JP5710214B2 - 入力装置および入力装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、タッチセンサを備える入力装置および入力装置の制御方法に関するものである。

近年、携帯電話等の携帯端末、電卓、券売機等の情報機器、電子レンジ、テレビ、照明器具等の家電製品、産業用機器（ＦＡ機器）等には、ユーザによる入力操作を受け付ける操作部やスイッチ等の入力装置として、タッチパネルやタッチスイッチ等のタッチセンサを備える入力装置が広く使用されている。

このようなタッチセンサには、抵抗膜方式、静電容量方式、光学式等の種々の方式が知られている。しかしながら、いずれの方式のタッチセンサにおいても、指やスタイラスペンによるタッチ入力を受け付けるものであって、タッチセンサ自体は、タッチされても、押しボタンスイッチのようには物理的に変位しない。

このように、タッチセンサがタッチされても、タッチセンサ自体が物理的に変位しないので、操作者は、タッチ入力が受け付けられても、入力に対するフィードバックを得ることができない。このため、操作者は、同じ位置を何度もタッチする等の繰り返し入力が生じ易く、操作者にストレスを与える場合がある。

このような繰り返し入力を防止するものとして、例えば、タッチ入力を受け付けて、音を鳴らしたり、当該入力位置に対応して表示部に画像表示されている入力ボタン等の入力用オブジェクトの表示色を変更する等の表示態様を変更したりして、聴覚や視覚により入力操作を確認できるようにしたものが知られている。

しかし、聴覚に働きかけるフィードバック方法の場合は、騒音環境下での確認が困難になるとともに、使用機器がマナーモード等で消音状態にある場合は、対応できないことになる。また、視覚に働きかけるフィードバック方法の場合は、表示部に表示されている入力用オブジェクトのサイズが小さいと、特に指入力の場合は、指の下に入力用オブジェクトが隠れて表示態様の変化が確認できない場合がある。

また、聴覚や視覚によらず、タッチセンサが入力を受け付けると、タッチセンサを振動させて、操作者の指先に触覚を発生させるようにしたフィードバック方法も提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００３−２８８１５８号公報 特開２００８−１３００５５号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示の技術は、単に、タッチセンサが入力を受け付けると、タッチセンサを振動させているに過ぎない。このため、特に、押しボタンスイッチ（プッシュ式ボタンスイッチ）のようなボタンスイッチがタッチセンサ上部に描画されている場合、タッチセンサの入力を受け付ける閾値が低い場合は、タッチセンサに指等が軽く触れた（タッチした）だけで触感が呈示される。これにより操作者がプッシュする前の意図しない動作（タッチ）に反応して誤操作を誘発したり、操作者にプッシュする前の意図しない動作（タッチ）による違和感を与えたりすることになる。ここで、タッチセンサのタッチによる入力を受け付ける閾値とは、タッチセンサが反応する閾値で、例えば抵抗膜方式においては、上部導電膜が下部導電膜に接触する押圧力の閾値であり、静電容量方式においては、接触による電気的信号の検出閾値である。

このような不都合を解決するため、本出願人は、タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出し、その検出荷重が触感を呈示する所定の基準を満たした際に、タッチ面を振動させて指等の押圧対象に、メタルドームスイッチのような押しボタンスイッチをプッシュした場合に、メタルドームが座屈した際に感じられるクリック触感を呈示するようにした入力装置を開発している。

この入力装置によれば、操作者がタッチ面をプッシュし、その押圧荷重が所定の基準を満たすとクリック触感が呈示されるので、上述した意図しないタッチによる誤操作を誘発したり、違和感を与えたりするのを確実に防止して、操作者に対して入力が受け付けられたのを触感として認識させることができる。

ところで、かかる入力装置を構成するには、タッチセンサやその制御部の基本構成の他に、タッチセンサに対する押圧荷重を検出する荷重センサや、タッチセンサを振動させるアクチュエータが必要となる。このため、その分、部品点数が増えてコストアップになるとともに、部品の設置スペースを確保する必要があることから、装置の大型化を招くことになる。

そこで、本出願人は、コストダウンおよび装置の小型化を図るために、圧電素子の圧電正効果および圧電逆効果を利用して、圧電素子を、タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出する荷重センサおよびタッチ面を振動させて押圧対象に触感を呈示するアクチュエータとして共用した装置を開発している。

ところが、本出願人による種々の実験検討によると、圧電素子を荷重センサおよびアクチュエータとして共用する場合、以下に説明するような改良すべき点があることが判明した。すなわち、この場合、圧電素子を圧電制御回路に接続し、該圧電制御回路により圧電素子の出力電圧に基づいて押圧荷重を検出し、押圧荷重が触感を呈示する所定の基準を満たした際に、圧電制御回路から圧電素子に駆動信号を供給して、圧電素子を振動させる構成が想定される。

例えば、図８に示すように、圧電素子の出力電圧Ｖｓが、押圧対象によるタッチセンサの押圧によって上昇し、触感を呈示する基準の押圧荷重に相当する基準電圧Ｖrefに達した時点Ｐで、圧電素子に所要の駆動信号Ｖｄを印加して圧電素子を駆動する。これにより、操作者に対して、メタルドームスイッチのような押しボタンスイッチをプッシュした場合に、メタルドームが座屈した際に感じられるクリック触感を呈示することができる。なお、図８では、駆動信号Ｖｄとして、所定周波数のサイン波１周期を印加した場合を示している。

