(57)【要約】【課題】触感のバラつきを抑制することができる操作装置を提供する。【解決手段】操作装置１は、操作面１１を有する操作部１０と、操作部１０を支持するベース部４０と、操作部１０に触覚呈示のための振動を付与する加振部２０と、加振部２０の加振時において、ベース部４０に対して操作部１０を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部４２と、粘性流体の粘度を制御する制御部３０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作面を有する操作部と、
前記操作部を支持するベース部と、
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、
前記加振部の加振時において、前記ベース部に対して前記操作部を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部と、
前記粘性流体の粘度を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする操作装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記操作面の接触位置に応じて前記粘性流体の粘度を変化させることで、前記加振部の加振により前記操作面に対して生成される定常波の位相をずらす構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の操作装置。
【請求項３】
前記粘性流体は、電気粘性流体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、操作装置に係り、特に、触覚刺激操作感触を呈示する機能を有する操作装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚刺激操作感触を呈示する機能を有するタッチインターフェースが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記特許文献１に記載された従来のタッチインターフェースは、指の接触面を形成する基板と、基板の裏面に固定されたマトリックス状の圧電セラミックスとからなる振動構造を有している。この振動構造は、一定の正弦電圧の供給によって圧電セラミックスが交互に伸縮し、基板に定常的なラム波の振動を発生させ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２０１０−５１８５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のタッチインターフェースは、基板の裏面に圧電セラミックスをマトリックス状に配置する振動構造となっているため、振動の隣接する腹と腹との間の距離、又は隣接する節と節との間の距離が１個の圧電セラミックスの大きさに依存する。このような振動構造は、指の接触面に局所的な振動しか得られないことから、触感のバラつきを発生させる原因となる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、触感のバラつきを抑制することができる操作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］本発明は、操作面を有する操作部と、前記操作部を支持するベース部と、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、前記加振部の加振時において、前記ベース部に対して前記操作部を拘束して支持する拘束条件を変更するための粘性流体を有する粘性流体支持部と、前記粘性流体の粘度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする操作装置にある。
【０００８】
［２］上記［１］に記載の前記制御部は、前記操作面の接触位置に応じて前記粘性流体の粘度を変化させることで、前記加振部の加振により前記操作面に対して生成される定常波の位相をずらす構成を有していることを特徴とする。
【０００９】
［３］上記［１］又は［２］に記載の前記粘性流体は、電気粘性流体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、振動が付与された操作部の触感のバラつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に好適な実施の形態に係る典型的な操作装置を説明するための図である。
【図２】操作装置の制御ブロック図である。
【図３】操作部を拘束する拘束条件を変化させたときの定常波の振動分布を説明するための図である。
【図４】制御部の制御フローチャートである。
【図５】内部部品の配置位置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１３】
（操作装置の全体構成）
図１において、全体を示す符号１は、本実施の形態に係る典型的な操作装置を例示している。この操作装置１は、例えば操作指等の検出対象物により、操作面１１に対してタッチ操作、押圧操作やなぞり操作等の操作を行った際の静電容量の変化を検出するタッチパネルを備えた静電容量式のタッチパネル装置として用いられる。
【００１４】
