JP2019036159A - 応答力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気駆動部を有する応答力発生機構により、操作対象部材を、大きな加速度で駆動できる応答力発生装置を提供する。【解決手段】 駆動波形設定部で駆動信号の駆動波形（ｉ）を設定し、この駆動波形（ｉ）にしたがって、応力発生機構に設けられた駆動コイルに駆動電流が与えられる。駆動波形（ｉ）は、信号強度が一次関数で増加する第１駆動区間と、ピーク（＋Ｐ）を含む第２駆動区間Ｔ２を有している。第２駆動区間Ｔ２は、信号強度の増加率が第１駆動区間Ｔ１よりも低下している。その結果、ドライバ回路の周波数特性に追従しやすくなり、駆動コイルに与える電圧Ｖａを大きくすることができる。【選択図】図５

Description

本発明は、操作対象部材に設けられた操作部が指などで操作されたときに、応答力発生機構から前記操作対象部材に応答力が与えられる応答力発生装置に関する。

特許文献１に、タッチパネルを振動させる操作パネル振動手段を有する画像形成装置に関する発明が記載されている。
この画像形成装置は、ＬＣＤとその上に位置するタッチパネルを有しており、ＬＣＤにキーが表示される。ＬＣＤに表示されたキーを選択してタッチパネルが指などで押下されたことがキー選択検知手段で検知されると、選択されたキーがＣＰＵで分析される。この分析に基づいて、振動開始時間設定手段で振動が開始される時間が設定され、振動周波数設定手段で振動させる周波数が設定され、振動波形設定手段で振動波形が設定されて、タッチパネルに振動が与えられる。

特許文献１の図２に示されているように、振動波形設定手段では、正弦波の振動波形や、矩形波の振動波形、または三角波の振動波形が設定される。

特開２００６−１５０８６５号公報

ＬＣＤとタッチパネルとから成る操作パネルの質量が比較的小さい場合には、正弦波や矩形波の振動波形を使用し、振動周波数を適正に設定することで、タッチパネルに触れた指に、タッチパネルが押下されたことの応答力を比較的容易に感じさせることができる。しかし、比較的質量の大きい操作パネルに対して大きな応答力を与えたい場合、または、操作する指に、機構的なスイッチを押したときの応答力に類似した大きな操作反力を与えたい場合には、正弦波や矩形波の振動波形では不十分なことが多い。

操作パネルに大きな加速度を有する応答力を与えるためには、振動波形として三角波を選択し、三角波の振動周波数を高くし、しかも三角波の振幅を大きくすることが好ましい。しかし、三角波の駆動波形の周波数を高くし、三角波のピーク部分の波形を先鋭な形状に設定すると、操作パネル振動手段に設けられたドライバ回路（パワーアンプ）の周波数特性が、駆動波形のうちの三角波のピーク領域の強度変化に追従できなくなり、三角波のピーク付近で、駆動コイルに作用する電圧の伸びが鈍りやすくなる。また、振動発生部に設けられた駆動コイルのインピーダンスや、駆動コイルで動作させようとしている可動部の慣性力なども影響し、振動発生部内の可動部に十分な加速度を与えることが難しい。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、応答力発生機構から操作対象部材に対して、大きな加速度の応答力を大きな振幅で作用させることが可能な応答力発生装置を提供することを目的としている。

本発明は、少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第１駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第２駆動区間とを有しており、前記第２駆動区間に、時間に対する前記信号強度の増加率が前記第１駆動区間よりも低い領域が含まれていることを特徴とするものである。