しかしながら、この場合、圧電素子は、負荷がかかった状態、すなわち、押圧対象によるタッチセンサの押圧下で振動させることになる。このため、圧電素子を振動させる駆動信号Ｖｄは、押圧対象による押圧によって生じる出力電圧Ｖｓよりも大きく、例えば３０Ｖp-pとなる。しかも、この駆動信号Ｖｄは、圧電素子の出力電圧Ｖｓが基準電圧Ｖrefにある状態で、その出力電圧Ｖｓ（基準電圧Ｖref）に重畳して印加される。このため、圧電素子によっては、使用可能な電圧範囲を超えることになって、使用可能な圧電素子が制限されることになる。

その対策として、圧電素子の出力電圧Ｖｓに基づいて押圧荷重を検出する荷重検出部と、駆動信号Ｖｄにより圧電素子を駆動する圧電素子駆動部とを分離して設け、これら荷重検出部と圧電素子駆動部とを圧電素子に選択的に接続するようにして、圧電素子の駆動を制御する構成が想定される。これにより、例えば、図９に示すように、荷重検出部により圧電素子の出力電圧Ｖｓが触感を呈示する基準電圧Ｖrefに達したのを検出した時点Ｐで、圧電素子の接続を圧電素子駆動部に切換えて、圧電素子駆動部により圧電素子を駆動信号Ｖｄで振動させてクリック触感を提示することができる。

ところが、本発明者による更なる実験検討によると、上記のように荷重検出部と圧電素子駆動部とを分離して圧電素子の駆動を制御する場合、圧電素子の駆動後に荷重検出部で検出される圧電素子の出力電圧Ｖｓは、実際には、図９に示したようには変化せず、荷重検出を開始する直前に圧電素子駆動部から印加された駆動信号Ｖｄによる影響、もしくは押圧対象による押圧中の負荷の影響を受けることが解った。

例えば、図９に示したように、圧電素子の出力電圧Ｖｓが基準電圧Ｖrefに達したのを検出して、圧電素子に駆動信号Ｖｄを印加して圧電素子を駆動した後、圧電素子の接続先を荷重検出部に切換えて、圧電素子の出力電圧Ｖｓを監視すると、その出力電圧Ｖｓは、例えば図１０に示すように変化する。すなわち、圧電素子の出力電圧Ｖｓが、タッチセンサの押圧開始によって正極性側に増加する場合、圧電素子の駆動直後の出力電圧Ｖｓは、０Ｖから負極性側に比較的急峻に増加し、その後は、蓄積されている電荷の自然放電により徐々に０Ｖに戻る挙動を示す。

このような現象は、駆動信号として、押しボタンスイッチのようなクリック触感を呈示する駆動信号を印加する場合に限らず、例えば「ブルル」と感じられる振動として認知できる触感を呈示する駆動信号を印加する場合においても、同様であると推定される。

このため、圧電素子の駆動後、直ちに、押圧荷重の検出を開始すると、例えば、圧電素子の残留電荷がほぼ０Ｖとなるまでの間に、操作者が基準電圧Ｖrefを超える強い押圧操作を行うと、予期せぬ触感が呈示されて、操作者に違和感を与えることになる。また、図１０の場合において、例えば、荷重検出部に、正の基準電圧Ｖrefに対する負の基準電圧Ｖrefを設定して、圧電素子の駆動後、直ちに、押圧荷重の検出を開始することも考えられる。しかし、この場合には、出力電圧Ｖｓが負の基準電圧Ｖrefに達した時点Ｑにおいて圧電素子が駆動されることになる。その結果、操作者に対して、短時間に連続してクリック触感を呈示することになって、押しボタンスイッチと異なる触感を呈示することになって、違和感を与えることになる。

なお、圧電素子に印加する駆動信号によっては、圧電素子の駆動後の出力電圧Ｖｓが、図１０の場合とは逆に、０Ｖから正極性側に変化する場合も想定される。この場合、圧電素子の駆動後、直ちに、押圧荷重の検出を開始すると、圧電素子の駆動直後に、出力電圧Ｖｓが基準電圧Ｖrefに達して圧電素子が駆動されることになる。その結果、操作者に対して、短時間に連続してクリック触感を呈示することになって、同様に押しボタンスイッチとは異なる触感を呈示し、違和感を与えることになる。

このように、圧電素子を荷重センサおよび触感呈示用のアクチュエータとして共用し、圧電素子の接続先を荷重検出部または圧電素子駆動部に切換えて、押圧荷重の検出処理と、圧電素子の駆動処理とを行う場合は、圧電素子の駆動後の出力電圧Ｖｓが実際に押下した押圧荷重に対応しない。このため、圧電素子の駆動直後から、荷重検出部による押圧荷重の検出動作を開始して圧電素子の駆動を制御するようにすると、操作者に対して適切に触感を呈示できない場合が生じることになる。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、コストダウンおよび小型化が図れるとともに、種々の圧電素子が使用可能で、しかも操作者がタッチセンサを操作した際に、操作者に違和感を与えることなく適切に触感を呈示できる入力装置および入力装置の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る入力装置の発明は、
タッチ入力を検出するタッチセンサと、
一端が前記タッチセンサに装着され、反対の他端が開放された圧電素子と、
前記圧電素子の出力に基づいて前記タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出して、該押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する荷重検出部と、
前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示するように前記圧電素子を駆動する圧電素子駆動部と、を備え、
前記荷重検出部は、前記圧電素子駆動部により前記圧電素子が駆動された後、所定時間経過してから前記押圧荷重の検出を再開する、
ことを特徴とするものである。