ここで、タッチ操作とは、タッチパネルのタッチ位置に接触しているときの操作をいう。一方、なぞり操作とは、タッチパネルのタッチ位置が連続的に変化しているときの操作をいい、タッチパネルのタッチ位置が間欠的又は断続的に変化しているときの操作をも含む。
【００１５】
なお、静電容量式のタッチパネルに限定されるものではなく、例えば抵抗膜方式、赤外線方式や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。
【００１６】
操作装置１は、図１及び図２に示すように、所定の操作範囲においてタッチ操作される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を所定の振動条件で駆動する制御部３０と、操作パネル１０を支持するベース部である筐体４０とを備えている。
【００１７】
操作パネル１０の操作面１１の裏側には、図示しない複数本の駆動電極と、各駆動電極と交差する部分である検出点の静電容量を読み出す図示を省略した複数本の読出電極とが行列状に配置されており、直交座標系であるＸＹ座標が設定されている。これらの電極は、ＩＴＯ等の透明材料からなる。
【００１８】
操作パネル１０は、各駆動電極の駆動毎に読出電極から順次読み出される容量値を数値化し、この数値化された容量値に基づいて算出された検出点の座標を含む情報がタッチ検出信号Ｓｘとして制御部３０に周期的に出力するように構成されている。ＸＹ座標の算出には、例えば加重平均法が用いられる。なお、カメラで撮影して画像分析によりタッチ位置を検出することも可能である。
【００１９】
制御部３０は、タッチ検出信号Ｓｘと閾値との比較結果に基づいて検出対象物の接触の有無を判別する。検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Ｓｘが制御部３０に入力することで、アクチュエータ２０を駆動する駆動信号Ｓｄが制御部３０からアクチュエータ２０へ出力される。
【００２０】
制御部３０は、プログラムに従って取得したデータに演算や加工等を行うＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等から構成されるマイクロコンピュータである。ＲＯＭは、電極の選択や接続の制御、タッチ操作やなぞり操作等の操作態様を判定するための情報、振動の振幅、振動数や位相を示す情報、所定の操作範囲を示す情報等の各種の設定データを格納する。一方のＲＡＭは、ＲＯＭから読み出される設定データを一時的に記憶する。
【００２１】
筐体４０及び操作パネル１０の間には、操作パネル１０の一端部を支持する支持部４１と、操作パネル１０の他端部を支持する支持部４２とが配置されている。筐体４０は、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、例えば金属材料又は樹脂材料からなる。
【００２２】
図示例のアクチュエータ２０は、振動板２１と１枚の圧電素子２２とによって構成されており、例えばスパッタ法や蒸着法等で形成された図示しない電極に印加される駆動電圧により超音波振動を発生させるモノモルフ型の圧電アクチュエータである。
【００２３】
アクチュエータ２０としては、例えば２枚の圧電素子を振動板の両面に設けたバイモルフ型アクチュエータ、又は複数枚の圧電素子を積層することによって構成される積層モノモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。モノモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることで伸張及び収縮する。
【００２４】
アクチュエータ２０の他の一例としては、例えば弾性板の両面に圧電素子を貼り合わせることによって構成されるバイモルフ型アクチュエータが用いられてもよい。バイモルフ型は、駆動電圧が圧電素子に印加されることでアーチ状に湾曲する。なお、圧電アクチュエータに代えて、例えば電磁アクチュエータ等であっても構わない。
【００２５】
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、ステンレス等の合金材料、あるいは合成樹脂等の非導電性材料を用いて形成される。
【００２６】
圧電素子２２としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはチタン酸バリウムなどのセラミックス材料が用いられる。電極としては、例えば金、銀、銅などの金属材料が用いられる。なお、成膜技術を用いて、振動板２１の表面又は操作パネル１０の裏面に圧電材料層を成膜することで圧電素子２２を形成することができる。
【００２７】
圧電素子２２は、検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Ｓｘに基づいて制御部３０から出力される駆動信号Ｓｄで駆動することにより伸縮する。この伸縮に合わせて振動板２１が変形し、振動板２１が取り付けられた操作パネル１０の操作面１１が振動する。操作パネル１０は、アクチュエータ２０の加振により操作パネル１０の共振周波数ｆｎで振動する。
【００２８】
圧電素子２２は、操作パネル１０、あるいは操作パネル１０及びアクチュエータ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（振動オン状態）。この共振周波数ｆｎは、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。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、振動体は振動オン状態となる。
