JP2017004262A

JP2017004262A - 操作装置

Info

Publication number: JP2017004262A
Application number: JP2015117724A
Authority: JP
Inventors: 阿部　喜; Yoshi Abe; 喜阿部
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2017-01-05

Abstract

【課題】操作状況によらず、一定の触覚を呈示する操作装置を提供する。
【解決手段】所定の操作範囲においてなぞり操作を行なう操作部である操作パネル１０と、操作パネル１０に触覚呈示のための振動を付与する加振部であるアクチュエータ２０と、アクチュエータ２０により振動が付与されることにより操作パネル１０を所定の振動条件で振動可能に支持する筐体３０と、アクチュエータ２０を所定の振動条件で駆動する駆動信号を生成する制御部５０と、操作パネル１０になぞり操作が行われたときの操作荷重を検出する荷重検出部４０と、を有して構成する。制御部５０は、荷重検出部４０の出力に基づいて、駆動信号の出力強度を制御することにより、なぞり操作時の摩擦力ｆ（操作荷重）を一定に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作装置に関する。

従来の技術として、操作パネルを備え、操作者が入力部を操作した際に、押しボタンスイッチを操作した場合と同様のリアルな押下感を呈示できる操作装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の操作装置は、押圧による入力を受け付ける入力部と、入力部に対する押圧荷重を検出する荷重検出部と、入力部を振動させる振動部と、荷重検出部により検出される押圧荷重が、入力部への入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、入力部を押圧している押圧物と入力部との間の摩擦力を低減させるように振動部の駆動を制御する制御部と、を備える構成とされている。

この操作装置によれば、入力部への押圧荷重が、入力を受け付ける所定の基準を満たした際に、入力部を振動させて押圧物に対して浮揚力を発生させる、または押圧物に対してスクイーズ膜効果を作用させる、あるいは押圧物と入力部との間の摩擦力を低減させるので、小型化が可能な簡単な構成で、操作者に対して押しボタンスイッチを操作した場合と同様の押下感を呈示することが可能になるとされている。

特開２０１０−２８２６６５号公報

しかし、従来の操作装置は、操作パネル面と指との間に摩擦係数にむらがある場合には補正できず、指先との間の摩擦力にむらが生じる。操作パネル面を指先でなぞり操作する場合には、操作位置（触る場所）が振動部位のどこにあるかにより摩擦低減の効果が異なり、摩擦力にむらが出る。これにより、操作状況（操作位置、操作荷重、個人差）により触覚呈示のばらつきが生じて、操作性、操作感が低下するという問題があった。

従って、本発明の目的は、操作状況によらず、一定の触覚を呈示する操作装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、所定の操作範囲においてなぞり操作を行なう操作部と、前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、前記加振部により振動が付与されることにより前記操作部を所定の振動条件で振動可能に支持する筐体と、前記加振部を所定の振動条件で駆動する駆動信号を生成する制御部と、前記操作部になぞり操作が行われたときの操作荷重を検出する荷重検出部と、を有し、前記制御部は、前記荷重検出部の出力に基づいて、前記駆動信号の出力強度を制御することにより、なぞり操作時の前記操作荷重を一定に制御することを特徴とする操作装置を提供する。

［２］前記制御部は、前記加振部による前記振動を超音波振動とする駆動を行なうことを特徴とする上記［１］に記載の操作装置であってもよい。

［３］また、前記制御部は、前記操作部が前記所定の操作範囲において１次の振動モードで振動するように、前記駆動信号の周波数を設定することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の操作装置であってもよい。

［４］また、前記制御部は、前記荷重検出部の出力に基づいて、前記操作部が前記所定の操作範囲において２次以上の振動モードで振動するように、前記駆動信号の駆動周波数及び出力強度を設定することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の操作装置であってもよい。