第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る入力装置において、
前記圧電素子に蓄積された残留電荷を放電する放電回路をさらに有し、
前記放電回路は、前記所定時間の間に前記圧電素子に蓄積されている残留電荷を放電する、
ことを特徴とするものである。

第３の観点に係る発明は、第１または２の観点に係る入力装置において、
前記所定時間は４０ｍｓ以下である、
ことを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する第４の観点に係る入力装置の制御方法の発明は、
タッチ入力を検出するタッチセンサと、
一端が前記タッチセンサに装着され、反対の他端が開放された圧電素子と、
前記圧電素子の出力に基づいて前記タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出して、該押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する荷重検出部と、
前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示するように前記圧電素子を駆動する圧電素子駆動部と、を備える入力装置の制御方法であって、
前記前記圧電素子を前記荷重検出部または前記圧電素子駆動部に選択的に接続するようにして、
前記圧電素子が前記荷重検出部に接続された状態で、前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記圧電素子を前記荷重検出部から前記圧電素子駆動部へ接続を切換えて、前記圧電素子駆動部により前記圧電素子を駆動するステップと、
次に、前記圧電素子の駆動後、前記圧電素子を前記圧電素子駆動部から前記荷重検出部へ接続を切換えて、所定時間経過してから前記荷重検出部による前記押圧荷重の検出を再開するステップと、
を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る入力装置は、圧電素子の圧電正効果および圧電逆効果を利用して、圧電素子を、タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出する荷重センサおよびタッチ面を振動させるアクチュエータとして利用して、部品を共用している。これにより、部品点数を削減できてコストダウンが図れるとともに、部品の設置スペースを少なくできて装置の小型化が図れる。また、圧電素子の出力に基づいて押圧荷重を検出する荷重検出部と、圧電素子を駆動する圧電素子駆動部とを設けているので、圧電素子駆動部により圧電素子を駆動する際に、圧電素子の出力に駆動信号を重畳することなく、駆動信号のみで圧電素子を駆動することができる。これにより、使用電圧範囲を低くできるので、種々の圧電素子が使用可能となる。しかも、圧電素子の駆動後、荷重検出部は所定時間経過してから押圧荷重の検出を再開するので、操作者に違和感を与えることなく適切に触感を呈示することが可能となる。

本発明の第１実施の形態に係る入力装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１に示した接続切換部の一例の構成を示す回路図である。 図１に示した入力装置の概略動作を示すタイミングチャートである。 本発明に係る入力装置の実装構造の一例を示す要部断面図および要部平面図である。 本発明の第２実施の形態に係る入力装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図５に示した入力装置の概略動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施の形態に係る入力装置の概略動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の課題を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る入力装置の概略構成を示す機能ブロック図である。この入力装置は、タッチセンサ１１、表示部１２、圧電素子１３、接続切換部１４、圧電素子駆動部１５、および、各部の動作を制御する制御部１７を有する。

タッチセンサ１１は、制御部１７に接続し、制御部１７による制御のもとに、該タッチセンサ１１のタッチ面に対する指などの押圧対象によるタッチ入力を検出して、そのタッチ位置の位置情報を制御部１７に供給する。このタッチセンサ１１は、抵抗膜方式、静電容量方式、光学式等の公知のもので構成して、表示部１２上に配置する。

表示部１２は、制御部１７に接続し、制御部１７による制御のもとに、押しボタンスイッチ（プッシュ式ボタンスイッチ）のような入力ボタン等の入力用オブジェクトを表示する。この表示部１２は、例えば、液晶表示パネルや有機ＥＬ表示パネル等を用いて構成する。表示部１２に表示された入力用オブジェクトに対するタッチ入力は、タッチセンサ１１から出力される位置情報に基づいて制御部１７により検出される。

圧電素子１３は、タッチセンサ１１のタッチ面の押圧により撓む（歪む）ように、タッチセンサ１１に装着する。この圧電素子１３は、接続切換部１４に接続して、該接続切換部１４を介して制御部１７または圧電素子駆動部１５に選択的に接続する。

接続切換部１４は、制御部１７からの接続切換信号により、圧電素子１３を制御部１７または圧電素子駆動部１５に選択的に接続する。また、圧電素子駆動部１５は、電力増幅器等を有して構成し、制御部１７による制御のもとに、圧電素子１３を振動させる所定の駆動信号を出力する。

そして、圧電素子１３は、接続切換部１４を介して制御部１７に接続されている状態で、タッチセンサ１１のタッチ面の押圧により生じた電荷による電圧（出力信号）を制御部１７に供給する。また、圧電素子１３は、接続切換部１４を介して圧電素子駆動部１５に接続されている状態で、圧電素子駆動部１５から供給される駆動信号により駆動される。これにより、タッチセンサ１１が振動して、タッチ面を押圧している押圧対象に触感を呈示する。

