電素子（受信用圧電素子２１）と、第２圧電素子による検出結果に基づいて、何れの操作位置に対する操作が行われたかを判定する判定部４２と、を有する。なお、携帯端末装置１００は、例えば、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、小型ゲーム機器、ラップトップ型パーソナルコンピュータなどである。以下、詳細に説明する。

図１に示すように、携帯端末装置１００は、筐体１０１と、この筐体１０１に設けられた表示部６０と、を有している。なお、図１では、携帯端末装置１００がタブレット型である例を示しているが、携帯端末装置１００は、その他の形態のものであっても良い。すなわち、携帯端末装置１００は、相互に折り畳み可能に連結された第１及び第２の筐体を有する折り畳み型であっても良いし、相互にスライド可能に連結された第１及び第２の筐体を有するスライド型であっても良い。

表示部６０は、例えば、液晶表示装置等により構成されている。表示部６０は、その表示画面６０ａにおいて各種の情報表示を行う。これらの表示には、複数の操作位置表示（例えば、操作位置表示６１〜６６）が含まれる。表示画面６０ａは、例えば矩形状に形成されている。

携帯端末装置１００は、携帯端末装置１００の正面の空間に向けて超音波を発振する発振用圧電素子３１と、発振用圧電素子３１より発振された超音波を検出する受信用圧電素子２１（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）と、操作位置に向けて超音波を発振する触感付与用圧電素子（第３圧電素子）８１と、を有している。これら発振用圧電素子３１、受信用圧電素子２１及び触感付与用圧電素子８１は、筐体１０１において、表示部６０の近傍の位置に設けられている。

携帯端末装置１００は、発振用圧電素子３１と受信用圧電素子２１とのうちの少なくとも何れか一方を複数有している。本実施形態の場合、携帯端末装置１００は、例えば、受信用圧電素子２１を複数有している。これら受信用圧電素子２１は、例えば、表示画面６０ａの４辺のそれぞれと対応する位置に配置されている。また、携帯端末装置１００は、例えば、複数の触感付与用圧電素子８１を有している。

図２に示すように、携帯端末装置１００は、発振用圧電素子３１、受信用圧電素子２１、触感付与用圧電素子８１及び表示部６０の他に、制御部４０を有している。

制御部４０は、発振用圧電素子３１の動作を制御する発振制御部４１と、判定部４２と、表示部６０の動作を制御する表示制御部４３と、触感付与用圧電素子８１の動作を制御する触感付与制御部４４と、を有している。

発振制御部４１により発振用圧電素子３１を制御することにより、発振用圧電素子３１から超音波を発振させることができる。
発振用圧電素子３１により発振された超音波は、各受信用圧電素子２１により検出される。各受信用圧電素子２１は、発振用圧電素子３１により発振された周波数の超音波を検出する。受信用圧電素子２１の共振周波数は、発振用圧電素子３１の発信周波数と一致していることが好ましい。
各受信用圧電素子２１による検出結果は、それぞれ判定部４２に入力される。

判定部４２は、各受信用圧電素子２１による検出結果に基づいて、何れの操作位置に対する操作が行われたかを判定する。

触感付与制御部４４により各触感付与用圧電素子８１を制御し、各触感付与用圧電素子８１から操作位置に向けて超音波を発振させることにより、操作を行った物体（例えば指１（図３）或いはスタイラス（図示略）など）に対して触感を付与することができる。

図３に示すように、操作位置は、表示画面６０ａから離れた位置にある。操作位置は、例えば、各操作位置表示６１〜６６の正面の空間にそれぞれ設定されている。図３には、一例として、操作位置表示６２と対応する操作位置５１に対して指１で操作する状態を示している。

発振用圧電素子３１から出力された超音波は、指１で反射した後に各受信用圧電素子２１により検出されるが、指１の位置に応じて、各受信用圧電素子２１へ向けて反射される超音波の強度が異なる。つまり、何れの操作位置に対して操作が行われたかに応じて、各受信用圧電素子２１により検出結果が異なる。このため、判定部４２にて、各受信用圧電素子２１による検出結果を解析することにより、何れの操作位置に対して操作が行われたかを判定することができる。すなわち、各操作位置表示に対応する操作位置に対して行われた操作を非接触式で検出することができる。

なお、このような検出動作を実現するために、例えば、判定部４２は、予め、各操作位置毎に、各受信用圧電素子２１による検出値をテーブルとして記憶している。そして、判定部４２は、そのテーブルの中から、各受信用圧電素子２１による検出値と対応する操作位置を抽出し、その操作位置に対する操作が行われたと判定する。