［５］また、前記操作荷重は、前記操作部の操作パネル面に平行な方向の荷重であることを特徴とする上記［１］から［４］のいずれか１に記載の操作装置であってもよい。

本発明によれば、操作状況によらず、一定の触覚を呈示する操作装置を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の上平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す操作装置の正面図であり、図１（ｃ）は、操作パネルの振動モード（１次モード）を示す振動モード図である。図２は、本実施の形態に係る操作装置の構成ブロック図である。図３は、本実施の形態に係る操作装置が形成するスクイーズ膜を説明するための説明図である。図４は、本実施の形態に係る操作装置の制御方法を示すブロック線図である。図５（ａ）は、操作パネルの振動モードを説明するための振動モード（１次モード）図であり、図５（ｂ）は、２次の振動モード図であり、図５（ｃ）は、３次の振動モード図である。図６は、第２の実施の形態に係る操作装置の動作を説明するためのフローチャートである。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る操作装置１は、操作パネル１０の操作面１１を指等によりタッチして入力操作を行なう装置であり、操作面１１を指先でなぞって操作するなぞり操作をすることを想定して構成された装置である。このような装置の操作パネル１０をアクチュエータで振動させ、操作面１１と指先との間に空気の膜であるスクイーズ膜を形成させることにより、なぞり操作時に受ける摩擦力ｆ（操作荷重）を一定に制御する構成を備えたものである。これにより、操作荷重や操作状況によらず、一定の触感を呈示する操作装置とすることができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る操作装置の上平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す操作装置の正面図であり、図１（ｃ）は、操作パネルの振動モード（１次モード）を示す振動モード図である。また、図２は、本実施の形態に係る操作装置の構成ブロック図である。

本発明の実施の形態に係る操作装置１は、所定の操作範囲においてなぞり操作を行なう操作部である操作パネル１０と、操作パネル１０に触覚呈示のための振動を付与する加振部であるアクチュエータ２０と、アクチュエータ２０により振動が付与されることにより操作パネル１０を所定の振動条件で振動可能に支持する筐体３０と、アクチュエータ２０を所定の振動条件で駆動する駆動信号を生成する制御部５０と、操作パネル１０になぞり操作が行われたときの操作荷重を検出する荷重検出部４０と、を有して構成されている。ここで、制御部５０は、荷重検出部４０の出力に基づいて、駆動信号の出力強度を制御することにより、なぞり操作時の摩擦力ｆ（操作荷重）を一定に制御する。

（操作パネル１０）
操作パネル１０は、例えば、図示省略するが、駆動用の複数の駆動電極と、駆動電極との間の静電容量を読み出す複数の読出電極と、が操作面１１の下方に配置されている。操作パネル１０は、一例として、駆動された駆動電極と順次読み出しされる読出電極との間の容量値を数値化して位置検出信号Ｓ_Xとして周期的に出力するように構成されている。

この検出信号Ｓ_Xは、例えば、駆動電極と読出電極の組み合せごとに出力される。操作パネル１０の操作面１１には、直交座標系であるＸＹ座標が設定されている。Ｘ座標は、例えば、左右方向であり、Ｙ座標は、前後方向である。制御部５０は、例えば、操作が検出された駆動電極と読出電極の組み合せと読み出した容量値に基づいた加重平均を用いて操作がなされたＸＹ座標系の座標を算出する。

制御部５０は、この検出信号Ｓ_Xが閾値Ｓthを超えた場合、操作がなされたと判定する。これによりタッチ検出ができ、また、連続的にタッチ検出がされた場合にはなぞり操作として検出することができる。

なお、操作パネル１０は、静電容量式のタッチパネルに限定されず、抵抗膜方式、赤外線方式、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）方式等のタッチパネルを用いることが可能である。

（アクチュエータ２０）
加振部としてのアクチュエータ２０は、例えば、振動板２１と、圧電素子２２と、を備えたモノモルフ型の圧電素子である。モノモルフ型圧電素子は、１枚の圧電素子だけで屈曲する構造の圧電素子である。なお、圧電素子２２の変形例としては、２枚の圧電素子を板の両面に設けたバイモルフ型圧電素子であっても良い。また、圧電素子を複数枚積層した積層型圧電素子であっても良い。

振動板２１は、例えば、導電性を有するアルミニウム、ニッケル、銅、鉄等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお振動板２１は、例えば、合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成されても良い。

圧電素子２２は、例えば、供給される電圧により、伸縮を行う。この伸縮により、振動板２１が屈曲し、この屈曲によって振動が発生する構造となっている。

圧電素子２２の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ乳酸等が用いられる。圧電素子は、例えば、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層バイモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層バイモルフ型の圧電素子である。

このアクチュエータ２０は、制御部５０から出力される制御信号Ｓ_Ｃに基づいて振動する。図２に示すように、アクチュエータ２０は、昇圧回路、アンプ等を備えた駆動回路２５を介して駆動信号Ｓ_ｄにより駆動される。なお、アクチュエータ２０は、操作部である操作パネル１０、又は、操作パネル１０と加振部であるアクチュエータ２０から構成される振動体を所定の共振周波数ｆｎで振動させる（振動オン）。この共振周波数ｆｎは、上記した振動体の共振周波数ｆｎに一致するように設定されているので、アクチュエータ２０を共振周波数ｆｎで駆動することにより振動体は振動オンとなる。