本発明の応答力発生装置は、前記第１駆動区間で、前記駆動信号が一次関数で変化することが好ましい。

本発明の応答力発生装置は、例えば、前記第２駆動区間は、前記駆動信号の波形が矩形波である。

すなわち、前記第２駆動区間は、前記駆動信号の強度が変化しない領域を含むものとして構成できる。

本発明の応答力発生装置は、前記第２駆動区間が、前記駆動信号の強度が曲線的に変化する領域を含むものであってもよい。

本発明の応答力発生装置では、応答力発生機構の磁気駆動部に与えられる駆動信号のピークを含む第２駆動区間で、時間に対する信号強度の増加率を第１駆動区間よりも低くしている。そのため、信号強度がピークに至るときに、パワーアンプを含むドライバの駆動信号に対する追従性が良くなって、磁気駆動部の駆動コイルに高いピーク電圧を与えることができるようになる。そのため、応答力発生機構の可動部および操作対象部材に大きな加速度の駆動力を比較的大きな振幅で与えることができるようになり、操作対象部材に対し、力の変化が先鋭となる応答力を与えることが可能になる。

そのため、操作対象部材の質量が比較的大きいものであっても、操作する指に対して先鋭な応答力を与えることが可能になる。

本発明の実施の形態を示すものであり、操作対象部材の一例としての表示・操作装置を示す外観斜視図、 図１に示す表示・操作装置が自動車のインストルメントパネルに取付けられている状態を示すものであり、図１をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図、 操作対象部材である表示・操作装置に取付けられた応答力発生機構の構造を模式的に示す説明図、 応答力発生機構を駆動する駆動制御部を示す回路ブロック図、 （Ａ）は、駆動制御部で設定される第１の実施形態の駆動波形を示す波形図、（Ｂ）は比較例の駆動波形を示す波形図、 （Ａ）は、駆動制御部で設定される第２の実施形態の駆動波形を示す波形図、（Ｂ）は、駆動制御部で設定される第３の実施形態の駆動波形を示す波形図、

図１と図２および図３に、本発明の実施形態の応答力発生装置が搭載される操作対象部材の一例として表示・操作装置１が示されている。表示・操作装置１は車載用である。

操作対象部材である表示・操作装置１は、前方のパネル部２と後方の筐体部３とを有している。パネル部２は前方の表面が化粧面２ａとなっている。筐体部３の内部に、カラー液晶表示パネルやエレクトロルミネッセンス表示パネルなどの表示パネルが収納されており、表示パネルに設けられた表示画面４が、化粧面２ａの中央部に現れている。

表示画面４の表面に透明なタッチセンサが重ねられており、表示画面４の少なくとも一部が操作部となっている。タッチセンサは、透明基板に複数の透明電極が設けられて構成された静電容量式センサである。表示画面４に人の指が触れると、電極で検知される静電容量が変化し、指が触れた位置が検知される。または、タッチセンサは、全面に透明電極が形成された透明基板に、同じく全面に透明電極が形成された透明フィルムが重ねられた抵抗式センサである。抵抗式センサは、透明フィルムのいずれかの箇所が押されると、透明フィルムに形成された透明電極と、透明基板に形成された透明電極とが短絡し、透明電極の縁部に設けられた電極部から短絡部までの抵抗値の変化が検知されて、指が触れた位置が判定される。

図１に示すように、パネル部２の化粧面２ａには、表示画面４が設けられていない領域に操作部５，６が設けられている。操作部５，６は、基板と表面フィルムとが対向し、基板と表面フィルムのそれぞれの対向面に電極が設けられた薄膜スイッチで構成されている。あるいは、操作部５，６に、表示画面４の前方に配置されたのと同じ静電容量式や抵抗式のタッチセンサが設けられていてもよい。

筐体部３は、圧延鋼板やアルミニウムなどで形成された金属ケースであり、パネル部２は筐体部３の前方にねじ止めなどで固定されている。前記表示パネルや、回路基板などが筐体部３の内部に収納されている。

図３に示すように、表示・操作装置１の筐体部３の背面に応答力発生機構１０が固定されている。または、筐体部３の内部に応答力発生機構１０が固定されている。

応答力発生機構１０は、筐体部３に固定されるハウジング１１を有している。ハウジング１１は板金材料で形成された箱体である。ハウジング１１の内部に所定の質量の可動部１２が設けられている。可動部１２は弾性支持部材１３によって、パネル部２の化粧面２ａの面方向と直交する方向（Ｙ方向）へ移動自在に支持されている。可動部１２はＮｉ−Ｆｅ合金などの磁性金属材料で形成されている。弾性支持部材１３は、非磁性材料で形成された板ばねまたは圧縮コイルばねである。ハウジング１１の内部には、可動部１２の長手方向の両端部（Ｘ方向に向くの両端部）に対向する一対の磁石１４が固定されている。