【００２９】
共振周波数ｆｎは、超音波帯の周波数に設定された超音波振動である。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、例えば約２０ｋＨｚから４０ｋＨｚ程度の周波数帯域である。
【００３０】
（拘束条件変更手段の構成）
操作パネル１０の一端部及び他端部は、上述したように、支持部４１，４２を介して筐体４０に支持されている。その構造上、アクチュエータ２０の加振によって共振周波数ｆｎの定常波（定在波）の振動が操作パネル１０の操作面１１に発生する。
【００３１】
定常波は、振動が最大になる複数の腹と、振動が最小になる複数の節とを有するｎ次の振動モードの波形であり、操作面１１内に振動刺激が強い腹の位置と弱い節の位置とが交互に生成されるため、振動を付与された操作面１１に触感のバラつきがある。従って、定常波振動による不具合を回避することが肝要である。
【００３２】
本実施の形態に係る操作装置１の主要なところは、アクチュエータ２０の加振時において、検出対象物のタッチ位置に応じて操作パネル１０を拘束して支持する拘束条件を変更する拘束条件変更手段の構成を備えた点にある。操作パネル１０の拘束条件を変えることで、操作パネル１０の操作面１１に生成される定常波の腹及び節の位置が所定の位相で変位する。
【００３３】
図示例による拘束条件変更手段によれば、アクチュエータ２０側寄りの支持部４１によって操作パネル１０の一端部が固定端の状態にあり、この支持部４１の反対側に配置された支持部４２が、操作パネル１０の他端部を固定端の状態又は自由端の状態のいずれかの状態とするための粘性流体を有する粘性流体支持部として構成されている（以下、「粘性流体支持部４２」という。）。
【００３４】
固定端の状態とは、アクチュエータ２０の加振により操作パネル１０が振動した場合でも、操作パネル１０の端部が自由に振動できない状態をいい、自由端の状態とは、アクチュエータ２０の加振により操作パネル１０が振動した場合でも、操作パネル１０の端部が自由に振動できる状態をいう。
【００３５】
粘性流体としては、例えば図示しない電極間に電圧を印加することで粘度を変化させる電気粘性流体（以下、「ＥＲ流体」という。）が用いられる。なお、電場の作用に基づいて粘度を変化させるＥＲ流体に代えて、例えば磁場の作用に基づいて粘度を変化させる磁気粘性流体（ＭＲ流体）を用いることも可能である。
【００３６】
ＥＲ流体は、電圧を印加した状態（オン状態）で固体の性質をもち、電圧を印加しない状態（オフ状態）でゲル状の性質をもつ物質であり、操作パネル１０の下面１２に配置された可撓性のシール部材に封入されている。ゲル状とは、ＥＲ流体が漏れ出ない程度に流動性を失った状態で、ある程度の強度を有することを、ここではいう。
【００３７】
粘性流体支持部４２は電極間に印加する電圧の大きさを制御することで、ＥＲ流体の粘度を固体化したり、あるいはゲル化したりすることができる。ＥＲ流体の粘度は、検出対象物のタッチ位置に応じて制御部３０から出力される駆動信号Ｓｃの電圧の大きさに基づき制御される。
【００３８】
ＥＲ流体の粘度がゲル化した状態にあるとき、電極間に電圧を印加すれば、操作パネル１０の両端部が自由端及び固定端によって拘束される拘束条件（以下、「自由端−固定端条件」という。）を、固定端及び固定端によって拘束される拘束条件（以下、「固定端−固定端条件」という。）に変更することができる。従って、アクチュエータ２０の加振時において、操作パネル１０の粘性流体支持部４２側の端部を自由に振動できない状態に設定することができる。
【００３９】
一方、ＥＲ流体の粘度が固体化した状態にあるとき、電極間に印加される電圧を停止することで、固定端−固定端条件を自由端−固定端条件に変更することができる。従って、アクチュエータ２０の加振時において、操作パネル１０の粘性流体支持部４２側の端部を自由に振動できる状態に設定することが可能となる。
【００４０】
ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）を参照すると、これらの図には、操作パネル１０の両端部を拘束する拘束条件を変化させたときの定常波の振動分布の一例が示されている。
【００４１】
図３（ａ）は、粘性流体支持部４２が固体化されており、操作パネル１０が固定端−固定端条件で拘束された状態を示している。この固定端−固定端条件下においては、アクチュエータ２０の加振により操作面１１に生成される定常波の節が粘性流体支持部４２の位置となるように設定される。
【００４２】
図３（ｂ）は、粘性流体支持部４２がゲル化されており、操作パネル１０が自由端−固定端条件で拘束された状態を示している。この自由端−固定端条件下では、アクチュエータ２０の加振により操作面１１に生成される定常波は、図３（ｃ）に示すように、９０°の位相差θをもってずらせて、定常波の腹が粘性流体支持部４２の位置となるように設定される。
【００４３】
ところで、アクチュエータ２０の加振時において、図３（ａ）に示すように、操作パネル１０が固定端−固定端条件にあって、検出対象物がタッチ位置Ｐ２からタッチ位置Ｐ１に近づいた場合は、タッチ位置Ｐ１が定常波の節の位置に相当するため、触感が想起されない。検出対象物の接触面積が定常波の振幅よりも小さい程、触感のバラつきを感じることになる。