制御部１７は、例えばＣＰＵ等からなり、圧電素子１３の出力信号に基づいて押圧荷重を検出して、押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する荷重検出部１８を有する。そして、制御部１７は、タッチセンサ１１からの位置情報、表示部１２への表示情報、荷重検出部１８による判定結果、等に基づいて各部の動作を制御する。

図２は、図１に示した接続切換部１４の一例の構成を示す回路図である。接続切換部１４には、半導体リレー等からなる２個のスイッチ回路２１，２２と、インバータ２３とを設ける。スイッチ回路２１，２２は、それぞれオン／オフ接点を有し、スイッチ回路２１のオン／オフ接点を、圧電素子１３の正極側端子と圧電素子駆動部１５の出力端子（図示せず）との間に接続し、スイッチ回路２２のオン／オフ接点を、圧電素子１３の正極側端子と制御部１７のアナログ／デジタル変換入力端子（図示せず）との間に接続する。

スイッチ回路２１は、制御部１７から出力される接続切換信号ａにより、インバータ２３を経て、オン／オフ接点をオン／オフ制御する。また、スイッチ回路２２は、上記の接続切換信号ａにより、オン／オフ接点をオン／オフ制御する。したがって、スイッチ回路２１，２２のオン／オフ接点は、一方がオン状態にあるとき、他方はオフ状態にある。

図３は、本実施の形態に係る入力装置の概略動作を示すタイミングチャートである。なお、図３には、圧電素子１３の出力信号（電圧）Ｖｓおよび駆動信号Ｖｄと、接続切換信号ａと、圧電素子１３に対する荷重検出部１８および圧電素子駆動部１５の動作状態とを示す。制御部１７は、常時、接続切換信号ａをハイ（Ｈ）レベルとする。これにより、切換制御部１４のスイッチ回路２１をオフ、スイッチ回路２２をオンとして、圧電素子１３を制御部１７に接続する。

この状態で、制御部１７は、タッチセンサ１１の出力を監視する。また、制御部１７の荷重検出部１８は、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓに基づいて、タッチセンサ１１に対する押圧荷重を検出して、その検出した押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する。そして、制御部１７は、タッチセンサ１１からの位置情報が、表示部１２に表示されている入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、荷重検出部１８により、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓが、触感を呈示する基準の荷重（例えば、１．５Ｎ）に相当する基準電圧Ｖrefに達したと判定された場合、接続切換信号ａを所定時間Ｔ_１だけロー（Ｌ）レベルとする。これにより、切換制御部１４のスイッチ回路２１をオン、スイッチ回路２２をオフに切換えて、圧電素子１３を圧電素子駆動部１５に接続する。

そして、制御部１７は、圧電素子駆動部１５に圧電素子１３が接続された状態で、圧電素子駆動部１５から所定の駆動信号Ｖｄを出力させて圧電素子１３を駆動する。これにより、タッチパネル１１を振動させて、タッチ面を押圧している押圧対象に触感を呈示する。また、制御部１７は、表示部１２内の当該入力用オブジェクトに対する所定の処理、例えば表示態様の変更処理や入力用オブジェクトに対応するキャラクタの所定の表示領域への表示処理、オブジェクトに対応するアプリケーションの実行処理等を行う。

その後、制御部１７は、圧電素子駆動部１５による圧電素子１３の駆動が終了すると、接続切換信号ａをＨレベルにして、スイッチ回路２１をオフ、スイッチ回路２２をオンに復帰させる。これにより、圧電素子１３を圧電素子駆動部１５から切り離して、圧電素子１３を制御部１７に接続する。

荷重検出部１８は、圧電素子１３が駆動された後、所定時間が経過するまで、具体的には、例えば接続切換信号ａがＬレベルからＨレベルに切換わった時点から所定時間Ｔ_２が経過するまでは、圧電素子１３からの出力電圧Ｖｓを無効（キャンセル）とする。その後、荷重検出部１８は、所定時間Ｔ_２が経過した時点から、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓを有効として、出力電圧Ｖｓに基づく押圧荷重の検出処理を再開する。

ここで、接続切換信号ａをＬレベルとする所定時間Ｔ_１は、圧電素子１３の駆動時間を含む時間で、固定的（例えば、１０ｍｓ程度）に設定するか、あるいは呈示する触感に対応する駆動信号による駆動時間に応じて自動的に設定する。また、圧電素子１３の駆動後、荷重検出部１８において押圧荷重の検出処理を再開するまでの所定時間Ｔ_２は、圧電素子１３の駆動後に、圧電素子１３に残留する電荷がほぼ完全に放電して出力電圧Ｖｓがほぼ０Ｖになるのに充分な期間で、かつ、連続的な入力操作等における各入力操作の荷重検出に支障をきたさない時間とする。この、所定時間Ｔ_２は、例えば４０ｍｓ以下とする。

このように、本実施の形態に係る入力装置によれば、圧電素子１３の圧電正効果および圧電逆効果を利用して、圧電素子１３を、タッチセンサ１１のタッチ面に対する押圧荷重を検出する荷重センサおよびタッチ面を振動させて押圧対象に触感を呈示するアクチュエータとして利用して、部品を共用している。したがって、部品点数を削減できることから、コストダウンが図れるとともに、部品の設置スペースを少なくできることから、装置の小型化が図れる。

