(57)【要約】【課題】希望する静電触覚効果を得られなかった場合、フィードバック制御により触覚効果を変更できる静電触覚呈示装置を提供する。【解決手段】表面に操作者の指１００がタッチする絶縁層１１ａ、及び絶縁層１１ａの下に電極１１ｂが形成された電極部１１を備えた操作部１０と、指１００による操作部１０への押圧荷重を検出する荷重検出部２０と、電極部１１と指との間で発生する静電容量を検出する静電容量検出部３０と、電極部１１に印加する電圧を制御する電圧制御部６０を備えた制御部４０と、を有し、制御部４０は、荷重検出部２０及び静電容量検出部３０の検出結果に基づいて、電極部１１に印加する電圧を制御して指１００に触覚効果を付与するように静電触覚呈示装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に操作者の指がタッチする絶縁層、及び前記絶縁層の下に配置された電極部を備えた操作部と、
前記指による前記操作部への押圧荷重を検出する荷重検出部と、
前記電極部と前記指との間で発生する静電容量を検出する静電容量検出部と、
前記電極部に印加する電圧を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記荷重検出部及び前記静電容量検出部の検出結果に基づいて、前記電極部に印加する電圧を制御して前記指に触覚効果を付与する、静電触覚呈示装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記指に作用する前記触覚効果が一定になるように制御する、請求項１に記載の静電触覚呈示装置。
【請求項３】
前記触覚効果は、前記制御部による印加電圧の振幅、又は印加電圧の周波数の制御により行なわれる、請求項１又は２に記載の静電触覚呈示装置。
【請求項４】
前記電極部は、前記指のタッチ位置検出用のタッチ電極と、静電気力により前記指に触覚を作用させる触覚用電極とで構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の静電触覚呈示装置。
【請求項５】
前記操作部は、ディスプレイを備えたタッチパネルである、請求項１から４のいずれか１項に記載の静電触覚呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電触覚呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネル上で触覚をフィードバックする技術の一つとして、静電気力を利用したものがある。近年、ディスプレイに表示した素材の触覚や構造の凹凸感などが再現されつつある。
【０００３】
従来の技術として、同時検知及び作動を利用する多点ハプティクスを生成するためのタッチインターフェースデバイス及び方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の構成として、基板の前面に接続される１つ又は複数の電極が１つのパターンに配置され、電極に１つ又は複数の電圧を印加することによって触覚効果を生成し、電極に１つ又は複数の電圧を印加することによって１つ又は複数のタッチ点の位置を測定するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１７−５０６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１で示すような従来の静電触覚呈示装置では、静電気力による触覚効果はタッチする指が濡れていると触覚効果が著しく低下して、静電触覚効果がばらついてしまうという問題があった。このため、指が濡れていても十分な触感を与えることのできる構造やシステムが要求されている。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、希望する静電触覚効果を得られなかった場合、フィードバック制御により触覚効果を変更できる静電触覚呈示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、表面に操作者の指がタッチする絶縁層、及び前記絶縁層の下に配置された電極部を備えた操作部と、前記指による前記操作部への押圧荷重を検出する荷重検出部と、前記電極部と前記指との間で発生する静電容量を検出する静電容量検出部と、前記電極部に印加する電圧を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記荷重検出部及び前記静電容量検出部の検出結果に基づいて、前記電極部に印加する電圧を制御して前記指に触覚効果を付与する、静電触覚呈示装置を提供する。