【００４４】
そこで、操作パネル１０の固定端−固定端条件下において、検出対象物がタッチ位置Ｐ２からタッチ位置Ｐ１に近づいたならば、図３（ｂ）に示すように、ＥＲ流体の電圧をオフ状態とし、操作パネル１０の拘束条件を自由端−固定端条件に変更する。
【００４５】
この変更により、図３（ａ）に実線で示す固定端−固定端条件における定常波の位相は、図３（ｃ）に示すように、９０°ずれて、図３（ｂ）に破線で示す自由端−固定端条件における定常波の振動が操作パネル１０に発生する。固定端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置Ｐ１は、自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致することとなり、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。
【００４６】
一方、アクチュエータ２０の加振時において、図３（ｂ）に示すように、操作パネル１０が自由端−固定端条件にあって、検出対象物がタッチ位置Ｐ１からタッチ位置Ｐ２に近づいた場合は、ＥＲ流体の電圧をオン状態とする。ＥＲ流体の粘度が大きくなり、操作パネル１０の粘性流体支持部４２側が自由端から固定端に変更される。
【００４７】
操作パネル１０の粘性流体支持部４２側の拘束条件を変更することで、図３（ｂ）に破線で示す自由端−固定端条件における定常波の位相は、図３（ｃ）に示すように、９０°ずれて、図３（ａ）に実線で示す固定端−固定端条件における定常波の振動が操作パネル１０に発生する。自由端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置Ｐ２は、固定端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致することになる。これにより、触感の想起が継続するため、触覚のバラつきが回避される。
【００４８】
以上のように構成された拘束条件変更手段によると、操作面１１に対するタッチ位置Ｐ１，Ｐ２に応じて、操作パネル１０の両端部を拘束する拘束条件を変化させることで、アクチュエータ２０の加振により操作面１１に生成される定常波の振動分布を制御することができる。この制御により、操作パネル１０の操作面１１に生成される定常波の腹の位置をタッチ位置Ｐ１，Ｐ２に変位させることができる。
【００４９】
（ＥＲ流体の制御）
次に、図２、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図４を参照しながら、ＥＲ流体を制御する制御部３０の作用について説明する。
【００５０】
先ず、図４を参照すると、同図には、ＥＲ流体を制御する制御フローチャートの一例が示されている。以下の説明においては、操作パネル１０の操作態様の一例として、なぞり操作について説明するが、これに限定されるものではなく、タッチ操作や押圧操作等の他の操作にも適用できることは勿論である。
【００５１】
粘性流体支持部４２のＥＲ流体の電圧がオフ状態にあって、操作パネル１０が、図３（ｂ）に示すように、自由端−固定端条件に設定されている。いま、図４に示す制御フローチャートに従い、ＥＲ流体の制御を開始する。
【００５２】
ステップＳ１０１の処理において、操作指等の検出対象物が接触したときのタッチ検出信号Ｓｘに基づいて、操作パネル１０の操作面１１に対して操作が行われたか否かが判定される。操作が行われていないと判定された場合は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。もし、操作が行われたと判定された場合は、ステップＳ１０２の処理を行う。
【００５３】
ステップＳ１０２の処理において、アクチュエータ２０に駆動信号Ｓｄを印加することで、操作パネル１０の操作面１１に対して、図３（ｂ）に示す自由端−固定端条件における定常波の周波数ｆｎの振動を印加する。続いて、ステップＳ１０３の処理へ移る。
【００５４】
ステップＳ１０３の処理において、操作パネル１０のタッチ位置と振動の腹及び節の位置との組み合わせを対応付けたテーブルを参照して、取得した情報に基づき検出対象物のタッチ位置Ｐ１が図３（ｂ）の自由端−固定端条件における定常波の周波数ｆｎの腹の位置にあるか、あるいは周波数ｆｎの節の位置にあるかが判定される。検出対象物が定常波の周波数ｆｎの腹の位置にあると判定された場合は、ステップＳ１０５の処理に移行する。
【００５５】
ステップＳ１０５の処理において、操作パネル１０の操作面１１に対して、検出対象物による操作が継続しているか否かが判定される。検出対象物により操作が行われている場合は、ステップＳ１０２の処理に戻り、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３及びステップＳ１０５の処理を繰り返す。
【００５６】
もし、ステップＳ１０３の処理において、操作パネル１０のタッチ位置と振動の腹及び節の位置との組み合わせを対応付けたテーブルを参照して、取得した情報に基づき検出対象物のタッチ位置Ｐ１が図３（ｂ）の自由端−固定端条件における定常波の周波数ｆｎの腹の位置になく、節の位置に相当するタッチ位置Ｐ２に向けて操作が行われていると判定されたならば、ステップＳ１０４の処理を行う。