また、荷重検出部１８と圧電素子駆動部１５とを設けて、圧電素子１３を選択的に接続するようにしたので、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓとは独立して、圧電素子駆動部１５から圧電素子１３に対して駆動信号Ｖｄを供給することができる。したがって、出力電圧Ｖｓと駆動信号Ｖｄとを加算した電圧を印加する必要がないので、使用電圧範囲を低くでき、種々の圧電素子が使用可能となる。しかも、圧電素子１３の駆動後、すなわちタッチ入力による押圧荷重の増加により最初に触感を呈示した後は、所定時間Ｔ_２が経過してから、荷重検出部１８による押圧荷重の検出を再開するようにしている。したがって、所定時間Ｔ_２の間に、押圧対象による押圧力が強くなって基準電圧Ｖrefを超えても触感は呈示されないので、操作者に予期せぬ触感を呈示するような違和感を与えることなく、適切に触感を呈示することができる。

次に、本実施の形態に係る入力装置における（１）実装構造、（２）触感を呈示する押圧荷重の基準、および（３）圧電素子１３を駆動する駆動信号について説明する。

（１）実装構造
図４は、図１に示したタッチセンサ１１、表示部１２および圧電素子１３の実装構造の一例の概略構成を示すもので、図４（ａ）は要部断面図、図４（ｂ）は要部平面図である。表示部１２は、筐体３１内に収納保持する。表示部１２上には、弾性部材からなるインシュレータ３２を介して、タッチセンサ１１を保持する。なお、本実施の形態では、タッチセンサ１１を、図４（ｂ）に仮想線で示す表示部１２の表示領域Ａから外れた４隅に配設したインシュレータ３２を介して表示部１２上に保持する。

また、筐体３１には、表示部１２の表示領域から外れたタッチセンサ１１の表面領域を覆うようにアッパカバー３３を設け、このアッパカバー３３とタッチセンサ１１との間に、弾性部材からなる防塵用のインシュレータ３４を配設する。

なお、図４に示すタッチセンサ１１は、タッチ面１１ａを有する表面部材が、例えば透明フィルムやガラスで構成され、裏面部材がガラスやアクリルで構成されて、インシュレータ３４を介してタッチ面１１ａが押圧されると、押圧部分が押圧力に応じて微少量撓む（歪む）とともに、裏面部材を含むタッチセンサ１１の全体が微少量撓む構造のものを用いる。

タッチセンサ１１には、その裏面上で、アッパカバー３３で覆われる一辺または複数辺の近傍、ここでは３辺の近傍に、タッチセンサ１１のタッチ面１１ａに対する押圧荷重を検出するとともに、タッチセンサ１１を振動させて、タッチ面１１ａを押圧している押圧対象に触感を呈示するための圧電素子１３をそれぞれ装着する。なお、図４（ｂ）においては、図４（ａ）に示した筐体３１、アッパカバー３３およびインシュレータ３４の図示を省略している。

ここで、３個の圧電素子１３は、接続切換部を介して圧電素子駆動部に接続して、共通の駆動信号により駆動するか、あるいは、独立した駆動信号により駆動する。また、荷重検出部に対して、３個の圧電素子１３の出力は、接続切換部を介して並列に供給する。

そして、荷重検出部は、３個の圧電素子１３の出力信号に基づいて押圧荷重を演算する。この押圧荷重は、好ましくは、タッチ面１１ａの各位置において、操作者が感じる圧覚（物の硬さや柔らかさ等の感覚）がほぼ同じ場合に、ほぼ等しい演算結果が得られるように、例えば、３個の圧電素子１３の出力信号の平均値や、重み付けした加算値等に基づいて演算する。また、３個の圧電素子１３は、好ましくは独立した駆動信号で駆動するようにして、タッチ面１１ａの各位置において、操作者がほぼ同じ圧覚でほぼ同じ触覚（物の手触り等の感覚）が得られるように、すなわち、圧覚と触覚とが複合されたほぼ同じ触感が得られるように、各駆動信号の振幅や位相等を、タッチ面１１ａの位置や場所に応じて適宜変更する。

（２）押圧荷重の基準
触感を呈示する押圧荷重の基準は、例えば、表現したい押しボタンスイッチの押下時の荷重特性に応じて適宜設定することができる。例えば、この基準は、タッチセンサ１１がタッチ入力に反応する荷重と同じに設定（タッチセンサ１１のタッチ入力の反応と触感を呈示するタイミングを同じに設定）してもよいし、タッチセンサ１１がタッチ入力に反応する荷重よりも高い荷重に設定（タッチセンサ１１のタッチ入力の反応よりも触感を呈示するタイミングを遅くする設定）してもよい。例えば、本実施の形態に係る入力装置を携帯端末に適用する場合においては、好ましくは、タッチセンサ１１がタッチ入力に反応する荷重以上（タッチセンサ１１のタッチ入力の反応よりも触感を呈示するタイミングを遅くする設定）に設定するとよい。また、さらに、この荷重設定も、年配のユーザは重めに（より遅く）、頻繁にメールをするユーザは軽めに（より早く）設定できるように、ユーザにおいて自由に設定できるようにするとよい。