或いは、判定部４２は、各受信用圧電素子２１による検出値を用いた演算により、何れの操作位置に対して操作が行われたかを判定しても良い。例えば、表示画面６０ａの上（図１の紙面よりも前）に位置する受信用圧電素子２１ａによる検出値と、表示画面６０ａの下に位置する受信用圧電素子２１ｂによる検出値との比から、操作位置の上下方向位置を判定し、表示画面６０ａの左に位置する受信用圧電素子２１ｃによる検出値と、表示画面６０ａの右に位置する受信用圧電素子２１ｄによる検出値との比から、操作位置の左右方向位置を判定することで、操作位置を特定しても良い。

なお、各操作位置は同一平面内に位置することが好ましく、これにより、ユーザによる操作が容易となる。また、表示画面６０ａから各操作位置までの距離は５ｃｍ以下（より好ましくは３ｃｍ以下）であることが好ましく、これにより、操作の検出をより高精度に行うことができる。

また、判定部４２により、何れかの操作位置に対する操作が行われたと判定された場合、触感付与制御部４４は、触感付与用圧電素子８１を制御し、指１に超音波を当てさせることにより、指１に触感を付与する。ここで、各触感付与用圧電素子８１から発振される超音波の位相の値（或いは、各触感付与用圧電素子８１から発振される超音波の位相の相対的なずれ量の値）を制御することにより、指１などに触感を付与する位置を調節することができる。このため、本実施形態では、操作を検出した操作位置において触感を付与できるように、各触感付与用圧電素子８１から発振される超音波の位相の値やその相対的なずれ量を制御する。

更に、各触感付与用圧電素子８１から発振される超音波の振幅、位相の値（或いは、位相の相対的なずれ量）を制御することにより、複数種類の触感（例えば、固い触感、柔らかい触感、ざらざらの触感、つるつるした触感、凹凸の触感など）を付与することができる。

また、判定部４２により何れかの操作位置に対する操作が行われたと判定された場合、制御部４０は、その操作に応じたその他の処理を実行する。例えば、図１に示すように、操作位置表示６１〜６６には、アプリの起動を指示する操作位置（図示略）を指し示す操作位置表示６１、アドレス帳の起動を指示する操作位置５１を指し示す操作位置表示６２、電子メール機能の起動を指示する操作位置（図示略）を指し示す操作位置表示６３、カメラ機能の起動を指示する操作位置（図示略）を指し示す操作位置表示６４、電卓機能の起動を指示する操作位置（図示略）を指し示す操作位置表示６５、及び、各種の設定機能の起動を指示する操作位置（図示略）を指し示す操作位置表示６６が含まれ、制御部４０は、これらの機能に応じた処理を実行する。

図４は発振用圧電素子３１の模式図である。

発振用圧電素子３１は、例えば、シート状の振動部材３２と、振動子３３と、支持部材３４と、を備えている。振動子３３は例えば圧電振動子であり、振動部材３２の一方の面に取り付けられている。支持部材３４は、振動部材３２の縁を支持している。また、支持部材３４は、例えば、携帯端末装置１００の回路基板（図示略）或いは筐体１０１に固定されている。
発振制御部４１は、振動子３３に発振信号を入力することによって振動子３３を振動させて、振動子３３及び振動部材３２より音波を発振させる発振回路を構成している。

振動部材３２は、振動子３３から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。なお、振動子３３も、自身が振動することによって、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。また振動部材３２は、振動子３３の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。コンプライアンスは振動子の機械剛性であるため、振動部材３２の剛性を制御することで、振動子３３の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材３２の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材３２は、剛性を示す指標である縦弾性係数が１Ｇｐａ以上５００ＧＰａ以下であることが好ましい。振動部材３２の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材３２を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である振動子３３に対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどが好ましい。

本実施形態において振動子３３の平面形状は円形である。ただし振動子３３の平面形状は円形に限定されない。振動子３３は、振動部材３２に対向する面の全面が接着剤によって振動部材３２に固定されている。これにより、振動子３３の片面の全面が振動部材３２によって拘束される。

発振制御部４１は、振動子３３に入力する電気信号、すなわち発振用圧電素子３１における変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、例えば、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波であり、具体的には、例えば１００ｋＨｚの超音波である。発振制御部４１は、所定の発振出力となるように発振用圧電素子３１を制御する。