一対の磁石１４，１４のそれぞれは、可動部１２に対向する対向表面が着磁面となっている。着磁面は、Ｎ極とＳ極とがＹ方向に区分されて着磁されている。また一対の磁石１４，１４の着磁面では、Ｘ方向で互いに逆の磁極が対向している。可動部１２には駆動コイル１５が巻かれており、磁石１４，１４と駆動コイル１５とで磁気駆動部が構成されている。

図１ないし図３では、指による操作方向Ｐが矢印で示されている。指でパネル部２がＰ方向に押されると、応答力発生機構１０において、駆動コイル１５に駆動電流が流れ、可動部１２がＹ方向に駆動され、その反力で、表示・操作装置１に、力の向きがＹ方向となる応答力が与えられる。なお、磁気駆動機構では、可動部１２がＸ方向へ駆動され、表示・操作装置１に、力の向きがＸ方向となる応答力が与えられてもよい。

表示・操作装置１は、車両のインストルメントパネル２０に設置される。図１と図２に示すように、インストルメントパネル２０に矩形状の開口部２１が形成されており、表示・操作装置１が、開口部２１の内部に設置される。図２に示すように、インストルメントパネル２０の開口部２１の内部に基台２２が設けられている。基台２２は車体構造部の一部あるいはインストルメントパネル２０の内部構造部である。基台２２の前方で表示・操作装置１の筐体部３が、複数の支持金属板（支持部材）２３によって支持されている。支持金属板２３は、ある程度の弾性を有する金属板で形成されており、例えば冷間圧延鋼板やステンレス鋼板で形成されている。支持金属板２３の弾性変形により、表示・操作装置１はＹ方向に向けてわずかに動けるようになっている。

図２と図３に示すように、基台２２に金属ブラケット２４が固定されており、金属ブラケット２４のＹ方向の前方に向く面に複数の検知部材２５が取り付けられている。検知部材２５は、力センサあるいは近接センサである。力センサは、表示・操作装置１に作用する操作力Ｐを受けて変形する弾性変形部と、この弾性変形部の変形を検知する歪みゲージとで構成されている。近接センサは、筐体部３の背面に設けられた磁石と、金属ブラケット２４に設けられて、前記磁石との距離の変化を検知する磁気センサとから構成される。

本発明の実施形態では、表示・操作装置１に固定されている応答力発生機構１０と、図４に示す駆動制御部３０とで、応答力発生装置が構成されている。

図４に示すように、駆動制御部３０に駆動波形設定部３１が設けられている。駆動制御部３０にはコンピュータ部が設けられており、駆動波形設定部３１は、コンピュータ部にインストールされるコンピュータソフトウエアである。例えば、駆動波形設定部３１は、波形生成ソフトウエアや、信号波形設定ソフトウエアなどと呼ばれているものであり、駆動波形設定部３１で、時間に対する駆動信号の強度変化を表す駆動波形が設定される。

駆動制御部３０には、Ｄ／Ａ変換部３２が設けられており、駆動波形設定部３１で設定されたディジタル信号である駆動波形が、アナログ値に変換される。アナログ値に変換された駆動波形が、パワーアンプを有するドライバ回路３３に与えられ、ドライバ回路３３から、応答力発生機構１０の磁気駆動部に設けられた駆動コイル１５に駆動電流が増幅されて与えられる。