［２］前記制御部は、前記指に作用する前記触覚効果が一定になるように制御する、上記［１］に記載の静電触覚呈示装置であってもよい。
［３］また、前記触覚効果は、前記制御部による印加電圧の振幅、又は印加電圧の周波数の制御により行なわれる、上記［１］又は［２］に記載の静電触覚呈示装置であってもよい。
［４］また、前記電極部は、前記指のタッチ位置検出用のタッチ電極と、静電気力により前記指に触覚を作用させる触覚用電極とで構成される、上記［１］から［３］のいずれか１に記載の静電触覚呈示装置であってもよい。
［５］また、前記操作部は、ディスプレイを備えたタッチパネルである、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の静電触覚呈示装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電触覚呈示装置によれば、希望する静電触覚効果を得られなかった場合、フィードバック制御により触覚効果を変更できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る静電触覚呈示装置の概略を示す構成図である。
【図２】図２は、操作者の指がタッチする絶縁層、絶縁層の下に配置された電極における電荷により静電気力を説明するためにモデル化した模式図である。
【図３】図３は、図２で示したモデルの等価回路図である。
【図４】図４は、電極部に流れる電流値を検出する電流検出部の構成図である。
【図５】図５は、Ｘ電極とＹ電極に接触する指に印加する電圧の制御を模式的に示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る静電触覚呈示装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る静電触覚呈示装置１は、図１、２に示すように、表面に操作者の指１００がタッチする絶縁層１１ａ、及び絶縁層１１ａの下に電極１１ｂが形成された電極部１１を備えた操作部１０と、指１００による操作部１０への押圧荷重を検出する荷重検出部２０と、電極部１１と指との間で発生する静電容量を検出する静電容量検出部３０と、電極部１１に印加する電圧を制御する電圧制御部６０を備えた制御部４０と、を有し、制御部４０は、荷重検出部２０及び静電容量検出部３０の検出結果に基づいて、電極部１１に印加する電圧を制御して指１００に触覚効果を付与するように構成されている。
【００１１】
操作部１０は、ベース部２００に周囲が支持されている。操作部１０の中心部付近には、押圧力を検出するための荷重検出部２０が配置され、荷重検出部２０は、下側がベース部２００に接し、上側が操作部１０と接している。これにより、操作部１０への押圧力を検出でき、後述するように、指１００と操作部１０との接触面積Ｓが算出できる。この荷重検出部２０の出力は、制御部４０に入力される。
【００１２】
操作部１０の電極部１１には、静電容量検出部３０が接続され、後述するように、電極部１１に流れる電流値を検出することができる。
【００１３】
また、操作部１０の電極部１１には、座標検出部５０が接続され、指１００がタッチした位置、範囲を検出することができる。
【００１４】
（操作部１０）
操作部１０は、図１に示すように、電極部１１とディスプレイ１２が重ねて配置されたタッチディスプレイとして構成されている。ディスプレイ１２は、液晶パネル等の公知のディスプレイである。電極部１１をＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明電極として形成することにより、操作部１０は、ディスプレイ１２上の画像等の情報を見ながら操作することにより、この画像等に対応した位置を電極部１１で検出できる。また、電極部１１に電圧を印加することにより、操作する指に対して静電気力を付与することで静電触覚呈示ができる。