図５は、振動子３３の厚さ方向の層構造を示す断面図である。振動子３３は、圧電体３６、上面電極３７及び下面電極３８を有している。

圧電体３６は厚さ方向に分極している。圧電体３６を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、電気機械変換効率が高い材料、例えばジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）であるのが好ましい。圧電体３６の厚さｈ１は、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ１が１０μｍ未満の場合、発振用圧電素子３１の製造時に振動子３３が破損する可能性が生じる。また厚さｈ１が１ｍｍ超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない可能性がある。その理由は、振動子３３の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。

上面電極３７及び下面電極３８を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗で汎用的な電極材料として使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。銀／パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、上面電極３７及び下面電極３８の厚さｈ２は特に限定されないが、その厚さｈ２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ２が１μｍ未満では、上面電極３７及び下面電極３８を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極３７及び下面電極３８の膜厚が１００μｍを超える場合は、上面電極３７及び下面電極３８が圧電体３６に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が生じる。

振動子３３は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極３７及び下面電極３８としては、例えば厚み８μｍの銀／パラジウム合金（重量比は例えば７：３）を用いることができる。また振動部材３２は、外径＝φ２０ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。支持部材３４は発振用圧電素子３１のケースとして機能するものであり、例えば、外径＝φ２２ｍｍ、内径＝φ２０ｍｍの筒状（例えば円筒状）に形成されている。

図４は受信用圧電素子２１の模式図である。

受信用圧電素子２１は、発振用圧電素子３１と同様に構成されている。各受信用圧電素子２１の振動子３３は、受信する超音波に応じた電気信号を個別に生成し、それら電気信号を（超音波の検出結果として）判定部４２にそれぞれ出力する。

判定部４２は、各受信用圧電素子２１から入力される電気信号に基づいて、何れの操作位置に対する操作が行われたかを判定する。

このように、発振用圧電素子３１は、超音波を出力するスピーカとしての機能を有するのに対し、受信用圧電素子２１は、超音波を検出するマイクとして機能する。

また、図示は省略するが、触感付与用圧電素子８１及び触感付与制御部４４も発振用圧電素子３１及び発振制御部４１と同様に構成されている。

以上において、発振制御部４１、発振用圧電素子３１、受信用圧電素子２１及び判定部４２により、各操作位置表示に対応する操作位置に対して行われた操作を非接触式で検出する検出部が構成されている。

次に、一連の動作を説明する。

図７は第１の実施形態の動作の流れを示すフローチャートである。携帯端末装置１００は、図７の処理を所定時間毎に繰り返し行う。

先ず、ユーザが複数の操作位置表示６１〜６６により示される操作位置（操作位置５１等）のうちの何れかの操作位置に対して操作を行う。すなわち、所望の操作位置に指１を移動させる。すると、検出部がその操作を検出する（ステップＳ１１のＹ）。

次に、触感付与制御部４４により、指１に触感を付与させる処理を行う（ステップＳ１２）。

また、ステップＳ１２と並行して（或いは、ステップＳ１２に続いて）、ステップＳ１３の処理を行う。ステップＳ１３では、操作に応じたその他の処理（ステップＳ１２での処理を除く処理）を行う。具体的には、例えば、アプリ、アドレス帳、電子メール機能、カメラ機能、電卓機能、各種の設定機能などを起動させる処理を行う。

以上のような第１の実施形態によれば、表示部６０に表示された操作位置表示６１〜６６により示される操作位置（操作位置５１等）に対して行われた操作を非接触式で検出することができる。
よって、指やスタイラス等を画面に直接接触させるタッチパネルとは異なり、画面が手の脂などで汚れたり、画面にスタイラスの跡が残ったりすることを抑制できる。

また、発振用圧電素子３１と受信用圧電素子２１とのうちの少なくとも何れか一方（例えば受信用圧電素子２１）を複数有するので、２次元的に複数箇所に配置された操作位置に対する操作をそれぞれ容易に検出することができる。
より具体的には、発振用圧電素子３１と受信用圧電素子２１とのうちの少なくとも何れか一方（例えば受信用圧電素子２１）が、表示部６０の４辺のそれぞれと対応する位置に配置されていることにより、２次元的に複数箇所に配置された操作位置に対する操作をそれぞれ容易に検出することができる。

また、操作位置に向けて超音波を発振する触感付与用圧電素子８１と、触感付与用圧電素子８１を用いて、操作を行った物体（指１など）に対し、超音波により触感を付与させる制御を行う触感付与制御部４４と、を有する。よって、表示画面６０ａに対して非接触式で操作を検出する場合にも、触れたかのような感触をユーザに与えることができるので、ユーザは、操作を行ったことを容易に認識することができる。