（３）駆動信号
圧電素子駆動部１５により圧電素子１３を駆動する駆動信号は、呈示する触感に応じて適宜設定することができる。例えば、携帯端末に使用されている押しボタンスイッチを押下した際に得られる「カッ」と感じられるリアルなクリック触感を呈示する場合は、上記の基準の荷重が加わった時点で、例えば、１００Ｈｚ〜２００Ｈｚ、好ましくは１７０Ｈｚの一定周波数のサイン波１周期分を、駆動信号として圧電素子１３に印加して、タッチセンサ１１のタッチ面を、基準の押圧荷重が加わった状態で約１５μｍ振動させる。これにより、タッチセンサ１１のタッチ面を押圧している押圧対象（押圧物）を介して、操作者にリアルなクリック触感を呈示して、入力操作が完了したことを認識させることができる。同様に、「カッ」よりも硬質な「カチ」と感じられるクリック触感を呈示する場合は、駆動信号として、２００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度の正弦波信号または矩形波信号を１周期分印加する。

クリック触感以外の触感を呈示する場合、例えば、「ブル」や「ブニ」と感じられる軟質的な触感を呈示する場合は、駆動信号として、２００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度の正弦波信号を２〜３周期分印加する。あるいは、「ブルル」と感じられる振動として認知できる触感を呈示する場合は、駆動信号として、２００Ｈｚ〜５００Ｈｚ程度の正弦波信号を４周期分以上印加する。

これらの種々の触感を呈示する駆動信号情報は、図示しない記憶部に記憶して、ユーザにより所望の触感を呈示する駆動信号を適宜設定できるようにするのが好ましい。そして、設定された駆動信号に応じて、図３に示した接続切換信号ａのＬレベルの時間Ｔ_１を自動的に設定するのが好ましい。

このように、圧電素子１３の出力に基づいて演算されるタッチセンサ１１に加わる荷重が、触感を呈示する基準（例えば、１．５Ｎ）を満たすまでは圧覚を刺激するようにし、基準を満たすと、圧電素子１３を所定の駆動信号で駆動してタッチ面１１ａを振動させて触覚を刺激する。これにより、操作者に対して触感を呈示して、当該入力操作が完了したことを認識させる。したがって、操作者は、例えば、押しボタンスイッチ（プッシュ式ボタンスイッチ）のようなボタンスイッチがタッチセンサ上部に描画されていた場合、タッチセンサ１１を、押しボタンスイッチを操作した場合と同様のリアルなクリック触感を得ながら、入力操作を行うことができるので、違和感を覚えることがない。また、タッチセンサ１１を「押した」と言う意識との連動で入力操作を行うことができるので、単なる押圧による入力ミスも防止することができる。

また、触感を呈示する基準の押圧荷重を、タッチセンサ１１がタッチ入力に反応する荷重よりも高く（タッチセンサ１１のタッチ入力の反応よりも触感を呈示するタイミングを遅く）設定した場合は、タッチ面１１ａへのタッチ操作に応じて入力位置を決定して、表示部１２の対応する箇所の入力用オブジェクトの表示態様を変更し、その後、圧電素子１３の出力に基づいて検出されるタッチ面１１ａへの押圧荷重が触感を呈示する基準を満たした際に、圧電素子１３を駆動してクリック触感を呈示するとともに、その入力位置を確定して所定の処理（例えば、オブジェクトに対応するプログラムの実行処理）を実行させることが可能となる。この場合、操作者は、表示部１２に表示された入力用オブジェクトの表示態様の変更により入力用オブジェクトの選択を確認でき、さらにタッチ面１１ａを押圧してクリック触感が呈示されることにより、選択した入力用オブジェクトが決定（実行）されたことを認識することができる。これにより、いわゆる迷い指による誤入力を防止することができる。

（第２実施の形態）
図５は、本発明の第２実施の形態に係る入力装置の概略構成を示す機能ブロック図である。この入力装置は、図１に示した構成において、圧電素子１３に放電回路１６を接続し、この放電回路１６により圧電素子１３の駆動後に、該圧電素子１３に残留する電荷を強制的にアースに放電するようにしたものである。

放電回路１６には、例えば、抵抗４１および放電用のスイッチングトランジスタ４２を設け、スイッチングトランジスタ４２のコレクタを圧電素子１３の正極側端子に接続し、エミッタをアースに接続する。また、スイッチングトランジスタ４２のベースは、抵抗４１を経て制御部１７に接続して、制御部１７からの放電制御信号ｂを供給する。その他の構成は、図１と同様であるので、同一作用をなす構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。

図６は、本実施の形態に係る入力装置の概略動作を示すタイミングチャートである。本実施の形態に係る入力装置は、圧電素子駆動部１５により圧電素子１３を駆動した後、すなわち、接続切換信号ａがＬレベルとなる所定時間Ｔ_１が経過した時点から、所定時間Ｔ_３の間、放電制御信号ｂをＨレベルとする。これにより、スイッチングトランジスタ４２を導通させて、圧電素子１３に蓄積されている残留電荷を、コレクタ‐エミッタ通路を経て強制的にアースに放電させる。