【００１５】
なお、電極部１１は、上記説明した位置の検出と、静電気力を付与することで静電触覚呈示を行なう２つの機能を要し、それぞれの機能のための電極部を例えば２層として備えることができるが、本実施の形態では、１つの電極部１１を備え、指検出と静電触覚呈示を切り替えながら動作させるものとして説明する。
【００１６】
（電極部１１）
電極部１１は、本実施の形態では、Ｘ電極１１ｂｘ、Ｙ電極１１ｂｙが図４に示すようなパターンで配置されたものとする。電極部１１は、図２に示したように、基板１１ｃ上に形成され、Ｘ電極１１ｂｘ、Ｙ電極１１ｂｙの上側には、絶縁層１１ａが配置されている。
【００１７】
Ｘ電極１１ｂｘは、図４に示すように、矩形電極が数珠状に連結されて形成され、各Ｘ電極は、図４のＸ方向に所定の本数だけ配置されている。Ｙ電極１１ｂｙも、図４に示すように、矩形電極が数珠状に連結されて形成され、各Ｙ電極は、図４のＹ方向に所定の本数だけ配置されている。矩形電極は、互いに重ならないように、配置されている。
【００１８】
（電極部１１によるタッチ位置の検出動作）
電極部１１は、座標検出部５０により、各Ｘ電極１１ｂｘ、Ｙ電極１１ｂｙに順次電荷を印加して、操作者の指１００との間の自己容量値を検出することにより、Ｘ、Ｙ方向のタッチ位置を検出することが可能である。なお、Ｘ電極１１ｂｘとＹ電極１１ｂｙとの間の相互容量値を検出することにより、Ｘ、Ｙ方向のタッチ位置を検出することも可能である。これらのタッチ位置の検出は、後述する指１００に触覚効果を付与する静電触覚呈示動作を実行していない期間に実行するものとする。
【００１９】
（電極部１１による静電触覚呈示動作）
図２は、操作者の指１００がタッチする絶縁層１１ａ、絶縁層１１ａの下に配置された電極１１ｂにおける電荷により静電気力を説明するためにモデル化した模式図である。図２で示す電極１１ｂに対して、電圧制御部６０により電圧を印加すると、相対する指１００との間でコンデンサを成し、静電気力により指１００の導電性組織１００ａの中の電子が引きつけられ、指１００が引きつけられる。指１００の角質１００ｂは通常、絶縁層として扱えるが、角質１００ｂに含まれる水分量に応じてわずかに電流を通し、透過した電子は図２のように、電極部１１の絶縁層１１ａの表面に蓄えられることになる。この電子は指１００に働く静電気力に寄与しないため、透過する電子が多いほど指に働く引力は弱くなる。角質１００ｂの抵抗は含有する水分量が多いほど小さくなる。このことは、発汗やその他の外的要因により指が濡れていると触覚効果が弱くなることを意味する。環境や体調などにより安定しない触覚効果はユーザーに不安や苛つき、誤操作などの好ましくない影響を与えるため改善が必要である。
【００２０】
図２の静電容量を求めるため、図３のようなモデルに置き換える。ＳＡは電子が電極部１１の絶縁層表面に存在する領域の面積、ＳＢは指内部に電子が存在する領域の面積、ｄ１は絶縁層１１ａの厚み、ｄ２は角質１００ｂの厚みとする。ただし、水分または空気によるギャップは０としている。仮に水分層の厚みがあったとしても、水分層は導体とみなせるため、静電容量を求める際にはその厚みは除外できる。また、ＳＡとＳＢの合計は指１００と電極部１１との接触面積Ｓとなる。
【００２１】
絶縁層１１ａの厚みｄ１は、１〜１．５μｍ、角質１００ｂの厚みｄ２は、２０〜３０μｍであるため、計算を簡単にするためにｄ１：ｄ２からｄ２＝２０ｄ１とすると、図３で示すコンデンサの合成容量Ｃは下記のように求められる。
2019212259.tif 000003
Ｓ＝ＳＡ＋ＳＢから、
指１００に働く静電気力に寄与する面積ＳＢを求めると、次のようになる。
2019212259.tif 000004
（２）式において、指１００と電極部１１との接触面積Ｓは、後述する荷重検出部２０により算出することが可能である。また、合成容量Ｃは、後述する電流検出部としての静電容量検出部３０により算出することが可能である。
これにより、指１００に働く静電気力に寄与する面積ＳＢを求めることができ、例えば、これを一定になるように制御することで、静電気力を一定に制御することが可能になる。
【００２２】