【００５７】
ステップＳ１０４の処理において、図３（ｂ）に示すように、検出対象物がタッチ位置Ｐ１からタッチ位置Ｐ２に近づく過程で、ＥＲ流体に駆動信号Ｓｃを印加することによりＥＲ流体の電圧をオン状態とする。これにより、操作パネル１０の拘束条件は、図３（ａ）に示す固定端−固定端条件に変更される。
【００５８】
この固定端−固定端条件における定常波の位置は、図３（ａ）に示すように、９０°の位相差をもって変位する。これにより、図３（ｂ）に示すタッチ位置Ｐ２は、図３（ａ）に示す自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致するため、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。
【００５９】
ステップＳ１０４の処理において、操作パネル１０が固定端−固定端条件に変更された後、検出対象物が図３（ａ）に示すタッチ位置Ｐ２からタッチ位置Ｐ１に向けて操作が行われていると判定されたならば、タッチ位置Ｐ２がタッチ位置Ｐ１に近づく過程で、ＥＲ流体の電圧をオフ状態とする。これにより、操作パネル１０の拘束条件が図３（ｂ）に示す自由端−固定端条件に設定される。
【００６０】
この自由端−固定端条件における定常波の位置は、図３（ｂ）に示すように、９０°の位相差をもって変位する。これにより、図３（ａ）に示す固定端−固定端条件における定常波の節の位置に相当するタッチ位置Ｐ１は、図３（ｂ）に示す自由端−固定端条件における定常波の腹の位置に一致するため、触感の想起が継続して触覚のバラつきが回避される。続いて、ステップＳ１０５の処理へ進む。
【００６１】
ステップＳ１０５の処理において、操作パネル１０の操作面１１に対して、検出対象物による操作が継続しているか否かが判定される。検出対象物により操作が行われている場合は、ステップＳ１０２の処理に戻り、ステップＳ１０２の処理からステップＳ１０５の処理を繰り返す。
【００６２】
もし、検出対象物により操作が行われていないと判定された場合は、ステップＳ１０６の処理へ移る。ステップＳ１０６の処理において、ＥＲ流体に電圧を印加した状態にあるならば、ＥＲ流体に印加する電圧を停止する。これにより、操作パネル１０の拘束条件が、図３（ｂ）に示すように、初期の自由端−固定端条件に戻る。以上の一連の制御手順により、全ての処理が終了する。
【００６３】
（実施の形態の効果）
以上のように構成された操作装置１によれば、上記効果に加えて以下の効果が得られる。
【００６４】
操作パネル１０を拘束する拘束条件を変化させて、アクチュエータ２０の加振により操作パネル１０の操作面１１に生成される定常波の位相をずらすことで、定常波の腹及び節の位置を変えることができる。これにより、超音波振動を活用した触感呈示の面内バラつきを低減することができるようになり、触感のバラつきを抑えることが可能となる。
【００６５】
［変形例］
本発明における操作装置１の代表的な構成例を実施の形態、変形例及び図示例を挙げて説明したが、次に示すような他の変形例も可能である。
【００６６】
アクチュエータ２０及び粘性流体支持部４２は、図５に示すように、操作パネル１０の隣り合うＸ方向及びＹ方向の二辺のそれぞれの中間部に二次元的に配置しても構わない。粘性流体支持部４２は、操作パネル１０の隣り合う二辺のうち、アクチュエータ２０と対向する二辺に沿って配置される。このアクチュエータ２０及び粘性流体支持部４２は、操作パネル１０のＸ方向又はＹ方向のいずれかの一方向だけに並列に配置してもよい。
【００６７】
操作装置１は、例えば使用目的などに応じて配置個数、配置位置や配置形態などを適宜に選択すればよく、本発明の初期の目的を達成することができる。
【００６８】
なお、操作装置１は、車載機器を遠隔操作するための入力装置として、車両のインストルメントパネル、ステアリングホイールやセンターコンソールなどの各種内装品に装着することができる。
【００６９】
また、操作装置１は、携帯電話機やカメラなどの各種の携帯情報端末装置の入力デバイスとして用いることができることは勿論である。
【００７０】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例及び図示例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例及び図示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点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００７１】
１…操作装置、１０…操作パネル、１１…操作面、１２…下面、２０…アクチュエータ、２１…振動板、２２…圧電素子、３０…制御部、４０…筐体、４１…支持部、４２…粘性流体支持部（支持部）、ｆｎ…共振周波数、Ｐ１，Ｐ２…タッチ位置、Ｓｃ，Ｓｄ…駆動信号、Ｓｘ…タッチ検出信号、θ…位相差
【図１】
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【図２】
2017049829.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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