なお、共振周波数ｆｎは、超音波帯の周波数に設定されている。超音波とは、人間の耳には聞こえない高い振動数をもつ可聴域以上の弾性振動波（音波）であり、例えば、２０ｋＨｚから４０ｋＨｚ程度の周波数帯域である。

（筐体３０の構成）
筐体３０は、一例として、図１に示すように、ベース部３１とその一端から立設した壁部３２から構成されている。筐体３０は、構造体として操作パネル１０を支持できる剛性を有する材質であればよく、アルミ等の金属材料や樹脂等で形成することができる。

ベース部３１には、支持部材３５、３６が載置されて、操作パネル１０を、Ｘ_１、Ｘ_２の位置で支持する。このＸ_１、Ｘ_２の位置は、操作パネル１０がモード振動する場合の節となる点であり、理想的には支持部材３５、３６の支持幅は狭い方が好ましい。

壁部３２には、操作パネル１０の端面１２と壁部３２とを接続するための接続部材３８が取り付けられている。この接続部材３８は、その表面に荷重検出部４０（ひずみゲージ）が貼付けられ、なぞり操作による摩擦力ｆ（操作荷重）を検出する。この接続部材３８は、操作パネル１０と同様の樹脂材料、または、金属材料等が使用できる。ひずみゲージは、１００万分の１のひずみを容易に検出できるものであるので、接続部材３８は樹脂、金属等の剛体であっても使用可能である。

（荷重検出部４０）
荷重検出部４０は、なぞり操作による摩擦力ｆ（操作荷重）を検出できるものであればよく、例えば、ひずみゲージが使用可能である。ひずみゲージは、薄い絶縁体上にジグザグ形状にレイアウトされた金属の抵抗体(金属箔)が取り付けられた構造をしており、変形による電気抵抗の変化を測定することによりひずみ量を検出するものである。

このひずみゲージは、１００万分の１のひずみを容易に検出できるもので、検出されたひずみ量から接続部材３８に作用する応力が算出でき、接続部材３８の断面積をかけることにより、なぞり操作による摩擦力ｆ（操作荷重）を算出することができる。なお、ひずみ量と摩擦力ｆ（操作荷重）の関係は、予めキャリブレーション等により求めておく。

上記のように、荷重検出部４０は、なぞり操作による摩擦力ｆ（操作荷重）に基づいて荷重信号Ｓ_Ｌを出力する。なお、荷重検出部４０はひずみ量に基づく抵抗変化値を後述する制御部５０へ出力し、これに基づく荷重信号Ｓ_Ｌの算出は、制御部５０側で行ってもよい。

（制御部５０の構成）
制御部５０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、加工等を行うＣＰＵ(Central Processing Unit)、半導体メモリであるＲＡＭ(Random Access Memory)及びＲＯＭ(Read Only Memory)等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５０が動作するためのプログラムと、操作を検出するための閾値Ｓthと、が格納されている。また制御部５０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。

制御部５０は、操作パネル１０から取得した位置検出信号Ｓ_Ｘに基づく容量値と、閾値Ｓthと、を比較し、容量値が閾値Ｓthより大きい場合、タッチ操作がなされたと判定する。また、位置検出信号Ｓ_Ｘが連続的に検出がされた場合にはなぞり操作として検出することができる。

また、制御部５０は、荷重検出部４０からの入力に基づいて荷重信号Ｓ_Ｌを算出し、この荷重信号Ｓ_Ｌと内部で生成した基準信号Ｓ_０との差分信号である制御信号Ｓ_Ｃを駆動回路２５に出力する。また、駆動回路２５を駆動する場合の、振動強度制御部５２、振動共振周波数を決めて振動モードを設定するためのモード設定部５４を備えている。

制御部５０は、例えば、２０ｋＨｚから４０ｋＨｚ程度の超音波振動を発生させる基準信号Ｓ_０を備えている。例えば、基準信号Ｓ_０の移動平均処理した値を目標摩擦力とすることができる。この移動平均処理した基準信号Ｓ_０に、荷重信号Ｓ_Ｌを負帰還させた制御構成とすることにより、目標摩擦力からのむらによる変動分を補正することができる。