また、荷重検出部１８は、放電制御信号ｂがＨレベルにある所定時間Ｔ_３が経過するまでは、圧電素子１３からの出力電圧Ｖｓを無効（キャンセル）とする。その後、荷重検出部１８は、所定時間Ｔ_３が経過した時点から、圧電素子１３からの出力電圧Ｖｓを有効として、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓに基づく押圧荷重の検出処理を再開する。その他の動作は、第１実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、本実施の形態に係る入力装置では、圧電素子駆動部１５により圧電素子１３を駆動した後、圧電素子１３の残留電荷を放電回路１６により強制的にアースに放電するので、圧電素子１３の駆動後、荷重検出部１８により押圧荷重の検出処理を再開するまでの所定時間（放電時間）Ｔ_３を、第１実施の形態における所定時間Ｔ_２よりも短く、例えば、３０ｍｓ程度にすることができる。したがって、第１実施の形態における効果に加えて、表示部１２に表示されている同一の入力用オブジェクトを連続的に入力操作するいわゆる連打入力においても、各入力操作に対して適切に触感を呈示することができるという効果が得られる。

（第３実施の形態）
図７は、本発明の第３実施の形態に係る入力装置の概略動作を説明するタイミングチャートである。本実施の形態に係る入力装置は。図５に示した構成において、タッチセンサ１１のタッチ面から押圧対象がリリースする際にも触感を提示する。このため、荷重検出部１８には、押圧時に触感を呈示するための基準の荷重に相当する第１基準電圧Ｖref1（第１，２実施の形態の基準電圧Ｖrefに相当）と、リリース時に触感を呈示するための基準の荷重に相当する第２基準電圧Ｖref2を設定する。なお、第２基準電圧Ｖref2は、第１基準電圧Ｖref1と極性を異ならせる。以下、図５を参照しながら、本実施の形態に係る入力装置の概略動作を説明する。

先ず、制御部１７は、上記実施の形態の場合と同様に、タッチセンサ１１からの位置情報が、表示部１２に表示されている入力用オブジェクトに対する入力で、かつ、荷重検出部１８において、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓが、触感を呈示する基準の荷重（例えば、１．５Ｎ）に相当する第１基準電圧Ｖref1に達したと判定されると、接続切換信号ａを所定時間Ｔ_１だけＬレベルとする。これにより、切換制御部１４を介して圧電素子１３を圧電素子駆動部１５に接続する。

そして、制御部１７は、圧電素子駆動部１５に圧電素子１３が接続された状態で、圧電素子駆動部１５から所定の駆動信号Ｖｄを出力させて圧電素子１３を駆動する。これにより、タッチパネル１１を振動させて、タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示する。

その後、制御部１７は、圧電素子駆動部１５による圧電素子１３の駆動期間Ｔ_１が終了すると、接続切換信号ａをＨレベルにして、圧電素子１３を圧電素子駆動部１５から制御部１７に接続を切換える。これと同時に、放電制御信号ｂを所定時間（放電時間）Ｔ_４の間、Ｈレベルとして、圧電素子１３に蓄積されている残留電荷を、スイッチングトランジスタ４２のコレクタ‐エミッタ通路を経てアースに放電させる。

また、荷重検出部１８は、放電制御信号ｂがＨレベルにある所定時間Ｔ_４が経過するまでは、押圧荷重の検出処理を行わない。そして、所定時間Ｔ_４が経過すると、荷重検出部１８は、その経過時点から圧電素子１４の出力電圧Ｖｓに基づく押圧荷重の検出処理を再開する。なお、所定時間（放電時間）Ｔ_４は、押圧対象によるタッチセンサ１１の押下状態を確保できるように、第２実施の形態における所定時間Ｔ_３よりも短く、例えば２０ｍｓ程度に設定する。

ここで、圧電素子１３は、所定時間Ｔ_４においてアースに接続されて残留電荷が放電されることから、所定時間Ｔ_４の終了時点では、その出力電圧Ｖｓが０Ｖとなっている。したがって、この時点で、タッチセンサ１１が押圧対象により押圧されていれば、その押圧状態での圧電素子１３の出力電圧Ｖｓが０Ｖとなるので、その後、押圧対象のリリース動作に伴って、圧電素子１３が元の通常状態に戻るように変位すると、その変位に伴って、圧電素子１３の出力電圧は、負極性側に増加する。

そこで、制御部１７は、所定時間（放電時間）Ｔ_４の経過後に、荷重検出部１８において、圧電素子１３の出力電圧Ｖｓが、リリース時に触感を呈示する基準の荷重に相当する第２基準電圧Ｖref2に達したと判定されると、上述した押圧時の場合と同様に、接続切換信号ａを所定時間Ｔ_１だけＬレベルとして、圧電素子１３を制御部１７から圧電素子駆動部１５に接続を切換える。

そして、制御部１７は、上記の押圧時の場合と同様に、圧電素子駆動部１５に圧電素子１３が接続された状態で、圧電素子駆動部１５から所定の駆動信号Ｖｄを出力させて圧電素子１３を駆動する。これにより、タッチパネル１１を振動させて、タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示する。

その後、制御部１７は、上記の押圧時の場合と同様に、接続切換信号ａをＨレベルにして、圧電素子１３を圧電素子駆動部１５から制御部１７に接続を切換えるとともに、放電制御信号ｂを所定時間（放電時間）Ｔ_４の間、Ｈレベルとして、圧電素子１３に蓄積されている残留電荷を放電させる。その後、荷重検出部１８は、放電回路１６により放電時間Ｔ_４が経過した時点から、圧電素子１４の出力電圧Ｖｓに基づく押圧荷重の検出処理を再開して、次のタッチ入力の検出に備える。