（荷重検出部２０）
荷重検出部２０は、図１に示したように、操作部１０の下部に配置され、操作者の押圧操作による操作荷重を検出する。荷重検出部２０は、例えば、ピエゾ抵抗方式や静電容量方式のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）である。本実施の形態の荷重検出部２０は、一例として、静電容量方式のセンサである。
【００２３】
荷重検出部２０により検出された荷重Ｆは、操作者の指１００と操作部１０の接触荷重である。したがって、検出された荷重Ｆに基づいて、式（２）で示した、指１００と操作部１０との接触面積Ｓを算出することができる。例えば、検出荷重Ｆと接触面積Ｓの関係を予め求めておき、制御部４０内にテーブルとしてデータ記憶しておく。これにより、検出荷重Ｆに基づいて随時テーブルを参照して接触面積Ｓを求めることができる。また、予め、検出荷重Ｆと接触面積Ｓの関係式を求めて関数としておき、検出荷重Ｆをこの関数の引数とすることで、随時、接触面積Ｓを求めることができる。
【００２４】
（静電容量検出部３０）
静電容量検出部３０は、電極部１１と指１００との間に発生する静電容量を検出する。検出方式は、自己容量方式、又は相互容量方式でもよい。これにより、式（２）で示した、合成容量Ｃを求めることができる。
【００２５】
（制御部４０）
制御部４０は、荷重検出部２０、静電容量検出部３０、座標検出部５０から入力される検出信号に基づいて内部で演算処理を実行する。また、電極部１１に印加する電圧を制御する電圧制御部６０を備える。制御部４０は、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を備えている。すなわち、図１に示すように、制御部４０は、マイクロコンピュータ、荷重検出部２０、静電容量検出部３０、座標検出部５０、電圧制御部６０等を備えて概略構成されている。なお、電圧制御部６０は、制御部４０の内部に備える必要はなく、外部に備える構成であってもよい。
【００２６】
（制御部４０の電圧調整動作）
静電気力は電極部１１への印加電圧の振幅、又は印加電圧の周波数により変化することが知られている。また、図４に示すような電極配置の場合、Ｘ電極１１ｂｘとＹ電極が１１ｂｙで、交わった領域での静電気力はＸ電極１１ｂｘに加える電圧とＹ電極が１１ｂｙに加える電圧の位相が逆位相で最大となり、同位相で最小となるため、位相のずれを調整することで静電気力を調整できる。
【００２７】
図５は、Ｘ電極１１ｂｘとＹ電極１１ｂｙに絶縁層１１ａを介して接触する指１００に印加する電圧の制御を模式的に示す図である。制御部４０により、座標検出部５０で指１００の接触位置、接触領域を検出し、その位置、領域に対して、電圧制御部６０は、図５で示すような交流電圧で電圧を各電極に印加する。すなわち、タッチ位置の検出部としての電極部１１により検出された指の位置において、指に作用する静電気力が一定になるように静電触覚呈示部としての電極部１１に印加する電圧を制御する。この電圧の印加による静電気力は、印加電圧の大きさ、周波数により変化する。図５で示すように、Ｘ電極１１ｂｘとＹ電極１１ｂｙに対して、位相を制御し、所定の電圧で電圧を印加することにより、所望の静電気力を指１００に対して発生させることができる。
【００２８】
（静電触覚呈示装置１の動作）
図６は、本発明の実施の形態に係る静電触覚呈示装置の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートにしたがって、本発明の実施の形態に係る静電触覚呈示装置の動作を説明する。
【００２９】
操作部１０に指１００がタッチされて、動作がスタートする。
【００３０】
（Ｓｔｅｐ１）
制御部４０は、座標検出部５０により、指１００の接触位置、接触領域を検出する。
【００３１】
（Ｓｔｅｐ２）
制御部４０は、指１００の接触位置が、触覚領域内、すなわち、静電気力により静電触覚呈示が可能な領域へのタッチかどうかを判断する。触覚領域内である場合は、Ｓｔｅｐ３へ進み（Ｓｔｅｐ２：Ｙｅｓ）、触覚領域内でない場合は、Ｓｔｅｐ６へ進む（Ｓｔｅｐ２：Ｎｏ）。
【００３２】
（Ｓｔｅｐ３）
制御部４０は、静電容量Ｃを静電容量検出部３０で検出する。また、押下力、押圧力を荷重検出部２０で検出する。