次に、応答力発生装置の動作について説明する。
表示・操作装置１では、パネル部２の表示画面４に表示された画像を参照しながら、表示画面４のいずれかの箇所に指を触れると、タッチセンサからの座標検知出力によって、指が表示されている画像のどの部分に触れたかが判別される。その指で、表示画面４に操作力Ｐを与えると、支持金属板２３が弾性変形し、表示・操作装置１がＹ方向へわずかに動き、検知部材２５によって、表示・操作装置１が押されたことが検知される。図示しない本体制御部では、タッチセンサの検知出力と検知部材２５の検知出力から、表示画面４に表示された画像を参照し、どのような操作が行われたかを判別し、意図した操作に基づく処理動作が開始される。

検知部材２５が押圧力Ｐに基づく荷重を検知すると、本体制御部から図４に示す駆動制御部３０に動作指令が出される。駆動制御部３０では、駆動波形設定部３１で設定された駆動信号がＤ／Ａ変換部３２でアナログ信号に変換され、ドライバ回路３３から応答力発生機構１０に設けられた駆動コイル１５に駆動電流が与えられる。応答力発生機構１０では、磁気駆動部を構成する駆動コイル１５に流れる駆動電流と磁石１４の磁界とによって、可動部１２がＹ方向に動作させられ、可動部１２のＹ方向への運動反力が表示・操作装置１に与えられて、操作している指が応答力を感じるようになる。

なお、図１に示す操作部５，６が押圧操作されたときも、必要に応じて、駆動制御部３０が動作させられて、応答力発生機構１０から表示・操作装置１に応答力が与えられる。

図５（Ａ）に、駆動波形設定部３１で設定される第１の実施形態の駆動信号の駆動波形（ｉ）が実線で示されている。この駆動波形（ｉ）の変化に対応する駆動電流がドライバ回路３３から応答力発生機構１０の駆動コイル１５に与えられる。図５（Ａ）に示す一点鎖線は、駆動電流が流れたときに駆動コイル１５に作用する電圧の変化（ｉｉ）である。図５（Ｂ）に、比較例となる駆動信号の駆動波形（ｉｉｉ）と、駆動コイル１５に作用する電圧の変化（ｉｖ）が示されている。

応答力発生装置では、検知部材２５が操作力Ｐを検知したタイミングで、駆動波形設定部３１で設定される駆動波形（ｉ）に基づく駆動電流が、駆動コイル１５に１周期分与えられる。あるいは、前記タイミングで複数周期与えられてもよい。

駆動波形設定部３１で設定される駆動波形（ｉ）は、第１駆動区間Ｔ１と第２駆動区間Ｔ２および第３駆動区間Ｔ３を有している。第１駆動区間Ｔ１は、時間の経過にしたがって駆動信号の信号強度が高くなる領域（ａ）となっている。図５（Ａ）に示すように、第１駆動区間Ｔ１では、信号強度が一次関数的に増加することが好ましい。ただし、第１駆動区間Ｔ１に、信号強度が曲線的に増加する波形が含まれていてもよい。

第２駆動区間Ｔ２は、信号強度のプラス側のピーク（＋Ｐ）を含んでいる。第２駆動区間Ｔ２では、駆動信号が急激に（垂直波形で）立ち上がる領域（ｂ）と、時間が経過しても信号強度が変化せずピーク（＋Ｐ）の値を保持した領域（ｃ）を有している。第２駆動区間Ｔ２は、時間に対する信号強度の増加率が第１駆動区間Ｔ１よりも低い領域（ｃ）を含んでいる。

第３駆動区間Ｔ３も、時間が経過しても信号強度が変化せずピーク（−Ｐ）のままとなる領域（ｅ）と、駆動信号が急激に（垂直波形で）立ち上がる領域（ｄ）とを有している。

第２駆動区間Ｔ２と第３駆動区間Ｔ３との間の駆動信号（ｆ）は、駆動信号の信号強度が、第１駆動区間Ｔ１よりも高い変化率で変化しており、駆動波形としては、ほぼゼロ時間の間にプラス側のピーク（＋Ｐ）からマイナス側のピーク（−Ｐ）までほぼ垂直波形に沿って変化する。