本実施の形態に係る入力装置によれば、上記実施の形態と同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、押圧対象がタッチセンサ１１からリリースする際にも触感を呈示するようにしたので、特に、メタルドームスイッチのような押しボタンスイッチの操作感をよりリアルに表現することができる。すなわち、押圧時においては、メタルドームが座屈した際に感じられる「カッ」というようなリアルなクリック触感を呈示でき、リリース時にメタルドームが座屈から復帰した際に感じられる「チッ」というようなリアルなクリック触感（この場合、リリース触感）を呈示することができる。勿論、リリース触感は、必ずしもクリック触感と同一の駆動信号でなくてもよい。

ここで、リリース触感を呈示する荷重基準は、押圧時にクリック触感を呈示する上記の荷重基準（例えば、１．５Ｎ）と同じに設定することもできるが、好ましくは、押圧時にクリック触感を呈示する荷重基準よりも５０％〜８０％低い値（例えば、１Ｎ）に設定する。このようにすれば、同一位置（入力用オブジェクト）を連続入力（連打）する場合に、順次の入力と触感呈示タイミングとが合致し、違和感のないリアルなクリック触感を呈示することができる。すなわち、リリース時に触感を呈示する基準の荷重を、押圧時に触感を呈示する基準の荷重よりも小さくすることにより、違和感を与えないようにし、かつ、リリース時に触感を呈示する基準の荷重を、押圧時に触感を呈示する基準の荷重のおよそ５０％以上とすることにより、連続入力時の操作性を格段に向上できる。また、リリース時に触感を呈示する基準の荷重を、押圧時に触感を呈示する基準の荷重のおよそ８０％以下とすることにより、連続入力時のホールド状態での微小な荷重変化にも対応できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、図５に示す放電回路１６において、スイッチングトランジスタ４２は、半導体リレー等を用いて構成することもできる。さらに、圧電素子１３は、タッチセンサ１１の面積や、振動振幅等に応じて、モノモルフ、ユニモルフ、バイモルフ、積層型等の公知の構造とすることができる。

また、本発明は、タッチセンサがオン・オフ動作を行うタッチスイッチとして機能する入力装置にも有効に適用することができる。さらに、本発明に係る入力装置は、圧電素子の出力に基づいて検出される押圧荷重が触感を呈示する基準を満たした際に、当該圧電素子を駆動する。ここで、圧電素子の出力に基づいて検出される押圧荷重が触感を呈示する基準を満たした際とは、検出される押圧荷重が触感を呈示する基準値に達した際であってもよいし、検出される押圧荷重が触感を呈示する基準値を超えた際でもよいし、圧電素子の出力に基づいて触感を呈示する基準値が検出された際でもよい。

１１ タッチセンサ
１１ａ タッチ面
１２ 表示部
１３ 圧電素子
１４ 接続切換部
１５ 圧電素子駆動部
１６ 放電回路
１７ 制御部
１８ 荷重検出部
３１ 筐体
３２ インシュレータ
３３ アッパカバー
３４ インシュレータ
４２ スイッチングトランジスタ

Claims (4)

1. タッチ入力を検出するタッチセンサと、
   一端が前記タッチセンサに装着され、反対の他端が開放された圧電素子と、
   前記圧電素子の出力に基づいて前記タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出して、該押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する荷重検出部と、
   前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示するように前記圧電素子を駆動する圧電素子駆動部と、を備え、
   前記荷重検出部は、前記圧電素子駆動部により前記圧電素子が駆動された後、所定時間経過してから前記押圧荷重の検出を再開する、
   ことを特徴とする入力装置。
2. 前記圧電素子に蓄積された残留電荷を放電する放電回路をさらに有し、
   前記放電回路は、前記所定時間の間に前記圧電素子に蓄積されている残留電荷を放電する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の入力装置。
3. 前記所定時間は４０ｍｓ以下である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の入力装置。
4. タッチ入力を検出するタッチセンサと、
   一端が前記タッチセンサに装着され、反対の他端が開放された圧電素子と、
   前記圧電素子の出力に基づいて前記タッチセンサのタッチ面に対する押圧荷重を検出して、該押圧荷重が触感を呈示する基準を満たすか否かを判定する荷重検出部と、
   前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記タッチ面を押圧している押圧対象に対して触感を呈示するように前記圧電素子を駆動する圧電素子駆動部と、を備える入力装置の制御方法であって、
   前記前記圧電素子を前記荷重検出部または前記圧電素子駆動部に選択的に接続するようにして、
   前記圧電素子が前記荷重検出部に接続された状態で、前記荷重検出部が前記基準を満たすと判定した際に、前記圧電素子を前記荷重検出部から前記圧電素子駆動部へ接続を切換えて、前記圧電素子駆動部により前記圧電素子を駆動するステップと、
   次に、前記圧電素子の駆動後、前記圧電素子を前記圧電素子駆動部から前記荷重検出部へ接続を切換えて、所定時間経過してから前記荷重検出部による前記押圧荷重の検出を再開するステップと、
   を含むことを特徴とする入力装置の制御方法。

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