【００３３】
（Ｓｔｅｐ４）
制御部４０は、上記の検出値に基づいて、計算を実行する。図４に示すように、配線が貫くループ回路３５で磁束密度を周囲積分することで、アンペアの法則により、電流を求め、これにより、回路を通る磁束密度から式（２）で示した、静電容量Ｃを求めることができる。また、検出荷重Ｆに基づいて、制御部４０内のテーブルを参照し、あるいは、検出荷重Ｆと接触面積Ｓの関係を示す関数から、随時、接触面積Ｓを求めることができる。
【００３４】
（Ｓｔｅｐ５）
制御部４０は、電圧制御部６０により、指に対して、静電気力による触覚効果を付与する。電圧制御部６０は、（２）式における、指１００に働く静電気力に寄与する面積ＳＢが、所定の値で、且つ、一定になるように電極部１１へ印加する電圧を制御する。
【００３５】
電圧制御部６０は、前述したように、電極部１１へ印加する電圧の大きさ、及び、周波数を制御することにより、所望の静電気力を指１００に対して発生させることができる。この静電気力は、指１００に働く静電気力に寄与する面積ＳＢに基づいてフィードバック制御されることから、指に対して、静電気力による一定の触覚効果を付与することができる。
【００３６】
Ｓｔｅｐ５の終了後、Ｓｔｅｐ１へ戻って、動作を繰り返して実行する。
【００３７】
（Ｓｔｅｐ６）
制御部４０は、操作部１０へのタッチ動作が継続しているかどうかを判断する。タッチ動作が継続している場合は、Ｓｔｅｐ１へ戻って動作を繰り返して実行し（Ｓｔｅｐ６：Ｙｅｓ）、タッチ動作が継続していない場合は、一連の動作を終了する（Ｓｔｅｐ６：Ｎｏ）。
【００３８】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る静電触覚呈示装置１は、以下のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る静電触覚呈示装置１は、表面に操作者の指１００がタッチする絶縁層１１ａ、及び絶縁層１１ａの下に電極１１ｂが形成された電極部１１を備えた操作部１０と、指１００による操作部１０への押圧荷重を検出する荷重検出部２０と、電極部１１と指との間で発生する静電容量を検出する静電容量検出部３０と、電極部１１に印加する電圧を制御する電圧制御部６０を備えた制御部４０と、を有し、制御部４０は、荷重検出部２０及び静電容量検出部３０の検出結果に基づいて、電極部１１に印加する電圧を制御して指１００に触覚効果を付与するように構成されている。これにより、指１００に働く静電気力に寄与する要因に基づいてフィードバック制御されることから、指に対して、静電気力による一定の触覚効果を付与することができる。したがって、希望する静電触覚効果を得られなかった場合、フィードバック制御により触覚効果を変更できる静電触覚呈示装置を提供することが可能となる。
（２）操作者の指は、発汗やその他の外的要因により指が濡れていると触覚効果が弱くなる。環境や体調などにより安定しない触覚効果はユーザーに不安や苛つき、誤操作などの好ましくない影響を与える。しかし、本形態に係る静電触覚呈示装置１は、指１００に働く静電気力に寄与する要因に基づいてフィードバック制御されることから、操作者の指の水分量等によらずに、操作者の指に対して、静電気力による一定の触覚効果を付与することができる。
【００３９】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。また、これら新規な実施の形態は、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。
【符号の説明】
【００４０】
１…静電触覚呈示装置、１０…操作部、１１…電極部、１１ａ…絶縁層、１１ｂ…電極
１１ｃ…基板、１２…ディスプレイ、２０…荷重検出部、３０…静電容量検出部、４０…制御部、５０…座標検出部、６０…電圧制御部、１００…指、１００ａ…導電性組織、１００ｂ…角質、２００…ベース部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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