図５（Ａ）に示す駆動信号の駆動波形（ｉ）は、駆動波形設定部３１において、マイナス側のピーク（−Ｐ）とプラス側のピーク（＋Ｐ）との間で、信号領域（ａ）と（ｆ）の変化を繰り返すいわゆる鋸刃波（三角波）と、第２駆動区間Ｔ２の信号強度の変化となる矩形波とを合成することで得られる。

図５（Ｂ）に示す比較例は、駆動信号の駆動波形がいわゆる鋸刃波（三角波）であり、時間Ｔ０において、駆動信号の信号強度がマイナス側のピーク（−Ｐ）からプラス側のピーク（＋Ｐ）まで一次関数的に増加し、プラス側のピーク（＋Ｐ）からマイナス側のピーク（−Ｐ）まで信号強度が垂直波形に沿って変化する。
図５（Ａ）の第１の実施形態と図５（Ｂ）の比較例とで、プラス側のピーク（＋Ｐ）とマイナス側のピーク（−Ｐ）の信号強度が互いに同じである。

図５（Ａ）に示す第１の実施形態の駆動信号の駆動波形（ｉ）と、図５（Ｂ）に示す比較例の駆動信号の駆動波形（ｉｉｉ）とを比較すると、駆動波形（ｉ）の第１駆動区間Ｔ１における時間の進行に対する駆動信号の増加率と、駆動波形（ｉｉｉ）の時間Ｔ０における時間の進行に対する駆動信号の増加率が同じであり、共に一次関数的に変化している。

第１の実施形態の駆動信号の駆動波形（ｉ）と比較例の駆動波形（ｉｉｉ）とで、共に第２駆動区間Ｔ２での信号強度の変化を比較すると、駆動波形（ｉ）は矩形波であるのに対し、駆動波形（ｉｉｉ）の信号強度は、プラス側のピーク（＋Ｐ）に向けて前記一次関数の増加率となり、プラス側のピーク（＋Ｐ）で、波形が刃の先端の先鋭な形状となっている。

すなわち、図５（Ａ）の駆動波形（ｉ）では、第２駆動区間Ｔ２の領域（ｃ）で信号強度のピーク（＋Ｐ）値が保持されて、第２駆動区間Ｔ２で、時間の経過に対する信号強度の増加率が第１駆動区間Ｔ１よりも低くなっているのに対し、図５（Ｂ）の駆動波形（ｉｉｉ）では、第２駆動区間Ｔ２の信号強度の増加率が第１駆動区間Ｔ１と同じである。そのため、図５（Ａ）に示す駆動波形（ｉ）の方が、図５（Ｂ）に示す駆動波形（ｉｉｉ）よりも、図４に示すドライバ回路３３の周波数特性に追従しやすくなる。

また、図５（Ａ）の駆動波形（ｉ）の第２駆動区間Ｔ２において信号強度を時間で積分した積分値は、図５（Ｂ）の駆動波形（ｉｉｉ）の第２駆動区間Ｔ２における同じ積分値よりも大きい。そのため、駆動波形（ｉ）は、駆動波形（ｉｉｉ）に比べて、プラス側のピーク（＋Ｐ）付近で、駆動コイル１５に与えられる電力（駆動エネルギー）を大きくすることが可能になる。

同様に、図５（Ａ）に示すように、第３駆動区間Ｔ３においても、駆動信号の信号強度の変化が第１駆動区間Ｔ１よりも緩やかであり、第３駆動区間Ｔ３においても、信号強度を時間で積分した積分値が、図５（Ｂ）の駆動波形（ｉｉｉ）のマイナス側のピーク（−Ｐ）付近における同じ積分値よりも大きい。

その結果、図５（Ａ）に示す第１の実施形態の駆動波形（ｉ）を使用して駆動コイル１５に駆動電流を流したときの駆動コイル１５に作用する電圧Ｖａは、図５（Ｂ）に示す比較例の駆動波形（ｉｉｉ）を使用したときの駆動コイル１５に作用する電圧Ｖｂよりも大きくすることができる。よって、図３に示す応答力発生機構１０において、可動部１２に与えるＹ方向への運動エネルギーを大きくでき、可動部１２を決められた振幅内で大きな加速度で駆動することが可能となる。可動部１２の運動エネルギーが大きいため、可動部１２の運動の反力を表示・操作装置１に対して大きな力として与えることができる。