（第１の実施の形態における振動モード）
第１の実施の形態においては、制御部５０が生成する基準信号Ｓ_０は、図１（ｃ）で示すような１次の振動モードとなる共振周波数に設定されている。図１（ｃ）は、Ｘ_１、Ｘ_２の位置が振動の節となり、中央のＸ_３の位置が振動の腹となる。節であるＸ_１、Ｘ_２の付近は、振動量がゼロに近いので制御できないことから、図１（ｂ）で示すように、Ｘ_１、Ｘ_２の付近を除いたＸ_Sの領域を操作範囲としている。

（スクイーズ効果について）
制御部５０が駆動回路２５を介してアクチュエータ２０を振動させると、操作パネル１０が高周波で振動し、操作面１１と指先との間に空気の膜であるスクイーズ膜が形成され、スクイーズ効果が発生する。

図３は、本実施の形態に係る操作装置が形成するスクイーズ膜を説明するための説明図である。このスクイーズ効果とは、例えば、図３に示すように、操作面１１の振動に基づいて、操作面１１が空気層に法線１１ａ方向に力を付加することで操作面１１上の法線１１ａ方向の圧力が増加し、指１００と操作面１１の間に空気の膜のようなスクイーズ膜２００が形成される効果である。このスクイーズ膜２００によって、指１００と操作面１１とが実質的に非接触となり、見かけの摩擦が低下して指滑りが良くなる。

（第１の実施の形態の制御動作）
図４は、本実施の形態に係る操作装置の制御方法を示すブロック線図である。制御部５０は、モード設定部５４により、１次の振動モードとする振動周波数に設定する。また、制御部５０は、基準信号Ｓ_０の移動平均処理した値を目標摩擦力とする。この移動平均処理した基準信号Ｓ_０を駆動回路２５にプラス入力する。また、荷重信号Ｓ_Ｌは、荷重検出部４０、ゲイン調整部４５を介してマイナス入力される。駆動回路２５は、基準信号Ｓ_０と荷重信号Ｓ_Ｌとの差分に基づいてアクチュエータ２０を駆動する。これにより、操作パネル１０は１次の振動モードで振動する。

ここで、図４に示すように、操作パネル１０をなぞり操作するとそれが外乱となり、出力である摩擦力ｆに影響する。この目標摩擦力からのむらは荷重検出部４０を介して、駆動回路２５に負帰還される。また、図１（ｃ）で示したように、操作範囲Ｘ_Sのどの位置をなぞり操作するかにより、スクイーズ効果が変化するので、この変化に伴う摩擦力ｆも変化する。振動強度制御部５２は、ゲイン調整部４５のゲイン（比例定数Ｋ）を制御することにより出力である摩擦力ｆを一定に制御する。このようなフィードバック制御により、一定の目標摩擦力に制御することができる。これにより、操作荷重や操作状況によらず、一定の触感を呈示する操作装置とすることができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る操作装置１は、第１の実施の形態で振動モードを１次に限っていたものを、２次以上の振動モードでも制御可能にしたものである。

図５（ａ）は、操作パネルの振動モードを説明するための振動モード（１次モード）図であり、図５（ｂ）は、２次の振動モード図であり、図５（ｃ）は、３次の振動モード図である。

図５（ａ）で示す１次の振動モードは、第１の実施の形態で説明したように、図１（ｂ）で示すＸ_１、Ｘ_２の付近を除いたＸ_Sの領域を操作範囲とすれば、中間部において振幅がゼロとなる点がないので、荷重検出部４０のゲイン調整部４５によりゲイン（比例定数Ｋ）を制御することにより出力である摩擦力ｆを一定に制御することが可能であった。

これに対し、図５（ｂ）、（ｃ）で示す２次の振動モード、３次の振動モード、それ以上の高次の振動モードで操作パネル１０を振動させる場合は、中間部において振幅がゼロとなる点が発生する。図５（ｂ）で示す２次の振動モードでは、Ｘ_３で示す節、また、図５（ｃ）で示す３次の振動モードでは、Ｘ_６、Ｘ_７で示す節の位置で振幅がゼロとなる。振幅がゼロになる点では、ゲイン調整部４５によりゲイン（比例定数Ｋ）を制御しても、出力である摩擦力ｆを一定に制御することができない。

したがって、第２の実施の形態では、出力である摩擦力ｆが目標摩擦力にならない場合は、節の位置をタッチしていると判断して、振動モードの変更を行なう制御を追加したものである。