また、複数の触感付与用圧電素子８１を用いて触感を付与することにより、その触感を付与する位置を容易に調節することができるため、操作位置において触感を付与することができる。

〔第２の実施形態〕
図８は第２の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置１００のブロック図である。上記の第１の実施形態では、触感付与用圧電素子８１を用いて触感を付与する例を説明したが、第２の実施形態では、発振用圧電素子３１と受信用圧電素子２１とのうちの少なくとも何れか１つの圧電素子（例えば、受信用圧電素子２１）を用いて触感を付与する。より具体的には、受信用圧電素子２１を用いて操作を検出するタイミングと、受信用圧電素子２１を用いて触感を付与するタイミングとをずらすことにより（時分割することにより）、受信用圧電素子２１を操作検出用と触感付与用に兼用させることができる。

本実施形態の場合、各受信用圧電素子２１は、触感付与制御部４４の制御下で超音波を発振し、この超音波により、指１などに触感を付与する。

このような第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、発振用圧電素子３１と受信用圧電素子２１とのうちの少なくとも何れか１つの圧電素子を用いて、操作を行った物体（例えば指１）に対し、超音波により触感を付与する。よって、検出用の圧電素子と、触感付与用の圧電素子とを兼用させることにより、携帯端末装置１００の大型化を抑制することができる。

〔第３の実施形態〕
図９は第３の実施形態に係る入力装置としての携帯端末装置１００を示す正面図である。上記の第１の実施形態では、表示部６０の４辺のそれぞれに沿って受信用圧電素子２１が配置されている例を説明した。これに対し、第３の実施形態では、図９に示すように、表示部６０の２辺に沿って、それぞれ複数個の受信用圧電素子２１が配列されている。このような第３の実施形態によっても、第１の実施形態或いは第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記の各実施形態では、入力装置が携帯端末装置である例を説明したが、入力装置はＡＴＭ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｔｅｌｌｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ）などの据え付け型の装置であっても良い。
また、入力装置には、発振用圧電素子３１を複数設けても良い。

また、触感付与制御部４４は、操作を行った物体の位置が、表示部６０（表示画面６０ａ）を含む面に近いほど、触感が強くなるように、触感付与用圧電素子８１（或いは、発振用圧電素子３１又は受信用圧電素子２１）を制御するようにしても良い。このためには、判定部４２は、受信用圧電素子２１による検出結果に基づいて、操作を行った物体と、表示部６０（表示画面６０ａ）を含む面と、の距離を判定する。そして、触感付与制御部４４は、その判定された距離が近いほど、触感が強くなるように、触感付与用圧電素子８１（或いは、発振用圧電素子３１又は受信用圧電素子２１）を制御する。

１ 指
２１ 受信用圧電素子
３１ 発振用圧電素子
３２ 振動部材
３３ 振動子
３４ 支持部材
３６ 圧電体
３７ 上面電極
３８ 下面電極
４０ 制御部
４１ 発振制御部
４２ 判定部
４３ 表示制御部
４４ 触感付与制御部
５１ 操作位置
６０ 表示部
６０ａ 表示画面
６１ 操作位置表示
６２ 操作位置表示
６３ 操作位置表示
６４ 操作位置表示
６５ 操作位置表示
６６ 操作位置表示
８１ 触感付与用圧電素子
１００ 携帯端末装置
１０１ 筐体

Claims (6)

1. 複数の操作位置表示を行う表示部と、
   前記複数の操作位置表示の各々に対応して入力装置の正面の特定の空間に設定された操作位置に対する操作を非接触式で検出する検出部と、
   を有し、
   前記検出部は、
   前記入力装置の正面の空間に向けて超音波を発振する第１圧電素子と、
   前記空間に位置する物体によって反射された前記超音波を検出する第２圧電素子と、
   前記第２圧電素子による検出結果に基づいて、何れの前記操作位置に対する操作が行われたかを判定する判定部と、
   前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とのうちの少なくとも何れか１つの圧電素子を用いて、前記操作を行った物体に対し、超音波により触感を付与させる制御を行う触感付与制御部と、
   を有することを特徴とする入力装置。
2. 前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とのうちの少なくとも何れか一方を複数有することを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記表示部が矩形状であり、
   前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とのうちの少なくとも何れか一方が、前記表示部の４辺のそれぞれと対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の入力装置。
4. 前記第２圧電素子を複数有することを特徴とする請求項２又は３に記載の入力装置。
5. 前記表示部から前記特定の空間までの距離が５ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の入力装置。
6. 当該入力装置は、携帯端末装置であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の入力装置。

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