さらに、第１駆動区間Ｔ１における信号強度の増加率を高くし、一次関数の直線の立ち上がり角度が大きくなるように駆動波形を設定すれば、可動部１２の動作速度を早くでき、表示・操作装置１の質量が大きくても、表示画面４または操作部５，６を操作している指に先鋭な感触の応答力を大きな力で与えることが可能になる。その結果、操作力Ｐを与えている指に、ドーム式の反転接点を有する機構式のスイッチを指で押して動作させたのと類似な応答力の感触を与えることも可能になる。

図６（Ａ）に第２の実施形態の駆動信号の駆動波形（ｖ）が示されており、図６（Ｂ）に第３の実施形態の駆動信号の駆動波形（ｖｉ）が示されている。
図６（Ａ）に示す駆動波形（ｖ）は、第２駆動区間Ｔ２において、時間の経過に対して信号強度が曲線軌跡で変化し、第２駆動区間Ｔ２における信号強度の増加率が、第１駆動区間Ｔ１における増加率よりも低下している。これは第３駆動区間Ｔ３においても同じである。
図６（Ｂ）に示す駆動波形（ｖｉ）は、第２駆動区間Ｔ２で、プラス側のピーク（＋Ｐ）の値が所定時間保持されている。したがって、第２駆動区間Ｔ２における信号強度の増加率が、第１駆動区間Ｔ１における増加率よりも低下している。これは第３駆動区間Ｔ３においても同じである。
図６（Ａ）（Ｂ）に示す駆動波形を使用したときも、駆動コイル１５に与える電圧を大きくでき、可動部１２を大きな加速度で動作させて、あたかも機構式のスイッチを動作させたかのような応答力を指に感じさせることが可能になる。
なお、前記実施形態は、操作対象部材が表示・操作装置１であるが、操作対象部材はこれに限られるものではなく、例えば自動車の車室内に設けられたインストルメントパネルの一部が、静電容量式センサを備えた操作対象部材であってもよい。

１ 表示・操作装置
２ パネル部
３ 筐体部
４ 表示画面
１０ 応答力発生機構
１１ ハウジング
１２ 可動部
１３ 弾性支持部材
１４ 磁石
１５ 駆動コイル
３０ 駆動制御部
３１ 駆動波形設定部
３３ ドライバ回路
Ｔ１ 第１駆動区間
Ｔ２ 第２駆動期間
Ｔ３ 第３駆動期間
（ｉ）（ｖ）（ｖｉ） 駆動波形

Claims (5)

1. 少なくとも一部が操作部とされた操作対象部材に取付けられて前記操作対象部材に応答力を与える応答力発生機構と、前記応答力発生機構を駆動する駆動制御部とが設けられた応答力発生装置において、
   前記応答力発生機構が、可動部と、前記可動部を動作させる磁気駆動部とを有し、前記駆動制御部で、前記磁気駆動部へ供給される駆動信号の信号強度を変化させる駆動波形が設定され、
   前記駆動波形は、時間の進みに応じて前記信号強度が増加する第１駆動区間と、前記信号強度のピークを含む第２駆動区間とを有しており、前記第２駆動区間に、時間に対する前記信号強度の増加率が前記第１駆動区間よりも低い領域が含まれていることを特徴とする応答力発生装置。
2. 前記第１駆動区間で、前記駆動信号が一次関数で変化する請求項１記載の応答力発生装置。
3. 前記第２駆動区間は、前記駆動信号の波形が矩形波である請求項１または２記載の応答力発生装置。
4. 前記第２駆動区間は、前記駆動信号の強度が変化しない領域を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の応答力発生装置。
5. 前記第２駆動区間は、前記駆動信号の強度が曲線的に変化する領域を含む請求項１または２記載の応答力発生装置。

Images