図６は、第２の実施の形態に係る操作装置の動作を説明するためのフローチャートである。

制御部５０は、まず、荷重検出部４０を介したフィードバック制御を行なう（Ｓｔｅｐ１）。このフィードバック制御は、その動作において第１の実施の形態と同様である。

次に、制御部５０は、摩擦力ｆは一定かどうかを判断する。すなわち、摩擦力ｆが目標摩擦力の一定の範囲内にあるかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ２）。目標摩擦力の範囲内にある場合は、Ｓｔｅｐ１へ戻ってフィードバック制御を繰り返して実行する。目標摩擦力の範囲内にない場合は、Ｓｔｅｐ３へ進む。

制御部５０は、モード設定部５４において、振動モードを変更する（Ｓｔｅｐ３）。これにより、振動共振周波数を変更することができ、図５で示したような振動モード数を変更することができる。例えば、図５（ｂ）で示す２次の振動モードにおいて目標摩擦力の範囲内にない場合は、図５（ａ）で示す１次の振動モード又は図５（ｃ）で示す３次の振動モードにする。あるいは、さらに高次の振動モードに変更することも可能である。

制御部５０は、荷重検出部４０によるフィードバック制御を行なう（Ｓｔｅｐ４）。Ｓｔｅｐ３により、なぞり操作をしている位置が、節の位置から節でない位置に変更されて、振動の振幅はゼロではないので、ゲイン調整部４５のゲイン（比例定数Ｋ）を制御することにより出力である摩擦力ｆを目標摩擦力に制御することが可能となる。

Ｓｔｅｐ５において、摩擦力ｆが目標摩擦力の一定の範囲内にあるかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ５）。摩擦力ｆが目標摩擦力の範囲内にある場合は、Ｓｔｅｐ４へ戻ってフィードバック制御を繰り返して実行する。目標摩擦力の範囲内にない場合は、Ｓｔｅｐ３へ戻って、他の振動モードに変更する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態においては、以下のような効果を有する。
（１）目標摩擦力からのむらを荷重検出部４０を介して、駆動回路２５に負帰還させる構成としている。振動強度制御部５２が、荷重検出部４０のゲインを制御することにより出力である摩擦力ｆを一定に制御する。このようなフィードバック制御により、一定の目標摩擦力に制御することができる。これにより、操作状況（操作位置、操作荷重、個人差）による触覚呈示のばらつきが抑えられ、操作荷重や操作状況によらず、一定の触感を呈示する操作装置とすることができる。
（２）さらに、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて、出力である摩擦力ｆが目標摩擦力にならない場合は、節の位置をタッチしていると判断して、振動モードの変更を行なう制御を追加した。これにより、振動モードが１次に限られないので、操作パネル１０の振動周波数の設定の自由度が増加する。

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。例えば、本実施の形態では、図１で示したように、操作パネル１０を支持部材３５、３６で支持して、１次元方向の振動モードによる振動制御として説明したが、これに限られず、操作パネル１０を２次元方向に支持して２次元方向の振動モードによる振動制御とすることも可能である。また、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、変更等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ともに、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…操作装置、
１０…操作パネル１０、１１…操作面、１２…端面
２０…アクチュエータ、２１…振動板、２２…圧電素子、２５…駆動回路
３０…筐体、３１…ベース部、３２…壁部、３５…支持部材、３６…支持部材、３８…接続部材
４０…荷重検出部、４５…ゲイン調整部
５０…制御部、５２…振動強度制御部、５４…モード設定部
１００…指
２００…スクイーズ膜
ｆ…摩擦力
Ｓ_Ｌ…荷重信号
Ｓ_０…基準信号
Ｓ_Ｃ…制御信号

Claims

所定の操作範囲においてなぞり操作を行なう操作部と、
前記操作部に触覚呈示のための振動を付与する加振部と、
前記加振部により振動が付与されることにより前記操作部を所定の振動条件で振動可能に支持する筐体と、
前記加振部を所定の振動条件で駆動する駆動信号を生成する制御部と、
前記操作部になぞり操作が行われたときの操作荷重を検出する荷重検出部と、を有し、
前記制御部は、前記荷重検出部の出力に基づいて、前記駆動信号の出力強度を制御することにより、なぞり操作時の前記操作荷重を一定に制御することを特徴とする操作装置。
前記制御部は、前記加振部による前記振動を超音波振動とする駆動を行なうことを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
前記制御部は、前記操作部が前記所定の操作範囲において１次の振動モードで振動するように、前記駆動信号の周波数を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
前記制御部は、前記荷重検出部の出力に基づいて、前記操作部が前記所定の操作範囲において２次以上の振動モードで振動するように、前記駆動信号の駆動周波数及び出力強度を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
前記操作荷重は、前記操作部の操作パネル面に平行な方向の荷重であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の操作装置。